(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をガス拡散面が構成されるアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する第１および第２セパレータを備え、
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、前記第２セパレ一タは、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、それぞれ有し、
前記第１または第２流路を形成する側壁面に、ガス流れ方向に対して交差する方向に、かつその一端がガス拡散面に臨むように複数の排水溝部を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、
前記排水溝部は、その断面形状を、毛細管現象により水の除去を行いうる寸法で形成した燃料電池。
【請求項３】
請求項１において、
前記排水溝部の他端部は、流路隅部に入口から出口まで連続して形成した縦貫溝部と連通している燃料電池。
【請求項４】
請求項１において、
前記ガス流路を形成するセパレータに多孔質材を適用した燃料電池。
【請求項５】
請求項１および３において、
前記ガス拡散面の一部における少なくとも表面への撥水性処理、または前記流路における各溝部への親水性処理の少なくともいずれかを施した燃料電池。
【請求項６】
請求項１において、
前記排水溝部が流路の底面となす角度を、ガス流れの上流側から計ったときに９０度よりも小となるようにした燃料電池。
【請求項７】
請求項１において、
前記排水溝部が流路の底面となす角度を、ガス流れの上流側から計ったときに９０度よりも大となるようにした燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池スタックを構成するセパレータ周辺部分の構造的改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
固体高分子型燃料電池のように作動温度が１００℃以下という比較的低温で作動する燃料電池では、加湿用に供給された水分のうち、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状態で存在することがある。この液体状のままの水分は、セル内のガス拡散層（またはガス反応層）の通路部分を閉塞してしまい、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスの電極触媒への拡散性を低下させ、セル性能を悪化させるという問題を起こす。
【０００３】
これに対して、特開2000-123848号公報には、ガス流路の入口から出口にかけて連続する排水用溝を設けた構成が開示されている。しかしながら、この構成においては、ガス流路壁面に設けられた排水用溝がそれぞれ独立して入口から出口まで連続した構成であるので、反応により生成された水を排水用溝に効率よく取り込むことができない。また、取り込まれた水は細い排水用溝にて毛細管現象により出口まで運ばれるが、ガス拡散面付近に細溝が複数あったとしても、特にガス出口付近ではガス中の水蒸気凝結分と発電による生成水により毛細管現象が機能しなくなるおそれがあり、排水の確実性という点で不十分である。
【０００４】
また、特開平10-172586公報には、ガス流路内に吸水量に応じて体積変化を起こし流路の断面積を変化させる高吸水性ポリマシートを設けたものが提案されている。しかしながら、このような構成では、吸水により流路の断面積が減少することで流路内の圧力抵抗が増加するため、膨潤前と同等の入口圧力では出口付近では圧力が減少してしまい、これを補うためにはさらなる加給が必要となってしまい、非効率的である。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、ガス流路内に凝縮水が溜まるのを防止して燃料電池の性能を良好に維持すること目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、電解質膜をガス拡散面が構成されるアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」と表す。）と、前記ＭＥＡを挟持する第１および第２セパレータを備え、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、前記第２セパレ一タは、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する第２流路をそれぞれ有するものとし、前記第１または第２流路を形成する側壁面に、ガス流れ方向に対して交差する方向に、かつその一端がガス拡散面に臨むように複数の排水溝部を形成した。
