燃料電池およびセパレータ
【課題】セパレータ内のガス通路が生成水に起因して閉塞されることを防止する。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の方向に開口するスリット６２を備えるセパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置される多孔体２７とを備える。セパレータには、水素排出用のマニホールド５４が設けられ、マニホールド５４は、水素出口集合流路７２を介してスリット６２と連通する。スリット６２とマニホールド５４との間には、一方端８１ｂがスリット６２のマニホールド側端部６２ａに掛かる部材８１を備える。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体の方向に開口するスリット６２を備えるセパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置される多孔体２７とを備える。セパレータには、水素排出用のマニホールド５４が設けられ、マニホールド５４は、水素出口集合流路７２を介してスリット６２と連通する。スリット６２とマニホールド５４との間には、一方端８１ｂがスリット６２のマニホールド側端部６２ａに掛かる部材８１を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、燃料電池用のセパレータとに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータとを備え、膜電極接合体とセパレータとの間に多孔質性の多孔体が設けられたものが知られている（特許文献１および２）。この構成によれば、セパレータに形成されたガス通路と多孔体とにより、膜電極接合体へのガスの給排通路が形成されることになる。また、膜電極接合体における生成水は、毛細管現象により多孔体に集まり、多孔体内を流れて前記ガス通路を介して、燃料電池から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８０９０４号公報
【特許文献２】特開２００７−２１３９２８号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の燃料電池では、生成水が前記セパレータ内のガス通路に滞留し、冷間時に凍結する等して、前記ガス通路を閉塞する虞があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、セパレータ内のガス通路が、滞留した生成水に起因して閉塞されることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ 燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に向かい合って配置されるセパレータと、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置される多孔質性の多孔体とを備える燃料電池であって、前記セパレータは、前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、前記膜電極接合体から前記多孔体および前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、前記燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材とを備える燃料電池。
【０００８】
適用例１に係る燃料電池によれば、膜電極接合体の生成水は、毛細管力により多孔体に集まり、多孔体内を流れ、ガス導通孔からガス排出マニホールドに至り、燃料電池外に排出される。さらに、ガス導通孔からガス排出マニホールドに至るガス通路中に滞留する生成水は、部材をつたってガス導通孔から多孔体により吸い戻されることから、前記ガス通路中に滞留することがない。特に、従来、ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に発生する表面張力は、前記生成水の吸い戻しを妨げようとするが、適用例１に係る燃料電池では、前記部材の一方端が前記端部に掛かることから、前記表面張力を弱めることができる。このため、適用例１に係る燃料電池では、多孔体により吸い戻される力が大きく、前記ガス通路における生成水の滞留を確実に防ぐことができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池であって、前記部材は、前記セパレータの積層方向から視たとき、前記部材の前記一方端を含む部分が、前記ガス導通孔とオーバラップするように配置される、燃料電池。
【００１０】
適用例２に係る燃料電池によれば、部材がガス導通孔とオーバラップするように配置されることから、多孔体による生成水の吸い戻しがより確実になされる。したがって、ガス通路の閉塞をより防止することができる。
【００１１】
［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池であって、前記セパレータは、前記多孔体側に配置される第１のプレートと、前記第１のプレートと対になる第２のプレートと、両プレート間に空間を形成する中間プレートとを備え、前記ガス排出マニホールドは、前記第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートを、各プレートの積層方向に貫通する構成であり、前記所定のガス通路は、前記中間プレートに形成されるガス集合流路であり、前記ガス導通孔は、前記第１のプレートを、当該第１のプレートの厚さ方向に貫通する構成である、燃料電池。
【００１２】
適用例３に係る燃料電池によれば、第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートからなる三層積層型のセパレータを利用することで、ガス排出マニホールドおよびガス導通孔を容易に形成することができる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例３に記載の燃料電池であって、前記部材は、前記第１のプレートに固設された構成である、燃料電池。
【００１４】
適用例４に係る燃料電池によれば、部材の配設が容易である。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１ないし４のうちのいずれかに記載の燃料電池であって、複数本の前記部材により櫛歯部を構成する、燃料電池。
【００１６】
適用例５に係る燃料電池によれば、ガス通路の閉塞をよりいっそう防止することができる。
【００１７】
［適用例６］ 膜電極接合体に向かい合って配置される燃料電池用のセパレータであって、前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、前前記膜電極接合体から前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材とを備えるセパレータ。
【００１８】
適用例６に係るセパレータによれば、燃料電池に用いたときに、セパレータ内に滞留した生成水に起因するガス通路の閉塞を防止することができる。
【００１９】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】セパレータ４０に備えられる中間プレート４２の平面を示す説明図である。
【図３】中間プレート４２を含むセパレータ４０、多孔体２７、および発電体２０を積層方向に切断した端面図である。
【図４】水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を拡大して示す説明図である。
【図５】図４で示した連結部周辺を積層方向に切断した端面図である。
【図６】板状部材８１の作用を説明するための説明図である。
【図７】第２実施例としての燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【図８】第１変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【図９】第２変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【図１０】第４変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。この燃料電池１０は、水素ガスと空気との供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。この燃料電池１０は、例えば、車両に搭載され、車両の動力源として使用される。
