JP7025312B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池のセパレータでは、一方側に反応ガスが流れるガス溝が形成され、他方側には冷媒が流れる構成が知られている。ガス溝側では、例えば発電反応によって生成水が発生する。このような生成水の一部は、水蒸気となって反応ガスと共に燃料電池から排出され得るが、残りの一部は液水となってガス溝内に滞留して、反応ガスの拡散性に影響を及ぼす場合がある。このような液水を燃料電池から排出するために、ガス溝の内面にこのガス溝に沿って延びた排水溝が設けられる場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２００７－２２０５７０号公報

上述したように、ガス溝内を反応ガスと共に流れる水蒸気の一部は、セパレータのガス溝とは反対側を流れる冷媒と熱交換されて、ガス溝内で凝縮する場合がある。このような凝縮水が、排水溝以外の部位で多く発生すると、排水溝が有効利用されずに、排水性が低下する可能性がある。

そこで本発明は、排水性が向上した燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に積層されたセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記ガス拡散層側で反応ガスが流れるガス溝と前記ガス拡散層とは反対側で冷媒が流れる冷媒溝とが表裏一体に形成された流路部と、前記流路部の前記ガス溝側の第１面と、前記第１面とは反対側である前記冷媒溝側の第２面と、を含み、前記流路部は、前記ガス拡散層に当接したリブ部と、前記ガス拡散層から退避した底部と、及び前記リブ部と前記底部との間で連続した側部と、を含み、前記側部には、前記ガス溝に沿って延び前記第１面に対して窪んだ排水溝が形成されており、前記排水溝の水力直径は、２μｍ以上であって２００μｍ以下であり、前記排水溝の延びた方向に垂直な断面視で、前記第２面の前記排水溝に対向する対向部位は、前記冷媒溝側に突出している、燃料電池によって達成できる。

対向部位は、冷媒溝側に突出しているため、対向部位の第２面側の表面積が確保されている。これにより、第１面側で排水溝の内面に反応ガスと共に接する水蒸気と、第２面側で対向部位に接する冷媒との熱交換効率が向上している。このため、排水溝の内面上での水蒸気の凝縮が促進される。また、排水溝の水力直径が２μｍ以上であるため、排水溝の内面上で発生する凝縮水の量を確保できる。更に、排水溝の水力直径が２００μｍ以下であるため、排水溝の毛管力によって排水溝の内面上で発生した凝縮水の保持力を確保できる。このようにして発生した凝縮水は、排水溝内で連続した液水となり、反応ガスの圧力を受けて排水溝内で反応ガスの下流側へと流れる。このように排水溝を有効利用することができ、燃料電池の排水性が向上している。

前記断面視で、前記対向部位は、前記排水溝の内面に対して相補形状であってもよい。

前記断面視で、前記排水溝の内面から前記対向部位までの厚みは、前記側部の前記排水溝及び対向部位以外の部位での厚みと同じであってもよい。

前記断面視で、前記排水溝の内面から前記対向部位までの厚みは、前記側部の前記排水溝及び対向部位以外の部位での厚みよりも薄くてもよい。

前記断面視で、前記対向部位は湾曲していてもよい。

前記底部の前記第２面は、平坦であり、前記セパレータに隣接した他のセパレータに導通接続されていてもよい。

前記側部には、少なくとも前記リブ部と前記排水溝との間で前記第１面に対して窪んでおり前記排水溝に連通した案内溝が形成されていてもよい。

前記案内溝の少なくとも一部は、前記リブ部に形成されていてもよい。

前記案内溝に対向する前記第２面の部位は、前記冷媒溝側に突出していてもよい。

前記排水溝の水力直径は、前記案内溝の水力直径よりも小さくてもよい。

前記流路部は、前記リブ部に前記側部とは反対側で隣接した隣接側部と、前記隣接側部に前記リブ部と反対側で隣接し前記ガス拡散層から退避した隣接底部と、を含み、前記隣接側部には、前記ガス溝に沿って延び前記第１面に対して窪んだ隣接排水溝が形成され、前記第２面の前記隣接排水溝に対向する隣接対向部位は、前記冷媒溝側に突出していてもよい。

前記流路部は、前記リブ部に前記側部とは反対側で隣接した隣接側部と、前記隣接側部に前記リブ部と反対側で隣接し前記ガス拡散層から退避した隣接底部と、を含み、前記隣接側部には、前記ガス溝に沿って延び前記第１面に対して窪んだ隣接排水溝が形成され、前記第２面の前記隣接排水溝に対向する隣接対向部位は、前記冷媒溝側に突出しており、前記案内溝は、前記側部から前記リブ部を介して前記隣接側部にまで延びて前記排水溝と前記隣接排水溝とに連通していてもよい。

前記セパレータは、前記ガス拡散層を介して前記膜電極接合体のカソード側に対向していてもよい。

排水性が向上した燃料電池を提供できる。

図１は、燃料電池の単セルの分解斜視図である。 図２は、単セルが複数積層された燃料電池の部分断面図である。 図３は、セパレータの流路部の一部を示した斜視図である。 図４Ａは、セパレータの流路部の一部を示した断面図であり、図４Ｂは、図４Ａの排水溝の拡大図である。 図５Ａは、第１比較例のセパレータの排水溝の拡大断面図であり、図５Ｂは、第２比較例のセパレータの排水溝の拡大断面図である。 図６は、溝の水力直径と毛管力との関係を示したグラフである。 図７Ａは、セパレータの流路部の一部を示した断面図であり、図７Ｂは、案内溝を示した断面図である。 図８は、セパレータの流路部の一部を示した断面図である。 図９Ａ～図９Ｃは、複数の変形例の排水溝の拡大断面図である。

