(57)【要約】【課題】電気絶縁層を形成することなく、電蝕の発生を防止する。【解決手段】燃料電池は、セパレータの外周の一辺付近に設けられ、開口形状が矩形である冷却媒体用の複数のマニホールド７２ａ〜７２ｃと；セパレータの外周付近におけるマニホールドよりも外側部分に設けられ、積層時に隣り合う単セルに当接されることで、冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインＳＬ５を形成するガスケットと；各マニホールドにおける、矩形の４辺のうちの膜電極接合体に近い側の１辺を除く３辺に沿って設けられ、積層時に隣り合う単セルに接するフランジ８２ａ〜８２ｃと、隣り合う２つのマニホールドの間に配置され、一方のマニホールドに設けたフランジと、他方のマニホールドに設けたフランジとにそれぞれ接するとともに、積層時に隣り合う単セルに接するスペーサ９２、９４とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した単セルを複数積層した燃料電池であって、
前記セパレータの外周の一辺付近に設けられ、開口形状が矩形である冷却媒体用の複数のマニホールドと、
前記セパレータの外周付近における前記マニホールドよりも外側部分に設けられ、積層時に隣り合う単セルに当接されることで、冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成するガスケットと、
前記各マニホールドにおける、前記矩形の４辺のうちの前記膜電極接合体に近い側の１辺を除く３辺に沿って設けられ、積層時に隣り合う単セルに接するフランジと、
隣り合う２つのマニホールドの間に配置され、一方のマニホールドに設けたフランジと、他方のマニホールドに設けたフランジとにそれぞれ接するとともに、積層時に隣り合う単セルに接する冷却媒体侵入防止部材と、
を備える燃料電池。
【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】
一般に、燃料電池に備えられるセパレータは、冷却媒体と接触する冷却媒体接触面を有する。この冷却媒体接触面においては、セパレータと他の単セルのセパレータとの間の冷却媒体を通じて電流漏れが生じ、電流漏れに付随する電蝕が発生することがあった。これを防止するため、特許文献１では、セパレータの冷却媒体接触面の、燃料電池発電部対応部を除く部位でかつ冷却媒体・ガスのシール材配設部を除く部位の少なくとも一部に、電気絶縁層を形成した燃料電池が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４７２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、電気絶縁層をピンホールがないようにコーティングするためには相応の厚みが必要となり、冷却媒体流路のスペースが低減される問題があった。そのほか、セパレータをチタン製としたときに、電気絶縁層によりチタンが酸化して、それに付随して電気絶縁層が剥がれる問題もあった。そのほか、従来の燃料電池おいては、製品寿命の向上、低コスト化、省資源化等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態は、膜電極接合体を一対のセパレータによって挟持した単セルを複数積層した燃料電池である。この燃料電池は、前記セパレータの外周の一辺付近に設けられ、開口形状が矩形である冷却媒体用の複数のマニホールドと；前記セパレータの外周付近における前記マニホールドよりも外側部分に設けられ、積層時に隣り合う単セルに当接されることで、冷却媒体の漏洩を抑制するためのシールラインを形成するガスケットと；前記各マニホールドにおける、前記矩形の４辺のうちの前記膜電極接合体に近い側の１辺を除く３辺に沿って設けられ、積層時に隣り合う単セルに接するフランジと、隣り合う２つのマニホールドの間に配置され、一方のマニホールドに設けたフランジと、他方のマニホールドに設けたフランジとにそれぞれ接するとともに、積層時に隣り合う単セルに接する冷却媒体侵入防止部材と、を備える。
【０００７】
前記燃料電池によれば、フランジと冷却媒体侵入防止部材とを結ぶラインと、シールラインとの間に、空気溜まり部が生じる。空気溜まり部には冷却媒体が侵入しないことから、セパレータの表面において冷却媒体が拡がることを阻止することができる。この結果、電流漏れの範囲が縮小して、電蝕の発生が防止される。しかも、電気絶縁層を形成する必要がないか、形成したとしてもその厚みを徒に厚くする必要がないことから、冷却媒体流路のスペースが低減されることもない。また、電気絶縁層によってセパレータが腐食されることもない。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、前記形態の燃料電池を備える燃料電池システム等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の単セルの平面構成の概略を示す説明図である。
