(57)【要約】【課題】反応ガス流路側の生成水の排出性を向上させるとともに、セパレータ面内に反応ガスを均一に流通させることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、複数本の直線状流路３４ａと、前記直線状流路３４ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂとを有する。入口バッファ部３６ａは、長さの異なる２本の連続した線状ガイド突起部３８ａ、３８ｂにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに分割される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通される反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流通される反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記金属セパレータは、前記反応ガス流路の端部と前記反応ガス連通孔との間にバッファ部を設け、
前記バッファ部は、長さの異なる２本の連続した短尺側の線状ガイド部材と長尺側の線状ガイド部材により互いに独立した３つの領域に分割されるとともに、
短尺側の前記線状ガイド部材が伸びる方向の中間位置を通って、短尺側の前記線状ガイド部材及び長尺側の前記線状ガイド部材に交差する方向に仮想断面を形成した際、前記仮想断面に沿って３つの前記領域の流路断面積が等しく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、２本の前記線状ガイド部材は、前記反応ガス流路を構成する線状流路凸部の端部に連続的に接続されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記バッファ部は、前記反応ガス連通孔である反応ガス供給連通孔に連通する入口側バッファ部と、
前記反応ガス連通孔である反応ガス排出連通孔に連通する出口側バッファ部と、
を有し、
３つの前記領域毎に、前記入口側バッファ部、前記反応ガス流路及び前記出口側バッファ部を連ねる各反応ガス流通路長さの平均長さは、互いに等しく設定されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通される反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流通される反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。
【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電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
その際、セパレータには、燃料電池の積層方向に貫通して燃料ガスを流す燃料ガス連通孔、酸化剤ガスを流す酸化剤ガス連通孔及び冷却媒体を流す冷却媒体連通孔が形成される、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合がある。
【０００５】
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１が知られている。図６に示すように、この特許文献１に開示されているセパレータ１は、例えば、燃料ガス流路２を設けるとともに、前記燃料ガス流路２は、主流路部３を有している。主流路部３は、配流部４及び合流部５を介して入口マニホールド６ａ及び出口マニホールド６ｂに連通している。
【０００６】
主流路部３は、複数のリブ７ａにより分割されており、配流部４及び合流部５は、複数のリブ７ｂ、７ｃにより分割されている。各リブ７ｂ、７ｃは、長手方向の途中で分割部８ａ、８ｂにより複数に分割されている。各リブ７ｂ、７ｃの分割部８ａ、８ｂは、隣接するリブ７ｂ、７ｃの分割部８ａ、８ｂとはセパレータ１の長手方向に位置をずらせて配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１７２９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のセパレータ１では、各リブ７ｂ、７ｃが分割部８ａ、８ｂにより複数に分割されているため、前記分割部８ａ、８ｂに生成水が滞留し易い。その際、燃料ガスや酸化剤ガスは、生成水を迂回してリブ７ｂ、７ｃ間を流れるため、前記生成水が排出されないおそれがある。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスの流れが阻害されてしまい、発電性能が低下するという問題がある。
【０００９】
しかも、燃料電池スタックの外部から水が導入された際には、この水が滞留して排出されず、発電性能が低下するおそれがある。
【００１０】
さらに、各リブ７ｂ、７ｃが分割部８ａ、８ｂにより複数に分割されているため、実質的に発電に寄与しない配流部４及び合流部５の面積が大きくなる。従って、セパレータ１全体が大型化するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス流路側の生成水の排出性を向上させるとともに、セパレータ面内に反応ガスを均一に流通させることが可能な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】
【００１２】
本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層され、前記金属セパレータの一方の面には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通される反応ガス流路が形成されるとともに、積層方向に貫通して前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流通される反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１３】
