(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスケットとガス拡散層との間の隙間に反応ガスが流れ込んだとしても、当該反応ガスが電極を通らずに出口へ流れ出して発電効率が低下することを防止する。【解決手段】アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、隙間の少なくとも一部において凝縮して上記隙間を閉塞するように、上記隙間に撥水処理を施す。【選択図】図１
2006339120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソード並びに前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び前記膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、前記反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、
前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方の少なくとも一部の表面に撥水処理が施されていること、
を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記隙間領域の少なくとも一部の表面が、前記セパレータの表面の一部で構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記撥水処理により、前記隙間領域に親水領域と撥水領域とが散在していること、を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図８に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成を示す。燃料電池１００は、図８に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【０００３】
膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。
【０００４】
触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。
【０００５】
ここで、図８に示すように、ＭＥＡ１０４においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図８中のＰ）。
【０００６】
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０４を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０４を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０４の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。
【０００７】
更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【０００８】
ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
【０００９】
また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【００１０】
また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。
【００１１】
更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。
【００１２】
これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。これを膜電極シール材接合体（ＭＥＳＡ）とも呼ばれる。
【００１３】
このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
【００１４】
ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図８に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。
【００１５】
このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行してＭＥＡ１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。
【００１６】
これに対し、例えば特許文献１においては、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに、上記アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとは別のシール材（充填シール材）を更に配置することによって、当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを塞ぎ、上述のような問題を解決することを意図した技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１１９１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに別のシール材を配置する上記の従来技術によっては、別のシール材により触媒層１０２ａ、１０２ｂやアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを歪ませてしまうことがあり、上述の問題を解決するには未だ改善の余地があった。
更に、この従来技術においても、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、別のシール材とアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは困難であり、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを完全にシールすることは極めて困難であった。
また、燃料電池の発電時に、上記別のシール部材が比較的高温で水蒸気等に曝されることから、当該別のシール部材から可塑剤や架橋剤等の汚染物質が溶出し、ＭＥＡ１０５にダメージを与えたり環境を汚染したりしてしまい、燃料電池の耐久性が著しく低下するおそれがあるという問題もあった。
【００１８】
そこで、本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、上述のような充填シール材を用いず、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能で耐久性に優れ環境に優しい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】
【００１９】
本発明は、上記の目的を達成するために、
アノード及びカソード並びにアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備し、
アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方の少なくとも一部の表面に撥水処理が施されていること、
を特徴とする燃料電池を提供する。
【００２０】
ここで、本発明において、「アノード側隙間」はアノード側ガスケットと膜電極接合体とアノード側セパレータとの間に形成され、また、「カソード側隙」はカソード側ガスケットと膜電極接合体とカソード側セパレータとの間に形成される。
