JPH0896820A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH0896820A
JPH0896820A JP6259487A JP25948794A JPH0896820A JP H0896820 A JPH0896820 A JP H0896820A JP 6259487 A JP6259487 A JP 6259487A JP 25948794 A JP25948794 A JP 25948794A JP H0896820 A JPH0896820 A JP H0896820A
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rib
gas
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fuel
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JP6259487A
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Seiji Mizuno
誠司 水野
Tatsuya Kawahara
竜也 川原
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
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    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極の燃料の拡散性を向上させて電極の利用
率を増加し、接触抵抗を低減して効率の良い燃料電池と
する。 【構成】 集電極４０のリブ４２のガス拡散電極３０と
接触する端面４６，リブ４２の側面４７およびリブ４２
の間の面４８に、５μｍないし５００μｍ好ましくは１
０μｍないし２００μｍの凹凸を形成する。この凹凸
は、燃料電池の積層方向に押圧荷重が加えられた際、ガ
ス拡散電極３０のうち集電極４０のリブ４２の端面４６
と接触する接触部３４に、面圧の低い部分を生じさせ
る。ガス流路４４の酸化ガスまたは燃料ガスは、リブ４
２の端面４６の縁部からこの面圧の低い部分を通ってガ
ス拡散電極３０の接触部３４の内部に拡散する。この結
果、電気化学反応に寄与し得るガス拡散電極３０の面積
が増大するので、効率の良い燃料電池とすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に関し、詳し
くは、電解質層と、この電解質層を挟持して発電層を形
成する電極と、この発電層を挟持し電極とで燃料の流路
を形成するリブ部を有する集電極とからなる燃料電池に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の燃料電池としては、１μ
ｍ〜１００μｍ程度の多くの気孔を有するガス拡散電極
を用いたものが提案されている（例えば、特開平６−３
６７７１号公報や特開平３−９３１６５号公報等）。こ
れらの燃料電池は、ガス拡散電極に多くの気孔を設ける
ことで、燃料ガスの電解質層への供給を円滑に行ない、
高電流密度領域における発電特性を向上させている。
【０００３】こうしたガス拡散電極、例えば、特開平６
−３６７７１号公報記載のガス拡散電極では、ガス拡散
電極を構成する材料に無機塩粉末を混合してシート状に
成形し、焼結し、更に焼結物から無機塩粉末を溶剤に抽
出して取り除いて、所望の気孔を得ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
たガス拡散電極を用いた燃料電池では、ガス拡散電極が
焼結により形成されているので、柔軟性に欠け、製造誤
差等による接触不良が生じ、接触抵抗が増大するという
問題があった。また、ガス拡散電極が多くの気孔を有す
るため、脆く、強度が低いという問題もあった。
【０００５】これらの問題を解決するために、柔軟で通
気性を有するカーボンクロス（カーボン繊維による織布
等）をガス拡散電極に用いることも考えられる。しか
し、このカーボンクロスによるガス拡散電極を、ガス拡
散電極とで燃料ガスの流路を形成するリブを有する集電
極と共に積層して燃料電池を形成し、燃料電池の接触抵
抗の低減のためにその積層方向に押圧荷重を作用させる
と、ガス拡散電極のうち集電極のリブと接触している部
分は、押圧荷重により圧縮されて緻密化し、通気性が低
下する。このため、この緻密化した部分への燃料ガスの
拡散が阻害され、電気化学反応に寄与し難くなり、ガス
拡散電極の利用率が低くなるという問題が生じる。ガス
拡散電極の集電極のリブと接触する部分への燃料ガスの
拡散を向上させるために、集電極のリブに気孔を設ける
ことも考えられるが、ガス拡散電極のうちの押圧荷重に
より緻密化した部分での燃料ガスの透過性の向上は望め
ない。
【０００６】本発明の燃料電池は、こうした問題を解決
し、電極の燃料の拡散性を向上させて電極の利用率を増
加し、接触抵抗を低減して効率の良い燃料電池とするこ
とを目的とし、次の構成を採った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の燃料電池
は、電解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成す
