(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスケットの耐久性の低下などの問題を生じることなく、電圧のセンシングなどのための導電経路が形成可能な燃料電池を提供する。【解決手段】アノード側セパレータ４の冷却面４２には、冷却水が流通する冷却水流路７が形成されている。アノード側セパレータ４は、燃料流路および冷却水流路７が形成される部分が導電材料からなり、当該部分の周囲の部分が絶縁材料からなる。アノード側セパレータ４とカソード側セパレータとの間には、冷却水流路７の周囲を取り囲む冷却面側ガスケット１６が介在されている。冷却面側ガスケット１６は、導電材料からなり、アノード側セパレータ４における導電材料からなる部分に接続されている。【選択図】図３
2012033296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体と、
前記膜／電極接合体に対向して配置され、前記膜／電極接合体側の反応面に、前記膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する第１流路が形成され、当該反応面と反対側の冷却面に、冷却のための流体が流通する第２流路が形成されたセパレータと、
前記セパレータの前記冷却面に対向して配置される対向部材と、
前記セパレータと前記膜／電極接合体との間に介在され、前記第１流路の周囲を取り囲む第１ガスケットと、
前記セパレータと前記対向部材との間に介在され、前記第２流路の周囲を取り囲む第２ガスケットとを含み、
前記セパレータは、前記第１流路および前記第２流路が形成される部分が導電材料からなり、当該部分の周囲の部分が絶縁材料からなり、
前記第２ガスケットは、導電材料からなり、前記セパレータにおける導電材料からなる部分に接続されている、燃料電池。
【請求項２】
前記第２ガスケットは、前記第２流路の周囲を取り囲む本体部と、前記本体部と前記第２流路における前記第１流路からの流体の排出口に近接した部分との間に架設された接続部とを一体的に有している、請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー化および環境対策の観点から、自動車用や家庭用の発電装置として、燃料電池が非常に注目を集めている。
【０００３】
燃料電池は、複数のセルが積み重ねられたセルスタック構造を有している。各単セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）をセパレータで挟み込むことにより構成されている。膜／電極接合体は、固体高分子膜と、固体高分子膜の一方側および他方側にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）とを備えている。アノード側のセパレータには、膜／電極接合体と対向する面に、燃料流路が形成されている。カソード側のセパレータには、膜／電極接合体と対向する面に、空気流路が形成されている。膜／電極接合体と各セパレータとの間には、ガスケットが介在されている。燃料流路および空気流路は、それぞれガスケットに取り囲まれ、これにより、燃料流路からの燃料の漏洩および空気流路からの空気の漏洩が防止されている。燃料流路に燃料が供給されるとともに、空気流路に空気が供給されると、電気化学反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。
【０００４】
このような燃料電池では、電気化学反応により生じる電圧の監視が必要であり、その電圧をセンシングするための導電経路が形成されている。
【０００５】
たとえば、セパレータにおける燃料流路または空気流路が形成される部分（反応部）のみが導電性カーボンなどの導電材料で形成され、その周囲の部分が絶縁材料で形成される構成では、導電経路を形成する導電材がガスケットの内外に跨がって配置される。導電材の一端部は、セパレータにおける導電材料で形成される部分に接続される。導電材の他端部は、セパレータにおける絶縁材料で形成される部分上に配置され、電圧センサが接続される端子として機能する。
【０００６】
ところが、この導電材を設ける構成では、燃料電池の部品点数の増加、ひいてはその部品点数の増加による燃料電池の製造に要する時間およびコストの増加を招く。また、導電材がガスケットを跨がるため、その導電材とガスケットとが交差する部分から燃料が漏洩するおそれがある。
【０００７】
一方、膜／電極接合体とセパレータとの間に介在されるガスケットを導電性ゴムで形成する提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１７０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガスケットが導電性ゴムからなる場合、ガスケットの一部をセパレータにおける燃料流路が形成される部分に接続させれば、ガスケットを導電経路の一部として使用することができる。しかしながら、ガスケットが導電性ゴムからなる場合、燃料が触れることによるガスケットの劣化が大きく、ガスケットの耐久性が低下するおそれがある。
【００１０】
