(57)【要約】【課題】水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減することができる高分子電解質形燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質形燃料電池１０は、高分子電解質膜５４、および、高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極５５Ａ、５５Ｂを有する膜−電極接合体５１と、電極と接触して膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータ５３Ａ、５３Ｂと、を有する単セル５０が複数積層されて構成された積層体１２と、電極の主面およびセパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する溝状の反応ガス流路２３、４３と、積層体内においてその積層方向に延び、かつ、反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールド２２、４２と、反応ガス供給マニホールドの内周面に形成された反応ガス流路への反応ガスの入り口２６、４６の少なくとも一部を覆う撥水性部材２７、４７と、を備えている【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触して前記膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成された積層体と、
前記電極の主面および前記セパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する溝状の反応ガス流路と、
前記積層体内においてその積層方向に延び、かつ、前記反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドの内周面に形成された前記反応ガス流路への前記反応ガスの入り口の少なくとも一部を覆う撥水性部材と、を備えている、高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記反応ガス供給マニホールドと接続され、かつ、前記反応ガス供給マニホールドに反応ガスを導入する導入路をさらに備え、
積層された複数の前記単セルのうち、前記導入路に最も近い最近単セル、および、前記導入路から最も遠い最遠単セルの少なくともいずれか一方に、前記撥水性部材が設けられている、請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記最近単セルを含む連続する複数の前記単セル、および、前記最遠単セルを含む連続する複数の前記単セルの少なくともいずれか一方に、前記撥水性部材が設けられている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記最近単セルに、前記撥水性部材が設けられている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記最近単セルおよび前記最遠単セルに、前記撥水性部材が設けられている、請求項２に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項６】
前記撥水性部材は、前記撥水性部材により覆われている前記反応ガス供給マニホールドの内周面の撥水性よりも高い撥水性を有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【請求項７】
前記撥水性部材はメッシュ状シートにより構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池に関し、特に、水滴による反応ガス流路の閉塞防止構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質形燃料電池の電解質膜にイオン伝導性を付与するため、高分子電解質形燃料電池に供給される反応ガスは加湿器等によって加湿されている。この際、水分は主に水蒸気の状態で高分子電解質形燃料電池内においてマニホールドおよび反応ガス流路を介して電解質膜に供給されている。しかし、高分子電解質形燃料電池の温度などの条件によって反応ガス中の水分が凝縮して、水滴が発生することがある。この水滴が多量にまとめて一度にマニホールドから反応ガス流路に侵入すると、断面積の小さい反応ガス流路が水滴によって閉塞されてしまう。この場合、電解質膜を挟む一対の電極へ反応ガスが均一に供給されず、高分子電解質形燃料電池において電圧の異常低下が生じるという問題がある。
【０００３】
この問題に対して、たとえば、特許文献１に示す固体高分子形燃料電池では、空気供給用第１マニホールドの内部に仕切管が設けてられている。この仕切管は、空気供給配管に接続され、その下端が空気導入流路の下端の水平位置よりも低い位置になるように設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８７７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す固体高分子形燃料電池では、水滴による反応ガス流路の閉塞を抑制するという観点から未だ改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減することができる高分子電解質形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】
【０００７】
本発明のある態様に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触して前記膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成された積層体と、前記電極の主面および前記セパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する溝状の反応ガス流路と、前記積層体内においてその積層方向に延び、かつ、前記反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールドと、前記反応ガス供給マニホールドの内周面に形成された前記反応ガス流路への前記反応ガスの入り口の少なくとも一部を覆う撥水性部材と、を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減することができる高分子電解質形燃料電池を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本実施の形態１に係る高分子電解質形燃料電池を一方の端から見た図である。
