(57)【要約】【課題】同一平面上に複数の単セルを配置した構造を有する燃料電池において、個々の単セルの発電性能のばらつきを抑えて、発電特性を均一化する。【解決手段】アノード側セパレータ１とカソード側セパレータ３とで膜電極アセンブリを挟んだ構造の燃料電池のアノード側セパレータ１またはカソード側セパレータ３が、絶縁枠板４と、この上に分離して平面的に配置されたｎ個の導電部５と、枠板４に形成されたガス入口部８とガス出口部９を備えており、上記枠板および導電部には、ガスを流す溝が形成され、ガス入口部からのガスが１番目の導電部に流れ、ついで２番目の導電部に流れ、以下同様にしてｎ番目の導電部に流れ、さらにここで折り返されてｎ番目の導電部からｎ−１番目の導電部に流れ、以下同様にして１番目の導電部に流れる往復流れが１回以上繰り返されて、ガス出口部に至るように、上記溝が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側セパレータとカソード側セパレータとで膜電極アセンブリを挟んだ構造を備えた燃料電池であって、
上記アノード側セパレータまたはカソード側セパレータは、絶縁材料からなる絶縁枠板と、この絶縁枠板上に個々に分離して平面的に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数である）の導電部と、上記絶縁枠板に形成されたガス入口部とガス出口部を備えており、
上記絶縁枠板および導電部には、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流す流路が形成され、上記ガス入口部から流入したガスが、上記流路を経てガス出口部に流れるようになっており、
ガス入口部からのガスが１番目の導電部に流れ、ついで１番目の導電部から２番目の導電部に流れ、ついで２番目の導電部から３番目の導電部に流れ、以下同様にしてｎ番目の導電部に流れ、さらに折り返されてｎ番目の導電部からｎ−１番目の導電部に流れ、ｎ−１番目の導電部からｎ−２番目の導電部に流れ、以下同様にして１番目の導電部に流れる往復流れが１回以上繰り返されて、ガス出口部に至るように、上記流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
往復流れの折り返し位置が絶縁枠板に存在するようになされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単位セルが平面上に配置された平面型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、このような平面型の燃料電池の基本構造の一例を示すものである。
図中符号１は、アノード側セパレータを、２は膜電極アセンブリを、３はカソード側セパレータを示す。
このものでは、アノード側セパレータ１とカソード側セパレータ３とで膜電極アセンブリ２を挟み込んだ構造となっている。
【０００３】
アノード側セパレータ１とカソード側セパレータ３とは、ほぼ同様の構造を有するもので、このセパレータ１（３）は、耐熱性の良好な合成樹脂、セラミックなどの絶縁材料からなる矩形の板状の絶縁枠板４と、この絶縁枠板４の一方の面に配置された５個の黒鉛、タンタル、チタンなどの金属からなる導電部５、５・・から概略構成されている。
【０００４】
この導電部５は、いずれもその平面形状が矩形の板状となっており、絶縁枠板４に形成された凹部に埋められ、面一となっている。また、これら導電部５、５・・は、いずれも同一の平面形状を有しており、それぞれが図示のように分離されて配置されている。
また、絶縁枠板４には、ガス入口部とガス出口部とガス流路の一部が形成されており、すべての導電部５にもガス流路の残部が形成されているが、これについては、後述する。
【０００５】
膜電極アセンブリ２は、高分子電解質膜６と、この高分子電解質膜６の一方の面に間隔を介して配置された５個の矩形状のアノード電極７、７・・と、高分子電解質膜６の他方の面に上記アノード電極７と対応するように配置された矩形状の５個のカソード電極（図面では高分子電解質膜６の裏面側に存在し、描かれていない。）とから概略構成されている。
【０００６】
アノード電極７およびカソード電極は、ともに同様の構成を有するもので、例えばカーボンペーパにフッ素樹脂粉末を分散したスラリーを塗布し、この上に白金などの触媒微粉末を分散したスラリーを塗布して乾燥したフィルム状のものである。そして、このフィルムを所定の寸法に切断して高分子電解質膜６の両面に位置合わせをして配置し、加圧することで膜電極アセンブリ２が作製されるものである。
【０００７】
そして、このようなアノード側セパレータ１とカソード側セパレータ３との間に膜電極アセンブリ２を挟み込んだ際に、アノード側セパレータ１およびカソード側セパレータ３に配置した各導電部５、５・・と、膜電極アセンブリ２のアノード電極７またはカソード電極とがそれぞれ相対峙するようになっており、これにより５個の単セルが構成されるようになっている。この５個の単セルは、図示しない電気配線によって直列に接続されている。
