JP2005141979A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路に生じる水溜りを抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータ２に構成した反応ガス流路６の、マニホールド１３、１４近傍に閉塞体２０を配置する。これにより、隣接する反応ガス流路６の一方を、供給側反応ガス流路１６ａ、他方を排出側反応ガス流路１６ｂとして、供給側と排出側とを分離した櫛型形状を構成する。このとき、閉塞体２０を水透過可能な構成とする。例えば、閉塞体２０を多孔質体により構成したり、閉塞体２０に排水用のスリット２３を構成する。これにより行き止まり部Ａの水を除去可能とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、燃料電池に用いるセパレータに形成する反応ガス流路の構成に関する。

従来の燃料電池として、集電体セパレータに刻んだガス供給用流路とガス排出用流路を分離し、ガス供給用流路の全てのガスが電極層や触媒層をくぐり抜けてガス排出用ガス流路へ排出される構造としたものが知られている。このように、反応ガスを強制的にガス拡散電極に通過させることで、ガス拡散電極内に溜まった水を出すことができ、フラッディングを防止している。また、この流路を用いることで、ガス流量を通常より小さくすることができ、ブロアの小型化を図っている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開平１１−１６５９１号公報

しかしながら、ガス供給用流路とガス排出用流路とを分離することにより流路に行き止まり部を形成した燃料電池においては、行き止まり部に水が溜まり易く、また一度水が溜まると排出し難いという問題があった。水が溜まった所にはガスが供給されず、性能低下もしくはフラッディングを起こし、さらにはガスが供給されないことで電極触媒が腐食して劣化する可能性が生じる。

そこで、本発明では、上記の問題を鑑みて、ガス流路に生じる水溜りを抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両面に電極を配し、さらにその外側からセパレータにより狭持して成る燃料電池セルを有する燃料電池において、前記セパレータの前記電極に対峙する面に沿って形成した複数の反応ガス流路を備える。また、前記反応ガス流路に反応ガスを分配する供給側マニホールドと、前記反応ガス流路から反応ガスを回収する排出側マニホールドと、前記反応ガス流路に配置され、前記反応ガス流路を少なくとも水は透過可能に閉塞する流路閉塞部材と、を備える。

このように、反応ガス流路に配置され、反応ガス流路を少なくとも水は透過可能に閉塞する流路閉塞部材を備えることにより、閉塞された部分近傍に溜まった水を反応ガス流路から排出することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池セル１の構成を図１に示す。ここでは、複数の燃料電池セル１を積層することにより燃料電池を構成する。

燃料電池セル１を、固体高分子電解質膜４をガス拡散電極５で狭持することにより構成した膜電極接合体（ＭＥＡ）３と、ＭＥＡ３を狭持するセパレータ２とから構成する。ガス拡散電極５の固体高分子電解質膜４に対峙する面には触媒層を形成する。なお、ガス拡散電極５と触媒層を別々に形成し、成形時にプレス等により一体化してもよい。後述するようにセパレータ２に構成した反応ガス流路６から供給された反応ガスを、反応面に沿ってガス拡散電極５に拡散し、触媒層において電気化学反応を生じることにより発電を行う。

ＭＥＡ３とセパレータ２の間には、それぞれ反応ガス流路６を形成する。図１に示すように、ガスを整流または電気を反応面に流したり、反応面から取出したりするためのリブ部７の間に形成される溝８により、反応ガス流路６を構成する。アノード側セパレータ２ａに形成した反応ガス流路６ａには燃料ガスとしての水素を、カソード側セパレータ２ｃに形成した反応ガス流路６ｃには酸化剤ガスとしての空気を流通させる。

次に、このような燃料電池セル１の構成要素であるセパレータ２の構成を、図２を用いて説明する。ここでは、発電反応により水が生成されるカソード側に配置されるカソード側セパレータ２ｃについて説明する。

