(57)【要約】      （修正有）【課題】  生成水の滞留を防止するとともに反応効率が向上す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１０側の面に、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動する複数の溝状の流路１ａ，１ｂがストライプ状に形成されたガス流路１が形成され、溝状の流路１ａ，１ｂの少なくとも一部の断面積は、溝状の流路１ａ，１ｂの長さ方向へ連続的に増加または減少し、隣り合う溝状の流路１ａ，１ｂの断面積変化が逆である。【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、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動する複数の溝状の流路がストライプ状に形成されたガス流路が形成され、
前記溝状の流路の少なくとも一部の断面積は、前記溝状の流路の長さ方向へ連続的に増加または減少し、隣り合う前記溝状の流路の断面積変化が逆であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記溝状の流路の断面積は、前記溝状の流路の一端から他端まで連続的に増加または減少することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記溝状の流路の断面積は、前記溝状の流路の幅が変化することにより、増加または減少することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記溝状の流路の断面積は、前記溝状の流路の深さが変化することにより、増加または減少することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータは、導電性プレートからなり、
前記ガス流路は、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１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
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４記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータのガス流路が形成されている面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５または６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、ガス供給溝の断面積を入口側から出口側へ小さくする技術が開示されている（特許文献２参照。）。この技術によれば、発電に伴って生成する水のフラッディングを防止することができる。
【０００６】
さらに、流体通路の断面積を上流側から下流側へ大きくする技術が開示されている（特許文献３参照。）。この技術によれば、流体通路の上流側で高い流速で流れた反応に寄与しなかった未反応ガスが流体通路の下流側で低い流速で流れて十分に反応が行われることになる。その結果、反応帯域の全体で均質な反応を実現することができる。
【０００７】
また、セパレータに設けられたガス供給流路とガス排出流路とを分離形成し、ガス供給流路とガス排出流路との間に水を移動させるための細溝を設けた技術が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。この技術によれば、生成水がガス排出流路へ移動することから、フラッディングを起こすことなく電解質膜を加湿可能とすることができる。
【０００８】
さらに、燃料ガス通路及び酸化ガス通路が広幅部と狭幅部とを交互に繰り返す技術が開示されている（特許文献５参照。）。この技術によれば、生成水の排出効率を高めることができる。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【特許文献２】特開平１１−１６５９０号公報
【特許文献３】特開２００１−４３８６８号公報
【特許文献４】特開２００４−１４６３０９号公報
【特許文献５】特開２００２−２７０２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の技術では、ガス供給用流路の閉塞部において生成水が滞留する可能性がある。また、特許文献２〜５の技術では、隣り合う流路間に圧力差が生じないため、セパレータのリブ部に接するガス拡散層中を反応ガスが通過しない。それにより、効率的な反応が行われない。
【００１０】
本発明は、生成水の滞留を防止するとともに反応効率が向上す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】
【００１１】
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、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動する複数の溝状の流路がストライプ状に形成されたガス流路が形成され、溝状の流路の少なくとも一部の断面積は、溝状の流路の長さ方向へ連続的に増加または減少し、隣り合う溝状の流路の断面積変化が逆であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る燃料電池においては、断面積が連続的に減少する溝状の流路を流動するガス圧力は、断面積が連続的に増加する溝状の流路を流動するガス圧力よりも高くなる。したがって、断面積が連続的に減少する溝状の流路を流動する燃料ガスまたは酸化剤ガスは発電セルを通過して断面積が連続的に増加する溝状の流路に流入する。その結果、発電セルの全体に燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給されることから、燃料電池の反応効率が向上する。
