(57)【要約】【課題】燃料電池の非発電部における排水性を向上させる。【解決手段】  本発明は、発電部（２）に供給される反応ガスを発電部（２）と接触するように流通させる第１ガス流路（６）と、第１ガス流路（６）と反応に供されたガスを回収するマニホールド（９）とを連通する第２ガス流路（８）とを備え、セパレータ（５）の第２ガス流路（８）が設けられる部分の親水性が、第１ガス流路（６）が設けられる部分より高いことを特徴とする。【選択図】図１
2006147309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と酸化剤極とによって挟持して構成され、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ供給される反応ガスの化学反応によって発電する発電部と、
前記発電部の前記燃料極側及び前記酸化剤極側でそれぞれ当接して前記発電部を狭持する一対のセパレータと、
前記セパレータに凹設され、前記発電部に供給される反応ガスを前記発電部と接触するように流通させる第１ガス流路と、
前記セパレータに凹設され、前記第１ガス流路と反応に供されたガスを回収するマニホールドとを連通する第２ガス流路と、
を備え、
前記セパレータの前記第２ガス流路が設けられる部分の親水性が、前記第１ガス流路が設けられる部分より高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータの前記第２ガス流路が設けられる部分に毛細管力によって液体が吸込まれるような複数の凹溝を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータの前記第２ガス流路が設けられる部分に親水性物質を塗布したことを特徴とする請求項１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、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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電池が知られている。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設けられており、燃料電池作動時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て凝縮水が反応ガスの流路を閉塞すると、反応ガスの流動性が悪化して反応が不均一になるという問題がある。
【０００４】
そこで、セパレータを親水性にしてガス流路内の凝縮水を燃料極又は酸化剤極からセパレータ側へ引き寄せることで、ガスの流動性を向上させることができる技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２１７６０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、発電部を通過したガスが流れる非発電部においては、ガスを排出するマニホールドの断面積が発電部におけるガス流路の断面積よりも非常に大きいので、非発電部を流れるガスの流速は急激に低下する。これにより、凝縮水が非発電部とマニホールドとの境界部分に溜まりやすく、非発電部の排水性が悪化する。
【０００６】
よって、非発電部に滞留する凝縮水によって反応ガスの流動性が低下して燃料電池の性能が低下したり、外気温が氷点下となったときに滞留する凝縮水が凍結して燃料電池が破損したりするおそれがある。また、このような問題は上記従来の技術を適用しても十分に解消することはできない。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、非発電部における排水性を向上させることで燃料電池の性能低下及び破損を防止することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００９】
本発明は、電解質膜（１３）を燃料極（３）と酸化剤極（４）とによって挟持して構成され、燃料極（３）及び酸化剤極（４）にそれぞれ供給される反応ガスの化学反応によって発電する発電部（２）と、発電部（２）の燃料極側及び酸化剤極側でそれぞれ当接して発電部（２）を狭持する一対のセパレータ（５）と、セパレータ（５）に凹設され、発電部（２）に供給される反応ガスを発電部（２）と接触するように流通させる第１ガス流路（６）と、セパレータ（５）に凹設され、第１ガス流路（６）と反応に供されたガスを回収するマニホールド（９）とを連通する第２ガス流路（８）とを備え、セパレータ（５）の第２ガス流路（８）が設けられる部分の親水性が、第１ガス流路（６）が設けられる部分より高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、非発電部における反応ガスとの接触表面の親水性を発電部より高くしたことにより、凝縮水は発電部より非発電部へ流出しやすくなり、また非発電部においても凝縮水が局部的に滞留することなく排水性を向上させることができるので、反応ガスの流動性の低下による燃料電池の性能低下及び滞留する凝縮水の凍結による破損を防止することができる。
