(57)【要約】【課題】  組み立て時のバラツキを抑えることができる燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜・電極構造体１と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータ３とからなるセルを積層して形成される燃料電池において、前記セパレータは、前記電極に接触し、中央部に形成された中央流路８と、この流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する入口マニホールド６と、中央流路を介して前記入口マニホールドと反対側に形成され、中央流路からの燃料ガスまたは酸化剤ガスを排出する出口マニホールド７とを備え、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータの積層時に位置決めとなる第１の基準５を出口マニホールド近傍に設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜・電極構造体と、
この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとからなるセルを積層して形成される燃料電池において、
前記セパレータは、前記電極に接触し、中央部に形成された中央流路と、この中央流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する入口マニホールドと、前記中央流路を介して前記入口マニホールドと反対側に形成され、前記中央流路からの燃料ガスまたは酸化剤ガスを排出する出口マニホールドとを備え、
前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータの積層時に位置決めとなる第１の基準を出口マニホールド近傍に設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤ガスが空気の場合には、前記第１の基準を空気の出口マニホールド近傍に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１の基準は、前記セルを積層方向に貫通する貫通孔と、積層時に前記貫通孔に嵌合するピンとで構成される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】
前記第１の基準は、前記セパレータの外縁の直線部と、積層時に前記直線部を固定する固定部材からなる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５】
前記入口マニホールド近傍に第２の基準を設け、
この第２の基準は、前記セルを積層方向に貫通する貫通孔と、この貫通孔の内径より小さい外径を有し、積層時に前記貫通孔を貫通するピンからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記入口マニホールド近傍に第３の基準を設け、
この第３の基準は、前記セルの外縁に楔状に形成された切り欠きと、積層時に前記切り欠きに嵌合するピンからなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記入口マニホールド近傍に第４の基準を設け、
この第４の基準は、入口マニホールド近傍の前記セパレータ外縁の直線部と、積層時に前記直線部を固定する部材からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記入口マニホールドの直線部と、積層時に前記直線部を保持する保持部材からなる第５の基準を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記セパレータを四角形状に形成して、かつ垂直に設置し、
前記入口マニホールドと前記出口マニホールドとを前記セパレータの中央部を挟んで両側に配置し、
酸化剤ガスの前記出口マニホールドを前記セパレータの下側角部に設け、酸化剤ガスの前記入口マニホールドを対角線上の上側角部に設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記セパレータは、燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガスの流れ方向が反対となるように前記中央流路、前記入口マニホールドおよび前記出口マニホールドとを配置し、前記第１の基準は、前記酸化剤ガスの出口マニホールド近傍に設けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
電解質膜・電極構造体と、
