JP2000348753A

JP2000348753A - 燃料電池およびこれの使用方法

Info

Publication number: JP2000348753A
Application number: JP11159586A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】正極において生成した水を簡易に処理するこ
とができる燃料電池およびその使用方法を提供する。【解決手段】陰極、正極、およびこれらの電極の間に
配置される電解部が、酸素ガスの流路となる酸素ガス用
溝部１３が設けられた第１のプレートＰ₁〜Ｐ₅と、水
素ガスの流路となる水素ガス用溝部１４が設けられた第
２のプレートＰ₂〜Ｐ₆との間に挟み込まれた構成の燃
料電池１０であって、酸素ガス用溝部１３を、酸素ガス
が当該第１のプレートＰ₁〜Ｐ₅の周縁部に向けて流通
する形態に形成する。好ましくは、第２のプレートＰ₂
〜Ｐ₆の水素ガス用溝部１４も、水素ガスが当該第２の
プレートＰ₂〜Ｐ₆の周縁部に向けて流通する形態に形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正極、負極および
電解部が、一対のプレートの間に挟み込まれた構成の燃
料電池およびこれの使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、負極活物質としての水素
を、プラチナ（白金）などの触媒と接触させて電子と水
素イオンに解離した後、この水素イオンを正極活物質と
しての酸素と反応させて水が得られるという反応機構に
基づいている。すなわち、燃料電池では、水素から放出
された電子の移動により起電力が生じるようになされて
いる。このような原理に基づけば、化学的エネルギ変化
を直接的に電気エネルギに変換できるため、他の発電方
式に比べて極めてエネルギ効率が高い。このことは、カ
ルノーサイクルに基づく内燃機関に比べて燃料電池はエ
ネルギロスが少なく、内燃機関の代替手段である電気自
動車用のモータのバッテリとしても有用であることを意
味している。そして、燃料電池では、排気ガスが主とし
て水蒸気であり、内燃機関のように窒素化合物、炭化水
素、一酸化炭素といった有害ガスが排出されることもな
いため、環境保護の観点からも燃料電池をバッテリとし
た電気自動車の実用化が望まれている。

【０００３】ここで、従来より採用されている燃料電池
の概略構成を、図７および図８に示す。これらの図に示
した燃料電池６は、電解質として固体高分子膜７が採用
された、いわゆる固体高分子型のものである。具体的に
は、一対のプレート７０，７１の間に、固体高分子膜と
してのイオン交換膜７が、その両面に負極触媒層７Ａお
よび正極触媒層７Ｂがそれぞれ形成された状態で介在さ
せられている。そして、このイオン交換膜７と各プレー
ト７０，７１との間にはさらに、負極集電体８０および
正極集電体８１がそれぞれ配置されている。

【０００４】一方のプレート７０，７１には、負極触媒
層７Ａに負極活物質である水素ガスを供給する際の流路
となる水素ガス用溝部７０Ａが設けられており、他方の
プレート７１には、正極触媒層７Ｂに正極活物質である
酸素ガスを供給する際の流路となる酸素ガス用溝部７０
Ｂが設けられている。各集電体８０，８１は、多孔質に
形成されており、水素ガスや酸素ガスの通過が可能とさ
れている。すなわち、水素ガス用溝部７０Ａからの水素
ガスは、負極集電体８０を通過して負極触媒層７Ａに達
し、酸素ガス用溝部７１Ａからの酸素ガスは、正極集電
体８１を通過して正極触媒層７Ｂに達する。負極触媒層
７Ａは、炭素粉末にパラジウムなどの触媒を担持させた
ものであり、この負極触媒層７Ａにおいては、水素ガス
が水素イオンと電子に解離される。水素イオンはイオン
交換膜７を通過して正極触媒層７Ｂに達し、電子は負極
集電体８０から外部回路９を経由して、正極触媒層７Ｂ
に達する。このとき、電子の移動による電気エネルギが
外部回路９において取り出される。正極触媒層７Ｂは、
たとえば炭素粉末にパラジウムとロジウムを共存担持さ
せたものであり、この正極触媒層７Ｂにおいては、水素
イオン、電子および酸素ガスが反応して水が生成され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の燃料電池６
では、正極触媒層７Ｂにおいて生成した水を処理する必
要がある。つまり、生成した水がプレート７１の酸素ガ
ス用溝部７１Ａに滞留したならば、正極への酸素ガスの
供給の妨げとなり、正極触媒層７Ｂや正極集電体８１に
おいて滞留したならば、正極での酸素ガスの通過やその
反応の妨げとなる。