セパレータ２を緻密部材により構成する。ここでは、緻密材として、反応ガスおよび水を透過しない部材を用いて構成する。なお、セパレータ２は多孔質部材により構成してもよい。この場合には、反応ガス漏れが生じないように、シール機能を備えた構成とする。

反応ガスの経路として、積層された複数の燃料電池セル１を貫通する反応ガス入口１１、反応ガス出口１２を備える。反応ガス入口１１、反応ガス出口１２を、燃料電池セル１それぞれに反応ガスを分配または回収するマニホールドにより構成する。また、反応ガス入口１１に連通し、反応ガス流路６に反応ガスを分配する供給側マニホールド１３を備える。また、反応ガス出口１２に連通し、反応ガス流路６からの反応ガスを回収する排出側マニホールド１４を備える。

供給側マニホールド１３、排出側マニホールド１４の間の反応面に対峙する部分には反応ガス流路６を構成する。複数の反応ガス流路６を平行に、且つ、均等に配置する。ここでは、反応ガス流路６一端を供給側マニホールド１３に、他端を排出側マニホールド１４に接続する。また、反応ガス流路６を直線形状とする。

さらに、反応ガス流路６のマニホールド１３、１４との接続部近傍に、閉塞体２０を配置する。ここでは、隣接する反応ガス流路６の一方を、供給側マニホールド１３近傍に閉塞体２０を配置した排出側反応ガス流路１６ｂとする。また、隣接する反応ガス流路６の他方を、排出側マニホールド１４近傍に閉塞体２０を配置した供給側反応ガス流路１６ａとする。閉塞体２０を配置することにより、反応ガスの流通を略遮断する。つまり、閉塞体２０を配置することにより、反応ガスの供給側と排出側を分離した櫛型形状の流路を構成する。

次に、閉塞体２０について説明する。

閉塞体２０を透水性を備えるように構成する。例えば、水透過可能な構造に成形してもよいし、水透過可能な部材により構成してもよい。ここでは、閉塞体２０を、セパレータ２を構成する部材より緻密性の低い部材により構成する。例えば、閉塞体２０を多孔質体により構成する。また、閉塞体２０内は、反応ガス流路６内よりガスの流通抵抗が大きくなるように構成する。さらに、閉塞体２０内は、ガス拡散電極５内よりガスの流通抵抗が大きくなるように構成する。つまり、反応ガスの流通抵抗は、反応ガス流路６＜ガス拡散電極５＜閉塞体２０となるように構成する。ここでは、構成部材の空隙が反応ガス流路６（空間）＞ガス拡散電極５＞閉塞体２０＞リブ部７（セパレータ２）となるように構成する。

閉塞体２０を多孔質体により構成することで、反応ガス流路６内の反応ガスが閉塞体２０を透過する可能性もあるが、反応ガスの流通抵抗をガス拡散電極５＜閉塞体２０とすることで、ガス拡散電極５に優先して反応ガスを拡散することができる。一部の反応ガスは閉塞体２０内を透過するが、反応ガス流量を増大することにより、要求される発電量を得ることができる。なお、閉塞体２０内を反応ガスが透過することにより、後述するように閉塞体２０に吸収された水を積極的に排出することもできる。

さらに、閉塞体２０に親水処理を施す。これにより閉塞体２０の吸収機能を向上することができる。また、閉塞体２０内を反応ガスが流通するのを抑制するシール機能を強化することもできる。さらに、閉塞体２０に撥水処理を施しても良い。これにより、吸収した水の除去機能を向上することができる。

例えば、図４に示す閉塞体２０の反応ガス流路６の内部に対向する面２０ａ近傍に親水処理を、マニホールド１３、１４に対向する面２０ｂ近傍に撥水処理を施す。これにより、閉塞体２０を配置することにより行き止まり部Ａとなる反応ガス流路６の端部に溜まった水を吸収することができるとともに、吸収した水をマニホールド１３、１４に排出する機能を向上することができる。

