燃料電池
【課題】生成水の排水性能を高めて、フラッディングの発生を抑制する。
【解決手段】燃料電池において、ガス流路形成部材４０は、ガス流路形成部材４０の表裏の間を連通する連通孔Ｈが複数、所定の向きに配列された連通孔列１１０と、前記電極の面との間に所定の間隙を有することで前記反応ガスの流路を形成する平坦部Ｓを、前記所定の向きと同じ向きに連ねた平坦部列１２０とを備え、連通孔列１１０と平坦部列１２０とを、交互に複数組、配列するとともに、平坦部列１２０に、段差Ｄを設けた。
【解決手段】燃料電池において、ガス流路形成部材４０は、ガス流路形成部材４０の表裏の間を連通する連通孔Ｈが複数、所定の向きに配列された連通孔列１１０と、前記電極の面との間に所定の間隙を有することで前記反応ガスの流路を形成する平坦部Ｓを、前記所定の向きと同じ向きに連ねた平坦部列１２０とを備え、連通孔列１１０と平坦部列１２０とを、交互に複数組、配列するとともに、平坦部列１２０に、段差Ｄを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス流路形成部材を備える燃料電池に関する。
【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、導電性多孔体であるガス流路形成部材が設けられたものが知られている。ガス流路形成部材としては、金属製の薄板に網目状の連通孔を形成し、一方側の面から他方側の面にガスが潜り込むようにしたものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８７９５５号公報
【０００４】
前記ガス流路形成部材は、連通孔を形成する凸部と凸部との間が平坦部となっているが、この平坦部に膜電極接合体で発生した生成水が滞留しやすく、フラッディングが発生する虞があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、生成水の排水性能を高めて、フラッディングの発生を抑制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］ 電解質層と、前記電解質層上に形成された、触媒を備える電極と、前記電極の側に配設され、該電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材とを備えた燃料電池において、前記ガス流路形成部材は、当該ガス流路形成部材の表裏の間を連通する連通孔が複数、所定の向きに配列された連通孔列と、前記電極の面との間に所定の間隙を有することで前記反応ガスの流路を形成する平坦部を、前記所定の向きと同じ向きに連ねた平坦部列とを備え、前記連通孔列と前記平坦部列とは、交互に複数組、配列され、前記平坦部は、隣り合う平坦部との間に段差を設けて接続されている、燃料電池。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部材における平坦部列に段差が設けられていることから、電極と平坦部列との間隙を流れる反応ガスの一部は、前記段差に衝突し連通孔列側に向かい、連通孔を介して電極と反対の面側に潜り込む。このガスの流れにより、電極側で発生した生成水は、ガス流路形成部材における電極と反対の面側に移行する。このため、電極とガス流路形成部材との間に生成水が滞留することがない。したがって、適用例１に記載の燃料電池によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池であって、前記連通孔列は、前記ガス流路形成部材の基材の一部分により構成され、前記電極の面に対し所定の勾配を有する傾斜部により、前記連通孔の一部を構成するものである、燃料電池。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池によれば、基材をプレス処理する作業により、傾斜部を備えた連通孔列を製造することができることから、ガス流路形成部材の製造が容易である。
【００１１】
［適用例３］ 適用例２に記載の燃料電池であって、前記ガス流路形成部材は、前記各傾斜部の一方端の集合と他方端の集合とが、それぞれ、前記電極の面に対して平行となるような向きに配設された構成である、燃料電池。
【００１２】
適用例３に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部材の全体を電極の面に対して平行とすることができることから、ガス流路形成部材の電極の側への配置が容易となる。また、ガス流路形成部材の電極と反対側に配置されるセパレータ等の部品に対しても、ガス流路形成部材の全体を平行とすることができることから、ガス流路形成部材の前記部品の側への配置も容易となる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、セパレータを備え、前記ガス流路形成部材は、前記電極とセパレータとの間に、前記連通孔の下流側に位置する側の面が前記セパレータに当接するように配設された構成である、燃料電池。
【００１４】
適用例４に記載の燃料電池によれば、電極側で発生した生成水を、ガス流路形成部材の有する連通孔を介して積極的にセパレータ側に排出することが可能となる。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記段差は、前記ガス流路形成部材の厚さ方向の高低差である、燃料電池。
【００１６】
適用例５に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部材の厚さ方向の高低差である段差により、反応ガスの流れの一部を連通孔列側に向けることが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし７以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用ガス流路形成部材の製造方法を用いて製造した燃料電池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】
【００１８】
【図１】第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の有する流路形成部材４０の構造を示す斜視図である。
【図３】流路形成部材４０の平面と矢視を示す説明図である。
【図４】連通孔列１１０の基本パーツ１１２を示す説明図である。
【図５】プレス装置２００を示す説明図である。
【図６】参考例の流路形成部材２４０の断面図である。
【図７】第２実施例における流路形成部材３００を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の概略構成：
本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を図１に示す。燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池であり、複数積層された発電体２０を両端のエンドプレート９５，９６で挟持して構成される。発電体２０は、発電がなされる基本構造であり、燃料電池１００は、発電体を複数積層させたスタック構造を有している。この燃料電池１００では、燃料ガスとしての水素および酸化剤ガスとしての空気が水素供給マニホールド９５ａ、空気供給マニホールド９５ｂから発電体２０に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド９５ｃおよび空気排出マニホールド９５ｄから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド９５ｅから発電体２０に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド９５ｆから排出される。
