(57)【要約】  イオン導電性の電解質膜１４と、電解質膜１４の一方側に配置されるアノードと、電解質膜１４の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路２４が中央に形成された導電性のセパレータ２６とを有する単電池１２を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、セパレータ２６が、単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れるマニホールド５０を構成する貫通穴３０ｅ，３０ｆと、貫通穴３０ｅ、３０ｆと第１の冷媒流路２４とを連絡する第２の冷媒流路２４’と、貫通穴３０ｅ，３０ｆと第２の冷媒流路２４’との接続部の周囲である貫通穴３０ｅ、３０ｆの壁面の部分から、貫通穴３０ｅ、３０ｆ内に突出する複数の凸部５２とを有する。
2012117676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノードと、電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路が中央に形成された導電性のセパレータとを有する単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、
セパレータが、
単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れる冷媒用マニホールドを構成する貫通穴と、
貫通穴と第１の冷媒用流路とを連絡する第２の冷媒流路と、
貫通穴と第２の冷媒流路との接続部の周囲である貫通穴の壁面の部分から、貫通穴内に突出する複数の凸部とを有する高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
セパレータの貫通穴の単電池積層方向と直交する断面形状が、貫通穴と第２の冷媒流路との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部を備える形状である、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
各単電池のセパレータの貫通穴は、単電池積層方向と直交する断面形状が同一である、請求項２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
複数の凸部が、貫通穴の全周にわたって、貫通穴の壁面に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
第２の冷媒流路との接続部の周囲である貫通穴の壁面の部分から突出する凸部に比べて、貫通穴の壁面の他の部分から突出する凸部は突出量が小さい、請求項４に記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、冷媒によるセパレータの電流腐食を原因とする、シール部材のシール性の低下を抑制する構造を備えた高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものであり、使用する燃料や構成材料によって様々な種類がある。【０００３】
図９は、従来からある高分子電解質型燃料電池の部分断面図である。高分子電解質型燃料電池１００は、複数の単電池１０２を積層した構造であって、発生した熱を回収する冷媒が流れる冷媒用マニホールド１０４（冷媒流路）を備えている。【０００４】
単電池１０２は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜１０６と、高分子電解質膜１０６の両側に配置される導電性のセパレータ１０８とを有する。また、図示していないが、単電池１０２は、一方のセパレータ１０８と対向する高分子電解質膜１０６の一方の表面に接合されたアノードと、他方のセパレータ１０８と対向する高分子電解質膜１０６の他方の表面に接合されたカソードとを有する。なお、高分子電解質膜１０６、アノード、およびカソードからなる構成体は、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ばれる。【０００５】
冷媒用マニホールド１０４は、各単電池１０２の高分子電解質膜１０６、セパレータ１０８それぞれに形成された貫通穴が連結することにより構成される。冷媒用マニホールド１０４を流れる冷媒は、各単電池１０２に設けられた冷媒用流路１１０に流れ、単電池１０２から熱を回収する。【０００６】
ところで、水道水などのイオン導電体を冷媒として使用すると、１つ以上の単電池１０２を介在して離れた単電池１０２同士（例えば、図８において、白抜き矢印で示す冷媒の流れ方向の上流側から数えて１番目の単電池と３番目の単電池）の間で冷媒を介して短絡が生じ、それにより高電圧側の単電池１０２のセパレータ１０８が電流腐食して劣化することがある。これは、高電圧側の単電池１０２とイオン導電体との界面で酸化反応が起こることが原因である。セパレータ１０８の電流腐食が進行し、冷媒をシールするシール部材１１２と接触するセパレータ１０８の部分が劣化すると、シール部材１１２とセパレータ１０８の間の冷媒に対するシール性が低下し、冷媒が外部に漏れる可能性がある。同様に、冷媒を介する短絡により、燃料ガスや酸化剤ガス用のシール部材１１４、１１６のシール性も低下する可能性がある。【０００７】
