特開 2023-21605 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023021605

(43)【公開日】2023-02-14

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20230207BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20230207BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230207BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/02

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021126569

(22)【出願日】2021-08-02

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(71)【出願人】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】辻口 拓也

(72)【発明者】

【氏名】河内 達磨

(72)【発明者】

【氏名】中井 基生

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 利幸

(72)【発明者】

【氏名】久保 厚

(72)【発明者】

【氏名】武田 恭英

(72)【発明者】

【氏名】武井 智行

(72)【発明者】

【氏名】古橋 資丈

(72)【発明者】

【氏名】仲曽根 歩

(72)【発明者】

【氏名】中根 淳志

(72)【発明者】

【氏名】林 裕二

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA08

5H126BB06

5H126DD02

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE24

5H126EE46

(57)【要約】

【課題】電極に生じた反応物を効率よく除去することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１は、電解質膜２１、第一電極２２及び第二電極２３を有する膜電極接合体２と、第一電極２２上に配置された第一セパレータ３と、第二電極２３上に配置された第二セパレータ４と、を含んでいる。第一セパレータ３は、膜電極接合体２に当接する電極当接面３１に設けられ、第一電極２２に燃料及び酸化剤のうち少なくとも一方を供給可能に構成された第一流路３２と、電極当接面３１の背面３３に設けられ、電極反応によって第一電極２２に生じる反応物を燃料電池１の外部へ導くことができるように構成された反応物流路３４と、第一流路３２の側壁部３２１に設けられ、電極当接面３１に開口を有するとともに、開口と反応物流路３４とを連通する連通路３５と、連通路３５を拡縮可能に構成された駆動部３６と、を有している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に形成された第一電極と、前記電解質膜の他方の面上に形成された第二電極と、を有する膜電極接合体と、
前記第一電極上に配置された第一セパレータと、
前記第二電極上に配置された第二セパレータと、を含み、
前記膜電極接合体における電極反応によって発電可能に構成された燃料電池であって、
前記第一セパレータは、
前記膜電極接合体に当接する電極当接面に設けられ、前記第一電極に燃料及び酸化剤のうちいずれか一方を供給可能に構成された第一流路と、
前記電極当接面の背面に設けられ、前記電極反応によって前記第一電極に生じる反応物を前記燃料電池の外部へ導くことができるように構成された反応物流路と、
前記第一流路の側壁部に設けられ、前記電極当接面に開口を有するとともに、前記開口と前記反応物流路とを連通する連通路と、
前記連通路を拡縮可能に構成された駆動部と、を有している、燃料電池。

【請求項2】

前記駆動部は、弾性体からなり、前記反応物流路に開口を有する筒状弾性体を有しており、前記燃料電池は、前記反応物流路に接続され、前記反応物流路内部の圧力を調整可能に構成された圧力調整部を有している、請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記圧力調整部は、ポンプまたは音波振動を発生可能に構成された発振器である、請求項２に記載の燃料電池。

【請求項4】

前記駆動部は圧電体を有しており、前記圧電体は、前記第一セパレータと、当該第一セパレータから電気的に絶縁された前記第二セパレータとのそれぞれに電気的に接続されている、請求項１に記載の燃料電池。

【請求項5】

前記連通路は、前記第一セパレータと前記第二セパレータとの並び方向に対して斜め方向に延在している、請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項6】

前記第一電極はカソードとして構成されており、前記反応物流路の内表面には親水化処理が施されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項7】

前記側壁部は、前記連通路としての細孔を備えた多孔質体を有している、請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項8】

前記側壁部は、互いに積層された複数の板からなる積層体を有しており、前記連通路は、前記積層体における前記板同士の隙間である、請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項9】

前記側壁部は、その一部に周囲よりも前記膜電極接合体側に突出した突出部を有しており、前記突出部に前記連通路の前記開口が設けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたアノード電極と、電解質膜の他方の面上に設けられたカソード電極と、を含む膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ）を有している。燃料電池は、ＭＥＡのアノード電極に燃料を供給するとともに、カソード電極に酸化剤を供給することにより、各電極において電極反応を生じさせることができる。そして、これらの電極反応の結果、アノード電極とカソード電極との間に起電力を生じさせ、発電を行うことができる。

【0003】

しかし、各電極において電極反応が起きると、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）等の反応物が電極に生成する。これらの反応物が電極近傍に滞留すると、燃料や酸化剤と電極との接触面積が減少しやすくなり、発電効率の低下を招きやすい。

【0004】

かかる問題に対し、例えば特許文献１には、高分子電解質膜を挟んで配置した空気極および燃料極を、前記空気極に酸化剤ガスを供給排出し前記燃料極に燃料ガスを供給排出するガス流路溝を形成した一対のセパレータ板で挟持した高分子電解質型燃料電池において、前記燃料極、前記空気極または前記セパレータ板の少なくとも一カ所に、水除去用流路を配置した高分子電解質型燃料電池に関する発明が記載されている。特許文献１の水除去用流路には、例えば、親水処理を施した多孔質シリカが配置されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１－１１０４３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、特許文献１の発明においては、水除去用流路内に進入した反応物としての水が、多孔質シリカにおける細孔の分岐や壁面との摩擦等によって細孔内に滞留しやすい。水除去用流路内に進入した反応物が水除去流路内に滞留すると、電極に生じた反応物の除去効率が低下し、発電効率の低下を招くおそれがある。