【００２１】
発電体２０は、膜電極接合体としてのＭＥＡ３４（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面にガス拡散層３３ａ、３３ｂが接合したＭＥＧＡ３５の両面に、流路形成部材４０，６０、セパレータ７０，８０が積層されて構成される。これら各部分は、図中のｚ方向に積層される。なお、本実施例における発電体２０の積層面の寸法は１００ｍｍ×３００ｍｍである。流路形成部材４０，６０は、本発明で言う「ガス流路形成部材」である。
【００２２】
ＭＥＡ３４は、電解質膜３１の表面上に、カソード電極３２ａとアノード電極３２ｂとを備える。電解質膜（電解質層）３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ７０，８０の外形よりも小さく流路形成部材４０、６０の外形よりも大きい長方形に形成されている。本実施例では、電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）を用いた。カソード電極３２ａおよびアノード電極３２ｂは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２３】
ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、酸化剤ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極３２ａまたはアノード電極３２ｂの全面に供給する。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ３４の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層３３ａおよび３３ｂには、ＭＥＡ３４の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。
【００２４】
かかるＭＥＧＡ３５は、その外周に配されたシールガスケット３６と一体形成される。シールガスケット３６には、水素供給マニホールド３０ａ、空気供給マニホールド３０ｂ、水素排出マニホールド３０ｃ、空気排出マニホールド３０ｄ、冷却水供給マニホールド３０ｅ、冷却水排出マニホールド３０ｆを備えている。また、シールガスケット３６には、厚み方向に、各マニホールドを囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット３６の両側に積層されるセパレータ７０，８０と当接し、マニホールド内からの流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。
【００２５】
流路形成部材４０，６０は、電極３２ｂ，３２ａの面に反応ガス（水素、空気）を供給するための流路を形成する部材である。一方側の流路形成部材４０は、ＭＥＧＡ３５のアノード側とセパレータ７０との間に配設され、セパレータ７０を介して供給された水素を、ＭＥＡ３４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れ（図中ｘ方向）で流しつつ、水素をＭＥＧＡ３５のアノード側に供給する。同様に、他方側の流路形成部材６０は、空気を図中ｙ方向に流しつつＭＥＧＡ３５のカソード側に供給する。かかる流路形成部材４０、６０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、チタンを用いた。流路形成部材４０，６０の詳細な構造については後述する。なお、本実施例では、ＭＥＧＡ３５の両面に流路形成部材４０，６０を備える構成としたが、ＭＥＧＡ３５の片面のみに備える構成としてもよい。なお、図中、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直角な方向である。
【００２６】
セパレータ７０は、カソード電極３２ａ側に設けられる平坦なカソード側セパレータ７１と、アノード電極３２ｂ側に設けられる平坦なアノード側セパレータ７３と、それらの間に配置される中間セパレータ７２とが一体となって構成される。カソード側セパレータ７１には、水素供給マニホールド７１ａ、空気供給マニホールド７１ｂ、水素排出マニホールド７１ｃ、空気排出マニホールド７１ｄ、冷却水供給マニホールド７１ｅ、冷却水排出マニホールド７１ｆ、空気連通孔７５，７６を備えている。空気供給マニホールド７１ｂに供給された空気は、中間セパレータ７２の空気連通孔７２ｂおよび空気連通孔７５を介して、流路形成部材６０に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔７６および中間セパレータ７２の連通孔（図示せず）を介して、空気排出マニホールド７１ｄに排出される。
【００２７】
同様に、水素供給マニホールド７１ａに供給された水素は、中間セパレータ７２の水素連通孔７２ａおよびアノード側セパレータ７３の連通孔（図示せず）を介して、流路形成部材４０に導かれ、流路形成部材４０を流れた後、アノード側セパレータ７３および中間セパレータ７２の連通孔（図示せず）を介して、水素排出マニホールド７１ｃに排出される。また、中間セパレータ７２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド７１ｆおよび冷却水供給マニホールド７１ｅと連通している。
【００２８】
かかるセパレータ７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼やチタンから成る部材によって形成されるが、本実施例では、チタンを用いた。なお、セパレータ８０は、セパレータ７０と同様の構成である。
【００２９】
Ａ−２．流路形成部材の構造：
流路形成部材４０，６０の詳細な構造について次に説明する。図２は流路形成部材４０の構造を示す斜視図であり、図３（ａ）は流路形成部材４０の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視図である。流路形成部材４０は、平板をプレス成形したプレス成形品である。これら図に示すように、流路形成部材４０は、複数の連通孔Ｈが配列された連通孔列１１０と、複数の平坦部Ｓを連ねた平坦部列１２０とが、交互に複数組、配列された構成である。
【００３０】
図４は、連通孔列１１０の基本パーツを示す説明図である。図４（ａ）が基本パーツの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視図である。基本パーツ１１２は、角度θの勾配を有する傾斜部１１４を備え、この傾斜部１１４を天井部分あるいは底部分とすることにより、図中の上半分の部分１１２ａを凸形状（図４（ａ）において紙面の表側に向かって突出する形状）に、下半分の部分１１２ｂを凹形状（図４（ａ）において紙面の裏側に向かって凹む形状）に構成したものである。なお、前記勾配の角度θは、流路形成部材４０の積層方向に垂直な面に対するもので、９０度未満の値である。凸形状の部分１１２ａにおいて、図中の上側ほど、傾斜部１１４の幅（図４（ａ）における左右方向の距離）Ｗは小さくなり、傾斜部１１４の高さ（図４（ｂ）における左右方向の距離）Ｈは大きくなっている。一方、凸形状の部分１１２ｂにおいて、図中の下側ほど、傾斜部１１４の幅Ｗは小さくなり、傾斜部１１４の高さ（図４（ｂ）Ｈは大きくなっている。