【０００６】本発明は、上記した事情のもとで考え出さ
れたものであって、正極において生成した水を簡易に処
理することができる燃料電池およびその使用方法を提供
することをその課題としている。

【０００７】

【発明の開示】上記の課題を解決するため、本発明で
は、次の技術的手段を講じている。

【０００８】すなわち、本発明の第１の側面により提供
される燃料電池は、正極活物質である酸素ガスを水素イ
オンおよび電子と反応させて水を生成する正極、負極活
物質である水素ガスを水素イオンと電子に解離する陰
極、およびこれらの電極の間に配置されるとともに、上
記負極から上記正極への水素イオンの移動を許容する電
解部が、水素ガスの流路となる水素ガス用溝部が設けら
れた第１のプレートと、酸素ガスの流路となる酸素ガス
用溝部が設けられた第２のプレートとの間に挟み込まれ
た構成の燃料電池であって、上記第１のプレートの中央
部には、上記酸素ガス用溝部に繋がる酸素ガス供給手段
が設けられており、上記酸素ガス用溝部は、上記酸素ガ
ス供給手段から導入された酸素ガスを、当該第１のプレ
ートの周縁部に向けて流通させる形態に形成されている
ことを特徴としている。

【０００９】好ましい実施の形態においては、上記第２
のプレートの中央部には、上記水素ガス用溝部に繋がる
水素ガス供給手段が設けられており、上記水素ガス用溝
部は、上記水素ガス供給手段から導入された水素ガス
を、当該第２のプレートの周縁部に向けて流通させるよ
うな形態に形成されている。

【００１０】正極は、たとえば正極触媒層および正極集
電体を含み、陰極は、たとえば陰極触媒層および負極集
電体を含んだ構成とされる。もちろん、触媒層としての
機能と集電体としての機能との双方を併せ持つ電極とし
て、触媒層に相当するものと集電体に相当するものを一
体的に形成してもよい。

【００１１】正極触媒層および負極触媒層は、たとえば
多孔質担体に触媒を担持させた構成としてもよく、また
電解部の表面に直接的に形成してもよい。

【００１２】前者の構成の触媒層は、たとえば炭素粉末
などに触媒を予め担持させた触媒粒を固めて多孔質マト
リクスとすることにより形成される。また、炭素粉末な
どを固めて多孔質マトリクスとした後に、このマトリク
スに触媒成分を含む溶液を含浸させて熱処理して形成し
てもよい。

【００１３】後者の構成の触媒層は、たとえば触媒を担
持した担体としての炭素粉末を有機溶剤によりあるいは
触媒と炭素粉末との混合物を有機溶剤によりペーストや
懸濁液としたものをスクリーン印刷などの手法により電
解部に塗布し、溶剤成分を蒸発させることによって形成
される。また、フッ素樹脂製などの撥水シートに、スク
リーン印刷・乾燥などの手法により触媒層となるべき炭
素薄膜を形成した後に、これを電解部に熱転写して触媒
層を形成してもよい。

【００１４】なお、正極触媒部では、酸素ガスを水素イ
オンや電子と反応させてる必要があることから、当該触
媒部を構成する触媒としては、たとえば白金、金、銀、
ロジウムなどが採用される。一方、負極触媒部では、水
素ガスを水素イオンと電子に解離する必要があることか
ら、当該触媒部を構成する触媒としては、たとえば白
金、金、ニッケル、炭化タングステンなどが採用され
る。

【００１５】正極集電体は、酸素ガスを通過させてこれ
を正極触媒層にまで達するようにし、また正極触媒層に
電子を供給する機能を有する。一方、負極集電体は、水
素ガスを通過させてこれを負極触媒層まで達するよう
し、また負極触媒層において生じた電子を集める機能を
有する。このため、負極集電体や正極集電体は、適当な
多孔度を持ち、かつ良好な電子導電体であることが要求
される。もちろん、機械的強度に優れ、電解質に侵され
にくいことも要求される。このような要求を充足する集
電体の構成材料としては、炭素系素材（カーボンブラッ
クなどの炭素粉末、黒鉛、炭素繊維など）、ニッケル、
ニッケル−クロム合金、ニッケル−コバルト合金、銀、
チタン、タンタル、酸化物半導体などが挙げられる。