【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の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のガス流路を示す構成図である。図１（ａ）は燃料電池をセパレータ側から見た透視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｃ−ｃ断面図である。燃料電池１の発電部２は、燃料極３と酸化剤極４とによって電解質膜１３を狭持した構成となっている。燃料極３及び酸化剤極４はそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給を受けて、各ガスの化学反応によって発電する。
【００１３】
セパレータ５は発電部２の燃料極３及び酸化剤極４を相対する面によって狭持する。セパレータ５には、セパレータ５と燃料極３及び酸化剤極４とのそれぞれの接触面において反応ガスを流通するガス流路（第１ガス流路）６が設けられる。
【００１４】
ガス回収マニホールド９はセパレータ５の端部に設けられ、発電部２で反応に供されたガスを回収する。非発電部７のガス流路（第２ガス流路）８は、発電部２のガス流路６からガス回収マニホールド９までを連通しており、発電部２とガス回収マニホールド９との間のセパレータ５に形成される。ガス流路８は、発電部２からガス回収マニホールド９へ向かって徐々に幅が狭くなっており、発電部２で反応に供された複数のガス流路６を流れるガスを合流させてガス回収マニホールド９へ導出する。また、ガス流路８は発電部２からガス回収マニホールド９へのガスの導出性を向上させる整流板１０を内部に備える。
【００１５】
燃料電池１のガス流路６、８は以上のように構成されており、発電部２のガス流路断面積の総和よりもガス回収マニホールド９の断面積の方が大きいのでガス流路８において流通するガスの流速は急激に低下する。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ガス流路８に流れ込んで凝縮しても、ガス回収マニホールド付近のガスの流れによって凝縮水が吹き飛ばされないので、ガス回収マニホールド付近に凝縮水が滞留することになる。
【００１６】
そこで、凝縮水をガス流路８の内壁面全体で保持するために、ガス流路８の内壁面に親水処理を施す。本実施形態でいう親水処理とは、ガス流路８の内壁面全体に表面積を拡大するような微細な溝１１を多数設けることである。これらの溝１１はいかなる形状であってもよいが、毛細管力によって水滴を吸い上げることができる程度に微細な溝１１である。また溝１１はガス流路全体に概ね均等に配置される。
【００１７】
これにより、ガス流路８の内壁面全体としての水の含みやすさが向上し、凝縮水はガス流路８の内壁面全体に拡散するので、ガス回収マニホールド付近に滞留する凝縮水量を減少させることができる。また、ガス流路８は発電部２のガス流路６に対してもより水を含みやすくなっているので、ガス流路６に滞留する凝縮水がガス流路８に流出しやすくなって発電部２でのガスの反応性が向上する。
【００１８】
以下、本実施形態における燃料電池１の作用について説明する。
【００１９】
セパレータ５に設けられたガス流路６、８を流通する反応ガスは発電部２で化学反応して電力を発生させる。反応後のオフガスは発電部２のガス流路６から非発電部７のガス流路８へと流通して、他のガス流路６を流通したオフガスと合流してガス回収マニホールド９へと排出される。
【００２０】
反応ガスは水分を含んでおり、さらにオフガスは反応によって生じた水分をも含んでいるので、オフガスがガス流路８を流れる際にその一部が凝縮する。ここで、発電部２のガス流路断面積の総和よりもマニホールド９の断面積の方が大きいので、ガス流路８では上流から下流へ向かってオフガスの流速が低下して凝縮水を吹き飛ばす力は弱くなるが、凝縮水の一部はマニホールド９へ到達する前にガス流路８の内壁面で結露して微細な溝１１の毛細管力によって吸い上げられる。
【００２１】
また、ガス流路８のガス回収マニホールド付近に滞留した凝縮水は微細な溝１１の毛細管力によって次々に吸い上げられてガス流路８全体へと分散する。
【００２２】
さらに、ガス流路８の全体へ拡がった凝縮水は表面積の増加によって蒸発しやすくなっており、ガス流路８を流通するガスによってガス回収マニホールド９へと排出される。
【００２３】
さらにまた、オフガスに含まれる水分の一部は発電部２のガス流路６において凝縮するが、ガス流路８はガス流路６よりも水を含みやすくなっているのでガス流路６の凝縮水がガス流路８へと流出しやすくなる。
【００２４】
以上のように本実施形態では、ガス流路８の内壁面に微細な溝１１を多数設けることで内壁面全体の水の含みやすさを向上させたので、水分を含んだオフガスが流通して凝縮してもガス流路８の内壁面全体で凝縮水を保持して局所的に滞留することを防止する。よって、特にガス流路８の下流側のガス回収マニホールド付近に凝縮水が滞留してオフガスの排出性が悪化することによる燃料電池１の性能低下及び滞留する凝縮水の凍結による燃料電池１の破損を防止することができる。