【図１Ｂ】図１Ａの高分子電解質形燃料電池を一方の側から見た図である。
【図２】図１ＡにおけるＡ―Ａ線に沿って切断したセル積層体の断面の一部を示す部分断面図である。
【図３】図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断した高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図４】図１Ａのアノード側セパレータをアノード側から見た図である。
【図５Ａ】図１Ａの反応ガス供給マニホールドに設けられた撥水性部材上の水滴を模式的に示す断面図である。
【図５Ｂ】比較例に係る燃料ガス流路に設けられた撥水性部材上の水滴を模式的に示す断面図である。
【図６】本実施の形態２に係る高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図７】本実施の形態３に係る高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図８】本実施の形態４に係る高分子電解質形燃料電池の断面の一部を示す部分断面図である。
【図９】その他の変形例に係るアノード側セパレータをアノード側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者等は、マニホールドから反応ガス流路へ水滴が侵入することの防止について鋭意検討を重ね、その結果、以下の知見を得た。
【００１１】
具体的には、特許文献１の固体高分子形燃料電池では、空気導入流路の入口が仕切管より上方に配置されている。このため、たとえば、空気供給配管から多量に供給された水滴が空気の風圧によって仕切管を超えることがあり、この場合、水滴は空気導入流路に侵入してしまう。
【００１２】
そこで、本発明者等は、反応ガス供給マニホールド内における反応ガス流路への反応ガスの入り口の近傍に水滴の侵入を阻止する構造を構築することにより、反応ガス流路への水滴の侵入が抑制されることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
（実施の形態）
本発明の実施の第１の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、高分子電解質膜、および、該高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触して前記膜−電極接合体を互いの間に挟む一対の板状のセパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成された積層体と、前記電極の主面および前記セパレータの主面の少なくとも一方に設けられ、反応ガスが通流する溝状の反応ガス流路と、前記積層体内においてその積層方向に延び、かつ、前記反応ガス流路の上流端と連通する反応ガス供給マニホールドと、前記反応ガス供給マニホールドの内周面に形成された前記反応ガス流路への前記反応ガスの入り口の少なくとも一部を覆う撥水性部材と、を備えている。
【００１４】
この構成によれば、反応ガス供給マニホールドの内周面において入り口の少なくとも一部を覆うように設けられた撥水部材により水滴がはじかれる。この結果、反応ガス供給マニホールドから入り口を介して多量の水滴が反応ガス流路に侵入することを低減して、高分子電解質形燃料電池において電圧の異常低下を抑制することができる。
【００１５】
本発明の実施の第２の態様に係る高分子電解質形燃料電池は、第１の態様において、前記反応ガス供給マニホールドと接続され、かつ、前記反応ガス供給マニホールドに反応ガスを導入する導入路をさらに備え、積層された複数の前記単セルのうち、前記導入路に最も近い最近単セル、および、前記導入路から最も遠い最遠単セルの少なくともいずれか一方に、前記撥水性部材が設けられていてもよい。
【００１６】
本発明の実施の第３の態様に係る高分子電解質形燃料電池では、第２の態様において、前記最近単セルを含む連続する複数の前記単セル、および、前記最遠単セルを含む連続する複数の前記単セルの少なくともいずれか一方に、前記撥水性部材が設けられていてもよい。
【００１７】
本発明の実施の第４の態様に係る高分子電解質形燃料電池では、第２の態様において、前記最近単セルに、前記撥水性部材が設けられていてもよい。
【００１８】
本発明の実施の第５の態様に係る高分子電解質形燃料電池では、第２の態様において、前記最近単セルおよび前記最遠単セルに、前記撥水性部材が設けられていてもよい。
【００１９】
これらの構成によれば、水滴が発生または流入し易い最近単セルおよび／または最遠単セルにおいて撥水性部材が備えられていることにより、高分子電解質形燃料電池の全体において電圧の異常低下を抑制することができる。
【００２０】
本発明の実施の第６の態様に係る高分子電解質形燃料電池では、第１〜第５のいずれかの態様において、前記撥水性部材は、前記撥水性部材により覆われている前記反応ガス供給マニホールドの内周面の撥水性よりも高い撥水性を有していてもよい。
【００２１】
この構成によれば、撥水性部材によりはじかれた水滴が撥水性部材により覆われていない範囲に移動することにより、水滴が反応ガス供給マニホールドから入り口を介して反応ガス流路に侵入することをさらに低減することができる。
【００２２】
本発明の実施の第７の態様に係る高分子電解質形燃料電池では、第１〜第６のいずれかの態様において、前記撥水性部材はメッシュ状シートにより構成されていてもよい。
【００２３】
この構成によれば、メッシュ状シートの撥水性部材は通気性を有することにより、好適に、水滴の反応ガス流路への侵入を防止しつつ、反応ガスを反応ガス流路へ供給することができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２５】
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２６】