【００２３】
図示するように、この燃料電池１０は、主に、電解質膜２１を有する発電体２０、水素ガスおよび空気（反応ガスと呼ぶ）が流れる多孔体２６，２７、電気化学反応により生ずる電気を集電する隔壁としてのセパレータ４０等を備え、これらを、セパレータ４０，多孔体２７，発電体２０，多孔体２６，セパレータ４０の順に繰り返して積層し、その両端からエンドプレート８５，８６で挟んで形成されている。なお、本明細書では、単に「積層方向」と呼ぶときは、上記の積層の方向を示すものとする。
【００２４】
なお、エンドプレート８５には、反応ガス等を供給あるいは排出する貫通孔が形成されており、この貫通孔を介して図示しない外部の水素タンクやコンプレッサ等から、燃料電池１０の内部に反応ガスが滞りなく供給されている。
【００２５】
発電体２０は、固体高分子の電解質膜２１を含む膜電極接合体２４（Membrne Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」と呼ぶ）の外側にガス拡散層２３ａ，２３ｂを配置した部材２５の外周をシールガスケット３０で囲んで一体として形成されている。なお、このＭＥＡ２４，ガス拡散層２３ａ，２３ｂからなる部材２５を、以下、ＭＥＧＡ２５と呼ぶ。
【００２６】
ＭＥＧＡ２５を形成するＭＥＡ２４は、電解質膜２１の表面上に、それぞれ電極触媒層２２ａ，２２ｂ（カソード，アノード）を備えている。電解質膜２１は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ４０の外形よりも小さい長方形外形に形成されている。この電解質膜２１の表面上に形成された電極触媒層２２ａ，２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金などを備えている。
【００２７】
ＭＥＡ２４の外側に配置されるガス拡散層２３ａ，２３ｂは、気孔率が６０〜７０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。こうした材料からなるガス拡散層２３ａ，２３ｂは、接合によりＭＥＡ２４と一体化されてＭＥＧＡ２５となる。なお、ガス拡散層２３ａはＭＥＡ２４のカソード側に、ガス拡散層２３ｂはアノード側に、それぞれ配置され、各ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、供給された反応ガスをその厚み方向に拡散して、対応する電極触媒層２２ａ，２２ｂの全面に反応ガスを供給している。
【００２８】
ＭＥＧＡ２５の外周を囲むシールガスケット３０は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ２５の外周に射出成形され、ＭＥＧＡ２５外周の一部を厚み方向に挟むように形成されている。
【００２９】
シールガスケット３０の外形は、セパレータ４０と同一の略長方形形状に形成されており、その４辺に沿って、反応ガスおよび冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。このマニホールド用の貫通孔は、セパレータ４０に設けられた貫通孔と同一であるため、セパレータ４０の構造とともに、後述する。
【００３０】
こうしたマニホールド用の貫通孔の周囲には、各連通孔を囲み、シールガスケット３０の厚み方向に凸の部位が形成されている。この凸の部位は、シールガスケット３０を挟むセパレータ４０に実質的に当接し、積層方向の所定の締結力を受け、潰れて変形する。その結果、凸の部位は、マニホールド内を流れる流体（水素，空気，冷却水）の漏れを抑制するシールラインを形成する。
【００３１】
次に、反応ガスが流れる多孔体２６，２７について説明する。多孔体２６，２７は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金等の発泡金属や金属メッシュなど、内部に多数の細孔を備えた金属の多孔体からなる。この多孔体２６，２７は、ＭＥＧＡ２５より小さい略長方形外形であって、シールガスケット３０内に収まる大きさに形成されている。
【００３２】
この多孔体２６，２７の気孔率は、ＭＥＧＡ２５を構成するガス拡散層２３ａ，２３ｂの気孔率よりも大きく、約７０〜８０％程度であり、ＭＥＧＡ２５に反応ガスを供給する通路として機能する。
【００３３】
例えば、多孔体２６は、ＭＥＧＡ２５のカソード側（ＭＥＡ２４のカソード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された空気を図示する上方から下方へ流し、ＭＥＧＡ２５のカソード側に空気を供給する。
【００３４】
他方、多孔体２７は、ＭＥＧＡ２５のアノード側（ＭＥＡ２４のアノード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された水素ガスを図示する左方から右方へ流し、ＭＥＧＡ２５のアノード側に供給する。
【００３５】
つまり、多孔体２６，２７は、所定方向へ反応ガスを流すことを主目的とするため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を向上するよう、比較的気孔率を大きく形成している。これに対して、上述のガス拡散層２３ａ，２３ｂは、厚み方向への拡散を主目的とするため、比較的気孔率を小さく形成している。
【００３６】
こうした多孔体２６，２７を流れる反応ガスは、流れの過程でＭＥＧＡ２５に供給され、ＭＥＧＡ２５のガス拡散層２３ａ，２３ｂの作用により、各電極触媒層２２ａ，２２ｂに拡散され、反応に供される。なお、この電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池１０を所定温度範囲で運転するため、燃料電池１０内には冷却水が供給されている。
【００３７】
次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ４０について説明する。セパレータ４０は、三つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。具体的には、空気が流れる多孔体２６と接触するカソードプレート４１と、水素ガスが流れる多孔体２７と接触するアノードプレート４３と、両プレート４１、４３の中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４２とから構成されている。なお、カソードプレート４１は適用例３に記載の「第２のプレート」に相当し、アノードプレート４３は適用例３に記載の「第１のプレート」に相当する。
【００３８】
三つのプレート４１〜４３は、その厚み方向に、流路用の凹凸形状のない平坦な表面を有し（つまり、多孔体２６，２７との接触面が平坦であり）、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。
【００３９】
三つのプレートには、上述の各種マニホールドを構成する貫通孔が設けられている。具体的には、略長方形形状のセパレータ４０の長辺のうち、図示する上方に空気供給用の貫通孔５１が、図示する下方に空気排出用の貫通孔５２が、それぞれ設けられている。また、セパレータ４０の短辺のうち、図示する左下方向に水素供給用の貫通孔５３が、図示する右上方向に水素排出用の貫通孔５４が、それぞれ設けられている。なお、冷却水の貫通孔については、図示は省略したが、セパレータ４０のいずれかの位置に供給用と排出用の貫通孔が、それぞれ設けられている。
【００４０】
カソードプレート４１には、こうしたマニホールド用の貫通孔５１〜５４に加え、多孔体２６への空気の出入口となる孔部５７，５８が複数形成されている。同様に、アノードプレート４３には、マニホールド用の貫通孔に加え、多孔体２７への水素ガスの出入口となる孔部６１（図２）、６２が形成されている。孔部６１，６２は、長尺状の貫通孔であることから、以下、「スリット」と呼ぶ。
【００４１】
