(57)【要約】【課題】スタックが絶縁部によって電気的に絶縁された複数の領域に分割される燃料電池において、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化を可能にする。【解決手段】単セルが積層されてなるスタックは、スタックの積層方向に沿って配置され、スタックを前記積層方向と交差する方向に沿って電気的に絶縁された複数の反応領域を形成する絶縁部を有し、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータは、複数の反応領域にアノードガス流路を形成するための第１溝及びカソードガス流路を形成するための第２溝が形成され、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおける前記絶縁部は、外周部に設けられた第１絶縁部と、前記反応領域を電気的に絶縁された複数の領域に分割する第２絶縁部とを有し、前記第１絶縁部に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の入口又は出口の一方が設けられ、前記第２絶縁部に前記入口又は前記出口の他方が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方側に配置されるアノード電極及び他方側に配置されるカソード電極からなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記一方側にアノードガス流路が形成されるよう配置されるアノード側セパレータと、
前記膜電極接合体の前記他方側にカソードガス流路が形成されるよう配置されるカソード側セパレータと、
を有する単セルが複数積層されて構成されたスタックを備える燃料電池であって、
前記スタックは、前記単セルの積層方向に沿って配置され、前記スタックに前記積層方向と交差する方向に沿って電気的に絶縁された複数の反応領域を形成する絶縁部を有し、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、前記複数の反応領域に前記アノードガス流路を形成するための第１溝及び前記カソードガス流路を形成するための第２溝が形成され、
前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおける前記絶縁部は、外周部に設けられた第１絶縁部と、前記反応領域を電気的に絶縁された複数の領域に分割する第２絶縁部とを有し、
前記第１絶縁部に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の入口又は出口の一方が設けられ、前記第２絶縁部に前記入口又は前記出口の他方が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２絶縁部に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の前記入口が設けられ、
前記第１絶縁部のうち、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの左右両端に形成された端側絶縁領域に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の前記出口が設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記複数の反応領域は、前記第２絶縁部によって左右に電気的に絶縁され均等な反応面積を有する２つの反応領域で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記端側絶縁領域に冷却水流路の入口及び出口が設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１絶縁部及び前記第２絶縁部は内周縁に嵌合溝を有する枠体で構成され、
前記反応領域は、表裏面に前記溝が形成されると共に、外周縁が前記嵌合溝に嵌合されて前記枠体に装着される板状体で構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１溝及び前記第２溝は矩形断面を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜、触媒層を有する電極及びセパレータなどで単セルを構成し、単セルが複数積層されてスタックを形成する。燃料電池において、出力電圧は単セルの積層枚数によって決まり、出力電流は各単セルの反応面の面積によって決まる。
定置用燃料電池のように多数の機器を同時に使用せず、１個又は２個のモータのみに電力を供給する自動車用燃料電池では、電流値は配線の径や回路耐性に大きく影響するため、小さいほうが望ましい。一方、単セルの積層数が多い場合燃料電池の全長が長くなり、搭載スペースが大きくなる。
