(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持する第１および第２セパレータとを備え、
前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有するとともに、
前記第１流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、該第１セパレータから前記アノード側電極に向かって下方に傾斜し、
前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路を有するとともに、
前記第２流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、前記カソード側電極から該第２セパレータに向かって下方に傾斜す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、前記第１および第２流路は、開口断面形状が鋸刃状に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記第１および第２流路には、前記燃料電池構造体側に突出して前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化させるための邪魔部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記第１および第２セパレータは、前記第１および第２流路を構成する部分に撥水化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持する第１および第２セパレータとを備え、
前記第１セパレータは、前記アノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有するとともに、
前記第１流路は、重力方向に交差する水平方向に延在する部分の重力方向の開口断面積が、該第１流路の重力方向に向かう部分の重力方向の開口断面積よりも小さく設定され、
前記第２セパレータは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路を有するとともに、
前記第２流路は、重力方向に交差する水平方向に延在する部分の重力方向の開口断面積が、該第２流路の重力方向に向かう部分の重力方向の開口断面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記第１および第２流路は、重力方向に交差する部分が重力方向に向かう部分よりも浅く設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５記載の燃料電池において、前記第１および第２流路は、前記燃料電池構造体側に突出して前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化させるための邪魔部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項５記載の燃料電池において、前記第１および第２セパレータは、前記第１および第２流路を構成する部分に撥水化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質とこの電解質の両側にそれぞれ配置されるアノード側電極およびカソード側電極とからなる燃料電池構造体（単位セル）をセパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、高分子イオン交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持するために十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池に送ることにより、電解質を加湿するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、加湿用に供給された水分の中、電解質に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水は、ガス拡散層に蓄積されてガス通路を閉塞してしまい、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪くなるという問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、特開平６−２０７１３号公報に開示されているように、セパレータの両面に重力方向に延在して互いに平行な燃料ガス供給用溝と酸化剤ガス供給用溝とを設け、燃料ガスおよび酸化剤ガスが前記溝内を重力方向の下方に自然に排出されるように構成した燃料電池が知られている。ところが、上記の従来技術では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが重力方向に排出されるため、特に燃料ガスの利用率が低下して燃料電池自体の性能が悪くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で電解質に必要な水分の供給と不要な水分の排出とを確実に行うとともに、ガス拡散性に優れた高性能な燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、第１セパレータがアノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有し、この第１流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、該第１セパレータから前記アノード側電極に向かって下方に傾斜する、例えば、鋸刃状に設定される。このため、燃料ガスに含まれる水分の凝縮水は、第１流路の傾斜に沿って燃料電池構造体側に移動し、電解質膜の加湿に使用される。
