(57)【要約】【課題】燃料電池の反応ガスの流量分布や濃度分布の均一化を図る。【解決手段】膜−電極接合体の電極と接触するカソードセパレータ１の発電領域４を囲むようにカソード側シール部材３を配置し、カソード側シール部材３とカソードセパレータ１の発電領域４との間に形成される空間をカソード貯水部８とし、カソードセパレータ１の発電領域４に形成された電極の表面に沿って酸化剤ガスが蛇行して流れるサーペンタイン型の反応ガスのカソードガス流路６の折り返し部に、カソードガス流路６とカソード貯水部８とが連通するカソード排水溝７を設けたことにより、生成水や、ガスに含まれる水でガス流路の閉塞を抑制することで、燃料電池を安定に発電させることができる。また、別部品を設置することなく達成できるため、組み付けも簡便であるため、省工程でかつコストを低減することができる。【選択図】図１
2017022012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面に一対の電極を備えた膜−電極接合体と、前記電極と接触し発電を行う領域である発電領域、前記発電領域の外周側に非発電領域、発電に供する反応ガスの流路が形成されたセパレータと、前記セパレータの前記発電領域を囲むように配置されたシール部材と、を備え、
前記シール部材と前記発電領域との間に形成される空間を貯水部とし、
前記発電領域に、前記電極の表面に沿って前記反応ガスが蛇行して流れるサーペンタイン型のガス流路が形成され、
前記ガス流路の折り返し部に、前記ガス流路と前記貯水部とが連通する少なくとも１つの排水溝を有する、燃料電池。
【請求項２】
前記シール部材から分岐して形成され、前記シール部材と前記発電領域の周縁との間を仕切るための仕切り部材を少なくとも１つ以上有し、前記貯水部が前記仕切り部材とシール部材で囲まれた、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流路の最初の前記折り返し部に、前記排水溝を有する、請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記排水溝と前記貯水部のセパレータの表面エネルギーが、前記ガス流路面の表面エネルギーよりも高い、請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記環状シール部材および前記仕切り部材が、ゴム弾性体からなる、請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ゴム弾性体は、フッ素ゴムである、請求項５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質膜の両面に一対の電極を備えた膜電極接合体を、ガス流路が形成された一対のセパレータの間に挟んだ構造を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質形燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを、ガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいて、それぞれ電気化学的に反応させて、電気と熱とを同時に発生させる燃料電池である。
【０００３】
図１２に、このような固体高分子電解質形燃料電池の一般的な基本構成（単電池）の要部概略断面図を示す。
【０００４】
燃料電池１００は、主として膜−電極接合体２５と、膜−電極接合体２５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ち、カソードセパレータ１とアノードセパレータ２を含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。この膜−電極接合体２５は、電解質膜１８の両面にアノード触媒層２１とカソード触媒層２２を備え、それらの外層部には、それぞれアノードガス拡散層１９とカソードガス拡散層２０とを備える。
【０００５】
アノード触媒層２１とアノードガス拡散層１９を合わせて、アノード極２３とし、カソード触媒層２２とカソードガス拡散層２０を合わせてカソード極２４とする。これら両極にカソードセパレータ１およびアノードセパレータ２を重ねた構造のセルを１層以上重ねてモジュールとし、モジュールを積層することでスタック（図示せず）が構成される。
【０００６】
また、膜−電極接合体２５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちカソードセパレータ１およびアノードセパレータ２の表面には、燃料電池の電極の表面に沿って発電に供する反応ガスを流すためのカソードガス流路６およびアノードガス流路１３が形成される。
【０００７】