また、説明の便宜上、各図面において高分子電解質形燃料電池の「上」および「下」を表しているが、この方向に限定されず任意である。
【００２７】
（実施の形態１）
＜高分子電解質形燃料電池の構成＞
図１Ａは、高分子電解質形燃料電池（以下、「燃料電池」と称する。）１０を一方の端から見た図である。図１Ｂは、燃料電池１０を一方の側から見た図である。
【００２８】
燃料電池１０は、図１Ｂに示すように、セル積層体１２と、セル積層体１２を互いの間に挟む一対の端板１４Ａ、１４Ｂと、を備えている。セル積層体１２は、後述するように、複数の単セル５０が積層された積層体である。燃料電池１０には、燃料ガスが流れる燃料ガス経路、冷却媒体が流れる冷却媒体経路、および、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路が備えられている。燃料ガス経路は、図１Ａに示すように、燃料ガス導入管（導入路）２１、燃料ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）２２、燃料ガス流路（反応ガス流路）２３、燃料ガス排出マニホールド２４、および、燃料ガス排出管２５により主に構成されており、燃料ガスはこの順で流れる。冷却媒体経路は、冷却媒体導入管３１、冷却媒体供給マニホールド３２、冷却媒体流路３３、冷却媒体排出マニホールド３４、および、冷却媒体排出管３５により主に構成されており、冷却媒体はこの順で流れる。酸化剤ガス経路は、酸化剤ガス導入管（導入路）４１、酸化剤ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）４２、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４３、酸化剤ガス排出マニホールド４４、および、酸化剤ガス排出管４５により主に構成されており、酸化剤ガスはこの順で流れる。燃料ガスは水素を含む反応ガスであって、酸化剤ガスは酸素を含む反応ガスである。これらの燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスと称することもある。
【００２９】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、セル積層体１２の上部に燃料ガス供給マニホールド２２、冷却媒体供給マニホールド３２および酸化剤ガス供給マニホールド４２が設けられており、これらはセル積層体１２をその積層方向に貫通している。また、セル積層体１２の下部に燃料ガス排出マニホールド２４、冷却媒体排出マニホールド３４および酸化剤ガス排出マニホールド４４が設けられており、これらはセル積層体１２をその積層方向に貫通している。各マニホールドは、たとえば、上下方向の長さが、上下方向に対して垂直な方向の幅より短い略矩形状断面の筒形状に形成される。なお、燃料ガス供給マニホールド２２および酸化剤ガス供給マニホールド４２を反応ガス供給マニホールド２２、４２と称することもある。
【００３０】
一対の端板１４Ａ、１４Ｂは、セル積層体１２を互いの間に挟むように配置されている。導入側端板１４Ａに燃料ガス導入管２１、冷却媒体導入管３１および酸化剤ガス導入管４１がそれぞれ設けられている。排出側端板１４Ｂに燃料ガス排出管２５、冷却媒体排出管３５および酸化剤ガス排出管４５がそれぞれ設けられている。ただし、一対の端板１４Ａ、１４Ｂのいずれか一方に各導入管２１、３１、４１および各排出管２５、３５、４５の全ての配管が設けられていてもよい。また、燃料ガス導入管２１および酸化剤ガス導入管４１を反応ガス導入管２１、４１と称することもある。
【００３１】
燃料ガス導入管２１は、燃料ガスをセル積層体１２に導入する配管であって、燃料電池１０の上部の一方の側に配設され、燃料ガス供給マニホールド２２の上流端に接続されている。酸化剤ガス導入管４１は、酸化剤ガスをセル積層体１２に導入する配管であって、燃料電池１０の上部の他方の側に配設され、酸化剤ガス供給マニホールド４２の上流端に接続されている。冷却媒体導入管３１は、冷却媒体をセル積層体１２に導入する配管であって、燃料ガス導入管２１と酸化剤ガス導入管４１の間に配設され、冷却媒体供給マニホールド３２の上流端に接続されている。
【００３２】
燃料ガス排出管２５は、燃料ガスをセル積層体１２から排出する配管であって、燃料電池１０の下部の他方の側に配設され、燃料ガス排出マニホールド２４の下流端に接続されている。酸化剤ガス排出管４５は、酸化剤ガスをセル積層体１２から排出する配管であって、燃料電池１０の下部の一方の側に配設され、酸化剤ガス排出マニホールド４４の下流端と接続されている。冷却媒体排出管３５は、冷却媒体をセル積層体１２から排出する配管であって、燃料ガス排出管２５と酸化剤ガス排出管４５の間に配設され、冷却媒体排出マニホールド３４の下流端と接続されている。
【００３３】
端板１４Ａ、１４Ｂは、たとえば、電気絶縁性樹脂などの絶縁材料で形成されている。導入側端板１４Ａとセル積層体１２との間に集電板１６Ａが配置されており、排出側端板１４Ｂとセル積層体１２との間に集電板１６Ｂが配置されている。これらの導入側端板１４Ａ、集電板１６Ａ、セル積層体１２、集電板１６Ｂおよび排出側端板１４Ｂは、図示されない締結具によって締結されて互いに固定されている。なお、端板１４Ａ、１４Ｂが金属などの導電材料で形成されている場合、導入側端板１４Ａと集電板１６Ａの間、および、排出側端板１４Ｂと集電板１６Ｂとの間に、絶縁板が挿入される。
【００３４】
＜セル積層体の構成＞
次に、セル積層体１２の構成について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２は、図１ＡにおけるＡ―Ａ線に沿って切断したセル積層体１２の断面の一部を示す部分断面図である。図３は、図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断した燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。図４は、アノード側セパレータ５３Ａをアノード５５Ａ側から見た図である。
【００３５】