本発明の目的は、部品点数の増加、流体の漏洩およびガスケットの耐久性の低下などの問題を生じることなく、電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路を形成することができる、燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池において、膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体に対向して配置され、前記膜／電極接合体側の反応面に、前記膜／電極接合体に供給すべき流体（発電のための電気化学反応に寄与する流体）が流通する第１流路が形成され、当該反応面と反対側の冷却面に、冷却のための流体が流通する第２流路が形成されたセパレータと、前記セパレータの前記冷却面に対向して配置される対向部材と、前記セパレータと前記膜／電極接合体との間に介在され、前記第１流路の周囲を取り囲む第１ガスケットと、前記セパレータと前記対向部材との間に介在され、前記第２流路の周囲を取り囲む第２ガスケットとを含み、前記セパレータは、前記第１流路および前記第２流路が形成される部分が導電材料からなり、当該部分の周囲の部分が絶縁材料からなり、前記第２ガスケットは、導電材料からなり、前記セパレータにおける導電材料からなる部分に接続されていることを特徴としている。
【００１２】
この燃料電池では、膜／電極接合体にセパレータが対向して配置され、セパレータに対して膜／電極接合体と反対側に対向部材が配置されている。セパレータにおける膜／電極接合体側の反応面には、膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する第１流路が形成されている。セパレータにおける反応面と反対側の冷却面、つまり対向部材側の冷却面には、冷却のための流体が流通する第２流路が形成されている。セパレータと膜／電極接合体との間には、第１流路の周囲を取り囲む第１ガスケットが介在されている。また、セパレータと対向部材との間には、第２流路の周囲を取り囲む第２ガスケットが介在されている。
【００１３】
セパレータは、第１流路および第２流路が形成される部分が導電材料からなり、当該部分の周囲の部分が絶縁材料からなる。
【００１４】
そして、第２ガスケットは、導電材料からなり、セパレータにおける導電材料からなる部分に接続されている。そのため、第２ガスケットを電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路の一部として使用することができる。これにより、その導電経路を形成するための導電材などを別途設ける必要がないので、導電材を設けることによる部品点数の増加および流体の漏洩の問題を回避することができる。ひいては、部品点数の増加による燃料電池の製造に要する時間およびコストの増加を回避することができる。また、第２流路に流れる流体が冷却のための流体であって燃料でないので、第２ガスケットが導電材料で形成されていても、燃料に触れることによる第２ガスケットの耐久性の低下の問題を生じない。
【００１５】
よって、部品点数の増加、流体の漏洩およびガスケットの耐久性の低下などの問題を生じることなく、電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路を形成することができる。
【００１６】
前記第２ガスケットは、前記第２流路の周囲を取り囲む本体部と、前記本体部と前記第２流路における前記第１流路からの流体の排出口に近接した部分との間に架設された接続部とを一体的に有していることが好適である。
【００１７】
第１流路における流体の流量が低下すると、膜／電極接合体における第１流路からの流体の排出口に近い部分ほど発生電圧が低下する。第２ガスケットの接続部が第２流路における第１流路からの流体の排出口に近接した部分に接続されている構成では、膜／電極接合体における当該排出口に近い部分での低い発生電圧をセンシングすることができる。その結果、センシングした電圧に基づいて、燃料の供給流量などを制御することにより、一定以上の電圧を安定して発生させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セパレータは、第１流路および第２流路が形成される部分が導電材料からなり、当該部分の周囲の部分が絶縁材料からなる。そして、冷却のための流体が流通する第２流路の周囲を取り囲む第２ガスケットは、導電材料からなり、セパレータにおける導電材料からなる部分に接続されており、電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路の一部として使用することができる。そのため、部品点数および製造に要する時間およびコストの増加、流体の漏洩、ならびにガスケットの耐久性の低下などの問題を生じることなく、電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の模式的な断面図である。
【図２】図２は、図１に示されるアノード側セパレータの反応面側の平面図である。
【図３】図３は、図１に示されるアノード側セパレータの冷却面側の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の模式的な断面図である。
【００２２】
燃料電池１は、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２を１つのセルとして、複数の膜／電極接合体２がセパレータ３を挟んで積層された、いわゆるセルスタック構造を有している。
【００２３】
膜／電極接合体２は、固体高分子膜と、固体高分子膜の一方側および他方側にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）とを備えている。固体高分子膜は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有している。
【００２４】
セパレータ３には、膜／電極接合体２のアノード側に接合されるアノード側セパレータ４と、膜／電極接合体２のカソード側に接合されるカソード側セパレータ５とが含まれる。
【００２５】
