(57)【要約】 【課題】  燃料電池単セルのズレが生じず、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差による膜電極接合体の破損の恐れが無く、しかも酸化剤ガス流路と燃料ガス流路両側の上流部におけるドライアップや下流部におけるフラッディングを抑制する。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する膜電極接合体４を挟んでその両面に、その厚みが外側から内側に向けて次第に薄く且つ燃料ガス流路８および酸化剤ガス流路１２の溝深さが入口側から出口側に向かって次第に浅くされた第１のセパレータ５と第２のセパレータ６を配置してなる燃料電池単セル２を、複数重ね合わせて円筒形とし、その円筒形状の積層体を締結部材で締め付けて固定する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟んでその一面に配置され、その厚みが外側から内側に向けて次第に薄く且つ燃料ガスが流れる燃料ガス流路の溝深さが入口側から出口側に向かって次第に浅くされた第１のセパレータと、
前記膜電極接合体を挟んでその他面に配置され、その厚みが外側から内側に向けて次第に薄く且つ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路の溝深さが入口側から出口側に向かって次第に浅くされた第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと第２のセパレータで前記膜電極接合体を挟み込んでなる燃料電池単セルを複数重ね合わせて円筒形とし、その円筒形状の積層体を締め付けて固定する締結部材とを備えた
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、
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスは、前記円筒形状とされた積層体の中心に向かって流れる
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記円筒形状とされた積層体の中心に向かって冷媒が流れる冷媒流路を有した冷却プレートを有し、その冷却プレートを、前記第１または第２のセパレータの何れかに接して配置させた
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、
少なくとも前記燃料ガス及び酸化剤ガスを前記第１および第２のセパレータに供給するガス供給用マニホールドと、少なくとも前記燃料ガス及び酸化剤ガスを積層体から外部へ排出させるガス排出用マニホールドを、前記積層体に相対向して設け、それらガス供給用マニホールドとガス排出用マニホールド間に、それらの対向距離を可変して各燃料電池単セルの積層方向に掛かる圧力を調整する積層圧調整手段を設けた
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、燃料電池に関し、詳細には、燃料電池単セル積層時の位置ズレ発生を防止でき、フラッディングを抑制することのできる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池の発電時には、酸化剤極側では酸素と水素イオンおよび電子から水を生成する反応が進行する。生成水が過剰になることをフラッディングと呼ぶが、このフラッディングは、酸化剤ガス流路下流部で起こり易く、酸化剤ガスの電極への拡散を低下させる。
【０００３】
また、酸化剤極側にて生成した水の一部は、逆拡散現象により燃料極側に移動するが、酸化剤極側においてフラッディングが起こると、逆拡散による燃料極側への水の移動量も増加し、その結果、燃料極側においても特にガス流速が低下する燃料ガス流路下流部にてフラッディングが起こり易い。
【０００４】
酸化剤ガスおよび燃料ガスを無加湿もしくは低加湿で供給した場合、フラッディングは抑制できるが、一方でガス流路上流部における電解質膜の乾燥（ドライアップ）が起こり易くなり、電解質膜中の水素イオンの移動が抑制される。そのため、定電圧で燃料電池を運転しているときにこれらの現象が生じた場合は、発電で得られる電流が低下してしまう。
【０００５】
また、定電流にて燃料電池を運転しているときにこれらの現象が生じた場合、電圧が低下してしまうだけでなく、電極の一部が使用されなくなるため使用されている部分に電流が集中し、発電の際に発生する熱による電極や電解質膜の劣化が加速する恐れがある。
【０００６】
