(57)【要約】【課題】  セパレータの面内温度を均一化してセパレータの変形を防ぐことができる燃料電池を提供すること。【解決手段】  複数のマニホールド４１〜４３，５１〜５３が設けられたセパレータ１２ａ，１２ｂと、膜−電極アッセンブリ１１と、が積層されて構成された燃料電池において、セパレータ１２ｂは、マニホールド４３を介して面内に供給された冷却水が流通する熱交換媒体流路を備える。この熱交換媒体流路は、セパレータ１２ｂの発電領域を冷却する冷却水流路３２と、マニホールド４１〜４３，５１〜５３の全てにつきこれらマニホールドとセパレータ外周との隙間を通過する外周流路７０とを備える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマニホールドを有するセパレータと、膜−電極アッセンブリとが積層されてなる燃料電池において、
前記セパレータには、前記マニホールドのいずれかを介して面内に供給された熱交換媒体が流通する熱交換媒体流路が設けられ、
該熱交換媒体流路は、前記マニホールドの全てにつき、これらマニホールドとセパレータ外周との隙間を通過する外周流路を備える燃料電池。
【請求項２】
前記外周流路は、前記セパレータの外周部を略一周して設けられている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記外周流路は、前記セパレータの発電領域を流通した熱交換媒体の少なくとも一部が流通する請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
複数のマニホールドを有するセパレータと、膜−電極アッセンブリとが積層されてなる燃料電池において、
前記セパレータには、前記マニホールドのいずれかを介して面内に供給された熱交換媒体が流通する熱交換媒体流路が設けられ、
該熱交換媒体流路は、前記セパレータの発電領域と前記熱交換媒体とを熱交換させる発電領域冷却部と、前記セパレータの非発電領域と前記熱交換媒体とを熱交換して該非発電領域と前記発電領域との温度差を縮小させる非発電領域加熱部とを備え、
前記非発電領域加熱部は、前記マニホールドの全てにつき、これらマニホールドとセパレータ外周との隙間を通過する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜−電極アッセンブリとセパレータとが積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固定高分子型の単電池は、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ。）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有する。各セパレータの一面側に形成したガス流路を介して酸化ガスまたは燃料ガスが各電極に供給されることで、単電池の発電が行われる。一方、セパレータの他面側には、熱交換媒体としての冷却水を流通させる冷媒流路が形成されている。
【特許文献１】特開２０００−２３１９２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、セパレータは、上記ガス流路が設けられた発電領域と、該発電領域の外側領域であってセパレータの外周部に位置する非発電領域とを備えており、発電領域ではセパレータの他面（ガス流路形成面と反対側の面）側に冷却水を流し、発電によって発生する熱を冷却水により吸熱し、外部へ放出している。
【０００４】
しかしながら、冷却水によって発電領域を冷却してもなお、発熱を伴わない上に外気へ放熱できる環境にある非発電領域との間には温度差が生じ、この面内温度差によってセパレータが変形し、セパレータの割れやガスケット部のシール不良が発生する虞があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、セパレータの面内温度を均一化してセパレータの変形を防ぐことが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】
【０００６】
本発明の燃料電池は、複数のマニホールドを有するセパレータと、膜−電極アッセンブリとが積層されてなる燃料電池において、前記セパレータには、前記マニホールドのいずれかを介して面内に供給された熱交換媒体が流通する熱交換媒体流路が設けられ、該熱交換媒体流路は、前記マニホールドの全てにつき、これらマニホールドとセパレータ外周との隙間を通過する外周流路を備える。
【０００７】
本発明によれば、発電時において高温となるセパレータの発電領域が熱交換媒体（例えば冷却水）により冷却され、その結果昇温した冷却水が外周流路に流されることで、非発電領域の温度が上昇する。これにより、非発電領域と発電領域の温度差が縮小する。このとき、外周流路は、相対的に強度が低く歪みやすいマニホールドの全ての外周側近傍に設けられているので、セパレータの変形を効果的に抑制できる。
【０００８】
本発明において、前記外周流路は、前記セパレータの外周部を略一周して設けられていてもよい。かかる構成によれば、発電領域を取り囲んで熱交換媒体が流されることにより、セパレータ全周に亘って面内温度が均一化される。
