(57)【要約】【課題】シール部材に含まれる不純物が電極を被毒することを抑制し、電圧低下や、燃料電池の耐久性低下を防止することができるセパレータおよびそれを用いた燃料電池を提供すること。【解決手段】セパレータ１の厚み方向から見て、膜電極接合体との間に配置されるシール部材１３、１４が配置される部分より周縁部側に、溝部９を有する構成により、シール部材１３、１４から発生した不純物がシール部材１３、１４から溝部９に向かって流れる推進力が発生するため、不純物が溝部９内へ多く排出されて、電極側へ流れる不純物の量が削減される。したがって、電極が不純物により被毒されることを抑制することができ、不純物が原因による電圧低下を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜の両面に配置された一対の電極とを有する膜電極接合体と、
膜電極接合体を挟むように配置される一対のセパレータと、
電解質膜の周縁部とセパレータとの間に配置され、電極とセパレータとが対向する領域を封止するシール部材と、を有する単電池セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、
セパレータの厚み方向から見て、シール部材が配置される部分より周縁部側に溝部を有する、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
セパレータの厚み方向に直交する方向において、シール部材から溝部までの距離が、シール部材から電極までの距離よりも短い、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
セパレータの厚み方向に直交する方向において、シール部材から溝部までの距離が０である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
溝部の底面と電解質膜の表面との間隔が、シール部材から電極の端部までの領域におけるセパレータ表面と電解質膜の表面との間隔よりも大きい、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
セパレータは、シール部材がその内側に配置されるシール溝を有し、溝部の一端がシール溝に接続されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
溝部の他端が、シール溝に接続される一端より重力方向の下側に配置されている、請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
溝部の一端が、セパレータの周縁部の端面より外側に連通している、請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
溝部が、シール部材に沿って延在し、セパレータの周縁部の端面より外側に連通した一続きの形状である、請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
溝部のいずれの端部も、セパレータの周縁部の端面より内側に配置されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
溝部が、シール部材に沿って延在し、セパレータの周縁部の端面より内側に配置された一続きの形状である、請求項１〜６および９のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
セパレータは、複数の溝部を連通するとともに個々の溝部よりも大きな容積を有する連通溝をセパレータの周縁部の端面より内側にて有する、請求項１〜６、９、１０のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
溝部に配置されるとともに、溝部内に浸入するシール部材より発生する不純物を吸着する不純物吸着部材を有する、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１３】
連通溝に配置されるとともに、溝部内に浸入するシール部材より発生する不純物を吸着する不純物吸着部材を有する、請求項１１あるいは１２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１４】
シール部材は、溝部内に浸入するシール部材より発生する不純物を含む、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータと、
電解質膜と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜の両面に配置された一対の電極とを有する膜電極接合体と、
電解質膜の周縁部とセパレータとの間に配置され、電極とセパレータとが対向する領域を封止するシール部材と、を有する単電池セルを１以上含む燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池において、アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスを供給および排出する燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて、電気と熱を作り出し、燃料の持つ化学エネルギーを直接あるいは間接的に電気エネルギーに変換するので、高い発電効率を得ることができる。
【０００３】
図１６に、従来の一般的な燃料電池のシール構造の断面図を示す。燃料電池の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）を構成する電解質膜１０１の両面には、それぞれアノード１０２およびカソード１０３が形成されており、アノード１０２、カソード１０３の両側には、それぞれ燃料電池用セパレータ１０４、１０５が配置されている。燃料ガスおよび酸化剤ガスは、それぞれセパレータ１０４、１０５に形成されたガス流路を通って、アノード１０２、カソード１０３に供給される。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスによる互いのガス流路への混入および外部へのリークを防止するために、ＭＥＡとセパレータ１０４、１０５の間に、シール部材１０６が配置されている。
