JP2008152979A - 燃料電池セル及び燃料電池積層体 - Google Patents

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Abstract

【課題】入口側又は出口側反応ガスマニホールドに水分が滞留することを抑制することができる燃料電池セル、及び燃料電池積層体を提供する。
【解決手段】反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口部に連通する入口側反応ガスマニホールド５６ａ、５６ｂと、前記反応ガス流路の出口部に連通する出口側反応ガスマニホールド５８ａ，５８ｂとを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面のうち少なくともいずれか１つの下面６８ａ，６８ｂ、７０ａ，７０ｂが、前記反応ガス流路側に傾斜している。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池積層体に関するものであり、特に、燃料電池セル及び燃料電池積層体に使用される燃料電池用セパレータの技術に関する。
一般的に燃料電池セルは、電解質膜と、一対の電極（アノード極及びカソード極）と、電極を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。
図１は、一般的な燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池セル１は、電解質膜を挟持するようにアノード極及びカソード極を設けた膜−電極アッセンブリ１０と、膜−電極アッセンブリ１０の両外側を挟持する拡散層１１、樹脂フレーム１３を介して挟持する燃料電池用セパレータとしてのアノード極側セパレータ１２及びカソード極側セパレータ１４と、燃料電池セル同士をシールするガスケット１６とを備える。アノード極側セパレータ１２及びカソード極側セパレータ１４の膜−電極アッセンブリ１０側の空洞部はそれぞれ、反応ガス流路としてのアノードガス流路１８ａ及びカソードガス流路１８ｂとなっている。また、アノード極側セパレータ１２及びカソード極側セパレータ１４の膜−電極アッセンブリ１０と反対側の空洞部は、冷却水等の冷媒を供給するための冷媒流路となっている。
図２（イ）は、図１に示す燃料電池セル１に使用されるアノード極側セパレータ１２の上面模式図であり、図２（ロ）は、図１に示す燃料電池セル１に使用されるカソード極側セパレータ１４の上面模式図である。図２（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ１２及びカソード極側セパレータ１４はそれぞれ、反応ガス流路としてのアノードガス流路１８ａ又はカソードガス流路１８ｂと、入口側反応ガスマニホールドとしての入口側アノードガスマニホールド２０ａ及び入口側カソードガスマニホールド２０ｂと、出口側反応ガスマニホールドとしての出口側アノードガスマニホールド２２ａ及び出口側カソードガスマニホールド２２ｂとを備える。さらに、アノード極側セパレータ１２は、アノードガス流路１８ａの入口部２４ａと入口側アノードガスマニホールド２０ａとを連通する入口側連通路２６ａと、アノードガス流路１８ａの出口部２８ａと出口側アノードガスマニホールド２２ａとを連通する出口側連通路３０ａとを備える。同様に、カソード極側セパレータ１４は、カソードガス流路１８ｂの入口部２４ｂと入口側カソードガスマニホールド２０ｂとを連通する入口側連通路２６ｂと、カソードガス流路１８ｂの出口部２８ｂと出口側カソードガスマニホールド２２ｂとを連通する出口側連通路３０ｂとを備える。
上記でも説明したように、燃料電池セルの発電時には、水分が生成する。生成した水分は、アノード極側セパレータ１２又はカソード極側燃料電池セパレータ１４から燃料電池セル系外へ排水される。以下、具体的に、カソード極側セパレータ１４から排水される水分の流れを例として説明する。
発電時に生成した水分は、図２（ロ）に示すカソードガス流路１８ｂを通り、入口側連通路２６ｂ又は出口側連通路３０ｂを経由して、入口側カソードガスマニホールド２０ｂ又は出口側カソードガスマニホールド２２ｂから燃料電池セルの系外へ排水される。燃料電池セルの発電停止後は、燃料電池セルの発電時に生成した水分が、全て燃料電池セルの系外へ排水されずに、入口側カソードガスマニホールド２０ｂ又は出口側カソードガスマニホールド２２ｂに滞留する場合がある。同様に、入口側アノードガスマニホールド２０ａ又は出口側アノードガスマニホールド２２ａにもカソード側から膜−電極アッセンブリ１０をアノード側に移動した水分が滞留する場合がある。
さらに、図１に示すように、ガスケット１６によって、燃料電池セル同士をシールする場合には、空間部３２が形成される。図２（ロ）に示す入口側カソードガスマニホールド２０ｂ又は出口側カソードガスマニホールド２２ｂに滞留した水分は、入口側カソードガスマニホールド２０ｂ又は出口側カソードガスマニホールド２２ｂから流れ出し、空間部３２に溜まる場合がある（入口側アノードガスマニホールド２０ａ又は出口側アノードガスマニホールド２２ａの場合も同様）。
このように、入口側反応ガスマニホールド（入口側アノードガスマニホールド２０ａ及び入口側カソードガスマニホールド２０ｂ）、出口側反応ガスマニホールド（出口側アノードガスマニホールド２２ａ又は出口側カソードガスマニホールド２２ｂ）、又は空間部３２に水分が滞留すると、その水分によって、入口側反応ガスマニホールド又は出口側反応ガスマニホールド付近にある部材（ガスケット１６等）が腐食する場合がある。