図１は、燃料電池１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。単セル２は、図１に示したＺ方向で他の単セルと共に積層される。即ち、Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される積層方向である。単セル２は略矩形状であり、単セル２の長手方向及び短手方向はそれぞれ図１に示したＹ方向及びＸ方向に相当する。

燃料電池１は、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、ＭＥＧＡ１０を挟持するアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。支持フレーム１８は、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ１０の周縁領域に接合されている。セパレータ２０及び４０と、支持フレーム１８が接合されたＭＥＧＡ１０とは、Ｚ方向に積層されている。

セパレータ２０の２つの短辺の一方側には孔ａ１～ａ３が形成され、他方側には孔ａ４～ａ６が形成されている。同様に、支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ｓ１～ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４～ｓ６が形成されている。同様に、セパレータ４０の２つの短辺の一方側には孔ｃ１～ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４～ｃ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１、及びｃ１は連通してアノード出口マニホールドを画定する。同様に、孔ａ２、ｓ２、及びｃ２は、冷媒入口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３、及びｃ３はカソード入口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４、及びｃ４はカソード出口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５、及びｃ５は冷媒出口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６、及びｃ６はアノード入口マニホールドを画定する。尚、本実施例の燃料電池１では、冷媒としては液体である冷却水が用いられる。

セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０に対向する面２０ａと、面２０ａの反対側の面２０ｂとを有している。セパレータ４０は、ＭＥＧＡ１０に対向する面４０ａと、面４０ａの反対側の面４０ｂとを有している。セパレータ２０の面２０ａには、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通してアノードガスが流れるアノード溝２０Ａが形成されている。セパレータ４０の面４０ａには、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通してカソードガスが流れるカソード溝４０Ａが形成されている。セパレータ２０の面２０ｂ、及びセパレータ４０の面４０ｂには、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒溝２０Ｂ及び４０Ｂがそれぞれ形成されている。アノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂはセパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。カソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。これらの溝は、主に、ＸＹ平面において各セパレータのＭＥＧＡ１０に対向する領域に設けられている。

セパレータ２０及び４０の材料は、ガス遮断性及び導電性を有した材料であり、具体的には、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウムといった金属、又はカーボンを圧縮した緻密質カーボン、又はこれら複合した材料である。また、セパレータ２０及び４０は、プレス加工により成形されたものであるが、これに限定されず、切削加工により成形されたものであってもよい。

図２は、単セル２が複数積層された燃料電池１の模式的な部分断面図である。図２では、１つの単セル２のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。図２が示す断面は、アノード溝２０Ａやカソード溝４０Ａ、及び冷媒溝２０Ｂ及び４０Ｂが延びたＹ方向に直交している。

ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。尚、拡散層１６ａ及び１６ｃの少なくとも一方が、金属発泡焼結体や網状のエキスパンドメタル等の多孔体であってもよい。また、触媒層１４ａに撥水層が接合され、この撥水層に拡散層１６ａが接合されていてもよい。同様に、触媒層１４ｃに撥水層が接合され、この撥水層に拡散層１６ｃが接合されていてもよい。

アノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂは、Ｙ方向から見てその断面形状は波形状である。アノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂは、Ｘ方向、即ちアノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂが並んだ方向に繰り返し連続した、リブ部２１、側部２３、底部２５、及び側部２７により画定されている。リブ部２１は、拡散層１６ａに当接している。底部２５は、リブ部２１と略平行であり拡散層１６ａから退避している。側部２３は、リブ部２１とこのリブ部２１よりも＋Ｘ方向側にある底部２５との間で、このリブ部２１及び底部２５に対して傾斜して連続している。側部２７は、底部２５とこの底部２５よりも＋Ｘ方向側にあるリブ部２１との間で、この底部２５及びリブ部２１に対して傾斜して連続している。側部２３及び２７は、この側部２３及び２７の間のリブ部２１の、Ｘ方向の中心を通過するＹＺ平面に対して略対称である。

拡散層１６ａ側で、側部２３、底部２５、及び側部２７により囲まれた空間が、セパレータ２０のアノード溝２０Ａとして画定される。また、底部２５は図２Ａに示した単セル２の上方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータに当接する。この不図示のカソードセパレータ側で、リブ部２１と、側部２３及び２７とにより囲まれた空間がセパレータ２０の冷媒溝２０Ｂとして画定される。このようにアノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂは、セパレータ２０に表裏一体に形成されている。アノード溝２０Ａは、拡散層１６ａ側でアノードガスが流れるガス溝の一例である。冷媒溝２０Ｂは、拡散層１６ａとは反対側で冷媒が流れる冷媒溝の一例である。アノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂは、ガス溝と冷媒溝とが表裏一体に形成された流路部の一例である。セパレータ２０の面２０ａは、流路部のアノード溝２０Ａ側の第１面の一例であり、セパレータ２０の面２０ｂは、面２０ａとは反対側である冷媒溝２０Ｂ側の第２面の一例である。セパレータ４０の面４０ａは、流路部のカソード溝４０Ａ側の第１面の一例であり、セパレータ４０の面４０ｂは、面４０ａとは反対側である冷媒溝４０Ｂ側の第２面の一例である。