【０００４】
このＭＥＡとセパレータ１０４、１０５の間に配置されるシール部材１０６に含まれる配合剤あるいは不純物の中には、ＭＥＡに対して悪影響を与える物質が存在する場合がある。これらの悪影響を与える物質が、ＭＥＡのアノード１０２やカソード１０３（電極）を被毒すると、発電反応が阻害され、電池電圧の低下や燃料電池の耐久性の低下を招くおそれがある。そこで、従来は、シール部材に、元々不純物が溶出しない（あるいは溶出しにくい）材料を選定したり、シール部材から溶出する不純物が電極を被毒しない（あるいは被毒しにくい）構成を適用していた。その一例として、一般的に不純物が溶出しにくいフッ素系樹脂などの材料からなるシール部材が挙げられる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、樹脂フレームの一部に突起部を設け、突起部をガス拡散層に突き刺して、樹脂フレームの面内、面直方向の空間を埋めることにより、従来、ガス拡散層に接するように充填されていたシール部材を除去できることが開示されている。
【０００６】
また、燃料電池内の水蒸気やその水蒸気を凝縮させて得た凝縮水に、溶出した不純物を溶かし込んで除去する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１７０２７３号公報
【特許文献２】特開２００３−２１７６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の、不純物が溶出しにくい材料からなるシール部材を用いる方法では、シール性が不十分であるという課題や、材料が高価なため十分なコストダウンを実施することができないという課題があった。
【０００９】
また、従来の、樹脂フレームの一部に突起部を設け、突起部をガス拡散層に突き刺して、樹脂フレームの移動を抑制することによりシール部材を除去する方法では、セパレータと樹脂フレームの間の密着性が不十分なため、リークが発生するという課題や、セパレータと樹脂フレームの間に配置した充填材から不純物が溶出するという課題があった。
【００１０】
また、従来の、燃料電池内の水蒸気あるいはその水蒸気を凝縮させて得た凝縮水に、溶出した不純物を溶かし込んで除去する方法では、不純物が水に不溶性の物質の場合に、不純物を除去しづらいという課題や、水蒸気を凝縮させるために、燃料電池を冷却しなければならないという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、シール部材に含まれる不純物が電極を被毒することを抑制し、電圧低下や、燃料電池の耐久性低下を防止することができる燃料電池およびそれに用いるセパレータ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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池セパレータは、電解質膜と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜の両面に配置された一対の電極とを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置される一対のセパレータと、電解質膜の周縁部とセパレータとの間に配置され、電極とセパレータとが対向する領域を封止するシール部材と、を有する単電池セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、セパレータの厚み方向から見て、シール部材が配置される部分より周縁部側に溝部を有するものである。
【００１３】
また、本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用セパレータと、電解質膜と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜の両面に配置された一対の電極とを有する膜電極接合体と、電解質膜の周縁部とセパレータとの間に配置され、電極とセパレータとが対向する領域を封止するシール部材と、を有する単電池セルを１以上含む燃料電池である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池およびそれに用いるセパレータによれば、セパレータにおいてシール部材が配置される部分より周縁部側に１以上の溝部が存在することにより、シール部材に含まれる不純物が電極を被毒することを抑制し、その不純物を原因とする電圧低下を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるセパレータの上面図
【図２】図１のセパレータを用いた燃料電池の単電池セルの線Ａ−Ａに沿った断面図
【図３】本発明の実施の形態２におけるセパレータの上面図
【図４】図２のセパレータを用いた燃料電池の単電池セルの線Ｂ−Ｂに沿った断面図
【図５】本発明の実施の形態３におけるセパレータの上面図
【図６】本発明の実施の形態３における溝部が別の形状のセパレータの上面図
【図７】本発明の実施の形態４におけるセパレータの上面図
【図８】本発明の実施の形態４における溝部が別の形状のセパレータの上面図
【図９】本発明の実施の形態５におけるセパレータの上面図
【図１０】本発明の実施の形態６におけるセパレータの上面図
【図１１】本発明の実施の形態７におけるセパレータの上面図
【図１２】本発明の実施の形態７における排出部を備えたセパレータの上面図
【図１３】本発明の実施の形態８におけるセパレータの上面図
【図１４】本発明の実施の形態８における排出部を備えたセパレータの上面図
【図１５】本発明の実施の形態９におけるセパレータの上面図