この対処として、特許文献１に記載の高分子電解質型燃料電池は、冷媒を高抵抗とするために、冷媒の流路長が長くなるように冷媒流路が設けられている。【０００８】
また、特許文献２に記載の高分子電解質型燃料電池は、セパレータに比べて電流腐食しやすい犠牲材料が、高電位側の集電板内の冷媒流路に設けられている。【０００９】
さらに、特許文献３に記載の高分子電解質型燃料電池は、最も高電位の単電池よりもさらに高電位の部材を冷媒流路内に設けている。【００１０】
これ以外の対処として、冷媒として、純水が使用されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１５８６２９号公報
【特許文献２】特開２００７−８７７６６号公報
【特許文献３】特開２００８−１６２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、冷媒は、高分子電解質型燃料電池に接続された金属または樹脂などの材料で作製された配管内を流れるため、配管から溶出したイオン成分が溶解して導電率が上昇することがある。また、高分子電解質型燃料電池の中を流れる間に燃料電池を構成する部材（セパレータなど）から溶出したイオン成分が溶解し、冷媒の導電率が上昇することがある。すなわち、冷媒として純水を使用しても、冷媒の導電率が上昇する可能性がある。【００１３】
冷媒の導電率が上昇することにより、上述したように、１つ以上の単電池を介在して離れた単電池同士の間で冷媒を介して短絡が生じ、それにより高電圧側の単電池のセパレータが電流腐食して劣化する可能性がある。そして、シール部材と接触するセパレータの部分が劣化し、シール部材がシールしていた燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒が外部に漏れる可能性がある。【００１４】
なお、この対処として、冷媒の導電率の上昇を抑制するために、冷媒内のイオン成分を取り除く、純水によって希釈して冷媒内のイオン成分の濃度を下げる、イオン成分が溶出しにくい純度が高い材料で高分子電解質型燃料電池や配管を作製するなどが考えられるが、いずれもコストが増大する。【００１５】
そこで、本発明は、冷媒の導電率が上昇しても、冷媒によるセパレータの電流腐食を原因とする、シール部材とセパレータとの間のシール性の低下を抑制することができる構造を備えた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【００１７】
本発明の態様によれば、イオン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノードと、電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路が中央に形成された導電性のセパレータとを有する単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、セパレータが、単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れる冷媒用マニホールドを構成する貫通穴と、貫通穴と第１の冷媒用流路とを連絡する第２の冷媒流路と、貫通穴と第２の冷媒流路との接続部の周囲である貫通穴の壁面の部分から、貫通穴内に突出する複数の凸部とを有する、高分子電解質型燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、貫通穴と第２の冷媒流路との接続部の周囲である貫通穴の壁面の部分に、その貫通穴内に突出する複数の凸部が設けられることにより、その凸部の先端に集中して電流腐食を発生させることができる。それにより、凸部の先端に比べてシール部材に近いセパレータの部分の電流腐食を抑制することができる。これにより、シール部材と接触するセパレータの部分の劣化を抑制することができ、シール部材とセパレータの間のシール性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明のこれらの態様と特徴は、添付された図面についての好ましい実施の形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】本発明の一実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池の構成を説明するための図
【図２】本発明の一実施の形態に係る冷媒用マニホールドの断面であって、（Ａ）は冷媒の流れ方向と直交する断面を示す図であり、（Ｂ）は冷媒の流れ方向と平行な断面を示す図
【図３】冷媒用マニホールド内の冷媒の電流密度を示す図
【図４】実施例１、実施例２、および比較例の冷媒用マニホールドの断面形状を示す図
【図５】実施例１および実施例２の冷媒用マニホールドの断面形状の詳細を説明するための図
【図６】実施例１、実施例２、および比較例における、冷媒とセパレータとの界面上の複数の位置での電流密度を示す図
【図７】図６に示す界面上の複数の位置を説明するための図
【図８】異なる形状の凸部が設けられた冷媒用マニホールドの断面を示す図
