(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおいて、マニホールド部内に溜まった水をより効率よく排出することを可能とすることである。【解決手段】燃料電池スタック１０において、膜電極接合体２０をセパレータ３０で挟持した単位セル２５を複数積層して構成される積層体１５と、積層体１５の積層方向に沿った貫通孔であって燃料電池用ガスを流通するマニホールド部と、を備え、マニホールド部は、マニホールド部の内壁から離隔しながら積層体の積層方向に沿って延伸し、貫通孔のガス流通断面積を狭くする延伸部材４３，４５を有することを特徴とする。【選択図】図１
2010205692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体をセパレータで挟持した単位セルを複数積層して構成される積層体と、
積層体の積層方向に沿った貫通孔であって燃料電池用ガスを流通するマニホールド部と、
を備え、
マニホールド部は、マニホールド部の内壁から離隔しながら積層体の積層方向に沿って延伸し、貫通孔のガス流通断面積を狭くする延伸部材を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
延伸部材は、撥水処理が施されている外表面を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
マニホールド部は、燃料電池用ガスの流通方向に沿って次第に親水性が変化する親水処理が施されている内壁を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池スタックにおいて、
セパレータは、マニホールド部から積層体の積層方向と垂直な方向に延伸して設けられる溝であって膜電極接合体を挟持するセパレータの面内で燃料電池用ガスを流通し、親水処理が施される内壁を有するコモンレールを含み、
マニホールド部は、コモンレールとの間に一定の長さで撥水処理が施されている接合部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに係り、特に、膜電極接合体をセパレータで挟持した単位セルを複数積層して構成される積層体を備える燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題等の対応として電気自動車やハイブリッド車が注目を集めている。そして、これらの電気自動車やハイブリッド車には、燃料電池スタックが用いられている。さらに、燃料電池スタックは、燃料ガス等の燃料電池用のガスを流通するためのマニホールド部とコモンレールとを有している。そして、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス等がセル内に向かって逆流し、コモンレール内で凝縮してコモンレールを閉塞する等の問題がある。
【０００３】
本発明に関連する技術として、例えば特許文献１には、燃料電池スタックが開示されている。ここでは、ＭＥＡと隣接するように設けられ、ＭＥＡとの接触面に反応ガスを流通するガス流路を有するセパレータと、ＭＥＡに貫設される第１の孔と、セパレータに第１の孔と異なる大きさに貫設され、ガス流路から反応ガスが排出される第２の孔とを備える燃料電池スタックが開示されている。そして、ＭＥＡ及びセパレータを積層して第１の孔及び第２の孔が重なることで、積層方向に内部マニホールドが形成されるとともに、内部マニホールドの内壁面に内部マニホールドの周方向に延びる溝が積層方向にわたって複数形成されるものが述べられている。さらに、ガス流路と内部マニホールドとの境界部周辺及び境界部より上流側の少なくとも一部は撥水処理が施されるものが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、燃料電池スタックとして、供給内部マニホールドからガス流路へと反応ガスが流通する連通口のうち、最も下流側の連通口よりさらに下流側から排出内部マニホールドへと反応ガスを流通するバイパス流路が設けられることが述べられている。そして、バイパス流路の途中あるいはバイパス流路の入口近傍又は出口近傍に設けられ、ガス流路へ反応ガスを供給することで燃料電池スタックを起動した後に、バイパス流路の流動抵抗を大きくする流動抵抗増大手段を備えたものが開示されている。さらに、流動抵抗増大手段は、バイパス流路に反応ガスの流動方向に交互に設けられた親水性の領域及び撥水性の領域によって構成されるものが開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、固体高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する固体高分子型燃料電池が開示されている。ここでは、カソードに、撥水部と親水部からなる撥水−親水パターンが設けられることが述べられている。