る電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を形
成するリブ部を有する集電極と、からなる燃料電池にお
いて、前記流路の燃料が前記電極と接触する前記リブ部
の接触面の縁部から所定寸法以上該接触面と接触する該
電極の被接触部に拡散するよう、該接触面を非平坦形状
としたことを特徴とする。
【０００８】本発明の第２の燃料電池は、電解質層と、
該電解質層を挟持して発電層を形成する電極と、該発電
層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成するリブ部を有
する集電極と、からなる燃料電池において、前記電極と
接触する前記リブ部の接触面に、該リブ部を横断する複
数の溝を形成したことを特徴とする。
【０００９】本発明の第３の燃料電池は、電解質層と、
該電解質層を挟持して発電層を形成する電極と、該発電
層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成するリブ部を有
する集電極と、からなる燃料電池において、前記電極と
接触する前記リブ部の接触面に、該接触面の縁部から所
定寸法以内に溝を形成したことを特徴とする。
【００１０】本発明の第４の燃料電池は、電解質層と、
該電解質層を挟持して発電層を形成する電極と、該発電
層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成するリブ部を有
する集電極と、からなる燃料電池において、前記電極と
接触する前記リブ部の接触面を、突出形状に形成したこ
とを特徴とする。
【００１１】本発明の第５の燃料電池は、電解質層と、
該電解質層を挟持して発電層を形成する電極と、該発電
層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成するリブ部を有
する集電極とからなる燃料電池において、前記電極と接
触する前記リブ部の接触面に、導電性を有する繊維を植
毛したことを特徴とする。
【００１２】
【作用】以上のように構成された本発明の第１の燃料電
池は、電極と接触する集電極のリブ部の接触面を非平坦
形状としたことにより、流路の燃料が、この接触面の縁
部から所定寸法以上この接触面と接触する電極の被接触
部に拡散する。この結果、電気化学反応に寄与し得る電
極の面積が増大し、効率の良い燃料電池となる。ここで
いう所定寸法は、集電極のリブ部の接触面を平坦形状と
した場合に、流路の燃料が接触面の縁部から電極の被接
触部に拡散し得る寸法より大きな値として設定されるも
のであり、電極の材質，構造，柔軟性，透過性，燃料電
池の積層方向に作用させる押圧荷重による電極の被接触
部の面圧等により定まるものである。
【００１３】本発明の第２の燃料電池は、流路の燃料
が、電極と接触するリブ部の接触面に形成されたリブ部
を横断する複数の溝を通って、この接触面と接触する電
極の被接触部に拡散する。
【００１４】本発明の第３の燃料電池は、電極と接触す
るリブ部の接触面の縁部から所定寸法以内に形成された
溝が、この接触面と接触する電極の被接触部の縁部から
所定寸法以内に面圧の低い部分を作る。この結果、流路
の燃料はリブ部の接触面の縁部から電極の被接触部の面
圧の低い部分まで拡散し、この面圧の低い部分まで拡散
した燃料は、さらに被接触部の内部に拡散する。ここで
いう所定寸法は、集電極のリブ部の接触面に溝を形成せ
ず平坦形状とした場合に、流路の燃料がリブ部の接触面
の縁部から電極の被接触部に拡散し得る寸法より小さな
値として設定されるものであり、電極の材質，構造，柔
軟性，透過性，燃料電池の積層方向に作用させる押圧荷
重による電極の被接触部の面圧等により定まるものであ
る。
【００１５】本発明の第４の燃料電池は、電極と接触す
るリブ部の突出形状の接触面が、この接触面と接触する
電極の被接触部に作用する面圧をこの突出形状に基づい
て変化させる。この結果、流路の燃料は、リブ部の接触
面の縁部から電極の被接触部の面圧の低い部分を通って
内部に拡散する。
【００１６】本発明の第５の燃料電池は、電極と接触す
るリブ部の接触面に植毛した導電性を有する繊維が、こ
の接触面と接触する電極の被接触部に作用する面圧に変
化を与える。この結果、流路の燃料は、リブ部の接触面
の縁部から電極の被接触部の面圧の低い部分を通って内
部に拡散する。また、リブ部の接触面に植毛した導電性
を有する繊維は、リブの接触面と電極の被接触部との接
触部に複数の微小な隙間を有する層を形成する。このた
め、この層の隙間から燃料が電極の被接触部に拡散す
る。さらに、リブ部の接触面に植毛した導電性を有する
繊維は、電極がカーボンクロス等の繊維により形成され
ている場合には、電極の繊維に絡みつき、電極と集電極
との接触抵抗を小さくする。
【００１７】
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は本発明の好適な一実施例である燃料電池
を構成する単電池１０の構成を例示する説明図、図２は
図１中の破線円の部分を拡大して示した拡大説明図であ
る。単電池１０は、固体高分子型燃料電池の単電池であ
り、図１に示すように、電解質膜２０と、この電解質膜
２０を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成する２つ
のガス拡散電極３０と、このサンドイッチ構造を両側か
ら挟持する２つの集電極４０とから構成される。