【図９】従来の高分子電解質型燃料電池の冷媒用マニホールドの断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
まず、本発明に係る実施の形態を説明する前に、冷媒によるセパレータの電流腐食について説明する。
【００２１】
数式１は、高分子電解質型燃料電池において、ｎ−２個の単電池を介在して離れた２つの単電池Ｂ１とＢｎ（ｎは３以上の整数）との間で短絡を発生させる冷媒の抵抗を求めるための式である。
【数１】
2012117676.tif 000003
【００２２】
ここで、Ｒは冷媒の抵抗である。Ｌは、２つの単電池Ｂ１とＢｎの間の距離である。ρは冷媒の導電率である。Ｓは冷媒が流れる流路の断面積（例えばマニホールドの断面積）である。
【００２３】
数式１に示すように、冷媒の抵抗Ｒは、導電率ρと断面積Ｓとの積に対して反比例の関係である。したがって、導電率ρが大きい場合は断面積Ｓを小さくすれば、抵抗Ｒを大きい値に維持することができる。
【００２４】
例えば、導電率が約２００μΩ−１・ｃｍ−１の水道水を冷媒として使用する場合、導電率が１μΩ−１・ｃｍ−１以下の純水を冷媒として使用する場合に比べて、冷媒の流路の断面積を約１／２００にすればよい。
【００２５】
また、２つの単電池Ｂ１とＢｎの間で短絡が生じた場合、高電圧側の単電池Ｂｎから他の単電池Ｂｎ−１〜Ｂ２を介して低電圧側の単電池Ｂ１に電流が流れ、単電池Ｂ１から冷媒を介して単電池Ｂｎに電流が流れる回路が形成される。このような回路で流れる電流をＩとすると、数式２に示す関係が成立する。
【数２】
2012117676.tif 000004
【００２６】
ここで、ｎは単電池の数である。Ｅは単電池それぞれの電圧である。Ｅ＋は、高電圧側の単電池Ｂｎと冷媒との間に発生する電圧である。Ｅ−は、低電圧側の単電池Ｂ１と冷媒との間に発生する電圧である。
【００２７】
このような回路において、冷媒が水であって、単電池のセパレータがカーボンから作製されている場合、高電圧側の単電池Ｂｎのセパレータと冷媒との間では化学式１に示す酸化反応が生じ、低電圧側の単電池Ｂ１のセパレータと冷媒との間では化学式２に示す還元反応が起こる。
【化１】
2012117676.tif 000005
【化２】
2012117676.tif 000006
【００２８】
数式２に示すＥ＋が化学式１に示す酸化反応の活性化エネルギー以下であれば、化学式１に示す酸化反応は進行しないが、冷媒の抵抗Ｒが低下することによってＥ＋が増加すると、化学式１に示す酸化反応が進行する。そして、カーボンから作製された高電圧側の単電池Ｂｎのセパレータが劣化する。なお、これは、カーボンから作製されたセパレータに限らず、金属材料から作製されたセパレータでも同様に起こる。
【００２９】
したがって、化学式１に示す酸化反応の進行を抑制するためには、冷媒の抵抗Ｒを大きくする、すなわち、距離Ｌを大きくすること、導電率ρを小さくすること、または断面積Ｓを小さくすることの少なくとも１つを実行する必要がある。
【００３０】
ところが、距離Ｌは、高分子電解質型燃料電池の要求出力（すなわち単電池の数）によって決まるため、冷媒の抵抗を高めるために変更することは困難である。
【００３１】
また、冷媒の導電率ρを小さく維持するためには、冷媒内のイオン成分を取り除く、純水によって希釈して冷媒内のイオン成分の濃度を下げる、イオン成分が溶出しにくい純度が高い材料で高分子電解質型燃料電池や配管を作製するなどが考えられるが、いずれもコストが増大する。
【００３２】
さらに、断面積Ｓを小さくすると、冷媒を吐出するポンプの脈動や泡ガミなどの影響が大きくなり、冷媒の流れ方向の下流側に位置する単電池に対する冷媒供給が不安定になる。その結果、冷媒の熱回収効率が低下する。
【００３３】
以上のことを鑑みて、本発明はなされている。
【００３４】
ここからは、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１は、本発明の一実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池と、高分子電解質型燃料電池を構成する単電池の分解図とを示している。
【００３６】
図１に示すように、高分子電解質型燃料電池１０は、複数の単電池１２を積層して構成される。
【００３７】
単電池１２は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜１４を有する。高分子電解質膜１４の両面には、白金などの触媒能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分とする触媒層１６が形成されている。さらに、触媒層１６上に、燃料ガス、酸化剤ガスなどの反応ガスが通気する通気性と電子伝導性とを備えたガス拡散層１８が形成されている。
【００３８】
なお、高分子電解質膜１４、触媒層１６、およびガス拡散層１８を接合してなるものは、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ばれる。また、燃料ガスが供給される触媒層１６およびガス拡散層１８の組み合わせはアノード（燃料極）と呼ばれ、酸化剤ガスが供給される触媒層１６およびガス拡散層１８の組み合わせはカソード（酸素極）と呼ばれる。