金属セパレータは、反応ガス流路の端部と反応ガス連通孔との間にバッファ部を設け、前記バッファ部は、長さの異なる２本の連続した短尺側の線状ガイド部材と長尺側の線状ガイド部材により互いに独立した３つの領域に分割されている。そして、短尺側の線状ガイド部材が伸びる方向の中間位置を通って、短尺側の前記線状ガイド部材及び長尺側の線状ガイド部材に交差する方向に仮想断面を形成した際、前記仮想断面に沿って３つの前記領域の流路断面積が等しく設定されている。
【００１４】
また、２本の線状ガイド部材は、反応ガス流路を構成する線状流路凸部の端部に連続的に接続されることが好ましい。
【００１５】
さらに、バッファ部は、反応ガス連通孔である反応ガス供給連通孔に連通する入口側バッファ部と、前記反応ガス連通孔である反応ガス排出連通孔に連通する出口側バッファ部とを有し、３つの領域毎に、前記入口側バッファ部、反応ガス流路及び前記出口側バッファ部を連ねる各反応ガス流通路長さの平均長さは、互いに等しく設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、バッファ部は、２本の連続した線状ガイド部材により互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域に分割されている。このため、反応ガスが滞留する生成水を迂回して流通することがなく、前記反応ガスにより前記生成水を容易且つ確実に排出させることができる。しかも、セパレータ面内に反応ガスを均一に供給することが可能になり、所望の発電性能を良好に維持することができる。さらに、バッファ部は、有効に狭小化することができ、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【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図である。
【図４】前記第１金属セパレータの要部拡大説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面図である。
【図６】特許文献１に開示されているセパレータの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側の第１金属セパレータ１８とカソード側の第２金属セパレータ２０とに挟持されている。燃料電池１０は、好ましくは、車載用燃料電池として使用される。
【００１９】
第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。なお、第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。
【００２０】
燃料電池１０の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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供給連通孔（反応ガス連通孔）２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２４ａとが設けられる。
【００２１】
燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２４ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２２ｂとが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとは、点対称の位置に対応して設けられるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとは、同様に点対称の位置に対応して設けられる。
【００２２】
燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１６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、前記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は、カソード側電極３２よりも小さな表面積を有しているが、同一の表面積を有していてもよい。
【００２４】
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が、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。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。
【００２５】
第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３４が形成される。
【００２６】
図３に示すように、燃料ガス流路３４は、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路（又は波形状流路）３４ａと、前記直線状流路３４ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部（配流部）３６ａ及び出口バッファ部（合流部）３６ｂとを有する。直線状流路３４ａは、面１８ａ側に突出する直線状流路突起部（線状流路突起部）３４ｂ間に形成される。入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、正面視で略三角形状を有する。
【００２７】
図３及び図４に示すように、入口バッファ部３６ａは、燃料ガス流路３４側に突出する長さの異なる２本の連続した線状ガイド突起部（線状ガイド部材）３８ａ、３８ｂを備える。線状ガイド突起部３８ａ、３８ｂは、直線状流路３４ａを形成する所定位置の直線状流路突起部３４ｂの端部に連続的に接続されるとともに、入口バッファ部３６ａは、前記線状ガイド突起部３８ａ、３８ｂにより互いに独立した３つの領域４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに分割される。
【００２８】
