(57)【要約】【課題】簡単な構成で、貫通孔に液状水が滞留することを阻止して前記貫通孔の閉塞を確実に抑制することができ、安定した発電性能を得ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４には、燃料ガス流路３２の入口側と燃料ガス入口連通孔２８ａとを連通する入口側連結流路４０が設けられる。入口側連結流路４０は、第１セパレータ１４を燃料ガス入口連通孔２８ａの近傍で貫通する複数の供給貫通孔４０ａを有し、前記供給貫通孔４０ａは、少なくとも一部に角部を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが設けられる燃料電池であって、
前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを連通する連結流路が設けられるとともに、
前記連結流路は、前記セパレータを貫通する複数の貫通孔と、
前記反応ガス流路が設けられる面側で、前記貫通孔と前記反応ガス流路とを繋ぐ直線状連結流路と、
を有し、
前記貫通孔は、平面形状の少なくとも一部に角部を有し、前記角部は、前記貫通孔に連結される前記直線状連結流路の流通方向に交差する流路幅方向の中央側に向かって配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記貫通孔は、開口断面の入口側及び出口側に角部を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記貫通孔の周囲には、スリットが形成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、積層されている各燃料電池のアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、所謂、内部マニホールドを構成する場合が多い。
【０００４】
内部マニホールドは、燃料電池の積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔（燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔）及び反応ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔）を備えている。反応ガス入口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路）の入口側に連通する一方、反応ガス出口連通孔は、前記反応ガス流路の出口側に連通している。
【０００５】
ここで、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と反応ガス流路とは、反応ガスを円滑且つ均等に流すとともに、シール性を向上させるために、複数の貫通孔を有する連結流路を介して連結されている場合がある。
【０００６】
例えば、特許文献１に開示されているセパレータでは、図１４に示すように、セパレータ表面にガス流路１を備えるとともに、セパレータ裏面に第１の溝２ａと第２の溝２ｂとが設けられている。セパレータには、第１の貫通孔３ａ及び第２の貫通孔３ｂが設けられており、ガス流路１は、前記第１の貫通孔３ａ及び前記第２の貫通孔３ｂと連続している。
【０００７】
ガス流路１の入口側は、第１の貫通孔３ａ及び第１の溝２ａを介してガス供給マニホールド４ａと連続しており、前記ガス流路１の出口側は、第２の貫通孔３ｂ及び第２の溝２ｂを介してガス排出マニホールド４ｂと連続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２９８８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、第１の貫通孔３ａ及び第２の貫通孔３ｂは、平面形状（開口形状）が円形を有している。このため、ガス供給マニホールド４ａから導入された水は、表面張力により第１の貫通孔３ａに滞留し易くなる一方、反応による生成水は、表面張力により第２の貫通孔３ｂに滞留し易くなる。
【００１０】
従って、第１の貫通孔３ａ及び第２の貫通孔３ｂは、滞留した水により水膜が形成されて閉塞されるという問題がある。これにより、セパレータ面内のガス分布や燃料電池間のガス分布が発生し易く、ガス流配性が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、貫通孔に液状水が滞留することを阻止して前記貫通孔の閉塞を確実に抑制することができ、安定した発電性能を得ることが可能な燃料電池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】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが設けられる燃料電池に関するものである。
【００１３】
この燃料電池では、反応ガス流路と反応ガス連通孔とを連通する連結流路が設けられるとともに、前記連結流路は、セパレータを貫通する複数の貫通孔と、前記反応ガス流路が設けられる面側で、前記貫通孔と前記反応ガス流路とを繋ぐ直線状連結流路とを有している。
【００１４】
そして、貫通孔は、平面形状の少なくとも一部に角部を有し、前記角部は、前記貫通孔に連結される直線状連結流路の流通方向に交差する流路幅方向の中央側に向かって配置されている。
【００１５】
また、この燃料電池では、貫通孔は、開口断面の入口側及び出口側に角部を設けることが好ましい。
【００１６】
さらに、この燃料電池では、貫通孔の周囲には、スリットが形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、貫通孔が角部を有するため、前記貫通孔における水の表面張力勾配（局所的な表面張力の差）が発生する。従って、貫通孔には、滞留水による水膜が形成され難くなる一方、移動時の振動やガス圧力の増減による表面張力の変動時に、前記水膜が破壊され易くなる。
【００１８】
これにより、簡単な構成で、貫通孔に液状水が滞留することを阻止して前記貫通孔の閉塞を確実に抑制することができ、安定した発電性能を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記第１セパレータに設けられる入口側連結流路の正面説明図である。
【図５】前記入口側連結流路の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】前記第１セパレータに設けられる出口側連結流路の正面説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する入口側連結流路の要部説明図である。
【図８】別の貫通孔の説明図である。
【図９】また別の貫通孔の説明図である。
【図１０】さらに別の貫通孔の説明図である。
【図１１】さらにまた別の貫通孔の説明図である。
【図１２】他の貫通孔の説明図である。
【図１３】また他の貫通孔の説明図である。
