(57)【要約】【課題】燃料電池の過度の冷却を抑制し、発電効率の悪化を防止すること、低温時の燃料電池の起動性を良くすることを目的とする。【解決手段】第１のプレート２００と、第１のプレートの一の面側に配置される第２のプレートであって、第１のプレート側に向かって凸となり、頂部が第１のプレートに接する凸部３４０と、第１のプレートと共に少なくとも一つの密閉空間１８を形成する空間形成部３４２とを備える第２のプレート３００と、第１のプレートの他の面側に配置され、第２のプレートと共に第１のプレートを挟持するプレートであって、第１のプレート側に向かって凸となり、頂部が第１のプレートに接し、第２のプレートの凸部と対向しない場所に形成されている凸部４４０を備える第３のプレート４００とを備えるセパレータ、と膜電極接合体とを交互に積層してなる燃料電池。【選択図】図７
2008047320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータと膜電極接合体とを交互に積層してなる燃料電池であって、
前記セパレータは、
第１のプレートと、
前記第１のプレートの一の面側に配置される第２のプレートであって、前記第１のプレート側に向かって凸となり、頂部が前記第１のプレートに接する複数の凸部と、前記第１のプレートとの間に少なくとも一つの密閉空間を形成するための空間形成部とを備える第２のプレートと、
前記第１のプレートの他の面側に配置され、前記第２のプレートと共に前記第１のプレートを挟持する第３のプレートであって、前記第１のプレート側に向かって凸となり、頂部が前記第１のプレートに接し、前記第２のプレートの凸部と重ならない場所に形成されている複数の凸部を備える第３のプレートと、
を備える、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記空間形成部は、前記第２のプレートの略中央に形成され、前記凸部を有する凹状部である、燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記空間形成部は、前記第２のプレートの第１の凸部の両端と前記第１の凸部に隣接する第２の凸部の両端とを第３の凸部により繋ぐことにより前記第１の凸部から第３の凸部により囲まれて形成される凹部である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、さらに、
前記第３のプレートは、前記第１のプレートとの間に少なくとも１つの密閉空間を形成するための空間形成部を備える、燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記空間形成部は、前記第３のプレートの略中央に形成され、前記凸部を有する凹状部である、燃料電池。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記空間形成部は、前記第３のプレートの第１の凸部の両端と前記第１の凸部に隣接する第２の凸部の両端とを第３の凸部により繋ぐことにより前記第１の凸部から第３の凸部により囲まれて形成される凹部である、燃料電池。
【請求項７】
請求項３または請求項６に記載の燃料電池において、
前記密閉空間の数が、前記燃料電池の端部に近いセパレータになるほど多く、前記燃料電池の中央部に近いセパレータになるほど少ない、燃料電池。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記密閉空間は、気体で満たされている、あるいは、真空の空間である、燃料電池。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記密閉空間の少なくとも一部に過冷却可能な冷熱媒体を封入している、燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池おいて、前記過冷却可能な冷熱媒体は酢酸ナトリウムである、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に燃料電池用セパレータの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとが直接接触しないように、燃料ガスと酸化ガスとを分離するセパレータを備えている。従来の燃料電池のセパレータの構造として、凸部と凹部とが交互に連続する部位をそれぞれ有する１組の金属板の間に板ばねが介装されている３層構造のセパレータが知られている（特許文献１）。燃料電池の反応は、電力を発生させるとともに熱を発生させるため、従来の燃料電池では、各金属板と板ばねの間の空間に冷却水を流して燃料電池を冷却していた。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３６７６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池の反応のうちアノード電極で起こる電気化学反応は発熱反応ではないので、アノード側の金属板の凹部と板バネにより形成される空間に冷却水を流すと、燃料電池が過度に冷却され、燃料電池の性能が低下する、あるいは、低温時の燃料電池の起動性が悪くなる、という問題があった。
