(57)【要約】【課題】  固体高分子型燃料電池における水の排出性を向上させる。【解決手段】  高分子膜１の一方の側に燃料極２ａを備えたガス拡散部材３ａを、同他方の側に酸化剤極２ｂを備えたガス拡散部材３ｂをそれぞれ設け、各ガス拡散部材３ａ，３ｂの高分子膜１と反対側にガスセパレート部材６を配置する。ガスセパレート部材６と各ガス拡散部材３ａ，３ｂとの間に、燃料ガス流路５ａ，酸化剤ガス流路５ｂをそれぞれ形成するガス流路形成部材４ａ，４ｂを配置する。ガスセパレート部材６をプレート状に形成してそのガス拡散部材３ａ，３ｂ側の表面に水移動可能な細溝６ａ，６ｂを形成し、この各細溝６ａ，６ｂを、燃料ガス流路５ａ，酸化剤ガス流路５ｂから、ガス流路形成部材４ａ，４ｂとガスセパレート部材６との当接面にわたり設ける。【選択図】      図１
2005276519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータをプレート状に形成してその前記ガス拡散層側の表面に水移動可能な溝を形成し、この溝を備えたセパレータと前記ガス拡散層との間に、前記ガス流路を形成するガス流路形成部材を設け、前記セパレータの溝を、前記ガス流路に対向する部位と前記ガス流路形成部材に当接する部位とにわたり設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池において、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流路は、流れるガスを鉛直方向下側から供給して同上側から排出する構造であり、前記溝を、前記ガス供給側とガス排出側とにわたり設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池において、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流路は、ガス入口側とガス出口側とをＵターン形状に結ぶ構造であり、前記溝を、前記ガス入口側付近とガス出口側付近とにわたり設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記ガス流路の出口付近を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記溝の水移動方向に交差する方向の断面形状を、Ｖ字型とすることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記ガス流路形成部材を前記ガス拡散層と一体とすることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記セパレータの溝を、前記ガス流路から、前記ガス流路形成部材との当接面を経て、前記ガス流路に隣接する他のガス流路にわたり設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記ガス流路形成部材の前記セパレータとの当接面に、水移動可能な溝を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータを波板状に形成してその前記ガス拡散層側の表面に、前記波形状によって水移動可能な溝を形成し、この溝を備えたセパレータと前記ガス拡散層との間に、前記ガス流路を形成するガス流路形成部材を設け、前記セパレータの溝を、前記ガス流路に対向する部位と前記ガス流路形成部材に当接する部位とにわたり設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータをプレート状に形成して前記ガス拡散層との間に前記ガス流路を形成するガス流路形成部材を設け、前記セパレータの前記ガス流路形成部材側の面に水移動可能な凹凸部を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の固体高分子型燃料電池において、前記凹凸部は、前記セパレータの表面に形成した表面粗さであることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータをプレート状に形成して前記ガス拡散層側の面に水移動可能な溝を形成し、この溝を備えたセパレータと前記ガス拡散層との間に、前記ガス流路を形成する多孔性のガス流路形成部材を設け、前記セパレータの溝を、少なくとも前記ガス流路形成部材との当接面に設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、各ガス拡散層の電解質膜と反対側にセパレータを配置し、このセパレータと各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた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は、反応生成水や凝縮水がガス流路を塞いでしまうことが挙げられる。
【０００３】
そこで、ガス流路中に存在する水を円滑に排除するために、例えば下記特許文献１には、セパレータに設けたガス流路に沿ってその底部に細溝を設け、この細溝に水を伝わらせて排除する方法が開示されている。
【０００４】
あるいは下記特許文献２のように、ガス流路表面を親水処理して水の排出性を向上させるものもある。
【特許文献１】ＷＯ９８−５２２４２号公報（第２３頁第１４行〜第２４頁第２４行，第１３図）
【特許文献２】特開平８−１３８６９２号公報（段落００３２，図１，図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献１に関しては、ガス流路の方向に沿って水を排出するものであることから、水を排出（移動）させる方向はガス流路の方向に支配されてしまうといった問題がある。また、特許文献２に関しては、表面の親水処理だけでは水の排出性が不充分である。
【０００６】
