(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池のガス流路における生成水の滞留を防ぐことが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】メッシュ３０の、セパレータ１８（１８Ｃ）の表面１８ｓｆに対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａが、セパレータの表面１８ｓｆに比して撥水性を有する。メッシュ３０のセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａの撥水性により、メッシュ３０のセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａとセパレータ１８の表面１８ｓｆとの間の空間に、生成水１００が留まろうとする力（毛管力）は、打ち消される。そして、生成水１００は滞留することなく、親水性を有するセパレータ１８の表面１８ｓｆに、円滑に広がり、セパレータの表面１８ｓｆに沿ってガス流路１６（１６Ｃ）中をガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向って移動し、セル１０の外部へと排出される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、
前記エキスパンドメタルを構成するメッシュが、前記ガス流路のガス流入端からガス流出端へ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、該メッシュの、前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面が、前記セパレータの表面に比して撥水性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記メッシュの、前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面が、その裏面に比して撥水性を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【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、最小単位であるセル（単セル）が構成され、なおかつ、セルが複数枚積層されたスタック構造となることで、必要な電圧が確保されるものである。かかるスタック構造において、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として、板状の部品であるセパレータが用いられている。又、セパレータは、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。
【０００３】
さて、図４には、固体高分子型燃料電池のセル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とが一体となった膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion
Layer Assembly）が用いられる例もある。
そして、図４のようにガス流路１６がセパレータ１８と別体構造をなすセル１０構造においては、ガス流路１６を形成する構造物として、例えばエキスパンドメタル（又はラスカットメタル）が用いられることで、上述の如きセパレータの機能を分担、保持している（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８７７６８号公報
【特許文献２】特開２００５−３１０６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セル１０のガス流路１６を形成する構造物として用いられるエキスパンドメタル２０は、例えば、図５に示されるような亀甲形のメッシュ２２が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。このエキスパンドメタル２０は、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュ２２が形成されるという製造手順に起因して、各メッシュ２２が、材料送り方向〔（Materials）Forwarding Direction：以下、本説明において「ＦＤ方向」ともいう。〕に、階段状に連なった構造となっている。
そして、図４に示されたセル１０において、エキスパンドメタル２０は、図６に示されるようにメッシュ２２がガス拡散層１４とセパレータ１８との間で、ガス流路のガス流入端ＧＦ−Ｉｎからガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向う方向に対し傾斜面をなすように配置されることで、千鳥配置されたメッシュ２２と、ガス拡散層１４表面及びセパレータ１８表面との間に、図６に斜線部で示される三角形状の空間２４が、千鳥状に構成される。従って、ガス流路１６を流れるガスは、千鳥状に配置された三角形状の空間２４を順に伝ってＦＤ方向へと流れ、この際、ガス流ＧＦは図５に示されるように、ＦＤ方向と直交する方向〔Transverse Direction又はTool  Direction：以下、本説明において「ツール送り方向」又は「ＴＤ方向」ともいう。〕に揺動し、ターンを繰り返す態様の流れとなる。
【０００６】
ところで、図７（ａ）に示されるように、セル内で電気化学反応が生じる際にカソード側電極に発生する生成水１００は、ガス拡散層１４（１４Ｃ）を通過し、図７（ｂ）に示されるようにガス流路１６（１６Ｃ）を構成するエキスパンドメタル２０のメッシュ２２を伝わり、セパレータ１８（１８Ｃ）の表面に沿ってガス流路１６中をガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向って移動し、最終的にセル１０の外部へと排出される。この際、図７（ｃ）に示されるように、メッシュ２２と、セパレータ１８Ｃとの間に形成される三角形状の空間２４（図６参照）には、生成水の滞留１０２が生じることとなる。この、生成水の滞留１０２は、メッシュ２２がセパレータ１８Ｃの表面に対し鋭角に配置されることにより、三角形状の空間２４に水の保持力（毛管力）が生じることによるものである。このように、生成水の滞留１０２が生じると、カソード側ガス流路１６Ｃの、排水性の低下、流路断面積の減少とそれに伴うガス圧損の上昇を来し、燃料電池の性能低下の原因となる。
