(57)【要約】      （修正有）【課題】反応生成水によって、ガスの加湿を的確に行う。【解決手段】多孔質材の毛細現象を利用しガスの加湿を行う。そこで，ガス流路を形成するセパレータを多孔質材を用いて構成し、このセパレータのガス流路面の毛細孔の開口をテーパー状に形成する。水滴と孔開口部との表面張力により水滴は容易に孔内に吸収されされる，これにより孔内の水流量が増加し加湿量を増加することが可能になる。さらに孔内を流れて来た水が開口部に達した場合は水面が孔内に留まることなく水面が凸状になりガスへの水蒸発が促進される。また，セパレータの周辺部を中央部に比して孔径が小さい多孔質材で構成する。【選択図】図３−１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を形成するセパレータを多孔質材を用いて構成し、
このセパレータのガス流路面の孔の開口をテーパー状に形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータの周縁部を中央部に比して孔径が小さい多孔質材で構成したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータのガス流路の形成面と反対側の面に水流路の溝を形成し、
この溝面の孔の開口をテーパー状に形成すると共に、このテーパーの頂角はガス流路面の孔のものよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータの中央部を非多孔質材で形成すると共に、その内部を周縁部方向に貫通する貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池つまりプロトン透過膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）等の燃料電池では、イオンの輸送のために電解質が湿潤していなければならないため、燃料電池外部に加湿器を設け、燃料電池に供給する燃料ガスや空気を加湿することが行われてきた。しかるに、燃料電池を自動車の動力源として使用する場合には、搭載空間の制限から外部加湿器等の周辺機器は利用しないことが望ましい。そのために、ガス流路を形成するセパレータに多孔質材を使用し、反応により生成する水を毛細現象を利用してガス流路の下流側から上流側に移動させ、電池内部でガスの加湿を行う燃料電池が考えられている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−１３８６９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この場合、以下のような問題があった。
【０００４】
多孔質材が親水性の素材であっても、ガス流路の水滴が多孔質材に吸収される際には、水滴と多孔質材表面との間に働く表面張力によって、水滴の多孔質材内への移動が妨げられるのため、十分な加湿量が得られない。また、多孔質材内の細孔を流れてきた水が放出される際には、水面が開口縁まで達すると、表面張力が水を細孔内に留める向きに働き、水の移動が制限されることでも、十分な加湿量が得られなくなっている。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガス流路を形成するセパレータを多孔質材を用いて構成する。このセパレータのガス流路面の孔の開口をテーパー状に形成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、反応生成水によって、多孔質材の毛細現象を利用して、ガスの加湿を行う燃料電池において、ガスの加湿を的確に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１、図２は、膜電極複合体（ＭＥＡ：高分子電解質膜の両面に触媒層、ガス拡散層を形成して燃料極、空気極を形成）１、ＭＥＡ１の一方の極に面するガス流路２、ガス流路２を形成するセパレータ３を表している。図示してないが、ＭＥＡ１のもう一方の極側には，その極に面するガス流路、セパレータが存在する。
【００１０】
セパレータ３は、多数の孔を持つ多孔質材にて形成する。図３−１、図３−２のように、多孔質材のセパレータ３のガス流路２の面の孔（空孔）４の開口５をテーパー状に拡開形成する。
【００１１】
すなわち、孔４をテーパー状に開口して、孔４の開口面積を十分に大きくする。このテーパーの頂角αは、鈍角にしている。
【００１２】
これは、ブラスト処理等の部材の表面を荒らす処理により，また多孔質材にバインダーや撥水剤等が含まれる場合は，表面を加熱しバインダー等を除去する処理により製作可能である。
【００１３】
図４−１、図４−２に従来の多孔質材（セパレータ）５０の孔５１の形状を示す。
【００１４】
従来のように、孔５１の開口部にテーパーがない場合や、テーパーの頂角が小さい場合は、多孔質材５０が親水性の素材であっても、水滴が多孔質材５０に吸収される際には、図４−１のように水滴と多孔質材５０の表面との間に働く表面張力によって、水滴の多孔質材５０内への移動が妨げられるため、十分な加湿量が得られない。また、多孔質材５０内の孔５１を流れてきた水が放出される際には、図４−２のように水面が開口縁まで達すると、表面張力が水を孔５０内に留める向きに働き、これによっても水の移動が制限され、十分な加湿量が得られなくなる。
【００１５】