【００３９】
単電池１２はまた、燃料ガスや酸化剤ガスをアノードやカソードに供給するためのガス流路２０がＭＥＡ側の表面に形成されたセパレータ２２を、ＭＥＡの両側に有する。
【００４０】
単電池１２はさらに、ＭＥＡの発電時に発生する熱を回収するために、水や不凍液などの液状の冷媒が流れる冷媒流路（第１の冷媒流路）２４がＭＥＡ側の表面の中央に形成されたセパレータ２６を、セパレータ２２の反ＭＥＡ側に有する。
【００４１】
なお、セパレータ２２，２６は、例えば、カーボンまたは金属材料などの導電性材料から作製されている。
【００４２】
高分子電解質膜１４、２つのセパレータ２２、およびセパレータ２６それぞれには、複数の単電池１２が積層されたときにマニホールドを構成する、貫通穴３０ａ〜３０ｆが形成されている。
【００４３】
高分子電解質膜１４、２つのセパレータ２２、およびセパレータ２６それぞれの貫通穴３０ａは、各単電池１２の一方のセパレータ２２に形成されたガス流路２０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給用マニホールドを構成する。また、貫通穴３０ｂは、各単電池１２のガス流路２０から燃料ガスを回収する燃料ガス回収用マニホールドを構成する。
【００４４】
貫通穴３０ｃは、各単電池１２の他方のセパレータ２２に形成されたガス流路２０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給用マニホールドを構成する。また、貫通穴３０ｄは、各単電池１２のガス流路２０から酸化剤ガスを回収する酸化剤ガス回収用マニホールドを構成する。
【００４５】
貫通穴３０ｅは、各単電池１２のセパレータ２６の中央に形成された冷媒流路２４に冷媒を供給する冷媒供給用マニホールドを構成する。また、貫通穴３０ｆは、各単電池１２の冷媒流路２４から冷媒を回収する冷媒回収用マニホールドを構成する。
【００４６】
加えて、高分子電解質膜１４とセパレータ２２との間に、ガス流路２０と燃料ガスや酸化剤ガス用のマニホールドとから燃料電池１０の外部または他のマニホールド内に燃料ガスや酸化剤ガスが漏れないように、ガス流路２０および貫通穴３０ａ〜３０ｄを囲んでシールするシール部材３２が介在されている。
【００４７】
加えてまた、セパレータ２２とセパレータ２６との間に、冷媒流路２４と冷媒用のマニホールドから燃料電池１０の外部または他のマニホールド内に冷媒が漏れないように、冷媒流路２４および貫通穴３０ｅ〜３０ｆを囲んでシールするシール部材３４が介在されている。
【００４８】
なお、シール部材３２，３４は、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム、シリコーンゴム、または熱可塑性エラストマーなどの弾性体材料から作製されている。このようなシール部材３２，３４が優れたシール性を発揮するためには、シール部材３２，３４と接触するセパレータ２２，２６、高分子電解質膜１４の表面は、中心線平均粗さＲａが３．２ａ以下であるのが好ましい。
【００４９】
このような単電池１２を要求出力に応じた数だけ積層することにより、燃料電池１０は構成される。具体的には、積層されてブロック状の複数の単電池１２を、集電板４０を介して端板４２によって挟み、ボルト４４によって一体的に固定することにより、燃料電池１０が作製される。端板４２には、マニホールドに燃料ガス、酸化剤ガス、および冷媒を供給するための、または回収するための複数の流体継ぎ手４６が設けられている。
【００５０】
図２（Ａ）は、冷媒用マニホールド５０の単電池１２の積層方向と直交する断面を示している。図２（Ｂ）は、冷媒用マニホールド５０の単電池１２の積層方向と平行する断面（図２（Ａ）のＡ−Ａ断面）を示している。
【００５１】
図２（Ａ）に示すように、冷媒用マニホールド５０を構成するセパレータ２６に形成されている貫通穴３０ｅ（３０ｆ）は、連絡用流路（第２の冷媒流路）２４’と接続されている。連絡用流路２４’は、セパレータ２６に形成され、冷媒用マニホールド５０（貫通穴３０ｅ、３０ｆ）と、セパレータ２６の中央に形成された冷媒流路２４とを連絡する。冷媒用マニホールド５０（貫通穴３０ｅ、３０ｆ）と連絡用流路２４’との接続部の周囲である冷媒用マニホールド５０（すなわち貫通穴３０ｅ、３０ｆ）の壁面５０ａの部分から、冷媒用マニホールド５０内に突出する複数の凸部５２が設けられている。具体的には、単電池１２の積層方向に見た場合、貫通穴３０ｅ、３０ｆの断面形状が、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に、貫通穴３０ｅ、３０ｆの中央に向かって突出する複数の凸部５２を備える。
【００５２】
なお、冷媒の圧損を考慮すると、冷媒用マニホールド５０を構成する、高分子電解質膜１４、セパレータ２２，２６に形成されている貫通穴３０ｅ（３０ｆ）の断面形状は、単電池１２の積層方向に見た場合に重なるように、同一の断面形状に形成されているのが好ましい。
【００５３】
このように、冷媒用マニホールド５０の断面形状を、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部５２を備える形状にすることによる効果を説明する。
【００５４】
