JP2005190983A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気極触媒層３側のセパレータ５ｂに形成されたガス流路溝を、空気入り口穴１１ａと連通する上流部２１と、空気出口穴１１ｂと連通する下流部２２とに分離させることで、燃料電池に供給された空気が、セパレータ５ｂの上流部２１から、拡散層４を経由して、下流部２２に流れる構造の燃料電池において、ガス流路溝に発電に必要な空気を流すことができ、かつ、拡散層内で空気が停滞することを抑制する。
【解決手段】 第１のスリット６ａを有する板部６を、拡散層４ｂと空気極触媒層３側のセパレータ５ｂとの間に配置する。この第１のスリット６ａは、上流部２１の中心に対向する位置に配置されており、上流部２１の幅３１よりも開口幅３３が狭くなっている。また、上流部２１の断面積を、一般的な燃料電池と同様に、発電に必要な量の空気を流すことができる大きさとする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

一般に、固体高分子燃料電池に代表される燃料電池は、触媒層（電極）、拡散層を両面に形成したイオン導電膜（電解質膜）が、セパレータで挟み込まれた構成となっている。セパレータには、水素と酸素（空気）といった反応ガスを供給するための流路が形成されており、この流路を介してイオン導電膜、触媒層に水素と酸素とが供給される。そして、燃料電池の空気極側ではイオンとして透過してきた水素イオンと酸素が反応して水が生成される。この水は通常酸素を供給するために吹き込まれる空気と共に排出される。

しかしながら、燃料電池の高出力運転時では、定常運転時よりも水素と酸素とが多く供給されることで、高出力となることから、その分、定常運転時と比較して、生成水の量も多くなる。このため、生成水が、十分に排出されず、セパレータに形成された流路を閉塞することで、ガスの流通が阻害され、フラッディングと呼ばれる状態となって、電力出力が低下することが知られている。

従来では、このような生成水によるガス流通の阻害の回避を図ったものとして、例えば、以下の２つの燃料電池がある。１つは、セパレータに水除去用流路を設けた燃料電池である（例えば、特許文献１参照）。もう１つは、セパレータの構造を、外部から燃料電池に空気が供給された場合に、その空気のうち、電極での反応に使用されないものが、拡散層中を強制的に流れる構造とした燃料電池である（例えば、非特許文献１参照）。

前者は、生成水を除去するための水除去用流路を、ガス流路とは別にセパレータに設け、水除去用流路等に親水性材料を充填したものである。これにより、生成水の排出と電極に供給されるガスの流れとを分離し、生成水の排出とガスの供給との高効率化が図られている。

しかし、上記水除去用水路を設けた燃料電池であっても、運転時において、拡散層中の水分が、基本的に拡散により拡散層からセパレータの水除去用流路に到達することで、燃料電池の外部に排出されるため、生成水の排出速度の向上に限界がある。すなわち、拡散層中の水分は、それが自発的に移動することでしか拡散層から除去されないため、生成水の排出速度の向上に限界がある。

図３（ａ）に、後者におけるセパレータの正面図を示し、図８に、後者の単セルの断面図を示す。なお、セパレータを含む単セルの構造は、発明を実施するための最良の形態の欄で説明する燃料電池と同様であるため、ここでは、構造の詳細な説明を省略する。

後者は、図３（ａ）に示すように、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂに形成されたガス流路溝を、空気入り口穴１１ａと連通する上流部２１と、空気出口穴１１ｂと連通する下流部２２とに分離させ、上流部２１および下流部２２が有する互いに平行な複数の直線状の部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄを交互に配置させている。

このため、この燃料電池では、図８に示すように、燃料電池に供給された空気が、セパレータ５ｂの上流部２１から、矢印４３のように、拡散層４を経由して、下流部２２に流れるようになっている。

このように拡散層４中に空気が強制的に流れることから、空気極触媒層３で水素と酸素との反応により生成した水は、拡散層４中へ拡散した後、拡散層４中における上流部２１から下流部２２に向かって流れる空気の流れにより、強制的に空気極触媒層３側のセパレータ５ｂの下流部２２まで運ばれこととなる。

これにより、後者は、前者よりも、発電時に生じた生成水を拡散層から速やかに排出することができる。
特開２００１−１１０４３２号公報 T.V.Nguyen,Journal of Electrochemical Society,Vol.143,No.5,May,1996, p.L103

しかし、後者の燃料電池では、上流部２１の拡散層４ｂに最も近い部位における幅３１が広すぎる場合、空気が図８中の矢印４３のように流れることから、拡散層４の上流部２１の中心に対向する領域５１において、空気が流れないおそれがある。このため、この領域５１では空気が停滞し、この領域５１に存在する水分を拡散層４から除去することができないという問題が生じるおそれがある。

なお、この問題を解決する方法としては、上流部２１の幅３１を単に狭くすることで、領域５１に空気が流れるようにする方法が考えられるが、この場合、流路の断面積が小さくなり、発電に必要な量の空気を上流部２１に流すことができないという問題が生じてしまう。

本発明は、上記点に鑑み、上流部２１に発電に必要な空気を流すことができ、かつ、拡散層内で空気が停滞すること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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、拡散層における空気極側のセパレータに接する面（４ｃ）のうち、第１のガス流路から供給される反応ガスと接する部分の幅（３３）が、第１のガス流路溝における拡散層に最も近い部分から離れた部分の幅（３２）と比較して、小さいことを特徴としている。

上記発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、セパレータに設けられた第１のガス流路溝において、拡散層に最も近い部分の幅が広い場合、反応ガスが第１のガス流路溝から、拡散層における第１のガス流路溝に対向する領域（５１）を通らずに、第２のガス流路溝に流れ、拡散層における第１のガス流路溝に対向する領域で反応ガスが停滞してしまうおそれがある。

