(57)【要約】      （修正有）【課題】小型でしかも発電効率の高い燃料電池単セルを提供することを目的とする。【解決手段】発電に寄与するアクティブ領域に凹凸形状からなる燃料ガス流路１９及び酸化剤ガス流路を形成した膜電極接合体１４と、この膜電極接合体１４の一面１４ａに配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第１のセパレータ１５と、膜電極接合体１４の他面１４ｂに配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第２のセパレータ１６と、第１のセパレータ１５に接して設けられ、冷媒を流通させる冷媒流路を形成した波板形状の冷却板１７と、この冷却板１７の上に配置される第３のセパレータ１８とからなる。【選択図】図２
2006156037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電に寄与する領域に凹凸形状からなる燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一面に配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第１のセパレータと、
前記膜電極接合体の他面に配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第２のセパレータとを備えた
ことを特徴とする燃料電池単セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池単セルであって、
前記燃料ガス流路を取り囲む第１シール部材と、
前記酸化剤ガス流路を取り囲む第２シール部材とを備えた
ことを特徴とする燃料電池単セル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池単セルであって、
前記第１のセパレータ又は前記第２のセパレータの何れかに接して設けられ、冷媒を流通させる冷媒流路を形成した波板形状の冷却板と、
前記冷却板の上に配置される第３のセパレータとを備えた
ことを特徴とする燃料電池単セル。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池単セルであって、
前記冷媒流路が前記燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路と交差する方向とされた
ことを特徴とする燃料電池単セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルに関し、詳細には、膜電極接合体に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成して発電効率を高めた、新規な構造の燃料電池単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池としては、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に触媒とガス拡散層を形成したアノード電極又はカソード電極と、高分子電解質膜に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス流路が形成されたセパレータとからなる燃料電池単セルを構成要素とし、これら燃料電池単セルの複数個を積層することで形成されている。
【０００３】
これまでの構造の燃料電池単セルは、平面形状の膜電極接合体（高分子電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極を積層したもの）を、ガス流路を形成したセパレータで挟み込む構造となっている。燃料電池の発電量は、発電に寄与するガスの反応面積（アクティブ領域）に比例するが、現行の構造であるとアクティブ領域の面積は平面形状をした膜電極接合体の外形とほぼ同じであることから、それ以上の発電効率の向上には自ずと限界がある。
【０００４】
そこで、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータを使用した燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６７６６５号公報（第２頁および第３頁、第５図および第図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池では、板ばねを介在させた構造であるためスタック構造が大型化する。また、この構造の燃料電池においては、やはりアクティブ領域の面積は平面形状をした膜電極接合体の外形とほぼ同じであることから、それ以上の発電効率を上げることは困難である。
【０００６】
そこで、本発明は、小型でしかも発電効率の高い燃料電池単セル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】
【０００７】
本発明の燃料電池単セルは、発電に寄与する領域に凹凸形状からなる燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の一面に配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第１のセパレータと、該膜電極接合体の他面に配置され、少なくとも配置される側の面が平坦な第２のセパレータとを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、膜電極接合体に凹凸形状を形成することで、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応するアクティブ領域の反応面積を平面形状のときよりも格段に増加させることができ、その結果、発電効率を大幅に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
「燃料電池単セル及び燃料電池スタックの構成」
図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの分解斜視図、図３は燃料電池単セルの平面図、図４は図３のＡ−Ａ線位置における燃料電池単セルの拡大断面図、図５は図３のＢ−Ｂ線位置における燃料電池単セルの拡大断面図である。
