(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から確実に排水することができ、良好な発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２金属セパレータ１４、１６を備える。第１金属セパレータ１４は、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路３０を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路３０の壁面には、プレス成形により複数の突起部３４が一体成形され、生成水の水滴化を阻止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、複数の流路溝を有するとともに、前記流路溝を形成する壁面には、プレス成形により凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部を有する変形面が一体成形されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体及び前記金属セパレータは、水平方向に積層されるとともに、
前記変形面は、少なくとも前記流路溝を形成する溝底面及び溝側面であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記変形面には、粗面化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記変形面には、親水性処理が施されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルにより構成されている。通常、燃料電池は、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、アノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスを供給するため、電解質膜・電極構造体と各セパレータとの間には、複数の流路溝を有する酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路（反応ガス流路）が形成されている。
【０００４】
ところで、酸化剤ガス流路には、発電（反応）時に生成される反応生成水が滞留して滞留水が存在する場合がある。一方、燃料ガス流路には、生成水の逆拡散や結露等による滞留水が発生するおそれがある。これにより、酸化剤ガス流路や燃料ガス流路が滞留水によって縮小又は閉塞され易くなるとともに、低温時に前記滞留水の凍結が惹起され、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池用セパレータとその製法が知られている。この従来技術では、燃料電池用セパレータにブラスト処理を行ってガス流路面に凹凸を形成した後、フッ素含有ガスのプラズマ照射を施してフッ素含有カーボン層が形成されている。さらに、ガス流路面以外のフッ素含有カーボン層を除去することにより、凹凸によって撥水効果が増大したフッ素含有カーボン層を有するガス流路面が得られる、としている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１２３７８０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来技術では、ブラスト処理、プラズマ照射及び不要なフッ素含有カーボン層の除去が行われており、作業が繁雑で且つ時間を要してしまい、効率的ではないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス流路から確実に排水することができ、効率的な発電を行うことが可能な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】
【０００９】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と金属セパレータとが積層され、前記電解質・電極構造体と前記金属セパレータとの間には、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池である。
【００１０】
反応ガス流路は、複数の流路溝を有するとともに、前記流路溝を形成する壁面には、プレス成形により凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部を有する変形面が一体成形されている。
【００１１】
また、電解質・電極構造体及び金属セパレータは、水平方向に積層されるとともに、変形面は、少なくとも流路溝を形成する溝底面及び溝側面であることが好ましい。さらに、変形面には、粗面化処理が施されることが好ましく、さらにまた、前記変形面には、親水性処理が施されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反応ガス流路を構成する流路溝の壁面には、プレス成形により凹形状部、凸形状部又は凹凸形状部を有する変形面が一体成形されている。このため、流路溝内では、変形面の作用下に水の表面張力を良好に破壊することができ、孤立した水滴が形成されることを阻止して水の移動抵抗を低減し、円滑且つ確実な排水処理が遂行可能になる。
【００１３】
しかも、変形面は、平坦面に比べて排水速度を低減させる機能を有する。従って、水は、反応ガス流路から反応ガス出口に向かって連続して排出され、前記水が孤立して表面張力を発生させることがなく、排水性の向上が容易に遂行される。
【００１４】
これにより、反応ガス流路に滞留水による閉塞等が惹起されることがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を確実に得ることが可能になるとともに、滞留水の凍結が惹起されることがなく、特に低温始動性が良好に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面図である。
【００１６】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１２と、第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを、水平方向（矢印Ａ方向）に積層しており、通常、燃料電池スタックとして使用される。第１及び第２金属セパレータ１４、１６は、薄板状の金属プレートにプレス成形処理を施すことにより構成される。
【００１７】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、該固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード側電極２０及びアノード側電極２２とを備える。
【００１８】
カソード側電極２０及びアノード側電極２２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２６ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向下端には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａが２つ設けられるとともに、前記燃料電池１０の矢印Ｃ方向上端には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂが２つ設けられる。
【００２２】
図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３０が設けられる。酸化剤ガス流路３０は、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝３０ａは、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン流路を構成する。なお、サーペタイン流路に代えて、略Ｕ字状の湾曲流路や矢印Ｂ方向に向かう直線状流路を採用してもよい。