同様に、カソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂは、Ｙ方向から見てその断面形状は波形状である。カソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂは、Ｘ方向に繰り返し連続した、リブ部４１、側部４３、底部４５、側部４７により画定されている。リブ部４１は、拡散層１６ｃに当接している。底部４５は、リブ部４１と略平行であり拡散層１６ｃから退避している。側部４３は、リブ部４１とこのリブ部４１よりも＋Ｘ方向側にある底部４５との間で、このリブ部４１及び底部４５に対して傾斜して連続している。側部４７は、底部４５とこの底部４５よりも＋Ｘ方向側にあるリブ部４１との間で、この底部４５及びリブ部４１に対して傾斜して連続している。側部４３及び４７は、この側部４３及び４７の間のリブ部４１の、Ｘ方向の中心を通過するＹＺ平面に対して略対称である。

拡散層１６ｃ側で、側部４３、底部４５、及び側部４７により囲まれた空間が、セパレータ４０のカソード溝４０Ａとして画定される。また、底部４５は図２に示した単セル２の下方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータに当接する。この不図示のカソードセパレータ側で、リブ部４１と、側部４３及び４７とにより囲まれた空間がセパレータ４０の冷媒溝４０Ｂとして画定される。このようにカソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂは、セパレータ４０に表裏一体に形成されている。カソード溝４０Ａは、拡散層１６ｃ側でカソードガスが流れるガス溝の一例である。冷媒溝４０Ｂは、拡散層１６ｃとは反対側で冷媒が流れる冷媒溝の一例である。カソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂは、ガス溝と冷媒溝とが表裏一体に形成された流路部の一例である。

側部２７は、リブ部２１に側部２３とは反対側で隣接した隣接側部の一例である。隣接する２つの底部２５の一方は、側部２７にリブ部２１と反対側で隣接し拡散層１６ａから退避した隣接底部の一例である。側部４７は、リブ部４１に側部４３とは反対側で隣接した隣接側部の一例である。隣接する２つの底部４５の一方は、側部４７にリブ部４１と反対側で隣接し拡散層１６ｃから退避した隣接底部の一例である。

図３は、セパレータ４０の流路部の一部を示した斜視図である。図３では、カソードガスが流れるセパレータ４０の面４０ａ側を示している。図３において、カソードガス及び冷媒は＋Ｙ方向に流れる。セパレータ４０の面４０ａには、排水溝４３１及び４７１や案内溝４１１が形成されている。具体的には、排水溝４３１及び４７１は、それぞれ側部４３及び４７にカソード溝４０Ａに沿って延びて形成されている。詳細には、排水溝４３１及び４７１はカソード溝４０Ａと平行である。排水溝４７１は、側部４７にカソード溝４０Ａに沿って延び面４０ａに窪んだ隣接排水溝の一例である。また、案内溝４１１は、リブ部４１とそのリブ部４１に隣接した側部４３及び４７の一部とに、Ｘ方向に延びて形成されており、Ｙ方向に所定のピッチで複数形成されている。これら案内溝４１１は、一端が排水溝４３１に連通し、他端が排水溝４７１に連通している。尚、図３から明らかであるが、案内溝４１１や、排水溝４３１及び４７１の幅や深さは、カソード溝４０Ａや冷媒溝４０Ｂの幅や深さよりも小さい。

図４Ａは、セパレータ４０の流路部の一部を示した断面図である。図４Ａの断面は、カソード溝４０Ａ等が延びたＹ方向に垂直であり、図４Ａは、排水溝４３１及び４７１がそれぞれ延びた方向に垂直な断面から見た場合での、セパレータ４０の流路部の一部を示しているともいえる。排水溝４３１は、Ｙ方向に垂直な方向から見て、側部４３の略中央部に形成されている。排水溝４７１についても同様である。排水溝４３１の幅や深さは、これら排水溝４３１が延びた方向で略一定であるがこれに限定されない。排水溝４７１についても同様である。

排水溝４３１及び４７１は、セパレータ４０の面４０ａに窪んで形成されている。このため、発電反応により生じた生成水が排水溝４３１及び４７１に捕捉される。排水溝４３１及び４７１で捕捉された液水は、カソードガスの圧力を受けて排水溝４３１及び４７１に沿ってカソードガスの下流側へと流れ、カソードガス排出マニホールドを介して燃料電池１の外部へ排出される。尚、案内溝４１１や対向部位４１２については、詳しくは後述する。