【0007】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電極に生じた反応物を効率よく除去することができる燃料電池を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に形成された第一電極と、前記電解質膜の他方の面上に形成された第二電極と、を有する膜電極接合体と、
前記第一電極上に配置された第一セパレータと、
前記第二電極上に配置された第二セパレータと、を含み、
前記膜電極接合体における電極反応によって発電可能に構成された燃料電池であって、
前記第一セパレータは、
前記膜電極接合体に当接する電極当接面に設けられ、前記第一電極に燃料及び酸化剤のうちいずれか一方を供給可能に構成された第一流路と、
前記電極当接面の背面に設けられ、前記電極反応によって前記第一電極に生じる反応物を前記燃料電池の外部へ導くことができるように構成された反応物流路と、
前記第一流路の側壁部に設けられ、前記電極当接面に開口を有するとともに、前記開口と前記反応物流路とを連通する連通路と、
前記連通路を拡縮可能に構成された駆動部と、を有している、燃料電池にある。

【発明の効果】

【0009】

前記燃料電池の第一セパレータは、前記第一電極に燃料及び酸化剤のうちいずれか一方を供給するための第一流路と、第一電極において生じた反応物を燃料電池の外部へ導くための反応物流路とを有している。また、第一流路の側壁部は、電極当接面に開口を有するとともに、当該開口と反応物流路とを連通する連通路と、この連通路を拡縮加工に構成された駆動部とを有している。

【0010】

前記燃料電池において、電極反応によって第一電極から生じた反応物は、電極当接面の開口から連通路内に進入する。前記燃料電池は、連通路内に反応物が保持された状態において駆動部を拡縮することにより、連通路内の反応物を強制的に移動させることができる。その結果、連通路内の反応物を反応物流路に迅速に導き、反応物を燃料電池の外部へ効率よく排出することができる。

【0011】

以上のごとく、上記態様によれば、電極に生じた反応物を効率よく除去することができる燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、実施形態１における燃料電池全体の構成を示す説明図である。

【図2】図２は、実施形態１における燃料電池の要部を示す一部断面図である。

【図3】図３は、図２における側壁部近傍の拡大図である。

【図4】図４は、実施形態１における膜電極接合体の平面図である。

【図5】図５は、実施形態１の第一セパレータにおける電極当接面の平面図である。

【図6】図６は、実施形態１の第一セパレータにおける電極当接面の背面の平面図である。

【図7】図７は、実施形態１の第二セパレータにおける電極当接面の平面図である。

【図8】図８は、実施形態２における、側壁部の一部の領域に連通路が設けられた第一セパレータの一部拡大平面図である。

【図9】図９は、図８のＩＸ－ＩＸ線矢視断面図である。

【図10】図１０は、実施形態３における、駆動部としての圧電体を有する第一セパレータの一部拡大平面図である。

【図11】図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線矢視断面図である。

【図12】図１２は、図１１における側壁部近傍の拡大図である。

【図13】図１３は、実施形態４の第一セパレータにおける、連通路が斜め下方に延設された側壁部の拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施形態１）
前記燃料電池に係る実施形態について、図１～図７を参照して説明する。図１及び図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜２１と、電解質膜２１の一方の面上に形成された第一電極２２と、電解質膜２１の他方の面上に形成された第二電極２３と、を有する膜電極接合体２（以下、「ＭＥＡ」という。）と、第一電極２２上に配置された第一セパレータ３と、第二電極２３上に配置された第二セパレータ４と、を含んでいる。燃料電池１は、ＭＥＡ２における電極反応によって発電可能に構成されている。

【0014】

図２及び図３に示すように、第一セパレータ３は、ＭＥＡ２に当接する電極当接面３１に設けられ、第一電極２２に燃料及び酸化剤のうち少なくとも一方を供給可能に構成された第一流路３２と、電極当接面３１の背面３３に設けられ、電極反応によって第一電極２２に生じる反応物を燃料電池１の外部へ導くことができるように構成された反応物流路３４と、第一流路３２の側壁部３２１に設けられ、電極当接面３１に開口（図示略）を有するとともに、開口と反応物流路３４とを連通する連通路３５と、連通路３５を拡縮可能に構成された駆動部３６と、を有している。以下、燃料電池１の構成を詳説する。

【0015】

本実施形態の燃料電池１は、燃料としてギ酸を使用し、酸化剤として空気を使用する固体高分子型燃料電池として構成されている。燃料電池１に供給される燃料としては、ギ酸以外にも、例えば、水素ガスや、メタノール、エタノール等を使用することができる。燃料電池１に供給される酸化剤としては、空気以外にも、例えば、酸素ガス等を使用することができる。なお、燃料電池１の方式は固体高分子型燃料電池に限定されるものではない。

【0016】

図１及び図２に示すように、燃料電池１は、第一セパレータ３と、ＭＥＡ２と、第二セパレータ４とを備えた単セル１１を有している。燃料電池１は、１個の単セル１１を有していてもよいし、２個以上の単セル１１を有していてもよい。燃料電池１が複数の単セル１１を有している場合、これらの単セル１１は、互いに積層されることによりセルスタック１２を構成していてもよい。また、燃料電池１が複数の単セル１１を有している場合、各単セル１１は、他の単セル１１と電気的に直列に接続されていてもよいし、並列に接続されていてもよい。

【0017】

本実施形態の燃料電池１は、図１に示すように、複数の単セル１１が互いに積層されてなるセルスタック１２を有している。セルスタック１２を構成する単セル１１は、各単セル１１の第一セパレータ３と、当該単セル１１に隣接する単セル１１の第二セパレータ４とが互いに当接するように配置されている。後述するように、本実施形態の第一セパレータ３及び第二セパレータ４は電気伝導体から構成されている。これにより、セルスタック１２における複数の単セル１１は、第一セパレータ３及び第二セパレータ４を介して電気的に直列に接続されている。