さらに、氷点下環境下では、入口側反応ガスマニホールド、出口側反応ガスマニホールド、又は空間部３２に滞留した水分が凍結し、凍結した水分の体積が膨張することによって、燃料電池セル間をシールするガスケット１６のシール性を低下させる場合がある。
例えば、特許文献１，２には、入口側反応ガスマニホールド又は出口側反応ガスマニホールドに滞留した水分を排水させるために、入口側反応ガスマニホールド又は出口側反応ガスマニホールド内に排水用溝部又は吸水部材を設けた燃料電池セルが提案されている。
また、例えば、特許文献３，４には、入口側反応ガスマニホールド又は出口側反応ガスマニホールドに滞留した水分が、反応ガス流路内に逆流しないようにするために、連通路の下面の位置より、入口側反応ガスマニホールド及び出口側反応ガスマニホールドの下面の位置を低くした燃料電池セルが提案されている。
また、例えば、特許文献５には、連通路に水分が滞留しないようにするために、反応ガス流路の出口側の連通路を出口側反応ガスマニホールドに傾斜させた燃料電池セルが提案されている。
特開２００６−１００００４号公報 特開２００６−１４７５０３号公報 特開２００６−６６２２５号公報 特開２００５−２５９４２４号公報 特開２００６−１４７４６７号公報
しかし、特許文献１，２の燃料電池セルでは、燃料電池用セパレータ内に排水用溝部又は吸水部材の別部材を設けているため、その別部材の膨張収縮によって、燃料電池用セパレータ同士をシールする接着剤等のシール性を低下させてしまう。また、燃料電池セルの部品点数が増加し、燃料電池セルの重量が増加してしまう。
また、特許文献３〜５の燃料電池セルでは、そもそも入口側反応ガスマニホールド及び出口側反応ガスマニホールドに滞留する水分を排水することはできないため、入口側反応ガスマニホールド及び出口側反応ガスマニホールド付近にある部材が腐食したり、燃料電池用セパレータ同士をシールする接着剤等のシール性が低下してしまう。
本発明は、入口側又は出口側反応ガスマニホールドに水分が滞留することを抑制することができる燃料電池セル、及び燃料電池積層体である。
本発明は、反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口部に連通する入口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の出口部に連通する出口側反応ガスマニホールドとを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面のうち少なくともいずれか１つの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜している。
また、本発明は、反応ガス流路と、入口側反応ガスマニホールドと、出口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の入口部と前記入口側反応ガスマニホールドとを連通する入口側連通路と、前記反応ガス流路の出口部と前記出口側反応ガスマニホールドとを連通する出口側連通路とを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、前記入口側反応ガスマニホールドの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜し、前記反応ガス流路の入口部の下面、及び前記入口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置より低い。
また、本発明は、反応ガス流路と、入口側反応ガスマニホールドと、出口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の入口部と前記入口側反応ガスマニホールドとを連通する入口側連通路と、前記反応ガス流路の出口部と前記出口側反応ガスマニホールドとを連通する出口側連通路とを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、前記出口側反応ガスマニホールドの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜し、前記反応ガス流路の出口部の下面、及び前記出口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している出口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している出口側マニホールドの下面の下端位置より低い。
また、本発明は、反応ガス流路と、入口側反応ガスマニホールドと、出口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の入口部と前記入口側反応ガスマニホールドとを連通する入口側連通路と、前記反応ガス流路の出口部と前記出口側反応ガスマニホールドとを連通する出口側連通路とを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜し、前記反応ガス流路の入口部の下面、及び前記入口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置より低く、前記反応ガス流路の出口部の下面、及び前記出口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している出口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している出口側マニホールドの下面の下端位置より低い。
