(57)【要約】【課題】反応ガス流路内に滞留する水によるガス閉塞の発生を抑制する。【解決手段】カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部に、導水部材６０が内挿される。導水部材６０は、比較的高い親水性を有する高親水性部位６０ｂと、比較的低い親水性を有する低親水性部位６０ａとが、それぞれ、ガス給排流路部の流路に沿って、導水部材６０の全体にわたって連続するように形成されている。【選択図】図８
2008004420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する表面に開口を有し、前記ガス流路形成部に前記開口を介して前記反応ガスを供給するためのガス供給流路部と、前記ガス流路形成部から前記開口を介して前記反応ガスを排出するためのガス排出流路部と、の少なくとも一方として機能する複数のガス給排流路部を備えており、
前記複数のガス給排流路部のうち、少なくとも一部のガス給排流路部には、多孔質部材によって形成された導水部材が内挿されており、
前記導水部材は、比較的高い親水性を有する高親水性部位と、比較的低い親水性を有する低親水性部位とが、それぞれ、前記ガス給排流路部の流路に沿って、前記導水部材の全体にわたって連続するように形成されている、
燃料電池。
【請求項２】
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する表面に開口を有し、前記ガス流路形成部に前記開口を介して前記反応ガスを供給するためのガス供給流路部と、前記ガス流路形成部から前記開口を介して前記反応ガスを排出するためのガス排出流路部と、の少なくとも一方として機能する複数のガス給排流路部を備えており、
前記複数のガス給排流路部のうち、少なくとも一部のガス給排流路部には、多孔質部材によって形成された導水部材が内挿されており、
前記導水部材が内挿されている前記ガス給排流路部において、前記導水部材が内挿されている内挿部位に対応する内壁面の少なくとも一部であって、前記ガス給排流路部の流路に沿った方向に連続する内壁面には、比較的高い親水性を有する高親水性部位としての前記導水部材よりも低い親水性を有する低親水性部位が形成されている、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体と前記ガス流路形成部と前記セパレータの積層方向に垂直な方向が鉛直方向であり、
前記導水部材は、前記ガス流路形成部に構成される前記鉛直方向に沿った前記反応ガス流路の下端側に、前記開口を有する前記ガス給排流路部に内挿されている、
燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記導水部材が内挿されている前記ガス給排流路部は、前記ガス排出流路部である、
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記導水部材が内挿される前記ガス給排流路部は、カソード電極として機能する前記電極に対応する前記ガス流路形成部上に配置されたセパレータに備えられている、
燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記低親水性部位は、前記高親水性部位に比べて、固体表面における水滴の接触角が大きくなるように撥水化処理がなされている、
燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記低親水性部位の前記接触角は９０度以上である、
燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記高親水性部位は、前記低親水性部位に比べて固体表面における水滴の接触角が小さくなるように親水化処理がなされている、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池において、導電性多孔部材によって構成される反応ガス流路内に滞留する水によるガス閉塞の発生を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池は、一般に、電解質膜と電解質膜上に設けられた電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）と、を備える単セルを、セパレータにより挟持することにより構成される。そして、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の電極に対しての給排は、例えば、単セルを挟持するセパレータに設けられた貫通孔を介して行うことが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって、水が生成される。この生成水は、上記燃料電池の場合、貫通孔を介して排出される反応ガスとともに外部に排出される。しかし、この貫通孔は、例えば、低温時における水の凍結により閉塞する場合がある。貫通孔が閉塞すると、反応ガスの排出が妨げられ、結果として、燃料電池の発電能力が低下し、さらには、発電停止となる可能性がある。なお、以下では、反応ガスの流れが妨げられることを、簡単に「ガス閉塞」とも呼ぶ。
【０００５】
特に、電解質膜上に設けられた電極に対して反応ガスを給排すると共に、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために、電極とセパレータとの間に、多孔質な導電性部材から成る層（以下では、ガス流路形成部とも呼ぶ。）が反応ガス流路として配設される場合には、多孔質な部材の気孔に滞留する生成水が多くなるため、低温時における凍結により、貫通孔が閉塞する可能性がより高くなり、ガス閉塞が発生する可能性が高くなる。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、導電性多孔質部材によって構成される反応ガス流路内に滞留する水によるガス閉塞の発生を抑制する技術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】
