(57)【要約】      （修正有）【課題】各マニホールドの開口面積の制約及び反応有効面積の低下を伴うことなく、ガス流路への水分の吸い戻しを防止することのできる燃料電池を提供することである。【解決手段】積層された複数の単セルを有し、各単セルのカソード側セパレータ１０ａに、ガス流路１２と、ガス流路１２の両端部それぞれに連結する２つのガスマニホールド１１ａ、１１ｂとが形成された燃料電池であって、少なくとも一方のガスマニホールド１１ａ（１１ｂ）とガス流路１２の端部との連結部位に配置され、ガスマニホールド１１ａ（１１ｂ）に溜まった水分がガス流路１２に流出することを阻止する水分流出阻止部１７（１８）を有する構成となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の単セルを有し、各単セルに、ガス流路と、該ガス流路に連結する少なくとも２つのガスマニホールドとが形成された燃料電池であって、
少なくとも一のガスマニホールドと当該ガス流路との連結部位に配置され、前記ガスマニホールドに溜まった水分が前記ガス流路に流出することを阻止する水分流出阻止部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水分流出阻止部は、前記ガスマニホールドとの連結部位における前記ガス流路の重力方向最下端位置から該重力方向と逆側に立ち上がる阻止面を有する堰体であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記堰体は、前記阻止面の頂部から徐々に前記ガス流路側に連続的に低下する傾斜面を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
固体高分子型となる請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガスマニホールドは、酸化剤ガス用のマニホールドであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層された複数の単セルを有し、各単セルに、ガス流路と、該ガス流に連結する２つのガスマニホールドとが形成された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、図４に示すように、電池の単位である単セル１０が複数積層された構造となっている。特に、固体高分子型燃料電池では、積層された単セル１０のそれぞれは、電解質膜と該電解質膜を挟む一対の触媒層と各触媒層の外側に位置する一対の拡散層とを含む膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）がカソード側セパレータ１０ａとアノード側セパレータ１０ｂとによって挟まれた構造となっている。
【０００３】
各単セル１０におけるカソード側セパレータ１０ａ及びアノード側セパレータ１０ｂの外周所定部位には、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂが形成されている。各単セル１０における各セパレータ１０ａ、１０ｂに形成された前記各マニホールドは、単セル10の積層方向Ｚに連通してガス供給路（酸化剤ガス供給路）を形成する。
【０００４】
カソード側セパレータ１０ａのＭＥＡとの対向面には、例えば、サーペンタイン状となる複数の溝にて構成された酸化剤ガス流路１２が形成されている。酸化剤ガス流路１２の一端部が酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに連結すると共に、酸化剤ガス流路１２の他端部が酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂに連結している。また、図示はされていないが、アノード側セパレータ１０ｂのＭＥＡとの対向面にも、同様に、両端部が燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとに連結された燃料ガス流路が形成され、更に、各セパレータ１０ａ、１０ｂには、両端部が冷却水供給マニホールドと冷却水排出マニホールドとに連結された冷却水流路が形成されている。
【０００５】
このような燃料電池では、各単セル１０において、カソード側セパレータ１０ａの酸化剤ガス流路１２を流れる加湿状態の酸化剤ガス（例えば、空気）がＭＥＡの空気極（カソード）に供給され、アノード側セパレータ１０ｂの燃料ガス流路を流れる加湿状態の燃料ガス（例えば、水素ガス）がＭＥＡの燃料極（アノード）に供給される。そして、ＭＥＡにおいて前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとが水分の存在下にて反応し、発電がなされる。
【０００６】
前述した構造の燃料電池では、各反応ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）が加湿状態にあり、また、ＭＥＡでの反応の過程で水が生成されることから、各ガスマニホールドに結露が生ずる。この現象は、酸化剤ガスマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ）で顕著に現れる。
【０００７】
