(57)【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る電解質・電極接合体が、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータに挟持される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層されるとともに、前記単位セルの一端部側には、燃料ガスを流す第１燃料ガス連通孔及び酸化剤ガスを流す第１酸化剤ガス連通孔が、冷却媒体を流す第１冷却媒体連通孔の両側に積層方向に貫通して形成される一方、前記単位セルの他端部側には、前記燃料ガスを流す第２燃料ガス連通孔及び前記酸化剤ガスを流す第２酸化剤ガス連通孔が、前記冷却媒体を流す第２冷却媒体連通孔の両側に前記積層方向に貫通して形成される燃料電池であって、
前記第１金属セパレータは、波形状に成形されるとともに、前記電極に向かう面に前記第１酸化剤ガス連通孔と前記第２酸化剤ガス連通孔との間を直接繋いで、一方の電極面に沿って前記酸化剤ガスを供給する複数の酸化剤ガス流路溝を有し、前記酸化剤ガス流路溝は、酸化剤ガス直線状流路部及び前記酸化剤ガス直線状流路部の両端に連結され、前記第１酸化剤ガス連通孔及び前記第２酸化剤ガス連通孔に連通する酸化剤ガス直線状連結流路部を備え、
前記第２金属セパレータは、波形状に成形されるとともに、前記電極に向かう面に前記第１燃料ガス連通孔と前記第２燃料ガス連通孔との間を直接繋いで、他方の電極面に沿って前記燃料ガスを供給する複数の燃料ガス流路溝を有し、前記燃料ガス流路溝は、燃料ガス直線状流路部及び前記燃料ガス直線状流路部の両端に連結され、前記第１燃料ガス連通孔及び前記第２燃料ガス連通孔に連通する燃料ガス直線状連結流路部を備え、
互いに隣接する前記単位セルを構成する前記第１金属セパレータと前記第２金属セパレータとの間には、前記酸化剤ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状と前記燃料ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状とが重なって冷却媒体流路溝が形成されるとともに、
前記第１冷却媒体連通孔及び前記第２冷却媒体連通孔の近傍には、前記酸化剤ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状と前記燃料ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状とが交差して、前記酸化剤ガス直線状連結流路部と前記燃料ガス直線状連結流路部との間に冷却媒体用バッファ部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記第１酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔であり、前記第１燃料ガス連通孔は、燃料ガス出口連通孔であり、前記第２酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス出口連通孔であり、前記第２燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータに挟持される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層される燃料電池に関する。
【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配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する酸化剤ガス連通孔、燃料ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。
【０００５】
例えば、特許文献１では、図６に示すように、シートメタルエレメント１を備えており、このシートメタルエレメント１の長手方向一端縁部には、酸化剤ガス入口マニホールド２ａ、冷媒入口マニホールド３ａ及び燃料ガス入口マニホールド４ａが貫通形成されている。シートメタルエレメント１の長手方向他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド２ｂ、冷媒出口マニホールド３ｂ及び燃料ガス出口マニホールド４ｂが貫通形成されている。
【０００６】
シートメタルエレメント１の燃料ガス供給面側には、波形流路５が形成されるとともに、前記波形流路５の両端には、それぞれディンプルからなる入口バッファ部６ａ及び出口バッファ部６ｂが設けられている。波形流路５は、直線状の複数の流路溝５ａを有している。
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５３０８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、発電中に発生する生成水が、液滴として入口バッファ部６ａや出口バッファ部６ｂに滞留すると、この液滴を排出することが困難になる場合がある。このため、燃料ガスの分配性能が変化し、各流路溝５ａを流れる燃料ガスの流量に差が生じてしまい、前記燃料ガスを波形流路５の全面にわたって均一に分配することができないおそれがある。これにより、発電性能が低下するとともに、例えば、固体高分子電解質膜の劣化が惹起されるという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス流路の排水性を向上させることができ、簡単な構成で、所望の発電性能を確保するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路に沿って均一に流通させることが可能な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】
【００１０】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設ける電解質・電極接合体が、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータに挟持される単位セルを備え、複数の前記単位セルが積層されるとともに、前記単位セルの一端部側には、燃料ガスを流す第１燃料ガス連通孔及び酸化剤ガスを流す第１酸化剤ガス連通孔が、冷却媒体を流す第１冷却媒体連通孔の両側に積層方向に貫通して形成される一方、前記単位セルの他端部側には、前記燃料ガスを流す第２燃料ガス連通孔及び前記酸化剤ガスを流す第２酸化剤ガス連通孔が、前記冷却媒体を流す第２冷却媒体連通孔の両側に前記積層方向に貫通して形成される燃料電池に関するものである。