【図３】セパレータの冷却媒体供給マニホールド付近を示す平面図である。
【図４】実施形態において、冷却媒体の侵入を阻止する位置を調整する方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００を備えている。燃料電池１００は、エンドプレート１１０と、絶縁板１２０と、集電板１３０と、複数の単セル１４０と、集電板１３０と、絶縁板１２０と、エンドプレート１１０と、が、この順に積層されたスタック構造を有している。
【００１１】
燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク１５０から、シャットバルブ１５１、レギュレータ１５２、配管１５３を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。燃料電池１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管１６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管１５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。燃料電池１００には、また、エアポンプ１６０および配管１６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管１５４を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００１２】
さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するため、ウォーターポンプ１７１および配管１７２を介して、ラジエータ１７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管１７３を介してラジエータ１７０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。
【００１３】
図２は、燃料電池１００の単セル１４０の平面構成の概略を示す説明図である。単セル１４０は、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含む発電モジュールを、一対のセパレータ５０によって挟持した構成となっている。図２は、一対のセパレータ５０のうちの一方の平面図となっている。図中のハッチ部分が、発電モジュールが接する領域５０Ａである。セパレータ５０は、カーボン、メタル（例えば、チタン）、メタルと非導電性樹脂の組み合わせ、導電性樹脂の何れから構成されてもよい。本実施例ではメタルと樹脂の組み合わせの場合を例として示す。
【００１４】
セパレータ５０には、図２に示すように、燃料電池１００に供給された燃料ガスとしての水素を各単セル１４０に分配する燃料ガス供給マニホールド６２と、燃料電池１００に供給された酸化剤ガスとしての空気を各単セル１４０に分配する酸化剤ガス供給マニホールド５２と、各単セル１４０において利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド６４と、各単セル１４０において利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池１００の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド５４と、が形成されている。上記各マニホールド５２、５４、６２、６４は、燃料電池１００の積層方向（すなわち膜電極接合体の面方向に略垂直な方向）に伸びる形状の反応ガス流路である。
【００１５】
燃料電池１００の内部には、さらに、冷却媒体を単セル１４０に分配する冷却媒体供給マニホールド７２と、各単セル１４０から排出される冷却媒体を集めて燃料電池１００の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド７４と、が形成されている。冷却媒体供給マニホールド７２は３本の冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃによって構成され、冷却媒体排出マニホールド７４は３本の冷却媒体排出マニホールド７４ａ〜７４ｃによって構成される。各冷却媒体用のマニホールド７２ａ〜７２ｃ、７４ａ〜７４ｃは燃料電池１００の積層方向に伸びる形状の流路である。冷却媒体供給マニホールド７２および冷却媒体排出マニホールド７４を、それぞれ３本に分けているのは、冷却媒体用として広い開口面積が必要であり、強度確保のためである。
【００１６】
各マニホールド５２、５４、６２、６４、７２ａ〜７２、７４ａ〜７４ｃは、セパレータ５０の外周縁近くに設けられている。特に、各冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃは、セパレータ５０の外周の一辺５０Ｂ付近に一列に並んで配置されている。各冷却媒体排出マニホールド７４ａ〜７４ｃは、セパレータ５０の外周の前記辺５０Ｂと対向する一辺５０Ｃ付近に一列に並んで配置されている。