【０００８】
図４は、上記アノード側セパレータ１またはカソード側セパレータ３に形成された流路の一例を示すものである。
図４において、符号８はガス入口部を、９はガス出口部を示す。このガス入口部８とガス出口部９は、絶縁枠板４を貫通して形成される孔であって、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入するようになっている。
【０００９】
また、個々の導電部５の表面には、上記ガスの流路となる蛇行溝１０が形成されている。さらに絶縁枠板４の表面には、各導電部５に形成された蛇行溝１０を繋ぐ連結溝１１、１１・・が形成され、ガス入口部８またはガス出口部９と導電部５の蛇行溝１０とを繋ぐ補助溝１２、１２も形成されている。
【００１０】
さらに、これら蛇行溝１０、連結溝１１および補助溝１２によって、ガス入口部８からガス出口部９に至る１本のガスの流路が形成されている。
なお、蛇行溝１０は、図面では単純化して描いてあり、１個の導電部５において、３本以上の溝が連続して蛇行溝１０を構成する形態であってもよい。
【００１１】
ここで説明の都合上、図４に描いた５個の導電部５、５・・のうち、ガス入口部８側に位置するものを１番目の導電部５−１とし、以下ガス出口部９に向けて順次２番目の導電部５−２、３番目の導電部５−３、４番目の導電部５−４、５番目の導電部５−５と呼ぶ。
【００１２】
このようなアノード側セパレータ１またはカソード側セパレータ３にあっては、ガス入口部８から燃料ガスまたは酸化剤ガスを上記溝１０、１１、１２を経てガス出口部９に流し、膜電極アセンブリ２にこのガスを拡散させてゆくことになる。
【００１３】
ところが、ガス入口部８から流入したガスは、１番目の導電部５−１の蛇行溝１０を流れ、その際ガスの一部が膜電極アセンブリ２に拡散し、その有効成分の濃度が低下した状態となって、２番目の導電部５−２に流れ込み、ここでガスの有効成分の一部がさらに消費されて３番目の導電部５−３の蛇行溝１０に流れ込む。このようにして、５番目の導電部５−５に流れ込んだガスは、その有効成分のかなりの部分が消費された状態となっている。
【００１４】
このように、個々の導電部５におけるガス中の有効成分の濃度が大きく異なることから、これに対応する単位セルの発電能力が異なると言う不都合が生じる。
このような不都合は、個々の導電部５の周囲にダムを設け、絶縁枠板４にも同様のダムを設け、導電部２全体にガスを接触させながら、１番目の導電部５−１から５番目の導電部５−５に順次ガスを流すタイプのセパレータでも同様に生じる。
平面型燃料電池に関する先行技術として、例えば以下のものが知られている。
【特許文献１】特許第３４２９５８５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１７７４５号公報
【特許文献３】特許第３３８０８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
よって、本発明における課題は、同一平面上に複数の単位セルを配置した構造を有する燃料電池において、個々の単位セルの発電性能のばらつきを抑えて、個々の単位セルの発電特性を均一化することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
かかる課題を解決するために、
請求項１にかかる発明は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとで膜電極アセンブリを挟んだ構造を備えた燃料電池であって、
上記アノード側セパレータまたはカソード側セパレータは、絶縁材料からなる絶縁枠板と、この絶縁枠板上に個々に分離して平面的に配置されたｎ個（ｎは２以上の整数である）の導電部と、上記絶縁枠板に形成されたガス入口部とガス出口部を備えており、
上記絶縁枠板および導電部には、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流す流路が形成され、上記ガス入口部から流入したガスが、上記流路を経てガス出口部に流れるようになっており、
ガス入口部からのガスが１番目の導電部に流れ、ついで１番目の導電部から２番目の導電部に流れ、ついで２番目の導電部から３番目の導電部に流れ、以下同様にしてｎ番目の導電部に流れ、さらに折り返されてｎ番目の導電部からｎ−１番目の導電部に流れ、ｎ−１番目の導電部からｎ−２番目の導電部に流れ、以下同様にして１番目の導電部に流れる往復流れが１回以上繰り返されて、ガス出口部に至るように、上記流路が形成されていることを特徴とする燃料電池である。
【００１７】
請求項２にかかる発明は、往復流れの折り返し位置が絶縁枠板に存在するようになされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが個々の導電部を横断的に流れ、この流れが繰り返されて流れるようになっているため、ガスの流れに伴ってガス中の有効成分の濃度が徐々に低下しても、個々の導電部での有効成分の平均的な濃度は、導電部間でほぼ同一となる。
