JP4975982B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell.

高分子電解質型燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図８に、このような高分子電解質燃料電池の一般的な基本構成を示す。燃料電池１００は、図８に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。   A polymer electrolyte fuel cell is a battery that generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas such as hydrogen and an oxidant gas such as air at an anode and a cathode, which are gas diffusion electrodes, respectively. . FIG. 8 shows a general basic configuration of such a polymer electrolyte fuel cell. As shown in FIG. 8, the fuel cell 100 mainly includes a membrane electrode assembly (MEA) 105 and a pair of plate-like separators sandwiching the membrane electrode assembly 105, that is, an anode side separator 106a and a cathode side separator 106b. At least one unit cell having the configuration is provided.

膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。更に、アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。   The membrane electrode assembly 105 has a configuration in which a polymer electrolyte membrane 101 that selectively transports cations (hydrogen ions) is disposed between an anode 104a and a cathode 104b. Furthermore, the anode 104a includes at least a catalyst layer 102a disposed in close contact with the polymer electrolyte membrane 101 side, and a gas diffusion layer 103a disposed between the catalyst layer 102a and the anode-side separator 106a. The cathode 104b includes at least a catalyst layer 102b disposed in close contact with the polymer electrolyte membrane 101 side and a gas diffusion layer 103b disposed between the catalyst layer 102b and the cathode-side separator 106b.

触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。   The catalyst layers 102a and 102b are layers mainly composed of conductive carbon powder supporting an electrode catalyst (for example, platinum-based metal). The gas diffusion layers 103a and 103b are layers having both gas permeability and conductivity. The gas diffusion layers 103a and 103b are obtained, for example, by forming a conductive water-repellent layer made of conductive carbon powder and a fluororesin on a conductive porous substrate made of carbon.

ここで、図８に示すように、ＭＥＡ１０４においては、ガス漏れを防止するためガスケット１０９ａ、１０９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１０１の主面の大きさが、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１０１の全外縁部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、これらのアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外縁部よりも外側に突出した高分子電解質膜１０１の外縁部を「はみ出し部」ともいう（図８中のＰ）。   Here, as shown in FIG. 8, in the MEA 104, from the viewpoint of disposing the gaskets 109a and 109b in order to prevent gas leakage, the size of the main surface of the polymer electrolyte membrane 101 is the main size of the anode 104a and the cathode 104b. It is larger than the size of the surface, and the entire outer edge of the polymer electrolyte membrane 101 protrudes outward from the outer edges of the anode 104a and the cathode 104b. In this specification, the outer edge portion of the polymer electrolyte membrane 101 protruding outward from the outer edge portions of the anode 104a and the cathode 104b is also referred to as a “protruding portion” (P in FIG. 8).

アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ１０４を機械的に固定するとともに、ＭＥＡ１０４を複数積層する場合に隣接するＭＥＡ１０４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ１０４の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。   The anode-side separator 106a and the cathode-side separator 106b have conductivity, and mechanically fix the MEA 104. When the MEAs 104 are stacked, the adjacent MEAs 104 are electrically connected to each other in series. is there. The anode-side separator 106a and the cathode-side separator 106b are supplied with a reaction gas to the anode 104a and the cathode 104b, and carry away a product containing an electrode reaction and a product containing unreacted reactants to the outside of the MEA 104. The gas flow paths 107a and 107b are formed on one surface (that is, the main surface of the anode separator 106a and the cathode separator 106b on the side in contact with the anode 104a and the cathode 104b, respectively).

更に、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。   Further, cooling fluid flow paths 108a and 108b for introducing a cooling fluid (cooling water or the like) for adjusting the battery temperature to be substantially constant are formed on the other surfaces of the anode side separator 106a and the cathode side separator 106b. ing. By adopting a configuration in which the cooling fluid is circulated between the fuel cell and the heat exchanger disposed outside, the heat energy generated by the reaction can be used in the form of hot water or the like.

ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。   The gas flow paths 107a and 107b are formed by providing grooves on the main surfaces of the anode-side separator 106a and the cathode-side separator 106b on the side in contact with the anode 104a and the cathode 104b, respectively, from the advantage that the manufacturing process can be simplified. The method is common. In general, the cooling fluid channels 108a and 108b are formed by providing grooves on the outer main surfaces of the anode side separator 106a and the cathode side separator 106b.

また、複数のＭＥＡ１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）においては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。   In a so-called stacked fuel cell (fuel cell stack) obtained by interposing anode separators 106a and cathode separators 106b between a plurality of MEAs 105 and electrically stacking the plurality of MEAs 105 in series, the fuel Manifolds for branching the reaction gas supplied to the battery and supplying it to each MEA 105 (reactive gas supply manifold holes and reaction gas discharge manifold holes provided in the anode separator 106a and the cathode separator 106b are continuously provided. Manifolds (not shown) formed by being combined in a stacked state are provided.

また、燃料電池に供給される冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた冷却流体用マニホールド孔及び冷却流体排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。上記のように燃料電池の内部に形成されるマニホールドを内部マニホールドといい、このような「内部マニホールド型」の燃料電池が一般的である。   Further, manifolds for branching the cooling fluid supplied to the fuel cell and supplying each of the MEAs 105 (continuous manifold holes for cooling fluid and manifold holes for discharging the cooling fluid provided in the anode separator 106a and the cathode separator 106b) Manifolds (not shown) formed in combination in a stacked state are provided. The manifold formed inside the fuel cell as described above is called an internal manifold, and such an “internal manifold type” fuel cell is generally used.

更に、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、ＭＥＡ１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、ＭＥＡ１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。   Further, in the fuel cell 100, in order to prevent gas leakage of reaction gas (leak of fuel gas to the cathode 104b side, leakage of oxidant gas to the anode 104a side, leakage of reaction gas to the outside of the MEA 105, etc.). Between the anode separator 106a and the cathode separator 106b facing each other, a pair of gas seal functions is provided on the outer edge of the MEA 105 (outside of the anode 104a and the cathode 104b and on the outer edge of the polymer electrolyte membrane 101). Opposing gaskets, that is, an anode side gasket 109a and a cathode side gasket 109b are arranged.

これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。これを膜電極シール材接合体（ＭＥＳＡ）とも呼ばれる。   As the anode side gasket 109a and the cathode side gasket 109b, for example, an O-ring, a rubber sheet, a composite sheet of an elastic resin and a rigid resin, or the like is used. From the viewpoint of handleability of the MEA 105, a composite material gasket having a certain degree of rigidity is often used by being integrated with the MEA 105. This is also called a membrane electrode sealant assembly (MESA).

このようなアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを、先に述べた高分子電解質膜１０１の全てのはみ出し部を挟み込むようにして配置することにより、アノード側セパレータ１０６ａ、高分子電解質膜１０１及びアノード側ガスケット１０９ａにより、アノード１０４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ１０６ｂ、高分子電解質膜１０１及びカソード側ガスケット１０９ｂにより、カソード１０４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。   The anode side gasket 109a and the cathode side gasket 109b are arranged so as to sandwich all the protruding portions of the polymer electrolyte membrane 101 described above, whereby the anode side separator 106a, the polymer electrolyte membrane 101, and the anode are disposed. The side gasket 109a forms one closed space that encloses the anode 104a, and the cathode side separator 106b, the polymer electrolyte membrane 101, and the cathode side gasket 109b form another closed space that encloses the cathode 104b. These closed spaces prevent gas leakage of the reaction gas supplied to the anode 104a and the cathode 104b.

ここで、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂと、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図８に示すように、アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを上述の位置に配置する場合、それぞれアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ）が形成され易い。   Here, when the anode-side gasket 109a and the cathode-side gasket 109b are arranged at the above-described positions, processing tolerances and assembly tolerances of members are inevitably generated. Therefore, it is extremely difficult to sufficiently adhere the anode side gasket 109a and the cathode side gasket 109b to the end faces of the anode 104a and the cathode 104b, respectively. Therefore, as shown in FIG. 8, when the anode side gasket 109a and the cathode side gasket 109b are arranged at the above-described positions, gaps (that is, between the anode side gasket 109a and the cathode side gasket 109b and the anode 104a and the cathode 104b, respectively) The anode side gap 110a and the cathode side gap 110b) are easily formed.

このようなアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに漏れる場合がある。また、反応ガスの一部がアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂ内を進行してＭＥＡ１０５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題もある。   When the anode side gap 110a and the cathode side gap 110b are formed, the reaction gas may leak into the anode side gap 110a and the cathode side gap 110b. In addition, a part of the reaction gas does not flow inside the anode 104a and the cathode 104b, but proceeds in the anode-side gap 110a and the cathode-side gap 110b and is discharged out of the MEA 105, thereby maintaining efficient power generation performance. There is also a problem that it is extremely difficult to do.

これに対し、例えば特許文献１においては、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに、上記アノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとは別のシール材（充填シール材）を更に配置することによって、当該アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを塞ぎ、上述のような問題を解決することを意図した技術が提案されている。
特開２００４−１１９１２１号公報 On the other hand, for example, in Patent Document 1, by further disposing a sealing material (filling sealing material) different from the anode side gasket 109a and the cathode side gasket 109b in the anode side gap 110a and the cathode side gap 110b, A technique intended to solve the above-described problem by closing the anode side gap 110a and the cathode side gap 110b has been proposed.
JP 2004-119121 A

しかしながら、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂに別のシール材を配置する上記の従来技術によっては、別のシール材により触媒層１０２ａ、１０２ｂやアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂを歪ませてしまうことがあり、上述の問題を解決するには未だ改善の余地があった。
更に、この従来技術においても、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じるため、別のシール材とアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの端面とを十分に密着させることは困難であり、アノード側隙間１１０ａ及びカソード側隙間１１０ｂを完全にシールすることは極めて困難であった。
また、燃料電池の発電時に、上記別のシール部材が比較的高温で水蒸気等に曝されることから、当該別のシール部材から可塑剤や架橋剤等の汚染物質が溶出し、ＭＥＡ１０５にダメージを与えたり環境を汚染したりしてしまい、燃料電池の耐久性が著しく低下するおそれがあるという問題もあった。 However, depending on the above-described conventional technique in which another sealing material is disposed in the anode-side gap 110a and the cathode-side gap 110b, the catalyst layers 102a and 102b, the anode-side gasket 109a, and the cathode-side gasket 109b are distorted by another sealing material. There is still room for improvement in order to solve the above problems.
Furthermore, in this prior art, since processing tolerances and assembly tolerances of the members are inevitably generated, it is difficult to sufficiently bring another sealing material into close contact with the end surfaces of the anode 104a and the cathode 104b. It was extremely difficult to completely seal the cathode side gap 110b.
Further, during the power generation of the fuel cell, the other sealing member is exposed to water vapor or the like at a relatively high temperature, so that contaminants such as a plasticizer and a crosslinking agent are eluted from the other sealing member and damage the MEA 105. There is also a problem that the durability of the fuel cell may be remarkably lowered due to giving or polluting the environment.

