JPH0950819A

JPH0950819A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH0950819A
Application number: JP7202943A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Enami; 義晶榎並
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】セパレータが有する燃料ガスおよび酸化剤ガス
を通流させる通流路の壁面に付着した水滴の除去を可能
とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。【構成】セパレータ１は、固体高分子電解質型燃料電池
に用いられている従来例のセパレータに対し、マニホー
ルドの使用を止めると共に、貫通穴８２５Ａ，８２６Ａ
を、酸化剤ガスを通流させる部分通流路である溝８２１
Ａに直接に連通させて形成している。また、セパレータ
１が複数有する溝８２１Ａの相互間は、溝８２１Ａと同
一の断面形状をした溝１１Ａによって、酸化剤ガス９８
の通流に関して互いに直列に接続されている。そうし
て、セパレータ１が有する貫通穴８２５Ｂ，８２６Ｂ
は、従来例と同様に図示しない熱媒を通流させる溝に連
通されているのであるが、これ等の熱媒通流用の溝は、
従来例のセパレータの場合とは異なり、貫通穴８２５Ｂ
と貫通穴８２６Ｂとの間に熱媒の通流に関して互いに直
列に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質型燃料電池に係わり、セパレータが有する燃料ガスお
よび酸化剤ガスを通流させる通流路を、通流路の壁面に
付着した水滴の除去を可能とするように改良したその構
造に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素と酸素とを利用して直流
電力を発生する一種の発電装置であり、すでによく知ら
れているとおり、他のエネルギー機関と比較して、電気
エネルギーへの変換効率が高く，しかも，炭酸ガスや窒
素酸化物等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、
いわゆるクリーン・エネルギー源として期待されてい
る。この燃料電池としては、使用される電解質の種類に
より、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融炭酸塩型，
固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られている。

【０００３】これ等の燃料電池の内、固体高分子電解質
型燃料電池は、分子中にプロトン（水素イオン）交換基
を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させると、低い電気
抵抗率を示してプロトン導電性電解質として機能するこ
とを利用した燃料電池である。分子中にプロトン交換基
を有する高分子樹脂膜（以降、固体高分子電解質膜また
は単にＰＥ膜と略称することがある。）としては、パ−
フルオロスルホン酸樹脂膜（例えば、米国のデュポン社
製、商品名ナフィオン膜）を代表とするフッ素系イオン
交換樹脂膜が現時点では著名であるが、この他に、炭化
水素系イオン交換樹脂膜、複合樹脂膜等が用いられてい
る。これ等の固体高分子電解質膜（ＰＥ膜）は、飽和に
含水されることにより、常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の
電気抵抗率を示し、いずれも、プロトン導電性電解質と
して機能する膜である。

【０００４】この種の装置として同じ出願人より出願さ
れた固体高分子電解質型燃料電池が、特開平６−９６７
７７号公報により公知となっている。以下に、この特開
平６−９６７７７号公報により公知となっている固体高
分子電解質型燃料電池の内容を基にして、従来例の固体
高分子電解質型燃料電池について説明する。まず、従来
例の固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料電池
を、図８，図９を用いて説明する。ここで、図８は、従
来例の固体高分子電解質型燃料電池が備える単位燃料電
池の要部を展開した状態で模式的に示してその上部側か
ら見た断面図であり、図９は、図８中に示したセパレー
タの図８におけるＰ矢方向から見た図である。

【０００５】図８，図９において、８は、燃料電池セル
７と、その両主面のそれぞれに対向させて配置されたセ
パレータ８１，８２などで構成された単位燃料電池（以
降、単電池と略称することがある。）である。燃料電池
セル７は、シート状の固体高分子電解質膜７Ｃと、シー
ト状の燃料電極膜（アノード極でもある。）７Ａと、シ
ート状の酸化剤電極膜（カソード極でもある。）７Ｂと
で構成されている。この燃料電池セル７は、燃料電極膜
７Ａに後記する燃料ガス９７の、また、酸化剤電極膜７
Ｂに後記する酸化剤ガス９８の供給をそれぞれ受けて、
後記する電気化学反応によって直流電力を発生する。固
体高分子電解質膜７Ｃには、前記のＰＥ膜が用いられて
いる。このＰＥ膜７Ｃは、０．１〔ｍｍ〕程度の厚さ寸
法と、電極膜７Ａ，７Ｂの面方向の外形寸法よりも大き
い面方向の外形寸法とを持つものであり、従って、電極
膜７Ａ，７Ｂの周辺部には、ＰＥ膜７Ｃの端部との間に
ＰＥ膜７Ｃの露出面が存在することになる。燃料電極膜
７Ａの外側面が，燃料電池セル７の一方の側面７ａであ
り、酸化剤電極膜７Ｂの外側面が，燃料電池セル７の他
方の側面７ｂである。

【０００６】燃料電極膜７Ａおよび酸化剤電極膜７Ｂは
共に、触媒活物質を含む触媒層と電極基材とを備えて構
成されており、前記の触媒層側でＰＥ膜７Ｃの両主面に
ホットプレスにより密着させるのが一般である。電極基
材は、触媒層を支持すると共に反応ガス（以降、燃料ガ
スと酸化剤ガスを総称してこのように言うことが有
る。）の供給および排出を行い、しかも、集電体として
の機能も有する多孔質のシート（使用材料としては、例
えば、カーボンペーパーが用いられる。）である。

【０００７】燃料電極膜７Ａ，酸化剤電極膜７Ｂに反応
ガスが供給されると、それぞれの電極膜７Ａ，７Ｂに備
えられた触媒層と、ＰＥ膜７Ｃとの界面に、気相（燃料
ガスまたは酸化剤ガス）・液相（固体高分子電解質）・
固相（燃料電極膜，酸化剤電極膜が持つ触媒）の三相界
面が形成され、電気化学反応を生じさせることで直流電
力を発生させている。なお、触媒層は多くの場合に、微
小な粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂と
から形成されており、しかも層内に多数の細孔が形成さ
れるようにすることで、反応ガスの三相界面までの効率
的な拡散を維持すると共に、十分広い面積の三相界面が
形成されるように構成されている。

【０００８】この三相界面では、次記する電気化学反応
が生じる。まず、燃料電極膜７Ａ側では「１式」による
電気化学反応が起こる。

【０００９】

【化１】

【００１０】また、酸化剤電極膜７Ｂ側では「２式」に
よる電気化学反応が起こる。

【００１１】

【化２】

【００１２】すなわち、これらの電気化学反応の結果、
燃料電極膜７Ａで生成されたＨ⁺イオン（プロトン）
は、ＰＥ膜７Ｃ中を酸化剤電極膜７Ｂに向かって移動
し、また、電子（ｅ^-）は、固体高分子電解質型燃料電
池の図示しない負荷装置を通って酸化剤電極膜７Ｂに移
動する。一方、酸化剤電極膜７Ｂでは、酸化剤ガス９８
中に含有される酸素と、ＰＥ膜７Ｃ中を燃料電極膜７Ａ
から移動してきたＨ⁺イオンと、負荷装置を通って移動
してきた電子とが反応し、Ｈ₂ Ｏ（水蒸気）が生成され
る。かくして、固体高分子電解質型燃料電池は、水素と
酸素とを得て直流電力を発生し、そうして、副生成物と
してＨ₂ Ｏ（水蒸気）を生成している。

【００１３】前記の機能を備える燃料電池セル７の厚さ
寸法は、多くの場合に１〔ｍｍ〕前後程度あるいはそれ
以下であり、燃料電池セル７においてＰＥ膜７Ｃは、燃
料ガス９７と酸化剤ガス９８との混合を防止するため
の、シール用膜の役目も兼ねていることになる。また、
セパレータ８１とセパレータ８２とは、燃料電池セル７
への反応ガスの供給と、余剰となった反応ガスの燃料電
池セル７からの排出、燃料電池セル７で発生された直流
電力の燃料電池セル７からの取り出し、直流電力の発生
に関連して燃料電池セル７で発生する熱を燃料電池セル
７から除去する役目などを担うものである。セパレータ
８１，８２は共に、ガスを透過せず，かつ、良好な熱伝
導性と良好な電気伝導性を備え、しかも、生成水を汚損
させることの無い材料（例えば、炭素系の材料，金属材
料が使用されている。）を用いて、同形の直方体状に製
作されている。そうして、セパレータ８１，８２は、燃
料電池セル７と対向し合う側面８１ａ，８２ａと、側面
８１ａ，８２ａと反対側の側面８１ｂ，８２ｂと、側面
８１ａ，８２ａのそれぞれから電極膜７Ａ，７Ｂの厚さ
寸法に見合う寸法だけ段差を設けて形成された，電極膜
７Ａ，７Ｂと対向し合う側面８１ｃ，８２ｃとを有して
いる。また、セパレータ８２について説明すると、側面
８２ａと側面８２ｂに対して直交し，しかも，互いに平
行する一対の端面８２ｄ，８２ｅを有している。セパレ
ータ８１も、端面８２ｄ，８２ｅと同様の端面を有して
いる。セパレータ８２は、その側面８２ｃを燃料電池セ
ル７の側面７ｂに，その側面８２ａをＰＥ膜７Ｃの露出
面にそれぞれ密接させて、また、セパレータ８１は、そ
の側面８１ｃを燃料電池セル７の側面７ａに，その側面
８１ａをＰＥ膜７Ｃの露出面にそれぞれ密接させて、そ
れぞれ燃料電池セル７を挟むようにして配設されてい
る。