【００１６】電解部は水素イオンの移動を許容する電解
質を含み、この電解質としては、たとえば固体高分子、
アルカリ溶液、超強酸やリン酸の溶液、炭酸塩、あるい
は固体酸化物などが挙げられる。

【００１７】固体高分子は、たとえば膜状ないしシート
状に形成されて電解部を構成する。ポリスチレン系の陽
イオン交換膜、たとえばペルフルオロスルホン酸ポリマ
ーが好適に使用される。このポリマーは、水により湿潤
した場合にプロトン導電性を示すものであり、負極触媒
層において水素ガスの解離により生じたプロトン（水素
イオン）は水和した状態で透過で電解部を通過し、正極
触媒層に移動するようになされている。

【００１８】アルカリ溶液としては、水酸化カリウム溶
液などが挙げられ、超強酸溶液としては、フルオロエタ
ンジスルホン酸溶液、ジフルオロメタンジスルホン酸溶
液、ジフルオロメタンジホスホン酸溶液、トリフルオロ
メタンスルホン酸溶液、トリフルオロエタンスルホン酸
溶液、テトラフルオロエタンジスルホン酸溶液、あるい
はテトラフルオロプロパンスルホン酸溶液などが挙げら
れる。

【００１９】アルカリ溶液、超強酸溶液あるいはリン酸
溶液は、たとえば炭化ケイ素などの粉末をポリテトラフ
ルオロエチレンなどの樹脂で結着した多孔質マトリック
スに含浸・保持させて電解部とされる。

【００２０】炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カ
リウム、あるいは炭酸リチウムなどが挙げられ、これら
を単独で使用しても、複数種を混合して混合溶融塩とし
て使用してもよい。炭酸塩は、たとえばアルミン酸リチ
ウム粒子と混合して炭酸塩の融点よりも１０℃程度低い
温度でホットプレスすることにより、あるいはアルミン
酸リチウム板に含浸させて電解部とされる。この電解部
では、高温運転することにより炭酸塩が溶融して炭酸イ
オン導電体となる。

【００２１】固体酸化物としては、酸化ジルコニウム、
酸化カルシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化スカンジウム、酸化ネオジム、酸化ガドリニウ
ム、あるいは酸化ランタンなどが挙げられ。これらの固
体酸化物のうち、とくに酸化ジルコニウムが好適に使用
され、また、酸化ジルコニウム中のジルコニウム原子の
一部を、他の固体酸化物の構成原子に置換固溶したもの
であってもよい。

【００２２】第１のプレートおよび第２のプレートは、
これらのプレートの間に電池として機能する領域を規定
し、また確保するために設けられるばかりか、各々に溝
部が形成されて酸素ガスや水素ガスを供給する際に利用
されるものであるから、耐熱性に優れ、機械的強度の高
い材料、たとえば各種の金属や合金（チタン、ステンレ
ス鋼やチタン合金など）によって矩形状や円形状に形成
される。

【００２３】各プレートに形成される溝部は、たとえば
プレートの中心部から周縁部に向けて一連に延びる渦巻
き状、あるいは中心部から周縁部に向けて放射状に延び
る複数の個別溝部からなるものとして形成される。そし
て、酸素ガス用溝部によって構成されるガス流路は、第
１のプレートの周縁部において開放し、燃料電池の外部
と連通しているのが好ましく、水素ガス用溝部によって
形成されるガス流路は、第２のプレートの周縁において
閉塞しているのが好ましい。つまり、酸素ガスを燃料電
池の外部に放出させてもさほど問題はない一方、水素ガ
スを燃料電池の外部に放出するのは安全性の観点からも
好ましくないため、燃料電池内において水素ガスを流通
させる必要がある。なお、酸素ガスを燃料電池の外部に
放出させる構成では、放出される酸素ガスに同伴され
て、正極において生成した水が排除されることが期待さ
れる。

【００２４】好ましくは、水素ガス用溝部や酸素ガス用
溝部の内表面は、撥水処理が施される。撥水処理として
は、たとえばフッ素樹脂をコーティングする方法が採用
される。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチ
レン、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオ
ロエチレン−エチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデ
ン、あるいはテトラフルオロエチレン−テトラフルオロ
プロピレン共重合体などが挙げられる。

