(57)【要約】【課題】製造が簡易であり且つその効果が持続される、多孔質体内のオフガスと液体とを分離して排出することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。【解決手段】排出流路１６入口と多孔質体１２とを直接接続することで、多孔質体１２内の液体と排出流路１６内の液体とを連続させ、液体をオフガスに優先して排出する第一排出手段と、排出流路１６入口と多孔質体１２とを、所定の大きさの中空部１９を介して接続することで、多孔質体１２内の液体と排出流路１６内の液体とが連続することを防ぎ、オフガスを液体に優先して排出する第二排出手段と、を備えた。【選択図】図３
2008198415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の表面に設けられ、多孔質部材であることにより反応ガスの流路となる多孔質体と、
前記多孔質体に接続され、該多孔質体内より排出されるオフガスおよび液体が通る複数の排出流路と、
前記複数の排出流路のうち一部の排出流路と前記多孔質体とが接続される箇所に設けられ、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とを液体の粘性によって連続させることで前記多孔質体内の液体を前記オフガスに優先して排出する第一排出手段と、
前記第一排出手段が設けられる一部の排出流路を除く前記排出流路と前記多孔質体とが接続される箇所に設けられ、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とが液体の粘性によって連続することを防ぐことで前記オフガスを前記多孔質体内の液体に優先して排出する第二排出手段と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記第一排出手段は、前記排出流路の入口と前記多孔質体とを直接接続することで、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とを液体の粘性によって連続させ、
前記第二排出手段は、前記排出流路の入口と前記多孔質体とを、所定の大きさの中空部を介して接続することで、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とが液体の粘性によって連続することを防ぐ、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第二排出手段は、前記排出流路と前記多孔質体とを、前記多孔質体の表面に設けられた切り欠きによって現出する中空部、または前記排出流路の入口周辺に設けられた凹部によって現出する中空部を介して接続する、
請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第一排出手段および前記第二排出手段は、前記複数の排出流路に対して均等に分散して配設される、
請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第一排出手段および前記第二排出手段は、前記排出流路と酸化ガス極側の多孔質体とを接続する、
請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内のオフガスおよび液体を排出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池が備える多孔質体内のオフガスおよび水を排出する流路として、櫛歯状の部材を用いた排出流路がある（特許文献１を参照）。
【０００３】
また、オフガスと生成水とを分離して排出するための技術として、多孔質体の下流部に撥水部材と浸水部材を配置する技術や、カソード側下流で流路断面積を大きくすることで流速を落として水を溜める技術、水流路としての小孔径細孔とガス流路としての大孔径細孔を多孔体内に設ける技術がある（特許文献２、３および４を参照）。
【特許文献１】特開平０７−３２６３７３号公報
【特許文献２】特開２０００−１４９９６６号公報
【特許文献３】特開２００５−２８５６３６号公報
【特許文献４】特開平０７−３２０７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池による発電に伴って、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の周囲に配された多孔質体には、オフガスや生成水等が溜まる。このため、多孔質体内のオフガスや生成水等を燃料電池の外に排出する必要があるが、従来、排出流路に水が溜まることによってオフガスの排出が妨げられるという問題がある。特に、液体の詰まりによって排出流路の殆どが塞がれてしまった場合、燃料電池内のオフガスが排出されずに、オフガス残留量が過多となってしまう可能性がある。