【００１４】セパレータ８１，８２には、燃料電池セル
７に反応ガスの供給，排出を行うための通流路として、
燃料電池セル７と対向される側の面でもある側面８１
ｃ，８２ｃに沿って、しかも、前記の端面８２ｄ，８２
ｅ（セパレータ８２の場合）に直交される関係で、それ
ぞれのガスを通流させる部分通流路である凹状の溝が複
数個備えられている。すなわち、セパレータ８１は、燃
料電池セル７の側面７ａに接する側面８１ｃ側に沿っ
て、燃料ガス９７を通流させると共に，未消費の水素を
含む余剰となった燃料ガス９７を排出するための間隔を
設けて設けられた凹状の溝８１１Ａと、この溝８１１Ａ
間に介在する凸状の隔壁８１２Ａとが、互いに交互に形
成されている。セパレータ８２は、燃料電池セル７の側
面７ｂに接する側面８２ｃ側に沿って、酸化剤ガス９８
を通流させると共に，未消費の酸素を含む余剰となった
酸化剤ガス９８を排出するための間隔を設けて設けられ
た凹状の溝８２１Ａと、この溝８２１Ａ間に介在する凸
状の隔壁８２２Ａとが、互いに交互に形成されている。
なお、凸状の隔壁８１２Ａ，８２２Ａの頂部は、それぞ
れ、セパレータ８１，８２のそれぞれの側面８１ｃ，８
２ｃと同一面になるように形成されている。なお、セパ
レータ８１，８２の側面８１ａ，８２ａと側面８１ｃ，
８２ｃとは、電極膜７Ａ，７Ｂの周辺部の寸法に見合う
寸法を持つ縁部８１ｆ，８２ｆで接続されている。

【００１５】また、セパレータ８２に代表させて説明す
ると、セパレータ８２に形成されているそれぞれの溝８
２１Ａの両端部は、これ等の溝８２１Ａが互いに並列に
なって、マニホールド８２３Ａ，８２３Ａに連通されて
いる。それぞれのマニホールド８２３Ａは、凹状をした
溝状に形成されており、燃料ガス９７の通流面積に関し
て、溝８２１Ａが持つ通流面積よりも広い面積を有して
いる。このマニホールド８２３Ａ，８２３Ａの端部に
は、側面８２ｂに開口する１対の貫通穴８２５Ａ，８２
６Ａが形成されている。貫通穴８２５Ａは、セパレータ
８２における酸化剤ガス９８の流入口であり、貫通穴８
２６Ａは、セパレータ８２における酸化剤ガス９８の流
出口である。側面８２ａと側面８２ｂとを結んで、図９
中に示すように、貫通穴８２５Ａ，８２６Ａに対して、
互いにたすき掛けの位置関係となる部位に貫通穴８１７
Ａ，８１８Ａが形成されている。この貫通穴８１７Ａ，
８１８Ａは、セパレータ８２における燃料ガス９７を通
流させるための貫通穴である。

【００１６】このように構成されたセパレータ８２内を
通流する酸化剤ガス９８は、貫通穴８２５Ａからセパレ
ータ８２に流入してきて、一方のマニホールド８２３Ａ
を介して複数の溝８２１Ａに分配して通流し、他方のマ
ニホールド８２３Ａにおいて合流されて、貫通穴８２６
Ａから流出されることになる。この間、それぞれの溝８
２１Ａの酸化剤ガス９８の流入側と流出側とには、前記
の構成を持つマニホールド８２３Ａ，８２３Ａがそれぞ
れ形成されていることで、酸化剤ガス９８は、それぞれ
の溝８２１Ａに均等に分配されて通流されることになる
のである。

【００１７】その図示を省略したが、セパレータ８１に
も、セパレータ８２における貫通穴８２５Ａ，８２６Ａ
および貫通穴８１７Ａ，８１８Ａと同様の、溝８１１Ａ
に連通された燃料ガス９７の流入口，流出口となる貫通
穴と、この貫通穴に対してたすき掛けの位置関係となる
部位に酸化剤ガス９８を通流させるための貫通穴とが形
成されている。そうして、セパレータ８１，８２に形成
された，前記した溝８１１Ａ，８２１Ａの形状・寸法
は、反応ガスを溝８１１Ａ，８２１Ａに通流させる際に
発生する圧力降下値Δｐ_sの値が、溝８１１Ａ，８２１
Ａのそれぞれが持つ、水保持力ヘッドｐ_k（特開平６−
９６７７７号公報中に示されているもので、後記の「式
７」を参照のこと。）値よりも大きくなるように設定さ
れている。

【００１８】また、セパレータ８１，８２には、燃料電
池セル７で発生した熱を燃料電池セル７から除去するた
めの熱交換体として、熱媒９９を通流させる溝が備えら
れている。すなわち、セパレータ８２には、その側面８
２ｂ側に熱媒９９を通流させる凹状の溝８２１Ｂが形成
され、セパレータ８１にも、その側面８１ｂ側に熱媒９
９を通流させる凹状の溝８１１Ｂが形成されている。セ
パレータ８２に形成されている貫通穴８２５Ｂ，８２６
Ｂは、熱媒９９を通流させる貫通穴であり、溝８２１Ｂ
に連通されている。

【００１９】さらに、７３は、前記したガス通流路中を
通流する反応ガスが、ガス通流路外に漏れ出るのを防止
する役目を負う弾性材製のガスシール体（例えば、Ｏリ
ングである。）である。ガスシール体７３は、それぞれ
のセパレータ８１，８２の周縁部に形成された凹形状の
溝８１９，８２９内に収納されて装着されている。ま
た、セパレータ８１の側面８１ｂ，セパレータ８２の側
面８２ｂには、溝８１１Ｂ，８２１Ｂを取り巻いて、凹
形状の溝８１８Ｂ，８２８Ｂがそれぞれ形成されてい
る。これ等の凹形状の溝は、熱媒９９が漏れ出るのを防
止するための、弾性材製のシール体（例えば、Ｏリング
である。）を収納するためのものである。

【００２０】ところで公知のごとく、１個の燃料電池セ
ル７が発生する電圧は、１〔Ｖ〕程度以下と低い値であ
る。このため、前記の構成を持つ単電池８は、その複数
個（数十個から数百個であることが多い。）を、燃料電
池セル７の発生電圧が互いに直列接続されるように積層
した単電池の積層体として構成し、電圧を高めて実用に
供されるのが一般である。次に、この単電池の積層体で
ある固体高分子電解質型燃料電池の従来例について説明
する。

【００２１】図１０は、従来の一例の固体高分子電解質
型燃料電池を模式的に示した要部の構成図で，（ａ）は
その側面図であり、（ｂ）はその上面図であり、図１１
は、図１０におけるＱ部の詳細断面図である。図１０，
図１１において、図８，図９に示した単電池と同一部分
には同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図１
０，図１１中には、図８で付した符号については、代表
的な符号のみを記した。図１０，図１１において、９
は、複数（図１０では、単電池８の個数が８個である場
合を例示した。）の単電池８を積層して構成された，単
電池８の積層体を主体とする固体高分子電解質型燃料電
池（以降、スタックと略称することがある。）である。

【００２２】スタック９は、単電池８の積層体の両端部
に、単電池８で発生した直流電力をスタック９から取り
出すための，銅材等の導電材製の集電板９１，９１と、
単電池８，集電板９１を構造体から電気的に絶縁するた
めの電気絶縁材製の電気絶縁板９２，９２と、両電気絶
縁板９２の両外側面側に配設される鉄材等の金属製の加
圧板９３，９４とを順次積層して構成されている。そう
して、加圧板９３，９４にそれぞれの外側面側から複数
の締付けボルト９５により適度の加圧力を与えるように
している。

【００２３】図１１において、８２５Ａは、溝８２１Ａ
に連通している酸化剤ガス９８の流入口となる貫通穴で
あり、溝８２７Ａは、貫通穴８２５Ａの側面８２ｂへの
開口部を取り巻いて、酸化剤ガス９８がこの部位からガ
ス通流路外に漏れ出るのを防止する役目を負う弾性材製
のガスシール体（例えば、Ｏリングである。）９８２を
収納するための凹形状の溝である。集電板９１，電気絶
縁板９２，加圧板９３には、図１１中に示されているよ
うに、貫通穴８２５Ａと合致される部位に、貫通穴９１
１，９２１，および管用めねじ付きの貫通穴９３１がそ
れぞれ形成されている。また、集電板９１，電気絶縁板
９２，加圧板９３にはその図示を省略したが、溝８１１
Ａに連通している貫通穴（貫通穴８２５Ａと同様の貫通
穴である。）と合致される部位に、貫通穴９１１，９２
１と同様の貫通穴，および管用めねじ付きの貫通穴９３
１と同様の貫通穴９３２がそれぞれ形成されている。さ
らに、加圧板９４にも、貫通穴９３１，９３２と同様の
貫通穴９４１，９４２がそれぞれ形成されており、加圧
板９４と隣接されている電気絶縁板９２，集電板９１に
も、貫通穴９４１，９４２と合致される部位に、貫通穴
９２１，９１１と同様の貫通穴がそれぞれ形成されてい
る。

【００２４】これ等により、複数の単電池８を積層する
際に、全部の単電池８がそれぞれに持つ溝８２１Ａは酸
化剤ガス９８用のガス通流路に関して互いに連通される
ことになる。このことは燃料ガス９７用の溝８１１Ａに
関しても同様である。そうして、加圧板９４のスタック
９の外側面となる側面の貫通穴９４１には、燃料ガス９
７が供給され、貫通穴９４２からは、余剰分の酸化剤ガ
ス９８が排出される。また、加圧板９３のスタック９の
外側面となる側面の貫通穴９３１には、酸化剤ガス９８
が供給され、貫通穴９３２からは、余剰分の燃料ガス９
７が排出される。そうして、集電板９１の一方の側面の
貫通穴９１１の開口部、および、電気絶縁板９２が持つ
貫通穴９２１の一方の側面側の開口部には、それぞれの
貫通穴を取り巻いて、凹形状の溝９１２，９２２が形成
されている。これ等の溝８２７Ａ，９１２，９２２に
は、ガスシール体９８２が装着されている（図１１を参
照）。

【００２５】また、スタック９においては、複数の単電
池８を積層する際に、全部の単電池８がそれぞれに持つ
溝８１１Ｂ，８２１Ｂは、熱媒９９の通流に関して互い
に並列となるようにして、その熱媒９９の流入部（貫通
穴８２５Ｂなどである。）同志および流出部（貫通穴８
２６Ｂなどである。）同志が、互いに連通されて接続さ
れる。したがって、全部の単電池８がそれぞれに持つ溝
８１１Ｂ，８２１Ｂの熱媒９９の流入部は、熱媒９９の
通流路に関して連続させて接続されている。また同様
に、全部の溝８１１Ｂ，８２１Ｂの熱媒９９の流出部
は、熱媒９９の通流路に関して連続させて接続されてい
る。加圧板９４と加圧板９４に隣接している電気絶縁板
９２，集電板９１とには、前記の熱媒９９の流入部に連
通している明示しない貫通穴が形成されている。また、
加圧板９３と加圧板９３に隣接している電気絶縁板９
２，集電板９１とには、前記の熱媒９９の流出部に連通
している明示しない貫通穴が形成されている。これ等の
貫通穴の内、加圧板９３，９４に形成された貫通穴に
は、熱媒９９用の配管接続体９９１がそれぞれ装着され
ている。

