JP4086894B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関するものである。

燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有す酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層が形成されており、この触媒反応層の外面に燃料ガスの通気性と電子伝導性とを併せ持つ、ガス拡散層（例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなど）を形成し、この拡散層と触媒反応層（触媒層）とを合わせて電極とする。そして一般に、水素が導入される電極をアノード（水素極、あるいは燃料極）、酸素が導入される電極をカソード（酸素極、あるいは空気極）と称されている。

次に、供給する燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化して予め組み立てられるもので、このように一体化されたものをＭＥＡ（膜電極複合体、あるいは膜電極接合体）と呼ぶ。このＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接してＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータを配置する。セパレータにおいてＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。このようなガス流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に凹状の溝部を設けてガス流路とする方式が一般的である。

この溝部に燃料ガスを供給するためには、燃料ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータのガス流路形成用の溝部につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータに、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを供給するものである。

燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ及び冷却部を交互に重ねていき、例えば１０〜４００セル積層した後、集電板と絶縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層燃料電池（すなわち燃料電池スタック）の構造である。

このような燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に用いられるセパレータは、導電性が高く、かつ燃料ガスに対して高い気密性を持ち、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要がある。このような理由で従来のセパレータは、グラシーカーボン板または樹脂含浸黒鉛板等の表面に切削加工でガス流路を構成するための溝部を形成したり、ガス流路用の溝部を形成したプレス金型にバインダーと共に膨張黒鉛粉末を入れ、これをプレス加工した後、加熱処理したりすることで作製している。

また、近年、従来から使用されたカーボン材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが行われている。金属板を用いたセパレータは、金属板が高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用すると金属板の腐食や溶解が起きる可能性がある。金属板が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低下する。また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオンが高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自身のイオン導電性が低下する。このような劣化を避けるため金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッキを施すことが通例である。

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質内を電離した水素が移動しやすくするため、燃料ガスとしての水素を含むガスや、酸化剤ガスとしての酸素ガスを含むガスに水蒸気を混合して供給することが一般的である。一方、発電時の燃焼反応により水分（水蒸気）が生成するため、セパレータに形成された流路形成用の溝部には燃料や酸化剤と混合する水蒸気と、発電により生成する水分（水蒸気）とが通過する。溝部の内壁面におけるセパレータ表面はこのような水蒸気や生成された水蒸気が必要以上に結露しないように一定の温度に制御されるのが一般的であるが、発電した電力の消費量や燃料供給の変化により、燃料電池内部の発生熱量が変化し、内部温度が変動したり、生成水の量が変動したりする。

例えば、温度が低下した場合などにはセパレータ表面（溝部内壁面）が結露しやすくなることがあり、このような現象を完全に排除することは事実上不可能である。結露が発生すると、結露により生じた水滴がガス流路を塞ぎ、その塞いだ場所以降の電極や触媒に対し燃料供給不足が発生するため、徐々に電圧が低下し、またその水滴が排出されると、流路閉塞が解除されるため燃料供給が回復し、電圧が上昇するといった電圧不安定現象（フラッディング）が発生するという問題がある。

また、従来型の燃料電池用セパレータの材質としては、黒鉛ブロックを加工した不浸透化物、耐食性金属及び膨張黒鉛シート積層成形体に液状樹脂を含浸させ硬化させた液状樹脂含有物が用いられることが多いが、このような材質からなるセパレータは親水性に劣るものである。そのため、セパレータ表面（すなわち溝部の内壁面）における親水性を向上させることで、ガス流路内で生じた水滴と溝部の内壁面との接触角度を減少させて、ガス流路を塞ぐような水滴の成長を抑制して、流路閉塞を防止するような手法が、従来において用いられている。

しかしながら、このような親水性を向上させるような表面処理は、その処理コストが比較的高いものであり、燃料電池の生産コスト減少を阻害する一つの要因となるという問題がある。さらに、この表面処理により向上された親水性は、燃料電池の使用とともに経時的に劣化し易く、親水性の耐久性の点で問題がある。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、セパレータのガス流路において生じる水によるガス流路の閉塞を回避し、安定した動作性を与えることができ、耐フラッディング性を向上させることができる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟むように配置されたそれぞれの触媒層と、上記それぞれの触媒層の外側に配置されたガス拡散層との複合体であって、アノード及びカソードのそれぞれの極を形成する膜電極複合体と、
その表面が上記ガス拡散層と接してガス流路を形成するようにガス流路用溝部が形成され、上記膜電極複合体を挟んで配置された一対のセパレータとを備え、
上記それぞれのセパレータにおいて、
上記ガス流路が、略平行に配置された複数の略直線状流路部と、上記直線状流路の端部を隣接する上記直線状流路の端部と連通させる複数の屈曲流路部とを備え、ガス導入口から排出口まで連通するように、上記ガス流路用溝部が形成され、
上記それぞれの直線状流路部を構成する上記ガス流路用溝部の内壁面において、当該直線状流路部に沿って実質的に連続するように溝状に形成され、上記ガス流路にて発生した水の少なくとも一部をその内側に保持可能な水保持用溝部が、上記排出口に連続しないように形成されている燃料電池を提供する。

本発明の第２態様によれば、高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟むように配置されたそれぞれの触媒層と、上記それぞれの触媒層の外側に配置されたガス拡散層との複合体であって、アノード及びカソードのそれぞれの極を形成する膜電極複合体と、
その表面が上記ガス拡散層と接してガス流路を形成するようにガス流路用溝部が形成され、上記膜電極複合体を挟んで配置された一対のセパレータとを備え、
上記それぞれのセパレータにおいて、
上記ガス流路が、略平行に配置された複数の略直線状流路部と、上記直線状流路の端部を隣接する上記直線状流路の端部と連通させる複数の屈曲流路部とを備え、ガス導入口から排出口まで連通するように、上記ガス流路用溝部が形成され、
上記それぞれの直線状流路部を構成する上記ガス流路用溝部の内壁面において、当該直線状流路部に沿って実質的に連続するように溝状に形成され、上記ガス流路にて発生した水の少なくとも一部をその内側に保持可能な水保持用溝部が形成され、
上記それぞれの直線状流路部において、その両端部間にて連続するように上記水保持用溝部が形成され、少なくとも一部の上記屈曲流路部において、上記水保持用溝部が不連続である燃料電池を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記ガス流路用溝部の底部に上記それぞれの水保持用溝部が形成されている第１態様又は第２態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記それぞれの水保持用溝部は、上記底部の略中央部分に形成されている第３態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記水保持用溝部は、上記ガス流路用溝部内にて発生した水滴がその保持水と接触することで、上記ガス流路用溝部の内壁面と上記水滴との接触角度を減少させる機能を有するように形成されている第１態様又は第２態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記水保持用溝部は、その幅寸法が、上記溝部の幅寸法の１／２から１／１０の範囲内の寸法となるように形成されている第１態様又は第２態様に記載の燃料電池を提供する。