カソードガス流路６に供給された酸化剤ガスとアノードガス流路１３に供給された燃料ガスとは、外部に漏れ出ないように、電解質膜１８の周縁部と一対の板状のセパレータ（カソードセパレータ１およびアノードセパレータ２）との間に設けたアノード側シール部材１２およびカソード側シール部材３の双方によってシールされている。
【０００８】
セパレータ間には、セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる冷却水流路１７が形成されており、その冷却水流路１７に冷却媒体が循環され、燃料電池を冷却している。また、この冷却水は、セパレータ間の冷却水シール部材（図示せず）により、シールされている。
【０００９】
膜−電極接合体２５をカソードセパレータ１およびアノードセパレータ２で挟持させている領域は、発電に寄与する発電領域４であり、発電領域４の外側の領域は、発電に寄与しない非発電領域５である。
【００１０】
図１３に、燃料電池の電極の表面に沿って反応ガスが蛇行して流れるように形成されたサーペンタイン型のカソードセパレータ１の平面図を示す。導入側カソードマニホールド９ａから供給された酸化剤ガスは、サーペンタイン型のカソードガス流路６を経て、排出側カソードマニホールド９ｂから排出される。
【００１１】
燃料電池１００は、水素または水素リッチな改質ガスを燃料ガスとしてアノード極２３
に供給し、空気または酸素を酸化剤ガスとしてカソード極２４に供給する。
【００１２】
燃料ガスとして改質ガスを供給する場合は、水素以外にも二酸化炭素、窒素および水蒸気などが供給されるが、反応に伴い水素のみが消費されるため、ガス流路下流では、流量がさらに少なくなる。燃料ガスの流量分布が不均一である場合には、局所的に水素流量が不足するために、水素ガスが電極触媒まで充分に拡散することができない。
【００１３】
以上のような反応ガスの流路内の反応に伴って生じる流量分布の不均一や濃度分布の不均一および流路内の水蒸気が凝縮した凝縮水を解消する手段として、平行して形成された流路同士を連結するスリット状の流路をサーペンタイン流路構造の最初の折り返しより下流側に設けるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
図１４は、特許文献１に開示された流路間を連通するスリット流路の構造を有するセパレータの平面図である。図１４に示すように、導入側カソードマニホールド９ａから供給された酸化剤ガスは、サーペンタイン型のカソードガス流路６を経て、排出側カソードマニホールド９ｂから排出される。
【００１５】
カソードガス流路６の平行して形成された流路同士を連結するスリット流路２６を、サーペンタインの最初の折り返しよりも下流側に１箇所以上設けることで、平行流路間の流量分布、圧力分布および凝縮水の滞留が局所的に生じた場合でも、スリット流路２６に凝縮水が流れることで、安定した発電性能を得られるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−３５１２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、平行して形成された流路同士を連結するスリット流路２６が、流路構造の外に凝縮水を排出させる構造になっていないため、流路内に結露した水で再度、流路を閉塞させる可能性がある。
【００１８】
導入側カソードマニホールド９ａに近いカソードガス流路６の上流側は、燃料電池の反応に必要な酸化剤ガスがカソードガス流路６の上流から下流までの全体で発電に必要なガス量が供給されるため、反応生成物である生成水が多く生成されやすい。
【００１９】
この生成水が、サーペンタイン型のカソードガス流路６の初めの折り返し部分で溜まる場合には、カソードガス流路６の一部が狭くなり、排出側まで十分に反応ガスを供給できず、燃料電池を効率的にかつ安定的に発電できない。
【００２０】
また、図１４に示すような流路同士を上流から下流まで段階的に連結するスリット流路２６を設けた場合には、流路内で結露した水は、重力方向に移動していくが、スリット流路２６と連結したカソードガス流路６に集中しやすく、連結した箇所で水詰まりが発生しやすくなり、燃料電池の安定発電ができないという課題を有していた。
【００２１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、サーペンタイン流路内の水によるガス流路の閉塞を防ぎ、安定な発電に供する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】
【００２２】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、膜−電極接合体の電極と接触
するセパレータの発電領域を囲むようにシール部材を配置し、シール部材とセパレータの発電領域との間に形成される空間を貯水部とし、セパレータの発電領域に形成された電極の表面に沿って反応ガスが蛇行して流れるサーペンタイン型の反応ガスのガス流路の折り返し部に、ガス流路と貯水部とが連通する少なくとも１つの排水溝を設けたのである。
