JP2007328975A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス流路内に滞留する水によるガス閉塞の発生を抑制する。
【解決手段】ガス流路形成部は、複数の反応ガス排出連通孔の開口に対応する複数の反応ガス排出部位のうち、一部の反応ガス排出部位を含む反応ガス流路閉塞抑制部位を備える。前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記ガス流路形成部の前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位よりも撥水性が高くなるように形成されている。
【選択図】図７

Description

この発明は、燃料電池において、導電性多孔部材によって構成される反応ガス流路内に滞留する水によるガス閉塞の発生を抑制する技術に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池は、一般に、電解質膜と電解質膜上に設けられた電極（酸素極および水素極。酸素極を以下では、カソードと呼び、水素極を以下では、アノードと呼ぶ。）と、を備える単セルを、セパレータにより挟持することにより構成される。そして、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の電極に対しての給排は、例えば、単セルを挟持するセパレータに設けられた貫通孔を介して行うことが提案されている（特許文献１参照）。

ところで、燃料電池では、水素と酸素の電気化学反応によって、水が生成される。この生成水は、上記燃料電池の場合、貫通孔を介して排出される反応ガスとともに外部に排出される。しかし、この貫通孔は、例えば、低温時における水の凍結により閉塞する場合がある。貫通孔が閉塞すると、反応ガスの排出が妨げられ、結果として、燃料電池の発電能力が低下し、さらには、発電停止となる可能性がある。なお、以下では、反応ガスの流れが妨げられることを、簡単に「ガス閉塞」とも呼ぶ。

特に、電解質膜上に設けられた電極に対して反応ガスを給排すると共に、ガス拡散性あるいは集電性を確保するために、電極とセパレータとの間に、多孔質な導電性部材から成る層（以下では、ガス流路形成部とも呼ぶ。）が反応ガス流路として配設される場合には、多孔質な部材の気孔に滞留する生成水が多くなるため、低温時における凍結により、貫通孔が閉塞する可能性がより高くなり、ガス閉塞が発生する可能性が高くなる。

特開２００１−１４８２５２号公報

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、導電性多孔質部材によって構成される反応ガス流路内に滞留する水によるガス閉塞の発生を抑制する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜と前記電解質膜上に形成された電極とを備える膜電極接合体と、
導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、
前記ガス流路形成部上に積層して配置されるセパレータと、
前記膜電極接合体と前記ガス流路形成部と前記セパレータの積層方向に沿って形成される反応ガス排出マニホールドと、
を備え、
前記セパレータは、
前記反応ガス流路から前記反応ガス排出マニホールドへ前記反応ガスを排出するために、前記ガス流路形成部に当接する面に開口を有し、前記反応ガス排出マニホールドに連通するための複数の反応ガス排出連通孔を備え、
前記ガス流路形成部は、前記複数の反応ガス排出連通孔の開口に対応する複数の反応ガス排出部位のうち、一部の反応ガス排出部位を含む反応ガス流路閉塞抑制部位を備え、
前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記ガス流路形成部の前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位よりも撥水性が高くなるように形成されている、
ことを特徴とする。

上記構成の燃料電池によれば、電気化学反応による生成水が、反応ガス流路閉塞抑制部位に含まれる一部の反応ガス排出部位へ移動するのを抑制し、さらに、この一部の反応ガス排出部位に対応する開口を有する反応ガス排出連通孔へ移動することを抑制することができる。これによって、例えば、低温時において、生成水が凍結しても、生成水の移動が抑制された一部の反応ガス排出部位およびこの一部の反応ガス排出部位に対応する開口を有する反応ガス排出連通孔の閉塞を抑制することができ、ガス閉塞の発生を抑制することができる。
る。

上記燃料電池において、さらに、
前記積層方向に沿って形成される反応ガス供給マニホールドを備え、
前記セパレータは、さらに、
前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス流路へ前記反応ガスを供給するために、前記ガス流路形成部に当接する面に開口を有し、前記反応ガス供給マニホールドに連通するための複数の反応ガス供給連通孔を備え、
前記ガス流路形成部の前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記複数の反応ガス供給連通孔の開口に対応する複数の反応ガス供給部位のうち、一部の反応ガス供給部位と、前記一部の反応ガス排出部位との間を結ぶ前記反応ガス流路の全体に渡って連続するように形成されている構成としてもよい。

