(57)【要約】【課題】ガス流路の排水性を向上させ、ガス流路が水滴により閉塞されることを抑制することができる燃料電池用セパレータ及び当該燃料電池用セパレータを備える燃料電池を提供する。【解決手段】ガス入口側マニホールド及び出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成された燃料電池用セパレータであって、前記がす出口側マニホールドに面するリブの端部は、前記リブの本体部より幅細に形成されている。【選択図】図３
2009080943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及び前記ガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成された燃料電池用セパレータであって、
前記ガス出口側マニホールドに面するリブの端部は、前記リブの本体部より幅細に形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用セパレータであって、少なくとも前記リブの端部は、前記ガス出口側マニホールドに向かうほど幅細に形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータであって、前記リブは間欠形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータであって、前記リブの端部は、前記ガス出口側マニホールド内に突出することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及び前記ガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成された燃料電池用セパレータであって、
前記ガス出口側マニホールドに面するリブの端部は、前記ガス流路の幅を広げるように形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータを有する燃料電池であって、前記燃料電池用セパレータの少なくとも一方は、ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及び前記ガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成され、
前記ガス出口側マニホールドに面するリブの端部は、前記リブの本体部より幅細に形成されてい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、燃料電池用セパレータ及び燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に燃料電池は、電解質膜の両側を挟持する一対の電極（アノード極、カソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。アノード極は、アノード極触媒層及び拡散層、カソード極は、カソード極触媒層及び拡散層を有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
【０００３】
図９は、従来の燃料電池用セパレータの構成を示す模式平面図である。図９に示すように、燃料電池用セパレータ５０には、ガス流路５２、アノードガス入口側マニホールド５４ａ、アノードガス出口側マニホールド５４ｂ、カソードガス入口側マニホールド５４ｃ、カソードガス出口側マニホールド５４ｄが形成されている。燃料電池用セパレータ５０の一方の面に形成されたガス流路５２は、アノードガス入口側マニホールド５４ａ及びアノードガス出口側マニホールド５４ｂに連通し、他方の面に形成された不図示のガス流路は、カソードガス入口側マニホールド５４ｃ、カソードガス出口側マニホールド５４ｄに連通している。また、ガス流路５２は、リブ５６によって、複数に分割されている。
【０００４】
各マニホールド（５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ）、ガス流路５２は、電解質膜のイオン伝導性維持のために加湿された反応ガス（アノードガス、カソードガス）の通り道であるため、湿度が高く、結露等により水滴が発生し易い。通常、ガス流路５２の流路幅は狭いため、ガス流路５２の排水性が悪ければ水滴が滞留し、ガス流路５２を閉塞させる、いわゆるフラッディングが発生する場合がある。特に、反応ガスが排出されるガス出口側マニホールド（５４ｂ，５４ｄ）近傍のガス流路５２は、水滴により閉塞されやすい。このような状態になると、反応ガスの供給が妨げられ、燃料電池の電圧低下等が起こり、電池性能を低下させる場合がある。
【０００５】
例えば、特許文献１には、電極に当接するリブと、リブの電極当接面にリブの高さより小さい深さを有する浅溝を形成することにより、燃料電池用セパレータのリブに接触する電極部分のフラッディングを低減させることができる燃料電池用セパレータが提案されている。
【０００６】
また、燃料電池用セパレータの冷却液通路の構造強度を確保するためのものであるが、例えば、特許文献２には、冷却液通路の中間部に形成されている第１リブと、第１リブとは別個に冷却液通路の端部に島状に形成されている第２リブとを備える燃料電池用セパレータが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１１５５２５号公報
【特許文献２】特開２００１−１１０４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１，２の燃料電池用セパレータでは、流路幅の狭いガス流路の排水性を向上させることは困難であり、ガス流路が水滴により閉塞される場合がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、ガス流路の排水性を向上させ、ガス流路が水滴により閉塞されることを抑制することができる燃料電池用セパレータ及び当該燃料電池用セパレータを備える燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及び前記ガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成された燃料電池用セパレータであって、前記ガス出口側マニホールドに面するリブの端部は、前記リブの本体部より幅細に形成されている。