【００１１】
第１金属セパレータは、波形状に成形されるとともに、電極に向かう面に第１酸化剤ガス連通孔と第２酸化剤ガス連通孔との間を直接繋いで、一方の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する複数の酸化剤ガス流路溝を有している。前記酸化剤ガス流路溝は、酸化剤ガス直線状流路部及び前記酸化剤ガス直線状流路部の両端に連結され、第１酸化剤ガス連通孔及び第２酸化剤ガス連通孔に連通する酸化剤ガス直線状連結流路部を備える。加えて、第２金属セパレータは、波形状に成形されるとともに、前記電極に向かう面に第１燃料ガス連通孔と第２燃料ガス連通孔との間を直接繋いで、他方の電極面に沿って燃料ガスを供給する複数の燃料ガス流路溝を有している。前記燃料ガス流路溝は、燃料ガス直線状流路部及び前記燃料ガス直線状流路部の両端に連結され、第１燃料ガス連通孔及び第２燃料ガス連通孔に連通する燃料ガス直線状連結流路部を備える。
【００１２】
そして、互いに隣接する単位セルを構成する第１金属セパレータと第２金属セパレータとの間には、酸化剤ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状と燃料ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状とが重なって冷却媒体流路溝が形成されるとともに、第１冷却媒体連通孔及び第２冷却媒体連通孔の近傍には、前記酸化剤ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状と前記燃料ガス流路溝に対応する凸状の裏面形状とが交差して、酸化剤ガス直線状連結流路部と燃料ガス直線状連結流路部との間に冷却媒体用バッファ部が形成されている。
【００１４】
さらに、第１酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔であり、第１燃料ガス連通孔は、燃料ガス出口連通孔であり、第２酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス出口連通孔であり、第２燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１酸化剤ガス連通孔と第２酸化剤ガス連通孔との間を直接繋いで、酸化剤ガス流路溝が設けられるとともに、第１燃料ガス連通孔と第２燃料ガス連通孔との間を直接繋いで、燃料ガス流路溝が設けられている。このため、バッファ部を設ける構造に比べ、酸化剤ガス及び燃料ガスの分配性が向上し、酸化剤ガス流路溝及び燃料ガス流路溝に沿って前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを均一に流通させることができるとともに、排水性が良好に向上する。これにより、所望のガス分配性能を維持し、しかも低温時の凍結によるセル破損の発生を抑制することが可能になる。
【００１６】
さらに、一般的なバッファ部を設けることがなく、電極面全体にわたって酸化剤ガス流路溝及び燃料ガス流路溝が延在している。従って、従来、バッファ部を設けていた部分で発生する圧力損失を、排水の駆動力として利用することが可能になる。このため、酸化剤ガス流路溝及び燃料ガス流路溝における水抜け性の向上を容易に図ることができる。
【００１７】
さらにまた、酸化剤ガス流路溝の裏面形状と燃料ガス流路溝の裏面形状とが重なって冷却媒体流路溝が形成されるとともに、第１冷却媒体連通孔及び第２冷却媒体連通孔の近傍には、前記酸化剤ガス流路溝の裏面形状と前記燃料ガス流路溝の裏面形状とが交差して冷却媒体用バッファ部が形成されている。
【００１８】
従って、冷却媒体流路溝に連通して冷却媒体を分配するための専用バッファ構造を新たに設ける必要がない。これにより、簡単な構成で、所望の発電性能を確保するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路溝に沿って均一に流通させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視説明図であり、図２は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の断面説明図である。
【００２０】
単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１４が、第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８とに挟持される。第１及び第２金属セパレータ１６、１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形して構成される。
【００２１】
単位セル１２の矢印Ｂ方向（図１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入口連通孔（第１酸化剤ガス連通孔）２０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（第１冷却媒体連通孔）２２ａ、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（第１燃料ガス連通孔）２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２２】
単位セル１２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、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（第２燃料ガス連通孔）２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（第２冷却媒体連通孔）２２ｂ、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（第２酸化剤ガス連通孔）２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。なお、冷却媒体入口連通孔２２ａと冷却媒体出口連通孔２２ｂとを入れ替えて構成してもよい。