本発明によれば、ガス流路における直線状流路部を構成するセパレータの溝部の内壁面において、この直線状流路部に沿って実質的に連続するように溝状に形成され、上記ガス流路にて発生した水の少なくとも一部をその内側に保持可能な水保持用溝部が形成された構成が採用されていることにより、上記ガス流路内にてガスの凝縮等により発生した水滴が、その成長過程において上記水保持用溝部内の保持水と接触することで、この水滴がガス流路を閉塞するまでの大きさに成長してしまうこと抑制することができる。従って、このような水滴発生およびその成長によるガス流路の閉塞を確実に回避し、安定したガス供給を実現することで、耐フラッディング性を向上させることができる燃料電池を提供することができる。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態）
本発明の一の実施形態にかかる燃料電池の概略構成を示す模式構成図を図１に示す。また、図１に示す燃料電池１０１が備える燃料電池用スタック（以降、スタックという。）の模式分解立体図を図２に示す。

燃料電池１０１は、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。図１に示すように、燃料電池１０１には、アノード及びカソードの一対の極を備える燃料電池セル（あるいは単セル）が複数個直列に接続された積層構造を有するスタック３０と、燃料ガスから水素を取り出す燃料処理器３１と、燃料処理器３１にて取り出された水素を含む燃料ガスを加湿することで発電率を向上させるアノード加湿器３２と、酸素含有ガス（酸化剤ガス）に対しての加湿を行うカソード加湿器３３と、燃料ガスと酸素含有ガスとをそれぞれ供給するためのポンプ３４、３５とが備えられている。すなわち、燃料処理器３１、アノード加湿器３２、及びポンプ３４により燃料ガスをスタック３０の各セルに供給する燃料供給装置が構成されており、また、カソード加湿器３３とポンプ３５とにより酸化剤ガスをスタック３０の各セルに供給する酸化剤供給装置が構成されている。なお、このような燃料供給装置や酸化剤供給装置は、燃料や酸化剤の供給を行う機能を備えていればその他様々な形態を採用し得る。

また、燃料電池１０１には、発電の際にスタック３０にて発生される熱を効率的に除去するための冷却水を循環供給するためのポンプ３６と、この冷却水（例えば、導電性を有さない液体、例えば純水が用いられる。）により除去された熱を、水道水等の流体に熱交換するための熱交換器３７と、熱交換された水道水を貯留させる貯留タンク３８とが備えられている。さらに、燃料電池１０１には、このようなそれぞれの構成部を互いに関連付けて発電のための運転制御を行う運転制御装置４０と、スタック３０にて発電された電気を取り出す電気出力部４１とが備えられている。

また、図２に示すように、この燃料電池１０１が備えるスタック３０は、基本単位構成である単セル（あるいは単電池）２０を複数個積層し、集電板２１、絶縁板２２、端板２３で両側から所定の荷重で締結して構成されている。それぞれの集電板２１には、電流取り出し端子部２１ａが設けられており、発電時にここから電流、すなわち電気が取り出される。それぞれの絶縁板２２は、集電板２１と端板２３との間を絶縁するとともに、図示しないガスや冷却水の導入口、排出口が設けられている場合もある。それぞれの端板２３は、複数枚積層された単セル２０と集電板２１、絶縁板２２を図示しない加圧手段によって所定の荷重で締結し、保持している。

さらに、図２に示すように、単セル２０は、ＭＥＡ（膜電極複合体）１０を一対のセパレータ１及び４１で挟み込むようにして構成されている。ＭＥＡ１０は、例えば、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１のアノード面側に、白金−ルテニウム合金触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（アノード側触媒層）１２を形成し、カソード面側には、白金触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（カソード側触媒層）１３を形成し、これらの触媒層１２及び１３の外面に、燃料ガス（燃料流体）あるいは酸化剤ガス（酸化剤流体）の通気性と、電子導電性を併せ持つガス拡散層１４を配置して構成されたものである。高分子電解質膜１１は、プロトン導電性を示す固体高分子材料、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（例えば、デュポン社製ナフィオン膜）が一般に使用される。

セパレータ１１及び４１は、ガス不透過性の導電性材料であれば良く、例えば樹脂含浸カーボン材料を所定の形状に切削加工したものや、カーボン粉末と樹脂材料の混合物を成形したものが一般的に用いられる。それぞれのセパレータ１１及び４１においてＭＥＡ１０と接触する表面には凹状の溝部が形成されており、この溝部がガス拡散層１４と接することで、電極面に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給し、余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。

ここで、このようなスタック３０が備える単セル２０の構造を示す模式断面図を図３Ｂに示すとともに、図３ＢにおけるＢ−Ｂ線矢視図を図３Ａに示す。これらの図を用いて、ガス流路を構成する溝部が形成されたセパレータの詳細構造について以下に説明する。なお、図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ−Ａ線断面の模式断面図であり、図３Ａは、図３Ｂに示す単セル２０が備えるアノード側セパレータ１とカソード側セパレータ４１のうちのアノード側セパレータ１のみを示す図でもある。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、アノード側セパレータ１の表面には、例えば、入口から出口に向かって燃料ガス流路２を形成するための凹状の溝部３が、図示左右方向において複数回向きを変えて配置されるようにサーペインタイン状に形成されている。このサーペインタイン状の溝部３は、図示左右方向に略直線状かつ互いに平行に配置された複数の直線状溝部３ａと、隣接する直線状溝部３ａの端部を連結して、流路を連通させながらその流れ方向を図示左右方向に反転させる複数の屈曲溝部（あるいは連結用溝部）３ｂとにより構成されている。すなわち、燃料ガス流路２は、平行に配置された複数の直線状溝部３ａにより構成される複数の略直線状流路部２ａと、複数の屈曲溝部３ｂにより構成され、隣接する直線状流路部２ａの端部を連通させながらその流れの向きを反転させるように屈曲させる屈曲流路部２ｂとにより、入口から出口まで一連の流路として形成されている。

また、アノード側セパレータ１において、ガス流路２が形成されている領域の外周部分には、単セル２０への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出のための貫通孔であるマニホールドが形成されている。具体的には、燃料ガス入口マニホールド２４、燃料ガス出口マニホールド２５、酸化剤ガス入口マニホールド２６、及び、酸化剤ガス出口マニホールド２７が形成されており、さらにそれぞれのセル２０において発電際に生じる熱を効果的に除去するための冷却水を流すための冷却水入口マニホールド２８及び冷却水出口マニホールド２９が形成されている。なお、単セル２０を複数個積層した燃料電池１０１では、燃料ガス入口マニホールド２４、燃料ガス出口マニホールド２５、酸化剤ガス入口マニホールド２６、酸化剤ガス出口マニホールド２７、冷却水入口マニホールド２８、及び冷却水出口マニホールド２９が、全ての単セル２０間でその積層方向に連通されるようにそれぞれの配置が決定されている。なお、それぞれのセパレータ１及び４１、集電板２１、絶縁板２２、及び端板２３には、図示しないシール部材が配置されており、燃料ガス、及び酸化剤ガスなどが混ざり合ったり、外部へ漏れたりすることが防止されている。