【０００５】
ここで、多孔質体の製造時に多孔質体内の気孔率をコントロールすることで、オフガスと生成水とを分離する方法が考えられる。しかし、このような多孔質体の製造には困難が伴う。また、多孔質体の表面に撥水、浸水の処理を行うことでオフガスと生成水とを分離する方法も提案されているが、このような表面処理は経時変化によってその効果が得られなくなってしまうことが考えられ、効果を持続させることが困難である。
【０００６】
本発明は、上記した問題に鑑み、製造が簡易であり且つその効果が持続される、多孔質体内のオフガスと液体とを分離して排出することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、多孔質体内の液体と排出流路内の液体とが液体の粘性によって連続することを防ぐことで、多孔質体内のオフガスと液体とを分離して排出することを可能にした。
【０００８】
詳細には、本発明は、膜電極接合体の表面に設けられ、多孔質部材であることにより反応ガスの流路となる多孔質体と、前記多孔質体に接続され、該多孔質体内より排出されるオフガスおよび液体が通る複数の排出流路と、前記複数の排出流路のうち一部の排出流路と前記多孔質体とが接続される箇所に設けられ、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とを液体の粘性によって連続させることで前記多孔質体内の液体を前記オフガスに優先して排出する第一排出手段と、前記第一排出手段が設けられる一部の排出流路を除く
前記排出流路と前記多孔質体とが接続される箇所に設けられ、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とが液体の粘性によって連続することを防ぐことで前記オフガスを前記多孔質体内の液体に優先して排出する第二排出手段と、を備える燃料電池である。
【０００９】
多孔質体は、多孔質の部材であることにより、多孔質体内の空間が反応ガスの流路となり、反応ガスを膜電極接合体の表面に拡散させる。更に多孔質体は、燃料電池の発電に伴って発生する生成水をはじめとする液体や、オフガスを保持する。また、多孔質体内の液体やオフガスを排出するために設けられている構成が排出流路である。
【００１０】
本発明は、排出流路と多孔質体とが接続される箇所に、液体を優先して排出する第一排出手段と、オフガスを優先して排出する第二排出手段とを設けることで、液体とオフガスを分離して排出することを可能にする。
【００１１】
即ち、本発明に拠れば、液体とオフガスとが異なる経路で排出され、オフガスを排出するための経路を確保することが出来る。このことから、液体によって排出流路の殆どが塞がれてしまい、オフガスが多孔質体内に多く残留してしまう問題を解決することが可能である。
【００１２】
また、本発明において、前記第一排出手段は、前記排出流路の入口と前記多孔質体とを直接接続することで、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とを液体の粘性によって連続させ、前記第二排出手段は、前記排出流路の入口と前記多孔質体とを、所定の大きさの中空部を介して接続することで、前記多孔質体内の液体と前記排出流路内の液体とが液体の粘性によって連続することを防いでもよい。
【００１３】
前記排出流路の入口と多孔質体とが中空部を介して接続されることで、この中空部において液体の連続が途切れ、オフガスが優先して排出される経路を確保することが可能となる。このため、中空部は、多孔質体内に通常存在する程度の水量で、液体がその粘性によって連続することを防止出来る程度の大きさの中空部であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明において、前記第二排出手段は、前記排出流路と前記多孔質体とを、前記多孔質体の表面に設けられた切り欠きによって現出する中空部、または前記排出流路の入口周辺に設けられた凹部によって現出する中空部を介して接続してもよい。
【００１５】
多孔質体に設けた切り欠きまたは排出流路の入口周辺に設けた凹部によって中空部を形成する構成とすることで、オフガスを液体に優先して排出するための経路を確保可能な燃料電池を簡易に製造することが可能となる。
【００１６】
また、本発明において、前記第一排出手段および前記第二排出手段は、前記複数の排出流路に対して均等に分散して配設されてもよい。
【００１７】
第一排出手段および第二排出手段は、一部の領域の排出流路に偏らずに、例えば、複数の排出流路に対して交互に設けられる等、均等に分散して配設されることが好ましい。このように配設されることによって、多孔質体内から排出される排出物がオフガスまたは液体に偏ることなく、適切なバランスで排出することが可能となる。
