(57)【要約】【課題】絶縁部を設けて電気的に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し、かつ反応効率を向上させる。【解決手段】幾つかの実施形態に係る燃料電池は、電解質膜とアノード電極及びカソード電極からなる膜電極接合体と、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、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配置され、前記スタックを前記積層方向と交差する方向に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、前記アノードガス流路は、前記アノード側セパレータに対向する前記アノード電極の面に形成されたアノード電極溝によって形成され、前記カソードガス流路は、前記カソード側セパレータに対向する前記カソード電極の面に形成されたカソード電極溝によって形成される。【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配置され、前記スタックを前記積層方向と交差する方向に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、
前記アノードガス流路は、前記アノード側セパレータに対向する前記アノード電極の面に形成されたアノード電極溝によって形成され、
前記カソードガス流路は、前記カソード側セパレータに対向する前記カソード電極の面に形成されたカソード電極溝によって形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノード側セパレータ、前記カソード側セパレータ、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形成された前記絶縁部は、平坦な表裏面を有する板状体で構成さ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】
前記アノード電極及び前記カソード電極には、前記反応領域及び前記絶縁部を除いた付属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入口及び出口が形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】
前記付属領域に冷却水流路の入口及び出口が形成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記スタックは前記絶縁部によって電気的に絶縁された左右に配置する２つの反応領域を形成し、
前記２つの反応領域は均等な反応面積を有す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】
前記アノード電極溝及び前記カソード電極溝は、左右方向に沿って延在することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード電極溝及び前記カソード電極溝は矩形断面を有することを特徴とする請求項１乃至６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、出力電流値を低減するため、スタックを分割すると、分割された夫々のスタックにガス流路や配線設備が必要となり、これらの搭載スペースが大きくなるため、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、スタックに絶縁部を設け、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、絶縁部を設けて電気的に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し、かつ反応効率を向上させ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配置され、前記スタックを前記積層方向と交差する方向に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、前記アノードガス流路は、前記アノード側セパレータに対向する前記アノード電極の面に形成されたアノード電極溝によって形成され、前記カソードガス流路は、前記カソード側セパレータに対向する前記カソード電極の面に形成されたカソード電極溝によって形成される。
【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反応領域に分割することで、分割された各反応領域の反応面積を低減し、出力電流値を低減できると共に、分割された各領域を直列に接続することで、高電圧仕様を実現できる。また、スタックを分割して配置する手段と比べて、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、アノード電極及びカソード電極において、反応に供されるガスの流路を形成するためにセパレータに対向する面にアノード電極溝及びカソード電極を形成することで、平坦な面を有する電極と比べてガス透過面積が拡大する。これによって、透過ガス量を増加でき反応効率を向上できる。
また、電極に上記溝を形成することで、セパレータに溝を形成せずにガス流路を形成できるので、セパレータの面を平坦面とすることができる。これによって、セパレータを軽量化できる共に、セパレータの製造及び加工が容易になる。
【０００９】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、前記アノード側セパレータ、前記カソード側セパレータ、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形成された前記絶縁部は、平坦な表裏面を有する板状体で構成される。
上記（２）の構成によれば、セパレータ及びセパレータに形成される絶縁部の製造及び加工が容易になると共に、絶縁部のセパレータへの取付けが容易になる。
【００１０】
（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、前記アノード電極及び前記カソード電極には、前記反応領域及び前記絶縁部を除いた付属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入口及び出口が形成される。
