(57)【要約】【課題】生成水がセル内部で水滴化することにより、あるいは、セル構成部材間のシール性が低下することに起因する、燃料電池の発電性能の低下を防ぐ。【解決手段】セパレータサブアッセンブリーの２２、厚み方向のガス流路２２ａ〜２２ｋが、表面に親水性を有する壁２８によって構成されていることにより、これら厚み方向のガス流路を流れる生成水Ｗがガス流路中に凝集して水滴化することなく、ガス流路を構成する壁２８に沿って円滑に排水される。特に、従来、生成水の滞留が生じやすかったコモンレール部２２ｋで水滴が溜まることが無くなり、コモンレール部２２ｊ、２２ｋを通じて、供給されるガスがセル内部に全体に均等に行き渡ることで、燃料電池の発電性能を向上させることができる。又、壁２８が、セパレータサブアッセンブリー２２の厚みを定寸化する強度部材となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚のセパレータ部材にシール材が挟持された構造のセパレータサブアッセンブリーを備える燃料電池であって、前記セパレータサブアッセンブリーの、厚み方向のガス流路が、表面に親水性を有する壁によって構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記厚み方向のガス流路を構成する壁が、一方のセパレータ部材の一部を、セパレータサブアッセンブリーの厚み方向に切り起こして、他方のセパレータ部材に突き当てることにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記厚み方向のガス流路には、コモンレール部が含まれることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二枚のセパレータ部材にシール材が挟持された構造のセパレータサブアッセンブリーを備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、図４、図５に示されるセル（単セル）１０が構成され、なおかつ、セル１０が複数枚積層されたスタック構造１１となることで、必要な電圧が確保されるものである。通常、外形形状が矩形をなすセル１０の４辺の外周端には、アノード側に燃料ガスを、カソード側に酸化剤を各々供給し、かつ、未反応ガスやセル内で発生する生成水を排出するための、マニホールド１０ａ、１０ｂが形成されている。
【０００３】
図６には、図４、図５に示される固体高分子型燃料電池のセル１０の、構造の一例が示されている。このセル１０は、膜・電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８（アノード側/カソード側のセパレータ１８Ａ、１８Ｃ）が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった構造のものを、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）と称する場合もある。
かかるスタック構造において、板状の部品であるセパレータ１８は、各セルの最外層に位置してスタック内の各セルを区分けする部材であり、アノード側に燃料ガスをカソード側に酸化剤を各々供給する機能、セルで発電された電気の導電機能、セル内で発生する生成水の排出を行う機能等、様々な役目を担っている。
【０００４】
又、セル１０内で燃料ガスや酸化剤の漏れが生じることを防止するために、ＭＥＡ１２、ガス拡散層１４、ガス流路１６は、マニホールド１０ａ、１０ｂの近傍で、図７に示されるように、ガスケット２０によって密閉されている。ガスケット２０は、ゴム等の弾性材料が用いられ、ＭＥＡ１２、ガス拡散層１４及びガス流路１６を構成する多孔体１９が積層された状態で、これらの外周端部を覆うように一体成形される。そして、ガスケット２０のリップ２０ａが、セパレータ１８に線接触することで、マニホールド１０ａ、１０ｂ周辺部における必要な密閉性が確保される。
【０００５】
ところで、セパレータ１８には、図８に示されるように、二枚のセパレータ部材２４に中間材２６が挟持された多層のセパレータサブアッセンブリー構造を有するものも用いられている。このセパレータサブアッセンブリー２２は、周辺部にマニホールドを構成するための複数の開口２２ａ〜２２ｈを備え、図示の例では、開口２２ａ及び２２ｅのみが燃料ガスＨ２の供給の用に供されるものである。そして供給される燃料ガスＨ２が、ＭＥＡ１２及びガス拡散層１４の全体に均等に行き渡るように、前記多層構造の内部で、開口２２ａ又は２２ｅと連通する、直線溝状のコモンレール部２２ｊ、２２ｋが形成されたものである（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。なお、セパレータサブアッセンブリー２２が燃料電池スタック１１として組み込まれた際の、燃料ガスＨ２の流れを、図８に符号ＧＦＨ２で示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３４３０１号公報
【特許文献２】特開２００８−１５２９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、セパレータサブアッセンブリー２２は、セパレータ部材２４として、アノード側の多孔体１９Ａ（図７）に面するアノードセパレータ２４Ａ、カソード側の多孔体１９Ｃ（図７）に面するカソードセパレータ２４Ｃを備え、かつ、両者をシールするシール材を中間材２６として備えるものであり、コモンレール部２２ｊ、２２ｋは、これらの各部材によって構成されている。ところが、中間材２６として用いられるシール材２６は、一般に撥水性を有しており、セル内で発生する生成水は、厚み方向のガス流路を構成するコモンレール部２２ｊ、２２ｋ内に露出するシール材２６の影響を受けて、図８に符号Ｗで示されるように、コモンレール部２２ｊ、２２ｋ内で水滴状に溜り易い。
