JP2012053986A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電領域からの排水性を向上させ、発電性能の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００のセパレータ２０，３０には、反応ガスのための流路溝が形成されている。流路溝は、供給用のマニホールドと連結された供給側流路溝と、排出用のマニホールドと連結された排出側流路溝とを有し、それらの流路溝は流路壁を挟んで互いに分離されている。これによって、供給側流路溝の反応ガスのほとんどをガス拡散部材６へと流入させることができる。ガス拡散部材６の内部には、供給側流路溝に対応する位置に、供給側流路溝の端部近傍からガス拡散部材６に流入した反応ガスおよび排水の拡散を制限する拡散抑制壁部１５が設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えるものがある。膜電極接合体は、導電性を有するガス不透過の板状部材であるセパレータによって狭持される。一般に、セパレータの外表面には、反応ガスのガス流路として機能する流路溝が設けられ、膜電極接合体の電極には、反応ガスを電極面（発電領域）全体に拡散させるためのガス拡散層が設けられる。セパレータの流路溝としては、反応ガスを発電領域に供給するための供給側流路溝と、発電領域から排ガスを排出するための排出側流路溝とが、流路壁を挟んで空間的に分離するように形成されたものが提案されている（特許文献１等）。

このような流路溝を有する燃料電池では、供給側流路溝の下流側端部が閉塞されており、供給側流路溝に流入した反応ガスのほとんどを、膜電極接合体のガス拡散層へと流入させることができる。従って、反応ガスがガス拡散層へと流入することなく燃料電池の外部へと排出されてしまうことが抑制され、燃料電池における反応ガスの消費効率を向上させることができる。しかし、その一方で、供給側流路溝の閉塞された下流側端部の近傍領域において、発電反応で生成された水分が滞留してしまい、当該領域において反応ガスの流れが阻害され、発電性能が低下してしまうという問題があった。

特開平１１−０１６５９１号公報 特開２００９−０２６４７６号公報 特開２００６−１１４３８７号公報 特開２００８−１６６２６０号公報 特開２００８−２２６５２７号公報

本発明は、燃料電池の発電領域からの排水性を向上させ、発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池であって、電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、を備え、前記電極層は、前記セパレータと接する側に、反応ガスを前記電極層の全体に行き渡らせるためのガス拡散層を有しており、前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝とが設けられ、前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、流路壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスが前記ガス拡散層へと流入するように構成されており、前記ガス拡散層の内部には、前記供給側流路溝に対応する位置に、前記供給側流路溝の端部近傍から前記ガス拡散層に流入した反応ガスおよび排水の拡散を制限する拡散抑制壁部が設けられている、燃料電池。
この燃料電池によれば、セパレータのガス流路溝として、供給側流路溝と排出側流路溝とを有することにより、反応ガスが、ガス拡散層へと流入することなく燃料電池の外部へと排出されることを抑制することができる。従って、反応ガスの消費効率（燃料電池に供給された反応ガスの量に対する触媒層において燃料電池反応に用いられた反応ガスの量の割合）を向上させることができる。そして、所定の領域に設けられた拡散抑制壁部によって、ガス拡散層における反応ガスと水分の拡散を抑制でき、液水を集約するとともに、反応ガスの流れ方向を集約することができる。従って、排水の排出側流路溝への移動が促進され、排水性が向上する。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、前記排出側流路溝は、前記供給用マニホールド側から前記排出用マニホールド側へと延び、前記供給用マニホールド側の端部が閉塞された並列な複数の排出側並列流路溝と、排出側並列流路溝のそれぞれに連結されるとともに前記排出用マニホールドと連結された合流流路溝と、を含み、前記供給側流路溝は、前記排出側並列流路溝同士に挟まれて、前記排出側並列流路溝と併走するとともに、前記合流流路溝の手前において端部が閉塞されている供給側並列流路溝を含み、前記拡散抑制壁部は、前記供給側並列流路溝の前記端部近傍における側壁面に沿って形成されることにより、前記供給側並列流路溝から前記排出側流路溝への反応ガスおよび排水の拡散を制限する、燃料電池。
この燃料電池によれば、供給側流路溝と排出側流路溝とが互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝として構成されている場合に、その供給側流路溝の下流側の閉塞端部近傍において、液水を集約することができ、反応ガスの流れ方向を集約することができる。従って、ガス拡散層における排水性を向上させることができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池であって、前記拡散抑制壁部は、前記一方のセパレータの外表面から突出した壁部として形成され、前記ガス拡散層の内部に挿入されている、燃料電池。
この燃料電池によれば、ガス拡散抑制壁部をセパレータと一体的に形成することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