そこで、一定厚さのセパレータにて、このセパレータに形成された燃料ガス流路の溝深さを入口から出口にかけて徐々に浅くすることで、燃料ガス流路下流部における流速の低下を防止し、燃料ガス流路におけるフラッディングを抑制した燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、この場合、溝深さを変化させるのは燃料ガス流路側だけであるため、酸化剤極側のフラッディングには効果が無い。また、セパレータ厚さは溝深さの最も深い位置で決定されるため、セパレータ厚さがセル全面にて厚くなり、溝深さが浅い位置ではセパレータ厚さに無駄が生じ、その結果スタックの積層方向長さが大となりスタック重量も増加してしまう。
【０００８】
そこで、さらに従来、燃料ガスと酸化剤ガスの流れの向きを互いに逆向きにし、セパレータに形成された燃料ガス流路溝深さと酸化剤ガス流路溝深さを共に入口から出口にかけて徐々に浅くし、燃料ガス流路溝深さと酸化剤ガス流路溝深さの和を一定にすることで、セパレータ厚さに無駄が生じず、スタックをコンパクトかつ軽量にした構造の燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
この特許文献２に記載の燃料電池では、燃料ガス流路下流部だけでなく酸化剤ガス流路下流部のガス流速を上げることができるので、酸化剤ガス側のフラッディングも抑制できる。さらに、冷媒の流れを酸化剤ガスと同じ向きにした場合、酸化剤ガス流路上流部の温度が下降するため、この部分におけるドライアップが抑制され、その一方、酸化剤ガス流路下流部の温度が上昇するため、この部分におけるフラッディングが抑制される。
【特許文献１】特開平１１−１６５９０号公報（第２頁から第４頁、第１図）
【特許文献１】特開２００３−１３２９１１号公報（第３頁及び第４頁、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献２に記載の燃料電池では、燃料電池単セルの断面形状が平行四辺形となるため、積層したときにスタック両端から積層方向にかかる力がせん断力となり、各燃料電池単セルにズレが生じる可能性がある。
【００１１】
また、特許文献２に記載の燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスの流れの向きが互いに逆であるため、燃料ガス流路の燃料ガス圧が高い位置の膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）を挟んで反対側の酸化剤ガス流路では、酸化剤ガス圧が低くなっている。その一方で、酸化剤ガス流路の酸化剤ガス圧が高い位置の膜電極接合体を挟んで反対側の燃料ガス流路では、燃料ガス圧が低くなっている。
【００１２】
このため、特許文献２に記載の燃料電池では、特に両端における燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差が大きくなり、膜電極接合体にストレスを与え、最悪の場合、当該膜電極接合体が破損する可能性もある。膜電極接合体が破損した場合、燃料ガスと酸化剤ガスが直接混合し燃焼するため、発電が継続できなくなるばかりか安全上大きな問題となる。
【００１３】
また、冷媒の流れを酸化剤ガスと同じ向きにした場合、酸化剤ガス流路上流部の温度が下降するためにこの部分におけるドライアップが抑制され、酸化剤ガス流路下流部の温度が上昇するためにこの部分におけるフラッディングが抑制されるが、逆に燃料ガス流路上流部の温度が上昇するためにこの部分におけるドライアップが促進され、その一方で、燃料ガス下流部の温度が下降するためにこの部分におけるフラッディングが促進される。
【００１４】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、セパレータ厚さの無駄や燃料電池単セルのズレが生じず、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差による膜電極接合体の破損の恐れが無く、しかも酸化剤ガス流路と燃料ガス流路両側の上流部におけるドライアップや下流部におけるフラッディングを抑制することのできる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】
【００１５】
本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する膜電極接合体を、その両側から燃料ガスが流れる燃料ガス流路が形成された第１のセパレータと、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路が形成された第２のセパレータで挟み込んでなる燃料電池単セルを、複数重ね合わせて円筒形とし、その円筒形状の積層体を締結部材で締め付けて固定した。
【００１６】
