(57)【要約】【課題】燃料電池停止時に内部マニホールドに滞留する凝縮水が流路集合部へ吸い戻されることを防止して低温時の燃料電池の起動性を確保する。【解決手段】  燃料電池スタックを構成するセパレータ（２）に、反応ガスをガス流路（５）からマニホールド（６）へ集合して排出する流路集合部（７）を形成し、流路集合部（７）の内壁面の親水性を下流へ行くほど強くする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極及び酸化剤極によって挟持して構成されるＭＥＡと、
前記ＭＥＡの両側から隣接し、前記ＭＥＡとの接触面において反応ガスを流通するガス流路を有するセパレータと、
を備え、
前記ＭＥＡ及び前記セパレータを積層して構成され、反応ガスを外部へ排出するマニホールドが設けられる燃料電池スタックにおいて、
前記セパレータには、前記ガス流路で反応に供された反応ガスを前記マニホールドへ集合して排出する流路集合部が形成され、
前記流路集合部の内壁面は下流へ行くほど親水性が強いことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記流路集合部の流路幅方向の両側端部のうち、鉛直方向上側に位置する側端部から他方の側端部方向へ延びる所定の領域であって、前記ガス流路の下流端より下流側の領域において、前記流路集合部の内壁面は前記流路集合部内のその他の領域よりも親水性が強いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記セパレータには、前記流路集合部の内部において反応ガスの流動方向と略平行に１つ以上のリブが設けられ、
前記リブによって画成されるリブ流路の内壁面は下流へ行くほど親水性が強いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
少なくとも１つ以上の前記リブ流路の最下流部は前記マニホールドに開口していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記マニホールドの内壁面は前記リブ流路よりも強い親水性を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックにおいて運転中に生成される液体の水がガス流路内に滞留することを防止する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは燃料極と酸化剤極とによって電解質膜を挟み、これをセパレータによって挟持したセルを複数枚積層することにより構成される。燃料極及び酸化剤極とセパレータとの各接触面におけるセパレータ表面にはそれぞれ反応ガスを流通するためのガス流路が凹設されており、燃料電池運転中に反応ガスがガス流路内を流通しながら燃料極及び酸化剤極と化学反応することで電力が発生する。
【０００３】
ここで、反応ガスには水分が含まれており、また反応によっても水分が生成されるので、これらの水分が凝縮した凝縮水がガス流路内に存在することとなる。よって、外気温が氷点下の状態ではこれらの凝縮水が凍結して流路を閉塞するという問題がある。
【０００４】
そこで、スタック外部へ排出された反応ガスを流通する出口配管を下方に傾斜させて延設し、スタック内部の反応ガスを外部へ排出するマニホールドと出口配管とを連通するバイパス通路を設けることで凝縮水が流路内に滞留することを防止しようとする技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００４−１３４１３０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、スタック内部の反応ガスを外部へ排出する内部マニホールドの内壁面は凹凸形状になっており、反応ガスの流速が遅い場合、凝縮水はスタック外部まで排出されにくく、凝縮水が内部マニホールドに滞留しやすくなる。
【０００６】
また、発電部のガス流路は流路集合部を介して内部マニホールドへと連通しており、内部マニホールドの断面積は流路集合部の断面積よりも非常に大きいので、ガスの流速は流路集合部と内部マニホールドとの境界部において急激に低下する。これにより、凝縮水が内部マニホールドにおける流路集合部出口付近に滞留しやすくなる。
【０００７】
流路集合部はセパレータ間の間隙によって構成されるので、反応ガスの流れが停止したとき内部マニホールドに滞留する凝縮水が毛細管現象によって流路集合部、さらにガス流路へと吸い戻され、外気温が氷点下となったときには凝縮水が凍結して反応ガスの流路を閉塞する可能性がある。よって、低温時の燃料電池の起動性が悪化する。
【０００８】
本発明は、燃料電池停止時に内部マニホールドに滞留する凝縮水が流路集合部及びガス流路へ吸い戻されることを防止して低温時の燃料電池の起動性を向上させるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池スタックを構成するセパレータに反応ガスをガス流路からマニホールドへ集合して排出する流路集合部を形成し、流路集合部の内壁面を下流へ行くほど親水性が強くなるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、流路集合部の内壁面を下流へ行くほど親水性が強くなるようにしたことにより濡れ性に勾配を生じ、これにより表面張力の差によって凝縮水は下流側へ移動するので、凝縮水が流路集合部に滞留することを防止できる。よって、低温時において凝縮水が凍結して流路が閉塞することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下では図面等を参照して本発明の実施形態について詳しく説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における燃料電池スタックを示す構成図である。図２は、本実施形態における燃料電池スタックのセパレータの下流側の一部を示す構成図である。スタック１は、電解質膜を燃料極及び酸化剤極によって挟持した構造体（ＭＥＡ）を１対のセパレータ２によって挟持し、これを積層することで構成される。スタック１には燃料ガス及び酸化剤ガスを導入するそれぞれのガス導入配管３と燃料ガス及び酸化剤ガスを導出するそれぞれのガス導出配管４とが接続される。