【００３１】
図２および図３に示すように、流路形成部材４０における連通孔列１１０は、前述した基本パーツ１１２を、図中ｘ方向に複数、配列した構成である。なお、図２および図３におけるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は図１におけるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と一致する。基本パーツ１１２を複数配列することにより、隣接する２つの基本パーツ１１２の間に、１つの連通孔Ｈが形成される。すなわち、一方側の基本パーツ１１２の傾斜部１１４と、他方側の基本パーツ１１２の傾斜部１１４とを主要部とする連通孔Ｈが形成される。この連通孔Ｈは、流路形成部材４０の一方側の面と他方側の面との間（表裏の間）を連通する。連通孔列１１０は、基本パーツ１１２がｎ（２以上の整数）個、配列されることで、ｎ−１個の連通孔Ｈを備えることになる。
【００３２】
連通孔列１１０は、複数、ｙ方向に、所定の間隔を置いて配列されている。連通孔列１１０と連通孔列１１０との間隙の部分で、平坦部列１２０を構成する。平坦部列１２０は、複数の平坦部Ｓが、図中ｘ方向に向かって連なった構成となっている。本実施例では、平坦部Ｓの縦方向（ｘ方向）のサイズは、基本パーツ１１２の縦方向（図４の上下方向）のサイズとほぼ同一であり、１つの平坦部列１２０の備える平坦部Ｓの数は、１つの連通孔列１１０の備える基本パーツ１１２の数と同一である。
【００３３】
隣接する平坦部Ｓと平坦部Ｓとは、段差Ｄを設けて接続されている。段差Ｄは、隣接する平坦部Ｓと平坦部Ｓとの間の高低差、すなわち、流路形成部材４０の厚さ方向（ｚ方向）の高低差であり、水素の流れＲに対向する向きとなっている。なお、段差Ｄの面方向は、ｚ方向に対して平行であってもよいし、ｚ方向に対して傾いた方向であってもよい。
【００３４】
また、本実施例では、段差Ｄは、図中のｘ方向において基本パーツ１１２と基本パーツ１１２との連結部分に対応した位置に配される。なお、平坦部Ｓは、傾斜部１１４の勾配の角度θよりも小さい所定の角度だけ傾斜しており、この勾配により段差Ｄを形成することで、各平坦部Ｓの任意の部位が、ｚ軸方向において同じ位置となるようになっている。
【００３５】
上述した流路形成部材４０について、発電体２０を構成する部材として積層した際の態様について説明する。流路形成部材４０における連通孔列１１０は、角度θの勾配の傾斜部１１４を有するため、各傾斜部１１４の両端が、セパレータ７０およびガス拡散層３３ｂと当接するように、流路形成部材４０は積層される。詳しくは、図３（ｂ）に示すように、各傾斜部１１４の一方端１１４ａの集合と他方端１１４ｂの集合とは、それぞれ、一平面（以下、この平面を「当接面」と呼ぶ）Ｆ１，Ｆ２を形成することから、連通孔Ｈの向きが左上から右下に向かう方向となるように流路形成部材４０を積層するときに、図中左側に位置する当接面Ｆ１がガス拡散層３３ｂの表面と当接し、図中右側に位置する当接面Ｆ２がセパレータ７０の表面と当接するように積層される。
【００３６】
流路形成部材４０を積層したとき、流路形成部材４０の平坦部列１２０とガス拡散層３３ｂとの間には、隙間ができる。本実施例は、この隙間に主に水素が流れる構成となっている。
この水素の流れＲは、図３（ａ）に示すように、直線状となっており、ガス拡散層３３ｂの面に接しながら出口側に向かう。この水素の流れＲの一部Ｒｐは、前述した段差Ｄに衝突し、連通孔列１１０に向かう方向に方向を変えて、連通孔列１１０側に移動する。その後、水素の一部Ｒｐは、連通孔Ｈを介してガス拡散層３３ｂと反対の面側、すなわちセパレータ７０側に潜り込む。
【００３７】
燃料電池１００のＭＥＡ３４においては発電に伴って生成水が発生するが、その発生した生成水は、ガス拡散層３３ｂと流路形成部材４０との間に滞留しようとする。本実施例では、平坦部列１２０におけるガス拡散層３３ｂとの隙間に生成水は滞留しようとするが、特に、図３に示すように、生成水Ｗは、前述した水素の流れＲにより平坦部列１２０の段差Ｄの付近に集められ、その後、生成水Ｗは、前述した水素の一部Ｒｐの流れと共に、連通孔列１１０の連通孔Ｈを潜ってセパレータ７０側に排出される。
【００３８】
なお、カソード電極３２ａ側に配置される流路形成部材６０の構造は、前述した流路形成部材４０の構造と同一である。このため、カソード電極３２ａ側に排出された生成水についても、同様に、流路形成部材６０の連通孔を潜ってセパレータ８０側に排出される。
【００３９】
Ａ−３．流路形成部材の製造方法：
流路形成部材４０、６０の製造方法について、次に説明する。流路形成部材４０，６０の製造は、基材を用意し、基材をプレス処理することにより行う。ここでは、基材は、チタン製の薄板とした。
【００４０】
図５は、プレス処理に用いるプレス装置２００を示す説明図である。プレス装置２００は、上型２１０と下型２２０とを備える。図示は、上型２１０と下型２２０の断面を示す。上型２１０と下型２２０の図示する形状は、図３（ｂ）の断面、すなわち連通孔列１１０の断面を形成するに必要な形となっている。上型２１０と下型２２０は、図示はしないが、実際は、
平坦部列１２０に対応した形状の部分も有する。上型２１０と下型２２０の間に基材を配置し、上型２１０を図中下側に、下型２２０を図中上側にそれぞれ圧力を掛けて移動することで、基材Ｋをプレス処理する。この結果、１度のプレス処理により、例えば、図２および図３（ａ）に示す合計１２個の基本パーツ１１２を形成することができる。
【００４１】
流路形成部材４０，６０に形成される基本パーツ１１２の数は、実際は、もっと大きな数で、例えば、縦方向に数百個、横方向に数百個である。本実施例では、上記プレス装置２００を用いて、横方向に順に基材Ｋを移動しつつプレス処理を多数回行い（横操作）、その後、基材Ｋを縦方向に１基本パーツ分の距離だけ移動し、上記横操作を行う。以上の操作を繰り返すことで、流路形成部材４０，６０を製造する。このように、流路形成部材４０，６０は金属プレスにより、容易に製造することができる。なお、基材Ｋの全面を一部ずつプレスする構成に換えて、基材Ｋの全面を一度にプレスする構成としてもよい。
【００４２】
Ａ−４．実施例効果：
ここで、参考列として、流路形成部材４０，６０の平坦部列１２０が、段差Ｄがない一平面である構成を考えてみる。図６は、参考例の流路形成部材２４０の断面図である。図中、第１実施例と同一の構成要素には、同一の符号を付している。流路形成部材２４０の有する平坦部列２５０は、段差のない一平面である。その他の連通孔列１１０等の構成要素は、第１実施例と同一である。
【００４３】
前記参考例では、平坦部列２５０とガス拡散電極との間のセル内ガス流路は、段差なくスムーズに水素が流れることから、図３に示した水素の一部Ｒｐの流れは発生しない。このため、平坦部列２５０に生成水Ｗは留まったままとなる。これに対して、第１実施例の燃料電池１００によれば、前述したように、水素の一部Ｒｐの流れと共に生成水Ｗは、連通孔列１１０の連通孔Ｈを介してセパレータ７０側に排出される。したがって、参考例の構成によれば、フラッディングの発生を抑制することができないのに対して、第１実施例の燃料電池１００によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００４４】