また、アノード側セパレータ１において、それぞれの直線状溝部３ａと屈曲溝部３ｂとにより構成される一連の溝部３が、燃料ガス入口マニホールド２４から燃料ガス出口マニホールド２５をつなぐように形成されており、これにより両マニホールド２４、２５に連通された一連のガス流路２が形成されている。

ここで、セパレータ１の表面に形成された溝部３の拡大模式断面図を図４に示す。図４に示すように、溝部３の内壁面（内周面）における底部には、溝部３に比べて十分に小さな凹状の溝部である小溝部（あるいは細溝部）５が形成されている。この小溝部５は、例えば、底部の略中央に形成されており、さらに図３Ａに示すように各々の直線状溝部３ａの一端から他端へと連続して延在するように略直線状に形成されている。それぞれの小溝部５は、それぞれの直線状溝部３ａにおいてのみ形成され、それぞれの屈曲溝部３ｂにおいては形成されていない。すなわち、ガス流路２において、略直線状流路部２ａにて、その一端から他端の全体に渡って連続するように小溝部５が形成されており、それぞれの直線状流路部２ａをその端部間で連通させているそれぞれの屈曲流路部２ｂにおいて、個々の小溝部５が互いに連通されることなく、分断されて不連続な状態とされている。

この小溝部５は、燃料電池１０１において発電が行われる際に、燃料ガス中に等に含まれる水分（水蒸気）が、セパレータ１の温度変化等により水滴となって凝縮した際にその水（生成水）を小溝部５内にて保持することが可能となっている。すなわち、小溝部５が、燃料ガス出口マニホールド２５にまで連続（連通）することなく、それぞれの屈曲流路部２ｂにおいて分断されて不連続な状態とされていることにより、小溝部５内に入り込んだ水が、燃料ガスの流れにより出口側に押し流されてその全てが排出されてしまうことなく、水を保持しておくことが可能となっている。このような小溝部５の水保持機能に注目すれば、小溝部５は、水保持用溝部または水保持部の一例であると言うことができる。本実施形態のスタック３０においては、このような水保持機能を有する小溝部５を用いて、小溝部５内に水を保持させた状態において、流路２内に発生した水滴を、小溝部５内にて保持された水と接触させることで、小溝部５を含む周囲の内壁面を親水性が施された状態とさせることができ、その結果、ガス流路２を塞ぐような大きさに水滴が成長することを抑制している。

ここで、小溝部５によりその周囲近傍を親水性の状態とさせてガス流路２の閉塞を抑制する原理について以下に図面を用いて説明する。当該説明にあたって、まず、親水性と撥水性という用語の意味について説明する。図５Ａに示すように部材表面Ｓ１が撥水性を有するような場合には、その表面Ｓ１に付着した水滴Ｗ１は、球形に近い形状を保つことになる。このとき、水滴Ｗ１が部材表面Ｓと接触している角度が一般的に接触角度θと呼ばれ、接触角度θが１８０度に限りなく近づく程、部材表面Ｓ１は高い撥水性を有する（すなわち超撥水性の状態になる）ことになる。これに対して、図５Ｂに示すように部材表面Ｓ２が親水性を有するような場合には、その表面Ｓ２に付着した水滴Ｗ２は、部材表面Ｓ２に沿って拡がるような形状を保つことになる。このような状態においては、例えば接触角度θは４０度以下となり、０度に限りなく近づく程、部材表面Ｓ２は高い親水性を有する（すなわち超親水性の状態になる）ことになる。なお、一般的には、接触角度θが４０度以下となった状態を親水性と言っている。図５Ａの撥水性状態にて付着している水滴Ｗ１の形状と、図５Ｂの親水性状態にて付着している水滴Ｗ２の形状とを比較すると、撥水性状態の水滴Ｗ１は部材表面Ｓ１への接触部分ができるだけ少なくなるように、水滴Ｗ１の高さが高くなっており、一方、親水性状態の水滴Ｗ２は部材表面Ｓ２への接触部分が多くなるように、水滴Ｗ２の高さが低くなっている。

セパレータ１は、上述したようにカーボン材料にて形成されているため、その溝部３の内壁面は、撥水性を有している。そのため、図６Ａの模式説明図に示すように、例えば、従来のセパレータにおいて、小溝部５が形成されていない溝部５０３によりガス流路５０２が構成されているような場合を考えると、図６Ｂにてガス流路５０２内にて生じた小さな水滴Ｗ３は、溝部５０３内にて撥水性を有する内壁面（図示下側壁面）にその接触面積が小さくなるように盛り上がった状態で付着し、図６Ｅのガス流路平面図に示すように、燃料ガスの流れに従って押し流されながら、凝縮の進行とともに、その水滴Ｗ３が成長する。その結果、図６Ｃ及び図６Ｄに示すように、ガス流路５０２を閉塞するような大きさにまで水滴Ｗ３が成長し、最終的にガス流路５０２が水滴Ｗ３により閉塞された状態とされてしまう。

これに対して、本実施形態のセパレータ１のように、小溝部５が溝部３内にて形成され、この小溝部５がその内部に水を保持しておく水保持機能を有していることにより、図７Ａに示すように、小溝部５内に水Ｗが保持された状態にて、図７Ｂに示すようにガス流路２内にて例えば小溝部５から離間された位置に水滴Ｗ４が発生すると、図７Ｅに示すように、この水滴Ｗ４は燃料ガスの流れにより押し流されながら凝縮の進行とともに、その水滴Ｗ４が徐々に成長して大きくなっていく（図７Ｂ及び図７Ｃ参照）。やがて水滴Ｗ４が小溝部５内にて保持されている水Ｗに接触するまで成長して水Ｗと接触すると、保持されている水Ｗの表面に沿って水滴Ｗを構成していた水が拡がり、水Ｗの表面及び小溝部５のその周囲近傍において、親水性が与えられたのと同様な現象が生じる。その結果、水滴Ｗ４の成長が抑制され、その形状も内壁面に沿って拡がるような形状とされ、ガス流路２が閉塞されることが抑制される。すなわち、水保持機能を有する小溝部５は、その保持する水をガス流路２内にて生じる水滴に接触させることで、ガス流路２を構成する溝部３の内壁面の一部（すなわち、小溝部５の保持水の表面やその近傍）に対して、親水性状態を付与する役割を有している。なお、図６Ｅ及び図７Ｅにおいて、矢印Ｆはガス流路におけるガスの流れ方向を示している。