燃料電池の構成を示す概略図。 シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。 シール一体型膜電極接合体の構成を示す概略断面図。 アノードセパレータの構成を示す概略図。 カソードセパレータの構成を示す概略図。 アノードセパレータにおける供給側流路溝と排出側流路溝との間の水素の移動を説明するための模式図。 拡散抑制壁部の機能を説明するための説明図。 第２実施例のシール一体型膜電極接合体の構成を示す概略図。 第２実施例のアノードセパレータの構成を示す概略図。 第２実施例の燃料電池を構成したときのガス拡散部材とアノードセパレータの概略断面図。 第３実施例としての燃料電池に用いられるアノードセパレータの構成を示す概略図。

A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、発電体である複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有する。単セル１１０は、シール一体型膜電極接合体１０と、シール一体型膜電極接合体１０を狭持する２枚のセパレータ（アノードセパレータ２０およびカソードセパレータ３０）とを備えている。なお、２枚のセパレータ２０，３０のシール一体型膜電極接合体１０側の面には、反応ガスのための流路溝（破線で図示）が設けられている。流路溝の構成については後述する。

図２，図３は、シール一体型膜電極接合体１０の構成を説明するための概略図である。図２は、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側の面の構成を示す概略図である。なお、シール一体型膜電極接合体１０のカソード側の面の構成は、アノード側の構成と同様であるため、その図示および説明は省略する。

シール一体型膜電極接合体１０は、反応ガスが供給され、発電反応が行われる発電領域１１と、発電領域１１の外周に設けられた外周シール部１２とを有する。なお、図２の発電領域１１には、便宜上、アノードセパレータ２０に設けられた流路溝の投影像が破線で図示されている。

図３（Ａ）は、図２に示すＡ−Ａ切断におけるシール一体型膜電極接合体１０の概略断面を示している。発電領域１１には膜電極接合体５が含まれる。膜電極接合体５は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜１と、電解質膜１の両面に配置された電極（アノード２およびカソード３）とを備える。

アノード２およびカソード３は、導電性およびガス透過性を有する多孔質部材（例えば、炭素繊維部材や黒鉛繊維部材）によって構成することができる。なお、アノード２およびカソード３の電解質膜１側の面には、燃料電池反応を促進するための触媒（例えば白金（Ｐｔ））が担持されている。アノード２およびカソード３は、電解質膜１と同種の高分子電解質と触媒担持カーボンとを水溶性溶媒または有機溶媒に分散させた混合溶液（触媒インク）を、電解質膜１の外表面に塗布・乾燥させて形成することも可能である。

アノード２およびカソード３の外表面にはそれぞれ、ガス拡散部材６が配置される。ガス拡散部材６は、燃料電池１００が構成されたときに各セパレータ２０，３０の外表面と直接的に接触し、反応ガスを発電領域１１全体に拡散させるためのガス拡散層として機能する。また、ガス拡散部材６は、膜電極接合体５と各セパレータ２０，３０との間の導電パスとしても機能する。

ガス拡散部材６は、導電性を有するとともに、通気のための複数の細孔を有する多孔質部材によって構成することができる。具体的には、ガス拡散部材６としては、例えば、カーボンペーパなどの導電性繊維部材や、多孔質の金属焼結体を採用することができる。なお、燃料電池１００では、アノード２またはカソード３と、ガス拡散部材６とで膜電極接合体５の電極層が構成されていると解釈することも可能である。

図３（Ｂ）は、図２に示すＢ−Ｂ切断におけるシール一体型膜電極接合体１０の概略断面を示している。なお、図３（Ｂ）には、シール一体型膜電極接合体１０を狭持する２枚のセパレータ２０，３０が破線で図示されている。ところで、ガス拡散部材６には、２枚のセパレータ２０，３０のガス流路溝の配置位置に合わせて（対応させて）、拡散抑制壁部１５が形成されている（図２）。

拡散抑制壁部１５は、ガス拡散部材６における反応ガスや水分の流路を遮るガス不透過の壁部として形成されている（図３（Ｂ））。拡散抑制壁部１５は、ガス拡散部材６の細孔に撥水性樹脂を含浸させることにより形成されるものとしても良いし、ガス不透過の板状部材を、ガス拡散部材６に予め形成した挿入口に差し込むことにより形成されるものとしても良い。拡散抑制壁部１５の具体的な形成位置や、その機能については後述する。

シール一体型膜電極接合体１０の外周シール部１２は、膜電極接合体５を一体的に保持するとともに、燃料電池１００の外部への反応ガスの漏洩を抑制する（図２，図３（Ａ））。外周シール部１２は、樹脂部材を膜電極接合体５の外周端を被覆するように射出成形することにより形成される。なお、外周シール部１２の両面には、各セパレータ２０，３０に狭持されたときに反応ガスの漏洩を抑制するためのシールラインを形成するリブ（突起部）が設けられているが、その図示および説明は省略する。