【０００９】
一方、第２セパレータがカソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路を有し、この第２流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分は、重力方向の開口断面が、前記カソード側電極から前記第２セパレータに向かって下方に傾斜する、例えば、鋸刃状に設定される。これにより、酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反応生成水は、第２流路の傾斜に沿ってカソード側電極から離間し、前記第２流路が閉塞されることを有効に阻止することができ、所望のガス拡散性を確保することが可能になる。
【００１０】
また、第１および第２流路が、燃料電池構造体側に突出して燃料ガスおよび酸化剤ガスの流速を部分的に変化させるための邪魔部を有する。従って、第１および第２流路内で流速が上昇してガス圧力が増加し、電極触媒層へのガス拡散性が有効に向上する。
【００１１】
さらにまた、第１および第２セパレータは、第１および第２流路を構成する部分に撥水化処理が施されるため、第１および第２流路内の凝縮水や反応生成水が前記第１および第２セパレータから離脱し易い。このため、第１および第２流路内に水が残存することがなく、この水を容易に排出することができる。
【００１２】
さらに、本発明は、第１セパレータがアノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路を有し、この第１流路の中、重力方向に交差する水平方向に延在する部分の重力方向の開口断面積が、該第１流路の重力方向に向かう部分の重力方向の開口断面積よりも小さく設定される。これにより、第１流路の重力方向に交差する部分でガス圧力が上昇し、この部分に存在する水を第１流路の重力方向に向かう部分に順次押し出して、前記水を容易かつ円滑に排出することが可能になる。
【００１３】
一方、第２セパレータは、第１セパレータと同様に構成されており、第２流路内の水を外部に確実に排出することができる。この第１および第２流路は、例えば、重力方向に交差する部分が重力方向に向かう部分よりも浅く設定されることにより、構成が一層簡素化する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
【００１５】
燃料電池１０は、燃料電池セル（燃料電池構造体）１２と、この燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側電極２２とを有する。
【００１６】
燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２４、２６が設けられ、前記第１ガスケット２４は、アノード側電極２０を収納するための大きな開口部２８を有する一方、前記第２ガスケット２６は、カソード側電極２２を収納するための大きな開口部３０を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２４、２６とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持される。  第１セパレータ１４の面１４ａには、アノード側電極２０に燃料ガスである水素を供給するための第１流路３２が形成される。図２に示すように、第１流路３２は、第１セパレータ１４の上部側に設けられた燃料ガス供給口３４に連通するとともに、前記第１セパレータ１４の下部側に設けられた燃料ガス排出口３６に連通する。
【００１７】
第１流路３２は、重力方向（矢印Ａ方向）に交差する水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する部分（以下、水平部分という）３２ａと、前記重力方向に延在する部分（以下、鉛直部分という）３２ｂとを有する。図１および図３に示すように、第１流路３２の水平部分３２ａは、開口断面形状が鋸刃状に設定されており、第１セパレータ１４からアノード側電極２０に向かって下方に傾斜する傾斜面３８が設けられている。
【００１８】
前記傾斜面３８には、撥水化処理が施されており、具体的には、撥水性を有する材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）がコーティングされている。
【００１９】
第２セパレータ１６の面１６ａには、カソード側電極２２に酸化剤ガスである空気（またはＯ2 ）を供給するための第２流路４０が形成される。図４に示すように、第２流路４０は、第２セパレータ１６の上部側に設けられた酸化剤ガス供給口４２に連通するとともに、前記第２セパレータ１６の下部側に設けられた酸化剤ガス排出口４４に連通する。
【００２０】
第２流路４０は、重力方向に交差する方向に延在する部分（以下、水平部分という）４０ａと、前記重力方向に延在する部分（以下、鉛直部分という）４０ｂとを有する。図１および図５に示すように、第２流路４０の水平部分４０ａは、開口断面形状が鋸刃状に設定されており、カソード側電極２２から第２セパレータ１６に向かって下方に傾斜する傾斜面４６が設けられている。前記傾斜面４６には、第１セパレータ１４と同様に、撥水化処理が施されている。
【００２１】
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。
【００２２】