【００２５】
また、ガス流路８はガス流路６よりも水を含みやすくなっているので、ガス流路６の凝縮水がガス流路８へと流出しやすくなる。これにより、発電部２におけるガスの反応性を向上させて燃料電池１の性能を向上させることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
次に図２を参照しながら第２実施形態について説明する。図２は、本実施形態における燃料電池のガス流路を示す構成図である。なお、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。
【００２７】
本実施形態では燃料電池１の構成は第１実施形態とほぼ同一である。本実施形態では非発電部７に微細な溝１１は設けられておらず、これに代えて非発電部７のガス流路８の内壁面に親水性物質１２が塗布される。
【００２８】
これにより、ガス流路８の内壁面はガス流路６の内壁面に比べて親水性が高くなって、凝縮水はガス流路８の内壁面全体に拡散するので、ガス回収マニホールド付近に滞留する凝縮水量を減少させることができる。また、ガス流路８はガス流路６に対してより水を含みやすくなっているので、ガス流路６に滞留する凝縮水がガス流路８に流出しやすくなってガス流路６でのガスの反応性が向上する。
【００２９】
以下、本実施形態における燃料電池１の作用について説明する。
【００３０】
セパレータ５に設けられたガス流路６を流通する反応ガスは発電部２で化学反応して電力を発生させる。反応後のオフガスは発電部２のガス流路６から非発電部７のガス流路８へと流通して、他のガス流路６を流通したオフガスと合流してガス回収マニホールド９へと排出される。
【００３１】
反応ガスは水分を含んでおり、さらにオフガスは反応によって生じた水分をも含んでいるので、オフガスがガス流路８を流れる際に一部が凝縮する。ここで、発電部２のガス流路断面積の総和よりもガス回収マニホールド９の断面積の方が大きいので、ガス流路８では上流から下流へ向かってオフガスの流速が低下して凝縮水を吹き飛ばす力は弱くなり、ガス流路８のガス回収マニホールド付近に凝縮水が滞留する。しかし、ガス流路８の内壁面が親水性であることにより、ガス回収マニホールド付近に滞留した凝縮水は表面張力の影響を大きく受けることなくガス流路８の内壁面全体へと分散する。
【００３２】
また、ガス流路８の内壁面全体へ拡がった凝縮水は表面積の増加によって蒸発しやすくなっており、ガス流路８を流通するガスによってガス回収マニホールド９へと排出される。
【００３３】
さらに、オフガスに含まれる水分の一部はガス流路６において凝縮するが、ガス流路８はガス流路６よりも水を含みやすくなっているのでガス流路６の凝縮水がガス流路８へと流出しやすくなる。
【００３４】
以上のように本実施形態では、ガス流路８の内壁面に親水性物質１２を塗布して表面を親水性としたので、水分を含んだオフガスが流通して凝縮してもガス流路８の内壁面全体で凝縮水を保持して局所的に滞留することを防止する。よって、ガス流路８の下流側のガス回収マニホールド付近に凝縮水が滞留してオフガスの排出性が悪化することによる燃料電池１の性能低下及び滞留する凝縮水の凍結による燃料電池１の破損を防止することができる。
【００３５】
また、ガス流路８はガス流路６よりも水を含みやすくなっているので、ガス流路６の凝縮水がガス流路８へと流出しやすくなる。これにより、ガス流路８におけるガスの反応性を向上させて燃料電池１の性能を向上させることができる。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば第１、第２実施形態ではガス流路６、８をそれぞれ図１、図２に示すように設けたが、これに限定されることなくその形状や配置を変更してもよい。
【００３８】
また、第１、第２実施形態ではガスの流動を整えるためにガス流路８に整流板１０を設けたが、これを用いなくても本発明の効果は得られる。
【００３９】
さらに、第１実施形態ではガス流路８に微細な溝１１を多数設けているが、溝の形状、配置パターン及び範囲などは凝縮水がガス流路８の内壁面全体で保持されるように適宜変更してもよい。
【００４０】
さらにまた、第２実施形態ではガス流路８に親水性物質１２を塗布しているが、塗布する範囲は凝縮水がガス流路８の表面全体に分散するように適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】第１実施形態における燃料電池のガス流路を示す構成図及び発電部の断面図である。
【図２】第２実施形態における燃料電池のガス流路を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  燃料電池
２  発電部
３  燃料極
４  酸化剤極
５  セパレータ
６  ガス流路
７  非発電部
８  ガス流路
９  ガス回収マニホールド
１０  整流板
１１  溝
１２  親水性物質
１３  電解質膜
【図１】
2006147309.tif 000003
【図２】
2006147309.tif 000004