【図１６】従来のセパレータの縦方向断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、電解質膜と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜の両面に配置された一対の電極とを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置される一対のセパレータと、電解質膜の周縁部とセパレータとの間に配置され、電極とセパレータとが対向する領域を封止するシール部材と、を有する単電池セルに用いられる燃料電池用セパレータであって、セパレータの厚み方向から見て、シール部材が配置される部分より周縁部側に溝部を有することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、シール部材から発生した不純物が、セパレータに形成された溝部内へ排出されるため、シール部材から発生した不純物が、発電を行う電極側に流れる量が削減される。これにより、電極が不純物により被毒されることを抑制することができ、不純物が原因による電圧低下を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上することができる。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、セパレータの厚み方向に直交する方向において、シール部材から溝部までの距離が、シール部材から電極までの距離よりも短いことを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、セパレータと電解質膜との隙間において、不純物がシール部材から溝部に向かって流れる推進力が発生するため、不純物は電極側よりも溝部側へより多く流れ、電極側に流れる量は削減される。よって、不純物による電極の被毒や電圧低下を抑制して、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
第３の発明は、第１の発明において、セパレータの厚み方向に直交する方向において、シール部材から溝部までの距離が０であることを特徴とする。この構成によれば、不純物がシール部材から溝部に向かって流れる推進力を発生させることができ、不純物を溝部から排出することができる。
【００２１】
第４の発明は、第１乃至３のいずれかの発明において、溝部の底面と電解質膜の表面との間隔が、シール部材から電極の端部までの領域におけるセパレータ表面と電解質膜の表面との間隔よりも大きいことを特徴とする。この構成によれば、不純物がシール部材から溝部へ流れる推進力をさらに増加させて、より多くの不純物を溝部から排出することができる。
【００２２】
第５の発明は、第１乃至４のいずれかの発明において、セパレータは、シール部材がその内側に配置されるシール溝を有し、溝部の一端がシール溝に接続されていることを特徴とする。この構成によれば、シール部材から発生する不純物が、効率よく溝部に移動することができ、不純物による電極の被毒を抑制することができる。
【００２３】
第６の発明は、第５の発明の発明において、溝部の他端が、シール溝に接続される一端より重力方向の下側に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、重力を利用することにより、不純物が自然に上から下へ向かって、溝部や連通溝へ効率よく移動できるだけでなく、電極への逆流をさらに防止することができる。
【００２４】
第７の発明は、第１乃至６のいずれかの発明において、溝部の一端が、セパレータの周縁部の端面より外側に連通していることを特徴とする。この構成によれば、シール部材から発生した不純物を外部に排出することができ、燃料電池の系外へ不純物を隔離するので、不純物が燃料電池に逆流することを防止することができる。
【００２５】
第８の発明は、第１乃至７のいずれかの発明において、溝部が、シール部材に沿って延在し、セパレータの周縁部の端面より外側に連通した一続きの形状であることを特徴とする。この構成によれば、溝部の形状を簡素化できるとともに、不純物を排出できる面積が増加するため、さらに効率よく不純物を除去することができ、不純物による電極の被毒を防止することができる。
【００２６】
第９の発明は、第１乃至６のいずれかの発明において、溝部のいずれの端部も、セパレータの周縁部の端面より内側に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、不純物が電極とは隔離された状態となって、電極に逆流することなく溝部に閉じ込められるので、燃料電池の外表面が不純物により汚染されることを防止することができる。
【００２７】
第１０の発明は、第１乃至６および９のいずれかの発明において、溝部が、シール部材に沿って延在し、セパレータの周縁部の端面より内側に配置された一続きの形状であることを特徴とする。この構成によれば、溝部の形状を簡素化できるだけでなく、不純物を排出できる面積が増加するため、さらに効率よく不純物を除去することができ、不純物による電極の被毒を防止することができる。
【００２８】
第１１の発明は、第１乃至６および９、１０のいずれかの発明において、セパレータは、複数の溝部を連通するとともに個々の溝部よりも大きな容積を有する連通溝をセパレータの周縁部の端面より内側にて有することを特徴とする。この構成によれば、不純物を、溝部を介して連通溝に閉じ込めることができるため、量が多い場合でも、不純物を電極とは隔離された状態で保持することができる。
【００２９】
第１２の発明は、第１乃至１１のいずれかの発明において、溝部に配置されるとともに、溝部内に浸入するシール部材より発生する不純物を吸着する不純物吸着部材を有することを特徴とする。この構成によれば、不純物は、不純物吸着部材の吸着力により溝部に効率よく移動できるだけでなく不純物吸着部材によって保持されるので、不純物が電極に逆流することをさらに防止することができる。
【００３０】
第１３の発明は、第１１あるいは第１２のいずれかの発明において、連通溝に配置されるとともに、溝部内に浸入するシール部材より発生する不純物を吸着する不純物吸着部材を有することを特徴とする。この構成によれば、不純物は、不純物吸着部材の吸着力により連通溝に効率よく移動できるだけでなく不純物吸着部材によって保持されるので、不純物が電極に逆流することをさらに防止することができる。
【００３１】