図４Ｂは、図４Ａの排水溝４３１の拡大図である。尚、図４Ｂでは案内溝４１１については省略してある。排水溝４３１は、排水溝４３１が延びた方向に垂直な断面視で略半円状である。面４０ｂの排水溝４３１に対向する対向部位４３２は、冷媒溝４０Ｂ側に突出している。このため、対向部位４３２の表面積が確保されている。ここで、拡散層１６ｃ内やカソード溝４０Ａ内では、発電反応により生じた熱や、不図示のコンプレッサにより圧縮されて高温となったカソードガスが流れることにより、比較的高温となっている。これにより、カソード溝４０Ａ内では、発電反応により生じた生成水の一部や、燃料電池１に供給される前にカソードガスに含まれていた水分が、水蒸気となって流れる。これに対して、カソード溝４０Ａの反対側の冷媒溝４０Ｂでは、低温の冷媒が流れている。ここで、上述したように対向部位４３２の表面積が確保されているため、排水溝４３１の内面に接する水蒸気と、対向部位４３２に接する冷媒との熱交換効率が向上している。即ち、排水溝４３１の内面が、排水溝４３１以外の側部４３の面４０ａよりも、冷媒により冷却されやすい構成となっている。このため、排水溝４３１内での水蒸気の凝縮が促進されている。これにより、排水溝４３１内で発生した凝縮水が連続的に流れ、このように排水溝４３１を有効利用されて燃料電池１の排水性が向上している。排水溝４７１、及び面４０ｂの排水溝４７１に対向する対向部位４７２についても、同様である。

次に、複数の比較例について説明する。尚、複数の比較例では本実施例と類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５Ａは、第１比較例のセパレータ４０ｘの排水溝４３１ｘの拡大断面図である。セパレータ４０ｘの側部４３ｘに形成された排水溝４３１ｘは、面４０ａｘに窪んで形成されているが、面４０ｂｘの排水溝４３１ｘに対向する対向部位４３２ｘは冷媒溝４０Ｂｘ側には突出しておらずに平坦である。このため、比較例での対向部位４３２ｘの表面積は、本実施例での対向部位４３２の表面積よりも小さい。従って、本実施例の方が、第１比較例よりも上述した熱交換効率が向上しており、排水性が向上している。

図５Ｂは、第２比較例のセパレータ４０ｙの排水溝４３１ｙの拡大断面図である。第１比較例のセパレータ４０ｘと同様に、第２比較例のセパレータ４０ｙの側部４３ｙに形成された排水溝４３１ｙは、面４０ａｙに窪んで形成され、面４０ｂｙの排水溝４３１ｙに対向する対向部位４３２ｙは冷媒溝４０Ｂｙ側には突出しておらずに平坦である。また、第１比較例とは異なり、側部４３ｙは側部４３ｘよりも薄く、排水溝４３１ｙの内面と対向部位４３２ｙとの間の厚みは、第１比較例の排水溝４３１ｘの内面と対向部位４３２ｘとの間の厚みや、本実施例の排水溝４３１の内面と対向部位４３２との間の厚みよりも薄い。このように、第２比較例の排水溝４３１ｙの内面と対向部位４３２ｙとの間の距離が近いため、排水溝４３１ｙの内面に接する水蒸気と対向部位４３２ｙに接する冷媒との熱交換効率が向上する。しかしながら、このような排水溝４３１ｙの内面と対向部位４３２ｙとの間の厚みが薄い部分では剛性が低下する可能性がある。本実施例では、対向部位４３２が冷媒溝４０Ｂ側に突出していることにより、排水溝４３１での側部４３の厚みが確保されており、これにより剛性も確保されている。

本実施例では、第１及び第２比較例とは異なり、図４Ｂに示すように、排水溝４３１が延びた方向に垂直な断面視で、対向部位４３２は排水溝４３１の内面に対して相補形状である。即ち、対向部位４３２は、排水溝４３１の内面と同様に湾曲しており、対向部位４３２の形状と排水溝４３１の内面の形状とは略同じである。このため、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの間の厚みは、略均一である。これにより、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの間で部分的に厚みが薄くなることが抑制されており、剛性が確保されている。

また、本実施例では、第１及び第２比較例とは異なり、図４Ｂに示すように、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの厚みは、側部４３の排水溝４３１及び対向部位４３２以外の部位での厚みと略同じである。このため、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの厚みが、側部４３の排水溝４３１及び対向部位４３２以外の部位での厚みよりも薄くなりすぎることによる、排水溝４３１及び対向部位４３２周辺での剛性の低下が抑制されている。また、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの厚みが、側部４３の排水溝４３１及び対向部位４３２以外の部位での厚みよりも厚くなりすぎることによる、熱交換率の低下、及び冷媒の圧損の増大が抑制されている。また、上述したように、対向部位４３２は湾曲しているため、このような構成によっても冷媒の圧損の増大が抑制されている。

次に、排水溝４３１の水力直径について説明する。溝の水力直径とは、その溝の断面積と等価とみなせる断面積を有した円管の直径を意味する。従って、溝の水力直径が大きいほど、その溝の断面積が大きいことを示し、その溝で捕捉できる液水の量も多いことを示す。従って、溝による排水性を考慮すると、その溝の水力直径は大きいほどよい。しかしながら、溝の水力直径が増大するほど、溝の毛管力が低下することが知られている。図６は、溝の水力直径と毛管力との関係を示したグラフである。横軸は水力直径を示し、縦軸は毛管力を示している。図６に示すように、水力直径と毛管力との関係は反比例の関係にある。ここで、毛管力が大きいほどその溝の液水の保持力が大きいことを示す。従って、水力直径が大きいほど、その溝で捕捉できる液水の量は確保できるが、毛管力は低下し、一度溝で捕捉した液水が溝から脱離し、この溝を有効利用して液水を排出することが困難となる可能性がある。