【0018】

セルスタック１２における積層方向の両端には、セルスタック１２を保持するための一対の保持板１２１（１２１ａ、１２１ｂ）が配置されていてもよい。本実施形態の燃料電池１においては、一対の保持板１２１のうち一方の保持板１２１ａに締結部材１２２が挿入されている。締結部材１２２は、セルスタック１２を貫通しており、一方の保持板１２１ａと他方の保持板１２１ｂとが締結部材１２２によって締結されている。これにより、セルスタック１２が一対の保持板１２１の間に保持されている。また、本実施形態の燃料電池１における保持板１２１は、燃料電池１から生じた電力を外部回路に取り出すための端子１２３を有している。

【0019】

燃料電池１は、各単セル１１に燃料及び酸化剤を供給することにより発電可能に構成されている。例えば、本実施形態の燃料電池１におけるセルスタック１２は、各単セル１１に供給するための燃料を貯蔵する燃料タンク１３１と、燃料タンク１３１からセルスタック１２に至る燃料の経路上に配置された燃料ポンプ１３２と、セルスタック１２から排出された燃料を回収する燃料回収タンク１４１と、各単セル１１に酸化剤としての空気を供給するためのブロア１５１とを接続することができるように構成されている。燃料タンク１３１及び燃料ポンプ１３２は、燃料供給配管１３３を介してセルスタック１２に接続される。燃料回収タンク１４１は、燃料回収配管１４２を介してセルスタック１２に接続される。ブロア１５１は、酸化剤供給配管１５２を介してセルスタック１２に接続される。

【0020】

本実施形態の燃料電池１において、燃料タンク１３１内の燃料は、燃料ポンプ１３２によって加圧され、セルスタック１２に供給される。セルスタック１２内に進入した燃料は、セルスタック１２に設けられた燃料供給路１３を介して各単セル１１に分配され、単セル１１内において電極反応に使用される。電極反応に使用された後、各単セル１１から排出された燃料は、セルスタック１２に設けられた燃料回収路１４において合流し、燃料回収タンク１４１に回収される。

【0021】

また、本実施形態の燃料電池１において、ブロア１５１から送風された空気は、セルスタック１２に設けられた酸化剤供給路１５を介して単セル１１に分配され、単セル１１内において電極反応に使用される。電極反応に使用された後、各単セル１１から排出された空気は、セルスタック１２に設けられた酸化剤排出路１６（図７参照）において合流し、セルスタック１２の外部へ排出される。なお、便宜上、図１への酸化剤排出路１６の記載は割愛した。

【0022】

燃料電池１は、電極反応によって各単セル１１から生じる反応物を回収可能に構成されていてもよい。例えば、本実施形態の燃料電池１におけるセルスタック１２は、各単セル１１から生じる反応物を回収するための反応物タンク１７１を接続することができるように構成されている。反応物タンク１７１は、反応物回収配管１７２を介してセルスタック１２に接続される。反応物タンク１７１は、例えば、セルスタック１２に設けられた反応物回収路１７を介して各単セル１１の第一セパレータ３に設けられた反応物流路３４と連通している。第一電極２２での電極反応によって生じた反応物は、各単セル１１の反応物流路３４を通って反応物回収路１７で合流し、反応物タンク１７１に導かれる。

【0023】

燃料電池１の単セル１１は、図２及び図３に示すように、電解質膜２１、第一電極２２及び第二電極２３を備えたＭＥＡ２と、第一電極２２上に配置された第一セパレータ３と、第二電極２３上に配置された第二セパレータ４と、を有している。本実施形態の単セル１１においては、図２に示すように、ＭＥＡ２の電解質膜２１と第一セパレータ３との間、及び、電解質膜２１と第二セパレータ４との間にシール材５が設けられており、シール材５によって、ＭＥＡ２と第一セパレータ３との隙間及びＭＥＡ２と第二セパレータ４との隙間が封止されている。

【0024】

図４に示すように、ＭＥＡ２は、その厚み方向から見た平面視において四角形状を呈している。図２及び図４に示すように、ＭＥＡ２の外周部には電解質膜２１が露出している。また、ＭＥＡ２の外周部に露出した電解質膜２１には、複数の貫通孔２１１が設けられている。これらの貫通孔２１１は、第一セパレータ３に設けられた貫通孔３７、第二セパレータ４に設けられた貫通孔４３及びシール材５に設けられた貫通孔（後述）とともに、図１に示す燃料供給路１３、燃料回収路１４、酸化剤供給路１５、酸化剤排出路１６、反応物回収路１７及び締結部材１２２が挿通される挿通孔１２４の一部を構成している。

【0025】

ＭＥＡ２に用いられる電解質膜２１は、電気絶縁性を有し、水素イオン（Ｈ^＋）等のカチオンを選択的に透過可能に構成されたカチオン交換樹脂からなる。カチオン交換樹脂としては、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系ポリマー（例えば、デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」）等を使用することができる。

【0026】

第一電極２２及び第二電極２３は、電解質膜２１の中央部に配置されており、図２に示すように、電解質膜２１上に層状に形成されている。第一電極２２及び第二電極２３は、電極反応を触媒可能に構成されている。例えば、第一電極２２及び第二電極２３には、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）などの貴金属触媒を担持した触媒担持カーボンが含まれていてもよい。本実施形態の第一電極２２及び第二電極２３は、触媒担持カーボンと、触媒担持カーボンを保持するバインダとを含んでいる。

【0027】

本実施形態のＭＥＡ２は、さらに、第一電極２２上に設けられた第一拡散層２４及び第二電極２３上に設けられた第二拡散層２５を有している。第一拡散層２４及び第二拡散層２５は、電気伝導性を有するとともに、微小な空隙を有している。第一拡散層２４及び第二拡散層２５として電気伝導性を有する材料を用いることにより、第一電極２２と第一セパレータ３とを電気的に接続するとともに、第二電極２３と第二セパレータ４とを電気的に接続し、ＭＥＡ２で発電した電力を外部に取り出すことができる。

