(57)【要約】      （修正有）【課題】  ３流体による分配構造の複雑化を防止するとともに、積層厚さを薄くして、燃料電池としての出力密度を向上させる。【解決手段】  セパレータ１のガス流路（空気流路１５）を備える発電領域より外側部位に、冷却フィン７，９を一体化して設ける。冷却フィン７，９を覆うように、外部カバー２７，２９をそれぞれ設け、外部カバー２７，２９内側の冷却水供給空間に冷却水を供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成した燃料電池において、前記各電極を備えた発電領域よりも外側に突出する冷却フィンを前記セパレータに設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記冷却フィンは、前記セパレータと一体化していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記発電領域を長方形状とし、この長方形状の長辺部に対応する部位に前記冷却フィンを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記冷却フィンの周囲を覆う外部カバーを設け、この外部カバー内に冷却媒体を供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記外部カバー内に供給する冷却媒体の圧力を、燃料電池内部のガス圧力以上に設定したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。
【０００３】
このような燃料電池は、アノード側電極と一方のセパレータとの間に燃料ガスである水素ガスを供給し、カソード側電極と他方のセパレータとの間に酸化剤ガスである空気を供給し、さらにセパレータの電極と反対側に冷却水を供給する。
【０００４】
したがって、この燃料電池は、燃料電池内部のいわゆる発電領域に、水素ガス、空気、冷却水の３流体を供給していることになる（例えば、下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１７４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池では、上記したように、燃料電池内部の発電領域における、両面に電極を備えた電解質膜とセパレータの積層方向の異なる位置に、水素ガス、空気、冷却水の３流体を、それぞれ別々に供給しているので、３流体の分配構造が複雑化し、また積層厚さも厚くなって、燃料電池としての出力密度が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、３流体による分配構造の複雑化を防止するとともに、積層厚さを薄くして、燃料電池としての出力密度を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電解質膜の一方側にアノード側電極を、同他方側にカソード側電極をそれぞれ配置し、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成した燃料電池において、前記各電極を備えた発電領域よりも外側に突出する冷却フィンを前記セパレータに設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電極を備えた発電領域よりも外側に突出する冷却フィンをセパレータに設けたので、発電領域には冷却媒体を供給する必要がなく、燃料ガスと酸化剤ガスの２流体のみを発電領域に供給すればよく、流体の分配構造が、３流体を発電領域に供給する場合に比較して簡素化し、積層厚さも薄くなって燃料電池としての出力密度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池の内部構造を示す斜視図で、図１中で紙面表側にはセパレータ１の空気流路面が見えている。図２（ａ）は、図１におけるセパレータ１の左側端部付近を拡大した正面図で、図２（ｂ）は、セパレータ１と、両面に電極（一方の面にアノード側電極、他方の面にカソード側電極）を備えた固体高分子電解質膜３とを交互に積層した状態を図２（ａ）の上面から見た図に相当し、図２（ｃ）は同積層した状態を図２（ａ）の右側から見た図に相当する。
【００１１】