したがって、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、アノード側ガスケットの一部の表面、膜電極接合体の一部の表面、及びアノード側セパレータの一部の表面、のいずれかであればよい。一方、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、同様に、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、カソード側ガスケットの一部の表面、膜電極接合体の一部の表面、及びアノード側セパレータの一部の表面、のいずれかであればよい。
【００２１】
また、上記の膜電極接合体は、高分子電解質膜、アノード及びカソードによって構成されるため、アノード側隙間には高分子電解質膜の一部の表面及びアノードの一部の表面が面する場合があり、一方、カソード側隙間には高分子電解質膜の一部の表面及びカソードの一部の表面が面する場合もある。
したがって、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、高分子電解質膜の一部の表面及びアノードの一部の表面、のいずれかであってもよい。一方、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、同様に、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、高分子電解質膜の一部の表面及びカソードの一部の表面、のいずれかであってもよい。
【００２２】
さらに、アノード及びカソードはそれぞれ触媒層及びガス拡散層を含むため、アノード側隙間及びカソード側隙間にはそれぞれ触媒層の一部の表面及びガス拡散層の一部の表面が面する場合がある。
したがって、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、触媒層の一部の表面及びガス拡散層の一部の表面、のいずれかであってもよく、一方、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、同様に、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、触媒層の一部の表面及びガス拡散層の一部の表面、のいずれかであってもよい。
【００２３】
そして、本発明の構成を有していれば、例えば燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件｛ガス流路の断面（ガスの流れ方向に略垂直な断面）形状、ガス流路の断面の周囲長、ガス流路の溝幅（セパレータの各リブ間の距離）、ガス流路の溝深さ（セパレータの各リブの高さ）、ガス流路の長さ（ガス流路の、反応ガス供給用マニホールド孔に接続された一端から反応ガス排出用マニホールド孔に接続された他端までの長さ）｝等のうちの少なくとも１つを調整することにより、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２４】
即ち、例えば、（ｉ）入口での反応ガス（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔における酸化剤ガス）の水蒸気圧（ＰH2O）、（ii）冷却流体の温度及び流量並びに（iii）反応ガスの利用率等、更には、（iv）ガス流路の幾何学的条件及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等の燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件等を適宜調整することによって、容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。
【００２５】
より具体的には、発電によって水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちの一方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。そして、詳細は後述するが、上記のようにアノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方の少なくとも一部の表面に撥水処理を施すことにより、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部の動的濡れ性を高くすることができるとともに、閉塞した凝縮水の移動及び排出を抑制することができる。その結果、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード又はカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２６】
更に、上記反応ガスが、上記アノード側隙間及びカソード側隙間の両方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞するため、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内の両方に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００２７】
ここで、上記運転条件及び幾何学的条件として、（ｉ）入口での反応ガス（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔における酸化剤ガス）の水蒸気圧（ＰH2O）、（ii）冷却流体の温度及び流量並びに（iii）反応ガスの利用率等、更には、（iv）ガス流路の幾何学的条件及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等を適宜調整することによって、容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。
【００２８】
なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、発電により水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちのいずれかに流れても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。そして、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部の動的濡れ性が撥水処理によって高められていることから、閉塞した凝縮水の移動及び排出を抑制することができる。この結果、反応ガスが上記隙間を流れることがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内に確実に供給することができ、上記反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。本発明の燃料電池１０は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【００３１】
膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるＮａｆｉｏｎ１１２膜（商品名））が配置された構成を有している。更に、アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む。
【００３２】
触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。また、触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
【００３３】
また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。上記導電性多孔質基材としては、例えばカーボンペーパー、織布、フェルト等の一般的なものを用いることができる。
【００３４】
ＭＥＡ５には、ガス漏れを防止するためガスケット９ａ、９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（図１中のＰ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、上述したように、これらのアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出した高分子電解質膜１の外縁部Ｐを「はみ出し部」ともいう。