【００２５】水素ガス供給手段や酸素ガス供給手段は、
たとえばパイプにより達成され、また、コンプレッサな
どの圧力により推進力が付与されて、パイプ内をガスが
流通させられて水素ガスや酸素ガスが第１または第２の
プレートの溝部に供給される。

【００２６】なお、本発明に係る燃料電池は、複数を直
列的に積層して、燃料電池スタックとして使用すること
もできる。燃料電池スタックでは、隣り合う燃料電池ど
うしで同一のプレートを共用することもできる。この場
合、共用するプレートの一面側には水素ガス用溝部が設
けられ、他面側には酸素ガス用溝部が設けられる。ま
た、各プレートの各々の水素ガス用溝部どうし、および
酸素ガス用溝部どうしをそれぞれ連通させ、一カ所から
水素ガスを供給すれば各プレートの全ての水素ガス用溝
部に水素ガスが流通し、同様に、一カ所から酸素ガスを
供給すれば各プレートの全ての酸素ガス用溝部に酸素ガ
スが流通するように構成してもよい。さらに、共用する
プレートを、導体により構成するとともに、一方の燃料
電池の正極集電体および他方の燃料電池の負極集電体の
双方に導通するように構成してもよい。この構成では、
他方の燃料電池の負極集電体に集められた電子が、共用
するプレートを介して一方の燃料電池の正極集電体に供
給され、この電子が一方の燃料電池の正極触媒層におけ
る水の生成反応に寄与することとなる。

【００２７】また、本発明の第２の側面においては、上
述した本発明の第１の側面において記載したいずれか１
つの燃料電池を使用する方法であって、上記燃料電池を
回転させることを特徴とする、燃料電池の使用方法が提
供される。

【００２８】上述した本発明の第１の側面に記載した燃
料電池では、少なくとも第１のプレートの酸素ガス用溝
部が、プレートの中心部から周縁部に向けて延びる形態
とされている。このため、酸素ガス用溝部に供給された
酸素ガスは、プレートの中心から周縁部に向けて流れる
こととなる。そして、燃料電池を回転させた場合には、
その遠心力によって、プレートの周縁部に向かうほど酸
素ガスに、より大きな力が作用する。また、正極におい
て生成した水は、酸素ガス用溝部に溜まりがちである
が、燃料電池を回転させた場合には、酸素ガス用溝部に
溜まった水にも、遠心力が作用する。つまり、遠心力の
作用と酸素ガスの流れにより、酸素ガス用溝部に溜まっ
た水は、当該溝部に沿って流れることとなる。しかも、
第１のプレートの中心から離れるほど水に作用する遠心
力が大きくなり、また酸素ガスの流速も大きくなろうこ
とから、溝部の水は確実に第１のプレートの周縁部に達
することとなる。そして、酸素ガス用溝部は、第１のプ
レートの周縁において、燃料電池の外部と連通する構成
を採用することができるから、この水は、燃料電池の外
部に積極的に排除されることとなる。また、酸素ガス用
溝部の内表面に撥水処理を施した場合、溝部を移動する
水と溝部の内表面との間の抵抗が低減されることから、
溝部からの水の排除を、さらに良好に行うことができ
る。

【００２９】一方、第２のプレートに形成される水素ガ
ス用溝部も、プレートの中心部から周縁部に向けて延び
る形態とすることができるが、この構成では、水素ガス
用流路の隅々まで水素ガスを良好に行き渡らせることが
できる。すなわち、プレートの中心部から離れた部位ほ
ど、その部位に至るまでの圧力損出が大きいために水素
ガスが行き渡りにくいが、燃料電池を回転させれば、そ
の遠心力の作用により、水素ガスに推進力が与えられ、
また、中心から距離が大きいほど、より大きな推進力が
付与されることから、水素ガスを水素ガス用流路の隅々
まで行き渡らせることが可能となる。

【００３０】なお、燃料電池を回転させるに当たって、
駆動機構を別途設けてもよいが、燃料電池の配置場所の
近傍に、回転する部材ないし機構があれば、これを利用
してするのが好ましい。たとえば、燃料電池を自動車に
搭載する場合には、当該自動車におけるドライブシャフ
トやタイヤホイールなどの回転部材に燃料電池を一体化
または連結し、回転部材とともに、または回転部材の回
転に連動して燃料電池を回転させてもよい。この場合、
駆動機構を別途設ける構成と比べれば燃料電池を含めた
システム全体としてのエネルギロスは少なく、また、燃
料電池を回転させない場合と比べても、システム全体と
しての効率は、さほど低下することはない。

