(57)【要約】【課題】  閉塞流路を有するセパレータの両面を冷却媒体または反応ガスの流路として利用しても冷却効率または反応効率が低下しない燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池は、電解質膜を有する発電セルと、発電セルに対向するセパレータとを備え、セパレータの前記発電セル側の面に、入口部が閉塞部材により閉塞された溝状の流路と出口部が他の閉塞部材により閉塞された溝状の流路とが交互にストライプ状に並ぶガス流路が形成され、閉塞部材のうち少なくとも１つは、ガス不透過性の閉塞部材であり、閉塞部材のうち少なくとも１つは、ガス透過性の閉塞部材である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を有する発電セルと、
前記発電セルに対向するセパレータとを備え、
前記セパレータの前記発電セル側の面に、入口部が閉塞部材により閉塞された溝状の流路と出口部が他の閉塞部材により閉塞された溝状の流路とが交互にストライプ状に並ぶガス流路が形成され、
前記閉塞部材のうち少なくとも１つは、ガス不透過性の閉塞部材であり、
前記閉塞部材のうち少なくとも１つは、ガス透過性の閉塞部材であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
１以上の前記閉塞部材のガスの流動方向の長さが、他の前記閉塞部材のガスの流動方向の長さと異なり、
前記入口部を閉塞する前記閉塞部材は、流路内部に移動させて配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セル及びセパレータを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池には、固体高分子等からなる電解質膜の両側のそれぞれに、水素を含む燃料ガスを供給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレータと、酸素を含む酸化剤ガスを供給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレータとが設けられたものが知られている。
【０００４】
上記セパレータにおいてガス供給用流路とガス排出用流路とを分離して互いにかみ合うような櫛形形状にする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応がセパレータ反応帯域全体で効率よく行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のセパレータにおいては、ガス供給流路およびガス排出流路と反対側の面の流体流れを妨げてしまうおそれがある。以下、この問題点を説明する。
【０００７】
図９は、櫛型の流路が形成された従来のセパレータ３０を説明する図である。図９（ａ）はセパレータ３０の平面図であり、図９（ｂ）および図９（ｃ）はセパレータ３０を燃料電池に適用した場合における燃料電池の断面図である。
【０００８】
図９（ａ）に示すように、セパレータ３０の表面には櫛型の流路の一部であるガス供給流路３１およびガス排出流路３２が形成されている。ガス供給流路３１およびガス排出流路３２には反応ガスが流動する。ガス供給流路３１およびガス排出流路３２はプレス加工等により得られる溝状の流路からなる。プレス加工等によりガス供給流路３１およびガス排出流路３２を形成すれば、セパレータ３０の裏面にも溝部が形成される。
【０００９】
図９（ｂ）に示すように、セパレータ３０をガス供給流路３１同士が背向するように２枚重ねればセパレータ３０の裏面の溝部を冷却媒体が流動する流路として用いることができる。しかしながら、図９（ｂ）に示すように、冷却媒体が対流する対流部３３が発生する。それにより、燃料電池の冷却効率が低下する。
【００１０】
また、図９（ｃ）に示すように、冷却媒体の対流部３３形成されないようにガス供給流路３１およびガス排出流路３２を形成すれば、ガス供給流路３１およびガス排出流路３２の深さが異なる対流部３４が発生する。それにより、燃料電池の発電効率が低下する。
【００１１】
以上のことから、櫛型の流路のような閉塞流路を有する従来のセパレータ３０の裏面を冷却媒体または反応ガスの流路として用いれば、冷却媒体または反応ガスが対流する対流部３３，３４が発生してしまう。その結果、冷却効率または反応効率が低下する。
【００１２】
本発明は、閉塞流路を有するセパレータの両面を冷却媒体または反応ガスの流路として利用しても冷却効率または反応効率が低下しない燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜を有する発電セルと、発電セルに対向するセパレータとを備え、セパレータの発電セル側の面に、入口部が閉塞部材により閉塞された溝状の流路と出口部が他の閉塞部材により閉塞された溝状の流路とが交互にストライプ状に並ぶガス流路が形成され、閉塞部材のうち少なくとも１つは、ガス不透過性の閉塞部材であり、閉塞部材のうち少なくとも１つは、ガス透過性の閉塞部材であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電セル全体にガスが供給される。その結果、発電セルの発電効率が向上する。また、閉塞部材は、ガス流路の任意の位置に設けることができる。また、閉塞部材の長さを調整すれば、ガスがガス流路を流動する量を調整することができるとともに、ガスの配流を調整することができる。さらに、セパレータを積層する際に、特別な積層技術は不要である。また、ストライプ状の流路を利用した表裏一体構造の流路を発電セルと反対側の面に形成しても、その流路を流動する流体の流れに影響を与えない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池の概略断面斜視図である。