そこで、本発明は、固体高分子型燃料電池における水の排出性を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータをプレート状に形成してその前記ガス拡散層側の表面に水移動可能な溝を形成し、この溝を備えたセパレータと前記ガス拡散層との間に、前記ガス流路を形成するガス流路形成部材を設け、前記セパレータの溝を、前記ガス流路に対向する部位と前記ガス流路形成部材に当接する部位とにわたり設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、プレート状のセパレータのガス拡散層側の表面に形成した水移動可能な溝を、ガス流路に対向する部位とガス流路形成部材に当接する部位とにわたり設けたので、溝における毛細管力（ウィッキング）作用により、容易にガス流路方向に限定されることなくセパレータ面内でその面方向に水を移動させることができ、溝を形成するという簡単な構造によって水の滞留を防止して排出性が向上し、反応ガスのガス流路への配流を均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
［第１の実施形態］
（構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる固体高分子型燃料電池の断面図である。高分子膜１の両側に、表面に白金などの触媒層を形成した燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂをそれぞれ設け、各触媒層に隣り合うようにガス拡散層としてのガス拡散部材３ａ，３ｂをそれぞれ配置した膜電極複合体３が存在する。なお、高分子膜１としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜などを用る。
【００１１】
上記した膜電極複合体３から電流を取り出すために、反応ガスである燃料ガス（水素を主成分とするガス）および酸化剤ガス（空気）を、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂにそれぞれ供給する。燃料ガスは、一般的には都市ガスなどの炭化水素系燃料を改質したものを利用することが多く、水素を主成分としているが、自動車用の燃料電池に関しては、近年、純水素（Ｈ2）を供給することが多い。
【００１２】
また、膜電極複合体３の両側に接するように、ガス流路形成部材４ａ，４ｂをそれぞれ設ける。この各ガス流路形成部材４ａ，４ｂの隙間に形成される空間が、それぞれ前記した燃料ガスを流す燃料ガス流路５ａ，酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路５ｂとなる。
【００１３】
さらに、各ガス流路形成部材４ａ，４ｂの隣には、水移動手段として両面に図１中で上下方向に延びる細溝６ａ，６ｂを形成したセパレータとしてのガスセパレート部材６を配置し、これらの構成、すなわち膜電極複合体３、ガス流路形成部材４ａ，４ｂおよびガスセパレート部材６で、単位電池を形成する。
【００１４】
ガス拡散部材３ａ，３ｂは、ガスが透過しやすいカーボンペーパや不織布で構成し、ガス流路形成部材４ａ，４ｂおよびガスセパレート部材６は、緻密なカーボンプレートで構成する。ガスセパレート部材６は、ガスが透過しない緻密性が要求されるが、ガス流路形成部材４ａ，４ｂは緻密な材料に限るものではない。これらのガス拡散部材３ａ，３ｂ、ガス流路形成部材４ａ，４ｂおよびガスセパレート部材６，６は、燃料ガス側，酸化剤ガス側の双方ともに、その周囲を熱可塑性の樹脂で熱圧着して一体化の構成とする。
【００１５】
上記した単位電池の繰り返し並設積層構造で、図１に示すような固体高分子型燃料電池を形成する。なお、必要に応じて所定の位置に燃料電池を冷却するための冷却板を挟んでもよい。
【００１６】
図２は、上記図１における固体高分子型燃料電池の燃料ガス流路５ａおよび酸化剤ガス流路５ｂに沿ったＡ−Ａ断面図であり、ガスセパレート部材６の両面に形成した図２中で紙面に直交する方向に延びる細溝６ａ，６ｂの断面形状がわかりやすく示唆される。
【００１７】
ここでのガスセパレート部材６の細溝６ａ，６ｂは、断面形状を長方形としており、その幅および深さは、概略１０μｍ〜２００μｍ程度が望ましい。
【００１８】
図３は、酸化剤側のガス拡散部材３ｂに接するガス流路形成部材４ｂ並びにガスセパレート部材６を、上述のように樹脂の熱圧着で一体化したものの平面図である。ここでは、ガス拡散部材３ｂを省略し、ガスセパレート部材６の上にガス流路形成部材４ｂが重なった状態を示しており、図３に示す上下関係の状態で本燃料電池を使用する。
【００１９】
ガス流路形成部材４ｂは、図３中で右下の酸化剤入口マニホールド７ｂと同左上の酸化剤出口マニホールド８ｂとを連通するサーペンタイン（蛇行状）となる前記した酸化剤ガス流路５ｂを、複数並列に備えている。なお、酸化剤入口マニホールド７ｂおよび酸化剤出口マニホールド８ｂは、図１に示した固体高分子型燃料電池全体を図１中で左右方向に貫通して設けてある。
【００２０】
また、図３中で上部左寄りには燃料ガス入口マニホールド７ａを、同下部右寄りには燃料ガス出口マニホールド８ａを、さらに、図３中で下部左寄りおよび同上部右寄りには、冷却水マニホールド７ｃおよび８ｃを、それぞれ設け、これらについても、前記した酸化剤入口マニホールド７ｂおよび酸化剤出口マニホールド８ｂと同様に、固体高分子型燃料電池全体を図１中で左右方向に貫通して設けてある。
【００２１】
ガス流路形成部材４ｂは、上記した複数のサーペンタイン（蛇行状）の酸化剤ガス流路５ｂ相互間のリブ部４ｂ1が互いにバラバラにならないように、これら各リブ部４ｂ1相互を連結する連結部４ｃが存在する。連結部４ｃの肉厚（図３中で紙面に直交する方向の厚さ）は、ガス流路形成部材４ｂと比べて薄い方が好ましい。また、連結部４ｃは複数設けた方が形状安定性に優れるが、ここでは図３中で酸化剤ガス流路５ｂの上下方向に延びる部分の２箇所に設けている。
【００２２】
