(57)【要約】【課題】  作業上の負担を低減するとともに搭載性を向上することのできる平面積層型燃料電池を提供する。【解決手段】  膜電極構造体３の電極８，９に対して反応ガスを供給する反応ガス通路１０，１１を形成する導電性のセパレータを、前記燃料極用の反応ガス通路と前記酸化剤極用の反応ガス通路とが設けられた第１のセパレータ４と、いずれか一方の反応ガス通路のみが設けられた第２のセパレータ５とで構成し、前記第１のセパレータ４，４同士を、互いに異なる反応ガス通路が対向するようにして前記膜電極構造体３を挟み込んで配置するとともに、第１のセパレータ４の一方のみが配置される膜電極構造体３に、第２のセパレータ５をその反応ガス通路が第１のセパレータ４の反応ガス通路に対向するように配置してなるユニットを構成した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を備えた燃料電池セルを平面状に並列させてなる平面積層型燃料電池において、
前記膜電極構造体の電極に対して反応ガスを供給する反応ガス通路を形成する導電性のセパレータを、前記燃料極用の反応ガス通路と前記酸化剤極用の反応ガス通路とが一面に設けられた第１のセパレータと、いずれか一方の反応ガス通路のみが設けられた第２のセパレータとで構成し、
２つの第１のセパレータを、互いに異なる反応ガス通路が対向するようにして前記膜電極構造体を挟み込んで配置するとともに、第１のセパレータが片面のみに配置される膜電極構造体の他方の面に、第２のセパレータを互いの反応ガス通路が対向するように配置して、ユニットを構成したことを特徴とする平面積層型燃料電池。
【請求項２】
前記ユニットを厚さ方向に積層して、積層方向に隣合うユニットの第２のセパレータ同士を電気的に接続させるとともに、該隣合うユニットの第１のセパレータ間に絶縁板を介装してなることを特徴とする請求項１に記載の平面積層型燃料電池。
【請求項３】
前記隣合うユニット間の第２のセパレータ同士をターミナルを介して電気的に接続することを特徴とする請求項２に記載の平面積層型燃料電池。
【請求項４】
電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を平面状に並列させて、
複数の反応ガス通路を備えた複数の第１のセパレータを互いに異なる反応ガス通路を対向させて各膜電極構造体の両面に配置するとともに、
片面のみに第１のセパレータが配置された膜電極構造体の他方の面に、単一の反応ガス通路を備えた第２のセパレータを対向させて配置してなるユニットを複数設け、
各ユニットの第１のセパレータ同士と第２のセパレータ同士を対向させ、第１のセパレータ間には絶縁板を介装するとともに、第２のセパレータ間にはターミナルを介装して、積層配置することを特徴とする平面積層型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を備えた燃料電池セルを平面状に並列させてなる平面積層型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた構造のものが一般的に知られている。ただし、この構造の燃料電池では、出力を高めるために燃料電池セルの積層数を増やすと、その分燃料電池の積層寸法が増大するため、車高に制限のある車両に搭載する場合等には適さない。また、この構造の燃料電池では、一つの燃料電池セルで発電不良が発生すると、各々の燃料電池セルが電気的に直列に接続されているため、積層された燃料電池全体に影響が及び、発電出力が大幅に低下してしまう。このような不具合を解消するものとして、膜電極構造体を備えた燃料電池セルを平面状に並列させる平面積層型燃料電池が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に、電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対峙させた複数個の燃料電池セルを、同じ面に並ぶように平面に並べ、互いに隣接する一方の燃料電池セルの燃料極の背面と他方の燃料電池セルの酸化剤極の背面とを導電性のＺ字状接続板で電気的に接続する平面積層型燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−５６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術においては、前記導電性のＺ字状接続板の作製やこの接続板の組み込みに手間がかかって作業上の負担が大きく、また該接続板周辺の剛性を充分に確保しないと車両等に搭載した場合に位置ずれを起こしてしまうことから、搭載性の面で問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、作業上の負担を低減するとともに搭載性を向上することのできる平面積層型燃料電池を提供することを目的としている。