そこで、本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、それぞれアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、上述のような充填シール材を用いず、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能で耐久性に優れ環境に優しい燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and even when the gaps as described above are formed between the anode side gasket and the cathode side gasket and the end faces of the anode and the cathode, respectively. The reaction gas can be used effectively for electrode reaction without using the above-mentioned filling sealing material, and it is possible to ensure sufficient power generation performance with a simple configuration and excellent durability and environment. The purpose is to provide a friendly fuel cell.

本発明は、上記の目的を達成するために、
アノード及びカソード並びにアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの膜電極接合体側の面において、膜電極接合体の外周部に配置され、反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備し、
アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方の少なくとも一部の表面に撥水処理が施されており、
前記隙間領域の少なくとも一部の撥水処理が施された表面が、前記セパレータの表面の一部で構成されており、
撥水処理は、セパレータの隙間領域に対応する領域の表面の動的濡れ性を、セパレータのそれ以外の表面の動的濡れ性よりも大きくすることにより施されていること、
を特徴とする燃料電池を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention
A membrane electrode assembly having an anode and a cathode and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A gas flow path for supplying and discharging a reaction gas to and from the membrane electrode assembly and a cooling fluid flow path for supplying and discharging a cooling fluid for cooling the membrane electrode assembly are formed. An anode-side separator and a cathode-side separator arranged so as to sandwich
An anode-side gasket and a cathode-side gasket disposed on the outer peripheral portion of the membrane-electrode assembly on the surface on the membrane-electrode assembly side of the anode-side separator and the cathode-side separator;
Comprising at least
The water vapor component in the reaction gas flowing into the anode side gap and the cathode side gap formed between the anode side gasket and the cathode side gasket and the membrane electrode assembly is condensed in at least a part of the anode side gap and the cathode side gap. And, at least one surface of at least one of the anode side gap and the cathode side gap is subjected to water repellent treatment so that at least one of the anode side gap and the cathode side gap is closed by condensed water,
The surface on which at least a part of the gap region has been subjected to water repellent treatment is constituted by a part of the surface of the separator ,
The water-repellent treatment is performed by making the dynamic wettability of the surface corresponding to the gap region of the separator larger than the dynamic wettability of the other surface of the separator ,
A fuel cell is provided.

ここで、本発明において、「アノード側隙間」はアノード側ガスケットと膜電極接合体とアノード側セパレータとの間に形成され、また、「カソード側隙」はカソード側ガスケットと膜電極接合体とカソード側セパレータとの間に形成される。
したがって、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、アノード側ガスケットの一部の表面、膜電極接合体の一部の表面、及びアノード側セパレータの一部の表面、のいずれかであればよいが、本発明では、少なくともアノード側セパレータの一部の表面が選択される。一方、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、同様に、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、カソード側ガスケットの一部の表面、膜電極接合体の一部の表面、及びアノード側セパレータの一部の表面、のいずれかであればよいが、本発明では、少なくともカソード側セパレータの一部の表面が選択される。 Here, in the present invention, the “anode side gap” is formed between the anode side gasket, the membrane electrode assembly, and the anode separator, and the “cathode side gap” is the cathode side gasket, the membrane electrode assembly, and the cathode. It is formed between the side separators.
Therefore, “at least a part of the surface of the anode-side gap subjected to the water-repellent treatment” refers to a part of the surface of the anode-side gasket that faces the anode-side gap and defines the anode-side gap, a membrane electrode assembly In the present invention, at least a part of the surface of the anode side separator is selected . On the other hand, “at least a part of the surface of the cathode-side gap subjected to the water-repellent treatment” is also a part of the surface of the cathode-side gasket, the membrane that faces the cathode-side gap and defines the cathode-side gap. Any one of the surface of the electrode assembly and the surface of the anode side separator may be used, but in the present invention, at least the surface of the cathode side separator is selected .

また、上記の膜電極接合体は、高分子電解質膜、アノード及びカソードによって構成されるため、アノード側隙間には高分子電解質膜の一部の表面及びアノードの一部の表面が面する場合があり、一方、カソード側隙間には高分子電解質膜の一部の表面及びカソードの一部の表面が面する場合もある。
したがって、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、高分子電解質膜の一部の表面及びアノードの一部の表面、のいずれかであってもよい。一方、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、同様に、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、高分子電解質膜の一部の表面及びカソードの一部の表面、のいずれかであってもよい。 In addition, since the membrane electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane, an anode, and a cathode, a part of the surface of the polymer electrolyte membrane and a part of the surface of the anode may face the gap on the anode side. On the other hand, a part of the surface of the polymer electrolyte membrane and a part of the surface of the cathode may face the gap on the cathode side.
Therefore, “at least a part of the surface of the anode-side gap subjected to the water-repellent treatment” refers to a part of the surface of the polymer electrolyte membrane and one of the anodes that faces the anode-side gap and defines the anode-side gap. Any of the surface of a part may be sufficient. On the other hand, “at least a part of the surface of the cathode-side gap subjected to the water-repellent treatment” similarly refers to a part of the surface of the polymer electrolyte membrane that faces the cathode-side gap and defines the cathode-side gap. Any one of the surfaces of the cathode may be used.

さらに、アノード及びカソードはそれぞれ触媒層及びガス拡散層を含むため、アノード側隙間及びカソード側隙間にはそれぞれ触媒層の一部の表面及びガス拡散層の一部の表面が面する場合がある。
したがって、「撥水処理が施されるアノード側隙間の少なくとも一部の表面」は、アノード側隙間に面して当該アノード側隙間を規定する、触媒層の一部の表面及びガス拡散層の一部の表面、のいずれかであってもよく、一方、「撥水処理が施されるカソード側隙間の少なくとも一部の表面」は、同様に、カソード側隙間に面して当該カソード側隙間を規定する、触媒層の一部の表面及びガス拡散層の一部の表面、のいずれかであってもよい。 Furthermore, since the anode and the cathode each include a catalyst layer and a gas diffusion layer, a part of the surface of the catalyst layer and a part of the surface of the gas diffusion layer may face the anode side gap and the cathode side gap, respectively.
Therefore, “at least a part of the surface of the anode-side gap subjected to the water-repellent treatment” refers to a part of the surface of the catalyst layer and the gas diffusion layer that face the anode-side gap and define the anode-side gap. On the other hand, the “at least part of the surface of the cathode-side gap that is subjected to the water-repellent treatment” similarly faces the cathode-side gap and defines the cathode-side gap. Any one of the surfaces of the catalyst layer and the gas diffusion layer may be defined.

そして、本発明の構成を有していれば、例えば燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件｛ガス流路の断面（ガスの流れ方向に略垂直な断面）形状、ガス流路の断面の周囲長、ガス流路の溝幅（セパレータの各リブ間の距離）、ガス流路の溝深さ（セパレータの各リブの高さ）、ガス流路の長さ（ガス流路の、反応ガス供給用マニホールド孔に接続された一端から反応ガス排出用マニホールド孔に接続された他端までの長さ）｝等のうちの少なくとも１つを調整することにより、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットとアノード及びカソードの端面との間に上述のような隙間が形成される場合であっても、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。   And if it has the composition of the present invention, for example, the operating condition of the fuel cell and the geometric condition of the gas flow path {the cross section of the gas flow path (cross section substantially perpendicular to the gas flow direction) shape, the gas flow path Perimeter of gas cross section, groove width of gas channel (distance between each rib of separator), groove depth of gas channel (height of each rib of separator), length of gas channel (of gas channel) , The length from one end connected to the reaction gas supply manifold hole to the other end connected to the reaction gas discharge manifold hole)}, etc., by adjusting at least one of the anode side gasket and the cathode side Even when the gaps described above are formed between the gasket and the end faces of the anode and the cathode, the reaction gas can be effectively used for the electrode reaction, and sufficient power generation can be achieved with a simple configuration. Fuel cell capable of ensuring performance It is possible to provide a.

即ち、例えば、（ｉ）入口での反応ガス（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔における酸化剤ガス）の水蒸気圧（ＰH2O）、（ii）冷却流体の温度及び流量並びに（iii）反応ガスの利用率等、更には、（iv）ガス流路の幾何学的条件及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等の燃料電池の運転条件やガス流路の幾何学的条件等を適宜調整することによって、容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。 That is, for example, (i) the water vapor pressure (P H2O ) of the reaction gas at the inlet (that is, the fuel gas in the fuel gas supply manifold hole and the oxidant gas in the oxidant gas supply manifold hole), (ii) the cooling fluid The temperature and flow rate and (iii) the utilization rate of the reaction gas, and (iv) the geometric conditions of the gas flow path and the pressure loss in the gas flow path (difference between the inlet pressure value and the outlet pressure value), and ( v) The effects of the present invention described above can be obtained easily and reliably by appropriately adjusting the operating conditions of the fuel cell, such as the output of the fuel cell, and the geometrical conditions of the gas flow path.

より具体的には、発電によって水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちの一方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。そして、詳細は後述するが、上記のようにアノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一方の少なくとも一部の表面に撥水処理を施すことにより、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部の動的濡れ性を高くすることができるとともに、閉塞した凝縮水の移動及び排出を抑制することができる。その結果、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード又はカソード面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。   More specifically, the reaction gas containing more water vapor by power generation flows into one of the anode side gap and the cathode side gap formed between the anode side gasket and the cathode side gasket and the membrane electrode assembly. Even if it goes around, the water vapor component contained in the reaction gas is condensed in at least a part of the gap, and the gap is closed by the condensed water. As will be described in detail later, at least a part of the anode side gap and the cathode side gap is moved by subjecting at least a part of the surface of at least one of the anode side gap and the cathode side gap to water repellent treatment as described above. The wettability can be increased, and the movement and discharge of the blocked condensed water can be suppressed. As a result, the reaction gas does not flow around the gap after clogging and can be reliably supplied to the anode or cathode surface. Accordingly, it is possible to provide a fuel cell that can effectively use the reaction gas for the electrode reaction and can ensure sufficient power generation performance with a simple configuration.

更に、上記反応ガスが、上記アノード側隙間及びカソード側隙間の両方に流れて回り込んだとしても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞するため、閉塞後に反応ガスが上記隙間を流れて回り込むことがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内の両方に確実に供給することができる。従って、反応ガスを電極反応に対して有効に利用することができ、簡単な構成で、十分な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することができる。   Furthermore, even if the reaction gas flows and circulates in both the anode-side gap and the cathode-side gap, the water vapor component contained in the reaction gas is condensed in at least a part of the gap, and the gap is condensed water. Therefore, the reaction gas can be reliably supplied to both the anode and cathode surfaces without flowing around the gap after closing. Accordingly, it is possible to provide a fuel cell that can effectively use the reaction gas for the electrode reaction and can ensure sufficient power generation performance with a simple configuration.

