(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電池と、
前記単位電池間にそれぞれ配置された複数個のセパレータとを具備し、
前記セパレータは、電極に対面して所定の接触幅で接触する複数個並設された接触突部と、隣設し合う前記接触突部の間を通路幅とすると共に流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口に向けて案内する複数個の流体通路とをもつ燃料電池において、
前記セパレータは、前記流体出口に近い側の前記接触突部の接触幅が前記流体入口に近い側の前記接触突部の接触幅よりも小さく設定されている領域を備え、 前記領域において、前記流体出口に近い側の前記流体通路の通路幅は、前記流体入口に近い側の前記流体通路の通路幅よりも小さくされていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電池間に配置され、該電極に対面して所定の接触幅で接触する複数個の接触突部と、隣設し合う前記接触突部の間を通路幅とすると共に流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口に向けて案内する複数個の流体通路とをもつ燃料電池用セパレータにおいて、
前記流体出口に近い側の前記接触突部の接触幅が前記流体入口に近い側の前記接触突部の接触幅よりも小さく設定されている領域を備え、
前記領域において、前記流体出口に近い側の前記流体通路の通路幅は、前記流体入口に近い側の前記流体通路の通路幅よりも小さくされていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項２において、前記流体入口よりも前記流体出口に近い側の前記接触突部は、断面で円弧状に形成されており、点接触状態で前記電極に接触することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池及びセパレータに関し、活物質含有流体が通過する流体通路を備えた燃料電池及びセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料で発電する燃料電池が提供されている。この燃料電池は、電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電池と、単位電池間に配置され各単位電池を仕切る複数個のセパレータとを備えている。セパレータには、流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口に向けて案内する流体通路が形成されているのが一般的である。
【０００３】
ところで、特開平５−２５１０９７号公報には、活物質含有流体が通過する流体通路を複数本並走するとともに、流体入口に近い側の流体通路の通路幅を、流体出口に近い側よりも大きくした燃料電池が開示されている。上記公報によれば、重力による水滴の落下を期待したものであるとされている。
また特開平１０−１０６５９４号公報には、活物質を含む流体が通過する溝状の流体通路を複数本並走して構成した流体通路群を、流体入口と流体出口との間の中間位置に設けたセパレータが開示されている。この公報技術によれば、流体通路のそれぞれの通路幅は、全長にわたり同一とされている。
【０００４】
上記した燃料電池においては、図９に例示するように、セパレータ２００に形成された接触突部２１０が電極１００に対面して所定の接触幅で電極１００に接触している。このセパレータ２００においては、隣設し合う接触突部２１０の間を通路幅とする流体通路２３０を形成している。従って、流体入口から供給された活物質含有流体は、流体通路２３０に沿って流体出口に向けて案内される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータ２００においては、前述したように、接触突部２１０が電極１００に対面して所定の接触幅で電極１００に接触している。電極１００のうち接触突部２１０に接触している部分は、流体通路２３０に直接に対面していないため、電極１００の内部への活物質の分散が制約される。即ち、電極１００と接触突部２１０とが接触している部分は、拡散制約部分ＰＭを構成する。
【０００６】
また燃料電池の流体通路２３０では、上流から下流に向かうにつれて、つまり、流体入口から流体出口に向かうにつれて、活物質が消費される。そのため、流体通路の下流側つまり流体出口に近い側では、活物質含有流体の活物質濃度が低下する傾向がある。