【００２３】
これにより、サーペンタイン型のガス流路の折り返し部分に溜まる水を、効果的にガス流路の外部に排出できるので、サーペンタイン流路内の水によるガス流路の閉塞を防ぐことができ、それにより、燃料電池を効率的にかつ安定的に発電できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃料電池は、燃料電池の発電に伴う生成水や、ガス流路に導入したガスに含まれる水でガス流路が閉塞されることを防ぎ、流路簡易的に生成水を流路外部へ排水させることができ、発電全領域に、均一に反応ガスを供給できるため、燃料電池を効率的にかつ安定的に発電できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池のカソードセパレータの平面図
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池のアノードセパレータの平面図
【図４】図３のＢ−Ｂ’断面図
【図５】本発明の実施の形態２における燃料電池のアノードセパレータの平面図
【図６】図５の破線で囲んだ部分の部分拡大図
【図７】図６のＣ−Ｃ’断面図
【図８】図６のＤ−Ｄ’断面図
【図９】本発明の実施の形態３における燃料電池のカソードセパレータの平面図
【図１０】本発明の実施の形態３の他の形態の燃料電池のカソードセパレータの平面図
【図１１】本発明の実施の形態３の他の形態の燃料電池のカソードセパレータの平面図
【図１２】従来の燃料電池の基本構成（単電池）の要部概略断面図
【図１３】従来の燃料電池のカソードセパレータ流路の一例を示した平面図
【図１４】従来の燃料電池のカソードセパレータ流路の他の例を示した平面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
第１の発明は、高分子電解質膜の両面に一対の電極を備えた膜−電極接合体と、前記電極と接触し発電を行う領域である発電領域、前記発電領域の外周側に非発電領域、発電に供する反応ガスの流路が形成されたセパレータと、前記セパレータの前記発電領域を囲むように配置されたシール部材と、を備え、前記シール部材と前記発電領域との間に形成される空間を貯水部とし、前記発電領域に、前記電極の表面に沿って前記反応ガスが蛇行して流れるサーペンタイン型のガス流路が形成され、前記ガス流路の折り返し部に、前記ガス流路と前記貯水部とが連通する少なくとも１つの排水溝を有する、燃料電池である。
【００２７】
上記構成において、サーペンタイン型の反応ガスのガス流路内で生じた水は、ガス流路の折り返し部に設けた排水溝を通って、シール部材とセパレータの発電領域との間に形成される空間で構成された貯水部に排出されるので、発電に伴う生成水や、反応ガスに含まれる水によってガス流路が閉塞するのを抑制することができ、燃料電池を安定に発電させることができる。
【００２８】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記シール部材から分岐して形成され、前記シール部材と前記発電領域の周縁との間を仕切るための仕切り部材を少なくとも１つ以上
有し、前記貯水部を前記仕切り部材とシール部材で囲んだことにより、貯水部を経て、サーペンタイン型のガス流路から反応ガスが供給されずに排出されるガス回り込みを抑制することとなり、ガス流路内の圧力損失を低下させず安定に発電させることができる。
【００２９】
第３の発明は、特に第２の発明において、前記ガス流路の最初の前記折り返し部に、前記排水溝を有するものであり、前記サーペンタイン型のガス流路の最初の折り返し部で、排水溝と貯水部を連通することにより、上流側の流路が生成水やガス中に含まれる水での閉塞を抑制することとなり、他の発電領域に均一に反応ガスを供給させることができるため、効率的で安定に発電させることができる。
【００３０】
第４の発明は、特に第３の発明において、前記排水溝と前記貯水部のセパレータの表面エネルギーが、前記ガス流路面の表面エネルギーよりも高いものであり、ガス流路内で生成した水のガス流路内で滞留する時間が短く、貯水部へ導入しやすくすることとなり、燃料電池をより安定に発電させることができる。
【００３１】
第５の発明は、特に第１から第４のいずれかの発明において、前記環状シール部材および前記仕切り部材に、ゴム弾性体を用いるものであり、貯水部を、ゴム弾性体からなる環状シール部材および前記仕切り部材で囲まれる構成にすることにより、ゴム弾性が必要なシール部材と別部品を設置することなく、貯水部の機能を有する空間を作ることができるため、燃料電池の低コスト化に寄与することができる。
【００３２】
