(57)【要約】【課題】反応ガスをガス流路から漏れさせることなく、ガス流路に沿って流すことができる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２３及びその両側に配置された電極２４を含むＭＥＡ２２を、２つのセパレータ２１ａ及び２１ｂによって挟持したセル１１を備えた燃料電池であって、セパレータ２１ａのＭＥＡ２２側に、ガス流路４１ａを区画する流路区画用リブ４０が形成され、流路区画用リブ４０の背面に当接して、該流路区画用リブ４０のＭＥＡ２２から離間する方向への変形を抑える凸部５１を、隣接して配置されるセル１１に備えられたセパレータ２１ｂに形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質及びその両側に配置された電極を含むイオン交換体を２つのセパレータによって挟持したセルを備えた燃料電池であって、
少なくとも一方のセパレータの前記イオン交換体側に、ガス流路を区画する流路区画用リブが形成され、
前記流路区画用リブの背面に当接して、前記流路区画用リブの前記イオン交換体から離間する方向への変形を抑える押圧部材が設けられている燃料電池。
【請求項２】
前記押圧部材は、隣接して配置されるセルに備えられた、前記流路区画用リブに隣接する側のセパレータに形成された凸部からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
電解質及びその両側に配置された電極を含むイオン交換体を２つのセパレータによって挟持したセルを備えた燃料電池であって、
少なくとも一方のセパレータの前記イオン交換体側に、ガス流路を区画する流路区画用リブが形成され、
前記流路区画用リブは、前記イオン交換体側に突出するように湾曲している燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下において、これらをまとめて「反応ガス」ともいう）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池自動車等が注目されている。燃料電池の最小単位（「セル」と呼ばれる）は、電解質膜及びその両側に配置された一対の電極を有する膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrance Electrode Assembly）を、一対のセパレータによって挟持した構造を有している。これらのセパレータには、燃料ガス及び酸化ガスをＭＥＡの電極（アノード及びカソード）にそれぞれ供給するガス流路が形成されている。実用的には、このようなセルを所要数積層した燃料電池スタックが用いられる。
【特許文献１】特開平６−２８３１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、通常の燃料電池においては、反応ガスがＭＥＡ表面のほぼ全体に行き渡るように、セパレータに流路区画用リブを設けることにより、例えば、蛇行するようなガス流路（サーペンタイン流路とも呼ばれる）が形成されている。ところが、ＭＥＡの厚さのばらつきにより流路区画用リブとＭＥＡとの間に隙間が生じると、反応ガスがその隙間を通り、ガス流路の入口から出口まで短絡して流れてしまう。即ち、反応ガスがガス流路に沿って流れなくなる結果、反応ガスがＭＥＡ全体に行き渡らなくなり、発電効率が低下してしまうおそれがある。
【０００４】
関連する技術として、特許文献１においては、セパレータの端部におけるフランジ内に複数の板状のスプリングを重ね合わせた弾性体を介挿させることにより、面圧の低下によるガス流路からのガスリークを抑制している。このように、板状弾性体によってＭＥＡに対する流路区画用リブの面圧を高めることも考えられるが、上記のような複雑構造の弾性体を用いることにより、コストが嵩んでしまう。
そのため、コストを抑えつつ容易に、ＭＥＡに対する流路区画用リブの面圧を高め、ガス流路におけるガスリークを抑制する技術が要求されている。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、反応ガスをガス流路から漏れさせることなく、ガス流路に沿って流すことができる燃料電池を、コストを抑えつつ提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質及びその両側に配置された電極を含むイオン交換体をセパレータによって挟持したセルを備えた燃料電池であって、前記セパレータの前記イオン交換体側に、ガス流路を区画する流路区画用リブが形成され、前記流路区画用リブの背面に当接して、前記流路区画用リブの前記イオン交換体から離間する方向への変形を抑える押圧部材が設けられている。
【０００７】
この構成によれば、流路区画用リブのイオン交換体から離間する方向への変形が、押圧部材によって抑制されるので、イオン交換体の厚さにばらつきがあっても、流路区画用リブにおけるイオン交換体との接触面において大きな面圧が維持される。それにより、流路区画用リブをイオン交換体の表面と良好に接触させ、ガス流路の区画部分におけるガス漏れを抑制することができ、反応ガスをガス流路に沿って流すことが可能になる。
【０００８】
また、前記押圧部材は、隣接して配置されるセルに備えられた、前記流路区画用リブに隣接する側のセパレータに形成された凸部からなるものでも良い。