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、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、ガス流路における生成水の滞留を防ぎ、排水性を高めることにより、燃料電池の発電性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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。
【０００８】
（１）セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記エキスパンドメタルを構成するメッシュが、前記ガス流路のガス流入端からガス流出端へ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、該メッシュの、前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面が、前記セパレータの表面に比して撥水性を有する燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、メッシュの、セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面が、セパレータの表面に比して撥水性を有する（換言すれば、セパレータの表面が、メッシュのセパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面に比して親水性を有する。）ことから、メッシュのセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面の撥水性（親水性を有するセパレータの表面との、撥水能力の差）により、カソード側電極に発生する生成水が、メッシュのセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面とセパレータの表面との間の空間に留まろうとする力（毛管力）は、打ち消される。そして、生成水は親水性を有するセパレータの表面に広がる。セパレータの表面に広がった生成水は、セパレータの表面に沿ってガス流路中をガス流出端へ向って移動し、セルの外部へと円滑に排出される。
【０００９】
（２）上記（１）項において、前記メッシュの、前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面が、その裏面に比して撥水性を有する燃料電池（請求項２）。
本項に記載の燃料電池は、メッシュの、セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面が、その裏面に比して撥水性を有する（換言すれば、セパレータの表面に対し鈍角に配置される側の表面が、その裏面に比して親水性を有する。）ことから、メッシュのセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面の撥水性により、カソード側電極に発生する生成水が、メッシュのセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面とセパレータの表面との間の空間に留まろうとする力（毛管力）は、打ち消される。そして、生成水は親水性を有するセパレータの表面に広がる。セパレータの表面に広がった生成水は、セパレータの表面に沿ってガス流路中をガス流出端へ向って移動し、セルの外部へと円滑に排出さ
れる。
【００１０】
（３）上記（１）、（２）項において、前記メッシュの、セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面は、撥水剤（例えば、フッ素系、シリコン系、炭化水素系）が塗布され、撥水めっきが施され若しくは撥水性素材により構成され、又は、撥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が施されている燃料電池。
本項に記載の燃料電池は、メッシュの、セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面に、上記のごとき撥水化処理が施されることで、親水性を減少させる（撥水性を高める）ものである。
【００１１】
（４）上記（１）から（３）項において、前記セパレータの表面、又は、前記メッシュの、前記セパレータの表面に対し鈍角に配置される側の表面は、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）が施されている燃料電池。
本項に記載の燃料電池は、セパレータの表面、又は、メッシュの、セパレータの表面に対し鈍角に配置される側の表面に、上記のごとき親水化処理が施されることで、親水性を高めるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明はこのように構成したので、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、ガス流路における生成水の滞留を防ぎ、排水性を高め、燃料電池の発電性能を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
まず、本発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、予め、図３を参照しながらエキスパンドメタルの各部名称を明らかにする。エキスパンドメタルは、一般的には、既に説明した亀甲形のメッシュ２２（図５、図３（ｃ）参照）や、図３（ａ）に示されるような、菱形のメッシュ２６が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。そして、メッシュの交差部をボンド部ＢＯ、メッシュのボンド部ＢＯ間をつなぐ部分をストランド部ＳＴという。又、ボンド部ＢＯのＴＤ方向の長さをボンド長さＢＯｌ、ストランド部ＳＴの厚みを刻み幅（送り幅）Ｗという。図中、符号ｔは素材の板厚、符号Ｄはエキスパンドメタルの全厚であり、この全厚Ｄが、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みとなる。なお、図３には、併せてＦＤ方向（材料送り方向）、ＴＤ方向（ツール送り方向）及びＷＤ方向（メッシュの刻み幅方向）を示している。