【０００５】
本発明目的は、上記課題の少なくとも一部を解決し、燃料電池の過度の冷却を抑制し、燃料電池の性能の低下を防止すること、及び、低温時における燃料電池の起動性を良くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、セパレータと膜電極接合体とを交互に積層してなる燃料電池を提供する。前記セパレータは、第１のプレートと、前記第１のプレートの一の面側に配置される第２のプレートであって、前記第１のプレート側に向かって凸となり、頂部が前記第１のプレートに接する複数の凸部と、前記第１のプレートとの間に少なくとも一つの密閉空間を形成するための空間形成部とを備える第２のプレートと、前記第１のプレートの他の面側に配置され、前記第２のプレートと共に前記第１のプレートを挟持する第３のプレートであって、前記第１のプレート側に向かって凸となり、頂部が前記第１のプレートに接し、前記第２のプレートの凸部と重ならない場所に形成されている複数の凸部を備える第３のプレートとを備える。
【０００７】
本発明に係る燃料電池によれば、第１のプレートと第２のプレートにより少なくとも一つの密閉空間を形成している。当該密閉空間には冷却水が流れないため、燃料電池の過度の冷却を抑制できる。その結果、燃料電池の性能低下が抑制され、低温時の燃料電池の起動性を向上させることができる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池において、前記空間形成部は、前記第２のプレートの略中央に形成され、前記凸部を有する凹状部であることが好ましい。本発明に係る燃料電池によれば、第２のプレートの略中央には凹状部が形成されており、第１のプレートと第２のプレートの外周部とがシールされることにより第１のプレートと凹状部により形成される空間は、密閉空間であり、密閉空間には冷却水が流れないため、燃料電池の過度の冷却を抑制できる。その結果、燃料電池の性能低下が抑制され、低温時の燃料電池の起動性を向上させることができる。
【０００９】
本発明に係る燃料電池において、前記空間形成部は、前記第２のプレートの第１の凸部の両端と前記第１の凸部に隣接する第２の凸部の両端とを第３の凸部により繋ぐことにより前記第１の凸部から第３の凸部により囲まれて形成される凹部であることが好ましい。本発明によれば、第１のプレートと第２のプレートの凸部に囲まれた凹部により、複数の密閉空間を形成できる。密閉空間の数により第１のプレートと第２のプレートの間を流れる冷却水の量を調整でき、燃料電池を適度に冷却できる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池はさらに、前記第３のプレートは、前記第１のプレートとの間に少なくとも１つの密閉空間を形成するための空間形成部を備えることが好ましい。本発明に係る燃料電池によれば、第１のプレートと第３のプレートの間に少なくとも一つの密閉空間を形成するので、さらに燃料電池の冷却を抑制し、燃料電池の性能低下を抑制させることができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池において、前記空間形成部は、前記第３のプレートの略中央に形成され、前記凸部を有する凹状部であることが好ましい。本発明に係る燃料電池によれば、第３のプレートの外周部の略中央には凹状部が形成されており、第１のプレートと第３のプレートの外周部とがシールされることにより第１のプレートと凹状部により形成される空間は１つの密閉空間であり、密閉空間には冷却水が流れないため、燃料電池の過度の冷却を抑制できる。その結果、燃料電池の性能低下が抑制され、低温時の燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池において、前記空間形成部は、前記第３のプレートの第１の凸部の両端と前記第１の凸部に隣接する第２の凸部の両端とを第３の凸部により繋ぐことにより前記第１の凸部から第３の凸部により囲まれて形成される凹部であることが好ましい。本発明によれば、第１のプレートと第３のプレートの凸部に囲まれた凹部により、複数の密閉空間を形成できる。密閉空間の数により第１のプレートと第３のプレートの間を流れる冷却水の量を調整でき、燃料電池を適度に冷却できる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池において、前記密閉空間の数が、前記燃料電池の端部に近いセパレータになるほど多く、前記燃料電池の中央部に近いセパレータになるほど少ないのが好ましい。燃料電池では、スタックの中央部ほど発熱した熱が籠もりやすく、スタックの端部ほど発熱した熱が籠もりにくいが、本発明に係る燃料電池によれば、スタックの中央部を強く冷却でき、端部の冷却を弱くできるので、燃料電池の温度分布を抑制できる。その結果、燃料電池の場所による反応性を均一にできる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池において、前記密閉空間は、気体で満たされている、あるいは、真空の空間であることが好ましい。本発明に係る燃料電池によれば、密閉空間は気体で満たされているか、真空の空間である。