【００２３】
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２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。固体高分子電解質膜２６は、カソード側電極２８及びアノード側電極３０よりも大きな表面積に設定される。
【００２４】
カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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て形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。
【００２５】
第１金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、前記第１金属セパレータ１６を波形状（凹凸形状）に成形することにより、複数の酸化剤ガス流路溝３２が設けられる。酸化剤ガス流路溝３２は、矢印Ｂ方向に互いに平行に延在する複数の直線状流路部３２ａと、前記直線状流路部３２ａの両端に連結され、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通する複数の直線状連結流路部３２ｂとを有する。
【００２６】
図３に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ｂには、酸化剤ガス流路溝３２（図１参照）の裏面形状と後述する燃料ガス流路溝３６（図１参照）の裏面形状とにより、複数の冷却媒体流路溝３４が形成される。冷却媒体流路溝３４は、直線状流路部３２ａ（図１参照）の裏面形状である直線状流路部３４ａと、直線状連結流路部３２ｂ（図１参照）の裏面形状である直線状連結流路部３４ｂとを有する。
【００２７】
図４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に向かう面１８ａには、前記第２金属セパレータ１８を波形状（凹凸形状）に成形することにより、複数の燃料ガス流路溝３６が設けられる。燃料ガス流路溝３６は、矢印Ｂ方向に互いに平行に延在する複数の直線状流路部３６ａと、前記直線状流路部３６ａの両端に連結され、燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する複数の直線状連結流路部３６ｂとを有する。
【００２８】
図１に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、燃料ガス流路溝３６の裏面形状と酸化剤ガス流路溝３２の裏面形状とにより、複数の冷却媒体流路溝３４が形成される。冷却媒体流路溝３４は、直線状流路部３６ａの裏面形状である直線状流路部３４ｃと、直線状連結流路部３６ｂの裏面形状である直線状連結流路部３４ｄとを有する。
【００２９】
図５に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ｂ（図１参照）と第２金属セパレータ１８の面１８ｂ（図１参照）とが積層されることにより、冷却媒体流路溝３４が一体に形成される。冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂ（図１参照）の近傍には、第１金属セパレータ１６側の直線状連結流路部３４ｂと、第２金属セパレータ１８側の直線状連結流路部３４ｄとが交差して、冷却媒体用バッファ部４０が形成される。第１金属セパレータ１６側の直線状流路部３４ａと、第２金属セパレータ１８側の直線状流路部３４ｃとは、互いに重なり合って矢印Ｂ方向に延在する直線状流路を形成する。
【００３０】
図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂの外周縁部には、第１シール部材４２が設けられる。この第１シール部材４２は、面１６ａ側で酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂを酸化剤ガス流路溝３２に連通する一方、面１６ｂ側で冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路溝３４に連通する。
【００３１】
図１及び図４に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂの外周縁部には、第２シール部材４４が設けられる。この第２シール部材４４は、面１８ａ側で燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂを燃料ガス流路溝３６に連通する一方、面１８ｂ側で冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂを冷却媒体流路溝３４に連通する。
【００３２】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３３】
先ず、図１に示すように、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とともに、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。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。
【００３４】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａから第１金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路溝３２を構成する複数の直線状連結流路部３２ｂに導入される。各直線状連結流路部３２ｂは、下流側に向かって矢印Ｃ方向に広がっており、酸化剤ガスは、前記直線状連結流路部３２ｂから複数の直線状流路部３２ａに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２８に供給される。
【００３５】