第１セパレータ１４の上部側に設けられた燃料ガス供給口３４から第１流路３２に水素（燃料ガス）が供給されるとともに、第２セパレータ１６の上部側に設けられた酸化剤ガス供給口４２から第２流路４０に空気（酸化剤ガス）が供給される。第１流路３２に供給された水素は、水平部分３２ａおよび鉛直部分３２ｂを通って重量方向に蛇行するように下方に移動し、燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。一方、第２流路４０に供給された空気は、同様に水平部分４０ａおよび鉛直部分４０ｂを通って重量方向に蛇行しながら下方に移動し、燃料電池セル１２を構成するカソード側電極２２に供給される。
【００２３】
ここで、第１流路３２に供給される水素は、予め電解質加湿用の水蒸気が含まれており、この水蒸気中には、電解質膜１８に吸収されずに凝縮して水５０の状態で存在するものがあり、この水５０が前記第１流路３２内に残存し易い。
【００２４】
しかしながら、第１の実施形態では、図６に示すように、第１流路３２を構成する水平部分３２ａが開口断面鋸刃状に設定されており、第１セパレータ１４からアノード側電極２０に向かって下方に傾斜する傾斜面３８が設けられている。このため、水平部分３２ａ内で発生した水５０は、傾斜面３８に沿ってアノード側電極２０に向かって移動し（矢印Ｘ参照）、電解質膜１８の加湿用に使用される。従って、第１流路３２が水５０により閉塞されることを阻止することができる。
【００２５】
一方、空気が供給される第２流路４０では、この空気中に含まれる水蒸気の凝縮や、反応生成水を含む水５２が発生する。その際、第２流路４０を構成する水平部分４０ａは、開口断面鋸刃状に設定されるとともに、カソード側電極２２から第２セパレータ１６に向かって下方に傾斜する傾斜面４６を設けている。これにより、水平部分４０ａに生じた水５２は、傾斜面４６に沿ってカソード側電極２２から離間する方向（矢印Ｙ方向）に移動する（図６中、二点鎖線の位置から実線の位置参照）。従って、第２流路４０が水５２により閉塞されることを有効に阻止することが可能になる。
【００２６】
このように、第１の実施形態では、水素が供給される第１流路３２に発生した水５０を、その自重によって電解質膜１８側に移動させてこの電解質膜１８の加湿用に使用する一方、空気が供給される第２流路４０に発生した水５２を、その自重によってカソード側電極２２から離間する方向に移動させて外部に排出する。
【００２７】
これにより、燃料電池セル１２に必要な水分の供給と余分な水分の排出とを、確実に行うことができるとともに、ガス拡散性に優れるという効果が得られる。しかも、第１および第２流路３２、４０を開口断面鋸刃状に設定するだけでよく、燃料電池１０全体の構成を有効に簡素化することが可能になる。
【００２８】
さらに、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ１４、１６の傾斜面３８、４６に溌水化処理が施されている。従って、第１および第２流路３２、４０内で発生する水５０、５２が第１および第２セパレータ１４、１６から離脱し易くなり、この第１および第２流路３２、４０内から前記水５０、５２を容易かつ確実に排出することができる。
【００２９】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の概略縦断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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。
【００３０】
燃料電池６０を構成する第１および第２セパレータ６２、６４は、互いに対向する面６２ａ、６４ａに重力方向（矢印Ａ方向）に蛇行する第１および第２流路６６、６８が形成される。
【００３１】
図８に示すように、第１流路６６は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する水平部分６６ａと、重力方向に延在する鉛直部分６６ｂとを有し、前記水平部分６６ａの開口断面積が前記鉛直部分６６ｂの開口断面積よりも小さく設定される。具体的には、図９および図１０に示すように、水平部分６６ａの深さｄ１と鉛直部分６６ｂの深さｄ２とが、ｄ１＜ｄ２の関係を有するように設定されている。
【００３２】
第２流路６８は、第１流路６６と同様に構成されており、水平部分６８ａと鉛直部分６８ｂとを有するとともに、この水平部分６８ａの開口断面積が前記鉛直部分６８ｂの開口断面積よりも小さく設定されている（図８参照）。なお、第１流路６６と第２流路６８とは、同一形状に設定してもよく、あるいは対称形状に設定してもよい。
【００３３】
第１および第２セパレータ６２、６４の第１および第２流路６６、６８の表面には、第１の実施形態に係る第１および第２セパレータ１４、１６と同様に、ＰＴＦＥコート等の溌水化処理が施されている。
【００３４】
このように構成される燃料電池６０では、第１セパレータ６２に形成された第１流路６６に燃料ガスとして水素が供給される一方、第２セパレータ６４に形成された第２流路６８には、酸化剤ガスとして空気が供給される。第１流路６６に供給された水素は、水平部分６６ａおよび鉛直部分６６ｂを通って蛇行しながら重力方向の下方に向かって移動し、アノード側電極２０に供給される。
【００３５】
その際、水平部分６６ａが鉛直部分６６ｂよりも浅く形成されており、この水平部分６６ａでガス圧力が上昇する。従って、水平部分６６ａに存在する水は、鉛直部分６６ｂ側に一旦押し出された後、さらにこの鉛直部分６６ｂの下段側に連通する水平部分６６ａを介して反対側の鉛直部分６６ｂ側に押し出される。これにより、第１流路６６内に発生する水は、下方に位置する鉛直部分６６ｂに順次押し出され、この第１流路６６から容易かつ円滑に排出されるという利点が得られる。