アノード側セパレータ４における膜／電極接合体２側の面４１は、反応面であり、この反応面４１には、燃料が流通する燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、膜／電極接合体２側に開放された溝をなし、たとえば、葛折り状に屈曲している。一方、アノード側セパレータ４における反応面４１と反対側の面４２は、冷却面であり、この冷却面４２には、冷却水が流通する冷却水流路７が形成されている。冷却水流路７は、膜／電極接合体２側と反対側に開放された溝をなし、たとえば、葛折り状に屈曲している。
【００２６】
カソード側セパレータ５における膜／電極接合体２側の面５１は、反応面であり、この反応面５１には、空気が流通する空気流路８が形成されている。空気流路８は、膜／電極接合体２側に開放された溝をなし、たとえば、葛折り状に屈曲している。一方、カソード側セパレータ５における反応面５１と反対側の面５２は、冷却面であり、この冷却面５２には、冷却水が流通する冷却水流路９が形成されている。冷却水流路９は、膜／電極接合体２側と反対側に開放された溝をなし、たとえば、葛折り状に屈曲している。また、冷却水流路９は、アノード側セパレータ４の冷却水流路７と鏡映対称をなしている。
【００２７】
２つの膜／電極接合体２の間に介在されるアノード側セパレータ４とカソード側セパレータ５とは、互いに接合されている。アノード側セパレータ４の冷却水流路７とカソード側セパレータ５の冷却水流路９とが鏡映対称をなすので、アノード側セパレータ４とカソード側セパレータ５とが互いに接合された状態で、冷却水流路７，９は管状をなす。
【００２８】
そして、複数の膜／電極接合体２がセパレータ３を挟んで積層されたセルスタック構造は、２枚のエンドプレート１０により挟み込まれている。
【００２９】
燃料流路６には、燃料として、たとえば、液体燃料である水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）が供給される。一方、空気流路８には、空気が供給される。燃料流路６に水加ヒドラジンが供給されるとともに、空気流路８に空気が供給されることにより、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
【００３０】
すなわち、膜／電極接合体２のアノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、アノードと固体高分子膜を挟んで対向するカソードに移動する。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。
【００３１】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
この結果、アノードとカソードとの間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【００３２】
冷却水流路７，９には、冷却水が供給される。
【００３３】
図２は、図１に示されるアノード側セパレータの反応面側の平面図である。
【００３４】
アノード側セパレータ４は、矩形板状をなしている。
【００３５】
アノード側セパレータ４の中央部４Ａは、導電材料（導電性を有する材料）からなる。この導電材料としては、導電性カーボンが例示される。第１流路の一例としての燃料流路６は、反応面４１における導電材料からなる部分、つまり中央部に形成されている。
【００３６】
アノード側セパレータ４の中央部（導電材料からなる部分）４Ａの周囲の周縁部４Ｂは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁材料からなる。その周縁部４Ｂには、燃料流路６に燃料を供給するための燃料供給口１１と、燃料流路６から未反応の燃料を反応生成物（水、窒素）ともに排出するための燃料排出口１２と、アノード側セパレータ４と接合されているカソード側セパレータ５の空気流路８に空気を供給するための空気供給口１３と、その空気流路８から空気を排出するための空気排出口１４とが形成されている。
【００３７】
燃料供給口１１および空気供給口１３は、アノード側セパレータ４の長手方向に延びる一方端縁に沿う部分に、その長手方向に互いに間隔を空けて配置されており、それぞれ長手方向に延びる矩形状に形成されている。
【００３８】
また、燃料排出口１２および空気排出口１４は、アノード側セパレータ４の中央部４Ａを挟んで、燃料供給口１１および空気供給口１３と反対側に配置されている。具体的に、燃料排出口１２は、空気供給口１３に対して導電材料からなる部分４Ａを挟んでアノード側セパレータ４の長手方向と直交する方向に対向する位置に配置されている。また、空気排出口１４は、燃料供給口１１に対して導電材料からなる部分４Ａを挟んでアノード側セパレータ４の長手方向と直交する方向に対向する位置に配置されている。燃料排出口１２および空気排出口１４は、それぞれアノード側セパレータ４の長手方向に延びる矩形状をなしている。
【００３９】
さらに、反応面４１には、燃料流路６の周囲を取り囲む略四角環状の反応面側ガスケット１５が接合されている。アノード側セパレータ４が膜／電極接合体２に接合された状態で、反応面側ガスケット１５は、反応面４１と膜／電極接合体２との間に介在されて、膜／電極接合体２に密着する。これにより、反応面側ガスケット１５に囲まれる部分が密閉されて、燃料流路６からの燃料の漏洩が防止される。
【００４０】
図３は、図１に示されるアノード側セパレータの冷却面側の平面図である。
【００４１】
第２流路の一例としての冷却水流路７は、アノード側セパレータ４の冷却面４２における導電材料からなる部分、つまり中央部に形成されている。
【００４２】
そして、冷却面４２には、冷却面側ガスケット１６が接合されている。冷却面側ガスケット１６は、導電材料からなる。この導電材料としては、導電性ゴムが例示される。冷却面側ガスケット１６は、本体部１６１、接続部１６２および端子部１６３を一体的に有している。
【００４３】