酸化剤ガス入口マニホールド７ｂから供給した酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路形成部材４ｂのリブ部４ｂ1相互間に存在する酸化剤ガス流路５ｂを、概略図３中で下から上に流れ、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂに至り排出される。
【００２３】
一方、ガスセパレート部材６に形成した細溝６ｂは、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ近傍の酸化剤ガス流路５ｂの下流側端部にて酸化剤ガス流路５ｂと交差する方向に図３中で上下方向に延び、その下方では酸化剤ガス流路５ｂの上下方向に延びる部分の幅方向中央に沿ってさらに上下方向に延び、下部にて９０度右方向に屈曲する酸化剤ガス流路５ｂの幅方向中央に沿って酸化剤入口マニホールド７ｂ近傍まで延びている。したがって、細溝６ｂは全体でほぼＬ字形状となってガスセパレート部材６に形成している。
【００２４】
上記した細溝６ｂは、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ近傍における複数の酸化剤ガス流路５ｂと交差する方向に延びていることから、酸化剤ガス流路５ｂに対向する部位と、ガス流路形成部材４ｂのリブ部４ｂ1との当接面とにわたり設け、さらにこの当接面を経て、酸化剤ガス流路５ｂに隣接する他の酸化剤ガス流路５ｂにわたり設けたことになる。
【００２５】
上記した細溝６ｂ中に、酸化剤ガス流路５ｂ中に存在する生成水や凝縮水を保持し、また酸化剤ガス流路５ｂの入口付近（酸化剤ガス入口マニホールド７ｂ付近）で水が蒸発することに加え重力の作用により、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ付近から酸化剤ガス入口マニホールド７ｂ付近にかけて細溝６ｂ中を水が移動する。
【００２６】
なお、燃料側のガス拡散部材３ａに接するガス流路形成部材４ａ並びにガスセパレート部材６については、燃料ガス流路５ａが、上部の燃料入口マニホールド７ａと下部の燃料出口マニホールド８ａとを結ぶように酸化剤ガス流路５ｂと同様にサーペンタインとなり、これに対応して細溝６ａも、酸化剤ガス流路５ｂに対する細溝６ｂと同様の関係でガスセパレート部材６に形成する。
【００２７】
（作用）
燃料ガス流路５ａ，酸化剤ガス流路５ｂをそれぞれ流れる燃料ガス，酸化剤ガスは、燃料ガス出口マニホールド８ａ近傍の出口付近，酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ近傍の出口付近で生成水や凝縮水が溜まりやすいが、それらは表面張力および毛細管力（ウィッキング）の作用により、上記の細溝６ａ，６ｂに集まる。そして、同じくウィッキングの作用並びに重力の作用により、Ｌ字型の細溝６ａ，６ｂを概略上から下に流れる。
【００２８】
そのため、燃料ガス流路５ａおよび酸化剤ガス流路５ｂの中の生成水や凝縮水が、１箇所に留まることなく、またガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材６の平面方向に移動させることができ、燃料ガス流路５ａおよび酸化剤ガス流路５ｂにおける水の排出性が向上する。
【００２９】
また、酸化剤入口マニホールド７ｂ付近の酸化剤ガス流路５ｂに、前記の水が集まりやすく、この集まった水により酸化剤ガス入口付近で反応ガスを加湿することが可能となる。また、特にガス流路形成部材４ａ，４ｂの下に隠れる細溝６ａ，６ｂには、その幅を１０μｍ〜２００μｍ程度とすることに起因する水の表面張力により、通常運転時にて常時水を保持できるので、細溝６ａ，６ｂ内を反応ガスが流れてバイパスすることを防止できる。
【００３０】
以上のように、上記した第１の実施形態によれば、ガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材６の平面方向に水が移動し、ガスセパレート部材６の表面に細溝６ａ，６ｂを形成するという簡単な構造によって水の滞留を防止して排出性が向上し、反応ガスのガス流路への配流を均一化することができ、高性能の固体高分子型燃料電池を得ることができる。また、ガスセパレート部材６の面内で水を移動させることができるので、燃料電池外部に加湿ユニットなどを必要とせず、燃料電池としてコンパクト化が可能となる。さらに、ガスセパレート部材６への細溝６ａ，６ｂの加工は容易であり、コストを抑えつつ水の排出性を向上ことが可能となる。
【００３１】
なお、第１の実施形態におけるガス流路形成部材４ａ，４ｂを多孔性部材とし、ガスセパレート部材６のガス流路形成部材４ａ，４ｂとの当接面にのみ細溝６ａ，６ｂを形成してもよい。この場合には、ガス流路形成部材４ａ，４ｂは多孔性部材であることから、細溝６ａ，６ｂに入り込んだ水はその多孔部分を通って、ガスセパレート部材６の面内でその面方向に移動する。
【００３２】
［第２の実施形態］
（構成）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる、前記図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。この実施形態における基本的な構成は第１の実施形態と同じであるが、ガスセパレート部材９に形成する細溝９ａ，９ｂの断面形状をＶ字型としている。Ｖ字型の細溝９ａ，９ｂの幅並びに深さは、概略１０μｍ〜２００μｍ程度が望ましい。
【００３３】
図５は、酸化剤側のガス拡散部材３ｂに接するガス流路形成部材４ｂ並びにガスセパレート部材９を、前述した第１の実施形態と同様に樹脂の熱圧着で一体化したものの平面図である。ここでは、ガス拡散部材３ｂを省略し、ガスセパレート部材９の上に、ガス流路形成部材４ｂが重なった状態を示しており、図５に示した上下関係の状態で本燃料電池を使用する。
【００３４】
ガス流路形成部材４ｂは、図５中で左側下部の酸化剤入口マニホールド７ｂと同左側上部の酸化剤出口マニホールド８ｂとを連通するコ字型のＵターン形状となる前記した酸化剤ガス流路５ｂを、複数並列に備えている。
【００３５】