【０００７】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する表面に開口を有し、前記ガス流路形成部に前記開口を介して前記反応ガスを供給するためのガス供給流路部と、前記ガス流路形成部から前記開口を介して前記反応ガスを排出するためのガス排出流路部と、の少なくとも一方として機能する複数のガス給排流路部を備えており、
前記複数のガス給排流路部のうち、少なくとも一部のガス給排流路部には、多孔質部材によって形成された導水部材が内挿されており、
前記導水部材は、比較的高い親水性を有する高親水性部位と、比較的低い親水性を有する低親水性部位とが、それぞれ、前記ガス給排流路部の流路に沿って、前記導水部材の全体にわたって連続するように形成されている、
ことを特徴とする。
【０００８】
上記構成の第１の燃料電池によれば、電気化学反応により生成されてガス流路形成部に滞留する水の量を、導水部材による排水の促進により低下させることができる。また、導水部材を介して排出される水は、導水部材の低親水性部位への移動が抑制され、高親水性部位を介して排出されることになる。これにより、低親水性部位には、ほとんど水が含まれないことになるので、例えば、低温時において、導水部材に含まれている水が凍結しても、低親水性部位の凍結を防ぐことができ、ガス流路を確保することができるので、ガス閉塞の発生を抑制することができる。
【０００９】
また、第２の燃料電池は、
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、前記ガス流路形成部上に積層して配置されたセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記ガス流路形成部に当接する表面に開口を有し、前記ガス流路形成部に前記開口を介して前記反応ガスを供給するためのガス供給流路部と、前記ガス流路形成部から前記開口を介して前記反応ガスを排出するためのガス排出流路部と、の少なくとも一方として機能する複数のガス給排流路部を備えており、
前記複数のガス給排流路部のうち、少なくとも一部のガス給排流路部には、多孔質部材によって形成された導水部材が内挿されており、
前記導水部材が内挿されている前記ガス給排流路部において、前記導水部材が内挿されている内挿部位に対応する内壁面の少なくとも一部であって、前記ガス給排流路部の流路に沿った方向に連続する内壁面には、比較的高い親水性を有する高親水性部位としての前記導水部材よりも低い親水性を有する低親水性部位が形成されている、
ことを特徴とする。
【００１０】
上記構成の第２の燃料電池においても、電気化学反応による生成されてガス流路形成部に滞留する水の量を、導水部材による排水の促進により低下させることができる。また、ガス給排流路部において、導水部材が内挿されている内挿部位に対応する内壁面のうち少なくとも一部であって、ガス給排流路部の流路に沿った方向に連続する内壁面には、導水部材よりも親水性の低い低親水性部位が形成されているので、導水部材を介して排出される水は、上記低親水性部位が形成されている内壁面付近への移動が抑制される。これにより、低親水性部位が形成されているガス給排流路部の内壁面付近は、ほとんど水が含まれないことになるので、例えば、低温時において、導水部材に含まれている生成水が凍結しても、ガス給排流路部の低親水性部位が形成されている内壁面近傍における凍結を防ぐことができ、ガス流路を確保することができるので、ガス閉塞の発生を抑制することができる。
【００１１】
上記燃料電池において、
前記膜電極接合体と前記ガス流路形成部と前記セパレータの積層方向に垂直な方向が鉛直方向であり、
前記導水部材は、前記ガス流路形成部に構成される前記鉛直方向に沿った前記反応ガス流路の下端側に、前記開口を有する前記ガス給排流路部に内挿されているようにしてもよい。
【００１２】
このような構成とすれば、ガス流路形成部に滞留する水を自重により効率よく排出することが可能となり、ガス流路形成部に滞留する水を抑制することができるので、ガス流路形成部に滞留する水によるガス閉塞を抑制することができる。
【００１３】
また、上記燃料電池において、
前記導水部材が内挿されている前記ガス給排流路部は、前記ガス排出流路部であるようにしてもよい。
【００１４】
このような構成とすれば、ガス排出流路部を介して接続されるガス排出マニホールドへ排出された水の逆流により、ガス排出流路流路部におけるガス閉塞が発生することを抑制することができる。
【００１５】
なお、前記導水部材が内挿される前記ガス給排流路部は、カソード電極として機能する前記電極に対応する前記ガス流路形成部上に配置されたセパレータに備えられていることが好ましい。
【００１６】
電気化学反応により水が生成されるのは、カソード電極であるので、このような構成とすれば、効果的なガス閉塞の抑制が可能である。
【００１７】
また、前記低親水性部位は、前記高親水性部位に比べて、固体表面における水滴の接触角が大きくなるように撥水化処理がなされているようにしてもよく、あるいは、前記高親水性部位は、前記低親水性部位に比べて固体表面における水滴の接触角が小さくなるように親水化処理がなされているようにしてもよい。
【００１８】
いずれのようにしても、低親水性部位が高親水性部位に比べて親水性が低く、言い換えると、撥水性が高くなるようにすることが容易に可能である。
【００１９】
また、前記低親水性部位は、前記高親水性部位に比べて、固体表面における水滴の接触角が大きくなるように撥水化処理がなされているようにし、かつ、前記高親水性部位は、前記低親水性部位に比べて固体表面における水滴の接触角が小さくなるように親水化処理がなされているようにしてもよい。
【００２０】
このようにすれば、生成水は、反応ガス流路閉塞抑制部位以外の親水化処理がなされた部位に移動しやすくなり、撥水化処理がなされた低親水性部位への移動の抑制効果を高めることが可能である。また、親水化処理がなされた部位による生成水の排出を促進することも可能である。
【００２１】
なお、前記低親水性部位の前記接触角は９０度以上であることが好ましい。
【００２２】
このようにすれば、高い撥水性が得られるので、低親水性部位への水の移動の抑制効果を高めることが可能である。