【００２６】締付けボルト９５は、加圧板９３，９４に
跨がって装着される六角ボルト等であり、それぞれの締
付けボルト９５は、これ等と嵌め合わされる六角ナット
等と、安定した加圧力を与えるための皿ばね，ガス圧式
の加圧体等と協同して、単電池８をその積層方向に加圧
する。この締付けボルト９５が単電池８を加圧する加圧
力は、燃料電池セル７の見掛けの表面積あたりで、５
〔kg/cm²〕内外程度であるのが一般である。

【００２７】前述のように構成されたスタック９におい
て、燃料電池セル７に使用されているＰＥ膜７Ｃは、前
述したとおりに飽和に含水させることにより良好なプロ
トン導電性電解質として機能する膜であり、乾燥して含
水量が低下した場合には、その電気抵抗値が増大するこ
とでスタック９の発電性能は低下する。こうしたことの
発生を防止するために、燃料電池セル７に供給される反
応ガスは、適度の湿度値に加湿され、しかも、後記する
スタック９の運転温度に対応させた温度に加熱されてス
タック９に供給されている。

【００２８】ところで、ＰＥ膜７Ｃ部の温度，従って，
単電池８の温度は、発電運転時に燃料電池セル７で生成
される水分を円滑に蒸発させるなどのために、５０〜１
００〔℃〕程度の温度で使用されるのが一般である。ま
た、燃料電池セル７で行われる前記の「１式」，「２
式」で記述した電気化学反応は、発熱反応である。従っ
て、燃料電池セル７で「１式」，「２式」による電気化
学反応によって発電を行う際には、発生される直流電力
値とほぼ同等値の熱が発生することも避けられないもの
である。単電池８の温度を５０〜１００〔℃〕程度に維
持するためには、この損失による熱を燃料電池セル７か
ら除去する必要が有る。

【００２９】始動時におけるまだ低温のスタック９を５
０〜１００〔℃〕程度の温度に加熱したり、また、運転
時温度を５０〜１００〔℃〕程度の温度に維持するため
に，発電運転中のスタック９から発熱反応による発生し
た熱量を除去するのが、例えば、市水である熱媒９９の
主たる役目である。単電池８では、例えば、５０〜１０
０〔℃〕程度の温度に調整された熱媒９９が、セパレー
タ８１，８２に形成された溝８１１Ｂ，８２１Ｂ中を通
流することで、燃料電池セル７は、その適温に維持され
て運転されるのである。この熱媒９９は、この事例の場
合には、加圧板９４に装着された配管接続体９９１から
スタック９に流入し、加圧板９３に装着された配管接続
体９９１からスタック９の外部に流出されている。

【００３０】なおセパレータとして、一方の側面に燃料
ガス９７を通流させる溝８１１Ａを、また、他方の側面
に酸化剤ガス９８を通流させる溝８２１Ａを、それぞれ
形成するようにしたものも知られている。さらにまた、
単電池として、熱交換体としての熱媒９９を通流させる
溝が備えられていないセパレータを用い、その替わり
に、単電池の積層体中に、熱交換体としての専用の冷却
体を介挿するようにしたスタックも知られている。この
場合には、冷却体には適宜の配管を介して熱媒９９の供
給を行うことが一般である。

【００３１】従来例の固体高分子電解質型燃料電池が備
える単位燃料電池（単電池）として、図１２に示した構
成を持つ単電池も知られている。ここで、図１２は、従
来例の固体高分子電解質型燃料電池が備える異なる事例
の単位燃料電池の要部を展開した状態で模式的に示して
その上部側から見た断面図である。図１２において、図
８，図９に示した従来例による単位燃料電池と同一部分
には同じ符号を付し、その説明を省略する。

【００３２】図１２において、８Ａは、図８，図９に示
した従来例による単電池８に対して、セパレータ８１，
８２に替えて、セパレータ８３，８４を用いるようにし
た単電池である。セパレータ８４は、単電池８が持つセ
パレータ８２に対して、セパレータ本体部８４Ａと反応
ガス通流部８４Ｂとで構成されている。反応ガス通流部
８４Ｂは、ガスを透過することができ、かつ、良好な熱
伝導性と良好な電気伝導性を備え、しかも、生成水を汚
損させることの無い材料（例えば、多孔質の炭素系の材
料，金属材料が使用されている。）を用いて製作されて
いる。そうして、反応ガス通流部８４Ｂには、セパレー
タ８２が持つものと同一の，複数の溝８２１Ａ，隔壁８
２２Ａと、マニホールド８２３Ａ，８２３Ａとが形成さ
れており、反応ガス通流部８４Ｂをセパレータ本体部８
４Ａに組み込むことで、セパレータ８４は、セパレータ
８２の持つ機能を全て備えることになる。セパレータ８
３も、単電池８が持つセパレータ８１に対して、セパレ
ータ本体部８３Ａと、反応ガス通流部８４Ｂと同様の構
造を持つ反応ガス通流部８３Ｂとで構成され、反応ガス
通流部８３Ｂをセパレータ本体部８３Ａに組み込むこと
で、セパレータ８１の持つ機能を全て備えることにな
る。

【００３３】セパレータ８３，８４においては、反応ガ
スは、溝８１１Ａ，８２１Ａ中を通流しつつ、ガスの透
過性を持つ反応ガス通流部８３Ｂ，８４Ｂを透過して、
燃料電極膜７Ａと酸化剤電極膜７Ｂに供給されるのであ
る。その際、セパレータ８３，８４が電極膜７Ａ，７Ｂ
の外側面と接触し合う面である側面８１ｃ，８２ｃは、
隔壁８１２Ａ，８２２Ａの頂部でのみ接触するセパレー
タ８１，８２の場合とは異なり、電極膜７Ａ，７Ｂの全
側面と接触し合うことことが利点となっている。これに
より、電極膜７Ａ，７Ｂに発生する応力値を、局部的な
応力が発生することにななるセパレータ８１，８２を用
いる場合よりも低減することができるのである。この単
電池８Ａも、単電池８の場合と同様に、スタック９に組
み込まれて使用されている。

【００３４】前述の構成を持つスタック９では、前述の
とおりに発電の副生成物として水蒸気が生成されるが、
この水蒸気は反応ガスに含まれて、余剰となった反応ガ
スと共にスタック９から排出される。これにより、単電
池８，８Ａ内の反応ガスには、その通流方向に沿って含
まれる水蒸気量に、下流側となるほど多量となるような
分布が生じることとなる。このために、反応ガスを飽和
に近く加湿してスタック９に供給した場合などでは、溝
８１１Ａ，８２１Ａ中を通流する反応ガスでは、反応ガ
スの流出口（貫通穴８２６Ａなどである。）に近くなる
と、過飽和な水蒸気が含まれることが有り得ることにな
る。そうしてこの場合には、流出口近くの反応ガス中に
は過飽和に相当する水蒸気が凝縮して、液状の凝縮水が
存在することとなる。この凝縮水の存在は、反応ガスの
通流を阻害することになって、燃料電池セル７への反応
ガスの供給量が不足し、燃料電池セル７の発電能力の低
下を招くことになる。これを解消するためには、単電池
８，８Ａ内から凝縮水を速やかに排出することが肝要と
なる。

【００３５】凝縮水を単電池（単電池８，８Ａなどであ
る。）内から排出する方法としては、次記の方法が有
る。毛管力による吸い出し。単電池の発熱を利用しての蒸発。反応ガスの圧力を利用して押し出し。

【００３６】前記の項による方法は、反応ガスとして
水素と酸素とを用いる初期の宇宙用燃料電池に用いられ
た。前記の項による方法は、例えば、同じ出願人より
出願された，特願平６−２４５８１３号による固体高分
子電解質型燃料電池の運転方法に開示されている方法で
ある。この方法は、単電池の運転温度を高めるか、単電
池に供給する反応ガスの加湿度を低くすることで、凝縮
水が単電池内に生成されることを防止する方法である
が、その欠点は、ＰＥ膜が乾燥されるのを防ぎつつ水が
適度に蒸発するようにするために、微妙な温度・湿度の
管理・調整が必要になることである。前記の項による
方法は、反応ガスを通流させる通流路（溝８１１Ａ，溝
８２１Ａなどである。）中を通流する反応ガスに発生す
る圧力降下を用いて、凝縮水を通流路から押し出して排
出する方法である。圧力降下値は、反応ガス通流路の断
面寸法，長さ寸法と反応ガスの流量によって定まり、圧
力降下値が大きいほど、凝縮水を排出する能力が増大さ
れる。この発明は、この項による方法に属するもので
あるから、以下に、この方法についてさらに説明を続け
る。

【００３７】一般的な事例として、互いに並列に接続さ
れた複数の管路のそれぞれに、気体が互いに平行して通
流されている場合を考えることにする。そうして、この
中の１本が水によって閉塞された場合を考える。この場
合には、管路を閉塞している水に働く力は、毛管力，
気体から受ける圧力（前記の圧力降下値に等し
い。），重力の３種類が有る。項の毛管力ｆ₁は、
公知のごとく、水の表面張力σと、水と管路の壁との間
の接触角φによって定まり、管路の半径がｒのときは、
次記の「式３」で表すことができる。項の気体から受
ける圧力に基づき水に働く力ｆ₂は、気体の圧力降下値
がΔｐ_sである場合には、管路の断面積をＳと置くと、
公知のごとく、次記の「式４」で表すことができる。ま
た、項の重力に基づき水に働く力ｆ₃は、管路中に滞
留している水の高さ寸法がｈで、気体の通流方向が重力
の働く方向に対してなす角度がθである場合には、水の
密度をρ _wとし、重力の加速度をｇと置くと、公知のご
とく、次記の「式５」で表わすことができる。毛管力ｆ
₁は管径に比例して大きくなるのであるが、重力に基づ
き水に働く力ｆ₃が管径の２乗に比例して大きくなるの
で、一般に毛管現象と呼ばれる水の吸い上げ現象は、管
径が小さいほど顕著に現れることになる。