【０００６】
また、特許文献４には、燃料電池として、電解質膜の両側に配置されたガス拡散電極と、ガス拡散電極に隣接して配置され、その接触面に、ガス拡散電極に接触するリブと、リブ間に形成された溝形状の反応ガス流路とを有するセパレータとを備えるものが開示されている。そして、リブのガス拡散電極に接触する面の一部と、反応ガス流路を形成する溝表面の一部に、連通して親水処理を施すことにより、親水部を形成することが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−４２５３８号公報
【特許文献２】特開２００７−１８８００号公報
【特許文献３】特開２００６−２２８５０１号公報
【特許文献４】特開２００５−１１６１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の構成によれば、ガス流路と内部マニホールドとの境界部周辺及び境界部より上流側の少なくとも一部は撥水処理が施されるため、燃料ガス等の燃料電池スタックのセルへの逆流を防止することができる。
【０００９】
上記特許文献２の構成によれば、バイパス流路に反応ガスの流動方向に交互に設けられた親水性の領域及び撥水性の領域を有するが、燃料ガス等の燃料電池スタックのセルへの逆流を防止することまでは開示されていない。
【００１０】
上記特許文献３の構成によれば、カソードに、撥水部と親水部からなる撥水−親水パターンが設けられおり、酸素極で発生した水または燃料極から到達した水が酸素極上で凝縮し酸素極への酸素の供給を妨げる現象である、いわゆるフラッディングを防止することができる。
【００１１】
上記特許文献４の構成によれば、反応ガス流路を形成する溝表面の一部に、連通して親水処理を施すことにより、親水部を形成しているため、ガス拡散電極内でのフラッディングを抑制することができる。
【００１２】
しかし、特許文献１〜４の構成では、燃料ガス等のセルへの逆流の防止やフラッディングの抑制を行うことはできるものの、マニホールド部内に溜まった水を効率よく排出することまでは行うことができない。
【００１３】
本発明の目的は、マニホールド部内に溜まった水をより効率よく排出することを可能とする燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体をセパレータで挟持した単位セルを複数積層して構成される積層体と、積層体の積層方向に沿った貫通孔であって燃料電池用ガスを流通するマニホールド部と、を備え、マニホールド部は、マニホールド部の内壁から離隔しながら積層体の積層方向に沿って延伸し、貫通孔のガス流通断面積を狭くする延伸部材を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、延伸部材は、撥水処理が施されている外表面を有することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、マニホールド部は、燃料電池用ガスの流通方向に沿って次第に親水性が変化する親水処理が施されている内壁を有することが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池スタックにおいて、セパレータは、マニホールド部から積層体の積層方向と垂直な方向に延伸して設けられる溝であって膜電極接合体を挟持するセパレータの面内で燃料電池用ガスを流通し、親水処理が施される内壁を有するコモンレールを含み、マニホールド部は、コモンレールとの間に一定の長さで撥水処理が施されている接合部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成の燃料電池スタックによれば、貫通孔のガス流通断面積を狭くする延伸部材を有している。これにより、マニホールド部における掃気の流速を高めることができるため、より効率よく水の排出を行うことができる。
【００１９】
上記構成の撥水処理が施された延伸部材を有する燃料電池スタックによれば、マニホールド部における掃気の際に、より効率よく水の排出を行うことができる。
【００２０】
上記構成の燃料電池用ガスの流通方向に沿って次第に親水性が変化する親水処理が施されている内壁を有する燃料電池スタックによれば、マニホールド部における掃気の際に、より効率よく水の排出を行うことができる。
【００２１】