また、前記記載の燃料電池セルにおいて、前記燃料電池用セパレータは、ガスケットを備えることが好ましい。
また、本発明は、反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口部に連通する入口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の出口部に連通する出口側反応ガスマニホールドとを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを複数層積層した燃料電池積層体であって、前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面のうち少なくともいずれか１つの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜している。
本発明によれば、入口側反応ガスマニホールド及び出口側反応ガスマニホールドの下面のうち少なくともいずれか１つの下面が、反応ガス流路側に傾斜しているによって、入口側反応ガスマニホールド又は出口側反応ガスマニホールドに水分が滞留することを抑制することができる燃料電池セル、及び燃料電池積層体を提供することができる。
本発明の実施の形態について以下説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す模式斜視図である。燃料電池積層体２は、燃料電池セル３を複数層積層し、積層方向（矢印Ｘ）の両端部にプレート４ａ，４ｂを設けたものである。本実施形態では、燃料電池セル３を５層積層体したものを例として以下説明するが、積層数は、特に制限されるものではない。
プレート４ａは、アノードガス供給口５ａと、アノードガス排出口６ａと、カソードガス供給口５ｂと、カソードガスマニホールド６ｂ排出口と、冷却水供給口７ａと、冷却水排出口７ｂとを備えている。一方、プレート４ｂは、上記これらのマニホールドを備えていないものである。
図４は、図３に示す燃料電池積層体２の模式断面図である。燃料電池セル３を積層することによって、後述する燃料電池用セパレータの入口側アノードガスマニホールド（例えば図６に示す）が、燃料電池積層体７の積層方向（矢印Ｘ）に連通する連通入口側アノードガス貫通マニホールド８ａを形成し、また、出口側アノードガスマニホールド（図６に示す）が燃料電池積層体７の積層方向に連通する出口側アノードガス貫通マニホールド８ｂを形成する。同様に、後述する燃料電池用セパレータの入口側及び出口側カソードガスマニホールドも燃料電池積層体７の積層方向に連通する入口側及び出口側カソードガス貫通マニホールド（不図示）を形成する。
図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。図５に示すように、燃料電池セル３は、電解質膜３４と、アノード極４０（アノード極触媒層３６）と、アノード極拡散層３８と、カソード極４６（カソード極触媒層４２）と、カソード極拡散層４４と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０と、シール材５１と、ガスケット５１ａとを備える。
図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池セル３は、電解質膜３４の一方の表面にアノード極４０が、もう一方の表面にカソード極４６が、電解質膜３４を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜−電極アッセンブリ５２と、膜−電極アッセンブリ５２の両外側を挟持するアノード極拡散層３８、カソード極拡散層４４、アノード極側セパレータ４８、及びカソード極側セパレータ５０とを備える。アノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０の膜−電極アッセンブリ５２側の空洞部はそれぞれ、反応ガス流路としてのアノードガス流路５４ａ及びカソードガス流路５４ｂとなっている。
図６（イ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８の構成の一例を示す上面模式図であり、図６（ロ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるカソード極側セパレータ５０の構成の一例を示す上面模式図である。図６（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０はそれぞれ、反応ガス流路としてのアノードガス流路５４ａ又はカソードガス流路５４ｂと、入口側反応ガスマニホールドとしての入口側アノードガスマニホールド５６ａ及び入口側カソードマニホールド５６ｂと、出口側反応ガスマニホールドとしての出口側アノードガスマニホールド５８ａ及び出口側カソードマニホールド５８ｂと、入口側冷却水マニホールド５９ａと、出口側冷却水マニホールド５９ｂとを備える。また、図６（イ）に示すように、アノード極側セパレータ４８の入口側アノードガスマニホールド５６ａは、アノードガス流路５４ａの入口部６０ａに連通し、出口側アノードガスマニホールド５８ａは、アノードガス流路５４ａの出口部６４ａに連通している。同様に、図６（ロ）に示すように、カソード極側セパレータ５０の入口側カソードガスマニホールド５６ｂは、カソードガス流路５４ｂの入口部６０ｂに連通し、カソードガス流路５４ｂの出口部６４ｂは、出口側カソードガスマニホールド５８ｂに連通している。