【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、本発明の請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜７）を燃料極（例えば、実施の形態におけるアノード電極８）と酸化剤極（例えば、実施の形態におけるカソード電極９）とで挟んで形成した膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体３）を備えた燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２）を平面状に並列させてなる平面積層型燃料電池（例えば、実施の形態における平面積層型燃料電池１）において、前記膜電極構造体の電極に対して反応ガスを供給する反応ガス通路を形成する導電性のセパレータを、前記燃料極用の反応ガス通路と前記酸化剤極用の反応ガス通路とが一面に設けられた第１のセパレータ（例えば、実施の形態における第１のセパレータ４）と、いずれか一方の反応ガス通路のみが設けられた第２のセパレータ（例えば、実施の形態における第２のセパレータ５）とで構成し、２つの第１のセパレータを、互いに異なる反応ガス通路が対向するようにして前記膜電極構造体を挟み込んで配置するとともに、第１のセパレータが片面のみに配置される膜電極構造体の他方の面に、第２のセパレータを互いの反応ガス通路が対向するように配置して、ユニットを構成したことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記第１のセパレータに形成された反応ガス通路のそれぞれが、互いに隣合う膜電極構造体に対向して配設されており、前記第１のセパレータが互いに隣合う燃料電池セルの共通の構成要素となるので、該隣合う燃料電池セル同士を前記第１のセパレータにより電気的に接続することができ、これにより、燃料電池セル同士を接続するための特別な部材が不要となり作業上の負担を低減できるとともに、隣合う燃料電池セル同士の接続箇所に十分な剛性を確保させることができ、搭載性を向上させることができる。また、前記第１のセパレータのそれぞれの反応ガス通路には互いに異なる反応ガスが流通することから、隣合う燃料電池セルを直列接続することができ、厚さ寸法を単一の燃料電池セル程度に抑えつつ、燃料電池セルを積層した場合と同様な高い出力電圧や出力電力を得ることができる。
【０００８】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記ユニットを厚さ方向に積層して、積層方向に隣合うユニットの第２のセパレータ同士を電気的に接続させるとともに、該隣合うユニットの第１のセパレータ間に絶縁板（例えば、実施の形態における絶縁板６）を介装してなることを特徴とする。
この発明によれば、積層方向に隣合うユニットの第１のセパレータ間に介装された絶縁板により短絡を防止できるとともに、第２のセパレータ同士を電気的に接続することで、各ユニットで得られる出力電圧や出力電力を積層数分だけ倍加させることができ、積層寸法を抑えつつ、高い出力電圧や出力電力を得ることが可能となる。
【０００９】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項２に記載のものであって、前記隣合うユニット間の第２のセパレータ同士をターミナル（例えば、実施の形態におけるターミナル１４）を介して電気的に接続することを特徴とする。
この発明によれば、各ユニットを配置位置に関係なく同一形状に作製することができるので、搭載性をさらに高めることができる。
【００１０】
本発明の請求項４に係る発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を平面状に並列させて、複数の反応ガス通路を備えた複数の第１のセパレータを互いに異なる反応ガス通路を対向させて各膜電極構造体の両面に配置するとともに、片面のみに第１のセパレータが配置された膜電極構造体の他方の面に、単一の反応ガス通路を備えた第２のセパレータを対向させて配置してなるユニットを複数設け、各ユニットの第１のセパレータ同士と第２のセパレータ同士を対向させ、第１のセパレータ間には絶縁板を介装するとともに、第２のセパレータ間にはターミナルを介装して、積層配置することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、燃料電池セル同士を接続するために特別な部材が不要であり、隣合う燃料電池セル同士の接続箇所に十分な剛性を確保させた同一形状のユニット同士を、絶縁板により短絡を防止しつつ、ターミナルを介して電気的に接続するので、各ユニットで得られる出力電圧や出力電力を積層数分だけ倍加させることができ、積層寸法を抑えつつ、高い出力電圧や出力電力を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池セル同士を接続するために特別な部材が不要となり作業上の負担を低減できるとともに、隣合う燃料電池セル同士の接続箇所に十分な剛性を確保させることができ、搭載性を向上させることができる。また、前記第１のセパレータのそれぞれの反応ガス通路には互いに異なる反応ガスが流通することから、隣合う燃料電池セルを直列接続することができ、厚さ寸法を単一の燃料電池セル程度に抑えつつ、燃料電池セルを積層した場合と同様な高い出力電圧や出力電力を得ることができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明によれば、各ユニットで得られる出力電圧や出力電力を積層数分だけ倍加させることができ、積層寸法を抑えつつ、高い出力電圧や出力電力を得ることが可能となる。
