(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス導入マニホールド孔、ガス排出マニホールド孔及びガス流路溝部を有し、前記ガス導入マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス導入口及び前記ガス排出マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス排出口を備えた固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータにおいて、
前記ガス導入口、前記ガス排出口の少なくとも一方のガス通流溝の少なくともガスマニホールド孔側の幅が広がっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータ。
【請求項２】
ガス導入マニホールド孔、ガス排出マニホールド孔及びガス流路溝部を有し、前記ガス導入マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス導入口及び前記ガス排出マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス排出口を備えたガスマニホールド一体型セパレータを有する固体高分子電解質型燃料電池において、
前記ガス導入口、前記ガス排出口の少なくとも一方のガス通流溝の少なくともガスマニホールド孔側の幅が広がっているガスマニホールド一体型セパレータで固体高分子電解質と電極の接合体を挟んで積層したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【０００１】
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータ及び固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
固体高分子電解質型燃料電池は、一般的に多数のセルが積層されており、該セルは、二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質膜を挟んで接合した固体高分子電解質膜と電極の接合体を、燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流路を有するセパレータで挟んだ構造をしている。
【０００５】
電極と燃料ガスまたは酸化剤ガスの反応を円滑に進め燃料電池の発電性能を高くするためには、燃料ガス及び酸化剤ガスの流体抵抗が小さい流路構造が重要である。
【０００６】
燃料極では燃料ガス中の水素が燃料極触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋  ＋４ｅ−
Ｈ＋は、電解質中を移動し酸化剤極触媒に達し空気中の酸素と反応して水となる。
４Ｈ＋  ＋４ｅ−  ＋Ｏ２  →  ２Ｈ２Ｏ
【０００７】
燃料極からのＨ＋の移動に伴い水も移動するため燃料極に供給する燃料ガスに水分を含ませて供給している。電解質が、固体高分子電解質膜の場合は、電解質の性能を維持するためにも、燃料ガスには上記の反応に必要な量以上の水分を含ませて供給し、酸化剤ガスにも水分を含ませて供給する必要がある。
【０００８】
電極反応に使用された後の燃料ガス中には水分が残っている。酸化剤ガス中には、供給時に含ませた水分のほかに電極反応で生成する水分が含まれている。これらの水分の一部は凝縮してガス流路を塞ぐおそれがある。ガス流路の一部でも水で塞がれると、ガス流路の流体抵抗が上昇し燃料電池の発電性能が低下する。
【０００９】
従来技術１として、特開平７−２１１３３２号公報には、セパレータの燃料ガス溝または酸化剤ガス溝にそれぞれのガスを導入、排出する導入溝及び排出溝において、燃料ガス溝または酸化剤ガス溝側の幅を広げたディフューザ構造にしたセパレータが開示されている。
【００１０】
従来技術２として、特開平９−３５７２６号公報には、導入溝及び排出溝にシール材が覆い被さり溝を塞ぐことを防止するため、導入溝及び排出溝を平板で覆い、トンネル構造にしたセパレータが開示されている。導入溝及び排出溝は平行溝である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１は、ガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドとガス導入溝及びガス排出溝の接続部の幅が狭く、ガスの流体抵抗が大きくなってガスの流れが円滑でない問題点がある。また、ガス排出口ではガスに含まれる水が凝縮して溝に滞留してガスの通流を阻害して、水つまり現象を引き起こし燃料電池の発電性能を低下させる問題がある。
【００１２】
また従来技術２は、シール材で溝が塞がれる問題は解決できるが、従来技術１と同様に、ガスの流体抵抗が大きい問題、水つまり現象を引き起こし燃料電池の発電性能を低下させる問題がある。
【００１３】
