(57)【要約】      （修正有）【課題】  モジュールに締結荷重をかけた時にも、モジュール間で位置ずれを起こすことがなく、位置ずれによるセパレータ接触面積の低減等を生じることがない燃料電池の提供。【解決手段】  （１）冷媒流路２６を有するセパレータ１８とＭＥＡを重ねてセル１９を構成し、１つ以上のセルからモジュールを構成し、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路位置をセル積層方向に合わせてモジュールを重ねスタックとした燃料電池であって、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路の少なくとも一部にシャフト部材３３を配置した燃料電池。（２）シャフト部材３３が中空パイプからなる。（３）シャフト部材３３の配置位置と、シャフト部材３３による流れ抵抗増加とを、選定することによりセパレータ面内での冷媒の流量分布を調節した。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路を有するセパレータとＭＥＡを重ねてセルを構成し、１つ以上のセルからモジュールを構成し、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路をセル積層方向に対向させてモジュールを重ねスタックとした燃料電池であって、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路の少なくとも一部にシャフト部材を配置した燃料電池。
【請求項２】
前記シャフト部材は中空パイプからなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記シャフト部材の配置位置と、該シャフト部材の配置位置の前記シャフト部材による流れ抵抗増加とを、選定することによりセパレータ面内での冷媒の流量分布を調節した請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、とくにモジュール間の冷媒流路の位置合わせ、および／または、セパレータ面内方向の冷媒の流量分布調節、が可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータ１８には、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路（燃料ガス流路、酸化ガス流路）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路が形成されている。セパレータには、反応ガス流路に接続された反応ガスマニホールド（燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド）が形成されるとともに、冷媒流路に接続された冷媒マニホールドが形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成する。スタック組立時、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
モジュールは、隣接するモジュールのセパレータに形成された冷媒流路をモジュール積層方向（セル積層方向でもある）に対向させて積層される。モジュール積層時、モジュール同士は、セパレータ間の接触面積と冷媒流路が確保されるように、位置決めされる。
従来のモジュールの積層時の位置決めは、モジュールの端面の２面を基準にして行われるか、または、特開２０００−３５７５３１号公報に示されているように、締付けボルトとボルト挿通孔とのクリアランスを適宜に選定して行われている。特開２０００−３５７５３１号公報の締付けボルトは中空ボルトとなっており、マニホールドを兼ねている。
【特許文献１】特開２０００−３５７５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来燃料電池のモジュール間の位置決めには、つぎの問題がある。
１．モジュールに厚さばらつきがあったりすると、締結荷重をかけた時にモジュールの面内方向に力が働く。端面の２面基準、または締付けボルトとボルト挿通孔を利用した位置決めでは、モジュールの面内方向に力が働くと、モジュール同士の位置がずれる。
２．その結果、モジュール間のセパレータ接触面積が低減して、電気抵抗が増大し、燃料電池出力を低減させる。
３．また、冷媒流路が正しく形成されなくなくなり、冷媒の流量、分布が最適流量、分布からずれ、温度分布が最適温度分布からずれ、電池性能が低下する。
【０００４】
