(57)【要約】【課題】燃料電池の排水性を向上する。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置された第１および第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、発電モジュールの第１のガス拡散層側に配置された第１のセパレータと、発電モジュールの第２のガス拡散層側に配置された第２のセパレータと、両セパレータの間における発電モジュールの外側に配置され、両セパレータの間をシールする樹脂シートとを備える。それぞれは、発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔を備える。樹脂シートは、第１のガス拡散層が配置される内部空間とマニホールドとを連通するための流路溝を備える。流路溝は、第２のセパレータから第１のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、第１のセパレータ側が開いた形状である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された第１および第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、
前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側に配置された第１のセパレータと、
前記発電モジュールの前記第２のガス拡散層側に配置された第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間における前記発電モジュールの外側に配置され、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間をシールする樹脂シートと、
を備え、
前記第１のセパレータと前記樹脂シートと前記第２のセパレータとのそれぞれは、前記発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔を備え、
前記樹脂シートは、前記第１のガス拡散層が配置される内部空間と前記マニホールドとを連通するための流路溝を備え、
前記流路溝は、
前記第２のセパレータから前記第１のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、前記第１のセパレータ側が開いた形状である、
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、膜電極接合体の両面にガス拡散層を配置した発電モジュールと、発電モジュールを挟む２枚のセパレータと、を有する。２枚のセパレータの間における発電モジュールの外側は、樹脂製のシール部材によって密封される（特許文献１、２を参照）。特許文献１には、シール部材としての樹脂枠部材に、ガス拡散層が配置される内部空間と連通する開口部を形成した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−６３７２７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２５１２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した先行技術において、一対のセパレータ間を貫くマニホールドと前記開口部とが連通孔によって繋がった構成とすることができる。この構成では、連通孔の上下面がセパレータで覆われた構造となる。このため、燃料電池で生成された水が両セパレータに付着して、燃料電池からの排水性が悪化する問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された第１および第２のガス拡散層と、を有する発電モジュールと、前記発電モジュールの前記第１のガス拡散層側に配置された第１のセパレータと、前記発電モジュールの前記第２のガス拡散層側に配置された第２のセパレータと、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間における前記発電モジュールの外側に配置され、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとの間をシールする樹脂シートと、を備える。前記第１のセパレータと前記樹脂シートと前記第２のセパレータとのそれぞれは、前記発電モジュールに反応ガスを分配するためのマニホールドを構成するマニホールド孔を備える。前記樹脂シートは、前記第１のガス拡散層が配置される内部空間と前記マニホールドとを連通するための流路溝を備える。前記流路溝は、前記第２のセパレータから前記第１のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、前記第１のセパレータ側が開いた形状である。
【０００７】
この形態の燃料電池によれば、流路溝が、第２のセパレータから第１のセパレータに向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、第１のセパレータ側が開いた形状であることから、樹脂シートに形成された流路溝において、発電モジュールで発生した生成水が第１のセパレータ側に偏り易い。各セパレータは親水性を有し、樹脂シートは撥水性を有するためである。生成水が第１のセパレータ側に偏ることで、反応ガスを通す空間を流路溝内に十分に確保することができる。この結果、燃料電池の排水性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】アノード側セパレータをＭＥＧＡとは反対側から見た概略平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図４】接合前におけるＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図５】発電後におけるＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図６】参考例としての燃料電池セルの要部断面図である。