この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとからなるセルを積層して形成される燃料電池において、
前記セパレータは、前記電極に接触し、中央部に形成された中央流路と、この中央流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する入口マニホールドと、前記中央流路を介して前記入口マニホールドと並列に形成され、前記中央流路からの燃料ガスまたは酸化剤ガスを排出する出口マニホールドと、前記入口マニホールドおよび前記出口マニホールドと前記中央流路を挟んで反対側に形成される中央マニホールドを備え、燃料ガスまたは酸化剤ガスが前記入口マニホールドから前記中央マニホールドを経由して前記出口マニホールドに供給されるように形成され、
前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータの積層時に位置決めとなる第６の基準を前記中央マニホールド近傍に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、特に燃料電池の組み立てに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる。
【０００３】
陽極反応：    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                          （１）
陰極反応：    ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ          （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、積層体を構成している。
【０００４】
単位セルの構成の一例として、特許文献１に示すものがある。この構成は、セパレータの断面形状を波型形状に設けることにより燃料電池の出力向上を目的としたものである。
【特許文献１】特開2004-103255号公報
【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、前述の構成では、断面が波型形状をとるセパレータでは、積層体のシール機能を果たす部分とガス流路との間に前述の化学反応が生じない空間ができる。単位セルを積層していく際、積層時の衝となる箇所から離れた場所では、ＭＥＡの反応面内方向のズレが生じる。そのズレによって、ＭＥＡの一部が化学反応に関係しない空間へはみ出ると、まず前述の化学反応が生じるアクティブエリアの減少によって出力密度が低下する。また、化学反応に関係しない空間は、ガスの流速が小さく、はみ出した電解質膜は供給されるガスの不足により、電解質膜の劣化が起こる。電解質膜がはみ出さないように設計することは、電解質膜の反応面積がセパレータに対し小さくなることに繋がり、電解質膜の反応面積に対する実際に反応生じるアクティブエリアの比であるアクティブエリアレシオが低下して出力密度が減少するという問題がある。また、化学反応に関係しない空間にも化学反応に十分なガス量を供給させるように燃料電池システム全体のストイキを上げると、空気の供給量の増大に伴ってコンプレッサの運転効率が低下し、システム全体の効率を下げることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電解質膜・電極構造体と、この電解質膜・電極構造体を挟持して、各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとからなるセルを積層して形成される燃料電池において、前記セパレータは、前記電極に接触し、中央部に形成された中央流路と、この流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する入口マニホールドと、前記中央流路を介して前記入口マニホールドと反対側に形成され、前記中央流路からの燃料ガスまたは酸化剤ガスを排出する出口マニホールドとを備え、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータの積層時に位置決めとなる第１の基準を出口マニホールド近傍に設ける。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、積層時の第１の基準よりも遠い位置で、電解質膜・電極構造体んおセパレータに対するズレが大きく、このズレは燃料ガスまたは酸化剤ガスの入口マニホールド内に存在する。したがって、セル内で相対的にストイキの大きなガスが入口マニホールドに流れるため、燃料ガスまたは酸化剤ガスの不足によるズレ部の出力低下/膜の劣化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、燃料電池セルを積層状に組み立て時の位置決めの衝となる点基準５を設け、点基準５が四角形状の単セルの角部に配置する状態を示した構成図である。図２は、点基準５の構成を示す図であり、図３は、図１に示すセルの積層時に生じるセパレータ３と電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）ＭＥＡ１のズレ１５を説明する断面図である。