燃料電池積層体２（及び燃料電池セル３）の動作について説明する。
燃料電池積層体２の発電時には、図３及び４に示す燃料電池積層体２の外部からアノードガスが供給され、プレート４ａのアノードガス供給口５ａ、入口側アノードガス貫通マニホールド８ａを通り、各燃料電池セル３に供給される。
燃料電池セル３に供給されたアノードガスは、図６（イ）に示す入口側アノードガスマニホールド５６ａを通り、アノードガス流路５４ａの入口部６０ａからアノードガス流路５４ａへ供給される。供給されたアノードガスは、アノードガス流路５４ａから図５に示すアノード極拡散層３８、アノード極触媒層３６へ供給され、燃料電池セル３の発電に利用される。発電に利用されなかったアノードガス（アノード排ガス）は、アノードガス流路５４ａの出口部６４ａから、出口側アノードガスマニホールド５８ａを通り、燃料電池セル３外へ排出される。
排出されたアノードガスは、図４に示す出口側アノードガス貫通マニホールド８ｂ、プレート４ａのアノードガス排出口６ａを通り、燃料電池積層体７の系外に排出される。
一方、カソードガスも同様に、図３及び４に示す燃料電池積層体２の外部から供給されたカソードガスは、プレート４ａのカソードガス供給口５ｂ、入口側カソードガス貫通マニホールド（不図示）を通り、各燃料電池セル３に供給される。
燃料電池セル３に供給に供給されたカソードガスは、図６（ロ）に示す入口側カソードガスマニホールド５６ｂを通り、カソードガス流路５４ｂの入口部６０ｂからカソードガス流路５４ｂへ供給される。供給されたカソードガスは、カソードガス流路５４ｂから図５に示すカソード極拡散層４４、カソード極触媒層４２へ供給され、燃料電池セル３の発電に利用される。発電に利用されなかったカソードガス（カソード排ガス）は、カソードガス流路５４ｂの出口部６４ｂから、出口側カソードガスマニホールド５８ｂを通り、燃料電池セル３外へ排出される。
排出されたカソードガスは、出口側カソードガス貫通マニホールド（不図示）、プレート４ａのカソードガス排出口６ｂを通り、燃料電池積層体２の系外に排出される。
次に、燃料電池セル３の発電時に生じる水分の流れについてカソード極側を例として説明する。
図５に示すカソード極４６で生成した水分は、図５，６（ロ）に示すカソードガス流路５４ｂに排水される。カソードガス流路５４ｂに排水された水分は、カソードガス流路５４ｂの入口部６０ｂ及び出口部６４ｂから、入口側カソードガスマニホールド５６ｂ及び出口側カソードガスマニホールド５８ｂを通り、図５に示す燃料電池セル３外に排水される。アノード極側も同様に排水される。
上記でも説明したように、反応ガス（アノードガス、カソードガス）は、燃料電池用セパレータの反応ガス流路の入口部から出口部へと流れるため、発電時に生成した水分は、反応ガスとともに、出口側反応ガスマニホールド（出口側アノードガスマニホールド５８ａ、出口側カソードガスマニホールド５８ｂ）から燃料電池セル３外に排水されやすい。
本実施形態に係る燃料電池セルに用いられるアノード極側セパレータ及びカソード極側セパレータは、入口側アノードガスマニホールド５６ａの下面６８ａ、入口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面６８ｂ、出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａ、出口側カソードガスマニホールド５８ｂの下面７０ｂのうち少なくともいずれか１つの下面が、アノードガス流路５４ａ側及びカソードガス流路５４ｂ側に傾斜している。ここで、下面とは、入口側及び出口側反応ガスマニホールドの円周面のうち、重力方向に対向する下部の面を指す。
上記のように、入口側及び出口側反応ガスマニホールドの下面が、反応ガス流路側に傾斜することによって、入口側反応ガスマニホールド（入口側アノードガスマニホールド５６ａ、入口側カソードガスマニホールド５６ｂ）又は出口側反応ガスマニホールド（出口側アノードガスマニホールド５８ａ、出口側カソードガスマニホールド５８ｂ）内の水分を、反応ガス流路（アノードガス流路５４ａ、カソードガス流路５４ｂ）に流すことができる。したがって、入口側反応ガスマニホールド又は出口側反応ガスマニホールドに水分が滞留することを抑制することができる。
上記でも説明したように、反応ガスは、反応ガス流路の入口部から出口部へ流れる。そして、燃料電池セルの発電時に生成する水分は、入口部から出口部へ流れる反応ガスとともに、出口側反応ガスマニホールドから排水され易い。そのため、出口側反応ガスマニホールドに水分が滞留しやすい場合がある。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルに用いられるアノード極側セパレータ及びカソード極側セパレータは、少なくとも出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａ及び出口側カソードガスマニホールド５８ｂの下面７０ｂが、アノードガス流路５４ａ側及びカソードガス流路５４ｂ側に傾斜していることが好ましい。
さらに、上記でも説明したように、入口側及び出口側反応ガスマニホールドに滞留する水分は、燃料電池セルの発電時に生成する水分に限られない。例えば、低温環境下では、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内で結露が生じ、入口側及び出口側反応ガスマニホールドに結露水が滞留する場合がある。したがって、図６（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０は、入口側アノードガスマニホールド５６ａの下面６８ａ、入口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面６８ｂ、出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａ、出口側カソードガスマニホールド５８ｂの下面７０ｂが、アノードガス流路５４ａ側及びカソードガス流路５４ｂ側に傾斜していることがより好ましい。
