(57)【要約】【課題】冷却水の圧損の増大を抑制しつつ、燃料電池セル内への異物の流入を抑制する。【解決手段】燃料電池セルは、電解質膜の一面側にアノード電極、他面側にカソード電極を備えた膜電極接合体と、少なくとも一部を膜電極接合体と対向させた状態で積層して配置され、アノード電極にアノードガスを供給するアノードガス流路と、カソード電極にカソードガスを供給するカソードガス流路と、膜電極接合体を冷却する冷却水が流通する冷却水流路とを形成する少なくとも２種類以上のセパレータを備える。冷却水流路は、マニホールドから分岐して冷却水が流入する冷却水入口の周囲を含む領域と、セパレータが膜電極接合体と対向する領域とに亘って形成され、冷却水入口の周囲を含む領域に形成された冷却水流路は、冷却水入口の周囲で分割され、分割された冷却水流路の流路径は、セパレータが膜電極接合体と対向する領域に形成された冷却水流路の流路径よりも小さい。【選択図】図４
2016213060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備えた膜電極接合体と、
少なくとも一部を前記膜電極接合体と対向させた状態で積層して配置され、前記アノード電極にアノードガスを供給するアノードガス流路と、前記カソード電極にカソードガスを供給するカソードガス流路と、前記膜電極接合体を冷却する冷却水が流通する冷却水流路とを形成する少なくとも２種類以上のセパレータと、を備え、
前記冷却水流路は、冷却水用のマニホールドから分岐して冷却水が流入する冷却水入口の周囲を含む領域と、前記セパレータが前記膜電極接合体と対向する領域とに亘って形成され、前記冷却水入口の周囲を含む領域に形成された冷却水流路は、前記冷却水入口の周囲において複数に分割され、該分割された冷却水流路の流路径は、前記セパレータが前記膜電極接合体と対向する領域に形成された前記冷却水流路の流路径よりも小さい燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルには、電気化学反応により発電する膜電極接合体を冷却する冷却水が導入される。燃料電池セル内に形成された冷却水流路は、狭い箇所が存在する。このため、燃料電池セル内の冷却水流路に異物が詰まることが想定される。燃料電池セル内の冷却水流路に異物が詰まると、部分的に燃料電池セルが冷却されないこともあり、発電効率に影響が及ぶ。このような異物の詰まりを回避すべく、冷却水配管の内壁に凹部を形成し、この凹部に対向する管内壁に冷却水配管を横切るように邪魔板を設け、この邪魔板の先端に前記凹部を配置した異物排除部の設置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６８０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却水を燃料電池セルに導入する配管に特許文献１の異物排除部を設けたり、フィルタを設置したりすることで、異物が燃料電池セル内に侵入することを回避することができる。しかしながら、フィルタ等の異物を捕捉する構成を燃料電池セルに接続された配管に設けると、圧損が増大するため、フィルタを設置しない場合と同等の冷却水を流通させるためには、冷却水ポンプの負荷が増大し、消費電力が増大することが想定される。
【０００５】
そこで、本明細書開示の燃料電池セルは、冷却水の圧損の増大を抑制しつつ、燃料電池セル内への異物の流入を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料電池セルは、電解質膜の一面側にアノード電極を備え、他面側にカソード電極を備えた膜電極接合体と、少なくとも一部を前記膜電極接合体と対向させた状態で積層して配置され、前記アノード電極にアノードガスを供給するアノードガス流路と、前記カソード電極にカソードガスを供給するカソードガス流路と、前記膜電極接合体を冷却する冷却水が流通する冷却水流路とを形成する少なくとも２種類以上のセパレータと、を備え、前記冷却水流路は、冷却水用のマニホールドから分岐して冷却水が流入する冷却水入口の周囲を含む領域と、前記セパレータが前記膜電極接合体と対向する領域とに亘って形成され、前記冷却水入口の周囲を含む領域に形成された冷却水流路は、前記冷却水入口の周囲において複数に分割され、該分割された冷却水流路の流路径は、前記セパレータが前記膜電極接合体と対向する領域に形成された前記冷却水流路の流路径よりも小さい。
【０００７】