【０００９】
ＭＥＡ１、セパレータ３等の寸法公差が積み上がることで、積層時の点基準５を中心に積層方向の軸回りに反応面２に振れ１６が生じ、ＭＥＡ１とセパレータ３の間に所定の位置からのズレ１５が生じる。このようなズレ１５の発生を抑制するためには、位置決めとなる線基準を用いることが考えられる。しかしながら、本発明の場合には、たとえばプレスによって成形されたセパレータ３が、燃料電池の積層方向の厚さを薄くする観点から金属薄板で形成され、セパレータ端部の形状を精度よくプレス加工することができず、端部を線基準として用いることが難しい。また金属薄板を用いると、特に端部は撓みやすく、端部の真直度が出にくい。したがって、金属薄板を用いたセパレータ３を積層する場合には、端部を基準とすることが難しい。
【００１０】
なお、衝となる点基準５の構成としては、図２に示すように、ＭＥＡ１、セパレータ３ａ、３ｂに形成された貫通孔５ａ〜５ｃと、積層時に、形成された貫通孔５ａ〜５ｃを貫通する貫通ピン５ｄとで構成される。貫通孔５ａ〜５ｃと貫通ピン５ｄとのはめあい交差は、製造上許容される下限値に相当するものとする。そして、貫通ピン５ｄを積層状の燃料電池から引き抜いて燃料電池の組み立て工程が終了する。
【００１１】
図３は、ＭＥＡ１の断面を示したものである。ＭＥＡ１が波型のセパレータ３ａ、３ｂに挟持され、ＭＥＡ１とセパレータ３ａ、３ｂ間に、燃料ガス流路９、酸化ガス流路１０、冷却水流路１１が中央流路８として形成される。この構成を説明すると、ＭＥＡ１を挟持するセパレータ３ａ、３ｂは、ＭＥＡ１の反応面２に対面する領域に波型の中央流路８を形成する。図にしたがって説明すると、ＭＥＡ１のアノード側（図の上側）に設けられた波型のセパレータ３ａの凹部４ａは、アノード側反応面２に接して燃料ガス流路９を画成する。一方、カソード側に設けられた波型のセパレータ３ｂの凸部４ｄは、ＭＥＡ１のカソード側反応面２に接して酸化剤ガス流路１０を画成する。さらに、セパレータ３ａの凸部４ｂは、隣接する上側のセパレータの凹部４ｃに接し、冷却水流路１１を画成する。このようにして各流路９、１０、１１が独立して形成され、各流路に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が流通することで、燃料電池が所定の発電を適正に行うことができる。
【００１２】
図３において、上側のＭＥＡ１のセパレータに対する配置が適正な位置であり、下側のＭＥＡ１の配置が前述のズレ１５が生じた場合を示している。図３で破線で示す領域までが、前述の化学反応を生じ、発電作用を備えるアクティブエリアである反応面２である。
【００１３】
なお、各流路等から外部へのガスや冷却水の漏洩を防ぐためにシール１２がセパレータの外縁に沿って設置され、そのシール１２とアクティブエリアである反応面２の間に、積層時の公差の積み上がると、ＭＥＡ１がはみ出る。シール１２と反応面２の間の空間１４は、前述の正規の流路ではなく、流入するガスの流速が小さい。このため、ズレによりこの領域にはみ出した反応面２へ供給されるガスは化学反応を行うには不足することになり、電解質膜の劣化が起こり、結果としてこの領域での発電効率が低下する。
【００１４】
図４は、本発明の実施形態を示す構成図である。
【００１５】
燃料電池のセルは、略長方形のＭＥＡ１と、これを挟持するセパレータ３ａ、３ｂとから構成され、セルを積層して燃料電池が形成される。セパレータ３ａ、３ｂには中央流路８としての前述の燃料ガス流路９、酸化剤ガス流路１０および冷媒流路に入口側ガイド流路８ａと出口側ガイド流路８ｂを介して、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を供給、排出するためのそれぞれのマニホールド６、７が形成される。ここで供給用の入口マニホールド６と排出用の出口マニホールド７は、アクティブエリアである反応面２を挟んで対向して設置される。供給されるガスや冷媒は、図４によれば入口マニホールド６から反応面に供給され、ガスは発電に供されて、残ガスが出口マニホールド７に送られて排出される。同様に冷媒も入口マニホールド６から反応面２で熱を吸熱して昇温した冷媒が出口マニホールド７から排出される。
【００１６】