【００３５】
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ４を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接するＭＥＡ４同士を互いに電気的に直列に接続するものであり、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ４の外部に運び去るためのガス流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。なお、ガス流路７ａ、７ｂの構成の詳細については後述する。
【００３６】
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【００３７】
ガス流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に溝を設けて形成されている。また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。
【００３８】
本発明の燃料電池１０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いることができる。この場合、供給される反応ガス及び冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールドが設けられる。
【００３９】
ここで、図２は、図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図である。また、図３は、カソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図である。図２及び図３に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。従って、本実施形態の燃料電池１０は「内部マニホールド型」である。
【００４０】
燃料電池１０を２以上積層して得られる燃料電池スタックにおいては、複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成され、複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成される。また、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成される。
【００４１】
ここで、図４は、図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図である。
図１及び図４に示すように、本発明の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１の外縁部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。
【００４２】
これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部を挟み込んでいる。そして、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及びアノード側ガスケット９ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及びカソード側ガスケット９ｂにより、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード４ａ及びカソード４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。
【００４３】
本実施形態において、図２に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは６本の溝で構成され、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で部分７７ｃにおいて交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、垂直方向（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる７箇所の直線部７７ａと、隣接する直線部７７ａの端を上流側から下流側へ連結する６箇所のターン部７７ｂとを有している。そして、ガス流路７ａの最下流の直線部（垂直方向に延びる直線部）は、部分７７ｄにおいて最短距離でアノード側隙間１０ａと交差して、燃料ガス排出用マニホールド孔１５に連絡している。
【００４４】
一方、図３に示すカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂも６本の溝で構成され、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、ガス流路７ｂはサーペンタイン形状を有し、垂直方向（図３のカソード側セパレータ６ｂにおいて酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる７箇所の直線部７７ａと、隣接する直線部７７ａの端を上流側から下流側へ連結する６箇所のターン部７７ｂとを有している。そして、ガス流路７ｂの最下流の直線部（垂直方向に延びる直線部）は、最短距離でカソード側隙間１０ｂと交差して、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９に連絡している。
【００４５】
また、アノード側セパレータ６ａにおいて、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５は、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられている。より具体的には、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａにおいて対向する辺上に設けられている。
一方、カソード側セパレータ６ｂにおいては、ガス流路７ｂに連通する酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が、カソード側ガスケット９ｂの外側に設けられている。より具体的には、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８はカソード側セパレータ６ｂの１つ辺上に設けられ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９がカソード側セパレータ６ｂの対向する辺上に設けられている。
【００４６】
なお、図示していないが、アノード側セパレータ６ａの燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを経て電極部に到達する部分７７ｃにおいては、燃料ガスが直接アノード側隙間１０ａに流れ込まないように、遮断板を配置する。この遮断板の寸法及び形状は、ガス流路７ａを通る燃料ガスがアノード側隙間１０ａに入り込むことを有効に防止するように、当該部分においてアノード側隙間１０ａを閉塞し、かつ本発明の効果を損なわない範囲で適宜決定することができる。
【００４７】
従って、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９からガス流路が、それぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂと交差する部分（例えば図２中の部分７７ｄ）にも、同様に遮断板を配置するのが好ましい。