上記（３）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の入口及び出口を上記付属領域に設けることで、スタックの反応面積の低下を抑制でき、これによって、反応効率の低下を抑制できる。
また、上記絶縁部は例えばプラスチック、樹脂又はゴム材などで構成され、これらの材料は金属よりむしろ加工が面倒である。そこで、上記入口及び上記出口を絶縁部以外の領域、即ち、金属でできたセパレータに設けることで、アノードガス流路及びカソードガス流路の形成が容易になる。
【００１１】
（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、前記付属領域に冷却水流路の入口及び出口が形成される。
上記（４）の構成によれば、冷却水流路の入口及び出口を上記付属領域に設けることで、スタックの反応面積の低下を抑制でき、反応効率の低下を抑制できる。また、上記入口及び上記出口を絶縁部以外の領域、即ち、金属でできたセパレータに設けることで、冷却水路の形成が容易になる。
【００１２】
（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、前記スタックは前記絶縁部によって電気的に絶縁され左右に配置する２つの反応領域を形成し、前記２つの反応領域は均等な反応面積を有する。
上記（５）の構成によれば、スタックを電気的に絶縁された左右２つの反応領域に分割することで、スタックを単セルの積層方向に２つに分離することなく、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つの反応領域の反応面積を均等とすることで、両反応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。
【００１３】
（６）一実施形態では、前記（５）の構成において、前記アノード電極溝及び前記カソード電極溝は、左右方向に沿って延在する。
上記（５）の構成によれば、前記アノード電極溝及び前記カソード電極溝は、左右方向に沿って延在することで、左右２つの反応領域に反応ガスを供給する際に、圧力損失を低減でき、ガス供給量を増加できる。
【００１４】
（７）一実施形態では、前記（１）〜（６）の何れかの構成において、前記アノード電極溝及び前記カソード電極溝は矩形断面を有する。
上記（７）の構成によれば、アノード電極溝及びカソード電極溝が矩形断面を有することで、平坦面と比べて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、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化が可能になり、かつ反応効率を向上できる。
【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】一実施形態に係る電極の製造方法を示す斜視図である。
【図６】図３中のＡ−Ａ線に沿う断面であって、アノード電極、カソード電極及びセパレータを積層した状態として示す断面図である。
【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が直列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３６が設けられ、エンドプレート３６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３８及び空気管４０と、冷却水をスタック１２に供給する冷却水管４２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。
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が形成される。また、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。
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】
図１及び図２に示すように、スタック１２は、単セル１４の積層方向（矢印ａ方向）に配置された絶縁部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。
図３に示すように、アノードガス流路２６は、アノード側セパレータ２２に対向するアノード電極１８の面に形成されたアノード電極溝３２によって形成される。
また、図４に示すように、カソードガス流路２８は、カソード側セパレータ２４に対向するカソード電極２０の面に形成されたカソード電極溝３４によって形成される。
【００２１】
上記構成によれば、スタック１２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に分割することで、分割された各反応領域１７ａ及び１７ｂの面積を低減でき、出力電流値を低減できる。また、分割された各反応領域を直列に接続することで、高電圧を出力できる。こうして、高電圧及び低電流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手段と比べて、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、アノード電極１８にアノード電極溝３２を、カソード電極２０にカソード電極溝３４を形成することで、平坦面を有する電極と比べて電極１８及び２０のガス透過面積が拡大するため、透過ガス量が増加し、反応効率を向上できる。
【００２２】
また、アノード電極１８にアノード電極溝３２を形成し、カソード電極２０にカソード電極溝３４を形成することでガス流路を形成するため、セパレータ２２及び２４にガス流路形成のために溝を形成する必要がなくなり、セパレータの表裏面を平坦面とすることができる。これによって、溝が形成されるセパレータと比べて、セパレータを軽量化できると共に、セパレータの製造及び加工が容易になる。
【００２３】
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、電極を構成するガス拡散層は、例えば、炭素繊維をプレス成型する方法で製造される。従って、図５に示すように、絶縁部３０を形成する絶縁体（例えば、繊維状の樹脂材、プラスチック材、ゴム材等）４４と、絶縁体４４の両側に配置した炭素繊維４６とをプレス成型することで、プレス成型と同時に溝が形成され、容易に電極を製造できる。
また、セパレータ２２及び２４は通常金属製であるが、溝を形成する必要がないので、平坦な板状体でよく、そのため加工が容易になる。