中間プレート４２に設けられた複数のマニホールド用の貫通孔のうち、空気の流れるマニホールド用の貫通孔（以下、「マニホールド」とも呼ぶ）５１，５２は、カソードプレート４１の孔部４５，４６と連通するように形成されている。また、水素ガスの流れるマニホールド用の貫通孔（以下、「マニホールド」とも呼ぶ）５３，５４は、アノードプレート４３のスリット６１と連通するように形成されている。
【００４２】
こうした構造の三つのプレートを積層して接合することで、セパレータ４０の内部には、各種流体の通路が形成される。水素ガスについての通路の構成について、さらに詳述する。
【００４３】
Ａ−２．セパレータにおける水素ガスの通路：
図２は、セパレータ４０に備えられる中間プレート４２の平面を示す説明図である。図示するように、中間プレート４２には、図中の左上に、開口形状が矩形の水素供給用のマニホールド５３が設けられており、図中の上部には、中間プレートの短辺と平行に延びる水素入口集合流路７１が形成されている。水素入口集合流路７１のマニホールド５３側の端部７１ａは、スリット幅が広くなってマニホールド５３と連結されている。
【００４４】
図示における水素入口集合流路７１の中に見える長尺状の楕円は、アノードプレート４３に形成されたスリット６１である。なお、本実施例では、水素入口集合流路７１は、中間プレート４２のスリット６１よりも幅長が大きくなっているが、これに換えて、水素入口集合流路７１とスリット６１とが同一の幅長である構成としてもよい。
【００４５】
前記マニホールド５３と水素入口集合流路７１は、水素供給用のものであるが、中間プレート４２には、水素排出用のマニホールド５４と水素出口集合流路７２が対となって形成されている。詳しくは、水素排出用のマニホールド５４と水素出口集合流路７２は、水素供給用のマニホールド５３と水素入口集合流路７１に対して、中間プレート４２の平面における中心を中心とする点対称な形状となっている。
【００４６】
図３は、前記中間プレート４２を含むセパレータ４０、多孔体２７、および発電体２０を積層方向に切断した端面図である。切断方向は、図２におけるＡ−Ａ線の位置と対応する。図３に示すように、セパレータ４０に形成された水素供給用のマニホールド５３内を流れる水素ガスの一部は、水素入口集合流路７１を通って、スリット６１から多孔体２７へ供給される。そして、反応に供された後のガス、あるいは、供されない水素ガスは、多孔体２７を流れて、スリット６２から水素出口集合流路７２を経て、水素排出用のマニホールド５４へ流れる。なお、空気の流れについての説明は省略するが、水素ガスの流れと同様である。水素出口集合流路７２が、適用例１に記載の「所定のガス通路」に相当し、水素出口集合流路７２と接続されるスリット６２が、適用例１に記載の「ガス導通孔」に相当する。水素排出用のマニホールド５４が、適用例１に記載の「ガス排出マニホールド」に相当する。
【００４７】
図４は、水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を拡大して示す説明図である。図５は、図４で示した連結部周辺を積層方向に切断した端面図である。両図に示すように、水素出口集合流路７２における端部７２ａ付近には、アノードプレート４３に形成されたスリット６２とマニホールド５４との間を架け渡す板状部材８１が配置されている。
【００４８】
板状部材８１は、ほぼ直方体形状（短辺の面が湾曲している点で厳密には直方体ではないが直方体に近い形状）で、長辺方向（図４、５における左右方向）における図中右側の端部８１ａは、マニホールド５４のスリット６２側の端部（以下、「スリット側端部」と呼ぶ）５４ａに達している。板状部材８１の図中左側の端部８１ｂは、積層方向（図４における紙面方向、図５における上下方向）から視たとき、スリット６２のマニホールド５４側の端部（以下、「マニホールド側端部」と呼ぶ）６２ａよりもさらにスリット６２の内側方向（図中、左側方向）に突出した構成となっている。すなわち、板状部材８１は、マニホールド５４とスリット６２との間に配置されるとともに、積層方向から視たとき、板状部材８１の端部８１ｂを含む部分（図５中のＶの間）が、アノードプレート４３に形成されたスリット６２とオーバラップする（重なる）ように配置されている。
【００４９】
なお、板状部材８１は、前述したように、中間プレート４２の水素出口集合流路７２内に配置されるが、実際は、カソードプレート４１の内側表面に固設されることで、その配置がなされている。
【００５０】
また、板状部材８１の短辺方向‘図５の上下方向の長さ、すなわちカソードプレート４１からの突出長は、中間プレート４２の厚さと同一である。これにより、カソードプレート４１、中間プレート４２、およびアノードプレート４３を組み合わせたときに、板状部材８１は、アノードプレート４３の中間プレート４２側の面と接する。なお、板状部材８１の前記突出長は、中間プレート４２の厚さと必ずしも同一である必要はなく、中間プレート４２の厚さよりも小さい構成としてもよい。板状部材８１は、適用例１に記載の「部材」に相当する。
【００５１】
Ａ−３．実施例効果：
以上の各部品からなる本実施例の燃料電池１０は、発電体２０に反応ガスを効率的に供給することができることから、発電効率に優れている。さらに、燃料電池１０は、次の理由により、セパレータ４０内のガス通路が生成水に起因して閉塞されることを防止することができる。
【００５２】
通常、ＭＥＡ２４における生成水Ｗは、毛細管力により多孔体２６，２７に集まり多孔体２６，２７内を流れてセパレータ４０内のガス通路を介して、燃料電池から排出される。アノード側に着目したとき、図６に示すように、毛細管力により多孔体２７に吸い上げられた生成水は、アノードプレート４３に形成されたスリット６２、中間プレート４２の水素出口集合流路７２と順に移動し、マニホールド５４から排出される。燃料電池１０が停止すると、水素出口集合流路７２におけるマニホールド５４側の端部７２ａ付近に、図示するように生成水Ｗが滞留しようとする。これに対して、本実施例の燃料電池１０では、前記滞留しようとする生成水Ｗは、板状部材８１をつたってスリット６２から多孔体２７により吸い戻される。
【００５３】
特に、従来、スリット６２のマニホールド側端部６２ａに発生する表面張力は、前記生成水の吸い戻しを妨げようとするが、本実施例の燃料電池１０では、板状部材８１の一方端が前記マニホールド側端部６２ａに掛かることから、前記表面張力を弱めることができる。このため、燃料電池１０では、多孔体２７により吸い戻される力が大きく、セパレータ内のガス通路における生成水Ｗの滞留を確実に防ぐことができる。したがって、滞留した生成水Ｗに起因するガス通路の閉塞を防止することができる。
【００５４】
特に本実施例では、板状部材８１の端部８１ｂを含む一部分がスリット６２とオーバラップするように配置されていることから、板状部材８１によるスリット６２への生成水Ｗの引き戻しが確実になされる。したがって、ガス通路の閉塞をより防止することができる。
【００５５】
Ｂ．第２実施例
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例としての燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を図７に示す。図７では、第１実施例と同一の構成については、第１実施例と同一の符号を付している。以下、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。
【００５６】
図示するように、水素出口集合流路７２における端部７２ａ付近には、第１実施例と同一の１本の板状部材８１が配置され、さらに、板状部材８１と平行に２本の板状部材８２，８３が配置される。すなわち、３本の板状部材８１〜８３により櫛歯部が構成される。なお、板状部材８２，８３は、板状部材８１よりも短く、板状部材８２、８３における図中の右側の端部８２ａ、８３ａが、板状部材８１と同様にマニホールド５４のスリット側端部５４ａに達している。
【００５７】
前記構成の第２実施例の燃料電池によれば、櫛歯部による作用により、第１実施例と同様に、生成水Ｗは、スリット６２から多孔体２７に引き戻され、ガス通路中に滞留することがない。したがって、第１実施例と同様に、滞留した生成水Ｗに起因するガス通路の閉塞を防止することができる。特に、この第２実施例では、第１実施例と比べて板状部材の本数が多いことから、生成水の滞留をより防ぐことができる。