気体は固体、液体に比べて断熱性が高いので外気温が低くても熱が燃料電池から逃げにくい。その結果、外気温が低くても燃料電池は低温にならず、燃料電池の起動性を向上させることができる。また、密閉空間を真空にすれば、熱を伝導する媒体が無くなるので、さらに断熱性が高まり、低温での燃料電池の起動性がさらに向上させることができる。また、密閉空間を真空にすれば、例えばプレート間の接着強度を高めることもできる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池において、前記密閉空間の少なくとも一部に過冷却可能な冷熱媒体を封入していることが好ましい。本発明に係る燃料電池によれば、密閉空間の少なくとも一部に過冷却可能な冷熱媒体を封入している。過冷却状態の液体は、衝撃を与えると液体から固体に相転移するとともに発熱する。相転移にともなって発生する熱により、燃料電池は加温されるので、低温での燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池において、前記過冷却可能な冷熱媒体は酢酸ナトリウムであることが好ましい。酢酸ナトリウムは入手しやすく、また、酢酸ナトリウムの水和物である酢酸ナトリウム三水和物の融点は５８℃であり、常温では固体の物質であるが、高温の液体状態から温度が下がる時に、温度が５８℃以下になっても固体とならず、過冷却状態になりやすい。さらに、酢酸ナトリウム三水和物は、過冷却状態でショックを与えると容易に固体に相変化し発熱する。したがって、酢酸ナトリウム三水和物を密閉空間に封入し、過冷却状態の酢酸ナトリウム三水和物にショックを与えることにより、燃料電池を容易に加温できる。その結果、燃料電池の起動性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係る燃料電池１００の外観を模式的に示す斜視図である。燃料電池１００は、セパレータ１０２と膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂａｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ）１０４とが交互に積層されて構成されている。燃料電池１００は、上方側に、積層方向に貫通する、燃料ガス排出マニホールド１１２、酸化ガス供給マニホールド１２０、冷却水供給マニホールド１３０の３つのマニホールドを備え、下方側に、積層方向に貫通する、燃料ガス供給マニホールド１１０、酸化ガス排出マニホールド１２２、冷却水排出マニホールド１３２の３つのマニホールドを備えている。
【００１８】
図２を用いて、セパレータ１０２の構造について説明する。図２は、セパレータ１０２の構造を模式的に示す説明図である。セパレータ１０２は、第１のプレートである中間プレート２００と第２のプレートであるアノード側プレート３００と第３のプレートであるカソード側プレート４００により構成される３層構造のセパレータである。中間プレート２００の下面にアノード側プレート３００が配置され、中間プレートの上面にカソード側プレート４００が配置され、中間プレート２００は、アノード側プレート３００とカソード側プレート４００に挟持されている。カソード側プレート４００には、中間プレート２００側からみて凹んでいる凹状部４４９と中間プレート２００に向かって凸となる凸部４４０とが形成されている。
【００１９】
図３から図５を用いてセパレータ１０２を構成する３枚のプレートについて説明する。図３（ａ）は中間プレート２００を模式的に示す平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中の中間プレート２００を１−１線で切断した断面図、図４（ａ）はアノード側プレート３００を模式的に示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のアノード側プレート３００を２−２線で切断した断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のアノード側プレート３００を３−３線で切断した断面図である。図５（ａ）は、カソード側プレート４００を模式的に示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のカソード側プレート４００を４−４線で切断した断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のカソード側プレート４００を５−５線で切断した断面図である。
【００２０】
中間プレート２００は、大きさがカソード側プレート４００の凹状部４４９の最外周とほぼ同じ大きさの略長方形の平板の部材である。
【００２１】
アノード側プレート３００は、略長方形の板状の部材であり、外周部３４８の上部に燃料ガス排出マニホールド１１２の一部を構成する燃料ガス排出用穴部３１２、酸化ガス供給マニホールド１２０の一部を構成する酸化ガス供給用穴部３２０、冷却水供給マニホールド１３０の一部を構成する冷却水供給用穴部３３０を備え、外周部３４８の下部に燃料ガス供給マニホールド１１０の一部を構成する燃料ガス供給用穴部３１０、酸化ガス排出マニホールド１２２の一部を構成する酸化ガス排出用穴部３２２、冷却水排出マニホールド１３２の一部を構成する冷却水排出用穴部３３２を備えている。