【００１８】電解質膜２０は、高分子材料、例えば、フ
ッ素系樹脂により形成された厚さ１００μｍないし２０
０μｍのイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝
導性を示す。２つのガス拡散電極３０は、共に炭素繊維
からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されて
いる。このカーボンクロスの電解質膜２０側の表面およ
び隙間には、白金または白金と他の金属からなる合金等
を担持したカーボン粉が練り込まれて触媒層３２が形成
されている（図２参照）。この電解質膜２０と２つのガ
ス拡散電極３０は、２つのガス拡散電極３０が電解質膜
２０を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、１００℃
ないし１６０℃好ましくは１１０℃ないし１３０℃の温
度で、１ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし２０ＭＰａ
｛２０４kgf／cm2｝好ましくは５ＭＰａ｛５１kgf／c
m2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝の圧力を作用
させて接合するホットプレス法により接合されている。
【００１９】集電極４０は、カーボンを圧縮して緻密化
しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されてい
る。集電極４０のガス拡散電極３０と接触する図１中左
右の面（積層面）には、それぞれ平行に配置された複数
のリブ４２が、互いに直交する配置として形成されてい
る。このリブ４２は、ガス拡散電極３０の表面とで酸素
を含有する酸化ガスまたは水素を含有する燃料ガスの流
路をなすガス流路４４を形成する。２つの集電極４０
は、電解質膜２０および２つのガス拡散電極３０を挟ん
で対峙するそれぞれのリブ４２が互いに直交するよう配
置されている。
【００２０】図２に示すように、集電極４０のリブ４２
のガス拡散電極３０と接触する端面４６，リブ４２の側
面４７およびリブ４２の間の面４８には、５μｍないし
５００μｍ好ましくは１０μｍないし２００μｍの凹凸
が形成されている。
【００２１】なお、本実施例の集電極４０は、次のよう
に製作した。まず、集電極４０の材料である緻密質カー
ボンの板材を所望の形状、例えば、正方形状に形成し、
その積層面をダイヤモンド電着砥石で幅２ｍｍ，深さ１
ｍｍの溝を切削加工してリブ４２を形成する。次に、集
電極４０の積層面全体に、砥石＃６０（粒径４２５μ
ｍ）を噴出ガン（ノズル径８．３３，ジェット径４．３
７）を用いて空気圧４００ｋＰａ（４Kgf／cm2）で吹き
付ける表面処理（液体ホーニング）により１０μｍない
し１００μｍの凹凸を形成する。こうして形成された集
電極４０の積層面の面粗度（Ｒｚ／Ｒｍａｘ）は、２０
／５０であった。ここで、凹凸の大きさは、ガス拡散電
極３０の厚さや柔軟性等の性状，単電池１０の積層方向
に作用する面圧，集電極４０に必要な強度等により定ま
るものである。
【００２２】こうして構成された単電池１０は、電解質
膜２０および２つのガス拡散電極３０を挟んで対峙する
一対のガス流路４４に酸化ガスおよび燃料ガスを流せ
ば、次式に示す電気化学反応が行なわれ、化学エネルギ
を直接電気エネルギに変換する。
【００２３】カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋
（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
【００２４】このとき、ガス流路４４の酸化ガスまたは
燃料ガスは、次のようにガス拡散電極３０に拡散し、電
気化学反応に寄与する。ガス拡散電極３０のうちガス流
路４４に面している部分は、ガス流路４４から直接酸化
ガスまたは燃料ガスが拡散する。一方、ガス拡散電極３
０のうち集電極４０のリブ４２の端面４６と接触する接
触部３４は、端面４６がフラットで凹凸が形成されてい
ない従来例では、端面４６からの押圧荷重により圧縮さ
れて緻密化するから、酸化ガスまたは燃料ガスは、接触
部３４の緻密化の程度に応じた範囲にのみ拡散するが、
実施例の単電池１０では、端面４６からの押圧荷重によ
り緻密化するが、端面４６に形成された凹凸により面圧
の低い部分が生じるから、図２中矢印で示すように、酸
化ガスまたは燃料ガスは、リブ４２の端面４６の縁部か
ら面圧の低い部分を通ってガス拡散電極３０の接触部３
４の内部にまで拡散する。
【００２５】ここで、従来例の接触部３４での酸化ガス
または燃料ガスが拡散する範囲は、ガス拡散電極３０の
厚さを０．３ｍｍ，リブ４２の幅を２ｍｍ，リブ４２の
間隔を２ｍｍとし、面圧を２ＭＰａ（２０．４Kgf／c
m2）とした条件での実験結果によると、リブ４２の端面
４６の縁部から約０．２ｍｍの範囲であった。したがっ
て、ガス拡散電極３０の接触部３４の幅も２ｍｍとなる
が、そのうち中央を中心とした約１．６ｍｍの幅の領域
は、酸化ガスまたは燃料ガスが拡散されないから、上述
の電気化学反応を行なわない。なお、従来例の接触部３
４での酸化ガスまたは燃料ガスが拡散する範囲は、ガス
拡散電極３０の性状や面圧等により定まるものである。
【００２６】図３は、本実施例の単電池１０および集電