第６の発明は、特に第５の発明における前記ゴム弾性体に、フッ素ゴムを用いるものであり、ゴム弾性体が、フッ素ゴムで構成されることにより、燃料電池発電時の燃料ガスおよび酸化剤ガスに暴露された環境であっても耐化学劣化および耐圧縮永久歪性に優れているため、燃料電池部材の耐久性向上に寄与することができる。
【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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００３４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池のカソードセパレータの平面図である。図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。図３は同実施の形態における燃料電池のアノードセパレータの平面図である。図４は図３のＢ−Ｂ’断面図である。
【００３５】
図１に示すカソードセパレータ１は、導入側カソードマニホールド９ａ、導入側冷却水マニホールド１０ａおよび導入側アノードマニホールド１１ａと、排出側カソードマニホールド９ｂ、排出側冷却水マニホールド１０ｂおよび排出側アノードマニホールド１１ｂを有している。
【００３６】
これらのマニホールドの周囲にカソード側シール部材３を設置し、また発電領域４の外側は、電極反応に寄与しない非発電領域５があり、発電領域４の外周を環状に囲むようにカソード側シール部材３がある。また発電領域４には、カソードガス流路６があり、その一部に非発電領域５へ連通するカソード排水溝７を有している。
【００３７】
図２に示すように、発電領域４は、カソード側シール部材３とカソードセパレータ１が密着している設置面よりも一段高くなっており、カソード側シール部材３との間の空間にカソード貯水部８を有する構造となっている。
【００３８】
図３のアノードセパレータ２において、カソードセパレータ１と共通形状の箇所には、
同じ符号を付与している。また、図４に示すように、発電領域４は、非発電領域５よりも凸型になっており、アノード側シール部材１２との間の空間がアノード貯水部１５を有する。
【００３９】
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００４０】
まず、図１に示したカソードセパレータ１において、加湿された酸化剤ガスは、導入側カソードマニホールド９ａから発電領域４のサーペンタイン型のカソードガス流路６へ導入され、余剰のガスは、排出側カソードマニホールド９ｂに排出される。
【００４１】
またカソードガス流路６の折り返しの箇所にカソード排水溝７を有しており、酸化剤ガス中に含まれる水や、発電時に生成した水は、図２に示す発電領域４とカソード側シール部材３との間のカソード貯水部８に排出される。
【００４２】
また、図３に示したアノードセパレータ２は、加湿された燃料ガスが、導入側アノードマニホールド１１ａから発電領域４のサーペンタイン型のアノードガス流路１３へ導入され、余剰のガスは、排出側アノードマニホールド１１ｂへ排出される。燃料ガス中に含まれる水や、発電時にカソード極で生成した水が電解質膜を通って、アノードセパレータ２側へ逆透過した水が、アノードガス流路１３に排出される。
【００４３】
これらの水は、アノードガス流路１３の折り返しの箇所に設置したアノード排水溝１４を通り、図４に示す発電領域４とアノード側シール部材１２との間のアノード貯水部１５に排出される。
【００４４】
カソード側シール部材３およびアノード側シール部材１２は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂で構成され、材料としては、耐久性を考慮し、フッ素ゴムを用いる。
【００４５】
アノードセパレータ２およびカソードセパレータ１は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型加工することで得られる方法で作製したものを用いる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態は、発電領域４と非発電領域５と、膜−電極接合体に接触する流路が形成されたセパレータと、セパレータの発電領域を囲むように配置されたシール部材との間に形成される空間が貯水部となり、サーペンタイン型のガス流路の折り返し部に、ガス流路と貯水部とが連通する排水溝を有することで燃料電池の発電に伴う生成水や、ガス流路に導入したガスに含まれる水でガス流路を閉塞することを防ぎ、流路外部へ排水させることができる。これにより、燃料電池を安定に発電することができる。
【００４７】
なお、カソード側シール部材３およびアノード側シール部材１２には、フッ素ゴム以外に、熱可塑性エラストマーや接着剤等の化合物を使用することができる。
【００４８】