第１４の発明は、第１乃至１３のいずれかの発明において、シール部材は、溝部内に浸入するシール部材より発生する不純物を含むことを特徴とする。この構成によれば、不純物による電極への被毒や電圧低下を抑制し、燃料電池の耐久性を向上することができる。
【００３２】
第１５の発明は、第１乃至１４のいずれかの発明の燃料電池用セパレータと、電解質膜と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜の両面に配置された一対の電極とを有する膜電極接合体と、電解質膜の周縁部とセパレータとの間に配置され、電極とセパレータとが対向する領域を封止するシール部材と、を有する単電池セルを１以上含む燃料電池であることを特徴とする。この構成によれば、不純物が溝部内へ排出されるため、発電を行う電極側に流れる量が削減される。これにより、不純物による電極の被毒や電圧低下を抑制することができ、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３４】
（実施の形態１）
燃料電池は、複数のセルが積層されてできた燃料電池スタックにより構成される。図１は、本発明の実施の形態１におけるセパレータ１ａの構成を示しており、図２は、セパレータ１ａを用いた燃料電池の１つのセル（単電池セル）の線Ａ−Ａ（図１参照）に沿った断面を示す。図２に示すように、単電池セルは、ＭＥＡ（膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟むように配置されるセパレータ１ａ、１ｂと、ＭＥＡとセパレータ１ａ、１ｂとの間に配置されるシール部材１３、１４とで構成されている。
【００３５】
まず、ＭＥＡの詳細な構成について説明する。図２に示すように、ＭＥＡは、電解質膜１０と、電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜１０の一方の表面に配置されるアノード１１と、同じく電解質膜の周縁部を露出させるように電解質膜１０の他方の表面に配置されるカソード１２とで構成される。
【００３６】
電解質膜１０は、例えば水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマーからなる固体高分子電解質で構成される。
【００３７】
アノード１１およびカソード１２は、耐酸化性の高い多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒およびプロトン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した、通気性および電子伝導性を有するガス拡散層とで構成される。アノード１１の一般的な触媒としては、燃料ガス中に含まれる不純物（特に一酸化炭素）による被毒を抑制する白金−ルテニウムの合金触媒が用いられる。また、ガス拡散層としては、撥水処理を施したカーボンペーパーやカーボンクロス、あるいはカーボン不織布などが用いられる。
【００３８】
次に、セパレータ１の詳細な構成について説明する。セパレータ１には、アノード１１に燃料ガスを供給・排出するアノード側セパレータ１ａと、カソード１２に酸化剤ガスを供給・排出するカソード側セパレータ１ｂがある。図２に示すように、単電池セルにおいては、アノード側セパレータ１ａがアノード１１側に、カソード側セパレータ１ｂがカソード１２側に、それぞれ互いに対向するように配置される。
【００３９】
図１には、アノード側セパレータ１ａを示す。アノード側セパレータ１ａは、アノードマニホールド２ａ、２ｂと、カソードマニホールド３ａ、３ｂと、冷却流体マニホールド４ａ、４ｂと、ガス流路５と、アノードシール溝６と、カソードマニホールドシール溝７と、冷却流体マニホールドシール溝８とを有する。なお、セパレータ１は、カーボンや金属などの導電性材料により形成される。
【００４０】
アノードマニホールド２ａ、２ｂは、燃料ガスをアノード１１に供給・排出し、カソードマニホールド３ａ、３ｂは、酸化剤ガスをカソード１２に供給・排出し、冷却流体マニホールド４ａ、４ｂは、発電と同時に発生する熱と熱交換して燃料電池を冷却する冷却流体を供給・排出する。
【００４１】
ガス流路５には、燃料ガス流路５ａと、酸化剤ガス流路５ｂとがある。燃料ガス流路５ａは、アノード側セパレータ１ａに形成されて、燃料ガスをアノード１１およびアノードマニホールド２ａ、２ｂに供給・排出する。酸化剤ガス流路５ｂは、カソード側セパレータ１ｂに形成されて、酸化剤ガスをカソード１２およびカソードマニホールド３ａ、３ｂに供給・排出する。さらに、アノード側セパレータ１ａあるいはカソード側セパレータ１ｂには、冷却流体流路が形成され、冷却流体流路は燃料電池を冷却する冷却流体を供給・排出する。
【００４２】
図１に示すように、アノードシール溝６は、アノードマニホールド２ａ、２ｂと、アノード側セパレータ１ａにおいてアノード１１に対向する部分（発電部分）とを囲むようにして形成され、アノードシール溝６内にはシール部材１３、１４が配置される。同様にして、カソードマニホールド３ａ、３ｂの周囲と冷却流体マニホールド４ａ、４ｂの周囲にも、それぞれ、カソードマニホールドシール溝７と冷却流体マニホールドシール溝８が形成されて、シール部材１３、１４が配置される。
【００４３】
次に、シール部材１３、１４について説明する。シール部材１３、１４は、電解質膜１０の周縁部とセパレータ１ａ、１ｂとの間にあるシール溝に配置される。図２に示すように、電解質膜１０の両面において、アノードシール部材１３は、アノード側セパレータ１ａに形成されたアノードシール溝６ａの内部に、カソードシール部材１４は、カソード側セパレータ１ｂに形成されたカソードシール溝６ｂの内部に、それぞれ配置される。アノードシール部材１３は、アノード側セパレータ１ａと電解質膜１０の隙間を封止することにより燃料ガスをシールし、同様に、カソードシール部材１４は、カソード側セパレータ１ｂと電解質膜１０の隙間を封止することにより酸化剤ガスをシールする。このような構成により、燃料ガスおよび酸化剤ガスの混合や外部へのリークが防止される。これらシール部材１３、１４としては、ゴム状の弾性体を採用できるが、特に素材は限定されない。また、シール部材１３、１４には、シールとしての機能を保持するために必要な添加剤、軟化剤などが含まれ、さらに、射出成型などによりシールの形状を形成するために必要な可塑剤、添加剤、酸化防止剤および成型後に残ったこれらの反応物や分解物なども含まれる。