また、請求項３に記載の発明によれば、各ユニットを配置位置に関係なく同一形状に作製することができるので、搭載性をさらに高めることができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、作業上の負担を低減できるとともに搭載性を向上でき、各ユニットで得られる出力電圧や出力電力を積層数分だけ倍加させることができ、積層寸法を抑えつつ、高い出力電圧や出力電力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る平面積層型燃料電池の平面図である。図２は図１の平面積層型燃料電池の断面図である。これらに示したように、平面積層型燃料電池１は、平面視略長方形に形成された燃料電池セル２を平面状に並列させて構成されている。
【００１５】
各燃料電池セル２の膜電極構造体３（３Ａ〜３Ｅ）は、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜という。）７をアノード電極８およびカソード電極９とで挟んで形成されている。電解質膜７は、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで構成されている。アノード電極８およびカソード電極９は、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、Ｐｔを主体とする合金からなる触媒層とを備え、触媒層の表面を電解質膜７に接触させている。
【００１６】
電解質膜７には、前記電極８，９が配設される部位の両外側に、複数の連通孔２１ａ〜２１ｆが形成され、それぞれの連通孔２１ａ〜２１ｆが、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）や冷却媒体の供給口、排出口となる。これについては後述する。
上記のように構成された各膜電極構造体３は、互いに隣合う電極８，９の向きが互いに異なるように電極８，９の長手方向に沿って配列される。
【００１７】
また、各膜電極構造体３を挟持する導電性のセパレータは、異なる反応ガスの通路１０，１１を備える第１のセパレータ４と、該通路１０，１１のいずれか一方のみを備える第２のセパレータ５とで構成されている。
前記セパレータ５（５Ａ、５Ｂ）は、その平面形状を、電解質膜７と略同一な大きさの長方形に形成されている。セパレータ５Ａ，５Ｂの電解質膜７に対向する面には、前記電極８、９に対応する部位に反応ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）１０，１１がそれぞれ形成され、アノード電極８に対向するガス通路１０が燃料ガス通路１０、カソード電極９に対向するガス通路１１が酸化剤ガス通路１１となる。また、セパレータ５Ａ，５Ｂには、前記電解質膜７の連通孔２１ａ〜２１ｆに対応する部位に、連通孔２４ａ〜２４ｆが形成される。
【００１８】
また、セパレータ４は、２つのセパレータ５、５をガス通路に沿う方向に所定間隔を開けて配列したものと同等な大きさの長方形状に形成されている。この所定間隔は互いに隣合う膜電極構造体３が配置される間隔である。また、セパレータ４は、互いに隣合う膜電極構造体３、３の電極８，９に対応する部位に、それぞれ燃料ガス通路１０、酸化剤ガス通路１１が形成され、前記隣合う膜電極構造体３，３の連通孔２１ａ〜２１ｆ、２１ａ〜２１ｆに対応する部位に、連通孔２２ａ〜２２ｆ、２３ａ〜２３ｆが形成される。なお、セパレータ４、５は金属を折り曲げ成形して形成してもよいし、カーボンを切削して形成してもよい。
【００１９】
このように形成した第１のセパレータ４，４同士を、互いに異なる反応ガス通路１０、１１が対向するようにして前記膜電極構造体３を挟み込んで配置していく（図１の矢印Ａ、Ｂ）。また、第１のセパレータ４が片面のみに配置される膜電極構造体３Ａ、３Ｅの他方の面に、第２のセパレータ５を互いの反応ガス通路１０，１１が対向するように配置して、ユニット１２を構成している。換言すれば、燃料電池１を構成する燃料電池セル２の始端および終端に位置するセパレータに、第２のセパレータ５、５を用いている。
【００２０】
このようにすると、第１のセパレータ４が、互いに隣合う燃料電池セル２，２の共通の構成要素となるので、該隣合う燃料電池セル２，２同士を前記第１のセパレータ４により電気的に接続することができる。これにより、燃料電池セル２，２同士を接続するための特別な部材が不要となり作業上の負担を低減できるとともに、隣合う燃料電池セル２，２同士の接続箇所に十分な剛性を確保させることができ、搭載性を向上させることができる。
【００２１】
図４は図１の平面積層型燃料電池における反応ガスの流れを示す説明図である。燃料ガス１７は、セパレータ５Ｂの連通孔２４ｄから膜電極構造体３Ａの連通孔２１ｄ、セパレータ４Ａの連通孔２２ａを介して、膜電極構造体３Ａのアノード電極８に対向する燃料ガス通路１０に供給され、セパレータ４Ａの連通孔２２ａから連通孔２２ｆに向かって流れる。互いに隣合う膜電極構造体３Ａ、３Ｂは、アノード電極８の向きが互いに逆になっており、膜電極構造体３Ｂのアノード電極８は上向きになっている。このため、燃料ガス１７は、前記連通孔２２ｆから膜電極構造体３Ａの連通孔２１ｃ、セパレータ５Ｂの連通孔２４ｃを介して、隣合うセパレータ４Ｂの連通孔２２ａから、膜電極構造体３Ａのアノード電極８に対向する燃料ガス通路１０に供給される。このように、燃料ガス１７は、膜電極構造体３Ａから３Ｅに、それぞれのアノード電極８に対向する燃料ガス通路１０を通過するように流れる。また、酸化剤ガス１８も同様に、膜電極構造体３Ａから３Ｅに、それぞれのカソード電極９に対向する酸化剤ガス通路１１を通過するように流れる。