【図２】セパレータの詳細を説明する図である。
【図３】ガス流路を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス圧力について説明する図である。
【図４】セパレータを燃料電池へ適用した場合における燃料電池の断面図である。
【図５】閉塞部材の他の例を説明する図である。
【図６】一方のセパレータのガス流路に閉塞部材を設けた例を示す図である。
【図７】両方の閉塞部材を用いた例を示す図である。
【図８】閉塞部材の他の適用例を示す図である。
【図９】従来のセパレータを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料電池１００の概略断面斜視図である。図１に示すように、燃料電池１００は、発電セル１０の両面のそれぞれにセパレータ１が設けられた単電池２０が複数積層された構造を有する。発電セル１０は、電解質膜６の両面のそれぞれに触媒層５およびガス拡散層４が順に積層された構造を有する。
【００１８】
電解質膜６としては、例えば固体高分子電解質膜等が用いられる。この固体高分子電解質膜は、プロトン導電性を有する高分子等から構成される。触媒層５は、カーボン担持白金触媒等を用いることができる。ガス拡散層４は、ガス透過性及び導電性に優れたカーボンペーパー等を用いることができる。セパレータ１は、金属プレートからなる。
【００１９】
一方のセパレータ１から供給される燃料ガス中の水素は、拡散効果によりガス拡散層４を透過し、触媒層５においてプロトン及び電子に分かれる。このプロトンは、電解質膜６を移動する。他方のセパレータ１から供給される酸化剤ガス中の酸素は、拡散効果によりガス拡散層４を透過し、触媒層５においてプロトンと反応して水が生成される。以上のプロセスにより、発電セル１０による発電が行われる。発電セル１０の発電により得られた電流は、セパレータ１により集電される。
【００２０】
図２は、セパレータ１の詳細を説明する図である。図２（ａ）はセパレータ１の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。図２（ａ）に示すように、セパレータ１のガス拡散層４側の面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動するガス流路２が形成されている。ガス流路２は、出口部が閉塞部材３により閉塞された溝状の流路２ａと入口部が閉塞部材３により閉塞された溝状の流路２ｂとが交互にストライプ状に並ぶ構造を有する。ガス流路２は、セパレータ１に対してプレス加工等を行うことにより形成することができる。
【００２１】
閉塞部材３としては、ガス不透過性の閉塞部材を用いることができる。例えば、セラミックス、カーボン、金属等を用いることができ、繊維、樹脂、ゴム等の樹脂等も用いることができる。特に、ガス不透過性および導電性を有するカーボン、金属等の材料が好ましい。閉塞部材３は、溶接、圧着等により流路２ａ，２ｂに設けることができる。
【００２２】
また、図２（ｂ）に示すように、流路２ｂの入口部を閉塞する閉塞部材３は、流路２ｂ全体を閉塞する。それにより、ガス流路２に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路２ｂには流入せずに流路２ａに流入する。同様に、図２（ｃ）に示すように、流路２ａの出口部を閉塞する閉塞部材３は、流路２ａ全体を閉塞する。それにより、ガス流路２ａを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部材３を通過しない。
【００２３】
さらに、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、セパレータ１のガス拡散層４と反対側の面には、燃料電池１００を冷却する冷却媒体が流動する冷却媒体流路７が複数形成されている。冷却媒体としては、例えば冷却水を用いることができる。冷却媒体流路７は、セパレータ１のガス流路２と反対側の面の溝状の流路からなる。このように、セパレータ１の両面に形成された溝部を流路２及び冷却媒体流路７に用いることから、燃料電池１００を薄型化することができる。
【００２４】
図３は、ガス流路２を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス圧力について説明する図である。図３（ａ）はガス流路２に供給されるガスの流動を説明する図であり、図３（ｂ）は流路位置とガス圧力との関係を示す図である。
【００２５】
流路２ａに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路２ａを流動するにつれて図１の発電セル１０の発電に用いられる。それにより、図３（ｂ）に示すように、流路２ａに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力は、ガスの流動にともない減少する。
【００２６】
流路２ｂの入口部は閉塞部材３により閉塞されていることから、流路２ｂの入口から燃料ガスまたは酸化剤ガスは供給されない。しかしながら、流路２ａと流路２ｂとの間に圧力差が生じることから、流路２ａを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス拡散層４を通過して流路２ｂに流入する。流路２ｂに供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路２ｂを流動するにつれて発電セル１０の発電に用いされる。それにより、図３（ｂ）に示すように、流路２ｂを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力は、ガスの流動方向に減少する。なお、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス拡散層４を通過する際にも発電セル１０の発電に用いられる。それにより、流路２ｂを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力は、流路２ａを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力に比較して低くなる。
