(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、反応ガス連通孔に凝縮水が滞留することを確実に阻止することができ、良好な発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】複数の燃料電池１２が積層された積層体１４を備え、この積層体１４を積層方向に貫通して酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが形成される。酸化剤ガス出口連通孔４０ｂの底部には、ゴム部材６６ａを介装して挿入部材６８ａが配設される。挿入部材６８ａは、積層方向に長尺に構成されるとともに、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂにおける排出酸化剤ガスの流れ方向に向かって傾斜する複数の傾斜溝部７０ａが形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層される積層体を備え、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の端部に連通する反応ガス連通孔が、前記積層体を積層方向に貫通して形成される内部マニホールド型燃料電池スタックであって、
前記反応ガス連通孔の底部を構成する底壁面には、該反応ガス連通孔における前記反応ガスの流れ方向に向かって傾斜する傾斜溝部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス連通孔の底部に配設される挿入部材を備え、
前記挿入部材の上面には、前記傾斜溝部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記挿入部材は、樹脂で構成されるとともに、
前記挿入部材には、複数の前記傾斜溝部が所定間隔ずつ離間し且つ互いに略平行して形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス流路の端部は、前記反応ガス連通孔の側部に開放される少なくとも反応ガス供給側端部又は反応ガス排出側端部であることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層される積層体を備え、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の端部に連通する反応ガス連通孔が、前記積層体を積層方向に貫通して形成される内部マニホールド型燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は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。
【０００４】
上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口側端部及び出口側端部には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。
【０００５】
ところで、酸化剤ガスが積層方向に流れる酸化剤ガス出口連通孔や酸化剤ガス入口連通孔である酸化剤ガス連通孔（反応ガス連通孔）には、発電時に生成される反応生成水が導入され易く、この酸化剤ガス連通孔内に滞留水が存在する場合がある。一方、燃料ガスが積層方向に流れる燃料ガス出口連通孔や燃料ガス入口連通孔である燃料ガス連通孔（反応ガス連通孔）には、結露等による滞留水が発生するおそれがある。これにより、酸化剤ガス連通孔や燃料ガス連通孔が滞留水によって縮小又は閉塞され易く、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図７に示すように、複数のセル１を積層するとともに、前記複数のセル１の積層体は、一対のエンドプレート２により両端が挟持されている。一方のエンドプレート２には、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給配管３と、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを排出するガス排気配管４とが接続されている。
【０００７】
ガス供給配管３及びガス排気配管４には、凝縮水や生成水を一旦貯留するための水溜まり部５が設けられ、この水溜まり部５の下方には、電磁弁６を介して排水管７が接続されている。
【０００８】
複数のセル１を一対のエンドプレート２で挟持した燃料電池スタック８には、内部マニホールド９が形成されている。この内部マニホールド９は、ガス供給配管３及びガス排気配管４に向かって孔径を徐々に広げることにより下面に傾斜を付けている。これにより、内部マニホールド９の凝縮水や生成水は、前記内部マニホールド９の下面の傾斜に沿って各水溜まり部５に円滑に流れるとともに、電磁弁６の作用下に前記水溜まり部５の水が排水管７を介して排出される、としている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１７８７９１号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、各水溜まり部５の下方に電磁弁６が接続されており、この電磁弁６の制御が必要となってシステム全体が複雑化している。これにより、システム全体のコストが高騰するとともに、信頼性が低下するという問題がある。
【００１１】
しかも、各水溜まり部５側に向かって拡径する内部マニホールド９が、複数のセル１の積層体にわたって形成されており、前記内部マニホールド９の形成作業が繁雑化するとともに、各セル１が異なる構成を有している。このため、システム全体のコストが相当に高騰し、しかも各セル１毎に取り扱いが煩雑化するという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガス連通孔に凝縮水が滞留することを確実に阻止することができ、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池スタック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】
【００１３】
本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層される積層体を備え、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の端部に連通する反応ガス連通孔が、前記積層体を積層方向に貫通して形成される内部マニホールド型燃料電池スタックである。そして、反応ガス連通孔の底部を構成する底壁面には、該反応ガス連通孔における反応ガスの流れ方向に向かって傾斜する傾斜溝部が形成されている。
【００１４】