閉塞体２０の形状例を図３に示す。図３には、閉塞体２０の上視図を示し、上が反応ガス流路６の内部に対向する面２０ａ、下が近傍のマニホールド１３または１４に対向する面２０ｂとする。なお、閉塞体２０の形状はこの限りではない。

各閉塞体２０の厚み（紙面垂直方向）は一定とし、ここでは反応ガス流路６の深さにほぼ一致するように構成する。また、その幅（水平方向）は、反応ガス流路６の幅にほぼ一致するように構成する。反応ガス流路６に閉塞体２０を嵌め込むことにより、反応ガス流路６の行き止まり部Ａが形成される。

図３（ａ）は、閉塞体２０を、面２０ａが平面、面２０ｂも平面の直方体に構成したものを示す。（ｂ）は、閉塞体２０を、面２０ａが凹形状、面２０ｂが平面の柱に構成したものを示す。（ｃ）は、閉塞体２０を、面２０ａが凸形状、面２０ｂが平面の柱に構成したものを示している。（ｄ）は、閉塞体２０を、面２０ａが平面、面２０ｂが凹形状の柱に構成したものを示している。（ｅ）は、面２０ａが凹形状、面２０ｂも凹形状の柱に構成したものを示している。（ｆ）は、閉塞体２０を、面２０ａが凸形状、面２０ｂが凹形状の柱に構成したものを示している。（ｇ）は、閉塞体２０を、面２０ａが平面、面２０ｂが凸形状の柱に構成したものを示している。（ｈ）は、閉塞体２０を、面２０ａが凹形状、面２０ｂが凸形状の柱に構成したものを示している。（ｉ）は、閉塞体２０を、面２０ａが凸形状、面２０ｂも凸形状の柱に構成したものを示している。

なお、ここでは凹形状および凸形状を、曲面により構成しているがこの限りではなく、複数の平面を組み合わせて構成してもよい。

図４に、上述したような閉塞体２０を反応ガス流路６に嵌め込んだ状態を示す。ここでは、閉塞体２０として、図３（ａ）に示した直方体形状のものを示しているが、図３（ｂ）〜（ｉ）に示した閉塞体２０を用いた場合も同様とする。

上述したように、閉塞体２０の幅を反応ガス流路６を構成する溝８の幅と同じとし、高さを溝８の深さ、言い換えればリブ部７の高さと同じとする。つまり、反応ガス流路６の断面と、閉塞体２０の断面をほぼ同形状に構成する。これに加えて、閉塞体２０内の反応ガスの流通抵抗を、ガス拡散電極５内の流通抵抗より大きくする。これにより、閉塞体２０を反応ガス流路６に嵌め込むことで、行き止まり部Ａが形成されるので、反応ガス流路６を流れる反応ガスはガス拡散電極５内に拡散される。

ここでは図４に示すように、閉塞体２０の一面が、反応ガス流路６とマニホールド１３、１４との境界部分にほぼ一致するように配置する。または、閉塞体２０のマニホールド１３、１４に対向する面が、マニホールド１３、１４近傍の反応ガス流路６内部に配置されてもよい。さらに、閉塞体２０の一部がマニホールド１３、１４側に突出してもよい。つまり、閉塞体２０は、反応ガス流路６内の反応ガス流を略遮断するように配置すればよい。

次に、反応ガスの流通状態について説明する。

外部から燃料電池に供給された反応ガスは、反応ガス入口１１を燃料電池セル１の積層方向に流通することにより、燃料電池セル１それぞれに分配される。燃料電池セル１に分配された反応ガスは、反応ガス入口１１から供給側マニホールド１３に流通し、反応ガス流路６に分配される。ここでは、排出側反応ガス流路１６ｂには、供給側マニホールド１３近傍に閉塞体２０が備えられているので、ほぼ全ての反応ガスが供給側反応ガス流路１６ａ側に供給される。