このように親水処理が施されていないガス流路２において、ある程度の大きさまで成長した水滴が、それ以上大きく成長することが無いようにその形態が親水性状態に変えられることにより、ガス流路２が閉塞されることを防止することができる。また、このようにその形態が親水性状態とされた水（水滴）は、燃料ガスの流れに従って、小溝部５及びその周囲近傍の内壁面に沿いながら流されて、燃料ガス出口マニホールド２５から排出される。

また、このような小溝部は、アノード側セパレータ１だけでなく、カソード側セパレータ４１においても形成されている。具体的には、図３Ａ、図３Ｂ、及び図４に示すように、カソード側セパレータ４１においては、酸化剤ガス入口マニホールド２６から酸化剤ガス出口マニホールド２７にまで一連の酸化剤ガス流路４２が形成されており、この酸化剤ガス流路４２は、直線状流路部４２ａと屈曲流路部４２ｂとが組み合わされて構成されている。また、この酸化剤ガス流路４２を構成する溝部４３は、直線状溝部４３ａと屈曲溝部４３ｂとにより構成されており、それぞれの直線状溝部４３ａの内壁面における底部中央には、小溝部４５が形成されている。この小溝部４５は直線状溝部４３ａの一端から他端にまで連通するように連続して形成されており、屈曲溝部４３ｂにおいては形成されていない。このように、カソード側セパレータ４１においても、酸化剤ガス流路４２内に、小溝部４５が形成されていることにより、酸化剤ガス中に含まれる水分が凝縮する等によってガス流路４２内にて発生した水滴が、ガス流路４２を閉塞してしまう程に大きさにまで成長する前に、小溝部４５内にて保持されている水と接触させることで、水滴の成長を抑制することができ、流路閉塞が発生することを防止することができる。

このような小溝部５、４５は、例えば、毛管現象を利用して小溝部５、４５の一部に接触した水を、その内部に吸い込むように呼び込んで保持し、さらに一度入り込んだ水が、ガスの通過によってもすぐに蒸発してしまうことなく、保持しておくことができるような大きさ・形状に形成されることが好ましい。例えば、溝部３、４３の幅Ｗ：１ｍｍ、深さＤ：１ｍｍに対して、小溝部５、４５の幅ｗ：０．２ｍｍ、深さｄ：０．２ｍｍとなるように形成することが好ましい。特に小溝部５、４５の幅ｗは、溝部３、４３の幅Ｗの半分以下程度の大きさ、より好ましくは幅Ｗの１／２から１／１０の範囲内の大きさに形成されることが望ましい。このような小溝部５、４５は、溝部３、４３の内壁面におけるどの位置に形成されるような場合であってもよいが、ガス流路２、４２の断面に対してその半分程度の大きさよりも大きく水滴が成長することを抑制するためには、例えば図４に示すように、溝部３、４３の底部の中央付近に小溝部５、４５を形成することが好ましい。

また、図８Ａのセパレータ１の燃料ガス出口マニホールド２５近傍における溝部３の部分拡大模式平面図、及びこの平面図に示す溝部３の中心線Ｃ−Ｃにおける模式断面図である図８Ｂに示すように、直線状溝部３ａの端部にまで連続するように形成された小溝部５は、屈曲溝部３ｂにおいて、マニホールド２５に連通されないように形成されることが好ましい。少なくとも、小溝部５の末端部が出口マニホールド２５に連通されていない（すなわち不連続とされている）ことにより、小溝部５内に入り込んだ水が積極的にマニホールド２５にまで流れて排出されることを抑制することができ、小溝部５の水保持機能を確実なものとすることができるからである。

また、上述したように本実施形態においは、ガス流路２、４２を構成する直線状溝部３ａ、４３ａの一端から他端にまで連続するように小溝部５、４５が形成されることが好ましい。ただし、一端から他端にまで連続するようにとは、一部に不連続箇所が含まれていても、実質的に連続した状態と同様な状態が構成されていればよい。例えば、図９Ａに示す直線状溝部３ａの部分拡大模式平面図と、そのＤ−Ｄ線断面図である図９Ｂに示すように、複数の分断された小溝部５ａが形成されているような場合であっても、隣接する小溝部５ａ間の間隔Ｌ１が例えば小溝部５の幅ｗ以下であれば、小溝部５の幅ｗよりも大きく水滴が成長することを抑制できる。従って、本発明において、このような間隔Ｌ１で分断された状態は、それぞれの小溝部５ａは実質的に連続された状態であると言える。

これに対して、本実施形態の比較例として図１０Ａの部分模式平面図及び図１０ＢのＥ−Ｅ線断面図に示す直線状溝部３ａにように、それぞれの小溝部５ｂが例えば小溝部５ｂの幅ｗよりも大きな間隔Ｌ２にて形成されているようなものは、それぞれの小溝部５ｂは実質的に連続された状態であるとは言えず、不連続状態である。このような不連続状態では、隣接する小溝部５ｂ間において発生した水滴Ｗ５が小溝部５ｂの幅ｗよりも大きく成長してしまった状態であっても、小溝部５ｂに保持されている水と接触しないような状況が十分に生じ得、流路閉塞が十分に抑制されているとは言えないからである。

なお、上述した本実施形態のスタック３０のそれぞれのセパレータ１（あるいは４１）においては、各々の直線状流路部２ａに小溝部５を形成し、各々の屈曲流路部２ｂには小溝部を形成しないように、ガス流路２を構成している。これは、屈曲流路部２ｂは、比較的短い流路部であり、さらに、このようなセパレータは、そのガス流路形成面を垂直方向に配置させ、さらにそれぞれの直線状流路部２ａを垂直方向に直交する方向に配置させることが多いため、屈曲流路部では液滴が重力等の作用により比較的溜まりにくいからである。なお、このような場合に代えて、各々の屈曲流路部２ｂに小溝部が形成されるような場合であってもよいが、形成された小溝部は出口マニホールド２５に連通されないように、不連続となる箇所を設ける必要がある。

ここで、本実施形態の変形例として、様々な小溝部の配置形態について、以下に図面を用いて説明する。

まず、図１４Ａの単セル２０の模式断面図に示すように、ガス流路２内に２本の小溝部５Ａが、例えば互いに平行に配置されて形成されるような場合であってもよい。このような小溝部５Ａは、例えば、ガス流路２の底部の角部分に形成することができる。このように小溝部５Ａが形成されたガス流路２においては、例えば、図１４Ｂ、図１４Ｃ、図１４Ｄ、及び図１４Ｅの模式説明図に示すように、ガス流路２内において２箇所にて水Ｗを保持することができ、ガス流路２内にて生じた水滴Ｗ４をより早い段階で小溝部５Ａに保持されている水Ｗに接触させることができ、水滴の成長を早い段階で抑制することが可能となる。なお、カソード側セパレータ４１においても、２本の小溝部４５Ａを形成することができる。