極の端面がフラットな単電池（以下「従来例の単電池」
といいう。）の電流密度とセル電圧との関係を例示した
グラフである。グラフ中、曲線Ａは従来例の単電池、曲
線Ｂは単電池１０の電流密度とセル電圧との関係を示
す。なお、実施例の集電極４０の積層面に凹凸を形成す
る処理と同様な処理で、砥石＃７００（粒径２５μｍ）
を用いてリブの端面の面粗度を３／５とした集電極を用
いた単電池の電流密度とセル電圧との関係を曲線Ｃ、砥
石＃１５０（粒径１００μｍ）を用いてリブの端面の面
粗度を１０／２０とした集電極を用いた単電池の電流密
度とセル電圧との関係を曲線Ｄとして示した。図示する
ように、集電極の積層面に凹凸を形成した単電池は、凹
凸が形成されていない従来例の単電池に比して、いずれ
もその性能の向上が認めらる。面粗度を２０／５０とし
た実施例の単電池１０は、面粗度の低い曲線Ｃおよび曲
線Ｄとして示した単電池と比較しても、その性能の向上
が認められ、特に、高電流密度領域での向上が著しい。
【００２７】こうした性能の向上は、上述したように、
ガス拡散電極３０の接触部３４の内部にも酸化ガスまた
は燃料ガスが拡散してガス拡散電極３０の利用率が高く
なること、集電極４０の端面４６に形成した凹凸により
集電極４０とガス拡散電極３０との接触面積が増加して
接触抵抗が小さくなることによる。
【００２８】また、集電極４０のリブ４２の側面４７お
よびリブ４２間の面４８に形成された凹凸は、酸化ガス
または燃料ガスの流れを乱し、ガス拡散電極３０への拡
散性を増加する。
【００２９】以上説明した実施例の燃料電池の単電池１
０によれば、リブ４２の端面４６に凹凸を形成すること
により、単電池１０ひいては燃料電池の性能を向上させ
ることができる。すなわち、端面４６に形成された凹凸
が、接触部３４に面圧の低い部分を生じさせ、面圧の低
い部分から接触部３４の内部に酸化ガスまたは燃料ガス
を拡散させる。このため、ガス拡散電極３０の電気化学
反応に寄与する面積が増大し、ガス拡散電極３０の利用
率が高くなるので、発電効率を高くすることができる。
また、リブ４２の端面４６に凹凸を形成することによ
り、集電極４０とガス拡散電極３０との接触面積が大き
くなり、このため、接触抵抗が小さくなって燃料電池の
内部抵抗を小さくすることができる。このほか、リブ４
２の側面４７およびリブ４２間の面４８にも凹凸を形成
することにより、酸化ガスまたは燃料ガスの流れを乱し
て、ガス拡散電極３０への拡散性を増加し、燃料電池の
性能を向上させることができる。
【００３０】なお、実施例では、リブ４２の端面４６の
他に、側面４７および面４８にも凹凸を形成したが、端
面４６以外には凹凸を形成しない構成もかまわない。ま
た、実施例では、リブ４２の端面４６等に液体ホーニン
グを用いて凹凸を形成したが、他の手法、例えば集電極
４０を型成形する場合、型の端面４６等に相当する部分
に凹凸を設けておく手法等により凹凸を形成してもよ
い。
【００３１】次に本発明の第２の実施例である燃料電池
の単電池１１０について説明する。第２実施例の単電池
１１０は、集電極４０に代えて集電極１４０を用いた点
を除いて第１実施例の単電池１０と同一の構成をしてい
る。そこで、第１実施例の単電池１０と同一の構成に
は、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】図４は、第２実施例の単電池１１０の図１
中の破線円に相当する部分を拡大して示した拡大説明図
である。図５は、集電極１４０の積層面の一部（図４中
５−５面）を拡大して示した拡大説明図である。第２実
施例の集電極１４０は、第１実施例の集電極４０と同様
に、緻密質カーボンにより形成されており、その２つの
積層面には、それぞれ平行に配置された複数のリブ１４
２が、互いに直交する配置として形成されている。この
リブ１４２は、ガス拡散電極３０の表面とで酸化ガスま
たは燃料ガスの流路をなすガス流路１４４を形成する。
リブ１４２のガス拡散電極３０と接触する端面１４６に
は、リブ１４２の長手方向と垂直な方向に、すなわちリ
ブ１４２を横断するよう幅０．２ｍｍ，深さ０．２ｍｍ
の細溝１４８が０．２ｍｍの間隔で複数形成されている
（図５参照）。
【００３３】こうして構成された第２実施例の単電池１
１０は、電解質膜２０および２つのガス拡散電極３０を
挟んで対峙する一対のガス流路１４４に酸化ガスおよび
燃料ガスを流せば、上述の電気化学反応を行い、化学エ
ネルギを直接電気エネルギに変換する。このとき、ガス
拡散電極３０のうち集電極１４０のリブ１４２の端面１
４６と接触する接触部３４には、図４中矢印で示すよう
に、ガス流路１４４の酸化ガスまたは燃料ガスが端面１
４６に形成されたリブ１４２を横断する細溝１４８を介
して拡散される。また、ガス拡散電極３０が比較的柔軟
性に富むカーボンクロスにより形成されているから、細
溝１４８にガス拡散電極３０がくい込んで、細溝１４８
の形成面にガス拡散電極３０が接触する。この結果、集
電極１４０とガス拡散電極３０との接触面積が、細溝１
４８が形成されていない場合に比して大きくなり、集電
極１４０とガス拡散電極３０との接触抵抗が小さくな
る。このことより、細溝１４８の深さは、ガス拡散電極
３０がくい込んで接触する程度の深さ、すなわちガス拡
散電極３０の厚さ以下とするのが好ましい。
【００３４】図６は、第２実施例の単電池１１０および
従来例の単電池の電流密度とセル電圧との関係を例示し