【図１４】特許文献１に開示されたセパレータの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向（例えば、水平方向）に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。
【００２１】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを備える。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを備える。固体高分子電解質膜１８は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。
【００２３】
アノード電極２０は、カソード電極２２よりも小さな平面寸法（表面積）を有する。なお、カソード電極２２は、アノード電極２０よりも小さな平面寸法（表面積）を有していてもよい。
【００２４】
アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１８の一方の面１８ａに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜１８の外周を額縁状に露呈させる第１電極触媒層２０ａ及び第１ガス拡散層２０ｂを設ける。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂに当接する第２電極触媒層２２ａ及び第２ガス拡散層２２ｂを設ける。なお、第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、複数の層から構成してもよい。
【００２５】
第２ガス拡散層２２ｂの平面は、第１ガス拡散層２０ｂの平面よりも大きく設定されるとともに、前記第２ガス拡散層２２ｂは、第２電極触媒層２２ａの外周から突出して固体高分子電解質膜１８の他方の面１８ｂ全体を覆う。
【００２６】
第１電極触媒層２０ａ及び第２電極触媒層２２ａは、多孔質カーボンに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両方の面１８ａ、１８ｂに印刷、塗布又は転写することによって構成される。
【００２７】
第１ガス拡散層２０ｂ及び第２ガス拡散層２２ｂは、カーボンブラック及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含む下地層をカーボンペーパに塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ平面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２９】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００３０】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路３０が設けられる。
【００３１】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３２が形成される。第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路３４が形成される。
【００３２】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材３６が一体化されるとともに、第２セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材３８が一体化される。
【００３３】
第１シール部材３６及び第２シール部材３８には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００３４】
図１及び図３に示すように、第１セパレータ１４には、燃料ガス流路３２の入口側と燃料ガス入口連通孔２８ａとを連通する入口側連結流路４０と、前記燃料ガス流路３２の出口側と燃料ガス出口連通孔２８ｂとを連通する出口側連結流路４２とが設けられる。
【００３５】
入口側連結流路４０は、第１セパレータ１４を燃料ガス入口連通孔２８ａの近傍で貫通する複数の供給貫通孔４０ａと、燃料ガス流路３２側の面１４ａ側で、前記供給貫通孔４０ａと前記燃料ガス流路３２の入口側とを繋ぐ複数本の直線状連結流路４０ｂとを有する。
【００３６】
入口側連結流路４０は、第１セパレータ１４の面１４ｂ側で、供給貫通孔４０ａと燃料ガス入口連通孔２８ａとを繋ぐ複数本の直線状連結流路４０ｃを有する（図１参照）。直線状連結流路４０ｂ、４０ｃは、第１シール部材３６と一体に設けられた凸状部間に形成される。
【００３７】
図４に示すように、供給貫通孔４０ａは、平面形状が正方形状（四角形状）を有するとともに、１つの角部４０ａｅが、直線状連結流路４０ｂに向かって配置される。具体的には、角部４０ａｅは、直線状連結流路４０ｂの流通方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）の中央側、すなわち、流路幅ｈ１の略中央側に向かって配置される。
【００３８】
供給貫通孔４０ａは、第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂの開口される端部がエッジ状に構成される。なお、第１セパレータ１４が金属セパレータで構成される場合、供給貫通孔４０ａを成形する際に一方側に突出するバリを残してもよい。また、図５に示すように、供給貫通孔４０ａは、開口断面の入口側及び出口側にそれぞれ外方に突出する角部４０ａｅ１、４０ａｅ２を設けてもよい。
【００３９】
図３及び図６に示すように、出口側連結流路４２は、第１セパレータ１４を燃料ガス出口連通孔２８ｂの近傍で貫通する複数の排出貫通孔４２ａと、燃料ガス流路３２側の面１４ａ側で、前記排出貫通孔４２ａと前記燃料ガス流路３２の出口側とを繋ぐ複数本の直線状連結流路４２ｂとを有する。
【００４０】
出口側連結流路４２は、第１セパレータ１４の面１４ｂ側で、排出貫通孔４２ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとを繋ぐ複数本の直線状連結流路４２ｃを有する（図１参照）。直線状連結流路４２ｂ、４２ｃは、第１シール部材３６と一体に設けられた凸状部間に形成される。
【００４１】
図６に示すように、排出貫通孔４２ａは、平面形状が正方形状（四角形状）を有するとともに、１つの角部４２ａｅが、直線状連結流路４２ｂに向かって配置される。具体的には、角部４２ａｅは、直線状連結流路４２ｂの流通方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）の中央側、すなわち、流路幅ｈ２の略中央側に向かって配置される。排出貫通孔４２ａは、開口断面の入口側及び出口側に角部を設ける。