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、流体通路の下流側つまり流体出口に近い側において、活物質含有流体の活物質が電極の内部に分散して拡散する拡散性の向上に貢献するのに有利な燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することを課題とするにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は燃料電池のセパレータについて鋭意開発を進めている。そして、流通通路の下流側、つまり流体出口に近い側の接触突部の接触幅を、流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小さく設定する構成を採用すれば、下流側における電極への内部拡散の均一化に有利となり、下流側における発電性能の向上に有利となることを着想し、本発明を完成した。
【０００８】
（１）本発明に係る燃料電池は、
電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電池と、
単位電池間にそれぞれ配置された複数個のセパレータとを具備し、
セパレータは、電極に対面して所定の接触幅で接触する複数個の接触突部と、隣設し合う接触突部の間を通路幅とすると共に流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口に向けて案内する複数個の流体通路とをもつ燃料電池において、
セパレータは、流体出口に近い側の接触突部の接触幅が流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小さく設定されている領域を備え、前記領域において、流体出口に近い側の流体通路の通路幅は、流体入口に近い側の流体通路の通路幅よりも小さくされていることを特徴とするものである。
【０００９】
（２）本発明に係る燃料電池用セパレータは、
電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電池間に配置され、電極に対面して所定の接触幅で接触する複数個の接触突部と、隣設し合う接触突部の間を通路幅とすると共に流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口に向けて案内する複数個の流体通路とをもつ燃料電池用セパレータにおいて、
流体出口に近い側の接触突部の接触幅が流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小さく設定されている領域を備え、前記領域において、流体出口に近い側の流体通路の通路幅は、流体入口に近い側の流体通路の通路幅よりも小さくされていることを特徴とするものである。
【００１０】
（３）本発明に係るセパレータにおいては、流体出口に近い側の接触突部の接触幅が流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小さく設定されている領域が形成されている。そのため、流体通路の下流側つまり流体出口に近い側においては、セパレータの接触突部が電極に接触する割合が小さくなり、１個当たりの拡散制約部分の面積が小さくなる。故に流体通路の下流側つまり流体出口に近い側において、電極の内部への活物質の均一拡散性の向上に有利となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る好ましい形態として、電極に接触する接触突部は、上流から下流にかけて長くのびる形態にできる。この場合には、流体通路は溝状に長くのびる形態となる。また電極に接触する接触突部は、図７，図８に例示するように、格子溝を構成するように縦横に分散した形態にすることもできる。
【００１２】
本発明によれば、流体出口に近い側の流体通路の通路幅を、流体入口に近い側の流体通路の通路幅よりも小さくする。この場合には、セパレータの単位面積あたりにおいて、接触突部の数を増加するのに有利となり、従って各接触突部が電極に接触する接触面積を小さくできる。よって接触突部で形成される拡散制約部分の１個当たりの面積も小さくでき、電極への均一拡散性の向上に有利となる。
【００１３】
【実施例】
図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は燃料電池の要部の分解図を模式的に示す。本実施例においては、図１に示すように、プロトン透過性をもつ固体電解質膜１０を挟む正極１１および負極１２をもつ複数個の単位電池１が並設されている。
【００１４】
隣設する単位電池１間にはセパレータ３が設けられている。図１は要部を示すものであるため、単位電池１、セパレータ３の数が少ないが、実際は多数積層されるものである。
単位電池１の負極１２には、負極活物質である水素を含む水素含有流体である燃料ガスが供給される。単位電池１の正極１１には、正極活物質である酸素を含む酸素含有流体である空気が供給される。
【００１５】
セパレータ３は、正極活物質を含む空気が流れる空気通路群７と、負極活物質を含む燃料ガスが流れる燃料ガス通路群６とを仕切る機能をもつものである。セパレータ３は、発電された電荷を集める集電体を兼ねている。