たグラフである。グラフ中、曲線Ａは従来例の単電池、
曲線Ｅは第２実施例の単電池１０の電流密度とセル電圧
との関係を表わす。図示するように、リブ１４２の端面
１４６にリブ１４２を横断するように複数の細溝１４８
を形成した単電池１１０は、細溝１４８が形成されてい
ない従来例の単電池に比して、その性能の向上が認めら
れる。特に高電流密度領域での性能の向上が著しい。
【００３５】グラフ中、曲線Ｆは、細溝の方向をリブの
長手方向と同方向とし、細溝がリブを横断しないタイプ
の集電極２４０（図７および図８参照）を用いた単電池
２１０の電流密度とセル電圧との関係を示したものであ
る。この集電極２４０は、図７および図８に示すよう
に、リブ２４２の端面２４６に、リブ２４２の長手方向
と平行に集電極１４０の細溝１４８と同じ幅，深さおよ
び間隔の複数の細溝２４８が形成されている。図６のグ
ラフに示すように、この集電極２４０を用いた単電池２
１０も、細溝が形成されていない従来例の単電池に比し
て、単電池１１０程ではないが、その性能の向上が認め
られる。これは、細溝２４８にガス拡散電極３０がくい
込んで接触面積が大きくなり接触抵抗が小さくなること
の他に、端面２４６に細溝２４８を形成したことにより
ガス拡散電極３０の接触部３４に面圧の低い帯状の部分
が形成され、酸化ガスおよび燃料ガスが、端面２４６の
縁部から接触部３４の内部に拡散することによる。
【００３６】上述したように、従来例の単電池では、接
触部３４の緻密化の程度により、酸化ガスまたは燃料ガ
スが拡散する範囲が限定されるが、この範囲内に面圧の
低い部分を端面２４６の細溝２４８により形成すれば、
ガス流路２４４の酸化ガスまたは燃料ガスは、リブ２４
２の端面２４６の縁部から接触部３４の面圧の高い部分
を透過して面圧の低い部分および細溝２４８に達し、こ
の面圧の低い部分および細溝２４８からも酸化ガスまた
は燃料ガスの拡散が行なわれる。したがって、緻密化し
ても拡散が可能な範囲以内の間隔で端面２４６に細溝２
４８を形成すれば、接触部３４の中央部にまで酸化ガス
または燃料ガスを拡散させることができる。第２実施例
では、ガス拡散電極３０の厚さを０．３ｍｍ，リブ２４
２の幅を２ｍｍ，リブ２４２の間隔を２ｍｍとし、面圧
を２ＭＰａ（２０．４Kgf／cm2）としたので、接触部３
４が緻密化しても酸化ガスまたは燃料ガスの拡散が可能
な範囲は上述したように約０．２ｍｍとなり、細溝２４
８の間隔を０．２ｍｍとしたので、接触部３４全体に酸
化ガスまたは燃料ガスが拡散する。
【００３７】以上説明した第２実施例の燃料電池の単電
池１１０によれば、リブ１４２の端面４６にリブ１４２
を横断する複数の細溝１４８を形成したことにより、ガ
ス流路２４４の酸化ガスおよび燃料ガスを接触部３４の
内部にまで拡散させることができる。この結果、電気化
学反応に寄与するガス拡散電極３０の利用率を高くし
て、単電池１１０ひいては燃料電池の性能を向上させる
ことができる。また、ガス拡散電極３０が細溝１４８に
くい込んで細溝１４８の形成面と接触するので、集電極
１４０とガス拡散電極３０との接触面積を大きくして接
触抵抗を小さくすることができる。
【００３８】なお、第２実施例の単電池１１０では、細
溝１４８の幅，深さおよびその間隔をいずれも０．２ｍ
ｍとしたが、如何なる寸法でもかまわない。ただし、細
溝１４８とガス拡散電極３０との接触面積を大きくする
ために、その深さをガス拡散電極３０の厚さ以下とする
のが好ましい。
【００３９】第２実施例の単電池１１０では、細溝１４
８をリブ１４２の長手方向と垂直な方向に形成したが、
リブ１４２を横断すれば如何なる方向に形成してもかま
わない。また、図７および図８に示した集電極２４０の
ように、リブを横断しない細溝として形成してもよい。
この集電極２４０では、細溝２４８がリブ２４２を横断
しないため、酸化ガスまたは燃料ガスが細溝２４８を通
ってガス拡散電極３０の接触部３４内部に拡散すること
はないが、接触部３４が緻密化しても酸化ガスまたは燃
料ガスの拡散が可能な範囲以内の間隔で端面２４６に細
溝２４８が形成されているので、リブ２４２の端面２４
６の縁部から接触部３４の面圧の高い部分を透過した酸
化ガスまたは燃料ガスがさらに内部の面圧の高い部分へ
拡散することにより、酸化ガスまたは燃料ガスを接触部
３４の中央部まで拡散させることができる。この結果、
電気化学反応に寄与するガス拡散電極３０の利用率を高
くすることができる。もとより、集電極２４０を用いた
単電池２１０でも、ガス拡散電極３０が細溝２４８にく
い込んで細溝２４８の形成面と接触するので、集電極２
４０とガス拡散電極３０との接触面積を大きくして接触
抵抗を小さくすることができる。
【００４０】次に本発明の第３の実施例である燃料電池
の単電池３１０について説明する。第３実施例の単電池
３１０は、集電極４０に代えて集電極３４０を用いた点
を除いて第１実施例の単電池１０と同一の構成をしてい
る。そこで、第１実施例の単電池１０と同一の構成に
は、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４１】図９は、第３実施例の単電池３１０の図１
中の破線円に相当する部分を拡大して示した拡大説明図
である。第３実施例の集電極３４０は、第１実施例の集
電極４０と同様に、緻密質カーボンにより形成されてお
り、その２つの積層面には、それぞれ平行に配置された