冷媒用マニホールド５０の断面形状が、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部５２を備える形状の場合、例えば１つのセパレータ２６に着目すれば、そのセパレータ２６の電流腐食は、凸部５２の先端から始まる。これは、セパレータ２６の凸部５２の先端の電流密度が、セパレータ２６の他の部分の電流密度に比べて高いために起こる。
【００５５】
図３は、ＡＮＳＹＳ社の有限要素法ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ」を用いて冷媒用マニホールド５０内の冷媒を電磁場解析した結果を示している（なお、電磁場解析の詳細については後述する）。図４は、電流密度をベクトル（矢印）で表現したものであり、長いベクトルほど、電流密度が高いことを示している。電流密度ベクトルが表示されていない部分は、凸部５２に対応する。
【００５６】
図３に示すように、セパレータ２６の凸部５２の表面に近くなるほど、冷媒の電流密度が高くなり、さらに凸部５２の先端に近づくほど冷媒の電流密度は高くなる。これは、セパレータ２６の凸部５２の先端の電流密度が、セパレータ２６の他の部分の電流密度に比べて高いことを示している。
【００５７】
このように電流密度が高いセパレータ２６の凸部５２の先端では、セパレータ２６の他の部分に比べて、電流腐食が集中的に起こる。これに対して、セパレータ２６の他の部分は、凸部５２に電流が集中するため、凸部５２に比べて電流腐食の進行が遅い。
【００５８】
別の観点から見れば、図２（Ａ）に示すように、シール部材３４から離れた凸部５２の先端で電流腐食が集中的に起こり、シール部材３４に近いセパレータ２６の部分では電流腐食の進行が遅くなる。
【００５９】
したがって、冷媒用マニホールド５０の断面形状が、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部５２を備える形状の場合、すなわち、図２（Ａ）に示すようにシール部材３４から離れた部分に複数の凸部５２を備える場合、シール部材３４に近いセパレータ２２，２６の部分の電流腐食を抑制することができる。それにより、図２（Ｂ）に示すように、シール部材３４と接触するセパレータ２２，２６の部分の電流腐食による劣化を抑制することができる。その結果、シール部材３４とセパレータ２２，２６との間のシール性の低下を抑制することができる。同様に、シール部材３２とセパレータ２２との間のシール性の低下も抑制することができる。
【００６０】
このことを裏付けるシミュレーションを、発明者は実施している。
【００６１】
発明者は、凸部の形状の違いによる冷媒の電流密度の違いをシミュレーションによって求めた。図４は、シミュレーションで用いた複数の冷媒用マニホールドの断面形状を示している。図４（Ａ）は、実施例１の高分子電解質型燃料電池の冷媒用マニホールド５０の断面形状を示している。図４（Ｂ）は、比較例の高分子電解質型燃料電池の冷媒用マニホールド５０の断面形状を示している。図４（Ｃ）は、実施例２の高分子電解質型燃料電池の冷媒用マニホールド５０の断面形状を示している。なお、図４（Ａ）および図４（Ｃ）において、二点差線は、比較例の冷媒用マニホールド５０の断面形状を示している。また、実施例１、実施例２、および比較例の冷媒用マニホールド５０の断面形状は、同一面積である。
【００６２】
図５は、シミュレーションにおける実施例１および実施例２の冷媒用マニホールド５０の断面形状の詳細を示す図である。図５において、一点鎖線より左側は、シール部材３４に相当する。また、二点差線は、図４（Ｂ）に示す比較例の冷媒用マニホールド５０の断面形状の一部を示している。なお、実施例１、実施例２、および比較例は、冷媒用マニホールド５０の中心からシール部材３４までの距離が同一である。
【００６３】
図４や図５に示すように、比較例の場合、マニホールド５０の断面形状は小判形状であって、マニホールド５０からシール部材３４までの距離は２．０ｍｍである。
【００６４】
図４に示すように、実施例１は、実施例２に比べて複数の凸部５２が密に形成されている。さらに図５に示すように、実施例１の凸部５２の先端のＲは、０，５であって、実施例２の凸部５２の０．３３に比べて大きくされている。さらにまた、実施例１の凸部５２の先端角は、８０．４２°であって、実施例２の凸部５２の先端角２０°に比べて広くされている。さらに、実施例１の凸部５２の突出長さは、１．５ｍｍであって、実施例２の凸部５２の突出長さ２．７ｍｍに比べて短くされている。
【００６５】
図６は、実施例１、実施例２、および比較例の冷媒用マニホールド５０内の冷媒とセパレータ２６との界面における電流密度を示している。図６の横軸に示す位置１〜２１は、図７に示すように、冷媒とセパレータ２６との界面上の位置を示している。
【００６６】
冷媒とセパレータ２６との界面上の各位置１〜２１における電流密度は、上述したＡＮＳＹＳ社の有限要素法ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ」の電磁場解析モジュール「ＡＮＳＹＳ  Ｅｍａｇ」を用いて算出した。このモジュールは導体および容量を含む系の低周波電気回路および電場とともに、電流または永久磁石による磁場のシミュレーションを行うことができる。また、低周波電磁場の静解析、過渡解析、および調和解析用の広範囲なツールセットが備わり、静電場、静磁場、電磁場、電気回路、および電流伝導のシミュレーションが可能であり、静電場および静磁場での荷電粒子トレーシングのシミュレーションも行える。