そこで、本発明のように、セパレータに設けられた第１のガス流路溝における拡散層に最も近い部分の幅を狭くすることで、反応ガスが拡散層の第１のガス流路溝に対向する部位に停滞することなく、反応ガスを拡散層に流すことができる。すなわち、本発明によれば、拡散層内にガスを均一に流すことができる。

一方、第１のガス流路溝における拡散層に最も近い部分から離れた部分の幅（３２）を広くすることで、第１のガス流路溝の幅を単に狭くした場合と比較して、第１のガス流路溝の断面積を大ききすることができる。これにより、発電に必要な空気を流すことができるように、第１のガス流路溝の断面積を確保することができる。

この結果、本発明によれば、第１のガス流路溝に発電に必要な空気を流すことができ、かつ、拡散層内で空気が停滞することを抑制することができる。

燃料電池をこのような構造とするために、例えば、請求項２に示すように、第１のガス流路溝に対向する部位に、第１のガス流路溝の幅よりも開口幅が狭いスリット（６ａ）を有する板部（６）を、空気極側のセパレータと拡散層との間に配置することができる。また、請求項４に示すように、セパレータに形成される第１のガス流路溝自体の断面形状を、溝の幅が、拡散層に近づくにつれ、徐々に狭くなっている形状とすることができる。

また、請求項２に記載の発明に関して、請求項３に示すように、板部（６）を、導電性を有する多孔質材料で構成することができる。

これにより、板部が第２のガス流路溝等に流れる生成水を吸収するため、常に、板部に水分を保持させることができる。この結果、拡散層が乾燥しすぎている場合、板部から拡散層に水分を供給することができるので、拡散層の過度な乾燥を抑制することができる。

請求項５に記載の発明では、セパレータは、ガス流路溝が形成された面が重力方向と平行であって、第２のガス流路溝におけるガスの流通方向が、重力方向に対して垂直もしくはガスの流れ方向に向かって低くなるように配置されている。そして、第２の流路溝は、反応ガスの反応により生じた水が、拡散層に接することなく、下側部分を流れる形状であることを特徴としている。

これにより、ガス拡散層から第２のガス流路溝に排出された生成水が、第２のガス流路溝からガス拡散層に流れ込むのを防ぐことができる。

このような構造とするためには、例えば、請求項６に示すように、第２のガス流路溝を、セパレータの表面に対して平行な底面と、底面の両隣に位置する側面とにより構成し、側面を、一方が重力方向下側に、他方が重力方向上側に位置させる。そして、第２のガス流路溝の幅よりも開口幅が狭く、第１のガス流路溝に対向する部位であって、第２のガス流路溝の最も低い部分（２４）よりも高い位置に存在するスリット（６ｂ）を有する板部（６）を、空気極側のセパレータと拡散層との間に配置する。これにより、底面と、下側に位置する側面と、板部とに囲まれた領域に水が流れる構造とすることができる。

その他に、請求項７に示すように、第２のガス流路溝における反応ガスが流れる方向に対して垂直な方向での断面形状を、溝の幅が、拡散層に近づくにつれ、徐々に狭くなり、第２のガス流路溝の開口部（６２）が、第２のガス流路溝の最も低い部分よりも高いところに位置する形状とすることもできる。

また、空気極側のセパレータ（５ｂ）の構造に関して、請求項８に示すように、空気極側のセパレータ（５ｂ）の構造を、第１のガス流路溝と第２のガス流路溝とを連通させるように配置され、第１、第２のガス流路溝よりも断面積が小さな連通溝（７１）を備えている構造とすることもできる。

このように、連通溝を設けることで、連通溝を有していない場合と比較して、同じ流量の空気が燃料電池に供給された場合において、空気が拡散層中を流れるときにおける拡散層の圧力損失を低減させることができる。この結果、拡散層中に空気が流れることによる拡散層４の劣化を抑制することができる。

請求項８に記載の発明に対して、さらに、請求項９に示すように、連通溝（７１）に、水を吸った状態のときに連通溝（７１）を塞ぐように、吸水性材料を配置することもできる。

吸水性材料としては、多孔体であって、吸水した場合にその孔が塞がれ、通気性が無くなる、もしくは低下する材料や、例えば、吸水性ポリマーのように、吸水した場合に膨張し、吸水した状態では通気性が無い、もしくは低い材料を用いることができる。

そして、このような材料が水を多く吸収したとき（例えば１００％吸水した状態のとき）、吸水性材料が連通溝を塞ぐように、吸水性材料を配置する。

これにより、生成水が少なく低湿度時では、吸水性材料の吸水量が少なく、連通溝に空気が流れるため、拡散層に流れる空気量を少なくすることができる。この結果、拡散層の過度の乾燥を抑制することができる。

一方、生成水が多い場合では、吸水性材料が多くの水を吸って、吸水性材料が連通溝を塞ぐため、拡散層を流れる空気量を多くすることができる。この結果、拡散層から効果的に生成水を排出することができる。

また、請求項１０に示すように、燃料極側のセパレータの構造を、空気極側のセパレータと同様の構造とすることもできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における燃料電池を図１〜３に示す。図１（ａ）は燃料電池スタックの斜視図であり、図１（ｂ）は単セルの構成を示すための図である。また、図２は図１（ｂ）中の単セルを、破線で示す面Ａで切断したときの単セルの断面を矢印方向で見たときの図である。図３（ａ）はセパレータ５の正面図であり、図３（ｂ）はスリット部材６の正面図である。

本実施形態の燃料電池は、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、主にスリット部材（スリットを有する板部）６を備える点が、従来のＰＦＥＣと異なるものである。