このため、個々の単セル間での発電特性のばらつきの小さいものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の燃料電池におけるアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの一例を示すもので、図４に示したものと同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２０】
この例の１番目の導電部５−１と５番目の導電部５−５においては、これに形成された溝１３は、その平面形状がコ字状となっており、このコ字状の部分が折り返し部１４となっており、この折り返し部１４が導電部５−１、５−５の長手方向に１０個並んで形成されている。導電部５−１、５−５でのガス入口部８およびガス出口部９に直接繋がる溝１３は直線状となっている。
【００２１】
また、２番目ないし４番目の導電部５−２、５−３、５−４では、これに形成された溝１３は、導電部５を横断する直線状となっており、この溝１３が２１本所定の間隔を介して導電部５の長手方向に並んで形成されている。
さらに、絶縁枠板４の各導電部５間の部分には、導電部５に形成された多数の溝１３、１３・・をそれぞれ繋ぐ連結溝１１、１１・・が形成され、さらにはガス入口部８と１番目の導電部５−１の直線状の溝１３とを繋ぐ補助溝１２が形成され、ガス出口部９と５番目の導電部５−５の直線状の溝１３とを繋ぐ補助溝１２が形成されている。
【００２２】
そして、これら溝１１、１２、１３は、図示のように、ガス入口部８からガス出口部９に向けて一筆書きのように連結されて１本の溝となっており、この溝がガスの流路となっている。
【００２３】
次にこの例のセパレータにおけるガスの流れについて説明する。
ガス入口部８からのガスは、補助溝１２から１番目の導電部５−１の直線状の溝１３に入り、１番目の導電部５−１を横断して連結溝１１から２番目の導電部５−２の溝１３に入り、以下同様にして５番目の導電部５−５の溝１３に至り、ここの折り返し部１４で折り返される。
【００２４】
さらに、５番目の導電部５−５の溝１３から４番目の導電部５−４の溝１３に流れ、以下同様にして１番目の導電部５−１に流れ、ここの折り返し部１４で折り返される。
このように、１番目の導電部５−１から５番目の導電部５−５にかけて、これらの導電部を横断する往復の流れが繰り返されて、最終的に５番目の導電部５−５の溝１３から補助溝１２を通り、ガス出口部９に至ることになる。
【００２５】
このようにガスを流すことにより、ガスの流れに伴って、ガス中の有効成分が徐々に減少して行くが、ガスが１番目の導電部５−１から５番目の導電部５−５に横断的に次々に流れ、これが往復して９回繰り返されるため、導電部５の１個当たりにおけるガスの有効成分の濃度が平均化されることになる。
このため、各単セルでの発電能力のばらつきが小さいものとなる。
【００２６】
図２は、本発明におけるアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの他の例を示すもので、この例では、溝１３の折り返し点１４が１番目の導電部５−１と５番目の導電部５−５の外方の絶縁枠体４に形成されているところが先の例と異なるところである。
【００２７】
この例においては、１番目の導電部５−１および５番目の導電部５−５における溝１３の形状が、これ以外の導電部５−２、５−３、５−４のそれとほぼ同一となっている。このため、導電部５の１個当たりの平均的なガス中の有効成分量がより均一となって、単セルの発電性能のばらつきがさらに小さいものとなる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明におけるアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの一例を示す平面図である。
【図２】本発明におけるアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの他の例を示す平面図である。
【図３】本発明における平面型燃料電池の基本構造を示す概略分解斜視図である。
【図４】従来のアノード側セパレータまたはカソード側セパレータの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１・・アノード側セパレータ、２・・膜電極アセンブリ、３・・カソード側セパレータ、４・・絶縁枠板、５・・導電部、８・・ガス入口部、９・・ガス出口部、１１・・連結溝、１２・・補助溝、１３・・溝、１４・・折り返し部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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