JP4543645B2 - 燃料電池および燃料電池用ガスセパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。

燃料電池においては、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じ、生じた生成水はカソードに給排される酸化ガス中に気化する。そのため、酸化ガスの流路においては、生成水が凝縮して酸化ガスの流れを妨げるなどの不都合が生じるのを防止するために、生じた生成水を酸化ガスの流路から積極的に除去する構成を設けることが望ましい。なお、凝縮水の問題は、酸化ガスの流路だけで生じるわけではなく、アノードに供給される燃料ガスの流路においても、電解質層を介して酸化ガス流路側から混入する水蒸気や、予め燃料ガスが含有する水蒸気などに起因して、生じ得る問題である。

また、燃料電池においては、電気化学反応で利用するために供給されるガスが乾燥している場合には、電池性能が部分的に不十分となる可能性がある。例えば固体高分子型燃料電池では、供給されるガス中の湿度が不十分である場合には、電解質膜が部分的に乾燥して電池性能の低下を引き起こす可能性がある。このように、燃料電池においては、酸化ガスあるいは燃料ガスの流路においてガス中の水蒸気量が適切な量に維持されることは極めて重要である。

特許文献１では、カソードとアノードとの間を水分通路で連結する構成、すなわち水分を発生する電極と他方の電極とを接続する構成が開示されている。しかしながら、カソードとアノードとを多孔質体等の水分通路で接続するには、特許文献１に開示されているように、燃料電池を構成する積層体の外部で水分通路を引き回すなどの複雑な構造が必要になり、燃料電池全体の強度が不十分となる可能性がある。

特開平５−２８３０９４号公報 特開平７−２８８１３６号公報 特開２００３−３１２４６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、強度低下を伴わない簡素な構造によって、燃料電池内を通過するガス中の水分量を調節することを課題とする。

本発明は、電解質層と電極およびガスセパレータを含む部材を積層して成るスタックによって構成され、ガスの供給を受けて電気化学反応により起電力を得る燃料電池であって、
前記スタック内を該スタックの積層方向に貫通して形成され、前記ガスが通過する複数のガスマニホールドと、
前記複数のガスマニホールドのうち、隣り合って形成されたガスマニホールド間に配設される多孔質体であって、毛管吸引力によって液水を取り込むことが可能な細孔が形成されて、液水を取り込むことにより前記ガスマニホールド間をガスシール可能な多孔質体を備え、該多孔質体を介して、含有する水蒸気量の多いガスから含有する水蒸気量の少ないガスへと水分の移動を許容する水分授受部と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、内部を通過するガスが含有する水蒸気量がより多いガスマニホールドから、内部を通過するガスが含有する水蒸気量がより少ないガスマニホールド側へ、水分授受部を介して水分が移動することによって、ガス中の水分量が調節される。ここで、水分授受部は、スタック内においてスタックの積層方向に設けられたガスマニホールド間に配設するという簡素な構成であり、水分授受を行なう部材をスタック外部で引き回して配設する必要がないため、水分授受部を設けることで燃料電池の強度を低下させることがない。

本発明の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、前記電解質層および前記電極と共に単セルを形成すると共に、前記電極との間に前記ガスが通過する単セル内ガス流路を形成し、
前記複数のガスマニホールドは、前記単セル内ガス流路に対して前記ガスを給排することとしても良い。

このような構成とすれば、水分授受部を介して、単セル内ガス流路に上記ガスを供給するガスマニホールドに水分を移動させることが可能となり、単セル内で進行する電気化学反応に供するのに先立ってガスの加湿を行なうことができる。また、このような構成とすれば、水分授受部を介して、単セル内ガス流路から排出されたガスが流入するガスマニホールドから水分を除去することが可能となり、単セル内でガス中に蓄積された水蒸気に起因して生じる不都合を防止することができる。

本発明の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、前記複数のガスマニホールドを形成するための複数の孔と、前記複数の孔のうち隣り合って形成される孔間に配設され、前記多孔質体によって構成される多孔質部と、を備え、
前記水分授受部は、前記多孔質部によって形成されることとしても良い。

このような場合には、ガスセパレータにおいて、ガスマニホールドを形成するための隣り合う所定の孔間に多孔質部を設けるという簡素な構成により、水分授受部を形成することができる。

本発明の燃料電池において、
前記複数のガスマニホールドは、
水素を含有する燃料ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドと、
前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、
酸素を含有する酸化ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドと、
前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、
を備え、
前記水分授受部は、前記酸化ガス排出マニホールドと、前記燃料ガス供給マニホールドまたは前記酸化ガス供給マニホールドとの間に配設されていることとしても良い。

燃料電池では、発電に伴ってカソードに水が生じるため、発電を行なうことによって、各単セルから排出された酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドでは、ガス供給マニホールドに比べて水蒸気量が多い状態となる。上記構成とすることで、酸化ガス排出マニホールドから効果的に水分を除去することができ、酸化ガス排出マニホールド内で水が滞留することにより生じる不都合を防止することができる。

あるいは、本発明の燃料電池において、
前記複数のガスマニホールドは、
水素を含有する燃料ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドと、
前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、
酸素を含有する酸化ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドと
前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、
を備え、
前記水分授受部は、前記燃料ガス排出マニホールドと、前記燃料ガス供給マニホールドまたは前記酸化ガス供給マニホールドとの間に配設されていることとしても良い。

燃料電池の運転状態が、外部との間の燃料ガスのやり取りとして、燃料ガス供給マニホールドへの燃料ガスの供給のみが行なわれる運転状態であるときには、燃料ガス中の水蒸気が、燃料ガスの流れと共に外部に排出されることがない。このような場合には、燃料ガス排出マニホールドでは、ガス供給マニホールドに比べて水蒸気量が多い状態となる。したがって、水分授受部を設けて燃料ガス排出マニホールドから水分を除去することによって、燃料ガス排出マニホールド中に水が滞留して不都合を生じるのを防止することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用ガスセパレータなどの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．ガスの流れと水分授受：
Ｃ．効果：
Ｄ．第２実施例：
Ｅ．第３実施例：
Ｆ．第４実施例：
Ｇ．変形例：