【００４４】
これらの含有物の中には、燃料電池の発電反応を阻害する被毒物質となる不純物が含まれる場合があり、この不純物が電極を被毒して発電性能を低下させる可能性がある。特に、シール部材に軟化剤として添加されるオイル状の物質は、アノード１１やカソード１２を被毒して、燃料電池の電圧低下の原因となる場合がある。ここでいう不純物とは、燃料電池の発電反応を阻害する物質を意味し、シール部材１３、１４に含まれる配合剤や、シール部材１３、１４を形成する際に発生・混入する不純物のことを指す。
【００４５】
次に、溝部９について説明する。溝部９は、セパレータ１ａ、１ｂにおいて、セパレータ１ａ、１ｂの厚み方向から見て、シール部材１３、１４が配置される部分より周縁部側に形成される。溝部９は、シール溝６ａ、６ｂに配置されたシール部材１３、１４から排出される不純物を溝部９の内部へ浸入させて、溝部９を通してセパレータ１ａ、１ｂの外部に排出する。これらシール部材１３、１４に含まれる不純物は、シール部材１３、１４から染み出た後、セパレータ１ａ、１ｂに形成された溝部９に排出される。その排出原理については以降で説明する。
【００４６】
ここで、溝部９による不純物の排出原理を説明する。図２に示すように、本実施の形態１のセパレータ１ａ、１ｂは、シール部材１３、１４から溝部９ａ、９ｂまでの距離ｄ２が、シール部材１３、１４からアノード１１、カソード１２までの距離ｄ１よりも短くなるように構成されている。このような構成によれば、シール部材１３、１４と、アノード１１、カソード１２および溝部９ａ、９ｂとの隙間において、それぞれの隙間に発生する毛管現象、重力、分子間力に差異が生じ、不純物がシール部材１３、１４から溝部９ａ、９ｂに向かって流れる推進力が発生する。したがって、不純物は、アノード１１、カソード１２側よりも溝部９ａ、９ｂ側へより多く流れる。さらに、溝部９ａ、９ｂの底面と電解質膜１０の表面との間隔ｔ１は、シール部材１３、１４からアノード１１、カソード１２の端部までの領域におけるセパレータ１ａ、１ｂの表面と電解質膜１０の表面との間隔ｔ２よりも大きく、このことも、不純物がシール部材１３、１４から溝部９ａ、９ｂへ流れる推進力を発生させる要因となっている。
【００４７】
また、溝部９ａ、９ｂを外部に連通させることにより、シール部材１３、１４から発生した不純物を外部に排出することができ、燃料電池の系外へ不純物を隔離するので、不純物が燃料電池に逆流することを防止することができる。
【００４８】
次に、燃料電池スタックおよびそこで発生する反応について説明する。燃料電池スタックは、上記構成のＭＥＡおよびセパレータ１ａ、１ｂからなる単電池セルを複数積層し、両端に電流を取り出すために集電体を配置して、絶縁体を介して端板を配置し、締結することにより作成される。スタックの周囲には、外部への放熱を防止して排熱回収効率を高めるために、断熱材が配置される。
【００４９】
そして、アノード１１側に水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、カソード１２側に大気中の酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給する酸化剤ガス供給手段と、スタックを冷却し、スタックで発生する熱と熱交換する冷却流体を供給する冷却流体供給手段とが接続される。これにより、複数の単電池セルが積層された燃料電池発電システムが完成する。
【００５０】
ここで、燃料ガス供給手段の構成について説明する。燃料ガス供給手段は、都市ガスなどの原料ガスから付臭剤として含まれている触媒毒となる硫黄化合物を除去する脱硫部と、脱硫した原料ガスの流量を制御する原料ガス供給部と、脱硫した原料ガスを水蒸気改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部と、改質部で発生した一酸化炭素を変成して一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ変成部と、さらに燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して除去するＣＯ除去部とで構成される。ＣＯ除去部には、大気中の空気が供給されている。
【００５１】
ここで、例えば原料ガスにメタンを用いた場合、改質部では、水蒸気を伴って化学式１、化学式２に示した反応が起こり、水素が発生する。
【化１】
2012182064.tif 000003
【化２】
2012182064.tif 000004
【００５２】
なお、改質部で起こる全反応をまとめると化学式３に示す反応が行われる。
【化３】
2012182064.tif 000005
【００５３】
しかし、改質部で生成した改質ガス中には水素以外に１０％程度の一酸化炭素が含まれる。そして、一酸化炭素は、燃料電池の運転温度域においてアノード１１に含まれる触媒を被毒し、その触媒活性を低下させる。そこで、化学式２の反応式に示すように、改質部で発生した一酸化炭素をＣＯ変成部で二酸化炭素に変成する。これにより、一酸化炭素の濃度が約５０００ｐｐｍまで減少する。
【００５４】
さらに、濃度が低減した一酸化炭素を、ＣＯ除去部で、化学式４で示す反応により、大気中から取り込んだ酸素を用いて選択的に酸化する。これにより、一酸化炭素の濃度を、アノード１１の触媒の触媒活性の低下を抑制できる約１０ｐｐｍ以下まで減少させることができる。
【化４】
2012182064.tif 000006
【００５５】
また、発電中、大気から取り込んだ空気をアノード１１に供給し、燃料ガス供給手段で生成した水素ガスに１〜２％程度の空気を混合（エアブリード）することにより、わずかに残る一酸化炭素の影響をさらに軽減させることができる。
【００５６】
次に、酸化剤ガス供給手段について説明する。酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、酸化剤ガス中の不純物を除去する不純物除去手段と、酸化剤ガスを加湿する加湿器とで構成される。
