(57)【要約】【課題】ガス流路内に混入した水を、ガス流路を閉塞することなく速やかに排出できる燃料電池を提供すること。【解決手段】この燃料電池は、電解質膜の両面に電極層を配置し、更にその両外面にセパレータ１０ａを配置した電池単セルが多層積層されてなる。セパレータ１０ａは、前記電極層に対峙する面に形成されたガス流路２０と、ガス流路２０にガスを供給するガス供給マニホールドと、前記ガス流路からガスを回収して排出するガス排出マニホールド１５ｂとを備えている。そして、ガス流路２０の側壁を構成するリブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａが、ガス流路２０よりもガス排出マニホールド１５ｂ側に突出している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極層を配置し、更にその両外面にセパレータを配置した電池単セルが多層積層された燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電極層に対峙する面に形成されたガス流路と、前記ガス流路にガスを供給するガス供給マニホールドと、前記ガス流路からガスを回収して排出するガス排出マニホールドとを備え、
前記ガス流路の側壁を構成するリブの前記ガス排出マニホールド側の端部が、前記ガス流路よりも前記ガス排出マニホールド側に突出していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流路の前記ガス排出マニホールド側の端部であって前記リブ以外の部分が、前記ガス排出マニホールドに向かって凹状に形成されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流路の側壁を構成するリブの前記ガス排出マニホールド側の端部が、前記ガス排出マニホールド向けて肉薄となる凸状に形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流路の前記ガス排出マニホールド側の端部が、前記ガス排出マニホールドの流れ方向に沿って、隣接する電池単セルのセパレータまで伸びており、該隣接する電池単セルのセパレータには、前記ガス流路から伸びる流路に連通する所定長さの導水路が形成され、この導水路は前記隣接する電池単セルのセパレータのガス排出マニホールドに連通している請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記導水路が、前記セパレータに形成された溝である請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記導水路が、前記セパレータに設置された透水性材料である請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記透水性材料が、多孔質カーボン材料である請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータのガス流路が、前記ガス排出マニホールドに向けて、重力方向下向きに形成されている請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長期間安定した出力を得ることのできる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。燃料電池単セルの出力電圧は１Ｖ以下と低いため、通常、燃料電池単セルを複数個積層した燃料電池スタックが発電装置として用いられている。
【０００３】
図６は、燃料電池単セルの概略構造の一例を示す断面図である。電解質膜１の両側に燃料電極層２ａと、酸化剤電極層２ｂとが密着して配置され、その外側に、ガス流路２０及び、冷却水路３０を備えたセパレータ１０ａ、１０ｂで挟持して電池単セル５が構成されている。なお、図中の３は、端面方向をシールする電極シール材である。
【０００４】
図７〜１０に、上記従来の燃料電池のセパレータのガス流路の構成図を示す。図７は、セパレータ１０ａの燃料電極層２ａに対峙する面であり、図８は、セパレータ１０ａの隣接する電池単セル５のセパレータ１０ｂに対峙する面であり、図９は、セパレータ１０ｂの酸化剤電極層２ｂに対峙する面であり、図１０は、セパレータ１０ｂの隣接する電池単セル５のセパレータ１０ａに対峙する面である。
【０００５】
燃料ガスは、ガス供給マニホールド１１ａからガス流路２０に流入し、燃料電極層２ａでの電極反応で消費された後、未反応ガスを含むオフガスが、ガス排出マニホールド１１ｂから流出する。同様に、酸化剤ガスは、ガス供給マニホールド１２ａからガス流路２０に流入し、酸化剤電極層２ｂでの電極反応で消費された後、未反応ガスを含むオフガスが、ガス排出マニホールド１２ｂから流出する。そして、電極反応での発電による発熱を冷却するため、冷却水導入口１３ａから冷却水が冷却水路３０に流入し、冷却水排出口１３ｂから流出して、電池単セル５の冷却が行われる。
【０００６】