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池を構成する基本単位である単セル２０の構成を表わす分解斜視図、図２は、単セル２０を構成するセパレータ３０の構成を表わす平面図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル２０を積層することによって形成されている。単セル２０は、電解質膜２１を、アノード２２およびカソード２３で挟持し，このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ３０で挟持することによって構成されている（図１参照。ただしカソード２３は図示せず）。

電解質膜２１は、固体高分子材料、例えば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。電解質膜２１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層が設けられている。

アノード２２およびカソード２３は、共に、ガス透過性を有するガス拡散電極である。アノード２２およびカソード２３は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。

セパレータ３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。図２（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ３０を両面のそれぞれから見た様子を表わす平面図である。図２中、Ａ方向は水平方向を表わし、Ｂ方向は鉛直方向を表わす。図２に示すように、セパレータ３０は、その外周近くに４個の孔を備えている。すなわち、セパレータ３０の鉛直方向の１辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔である孔部４０，４１が設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する孔部４２，４３が設けられている。

さらにセパレータ３０には、上記孔部に隣接して、セパレータ３０を厚み方向に貫通するように、燃料電池内部に形成されるガス流路内での水分調節に関わる多孔質部が設けられている。すなわち、孔部４０と孔部４１の間には、これらと境界を接して多孔質部３２が設けられており、孔部４２と孔部４３の間には、これらと境界を接して多孔質部３４が設けられている。図３は、図２（Ａ）に示す３−３断面における断面図である。

多孔質部３２，３４は、多孔質体によって形成されている。多孔質部３２，３４を構成する多孔質体は、導電性材料から成ることとしても良いし、導電性を有しない材料から成ることとしても良い。導電性材料としては、例えば、不織布状のカーボンや不織布状の金属、あるいは多孔質化した焼結金属を用いることができる。導電性を有しない材料としては、例えば、セラミックス製の多孔質体を用いることができる。特に、これらの材料の中でも、セパレータ３０のその他の部位を構成する材料と同じ材料によって多孔質部３２，３４を形成することが好ましい。さらに、多孔質部３２，３４を構成する多孔質体は、親水性を有することが望ましい。例えば、多孔質部３２、３４をカーボン材料から成る多孔質体によって形成する場合には、このカーボン多孔質体を過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基（−ＯＨ基）を導入することにより、多孔質部３２，３４に容易に親水性を付与することができる。この多孔質部３２，３４は、本発明の要部に対応するものであり、燃料電池内での働きについては後に詳しく説明する。

セパレータ３０の片方の面では、孔部４０と孔部４１とを連絡する横向きのＵ字型に形成された流路形成部５０が設けられている（図２（Ａ）参照）。また、セパレータ３０の他方の面では、孔部４２と孔部４３とを連絡する横向きのＵ字型に形成された流路形成部５５が設けられている（図２（Ｂ）参照）。図１に示すように、セパレータ３０が電解質膜２１，アノード２２およびカソード２３と共に積層されて単セル２０を形成するときには、各流路形成部は、隣接するガス拡散電極との間で単セル内ガス流路を形成する。すなわち、孔部４０と孔部４１とを連絡する流路形成部５０は、隣接するカソード２３の表面との間に単セル内酸化ガス流路を形成し、孔部４２と孔部４３とを連絡する流路形成部５５は、隣接するアノード２２の表面との間に単セル内燃料ガス流路を形成する。

図１、図２では、流路形成部５０，５５は、平坦な底面を有するＵ字型の凹部として表わしている。しかしながら、実際には、流路形成部５０，５５は、底面が平坦な凹部である必要はない。例えば、Ｕ字型を成す凹部の底面から突出する複数の凸部を有することとしても良い。図４に、流路形成部の具体的な構成の一例として、流路形成部５０が、Ｕ字型の凹部の底面から突出した設けられた複数の凸部５１を有する様子を示す。複数の凸部５１は、図４では断面が略四角形としたが、異なる形状としても良い。このような複数の凸部５１は、単セル内ガス流路を通過するガスを攪拌すると共に、端部でガス拡散電極と接触することによって集電性を高める働きを示す。また、流路形成部に設ける凸構造の他の例として、図５に、流路形成部５０が成す略Ｕ字型に沿って略平行な複数の線状凸部（リブ５２）を設けた様子を示す。このように、孔部４０と孔部４１との間、あるいは孔部４２と孔部４３の間で、流路形成部が形成する単セル内ガス流路を経由して、セパレータ３０上でガスが流通すれば良く、流路形成部５０，５５は種々の形状を採ることができる。なお、流路形成部５０，５５を、平坦な底面を有する凹部として、この凹部内にガス拡散電極をはめ込むことによって、単セル内ガス流路を形成することとしても良い。

燃料電池を製造する際には、単セル２０を積層してスタック１５を形成する。図６は、単セル２０を積層したスタック１５において酸化ガスが流れる様子を立体的に表わした模式図である。スタック１５においては、各セパレータ３０が備える孔部４０は、スタック内部を積層方向に貫通する酸化ガス排出マニホールド６０を形成する。同じく孔部４１は、スタック内部を積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールド６１を形成する。さらに、孔部４２は、スタックを積層方向に貫通する燃料ガス排出マニホールドを形成し、孔部４３は、燃料ガス供給マニホールドを形成する。このように、孔部４０〜４３を有するセパレータ３０を積層することで、互いに平行な４つのガスマニホールドがスタック１５内に形成される。また、本実施例のスタック１５では、セパレータ３０が備える多孔質部３２は、水分授受部１７を形成する。多孔質部３２は、すべてのセパレータ３０において、孔部４０と孔部４１との間に設けられている。そのため、水分授受部１７は、酸化ガス供給マニホールド６１と酸化ガス排出マニホールド６０との間において、これらのマニホールドの全長にわたって、これらの２つのマニホールドと接して形成される（図６参照）。同様に、多孔質部３４は、燃料ガスマニホールドと燃料ガス排出マニホールドとの間において、これら２つのマニホールドと接して、水分授受部を形成する（図示せず）。図２では、孔部および多孔質部の参照番号と共に、対応するマニホールドあるいは水分授受部の参照番号を括弧内に示している。