【００５８】
なお、第２実施例では、櫛歯部は３本の板状部材８１〜８３を備える構成としたが、これに換えて、板状部材の本数は他の数、すなわち、２本、４本、５本等としてもよい。
【００５９】
Ｃ．他の実施形態：
この発明は第１および第２実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６０】
・第１変形例：
図８は、第１変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。第１変形例は、第１実施例の変形例である。第１実施例における板状部材の長辺方向は直線状に延びるものであったが、これに換えて、第１変形例の板状部材１８１は、スリット６２側の端部１８１ａ近くで、折れ曲がっている。なお、図８において第１実施例と同一の構成については、第１実施例と同一の符号を付している（下記の第２変形例および第３変形例も同じ）。
【００６１】
この構成によれば、板状部材１８１の固設位置が、図中、上下方向に位置ずれした場合にも、スリット６２に板状部材１８１を確実にオーバラップさせることができる。したがって、生成水の滞留を確実に防ぐことができる。
【００６２】
・第２変形例：
図９は、第２変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。第２変形例は、第１実施例と同じ板状部材８１を備え、さらに、板状部材８１に平行に同一長さの１本の板状部材２８１が配置される。なお、板状部材２８１は、板状部材８１に対して図中における上側に位置する。その上で、アノードプレートに形成されたスリット１６２の端部１６２ａ付近を、図中における上側に拡張した構成となっている。この構成により、板状部材８１，２８１の一部分は、アノードプレートに形成されたスリット１６２とオーバラップするように配置される。
【００６３】
この構成によれば、櫛歯部が複数本の板状部材８１，２８１により構成されているにも拘わらず、各板状部材８１，２８１の一部分を、アノードプレートに形成されたスリット１６２と確実にオーバラップさせることができる。したがって、櫛歯部による作用がより大きくなることから、ガス通路中における生成水の滞留をより防止することができる。
【００６４】
・第３変形例：
前記第１および第２実施例やそれらの変形例では、板状部材８１の一方端が、スリット６２のマニホールド側端部６２ａよりもさらに突出し、板状部材８１の他方端が、マニホールド５４のスリット側端部５４ａに達する構成とすることで、板状部材８１がスリット６２とマニホールド５４との間を架け渡す構成としたが、必ずしも、架け渡す必要はなく、板状部材８１の他方端とマニホールド５４のスリット側端部５４ａとの間が離間していてもよい。また、板状部材８１の他方端が、マニホールド５４のスリット側端部５４ａよりもさらにマニホールド５４の内側に達する構成であってもよい。
【００６５】
さらに、板状部材８１の一方端がスリット６２のマニホールド側端部６２ａと一致する構成であってもよい。要は、板状部材８１の一方端がスリット６２のマニホールド側端部６２ａに掛かる構成であれば、いずれの構成としてもよい。
【００６６】
・第４変形例：
図１０は、第４変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。第１実施例では、板状部材８１は、カソードプレート４１の内側表面に固設されることで、中間プレート４２の水素出口集合流路７２内に配置されるが、これに換えて、第４変形例では、水素出口集合流路７２内の壁面に取り付けられた複数本の取付棒３０１〜３０４により、板状部材８１は、第１実施例と同じ位置に配置される構成とした。この構成によれば、板状部材をセパレータと一体化させることができることから、部品点数が少なくてすむ。
【００６７】
・第５変形例：
前述した第１および第２実施例や変形例では、板状部材を水素ガス系統に採用した構成として説明したが、これに換えて、板状部材を空気系統に採用する構成としてもよい。すなわち、空気排出用のマニホールド５２と空気の出口となる穴部５８とを結ぶ経路上に板状部材を配置した構成としてもよい。
【００６８】
・第６変形例：
前述した第１および第２実施例や変形例では、ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置される部材は、板状の部材としたが、必ずしも、板状である必要はなく、これに換えて、棒状（角棒状、丸棒状等）等の他の形状としてもよい。また、前述してきた板状部材のように、ガス導通孔とガス排出マニホールドとを結ぶ方向に長手形状であることが好ましいが、必ずしもそうする必要もない。
【００６９】
・第７変形例：
前記実施例では、セパレータ４０は、三層積層型のものとしたが、必ずしも３層である必要はなく、例えば一層としてもよい。
【００７０】
・第８変形例：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００７１】
なお、前述した実施例および各変形例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。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池
２０…発電体
２１…電解質膜
２２ａ…電極触媒層
２３ａ…ガス拡散層
２３ｂ…ガス拡散層
２４…膜電極接合体
２５…部材
２６…多孔体
２７…多孔体
３０…シールガスケット
４０…セパレータ
４１…カソードプレート
４２…中間プレート
４３…アノードプレート
４５…孔部
５１、５２…空気供給用のマニホールド
５３、５４…水素供給用のマニホールド
５４ａ…スリット側端部
６１、６２…スリット
６２ａ…マニホールド側端部
７１…水素入口集合流路
７２…水素出口集合流路
８１…板状部材
８２、８３…板状部材
１６２…スリット
１８１…板状部材
２８１…板状部材
３０１〜３０４…取付棒
Ｗ…生成水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、燃料電池用のセパレータとに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、膜電極接合体と、膜電極接合体の両側に配置されるセパレータとを備え、膜電極接合体とセパレータとの間に多孔質性の多孔体が設けられたものが知られている（特許文献１および２）。この構成によれば、セパレータに形成されたガス通路と多孔体とにより、膜電極接合体へのガスの給排通路が形成されることになる。また、膜電極接合体における生成水は、毛細管現象により多孔体に集まり、多孔体内を流れて前記ガス通路を介して、燃料電池から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８０９０４号公報
【特許文献２】特開２００７−２１３９２８号公報
【０００４】
しかしながら、前記従来の燃料電池では、生成水が前記セパレータ内のガス通路に滞留し、冷間時に凍結する等して、前記ガス通路を閉塞する虞があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、セパレータ内のガス通路が、滞留した生成水に起因して閉塞されることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］ 燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に向かい合って配置されるセパレータと、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置される多孔質性の多孔体とを備える燃料電池であって、前記セパレータは、前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、前記膜電極接合体から前記多孔体および前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、前記燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材とを備える燃料電池。
【０００８】