また、図１５Ａの単セル２０の模式断面図に示すように、セパレータ１においてガス流路２自体をセパレータ１の表面に対して傾斜させるように形成するような場合であってもよい。このような場合にあっては、例えば、セパレータ１の表面を鉛直方向に沿って配置させるとともに、ガス流路２の底部側が鉛直方向下方側に位置されるようにその傾斜方向を決定し、さらにガス流路２内において、傾斜方向最下方となる位置に小溝部５Ｂを形成することが好ましい。このような構成によれば、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ、及び図１５Ｅの模式説明図に示すように、流路２内で生じた水滴Ｗ４を重力の作用によって小溝部５Ｂに近づくように導くことができ、水滴の成長を早い段階で抑制することができる。また、ガス流路２の図示下方内壁面にて、水Ｗを溜まり易くすることができるため、当該下方内側面を長い期間に渡って親水性状態とさせることが可能となる。なお、カソード側セパレータ４１においても、このような小溝部４５Ｂを形成することができる。

また、図１６Ａに示す単セル２０に形成された小溝部５Ｃのように、その入口側角部分に曲面部（Ｒ部）５ａを形成することもできる。このような曲面部５ａが形成されていることにより、図１６Ｂ、図１６Ｃ、図１６Ｄ、及び図１６Ｅの模式説明図に示すように、ガス流路２内において発生した水を小溝部５Ｃ内に導き易くすることができ、水の保持性及び水滴の成長抑制の観点から効果的である。なお、カソード側セパレータ４１においても、このような曲面部４５ａが形成された小溝部４５Ｃを形成することができる。

さらに、その他の変形例について、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ、及び図１７Ｄに示すガス流路２の模式断面図に示す。図１７Ａに示すようにその内底面が曲面により構成されるような小溝部５Ｄや、図１７Ｂに示すように大略Ｖ字状断面を有するような小溝部５Ｅや、図１７Ｄに示すように２段構造の小溝部５Ｇの形態を採用することもできる。また、図１７Ｃに示すように、ガス流路２の底部において２つの凸状隆起部５ｂにより囲まれるようにして小溝部５Ｆが形成されるような場合であってもよい。このような形態であっても凹状断面を有しその内側に水を保持する機能を備えさせることが可能であるため、このような形態の小溝部５Ｆも本発明の水保持用溝部の一例に含まれる。

また、それぞれの直線状流路部２ａにおいて、その流路方向に沿って直線状に小溝部５が形成されるような場合のみに限られず、例えば蛇行するように小溝部が形成されるような場合であってもよい。このような場合であっても、流路２内に生じた水分を保持する機能を有することができ、水滴の成長を抑制する効果を達成することができる。ただし、このような蛇行形状に小溝部が形成されるような場合であっても、直線状流路部２ａの一端から他端にまで実質的に連続して延在するように形成されている必要がある。

また、セパレータ１及び４１において、ガス流路２、４２、及び小溝部５、４５は成形加工により形成することができる。従って、ガス流路２、４２の内壁面において、小溝部５、４５の形成位置は、このような成形加工を考慮して決定されることが好ましい。例えば、ガス流路２、４２の底面に小溝部５、４５を配置させることが成形加工の加工性の観点からは好ましい。なお、小溝部５、４５をガス流路２、４２の内壁面における側面に形成するような場合には、切削加工等の手段を用いて小溝部を形成することができる。

上記実施形態によれば、燃料電池１０１のスタック３０を構成するそれぞれの単セル２０において、セパレータ１（セパレータ４１についても同様）の表面に形成されたガス流路２形成用の溝部３の内壁面に、この溝部３よりも十分に小さな溝部として小溝部５を形成し、さらにこれらの小溝部５がそれぞれの直線状溝部３ａにおいて一方の端部から他方の端部に至る区間を連続するように形成され、かつ、それぞれの屈曲溝部３ｂにおいて連続しないように形成されて、出口マニホールド２５とは不連続に形成されていることにより、ガス流路２内にて発生した水を、小溝部５内にて保持させておくことができる。このようにそれぞれの小溝部５において水保持機能が備えられていることにより、ガス流路２のそれぞれの直線状流路部２ａの全体に渡って、小溝部５にて水が連続的に保持された状態とさせることができ、その後、生成される水滴が、その成長過程において小溝部５に保持された水と接触して、水滴の成長を抑制させることができる。従って、ガス流路２等を閉塞するような大きさにまで水滴が成長することを抑制することができ、ガスの流れを安定させることで発電状態を安定させることができ、耐フラッディング性を良好なものとすることができる。

従来においては、このようなガス流路内において、出口マニホールドにまで連通させるような細い連通溝が形成された構成のセパレータを用いて、ガス流路内にて生じた水が連通溝を通じて、積極的に出口マニホールドへ排出されるような構成の燃料電池も存在するが、このような構成では、連通溝が出口マニホールドに連通されているため、溝内の水を常時保持させておくことができず、溝内に水が存在している状態や存在していない状態が生じ得る。仮に、このような構成を有する従来のセパレータに本発明の原理を適用したとしても、水が存在している状態では流路を親水性の状態とさせて水滴の成長を抑制することができるものの、水が存在していない状態では親水性状態とはならず、水滴の成長を抑制することができない。従って、ガス流路において、親水性と非親水性の状態が混在することとなり、上記非親水性の部分にて流路閉塞が生じる可能性がある。

これに対して、上記実施形態の小溝部５は、出口マニホールド２５に連通されないように形成されることで水の保持機能を実現しているため、このような親水性と非親水性の状態が大きく混在することもない。また、このような小溝部５は、より水滴溜まりが発生しやすい直線状流路部２ａにおいて連続するように形成されているため、発生した水滴の成長を効果的に抑制することができる。従って、燃料電池において、流路閉塞を抑制して、ガスの流れを安定させることで、発電の安定化、及び耐フラッディング性を向上させることができる。

また、上記実施形態の燃料電池は、特に、家庭用の燃料電池に対して適用されることが効果的である。このような家庭用の燃料電池は、ポンプ等の駆動に要する動力をできる限り小さくするように設計されていることが多く、他の分野にて用いられる燃料電池と比べて、ガス流路内にてガスの供給流速が比較的小さく（遅く）抑えられている（例えばガス供給流速が１０ｍ／ｓ以下程度）。そのため、このような家庭用の燃料電池においては、ガス流路内にて生じた水滴をガス流速でもって排出させる効果が比較的弱いものとなるため、上記実施形態のような小溝部を用いて水滴の成長を抑制することが、より効果的なものとなる。

（実施例）
次に、本発明の上記実施形態の燃料電池のいくつかの実施例について、以下に説明し、ガス流路に小溝部を形成することによる効果を説明する。

（第１実施例）
第１実施例にかかる燃料電池のスタックは、上述したように図３Ａ及び図３Ｂに示すような形態を有しているスタック３０である。具体的に、本第１実施例のスタック３０の構造及びその製造方法について説明する。