なお、上記説明では、燃料電池を冷却するための冷却水の流路を形成するための構造については記載を省略している。実際には、セパレータ３０は、スタック内部を積層方向に貫通する冷却水マニホールドを形成するための孔部をさらに備えている。また、スタックを組み立てる際には、単セル２０を所定数積層する毎に、冷却水の流路を形成するための板状部材を、単セル２０と共に積層する。

Ｂ．ガスの流れと水分授受：
スタック１５では、各セパレータ３０が備える孔部４１が形成する酸化ガス供給マニホールド６１に対して、外部から、酸化ガスである空気が供給される。図６では、外部から供給された酸化ガスが、酸化ガス供給マニホールド６１内を、図中手前側から奥側に向かって流れる様子を示している。スタック１５に供給された酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド６１内を通過しつつ、各単セル２０内で流路形成部５０によって形成される単セル内酸化ガス流路に分配される。なお、図６では、単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れ（積層面上におけるＵ字型の流れ）は、スタック１５の中で３カ所のみ示されているが、実際にはすべての単セル２０においてこのように酸化ガスが流れる。各単セル内に形成される単セル内酸化ガス流路を流れたガスは、各セパレータ３０が備える孔部４０が形成する酸化ガス排出マニホールド６０に集合し、酸化ガス排出マニホールド６０から外部に排出される。

水分授受部１７は、酸化ガス供給マニホールド６１と酸化ガス排出マニホールド６０との間で水分のやり取りを行なうための構造である。燃料電池では、電気化学反応によってカソードで水が生じる。電気化学反応で生じた水は、酸化ガス中に気化して、酸化ガスと共に下流に流れる。そのため、酸化ガスの流路においては、下流側ほどガス中の水分量（水蒸気量）が多くなる。本実施例の燃料電池では、酸化ガス供給マニホールド６１と酸化ガス排出マニホールド６０との間に水分授受部１７を設けているため、含有水分量の多いガスが流れる酸化ガス排出マニホールド６０から、含有水分量の少ないガスが流れる酸化ガス供給マニホールド６１に対して、水分授受部１７を介して水分が供給される。

ここで、酸化ガス排出マニホールド６０内を通過する酸化ガス中の水分量が全体として飽和蒸気圧を下回っているときには、酸化ガス供給マニホールド６１から酸化ガス排出マニホールド６０へと水分授受部１７を介して移動する水分は、水蒸気の状態で移動する。これに対して、酸化ガス排出マニホールド６０内を通過する酸化ガス中の水分量が多く、水が凝縮する場合には、凝縮水が水分授受部１７に一旦吸収された後に、水分授受部１７から酸化ガス供給マニホールド６１内に水が気化することによって、水分授受が行なわれる。多孔質体によって形成される水分授受部１７では、凝縮水は、毛管吸引力によって容易に水分授受部１７内部に取り込まれる。また、このように凝縮水が水分授受部１７に吸収される場合には、吸収された凝縮水によってガスシールされ、酸化ガス排出マニホールド６０と酸化ガス供給マニホールド６１との間で酸化ガスが混じり合うのが抑えられる。

図６では、スタック１５内における酸化ガスの流路と水分授受部１７について示したが、燃料ガスの流路も同様に形成され、水分の授受が行なわれる。すなわち、セパレータ３０が備える孔部４３によって燃料ガス供給マニホールドが形成され、孔部４０によって燃料ガス排出マニホールドが形成される。また、多孔質部３４によって、燃料ガス排出マニホールドから燃料ガス供給マニホールドへと水分を供給するための水分授受部が形成される。燃料電池で発電が行なわれる際には、電解質膜２１を介して、含有水分量が多い酸化ガス流路側から燃料ガス流路側へと水蒸気が移動するため、燃料ガスの流路においても、下流側ほどガスが含有する水蒸気量が多くなる。そのため、多孔質部３４から成る水分授受部を設けることで、燃料ガス排出マニホールド内のガスによって、燃料ガス供給マニホールド内のガスの加湿が行なわれる。なお、スタック１５に供給する燃料ガスとしては、純度の高い水素ガスを用いることとしても良いし、炭化水素やアルコールなどの燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを用いることとしても良い。

Ｃ．効果：
以上のように構成された第１実施例の燃料電池によれば、水分授受部１７を設けて酸化ガス排出マニホールド６０から酸化ガス供給マニホールド６１に水分を与えることによって、単セル内酸化ガス流路に供給される酸化ガスが加湿され、電解質膜２１が乾燥して電池性能が低下するのを防止することができる。また、酸化ガス排出マニホールド６０から水分を除去することによって、酸化ガス排出マニホールド６０内で水が凝縮してガスの流れを妨げるのを防止することができる。さらに、燃料ガス供給マニホールと燃料ガス排出マニホールドとの間にも同様の水分授受部を設けることで、単セル内燃料ガス流路に供給される燃料ガスを加湿して、電解質膜２１の乾燥を防ぐと共に、燃料ガス排出マニホールドから水を除去して、燃料ガス排出マニホールド内で凝縮水がガスの流れを妨げるのを防止することができる。ここで、水分授受部は、セパレータ３０において、隣り合って設けられてガスマニホールドを形成する２つの孔部の両方において孔部の壁面の一部を構成するように多孔質部を設け、このセパレータ３０を積層するという簡単な構成により形成される。このように、水分授受部は、スタック外部で引き回して配設することのない簡素な構成であるため、ガスマニホールド中の水分量を調節するために水分授受部を設けても、燃料電池の強度低下を引き起こすことがない。なお、第１実施例で示した２つの水分授受部のうち、いずれか一方のみを設けることとしても良いが、酸化ガス側と燃料ガス側との両方にそれぞれ水分授受部を設けることで、燃料電池全体で、ガス流路内の水分を調節する効果を高めることができる。