【0028】

また、第一拡散層２４及び第二拡散層２５に微小な空隙を設けることにより、単セル１１内に供給された燃料及び酸化剤を第一拡散層２４及び第二拡散層２５内において拡散させつつ第一電極２２及び第二電極２３に導くことができる。その結果、燃料及び酸化剤を第一電極２２及び第二電極２３とより効率よく接触させ、発電効率を向上させることができる。第一拡散層２４及び第二拡散層２５としては、例えば、導電性炭素繊維からなるカーボンクロスやカーボンペーパーなどを使用することができる。

【0029】

第一電極２２は、アノード、つまり、燃料と接触する電極として構成されていてもよいし、カソード、つまり、酸化剤と接触する電極として構成されていてもよい、第二電極２３は、第一電極２２とは異なる極性の電極として構成されている。より具体的には、第一電極２２がアノードとして構成されている場合には第二電極２３はカソードとなり、第一電極２２がカソードとして構成されている場合には第二電極２３はアノードとなる。本実施形態の燃料電池１における第一電極２２はカソードとして構成されており、第二電極２３はアノードとして構成されている。

【0030】

反応物を効率よく第一電極２２から除去する観点からは、第一電極２２はカソードであることが好ましい。カソードにおいては、電解質膜２１を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と酸素（Ｏ_２）等の酸化剤とが反応することにより、反応物としての水（Ｈ_２Ｏ）が生じる。しかし、水は、比較的表面張力が高いため、カソードにおいて水が生じると、カソードやカソード上に設けられた拡散層に存在する微小な空隙に滞留しやすい。

【0031】

これに対し、本実施形態の燃料電池１においては、第一電極２２や第一拡散層２４中の反応物を、第一セパレータ３に設けられた連通路３５及び反応物流路３４を介して燃料電池１の外部に効率よく排出することができる。それ故、第一電極２２をカソードとして構成することにより、反応物としての水を効率よく除去し、燃料電池１の発電効率をより向上させることができる。

【0032】

図２に示すように、第一セパレータ３は、ＭＥＡ２における第一電極２２を有する側の面上に設けられている。本実施形態における第一セパレータ３は、電気伝導体から構成されており、ＭＥＡ２での電極反応によって生じた電子を集める集電体としての機能を有している。第一セパレータ３は、例えば、金メッキが施されたステンレス鋼等の金属材料や、導電性カーボンなどの導電性非金属材料、導電性複合材料等から構成されていてもよい。

【0033】

本実施形態の第一セパレータ３は平板状を呈しており、図５及び図６に示すように、その厚み方向から見た平面視において、ＭＥＡ２と概ね同一の外形寸法を有している。第一セパレータ３の外周部には、複数の貫通孔３７（３７ａ～３７ｆ）が設けられている。これらの貫通孔３７の位置は、セルスタック１２を構成した状態において、ＭＥＡ２の電解質膜２１に設けられた貫通孔２１１の位置と同一である。第一セパレータ３の貫通孔３７は、図１に示す燃料供給路１３、燃料回収路１４、酸化剤供給路１５、酸化剤排出路１６、反応物回収路１７及び締結部材１２２が挿通される挿通孔１２４の一部を構成している。

【0034】

図５に示すように、第一セパレータ３は、第一電極２２側を向いた面の中央に、ＭＥＡ２と当接する電極当接面３１を有している。本実施形態における第一セパレータ３の電極当接面３１は、より具体的には、図２に示すようにＭＥＡ２の第一拡散層２４に当接している。

【0035】

第一セパレータ３の電極当接面３１には、第一電極２２に燃料及び酸化剤のうちいずれか一方を供給可能に構成された第一流路３２が設けられている。本実施形態の燃料電池１における第一流路３２は、図５に示すように、第一セパレータ３における、酸化剤供給路１５の一部を構成する貫通孔３７ａから酸化剤排出路１６の一部を構成する貫通孔３７ｂまでにわたって延設され、ＭＥＡ２側に開口した溝である。これにより、第一流路３２は、酸化剤供給路１５によって分配された酸化剤を第一拡散層２４及び第一電極２２に供給することができる。

【0036】

第一流路３２の形状や配置などは、種々の態様を採り得る。例えば、第一流路３２の断面形状としては、矩形状、三角形状及び半円状などの形状が例示されるが、これらの形状に限定されるものではない。また、第一流路３２は、例えば図５に示すように、互いに平行に並んだ複数の直線部３２２と、各直線部３２２の端部と当該直線部３２２に隣接する直線部３２２の端部とを接続する折り返し部３２３とを有しており、電極当接面３１側から見た平面視において、酸化剤供給路１５の一部を構成する貫通孔３７ａと酸化剤排出路１６の一部を構成する貫通孔３７ｂとの間を蛇行するように配置されていてもよいが、これ以外の配置も取り得る。

【0037】

第一セパレータ３における電極当接面３１の背面３３には、図６に示すように、反応物流路３４が設けられている。反応物流路３４は、第一電極２２から生じる反応物を燃料電池１の外部へ導くことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池１における反応物流路３４は、具体的には、第一セパレータ３における電極当接面３１の背面３３に設けられ、反応物回収路１７の一部を構成する貫通孔３７ｃに接続された溝である。反応物流路３４は、第一セパレータ３の厚み方向から平面視において、第一流路３２の側壁部３２１の少なくとも一部と重なるように配置されていればよい。

【0038】

例えば、本実施形態においては、図３及び図６に示すように、反応物流路３４の底面に第一流路３２の側壁部３２１に設けられた多孔質体３５１及び筒状弾性体３６１（後述）が露出しており、多孔質体３５１の細孔からなる連通路３５が反応物流路３４に開口している。これにより、第一電極２２から生じた反応物を、連通路３５を介して反応物流路３４に導くことができる。