これに対して、本形態のものは、水滴が多孔質材（セパレータ３）の孔４の開口部に付着した場合、図３−１のように水滴と孔４の開口５のテーパー状の面との間に働く表面張力によって水滴は容易に孔４内に吸収される。これにより、孔４内の水の流量が増加し、加湿量を増加することが可能となる。また、多孔質材（セパレータ３）内の孔４を流れてきた水が開口５に達した場合は、従来例のように水面が孔４内に留まることがなく、図３−２のように水面が凸形状になり、水面の面積も従来例よりも拡大する。このため、ガスへの水の蒸発が促進され、加湿量の増加が可能となる。
【００１６】
このように、本形態によれば、十分な加湿量を得ることができ、したがって反応により生成する水をガス流路２の下流側から上流側へ移動して、ガスの加湿を的確に行える。
【００１７】
また、ガス流路２に面している領域のみにおいて、孔４の開口５をテーパー状に拡大しているため、他の面からの水の流出を抑制でき、シール性能が向上する。
【００１８】
図５には、第２の実施形態を示す。
【００１９】
図５は、前図２の破線部分つまりセパレータのガス流路方向の構造を表している。
【００２０】
これは、セパレータ１０の周縁部、中央部を多孔質材にて形成すると共に、周縁部を、中央部の多孔質材１１に比して孔（空孔：図示しない）径の小さい多孔質材１２で形成している。
【００２１】
このようにすれば、セパレータ１０の外周部、ガス流路以外の面からの水の流出を抑制でき、シール性能が向上する。
【００２２】
また、セパレータ１０が一様な孔径を持つ多孔質材で構成されていると、セパレータ１０の中央部を通って周縁部に水が移動しにくいが、中央部の孔径は大きいので、中央部の水の流速は速く、中央部を通過する水の流量を増加させて、十分量の水を周縁部に送ることができる。
【００２３】
図６には、第３の実施形態を示す。
【００２４】
図６は、前図２の破線部分つまりセパレータのガス流路方向の構造を表している。
【００２５】
これは、多孔質材にて形成したセパレータ１５のガス流路の形成面と反対側の面に水流路の溝１６を形成し、この溝１６の面の孔（空孔：図示しない）の開口をテーパー状に形成すると共に、このテーパーの頂角はガス流路面の孔の開口のテーパーの頂角α（図３−１、図３−２参照）よりも大きく形成している。
【００２６】
このようにすれば、溝１６を通ってガス流路の下流側から上流側へ移動する水の流量を増加することができる。
【００２７】
また、溝１６の面の孔の開口のテーパーの頂角をガス流路面の孔のものよりも大きくすることにより、溝１６の部分での水の流入、流出の際の表面張力による抵抗が低減されるため、さらに加湿量を増加させることができる。
【００２８】
図７には、第４の実施形態を示す。
【００２９】
図７は、前図２の破線部分つまりセパレータのガス流路方向の構造を表している。
【００３０】
これは、セパレータ２０の周縁部を多孔質材２１で、中央部を非多孔質材２２で形成すると共に、中央部の内部を周縁部方向に貫通する径の十分に大きい貫通孔２３を設けている。貫通孔２３の径は、周縁部の多孔質材２１の孔（空孔：図示しない）径に対して十分に大きくする。
【００３１】
このようにすれば、セパレータ２０内を十分量の水を通すことができ、また、安価な非多孔質材を使用することで、コストを抑制することができる。
【００３２】
また、この場合、セパレータ２０の中央部に接続する周縁部の面の多孔質材２１の孔（図示しない）の開口をテーパー状に形成する。したがって、中央部の貫通孔２３と周縁部の多孔質材２１の孔の間の水の流入、流出の際の表面張力による抵抗が低減する。
【００３３】
貫通孔２３は、孔径が小さいほど、表面張力によって遠方まで液体を移動することができるが、単位重量当たりの液体に働く摩擦による抵抗が増加するため、孔内の液体の流速は低下する。また、孔径が非常に大きいと、単位重量当たりの液体に働く表面張力が低下するため、孔内の液体の流速は低下する。したがって、貫通孔２３の直径を下式で表される径の近傍に設定することで，空孔率を変えることなく孔内の水の流速を増加させることができる。空孔率は増加しないので，セパレータの強度が低下することはない。
【００３４】
ｄ = 4 σL cosθ / ρ g sinφ
ｄ : 空孔直径（断面形状が円でない場合は、相当直径を用いる）
σL :水の界面エネルギー
θ :接触角
ρ :水の密度
ｇ :重力加速度
φ :水平からの水の移動方向の角度
なお、各形態は、冷却あるいは加湿を行う水路を設けるものにも適用できる。また、１つのセパレータで水素流路と空気流路とを形成するものにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
車両用ならびに車両用以外の燃料電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態の燃料電池の部分断面図である。
【図２】燃料電池の部分斜視図である。
【図３−１】多孔質材の孔形状図である。
【図３−２】多孔質材の孔形状図である。
【図４−１】従来の孔形状図である。
【図４−２】従来の孔形状図である。
【図５】第２の実施形態のセパレータの部分斜視図である。
【図６】第３の実施形態のセパレータの部分上面図である。
【図７】第４の実施形態のセパレータの部分斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  膜電極複合体（ＭＥＡ）
２  ガス流路
３  セパレータ
４  孔
５  開口
１０  セパレータ
１１、１２  多孔質材
１５  セパレータ
１６  溝
２０  セパレータ
２１  多孔質材
２２  非多孔質材
２３  貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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