下面（６８ａ，６８ｂ，７０ａ，７０ｂ）の傾斜は、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分が反応ガス流路側に流れ出すように設定されていれば特に制限されるものではない。
上記のように入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分を反応ガス流路側に流し、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分の滞留を抑制することによって、入口側及び出口側反応ガスマニホールド付近にある部材（例えば、図５に示すシール材５１、ガスケット５１ａ等）の腐食を抑制することができる。
一方、反応ガス流路内に流された水分によって、反応ガス流路内付近にある部材を腐食することは、ほとんどない。これは、反応ガス流路が、冷却水流路（不図示）及び電極に近いため、反応ガス流路内は、比較的高温（例えば、６０℃〜８５℃）であり、反応ガス流路内の水分は、ほとんど揮発してしまう。
次に、本実施形態に係る燃料電池セルに用いられる燃料電池用セパレータの他の構成の一例について説明する。
図７（イ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８の他の構成の一例を示す上面模式図であり、図７（ロ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるカソード極側セパレータ５０の他の構成の一例を示す上面模式図である。図７（イ）に示すように、アノード極側セパレータ４８は、アノードガス流路５４ａの入口部６０ａと入口側アノードガスマニホールド５６ａとを連通する入口側連通路６２ａと、アノードガス流路５４ａの出口部６４ａとを連通する出口側連通路６６ａとを備える。同様に、図７（ロ）に示すように、カソード極側セパレータ５０は、カソードガス流路５４ｂの入口部６０ｂと入口側カソードガスマニホールド５６ｂとを連通する入口側連通路６２ｂと、カソードガス流路５４ｂの出口部６４ｂと出口側カソードガスマニホールド５８ｂとを連通する出口側連通路６６ｂとを備える。
また、入口側及び出口側アノードガスマニホールド５６ａ，５８ａ、入口側及び出口側カソードガスマニホールド５６ｂ，５８ｂ、入口側及び出口側冷却水マニホールド５９ａ，５９ｂの配置は、特に制限されるものではないが、図７（イ）及び（ロ）に示すように、入口側冷却水マニホールド５９ａは、冷媒中に混入した気泡による不具合を抑制することができる点で、最下部に配置することが好ましい。
上記でも説明したように、燃料電池セルの発電時に生成する水分は、反応ガスとともに、出口側反応ガスマニホールドから排水され易いため、出口側反応ガスマニホールドに滞留し易い。また、低温環境では、出口側反応ガスマニホールドに限らず、入口側反応ガスマニホールドにも結露水が滞留し易い。
例えば、入口側反応ガスマニホールド及び出口側反応ガスマニホールド内に水分が滞留し易い場合等には、図７（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０は、入口側アノードガスマニホールド５６ａの下面６８ａ、入口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面６８ｂ、出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａ、出口側カソードガスマニホールド５８ｂの下面７０ｂが、アノードガス流路５４ａ側及びカソードガス流路５４ｂ側に傾斜していることが好ましい。また、図７（イ）に示すように、アノード極側セパレータ４８では、反応ガス流路５４ａの入口部６０ａの下面７２ａ、入口側連通路６２ａの下面７４ａの位置が、入口側アノードガスマニホールド５６ａの下面６８ａの下端位置７６ａより低く（又は同じでもよい）、反応ガス流路５４ａの出口部６４ａの下面７８ａ、出口側連通路６６ａの下面７９ａの位置が、出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａの下端位置８０ａより低い（又は同じでもよい）ことが好ましい。また、図７（ロ）に示すように、カソード極側セパレータ５０では、反応ガス流路５４ｂの入口部６０ｂの下面７２ｂ、入口側連通路６２ｂの下面７４ｂの位置が、又は入口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面６８ｂの下端位置７６ｂより低く（又は同じでもよい）、反応ガス流路５４ｂの出口部６４ｂの下面７８ｂ、出口側連通路６６ｂの下面７９ｂの位置が、出口側カソードガスマニホールド５８ｂの下面７０ｂの下端位置８０ｂより低く（又は同じでもよい）ことが好ましい。