【００１３】
セパレータ２には、燃料極または酸化剤極との接触面において反応ガスを流通するガス流路５が凹設される。さらにセパレータ２には、ガス流路５を流通した反応ガスを集合して内部マニホールド６へと排出する流路集合部７が設けられる。
【００１４】
内部マニホールド６はセパレータ２の端部に設けられ、セパレータ２を積層することで積層方向へ貫通するように設けられる。内部マニホールド６は、流路集合部７から排出される反応ガスをスタック１の外部へ排出できるように外部と連通している。
【００１５】
ここで、流路集合部７の断面積よりも内部マニホールド６の断面積の方が大きいので、流路集合部７を流通する反応ガスの流速は内部マニホールド６との境界部において急激に低下する。これにより、反応ガスに含まれる水分や反応によって生じた水分が凝縮した凝縮水が内部マニホールド６の流路集合部出口付近に滞留する。その後、燃料電池の運転を停止させると反応ガスの流動は停止し、流路集合部７に生じる毛細管現象によって凝縮水が流路集合部７及びガス流路５へと吸い戻される。この状態で外気温が氷点下になると、凝縮水が凍結して流路集合部７及びガス流路５が閉塞され、次回起動時に迅速に起動できなくなる可能性がある。
【００１６】
そこで、本実施形態では流路集合部７の表面性状を上流から下流へ向かって相対的に撥水性から親水性へと変化するように処理している。なお、撥水性は例えばフッ素系のコーティングを施すことで実現され、親水性は例えば酸化チタンなどのコーティングを施すことで実現される。これらの処理を用いて例えば親水性の基材上に撥水性のコーティングを印刷等の手法を用いてプリントし、このプリントのドットの密度を変えることで表面性状に変化を与える事ができる。
【００１７】
これにより、流路集合部７の凝縮水を反応ガスの流動に加えて表面張力の差によって生じる駆動力によって上流から下流へと移動させ、内部マニホールド６へと排出させることができる。
【００１８】
ここで、表面張力の差によって生じる駆動力について図３を参照しながら説明する。図３は表面張力の差によって凝縮水に作用する力を説明した図であり、図３（ａ）は流路集合部の断面図、図３（ｂ）は流路集合部の平面図である。流路集合部７の表面性状を上流から下流に向かって段階的に又は連続的に撥水性から親水性へと変化させ、流路集合部７の表面と凝縮水との接触角を最上流部ではほぼ１８０°となり、最下流部ではほぼ０°となるように流路集合部７の表面を処理する。ここで、接触角とは凝縮水側から見た流路集合部７の表面と凝縮水とのなす角度であり、図３（ａ）のθによって示される角度である。これにより、流路集合部７のどの位置においても凝縮水に作用する表面張力の合力は下流側向きとなるので、凝縮水を流路集合部７の下流へと移動させることができる。
【００１９】
以下、本実施形態における燃料電池スタックの作用について説明する。発電部８のガス流路５を流通する反応ガスは反応に供された後、流路集合部７を介して内部マニホールド６へと排出される。反応ガスの流速は、流路集合部７と内部マニホールド６との境界部において断面積の拡大に伴って急速に低下するので、反応ガス中に含まれる水分が凝縮した凝縮水が内部マニホールド６の流路集合部出口付近に付着する。
【００２０】
しかし、流路集合部７の表面性状は上流から下流へ向かって撥水性から親水性へと変化するように処理されているので、燃料電池の停止によって反応ガスの流動が停止しても、凝縮水が流路集合部７へと引き込まれることを防止できる。また、流路集合部７に滞留している凝縮水も表面張力の差による駆動力を受けているのでガス流路５へ逆流することを防止できる。
【００２１】
よって、低温時における凝縮水の凍結による流路の閉塞を防止して、燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００２２】
（第２実施形態）
次に図４を参照しながら第２実施形態について説明する。図４は、本実施形態における燃料電池スタックのセパレータを示す構成図である。なお、以下の実施形態において同一の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００２３】
本実施形態ではセパレータ２の形状は第１実施形態と同一である。本実施形態では流路集合部７の鉛直方向上側に位置する一部の領域を親水性にして、他の領域に表面性状の変化を持たせている。
【００２４】
すなわち、流路集合部７の幅方向の両側端部７ａ、７ｂのうち、一方の側端部７ａが他方の側端部７ｂより鉛直方向上側に位置しており、側端部７ａから側端部７ｂ側へ伸びる領域であってガス流路５の下流端５ａより下流側の領域を親水性として、その他の領域は第１実施形態と同様に上流から下流に向かって撥水性から親水性へと変化させている。また、ガス流路５の出口付近は一様に撥水性としている。
【００２５】