【００３１】本発明のその他の特徴および利点は、以下
に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、図１は
本発明に係る燃料電池からる燃料電池スタックの一例を
表す全体斜視図、図２は図１の燃料電池スタックの断面
図、図３は図２において実線で囲んだ領域の拡大図、図
４（ａ）および（ｂ）は、本発明の燃料電池の構成する
プレートの溝部の形態を説明するための図、図５は図４
に示したプレートに、水素ガスまたは酸素ガスを供給す
る手段である接合パイプの要部を拡大し、断面した斜視
図である。また、本実施形態では、固体高分子型の燃料
電池を例にとって説明する。

【００３３】燃料電池スタック１は、図１および図２に
示したように隣り合うものどうしで一枚のプレートを共
用する複数の燃料電池１０が直列的に並べられた状態
で、複数のボルトＢを利用して、２枚のエンドプレート
１Ａ，１Ｂの間に挟持された構成とされている。

【００３４】各燃料電池１０は、図２および図３に示し
たように２枚のプレートＰ_m，Ｐ_m+ ₁（ｍは１から５の
整数）と、これらのプレートＰ_m，Ｐ_m+1の間に介在す
る電解部としてのイオン交換膜２と、このイオン交換膜
２と各プレートＰ_n（ｎは１から６の整数、以下同様）
との間に介在する負極集電体３または正極集電体４と、
上記した各部材の中央部を貫通するガス供給手段として
の接合パイプ５と、を備えて大略構成されている。

【００３５】各プレートＰ_nは、図２および図４に示し
たように、チタンやステンレス鋼などの導体によって全
体が円板状に形成されているとともに、その中央部に
は、厚み方向に貫通する貫通孔１２が設けられている。
また、その周縁部には、周方向に一定間隔隔てて並ぶよ
うにして複数のボルト穴１１が設けられている。

【００３６】図２における右端に位置するプレートＰ₁
には、図４（ａ）に良く表れているように、一面Ｐａ側
に燃料電池スタック１の回転方向（図１参照）の反対方
向に渦を巻いた形態の酸素ガス用溝部１３が設けられて
いる。この酸素ガス用溝部１３は、始端１３ａが貫通孔
１２に繋がるとともに、終端１３ｂがプレートＰ₁の外
部に開放している。

【００３７】図２における左端に位置するプレートＰ₆
には、図４（ｂ）に良く表れているように、他面Ｐｂ側
に燃料電池スタック１の回転方向（図中の矢印Ａ方向）
の反対方向に渦を巻いた形態の水素ガス用溝部１４が設
けられている。この酸素ガス用溝部１４は、始端１４ａ
が貫通孔１２に繋がるとともに、終端１３ｂが閉塞され
ている。なお、燃料電池１０の状態では、プレートＰ₁
とプレートＰ₆とは、軸方向視において、各々の溝部１
３，１４の始端１３ａ，１４ａどうしが各プレート
Ｐ₁，Ｐ₆の軸心を挟んで互いに対向する状態で固定さ
れる。

【００３８】その他のプレートＰ₂〜Ｐ₅は、隣り合う
燃料電池１０どうしで共用するものであり、一面Ｐａ側
に、図４（ａ）に示した形態の酸素ガス用溝部１３が設
けられ、他面Ｐｂ側に、図４（ｂ）に示した形態の水素
ガス用溝部１４が設けられている。このとき、各プレー
トＰ₂〜Ｐ₅の酸素ガス用溝部１３の始端１３ａと、水
素ガス用溝部１４の始端４ａとは、プレートＰ₂〜Ｐ₅
の軸心を挟んで互いに対向するようにして設けられる。

【００３９】なお、各溝部１３，１４の内表面には、図
面上には表れていないが、フッ素樹脂などによって、撥
水処理が施されている。

【００４０】イオン交換膜２は、全体として円形シート
状とされており、図２に良く表れているように、両面に
負極触媒層２０および正極触媒層２１がそれぞれ設けら
れている。また、イオン交換膜２の中央部には、接合パ
イプ５が挿通される貫通孔２が設けられ、周縁部には、
各ボルトＢが挿通されるボルト穴２２が複数設けられて
いる。