【００２３】
本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池や、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置、その燃料電池システムを備える電気自動車等の態様で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
Ａ３．酸化ガス排出流路部の構成：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２５】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、スタック１１０と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。スタック１１０は、モジュール２００が、設置面に対して垂直に複数個積層されて構成される。また、スタック１１０は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。そして、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、スタック１１０（各モジュール２００）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、設置面は、鉛直方向に垂直な方向（水平方向）に沿った面（水平面）である。
【００２６】
燃料電池１００のカソード（図１には示さず）には、酸化ガス（カソードガス）が供給され、電気化学反応後、酸化排ガスとして燃料電池１００外に排出される。燃料電池１００のアノード（図１には示さず）には、燃料ガス（アノードガス）が供給され、電気化学反応後、燃料排ガスとして燃料電池１００外に排出される。また、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）が供給される。
【００２７】
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す断面模式図である。モジュール２００は、図２に示すように、単セル１０とセパレータ３０とを交互に積層して構成される。なお、以下では、単セル１０とセパレータ３０とを積層する方向（ｘ方向）を積層方向とも呼び、単セル１０のセパレータ３０を積層する面に平行な方向（ｙ方向）を面方向とも呼ぶ。また、図２では、面方向は鉛直方向となっており、面方向下向きが重力方向となっている。
【００２８】
単セル１０は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２と、ＭＥＡ１２の外側に配設されたガス流路形成部１４，１５と、シール部１６と、を備える。ここで、ＭＥＡ１２は、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、上記触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層２６，２８と、を備えている。
【００２９】
電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。ガス拡散層２６，２８は、例えばカーボン製の多孔質部材である。なお、ガス拡散層は、触媒電極に対するガス供給効率を向上させるとともに、ガス流路形成部と触媒電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する働きを有するが、ガス流路形成部の構成材料やガス流路形成部の気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしてもよい。
【００３０】
ガス流路形成部１４，１５は、発砲金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン（Ｔｉ）製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部１４，１５は、ＭＥＡ１２とセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。記述したガス拡散層においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、ガス流路形成部１４，１５は、単セル１０に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。この場合、特に、ガス流路形成部１５を酸化ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部１４内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。また、ガス流路形成部１５を燃料ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部１５内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。
【００３１】
シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡ１２およびガス流路形成部１４，１５の外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡ１２およびと一体で形成されている。
【００３２】
図３は、ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図３の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図２に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図２において一点鎖線で示す）を、図３の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬを形成する。なお、図３では、シール部１６と一体化されたＭＥＡにおける外部に露出している部分（以下では、「集電領域」と呼ぶ。）を、ハッチを付して示している。また、図３では、シール部１６内部に埋め込まれているＭＥＡ１２の外周線を、破線で示している。なお、図３では図示を省略するが、ガス流路形成部１４，１５は上記集電領域と略同一形状に形成されており、集電領域においてシール部１６に嵌め込まれている。