また、本実施例の燃料電池では、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとの間に水分授受部を配設する際に、ガス供給マニホールドを鉛直方向下側、ガス排出マニホールドを上側に配置している。このような構成とすれば、ガス排出マニホールド内で水が凝縮したときには、凝縮水は重力に従って下方に移動し、水分授受部を構成する多孔質体に吸収される。したがって、ガス排出マニホールドから水を排出する動作を効率よく行なうことができて特に望ましい。

さらに、本実施例では、水分授受部を構成する多孔質体に対して親水化処理を施しているため、水分授受部内への水の取り込みが促進され、ガス排出マニホールドから水分授受部内への水分の移動がより容易に行なわれる。また、本実施例では、同種のガスが通過するガス排出マニホールドとガス供給マニホールドとの間に水分授受部を設けているため、多孔質体である水分授受部を介してガスマニホールド間でガスが混じり合うことがあっても、不都合が生じることがない。

上記第１実施例は、種々の変形が可能である。例えば、ガス供給マニホールドを上側に配設し、ガス排出マニホールドを下側に配設することとしても良い。この場合には、単セル内ガス流路では、Ｕ字型を成す流路形成部に沿って、ガスは実施例とは逆向きに（上から下へと）流れる。このような構成としても、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとの間に多孔質体から成る水分授受部を設けて、下流側のガスから上流側のガスへと水分を移動させることによって、同様の効果を得ることができる。

また、第１実施例では、ガスマニホールドを構成する孔部は、セパレータ３０の左右の辺に沿って設け、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとは、鉛直方向に並ぶように配設したが、異なる構成としても良い。例えば、孔部をセパレータの上下の辺に沿って設け、水平方向に並ぶようにガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとを配設することとしても良い。この場合には、単セル内ガス流路は、縦向きのＵ字型に形成される。このような場合にも、２つのマニホールド間に多孔質体から成る水分授受部を設けることで、含有水分量の多い下流のガス側から上流のガス側へと水分を移動させ、同様の効果を得ることができる。

Ｄ．第２実施例：
第１実施例では、同種のガスが流れるガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとの間に水分授受部を設けたが、異なる構成としても良い。内部を通過するガスが含有する水分量がより多いマニホールドと、ガスが含有する水分量がより少ないマニホールドとの間に、多孔質体から成る水分授受部を設けることで、前者から後者へと水分を供給することが可能となる。以下に、第２実施例として、異種のガスが流れるマニホールド間に水分授受部を設ける構成を示す。図７（Ａ），（Ｂ）は、第２実施例の燃料電池を構成するセパレータ１３０を両面のそれぞれから見た様子を表わす平面図である。セパレータ１３０は、その外周近くに、孔部１４０〜１４３を備えている。すなわち、セパレータ１３０の鉛直方向の一方の辺の近傍上部に孔部１４０、同じく一方の辺の近傍下部に孔部１４３、鉛直方向の他方の辺の近傍上部に孔部１４２、同じく他方の辺の近傍下部に孔部１４１が設けられている。ここで、上記一方の辺の近傍に沿って隣接して設けられた２つの孔部１４０，１４３の間には、これらの孔部と境界を接して、セパレータ１３０を厚み方向に貫通する多孔質部１３４が設けられている。また、上記他方の辺に沿って隣接して設けられた２つの孔部１４２，１４１の間には、これらの孔部と境界を接して、セパレータ１３０を厚み方向に貫通する多孔質部１３２が設けられている。なお、多孔質部１４２，１３４、およびセパレータ１３０のその他の部位は、第１実施例のセパレータ３０と同様の材料によって構成することができる。

セパレータ１３０の一方の面には、単セル内酸化ガス流路を形成するための流路形成部１５０が設けられている（図７（Ａ）参照）。流路形成部１５０は、酸化ガスを水平方向に導く３つの略平行な直線部と、これらの直線部間に形成され、ガスの流れを反転させる２カ所の折れ曲がり部とを有している。この流路形成部１５０は、孔部１４０と孔部１４１とを連絡している。

また、セパレータ１３０の他方の面には、単セル内燃料ガス流路を形成するための流路形成部１５５が設けられている（図７（Ｂ）参照）。流路形成部１５５は、燃料ガスを水平方向に導く３つの略平行な直線部と、これらの直線部間に形成され、ガスの流れを反転させる２カ所の折れ曲がり部とを有している。この流路形成部１５５は、孔部１４２と孔部１４３とを連絡している。なお、流路形成部１５０、１５５には、第１実施例の流路形成部５０，５５と同様に、種々の形状の凸構造を設けることができる。

このようなセパレータ１３０を、第１実施例のセパレータ３０に代えて用いて、他の部材と共に積層することで、第２実施例の燃料電池が形成される。第２実施例の燃料電池では、孔部１４０は酸化ガス排出マニホールドを形成し、孔部１４１は酸化ガス供給マニホールドを形成する。また、孔部１４２は燃料ガス排出マニホールドを形成し、孔部１４３は燃料ガス供給マニホールドを形成する。図７では、流路形成部１５０、１５５が燃料電池内で単セル内ガス流路を形成するときのガスの流れ方向を、矢印で示している。