外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が厚み方向を貫通する貫通孔として形成されている。各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、発電領域１１における水素の流れる方向と酸素の流れる方向とが、電解質膜１を挟んで互いに対向し、かつ、交差するように配置されている。具体的には、水素供給用マニホールドＭ１と酸素排出用マニホールドＭ４とが、発電領域１１に対して同じ側（紙面左側）に配列され、水素排出用マニホールドＭ２と酸素供給用マニホールドＭ３とが、その反対側（紙面右側）に配列されている。

また、水素供給用マニホールドＭ１と、水素排出用マニホールドＭ２とは、発電領域１１を挟んで互いに対角する位置に形成されている。酸素供給用マニホールドＭ３と酸素排出用マニホールドＭ４も同様である。なお、各マニホールドＭ１〜Ｍ４の配置は、他の構成であっても良い。また、外周シール部１２には、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４に加えて、冷媒のためのマニホールドが形成されるものとしても良い。

ここで、本明細書では、アノード側の発電領域１１における水素供給用マニホールドＭ１側、または、カソード側の発電領域１１における酸素供給用マニホールドＭ３側をそれぞれ「上流側」と呼ぶ。また、アノード側の発電領域１１における水素排出用マニホールドＭ２側、または、カソード側の発電領域１１における酸素排出用マニホールドＭ４側をそれぞれ「下流側」と呼ぶ。さらに、アノード側およびカソード側のそれぞれの発電領域１１において、上流側から下流側に向かう方向を「反応ガスの流れ方向」と呼ぶ。

図４は、アノードセパレータ２０の構成を示す概略図である。図４には、アノードセパレータ２０のガス拡散部材６と接触する側の面が図示されている。なお、図４には、セパレータ２０における水素の流れを示す矢印が図示されている。また、図４には、燃料電池１００の積層方向に沿って見たときに、シール一体型膜電極接合体１０の発電領域１１と重なる領域が一点鎖線で図示されている。

アノードセパレータ２０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。アノードセパレータ２０には、シール一体型膜電極接合体１０と同様に、反応ガスのためのマニホールドＭ１〜Ｍ４が貫通孔として形成されている。また、アノードセパレータ２０には、反応ガスのための流路溝が発電領域１１全体に渡って形成されている。

アノードセパレータ２０には、発電領域１１に水素を供給するための流路溝（「供給側流路溝」または「一次流路溝」と呼ぶ）と、発電領域１１から水素を排出するための流路溝（「排出側流路溝」または「二次流路溝」と呼ぶ）とが設けられている。ここで、アノードセパレータ２０の流路溝は、燃料電池１００に組み付けられたときに、溝上方の開口部が、シール一体型膜電極接合体１０のアノード側のガス拡散部材６によって塞がれる。このとき、供給側流路溝と排出側流路溝とは、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離された状態となる。

アノードセパレータ２０には、供給側流路溝として、供給側連絡流路溝２１と、分配流路溝２２と、複数の供給側並列流路溝２４とが設けられている。供給側連絡流路溝２１は、水素供給用マニホールドＭ１と、発電領域１１内に設けられた分配流路溝２２とを連結・連絡する流路溝であり、水素供給用マニホールドＭ１の水素を発電領域１１へと導入する。

分配流路溝２２は、発電領域１１の上流端において、発電領域１１の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って形成された流路溝である。分配流路溝２２には、各供給側並列流路溝２４が連結されている。分配流路溝２２は、供給側連絡流路溝２１から流入した水素を、発電領域１１において、反応ガスの流れ方向と直交する方向に行き渡らせるとともに、各供給側並列流路溝２４に分岐・流入させる。

なお、分配流路溝２２には、水素の流れ方向を分散させるためのディンプルとも呼ばれる複数の突起部２３が設けられている。各突起部２３は、各供給側並列流路溝２４への水素の分配量が略均一化されるように、略千鳥状に配列されている。

各供給側並列流路溝２４は反応ガスの流れ方向に沿って延びる直線状の流路溝であり、発電領域１１において、ほぼ等間隔で並列に配列されている。なお、供給側並列流路溝２４は、その上流側端部が分配流路溝２２に連結され、下流側端部が後述する排出流路溝の合流流路溝２６の手前において閉塞されている。即ち、供給側並列流路溝２４は、いわゆる略櫛歯状の流路溝を構成している。