また、反応ガス連通孔の底部に配設される挿入部材を備え、前記挿入部材の上面には、傾斜溝部が形成されることが好ましい。さらに、挿入部材は、樹脂で構成されるとともに、前記挿入部材には、複数の傾斜溝部が所定間隔ずつ離間し且つ互いに略平行して形成されることが好ましい。さらにまた、反応ガス流路の端部は、反応ガス連通孔の側部に開放される少なくとも反応ガス供給側端部又は反応ガス排出側端部であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反応ガス連通孔に排出される凝縮水（生成水を含む）は、傾斜溝部に沿って円滑且つ確実に移動し、前記反応ガス連通孔の底部に滞留することがない。これにより、反応ガス連通孔に滞留水による閉塞等が惹起することがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を確実に得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルトやボックス状のケーシング等により締め付け保持される。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池１２は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
【００１９】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２８と、該固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。
【００２０】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２１】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２２】
第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、複数の酸化剤ガス流路溝４６ａを有するとともに、前記酸化剤ガス流路溝４６ａは、矢印Ｂ方向に延在している。なお、酸化剤ガス流路溝４６ａは、例えば、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペタイン流路溝を構成してもよい。
【００２３】
第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が設けられる。燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝４８ａを有する。
【００２４】
第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂに冷却媒体流路５０を一体的に形成する。冷却媒体流路５０は、酸化剤ガス流路４６の裏面側、及び燃料ガス流路４８の裏面側に一体的に形成され、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５０ａを有する。この冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとに連通する。
【００２５】
第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周縁部を周回して第１シール部材５４が射出成形等により一体的に設けられる。第１シール部材５４は、面２４ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス流路４６を覆って酸化剤ガスの洩れ止めを行う。
【００２６】
第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周縁部を周回して第２シール部材５６が射出成形等により一体的に設けられる。第２シール部材５６は、面２６ａにおいて、燃料ガス入口連通孔４４ａ、燃料ガス出口連通孔４４ｂ及び燃料ガス流路４８を覆って燃料ガスの洩れ止めを行う。第２シール部材５６は、面２６ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ及び冷却媒体流路５０を覆って冷却媒体の漏れ止めを行う。
【００２７】
図３に示すように、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂを形成する壁面には、前記酸化剤ガス出口連通孔４０ｂの上部側に位置してガイド用湾曲壁面６０ａが設けられるとともに、酸化剤ガス流路４６の下方に突出する凹部６２ａが形成される。燃料ガス出口連通孔４４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂと同様に、壁部に湾曲壁面６０ｂと凹部６２ｂとが設けられる。
【００２８】
酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂには、各々の底部６４ａ、６４ｂにゴム部材６６ａ、６６ｂを介装して挿入部材６８ａ、６８ｂが配設される。ゴム部材６６ａ、６６ｂは、例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）で構成されており、図１に示すように、積層体１４の積層方向に長尺な挿入部材６８ａ、６８ｂの裏面側に設けられる。
【００２９】
挿入部材６８ａ、６８ｂは、樹脂材、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレン  サルファイド）で構成されており、各々切削加工等によって複数の傾斜溝部７０ａ、７０ｂが形成される。図４に示すように、傾斜溝部７０ａ、７０ｂは、上方が拡開する断面台形状に形成されるとともに、図５に示すように、矢印Ｂ方向に延在する垂線Ｔに対して、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂにおける排出酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ａ１方向）に角度θ°だけ傾斜している。
【００３０】
角度θ°は、２°〜４５°の範囲内に設定され、本実施形態では、例えば、θ°＝５°に設定される。各傾斜溝部７０ａ間及び各傾斜溝部７０ｂ間の距離Ｈは、好適には、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内に設定される。
【００３１】
なお、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス入口連通孔４４ａは、必要に応じて上記の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂと同様に構成してもよい。
【００３２】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３３】
図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１エンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔４２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
【００３４】
図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガス流路４６では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス流路溝４６ａに分散される。このため、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス流路溝４６ａを介して電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に沿って移動する。
