(57)【要約】【課題】簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面にわたって均一に供給することができ、所望の発電性能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０を備える。第１金属セパレータ１８には、燃料ガス流路３４の上流に連通し、略三角形状を有するとともに、前記燃料ガス流路３４と同等の幅寸法を有する入口バッファ部３６ａが設けられる。入口バッファ部３６ａのエンボス３８ａは、前記入口バッファ部３６ａの中央部側の配置密度が、前記入口バッファ部３６ａの端部側の配置密度に比べて疎になるように設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータには、前記反応ガス流路の入口側に位置し、前記反応ガス流路と同等の幅寸法を有する略三角形状の入口バッファ部と、
前記入口バッファ部の一方の稜線側に位置する前記反応ガス連通孔の供給側と、
が設けられ、
前記入口バッファ部は、複数の凸部を有するとともに、前記凸部は、前記入口バッファ部の中央部側の配置密度が前記入口バッファ部の端部側の配置密度に比べて疎になるように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、前記セパレータには、前記反応ガス流路の出口側に位置し、前記反応ガス流路と同等の幅寸法を有する略三角形状の出口バッファ部と、
前記反応ガス連通孔の供給側と点対象の位置に対応し、前記出口バッファ部の一方の稜線側に位置する前記反応ガス連通孔の排出側と、
が設けられ、
前記出口バッファ部は、複数の凸部を有するとともに、前記凸部は、前記出口バッファ部の中央部側の配置密度が前記出口バッファ部の端部側の配置密度に比べて疎になるように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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させ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（電解質）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・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、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、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。その際、一般的に、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間には、前記反応ガス流路に反応ガスを均一に分散させて供給するために、バッファ部が設けられている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図７に示すように、セパレータ１を備えている。このセパレータ１は、ガス流入部２、起電部流入部３、起電部、起電部流出部４及びガス流出部５に沿ってガスを流している。セパレータ１には、流路抵抗部材として、ガス流路６に台形フィン群７ａ、７ｂ及び７ｃが配置されている。そして、台形フィン群７ａ〜７ｃの各々の配置角度が設定されることにより、起電部流入部３におけるガスの圧力がほぼ一定になるように設定されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６７５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、台形フィン群７ａ〜７ｃを構成する各台形フィンの配列方向（角度）を各々設定しなければならず、構成が複雑化してしまう。しかも、台形フィン群７ａ〜７ｃは、起電部の幅方向（矢印Ｈ方向）の一端部から中央部を僅かに越える領域に配列されている。従って、ガス流入部２からガス流路６に供給されるガスは、発電部の一端部側に供給されるものの、この発電部の他端部側には供給され難くなる。これにより、発電部全面にわたってガスを均一に流すことができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一に供給することができ、所望の発電性能を確保す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】
【０００９】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させ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。
【００１０】
セパレータには、反応ガス流路の入口側に位置し、前記反応ガス流路と同等の幅寸法を有する略三角形状の入口バッファ部と、前記入口バッファ部の一方の稜線側に位置する前記反応ガス連通孔の供給側とが設けられている。そして、入口バッファ部は、複数の凸部を有するとともに、前記凸部は、前記入口バッファ部の中央部側の配置密度が前記入口バッファ部の端部側の配置密度に比べて疎になるように設定されている。
【００１１】
また、セパレータには、反応ガス流路の出口側に位置し、前記反応ガス流路と同等の幅寸法を有する略三角形状の出口バッファ部と、反応ガス連通孔の供給側と点対象の位置に対応し、前記出口バッファ部の一方の稜線側に位置する前記反応ガス連通孔の排出側とが設けられ、前記出口バッファ部は、複数の凸部を有するとともに、前記凸部は、前記出口バッファ部の中央部側の配置密度が前記出口バッファ部の端部側の配置密度に比べて疎になるように設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、入口バッファ部の中央部側の凸部の配置密度は、前記入口バッファ部の端部側の凸部の配置密度に比べて疎になるように設定されている。従って、特に反応ガスが通過し易い入口バッファ部の幅方向中央部側では、凸部の配置密度が疎であるため、前記反応ガスの流速が低下して前記反応ガスを反応ガス流路の幅方向中央部側の流路溝に案内することができる。
【００１３】
しかも、入口バッファ部は、反応ガス流路と同等の幅寸法を有している。このため、入口バッファ部から反応ガス流路の幅方向全長にわたって反応ガスを分散供給することが可能になる。これにより、簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一且つ円滑に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【００１５】
図１に示すように、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。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。
【００１６】
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。また、第１及び第２金属セパレータ１８、２０に代えて、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。
【００１７】
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。
【００１８】
