(57)【要約】      （修正有）【課題】  発電セルの反応性を高めるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスの流動による発電セルの乾燥を防止することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜２を有する発電セルと、発電セルに対向するセパレータ３とを備え、セパレータ３の発電セル側の面に、発電セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する溝状のガス供給流路１１と発電セルから反応後の燃料ガスまたは酸化剤ガスを回収する溝状のガス排出流路１２とが、それぞれ互いにかみ合うくし型形状になるように形成されており、ガス供給流路１１及びガス排出流路１２の開口部幅は、それぞれガス供給流路１１及びガス排出流路１２の最大幅よりも小さくなっている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を有する発電セルと、
前記発電セルに対向するセパレータとを備え、
前記セパレータの前記発電セル側の面に、前記発電セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する溝状のガス供給流路と前記発電セルから反応後の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスを回収する溝状のガス排出流路とが、それぞれ互いにかみ合うくし型形状になるように形成されており、
前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路の開口部幅は、それぞれ前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路の最大幅よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータは、導電性プレートからなり、
前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路は、前記導電性プレートをプレスすることにより形成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータは、プレスメタルであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータの前記発電セルと反対側の面の溝部は、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体が流動する冷却媒体流路であることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セル及びセパレータを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池には、固体高分子等からなる電解質膜の両側のそれぞれに、水素を含む燃料ガスを供給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレータと、酸素を含む酸化剤ガスを供給する流体通路を形成した電極プレートからなるセパレータとが設けられたものが知られている。
【０００４】
上記セパレータにおいてガス供給用流路とガス排出用流路とを分離して互いにかみ合うような櫛形形状にする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応がセパレータ反応帯域全体で効率よく行われる。
【０００５】
また、流体通路の上流側においては開口部の幅が小さく底部の幅が大きく、流体通路の下流側においては開口部の幅が大きく底部の幅が小さくなる構造とする技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この技術によれば、上流側で反応しなかったガスが下流側において反応に寄与することから、反応帯域全体でほぼ均等に反応が行われる。
【０００６】
さらに、供給流路の幅がガス拡散層側で増加するように形成される技術が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。この技術によれば、供給流路側の生成水の排水が過剰になるのが防止される。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【特許文献２】特開２００１−４３８７０号公報
【特許文献３】特開２００４−４７２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、反応効率を向上させるためにガス供給用流路及びガス排出用流路の流路幅を小さくするとガスの流速が上昇して発電セルが乾燥する可能性がある。また、特許文献２の技術では、流体通路の下流側においてセパレータと発電セルとの接触面積が減少することから、効率的な反応が行われない。さらに、特許文献３の技術では、セパレータと発電セルとの接触面積が小さいため、効率的な反応が行われない。
【０００８】
本発明は、発電セルの反応性を高めるとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスの流動による発電セルの乾燥を防止する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】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜を有する発電セルと、発電セルに対向するセパレータとを備え、セパレータの発電セル側の面に、発電セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する溝状のガス供給流路と発電セルから反応後の燃料ガスまたは酸化剤ガスを回収する溝状のガス排出流路とが、それぞれ互いにかみ合うくし型形状になるように形成されており、ガス供給流路及びガス排出流路の開口部幅は、それぞれガス供給流路及びガス排出流路の最大幅よりも小さいことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る燃料電池においては、ガス供給流路に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが発電セルに供給され、発電セルから反応後の燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス排出流路に排出される。この場合、ガス供給流路およびガス排出流路の開口部幅が供給流路及びガス排出流路の最大幅よりも小さいことから、発電セルの発電により生成した水が過剰に排水されるのを防止することができる。