アノードセパレータ２０には、排出側流路溝として、複数の排出側並列流路溝２５と、合流流路溝２６と、排出側連絡流路溝２７とが設けられている。各排出側並列流路溝２５は、発電領域１１において、供給側並列流路溝２４と併走する直線状の流路溝であり、上流側の領域から下流側の領域に渡って、反応ガスの流れ方向に沿って延び、合流流路溝２６と連結されている。各排出側並列流路溝２５の上流側の端部は、供給側並列流路溝２４の上流側の始端とほぼ同程度の位置において閉塞されている。排出側並列流路溝２５と供給側並列流路溝２４とは、反応ガスの流れ方向に対して垂直な方向に交互に配列されている。即ち、排出側並列流路溝２５は、供給側並列流路溝２４と互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成している。

合流流路溝２６は、発電領域１１の下流端において、発電領域１１の反応ガスの流れ方向と直交する方向の全域に渡って延びる流路溝である。合流流路溝２６内には、供給側流路溝の分配流路溝２２に設けられているのと同様な複数の突起部２３が形成されている。排出側連絡流路溝２７は、合流流路溝２６と水素排出用マニホールドＭ２とを連結・連絡するための流路溝である。各排出側並列流路溝２５の排ガスは、合流流路溝２６において合流し、排出側連絡流路溝２７を介して水素排出用マニホールドＭ２へと排出される。

図５は、カソードセパレータ３０の構成を示す概略図である。図５には、カソードセパレータ３０のガス拡散部材６と接触する側の面が図示されており、図３と同様に、カソードセパレータ３０における酸素の流れを示す矢印と、発電領域１１と重なる領域を示す一点鎖線とが図示されている。カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様な導電性を有するガス不透過の板状部材により構成されており、アノードセパレータ２０と同様に、各マニホールドＭ１〜Ｍ４が形成されている。

さらに、カソードセパレータ３０には、アノードセパレータ２０と同様に、互いに分離された供給側流路溝および排出側流路溝とが形成されている。具体的には、カソードセパレータ３０には、供給側流路溝として、アノードセパレータ２０の供給側連絡流路溝２１、分配流路溝２２、供給側並列流路溝２４と同様な、酸素のための供給側連絡流路溝３１、分配流路溝３２、供給側並列流路溝３４とが設けられている。

また、カソードセパレータ３０には、排出側流路溝として、アノードセパレータ２０の排出側並列流路溝２５、合流流路溝２６、排出側連絡流路溝２７と同様な、排出側並列流路溝３５、合流流路溝３６、排出側連絡流路溝３７が設けられている。なお、分配流路溝３２および合流流路溝３６には、アノードセパレータ２０の複数の突起部２３と同様な複数の突起部３３が設けられている。

図６（Ａ）〜（Ｄ）は、アノードセパレータ２０における供給側流路溝と排出側流路溝との間の水素の移動を説明するための模式図である。図６（Ａ）は、アノードセパレータ２０における水素の流路溝の構成を示す模式図であり、アノードセパレータ２０において流路壁を構成する領域にハッチングを付して示してある。さらに、図６（Ａ）には、ガス拡散部材６に設けられた拡散抑制壁部１５とアノードセパレータ２０とが接触する領域を破線で図示してある。また、図６（Ａ）には、各供給側並列流路溝２４における水素の流れ方向を示す矢印と、各供給側並列流路溝２４に滞留した液水Ｗとが模式的に図示されている。

図６（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ、燃料電池１００を構成したときの、図６（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断、Ｃ−Ｃ切断、Ｄ−Ｄ切断におけるアノードセパレータ２０とガス拡散部材６とを示す概略断面図である。図６（Ｂ）〜（Ｄ）にはそれぞれ、水素の流れを示す矢印が図示されており、図６（Ｄ）には、ガス拡散部材６に設けられた拡散抑制壁部１５が破線で図示されている。なお、燃料電池１００のカソード側における供給側流路溝と排出側流路溝との間の酸素の移動も、以下に説明する水素の移動と同様であるため、その図示および説明は省略する。

ここで、供給側並列流路溝２４の上流側の閉塞端部と分配流路溝２２との間の流路壁を「上流側閉塞流路壁４１」と呼ぶ。また、排出側並列流路溝２５の下流側の閉塞端部と合流流路溝２６との間の流路壁を「下流側閉塞流路壁４２」と呼ぶ。さらに、供給側並列流路溝２４と排出側並列流路溝２５とに挟まれた流路壁を「並列流路壁４３」と呼ぶ。

分配流路溝２２に流入した水素は、一部が前記したとおり各供給側並列流路溝２４へと分岐・流入し、一部がガス拡散部材６の内部へと流入し、上流側閉塞流路壁４１を跨いで排出側並列流路溝２５へと流れる（図６（Ｂ））。また、各供給側並列流路溝２４に流入した水素は、その溝方向に沿って下流側へと流れつつ、その一部がガス拡散部材６へと流入し、並列流路壁４３を跨いで隣り合う排出側並列流路溝２５へと流れる（図６（Ｃ））。