【００３３】
セパレータ３０は、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ３０は、図２に示すように、ガス流路形成部１４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、図２に示すように、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。
【００３４】
図４は、カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。図５は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図６は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。
【００３５】
カソード側プレート３１（図４）およびアノード側プレート３２（図５）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック１１０を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ２ outと表わす）。また、穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ２ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ２ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。なお、中間プレート３３（図６）は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。
【００３６】
また、カソード側プレート３１は、図４に示すように、穴部４０の近傍に穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。アノード側プレート３２は、図６に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。中間プレート３３においては、図６に示すように、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、突出する複数の突出部（以下では、連通部５４と呼ぶ。）を備える形状となっている。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３３では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。
【００３７】
図２に示すように、燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間およびカソード側プレート３１の連通孔５０により構成される酸化ガス供給流路部を介して、ガス流路形成部１４内に形成される酸化ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間およびアノード側プレート３２の連通孔５２により構成される燃料ガス供給流路部を介して、ガス流路形成部１５内に形成される燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間により構成される燃料ガス排出流路部を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。
【００３８】
なお、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間およびカソード側プレート３１の連通孔５０により構成される酸化ガス供給流路部や、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間およびアノード側プレート３２の連通孔５２により構成される燃料ガス供給流路部が、請求項におけるガス供給流路部に相当する。また、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部や、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間により構成される燃料ガス排出流路部が、請求項におけるガス排出流路部に相当する。さらに、これらガス供給流路部やガス排出流路部が、請求項におけるガス給排流路部に相当する。
【００３９】
ところで、カソード２２（図２）では、電気化学反応により水が生成される。この生成水は、ガス流路形成部１４の毛管吸引力により酸化ガス流路（ガス流路形成部１４）中に拡散し、通過する酸化ガスに押し出されて連通孔５１を介して酸化ガス排出マニホールドを形成する穴部４１へ排出される。さらに、アノード２４（図２）においても、カソード２２側から電解質膜２０を透過してくるなどして水が生じ、同様に、燃料ガスとともに、連通孔５３（図５）を介して燃料ガス排出マニホールドを形成する穴部４３へ排出される。
【００４０】
また、ガス流路形成部１４中に拡散した水の中には、通過する酸化ガスに押し出されずに滞留する水もある。このような水は、自重により次第に鉛直方向下向きに移動し、連通孔５１付近に蓄積される。そして、連通孔５１付近で保持可能な上限水量を超えると、ガス流路形成部１４から連通孔５１へ排出され、連通部５５が形成する空間を介して酸化ガス排出マニホールドとしての穴部４１に排出される。このようにして行われる水の排出を促進するために、連通孔５１および連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部には、多孔質部材によって形成された導水部材６０（図２）が内挿されており、この導水部材６０によってガス流路形成部１４中の水の排出が促進される。なお、本実施例の燃料電池１００は、この導水部材６０の構造に特徴を有しているが、その詳細は後で詳述する。