【００６７】
本発明が冷媒を介して少なくとも１つの単電池を介在して離れた２つの単電池間で起こる短絡によってセパレータが電流腐食されることに対処するためのものであるため、実施例１、実施例２、および比較例それぞれにおいて、冷媒用マニホールド５０内の冷媒を５層化した解析モデルを用いた。すなわち、異なる電位の５つの積層されたセパレータを想定した。
【００６８】
また、最高電位側の冷媒の層の境界（セパレータとの界面に対応する境界）には５Ｖの電位を、２番目に高電位の冷媒の層の境界には４Ｖの電位を、３番目に高電位の冷媒の層の境界には３Ｖの電位を、４番目に高電位の冷媒の層の境界には２Ｖの電位を、そして、５番目、すなわち最小電位の冷媒の層の境界には１Ｖの電位を設定した。
【００６９】
さらに、冷媒の電気伝導率を１０μＳ／ｃｍと設定した。
【００７０】
図６は、最高電位の冷媒の層とセパレータとの界面における電流密度を示している。
【００７１】
図６に示すように、実施例１の場合（ひし形のプロット）、冷媒とセパレータ２６との界面上の位置１１（冷媒用マニホールド５０の中央に最も近い位置）は、電流密度が約０．９Ａ／ｍ２であり、電流密度が約０．７Ａ／ｍ２である界面上の位置１および２１（冷媒供給用マニホールド５０の中央から最も遠い位置）に比べて、約０．２Ａ／ｍ２高い。すなわち、図５（Ａ）に示すようにシール部材３４から２．７５ｍｍ離れた遠い界面上の位置１１の電流密度が、シール部材３４から１．２５ｍｍ離れた界面上の位置１および２１に比べて高い。この電流密度の差により、界面上の位置１１に対応するセパレータ２６の部分、すなわち凸部５２の先端に集中して電流腐食が起こると推定される。
【００７２】
実施例１の場合、まず、セパレータ２６の凸部５２の先端（位置１１）から電流腐食が始まり、その後、先端からシール部材３４側に向かって凸部５２が徐々に電流腐食されると推定される。また、界面上の位置１および２１に対応するセパレータ２６の部分は、凸部５２全体が電流腐食するまで、ほとんど電流腐食しないと推定される。
【００７３】
図６に示すように、実施例２の場合（三角形のプロット）、冷媒とセパレータ２６との界面上の位置１５（冷媒用マニホールド５０の中央に最も近い位置）は、電流密度が約１．３Ａ／ｍ２であり、電流密度が約０．６Ａ／ｍ２である界面上の位置１〜９および２１（冷媒用マニホールド５０の中央から最も遠い位置）に比べて、約０．７Ａ／ｍ２高い。すなわち、図５（Ｂ）に示すようにシール部材３４から４．２ｍｍ離れた界面上の位置１５の電流密度が、シール部材３４から１．５ｍｍ離れた界面上の位置１〜９および２１に比べて高い。この電流密度の差により、界面上の位置１５に対応するセパレータ２６の部分、すなわち凸部５２の先端に集中して電流腐食が起こると推定される。
【００７４】
また、実施例２の場合、凸部５２の先端での電流密度は、実施例１の凸部５２の先端での電流密度に比べて高い。これは、図５（Ａ）および５（Ｂ）を比較してわかるように、実施例２の凸部５２の先端のＲが実施例１に比べて小さいこと、また、実施例２の凸部５２の先端角が実施例１に比べて小さいこと、さらに、実施例２の凸部５２の先端が実施例１に比べて冷媒用マニホールド５０の中央に近いこと、これらによるものと推定することができる。したがって、凸部５２の先端のＲを小さくすること、凸部５２の先端角を小さくすること、または冷媒用マニホールド５０の中央に凸部５２の先端を近づけることの少なくとも１つを実行すれば、凸部５２の先端の電流密度が高くなると推定される。
【００７５】
これらに対して、図６に示すように、比較例の場合（四角形のプロット）、冷媒とセパレータ２６との界面上の位置１〜２１それぞれの電流密度は、約０．８ｍｍである。実施例１および２のように、他の界面上の位置に比べて電流密度が高い界面上の位置が存在しない。したがって、冷媒と接するセパレータ２６の部分が、均等に電流腐食されると推定される。
【００７６】
以上の実施例１、実施例２、および比較例により、冷媒用マニホールド５０の断面形状を、シール部材３４から離れた、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に、マニホールド５０の中央に向かって突出する複数の凸部５２を備える形状とすることにより、シール部材３４に近い、セパレータ２２，２６の部分の電流腐食を抑制することができると推定される。
【００７７】
また、セパレータ２２，２６の凸部５２の先端を、そのＲを小さくするほど、その角度を小さくするほど、その位置を冷媒用マニホールド５０の中央に近づけるほど、凸部５２の先端に集中して電流腐食を発生させることができ、それにより、シール部材３４に近い、セパレータ２２，２６の部分の電流腐食をさらに抑制することができると推定される。
【００７８】
なお、電流腐食の観点から言えばセパレータ２２，２６の凸部５２の先端角は小さい方が好ましいが、製造のし易さや折れ易さを考慮すると、先端角は１５〜９０度の範囲が好ましい。また、複数の凸部５２は、多いほうが好ましい。