上記構成のコモンレールを有する燃料電池スタックによれば、コモンレールからマニホールド部へ流れ込む水の切れをよくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池スタックの平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図２における燃料ガス排出側マニホールド部と排出側コモンレールの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下では、延伸部材は、燃料ガス供給用マニホールド部と燃料ガス排出用マニホールド部に設けられるものとして説明するが、少なくとも燃料ガス排出用マニホールド部に設けられていればよい。また、以下では、燃料ガス供給用マニホールド部と燃料ガス排出用マニホールド部に設けられるものとして説明するが、酸化ガス供給用マニホールド部と酸化ガス排出用マニホールド部のうち、少なくとも酸化ガス排出用マニホールド部に設けられるものであってもよい。また、以下では、燃料ガス供給用マニホールド部と燃料ガス排出用マニホールド部の内壁は、燃料ガスの流通方向に沿って親水性が変化するものとして説明するが、燃料ガス供給用マニホールド部と燃料ガス排出用マニホールド部の内側壁は、超親水処理がなされるものとしてもよい。
【００２４】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２５】
図１は、燃料電池スタック１０の平面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。燃料電池スタック１０は、積層体１５と、燃料ガス供給側マニホールド部４２と、燃料ガス排出側マニホールド部４４と、酸化ガス供給側マニホールド部５２と、酸化ガス排出側マニホールド部５４とを含んで構成される。燃料電池スタック１０は、電気化学反応によって電力を取り出す装置である。
【００２６】
積層体１５は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０をセパレータ３０で挟持した単位セル２５を複数積層して構成される。膜電極接合体２０は、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した構造体（ＭＥＡ）である。
【００２７】
セパレータ３０は、供給側コモンレール４６と、排出側コモンレール４８と、冷却供給流路６０とを含んで構成される平板形状の部材である。セパレータ３０は、膜電極接合体２０を挟持してシールする機能を有する。セパレータ３０の各構成の詳細な説明については、後述する。なお、膜電極接合体２０とセパレータ３０との間には、図示しない多孔質の平板部材が設けられている。
【００２８】
積層体１５を構成する各膜電極接合体２０と各セパレータ３０には、所定の位置に開口部が形成されており、それぞれが積層されたときに、各開口部がそれぞれ繋がって積層方向に貫通する燃料ガス供給側マニホールド部４２と、燃料ガス排出側マニホールド部４４と、酸化ガス供給側マニホールド部５２と、酸化ガス排出側マニホールド部５４とが形成される。なお、燃料ガス供給側マニホールド部４２と燃料ガス排出側マニホールド部４４の内壁は、奥側（図１参照）から手前側（図１参照）に向かって（換言すれば、燃料ガスの流通方向に沿って）次第に親水性が大きくなるような親水処理が施されている。
【００２９】
燃料ガス供給側マニホールド部４２には、図示しない燃料ガス供給系が接続される。燃料ガス排出側マニホールド部４４には、図示しない燃料ガス排出系が接続される。これにより、燃料ガス供給側マニホールド部４２は、燃料電池スタック１０における電気化学反応に必要な燃料ガスを流通させることができる。また、燃料ガス排出側マニホールド部４４は、燃料電池スタック１０において使用済みの燃料ガスを流通させることができる。
【００３０】
酸化ガス供給側マニホールド部５２には、図示しない酸化ガス供給系が接続される。酸化ガス排出側マニホールド部５４には、図示しない酸化ガス排出系が接続される。これにより、酸化ガス供給側マニホールド部５２は、燃料電池スタック１０における電気化学反応に必要な酸化ガスを流通させることができる。また、酸化ガス排出側マニホールド部５４は、燃料電池スタック１０において使用済みの酸化ガスを流通させることができる。
【００３１】
次に、図２を用いてセパレータ３０の各要素について説明する。セパレータ３０には、上記の燃料ガス供給側マニホールド部４２を形成する開口部と、燃料ガス排出側マニホールド部４４を形成する開口部と、酸化ガス供給側マニホールド部５２を形成する開口部と、酸化ガス排出側マニホールド部５４を形成する開口部がそれぞれ形成されている。ここで、図２に示されるように燃料ガス供給側マニホールド部４２と燃料ガス排出側マニホールド部４４には、それぞれ延伸部材４３，４５が設けられており、延伸部材４３，４５の詳細な説明は後述する。