【００４１】
図３ないし図６においてＡ−Ａ断面の位置を示しているが、このＡ−Ａ断面の位置は、図２に示した断面図に相当する位置を表わしている。図２に示すように、Ａ−Ａ断面では、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドから、中間プレート３３の連通部５４およびカソード側プレート３１の連通孔５０により形成される酸化ガス供給連通部を介して、ガス流路形成部１４内へと酸化ガスが供給される様子が表わされる。さらに、Ａ−Ａ断面では、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子が表わされる。
【００４２】
なお、中間プレート３３（図６）は、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。
【００４３】
Ａ３．酸化ガス排出流路部の構成：
図７は、酸化ガス排出流路部に内挿される導水部材６０の概略形状を示す説明図である。図７（ａ）は、導水部材６０を図２のガス流路形成部１４側から見た正面図であり、図７（ｂ）は、導水部材６０を図２の紙面表側から見た側面図であり、図７（ｃ）は、導水部材６０を図２のアノード側プレート３２側から見た背面図である。また、図７（ｄ）は、図４のカソード側プレート３１の連通孔５１および図６の中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部に、導水部材６０を内挿した状態の一部分を拡大して示しており、アノード側プレート３２側から見た様子を示している。
【００４４】
図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、導水部材６０は、円柱状の先端部６２と、正面から見た形状が鉛直下方向に尖った略ティアドロップ形状を有する柱状のフランジ部６４と、を備えている。先端部６２とフランジ部６４とは多孔質体を用いて一体に形成されている。多孔質体としては、ガス流路形成部１４，１５と同じ、金属製多孔質体を用いることができる。ただし、これに限定されるものではなく、ガス流路形成部１４，１５とは異なった金属製多孔質体を用いることもできる。また、カーボン製の多孔質体など種々の多孔質体を用いることができる。
【００４５】
導水部材６０は、図７（ｄ）に示すように、先端部６２をカソード側プレート３１の連通孔５１に挿入することにより、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部に内挿される。なお、導水部材６０は、酸化ガス排出流路部の内壁面に接していても接していなくてもよい。
【００４６】
ここで、導水部材６０は、比較的低い親水性を有する低親水性部位６０ａと、比較的高い親水性を有する高親水性部位６０ｂとを備えている。低親水性部位６０ａおよび高親水性部位６０ｂは、それぞれ、連通孔５１および連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路の壁面に沿って、導水部材６０の全体にわたって連続するように形成されている。具体的には、図７に示すように、導水部材６０の、連通孔５１の鉛直方向（ｙ方向）の上端側の内壁側、連通部５５の上鉛直方向の上端側の内壁側、および、連通部５５の中間プレート３３側の内壁側の部分に、低親水性部位６０ａが形成されており、他の部分に高親水性部位６０ｂが形成されている。
【００４７】
低親水性部位６０ａは、固体表面（気孔表面を含む）における水滴の接触角が高くなるように、テフロン（登録商標）などの撥水化処理部材を塗工する撥水化処理を施すことにより形成することができる。このとき、例えば、接触角が９０度以上となるような撥水化処理をすれば、非常に高い撥水性、言い換えると、非常に低い親水性を有することができる。また、高親水性部位６０ｂは、固体表面（気孔表面を含む）における水滴の接触角が低くなるように、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２などの親水化水化処理部材を塗工する親水化処理を施すことにより形成することができる。このとき、例えば、接触角が６０度以下となるような親水化処理をすれば、非常に高い親水性を有することができる。
【００４８】
図８は、酸化ガス排出流路部における排水動作について説明図である。図８は、図７（ｄ）のＢ−Ｂ位置における断面模式図である。なお、図中の矢印は水の流れの概略を模式的に示している。
【００４９】
導水部材６０は、上記したように、多孔質体により形成されているので、導水部材６０が挿入されない場合に比べて、ガス排出流路部内における固体表面に接触する水の単位体積あたりの接触面積を増加させることができるため、ガス流路形成部１４から水の移動を促進することができ、結果として、ガス流路形成部１４からの排水を促進することができる。なお、排水の促進効果を高めるためには、ガス流路形成部１４の気孔率よりも導水部材６０の気孔率を高くするほうが好ましい。
【００５０】
以上説明したように、導水部材６０によりガス流路形成部１４からの排水を促進し、ガス流路形成部１４に滞留する水の量を抑制することが可能である。しかしながら、多孔質体の構造上、水の滞留を完全になくすことは困難であり、運転停止時に、ガス流路形成部１４内に水が残留する可能性が高い。そして、この残水は、導水部材６０に移動して、導水部材６０内において連続した水の領域（「水膜」と呼ばれる）を形成する。そして、この水膜が低温時に凍結すると、酸化ガス排出流路部を閉塞することにより、結果として、酸化ガスのガス閉塞を招くことになる。
【００５１】