複数のリブ３４２が、互いに直交する配置として形成さ
れている。このリブ３４２は、ガス拡散電極３０の表面
とで酸化ガスまたは燃料ガスの流路をなすガス流路３４
４を形成する。集電極３４０のリブ３４２のガス拡散電
極３０と接触する端部３４６は、２つのテーパー面によ
り山形に形成されている。図に示すテーパー面の角度θ
は、次式で示す範囲が好ましく、第３実施例の集電極３
４０では、ガス拡散電極３０の厚さを０．３ｍｍ，ガス
拡散電極３０に乗じる係数を０．７，リブ３４２の幅を
２ｍｍとして代入し、θ＝１２゜とした。
【００４２】ｔａｎθ＝（ガス拡散電極３０の厚さ×１
〜０．５）／（リブ３４２の幅×０．５）
【００４３】ここで、上式の分母をガス拡散電極３０の
厚さ以下とするのは、端部３４６全体がガス拡散電極３
０に接触するようにするためである。ガス拡散電極３０
の厚さ以上にすると、リブ３４２のテーパー面の一部が
ガス拡散電極３０に接触しなくなり、リブ３４２の幅を
無為に設定したことになるからである。また、ガス拡散
電極３０の厚さの０．５倍以上としたのは、ガス拡散電
極３０の厚さに比してリブ３４２の幅が広いため、これ
より小さくすると有効なテーパーが得られなくなるから
である。したがって、ガス拡散電極３０の厚さに比して
リブ３４２の幅がさほど広くない場合は、０．５倍以下
とすることもできる。
【００４４】こうして構成された第３実施例の単電池３
１０は、電解質膜２０および２つのガス拡散電極３０を
挟んで対峙する一対のガス流路３４４に酸化ガスおよび
燃料ガスを流せば、第１実施例で示した電気化学反応と
同一の反応を行い、化学エネルギを直接電気エネルギに
変換する。このとき、ガス拡散電極３０の接触部３４の
中央付近は、端部３４６が山形に形成されていることか
ら燃料電池に加えられる積層方向の押圧荷重により、従
来例の単電池に比してより緻密化され、酸化ガスまたは
燃料ガスが拡散せず、電気化学反応に寄与しない不活性
化領域となる。しかし、その領域以外では、押圧荷重に
よる緻密化の程度は従来例の単電池に比して低くなるか
ら、図中矢印で示すように、ガス流路３４４の酸化ガス
または燃料ガスは、端部３４６の縁部からテーパー面に
沿って拡散する。したがって、不活性化領域が存在する
ものの、従来例の単電池に比してその面積は小さいか
ら、電気化学反応に寄与する領域の面積が大きくなり、
燃料電池の性能を向上させる。また、端部３４６を山形
形状としたことにより、集電極３４０とガス拡散電極３
０との接触面積も大きくなり、接触抵抗が小さくなる。
【００４５】図１０は、第３実施例の単電池３１０およ
び従来例の単電池の電流密度とセル電圧との関係を例示
したグラフである。グラフ中、曲線Ａは従来例の単電
池、曲線Ｇは第３実施例の単電池３１０の電流密度とセ
ル電圧との関係を示す。図示するように、リブ３４２の
端部３４６を山形に形成した単電池３１０は、端部３４
６がフラットな従来例にの単電池に比して、その性能の
向上が認められる。
【００４６】以上説明した第３実施例の燃料電池の単電
池３１０によれば、リブ３４２の端部３４６を山形に形
成したことにより、ガス拡散電極３０のうち緻密化によ
り不活性化する領域を小さくして電気化学反応に寄与す
るガス拡散電極３０の利用率を高くし、単電池３１０ひ
いては燃料電池の性能を向上させることができる。ま
た、リブ３４２の端部３４６を山形に形成したので、集
電極３４０とガス拡散電極３０との接触面積を大きくし
て接触抵抗を小さくすることができる。
【００４７】なお、第３実施例の単電池３１０では、リ
ブ３４２の端部３４６を２つのテーパー面により山形と
したが、１つのテーパー面による片斜面とする構成や円
弧とする構成、凸形状とする構成等も差し支えない。こ
の場合でも、端部３４６全体がガス拡散電極３０と接触
するよう端部３４６の先端部までの距離をガス拡散電極
３０の厚さ以下にするのが好ましい。
【００４８】次に本発明の第４の実施例である燃料電池
の単電池４１０について説明する。第４実施例の単電池
４１０は、集電極４０に代えて集電極４４０を用いた点
を除いて第１実施例の単電池１０と同一の構成をしてい
る。そこで、第１実施例の単電池１０と同一の構成に
は、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４９】図１１は、第４実施例の単電池４１０の図
１中の破線円に相当する部分を拡大して示した拡大説明
図である。第４実施例の集電極４４０は、第１実施例の
集電極４０と同様に、緻密質カーボンにより形成されて
おり、その２つの積層面には、それぞれ平行に配置され
た複数のリブ４４２が、互いに直交する配置として形成
されている。このリブ４４２が形成された積層面には、
導電性の接着剤４５０、例えば、エポキシ系の接着剤や
ポリ四フッ化エチレン等のフッ素系の樹脂にカーボンの
粉体を混合したカーボンペースト等により、太さ５μ
ｍ，長さ１００μｍのカーボン短繊維４５２が多数植毛
されている。このカーボン短繊維４５２を表面に植毛し
たリブ４４２は、ガス拡散電極３０の表面とで酸化ガス
または燃料ガスの流路をなすガス流路３４４を形成す
る。
【００５０】第４実施例の集電極４４０では、次のよう
にカーボン短繊維４５２をその積層面に植毛した。ま
ず、集電極４４０の積層面に接着剤４５０を塗布し、集
電極４４０をアースに接続またはマイナスに帯電させ
る。次に、アース接続またはマイナスに帯電させた集電