そして、本発明の燃料電池では、第１のセパレータと第２のセパレータを、その厚みが外側から内側に向けて次第に薄くなるようにし、さらに、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の溝深さが入口側から出口側に向かって次第に浅くなるように形成している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第１のセパレータ及び第２のセパレータの厚みを外側から内側に向けて次第に薄くなるようにし、さらに燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の溝深さを入口側から出口側に向かって次第に浅くなるようにしたので、これら第１および第２のセパレータで膜電極接合体を挟み込んでなる燃料電池単セルを複数重ね合わせて円筒形状の積層体を構成した場合、燃料電池単セルが平行四辺形にならず、積層によって各燃料電池単セル間のズレを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
「燃料電池の構成」
図１は本実施の形態における燃料電池の斜視図、図２は燃料電池単セルの拡大斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４（Ａ）は燃料ガス流路が形成された第１のセパレータを示す平面図、図４（Ｂ）は酸化剤ガス流路が形成された第２のセパレータの平面図、図４（Ｃ）は冷却プレートの平面図、図５（Ａ）はガス冷媒排出用マニホールドを示す拡大斜視図、図５（Ｂ）はガス冷媒供給用マニホールドを示す拡大斜視図、図６はガス冷媒排出用マニホールドとガス冷媒供給用マニホールド間に設けた積層圧調整手段を示す図である。
【００２０】
本実施の形態の燃料電池１は、図１に示すように、複数個の燃料電池単セル２を積層して円筒形とし、その円筒形状の積層体を締結部材３で締め付け固定することにより構成されている。
【００２１】
燃料電池単セル２は、図２および図３に示すように、膜電極接合体４と、燃料ガスが流れるアノードセパレータである第１のセパレータ５と、酸化剤ガスが流れるカソードセパレータである第２のセパレータ６と、少なくとも第１のセパレータ５と第２のセパレータ６の何れかに接して設けられる冷却プレート７とからなる。
【００２２】
なお、冷却プレート７は、全ての燃料電池単セル２に設置してもよく、または一部の燃料電池単セル２にのみ設置してもよい。また、冷却プレート７は、必ずしも第１のセパレータ５と第２のセパレータ６の何れかに接して設ける必要はなく、燃料電池単セル２を冷却する必要性の有無に応じて設ける。
【００２３】
膜電極接合体４は、例えば固体高分子電解質膜を挟んでその両側に燃料極と酸化剤極をそれぞれ配置して構成され、必要に応じて燃料極と酸化剤極の両側にガス拡散層が配置される。この膜電極接合体４では、その両側に配置された燃料極に供給された燃料ガス（例えば水素）と、酸化剤極に供給された酸化剤ガス（例えば酸素）とが反応することで発電がなされる。
【００２４】
第１のセパレータ５は、図３および図４（Ａ）に示すように、膜電極接合体４を挟んでその一面４ａ、すなわち燃料極が設けられた側面に配置される。かかる第１のセパレータ５は、膜電極接合体４との接合面が平面視略矩形状とされると共に、その厚みが積層体の外側から内側に向けて次第に薄くされた、いわゆる扇形状とされている。
【００２５】
そして、第１のセパレータ５には、膜電極接合体４の燃料極と対向する面に、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路８が形成されている。この燃料ガス流路８は、燃料ガスの流れる方向を図３中矢印で示した場合、その溝深さが入口側から出口側に向かって次第に浅くされている。つまり、この燃料ガス流路８の入口側では燃料ガスの流速が高く、出口側に向かって次第にその燃料ガスの流速は低くなるようになされている。
【００２６】
また、第１のセパレータ５には、燃料ガス流路８と連通する開口孔として形成される燃料ガス入口内部マニホルド９Ａと燃料ガス出口内部マニホルド９Ｂとが対角線上の隅部に形成されている。また、第１のセパレータ５には、前記燃料ガス入口内部マニホルド９Ａと燃料ガス出口内部マニホルド９Ｂが設けられた対角線とは反対側の対角線上の隅部に、後述する酸化剤ガス流路と連通する開口孔として形成される酸化剤ガス入口内部マニホールド１０Ａと酸化剤ガス出口内部マニホールド１０Ｂとが形成されている。
【００２７】
さらに、この第１のセパレータ５には、後述する冷媒流路と連通する開口孔として形成される冷媒入口内部マニホルド１１Ａと冷媒出口内部マニホルド１１Ｂとが形成されている。冷媒入口内部マニホルド１１Ａは、燃料ガス入口内部マニホルド９Ａと酸化剤ガス入口内部マニホールド１０Ａとの間に設けられ、冷媒出口内部マニホルド１１Ｂは、燃料ガス出口内部マニホルド９Ｂと酸化剤ガス出口内部マイニホールド１０Ｂとの間に設けられている。
【００２８】
第２のセパレータ６は、図３および図４（Ｂ）に示すように、膜電極接合体４を挟んでその他面４ｂ、すなわち酸化剤極が設けられた側面に配置される。かかる第２のセパレータ６は、第１のセパレータ５と同様、膜電極接合体４との接合面が平面視略矩形状とされると共に、その厚みが積層体の外側から内側に向けて次第に薄くされた、いわゆる扇形状とされている。