【００３２】
また、セパレータ３０は、供給側コモンレール４６と、排出側コモンレール４８と、冷却供給流路６０とを含んで構成される。供給側コモンレール４６と排出側コモンレール４８は、それぞれ燃料ガス供給側マニホールド部４２と燃料ガス排出側マニホールド部４４からセパレータ３０の長手方向に沿ってその面内に延伸して設けられる溝である。
【００３３】
供給側コモンレール４６は、燃料ガス供給側マニホールド部４２から流れてきた燃料ガスを流通し、その燃料ガスを膜電極接合体２０に対して供給する機能を有する。排出側コモンレール４８は、膜電極接合体２０から排出される燃料ガスを流通し、その燃料ガスを燃料ガス排出側マニホールド部４４に対して流入させる。供給側コモンレール４６の内壁は、親水性が非常に大きく、例えば水滴接触角が１０度以下となる超親水処理が施されている。そして、燃料ガス供給側マニホールド部４２と供給側コモンレール４６との接合部分のうち、燃料ガス供給側マニホールド部４２における接合部には、一定の長さで適当な撥水性の撥水処理が施されている。排出側コモンレール４８の内壁は、親水性が非常に大きく、例えば水滴接触角が１０度以下となる超親水処理が施されている。そして、燃料ガス排出側マニホールド部４４と排出側コモンレール４８との接合部分のうち、燃料ガス排出側マニホールド部４４における接合部には、一定の長さで適当な撥水性の撥水処理が施されている。
【００３４】
冷却供給流路６０は、セパレータ３０の中央部に設けられる溝であり、図示しない冷却供給系から供給された冷媒を供給し、各単位セル２５を冷却する機能を有する。
【００３５】
図３は、図２における燃料ガス排出側マニホールド部４４と排出側コモンレール４８の拡大図である。延伸部材４５は、燃料ガス排出側マニホールド部４４の燃料ガス流通断面積を狭くする櫛歯形状の部材であり、燃料ガス排出側マニホールド部４４の内壁から離隔した状態を保ちながら、燃料ガスの流通方向に沿って延伸する部材である。また、延伸部材４５の外表面には、適当な撥水性を有する撥水処理が施されている。さらに、図３に示されるように燃料ガス排出側マニホールド部４４と排出側コモンレール４８との間の角度θは６０度以上であることが好ましい。
【００３６】
なお、図示しないが燃料ガス供給側マニホールド部４２と供給側コモンレール４６との間の角度θも６０度以上であることが好ましい。そして、延伸部材４３は、延伸部材４５と同様の構成であるため詳細な説明は省略する。
【００３７】
続いて、上記構成の燃料電池スタック１０の作用について、図１〜図３を参照して説明する。燃料電池スタック１０の電気化学反応により、例えば排出側コモンレール４８に対して水が排出されることがある。そして、排出側コモンレール４８の内壁は、非常に親水性の大きい超親水処理が施されているため、燃料ガス排出側マニホールド部４４に向かって水が流れやすくなる。
【００３８】
そして、排出側コモンレール４８と燃料ガス排出側マニホールド部４４との接合部分のうち燃料ガス排出側マニホールド部４４における接合部は、撥水処理が施されており、さらに、排出側コモンレール４８と燃料ガス排出側マニホールド部４４との間の角度は６０度以上であることから、排出側コモンレール４８から流れてきた水を水切れよく燃料ガス排出側マニホールド部４４に対して落とすことができる。
【００３９】
さらに、燃料ガス排出側マニホールド部４４の内壁は、燃料電池スタック１０の奥側では親水性が小さく、手前側に向かって次第に親水性が大きいように親水処理が施されているため、排水された水が燃料電池スタック１０の奥側に流れ込んでしまうことを抑制することができる。
【００４０】
また、燃料ガス排出側マニホールド部４４は、延伸部材４５を有しているため、燃料ガス流通断面積が狭くなるとともに、延伸部材４５の外表面は撥水処理が施されていることから、燃料ガス排出側マニホールド部４４の掃気が行われる場合の掃気の流速を高めることができる。さらに、燃料電池スタック１０の奥側から手前側に向かって次第に親水性が大きくなっていることから、より効率よく水の排出を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃料電池スタック、１５  積層体、２０  膜電極接合体、２５  単位セル、３０セパレータ、４２  燃料ガス供給側マニホールド部、４３，４５  延伸部材、４４  燃料ガス排出側マニホールド部、４６  供給側コモンレール、４８  排出側コモンレール、５２  酸化ガス供給側マニホールド部、５４  酸化ガス排出側マニホールド部、６０  冷却供給流路。
【図１】
2010205692.tif 000003
【図２】
2010205692.tif 000004
【図３】
2010205692.tif 000005