セパレータ３は、導電材料である金属、例えばアルミ合金、炭素鋼またはステンレス鋼の平らな板材を用い、板材をプレス成形型でプレス成形することにより、一方の表面に接触突部６５を形成すると共に、他方の表面に接触突部７５を形成している。要部の分解図である図１から理解できるように、接触突部６５は負極１２に接触する。接触突部７５は正極１１に接触する。
【００１６】
更に図１に示すように、セパレータ３の縁部には、シール突起５１をもつ枠状のシール部５０、枠状のシール部５２が設けられている。これによりシール性が確保されている。シール部５０，５２はゴムまたは樹脂などで形成されている。
図２はセパレータ３の縦断面を示す。
図２に示すように、セパレータ３の一方の表面側において接触突部６５により形成された溝状部分は、前記した燃料ガス通路群６とされている。またセパレータ３の他方の表面側において接触突部７５により形成された溝状部分は、前記した空気通路群７とされている。
【００１７】
図３はセパレータ３の一方の表面を示す。図４はセパレータ３の他方の表面を示す。図３、図４に示すように、セパレータ３は、上辺部３ａ、下辺部３ｂ,２つの側辺部３ｃ，３ｄをもつ四角板状をなしている。燃料電池を組み付けたとき、上辺部３ａは鉛直方向の上側となり、下辺部３ｂは鉛直方向の下側となる。セパレータ３の上部側には、流体入口として機能できる空気入口７８が形成され、セパレータ３の下部側には、流体出口として機能できる空気出口７９が形成されている。これにより空気はセパレータ３の上部側から下部側に流れるようにされている。空気入口７８及び空気出口７９は、セパレータ３のほぼ対角位置に設けられている。
【００１８】
セパレータ３の上部側には、流体入口として機能できる燃料ガス入口６８が形成されている。セパレータ３の下部側には、流体出口として機能できる燃料ガス出口６９が形成されている。燃料ガス入口６８及び燃料ガス出口６９は、セパレータ３のほぼ対角位置に設けられている。
セパレータ３の上部側には、冷却媒体入口３８が燃料ガス入口６８と空気入口７８との間に位置して形成されている。セパレータ３の下部側には、冷却媒体出口３９が燃料ガス出口６９と空気出口７９との間に位置して形成されている。
【００１９】
冷却媒体入口３８及び冷却媒体出口３９も、セパレータ３のほぼ対角位置に設けられている。
さて本実施例においては、図３から理解できるように、セパレータ３に形成されている溝状の燃料ガス通路群６は、燃料ガス入口６８から供給された燃料ガスを燃料ガス出口６９へと流すためのものであり、複数本の燃料ガス通路６ａを並走することにより構成されている（図３においては本数は図示の単純化のため、減少している）。即ち燃料ガス通路群６は、燃料ガス入口６８と燃料ガス出口６９とを連通しており、流体通路群として機能できる。
【００２０】
燃料ガス通路群６を構成する燃料ガス通路６ａのそれぞれは、深さは実質的に全長にわたり一定であるものの、図３から理解できるように、燃料ガス入口６８から燃料ガス出口６９に向かうにつれて、つまり上流から下流に向かうにつれて、通路幅が次第に段階的に小さくされている。従って燃料ガス通路群６を構成する燃料ガス通路６ａのそれぞれは、燃料ガス入口６８から燃料ガス出口６９に向かうにつれて、つまりセパレータ３において上流側から下流側に向かうにつれて、流路断面積が次第に小さくなる。
【００２１】
具体的には、図３に示すように、燃料ガス通路群６を構成する燃料ガス通路６ａのそれぞれは、燃料ガス入口６８から、図３において通路幅Ｗ１で左水平方向（矢印Ｌ１方向）に進行し、第１折り返し領域Ｎ１において通路幅Ｗ２で下方に向き、その後、上下に重なるように折り返され、図３において通路幅Ｗ３で右水平方向（矢印Ｒ１方向）に進行する。次に、第２折り返し領域Ｎ２において通路幅Ｗ４で下向きとなり、その後、上下に重なるように折り返されて、図３において通路幅Ｗ５で左水平方向（矢印Ｌ２方向）に進行し、更に第３折り返し領域Ｎ３において通路幅Ｗ６で下方に向き、その後、図３において通路幅Ｗ７で右水平方向（矢印Ｒ２方向）に進行する。更に、第４折り返し領域Ｎ４において通路幅Ｗ８で下方に向き、その後、図３において通路幅Ｗ９で左水平方向（矢印Ｌ３方向）に進行し、更に、第５折り返し領域Ｎ５において通路幅Ｗ１０で下方に向き、その後、上下に重なるように折り返されて、図３において通路幅Ｗ１１で右水平方向（矢印Ｒ３方向）に進行し、第６折り返し領域Ｎ６において通路幅Ｗ１２で下方に向き、その後、上下に重なるように折り返されて、図３において通路幅Ｗ１３で左水平方向（矢印Ｌ４方向）に進行し、燃料ガス出口６９に到達する。
【００２２】
本実施例においては次のように設定されている。
Ｗ１=Ｗ２＞Ｗ３、Ｗ３=Ｗ４＞Ｗ５、Ｗ５=Ｗ６＞Ｗ７、Ｗ７=Ｗ８＞Ｗ９、Ｗ９=Ｗ１０＞Ｗ１１、Ｗ１１=Ｗ１２＞Ｗ１３
換言すれば本実施例においては、折り返し回数が増加する毎に、燃料ガス通路６ａの通路幅は次第に小さくなるように設定されており、これにより燃料ガス通路群６の流路断面積は次第に小さくなるように設定されている。