極４４０の接着剤４５０を塗布した積層面に、プラスに
帯電させたカーボン短繊維４５２を散布する。すると、
カーボン短繊維４５２は、靜電誘導により集電極４４０
の積層面の接着剤４５０に立つように植え付けられる。
続いて、集電極４４０に塗布した接着剤４５０を温度１
５０℃で３０分間乾燥させて硬化させ、集電極４４０を
完成する。
【００５１】こうして構成された第４実施例の単電池４
１０は、電解質膜２０および２つのガス拡散電極３０を
挟んで対峙する一対のガス流路４４４に酸化ガスおよび
燃料ガスを流せば、第１実施例で示した電気化学反応と
同一の反応を行い、化学エネルギを直接電気エネルギに
変換する。
【００５２】このとき、ガス拡散電極３０の接触部３４
には、リブ４４２の端面４４６に植毛したカーボン短繊
維４５２により面圧に高低が生じ、図中矢印で示すよう
に、ガス流路４４４の酸化ガスまたは燃料ガスが端面４
４６の端部から圧力の低い部分を介して接触部３４の内
部に拡散する。また、ガス拡散電極３０の接触部３４と
端面４４６との接触部には、カーボン短繊維４５２によ
る微小な隙間を有する層が生じ、この層の隙間から接触
部３４の内部に酸化ガスまたは燃料ガスが拡散する。さ
らに、端面４４６に植毛されたカーボン短繊維４５２が
ガス拡散電極３０を形成するカーボン繊維に絡みつく。
このため、集電極４４０とガス拡散電極３０との接触抵
抗が小さくなる。また、ガス流路４４４を形成するリブ
４４２の側面等に植毛したカーボン短繊維４５２は、ガ
ス流路４４４内の酸化ガスまたは燃料ガスの流れを乱
し、酸化ガスまたは燃料ガスのガス拡散電極３０への拡
散性を向上させる。
【００５３】図１２は、第４実施例の単電池４１０およ
び従来例の単電池の電流密度とセル電圧との関係を例示
したグラフである。グラフ中、曲線Ａは従来例の単電
池、曲線Ｈは第４実施例の単電池４１０の電流密度とセ
ル電圧との関係を示す。図示するように、集電極４４０
の積層面にカーボン短繊維４５２を植毛した単電池４１
０は、カーボン短繊維が植毛されていない従来例の単電
池に比して、その性能の著しい向上が認められる。
【００５４】以上説明した第４実施例の燃料電池の単電
池４１０によれば、リブ４４２の端面４４６にカーボン
短繊維４５２を植毛したことにより、接触部３４に面圧
の低い部分を生じさせ、ガス流路４４４の酸化ガスまた
は燃料ガスを、端面４４６の縁部からこの面圧の低い部
分を介して接触部３４の内部に拡散させることができ
る。また、リブ４４２の端面４４６にカーボン短繊維４
５２を植毛したことにより、接触部３４と端面４４６と
の接触部に微小な隙間を有する層を形成するので、この
層の隙間から酸化ガスまたは燃料ガスを接触部３４の内
部に拡散させることができる。このように接触部３４の
内部にまで酸化ガスまたは燃料ガスを拡散させるので、
電気化学反応に寄与するガス拡散電極３０の利用率を高
くして、単電池４１０ひいては燃料電池の性能を向上さ
せることができる。
【００５５】また、第４実施例の燃料電池の単電池４１
０によれば、リブ４４２の端面４４６のカーボン短繊維
４５２がガス拡散電極３０を形成するカーボン繊維に絡
みつくので、接触抵抗を小さくすることができ、内部抵
抗の小さな燃料電池とすることができる。さらに、ガス
流路４４４を形成するリブ４４２の側面等にもカーボン
短繊維４５２を植毛したので、カーボン短繊維４５２が
ガス流路４４４の酸化ガスまたは燃料ガスの流れを乱
し、ガス拡散電極３０への拡散性を向上させることがで
きる。
【００５６】なお、第４実施例では、ガス流路４４４を
形成するリブ４４２の側面等にもカーボン短繊維４５２
を植毛したが、リブ４４２の端面４４６にのみ植毛する
構成も差し支えない。また、第４実施例では、カーボン
短繊維４５２を太さ５μｍ，長さ１００μｍとしたが、
この形状に限られるものではない。カーボン短繊維の形
状は、リブ４４２の幅および間隔、ガス拡散電極３０の
柔軟性等により定まるのもである。
【００５７】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の燃料
電池によれば、電極と接触する集電極のリブ部の接触面
を非平坦形状としたことにより、流路の燃料を、この接
触面の縁部から所定寸法以上この接触面と接触する電極
の被接触部に拡散させることができる。この結果、電気
化学反応に寄与し得る電極の面積を増大させることがで
き、効率の良い燃料電池とすることができる。また、リ
ブ部の接触面を非平坦形状としたので、接触面が平坦形
状の燃料電池に比して接触面積を大きくすることがで
き、内部抵抗の小さな燃料電池とすることができる。
【００５９】本発明の第２の燃料電池によれば、電極と
接触するリブ部の接触面にリブ部を横断する複数の溝を
形成することにより、流路の燃料を、この接触面と接触
する電極の被接触部に拡散させることができる。この結
果、電気化学反応に寄与し得る電極の面積を増大させる
ことができ、効率の良い燃料電池とすることができる。
【００６０】本発明の第３の燃料電池によれば、電極と
接触するリブ部の接触面の縁部から所定寸法以内に溝を
形成したことにより、流路の燃料を、リブ部の接触面の
縁部から電極の被接触部の所定寸法以上の内側まで拡散
させることができる。この結果、電気化学反応に寄与し
得る電極の面積を増大させることができ、効率の良い燃
料電池とすることができる。
【００６１】本発明の第４の燃料電池によれば、電極と