そこで、スタックを分割して配置すると、夫々にガス流路や配線設備が必要となり、搭載スペースの低減にはならない。
【０００３】
特許文献１及び２には、絶縁部によってスタックに電気的に絶縁された複数の領域を形成することで、スタックを分割することなく出力電流値を小さくする手段が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２１２５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１６３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び２には、絶縁部によってスタックに電気的に絶縁された複数の領域を形成する場合に、特に、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化や反応効率の向上を図る手段は開示されていない。
【０００６】
幾つかの実施形態は、スタックが絶縁部によって電気的に絶縁された複数の領域に分割される燃料電池において、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）幾つかの実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方側に配置されるアノード電極及び他方側に配置されるカソード電極からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記一方側にアノードガス流路が形成されるよう配置されるアノード側セパレータと、前記膜電極接合体の前記他方側にカソードガス流路が形成されるよう配置されるカソード側セパレータと、を有する単セルが複数積層されて構成されたスタックを備える燃料電池であって、前記スタックは、前記単セルの積層方向に沿って配置され、前記スタックに前記積層方向と交差する方向に沿って電気的に絶縁された複数の反応領域を形成する絶縁部を有し、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータは、前記複数の反応領域に前記アノードガス流路を形成するための第１溝及び前記カソードガス流路を形成するための第２溝が形成され、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータにおける前記絶縁部は、外周部に設けられた第１絶縁部と、前記反応領域を電気的に絶縁された複数の領域に分割する第２絶縁部とを有し、前記第１絶縁部に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の入口又は出口の一方が設けられ、前記第２絶縁部に前記入口又は前記出口の他方が設けられる。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、スタックを絶縁部によって電気的に絶縁された複数の領域に分割することで、各領域のスタックの反応面積を低減し、出力電流値を低減できると共に、分割された領域を直列に接続することで、高出力電圧の仕様とすることができる。また、スタックを分割して配置する場合と比べて、ガス流路や配線設備が複雑とならず、省スペース化及び構成の簡素化を達成できる。
また、上記第１絶縁部及び上記第２絶縁部にアノードガス流路及びカソードガス流路の入口及び出口を設けることで、これらガス流路の形成によってスタックの反応領域の面積が低減しないため、反応効率を高く維持できる。
【０００９】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、前記第２絶縁部に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の前記入口が設けられ、前記第１絶縁部のうち、前記アノード側セパレータ及び前記カソード側セパレータの左右両端に形成された端側絶縁領域に前記アノードガス流路及び前記カソードガス流路の前記出口が設けられる。
【００１０】
上記（２）の構成によれば、アノードガス流路及びカソードガス流路（以下、上記２つのガス流路を含む意味で「両ガス流路」とも言う。他の部材についても、アノード側とカソード側とに同じ役割をもつ２つの部材を有する場合、同様の意味で「両〜」とも言う。）の入口を上記第２絶縁部に設け、両ガス流路の出口を両セパレータの上記端側絶縁領域に設けることで、両セパレータと両電極との間に形成される両ガス流路を短縮できる。これによって、両ガス流路を流れる反応ガスの圧力損失を低減でき、反応効率を高く維持できると共に、生成水の排出性能を向上できる。
【００１１】
（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、前記複数の反応領域は、前記第２絶縁部によって左右に電気的に絶縁され均等な反応面積を有する２つの反応領域で構成される。