反応ガスは、供給側反応ガス流路１６ａ内を流れるが、下流端が閉塞体２０でほぼ閉塞されるため、閉塞体２０よりガスの流通抵抗が小さいガス拡散電極５に拡散する。ガス拡散電極５に拡散した反応ガスは、触媒層において電気化学反応を生じて発電に用いられる。このときカソードでは生成物として水が生じるが、この水は発電反応に利用されなかった反応ガスと共に隣接する排出側反応ガス流路１６ｂに透過する。排出側反応ガス流路１６ｂに排出された反応後の反応ガスは、排出側マニホールド１４に回収され、さらに、反応ガス出口１２を通って燃料電池から排出される。このとき、閉塞体２０の近傍の行き止まり部Ａでは、水が溜まる傾向がある。

例えば、供給側反応ガス流路１６ａでは、供給側反応ガス流路１６ａ内を流通する反応ガスは上流側で生成された水により加湿され、下流側の閉塞体２０近傍に達する時点で多くの水を含んだ状態となる。また、閉塞体２０近傍では反応ガスの流速が小さく、水が排除されにくい。このため、この行き止まり部Ａで凝縮水が生じ易くなる。

また、排出側反応ガス流路１６ｂの上流側、ここでは閉塞体２０近傍の反応ガス流量は小さい。このため、反応ガスの流速は小さく、閉塞体２０近傍で水が除去されにくくなる。その結果、この行き止まり部Ａで凝縮水が生じ易くなる。

そこで本実施形態では、水溜まりが生じ易い行き止まり部Ａを、吸水性の優れた閉塞体２０により構成する。これにより、行き止まり部Ａに生じた凝縮水を反応ガス流路６から除去することができるので、行き止まり部Ａにおけるフラッディング、発電効率低下を抑制し、触媒層腐食を避けることができる。ここでは、閉塞体２０の一部を、マニホールド１３、１４に面して配置するため、閉塞体２０に吸収した水分をマニホールド１３、１４を流れる反応ガスに蒸発させることができ、反応領域から除去することができる。

つまり、反応ガス流路６を閉塞体２０により閉塞することにより、反応ガスをガス拡散電極５に拡散させることができるとともに、閉塞体２０を透水性とすることにより、行き止まり部Ａに溜まり易い水を除去する。言い換えれば、櫛型形状の反応ガス流路（６）の各流路端部とマニホールド（１３、１４）との間を、水透過体（２０）で形成することにより、反応ガス流路（６）の行き止まり部Ａの水溜まりを解消することができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

固体高分子電解質膜４の両面にガス拡散電極５を配し、さらにその外側からセパレータ２により狭持して成る燃料電池セル１を有する燃料電池において、セパレータ２のガス拡散電極５に対峙する面に沿って形成した複数の反応ガス流路６を備える。また、反応ガス流路６に反応ガスを分配する供給側マニホールド１３と、反応ガス流路６から反応ガスを回収する排出側マニホールド１４と、反応ガス流路６に配置され、反応ガス流路６を少なくとも水は透過可能に閉塞する閉塞体２０と、を備える。これにより、行き止まり部Ａ近傍に溜まり易い水を反応ガス流路６から排出することができるので、凝縮水が反応ガス流路６中に滞留することにより、フラッディングを生じたり触媒腐食を生じたりするのを抑制することができる。

言い換えれば、反応ガス流路（６）として櫛型流路を有する燃料電池において、流路の行き止まり部Ａとマニホールド１３、１４との間を水透過可能な閉塞体２０により構成する。これにより、ガス拡散層５への反応ガスの拡散性を維持しつつ、行き止まり部Ａの水溜まりを解除することができるので発電効率を向上することができる。

なお、ここでいう閉塞体２０を配置する反応ガス流路６の一部には、反応ガス流路６の入口部分・出口部分を含む。つまり、閉塞体２０は、供給側マニホールド１３から排出側マニホールド１４に向かう反応ガス流路６内の反応ガス流を略遮断する位置に設ける。例えば、反応ガス流路６の入口部分の供給側マニホールド１３側や反応ガス流路６の出口部分の排出側マニホールド１４側に配置した場合も含む。

