(57)【要約】【課題】成形容易な構成で、排水性を十分に確保可能とする。【解決手段】燃料電池は、電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体に対向して設けられるとともに、ガス拡散電極５側の面にガス流路６が形成されるセパレータ２とを備える。ガス流路６は、ガス供給マニホールドと接続される第１の端部と、ガス排出マニホールド３２の近傍に位置し、閉塞される第２の端部４１とを備え、セパレータ２は、ガス排出マニホールド３２と第２の端部４１との間が、ガス拡散電極５側と反対の側に向かって窪む陥没形状である。【選択図】図３
2011159572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向して設けられるとともに、前記電極側の面にガス流路が形成されるセパレータと
を備える燃料電池において、
前記ガス流路は、
ガス供給マニホールドと接続される第１の端部と、
ガス排出マニホールドの近傍に位置し、閉塞される第２の端部と
を備え、
前記セパレータは、
前記ガス排出マニホールドと前記第２の端部との間が、前記電極側と反対の側に向かって窪む陥没形状であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向して設けられるとともに、前記電極側の面にガス流路が形成されるセパレータと
を備える燃料電池において、
前記ガス流路は、
ガス供給マニホールドと接続される第１の端部と、
ガス排出マニホールドの近傍に位置し、閉塞される第２の端部と
を備え、
前記セパレータは、
前記ガス排出マニホールドと前記第２の端部との間の前記電極側の面に形成される凹み部を備え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、膜電極接合体とセパレータとを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池用のセパレータとして、セパレータに刻み込んだ流路を行き止まりとし（閉塞し）強制的にガスを拡散層を通して隣接の流路へ送り出す、Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄと呼ばれる流路方式のセパレータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
さらに、特許文献１では、流路の閉塞部に排水用のスリットを設けた構成が提案されている。この構成によれば、閉塞部に貯まる水を除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４１９７９号公報
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、スリットを形成するプレス成形が困難であるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、成形容易な構成で、排水性を十分に確保可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］  電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体に対向して設けられるとともに、前記電極側の面にガス流路が形成されるセパレータとを備える燃料電池において、前記ガス流路は、ガス供給マニホールドと接続される第１の端部と、ガス排出マニホールドの近傍に位置し、閉塞される第２の端部とを備え、前記セパレータは、前記ガス排出マニホールドと前記第２の端部との間が、前記電極側と反対の側に向かって窪む陥没形状であることを特徴とする燃料電池。
【０００９】
適用例１に記載の燃料電池によれば、ガス流路の第２の端部で行き止まりとなり、この第２の端部とガス排出マニホールドとの間が、電極側と反対の側に向かって窪む陥没形状となっていることから、ガス拡散電極が厚くなる。このために、反応ガス流路において、行き止まりとなった端部に貯まる水が電極を通り易くなり、燃料電池の排水性が向上する。また、適用例１に係る燃料電池によれば、ガス排出マニホールドと前記第２の端部との間を陥没形状とするだけであることから、成形が用意である。したがって、成形容易な構成で、排水性を十分に確保することができる。
【００１０】
［適用例２］  電解質膜上に電極が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体に対向して設けられるとともに、前記電極側の面にガス流路が形成されるセパレータとを備える燃料電池において、前記ガス流路は、ガス供給マニホールドと接続される第１の端部と、ガス排出マニホールドの近傍に位置し、閉塞される第２の端部とを備え、前記セパレータは、前記ガス排出マニホールドと前記第２の端部との間の前記電極側の面に形成される凹み部を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１１】
適用例２に記載の燃料電池によれば、ガス流路の第２の端部で行き止まりとなり、この第２の端部とガス排出マニホールドとの間の電極側の面に凹み部が形成されていることから、凹み部の部分で、セパレータと電極との間に微小な空間が形成されることになる。このために、反応ガス流路において、行き止まりとなった端部に貯まる水が凹み部の微小な空間に逃げることで、第２の端部で水が滞留することを防止することができる。また、凹み部とするだけであることから、成形が用意である。したがって、成形容易な構成で、排水性を十分に確保することができる。