【００２２】
アノード側プレート３００は、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、外周部３４８を除いた部分、すなわち略中央に中間プレート２００とほぼ同じ大きさの凹状部３４９と凹状部３４９に形成され、中間プレート２００側に向かって凸となる凸部３４０とを備えている。ここで、凹状部３４９のうち凸部３４０により凹みが形成されている部分を凹部３４２と呼ぶ。すなわち、アノード側プレート３００は、例えば、２−２線で切った断面では、図４（ｂ）に示すように凹状部３４９のみが現れる凹状の断面形状を有し、例えば、３−３断面で切った断面では、図４（ｃ）に示すように凸部３４０と凹部３４２とが互いに連続する波形の断面形状を有している。セパレータ１０２が組まれる場合、図４（ｂ）に示すように、アノード側プレート３００の凹状部３４９は、中間プレート２００と共に、アノード側空間１２を形成する。アノード側空間１２は、冷却水用の供給口あるいは排出口がなければ、密閉空間１８となる。すなわち、凹状部３４９は空間形成部として機能する。また、アノード側プレート３００の凸部３４０の頂部は、中間プレート２００に接する。なお、本実施例では、中間プレート２００側に突き出る部分を凸部と呼び、凸部と凸部の間の中間プレート２００側から見て凹んでいる部分を凹部と呼ぶ。
【００２３】
カソード側プレート４００は、略長方形の板状の部材であり、外周部４４８の上部に燃料ガス排出マニホールド１１２の一部を構成する燃料ガス排出用穴部４１２、酸化ガス供給マニホールド１２０の一部を構成する酸化ガス供給用穴部４２０、冷却水供給マニホールド１３０の一部を構成する冷却水供給用穴部４３０を備え、外周部４４８の下部に燃料ガス供給マニホールド１１０の一部を構成する燃料ガス供給用穴部４１０、酸化ガス排出マニホールド１２２の一部を構成する酸化ガス排出用穴部４２２、冷却水排出マニホールド１３２の一部を構成する冷却水排出用穴部４３２を備えている。
【００２４】
カソード側プレート４００は、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように外周部４４８を除いた部分、すなわち略中央に中間プレート２００とほぼ同じ大きさの凹状部４４９と凹状部４４９に形成され、中間プレート２００側に向かって凸となる複数の凸部４４０とを備えている。ここで、凹状部４４９のうち凸部４４０により凹みが形成されている部分を凹部４４２と呼ぶ。すなわち、カソード側プレート４００は、例えば、４−４線で切った断面では、図５（ｂ）に示すように凹状部４４９のみが現れる凹状の断面形状を有し、例えば、５−５線で切った断面では、図５（ｃ）に示すように凸部４４０と凹部４４２とが互いに連続する波形の断面形状を有している。セパレータ１０２が組まれる場合、図５（ｂ）に示すように、カソード側プレート４００の凹状部４４９は、中間プレート２００と共に、カソード側空間１６を形成する。カソード側空間１６は、冷却水用の供給口あるいは排出口がなければ、密閉空間１８となる。すなわち、凹状部４４９は、空間形成部として機能する。また、カソード側プレート４００の凸部４４０の頂部は、中間プレート２００に接する。なお、カソード側プレート４００についても、アノード側プレート３００と同様に、中間プレート２００側に突き出る部分を凸部と呼び、凸部と凸部の間の中間プレート２００側から見て凹んでいる部分を凹部と呼ぶ。
【００２５】
図６を用いて、膜電極接合体１０４について説明する。図６（ａ）は、膜電極接合体１０４の構成を模式的に示す平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中の膜電極接合体１０４を６−６線で切った断面図である。膜電極接合体１０４は、電解質膜５４０と、電解質膜５４０を両側から挟持している多孔体５４２と、電解質膜５４０と多孔体５４２とを嵌め込んで支持する樹脂フレーム５００とにより構成されている。
【００２６】
電解質膜５４０は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜と、触媒電極層とからなる。触媒電極層として、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒が用いられる。多孔体５４２は、金属材料あるいはカーボン材料でできている多孔質の部材であり、燃料ガスあるいは酸化ガスを拡散させる。多孔体５４２を通過してきた燃料ガスあるいは酸化ガスは、触媒電極層で電気化学反応を起こし、燃料電池１００は発電する。
【００２７】
樹脂フレーム５００は、略長方形の部材であり、上部に燃料ガス排出マニホールド１１２の一部を構成する燃料ガス排出用穴部５１２、酸化ガス供給マニホールド１２０の一部を構成する酸化ガス供給用穴部５２０、冷却水供給マニホールド１３０の一部を構成する冷却水供給用穴部５３０を備え、下部に燃料ガス供給マニホールド１１０の一部を構成する燃料ガス供給用穴部５１０、酸化ガス排出マニホールド１２２の一部を構成する酸化ガス排出用穴部５２２、冷却水排出マニホールド１３２の一部を構成する冷却水排出用穴部５３２を備えている。