【００３８】

【数１】ｆ₁＝２πｒσ・ｃｏｓφ ………………… （３）

【００３９】

【数２】ｆ₂＝ＳΔｐ_s …………………… （４）

【００４０】

【数３】ｆ₃＝ρ_wｇｈπｒ²・ｃｏｓθ ………… （５）管路を閉塞している水に働く力は、ｆ₁，ｆ₂およびｆ
₃が総合されたものであり、この水が排出される条件
は、（ｆ₁−ｆ₃）＜ｆ₂となることであるから、次記
の「式６」で表わすことができる。

【００４１】

【数４】

【００４２】管路を閉塞している水の排出を容易にする
ために管路がとるべき姿勢に関しては、「式６」からｃ
ｏｓθ≒１になるようにすること、すなわち、θを零
〔度〕に設定することが好ましいことになる。前述のス
タック９の構成を、反応ガスが図１０（ａ）中に矢印で
示したごとくに、それぞれのセパレータ８１，８２（セ
パレータ８３，８４の場合も同様である。）に形成され
たガス通流用の溝８１１Ａ，８２１Ａ中を、その供給側
を重力方向に関して上側に、その排出側を重力方向に関
して下側になるように配置したのはこの理由に基づいて
いるのである。

【００４３】なお、前記した水保持力ヘッドｐ_kは、こ
の発明においては、前記の「式３」と「式５」で定義さ
れたｆ₁とｆ₃とを用いて、「式７」によって示せるも
のである。

【００４４】

【数５】ｐ_k＝ｆ₁−ｆ₃ …………………………… （７）

【００４５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池（スタック）において
は、例えば、前述のスタック９では、セパレータ８１，
８２などが持つ溝８１１Ａ，８２１Ａで発生する圧力降
下値Δｐ_sの値が、溝８１１Ａ，８２１Ａのそれぞれが
持つ水保持力ヘッドｐ_k値よりも大きくなるように設定
し、かつ、溝８１１Ａ，８２１Ａ形状および反応ガスの
流量を、前記の「式６」による関係が満足されるように
すると共に、溝８１１Ａ，８２１Ａに対して、重力方向
に関して上側から反応ガスが流入され、重力方向に関し
て下側から反応ガスが流出されるようにしているので、
多くの場合に、反応ガスの温度・湿度を微妙に管理・調
整することなく、スタック９の運転を行うことができて
いる。

【００４６】しかしながら、次記する問題が新たに見出
されている。これは、セパレータ８１，８２の場合のご
とく、複数の溝８１１Ａ，８２１Ａのそれぞれに反応ガ
スが互いに平行して通流されている場合において、溝８
１１Ａ，８２１Ａのそれぞれに通流される反応ガスの流
量を均等化するためには、全ての溝８１１Ａ，８２１Ａ
の壁面に付着された水滴も除去することが必要であると
いうことである。壁面に付着された水滴の存在は、反応
ガスに対する溝８１１Ａ，８２１Ａの実効通流面積が減
少されることであり、一部の溝８１１Ａ，８２１Ａの壁
面に水滴が付着されていることは、その溝の反応ガスの
実効通流面積が減少されることになるので、反応ガスの
流量の均等化が阻害されるのである。

【００４７】この水滴は、過飽和水蒸気が凝縮された際
などに、壁面に付着されて生成された水滴などである。
そうして次記するように、スタック９などの従来技術に
よる構成においては、溝８１１Ａ，８２１Ａを完全に閉
塞する凝縮水に対してはこれを除去できるのであるが、
壁面に付着された前記の水滴を除去することはできない
ことが明らかにされてきたのである。このために、壁面
に水滴が付着された溝では、壁面に水滴が付着されてい
ない溝と比較して反応ガスの流量が低減されることにな
り、壁面に水滴が付着された溝に関しては、例えば燃料
ガス９７に対する水素利用率値が、該当するセパレータ
における平均の水素利用率値に対して上昇することにな
るのである。そうして水素利用率値の上昇は、公知のご
とく、燃料電池セルにとっては、その発電電圧値が低下
することである。この結果、従来例のスタック９（また
は、これに用いられた単電池８）では、後記する図２中
に点線で示したごとく、低い電流密度値において、限界
値である０．２〔Ｖ〕の発電電圧値にまで低下してしま
うのである。

【００４８】ところで、溝８１１Ａ，８２１Ａの壁面に
付着された水滴を除去しようとする場合には、溝８１１
Ａ，８２１Ａは凝縮水によっては閉塞されていないの
で、前記の「式４」に従うｆ₂は存在し得ないことにな
る。この水滴の除去に対して有効であるのは、前記の
「式５」に従うｆ₃と、溝８１１Ａ，８２１Ａ内を通流
する反応ガスに生じている公知の動圧Δｐ_uである。

【００４９】反応ガスの通流路の断面形状が円形である
場合を例にとると、円形管の場合の動圧Δｐ_uは、公知
のごとく次記の「式８」で表わすことができる。

【００５０】

【数６】 Δｐ_u＝（λｌ／ｄ）（ρ_gｕ²／２）………（８）ここで、λは管の摩擦係数、ｌは管路の長さ、ｄは円形
管の直径、ρ_gは反応ガスの密度、ｕは反応ガスの流速
である。反応ガスの通流路の断面形状が長方形である場
合には、長方形の長辺の長さをａ、長方形の短辺の長さ
をｂとすると、「式８」におけるｄとして、次記の「式
９」で表わされた相当直径ｄを用いることで、「式８」
をそのまま用いることができる。

【００５１】

【数７】ｄ＝４ａｂ／〔２（ａ＋ｂ）〕 …………… （９） λに関しては、管路中を通流する反応ガスが層流状態に
在る場合には、νを反応ガスの動粘性係数とするとき、
λは、公知のごとく次記の「式１０」で表わすことがで
きる。

【００５２】

【数８】 λ＝６４／Ｒｅ＝６４ν／（ｕｄ） …… （１０）「式１０」を「式８」に代入して、動圧Δｐ_uの関係式
を、円形管に関して「式１１」に示すごとくに得ること
ができる。また、「式１１」を長方形の断面形状を持つ
反応ガスの通流路に対応させて変換して、「式１２」を
得ることができる。

【００５３】

【数９】 Δｐ_u＝３２νρ_gｕ（ｌ／ｄ²） …… （１１）

【００５４】

【数１０】 Δｐ_u＝８πνρ_gｌ（ｕ／Ｓ） …… （１２）「式１１」，「式１２」から明らかなように、反応ガス
が層流状態で管路中を通流する場合には、発生される動
圧Δｐ_uは、反応ガスの流速と管路長とに比例し、管径
の２乗または管路の断面積に反比例する。溝８１１Ａ，
８２１Ａ内を通流する反応ガスは、ほとんどの場合に層
流状態であるので「式１１」，「式１２」が成立する。
このとき、壁面に付着された水滴を除去すべく動圧Δｐ
_uの値を増大させる方法としては、次記の３通りが考え
られる。

【００５５】反応ガスの流速ｕを増大する。管路長ｌを長くする。管路の相当直径ｄを短くする。（すなわち管路の断面
積Ｓを小さくする。）前記の項の流速ｕを増大する方法は、反応ガスの供給
量を増大するか、前記の項による管路の相当直径ｄを
短くすることで、実現することが可能である。固体高分
子電解質型燃料電池（スタック）においては、供給され
る反応ガスの供給量は、スタックの発電効率に密接な関
係が有り、反応ガスの供給量が多くなるほど発電効率が
低下するので、反応ガスの供給量を増大する方法は好ま
しくない。また、前記の項の管路長ｌを長くする方法
では、従来の技術においては、長方形をした電極膜の長
辺の寸法がその限界長さとなっていた。これは、凝縮水
によって溝８１１Ａ，８２１Ａが閉塞されることを回避
するための前述した従来の対処方法に由来するものであ
り、凝縮水が溝８１１Ａ，８２１Ａ中を重力によって自
然落下することを可能にするためである。一定の電極膜
面積においては、電極膜の形状を細長くすることで、あ
る程度の管路長ｌの増大を図り得たとしても、大きな増
加量を得るには限度が有る。

【００５６】以上のことから、動圧Δｐ_uの値を増大さ
せる方法としては、多くの場合に、前記の項による方
法が採用されてきている。この方法は同時に流速ｕを増
大できる効果も有る。溝８１１Ａ，８２１Ａの幅寸法や
深さ寸法を小さくすることで、管路の断面積Ｓを小さく
することはできる。しかし、この場合に流速ｕの増大に
関する制約条件になる事項として、互いに並列に接続さ
れた複数の溝８１１Ａ，８２１Ａのそれぞれに，反応ガ
スをいかに均等に分配して通流させることができるかと
いうことがある。すなわち、溝８１１Ａ，８２１Ａの幅
寸法や深さ寸法を小さくするに従って、加工誤差が原因
となって各溝間での断面積Ｓ値がばらつくことになり、
溝毎に分配される反応ガスが不均一となって、前述した
ところと同様の理由で燃料電池セル７の発電性能が低下
することになるからである。このために、反応ガスの均
等分配に関しては溝８１１Ａ，８２１Ａの断面積Ｓは大
きいことが望ましく、動圧Δｐ_u値を増大させる観点か
らだけの対処を押し進めることができないのである。

【００５７】こうした制約が有るために、例えば、セパ
レータ８１，８２のごとき、従来技術によるスタックが
有するセパレータの構造であっては、溝８１１Ａ，８２
１Ａを完全に閉塞した凝縮水を除去するのに十分な値
の、すなわち、前記の「式７」による水保持力ヘッドｐ
_k値を十分に越える値の圧力降下Δｐ_sを発生すること
ができても、全ての溝８１１Ａ，８２１Ａの壁面に付着
された水滴を除去することが可能な十分な値の動圧Δｐ
_u値が得られるほどには、反応ガスの流速を大きくする
ことが不可能であることが明らかになったのである。