ここで、ガス拡散部材６の拡散抑制壁部１５は、各供給側並列流路溝２４の閉塞端部近傍に形成されている（図６（Ａ））。より具体的には、拡散抑制壁部１５は、発電領域１１の下流側の領域（水素排出用マニホールドＭ２により近い側の領域）において、供給側並列流路溝２４の閉塞端部の位置まで、各供給側並列流路溝２４の溝側壁面に沿って延びている。即ち、「閉塞端部近傍」には、ガス拡散部材６において、供給側並列流路溝２４の下流側の半分と隣接する領域が含まれるものとしても良く、少なくとも、供給側並列流路溝２４の下流側の１／５と隣接する領域が含まれることが好ましい。

この拡散抑制壁部１５が形成された領域では、水素の拡散が制限され、各供給側並列流路溝２４から排出側並列流路溝２５への水素の移動が制限される。そのため、供給側並列流路溝２４の下流側端部まで到達した水素は、下流側閉塞流路壁４２を跨いで（ガス拡散部材６を経由して）、合流流路溝２６へと流れる（図６（Ｄ））。

このように、本実施例の燃料電池１００では、アノードセパレータ２０に互いに分離された供給側流路溝と排出側流路溝とが設けられることにより、燃料電池１００に供給された水素のほとんどをガス拡散部材６へと流入させることができる。従って、燃料電池１００に供給された水素が、ガス拡散部材６へと流入することなく燃料電池１００の外部へと排出されてしまうことが抑制される。

ところで、燃料電池１００の運転中のガス拡散部材６には、通常、発電反応によって生成された多量の水分（液水や水蒸気を含む）が存在する。本実施例の燃料電池１００では、上述したように、ガス拡散部材６へと流入する水素の量が増大しているため、アノード２やガス拡散部材６から水素によって持ち去られる水分量も増大する。

しかし、ガス拡散部材６の水分には、濃度勾配に従って、ガス拡散部材６からアノードセパレータ２０の供給側流路溝へと移動するものがある。供給側並列流路溝２４へと移動した水分の多くは、水素の流れに誘導されて下流側端部まで流れていく。そのため、各供給側流路溝２４の下流側端部近傍は、液水Ｗが滞留する可能性が高い。

発電領域１１において局所的な水分の滞留が生じると、反応ガスの流れが阻害されてしまうため、燃料電池１００の発電性能が低下してしまう可能性がある。しか、本実施例の燃料電池１００では、以下に説明するように、拡散抑制壁部１５によって、供給側並列流路溝２４の下流側端部に滞留する液水Ｗの排水が促進されている。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、拡散抑制壁部１５の機能を説明するための説明図である。図７（Ａ）は、比較例の燃料電池を説明するための模式図である。ここで、比較例の燃料電池の構成は、拡散抑制壁部１５が省略されたガス拡散部材６ａを有している点以外は、本実施例の燃料電池１００の構成とほぼ同じである。図７（Ａ）は、図６（Ａ）に示すＥ−Ｅ切断と同様な切断部位における比較例の燃料電池のアノードセパレータ２０とガス拡散部材６ａとを示す概略断面図である。なお、図７（Ａ）には、ガス拡散部材６ａ中に分散して移動する液水Ｗの様子が模式的に図示されている。

図７（Ｂ）は、本実施例の燃料電池１００を構成したときの、図６（Ａ）に示すＥ−Ｅ切断におけるアノードセパレータ２０とガス拡散部材６とを示す概略断面図である。図７（Ｂ）は、拡散抑制壁部１５が設けられている点と、液水Ｗの移動の様子が異なる点以外は、図７（Ａ）とほぼ同じである。図７（Ｃ）は、本実施例の燃料電池１００の供給側並列流路溝２４の閉塞端部近傍における液水Ｗの移動を説明するための模式図であり、図６（Ｄ）と同様な概略断面図である。なお、図７（Ｃ）には、液水の移動を示す実線矢印と、反応ガスの流れを示す白抜きの矢印とが図示されている。

ここで、比較例の燃料電池では、供給側並列流路溝２４の下流側閉塞端部の近傍に滞留した液水Ｗは、ガス拡散部材６の内部へと拡散しつつ流入する（図７（Ａ））。そのため、供給側並列流路溝２４の下流側閉塞端部の近傍の領域におけるガス拡散部材６の内部には、液水Ｗが細かく分散した状態で存在する。

一方、本実施例の燃料電池１００では、液水Ｗが、供給側並列流路溝２４の閉塞端部近傍からガス拡散部材６の内部へと移動する場合には、拡散抑制壁部１５が、当該液水Ｗの拡散を制限している（図７（Ｂ））。より具体的には、拡散抑制壁部１５は、液水Ｗが、反応ガスの流れ方向に沿った方向以外の方向へと移動することを制限する。そのため、本実施例の燃料電池１００では、拡散抑制壁部１５が設けられていない比較例の燃料電池よりも、液水Ｗの分散が抑制され、液水Ｗが集約されやすい。