ここで、燃料電池組み立て時の位置決めとなる点基準５は、セルの出口マニホールド７の外側角部に１箇所形成される。したがって、出口マニホールドの角部に積層時の衝となる点基準５を設け、その点基準５から遠い側に入口マニホールド６を配置する。点基準５を用いて積層した後、点基準５を構成する貫通ピン５ｄを積層した燃料電池から引き抜いて燃料電池の積層工程が完了する。この結果、積層時の公差が最も積み上がり、ＭＥＡ１とセパレータ３ａ、３ｂとの間のズレ１５は、入口マニホールド６側が大きくなる。しかし、このズレ１５が生じる入口マニホールド６近傍の空間１４には、燃料電池に供給された直後のストイキ比（発電に必要な水素量と供給する水素量との比、通常１．２〜１．４（供給する水素量の方が多い）である）の大きな燃料ガスまたはその燃料ガスに対応する酸化剤ガスが供給されることになり、空間１４にストイキ比の大きなガスが流れ、ズレ１５のＭＥＡ１の膜劣化を抑制し、空間１４での発電効率の低下が抑制できる。なお、点基準５の貫通ピン５ｄは、燃料電池内に留めるようにしてもよい（以下、他の実施形態でも同様とする）。
【００１７】
図５は、第２の実施形態の構成を示す図である。この実施形態では、セパレータ３は略正方形に形成されて、その一辺に入口マニホールド６と出口マニホールド７とが直列に配置される。そして、出入口マニホールド６、７と対面する側に中間マニホールド１３が形成される。供給されたガスや冷却水は、入口マニホールド６から中間マニホールド１３に向けて流れ、その後、流れの向きを反転して出口マニホールドにＵターンして出口マニホールド７から排出される。そして位置決め用の点基準５は、入口マニホールド６から遠い中間マニホールド１３側の角部に形成される。
【００１８】
このように構成されて、積層時の衝となる点基準５が中間マニホールド１３近傍の角部に配置され、そこから遠い側に入口マニホールド７が形成される。この結果、積層時の寸法公差が最も積み上がり、ＭＥＡ１とセパレータ３との間のズレ１５は、入口マニホールド６側が大きくなる。この入口マニホールド６にストイキ比の大きなガスが流れ、空間１４にＭＥＡ１がはみ出ても、第１の実施形態と同様の効果を有することができる。なお、この実施例において反応ガスは、いわゆるターンフローとなっているが、それに限ったものではなく、他の流路形態にも適用可能である。
【００１９】
図６は、第３の実施形態の構成図である。この実施例では、積層時の衝となる基準５はセパレータ端部としてある。つまり、これまでの点基準に代えて、直線状の端部（外縁）を線基準５としている。この線基準５を固定する図示しない固定部材が備えられる。セパレータ３を金属薄肉で形成した場合には、図１で説明したように端部の直線の精度が確保できないため、この実施形態では、セパレータ３の構成部材は端部の精度が確保できる肉厚を持った金属板を前提としている。または、薄肉でも精度が確保できる加工方法が確立されれば、金属薄肉で形成でき、燃料電池の小型化との両立が図れる。なお、この実施形態の固定部材は、燃料電池の積層工程完了後に、除去することを前提とするが、燃料電池に留めておいてもよい。
【００２０】
この実施例では、出口マニホールド７近傍の端部を線基準５として用いる。そこから遠い側に入口マニホールド６が設置される。反応面２をガスは入口マニホールド６から出口マニホールド７に向けて流れ、セル積層時の組み立てズレは入口マニホールド側が最も大きくなり、ＭＥＡ１とセパレータ３が最もずれる領域は入口マニホールド６側が大きくなる。この入口マニホールド６から空間１４にストイキ比の大きなガスが流れるため、ＭＥＡ１の膜劣化を抑制し、発電効率の低下が抑制される。
【００２１】
図７は、第４の実施形態を示す構成図である。この実施形態の点基準５は、図４に示す第１の実施形態と同じ配置である。また、点基準５の近傍に出口マニホールド７を設け、点基準から離れた対辺に入口マニホールド６を設ける構成も同様である。この実施形態の第１の実施形態との相違点は、基準となる基準穴１８を点基準５と対角線上の入口マニホールド６近傍に設けたことである。この基準穴１８には図示しない位置決めピンが貫通するが、基準穴１８の内径は、ピンの外径より大きく、十分な許容差を持って構成される。このため、第１の実施形態の効果を維持しつつ、セパレータの精度が悪化しても積層時のバラツキ、特に点基準５回りのバラツキを所定範囲に制限することができる。なお、基準穴１８と位置決めピンとを用いて積層した後、位置決めピンを積層した燃料電池から引き抜いて燃料電池の積層工程が完了するが、位置決めピンは、燃料電池内に留めておいてもよい。
【００２２】