各部名称から明らかなように、亀甲形のメッシュ２２は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの長いメッシュ形状であり、菱形のメッシュ２６は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの短いメッシュ形状である。そして、菱形のメッシュ２６のＦＤ方向断面形状（Ａ−Ａ断面形状）と、亀甲形のメッシュ２２のＦＤ方向断面形状（Ａ’−Ａ’断面図）とは同一であることから、図３（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。
【００１４】
さて、本発明の実施の形態に係る燃料電池セルは、ガス流路の形成部材としてエキスパンドメタルが用いられており、このエキスパンドメタルは、図１に概略的に示されるような特徴を備えている。すなわち、カソード側ガス流路１６Ｃを形成するエキスパンドメタル２８のメッシュ３０の、セパレータ１８の表面１８ｓｆに対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａが、セパレータ１８Ｃの表面１８ｓｆに比して撥水性を有しているものである。ここで、メッシュ３０の形状は亀甲形、菱形を問わない。
又、メッシュ３０の、セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａが
、その裏面、すなわちセパレータ１８の表面１８ｓｆに対し鈍角に配置される側の表面３０ｓｆｂに比して撥水性を有するものである。なお、図１中、符号１１は電解質膜を、符号１３は触媒層（アノード側/カソード側の触媒層１３Ａ、１３Ｃ）を示している。
【００１５】
ところで、メッシュ３０の撥水性を有する表面３０ｓｆａは、撥水剤（例えば、フッ素系、シリコン系、炭化水素系）が塗布され、撥水めっきが施され、撥水性素材により構成され、又は撥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が施される等の撥水化処理がされることで、親水性を無くした（撥水性を高めた）ものである。
一方、セパレータの表面１８ｓｆ、又は、メッシュ３０の、セパレータの表面に対し鈍角に配置される側の表面３０ｓｆｂ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であるが、金属材料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。
【００１６】
上記構成をなす、本発明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である。すなわち、本発明の実施の形態に係る燃料電池においても、図２（ａ）に示されるように、セル内で電気化学反応が生じる際にカソード側電極に発生する生成水１００は、ガス拡散層１４（１４Ｃ）を通過し、図２（ｂ）に示されるようにガス流路１６（１６Ｃ）を構成するエキスパンドメタル２８のメッシュ３０を伝わり、セパレータ１８（１８Ｃ）の表面１８ｓｆに至る。
【００１７】
この際、メッシュ３０の、セパレータ１８の表面１８ｓｆに対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａが、セパレータの表面１８ｓｆに比して撥水性を有することから、メッシュ３０のセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａの撥水性（親水性を有するセパレータの表面１８ｓｆとの、撥水能力の差）により、メッシュ３０のセパレータ表面に対し鋭角に配置される側の表面３０ｓｆａとセパレータ１８の表面１８ｓｆとの間の空間に、生成水１００が留まろうとする力（毛管力）は、打ち消される。そして、生成水１００は滞留することなく、図２（ｃ）に示されるように、親水性を有するセパレータ１８の表面１８ｓｆに、円滑に広がる。セパレータの表面１８ｓｆに広がった生成水１００は、セパレータの表面１８ｓｆに沿ってガス流路１６（１６Ｃ）中をガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向って移動し、セル１０の外部へと排出されることとなる。
【００１８】
なお、生成水１００の滞留は、セル１０の特にカソード側において問題になるが、アノード側においても、例えば、ＭＥＡ１２の加湿のために供給されるミスト等の水分が滞留するような場合には、アノード側にも同様の構成を採用することで、水分の滞留を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る、固体高分子型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施の形態に係るセル構造におけるカソード側の生成水の流れを示す模式図である。
【図３】エキスパンドメタルの各部名称の説明図であり、（ａ）は菱形のメッシュの平面図、（ｂ）はＡ−ＡおよびＡ’−Ａ’線における断面図、（ｃ）は亀甲形のメッシュの平面図である。
【図４】従来の固体高分子型燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。
【図５】図４に示されるセルのガス流路を形成する、亀甲形のメッシュを備えるエキスパンドメタルの斜視図である。
【図６】図５に示されたエキスパンドメタルを用いた、従来のセルのガス流路の断面図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、従来のセル構造におけるカソード側の生成水の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０：セル、１２：ＭＥＡ、  １４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、  １６、１６Ａ、１６Ｃ：ガス流路、  １８、１８Ａ、１８Ｃ：セパレータ、１８ｓｆ：セパレータの表面、２２：亀甲形のメッシュ、２４：空間、  ２８：エキスパンドメタル、３０：メッシュ、３０ｓｆａ：メッシュの撥水性を有する表面、ＳＴ：ストランド部、ＢＯ：ボンド部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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