まず、ＭＥＡ１０の作製方法について説明する。アセチレンブラック粉末に、平均粒径が約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させた溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、触媒ペースト状にした。

一方、電極の支持体になるカーボン不織布（ガス拡散層１４）を撥水処理した。外寸１４ｃｍ×１４ｃｍ、厚み３６μｍのカーボン不織布（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ダイキン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分間加熱することで、撥水性を与えた。このカーボン不織布１４の一方の面に、スクリーン印刷法を用いて触媒ペーストを塗布することで触媒層１２、１３を形成した。このとき、触媒層１２、１３の一部は、カーボン不織布１４の中に埋まり込んでいる。このようにして作製した触媒層１２、１３とカーボン不織布１４とを合わせて電極を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．６ｍｇ／ｃｍ^２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ^２となるよう調整した。

次に、外寸が１５ｃｍ×１５ｃｍのプロトン伝導性高分子電解質膜１１の表裏両面に、一対の電極（すなわち、アノードとカソードの一対の電極）における触媒層側の表面が接するようにホットプレスで接合し、これを膜電極複合体（ＭＥＡ）１０とした（図２参照）。ここでは、プロトン伝導性高分子膜１１として、パーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。

次に、アノード側セパレータ１とカソード側セパレータ４１となる導電性セパレータの作製方法について説明する。まず、平均粒径が５０〜１００μｍの人造黒鉛粉末を用意し、人造黒鉛粉末８０重量％に、熱硬化性フェノール樹脂２０重量％を押し出し混練機で混練し、混練粉末とする。燃料流体（燃料ガス）及び酸化剤流体（酸化剤ガス）を供給する流体流路用の溝部（ガス流路形成用の溝部）２、４２と冷却水流路用溝部（図示せず）、それぞれのマニホールド２４〜２９、及び小溝部５、４５のそれぞれの形状に応じた形状が形成された金型を用いて、１８０℃に加熱した金型にこの混練粉末を投入し、ホットプレスで圧縮成形を行う。なお、この成形方法は、圧縮成形の他に、射出成形やトランスファー成形でもよいし、また成形後に小溝部５、４５のみを切削加工で作製してもよい。

また、本第１実施例のセパレータは、その流路形成面を垂直方向に沿って配置し、かつ、それぞれの直線状流路部２ａが水平方向に配置されるような姿勢にて使用される。このような使用姿勢では、水平方向に配置される流路部に小溝部５を形成することが好ましい。なぜなら、水滴はガス流路壁面に沿ってその流れ方向に動きながら成長する。そのため、図３Ａに示すようなサーペインタイン状のガス流路では、重力方向になら容易に水滴は移動するが、重力方向垂直には水滴は移動しにくい。小溝部５のない流路では水滴が成長し流路を閉塞することがあるが、図３のように小溝部５が形成されていることにより、水滴の成長を小溝部５に触れるまでで抑制することできる。なお、カソード側のセパレータ４１に関しても同様に作製を行った。

小溝断面形状については、図３Ａ、図３Ｂ、及び図４に示すような形状を採用した。すなわち、ガス流路２、４２の内壁面の底部における略中央部分に流路に沿って小溝部５、４５を形成した。

このような小溝部５が形成されたアノード側セパレータ１と小溝部４５が形成されたカソード側セパレータ４１との間に、ＭＥＡ１０、ガスシール材を重ね合わせて単セル２０を形成する（図２参照）。本第１実施例では、アノード側、カソード側の検査部をガスシール材によって被覆し、表面に露出しないようにした。この単セル２０をそれぞれ２セル積層した後、冷却水路溝部を形成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して１０セル積層のスタック３０を作製した。この時、スタック３０の両端部には、ステンレス製の集電板２１と電気絶縁材料の絶縁板２２、さらに端板２３と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。

このように作製した本第１実施例の１０セル積層の燃料電池（ＰＥＦＣ）１０１を、８０℃に保持し、アノード側に燃料流体（ガス）として７５℃の露点となるよう加湿した水素ガスを、もう一方カソード側に酸化剤流体（ガス）として６５℃の露点となるように加湿した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９．６Ｖの電池開放電圧を得た。このときのスタック３０全体の内部抵抗を測定したところ、約４．５ｍΩであった。

この１０セル積層の燃料電池１０１を酸素利用率４０％、電流密度０．１５Ａ／ｃｍ^２の条件で、燃料利用率５０％から５％ずつ燃料利用率を上げて行った。そうすると、当初７００ｍＶ以上あったセル電圧がある燃料利用率で急激に低下した。そして、セル電圧が６００ｍＶを下回ったところで試験を中止した。

５％毎の燃料利用率で５時間の運転試験を行い、すべてのセル電圧が安定的に運転できる最も高い燃料使用率を限界燃料利用率（限界Ｕｆ）とした。

次に、この１０セル積層の燃料電池１０１を燃料利用率６０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ^２の条件で酸素利用率３０％から５％ずつ上げて行った。酸素利用率に関しても燃料利用率と同様に、セル電圧が６００ｍＶを下回ったところで試験を中止した。５％毎の酸素利用率で５時間の運転試験を行い、全てのセル電圧が安定的に運転できる最も高い酸素利用率を限界酸素利用率（限界Ｕｏ）とした。この限界燃料利用率（限界Ｕｆ）と限界酸素利用率（限界Ｕｏ）が高い燃料電池ほど安定性が高く耐フラッディング性が良好であると言える。すなわち、セパレータのガス流路において発生した水滴による流路閉塞が抑制されることで、発電の安定性を高めて耐フラッディング性を良好なものとすることができると言える。この値を燃料電池の電池特性評価の指標とした。

本第１実施例における小溝部５、４５を加工形成したセパレータ１、４１の１０セル積層燃料電池１０１の電池特性は、全て限界Ｕｆが８０％、限界Ｕｏが６０％と非常に高い特性を示した。なお、電池特性としては限界Ｕｆが７０％以上、限界Ｕｏが５０％以上の性能を発現すれば優れた耐フラッディング性を持つ燃料電池（ＰＥＦＣ）であると言える。この結果から小溝部を加工形成することの効果が十分に発現し、ガス流路中に発生する生成水による閉塞が、効果的に防止されているものと考えられる。

（第２実施例）
次に、第２実施例にかかる燃料電池における単セル１２０の模式断面図を図１１Ｂに示し、図１１ＢにおけるＧ−Ｇ線矢視図を図１１Ａに示す。なお、図１１ＡにおけるＦ−Ｆ線矢視断面図が図１１Ｂとなっている。図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、本第２実施例の単セル１２０は、上記第１実施例の単セル２０と略同じ構造を有しているが、それぞれの直線状流路部２ａにおいて、小溝部１０５が流路方向に対して僅かに傾斜されるように形成されている点においてのみ、相違している。また、この小溝部１０５の傾斜の向きは、ガス流路２において、ガスの流れ方向に対して図示下方に下がるような向きに設定されている。このような傾斜の向きを有する小溝部１０５、１４５は、アノード側及びカソード側セパレータに共通して形成した。なお、この点以外の構成及び製造方法については、上記第１実施例と同様であるので、その説明を省略する。