この構成によれば、積層されるセルを構成する隣接するセパレータに凸部を形成して押圧部材とすることにより、容易に流路区画用リブを補強することができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池は、電解質及びその両側に配置された電極を含むイオン交換体を２つのセパレータによって挟持したセルを備えた燃料電池であって、少なくとも一方のセパレータの前記イオン交換体側に、ガス流路を区画する流路区画用リブが形成され、前記流路区画用リブは、前記イオン交換体側に突出するように湾曲している。
【００１０】
この構成によれば、流路区画用リブを湾曲させたことにより、その剛性が高められる。それにより、イオン交換体の厚さにばらつきがあっても、流路区画用リブにおけるイオン交換体との接触面にて大きな面圧が維持される。その結果、流路区画用リブをイオン交換体の表面と良好に接触させ、ガス流路の区画部分におけるガス漏れを抑制することができ、反応ガスをガス流路に沿って流すことが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池によれば、複雑な構造の高価な弾性体を用いることなく、反応ガスをガス流路に沿って流すことができるので、コストを抑えつつ良好な発電効率を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池について、図面を参照しながら説明する。
図１は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池のセルの一部を示す断面図である。セルは、燃料電池を構成する１つの単位であり、図１には、隣接して配置された２つのセル１１が示されている。このようなセル１１を厚さ方向に所要数積層することにより、燃料電池スタックが形成される。燃料電池スタックは、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。
【００１３】
図１に示すように、各セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）２２と、このＭＥＡ２２を両側から挟みこむように配置された一対のセパレータ２１ａ及び２１ｂとを含んでいる。
セパレータ２１ａ及び２１ｂは、隣り合うＭＥＡ２２を仕切っていると共に、ＭＥＡ２２に供給される燃料ガス（例えば水素ガス）又は酸化ガス（例えば空気）の流路や、冷却水の流路を有している。セパレータ２１ａ及び２１ｂは、例えば、アルミニウム、炭素鋼あるいはタングステン等から形成された金属から形成されており、導電性、耐食性を確保するために、ＭＥＡ２２との対向面側に表面処理が施されている。
【００１４】
ＭＥＡ２２は、例えば高分子材料からなる電解質膜２３と、その両面に配置された一対の電極２４とを含むイオン交換体である。電極２４は、電解質膜２３側から、触媒層及び拡散層を積層した構造を有している。触媒層は、例えば、白金又は白金合金を担持したカーボン粒子によって形成されており、拡散層は、基体としてカーボンを用いている。なお、本実施形態においては、膜状の電解質を用いてイオン交換体を形成しているが、電解質の形態は膜状に限定されない。
【００１５】
図２は、図１に示すセル１１の内部を示す平面図である。図２に示すように、セル１１の一端近傍（図２においては左側）には、酸化ガス入口マニホールド３１、燃料ガス入口マニホールド３２及び冷却水入口マニホールド３３が形成されている。また、セル１１の他端近傍（図２においては右側）には、酸化ガス出口マニホールド３４、燃料ガス出口マニホールド３５及び冷却水出口マニホールド３６が形成されている。
【００１６】
セパレータ２１ａには、ＭＥＡ２２に接触する流路区画用リブ４０が形成されている。この流路区画用リブ４０によって、ＭＥＡ２２の表面に、平面視にて一端側から他端側へ向かって（図２においては、左上から右下）複数箇所にて屈曲するサーペンタイン流路からなるガス流路４１ａが形成される。また、図示はしないが、もう一方のセパレータ２１ｂにも、流路区画用リブ４０が設けられており、サーペンタイン流路からなるガス流路４１ｂ（図１参照）が形成されている。
さらに、セパレータ２１ａ及び２１ｂには、流路区画用リブ４０よりも幅の狭い複数のリブ４３が、ガス流路の直線部分に沿って、ＭＥＡ２２に接触するように形成されている。
【００１７】
ＭＥＡ２２の一方側の面のガス流路４１ａの両端は、酸化ガス入口マニホールド３１及び酸化ガス出口マニホールド３４にそれぞれ接続されている。また、ＭＥＡ２２の他方側の面のガス流路４１ｂの両端は、燃料ガス入口マニホールド３２及び燃料ガス出口マニホールド３５にそれぞれ接続されている。
【００１８】
図１に示すように、隣接する２つのセル１１は、それぞれのセパレータ２１ａとセパレータ２１ｂとが背面において接触するように配置されている。それにより、隣接するセル１１の間に、各セパレータ２１ａ及び２１ｂのリブ４３の裏面側に形成された凹部を突き合わせてなる冷却水流路４４が形成される。この冷却水流路４４は、冷却水入口マニホールド３３及び冷却水出口マニホールド３６に連通している。
【００１９】
このようなセル１１において、酸化ガス入口マニホールド３１に送り込まれた酸化ガスは、セパレータ２１ａによって形成されたガス流路４１ａ内を流れた後、酸化ガス出口マニホールド３４から送り出される。また、燃料ガス入口マニホールド３２に送り込まれた燃料ガスは、セパレータ２１ｂによって形成されたガス流路４１ｂ内を流れた後、燃料ガス出口マニホールド３５から送り出される。