冷却水マニホールドから分岐して冷却水が流入する冷却水入口周囲において複数に分割された冷却水流路の流路径は、膜電極接合体と対向する領域に形成された冷却水流路の流路径よりも小さいため、異物は、冷却水入口周囲で捕捉される。この結果、発電が行われる膜電極接合体と対向する領域における異物の詰まりが回避され、冷却能力の低下が抑制される。また、冷却水入口周囲において異物が捕捉されても、冷却水は異物を捕捉した冷却水流路以外の冷却水流路を通過することができる。このため、冷却水の圧損の増大を抑制することができ、膜電極接合体の冷却に必要な冷却水の流量を確保しやすくなる。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書開示の燃料電池セルによれば、冷却水の圧損の増大を抑制しつつ、燃料電池セル内への異物の流入を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は実施形態の燃料電池セルを積層して形成された燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図２は実施形態における燃料電池スタックの内部の一部を示す側面図である。
【図３】図３はセパレータが膜電極接合体と対向する領域における燃料電池セルの断面を模式的に示す説明図である。
【図４】図４は実施形態における燃料電池スタックに含まれる一枚の燃料電池セルの冷却水入口周辺を示す斜視図である。
【図５】図５は図４に示すＡで示す方向から観た燃料電池セルの様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれていたり、実際には装備されている構成が省略されていたりする場合がある。
【００１１】
（実施形態）
まず、図１乃至図５を参照しつつ、燃料電池セル２を積層して形成された燃料電池スタック１の概略構成について説明する。図１は実施形態の燃料電池セル２を積層して形成された燃料電池スタック１の斜視図である。図２は実施形態における燃料電池スタック１の内部の一部を示す側面図である。図３はセパレータ２２ａ、２２ｂが膜電極接合体２０と対向する領域における燃料電池セル２の断面を模式的に示す説明図である。図４は実施形態における燃料電池スタック１に含まれる一枚の燃料電池セル２の冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１周辺を示す斜視図である。図５は図４に示すＡで示す方向から観た燃料電池セル２の様子を模式的に示す説明図である。
【００１２】
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質型の燃料電池スタックである。燃料電池スタック１は、図１、図２に示す積層方向に沿って燃料電池セル２が複数積層されて形成されるセル積層体３を有する。燃料電池セル２は、図３に示すように電解質膜２３の一面側にアノード電極２４ａを備え、他面側にカソード電極２４ｂを備えた膜電極接合体２０と、この膜電極接合体２０に対向させた状態で積層して配置された第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂを備える。第１セパレータ２２ａと第２セパレータ２２ｂは、その形状を異にしている。本実施形態における燃料電池スタック１では、セル積層体３の両端に位置する端部セル２ａの外側に、それぞれ、集電板５ａ、５ｂ、絶縁板６ａ、６ｂ及びエンドプレート７ａ、７ｂが配置される。また、エンドプレート７ａ、７ｂ間には、燃料電池スタック１の上側及び下側においてテンションプレート８が架け渡されている。テンションプレート８の端部は、それぞれエンドプレート７ａ、７ｂにそれぞれボルト９で固定されている。エンドプレート７ｂと絶縁板６ｂとの間には、弾性モジュール１０が設けられる。電解質膜２３は、例えば、プロトン導電性の固体高分子電解質膜である。
【００１３】
アノードガスである水素ガス、カソードガスである空気、及び冷却水は、エンドプレート７ａに形成された供給口１１ａ、１２ａ、及び１３ａにそれぞれ接続した供給管１４からセル積層体３内のマニホールド１５ａに供給される。その後、水素ガス、空気、及び冷却水は、燃料電池セル２の平面方向に流れて、セル積層体３内のマニホールド１５ｂに至り、エンドプレート７ａに形成された排出口１１ｂ、１２ｂ、及び１３ｂにそれぞれ接続した排出管１６から燃料電池スタック１外に排出される。なお、供給管１４、マニホールド１５ａ、１５ｂ及び排出管１６は、水素ガス、空気及び冷却水の各流体に対応して設けられているが、図２では同一符号を付して説明を省略している。
【００１４】