また、閉塞体２０を反応ガス流路６と排出側マニホールド１４との接続部近傍に設け、供給側マニホールド１３に連通した供給側反応ガス流路１６ａを構成する。または、閉塞体２０を反応ガス流路６と供給側マニホールド１３との接続部近傍に設け、排出側マニホールド１４に連通した排出側反応ガス流路１６ｂを構成する。これにより、櫛型流路を構成する際に、行き止まり部Ａに水が溜まることにより、反応効率が低下するのを防ぐことができる。また、閉塞体２０の行き止まり部Ａと反対側の面がマニホールド１４または１３に開放されるので、閉塞体２０を透過した水をマニホールド１４または１３の反応ガス流に蒸発・排出することができる。

また、閉塞体２０を、セパレータ２を構成する材料よりも、透水性の高い多孔質体により構成する。これにより、セパレータ２を緻密材、多孔質体のいずれで構成した場合にも、行き止まり部Ａに溜まった水を閉塞体２０に吸収し、排出することができる。

閉塞体２０を、少なくとも反応ガス流路６内部に臨む面に親水処理を施した多孔質体により構成する。ここでは、行き止まり部Ａ側の面２０ａに親水処理を施した多孔質体により構成する。これにより、面２０ａ近傍の水を吸収し易くすることができるので、行き止まり部Ａの水をさらに除去し易くすることができる。

また、閉塞体２０を、少なくともマニホールド１３、１４に臨む面に撥水処理を施した多孔質体により構成する。ここでは、行き止まり部Ａと反対側の面２０ｂに撥水処理を施した多孔質体により構成する。これにより、面２０ｂから水を除去し易くすることができるので、マニホールド１３、１４内に流通する反応ガスに蒸発させ、除去し易くすることができる。

なお、ここでは直線形状の反応ガス流路６に閉塞体２０を配置する場合を説明したが、この限りではない。図５に示すように、蛇行形状の反応ガス流路１０６を備えたセパレータ１０２にも同様に適用することができる。ここで、図５を用いて蛇行形状の反応ガス流路１０６に閉塞体１２０を用いたセパレータ２の構成を簡単に説明する。

積層方向に貫通する反応ガス入口１１１と反応ガス出口１１２と、反応ガス入口１１１から分配された反応ガスを流通する複数の蛇行形状の反応ガス流路１０６を形成する。ここでは、反応ガス入口１１１が、反応ガス入口１１および供給側マニホールド１３の機能を有し、反応ガス出口１１２が、反応ガス出口１２および排出側マニホールド１４の機能を有する。隣接する反応ガス流路１０６を構成する溝１０７の間には、リブ部１０８が配置される。隣接する一方の反応ガス流路１０６を、反応ガス入口１１１近傍に閉塞体１２０を配置した供給側反応ガス流路１１６ａとし、他方を反応ガス出口１１２近傍に閉塞体１２０を配置した排出側反応ガス流路１１６ｂとする。これにより、直線形状の反応ガス流路６を用いたセパレータ２と同様の効果を得ることができる。

また、セパレータ２を緻密材により構成したが、多孔質体により構成してもよい。ただし、空隙率を、セパレータ２＜閉塞体２０となるように構成する。

次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃料電池セル１およびセパレータ２の構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、閉塞体２０を、図６に示すように構成・設置する。なお、ここでは閉塞体２０の面２０ａ、２０ｂを、図３（ａ）に示した構成としているが、図３（ｂ）〜（ｉ）に示す構成としてもよい。

閉塞体２０とセパレータ２、ここでは反応ガス流路６との接触面に嵌合部２４を構成する。例えば、図６（ａ）に示すように、閉塞体２０のリブ部７に接触する側面２０ｃに凹部２４ａを構成し、リブ部７の閉塞体２０の凹部２４ａに対峙する部分に凸部２４ｂを構成する。または、図６（ｂ）に示すように、閉塞体２０のリブ部７に接触する側面２０ｃを凹凸の曲面により構成し、リブ部７の閉塞体２０に接触する部分をこれに嵌合する曲面により構成する。これにより、反応ガスの流れにより閉塞体２０が移動したり外れたりするのを防ぐことができる。その結果、ガス拡散電極５への拡散性を維持することができる。