【００１１】
また、ガス供給流路およびガス排出流路の開口部幅が小さいことから、発電セルとセパレータとの接触面積が大きくなる。それにより、発電セルから発生した電流をセパレータを介して効率よく回収することができる。その結果、発電セルの反応性が向上する。
【００１２】
さらに、ガス供給流路およびガス排出流路の底面の面積が大きくなることから、セパレータ同士の接触面積が大きくなる。それにより、セパレータの接触抵抗を小さくすることができる。
【００１３】
また、ガス供給流路およびガス排出流路の断面積は、流路幅が開口部幅で一定である場合の断面積よりも大きいことから、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が過大となることを防止することができる。それにより、発電セルの乾燥を防止できる。その結果、発電セルの発電効率低下を防止できる。
【００１４】
セパレータは、導電性プレートからなり、ガス供給流路及びガス排出流路は、導電性プレートをプレスすることにより形成されてもよい。この場合、セパレータ表面を切削加工する場合に比較して製造工程が簡略化される。したがって、コストの低減化が図れる。
【００１５】
セパレータは、プレスメタルであってもよい。この場合、セパレータの加工が容易になる。その結果、製造工程の短縮化およびコストの低減が図れる。
【００１６】
セパレータの発電セルと反対側の面の溝部は、燃料電池を冷却するための冷却媒体が流動する冷却媒体流路であってもよい。この場合、冷却媒体流路は、セパレータにプレス加工を施して流路を形成することにより得られる溝を利用することができる。このように、セパレータの両面に形成された溝をガス流路および冷却媒体流路に用いることから、燃料電池を薄型化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発電セルの発電により生成した水が過剰に排水されるのを防止することができる。また、発電セルから発生した電流をセパレータを介して効率よく回収することができる。その結果、発電セルの反応性が向上する。さらに、セパレータの接触抵抗を小さくすることができる。また、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が過剰に大きくなることを防止することができる。それにより、発電セルの乾燥を防止できる。その結果、発電セルの発電効率低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明に係る燃料電池１００の概略断面斜視図である。図１に示すように、燃料電池１００は、発電セル１０の両面のそれぞれにセパレータ３が設けられた単電池２０が複数積層された構造を有する。発電セル１０は、電解質膜２の両面のそれぞれに触媒層５およびガス拡散層４が順に積層された構造を有する。
【００２０】
電解質膜２としては、例えば固体高分子電解質膜等が用いられる。この固体高分子電解質膜は、プロトン導電性を有する高分子等から構成される。触媒層５は、カーボン担持白金触媒等を用いることができる。ガス拡散層４は、ガス透過性及び導電性に優れたカーボンペーパー等を用いることができる。セパレータ３は、金属プレートからなる。
【００２１】
一方のセパレータ３から供給される燃料ガス中の水素は、拡散効果によりガス拡散層４を透過し、触媒層５においてプロトン及び電子に分かれる。このプロトンは、電解質膜２を移動する。他方のセパレータ３から供給される酸化剤ガス中の酸素は、拡散効果によりガス拡散層４を透過し、触媒層５においてプロトンと反応して水が生成される。以上のプロセスにより、発電セル１０による発電が行われる。発電セル１０の発電により得られた電流は、セパレータ３により集電される。
【００２２】
図２は、セパレータ３の詳細を説明する図である。図２（ａ）はセパレータ３の拡散層４側の平面図であり、図２（ｂ）はセパレータ３の断面図である。図２（ａ）に示すように、セパレータ３の拡散層４側の面には、ガス供給流路１１およびガス排出流路１２が形成されている。ガス供給流路１１は、ガス供給口１１ａ、複数のくし歯状流路１１ｂおよび複数のくし歯状流路１１ｂにガスを供給するガス分配流路１１ｃからなる。ガス排出流路１２は、ガス排出口１２ａ、複数のくし歯状流路１２ｂおよび複数のくし歯状流路１２ｂからガスを回収するガス回収流路１２ｃからなる。ガス供給流路１１およびガス排出流路１２は、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂが互いにかみ合うように形成されている。ガス供給流路１１およびガス排出流路１２は、セパレータ３に対してプレス加工を施すことにより形成することができる。
【００２３】
ガス供給口１１ａに供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス分配流路１１ｃを流動してくし歯状流路１１ｂに供給され、図１のガス拡散層４に供給されて発電セル１０の発電に用いられ、くし歯状流路１２ｂに排出される。くし歯状流路１２ｂに排出された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、回収流路１２ｃを流動してガス排出口１２ａから外部へ排出される。
【００２４】
次に、セパレータ３の断面について説明する。図２（ｂ）に示すように、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂの流路幅は、拡散層４に近づくにつれて小さくなっており、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスと拡散層４との接触面積が小さくなっている。それにより、発電セル１０の発電により生成した水が過剰に排水されるのを防止することができる。
【００２５】
また、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂの開口部幅が小さいとガス拡散層４とセパレータ３との接触面積が大きくなるため、発電セル１０から発生した電流を効率よく回収することができる。それにより、発電セル１０の反応性が向上する。
【００２６】