短尺側の線状ガイド突起部３８ａの中間位置を通って、前記線状ガイド突起部３８ａ及び長尺側の線状ガイド突起部３８ｂに交差（略直交）する方向に仮想断面を形成した際、前記仮想断面に沿って３つの領域４０ａ〜４０ｃの流路断面積が等しく設定される（距離ｈａ≒距離ｈｂ≒距離ｈｃ）。燃料ガス流路３４は、線状ガイド突起部３８ａ、３８ｂにより、流路幅方向（矢印Ｂ方向）に３等分される（距離Ｈ１≒距離Ｈ２≒距離Ｈ３）。
【００２９】
図３に示すように、出口バッファ部３６ｂは、入口バッファ部３６ａと同様に、燃料ガス流路３４側に突出する長さの異なる２本の連続した線状ガイド突起部（線状ガイド部材）４４ａ、４４ｂを備える。線状ガイド突起部４４ａ、４４ｂは、直線状流路３４ａを形成する所定位置の直線状流路突起部３４ｂの端部に連続的に接続されるとともに、出口バッファ部３６ｂは、前記線状ガイド突起部４４ａ、４４ｂにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域４６ａ、４６ｂ及び４６ｃに分割される。
【００３０】
入口バッファ部３６ａ、燃料ガス流路３４及び出口バッファ部３６ｂでは、領域４０ａ、直線状流路３４ａ及び領域４６ａを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さＬ１、領域４０ｂ、前記直線状流路３４ａ及び領域４６ｂを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さＬ２、及び領域４０ｃ、前記直線状流路３４ａ及び領域４６ｃを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さＬ３は、互いに等しく設定される（平均長さＬ１≒平均長さＬ２≒平均長さＬ３）。
【００３１】
入口バッファ部３６ａは、複数の貫通孔４２ａを介して面１８ｂ側から燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する。出口バッファ部３６ｂは、複数の貫通孔４２ｂを介して面１８ｂ側から燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する。
【００３２】
図５に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５０が形成される。
【００３３】
酸化剤ガス流路５０は、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路５０ａと、前記直線状流路５０ａの入口近傍及び出口近傍に設けられる入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂとを有する。直線状流路５０ａは、面２０ａ側に突出する直線状流路突起部（線状流路突起部）５０ｂ間に形成される。入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂは、正面視で略三角形状を有する。
【００３４】
入口バッファ部５２ａは、酸化剤ガス流路５０側に突出する長さの異なる２本の連続した短尺側及び長尺側の線状ガイド突起部（線状ガイド部材）５４ａ、５４ｂを備える。線状ガイド突起部５４ａ、５４ｂは、直線状流路５０ａを形成し、酸化剤ガス流路５０を幅方向に３等分する位置の直線状流路突起部５０ｂの端部に連続的に接続される。入口バッファ部５２ａは、線状ガイド突起部５４ａ、５４ｂにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域５６ａ、５６ｂ及び５６ｃに分割される。
【００３５】
出口バッファ部５２ｂは、入口バッファ部５２ａと同様に、酸化剤ガス流路５０側に突出する長さの異なる２本の連続した長尺側及び短尺側の線状ガイド突起部（線状ガイド部材）５８ａ、５８ｂを備える。線状ガイド突起部５８ａ、５８ｂは、直線状流路５０ａを形成する所定位置の直線状流路突起部５０ｂの端部に連続的に接続されるとともに、出口バッファ部５２ｂは、前記線状ガイド突起部５８ａ、５８ｂにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域６０ａ、６０ｂ及び６０ｃに分割される。
【００３６】
入口バッファ部５２ａ、酸化剤ガス流路５０及び出口バッファ部５２ｂでは、領域５６ａ、直線状流路５０ａ及び領域６０ａを連ねる酸化剤ガス流通路長さの平均長さＬ４、領域５６ｂ、前記直線状流路５０ａ及び領域６０ｂを連ねる酸化剤ガス流通路長さの平均長さＬ５、及び領域５６ｃ、前記直線状流路５０ａ及び領域６０ｃを連ねる酸化剤ガス流通路長さの平均長さＬ６は、互いに等しく設定される（平均長さＬ４≒平均長さＬ５≒平均長さＬ６）。
【００３７】
入口バッファ部５２ａは、複数の貫通孔６２ａを介して面２０ｂ側から酸化剤ガス供給連通孔２２ａに連通する。出口バッファ部５２ｂは、複数の貫通孔６２ｂを介して面２０ｂ側から酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに連通する。
【００３８】
第１金属セパレータ１８の面１８ｂと第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する冷却媒体流路６４が形成される（図１参照）。
【００３９】
第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、前記第１金属セパレータ１８の外周縁部を周回して第１シール部材６６が一体成形される。第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周縁部を周回して、第２シール部材６８が一体成形される。
【００４０】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４１】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２６ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４２】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第２金属セパレータ２０の貫通孔６２ａを通って酸化剤ガス流路５０側に導入される。この酸化剤ガスは、図５に示すように、入口バッファ部５２ａから直線状流路５０ａに沿って矢印Ｃ方向（鉛直方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に供給される。