本発明の目的は、モジュールにスタック締結荷重をかけた時にも、モジュール間で位置ずれを起こすことがなく、位置ずれによるセパレータ接触面積の低減や冷媒流量分布の最適分布からの狂いを生じることがない燃料電池を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、モジュール間の位置ずれ防止のみでなく、冷媒流量、分布の最適化もはかることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  冷媒流路を有するセパレータとＭＥＡを重ねてセルを構成し、１つ以上のセルからモジュールを構成し、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路をセル積層方向に対向させてモジュールを重ねスタックとした燃料電池であって、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路の少なくとも一部にシャフト部材を配置した燃料電池。
（２）  前記シャフト部材は中空パイプからなる（１）記載の燃料電池。
（３）  前記シャフト部材の配置位置と、該シャフト部材の配置位置の前記シャフト部材による流れ抵抗増加とを、選定することによりセパレータ面内での冷媒の流量分布を調節した（１）または（２）記載の燃料電池。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）〜（３）の燃料電池によれば、隣接するモジュールのセパレータの冷媒流路の少なくとも一部にシャフト部材を配置したので、スタック締結時にモジュール面に平行な荷重がモジュールにかかっても、隣接するモジュール同士が互いに位置ずれを起こすことはない。その結果、位置ずれによるセパレータ接触面積の低減や冷媒流量分布の最適分布からの狂いを生じることがない。
【０００７】
上記（２）の燃料電池によれば、シャフト部材が中空パイプからなるので、中空パイプの内径を適宜に選定することにより、シャフト部材が配置されている部位の冷媒流路の流路断面積を所望の流路断面積に調節することができる。
【０００８】
上記（３）の燃料電池によれば、シャフト部材の配置位置と、シャフト部材の配置位置でのシャフト部材による流れ抵抗増加とを、適宜に選定することによりセパレータ面内での冷媒の流量分布を所望の流量分布に調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図５を参照して説明する。
本発明の燃料電池は冷媒流路をもつセパレータを有する燃料電池１０、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１０】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層の方向は、任意であり、上下に限るものではない。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【００１１】
ＭＥＡをセパレータ１８で挟んでセル１９を構成し、１以上のセル１９からモジュールを構成する。スタック２３組立時、隣接するモジュールのセパレータ１８の冷媒流路をセル積層方向（モジュール積層方向でもある）に対向させてモジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
セパレータ１８は、メタルセパレータ、またはカーボンセパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組合せ、または導電性樹脂セパレータなどの何れかからなる。図示例はセパレータ１８がメタルセパレータの場合を示しているが、セパレータ１８はメタルセパレータに限るものではない。
【００１２】
セパレータ１８には、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８からなる反応ガス流路２７、２８と、反応ガス流路２７、２８の背面に、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。反応ガス流路２７、２８、冷媒流路２６は、矩形状（ただし、矩形とは限らない）のセパレータ１８の、マニホールドが形成されていない部分、たとえば、対向する両端部を除いた部分（発電領域）に形成され、セル面内方向に延びている。
冷媒流路２６、ガス流路２７、２８は、凹凸するセパレータ１８表面の凹部（たとえば、凹溝）から形成されている。
【００１３】