さらに、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂの底面の面積が大きくなることから、セパレータ３同士の接触面積が大きくなる。それにより、セパレータ３の接触抵抗を小さくすることができる。
【００２７】
また、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂの断面積は、流路幅が開口部幅で一定である場合の断面積よりも大きいことから、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動速度が過大になることを防止することができる。それにより、拡散層４の乾燥を防止できる。その結果、発電セル１０の発電効率低下を防止できる。
【００２８】
なお、くし歯状流路１１ｂの開口部幅が小さいことからくし歯状流路１１ｂを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスと拡散層４との接触面積が小さくなるが、くし歯状流路１１ｂに供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスはガス拡散層４を通過してくし歯状流路１２ｂに排出される。したがって、入口および出口を有する通常の流路を備えたセパレータを用いる場合と異なり、発電セル１０の発電効率が低下することはない。
【００２９】
また、セパレータ３のガス拡散層４と反対側の面には、燃料電池１００を冷却する冷却媒体が流動する冷却媒体流路６が形成されている。冷却媒体としては、例えば冷却水を用いることができる。冷却媒体流路６は、ガス供給流路１１およびガス排出流路１２を形成することにより得られる溝状の流路からなる。このように、セパレータ３の両面に形成された溝部をガス供給流路１１、ガス排出流路１２及び冷却媒体流路６に用いることから、燃料電池１００を薄型化することができる。また、切削加工に比較してプレス加工は容易に行うことができることから、セパレータ３の製造工程が簡略化され、製造コストの低減を図ることができる。さらに、くし歯状流路１１ｂ，１２ｂの開口部幅が小さいことから、冷却媒体流路６が拡散層４と接触する面積が大きくなる。それにより、燃料電池１００の冷却効率が向上する。
【００３０】
図３は、セパレータ３の他の例であるセパレータ３ａの断面図である。図３に示すように、くし歯状流路１１ｂの開口部の角に曲がり部が形成されている。それにより、くし歯状流路１１ｂを流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスは、開口部の曲がり部に沿って流動してガス拡散層４に供給される。この場合、くし歯状流路１１ｂの底面近傍を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス拡散層４へ誘導される。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが効率よくガス拡散層４に供給される。その結果、発電セル１０の発電効率が向上する。
【００３１】
図４は、くし歯状流路１１ｂの断面の例を示す図である。図４（ａ）に示すように、くし歯状流路１１ｂの流路幅は、くし歯状流路１１ｂの流路底面から開口部近傍までは一定であり、開口部近傍においては小さくなっていてもよい。また、図４（ｂ）に示すように、くし歯状流路１１ｂの流路幅は、くし歯状流路１１ｂの流路底面から開口部近傍までは一定であり、開口部近傍から開口部にかけて連続的に小さくなっていてもよい。さらに、図４（ｃ）に示すように、くし歯状流路１１ｂの流路幅は、くし歯状流路１１ｂの底面から開口部にかけて連続的に減少し、かつ、流路側壁が流路内に窪むようにしてもよい。また、図４（ｄ）に示すように、くし歯状流流路１１ｂの流路幅は、くし歯状流路１１ｂの底面から開口部にかけて連続的に減少し、かつ、流路側壁が流路外部に張り出すようにしてもよい。
【００３２】
以上のように、くし歯状流路１１ｂの開口部幅が最大流路幅よりも小さくなっていれば、本発明に適用することができる。したがって、くし歯状流路１１ｂの底面が必ずしも最大流路幅となる必要はない。なお、くし歯状流路１１ａの断面を図４（ａ）〜図４（ｄ）の断面にすることもできる。
【００３３】
図５は、セパレータ３のさらに他の例であるセパレータ３ｂ，３ｃを説明する図である。図５（ａ）はセパレータ３ｂの断面図であり、図５（ｂ）はセパレータ３ｃの断面図である。図５（ａ）に示すように、セパレータ３ｂにおいては、セパレータ３の冷却媒体流路６をくし歯状流路１１ａ，１１ｂとして用いている。また、図５（ｂ）に示すように、セパレータ３ｃにおいては、セパレータ３ａの冷却媒体流路６をくし歯状流路１１ａ，１１ｂとして用いている。
【００３４】
以上のように、セパレータ３ｂ，３ｃを燃料電池１００に用いればセパレータ２枚を重ねる必要がなくなる。それにより、燃料電池１００の薄型化を図ることができる。
【００３５】
なお、本実施例においては、セパレータ３は金属プレートからなるが、導電性及びガス不透過性を有する導電性プレートであれば構わない。例えば、カーボンプレート等を用いることもできる。
【００３６】
また、本実施例においては、セパレータ３，３ａ，３ｂ，３ｃを導電性プレートにプレス加工を施すことにより形成しているが、カーボンプレート等に切削加工を施すことにより形成しても構わない。
【００３７】
さらに、拡散速度の速い燃料ガスを供給するセパレータに本発明を適用しなくてもよい。この場合、従来のセパレータを用いることができ、コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る燃料電池の断面斜視図である。
【図２】セパレータの詳細を説明する図である。
【図３】セパレータの他の例の断面図である。
【図４】くし歯状流路の断面の例を示す図である。
【図５】セパレータのさらに他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
２  電解質膜
３，３ａ  セパレータ
４  ガス拡散層
５  触媒層
６  冷却媒体流路
１０  発電セル
１１  ガス供給流路
１１ａ  ガス供給口
１１ｂ，１２ｂ  くし歯状流路
１１ｃ  ガス分配流路
１２  ガス排出流路
１２ａ  ガス排出口
１２ｃ  ガス回収流路
２０  単電池
１００  燃料電池
【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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