(57)【要約】【課題】所望の締め付け荷重を確実に保持するとともに、構成の簡素化を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体１４と、第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１セパレータ１６には、蛇行する酸化剤ガス流路４６が形成される一方、第２セパレータ１８には、蛇行する燃料ガス流路５２が形成される。酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２の折り返し部位内側には、流路外に位置して締め付けボルト挿通用の第２孔部６３ｂが形成され、前記第２孔部６３ｂに第２締め付けボルト７０ｂが挿入されて燃料電池１０が締め付け固定される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一組のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池であって、
少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側には、該反応ガス流路外に位置して締め付けボルト挿通用孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内に、反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ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】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池内で、セパレータと電解質・電極接合体との間、またはセパレータとセパレータとの間の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与する必要があるが、特に、金属セパレータを使用する場合に、プレス成形時の変形や発電時の流体圧（ガス圧や冷媒圧）の変動に起因して面圧分布が生じ易い。その際、面圧の低い部分では、抵抗過電圧が増加してしまい、電極面内の電流密度分布も変化してしまう。
【０００５】
そこで、例えば、米国特許第５，４８４，６６６号公報に開示されている燃料電池スタックが知られている。この従来技術では、電極面内に積層方向に貫通して複数の開口部が形成されており、タイロッドが前記開口部に挿通されて積層方向両端の一対のエンドプレートに固定されるとともに、それぞれの開口部は、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔を構成している。
【０００６】
このため、従来技術では、燃料電池スタックの外周縁部にタイロッドを挿通する構成に比べて、セパレータの中央側を確実に締め付け保持することができ、特に金属セパレータの面圧分布を有効に低減することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、一方のエンドプレートは、燃料ガス供給連通孔、酸化剤ガス供給連通孔および冷却媒体供給連通孔が連通し、かつそれぞれのタイロッドを避けて燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールドおよび冷却媒体供給マニホールドが形成されている。さらに、他方のエンドプレートには、同様に、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス排出連通孔および冷却媒体排出連通孔が連通し、かつそれぞれのタイロッドを避けて燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドが形成されている。
【０００８】
従って、各エンドプレートには、相当に形状の複雑な複数のマニホールドを形成しなければならない。これにより、エンドプレートの製造コストが大幅に高騰するとともに、前記エンドプレートの製造作業に時間がかかってしまい、燃料電池を効率的かつ経済的に製造することができないという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望の締め付け荷重を確実に保持するとともに、構成の簡素化を図って効率的かつ経済的に製造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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられるとともに、少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側には、該反応ガス流路外に位置して締め付けボルト挿通用孔部が形成されている。
【００１１】
このため、電極面内に締め付けボルトを挿通することができ、電解質・電極接合体と一組のセパレータとを、一体的かつ強固に固定することが可能になる。特に、金属セパレータが使用される際や、セパレータ面積が大きい際にも、セパレータ面内の面圧分布が均一化される。これにより、簡単かつ経済的な構成で、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与することができ、接触抵抗を低減して所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が組み込まれる燃料電池スタック１２の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部分解斜視説明図である。
【００１３】
燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体（電解質・電極接合体）１４と、例えば、金属板材で形成されて前記電解質膜・電極接合体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備え、前記燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック１２が構成される。燃料電池１０の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、正極側集電体２０ａおよび負極側集電体２０ｂとエンドプレート２２ａ、２２ｂとが絶縁プレート２４ａ、２４ｂを介装して配設される。
【００１４】
図２に示すように、電解質膜・電極接合体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２６が介装されている。
【００１５】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１６】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、および燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１７】
電解質膜・電極接合体１４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てなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００１８】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図３に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層４２ａ、４２ｂ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４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されるとともに、後述する酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の形状に対応した塗布範囲が設定されている（図２参照）。
