JP2008186672A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、発電時に生成される生成水の排水性を向上させる。
【解決手段】電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、膜電極接合体の周囲に設けられたフレーム部材と、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータによって挟持した燃料電池において、膜電極接合体の表面に、反応ガスおよびオフガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材であって、導電性を有するとともに、ガス拡散電極よりも高い親水性を有する多孔質部材からなるガス流路形成部材を配置する。フレーム部材は、フレーム部材の厚さ方向に、オフガスを流すための貫通孔と、ガス流路形成部材の端面から貫通孔にオフガスを流すためのオフガス流路を備える。そして、オフガス流路の内部に、ガス透過性を有するとともに、オフガス流路の流路壁の表面よりも高い親水性を有する親水性部材を埋設する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

水素と酸素と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。この燃料電池は、一般に、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にガス拡散電極（カソード、および、アノード）をそれぞれ接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される（例えば、下記特許文献１〜３参照）。

ところで、燃料電池では、発電時に、上記電気化学反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、通常、発電で未消費のまま燃料電池から排出される排出ガス（オフガス）とともに、燃料電池の外部に排出される。しかし、この生成水がガス拡散電極に過剰に滞留すると、ガス拡散電極への反応ガス（水素、および、酸素）の供給が、上記滞留した生成水によって阻害され、燃料電池の発電効率が低下する、いわゆるフラッディングが生じる。このため、従来、燃料電池からの上記生成水の排水性を向上させるための種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献２，３参照）。

例えば、下記特許文献２には、ガス流路が形成されたセパレータにおいて、ガス流路の流路面の一部または全部を多孔質部とすることによって、上記生成水の排水性を向上させている。また、下記特許文献３に記載された技術では、アノードガス流路が形成されたアノード側プレート、カソードガス流路が形成されたカソード側プレート、つまり、セパレータにおいて、アノードガス流路またはカソードガス流路の少なくとも一方の下流に吸湿部材を配置し、この吸湿部材をガス排出マニホールドまで延在させることによって、上記生成水の排水性を向上させている。

特開２００３−８６２０４号公報 特開２００４−７９１９６号公報 特開２００５−３０２４５５公報

しかし、燃料電池の構造について、種々の構造が提案されており、上記特許文献２，３に記載された技術を適用できない、あるいは、適用しても、上記生成水を効果的に排水することができない場合があった。例えば、上記特許文献２に記載された技術は、その表面にガス流路が形成されていないセパレータには適用することができなかった。また、上記特許文献３に記載された技術は、アノードガス流路またはカソードガス流路が、鉛直方向（重力方向）の下から上にガスが流れるように形成されたセパレータに適用しても、重力によって、吸湿部材からガス排出マニホールドへの排水が妨げられ、効果的に生成水の排水を行うことができなかった。

本発明は、上述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、発電時に、水素と酸素との電気化学反応によって生成される生成水の排水性を向上させるための新たな技術を提供することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。すなわち、本発明の燃料電池は、電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に設けられたフレーム部材と、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面には、前記膜電極接合体における発電に供する反応ガス、および、前記発電で未消費の反応ガスであるオフガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材であって、導電性を有するとともに、前記ガス拡散電極よりも高い親水性を有する多孔質部材からなるガス流路形成部材が配置されており、前記フレーム部材、および、前記セパレータは、前記フレーム部材、および、前記セパレータの厚さ方向に、前記オフガスを流すための貫通孔を備え、前記フレーム部材、および、前記セパレータのうちの少なくとも一方は、前記ガス流路形成部材から、前記貫通孔に、前記オフガスを流すためのオフガス流路を備え、前記オフガス流路の内部に、ガス透過性を有するとともに、前記オフガス流路の流路壁の表面よりも高い親水性を有する親水性部材が埋設されていることを要旨とする。