ガス流路形成部材４ｂは、上記した複数のコ字型の酸化剤ガス流路５ｂ相互間のリブ部４ｂ1がバラバラにならないように、第１の実施形態と同様に、これら各リブ部４ｂ1相互を連結する連結部４ｃが存在する。
【００３６】
酸化剤ガス入口マニホールド７ｂから供給した酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路形成部材４ｂのリブ部４ｂ1相互間に存在する酸化剤ガス流路５ｂを、概略図５中で下から上に流れ、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂに至り排出される。
【００３７】
一方、ガスセパレート部材９に形成した細溝９ｂは、酸化剤ガス入口マニホールド７ｂおよび酸化剤ガス出口マニホールド８ｂから図５中で右方向に延びる酸化剤ガス流路５ｂに対して交差するように、上下方向に延びる直線状に複数形成している。すなわち、この細溝９ｂは、本燃料電池併設積層状態において鉛直方向に伸びている。
【００３８】
上記した細溝９ｂ中に、酸化剤ガス流路５ｂ中に存在する生成水や凝縮水を保持し、また酸化剤ガス流路５ｂの入口付近（酸化剤ガス入口マニホールド７ｂ付近）で水が蒸発することに加え重力の作用により、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ付近から酸化剤入口マニホールド７ｂ付近にかけて細溝９ｂ中を水が移動する。
【００３９】
この場合、特に酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ付近には、冷却水などの冷媒が本燃料電池の積層方向に流れる冷却水出口マニホールド８ｃが存在し、その冷媒の作用により出口付近を冷やす。
【００４０】
なお、燃料側のガス拡散部材３ａに接するガス流路形成部材４ａ並びにガスセパレート部材９については、燃料ガス流路５ａが、右側上部の燃料入口マニホールド７ａと右側下部の燃料出口マニホールド８ａとを結ぶように、酸化剤ガス流路５ｂとは逆のＵターン形状のコ字型となり、これに対応して細溝９ａも、酸化剤ガス流路５ｂに対する細溝５ｂと同様の関係でガスセパレート部材９に直線状に形成する。
【００４１】
（作用）
燃料ガス流路５ａ，酸化剤ガス流路５ｂをそれぞれ流れる燃料ガス，酸化剤ガスは、燃料ガス出口マニホールド８ａ近傍の出口付近，酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ近傍の出口付近で生成水や凝縮水が溜まりやすいが、それらは表面張力および毛細管力（ウィッキング）の作用により、断面形状がＶ字型の上記の細溝９ａ，９ｂに集まる。そして、同じくウィッキングの作用並びに重力の作用により、細溝９ａ，９ｂを概略上から下に流れる。
【００４２】
そのため、燃料ガス流路５ａおよび酸化剤ガス流路５ｂの中の生成水や凝縮水が、１ヵ所に留まることなく、またガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材６の平面方向に移動させることができ、燃料ガス流路５ａおよび酸化剤ガス流路５ｂにおける水の排出性が向上する。
【００４３】
また、酸化剤ガス流路５ｂにおけるコ字型のガス流れにより、酸化剤ガスの出口付近（酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ付近）から入口付近（酸化剤ガス入口マニホールド７ｂ付近）に前記の水を戻すこととなり、この入口付近で反応ガスを加湿することが可能となる。
【００４４】
さらに、酸化剤ガスの出口付近には、冷却水出口マニホールド８ｃがあり、ここを流れる冷却水によってガスが冷やされるので、ガス中の水蒸気が凝縮しやすく細溝９ｂに水を回収しやすくなる。また、特にガス流路形成部材４ａ，４ｂの下に隠れる細溝９ａ，９ｂには、その幅を１０μｍ〜２００μｍ程度とすることに起因する水の表面張力により、通常運転時には常時水が保持できるので、細溝９ａ，９ｂ内を反応ガスが流れてバイパスすることを防止できる。
【００４５】
以上のように、上記した第２の実施形態によれば、ガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材９の平面方向に水が移動し、ガスセパレート部材９の表面に細溝９ａ，９ｂを形成するという簡単な構造によって水の滞留を防止して排出性が向上し、反応ガスのガス流路への配流を均一化することができ、高性能の固体高分子型燃料電池を得ることができる。また、ガスセパレート部材９の面内で水を移動させることができるので、燃料電池外部に加湿ユニットなどを必要とせずコンパクト化が可能となる。さらに、ガスセパレート部材９への細溝９ａ，９ｂの加工は容易であり、コストを抑えつつ水の排出性を向上ことが可能となる。さらに、この実施形態では、冷媒により酸化剤ガス出口付近を強制的に冷却しているので、加湿効果が増すことに加え、より多くの水をガスセパレート部材９の面内で回収し再利用することが可能となる。
【００４６】
［第３の実施形態］
（構成）
図６は、本発明の第３の実施形態に係わる、前記図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。この実施形態における基本的な構成は図４，図５に示した第２の実施形態と同じであるが、ガスセパレート部材１０の仕様が変わっている。
【００４７】
ここでのガスセパレート部材１０は、ステンレス（ＳＵＳ３１０）材をベースにその両側に金を合わせたクラッド材であり、プレス加工によりその断面を波形状として両面に互い違いにＶ字型の細溝１０ａ，１０ｂを形成したものを使用している。細溝１０ａ，１０ｂの深さは５０μｍ、クラッド材の板厚は１５０μｍあるので、波形状としたガスセパレート部材１０の全体厚さは２００μｍである。なお、Ｖ字型の細溝１０ａ，１０ｂの幅並びに深さは、概略１０μｍ〜２００μｍ程度が望ましい。
【００４８】