このような構成の本第２実施例の燃料電池に対して、上記第１実施例にて実施した方法と同様の方法で電池発電評価を行った。その結果、上記第１実施例の燃料電池と同様の性能を示した。さらに電池温度を８０℃から５℃下げて７５℃とした状態においても電池発電評価を同様に行った。このとき、上記第１実施例の燃料電池では、限界利用率が５％ずつ低下したのだが、本第２実施例の燃料電池においては、限界Ｕｆが８０％、限界Ｕｏが６０％と変わらない性能を発現した。この結果より、小溝部１０５、１４５を流れ方向に対して重力に逆らわないように傾斜を設けることで、屈曲流路部２ｂにおける小溝部１０５、１４５よりの溝排出性を更に向上させ、より過飽和の条件においても安定した電池特性を得ることができたと考えられる。

（第３実施例）
次に、第３実施例にかかる燃料電池における単セル２２０の模式断面図を図１２Ｂに示し、図１２ＢにおけるＩ−Ｉ線矢視図を図１２Ａに示す。なお、図１２ＡにおけるＨ−Ｈ線矢視断面図が図１２Ｂとなっている。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、本第３実施例の単セル２２０は、上記第１実施例の単セル２０と略同じ構造を有しているが、それぞれの直線状流路部２ａにおいて形成された小溝部２０５が、各屈曲流路部２ｂにおいて連通されている点においてのみ、相違している。この小溝部２０５は、入口マニホールド２４と出口マニホールド２５に対しては、連通されておらず、不連続状態とされている。このような小溝部２０５、２４５は、アノード側及びカソード側セパレータに共通して形成した。なお、この点以外の構成及び製造方法については、上記第１実施例と同様であるので、その説明を省略する。

このような構成の本第３実施例の燃料電池に対して、上記第１実施例にて実施した方法と同様の方法で電池発電評価を行った。その結果、限界Ｕｆが７５％、限界Ｕｏが５５％と高い特性を示したが、上記第１実施例より５ポイントずつ性能を落とした。更に電池温度を８０℃から５℃下げて７５℃とした状態においても電池発電評価を同様に行った。このとき、上記第１実施例の燃料電池では、限界利用率が５％ずつ低下したのだが、本第３実施例の燃料電池においては、限界Ｕｆが８０％、限界Ｕｏが６０％と変わらない性能を発現した。この結果より、より過飽和の条件においては、屈曲流路部２ｂで小溝部２０５、２４５を連結させようにすることで、安定した電池特性を得ることができると考えられる。

（第４実施例）
次に、第４実施例にかかる燃料電池における単セル３２０の模式断面図を図１３Ｂに示し、図１３ＢにおけるＫ−Ｋ線矢視図を図１３Ａに示す。なお、図１３ＡにおけるＪ−Ｊ線矢視断面図が図１３Ｂとなっている。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、本第４実施例の単セル３２０は、上記第１実施例の単セル２０と略同じ構造を有しているが、さらにガス流路部２ａの下流部分（後半部分）において、第２の小溝部３５５が形成されている点において、相違している。この第２の小溝部３５５は、直線状流路部２ａのみだけでなく、屈曲流路部２ｂにおいても形成されており、最終的には出口マニホールド２５と連通されるように形成されている。一方、各々の直線状流路部２ａに形成されている小溝部（すなわち第１の小溝部）３０５は、屈曲流路部２ｂにおいては形成されておらず、出口マニホールド２５とも連通されていない。このような小溝部３０５、３５５、３４５、３６５は、アノード側及びカソード側セパレータに共通して形成した。なお、この点以外の構成及び製造方法については、上記第１実施例と同様であるので、その説明を省略する。

このような構成の本第４実施例の燃料電池に対して、上記第１実施例にて実施した方法と同様の方法で電池発電評価を行った。その結果、限界Ｕｆが８０％、限界Ｕｏが６０％と上記第１実施例と同等の高い特性を示した。更に電池温度を８０℃から１０℃下げて７０℃とした状態においても電池発電評価を同様に行った。このとき、限界Ｕｆが８０％、限界Ｕｏが６０％と変わらない性能を発現した。この結果より、本第４実施例の燃料電池では、広い運転条件でさらに安定した電池特性を得ることができると考えられる。

以上のように、本発明によれば、それぞれの単セルにおけるガス流路で結露水（生成水）の成長を抑え、確実にガス流路を確保できる。よって、フラッディングの発生が抑制された安定した発電を可能とする燃料電池の構成が可能になる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２００５年５月１３日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００５−１４０９１５号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