【００１３】
また、断面積が連続的に減少する溝状の流路においては、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流動するにつれて流動速度が大きくなる。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが発電セルの発電反応に用いられてガス濃度が減少しても、発電セルの発電に必要な量の燃料ガスまたは酸化剤ガスが発電セルに供給される。その結果、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動方向に均一に燃料ガスまたは酸化剤ガスが発電セルに供給される。
【００１４】
さらに、断面積が連続的に増加する溝状の流路においては、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流動するにつれて流動速度が小さくなる。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流路全体に十分に供給されることになる。その結果、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流動方向に均一に燃料ガスまたは酸化剤ガスが発電セルに供給される。以上のことから、発電セルの発電が効率的に行われる。
【００１５】
また、断面積が連続的に減少する溝状の流路においては、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動するにつれて流動速度が大きくなることから、発電セルの発電により生成した水が排出されやすい。また、断面積が連続的に増加する溝状の流路においては、断面積が連続的に大きくなることから、発電セルの発電により生成した水が詰まりにくい。したがって、本発明に係る燃料電池においてはフラッディングが発生しない。その結果、燃料電池の発電効率低下を防止することができる。
【００１６】
溝状の流路の断面積は、溝状の流路の一端から他端まで連続的に増加または減少してもよい。この場合、隣り合う流路間の圧力差が大きくなる。それにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが発電セルを効率的に通過する。その結果、本発明に係る燃料電池の反応効率が向上する。
【００１７】
溝状の流路の断面積は、溝状の流路の幅が変化することにより、増加または減少してもよい。この場合、セパレータの形成が容易になる。それにより、本発明に係る燃料電池の製造コスト低減が図れる。
【００１８】
溝状の流路の断面積は、溝状の流路の深さが変化することにより、増加または減少してもよい。この場合、ガスの流動方向に断面積が小さくなる流路の上にガスの流動方向に断面積が大きくなる流路が配置されるようにセパレータを２枚重ねれば、燃料電池の薄型化が図れる。また、セパレータのガス流動方向への位置ずれが防止される。
【００１９】
セパレータは、導電性プレートからなり、ガス流路は、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。
【００２０】
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。
【００２１】
セパレータのガス流路が形成されている面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】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池の反応効率が向上する。また、フラッディングが発生せずに生成水の滞留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】
【００２３】
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】
【００２４】
図１は、本発明に係る燃料電池１００の断面斜視図である。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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、セパレータ３のガス拡散層４側の面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動するガス流路１が形成されている。ガス流路１は、溝状の流路１ａ，１ｂがリブ部６を挟んで交互にストライプ状に並ぶ構造を有する。ガス流路１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。燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス供給口１ａａ，１ｂａから流入し、流路１ａ，１ｂを図２（ａ）の矢印の方向に流動しつつ発電セル１０の発電反応に用いられ、ガス排出口１ａｂ，１ｂｂから排出される。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスは流路１ａ，１ｂを流動するにつれて濃度が低くなる。
【００２９】