【００２３】
図４は、セパレータ３の他方の表面に形成されている溝状の空気通路群７を示す。図４から理解できるように、溝状の空気通路群７は、空気入口７８から供給された空気を空気出口７９へと流すためのものであり、複数本の空気通路７ａを並走することにより構成されている（図４においては本数は単純化のため、減少している図示されている）。即ち空気通路群７は、空気入口７８と空気出口７９とを連通しており、流体通路群として機能できる。
【００２４】
空気通路群７を構成する空気通路７ａのそれぞれは、深さが全長にわたり実質的に一定であるものの、図４から理解できるように、空気入口７８から空気出口７９に向かうにつれて、通路幅が次第に小さくされている。従って空気通路群７を構成する空気通路７ａのそれぞれは、空気入口７８から空気出口７９に向かうにつれて、つまり下流に向かうにつれて、流路断面積が小さくなる。
【００２５】
具体的には、図４に示すように、空気通路群７は、空気入口７８から、図４において通路幅Ｘ１で右水平方向に進行し、第１折り返し領域Ｍ１において通路幅Ｘ２で下向きとなり、その後、上下に重なるように折り返されて、図４において通路幅Ｘ３で左水平方向に進行する。次に、第２折り返し領域Ｍ２において通路幅Ｘ４で下向きとなり、その後、上下に重なるように折り返されて、図４において通路幅Ｘ５で右水平方向に進行し、更に第３折り返し領域Ｍ３において通路幅Ｘ６で下向きとなり、その後、折り返されて、図４において通路幅Ｘ７で左水平方向に進行する。更に、第４折り返し領域Ｍ４において通路幅Ｘ８で下向きとなり、その後、折り返されて、図４において通路幅Ｘ９で右水平方向に進行し、更に、第５折り返し領域Ｍ５において通路幅Ｘ１０で下方に向き、その後、折り返されて、図４において通路幅Ｘ１１で左水平方向に進行し、更に、第６折り返し領域Ｍ６において通路幅Ｘ１２で下向きとなり、その後、折り返されて、図４において通路幅Ｘ１３で右水平方向に進行し、最終的に空気出口７９に到達する。
【００２６】
本実施例においては次のように設定されている。
Ｘ１=Ｘ２＞Ｘ３、Ｘ３=Ｘ４＞Ｘ５、Ｘ５=Ｘ６＞Ｘ７、Ｘ７=Ｘ８＞Ｘ９、Ｘ９=Ｘ１０＞Ｘ１１、Ｘ１１=Ｘ１２＞Ｘ１３
換言すれば本実施例においては、折り返し回数が増加する毎に、空気通路群７の空気通路７ａのそれぞれの通路幅は小さくなるように設定されており、これにより流路断面積は次第に小さくなるように設定されている。
【００２７】
本実施例においては、空気通路群７の空気通路７ａにおいて下流側に向かうにつれて通路幅が小さくなる度合としては、前記したように最上流側の通路幅をＸ１とし、最下流側の通路幅をＸ１３としたとき、Ｘ１：Ｘ１３=３：２に規定されている。ただし、これに限定されるものではない。
また本実施例においては、表裏の関係にある空気通路群７の空気通路７ａの通路幅と燃料ガス通路群６の燃料ガス通路６ａとの通路幅を比較すると、空気通路７ａの通路幅は、燃料ガス通路６ａの通路幅よりも大きくされている。空気に占める酸素の濃度と燃料ガスに占める水素濃度との差を考慮したものである。
【００２８】
例えば、空気通路７ａの最上流側の通路幅Ｘ１と、これと表裏の関係にある燃料ガス通路６ａの最上流側の通路幅Ｗ１との寸法関係は、Ｘ１：Ｗ１=７：５に規定されている。ただしこれに限定されるものではない。
さて図５及び図６は本発明の要部を示す。図５はセパレータ３の上流側、つまり空気入口７８及び燃料ガス入口６８側の拡大断面を示す。図５に示すように上流側においては空気通路７ａは大きな通路幅Ｘ１をもつ。また図５に示すように、セパレータ３の接触突部６５が負極１２に接触する接触幅はＤ１と大きい。更にセパレータ３の接触突部７５が正極１１に接触する接触幅はＤ２と大きい。
【００２９】
一方、図６はセパレータ３の下流側つまり空気出口７９及び燃料ガス出口６９側の拡大断面を示す。下流側においては空気通路７ａは小さな通路幅Ｘ１３をもつ（Ｘ１３＜Ｘ１）。また図６に示すように、セパレータ３の下流側の接触突部６５が負極１２に接触する接触幅は、Ｄ１’（Ｄ１’＜Ｄ１）とかなり小さい。更にセパレータ３の下流側の接触突部７５が正極１１に接触する接触幅は、Ｄ２’（Ｄ２’＜Ｄ２）とかなり小さい。
【００３０】
前述したようにセパレータ３の接触突部６５，７５が電極（正極１１または負極１２）に接触する接触部分は、拡散制約部分ＰＭを構成するが、本実施例においては、下流側つまり流体出口に近い側において、セパレータ３の接触突部６５，７５が電極（正極１１または負極１２）に接触する接触部分の接触幅を小さくできる。よって図６に示すように拡散制約部分ＰＭの幅を小さくできる。そのため本実施例においては、電極（正極１１、負極１２）への活物質の拡散透過の均一性の向上を図るのに有利となる利点が得られる。
【００３１】
故に下流側において活物質含有流体の活物質濃度が低下したとしても、その低下を補うのに有利となる。