本発明は上記課題を解決したもので、ガスの流体抵抗を小さくでき、水つまり現象が起きない固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータ及び発電性能が高く、信頼性が高い固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、ガス導入マニホールド孔、ガス排出マニホールド孔及びガス流路溝部を有し、前記ガス導入マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス導入口及び前記ガス排出マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス排出口を備えた固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータにおいて、
前記ガス導入口、前記ガス排出口の少なくとも一方のガス通流溝の少なくともガスマニホールド孔側の幅が広がっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータである。
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
即ち、ガス通流溝とガスマニホールド孔の接続部のガスの流体抵抗を下げることができるので、ガスの流体抵抗が低いガスマニホールド一体型セパレータができる効果を有する。また、万一、ガス流路溝部でガス中の水分の一部が凝縮しても、ガス排出口のガス通流溝のガスマニホールド孔側の幅が広がっているので、ガス排出口からガスマニホールド孔への凝縮水の排出が容易にできる効果を有する。
【００１５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、ガス導入マニホールド孔、ガス排出マニホールド孔及びガス流路溝部を有し、前記ガス導入マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス導入口及び前記ガス排出マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス排出口を備えたガスマニホールド一体型セパレータを有する固体高分子電解質型燃料電池において、
前記ガス導入口、前記ガス排出口の少なくとも一方のガス通流溝の少なくともガスマニホールド孔側の幅が広がっているガスマニホールド一体型セパレータで固体高分子電解質と電極の接合体を挟んで積層したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
即ち、ガス通流溝とガスマニホールド孔の接続部のガスの流体抵抗を下げることができるので、ガスの流体抵抗が低いガスマニホールド一体型セパレータができる効果を有する。また、万一、ガス流路溝部でガス中の水分の一部が凝縮しても、ガス排出口のガス通流溝のガスマニホールド孔側の幅が広がっているので、ガス排出口からガスマニホールド孔への凝縮水の排出が容易にできる効果を有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータ１００の平面図である。中央部は、燃料ガス流路溝部９が形成されている。ガス流路溝部９は、燃料電池として組み立てたときに固体高分子電解質膜と電極の接合体の電極と接する部分である。
【００１７】
ガスマニホールド一体型セパレータ１００の一方の端部には、燃料ガス導入マニホールド孔１、冷却水導入マニホールド孔２、酸化剤ガス導入マニホールド孔３、４が設けられている。セパレータの他方の端部には、酸化剤ガス排出マニホールド孔５、６、冷却水排出マニホールド孔７及び燃料ガス排出マニホールド孔８が設けられている。
【００１８】
燃料ガス導入マニホールド孔１は、燃料ガス導入口１０を介して燃料ガス流路溝部９と連結している。燃料ガス導入口１０は、燃料ガス通流溝１１を備え、固体高分子電解質膜で塞がれるのを防止するため平板１２で覆われている。また、燃料ガス流路溝部９は、燃料ガス排出口３０を介して燃料ガス排出マニホールド孔８と連結している。燃料ガス排出口３０も燃料ガス通流溝３１を備え、固体高分子電解質膜で塞がれるのを防止するため平板３２で覆われている。
燃料ガスは、燃料ガス導入マニホールド孔１から燃料ガス導入口１０を通って燃料ガス流路溝部９に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路溝部９で当接する燃料極の電極反応に使用されて発電し、残部が燃料ガス排出口３０を通って、燃料ガス排出マニホールド孔８へ排出される。
【００１９】
本参考例の裏面には酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス流路溝部、酸化剤ガス排出口が形成されており、燃料ガス導入口、燃料ガス流路溝部、燃料ガス排出口と同じ構造になっている。
図２は、本発明の参考例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータ１００ａの燃料ガス導入口付近の詳細平面図である。図３は、図２のＡ矢視詳細図である。
【００２０】