図１ではセパレータ１と固体高分子電解質膜３とを矢印Ａ方向に交互に積層し、その両端を図示しないエンドプレートで挟んで固定し、これにより単位電池を多数積層した燃料電池スタックを構成する。
【００１２】
セパレータ１は、金属母材を金などの耐蝕皮膜で被覆したもの、ステンレス合金、チタン合金、樹脂とカーボンの混合体、あるいはこれらを組み合わせたものとし、図３にその全体を示すように、中央にて長方形に形成した空気流路面を備える発電領域５と、発電領域５の図３中で上下両側の冷却フィン７，９と、発電領域５の左右両側のマニホールド部１１，１３とを、それぞれ備えている。
【００１３】
ここでのセパレータ１は、ステンレス合金などからなる金属製プレートを、図２（ｃ）に示すように、発電領域５に対して凹凸状にプレス成形して図２（ｃ）中で左側の一方の面の凹部を空気流路１５とし、同右側の他方の面の凹部を水素流路１７とする。
【００１４】
セパレータ１における冷却フィン７，９の発電領域５の近傍には、この発電領域５に沿って貫通孔７ａ，９ａを形成する。
【００１５】
セパレータ１における一方のマニホールド部１１は、図３中で上部側にてスタック積層方向に貫通する空気入口マニホールド１１ａと、図３中で下部側にてスタック積層方向に貫通する水素出口マニホールド１１ｂとをそれぞれ備える。また、他方のマニホールド部１３は、図３中で上部側にてスタック積層方向に貫通する水素入口マニホールド１３ａと、図３中で下部側にてスタック積層方向に貫通する空気出口マニホールド１３ｂとをそれぞれ備える。
【００１６】
そして、このセパレータ１の図３中で紙面表側には、発電領域５とマニホールド部１１，１３とを含む図３中で左右方向に長い長方形部位全体の周囲と、水素出口マニホールド１１ｂおよび水素入口マニホールド１３ａのそれぞれの周囲に、積層部材相互間のガスシール材として機能する樹脂モールド部１９を、金属製プレートに一体成形している。
【００１７】
これにより、空気入口マニホールド１１ａと空気流路１５との間に、これら両者をつなぐ空気入口ガイド流路２１を形成するとともに、空気流路１５と空気出口マニホールド１３ｂとの間に、これら両者をつなぐ空気出口ガイド流路２３を形成する。
【００１８】
同様にして、セパレータ１の図３中で紙面裏側には、発電領域５とマニホールド部１１，１３とを含む図３中で左右方向に長い長方形部位全体の周囲と、空気入口マニホールド１１ａおよび空気出口マニホールド１３ｂのそれぞれの周囲に、積層部材相互間のガスシール材として機能する樹脂モールド部２５（図２（ｂ），（ｃ）参照）を、金属製プレートに一体成形する。
【００１９】
これにより、水素入口マニホールド１３ａと水素流路１７との間に、これら両者をつなぐ図示しない水素入口ガイド流路を形成するとともに、水素流路１７と水素出口マニホールド１１ｂとの間に、これら両者をつなぐ図示しない水素出口ガイド流路を形成する。
【００２０】
そして、図１に示すように、上下の冷却フィン７，９の周囲をそれぞれ覆うように、上下の外部カバー２７，２９を設ける。外部カバー２７，２９は図１中で左右両端部２７ａ，２９ａを、セパレータ１のマニホールド部１１，１３および固体高分子電解質膜３の各側面に接合固定し、冷却フィン７，９の発電領域５側を除く３方との間に、冷却媒体としての冷却水を供給する冷却水供給空間３１，３３をそれぞれ形成する。
【００２１】
冷却水供給空間３１，３３への冷却水の供給は、図４に示すように、燃料電池スタックの積層方向（図４中で左右方向）一方側に設けた増圧ポンプ３５によって行う。増圧ポンプ３５と冷却水供給空間３１，３３とは冷却水供給配管３７で接続し、冷却水供給配管３７の途中に設けた温度調整装置３９によって冷却水の温度調整を行う。
【００２２】
また、燃料電池スタックの積層方向他方側においては、冷却水供給空間３１，３３に冷却水排出配管４１を接続し、冷却水排出配管４１の途中に背圧弁４３を設置する。この背圧弁４３と増圧ポンプ３５とにより、冷却水に付与する圧力Ｐoutを制御する。
【００２３】
なお、外部カバー２７，２９の図４中で左右方向両端部は開口しており、この開口部を端板４５，４７によって塞ぎ、端板４５，４７にそれぞれ形成した貫通孔４５ａ，４７ａに、前記した冷却水供給配管３７，冷却水排出配管４１をそれぞれ接続している。
【００２４】
上記した冷却水に付与する圧力Ｐoutは、図４のＢ部を拡大して示した図５のように、燃料電池内部のガス圧力Ｐin（水素ガス圧力および空気ガス圧力）以上に設定する。