具体的には、この燃料電池は、図１（ａ）に示すように、複数の単セルが集合化されることでスタックが構成されている。そして、単セルは、図１（ｂ）、図２に示すように、両面に燃料極触媒層２と空気極触媒層３とが配置された電解質膜１と、電解質膜１の外側に配置された拡散層４と、拡散層４の外側に配置されたセパレータ５とを備え、２枚のセパレータ５により電解質膜１が狭持された構成となっている。なお、燃料極触媒層２、空気極触媒層３が、それぞれ本発明の燃料極、空気極に相当する。

セパレータ５の拡散層４側の表面１０には、後述するガス流路溝（上流部、下流部）２１、２２が形成されており、セパレータ５の拡散層４側の表面１０は、重力方向と平行となっている。また、図２に示すように、拡散層４とセパレータ５の間にスリットを有する板部６が配置されている。

電解質膜１、燃料極触媒層２および空気極触媒層３は一般的なものである。燃料極触媒層２および空気極触媒層３は、触媒層が電極としても機能するものである。拡散層４およびセパレータ５において、拡散層４ａおよびセパレータ５ａは燃料極触媒層２側に配置されており、拡散層４ｂおよびセパレータ５ｂは空気極触媒層３側に配置されている。

空気極触媒層３側のセパレータ５ｂは、外部から燃料電池に空気が供給された場合に、その空気のうち、電極での反応に使用されないものが、拡散層４中を強制的に流れる構成となっている。

具体的に説明すると、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂは、図１（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）に示すように、空気入り口穴１１ａ、空気出口穴１１ｂ、冷却水入り口穴１２ａ、冷却水出口穴１２ｂ、水素入り口穴１３ａ、水素出口穴１３ｂを有している。これらの穴１１〜１３は、マニホールドを構成するものであり、従来の燃料電池と同様のものである。

また、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂは、図２、図３（ａ）に示すように、拡散層４ｂ側の表面１０の全範囲に渡って形成されている第１ガス流路溝としての上流部２１および第２ガス流路溝としての下流部２２とを有している。上流部２１および下流部２２は、酸素（空気）を電解質膜１および空気極触媒層３に供給し、反応に使用されなかったガスを排出するための流路として、セパレータ５ｂの拡散層４ｂ側の表面１０に形成された溝である。

図２に示すように、上流部２１および下流部２２は、セパレータ５ｂに形成された底面２３と、その底面の両隣に位置する第１の側面２４と、第２の側面２５とにより構成されている。この底面２３はセパレータ５ｂの表面１０に対して平行である。また、第１の側面２３は重力方向下側に位置し、第２の側面２５は重力方向上側に位置している。

図３（ａ）に示すように、上流部２１は、セパレータ５ｂ内で空気入り口穴１１ａと連通しており、下流部２２はセパレータ５ｂ内で空気出口穴１１ｂと連通している。上流部２１と下流部２２とは、セパレータ５ｂ内では分離されている。

そして、上流部２１および下流部２２のセパレータ５ｂにおける平面レイアウトは、図３（ａ）に示すように、上流部２１および下流部２２はそれぞれ櫛のような形状であり、その櫛歯に相当する部位２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが交互に位置するように、櫛状の上流部２１および下流部２２が向かい合った状態となっている。

すなわち、上流部２１および下流部２２は、互いに平行な複数の直線状の部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄを有し、これらの部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄが、順に上流部２１ａ、下流部２２ａ、上流部２１ｂ、下流部２２ｂ等というように、交互に配置されている。

また、上流部２１の部位２１ａ〜２１ｄは、空気入り口穴１１ａ側で連通しており、下流部２２の部位２２ａ〜２２ｄは、空気出口穴１１ｂ側で連通している。この燃料電池では、上流部２１および下流部２２の部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄが重力方向に対して垂直な方向に延びている状態となるように、セパレータ５ｂが配置されている。

また、上流部２１の図２中上下方向での幅３１と、下流部２２の図２中上下方向での幅３２とは、図２、図３（ａ）に示すように、同じ大きさである。なお、上流部２１の幅３１と、下流部２２の幅３２とを異なる大きさとすることもできる。

また、上流部２１の幅３１および下流部２２の幅３２は、図２に示すように、セパレータ５ｂの厚さ方向（図中左右方向）において、一定となっている。すなわち、上流部２１および下流部２２は、図２に示すように、空気が流れる方向に対して垂直な方向での断面形状が略矩形形状となっている。

このように上流部２１と下流部２２とが分離して、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂに形成されているため、本実施形態の燃料電池では、燃料電池の外部から空気が供給された場合、以下のように空気が流れる。

空気極触媒層３側のセパレータ５ｂにおいて、空気は、図３（ａ）中に示した矢印４１のように、空気入り口穴１１ａから上流部２１の各部位２１ａ〜２１ｄに流れる。そして、空気中の酸素は、この各部位２１ａ〜２１ｄから拡散層４ｂを介して、電解質膜１および空気極触媒層３に供給される。

このとき、空気に含まれる窒素や、反応に使われない酸素は、拡散層４の全範囲において、図２中に示した矢印４２のように、上流部２１から拡散層４ｂを経由して、下流部２２に流れる。すなわち、酸素は、上流部２１から拡散層４ｂの主表面４ｃに対して略垂直な方向で、電解質膜１および空気極触媒層３に向かって流れるが、空気に含まれる窒素や、反応に使われない酸素は、拡散層４ｂの主表面４ｃと略平行な方向に流れる。そして、窒素等のガスは、下流部２２から空気出口穴１１ｂを通って、電池の外部へ放出される。