このような構成とすれば、反応ガス流路閉塞抑制部位に含まれる、一部の反応ガス供給部位と一部の反応ガス供給部位との間を結ぶ反応ガス流路に、電気化学反応による生成水が滞留するのを抑制することができる。これにより、例えば、生成水が凍結する低温時においても、上記反応ガス流路閉塞抑制部位に含まれる反応ガス流路の閉塞を抑制することができる。

なお、上記燃料電池において、
前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位に比べて、固体表面における水滴の接触角が大きくなるように撥水化処理がなされているようにしてもよく、あるいは、前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位は、前記反応ガス流路閉塞抑制部位に比べて固体表面における水滴の接触角が小さくなるように親水化処理がなされているようにしてもよい。

いずれのようにしても、前記反応ガス流路閉塞抑制部位が、前記ガス流路形成部の前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位よりも撥水性が高くなるようにすることが容易に可能である。

また、上記燃料電池において、前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位に比べて、固体表面における水滴の接触角が大きくなるように撥水化処理がなされているようにし、かつ、前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位は、前記反応ガス流路閉塞抑制部位に比べて固体表面における水滴の接触角が小さくなるように親水化処理がなされているようにしてもよい。

このようにすれば、生成水は、反応ガス流路閉塞抑制部位以外の親水化処理がなされた部位に移動しやすくなり、撥水化処理がなされたガス流路閉塞抑制部への移動の抑制効果を高めることが可能である。また、親水化処理がなされた部位による生成水の排出を促進することも可能である。

なお、前記反応ガス流路閉塞抑制部位の固体表面における水滴の接触角は９０度以上であることが好ましい。

このようにすれば、高い撥水性が得られるので、反応ガス流路閉塞抑制部位への水の移動の抑制効果を高めることが可能である。

本発明は、種々の態様で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池や、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを備える発電装置、その燃料電池システムを備える電気自動車等の態様で実現することが可能である。

以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
Ａ３．酸化ガス流路形成部の構成：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、スタック１１０と、エンドプレート３００と、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０と、ターミナル３４０とを備えている。スタック１１０は、モジュール２００が、設置面に対して垂直に複数個積層されて構成される。また、スタック１１０は、インシュレータ３３０およびターミナル３４０を挟んで、２枚のエンドプレート３００によって挟持される。そして、燃料電池１００は、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、スタック１１０（各モジュール２００）を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。なお、設置面は、鉛直方向に垂直な方向（水平方向）に沿った面（水平面）である。

燃料電池１００のカソード（図１には示さず）には、酸化ガス（カソードガス）が供給され、電気化学反応後、酸化排ガスとして燃料電池１００外に排出される。燃料電池１００のアノード（図１には示さず）には、燃料ガス（アノードガス）が供給され、電気化学反応後、燃料排ガスとして燃料電池１００外に排出される。また、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）が供給される。

Ａ２．燃料電池モジュールの構成：
図２は、燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を示す断面模式図である。モジュール２００は、図２に示すように、単セル１０とセパレータ３０とを交互に積層して構成される。なお、以下では、単セル１０とセパレータ３０とを積層する方向（ｘ方向）を積層方向とも呼び、単セル１０のセパレータ３０を積層する面に平行な方向（ｙ方向）を面方向とも呼ぶ。また、図２では、面方向は鉛直方向となっており、面方向下向きが重力方向となっている。

単セル１０は、ＭＥＡ（膜電極接合体、Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２と、ＭＥＡ１２の外側に配設されたガス流路形成部１４，１５と、シール部１６と、を備える。ここで、ＭＥＡ１２は、電解質膜２０と、電解質膜２０を間に挟んでその表面に形成された触媒電極であるカソード２２およびアノード２４と、上記触媒電極のさらに外側に配設されたガス拡散層２６，２８と、を備えている。