図１は、本発明の一の実施形態にかかる燃料電池の構成を示す模式図である。 図２は、図１の燃料電池におけるスタックの構成を示す模式分解立体図である。 図３Ａは、図２のスタックを構成する単セルのＢ−Ｂ線矢視断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの単セルにおけるＡ−Ａ線断面図である。 図４は、図３Ｂの単セルを拡大した模式部分拡大断面図である。 図５Ａは、撥水性の状態を説明するための模式説明図である。 図５Ｂは、親水性の状態を説明するための模式説明図である。 図６Ａは、上記実施形態の比較例にかかる小溝部なしのガス流路において、水滴の成長を説明する模式説明図であって、ガス流路において水滴が発生していない状態の図である。 図６Ｂは、図６Ａに続く水滴の成長を説明する模式説明図であって、ガス流路において水滴が発生した状態の図である。 図６Ｃは、図６Ｂに続く水滴の成長を説明する模式説明図であって、水滴が大きく成長している状態の図である。 図６Ｄは、図６Ｃに続く水滴の成長を説明する模式説明図であって、成長した水滴がガス流路を閉塞している状態の図である。 図６Ｅは、図６Ａ〜図６Ｄまでの水滴の成長過程を、ガス流路の流れ方向への水滴の移動経路に沿って示す模式説明図である。 図７Ａは、上記実施形態の小溝部ありのガス流路において、水滴の成長を説明する模式説明図であって、ガス流路において小溝部に水が保持され、かつ水滴が発生していない状態の図である。 図７Ｂは、図７Ａに続く水滴の成長を説明する模式説明図であって、ガス流路において水滴が発生した状態の図である。 図７Ｃは、図７Ｂに続く水滴の成長を説明する模式説明図であって、水滴が大きく成長している状態の図である。 図７Ｄは、図７Ｃに続く水滴の成長を説明する模式説明図であって、小溝部に保持された水に成長した水滴が接触して親水性状態とされ、その成長が抑制された状態の図である。 図７Ｅは、図７Ａ〜図７Ｄまでの水滴の成長及び成長抑制過程を、ガス流路の流れ方向への水滴の移動経路に沿って示す模式説明図である。 図８Ａは、上記実施形態のセパレータにおける燃料ガス出口マニホールド近傍の部分拡大模式平面図である。 図８Ｂは、図８ＡのセパレータにおけるＣ−Ｃ線模式断面図である。 図９Ａは、上記実施形態のガス流路において、複数の小溝部が実質的に連続している状態を示す模式平面図である。 図９Ｂは、図９Ａのガス流路におけるＤ−Ｄ線模式断面図である。 図１０Ａは、ガス流路において、複数の小溝部が実質的に連続していない状態を示す模式平面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａのガス流路におけるＥ−Ｅ線模式断面図である。 図１１Ａは、本発明の第２実施例にかかる単セルにおけるＧ−Ｇ線矢視断面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの単セルにおけるＦ−Ｆ線断面図である。 図１２Ａは、本発明の第３実施例にかかる単セルにおけるＩ−Ｉ線矢視断面図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの単セルにおけるＨ−Ｈ線断面図である。 図１３Ａは、本発明の第４実施例にかかる単セルにおけるＫ−Ｋ線矢視断面図である。 図１３Ｂは、図１３Ａの単セルにおけるＪ−Ｊ線断面図である。 図１４Ａは、上記実施形態の変形例にかかる単セルの部分拡大模式断面図であって、ガス流路内に２本の小溝部が形成されているガス流路を示す図である。 図１４Ｂは、図１４Ａのガス流路において、水滴の成長が抑制される過程を示す模式説明図であって、２本の小溝部内に水が保持された状態の図である。 図１４Ｃは、図１４Ｂに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、ガス流路内に水滴が発生した状態の図である。 図１４Ｄは、図１４Ｃに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、２本の小溝部内に保持されている水に水滴が接触した状態の図である。 図１４Ｅは、図１４Ｄに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、水滴が親水性状態とされた状態の図である。 図１５Ａは、上記実施形態の変形例にかかる単セルの部分拡大模式断面図であって、傾斜形状断面を有する小溝部及びガス流路を示す図である。 図１５Ｂは、図１５Ａのガス流路において、水滴の成長が抑制される過程を示す模式説明図であって、小溝部内に水が保持された状態の図である。 図１５Ｃは、図１５Ｂに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、ガス流路内に水滴が発生した状態の図である。 図１５Ｄは、図１５Ｃに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、小溝部内に保持されている水に水滴が接触した状態の図である。 図１５Ｅは、図１５Ｄに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、水滴が親水性状態とされた状態の図である。 図１６Ａは、上記実施形態の変形例にかかる単セルの部分拡大模式断面図であって、その角部に曲面部を有する小溝部が形成されたガス流路を示す図である。 図１６Ｂは、図１６Ａのガス流路において、水滴の成長が抑制される過程を示す模式説明図であって、小溝部内に水が保持された状態の図である。 図１６Ｃは、図１６Ｂに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、ガス流路内に水滴が発生した状態の図である。 図１６Ｄは、図１６Ｃに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、小溝部内に保持されている水に水滴が接触した状態の図である。 図１６Ｅは、図１６Ｄに続いて水滴成長の抑制過程を示す模式説明図であって、水滴が親水性状態とされた状態の図である。 図１７Ａは、上記実施形態の変形例にかかる小溝部の形態を示すガス流路の模式断面図であって、曲面状に形成された内壁面を有する小溝部の図である。 図１７Ｂは、上記実施形態の変形例にかかる小溝部の形態を示すガス流路の模式断面図であって、Ｖ字形状断面を有する小溝部の図である。 図１７Ｃは、上記実施形態の変形例にかかる小溝部の形態を示すガス流路の模式断面図であって、ガス流路底部において隆起されて形成された小溝部の図である。 図１７Ｄは、上記実施形態の変形例にかかる小溝部の形態を示すガス流路の模式断面図であって、２段構造の小溝部の図である。

Claims (6)

1. 高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟むように配置されたそれぞれの触媒層と、上記それぞれの触媒層の外側に配置されたガス拡散層との複合体であって、アノード及びカソードのそれぞれの極を形成する膜電極複合体と、
   その表面が上記ガス拡散層と接してガス流路を形成するようにガス流路用溝部が形成され、上記膜電極複合体を挟んで配置された一対のセパレータとを備え、
   上記それぞれのセパレータにおいて、
   上記ガス流路が、略平行に配置された複数の略直線状流路部と、上記直線状流路の端部を隣接する上記直線状流路の端部と連通させる複数の屈曲流路部とを備え、ガス導入口から排出口まで連通するように、上記ガス流路用溝部が形成され、
   上記それぞれの直線状流路部を構成する上記ガス流路用溝部の内壁面において、当該直線状流路部に沿って実質的に連続するように溝状に形成され、上記ガス流路にて発生した水の少なくとも一部をその内側に保持可能な水保持用溝部が、上記排出口に連続しないように形成されている燃料電池。
2. 高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟むように配置されたそれぞれの触媒層と、上記それぞれの触媒層の外側に配置されたガス拡散層との複合体であって、アノード及びカソードのそれぞれの極を形成する膜電極複合体と、
   その表面が上記ガス拡散層と接してガス流路を形成するようにガス流路用溝部が形成され、上記膜電極複合体を挟んで配置された一対のセパレータとを備え、
   上記それぞれのセパレータにおいて、
   上記ガス流路が、略平行に配置された複数の略直線状流路部と、上記直線状流路の端部を隣接する上記直線状流路の端部と連通させる複数の屈曲流路部とを備え、ガス導入口から排出口まで連通するように、上記ガス流路用溝部が形成され、
   上記それぞれの直線状流路部を構成する上記ガス流路用溝部の内壁面において、当該直線状流路部に沿って実質的に連続するように溝状に形成され、上記ガス流路にて発生した水の少なくとも一部をその内側に保持可能な水保持用溝部が形成され、
   上記それぞれの直線状流路部において、その両端部間にて連続するように上記水保持用溝部が形成され、少なくとも一部の上記屈曲流路部において、上記水保持用溝部が不連続である燃料電池。
3. 上記ガス流路用溝部の底部に上記それぞれの水保持用溝部が形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 上記それぞれの水保持用溝部は、上記底部の略中央部分に形成されている請求項３に記載の燃料電池。
5. 上記水保持用溝部は、上記ガス流路用溝部内にて発生した水滴がその保持水と接触することで、上記ガス流路用溝部の内壁面と上記水滴との接触角度を減少させる機能を有するように形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
6. 上記水保持用溝部は、その幅寸法が、上記溝部の幅寸法の１／２から１／１０の範囲内の寸法となるように形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池。

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