なお、遮断板の材質としては、反応ガスを透過させにくく、かつ反応ガスによって腐食しにくい材料であれば特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択すればよい。
【００４８】
ここで、上述のように、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと、アノード４ａ及びカソード４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１に示すように、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂとアノード４ａ及びカソード４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ）が発生し易い。
【００４９】
即ち、高分子電解質膜１の一部の表面、アノード側ガスケット９ａの一部の表面、アノード側セパレータ６ａの一部の表面及びアノード４ａの一部の表面（端面）によって規定される空間からなるアノード側隙間１０ａ、並びに、高分子電解質膜１の一部の表面、カソード側ガスケット９ｂの一部の表面、カソード側セパレータ６ｂの一部の表面及びカソード４ｂの一部の表面（端面）によって規定される空間からなるカソード側隙間１０ｂが形成され易い。
【００５０】
上記のようなアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れて回り込む場合があり、また、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行してＭＥＡ５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが困難になるという問題があるところ、従来の技術ではこの問題を充分に解決することはできなかった。
【００５１】
そこで、本実施形態においては、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａに面するアノード側セパレータ６ａの部分（即ち、アノード側セパレータ６ａにおいてアノード側隙間１０ａに対応する領域）の全体に撥水処理を施す。
【００５２】
ここで、「アノード側隙間１０ａに対応する領域」とは、アノード側セパレータ６ａの主面の法線方向から当該「アノード側隙間１０ａに対応する領域」、並びにアノード側セパレータ６ａから膜電極接合体５の側の内部に存在する「アノード側隙間１０ａ」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「アノード側隙間１０ａ」を示す図形（投影された結果、「アノード側隙間１０ａ」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、即ち、「アノード側隙間１０ａ」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう（図２において一点鎖線で示される部分）。
【００５３】
さらに本実施形態においては、同様に、カソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、カソード側隙間１０ｂの少なくとも一部において凝縮し、カソード側隙間１０ｂが凝縮水により閉塞するように、カソード側隙間１０ｂに面するカソード側セパレータ６ｂの部分（即ち、カソード側セパレータ６ｂにおいてカソード側隙間１０ｂに対応する領域）の全体に撥水処理を施す。
【００５４】
また、「カソード側隙間１０ｂに対応する領域」とは、カソード側セパレータ６ｂの主面の法線方向から当該「カソード側隙間１０ｂに対応する領域」、並びにカソード側セパレータ６ｂから膜電極接合体１０の側の内部に存在する「カソード側隙間１０ｂ」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「カソード側隙間１０ｂ」を示す図形（投影された結果、「カソード側隙間１０ｂ」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、即ち、「カソード側隙間１０ｂ」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう（図３において一点鎖線で示される部分）。
【００５５】
上記のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、種々の材料を用いて作製することができ、チタン、ステンレス等を用いることができる（この場合、例えば、いわゆる金属セパレータが構成される）。また、上記材料としては電導性のカーボン材料等を用いることもできる。なかでも、撥水処理を施し易いという観点から、黒鉛板を用いるのが好ましく、また、生産性の向上および低コスト化という観点から、等方性黒鉛板や、さらには黒鉛と繊維状グラファイトとフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂との混合物を成形して得られる板等を用いるのが好ましい。
【００５６】
また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の撥水処理は、例えばアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ以外の部分をマスキングし、研磨剤（例えば粒子径約０．５μｍ）を用いてブラスト処理すること、等によって行うことができる。また、上記撥水処理は、例えば、撥水性のポリマーを塗布することなどによりコーティングすることにより行うこともできる。
【００５７】
また、本実施形態においては、撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域が、撥水性領域となる。そして、動的濡れ性は、水滴をより動きにくくするという観点から０．８〜２．０であるのが好ましい。また、本発明の効果をより確実に得る観点から動的濡れ性を容易かつ確実に上記好適な範囲とすることが好ましく、この観点から、撥水性領域の静的接触角は、９０°以上であることが好ましい。
また、静的接触角は、接触角計を用いることで測定することができる。
一方、動的濡れ性は、水滴転落角の測定から求めることができる。一般的には、水滴転落角αは、「Ｌ・γL・（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）＝ｍ・ｇ・ｓｉｎα」によって算出される。ここで、Ｌ：隙間をうめる水滴が計測対象の表面と接触している面（隙間）の外周長（全周長）、γL：水の表面張力、θａ：前進接触角、θｒ：後退接触角、ｍ：水滴の質量、ｇ：重力である。そして、（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）が動的濡れ性を示す。したがって、隙間の上記外周長Ｌ、前進接触角θａ、後退接触角θｒを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。さらに、簡便的には、前進接触角θa及び後退接触角θrの計測器、例えばレスカ社製動的濡れ性試験器ＷＥＴ−６０００によって前進接触角θa及び後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。
【００５８】
ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の面積を１００ｃｍ2に設定し、図２に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ６ａ、及び図３に示す酸化剤ガス用のガス流路７ｂを有するカソード側セパレータ６ｂを用いる。
【００５９】