【図７】第２実施形態における燃料電池セルの断面を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１００を備えている。燃料電池スタック１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の燃料電池セル（以下、単に「セル」とも呼ぶ）１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。なお、セル１４０の積層方向は、本実施形態では鉛直方向Ｙに垂直な方向Ｘとなっている。鉛直方向Ｙおよび積層方向Ｘに垂直な図中の表裏方向は前後方向Ｚである。前後方向Ｚは、本実施形態の燃料電池システム１０を車両に搭載したときの車両の前後方向と一致する方向であることから、そのように呼ぶ。
【００１０】
燃料電池スタック１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池スタック１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００１１】
さらに、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。本例では、冷却媒体として水（「冷却水」とも呼ぶ）が用いられる。
【００１２】
燃料電池スタック１００に備えられる各セル１４０は、発電モジュールとしての膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）３０と、ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ４０，５０と、を備えている。ＭＥＧＡ３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置された一対のガス拡散層３２，３３と、を備えている。一方のセパレータ５０、すなわち、アノード側セパレータ５０は、ＭＥＧＡ３０側の面に筋状の複数の燃料ガス流路溝５２を備え、ＭＥＧＡ３０と反対側の面に筋状の複数の冷却媒体流路溝５４を備える。他方のセパレータ４０、すなわち、カソード側セパレータ４０は、ＭＥＧＡ３０側の面に筋状の複数の酸化剤ガス流路溝４２を備える。
【００１３】
各セル１４０は、さらに、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０の間におけるＭＥＧＡ３０の面方向（図中のＹ−Ｚ方向）の外側（外周）に配置される樹脂シート８０を備えている。樹脂シート８０は、熱可塑性樹脂を用いて板状かつ枠状をなすように型成型され、その中央領域にＭＥＧＡ３０を保持した状態で、アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０の間をシールする。樹脂シート８０としては、例えば、ＰＥ，ＰＰ，ＰＥＴ，ＰＥＮ等の樹脂を用いることができる。樹脂シート８０は、樹脂シート８０の表層部が製造過程において溶融し、その後の養生を経て硬化することで、各セパレータ４０，５０に接着される。樹脂シート８０は撥水性を有する。
【００１４】
図２は、セル１４０のアノード側セパレータ５０をＭＥＧＡ３０とは反対側から見た概略平面図である。図２において、表裏方向が積層方向Ｘであり、上下方向が鉛直方向Ｙであり、左右方向が前後方向Ｚである。アノード側セパレータ５０およびカソード側セパレータ４０は、ガス遮断性および電気伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。これら材料によって形成されるセパレータ４０，５０は親水性である。本実施形態では、セパレータ４０，５０はメタルプレスセパレータである。
【００１５】
アノード側セパレータ５０の前後方向Ｚの一端縁部には、燃料ガス入口マニホールド６２と、冷却媒体出口マニホールド７８と、酸化剤ガス入口マニホールド７２と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に配置されている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口マニホールド７６と、燃料ガス出口マニホールド６４と、が鉛直方向Ｙに沿って上から順に並んで配置されている。燃料ガス入口マニホールド６２および燃料ガス出口マニホールド６４と、酸化剤ガス入口マニホールド７２および酸化剤ガス出口マニホールド７４と、冷却媒体入口マニホールド７６および冷却媒体出口マニホールド７８と、は前後方向Ｚの両側の外縁部分で互いに対向するように配置されている。各マニホールド６２、６４、７２、７４、７６、７８が、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「マニホールド孔」に相当する。
【００１６】
燃料ガス用の配管１５３（図１）を介して供給された燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド６２によって各セル１４０の燃料ガス流路溝５２（図１）に分配される。その後、燃料ガス流路溝５２において利用されなかった燃料ガスが、燃料ガス出口マニホールド６４によって集められ、排出配管１６３（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、酸化剤ガス用の配管１６１（図１）を介して供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド７２によって各セル１４０の酸化剤ガス流路溝４２（図１）に分配される。その後、酸化剤ガス流路溝４２において利用されなかった酸化剤ガスが酸化剤ガス出口マニホールド７４によって集められ、排出配管１５４（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００１７】
アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ３０とは反対側から見た平面において、冷却媒体入口マニホールド７６と、冷却媒体流路溝５４と、冷却媒体出口マニホールド７８とは、前後方向Ｚに互いに連通して、冷却媒体流路面１９０を構成する。冷却媒体用の配管１７２（図１）を介して供給された冷却媒体は、冷却媒体入口マニホールド７６によって、各セル１４０の冷却媒体流路溝５４に分配される。その後、冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド７８によって集められ、配管１７３（図１）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００１８】
なお、各マニホールド６２，６４，７２，７４，７６，７８は開口が略矩形状である。カソード側セパレータ４０および樹脂シート８０にも同様なマニホールド孔が設けられており、各マニホールド（マニホールド孔）６２，６４，７２，７４，７６，７８は燃料電池スタック１００内を積層方向Ｘに貫通する流路（マニホールド）を形成する。
【００１９】
アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ３０とは反対側から見た平面において、冷却媒体流路面１９０と燃料ガス入口マニホールド６２との間には、複数の凸部５０ｍが設けられている。凸部５０ｍは、プレス成形加工によるものである。凸部５０ｍは、アノード側セパレータ５０のＭＥＧＡ３０側（すなわち、図２の裏面側）から見れば、凹部（溝）となり、ＭＥＧＡ３０のアノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間ＳＰ（図１）と燃料ガス入口マニホールド６２とを連通する連通孔９０（図３）の一部分を構成する。連通孔９０を構成する凸部５０ｍは、図示では３本であるが、本数は、３本に限る必要はなく、他の本数（１、２、４以上の数）とすることができる。
【００２０】
図３は、図２に示したアノード側セパレータ５０のＡ−Ａ断面を示す説明図である。Ａ−Ａ断面は、燃料ガス入口マニホールド６２とアノード側ガス拡散層３３（図１）との間の部分である。図示するように、アノード側セパレータ５０には、前述した凸部５０ｍが形成され、その内側には、前後方向Ｚに伸びる流路溝Ｐ１が形成される。アノード側セパレータ５０に対向するカソード側セパレータ４０は、Ａ−Ａ断面付近では、平らである。
【００２１】
アノード側セパレータ５０とカソード側セパレータ４０との間には、前述した樹脂シート８０が配置されており、このＡ−Ａ断面においても、樹脂シート８０は現れる。図示するように、樹脂シート８０には、複数の樹脂シート側流路溝Ｐ２が形成されている。各樹脂シート側流路溝Ｐ２は、アノード側セパレータ５０側の流路溝（以下、「セパレータ側流路溝」と呼ぶ）Ｐ１のそれぞれと対になって、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間ＳＰと燃料ガス入口マニホールド６２とを結ぶ連通孔９０を構成する。
【００２２】
図示するように、樹脂シート側流路溝Ｐ２は、カソード側セパレータ４０からアノード側セパレータ５０に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有する。カソード側セパレータ４０からアノード側セパレータ５０に向かう方向とは、積層方向Ｘにおける図中の下側から上側に向かう方向である。樹脂シート側流路溝Ｐ２のアノード側セパレータ５０側、すなわち、図中の上側は開いた状態（開放された状態）であり、樹脂シート側流路溝Ｐ２のカソード側セパレータ４０側、すなわち、図中の下側は、薄膜層８０ａによって閉じた状態である。
【００２３】
各セパレータ４０，５０の間に配置された樹脂シート８０は、セル接合時において塗布後、熱と荷重を付与することで、表層部が溶融し接着機能を発揮する。図４に示すように、セル接合前には、カソード側セパレータ４０の表面と樹脂シート側流路溝Ｐ２とは連通した状態、すなわち、カソード側セパレータ４０は樹脂シート側流路溝Ｐ２側に露出した状態であるが、接合の際に付与する熱量、荷重、接着時間を、セパレータ４０，５０と樹脂シート８０との間を単に接着するだけの場合に比べて大きくすることで、樹脂シート８０の表層部分がより溶け出すようにして、薄膜層８０ａ（図３）を形成することができる。この結果、カソード側セパレータ４０の樹脂シート側流路溝Ｐ２に連通する部分を、薄膜層８０ａによって覆うことができる。薄膜層８０ａは、樹脂シート８０と同じ材料で形成される。本実施形態では、薄膜層８０ａの厚さが数十μｍとなるように、熱量、荷重、接着時間を調整した。こうして形成された薄膜層８０ａは、撥水性を有する。
【００２４】
図３に示した断面形状は、連通孔９０の主要部の構成であり、連通孔９０における、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間ＳＰに近い側の部分では、口径のサイズが小さくなって内部空間ＳＰに接続される。
【００２５】
図２に示すように、燃料ガス出口マニホールド６４側にも、凸部５０ｎが設けられている。凸部５０ｎは、前述した燃料ガス入口マニホールド６２の凸部５０ｍと同じ形状であり、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間と燃料ガス出口マニホールド６４との間には、前述した連通孔９０と同様の構成の連通孔が設けられている。また、酸化剤ガス入口マニホールド７２とカソード側ガス拡散層３２配置される内部空間との間、およびカソード側ガス拡散層３２配置される内部空間と酸化剤ガス出口マニホールド７４との間にも、同様の構成の連通孔が設けられている。
【００２６】
以上のように構成された燃料電池スタック１００では、アノード側セパレータ５０が［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「第１のセパレータ」に相当し、カソード側セパレータ４０が「第２のセパレータ」に相当し、アノード側ガス拡散層３３が「第１のガス拡散層」に相当し、カソード側ガス拡散層３２が「第２のガス拡散層」に相当する。