ここで、上記運転条件及び幾何学的条件として、（ｉ）入口での反応ガス（即ち燃料ガス供給用マニホールド孔における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔における酸化剤ガス）の水蒸気圧（ＰH2O）、（ii）冷却流体の温度及び流量並びに（iii）反応ガスの利用率等、更には、（iv）ガス流路の幾何学的条件及びガス流路における圧力損失（入口圧力値と出口圧力値との差）、並びに（ｖ）燃料電池の出力等を適宜調整することによって、容易かつ確実に上記の本発明の効果を得ることができる。 Here, as the operating conditions and geometrical conditions, (i) the water vapor pressure (P) of the reaction gas at the inlet (that is, the fuel gas in the fuel gas supply manifold hole and the oxidant gas in the oxidant gas supply manifold hole). H2O ), (ii) temperature and flow rate of cooling fluid and (iii) utilization rate of reaction gas, etc., and (iv) geometric conditions of gas flow path and pressure loss in gas flow path (inlet pressure value and outlet) The effects of the present invention described above can be obtained easily and reliably by appropriately adjusting the difference between the pressure value and (v) the output of the fuel cell.

なお、本明細書における「反応ガス」には、燃料ガス及び酸化剤ガスはもとより、当該燃料ガス及び酸化剤ガスが、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含む場合も含まれる。   The “reactive gas” in the present specification includes not only the fuel gas and oxidant gas but also the case where the fuel gas and oxidant gas contain a product generated by the electrode reaction or an unreacted reactant. .

本発明によれば、発電により水蒸気をより多く含む反応ガスが、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間のうちのいずれかに流れても、反応ガス中に含まれる水蒸気成分が上記隙間の少なくとも一部において凝縮し、上記隙間が凝縮水により閉塞する。そして、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部の動的濡れ性が撥水処理によって高められていることから、閉塞した凝縮水の移動及び排出を抑制することができる。この結果、反応ガスが上記隙間を流れることがなく、上記反応ガスをアノード及びカソード面内に確実に供給することができ、上記反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, the reaction gas containing more water vapor by power generation flows into any of the anode side gap and the cathode side gap formed between the anode side gasket and the cathode side gasket and the membrane electrode assembly. However, the water vapor component contained in the reaction gas is condensed in at least a part of the gap, and the gap is blocked by the condensed water. And since the dynamic wettability of at least a part of the anode side gap and the cathode side gap is enhanced by the water repellent treatment, the movement and discharge of the blocked condensed water can be suppressed. As a result, the reaction gas does not flow through the gap, and the reaction gas can be reliably supplied into the anode and cathode surfaces, and the reaction gas can be efficiently used to improve the power generation performance. It is possible to provide a fuel cell capable of

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。本発明の燃料電池１０は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 1, a fuel cell 10 of the present invention is mainly composed of a membrane electrode assembly (MEA) 5 and a pair of plate separators sandwiching the membrane electrode assembly 5, that is, an anode side separator 6a and a cathode side separator. At least one unit cell including 6b is included.

膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるＮａｆｉｏｎ１１２膜（商品名））が配置された構成を有している。更に、アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む。   The membrane electrode assembly 5 includes a polymer electrolyte membrane 1 that selectively transports cations (hydrogen ions) between the anode 4a and the cathode 4b (for example, a Nafion 112 membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid manufactured by DuPont, USA) Name)) is arranged. Furthermore, the anode 4a includes at least a catalyst layer 2a disposed in close contact with the polymer electrolyte membrane 1 side, and a gas diffusion layer 3a disposed between the catalyst layer 2a and the anode-side separator 6a. The cathode 4b includes at least a catalyst layer 2b disposed in close contact with the polymer electrolyte membrane 1, and a gas diffusion layer 3b disposed between the catalyst layer 2b and the cathode-side separator 6b.

触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。また、触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。   The catalyst layers 2a and 2b are layers mainly composed of conductive carbon powder (for example, carbon black) carrying an electrode catalyst (for example, platinum-based metal). Further, the catalyst layers 2a and 2b are formed using a catalyst layer forming ink containing conductive carbon particles carrying an electrode catalyst, a polymer electrolyte having cation (hydrogen ion) conductivity, and a dispersion medium. It can be formed by a method known in the art.

また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂは、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に導電性炭素粉末（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂とからなる導電性撥水層を形成して得られる。上記導電性多孔質基材としては、例えばカーボンペーパー、織布、フェルト等の一般的なものを用いることができる。   The gas diffusion layers 3a and 3b are layers having both gas permeability and conductivity. The gas diffusion layers 3a and 3b are obtained by forming a conductive water repellent layer made of conductive carbon powder (for example, carbon black) and a fluororesin on a conductive porous substrate made of carbon, for example. As the conductive porous substrate, general materials such as carbon paper, woven fabric, felt, and the like can be used.

ＭＥＡ５には、ガス漏れを防止するためガスケット９ａ、９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部（図１中のＰ）がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。なお、本明細書においては、上述したように、これらのアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出した高分子電解質膜１の外縁部Ｐを「はみ出し部」ともいう。   In the MEA 5, from the viewpoint of disposing the gaskets 9a and 9b to prevent gas leakage, the size of the main surface of the polymer electrolyte membrane 1 is larger than the sizes of the main surfaces of the anode 4a and the cathode 4b, and high The entire outer edge portion (P in FIG. 1) of the molecular electrolyte membrane 1 protrudes outward from the outer edge ends of the anode 4a and the cathode 4b. In the present specification, as described above, the outer edge portion P of the polymer electrolyte membrane 1 protruding outward from the outer edge ends of the anode 4a and the cathode 4b is also referred to as a “protruding portion”.

アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、ＭＥＡ４を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接するＭＥＡ４同士を互いに電気的に直列に接続するものであり、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスをＭＥＡ４の外部に運び去るためのガス流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。なお、ガス流路７ａ、７ｂの構成の詳細については後述する。   The anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b have electrical conductivity. When the MEA 4 is mechanically fixed and a plurality of unit cells are used in a stacked manner, adjacent MEAs 4 are electrically connected to each other in series. In order to connect, a reactive gas (fuel gas and oxidant gas) is supplied to the anode 4a and the cathode 4b, and a gas containing a product generated by an electrode reaction or an unreacted reactant is carried away to the outside of the MEA 4. The gas flow paths 7a and 7b are formed on one surface (that is, the main surface of the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b on the side in contact with the anode 4a and the cathode 4b, respectively). Details of the configuration of the gas flow paths 7a and 7b will be described later.

一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。   On the other hand, cooling fluid flow paths 8a and 8b for introducing a cooling fluid (cooling water or the like) for adjusting the battery temperature to be substantially constant are formed on the other surfaces of the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b. ing. By adopting a configuration in which the cooling fluid is circulated between the fuel cell and the heat exchanger disposed outside, the heat energy generated by the reaction can be used in the form of hot water or the like.

ガス流路７ａ、７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面に溝を設けて形成されている。また、冷却流体流路８ａ、８ｂは、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの外側の主面に溝を設けて形成されている。   The gas flow paths 7a and 7b are formed by providing grooves on the main surfaces of the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b on the side in contact with the anode 4a and the cathode 4b, respectively, from the advantage that the manufacturing process can be simplified. . The cooling fluid flow paths 8a and 8b are formed by providing grooves on the main surfaces outside the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b.

本発明の燃料電池１０は、複数のＭＥＡ５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数のＭＥＡ５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いることができる。この場合、供給される反応ガス及び冷却流体を分岐させて各ＭＥＡ５に供給するためのマニホールドが設けられる。   The fuel cell 10 of the present invention is a so-called stacked fuel cell (fuel cell) obtained by interposing an anode-side separator 6a and a cathode-side separator 6b between a plurality of MEAs 5 and electrically stacking the plurality of MEAs 5 in series. Stack). In this case, a manifold for branching the supplied reaction gas and cooling fluid and supplying the branched reaction gas and cooling fluid to each MEA 5 is provided.

ここで、図２は、図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図である。また、図３は、カソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図である。図２及び図３に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。従って、本実施形態の燃料電池１０は「内部マニホールド型」である。   Here, FIG. 2 is a front view of the anode separator 6a in FIG. 1 as viewed from the gas flow path side. FIG. 3 is a front view of the cathode separator 6b as viewed from the gas flow path side. 2 and 3, the anode separator 6a and the cathode separator 6b include a fuel gas supply manifold hole 14, a fuel gas discharge manifold hole 15, a cooling fluid manifold hole 16, and a cooling fluid discharge manifold. A hole 17, an oxidant gas supply manifold hole 18, and an oxidant gas discharge manifold hole 19 are provided. Therefore, the fuel cell 10 of the present embodiment is an “internal manifold type”.

燃料電池１０を２以上積層して得られる燃料電池スタックにおいては、複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成され、複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成される。また、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成される。   In a fuel cell stack obtained by stacking two or more fuel cells 10, a plurality of fuel gas supply manifold holes 14 are combined in a continuously stacked state to form a fuel gas supply manifold (not shown). A plurality of fuel gas discharge manifold holes 15 are combined in a continuously stacked state to form a fuel gas discharge manifold (not shown). Similarly, for the cooling fluid manifold hole 16, the cooling fluid discharge manifold hole 17, the oxidant gas supply manifold hole 18, and the oxidant gas discharge manifold hole 19, a plurality of manifold holes are continuously stacked. A manifold (not shown) is formed by being combined in the above state.

ここで、図４は、図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図（即ち、図１の燃料電池１０からアノード側セパレータ６ａを取り外し、当該アノード側セパレータ６ａ側（取り外し前）から見た正面図である。
図１及び図４に示すように、本発明の燃料電池１０においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、ＭＥＡ５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、ＭＥＡ５の外縁部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外部であって高分子電解質膜１の外縁部Ｐ）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。 4 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 1 (ie, a front view of the anode separator 6a removed from the fuel cell 10 of FIG. 1 and viewed from the anode separator 6a side (before removal)). It is.
As shown in FIGS. 1 and 4, in the fuel cell 10 of the present invention, the gas leakage of the reaction gas (the leakage of the fuel gas to the cathode 4 b side, the leakage of the oxidant gas to the anode 4 a side, the outside of the MEA 5). In order to prevent reaction gas leakage, the outer edge of the MEA 5 (outside of the anode 4a and the cathode 4b and between the anode separator 6a and the cathode separator 6b facing each other) In part P), a pair of opposing gaskets having a gas sealing function, that is, an anode side gasket 9a and a cathode side gasket 9b are arranged.

これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜１の全てのはみ出し部を挟み込んでいる。そして、アノード側セパレータ６ａ、高分子電解質膜１及びアノード側ガスケット９ａにより、アノード４ａを包み込む一つの閉空間が形成され、カソード側セパレータ６ｂ、高分子電解質膜１及びカソード側ガスケット９ｂにより、カソード４ｂを包み込むまた別の閉空間が形成される。これらの閉空間によって、アノード４ａ及びカソード４ｂに供給される反応ガスのガス漏れの防止が図られている。   These anode side gasket 9a and cathode side gasket 9b have, for example, a continuous annular structure having a substantially rectangular cross-sectional shape, and conventionally use, for example, an O-ring, a rubber-like sheet, a composite sheet of an elastic resin and a rigid resin, or the like. It can be produced by a known method, and all the protruding portions of the polymer electrolyte membrane 1 described above are sandwiched. The anode-side separator 6a, the polymer electrolyte membrane 1, and the anode-side gasket 9a form one closed space that encloses the anode 4a. The cathode-side separator 6b, the polymer electrolyte membrane 1, and the cathode-side gasket 9b form the cathode 4b. Another closed space is formed to envelop. These closed spaces prevent gas leakage of the reaction gas supplied to the anode 4a and the cathode 4b.