【００２５】
上記した燃料電池は、燃料ガスとして水素を水素流路１７に供給するとともに、酸化剤ガスとして空気を空気流路１５に供給し、これらが水素流路１７および空気流路１５に対応して配置される電極を備えた発電領域５にて反応して発電を行う。このとき、冷却水については、増圧ポンプ３５によって、発電領域５よりも外側に突出する冷却フィン７，９を収容する冷却水供給空間３１，３３に、温度および圧力を制御した状態で供給する。
【００２６】
冷却水供給空間３１，３３に流入した冷却水は冷却フィン７，９を冷却し、発電領域５での発熱による温度上昇を抑える。冷却水は、冷却フィン７，９の貫通孔７ａ，９ａにも入り込むので、冷却効果がより高まる。
【００２７】
このように、本実施形態の燃料電池によれば、発電領域５には冷却水を供給する必要がなく、水素ガスと空気の２流体のみを発電領域５に供給すればよく、このため流体の分配構造としては、冷却水を含む３流体を発電領域５に供給する場合に比較して簡素化し、スタック積層厚さも薄くなり、燃料電池としての出力密度が向上する。
【００２８】
また、長方形状とした発電領域５の長辺部に対応して冷却フィン７，９を設けているので、発電領域５の短辺部に対応して冷却フィンを設けた場合に比較して、冷却フィンの面積を同等とした場合に発電領域５からの平均的な距離を短縮でき、冷却効率が向上する。
【００２９】
また、図５に示したように、冷却水に付与する圧力Ｐoutを、燃料電池内部のガス圧力Ｐin以上に設定することで、シール機能を有する前記した樹脂モールド部１９，２５に外部から圧力を付与することになり、燃料電池内部の水素ガスおよび空気の漏れを防止してシール性を向上させることができる。
【００３０】
なお、外部カバー２７，２９を廃止し、冷却フィン７，９を空気により直接冷却するようにしてもよい。また、樹脂モールド部１９，２５に代えて、シール材を別途設けるようにしてもよい。
【００３１】
本発明によれば、前記冷却フィンは、前記セパレータと一体化しているので、セパレータ製造時に、冷却フィンも同時に製造でき、別途冷却フィンを製造する場合に比較して、製造コストを低減できるとともに、部品点数が減少する。
【００３２】
前記発電領域を長方形状とし、この長方形状の長辺部に対応する部位に前記冷却フィンを設けたので、短辺部に対応する部位に冷却フィンを設けた場合に比較して、冷却フィンの面積を同等とした場合に発電領域からの平均的な距離を短縮でき、冷却効率が向上する。
【００３３】
前記冷却フィンの周囲を覆う外部カバーを設け、この外部カバー内に冷却媒体を供給するので、冷却フィンの冷却を効率よく行うことができる。
【００３４】
前記外部カバー内に供給する冷却媒体の圧力を、燃料電池内部のガス圧力以上に設定したので、燃料電池内部のガス漏れを防止してシール性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係わる燃料電池の内部構造を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１のセパレータの左側端部付近を拡大した正面図、（ｂ）は、セパレータと両面に電極を備えた固体高分子電解質膜とを交互に積層した状態を（ａ）の上面から見た図に相当する積層状態図、（ｃ）は同積層した状態を図２（ａ）の右側から見た図に相当する積層状態図である。
【図３】図１の燃料電池におけるセパレータ全体の正面図である。
【図４】燃料電池への冷却水供給システムを示す全体構成図である。
【図５】図４のＢ部の拡大した断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  セパレータ
３  固体高分子電解質膜
５  発電領域
７，９  冷却フィン
２７，２９  外部カバー
Ｐout  外部カバー内に供給する冷却媒体の圧力
Ｐin  燃料電池内部のガス圧力
【図１】
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【図２】
2006032007.tif 000004
【図３】
2006032007.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006032007.tif 000007