上記（３）の構成によれば、スタックの反応領域を電気的に絶縁された左右２つの領域に分割することで、自動車に設けられる搭載スペースに合った大きさ及び形状とすることができる。また、上記２つの領域の反応面積を均等とすることで、両領域で発生する電流値が同等となるため、燃料電池の出力電流値の制御が容易になる。
【００１２】
（４）一実施形態では、前記（２）又は（３）の構成において、前記端側絶縁領域に冷却水流路の入口及び出口が設けられる。
上記（４）の構成によれば、上記冷却水流路の入口及び出口が両セパレータの端側絶縁領域に設けられるので、冷却水流路の形成によってスタックの反応領域の面積が低減しないため、反応効率の低下を防止でき、反応効率を高く維持できる。
【００１３】
（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、前記第１絶縁部及び前記第２絶縁部は内周縁に嵌合溝を有する枠体で構成され、
前記反応領域は、表裏面に前記第１溝及び第２溝が形成されると共に、外周縁が前記嵌合溝に嵌合されて前記枠体に装着される板状体で構成される。
上記（５）の構成によれば、両セパレータの製造、加工及び単セルへの組付けが容易になる。
【００１４】
（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の構成において、前記第１溝及び前記第２溝は矩形断面を有する。
上記（６）の構成によれば、第１溝及び第２溝が矩形断面を有することで、ガス拡散層のガス透過面積を増加でき、これによって、透過ガス量を増加できるため、反応効率を向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
幾つかの実施形態によれば、ガス流路や配線設備の増加を招くことなく、スタックが絶縁部によって電気的に絶縁された複数の領域に分割できる。従って、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図２】一実施形態に係る単セルを展開して示す斜視図である。
【図３】一実施形態に係るアノード側の電極及びセパレータを示す斜視図である。
【図４】一実施形態に係るカソード側の電極及びセパレータを示す斜視図である。
【図５】一実施形態に係るセパレータの斜視図である。
【図６】図５中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図７】図５中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００１８】
幾つかの実施形態に係る燃料電池１０は、図１に示すように、複数の単セル１４が一方向に積層されたスタック１２を備える。図示した実施形態では、スタック１２の両側にエンドプレート５０が設けられ、エンドプレート５０には、反応ガスとして水素や空気を各単セル１４に供給する燃料ガス管５２及び空気管５４と、冷却水をスタック１２に供給する冷却水管５６が設けられる。
【００１９】
図２に示すように、単セル１４は、電解質膜１６及び電解質膜１６の一方側に配置されるアノード電極１８及び他方側に配置されるカソード電極２０からなる膜電極接合体２１と、アノード電極１８の外側（一方側）に配置されるアノード側セパレータ２２と、カソード電極２０の外側（他方側）に配置されるカソード側セパレータ２４と、を重ね合わせて構成される。
一実施形態では、単セル当り０．５〜１．０Ｖの発電が行われ、スタック全体で数百Ｖの発電が行われる。
【００２０】
スタック１２は、単セル１４の積層方向（図１中の矢印ａ方向）に沿って配置される絶縁部３０（３０ａ、３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ）を有する。スタック１２は絶縁部３０によって上記積層方向と交差する方向に沿って複数の領域Ｒ１及びＲ２に分割され、複数の領域Ｒ１及びＲ２は、夫々電気的に絶縁された複数の反応領域１７ａ及び１７ｂを形成する。アノード電極１８の反応領域において水素イオンが発生し、アノード電極１８からカソード電極２０に向けて水素イオンの透過が行われる。
【００２１】
図３は、一実施形態に係るアノード側セパレータ２２及びアノード電極１８を示す。図４、は一実施形態に係るカソード電極２０及びカソード側セパレータ２４を示す。図５は、アノード側セパレータ２２又はカソード側セパレータ２４として用いられるセパレータの一実施形態を示す。
図３に示すように、アノード電極１８とアノード側セパレータ２２との間に、アノードガス流路２６が形成され、図４に示すように、カソード電極２０とカソード側セパレータ２４との間にカソードガス流路２８が形成される。
【００２２】
図３及び図５に示すように、アノード側セパレータ２２は、絶縁部３０によって分割された複数の領域Ｒ１及びＲ２の夫々に形成される反応領域１７ａ及び１７ｂにアノードガス流路２６を形成するための第１溝３２が形成される。