従って、本実施例では、排水溝４３１の水力直径は、２μｍ以上であって２００μｍ以下に設定されている。排水溝４３１の水力直径が２μｍ以上であるため、排水溝４３１の内面で発生する凝縮水の量が確保されている。また、排水溝４３１の水力直径が２００μｍ以下であるため、排水溝４３１の毛管力によって排水溝４３１の内面上で発生した凝縮水の保持力が確保されている。即ち、このような凝縮水が、カソードガスの圧力や燃料電池１から外部に加えられた振動、その他重力の作用等によって排水溝４３１から脱離することが抑制される。このため、排水溝４３１が有効利用されて燃料電池１の排水性が向上している。尚、排水溝４３１の毛管力により、排水溝４３１以外の部位で発生した液水を排水溝４３１内に吸引することが容易となり、液水の捕捉性も確保されている。排水溝４７１についても同様である。

排水溝４３１の水力直径は、５μｍ以上であって１５０μｍ以下が好ましい。排水溝４３１の水力直径が５μｍ以上であることにより、上述した２μｍ以上の場合よりも排水溝４３１の毛管力は低下するが排水溝４３１の内面で発生する凝縮水の量を確保できる。また、排水溝４３１の水力直径が１５０μｍ以下であることにより、上述した２００μｍ以下の場合よりも排水溝４３１の内面で発生する凝縮水の量は低下するが毛管力を確保することができる。排水溝４３１の水力直径がこのような範囲に設定されていることにより、排水溝４３１の内面で発生する凝縮水の量の確保と毛管力の確保とを両立でき、排水溝４３１による排水性が向上している。排水溝４３１の水力直径は、更に好ましくは７μｍ以上であって１５０μｍ以下であり、更に好ましくは１０μｍ以上であって１００μｍ以下である。尚、排水溝４３１の水力直径は小さいほど、排水溝４３１の形成やその寸法精度を維持することが困難となる場合があるため、このような事情を考慮して適宜設定することが望ましい。

尚、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの厚みは、側部４３の排水溝４３１及び対向部位４３２以外の部位での厚みと略同じであるが、これに限定されない。上述したように、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までが厚すぎると、上述したように熱交換効率が低下し、薄すぎると剛性が低下する。このため、例えば、上記の厚みは、側部４３の排水溝４３１及び対向部位４３２以外の部位での厚みの０．８倍から１．２倍程度が望ましい。

また、排水溝４３１の内面から対向部位４３２までの厚みは、側部４３の剛性を確保できる範囲で、側部４３の排水溝４３１及び対向部位４３２以外の部位での厚みよりも薄くてもよい。対向部位４３２が冷媒溝４０Ｂ側に突出しつつ、厚みを他の部位よりも薄くすることで、排水溝４３１を冷却する効果を高め、排水溝４３１内で水蒸気の凝縮を促進できる。

本実施例での排水溝４３１は、側部４３に形成されており底部４５には形成されていない。また、底部４５の面４０ｂは、平坦に形成されている。例えば、底部４５の面４０ａに窪んだ排水溝を形成することも考えられる。しかしながら、底部４５の面４０ａに排水溝を形成すると、底部４５の剛性が部分的に低下して、底部４５の面４０ｂを平坦に維持することが困難となる可能性がある。また、底部４５の面４０ｂの全面に亘って隣接するセパレータが当接する場合、面４０ｂの底部４５の排水溝に対向する部位を冷媒溝４０Ｂ側に突出させることは困難である。ここで、セパレータ４０の底部４５の面４０ｂは、セパレータ４０に隣接するセパレータに当接して、両者は導通接続され、両者間の接触抵抗は小さい方が好ましい。このような接触抵抗の増大を抑制するためには、セパレータ４０の底部４５の面４０ｂと隣接するセパレータとの密着面積が大きいことが望ましく、そのためには底部４５の面４０ｂが平坦であることが望ましい。本実施例では、排水溝４３１を底部４５ではなく、側部４３に設けることにより、底部４５の面４０ｂを平坦に維持でき、セパレータ間の接触抵抗の増大が抑制されている。

次に、本実施例の案内溝４１１について説明する。図７Ａは、セパレータ４０の流路部の一部を示した断面図である。図７Ａの断面は、カソード溝４０Ａが延びたＹ方向に直交するＸ方向に垂直である。案内溝４１１は、リブ部４１と、側部４３及び４７の一部分とに亘って形成され、Ｘ方向に延びている。案内溝４１１の幅、深さは部位によらずに略一定であるが、これに限定されない。ここで、案内溝４１１は、排水溝４３１よりもリブ部４１側の側部４３で面４０ａに対して窪んでいる。このため、排水溝４３１よりもリブ部４１側の側部４３の面４０ａに液水が付着した場合であっても、カソード溝４０Ａ内を流れるカソードガスの圧力により、＋Ｙ方向に流れて側部４３で案内溝４１１に捕捉される。このように案内溝４１１で捕捉された液水は排水溝４３１へと案内され、液水は案内溝４１１から排水溝４３１へと連続的に流れる。このように排水性が向上している。

また、上述したように案内溝４１１は、排水溝４３１のみならず、排水溝４７１にも連通している。このため、リブ部４１で案内溝４１１に捕捉された液水は、この案内溝４１１に連通した排水溝４３１及び４７１の少なくとも何れかに案内されるため、排水性が向上している。

また、案内溝４１１は、排水溝４３１及び４７１よりも、拡散層１６ｃに当接するリブ部４１側に形成されている。これにより、発電反応によりＭＥＡ１１のカソード側で発生した生成水を、案内溝４１１で容易に捕捉することができる。