ここで、入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置（７６ａ，７６ｂ）とは、上記説明した入口側反応ガスマニホールドの下面のうちの最も低い位置を指す。また、出口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置（８０ａ，８０ｂ）も同様に、上記説明した出口側反応ガスマニホールドの下面のうちの最も低い位置を指す。また、反応ガス流路の入口部（６０ａ，６０ｂ）の下面（７２ａ，７２ｂ）とは、入口部のうち、重力方向に対向する下部の面を指す。反応ガス流路の出口部（６４ａ，６４ｂ）の下面（７８ａ，７８ｂ）も同様に、出口部のうち、重力方向に対向する下部の面を指す。さらに、入口側連通路（６２ａ，６２ｂ）の下面（７４ａ，７４ｂ）とは、入口側連通路のうち、重力方向に対向する下部の面を指す。出口側連通路（６６ａ，６６ｂ）の下面（７９ａ，７９ｂ）も同様に、出口側連通路のうち、重力方向に対向する下部の面を指す。
図８（イ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８の他の構成の一例を示す上面模式図であり、図８（ロ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるカソード極側セパレータ５０の他の構成の一例を示す上面模式図である。例えば、入口側反応ガスマニホールド内に水分が滞留し易い場合等には、図８（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０は、入口側アノードガスマニホールド５６ａの下面６８ａ、入口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面６８ｂが、アノードガス流路５４ａ側及びカソードガス流路５４ｂ側に傾斜していることが好ましい。また、図８（イ）に示すように、アノード極側セパレータ４８では、反応ガス流路５４ａの入口部６０ａの下面７２ａ、入口側連通路６２ａの下面７４ａの位置が、入口側アノードガスマニホールド５６ａの下面６８ａの下端位置７６ａより低い（又は同じでもよい）ことが好ましい。また、図８（ロ）に示すように、カソード極側セパレータ５０では、反応ガス流路５４ｂの入口部６０ｂの下面７２ｂ、入口側連通路６２ｂの下面７４ｂの位置が、入口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面６８ｂの下端位置７６ｂより低い（又は同じでもよい）ことが好ましい。
図９（イ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８の他の構成の一例を示す上面模式図であり、図９（ロ）は、図５に示す燃料電池セル３に使用されるカソード極側セパレータ５０の他の構成の一例を示す上面模式図である。例えば、出口側反応ガスマニホールド内に水分が滞留し易い場合等には、図９（イ），（ロ）に示すように、アノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０は、出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａ、出口側カソードガスマニホールド５６ｂの下面７０ｂが、アノードガス流路５４ａ側及びカソードガス流路５４ｂ側に傾斜していることが好ましい。また、図９（イ）に示すように、アノード極側セパレータ４８では、反応ガス流路５４ａの出口部６４ａの下面７８ａ、出口側連通路６６ａの下面７９ａの位置が、出口側アノードガスマニホールド５８ａの下面７０ａの下端位置８０ａより低い（又は同じでもよい）ことが好ましい。また、図９（ロ）に示すように、カソード極側セパレータ５０では、反応ガス流路５４ｂの出口部６４ｂの下面７８ｂ、出口側連通路６６ｂの下面７９ｂの位置が、出口側カソードガスマニホールド５８ｂの下面７０ｂの下端位置８０ｂより低い（又は同じでもよい）ことが好ましい。
このように、反応ガス流路の入口部、出口部、入口側及び出口側連通路の下面の位置を入口側反応ガスマニホールド及び出口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか又は低くすることによって、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分を反応ガス流路側に流れさせ、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分の滞留を抑制することができる。また、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分の滞留を抑制することによって、入口側及び出口側反応ガスマニホールド付近にある部材（例えば、図５に示すシール材５１、ガスケット５１ａ等）の腐食を抑制することができる。
図５に示すシール材５１は、アノード極側セパレータ４８とカソード極側セパレータ５０との間等をシールするためのものであり、接着剤等が使用される。また、ガスケット５１ａは、隣接する燃料電池セル同士等をシールするためのものであり、シリコーンゴム、フッ素ゴム等のゴムシール材等が使用される。
図１０は、本実施形態に係る燃料電池セルを２層積層した模式断面図である。図１０に示すように、ガスケット５１によって、燃料電池セル同士をシールする場合には、空間部５３が形成されてしまう場合がある。上記でも説明したように、入口側及び出口側反応ガスマニホールド内の水分が流れ出すと、空間部５３に溜まってしまう場合がある。空間部５３に溜まった水分によって、ガスケット５１ａが腐食する場合がある。また、低温環境下では、空間部５３に溜まった水が、凍結し、凍結した水の体積膨張によって、ガスケット５１ａのシール性を低下させてしまう場合がある。