なお、この嵌合部２４は、図６に示す形状には限らず、反応ガスの流れに対して閉塞部２０が固定されるように配置されればよい。例えば溝８の底面と閉塞体２０の接触部分に構成することもできる。

次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

閉塞体２０に、反応ガス流路６表面と嵌合する嵌合部２４を構成することにより、閉塞体２０が反応ガス流れ方向に移動するのを抑制する。これにより、閉塞体２０が外れる、または、ずれる等によりガス拡散電極５への反応ガスの拡散が低下するのを防ぐことができ、発電効率を維持することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池に用いるセパレータ２の構成を図７に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

供給側反応ガス流路１６ａを、第１の実施形態と同様に、一端を供給側マニホールド１３に連通させ、他端を閉塞体２０を介して排出側マニホールド１４に連通する流路とする。一方、排出側反応ガス流路１６ｂを、一端を排出側マニホールド１４に連通し、他端の供給側マニホールド１３近傍を行き止まりとした流路とする。つまり、排出側反応ガス流路１６ｂの行き止まり部Ｂと供給側マニホールド１３との間を、セパレータ２の構成部材により構成する。言い換えれば、供給側反応ガス流路１６ａを第１の実施形態と同様に構成し、排出側反応ガス流路１６ｂを、通常の櫛型流路と同様に構成する。これにより、供給側反応ガス流路１６ａの端部のみを水透過可能とした櫛型流路が形成される。

ここで、供給側反応ガス流路１６ａの上流側、及び、排出側反応ガス流路１６ｂの上流側は生成水が少なく、反応ガス流路６の行き止まりであっても水溜まりが比較的生じ難い。そこで、生成水が多く、水溜まりが生じ易い供給側排出ガス流路１６ａの下流側に位置する行き止まり部Ａのみを、透水性のある閉塞体２０により形成する。

なお、ここでは、直線形状の反応ガス流路６について説明しているが、その他の形状、例えば、図５に示すような蛇行型の流路についても同様とすることができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

閉塞体２０を反応ガス流路６と排出側マニホールド１４との接続部近傍に設け、供給側マニホールド１３に連通した供給側反応ガス流路１６ａを構成する。このように、特に水が溜まり易い反応ガス流路６の下流側の行き止まり部Ａに閉塞体２０を用いることで、効率低下、フラッディングをより効果的に抑制することができる。また、閉塞体２０の設置箇所を少なくすることができるので、製造を簡易化することができる。

次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池に用いるセパレータ２の構成を図８に示す。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

閉塞体２０の一部がマニホールド１４内に突出するように構成する。ここでは、閉塞体２０を、供給側反応ガス流路１６ａと排出側マニホールド１４に渡って配置する。特に、排出側マニホールド１４内に突出している部分の表面積が大きくなるように、閉塞体２０を形成する。例えば、閉塞体２０を、排出側マニホールド１４に突出した部分の幅が、供給側反応ガス流路１６ａ内の幅より大きくなるように、略Ｔ字形状に構成する。

閉塞体２０の設置状態を、図９に示す。図９（ａ）には、閉塞体２０を略Ｔ形状に構成した場合を示す。前述したように、反応ガス流路６に位置する部分よりも排出側マニホールド１４内に位置する部分の幅の方が大きくなるように構成する。また、排出側マニホールド１４に突出した部分の厚みを、排出側マニホールド１４の厚みとほぼ同じとする。図９（ｂ）には、閉塞体２０を二つの直方体部材２１ａ、２１ｂを組み合わせることにより全体を略Ｔ形状に構成した場合を示す。二つの直方体部材のうち一方の部材２１ａを反応ガス流路６と略同じ断面積とし、一部を排出側マニホールド１４内に突出するように配置する。もう一方の直方体部材２１ｂを、少なくとも反応ガス流路６から突出する直方体部材２１ａと排出側マニホールド１４の底面との間隙を埋め、さらに排出側マニホールド１４の底面に沿って広がった部材とする。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