本実施形態において、図２に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは６本の溝で構成され、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを最短距離で部分７７ｃにおいて交差してアノード４ａに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、垂直方向（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる７箇所の直線部７７ａと、隣接する直線部７７ａの端を上流側から下流側へ連結する６箇所のターン部７７ｂとを有している。そして、ガス流路７ａの最下流の直線部（垂直方向に延びる直線部）は、部分７７ｄにおいて最短距離でアノード側隙間１０ａと交差して、燃料ガス排出用マニホールド孔１５に連絡している。   In this embodiment, the gas flow path 7a in the anode side separator 6a shown in FIG. 2 is composed of six grooves, and the anode side gap 10a intersects the anode gas gap 10a from the fuel gas supply manifold hole 14 at the shortest distance at the portion 77c. It extends to a portion (electrode portion) corresponding to 4a. In the electrode portion, the gas flow path 7a has a serpentine shape and is provided with a vertical direction (a portion provided with a fuel gas supply manifold hole 14 and an oxidant gas discharge manifold hole 19 in the anode side separator 6a in FIG. 2). 7 straight portions 77a extending in a direction substantially parallel to the side) and six turn portions 77b connecting the ends of the adjacent straight portions 77a from the upstream side to the downstream side. The most downstream straight line portion (the straight line portion extending in the vertical direction) of the gas flow path 7a intersects the anode side gap 10a at the shortest distance in the portion 77d and communicates with the fuel gas discharge manifold hole 15.

一方、図３に示すカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂも６本の溝で構成され、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８からカソード側隙間１０ｂを最短距離で交差してカソード４ｂに対応する部分（電極部）まで延びている。そして、電極部において、ガス流路７ｂはサーペンタイン形状を有し、垂直方向（図３のカソード側セパレータ６ｂにおいて酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる７箇所の直線部７７ａと、隣接する直線部７７ａの端を上流側から下流側へ連結する６箇所のターン部７７ｂとを有している。そして、ガス流路７ｂの最下流の直線部（垂直方向に延びる直線部）は、最短距離でカソード側隙間１０ｂと交差して、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９に連絡している。   On the other hand, the gas flow path 7b in the cathode side separator 6b shown in FIG. 3 is also composed of six grooves, and intersects the cathode side gap 10b from the oxidant gas supply manifold hole 18 at the shortest distance and corresponds to the cathode 4b. It extends to (electrode part). In the electrode portion, the gas flow path 7b has a serpentine shape and is provided with a vertical direction (a portion provided with the oxidant gas supply manifold hole 18 and the fuel gas discharge manifold hole 15 in the cathode side separator 6b in FIG. 3). 7 straight portions 77a extending in a direction substantially parallel to the side) and six turn portions 77b connecting the ends of the adjacent straight portions 77a from the upstream side to the downstream side. The most downstream straight portion (the straight portion extending in the vertical direction) of the gas flow path 7b intersects the cathode-side gap 10b at the shortest distance and communicates with the oxidant gas discharge manifold hole 19.

また、アノード側セパレータ６ａにおいて、ガス流路７ａに連通する燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５は、アノード側ガスケット９ａの外側に設けられている。より具体的には、燃料ガス供給用マニホールド孔１４はアノード側セパレータ６ａの１つの辺上に設けられ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５はアノード側セパレータ６ａにおいて対向する辺上に設けられている。
一方、カソード側セパレータ６ｂにおいては、ガス流路７ｂに連通する酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が、カソード側ガスケット９ｂの外側に設けられている。より具体的には、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８はカソード側セパレータ６ｂの１つ辺上に設けられ、酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９がカソード側セパレータ６ｂの対向する辺上に設けられている。 Further, in the anode side separator 6a, the fuel gas supply manifold hole 14 and the fuel gas discharge manifold hole 15 communicating with the gas flow path 7a are provided outside the anode side gasket 9a. More specifically, the fuel gas supply manifold hole 14 is provided on one side of the anode side separator 6a, and the fuel gas discharge manifold hole 15 is provided on the opposite side of the anode side separator 6a.
On the other hand, in the cathode side separator 6b, an oxidant gas supply manifold hole 18 and an oxidant gas discharge manifold hole 19 communicating with the gas flow path 7b are provided outside the cathode side gasket 9b. More specifically, the oxidant gas supply manifold hole 18 is provided on one side of the cathode side separator 6b, and the oxidant gas discharge manifold hole 19 is provided on the opposite side of the cathode side separator 6b. Yes.

なお、図示していないが、アノード側セパレータ６ａの燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａを経て電極部に到達する部分７７ｃにおいては、燃料ガスが直接アノード側隙間１０ａに流れ込まないように、遮断板を配置する。この遮断板の寸法及び形状は、ガス流路７ａを通る燃料ガスがアノード側隙間１０ａに入り込むことを有効に防止するように、当該部分においてアノード側隙間１０ａを閉塞し、かつ本発明の効果を損なわない範囲で適宜決定することができる。   Although not shown, fuel gas does not flow directly into the anode-side gap 10a in the portion 77c that reaches the electrode portion from the fuel-gas supply manifold hole 14 of the anode-side separator 6a via the anode-side gap 10a. , Arrange the barrier plate. The size and shape of the blocking plate close the anode side gap 10a in the portion so as to effectively prevent the fuel gas passing through the gas flow path 7a from entering the anode side gap 10a, and the effect of the present invention. It can be determined appropriately within a range not to be impaired.

従って、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９からガス流路が、それぞれアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂと交差する部分（例えば図２中の部分７７ｄ）にも、同様に遮断板を配置するのが好ましい。
なお、遮断板の材質としては、反応ガスを透過させにくく、かつ反応ガスによって腐食しにくい材料であれば特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択すればよい。 Accordingly, the gas flow paths from the fuel gas discharge manifold hole 15, the oxidant gas supply manifold hole 18, and the oxidant gas discharge manifold hole 19 intersect the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b, respectively (for example, FIG. Similarly, it is preferable to arrange a blocking plate in the portion 77d) in FIG.
The material of the blocking plate is not particularly limited as long as it is a material that is difficult to permeate the reaction gas and is not easily corroded by the reaction gas, and may be appropriately selected within a range that does not impair the effects of the present invention.

ここで、上述のように、アノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを上述の位置に配置する際は、部材の加工公差や組み立て公差等がどうしても生じる。そのため、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂと、アノード４ａ及びカソード４ｂの端面とを十分に密着させることは極めて困難である。従って、図１に示すように、それぞれアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂとアノード４ａ及びカソード４ｂとの間に隙間（即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ）が発生し易い。   Here, as described above, when the anode-side gasket 9a and the cathode-side gasket 9b are arranged at the above-described positions, processing tolerances and assembly tolerances of the members inevitably occur. Therefore, it is extremely difficult to sufficiently adhere the anode side gasket 9a and the cathode side gasket 9b to the end surfaces of the anode 4a and the cathode 4b, respectively. Therefore, as shown in FIG. 1, gaps (that is, the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b) are easily generated between the anode-side gasket 9a and the cathode-side gasket 9b and the anode 4a and the cathode 4b, respectively.

即ち、高分子電解質膜１の一部の表面、アノード側ガスケット９ａの一部の表面、アノード側セパレータ６ａの一部の表面及びアノード４ａの一部の表面（端面）によって規定される空間からなるアノード側隙間１０ａ、並びに、高分子電解質膜１の一部の表面、カソード側ガスケット９ｂの一部の表面、カソード側セパレータ６ｂの一部の表面及びカソード４ｂの一部の表面（端面）によって規定される空間からなるカソード側隙間１０ｂが形成され易い。   That is, it consists of a space defined by a part of the surface of the polymer electrolyte membrane 1, a part of the surface of the anode side gasket 9a, a part of the surface of the anode separator 6a, and a part of the surface (end face) of the anode 4a. Defined by the anode-side gap 10a, a part of the surface of the polymer electrolyte membrane 1, a part of the cathode-side gasket 9b, a part of the cathode-side separator 6b, and a part of the cathode 4b (end face). It is easy to form the cathode-side gap 10b formed of the space to be formed.

上記のようなアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが形成されると、反応ガスがアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに漏れて回り込む場合があり、また、反応ガスの一部がアノード４ａ及びカソード４ｂの内部を流れずに当該アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ内を進行してＭＥＡ５の外に放出されてしまい、効率的な発電性能を維持することが困難になるという問題があるところ、従来の技術ではこの問題を充分に解決することはできなかった。   When the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b as described above are formed, the reaction gas may leak into the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b, and a part of the reaction gas may be the anode 4a and the cathode side gap 10b. There is a problem in that it is difficult to maintain efficient power generation performance because it travels through the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b without being flowed inside the cathode 4b and is discharged outside the MEA 5. However, the conventional technique has not been able to sufficiently solve this problem.

そこで、本実施形態においては、アノード側ガスケット９ａと膜電極接合体５との間に形成されるアノード側隙間１０ａに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間１０ａの少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間１０ａが凝縮水により閉塞するように、アノード側隙間１０ａに面するアノード側セパレータ６ａの部分（即ち、アノード側セパレータ６ａにおいてアノード側隙間１０ａに対応する領域）の全体に撥水処理を施す。   Therefore, in the present embodiment, the water vapor component in the reaction gas flowing into the anode side gap 10a formed between the anode side gasket 9a and the membrane electrode assembly 5 is condensed in at least a part of the anode side gap 10a. Thus, the entire portion of the anode-side separator 6a facing the anode-side gap 10a (that is, the region corresponding to the anode-side gap 10a in the anode-side separator 6a) is water-repellent so that the anode-side gap 10a is closed by condensed water. Apply processing.

ここで、「アノード側隙間１０ａに対応する領域」とは、アノード側セパレータ６ａの主面の法線方向から当該「アノード側隙間１０ａに対応する領域」、並びにアノード側セパレータ６ａから膜電極接合体５の側の内部に存在する「アノード側隙間１０ａ」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「アノード側隙間１０ａ」を示す図形（投影された結果、「アノード側隙間１０ａ」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、即ち、「アノード側隙間１０ａ」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう（図２において一点鎖線で示される部分）。   Here, the “region corresponding to the anode-side gap 10a” refers to the “region corresponding to the anode-side gap 10a” from the normal direction of the main surface of the anode-side separator 6a and the membrane-electrode assembly from the anode-side separator 6a. When the “anode side gap 10a” existing inside the 5 side is projected (when projected at the same magnification), a figure indicating the “anode side gap 10a” (projected result is “anode side gap 10a”). An area having the same size and shape as the figure showing the gap 10a ", that is, an area that overlaps with the figure showing the" anode-side gap 10a "(shown by a one-dot chain line in FIG. 2). portion).