【００２７】
以上詳述したように、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、アノード側ガス拡散層３３が配置される内部空間ＳＰ（図１）と燃料ガス入口マニホールド６２との間が、連通孔９０によって結ばれる。連通孔９０の一部は、樹脂シート８０に設けられた樹脂シート側流路溝Ｐ２によって構成されるが、この樹脂シート側流路溝Ｐ２は、カソード側セパレータ４０からアノード側セパレータ５０に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、アノード側セパレータ５０側は開いた形状となっている。その上、アノード側セパレータ５０は親水性を有し、樹脂シート８０は撥水性を有することから、ＭＥＧＡ３０で発生した生成水がアノード側セパレータ５０側に偏り易い。
【００２８】
図５は、発電後における燃料電池セル１４０のＡ−Ａ断面を示す説明図である。燃料電池スタック１００の発電後においては、生成水Ｗは、アノード側セパレータ５０側に偏り、セパレータ側流路溝Ｐ１内に保持される。このため、樹脂シート８０に形成された樹脂シート側流路溝Ｐ２は十分に開通した状態となる。したがって、燃料電池システム１０の氷点下始動時において、連通孔９０が閉塞されてしまうことがないことから、始動性を向上することができる。また、部品点数を増加することなく始動性の向上を図ることできることから、部品点数の削減、生産性の向上を図ることができる。
【００２９】
図６は、参考例としての燃料電池セル９４０の要部断面図である。要部断面は、第１実施形態のＡ−Ａ断面に相当する。参考例の燃料電池セル９００では、アノード側セパレータ９５０とカソード側セパレータ９４０との間に樹脂シート９８０が配置されており、樹脂シート９８０に設けられた樹脂シート側流路溝Ｐ９２は矩形状の流路断面を有する。樹脂シート側流路溝Ｐ９２のアノード側セパレータ９５０側は開いており、樹脂シート側流路溝Ｐ９２のカソード側セパレータ９４０側も開いている。この構成によれば、樹脂シート側流路溝Ｐ９２は、両セパレータ９５０，９４０の面に接した状態となり、両セパレータ５０，４０は親水性を有するため、発電後には、図中に示すように、生成水Ｗによって、連通孔が閉塞されてします。したがって、参考例の燃料電池セル９００によれば、始動性が悪化する。
【００３０】
Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における燃料電池セル２４０の断面を示す説明図である。この断面は、図３に示したＡ−Ａ断面と同じ位置の断面を示すものである。第２実施形態の燃料電池セル２４０は、第１実施形態の燃料電池セル１４０（図３）と比較して、樹脂シート２８０に設けられた樹脂シート側流路溝Ｐ２２の構成が相違し、残余の点で一致する。第２実施形態において第１実施形態と同一の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付けて説明を省略する。
【００３１】
第１実施形態における樹脂シート側流路溝Ｐ２は、カソード側セパレータ４０からアノード側セパレータ５０に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、アノード側セパレータ５０側は開いた形状であり、カソード側セパレータ４０側は薄膜層８０ａで覆われた状態である。これに対して、図７に示すように、第２実施形態における樹脂シート側流路溝Ｐ２２は、カソード側セパレータ４０からアノード側セパレータ５０に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有し、アノード側セパレータ５０側もカソード側セパレータ４０側も開いた形状となっている。
【００３２】
第２実施形態における燃料電池セル２４０では、樹脂シート側流路溝Ｐ９２は、両セパレータ４０，５０の面に接した状態となるが、カソード側セパレータ４０からアノード側セパレータ５０に向かう方向に広くなるテーパ形状の流路断面を有することから、カソード側セパレータ４０側では親水性となる接触面積を減らすことができる。このために、第２実施形態における燃料電池セル２４０では、生成水がアノード側セパレータ５０側に偏り易くなり、第１実施形態と同様に、排水性を向上することができる。
【００３３】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した各実施形態における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料電池システム
３０…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
３１…膜電極接合体（ＭＥＡ）
３２…カソード側ガス拡散層
３３…アノード側ガス拡散層
４０…カソード側セパレータ
４２…酸化剤ガス流路溝
５０…アノード側セパレータ
５２…燃料ガス流路溝
５４…冷却媒体流路溝
６２…燃料ガス入口マニホールド
６４…燃料ガス出口マニホールド
７２…酸化剤ガス入口マニホールド
７４…酸化剤ガス出口マニホールド
７６…冷却媒体入口マニホールド
７８…冷却媒体出口マニホールド
８０…樹脂シート
８０ａ…薄膜層
９０…連通孔
１００…燃料電池スタック
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…燃料電池セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
１９０…冷却媒体流路面
２４０…燃料電池セル
２８０…樹脂シート
ＳＰ…アノード側ガス拡散層が配置される内部空間
Ｗ…生成水
【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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