セパレータ１８には、冷媒流路２６に接続された冷媒マニホールド２９（入り側冷媒マニホールド２９ａ、出側冷媒マニホールド２９ｂ）、燃料ガス２７に接続された燃料ガスマニホールド３０（出側燃料ガスマニホールド３０ａ、入り側燃料ガスマニホールド３０ｂ）、酸化ガス流路２８に接続された酸化ガスマニホールド３１（入り側酸化ガスマニホールド３１ａ、出側酸化ガスマニホールド３１ｂ）が形成されている。燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１は反応ガスマニホールド３０、３１を構成する。冷媒マニホールド２９、反応ガスマニホールド３０、３１は、たとえば、矩形状のセパレータ１８の対向する両端部（ただし、両端部に限るものではない）に設けられた、セパレータ１８を貫通する孔からなる。
セパレータ１８面内には、冷媒流路２６と冷媒マニホールド２９との間に、冷媒マニホールド２９からの流れをセパレータのほぼ全幅に分散させて冷媒流路２６に流入させ、冷媒流路２６からの流れを集めて冷媒マニホールド２９に流出させる流路３２が設けられてもよい。
冷媒流路２６、反応ガス流路２７、２８、冷媒マニホールド２９、反応ガスマニホールド３０、３１、流路３２は、流体流路を構成する。
【００１４】
図２に示すように、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８はＭＥＡを挟んでセル積層方向に互いに対向している。また、モジュール同士は、セパレータ１８の冷媒流路２６をモジュール積層方向に互いに対向させて、重ねられている。したがって、１つのモジュールのセパレータ１８の凹溝と隣りのモジュールのセパレータ１８の凹溝との位置がモジュール積層方向に合わされて１つの冷媒流路２６を形成している。また、１つのモジュールのセパレータ１８の凸リブと隣りのモジュールのセパレータ１８の凸リブとの位置がモジュール積層方向に合わされ、凸リブの頂面で接触されてモジュール間の電子の通路を構成している。
【００１５】
図３に示すように、隣接するモジュールのセパレータ１８間に形成される冷媒流路２６の、流路伸長方向の少なくとも一部に、シャフト部材３３が配置されている。シャフト部材３３は、冷媒流路２６の全長にわたって設けられていてもよいし、冷媒流路２６の長さ方向の一部のみに設けられていてもよい。
シャフト部材３３は、断面の半分が隣接するモジュールのうち一方のモジュールのセパレータ１８の冷媒流路２６に入り、断面の残り半分が隣接するモジュールのうち他方のモジュールのセパレータ１８の冷媒流路２６に入って、両方の冷媒流路２５がモジュール面内方向に位置ずれすることを抑制し、かつ、隣接するモジュールの冷媒流路２６の軸芯を合わせるように働く。
【００１６】
シャフト部材３３は、たとえば円形の断面外形を有している。シャフト部材３３は、望ましくは、冷媒流路２６を構成するセパレータ１８の凹溝の側面に接触し、冷媒流路２６を構成するセパレータ１８の凹溝の溝底面との間にはスペースを有している。
【００１７】
シャフト部材３３は、たとえば中空パイプからなる。ただし、中空パイプに限るものではなく、中実であってもよい。
【００１８】
シャフト部材３３が、中空パイプからなる場合、パイプ内径を適宜に選定することにより、パイプ中空部の断面とパイプ外側の流路断面との和から冷媒流路断面積を適宜の断面積に設定することができ、その流路の流路抵抗を所望の抵抗に設定することができる。
そして、シャフト部材３３の配置位置と、シャフト部材３３が配置された部位の流路断面積を適宜に選定することにより、モジュール面内方向の冷媒の流量分布を所望の流量分布に調節することができる。
【００１９】
図４は、モジュール面内での冷媒の流量分布を均一にした例を示す。
冷媒流路２６にシャフト部材３３を設けない場合には、図４（イ）に示すように、冷媒流路２６のうち、入り側冷媒マニホールド２９ａに対向する冷媒流路と出側冷媒マニホールド２９ｂに対向する冷媒流路には、他の冷媒流路より多量に冷媒が流れる傾向があるので、図４（ロ）に示すように、冷媒流路２６のうち、入り側冷媒マニホールド２９ａに対向する冷媒流路と出側冷媒マニホールド２９ｂに対向する冷媒流路だけにシャフト部材３３を配置する。これによって、入り側冷媒マニホールド２９ａに対向する冷媒流路と出側冷媒マニホールド２９ｂに対向する冷媒流路に流れる冷媒流量が低減され、全冷媒流路２６にほぼ均一に冷媒が流れるようになる。
【００２０】
図５は、モジュール面内での冷媒の流量分布を不均一にし、それによって生じるモジュール面内での不均一温度分布を、反応ガスの入口での乾燥の抑制と反応ガスの出口でのフラッディング防止に役立てた例を示す。
冷媒流路２６にシャフト部材３３を設けない場合には、一般の燃料電池と同様に、酸化ガス流路２８の入口側（酸化ガスマニホールド３１ａの近傍）が乾きやすく、酸化ガス流路２８の出口側（酸化ガスマニホールド３１ｂの近傍）がフラッディングしやすい状態にある。それを防止するために、酸化ガス流路２８の入口側の裏面に対応する冷媒流路部分にはシャフト部材３３を配置しないで冷媒を多く流し、温度を下げ飽和点を下げて酸化ガスが乾きにくくした。また、酸化ガス流路２８の出口側の裏面に対応する冷媒流路部分にはシャフト部材３３を設けて冷媒が流れにくくし、温度を上げ飽和点を上げ酸化ガスが結露しにくくして酸化ガス流路でのフラッディングを防止するようにした。