【００７９】
以上、本実施の形態によれば、冷媒用マニホールド５０の断面形状を、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に、その中央に向かって突出する複数の凸部５２を備える形状とすることにより、その凸部５２の先端に集中して電流腐食を発生させることができる。それにより、凸部５２に比べてシール部材３４に近いセパレータ２２，２６の部分の電流腐食を抑制することができる。これにより、シール部材３２，３４と接触するセパレータ２２，２６の部分の劣化を抑制することができ、シール部材３２，３４とセパレータ２２，２６の間のシール性の低下を抑制することができる。
【００８０】
また、複数の凸部を備えていない従来の冷媒用マニホールドの断面積と同一の断面積になるように、冷媒用マニホールド５０の断面形状を、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に、その中央に向かって突出する複数の凸部５２を備える形状とすることにより、従来と同様の冷媒の熱回収効率を実現することができる。
【００８１】
以上、上述の一実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限らない。
【００８２】
例えば、上述の実施形態の場合、図２（Ａ）に示すように、冷媒用マニホールド５０（貫通穴３０ｅ、３０ｆ）の断面形状は、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する部分にのみ、複数の凸部５２を備える形状である。これに代って、冷媒用マニホールドの断面形状は、全周にわたって複数の凸部５２を備えてもよい。また、全周にわたって複数の凸部５２を設ける場合、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分の凸部が、他の部分の凸部に比べて冷媒用マニホールドの中央に大きく突出するような形状であってもよい。
【００８３】
また、上述の実施の形態の場合、図１に示すように、冷媒流路２４は、セパレータ２６のセパレータ２２側の表面に形成されているが、これに限らない。セパレータ２２の反高分子電解質膜１４側の表面に形成してもよい。この場合、単電池１２を構成するにあたり、セパレータ２６が必要なくなる。
【００８４】
さらに、上述の実施の形態の場合、冷媒用マニホールド５０の断面形状が、冷媒用マニホールド５０と連絡用流路２４’との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部５２を備えた形状であるが、本発明はこれに限らない。例えば、図８に示すように、冷媒用マニホールド５０（貫通穴３０ｅ、３０ｆ）と連絡用流路２４’との接続部の周囲である冷媒用マニホールド５０の壁面５０ａの部分に、例えば、冷媒用マニホールド５０内に突出する円錐状または角錐状の複数の凸部５２’を設けてもよい。すなわち、本発明の凸部は、広義には、冷媒用マニホールド５０（貫通穴３０ｅ、３０ｆ）と連絡用流路２４’と接続部の周囲である冷媒用マニホールド５０の壁面の部分から、冷媒用マニホールド５０内に突出する凸部であればよい。そのために、冷媒用マニホールド５０の断面形状が凸部を備えてもよいし、冷媒用マニホールド５０の壁面５０ａに立設する凸部であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明に係る高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムなどに使用する燃料電池として使用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１２    単電池
１４    電解質膜（高分子電解質膜）
２２    セパレータ
２６    セパレータ
３０ｅ  貫通穴
３０ｆ  貫通穴
３４    シール部材
５０    マニホールド
【図１】
2012117676.tif 000007
【図２】
2012117676.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2012117676.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月12日(2012.6.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の態様によれば、イオン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノードと、電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路が中央に形成された導電性のセパレータとを有する単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、セパレータが、単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れる冷媒用マニホールドと、冷媒用マニホールドと第１の冷媒用流路とを連絡する第２の冷媒流路と、冷媒用マニホールドの壁面のうち、冷媒用マニホールドと第２の冷媒流路との接続部から、冷媒用マニホールド内に突出する複数の凸部とを有する、高分子電解質型燃料電池が提供される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノードと、電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路が中央に形成された導電性のセパレータとを有する単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、