一方、燃料ガスは、図４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の燃料ガス流路溝３６を構成する複数の直線状連結流路部３６ｂに導入される。各直線状連結流路部３６ｂは、下流側に向かって矢印Ｃ方向に広がっており、燃料ガスは、前記直線状連結流路部３６ｂから複数の直線状流路部３６ａに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極３０に供給される。
【００３６】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、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。
【００３７】
直線状流路部３６ａに沿って流動する酸化剤ガスは、直線状連結流路部３６ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。また、直線状流路部３６ａに沿って流動する燃料ガスは、直線状連結流路部３６ｂから燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。
【００３８】
また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔２２ａから第１金属セパレータ１６と第２金属セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路溝３４に供給される。この冷却媒体流路溝３４では、冷却媒体が直線状連結流路部３４ｂ、３４ｄが交差するバッファ部４０に導入された後、分配されて直線状流路部３４ａ、３４ｃ間に供給される。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４の発電面を冷却した後、バッファ部４０から冷却媒体出口連通孔２２ｂに排出される。
【００３９】
この場合、本実施形態では、第１金属セパレータ１６の面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間を直接繋いで、複数の酸化剤ガス流路溝３２が設けられている。このため、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２０ｂの近傍に、エンボス分配部（バッファ部）を設ける構造に比べ、酸化剤ガスの分配性が向上し、前記酸化剤ガスをカソード側電極２８の電極面に沿って均一に流通させることができるとともに、排水性が良好に向上する。
【００４０】
これにより、本実施形態では、所望の酸化剤ガス分配性能を維持し、しかも低温時の凍結による単位セル１２の破損の発生を抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００４１】
さらに、エンボス分配部を設けることがなく、酸化剤ガス流路溝３２が面１６ａ内に電極面全体にわたって延在している。従って、従来、バッファ部を設けていた部分で発生する圧力損失を、排水の駆動源として利用することが可能になり、酸化剤ガス流路溝３２における水抜き性の向上を図ることができる。
【００４２】
一方、図４に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間を直接繋いで、複数の燃料ガス流路溝３６が設けられている。これにより、燃料ガス流路溝３６では、上記の酸化剤ガス流路溝３２と同様の効果が得られる。
【００４３】
さらにまた、酸化剤ガス流路溝３２の裏面形状と燃料ガス流路溝３６の裏面形状とが重なって、冷却媒体流路溝３４が形成されている。この冷却媒体流路溝３４は、冷却媒体入口連通孔２２ａ及び冷却媒体出口連通孔２２ｂの近傍で、直線状連結流路部３４ｂと直線状連結流路部３４ｄとが交差してバッファ部４０が形成されている（図５参照）。従って、冷却媒体を分配するための専用バッファ構造を新たに設ける必要がない。
【００４４】
しかも、冷却媒体入口連通孔２２ａは、酸化剤ガス入口連通孔２０ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとの間に設けられるとともに、冷却媒体出口連通孔２２ｂは、燃料ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとの間に設けられている。このため、酸化剤ガス流路溝３２と燃料ガス流路溝３６とは、矢印Ｂ方向両端側で左右対称に近似する形状で交差し、バッファ部４０における冷却媒体の分配性が均一化される。
【００４５】
これにより、簡単な構成で、所望の発電性能を確保するとともに、冷却媒体を冷却媒体流路溝３４に沿って均一に流通させることが可能になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図２】複数の単位セルが積層された前記燃料電池の断面説明図である。
【図３】前記単位セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記単位セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】冷却媒体流路溝を構成するバッファ部の斜視説明図である。
【図６】特許文献１に開示されるアノードシート部材の正面説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…燃料電池                      １２…単位セル
１４…電解質膜・電極構造体          １６、１８…金属セパレータ
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…固体高分子電解質膜            ２８…カソード側電極
３０…アノード側電極                ３２…酸化剤ガス流路溝
３２ａ、３４ａ、３４ｃ、３６ａ…直線状流路部
３２ｂ、３４ｂ、３４ｄ、３６ｂ…直線状連結流路部
３４…冷却媒体流路溝                ３６…燃料ガス流路溝
４０…バッファ部                    ４２、４４…シール部材
【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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