【００１１】
また、前記燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも前記リブの端部は、前記ガス出口側マニホールドに向かうほど幅細に形成されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記燃料電池用セパレータにおいて、前記リブは間欠形成されていることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池用セパレータにおいて、前記リブの端部は、前記ガス出口側マニホールド内に突出することが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及び前記ガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成された燃料電池用セパレータであって、前記ガス出口側マニホールドに面するリブの端部は、前記ガス流路の幅を広げるように形成されている。
【００１５】
また、本発明は、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータを有する燃料電池であって、前記燃料電池用セパレータの少なくとも一方は、ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドと、前記ガス入口側マニホールド及び前記ガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、前記ガス流路を複数に分割するリブとが形成され、前記ガス入口側マニホールドに面するリブの端部が、前記リブの本体部より幅細に形成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入口側マニホールド及び出口側マニホールドと、ガス入口側マニホールド及びガス出口側マニホールドに連通するガス流路と、ガス流路を複数に分割するリブとが形成された燃料電池用セパレータにおいて、ガス出口側マニホールドに面するリブの端部は、リブの本体部より幅細に形成されていることにより、ガス流路の排水性を向上させ、ガス流路が水滴により閉塞されることを抑制することができる燃料電池用セパレータ及び当該燃料電池用セパレータを備える燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１は、膜−電極アッセンブリ１０、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ１２及びカソード極セパレータ１４、シーリングプレート１６を備える。図１に示すように、燃料電池１は、膜−電極アッセンブリ１０を介して、アノード極セパレータ１２、カソード極セパレータ１４が配置されている。膜−電極アッセンブリ１０は、電解質膜（不図示）を介してアノード極（不図示）及びカソード極（不図示）が配置されたものである。アノード極セパレータ１２とカソード極セパレータ１４とは、接着剤１３により接着されている。
【００１９】
本実施形態に用いられるアノード極セパレータ１２及びカソード極セパレータ１４は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。
【００２０】
図２（イ）は、本発明の実施形態に係るアノード極セパレータの構成の一例を示す模式平面図であり、図２（ロ）は、本発明の実施形態に係るカソード極セパレータの構成の一例を示す模式平面図である。
【００２１】
図２（イ），（ロ）に示すように、燃料電池用セパレータ（アノード極セパレータ１２、カソード極セパレータ１４）には、アノードガス入口側マニホールド１８、アノードガス出口側マニホールド２０、カソードガス入口側マニホールド２２、カソードガス出口側マニホールド２４が形成されている。なお、各マニホールドの配置は、特に制限されるものではない。
【００２２】
また、図２（イ）に示すように、アノード極セパレータ１２には、ガス流路としてのアノードガス流路２６が、アノードガス入口側マニホールド１８、アノードガス出口側マニホールド２０に連通するように形成されている。図２（ロ）に示すように、カソード極セパレータ１４には、ガス流路としてのカソードガス流路２８が、カソードガス入口側マニホールド２２、カソードガス出口側マニホールド２４に連通するように形成されている。アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８はそれぞれ、リブ３０により複数分割されている。
【００２３】
図３は、図２（イ）の点線枠Ｒにおけるアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。図３に示すように、アノードガス出口側マニホールド２０に面するリブ端部３１ａは、リブ本体部３１ｂより幅細に形成されている。これにより、アノードガス出口側マニホールド２０に面するアノードガス流路２６の流路幅を広くすることができる。水滴は、反応ガスの流れに沿って排水されるため、反応ガスが排出されるガス出口側マニホールド（例えば、図２に示すアノードガス出口側マニホールド２０、カソードガス出口側マニホールド２４）付近で滞留し易い。そのため、リブ端部３１ａをリブ本体部３１ｂより幅細にして、アノードガス流路２６の流路幅を広くすることによって、水滴によるアノードガス流路２６の閉塞を抑制することができる。また、リブ端部３１ａは、幅細に形成されているため、リブ端部３１ａの先端に水滴が保持され難く、アノードガス出口側マニホールド２０に水滴を排水させ易い。
【００２４】
また、幅細に形成されているリブ端部３１ａの形状は、図３に示すような矩形状のものに限定されるものではない。図４（イ）〜（ハ）は、図２（イ）の点線枠Ｒにおけるアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。リブ端部３１ａは、リブ端部３１ａの先端に付着する水滴をマニホールドに排水させ易くすることができる点で、例えば、４（イ）〜（ハ）に示す錐状、台形状、円弧状等のように、アノードガス出口側マニホールド２０に向かうほど幅細に形成されていることが好ましい。本実施形態では、図４（イ）〜（ハ）に示すように、リブ端部３１ａが、アノードガス出口側マニホールド２０に向かうほど幅細に形成されていてもよいし、リブ３０全体がアノードガス出口側マニホールドに向かうほど幅細に形成されていてもよい。