ここで、液水は、細かく分散した状態で存在する場合より、集約されてより大きな液滴として存在する場合の方が、外力を受けたときに、より移動しやすくなる。即ち、ガス拡散部材６内において液滴として分散している液水Ｗを、反応ガスの流れ方向に連結させることにより、液水Ｗを反応ガスの流れ方向に沿って流動しやすい状態とすることができる（図７（Ｃ））。これは、液水Ｗを集約させることにより、液水Ｗが滞留する方向に働く抗力より、液水Ｗを反応ガスの流れ方向に移動させる方向に働く反応ガスによる圧力（駆動力）を大きくすることができるためである。

また、図６（Ｄ）で説明したように、供給側並列流路溝２４の閉塞端部近傍の領域では、拡散抑制壁部１５によって、反応ガスの拡散も制限され、反応ガスのほとんどは拡散抑制壁部１５の壁面に沿った方向に流れる。このように、反応ガスの拡散を抑制し、その流れ方向を規定することにより、液水Ｗを移動させるための力を、その規定された方向に集約させて増大させることができる。従って、供給側並列流路溝２４の閉塞端部に滞留する液水Ｗの排出側流路溝への移動（排出）が促進される。

このように、本実施例の燃料電池１００では、各セパレータ２０，３０に、互いに分離された供給側流路溝と排出側流路溝とを有することにより、反応ガスをガス拡散部材６へと流入する反応ガス量が増大されている。そのため、反応ガスの消費効率が向上されるとともに、電極２，３からの排水性が向上される。また、ガス拡散部材６に反応ガスおよび水分の拡散を制限する拡散抑制壁部１５を有することにより、ガス拡散部材６内における液水Ｗの集約と排出とが促進されている。従って、反応ガスのための流路溝として、供給側流路溝と、排出側流路溝とを有する燃料電池１００において、発電領域１１からの排水性が、さらに向上する。

B．第２実施例：
図８，図９はそれぞれ、本発明の第２実施例としての燃料電池を構成するシール一体型膜電極接合体１０Ａとアノードセパレータ２０Ａの構成を示す概略図である。図８は、拡散抑制壁部１５を有するガス拡散部材６に換えて、略長方形形状に開口する複数の貫通孔１６が設けられたガス拡散部材６Ａが設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。また、図９は、供給側並列流路溝２４の閉塞端部の近傍領域において、外表面から突起した壁部４５が流路溝に沿って形成されている点以外は、図４とほぼ同じである。

なお、第２実施例の燃料電池では、シール一体型膜電極接合体１０Ａのカソード側の構成は、以下に説明するアノード側の構成と同様であり、カソードセパレータの構成は以下に説明するアノードセパレータ２０Ａの構成と同様である。また、第２実施例の燃料電池の他の構成は、第１実施例の燃料電池１００と同様である。

シール一体型膜電極接合体１０Ａ（図８）におけるガス拡散部材６Ａの貫通孔１６は、アノードセパレータ２０Ａの供給側並列流路溝２４の配置位置に対応させて形成されている。より具体的には、貫通孔１６は、供給側並列流路溝２４の閉塞端部が配置される近傍領域に形成されている。貫通孔１６は、アノードセパレータ２０Ａにおいて壁部４５が設けられている領域に相当する領域と、その領域に沿った供給側並列流路溝２４の下流側の領域とをくり抜くことにより形成されている。なお、図８では、貫通孔１６からガス拡散部材６Ａの下層に設けられている電極２の外表面の一部が露出している様子が模式的に図示されている。

アノードセパレータ２０Ａ（図９）の壁部４５は、供給側並列流路溝２４における閉塞端部近傍領域の両側において、その壁面が供給側並列流路溝２４の内壁面と連続する一平面を構成するように形成されている。即ち、第２実施例のアノードセパレータ２０Ａの構成は、第１実施例の拡散抑制壁部１５をアノードセパレータ２０の外表面に接合した構成に相当する。

図１０は、燃料電池を構成したときの図８に示すＡ−Ａ切断におけるシール一体型膜電極接合体１０Ａの一部とアノードセパレータ２０Ａの概略断面図である。図１０では、シール一体型膜電極接合体１０Ａのカソード３およびカソード側のガス拡散部材６Ａの図示は省略されている。

第２実施例の燃料電池では、アノードセパレータ２０Ａの壁部４５は、ガス拡散部材６Ａの貫通孔１６内に、壁部４５の壁面と貫通孔１６の内壁面とが互いに接触するように収容されている。そして、壁部４５の端面はアノード２の外表面と直接的に接触している。これによって、供給側並列流路溝２４の閉塞端部の近傍領域には、供給側並列流路溝２４の溝壁面と、それに連続する壁部４５の壁面と、アノード２の外表面とで囲まれた空間が形成される。