セパレータが、
単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れる冷媒用マニホールドと、
冷媒用マニホールドと第１の冷媒用流路とを連絡する第２の冷媒流路と、
冷媒用マニホールドの壁面のうち、冷媒用マニホールドと第２の冷媒流路との接続部から、冷媒用マニホールド内に突出する複数の凸部とを有する高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
セパレータの冷媒用マニホールドの単電池積層方向と直交する断面形状が、冷媒用マニホールドと第２の冷媒流路との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部を備える形状である、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
各単電池のセパレータの冷媒用マニホールドは、単電池積層方向と直交する断面形状が同一である、請求項２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
複数の凸部が、冷媒用マニホールドの全周にわたって、冷媒用マニホールドの壁面に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
第２の冷媒流路との接続部の周囲である冷媒用マニホールドの壁面の部分から突出する凸部に比べて、冷媒用マニホールドの壁面の他の部分から突出する凸部は突出量が小さい、請求項４に記載の高分子電解質型燃料電池。
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月7日(2012.8.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の態様によれば、イオン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノードと、電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路が中央に形成された導電性のセパレータとを有する単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、セパレータが、単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れる冷媒用マニホールドと、冷媒用マニホールドと第１の冷媒流路とを連絡する第２の冷媒流路と、冷媒用マニホールドの壁面のうち、冷媒用マニホールドと第２の冷媒流路との接続部から、冷媒用マニホールド内に突出する複数の凸部とを有する、高分子電解質型燃料電池が提供される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性の電解質膜と、電解質膜の一方側に配置されるアノードと、電解質膜の他方側に配置されるカソードと、冷媒が流れる第１の冷媒流路が中央に形成された導電性のセパレータとを有する単電池を複数積層した高分子電解質型燃料電池であって、
セパレータが、
単電池が複数積層されたときにその積層方向に延びて冷媒が流れる冷媒用マニホールドと、
冷媒用マニホールドと第１の冷媒流路とを連絡する第２の冷媒流路と、
冷媒用マニホールドの壁面のうち、冷媒用マニホールドと第２の冷媒流路との接続部から、冷媒用マニホールド内に突出する複数の凸部とを有する高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
セパレータの冷媒用マニホールドの単電池積層方向と直交する断面形状が、冷媒用マニホールドと第２の冷媒流路との接続部の周囲に対応する断面形状の部分に複数の凸部を備える形状である、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
各単電池のセパレータの冷媒用マニホールドは、単電池積層方向と直交する断面形状が同一である、請求項２に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
複数の凸部が、冷媒用マニホールドの全周にわたって、冷媒用マニホールドの壁面に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
第２の冷媒流路との接続部の周囲である冷媒用マニホールドの壁面の部分から突出する凸部に比べて、冷媒用マニホールドの壁面の他の部分から突出する凸部は突出量が小さい、請求項４に記載の高分子電解質型燃料電池。
【国際調査報告】
2012117676.tif 000016
2012117676.tif 000017