【００５８】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、セパレータが有す
る燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させる通流路の壁面
に付着した水滴の除去を可能とする固体高分子電解質型
燃料電池を提供することにある。

【００５９】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、１）シート状の固体高分子電解質材の電解質膜と，その
両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜および酸化剤
電極膜とを有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受
けて直流電力を発生する燃料電池セルと、燃料電池セル
の両主面のそれぞれに対向させて配置されたセパレータ
とを備え、セパレータは、燃料電池セルに供給される前
記のガスがセパレータに流入される流入口と、前記のガ
スがセパレータから流出される流出口と、セパレータの
燃料電池セルと対向される側の面に沿って形成されて前
記のガスを通流させると共に，前記の流入口および流出
口に連通された通流路とを有し、この通流路は、前記の
ガスを通流路に通流させる際に発生する圧力降下値が、
通流路が持つ水保持力ヘッド値よりも大きくなるように
設定されてなる、固体高分子電解質型燃料電池（スタッ
ク）において、セパレータは、燃料電池セルに対向する
面に対してほぼ直交し，しかも，互いにほぼ平行する一
対の端面を有し、前記の通流路はこの端面にほぼ直交さ
れる関係で複数が互いにほぼ平行されて形成された部分
通流路を主体として形成され、これ等の部分通流路を、
前記のガスの通流に関して互いに直列に接続された部分
を有して前記の流入口および流出口に連通されてなる構
成とすることにより、達成される。

【００６０】そうして、この構成とすることにより、ス
タックに供給される反応ガスの量を同一とした条件にお
いては、通流路の断面積を同一のままでｎ本の通流路を
直列に接続したとすれば、通流路の長さ（前記の「式
８」における管路長さｌである。）と、通流路内の反応
ガスの流速ｕが共にｎ倍になる。このことから前記の
「式１１」，「式１２」を用いると、動圧Δｐ_uをｎ²
倍にできることになる。

【００６１】また、前記において、反応ガスの量を同一
のままで通流路の断面積をｎ^1/2倍にしたとしても、
「式１１」，「式１２」からΔｐ_uをｎ倍にすることが
でき、かつ、流速ｕをｎ^1/2倍にすることができること
になる。このように、この発明を適用することで、通流
路の断面積Ｓ，反応ガスの流速ｕおよび動圧Δｐ_uを同
時に増大することが可能となるのである。

【００６２】２）また、前記１項に記載の手段におい
て、セパレータが有する複数の部分通流路を、燃料電池
セルに供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスがセパレー
タに流入される流入口と，前記のガスがセパレータから
流出される流出口との間に、その全てが互いに直列に接
続されて連通されてなる構成とすることにより、達成さ
れる。

【００６３】そうして、この構成とすることにより、前
記１項による作用と同一の作用を得ることが可能である
と共に、全ての部分通流路は反応ガスの通流に関して直
列に接続されているので、個々の部分通流路に断面積の
不同が存在したとしても、反応ガスは全ての部分通流路
に均等に通流することが可能となるのである。３）また、前記１項に記載の手段において、セパレータ
が有する複数の部分通流路は、燃料電池セルに供給され
る燃料ガスおよび酸化剤ガスがセパレータに流入される
流入口と，前記のガスがセパレータから流出される流出
口との間に、その一部の複数が互いに直列に接続された
直列接続群を複数形成し、この部分通流路の直列接続群
は、互いに並列となる相互関係とされて、流入口と流出
口とにそれぞれ連通されてなる構成とすることにより達
成される。

【００６４】そうして、この構成とすることにより、前
記１項による作用と同一の作用を得ることが可能である
と共に、広い面積の電極膜を有するために、前記２項に
よる構成としたのでは、前記のガスを供給するための圧
力が過大となる場合などに適用して有用な構成である。４）また、シート状の固体高分子電解質材の電解質膜
と，その両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜およ
び酸化剤電極膜とを有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスの
供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セルと、燃料
電池セルの両主面のそれぞれに対向させて配置されたセ
パレータとを備え、セパレータは、燃料電池セルに供給
される前記のガスがセパレータに流入される流入口と、
前記のガスがセパレータから流出される流出口と、セパ
レータの燃料電池セルと対向される側の面に沿って形成
されて前記のガスを通流させると共に，前記の流入口お
よび流出口に連通された通流路とを有し、この通流路
は、前記のガスを通流路に通流させる際に発生する圧力
降下値が、通流路が持つ水保持力ヘッド値よりも大きく
なるように設定されてなる、固体高分子電解質型燃料電
池において、セパレータが有する通流路を、流入口およ
び流出口の内の一方を囲むようにして，しかも，前記の
ガスの通流に関して連続させて形成し、この通流路の一
方の端部を、流入口および流出口の内の一方に接続し、
この通流路の他方の端部を、通流路が形成された領域の
外側に形成された流入口および流出口の内の他方に接続
されてなる構成とすることにより、達成される。

【００６５】前記１項〜３項で記述した作用は、その作
用が生じ得た理由から、前記１項〜３項による構成を持
つ通流路のみに限って得られるものでは無い。前記１項
〜３項による構成によらない構成を持つ通流路を対象と
して前記１項，２項で記述した作用を得ることで、この
発明の前述の目的を達成しようとするのが、この４項に
よる手段である。

【００６６】５）さらにまた、前記４項に記載の手段に
おいて、セパレータは、燃料電池セルに供給される燃料
ガスおよび酸化剤ガスがセパレータに流入される流入口
を通流路が形成された領域の外側に形成し、前記のガス
がセパレータから流出される流出口を通流路が形成され
た領域の中央部に形成してなる構成とすることにより、
達成される。

【００６７】そうして、この構成の場合においては、セ
パレータ内を通流する前記のガスは、同一の単位燃料電
池内においては相対的に温度が高くなる内部に入りなが
ら通流し、相対的に最も高温となる単位燃料電池の中心
部の付近から排出されることになる。このために、この
構成とすることにより、前記１項，２項，４項による作
用と同一の作用を得ることが可能であると共に、前記の
ガスが通流しつつ順次昇温されることで、過飽和になる
ことによる凝縮水の生成度合を低減することも可能とな
るのである。

【００６８】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。実施例１；図１は、請求項１，２に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセ
パレータの要部を模式的に示して前記の図９の場合と同
一の方向から見た図である。図１において、図８，図９
に示した従来例による固体高分子電解質型燃料電池が備
えるセパレータと同一部分には同じ符号を付し、その説
明を省略する。なお、図１中には、図８，図９で付した
符号については、代表的な符号のみを記した。なおま
た、図１中には、図８，図９中に示されているガスシー
ル体７３を収納するための溝８２９は、その図示が省略
されている。このことは、後記される図３〜図７につい
ても同様であることを予め付記しておく。

【００６９】図１において、１は、図８，図９に示した
従来例によるセパレータ８２に対して、マニホールド８
２３Ａの使用を止め、貫通穴８２５Ａ，８２６Ａを図示
のごとくに直接に、酸化剤ガス９８（図示を省略し
た。）を通流させる部分通流路である凹状の溝８２１Ａ
に連通させて形成したセパレータである。セパレータ１
が複数有する溝８２１Ａの相互間は、溝８２１Ａと同一
の断面形状をした溝１１Ａによって、酸化剤ガス９８の
通流に関して互いに直列に接続されている。セパレータ
１が有する貫通穴８２５Ｂ，８２６Ｂは、図示を省略し
た溝８２１Ｂに連通されているのであるが、これ等のセ
パレータ１が複数有する溝８２１Ｂは、従来例のセパレ
ータ８２の場合とは異なり、貫通穴８２５Ｂと貫通穴８
２６Ｂとの間に、熱媒９９の通流に関して互いに直列に
接続されている。

【００７０】この溝間の相互接続に関しては、セパレー
タ１における溝８２１Ａの相互接続関係と同様である。
なお、燃料ガス９７を通流させる，従来例のセパレータ
８１に対応するこの発明になるセパレータは、その図示
を省略したが、セパレータ１と基本的に同形である。そ
うして、この燃料ガス９７を通流させるセパレータは、
貫通穴８２５Ｂ，８２６Ｂと、これに連通される熱媒９
９を通流させる通流路が、セパレータ１の場合に対して
面対称となる部位に形成されることのみが異なることに
なる。

【００７１】これ等のセパレータは、その図示を省略し
た燃料電池セル７と組み合わされて、この発明になるそ
の図示を省略した単位燃料電池（単電池）を構成し、さ
らに、この単電池の複数個を積層することによって、こ
の発明になるその図示を省略した固体高分子電解質型燃
料電池（スタック）を構成することは、従来例のセパレ
ータ８１，８２などを用いた，従来例の単電池８，従来
例のスタック９などの場合と同様である。

【００７２】そうして、セパレータ１では、従来例と同
一の５０〔ｃｍ²〕の電極面積を持つ図示を省略した酸
化剤電極膜７Ｂに対して、１．４〔Ｎｒｍ³／ｍｉｎ〕
の酸化剤ガス９８としての空気を供給する。酸化剤電極
膜７Ｂの外形寸法は、７１〔ｍｍ〕×７１〔ｍｍ〕、溝
８２１Ａの断面寸法は、幅が２．０〔ｍｍ〕，深さが
１．２〔ｍｍ〕で、従来例のセパレータ８２が持つ溝８
２１Ａよりもその断面積が増大されている。セパレータ
１が持つ溝８２１Ａの本数は従来例と同一の２２本であ
り、溝１１Ａを含むその総延長は１．６〔ｍ〕である。
前記の空気は、溝８２１Ａ，１１Ａ中を１５〔ｍ／ｓ〕
という従来例の場合よりも高速の流速で通流するので、
約５〔ｋＰａ〕の動圧Δｐ_uが得られている。