適用例１に係る燃料電池によれば、膜電極接合体の生成水は、毛細管力により多孔体に集まり、多孔体内を流れ、ガス導通孔からガス排出マニホールドに至り、燃料電池外に排出される。さらに、ガス導通孔からガス排出マニホールドに至るガス通路中に滞留する生成水は、部材をつたってガス導通孔から多孔体により吸い戻されることから、前記ガス通路中に滞留することがない。特に、従来、ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に発生する表面張力は、前記生成水の吸い戻しを妨げようとするが、適用例１に係る燃料電池では、前記部材の一方端が前記端部に掛かることから、前記表面張力を弱めることができる。このため、適用例１に係る燃料電池では、多孔体により吸い戻される力が大きく、前記ガス通路における生成水の滞留を確実に防ぐことができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池であって、前記部材は、前記セパレータの積層方向から視たとき、前記部材の前記一方端を含む部分が、前記ガス導通孔とオーバラップするように配置される、燃料電池。
【００１０】
適用例２に係る燃料電池によれば、部材がガス導通孔とオーバラップするように配置されることから、多孔体による生成水の吸い戻しがより確実になされる。したがって、ガス通路の閉塞をより防止することができる。
【００１１】
［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池であって、前記セパレータは、前記多孔体側に配置される第１のプレートと、前記第１のプレートと対になる第２のプレートと、両プレート間に空間を形成する中間プレートとを備え、前記ガス排出マニホールドは、前記第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートを、各プレートの積層方向に貫通する構成であり、前記所定のガス通路は、前記中間プレートに形成されるガス集合流路であり、前記ガス導通孔は、前記第１のプレートを、当該第１のプレートの厚さ方向に貫通する構成である、燃料電池。
【００１２】
適用例３に係る燃料電池によれば、第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートからなる三層積層型のセパレータを利用することで、ガス排出マニホールドおよびガス導通孔を容易に形成することができる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例３に記載の燃料電池であって、前記部材は、前記第１のプレートに固設された構成である、燃料電池。
【００１４】
適用例４に係る燃料電池によれば、部材の配設が容易である。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１ないし４のうちのいずれかに記載の燃料電池であって、複数本の前記部材により櫛歯部を構成する、燃料電池。
【００１６】
適用例５に係る燃料電池によれば、ガス通路の閉塞をよりいっそう防止することができる。
【００１７】
［適用例６］ 膜電極接合体に向かい合って配置される燃料電池用のセパレータであって、前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、前前記膜電極接合体から前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材とを備えるセパレータ。
【００１８】
適用例６に係るセパレータによれば、燃料電池に用いたときに、セパレータ内に滞留した生成水に起因するガス通路の閉塞を防止することができる。
【００１９】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。
【図２】セパレータ４０に備えられる中間プレート４２の平面を示す説明図である。
【図３】中間プレート４２を含むセパレータ４０、多孔体２７、および発電体２０を積層方向に切断した端面図である。
【図４】水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を拡大して示す説明図である。
【図５】図４で示した連結部周辺を積層方向に切断した端面図である。
【図６】板状部材８１の作用を説明するための説明図である。
【図７】第２実施例としての燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【図８】第１変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【図９】第２変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【図１０】第４変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池の概略構成を示す説明図である。この燃料電池１０は、水素ガスと空気との供給を受け、水素と酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。この燃料電池１０は、例えば、車両に搭載され、車両の動力源として使用される。
【００２３】
図示するように、この燃料電池１０は、主に、電解質膜２１を有する発電体２０、水素ガスおよび空気（反応ガスと呼ぶ）が流れる多孔体２６，２７、電気化学反応により生ずる電気を集電する隔壁としてのセパレータ４０等を備え、これらを、セパレータ４０，多孔体２７，発電体２０，多孔体２６，セパレータ４０の順に繰り返して積層し、その両端からエンドプレート８５，８６で挟んで形成されている。なお、本明細書では、単に「積層方向」と呼ぶときは、上記の積層の方向を示すものとする。
【００２４】
なお、エンドプレート８５には、反応ガス等を供給あるいは排出する貫通孔が形成されており、この貫通孔を介して図示しない外部の水素タンクやコンプレッサ等から、燃料電池１０の内部に反応ガスが滞りなく供給されている。
【００２５】
発電体２０は、固体高分子の電解質膜２１を含む膜電極接合体２４（Membrne Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」と呼ぶ）の外側にガス拡散層２３ａ，２３ｂを配置した部材２５の外周をシールガスケット３０で囲んで一体として形成されている。なお、このＭＥＡ２４，ガス拡散層２３ａ，２３ｂからなる部材２５を、以下、ＭＥＧＡ２５と呼ぶ。
【００２６】
ＭＥＧＡ２５を形成するＭＥＡ２４は、電解質膜２１の表面上に、それぞれ電極触媒層２２ａ，２２ｂ（カソード，アノード）を備えている。電解質膜２１は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ４０の外形よりも小さい長方形外形に形成されている。この電解質膜２１の表面上に形成された電極触媒層２２ａ，２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金などを備えている。
【００２７】
ＭＥＡ２４の外側に配置されるガス拡散層２３ａ，２３ｂは、気孔率が６０〜７０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。こうした材料からなるガス拡散層２３ａ，２３ｂは、接合によりＭＥＡ２４と一体化されてＭＥＧＡ２５となる。なお、ガス拡散層２３ａはＭＥＡ２４のカソード側に、ガス拡散層２３ｂはアノード側に、それぞれ配置され、各ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、供給された反応ガスをその厚み方向に拡散して、対応する電極触媒層２２ａ，２２ｂの全面に反応ガスを供給している。
【００２８】
ＭＥＧＡ２５の外周を囲むシールガスケット３０は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ２５の外周に射出成形され、ＭＥＧＡ２５外周の一部を厚み方向に挟むように形成されている。
【００２９】
シールガスケット３０の外形は、セパレータ４０と同一の略長方形形状に形成されており、その４辺に沿って、反応ガスおよび冷却水のマニホールドを形成する貫通孔が設けられている。このマニホールド用の貫通孔は、セパレータ４０に設けられた貫通孔と同一であるため、セパレータ４０の構造とともに、後述する。
【００３０】