このように、本実施形態の燃料電池では、拡散層４ｂ中を窒素等のガスが強制的に流れるため、このガスにより、拡散層４ｂ中に存在する水を、拡散層４ｂから下流部２２に向かって押し出すことができる。これにより、拡散層４ｂに存在する水素と酸素との反応により生成した水を、速やかに除去することができる。なお、本実施形態における拡散層４ｂ中のガスの流れは、電解質膜１中の水分が移動するほどの圧力差を生じるほどのものではない。

ここで、上流部２１および下流部２２のセパレータ５ｂにおける平面レイアウトを、図３（ａ）に示すように、櫛歯に相当する部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄが交互に位置するように、櫛状の上流部２１および下流部２２が向かい合った状態としている理由を説明する。

第１に、上流部２１と下流部２２とが近いほど、空気に含まれる窒素等が拡散層４中に流れ易くなるからであり、第２に、拡散層４の広範囲で、空気に含まれる窒素等が、拡散層４中に流れるようにするためである。第３に、拡散層中の水分が下流部２２に流れ出たとき、下流部２２を流れる水が、再び拡散層４に戻ってしまうのを防ぐためである。

第３の理由について、詳細に説明すると、従来の燃料電池では、一般に、セパレータのガス流路溝は、セパレータのガス入り口穴からガス出口穴まで、一本の流路が蛇行した状態で形成されていた。このため、ガス入り口に近傍で拡散層からガス流路溝に生成水が到達した場合、その生成水はガス流路溝の上流側から下流側に向かって流れることから、ガス流路溝の下流側に水が溜まりやすく、その水が拡散層に戻ってしまうという問題があった。そこで、本実施形態では、上記したように下流部２２を櫛状に配置することで、拡散層４から排出された水を再度拡散層４に戻ることを防ぐことができる。

燃料極触媒層２側のセパレータ５ａも、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂと同じ構造となっている。これは以下の理由のためである。

空気極触媒層３側のセパレータ５ｂは、拡散層４中に、空気に含まれる窒素等を流す構造となっている。このため、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂのみを上記した構造とすると、空気に含まれる窒素等により拡散層４および電解質膜１に圧力が加えられるので、電解質膜１が変形してしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、２つのセパレータ５ａ、５ｂを同じ構造とすることで、電解質膜１の両面側に均等な圧力がかかるようにしている。

なお、燃料極触媒層２側のセパレータ５ａの構造を、一般的な燃料電池と同様に、ガス流路溝が上流部２１と下流部２２とが分離されていない構造とし、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂのみを上記した構造とすることもできる。この場合、電解質膜１が変形しないように、空気圧と水素圧とを調整し、電解質膜１にかかる圧力が均等となるようにする。

なお、本実施形態の燃料電池では、ガスの流通方向が重力方向に対して垂直となるように、上流部２１および下流部２２の部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄが重力方向に対して垂直な方向に延びている状態で、セパレータ５が配置されているが、これに限らず、 下流部２２で水を流しやすくするために、下流部２２におけるガスの流通方向が、ガスの流れ方向に向かって低くなるように、セパレータ５を配置することもできる。

例えば、空気出口穴１１ｂの位置を水素出口穴１３ｂよりも低く、上流部２１および下流部２２の部位２１ａ〜２１ｄ、２２ａ〜２２ｄが斜めの状態となるように、図３（ａ）に示されるセパレータ５を傾けて配置することもできる。また、セパレータ５自体の取り付け方法は、上記した図１と同様としたまま、セパレータ５に形成されている上流部２１および下流部２２の平面レイアウトにおいて、上流部２１および下流部２２のみを、上記のように、傾けることもできる。

スリットを有する板部６は、図２、図３（ｂ）に示すように、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂと重ね合わされた際に上流部２１と対向する部位に第１のスリット６ａが設けられ、下流部２２に対向する部位に第２のスリット６ｂが設けられたものである。

板部６は、多孔質カーボン材により構成されており、毛管現象により、水分を孔に保持できる構造となっている。多孔質カーボン材は、板部６に効果的に水分を保持できるように、例えば、大気プラズマ照射などの方法により、親水処理が施されている。

多孔質カーボン材としては、例えば、一般に、ポーラスカーボンと呼ばれるものや、カーボンペーパー、カーボンクロス等を用いることができる。この場合、上記のように、水分を保持させるため、親水処理を施す。

また、第１のスリット６ａおよび第２のスリット６ｂは、上流部２１および下流部２２それぞれの中心に対向して位置している。第１のスリット６ａは、上流部２１の幅３１よりも開口幅３３が狭く、第２のスリット６ｂは、下流部２２の幅３２よりも開口幅３４が狭くなっている。

このため、本実施形態では拡散層４ｂにおける空気極触媒層３側のセパレータ５ｂに接する面４ｃのうち、上流部２１から拡散層４ｂに空気が供給された場合にこの空気に接する部位の幅３３が、上流部２１の幅３１と比較して、小さくなっている。

また、図３（ｂ）に示すように、第１のスリット６ａの開口幅３３と、第２のスリット６ｂの開口幅３４とは同じ大きさである。なお、これらの大きさを異なる大きさとすることもできる。

拡散層４は、拡散層４ａ、４ｂとも、一般的なカーボンクロス、カーボンペーパーよりも空隙率が高いものにより構成されている。例えば、高電気伝導性のポーラスカーボンを拡散層４として用いることができる。

なお、拡散層４としては、一般的なカーボンクロスやカーボンペーパーを用いることもできる。しかし、カーボンクロスやカーボンペーパーを拡散層４として用いた場合では、図２中の矢印４２に示すように、窒素等のガスが拡散層４中を流れるときの圧力損失が大きい。ここで、圧力損失とは、例えば、図２中の矢印４２の先端とその反対側の端部における空気を送るのに必要な圧力差を意味する。