【００２８】
樹脂フレーム５００には、中央に電解質膜嵌め込み用開口部５４４が形成されており、樹脂フレーム５００は、電解質膜嵌め込み用開口部５４４に電解質膜５４０と多孔体５４２とを嵌め込んでいる。
【００２９】
図７と図８を用いて燃料電池１００の構造について詳しく説明する。図７は、図１に示す燃料電池１００の７−７線で切った断面の一部を模式的に示す断面図である。図８は図１に示す燃料電池１００の８−８線で切った断面の一部を模式的に示す断面図である。
【００３０】
アノード側プレート３００の凸部３４０の頂部は、中間プレート２００に接している。また、アノード側プレート３００の外周部３４８の内周は、中間プレート２００の外周に接してシールされている。その結果、アノード側プレート３００の凹部３４２と中間プレート２００はアノード側空間１２を形成する。ここで、アノード側空間１２は、冷却水供給マニホールド１３０あるいは冷却水排出マニホールド１３２と接続されていない閉じた密閉空間１８となっており、空気などの気体が満たされ、冷却水は流されない。
【００３１】
一方、アノード側プレート３００の中間プレートの反対側、凸部３４０と多孔体５４２の間の空間には、燃料ガスを一時的に保留する燃料ガスバッファ１０が形成されている。燃料ガスバッファ１０は低圧損部となっており、燃料ガス供給マニホールド１１０から供給された燃料ガスは、燃料ガスバッファ１０に一時的に保留され、多孔体５４２内を拡散してアノード側電極触媒層に達する。本実施例では、燃料ガスとして水素ガスを使用しており、燃料電池のアノード極における電気化学反応は以下の通りである。
【００３２】
アノード極：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                        （１）
【００３３】
ここで、アノード極における（１）の電気化学反応は、発熱反応ではない。したがって、アノード側空間１２に冷却水を流すと、アノード極が過度に冷却されて電気化学反応の反応性が低下する恐れがある。しかしながら、本実施例では、 全てのアノード側空間１２は密閉空間１８となっており、密閉空間１８には冷却水が流れないので、アノード側プレート３００が冷却されない。したがって、アノード極が過度に冷却されることはなく、アノード極の電気化学反応の反応性が低下しない。その結果、燃料電池の性能低下を抑制できる。
【００３４】
また、本実施例では、アノード側空間１２は、空気などの気体で満たされている密閉空間１８である。気体は液体、固体と比べると断熱性が高いので、例えば外気温が低い場合でも、燃料電池１００の熱は密閉空間１８で遮断されて逃げにくい。すなわち、燃料電池１００のＭＥＡ１０４は、外気温が低くても、その影響を受けにくく低温になりにくい。その結果、外気温が低い場合であっても、燃料電池１００の起動性を向上させることができる。
【００３５】
カソード側プレート４００の凸部４４０の頂部は、中間プレート２００に接している。また、カソード側プレート４００の外周部４４８の内周は、中間プレート２００の外周に接してシールされている。その結果、カソード側プレート４００の凹部４４２と中間プレート２００とにより囲まれたカソード側空間１６が形成される。ただし、カソード側空間１６は、アノード側空間１２と異なり、図８に示すように、冷却水供給マニホールド１３０方向に冷却水供給用開口部５３４が形成されて、冷却水供給マニホールド１３０につながっている。したがって、カソード側空間１６は、密閉空間１８とはなっていない。なお、カソード側空間１６の冷却水排出マニホールド１３２方向にも冷却水排出用開口部（図示せず）が形成され、カソード側空間１６は、冷却水排出マニホールド１３２にもつながっている。冷却水は、冷却水供給マニホールド１３０から冷却水供給用開口部５３４を通ってカソード側空間１６に供給され、燃料電池１００を冷却する。冷却水は燃料電池１００を冷却した後、冷却水排出用開口部を通って冷却水排出マニホールド１３２に排出される。
【００３６】
カソード側プレート４００の凸部４４０と多孔体５４２の間には、酸化ガスを一時的に保留する酸化ガスバッファ１４が形成されている。酸化ガスバッファ１４は低圧損部となっており、酸化ガス供給マニホールド１２０から供給された酸化ガスは、酸化ガスバッファ１４に一時的に保留され、多孔体５４２内を拡散してカソード側触媒電極層に達する。本実施例では、酸化ガスとして空気を使用しており、カソード極における電気化学反応は以下の通りである。
【００３７】
カソード極：（１／２）Ｏ2  ＋  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ    （２）
【００３８】
