(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と該電解質膜・電極構造体を挟持する一対の板状金属セパレータとを有する発電セルを備え、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、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、水平方向に積層される前記発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して前記反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔及び前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池であって、
前記発電セルは、水平方向に向かって互いに対向する第１及び第２の辺に、それぞれ前記反応ガス連通孔である燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔と、前記燃料ガス連通孔及び前記酸化剤ガス連通孔の間に位置して前記冷却媒体連通孔とが形成されるとともに、
前記冷却媒体流路は、前記第１及び第２の辺の冷却媒体連通孔同士を連通する直線状流路を備え、
前記金属セパレータは、プレス成形により両面に波形状に成形されて直線状に延在する複数の溝部と折り返し部位とを有する蛇行流路形状の前記反応ガス流路を設けるとともに、
隣り合う発電セルを構成し互いに隣接する各金属セパレータ間には、前記反応ガス流路の裏面同士を重ね合わせて前記冷却媒体流路が形成され、
少なくとも前記冷却媒体連通孔に近接して折り返す前記折り返し部位は、前記反応ガス流路側に突出する複数の突起部及び前記冷却媒体流路側に突出する複数の突起部により構成され、前記突起部を介して前記冷却媒体連通孔と前記冷却媒体流路との間で前記冷却媒体を流通させることを特徴とする内部マニホールド型燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス連通孔及び前記酸化剤ガス連通孔は、それぞれガス入口側連通孔がガス出口側連通孔よりも上方に配設されることを特徴とする内部マニホールド型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と金属セパレータとを積層する発電セルを備え、前記発電セルには、積層方向に貫通して反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔及び冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられる内部マニホールド型燃料電池に関する。
【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（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及びカソード側電極を対設した電解質膜・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】
この発電セルにおいて、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、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
発電セルにおいて、セパレータの面内には、各電極に対向して反応ガスを流すための反応ガス流路が設けられるとともに、隣接する発電セルを構成するセパレータ間には、前記発電セルを冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。反応ガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスであり、反応ガス流路は、カソード側電極に対向して前記酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路とからなる。
【０００５】
ところで、この種のセパレータは、通常、カーボン部材等で形成されており、加工費が高騰するとともに、コンパクト化が図れないという問題が指摘されている。このため、薄板状の金属製プレートに凹凸状のプレス加工を施した金属セパレータが採用されている。
【０００６】
その際、金属セパレータの両面には、反応ガス流路や冷却媒体流路を形成するための凹凸が一体的に設けられている。従って、金属セパレータの一方の面に、例えば、サーペンタイン形状の反応ガス流路を設けようとすると、他方の面が前記反応ガス流路の形状に拘束されてしまい、所望形状の冷却媒体流路を設けることができないおそれがある。特に、金属セパレータの周縁部に、該金属セパレータの積層方向に貫通して反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が形成される内部マニホールド型燃料電池では、前記冷却媒体連通孔と冷却媒体流路とを良好に連通させることができないという問題がある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータが採用されている。このセパレータは、凹凸が形成されて外面にそれぞれガス流路を形成する２枚の金属板と、該２枚の金属板の間に挟まれ、凹凸が形成されて表裏に冷却水流路を形成する中間金属板とを有している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−７５３９５号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、セパレータが２枚の金属板間に１枚の中間金属板を挟んでおり、全体で３枚の金属板を備えている。このため、金属板の枚数が多く、特に、数十〜数百の発電セルが積層される場合には、前記金属板の枚数が相当に増大してしまう。これにより、セパレータの装着作業が煩雑で且つ時間のかかるものになるとともに、コストが高騰するという問題がある。しかも、各セパレータは、積層方向に３枚の金属板が配設されるため、積層方向の寸法が増加してしまい、燃料電池全体が積層方向に大型化するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的且つコンパクトな構成で、反応ガス流路の形状に影響されることがなく、冷却媒体を発電セル間に良好且つ均一に流すことが可能な内部マニホールド型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】
【００１１】