電解質膜２０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。ガス拡散層２６，２８は、例えばカーボン製の多孔質部材である。なお、ガス拡散層は、触媒電極に対するガス供給効率を向上させるとともに、ガス流路形成部と触媒電極との間の集電性を高め、電解質膜を保護する働きを有するが、ガス流路形成部の構成材料やガス流路形成部の気孔率によっては、ガス拡散層を設けないこととしてもよい。

ガス流路形成部１４，１５は、発砲金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成されており、本実施例では、チタン（Ｔｉ）製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部１４，１５は、ＭＥＡ１２とセパレータ３０との間に形成される空間全体を占めるように配設されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガス（反応ガス、すなわち、燃料ガスまたは酸化ガス）が通過する単セル内ガス流路として機能する。記述したガス拡散層においても、内部に形成される空間をガスが通過するが、本実施例では、ガス流路形成部１４，１５は、単セル１０に供給されたガスが通過する主たる空間を形成する。この場合、特に、ガス流路形成部１５を酸化ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部１４内に形成される単セル内ガス流路を酸化ガス流路とも呼ぶ。また、ガス流路形成部１５を燃料ガス流路形成部とも呼び、ガス流路形成部１５内に形成される単セル内ガス流路を燃料ガス流路とも呼ぶ。なお、本実施例の燃料電池１００は、このガス流路形成部１４の構造に特徴を有しているが、その詳細は後で詳述する。

シール部１６は、隣り合うセパレータ３０間であって、ＭＥＡ１２およびガス流路形成部１４，１５の外周部に設けられている。このシール部１６は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性ゴム材料によって形成されると共に、ＭＥＡ１２およびと一体で形成されている。

図３は、ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部１６は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部と、中央部に設けられてＭＥＡが組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図３の平面図には表わしていないが、シール部１６は実際には図２に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するセパレータ３０と接触する。シール部１６とセパレータ３０との接触位置（図２において一点鎖線で示す）を、図３の平面図においてシールラインＳＬとして示している。シール部１６は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池１００内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シールラインＳＬを形成する。なお、図３では、シール部１６と一体化されたＭＥＡにおける外部に露出している部分（以下では、「集電領域」と呼ぶ。）を、ハッチを付して示している。また、図３では、シール部１６内部に埋め込まれているＭＥＡ１２の外周線を、破線で示している。なお、図３では図示を省略するが、ガス流路形成部１４，１５は上記集電領域と略同一形状に形成されており、集電領域においてシール部１６に嵌め込まれている。

セパレータ３０は、３枚のプレートから形成され、いわゆる、三層積層セパレータとなっている。セパレータ３０は、図２に示すように、ガス流路形成部１４と接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部１５と接するアノード側プレート３２と、カソード側プレート３１およびアノード側プレート３２に挟持される中間プレート３３と、を備えている。これら３枚のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材であり、図２に示すように、カソード側プレート３１、中間プレート３３、アノード側プレート３２の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら３種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。

図４は、カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。図５は、アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。図６は、中間プレート３３の形状を示す説明図である。

カソード側プレート３１（図４）およびアノード側プレート３２（図５）は、同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、スタック１１０を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。穴部４０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セル１０に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ_２ inと表わす）、穴部４１は、各単セル１０から排出されて集合した酸化排ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｏ_２ outと表わす）。また、穴部４２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セル１０に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ_２ inと表わす）、穴部４３は、各単セル１０から排出されて集合した燃料排ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、Ｈ_２ outと表わす）。さらに、穴部４４は、燃料電池１００に供給された冷却媒体を各セパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、水 inと表わす）、穴部４５は、各セパレータ３０から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図中、水 outと表わす）。なお、中間プレート３３（図６）は、上記した穴部のうち、穴部４０，４１，４２，４３を備えており、また、後述する複数の冷媒孔５８が、穴部４４，４５に対応する位置に重なるように設けられている。