ところで、燃料電池に用いられている電解質膜は、水を含んだ湿潤状態にて高いイオン伝導性を示すため、燃料ガス及び酸化剤ガスを水で加湿することにより高い電池特性が得られることが知られている。特に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスを水で加湿して用いることで、高い電池特性が得られることが知られている。
【０００７】
しかしながら、加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは、水のミストや飛沫を含みやすく、これらが燃料ガスを導入するガス供給マニホールド１１ａや、酸化剤ガスを導入するガス供給マニホールド１２ａからガス流路２０に入り込むと、結露水となってガス流路内に溜まり、ガス流路が閉塞され易かった。ガス流路が閉塞されると、燃料ガスや酸化剤ガスが十分に電極に到達しなくなるので、電池電圧が低下してしまう。
【０００８】
ガス流路に溜まった水を効果的に排出するにあたり、例えば、下記特許文献１には、ガス出口マニホールドを、ガス流路に対して重力方向下側に配置し、ガス流路とガス出口マニホールドとの間の連結溝を重力方向下向きに形成することが開示されている。
【０００９】
また、下記特許文献２には、ガス流路のガス排出マニホールド側の端部、及び／又はガス流路のガス供給マニホールド側の端部に水透過性の流路閉塞部材を配置することが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２１００号公報
【特許文献２】特開２００５−１４１９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１のようにガス流路を配置することで、ガス流路に溜まる水が、ガス排出マニホールド側に移動しやすくなるものの、この移動してきた水は、ガス流路のガス排出マニホールド側の端部、すなわち、ガス流路とガス排出マニホールドの接続部にて液滴となって成長しやすく、この成長した液滴によってガス流路が閉塞され、ガスの流通が損なわれやすかった。
【００１１】
また、上記特許文献２のように、端部に水透過性の流路閉塞部材を配置した場合であっても、湿度の高いガスを流通させた場合、流路閉塞部材からの水分蒸発量よりも吸水量が多くなると、ガス流通が損なわれることがあった。また、流路閉塞部材の設置には、手間や費用がかかり、燃料電池の製造コストが増加することがあった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、燃料電池のセパレータのガス流路内に混入した水を、ガス流路を閉塞することなく速やかに排出できる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に電極層を配置し、更にその両外面にセパレータを配置した電池単セルが多層積層された燃料電池であって、前記セパレータは、前記電極層に対峙する面に形成されたガス流路と、前記ガス流路にガスを供給するガス供給マニホールドと、前記ガス流路からガスを回収して排出するガス排出マニホールドとを備え、前記ガス流路の側壁を構成するリブの前記ガス排出マニホールド側の端部が、前記ガス流路よりも前記ガス排出マニホールド側に突出していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池によれば、ガス流路の側壁を構成するリブのガス排出マニホールド側の端部を、ガス流路よりもガス排出マニホールド側に突出させたことで、ガス流路に供給したガス中の水のミストや飛沫が、ガス流路内で凝縮したとしても、ガス流路の端部からリブを伝ってガス排出マニホールドへと流れていくので、ガス流路の端部で液滴となって成長しにくく、水を速やかにガス排出マニホールドへと排水できる。その結果、ガス流路が水によって閉塞されにくく、電極層に加湿したガスを安定供給することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池は、前記ガス流路の前記ガス排出マニホールド側の端部であって前記リブ以外の部分が、前記ガス排出マニホールドに向かって凹状に形成されていることが好ましい。この態様によれば、ガス流路内を移動してきた水が、ガス排出マニホールドに面した凹状をなす出口部分で、該凹部の両側に位置するリブに移行しやすくなり、前記リブを伝って速やかにガス排出マニホールドへと排水できる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池は、前記ガス流路の側壁を構成するリブの前記ガス排出マニホールド側の端部が、前記ガス排出マニホールド向けて肉薄となる凸状に形成されていることが好ましい。この態様によれば、ガス流路内を移動してきた水を、リブの先端部から速やかにガス排出マニホールドへと排水できる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池は、前記ガス流路の前記ガス排出マニホールド側の端部は、前記ガス排出マニホールドの流れ方向に沿って、隣接する電池単セルのセパレータまで伸びており、該隣接する電池単セルのセパレータには、前記ガス流路から伸びる流路に連通する所定長さの導水路が形成され、この導水路は前記隣接する電池単セルのセパレータのガス排出マニホールドに連通していることが好ましい。