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、点対象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、同様に点対象の位置に対応して設けられる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。この燃料ガス流路３４は、図３に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝３４ａを有し、前記波状流路溝３４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。
【００２３】
入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、略三角形状を有するとともに、燃料ガス流路３４と同等の幅寸法（矢印Ｂ方向の寸法）に設定される。燃料ガス供給連通孔２４ａは、入口バッファ部３６ａの一方（矢印Ｂ１方向）の稜線側に沿って位置するとともに、燃料ガス排出連通孔２４ｂは、出口バッファ部３６ｂの一方（矢印Ｂ２方向）の稜線側に沿って位置する。
【００２４】
入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、複数のエンボス（凸部）３８ａ、３８ｂを有する。エンボス３８ａは、入口バッファ部３６ａの中央部（矢印Ｂ方向中央部）側の配置密度が、前記入口バッファ部３６ａの端部（矢印Ｂ１方向端部及び矢印Ｂ２方向端部）側の配置密度に比べて疎になるように設定される。
【００２５】
第１金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部３６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部４１ａと、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部３６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部４１ｂとが形成される。受け部４１ａ、４１ｂの近傍には、それぞれ複数の供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂが形成される。供給孔部４２ａは、面１８ｂ側で燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する一方、排出孔部４２ｂは、同様に前記面１８ｂ側で燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する。
【００２６】
図４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とを連通して酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４４ａを有し、前記波状流路溝４４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。
【００２７】
入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂは、略三角形状を有するとともに、酸化剤ガス流路４４と同等の幅寸法（矢印Ｂ方向の寸法）に設定される。酸化剤ガス供給連通孔２２ａは、入口バッファ部４６ａの一方（矢印Ｂ２方向）の稜線側に沿って位置するとともに、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂは、出口バッファ部の４６ｂの一方（矢印Ｂ１方向）の稜線側に沿って位置する。
【００２８】
入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂは、複数のエンボス（凸部）４８ａ、４８ｂを有する。エンボス４８ａは、入口バッファ部４６ａの中央部（矢印Ｂ方向中央部）側の配置密度が、前記入口バッファ部４６ａの端部（矢印Ｂ１方向端部及び矢印Ｂ２方向端部）側の配置密度に比べて疎になるように設定される。
【００２９】
第２金属セパレータ２０の面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部４６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部５１ａと、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部５１ｂとが設けられる。
【００３０】
図１に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂと、第１金属セパレータ１８の面１８ｂ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とに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路３４の裏面形状と酸化剤ガス流路４４の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。
【００３１】
第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第１シール部材５６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の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。第１及び第２シール部材５６、５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
【００３２】
図１及び図３に示すように、第１シール部材５６は、面１８ａ側に燃料ガス流路３４を囲繞して設けられるシール部５６ａと、このシール部５６ａの外方に設けられるシール部５６ｂとを有する。シール部５６ａは、燃料ガス流路３４、入口バッファ部３６ａ、出口バッファ部３６ｂ、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂを周回する凸状シールを構成する。
【００３３】
図４に示すように、第２シール部材５８は、第２金属セパレータ２０の面２０ａ側に酸化剤ガス流路４４、入口バッファ部４６ａ、出口バッファ部４６ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを囲繞して形成されるシール部５８ａを有する。
【００３４】
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。
【００３５】
先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、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等の冷却媒体が供給される。
【００３６】
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の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に沿って鉛直下方向に移動する。
【００３７】
その際、図４に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部５１ａ間を通って入口バッファ部４６ａに供給される。この入口バッファ部４６ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａに沿って鉛直下方向に流動し、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。
【００３８】