Ｂ：第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池で用いられる流路形成部材３００を示す説明図である。図示は、流路形成部材３００の平面である。第１実施例における流路形成部材４０では、連通孔列１１０および平坦部列１２０は、ｘ方向（図３参照）に真っ直ぐ延びる構成であったが、これに換えて、第２実施例における流路形成部材３００では、連通孔列３１０および平坦部列３２０は、「へ」の字状に屈曲した構成となっている。すなわち、連通孔列３１０および平坦部列３２０は、第１の直線状の部分と第２の直線状の部分とが所定の角度θだけ屈曲した形状となっている。連通孔列３１０および平坦部列３２０は、屈曲した点を除いて第１実施例の連通孔列１１０および平坦部列１２０と同一の構成である。その他の構成要素についても、第２実施例の燃料電池は第１実施例の燃料電池１００と同一である。
【００４５】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、第１実施例と同様に、平坦部列３２０の有する段差Ｄにより、平坦部列３２０を沿って流れる水素の流れの一部Ｒｐは連通孔列３１０側に移動し、連通孔Ｈを介してセパレータ側に潜り込む。このため、第２実施例の燃料電池では、第１実施例の燃料電池と同様に、水素の一部Ｒｐの流れと共に生成水Ｗは、セパレータ７０側に排出される。したがって、第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池と同様に、フラッディングの発生を抑制することができる。特に、第２実施例の燃料電池によれば、平坦部列３２０の屈曲した部分でも水素が拡散されることから、水素の一部を連通孔列３１０側により移動し易い。このため、生成水Ｗの排水性をより高めることができ、より確実にフラッディングの発生を抑制することができる。
【００４６】
Ｃ：変形例：
なお、この発明は前記の第１および第２実施例やそ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。
【００４７】
・変形例１：
前記第１および第２実施例では、９０度未満の角度θの勾配を備える傾斜部１１４を用いて連通孔Ｈを構成していたが、これに換えて、傾斜部を備えることなく、鉛直方向の孔により連通孔を構成してもよい。要は、ガス流路形成部材の表裏の間を連通することができる孔であればどのような形状の連通孔とすることもできる。
【００４８】
・変形例２：
前記第１および第２実施例では、平坦部列１２０の有する段差Ｄは、連通孔列１１０における基本パーツ１１２と基本パーツ１１２との連結部分に対応するように配置されているが、必ずしも段差Ｄと基本パーツ１１２の連結部分とは１：１で対応する必要はない。例えば、２つの平坦部Ｓごとに１つの段差Ｄを設けた構成とすることもできる。また、平坦部Ｓを３つ置き、４つおきに段差Ｄを設けるようにしてもよいし、ｘ方向においてランダムに複数の段差を設ける構成としてもよい。さらに、平坦部列１２０において１つだけ段差を設ける構成としてもよい。さらにまた、段差Ｄは、基本パーツ１１２の連結部分と必ずしもｘ方向において同じ位置に配置する必要はなく、例えば、基本パーツ１１２の真ん中部分とｘ方向において同じ位置等、任意の位置とすることができる。
【００４９】
・変形例３：
前記第１および第２実施例では、セパレータ７０，８０は、三層積層型のものとして表面のフラット化が容易であるものとしたが、これに換えて、表面が平坦な他の板状部材としてもよい。また、必ずしも表面が平坦なセパレータに限る必要もない。もちろん三層積層型に限る必要もない。
【００５０】
・変形例４：
前記第１および第２実施例では、流路形成部材４０，６０は双方、同一の構成としたが、これに換えて、図２，３，４あるいは図７に示した構成は一方側だけとしてもよい。すなわち、一方側の流路形成部材だけを図２，３，４あるいは図７の構成とし、他方側の流路形成部材は従来からの構成としてもよい。
【００５１】
・変形例５：
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。
【００５２】
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】
【００５３】
２０…発電体
３０ａ…水素供給マニホールド
３０ｂ…空気供給マニホールド
３０ｃ…水素排出マニホールド
３０ｄ…空気排出マニホールド
３０ｅ…冷却水供給マニホールド
３０ｆ…冷却水排出マニホールド
３１…電解質膜
３２ａ…カソード電極
３２ｂ…アノード電極
３３ａ…ガス拡散層
３３ｂ…ガス拡散層
３６…シールガスケット
４０，６０…流路形成部材
７０…セパレータ
７１…カソード側セパレータ
７１ａ…水素供給マニホールド
７１ｂ…空気供給マニホールド
７１ｃ…水素排出マニホールド
７１ｄ…空気排出マニホールド
７１ｅ…冷却水供給マニホールド
７１ｆ…冷却水排出マニホールド
７２…中間セパレータ
７２ａ…水素連通孔
７２ｂ…空気連通孔
７３…アノード側セパレータ
７５…空気連通孔
７６…空気連通孔
８０…セパレータ
９５…エンドプレート
９５ａ…水素供給マニホールド
９５ｂ…空気供給マニホールド
９５ｃ…水素排出マニホールド
９５ｄ…空気排出マニホールド
９５ｅ…冷却水供給マニホールド
９５ｆ…冷却水排出マニホールド
１００…燃料電池
１１０…連通孔列
１１２…基本パーツ
１１４…傾斜部
１２０…平坦部列
２００…プレス装置
２１０…上型
２２０…下型
３００…流路形成部材
３１０…連通孔列
３２０…平坦部列
３００…流路形成部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス流路形成部材を備える燃料電池に関する。
【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、導電性多孔体であるガス流路形成部材が設けられたものが知られている。ガス流路形成部材としては、金属製の薄板に網目状の連通孔を形成し、一方側の面から他方側の面にガスが潜り込むようにしたものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８７９５５号公報
【０００４】
前記ガス流路形成部材は、連通孔を形成する凸部と凸部との間が平坦部となっているが、この平坦部に膜電極接合体で発生した生成水が滞留しやすく、フラッディングが発生する虞があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、生成水の排水性能を高めて、フラッディングの発生を抑制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］ 電解質層と、前記電解質層上に形成された、触媒を備える電極と、前記電極の側に配設され、該電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材とを備えた燃料電池において、前記ガス流路形成部材は、当該ガス流路形成部材の表裏の間を連通する連通孔が複数、所定の向きに配列された連通孔列と、前記電極の面との間に所定の間隙を有することで前記反応ガスの流路を形成する平坦部を、前記所定の向きと同じ向きに連ねた平坦部列とを備え、前記連通孔列と前記平坦部列とは、交互に複数組、配列され、前記平坦部は、隣り合う平坦部との間に段差を設けて接続されている、燃料電池。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部材における平坦部列に段差が設けられていることから、電極と平坦部列との間隙を流れる反応ガスの一部は、前記段差に衝突し連通孔列側に向かい、連通孔を介して電極と反対の面側に潜り込む。このガスの流れにより、電極側で発生した生成水は、ガス流路形成部材における電極と反対の面側に移行する。このため、電極とガス流路形成部材との間に生成水が滞留することがない。したがって、適用例１に記載の燃料電池によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池であって、前記連通孔列は、前記ガス流路形成部材の基材の一部分により構成され、前記電極の面に対し所定の勾配を有する傾斜部により、前記連通孔の一部を構成するものである、燃料電池。