また、カソード側プレート３１は、図４に示すように、穴部４０の近傍に穴部４０に平行に配列する複数の穴部である連通孔５０を、穴部４１の近傍に穴部４１に平行に配列する複数の連通孔５１を、それぞれ備えている。アノード側プレート３２は、図６に示すように、穴部４２の近傍に、穴部４２に平行に配列する複数の穴部である連通孔５２を、穴部４３の近傍に穴部４３に平行に配列する複数の連通孔５３を、それぞれ備えている。中間プレート３３においては、図６に示すように、穴部４０の形状が他のプレートとは異なっており、突出する複数の突出部（以下では、連通部５４と呼ぶ。）を備える形状となっている。この連通部５４は、中間プレート３３とカソード側プレート３１とが積層されたときに連通孔５０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔５０とが連通するように、各連通孔５０に対応して設けられている。中間プレート３３では、他の穴部４１，４２，４３においても同様に、連通孔５１，５２，５３に対応して、複数の連通部５５，５６，５７がそれぞれ設けられている。

図２に示すように、燃料電池１００（モジュール２００）の内部において、各プレートの穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート３３の連通部５４が形成する空間およびカソード側プレート３１の連通孔５０を介して、ガス流路形成部１４内に形成される酸化ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から第１ガス拡散層２６を介してカソード２２に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５が形成する空間を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。同様に、燃料電池の内部において、穴部４２が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、中間プレート３３の連通部５６が形成する空間およびアノード側プレート３２の連通孔５２を介して、ガス流路形成部１５内に形成される燃料ガス流路へと流入し、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から第１ガス拡散層２８を介してアノード２４に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から、アノード側プレート３２の連通孔５３および中間プレート３３の連通部５７が形成する空間を介して、穴部４３が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

なお、連通孔５１，５３は、請求項における反応ガス排出連通孔に相当し、連通孔５０，５２は、請求項における反応ガス供給連通孔に相当する。

また、カソード２２（図２）では、電気化学反応により水が生成される。この生成水は、ガス流路形成部１４の毛管吸引力により酸化ガス流路（ガス流路形成部１４）中に拡散し、通過する酸化ガスに押し出されて連通孔５１を介して酸化ガス排出マニホールドを形成する穴部４１へ排出される。さらに、アノード２４（図２）においても、カソード２２側から電解質膜２０を透過してくるなどして水が生じ、同様に、燃料ガスとともに、連通孔５３（図５）を介して燃料ガス排出マニホールドを形成する穴部４３へ排出される。

図３ないし図６においてＡ−Ａ断面の位置を示しているが、このＡ−Ａ断面の位置は、図２に示した断面図に相当する位置を表わしている。図２に示すように、Ａ−Ａ断面では、穴部４０が形成する酸化ガス供給マニホールドから、中間プレート３３の連通部５４およびカソード側プレート３１の連通孔５０により形成される酸化ガス供給連通部を介して、ガス流路形成部１４内へと酸化ガスが供給される様子が表わされる。さらに、Ａ−Ａ断面では、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１の連通孔５１および中間プレート３３の連通部５５を介して、穴部４１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが排出される様子が表わされる。

なお、中間プレート３３（図６）は、集電領域を含む領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔５８を備えている。これらの冷媒孔５８の端部は、中間プレート３３を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部４４，４５と重なり合い、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をセパレータ３０内で形成する。すなわち、燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、上記冷媒孔５８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路から排出される冷媒は、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。

Ａ３．酸化ガス流路形成部の構成：
図７は、酸化ガス流路としてのガス流路形成部１４の構成を示す説明図である。図７（ａ）は、ガス流路形成部１４をカソード側プレート３１側からみた概略側面図を表しており、図７（ｂ）は、鉛直上方向（ｙ方向）にみた概略平面図を表している。図７には、酸化ガス供給連通孔に相当する連通孔５０の開口に対応する部位１４Ｓ（以下、「酸化ガス供給部位」と呼ぶ。）および酸化ガス排出連通孔に相当する連通孔５１の開口に対応する部位１４Ｄ（以下、「酸化ガス排出部位」と呼ぶ。）が破線で示されている。