この態様によれば、ガス流路内を移動してきた水が、ガス排出マニホールド側の端部において、表面張力や気流による影響によって、隣接する電池単セルのセパレータまで伸びる流路内を移動し、前記隣接する電池単セルのセパレータに形成された導水路に導入されて、そこからガス排出マニホールドへと排出されるので、ガス流路内の流路端部で水が液滴となって成長することが効果的に阻止され、より速やかにガス排出マニホールドへ排水できる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池は、前記導水路が、前記セパレータに形成された溝であることが好ましい。この態様によれば、ガス流路内の水が、上記溝を伝ってガス排出マニホールドから排水されるので、ガス流路内の流路端部で水が液滴となって成長しにくく、より速やかにガス排出マニホールドへ排水できる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池は、前記導水路が、前記セパレータに設置された透水性材料であることが好ましい。この態様によれば、ガス流路内の水が、上記透水性材料によって吸水されるので、ガス流路内の流路端部で水が液滴となって成長しにくく、より速やかガス排出マニホールドへ排水できる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、前記透水性材料が、多孔質カーボン材料であることが好ましい。多孔質カーボン材料は、セパレータと一体成形が可能であり、耐食性に優れ、材質劣化が生じにくいことから、特に好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、前記セパレータのガス流路が、前記ガス排出マニホールドに向けて、重力方向下向きに形成されていることが好ましい。この態様によれば、重力による引力を受けて、ガス流路内の水を、より速やかに排水することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ガス流路に供給したガス中の水のミストや飛沫が、ガス流路内で凝縮したとしても、ガス流路の端部からリブを伝ってガス排出マニホールドへと流れていくので、ガス流路の端部で液滴となって成長しにくく、水を速やかにガス排出マニホールドへと排水できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明について更に詳細に説明する。
【００２４】
図１，２に、本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す。図１は、同燃料電池の部分側断面図であり、図２は、同燃料電池のセパレータのガス流路構成を示すガス排出マニホールド近傍の拡大断面図である。なお、図中の矢印Ｇは、重力方向を示している。また、矢印Ａはガスの流通方向を示している。
【００２５】
本発明の燃料電池は、電解質膜１の両側に、燃料電極層２ａと、酸化剤電極層２ｂとが密着して配置され、その外側に、ガス流路２０及び冷却水路３０を備えたセパレータ１０ａ、１０ｂで挟持された電池単セル５を基本構成として構成されている。なお、図中の３は、端面方向をシールする電極シール材である。
【００２６】
セパレータ１０ａ（１０ｂ）には、ガス流路２０が形成されており、このガス流路２０に、電極反応に使用する燃料ガス及び酸化剤ガスを、ガス流路２０に供給するためのガス供給マニホールド１５ａと、電極反応で使用した未反応ガスを含むオフガスを回収するガス排出マニホールド１５ｂとを備えている。また、その裏面には、冷却水路３０が形成されており、この冷却水路３０に冷却水を供給するための冷却水導入口と、冷却水路出口とを備え、燃料電池全体を冷却できるように構成されている。なお、冷却水路３０は、燃料電極層２ａ側のセパレータ１０ａもしくは酸化剤電極層２ｂ側のセパレータ１０ｂのいずれか一方のみに設けられていてもよく、両方のセパレータに設けられていてもよい。
【００２７】
そして、図２に示すように、少なくとも燃料電極層２ａに接するセパレータ１０ａのガス流路２０には、その両側壁を構成するリブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａが、ガス流路２０よりもガス排出マニホールド側１５ｂ側に突出している。なお、上記突出した端部２１ａは、ガス流路２０の両側壁を構成するリブ２１に形成されることが好ましいが、いずれか一方のリブ２１に形成されていてもよい。
【００２８】
更に、この実施形態では、ガス流路のガス排出マニホールド側の端部２０ａが、ガス排出マニホールド１５ｂに向かって凹状に形成されており、リブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａが、ガス排出マニホールド１５ｂに向けて肉薄となる凸状に形成されている。
【００２９】