本体部１６１は、冷却水流路７の周囲を取り囲む四角環状をなしている。
【００４４】
接続部１６２は、本体部１６１の内側において、本体部１６１における燃料排出口１２に近接する部分からアノード側セパレータ４の長手方向と直交する方向に延びている。接続部１６２の先端部は、冷却水流路７に接続されている。
【００４５】
アノード側セパレータ４の周縁には、燃料排出口１２とアノード側セパレータ４の長手方向と直交する方向に対向する位置に、四角板状の端子配置部１７が形成されている。端子部１６３は、本体部１６１の外側において、本体部１６１からアノード側セパレータ４の長手方向と直交する方向に延び、その先端部が端子配置部１７上に配置されている。
【００４６】
アノード側セパレータ４がカソード側セパレータ５に接合された状態で、冷却面側ガスケット１６は、冷却面４２とカソード側セパレータ５との間に介在されて、カソード側セパレータ５に密着する。これにより、本体部１６１に囲まれる部分が密閉され、冷却水流路７，９からの冷却水の漏洩が防止される。
【００４７】
以上のように、アノード側セパレータ４における膜／電極接合体２側の反応面４１には、膜／電極接合体２に供給すべき流体が流通する燃料流路６が形成されている。アノード側セパレータ４における反応面４１と反対側の冷却面４２には、冷却のための流体が流通する冷却水流路７が形成されている。アノード側セパレータ４と膜／電極接合体２との間には、燃料流路６の周囲を取り囲む反応面側ガスケット１５が介在されている。また、アノード側セパレータ４とカソード側セパレータ５との間には、冷却水流路７の周囲を取り囲む冷却面側ガスケット１６が介在されている。
【００４８】
アノード側セパレータ４は、燃料流路６および冷却水流路７が形成される部分が導電材料からなり、当該部分の周囲の部分が絶縁材料からなる。
【００４９】
そして、冷却面側ガスケット１６は、導電材料からなり、アノード側セパレータ４における導電材料からなる部分に接続されている。そのため、冷却面側ガスケット１６を電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路の一部として使用することができる。これにより、その導電経路を形成するための導電材などを別途設ける必要がないので、導電材を設けることによる部品点数の増加および冷却水の漏洩の問題を回避することができる。ひいては、部品点数の増加による燃料電池１の製造に要する時間およびコストの増加を回避することができる。また、冷却水流路７に流れる流体が冷却のための流体であって燃料でないので、冷却面側ガスケット１６が導電材料で形成されていても、燃料に触れることによる冷却面側ガスケット１６の耐久性の低下の問題を生じない。
【００５０】
よって、部品点数の増加、冷却水の漏洩およびガスケットの耐久性の低下などの問題を生じることなく、電気化学反応により生じる電圧のセンシングなどのための導電経路を形成することができる。
【００５１】
また、冷却面側ガスケット１６は、冷却水流路７の周囲を取り囲む本体部１６１と、本体部１６１と冷却水流路７における燃料流路６からの流体の排出口に近接した部分との間に架設された接続部１６２とを一体的に有していることが好適である。
【００５２】
燃料流路６における流体の流量が低下すると、膜／電極接合体２における燃料流路６からの流体の排出口に近い部分ほど発生電圧が低下する。冷却面側ガスケット１６の接続部１６２が冷却水流路７における燃料排出口１２に近接した部分に接続されている構成では、膜／電極接合体２における燃料排出口１２に近い部分での低い発生電圧をセンシングすることができる。その結果、センシングした電圧に基づいて、燃料の供給流量などを制御することにより、一定以上の電圧を安定して発生させることができる。
【００５３】
なお、カソード側セパレータ５については、アノード側セパレータ４と鏡映対称をなす構成であるから、カソード側セパレータ５の空気流路８が第１流路の一例であり、冷却水流路９が第２流路の一例であるとも言える。
【００５４】
また、前述の実施形態では、冷却面側ガスケット１６の全体が導電材料からなるとしたが、接続部１６２、端子部１６３および本体部１６１における接続部１６２と端子部１６３との間の部分のみが導電材料で形成され、それ以外の部分が絶縁材料で形成されていてもよい。
【００５５】
さらに、冷却面側ガスケット１６は、金属線を絶縁材料で被覆した構成であってもよく、この場合、少なくとも接続部１６２、端子部１６３および本体部１６１における接続部１６２と端子部１６３との間の部分に金属線が内挿されていればよい。
【００５６】
また、燃料の一例として、水加ヒドラジンを挙げたが、燃料は、水加ヒドラジンなどのヒドラジン類に限らず、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）などの液体燃料であってもよいし、水素ガスなどの燃料ガスであってもよい。
【００５７】
その他、前述の実施形態の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１      燃料電池
２      膜／電極接合体
３      セパレータ
４      アノード側セパレータ（セパレータ、対向部材）
５      カソード側セパレータ（対向部材、セパレータ）
６      燃料流路（第１流路）
７      冷却水流路（第２流路）
８      空気流路（第１流路）
９      冷却水流路（第２流路）
１５    反応面側ガスケット（第１ガスケット）
１６    冷却面側ガスケット（第２ガスケット）
１６１  本体部
１６２  接続部
【図１】
2012033296.tif 000003
【図２】
2012033296.tif 000004
【図３】
2012033296.tif 000005