【００５７】
ここで、酸化剤ガスとは、少なくとも酸素を含む（あるいは酸素を供給することのできる）ガスの総称であり、例えば大気（空気）が利用される。
【００５８】
次に、冷却手段について説明する。冷却手段は、スタックを冷却する冷却流体を貯える冷却流体タンクと、冷却流体を供給する冷却流体ポンプと、冷却流体流路を有し、燃料電池で発生した熱と熱交換した冷却流体とさらに熱交換して熱水を生成する熱交換器とで構成される。
【００５９】
次に、以上説明した上記構成のセパレータを用いた燃料電池発電システムの発電時の動作について説明する。まず、アノード１１に燃料ガス、カソード１２に酸化剤ガスを供給して、燃料電池に負荷を接続する。これによって、燃料ガス中の水素は、化学式５で示すようにアノード１１の触媒層と電解質膜１０の界面で電子を放出して水素イオンとなる。
【化５】
2012182064.tif 000007
【００６０】
そして、放出された水素イオンは、電解質膜１０を通ってカソード１２へと移動し、カソード１２の触媒層と電解質膜１０の界面で電子を受け取る。このとき、カソード１２に供給された酸化剤ガス中の酸素と反応して、化学式６で示すように水を生成する。
【化６】
2012182064.tif 000008
【００６１】
上記反応をまとめると化学式７に示す反応が行われる。
【化７】
2012182064.tif 000009
【００６２】
そして、負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用できる。また、上記一連の反応は発熱反応であるため、燃料電池で発生した熱を、冷却流体流路から供給される冷却流体により熱交換して回収することにより、熱水などの熱エネルギーとして利用することができる。
【００６３】
（実施例）
次に、シール部材１３、１４中に不純物が含まれる燃料電池の発電時の挙動について確認試験を行った。具体的には、燃料電池の電池電圧を検出するための電圧検出手段を接続し、以下で示す実施例と比較例１、２を比較した。実施例として、実際に上記本発明の実施の形態１の溝部９を形成したセパレータ１を用いた燃料電池発電システムを発電させ、電圧検出手段により電池電圧を測定した結果を記載する。また、シール部材１３、１４中に含まれる不純物による発電性能への影響を調べるため、比較例１として、溝部９の形成されていないセパレータ１を用いて作成したスタックを搭載した燃料電池発電システムの測定結果を記載する。同様に、比較例２として、不純物の溶出の少ないフッ素樹脂からなるシール部材１３、１４を用いて作成したスタックを搭載した燃料電池発電システムの測定結果を記載する。
【００６４】
このとき、アノード１１側に供給する燃料ガスの利用率は７０％、露点は約５５℃、カソード１２側に供給する酸化剤ガスの利用率は５０％、露点は約０℃とした。そして、流れる電流を一定にするため、アノード１１およびカソード１２の電極面積に対し電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２となるように負荷を制御した。また、燃料電池を冷却する冷却流体は、燃料電池冷却流体流路入口マニホールドの近傍で約６０℃、燃料電池冷却流体流路出口マニホールドの近傍で約７０℃となるように流量を制御した。
【００６５】
まず、実施例の燃料電池発電システムの発電性能は、比較例２の燃料電池発電システムとほぼ同等であり、顕著な電圧低下は見られなかった。
【００６６】
次に、比較例１の燃料電池発電システムの発電性能は、実施例の燃料電池発電システムに比べて、電池電圧が低く、発電効率が低下していた。
【００６７】
ここで、この発電効率が低下した燃料電池発電システムに搭載したスタックを解体し、溝部９を有さないセパレータ１、ＭＥＡ、シール部材１３、１４を観察した。そうすると、シール部材１３、１４中に含まれるオイル状の鉱物油がＭＥＡを構成するアノード１１およびカソード１２のガス拡散層の周縁部に染み込んでいることが分かった。オイル状の鉱物油がガス拡散層を被覆すれば、燃料ガスや酸化剤ガスが拡散しにくくなり、その下層にある触媒層も被毒を受けている可能性がある。このことから、不純物であるオイル状の鉱物油が原因でアノード１１、カソード１２の有効な発電面積が減少していること、およびこれにより電圧低下が発生したことを推測することができる。
【００６８】
このように、本発明の実施の形態１のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、シール部材１３、１４が配置される部分より周縁部側に、複数の溝部９を有することにより、シール部材１３、１４から発生した不純物がシール部材１３、１４から溝部９ａ、９ｂに向かって流れる推進力が発生するため、不純物が溝部９ａ、９ｂから多く排出されて、発電を行う電極側に不純物が流れる量が削減される。また、溝部９ａ、９ｂの底面と電解質膜１０の表面との間隔が、シール部材１３、１４からアノード１１、カソード１２の端部までの領域におけるセパレータ１ａ、１ｂの表面と電解質膜１０の表面との間隔よりも大きいため、推進力がさらに増加している。これらのことにより、電極が不純物により被毒されることを抑制し、不純物が原因による電圧低下を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００６９】
また、本発明の実施の形態１のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、シール部材にある程度の不純物が含まれていたとしても、不純物による影響を軽減することができ、シール部材のシール性を保持したまま、流体の圧損を上昇させたり、燃料電池の温度を冷却することなく、シール溝に溝部を設けたごく簡単な構成で、シール部材に含まれる不純物が電極を被毒することを抑制することができ、燃料電池発電システムのコストダウンを図ることができる。
【００７０】
（実施の形態２）