図８は、第５の実施形態の構成である。この実施形態では、第１の実施形態の点基準５に加えて、セルの入口マニホールド近傍の端面に楔状の切り欠き１９を形成したことを特徴とする。この切り欠き１９に図示しないピン等の部材を嵌合させることで、この切り欠き部１９は、ＭＥＡ１とセパレータの相対回転を規制する。そして、燃料電池の積層工程完了後に切り欠き１９に嵌合する部材を除去する。したがって、この切り欠き部１９と点基準５とでＭＥＡ１とセパレータ３の位置決めを行うことができる。第４の実施形態に示す２つのピンによりセパレータとＭＥＡを貫通する穴を用いて積層するよりも、切り欠き部１９にピンを差し込んで点基準５の軸回りの位置決めを行った方が容易に積層することができ、組み立て工程の作業を単純化することができる。なお、切り欠き１９に完了する部材を除去するものとしたが、この部材を燃料電池に留めるようにしてもよい。
【００２３】
図９は、第６の実施形態の構成図であり、点基準５と点基準５の軸回りの回転方向の位置決めを行う当て板２０を設けたことを特徴とする。この当て板２０は、例えば、積層されるセルの端面を順次組み立て時に突き当てて使用することで、積層時の回転方向のバラツキを制限することができる。このように、セル積層時に基準となる当て板２０を設けることで、当て板２０にセパレータ３の端面を突き当てることで、端面の位置決め（面出し）が容易に行われ、組み立て作業が一層簡素化することができる。なお、当て板２０を用いて積層した後、当て板２０を積層した燃料電池から除去して燃料電池の積層工程が完了するが、当て板２０は、燃料電池に留めておいてもよい。
【００２４】
図１０は、第７の実施形態の構成図である。この実施形態での基準は、点基準５と、点基準５の軸回りの回転を位置決めする当て板２１である。この当て板２１は、入口マニホールド６の端面に突き当てられることで回転方向の位置決めを行う。ここで、入口マニホールド６の端面を、セパレータの加工基準とする。したがって、この当て板２１による回転方向の位置決めでは、セパレータの外縁の端部より入口マニホールド端部の加工精度の方が高く成形できるため、第６の実施形態の当て板２０より、一層組み立て精度を向上することができる。なお、当て板２１を用いて積層した後、当て板２１を積層した燃料電池から除去して燃料電池の積層工程が完了するが、当て板２１は、燃料電池内に留めておいてもよい。
【００２５】
図１１は、第８の実施形態の構成図である。この実施形態では、反応面２を垂直にして用いる燃料電池を前提としている。この実施形態での点基準５は、出口マニホールド７側の下側の角部に設置される。さらにこの実施形態では、酸化剤ガスの出口マニホールド７ｂが下側、水素の出口マニホールド７ａが上側に配列される。一方、入口マニホールド側では、上側に酸化剤ガスの入口マニホールド６ｂが、水素ガスの入口マニホールド６ａが下側に配列される。このように構成することで、入口マニホールドから出口マニホールドまでの流路の長さをどの流路を経由しても略同一とすることができる。
【００２６】
したがって、特に反応面２と接する酸化剤ガスにより生成される水を、上部の入口マニホールド６ｂから下部の出口マニホールド７ｂに向けて、酸化剤ガス流路１０から略均等に排出することができる。
【００２７】
なお、これまでの実施形態では、各ガスの入口マニホールドと出口マニホールドとを同じ側に設置し、つまり水素と酸化剤ガスとを同じ方向に流すものとして説明してきたが、これに限らず相対するように流すことも可能である。この場合、特に酸化剤ガスとして空気を用いる場合には、点基準５に遠い側に空気の入口マニホールドを設けるようにする。これは供給される空気中の酸素分圧の変化による影響を抑制するためである。
【００２８】
また、第２の実施形態に第３から第８の実施形態を適用することも可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池セルの平面図である。
【図２】点基準の構成図である。
【図３】燃料電池セルの断面図である。
【図４】第１の実施形態の構成図である。
【図５】第２の実施形態の構成図である。
【図６】第３の実施形態の構成図である。
【図７】第４の実施形態の構成図である。
【図８】第５の実施形態の構成図である。
【図９】第６の実施形態の構成図である。
【図１０】第７の実施形態の構成図である。
【図１１】第８の実施形態の構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１：ＭＥＡ
２：反応面
３：セパレータ
３ａ：アノード
３ｂ：カソード
４ａ、４ｃ：凹部
４ｂ、４ｄ：凸部
５：点基準
６：入口マニホールド
７：出口マニホールド
８：中央流路
９：燃料ガス流路
１０：酸化剤ガス流路
１１：冷媒流路
１２：シール
１３：中間マニホールド
１４：空間
１５：ズレ
１８：基準穴
１９：切り欠き
２０：当て板
２１：当て板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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