【００１９】
シール部材２６の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２６に代替して、第１および第２セパレータ１６、１８にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００２０】
図２および図４に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極接合体１４側の面１６ａには、酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路４６は、それぞれ独立した複数本の酸化剤ガス流路溝４８を備え、この酸化剤ガス流路溝４８は、面１６ａに壁部５０を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２１】
図５に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極接合体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、それぞれ独立した複数本の燃料ガス流路溝５４を備え、この燃料ガス流路溝５４は、面１８ａに壁部５６を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２２】
図２に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路５８が形成される。この冷却媒体流路５８は、それぞれ独立した複数本の冷却媒体流路溝６０を備え、この冷却媒体流路溝６０は、面１８ｂに壁部６２を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２３】
燃料電池１０は、アノード側電極３８およびカソード側電極４０を周回し、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して締め付けボルト挿通用の第１孔部６３ａが、例えば、８箇所に設けられる。燃料電池１０の電極面内には、少なくとも酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２の折り返し部位内側に、かつ前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５２外に位置して、締め付けボルト挿通用の第２孔部６３ｂが形成される。第２孔部６３ｂは、燃料電池１０を矢印Ａ方向に貫通しており、例えば、矢印Ｂ方向に２列でかつ矢印方向に３列の合計６個に設定されるとともに、前記第２孔部６３ｂを囲繞してシール材６５が配設されている。なお、第２孔部６３ｂの個数は、燃料電池１０の寸法や積層数等に応じて種々設定可能である。
【００２４】
図１に示すように、エンドプレート２２ａの矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する酸化剤ガス供給口６４ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂが設けられる。エンドプレート２２ａの矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体供給連通孔３４ａ、冷却媒体排出連通孔３４ｂおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する燃料ガス供給口６６ａ、冷却媒体供給口６８ａ、冷却媒体排出口６８ｂおよび燃料ガス排出口６６ｂが設けられる。
【００２５】
エンドプレート２２ａ、２２ｂには、燃料電池１０の第１および第２孔部６３ａ、６３ｂに対応して第３および第４孔部６３ｃ、６３ｄが形成される。エンドプレート２２ａ、２２ｂ間では、第３および第１孔部６３ｃ、６３ａに第１締め付けボルト７０ａが挿通されるとともに、第４および第２孔部６３ｄ、６３ｂに第２締め付けボルト７０ｂが挿通される。第１および第２締め付けボルト７０ａ、７０ｂの先端には、図示しないナットが螺合しており、燃料電池スタック１２の積層方向に所定の締め付け荷重が付与されている。
【００２６】
第１および第２締め付けボルト７０ａ、７０ｂには、予め、絶縁皮膜による絶縁処理が施されている。なお、この絶縁処理に代えて燃料電池１０の第１および第２孔部６３ａ、６３ｂの内周面に絶縁シールや絶縁皮膜を設けてもよい。
【００２７】
このように構成される燃料電池１０の動作について、燃料電池スタック１２との関連で以下に説明する。
【００２８】
まず、燃料電池スタック１２を運転するに際しては、図１および図２に示すように、燃料ガス供給口６６ａから燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口６４ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口６８ａから冷却媒体供給連通孔３４ａ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。
【００２９】
このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、この酸化剤ガス流路４６を構成する酸化剤ガス流路溝４８を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する（図４参照）。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ１８の燃料ガス流路５２に導入され、この燃料ガス流路５２を構成する燃料ガス流路溝５４を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１４を構成するアノード側電極３８に沿って移動する（図５参照）。
【００３０】
従って、各電解質膜・電極接合体１４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層４４ａ、４４ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３１】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３２】
また、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ１６、１８の冷却媒体流路５８に導入された後、冷却媒体流路５８を構成する冷却媒体流路溝６０を介して蛇行しながら流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。
【００３３】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０内にそれぞれ蛇行する酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２（さらに、冷却媒体流路５８）が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５２の折り返し部位内側には、該酸化剤ガス流路４６および該燃料ガス流路５２外に位置して第２孔部６３ｂが形成されている。
【００３４】
この第２孔部６３ｂには、第２締め付けボルト７０ｂが挿入され、電極面の外方に形成された第１孔部６３ａに挿入される第１締め付けボルト７０ａとともに、複数組の燃料電池１０を積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け固定している。このため、燃料電池１０では、電極面内に第２締め付けボルト７０ｂを挿通することができ、電解質・電極接合体１４と第１および第２セパレータ１６、１８とを強固に固定することが可能になる。
