(57)【要約】【課題】  反応ガス中に水を滲み出しにより供給することで、構造が簡易で小型化を実現する燃料電池用セパレータ、及び燃料電池を供給する。【解決手段】  電解質膜・電極触媒複合体をガス拡散層およびセパレータ１により挟持される単位セルを複数積層した燃料電において、セパレータ１の反応ガス入口において冷却水供給マニホールド４と反応ガスを分離するシール１０の一部が不連続となっており、当該不連続部分から反応ガス中に冷却水を混入させる構成とした燃料電池用セパレータ、並びに、燃料電池を特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給される反応ガス供給マニホールドと、
反応ガス供給マニホールドに隣接して設けられ、冷却水が供給される冷却水マニホールドと、
反応ガス供給マニホールドから供給される反応ガスが流れる反応ガス流路と、
反応ガス流路から反応ガスを排出する反応ガス排出マニホールドとを備え、
前記反応ガス供給マニホールド，冷却水供給マニホールドの周囲を囲むシールの一部が不連続となっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記シールの不連続部分を前記反応ガス供給マニホールドと反応ガス流路が接続された角部に設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、反応ガス流路の一部に整流用の複数からなる導電性突起部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池において、反応ガス流路の少なくとも一部を多孔質体で形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池において、前記シールの不連続部分に多孔質体を配置したことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
電解質膜・電極触媒複合体と、前記接合体の燃料極に燃料ガスを供給する導電性のガス拡散層と、燃料ガス流路を備えた導電性セパレータおよび、前記複合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性のガス拡散層と、酸化剤ガス供給流路を備えた導電性セパレータおよび、反応ガスと冷却水の漏洩を防止するためのシールからなる単位発電セルを複数積層した積層体を、一対のエンドプレートで荷重を付与する燃料電池であって、
セパレータの反応ガス供給マニホールドに隣接して冷却水供給マニホールドを備え、前記冷却水供給マニホールド周囲のシールにおいて、反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス流路を分離する部分におけるシールの一部が不連続となっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、セパレータにおける反応ガス流路の一部に整流用の複数からなる導電性突起部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、前記整流用導電性突起部はセパレータの流路出入り口に備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池において、セパレータの前記導電性整流部以外の流路を多孔体で形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項６に記載の燃料電池において、前記セパレータの前記反応ガス供給マニホールドと冷却水供給マニホールド部分を区切るシールが不連続となっている部分に多孔体を配置したことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜とその両側を燃料極（以下アノードとする）触媒層と酸化剤極（以下カソードとする）触媒層とで被覆した電解質膜・電極触媒複合体の両側を多孔質のカーボン材からなるガス拡散層で挟む。さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータを配置して構成する単位発電セルを複数積層して積層体を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックを構成する。
【０００３】
セパレータは、その片面に燃料ガス又は酸化剤ガスの流路を、もう片方の面に冷却水流路を備えている。このセパレータを用いた燃料電池の場合、アノード側では燃料ガス流路の凸面が、カソード側では酸化剤ガス流路の凸面がガス拡散層に接する。この接触部分において、反応で生じた電子の授受を行い、電気化学反応により生じた熱を冷却水へ伝える。また、燃料ガス又は酸化剤ガスは凹部を流れ、ガス拡散層を介して電極触媒へ供給される。このように、従来の燃料電池単位発電セル構成では、電解質膜・電極触媒複合体を一対のセパレータで挟持した発電部と、冷却部から構成されていた。冷却部を発電部と一体化できれば、より燃料電池をコンパクト化することができる。例えば、反応ガス流路に反応ガスとともに冷却水を同時に導入すると、反応で生じた熱により冷却水が蒸発することで蒸発潜熱を奪うことによる冷却効果が得られる。