【００４１】このイオン交換膜２は、プロトン導電性を
示すものであり、水素イオンを選択的に通過させるもの
である。このようなイオン交換膜２としては、たとえば
ポリスチレン系の陽イオン交換膜であるペルフルオロス
ルホン酸ポリマーが採用される。このポリマーは、水に
より湿潤した場合に導電性を示し、水素イオンが水和し
た状態で通過する。

【００４２】負極触媒層２０は、たとえば炭素粒の表面
にプラチナを担持させた触媒粒で構成された多孔質層と
されており、水素分子や水素イオンが通過可能とされて
いる。この負極触媒層２０では、供給された水素ガス
が、水素イオンと電子に解離される。一方、正極触媒層
２１は、たとえば炭素粒の表面にプラチナとロジウムと
を共存担持させた触媒粒で構成された多孔質層とされて
おり、酸素分子が通過可能とされている。この正極触媒
層２１では、水素イオンが、酸素および電子と反応して
水が生成される。

【００４３】正極集電体３は、当該正極集電体３を含む
燃料電池１０の外部（隣の燃料電池１０の負極集電体４
や燃料電池スタック１の外部）から電子を受け取って、
この電子を正極触媒層２０に供給できるようにし、また
供給された酸素ガスが正極触媒層２０に達するように酸
素ガスを通過させる必要がある。このため、たとえば炭
素系素材（カーボンブラックなどの炭素粉末、黒鉛、炭
素繊維など）、ニッケル、ニッケル−クロム合金、ニッ
ケル−コバルト合金、銀、チタン、タンタル、酸化物半
導体などの素材によって多孔質体として形成される。こ
れらのうち、とくに炭素系素材が好適に採用される。

【００４４】負極集電体４は、負極触媒層２１において
水素ガスから解離した電子を集めて当該負極集電体４を
含む燃料電池１０の外部（隣の燃料電池１０の正極集電
体３や燃料電池スタック１の外部回路）に取り出せるよ
うにし、また供給された水素ガスが負極触媒層２１に達
するように水素ガスを通過させるものとして構成する必
要があるが、正極集電体４と同様な素材によって形成さ
れる。

【００４５】正極集電体３および負極集電体４の周りに
は、図２に示したようにイオン交換膜２と各プレートＰ
_iとの間の封止状態、ひいては隣り合うプレートＰ_m，
Ｐ_m+ ₁どうしの封止状態を高めるためにガスケット３
０，４０が設けられている。ガスケット３０，４０は、
図面上には明確に表れていないが、中央部に集電体３，
４と同程度の面積を有する開口３１，４１が設けられて
円形枠状とされており、また、各ボルトＢが挿通される
ボルト穴３２，４２が設けられている。

【００４６】接合パイプ５は、各プレートＰ_nに形成さ
れた酸素ガス用溝部１３に酸素ガスを供給するととも
に、水素用溝部１４に水素ガスを供給するためのもので
ある。具体的には、図２および図５に良く表れているよ
うに、酸素ガス（空気）送り用のパイプ５０と水素ガス
送り用のパイプ５１とを接合した形態とされている。各
パイプ５０，５１は、曲面部５０ｂ，５１ｂおよび平面
部５０ｃ，５１ｃからなり、半円状の中空断面を有して
いる。各パイプ５０，５１どうしは、平面部５０ｃ，５
１ｃにおいて互いに接合されており、接合パイプ５とし
ては、２つの中空断面からなる円形状とされている。各
パイプ５０，５１の曲面部にはまた、一定間隔ごとに、
半径方向に貫通する流通孔５０ａ，５１ａが設けられて
いる。これらの流通孔５０ａ，５１ａは、燃料電池１０
を構成する状態において、各プレートＰ_nに設けられた
溝部の始端１３ａ，１４ａに対応するようにして形成さ
れている。すなわち、各パイプ５０，５１を流れるガス
は、連通孔５０ａ，５１ａを介して、溝部１３，１４に
供給される。

【００４７】以上の構成とされた燃料電池スタック１
は、通常、接合パイプ５を回転軸として、図１や図４に
符号Ａで示した矢印方向に回転させて使用する。すなわ
ち、燃料電池スタック１を回転させた状態において、接
合パイプ５を構成する各パイプ５０，５１内を、酸素ガ
スを含んだ空気または水素ガスが流される（図２および
図３参照）。このとき、各パイプ５０，５１の流通孔５
０ａ，５１ａを介して、各酸素ガス用溝部１３ないし水
素ガス用溝部１４に酸素ガスまたは水素ガスが供給され
る。