【００１７】
さらに、単セル１４０には、複数の単セル１４０を積層した際に、発電モジュールの占める領域および各マニホールド用の開口を面方向に囲むシールラインＳＬ１〜ＳＬ４を形成するために、ガスケットが配置されている。ガスケットは、射出成形により形成されるもので、断面が凸形状を有する。複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０の表面に密着して、シールラインＳＬ１〜ＳＬ４が形成される。詳しくは、ガスケットは、他の単セル１４０のセパレータ５０の表面に当接して密着する。シールラインＳＬ１、ＳＬ２が酸化剤ガスの漏洩を抑制するためのものであり、シールラインＳＬ３、ＳＬ４が燃料ガスの漏洩を抑制するためのものであり、シールラインＳＬ５が冷却媒体の漏洩を抑制するためのものである。
【００１８】
図２には、セパレータ５０において冷却媒体を平面方向に流通させるための平面が示されている。このために、図示するように、冷却媒体用のシールラインＳＬ５は、発電モジュールが接する領域５０Ａと、冷却媒体用の各マニホールド７２ａ〜７２ｃ、７４ａ〜７４ｃとを内側に含む。すなわち、冷却媒体用のシールラインＳＬ５は、セパレータ５０の外周付近における前記マニホールド７２ａ〜７２ｃ、７４ａ〜７４ｃよりも外側部分を通っている。
【００１９】
図３は、セパレータ５０の一辺５０Ｂ付近を示す平面図である。図示するように、各冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃは、開口形状が矩形となっており、同一の開口面積を有する。そして、各冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃにおいて、矩形の４辺のうちの発電モジュールが接する領域５０Ａに近い側の１辺７２Ｅを除く３辺に沿って、フランジ８２ａ、８２ｂ、８２ｃが形成されている。各フランジ８２ａ〜８２ｃは、各冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃの孔の縁から立ち上がるもので、その突出方向が燃料電池１００の積層方向となっている。各フランジ８２ａ〜８２ｃは、複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０の表面に密着する。矩形の４辺のうちの発電モジュールが接する領域５０Ａに近い側の１辺７２Ｅにフランジを設けていないのは、冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃから流れ出た冷却媒体が発電モジュール側に送られるようにするためである。なお、各フランジ８２ａ〜８２ｃは、樹脂またはゴム製である。
【００２０】
さらに、隣り合う２つのマニホールドの各間、すなわち、第１の冷却媒体供給マニホールド７２ａと第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂとの間、および第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂと第３の冷却媒体供給マニホールド７２ｃとの間には、冷却媒体の侵入を防止するためのスペーサ９２、９４が設けられている。詳しくは、スペーサ９２は、第１の冷却媒体供給マニホールド７２ａに設けられたフランジ８２ａの第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂ側の部分と、第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂに設けられたフランジ８２ｂの第１の冷却媒体供給マニホールド７２ａ側の部分とに接した状態で設けられている。同様に、スペーサ９４は、第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂに設けられたフランジ８２ｂの第３の冷却媒体供給マニホールド７２ｃ側の部分と、第３の冷却媒体供給マニホールド７２ｃに設けられたフランジ８２ｃの第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂ側の部分とに接した状態で設けられている。
【００２１】
さらに、各スペーサ９２、９４は、複数の単セル１４０を積層した際に、隣接する他の単セル１４０の表面に密着する。なお、スペーサ９２、９４は、樹脂またはゴム製である。したがって、積層した際に、第１の冷却媒体供給マニホールド７２ａと第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂとの間、および第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂと第３の冷却媒体供給マニホールド７２ｃとの間は、閉塞された状態となる。このため、フランジ８２ａ、スペーサ９２、フランジ８２ｂ、スペーサ９４、フランジ８２ｃが並ぶラインと、シールラインＳＬ５との間、すなわち、図中の点々を記載した部分は、空気溜まり部ＡＡとなる。
