(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータの凹凸により膜電極接合体に均一に圧力が掛からないため、燃料電池全体の発電効率を向上させることが難しいという問題があり、燃料電池全体の発電効率を向上させる燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体１００と、プレスより凹凸が形成され、膜電極接合体に隣接配置されたセパレータ３００と、セパレータの膜電極接合体から見た凹部３７０の内部に充填された充填材６００とを備える燃料電池。【選択図】図２
2010021057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
プレスより凹凸が形成され、前記膜電極接合体に隣接配置されたセパレータと、
前記セパレータの前記膜電極接合体から見た凹部の内部に充填された充填材と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記充填材は、前記燃料電池に掛かる荷重を前記膜電極接合体に伝達する機能を有する、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記充填材は、前記燃料電池を締結するための荷重を加えても形状を維持する剛性材料で構成されている、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載の燃料電池において、
前記充填材の密度は、前記セパレータの密度よりも小さくなるように構成されている、燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記充填材は、樹脂材料で作られている、燃料電池。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記充填材は、多孔体で作られている、燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記充填材は、撥水性を有する、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】
表裏反転形状の凹凸板によるセパレータを有する燃料電池が知られている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１７９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池では、セパレータの凹凸により膜電極接合体に均一に圧力が掛からないため、燃料電池全体の発電効率を向上させることが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池全体の発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、膜電極接合体と、プレスより凹凸が形成され、前記膜電極接合体に隣接配置されたセパレータと、前記セパレータの前記膜電極接合体から見た凹部の内部に充填された充填材とを備える、燃料電池。
この適用例によれば、膜電極接合体に均一に加重を掛けることが可能となり、燃料電池全体の発電効率を向上させることが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池において、前記充填材は、前記燃料電池に掛かる荷重を前記膜電極接合体に伝達する機能を有する、燃料電池。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池において、前記充填材は、前記燃料電池を締結するための荷重を加えても形状を維持する剛性材料で構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、充填材は形状を維持するので、荷重を伝達し易くすることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１から適用例３に記載の燃料電池において、前記充填材に密度は、前記セパレータの密度よりも小さくなるように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、燃料電池を軽くすることができる。
【００１１】
［適用例５］
適用例４に記載の燃料電池において、前記充填材は、樹脂材料で作られている、燃料電池。
この適用例によれば、充填材を樹脂材料で作ることにより、セパレータよりも充填材の密度を小さくすることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例４に記載の燃料電池において、前記充填材は、多孔体で作られている、燃料電池。
この適用例によれば、充填材を多孔体とすることによりセパレータよりも充填材の密度を小さくすることが可能となる。
【００１３】
［適用例７］
適用例６に記載の燃料電池において、前記充填材は、撥水性を有する、燃料電池。