【００２７】
このように、閉塞部材３をガス流路２に設けることにより、ガス拡散層４全体に燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給される。したがって、発電セル１０の発電効率が向上する。また、発電セル１０の発電効率は、セパレータ１の拡散層４と反対側の面の構造から影響を受けない。
【００２８】
また、閉塞部材３は、ガス流路２をプレス加工等により形成した後に設けることから、流路２ａ，２ｂの任意の位置に設けることができる。さらに、閉塞部材３の長さを調整すれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス流路２を流動する量を調整することができるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの配流を調整することができる。また、セパレータ１を積層する際に、特別な積層技術は不要である。
【００２９】
図４は、セパレータ１を燃料電池１００へ適用した場合における燃料電池１００の断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、冷却媒体流路７同士が対向するようにセパレータ１を積層した場合の燃料電池１００の断面図である。図４（ａ）に示すようにそれぞれのセパレータ１の流路２ａを背向させても、図４（ｂ）に示すようにそれぞれのセパレータ１の流路２ａと流路２ｂとを背向させても本発明の効果を得ることができる。また、図４（ｃ）に示すように、冷却媒体流路７をガス流路２として用いることもできる。この場合、それぞれの発電セル１０の間に設けるセパレータを積層させる必要がないので、燃料電池１００が薄型化される。
【００３０】
図５は、閉塞部材３の他の例である閉塞部材３ａを説明する図である。図５（ａ）はセパレータ１の平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。
【００３１】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、閉塞部材３ａは、閉塞部材３と同様の位置に設けられる。閉塞部材３ａは、ガス透過性を有する多孔質体からなる。多孔質体としては、カーボン、セラミックス、金属メッシュ等を用いることができる。また、繊維、樹脂、ゴム等の樹脂等も用いることができる。特に、導電性を有するカーボン、金属メッシュ等が好ましい。ただし、酸化剤ガスを流動させる流路に金属メッシュを用いる場合には、金、白金等の耐酸化性金属を用いることが好ましい。閉塞部材３ａは、溶接、圧着等により流路２ａ，２ｂに設けることができる。なお、閉塞部材３ａが、特許請求の範囲に記載の閉塞部材に相当する。
【００３２】
閉塞部材３と異なり、閉塞部材３ａはガス透過性を有する。それにより、ガス流路２に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路２ｂにも流入する。したがって、ガス流路２に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧損が低下する。また、流路２ａに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、閉塞部材３ａを透過して排出される。それにより、流路２ａのフラッディングを抑制することができる。
【００３３】
また、閉塞部材３ａは多孔質体であることから、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動に対して抵抗を有する。それにより、閉塞部材３を流路２ａ，２ｂに設けた場合と同様に、流路２ａと流路２ｂとの間に圧力差が生じる。したがって、図３で説明したように、ガス拡散層４の全体に燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給される。その結果、発電セル１０の発電効率が向上する。また、ガス流路２に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路２ａ，２ｂの両方に供給される。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動断面積が大きくなる。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が小さくなる。その結果、発電セル１０の乾燥を抑制することができる。
【００３４】
さらに、発電セル１０の発電効率は、セパレータ１の拡散層４と反対側の面の構造から影響を受けない。また、閉塞部材３ａは、ガス流路２をプレス加工等により形成した後に設けることから、流路２ａ，２ｂの任意の位置に設けることができる。さらに、閉塞部材３ａの長さまたはメッシュサイズ等を調整すれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス流路２を流動する量を調整することができるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの配流を調整することができる。また、セパレータ１を積層する際に、特別な積層技術は不要である。