図７に示すように、ガス流路形成部１４は、面方向の一端（図では鉛直方向の下端）に配列する複数の酸化ガス排出部位１４Ｄと、複数の酸化ガス排出部位１４Ｄに対向して面方向の他端（図では鉛直方向の上端）に配列する複数の酸化ガス供給部位１４Ｓと、を結ぶ酸化ガス流路の全体に渡って、固体表面（気孔表面を含む）における水滴の接触角が高くなるように（例えば接触角が９０度以上となるように）撥水化処理が施された撥水化処理部位１４ａと、接触角が低くなるように（例えば接触角が４５度以下となるように）親水化処理を施した親水化処理部位１４ｂと、を備えている。なお、以下では、撥水化処理部位１４ａに含まれる酸化ガス排出部位１４Ｄおよび酸化ガス供給部位１４Ｓと、親水化処理部位１４ｂに含まれる酸化ガス排出部位１４Ｄおよび酸化ガス供給部位１４Ｓと、特に区別する場合には、撥水化処理部位１４ａ中の酸化ガス排出部位および酸化ガス供給部位の符号の末尾に（ａ）を付し、親水化処理部位１４ｂ中の酸化ガス排出部位および酸化ガス供給部位の符号の末尾に（ｂ）を付して説明することとする。

撥水化処理部位１４ａは、テフロン（登録商標）などの撥水化処理部材を、面方向に沿った酸化ガス流路に塗工することにより形成することができる。このとき、接触角が９０度以上となるような撥水化処理をすれば、非常に高い撥水性を有することができる。また、親水化処理部位１４ｂは、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２などの親水化水化処理部材を、面方向に沿った酸化ガス流路に塗工することにより形成することができる。このとき、接触角が４５度以下となるように親水化処理をすれば、非常に高い親水性を有することができる。なお、撥水化処理および親水化処理後、塗工表面を粗し処理することにより、撥水化処理部位における接触角を大きくして撥水化処理効果を高め、親水化処理部位における接触角を小さくして親水化処理効果を高めることができる。

ここで、上述したように、ガス流路形成部１４の毛管吸引力により酸化ガス流路(ガス流路形成部１４)中に拡散した水の一部は、排出されずにガス流路形成部１４内に保持される。

そして、図７に示すように、連通孔５１（酸化ガス排出連通孔）に対応する酸化ガス排出部位１４Ｄが、鉛直方向の下端にある場合には、燃料電池の運転停止後において、ガス流路形成部１４内に保持されて滞留する水は鉛直下方向に移動して、ガス流路形成部１４の鉛直方向の下端にある酸化ガス排出部位１４Ｄ付近や連通孔５１の開口付近で、低温時に凍結する可能性があり、連通孔５１が閉塞する可能性がある。酸化ガス排出部位１４Ｄ付近や連通孔５１の開口付近が凍結して連通孔５１が閉塞すると、結果として、酸化ガスのガス閉塞を招くことになる。

しかしながら、撥水化処理部位１４ａ中の酸化ガス流路には水の滞留が抑制されるので、燃料電池の運転停止後において、撥水化処理部位１４ａ中の酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）付近に移動する水の量を抑制することができる。これにより、撥水化処理部位１４ａ中の酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）付近やこの酸化ガス排出部位に対応する連通孔５１の開口付近における低温時の凍結を抑制することができる。この結果、燃料電池の運転停止後における低温時凍結により発生する酸化ガスのガス閉塞を抑制することができる。

また、撥水化処理部位１４ａは、酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）と酸化ガス供給部位１４Ｓ（ａ）とを結ぶ酸化ガス流路の全体に渡って形成されているので、撥水化処理部位１４ａに含まれている酸化ガス流路の低温時凍結を抑制することができ、低温凍結時の燃料電池の起動における酸化ガス流路を確保することが可能となる。この結果、燃料電池の運転停止後における低温時凍結により発生する酸化ガスのガス閉塞を抑制することができる。

ところで、親水化処理部位１４ｂは親水化処理が施されているので、親水化処理部位１４ｂ中への水の移動を促進する。これにより、親水化処理部位１４ｂに含まれる酸化ガス排出部位１４Ｄ（ｂ）に対応する連通孔５１を介して酸化ガス排出マニホールドへの水の排出を促進することができるとともに、撥水化処理部位１４ａへの水の移動の抑制効果をさらに高めることが可能である。

なお、親水化処理部位１４ｂのカソード２２側の表面については撥水化処理がなされているようにしてもよい。このようにすれば、カソード２２で生成された水がガス流路形成部１４へ移動した後、カソード２２側へ逆戻りすることを抑制することができる。

