(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備え、
前記第１および第２セパレータは、前記アノード側電極および前記カソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２ガス流路を有するとともに、
前記第１および第２ガス流路は、前記第１および第２セパレータの一端から他端に向かって延在するそれぞれ独立した複数本の直線状溝部により構成され、
各直線状溝部は、前記第１および第２セパレータの面方向に所定の幅寸法に設定された第１および第２通路部と、
前記第１および第２セパレータの面方向に前記第１および第２通路部よりも大きな幅寸法に設定されて該第１および第２通路部に連通する第１および第２拡大部と、
を交互に有す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および第２ガス流路は、それぞれ重力方向に直交する水平方向に並列して複数本ずつ設けられており、
前記重力方向に前記第１および第２通路部と前記第１および第２拡大部とが交互に連通して設けられるとともに、
前記水平方向に隣り合う該第１および第２ガス流路は、該水平方向に沿って前記第１および第２通路部と前記第１および第２拡大部とが交互に配置されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成された燃料電池セルと、前記燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータとを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された燃料電池構造体（以下、燃料電池セルという）を、セパレータによって挟持することにより構成されており、通常、この燃料電池セルを所定数だけ積層して燃料電池セルスタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、アノード側電極およびカソード側電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するために、通常、触媒電極層に導電性を有する多孔質層、例えば、カーボンペーパがセパレータにより挟持されるとともに、前記セパレータには、均一な幅寸法に設定された１本または複数本のガス流路が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、セパレータのガス流路を流れる燃料ガスおよび酸化剤ガスが、多孔質層自体の拡散機能のみにより触媒電極層に拡散供給されている。このため、セパレータのガス流路におけるガス流量やガス圧力の変動に起因して触媒電極層へのガス拡散性が変化し易くなり、セル性能が不安定になるという問題が指摘されている。
【０００６】
さらに、ガス流路内には、凝結水分や反応によって生成された水分が、液体（水）の状態で存在することがある。この水が多孔質層に蓄積されると、燃料ガスおよび酸化剤ガスの触媒電極層への拡散性が低下してしまい、セル性能が著しく悪くなるおそれがある。そこで、多孔質層を撥水化することにより対応することが考えられるが、手間がかかるとともに、コストの高騰が惹起されるという問題がある。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、良好なガス拡散性および排水性を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータが、アノード側電極およびカソード側電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する第１および第２流路を有するとともに、この第１および第２流路が、前記第１および第２セパレータの一端から他端に向かって延在するそれぞれ独立した複数本の直線状溝部により構成され、各直線状溝部が、前記第１および第２セパレータの面方向に所定の幅寸法に設定された第１および第２通路部と、前記第１および第２セパレータの面方向に前記第１および第２通路部よりも大きな幅寸法に設定されて該第１および第２通路部に連通する第１および第２拡大部とを交互に有している。
【０００９】
このため、第１および第２流路に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、第１および第２通路部から第１および第２拡大部に導入される毎に減速されてガス圧力が増大し、ガス拡散性が有効に向上する。一方、燃料ガスおよび酸化剤ガスが第１および第２拡大部から第１および第２通路部に導入される際には、ガス流速が速くなって減圧され、第１および第２流路内の水分の排出が円滑かつ確実に行われる。
【００１０】