【００２９】
そして、第２のセパレータ６には、膜電極接合体４の酸化剤極と対向する面に、該酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路１２が形成されている。この酸化剤ガス流路１２は、酸化剤ガスの流れる方向を図３中矢印で示した場合、その溝深さが入口側から出口側に向かって次第に浅くされ、入口側では酸化剤ガスが多く流れ、出口側に向かって次第にその酸化剤ガスの流量は少なくなるようになされている。
【００３０】
また、この第２のセパレータ６には、前記酸化剤ガス流路１２と連通する酸化剤ガス入口内部マニホールド１０Ａと酸化剤ガス出口内部マイニホールド１０Ｂと、厚み方向（積層方向）に貫通する燃料ガス入口内部マニホルド９Ａおよび燃料ガス出口内部マニホルド９Ｂ、並びに冷媒入口内部マニホルド１１Ａと冷媒出口内部マニホルド１１Ｂとが形成されている。
【００３１】
冷却プレート７は、図３および図４（Ｃ）に示すように、第２のセパレータ６に接して設けられ、この第２のセパレータ６との接合面が平面視略矩形状とされている。この冷却プレート７は、第１のセパレータ５および第２のセパレータ６とは異なり、その厚みを一定の厚みとしている。かかる冷却プレート７には、図３中矢印で示すように、円筒形状とされた積層体の中心に向かって冷媒（例えば冷却水）が流れる冷媒流路１３が形成されている。
【００３２】
また、この冷却プレート７には、冷媒流路１３と連通する冷媒入口内部マニホルド１１Ａと冷媒出口内部マニホルド１１Ｂと、厚み方向に貫通する燃料ガス入口内部マニホルド９Ａおよび燃料ガス出口内部マニホルド９Ｂ、並びに酸化剤ガス入口内部マニホールド１０Ａと酸化剤ガス出口内部マイニホールド１０Ｂとが形成されている。
【００３３】
このように構成された燃料電池単セル２は、図１に示すように、お互いの燃料電池単セル２同士を密着させて複数積層することで円筒形の積層体を構成する。円筒形とされた積層体は、発電時の熱に耐えられるように耐熱性に優れたバンドやベルトなどの締結部材３で、その積層体の外周面を中心方向に締め付けることにより固定される。
【００３４】
そして、この積層体の両端部には、図５および図６に示すように、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を各燃料電池単セル２に供給するためのガス供給用マニホールド１４と、各燃料電池単セル２から外部へ燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を排出させるためのガス排出用マニホールド１５とが設けられている。
【００３５】
ガス供給用マニホールド１４は、第１および第２のセパレータ５、６と同様、扇形状とされている。このガス供給用マニホールド１４には、各燃料電池単セル２の第１セパレータ５に形成された燃料ガス流路８に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口１６が設けられている。そして、このガス供給用マニホールド１４の一面１４ａには、燃料ガス供給口１６からその内部に供給された燃料ガスを、前記した燃料ガス入口内部マニホルド９Ａへ供給させるための燃料ガス供給用開口窓１７が形成されている。
【００３６】
また、ガス供給用マニホールド１４には、各燃料電池単セル２の第２のセパレータ６に形成された酸化剤ガス流路１２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口１８が設けられている。そして同様に、ガス供給用マニホールド１４の一面１４ａには、酸化剤ガス供給口１８からその内部に供給された酸化剤ガスを、前記した酸化剤ガス入口内部マニホールド１０Ａへ供給させるための酸化剤ガス供給用開口窓１９が形成されている。
【００３７】
さらに、このガス供給用マニホールド１４には、冷却プレート７に形成された冷媒流路１３に冷媒を供給するための冷媒供給口２０が設けられている。そして、このガス供給用マニホールド１４の一面１４ａには、冷媒供給口２０からその内部に供給された冷媒を、前記した冷媒入口内部マニホルド１１Ａへ供給させるための冷媒供給用開口窓２１が形成されている。
【００３８】
一方、ガス排出用マニホールド１５は、ガス供給用マニホールド１４と同じく扇形状とされ、燃料電池単セル２から燃料ガスを外部へと排出させるための燃料ガス排出口２２と、酸化剤ガスを外部へ排出させるための酸化剤ガス排出口２３と、冷媒を外部へ排出させるための冷媒排出口２４とを有している。また、このガス排出用マニホールド１５の一面１５ａには、燃料ガス出口内部マニホルド９Ｂと接続される燃料ガス排出用開口窓２５と、酸化剤ガス出口内部マイニホールド１０Ｂと接続される酸化剤ガス排出用開口窓２６と、冷媒出口内部マニホルド１１Ｂと接続される冷媒排出用開口窓２７とが形成されている。
【００３９】