セル積層体１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応（以下、発電反応という）させることにより発電する単セル５０を直列接続したものである。単セル５０は、図２に示すように、ＭＥＡ（ＭｅｍＢｒＡｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ＡｓｓｅｍＢｌｙ：膜−電極接合体）５１と、ＭＥＡ５１を囲む枠体５２と、ＭＥＡ５１を互いの間に挟む一対のセパレータ５３Ａ、５３Ｂと、を有する。ＭＥＡ５１は、高分子電解質膜５４と、高分子電解質膜５４を互いの間に挟む一対の電極５５Ａ、５５Ｂとを有する。
【００３６】
高分子電解質膜５４は、湿潤な状態で水素イオン伝導性を有する高分子膜であって、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。一方の電極であるアノード５５Ａ、および、他方の電極であるカソード５５Ｂは、高分子電解質膜５４を互いの間に挟み、その周縁部より内方に位置するように設けられている。アノード５５Ａおよびカソード５５Ｂは、触媒層（図示せず）と、該触媒層の上に設けられたガス拡散層（図示せず）と、をそれぞれ有している。なお、アノード５５Ａおよびカソード５５Ｂを構成する触媒層およびガス拡散層は、一般的な燃料電池の電極と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
枠体５２は、ＭＥＡ５１を支持する部材であって、ＭＥＡ５１の高分子電解質膜５４の周縁部を挟むように配設されており、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有している。枠体５２は、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、および液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の絶縁材料を好ましくは用いて、射出成形などにより形成される。
【００３８】
枠体５２は、その上部に燃料ガス供給マニホールド孔２２ａ、冷却媒体供給マニホールド孔（図示せず）および酸化剤ガス供給マニホールド孔（図示せず）が設けられている。これらは枠体５２をその厚み方向に貫通している。また、枠体５２の下部に、燃料ガス排出マニホールド孔（図示せず）、冷却媒体排出マニホールド孔（図示せず）および酸化剤ガス排出マニホールド孔（図示せず）が設けられている。これらは枠体５２をその厚み方向に貫通している。
【００３９】
アノード側セパレータ５３Ａおよびカソード側セパレータ５３Ｂは、たとえば、略矩形状の平板であって、ＭＥＡ５１および枠体５２を互いの間に挟んで機械的に固定すると共に、隣接するＭＥＡ５１同士を互いに電気的に直列に接続するための部材である。アノード側セパレータ５３Ａおよびカソード側セパレータ５３Ｂは、導電性材料で形成され、たとえば、黒鉛板にフェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板、および、ＳＵＳなどの金属材料が用いられる。
【００４０】
アノード側セパレータ５３Ａおよびカソード側セパレータ５３Ｂは、図４に示すように、各上部に燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂ、冷却媒体供給マニホールド孔３２ｂおよび酸化剤ガス供給マニホールド孔４２ｂが設けられている。これらは各セパレータ５３Ａ、５３Ｂをその厚み方向に貫通している。また、各セパレータ５３Ａ、５３Ｂの各下部に、燃料ガス排出マニホールド孔２４ｂ、冷却媒体排出マニホールド孔３４ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド孔４４ｂが設けられている。これらは各セパレータ５３Ａ、５３Ｂをその厚み方向に貫通している。アノード側セパレータ５３Ａおよびカソード側セパレータ５３Ｂの各マニホールド孔は、図２に示すように、積層方向において枠体５２の各マニホールド孔に対応する位置に設けられる。
【００４１】
アノード側セパレータ５３Ａは、アノード５５Ａ上に配され、アノード側セパレータ５３Ａの一方主面はアノード５５Ａの主面と接触し、他方主面は隣接する単セル５０と接触している。この一方主面に燃料ガス流路２３が設けられている。燃料ガス流路２３は、燃料ガスを流すための溝状の反応ガス流路であって、アノード５５Ａの主面全体に亘っている。これにより、燃料ガスがアノード５５Ａに接触するように燃料ガス流路２３を流れる。燃料ガス流路２３は、図４に示すように、１本または複数（この実施の形態では、３本、ただし、１本の燃料ガス流路２３についてはその上流端部および下流端部以外の部分を省略する。）が設けられ、アノード側セパレータ５３Ａの主面上を蛇行しながらそのアノード５５Ａと接触する領域全体に拡がるサーペンタイン状に形成されている。なお、燃料ガス流路２３は、サーペンタイン状でなく、ストレート状や渦巻状に形成されていてもよい。また、燃料ガス流路２３は、アノード側セパレータ５３Ａの一方主面に代えて、または、アノード側セパレータ５３Ａの一方主面と共に、アノード５５Ａの主面に形成されていてもよい。
【００４２】
燃料ガス流路２３は、その上流端が燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂに接続され、下流端が燃料ガス排出マニホールド孔２４ｂに接続されており、これらを連通する。図２に示すように、単セル５０が積層されたセル積層体１２では各セパレータ５３Ａ、５３Ｂの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂが枠体５２の燃料ガス供給マニホールド孔２２ａとそれぞれ繋がって、燃料ガス供給マニホールド２２を形成している。この燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における下面上に、図３に示すように、燃料ガス流路２３への燃料ガスの入り口である開口２６が形成される。この内周面の下面上に撥水性部材２７が設けられている。
【００４３】
撥水性部材２７は、燃料ガス供給マニホールド２２内の水滴が多量に一度にまとまって燃料ガス流路２３に流入することを防止するための部材である。撥水性部材２７は、撥水性部材２７により覆われている内周面、つまり、枠体５２や各セパレータ５３Ａ、５３Ｂの撥水性よりも高い撥水性を有している。この撥水性は、たとえば、濡れ性評価装置（ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ１００、協和界面科学株式会社製）を用いて測定され得る。具体的には、撥水性部材２７を１ｃｍ角に切り出した測定対象を、濡れ性評価装置の測定ステージにセットする。この測定対象の表面に、マイクロシリンジを用いて濡れ張力試験用混合液（濡れ張力２７．３ｍＮ／ｍ、和光純薬工業株式会社）を４μＬ滴下して、滴下３分後に濡れ張力試験用混合液の接触角を測定する。この接触角が、たとえば、９０度以上であれば、測定対象の撥水性部材２７は撥水性を有すると判定する。