【０００７】
第２の発明は、前記第１の発明の排水溝部の断面形状を、毛細管現象により水の除去を行いうる寸法で形成した。
【０００８】
第３の発明は、前記第１の発明の排水溝部の他端部を、流路隅部に入口から出口まで連続して形成した縦貫溝部と連通させた。
【０００９】
第４の発明は、前記第１の発明の第１または第２流路を形成するセパレータに多孔質材を適用した。
【００１０】
第５の発明は、前記第１および第３の発明において、そのガス拡散面の一部における少なくとも表面への撥水性処理、または前記流路における各溝部への親水性処理の少なくともいずれかを施した。
【００１１】
第６の発明は、前記第１の発明において、排水溝部が流路の底面となす角度を、ガス流れの上流側から計ったときに９０度よりも小となるようにした。
【００１２】
第７の発明は、前記第１の発明において、排水溝部が流路の底面となす角度を、ガス流れの上流側から計ったときに９０度よりも大となるようにした。
【００１３】
【作用・効果】
第１の発明によれば、水分を含むガスがセパレータの流路を通過するとき、流路側壁面にガス流れに対して交差方向に形成した排水溝部にガス中の水分が捕捉され、また排水溝部の一端はガス拡散面に臨んでいるので、ガス中の水蒸気凝結分はガス入口付近の側壁面にて相当量が吸収される。これにより、流路内で圧力が高く比較的反応が活発な入口付近でも流路内の湿度を適量に管理できる。したがって、入口付近は流速が速くて適度な湿度を保ちにくいという従来の問題点を解消して、入口付近での加湿量を少なくすることができる。また、ガス拡散面で反応にて水が生成された場合は溝端面がガス拡散面に開口しているため拡散面付近の余剰な生成水を排除しやすくなる。
【００１４】
第２の発明によれば、前記排水用溝部に毛細管現象により水分が捕捉されるため、排水溝部での吸水作用がより効果的に行われる。
【００１５】
第３の発明によれば、排水溝部に捕捉された水がガス拡散面から遠い縦貫溝部を介して流路出口まで搬送されるので、流路中の水分が反応を阻害するおそれをより低減することができる。
【００１６】
第４の発明によれば、流路を形成するセパレータに多孔質材を用いたことから、セパレータ自体への吸水作用が行われる分だけ流路内の水を吸収する容量および排水容量を排水溝部のみの容量よりも大きくすることができる。また、該セパレータ壁部と接するガス拡散面への加湿を行うことも可能となる。
【００１７】
第５の発明によれば、ガス拡散面の少なくとも表面への撥水処理、または前記流路における各溝部への親水処理の少なくともいずれかを施したことにより、前述した排水機能をより高めることができる。
【００１８】
第６の発明によれば、排水溝部に捕捉された水は流路内のガス流により流路底面方向に付勢され、第７の発明によれば前記とは反対に、排水溝部に捕捉された水は流路内のガス流によりガス反応面方向に付勢される。したがって、前記何れかの構成を有する排水溝部の角度または数を、流路内の水分量の傾向に応じて適宜設定することにより、入口部から出口部に至る全流路内の湿度をより適切に調整することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は燃料電池の単位構成要素であるセル部を示しており、これを所要数積層することで燃料電池スタックが構成される。図中の１０はＭＥＡ、２１と２２はそれぞれＭＥＡ１０を挟持する第１、第２のセパレータである。ＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜１１の一方の面にアノード側電極１２を、他方の面にカソード側電極１３をそれぞれ接合した構造となっており、前記各電極１２，１３はガスケット１４に保持された態様で前記セパレータ２１，２２に接合されている。
【００２０】
前記第１セパレータ２１の電極１２との接合面には燃料である水素ガスが流通する第１流路３１が、また第２セパレータ２２の電極１３との接合面には酸化剤としての空気が流通する第２流路３２がそれぞれ形成されている。前記各流路３１，３２は、図１では説明の便宜上簡略に表しているが、実際にはそれぞれの電極に効率よくガスを接触させるために複数系統のものが電極面に沿って蛇行する態様で密に形成されている。
【００２１】
前記第１流路３１の両端部は、それぞれ第１セパレータ２１に設けられた燃料ガス供給孔３３と燃料ガス排出孔３４に連通している。また、第２流路３２の両端部は、それぞれ第２セパレータ２２に設けられた空気供給孔３５と空気排出孔３６に連通している。図示しないが、各セパレータ２１，２２には冷却用の純水を流通させるための冷却水流路も設けられている。