図４及び図５に示すように、カソード側セパレータ２４は、複数の領域Ｒ１及びＲ２の夫々の反応領域１７ａ及び１７ｂにカソードガス流路２８を形成するための第２溝３４が形成される。
【００２３】
両セパレータ２２及び２４において、図１に示す絶縁部３０（３０ｄ、３０ｅ）は、模式的に図示されたものであり、正確には、図５に示すように、両セパレータの外周部に設けられた第１絶縁部３６と、反応領域を電気的に絶縁された複数の反応領域１７ａ及び１７ｂに分割する第２絶縁部３８とを有する。第１絶縁部３６にアノードガス流路２６及びカソードガス流路２８の入口４０，４２又は出口４４（４４ａ、４４ｂ）及び４６（４６ａ、４６ｂ）の一方が設けられ、第２絶縁部３８に該入口又は該出口の他方が設けられる。
【００２４】
上記構成によれば、スタック１２の反応領域を絶縁部３０によって電気的に絶縁された複数の反応領域１７ａ及び１７ｂに分割することで、各反応領域の反応面積を低減し、これによって、出力電流値を低減できる。また、分割された複数の反応領域を直列に接続することで、高出力電圧の仕様を実現できる。また、スタック１２を分割して配置する場合と比べて、ガス流路や配線設備が複雑とならず、燃料電池１０の省スペース化及び構成の簡素化を達成できる。
また、第１絶縁部３６及び第２絶縁部３８にアノードガス流路２６及びカソードガス流路２８の入口４０、４２及び出口４４、４６を設けることで、これらガス流路の形成によって反応領域１７ａ及び１７ｂの反応面積が低減しないため、反応効率を高く維持できる。
【００２５】
一実施形態では、アノード電極１８及びカソード電極２０は、電解質膜１６側に配置され夫々の電極における反応を促進させるための触媒層と、反応ガスが透過可能な性質を有するガス拡散層とで構成される。
また、上記ガス拡散層は、例えば炭素繊維を材料としてプレス成型などの方法で製造される。また、両セパレータ２２及び２４は、通常加工な容易な金属製のセパレータが用いられるため、溝加工が容易である。
【００２６】
一実施形態では、図５に示すように、第２絶縁部３８にアノードガス流路２６の入口４０及びカソードガス流路２８の入口４２が設けられる。そして、第１絶縁部３６のうち、両セパレータ２２及び２４の左右両端に形成された端側絶縁領域４８ａ及び４８ｂにアノードガス流路２６出口４４（４４ａ、４４ｂ）及びカソードガス流路２８の出口４６（４６ａ、４６ｂ）が設けられる。
【００２７】
上記構成によれば、両ガス流路２６及び２８の入口４０及び４２を端側絶縁領域４８ａ及び４８ｂの中間位置に設けられた第２絶縁部３８に設け、両ガス流路の出口を両セパレータ２２及び２４の端側絶縁領域４８ａ及び４８ｂに設けることで、両セパレータ２２及び２４と両電極１８及び２０との間に形成される両ガス流路２６及び２８を短縮できる。これによって、両ガス流路２６及び２８を流れる反応ガスの圧力損失を低減でき、反応効率を向上できると共に、生成水の排出性能を向上できる。
【００２８】
一実施形態では、図５に示すように、第１溝３２及び第２溝３４は横方向に沿って延在するため、第２絶縁部３８に設けられた入口４０及び４２から端側絶縁領域４８ａ及び４８ｂに設けられた出口４４及び４６に容易に反応ガスを導くことができ、圧力損失をさらに低減できる。
【００２９】
一実施形態では、図５に示すように、複数の反応領域１７ａ及び１７ｂは、第２絶縁部３８によって左右に電気的に絶縁され均等な反応面積を有する２つの反応領域で構成される。
上記構成によれば、スタック１２の反応領域を電気的に絶縁された左右２つの領域に分割することで、自動車に設けられる搭載スペースに合った大きさ及び形状とすることができる。また、２つの反応領域１７ａ及び１７ｂの反応面積を均等とすることで、両領域で発生する電流値が同等となるため、燃料電池１０の出力電流値の制御が容易になる。
【００３０】
一実施形態では、図５に示すように、両セパレータ２２及び２４の端側絶縁領域４８ａ及び４８ｂに冷却水流路の入口６０ａ、６０ｂ及び出口６２ａ、６２ｂが設けられる。
上記構成によれば、冷却水流路の入口６０ａ、６０ｂ及び出口６２ａ、６２ｂが両セパレータ２２及び２４の端側絶縁領域４８ａ及び４８ｂに設けられるので、冷却水流路の形成によってスタック１２の反応領域１７ａ及び１７ｂの面積が低減しないため、反応効率の低下を防止でき、反応効率を高く維持できる。
【００３１】
一実施形態では、図６に示すように、第１絶縁部３６及び第２絶縁部３８は内周縁に嵌合溝６４を有する枠体６６で構成され、反応領域１７ａ及び１７ｂは、表裏面に第１溝３２及び第２溝３４が形成されると共に、外周縁が嵌合溝６４に嵌合されて枠体６６に装着される板状体６７で構成される。
上記構成によれば、両セパレータ２２及び２４の製造、加工及び単セル１４への組付けが容易になる。
一実施形態では、枠体６６への板状体６７の装着方法として、枠体６６が厚さ方向に２つ割りの分割板で形成され、これら２つ割りの分割板で板状体６７を両側から挟んだ状態で接着固定する。