また、図２（ｂ）に示すように、ガス供給口１ａａ側における流路１ａの幅は、ガス供給口１ｂａ側における流路１ｂの幅よりも大きくなっている。一方、図２（ｃ）に示すように、ガス排出口１ａｂ側における流路１ａの幅は、ガス排出口１ｂｂ側における流路１ｂの幅よりも小さくなっている。このように、流路１ａの幅はガスの流動方向に連続的に小さくなり、流路１ｂの幅はガスの流動方向に連続的に大きくなる。それにより、流路１ａの断面積はガスの流動方向に連続的に小さくなり、流路１ｂの断面積はガスの流動方向に連続的に大きくなる。
【００３０】
さらに、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、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７が複数形成されている。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７は、セパレータ３の流路１ａ，１ｂとは反対側の面の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流路１ａ，１ｂ及び冷却媒体流路７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。
【００３１】
また、流路１ａ，１ｂの幅を変化させるだけで流路１ａ，１ｂの断面積変化を実現できることから、セパレータ３のプレス加工を容易に行うことができる。さらに、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。
【００３２】
図３は、流路１ａ，１ｂを流動するガスの圧力について説明する図である。図３（ａ）は流路位置とガス圧力との関係を示す図であり、図３（ｂ）はセパレータ３に供給されるガスの流動を説明する図である。図３（ａ）に示すように、流路１ａ，１ｂには等圧力のガスが供給されるため、ガス供給口１ａａ，１ｂａにおけるガス圧力は等しくなる。流路１ａにおいては、断面積が徐々に小さくなることから、ガス供給口１ａａ近傍においてはガス圧力の減少の割合が小さく、ガス排出口１ａｂ近傍においてはガス圧力の減少の割合が大きくなる。一方、流路１ｂにおいては、断面積が徐々に大きくなることから、ガス供給口１ｂａ近傍においてはガス圧力の減少の割合が大きく、ガス排出口１ｂｂ近傍においてはガス圧力の減少の割合が小さくなる。また、流路１ａ，１ｂから等圧力のガスが排出されるため、ガス排出口１ａｂ，１ｂｂにおけるガス圧力は等しくなる。
【００３３】
以上のことから、流路１ａを流動するガス圧力は、流路１ｂを流動するガス圧力よりも高くなる。それにより、図３（ｂ）に示すように、流路１ａを流動するガスは図１のガス拡散層４を通過して流路１ｂに流入する。したがって、ガス拡散層４の全体にガスが供給される。特に、本実施例のように流路１ａ，１ｂの供給口から排出口まで断面積が連続的に変化している場合には、流路１ａと流路１ｂとの間のガスの圧力差が大きくなる。したがって、ガス拡散層４をガスが効率的に通過する。その結果、燃料電池１００の反応効率が向上する。
【００３４】
また、ガス排出口１ａｂ近傍においては流路１ａの断面積が小さいことから、ガスの流動速度が大きくなる。それにより、流路１ａを流動するガスが発電セル１０の発電反応に用いられてガス濃度が低くなっても、発電セル１０の発電に必要な量のガスがガス排出口１ａｂ近傍からガス拡散層４に供給される。その結果、流路１ａにおいては、ガスの流動方向に均一の量のガスがガス拡散層４に供給される。
【００３５】
一方、ガス供給口１ｂａ近傍においては流路１ｂの断面積が小さいことから、ガスの流動速度が大きくなる。それにより、ガス排出口１ｂｂ近傍にまでガスが十分に供給されることになる。その結果、流路１ｂにおいても、ガスの流動方向に均一の量のガスがガス拡散層４に供給される。
【００３６】
以上のことから、流路１ａ，１ｂのいずれの位置においても、ガス拡散層４に供給されるガスの量は均一になる。したがって、発電セル１０の発電が効率的に行われる。
【００３７】
また、ガス排出口１ａｂ近傍においてはガスの流動速度が大きいことから、発電セル１０の発電により生成した水がガス排出口１ａｂから排出されやすい。また、ガス排出口１ｂｂ近傍においては断面積が大きいことから、発電セル１０の発電により生成した水が詰まりにくい。したがって、本発明に係る燃料電池１００においてはフラッディングの発生が防止される。その結果、燃料電池１００の発電効率低下を防止することができる。
【００３８】
図４は、セパレータ３の他の例であるセパレータ３ａを説明する図である。図４（ａ）はセパレータ３ａの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。
【００３９】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、セパレータ３ａのガス拡散層４側の面には、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流動するガス流路１１が形成されている。ガス流路１１は、溝状の流路１１ａ，１１ｂがリブ部６を挟んで交互にストライプ状に並ぶ構造を有する。ガス流路１１は、セパレータ３ａ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。燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス供給口１１ａａ，１１ｂａから流入し、流路１１ａ，１１ｂを図４（ａ）の矢印の方向に流動しつつ発電セル１０の発電反応に用いられ、ガス排出口１１ａｂ，１１ｂｂから排出される。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスは流路１１ａ，１１ｂを流動するにつれて濃度が低くなる。