以上のように、本実施例の燃料電池１００では、ガス流路形成部１４は、面方向の一端に配列する複数の酸化ガス排出部位１４Ｄと、複数の酸化ガス排出部位１４Ｄに対向して面方向の他端に配列する複数の酸化ガス供給部位１４Ｓと、を結ぶ酸化ガス流路について、撥水化処理が施された撥水化処理部位１４ａと、親水化処理を施した親水化処理部位１４ｂと、を備えている。このようにすれば、ガス流路形成部１４中において、撥水化処理部位１４ａ中の酸化ガス流路の水の滞留を抑制することが可能となる。これにより、酸化ガス流路に滞留した水が低温時において凍結して、酸化ガス流路が閉塞することを抑制することが可能となる。

なお、ガス流路形成部１４の撥水化処理部位１４ａが、請求項における反応ガス流路閉塞抑制部位に相当する。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態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て実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
図８は、ガス流路形成部１４の変形例を説明するための模式図である。

上記実施例のガス流路形成部１４における撥水化処理部位１４ａは、図７に示すように、一部の酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）と、この一部の酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）に対向する酸化ガス供給部位１４Ｓ（ａ）と、を結ぶ酸化ガス流路の全体に渡って撥水化処理を施すことにより形成されている場合を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、酸化ガス排出部位から酸化ガス供給部位までのガス流路のうちの、酸化ガス排出部位を少なくとも含む一部分を撥水化処理部位１４ａとするようにしてもよい。このようにしても、撥水化処理部位１４ａ中の水の滞留を抑制することにより、少なくとも、撥水化処理部位１４ａ中の酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）付近やこの酸化ガス排出部位１４Ｄ（ａ）に対応する連通孔の開口付近における低温時の凍結を抑制することができ、結果として、燃料電池の運転停止後において、低温時凍結により発生する酸化ガス流路の閉塞を抑制することができる。

ただし、ガス流路形成部１４に滞留する水は、燃料電池の運転停止後、鉛直下方向に移動し、通常、ガス流路形成部１４の高さの下から１／３〜１／２の高さまでの部分に保持される場合が多い。そこで、撥水化処理部位１４ａを、酸化ガス排出部位から酸化ガス供給部位までのガス流路のうちの、酸化ガス排出部位を含む部分に形成する場合には、ガス流路形成部１４の下端から１／３〜１／２の高さの部分とすれば効果的である。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例や変形例１のガス流路形成部の構成は、離れた複数の酸化ガス排出部位をそれぞれ１つずつ含む複数の撥水化処理部位１４ａを備える場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、隣接する複数の酸化ガス排出部位を含む一つの撥水化処理部位を備える構成としてもよい。また、隣接する複数の酸化ガス排出部位を含む撥水化処理部位を複数備える構成としてもよく、この場合、各撥水化処理部位に含まれる複数の酸化ガス排出部位の数は、それぞれ同じでもよいし異なっていてもよい。また、１つの酸化ガス排出部位を含む撥水化処理部位と複数の酸化ガス排出部位を含む撥水化処理部位とを組み合わせて備えるようにしてもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例において、ガス流路形成部１４は、反応ガス流路閉塞抑制部位として、撥水化処理した撥水化処理部位１４ａを備え、反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位として、親水化処理した親水化処理部位１４ｂを備える構成を例に説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、ガス流路形成部１４の親水化処理部位１４ｂに対応する部位について親水化処理を行わず、撥水化処理部位１４ａに対応する部位のみを撥水化処理した構成としてもよい。また、ガス流路形成部１４の撥水化処理部位１４ａに対応する部位について撥水化処理を行わず、親水化処理部位１４ｂに対応する部位のみを親水化処理した構成としてもよい。要するに、反応ガス流路閉塞抑制部位の撥水性が、反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位の撥水性に比べて高くなるように、構成されていればよい。