【００１０】
適用例２に記載の燃料電池によれば、基材をプレス処理する作業により、傾斜部を備えた連通孔列を製造することができることから、ガス流路形成部材の製造が容易である。
【００１１】
［適用例３］ 適用例２に記載の燃料電池であって、前記ガス流路形成部材は、前記各傾斜部の一方端の集合と他方端の集合とが、それぞれ、前記電極の面に対して平行となるような向きに配設された構成である、燃料電池。
【００１２】
適用例３に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部材の全体を電極の面に対して平行とすることができることから、ガス流路形成部材の電極の側への配置が容易となる。また、ガス流路形成部材の電極と反対側に配置されるセパレータ等の部品に対しても、ガス流路形成部材の全体を平行とすることができることから、ガス流路形成部材の前記部品の側への配置も容易となる。
【００１３】
［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、セパレータを備え、前記ガス流路形成部材は、前記電極とセパレータとの間に、前記連通孔の下流側に位置する側の面が前記セパレータに当接するように配設された構成である、燃料電池。
【００１４】
適用例４に記載の燃料電池によれば、電極側で発生した生成水を、ガス流路形成部材の有する連通孔を介して積極的にセパレータ側に排出することが可能となる。
【００１５】
［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池であって、前記段差は、前記ガス流路形成部材の厚さ方向の高低差である、燃料電池。
【００１６】
適用例５に記載の燃料電池によれば、ガス流路形成部材の厚さ方向の高低差である段差により、反応ガスの流れの一部を連通孔列側に向けることが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし７以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用ガス流路形成部材の製造方法を用いて製造した燃料電池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】
【００１８】
【図１】第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の有する流路形成部材４０の構造を示す斜視図である。
【図３】流路形成部材４０の平面と矢視を示す説明図である。
【図４】連通孔列１１０の基本パーツ１１２を示す説明図である。
【図５】プレス装置２００を示す説明図である。
【図６】参考例の流路形成部材２４０の断面図である。
【図７】第２実施例における流路形成部材３００を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池の概略構成：
本発明の第１実施例としての燃料電池１００の概略構成を図１に示す。燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池であり、複数積層された発電体２０を両端のエンドプレート９５，９６で挟持して構成される。発電体２０は、発電がなされる基本構造であり、燃料電池１００は、発電体を複数積層させたスタック構造を有している。この燃料電池１００では、燃料ガスとしての水素および酸化剤ガスとしての空気が水素供給マニホールド９５ａ、空気供給マニホールド９５ｂから発電体２０に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド９５ｃおよび空気排出マニホールド９５ｄから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド９５ｅから発電体２０に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド９５ｆから排出される。
【００２１】
発電体２０は、膜電極接合体としてのＭＥＡ３４（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面にガス拡散層３３ａ、３３ｂが接合したＭＥＧＡ３５の両面に、流路形成部材４０，６０、セパレータ７０，８０が積層されて構成される。これら各部分は、図中のｚ方向に積層される。なお、本実施例における発電体２０の積層面の寸法は１００ｍｍ×３００ｍｍである。流路形成部材４０，６０は、本発明で言う「ガス流路形成部材」である。
【００２２】
ＭＥＡ３４は、電解質膜３１の表面上に、カソード電極３２ａとアノード電極３２ｂとを備える。電解質膜（電解質層）３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ７０，８０の外形よりも小さく流路形成部材４０、６０の外形よりも大きい長方形に形成されている。本実施例では、電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）を用いた。カソード電極３２ａおよびアノード電極３２ｂは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２３】
ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、酸化剤ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極３２ａまたはアノード電極３２ｂの全面に供給する。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ３４の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層３３ａおよび３３ｂには、ＭＥＡ３４の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。
【００２４】
かかるＭＥＧＡ３５は、その外周に配されたシールガスケット３６と一体形成される。シールガスケット３６には、水素供給マニホールド３０ａ、空気供給マニホールド３０ｂ、水素排出マニホールド３０ｃ、空気排出マニホールド３０ｄ、冷却水供給マニホールド３０ｅ、冷却水排出マニホールド３０ｆを備えている。また、シールガスケット３６には、厚み方向に、各マニホールドを囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット３６の両側に積層されるセパレータ７０，８０と当接し、マニホールド内からの流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。