図７は、酸化剤側のガス拡散部材３ｂに接するガス流路形成部材４ｂ並びにガスセパレート部材１０を、前述した第１の実施形態と同様に樹脂の熱圧着で一体化したものの平面図である。ここでは、ガス拡散部材３ｂを省略し、ガスセパレート部材１０の上に、ガス流路形成部材４ｂが重なった状態を示しており、図７示した上下関係の状態で本燃料電池を使用する。
【００４９】
ガス流路形成部材４ｂは、図５に示した第２の実施形態と同様に、図７中で左側下部の酸化剤入口マニホールド７ｂと同左側上部の酸化剤出口マニホールド８ｂとを連通するコ字型のＵターン形状となる酸化剤ガス流路５ｂを、複数並列に備えている。
【００５０】
一方、ガスセパレート部材１０に形成した細溝１０ｂは、ガスセパレート部材１０全体を波形状としていることから、コ字型の酸化剤ガス流路５ｂの全域に対し、図７中で上下方向に延びるよう直線状に複数形成している。ここで、細溝１０ｂは、酸化剤ガス流路５ｂの図７中で左右方向に延びる部分に対しては交差し、酸化剤ガス流路５ｂの図７中で上下方向に延びる部分に対しては平行となる。
【００５１】
その他の構成は、第２の実施形態と同様である。
【００５２】
（作用）
この実施形態においても、細溝１０ｂ中に、酸化剤ガス流路５ｂ中に存在する生成水や凝縮水を保持し、また酸化剤ガス流路５ｂの入口付近で水が蒸発することに加え重力の作用により、酸化剤ガス流路５ｂの出口付近から入口付近にかけて細溝１０ｂ中を生成水や凝縮水が移動する。また、酸化剤ガスの出口付近には、冷却水出口マニホールド８ｃがあり、ここを流れる冷却水によってガスが冷やされるので、ガス中の水蒸気が凝縮しやすく細溝１０ｂに水を回収しやすくなる。
【００５３】
また、この実施形態におけるガスセパレート部材１０は、プレス加工したステンレス材を用いているので厚さを薄くでき、互いに積層する単位電池相互間のピッチを狭くでき燃料電池全体のコンパクト化を達成できる。また、ガスセパレート部材１０を薄くしても金属のクラッド材を使用しているため、強度が高く割れなどの問題を回避でき、強度向上に寄与することができる。
【００５４】
［第４の実施形態］
（構成）
図８は、本発明の第４の実施形態に係わる、前記図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。高分子膜１の両側に、触媒層を形成した燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂをそれぞれ設け、各触媒層に隣り合うようにガス拡散層としてのガス拡散部材とガス流路形成部材とを一体化したガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂをそれぞれ配置した膜電極複合体１１が存在する。
【００５５】
各ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂの隙間に形成される空間が、それぞれ燃料ガス流路１２ａ，酸化剤ガス流路１２ｂとなる。また、各ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂの隣には、水移動手段として各表面に粗さ加工を施したガスセパレート部材１３を配置し、これらの構成、すなわち高分子膜１、膜電極複合体１１、ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂおよびガスセパレート部材１３で、単位電池を形成する。
【００５６】
ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂは、ガスが透過しやすいカーボンペーパで構成し、一体もののカーボンペーパの表面を、所定の流路形状に切削して燃料ガス流路１２ａ，酸化剤ガス流路１２ｂを形成した。また、このカーボンペーパの表面粗さはＲａ＝２５とした。また、ガスセパレート部材１３は緻密なカーボンプレートからなり、その表面粗さはＲａ＝１００とし、この表面粗さ部分を凹凸部１３ａ，１３ｂとする。
【００５７】
これらのガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂおよびガスセパレート部材１３はその周囲を熱可塑性の樹脂で熱圧着して一体化の構成とする。このとき、ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂおよびガスセパレート部材１３は、各々の表面粗さの設定故に互いの接触面間に所定の隙間が形成されるので、各表面粗さの溝部に保持した生成水や凝縮水は、ガスセパレート部材１３の面内全体に拡散する。
【００５８】
上記に示した単位電池の繰り返し並設積層構造で、図８に示すような固体高分子型燃料電池を形成する。なお、必要に応じて所定の位置に燃料電池を冷却するための冷却板を挟んでもよい。
【００５９】
図９は、上記した酸化剤側のガスセパレート部材１３の平面図である。ガス拡散流路形成部材１１ｂと接する部分に関して、上述したようにＲａ＝１００となるように表面粗さ加工を施しているが、このＲａは概略５０〜２００程度とすることが好ましい。
【００６０】
（作用）
ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂの燃料ガス流路１２ａ，酸化剤ガス流路１２ａを流れる燃料ガス，酸化剤ガスは、その出口付近で生成水や凝縮水が溜まりやすいが、それらは表面張力および毛細管力（ウィッキング）の作用により上記の表面粗さ加工を施した部分に集まる。
【００６１】
そして、同じくウィッキングの作用並びに重力の作用により、ガスセパレート部材１３の平面方向に拡散し、散乱する。そのため、燃料ガス流路１２ａおよび酸化剤ガス流路１２ｂの中の生成水や凝縮水が１箇所に留まることなく、またガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材１３の平面方向に移動させることができ、燃料ガス流路１２ａおよび酸化剤ガス流路１２ｂにおける水の排出性が向上する。
【００６２】