第２実施例の燃料電池の構成によれば、アノードセパレータ２０Ａと一体的に設けられた壁部４５が、第１実施例の拡散抑制壁部１５と同様に機能するため、燃料電池における発電領域からの排水性が向上する。また、第２実施例の燃料電池では、壁部４５同士の間のガス拡散部材６Ａが省略されているため、供給側並列流路溝２４の閉塞端部近傍領域における流路断面積が増大している。そのため、当該領域における液水の滞留が抑制されるとともに、当該領域へと流入する反応ガスの量を増大させることができる。

C．第３実施例：
図１１は本発明の第３実施例としての燃料電池に用いられるアノードセパレータ２０Ｂの構成を示す概略図である。図１１は、供給側並列流路溝２４および排出側並列流路溝２５に換えて、直線流路溝２８が設けられている点以外は、図４とほぼ同じである。なお、第３実施例の燃料電池の構成は、アノードセパレータ２０Ｂの構成が異なる点以外は、第１実施例の燃料電池１００の構成と同様である。

第３実施例のアノードセパレータ２０Ｂは、反応ガスの流路溝として、反応ガスの流れ方向に沿って直線状に延びる複数の並列な直線流路溝２８を有している。各直線流路溝２８は、発電領域１１の上流側端部の分配流路溝２２と、下流側端部の合流流路溝２６とを連結している。即ち、第３実施例の燃料電池では、アノードセパレータ２０Ｂの流路溝が供給側流路溝と排出側流路溝とに分けられていない。なお、第３実施例の燃料電池では、アノード側のガス拡散部材６は、拡散抑制壁部１５が省略されているが、その図示および説明は省略する。

一方、第３実施例の燃料電池では、カソードセパレータ３０の流路溝は、第１実施例と同様であり、流路溝が、供給側流路溝と排出側流路溝とに分けられている（図５）。このように、２つのセパレータ２０Ｂ，３０のうち、カソードセパレータ３０にのみ、第１実施例と同様な反応ガスの流路溝が設けられ、カソード側のガス拡散部材６にのみ拡散抑制壁部１５が設けられている場合であっても、酸素の消費効率を向上させるとともに、カソード側の発電領域１１からの排水性を改善できる。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D1．変形例１：
上記実施例において、拡散抑制壁部１５や壁部４５は、供給側並列流路溝２４の閉塞端部の近傍領域において、その溝側壁面に沿って形成されていた。しかし、拡散抑制壁部１５や壁部４５は、他の部位に設けられても良い。拡散抑制壁部１５や壁部４５は、例えば、供給側並列流路溝２４の閉塞端部の端面に沿って形成されるものとしても良い。この場合には、反応ガスや水分は、拡散抑制壁部１５や壁部４５によって、反応ガスの流れ方向に沿って合流流路溝２６へと拡散することが制限され、隣り合う排出側並列流路溝２５へと誘導される。

D2．変形例２：
上記実施例において、拡散抑制壁部１５や壁部４５は、ガス不透過の緻密な部材で構成されていた。しかし、拡散抑制壁部１５や壁部４５は、緻密な部材で構成されていなくとも良く、反応ガスや水分の移動量が制限される程度の細孔を有しているものとしても良い。

D3．変形例３：
上記実施例において、供給側流路溝と排出側流路溝とは、供給側並列流路溝２４，３４と排出側並列流路溝２５，３５とが互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していた。しかし、供給側流路溝と排出側流路溝とは、互いに噛み合う略櫛歯状の流路溝を構成していなくとも良い。供給側流路溝と排出側流路溝とは、ガス拡散部材６の外表面上に配置されたときに、流路隔壁を挟んで互いに空間的に分離された流路溝として構成されていれば良い。例えば、供給側流路溝と排出側流路溝とは、いわゆるサーペンタイン状に折り返しつつ、互いに併走する閉塞流路溝として構成されるものとしても良い。

D4．変形例４：
上記実施例では、セパレータ２０，３０の流路溝と膜電極接合体５の電極２，３の間にガス拡散部材６，６Ａが配置されていた。しかし、ガス拡散部材６，６Ａを省略し、セパレータ２０，３０の流路溝と、膜電極接合体５の電極２，３とが直接的に面する構成としても良い。この場合には、電極２，３の外側の面には、ガス拡散層が形成され、拡散抑制壁部１５や壁部４５は、そのガス拡散層に設けられるものとしても良い。これによって、単セル１１０を薄型化するとともに、単セル１１０における内部抵抗を低減することが可能である。