この他、シール部材としては、シリコーンゴム、天然ゴム、ＥＰＤＭ、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、臭化ブチルゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニルゴム、アクリルゴム、ポリイソプロピレンポリマー、パーフルオロカーボン、ポリベンゾイミダゾール、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマー、あるいはイソプレンゴム及びブタジエンゴム等のラテックスを用いた接着剤、液状のポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリクロロプレン、シリコーンゴム及びアクリロニトリル−ブタジエンゴム等を用いた接着剤等を挙げることができるが、これらの化合物に限定されない。
【００４９】
また、これらの化合物を単体で用いても、あるいは２種類以上を混合もしくは複合して用いてもよい。また、シール部材の形状は、特に限定されるものではないが、略矩形環状が好適に用いられる。
【００５０】
なお、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を配合したセパレータ材料を用いたが、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂やクレゾール樹脂およびエポキシ樹脂などを用いることができ、一般に黒鉛粉末あるいはそれに類するカーボン粉と熱可塑性樹脂の混練物を加熱成型加工したものも用いることができる。
【００５１】
なお、セパレータ材料は、ガス不透過の導電性材料として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンで形成したものも使用することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２の燃料電池におけるアノードセパレータの平面図である。図６は図５の破線で囲まれた部分の部分拡大図であり、図５において図２のアノードセパレータ２と共通形状の箇所に同じ符号を付与している。図７は図６のＣ−Ｃ’断面図であり、図８は、図６のＤ−Ｄ’断面図である。
【００５３】
図５に示すように、アノード側シール部材１２から分岐して形成され、発電領域４の周縁との間を仕切るための仕切り部材１６が設置され、仕切り部材１６とアノード側シール部材１２で囲まれた空間にアノード貯水部１５を配した構造となっている。
【００５４】
図７に示すように、仕切り部材１６は、アノード側シール部材１２から、発電領域４の側面に設置されている。また、図８に示すようにアノードセパレータ２は、アノード排水溝１４によって、アノードガス流路１３とアノード貯水部１５の間は連通されている。また、アノード貯水部１５は、仕切り部材１６によって堰状に仕切られている。
【００５５】
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００５６】
導入側アノードマニホールド１１ａから発電領域４のサーペンタイン型のアノードガス流路１３へ導入されるときに、アノード側シール部材１２の内側の非発電領域５に漏れ出す反応ガスは、仕切り部材１６をアノード側シール部材１２と発電領域４との間に設けることによって、反応ガスのアノード側シール部材１２の内側の非発電領域５に流れるガスの回り込み量を抑制する。
【００５７】
以上のように、本実施の形態は、仕切り部材１６によって、アノード側シール部材１２と発電領域４との間の非発電領域５を流れるガス量を抑制することで、発電に寄与しないガスを極力減らすことができ、燃料電池を安定に発電させることができる。また、仕切り部材１６をアノード側シール部材１２と同じ部材を用いることで、別部材を設置することがなく達成できるため、低コスト化に寄与することができる。
【００５８】
なお、仕切り部材１６とアノード側シール部材１２で囲まれた空間にアノード貯水部１５を配した構造は、アノードセパレータに限定するものではない。
【００５９】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３の燃料電池におけるカソードセパレータの平面図であり、図１のカソードセパレータと共通形状の箇所に同じ符号を付与している。
【００６０】
図９に示す通り、反応ガスは、導入側カソードマニホールド９ａから発電領域４のサー
ペンタイン型のカソードガス流路６へ導入され、サーペンタイン型のガス流路の最初の折り返しの箇所に、カソード排水溝７が配されている。
【００６１】
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池部材について、以下その動作、作用について説明する。
【００６２】
導入側カソードマニホールド９ａから、加湿されたガスがカソードガス流路６に導入される。その後、サーペンタイン型のカソードガス流路６の最初の折り返し部では、流速が変化し、流路も燃料電池の外側に近くなるため、外気温度の影響を受け、凝縮水になりやすく、この生成水は、直下に配したカソード排水溝７を経て外部経路のカソード貯水部８に保持される。