一方、燃料ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂにおいて、燃料ガス供給連通孔２４ａから複数の供給孔部４２ａを通って面１８ａ側に供給される。この燃料ガスは、受け部４１ａ間を通って入口バッファ部３６ａに導入される。入口バッファ部３６ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路３４を構成する複数の波状流路溝３４ａに沿って鉛直下方向に移動し、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。
【００３９】
従って、各電解質膜・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、発電が行われる（図２参照）。
【００４０】
次いで、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４に示すように、酸化剤ガス流路４４の下部に連通する出口バッファ部４６ｂに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部４６ｂから複数の受け部５１ｂ間に沿って酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。
【００４１】
同様に、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１及び図３に示すように、燃料ガス流路３４の下部に連通する出口バッファ部３６ｂに送られた後、複数の受け部４１ｂ間を流れる。燃料ガスは、複数の排出孔部４２ｂを通って面１８ｂ側に移動し、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。
【００４２】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから第１及び第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。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から排出される。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、入口バッファ部３６ａは、略三角形状を有するとともに、燃料ガス流路３４と同等の幅寸法に設定されている。そして、入口バッファ部３６ａの中央部側のエンボス３８ａの配置密度は、前記入口バッファ部３６ａの端部側のエンボス３８ａの配置密度に比べて疎になるように設定されている。
【００４４】
このため、燃料ガス供給連通孔２４ａから供給孔部４２ａを通って入口バッファ部３６ａに供給される燃料ガスは、この入口バッファ部３６ａに沿って矢印Ｂ２方向に分散される際、特に燃料ガスが通過し易い前記入口バッファ部３６ａの幅方向中央部側で前記燃料ガスの流速が低下する。従って、燃料ガスは、入口バッファ部３６ａの幅方向中央部側から燃料ガス流路３４の波状流路溝３４ａに円滑に供給される。
【００４５】
しかも、入口バッファ部３６ａは、燃料ガス流路３４と同等の幅寸法を有している。このため、入口バッファ部３６ａから燃料ガス流路３４の幅方向全長にわたって燃料ガスを分散供給することが可能になる。これにより、簡単な構成で、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔２４ａから燃料ガス流路３４全面に均一且つ円滑に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
なお、図４に示すように、酸化剤ガス流路４４と同等の幅寸法に設定されている入口バッファ部４６ａは、幅方向中央部側のエンボス４８ａの配置密度が、前記入口バッファ部４６ａの端部側のエンボス４８ａの配置密度に比べて疎になるように設定されている。従って、入口バッファ部４６ａから酸化剤ガス流路４４の幅方向全面にわたり、酸化剤ガスを均一に供給することができるという利点がある。
【００４７】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の分解概略斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
燃料電池６０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６２とカソード側の第２金属セパレータ６４とに挟持されている。第１金属セパレータ６２は、出口バッファ部３６ｂを有するとともに、前記出口バッファ部３６ｂのエンボス３８ｂは、前記出口バッファ部３６ｂの幅方向中央部側の配置密度が、前記出口バッファ部３６ｂの端部側の配置密度に比べて疎になるように設定される。
【００４９】
図６に示すように、第２金属セパレータ６４は、出口バッファ部４６ｂを有するとともに、前記出口バッファ部４６ｂを構成するエンボス４８ｂは、前記出口バッファ部４６ｂの中央部側の配置密度が、前記出口バッファ部４６ｂの配置密度に比べて疎になるように設定される。
【００５０】
これにより、第２の実施形態では、出口バッファ部３６ｂ、４６ｂにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの矢印Ｂ方向への円滑な流れが得られる。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路４４の全面にわたって均一且つ円滑に流動し、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
なお、第１及び第２の実施形態では、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路４４が複数の波状流路溝３４ａ、４４ａにより構成されているが、これに限定されるものではなく、複数の直線状流路溝により構成されても、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解概略斜視図である。
【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５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解概略斜視図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図７】特許文献１のセパレータの説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、６０…燃料電池                １６…電解質膜・電極構造体
１８、２０、６２、６４…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、４４ａ…波状流路溝          ３６ａ、４６ａ…入口バッファ部
３６ｂ、４６ｂ…出口バッファ部
３８ａ、３８ｂ、４８ａ、４８ｂ…エンボス
４２ａ…供給孔部                    ４２ｂ…排出孔部
４４…酸化剤ガス流路                ５４…冷却媒体流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008293743.tif 000005
【図４】
2008293743.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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