例えば、図５に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ｂに結露した水分Ｄｎはその重力方向Ｙの最下端部位に溜まる。そして、当該燃料電池の発電停止後の掃気処理が止まると、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ及び酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂの前記最下端部位に溜まった水分Ｄｎがその表面張力によって酸化剤ガス流路１２内に吸い戻されてしまう。
【０００８】
このように酸化剤ガス流路１２内に水分Ｄｎが吸い戻されてしまうと、特に、常温時または低温時では、酸化剤ガス流路１２の酸化剤ガスマニホールド１１ａ、１１ｂとの連結部位の一部が前記水分により閉塞してしまい、再起動特性が悪化してしまう。そこで、このような現象を防止するために、図６に示すようなセパレータ構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
即ち、前述した酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ及び酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂを重力方向Ｙに延ばす、あるいは、重量方向Ｙにオフセットさせた構造となる酸化剤ガス供給マニホールド１１０ａ及び酸化剤ガス排出マニホールド１１０ｂを形成し、それらのマニホールド１１０ａ、１１０ｂに溜まった水分Ｄｎが酸化剤ガス流路１２との連結部位に達しないようにする。このようにすれば、各マニホールド１１０ａ、１１０ｂに溜まった水分Ｄｎの酸化剤ガス流路１２への吸い戻しが防止される。
【特許文献１】特開平２００３−２２３９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述したセパレータ構造（図６参照）を有する燃料電池では、各マニホールド１１ａ、１１ｂを延ばすことにより、他のマニホールド（燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、冷却水供給マニホールド、冷却水排出マニホールド等）の開口面積が制約されてしまう。また、各マニホールド１１ａ、１１ｂをオフセットさせると、酸化剤ガス流路１２との連結幅が減少し、ＭＥＡに対する酸化剤ガスの供給可能な面積、即ち反応有効面積が低下してしまい、燃料電池の性能劣化をきたしてしまう。
【００１１】
本発明は、前述した従来の問題を解決するためになされたもので、各マニホールドの開口面積の制約及び反応有効面積の低下を伴うことなく、ガス流路への水分の吸い戻しを防止することのできる燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池は、積層された複数の単セルを有し、各単セルに、ガス流路と、該ガス流路に連結する少なくとも２つのガスマニホールドとが形成された燃料電池であって、少なくとも一のガスマニホールドと当該ガス流路との連結部位に配置され、前記ガスマニホールドに溜まった水分が前記ガス流路に流出することを阻止する水分流出阻止部を有する構成となる。
【００１３】
このような構成により、ガスマニホールドとガス流路の端部との連結部位に配置された水分流出阻止部によって、前記ガスマニホールドの重力方向最下端部位に溜まった水分が前記ガス流路に流出することが阻止される。
【００１４】
前記ガスマニホールドとガス流路の端部との連結部位は、ガスマニホールドとガス流路の端部との連結面を含む所定幅の範囲を含み得るものである。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池は、前記水分流出阻止部が、前記ガスマニホールドとの連結部位における前記ガス流路の重力方向最下端位置から該重力方向と逆側に立ち上がる阻止面を有する堰体である構成とすることができる。
【００１６】
このような構成により、ガス流路の重力方向最下端位置から該重力方向と逆側に立ち上がる阻止面の範囲においてガスマニホールドの重力方向最下端部位に溜まった水分の前記ガス流路への流出が阻止できるようになる。
【００１７】
更に、本発明に係る燃料電池は、前記堰体が、前記阻止面の頂部から徐々に前記ガス流路側に連続的に低下する傾斜面を有する構成とすることができる。
【００１８】
このような構成により、仮にガスマニホールドに溜まった水分が堰体を越えたとしても、該堰体のガス流路側に水分が滞留することなく傾斜面を伝って流れる。これにより、ガス流路側の水分層がより薄くなり、ガス流路が部分的に閉塞してしまう事態を防止することができるようになる。また、通常発電時に、堰体の表面に水分が付着しても、その水分が滞留してマニホールドに水分が排出され難くなることを防止することができる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池は、固体高分子型となる構成とすることができる。
【００２０】
このような構成により、ガス流路の滞留水が大きく影響する固体高分子型燃料電池において、ガス流路の滞留水による閉塞を有効に防止することができる。
【００２１】
更に、本発明に係る燃料電池は、前記ガスマニホールドが、酸化剤ガス用のマニホールドである構成とすることができる。
【００２２】