本発明では、ガス流路形成部材が、ガス拡散電極よりも高い親水性を有する多孔質部材からなるので、上記生成水を、ガス拡散電極からガス流路形成部材へ速やかに移動させ、ガス拡散電極における生成水の滞留を抑制することができる。さらに、上記オフガス流路の内部に上記親水性部材が埋設されているので、この親水性部材によって、オフガス流路における生成水の滞留を抑制することができる。したがって、オフガス流路の内部に埋設された親水性部材を介して、オフガスとともに、生成水を、ガス流路形成部材から、上記貫通孔に流れやすくすることができる。この結果、燃料電池における生成水の排水性を向上させ、フラッディングを抑制することができる。なお、親水性部材は、オフガス流路の内部全体に埋設されていることが好ましい。また、ガス流路形成部や、親水性部材としては、例えば、親水性処理が施された金属多孔体を用いることができる。

上記燃料電池において、前記ガス流路形成部材は、前記膜電極接合体のカソード側の面に配置されており、前記反応ガスは、前記カソードに供給される酸化剤ガスであり、前記オフガスは、前記カソードから排出されるカソードオフガスであるものとしてもよい。上記生成水は、周知の通り、膜電極接合体のカソードで生成されるため、本発明によって、膜電極接合体のカソードで生成された生成水を効率よく排出することができる。なお、上記燃料電池において、前記ガス流路形成部材は、さらに、前記膜電極接合体のアノード側の面に配置されており、前記反応ガスは、前記アノードに供給される燃料ガスであり、前記オフガスは、前記アノードから排出されるアノードオフガスであるものとしてもよい。こうすることによって、膜電極接合体のカソードで生成され、電解質膜を介して、アノードに透過した生成水を効率よく排出することができる。

上記いずれかの燃料電池において、フレーム部材、または、セパレータに、例えば、ガス流路形成部材の端面から貫通孔に連通する連通孔を形成することによって、オフガス流路を構成するものとしてもよいが、前記フレーム部材、および、前記セパレータのうちの少なくとも一方は、前記ガス流路形成部材の端面から、前記貫通孔に亘って形成された溝部を備え、前記溝部は、前記フレーム部材を、前記セパレータによって挟持することによって、前記オフガス流路を構成するようにしてもよい。こうすることによって、上記オフガス流路を容易に形成することができる。

上記燃料電池において、ガス流路形成部材と、親水性部材とを別部材としてもよいが、前記ガス流路形成部材と、前記親水性部材とは、同一の部材によって、一体形成されているようにしてもよい。こうすることによって、ガス流路形成部材と、親水性部材とを別部材とする場合と比較して、部品点数を減少させ、燃料電池の製造を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池モジュール４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池モジュール４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。燃料電池モジュール４０の詳細については、後述する。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、燃料電池モジュール４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池モジュール４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各燃料電池モジュール４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各燃料電池モジュール４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池モジュール４０のアノードに供給される。各燃料電池モジュール４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。

また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池モジュール４０のカソードに供給される。各燃料電池モジュール４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。

Ｂ．燃料電池モジュール：
燃料電池スタック１００を構成する各燃料電池モジュール４０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の周囲に、フレーム部材を配置したユニット（以下、「膜電極接合体ユニット」と呼ぶ）の両面を、後述するセパレータ４２によって挟持することによって構成されている。以下、膜電極接合体ユニット４１、および、セパレータ４２について説明する。

Ｂ１．膜電極接合体ユニット：
図２は、膜電極接合体ユニット４１の概略構造を示す説明図である。図２（ａ）に、膜電極接合体ユニット４１のカソード側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）には、膜電極接合体ユニット４１のアノード側から見た平面図を示した。また、図２（ｃ）には、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図２（ｄ）には、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。

図２（ａ），（ｂ）に示したように、膜電極接合体ユニット４１は、矩形形状を有しており、矩形形状を有するＭＥＡ４１１の周囲に、樹脂からなるフレーム部材４１０を配置したものである。ＭＥＡ４１１は、図２（ｃ）に示したように、電解質膜４１１ｍの両面に、それぞれ、カソード４１１ｃ、および、アノード４１１ａを接合したものである。カソード４１１ｃ、および、アノード４１１ａは、それぞれ、触媒層と、ガス拡散層とを含んでいる。なお、図２（ｃ）に示したように、フレーム部材４１０の厚さは、ＭＥＡ４１１の厚さよりも厚く設定されており、ＭＥＡ４１１は、フレーム部材４１０の厚さ方向の略中央部に配置されている。したがって、膜電極接合体ユニット４１のアノード側、および、カソード側には、凹部が形成される。これらの凹部には、後述するカソード側金属多孔体４１５ｃ、および、アノード側金属多孔体４１５ａが、それぞれ嵌合される。