【００１２】
さらに、本発明は、上記適用例１、２以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例に用いられる燃料電池セル１の断面を示す説明図である。
【図２】セパレータ２の平面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ｂ断面を示す説明図である。
【図４】電極部位置とガス流量との関係を示すグラフである。
【図５】ガス拡散電極の厚み増加量とガス流量減少量との関係を示すグラフである。
【図６】第２実施例に用いられる燃料電池セルに備えられるセパレータ１０２の平面図である。
【図７】図６におけるＣ−Ｄ断面を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。図１は、本発明の実施形態としての第１実施例に用いられる燃料電池セル１の断面を示す説明図である。ここでは、複数の燃料電池セル１を積層することにより燃料電池スタックを構成する。
【００１５】
燃料電池セル１は、固体高分子電解質膜４をガス拡散電極５で狭持することにより構成した膜電極接合体（ＭＥＡ）３と、ＭＥＡ３を狭持するセパレータ２とを備える。ガス拡散電極５の固体高分子電解質膜４に対峙する面には触媒層を形成する。なお、ガス拡散電極５と触媒層を別々に形成し、成形時にプレス等により一体化してもよい。後述するようにセパレータ２に刻み込んだガス流路６から供給された反応ガスを、反応面に沿ってガス拡散電極５に拡散し、触媒層において電気化学反応を生じることにより発電を行う。
【００１６】
ＭＥＡ３とセパレータ２の間には、それぞれガス流路６を形成する。図１に示すように、ガスを整流または電気を反応面に流したり、反応面から取出したりするためのリブ部７の間に形成される溝８により、ガス流路６を構成する。なお、図示においては、セパレータ２、ガス拡散電極５、およびガス流路６については、アノード側を示す符号「ａ」またはカソード側を示す符号「ｃ」をつけた。アノード側セパレータ２ａに形成したガス流路６ａには燃料ガスとしての水素を、カソード側セパレータ２ｃに形成したガス流路６ｃには酸化剤ガスとしての空気を流通させる。
【００１７】
次に、このような燃料電池セル１の構成要素であるセパレータ２の構成を説明する。図２は、セパレータ２の平面図である。ここでは、アノード側に配置されるアノード側セパレータ２ａについて説明する。
【００１８】
図示するように、アノード側セパレータ２ａには、複数の孔（貫通孔）や凹部が形成されている。各孔は、複数の燃料電池セル１を積層したときに、複数の燃料電池セル１を貫くように設けられており、反応ガスを燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。すなわち、アノード側セパレータ２ａに形成された孔１１は、入口側の燃料ガスの流路を形成し、孔１２は、出口側の燃料ガスの流路を形成する。孔１３〜１６は、入口側の酸化ガスの流路を形成し、孔１７〜２０は、出口側の酸化ガスの流路を形成する。さらに、孔２１は、入口側の冷却液の流路を形成し、孔２２は、出口側の冷却液の流路を形成する。
【００１９】
また、アノード側セパレータ２ａには、凹部として、ガス供給マニホールド３１、ガス排出マニホールド３２、および前述したガス流路６（６ａに相当）が設けられている。ガス供給マニホールド３１は、燃料ガス入口としての孔１１に連通し、ガス流路６に反応ガス（燃料ガス）を分配する。ガス排出マニホールド３２は、燃料ガス出口としての孔１２に連通し、ガス流路６からの反応ガス（燃料ガス）を回収する。
【００２０】
ガス流路６は、直線状の溝で、ガス供給マニホールド３１とガス排出マニホールド３２の間の反応面に対峙する部分に、複数、形成されている。複数のガス流路６は、１次ガス流路６ｉと２次ガス流路６ｏの２種類に分類される。１次ガス流路６ｉは、一方側（上流側）の端部がガス供給マニホールド３１と接続され、他方側（下流側）の端部４１がガス排出マニホールド３２と所定の距離だけ離間した位置（すなわち、ガス排出マニホールド３２の近傍の位置）で閉塞された（行き止まりとなった）構成を備える。２次ガス流路６ｏは、一方側（上流側）の端部がガス供給マニホールド３１と所定の距離だけ離間した位置で閉塞され、他方側（下流側）の端部はガス排出マニホールド３２と接続された構成を備える。
【００２１】
１次ガス流路６ｉと２次ガス流路６ｏは、交互に、平行に、かつ均等に配置される。すなわち、隣接する２本のガス流路６は、一方が１次ガス流路６ｉであり、他方が２次ガス流路６ｏで構成される。この結果、反応ガスの供給側と排出側を分離した櫛型形状の流路が形成される。
【００２２】
図３は、図２におけるＡ−Ｂ断面を示す説明図である。図中には、アノード側セパレータ２ａとガス拡散電極５とを示した。前述したように、アノード側セパレータ２ａにおいて、１次ガス流路６ｉの下流側端部４１は閉塞されているが、この下流側端部４１とガス排出マニホールド３２との間の部分４２は、ガス拡散電極５と反対の側（図中、上方向）に向かって窪む陥没形状となっている。この部分４２を、以下、陥没部分４２とも呼ぶ。陥没部分４２は、図２も参照。
【００２３】
燃料電池スタックの組立時には、所定の締結力でもって燃料電池セル１は締め付けられることから、図３に示すように、陥没部分４２にガス拡散電極５が入り込む。すなわち、燃料電池スタックの組立時において、陥没部分４２では、ガス拡散電極５への面圧が小さくなることから、ガス拡散電極５が厚くなる。このために、１次ガス流路６ｉにおいて、閉塞した下流側端部４１に貯まる水がガス拡散電極５を通り易くなり、燃料電池セル１の排水性が向上する。