この適用例によれば、充填材は撥水性を有するので、セパレータの凹部への水の浸入を抑制することが可能となる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池用セパレータ、燃料電池の発電効率を向上させる方法等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１０は、セパレータ２０と、膜電極接合体アッセンブリ３０と、エンドプレート４０を備える。セパレータ２０と膜電極接合体アッセンブリ３０は、交互に配置されている。エンドプレート４０は、燃料電池１０の両端部に配置されている。燃料電池１０には、セパレータ２０と、膜電極接合体アッセンブリ３０と、エンドプレート４０を貫く複数のマニホールド１１０〜１６０が形成されている。これらのマニホールド１１０〜１６０は、膜電極接合体アッセンブリ３０に燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒を供給し、膜電極接合体アッセンブリ３０からこれらを排出するために用いられる。
【００１６】
図２は、燃料電池の断面図を模式的に示した説明図である。ここでは、セパレータ２０が三組表され、膜電極接合体アッセンブリ３０が二組表されている。なお、ここで示す三組のセパレータ２０の断面（断面Ｘ、断面Ｙ、断面Ｚ）は、それぞれ異なる場所（後述する）の断面である。
【００１７】
膜電極接合体アッセンブリ３０は、膜電極接合体１００と、ガス拡散層１７０、１８０と、シールガスケット５００を備える。膜電極接合体１００は、電解質膜の両面に触媒層を形成したものである。ここで、電解質膜として、例えば、パーフルオロスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いることが可能である。触媒として、例えば白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を用いることが可能である。これらの触媒は、例えばカーボン粒子上に担持されて、電解質膜上に塗布されている。膜電極接合体１００の両面にはガス拡散層１７０、１８０が配置されている。ガス拡散層１７０、１８０として、例えばカーボン繊維を用いた不織布や金属製の多孔体を用いることが可能である。シールガスケット５００は、膜電極接合体１００の外縁を囲うように形成されており、膜電極接合体１００を支持すると共に、燃料ガスや酸化ガスのリークを抑制する。シールガスケット５００は、例えば樹脂材料を射出形成することにより、膜電極接合体１００と一体に形成される。
【００１８】
セパレータ２０は、フラットセパレータ２００と、プレスセパレータ３００と、フレーム４００を備える。フラットセパレータ２００は、ガス拡散層１８０に隣接して配置され、プレスセパレータ３００は、ガス拡散層１７０に隣接して配置されている、フレーム４００は、フラットセパレータ２００とプレスセパレータ３００との間に配置されている。
【００１９】
図３は、フラットセパレータ２００の平面図である。フラットセパレータ２００は、例えば金属製の板状部材である。フラットセパレータ２００の外縁部には開口部２１０〜２６０が形成されている。これらの開口部２１０〜２６０は、マニホールド１１０〜１６０を形成するために用いられる。開口部２３０、２４０の内側には酸化ガス導入孔２３２と酸化ガス排出孔２３８が形成されている。開口部２３０および酸化ガス導入孔２３２を切る破線を切断線とする断面Ｘが図２に示されている。図２の断面Ｘで示すように、酸化ガスは、マニホールド１３０から酸化ガス導入孔２３２を通ってガス拡散層１８０に供給される。
【００２０】
図４は、フレーム４００の平面図である。フレーム４００は、例えば樹脂製の板状部材である。フレーム４００の外縁部には、フラットセパレータ２００と同様に、開口部４１０〜４６０が形成されている。また、フレームの中央部には大きな開口部４５５が形成されている。開口部４５５は、開口部４５０、４６０と繋がっている。燃料電池１０を冷却するための冷媒は、マニホールド１５０（開口部４５０）から供給され、開口部４５５を通り、マニホールド１６０（開口部４６０）に排出される。開口部４５５は冷媒流路として機能するため、以後、開口部４５５を「冷媒流路部４５５」とも呼ぶ。なお、開口部４５０を切る破線を切断線とする断面Ｙが図２に示されている。
【００２１】
図５は、プレスセパレータ３００の平面図である。プレスセパレータ３００は、例えば金属製の板状部材である。プレスセパレータ３００の外縁部にはフラットセパレータ２００と同様に開口部３１０〜３６０が形成されている。開口部３１０、３２０の内側には、燃料ガス導入孔３１２と燃料ガス排出孔３１８が形成されている。開口部３１０および酸化ガス導入孔３１２を切る破線を切断線とする断面Ｚが図２に示されている。図２の断面Ｚで示すように、燃料ガスは、マニホールド１１０（開口部３１０）から燃料ガス導入孔３１２を通ってガス拡散層１７０に供給される。また、プレスセパレータ３００の中央部にはプレスにより凸部３７０が形成されている。フラットセパレータ２００とプレスセパレータ３００とフレーム４００とを重ねたときに、凸部３７０は冷媒流路部４５５を抜けてフラットセパレータ２００と接触する。その結果、フラットセパレータ２００とプレスセパレータ３００とが電気的に導通する。なお、凸部３７０の形状は、膜電極接合体１００側から見れば、くぼんだ形状（凹部）である。