【００１１】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔にタイロッドを貫通させ、そのタイロッドの端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。また、この燃料電池スタック１では、積層体３の両側面に冷媒プレート７が設けられている。
【００１２】
前記上下に配置されたエンドプレート６、６のうち、一方のエンドプレート６には、各燃料電池単セル２に形成された燃料ガス流路に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給するための燃料ガス導入口８と、各燃料電池単セル２を流れた後の余剰の燃料ガスを積層体外へと排出させる燃料ガス排出口９と、各燃料電池単セル２に形成された酸化剤ガス流路に酸化剤ガス（例えば酸素ガス）を供給する酸化剤ガス導入口１０と、各燃料電池単セル２を流れた後の余剰の酸化剤ガスを積層体外へと排出させる酸化剤ガス排出口１１とが形成されている。
【００１３】
また、前記左右に配置された冷媒プレート７、７のうち、一方の冷媒プレート７には、各燃料電池単セル２に形成された冷媒流路に冷媒（例えば冷却水ＬＬＣ）を供給するための冷媒導入口１２と、各燃料電池単セル２を流れた冷媒を積層体外へと排出させる冷媒排出口１３とが形成されている。
【００１４】
燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されて燃料電池単セル２に形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されて燃料電池単セル２に形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷媒は、冷媒導入口１２より導入されて燃料電池単セル２に形成された冷媒流路を流れ、冷媒排出口１３より排出される。
【００１５】
燃料電池単セル２は、図２及び図３に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の一面に配置される第１のセパレータ１５と、膜電極接合体１４の他面に配置される第２のセパレータ１６と、第１のセパレータ１５に接して設けられる冷却板１７と、この冷却板１７の上に配置される第３のセパレータ１８とからなる。
【００１６】
膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００１７】
この膜電極接合体１４には、図３から図５に示すように、アクティブ領域に凹条部と凸条部を交互にその長手方向に沿って複数形成することにより、凹凸形状（コルゲート形状）からなる燃料ガス流路１９が一面（表面）１４ａに形成されると共に、同じく凹凸形状からなる酸化剤ガス流路２０が他面（裏面）１４ｂに形成されている。
【００１８】
また、膜電極接合体１４には、前記燃料ガス導入口８と連通して燃料ガスを燃料ガス流路１９へ供給させるための燃料ガス供給孔２１と、前記燃料ガス排出口９と連通して燃料ガスを排出させるための燃料ガス排出孔２２と、前記酸化剤ガス導入口１０と連通して酸化剤ガスを酸化剤ガス流路２０へ供給させるための酸化剤ガス供給孔２３と、酸化剤ガス排出口１１と連通して酸化剤ガスを排出させるための酸化剤ガス排出孔２４とが形成されている。
【００１９】
第１のセパレータ１５及び第２のセパレータ１６は、何れも膜電極接合体１４とほぼ同一の大きさに形成されている。これら第１のセパレータ１５と第２のセパレータ１６は、膜電極接合体１４と貼り合わされる側の面及びその裏面が共に凹凸の無い平坦な面とされれいる。かかる第１のセパレータ１５及び第２のセパレータ１６としては、単位体積当たりの起電力を高めるために、厚みの薄い金属板からなるセパレータを使用することが好まい。もちろん、これらセパレータ１５、１６には、カーボン粒子を樹脂に混合してなる粉末材料を熱プレスして形成した、いわゆるカーボンセパレータを使用することもできる。
【００２０】
なお、本実施の形態では、第１のセパレータ１５をアノードセパレータとし、第２のセパレータ１６をカソードセパレータとしている。
【００２１】
そして、この膜電極接合体１４の一面１４ａと後述する第１のセパレータ１５との間には、燃料ガスの外部漏れを防止するための第１シール部材２５が設けられている。かかる第１シール部材２５は、燃料ガス供給孔２１、燃料ガス流路１９及び燃料ガス排出孔２２を取り囲むようにしてその外側に配置され、膜電極接合体１４と第１のセパレータ１５との密着によりそれらの間をシールする。
【００２２】
同様に、膜電極接合体１４の他面１４ｂと後述する第２のセパレータ１６との間には、酸化剤ガスの外部漏れを防止するための第２シール部材２６が設けられている。かかる第２シール部材２６は、酸化剤ガス供給口２３、酸化剤ガス流路２０及び酸化剤ガス排出孔２４を取り囲むようにしてその外側に配置され、膜電極接合体１４と第２のセパレータ１６との密着によりそれらの間をシールする。
【００２３】
また、第１のセパレータ１５と膜電極接合体１４との間、及び第２のセパレータ１６と膜電極接合体１４との間には、第１シール部材２５及び第２シール部材２６でシールされる部分以外の燃料ガス供給孔２１、燃料ガス排出孔２２、酸化剤ガス供給孔２３及び酸化剤ガス排出孔２４の外周囲にも円環形状のシール部材２７が配置される。
【００２４】
冷却板１７は、アクティブ領域と対応する位置に波形部２８を複数形成しており、その波形部２８で形成される空間部を冷媒流路２９としている。冷媒流路２９は、燃料ガス流路１９及び酸化剤ガス流路２０に対してほぼ直角に交差する方向に形成されている。このため、冷媒は、燃料ガスと酸化剤ガスの流れる方向と直交して冷却板１７の短辺方向に流れる。
【００２５】
第３のセパレータ１８は、第１のセパレータ１５とで冷却板１７を挟み込むようにして設けられ、該冷却板１７に形成された波形部２８の空間部を閉塞して冷媒流路２９を形成する。この第３のセパレータ１８と冷却板１７との間、及び第１のセパレータ１５と冷却板１７との間には、燃料ガス供給孔２１、燃料ガス排出孔２２、酸化剤ガス供給孔２３及び酸化剤ガス排出孔２４の外周囲に円環形状のシール部材３０が配置されている。