本発明に係る内部マニホールド型燃料電池では、電解質膜を一対の電極間に配設した電解質膜・電極構造体と該電解質膜・電極構造体を挟持する一対の板状金属セパレータとを有する発電セルを備え、前記電解質膜・電極構造体と前記金属セパレータとの間に、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ている。さらに、水平方向に積層される発電セル間に沿って冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記発電セルには、積層方向に貫通して反応ガス流路に連通する反応ガス連通孔及び前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体連通孔が設けられている。
【００１２】
そして、反応ガス流路は、折り返し部位を有する蛇行流路形状に構成されるとともに、少なくとも冷却媒体連通孔に近接して折り返す前記折り返し部位は、複数の突起部により構成されている。
【００１３】
また、発電セルは、水平方向に向かって互いに対向する第１及び第２の辺に、それぞれ反応ガス連通孔である燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔と、前記燃料ガス連通孔及び前記酸化剤ガス連通孔の間に位置して冷却媒体連通孔とが形成されるとともに、前記冷却媒体流路は、前記第１及び第２の辺の冷却媒体連通孔同士を連通する直線状流路を備えることが好ましい。
【００１４】
さらに、燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔は、それぞれガス入口側連通孔がガス出口側連通孔よりも上方に配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、少なくとも冷却媒体連通孔に近接する反応ガス流路の折り返し部位に、複数の突起部が設けられるため、金属セパレータの面には、前記突起部間に対応して流路（バッファ部）が形成される。従って、金属セパレータの一方の面に蛇行流路形状に構成される反応ガス流路が設けられていても、前記金属セパレータの他方の面では、前記反応ガス流路の形状に拘束されることがなく、冷却媒体連通孔から、直接、冷却媒体流路に冷却媒体を供給することができる。
【００１６】
具体的には、反応ガス流路が溝部及び山部（凸凹部）で構成されると、折り返し部位では、前記溝部及び前記山部が冷却媒体連通孔と冷却媒体流路との間に前記冷却媒体流路に交差して形成されてしまう。これにより、冷却媒体連通孔から冷却媒体流路に冷却媒体を供給することができず、前記冷却媒体連通孔の位置を変更する等の対策が必要となる。
【００１７】
これに対して、折り返し部位に対応して複数の突起部からなる流路を設けることにより、冷却媒体連通孔の配置や形状のレイアウトの自由度が確保される。しかも、冷却媒体は、一旦、バッファ部である流路に供給されるため、冷却媒体流路に均一に分配される。従って、冷却媒体の不均一な流れによる反応分布の発生や反応ガス流路での局所的な結露、又は発熱による電解質膜・電極構造体の耐久性の低下を有効に阻止することが可能になる。
【００１８】
また、水平方向に向かって互いに対向する第１及び第２の辺に、燃料ガス連通孔、冷却媒体連通孔及び酸化剤ガス連通孔が形成されるため、金属セパレータの高さ方向の寸法（第３及び第４の辺の間隔）を良好に短縮することができる。これにより、燃料電池全体の高さ寸法を有効に抑えることが可能になり、車載用に、特に床下の搭載に適した構成となる。さらに、冷却媒体流路は、冷却媒体連通孔同士を連通する直線状流路を備えるため、電極面内を均一に冷却するとともに、局所的な結露、又は発熱の発生を阻止することができる。
【００１９】
さらにまた、ガス入口側連通孔がガス出口側連通孔よりも上方に配設されるため、反応ガス流路に存在する生成水の液滴が、重力によってガス出口側連通孔に良好に排出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る内部マニホールド型燃料電池を構成する発電セル１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、複数の前記発電セル１０を水平方向（矢印Ａ方向）に積層してスタック化された燃料電池１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図であり、図３は、前記燃料電池１２の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【００２１】
図１に示すように、発電セル１０は、電解質膜・電極構造体１４が、第１及び第２金属セパレータ１６、１８に挟持される。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、板状金属製プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等によりプレス成形されている。
【００２２】
発電セル１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部（第１の辺）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入口連通孔（ガス入口側連通孔）２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２２ｂ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（ガス出口側連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２３】
発電セル１０の矢印Ｂ方向の他端縁部（第２の辺）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（ガス入口側連通孔）２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２２ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（ガス出口側連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２４】
図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に対向する面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路である酸化剤ガス流路（反応ガス流路）２６が設けられる。酸化剤ガス流路２６は、第１金属セパレータ１６を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部２８を備えている。溝部２８は、矢印Ｂ方向に略直線状に延在する。
【００２５】