図３に示すように、燃料電池セル２は、膜電極接合体２０及び一対の第１セパレータ２２ａと第２セパレータ２２ｂを備える。そして、燃料電池セル２が積層されるときに、隣接する燃料電池セル２の第１セパレータ２２ａと第２セパレータ２２ｂとが対向するように配置される。膜電極接合体２０は、イオン交換膜からなる電解質膜２３と、電解質膜２３を挟んだアノード電極２４ａ及びカソード電極２４ｂとを有する。アノード電極２４ａには第２セパレータ２２ｂの水素流路２５ａが面し、カソード電極２４ｂには第１セパレータ２２ａの空気流路２５ｂが面する。また、隣接した２つの燃料電池セル２の一方が備える第１セパレータ２２ａと他方が備える第２セパレータ２２ｂとが対向することによって冷却水流路３０が形成されている。
【００１５】
なお、図３中、符号Ｒは、第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂが膜電極接合体２０と対向する領域に形成された冷却水流路３０のうち、その流路径が最も狭い位置を示している。図４を参照すると、燃料電池セル２のマニホールド１５ａが形成された位置には、図４に示すように樹脂フレーム２７が配置されている。図４において、第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂと膜電極接合体２０とを対向させた領域Ｘ１は、ハッチングを付して示されている。符号Ｒで示された位置は、セパレータ２２ａ、２２ｂの膜電極接合体２０と対向させた領域Ｘ１内において、冷却水流路３０が最も狭くなっている位置を示している。符号Ｒを付して示された位置における冷却水流路３０の流路径の寸法はＳ１で示されている。ここで、冷却水流路３０の流路径は、冷却水流路内を球状の粒子が通過することを想定した場合に、通過できる粒子の最大径を表す。例えば、冷却水流路３０の形状が、第１セパレータ２２ａが有する面と第２セパレータ２２ｂが有する面とによって規定される箇所にあっては、第１セパレータ２２ａが備える面と第２セパレータ２２ｂが備える面との距離となる。また、冷却水流路３０の形状が第１セパレータ２２ａ又は第２セパレータ２２ｂの表面に設けられた凹状の溝部によって規定される箇所にあっては、その溝部の幅となる。図３に示された寸法Ｓ１は、第１セパレータ２２ａが有する面と第２セパレータ２２ｂが有する面との距離である。
【００１６】
図４を参照すると、第１セパレータ２２ａには、膜電極接合体２０と対向させた領域Ｘ１以外の領域Ｘ２に冷却水入口２２ａ１が形成されている。また、第２セパレータ２２ｂには、冷却水入口２２ｂ１が形成されている。ここで、領域Ｘ２は、冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１の周囲を含む領域である。冷却水入口２２ａ１が燃料電池セル２の積層方向に連なることで、冷却水用のマニホールド１５ａが形成される。冷却水は冷却水用のマニホールド１５ａから分岐してセパレータ２２ａ、２２ｂ間に形成された冷却水流路３０へ流入する。
【００１７】
冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１から冷却水流路３０へ流れ込む冷却水は、まず、図４に示す領域Ｘ２へ流れ込み、そこから、第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂと膜電極接合体２０とを対向させた領域Ｘ１へ流れ込む。
【００１８】
領域Ｘ２に形成された冷却水流路３０は、冷却水マニホールド１５ａから分岐して冷却水が流入する冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１の周囲において複数に分割されている。そして、領域Ｘ２に形成され、分割された冷却水流路３０の流路径は、第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂが膜電極接合体２０と対向する領域Ｘ１に形成された冷却水流路３０の流路径Ｓ１よりも小さくなるように設定されている。
【００１９】
具体的に、図４に示すように、第１セパレータ２２ａの冷却水入口２２ａ１の周囲に、所定の間隔Ｗ１ａで、冷却水流路内部に向かって突出した突起部２６ａが設けられている。なお、図４表れている上面が冷却水流路内部に相当する。図４、図５を参照すると、突起部２６ａの設置間隔は、Ｗ１ａに設定されており、また、突起部２６ａの幅は、Ｗ２ａに設定されている。また、図５を参照すると、突起部２６ａの深さは、Ｄ１ａに設定されている。同様に、第２セパレータ２２ｂの冷却水入口２２ｂ１の周囲には、設置間隔Ｗ１ｂで突起部２６ｂが設けられており、突起部２６ｂの幅は、Ｗ２ｂに設定されている。また、突起部２６ｂの深さは、Ｄ１ｂに設定されている。このような突起部２６ａが形成された第１セパレータ２２ａと突起部２６ｂが形成された第２セパレータ２２ｂが重ね合わされると、冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１の周囲には、図５にハッチングを付して示すように分割された冷却水流路３０が形成される。