本参考例の燃料ガス導入口１０ａは、平行溝の燃料ガス通流溝１１ａを備えている。燃料ガス導入口１０ａの幅は、燃料ガス流路溝部９の燃料ガス流路溝９ａの幅より大きくなっている。即ち、燃料ガス通流溝１１ａの断面積は、燃料ガス流路溝９ａの断面積より大きくなっている。燃料ガス排出口も同じ構造になっている。
本参考例の裏面には酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス流路溝部、酸化剤ガス排出口が形成されており、燃料ガス導入口、燃料ガス流路溝部、燃料ガス排出口と同じ構造になっている。
燃料ガス通流溝１１ａは、ガスマニホールド一体型セパレータ１００ａの燃料ガス流路の流体抵抗中で大きな部分を占めている。燃料ガス通流溝１１ａの幅を広げることにより、この部分の流体抵抗を低下させることができるので、ガスマニホールド一体型セパレータ１００ａの燃料ガス流路の流体抵抗を下げることができ、燃料電池の発電性能を高めることができる。
【００２１】
一方、本参考例の燃料ガス排出口は、燃料ガス導入口１０ａと同じガスの流体抵抗を下げる効果を有している。同時に、燃料ガス中の水分が燃料ガス流路溝９ａで凝縮しても、燃料ガス排出口のガス通流溝の幅が燃料ガス流路溝９ａの幅より広いので、燃料ガス流路溝９ａの凝縮水は燃料ガス排出口に押し出され、容易に排出される。
【００２２】
図４は、本発明の第一実施例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂの燃料ガス導入口付近の詳細平面図である。図５は、図４のＢ矢視詳細図である。
本第一実施例は、参考例に更に改良を加えたガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂである。本第一実施例の燃料ガス導入口１０ｂは、平行溝の燃料ガス通流溝１１ｂを備えている。燃料ガス通流溝１１ｂの幅は、燃料ガス流路溝部９の燃料ガス流路溝９ａの幅より大きくなっている。
燃料ガス通流溝１１ｂの燃料ガス導入マニホールド孔１側の幅は、平行部分の幅より広がっている。即ち、燃料ガス通流溝１１ｂ間に設けられた隔壁１３は、燃料ガス導入マニホールド孔１側がＶ字型になっている。燃料ガス排出口も同じ構造になっている。
【００２３】
本第一実施例も裏面に酸化剤ガス導入口、酸化剤ガス流路溝部、酸化剤ガス排出口が形成されており、燃料ガス導入口、燃料ガス流路溝部、燃料ガス排出口と同じ構造になっている。
本第一実施例の燃料ガス導入口１０ｂは燃料ガス導入マニホールド孔１側で広がっているので、燃料ガス通流溝１１ｂと燃料ガス導入マニホールド孔１の接続部のガスの流体抵抗を下げることができる。従って、本第一実施例のガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂは、参考例より更にガスの流体抵抗が小さくなっている。
また、万一、ガス流路溝部でガス中の水分の一部が凝縮しても、燃料ガス排出口は、燃料ガス排出マニホールド孔８にむかって、その幅が広がっているので、凝縮水が参考例より更に排出しやすくなっている。
【００２４】
図６は、本発明の実施例の燃料電池の外観図である。第一実施例のガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂが複数枚積層されている。ガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂ間には、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟持した電極ユニットが存在している。ガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂの両端部には、発電した電気を外側に取り出す集電板２５が設けられている。集電板２５の外側には、発電した電気が集電板２５以外に流れないようにする絶縁板２４が設けられている。
【００２５】
更に、絶縁板２４の外側には、プレッシャプレート２６ａ、２６ｂが設けられ、ガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂ、集電板２５、絶縁板２４を押さえて固定している。プレッシャプレート２６ａには、燃料ガス入口マニホールド１８、冷却水入口マニホールド１９、酸化剤ガス入口マニホールド２０、燃料ガス出口マニホールド２１、冷却水出口マニホールド２２、酸化剤ガス出口マニホールド２３が設けられている。
【００２６】
燃料ガス入口マニホールド１８は、燃料ガス導入マニホールド孔１と連結している。冷却水入口マニホールド１９は、冷却水導入マニホールド孔２と連結している。酸化剤ガス入口マニホールド２０は、酸化剤ガス導入マニホールド孔３、４と連結している。燃料ガス出口マニホールド２１は、燃料ガス排出マニホールド孔８と連結している。冷却水出口マニホールド２２は、冷却水排出マニホールド孔７と連結している。酸化剤ガス出口マニホールド２３は、酸化剤ガス排出マニホールド孔５、６と連結している。