【００２３】
図１及び図３に示すように、酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス入口連通孔２４ａとの間には、複数のエンボス（又はディンプル）を有する入口バッファ部３２ａが設けられる。酸化剤ガス流路３０と酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとの間には、複数のエンボス（又はディンプル）を有する出口バッファ部３２ｂが設けられる。
【００２４】
図２及び図３に示すように、酸化剤ガス流路３０の壁面には、複数の円筒状突起部（凸形状部）３４がプレス成形により一体成形される。具体的には、図２に示すように、酸化剤ガス流路溝３０ａの壁面を形成する溝底面３０ａ１、溝側面３０ａ２及び溝上面３０ａ３の中、少なくとも前記溝底面３０ａ１及び前記溝側面３０ａ２は、プレス成形により複数の突起部３４を有する変形面を構成する。
【００２５】
なお、溝上面３０ａ３には、必要に応じて複数の突起部３４を設けてもよい。また、入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂにも、同様に複数の突起部３４を設けてもよい。突起部３４は、直径が０．１ｍｍ〜５ｍｍで且つ互いに５ｍｍ以下ずつ離間して設けられる。
【００２６】
少なくとも突起部３４が一体成形された溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２には、研磨やエッチング等により粗面化処理が施されることが好ましい。さらに、少なくとも溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２には、親水性処理が施されることが好ましい。
【００２７】
親水性処理としては、例えば、親水性物質を液状媒体に混在させた溶液を、溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２に接触させることにより、あるいは、有機化合物又は無機化合物からなる親水性塗膜を、前記溝底面３０ａ１及び前記溝側面３０ａ２に形成することにより行われる他、公知の種々の方法が適用される。親水性は、水滴と物質表面との接触角により表わされ、例えば、９０度以下の接触角に設定される。
【００２８】
図４に示すように、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）３６が設けられる。燃料ガス流路３６は、酸化剤ガス流路３０と同様に、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン流路を構成する複数の燃料ガス流路溝３６ａを有する。
【００２９】
燃料ガス流路３６と燃料ガス入口連通孔２６ａとの間には、複数のエンボス（又はディンプル）を有する入口バッファ部３８ａが設けられる。燃料ガス流路３６と燃料ガス出口連通孔２６ｂとの間には、複数のエンボス（又はディンプル）を有する出口バッファ部３８ｂが設けられる。
【００３０】
燃料ガス流路３６の壁面には、複数の円筒状突起部（凸形状部）４０がプレス成形により一体成形される。具体的には、図２に示すように、燃料ガス流路溝３６ａの壁面を形成する溝底面３６ａ１、溝側面３６ａ２及び溝上面３６ａ３の中、少なくとも前記溝底面３６ａ１及び前記溝側面３６ａ２は、プレス成形により複数の突起部４０を有する変形面を構成する。なお、溝上面３６ａ３、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂには、必要に応じて複数の突起部４０を設けてもよい。この突起部４０は、上記の突起部３４と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとには、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、冷却媒体を鉛直上方向に流通させる。
【００３２】
第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端部を周回して第１シール部材４４が一体成形される。第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端部を周回して第２シール部材４６が一体成形される。
【００３３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３４】
図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２６ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３５】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから第１金属セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガス流路３０では、酸化剤ガスが一旦入口バッファ部３２ａに導入された後、複数の酸化剤ガス流路溝３０ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極２０に沿って蛇行しながら移動する。
【００３６】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２６ａから第２金属セパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入される。この燃料ガス流路３６では、図４に示すように、燃料ガスが一旦入口バッファ部３８ａに導入された後、複数の燃料ガス流路溝３６ａに分散される。これにより、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２２に沿って蛇行しながら移動する。
【００３７】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】
次いで、カソード側電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、出口バッファ部３２ｂから酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに排出されるとともに（図１参照）、アノード側電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、出口バッファ部３８ｂから燃料ガス出口連通孔２６ｂに排出される（図４参照）。
【００３９】
一方、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１４、１６間に形成された冷却媒体流路４２に導入される（図１参照）。この冷却媒体流路４２では、冷却媒体が鉛直上方向に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２の電極面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。
【００４０】
この場合、第１の実施形態では、例えば、第１金属セパレータ１４の面１４ａにおいて、酸化剤ガス流路３０の壁面には、プレス成形によって複数の突起部３４が一体成形されている。このため、発電（反応）時に、酸化剤ガス流路３０を構成する各酸化剤ガス流路溝３０ａに沿って生成される水分は、突起部３４を介して表面張力が破壊される。従って、酸化剤ガス流路溝３０ａ内では、孤立した水滴が形成されることを阻止することができ、水の移動抵抗を低減して円滑且つ確実な排水処理が遂行可能になるという効果が得られる。
【００４１】
しかも、複数の突起部３４が設けられる変形面である溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２では、平坦面に比べて排水速度を低減させることができる。これにより、水は、酸化剤ガス流路溝３０ａから酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに向かって連続して排出され、前記水が孤立して表面張力を発生させることがなく、排水性の向上が容易に遂行される。