【００２５】
また、本実施形態では、例示したアノードガス出口側マニホールド２０に面するリブ端部３１ａに限定されるものではなく、カソードガス出口側マニホールド２４に面するリブ端部も同様に、上記説明したリブ端部３１ａが形成されることが好ましい。すなわち、アノードガス出口側マニホールドに面するリブ端部、カソードガス出口側マニホールドに面するリブ端部のうち少なくとも一方に、上記説明したリブ端部３１ａが形成されていればよい。
【００２６】
次に、燃料電池用セパレータを流れる反応ガスの流れ及び発電時について説明する。
【００２７】
アノード極セパレータ１２側では、加湿されたアノードガスが、図２（イ）に示すアノードガス入口側マニホールド１８からアノードガス流路２６に供給される。アノードガス流路２６を流れるアノードガスは、図１に示す膜−電極アッセンブリ１０に供給され、発電に利用される。そして、アノードガスは、図２に示すアノードガス流路２６からアノードガス出口側マニホールド２０を通り、アノード極セパレータ１２の外部へ排出される。一方、カソード極セパレータ１４側では、加湿されたカソードガスが、図２（ロ）に示すカソードガス入口側マニホールド２２からカソードガス流路２８に供給される。カソードガス流路２８を流れるカソードガスは、図１に示す膜−電極アッセンブリ１０に供給され、発電に利用される。そして、カソードガスは、図２に示すカソードガス流路２８からカソードガス出口側マニホールド２４を通り、カソード極セパレータ１４の外部へ排出される。
【００２８】
このように、各マニホールド、各反応ガス流路は、加湿された反応ガス（アノードガス、カソードガス）の通り道であり、反応ガスが流れるにつれて湿度が高くなって、結露等により水滴が発生し易くなる。また、カソード極側では発電により水が発生することによって、アノード極側では、カソード極で発生した水が電解質膜を移動することによっても、湿度が高くなる。
【００２９】
図５（イ）は、一般的な燃料電池用セパレータのガス流路に発生した水滴の状態を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式平面図であり、図５（ロ），（ハ）は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータのガス流路に発生した水滴の状態を示す燃料電池用セパレータの一部拡大模式平面図である。
【００３０】
一般的な燃料電池用セパレータでは、図５（イ）に示すように、水滴３２は、ガス流路３４又はリブ３６の先端に滞留し易い。しかし、図５（ロ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータでは、ガス出口側マニホールド２０ａに面するリブ端部３１ａは、リブ本体部３１ｂより幅細に形成されているため、ガス出口側マニホールド２０ａに面するガス流路２６ａの流路幅を広くすることができ、ガス流路２６ａに水滴が滞留してもガス流路２６ａの閉塞を抑制することができる。また、リブ端部３１ａは、幅細に形成されているため、リブ端部３１ａの先端に水滴が保持され難く、ガス出口側マニホールド２０ａに水滴を排水させ易い。さらに図５（ハ）に示すように、リブ端部３１ａをガス出口側マニホールド２０ａに向かうほど幅細に形成することによって、リブ端部３１ａの先端に付着する水滴をガス出口側マニホールド２０ａに排水させ易くすることができる。
【００３１】
本実施形態の燃料電池用セパレータは、排水性を向上させることができる点で、親水処理が施されたものであってもよい。親水処理は、カーボン系セパレータの場合、プラズマ処理、ＵＶ処理、フッ素と酸素との混合ガス処理等の公知の表面改質法等が挙げられる。また、金属系セパレータの親水処理は、例えば、親水材、親水性樹脂の溶液又はスラリーをダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレー法等の公知の塗布法が挙げられる。
【００３２】
図６は、本発明の他の実施形態に係るアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。図６に示すように、リブ３０は間欠形成されていることが好ましい。リブ３０は、図６に示すようにリブ本体部３１ｂが間欠形成されているものであるが、リブ端部３１ａ又はリブ端部３１ａ及びリブ本体部３１ｂの両方が間欠形成されているものであってもよい。また、カソード極側も同様に形成されることが好ましい。
【００３３】
通常、分割されているガス流路のうちの１つが水滴により閉塞された場合、閉塞されたガス流路内では反応ガスが流れ難くなる。しかし、本実施形態のようにリブ３０が間欠形成されることにより、隣接するアノードガス流路２６を連通する連通路４０が形成されるため、アノードガス流路２６の一部（例えば、アノードガス流路２６のうちの１つ）が水滴により閉塞された場合でも、反応ガスは連通路４０へ流れる。そのため、水滴によりガス流路の一部が閉塞されても、燃料電池の性能低下を抑制することができる。
【００３４】
間欠形成されたリブ３０の間欠部の長さ（図６に示すＬ）は、ガス流路に溜まる水の量を少なくすることができ、ガス流路を流れる反応ガスの流量が少ない場合でも、水滴が排水され易くすることができる点で、小さい方が好ましい。また、間欠部の数は、少なくとも１つ以上あればよい。
【００３５】
図７は、本発明の他の実施形態に係るアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。図７に示すように、リブ本体部３１ｂより幅細に形成したリブ端部３１ａ（アノードガス出口側マニホールド２０に面するリブ端部３１ａを例示）は、アノードガス出口側マニホールド２０内に突出していることが好ましい。
【００３６】
上記のように、リブ端部３１ａをアノードガス出口側マニホールド２０内に突出させることによって、リブ端部３１ａに付着した水滴をアノードガス出口側マニホールド２０へ容易に排水させることができる。これにより、アノードガス流路２６の排水性を向上させ、アノードガス流路２６の閉塞を抑制することができる。カソード極セパレータ１４側も、リブ本体部より幅細に形成したリブ端部は、カソードガス出口側マニホールド２４内に突出していることが好ましい。これにより、カソードガス流路２８の排水性を向上させ、カソードガス流路２８の閉塞を抑制することができる。