図３に、本発明の実施の形態２のセパレータ１ａを示す。図４は、本実施の形態２のセパレータ１ａを用いた燃料電池の単電池セルの線Ｂ−Ｂ（図３参照）に沿った断面図である。実施の形態１では、溝部９ａ、９ｂとシール溝６ａ、６ｂとの間にセパレータ１ａ、１ｂが存在するのに対し、本実施の形態２では、図３に示すように、溝部９ａ、９ｂとシール溝６ａ、６ｂとの間に中間物が存在せず、溝部９ａ、９ｂの一端がシール溝６ａ、６ｂに接続されている。それ以外の構成要素は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７１】
ここで、溝部９ａ、９ｂによる不純物の排出原理について述べる。実施の形態１では、シール部材１３、１４から溝部９ａ、９ｂまでの距離がｄ２であるのに対し、本実施の形態２では、溝部９ａ、９ｂの一端がシール溝６ａ、６ｂに接続されているため、ｄ２は０である。このような構成によれば、不純物がシール部材１３、１４から溝部９ａ、９ｂに向かって流れる推進力を発生させることができ、不純物が溝部９ａ、９ｂへ流れやすくなる。
【００７２】
本実施の形態２のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、溝部９の一端がシール溝６に接続されていることにより、シール部材１３、１４から発生する不純物が、効率よく溝部９に移動することができ、不純物による電極の被毒を抑制することができる。
【００７３】
（実施の形態３）
図５に、本発明の実施の形態３のセパレータ１ａを示す。本実施の形態３のセパレータ１ａは、溝部９がシール部材に沿って延在し、セパレータ１ａの周縁部の端面より外側に連通した一続きとなるようにした点で、実施の形態２とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。また、セパレータ１ａを用いた燃料電池の断面図についても、実施の形態１と同様であるため省略する。
【００７４】
本実施の形態３のセパレータ１ａでは、溝部９がシール部材に沿って一続きであるため、実施の形態２よりも不純物を排出できる面積が増加する。したがって、溝部９から排出される不純物の量が増加する。
【００７５】
本実施の形態３のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、溝部９の形状を実施の形態１、２よりさらに簡素化できるとともに、不純物を排出できる面積が増加するため、さらに効率よく不純物を除去することができ、不純物による電極の被毒を防止することができる。
【００７６】
また、図６に示すように、溝部９が、シール溝６の全周にわたって配置されている構成であっても良い。この場合も図５のセパレータ１ａと同様の作用効果を奏する。
【００７７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４のセパレータ１ａは、図７に示すように、不純物を外部に排出するための溝部９が、セパレータ１ａの周縁部の端面より内側に形成されるとともにシール溝６には接続されない、すなわち、溝部９のいずれの端部も、セパレータ１ａの周縁部の端面より内側に配置されているようにした点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００７８】
ここで、本実施の形態４の溝部９は、図８に示すように、端面に沿って一体的に連続な形状としてもよい。
【００７９】
本実施の形態４のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、溝部９のいずれの端部も、セパレータ１ａの周縁部の端面より内側に配置されているので、不純物がアノード１１やカソード１２とは隔離された状態となって、アノード１１やカソード１２に逆流することなく溝部に閉じ込められるので、燃料電池の外表面が不純物により汚染されることを防止することができる。
【００８０】
また、溝部９全体の容積を不純物を滞留させるのに十分な容積とすることにより、不純物を外部に漏らすことなく溝部９の内側に滞留させて保持できるので、燃料電池の外部が不純物により汚染されることを防止することができる。
【００８１】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５のセパレータ１ａは、図９に示すように、溝部９の一端がシール溝６に接続しており、もう一方の一端がセパレータ１ａの周縁部の端面より内側に形成されるようにした点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００８２】
本実施の形態５のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、溝部９のいずれの端部も、セパレータ１ａの周縁部の端面より内側に配置されているので、不純物がアノード１１やカソード１２とは隔離された状態となり、アノード１１やカソード１２に逆流することなく溝部９に閉じ込められるので、燃料電池の外表面がシール部材から発生した不純物により汚染されることを防止することができる。
【００８３】
また、溝部９の一端が、シール溝６に接続しているので、シール部材から発生する不純物が効率よく、溝部９に移動することができるので、不純物による電極の被毒をさらに抑制することができる。
【００８４】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６のセパレータ１ａは、図１０に示すように、溝部９が、シール部材に沿って延在し、セパレータ１ａの周縁部の端面より内側に配置された一続きの形状であるようにした点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００８５】
本実施の形態６のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、溝部９の形状を簡素化できるだけでなく、不純物を排出できる面積が増加するため、さらに効率よく不純物を除去することができ、不純物による電極の被毒を防止することができる。
【００８６】
また、溝部９全体の容積を、不純物を滞留させるのに十分な容積とすることにより、不純物を外部に漏らすことなく溝部９の内側に滞留させて保持できるので、燃料電池の外部が不純物により汚染されることを防止することができる。
【００８７】
（実施の形態７）