閉塞体２０を、少なくとも一部が排出側マニホールド１４に突出するように構成する。これにより、排出側マニホールド１４内の反応ガスの流れに晒されることにより、閉塞体２０内の水はより良く気化するので、行き止まり部Ａの水溜まりを防ぐことができる。特に、閉塞体２０の排出側マニホールド１４に突出している部分の表面積を大きく構成する。これにより、水分がさらに蒸発し易くなるので、水除去をさらに速やかに行うことができる。

なお、第１の実施形態と同様に、排出側反応ガス流路１６ｂの端部と供給側マニホールド１３との間に透水性の閉塞体２０を備え、その一部を供給側マニホールド１３側に突出して構成してもよい。また、第２の実施形態と同様に嵌合部２４を形成してもよい。

次に、第５の実施形態について説明する。図１０に、閉塞体２０の配置した状態の構成を示す。以下、第４実施形態とは異なる部分を中心に説明する。

閉塞体２０の排出側マニホールド１４に対峙する面２０ｂに、フィン２２を備える。ここでは、面２０ｂに構成したフィン２２が、排出側マニホールド１４内に突出するように構成する。例えば、フィン２２を、排出側マニホールド１４内を流れる反応ガスの流通方向に沿って伸びる板状フィンにより構成する。

このように、閉塞体２０の排出マニホールド１４に臨む面２０ｂにフィン２２を構成する。ここでは、排出側マニホールド１４へ突出する部分にフィン２２を構成する。これにより、閉塞体２０の面２０ｂから水を蒸発し易くすることができ、反応ガス流路６に水が溜まるのを抑制することができる。

なお、第１実施形態と同様に、排出側反応ガス流路１６ｂの端部と供給側マニホールド１３との間に閉塞体２０を備え、さらに閉塞体２０にフィン２２を備えても良い。また、第２の実施形態と同様に嵌合部２４を形成してもよい。

次に、第６の実施形態について説明する。図１１に、閉塞体２０に配置した状態の構成を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

閉塞体２０にスリット２３を設ける。ここでは、閉塞体２０のＭＥＡ３に接触する面に複数のスリット２３を設ける。また、スリット２３を、反応ガス流路６の端部とマニホールド１３、１４側とを直線に結ぶように構成する。反応ガス流路６内の反応ガスの流通方向と平行にスリット２３を構成する。これにより、反応ガス流路６内の一部の反応ガスがスロット２３を通ってマニホールド１３、１４側に流出する。この時、反応ガスと共に閉塞体２０内の水が運ばれるので、過剰な水を速やかに排出することができる。

なお、本実施形態ではスリット２３を構成した閉塞体２０を多孔質体としたがこの限りではない。例えば、行き止まり部Ａの水除去に十分なスリット２３が形成されている場合には、閉塞体２０を緻密部材等により構成することもできる。このように、行き止まり部Ａの形成および凝縮水を除去するための透水性を備える構造であれば、閉塞体２０は多孔質体に限らない。

また、スリット２３を閉塞体２０の反応ガス流路６の底面に接触する面に構成するがこの限りではない。閉塞体２０の反応ガス流路６の側面に接触する面に構成してもよいし、閉塞体２０の中央部分に構成してもよい。ただし、スリット２３は閉塞体２０を貫通するのが好ましい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

閉塞体２０は、微細の間隙、ここではスリット２３を備え、反応ガス流路６の上流から下流に水透過可能に構成する。このように、閉塞体２０に水透過可能なスリット２３を有するので、強制的に反応ガスをガス拡散電極５に拡散することで発電性能を向上しつつ、閉塞体２０近傍の行き止まり部Ａに溜まる水を排水・蒸発することができる。その結果、発電効率の低下やフラディングが生じるのを抑制することができる。