こうしたマニホールド用の貫通孔の周囲には、各連通孔を囲み、シールガスケット３０の厚み方向に凸の部位が形成されている。この凸の部位は、シールガスケット３０を挟むセパレータ４０に実質的に当接し、積層方向の所定の締結力を受け、潰れて変形する。その結果、凸の部位は、マニホールド内を流れる流体（水素，空気，冷却水）の漏れを抑制するシールラインを形成する。
【００３１】
次に、反応ガスが流れる多孔体２６，２７について説明する。多孔体２６，２７は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金等の発泡金属や金属メッシュなど、内部に多数の細孔を備えた金属の多孔体からなる。この多孔体２６，２７は、ＭＥＧＡ２５より小さい略長方形外形であって、シールガスケット３０内に収まる大きさに形成されている。
【００３２】
この多孔体２６，２７の気孔率は、ＭＥＧＡ２５を構成するガス拡散層２３ａ，２３ｂの気孔率よりも大きく、約７０〜８０％程度であり、ＭＥＧＡ２５に反応ガスを供給する通路として機能する。
【００３３】
例えば、多孔体２６は、ＭＥＧＡ２５のカソード側（ＭＥＡ２４のカソード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された空気を図示する上方から下方へ流し、ＭＥＧＡ２５のカソード側に空気を供給する。
【００３４】
他方、多孔体２７は、ＭＥＧＡ２５のアノード側（ＭＥＡ２４のアノード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された水素ガスを図示する左方から右方へ流し、ＭＥＧＡ２５のアノード側に供給する。
【００３５】
つまり、多孔体２６，２７は、所定方向へ反応ガスを流すことを主目的とするため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を向上するよう、比較的気孔率を大きく形成している。これに対して、上述のガス拡散層２３ａ，２３ｂは、厚み方向への拡散を主目的とするため、比較的気孔率を小さく形成している。
【００３６】
こうした多孔体２６，２７を流れる反応ガスは、流れの過程でＭＥＧＡ２５に供給され、ＭＥＧＡ２５のガス拡散層２３ａ，２３ｂの作用により、各電極触媒層２２ａ，２２ｂに拡散され、反応に供される。なお、この電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池１０を所定温度範囲で運転するため、燃料電池１０内には冷却水が供給されている。
【００３７】
次に電気化学反応により生ずる電気を集電するセパレータ４０について説明する。セパレータ４０は、三つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。具体的には、空気が流れる多孔体２６と接触するカソードプレート４１と、水素ガスが流れる多孔体２７と接触するアノードプレート４３と、両プレート４１、４３の中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４２とから構成されている。なお、カソードプレート４１は適用例３に記載の「第２のプレート」に相当し、アノードプレート４３は適用例３に記載の「第１のプレート」に相当する。
【００３８】
三つのプレート４１〜４３は、その厚み方向に、流路用の凹凸形状のない平坦な表面を有し（つまり、多孔体２６，２７との接触面が平坦であり）、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。
【００３９】
三つのプレートには、上述の各種マニホールドを構成する貫通孔が設けられている。具体的には、略長方形形状のセパレータ４０の長辺のうち、図示する上方に空気供給用の貫通孔５１が、図示する下方に空気排出用の貫通孔５２が、それぞれ設けられている。また、セパレータ４０の短辺のうち、図示する左下方向に水素供給用の貫通孔５３が、図示する右上方向に水素排出用の貫通孔５４が、それぞれ設けられている。なお、冷却水の貫通孔については、図示は省略したが、セパレータ４０のいずれかの位置に供給用と排出用の貫通孔が、それぞれ設けられている。
【００４０】
カソードプレート４１には、こうしたマニホールド用の貫通孔５１〜５４に加え、多孔体２６への空気の出入口となる孔部５７，５８が複数形成されている。同様に、アノードプレート４３には、マニホールド用の貫通孔に加え、多孔体２７への水素ガスの出入口となる孔部６１（図２）、６２が形成されている。孔部６１，６２は、長尺状の貫通孔であることから、以下、「スリット」と呼ぶ。
【００４１】
中間プレート４２に設けられた複数のマニホールド用の貫通孔のうち、空気の流れるマニホールド用の貫通孔（以下、「マニホールド」とも呼ぶ）５１，５２は、カソードプレート４１の孔部４５，４６と連通するように形成されている。また、水素ガスの流れるマニホールド用の貫通孔（以下、「マニホールド」とも呼ぶ）５３，５４は、アノードプレート４３のスリット６１と連通するように形成されている。
【００４２】
こうした構造の三つのプレートを積層して接合することで、セパレータ４０の内部には、各種流体の通路が形成される。水素ガスについての通路の構成について、さらに詳述する。
【００４３】
Ａ−２．セパレータにおける水素ガスの通路：
図２は、セパレータ４０に備えられる中間プレート４２の平面を示す説明図である。図示するように、中間プレート４２には、図中の左上に、開口形状が矩形の水素供給用のマニホールド５３が設けられており、図中の上部には、中間プレートの短辺と平行に延びる水素入口集合流路７１が形成されている。水素入口集合流路７１のマニホールド５３側の端部７１ａは、スリット幅が広くなってマニホールド５３と連結されている。
【００４４】
図示における水素入口集合流路７１の中に見える長尺状の楕円は、アノードプレート４３に形成されたスリット６１である。なお、本実施例では、水素入口集合流路７１は、中間プレート４２のスリット６１よりも幅長が大きくなっているが、これに換えて、水素入口集合流路７１とスリット６１とが同一の幅長である構成としてもよい。
【００４５】
前記マニホールド５３と水素入口集合流路７１は、水素供給用のものであるが、中間プレート４２には、水素排出用のマニホールド５４と水素出口集合流路７２が対となって形成されている。詳しくは、水素排出用のマニホールド５４と水素出口集合流路７２は、水素供給用のマニホールド５３と水素入口集合流路７１に対して、中間プレート４２の平面における中心を中心とする点対称な形状となっている。
【００４６】
図３は、前記中間プレート４２を含むセパレータ４０、多孔体２７、および発電体２０を積層方向に切断した端面図である。切断方向は、図２におけるＡ−Ａ線の位置と対応する。図３に示すように、セパレータ４０に形成された水素供給用のマニホールド５３内を流れる水素ガスの一部は、水素入口集合流路７１を通って、スリット６１から多孔体２７へ供給される。そして、反応に供された後のガス、あるいは、供されない水素ガスは、多孔体２７を流れて、スリット６２から水素出口集合流路７２を経て、水素排出用のマニホールド５４へ流れる。なお、空気の流れについての説明は省略するが、水素ガスの流れと同様である。水素出口集合流路７２が、適用例１に記載の「所定のガス通路」に相当し、水素出口集合流路７２と接続されるスリット６２が、適用例１に記載の「ガス導通孔」に相当する。水素排出用のマニホールド５４が、適用例１に記載の「ガス排出マニホールド」に相当する。
【００４７】
図４は、水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を拡大して示す説明図である。図５は、図４で示した連結部周辺を積層方向に切断した端面図である。両図に示すように、水素出口集合流路７２における端部７２ａ付近には、アノードプレート４３に形成されたスリット６２とマニホールド５４との間を架け渡す板状部材８１が配置されている。
【００４８】