【００６３】
以上のように、本実施の形態は、加湿されたガスや発電時に生成した水が方向変換を行う場所で凝縮水となりやすく、その先のカソードガス流路６を閉塞する前に外部経路へ排水するカソード排水溝７を有するため、カソードガス流路６の水つまりを効果的に抑制することができる。
【００６４】
なお、サーペンタイン型のガス流路の最初の折り返しの箇所に、カソード排水溝７を配した構造は、カソードセパレータに限定するものではない。
【００６５】
（変形例１）
図１０は実施の形態３の変形例のカソードセパレータの平面図であり、図１のカソードセパレータと共通形状の箇所に同じ符号を付与している。
【００６６】
図１０に示す通り、発電領域４の周囲を囲むように非発電領域５が存在し、発電領域４とカソード側シール部材３が離れて設置した構造となっている。また、仕切り部材１６を導入側カソードマニホールド９ａと排出側カソードマニホールド９ｂの近傍に設置している。
【００６７】
以上のように構成された燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００６８】
まず、発電領域４の周囲を囲むようにカソード側シール部材３が設置された空間が、カソード貯水部８となっている。このため、実施の形態３のカソード貯水部８よりも容積が大きい構造となっている。また、仕切り部材１６を設置することで、導入側カソードマニホールド９ａと排出側カソードマニホールド９ｂから非発電領域５に酸化剤ガスが回り込むことや、酸化剤ガスの排出側カソードマニホールド９ｂへのガスの漏れを防ぐ。
【００６９】
以上のように、本実施の形態は、発電領域４と非発電領域５と、膜−電極接合体に接触するカソードガス流路６が形成されたカソードセパレータ１と、カソードセパレータ１の発電領域４を囲むように配置されたカソード側シール部材３との間に形成される空間がカソード貯水部８となり、容積を増やすことができるため、より多くの発電領域４で発電に伴う生成水や、カソードガス流路６に導入したガスに含まれる水を貯水することができるため、ガス流路を閉塞することを防ぐことができる。
【００７０】
なお、導入側カソードマニホールド９ａと排出側カソードマニホールド９ｂの近傍に仕切り部材１６を設置した構造は、カソードセパレータに限定するものではない。
【００７１】
（変形例２）
図１１は、実施の形態３の変形例のカソードセパレータの平面図である。図１のカソードセパレータと共通形状の箇所に同じ符号を付与している。
【００７２】
図１１に示す通り、カソードガス流路６が複数本あるサーペンタイン型のカソードガス流路６において、サーペンタイン型のカソードガス流路６の最初の折り返しの箇所に非発電領域５へ向かってカソード排水溝７を設置している。
【００７３】
以上のように構成された燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。
【００７４】
まず、導入側カソードマニホールド９ａから導入された酸化剤ガスは、複数本あるサーペンタイン型のカソードガス流路６を経て、下流側の排出側カソードマニホールド９ｂへ排出される。この場合に生成水が発電領域の中心に生じた場合、中心まで延長したカソード排水溝７を経て、非発電領域５にあるカソード貯水部８に排出される。
【００７５】
以上のように、本実施の形態は、発電領域４と非発電領域５と、膜−電極接合体に接触するカソードガス流路６が形成されたカソードセパレータ１と、カソードセパレータ１の発電領域４を囲むように配置されたカソード側シール部材３との間に形成される空間がカソード貯水部８となり、複数本あるサーペンタイン型のカソードガス流路６の折り返し部に、カソードガス流路６とカソード貯水部８とが連通するカソード排水溝７を有することで、特に発電領域４の中心で発電に伴う生成水や、カソードガス流路６に導入したガスに含まれる水で閉塞することを防ぎ、流路外部へ排水させることができる。
【００７６】
なお、複数本あるサーペンタイン型のカソードガス流路６において、サーペンタイン型のカソードガス流路６の最初の折り返しの箇所に非発電領域５へ向かってカソード排水溝７を設置した構造は、カソードセパレータに限定するものではない。
【００７７】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、図１に示したカソード排水溝とカソード貯水部の表面エネルギーが、カソードガス流路の表面エネルギーよりも高いものである。
【００７８】
表面エネルギーを増加させる手法として、陰圧環境下で酸素プラズマ処理を用いる。この処理は、カソード排水溝７とカソード貯水部８の表面エネルギーが発電領域４のカソードガス流路６よりも高くなるように、表面処理を行うことで表面エネルギーを高くすることができる。