【００４３】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第１金属セパレータ１８の貫通孔４２ａを通って燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、図３に示すように、入口バッファ部３６ａから直線状流路３４ａに沿って鉛直方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３０に供給される。
【００４４】
従って、電解質膜・電極構造体１６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て、発電が行われる。
【００４５】
次いで、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、図５に示すように、出口バッファ部５２ｂから貫通孔６２ｂを通って酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。同様に、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、図３に示すように、出口バッファ部３６ｂから貫通孔４２ｂを通って燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。
【００４６】
一方、冷却媒体供給連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、燃料電池１０を構成する第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路６４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂに排出される。
【００４７】
この場合、本実施形態では、例えば、燃料ガス流路３４において、図３及び図４に示すように、入口バッファ部３６ａは、２本の連続した線状ガイド突起部３８ａ、３８ｂにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域４０ａ、４０ｂ及び４０ｃに分割されている。
【００４８】
このため、燃料ガスは、水滴を迂回して流通することがなく、前記燃料ガスにより前記生成水を容易且つ確実に排出させることができる。しかも、流路断面積が等しい３つの領域４０ａ、４０ｂ及び４０ｃから燃料ガス流路３４の流路域全面（セパレータ面内）にわたって燃料ガスを均一に供給することが可能になり、所望の発電性能を良好に維持することができるという効果が得られる。その上、入口バッファ部３６ａは、有効に狭小化することができ、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られる。
【００４９】
一方、出口バッファ部３６ｂは、図３に示すように、線状ガイド突起部４４ａ、４４ｂにより互いに独立し且つ流路断面積が等しく設定された３つの領域４６ａ、４６ｂ及び４６ｃに分割されている。従って、燃料ガスは、生成水を迂回して流通することがなく、前記燃料ガスにより前記生成水を容易且つ確実に排出させることができるとともに、前記燃料ガスを均一に流通させることが可能になる。
【００５０】
さらに、燃料ガス流路３４は、流路幅方向（矢印Ｂ方向）に３等分されるとともに、領域４０ａ、直線状流路３４ａ及び領域４６ａを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さＬ１、領域４０ｂ、前記直線状流路３４ａ及び領域４６ｂを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さＬ２、及び領域４０ｃ、前記直線状流路３４ａ及び領域４６ｃを連ねる燃料ガス流通路長さの平均長さＬ３は、互いに等しく設定されている。
【００５１】
これにより、燃料ガス流路３４では、燃料ガスが３つの領域４０ａ〜４０ｃに均等に分配されるため、前記燃料ガスが発電面全面に沿って円滑且つ均一に供給され、良好な発電性能を確実に得ることが可能になるという利点がある。
【００５２】
また、酸化剤ガス流路５０では、詳細な説明は省略するが、上記の燃料ガス流路３４と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…燃料電池                          １６…電解質・電極構造体
１８、２０…金属セパレータ              ２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔            ２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔              ２６ａ…冷却媒体供給連通孔
２６ｂ…冷却媒体排出連通孔              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
３４…燃料ガス流路                      ３４ａ、５０ａ…直線状流路
３４ｂ、５０ｂ…直線状流路突起部        ３６ａ、５２ａ…入口バッファ部
３６ｂ、５２ｂ…出口バッファ部
３８ａ、３８ｂ、４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂ、５８ａ、５８ｂ…線状ガイド突起部
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ…領域
５０…酸化剤ガス流路
【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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