板状部材８１は、ほぼ直方体形状（短辺の面が湾曲している点で厳密には直方体ではないが直方体に近い形状）で、長辺方向（図４、５における左右方向）における図中右側の端部８１ａは、マニホールド５４のスリット６２側の端部（以下、「スリット側端部」と呼ぶ）５４ａに達している。板状部材８１の図中左側の端部８１ｂは、積層方向（図４における紙面方向、図５における上下方向）から視たとき、スリット６２のマニホールド５４側の端部（以下、「マニホールド側端部」と呼ぶ）６２ａよりもさらにスリット６２の内側方向（図中、左側方向）に突出した構成となっている。すなわち、板状部材８１は、マニホールド５４とスリット６２との間に配置されるとともに、積層方向から視たとき、板状部材８１の端部８１ｂを含む部分（図５中のＶの間）が、アノードプレート４３に形成されたスリット６２とオーバラップする（重なる）ように配置されている。
【００４９】
なお、板状部材８１は、前述したように、中間プレート４２の水素出口集合流路７２内に配置されるが、実際は、カソードプレート４１の内側表面に固設されることで、その配置がなされている。
【００５０】
また、板状部材８１の短辺方向‘図５の上下方向の長さ、すなわちカソードプレート４１からの突出長は、中間プレート４２の厚さと同一である。これにより、カソードプレート４１、中間プレート４２、およびアノードプレート４３を組み合わせたときに、板状部材８１は、アノードプレート４３の中間プレート４２側の面と接する。なお、板状部材８１の前記突出長は、中間プレート４２の厚さと必ずしも同一である必要はなく、中間プレート４２の厚さよりも小さい構成としてもよい。板状部材８１は、適用例１に記載の「部材」に相当する。
【００５１】
Ａ−３．実施例効果：
以上の各部品からなる本実施例の燃料電池１０は、発電体２０に反応ガスを効率的に供給することができることから、発電効率に優れている。さらに、燃料電池１０は、次の理由により、セパレータ４０内のガス通路が生成水に起因して閉塞されることを防止することができる。
【００５２】
通常、ＭＥＡ２４における生成水Ｗは、毛細管力により多孔体２６，２７に集まり多孔体２６，２７内を流れてセパレータ４０内のガス通路を介して、燃料電池から排出される。アノード側に着目したとき、図６に示すように、毛細管力により多孔体２７に吸い上げられた生成水は、アノードプレート４３に形成されたスリット６２、中間プレート４２の水素出口集合流路７２と順に移動し、マニホールド５４から排出される。燃料電池１０が停止すると、水素出口集合流路７２におけるマニホールド５４側の端部７２ａ付近に、図示するように生成水Ｗが滞留しようとする。これに対して、本実施例の燃料電池１０では、前記滞留しようとする生成水Ｗは、板状部材８１をつたってスリット６２から多孔体２７により吸い戻される。
【００５３】
特に、従来、スリット６２のマニホールド側端部６２ａに発生する表面張力は、前記生成水の吸い戻しを妨げようとするが、本実施例の燃料電池１０では、板状部材８１の一方端が前記マニホールド側端部６２ａに掛かることから、前記表面張力を弱めることができる。このため、燃料電池１０では、多孔体２７により吸い戻される力が大きく、セパレータ内のガス通路における生成水Ｗの滞留を確実に防ぐことができる。したがって、滞留した生成水Ｗに起因するガス通路の閉塞を防止することができる。
【００５４】
特に本実施例では、板状部材８１の端部８１ｂを含む一部分がスリット６２とオーバラップするように配置されていることから、板状部材８１によるスリット６２への生成水Ｗの引き戻しが確実になされる。したがって、ガス通路の閉塞をより防止することができる。
【００５５】
Ｂ．第２実施例
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例としての燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を図７に示す。図７では、第１実施例と同一の構成については、第１実施例と同一の符号を付している。以下、第１実施例と異なる点についてのみ説明する。
【００５６】
図示するように、水素出口集合流路７２における端部７２ａ付近には、第１実施例と同一の１本の板状部材８１が配置され、さらに、板状部材８１と平行に２本の板状部材８２，８３が配置される。すなわち、３本の板状部材８１〜８３により櫛歯部が構成される。なお、板状部材８２，８３は、板状部材８１よりも短く、板状部材８２、８３における図中の右側の端部８２ａ、８３ａが、板状部材８１と同様にマニホールド５４のスリット側端部５４ａに達している。
【００５７】
前記構成の第２実施例の燃料電池によれば、櫛歯部による作用により、第１実施例と同様に、生成水Ｗは、スリット６２から多孔体２７に引き戻され、ガス通路中に滞留することがない。したがって、第１実施例と同様に、滞留した生成水Ｗに起因するガス通路の閉塞を防止することができる。特に、この第２実施例では、第１実施例と比べて板状部材の本数が多いことから、生成水の滞留をより防ぐことができる。
【００５８】
なお、第２実施例では、櫛歯部は３本の板状部材８１〜８３を備える構成としたが、これに換えて、板状部材の本数は他の数、すなわち、２本、４本、５本等としてもよい。
【００５９】
Ｃ．他の実施形態：
この発明は第１および第２実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６０】
・第１変形例：
図８は、第１変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。第１変形例は、第１実施例の変形例である。第１実施例における板状部材の長辺方向は直線状に延びるものであったが、これに換えて、第１変形例の板状部材１８１は、スリット６２側の端部１８１ａ近くで、折れ曲がっている。なお、図８において第１実施例と同一の構成については、第１実施例と同一の符号を付している（下記の第２変形例および第３変形例も同じ）。
【００６１】
この構成によれば、板状部材１８１の固設位置が、図中、上下方向に位置ずれした場合にも、スリット６２に板状部材１８１を確実にオーバラップさせることができる。したがって、生成水の滞留を確実に防ぐことができる。
【００６２】
・第２変形例：
図９は、第２変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。第２変形例は、第１実施例と同じ板状部材８１を備え、さらに、板状部材８１に平行に同一長さの１本の板状部材２８１が配置される。なお、板状部材２８１は、板状部材８１に対して図中における上側に位置する。その上で、アノードプレートに形成されたスリット１６２の端部１６２ａ付近を、図中における上側に拡張した構成となっている。この構成により、板状部材８１，２８１の一部分は、アノードプレートに形成されたスリット１６２とオーバラップするように配置される。
【００６３】
この構成によれば、櫛歯部が複数本の板状部材８１，２８１により構成されているにも拘わらず、各板状部材８１，２８１の一部分を、アノードプレートに形成されたスリット１６２と確実にオーバラップさせることができる。したがって、櫛歯部による作用がより大きくなることから、ガス通路中における生成水の滞留をより防止することができる。
【００６４】
・第３変形例：
前記第１および第２実施例やそれらの変形例では、板状部材８１の一方端が、スリット６２のマニホールド側端部６２ａよりもさらに突出し、板状部材８１の他方端が、マニホールド５４のスリット側端部５４ａに達する構成とすることで、板状部材８１がスリット６２とマニホールド５４との間を架け渡す構成としたが、必ずしも、架け渡す必要はなく、板状部材８１の他方端とマニホールド５４のスリット側端部５４ａとの間が離間していてもよい。また、板状部材８１の他方端が、マニホールド５４のスリット側端部５４ａよりもさらにマニホールド５４の内側に達する構成であってもよい。
【００６５】
さらに、板状部材８１の一方端がスリット６２のマニホールド側端部６２ａと一致する構成であってもよい。要は、板状部材８１の一方端がスリット６２のマニホールド側端部６２ａに掛かる構成であれば、いずれの構成としてもよい。
【００６６】
・第４変形例：
図１０は、第４変形例の燃料電池における水素出口集合流路７２とマニホールド５４との連結部周辺を示す説明図である。第１実施例では、板状部材８１は、カソードプレート４１の内側表面に固設されることで、中間プレート４２の水素出口集合流路７２内に配置されるが、これに換えて、第４変形例では、水素出口集合流路７２内の壁面に取り付けられた複数本の取付棒３０１〜３０４により、板状部材８１は、第１実施例と同じ位置に配置される構成とした。この構成によれば、板状部材をセパレータと一体化させることができることから、部品点数が少なくてすむ。