【００２２】
図２に、前記第１の流路３１の構成の詳細を示す。図中の矢印Ａは燃料ガスの流れ方向を、矢印ＢはＭＥＡの位置する方向をそれぞれ示している。図示したように、流路３１の両側壁部には、ガス流れ方向と交差するように多数の排水溝部４１が形成してある。また、流路底面と両側壁部とのあいだの隅部には、流路３１の全長にわたってガス流れ方向に沿った縦貫溝部４２が形成してある。前記排水溝部４１の一端部は前記縦貫溝部４２内に開放するように、他端部はＭＥＡ１０のガス拡散面に臨むように、それぞれ形成してある。
【００２３】
排水溝部４１は、毛細管現象によりガス中の凝結水を効果的に吸引および保持できるように、その断面寸法が例えば幅、深さ共に１〜０．５μｍ程度に設定されている。また、流路底面を基準としてガス流れの上流側から計った排水溝部４１の傾斜角度をθとするとき、この実施形態では図示したように左側の流路上流域についてはθ＝９０度、右側の流路下流部分についてはθ＜９０度となるように設定してあるが、必要に応じてθ＞９０度となるような設定も可能である。
【００２４】
次に、上記構成による作用について説明する。第１セパレータ２１の燃料ガス供給孔３３から第１流路３１に燃料ガスである水素ガスが供給されるとともに、第２セパレータ２２の空気供給孔３５から第２流路３２に空気が供給される。第１流路３１に供給された水素ガスは、流路３１に沿って蛇行しながら下流側に流れ、燃料ガス排出孔３４から排出される。また、第２流路３２に導入された空気は、流路３２に沿って蛇行しながら下流へと流れ、空気排出孔３６から排出される。
【００２５】
ここで、第１流路３１に供給される水素ガスには、予め加湿用の水蒸気が含まれており、この水蒸気の一部はＭＥＡ１０側に吸収されずに凝縮して水の状態で流路３１内に滞留することがある。この水の滞留が起こると、既述したように水素ガスの流れが阻害されて燃料電池の性能が低下する。これに対して、本実施形態の構成によれば、流路３１の両側壁に形成した排水溝部４１にガス中の凝縮水が吸収され、毛細管現象によって捕捉された状態となる。さらにこの捕捉された水は、ガス流の動圧によって排水溝部４１から縦貫溝部４２へと流出し、縦貫溝部４２に沿って燃料ガス排出孔３４へと搬送される。
【００２６】
このようにして、流路上流域であるガス入口付近ではガス中に存在する水を排水溝部４１へと確実に捕捉し、さらに流路下流域であるガス出口付近では、傾斜した排水溝部４１によって、反応による生成水をＭＥＡ１０のガス拡散面から遠ざけつつ燃料ガス排出孔３５へと円滑に排出させることができる。したがって、流路３１が水により閉塞しかけたりあるいは閉塞したりすることがなく、流路３１に沿って均等なガス分配が安定的に継続されるので、全ての燃料電池セルを安定して発電させることができ、燃料電池全体の性能の向上を図ることができる。
【００２７】
なお、前記構成において、燃料ガス出口側のガス拡散面（ＭＥＡ１０）の表面に撥水性処理を、溝部４１、４２に親水性処理をそれぞれ施すことにより、ガス拡散面表面の水を溝部４１〜４２へと導きやすくしつつ、流路３１内にて生成された水の排出処理を一層有効に行うことができる。
【００２８】
また、図３に示したように、第１セパレータ２１を多孔質材料で構成することにより、流路３１内の捕捉水の容量を前記多孔質材料が吸収しうる限度まで増大させることができると共に、該セパレータ壁部と接するガス拡散面への加湿を行うことも可能となる。
【００２９】
前記実施形態は燃料ガスが通過する第１流路３１に排水溝部４１および縦貫溝部４２を設けた例であるが、空気が通過する第２流路３２においても、空気中に含まれる水蒸気の凝縮や反応生成水により空気の流通および反応が阻害される可能性があり、したがって第２流路３２についても同様の構成を適用することで燃料電池の性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略構成を示す断面図。
【図２】前記実施形態の流路構造を示すためのセパレータの要部斜視図。
【図３】セパレータ構成に関する本発明の他の実施形態の要部断面図。
【符号の説明】
１０    ＭＥＡ（膜電極接合体）
１１    固体電解質膜
１２    アノード側電極
１３    カソード側電極
１４    ガスケット
２１    第１セパレータ
２２    第２セパレータ
３１    第１流路
３２    第２流路
４１    排水溝部
４２    縦貫溝部
【図１】
0003753013.tif 000002
【図２】
0003753013.tif 000003
【図３】
0003753013.tif 000004