【００２５】
流路形成部材４０，６０は、電極３２ｂ，３２ａの面に反応ガス（水素、空気）を供給するための流路を形成する部材である。一方側の流路形成部材４０は、ＭＥＧＡ３５のアノード側とセパレータ７０との間に配設され、セパレータ７０を介して供給された水素を、ＭＥＡ３４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れ（図中ｘ方向）で流しつつ、水素をＭＥＧＡ３５のアノード側に供給する。同様に、他方側の流路形成部材６０は、空気を図中ｙ方向に流しつつＭＥＧＡ３５のカソード側に供給する。かかる流路形成部材４０、６０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、チタンを用いた。流路形成部材４０，６０の詳細な構造については後述する。なお、本実施例では、ＭＥＧＡ３５の両面に流路形成部材４０，６０を備える構成としたが、ＭＥＧＡ３５の片面のみに備える構成としてもよい。なお、図中、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は互いに直角な方向である。
【００２６】
セパレータ７０は、カソード電極３２ａ側に設けられる平坦なカソード側セパレータ７１と、アノード電極３２ｂ側に設けられる平坦なアノード側セパレータ７３と、それらの間に配置される中間セパレータ７２とが一体となって構成される。カソード側セパレータ７１には、水素供給マニホールド７１ａ、空気供給マニホールド７１ｂ、水素排出マニホールド７１ｃ、空気排出マニホールド７１ｄ、冷却水供給マニホールド７１ｅ、冷却水排出マニホールド７１ｆ、空気連通孔７５，７６を備えている。空気供給マニホールド７１ｂに供給された空気は、中間セパレータ７２の空気連通孔７２ｂおよび空気連通孔７５を介して、流路形成部材６０に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔７６および中間セパレータ７２の連通孔（図示せず）を介して、空気排出マニホールド７１ｄに排出される。
【００２７】
同様に、水素供給マニホールド７１ａに供給された水素は、中間セパレータ７２の水素連通孔７２ａおよびアノード側セパレータ７３の連通孔（図示せず）を介して、流路形成部材４０に導かれ、流路形成部材４０を流れた後、アノード側セパレータ７３および中間セパレータ７２の連通孔（図示せず）を介して、水素排出マニホールド７１ｃに排出される。また、中間セパレータ７２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド７１ｆおよび冷却水供給マニホールド７１ｅと連通している。
【００２８】
かかるセパレータ７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼やチタンから成る部材によって形成されるが、本実施例では、チタンを用いた。なお、セパレータ８０は、セパレータ７０と同様の構成である。
【００２９】
Ａ−２．流路形成部材の構造：
流路形成部材４０，６０の詳細な構造について次に説明する。図２は流路形成部材４０の構造を示す斜視図であり、図３（ａ）は流路形成部材４０の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視図である。流路形成部材４０は、平板をプレス成形したプレス成形品である。これら図に示すように、流路形成部材４０は、複数の連通孔Ｈが配列された連通孔列１１０と、複数の平坦部Ｓを連ねた平坦部列１２０とが、交互に複数組、配列された構成である。
【００３０】
図４は、連通孔列１１０の基本パーツを示す説明図である。図４（ａ）が基本パーツの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線矢視図である。基本パーツ１１２は、角度θの勾配を有する傾斜部１１４を備え、この傾斜部１１４を天井部分あるいは底部分とすることにより、図中の上半分の部分１１２ａを凸形状（図４（ａ）において紙面の表側に向かって突出する形状）に、下半分の部分１１２ｂを凹形状（図４（ａ）において紙面の裏側に向かって凹む形状）に構成したものである。なお、前記勾配の角度θは、流路形成部材４０の積層方向に垂直な面に対するもので、９０度未満の値である。凸形状の部分１１２ａにおいて、図中の上側ほど、傾斜部１１４の幅（図４（ａ）における左右方向の距離）Ｗは小さくなり、傾斜部１１４の高さ（図４（ｂ）における左右方向の距離）Ｈは大きくなっている。一方、凸形状の部分１１２ｂにおいて、図中の下側ほど、傾斜部１１４の幅Ｗは小さくなり、傾斜部１１４の高さ（図４（ｂ）Ｈは大きくなっている。
【００３１】
図２および図３に示すように、流路形成部材４０における連通孔列１１０は、前述した基本パーツ１１２を、図中ｘ方向に複数、配列した構成である。なお、図２および図３におけるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は図１におけるｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と一致する。基本パーツ１１２を複数配列することにより、隣接する２つの基本パーツ１１２の間に、１つの連通孔Ｈが形成される。すなわち、一方側の基本パーツ１１２の傾斜部１１４と、他方側の基本パーツ１１２の傾斜部１１４とを主要部とする連通孔Ｈが形成される。この連通孔Ｈは、流路形成部材４０の一方側の面と他方側の面との間（表裏の間）を連通する。連通孔列１１０は、基本パーツ１１２がｎ（２以上の整数）個、配列されることで、ｎ−１個の連通孔Ｈを備えることになる。
【００３２】
連通孔列１１０は、複数、ｙ方向に、所定の間隔を置いて配列されている。連通孔列１１０と連通孔列１１０との間隙の部分で、平坦部列１２０を構成する。平坦部列１２０は、複数の平坦部Ｓが、図中ｘ方向に向かって連なった構成となっている。本実施例では、平坦部Ｓの縦方向（ｘ方向）のサイズは、基本パーツ１１２の縦方向（図４の上下方向）のサイズとほぼ同一であり、１つの平坦部列１２０の備える平坦部Ｓの数は、１つの連通孔列１１０の備える基本パーツ１１２の数と同一である。
【００３３】
隣接する平坦部Ｓと平坦部Ｓとは、段差Ｄを設けて接続されている。段差Ｄは、隣接する平坦部Ｓと平坦部Ｓとの間の高低差、すなわち、流路形成部材４０の厚さ方向（ｚ方向）の高低差であり、水素の流れＲに対向する向きとなっている。なお、段差Ｄの面方向は、ｚ方向に対して平行であってもよいし、ｚ方向に対して傾いた方向であってもよい。
【００３４】
また、本実施例では、段差Ｄは、図中のｘ方向において基本パーツ１１２と基本パーツ１１２との連結部分に対応した位置に配される。なお、平坦部Ｓは、傾斜部１１４の勾配の角度θよりも小さい所定の角度だけ傾斜しており、この勾配により段差Ｄを形成することで、各平坦部Ｓの任意の部位が、ｚ軸方向において同じ位置となるようになっている。
【００３５】