また、表面粗さ加工を施したガスセパレート部材１３の凹凸部１３ａ，１３ｂは、上述のようにＲａ＝５０〜２００程度であるために、通常運転時に、表面張力により水を保持できる。このため、凹凸部１３ａ，１３ｂを反応ガスが流れてバイパスすることを防止できる。さらに、ガス拡散部材とガス流路形成部材と一体化してガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂとしているため、部材の使用点数が減り、単位電池の積層性が向上する。
【００６３】
［第５の実施形態］
（構成）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係わる、前記図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。この実施形態は、前記した第４の実施形態と概略同じ構成で、ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂにおけるガスセパレート部材１３に接する凸部の表面に、第２の水移動手段として、細溝１４ａ，１４ｂを設けている。細溝１４ａ，１４ｂの延長方向（図１０中で紙面に直交する方向）に交差する方向の断面形状はＶ字型であり、その深さは３０μｍである。その他の構成は、図８，図９に示した第４の実施形態と同じである。
【００６４】
（作用）
第４の実施形態における作用に加え、ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂの凸部の表面に第２の水移動手段となる細溝１４ａ，１４ｂを設けたので、ガスセパレート部材１３の面内における生成水や凝縮水の平面方向への拡散性（移動性）が増大し、生成水や凝縮水の影響によるガス配流のばらつきを緩和できる。また、細溝１４ａ，１４ｂを備えている分、ガス拡散流路形成部材１１ａ，１１ｂへの水の透過（蒸発）が促進され、反応ガスの加湿効果が高まる。
【００６５】
［第６の実施形態］
（構成）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係わる、前記図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。この実施形態は、高分子膜１の両側に触媒層を形成した燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂをそれぞれ設け、各触媒層に隣り合うようにガス拡散層としてのガス拡散部材とガス流路形成部材とを一体化したガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂをそれぞれ配置した膜電極複合体１５が存在する。
【００６６】
さらに、各ガス拡散流路部材１５ａ，１５ｂの隣には、水移動手段としてその両面に細溝１６ａ，１６ｂを形成したガスセパレート部材１６を配置し、これらの構成、すなわち膜電極複合体１５およびガスセパレート部材１６で、単位電池を形成する。
【００６７】
ガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂは、ガスが透過しやすいカーボンペーパで構成し、一体もののカーボンペーパの表面を、所定の流路形状に切削して燃料ガス流路１２ａ，酸化剤ガス流路１２ｂを形成した。
【００６８】
ガスセパレート部材１６は、ステンレス（ＳＵＳ３１０）材の各表面にＴｉコーティング、さらに金メッキを施した金属材を使用する。細溝１６ａ，１６ｂの断面形状は、ここでは図示しないが前記した図４のようにＶ字型とする。
【００６９】
これらのガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂ、ガスセパレート部材１６はその周囲を熱可塑性の樹脂で熱圧着して一体化の構成とする。
【００７０】
上記に示した単位電池の繰り返し並設積層構造で、図１１に示すような固体高分子型燃料電池を形成する。なお、必要に応じて所定の位置に燃料電池を冷却するための冷却板を挟んでもよい。
【００７１】
図１２は、酸化剤側から見た膜電極複合体１５の平面図である。ガス拡散流路形成部材１５ｂは、ガス拡散部材とガス流路形成部材とを一体化しているため、ガスセパレート部材１６に対応する面は、酸化剤ガス流路１２ｂを有して凹凸状となっている。
【００７２】
図１２中で左側の二つの貫通孔は、燃料ガス入口および出口の各マニホールド７ａおよび８ａで、同右側の二つの貫通孔は、酸化剤ガス入口および出口の各マニホールド７ｂ，８ｂである。また、図１２中で上下両側のそれぞれ二つの貫通孔は、冷却水が流れる冷却水マニホールド７ｃ，８ｃである。
【００７３】
上記した酸化剤ガス入口および出口の各マニホールド７ｂ，８ｂ相互を連通するように、ガス拡散流路形成部材１５ｂは、Ｕターン形状となるコ字型の酸化剤ガス流路１２ｂを複数並列に形成している。
【００７４】
ここでは、酸化剤出口マニホールド８ｂに近い冷却水マニホールド８ｃは、本固体高分子型燃料電池における冷却水の入口に相当し、このため冷却水の出口に相当する他の冷却水マニホールド７ｃよりも冷却水の温度が低い。
【００７５】
また、ガス拡散流路形成部材１５ｂにおける酸化剤ガス流路１２ｂの形成領域の周囲部分１７，１８には、それぞれ含浸材を内部に含浸してある。この実施形態においては、冷却水マニホールド７ｃ，８ｃの内側に接する部分（ハッチング部）１７にはカーボン粉末を、その他の部分１８にはシリコンゴムをそれぞれ含浸してある。カーボン粉末を含浸させた部分１７は、平均径１μｍの気孔が形成され、シリコンゴムを含浸させた部分１８は、平均径がサブミクロンの気孔となってシールを施した状態となる。
【００７６】
図１３は、図１２の膜電極複合体１５に接する面の、酸化剤側のガスセパレート部材１６の平面図である。図１２で説明した各マニホールドと対応するように、同様の各マニホールドを設けている。
【００７７】
また、ガスセパレート部材１６の表面には、図１３中で上下方向に延びる細溝１６ｂを複数形成している。細溝１６ｂの深さ並びに幅は８０μｍである。細溝１６ｂは、酸化剤ガス流路１２ｂを形成した領域内の、図１２における各含浸部分１７，１８よりも内側に存在する。