ここで、カソード極の反応（２）は発熱反応である。したがって、カソード側空間１６に冷却水を流さない場合には、反応熱によりカソード極が高温に加熱されすぎる恐れがある。しかし、本実施例によれば、カソード側空間１６に冷却水を流してカソード側プレート４００を冷却し、カソード側プレート４００を冷却することによってカソード極を冷却しているので、カソード極が高温に加熱されすぎることはなく、適度な温度でカソード極の電気化学反応を実行させることができる。その結果、燃料電池の発電効率、耐久性を向上させることができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池１００によれば、発熱反応ではないアノード側のアノード側空間１２を密閉空間１８として冷却水を流さないので、燃料電池１００のアノード側が過度に冷却されることはない。したがって、アノード極の電気化学反応の反応性が低下して燃料電池の性能が低下することを抑制できる。
【００４０】
本実施例に係る燃料電池によれば、密閉空間１８は、第１のプレートである中間プレート２００と第２のプレートであるアノード側プレート３００の凹状部３４９とにより形成され、密閉空間１８には冷却水が流れないため、燃料電池１００の過度の冷却を抑制できる。その結果、燃料電池１００の性能低下が抑制され、低温時の燃料電池１００の起動性を向上させることができる。
【００４１】
また、密閉空間１８は、気体で満たされているので、断熱性が高い。したがって、外気温が低くても燃料電池の熱は密閉空間１８で遮断されて逃げにくいので燃料電池１００のＭＥＡ１０４は低温になりにくい。その結果、外気温が低い場合でも燃料電池１００は低温になりにくく、燃料電池１００の起動性を向上させることができる。
【００４２】
また、本実施例によれば、燃料電池１００は、アノード側プレート３００とカソード側プレート４００とで、いわゆる溝構造をしているため、燃料ガスバッファ１０、酸化ガスバッファ１４に低圧損部を有する。この低圧損部を有することにより多孔体５４２の圧力分布を緩和するとともにガス拡散を促進することができる。その結果、燃料電池の電気化学反応の均一化及び高性能化が可能となる。
【００４３】
また、中間プレート２００は、アノード側プレート３００及びカソード側プレート４００に対してバネ材として作用するので、中間プレート２００のスプリング効果による反発力により、燃料電池スタック全体を定寸で固定した場合に、内部に反発力を残し、内部に一定の締結圧を残すことが可能となる。したがって、例えば、従来締結力を持たせるために使用していた皿ばね等を廃止できるとともに燃料電池スタックの体積を低減できる。
【００４４】
（変形例１）
本実施例では、アノード側空間１２は冷却水供給マニホールド１３０および冷却水排出マニホールド１３２と接続されていない密閉空間１８であるとして説明したが、アノード側空間１２に冷却水供給マニホールド１３０および冷却水排出マニホールド１３２と接続して解放空間とし、一部のアノード側空間１２については密閉空間１８とし、密閉空間１８以外のアノード側空間１２に冷却水を流すようにしてもよい。少なくとも一部が密閉区間であれば、全てのアノード側空間１２に冷却水が流れる場合と比較して、過度の冷却を抑制できる。
【００４５】
そのためには、アノード側プレート３０１の形状を、例えば、図９に示すように凸部３４０が隣の凸部３４０と凸部３４６で接続するような形状にすればよい。図９（ａ）は、変形例１に係るアノード側プレート３０１を模式的に示す平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中のアノード側プレート３０１を９−９線で切断した断面図である。変形例１に係るアノード側プレート３０１では凸部３４０の一部は、端部３４４で隣の凸部３４０の端部３４４と凸部３４６により接続されている。その結果、凸部３４０と凸部３４６により囲まれた部分は、セパレータ１０２を組んだときに中間プレート２００と共に密閉空間１８を形成する。すなわち、凸部３４０と凸部３４６とに囲まれている凹部３４３は、空間形成部として機能する。ここで、凸部３４０と凸部３４６とに囲まれていない凹部３４２と中間プレート２００とにより形成されるアノード側空間１２に冷却水供給用開口部及び冷却水排出用開口部を設けることにより、アノード空間１２のうち一部の空間を密閉空間１８とし、残りの空間を解放空間として冷却水を流すことが可能となる。なお、凸部３４６を設ける数、場所を変更すれば、密閉空間１８の数を変えることが可能となる。その結果、燃料電池１００を適切に冷却できる。
【００４６】
（変形例２）
本実施例では、カソード側空間１６が解放空間であるが、カソード側空間１６を密閉空間１８としてもよい。すなわち、本実施例では、中間プレート２００とカソード側プレート４００の外周部４４８とを接してシールされているが冷却水供給用開口部５３４及び冷却水排出用開口部が設けられているため、カソード側空間１６が解放空間となっているが、冷却水供給用開口部５３４及び冷却水排出用開口部を設けずに閉じれば、カソード側空間１６を密閉空間１８とすることができる。本変形例によれば、中間プレート２００とカソード側プレート４００の間には冷却水が流れないため、燃料電池の冷却を抑制できる。その結果、燃料電池の性能低下が抑制され、低温時の燃料電池の起動性を向上させることができる。
【００４７】
（変形例３）
また、カソード側空間１６を密閉空間１８とする場合に、全てを密閉空間１８とするのではなく、例えば、図１０に示すようにカソード側空間１６の一部を密閉空間１８としてもよい。図１０は、変形例に係る燃料電池の７−７線で切断した断面を模式的に示す断面図である。変形例３に係る年燃料電池では、カソード側空間１６の一部が密閉空間１８となっており、カソード側での冷却を押さえることができ、燃料電池全体として冷却を適度に調整できる。