第１金属セパレータ１６には、複数の溝部２８の矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部３０が面１６ａ側に突出して設けられるとともに、折り返し用仕切り部材３２ａ、３２ｂが互いに矢印Ｃ方向に離間し且つ千鳥状に配置される。仕切り部材３２ａ、３２ｂは、例えば、シール部材で構成されて面１６ａに一体化されており、それぞれ短尺側に折り返し部位３４ａ、３４ｂが設けられる。なお、仕切り部材３２ａ、３２ｂは、例えば、プレス成形により一体的に設けてもよい。
【００２６】
折り返し部位３４ａ、３４ｂは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに近接している。突起部３０は、例えば、エンボス加工により形成されている。
【００２７】
第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第１金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第１シール部材３６が焼き付けや射出成形等により一体化される。第１シール部材３６は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。
【００２８】
第１シール部材３６は、第１金属セパレータ１６の面１６ａにおいて、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路２６に連通してこれらを囲繞する一方、前記第１金属セパレータ１６の面１６ｂにおいて、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを後述する冷却媒体流路５０に連通して形成される。
【００２９】
図１及び図５に示すように、第２金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に対向する面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す蛇行流路を構成する燃料ガス流路（反応ガス流路）４０が形成される。
【００３０】
燃料ガス流路４０は、第２金属セパレータ１８を波形状に成形することにより設けられる複数の溝部４２を備えている。複数の溝部４２は、矢印Ｂ方向に略直線状に延在し、その矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部４４ａ、４４ｂが、例えば、エンボス加工によりそれぞれ面１８ａ、１８ｂ側に突出して設けられる。面１８ａには、折り返し用仕切り部材４６ａ、４６ｂが互いに矢印Ｃ方向に離間し且つ千鳥状に配置され、前記仕切り部材４６ａ、４６ｂは、例えば、シール部材で構成されてそれぞれ短尺側に折り返し部位４８ａ、４８ｂが設けられる。折り返し部位４８ａ、４８ｂは、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び冷却媒体入口連通孔２２ａに近接している。
【００３１】
図１及び図６に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂと、第１金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。
【００３２】
冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に略直線状に延在する複数の溝部（直線状流路）５２を備え、前記溝部５２の矢印Ｂ方向両側に位置して複数の突起部４４ｂが設けられる。複数の突起部４４ｂは、第１金属セパレータ１６の面１６ｂに接触して冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを複数の溝部５２に連通させる流路（バッファ部）５３ａ、５３ｂを構成する（図３参照）。
【００３３】
第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２金属セパレータ１８の外周端部を周回して、第２シール部材５４が一体化される。第２シール部材５４は、上記の第１シール部材３６と同一の材料で構成される。第２シール部材５４は、第２金属セパレータ１８の面１８ａにおいて、燃料ガス流路４０と燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通してこれらを囲繞する（図５参照）。第２シール部材５４は、面１８ｂにおいて、冷却媒体流路５０と冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂとを連通してこれらを囲繞する（図６参照）。
【００３４】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体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た固体高分子電解質膜６０と、前記固体高分子電解質膜６０を挟持するアノード側電極６２及びカソード側電極６４とを備える。固体高分子電解質膜６０の外周縁部は、アノード側電極６２及びカソード側電極６４の外周端部よりも外方に突出している。
【００３５】
アノード側電極６２及びカソード側電極６４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜６０を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜６０の両面に接合されている。
【００３６】
このように構成される発電セル１０の動作について、以下に説明する。
【００３７】
先ず、図１に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２２ａ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。
【００３８】
このため、燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の燃料ガス流路４０に導入され、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極６２に供給される。一方、酸化剤ガスは、図１及び図４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路２６に導入され、矢印Ｂ方向に往復移動しながら、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極６４に供給される。
【００３９】
従って、電解質膜・電極構造体１４では、アノード側電極６２に供給される燃料ガスと、カソード側電極６４に供給される酸化剤ガスとが、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。