【００４４】
撥水性部材２７は、燃料ガスを通し、かつ、水滴をはじくことができる。撥水性部材２７は、たとえば、撥水性材料で構成されている。撥水性部材２７には、たとえば、メッシュ状や多孔質など多数の細孔を有した平面状に形成されたシート、または撥水性材料がコーティングされた直線状のワイヤを互いに間隔を有するように並べたものが用いられる。撥水性材料としては、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＣＰＴ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素樹脂材料が好適に用いられる。また、この撥水性材料を金属や樹脂などの芯材にコーティングしたものも用いられ得る。
【００４５】
撥水性部材２７は、開口２６の少なくとも一部を覆うように燃料ガス供給マニホールド２２の内周面上に配置されている。ここでは、長尺の矩形形状のメッシュシートが撥水性部材２７として用いられている。燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の周方向においては、撥水性部材２７は各単セル５０の３つ全ての開口２６が形成されている範囲に取り付けられており、撥水性部材２７が覆われていない範囲がある。また、積層方向においては、撥水性部材２７は、燃料ガス供給マニホールド２２の全長に延びており、セル積層体１２内の全ての単セル５０に設けられている。このため、セル積層体１２の複数の単セル５０うち、反応ガス導入管２１、４１に最も近い１つの単セル（以下、「最近単セル」と称する。）５０ａ、最近単セル５０ａを含む連続する複数の単セル（以下、「最近近傍単セル」と称する。）５０ａ１、反応ガス導入管２１、４１から最も遠い１つの単セル（以下、「最遠単セル」と称する。）５０ｂ、および、最遠単セル５０ｂを含む連続する複数の単セル（以下、「最遠近傍単セル」と称する。）５０ｂ１だけでなく、これら間にあるその他の単セル（以下、「中間単セル」と称する。）５０においても内周面が撥水性部材２７により被覆されている。また、撥水性部材２７は開口２６の周囲だけでなく開口２６上も覆っている。メッシュの目開きのサイズは、撥水性部材２７が各開口２６の少なくとも一部を覆うサイズであればよく、たとえば、開口２６のサイズよりも小さくてもよい。
【００４６】
アノード側セパレータ５３Ａは、図２に示すように、その他方主面に冷却媒体流路３３が形成されている。この冷却媒体流路３３は、冷却媒体を流すための溝状の流路であって、隣接する単セル５０のカソード側セパレータ５３Ｂの主面により覆われている。冷却媒体は、水であってもよく、不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等であってもよい。冷却媒体流路３３は、燃料ガス流路２３と同様に、サーペンタイン状などに形成されているが、ストレート状や渦巻状に形成されていてもよい。なお、冷却媒体流路３３は、アノード側セパレータ５３Ａの他方主面に代えて、または、アノード側セパレータ５３Ａの他方主面と共に、カソード側セパレータ５３Ｂの他方の主面に設けられてもよい。
【００４７】
カソード側セパレータ５３Ｂはカソード５５Ｂ上に配され、カソード側セパレータ５３Ｂの一方主面はカソード５５Ｂの主面と接触し、他方主面は隣接する単セル５０のアノード側セパレータ５３Ａと接触する。この一方主面に酸化剤ガス流路４３が設けられている。酸化剤ガス流路４３は、酸化剤ガスが流すための溝状の反応ガス流路であって、カソード５５Ｂの主面全体に亘っている。これにより、酸化剤ガスがカソード５５Ｂに接触するように酸化剤ガス流路４３を流れる。酸化剤ガス流路４３は、燃料ガス流路２３と同様に、サーペンタイン状などで形成されているが、ストレート状や渦巻状に形成されていてもよい。なお、酸化剤ガス流路４３は、カソード側セパレータ５３Ｂの一方主面に代えて、または、カソード側セパレータ５３Ｂの一方主面と共に、カソード５５Ｂの主面に形成されていてもよい。また、図１Ａに示すように、酸化剤ガス供給マニホールド４２の内周面に、酸化剤ガス流路４３への酸化剤ガスの入り口である開口４６が形成されている。この開口４６の少なくとも一部を内周面上において撥水性部材４７が覆っている。この開口４６は、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における開口２６と同様であって、また、撥水性部材４７は、開口２６およびその周囲を覆う撥水性部材２７と同様であるため、これらの説明を省略する。
【００４８】
このように構成された単セル５０を複数、積層することにより、セル積層体１２が形成される。このとき、アノード側セパレータ５３Ａの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂと、枠体５２の燃料ガス供給マニホールド孔２２ａと、カソード側セパレータ５３Ｂの燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂとが、積層方向に繋がって、燃料ガス供給マニホールド２２が形成される。また、これと同様に、各マニホールド孔が積層方向に繋がって、各マニホールド３２、４２、２４、３４、４４（図１Ａ）が形成される。
【００４９】
＜燃料電池の動作および作用効果＞
次に、本実施の形態１に係る燃料電池１０の作用効果について、図１Ａ〜図４を参照しながら説明する。
【００５０】
燃料電池１０を備える燃料電池システムでは、図３に示すように、燃料ガス導入管２１に燃料ガス供給配管６０が接続される。また、図１Ａに示すように、酸化剤ガス導入管４１に酸化剤ガス供給配管（図示せず）が接続される。これらの燃料ガス供給配管６０から供給される燃料ガス、または、酸化剤ガス供給配管から供給される酸化剤ガスには、高分子電解質膜５４（図２）の水素イオン伝導性を確保するために、一般的に加湿器（図示せず）によって加湿されている。