【００２２】
図２に示すように、凸部３７０の内部には充填材６００が充填されている。充填材６００として、例えば、樹脂製や金属製の充填材を用いることが可能である。なお、金属製の充填材を用いる場合には、多孔体であることが好ましい。これにより、充填材６００、すなわち凸部３７０の内部への水分の浸入を抑制することが可能となる。充填材６００として樹脂製の充填材を用いる場合には例えば射出成形により形成することが可能である。また、金属の多孔体を用いる場合には例えば金属発泡により充填材６００を形成することが可能である。また、予め作成した樹脂製や金属製の充填材６００を凸部３７０の内部の形状に合わせて切り、凸部３７０の内部に嵌め込んでもよい。
【００２３】
図６は、充填材６００の効果を説明する説明図である。比較例にように、凸部３７０の内部に充填材６００が充填されていないと、燃料電池１０に締結荷重が加わったときに、膜電極接合体１００にはプレスセパレータ３００の凸部３７０を除いた部分からしか荷重が伝達されない。そのため、膜電極接合体１００に均等には荷重が加わらず、燃料電池１０の発電効率を全体として向上させることが難しくなる。一方、本実施例のように凸部３７０の内部に充填材６００が充填されていると、燃料電池１０に締結荷重が加わったときに、プレスセパレータ３００に加えて充填材６００を介して、膜電極接合体１００に荷重が伝達される。すなわち、荷重を分散して膜電極接合体１００に均等に加えることができるので、燃料電池１０の発電効率を全体として向上させることが可能となる。このためには、充填材６００は、燃料電池を締結するための荷重を加えても変形せずに形状を維持するように、例えば剛性物で構成されているのが好ましい。
【００２４】
また、凸部３７０の内部に充填材６００が充填されていないと、凸部３７０の内部に生成水が浸入して溜まりやすくなる。凸部３７０の内部に溜まった水分量によっては、凸部３７０近傍に反応ガスが供給され難くなり、燃料電池１０の発電効率を低下させる恐れがある。しかし、本実施例にように凸部３７０の内部に充填材６００が充填されていると、凸部３７０の内部に生成水が浸入し難くなる。そのため、凸部３７０近傍に反応ガスが供給され難くなることはなく、燃料電池１０の発電効率を向上させることが可能となる。ここで、充填材６００として多孔体を用いる場合には、撥水加工されていることが好ましい。
【００２５】
また、充填材６００の密度は、フラットセパレータ２００やプレスセパレータ３００の材料の密度よりも小さいことが好ましい。これにより、燃料電池１０を軽くすることが可能となる。そのためには、本実施例で説明したように、充填材６００として、樹脂製の充填材や、金属製の多孔体により形成された充填材を用いることが好ましい。また、本実施例では、プレスセパレータ３００の凸部３７０をプレスにより形成している。これにより、プレスセパレータ３００に容易に凹凸を形成出来ると共に、凸部３７０の内部を空洞にできる。その結果、プレスセパレータ３００を形成する材料よりも軽い材料で凸部３７０の内部を充填することが可能となる。
【００２６】
・変形例：
図７は、変形例に係るプレスセパレータの平面図である。本実施例では、プレスセパレータ３００の凸部は、円柱形の凸部３７０であり、膜電極接合体１００側から見るとディンプル状であるが、凸部の形状は溝形状であってもよい。凸部３７２の形状が溝形状であっても、膜電極接合体１００に均等に荷重を加えることが可能となる。
【００２７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図２】燃料電池の断面図を模式的に示した説明図である。
【図３】フラットセパレータ２００の平面図である。
【図４】フレーム４００の平面図である。
【図５】プレスセパレータ３００の平面図である。
【図６】充填材６００の効果を説明する説明図である。
【図７】変形例に係るプレスセパレータの平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…燃料電池
２０…セパレータ
３０…膜電極接合体アッセンブリ
４０…エンドプレート
１００…膜電極接合体
１１０〜１６０…マニホールド
１７０…ガス拡散層
１８０…ガス拡散層
２００…フラットセパレータ
２１０〜２６０…開口部
２３２…酸化ガス導入孔
２３８…酸化ガス排出孔
３００…セパレータ
３１０〜３６０…開口部
３１２…燃料ガス導入孔
３１８…燃料ガス排出孔
３７０、３７２…凸部
４００…フレーム
４１０〜４６０…開口部
４５５…開口部、冷媒流路部
５００…シールガスケット
６００…充填材
Ｘ…断面
Ｙ…断面
Ｚ…断面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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