特に、スリット２３を、反応ガス流路６の軸方向に略沿って閉塞体２０を貫通するように構成する。これにより、排水性を向上することができるので、より水溜まりが生じるのを防ぐことができる。

なお、上記実施の形態においては、複数の燃料電池セル１を積層することにより燃料電池を構成したが、一つの燃料電池セル１、つまり単位セルにより燃料電池を構成してもよい。また、ここではセパレータ２をカソードセパレータ２ｃとしたが、アノードセパレータ２ａについても同様の構成としてもよい。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。

本発明は、行き止まり部の除水効果を向上するためのものであり、反応面内の局所的な除水が必要となる燃料電池に適用することができる。例えば、固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータに櫛型形状の反応ガス流路を形成する場合に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池セルの構成図である。 第１の実施形態に用いるセパレータの構成図である。 第１の実施形態に用いる閉塞体の形状例を示す図である。 第１の実施形態に用いる閉塞体の設置状態を示す図である。 第１の実施形態に用いるセパレータの別の例の構成図である。 第２の実施形態に用いる閉塞体の設置状態を示す図である。 第３の実施形態に用いるセパレータの構成図である。 第４の実施形態に用いるセパレータの構成図である。 第４の実施形態に用いる閉塞体の設置状態を示す図である。 第５の実施形態に用いる閉塞体の設置状態を示す図である。 第６の実施形態に用いる閉塞体の設置状態を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池セル
２ セパレータ
４ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
５ ガス拡散電極（電極）
６ 反応ガス流路
１３ 供給側マニホールド
１４ 排出側マニホールド
１６ａ 供給側反応ガス流路
１６ｂ 排出側反応ガス流路
２０ 閉塞体（流路閉塞部材）
２２ フィン
２３ スリット（間隙）
２４ 嵌合部
Ａ 行き止まり部（行き止まり）

Claims (11)

1. 電解質膜の両面に電極を配し、さらにその外側からセパレータにより狭持して成る燃料電池セルを有する燃料電池において、
   前記セパレータの前記電極に対峙する面に沿って形成した複数の反応ガス流路と、
   前記反応ガス流路に反応ガスを分配する供給側マニホールドと、
   前記反応ガス流路から反応ガスを回収する排出側マニホールドと、
   前記反応ガス流路に配置され、前記反応ガス流路を少なくとも水は透過可能に閉塞する流路閉塞部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記流路閉塞部材を前記反応ガス流路と前記排出側マニホールドとの接続部近傍に設け、前記供給側マニホールドに連通した供給側反応ガス流路を構成する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記流路閉塞部材を前記反応ガス流路と前記供給側マニホールドとの接続部近傍に設け、前記排出側マニホールドに連通した排出側反応ガス流路を構成する請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記流路閉塞部材を、前記セパレータを構成する材料よりも、透水性の高い多孔質体により構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
5. 前記流路閉塞部材を、少なくとも一部が前記マニホールドに突出するように構成する請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記流路閉塞部材を、少なくとも前記反応ガス流路内部に臨む側の面に親水処理を施した多孔質体により構成する請求項４に記載の燃料電池。
7. 前記流路閉塞部材を、少なくとも前記マニホールドに臨む側の面に撥水処理を施した多孔質体により構成する請求項４に記載の燃料電池。
8. 前記流路閉塞部材の前記マニホールドに臨む側の面にフィンを構成する請求項４または５に記載の燃料電池。
9. 前記流路閉塞部材は、微細の間隙を備え、前記反応ガス流路の上流から下流側に水透過可能に構成する請求項２に記載の燃料電池。
10. 前記間隙を、前記反応ガス流路の軸方向に略沿って、前記流路閉塞部材を貫通するように構成する請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記流路閉塞部材に、前記反応ガス流路表面と嵌合する嵌合部を構成することにより、前記流路閉塞部材が反応ガス流れ方向に移動するのを抑制する請求項１から１０の何れか一つに記載の燃料電池。

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