上記のように、本実施例では、孔部１４０が形成する酸化ガス排出マニホールドと、孔部１４３が形成する燃料ガス供給マニホールドとの間に、多孔質部１３４が形成する水分授受部が設けられる。また、孔部１４２が形成する燃料ガス排出マニホールドと、孔部１４１が形成する酸化ガス供給マニホールドとの間に、多孔質部１３２が形成する水分授受部が設けられる。燃料電池が発電を行なうときには、ガスの種類が異なっていても、下流側すなわちガス排出マニホールドの方が、上流側すなわちガス供給マニホールドに比べて、内部を通過するガスが含有する水分量が多くなる。したがって、多孔質部１３４が形成する水分授受部を介して、燃料ガス供給マニホールドから酸化ガス排出マニホールドへと水分が移動する。また、多孔質部１３２が形成する水分授受部を介して、酸化ガス供給マニホールドから燃料ガス排出マニホールドへと水分が移動する。

このように、第２実施例の燃料電池によれば、水分授受部を介して、内部を通過するガスが含有する水分量がより多いガスマニホールドから、内部を通過するガスが含有する水分量がより少ないガスマニホールドへ水分が移動するため、第１実施例と同様に、ガスマニホールド中の水分量を調節する効果を得ることができる。また、その際に、このような水分授受部を設けることによって燃料電池の強度が低下することもない。なお、第２実施例では、水分授受部を介して水分の授受が行なわれる２つのガスマニホールドでは、異なる種類のガスが流れているが、水分授受部を構成する多孔質体が凝縮水を吸収することでガスシールが形成されて、燃料ガスを酸化ガスとが混じり合うのを防ぐことができる。あるいは、水分授受部を構成する多孔質体において、細孔径や気孔率や細孔形状を適宜設定することで、ガスの混合量を許容範囲とすることができる。

Ｅ．第３実施例：
第１および第２実施例では、外部から供給されたガスを各単セルに分配するためのガス供給マニホールドと、各単セルから排出されたガスを集合させて外部に導くためのガス排出マニホールドとの間に水分授受部を設けたが、異なる構成としても良い。以下に、第３実施例として、スタック内を流れるガスが、ガス供給マニホールドからガス排出マニホールドへと流れる間に、各単セル内を流れるガスを途中で再分配するための配流マニホールドを経由する構成を示す。

図８は、第３実施例の燃料電池が備えるセパレータ２３０の構成を表わす平面図である。セパレータ２３０は、その外周近くに、孔部２４０，２４１，２４４，２４５を備えている。すなわち、セパレータ２３０の鉛直方向の一方の辺の近傍上部に孔部２４０、同じく一方の辺の近傍下部に孔部２４５、鉛直方向の他方の辺の近傍上部に孔部２４４、同じく他方の辺の近傍下部に孔部２４１が設けられている。ここで、上記一方の辺の近傍に沿って隣接して設けられた２つの孔部２４０，２４５の間には、これらの孔部と境界を接して、セパレータ２３０を厚み方向に貫通する多孔質部２３６が設けられている。また、上記他方の辺に沿って隣接して設けられた２つの孔部２４１，２４４の間には、これらの孔部と境界を接して、セパレータ２３０を厚み方向に貫通する多孔質部２３５が設けられている。なお、多孔質部２３５，２３６、およびセパレータ２３０のその他の部位は、第１実施例のセパレータ３０と同様の材料によって構成することができる。

上記した各孔部および各多孔質部は、酸化ガスの流路に関わる構造である。セパレータ２３０の一方の面には、単セル内酸化ガス流路を形成するための流路形成部２５１，２５２，２５３が設けられている（図８参照）。これら３つの流路形成部は、互いに略平行に形成されており、セパレータ２３０の表面で酸化ガスを水平方向に導く。流路形成部２５１は孔部２４１と孔部２４５とを連絡しており、流路形成部２５２は孔部２４５と孔部２４４とを連絡しており、流路形成部２５３は孔部２４４と孔部２４０とを連絡している。なお、流路形成部２５１，２５２，２５３には、第１実施例の流路形成部５０，５５と同様に、種々の形状の凸構造を設けることができる。

第３実施例のセパレータ２３０は、燃料ガスの流路に関わる構造として、水平方向の対向する２辺の近傍のそれぞれに、さらに他の孔部および多孔質部を備えている。また、セパレータ２３０は、流路形成部２５１〜２５３が形成されているのとは異なる面に、これらとは直交する方向に燃料ガスを導く流路形成部を備えている。これら燃料ガスの流路に関わる構造は、上記した酸化ガスの流路に関わる構造と同様の働きを有するため、ここでは酸化ガスの流路に関わる構造についてのみ説明する。

セパレータ２３０を、第１実施例のセパレータ３０に代えて用いて、他の部材と共に積層することで、第３実施例の燃料電池が形成される。図９は、第３実施例の燃料電池を構成するスタック２１５において酸化ガスが流れる様子を立体的に表わした模式図である。第３実施例の燃料電池では、セパレータ２３０が備える孔部２４１は酸化ガス供給マニホールド２６１を形成し、孔部２４０は酸化ガス排出マニホールド２６０を形成する。また、孔部２４５は第１配流マニホールド２６２を形成し、孔部２４４は第２配流マニホールド２６３を形成する。第１配流マニホールド２６２および第２配流マニホールド２６３は、酸化ガス供給マニホールド２６１および酸化ガス排出マニホールド２６０と同様に、スタック２１５内部を積層方向に貫通して形成される酸化ガスの流路である。さらに、第３実施例の燃料電池では、上記のように各部材を積層することで、孔部２４１が形成する酸化ガス供給マニホールド２６１と、孔部２４４が形成する第２配流マニホールド２６３との間に、多孔質部２３５が形成する水分授受部２１７が設けられる。また、孔部２４５が形成する第１配流マニホールド２６２と、孔部２４０が形成する酸化ガス排出マニホールド２６０との間に、多孔質部２３６が形成する水分授受部２１８が設けられる。図８では、孔部および多孔質部の参照番号と共に、対応するマニホールドあるいは水分授受部の参照番号を括弧内に示している。