ガスケット５１ａは、燃料電池セル同士をシールする等の作業性の点で好ましいが、腐食性等の点において問題がある。しかし、本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータ（図６〜９）は、入口側及び出口側反応ガスマニホールドに水分が滞留することを抑制することができるため、ガスケット５１ａの腐食性等の低下を抑制することができる。
上記でも説明したように、反応ガス流路内は、比較的高温（例えば、６０℃〜８５℃）であるため、低温環境下でも、反応ガス流路内に流された水分が凍結することは、ほとんどない。仮に、反応ガス流路内で凍結した場合であっても、燃料電池セルの発電の際に、冷却水流路（不図示）に流れる冷却水、燃料電池セル自体の発熱によって、反応ガス流路内で凍結した水は、比較的容易に溶け出す。
図１１は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。図１１に示すように、燃料電池セル３ａは、膜−電極アッセンブリ５２を挟持するアノード極拡散層３８及びカソード極拡散層４０、樹脂フレーム６１を介して挟持するアノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０と、隣接する燃料電池セル同士をシールするガスケット５１ａとを備える。また、樹脂フレーム６１間、樹脂フレームとアノード極側セパレータ４８、カソード極側セパレータ５０との間は上記接着剤等のシール材（不図示）によりシールされている。なお、図１１に示す燃料電池セル３ａは、図５に示す燃料電池セル３と共通する部材について、同一の符号が付してある。
本実施形態に用いられるアノード極側セパレータ４８、カソード極側セパレータ５０は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。
本実施形態に用いられるアノード極拡散層３８及びカソード極拡散層４４としては、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が挙げられる。
アノード極側触媒層３６及びカソード極側触媒層４２は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合してアノード極側拡散層３８及びカソード極側拡散層４４、又は電解質膜３４上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。
本実施形態に用いられる電解質膜３４は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。具体的にはナフィオン（登録商標）が挙げられる。
このように製造された本実施形態に係る燃料電池積層体及び燃料電池セルは、燃料電池用セパレータの反応ガスマニホールドが反応ガス流路側に傾斜していることによって、反応ガスマニホールドに水分が滞留することを抑制することができる。反応ガスマニホールドの水分の滞留を抑制することによって、反応ガスマニホールド付近にある部材の腐食を抑制することができる。さらに、低温環境下で反応ガスマニホールドの水分が凍結し、凍結した水分の体積膨張によって、シール材（ガスケット）のシール性の低下を抑制することができる。
上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。
一般的な燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。 図１に示す燃料電池セル１に使用されるアノード極側セパレータ１２及びカソード極側セパレータ１４の上面模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池積層体の構成の一例を示す模式斜視図である。 図３に示す燃料電池積層体２の模式断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。 図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０の構成の一例を示す上面模式図である。 図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０の他の構成の一例を示す上面模式図である。 図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０の他の構成の一例を示す上面模式図である。 図５に示す燃料電池セル３に使用されるアノード極側セパレータ４８及びカソード極側セパレータ５０の他の構成の一例を示す上面模式図である。 本実施形態に係る燃料電池セルを２層積層した模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。
符号の説明
１，３，３ａ 燃料電池セル、２ 燃料電池積層体、４ａ，４ｂ プレート、５ａ アノードガス供給口、５ｂ カソードガス供給口、６ａ アノードガス排出口、６ｂ カソードガス排出口、８ａ 入口側アノードガス貫通マニホールド、８ｂ 出口側アノードガス貫通マニホールド、１０，５２ 膜−電極アッセンブリ、１２，４８ アノード極側セパレータ、１３，６１ 樹脂フレーム、１４，５０ カソード極側セパレータ、１６，５１ａ ガスケット、１８ａ，５４ａ アノードガス流路、１８ｂ，５４ｂ カソードガス流路、２０ａ，５６ａ 入口側アノードガスマニホールド、２０ｂ，５６ｂ 入口側カソードガスマニホールド、２２ａ，５８ａ 出口側アノードガスマニホールド、２２ｂ，５８ｂ 出口側カソードガスマニホールド、２４ａ，２４ｂ，６０ａ，６０ｂ 入口部、２６ａ，２６ｂ，６２ａ，６２ｂ 入口側連通路、２８ａ，２８ｂ，６４ａ，６４ｂ 出口部、３０ａ，３０ｂ，６６ａ，６６ｂ 出口側連通路、３２，５３ 空間部、３４ 電解質膜、３６ アノード極触媒層、３８ アノード極拡散層、４０ アノード極、４２ カソード極触媒層、４４ カソード極拡散層、４６ カソード極、５１ シール材、５９ａ 入口側冷却水マニホールド、５９ｂ 出口側冷却水マニホールド、６８ａ，６８ｂ，７０ａ，７０ｂ，７２ａ，７２ｂ，７４ａ，７４ｂ，７８ａ，７８ｂ，７９ａ，７９ｂ 下面、７６ａ，７６ｂ，８０ａ，８０ｂ 下端位置。