【０００４】
反応ガス中への水の供給方法としては、特許文献１において、水分の高圧噴射による微細水滴の反応ガス導入方法が示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８７８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示されている微細水滴導入方法は単位発電セルごとに微細水滴導入機構を備えており、各セルにおいて均等な冷却が期待できる。しかしながら、微細水滴の形成には、高圧で水を噴射することが必要となることから、補機や駆動動力の増加により燃料電池システムの小型化が難しい。
【０００７】
本発明は、これらの課題に、鑑みてなされたものであり、反応ガス中に水を滲み出しにより供給することで、構造が簡易で小型化を実現する燃料電池用セパレータ、及び燃料電池を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池は、反応ガスが供給される反応ガス供給マニホールドと、反応ガス供給マニホールドに隣接して設けられ、冷却水が供給される冷却水マニホールドと、反応ガス供給マニホールドから供給される反応ガスが流れる反応ガス流路と、反応ガス流路から反応ガスを排出する反応ガス排出マニホールドとを備え、前記反応ガス供給マニホールド，冷却水供給マニホールドの周囲を囲むシールの一部が不連続となっていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の燃料電池は、電解質膜・電極触媒複合体と、前記接合体の燃料極に燃料ガスを供給する導電性のガス拡散層と燃料ガス流路を備えた導電性セパレータおよび、前記複合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する導電性のガス拡散層と酸化剤ガス供給流路を備えた導電性セパレータおよび、反応ガスと冷却水の漏洩を防止するためのシールからなる単位発電セルを複数積層した積層体を、一対のエンドプレートで荷重を付与する燃料電池である。この燃料電池においてセパレータの反応ガスマニホールドに隣接して冷却水マニホールドを備え、前記冷却水マニホールドと反応ガスマニホールドおよび反応ガス流路を分離するシールの一部が不連続となっている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冷却水供給マニホールドを反応ガス供給マニホールドに隣接して配置し、両者を遮断するシールの一部を不連続とすることにより、反応ガス中に滲み出しにより少量の冷却水を混入する構成としたこと、反応ガスの流速により冷却水吸い込みを行うという簡易な構造としたため、冷却水供給のための動力を削減でき、小型化が可能な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池について、図面を用いて実施形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用するセパレータの構造を示す模式的平面図である。
【００１３】
セパレータの構成として、セパレータ１の短辺側に反応ガス供給マニホールド２および冷却水供給マニホールド４を備え、もう一方の短辺側に反応ガス排出マニホールド３を備える。ここで、冷却水供給マニホールド４は、反応ガス供給マニホールド２に隣接して配置される構造である。
【００１４】
反応ガス供給マニホールド２と冷却水供給マニホールド４は互いの流体が漏洩することを防止するためのシール１０が施されているが、本発明では、図２に詳細を示すように、隣接する部分におけるシールが一部不連続となっている。
【００１５】
不連続となっている部分（シール不連続部１２）には、余分な冷却水の滲み出しを防止するために、多孔体を備える。多孔体の材料としては特に限定されるものではないが、金属をはじめ、カーボンや高分子などが挙げられる。また、冷却水を保持するという観点から、多孔体のぬれ性は親水性であることが望ましい。
【００１６】