【００３５】
一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８では、燃料ガスが複数の燃料ガス流路溝４８ａに分散される。さらに、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４８ａを介して電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０に沿って移動する。
【００３６】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３７】
次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに排出される（図１及び図２参照）。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４４ｂに排出される。
【００３８】
一方、冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間に形成された冷却媒体流路５０に導入される（図２参照）。この冷却媒体流路５０では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体出口連通孔４２ｂに排出される。
【００３９】
この場合、本実施形態では、図３に示すように、例えば、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂの底部６４ａには、ゴム部材６６ａを介して挿入部材６８ａが配設されている。挿入部材６８ａには、図１及び図５に示すように、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂにおける排出酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ａ１方向）に向かって傾斜する複数の傾斜溝部７０ａが形成されている。
【００４０】
このため、酸化剤ガス流路４６の排出側端部から酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに排出される水分（生成水等）は、挿入部材６８ａの各傾斜溝部７０ａに沿って円滑且つ確実に移動し（図５中、破線矢印参照）、前記酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから良好に排出される。
【００４１】
これにより、本実施形態では、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに滞留水が発生することがなく、前記酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに該滞留水による閉塞等が惹起することはない。従って、簡単な構成で、安定した発電電圧を確実に得ることが可能になるという効果が得られる。
【００４２】
ここで、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに挿入部材６８ａを設けない燃料電池スタック（比較例）と、前記挿入部材６８ａを設ける燃料電池スタック（実施例）とを用いて、排水性を比較する実験を行った。具体的には、各燃料電池スタックの酸化剤ガス入口連通孔４０ａから純水を所定量添加し、前記酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び燃料ガス入口連通孔４４ａから窒素による掃気を行った際の燃料電池スタックの重量変化を検出したところ、図６に示す結果が得られた。図６から諒解されるように、実施例では、比較例に比べて多量の水を排出することができた。
【００４３】
また、図３に示すように、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂでは、上部側に湾曲壁面６０ａが設けられている。このため、酸化剤ガス流路４６からこの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに排出される使用済みの酸化剤ガスは、円滑に下方に流動することができ、これに伴って水分を挿入部材６８ａ側に良好に移動させることが可能になるという利点がある。
【００４４】
さらに、酸化剤ガス流路４６の下方に突出して凹部６２ａが設けられている。従って、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂの下部側に移動した使用済みの酸化剤ガスや水分は、酸化剤ガス流路４６に逆流することを良好に阻止される。
【００４５】
なお、燃料ガス出口連通孔４４ｂでは、上記の酸化剤ガス出口連通孔４０ｂと同様の効果が得られる。
【００４６】
また、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂでは、各々の底部６４ａ、６４ｂにゴム部材６６ａ、６６ｂを介装して、挿入部材６８ａ、６８ｂが配設されているが、これに限定されるものではない。例えば、ゴム部材６６ａ、６６ｂを用いずに、挿入部材６８ａ、６８ｂを直接底部６４ａ、６４ｂに配設してもよく、あるいは、前記底部６４ａ、６４ｂに直接傾斜溝部７０ａ、７０ｂを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する挿入部材の一部拡大説明図である。
【図５】前記挿入部材の平面説明図である。
【図６】比較例と実施例とによる重量変化の説明図である。
【図７】特許文献１の燃料電池スタックの概略説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０…燃料電池スタック              １２…燃料電池
２２…電解質膜・電極構造体          ２４、２６…金属セパレータ
２８…固体高分子電解質膜            ３０…アノード側電極
３２…カソード側電極                ４０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ４２ａ…冷却媒体入口連通孔
４２ｂ…冷却媒体出口連通孔          ４４ａ…燃料ガス入口連通孔
４４ｂ…燃料ガス出口連通孔          ４６…酸化剤ガス流路
４６ａ…酸化剤ガス流路溝            ４８…燃料ガス流路
４８ａ…燃料ガス流路溝              ５０…冷却媒体流路
６０ａ、６０ｂ…湾曲壁面            ６２ａ、６２ｂ…凹部
６４ａ、６４ｂ…底部                ６６ａ、６６ｂ…ゴム部材
６８ａ、６８ｂ…挿入部材            ７０ａ、７０ｂ…傾斜溝部
【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】
2006100016.tif 000007
【図６】
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【図７】
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