さらに、ガス拡散性が向上するため、第１および第２セパレータに設けられる第１および第２流路のそれぞれの間隔を大きく設定することができる。これにより、第１および第２セパレータの燃料電池セルを挟持する接触面積が増大し、各燃料電池セルの内部抵抗を低減してセル性能を良好に維持することが可能になる。
【００１１】
また、第１および第２流路が、それぞれ重力方向に交差する水平方向に複数本ずつ設けられるとともに、前記水平方向に沿って互いに隣り合う第１および第２流路は、それぞれの第１および第２通路部と第１および第２拡大部とを交互に配置している。従って、アノード側電極およびカソード側電極の反応面（発電面）全面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一かつ確実に拡散供給することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の概略縦断面説明図である。
【００１３】
燃料電池１０は、燃料電池セル１２と、この燃料電池セル１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じてこれらが複数組だけ積層されている。燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８を挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード側電極２２とを有するとともに、前記アノード側電極２０および前記カソード側電極２２には、例えば、カーボンペーパ等の多孔質層である第１および第２ガス拡散層２４、２６が配設される。
【００１４】
燃料電池セル１２の両側には、第１および第２ガスケット２８、３０が設けられ、前記第１ガスケット２８は、アノード側電極２０および第１ガス拡散層２４を収納するための大きな開口部３２を有する一方、前記第２ガスケット３０は、カソード側電極２２および第２ガス拡散層２６を収納するための大きな開口部３４を有する。燃料電池セル１２と第１および第２ガスケット２８、３０とが、第１および第２セパレータ１４、１６によって挟持される。
【００１５】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１４は、その上部側に水素等の燃料ガスを通過させるための孔部３６ａと、冷却水を通過させるための孔部３６ｂと、酸素または空気である酸化剤ガスを通過させるための孔部３６ｃとを設ける。第１セパレータ１４の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部３８ａと、冷却水を通過させるための孔部３８ｂと、酸化剤ガスを通過させるための孔部３８ｃとが設けられる。
【００１６】
アノード側電極２０に対向する第１セパレータ１４の面１４ａには、孔部３６ａ、３８ａを連通する複数本、例えば、１４本の燃料ガス流路（第１ガス流路）４０ａ〜４０ｎが形成される。燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎは、重力方向（矢印Ａ方向）に直交する水平方向（矢印Ｂ方向）にそれぞれ所定間隔Ｈずつ離間するように構成されており、前記燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎは、第１セパレータ１４の面方向に所定の幅寸法Ｓ１に設定された第１通路部４２ａ〜４２ｎと、この第１通路部４２ａ〜４２ｎよりも大きな幅寸法Ｓ２に設定されて前記第１通路部４２ａ〜４２ｎに連通する第１拡大部４４ａ〜４４ｎとを交互に有している。
【００１７】
第１通路部４２ａ〜４２ｎおよび第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、セパレータ１４の面１４ａから所定の深さに形成された溝部により構成されており、この第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、円形状に設定される。第１拡大部４４ａ〜４４ｎの直径である幅寸法Ｓ２は、第１通路部４２ａ〜４２ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内の寸法に設定されている。第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、重力方向（矢印Ａ方向）に所定間隔ずつ離間して複数個（本実施形態では、６個）ずつ設けられている。
【００１８】
水平方向（矢印Ｂ方向）に隣り合う燃料ガス流路４０ａと４０ｂ、燃料ガス流路４０ｂと４０ｃ、…燃料ガス流路４０ｍと４０ｎは、この水平方向に沿って第１拡大部４４ａと第１通路部４２ｂ、第１通路部４２ｂと第１拡大部４４ｃ、…第１拡大部４４ｍと第１通路部４２ｎが配置される。すなわち、第１拡大部４４ａ〜４４ｎは、水平方向に沿って千鳥状に配置されている。
【００１９】