このため、拡散層４では、窒素等のガスが流れ難く、拡散層４が破損する等の拡散層４の劣化が生じやすいという問題がある。

そこで、本実施形態のように、カーボンクロスやカーボンペーパーよりも、圧力損失が小さく、低圧でガスを流せるもの、すなわち、ガスが流れやすいものを、拡散層４として用いることが好ましい。

一般に、燃料電池内部への空気の供給はエアポンプでされており、このエアポンプは燃料電池により電力が供給される。したがって、上記したように、拡散層４としてガスが流れやすいものを用いることで、消費電力を少なくすることができる。この結果、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。

なお、拡散層４としては、ポーラスカーボンの代わりに、耐腐食コーティングを施したポーラスメタル等カーボンクロスやカーボンペーパーよりも高空隙率と高電気伝導性を有する素材で構成されたものを用いることができる。

次に、本実施形態の燃料電池の主な特徴を説明する。

（１）本実施形態の燃料電池は、背景技術の欄で説明した後者の燃料電池と同様に、空気極触媒層３側のセパレータ５ｂに形成されたガス流路溝を、上流部２１と下流部２２とに分離することで、燃料電池に供給された空気が、セパレータ５ｂの上流部２１から、拡散層４を経由して、下流部２２に流れる構造となっている。このため、フラッディングの発生を抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池によれば、凍結を防止するために燃料電池停止時に燃料電池を乾燥させる操作を行う場合、以下に説明するように、拡散層４中の水分を、従来の燃料電池よりも短時間で乾燥させることができる。

燃料電池が氷結温度以下の環境に曝されている場合、運転停止後の燃料電池内において、電極近傍に水分が存在していると、その水分が凍結することから、燃料電池の起動時では、水素や酸素の拡散が阻害され発電できないという問題がある。そこで、この対策方法の１つとして、燃料電池の停止時においても、セパレータのガス供給溝に対して空気を流すことで、燃料電池内を乾燥させる方法が提案されている。

しかし、この方法は、セパレータのガス流路溝に対して空気を流すことで、拡散層ののうち、このガス流路溝に対向している部位に存在している水分を蒸発させるものである。このため、拡散層４の全範囲に水分が存在していても、拡散層４のガス流路溝に対向している面から徐々に水分を蒸発させることでしか水分を除去できず、拡散層４全体を乾燥させるまで時間がかかっていた。

これに対して、本実施形態の燃料電池では、セパレータ５に形成されているガス流路溝は、上流部２１と、下流部２２とに分離されている。このため、燃料電池の停止時においても、セパレータ５の上流部２１に空気を流すことで、上流部２１から拡散層４を経由して下流部２２に空気を流すことができる。すなわち、拡散層４中に空気を強制的に流すことができる。

これにより、拡散層４に存在する水分を、窒素等のガスで強制的に下流部２２へ排出することができるため、従来の燃料電池よりも速やかに排出することができる。この結果、本実施形態の燃料電池は、従来の燃料電池よりも短時間で乾燥させることができる。

（２）また、本実施形態では、第１のスリット６ａを有する板部６を、拡散層４ｂと空気極触媒層３側のセパレータ５ｂとの間に配置している。この第１のスリット６ａは、上流部２１の中心に対向する位置に配置されており、上流部２１の幅３１よりも開口幅３３が狭くなっている。また、上流部２１の断面積を、一般的な燃料電池と同様に、発電に必要な量の空気を流すことができる大きさとしている。

これにより、上流部２１の空気が流れる方向における断面において、発電に必要な空気を流すことができるように流路の断面積を確保しつつ、図２中の領域５１にも酸素等のガスが流れるようにすることができる。この結果、上流部２１から拡散層４の各部位への均一な空気流れを実現することができ、図２中の領域５１に存在する水分を拡散層４から除去することができる。

なお、本実施形態では、第１のスリット６ａは、図２に示すように、上流部２１の中心に対向する部位に位置しているが、これに限らず、第１のスリット６ａの位置を、上流部２１に対向する部位であれば、他の位置とすることもできる。

（３）また、本実施形態では、板部６は、第２のスリット６ｂも有している。この第２のスリット６ｂは、図２に示すように、下流部２２の中心に対向する位置に配置されている。このため、下流部２２の下側部分において、底面２３および第１の側面２４と、板部６の下流部２２に対向する部位５２とによって、雨樋のような水の流路５６が構成されている。

これにより、拡散層４から下流部２２に水分が排出された場合、下流部２２の雨樋形状となった部分で、その水分を受けることができ、その水分が拡散層４に接することなく、その水分を下流部２２の下側部分に流すことができる。

このように下流部２２は雨樋形状となっているので、下流部２２では水が流れやすく、また、下流部２２に一度排出された水が、下流部２２から再び拡散層４ｂへ戻るのを防ぐことができる。

なお、本実施形態では、第２のスリット６ｂが、下流部２２の中心に対向して位置しているが、第２のスリット６ｂの下流部２２に対する位置は、これに限らず、下流部２２に対向する部位であれば、他の位置とすることもできる。ただし、第２のスリット６ｂに上記した雨樋のような機能を持たせるという観点では、下流部２２の第１の側面２４よりも高い位置に、第２のスリット６ｂを配置することが望ましい。

（４）また、本実施形態では、第１、第２のスリット６ａ、６ｂを有する板部６を多孔質カーボンにより構成している。

一般に、拡散層４内に生成水が多く存在すると、拡散層４でのガス拡散が阻害されるため、拡散層４内に存在する生成水を速やかに排出する必要がある。その一方で、拡散層４が乾燥することで、電解質膜１が過度に乾燥すると、イオン導電率が低くなり、燃料電池の出力が低下してしまう。