【００２４】
したがって、本実施例の燃料電池セル１によれば、部分４２をプレスによって陥没形状とするだけで、燃料電池セル１の排水性を向上することができる。すなわち、成形容易な構成で、排水性を十分に確保することができる。
【００２５】
図４は、第１実施例における電極部位置とガス流量との関係を示すグラフである。ここでいう「ガス流量」とは、１次ガス流路６ｉから２次ガス流路６ｏに向かって流れる反応ガスの量である。グラフ中には次の各場合における各特性Ｑ１〜Ｑ４を示した。
【００２６】
・従来の完全閉塞のガス流路を備える燃料電池セル（図中のＱ１）
・第１実施例の燃料電池セル１であって、前述したガス拡散電極５の厚み増加量が＋０．０５ｍｍであるもの（図中のＱ２）
・第１実施例の燃料電池セル１であって、前述したガス拡散電極５の厚み増加量が＋０．１０ｍｍであるもの（図中のＱ３）
・［背景技術］の欄で説明したスリットを設けた燃料電池セル（図中のＱ４）
【００２７】
図５は、第１実施例におけるガス拡散電極５の厚み増加量とガス流量減少量との関係を示すグラフである。ここでいう「ガス流量減少量」とは、完全閉塞における前記ガス流量に対する第１実施例におけるガス流量の偏差である。なお、図中、Ｑｚは、［背景技術］の欄で説明した燃料電池セルにおいてスリット幅を０．０１ｍｍとしたときのガス流量減少量である。
【００２８】
図４および図５に示したグラフから、ガス拡散電極５の厚み増加量が大きいほど、１次ガス流路６ｉから２次ガス流路６ｏに向かって流れる反応ガスの量が増加することが判る。すなわち、陥没部分４２の陥没の深さを大きくとればとるほど、１次ガス流路６ｉから２次ガス流路６ｏに向かって流れる反応ガスの量を増加することができることがわかる。
【００２９】
したがって、陥没部分４２の陥没の深さを調整することで、［背景技術］の欄で説明したスリットを設けた燃料電池セルと同じだけ、１次ガス流路６ｉから２次ガス流路６ｏに向かって流れる反応ガスの量を得ることができる。
【００３０】
本発明の実施形態としての第２実施例について説明する。図６は、第２実施例に用いられる燃料電池セルに備えられるセパレータ１０２の平面図である。セパレータ１０２は、第１実施例におけるセパレータ１０２と比較して、１次ガス流路６ｉの下流側端部４１とガス排出マニホールド３２との間の構成が相違し、その他の構成については同一である。なお、同一の部分については同じ符号を付けた。
【００３１】
図６に示すように、１次ガス流路６ｉの下流側端部４１とガス排出マニホールド３２との間には、ディンプル１４３が設けられている。ディンプル１４３は、細かい凹み（ゴルフボールや野球の軟式・準硬式ボールの表面にあるような細かい凹み）で、１次ガス流路６ｉの長手方向と平行に、複数（例えば、５つ）配列されている。なお、ディンプル１４３は、複数に限る必要はなく、１つとすることもできる。また、ディンプル１４３は、１次ガス流路６ｉの長手方向と平行に配列する構成に換えて、ランダムに配列する構成としてもよい。
【００３２】
図７は、図６におけるＣ−Ｄ断面を示す説明図である。図中には、アノード側セパレータ１０２ａとガス拡散電極５とを示した。前述したように、アノード側セパレータ２ａにおいて、１次ガス流路６ｉの下流側端部４１は閉塞されているが、この下流側端部４１とガス排出マニホールド３２との間に相当するリブ部分１４２の表面（ガス拡散電極５と接触する面）に、前記ディンプル１４３が形成されている。
【００３３】
したがって、第２実施例の燃料電池セルによれば、ディンプル１４３の部分で、アノード側セパレータ１０２ａとガス拡散電極５との間に微小な空間が形成されることになる。このため、１次ガス流路６ｉにおいて、閉塞した下流側端部４１に貯まる水がディンプル１４３部分の微小な空間に逃げることで、下流側端部４１で水が滞留することを防止することができる。また、第２実施例の燃料電池セルによれば、プレスによってディンプルを形成するだけで、燃料電池セルの排水性を向上することができる。すなわち、成形容易な構成で、排水性を十分に確保することができる。
【００３４】
なお、この発明は前記の実施例やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３５】
・第１変形例：
前記第１実施例および第２実施例では、アノード側セパレータに陥没部分を設けたりディンプルを設けたりしていたが、これに換えて、カソード側セパレータに陥没部分を設けたりディンプルを設けたりしてもよい。さらに、アノード側セパレータとカソード側セパレータの双方に陥没部分を設けたりディンプルを設けたりしてもよい。
【００３６】
・第２変形例：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池セル
２…セパレータ
２ａ…アノード側セパレータ
２ｃ…カソード側セパレータ
４…固体高分子電解質膜
５…ガス拡散電極
６…ガス流路
７…リブ部
３１…ガス供給マニホールド
３２…ガス排出マニホールド
４１…下流側端部
４２…陥没部分
１０２…セパレータ
１０２ａ…アノード側セパレータ
１４２…リブ部分
１４３…ディンプル
【図１】
2011159572.tif 000003
【図２】
2011159572.tif 000004
【図３】
2011159572.tif 000005
【図４】
2011159572.tif 000006
【図５】
2011159572.tif 000007
【図６】
2011159572.tif 000008
【図７】
2011159572.tif 000009