【００４８】水素ガス用溝部１４は、渦巻き状の形態と
されていることから（図４（ｂ）参照）、当該溝部１４
に供給された酸素ガスは、プレートＰ₂〜Ｐ₆の中心部
から周縁部に向けて流れる。このとき、燃料電池スタッ
ク１が回転させられていることから、水素ガスには、遠
心力が付与される。しかも、プレートＰ₂〜Ｐ₆の中心
からの距離が大きな部位ほど、より大きな遠心力が付与
され、また当該溝部１４の内表面が撥水処理されている
ことから、各プレートＰ₂〜Ｐ₆の中心から比較的に離
れた部位にまで、水素ガスを良好に行き渡らせることが
できる。そして、水素ガス用溝部１４の水素ガスの一部
は、負極集電体３を通過し、負極触媒層２０にまで達す
る。この負極触媒層２０では、水素ガスが水素イオンと
電子に解離される（下記反応式（１））。

【００４９】

【化１】

【００５０】この反応の際に生じた電子は、負極集電体
３に集められるが、この電子は、通常、当該負極集電体
３を共用する隣りの燃料電池１０の正極集電体４に供給
される（図２参照）。また、負極触媒層２０における反
応の際に生じた水素イオンは、水和状態でイオン交換膜
２を通過し（下記反応式（２））、同一燃料電池１０の
正極触媒層２１に移動する。

【００５１】

【化２】

【００５２】一方、酸素ガス用溝部１３は、渦巻き状の
形態とされているとともに、終端１３ｂがプレートＰ₁
〜Ｐ₅の周縁において燃料電池１０の外部に開放してい
ることから、当該溝部１３に供給された酸素ガスは、プ
レートＰ₁〜Ｐ₅の周縁に設定された終端１３ｂに向け
て流れ、当該終端１３ｂから排出される。

【００５３】既述の通り、通常の使用状態では燃料電池
スタック１が回転しており、しかも酸素ガス用溝部１３
の内表面に撥水処理が施されていることから、酸素ガス
は、流動抵抗の低減された酸素ガス用溝部１３の表面に
沿って、その遠心力を付与されつつプレートＰ₁〜Ｐ₅
の周縁に向けて流れることとなる。このとき、酸素ガス
の一部が、正極集電体４を通過して正極触媒層２１に達
する。この正極触媒層２１にはさらに、プレートＰ₂〜
Ｐ₅を共用する隣の燃料電池１０の負極集電体３ないし
燃料電池スタック１の外部から電子が供給され、またイ
オン交換膜２を介して、負極集電体３において解離され
た水素イオンが供給される。このようにして酸素ガス、
電子および水素イオンが供給された正極触媒層２１で
は、これらが反応して水が生成する（下記反応式
（３））。

【００５４】

【化３】

【００５５】ところで、正極触媒層２１において生成さ
れた水は、水素ガス用溝部１３に溜まりがちである。本
実施形態では、燃料電池スタック１を回転させて使用す
ることから、当該溝部１３の水には遠心力が作用する。
このため、回転により所定値以上の遠心力が作用した水
は、当該溝部１３に沿って渦巻き状に、プレートＰ₁〜
Ｐ₅の周縁部に向けて移動する。そして、最終的には、
プレートＰ₁〜Ｐ₅（燃料電池１０）の外部に排除され
る。また、溝部１３の内表面に撥水処理が施されて、水
の移動に対する表面抵抗が小さくされていることから、
より小さな遠心力の作用により、水が移動させられ、排
除される。このように、本実施形態の燃料電池スタック
１（燃料電池１０）では、正極触媒層２１において生成
された水を好適に排除することができる。

【００５６】以上に説明したように、上記構成の燃料電
池スタック１では、１の燃料電池１０の負極集電体３に
集められた電子は、通常、同一のプレートＰ₂〜Ｐ₅を
共用する隣の燃料電池１０の正極集電体４に供給され
る。そして、電子の流れ方向の最下流（プレートＰ
₆側）に位置する燃料電池１０の負極集電体３に集めら
れた電子は、外部回路（図示略）を経由して、電子の流
れ方向の最上流（プレートＰ ₁側）に位置する燃料電池
１０の正極集電体４に供給される。すなわち、燃料電池
スタック１内においては、電子が全体として一定の方向
（プレートＰ₁からプレートＰ₆側）に向けて流れ、最
下流の燃料電池１０から最上流の燃料電池１０には、外
部回路を経由して電子が循環させられるようになされて
いる。このとき、外部回路においてエネルギを取り出し
て利用するようになされている。