このため、拡散層４でのガス拡散が阻害されず、かつ、電解質膜１のイオン導電率が低くなりすぎないように、電解質膜１から拡散層４の間を適度な湿度に保つ必要がある。

そこで、本実施形態では、板部６を多孔質カーボンで構成することで、板部６が流路５６を流れる生成水を吸い戻して、板部６が湿潤した状態となるようにしている。

これにより、拡散層４が乾燥しそうになった場合（拡散層４に存在する水分が少なくなった場合）では、板部６が保持する水分が拡散層４に供給されるので、電解質膜１および拡散層４の過度の乾燥を抑制し、電解質膜１から拡散層４の間を適度な湿度に保つことができる。

なお、多孔質カーボンに吸収された生成水は、毛管現象により、多孔質カーボンに保持されているため、周囲が乾燥しているときでは、水分を周囲に放出するが、周囲に水分が多く存在している（高湿度の）ときでは、周囲に水分を放出することはない。したがって、拡散層４から流路５６に向かって、生成水が排出されている場合では、板部６に吸収された水分はそのまま保持されるので、再び、拡散層６へ漏れ出すことはなく、生成水の逆流が生じることはない。

また、本実施形態では、水分を保持できること、導電性が高いこと、耐腐食性が高いこと等の観点より、板部６の構成材料として多孔質カーボンを用いる場合を説明したが、導電性を有する多孔質材料であれば、他の材料を用いることもできる。例えば、金属材料を用いることもできる。この場合、金属材料は、耐腐食性が高いことが望ましい。

（第２実施形態）
図４に第２実施形態における燃料電池の断面図を示す。これは、図２に示す単セルの断面図に対応するものである。本実施形他の燃料電池は、セパレータ５に形成されている上流部２１および下流部２２の断面形状が、第１実施形態の燃料電池と異なるものである。なお、他の構成部においては、第１実施形態の燃料電池と同じであるため、図４では、図２中の構成部と同様の構成部に、図２と同一の符合を付すことで説明を省略する。

本実施形態では、図４に示すように、セパレータ５に形成されている上流部２１および下流部２２の断面形状がテーパ形状となっている。すなわち、セパレータ５に形成されている上流部２１および下流部２２は、第１実施形態と同様に、底面５３、第１の側面５４および第２の側面５５から構成されている。そして、第１の側面５４および第２の側面５５が水平方向に対して傾いており、水素、空気等の反応ガスが流れる方向に対して垂直な方向での断面形状が、拡散層４側に近づくにつれ、図中上下方向における幅（第１の側面５４と第２の側面５５の間隔）が徐々に狭くなっている。

セパレータ５の拡散層４側の面１０において、開口している部位が、それぞれ、上流部２１の開口部６１、下流部２２の開口部６２である。上流部２１および下流部２２の開口部６１、６２における図中上下方向の幅３３および幅３４は、上流部２１および下流部２２の底面５３での図中上下方向の幅３１および幅３２よりも小さくなっている。また、開口部６１、６２は、上流部２１、下流部２２の底面５３の中心に対向して位置している。

このように、本実施形態では、上流部２１および下流部２２の断面形状をテーパ形状とすることで、拡散層４ｂにおける空気極触媒層３側のセパレータ５ｂに接する面４ｃのうち、上流部２１から拡散層４に空気が供給された場合にこの空気に接する部位の幅３３を、上流部２１の幅３１と比較して、小さくしている。また、下流部２２の下側部分において、底面５３および第１の側面５４とによって、雨樋のような水の流路５６が構成されている。

この結果、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果（（１）〜（３））を有している。また、本実施形態によれば、第１実施形態に用いられていたスリットを有する板部６を省略することができる。

なお、本実施形態では、下流部２２の開口部６２は、下流部２２の下側部分において、雨樋のような水の流路５６が存在するように、下流部２２において最も低いところに位置する底面５３と第１の側面５４との接続部５７よりも高いところに位置していることが望ましい。

（第３実施形態）
図５（ａ）に第３実施形態の第１の例における燃料電池のセパレータの正面図を示し、図５（ｂ）にＢ−Ｂ’線断面図と、Ｃ−Ｃ’線断面図を示す。なお、図５では、図３（ａ）に示す構成部と同様の構成部には、図３（ａ）と同一の符合を付している。本実施形態の燃料電池は、セパレータ５のガス流路溝の平面レイアウトが第１実施形態の燃料電池と異なるものである。

図５（ａ）に示すように、この燃料電池のセパレータは、セパレータ５内で上流部２１と下流部２２とが、連通部７１により、つながっている構造となっている。

連通部７１は、上流部２１と同様にセパレータ５の表面１０に形成された溝であり、図５（ｂ）に示すように、セパレータ５の拡散層４側の面１０と平行な底面７３と、この底面７３の両隣に位置する第１の側面７４および第２の側面７５とにより構成されている。そして、導通部７１は、溝の深さが上流部２１と比較して浅くなっている。なお、この溝の深さとは、セパレータ５の拡散層４側の面と底面１０との間隔を意味する。

このため、連通部７１の断面積７２は、上流部２１や下流部２２の断面積７３と比較して、小さくなっている。すなわち、空気流路の断面積を比較すると、連通部７１の方が上流部２１や下流部２２よりも小さくなっている。

これにより、本実施形態の燃料電池では、セパレータ５ｂに空気が供給されたとき、第１実施形態と同様に、空気は上流部２１から拡散層４を経由して下流部２２を流れるが、さらに、セパレータ５内においても上流部２１から下流部２２に空気が流れるようになっている。