また、図８では、流路形成部２５１〜２５３が燃料電池内で単セル内酸化ガス流路を形成するときの酸化ガスの流れ方向を、矢印で示している。このような単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れは、図９では、スタック２１５の両端の２カ所においてのみ示しているが、実際にはすべての単セル内で同様に酸化ガスが流れる。

第３実施例の燃料電池では、孔部２４１が形成する酸化ガス供給マニホールド２６１から各単セルに分配された酸化ガスは、流路形成部２５１が形成する単セル内酸化ガス流路を通過して、孔部２４５が形成する第１配流マニホールド２６２に至る。この第１配流マニホールド２６２は、スタック２１５を積層方向に貫通しているため、酸化ガス供給マニホールから各単セルに分配された酸化ガスは、ここで一旦集合して混じり合う。その後酸化ガスは、再び各単セルへと分配されて、流路形成部２５２が形成する単セル内酸化ガス流路を通過して、孔部２４４が形成する第２配流マニホールド２６３に至る。この第２配流マニホールド２６３においても、各単セルに分配された酸化ガスが一旦集合して混じり合う。その後酸化ガスは、再び各単セルに分配されて、流路形成部２５３が形成する単セル内酸化ガス流路を通過し、孔部２４０が形成する酸化ガス排出マニホールド２６０に集合して、酸化ガス排出マニホールド２６０から外部へと排出される。このように、酸化ガス供給マニホールド２６１と酸化ガス排出マニホールド２６０の他に、配流マニホールドを設け、各単セルに分配した酸化ガスを一旦集合させて再分配することで、各単セルに分配される酸化ガス量のばらつきを抑え、電池性能の向上を図ることができる。

本実施例では、上記のように、酸化ガス供給マニホールド２６１と第２配流マニホールド２６３との間に水分授受部２１７が設けられるため、ガスが含有する水分量がより多い下流側の第２配流マニホールド２６３から、酸化ガス供給マニホールド２６１へと、水分授受部２１７を介して水分が移動する。同様に、第１配流マニホールド２６２と酸化ガス排出マニホールド２６０との間に水分授受部２１８が設けられるため、ガスが含有する水分量がより多い下流側の酸化ガス排出マニホールド２６０から、第１配流マニホールド２６２へと、水分授受部２１８を介して水分が移動する。

このように、第３実施例の燃料電池によれば、水分授受部を介して、内部を通過するガスが含有する水分量がより多いガスマニホールドから、内部を通過するガスが含有する水分量がより少ないガスマニホールドへ水分が移動するため、第１実施例と同様に、ガスマニホールド中の水分量を調節する効果を得ることができる。その際に、このような水分授受部を設けることによって、燃料電池の強度が低下することもない。

Ｆ．第４実施例：
第３実施例では、各単セルに分配したガスを一旦集合させて再分配する配流マニホールドを設けたが、異なる種類のマニホールドを設け、このマニホールドと他のマニホールドとの間で水分の授受を行なう構成を、第４実施例として以下に説明する。図１０は、第４実施例の燃料電池が備えるセパレータ３３０の構成を表わす平面図である。セパレータ３３０は、その外周近くに、孔部３４０，３４１，３４６，３４７を備えている。すなわち、セパレータ３３０の鉛直方向の一方の辺の近傍上部に孔部３４６、同じく一方の辺の近傍下部に孔部３４７、鉛直方向の他方の辺の近傍上部に孔部３４０、同じく他方の辺の近傍下部に孔部３４１が設けられている。ここで、上記一方の辺の近傍に沿って隣接して設けられた２つの孔部３４６，３４７の間には、これらの孔部と境界を接して、セパレータ３３０を厚み方向に貫通する多孔質部３３６が設けられている。また、上記他方の辺に沿って隣接して設けられた２つの孔部３４０，３４１の間には、これらの孔部と境界を接して、セパレータ３３０を厚み方向に貫通する多孔質部３３５が設けられている。なお、多孔質部３３５，３３６、およびセパレータ３３０のその他の部位は、第１実施例のセパレータ３０と同様の材料によって構成することができる。

上記した各孔部および各多孔質部は、酸化ガスの流路に関わる構造である。セパレータ３３０の一方の面には、単セル内酸化ガス流路を形成するための流路形成部３５１，３５２が設けられている（図１０参照）。これら２つの流路形成部は、互いに略平行に形成されており、セパレータ３３０の表面で酸化ガスを水平方向に導く。流路形成部３５１は孔部３４１と孔部３４７とを連絡しており、流路形成部３５２は孔部３４６と孔部３４０とを連絡している。なお、流路形成部３５１，３５２には、第１実施例の流路形成部５０，５５と同様に、種々の形状の凸構造を設けることができる。

第４実施例のセパレータ３３０は、燃料ガスの流路に関わる構造として、水平方向の対向する２辺の近傍のそれぞれに、さらに他の孔部および多孔質部を備えている。また、セパレータ３３０は、流路形成部３５１，３５２が形成されているのとは異なる面に、これらとは直交する方向に燃料ガスを導く流路形成部を備えている。これら燃料ガスの流路に関わる構造は、上記した酸化ガスの流路に関わる構造と同様の働きを有するため、ここでは酸化ガスの流路に関わる構造についてのみ説明する。