そして、ガス流路４１ａ及び４１ｂを介してＭＥＡ２２の２つの電極２４にそれぞれ供給された酸化ガスと燃料ガスとが電気化学反応を生じることにより、発電が行われる。
【００２０】
また、冷却水入口マニホールド３３に送り込まれた冷却水は、冷却水流路４４内を流れた後、冷却水出口マニホールド３６から送り出される。この冷却水流路内を流れる冷却水によって、各セル１１が冷却される。
【００２１】
ここで、ＭＥＡ２２の電極２４の一部を構成する拡散層は、先にも述べたように、通常、カーボンを基材としている。そのため、ＭＥＡ２２に厚さ方向のばらつきが生じることがあり、それにより流路区画用リブ４０とＭＥＡ２２との間に隙間が生じる場合がある。また、流路区画用リブ４０は、他のリブ４３よりも幅寸法が大きい分、剛性が小さく、それに加えて、流路区画用リブ４０の背面側（隣接するセル側）には比較的大きな空間が形成される。そのため、セル１１を積層させて締結する際に、ＭＥＡ２２から離間する方向に流路区画用リブ４０が変形して、ＭＥＡ２２との間に隙間が生じ易い。すると、ガス流路４１ａ及び４１ｂをそれぞれ流れる所定の反応ガスが、流路区画用リブ４０によって仕切られた領域を通過してしまい、ガス流路４１ａ及び４１ｂを蛇行するように流れないことがある。
【００２２】
そのため、本実施形態においては、セパレータ２１ａの流路区画用リブ４０の背面に、隣接するセル１１のセパレータ２１ｂに形成された凸部（押圧部材）５１を配設しており、この凸部５１の先端部を、流路区画用リブ４０の略中央部分に当接させている。
【００２３】
それにより、セパレータ２１ａに形成された流路区画用リブ４０のＭＥＡ２２から離間する方向への変形が、隣接するセル１１のセパレータ２１ｂに形成された凸部５１によって抑制される。また、流路区画用リブ４０とＭＥＡ２２との接触面における流路区画用リブ４０による面圧が維持され、これにより、セル１１を積層させて締結しても、流路区画用リブ４０がＭＥＡ２２の表面に良好に接触された状態が維持される。その結果、サーペンタイン流路（ガス流路４１ａ及び４１ｂ）を形成する仕切り部分における漏れが抑制される。
【００２４】
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池によれば、セパレータ２１ａに形成された流路区画用リブ４０がＭＥＡ２２から離間する方向に変形しようとするのを、隣接するセル１１のセパレータ２１ｂに形成された凸部５１によって流路区画用リブ４０を背面から押圧することにより、抑制することができる。それにより、ＭＥＡ２２の厚さにばらつきがあっても、複雑な構造の高価な弾性体を用いることなく、流路区画用リブ４０におけるＭＥＡ２２との接触面にて大きな面圧を維持し、ＭＥＡ２２の表面と良好に接触した状態を保つことができる。従って、ガス流路４１ａ及び４１ｂを形成する仕切り部分におけるガス漏れを抑制し、反応ガスをガス流路４１ａ及び４１ｂに沿ってＭＥＡ２２表面のほぼ全体に行き渡らせることができ、良好な発電効率を得ることが可能になる。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池について説明する。
図３に示すように、本実施形態において用いられるセパレータ６０ａには、図１に示す流路区画用リブ４０の代わりに、ＭＥＡ２２側に湾曲した流路区画用リブ６１が設けられている。この流路区画用リブ６１の先端部は、他の部分（リブ４３）よりもＭＥＡ２２側に突出するように形成されている。
【００２６】
このように、セパレータ６０ａの流路区画用リブ６１を湾曲させることにより、流路区画用リブ６１の剛性が高められる。それにより、図４に示すように、セル１１を構成して積層させて締結した際に、ＭＥＡ２２の厚さにばらつきがあっても、複雑な構造の高価な弾性体を用いることなく、流路区画用リブ６１におけるＭＥＡ２２との接触面にて大きな面圧を維持し、流路区画用リブ６１をＭＥＡ２２の表面に良好に接触させることができる。なお、本実施形態においては、隣接するセル１１に備えられたセパレータ６０ｂにより流路区画用リブ６１を押圧する必要はない。
それにより、ガス流路４１を形成する仕切り部分におけるガス漏れを抑制し、反応ガスをガス流路４１に沿ってＭＥＡ２２表面のほぼ全体に行き渡らせることができ、良好な発電効率を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池の一部を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池の内部の構造を示す平面図である。
【図３】第２の実施形態に係る燃料電池において用いられるセパレータの一部を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１…セル、２１ａ、２１ｂ、６０ａ、６０ｂ…セパレータ、２２…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、２３…電解質膜、２４…電極、４０、６１…流路区画用リブ、４１、４１ａ、４１ｂ…ガス流路、５１…凸部（押圧部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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