【００３７】
図８は、本発明の他の実施形態に係るアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。図８に示すように、リブ３０が間欠形成されている場合も、アノードガス出口側マニホールド２０へ容易に排水させることができる点で、アノードガス出口側マニホールド２０に面するリブ端部３１ａをアノードガス出口側マニホールド２０内に突出させることが好ましい。カソード極セパレータ１４側も同様に、間欠形成されているリブのリブ端部（カソードガス出口側マニホールド２４に面するリブ端部）をカソードガス出口側マニホールド内に突出させることが好ましい。
【００３８】
本実施形態に係る燃料電池の他の構成について説明する。
【００３９】
膜−電極アッセンブリ１０を構成するアノード極及びカソード極は、それぞれ、拡散層及び触媒層を有する。触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して電解質膜上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。拡散層は、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。
【００４０】
本実施形態に用いられる電解質膜は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的にはナフィオン（登録商標）が挙げられる。
【００４１】
シーリングプレート１６は、ガス流路を流れる反応ガスのガス漏れ防止、燃料電池用セパレータと隣接する部材との接着点等として機能するものである。シーリングプレート１６を構成する材料としては、燃料電池の環境下で腐食し難いものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンオキシド等のエンプラ樹脂等の樹脂、ステンレス、チタン等の金属等を使用することができる。
【００４２】
本実施形態の燃料電池は、上記説明した燃料電池を単位セルとして、複数積層した積層体であってもよい。また積層体の場合には、積層体を縦置きにして、燃料電池用セパレータのガス出口側マニホールドが重力方向下方になるように構成することが好ましい。これによって、ガス出口側マニホールドへ排出される反応ガスが重力方向下向きとなり、反応ガスに含まれる水が、幅細に形成されたリブに沿って、重力により滴下され易くなる。よって、ガス流路の水滴をガス出口側マニホールドに排出させ易くすることができる。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池は、ガス出口側マニホールドに面するリブ端部が、リブ本体部より幅細に形成されていること、特に少なくとも当該リブ端部がガス出口側マニホールドに向かうほど幅細に形成されていることにより、ガス流路の排水性を向上させ、ガス流路が水滴により閉塞されることを抑制することができる。また、リブが間欠形成されていることによって、隣接するガス流路を連通する連通路が形成されるため、ガス流路の一部が閉塞されても、反応ガスの流れが妨げられることを抑制することができる。さらに、リブ端部をガス出口側マニホールド内に突出させることによって、ガス流路の排水性を向上させ、ガス流路の閉塞を抑制することができる。
【００４４】
上記本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す一部模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの構成の一例を示す模式平面図である。
【図３】図２（イ）の点線枠Ｒにおけるアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。
【図４】図２（イ）の点線枠Ｒにおけるアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。
【図５】（イ）は、一般的な燃料電池用セパレータのガス流路に発生した水滴の状態を示すアノード極セパレータの一部拡大模式平面図であり、（ロ），（ハ）は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータのガス流路に発生した水滴の状態を示すアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係るアノード極セパレータの一部拡大模式平面図である。
【図９】従来の燃料電池用セパレータの構成を示す模式平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池、１０  膜−電極アッセンブリ、１２  アノード極セパレータ、１３  接着剤、１４  カソード極セパレータ、１６  シーリングプレート、１８  アノードガス入口側マニホールド、２０  アノードガス出口側マニホールド、２０ａ  ガス出口側マニホールド、２２  カソードガス入口側マニホールド、２４  カソードガス出口側マニホールド、２６  アノードガス流路、２６ａ  ガス流路、２８  カソードガス流路、３０  リブ、３１ａ  リブ端部、３１ｂ  リブ本体部、３２  水滴、３４  ガス流路、３６  リブ、４０  連通路、５０  燃料電池用セパレータ、５２  ガス流路、５４ａ  アノードガス入口側マニホールド、５４ｂ  アノードガス出口側マニホールド、５４ｃ  カソードガス入口側マニホールド、５４ｄ  カソードガス出口側マニホールド、５６  リブ。
【図１】
2009080943.tif 000003
【図２】
2009080943.tif 000004
【図３】
2009080943.tif 000005
【図４】
2009080943.tif 000006
【図５】
2009080943.tif 000007
【図６】
2009080943.tif 000008
【図７】
2009080943.tif 000009
【図８】
2009080943.tif 000010
【図９】
2009080943.tif 000011