セパレータ３３０を、第１実施例のセパレータ３０に代えて用いて、他の部材と共に積層することで、第４実施例の燃料電池が形成される。図１１は、第４実施例の燃料電池を構成するスタック３１５において酸化ガスが流れる様子を立体的に表わした模式図である。第４実施例の燃料電池では、セパレータ３３０が備える孔部３４１は酸化ガス供給マニホールド３６１を形成し、孔部３４０は酸化ガス排出マニホールド３６０を形成する。また、孔部３４７は第１中間マニホールド３６４を形成し、孔部３４６は第２中間マニホールド３６５を形成する。第１中間マニホールド３６４および第２中間マニホールド３６５は、酸化ガス供給マニホールド３６１および酸化ガス排出マニホールド３６０と同様に、スタック３１５内部を積層方向に貫通して形成される酸化ガスの流路である。さらに、第４実施例の燃料電池では、上記のように各部材を積層することで、酸化ガス供給マニホールド３６１と、酸化ガス排出マニホールド３６０との間に、多孔質部３３５が形成する水分授受部３１７が設けられる。また、孔部３４７が形成する第１中間マニホールド３６４と、孔部３４６が形成する第２中間マニホールド３６５との間に、多孔質部３３６が形成する水分授受部３１８が設けられる。図１０では、孔部および多孔質部の参照番号と共に、対応するマニホールドあるいは水分授受部の参照番号を括弧内に示している。

また、図１０では、流路形成部３５１，３５２が燃料電池内で単セル内酸化ガス流路を形成するときの酸化ガスの流れ方向を、矢印で示している。このような単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れは、図１１では、スタック３１５内で４カ所のみ示しているが、実際にはすべての単セル内で同様に酸化ガスが流れる。

第４実施例の燃料電池では、外部から酸化ガス供給マニホールド３６１に供給された酸化ガスは、図１１中手前側から奥側に向かって酸化ガス供給マニホールド３６１内を通過しつつ各単セルに分配され、流路形成部３５１が形成する単セル内酸化ガス流路を通過する。各単セルにおいて、流路形成部３５１が形成する単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、孔部３４７が形成する第１中間マニホールド３６４に一旦集合し、第１中間マニホールド３６４内を、図１１中奥側から手前側に向かって流れる。ここで、本実施例のスタック３１５では、図１１に示す手前側端部において、第１中間マニホールド３６４と第２中間マニホールド３６５とを接続する接続流路３６７が設けられている（図１１参照）。そのため、第１中間マニホールド３６４内を流れた酸化ガスは、スタック３１５の端部に設けた接続流路３６７に導かれて流れの向きを反転させ、第２中間マニホールド３６５内に流入する。第２中間マニホールド３６５に流入した酸化ガスは、第２中間マニホールド３６５内を、図１１中手前側から奥側に向かって流れながら各単セルに再分配され、流路形成部３５２が形成する単セル内酸化ガス流路を通過する。各単セルにおいて流路形成部３５２が形成する単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、孔部３４０が形成する酸化ガス排出マニホールド３６０に集合しつつ、酸化ガス排出マニホールド３６０中を図１１奥側から手前側に向かって流れ、外部に排出される。

本実施例では、上記のように、酸化ガス供給マニホールド３６１と酸化ガス排出マニホールド３６０との間に水分授受部３１７が設けられるため、ガスが含有する水分量がより多い下流側の酸化ガス排出マニホールド３６０から、酸化ガス供給マニホールド３６１へと、水分授受部３１７を介して水分が移動する。同様に、第１中間マニホールド３６４と第２中間マニホールド３６５との間に水分授受部３１８が設けられるため、ガスが含有する水分量がより多い下流側の第２中間マニホールド３６５から、第１中間マニホールド３６４へと、水分授受部３１８を介して水分が移動する。

このように、第４実施例の燃料電池によれば、水分授受部を介して、内部を通過するガスが含有する水分量がより多いガスマニホールドから、内部を通過するガスが含有する水分量がより少ないガスマニホールドへ水分が移動するため、第１実施例と同様に、ガスマニホールド中の水分量を調節する効果を得ることができる。その際に、このような水分授受部を設けることによって、燃料電池の強度が低下することもない。

Ｇ．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。

Ｇ１．変形例１：
第１ないし第４実施例では、水分授受部は、スタックの積層方向において、ガスマニホールドの全長にわたって連続して設けることとしたが、ガスマニホールドの一部に沿って設ける、あるいは不連続に設けることとしても良い。内部を通過するガスが含有する水蒸気量の異なるガスマニホールド間に、多孔質体から成る水分授受部を設けることで、ガスマニホールド内の水分量を調節する同様の効果を得ることができる。

Ｇ２．変形例２：
第１ないし第４実施例では、各単セルから排出されてガス排出マニホールドに集合したガスは、ガス排出マニホールドから外部へと放出することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用いる場合には、燃料ガス排出マニホールドの出口側端部を塞いだ構造（いわゆるデッドエンド）とすることができる。すなわち、外部との間の燃料ガスのやり取りとして、燃料ガス供給マニホールドへの燃料ガスの供給のみが行なわれる運転状態を選択可能とすることができる。このように燃料ガス排出マニホールドから燃料ガスを排出しない運転状態では、上流側から供給する水素量は、発電のために消費された水素を補うことができる量であれば良く、水素の利用率を向上させることができる。このような燃料電池では、実施例に示したように燃料ガス排出マニホールドから外部に燃料ガスが放出され続ける燃料電池とは異なり、燃料ガス中の水分が燃料ガスの流れと共に常に外部に排出されるということがない。そのため、燃料ガスの流路の下流側では水分が滞留しやすくなる。したがって、本発明を適用して、燃料ガス排出マニホールド内の水分を、より水分含有量が少ないガスが通過するガスマニホールドに供給することとにより、マニホールド内の水分を調節する効果を顕著に得ることができる。