更に本実施例によれば、図６に示すように、下流側では、接触突部６５，７５を断面平坦状ではなく、断面円弧状に形成されているため、断面では点接触またはこれに近い接触形態で電極に接触する。この意味においても、接触突部６５，７５が電極（正極１１または負極１２）に接触する接触部分の接触幅を小さくでき、電極への活物質の内部分散の均一性の向上に有利となる。
【００３２】
更に本実施例においては、燃料ガス通路６ａの流路断面積が燃料ガス出口６９に近づくにつれて次第に小さくなる構成が採用されている。そのため、燃料ガス通路６ａの下流側における活物質の濃度の希薄化を抑制するのに貢献できる。しかも本実施例においては燃料ガス通路６ａの１本１本について活物質濃度の希薄化を抑制できる。空気通路７ａの１本１本についても同様であり、空気通路７ａの下流側における酸素濃度の希薄化を抑制できる。
【００３３】
また本実施例においては、前述したように燃料ガス通路６ａの流路断面積が燃料ガス出口６９に近づくにつれて次第に小さくなる構成が採用されている。故に、燃料ガス通路６ａにおける下流側つまり燃料ガス出口６９に近い側の流速低下を抑制したり、流速を確保したりするのに有利となり、下流側において水が滞留することを抑制するのに有利となる。空気通路７ａについても同様であり、下流側つまり空気出口７９に近い側の流速低下を抑制したり、流速を確保したりするのに有利となる。故に、燃料ガス通路６ａにおける燃料ガス流れが空気通路７ａにおける空気流れ、水滴によって阻害されることを抑制するのに有利となる。
【００３４】
（他の実施例）
図７及び図８は他の実施例の要部を示す。図７はセパレータ３の上流側つまり燃料ガス入口６８側の要部の平面図を示す。図７に示すように上流側においては、セパレータ３の接触突部６５は実質的に四角形状とされており、縦横に分散されている。上流側の接触突部６５が負極１２に接触する接触幅は、Ｄ１０と大きい。下流側の隣設する接触突部６５により、上流側の格子溝状の燃料ガス通路６ａが形成されている。図７に示すように、上流側の燃料ガス通路６ａの通路幅は、Ｗ１０として図示されている。
【００３５】
一方、図８はセパレータ３の下流側つまり燃料ガス出口６９側の拡大断面を示す。図８に示すように下流側においても、セパレータ３の接触突部６５は実質的に四角形状とされており、縦横に分散されている。下流側の接触突部６５が負極１２に接触する接触幅は、Ｄ１０’（Ｄ１０’＜Ｄ１０）とかなり小さい。下流側の隣設する接触突部６５により、下流側の格子溝状の燃料ガス通路６ａが形成されている。図８に示すように、下流側の燃料ガス通路６ａの通路幅は、Ｗ１０’（Ｗ１０’＜Ｗ１０）として図示されている。
【００３６】
前述したようにセパレータ３の接触突部６５が電極に接触する接触部分は、拡散制約部分を構成するが、本実施例においては、下流側つまり流体出口に近い側において、セパレータ３の接触突部６５が電極に接触する接触部分の接触幅をＤ１０’（Ｄ１０’＜Ｄ１０）と小さくできるため、各拡散制約部分の大きさを小さくできる。そのため本実施例においては、前記した実施例と同様に、電極（正極１１、負極１２）への活物質の拡散透過の均一性を向上させるのに有利となる利点が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータにおいて、流体出口に近い側の接触突部の接触幅が流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小さく設定されている。そのため流体通路の下流側つまり流体出口に近い側において、活物質含有流体の活物質が電極の内部へ拡散する拡散性の向上に貢献するのに有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の要部の断面図である。
【図２】セパレータの断面図であり、図３のII-II線に沿った断面図である。
【図３】燃料ガス通路群を示すセパレータの正面図である。
【図４】空気通路群を示すセパレータの裏面図である。
【図５】セパレータの上流側の通路部分の断面図である。
【図６】セパレータの下流側の通路部分の断面図である。
【図７】他の実施例に係るセパレータの上流側の通路部分の断面図である。
【図８】他の実施例に係るセパレータの下流側の通路部分の断面図である。
【図９】従来技術に係り、セパレータの通路部分の断面図である。
【符号の説明】
図中、１は単位電池、１０は固体電解質膜、１１は正極、１２は負極、３はセパレータ、６は燃料ガス通路群、６ａは燃料ガス通路、６５は接触突部、６８は燃料ガス入口、６９は燃料ガス出口、７は空気通路群、７ａは空気通路、７５は接触突部、７８は空気入口、７９は空気出口を示す。
【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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