ガス流路のガス排出マニホールド側の端部２０ａと、リブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａとの距離Ｌは、０．６〜３ｍｍであることが好ましく、０．８〜２ｍｍがより好ましい。０．６ｍｍ未満であると、ガス流路の端部２０ａにおける液滴の成長を十分抑制できないことがあり、３ｍｍを超えると、端部２１ａの機械的強度が低下し、端部２１ａが破断するおそれがある。
【００３０】
また、本発明において、ガス流路２０は、ガス排出マニホールド１５ｂに向けて、重力方向下向きに形成されていることが好ましい。具体的には、ガス流路２０のガス排出マニホールド１５ｂへの連結部分Ｏでの流路方向Ａは、重力方向Ｇ’に対し、０≦α＜１５°の角度αをなすことが好ましい。この実施形態では、角度αは０°である。
【００３１】
本発明の燃料電池によれば、リブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａを、ガス流路の端部２０ａよりもガス排出マニホールド側に突出させたことで、ガス流路２０に供給したガス中の水のミストや飛沫が、ガス流路２０内で凝縮したとしても、ガス流路の端部２０ａからリブ２１を伝ってガス排出マニホールド１５ｂへと流れていくので、ガス流路の端部２０ａで液滴となって成長しにくく、水を速やかにガス排出マニホールド１５ｂへと排水できる。その結果、ガス流路２０が水によって閉塞されにくく、電極層２ａ，２ｂに加湿したガスを安定供給することができる。
【００３２】
そして、ガス流路２０を、ガス排出マニホールド１５ｂに向けて、重力方向下向きに形成することで、ガス流路２０に滞留している水が重力による引力を受けて、速やかに水を排出することができる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、燃料電極層２ａに接するセパレータ１０ａのガス流路２０のガス排出マニホールド側の端部に本発明の構造を適用した例を説明したが、酸化剤電極層２ｂに接するセパレータ１０ｂのガス流路２０のガス排出マニホールド側の端部に本発明の構造を適用してもよく、両者に本発明の構造を適用してもよい。
【００３４】
図３、４には、本発明の燃料電池の第２の実施形態が示されている。上記第１の実施形態と実質的に同一部分には、同符号を付してその説明を省略することとする。
【００３５】
この燃料電池は、上記実施形態と同様、ガス流路２０の両側壁を構成するリブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａが、ガス流路２０よりもガス排出マニホールド側１５ｂ側に突出している。
【００３６】
そして、この実施形態では、電池単セル５の燃料電極層２ａ側に配置されるセパレータ１０ａのガス流路２０のガス排出マニホールド側の端部２０ａが、ガス排出マニホールド１５ｂの流れ方向に沿って隣接している電池単セル５の酸化剤電極層２ｂ側に配置されるセパレータ１０ｂまで伸びており、ガス流路の端部２０ａから、ガス排出マニホールド１５ｂに連通する導水路４０が、このセパレータ１０ｂに形成されている点が第１の実施形態の燃料電池との相違点である。
【００３７】
この実施形態では、上記導水路４０は、図４に示すように、セパレータ１０ｂに形成した溝４１からなっている。この場合、溝４１の幅は、ガス流路２０の幅よりも細いことが好ましく、ガス流路２０よりも０．５ｍｍ以上細いことがより好ましい。溝の幅をガス流路２０よりも細くすることで、ガス流路２０から流れてきた水を、毛管作用によって導水路４０側に移動させやすくできる。
【００３８】
また、溝４１の溝深さは、０．２〜０．８ｍｍが好ましく、０．４〜０．６ｍｍがより好ましい。溝深さが浅すぎると溝加工が困難になり，深すぎるとセパレータの残肉が薄くなり、セパレータ強度が低下して、破損しやすくなる。
【００３９】
また、他の実施形態としては、図５に示すように、導水路４０が、セパレータ１０ｂのガス排出マニホールド１５ｂに接する内面に配置した透水性材料４２からなっていてもよい。この場合、透水性材料４２としては、多孔質金属、多孔質カーボン、多孔質プラスチック等の各種多孔質材料を使用できるが、セパレータと一体成形が可能であり、耐食性に優れ、材質劣化が生じにくいことから、多孔質カーボンが特に好ましい。多孔質カーボンとしては、例えば、商品名「ＴＧＰＨ-６０」（東レ製）等が挙げられる。
【００４０】
なお、セパレータ１０ｂに透水性材料４２を配置する場合においては、セパレータ１０ｂのガス排出マニホールド１５ｂに接する内面に溝４３を形成し、この溝４３に透水性材料４２を埋め込む等の方法によって設置することが好ましい。
【００４１】
図３〜５に示した実施形態の燃料電池によれば、上述したように、ガス流路２０に供給したガス中の水のミストや飛沫が、ガス流路２０内で凝縮したとしても、ガス流路の端部２０ａからリブ２１を伝ってガス排出マニホールド１５ｂへと流れていくと共に、ガス排出マニホールド側の端部２０ａにおいて、表面張力や気流による影響によって、隣接する電池単セル５のセパレータまで伸びる流路内を水が移動して導水路４０に導入され、そこからガス排出マニホールド１５ｂに排水されるので、ガス流路２０が水によって閉塞されにくく、電極層２ａ，２ｂに加湿ガスを長期にわたって安定供給できる。
【００４２】