フレーム部材４１０には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４１２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４１３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４１３ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４１４ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４１４ｏとが形成されている。なお、本実施例では、フレーム部材４１０として、樹脂を用いるものとしたが、これに限られず、ガス不透過性、絶縁性、耐熱性を有するゴム等の他の部材を用いるものとしてもよい。

また、図２（ａ），（ｄ）に示したように、フレーム部材４１０のカソード側には、空気供給用貫通孔４１２ｉからＭＥＡ４１１に亘って、複数の溝部４１２ｄｉが形成されている。また、ＭＥＡ４１１からカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏに亘って、複数の溝部４１２ｄｏが形成されている。これらは、膜電極接合体ユニット４１を、後述するセパレータ４２によって挟持することによって、それぞれ、空気供給マニホールド、および、カソードオフガス排出マニホールドを構成する。なお、溝部４１２ｄｉ，４１２ｄｏの深さは、膜電極接合体ユニット４１における、先述したカソード側の凹部の深さとほぼ等しくなるように設定されている。

また、図２（ｂ），（ｄ）に示したように、フレーム部材４１０のアノード側には、複数の溝部４１３ｄｉ、および、複数の溝部４１３ｄｏが形成されている。これらは、膜電極接合体ユニット４１を、後述するセパレータ４２によって挟持することによって、それぞれ、水素供給マニホールド、および、アノードオフガス排出マニホールドを構成する。なお、溝部４１３ｄｉ，４１２ｄｏの深さは、膜電極接合体ユニット４１における、先述したアノード側の凹部の深さとほぼ等しくなるように設定されている。

先に説明したように、膜電極接合体ユニット４１におけるＭＥＡ４１１のカソード側、および、アノード側の表面、すなわち、膜電極接合体ユニット４１のカソード側の凹部、および、アノード側の凹部には、それぞれ、カソード側金属多孔体４１５ｃ、および、アノード側金属多孔体４１５ａが嵌合される。

図３は、膜電極接合体ユニット４１のカソード側の凹部、および、アノード側の凹部に、それぞれ、カソード側金属多孔体４１５ｃ、および、アノード側金属多孔体４１５ａを嵌合した膜電極接合体ユニット４１の概略構造を示す説明図である。図３（ａ）に、膜電極接合体ユニット４１のカソード側から見た平面図を示した。また、図３（ｂ）には、膜電極接合体ユニット４１のアノード側から見た平面図を示した。また、図３（ｃ）には、図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図３（ｄ）には、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。

図３（ａ）に示したように、カソード側金属多孔体４１５ｃは、フレーム部材４１０におけるＭＥＡ４１１が露出した領域の形状、および、複数の溝部４１２ｄｏの形状を組み合わせた櫛歯状の形状を有している。また、カソード側金属多孔体４１５ｃの厚さは、膜電極接合体ユニット４１の上述したカソード側の凹部、および、溝部４１２ｄｏの深さとほぼ等しくなるように設定されている。そして、図３（ａ），（ｃ），（ｄ）に示したように、カソード側金属多孔体４１５ｃは、膜電極接合体ユニット４１のＭＥＡ４１１のカソード側の凹部、および、複数の溝部４１２ｄｏに嵌合される。カソード側金属多孔体４１５ｃは、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃに供給される空気や、カソードオフガスが流れるガス流路を構成する。

また、図３（ｂ）に示したように、アノード側金属多孔体４１５ａは、フレーム部材４１０におけるＭＥＡ４１１が露出した領域の形状を有している。また、アノード側金属多孔体４１５ａの厚さは、膜電極接合体ユニット４１の上述したアノード側の凹部の深さとほぼ等しくなるように設定されている。そして、図３（ｂ），（ｃ）に示したように、アノード側金属多孔体４１５ａは、膜電極接合体ユニット４１のＭＥＡ４１１のアノード側の表面に嵌合される。アノード側金属多孔体４１５ａは、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａに供給される水素や、アノードオフガスが流れるガス流路を構成する。