【００２１】
つぎに、本発明の燃料電池の作用、効果を説明する。
【００２２】
本発明の燃料電池では、隣接するモジュールのセパレータ１８の冷媒流路２６の少なくとも一部にシャフト部材３３を配置したので、モジュールを積層しスタック締結荷重をモジュールにかけた時に、モジュールの厚さのばらつき等によってモジュール面に平行な荷重がモジュールにかかっても、モジュールのセパレータ１８の冷媒流路２６を構成する溝とシャフト部材３３とが係合して、隣接するモジュール同士が互いに位置ずれを起こすことはない。その結果、冷媒流路２６のモジュール面内方向の位置ずれによる、セパレータ接触面積の低減とそれによる電気抵抗増加および電池出力の低下や、冷媒流量分布の最適流量分布からの狂いとそれによる酸化ガス流路２８でのフラッディングの発生および電池出力の低下が生じることがないか、または抑制される。
【００２３】
また、シャフト部材３３を中空パイプから構成した場合は、中空パイプの内径を適宜に選定することにより、シャフト部材３３が配置されている部位の冷媒流路２６の流路断面積を調節することができる。
また、シャフト部材３３の配置位置と、シャフト部材３３の配置位置でのシャフト部材３３による流れ抵抗増加とを、適宜に選定することによりセパレータ面内での冷媒の流量分布を所望の流量分布に調節することができる。
【００２４】
たとえば、図４（ロ）に示すように、冷媒流路２６のうち、入り側冷媒マニホールド２９ａに対向する冷媒流路２６と出側冷媒マニホールド２９ｂに対向する冷媒流路２６だけにシャフト部材３３を配置すると、全冷媒流路２６にほぼ均一に冷媒が流れるようになり、セル面全域の温度分布をほぼ均一になり、電池出力が安定化する。
【００２５】
また、図５に示すように、シャフト部材３３の配置により、セル面内に不均一な温度分布を作りそれを積極的に利用して電池性能の向上をはかってもよい。すなわち、乾きやすい酸化ガス入口の裏側部分には多く冷媒を流し、温度を下げて酸化ガスと電解質膜１１が乾きにくくする。また、フラッディングを生じやすい酸化ガス出口の裏側部分には冷媒が流れにくくし、温度を上げて酸化ガス流路２８のフラッディングを防止する。
【００２６】
メタルセパレータを用いたセル１９では、セパレータ１８の表裏にガス流路と冷媒流路が構成されているが、流路の高さはガス側の要求から決まることが多く、冷媒流路の流路断面積が過剰となることが多い。その場合に、ずれ防止用のシャフト部材３３を配置すると、冷媒の容量を減らすことができ、熱容量が減るので、低温起動性に有利となる。さらに、冷媒（水）より比重が小さいもの（たとえば、軽量樹脂）をシャフト部材３３に選択することにより、燃料電池１０の軽量化もはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池のスタックの全体側面図である。
【図２】本発明の燃料電池の単セルの、シャフト部材配置部位以外の部位の断面図（図４のＡ−Ａ断面図）である。
【図３】本発明の燃料電池の単セルの、シャフト部材配置部位の断面図（図４のＢ−Ｂ断面図）である。
【図４】本発明の燃料電池のモジュールのセパレータの正面図であり、（イ）はシャフト部材を設けない場合、また（ロ）はシャフト部材を設けた場合を示す。
【図５】本発明の燃料電池の図４とは異なる例のモジュールのセパレータの正面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル（１セルで１モジュールを構成する場合は、セル、モジュール）
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
２９ａ  入り側冷媒マニホールド
２９ｂ  出側冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３０ａ  出側燃料ガスマニホールド
３０ｂ  入り側燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３１ａ  入り側酸化ガスマニホールド
３１ｂ  出側酸化ガスマニホールド
３２  流路
３３  シャフト部材
【図１】
2005044620.tif 000003
【図２】
2005044620.tif 000004
【図３】
2005044620.tif 000005
【図４】
2005044620.tif 000006
【図５】
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