さらに本実施形態においては、同様に、カソード側ガスケット９ｂと膜電極接合体５との間に形成されるカソード側隙間１０ｂに流入する反応ガス中の水蒸気成分が、カソード側隙間１０ｂの少なくとも一部において凝縮し、カソード側隙間１０ｂが凝縮水により閉塞するように、カソード側隙間１０ｂに面するカソード側セパレータ６ｂの部分（即ち、カソード側セパレータ６ｂにおいてカソード側隙間１０ｂに対応する領域）の全体に撥水処理を施す。   Further, in the present embodiment, similarly, the water vapor component in the reaction gas flowing into the cathode side gap 10b formed between the cathode side gasket 9b and the membrane electrode assembly 5 is at least part of the cathode side gap 10b. So that the cathode-side gap 10b is closed by the condensed water, so that the entire portion of the cathode-side separator 6b facing the cathode-side gap 10b (that is, the region corresponding to the cathode-side gap 10b in the cathode-side separator 6b). Apply water repellent treatment.

また、「カソード側隙間１０ｂに対応する領域」とは、カソード側セパレータ６ｂの主面の法線方向から当該「カソード側隙間１０ｂに対応する領域」、並びにカソード側セパレータ６ｂから膜電極接合体１０の側の内部に存在する「カソード側隙間１０ｂ」を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、「カソード側隙間１０ｂ」を示す図形（投影された結果、「カソード側隙間１０ｂ」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域、即ち、「カソード側隙間１０ｂ」を示す図形に一致した状態で重なる領域をいう（図３において一点鎖線で示される部分）。   The “region corresponding to the cathode-side gap 10b” refers to the “region corresponding to the cathode-side gap 10b” and the membrane-electrode assembly 10 from the cathode-side separator 6b from the normal direction of the main surface of the cathode-side separator 6b. When the “cathode side gap 10b” existing inside is projected (when projected at the same magnification), a figure indicating the “cathode side gap 10b” (projected result is “cathode side gap 10b”). A region that has the same size and shape as the graphic that indicates “10b”, that is, a region that overlaps with the graphic that indicates “cathode side gap 10b” (the portion indicated by the one-dot chain line in FIG. 3) ).

上記のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、種々の材料を用いて作製することができ、チタン、ステンレス等を用いることができる（この場合、例えば、いわゆる金属セパレータが構成される）。また、上記材料としては電導性のカーボン材料等を用いることもできる。なかでも、撥水処理を施し易いという観点から、黒鉛板を用いるのが好ましく、また、生産性の向上および低コスト化という観点から、等方性黒鉛板や、さらには黒鉛と繊維状グラファイトとフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂との混合物を成形して得られる板等を用いるのが好ましい。   The anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b can be manufactured using various materials, and titanium, stainless steel, or the like can be used (in this case, for example, a so-called metal separator is configured). In addition, as the material, a conductive carbon material or the like can be used. Among them, it is preferable to use a graphite plate from the viewpoint of easy water-repellent treatment, and from the viewpoint of improvement of productivity and cost reduction, an isotropic graphite plate, and further, graphite and fibrous graphite are used. It is preferable to use a plate obtained by molding a mixture with a thermosetting resin such as a phenol resin.

また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の撥水処理は、例えばアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂ以外の部分をマスキングし、研磨剤（例えば粒子径約０．５μｍ）を用いてブラスト処理すること、等によって行うことができる。また、上記撥水処理は、例えば、撥水性のポリマーを塗布することなどによりコーティングすることにより行うこともできる。   In the anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b, the water-repellent treatment of the regions corresponding to the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b is performed by masking, for example, portions other than the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b. (For example, blasting using a particle diameter of about 0.5 μm) can be performed. Further, the water repellent treatment can be performed by coating, for example, by applying a water repellent polymer.

また、本実施形態においては、撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域が、撥水性領域となる。そして、動的濡れ性は、水滴をより動きにくくするという観点から０．８〜２．０であるのが好ましい。また、本発明の効果をより確実に得る観点から動的濡れ性を容易かつ確実に上記好適な範囲とすることが好ましく、この観点から、撥水性領域の静的接触角は、９０°以上であることが好ましい。
また、静的接触角は、接触角計を用いることで測定することができる。
一方、動的濡れ性は、水滴転落角の測定から求めることができる。一般的には、水滴転落角αは、「Ｌ・γL・（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）＝ｍ・ｇ・ｓｉｎα」によって算出される。ここで、Ｌ：隙間をうめる水滴が計測対象の表面と接触している面（隙間）の外周長（全周長）、γL：水の表面張力、θａ：前進接触角、θｒ：後退接触角、ｍ：水滴の質量、ｇ：重力である。そして、（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）が動的濡れ性を示す。したがって、隙間の上記外周長Ｌ、前進接触角θａ、後退接触角θｒを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。さらに、簡便的には、前進接触角θa及び後退接触角θrの計測器、例えばレスカ社製動的濡れ性試験器ＷＥＴ−６０００によって前進接触角θa及び後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。 In the present embodiment, by the water repellent treatment, regions corresponding to the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b in the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b become water repellent regions. And it is preferable that dynamic wettability is 0.8-2.0 from a viewpoint of making a water droplet harder to move. In addition, from the viewpoint of more reliably obtaining the effects of the present invention, it is preferable that the dynamic wettability is easily and surely within the preferable range. From this viewpoint, the static contact angle of the water-repellent region is 90 ° or more. Preferably there is.
The static contact angle can be measured by using a contact angle meter.
On the other hand, the dynamic wettability can be obtained from the measurement of the water drop falling angle. In general, the water drop sliding angle α is calculated by “L · γ L · (cos θr−cos θa) = m · g · sin α”. Here, L: outer circumferential length (total circumferential length) of a surface (gap) where water droplets filling the gap are in contact with the surface to be measured, γ L : surface tension of water, θa: forward contact angle, θr: backward contact Angle, m: mass of water drop, g: gravity. (Cos θr−cos θa) indicates dynamic wettability. Therefore, the water drop falling angle α can be calculated by measuring the outer peripheral length L, the forward contact angle θa, and the backward contact angle θr of the gap. Furthermore, simply, the forward contact angle θa and the backward contact angle θr are measured by a measuring instrument for the forward contact angle θa and the backward contact angle θr, for example, a dynamic wettability tester WET-6000 manufactured by Reska Co. The angle α can also be calculated.

ここで、本実施形態の燃料電池１０において得られる効果を、本実施形態の燃料電池を作製して計算した結果により説明する。アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の面積を１００ｃｍ2に設定し、図２に示す燃料ガス用のガス流路７ａを有するアノード側セパレータ６ａ、及び図３に示す酸化剤ガス用のガス流路７ｂを有するカソード側セパレータ６ｂを用いる。 Here, the effect obtained in the fuel cell 10 of the present embodiment will be described based on the result of producing and calculating the fuel cell of the present embodiment. The areas of the main surfaces of the anode 4a and the cathode 4b are set to 100 cm 2 , the anode separator 6a having the gas flow path 7a for fuel gas shown in FIG. 2, and the gas flow path 7b for oxidizing gas shown in FIG. The cathode side separator 6b having

アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの背面には、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却流体排出用マニホールド孔１７に連通する冷却流体用流路８ａ、８ｂを設け、冷却流体流路８ａ、８ｂの形状は、酸化剤ガス用のガス流路７ｂと同様のサーペンタイン形状とする。具体的には、冷却流体流路８ａ、８ｂは、垂直方向に延びる６本の溝からなる７箇所の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する６箇所のターン部とを有するサーペンタイン形状とする。   Cooling fluid flow paths 8a and 8b communicating from the cooling fluid supply manifold hole 16 to the cooling fluid discharge manifold hole 17 are provided on the rear surfaces of the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b. The shape is a serpentine shape similar to that of the gas flow path 7b for the oxidant gas. Specifically, the cooling fluid flow paths 8a and 8b have seven straight portions composed of six grooves extending in the vertical direction and six turns connecting the ends of the adjacent straight portions from the upstream side to the downstream side. And a serpentine shape having a portion.

冷却流体流路８ａに循環させる冷却水の流量を、７０℃の冷却水が冷却流体供給用マニホールド１６から供給し、７４℃の冷却水が冷却流体排出用マニホールド１７から排出されるように設定する。また、燃料ガスとして体積比が８：２の水素と二酸化炭素の混合ガスを用い、燃料ガス利用率が７０％となり、燃料ガスの露点が７０℃となるように、当該燃料ガスを加湿して燃料ガス供給用マニホールド孔１４に供給する。同様に、酸化剤ガスとして空気を用い、酸化剤ガス利用率が４５％となり、酸化剤ガスの露点が６８℃となるように、当該酸化剤ガスを加湿して酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８に供給する。なお、燃料ガス排出用マニホールド孔１５及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９は大気中（常圧）に開放し、集電板を通じて０．３Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電を行う。 The flow rate of the cooling water circulated through the cooling fluid flow path 8a is set so that the cooling water at 70 ° C. is supplied from the cooling fluid supply manifold 16 and the cooling water at 74 ° C. is discharged from the cooling fluid discharge manifold 17. . Also, the fuel gas is a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide with a volume ratio of 8: 2, and the fuel gas is humidified so that the fuel gas utilization rate is 70% and the fuel gas dew point is 70 ° C. The fuel gas supply manifold hole 14 is supplied. Similarly, air is used as the oxidant gas, the oxidant gas utilization rate is 45%, and the oxidant gas is humidified so that the dew point of the oxidant gas is 68 ° C. To supply. The fuel gas discharge manifold hole 15 and the oxidant gas discharge manifold hole 19 are opened to the atmosphere (normal pressure), and continuous power generation is performed under the condition of 0.3 A / cm 2 through the current collector plate.

上記のように設定した電流密度と電極面積とから、１秒間に生成される生成水の量は理論的に１．５５×１０-4 ｍｏｌ／ｓとなる。生成水がカソード４ｂで生成してアノード４ａへ移動しないと仮定すると、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から出てくる水蒸気の量は、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から供給された、加湿された燃料ガスに含まれた水の量となる。このとき、燃料ガス供給用マニホールド孔１４における燃料ガス及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８における酸化剤ガスの露点が、それぞれアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの一番低い温度に対して、−４℃〜＋４℃の間となるように加湿条件を設定して計算を行った。また、生成水がカソード４ｂで生成してアノード４ａへ移動すると仮定しても同様の結果が得られる。 From the current density and the electrode area set as described above, the amount of generated water generated in one second is theoretically 1.55 × 10 −4 mol / s. Assuming that the generated water is generated at the cathode 4b and does not move to the anode 4a, the amount of water vapor coming out of the fuel gas discharge manifold hole 15 is the humidified fuel supplied from the fuel gas supply manifold hole 14. The amount of water contained in the gas. At this time, the dew points of the fuel gas in the fuel gas supply manifold hole 14 and the oxidant gas in the oxidant gas supply manifold hole 18 are lower than the lowest temperatures of the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b, respectively. The calculation was performed by setting the humidifying conditions to be between 4 ° C and + 4 ° C. Even if it is assumed that generated water is generated at the cathode 4b and moves to the anode 4a, the same result can be obtained.