Claims (6)

  1. 反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口部に連通する入口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の出口部に連通する出口側反応ガスマニホールドとを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、
    前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面のうち少なくともいずれか１つの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜していることを特徴とする燃料電池セル。
  2. 反応ガス流路と、入口側反応ガスマニホールドと、出口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の入口部と前記入口側反応ガスマニホールドとを連通する入口側連通路と、前記反応ガス流路の出口部と前記出口側反応ガスマニホールドとを連通する出口側連通路とを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、
    前記入口側反応ガスマニホールドの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜し、
    前記反応ガス流路の入口部の下面、及び前記入口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置より低くいことを特徴とする燃料電池セル。
  3. 反応ガス流路と、入口側反応ガスマニホールドと、出口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の入口部と前記入口側反応ガスマニホールドとを連通する入口側連通路と、前記反応ガス流路の出口部と前記出口側反応ガスマニホールドとを連通する出口側連通路とを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、
    前記出口側反応ガスマニホールドの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜し、
    前記反応ガス流路の出口部の下面、及び前記出口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している出口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している出口側マニホールドの下面の下端位置より低いことを特徴とする燃料電池セル。
  4. 反応ガス流路と、入口側反応ガスマニホールドと、出口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の入口部と前記入口側反応ガスマニホールドとを連通する入口側連通路と、前記反応ガス流路の出口部と前記出口側反応ガスマニホールドとを連通する出口側連通路とを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルであって、
    前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜し、
    前記反応ガス流路の入口部の下面、及び前記入口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している入口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置より低く、
    前記反応ガス流路の出口部の下面、及び前記出口側連通路の下面の位置が、前記反応ガス流路側に傾斜している出口側反応ガスマニホールドの下面の下端位置と同じか、又は前記反応ガス流路側に傾斜している出口側マニホールドの下面の下端位置より低いことを特徴とする燃料電池セル。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルであって、前記燃料電池用セパレータは、ガスケットを備えることを特徴とする燃料電池セル。
  6. 反応ガス流路と、前記反応ガス流路の入口部に連通する入口側反応ガスマニホールドと、前記反応ガス流路の出口部に連通する出口側反応ガスマニホールドとを備える燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを複数層積層した燃料電池積層体であって、
    前記入口側反応ガスマニホールド及び前記出口側反応ガスマニホールドの下面のうち少なくともいずれか１つの下面が、前記反応ガス流路側に傾斜していることを特徴とする燃料電池積層体。
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