【０００９】
本発明において、前記外周流路は、前記セパレータの発電領域を流通した熱交換媒体の少なくとも一部を流通させるようにしてもよい。かかる構成によれば、面内温度の偏りをより迅速に解消することが可能となる。外周流路には、発電領域を流通した熱交換媒体の全てを流してもよいし、一部だけを流してもよい。
【００１０】
本発明の燃料電池は、複数のマニホールドを有するセパレータと、膜−電極アッセンブリとが積層されてなる燃料電池において、前記セパレータには、前記マニホールドのいずれかを介して面内に供給された熱交換媒体が流通する熱交換媒体流路が設けられ、該熱交換媒体流路は、前記セパレータの発電領域と前記熱交換媒体とを熱交換させる発電領域冷却部と、前記セパレータの非発電領域と前記熱交換媒体とを熱交換して該非発電領域と前記発電領域との温度差を縮小させる非発電領域加熱部とを備え、前記非発電領域加熱部は、前記マニホールドの全てにつき、これらマニホールドとセパレータ外周との隙間を通過する。
【００１１】
本発明によれば、発電時において高温となるセパレータの発電領域が熱交換媒体（例えば冷却水）により冷却され、その結果昇温した冷却水が非発電領域に流されることで、非発電領域の温度が上昇する。これにより、非発電領域と発電領域の温度差が縮小する。発電領域冷却部を流れた熱交換媒体の全てを非発電領域加熱部に流してもよいし、一部でもよい。また発電領域冷却部の途中から非発電領域加熱部に熱交換媒体を流してもよい。
【００１２】
非発電領域加熱部は、相対的に強度が低く歪みやすいマニホールドの全ての外周側近傍に設けられているので、効果的にセパレータの変形を抑制できる。
【００１３】
なお、発電時には発電領域冷却部は発電領域の冷却を行い、非発電領域加熱部は非発電領域の加熱を行うが、燃料電池スタック高温時に温度の低い熱交換媒体を流す、またはその逆の場合においても、同様に熱交換媒体が発電領域と非発電領域のそれぞれと熱交換を行って面内温度差を縮小させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては以下の効果を得ることができる。
【００１５】
セパレータの非発電領域にも熱交換媒体が流れることにより、発電領域と非発電領域との温度差が縮小し、セパレータの面内温度を均一化してセパレータの変形を防ぐことができる。特に、外周流路あるいは非発電領域加熱部は、相対的に強度が低く歪みやすいマニホールドの全ての外周側近傍に設けられているので、面内温度の偏りを極力なくして、より一層効果的にセパレータの変形を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について説明する。この燃料電池は、最小発電単位となる単電池を複数積層してなる燃料電池スタックである。以下では、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池を例に説明する。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池１は、複数の単電池２を積層したスタック本体３を有し、スタック本体３の両端に位置する単電池２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８を各々配置して構成されている。燃料電池１は、例えば、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられた図外のテンションプレートが各エンドプレート８，８にボルト固定されることで、一方のエンドプレート８と絶縁板７との間に設けられた図示せぬ皿ばね機構を介して、単電池２の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。
【００１８】
図２に示すように、単電池２は、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状を有しており、ＭＥＡ１１の外形は、各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さく形成されている。ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ，１３ｂによりシールされる。
【００１９】
ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成され、全体として積層形態を有している。電解質膜２１は、各電極２２ａ，２２ｂよりもサイズを僅かに大きく形成されている。電解質膜２１には、その周縁部２４を残した状態で各電極２２ａ，２２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。
【００２０】
電極２２ａ，２２ｂは、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極２２ａ（カソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方の電極２２ｂ（アノード）には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、単電池２は起電力を得る。