上述したように、案内溝４１１は、その一端が排水溝４３１に連通しており、排水溝４３１を通過するように連通しているのではない。従って、案内溝４１１は、排水溝４３１と底部４５との間の側部４３の領域には形成されていない。案内溝４１１が排水溝４３１に通過するように連通している場合には、リブ部４１側から排水溝４３１に向かって案内溝４１１を流れる液水が排水溝４３１を通過して、排水溝４３１に案内できない可能性がある。本実施例では案内溝４１１の一端が排水溝４３１に連通していることにより、案内溝４１１から排水溝４３１へと液水を適切に案内できる。同様に、案内溝４１１の他端も排水溝４７１に連通している。

図７Ｂは、案内溝４１１を示した断面図である。図７Ｂの断面は、案内溝４１１が延びた方向に垂直である。排水溝４３１と同様に、面４０ｂの案内溝４１１に対向した対向部位４１２は面４０ｂ側に突出している。これにより、上述した排水溝４３１と同様に、案内溝４１１の内面上での凝縮水の発生が促進され、排水性が向上している。

ここで、排水溝４３１及び４７１の各水力直径は、案内溝４１１の水力直径よりも小さい。ここで、図６に示したように、溝の水力直径が小さいほど毛管力が増大するため、排水溝４３１及び４７１の各毛管力は、案内溝４１１の毛管力よりも大きい。これにより、案内溝４１１で捕捉された液水や案内溝４１１で発生した凝縮水は、毛管力が大きい排水溝４３１及び４７１の何れかに流れることが促進され、排水性が向上している。本実施例では、排水溝４３１及び４７１と案内溝４１１との深さは略同じであり、排水溝４３１及び４７１のそれぞれは案内溝４１１よりも幅が狭く形成されているが、これに限定されず、例えば、排水溝４３１及び４７１と案内溝４１１との幅が略同じであり、排水溝４３１及び４７１のそれぞれが案内溝４１１よりも深さが浅くてもよい。

尚、案内溝４１１についても、排水溝４３１と同様に、案内溝４１１の水力直径は、２μｍ以上であって２００μｍ以下であるが、５μｍ以上であって１５０μｍ以下でもよい。また、案内溝４１１の水力直径は、好ましくは７μｍ以上であって１５０μｍ以下であり、更に好ましくは１０μｍ以上であって１００μｍ以下である。案内溝４１１の水力直径をこのような範囲に設定することにより、案内溝４１１が保持できる液水の量を確保しつつ液水の保持力も確保することができる。しかしながら、案内溝４１１の水力直径は必ずしも上記範囲を満たす必要はない。案内溝４１１が満水になると案内溝４１１から排水溝４３１及び４７１の何れかに液水が溢れ出るからである。

排水溝４３１及び４７１と案内溝４１１とが窪んで形成されたセパレータ４０の面４０ａが重力方向上方を向くようにして燃料電池１が使用される場合には、重力の作用によって拡散層１６ｃ側から面４０ａ側に落下した液水も、排水溝４３１及び４７１や案内溝４１１で容易に捕捉することができる。

排水溝４３１及び４７１や案内溝４１１は、親水処理がなされていることが望ましい。これにより、排水溝４３１及び４７１や案内溝４１１内での液水の流動性が向上し、排水性が向上する。親水処理としては、周知の種々の技術を適用可能であり、例えば、プラズマ処理、紫外線処理、親水被膜の形成等が挙げられる。

案内溝４１１は、排水溝４３１及び４７１の双方に連通しているが、何れか一方にのみ連通していてもよい。この場合も、案内溝４１１から排水溝４３１及び４７１の一方に液水を案内することができるからである。また、案内溝４１１はリブ部４１にも形成されているが、リブ部４１には形成されておらずに側部４３及び４７の少なくとも一方にのみ形成されていてもよい。例えば、案内溝４１１がリブ部４１には形成されておらずに側部４３にのみ形成されている場合には、案内溝４１１は、側部４３の、リブ部４１と排水溝４３１との間の領域に形成されて排水溝４３１に連通していればよい。この場合も、側部４３に形成された案内溝４１１により液水を捕捉でき、案内溝４１１から排水溝４３１に液水を案内できるからである。

側部４３における排水溝４３１の位置は、リブ部４１及び底部４５の何れからも同じ距離となるように側部４３の略中央に形成されているが、これに限定されない。排水溝４３１が延びた方向は、－Ｚ方向から見て、カソード溝４０Ａの延びた方向に対して僅かに傾斜していてもよい。また、排水溝４３１は、排水性を考慮すると直線状に延びていることが好ましいが、－Ｚ方向から見て、カソード溝４０Ａが延びた方向に対して緩やかに湾曲した形状であってもよいし、複数の直線状の部分が異なる角度で連通した形状でもよい。排水溝４７１についても同様である。また、排水溝４３１及び４７１は平行でなくてもよい。側部４３及び４７の何れか一方にのみ排水溝が形成されていてもよい。