【００５１】
燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス供給配管６０から燃料ガス導入管２１を介して燃料ガス供給マニホールド２２に流入する。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド２２を流れながら、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における開口２６から燃料ガス流路２３（図２）に流入する。この際、加湿されている燃料ガスでは、通常、水分は水蒸気の形で存在するが、燃料ガス供給配管６０、燃料ガス導入管２１および燃料ガス供給マニホールド２２において水分が結露し水滴となることがある。特に、燃料ガス供給配管６０や燃料ガス導入管２１で結露した水滴は、燃料ガスと共に、燃料ガス供給マニホールド２２内に流入する。この水滴が多量に一度にまとめて燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６から燃料ガス流路２３に入り込むと、断面積の狭い燃料ガス流路２３が水滴により塞がれてしまう。しかしながら、開口２６およびその周囲は撥水性部材２７で覆われているため、水滴ははじかれて開口２６から燃料ガス流路２３に流入することが防止される。一方、撥水性部材２７は通気性を有することにより、燃料ガス、水蒸気および径の小さな水滴は撥水性部材２７を通過することができる。よって、これらは、開口２６から燃料ガス流路２３に流入し、図２に示すように、燃料ガス流路２３を通過する間にアノード５５Ａに供給される。そして、水蒸気および微細な水滴によって高分子電解質膜５４は湿潤になり水素イオン伝導性を発揮することができる。また、燃料ガスは、燃料ガス流路２３を介してアノード５５Ａに供給されて、ＭＥＡ５１において酸化剤ガスと発電反応する。発電反応に用いられなかった未利用の余剰燃料ガスは、燃料ガス流路２３を通って燃料ガス排出マニホールド２４へ流出し、さらに燃料ガス排出管２５から燃料電池１０外へ排出される。
【００５２】
酸化剤ガスは、図１Ａに示すように、酸化剤ガス供給配管から酸化剤ガス導入管４１を介して燃料電池１０の酸化剤ガス供給マニホールド４２に流入する。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド４２を移動しながら、酸化剤ガス供給マニホールド４２の内周面における開口４６から酸化剤ガス流路４３に流入する。この際、燃料ガス供給マニホールド２２と同様に、酸化剤ガス供給マニホールド４２の内周面における開口４６およびその周囲は撥水性部材４７で覆われているため、水滴ははじかれて開口４６から酸化剤ガス流路４３に流入することが防止される。一方、酸化剤ガス、水蒸気および径の小さな水滴は撥水性部材４７を通過して、酸化剤ガス流路４３に流入し、図２に示すように、カソード５５Ｂに供給される。そして、酸化剤ガスはＭＥＡ５１において燃料ガスと発電反応する。この発電反応により生じた水、および発電反応に用いられなかった未利用の余剰酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４３および酸化剤ガス排出マニホールド４４（図１Ａ）を通って、最終的に、酸化剤ガス排出管４５から燃料電池１０外、たとえば、大気へ放出される。
【００５３】
また、図１Ａに示すように、冷却媒体導入管３１に冷却媒体供給配管（図示せず）が接続される。冷却媒体供給配管から冷却媒体導入管３１を介して冷却媒体供給マニホールド３２に冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド３２を流れながら、図２に示す各単セル５０の冷却媒体流路３３に流入していき、各単セル５０に分配される。そして、冷却媒体は、各冷却媒体流路３３を流れる間にＭＥＡ５１における発電反応により発生した熱を回収し、単セル５０を冷却する。冷却媒体流路３３を通過した冷却媒体は、図１Ａに示す冷却媒体排出マニホールド３４に流出して、冷却媒体排出管３５から燃料電池１０の外部へ排出される。
【００５４】
上記構成の燃料電池１０によれば、通気性を有する撥水性部材２７、４７が反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面における開口２６、４６の少なくとも一部を覆うように設けられている。これにより、反応ガス流路２３、４３を閉塞するほどの水滴の侵入を防止しつつ、燃料ガス、酸化剤ガスおよび適度な水分を水蒸気や微細な水滴によってＭＥＡ５１に供給することができる。よって、反応ガス流路２３、４３の閉塞による電圧の異常低下を抑制しながら、燃料電池１０は発電を安定して継続することができる。
【００５５】
また、反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面において開口２６、４６およびその周囲に撥水性部材２７、４７が取り付けられている。このため、簡単な作業で開口２６、４６への水滴の侵入を防止することができる。
【００５６】
さらに、撥水性部材２７、４７にメッシュ状シートが用いられることにより、撥水性部材２７、４７の表面が起伏している。よって、水滴が撥水性部材２７、４７上を滑り開口２６、４７に流れ込むことが抑制される。
【００５７】
また、反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面において全周に亘って撥水性部材２７、４７が設けられていない。このため、撥水性部材２７、４７によりはじかれた水滴は、撥水性部材２７、４７に覆われていない範囲に流れ易く、開口２６、４６から反応ガス流路２３、４３に流入することが低減される。
【００５８】
＜撥水性部材の作用効果＞
ここで、撥水性部材２７、４７の作用効果を比較例と比較して詳しく説明する。図５Ａは、図１Ａの反応ガス供給マニホールド２２、４２に設けられた撥水性部材２７、４７上の水滴を模式的に示す断面図である。図５Ｂは、比較例に係る燃料ガス流路に設けられた撥水性部材上の水滴を模式的に示す断面図である。比較例の構成は、撥水性部材２７ｃ、４７ｃの取付位置を除いて、実施の形態１の構成と同様である。
【００５９】