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの背面には、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却流体排出用マニホールド孔１７に連通する冷却流体用流路８ａ、８ｂを設け、冷却流体流路８ａ、８ｂの形状は、酸化剤ガス用のガス流路７ｂと同様のサーペンタイン形状とする。具体的には、冷却流体流路８ａ、８ｂは、垂直方向に延びる６本の溝からなる７箇所の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する６箇所のターン部とを有するサーペンタイン形状とする。
【００６０】
冷却流体流路８ａに循環させる冷却水の流量を、７０℃の冷却水が冷却流体供給用マニホールド１６から供給し、７４℃の冷却水が冷却流体排出用マニホールド１７から排出されるように設定する。また、燃料ガスとして体積比が８：２の水素と二酸化炭素の混合ガスを用い、燃料ガス利用率が７０％となり、燃料ガスの露点が７０℃となるように、当該燃料ガスを加湿して燃料ガス供給用マニホールド孔１４に供給する。同様に、酸化剤ガスとして空気を用い、酸化剤ガス利用率が４５％となり、酸化剤ガスの露点が６８℃となるように、当該酸化剤ガスを加湿して酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８に供給する。なお、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９は大気中（常圧）に開放し、集電板を通じて０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電を行う。
【００６１】
上記のように設定した電流密度と電極面積とから、１秒間に生成される生成水の量は理論的に１．５５×１０-4 ｍｏｌ／ｓとなる。生成水がカソード４ｂで生成してアノード４ａへ移動しないと仮定すると、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から出てくる水蒸気の量は、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から供給された、加湿された燃料ガスに含まれた水の量となる。このとき、燃料ガス供給用マニホールド孔１４における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８における酸化剤ガスの露点が、それぞれアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの一番低い温度に対して、−４℃〜＋４℃の間となるように加湿条件を設定して計算を行った。また、生成水がカソード４ｂで生成してアノード４ａへ移動すると仮定しても同様の結果が得られる。
【００６２】
また、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から排出されたガスの組成は、供給された燃料ガスから発電のために消費された水素を引いたものとなり、水蒸気分圧は２９６．８ｍｍＨｇである。このとき排出されたガスの露点は７５．６℃であり、燃料ガス用のガス流路７ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５にかけて、燃料ガスの露点が７０℃から７５．６℃まで徐々に変化する。なお、上記の運転条件では冷却水の温度がＭＥＡ５の温度よりも約２℃低く、ＭＥＡ５そのものの温度は、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却流体排出用マニホールド孔１７にかけて、７２℃から７６℃まで徐々に変化する。
【００６３】
ここで、ガス流路７ａを流れる燃料ガスの露点が、ＭＥＡ５の温度よりも上回ると、燃料ガスに含まれる水が凝縮することとなる。上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇しており、また、アノード側セパレータ６ａの面内での電流密度分布に偏りが生じており、その結果、冷却水を流していてもアノード側セパレータ６ａの面内での温度分布に偏りが生じる。このとき、アノード側セパレータ６ａの面内において温度が低い領域、特にアノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易かったと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。
【００６４】
つぎに、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂ等の固体上で水等の液滴が移動するとき、固体表面状態によって液滴の前進接触角（ｃｏｓθa)と後退接触角(ｃｏｓθr)が決定され、これらの値の差（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）が動的濡れ性を示すこととなる。固体上の液滴が静止しているときに測定する静的接触角と、液滴が移動しているときに測定する動的接触角との間には違いがあり、静的接触角を大きくしかつ表面を単に撥水性にしたとしても動的接触角が大きくなるとは限らない。特に、高分子電解質型燃料電池に用いられるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの表面では、実際の発電時には常時濡れた状態であるため、乾燥時とは液滴の挙動が大きく異なる。例えば、動的濡れ性（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）は、簡便的には、前進接触角θa及び後退接触角θrの計測器、例えばレスカ社製動的濡れ性試験器ＷＥＴ−６０００によって前進接触角θa及び後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。
【００６５】
アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂが、例えば等方性黒鉛板から切削等の機械加工により得られるものである場合、（Ｉ）表面の凹凸ができるだけ小さく滑らかになるように撥水処理が施される。この結果、静的接触角は約１１０°と撥水性は高いが、当該アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの表面には撥水処理が均一に施されているため、これらのアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが十分に濡れた状態での動的濡れ性はほぼ０となり、外部から小さな力を加えるだけで容易に液滴が動く表面状態となる。
これに対し、さらにアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの全体に撥水処理ではあるが、表面の凹凸を大きくするような表面処理を施し、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの表面の微細な物理的構造（中心線平均粗さなどをきめる凹部凸部の大きさ及び形状など）が不均一な状態｛上記（Ｉ）の処理に比較して不均一な状態｝となるように調節することにより、静的接触角に関しては約１００°と若干撥水性は落ちるものの、動的濡れ性は約１．０となり、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一方を閉塞した凝縮水を当該隙間（隙間１０ａ，隙間１０ｂ）から排出しにくくするという効果を発揮させることができるようになる。
【００６６】
上記のように水が凝縮して確実に閉塞する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００６７】
