(57)【要約】【課題】膜／電極接合体に供給すべき流体をその流体の供給側（インマニ側）と反対側の端部に配置されるセパレータの流路に十分な流量で導入させることができる、燃料電池を提供する。【解決手段】空気導入路３１における空気インテークマニホールド８側の端部を形成する空気導入口２３は、空気導入路３１における空気インテークマニホールド８側と反対側の端部を形成する空気導入口２３よりも開口面積が小さい。これにより、空気インテークマニホールド８側の端部に配置されるセパレータ１３の空気流路１８に導入される空気の流量が抑えられ、その分、空気インテークマニホールド８側と反対側の端部に配置されるセパレータ１３の空気流路１８に導入される空気の流量が増える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の両側に前記膜／電極接合体と対向して配置され、前記膜／電極接合体側の面に、前記膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する流路が形成されたセパレータと、前記膜／電極接合体と前記セパレータとの間に介在されたガス拡散層一体型ガスケットとからなる単位セルが複数積層されたセルスタック構造を有する燃料電池であって、
各前記セパレータには、前記流路と連通する流体導入口が前記単位セルの積層方向に貫通して形成されており、
前記流体導入口は、前記積層方向に連続して、流体を各前記セパレータの前記流路に分散させて導入する管状の導入路を形成し、
前記導入路には、一方側から流体が供給され、
前記導入路における流体の供給側の端部を形成する前記流体導入口は、前記導入路における前記供給側と反対側の端部を形成する前記流体導入口よりも開口面積が小さい、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カソード（酸素極）およびアノード（燃料極）とを備えている。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。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。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、空気流路からの空気の漏洩および燃料流路からの燃料の漏洩が防止されている。
【０００４】
また、各セパレータには、空気導入口、空気排出口、燃料導入口および燃料排出口が厚さ方向に貫通して形成されている。各セパレータの空気導入口は、互いに完全に重なり合うように、すべて同一の形状で同一の位置に形成されている。これにより、複数のセルからなるスタック構造体は、セルのスタック方向に連続する空気導入口からなる断面形状が一定の空気供給管を有している。空気排出口、燃料導入口および燃料排出口についても、空気導入口と同様であり、スタック構造体は、断面形状が一定の空気排出管、燃料供給管および燃料排出管を有している。空気供給管（空気導入口）および空気排出管（空気排出口）は、空気流路と連通し、燃料供給管（燃料導入口）および燃料排出管（燃料排出口）は、燃料流路と連通している。
【０００５】
空気供給管および燃料供給管には、それぞれ空気および燃料を供給するためのインテークマニホールド（インマニ）が接続されている。一方、空気排出管および燃料排出管には、それぞれ空気および燃料を排出するためのエキゾーストマニホールド（エキマニ）が接続されている。インマニから空気供給管に空気が供給されて、その空気が空気供給管から各セパレータの空気流路に分散して供給され、各空気流路を流通した空気が空気排出管で合流して、エキマニを通して排出される。その一方で、インマニから燃料供給管に燃料が供給されて、その燃料が燃料供給管から各セパレータの燃料流路に分散して供給され、各燃料流路を流通した燃料が燃料排出管で合流して、エキマニを通して排出される。これにより、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２８３６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高い発電効率を発揮するためには、各空気流路に空気が良好に供給される必要がある。しかしながら、従来のセパレータの構成では、セパレータの位置によって空気流路に供給される空気の流量にばらつきがあり、インマニから遠いセパレータの空気流路に供給される空気の流量が小さい。
【０００８】
本発明の目的は、膜／電極接合体に供給すべき流体をその流体の供給側（インマニ側）と反対側の端部に配置されるセパレータの流路に十分な流量で導入させることができる、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】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池は、膜／電極接合体と、前記膜／電極接合体の両側に前記膜／電極接合体と対向して配置され、前記膜／電極接合体側の面に、前記膜／電極接合体に供給すべき流体が流通する流路が形成されたセパレータと、前記膜／電極接合体と前記セパレータとの間に介在されたガス拡散層一体型ガスケットとからなる単位セルが複数積層されたセルスタック構造を有する燃料電池である。各前記セパレータには、前記流路と連通する流体導入口が前記単位セルの積層方向に貫通して形成されている。前記流体導入口は、前記積層方向に連続して、流体を各前記セパレータの前記流路に分散させて導入する管状の導入路を形成している。前記導入路には、一方側から流体が供給される。そして、前記導入路における流体の供給側の端部を形成する前記流体導入口は、前記導入路における前記供給側と反対側の端部を形成する前記流体導入口よりも開口面積が小さい。
【００１０】
これにより、供給側の端部に配置されるセパレータの流路に導入される流体の流量が抑えられ、その分、供給側と反対側の端部に配置されるセパレータの流路に導入される流体の流量が増える。そのため、流体を供給側と反対側の端部に配置されるセパレータの流路にも十分な流量で導入させることができる。その結果、発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、流体を供給側と反対側の端部に配置されるセパレータの流路にも大型ポンプを必要とすることなく十分な流量で導入させることができる。その結果、低コストに発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の図解的な斜視図である。