【００６７】
・第５変形例：
前述した第１および第２実施例や変形例では、板状部材を水素ガス系統に採用した構成として説明したが、これに換えて、板状部材を空気系統に採用する構成としてもよい。すなわち、空気排出用のマニホールド５２と空気の出口となる穴部５８とを結ぶ経路上に板状部材を配置した構成としてもよい。
【００６８】
・第６変形例：
前述した第１および第２実施例や変形例では、ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置される部材は、板状の部材としたが、必ずしも、板状である必要はなく、これに換えて、棒状（角棒状、丸棒状等）等の他の形状としてもよい。また、前述してきた板状部材のように、ガス導通孔とガス排出マニホールドとを結ぶ方向に長手形状であることが好ましいが、必ずしもそうする必要もない。
【００６９】
・第７変形例：
前記実施例では、セパレータ４０は、三層積層型のものとしたが、必ずしも３層である必要はなく、例えば一層としてもよい。
【００７０】
・第８変形例：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００７１】
なお、前述した実施例および各変形例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。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０…燃料電池
２０…発電体
２１…電解質膜
２２ａ…電極触媒層
２３ａ…ガス拡散層
２３ｂ…ガス拡散層
２４…膜電極接合体
２５…部材
２６…多孔体
２７…多孔体
３０…シールガスケット
４０…セパレータ
４１…カソードプレート
４２…中間プレート
４３…アノードプレート
４５…孔部
５１、５２…空気供給用のマニホールド
５３、５４…水素供給用のマニホールド
５４ａ…スリット側端部
６１、６２…スリット
６２ａ…マニホールド側端部
７１…水素入口集合流路
７２…水素出口集合流路
８１…板状部材
８２、８３…板状部材
１６２…スリット
１８１…板状部材
２８１…板状部材
３０１〜３０４…取付棒
Ｗ…生成水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に向かい合って配置されるセパレータと、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置される多孔質性の多孔体と
を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、
前記膜電極接合体から前記多孔体および前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、前記燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、
前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材と
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記部材は、
前記セパレータの積層方向から視たとき、前記部材の前記一方端を含む部分が、前記ガス導通孔とオーバラップするように配置される、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記多孔体側に配置される第１のプレートと、前記第１のプレートと対になる第２のプレートと、
両プレート間に空間を形成する中間プレートと
を備え、
前記ガス排出マニホールドは、
前記第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートを、各プレートの積層方向に貫通する構成であり、
前記所定のガス通路は、
前記中間プレートに形成されるガス集合流路であり、
前記ガス導通孔は、
前記第１のプレートを、当該第１のプレートの厚さ方向に貫通する構成である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記部材は、
前記第１のプレートに固設された構成である、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれかに記載の燃料電池であって、
複数本の前記部材により櫛歯部を構成する、燃料電池。
【請求項６】
膜電極接合体に向かい合って配置される燃料電池用のセパレータであって、
前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、
前前記膜電極接合体から前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、
前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材と
を備えるセパレータ。
【請求項１】
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に向かい合って配置されるセパレータと、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置される多孔質性の多孔体と
を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、
前記膜電極接合体から前記多孔体および前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、前記燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、
前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材と
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記部材は、
前記セパレータの積層方向から視たとき、前記部材の前記一方端を含む部分が、前記ガス導通孔とオーバラップするように配置される、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記多孔体側に配置される第１のプレートと、前記第１のプレートと対になる第２のプレートと、
両プレート間に空間を形成する中間プレートと
を備え、
前記ガス排出マニホールドは、
前記第１のプレート、第２のプレート、および中間プレートを、各プレートの積層方向に貫通する構成であり、
前記所定のガス通路は、
前記中間プレートに形成されるガス集合流路であり、
前記ガス導通孔は、
前記第１のプレートを、当該第１のプレートの厚さ方向に貫通する構成である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記部材は、
前記第１のプレートに固設された構成である、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれかに記載の燃料電池であって、
複数本の前記部材により櫛歯部を構成する、燃料電池。
【請求項６】
膜電極接合体に向かい合って配置される燃料電池用のセパレータであって、
前記膜電極接合体の方向に開口するガス導通孔と、
前前記膜電極接合体から前記ガス導通孔を介して送られて来るオフガスを、燃料電池から排出するガス排出マニホールドと、
前記ガス導通孔と前記ガス排出マニホールドとの間に配置され、一方端が前記ガス導通孔の前記ガス排出マニホールド側の端部に掛かる部材と
を備えるセパレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１０８５２３（Ｐ２０１１−１０８５２３Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６３１０４（Ｐ２００９−２６３１０４）
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１８日（２００９．１１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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