【００４０】
次いで、アノード側電極６２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂ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６４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４１】
また、冷却媒体入口連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ１６、１８間に形成された冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２２ｂから排出される。
【００４２】
この場合、本実施形態では、図５に示すように、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂに近接する燃料ガス流路４０の折り返し部位４８ｂ、４８ａに、複数の突起部４４ａ、４４ｂが互いに異なる方向に突出して設けられている。このため、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、図６に示すように、突起部４４ｂ間に対応して流路５３ａ、５３ｂが形成され、この流路５３ａ、５３ｂは、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂと複数の溝部５２とを連通するバッファ部を構成している。
【００４３】
従って、第２金属セパレータ１８の一方の面１８ａに蛇行流路形状に構成される燃料ガス流路４０が設けられていても、前記第２金属セパレータ１８の他方の面１８ｂでは、前記燃料ガス流路４０の形状に拘束されることがなく、冷却媒体入口連通孔２２ａから、直接、冷却媒体流路５０に冷却媒体を供給することができるという効果が得られる。同様に、冷却媒体流路５０から、直接、冷却媒体出口連通孔２２ｂに冷却媒体を排出することが可能になる。
【００４４】
これにより、面１８ａの折り返し部位４８ｂ、４８ａに対応して、面１８ｂに複数の突起部４４ｂからなる流路５３ａ、５３ｂを設けることにより、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの配置や形状のレイアウトの自由度が確保される。
【００４５】
しかも、冷却媒体は、一旦、バッファ部である流路５３ａに供給されるため、冷却媒体流路５０を構成する複数の溝部５２に均一に分配される。従って、電解質膜・電極構造体１４には、冷却媒体の不均一な流れによる反応分布の発生や局所的な結露が発生することがなく、さらに、発熱による前記電解質膜・電極構造体１４の耐久性の低下を有効に阻止することが可能になる。
【００４６】
また、発電セル１０は、水平方向一端縁部（第１の辺）に、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、冷却媒体出口連通孔２２ｂ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂが形成されるとともに、水平方向他端縁部（第２の辺）に、燃料ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂが形成されている。このため、発電セル１０は、高さ方向（第３及び第４の辺の間隔）を良好に短縮することができ、前記発電セル１０全体の高さ寸法を抑えることが可能になり、車載用に、特に床下の搭載に適した構成となる。
【００４７】
さらにまた、冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとを連通する複数の溝部（直線状流路）５２を備えているため、電極面内を均一に冷却するとともに、酸化剤ガス流路２６や燃料ガス流路４０での局所的な結露、又は発熱の発生を阻止することができるという利点がある。
【００４８】
また、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び燃料ガス入口連通孔２４ａは、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂよりも上方に配設されている。これにより、酸化剤ガス流路２６及び燃料ガス流路４０に存在する生成水の液滴が、重力によって酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに良好に排出される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る内部マニホールド型燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。
【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】前記燃料電池の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面説明図である。
【図４】前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの他方の面の正面説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…発電セル                      １２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体          １６、１８…金属セパレータ
１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂ…面  ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ２２ａ…冷却媒体入口連通孔
２２ｂ…冷却媒体出口連通孔          ２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔          ２６…酸化剤ガス流路
２８、４２、５２…溝部              ３０、４４ａ、４４ｂ…突起部
３４ａ、３４ｂ、４８ａ、４８ｂ…折り返し部位
３６、５４…シール部材              ４０…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路                  ５３ａ、５３ｂ…流路
６０…固体高分子電解質膜            ６２…アノード側電極
６４…カソード側電極
【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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