【００１８】
また、本発明において、前記第一排出手段および前記第二排出手段は、前記排出流路と酸化ガス極側の多孔質体とを接続してもよい。
【００１９】
燃料電池による発電では、酸化ガス極側において水が生成される。このため、第一排出手段および第二排出手段は酸化ガス極側に設けられることが好ましい。但し、燃料ガス極
側においても、燃料ガスと共に供給される水分や、酸化ガス極側から浸み出してくる生成水等が溜まることがあるため、第一排出手段および第二排出手段は燃料ガス極側に設けられてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、多孔質体内のオフガスと液体とを分離して排出することが可能な燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る燃料電池の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、実施形態における燃料電池１０の概略を示す断面図である。燃料電池１０は、カソード側セパレータ１１、カソード側多孔質体１２、膜電極接合体１３、アノード側多孔質体１４、アノード側セパレータ１５が順に積層されてなり、供給される反応ガスによる電気化学反応を膜電極接合体１３において進行させることで、発電を行う。反応ガスは、図示しない燃料タンクより供給される燃料ガスおよび外気より取得されて供給される酸化ガスである。酸化ガスはカソード側多孔質体１２に供給され、燃料ガスはアノード側多孔質体１４に供給される。
【００２３】
多孔質体１２、１４は、供給された燃料ガスおよび酸化ガスを膜電極接合体１３の表面に拡散させるための流路となる。カソード側多孔質体１２は酸化ガスの流路であり、アノード側多孔質体１４は燃料ガスの流路である。また、多孔質体１２、１４は、発電に伴い膜電極接合体１３において発生する生成水およびオフガス等をその内部に保持する。なお、セパレータ１１、１５は、多孔質体１２、１４内のガスや液体が外部に漏れることを防ぐ。
【００２４】
燃料電池１０は、更に排出流路１６を備える。排出流路１６は、カソード側多孔質体１２内のオフガスおよび液体（生成水に限らない）をカソード側多孔質体１２の外部に排出するための流路である。
【００２５】
＜第一の実施形態＞
図２は、本実施形態における燃料電池１０の概略を示す断面拡大図である。また、図３は、図２に示された燃料電池１０のＡ−Ａ断面図である。本実施形態において、排出流路１６は櫛歯部材１７に設けられた溝によって形成される。
【００２６】
櫛歯部材１７は複数の排出流路１６を有し、カソード側多孔質体１２の側面に接続される。ここで、複数の排出流路１６のうち一部の排出流路１６の入口２０とカソード側多孔質体１２とは、カソード側多孔質体１２に設けられた切り欠き１８によって現出する中空部１９を介して接続される。
【００２７】
図３の符号Ｗで示される領域は、カソード側多孔質体１２および排出流路１６において液体が存在する部分を示す。また、矢印付き破線はオフガスの経路を示す。カソード側多孔質体１２内の液体およびオフガスは、カソード側多孔質体１２内の空間を通り、その後排出流路１６を通って、燃料電池１０外部に排出される。
【００２８】
液体はその粘性によって連続し、一度通った経路を継続的に流れるという性質を有している。このため、中空部１９を介さずにカソード側多孔質体１２と排出流路１６の入口２０が接続されている経路２１（以下、第一経路２１と称する）では、カソード側多孔質体１２内の液体と排出流路１６との液体が連続して排出される。即ち、第一経路２１は、本発明の第一排出手段に相当する。
【００２９】
これに対し、中空部１９を介してカソード側多孔質体１２と排出流路１６が接続されている経路２２（以下、第二経路２２と称する）では、この中空部１９のためにカソード側多孔質体１２内の液体と排出流路１６との液体が連続しない。換言すると、中空部１９が気液分離器の役割を果たすことで、第一経路２１からは液体が優先的に排出され、第二経路２２からはオフガスが優先的に排出される。即ち、第二経路２２は、本発明の第二排出手段に相当する。
【００３０】
また、一旦分離された液体のパスとオフガスのパスは、その後も持続されやすいため、第一経路２１および第二経路２２は、継続的にその役割を分担することが出来る。
【００３１】
上述した機能を果たすために、中空部１９は、カソード側多孔質体１２内に通常存在する程度の水量で、液体がその粘性によって連続することを防止出来る程度の大きさの空間を有する。
【００３２】