【００２４】
一実施形態では、アノード側セパレータ２２、カソード側セパレータ２４及びこれらセパレータに形成された絶縁部３０（３０ｄ、３０ｅ）は、平坦な表裏面を有する板状体で構成される。
これによって、セパレータ２２，２４の形状が単純化されるため、セパレータ２２，２４及び絶縁部３０（３０ｄ、３０ｅ）の機械加工工程が単純化されるので、製造及び加工が容易になり、かつ該絶縁部のセパレータ２２及び２４への取付けも容易になる。また、絶縁部３０にガス流路を形成しないので、絶縁部３０の構造がシンプルとなる。
【００２５】
一実施形態では、図３及び図４に示すように、アノード電極１８及びカソード電極２０において、アノード電極１８及びカソード電極２０に形成される反応領域１７ａ、１７ｂ及び絶縁部３０（３０ｂ、３０ｃ）以外の領域（ここでは「付属領域」と定義する。）にアノードガス流路２６の入口４８及び出口５０が形成される。
同様に、アノード電極１８及びカソード電極２０に形成される反応領域１７ａ、１７ｂ及び絶縁部３０（３０ｂ、３０ｃ）以外の領域（付属領域）にカソードガス流路２８の入口５２及び出口５４が設けられる。
【００２６】
このように、アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８の入口及び出口を反応領域１７ａ、１７ｂ以外の領域に設けることで、スタック１２の反応面積の低下を抑制でき、これによって、反応効率の低下を抑制できる。
また、絶縁部３０は例えばプラスチック、樹脂又はゴム材などで構成され、これらの材料は金属よりむしろ加工が面倒である。そこで、上記入口及び上記出口を絶縁部３０以外の領域、即ち、金属でできたセパレータに設けることで、アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８の形成が容易になる。
【００２７】
一実施形態では、図３及び図４に示すように、アノードガス流路２６の入口４８、出口５０及びカソードガス流路２８の入口５２、出口５４は、スタック１２の左右両端部に設けられている。
これによって、アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８の形成が容易になると共に、反応ガスを反応領域全体に拡散できるため、反応ガスの透過率を高め、反応効率を向上できる。
一実施形態では、入口４８及び５２は出口５０及び５４より下方位置に配置している。これによって、溝３２又は３４を流れる反応ガスの流速を遅くでき、反応ガスの透過率を高め、反応効率を向上できる。
【００２８】
一実施形態では、図３及び図４に示すように、反応領域１７ａ、１７ｂ及び絶縁部３０（３０ｂ、３０ｃ）以外の領域（付属領域）に冷却水路入口５６及び冷却水路出口５８が形成される。
このように、冷却水路入口５６及び冷却水路出口５８を上記付属領域に設けることで、スタック１２の反応面積の低下を抑制でき、これによって、反応効率の低下を抑制できる。また、アノードガス流路２６及びカソードガス流路２８の入口及び出口と同様に、冷却水路の入口及び出口を上記付属領域に設けることで、冷却水路の形成が容易になる。
【００２９】
一実施形態では、図３及び図４に示すように、スタック１２は絶縁部３０によって電気的に絶縁され左右に配置する２つの反応領域１７ａ及び１７ｂを形成し、これら２つの反応領域は均等な反応面積を有する。
上記構成によれば、スタック１２に電気的に絶縁された左右２つの反応領域１７ａ及び１７ｂを形成することで、スタック１２を単セル１４の積層方向に２つに分離することなく、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、両反応領域で発生する電流値が同等となる。これによって、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３及び図４に示すように、アノード電極溝３２及びカソード電極溝３４は左右方向に沿って延在する。これによって、アノード電極溝３２及びカソード電極溝３４を流れるアノードガス及びカソードガスの圧力損失を低減でき、電極を透過する藩王ガス量を増加できる。
【００３１】
一実施形態では、図６に示すように、アノード電極１８に形成されるアノード電極溝３２及びカソード電極２０に形成されるカソード電極溝３４は矩形断面を有する。このように、アノード電極溝３２及びカソード電極溝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３２ａ及び３４ａの分だけ増加するので、これら電極のガス透過面積を増加できる。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。
図６に示す点線では、アノードガスＧａ及びカソードガスＧｂが側壁３２ａ又は３４ａを通過する状態を示している。
【００３２】
図１〜図４に示す実施形態では、絶縁部３０によってスタック１２の反応領域を左右に２分割しているが、スタック１２を互いに電気的に絶縁された３つ以上の反応領域に分割するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
幾つかの実施形態によれば、スタックに絶縁部が設けられた燃料電池において、燃料電池の省スペース化及び構成の簡素化を可能にし、かつ反応効率を高く維持できる。これによって、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などの搭載スペースに合わせることができ、燃料電池の自動車などへの搭載が容易になる。
【符号の説明】
【００３４】
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        アノード電極溝
３２ａ    側壁
３４        カソード電極溝
３４ａ    側壁
３６        エンドプレート
３８        燃料ガス管
４０        空気管
４２        冷却水管
４４        絶縁体
４６        炭素繊維
４８、５２    入口
５０、５４    出口
５６        冷却水路入口
５８        冷却水路出口
Ｇａ        アノードガス
Ｇｂ        カソードガス
【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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