ここで、導水部材６０は、上記したように、高親水性部位６０ｂと低親水性部位６０ａとで構成されている。高親水性部位６０ｂは、親水化処理が施されており、ガス流路形成部１４からの排水を促進する機能を担っている。一方、低親水性部位６０ａは、撥水化処理が施されており、ガス流路形成部１４や高親水性部位６０ｂからの水の移動を抑制する。これにより、燃料電池の運転停止後において、ガス流路形成部１４から排出される水は、ほとんど導水部材６０の高親水性部位６０ｂへ移動する。そして、高親水性部位６０ｂに含まれている水は、低親水性部位６０ａとの境界で撥ねられることになる。このため、低親水性部６０ａは、水をほとんど含まず水膜の形成を抑制することができるので、低温時における低親水性部位６０ａの凍結を抑制することができる。この結果、燃料電池の運転停止後における低温時において、酸化ガス排出流路部に内挿されている導水部材６０のうち、高親水性部位６０ｂによる酸化ガス流路が凍結により閉塞しても、低親水性部位６０ａの凍結を抑制して酸化ガス流路として確保することができるので、酸化ガスのガス閉塞が発生することを抑制することができる。
【００５２】
なお、必ずしも、高親水性部位６０ｂに親水化処理を施す必要はないが、高親水性部位６０ｂに親水化処理を施すことにより、高親水性部位６０ｂへの水の移動を促進することができるので、低親水性部位６０ａへの水の移動の抑制効果をいっそう高めることが可能である。
【００５３】
以上のように、本実施例の燃料電池１００では、導水部材６０は、比較的低い親水性を有する低親水性部位６０ａと、比較的高い親水性を有する高親水性部位６０ｂとを備えている。低親水性部位６０ａおよび高親水性部位６０ｂは、それぞれ、連通孔５１および連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部の壁面に沿って、導水部材６０の全体にわたって連続するように形成される。これにより、導水部材６０中において、低親水性部位６０ａにおける水の滞留を抑制して水膜の形成を抑制することができる。この結果、燃料電池の運転停止後における低温時において、酸化ガス排出流路部の全てが凍結して酸化ガス流路が閉塞することを抑制することができるので、酸化ガスのガス閉塞が発生することを抑制することが可能となる。
【００５４】
なお、上記実施例の導水部材６０は、先端部６２の上側の部分およびこれに続くフランジ部６４の部分に低親水性部位６０ａを備える場合を例に示したが、これに限定されるものではく、例えば、先端部６２の下側の部分およびこれに続くフランジ部６４の部分に低親水性部位を備えるようにしてもよい。すなわち、比較的高い親水性を有する高親水性部位と、比較的低い親水性を有する低親水性部位とが、酸化ガス排出流路部の流路に沿って、導水部材の全体にわたって連続するように形成されていればよい。
【００５５】
また、上記実施例の導水部材６０のフランジ部６４は、鉛直下方向に尖った略ティアドロップ形状を有する柱状のフランジ部を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ガス流路形成部１４からの水の排出を促進することが可能な形状ならばどのような形状でも良い。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における酸化ガス排出流路部における排水動作について説明図である。図９も、図８と同様に、図７（ｄ）のＢ−Ｂ位置における断面模式図である。
【００５７】
第２実施例における導水部材６０'は、第１実施例の導水部材６０と同様の形状を有しており、多孔質体により形成されている。ただし、第１実施例の導水部材６０のような低親水性部位を備えておらず、全て高親水性部位となっている。
【００５８】
ただし、導水部材６０'が内挿されている酸化ガス排出流路部において、その導水部材６０'の内挿部位に対応する内壁面のうち、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２の上側の内壁面と中間プレート３３の内壁面に、撥水化処理が施された低親水性部位３０ａが、ガス給排流路部の流路に沿った方向で内挿部位に対応する内壁面の全体にわたって連続するように形成されている。なお、導水部材６０'は、酸化ガス排出流路部の内壁面に接していても接していなくてもよい。
【００５９】
第２実施例においても、酸化ガス排出流路部の内壁面に形成された低親水性部位３０ａは、撥水化処理が施されているので、ガス流路形成部１４から排出される水や導水部材６０'に含まれる水が低親水性部位３０ａに接するとはじかれる。この結果、水は、低親水性部位３０ａに接しない領域に移動することになり、低親水性部位３０ａの近傍には、水が滞留せず、水膜が形成されることが抑制されるので、低親水性部位３０ａの近傍の酸化ガス排出流路部は、低温時における凍結を抑制することができる。この結果、燃料電池の運転停止後における低温時において、低親水性部位３０ａの近傍を除く酸化ガス排出流路部が凍結により閉塞しても、低親水性部位３０ａの近傍の酸化ガス排出流路部の凍結を抑制して酸化ガス流路として確保することができるので、酸化ガスのガス閉塞が発生することを抑制することができる。
【００６０】
なお、上記実施例では、カソード側プレート３１の貫通孔５１の上側の内壁面とこれに続く連通部５５が形成する空間の内壁面に、撥水化処理が施された低親水性部位３０ａが形成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード側プレート３１の貫通孔５１の下側の内壁面とこれに続く連通部５５が形成する空間の内壁面に、低親水性部位が形成されているようにしてもよい。また、カソード側プレート３１の貫通孔５１の内壁面の全面とこれに続く連通部５５が形成する空間の内壁面に、低親水性部位が形成されるようにしてもよい。すなわち、導水部材が内挿されている内挿部位に対応する内壁面の少なくとも一部であって、前記ガス給排流路部の流路に沿った方向に連続する内壁面に、低親水性部位が形成されているようにすればよい。
【００６１】
また、上記実施例の導水部材６０'は、説明の便宜上、第１実施例の導水部材６０と同じ形状を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ガス流路形成部１４からの水の排出を促進することが可能な形状ならばどのような形状でも良い。
【００６２】
Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００６３】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される複数の酸化ガス排出流路部のいずれにも、導水部材を内挿する場合を示しているが、これに限定されるものではなく、一部の酸化ガス排出流路部に導出部材を内挿するようにしてもよい。このようにしても、燃料電池の運転停止後において、低温時凍結により発生する酸化ガスのガス閉塞を抑制することができる。
【００６４】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例において、接触角が大きくなるように撥水化処理を施すことにより低親水性部位を形成し、接触角が小さくなるように親水化処理を施すことにより高親水性部位を形成する場合を例に説明しているが、これに限定されるものではない。低親水性部位についてのみ、低親水化処理（撥水化処理を含む）を施すようにしてもよく、高親水性部位についてのみ、高親水化処理を施すようにしてもよい。要するに、高親水性部位と低親水性部位とで、親水性に差が発生するように、構成されていればよい。
【００６５】
なお、低親水性部は接触角が９０度未満の状態であってもよいが、実施例のように接触角が９０度以上の高い撥水性を有する状態とした方が望ましい。また、高親水性部位は接触角が９０度未満でより小さくなる状態、すなわち、実施例のように、高い親水性（例えば、接触角が６０度以下）を有する状態としたほうが望ましい。このように、低親水性部位は接触角が大きく高い撥水性を有することにし、高親水性部位は接触角が小さく高い親水性を有するようにすれば、燃料電池の運転時における水の排出を促進して、酸化ガス流路の閉塞を抑制することができるとともに、運転停止時における酸化ガス排出流路部の低温時凍結による閉塞を抑制して、酸化ガスのガス閉塞の発生を抑制することができる。
【００６６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間により構成される酸化ガス排出流路部に導水部材を内挿する場合を例に説明しているが、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間およびカソード側プレート３１の連通孔５０により構成される酸化ガス供給流路部に、導水部材を内挿するようにしてもよい。このようにしても、燃料電池の運転停止後において、酸化ガス供給流路部が凍結することにより酸化ガスのガス閉塞が発生することを抑制することができる。特に、ガス供給流路部を構成する連通孔５０が、ガス流路形成部１４の鉛直方向の下端側に対応する位置に設けられている場合に、燃料電池の運転停止後に、ガス流路形成部１４に滞留する水を効果的に排出することが可能であり、低温時ガス供給流路部が凍結して、酸化ガスのガス閉塞が発生することを抑制することができる。
【００６７】
また、複数の酸化ガス排出流路部および複数の酸化ガス供給流路部の全てに導水部材が内挿されるようにしてもよく、また、一部の酸化ガス排出流路部および一部の酸化ガス供給流路部に導水部材を内挿するようにしてもよい。
【００６８】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例や変形例３では、酸化ガス排出流路部や酸化ガス供給流路部に導水部材を内挿する場合を例に説明しているが、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間およびアノード側プレート３２の連通孔５２により構成される燃料ガス供給流路部やアノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間により構成される燃料ガス排出流路部に導水部材を内挿するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】第１実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す断面模式図である。
【図３】ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。
【図４】カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。
【図５】アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。
【図６】中間プレート３３の形状を示す説明図である。
【図７】酸化ガス排出流路部に内挿される導水部材６０の概略形状を示す説明図である。
【図８】酸化ガス排出流路部における排水動作について説明図である。
【図９】第２実施例における酸化ガス排出流路部における排水動作について説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０...単セル
１４...ガス流路形成部
１５...ガス流路形成部
１６...シール部
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２６...ガス拡散層
２８...ガス拡散層
３０...セパレータ
３０ａ...低親水性部位
３１...カソード側プレート
３２...アノード側プレート
３３...中間プレート
６０...導水部材
６０ａ...低親水性部位
６０ｂ...高親水性部位
６２...先端部
６４...フランジ部
６０'...導水部材
１００...燃料電池
１１０...スタック
２００...モジュール
３００...エンドプレート
３１０...テンションプレート
３２０...ボルト
３３０...インシュレータ
３４０...ターミナル
【図１】
2008004420.tif 000003
【図２】
2008004420.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008004420.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008004420.tif 000008
【図７】
2008004420.tif 000009
【図８】
2008004420.tif 000010
【図９】
2008004420.tif 000011