【００３２】
一実施形態では、図５に示すように、両セパレータ２２及び２４に用いられるセパレータは、表裏面にアノードガス流路２６及びカソードガス流路２８を形成可能に成形される。即ち、裏面（紙面に対して奥側の面）には、アノードガス流路２６の入口４０及び出口４４（４４ａ、４４ｂ）と第１溝３２との間の第１絶縁部３６及び第２絶縁部３８の面に、他の面に対して段差６８を有して凹んだ流路が形成され、アノードガスは入口４０からこの凹み流路及び第１溝３２を通って出口４４（４４ａ、４４ｂ）に流入する。
アノード側セパレータ２２として用いられる場合、裏面では、他の流路の入口及び出口の周囲には堰７２が形成され、アノード側セパレータ２２とアノード電極１８との間に、アノードガス以外の流体が流入しないようになっている。
【００３３】
同様に、カソード側セパレータ２４の表面（紙面に対して手前側の面）には、カソードガス流路２８の入口４２及び出口４６（４６ａ、４６ｂ）と第２溝３４との間に、他の面に対して段差７０を有して凹んだ流路が形成され、カソードガスは、入口４２からこの凹み流路及び第２溝３４を通って出口４６（４６ａ、４６ｂ）に流入する。
カソード側セパレータ２４として用いられる場合、表面では、他の流路の入口及び出口の周囲には堰７２が形成され、カソード側セパレータ２４とカソード電極２０との間に、カソードガス以外の流体が流入しないようになっている。
このように、板状のセパレータ板の表裏面に第１溝３２，第２溝３４、段差６８、７０及び堰７２を加工するという簡単な加工で、アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８を形成でき、そのため、両ガス流路を形成するための配管を必要としない。
【００３４】
一実施形態では、図７に示すように、反応領域１７ａ及び１７ｂに形成された第１溝３２及び第２溝３４は矩形断面を有する。上記構成によれば、第１溝３２及び第２溝３４が矩形断面を有することで、平坦な形状の電極と比べて反応面積が側壁７４の分だけ増加する。
これによって、アノード電極１８及びカソード電極２０のガス透過面積を増加でき、透過ガス量を増加できるため、反応効率を向上できる。
図７では、アノードガスＧａが側壁７４を通過する状態を示している。
【００３５】
図１〜図５に示す実施形態では、絶縁部３０によってスタック１２の反応領域１７ａ及び１７ｂを左右に２分割しているが、別な実施形態では、反応領域を３分割以上に分割するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
幾つかの実施形態によれば、スタックが絶縁部によって電気的に絶縁された複数の領域に分割される燃料電池において、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化が可能になる。従って、燃料電池の小型化が可能になり、かつ形状を例えば自動車の搭載スペースに容易に合わせることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０        燃料電池
１２        スタック
１４        単セル
１６        電解質膜
１７ａ、１７ｂ    反応領域
１８        アノード電極
２０        カソード電極
２１        膜電極接合体
２２        アノード側セパレータ
２４        カソード側セパレータ
２６        アノードガス流路
２８        カソードガス流路
３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）    絶縁部
３２、３４    溝
３６        第１絶縁部
３８        第２絶縁部
４０、４２、６０ａ、６０ｂ    入口
４４（４４ａ、４４ｂ）、４６（４６ａ、４６ｂ）、６２ａ、６２ｂ    出口
４８ａ、４８ｂ    端側絶縁領域
５０        エンドプレート
５２        燃料ガス管
５４        空気管
５６        冷却水管
６４        嵌合溝
６６        枠体
６７        板状体
６８、７０    段差
７２        堰
７４        側壁
Ｇａ        アノードガス
【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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【図６】
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【図７】
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