このように、水滴状に溜まった生成水Ｗは、燃料電池の停止時に氷点下にさらされ凍結すると、始動時には完全にガスの流通を阻害してしまい、セル電圧の低下を来たすこととなる。又、通常発電時においても、水滴による圧損増加により、ＭＥＡ１２及びガス拡散層１４の全体へのガス配分が不均一となり、燃料電池の電圧安定性が悪化する虞がある。なお、引用文献１では、生成水の滞留を防ぐために多孔質体による排水促進部材を採用しているが、この構造は圧損の増加を招き易く、かつ、排水促進部材が部品点数の増加に直結するといった欠点がある。
【０００８】
加えて、アノードセパレータ２４Ａ、カソードセパレータ２４Ｃ及び中間材２６からなる多層構造は、中間材２６にシール材（シート状のホットメルト材等）が用いられると、中間材２６の熱収縮により、セパレータサブアッセンブリー２２の中央部と端部とで、厚みに差が生じ易い。そして、厚みに差が生じると、セパレータサブアッセンブリー２２に対する、ガスケット２０のリップ２０ａ（図７）のシール線圧の低下ないしばらつきが生じ、ガスケット２０によるセル構成部材間のシール性の低下を来たすことにもなる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生成水がセル内部で水滴化することにより、あるいは、セル構成部材間のシール性が低下することに起因する、燃料電池の発電性能の低下を防ぐことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１０】
（１）二枚のセパレータ部材にシール材が挟持された構造のセパレータサブアッセンブリーを備える燃料電池であって、前記セパレータサブアッセンブリーの、厚み方向のガス流路が、表面に親水性を有する壁によって構成されている燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、セパレータサブアッセンブリーの、厚み方向のガス流路が、表面に親水性を有する壁によって構成されていることにより、厚み方向のガス流路を流れる生成水がガス流路中に凝集して水滴化することなく、ガス流路を構成する壁に沿って円滑に排水されるものである。壁の親水処理は、親水剤（ＯＨ基を含む親水剤）が塗布され、親水性素材により構成され、又は、親水性素材の表面を意図的に荒らすためのホーニング処理や、プラズマ処理（親水基を表面に付着させる）が施される等の親水化処理がされることで、親水性を高めたものが用いられる。
【００１１】
（２）上記（１）項において、前記厚み方向のガス流路を構成する壁が、一方のセパレータ部材の一部を、セパレータサブアッセンブリーの厚み方向に切り起こして、他方のセパレータ部材に突き当てることにより構成されている燃料電池（請求項２）。
本項に記載の燃料電池は、一方のセパレータ部材の一部を、セパレータサブアッセンブリーの厚み方向に切り起こして、切り起こしの先端部を他方のセパレータ部材に突き当てることにより、厚み方向のガス流路を構成する壁が、セパレータサブアッセンブリーの厚みを定寸化する強度部材となる。よって、中間材にシール材が用いられる場合、中間材に熱収縮が生じても、セパレータサブアッセンブリーの厚みに影響を与えることはない。又、壁によって、厚み方向のガス流路内に中間材が露出することがなくなるので、中間材の撥水性（親水性）の如何による、ガス流路内を流れる生成水の滞留の影響を回避するものとなる。
【００１２】
（３）上記（１）、（２）項において、前記厚み方向のガス流路には、コモンレール部が含まれる燃料電池（請求項３）。
本項に記載の燃料電池は、コモンレール部を構成する壁において、上記（１）、（２）項記載の作用を奏することにより、コモンレール部を通じて、供給されるガスがセルの全体に均等に行き渡るものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明はこのように構成したので、生成水がセル内部で水滴化することにより、あるいは、セル構成部材間のシール性が低下することに起因する、燃料電池の発電性能の低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池の、セパレータサブアッセンブリーを示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線近傍における、パレータサブアッセンブリー構成部材を示した分解平面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの、セパレータサブアッセンブリー及びＭＥＡ（ＭＥＧＡ）のマニホールド部近傍を示す断面図である。
【図３】図２の応用例を示す断面図である。
【図４】従来の固体高分子型燃料電池のセルの平面図である。
【図５】図４に示されるセルを複数積層した燃料電池スタックの斜視図である。
【図６】図６に示されるセルの、セル構成部材を模式的に示した断面図である。