【００３６】
ここで、図８〜図１０に示すように、水平部分６６ａおよび鉛直部分６６ｂの角部を円弧状に形成することにより、水の排出がより円滑に遂行されることになる。なお、第２流路６８では、第１流路６６と同様に、水平部分６８ａでガス圧力が上昇するため、この第２流路６８内で発生する凝縮水や反応生成水は、重力方向に向かって、順次、鉛直部分６８ｂに押し出され、外部に確実に排出される。
【００３７】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の概略縦断面説明図である。この燃料電池８０は、第１の実施形態に係る燃料電池１０および第２の実施形態に係る燃料電池６０を基にして構成されるものであり、この第３の実施形態では、燃料電池６０に適用した例について説明する。
【００３８】
燃料電池８０は、第１および第２セパレータ８２、８４を備え、この第１および第２セパレータ８２、８４の第１および第２流路６６、６８には、燃料電池セル１２側に突出して水素および空気の流速を部分的に変化させるための邪魔部８６、８８が設けられる。図１２に示すように、邪魔部８６、８８は水素および空気の流れ方向（矢印Ｃ方向）に向かって燃料電池セル１２側に傾斜する傾斜面９０と、この傾斜面９０の先端から前記矢印Ｃ方向に直交する方向に延在する垂直面９２とを備えた略くさび状を有している。
【００３９】
このように構成される燃料電池８０では、第１セパレータ８２の第１流路６６に供給された水素が、図１２中、矢印Ｃ方向に移動するとともに、その一部が邪魔部８６の傾斜面９０に沿って移動する。このため、第１流路６６内で水素の流速が部分的に上昇してガス圧力の増加が惹起され、水素のアノード側電極２０への拡散性が有効に向上するという効果が得られる。
【００４０】
一方、第２セパレータ８４の第２流路６８に供給された空気は、同様に、図１２中、矢印Ｃ方向に流れるとともに、その一部が邪魔部８８の傾斜面９０に沿って移動し、ガス圧力の増加が惹起される。
【００４１】
これにより、第１および第２流路６６、６８に邪魔部８６、８８を設けるだけで、ガス拡散性が向上して燃料電池セル１２を高性能に維持することが可能になる。なお、邪魔部８６、８８は、第１および第２セパレータ８２、８４に直接形成するものに代えて、この第１および第２セパレータ８２、８４にくさび状部材を固着することにより邪魔部８６、８８を構成してもよい。また、邪魔部８６、８８を、第１の実施形態に係る燃料電池１０の第１および第２流路３２、４０に設けることも可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る燃料電池では、アノード側電極に燃料ガスを供給する第１流路の中、重力方向に交差する部分が、第１セパレータからこのアノード側電極に向かって下方に傾斜するため、前記燃料ガスに含まれる水分の凝縮水は、前記第１流路の傾斜に沿って燃料電池構造体側に移動し、電解質膜の加湿に使用される。
【００４３】
一方、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路の中、重力方向に交差する部分が、前記カソード側電極から第２セパレータに向かって下方に傾斜するため、前記酸化剤ガスに含まれる水分の凝縮水や反応生成水は、前記第２流路の傾斜に沿って前記カソード側電極から離間する。これにより、第１および第２流路に発生する水によってガス流路が閉塞することを有効に阻止するとともに、所望のガス拡散性を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図２】前記第１の実施形態に係る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３】前記第１セパレータの一部断面斜視説明図である。
【図４】前記第１の実施形態に係る燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】前記第２セパレータの一部断面斜視説明図である。
【図６】前記第１の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する一部拡大縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図８】前記第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１および第２セパレータの正面説明図である。
【図９】図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１０】図８中、Ｘ−Ｘ線断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図１２】図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０…燃料電池        １２…燃料電池セル
１４、６２、８２…第１セパレータ  １４ａ、１６ａ、６２ａ、６４ａ…面
１６、６４、８４…第２セパレータ  １８…電解質膜
２０…アノード側電極              ２２…カソード側電極極
３２、６６…第１流路
３２ａ、４０ａ、６６ａ、６８ａ…水平部分
３２ｂ、４０ｂ、６６ｂ、６８ｂ…鉛直部分
３８、４６、９０…傾斜面          ４０、６８…第２流路
８６、８８…邪魔部
【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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