なお、カソード側金属多孔体４１５ｃには、親水性を有し、かつ、導電性の高い処理（例えば、金メッキ）が施されており、カソード側金属多孔体４１５ｃの親水性は、カソード４１１ｃの親水性よりも高く設定されている。また、アノード側金属多孔体４１５ａにも、カソード側金属多孔体４１５ｃと同様の処理（例えば、金メッキ）が施されており、アノード側金属多孔体４１５ａの親水性は、アノード４１１ａの親水性よりも高く設定されている。したがって、発電時に、カソード４１１ｃで生成された生成水、および、電解質膜４１１ｍを介してアノード４１１ａに透過した生成水を、それぞれ、カソード側金属多孔体４１５ｃ、および、アノード側金属多孔体４１５ａに速やかに移動させ、カソード４１１ｃ、および、アノード４１１ａにおける生成水の滞留を抑制することができる。カソード側金属多孔体４１５ｃ、および、アノード側金属多孔体４１５ａは、本発明におけるガス流路形成部材に相当する。また、本実施例では、ガス流路形成部材として、金属多孔体を用いるものとしたが、金属多孔体の代わりに、カーボン等、導電性、および、ガス拡散性を有する他の部材を用いるようにしてもよい。

Ｂ２．セパレータ：
図４は、セパレータ４２の構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ４２は、それぞれ複数の貫通孔が設けられた３枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート４３と、中間プレート４４と、アノード対向プレート４５とから構成されている。そして、セパレータ４２は、中間プレート４４を、カソード対向プレート４３と、アノード対向プレート４５とによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート４３と、中間プレート４４と、アノード対向プレート４５とは、膜電極接合体ユニット４１と同一の矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート４３と、中間プレート４４と、アノード対向プレート４５として、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。

図４（ａ）は、膜電極接合体ユニット４１のカソード側の面と当接するカソード対向プレート４３の平面図である。図示するように、カソード対向プレート４３には、膜電極接合体ユニット４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４３２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４３２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４３３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４３３ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４３４ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４３４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、膜電極接合体ユニット４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。

図４（ｂ）は、中間プレート４４の平面図である。図示するように、中間プレート４４には、膜電極接合体ユニット４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４４２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４４２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４４３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４４３ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、膜電極接合体ユニット４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。

そして、水素供給用貫通孔４４３ｉには、この水素供給用貫通孔４１３ｉから後述するアノード対向プレート４５に形成された水素供給口４５６ｉに水素を流すための水素供給流路形成部４４３ｉｐが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔４４３ｏには、後述するアノード対向プレート４５に形成されたアノードオフガス排出口４５６ｏからアノードオフガス排出用貫通孔４４３ｏにアノードオフガスを流すためのカソードオフガス排出流路形成部４４３ｏｐが設けられている。

また、中間プレート４４には、セパレータ４２における冷却水流路を構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔４４６が形成されている。

図４（ｃ）は、膜電極接合体ユニット４１のアノード側の面と当接するアノード対向プレート４５の平面図である。図示するように、アノード対向プレート４５には、膜電極接合体ユニット４１に形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔４５２ｉと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔４５２ｏと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔４５３ｉと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔４５３ｏと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔４５４ｉと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔４５４ｏとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、膜電極接合体ユニット４１において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。

また、アノード対向プレート４５には、図示するように、膜電極接合体ユニット４１に形成された溝部４１３ｄｉに水素を供給するための水素供給口４５６ｉと、膜電極接合体ユニット４１に形成された溝部４１３ｄｏからアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口４５６ｏとが形成されている。

図４（ｄ）は、セパレータ４２の平面図である。ここでは、アノード対向プレート４５側から見た平面図を示した。

図から分かるように、アノード対向プレート４５において、水素供給口４５６ｉは、中間プレート４４に形成された水素供給流路形成部４４３ｉｐと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート４５において、アノードオフガス排出口４５６ｏは、中間プレート４４に形成されたカソードオフガス排出流路形成部４４３ｏｐと重なるように形成されている。