【0039】

第一電極２２がカソードとして構成されている場合、反応物流路３４の内表面には、親水化処理が施されていることが好ましい。この場合には、連通路３５内に存在する水が反応物流路３４に到達した際に反応物流路３４の表面に濡れ広がりやすくなるため、連通路３５内の水を反応物流路３４に引き込みやすくなる。また、第一電極２２や第一拡散層２４、連通路３５内に存在する反応物としての水は、燃料電池１の運転時に気化し、水蒸気となることがある。反応物流路３４の内表面に親水化処理を施すことにより、気化した水蒸気が反応物流路３４内に集まりやすくなる。これらの結果、第一電極２２等から反応物流路３４への水の移動を促進し、反応物としての水をより効率よく第一電極２２から除去することができる。

【0040】

反応物流路３４の形状や配置などは、前述した作用効果を損なわない限り、種々の態様を採り得る。例えば、反応物流路３４の断面形状としては、矩形状、三角形状及び半円状などの形状が例示されるが、これらの形状に限定されるものではない。また、反応物流路３４は、例えば図６に示すように、反応物回収路１７の一部を構成する貫通孔３７ｃに直接接続された主流路部３４１と、主流路部３４１から分岐した複数の分岐流路部３４２とを有していてもよい。本実施形態の燃料電池１における主流路部３４１は、第一流路３２の各直線部３２２における長さ方向の中央部と交差するように延設されている。また、分岐流路部３４２は、電極当接面３１の背面３３側から見た平面視において、主流路部３４１から左右両側に分岐しており、反応物の単セル１１からの出口（つまり、貫通孔３７ｃ）が下方を向くようにして燃料電池１を設置した場合に、主流路部３４１に近づくほど水平方向に対して下方に傾斜した向きに配置されている。

【0041】

本実施形態の反応物流路３４は、図６に示すように、反応物の出口が下方を向くようにして燃料電池１を設置した場合に、反応物の流れの下流側の鉛直方向における位置が、上流側の鉛直方向の位置よりも下方となるように構成されている。すなわち、本実施形態の反応物流路３４は、反応物が下流に向かうほど下方に移動することができるように構成されている。反応物流路３４をこのように構成するとともに、燃料電池１を反応物の出口が下方を向くように設置することにより、反応物流路３４内に進入した反応物としての水を、重力によって反応物の出口に導くことができる。その結果、反応物流路３４内の水の移動を促進し、反応物としての水をより効率よく第一電極２２から除去することができる。

【0042】

図３及び図５に示すように、第一流路３２の側壁部３２１、つまり、第一セパレータ３における、第一流路３２の側面を構成する部分には、電極当接面３１に開口（図示略）を有するとともに、開口と反応物流路３４とを連通する連通路３５が設けられている。連通路３５は、第一流路３２の側壁部３２１全体に設けられていてもよいし、側壁部３２１の一部の領域に設けられていてもよい。後者の場合、側壁部３２１に設けられる、連通路３５を有する領域の数は、１か所であってもよいし、２か所以上であってもよい。なお、第一流路３２の側壁部３２１における、第一流路３２に面した表面には連通路３５が開口していない。それ故、本実施形態の燃料電池１においては、第一流路３２内を流通する燃料及び酸化剤が、第一電極２２や第一拡散層２４を介さずに、直接連通路３５に進入することはない。

【0043】

連通路３５は、第一電極２２及び第一拡散層２４に存在する隙間のサイズと同等以下のサイズを有する微小な隙間や細孔から構成されていることが好ましい。この場合には、第一電極２２や第一拡散層２４内に生じた反応物が連通路３５に進入しやすくなる。その結果、第一電極２２からより効率よく反応物を除去することができる。連通路３５が細孔である場合、連通路３５のサイズは平均細孔径で表すことができる。また、連通路３５が隙間である場合、連通路３５のサイズは相当細孔径で表すことができる。平均細孔径または相当細孔径の平均値のオーダーは、例えば１０μｍ程度とすることができる。

【0044】

側壁部３２１に連通路３５を設ける方法は特に限定されるものではないが、例えば、連通路３５となる細孔や隙間を有する部材を準備し、この部材を第一セパレータ３の側壁部３２１として埋設する方法等を採用することができる。この場合、第一セパレータ３に埋設する部材としては、例えば、細孔を備えた多孔質体や、互いに積層された複数の板からなり、板同士の間に隙間を有する積層体などを使用することができる。すなわち、側壁部３２１は、連通路３５としての細孔を備えた多孔質体を有していてもよい。また、側壁部３２１は、互いに積層された複数の板からなる積層体を有しており、連通路３５が積層体における板同士の隙間であってもよい。また、積層体に用いる板の少なくとも一方の面には粗面化処理が施されていてもよい。

【0045】

本実施形態の燃料電池１は、側壁部３２１における第一流路３２の直線部３２２同士の間の部分に、連通路３５としての細孔を備えた多孔質体３５１を有している。多孔質体３５１は、第一流路３２の直線部３２２に沿って延在している。多孔質体３５１は、例えば、セラミックスから構成されていてもよいし、ゴムやエラストマー等の有機物から構成されていてもよい。また、多孔質体３５１は、電気伝導体であってもよいし、絶縁体であってもよい。単セル１１の電気的な内部抵抗を低減する観点からは、多孔質体３５１は、電気伝導性を有していることが好ましい。

【0046】

また、側壁部３２１には、連通路３５を拡縮可能に構成された駆動部３６が設けられている。駆動部３６としては、例えば、弾性体からなる管状部材や圧電体等のように、圧力の変動や電圧の印加等によって変形することができるように構成された部品を使用することができる。これらの駆動部３６を連通路３５に隣接して設けることにより、駆動部３６の変形に伴って連通路３５を拡縮させることができる。