【００７３】セパレータ１と組み合わされて図示を省略
した燃料ガス９７を通流させる，その図示を省略したセ
パレータは、酸化剤電極膜７Ｂと同様の５０〔ｃｍ²〕
の電極面積を持つ，図示を省略した燃料電極膜７Ａに対
して、０．１７〔Ｎｒｍ³／ｍｉｎ〕の燃料ガス９７と
しての純水素を供給する。燃料電極膜７Ａの外形寸法
も、酸化剤電極膜７Ｂと同一の７１〔ｍｍ〕×７１〔ｍ
ｍ〕であり、燃料ガス９７を通流させる溝８１１Ａ（図
示を省略した。）の断面寸法は、幅が２．０〔ｍｍ〕，
深さが０．６〔ｍｍ〕であり、セパレータ１が持つ溝８
２１Ａよりもその深さは浅くしている。前記の純水素
は、溝８１１Ａと、溝８１１Ａの相互間を接続する溝１
１Ａと同様の溝との中を３〔ｍ／ｓ〕の流速で通流する
ことで、約１．６〔ｋＰａ〕の動圧Δｐ_uが得られる。
この値は、セパレータ１における空気に関する値より
も、流速，動圧の両者とも小さい値ではあるが、燃料電
池セル７で水分が生成されるのは、前記の「２式」で示
されているように、主として酸化剤電極膜７Ｂ側である
こと、および、水素濃度が十分に高いことから、全く問
題とはならないのである。

【００７４】前記の構成を持つセパレータを備えたこの
発明になるスタックは、２２本の全ての溝８１１Ａ，８
２１Ａが反応ガスの通流に関して直列に接続されてい
る。このことにより、まず、反応ガスの通流路の長さ
（前記の「式８」における管路長さｌである。）と、通
流路内の反応ガスの流速が共に増大される。これによ
り、前記の「式１２」から動圧Δｐ_uを大幅に増大でき
る（因みに、従来例の場合の一般的な動圧Δｐ_uの値
は、０．０４〔ｋＰａ〕程度である。）ことで、通流路
の壁面に付着された水滴をこの大きな動圧Δｐ_uによっ
て除去することが可能となる。したがって、従来例にお
いて存在していた壁面に水滴が付着されることで反応ガ
スの通流路の実効通流面積が減少されるという問題が解
消されることになる。

【００７５】また、酸化剤ガス９８の全ての溝８２１Ａ
が直列に接続されていることで、これ等の溝には同一流
量の反応ガスが通流される（燃料ガス９７に対する溝８
１１Ａに関しても溝８２１Ａの場合と全く同一であ
る。）。これにより、個々のこれ等の溝に加工精度，壁
面への水滴の付着などが原因で反応ガスの通流断面積の
不同が存在していたとしても、従来例において存在して
いた，個々の溝に対する反応ガスの不均等な分配という
問題も解消されることになるのである。さらにまた、反
応ガスが分路されないことで、反応ガスの通流路の断面
寸法を増大したとしても、反応ガスの流速として所望の
大きな値が得られるので、反応ガスの通流路の断面寸法
に関する加工精度の問題が軽減されることにもなるので
ある。

【００７６】これ等の結果、前記の構成を持つセパレー
タを備えたこの発明になる単電池では、その発生電圧値
を図２に示すごとくに向上させることができるのであ
る。ここで図２は、実施例１によるこの発明になる固体
高分子電解質型燃料電池の単位燃料電池の発電電圧の測
定例を、従来例の場合と比較して示すグラフである。図
２において、実線は、実施例１による場合を示し、点線
は、従来例の単電池８の場合を示している。なおこの測
定は、両者共、水素利用率が８０〔％〕，空気利用率が
２０〔％〕，水素および空気の供給圧力は共に０．１
〔ＭＰａ〕の条件で実施されたものである。図２におい
て、従来例の場合には、一部の溝８１１Ａ，８２１Ａの
壁面に水滴が付着されることで、これ等の溝に通流する
反応ガスの分配が不均等になるために、低い電流密度値
で限界値である０．２〔Ｖ〕の発電電圧値に低下してい
る。これに対してこの発明の場合には、前記したところ
により反応ガスの不均等分配が発生しないので、その発
電電圧値が限界値である０．２〔Ｖ〕となる点の電流密
度値を増大することができているのである。

【００７７】なおまた、前記の構成を持つセパレータを
備えたこの発明になるスタックは、前記したように溝８
１１Ａ，８２１Ａの壁面に付着された水滴を除去できる
ので、当然のことながら前記の「式７」による水保持力
ヘッドｐ_k値を越えたΔｐ_s値が得られるので、溝８１
１Ａ，８２１Ａ内に前述の凝縮水が滞留されるというこ
とは発生しない。したがって、このスタックでは、従来
例のスタック９などが行っていた、溝８１１Ａ，８２１
Ａを重力方向に沿って配置しなければならないという制
約を課されることは無くなることになる。このために、
このスタックでは、いかなる姿勢で設置されても何等支
障は無く、例えば、単電池の積層方向を重力方向に沿っ
て配置しても良いものである。これによって、スタック
の設置面積を縮小することも可能となるのである。

【００７８】実施例２；図３は、請求項１，２に対応す
るこの発明の異なる実施例による固体高分子電解質型燃
料電池が備えるセパレータの要部を模式的に示して前記
の図９の場合と同一の方向から見た図である。図３にお
いて、図１に示した請求項１，２に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセ
パレータ、および、図８，図９に示した従来例による固
体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータと同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。なお、図
３中には、図８，図９で付した符号については、代表的
な符号のみを記した。

【００７９】図３において、２は、図１に示したこの発
明によるセパレータ１に対して、貫通穴８２５Ａ，８２
６Ａ，８２７Ａ，８２８Ａ，８２５Ｂおよび８２６Ｂ
（これ等の６個の貫通穴を総称して実施例２の説明のな
かでは、以降、前記の貫通穴８２５Ａ等と記すことにす
る。）が形成される位置などを変更したセパレータであ
る。セパレータ１における貫通穴８２５Ａ，８２６Ａ，
８２７Ａ，８２８Ａの形成位置は、従来例のセパレータ
８２などにおける貫通穴８２５Ａ，８２６Ａ，８２７
Ａ，８２８Ａの形成位置を踏襲したものである。そうし
て、従来例のセパレータ８２などにおける貫通穴８２５
Ａ，８２６Ａ，８２７Ａ，８２８Ａの形成位置は、マニ
ホールド８２３Ａを介して行う各溝８１１Ａ，８２１Ａ
への反応ガスの分配を均等化するための必要性から定め
られたものである。

【００８０】しかしながら、マニホールド８２３Ａを使
用しないこの発明になるセパレータにおいては、貫通穴
８２５Ａ，８２６Ａ，８２７Ａ，８２８Ａの形成位置の
いかんに関わらず、実施例１において説明した，個々の
溝に対する反応ガスの不均等な分配の問題が解消される
という特長は維持できるものである。セパレータ２にお
けるこれ等の貫通穴の形成位置の見直しは、このことに
着目して行われたものである。すなわち、セパレータ２
においては、図１と図３とを対比することで確認できる
ことではあるが、前記の貫通穴８２５Ａ等に隣接される
部位の溝８１１Ａ，８２１Ａの反応ガス通流方向の長さ
を、セパレータ１の場合よりも多少短縮させている。ま
た、このことによって、前記の貫通穴８２５Ａ等に隣接
されていない部位に存在する溝１１Ａと，セパレータ２
の端面８２ｄ，８２ｅとの間隔を極力短縮したものとし
ているのである。これら図１によるセパレータ１とは異
なっているセパレータ２が持つ形状・寸法について、セ
パレータ１を見直すという立場から以下に説明する。

【００８１】まず、前記の貫通穴８２５Ａ等に隣接され
ていない部位に存在する溝１１Ａと，セパレータ２の端
面８２ｄ，８２ｅとの間隔寸法は、例えば、縁部８２
ｆ，図示を省略した溝８２９などの形成を考慮して定め
られる。前記の貫通穴８２５Ａ等が形成される位置は、
かくして定められた端面８２ｄ，８２ｅの位置を基にし
て、例えば、溝８２７Ａなどの形成、管用めねじ付きの
貫通穴９３１に対する反応ガス用の配管の接続作業や，
熱媒９９用の配管接続体９９１の装着作業などの実施等
を考慮して定められる。前記の貫通穴８２５Ａ等に隣接
される部位の溝８１１Ａ，８２１Ａの端部や，溝１１Ａ
が形成される位置は、前記の貫通穴８２５Ａ等の位置を
基にして、縁部８２ｆ，溝８２９、およびいずれも図示
を省略した溝８２７Ａ，管用めねじ付きの貫通穴９３１
などの形成等を考慮して定められるのである。そうし
て、これ等と関連させて、縁部８２ｆの形成位置が定め
られ、この縁部８２ｆの形成位置に合わせて、共に図示
を省略した燃料電極膜７Ａ，酸化剤電極膜７Ｂの平面形
状と、その寸法が見直されることになるのである。

【００８２】前記の構成を持つセパレータ２を備えたこ
の発明になるスタックは、前述の実施例１によるスタッ
クと同一の作用・効果を持ちながら、スタックの電極膜
の平面方向の外形を小型化することができると共に、図
示を省略した固体高分子電解質膜７Ｃの使用面積を縮小
することができるのである。実施例３；図４は、請求項１，３に対応するこの発明の
一実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセ
パレータの要部を模式的に示して前記の図９の場合と同
一の方向から見た図である。図４において、図１に示し
た請求項１，２に対応するこの発明の一実施例による固
体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータ、およ
び、図８，図９に示した従来例による固体高分子電解質
型燃料電池が備えるセパレータと同一部分には同じ符号
を付し、その説明を省略する。なお、図４中には、図
８，図９で付した符号については、代表的な符号のみを
記した。

【００８３】図４において、３は、図８，図９に示した
従来例によるセパレータ８２に対して、マニホールド８
２３Ａの使用を止め、酸化剤ガス９８を通流させる部分
通流路である凹状の溝８２１Ａを次記するように形成し
てなるセパレータである。すなわち、セパレータ３で
は、まず、溝８２１Ａの複数個（この事例における具体
的な個数は後記する。）は、溝１１Ａによって、酸化剤
ガス９８の通流に関して互いに直列に接続される。この
ような溝８２１Ａの直列接続路は、複数群（図４では３
群の場合を例示した。）が形成される。この複数群の溝
８２１Ａの直列接続路の間では、溝８２１Ａと溝１１Ａ
とで形成される反応ガスの通流路の長さは、ほぼ同等値
となるように設定されるものとする。そうして、この複
数群の溝８２１Ａの直列接続路のそれぞれは、短小な溝
３１Ａを介して互いに並列に接続されて、貫通穴８２５
Ａと貫通穴８２６Ａとの間に連通されるのである。