比較例１に係る撥水性部材２７ｃ、４７ｃが、図５Ｂに示すように、反応ガス流路２３、４３の内面上において開口２６、４６の周囲に設けられている。この撥水性部材２７ｃ、４７ｃは、開口２６、４６より反応ガス流路２３、４３側に設けられているため、反応ガス供給マニホールド２２、４２内の水滴が開口２６、４６を介して反応ガス流路２３、４３側に侵入することを防止することができない。また、撥水性部材２７ｃ、４７ｃは、反応ガス流路２３、４３の内面および反応ガス流路２３、４３内の反応ガスの流れる方向（二点鎖線）に対して垂直な方向に水滴をはじく。したがって、はじかれた水滴は、反応ガスによって、反応ガス流路２３、４３における撥水性部材２７ｃ、４７ｃが設けられた部位より下流に流されてしまい、当該下流において、反応ガス流路２３、４３を閉塞する可能性がある。
【００６０】
これに対して、実施の形態１に係る撥水性部材２７、４７は、図５Ａに示すように、反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面上において開口２６、４６およびその周囲に設けられている。撥水性部材２７、４７は、反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面および開口２６、４６、ならびに、反応ガス供給マニホールド２２、４２内の反応ガスが流れる方向（破線）に対して垂直な方向に水滴をはじく。さらに、この撥水性部材２７、４７は、水滴を開口２６、４６において当該開口２６、４６から反応ガス流路２３、４３へ流入する反応ガスの流れる方向（二点鎖線）と反対方向にはじく。したがって、はじかれた水滴は反応ガス供給マニホールド２２、４２内を反応ガスによって下流へと流される。これにより、水滴が開口２６、４６を介して反応ガス流路２３、４３に流入することが抑制される。
【００６１】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池１０は、実施の形態１に係る燃料電池１０とは、撥水性部材２７、４７が覆う範囲が異なる。図６は、図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断した燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。以下、燃料ガス供給マニホールド２２における撥水性部材２７を説明するが、酸化剤ガス供給マニホールド４２における撥水性部材４７は撥水性部材２７と同様であるため、その説明を省略する。
【００６２】
撥水性部材２７は、図６に示すように、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６の少なくとも一部を覆っている。最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１は、セル積層体１２の端に位置するため、放熱により温度が低く、水分が結露して水滴が発生し易い。
【００６３】
このような水滴が発生し易い最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、撥水性部材２７よって水滴が開口２６を介して燃料ガス流路２３に侵入することを低減することができる。
【００６４】
また、燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド２２において最近近傍単セル５０ａ１側から中間単セル５０側へ流れる。最近近傍単セル５０ａ１の撥水性部材２７ではじかれた水滴は、燃料ガスにより中間単セル５０に運ばれる。さらに、中間単セル５０では温度が高いため、水滴が水蒸気になり易い。よって、最近近傍単セル５０ａ１および中間単セル５０のいずれにおいても、水滴が開口２６を介して燃料ガス流路２３に侵入することをさらに低減することができる。
【００６５】
（変形例１）
上記実施の形態２では、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１において、撥水性部材２７が備えられていた。これに対し、変形例１では、最近単セル５０ａおよび最遠単セル５０ｂのみにおいて、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６の少なくとも一部を撥水性部材２７で覆っていてもよい。
【００６６】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池１０は、実施の形態１に係る燃料電池１０と撥水性部材２７が覆う範囲が異なる。図７は、図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断した燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。以下、燃料ガス供給マニホールド２２における撥水性部材２７を説明するが、酸化剤ガス供給マニホールド４２における撥水性部材４７は撥水性部材２７と同様であるため、その説明を省略する。
【００６７】
撥水性部材２７は、図７に示すように、最近単セル５０ａのみにおいて、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６の少なくとも一部を覆っている。最近単セル５０ａは、セル積層体１２の端に位置するため、放熱により温度が低く、水分が結露して水滴が発生し易い。その上、燃料ガス導入管２１の近傍にある最近単セル５０ａでは、燃料ガス供給配管６０や燃料ガス導入管２１で結露した水滴が流入するため、水滴の量が多く、水滴のサイズが大きくなり易い。
【００６８】
このような水滴により燃料ガス流路２３が閉塞し易い最近単セル５０ａにおいて、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６が撥水性部材２７で被覆されている。これにより、水滴が開口２６を介して燃料ガス流路２３に侵入することを低減することができる。
【００６９】
また、燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド２２において最近単セル５０ａ側から中間セル側へ流れる。このため、最近単セル５０ａにおいて撥水性部材２７によりはじかれた水滴は、温度の高い中間単セル５０において水蒸気になり易い。よって、水滴が開口２６を介して燃料ガス流路２３に侵入することをさらに低減することができる。
【００７０】
（変形例２）