【００３５】
図６は、一方のセパレータ１のガス流路２に閉塞部材３，３ａを設けた例を示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）には、隣接するセパレータ１の一方のガス流路２に閉塞部材３，３ａを設けた燃料電池１００が示されている。このように、隣接するセパレータ１の一方のガス流路２に閉塞部材３，３ａを設けてもよい。特に、酸化剤ガスが供給されるセパレータ１のガス流路２に閉塞部材３，３ａを設けることが好ましい。この場合、拡散性の低い酸素が効率よく拡散層４に供給される。また、燃料ガスが供給されるセパレータ１のガス流路２には閉塞部材３，３ａを設ける必要がないことから、製造コストを低減させることができる。
【００３６】
また、図６（ｃ）および図６（ｄ）には、セパレータ１の両面にガス流路２を設けた場合において、いずれか一方のガス流路２に閉塞部材３，３ａを設けた燃料電池１００が示されている。このように、セパレータ１の両面にガス流路２を設けた場合に、一方のガス流路の流路に閉塞部材３，３ａを設けてもよい。特に、図６（ａ）および図６（ｂ）の燃料電池１００と同様に、酸化剤ガスが供給されるガス流路２に閉塞部材３，３ａを設けることが好ましい。
【００３７】
図７は、閉塞部材３および閉塞部材３ａの両方を用いた例を示す図である。図７（ａ）には、一方のセパレータ１のガス流路２に閉塞部材３が設けられ、他方のセパレータ１のガス流路２に閉塞部材３ａが設けられた燃料電池１００が示されている。例えば、酸化剤ガスが供給されるセパレータ１のガス流路２に閉塞部材３を設け、かつ、燃料ガスが供給されるセパレータ１のガス流路２に閉塞部材３ａを設けることにより、拡散層４に効率的に酸素が供給されるとともに発電セル１０により生成された水によるフラッディングを抑制することができる。
【００３８】
また、図７（ｂ）には、セパレータ１の両面にガス流路２を設けた場合において、一方のガス流路２に閉塞部材３が設けられ、他方のガス流路２に閉塞部材３ａが設けられた燃料電池１００が示されている。例えば、酸化剤ガスが供給されるガス流路２に閉塞部材３を設け、かつ、燃料ガスが供給されるガス流路２に閉塞部材３ａを設けることにより、拡散層４に効率的に酸素が供給されるとともに発電セル１０により生成された水によるフラッディングを抑制することができる。なお、閉塞部材と閉塞部材３ａとの組合せは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示したものに限らず、任意に選択することができる。
【００３９】
図８は、閉塞部材３，３ａの他の適用例を示す図である。図８（ａ）は流路２ｂに設ける閉塞部材３をガスの流動方向に移動させた場合を示す図であり、図３（ｂ）は一部の閉塞部材３ａの長さを変更した場合を示す図である。
【００４０】
図８（ａ）に示すように、ガス流路２に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路２ａおよび２ｂの両方に供給される。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動する流動断面積が大きくなる。したがって、流路２ａ，２ｂを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が小さくなる。その結果、発電セル１０の乾燥が抑制される。なお、閉塞部材３の代わりに閉塞部材３ａを用いても同様の効果が得られる。また、閉塞部材３と閉塞部材３ａとを任意に組み合わせることもできる。
【００４１】
また、図８（ｂ）に示すように、一部の閉塞部材３ａの長さは他の閉塞部材３ａの長さと異なっている。それにより、ガス流路２を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量を調整することができる。例えば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが到達しにくい流路２ａ，２ｂの閉塞部材３ａの長さを短くし、燃料ガスまたは酸化剤ガスが到達しやすい流路２ａ，２ｂの閉塞部材３ａの長さを長くすることにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスをガス流路２の全体に均一に供給することができる。なお、閉塞部材３ａの代わりに閉塞部材３を用いても同様の効果が得られる。また、閉塞部材３と閉塞部材３ａとを任意に組み合わせることもできる。
【００４２】
なお、本実施例においては、セパレータ３は金属プレートからなるが、導電性及びガス不透過性を有する導電性プレートであれば構わない。例えば、カーボンプレート等を用いることもできる。
【００４３】
また、本実施例においては、セパレータ３，３ａを導電性プレートにプレス加工を施すことにより形成しているが、カーボンプレート等に切削加工を施すことにより形成しても構わない。
【符号の説明】
【００４４】
１  セパレータ
２  ガス流路
２ａ，２ｂ  流路
３，３ａ  閉塞部材
４  ガス拡散層
５  触媒層
６  電解質膜
７  冷却媒体流路
１０  発電セル
２０  単電池
１００  燃料電池
【図１】
2010272541.tif 000003
【図２】
2010272541.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010272541.tif 000007
【図６】
2010272541.tif 000008
【図７】
2010272541.tif 000009
【図８】
2010272541.tif 000010
【図９】
2010272541.tif 000011