【００７９】
本実施の形態における表面エネルギーは、固体と液体の界面の表面エネルギーであることから、固体表面における水の接触角で示すことができる。本実施の形態では、接触角が４５度以内とする。接触角が４５度を超える場合、カソードガス流路６に溜まった水を効果的にカソード排水溝７へ流れにくくなるためである。
【００８０】
表面エネルギーを増大させる手法としては、Ａｒガスの希ガスプラズマを用いる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態は、カソード排水溝７とカソード貯水部８の表面エネルギーが、カソードガス流路６の表面エネルギーよりも高くすることにより、カソードガス流路６で生成した水のカソードガス流路６内で滞留する時間をより短くし、カソード貯水部８へ排出させやすくなり、燃料電池をより安定に発電させることができる。
【００８２】
なお、これら以外の手法として、濡れ性を改善するためのシリカゾルやＳＯ4を成分とした表面改質剤や、コロナ放電処理およびレーザー表面処理なども用いることができる。また、本形態は、カソードセパレータに限定するものではない。
【００８３】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、実施の形態１で示したカソードセパレータにおいて、カソード貯水部や環状のカソード側シール部材および仕切り部材が、ゴム弾性体の材料で構成されている。
【００８４】
以上のように、本実施の形態は、カソード貯水部８や環状のカソード側シール部材３および仕切り部材１６が、ゴム弾性体で囲まれる構成にすることにより、シール性を効果的に発揮することができ、酸化剤ガスや燃料ガスおよび冷却水の漏れを防ぐことができるため、燃料電池のガスの有効活用と高信頼性に寄与することができる。
【００８５】
また、カソード側シール部材３の締め代があることで、組み立て時の公差の余裕度を多くとることができるため、製造容易性を高めることができる。
【００８６】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６は、実施の形態１で示したカソードセパレータにおいて、カソード貯水部や環状のカソード側シール部材および仕切り部材が、フッ素ゴム材料で構成されている。
【００８７】
本実施の形態は、カソード貯水部８や環状のカソード側シール部材３および仕切り部材１６が、フッ素ゴムで囲まれる構成にすることにより、シール性と共に高耐久性を発揮することができるため、これにより、燃料電池の長期耐久性を保持することができるため、燃料電池の信頼性に寄与することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、部品点数を減らし、組立性を向上させ、コスト低減すると共に、燃料電池の発電で生じた生成水やガス中に含まれる水をガス流路の外部へ排出させることができるため、燃料電池の信頼性向上と電池性能に寄与することができるため、高信頼性低コスト燃料電池の技術分野に有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１  カソードセパレータ
２  アノードセパレータ
３  カソード側シール部材
４  発電領域
５  非発電領域
６  カソードガス流路
７  カソード排水溝
８  カソード貯水部
９ａ  導入側カソードマニホールド
９ｂ  排出側カソードマニホールド
１０ａ  導入側冷却水マニホールド
１０ｂ  排出側冷却水マニホールド
１１ａ  導入側アノードマニホールド
１１ｂ  排出側アノードマニホールド
１２  アノード側シール部材
１３  アノードガス流路
１４  アノード排水溝
１５  アノード貯水部
１６  仕切り部材
１７  冷却水流路
１８  電解質膜
１９  アノードガス拡散層
２０  カソードガス拡散層
２１  アノード触媒層
２２  カソード触媒層
２３  アノード極
２４  カソード極
２５  膜−電極接合体
２６  スリット流路
１００  燃料電池
【図１】
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【図３】
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【図５】
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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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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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