【００４０】
また、図４（ｂ）に示すように、ガス供給口１１ａａ側における流路１１ａの深さは、ガス供給口１１ｂａ側における流路１ｂの深さよりも大きくなっている。一方、図４（ｃ）に示すように、ガス排出口１１ａｂ側における流路１１ａの深さは、ガス排出口１１ｂｂ側における流路１１ｂの深さよりも小さくなっている。このように、流路１１ａの深さはガスの流動方向に連続的に小さくなり、流路１１ｂの深さはガスの流動方向に連続的に大きくなる。それにより、流路１１ａの断面積はガスの流動方向に連続的に小さくなり、流路１１ｂの断面積はガスの流動方向に連続的に大きくなる。
【００４１】
さらに、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、セパレータ３ａ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７が複数形成されている。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７は、セパレータ３ａの流路１１ａ，１１ｂとは反対側の面の溝状の流路からなる。このように、セパレータ３ａの両面に形成された溝部を流路１１ａ，１１ｂ及び冷却媒体流路７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。
【００４２】
流路１１ａの断面積が連続的に減少し流路１１ｂの断面積が連続的に増加することから、セパレータ３と同様に、流路１１ａを流動するガス圧力は、流路１１ｂを流動するガス圧力よりも高くなる。したがって、図３（ｂ）で説明したように、流路１１ａを流動するガスは図１のガス拡散層４を通過して流路１１ｂに流入する。その結果、ガス拡散層４の全体にガスが供給されることから、燃料電池１００の反応効率が向上する。
【００４３】
また、ガス排出口１１ａｂ近傍においては流路１１ａの断面積が小さいことから、ガスの流動速度が大きくなる。それにより、流路１１ａを流動するガスが発電セル１０の発電反応に用いられてガス濃度が減少しても、発電セル１０の発電に必要な量のガスがガス排出口１１ａｂ近傍からガス拡散層４に供給される。その結果、流路１１ａにおいては、ガスの流動方向に均一の量のガスがガス拡散層４に供給される。
【００４４】
一方、ガス供給口１１ｂａ近傍においては流路１１ｂの断面積が小さいことから、ガスの流動速度が大きくなる。それにより、ガス排出口１１ｂｂ近傍にまでガスが十分に供給されることになる。その結果、流路１１ｂにおいても、ガスの流動方向に均一の量のガスがガス拡散層４に供給される。
【００４５】
以上のことから、流路１１ａ，１１ｂのいずれの位置においても、ガス拡散層４に供給されるガスの量は均一になる。したがって、発電セル１０の発電が効率的に行われる。
【００４６】
また、流路１１ａと流路１１ｂとが背向するようにセパレータ３ａを２枚重ねれば、図２のセパレータ３を２枚重ねるよりも薄くなる。それにより、燃料電池１００が薄型化される。また、セパレータ３ａのガス流動方向への位置ずれが防止される。
【００４７】
さらに、流路１１ａ，１１ｂを平行に形成すれば、冷却媒体流路７も平行になり、燃料電池１００を均等に冷却することができる。したがって、燃料電池１００の冷却効率が向上する。
【００４８】
なお、本実施例においては、流路１ａ，１１ａの断面積は連続的に減少し流路１ｂ，１１ｂの断面積は連続的に増加しているが、流路の少なくとも一部が連続的に増加または減少していればよい。したがって、流路１ａ，１１ａ，１ｂ，１１ｂの途中において断面積が変化しない部分があっても構わない。また、流路１ａ，１１ａの断面積が途中で連続的に増加して流路１ｂ，１１ｂの断面積が途中で連続的に減少してもよい。この場合、流路１ａ，１１ａと，１ｂ，１１ｂとの断面積変化が逆であれば、図３で説明した効果が得られる。
【００４９】
また、本実施例においては、流路１ａ，１ｂ，１１ａ，１１ｂの断面積変化を流路幅および流路深さのいずれか一方を変化させることにより実現しているが、流路幅および流路深さの両方を変化させることにより実現してもよい。
【００５０】
さらに、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。
【００５１】
また、本実施例においては、セパレータ３，３ａ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。
【００５２】
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】
【００５３】
【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】流路を流動するガスの圧力について説明する図である。
【図４】セパレータの他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，１１  ガス流路
１ａ，１ｂ，１１ａ，１１ｂ  流路
２  電解質膜
３，３ａ  セパレータ
４  ガス拡散層
５  触媒層
６  リブ部
７  冷却媒体流路
１０  発電セル
２０  単電池
１００  燃料電池
【図１】
2006114387.tif 000003
【図２】
2006114387.tif 000004
【図３】
2006114387.tif 000005
【図４】
2006114387.tif 000006