図４に示すように、第２セパレータ１６は、上部側に燃料ガス用孔部４６ａと、冷却水用孔部４６ｂと、酸化剤ガス用孔部４６ｃとが設けられる。この第２セパレータ１６の下部側には、燃料ガス用孔部４８ａと、冷却水用孔部４８ｂと、酸化剤ガス用孔部４８ｃとが設けられる。カソード側電極２２に対向する第２セパレータ１６の面１６ａには、孔部４６ｃ、４８ｃを連通する酸化剤ガス流路（第２ガス流路）５０ａ〜５０ｎが形成される。
【００２０】
酸化剤ガス流路５０ａ〜５０ｎは、燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎと同様に、水平方向に並列して設けられるとともに、重力方向に第２通路部５２ａ〜５２ｎと第２拡大部５４ａ〜５４ｎとが交互に連通している。第２通路部５２ａ〜５２ｎおよび第２拡大部５４ａ〜５４ｎは、第１通路部４２ａ〜４２ｎおよび第１拡大部４４ａ〜４４ｎと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２２】
燃料電池１０内に燃料ガスとして水素が供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気（またはＯ2 ）が供給される。水素は、第１セパレータ１４の孔部３６ａから燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎに導入される。燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎに供給された水素は、第１通路部４２ａ〜４２ｎと第１拡大部４４ａ〜４４ｎに交互に導入されながら重力方向に沿って下方に移動し、第１ガス拡散層２４を通って燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。
【００２３】
この場合、第１の実施形態では、例えば、燃料ガス流路４０ａに供給された水素は、小さな幅寸法Ｓ１に設定された第１通路部４２ａと大きな幅寸法Ｓ２に設定された第１拡大部４４ａとに交互に導入されるため、前記水素が前記第１拡大部４４ａに導入される毎に減速されてガス圧力が増大する。このため、図５に示すように、第１拡大部４４ａ内の水素のガス拡散性が有効に向上し、この水素を第１ガス拡散層２４からアノード側電極２０に有効に供給することができる（図５中、矢印参照）。
【００２４】
しかも、水素は、第１拡大部４４ａから寸法縮小部である第１通路部４２ａに導入される毎に加速されてガス圧力が減少する。このため、燃料ガス流路４０ａ内に発生する凝結水分等の水が、圧力差を介して第１拡大部４４ａから第１通路部４２ａに円滑かつ確実に排出され、第１セパレータ１４の孔部３８ａから外部に導出される。これにより、第１ガス拡散層２４に水分が蓄積されることがなく、アノード側電極２０へのガス拡散性を有効に維持してセル性能を確保することが可能になるという効果が得られる。その際、第１ガス拡散層２４に水の蓄積がないため、この第１ガス拡散層２４に対して撥水化処理を施す必要がないという利点もある。
【００２５】
さらに、第１セパレータ１４では、水素のガス拡散性が有効に向上するため、この第１セパレータ１４に設けられている燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎの水平方向の離間間隔Ｈを大きく設定することができる。従って、第１セパレータ１４の面１４ａの第１ガス拡散層２４に接する面積が増大し、燃料電池セル１２の内部抵抗を一挙に低減してセル性能の向上が図られるという効果がある。
【００２６】
また、燃料ガス流路４０ａ〜４０ｎでは、第１通路部４２ａ〜４２ｎおよび第１拡大部４４ａ〜４４ｎが水平方向に沿って千鳥状に配置されている。これにより、第１セパレータ１４の面１４ａ全面から水素が有効に拡散され、アノード側電極２０の反応面全面に前記水素を均一かつ確実に供給することが可能になる。結果的に、燃料電池セル１２のセル性能の向上が図られることになる。
【００２７】
一方、図４に示すように、第２セパレータ１６の孔部４６ｃから酸化剤ガス流路５０ａ〜５０ｎに供給された空気（またはＯ2 ）は、それぞれ幅寸法の異なる第２通路部５２ａ〜５２ｎと第２拡大部５４ａ〜５４ｎに交互に導入され、第２ガス拡散層２６からカソード側電極２２に供給される。その際、空気（またはＯ2 ）は、水素と同様に、第２通路部５２ａ〜５２ｎから第２拡大部５４ａ〜５４ｎに交互に導入されてガス圧力の増減が惹起され、前記第２拡大部５４ａ〜５４ｎを介して第２ガス拡散層２６に円滑かつ確実に拡散供給される。
【００２８】
なお、図６は、第１の実施形態に係る燃料電池１０と従来の燃料電池とにおける電流密度と電圧の特性を検出した結果を示している。これにより、第１の実施形態では、従来例に比べて電流密度が高くなり、セル性能が大幅に向上するという結果が得られる。
【００２９】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