【００８４】なお、セパレータ３が有する貫通穴８２５
Ｂ，８２６Ｂと、図示を省略した溝８２１Ｂとの接続関
係、また、セパレータ３と、燃料ガス９７を通流させる
従来例のセパレータ８１に対応するこの発明になるセパ
レータとの関係、および、これ等のセパレータを用いて
構成される単電池やスタックにかかわる関係は、前述の
実施例１によるセパレータ１の場合と同様であるのでそ
の説明は省略する。

【００８５】そうして、セパレータ３では、従来例の５
倍の２５０〔ｃｍ²〕という広い電極面積を持つ図示を
省略した酸化剤電極膜７Ｂに対して、６．７〔Ｎｒｍ³
／ｍｉｎ〕の空気を供給する。酸化剤電極膜７Ｂの外形
寸法は、１６０〔ｍｍ〕×１６０〔ｍｍ〕、溝８２１Ａ
の断面寸法は、幅，深さ共に２，０〔ｍｍ〕である。実
施例１によるセパレータ１が持つ溝８２１Ａよりもその
断面積が増大されている。セパレータ１が持つ溝８２１
Ａの全本数は５４本であり、各１８本が前記の溝８２１
Ａの直列接続路を形成している。それぞれの直列接続路
の溝１１Ａを含むその総延長は２．８５〔ｍ〕である。

【００８６】セパレータ３における反応ガスの通流路の
長さ（前記の「式１２」における管路長さｌである。）
は、前記の総延長の２．８５〔ｍ〕であり、動圧Δｐ_u
の値は、この２．８５〔ｍ〕の管路長さｌに対応して得
られる。反応ガスの通流に関して全部の溝８２１Ａを直
列に接続した場合に対して、ｎ（セパレータ３の場合は
ｎ＝３である。）群の直列接続路で構成するようにした
場合には、管路長さｌと反応ガスの流速ｕは共に１／ｎ
になるので、動圧Δｐ_uの値は、前記の「式１２」から
１／ｎ²になる。こうすることで、広い電極面積に反応
ガスを供給するセパレータの場合に、過大な動圧Δｐ_u
が発生すのを回避することが可能となるのである。セパ
レータ３における動圧Δｐ_u値は、それでも、セパレー
タ１の場合よりも大きい約８〔ｋＰａ〕が得られてい
る。

【００８７】前記の構成を持つセパレータ３を備えたこ
の発明になるスタックは、当然のことながら、前述の実
施例１によるスタックと同一の作用・効果を持つことが
できる。しかも、広い面積の電極膜を有するために、実
施例１による構成としたのでは、反応ガスを供給するた
めの圧力が過大となる場合などに適用して有用な構成な
のである。

【００８８】実施例４；図５は、請求項１，２に対応す
るこの発明のさらに異なる実施例による固体高分子電解
質型燃料電池が備えるセパレータの要部を模式的に示し
て前記の図９の場合と同一の方向から見た図である。図
５において、図１に示した請求項１，２に対応するこの
発明の一実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備
えるセパレータ、および、図８，図９に示した従来例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータと
同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。な
お、図５中には、図８，図９で付した符号については、
代表的な符号のみを記した。

【００８９】図５において、４は、図１に示したこの発
明によるセパレータ１が持つと同様の，複数（後記す
る。）の溝８２１Ａが溝１１Ａを介し酸化剤ガス９８の
通流に関して互いに直列に接続された溝８２１Ａの直列
接続路４１が、それぞれ独立された複数群（図４では３
群の場合を例示した。）を形成するようにしたセパレー
タである。複数の直列接続路４１のそれぞれを区別する
ために、図５中では、符号４１に続いてＡ，Ｂ，Ｃを付
している。それぞれの直列接続路４１には、セパレータ
１の場合と同様に、溝８２１Ａの両端部に貫通穴８２５
Ａ，８２６Ａが直接に連通されて形成されている。

【００９０】なお、セパレータ４が有する貫通穴８２５
Ｂ，８２６Ｂと、図示を省略した溝８２１Ｂとの接続関
係、また、セパレータ４と、燃料ガス９７を通流させる
従来例のセパレータ８１に対応するこの発明になるセパ
レータとの関係、および、これ等のセパレータを用いて
構成される単電池やスタックにかかわる関係は、前述の
実施例１によるセパレータ１の場合と同様であるのでそ
の説明は省略する。

【００９１】そうして、セパレータ４が空気を供給する
対象の図示を省略した酸化剤電極膜７Ｂの電極面積・外
形寸法、セパレータ４が持つ溝８２１Ａの全本数，断面
寸法などは、いずれも前記の実施例３によるセパレータ
３の場合と同一である。このために、それぞれの直列接
続路４１で得られる、反応ガスの通流路の長さ，動圧Δ
ｐ_u値なども、セパレータ３の場合と同一である。

【００９２】したがって、前記の構成を持つセパレータ
４を備えたこの発明になるスタックは、前述の実施例３
によるスタックと同一の作用・効果を持つことになる。
これに加えて、この実施例４によるスタックは、それぞ
れの直列接続路４１に供給する反応ガス量を、必要に応
じて個別に調整することが可能であり、広い電極面積を
持つスタックの場合などで、電極の面方向における反応
ガスの配分をより均等化できるという特長を持てること
になる。スタックに付随する反応ガスの供給系統や反応
ガス流量の制御系統は複数必要にはなるが、前記の特長
を利用することは、特に少量の反応ガス供給量で運転し
なければならない場合や、高い電流密度での運転が必要
となる場合などにおいて有効なものである。

【００９３】実施例５；図６は、請求項４，５に対応す
るこの発明の一実施例による固体高分子電解質型燃料電
池が備えるセパレータの要部を模式的に示して前記の図
９の場合と同一の方向から見た図である。図６におい
て、図８，図９に示した従来例による固体高分子電解質
型燃料電池が備えるセパレータと同一部分には同じ符号
を付し、その説明を省略する。なお、図６中には、図
８，図９で付した符号については、代表的な符号のみを
記した。

【００９４】図６において、５は、図８，図９に示した
従来例によるセパレータ８２に対して、凹状の溝８２１
Ａと凸状の隔壁８２２Ａに替えて、それぞれ凹状の溝５
１Ａと凸状の隔壁５２Ａを用いると共に、マニホールド
８２３Ａの使用を止め、貫通穴８２５Ａ，８２６Ａを直
接に溝５１Ａに連通させて形成したセパレータである。
反応ガスの流出口である貫通穴８２６Ａは、セパレータ
５の中央部に形成された貫通穴形成部５３Ａに形成され
ていることが、この実施例による構成が持つ特徴の一つ
である。貫通穴形成部５３Ａは隔壁５２Ａと連続させて
形成され、それ等の頂部は共に、従来例の凸状の隔壁８
２２Ａと同様に、図示を省略した側面８２ｃと同一面に
なるように形成されている。

【００９５】セパレータ５が有する溝５１Ａは、従来例
の凹状の溝８２１Ａと同様な断面形状を持ち、貫通穴８
２５Ａと貫通穴８２６Ａとの間に、貫通穴形成部５３Ａ
を取り巻くようにして、図６中に示したようにいわば一
筆書きのように連続させて形成されていることが、この
実施例による構成が持つ他の特徴である。そうして、反
応ガスの流入口である貫通穴８２５Ａは、溝５１Ａが形
成された領域の最外周の部位に形成されている。

【００９６】なお、セパレータ５が有する貫通穴８２５
Ｂ，８２６Ｂと、図示を省略した溝８２１Ｂとの接続関
係、また、セパレータ５と、燃料ガス９７を通流させる
従来例のセパレータ８１に対応するこの発明になるセパ
レータとの関係、および、これ等のセパレータを用いて
構成される単電池やスタックにかかわる関係は、前述の
実施例１によるセパレータ１の場合と同様であるのでそ
の説明は省略する。

【００９７】そうして、セパレータ５が空気を供給する
対象の図示を省略した酸化剤電極膜７Ｂの電極面積・外
形寸法、セパレータ５が持つ溝５１Ａの断面寸法，総延
長などは、いずれも前記の実施例１によるセパレータ１
の場合と同等である。このために、セパレータ５で得ら
れる動圧Δｐ_u値なども、セパレータ１の場合と同等で
ある。

【００９８】したがって、前記の構成を持つセパレータ
５を備えたこの発明になるスタックは、前述の実施例１
によるスタックと同一の作用・効果を持つことになる。
これに加えて、この実施例５によるスタックは、セパレ
ータ５内を通流する空気は、同一の単位燃料電池内にお
いては相対的に温度が高くなる内部に順次入り込みなが
ら通流し、相対的に最も高温となる単位燃料電池の中心
部の付近から排出されることになる。溝５１Ａ内を通流
する空気は、前述のように酸化剤電極膜７Ｂで生成され
る水蒸気を吸収しながら通流して行くのであるが、この
空気はまた、この実施例の特徴的な構成によって、溝５
１Ａ内を通流しつつ順次昇温されることで、過飽和にな
ることによる凝縮水の生成度合を低減することも可能と
なるのである。

【００９９】実施例３〜実施例５における今までの説明
では触れてこなかったが、これ等においても、実施例１
に対する実施例２による構成と同様の構成として、スタ
ックの電極膜の平面方向の外形を小型化することができ
ることは、勿論のことである。実施例６；図７は、請求項４，５に対応するこの発明の
異なる実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備え
るセパレータの要部を模式的に示して前記の図９の場合
と同一の方向から見た図である。図７において、図６に
示した請求項４，５に対応するこの発明の一実施例によ
る固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータ、お
よび、図８，図９に示した従来例による固体高分子電解
質型燃料電池が備えるセパレータと同一部分には同じ符
号を付し、その説明を省略する。なお、図７中には、図
８，図９で付した符号については、代表的な符号のみを
記した。