【図２】図２は、単位セルの図解的な断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、カソード側のセパレータ（空気導入口の開口面積が最も大きいもの）における拡散層一体型ガスケットとの接触面の図解的な平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、カソード側のセパレータ（空気導入口の開口面積が２番目に大きいもの）における拡散層一体型ガスケットとの接触面の図解的な平面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、カソード側のセパレータ（空気導入口の開口面積が最も小さいもの）における拡散層一体型ガスケットとの接触面の図解的な平面図である。
【図４】図４は、燃料電池の図解的な断面図である。
【図５】図５は、各セルの空気流路に流れる空気の流量を測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の図解的な断面図である。
【図７】図７は、他の構成に係る燃料電池の図解的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の図解的な斜視図である。
【００１５】
燃料電池１は、複数（たとえば、１２０個）のセル３が一方向に積層された状態で収容された、いわゆるセルスタック構造を有している。複数のセル３は、その積層方向の両側から出力端子付の集電板４によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレート５によって挟まれている。
【００１６】
一方のエンドプレート５には、外部から燃料が供給される燃料インテークマニホールド６と、外部に燃料を排出するための燃料エキゾーストマニホールド７と、外部から空気が供給される空気インテークマニホールド８と、外部に空気を排出するための空気エキゾーストマニホールド９とが貫通して設けられている。
【００１７】
図２は、単位セルの図解的な断面図である。
【００１８】
セル（単位セル）３は、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode
Assembly）１１と、膜／電極接合体１１の両側に配置される拡散層一体型ガスケット１２と、各ガス拡散層一体型ガスケット１２の外側に配置されるセパレータ１３とを備えている。
【００１９】
膜／電極接合体１１は、アノード（燃料極）１４およびカソード（酸素極）１５が固体高分子膜１６を挟んで互いに対向した構造を有している。
【００２０】
各セパレータ１３は、ガス拡散層一体型ガスケット１２に接触している。
【００２１】
アノード１４側のセパレータ１３におけるガス拡散層一体型ガスケット１２との接触面には、燃料が流通する複数の燃料流路１７が形成されている。各燃料流路１７は、ガス拡散層一体型ガスケット１２側に開放された溝状をなしている。
【００２２】
カソード１５側のセパレータ１３におけるガス拡散層一体型ガスケット１２との接触面には、空気が流通する複数の空気流路１８が形成されている。各空気流路１８は、ガス拡散層一体型ガスケット１２側に開放された溝状をなしている。
【００２３】
燃料流路１７には、燃料の一例として、ヒドラジンが供給される。
【００２４】
燃料流路１７にヒドラジン類が供給され、その一方で、空気流路１８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。
【００２５】
すなわち、アノード１４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、カソード１５に移動する。具体的には、電子は、アノード１４側のセパレータ１３を伝導し、外部回路を介して、集電板４に流れ込み、集電板４からカソード１５側のセパレータ１３を伝導してカソード１５に達する。一方、カソード１５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８を透過して、アノード１４に移動する。
【００２６】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
【００２７】
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００２８】
この結果、アノード１４とカソード１５との間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【００２９】
図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、カソード側のセパレータにおける拡散層一体型ガスケットとの接触面の図解的な平面図である。
【００３０】
カソード１５側のセパレータ１３は、矩形板状をなしている。
【００３１】
セパレータ１３の４つの角部（四隅）には、それぞれ燃料導入口２１、燃料排出口２２、空気導入口２３および空気排出口２４が厚さ方向に貫通して形成されている。図３Ａ〜３Ｃにおいて、燃料導入口２１、燃料排出口２２、空気導入口２３および空気排出口２４は、たとえば、それぞれセパレータ１３の右下角部、左上角部、右上角部および左下角部に形成されている。燃料導入口２１、燃料排出口２２、空気導入口２３および空気排出口２４は、略矩形状をなしている。
【００３２】
複数の空気流路１８は、セパレータ１３におけるガス拡散層一体型ガスケット１２との接触面の中央部に形成されている。複数の空気流路１８は、互いに平行をなして、葛折り状に屈曲している。各空気流路１８の一端は、空気導入口２３と溝状の接続部２５を挟んで対向している。また、各空気流路１８の他端は、空気排出口２４と溝状の接続部２６を挟んで対向している。そして、各空気流路１８は、接続部２５を介して空気導入口２３と連通し、接続部２６を介して空気排出口２４と連通している。
【００３３】
接続部２５，２６には、空気流路１８側に片寄った部分に、空気を分散させるための多数の突起２７が突設されている。
【００３４】