【００２２】
このように、各燃料電池セル２のアノード電極８側に燃料ガスを、カソード電極９側に酸化剤ガスを供給させることで、燃料電池セル２に発電させる。すなわち、アノード電極８の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、電解質膜７を介してカソード電極９に移動する。この間に生じた電子はターミナル１４Ａ，１４Ｂを介して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。
ここで、前記第１のセパレータ４のそれぞれの反応ガス通路１０、１１には互いに異なる反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が流通し、第１のセパレータ４が、互いに隣合う燃料電池セル２，２の共通の構成要素となるので、隣合う燃料電池セル２，２を直列接続することができ、出力電圧や出力電圧を高めることができる。
【００２３】
また、本実施の形態においては、各ユニット１２の第１のセパレータ４，４同士と第２のセパレータ５同士を対向させ、第１のセパレータ４，４間には絶縁板６を介装するとともに、第２のセパレータ５間にはターミナル１４を介装して、積層配置している。
これにより、各ユニット１２の短絡を絶縁板６により防止できるとともに、第２のセパレータ５，５同士をターミナル１４を介して電気的に接続することで、各ユニット１２で得られる出力電圧や出力電力を積層数分だけ倍加させることができる。また、各ユニット１２同士や外部開路との電気的な接続をターミナル１４を介して行うことで、を配置位置に関係なく同一形状に作製することができるので、搭載性をさらに高めることができる。
また、図３に示したように、各ユニット１２を導電性ケーシング１３にて囲繞することにより、各ユニット１２の剛性を確保して、保護を高めることができ、これにより、取扱い性を向上することができる。
【００２４】
図５は本発明の平面積層型燃料電池１を示す斜視図、図６は従来の燃料電池セルを積層してなる燃料電池を示す斜視図である。これらの図に示したように、本実施の形態における平面積層型燃料電池１は、積層された複数のユニット１２……１２の積層寸法（Ｌ１）を従来の燃料電池の高さ寸法（Ｌ２）に比べて十分低く抑えることができるとともに、複数の燃料電池セル２、２を積層した場合と同様な高い出力電圧や出力電力を得ることができる。
従って、車高に制限のある車両等に搭載する場合、特に運転席の床下に搭載する場合にも、好適に用いることができる。
【００２５】
図７は図１の平面積層型燃料電池の変形例における反応ガスの流れを示す説明図である。同図には、各燃料電池セル２毎に反応ガスを個別に流通させる一例を示している。例えば、セパレータ５Ｂとセパレータ４Ａとを備える燃料電池セル２を流通する燃料ガス１７は、セパレータ５Ｂの連通孔２４ｄから膜電極構造体３Ａの連通孔２１ｄ、セパレータ４Ａの連通孔２２ａを介して、膜電極構造体３Ａのアノード電極８に対向する燃料ガス通路１０に供給され、セパレータ４Ａの連通孔２２ａから連通孔２２ｆに向かって流れ、他の燃料電池セル２に流通することなく外部に排出される。この燃料電池セルの酸化剤ガスの流路や、他の燃料電池セル２を流れる燃料ガスや酸化剤ガスの流路も同様に構成されている。
このように、各燃料電池セル２毎に反応ガスを個別に流通させる構成とすると、各燃料電池セル２毎に反応ガスの流量を調節することができるため、各燃料電池セル２の電極反応面（アノード電極８、カソード電極９）に十分な反応ガスを供給することができ、ストイキの低下を防止することができる。
【００２６】
なお、本発明は、上述の実施の形態の内容のみには限られないことはもちろんであり、例えばターミナル１４や導電性ケーシング１３を設けなくてもよい。また、実施の形態においては、各燃料電池セルを一列に配列した場合について説明したが、これに限らず複数列に配列するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る平面積層型燃料電池の分解斜視図である。
【図２】図１の平面積層型燃料電池の分解断面図である。
【図３】図２の平面積層型燃料電池の変形例を示す分解断面図である。
【図４】図１の平面積層型燃料電池における反応ガスの流れを示す説明図である。
【図５】本発明の平面積層型燃料電池を示す斜視図である。
【図６】従来の燃料電池を示す斜視図である。
【図７】図１の平面積層型燃料電池の変形例における反応ガスの流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  平面積層型燃料電池
２  燃料電池セル
３  膜電極構造体
４  第１のセパレータ
５  第２のセパレータ
６  絶縁板
７  固体高分子電解質膜
８  アノード電極
９  カソード電極
１０  燃料ガス通路
１１  酸化剤ガス通路
１２  ユニット
１４  ターミナルプレート
【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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