以下、本実施形態における燃料電池スタックの作用について説明する。発電部８のガス流路５を流通する反応ガスは反応に供された後、凝縮水と共に流路集合部７へ流出する。流路集合部７の上側に流出した凝縮水は重力によって下側へ移動しようとするが、流路集合部７の上側は親水性であるので凝縮水は水平方向に移動しやすい。この状態で凝縮水の量が多くなると流路集合部７の上側において滞留する凝縮水は厚みを増して反応ガスの流通を妨げるので、反応ガスは流路集合部７の下側へ迂回することとなり、流路集合部７の断面積の減少によって反応ガスの流速が上昇する。
【００２６】
一方、流路集合部７の下側に流出した凝縮水は第１実施形態と同様に表面張力の差によって下流側へと移動し、さらに前述したように反応ガスの流速の上昇によってより一層下流側へと移動する。
【００２７】
その後、反応ガスの流動が停止しても表面性状の勾配により生じる表面張力の差によって凝縮水は下流へと移動して逆流は抑制される。さらに、ガス流路５の出口付近は撥水性としているので、凝縮水のガス流路５への逆流は抑制される。
【００２８】
よって、本来重力の影響によって凝縮水が滞留しやすい流路集合部７の鉛直方向下側において、凝縮水の排水性をさらに向上させることができる。
【００２９】
また、燃料電池が停止して反応ガスの流動が停止した後も、流路集合部７に滞留する凝縮水を流路集合部７の鉛直方向下側において下流側へと流動させることができるので、凝縮水がガス流路５に逆流して流路を閉塞することがなく、低温時の燃料電池の起動性をさらに向上させることができる。
【００３０】
（第３実施形態）
次に図５を参照しながら第３実施形態について説明する。図５は、本実施形態における燃料電池スタックのセパレータを示す構成図である。
【００３１】
本実施形態では流路集合部７に整流効果のあるリブ９、１０を設ける点で第１実施形態のセパレータ２と異なる。リブ９、１０は流路集合部７の上流側と下流側とにおいて反応ガスの流通方向とほぼ平行に複数設けられる。
【００３２】
上流側リブ９及び下流側リブ１０は、リブ９、１０と流路集合部７の壁面との間にそれぞれリブ流路１２、１３を画成する。リブ流路１２、１３では、それぞれ入口側から出口側へ向かって徐々に撥水性から親水性へと変化するようにリブ９、１０及び流路集合部７の表面を処理している。
【００３３】
以下、本実施形態における燃料電池スタックの作用について説明する。発電部８のガス流路５を流通する反応ガスは反応に供された後、流路集合部７へ流出する。凝縮水は流路集合部７においてリブ流路１２、１３を流通し、リブ流路１２、１３の表面性状の勾配によって生じる表面張力の差によって下流側へと駆動されて流出する。
【００３４】
その後、燃料電池の運転が停止して反応ガスの流動が停止してもリブ流路内の凝縮水は表面性状の変化により生じる表面張力の差によって下流側へと移動する。
【００３５】
これにより、リブ間の流路１２、１３の出口付近の凝縮水が毛細管現象によって再度流路内へ取り込まれることを防止できる。よって、リブ間の流路１２、１３に凝縮水が滞留して流路１２、１３が閉塞されることを防止して、低温時の燃料電池の起動性をさらに向上させることができる。
【００３６】
また、図６に示すように下流側のリブを内部マニホールド６まで延設してもよい。これにより、下流側のリブ流路１３は内部マニホールドに開口するので、リブ流路１３を流通する凝縮水は流路の表面性状の勾配による表面張力の差によって下流側へと駆動され、内部マニホールド６まで排出される。よって、図５の構成よりもさらに凝縮水の排出性を向上させて、低温時の燃料電池の起動性をさらに向上させることができる。
【００３７】
さらに、図６の構成において内部マニホールド６の内壁面１１にリブ流路１３の最下流部より強い親水性を持つように親水処理を施してもよい。これにより、下流側のリブ流路１３から流出した凝縮水は内部マニホールド６の一面に拡散するので、リブ流路１３からの排出をさらに促進しながらリブ流路１３への逆流をさらに防止することができる。よって、図６の構成よりもさらに凝縮水の排出性を向上させて、低温時の燃料電池の起動性をさらに向上させることができる。
【００３８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態における燃料電池スタックを示す構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池スタックのセパレータを示す構成図である。
【図３】第１実施形態において表面張力差によって凝縮水に作用する力を説明した図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池スタックのセパレータを示す構成図である。
【図５】第３実施形態における燃料電池スタックのセパレータを示す構成図である。
【図６】第３実施形態における燃料電池スタックのセパレータを示す構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  スタック
２  セパレータ
３  ガス導入配管
４  ガス導出配管
５  ガス流路
５ａ  ガス流路下流端
６  内部マニホールド
７  流路集合部
７ａ  上側側端部
７ｂ  下側側端部
８  発電部
９  上流側リブ
１０  下流側リブ
１１  内部マニホールドの内壁面
１２  上流側リブ流路
１３  下流側リブ流路
【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６】
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