【００２１】
各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ１２ａ，１２ｂの基材は板状のメタルで形成され、基材の電極側の面には、耐食性に優れた膜が被覆されている。
【００２２】
セパレータ１２ａ，１２ｂには、電極２２ａ，２２ｂに面する部分（発電領域Ａ）をプレス成形されることで表裏各面に複数の凹凸が形成されている。この複数の凸部および凹部は、それぞれ一方向に延在しており、酸化ガスのガス流路３１ａまたは水素ガスのガス流路３１ｂや、冷却水流路（発電領域冷却部）３２を画定している。
【００２３】
具体的には、セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面には、ストレート状の酸化ガスのガス流路３１ａが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、ストレート状の水素ガスのガス流路３１ｂが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路３２が複数形成されている。
【００２４】
そして、単電池２における二つのガス流路３１ａおよびガス流路３１ｂは、同方向に平行に延在し、ＭＥＡ１１を挟んで位置ずれすることなく対向している。また、隣接する二つの単電池２，２においては、一方の単電池２のセパレータ１２ａの外面と、その隣の単電池２のセパレータ１２ｂの外面とが付き合わされ、両者の冷却水流路３２が連通されてその流路断面が四角形となる。
【００２５】
セパレータ１２ａ，１２ｂの一方の端部には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水（熱交換媒体）の入口側のマニホールド４３が矩形状に貫通形成されている。セパレータ１２ａ，１２ｂの他方の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が矩形状に貫通形成されている。
【００２６】
セパレータ１２ａにおける酸化ガス用のマニホールド４１とマニホールド５１とは、セパレータ１２ａに溝状に形成した入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介して、酸化ガスのガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける水素ガス用のマニホールド４２とマニホールド５２とは、セパレータ１２ｂに溝状に形成した入口側の連絡通路６３および出口側の連絡流路６４を介して、水素ガスのガス流路３１ｂに連通している。
【００２７】
また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水のマニホールド４３とマニホールド５３とは、各セパレータ１２ａ，１２ｂに溝状に形成した入口側の連絡通路６５および出口側の連絡流路６６を介して、冷却水流路３２に連通している。セパレータ１２ｂの冷却水流路３２の下流端側からは、後述するように、外周流路（非発電領域加熱部）７０が分岐し、発電領域Ａの面方向外側（セパレータ外周側）に位置する非発電領域Ｂに冷却水の一部が流れるようになっている。
【００２８】
このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、各単電池２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が適切に供されるようになっている。例えば、酸化ガスは、セパレータ１２ａのマニホールド４１から連絡通路６１を介してガス流路３１ａに導入され、ＭＥＡ１１の発電に供された後、連絡通路６２を介してマニホールド５１に導出される。酸化ガスは、セパレータ１２ｂのマニホールド４１およびマニホールド５１を通流するが、セパレータ１２ｂの内方向には導入されない。
【００２９】
なお、本実施形態ではガス流路３１ａ、３１ｂや冷却水流路３２についてストレート流路を例に説明したが、もちろんこれらの各流路３１ａ、３１ｂ，３２を後述する例のようにサーペンタイン流路で構成してもよい。
【００３０】
第１シール部材１３ａ，１３ｂは、ともに枠状の同一形状で形成されている。一方の第１シール部材１３ａは、ＭＥＡ１１とセパレータ１２ａとの間に設けられ、これらの間をシールする。詳細には、第１シール部材１３ａは、電解質膜２１の周縁部２４と、セパレータ１２ａのガス流路３１ａから外れた位置の表面との間に設けられる。同様に、他方の第１シール部材１３ｂは、電解質膜２１の周縁部２４と、セパレータ１２ｂのガス流路３１ｂから外れた位置の表面との間に設けられ、これらの間をシールする。
【００３１】