接触するリブ部の接触面を突出形状としたことにより、
流路の燃料を、リブ部の接触面の縁部から電極の被接触
部の内部にまで拡散させることができる。この結果、電
気化学反応に寄与し得る電極の面積を増大させることが
でき、効率の良い燃料電池とすることができる。
【００６２】本発明の第５の燃料電池によれば、電極と
接触するリブ部の接触面に導電性を有する繊維を植毛す
ることにより、流路の燃料を、リブ部の接触面と接触す
る被接触部の内部にまで拡散させることができる。この
結果、電気化学反応に寄与し得る電極の面積を増大させ
ることができ、効率の良い燃料電池とすることができ
る。また、電極がカーボンクロス等の繊維により形成さ
れている場合には、リブ部の接触面に植毛した導電性を
有する繊維が電極の繊維に絡みつくので、電極と集電極
との接触抵抗を小さくして、内部抵抗の小さな燃料電池
とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成
する単電池１０の構成を例示する説明図である。
【図２】図１中の破線円の部分を拡大して示した拡大説
明図である。
【図３】本実施例の単電池１０および従来例の単電池に
おける電流密度とセル電圧との関係を例示したグラフで
ある。
【図４】第２実施例の単電池１１０の一部の拡大説明図
である。
【図５】第２実施例の集電極１４０の積層面の一部を拡
大して示した拡大説明図である。
【図６】第２実施例の単電池１１０および従来例におけ
る単電池の電流密度とセル電圧との関係を例示したグラ
フである。
【図７】第２実施例の単電池１１０の変形例の拡大説明
図である。
【図８】第２実施例の単電池１１０の変形例の集電極２
４０の一部を拡大して示した拡大説明図である。
【図９】第３実施例の単電池３１０の一部を拡大して示
した拡大説明図である。
【図１０】第３実施例の単電池３１０および従来例の単
電池における電流密度とセル電圧との関係を例示したグ
ラフである。
【図１１】第４実施例の単電池４１０の一部を拡大して
示した拡大説明図である。
【図１２】第４実施例の単電池４１０および従来例の単
電池における電流密度とセル電圧との関係を例示したグ
ラフである。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０，３１０，４１０…単電池 ２０…電解質膜 ３０…ガス拡散電極 ３２…触媒層 ３４…接触部 ４０，１４０，２４０，３４０，４４０…集電極 ４２，１４２，２４２，３４２，４４２…リブ ４４，１４４，２４４，３４４，４４４…ガス流路 ４６，１４６，２４６…端面 ４７…側面 ４８…面 １４８，２４８…細溝 ３４６…端部 ４４６…端面 ４５０…接着剤 ４５２…カーボン短繊維

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
    層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
    の流路を形成するリブ部を有する集電極と、からなる燃
    料電池において、 前記流路の燃料が前記電極と接触する前記リブ部の接触
    面の縁部から所定寸法以上該接触面と接触する該電極の
    被接触部に拡散するよう、該接触面を非平坦形状とした
    ことを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
    層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
    の流路を形成するリブ部を有する集電極と、からなる燃
    料電池において、 前記電極と接触する前記リブ部の接触面に、該リブ部を
    横断する複数の溝を形成したことを特徴とする燃料電
    池。
  3. 【請求項３】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
    層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
    の流路を形成するリブ部を有する集電極と、からなる燃
    料電池において、 前記電極と接触する前記リブ部の接触面に、該接触面の
    縁部から所定寸法以内に溝を形成したことを特徴とする
    燃料電池。
  4. 【請求項４】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
    層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
    の流路を形成するリブ部を有する集電極と、からなる燃
    料電池において、 前記電極と接触する前記リブ部の接触面を、突出形状に
    形成したことを特徴とする燃料電池。
  5. 【請求項５】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
    層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
    の流路を形成するリブ部を有する集電極とからなる燃料
    電池において、 前記電極と接触する前記リブ部の接触面に、導電性を有
    する繊維を植毛したことを特徴とする燃料電池。
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