【0047】

本実施形態の燃料電池１における駆動部３６は、図３に示すように、弾性体からなり、反応物流路３４に開口３６２を有するとともに、電極当接面３１側の端部３６３が閉鎖された筒状弾性体３６１である。筒状弾性体３６１は、側壁部３２１に設けられた多孔質体３５１に隣接して配置されている。また、図５に示すように、側壁部３２１における第一流路３２の直線部３２２同士の間の全体に亘って延在している。筒状弾性体３６１を構成する弾性体としては、例えば、ゴムやエラストマーなどを使用することができる。

【0048】

本実施形態の燃料電池１は、反応物流路３４に接続され、反応物流路３４内部の圧力を調整可能に構成された圧力調整部１７３を有している。駆動部３６としての筒状弾性体３６１は、反応物流路３４に開口を有しているため、反応物流路３４内の圧力が増大すると膨張し、圧力が減少すると収縮する。従って、反応物流路３４に圧力調整部１７３を接続し、圧力調整部１７３によって反応物流路３４内の圧力を変動させることにより、筒状弾性体３６１を拡縮させることができる。そして、筒状弾性体３６１を拡縮させることにより、筒状弾性体３６１に隣接した多孔質体３５１を変形させ、ひいては多孔質体３５１内に存在する連通路３５としての細孔を拡縮させることができる。

【0049】

本実施形態の燃料電池１における圧力調整部１７３は、図１に示すように、セルスタック１２と反応物タンク１７１との間の反応物回収配管１７２上に設けられている。圧力調整部１７３としては、例えば、ポンプや音波振動を発生可能に構成された発振器などを使用することができる。本実施形態の燃料電池１における圧力調整部１７３は、具体的には、反応物流路３４内の圧力を調整可能に構成されたポンプである。

【0050】

図２に示すように、ＭＥＡ２における第二電極２３を有する側の面上には、第二セパレータ４が設けられている。本実施形態における第二セパレータ４は、第一セパレータ３と同様に電気伝導体から構成されており、ＭＥＡ２での電極反応によって生じた電子を集める集電体としての機能を有している。第二セパレータ４は、例えば、金メッキが施されたステンレス鋼等の金属材料や、導電性カーボンなどの導電性非金属材料、導電性複合材料等から構成されていてもよい。

【0051】

第二セパレータ４は、第二電極２３に、燃料及び酸化剤のうち、第一電極２２に供給された物質とは異なる物質を供給することができるように構成されていればよい。本実施形態の第二セパレータ４は平板状を呈しており、図７に示すように、その厚み方向から見た平面視において、ＭＥＡ２と概ね同一の外形寸法を有している。第二セパレータ４の外周部には複数の貫通孔４３（４３ａ～４３ｆ）が設けられており、これらの貫通孔４３の位置は、セルスタック１２を構成した状態において、ＭＥＡ２の電解質膜２１に設けられた貫通孔２１１の位置と同一である。すなわち、第二セパレータ４の貫通孔４３は、図１に示す燃料供給路１３、燃料回収路１４、酸化剤供給路１５、酸化剤排出路１６、反応物回収路１７及び締結部材１２２が挿通される挿通孔１２４の一部を構成している。

【0052】

第二セパレータ４は、第二電極２３側を向いた面の中央に、ＭＥＡ２と当接する電極当接面４１を有している。本実施形態における第二セパレータ４の電極当接面４１は、より具体的には、図２に示すようにＭＥＡ２の第二拡散層２５に当接している。また、電極当接面４１の周囲はシール材５に当接している。

【0053】

第二セパレータ４の電極当接面４１には第二流路４２が設けられている。第二流路４２は、燃料及び酸化剤のうち第一電極２２に供給されていない物質を第二電極２３に供給可能に構成されている。本実施形態の燃料電池１における第二流路４２は、図７に示すように、第二セパレータ４における、燃料供給路１３の一部を構成する貫通孔４３ｄから燃料回収路１４の一部を構成する貫通孔４３ｅまでにわたって延設され、ＭＥＡ２側に開口した溝である。これにより、第二流路４２は、燃料供給路１３を介して分配された燃料を第二拡散層２５及び第二電極２３に供給することができる。

【0054】

第二流路４２の形状や配置などは、第一流路３２と同様に種々の態様を採り得る。本実施形態の第二流路４２は、互いに平行に並んだ複数の直線部４２２と、各直線部４２２の端部と当該直線部４２２に隣接する直線部４２２の端部とを接続する折り返し部４２３とを有しており、電極当接面４１側から見た平面視において、燃料供給路１３の一部を構成する貫通孔４３ｄと燃料回収路１４の一部を構成する貫通孔４３ｅとの間を蛇行するように配置されている。また、第二流路４２の直線部４２２は、第一流路３２の直線部３２２に対して平行な方向に延設されている。

【0055】

図２に示すように、ＭＥＡ２における電解質膜２１と第一セパレータ３との間、及び、電解質膜２１と第二セパレータ４との間にはシール材５が設けられている。電解質膜２１と第一セパレータ３及び第二セパレータ４との間にシール材５を設けることにより、これらの間の隙間を封止し、単セル１１の内部から外部への燃料等の漏出を防止することができる。シール材５は、例えば、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエンゴム）やエラストマー等の弾性体から構成されていてもよい。

【0056】

図には示さないが、本実施形態のシール材５は板状を呈しており、第一セパレータ３及び第二セパレータ４と概ね同一の外形寸法を有している。厚み方向におけるシール材５の中央には開口が設けられており、図２に示すように、ＭＥＡ２とシール材５とを重ね合わせた状態において、第一電極２２及び第二電極２３が開口内に配置されるように構成されている。また、シール材５の外周部には、複数の貫通孔が設けられている。これらの貫通孔の位置は、セルスタック１２を構成した状態において、ＭＥＡ２の電解質膜２１に設けられた貫通孔２１１の位置と同一である。シール材５の貫通孔は、図１に示す燃料供給路１３、燃料回収路１４、酸化剤供給路１５、酸化剤排出路１６、反応物回収路１７及び締結部材１２２が挿通される挿通孔１２４の一部を構成している。