【００２０】
図５に示された冷却水入口２２ａ１の寸法は、間隔Ｗ１ａと深さＤ１ａで規定される。また、冷却水入口２２ｂ１の寸法は、幅Ｗ２ａと深さＤ１ｂで規定される。これらの各寸法は、第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂが膜電極接合体２０と対向する領域Ｘ１に形成された冷却水流路３０の流路径Ｓ１よりも小さくなるよう設定されている。領域Ｘ１内で詰まりを引き起こすような寸法の異物は、冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１の周囲に形成された突起部２６ａ、２６ｂの間で捕捉される。すなわち、分割された冷却水流路３０の流路径を、第１セパレータ２２ａ、第２セパレータ２２ｂが膜電極接合体２０と対向する領域Ｘ１に形成された冷却水流路３０の流路径よりも小さくしておけば、異物が領域Ｘ１に流入する前に捕捉することができる。領域Ｘ１は、電気化学反応により発電し、発熱する箇所であるが、異物の流入が抑制されることから、冷却水が適切に流通し、膜電極接合体２０を冷却することができる。
【００２１】
ある突起部２６ａ、２６ｂ間、すなわち、領域Ｘ２内において分割された冷却水流路３０の一部で異物を捕捉した場合、冷却水は、分割された他の冷却水流路３０を通じて、領域Ｘ１に流入することができる。このため、圧損が増大することを抑制することができる。
【００２２】
なお、図５を参照すると、冷却水流路３０、すなわち、冷却水入口２２ａ１、２２ｂ１は、突起部２６ａ、２６ｂを設けることにより、複数に分割されている。また、突起部２６ａ、２６ｂは、図５において左右方向にずらして形成されている。すなわち、ある突起部２６ａが冷却水流路側に突出していると、その隣では、突起部２６ｂが冷却水流路側に突出している。仮に、突起部２６ａと突起部２６ｂとが図５中、左右方向にずらされていないとすると、冷却水流路の深さは、Ｄ１ａ＋Ｄ１ｂとなり、深さＤ１ａや深さＤ１ｂよりも深くなる。このように、本実施形態では、突起部２６ａと突起部２６ｂをずらして配置することで領域Ｘ２における冷却水流路の深さの値を小さくすることができ、この結果、流路径を小さくすることができる。ここで、例えば、参照番号３０ａを付された冷却水流路は、突起部２６ａ、２６ｂがずれることによって形成されている。このため、冷却水流路３０の流路面積は、突起部２６ａ、２６ｂがずれていない場合と比較して同等である。このため、突起部２６ａ、２６ｂを設けたことによる領域Ｘ１での圧損の増加が抑制される。
【００２３】
セパレータ２２ａ、２２ｂに突起部２６ａ、２６ｂを形成するためには、プレス加工を用いることができ、例えば、他の配管にフィルタ等を設ける場合と比較しても製造工程、コスト面で有利である。また、このように、異物の侵入を抑制することができる構成とすることで、製造工程における洗浄工程を簡素化することができ、この面でも有利となる。
【００２４】
なお、本実施形態では、２種類のセパレータを備える燃料電池セル２について説明したが、セパレータの種類は、２種類に限定されない。例えば、２つの燃料電池セル毎に１つの冷却水流路を持つ場合に、３種類のセパレータが用いられることがあり、このような場合にも本実施形態と同様にセパレータを配置することができる。この場合、各セパレータは、第１のセパレータ、膜電極接合体、第３のセパレータ、膜電極接合体、第２のセパレータ、膜電極接合体、第１のセパレータ・・・の順に積層される。
【００２５】
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池スタック
２  燃料電池セル
１５ａ  マニホールド
２０  膜電極接合体
２３  電解質膜
２４ａ  アノード電極
２４ｂ  カソード電極
２２ａ  第１セパレータ
２２ｂ  第２セパレータ
２２ａ１、２２ｂ１  冷却水入口
２６ａ、２６ｂ  突起部
２７  樹脂フレーム
３０  冷却水流路
【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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