【００２６】
このように構成された燃料電池単セル２は、第１のセパレータ１５と第２のセパレータ１６で膜電極接合体１４を挟み込むことでその間に燃料ガス流路１９と酸化剤ガス流路２０を形成し、さらに第１のセパレータ１５と第３のセパレータ１８で冷却板１７を挟み込んで冷媒流路２９を形成する。そして、このように構成された燃料電池単セル２は、所定の起電力を発生する数だけ積層されることにより燃料電池スタック１を構成する。
【００２７】
「作用・効果」
以上のように構成された燃料電池単セル２によれば、膜電極接合体１４を凹凸形状に形成してこの膜電極接合体１４に燃料ガス流路１９と酸化剤ガス流路２０を形成することで、燃料ガスと酸化剤ガスが反応するアクティブ領域の反応面積を大幅に増やすことができ、発電効率を高めることができる。
【００２８】
例えば、従来構造の膜電極接合体１４は、図６（Ａ）に示すように平板形状であり、本実施の形態の膜電極接合体１４は、図６（Ｂ）に示すように凹凸形状である。そのため、本実施の形態構造の膜電極接合体１４の長さは、従来構造の膜電極接合体１４の長さＬの１．４倍の長さになる。したがって、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、アクティブ領域の面積を従来構造のアクティブ領域に対して１．４倍に増やすことができ、発電効率を１．４倍までアップさせることができる。
【００２９】
また、図７に示すように、金属板からなるセパレータ１５のアクティブ領域３１に、凹部３２と凸部３３を交互に形成して燃料ガス流路と酸化剤ガス流路をプレス加工して形成した場合、同図矢印Ｘで示すように反りが発生するが、本実施の形態では、第１のセパレータ１５及び第２のセパレータ１６の何れも凹凸の無い平坦な面とした平板としているので、反りによる変形が発電性能に対して悪影響を与えることはない。
【００３０】
また、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、膜電極接合体１４を凹凸形状とし、第１のセパレータ１５及び第２のセパレータ１６を平板としたので、燃料ガス流路１９を取り囲むようにして設けた第１シール部材２５と、酸化剤ガス流路２０を取り囲むようにして設けられた第２シール部材２６とで、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの外部へのガス漏れを防ぐことができる。
【００３１】
また、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、冷媒を流通させる冷媒流路２９をセパレータに形成せずに冷却板１７にて形成したので、冷媒の流路断面積を任意に設定することができる。例えば、図８及び図９に示すように、膜電極接合体３４の両面に凹凸形状（コルゲート形状）を形成した金属製のアノードセパレータ３５とカソードセパレータ３６を配置してなる燃料電池単セル３７においては、冷媒流路３８の流路断面積は、燃料ガス流路３９と酸化剤ガス流路４０と膜電極接合体１４との接触面積により自動的に決まってしまう。
【００３２】
しかしながら、本実施の形態の燃料電池単セル２では、冷媒流路２９を別部品で構成していることから冷却するのに最適な流路断面積を確保し得る任意の流路断面とすることができる。したがって、図９に示す従来構造のものに比べてセルピッチＰを小さくすることができる。例えば、従来構造のものではセルピッチＰが１．５ｍｍであったものが、本実施の形態の構造ではセルピッチＰを１．２ｍｍ程度に短縮することができる。これにより、燃料電池の体積を従来構造のものに比べて１０％小さくすることが可能となり、出力密度（出力［ＫＷ］／燃料電池体積［リットル］）が１．４／０．９＝１．５５倍になる。
【００３３】
また、本実施の形態の燃料電池単セル２によれば、冷媒流路２９が燃料ガス流路１９及び酸化剤ガス流路２０と交差する方向としたので、冷媒の温度勾配が取れ、且つ広い面積から冷媒を流入できるので、冷却効率が向上し、流量低減による循環ポンプ低容量化などによって燃費向上が期待できる。また、燃料ガス流路１９及び酸化剤ガス流路２０と同じ方向に冷媒流路２９を設けた場合よりも流路を短くすることができ、圧力損失を低減することができる。
【００３４】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００３５】
上述した実施の形態の説明で使用した燃料電池スタック１の形状は、一例であってこの形状に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池単セルの分解斜視図である。
【図３】燃料電池単セルの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線位置における燃料電池単セルの拡大断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ線位置における燃料電池単セルの拡大断面図である。
【図６】（Ａ）は従来構造の平板形状とした膜電極接合体の断面図、（Ｂ）は本実施の形態構造の凹凸形状とした膜電極接合体の断面図である。
【図７】金属板からなるセパレータに凹凸形状をプレス加工して反りが発生した状態を示す従来構造のセパレータの斜視図である。
【図８】従来構造の燃料電池単セルの平面図である。
【図９】図８の従来構造の燃料電池単セルのＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…第１のセパレータ（アノードセパレータ）
１６…第２のセパレータ（カソードセパレータ）
１７…冷却板
１８…第３のセパレータ
１９…燃料ガス流路
２０…酸化剤ガス流路
２９…冷媒流路
【図１】
2006156037.tif 000003
【図２】
2006156037.tif 000004
【図３】
2006156037.tif 000005
【図４】
2006156037.tif 000006
【図５】
2006156037.tif 000007
【図６】
2006156037.tif 000008
【図７】
2006156037.tif 000009
【図８】
2006156037.tif 000010
【図９】
2006156037.tif 000011