【0057】

次に、本実施形態の燃料電池１の動作について説明する。図１に示す燃料タンク１３１からセルスタック１２に燃料を供給するとともに、ブロア１５１からセルスタック１２に酸素を供給すると、各単セル１１に燃料及び酸化剤が分配される。そして、各単セル１１において、第一流路３２内を流れる酸化剤がカソードとしての第一電極２２に接触するとともに、第二流路４２内を流れる燃料がアノードとしての第二電極２３に接触することにより、発電が行われる。

【0058】

第一電極２２において電極反応が起こると、反応物としての水が第一電極２２に生じる。第一電極２２に生じた水は、第一流路３２と反応物流路３４との圧力差や濃度勾配等により、連通路３５内に進入する。この際、セルスタック１２に接続された圧力調整ポンプを、周期的に出力を変動させながら運転することにより、反応物流路３４内の圧力を周期的に変化させることができる。反応物流路３４内の圧力が周期的に変化すると、これに伴って筒状弾性体３６１が周期的に拡縮する。これにより、筒状弾性体３６１に隣接した多孔質体３５１の連通路３５を拡縮させ、連通路３５内の水を強制的に移動させることができる。このような連通路３５内の水を強制的に移動させる効果と、第一流路３２と反応物流路３４との圧力差や濃度勾配等による効果とが相乗的に作用することにより、連通路３５内の水を速やかに反応物流路３４へ導き、燃料電池１の外部へ効率よく排出することができる。

【0059】

（実施形態２）
本実施形態においては、側壁部３２１における連通路３５を有する領域の配置の他の態様を説明する。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

【0060】

図には示さないが、本実施形態の第一セパレータ３０２は平板状を呈しており、その厚み方向から見た平面視において、ＭＥＡ２と概ね同一の外形寸法を有している。第一セパレータ３０２の外周部には、セルスタック１２における燃料供給路１３、燃料回収路１４、酸化剤供給路１５、酸化剤排出路１６、反応物回収路１７及び締結部材１２２が挿通される挿通孔１２４の一部を構成する複数の貫通孔３７が設けられている。

【0061】

第一セパレータ３０２は、第一電極２２側を向いた面の中央に、図８に示すようにＭＥＡ２の第一拡散層２４と当接する電極当接面３１を有しており、電極当接面３１には第一流路３２が設けられている。また、第一セパレータ３０２における電極当接面３１の背面３３には、図９に示すように反応物流路３４が設けられている。

【0062】

図８及び図９に示すように、本実施形態の第一セパレータ３０２においては、側壁部３２１における第一流路３２の直線部３２２同士の間の部分に、円筒状のスリーブ３８１と、スリーブ３８１内に配置された多孔質体３５２と、多孔質体３５２に隣接して配置された筒状弾性体３６４と、を含む複数の連通路組立体３８が埋設されている。図８に示すように、連通路組立体３８は、第一流路３２の直線部３２２の延在方向に互いに間隔をあけて配置されている。

【0063】

図９に示すように、連通路組立体３８における多孔質体３５２は、電極当接面３１及び反応物流路３４の底面に露出しており、連通路３５としての多孔質体３５２の細孔が、電極当接面３１及び反応物流路３４に開口している。筒状弾性体３６４は、スリーブ３８１内において多孔質体３５２に隣接して配置されており、電極当接面３１側の端部が閉鎖されているとともに、反応物流路３４側の端部が開口している。

【0064】

また、本実施形態の側壁部３２１は、図９に示すように、その一部に周囲よりもＭＥＡ２側に突出した突出部３２４を有しており、突出部３２４に連通路３５の開口が設けられている。より具体的には、本実施形態においては、側壁部３２１に設けられた連通路組立体３８における多孔質体３５２が周囲よりもＭＥＡ２側に突出しており、多孔質体３５２におけるＭＥＡ２側に突出した部分が突出部３２４を構成している。その他は実施形態１の第一セパレータ３０２と同様である。

【0065】

本実施形態の第一セパレータ３０２は、第一流路３２の側壁部３２１に連通路３５としての多孔質体３５２の細孔及び駆動部３６としての筒状弾性体３６４を有するとともに、電極当接面３１の背面３３に反応物流路３４を有している。そのため、本実施形態の第一セパレータ３０２を実施形態１の第一セパレータ３に替えて燃料電池に組み込む場合においても、実施形態１の燃料電池と同様の作用効果を奏することができる。

【0066】

また、本実施形態の第一セパレータ３０２のように、側壁部３２１における連通路３５の開口を有する領域をＭＥＡ２側に突出させることにより、ＭＥＡ２と連通路３５の開口を有する領域との接触面積をより広くすることができる。これにより、ＭＥＡ２において生じた反応物をより効率よく連通路３５に取り込むことができる。さらに、突出部３２４によってＭＥＡ２を押圧することにより、ＭＥＡ２を第二セパレータ４側に撓ませ、側壁部３２１の角部とＭＥＡ２との接触を軽減することができる。その結果、側壁部３２１の角部との接触によるＭＥＡ２への応力の集中を軽減することができる。

【0067】

（実施形態３）
本実施形態においては、駆動部３６としての圧電体３６５を有する第一セパレータ３０３の例を説明する。図には示さないが、本実施形態の第一セパレータ３０３は平板状を呈しており、その厚み方向から見た平面視において、ＭＥＡ２と概ね同一の外形寸法を有している。第一セパレータ３０３の外周部には、セルスタック１２における燃料供給路１３、燃料回収路１４、酸化剤供給路１５、酸化剤排出路１６、反応物回収路１７及び締結部材１２２が挿通される挿通孔１２４の一部を構成する複数の貫通孔３７が設けられている。