ここで、燃料ガスがアノード側隙間１０ａに流れ込む力はＰ×Ｓ（ただし、Ｐは反応ガスの圧力損失、Ｓはアノード側隙間１０ａの面積）で表すことができる。例えば、実際の燃料電池発電時に燃料ガスが受ける圧力損失が６．０ｋＰａ（＝６．０ｋＮ／ｍ２）、アノード側隙間１０ａの幅が０．５ｍｍ、アノード側隙間１０ａの高さが０．２ｍｍであったとき、アノード側隙間１０ａに流れ込む力は６．０×１０−４Ｎとなる。これに対して、アノード側隙間１０ａを閉塞させる力はＬ×γL×（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）で表すことができる。先にも述べたが、上記式中、Ｌはアノード側隙間１０ａの周囲長、γLは液体の表面張力、（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）は動的濡れ性を示す。ここで、動的濡れ性が１．０であったとき、アノード側隙間１０ａを閉塞させる力は１．０×１０−４Ｎとなる。この結果から、例えば、散在させる凝縮水などの液滴が１つの場合ではアノード側隙間１０ａの閉塞は比較的困難であるが、液滴が少なくとも６つ存在することで、燃料ガスがアノード側隙間１０ａに流れ込む力を分散させ閉塞させることが可能であると考えることもできる。
【００６８】
［第二実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【００６９】
以下、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図５は、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａの要部拡大断面図である。より詳しくは、図５は、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード側セパレータ２６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【００７０】
図５に示すように、本実施形態におけるアノード側セパレータ２６ａのアノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１に撥水処理が施された構成を有している。
ここで、「燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分」とは、ガス流路７ａが燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａと交差して電極部に連絡する部分７７ｃに隣接する部分をいう。ただし、部分Ａ１及び部分Ｂ１の長さについては、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整することができる。
【００７１】
このような構成によれば、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができるが、これに加えて、アノード側隙間１０ａの表面を親水領域と撥水領域とが共存することにより、動的濡れ性は最大値２．０に近づき、特に燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１においては、外部から大きな力を加えても液滴が動きにくい表面状態となる。また、親水領域と撥水領域とが共存する表面上で凝縮水（結露水）が発生した場合、動きにくい凝縮水が多数発生することになる。
【００７２】
上記のような撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の少なくとも一部の表面に生ずる動的濡れ性を高くすることにより、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを閉塞した凝縮水をより排出しにくくするという効果を発揮させることができる。
特に、アノード側隙間１０ａにおいては燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍のみに撥水処理を施すことにより、撥水処理のための必要な作業工程を最小限に抑えながら、ガス供給口上流にて確実に回り込みを抑えることができるという効果が得られる。
【００７３】
上記のように水が凝縮して確実に閉塞する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００７４】
［第三実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【００７５】
以下、第三実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図６は、第三実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａの要部拡大断面図である。より詳しくは、図６は、第三実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード側セパレータ３６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【００７６】
図６に示すように、本実施形態におけるアノード側セパレータ３６ａのアノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１並びに燃料ガス排出用マニホールド孔１５の近傍の部分Ａ２及び部分Ｂ２に撥水処理が施された構成を有している。
ここで、「燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分」とは、上記第二実施形態と同様であり、「燃料ガス排出用マニホールド孔１５の近傍の部分」とは、ガス流路７ａが電極部からアノード側隙間１０ａと交差して燃料ガス排出用マニホールド孔１５に連絡する部分７７ｄに隣接する部分をいう。ただし、部分Ａ２及び部分Ｂ２の長さについては、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整することができる。
【００７７】
このような構成によれば、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができるが、これに加えて、アノード側隙間１０ａの表面を親水領域と撥水領域とが共存することにより、動的濡れ性は最大値２．０に近づき、特に燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１においては、外部から大きな力を加えても液滴が動きにくい表面状態となる。また、親水領域と撥水領域とが共存する表面上で凝縮水（結露水）が発生した場合、動きにくい凝縮水が多数発生することになる。
【００７８】
上記のような撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の少なくとも一部の表面に生ずる動的濡れ性を高くすることにより、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを閉塞した凝縮水をより排出しにくくするという効果を発揮させることができる。
特に、アノード側隙間１０ａにおいては燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１に撥水処理を施すことにより、ガス供給口上流にて回り込みを防ぐという効果が得られ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５の近傍の部分Ａ２及び部分Ｂ２に撥水処理を施すことにより、ガス流路の途中から隙間部分に流れ込んだ反応ガスについても回り込みを防ぐという効果が得られる。
【００７９】
［第四実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。
【００８０】
以下、第四実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図７は、第四実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの要部拡大断面図である。より詳しくは、図７は、第四実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード側セパレータ４６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。
【００８１】