【００２２】
図３のような拡大した図は記載しないが、図２に示すように、セパレータ５０における各冷却媒体排出マニホールド７４ａ〜７４ｃの周辺も、各冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃの周辺と同様に、フランジ、スペーサが配設されている。このため、冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃ側と同様に、シールラインＳＬ５の内側の冷却媒体排出マニホールド７４ａ〜７４ｃの周辺にも、空気溜まり部が形成される。
【００２３】
以上のように構成された燃料電池１００によれば、前述した空気溜まり部に冷却媒体が侵入しないことから、セパレータ５０の表面における、冷却媒体供給マニホールド７２ａ〜７２ｃの周辺および冷却媒体排出マニホールド７４ａ〜７４ｃの周辺において、冷却媒体が拡がることを防止することができる。したがって、本実施形態の燃料電池１００においては、電流漏れの範囲が縮小して、電蝕の発生が防止される。しかも、従来技術のように電気絶縁層を形成する必要がないか、形成したとしてもその厚みを徒に厚くする必要がないことから、冷却媒体流路のスペースが低減されることもない。また、セパレータ５０が電気絶縁層によって腐食されることもない。
【００２４】
なお、本実施形態においては、第１の冷却媒体供給マニホールド７２ａとシールラインＳＬ５との間、より詳しくは、第１の冷却媒体供給マニホールド７２ａにおける第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂと反対側の辺とシールラインＳＬ５との間と、第３の冷却媒体供給マニホールド７２ｃとシールラインＳＬ５との間、より詳しくは、第３の冷却媒体供給マニホールド７２ｃにおける第２の冷却媒体供給マニホールド７２ｂと反対側の辺とシールラインＳＬ５との間に、スペーサを設けてはいない。シールラインＳＬ５の高さに誤差があった場合において、例えば、シールラインＳＬ５を形成するガスケットの上にスペーサの形成材料が乗ってしまう等して、スペーサを形成するのが困難であるためである。
【００２５】
前記実施形態において、スペーサ９２、９４が［発明の概要］の欄に記載の「冷却媒体侵入防止部材」に相当する。スペーサ９２、９４の全長、すなわち、図３における横方向の長さを変更することで、冷却媒体の空気溜まり部ＡＡの位置を調整することができ、この結果、冷却媒体の侵入を阻止する位置を調整することができる。例えば、図４（ａ）に示すように、スペーサ２９２、２９４の全長を、前記実施形態のスペーサ９２、９４の全長よりも短くした場合に、冷却媒体の侵入を阻止する位置を前記実施形態の場合よりも外側（図中の右側）に調整することができる。また、図４（ｂ）に示すように、スペーサ３９２の全長を、前記実施形態のスペーサ９２、９４の全長よりも長くした場合に、冷却媒体の侵入を阻止する位置を前記実施形態の場合よりも内側（図中の左側）に調整することができる。
【００２６】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、固体高分子型の燃料電池に換えて、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型の燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１０…燃料電池システム
５０…セパレータ
５２…酸化剤ガス供給マニホールド
５４…酸化剤ガス排出マニホールド
６２…燃料ガス供給マニホールド
６４…燃料ガス排出マニホールド
７２…冷却媒体供給マニホールド
７２ａ…第１の冷却媒体供給マニホールド
７２ｂ…第２の冷却媒体供給マニホールド
７２ｃ…第３の冷却媒体供給マニホールド
７４…冷却媒体排出マニホールド
８２ａ、８２ｂ、８２ｃ…フランジ
９２、９４…スペーサ
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１２０…絶縁板
１３０…集電板
１４０…単セル
１５０…水素タンク
１５１…シャットバルブ
１５２…レギュレータ
１５３…配管
１５４…排出配管
１６０…エアポンプ
１６１…配管
１６３…排出配管
１７０…ラジエータ
１７１…ウォーターポンプ
１７２…配管
１７３…配管
２９２、２９４、３９２、３９４…スペーサ
ＳＬ１〜ＳＬ５…シールライン
【図１】
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【図２】
2014154491.tif 000004
【図３】
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【図４】
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