Ｇ３．変形例３：
また、第１ないし第４実施例では、スタックにおいて、ガスマニホールドを形成するための孔部を有するセパレータを積層しているが、異なる構成とすることも可能である。例えば、上記孔部を有しないセパレータを電解質層および電極と共に積層して積層体を形成し、この積層体に対して、積層方向にガスを導く複数のガスマニホールドを、各単セルにガスを給排可能となるように積層体外部から取り付けることによってスタックを形成することとしても良い。この場合にも、本発明を適用して隣り合うガスマニホールド間に水分授受部を設けることによって、水分授受部を設けることで燃料電池の強度を低下させることなく、ガス中の水分量を調節できるという同様の効果を得ることができる。

Ｇ４．変形例４：
第１ないし第４実施例では、燃料電池は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池であっても良い。セパレータを含む部材を積層して構成する燃料電池であれば、セパレータにおいて水分授受部を形成するための多孔質部を設け、ガスマニホールド間の水分調節を行なうことによって、水詰まりを抑制し、ガス中の水分量を、燃料電池の発電を良好に継続するために望ましい量に近づけることができる。

第１実施例の燃料電池を構成する基本単位である単セル２０の構成を表わす分解斜視図である。 セパレータ３０の構成を表わす平面図である。 図２（Ａ）に示す３−３断面における断面図である。 流路形成部５０が複数の凸部５１を有する様子を表わす説明図である。 流路形成部５０が複数の線状凸部（リブ５２）を有する様子を表わす説明図である。 単セル２０を積層したスタック１５において酸化ガスが流れる様子を立体的に表わした模式図である。 セパレータ１３０の構成を表わす平面図である。 セパレータ２３０の構成を表わす平面図である。 スタック２１５において酸化ガスが流れる様子を立体的に表わした模式図である。 セパレータ３３０の構成を表わす平面図である。 スタック３１５において酸化ガスが流れる様子を立体的に表わした模式図である。

符号の説明

１５，２１５，３１５…スタック
１７…水分授受部
２０…単セル
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
３０，１３０，２３０，３３０…セパレータ
３２，３４…多孔質部
４０，４１，４２，４３…孔部
５０，５５…流路形成部
５１…凸部
５２…リブ
６０…酸化ガス排出マニホールド
６１…酸化ガス供給マニホールド
１３２，１３４…多孔質部
１４０〜１４３…孔部
１４２，１３４…多孔質部
１５０，１５５…流路形成部
２１７，２１８…水分授受部
２３５，２３６…多孔質部
２４０，２４１，２４４，２４５…孔部
２５１〜２５３…流路形成部
２６０…酸化ガス排出マニホールド
２６１…酸化ガス供給マニホールド
２６２…第１配流マニホールド
２６３…第２配流マニホールド
３１７，３１８…水分授受部
３３５，３３６…多孔質部
３４０，３４１，３４６，３４７…孔部
３５１，３５２…流路形成部
３６０…酸化ガス排出マニホールド
３６１…酸化ガス供給マニホールド
３６４…第１中間マニホールド
３６５…第２中間マニホールド
３６７…接続流路

Claims (6)

1. 電解質層と電極およびガスセパレータを含む部材を積層して成るスタックによって構成され、ガスの供給を受けて電気化学反応により起電力を得る燃料電池であって、
   前記スタック内を該スタックの積層方向に貫通して形成され、前記ガスが通過する複数のガスマニホールドと、
   前記複数のガスマニホールドのうち、隣り合って形成されたガスマニホールド間に配設される多孔質体であって、毛管吸引力によって液水を取り込むことが可能な細孔が形成されて、液水を取り込むことにより前記ガスマニホールド間をガスシール可能な多孔質体を備え、該多孔質体を介して、含有する水蒸気量の多いガスから含有する水蒸気量の少ないガスへと水分の移動を許容する水分授受部と
   を備える燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記ガスセパレータは、前記電解質層および前記電極と共に単セルを形成すると共に、前記電極との間に前記ガスが通過する単セル内ガス流路を形成し、
   前記複数のガスマニホールドは、前記単セル内ガス流路に対して前記ガスを給排する
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記ガスセパレータは、前記複数のガスマニホールドを形成するための複数の孔と、前記複数の孔のうち隣り合って形成される孔間に配設され、前記多孔質体によって構成される多孔質部と、を備え、
   前記水分授受部は、前記多孔質部によって形成される
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
   前記複数のガスマニホールドは、
   水素を含有する燃料ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドと、
   前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、
   酸素を含有する酸化ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドと、
   前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、
   を備え、
   前記水分授受部は、前記酸化ガス排出マニホールドと、前記燃料ガス供給マニホールドまたは前記酸化ガス供給マニホールドとの間に配設されている
   燃料電池。
5. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
   前記複数のガスマニホールドは、
   水素を含有する燃料ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドと、
   前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドと、
   酸素を含有する酸化ガスを、前記スタックを構成する前記単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドと
   前記スタックを構成する前記単セルから排出された前記酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドと、
   を備え、
   前記水分授受部は、前記燃料ガス排出マニホールドと、前記燃料ガス供給マニホールドまたは前記酸化ガス供給マニホールドとの間に配設されている
   燃料電池。
6. 電解質層および電極を形成する部材と共に積層されて燃料電池を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
   該燃料電池用ガスセパレータを厚み方向に貫通して設けられ、前記燃料電池を形成するための積層時には、該燃料電池内を積層方向に貫通して電気化学反応で用いるガスを給排するガスマニホールドを形成する複数の孔と、
   前記複数の孔のうちの隣り合う所定の孔間に配設され、該所定の孔のいずれにおいても該孔の壁面の一部を構成し、前記所定の孔間での水分の移動を許容する多孔質体であって、毛管吸引力によって液水を取り込むことが可能な細孔が形成されて、液水を取り込むことにより前記所定の孔間をガスシール可能な多孔質体によって形成される多孔質部と
   を備える燃料電池用ガスセパレータ。

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