案内溝４１１は、－Ｚ方向から見て、カソード溝４０Ａの延びた方向に対して直交する方向に延びているが、これに限定されない。案内溝４１１は、－Ｚ方向から見て直線状であるがこれに限定されず、湾曲した形状であってもよいし、複数の直線状の部分が異なる角度で連通した形状でもよい。また、案内溝４１１は、－Ｚ方向から見て排水溝４３１及び４７１に直交するように連通しているが、これに限定されない。例えば、側部４３で案内溝４１１は、カソードガスが流れる方向に沿うように、＋Ｙ方向と＋Ｘ方向との間の方向に延びて排水溝４３１に接続されていてもよい。同様に、側部４７で案内溝４１１は、カソードガスが流れる方向に沿うように、＋Ｙ方向と－Ｘ方向との間の方向に延びて排水溝４７１に接続されていてもよい。Ｙ方向に並んだ複数の案内溝４１１のピッチは、一定に限定されない。例えば、液水が発生しやすい部分により狭いピッチで複数の案内溝４１１を形成してもよい。

図８は、セパレータ２０の流路部の一部を示した断面図である。図８は、セパレータ２０のアノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂが延びた方向に対して垂直な断面図である。セパレータ４０と同様に、アノード側のセパレータ２０においても、側部２３及び２７にはそれぞれ排水溝２３１及び２７１が形成され、側部２３及び２７とリブ部２１とには排水溝２３１及び２７１に連通した複数の案内溝２１１が形成されている。これらの排水溝２３１及び２７１や案内溝２１１に対向する面２０ｂの対向部位２３２、２７２、及び２１２は、冷媒溝２０Ｂ側に突出しているため、排水性が向上している。尚、セパレータ２０のアノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂの形状及び大きさは、それぞれセパレータ４０のカソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂの形状及び大きさと略同じであり、アノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂの形状とカソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂの形状とはＸＹ平面で略対称である。

本実施例では、排水溝２３１及び２７１や案内溝２１１は、セパレータ２０の重力方向下方を向いた面２０ａに窪んで形成されている。ここで、排水溝２３１及び２７１や案内溝２１１内の液水が重力によってこれら溝から脱落しない程度に、これらの溝の幅や深さが設定されていることが望ましい。セパレータ４０の排水溝４３１及び４７１や案内溝４１１についても同様である。このような構成により、これらのセパレータ２０及び４０を有する燃料電池１の向きが重力方向に対して何れの向きで使用されても、液水が重力により排水溝や案内溝から脱落することが抑制され、排水性が向上する。

上述したセパレータ４０のカソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂや、セパレータ２０のアノード溝２０Ａ及び冷媒溝２０Ｂは、直線状に延びているが、これに限定されず、少なくとも一方のセパレータの溝が波状に延びていてもよい。例えば、セパレータ４０のカソード溝４０Ａ及び冷媒溝４０Ｂが波状に延びている場合には、側部４３及び４７や排水溝４３１及び４７１も波状に延びて形成される。

上記実施例では、アノード側のセパレータ２０に排水溝２３１及び２７１が形成され、カソード側のセパレータ４０にも排水溝４３１及び４７１が形成されているが、これに限定されない。セパレータ２０及び４０の何れか一方にのみ、排水溝が形成されていてもよい。尚、発電反応による生成水の発生量は、一般的にアノード側よりもカソード側での方が多いため、カソード側のセパレータ４０に排水溝４３１及び４７１の少なくとも一方を設けることが好ましい。

上記実施例では、セパレータ２０の側部２３及び２７は、互いに略平行なリブ部２１及び底部２５に対して傾斜しているが、これに限定されず、例えば、側部２３及び２７のそれぞれがリブ部及び底部２５に対して略直交してもよい。セパレータ４０の側部４３及び４７についても同様である。

上述したセパレータ２０及び４０のそれぞれは、一層構造であるが、複数の層から構成されるものであってもよい。例えば、金属層と導電性樹脂層とを含むセパレータであってもよい。金属層は、例えば金属板である。導電性樹脂層は、例えば絶縁性の樹脂バインダ中に、金属製である導電性の粒子が分散されたものである。

上記のセパレータは、冷媒として液体を用いた水冷式の燃料電池に採用するものに限定されず、例えば冷媒として空気を用いた空冷式の燃料電池に採用してもよい。

次に排水溝の変形例について説明する。図９Ａ～図９Ｃは、複数の変形例の排水溝の拡大断面図である。尚、変形例については、上述した実施例と類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。図９Ａ～図９Ｃは、それぞれ、第１～第３変形例の排水溝４３１ａ～４３１ｃを示した拡大断面図である。図９Ａ～図９Ｃは、図４Ｂに対応している。

図９Ａに示すように、排水溝４３１ａは、セパレータ４０１の側部４３の面４０ａに窪んでおり、断面視で略台形状である。図９Ｂに示すように、排水溝４３１ｂは、セパレータ４０２の側部４３の面４０ａに窪んでおり、断面視で略三角形状である。図９Ｃに示すように、排水溝４３１ｃは、セパレータ４０３の側部４３の面４０ａに窪んで互いに沿うように２つ形成され、２つの排水溝４３１ｃはそれぞれ断面視で略半円状である。また、２つの排水溝４３１ｃに対応するように２つの対向部位４３２ｃが形成されている。何れの対向部位４３２ａ～４３２ｃも冷媒溝４０Ｂ側に突出し、排水溝４３１ａ～４３１ｃの何れの水力直径も、上述した排水溝４３１と同様の範囲に設定されているため、排水性が確保されている。