【００４２】
さらに、酸化剤ガス流路溝３０ａでは、特に滞留水が発生し易い溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２を変形面として構成することにより、排水性が一層確実に遂行されるという利点がある。
【００４３】
さらにまた、溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２には、粗面化処理が施されており、水滴の発生を一層確実に阻止することが可能になる。また、溝底面３０ａ１及び溝側面３０ａ２には、親水性処理が施されており、水滴化の阻止を図るとともに、連続した水の流れが惹起して排水性の向上が一層容易に図られる。
【００４４】
これにより、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路３０に滞留水による閉塞等が惹起することがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を確実に得ることが可能になるとともに、滞留水の凍結を阻止して低温始動性の向上を図ることができる。
【００４５】
さらに、酸化剤ガス流路溝３０ａ側に突出する複数の突起部３４が設けられることにより、この酸化剤ガス流路溝３０ａを流動する酸化剤ガスに乱流が惹起し、電解質膜・電極構造体１２への酸化剤ガスの供給が良好に行われる。一方、冷却媒体流路４２では、面１４ｂ側に突起部３４の裏側に対応して多数の凹形状部が設けられるため、表面積が増大して第１金属セパレータ１４の冷却効率が一層有効に図られるという利点がある。
【００４６】
また、燃料ガス流路３６においても同様に、複数の突起部４０が設けられており、上述した酸化剤ガス流路３０と同様の効果が得られる。
【００４７】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ５０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
酸化剤ガス流路３０には、複数の円筒状突起部（凸形状部）５２がプレス成形により一体成形される。突起部５２は、酸化剤ガス流路３０の上流側端部５４ａから下流側端部５４ｂに向かって、粗から密になるように設けられている。特に多量の水が発生し易い下流側端部５４ｂでは、多数の突起部５２が設けられている。
【００４９】
このように、第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３０内における生成水の量に応じて、突起部５２の配置が粗密に設定される。このため、酸化剤ガスの円滑な流れを維持しつつ、生成水を確実に酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに排出することができるという効果が得られる。
【００５０】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータ６０の正面説明図である。
【００５１】
第１金属セパレータ６０では、酸化剤ガス流路３０に複数の円筒状突起部（凸形状部）６２がプレス成形により一体成形される。酸化剤ガス流路３０は、上流部６４ａ、中流部６４ｂ及び下流部６４ｃを備え、前記上流部６４ａには、突起部６２が粗に配置される一方、前記下流部６４ｃには、前記突起部６２が密に配置され、前記中流部６４ｂには、これらの中間の粗密状態で配置されている。
【００５２】
従って、第３の実施形態では、生成水が最も多量に発生し易い下流部６４ｃに、多数の突起部６２が設けられることにより、排水性の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【００５３】
上記の第１〜第３の実施形態では、酸化剤ガス流路３０に円筒状突起部３４、５２及び６２が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、図７及び図８に示すように、略円弧状突起部８０を採用してもよい。また、図９及び図１０に示すように、平面視で長方形状に設定される複数の凸形状部１００を採用してもよい。この凸形状部１００は、例えば、２つ１組として各組毎に長手方向が交差されるように配設される。
【００５４】
凸形状部１００間には、溝部１０２が設けられ、この溝部１０２に沿って水が移動することにより、水の表面張力を破壊することができる。さらに、溝部１０２の溝幅を設定することにより、水流が速くなり過ぎて水の分離による水滴の残留が発生することを阻止する。
【００５５】
さらに、図１１に示すように、平面視で長方形状の複数の凸形状部１０４を採用してもよい。この凸形状部１０４は、それぞれの長手方向が同一方向に向かうようにして配設されるとともに、前記凸形状部１０４間には、溝部１０６が連続して設けられる。
【００５６】
さらにまた、図示していないが、円筒状や矩形状の凹形状部又は凹凸形状部等の種々の形状を採用しても、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図７】略円弧状突起部の説明図である。
【図８】図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】凸形状部の説明図である。
【図１０】図９中、Ｘ−Ｘ線断面図である。
【図１１】他の凸形状部の説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池                            １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、５０、６０…金属セパレータ    １８…固体高分子電解質膜
２０…カソード側電極                      ２２…アノード側電極
２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔              ２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２６ａ…燃料ガス入口連通孔                ２６ｂ…燃料ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔                ２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０…酸化剤ガス流路                      ３０ａ…酸化剤ガス流路溝
３０ａ１、３６ａ１…溝底面                ３０ａ２、３６ａ２…溝側面
３０ａ３、３６ａ３…溝上面                ３２ａ、３８ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３８ｂ…出口バッファ部            ３４、４０、５２、６２…突起部
３６…燃料ガス流路                        ３６ａ…燃料ガス流路溝
４２…冷却媒体流路                        ８０…略円弧状突起部
１００、１０４…凸形状部
【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】
2006278247.tif 000007
【図６】
2006278247.tif 000008
【図７】
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【図８】
2006278247.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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