【００５７】なお、本実施形態では、各プレートＰ₁〜
Ｐ₆の溝部１３，１４が渦巻き状に形成された燃料電池
１０ないし燃料電池スタック１について説明したが、各
プレートの溝形態としては、たとえば図６に示したよう
な形態を採用することもできる。同図に示したプレート
Ｐ₁〜Ｐ₆では、中心部から周縁部に向けて直線的に延
びる複数の個別溝部１３Ａ（１４Ａ）が形成されて、溝
部全体としては放射状の形態とされている。このような
溝形態においても、供給された酸素ガスや水素ガス、ひ
いては正極側において生成した水が、燃料電池スタック
（燃料電池）の回転による遠心力によって好適に排除さ
れる。また、図６に示したプレートの溝形態において、
複数の個別溝部１３Ａ（１４Ａ）の一部ないし全部が途
中で分岐した形態、あるいは複数の個別溝部１３Ａ（１
４Ａ）の一部ないし全部が途中で屈曲した形態を採用し
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池からる燃料電池スタック
の一例を表す全体斜視図である。

【図２】図１の燃料電池スタックの断面図である。

【図３】図２において実線で囲んだ領域の拡大図であ
る。

【図４】（ａ）は、本発明の燃料電池の構成するプレー
トの平面図、（ｂ）はその底面図である。

【図５】図４に示したプレートに、水素ガスまたは酸素
ガスを供給する手段である接合パイプの要部を拡大し、
断面した斜視図である。

【図６】プレートの形成される溝部の異なる形態を表す
わプレートの平面図である。

【図７】従来の燃料電池の一例を表す断面図である。

【図８】図７の燃料電池の分解図である。

【符号の説明】

１燃料電池スタック１０燃料電池２イオン交換膜（電解部としての）２０正極触媒層２１負極触媒層３正極集電体４負極集電体５接合パイプ（ガス供給手段としての）Ｐ₁〜Ｐ₆ プレート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】負極活物質である水素ガスを水素イオン
と電子に解離する陰極、正極活物質である酸素ガスを水
素イオンおよび電子と反応させて水を生成する正極、お
よびこれらの電極の間に配置されるとともに、上記負極
から上記正極への水素イオンの移動を許容する電解部
が、酸素ガスの流路を構成する酸素ガス用溝部が設けら
れた第１のプレートと、水素ガスの流路を構成する水素
ガス用溝部が設けられた第２のプレートとの間に挟み込
まれた構成の燃料電池であって、上記第１のプレートの中央部には、上記酸素ガス用溝部
に繋がる酸素ガス供給手段が設けられており、上記酸素ガス用溝部は、上記酸素ガス供給手段から導入
された酸素ガスを、当該第１のプレートの周縁部に向け
て流通させる形態に形成されているとともに、上記第１
のプレートの外部に通じていることを特徴とする、燃料
電池。
【請求項２】上記第２のプレートの中央部には、上記
水素ガス用溝部に繋がる水素ガス供給手段が設けられて
おり、上記水素ガス用溝部は、上記水素ガス供給手段か
ら導入された水素ガスを、当該第２のプレートの周縁部
に向けて流通させる形態に形成されている、請求項１に
記載の燃料電池。
【請求項３】上記酸素ガス用溝部および上記水素ガス
用溝部の少なくとも一方は、当該プレートの中心部から
周縁部に向けて一連に延びる渦巻き状に形成されてい
る、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】上記酸素ガス用溝部および上記水素ガス
用溝部の少なくとも一方は、当該プレートの中心部から
周縁部に向けて放射状に延びる複数の個別溝部からな
る、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】上記酸素ガス用溝部および上記水素ガス
用溝部の少なくも一方の内表面には、撥水処理が施され
ている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料
電池。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれか１つに記載
した燃料電池を使用する方法であって、上記燃料電池を
回転させることを特徴とする、燃料電池の使用方法。
【請求項７】上記燃料電池を自動車に搭載するととも
に、当該自動車における回転部材に上記燃料電池を一体
化または連結し、上記回転部材とともに、または上記回
転部材の回転に連動して上記燃料電池を回転させる、請
求項６に記載の燃料電池の使用方法。