【００４２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４４】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから第２セパレータ１６の酸化剤ガス流路３０に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２２に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガスは、第１セパレータ１４の入口側連結流路４０に供給される。この入口側連結流路４０では、面１４ｂ側で、燃料ガス入口連通孔２８ａから直線状連結流路４０ｃに供給された燃料ガスは、供給貫通孔４０ａを通って面１４ａ側に移動する。図３及び図４に示すように、燃料ガスは、供給貫通孔４０ａから直線状連結流路４０ｂを通って燃料ガス流路３２に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２０に供給される。
【００４６】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、アノード電極２０に供給される燃料ガスと、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスとが、第１電極触媒層２０ａ内及び第２電極触媒層２２ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、図３及び図６に示すように、直線状連結流路４２ｂから排出貫通孔４２ａを通って、面１４ｂ側に移動する。燃料ガスは、図１に示すように、排出貫通孔４２ａから直線状連結流路４２ｃを通って燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４８】
また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１４と第２セパレータ１６との間の冷却媒体流路３４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂから排出される。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、例えば、図４に示すように、供給貫通孔４０ａが角部４０ａｅを有する正方形状に構成されている。このため、供給貫通孔４０ａでは、水の表面張力勾配（局所的な表面張力の差）が発生する。従って、供給貫通孔４０ａには、滞留水による水膜が形成され難くなる一方、移動時の振動やガス圧力の増減による表面張力の変動時に、前記水膜が破壊され易くなる。
【００５０】
しかも、供給貫通孔４０ａの角部４０ａｅは、直線状連結流路４０ｂの流通方向（矢印Ｂ方向）に交差する流路幅方向（矢印Ｃ方向）の中央側に向かって配置されている。これにより、角部４０ａｅから燃料ガスを十分且つ勢いよく吹き出すことができ、前記角部４０ａｅに水膜が形成されることを可及的に抑制することが可能になる。特に、角部４０ａｅは、表面張力が小さい部位であり、形成された水膜を容易且つ確実に破壊することができる。
【００５１】
さらに、供給貫通孔４０ａは、図５に示すように、開口断面の入口側及び出口側に角部４０ａｅ１、４０ａｅ２を設けている。このため、供給貫通孔４０ａの入口側及び出口側では、壁面がＲ形状を有する際のように、水が溜まることを、有効且つ確実に抑制することが可能になる。
【００５２】
従って、簡単な構成で、供給貫通孔４０ａに液状水が滞留することを阻止し、前記供給貫通孔４０ａの閉塞を確実に抑制することができる。これにより、安定した発電性能を得ることが可能になるという効果が得られる。なお、出口側連結流路４２においても、上記の入口側連結流路４０と同様の効果が得られる。また、本願発明は、カソード側の流路にも適用することができる。
【００５３】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する入口側連結流路５０の要部説明図である。
【００５４】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する入口側連結流路４０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、図示しないが、出口側連結流路は、以下に説明する入口側連結流路５０と同様に構成される。
【００５５】
入口側連結流路５０は、平面形状が正方形状の複数の供給貫通孔５０ａを備えるとともに、前記供給貫通孔５０ａには、各角部（角部４０ａｅを含む）にスリット５０ｂが形成される。スリット５０ｂは、セパレータ面に所定の深さまで切り込んで形成される。
【００５６】
このため、第２の実施形態では、供給貫通孔５０ａに設けられたスリット５０ｂにより、特に移動時の振動や燃料ガス圧の増減による表面張力の変動時に、水膜を一層破壊し易くなるという利点がある。
【００５７】
なお、上記の第１及び第２の実施形態では、貫通孔として、平面形状が正方形状の供給貫通孔４０ａ、排出貫通孔４２ａ及び供給貫通孔５０ａを用いて説明したが、この形状に限定されるものではない。
【００５８】
例えば、図８に示すように、平面形状が三角形の貫通孔６０、図９に示すように、平面形状が星形の貫通孔６２、図１０に示すように、平面形状が多角形状、例えば、６角形の貫通孔６４を採用することが可能である。なお、多角形状としては、５角形や８角形等を用いてもよい。
【００５９】
また、図１１に示すように、Ｒ形状（湾曲形状）と２角形状の複合形状を有する貫通孔６６や、図１２に示すように、Ｒ形状と複数の三角形状の複合形状を有する貫通孔６８を使用してもよい。さらに、図１３に示すように、Ｒ形状と１つの三角形状の複合形状を有する貫通孔７０を使用してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池                      １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ              １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極                  ２２…カソード電極
２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔        ２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２６ａ…冷却媒体入口連通孔          ２６ｂ…冷却媒体出口連通孔
２８ａ…燃料ガス入口連通孔          ２８ｂ…燃料ガス出口連通孔
３０…酸化剤ガス流路                ３２…燃料ガス流路
３４…冷却媒体流路                  ３６、３８…シール部材
４０、５０…入口側連結流路          ４０ａ、５０ａ…供給貫通孔
４０ａｅ、４２ａｅ…角部
４０ｂ、４０ｃ、４２ｂ、４２ｃ…直線状連結流路
４２…出口側連結流路                ４２ａ…排出貫通孔
５０ｂ…スリット
６０、６２、６４、６６、６８、７０…貫通孔
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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