また、隣接する単電池２，２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間には、枠状の第２シール部材１３ｃが設けられている。第２シール部材１３ｃは、セパレータ１２ａの冷却水流路３２から外れた位置の表面と、セパレータ１２ｂの冷却水流路３２から外れた位置の表面との間に設けられ、これらの間をシールする。したがって、セパレータ１２ａ，１２ｂにおける流体の各種通路（３１ａ，３１ｂ，３２,４１〜４３、５１〜５３，６１〜６６）のうち、第１シール部材１３ａ，１３ｂや第２シール部材１３ｃの外側に位置する通路は、各種流体の入口側のマニホールド４１〜４３および出口側のマニホールド５１〜５３となる。
【００３２】
図３に示したように、セパレータ１２ｂには、各種通路（マニホールド４１，４２，４３，５１，５２，５３、冷却水流路３２）を取り囲んで、外周流路７０が形成されている。外周流路７０は、冷却水流路３２と同様にセパレータ１２ｂに設けられた溝であり、冷却水流路３２の下流側から分岐し、全てのマニホールド４１，４２，４３，５１，５２，５３の外側を通りつつ、別言すれば、全てのマニホールド４１，４２，４３，５１，５２，５３とセパレータ外周との隙間を通過しつつ、セパレータ１２ｂの外周部（非発電領域Ｂ）を略一周してマニホールド５３と連通している。本実施形態では、冷却水流路３２と外周流路７０とにより、熱交換媒体流路が構成されている。
【００３３】
これにより、図の矢印で冷却水の流通方向を示したように、発電領域Ａを冷却（熱交換）することによって昇温した冷却水の一部が外周流路７０に導入され、セパレータの非発電領域Ｂの温度を上昇させたのち、他の冷却水とともにマニホールド５３に導出される。これによりセパレータ１２ｂにおける、発電領域Ａと非発電領域Ｂの温度差が縮小する。
【００３４】
なお、図示は省略するが、上記の外周流路７０は他方のセパレータ１２ａにも形成されている。
【００３５】
以上のように構成されていることにより、本実施形態においては、面内温度差によって生ずるセパレータ１２ａ、１２ｂの変形を防止し、セパレータ１２ａ、１２ｂのダメージやシール部材１３ａ、１３ｂ、１３ｃからのリークを抑制することができる。特に、外周流路７０は、相対的に強度が低く歪みやすいマニホールド４１〜４３，５１〜５３の全ての外周側近傍に設けられていると共に、セパレータ１２ｂの外周部を略一周するように冷却水が流通するので、面内温度の偏りを効果的に抑制することができる。また、外周流路７０には、セパレータ１２ｂの発電領域Ａを流通することによって昇温した冷却水が導入されているので、面内温度の偏りは迅速に解消されることになる。
【００３６】
本発明は、燃料電池１の駆動時に限定されることなく、冷間起動時におけるセパレータ１２ａ，１２ｂの変形抑制にも有効である。すなわち、冷間起動時に、燃料電池１の発熱に伴い昇温した冷却水を利用して燃料電池１を暖機する場合においても、面内温度差の偏りを抑制することが可能であり、セパレータ１２ａ，１２ｂの不均一な変形を抑制することができる。
【００３７】
なお、図４のセパレータ１２ｂ’のように、冷却水流路３２’がマニホールド５３の近傍の下流端にてそのまま外周流路７０’へと連続し、マニホールド４３から導入された冷却水の全量が、発電領域Ａを冷却した後で外周流路７０’に流れ込む構成としても良い。
【００３８】
また、図５のセパレータ１２ｂ”のように、冷却水流路３２”の中間部（途中）で外周流路７０”が分岐し、冷却水流路３２”を流通する冷却水の一部が冷却水流路３２”の中間部から外周流路７０”に流れ込む構成としても良い。
【００３９】
これら図４、図５の変形例においても、外周流路７０’、７０”は各マニホールド４１，４２，４３，５１，５２，５３とセパレータ外周との隙間を通りつつ、非発電領域Ｂを略一周して設けられている。そして発電領域Ａにおいて昇温した冷却水が非発電領域Ｂを一周する過程で非発電領域Ｂを加熱し、セパレータの面内温度を均一化する。
【００４０】
なお、上記の例では、発電領域Ａに位置する冷却水流路３２は、非発電領域Ｂに位置する外周流路７０よりも上流側に位置しているが、外周流路７０を冷却水流路３２の上流側としても、冷却水は燃料電池１から流出した後、再度燃料電池１に導入されて繰り返し循環するため、結果的には、昇温した冷却水が燃料電池１に導入されることになり、上記と同様の効果を得ることができる。このような構成は、例えば燃料電池１の暖機時において、ラジエータをバイパスさせつつ冷却水を循環する場合に特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池の斜視図である。
【図２】同燃料電池の単電池を分解して示す分解斜視図である。
【図３】同燃料電池のセパレータを拡大して示す斜視図である。
【図４】同セパレータの変形例について示す斜視図である。
【図５】同セパレータの変形例について示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池、２…単電池、１１…ＭＥＡ、１２ａ，１２ｂ…セパレータ、３２，３２’，３２”…冷却水流路（発電領域冷却部）、４１，４２，４３…マニホールド、５１，５２，５３…マニホールド、７０，７０’，７０”…外周流路（非発電領域加熱部）
【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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