また、対向部位４３２ａ～４３２ｃは、それぞれ、排水溝４３１ａ～４３１ｃの内面に対して相補形状であるため、排水溝４３１ａ～４３１ｃや対向部位４３２ａ～４３２ｃ周辺での剛性の低下も抑制されている。また、第１変形例では、排水溝４３１ａの内面から対向部位４３２ａまでの厚みは、側部４３の排水溝４３１ａ及び対向部位４３２ａ以外の部位での厚みとは略同じである。第２及び第３変形例でも同様である。このような構成によっても、熱交換効率が確保され剛性の低下が抑制されている。尚、図９Ａ～図９Ｃで示されている角部に、アールが設けられていてもよい。

また、上述した略台形状や略三角形状の排水溝が単一の側部に対して複数設けられていてもよい。また、単一の側部に略半円状の排水溝、略台形状の排水溝、略三角形状の排水溝の少なくとも２つが設けられていてもよい。以上のように、排水溝の断面形状は、製造の容易性や液水の捕捉性等を考慮して、適宜設計することが望ましい。尚、案内溝４１１も、上記の変形例と同様に、略台形状や略三角形状であってもよいし、このような形状の微細溝が隣接して設けられていてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 燃料電池
２ 単セル
２０ アノードセパレータ
４０ カソードセパレータ
２１、４１ リブ部
２５、４５ 底部
２３、２７、４３、４７ 側部
２１１、４１１ 案内溝
２３１、２７１、４３１、４７１ 排水溝
２１２、２３２、２７２、４１２、４３２、４７２ 対向部位
２０Ａ アノード溝
４０Ａ カソード溝
２０Ｂ、４０Ｂ 冷媒溝
２０ａ、４０ａ 面（第１面）
２０ｂ、４０ｂ 面（第２面）

Claims (13)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に積層されたガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に積層されたセパレータと、を備え、
   前記セパレータは、前記ガス拡散層側で反応ガスが流れるガス溝と前記ガス拡散層とは反対側で冷媒が流れる冷媒溝とが表裏一体に形成された流路部と、前記流路部の前記ガス溝側の第１面と、前記第１面とは反対側である前記冷媒溝側の第２面と、を含み、
   前記流路部は、前記ガス拡散層に当接したリブ部と、前記ガス拡散層から退避した底部と、及び前記リブ部と前記底部との間で連続した側部と、を含み、
   前記側部には、前記ガス溝に沿って延び前記第１面に対して窪んだ排水溝が形成されており、
   前記排水溝の水力直径は、２μｍ以上であって２００μｍ以下であり、
   前記排水溝に沿って延びた方向に垂直な断面視で、前記第２面の前記排水溝に対向する対向部位は、前記冷媒溝側に突出している、燃料電池。
2. 前記断面視で、前記対向部位は、前記排水溝の内面に対して相補形状である、請求項１の燃料電池。
3. 前記断面視で、前記排水溝の内面から前記対向部位までの厚みは、前記側部の前記排水溝及び対向部位以外の部位での厚みと同じである、請求項１又は２の燃料電池。
4. 前記断面視で、前記排水溝の内面から前記対向部位までの厚みは、前記側部の前記排水溝及び対向部位以外の部位での厚みよりも薄い、請求項１又は２の燃料電池。
5. 前記断面視で、前記対向部位は湾曲している、請求項１乃至４の何れかの燃料電池。
6. 前記底部の前記第２面は、平坦であり、前記セパレータに隣接した他のセパレータに導通接続される、請求項１乃至５の何れかの燃料電池。
7. 前記側部には、少なくとも前記リブ部と前記排水溝との間で前記第１面に対して窪んでおり前記排水溝に連通した案内溝が形成されている、請求項１乃至６の何れかの燃料電池。
8. 前記案内溝の少なくとも一部は、前記リブ部に形成されている、請求項７の燃料電池。
9. 前記案内溝に対向する前記第２面の部位は、前記冷媒溝側に突出している、請求項７又は８の燃料電池。
10. 前記排水溝の水力直径は、前記案内溝の水力直径よりも小さい、請求項７乃至９の何れかの燃料電池。
11. 前記流路部は、前記リブ部に前記側部とは反対側で隣接した隣接側部と、前記隣接側部に前記リブ部と反対側で隣接し前記ガス拡散層から退避した隣接底部と、を含み、
    前記隣接側部には、前記ガス溝に沿って延び前記第１面に対して窪んだ隣接排水溝が形成され、
    前記第２面の前記隣接排水溝に対向する隣接対向部位は、前記冷媒溝側に突出している、請求項１乃至１０の何れかの燃料電池。
12. 前記流路部は、前記リブ部に前記側部とは反対側で隣接した隣接側部と、前記隣接側部に前記リブ部と反対側で隣接し前記ガス拡散層から退避した隣接底部と、を含み、
    前記隣接側部には、前記ガス溝に沿って延び前記第１面に対して窪んだ隣接排水溝が形成され、
    前記第２面の前記隣接排水溝に対向する隣接対向部位は、前記冷媒溝側に突出しており、
    前記案内溝は、前記側部から前記リブ部を介して前記隣接側部にまで延びて前記排水溝と前記隣接排水溝とに連通している、請求項７乃至１０の何れかの燃料電池。
13. 前記セパレータは、前記ガス拡散層を介して前記膜電極接合体のカソード側に対向している、請求項１乃至１２の何れかの燃料電池。

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