このような構成により、固定高分子型燃料電池において、発電時の反応にて生成される水の影響を大きく受け得る酸化剤ガス流路の滞留水による閉塞を有効に防止することができるようになる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る燃料電池によれば、ガスマニホールドとガス流路の端部との連結部位に配置された水分流出阻止部によってガスマニホールドの重力方向最下端部位に溜まった水分のガス流路への流出が阻止されるようになるので、ガスマニホールドを重力方向に特に延ばさなくても、また、重力方向にオフセットさせなくても、ガスマニホールドからガス流路に水分が流出することを防止することができる。従って、燃料電池に形成すべき各マニホールドの開口面積の制約及び反応有効面積の低下を伴うことなく、ガス流路への水分の吸い戻しを防止することのできるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２５】
本発明の実施の形態に係る燃料電池の基本的な構成は、図４に示すものと同様に、単セル１０が複数積層され、各単セル１０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とそれを挟むカソード側セパレータ１０ａとアノード側セパレータ１０ｂとを有している。そして、カソード側セパレータ１０ａ及びアノード側セパレータ１０ｂの外周所定部位には、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ及び酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂが形成されている。各単セル１０における各セパレータ１０ａ、１０ｂに形成された酸化剤ガス供給マニホールド１１ａは、単セル１０の積層方向Ｚに連通して酸化剤ガス供給路を形成し、また、各単セル１０における各セパレータ１０ａ、１０ｂに形成された酸化剤排出マニホールド１１ｂは、単セル１０の積層方向Ｚに連通して酸化剤ガス排出路を形成する。
【００２６】
前述した構造となる燃料電池における各単セル１０のカソード側セパレータ１０ａは、図１に示すように構成される。このカソード側セパレータ１０ａは、図５に示すものと同様に、ＭＥＡとの対向面に例えば、サーペンタイン状となる複数の溝にて構成された酸化剤ガス流路１２が形成されると共に、酸化剤ガス流路１２の一端部に連結した酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ、及び酸化剤ガス流路１２の他端部に連結した酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂが形成された構造となっている。
【００２７】
図１に示すカソード側セパレータ１０ａは、図５に示すものと異なり、酸化剤ガス流路１２の一端部の酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂとの連結部位には略三角形状となる排出側堰体１７が形成され、酸化剤ガス流路１２の他端部の酸化剤ガス供給マニホールド１１ａとの連結部位にも略三角形状となる供給側堰体１８が形成されている。排出側堰体１７及び供給側堰体１８のそれぞれは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路１２の端部と酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａの境界において酸化剤ガス流路１２の重力方向Ｙ最下端位置から重力方向Ｙと逆側に立ち上がる阻止面１７ａ、１８ａと、阻止面１７ａ、１８ａの頂部から徐々に酸化剤ガス流路１２側に直線的に低下する傾斜面１７ｂ、１８ｂとを有している。
【００２８】
このような構造となる燃料電池では、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａから導入された加湿状態の酸化剤ガス（例えば、空気）が酸化剤ガス流路１２を通って酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂから排出される。この酸化剤ガスと燃料ガス（アノード側セパレータ１０ｂを流れる）との反応によって生成された水や、酸化剤ガスに含有される水分に起因して酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ａそれぞれの重力方向Ｙ最下端部位に水分Ｄｎが溜まるが、排出側堰体１７及び供給側堰体１８の阻止面１７ａ、１８ａによって、その水分Ｄｎは酸化剤ガス流路１２に吸い戻されることが阻止される。
【００２９】
排出側堰体１７及び供給側堰体１８は、それぞれ、酸化剤ガス流路１２の酸化剤ガス排出ガスマニホールド１１ｂとの連結部位及び酸化剤ガス供給ガスマニホールド１１ａとの連結部位に形成される。このため、特に、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ａを重力方向Ｙに延ばさなくても、また、オフセットさせなくても、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ａの重力方向Ｙ最下端部位に溜まった水分Ｄｎの酸化剤ガス流路１２への流出を阻止することができるようになる。
【００３０】