また、ガス供給用マニホールド１４と燃料電池単セル２との間には、燃料電池単セル２で発電して得られた電流を外部に取り出すための集電板２８と、この集電板２８とガス供給用マニホールド１４間を絶縁する絶縁板２９とが設けられている。同様に、ガス排出用マニホールド１５と燃料電池単セル２との間にも集電板２８と絶縁板２９とが設けられている。
【００４０】
また、積層体の両端部には、図６に示すように、ガス供給用マニホールド１４とガス排出用マニホールド１５間の対向距離を可変して各燃料電池単セル２の積層方向に掛かる圧力を調整する積層圧調整手段が設けられている。積層圧調整手段は、全ねじボルト３０と、この全ねじボルト３０に螺合するナット３１からなる。
【００４１】
全ねじボルト３０は、一方の端部をガス供給用マニホールド１４に螺合させると共に、他方の端部をガス排出用マニホールド１５に螺合させることで、これらガス供給用マニホールド１４とガス排出用マニホールド１５を連結させている。ナット３１は、全ねじボルト３０に取り付けられており、ガス供給用マニホールド１４とガス排出用マニホールド１５間の対向距離を保持するのに使用される。つまり、ガス供給用マニホールド１４とガス排出用マニホールド１５とが互いに離れる方向に移動するように全ねじボルト３０を回して、膜電極接合体４と第１および第２のセパレータ５、６にかかる面圧が面内で均一となるようにしたときに、その状態を保持するためにナット３１で固定する。
【００４２】
「作用・効果」
以上のように構成された燃料電池によれば、燃料電池単セル２の断面形状は平行四辺形ではなく、一方の面が水平面であり、且つ各燃料電池単セル２を円筒状に積層しその周面を締結部材３で締め付けるようにしたので、燃料電池単セル２の位置ずれを抑制することができる。
【００４３】
また、本実施の形態の燃料電池では、第１のセパレータ５および第２のセパレータ６のガス流れ上流側では燃料ガス流路８と酸化剤ガス流路１２の溝深さが深く、ガス流れ下流側では溝深さが浅いため、燃料ガスならびに酸化剤ガスの流速は下流に向かうに従って高くなる。その結果、フラッディングし易いガス下流側において、凝縮水を吹き飛ばすことでフラッディングを抑制できる。
【００４４】
また、本実施の形態の燃料電池では、燃料ガスならびに酸化剤ガスの流れが円筒形状とされた積層体の中心に向かうと共に同一方向とされているため、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差が大きくなる部位がなく、膜電極接合体４の破損を抑制できる。さらに、冷媒の流れも燃料ガスならびに酸化剤ガスと同一の方向であるため、ドライアップの起こり易いガス入口付近における温度が低下することで飽和蒸気圧が低下し、凝縮し易い状況となりドライアップを抑制できる。また、フラッディングの起こり易いガス出口付近における温度が上昇することで飽和蒸気圧が上昇し、凝縮し難い状況となりフラッディングを抑制できる。
【００４５】
また、本実施の形態の燃料電池によれば、ガス供給用マニホールド１４とガス排出用マニホールド１５間にそれらの対向距離を可変して各燃料電池単セル２の積層方向に掛かる圧力を調整する積層圧調整手段を設けたので、燃料電池単セル２を円筒状に積層したときに生ずる寸法公差の合計により積層体が完全な円筒にならない場合でも、セル数を調整することなく各セパレータ５、６および膜電極接合体４にかかる面圧を面内で均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施の形態における燃料電池の斜視図である。
【図２】燃料電池単セルの拡大斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４（Ａ）は燃料ガス流路が形成された第１のセパレータを示す平面図、図４（Ｂ）は酸化剤ガス流路が形成された第２のセパレータの平面図、図４（Ｃ）は冷媒流路が形成された冷却プレートの平面図である。
【図５】図５（Ａ）はガス冷媒排出用マニホールドを示す拡大斜視図、図５（Ｂ）はガス冷媒供給用マニホールドを示す拡大斜視図である。
【図６】ガス冷媒排出用マニホールドとガス冷媒供給用マニホールド間に設けた積層圧調整手段を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池
２…燃料電池単セル
３…締結部材
４…膜電極接合体
５…第１のセパレータ
６…第２のセパレータ
７…冷却プレート
８…燃料ガス流路
１２…酸化剤ガス流路
１３…冷媒流路
１４…ガス供給用マニホールド
１５…ガス排出用マニホールド
２８…集電板
２９…絶縁板
３０…全ねじボルト（積層圧調整手段）
３１…ナット（積層圧調整手段）
【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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