すなわち、セパレータ５の内部で、上流部２１と下流部２２とが連通部７１により連通しているが、連通部７１の断面積７２が上流部２１や下流部２２の断面積よりも小さいため、連通部７１では、上流部２１および下流部２２と比較して、空気が流れ難い。このため、空気がセパレータ５ｂに供給され、空気入り口穴１１ａから上流部２１に空気が流れたとき、その空気の一部が連通部７１を通過して下流部２２に流れ、残りの空気が迂回するかのように、拡散層４を経由して下流部２２に流れるようになっている。

このように、本実施形態の燃料電池は、拡散層４に空気が流れる構造となっていることから、第１実施形態と同様の効果を有している。また、この燃料電池は、連通部７１を有していることから、第１実施形態の燃料電池と比較して、同じ流量の空気が燃料電池に供給された場合において、空気が拡散層４中を流れるときにおける拡散層４の圧力損失を低減させることができる。この結果、拡散層４中に空気が流れることによる拡散層４の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池は、以下の効果を有している。燃料電池の低出力時は電解質膜１および空気極触媒層３への空気の供給量が少ない状態であり、燃料電池の高出力時は電解質膜１および空気極触媒層３への空気の供給量が多い状態である。したがって、この燃料電池では、低出力時においては、空気の供給量が少ないので、一般の燃料電池と同様に、空気は、主にセパレータ５ｂ内に形成されたガス流路（上流部２１、連通部７１、下流部２２）を流れる。一方、高出力時においては、空気の供給量が多いので、空気は、連通部７１だけでなく、拡散層４内にも流れ込む。

これにより、本実施形態の燃料電池によれば、低出力時では、高出力時と比較して、拡散層４への空気による圧力を低減（拡散層４の圧力損失を低減）でき、高出力時では、拡散層４中へ空気が流れることから、拡散層４中に存在する水分を強制的に排除することができる。

なお、本実施形態では、セパレータ５に連通部７１が形成されているため、第１実施形態と比較して、拡散層４内の空気の流れが弱く、拡散層４内における水分を排除する能力が弱い。このため、燃料電池を用いる環境に応じて、連通部７１の断面積７２や数を調整することが望ましい。拡散層４内における水分を排除する能力を高めたい場合では、例えば、図５に示す燃料電池と比較して、連通部７１の断面積７２を小さくしたり、連通部７１の数を減らしたりすることができる。

また、本実施形態では、連通部７１の溝の深さを上流部２１よりも浅くすることで、連通部７１の断面積７２を小さくしていたが、連通部７１の幅を細くする等の他の方法で、連通部７１の断面積７２を小さくすることもできる。

図６に本実施形態の第２の例におけるセパレータの上流部２１および連通部７１の断面図を示す。この図は、図５（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、Ｃ−Ｃ’線断面図である。

図６のＣ−Ｃ’線断面図に示すように、連通部７１に吸水性ポリマー７６を配置することもできる。

吸水性ポリマー７６として、デンプン系、セルロース系、ポリアクリル酸塩系、 ポリビニルアルコール系などの周知のものを用いることができる。吸水性ポリマー７６は、吸水すると膨張し、１００％吸水した状態では、通気性を有していない。

そこで、吸水性ポリマー７６が１００％吸水した状態のとき、吸水性ポリマー７６が連通溝を塞ぐように、吸水性ポリマー７６を配置する。

これにより、拡散層４に存在する生成水の量が少ないとき（低湿度時）では、連通部７１を流れる水分量が少ないことから、吸水性ポリマー７６の膨張量は少なく、連通部７１は塞がれていないため、連通部７１に空気が流れる。この結果、拡散層４に流れる空気量を少なくすることができ、拡散層４の過度の乾燥を防ぐことができる。

一方、拡散層４に存在する生成水が多い場合では、連通部７１を流れる水分量が多いことから、吸水性ポリマー７６の吸水量が１００％となり、吸水性ポリマー７６が連通部７１を塞ぐ。このため、上流部２１を流れる空気を、連通部７１を通すことなく、拡散層４へ流すことができる。すなわち、生成水量が少ない場合と比較して、より多くの空気が拡散層４を通過する。この結果、拡散層４から効果的に生成水を排出することができる。

以上のようにして、本実施形態の第２の例によっても、拡散層４でのガス拡散が阻害されず、かつ、電解質膜１のイオン導電率が低くなりすぎないように、電解質膜１から拡散層４の間を適度な湿度に保つことができる。

なお、本実施形態の第２の例では、吸水性ポリマー７６を用いる場合を例として説明したが、吸水性ポリマー７６と同様に、吸水することで体積が膨張し、吸水した状態では通気性が無いもしくは通気性が低い材料であれば、他の吸水性材料を用いることもできる。

また、本実施形態の第２の例では、吸水性ポリマー７６のように、吸水した場合に膨張する吸水性材料を用いる場合を例として説明したが、そのような吸水性材料の代わりに、多孔体であって、吸水した場合にその孔が塞がれ、通気性が無くなる、もしくは低下する吸水性材料を用いることもできる。

（他の実施形態）
図７に他の実施形態における燃料電池のセパレータの正面図を示す。なお、図７では、図３（ａ）に示す構成部と同様の構成部には、図３（ａ）と同一の符合を付している。

上記した各実施形態では、セパレータ５の全範囲において、拡散層４内に空気が流れるように、上流部２１、下流部２２が配置された構造を例として説明したが、図７に示すように、セパレータ５の全範囲に限らず、一部に、拡散層４内に空気が流れるように、上流部２１、下流部２２が配置された構造とすることもできる。