上述した流路形成部材４０について、発電体２０を構成する部材として積層した際の態様について説明する。流路形成部材４０における連通孔列１１０は、角度θの勾配の傾斜部１１４を有するため、各傾斜部１１４の両端が、セパレータ７０およびガス拡散層３３ｂと当接するように、流路形成部材４０は積層される。詳しくは、図３（ｂ）に示すように、各傾斜部１１４の一方端１１４ａの集合と他方端１１４ｂの集合とは、それぞれ、一平面（以下、この平面を「当接面」と呼ぶ）Ｆ１，Ｆ２を形成することから、連通孔Ｈの向きが左上から右下に向かう方向となるように流路形成部材４０を積層するときに、図中左側に位置する当接面Ｆ１がガス拡散層３３ｂの表面と当接し、図中右側に位置する当接面Ｆ２がセパレータ７０の表面と当接するように積層される。
【００３６】
流路形成部材４０を積層したとき、流路形成部材４０の平坦部列１２０とガス拡散層３３ｂとの間には、隙間ができる。本実施例は、この隙間に主に水素が流れる構成となっている。
この水素の流れＲは、図３（ａ）に示すように、直線状となっており、ガス拡散層３３ｂの面に接しながら出口側に向かう。この水素の流れＲの一部Ｒｐは、前述した段差Ｄに衝突し、連通孔列１１０に向かう方向に方向を変えて、連通孔列１１０側に移動する。その後、水素の一部Ｒｐは、連通孔Ｈを介してガス拡散層３３ｂと反対の面側、すなわちセパレータ７０側に潜り込む。
【００３７】
燃料電池１００のＭＥＡ３４においては発電に伴って生成水が発生するが、その発生した生成水は、ガス拡散層３３ｂと流路形成部材４０との間に滞留しようとする。本実施例では、平坦部列１２０におけるガス拡散層３３ｂとの隙間に生成水は滞留しようとするが、特に、図３に示すように、生成水Ｗは、前述した水素の流れＲにより平坦部列１２０の段差Ｄの付近に集められ、その後、生成水Ｗは、前述した水素の一部Ｒｐの流れと共に、連通孔列１１０の連通孔Ｈを潜ってセパレータ７０側に排出される。
【００３８】
なお、カソード電極３２ａ側に配置される流路形成部材６０の構造は、前述した流路形成部材４０の構造と同一である。このため、カソード電極３２ａ側に排出された生成水についても、同様に、流路形成部材６０の連通孔を潜ってセパレータ８０側に排出される。
【００３９】
Ａ−３．流路形成部材の製造方法：
流路形成部材４０、６０の製造方法について、次に説明する。流路形成部材４０，６０の製造は、基材を用意し、基材をプレス処理することにより行う。ここでは、基材は、チタン製の薄板とした。
【００４０】
図５は、プレス処理に用いるプレス装置２００を示す説明図である。プレス装置２００は、上型２１０と下型２２０とを備える。図示は、上型２１０と下型２２０の断面を示す。上型２１０と下型２２０の図示する形状は、図３（ｂ）の断面、すなわち連通孔列１１０の断面を形成するに必要な形となっている。上型２１０と下型２２０は、図示はしないが、実際は、
平坦部列１２０に対応した形状の部分も有する。上型２１０と下型２２０の間に基材を配置し、上型２１０を図中下側に、下型２２０を図中上側にそれぞれ圧力を掛けて移動することで、基材Ｋをプレス処理する。この結果、１度のプレス処理により、例えば、図２および図３（ａ）に示す合計１２個の基本パーツ１１２を形成することができる。
【００４１】
流路形成部材４０，６０に形成される基本パーツ１１２の数は、実際は、もっと大きな数で、例えば、縦方向に数百個、横方向に数百個である。本実施例では、上記プレス装置２００を用いて、横方向に順に基材Ｋを移動しつつプレス処理を多数回行い（横操作）、その後、基材Ｋを縦方向に１基本パーツ分の距離だけ移動し、上記横操作を行う。以上の操作を繰り返すことで、流路形成部材４０，６０を製造する。このように、流路形成部材４０，６０は金属プレスにより、容易に製造することができる。なお、基材Ｋの全面を一部ずつプレスする構成に換えて、基材Ｋの全面を一度にプレスする構成としてもよい。
【００４２】
Ａ−４．実施例効果：
ここで、参考列として、流路形成部材４０，６０の平坦部列１２０が、段差Ｄがない一平面である構成を考えてみる。図６は、参考例の流路形成部材２４０の断面図である。図中、第１実施例と同一の構成要素には、同一の符号を付している。流路形成部材２４０の有する平坦部列２５０は、段差のない一平面である。その他の連通孔列１１０等の構成要素は、第１実施例と同一である。
【００４３】
前記参考例では、平坦部列２５０とガス拡散電極との間のセル内ガス流路は、段差なくスムーズに水素が流れることから、図３に示した水素の一部Ｒｐの流れは発生しない。このため、平坦部列２５０に生成水Ｗは留まったままとなる。これに対して、第１実施例の燃料電池１００によれば、前述したように、水素の一部Ｒｐの流れと共に生成水Ｗは、連通孔列１１０の連通孔Ｈを介してセパレータ７０側に排出される。したがって、参考例の構成によれば、フラッディングの発生を抑制することができないのに対して、第１実施例の燃料電池１００によれば、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００４４】
Ｂ：第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池で用いられる流路形成部材３００を示す説明図である。図示は、流路形成部材３００の平面である。第１実施例における流路形成部材４０では、連通孔列１１０および平坦部列１２０は、ｘ方向（図３参照）に真っ直ぐ延びる構成であったが、これに換えて、第２実施例における流路形成部材３００では、連通孔列３１０および平坦部列３２０は、「へ」の字状に屈曲した構成となっている。すなわち、連通孔列３１０および平坦部列３２０は、第１の直線状の部分と第２の直線状の部分とが所定の角度θだけ屈曲した形状となっている。連通孔列３１０および平坦部列３２０は、屈曲した点を除いて第１実施例の連通孔列１１０および平坦部列１２０と同一の構成である。その他の構成要素についても、第２実施例の燃料電池は第１実施例の燃料電池１００と同一である。
【００４５】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、第１実施例と同様に、平坦部列３２０の有する段差Ｄにより、平坦部列３２０を沿って流れる水素の流れの一部Ｒｐは連通孔列３１０側に移動し、連通孔Ｈを介してセパレータ側に潜り込む。このため、第２実施例の燃料電池では、第１実施例の燃料電池と同様に、水素の一部Ｒｐの流れと共に生成水Ｗは、セパレータ７０側に排出される。したがって、第２実施例の燃料電池は、第１実施例の燃料電池と同様に、フラッディングの発生を抑制することができる。特に、第２実施例の燃料電池によれば、平坦部列３２０の屈曲した部分でも水素が拡散されることから、水素の一部を連通孔列３１０側により移動し易い。このため、生成水Ｗの排水性をより高めることができ、より確実にフラッディングの発生を抑制することができる。
【００４６】
Ｃ：変形例：
なお、この発明は前記の第１および第２実施例やそ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。
【００４７】
・変形例１：
前記第１および第２実施例では、９０度未満の角度θの勾配を備える傾斜部１１４を用いて連通孔Ｈを構成していたが、これに換えて、傾斜部を備えることなく、鉛直方向の孔により連通孔を構成してもよい。要は、ガス流路形成部材の表裏の間を連通することができる孔であればどのような形状の連通孔とすることもできる。
【００４８】
・変形例２：