また、燃料ガス排出用マニホールド孔１５から排出されたガスの組成は、供給された燃料ガスから発電のために消費された水素を引いたものとなり、水蒸気分圧は２９６．８ｍｍＨｇである。このとき排出されたガスの露点は７５．６℃であり、燃料ガス用のガス流路７ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から燃料ガス排出用マニホールド孔１５にかけて、燃料ガスの露点が７０℃から７５．６℃まで徐々に変化する。なお、上記の運転条件では冷却水の温度がＭＥＡ５の温度よりも約２℃低く、ＭＥＡ５そのものの温度は、冷却流体供給用マニホールド孔１６から冷却流体排出用マニホールド孔１７にかけて、７２℃から７６℃まで徐々に変化する。   The composition of the gas discharged from the fuel gas discharge manifold hole 15 is obtained by subtracting the hydrogen consumed for power generation from the supplied fuel gas, and the water vapor partial pressure is 296.8 mmHg. The dew point of the gas discharged at this time is 75.6 ° C., and the dew point of the fuel gas is 70 ° C. from the fuel gas supply manifold hole 14 to the fuel gas discharge manifold hole 15 in the fuel gas flow path 7a. To 75.6 ° C. Under the above operating conditions, the temperature of the cooling water is about 2 ° C. lower than the temperature of the MEA 5, and the temperature of the MEA 5 itself is 72 ° C. to 76 ° C. from the cooling fluid supply manifold hole 16 to the cooling fluid discharge manifold hole 17. It gradually changes until.

ここで、ガス流路７ａを流れる燃料ガスの露点が、ＭＥＡ５の温度よりも上回ると、燃料ガスに含まれる水が凝縮することとなる。上記のようにガス流路７ａの上流から下流にかけて燃料ガスの露点が上昇しており、また、アノード側セパレータ６ａの面内での電流密度分布に偏りが生じており、その結果、冷却水を流していてもアノード側セパレータ６ａの面内での温度分布に偏りが生じる。このとき、アノード側セパレータ６ａの面内において温度が低い領域、特にアノード側隙間１０ａ内には電極触媒が存在せず、発電に伴う熱が発生しないことから、アノード側隙間１０ａ内の温度は低い。そのため、よりアノード側隙間１０ａ内で水が凝縮し易かったと考えられる。なお、カソード４ｂ側でも同様の原理で水の凝縮が起こる。   Here, when the dew point of the fuel gas flowing through the gas flow path 7a exceeds the temperature of the MEA 5, water contained in the fuel gas is condensed. As described above, the dew point of the fuel gas rises from the upstream to the downstream of the gas flow path 7a, and the current density distribution in the surface of the anode separator 6a is biased. Even if it is flowing, the temperature distribution in the surface of the anode separator 6a is biased. At this time, there is no electrode catalyst in the region where the temperature is low in the plane of the anode-side separator 6a, particularly in the anode-side gap 10a, and no heat is generated due to power generation, so the temperature in the anode-side gap 10a is low. . Therefore, it is considered that water was more easily condensed in the anode side gap 10a. Note that water condenses on the cathode 4b side on the same principle.

つぎに、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂ等の固体上で水等の液滴が移動するとき、固体表面状態によって液滴の前進接触角（ｃｏｓθa)と後退接触角(ｃｏｓθr)が決定され、これらの値の差（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）が動的濡れ性を示すこととなる。固体上の液滴が静止しているときに測定する静的接触角と、液滴が移動しているときに測定する動的接触角との間には違いがあり、静的接触角を大きくしかつ表面を単に撥水性にしたとしても動的接触角が大きくなるとは限らない。特に、高分子電解質型燃料電池に用いられるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの表面では、実際の発電時には常時濡れた状態であるため、乾燥時とは液滴の挙動が大きく異なる。例えば、動的濡れ性（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）は、簡便的には、前進接触角θa及び後退接触角θrの計測器、例えばレスカ社製動的濡れ性試験器ＷＥＴ−６０００によって前進接触角θa及び後退接触角θrを計測して、水滴転落角αを算出することもできる。   Next, when a droplet such as water moves on the solid such as the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b, the advancing contact angle (cos θa) and the receding contact angle (cos θr) of the droplet are determined according to the solid surface state. The difference between these values (cos θr−cos θa) indicates dynamic wettability. There is a difference between the static contact angle measured when the droplet on the solid is stationary and the dynamic contact angle measured when the droplet is moving. However, simply making the surface water-repellent does not necessarily increase the dynamic contact angle. In particular, since the surfaces of the anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b used in the polymer electrolyte fuel cell are always wet during actual power generation, the behavior of the droplets is greatly different from that during drying. For example, the dynamic wettability (cos θr−cos θa) is simply calculated by measuring the advancing contact angle θa and the receding contact angle θr, for example, by using a dynamic wettability tester WET-6000 manufactured by Reska Co., Ltd. It is also possible to calculate the water drop falling angle α by measuring the receding contact angle θr.

アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂが、例えば等方性黒鉛板から切削等の機械加工により得られるものである場合、（Ｉ）表面の凹凸ができるだけ小さく滑らかになるように撥水処理が施される。この結果、静的接触角は約１１０°と撥水性は高いが、当該アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの表面には撥水処理が均一に施されているため、これらのアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂが十分に濡れた状態での動的濡れ性はほぼ０となり、外部から小さな力を加えるだけで容易に液滴が動く表面状態となる。
これに対し、さらにアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの全体に撥水処理ではあるが、表面の凹凸を大きくするような表面処理を施し、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの表面の微細な物理的構造（中心線平均粗さなどをきめる凹部凸部の大きさ及び形状など）が不均一な状態｛上記（Ｉ）の処理に比較して不均一な状態｝となるように調節することにより、静的接触角に関しては約１００°と若干撥水性は落ちるものの、動的濡れ性は約１．０となり、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂの少なくとも一方を閉塞した凝縮水を当該隙間（隙間１０ａ，隙間１０ｂ）から排出しにくくするという効果を発揮させることができるようになる。 When the anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b are obtained, for example, by machining such as cutting from an isotropic graphite plate, (I) water repellent treatment is performed so that the surface irregularities are as small and smooth as possible. Is done. As a result, the static contact angle is about 110 ° and the water repellency is high, but the surfaces of the anode side separator 6a and the cathode side separator 6b are uniformly subjected to water repellency treatment. In addition, the dynamic wettability when the cathode-side gap 10b is sufficiently wet becomes almost zero, and a surface state in which the droplet easily moves by applying a small force from the outside.
On the other hand, the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b are further subjected to a water repellent treatment, but a surface treatment is performed to increase the surface irregularities so that the surface of the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b is fine. The physical structure (the size and shape of the concave protrusions that determine the average roughness of the center line, etc.) is in a non-uniform state (a non-uniform state as compared with the process (I) above). As a result, although the water repellency is slightly reduced to about 100 ° with respect to the static contact angle, the dynamic wettability is about 1.0, and the condensed water in which at least one of the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b is blocked The effect of making it difficult to discharge from the gaps (gap 10a, gap 10b) can be exhibited.

上記のように水が凝縮して確実に閉塞する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。   As a result of the water condensing and reliably closing as described above, the reaction gas does not flow through the portions other than the gas flow paths 7a and 7b, that is, the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b. Can be reliably supplied into the surfaces of the anode 4a and the cathode 4b. Therefore, it is possible to provide a fuel cell that can efficiently improve the power generation performance by using the reaction gas efficiently.

ここで、燃料ガスがアノード側隙間１０ａに流れ込む力はＰ×Ｓ（ただし、Ｐは反応ガスの圧力損失、Ｓはアノード側隙間１０ａの面積）で表すことができる。例えば、実際の燃料電池発電時に燃料ガスが受ける圧力損失が６．０ｋＰａ（＝６．０ｋＮ／ｍ２）、アノード側隙間１０ａの幅が０．５ｍｍ、アノード側隙間１０ａの高さが０．２ｍｍであったとき、アノード側隙間１０ａに流れ込む力は６．０×１０−４Ｎとなる。これに対して、アノード側隙間１０ａを閉塞させる力はＬ×γL×（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）で表すことができる。先にも述べたが、上記式中、Ｌはアノード側隙間１０ａの周囲長、γLは液体の表面張力、（ｃｏｓθr−ｃｏｓθa）は動的濡れ性を示す。ここで、動的濡れ性が１．０であったとき、アノード側隙間１０ａを閉塞させる力は１．０×１０−４Ｎとなる。この結果から、例えば、散在させる凝縮水などの液滴が１つの場合ではアノード側隙間１０ａの閉塞は比較的困難であるが、液滴が少なくとも６つ存在することで、燃料ガスがアノード側隙間１０ａに流れ込む力を分散させ閉塞させることが可能であると考えることもできる。 Here, the force by which the fuel gas flows into the anode side gap 10a can be expressed by P × S (where P is the pressure loss of the reaction gas and S is the area of the anode side gap 10a). For example, the pressure loss received by the fuel gas during actual fuel cell power generation is 6.0 kPa (= 6.0 kN / m 2 ), the width of the anode-side gap 10a is 0.5 mm, and the height of the anode-side gap 10a is 0.2 mm. , The force flowing into the anode-side gap 10a is 6.0 × 10 −4 N. On the other hand, the force for closing the anode side gap 10a can be expressed as L × γ L × (cos θr−cos θa). As described above, in the above formula, L is the peripheral length of the anode-side gap 10a, γ L is the surface tension of the liquid, and (cos θr−cos θa) indicates the dynamic wettability. Here, when the dynamic wettability is 1.0, the force for closing the anode-side gap 10a is 1.0 × 10 −4 N. From this result, it is relatively difficult to close the anode-side gap 10a when, for example, one droplet of condensed water is scattered, but the presence of at least six droplets allows the fuel gas to flow into the anode-side gap. It can also be considered that the force flowing into 10a can be dispersed and occluded.

［第二実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. The fuel cell (not shown) of the second embodiment is obtained by replacing the anode-side separator in the polymer electrolyte fuel cell 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 with a different configuration, except for the anode-side separator. The configuration is the same as that of the fuel cell 10 of the first embodiment.

以下、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図５は、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａの要部拡大断面図である。より詳しくは、図５は、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード側セパレータ２６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。   Hereinafter, the anode separator provided in the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment will be described. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an anode separator 26a provided in the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment. More specifically, FIG. 5 is a front view of the anode separator 26a of the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment on the side of the gas flow path 7a for fuel gas.

図５に示すように、本実施形態におけるアノード側セパレータ２６ａのアノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１に撥水処理が施された構成を有している。
ここで、「燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分」とは、ガス流路７ａが燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａと交差して電極部に連絡する部分７７ｃに隣接する部分をいう。ただし、部分Ａ１及び部分Ｂ１の長さについては、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整することができる。 As shown in FIG. 5, the anode-side gap 10 a of the anode-side separator 26 a in the present embodiment has a configuration in which water repellent treatment is performed on the portions A <b> 1 and B <b> 1 in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14. Yes.
Here, “a portion in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14” is adjacent to a portion 77c where the gas flow path 7a intersects the anode side gap 10a from the fuel gas supply manifold hole 14 and communicates with the electrode portion. Say part. However, the lengths of the portion A1 and the portion B1 can be appropriately adjusted within a range not impairing the effects of the present invention.