【００７８】
このような構成の固体高分子型燃料電池を運転する際には、冷却水の圧力を反応ガス圧力に比べて低くする。
【００７９】
（作用）
ガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂの燃料ガス流路１２ａ，酸化剤ガス流路１２ｂをそれぞれ流れる燃料ガス，酸化剤ガスは、燃料ガス出口マニホールド８ａ近傍の出口付近，酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ近傍の出口付近で生成水や凝縮水が溜まりやすいが、それらは表面張力および毛細管力（ウィッキング）の作用により、ガスセパレート部材１６に設けた細溝１６ａ，１６ｂに集まる。そして、同じくウィッキングの作用並びに重力の作用により、細溝１６ａ，１６ｂを概略上から下に流れ、ガスセパレート部材１６の平面方向に拡散する。特に、生成水や凝縮水が鉛直方向下方に位置する酸化剤ガス入口マニホールド７ｂ付近に移動する。
【００８０】
そのため、燃料ガス流路１２ａおよび酸化剤ガス流路１２ｂの中の生成水や凝縮水が、１箇所に留まることなく、またガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材１６の平面方向に移動させることができ、燃料ガス流路１２ａおよび酸化剤ガス流路１２ｂにおける水の排出性が向上する。
【００８１】
また、水の表面張力により細溝１６ａ，１６ｂ中には水が保持されるので、細溝１６ａ，１６ｂ内をガスが流れてバイパスすることを防止できる。さらに、酸化剤ガス出口マニホールド８ｂ付近を、冷却手段としての冷却水マニホールド８ｃによって冷却しやすい構造としているため、凝縮を促進させてガスセパレート部材１６の面内における水移動作用が促進する。
【００８２】
さらに、ガス拡散部材とガス流路形成部材と一体化してガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂとしているため、部材の使用点数が減り、単位電池の積層性が向上する。また、ガスセパレート部材１６に金属を使用しているので、薄型化が可能となる。加えて、ガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂにおける冷却水マニホールド７ｃ，８ｃとの境界付近（部分１７）は、シリコンゴムを含浸してある周囲の部分１８に対し、カーボン粉末を含浸させることで平均気孔径を大きくし、かつ反応ガス圧力に比べて冷却水の圧力を低くすることにより、ガス拡散流路形成部材１５ａ，１５ｂに中に存在する生成水や凝縮水が、カーボン粉末を含浸してある部分１７の内部を通ってその平面方向に水が移動し冷却水マニホールド７ｃ，８ｃ内に回収するといった第２の水移動手段として機能し、発電領域面における水移動性がさらに増大する。
【００８３】
以上のように、上記した第６の実施形態によれば、ガス流路方向に限定されることなくガスセパレート部材１６の平面方向に水が移動し、ガスセパレート部材１６の表面に細溝１６ａ，１６ｂを形成するという簡単な構造によって水の滞留を防止して排出性が向上し、反応ガスのガス流路への配流を均一化することができ、高性能の固体高分子型燃料電池を得ることができる。また、ガスセパレート部材６の面内で水を移動させることができるので、燃料電池外部に加湿ユニットなどを必要とせず、燃料電池としてコンパクト化が可能となる。
【００８４】
本発明によれば、前記溝を有するセパレータ側のガス流路は、流れる反応ガスを鉛直方向下側から供給して同上側から排出する構造であり、前記溝を、前記ガス供給側からガス排出側方向にわたり設けたので、セパレータ面内でガス流路出口付近に溜まりやすい生成水を、溝を介して反応ガス入口付近に戻すことができる。また、溝を流れる水に重力の作用も加わるので水移動が促進され、そのため、ガス出口付近の水の滞留を抑えることができるのに加え、ガス入口付近に移動させた水でガスを加湿することができ、燃料電池外部に加湿ユニットを設ける必要がなくなり、燃料電池として簡素化することができる。
【００８５】
前記燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流路は、ガス入口側とガス出口側とをＵターン形状に結ぶ構造であり、前記溝を、前記ガス入口側付近とガス出口側付近とにわたり設けたので、ガスの入口と出口とを互いに接近させることができ、セパレータ面内でガス出口付近からガス入口付近に容易に水を移動させることができる。
【００８６】
前記ガス流路の出口付近を冷却する冷却手段を設けたので、反応ガス中の生成水を効果的に凝縮させることができ、より多くの水をセパレータ面内でその面方向に移動させることができる。
【００８７】
前記溝の水の移動方向に交差する方向の断面形状を、Ｖ字型としたので、表面張力により溝に水を保持しやすく、また毛細管力（ウィッキング）作用が向上して溝に沿って水を移動させやすくなる。
【００８８】
前記ガス流路形成部材を前記ガス拡散層と一体としたので、これらを別体とした場合に比較して部品点数が減少し、組み付け性能を向上できるとともに、部材間の接触抵抗をなくすことができ発電性能を向上できる。
【００８９】
前記セパレータの溝を、前記ガス流路から、前記ガス流路形成部材との当接面を経て、前記ガス流路に隣接する他のガス流路にわたり設けたので、隣接するガス流路同士で水移動が可能となり、水の保持量を全体として均一化することができる。
【００９０】