D5．変形例５：
上記第２実施例では、ガス拡散部材６Ａの複数の貫通孔１６は、各供給側並列流路溝２４の閉塞端部の形状に合わせた略長方形形状を有することにより、壁部４５を収容していた。しかし、ガス拡散部材６Ａの複数の貫通孔１６は、壁部４５の形状に合わせた開口形状を有し、各壁部４５に対して１つずつ設けられているものとしても良い。即ち、燃料電池を構成したときに、壁部４５同士の間にもガス拡散部材６の一部が存在する構成としても良い。しかし、第２実施例の構成であれば、各供給側並列流路溝２４の閉塞端部における流路断面積が大きくなるため、より好ましい。

D6．変形例６：
上記第３実施例の燃料電池は、供給側流路溝と排出側流路溝とが設けられたカソードセパレータ３０と、直線流路溝２８が設けられたアノードセパレータ２０Ｂとを備え、カソード側にのみ、拡散抑制壁部１５を有するガス拡散部材６が用いられていた。しかし、燃料電池は、供給側流路溝と排出側流路溝とが設けられたアノードセパレータと、直線流路溝が設けられたカソードセパレータとを備え、アノード側にのみ拡散抑制壁部１５を有するガス拡散部材６が用いられているものとしても良い。即ち、アノード側とカソード側の少なくとも一方において、互いに空間的に分離した供給側流路溝と排出側流路溝とが設けられ、拡散抑制壁部１５を有するガス拡散部材６が用いられていれば良い。

１…電解質膜
２…アノード(電極)
３…カソード（電極）
５…膜電極接合体
６，６Ａ，６ａ…ガス拡散部材
１０，１０Ａ…シール一体型膜電極接合体
１１…発電領域
１２…外周シール部
１５…拡散抑制壁部
１６…貫通孔
２０，２０Ａ，２０Ｂ…アノードセパレータ
２１…供給側連絡流路溝
２２…分配流路溝
２３…突起部
２４…供給側並列流路溝
２５…排出側並列流路溝
２６…合流流路溝
２７…排出側連絡流路溝
２８…直線流路溝
３０…カソードセパレータ
３１…供給側連絡流路溝
３２…分配流路溝
３３…突起部
３４…供給側並列流路溝
３５…排出側並列流路溝
３６…合流流路溝
３７…排出側連絡流路溝
４１…上流側閉塞流路壁
４２…下流側閉塞流路壁
４３…並列流路壁
４５…壁部
１００…燃料電池
１１０…単セル
Ｍ１…水素供給用マニホールド
Ｍ２…水素排出用マニホールド
Ｍ３…酸素供給用マニホールド
Ｍ４…酸素排出用マニホールド
Ｗ…液水

Claims (3)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の両側に電極層が配置された膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータと、
   反応ガスを前記膜電極接合体に供給するための供給用マニホールドと、
   前記膜電極接合体から排ガスを排出するための排出用マニホールドと、
   を備え、
   前記電極層は、前記セパレータと接する側に、反応ガスを前記電極層の全体に行き渡らせるためのガス拡散層を有しており、
   前記２枚のセパレータのうち少なくとも一方には、前記ガス拡散層と接する側の面に、前記供給用マニホールドに連結された反応ガスのための供給側流路溝と、前記排出用マニホールドに連結された排ガスのための排出側流路溝とが設けられ、
   前記供給側流路溝と前記排出側流路溝とは、前記ガス拡散層の外表面上に配置されたときに、流路壁を挟んで互いに空間的に分離されることにより、前記供給側流路溝の反応ガスが前記ガス拡散層へと流入するように構成されており、
   前記ガス拡散層の内部には、前記供給側流路溝に対応する位置に、前記供給側流路溝の端部近傍から前記ガス拡散層に流入した反応ガスおよび排水の拡散を制限する拡散抑制壁部が設けられている、燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記排出側流路溝は、前記供給用マニホールド側から前記排出用マニホールド側へと延び、前記供給用マニホールド側の端部が閉塞された並列な複数の排出側並列流路溝と、排出側並列流路溝のそれぞれに連結されるとともに前記排出用マニホールドと連結された合流流路溝と、を含み、
   前記供給側流路溝は、前記排出側並列流路溝同士に挟まれて、前記排出側並列流路溝と併走するとともに、前記合流流路溝の手前において端部が閉塞されている供給側並列流路溝を含み、
   前記拡散抑制壁部は、前記供給側並列流路溝の前記端部近傍における側壁面に沿って形成されることにより、前記供給側並列流路溝から前記排出側流路溝への反応ガスおよび排水の拡散を制限する、燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記拡散抑制壁部は、前記一方のセパレータの外表面から突出した壁部として形成され、前記ガス拡散層の内部に挿入されている、燃料電池。

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