なお、この実施形態では導水路４０は、セパレータ１０ｂ側に形成したが、セパレータ１０ａ側に形成されてもよく、セパレータ１０ａ及びセパレータ１０ｂの双方にそれぞれ形成されもよい。
【実施例】
【００４３】
以下、本発明の効果について実施例を用いて更に詳細に説明する。
【００４４】
（実施例１）
燐片状黒鉛紛とフェノール樹脂からなる材料をモールド成形し、溝幅１ｍｍ，溝深さ０．８ｍｍのガス流路２０を、幅１ｍｍのリブ２１を流路の側壁として形成し、ガス流路２０のガス排出マニホールド側の端部２０ａを、ガス排出マニホールド１５ｂに向かって凹状（Ｒ＝０．５）に形成し、リブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａを、ガス排出マニホールド１５ｂに向けて肉薄となる凸状（Ｒ＝０．５）に形成し、ガス流路のガス排出マニホールド側の端部２０ａと、リブ２１のガス排出マニホールド側の端部２１ａとの距離Ｌを２ｍｍとして、図２に示す板厚３ｍｍのセパレータを作製した。
【００４５】
このセパレータを、燃料電池のセパレータとして用いて、図１、２に示す燃料電池を得た。この燃料電池は、ガス流路内に入り込んだ水が、ガス流路の端部２０ａからリブ２１を伝ってリブの端部２１ａへとスムーズに移動し、ガス流路２０を閉塞することなくガス流路２０に入り込んだ水を速やかに排出できた。
【００４６】
（実施例２）
実施例１で作製したセパレータを、燃料電池の燃料極側のセパレータとして用い、酸化剤電極側のセパレータとして、図３、４に示す、電極層の反対側の面に、隣接する他の電池単セルの燃料極側のセパレータのガス流路の端部２０ａの位置から、ガス排出マニホールド１５ｂへ向けて形成された導水路４０としての溝４１（幅０．５ｍｍ，深さ０．５ｍｍ、長さ３ｍｍ）を有するセパレータを用いて、燃料電池を得た。
【００４７】
この燃料電池は、ガス流路内の水が、ガス流路の端部２０ａからリブ２１を伝ってリブの端部２１ａまで液滴がスムーズに移動すると共に、隣接する電池単セルの酸化剤電極側のセパレータに形成された溝４１を通じてガス排出マニホールド１５ｂへと排水でき、ガス流路に入り込んだ水を速やかに排水できた。
【００４８】
（実施例３）
実施例１で作製したセパレータを、燃料電池の燃料極側のセパレータとして用い、酸化剤電極側のセパレータとして、図５に示す、電極層の反対側の面に、隣接する他の電池単セルの燃料極側のセパレータのガス流路の端部２０ａの位置から、導水路４０を構成する透湿性材料４２として、多孔質カーボン（商品名；「ＴＧＰＨ-６０」  東レ製）が組み込まれたセパレータを用いて、燃料電池を得た。
【００４９】
この燃料電池は、ガス流路内の水が、ガス流路の端部２０ａからリブ２１を伝ってリブの端部２１ａまで液滴がスムーズに移動すると共に、表面張力等の作用によって、隣接する電池単セルの酸化剤電極側のセパレータに組み込まれた多孔質カーボンからなる透湿性材料４２に吸水されて、透湿性材料４２を通じてガス排出マニホールド１５ｂへと排水でき、ガス流路２０に入り込んだ水をより速やかに排水できた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す部分側断面図である。
【図２】同燃料電池のセパレータのガス流路構成を示す、ガス排出マニホールド近傍の拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の第２の実施形態を示す部分側断面図である。
【図４】同燃料電池の酸化剤電極層側のセパレータに形成された導水路の構造を示す部分拡大断面図である。
【図５】同燃料電池において酸化剤電極層側のセパレータに形成される上記導水路の他の例を示す部分拡大断面図である。
【図６】従来の燃料電池単セルの概略構造の一例を示す断面図である。
【図７】従来の燃料電池のセパレータのガス流路の構成図であって、燃料電極層側のセパレータの燃料電極層に対峙する面の構成図である。
【図８】従来の燃料電池のセパレータのガス流路の構成図であって、燃料電極層側のセパレータの、隣接する電池単セルの酸化剤電極層側のセパレータに対峙する面の構成図である。
【図９】従来の燃料電池のセパレータのガス流路の構成図であって、酸化剤電極層側のセパレータの酸化剤電極層に対峙する面の構成図である。
【図１０】従来の燃料電池のセパレータのガス流路の構成図であって、酸化剤電極層側のセパレータで、隣接する電池単セルの燃料電極層側のセパレータに対峙する面の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：電解質膜
２ａ：燃料電極層
２ｂ：酸化剤電極層
３：電極シール材
５：電池単セル
１０ａ、１０ｂ：セパレータ
１１ａ、１２ａ、１５ａ：ガス供給マニホールド
１１ｂ、１２ｂ、１５ｂ：ガス排出マニホールド
１３ａ：冷却水導入口
１３ｂ：冷却水排出口
２０：ガス流路
３０：冷却水路
４０：導水路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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