前記第１および第２実施例では、平坦部列１２０の有する段差Ｄは、連通孔列１１０における基本パーツ１１２と基本パーツ１１２との連結部分に対応するように配置されているが、必ずしも段差Ｄと基本パーツ１１２の連結部分とは１：１で対応する必要はない。例えば、２つの平坦部Ｓごとに１つの段差Ｄを設けた構成とすることもできる。また、平坦部Ｓを３つ置き、４つおきに段差Ｄを設けるようにしてもよいし、ｘ方向においてランダムに複数の段差を設ける構成としてもよい。さらに、平坦部列１２０において１つだけ段差を設ける構成としてもよい。さらにまた、段差Ｄは、基本パーツ１１２の連結部分と必ずしもｘ方向において同じ位置に配置する必要はなく、例えば、基本パーツ１１２の真ん中部分とｘ方向において同じ位置等、任意の位置とすることができる。
【００４９】
・変形例３：
前記第１および第２実施例では、セパレータ７０，８０は、三層積層型のものとして表面のフラット化が容易であるものとしたが、これに換えて、表面が平坦な他の板状部材としてもよい。また、必ずしも表面が平坦なセパレータに限る必要もない。もちろん三層積層型に限る必要もない。
【００５０】
・変形例４：
前記第１および第２実施例では、流路形成部材４０，６０は双方、同一の構成としたが、これに換えて、図２，３，４あるいは図７に示した構成は一方側だけとしてもよい。すなわち、一方側の流路形成部材だけを図２，３，４あるいは図７の構成とし、他方側の流路形成部材は従来からの構成としてもよい。
【００５１】
・変形例５：
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。
【００５２】
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】
【００５３】
２０…発電体
３０ａ…水素供給マニホールド
３０ｂ…空気供給マニホールド
３０ｃ…水素排出マニホールド
３０ｄ…空気排出マニホールド
３０ｅ…冷却水供給マニホールド
３０ｆ…冷却水排出マニホールド
３１…電解質膜
３２ａ…カソード電極
３２ｂ…アノード電極
３３ａ…ガス拡散層
３３ｂ…ガス拡散層
３６…シールガスケット
４０，６０…流路形成部材
７０…セパレータ
７１…カソード側セパレータ
７１ａ…水素供給マニホールド
７１ｂ…空気供給マニホールド
７１ｃ…水素排出マニホールド
７１ｄ…空気排出マニホールド
７１ｅ…冷却水供給マニホールド
７１ｆ…冷却水排出マニホールド
７２…中間セパレータ
７２ａ…水素連通孔
７２ｂ…空気連通孔
７３…アノード側セパレータ
７５…空気連通孔
７６…空気連通孔
８０…セパレータ
９５…エンドプレート
９５ａ…水素供給マニホールド
９５ｂ…空気供給マニホールド
９５ｃ…水素排出マニホールド
９５ｄ…空気排出マニホールド
９５ｅ…冷却水供給マニホールド
９５ｆ…冷却水排出マニホールド
１００…燃料電池
１１０…連通孔列
１１２…基本パーツ
１１４…傾斜部
１２０…平坦部列
２００…プレス装置
２１０…上型
２２０…下型
３００…流路形成部材
３１０…連通孔列
３２０…平坦部列
３００…流路形成部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、
前記電解質層上に形成された、触媒を備える電極と、
前記電極の側に配設され、該電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記ガス流路形成部材は、
当該ガス流路形成部材の表裏の間を連通する連通孔が複数、所定の向きに配列された連通孔列と、
前記電極の面との間に所定の間隙を有することで前記反応ガスの流路を形成する平坦部を、前記所定の向きと同じ向きに連ねた平坦部列と
を備え、
前記連通孔列と前記平坦部列とは、交互に複数組、配列され、
前記平坦部は、隣り合う平坦部との間に段差を設けて接続されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記連通孔列は、
前記ガス流路形成部材の基材の一部分により構成され、前記電極の面に対し所定の勾配を有する傾斜部により、前記連通孔の一部を構成するものである、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、
前記各傾斜部の一方端の集合と他方端の集合とが、それぞれ、前記電極の面に対して平行となるような向きに配設された構成である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
セパレータを備え、
前記ガス流路形成部材は、
前記電極とセパレータとの間に、前記連通孔の下流側に位置する側の面が前記セパレータに当接するように配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のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記段差は、
前記ガス流路形成部材の厚さ方向の高低差である、燃料電池。
【請求項１】
電解質層と、
前記電解質層上に形成された、触媒を備える電極と、
前記電極の側に配設され、該電極の面に反応ガスを供給するための流路を形成するガス流路形成部材と
を備えた燃料電池において、
前記ガス流路形成部材は、
当該ガス流路形成部材の表裏の間を連通する連通孔が複数、所定の向きに配列された連通孔列と、
前記電極の面との間に所定の間隙を有することで前記反応ガスの流路を形成する平坦部を、前記所定の向きと同じ向きに連ねた平坦部列と
を備え、
前記連通孔列と前記平坦部列とは、交互に複数組、配列され、
前記平坦部は、隣り合う平坦部との間に段差を設けて接続されている、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記連通孔列は、
前記ガス流路形成部材の基材の一部分により構成され、前記電極の面に対し所定の勾配を有する傾斜部により、前記連通孔の一部を構成するものである、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、
前記各傾斜部の一方端の集合と他方端の集合とが、それぞれ、前記電極の面に対して平行となるような向きに配設された構成である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池であって、
セパレータを備え、
前記ガス流路形成部材は、
前記電極とセパレータとの間に、前記連通孔の下流側に位置する側の面が前記セパレータに当接するように配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のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記段差は、
前記ガス流路形成部材の厚さ方向の高低差である、燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−３８５６９（Ｐ２０１２−３８５６９Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７７４６８（Ｐ２０１０−１７７４６８）
【出願日】平成２２年８月６日（２０１０．８．６）
【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２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月６日（２０１０．８．６）
【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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