また、排出側堰体１７及び供給側堰体１８は、阻止面１７ａ、１８ａの頂部から酸化剤ガス流路１２側に直線的に低下していく傾斜面１７ｂ、１８ｂを有している。このため、酸化剤ガス排出マニホールドｌ１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに溜まった水分Ｄｎが仮に阻止面１７ａ、１８ｂを越えたとしても、その水分は、排出側堰体１７及び供給側堰体１８の酸化剤ガス流路１２側に滞留することなく、傾斜面１７ｂ、１８ｂを伝って流れることになる。これにより、酸化剤ガス流路１２側の水分層がより薄くなり、酸化剤ガス流路１２が部分的に閉塞してしまう事態を防止することができる。また、通常発電時に、排出側堰体１７及び供給側堰体１８に付着した水分が滞留して酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ａに排出され難くなることを防止することができる。
【００３１】
なお、前述した例では、酸化剤ガス流路１２の酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ｂ双方との連結部位に堰体１７、１８を形成するようにしたが、堰体は、そのいずれか一方に形成されるものであってもよい。また、堰体１７、１８の構造は、少なくとも阻止面１７ａ、１８ａがあればよく、その阻止面１７ａ、１８ｂに続く面は前述したような傾斜面でなくてもよい。例えば、各堰体１７、１８は、三角形状ではなく矩形状であってもよい。ただし、この場合、水分が阻止面１７ａ、１８ｂを越えてしまうと、その水分が堰体１７、１８の酸化剤ガス流路１２側に滞留するおそれがあり、また、通常発電時に堰体１７、１８に滞留した水分が各マニホールド１１ｂ、１１ａに排出され難くなるおそれがあるので、各堰体１７、１８は、前述したように傾斜面１７ｂ、１８ｂを有する構造が好ましい。その傾斜面１７ｂ、１８ｂは、阻止面１７ａ、１８ｂから直線的に低下するものでなくても、例えば、湾曲形状のものであってもよい。
【００３２】
酸化剤ガス流路１２は、サーペンタイン状に形成されるものであったが、その敷設形状は、特にこれに限定されない。酸化剤ガス流路１２は、その端部において複数の溝を所定数ずつ束ねた分配部を有する構造となるものがあるが、この場合、その分配部の各ガスマニホールド１１ａ、１１ｂとの連結部位に堰体を形成することができる。各堰体１７、１８の阻止面１７、１８は、各ガスマニホールド１１ａ、１１ｂでのガス流通特性を特に損なわない限り、ガスマニホールド１１ａ、１１ｂ側に配置することもできる。
また、酸化剤ガス流路１２に連結されるガスマニホールドの数は、前述したように２つに限られない。例えば、図３に示すように、酸化剤ガス流路１２に２つの酸化剤ガス供給マニホールド１１ａ（１）、１１ａ（２）と、２つの酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ（１）、１１ｂ（２）が連結され得る。この場合、各ガスマニホールド１１ａ（１）、１１ａ（２）、１１ｂ（１）、１１ｂ（２）のそれぞれと酸化剤ガス流路１２との連結部位に堰体１７（１）、１７（２）、１８（１）、１８（２）を設けることができる。
【００３３】
なお、前述した例では、カソード側セパレータ１０ａにおいて、酸化剤ガス排出マニホールド１１ｂ及び酸化剤ガス供給マニホールド１１ａのそれぞれと酸化剤ガス流路１２の端部との連結部位に水分流出阻止部（堰体１７、１８）を形成するものであったが、アノード側セパレータ１０ｂにおいて、燃料ガス排出マニホールド及び燃料ガス供給マニホールドのそれぞれと燃料ガス流路の端部との連結部位に前述したのと同様の水分流出阻止部（堰体）を形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上、説明したように、本発明に係る燃料電池によれば、燃料電池に形成すべき各マニホールドの開口面積の制約及び反応有効面積の低下を伴うことなく、ガス流路への水分の吸い戻しを防止することができるという効果を有し、各単セルに、ガス流路と、該ガス流との両端部それぞれに連結するガスマニホールドとが形成された燃料電池にとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池におけるセパレータの構成を示す図である。
【図２】図１に示すセパレータに形成された酸化剤ガス流路の両端部と酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドとの連結部位の詳細構造を示す図である。
【図３】セパレータの他の構成例を示す図である。
【図４】固体分子型の燃料電池の基本的な構成を示す図である。
【図５】図２に示す燃料電池の各単セルにおける従来のセパレータの構成を示す図である。
【図６】従来のセパレータの他の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  単セル
１０ａ  カソード側セパレータ
１０ｂ  アノード側セパレータ
１１ａ  酸化剤ガス供給マニホールド
１１ｂ  酸化剤ガス排出マニホールド
１２  酸化剤ガス流路
１７  排出側堰体
１８  供給側堰体
１７ａ、１８ａ  阻止面
１７ｂ、１８ｂ  傾斜面
【図１】
2006228625.tif 000003
【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６】
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