前記ガス流路形成部材の前記セパレータとの当接面に、水移動可能な溝を設けので、セパレータ面内における水移動をさらに促進ででき、水マネージメント性能の高い固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【００９１】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、このセパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータを波板状に形成してその前記ガス拡散層側の表面に、前記波形状によって水移動可能な溝を形成し、この溝を備えたセパレータと前記ガス拡散層との間に、前記ガス流路を形成するガス流路形成部材を設け、前記セパレータの溝を、前記ガス流路に対向する部位と前記ガス流路形成部材に当接する部位とにわたり設けたので、プレート状のセパレータにガス流路を形成する場合に比べ、セパレータは、肉厚部を設ける必要がなく、薄型化することができコンパクト化が可能となる
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、このセパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータをプレート状に形成して前記ガス拡散層との間に前記ガス流路を形成するガス流路形成部材を設け、前記セパレータの前記ガス流路形成部材側の面に水移動可能な凹凸部を設けたので、この凹凸形状のセパレータ表面での水の表面張力により、セパレータ表面にて水が広がりやすくなり、セパレータの平面方向に水が容易に移動する。
【００９２】
前記凹凸部は、前記セパレータに形成した表面粗さで構成したので、セパレータ表面の表面粗さによる水の表面張力により、セパレータ表面にて水が広がりやすくなり、セパレータの平面方向に水が移動に移動する。
【００９３】
電解質膜の一方の側に燃料極を備えたガス拡散層を設けるとともに、同他方の側に酸化剤極を備えたガス拡散層を設け、前記各ガス拡散層の前記電解質膜と反対側にセパレータを配置し、この各セパレータと前記各ガス拡散層との間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するガス流路を設けた固体高分子型燃料電池において、前記セパレータをプレート状に形成して前記ガス拡散層側の表面に水移動可能な溝を形成し、この溝を備えたセパレータと前記ガス拡散層との間に、前記ガス流路を形成する多孔性のガス流路形成部材を設け、前記セパレータの溝を、少なくとも前記ガス流路形成部材との当接面に設けたので、ガス流路形成部材との当接面にのみ溝を設けた場合であっても、ガス流路形成部材は多孔性部材であることから、溝に入り込んだ水はその多孔部分を通って、セパレータ面内でその面方向に移動する。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１の実施形態における酸化剤側のガス拡散部材に接するガス流路形成部材並びにガスセパレート部材を樹脂の熱圧着で一体化したものの平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる、図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図５】第２の実施形態における酸化剤側のガス拡散部材に接するガス流路形成部材並びにガスセパレート部材を樹脂の熱圧着で一体化したものの平面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係わる、図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図７】第３の実施形態における酸化剤側のガス拡散部材に接するガス流路形成部材並びにガスセパレート部材を樹脂の熱圧着で一体化したものの平面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係わる、図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図９】第４の実施形態における酸化剤側のガスセパレート部材の平面図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係わる、図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係わる、図２に対応する固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図１２】第６の実施形態における酸化剤側から見た膜電極複合体の平面図である。
【図１３】図１２の膜電極複合体に接する面の、酸化剤側のガスセパレート部材の平面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１  高分子膜（電解質膜）
２ａ  燃料極
２ｂ  酸化剤極
３ａ，３ｂ  ガス拡散部材（ガス拡散層）
４ａ，４ｂ  ガス流路形成部材
５ａ  燃料ガス流路
５ｂ  酸化剤ガス流路
６  ガスセパレート部材（セパレータ）
６ａ，６ｂ，９ａ，９ｂ  ガスセパレート部材の細溝
８ｃ  冷却水マニホールド（冷却手段）
１０  波板状のガスセパレート部材（セパレータ）
１０ａ，１０ｂ  波板状のガスセパレート部材の細溝
１１ａ，１１ｂ，１５ａ，１５ｂ  ガス拡散部材とガス流路形成部材とを一体化したガス拡散流路形成部材
１３  表面に粗さ加工を施したガスセパレート部材
１３ａ，１３ｂ  ガスセパレート部材の凹凸部（表面粗さ）
１４ａ，１４ｂ  ガス拡散流路形成部材の細溝
【図１】
2005276519.tif 000003
【図２】
2005276519.tif 000004
【図３】
2005276519.tif 000005
【図４】
2005276519.tif 000006
【図５】
2005276519.tif 000007
【図６】
2005276519.tif 000008
【図７】
2005276519.tif 000009
【図８】
2005276519.tif 000010
【図９】
2005276519.tif 000011
【図１０】
2005276519.tif 000012
【図１１】
2005276519.tif 000013
【図１２】
2005276519.tif 000014
【図１３】
2005276519.tif 000015