【００４８】
そのためには、カソード側プレート４０１の形状を、例えば、図１１に示すように凸部４４０を隣の凸部４４０と凸部４４６で接続するような形状にすればよい。図１１（ａ）は、変形例３に係るカソード側プレート４０１を模式的に示す平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中のカソード側プレート４０１を１０−１０線で切断した断面図である。変形例３に係るカソード側プレート４０１では凸部４４０の一部は、端部４４４で隣の凸部４４０の端部４４４と凸部４４６により接続されている。その結果、凸部４４０と凸部４４６に囲まれた部分は、セパレータ１０２を組んだときに中間プレート２００とともに密閉空間１８を形成する。すなわち、凸部４４０と凸部４４６とに囲まれている凹部４４３は空間形成部として機能する。ここで、凸部４４０と凸部４４６とに囲まれていない凹部４４２と中間プレート２００とにより形成されるカソード側空間１６に冷却水供給用開口部及び冷却水排出用開口部を設けることにより、カソード空間１６のうち一部の空間を密閉空間１８とし、残りの空間に冷却水を流すことが可能となる。なお、凸部４４６を設ける数、場所を変更すれば、密閉空間１８の数を変えることが容易になる。その結果、燃料電池１００を適切に冷却できる。
【００４９】
（変形例４）
また、図１２に示すように、密閉空間１８の数を、燃料電池の端ほど多く、中央部ほど少なくしてもよい。図１２は変形例４に係る燃料電池１００の７−７線で切断した断面を模式的に示す断面図である。燃料電池１００の中央部は燃料電池の両側から熱が移動してくるので、熱が籠もりやすいが、燃料電池１００の端では、燃料電池の片側からしか熱が移動してこないので、熱が籠もりにくい。したがって、密閉空間１８の数を、燃料電池１００の端ほど多くして燃料電池１００の冷却を抑制し、中央部ほど少なくして燃料電池１００の冷却を促進することにより、燃料電池１００における温度分布を抑制でき、燃料電池１００の場所による反応性を均一にできる。
【００５０】
（変形例５）
また、本実施例では、密閉空間１８を空気などの気体で満たしているが、密閉空間１８を真空の空間にしても良い。真空の空間は気体よりもさらに断熱性が高いので、例えば、外気温が低い場合でもその熱は燃料電池内部に伝わりにくく、燃料電池は低温になりにくい。その結果、外気温が低い場合でも燃料電池の起動性を向上させることができる。密閉空間１８を真空の空間にするには、例えば、アノード側セパレータ３００と中間プレート２００とを真空下で接着すればよい。
【００５１】
（変形例６）
本実施例では、密閉空間１８内部には空気が入っているが、例えば、酢酸ナトリウム三水和物などの過冷却可能な冷熱媒体を封入してもよい。酢酸ナトリウム三水和物は、融点が５８℃の物質であるため、常温では固体であるが、高温の液体状態から温度が下がる場合、５８℃を下まわっても固体にならず、過冷却状態になりやすい。過冷却液体は、例えば、ショックを与えることにより液体から固体に相転移し、発熱する。この熱を利用して燃料電池を加温すれば、外気温が低くても燃料電池の温度を高くでき、燃料電池の起動性を向上させることができる。なお、酢酸ナトリウム三水和物は、酢酸ナトリウム８２ｇに対し水５４ｇの割合で水を加えることにより生成される。
【００５２】
以下、密閉空間１８に酢酸ナトリウム三水和物を封入している場合の動作について説明する。燃料電池１００の運転状態では燃料電池１００の温度は酢酸ナトリウム三水和物の融点５８℃よりも高いため、密閉空間１８内で酢酸ナトリウム三水和物は液体である。ここで、燃料電池１００の運転を停止すると、燃料電池１００の温度は段々と下がっていくが、温度が５８℃を下まわっても、酢酸ナトリウム三水和物は固体にはならず、液体のまま過冷却状態となる。次に、燃料電池を再起動しようとする場合、ショックを与えると、酢酸ナトリウム三水和物は液体から固体に相転移し、発熱する。例えば、気温が低い時には燃料電池１００も低温になっているが、燃料電池にショックを与え、相転移時に発生する熱を利用して燃料電池１００を加温することができる。燃料電池１００の電気化学反応は一般に温度が高い方が反応性が高いので、相転移時に発生する熱を利用して燃料電池１００を加温すれば、燃料電池１００の起動性を向上させることができる。なお、燃料電池１００にショックを与えるものとして、例えば、自動車のドアを閉めるときの振動などを用いることができる。なお、本変形例５では、過冷却可能な冷熱媒体として酢酸ナトリウム三水和物を用いたが、例えば、融点が４８℃のチオ硫酸ナトリウム五水和物など、他の過冷却可能な冷熱媒体を使用してもよい。
【００５３】
（変形例７）