上記実施の形態３では、最近単セル５０ａのみにおいて、撥水性部材２７が備えられていた。これに対し、最近近傍単セル５０ａ１のみにおいて、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６の少なくとも一部を撥水性部材２７が覆っていてもよい。
【００７１】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る燃料電池１０は、実施の形態１に係る燃料電池１０と撥水性部材２７が覆う範囲が異なる。図８は、図１ＡにおけるＢ―Ｂ線に沿って切断した燃料電池１０の断面の一部を示す部分断面図である。以下、燃料ガス供給マニホールド２２における撥水性部材２７を説明するが、酸化剤ガス供給マニホールド４２における撥水性部材４７は撥水性部材２７と同様であるため、その説明を省略する。
【００７２】
撥水性部材２７は、図８に示すように、積層方向において燃料ガス供給マニホールド２２の全長に延びて、セル積層体１２の全単セル５０において燃料ガス供給マニホールド２２の内周面を覆っている。ただし、撥水性部材２７は、各単セル５０において全ての開口２６を覆わず、たとえば、３つの内の２つの開口２６が形成されている範囲に取り付けられている。この撥水性部材２７で覆われていない開口２６は、各単セル５０における３つの開口２６の内で燃料ガス導入管２１に最も近く、燃料ガス供給配管６０や燃料ガス導入管２１で結露した水滴が流入し易い開口である。これに対し、撥水性部材２７で覆われている残る２つの開口２６は、各単セル５０における３つの開口２６の内で燃料ガス導入管２１から遠く、燃料ガス供給配管６０や燃料ガス導入管２１で結露した水滴が流入し難い開口である。
【００７３】
このように、仮に燃料ガス導入管２１に最も近い開口２６から燃料ガス流路２３へ水滴が侵入し、この燃料ガス流路２３が水滴により閉塞しても、残る２つの開口２６は撥水性部材２７で覆われているため、残りの２本の燃料ガス流路２３の閉塞は防止される。よって、燃料電池１０の全体において、水滴により閉塞されていない燃料ガス流路２３を確保することができる。
【００７４】
（変形例３）
上記実施の形態４では、全ての単セル５０において撥水性部材２７が備えられていた。これに対し、最近単セル５０ａ、最遠単セル５０ｂ、最近近傍単セル５０ａ１および最遠近傍単セル５０ｂ１の少なくとも１つにおいて、燃料ガス供給マニホールド２２の内周面の開口２６の少なくとも一部を撥水性部材２７が覆っていてもよい。
【００７５】
（その他の変形例）
上記全実施の形態では、各供給マニホールド２２、３２、４２はセル積層体１２の上部に設けられ、各排出マニホールド２４、３４、４４は下部に設けられていた。これらの位置はこれに限定されない。この例について、図９を参照しながら説明する。図９は、変形例に係るアノード側セパレータ５３Ａをアノード５５Ａ側から見た図である。ここでは、アノード側セパレータ５３Ａ上の燃料ガス流路２３について説明するが、酸化剤ガス流路４３について同様である。
【００７６】
図９に示すように、アノード側セパレータ５３Ａにおいて、冷却媒体供給マニホールド孔３２ｂが上部に設けられ、冷却媒体排出マニホールド３４ｂが下部に設けられている。また、燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂが一方の側部の上部に設けられ、燃料ガス排出マニホールド孔２４ｂが他方の側部の下部に設けられている。さらに、酸化剤ガス供給マニホールド孔４２ｂが他方の側部の上部に設けられ、酸化剤ガス排出マニホールド孔４４ｂが一方の側部の下部に設けられている。反応ガス供給マニホールド孔２２ｂ、４２ｂおよび反応ガス排出マニホールド孔２４ｂ、４４ｂは、上下方向の長さが、上下方向に対して垂直な方向の幅より長い、略矩形状の断面を有している。
【００７７】
燃料ガス流路２３の上流端部および下流端部は、左右方向に延びて、各マニホールド孔２２ｂ、２４ｂの上下方向に延びる側面に接続されている。これにより、燃料ガス供給マニホールド孔２２ｂにより構成される燃料ガス供給マニホールド２２の内周面における側面上に燃料ガス流路２３の開口２６が形成される。そして、撥水性部材２７は、この側面上に設けられ、開口２６の少なくとも一部を覆っている。
【００７８】
このように構成された燃料電池１０であっても、撥水性部材２７、４７が反応ガス供給マニホールド２２、４２の内周面上に設けられ、開口２６の少なくとも一部を覆っている。これにより、実施の形態１に係る燃料電池１０と同様の作用効果を奏する。
【００７９】
上記全実施の形態では、燃料ガス供給マニホールド２２における開口２６およびその周囲を撥水性部材２７が被覆し、かつ、酸化剤ガス供給マニホールド４２における開口４６およびその周囲を撥水性部材４７が被覆していた。これに対して、いずれか一方の開口２６、４６およびその周囲を撥水性部材２７、４７が被覆してもよい。
【００８０】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る高分子電解質形燃料電池は、水滴による反応ガス流路の閉塞をより一層低減することができる高分子電解質形燃料電池として有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１０  高分子電解質形燃料電池
１２  セル積層体（積層体）
２１  燃料ガス導入管（導入路）
２２  燃料ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）
２３  燃料ガス流路（反応ガス流路）
２６  開口（入り口）
２７  撥水性部材
４１  酸化剤ガス導入管（導入路）
４２  酸化剤ガス供給マニホールド（反応ガス供給マニホールド）
４３  酸化剤ガス流路（反応ガス流路）
４６  開口（入り口）
４７  撥水性部材
５０ａ  最近単セル（単セル）
５０ａ１  最近近傍単セル（単セル）
５０ｂ  最遠単セル（単セル）
５０ｂ１  最遠近傍単セル（単セル）
５１  ＭＥＡ（膜−電極接合体）
５３Ａ  アノード側セパレータ（セパレータ）
５３Ｂ  カソード側セパレータ（セパレータ）
５４  高分子電解質膜
５５Ａ  アノード（電極）
５５Ｂ  カソード（電極）
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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