このような構成によれば、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができるが、これに加えて、アノード側隙間１０ａの表面を親水領域と撥水領域とが共存することにより、動的濡れ性は最大値２．０に近づき、特に燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１においては、外部から大きな力を加えても液滴が動きにくい表面状態となる。また、親水領域と撥水領域とが共存する表面上で凝縮水（結露水）が発生した場合、動きにくい凝縮水が多数発生することになる。   According to such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained, but in addition to this, the surface of the anode-side gap 10a coexists with the hydrophilic region and the water-repellent region, so The target wettability approaches the maximum value of 2.0, and in particular, the portion A1 and the portion B1 in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14 are in a surface state in which liquid droplets are difficult to move even when a large force is applied from the outside. In addition, when condensed water (condensation water) is generated on the surface where the hydrophilic region and the water-repellent region coexist, a large number of condensed water that is difficult to move is generated.

上記のような撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の少なくとも一部の表面に生ずる動的濡れ性を高くすることにより、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを閉塞した凝縮水をより排出しにくくするという効果を発揮させることができる。
特に、アノード側隙間１０ａにおいては燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍のみに撥水処理を施すことにより、撥水処理のための必要な作業工程を最小限に抑えながら、ガス供給口上流にて確実に回り込みを抑えることができるという効果が得られる。 By increasing the dynamic wettability generated on at least part of the surface corresponding to the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b in the anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b by the water repellent treatment as described above, The effect of making it more difficult to discharge the condensed water closing the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b can be exhibited.
In particular, in the gap 10a on the anode side, water repellent treatment is performed only in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14, thereby minimizing the necessary work steps for the water repellent treatment and at the upstream of the gas supply port. An effect that the wraparound can be surely suppressed is obtained.

上記のように水が凝縮して確実に閉塞する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。   As a result of the water condensing and reliably closing as described above, the reaction gas does not flow through the portions other than the gas flow paths 7a and 7b, that is, the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b. Can be reliably supplied into the surfaces of the anode 4a and the cathode 4b. Therefore, it is possible to provide a fuel cell that can efficiently improve the power generation performance by using the reaction gas efficiently.

［第三実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第三実施形態について説明する。この第三実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。 [Third embodiment]
Next, a third embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. The fuel cell (not shown) of the third embodiment is obtained by replacing the anode-side separator in the polymer electrolyte fuel cell 10 of the first embodiment shown in FIG. The configuration is the same as that of the fuel cell 10 of the first embodiment.

以下、第三実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図６は、第三実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａの要部拡大断面図である。より詳しくは、図６は、第三実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード側セパレータ３６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。   Hereinafter, the anode separator provided in the polymer electrolyte fuel cell according to the third embodiment will be described. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an anode-side separator 36a provided in the polymer electrolyte fuel cell according to the third embodiment. More specifically, FIG. 6 is a front view of the anode side separator 36a of the polymer electrolyte fuel cell according to the third embodiment on the side of the gas flow path 7a for fuel gas.

図６に示すように、本実施形態におけるアノード側セパレータ３６ａのアノード側隙間１０ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１並びに燃料ガス排出用マニホールド孔１５の近傍の部分Ａ２及び部分Ｂ２に撥水処理が施された構成を有している。
ここで、「燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分」とは、上記第二実施形態と同様であり、「燃料ガス排出用マニホールド孔１５の近傍の部分」とは、ガス流路７ａが電極部からアノード側隙間１０ａと交差して燃料ガス排出用マニホールド孔１５に連絡する部分７７ｄに隣接する部分をいう。ただし、部分Ａ２及び部分Ｂ２の長さについては、本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整することができる。 As shown in FIG. 6, the anode-side gap 10 a of the anode-side separator 36 a in this embodiment includes a portion A 1 and a portion B 1 in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14 and a portion A 2 in the vicinity of the fuel gas discharge manifold hole 15. And the part B2 has the structure by which the water-repellent process was performed.
Here, the “portion in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14” is the same as that in the second embodiment, and the “portion in the vicinity of the fuel gas discharge manifold hole 15” has the gas flow path 7a. This is a portion adjacent to the portion 77d that intersects the anode side gap 10a from the electrode portion and communicates with the fuel gas discharge manifold hole 15. However, the lengths of the portion A2 and the portion B2 can be appropriately adjusted within a range not impairing the effects of the present invention.

このような構成によれば、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができるが、これに加えて、アノード側隙間１０ａの表面を親水領域と撥水領域とが共存することにより、動的濡れ性は最大値２．０に近づき、特に燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１においては、外部から大きな力を加えても液滴が動きにくい表面状態となる。また、親水領域と撥水領域とが共存する表面上で凝縮水（結露水）が発生した場合、動きにくい凝縮水が多数発生することになる。   According to such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained, but in addition to this, the surface of the anode-side gap 10a coexists with the hydrophilic region and the water-repellent region, so The target wettability approaches the maximum value of 2.0, and in particular, the portion A1 and the portion B1 in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14 are in a surface state in which liquid droplets are difficult to move even when a large force is applied from the outside. In addition, when condensed water (condensation water) is generated on the surface where the hydrophilic region and the water-repellent region coexist, a large number of condensed water that is difficult to move is generated.

上記のような撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の少なくとも一部の表面に生ずる動的濡れ性を高くすることにより、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを閉塞した凝縮水をより排出しにくくするという効果を発揮させることができる。
特に、アノード側隙間１０ａにおいては燃料ガス供給用マニホールド孔１４の近傍の部分Ａ１及び部分Ｂ１に撥水処理を施すことにより、ガス供給口上流にて回り込みを防ぐという効果が得られ、燃料ガス排出用マニホールド孔１５の近傍の部分Ａ２及び部分Ｂ２に撥水処理を施すことにより、ガス流路の途中から隙間部分に流れ込んだ反応ガスについても回り込みを防ぐという効果が得られる。 By increasing the dynamic wettability generated on at least part of the surface corresponding to the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b in the anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b by the water repellent treatment as described above, The effect of making it more difficult to discharge the condensed water closing the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b can be exhibited.
In particular, in the anode-side gap 10a, water repellency treatment is performed on the portion A1 and the portion B1 in the vicinity of the fuel gas supply manifold hole 14 to obtain an effect of preventing wraparound upstream of the gas supply port. By subjecting the portion A2 and the portion B2 in the vicinity of the manifold hole 15 to water repellency, the effect of preventing the reaction gas flowing into the gap portion from the middle of the gas flow path is prevented.

［第四実施形態］
次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の第四実施形態について説明する。この第四実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１０におけるアノード側セパレータを異なる構成に代えたものであり、アノード側セパレータ以外の構成は第一実施形態の燃料電池１０と同様である。 [Fourth embodiment]
Next, a fourth embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described. The fuel cell (not shown) of the fourth embodiment is obtained by replacing the anode-side separator in the polymer electrolyte fuel cell 10 of the first embodiment shown in FIG. 1 with a different configuration, except for the anode-side separator. The configuration is the same as that of the fuel cell 10 of the first embodiment.

以下、第四実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータについて説明する。図７は、第四実施形態の高分子電解質型燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの要部拡大断面図である。より詳しくは、図７は、第四実施形態の高分子電解質型燃料電池のアノード側セパレータ４６ａの、燃料ガス用のガス流路７ａ側の正面図である。   Hereinafter, the anode separator provided in the polymer electrolyte fuel cell according to the fourth embodiment will be described. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an anode side separator 46a provided in the polymer electrolyte fuel cell according to the fourth embodiment. More specifically, FIG. 7 is a front view of the anode-side separator 46a of the polymer electrolyte fuel cell according to the fourth embodiment on the side of the gas flow path 7a for fuel gas.

図７に示すように、本実施形態におけるアノード側セパレータ４６ａのアノード側隙間１０ａに対応する領域は、複数の部分Ｃにおいて散在的に撥水処理が施され、撥水領域（撥水性の高い領域）と親水領域（撥水性の低い領域）とが混在している構成を有している。部分Ｃの数、長さおよび間隔などは本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更することができる。
このような構成によれば、上記第一実施形態と同様の効果を得ることができるが、これに加えて、アノード側隙間１０ａの表面を親水領域と撥水領域とが散在的に共存することにより、動的濡れ性は最大値２．０に近づき、外部から大きな力を加えても液滴が動きにくい表面状態となる。また、親水領域と撥水領域とが共存する表面上で凝縮水（結露水）が発生した場合、動きにくい凝縮水が多数発生することになる。 As shown in FIG. 7, the region corresponding to the anode-side gap 10a of the anode-side separator 46a in the present embodiment is subjected to a water-repellent treatment in a plurality of portions C, and the water-repellent region (region with high water-repellency). ) And hydrophilic regions (regions with low water repellency) are mixed. The number, length, interval, and the like of the portion C can be changed as appropriate without departing from the effects of the present invention.
According to such a configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained, but in addition to this, the hydrophilic region and the water-repellent region coexist on the surface of the anode-side gap 10a. As a result, the dynamic wettability approaches the maximum value of 2.0, and even when a large force is applied from the outside, the surface state is such that the droplets are difficult to move. In addition, when condensed water (condensation water) is generated on the surface where the hydrophilic region and the water-repellent region coexist, a large number of condensed water that is difficult to move is generated.

上記のような撥水処理によって、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂにおいてアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂに対応する領域の少なくとも一部の表面に生ずる動的濡れ性を高くすることにより、アノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを閉塞した凝縮水をより排出しにくくするという効果を発揮させることができる。
特に、親水領域と撥水領域とを散在させることで多数の水滴を発生させ、燃料ガス供給用マニホールド孔１４からアノード側隙間１０ａに燃料ガスが流れ込む力を分散させる効果も得られる。 By increasing the dynamic wettability generated on at least part of the surface corresponding to the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b in the anode-side separator 6a and the cathode-side separator 6b by the water repellent treatment as described above, The effect of making it more difficult to discharge the condensed water closing the anode side gap 10a and the cathode side gap 10b can be exhibited.
In particular, by dispersing the hydrophilic region and the water-repellent region, a large number of water droplets are generated, and the effect of dispersing the fuel gas flowing from the fuel gas supply manifold hole 14 into the anode-side gap 10a is also obtained.

上記のように水が凝縮して確実に閉塞する結果、閉塞後には反応ガスがガス流路７ａ、７ｂ以外の部分、即ちアノード側隙間１０ａ及びカソード側隙間１０ｂを流れることがなく、当該反応ガスをアノード４ａ及びカソード４ｂ面内に確実に供給することができる。従って、反応ガスを効率的に使用して発電性能を良好に向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。   As a result of the water condensing and reliably closing as described above, the reaction gas does not flow through the portions other than the gas flow paths 7a and 7b, that is, the anode-side gap 10a and the cathode-side gap 10b. Can be reliably supplied into the surfaces of the anode 4a and the cathode 4b. Therefore, it is possible to provide a fuel cell that can efficiently improve the power generation performance by using the reaction gas efficiently.