本実施例では、アノード側プレート３００とカソード側プレートの凸部、凹部の構造がいわゆる溝構造であるとして説明したが、図１３から図１５に示すようなリブ構造であっても良い。図１３は、変形例７に係るアノード側プレート３０２の平面図、図１４は、変形例７に係るカソード側プレート４０２の平面図である。図１５は変形例７に係る燃料電池１００のアノード側プレート３０２とカソード側プレート４０２とを重ねた図である。リブ構造であっても密閉空間１８を設けることにより、過度の冷却を抑制し、断熱性を高めることができることに変わりはないからである。なお、図１５に示すように、アノード側プレート３０２の凸部３４０とカソード側プレート４０２の凸部４４０は、アノード側プレート３０２とカソード側プレート４０２を重ねたときにお互いに重ならないような位置にそれぞれ形成されている。
【００５４】
（変形例８）
本実施例では、中間プレート２００には各種マニホールドの一部を構成する穴部は形成されていなかったが、中間プレート２００にも、燃料ガス供給マニホールド１１０の一部を構成する燃料ガス供給用穴部２１０、燃料ガス排出マニホールド１１２の一部を構成する燃料ガス排出用穴部２１２、酸化ガス供給マニホールド１２０の一部を構成する酸化ガス供給用穴部２２０、酸化ガス排出マニホールド１２２の一部を構成する酸化ガス排出用穴部２２２、冷却水供給マニホールド１３０の一部を構成する冷却水供給用穴部２３０、冷却水排出マニホールド１３２の一部を構成する冷却水排出用穴部２３２を形成してもよい。本変形例においても、例えば、アノード側空間１２のうち少なくとも一部を密閉空間１８とすることができ、燃料電池の過度の冷却を抑制できる。
【００５５】
（変形例９）
本実施例では、例えばアノード側プレート３００について、凹部３４２の底から凸部３４０の頂部までに高さと凹部３４２の底から外周部３４８までの高さは同じとして説明したが、凹部３４２の底から外周部までの高さが、例えば、凹部３４２の底から凸部３４０の頂部までの高さのほぼ半分の高さであってもよい。この場合、中間プレート２００とアノード側プレート３００外周部３４８の間にシール部を設けることにより密閉性を保ち、密閉空間１８を形成することができるため、燃料電池の過度の冷却を抑制できる。なお、凹部３４２の底から外周部までの高さは、密閉空間１８を形成できる高さであればよい。また、カソード側プレート４００についても同様の構造をとることができるのはいうまでもない。
【００５６】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池の外観を模式的に示す斜視図。
【図２】セパレータの構造を模式的に示す説明図。
【図３】中間プレートを模式的に示す平面図と断面図。
【図４】アノード側プレートを模式的に示す平面図と断面図。
【図５】カソード側プレートを模式的に示す平面図と断面図。
【図６】膜電極接合体の構成を模式的に示す平面図と断面図。
【図７】図１に示す燃料電池の７−７線で切断した断面の一部を模式的に示す断面図。
【図８】図１に示す燃料電池の８−８線で切断した断面の一部を模式的に示す断面図。
【図９】変形例１に係るアノード側プレートを模式的に示す平面図と断面図。
【図１０】変形例３に係る燃料電池の７−７線で切断した断面を模式的に示す断面図。
【図１１】変形例３に係るカソード側プレートを模式的に示す平面図と断面図。
【図１２】変形例４に係る燃料電池の７−７線で切断した断面を模式的に示す断面図。
【図１３】変形例７に係る燃料電池のアノード側プレートの平面図。
【図１４】変形例７に係る燃料電池のカソード側プレートの平面図。
【図１５】変形例７に係る燃料電池のアノード側プレートとカソード側プレートとを重ねた図。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料ガスバッファ
１２…アノード側空間
１４…酸化ガスバッファ
１６…カソード側空間
１８…密閉空間
１００…燃料電池
１０２…セパレータ
１０４…膜電極接合体
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１１２…燃料ガス排出マニホールド
１２０…酸化ガス供給マニホールド
１２２…酸化ガス排出マニホールド
１３０…冷却水供給マニホールド
１３２…冷却水排出マニホールド
２００…中間プレート
３００、３０１、３０２…アノード側プレート
３４０…凸部
３４２…凹部
３４３…凹部
３４４…端部
３４６…凸部
３４８…外周部
３４９…凹状部
４００、４０１、４０２…カソード側プレート
４４０…凸部
４４２…凹部
４４３…凹部
４４４…端部
４４６…凸部
４４８…外周部
４４９…凹状部
５００…樹脂フレーム
２１０、３１０、４１０、５１０…燃料ガス供給用穴部
２１２、３１２、４１２、５１２…燃料ガス排出用穴部
２２０、３２０、４２０、５２０…酸化ガス供給用穴部
２２２、３２２、４２２、５２２…酸化ガス排出用穴部
２３０、３３０、４３０、５３０…冷却水供給用穴部
２３２、３３２、４３２、５３２…冷却水排出用穴部
５３４…冷却水供給用開口部
５４０…電解質膜
５４２…多孔体
５４４…電解質膜嵌め込み用開口部
【図１】
2008047320.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2008047320.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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