第１セパレータ８０の面８０ａには、燃料ガス流路８２ａ〜８２ｎが設けられており、この燃料ガス流路８２ａ〜８２ｎは、第１通路部８４ａ〜８４ｎと第１拡大部８６ａ〜８６ｎとを交互に重力方向に連通して有している。第１拡大部８６ａ〜８６ｎは略四角形状を有しており、面８０ａ方向の幅寸法Ｓ３が第１通路部８４ａ〜８４ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内に設定されている。
【００３１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１００の正面説明図であり、図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１２０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
図８に示すように、第１セパレータ１００の面１００ａには、燃料ガス流路１０２ａ〜１０２ｎが設けられ、この燃料ガス流路１０２ａ〜１０２ｎは、幅狭な第１通路部１０４ａ〜１０４ｎと幅広な第１拡大部１０６ａ〜１０６ｎとを重力方向に交互に連通して構成されている。第１拡大部１０６ａ〜１０６ｎは略三角形状を有しており、その幅寸法Ｓ４が第１通路部１０４ａ〜１０４ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内に設定されている。
【００３３】
図９に示すように、第１セパレータ１２０は、面１２０ａ側に燃料ガス流路１２２ａ〜１２２ｎを設けており、この燃料ガス流路１２２ａ〜１２２ｎは、幅狭な第１通路部１２４ａ〜１２４ｎと幅広な第１拡大部１２６ａ〜１２６ｎとを重力方向に交互に連通して構成されている。第１拡大部１２６ａ〜１２６ｎは略六角形状を有しており、その幅寸法Ｓ５が第１通路部１２４ａ〜１２４ｎの幅寸法Ｓ１の５倍〜１０倍の範囲内に設定されている。
【００３４】
このように、第２〜第４の実施形態では、幅狭な第１通路部８４ａ〜８４ｎ、１０４ａ〜１０４ｎ、１２４ａ〜１２４ｎと、幅広な第１拡大部８６ａ〜８６ｎ、１０６ａ〜１０６ｎおよび１２６ａ〜１２６ｎとが重力方向に交互に連通して構成されており、燃料ガスである水素は、重力方向に移動しながらそのガス圧力の増加および減少を繰り返す。従って、第１と実施形態と同様に、水素のガス拡散性が有効に向上するとともに、水分の排出が確実に遂行され、セル性能を有効に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、燃料電池セルを挟持する第１および第２セパレータに、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための第１および第２流路が形成されるとともに、この第１および第２流路は、前記第１および第２セパレータの一端から他端に向かって延在するそれぞれ独立した複数本の直線状溝部により構成され、各直線状溝部は、幅狭な第１および第２通路部と幅広な第１および第２拡大部とを交互に連通して有している。このため、第１および第２流路に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、加速および減速が行われてガス圧力が変動し、第１および第２拡大部でこのガス圧力が増大してガス拡散性が有効に向上する。さらに、第１および第２通路部に燃料ガスおよび酸化剤ガスが導入される毎にガス流速が遅くなって減圧されることにより、水分の排出が円滑かつ確実に行われる。これにより、燃料電池セルのセル性能を良好に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の概略縦断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図５】前記第１セパレータの動作説明図である。
【図６】前記燃料電池と従来例の燃料電池とにおける電圧と電流密度の特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池                  １２…燃料電池セル
１４、１６、８０、１００、１２０…セパレータ
１８…電解質膜                  ２０…アノード側電極
２２…カソード側電極            ２４、２６…ガス拡散層
２８、３０…ガスケット
４０ａ〜４０ｎ、８２ａ〜８２ｎ、１０２ａ〜１０２ｎ、１２２ａ〜１２２ｎ…燃料ガス流路
４２ａ〜４２ｎ、５２ａ〜５２ｎ、８４ａ〜８４ｎ、１０４ａ〜１０４ｎ、１２４ａ〜１２４ｎ…通路部
４４ａ〜４４ｎ、５４ａ〜５４ｎ、８６ａ〜８６ｎ、１０６ａ〜１０６ｎ、１２６ａ〜１２６ｎ…拡大部
５０ａ〜５０ｎ…酸化剤ガス流路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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