【００３５】
特に、第１および第２セパレータ１６、１８に金属セパレータが使用される際や、セパレータ面積が大きい際にも、セパレータ面内の面圧分布を均一化することができる。これにより、各燃料電池１０に所望の締め付け荷重を付与し、接触抵抗を低減して燃料電池スタック１２全体として所望の発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３６】
さらに、第２締め付けボルト７０ｂを挿通するための第２孔部６３ｂが、折り返し型反応ガス流路である酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５２の折り返し部位内側に設けられており、燃料電池スタック１２全体の反応ガスおよび冷却媒体用流路構造が有効に簡素化される。従って、例えば、エンドプレート２２ａ、２２ｂに複雑なマニホールド構造を採用する必要がなく、燃料電池スタック１２全体を経済的かつ効率的に製造することができるという利点がある。
【００３７】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の要部分解斜視説明図である。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。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様に省略する。
【００３８】
燃料電池８０は、電解質膜・電極接合体８２と第１および第２セパレータ８４、８６と、これらの間に介装されるシール部材８８とを備える。燃料電池８０では、電極面内に対応して第２孔部６３ｂが設けられる一方、この電極面の外側には、上記の燃料電池１０に設けられている第１孔部６３ａが形成されていない。この燃料電池８０では、燃料電池８０が電極面内に設けられている第３孔部６３ｂに挿入される第２締め付けボルト７０ｂのみによって、矢印Ａ方向に締め付け固定されている。
【００３９】
従って、第２の実施形態では、電解質膜・電極接合体８２と第１および第２セパレータ８４、８６とを一体的かつ強固に固定することができ、セパレータ面内の面圧分布が有効に低減される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、燃料電池８０全体を一層小型化することが可能になる。
【００４０】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。
【００４１】
燃料電池１００は、電解質膜・電極接合体１０２と、第１および第２セパレータ１０４、１０６と、これらの間に介装されるシール部材１０８とを備える。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の一端縁部には、下部側に酸化剤ガス供給連通孔３０ａが設けられる一方、上部側に酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００４２】
燃料電池１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、下部側に燃料ガス供給連通孔３２ａが設けられる一方、上部側に燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス供給連通孔３２ａおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂに近接して、燃料電池１００の下端縁部および上端縁部に冷却媒体供給連通孔３４ａおよび冷却媒体排出連通孔３４ｂがそれぞれ設けられる。
【００４３】
第１セパレータ１０４に酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１０が設けられる一方、図８に示すように、第２セパレータ１０６に燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１２が設けられる。図７に示すように、第１および第２セパレータ１０４、１０６は、それぞれ酸化剤ガス流路１１０および燃料ガス流路１１２とは反対側の面に冷却媒体流路１１４を設けている。酸化剤ガス流路１１０、燃料ガス流路１１２および冷却媒体流路１１４は、単一の折り返し部位を設ける蛇行形状に設定される。燃料電池１００には、流路折り返し部位内側でかつ流路外に位置して、締め付けボルト挿通用の第２孔部６３ｂが矢印Ｂ方向に沿って３個形成されている。
【００４４】
このように構成される第３の実施形態では、電極面の外側に形成された第１孔部６３ａに第１締め付けボルト７０ａが挿入されるとともに、少なくとも酸化剤ガス流路１１０および燃料ガス流路１１２の折り返し部位内側に位置し、すなわち、電極面内に位置して形成された第２孔部６３ｂに第２締め付けボルト７０ｂが挿入される。
【００４５】
従って、電解質膜・電極接合体１０２と第１および第２セパレータ１０４、１０６とを一体的かつ強固に固定するとともに、セパレータ面内の面圧分布が有効に低減され、所望の発電性能を確実に維持することができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内に、折り返し型反応ガス流路が設けられ、少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側にかつ該反応ガス流路外に位置して、締め付けボルト挿通用孔部が形成されている。このため、電極面内に締め付けボルトを挿通することができ、電解質・電極接合体と一組のセパレータとを、一体的かつ強固に固定することが可能になる。これにより、簡単かつ経済的な構成で、燃料電池に所望の締め付け荷重を付与することができ、所望の発電性能を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が組み込まれる燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００…燃料電池　　　　１２…燃料電池スタック
１４、８２、１０２…電解質膜・電極接合体
１６、１８、８４、８６、１０４、１０６…セパレータ
２２ａ、２２ｂ…エンドプレート　　　３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔　　　　３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔　　　　　３４ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ…冷却媒体排出連通孔　　　　　３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極　　　　　　　　４０…カソード側電極
４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層　　　　　４４ａ、４４ｂ…電極触媒層
４６、１１０…酸化剤ガス流路　　　　５２、１１２・・・燃料ガス流路
５８、１１４…冷却媒体流路　　　　　６３ａ〜６３ｄ・・・孔部
７０ａ、７０ｂ…締め付けボルト
【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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【図７】
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【図８】
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