本実施の形態では、セパレータ１ａは、不純物を蓄積する連通溝を有するが、以降、連通溝の一例であるバッファ部１５について説明する。本発明の実施の形態７のセパレータ１ａは、図１１に示すように、複数の溝部９を連通するとともに個々の溝部９よりも大きな容積を有するバッファ部１５を有し、溝部９の一端が、セパレータ１ａの周縁部の端面より内側に配置されたバッファ部１５に連通している点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００８８】
本実施の形態７のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、不純物を、溝部９を介してバッファ部１５に閉じ込めることができるため、量が多い場合でも、不純物をアノード１１やカソード１２とは隔離された状態で保持することができる。
【００８９】
ここで、バッファ部１５の容量は、不純物を滞留させるのに十分な容量とした。このように、バッファ部１５全体の容積を不純物を滞留させるのに十分な容積とすることにより、不純物を外部に漏らすことなくバッファ部１５の内側に滞留させて保持するので、燃料電池の外部が不純物により汚染されることを防止することができる。
【００９０】
また、図１２に示すように、バッファ部１５に溜まった不純物を外部へ排出するために、バッファ部１５の末端に、外部と連通した排出部１６を設けてもよい。排出部１６を設けることにより、不純物を燃料電池の系外へ隔離し、燃料電池へ逆流することを防止することができる。
【００９１】
（実施の形態８）
図１３は、重力方向の上から見た図である。本発明の実施の形態８のセパレータ１ａは、図１３に示すように、溝部９の他端が、シール溝６に接続される一端より重力方向の下側に配置した点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００９２】
本実施の形態８のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、重力を利用することにより、不純物が自然に上から下へ向かって、溝部９やバッファ部１５へ効率よく移動できるだけでなく、アノード１１やカソード１２への逆流をさらに防止することができる。
【００９３】
また、図１４に示すように、バッファ部１５に溜まった不純物を外部へ排出するために、バッファ部１５の末端に排出部１６を設けてもよい。排出部１６を設けることにより、不純物を燃料電池の系外へ隔離して、燃料電池へ逆流するのをさらに防止することができる。
【００９４】
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９のセパレータ１ａは、図１５に示すように、溝部９およびバッファ部１５に不純物吸着部材１７を配置した点で、実施の形態１とは異なる。それ以外の構成要素は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００９５】
ここで、不純物吸着部材１７は、特に材質を限定するものではなく、除去したい不純物に応じて最適化することが好ましく、例えば、除去したい不純物がオイル状の物質の場合は、吸油剤を含む部材を使用することが好ましい。
【００９６】
不純物吸着部材１７は、溝部９あるいはバッファ部１５の一部に配置するだけでもよく、厚み方向についても溝部９あるいはバッファ部１５の一部でもよい。また、不純物吸着部材１７は、予め推定した不純物の排出量に応じて厚みを設定しておくことが好ましく、形状についてはシート状のものが好ましい。
【００９７】
本発明の実施の形態９のセパレータおよびこれを用いた燃料電池によれば、不純物は、不純物吸着部材１７の吸着力により溝部９あるいはバッファ部１５に効率よく移動できるだけでなく不純物吸着部材１７によって保持されるので、不純物がアノード１１やカソード１２に逆流することをさらに防止することができる。
【００９８】
なお、本発明は上述の構成に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、溝部９の深さは、シール溝６の深さより浅くても深くても良く、この場合でも同様の作用効果を発揮することができる。
【００９９】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上のように、本発明にかかるセパレータおよびこれを用いた燃料電池は、不純物を含有するシール部材を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、燃料電池発電システム等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１  セパレータ
２ａ、２ｂ  アノードマニホールド
３ａ、３ｂ  カソードマニホールド
４ａ、４ｂ  冷却流体マニホールド
５  ガス流路
６、７、８  シール溝
９  溝部
１０  電解質膜
１１  アノード
１２  カソード
１３、１４  シール部材
１５  バッファ部
１６  排出部
１７  不純物吸着部材
【図１】
2012182064.tif 000010
【図２】
2012182064.tif 000011
【図３】
2012182064.tif 000012
【図４】
2012182064.tif 000013
【図５】
2012182064.tif 000014
【図６】
2012182064.tif 000015
【図７】
2012182064.tif 000016
【図８】
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【図９】
2012182064.tif 000018
【図１０】
2012182064.tif 000019
【図１１】
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【図１２】
2012182064.tif 000021
【図１３】
2012182064.tif 000022
【図１４】
2012182064.tif 000023
【図１５】
2012182064.tif 000024
【図１６】
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