【０１００】図７において、６は、図６に示したこの発
明によるセパレータ５に対して、その外形形状を円形状
としたセパレータである。ただし、セパレータ６が有す
る貫通穴８２５Ｂ，８２６Ｂは、図示を省略した溝８２
１Ｂに連通されているのであるが、セパレータ６が有す
る溝８２１Ｂは、従来例のセパレータ８２の場合とは異
なり、貫通穴８２５Ｂと貫通穴８２６Ｂとの間に、溝５
１Ａと同様にして形成されている。また、セパレータ６
では、実施例１に対する実施例２による構成と同様の関
係の構成としている。

【０１０１】なお、セパレータ６と、燃料ガス９７を通
流させる従来例のセパレータ８１に対応するこの発明に
なるセパレータとの関係、および、これ等のセパレータ
を用いて構成される単電池やスタックにかかわる関係
は、前述の実施例１によるセパレータ１の場合と同様で
あるのでその説明は省略する。そうして、セパレータ６
が空気を供給する対象の図示を省略した酸化剤電極膜７
Ｂの電極面積、セパレータ６が持つ溝５１Ａの断面寸
法，総延長などは、いずれも前記の実施例５によるセパ
レータ５の場合と同等である。このために、セパレータ
６で得られる動圧Δｐ_u値なども、セパレータ６の場合
と同等である。したがって、前記の構成を持つセパレー
タ６を備えたこの発明になるスタックは、前述の実施例
５によるスタックと同一の作用・効果を持つことにな
る。すなわち、実施例５と実施例６とを総合すると、こ
の発明になるスタックでは、セパレータの外形は長方形
に限定されるものでは無く、必要に応じて適宜の形状で
形成できる特長を持つと言えるのである。

【０１０２】実施例５，実施例６における今までの説明
では、セパレータが備える反応ガスの通流路は、セパレ
ータの中央部に形成された貫通穴形成部を取り巻くよう
にして、しかも、蛇行するようにして形成されるとして
きたが、これに限定されるものではなく、例えば、反応
ガスの通流路は螺旋状に貫通穴形成部を取り巻くように
して形成されてもよいものである。

【０１０３】実施例１〜実施例６における今までの説明
では、スタックが備えるセパレータは、従来例によるセ
パレータ８１，８２と同様な基本構成を有するとしてき
たが、これに限定されるものではなく、例えば、異なる
従来例によるセパレータ８３，８４と同様な基本構成を
有するものであってもよいものである。ただし、実施例
４によるような複数の独立した直列接続路を有するセパ
レータにおいては、互いに同等の圧力値を持つ貫通穴
（例えば、流入口同志のことである。）を、互いに隣接
するように配置する配慮を行うことが、独立した直列接
続路相互間の反応ガスの漏れを低減するうえからは、好
ましいものである。

【０１０４】

【発明の効果】この発明においては、前記の課題を解決
するための手段の項で述べた構成とすることにより、次
記する効果を奏する。セパレータの通流路内を通流する反応ガスの流速と，
反応ガスの通流路の長さが同時に増大されることで、得
られる動圧を増大することができ、通流路の壁面に付着
した水滴をこの大きな動圧を用いて除去することが可能
となる。これにより、反応ガスの均等な分配を達成でき
て、固体高分子電解質型燃料電池（スタック）の発電性
能を、例えば、限界値である０．２〔Ｖ〕の発電電圧値
となる電流密度値を約３０〔％〕向上することが可能と
なる。

【０１０５】反応ガスの通流路を、反応ガスの流入口
と流出口との間に互いに直列に接続して形成するように
したことで、通流路の断面積に不同があっても反応ガス
の流量は不変にすることができ、反応ガスの不均等な分
配による問題を解消することが可能となる。反応ガスの通流路を、反応ガスの流入口と流出口との
間に互いに直列に接続して形成するようにしたことで、
流入口と流出口の部分へのマニホールドの設置を不要に
できる。これにより、流入口，流出口を適宜の部位に形
成することが可能となり、スタックの電極膜の平面方向
の外形を小型化できると共に、その製造原価を低減する
ことが可能となる。

【０１０６】反応ガスの通流路を、反応ガスの流入口
と流出口との間に互いに直列に接続して形成して、反応
ガスが分路されないようにすることで、反応ガスの通流
路の断面寸法を増大したとしても、反応ガスの流速とし
て所望の大きな値が得られることになる。これにより、
反応ガスの通流路の断面寸法に関する加工精度が軽減さ
れて、このことによってもスタックの製造原価を低減す
ることが可能となる。

【０１０７】前記したように大きな動圧が得られるこ
とは、反応ガスの通流路に滞留される凝縮水を確実に除
去できることであるので、この発明によるスタックで
は、従来例のごとき，反応ガスの通流路を重力方向に沿
って配置しなければならないという制約が解消されるこ
とになる。これにより、スタックを適宜の姿勢で設置す
ることが可能となって、スタックの設置面積を縮小する
ことが可能となる。

【０１０８】反応ガスの流出口をセパレータの中央部
に形成するようにすることで、反応ガスは通流路を通流
しつつ順次昇温されることで、過飽和になることによる
凝縮水の生成度合を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータの
要部を模式的に示して後記の図９の場合と同一の方向か
ら見た図

【図２】実施例１によるこの発明になる固体高分子電解
質型燃料電池の単位燃料電池の発電電圧の測定例を、従
来例の場合と比較して示すグラフ

【図３】請求項１，２に対応するこの発明の異なる実施
例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレー
タの要部を模式的に示して後記の図９の場合と同一の方
向から見た図

【図４】請求項１，３に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータの
要部を模式的に示して後記の図９の場合と同一の方向か
ら見た図

【図５】請求項１，２に対応するこの発明のさらに異な
る実施例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセ
パレータの要部を模式的に示して後記の図９の場合と同
一の方向から見た図

【図６】請求項４，５に対応するこの発明の一実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレータの
要部を模式的に示して後記の図９の場合と同一の方向か
ら見た図

【図７】請求項４，５に対応するこの発明の異なる実施
例による固体高分子電解質型燃料電池が備えるセパレー
タの要部を模式的に示して後記の図９の場合と同一の方
向から見た図

【図８】従来例の固体高分子電解質型燃料電池が備える
単位燃料電池の要部を展開した状態で模式的に示してそ
の上部側から見た断面図

【図９】図８中に示したセパレータの図８におけるＰ矢
方向から見た図

【図１０】従来の一例の固体高分子電解質型燃料電池を
模式的に示した要部の構成図で，（ａ）はその側面図、
（ｂ）はその上面図

【図１１】図１０におけるＱ部の詳細断面図

【図１２】従来例の固体高分子電解質型燃料電池が備え
る異なる事例の単位燃料電池の要部を展開した状態で模
式的に示してその上部側から見た断面図

【符号の説明】

１セパレータ１１Ａ溝８２１Ａ部分通流路（溝）８２５Ａ貫通穴８２６Ａ貫通穴８２５Ｂ貫通穴８２６Ｂ貫通穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シート状の固体高分子電解質材の電解質膜
と，その両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜およ
び酸化剤電極膜とを有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスの
供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セルと、燃料
電池セルの両主面のそれぞれに対向させて配置されたセ
パレータとを備え、セパレータは、燃料電池セルに供給される前記のガスが
セパレータに流入される流入口と、前記のガスがセパレ
ータから流出される流出口と、セパレータの燃料電池セ
ルと対向される側の面に沿って形成されて前記のガスを
通流させると共に，前記の流入口および流出口に連通さ
れた通流路とを有し、この通流路は、前記のガスを通流
路に通流させる際に発生する圧力降下値が、通流路が持
つ水保持力ヘッド値よりも大きくなるように設定されて
なる、固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータは、燃料電池セルに対向する面に対してほぼ
直交し，しかも，互いにほぼ平行する一対の端面を有
し、前記の通流路はこの端面にほぼ直交される関係で複
数が互いにほぼ平行されて形成された部分通流路を主体
として形成され、これ等の部分通流路は、前記のガスの
通流に関して互いに直列に接続された部分を有して前記
の流入口および流出口に連通されてなることを特徴とす
る固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、セパレータが有する複数の部分通流路は、燃料電池セル
に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスがセパレータに
流入される流入口と，前記のガスがセパレータから流出
される流出口との間に、その全てが互いに直列に接続さ
れて連通されてなることを特徴とする固体高分子電解質
型燃料電池。
【請求項３】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、セパレータが有する複数の部分通流路は、燃料電池セル
に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスがセパレータに
流入される流入口と，前記のガスがセパレータから流出
される流出口との間に、その一部の複数が互いに直列に
接続された直列接続群を複数形成し、この部分通流路の
直列接続群は、互いに並列となる相互関係とされて、流
入口と流出口とにそれぞれ連通されてなることを特徴と
する固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】シート状の固体高分子電解質材の電解質膜
と，その両主面のそれぞれに接合された燃料電極膜およ
び酸化剤電極膜とを有し，燃料ガスおよび酸化剤ガスの
供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セルと、燃料
電池セルの両主面のそれぞれに対向させて配置されたセ
パレータとを備え、セパレータは、燃料電池セルに供給される前記のガスが
セパレータに流入される流入口と、前記のガスがセパレ
ータから流出される流出口と、セパレータの燃料電池セ
ルと対向される側の面に沿って形成されて前記のガスを
通流させると共に，前記の流入口および流出口に連通さ
れた通流路とを有し、この通流路は、前記のガスを通流
路に通流させる際に発生する圧力降下値が、通流路が持
つ水保持力ヘッド値よりも大きくなるように設定されて
なる、固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータが有する通流路は、流入口および流出口の内
の一方を囲むようにして，しかも，前記のガスの通流に
関して連続させて形成され、この通流路の一方の端部
は、流入口および流出口の内の一方に接続され、この通
流路の他方の端部は、通流路が形成された領域の外側に
形成された流入口および流出口の内の他方に接続されて
なることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、セパレータは、燃料電池セルに供給される燃料ガスおよ
び酸化剤ガスがセパレータに流入される流入口を通流路
が形成された領域の外側に形成し、前記のガスがセパレ
ータから流出される流出口を通流路が形成された領域の
中央部に形成してなることを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池。