図７に示すように、本実施形態におけるアノード側セパレータ４６ａのアノード側隙間１０ａに対応する領域は、複数の部分Ｃにおいて散在的に撥水処理が施され、撥水領域（撥水性の高い領域）と親水領域（撥水性の低い領域）とが混在している構成を有している。部分Ｃの数、長さおよび間隔などは本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更することができる。
このような構成によれば、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができるが、これに加えて、アノード側隙間１０ａの表面を親水領域と撥水領域とが散在的に共存することにより、動的濡れ性は最大値２．０に近づき、外部から大きな力を加えても液滴が動きにくい表面状態となる。また、親水領域と撥水領域とが共存する表面上で凝縮水（結露水）が発生した場合、動きにくい凝縮水が多数発生することになる。
【００８２】
上記のような撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の少なくとも一部の表面に生ずる動的濡れ性を高くすることにより、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを閉塞した凝縮水をより排出しにくくするという効果を発揮させることができる。
特に、親水領域と撥水領域とを散在させることで多数の水滴を発生させ、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａに燃料ガスが流れ込む力を分散させる効果も得られる。
【００８３】
上記のように水が凝縮して確実に閉塞する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００８４】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、それぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。
例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。そのため、燃料ガス用のガス流路は、酸化剤ガス用のガス流路よりも蛇行部分が多くかつ長くなって、アノード側のガス流路の長さとアノード側隙間の長さとの差が、カソード側のガス流路の長さとカソード側隙間の長さとの差よりも大きくなるため、反応ガスはカソード側隙間よりもアノード側隙間に流れ易い環境となる。従って、アノード側隙間に対して閉塞させる構造をとることが、より有効である。
【００８５】
しかし、本発明の思想においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのアノード側隙間及びカソード側隙間のいずれか一方又は両方に、撥水処理を施せばよい。そうすると、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間のいずれかを必ず凝縮水により確実に閉塞させることができる。
【００８６】
本発明においては、アノード側セパレータにおけるガス流路の構成と、カソード側セパレータにおけるガス流路の構成とは異なっていてもよく、両者の構成を同じ構成としても構わない。また、上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００８７】
加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状としては、特に限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。
【００８８】
また、上記第一実施形態〜第四実施形態においては、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」をアノード側セパレータにおいてアノード側隙間に対応する領域とし、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」をカソード側セパレータにおいてカソード側隙間に対応する領域としたが、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、アノード側ガスケットの一部の表面並びに膜電極接合体（高分子電解質膜及びアノード）の一部の表面のうちのいずれかでもよく、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、カソード側ガスケットの一部の表面並びに膜電極接合体（高分子電解質膜及びカソード）の一部の表面のうちのいずれかでもよい。
【００８９】
ガスケットの一部の表面に撥水処理を施す場合は、例えば目の細かいサンドペーパなどで表面を一部荒らすという方法を用いることができ、また、膜電極接合体のうちの、高分子電解質膜の一部の表面に撥水処理を施す場合には、例えば、不純物の混入によるＭＥＡの汚染の懸念のない撥水材を高分子電解質膜の一部の表面に塗布する方法を用いることができる。さらに、触媒層やガス拡散層の一部の表面に撥水処理を施す場合には、例えば前記撥水材等を塗布するという方法を用いることができる。
【００９０】
更に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図２】図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路７ａ側からみた正面図である。
【図３】図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路７ａ側から見た正面図である。
【図４】図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図である。
【図５】本発明の第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａのガス流路７ａ側の要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａのガス流路７ａ側の要部拡大断面図である。
【図７】本発明の第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの冷却流体流路８ａ側の要部拡大断面図である。
【図８】従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１、１０１・・・高分子電解質膜、２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ・・・触媒層、３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、１０４ａ・・・アノード、４ｂ、１０４ｂ・・・カソード、５、１０５・・・ＭＥＡ、６ａ、２６ａ、３６ａ、４６ａ、５６ａ、６６ａ、７６ａ、８６ａ、９６ａ、１０６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、１０６ｂ・・・カソード側セパレータ、７ａ、１０７ａ・・・燃料ガス用のガス流路、７ｂ、１０７ｂ・・・酸化剤ガス用のガス流路、８ａ、８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ・・・ガスケット、１０ａ、１１０ａ・・・アノード側隙間、１０ｂ、１１０ｂ・・・カソード側隙間、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔
【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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【図７】
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【図８】
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