また、中間プレート４４において、複数の冷却水流路形成用貫通孔４４６は、それぞれ、その一端が、アノード対向プレート４５に形成された冷却水供給用貫通孔４５４ｉ、および、カソード対向プレート４３に形成された冷却水供給用貫通孔４３４ｉと重なるとともに、その他端が、アノード対向プレート４５に形成された冷却水排出用貫通孔４５４ｏ、および、カソード対向プレート４３に形成された冷却水排出用貫通孔４３４ｏと重なるように形成されている。

Ｃ．燃料電池モジュールの断面構造：
図５は、燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。燃料電池スタック１００の外部から供給された空気は、図中に太矢印で示したように、アノード対向プレート４５に形成された空気供給用貫通孔４５２ｉ、中間プレート４４に形成された空気供給用貫通孔４４２ｉ、カソード対向プレート４３に形成された空気供給用貫通孔４３２ｉ、膜電極接合体ユニット４１のフレーム部材４１０に形成された空気供給用貫通孔４１２ｉを流れ、フレーム部材４１０に形成された空気供給用貫通孔４１２ｉから分岐して、複数の溝部４１２ｄｉを通り、膜電極接合体ユニット４１に配置されたカソード側金属多孔体４１５ｃの端面に供給される。そして、この空気は、カソード側金属多孔体４１５ｃ中を流れて、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃに供給される。そして、カソード４１１ｃから排出される、生成水を含むカソードオフガスは、カソード側金属多孔体４１５ｃ中を流れて、フレーム部材４１０に形成された複数の溝部４１２ｄｏを通り、カソード側金属多孔体４１５ｃの端面からフレーム部材４１０に形成されたカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏに排出され、カソード対向プレート４３に形成されたカソードオフガス排出用貫通孔４３２ｏ、中間プレート４４に形成されたカソードオフガス排出用貫通孔４４２ｏ、アノード対向プレート４５に形成されたカソードオフガス排出用貫通孔４５２ｏ等を通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。

また、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００の外部から供給された水素は、カソード対向プレート４３に形成された水素供給用貫通孔４３３ｉ、中間プレート４４に形成された水素供給用貫通孔４４３ｉ、アノード対向プレート４５に形成された水素供給用貫通孔４５３ｉ、膜電極接合体ユニット４１のフレーム部材４１０に形成された水素供給用貫通孔４１３ｉを流れ、中間プレート４４に形成された水素供給用貫通孔４４３ｉから分岐して、中間プレート４４に形成された水素供給流路形成部４４３ｉｐ、アノード対向プレート４５に形成された水素供給口４５６ｉ、フレーム部材４１０に形成された溝部４１３ｄｉを通り、膜電極接合体ユニット４１に配置されたアノード側金属多孔体４１５ａの端面に供給される。そして、この水素は、アノード側金属多孔体４１５ａ中を流れて、ＭＥＡ４１１のアノード４１１ａに供給される。そして、アノード４１１ａから排出されるアノードオフガスは、アノード側金属多孔体４１５ａ中を流れて、アノード側金属多孔体４１５ａの端面からフレーム部材４１０に形成された溝部４１３ｄｏ、アノード対向プレート４５に形成されたアノードオフガス排出口４５６ｏ、中間プレート４４に形成されたカソードオフガス排出流路形成部４４３ｏｐを通り、中間プレート４４に形成されたアノードオフガス排出用貫通孔４４３ｏに排出され、カソード対向プレート４３に形成されたアノードオフガス排出用貫通孔４３３ｏ、フレーム部材４１０に形成されたアノードオフガス排出用貫通孔４１３ｏ、アノード対向プレート４５に形成されたアノードオフガス排出用貫通孔４５３ｏ等を通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。