また、本実施形態において、第一経路２１と第二経路２２とは交互に設けられる。第一経路２１と第二経路２２とを交互に設けることで、液体が優先的に排出される経路２１と、ガスが優先的に排出される経路２２とがバランスよく分散して配設され、カソード側多孔質体１２内の液体およびオフガスを適切に排出することが出来る。
【００３３】
なお、本実施形態において、本発明に係る第一排出手段および第二排出手段は、少なくともカソード側に設けられる。これは、発電に伴って生成水が発生するのはカソード側であるためである。但し、アノード側には燃料ガスと共に水分が供給されることと、カソード側において発生した生成水が膜電極接合体１３を越えてアノード側に浸み出す場合があることから、アノード側にも第一排出手段および第二排出手段を設けてよい。
【００３４】
なお、中空部は必ずしも多孔質体に設けられた切り欠きによって形成される必要はなく、櫛歯部材１７ｂ側に設けられた凹部２３によって形成されてもよい（図４を参照）。このように構成した場合でも、液体とオフガスを分離して排出することが可能であり、排出流路１６の殆どが液体によって詰まってしまうことを防止出来る。
【００３５】
＜第二の実施形態＞
図５は、本実施形態における燃料電池１０ｃの概略を示す断面拡大図である。本実施形態において、排出流路１６ｃはセパレータ１１ｃに設けられたＬ字状の孔によって形成される。
【００３６】
本実施形態における燃料電池は、燃料電池の端にガスケット２４を有する。このような構造の場合、カソード側多孔質体１２ｃの端部に排出流路を設けることが難しいため、排出流路１６ｃの入口２０ｃはカソード側多孔質体１２ｃの上面に設けられる。以下、排出流路の入口を多孔質体の上面に配し、流路をＬ字状として燃料電池の側面方向にオフガス及び液体を導く構造を、サブマリン構造と称する。
【００３７】
図６は、図５に示された燃料電池１０ｃのＢ−Ｂ断面図である。セパレータ１１ｃは複数の排出流路１６ｃを有し、カソード側多孔質体１２ｃの上面に接続される。ここで、複数の排出流路１６ｃのうち一部の排出流路１６ｃの入口２０ｃとカソード側多孔質体１２ｃとは、カソード側多孔質体１２ｃに設けられた切り欠き１８ｃによって現出する中空部１９ｃを介して接続される。
【００３８】
即ち、中空部１９ｃを介さずにカソード側多孔質体１２ｃと排出流路１６ｃの入口２０ｃが接続されている第一経路２１ｃは、本発明の第一排出手段に相当し、中空部１９ｃを
介してカソード側多孔質体１２ｃと排出流路１６ｃが接続されている第二経路２２ｃは、本発明の第二排出手段に相当する。
【００３９】
このとき、切り欠き１８ｃは、この切り欠き１８ｃによって形成される中空部１９ｃが気液分離が可能な程度の大きさで、且つ膜電極接合体１３ｃまで到達しない大きさの切り欠きであることが好ましい。切り欠き１８ｃが膜電極接合体１３ｃまで到達する大きさである場合、カソード側多孔質体１２ｃ内の液体の移動が制限され、液体とオフガスとをバランスよく排出することが阻害される可能性があるためである。
【００４０】
本実施形態に拠れば、ガスケット２４を有することで排出流路１６ｃがサブマリン構造となっているタイプの燃料電池においても、排出流路１６ｃの詰まりを防止し、オフガスと液体とを分離し、オフガスと液体とをバランスよく排出することが可能となる。
【００４１】
なお、第一の実施形態と同様に、本実施形態においてもアノード側に第一排出手段および第二排出手段を設けてよい。また、中空部は必ずしも多孔質体に設けられた切り欠きによって形成される必要はなく、排出流路の入口周辺に設けられた凹部によって形成されてもよい（図示は省略する）。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態における燃料電池の概略を示す断面図である。
【図２】実施形態における燃料電池の概略を示す断面拡大図である。
【図３】図２に示された燃料電池のＡ−Ａ断面図である。
【図４】他の実施形態における燃料電池を示す断面図である。
【図５】実施形態における燃料電池の概略を示す断面拡大図である。
【図６】図５に示された燃料電池のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池
１１  カソード側セパレータ
１２  カソード側多孔質体
１３  膜電極接合体
１４  アノード側多孔質体
１５  アノード側セパレータ
１６  排出流路
１７  櫛歯部材
１８  切り欠き
１９  中空部
２０  排出流路の入口
２１  第一経路
２２  第二経路
２３  凹部
２４  ガスケット
【図１】
2008198415.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008198415.tif 000007
【図６】
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