すなわち、セパレータ５ｂの構造を、図７に示すように、セパレータ５ｂのうち、上流側（空気入り口穴１１ａ側）の領域８１において、上流部２１が、一般の燃料電池と同様に、一本の蛇行した形状で配置されており、一方、下流側（空気出口穴１１ｂ側）の領域８２において、第１実施形態と同様に、上流部２１、下流部２２が配置された構造とすることもできる。

一般に、セパレータに形成された空気流路が一本の蛇行した形状である場合、水素と酸素との反応により生成した水が空気流路に到達し、この空気流路に沿って水が流れることから、空気流路の下流側（空気出口穴１１ｂ側）に流れる水の量は他の部位よりも多かった。このため、特に、空気流路の下流側では、拡散層４から空気流路に水が排出され難く、空気流路中の水が再度、拡散層４内に移動するため、水が拡散層４内に多く留まっていた。

そこで、本実施形態のように、セパレータ５の下流側の領域８２のみを第１実施形態と同様の構造とすることでも、このような問題を解決することができる。

なお、上記した各実施形態では、触媒層が電極としても機能する燃料極触媒層２および空気極触媒層３を用いる場合を例として説明したが、これらの代わりに電極と触媒層とが別々に形成されているものを用いることもできる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態における燃料電池スタックの斜視図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックにおける単セルの構成を示す図である。 図１（ｂ）中の単セルを、破線で示す面Ａで切断したときの単セルの断面を矢印方向で見たときの断面図である。 （ａ）は、従来および第１実施形態のセパレータ５の正面図であり、（ｂ）は第１実施形態におけるスリットを有する板部６の正面図である。 本発明の第２実施形態における燃料電池の単セルの断面図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態の第１の例における燃料電池のセパレータの正面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のセパレータのＢ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第３実施形態の第２の例における燃料電池のセパレータのＢ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。 本発明の他の実施形態における燃料電池のセパレータの正面図である。 従来における燃料電池の単セルの断面図である。

符号の説明

１…電解質膜、２…燃料極触媒層、３…空気極触媒層、４…拡散層、５…セパレータ、
６…スリットを有する板部、６ａ、６ｂ…スリット、
２１…上流部、２２…下流部、７１…連通部、７６…吸水性ポリマー。

Claims (10)

1. 両面に燃料極（２）と空気極（３）とが配置された電解質膜（１）と、前記電解質膜の外側に配置された拡散層（４）と、反応ガスの供給通路となるガス流路溝が前記拡散層側の面に形成されており、前記拡散層の外側であって、前記空気極側と前記燃料極側の両側に配置されたセパレータ（５、５ａ、５ｂ）とを備え、
   前記空気極側のセパレータ（５ｂ）は、前記反応ガスが供給されるガス入り口（１１ａ）と、前記ガス入り口と連通している第１のガス流路溝（２１）と、前記反応ガスが排出されるガス出口（１１ｂ）と、前記ガス出口と連通している第２のガス流路溝（２２）とを有し、前記ガス入り口から前記第１のガス流路溝に導入された前記反応ガスが、前記第１のガス流路溝から前記拡散層を経由して、前記第２のガス流路溝に流れる構造となっている燃料電池において、
   前記拡散層における前記空気極側のセパレータに接する面（４ｃ）のうち、前記第１のガス流路から供給される前記反応ガスと接する部分の幅（３３）が、前記第１のガス流路溝における前記拡散層に最も近い部分から離れた部分の幅（３２）と比較して、小さいことを特徴とする燃料電池。
2. 前記空気極側のセパレータと前記拡散層との間に、前記第１のガス流路溝に対向する部位に前記第１のガス流路溝の幅よりも開口幅が狭いスリット（６ａ）を有する板部（６）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記板部（６）は、導電性を有する多孔質材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記第１のガス流路溝における前記反応ガスが流れる方向に対して垂直な方向での断面形状は、溝の幅が、前記拡散層に近づくにつれ、徐々に狭くなっている形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記セパレータは、前記ガス流路溝が形成された面（１０）が重力方向と平行であって、前記第２のガス流路溝におけるガスの流通方向が、重力方向に対して垂直もしくはガスの流れ方向に向かって低くなるように配置されており、
   前記第２の流路溝は、前記反応ガスの反応により生じた水が、前記拡散層に接することなく、前記第２の流路溝の下側部分を流れる形状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池。
6. 前記第２のガス流路溝は、前記セパレータの表面（１０）に対して平行な底面（２３）と、前記底面の両隣であって、重力方向下側に位置する第１の側面（２４）と、重力方向上側に位置する第２の側面（２５）とにより構成されており、
   前記第２のガス流路溝の幅よりも開口幅が狭く、前記第１のガス流路溝に対向する部位であって、前記第２のガス流路溝の最も低い部分（２４）よりも高い位置に存在するスリット（６ｂ）を有する板部（６）が、前記空気極側のセパレータと前記拡散層との間に、配置されており、前記底面と、前記第１の側面と、前記板部とに囲まれた領域（５６）に前記水が流れることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記第２のガス流路溝における前記反応ガスが流れる方向に対して垂直な方向での断面形状は、溝の幅が、前記拡散層に近づくにつれ、徐々に狭くなっており、前記第２のガス流路溝の開口部（６２）が、前記第２のガス流路溝の最も低い部分よりも高いところに位置する形状であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
8. 前記空気極側のセパレータ（５ｂ）は、前記第１のガス流路溝と前記第２のガス流路溝とを連通させ、前記第１、第２のガス流路溝よりも断面積が小さな連通溝（７１）を備えていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池。
9. 前記連通溝（７１）に、水を吸った状態のときに、前記連通溝（７１）を塞ぐように、吸水性材料を配置したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記燃料極側のセパレータ（５ａ）は、前記空気極側のセパレータと同じ構造であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池。

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