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。また、それぞれの実施形態において他の実施形態の構成の一部を採用することも可能である。
例えば、水素と酸素との化学量論反応を考慮すると、水素は酸素の２倍体積必要となるが、酸化剤ガスに空気を用いる場合、空気中の酸素濃度は約２０体積％であるため、カソードへの空気の流量がアノードへの燃料ガスの流量よりも多くなる。更に、燃料利用率の向上という点からも、燃料ガスの流量を少なくする必要がある。そのため、燃料ガス用のガス流路は、酸化剤ガス用のガス流路よりも蛇行部分が多くかつ長くなって、アノード側のガス流路の長さとアノード側隙間の長さとの差が、カソード側のガス流路の長さとカソード側隙間の長さとの差よりも大きくなるため、反応ガスはカソード側隙間よりもアノード側隙間に流れ易い環境となる。従って、アノード側隙間に対して閉塞させる構造をとることが、より有効である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment. In each of the embodiments, a part of the configuration of the other embodiments can be adopted.
For example, considering the stoichiometric reaction between hydrogen and oxygen, hydrogen requires twice the volume of oxygen, but when air is used as the oxidant gas, the oxygen concentration in the air is about 20% by volume. The flow rate of air to the cathode is greater than the flow rate of fuel gas to the anode. Furthermore, it is necessary to reduce the flow rate of the fuel gas from the viewpoint of improving the fuel utilization rate. Therefore, the gas flow path for fuel gas has more and longer meandering portions than the gas flow path for oxidant gas, and the difference between the length of the gas flow path on the anode side and the length of the gap on the anode side is Since the difference between the length of the gas passage on the side and the length of the gap on the cathode side becomes larger, the reaction gas becomes easier to flow in the gap on the anode side than on the gap on the cathode side. Therefore, it is more effective to adopt a structure that closes the gap on the anode side.

しかし、本発明の思想においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのアノード側隙間及びカソード側隙間のいずれか一方又は両方に、撥水処理を施せばよい。そうすると、アノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する反応ガス中の水蒸気成分が、アノード側隙間及びカソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、アノード側隙間及びカソード側隙間のいずれかを必ず凝縮水により確実に閉塞させることができる。   However, in the idea of the present invention, water repellent treatment may be applied to one or both of the anode side gap and the cathode side gap of the anode side separator and the cathode side separator. Then, the water vapor component in the reaction gas flowing into the anode side gap and the cathode side gap formed between the anode side gasket and the cathode side gasket and the membrane electrode assembly is at least part of the anode side gap and the cathode side gap. In this case, any one of the anode side gap and the cathode side gap can be surely closed with condensed water.

本発明においては、アノード側セパレータにおけるガス流路の構成と、カソード側セパレータにおけるガス流路の構成とは異なっていてもよく、両者の構成を同じ構成としても構わない。また、上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。   In the present invention, the configuration of the gas flow path in the anode-side separator may be different from the configuration of the gas flow path in the cathode-side separator, and both configurations may be the same. Further, the number of the straight portions and the number of the turn portions are not particularly limited, and can be appropriately set within a range not impairing the effects of the present invention.

加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状としては、特に限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。   In addition, the shape of the cooling fluid flow path in the anode side separator and the cooling fluid flow path in the cathode side separator is not particularly limited, and is the same as the conventional one in which the cooling fluid supply manifold hole and the cooling fluid discharge manifold hole communicate with each other. The configuration can be adopted. For example, the cooling fluid channel may be provided in at least one of the anode side separator and the cathode side separator, and is not necessarily provided in both.

ガスケットの一部の表面に撥水処理を施す場合は、例えば目の細かいサンドペーパなどで表面を一部荒らすという方法を用いることができ、また、膜電極接合体のうちの、高分子電解質膜の一部の表面に撥水処理を施す場合には、例えば、不純物の混入によるＭＥＡの汚染の懸念のない撥水材を高分子電解質膜の一部の表面に塗布する方法を用いることができる。さらに、触媒層やガス拡散層の一部の表面に撥水処理を施す場合には、例えば前記撥水材等を塗布するという方法を用いることができる。   When water repellent treatment is performed on a part of the surface of the gasket, for example, a method of roughening the surface with fine sandpaper or the like can be used, and the polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly can be used. In the case where a part of the surface is subjected to a water repellent treatment, for example, a method of applying a water repellent material that is free from the concern of MEA contamination due to impurities to the part of the polymer electrolyte membrane can be used. Furthermore, in the case where the water repellent treatment is performed on a part of the surface of the catalyst layer or the gas diffusion layer, for example, a method of applying the water repellent material or the like can be used.

更に、単電池を複数積層する場合には、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。   Furthermore, when a plurality of unit cells are stacked, one cooling fluid channel may be formed for every two unit cells. In this case, for example, a gas flow path for fuel gas is formed on one surface of the anode-side separator, a cooling fluid flow path is formed on the other surface, and a gas for oxidant gas is formed on one surface of the cathode-side separator. While forming the flow path, the other surface may be flat.

本発明の固体高分子型燃料電池は、反応ガスの利用効率低下を抑制し、高分子型固体電解質膜を用いた燃料電池、特に定置型コジェネレーションシステムや電気自動車等に応用できる。   The solid polymer fuel cell of the present invention can be applied to a fuel cell using a polymer solid electrolyte membrane, particularly a stationary cogeneration system, an electric vehicle, and the like, while suppressing a reduction in the reaction gas utilization efficiency.

本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of 1st embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路７ａ側からみた正面図である。It is the front view which looked at the anode side separator 6a in FIG. 1 from the gas flow path 7a side. 図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路７ａ側から見た正面図である。It is the front view which looked at the cathode side separator 6b in FIG. 1 from the gas flow path 7a side. 図１におけるＸ−Ｘ線断面を示す図である。It is a figure which shows the XX line cross section in FIG. 本発明の第二実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ２６ａのガス流路７ａ側の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view by the side of the gas flow path 7a of the anode side separator 26a with which the fuel cell of 2nd embodiment of this invention is equipped. 本発明の第三実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ３６ａのガス流路７ａ側の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view by the side of the gas flow path 7a of the anode side separator 36a with which the fuel cell of 3rd embodiment of this invention is equipped. 本発明の第四実施形態の燃料電池に備えられるアノード側セパレータ４６ａの冷却流体流路８ａ側の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view by the side of the cooling fluid flow path 8a of the anode side separator 46a with which the fuel cell of 4th embodiment of this invention is equipped. 従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of the conventional polymer electrolyte fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１、１０１・・・高分子電解質膜、２ａ、２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ・・・触媒層、３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、１０４ａ・・・アノード、４ｂ、１０４ｂ・・・カソード、５、１０５・・・ＭＥＡ、６ａ、２６ａ、３６ａ、４６ａ、５６ａ、６６ａ、７６ａ、８６ａ、９６ａ、１０６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、１０６ｂ・・・カソード側セパレータ、７ａ、１０７ａ・・・燃料ガス用のガス流路、７ｂ、１０７ｂ・・・酸化剤ガス用のガス流路、８ａ、８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、９ｂ、１０９ａ、１０９ｂ・・・ガスケット、１０ａ、１１０ａ・・・アノード側隙間、１０ｂ、１１０ｂ・・・カソード側隙間、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Polymer electrolyte membrane, 2a, 2b, 102a, 102b ... Catalyst layer, 3a, 3b, 103a, 103b ... Gas diffusion layer, 4a, 104a ... Anode, 4b, 104b ..Cathode 5, 105 ... MEA, 6a, 26a, 36a, 46a, 56a, 66a, 76a, 86a, 96a, 106a ... Anode separator, 6b, 106b ... Cathode separator, 7a, 107a ... Gas flow path for fuel gas, 7b, 107b ... Gas flow path for oxidant gas, 8a, 8b, 108a, 108b ... Cooling fluid flow path, 9a, 9b, 109a, 109b ..Gasket, 10a, 110a ... Anode side gap, 10b, 110b ... Cathode side gap, 14 ... Fuel gas supply manifold hole, 15 ... Manifold hole for exhaust gas discharge, 16 ... Manifold hole for cooling fluid, 17 ... Manifold hole for cooling fluid discharge, 18 ... Manifold hole for supplying oxidant gas, 19 ... Manifold for discharging oxidant gas Hole

Claims (3)

アノード及びカソード並びに前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；
前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するためのガス流路及び前記膜電極接合体を冷却するための冷却流体を供給、排出するための冷却流体流路が形成されており、前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されているアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと；
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの前記膜電極接合体側の面において、前記膜電極接合体の外周部に配置され、前記反応ガスをシールするためのアノード側ガスケット及びカソード側ガスケットと；
を少なくとも具備し、
前記アノード側ガスケット及び前記カソード側ガスケットと前記膜電極接合体との間に形成されるアノード側隙間及びカソード側隙間に流入する前記反応ガス中の水蒸気成分が、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一部において凝縮し、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方が凝縮水により閉塞するように、前記アノード側隙間及び前記カソード側隙間の少なくとも一方の少なくとも一部の表面に撥水処理が施されており、
前記隙間領域の少なくとも一部の撥水処理が施された表面が、前記セパレータの表面の一部で構成されており、
前記撥水処理は、前記セパレータの前記隙間領域に対応する領域の表面の動的濡れ性を、前記セパレータのそれ以外の表面の動的濡れ性よりも大きくすることにより施されていること、を特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having an anode and a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A gas flow path for supplying and discharging a reaction gas to and from the membrane electrode assembly and a cooling fluid flow path for supplying and discharging a cooling fluid for cooling the membrane electrode assembly are formed. An anode-side separator and a cathode-side separator disposed so as to sandwich the electrode assembly;
An anode-side gasket and a cathode-side gasket for sealing the reaction gas, disposed on the outer peripheral portion of the membrane-electrode assembly, on the surface of the anode-side separator and the cathode-side separator on the membrane-electrode assembly side;
Comprising at least
Water vapor components in the reaction gas flowing into the anode side gap and the cathode side gap formed between the anode side gasket and the cathode side gasket and the membrane electrode assembly are converted into the anode side gap and the cathode side gap. Water repellent on at least a part of the surface of at least one of the anode side gap and the cathode side gap so that at least one of the anode side gap and the cathode side gap is closed by condensed water. Have been processed,
The surface on which at least a part of the gap region has been subjected to water repellent treatment is constituted by a part of the surface of the separator ,
The water-repellent treatment is performed by making the dynamic wettability of the surface of the region corresponding to the gap region of the separator larger than the dynamic wettability of the other surface of the separator , A fuel cell. 前記隙間領域の少なくとも一部の撥水処理が施された表面の動的濡れ性が０．８〜２．０であること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a dynamic wettability of a surface on which at least a part of the gap region is subjected to a water repellent treatment is 0.8 to 2.0. 3. 前記撥水処理により、前記隙間領域に親水領域と撥水領域とが散在していること、を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein a hydrophilic region and a water-repellent region are scattered in the gap region by the water-repellent treatment. 4.
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