燃料ガスは燃料ガス入口マニホールド１８から供給され、燃料ガス導入マニホールド孔１を通ってそれぞれのガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂの燃料ガス導入口１０ｂから燃料ガス流路溝部９に供給される。
【００２７】
一方、酸化剤ガスは酸化剤ガス入口マニホールド２０から供給され、酸化剤ガス導入マニホールド孔３、４を通ってそれぞれのガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂの酸化剤ガス導入口から酸化剤ガス流路溝部に供給される。それぞれのガス流路溝部に供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ燃料極、酸化剤極で電気化学反応による発電に使われる。
発電に使われなかった燃料ガスは、燃料ガス排出口から燃料ガス排出マニホールド孔８に排出され、燃料ガス出口マニホールド２１から燃料電池の外部に排出される。一方、発電に使われなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出口から酸化剤ガス排出マニホールド孔５、６に排出され、酸化剤ガス出口マニホールド２３から燃料電池の外部に排出される。
【００２８】
本実施例に使用されたガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂは、ガスの流体抵抗が小さいので、該ガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂが多数積層されている燃料電池全体のガスの流体抵抗はかなり小さくなり、該燃料電池の発電性能が向上する。
また、本実施例に使用されたガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂは、燃料ガスまたは酸化剤ガス中の水分が該ガスマニホールド一体型セパレータ１００ｂのガス流路中で凝縮して水になっても速やかにガス排出口からガス排出マニホールド孔、ガス出口マニホールドに排出されるので、水つまりのおそれがなく、信頼性の大きな燃料電池である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、ガス導入マニホールド孔、ガス排出マニホールド孔及びガス流路溝部を有し、前記ガス導入マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス導入口及び前記ガス排出マニホールド孔と前記ガス流路溝部を連結するガス排出口を備えた固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータにおいて、前記ガス導入口、前記ガス排出口の少なくとも一方のガス通流溝の少なくともガスマニホールド孔側の幅が広がっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用ガスマニホールド一体型セパレータ及び該ガスマニホールド一体型セパレータで電解質と電極の接合体を挟んで積層した固体高分子電解質型燃料電池であるので、ガス通流溝とガスマニホールド孔の接続部のガスの流体抵抗を下げることができるので、ガスの流体抵抗が低いガスマニホールド一体型セパレータができ、万一、ガス流路溝部でガス中の水分の一部が凝縮しても、ガス排出口のガス通流溝のガスマニホールド孔側の幅が広がっているので、ガス排出口からガスマニホールド孔への凝縮水の排出が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータ
【図２】  本発明の参考例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータの燃料ガス導入口付近の詳細平面図
【図３】  本発明の参考例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータの燃料ガス導入口付近の矢視詳細図
【図４】  本発明の第一実施例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータの燃料ガス導入口付近の詳細平面図
【図５】  本発明の第一実施例の固体高分子電解質型燃料電池のガスマニホールド一体型セパレータの燃料ガス導入口付近の矢視詳細図
【図６】  本発明の実施例の燃料電池の外観図
【符号の説明】
１…燃料ガス導入マニホールド孔
３、４…酸化剤ガス導入マニホールド孔
５、６…酸化剤ガス排出マニホールド孔
８…燃料ガス排出マニホールド孔
９…燃料ガス流路溝部
９ａ…燃料ガス流路溝
１０、１０ａ、１０ｂ…燃料ガス導入口
１１、１１ａ、１１ｂ、３１ …燃料ガス通流溝
３０…燃料ガス排出口
１００、１００ａ、１００ｂ…ガスマニホールド一体型セパレータ
【図１】
0004062797.tif 000002
【図２】
0004062797.tif 000003
【図３】
0004062797.tif 000004
【図４】
0004062797.tif 000005
【図５】
0004062797.tif 000006
【図６】
0004062797.tif 000007