なお、反応ガス流路閉塞抑制部位の撥水性は接触角が９０度未満の状態であってもよいが、反応ガス流路閉塞抑制部位への水の移動を抑制して、滞留を抑制するためには、実施例のように接触角が９０度以上の高い撥水性を有する状態とした方が望ましい。また、実施例の反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位の撥水性は接触角が９０度未満でより小さくなる状態、すなわち、実施例のように、高い親水性（例えば、接触角が４５度以下）を有する状態としたほうが望ましい。このように、反応ガス流路閉塞抑制部位は接触角が大きく高い撥水性を有することにし、反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位は接触角が小さく高い親水性を有するようにすれば、燃料電池の運転時における水の排出を促進して、酸化ガス流路の閉塞を抑制することができるとともに、運転停止時における一部の酸化ガス流路に滞留する水を抑制して、低温凍結によるガス流路の閉塞を抑制することができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、酸化ガス流路をなすガス流路形成部１４を例に説明しているが、燃料ガス流路をなすガス流路形成部１５も、同様の構成とすることにより、ガス流路形成部１５に滞留する水による燃料ガスの閉塞を抑制することができる。

実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。 燃料電池１００を構成するモジュール２００の概略構成を表す断面模式図である。 ＭＥＡと一体形成されたシール部１６の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す説明図である。 アノード側プレート３２の形状を示す説明図である。 中間プレート３３の形状を示す説明図である。 ガス流路形成部１４の構成を示す説明図である。 ガス流路形成部１４の変形例を説明するための模式図である。

符号の説明

１０...単セル
１４...ガス流路形成部
１４ａ...撥水化処理部
１４ｂ...親水化処理部
１４Ｓ...酸化ガス供給部位
１４Ｄ...酸化ガス排出部位
１５...ガス流路形成部
１６...シール部
２０...電解質膜
２２...カソード
２４...アノード
２６...ガス拡散層
２８...ガス拡散層
３０...セパレータ
３１...カソード側プレート
３２...アノード側プレート
３３...中間プレート
１００...燃料電池
１１０...スタック
２００...モジュール
３００...エンドプレート
３１０...テンションプレート
３２０...ボルト
３３０...インシュレータ
３４０...ターミナル

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜と前記電解質膜上に形成された電極とを備える膜電極接合体と、
   導電性多孔質部材によって形成されるとともに、前記膜電極接合体上に積層して配置され、電気化学反応に供される反応ガスを前記電極に供給するための反応ガス流路を構成するガス流路形成部と、
   前記ガス流路形成部上に積層して配置されるセパレータと、
   前記膜電極接合体と前記ガス流路形成部と前記セパレータの積層方向に沿って形成される反応ガス排出マニホールドと、
   を備え、
   前記セパレータは、
   前記反応ガス流路から前記反応ガス排出マニホールドへ前記反応ガスを排出するために、前記ガス流路形成部に当接する面に開口を有し、前記反応ガス排出マニホールドに連通するための複数の反応ガス排出連通孔を備え、
   前記ガス流路形成部は、前記複数の反応ガス排出連通孔の開口に対応する複数の反応ガス排出部位のうち、一部の反応ガス排出部位を含む反応ガス流路閉塞抑制部位を備え、
   前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記ガス流路形成部の前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位よりも撥水性が高くなるように形成されている、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、さらに、
   前記積層方向に沿って形成される反応ガス供給マニホールドを備え、
   前記セパレータは、さらに、
   前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス流路へ前記反応ガスを供給するために、前記ガス流路形成部に当接する面に開口を有し、前記反応ガス供給マニホールドに連通するための複数の反応ガス供給連通孔を備え、
   前記ガス流路形成部の前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記複数の反応ガス供給連通孔の開口に対応する複数の反応ガス供給部位のうち、一部の反応ガス供給部位と、前記一部の反応ガス排出部位との間を結ぶ前記反応ガス流路の全体に渡って連続するように形成されている、
   燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
   前記反応ガス流路閉塞抑制部位は、前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位に比べて、固体表面における水滴の接触角が大きくなるように撥水化処理がなされている、
   燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記反応ガス流路閉塞抑制部位の前記接触角は９０度以上である、
   燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記反応ガス流路閉塞抑制部位を除く部位は、前記反応ガス流路閉塞抑制部位に比べて固体表面における水滴の接触角が小さくなるように親水化処理がなされている、
   燃料電池。

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