【0068】

第一セパレータ３０３は、第一電極２２側を向いた面の中央に、図１０に示すようにＭＥＡ２と当接する電極当接面３１を有している。図１０～図１２に示すように、電極当接面３１には第一流路３２が設けられている。また、図１１及び図１２に示すように、第一セパレータ３０３における電極当接面３１の背面３３には、反応物流路３４が設けられている。

【0069】

図１０に示すように、本実施形態の第一セパレータ３０３における連通路３５は、第一流路３２の側壁部３２１における、第一流路３２の直線部３２２同士の間の部分に設けられている。より具体的には、側壁部３２１は、連通路３５となる細孔を備えた２個の多孔質体３５３と、多孔質体３５３同士の間に挟持された駆動部３６としての圧電体３６５と、を有している。２個の多孔質体３５３は電気絶縁性のセラミックスからなり、それぞれ、第一流路３２の直線部３２２に沿って延在している。

【0070】

駆動部３６としての圧電体３６５は、第一セパレータ３０３と、当該第一セパレータ３０３から電気的に絶縁された第二セパレータ４とのそれぞれに電気的に接続されている。本実施形態の圧電体３６５は、具体的には、図１０に示すように、第一流路３２の直線部３２２の延在方向における両端において第一流路３２の側壁部３２１と接触している。これにより、圧電体３６５は、圧電体３６５が設けられた第一セパレータ３０３と電気的に接続されている。さらに、圧電体３６５は、図１１及び図１２に示すように、電気伝導性を有する第一拡散層２４とも接触しているため、第一拡散層２４を介して第一セパレータ３０３と電気的に接続されている。

【0071】

また、図１２に示すように、反応物流路３４に露出した圧電体３６５の端面３６６のうち、反応物流路３４の主流路部３４１に配置された部分には、絶縁電線３６７の一端が接続されている。絶縁電線３６７は、図１１に示すように、反応物流路３４の主流路部３４１及び反応物回収路１７を通り、圧電体３６５を有する単セル１１の第二セパレータ４に接続されている。これにより、圧電体３６５が、圧電体３６５を有する単セル１１の第一セパレータ３０３及び第二セパレータ４と電気的に接続されている。その他は実施形態２の第一セパレータ３０２と同様である。

【0072】

本実施形態の第一セパレータ３０３は、第一流路３２の側壁部３２１に連通路３５としての多孔質体３５３の細孔を有するとともに、電極当接面３１の背面３３に反応物流路３４を有している。また、側壁部３２１には、駆動部３６としての圧電体３６５が設けられている。

【0073】

ギ酸などを燃料とする直接型の燃料電池においては、連続運転による電池の起電力の低下を抑制するため、間欠的に発電を行うように構成されていることがある。このように間欠運転を行う場合、発電中に第一セパレータ３０３と第二セパレータ４との間に生じる電位差と、発電中断時に第一セパレータ３０３と第二セパレータ４との間に生じる電位差とは異なる値となる。従って、本実施形態の第一セパレータ３０３を燃料電池１に組み込む場合、発電中に圧電体３６５に印加される電圧と、発電中断時に圧電体３６５に印加される電圧とが異なる値となり、これらの電圧の差によって圧電体３６５の変形の程度が変化する。その結果、圧電体３６５によって連通路３５を拡縮させ、連通路３５内の反応物の移動を促進させることができる。

【0074】

（実施形態４）
本実施形態においては、連通路３５の具体的な態様の例を説明する。連通路３５は、電極当接面３１と反応物流路３４とを連通することができればどのような態様であってもよい。例えば、連通路３５は、第一セパレータ３と第二セパレータ４との並び方向に対して斜め方向に延在していてもよい。本実施形態の第一セパレータ３０４においては、図１３に示すように、第一流路３２の側壁部３２１に設けられた多孔質体３５４が、第一セパレータ３０４と第二セパレータ４との並び方向に対して斜め方向に延在した細孔３５５を有している。その他は実施形態１の第一セパレータ３と同様である。

【0075】

本実施形態の第一セパレータ３０４を組み込んだ燃料電池１を、例えば第一セパレータ３０４と第二セパレータ４との並び方向が水平方向となり、かつ、連通路３５としての細孔が、電極当接面３１から反応物流路３４に向かって斜め下方に延在するように配置することにより、連通路３５内の反応物が重力によって反応物流路３４側に移動しやすくなる。その結果、連通路３５内の水の移動を促進し、反応物としての水をより効率よく第一電極２２から除去することができる。

【0076】

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１における第二セパレータ４を、第一セパレータ３と同様に、第二流路４２の側壁部４２１（図２及び図７参照）に連通路及び駆動部を有するとともに、電極当接面４１の背面に反応物流路を有する構成とすることもできる。この場合には、第一電極２２に生じた反応物を第一電極２２から効率よく除去するとともに、第二電極２３に生じた反応物を第二電極２３から効率よく除去することができる。

【0077】

また、実施形態３においては、駆動部３６としての圧電体３６５を、圧電体３６５を有する単セル１１の第一セパレータ３０４及び第二セパレータ４に接続する例を示したが、例えば、燃料電池に圧電体を駆動させるための電源を別途設け、圧電体と電源とを絶縁電線などを介して接続することもできる。

【符号の説明】

【0078】

１ 燃料電池
２ 膜電極接合体
２１ 電解質膜
２２ 第一電極
２３ 第二電極
３、３０２、３０３、３０４ 第一セパレータ
３１ 電極当接面
３２ 第一流路
３２１ 側壁部
３３ 背面
３４ 反応物流路
３５ 連通路
３６ 駆動部
４ 第二セパレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】