セパレータ１の反応ガス流路の一部は、発電反応により熱を発生させる電極触媒から熱を速やかに冷却水へ伝えるため、比表面積の大きな導電性多孔体の多孔質ガス流路９から構成される。導電性多孔体の材料としては、鉄，アルミニウム，ニッケル，チタン，マグネシウム，クロム，モリブデン，カーボン等およびこれらの合金から形成され、空隙率は７０％以上を用いる。導電性多孔体から構成される多孔質ガス流路９の上流および下流において、反応ガス供給マニホールド２から流入する反応ガスの整流を行う導電性突起構造体８を備える。この導電性突起構造体８は、セパレータ１をプレス加工することで形成可能である。あるいは、セパレータ１の上に導電性材料を形成して突起状構造体とすることも可能である。導電性材料としては、例えば、前記多孔体と同様の材料の金属板や金属多孔体をセパレータ１に接着することで形成することが可能である。あるいは、セパレータ１に金，銀，カーボンなどを含む塗料を印刷することにより形成することも可能である。さらには、図３に示すように、反応ガス流路として配置する多孔体の上流および下流部分に溝加工を施すことにより、突起状構造と多孔質流路構造を一体化した多孔質ガス流路１１とすることも可能である。反応ガスの整流を行うための導電性突起構造体８は、少なくとも反応ガス流路の中央部を構成する導電性多孔体と高さを等しくする。あるいは、スタック化の際に締め付け荷重が付与されるが、この荷重による流路中央部を構成する導電性多孔体の圧縮変形量を考慮した高さとすることが望ましい。
【００１７】
また、導電性突起構造体８の形状は図１に示すような円形に限定されず、楕円や矩形とすること、あるいは、それらの組合せとすることも可能である。
【００１８】
更に、本発明に用いる、電解質膜・電極触媒複合体は８０℃以上、望むべくは９０℃以上の燃料電池運転温度に耐えるものを用いる。
【００１９】
以上のような構成の場合、反応ガス供給マニホールド２から供給された反応ガスは、整流用の導電性突起構造部に流入する際に冷却水を混合して供給される。これは、反応ガスが、冷却水供給マニホールドの角部を回り込む流れとなるため、シールが不連続となっている部分を角部にすることで流速が大きくなる効果により、冷却水マニホールド内圧力よりも負圧となり、冷却水を反応ガス流に染み出させることが可能となる。
【００２０】
冷却水が混合された反応ガスは、整流部を通り、多孔体から構成される流路へ導入される。多孔体は電解質膜・電極触媒複合体から発電によって生じた熱が伝導しており、多孔体を形成する骨格部分に反応ガス中に導入された冷却水が接触することにより蒸発する。
このとき、多孔体の骨格から蒸発潜熱を奪うため、反応ガス中での冷却が可能となる。水蒸気は残留反応ガスとともに反応ガス排出マニホールド３から排出される。これにより、冷却セルを別途設けることなく、燃料電池を所定の温度に維持することができ、燃料電池の小型化に効果がある。
【００２１】
特に、燃料電池運転温度を９０℃以上とした場合、蒸発潜熱による冷却効果のみで冷却ができることから、反応ガス中に滲み出しにより供給する冷却水の流量は、従来の顕熱を利用する燃料電池に比べ大幅に少なくすることが可能となる。
【実施例２】
【００２２】
図４は本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態に適用するセパレータの構造を示す模式的平面図である。本発明の第二実施例として、セパレータの流路中央部が多孔体に限られず、複数からなる流路溝構造である燃料電池を提供する。
【００２３】
流路溝は、セパレータ板のプレス加工や切削により形成、または、短冊状の導電性多孔体を接着することで反応ガス流路と導電面を形成する。本実施例において、反応ガス整流用の導電性突起は、セパレータ流路中央部における複数からなる流路溝に均等にガス流量が流れた場合の流量に対して、各流路における流量の偏差が±１５％以内に収まるよう導電性突起形状および配置パターンを決定する。
【００２４】
本実施例の場合、反応ガス流路が多孔体から形成される細孔に比べ大きい構造となることから、反応ガス側の圧力損失を小さくすることができる。その結果、相対的に補機を小さくすることができ、燃料電池システムの小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用するセパレータの構造を示す模式的平面図。
【図２】本発明に係わる燃料電池の実施形態に適用するシール構造模式図。
【図３】本発明に係わる燃料電池の第一の実施形態に適用するセパレータ反応ガス流路に用いる多孔体の構造を示す模式的平面図。
【図４】本発明に係わる燃料電池の第二の実施形態に適用するセパレータの構造を示す模式的平面図。
【符号の説明】
【００２６】
１  セパレータ
２  反応ガス供給マニホールド
３  反応ガス排出マニホールド
４  冷却水供給マニホールド
８  反応ガス整流用突起
９  多孔質ガス流路
１０  シール
１１  整流用突起形状加工部を備える多孔質ガス流路
１２  シール不連続部
１３  反応ガス流路溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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