【図７】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】二枚のセパレータ部材に中間材が挟持されたセパレータサブアッセンブリーを示す平面図と、そのＣ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る燃料電池は、図１に示される、二枚のセパレータ部材にシール材が挟持された構造のセパレータサブアッセンブリー２２を備えるものであり、全体構造は、図５に示されたスタック構造１１となっている。
さて、本発明の実施の形態に係るセパレータサブアッセンブリー２２は、セパレータ部材２４として、アノード側の多孔体１９Ａ（図７）に面するアノードセパレータ２４Ａ、カソード側の多孔体１９Ｃ（図７）に面するカソードセパレータ２４Ｃを備え、かつ、両者をシールするシール材を中間材２６として備えるものである。
【００１６】
このセパレータサブアッセンブリー２２は、周辺部にマニホールドを構成するための複数の開口２２ａ〜２２ｈを備え、このうち、開口２２ａ及び２２ｅのみが燃料ガスＨ２の供給の用に供されるものである。そして供給される燃料ガスＨ２が、ＭＥＡ１２及びガス拡散層１４の全体に均等に行き渡るように、多層構造の内部で、開口２２ａ又は２２ｅと連通する、直線溝状のコモンレール部２２ｊ、２２ｋが形成されている。
【００１７】
そして、セパレータサブアッセンブリー２２の、厚み方向のガス流路、即ち、コモンレール部２２ｊ、２２ｋ、ガス導入部及びガス排出部を構成する開口２２ａ〜２２ｈが、何れも、表面に親水性を有する壁２８（図１（ｃ）参照）によって構成されている。そして、壁２８により中間材２６が覆われ、各厚み方向のガス流路に、中間材２６が露出しない構造となっている。しかも、厚み方向のガス流路を構成する壁２８が、一方のセパレータ部材２４Ａ（２４Ｃ）の一部を、セパレータサブアッセンブリー２２の厚み方向に切り起こして、他方のセパレータ部材２４Ｃ（２４Ａ）に突き当てることにより構成されている。
壁２８の表面には、親水剤（ＯＨ基を含む親水剤）が塗布され、又は親水性素材の表面を意図的に荒らすためのホーニング処理や、プラズマ処理（親水基を表面に付着させる）が施される等の親水化処理がされることで、親水性を高めたものである。親水化処理は、セパレータ部材２４Ａ、２４Ｃのプレス成形の前後で、適宜施されるものであるが、親水処理が確実に保持される点からすれば、プレス成形後に親水化処理を施すことが望ましい。又、セパレータ部材２４Ａ、２４Ｃにチタン合金等親水性素材を使用し、素材自体のもつ親水性をそのまま利用することも可能である。
【００１８】
上記構成をなす、本発明の第１の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能となる。すなわち、本発明の実施の形態に係るの燃料電池は、セパレータサブアッセンブリーの２２、厚み方向のガス流路２２ａ〜２２ｋが、表面に親水性を有する壁２８によって構成されていることにより、これら厚み方向のガス流路を流れる生成水Ｗがガス流路中に凝集して水滴化することなく、ガス流路を構成する壁２８に沿って円滑に排水される。特に、従来、生成水の滞留が生じやすかったコモンレール部、特に下流側のコモンレール部２２ｋで水滴が溜まることが無くなり、コモンレール部２２ｊ、２２ｋを通じて、供給されるガスがセル内部に全体に均等に行き渡ることで、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１９】
図２には、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックの、セパレータサブアッセンブリー２２及びＭＥＡ１２のマニホールド部近傍を断面で示しているが、一方のセパレータ部材２４Ａ（２４Ｃ）の一部を、セパレータサブアッセンブリー２２の厚み方向に切り起こして、切り起こしの先端を他方のセパレータ部材２４Ｃ（２４Ａ）に突き当てることにより、厚み方向のガス流路を構成する壁２８が、セパレータサブアッセンブリー２２の厚みを定寸化する強度部材となる。このため、中間材２６にシール材が用いられることによって中間材２６に熱収縮が生じても、セパレータサブアッセンブリー２２の厚みに影響を与えることはなく、セパレータサブアッセンブリー２２に対する、ガスケット２０のリップ２０ａのシール線圧の低下やばらつきを招くこともない。
又、壁２８によって、厚み方向のガス流路内に中間材２６が露出することがなくなるので、中間材２６の撥水性（親水性）の如何により、ガス流路内を流れる生成水Ｗが滞留してガスの流通を阻害するといった悪影響を回避することが可能となる。
【００２０】
しかも、セパレータ部材２４Ａ、２４Ｃの一部を切り起こして壁２８を構成する構造は、圧損の増加を招くことは無く、かつ、部品点数の増加を来たすこともない。
なお、図３は、セパレータ部材２４Ａ、２４Ｃの一部を切り起こして構成された壁３０の突き当て端部が、さらに曲げ加工されたものであり、接触面積の更なる増大による強度の向上を図ったものである。
【符号の説明】
【００２１】
１０：セル、  １０ａ、１０ｂ：マニホールド、１１：燃料電池スタック、２０：ガスケット、２２：セパレータサブアッセンブリー、  ２２ａ〜２２ｈ：開口、  ２２ｊ、２２ｋ：コモンレール部、２４：セパレータ部材、２４Ａ：アノードセパレータ、２４Ｃ：カソードセパレータ、２６：中間材、  ２８、３０：壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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【図８】
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