また、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート４５に形成された冷却水供給用貫通孔４５４ｉ、中間プレート４４に形成された冷却水流路形成用貫通孔４４６、カソード対向プレート４３に形成された冷却水供給用貫通孔４３４ｉ、膜電極接合体ユニット４１のフレーム部材４１０に形成された冷却水供給用貫通孔４１４ｉを流れ、中間プレート４４に形成された冷却水流路形成用貫通孔４４６から分岐して、セパレータ４２中を流れ、アノード対向プレート４５に形成された冷却水排出用貫通孔４５４ｏ、フレーム部材４１０に形成された冷却水排出用貫通孔４１４ｏ、カソード対向プレート４３に形成された冷却水排出用貫通孔４３４ｏ等を通じて燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ｄ．比較例、および、実施例の効果：
図６は、比較例としての燃料電池モジュール４０Ｃの断面構造を示す説明図である。比較例の燃料電池モジュール４０Ｃは、膜電極接合体ユニット４１Ｃにおけるカソード側金属多孔体４１５Ｃｃの形状が、上記実施例の燃料電池モジュール４０におけるカソード側金属多孔体４１５ｃの形状と異なっている。すなわち、比較例におけるカソード側金属多孔体４１５Ｃｃの形状は、図３に示したアノード側金属多孔体４１５ａと同じ形状を有しており、図６に示したように、溝部４１２ｄｏの内部には、金属多孔体が配置されていない。したがって、この燃料電池モジュール４０Ｃでは、カソード側金属多孔体４１５Ｃｃの端面から、生成水を含むカソードオフが排出されるときに、生成水が溝部４１２ｄｏの表面で凝縮して液滴となり、この液滴となった生成水が、溝部４１２ｄｏ、すなわち、カソードオフガスの流路を閉塞する場合があった。また、燃料電池モジュール４０Ｃでは、酸化剤ガスとしての空気が、下から上に向かって、つまり、重力に対向する向きに流されるので、溝部４１２ｄｏで液滴となった生成水が重力によって逆流し、フラッディングを招く場合があった。

これに対し、上記実施例の燃料電池モジュール４０では、先に説明したように、カソード側金属多孔体４１５ｃに親水処理（金メッキ）が施されており、溝部４１２ｄｏの表面よりも親水性が高いカソード側金属多孔体４１５ｃが、溝部４１２ｄｏの内部に配置されているので、溝部４１２ｄｏの表面における生成水の凝縮を抑制し、生成水をカソードオフガスとともに、カソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏに排出することができる。つまり、上記実施例の燃料電池モジュール４０によれば、生成水の排水性を向上させ、フラッディングを抑制することができる。これは、上記実施例のように、酸化剤ガスとしての空気を、下から上に向かって、つまり、重力に対向する向きに流す場合に、特に効果的である。

Ｅ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態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なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、櫛歯形状を有するカソード側金属多孔体４１５ｃを一体的に形成するものとしたが、本発明は、これに限られない。ＭＥＡ４１１に対応する形状を有する金属多孔体と、溝部４１２ｄｏに対応する形状を有する金属多孔体とを別個に用意するようにしてもよい。ただし、櫛歯形状を有するカソード側金属多孔体４１５ｃを一体的に形成することによって、部品点数の増加を抑制し、燃料電池モジュール４０の製造を容易にすることができる。

Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、膜電極接合体ユニット４１のフレーム部材４１０に溝部４１２ｄｏを形成し、オフガス流路を構成するものとしたが、本発明は、これに限られない。フレーム部材４１０、および、セパレータ４２のうちの少なくとも一方に、オフガス流路が形成され、そのオフガス流路の内部に、ガス透過性を有するとともに、オフガス流路の流路壁の表面よりも高い親水性を有する親水性部材が埋設されていればよい。したがって、例えば、フレーム部材４１０に、ＭＥＡ４１１の上端部からカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏに連通する連通孔を形成してオフガス流路を構成するようにし、この連通孔の内部に、ガス透過性を有するとともに、連通孔の内壁表面よりも高い親水性を有する親水性部材、例えば、親水処理が施された金属多孔体を埋設するようにしてもよい。また、セパレータ４２に、カソード側金属多孔体４１５ｃの端面からカソードオフガス排出用貫通孔４１２ｏにオフガスを流すためのオフガス流路を形成し、その内部に上記親水性部材を埋設するようにしてもよい。

Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、本発明を燃料電池モジュール４０のカソード側に適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。燃料電池モジュール４０のアノード側にも適用するようにしてもよい。こうすることによって、ＭＥＡ４１１のカソード４１１ｃで生成され、電解質膜４１１ｍを介して、アノード４１１ａに透過した生成水を効率よく排出することができる。

Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池モジュール４０において、酸化剤ガスとしての空気を、下から上に向かって流し、燃料ガスとしての水素を、上から下に向かって流すものとしたが、本発明は、これに限られず、燃料ガス、および、酸化剤ガスが流れる方向は、任意に設定可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 膜電極接合体ユニット４１の概略構造を示す説明図である。 膜電極接合体ユニット４１の概略構造を示す説明図である。 セパレータ４２の構成部品の平面図である。 燃料電池モジュール４０の断面構造を示す説明図である。 比較例としての燃料電池モジュール４０Ｃの断面構造を示す説明図である。

符号の説明

１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０，４０Ｃ…燃料電池モジュール
４１，４１Ｃ…膜電極接合体ユニット
４１０…フレーム部材
４１１…ＭＥＡ
４１１ｍ…電解質膜
４１１ａ…アノード
４１１ｃ…カソード
４１２ｉ…空気供給用貫通孔
４１２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４１２ｄｉ，４１２ｄｏ…溝部
４１３ｉ…水素供給用貫通孔
４１３ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４１３ｄｉ，４１３ｄｏ…溝部
４１４ｉ…冷却水供給用貫通孔
４１４ｏ…冷却水排出用貫通孔
４１５ａ…アノード側金属多孔体
４１５ｃ，４１５Ｃｃ…カソード側金属多孔体
４２…セパレータ
４３…カソード対向プレート
４３２ｉ…空気供給用貫通孔
４３２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４３３ｉ…水素供給用貫通孔
４３３ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４３４ｉ…冷却水供給用貫通孔
４３４ｏ…冷却水排出用貫通孔
４４…中間プレート
４４２ｉ…空気供給用貫通孔
４４２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４４３ｉ…水素供給用貫通孔
４４３ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４４３ｉｐ…水素供給流路形成部
４４３ｏｐ…カソードオフガス排出流路形成部
４４６…冷却水流路形成用貫通孔
４５…アノード対向プレート
４５２ｉ…空気供給用貫通孔
４５２ｏ…カソードオフガス排出用貫通孔
４５３ｉ…水素供給用貫通孔
４５３ｏ…アノードオフガス排出用貫通孔
４５４ｉ…冷却水供給用貫通孔
４５４ｏ…冷却水排出用貫通孔
４５６ｉ…水素供給口
４５６ｏ…アノードオフガス排出口
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…制御ユニット

Claims (4)

1. 電解質膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ接合した膜電極接合体と、該膜電極接合体の周囲に設けられたフレーム部材と、を備える膜電極接合体ユニットを、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
   前記膜電極接合体の少なくとも一方の面には、前記膜電極接合体における発電に供する反応ガス、および、前記発電で未消費の反応ガスであるオフガスが流れるガス流路を形成するガス流路形成部材であって、導電性を有するとともに、前記ガス拡散電極よりも高い親水性を有する多孔質部材からなるガス流路形成部材が配置されており、
   前記フレーム部材、および、前記セパレータは、前記フレーム部材、および、前記セパレータの厚さ方向に、前記オフガスを流すための貫通孔を備え、
   前記フレーム部材、および、前記セパレータのうちの少なくとも一方は、前記ガス流路形成部材から、前記貫通孔に、前記オフガスを流すためのオフガス流路を備え、
   前記オフガス流路の内部に、ガス透過性を有するとともに、前記オフガス流路の流路壁の表面よりも高い親水性を有する親水性部材が埋設されている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材は、前記膜電極接合体のカソード側の面に配置されており、
   前記反応ガスは、前記カソードに供給される酸化剤ガスであり、
   前記オフガスは、前記カソードから排出されるカソードオフガスである、
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記フレーム部材、および、前記セパレータのうちの少なくとも一方は、前記ガス流路形成部材の端面から、前記貫通孔に亘って形成された溝部を備え、
   前記溝部は、前記フレーム部材を、前記セパレータによって挟持することによって、前記オフガス流路を構成する、燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材と、前記親水性部材とは、同一の部材によって、一体形成されている、燃料電池。

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