そして、セパレータ１３には、図３Ａ〜３Ｃを比較して理解されるように、空気導入口２３および接続部２５の各サイズが互いに異なる３種類のものが含まれる。すなわち、図３Ａに示されるセパレータ１３では、空気導入口２３が図３Ｂ，３Ｃに示されるセパレータ１３の空気導入口２３よりも大きく形成され、接続部２５が図３Ｂ，３Ｃに示されるセパレータ１３の接続部２５よりも小さく形成されている。図３Ｃに示されるセパレータ１３では、空気導入口２３が図３Ａ，３Ｂに示されるセパレータ１３の空気導入口２３よりも小さく形成され、接続部２５が図３Ａ，３Ｂに示されるセパレータ１３の接続部２５よりも大きく形成されている。
【００３５】
図４は、燃料電池の図解的な断面図である。
【００３６】
セル３の積層により、空気導入口２３は、セル３の積層方向に連続して、積層方向に延びる管状の空気導入路３１を形成している。空気導入路３１の一端（開放端）には、空気インテークマニホールド８が接続されている。
【００３７】
また、セル３の積層により、空気排出口２４は、セル３の積層方向に連続して、積層方向に延びる空気排出路３２を形成している。空気排出路３２の一端（開放端）には、空気エキゾーストマニホールド９が接続されている。
【００３８】
そして、空気インテークマニホールド８側の端部の所定数のセル３には、図３Ｃに示されるセパレータ１３が備えられている。また、それらのセル３に対して空気インテークマニホールド８側と反対側に並ぶ所定数のセル３には、図３Ｂに示されるセパレータ１３が備えられている。残りのセル３には、図３Ａに示されるセパレータ１３が備えられている。これにより、空気導入路３１は、空気インテークマニホールド８側の端部において、空気インテークマニホールド８側と反対側に向かって、その断面積が段階的に大きくなっている。
【００３９】
図５は、各セルの空気流路に流れる空気の流量を測定した結果を示すグラフである。
【００４０】
図４に示される構成の燃料電池１において、空気インテークマニホールド８に空気を供給し、各セル３の空気流路１８を流れる空気の流量を測定した。図５に、その結果が太線で示されている。
【００４１】
また、燃料電池１に備えられるすべてのセパレータ１３を図３Ａに示されるセパレータ１３に変更したものを比較の対象として作製した。そして、その比較対象に係る燃料電池において、空気インテークマニホールド８に空気を供給し、各セル３の空気流路１８を流れる空気の流量を測定した。図５に、その結果が細線で示されている。
【００４２】
図５を参照して、図４に示される構成の燃料電池１では、比較対象に係る燃料電池と比較して、空気インテークマニホールド８側のセル３の空気流路１８に導入される空気の流量が抑えられ、空気インテークマニホールド８側と反対側の端部に配置されるセル３の空気流路１８に導入される空気の流量が増えていることが理解される。
【００４３】
以上のように、空気導入路３１における空気インテークマニホールド８側の端部を形成する空気導入口２３は、空気導入路３１における空気インテークマニホールド８側と反対側の端部を形成する空気導入口２３よりも開口面積が小さい。
【００４４】
これにより、空気インテークマニホールド８側の端部に配置されるセパレータ１３の空気流路１８に導入される空気の流量が抑えられ、その分、空気インテークマニホールド８側と反対側の端部に配置されるセパレータ１３の空気流路１８に導入される空気の流量が増える。そのため、空気インテークマニホールド８側と反対側の端部に配置されるセパレータの空気流路１８にも空気十分な流量で導入させることができる。その結果、燃料電池１では、高い発電効率を発揮することができる。
【００４５】
図６は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池の図解的な断面図である。
【００４６】
図６に示される燃料電池６１では、空気インテークマニホールド８側の端部において、所定数のセル３ごとに、図３Ｃに示されるセパレータ１３と図３Ａまたは図３Ｂに示されるセパレータ１３とが交互に備えられている。これにより、空気導入路３１は、空気インテークマニホールド８側の端部において、その断面積の相対的に大きい部分と小さい部分とを有している。
【００４７】
この構成においても、空気インテークマニホールド８側の端部に配置されるセパレータ１３の空気流路１８に導入される空気の流量を抑えることができ、その分、空気インテークマニホールド８側と反対側の端部に配置されるセパレータ１３の空気流路１８に導入される空気の流量を増やすことができる。
【００４８】
図７は、他の構成に係る燃料電池の図解的な断面図である。
【００４９】
図７に示される燃料電池７１では、空気インテークマニホールド８側の端部の所定数のセル３において、各セル３に備えられるセパレータ１３の空気導入口２３には、空気導入口２３の一部を塞ぐように、邪魔板７２が形成されている。
【００５０】
図７に示される燃料電池７１において、空気インテークマニホールド８に空気を供給し、各セル３の空気流路１８を流れる空気の流量を測定した。図５に、その結果が破線で示されている。
【００５１】
図７に示される燃料電池７１では、前述の比較対象に係る燃料電池と比較して、空気インテークマニホールド８側のセル３の空気流路１８に導入される空気の流量が若干抑えられているが、空気インテークマニホールド８側と反対側の端部に配置されるセル３の空気流路１８に十分な流量の空気が導入されていないことが理解される。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００５３】
たとえば、前述の実施形態では、本発明がカソード１５側のセパレータ１３に適用された場合を例にとったが、本発明は、アノード１４側のセパレータ１３に適用されてもよい。
【００５４】
その他、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】
【００５５】
１    燃料電池
３    セル
１１  膜／電極接合体
１２  ガス拡散層一体型ガスケット
１３  セパレータ
１８  空気流路（流路）
２３  空気導入口（流体導入口）
３１  空気導入路（導入路）
６１  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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