(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方面側から他方面側に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給できるように燃料ガス導入用貫通穴及び酸化剤ガス導入用貫通穴が設けられると共に、前記燃料ガス導入用貫通穴に接続される燃料ガス流路が電極面積分にわたって設けられた燃料ガス用セパレータと、前記酸化剤ガス導入用貫通穴に接続される酸化剤ガス流路が電極面積分にわたって設けられた酸化剤ガス用セパレータと、に重ねて用いられる小型燃料電池用セパレータにおいて、
燃料ガス導入用マニホールド及び酸化剤ガス導入用マニホールドが設けられると共に、該燃料ガス導入用マニホールドから前記燃料ガス用導入貫通穴まで燃料ガスを流す燃料ガス導入流路が形成されるか、又は前記酸化剤ガス導入用マニホールドから前記酸化剤ガス用導入貫通穴まで酸化剤ガスを流す酸化剤ガス導入流路が形成され、更に、前記燃料ガス導入用マニホールド及び前記酸化剤ガス導入用マニホールドを囲むようにＯリング溝が形成されていることを特徴とする小型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の小型燃料電池用セパレータにおいて、
前記Ｏリング溝は、一体形成されたＯリングがはめ込まれるように連続しており、且つ酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう前記燃料ガス導入用マニホールドと前記酸化剤ガス導入用マニホールドとの間が二重シール構造となっていることを特徴とする小型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
単電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する小型燃料電池セルスタックにおいて、
前記小型燃料電池セルスタックは小型燃料電池用セパレータを備え、
前記小型燃料電池用セパレータには燃料ガス導入用マニホールド及び酸化剤ガス導入用マニホールドが設けられるとともに、酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう前記燃料ガス導入用マニホールドと前記酸化剤ガス導入用マニホールドとの間が二重シール構造を有し、且つ一体化されたＯリングによりシールされることを特徴とする小型燃料電池セルスタック。
【請求項４】
一方面側から他方面側に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給できるように燃料ガス導入用貫通穴及び酸化剤ガス導入用貫通穴が設けられると共に、前記燃料ガス導入用貫通穴に接続される燃料ガス流路が電極面積分にわたって設けられた燃料ガス用セパレータと、前記酸化剤ガス導入用貫通穴に接続される酸化剤ガス流路が電極面積分にわたって設けられた酸化剤ガス用セパレータとの間に単電池を挟みこみ、更にこれらを請求項１又は２に記載の小型燃料電池用セパレータで挟んでなるセルを複数積層してなることを特徴とする小型燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばノートパソコンや携帯電話などに使用される小型燃料電池のセパレータ及びセルスタック等の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池はガス拡散性で、電子伝導率を有する電極を固体高分子電解質膜の両面に配した単電池と、一面に酸化剤ガス流路が設けられ、他面に燃料ガス流路が設けられたガスセパレータとを交互に複数積層してなる積層体から構成されている。
燃料電池の動作原理は、燃料極において次式のように水素を水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）に分け、水素イオン（Ｈ+）を電解質の高分子膜を通して空気極（酸化剤ガス極）に導き、電子（ｅ-）を外部回路に流すというものである。
【０００３】
Ｈ２⇒２Ｈ+＋２ｅ-
【０００４】
空気極（酸化剤ガス極）においては酸素と燃料極から導かれた水素イオン（Ｈ+）と外部回路から導かれた電子（ｅ-）とが反応して水になり、
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-⇒Ｈ2Ｏ
燃料電池全体の反応では、
Ｈ2＋１／２Ｏ2⇒Ｈ2Ｏ
となる。
【０００５】
ガスセパレータに関しては、ガス不透過処理を施したカーボンや金属板等にガス溝等を切削加工やプレス加工、サンドブラスト加工したものが使用され、また一体化したモールド成型法によるセパレータも最近になって使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の燃料電池の構造において、燃料電池の小型化を図ろうとすると、セパレータが薄くなり、またそこに形成されるガス溝が狭くなり、ガスの流路抵抗が大きくなって十分なガス流量を得ることが困難となる。また、ガスシール方法ではシートガスケット方式やＯリング構造を採用することが一般的であるが、シートガスケット方式でシールを行うべく締め付けを行うと、本来、図６（ａ）に示すようにシートガスケットが支持されるべきなのに対して、図６（ｂ）に示すように溝部分にガスケットが落ち込んでシール不良となる虞がある。なお、図６において、１、３はセパレータ、２はシートガスケット、４はセパレータに設けられたガス溝、５はシートガスケットの落ち込みにより生じた隙間を示している。また、Ｏリング構造では、マニホールド各々にＯリングをはめ込むので部品点数が増えて組み立て工数が増えてコスト高となる。このような理由から、従来の燃料電池の構造においては、その小型化が困難であったという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の小型化が容易に実現できる小型燃料電池用セパレータ及びセルスタックを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明は、電池を挟み燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を形成する小型燃料電池用セパレータにおいて、ガス導入用のマニホールドが設けられると共に、前記電池側の面には、短冊状に貫通して設けられるガス流路が電極面積分にわたって設けられ、前記電池側の面と反対面には、ガス導入用のガス溝が前記マニホールドと前記ガス流路を接続するように形成され、前記ガス流路及びガス溝を囲むようにＯリング溝が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、電池を挟み燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を形成する小型燃料電池用セパレータにおいて、セパレータの一方面側から他方面側に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給できるように貫通穴が設けられると共に、この貫通穴に接続されるガス流路が電極面積分にわたって設けられ、且つガス流路を囲むようにＯリング溝が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る小型燃料電池用セパレータは、請求項２に記載の燃料電池用セパレータの貫通穴に燃料ガス、酸化剤ガスを供給するため、前記燃料電池用セパレータに重ねて用いられる小型燃料電池用セパレータであって、ガスマニホールドが設けられると共に、そのガスマニホールドから前記貫通穴までガスを流すガス流路が形成され、更に、このガス流路を囲むようにＯリング溝が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の小型燃料電池用セパレータにおいて、前記Ｏリング溝は一体形成されたＯリングがはめ込まれるように連続しており、且つ酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう適所が二重構造となっていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、単電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する小型燃料電池セルスタックにおいて、酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう適所が二重シール構造を有し、且つ一体化されたＯリングによりシールされることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る小型燃料電池セルスタックは、請求項１または請求項２に記載の小型燃料電池用セパレータの間に単電池を挟み込み、更にこれらを請求項３に記載の小型燃料電池用セパレータで挟んでなるセルを複数積層してなることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は本発明に係る燃料電池スタックの分解斜視図、図２は酸化剤ガスセパレータを示す正面図及び裏面図、図３は燃料ガスセパレータの表面及び裏面を示す図、図４はＯリングを示す図、図５はガスの流れを示す側面図である。
【００１５】
実施の形態１における燃料電池は、単電池６０、単電池を挟む酸化剤ガスセパレータ２０、及び燃料ガスセパレータ３０、更にこれらを上下から挟むガスセパレータ１０Ａ，１０Ｂを備え、更にこれらの間に挟まれるガスシール用のＯリング５０ａ，５０ｂ，５０ｃを備えている。
【００１６】
酸化剤ガスセパレータ２０は、ガス不透過性のグラッシーカーボン（厚さ１．０ｍｍ）にて製作され、この酸化剤ガスセパレータ２０には、ボルト穴２３ａ〜２３ｄが４箇所設けられ、酸化剤ガスセパレータ２０の適所（図２（ａ）右上）には取付方向が容易に確認できるようＣカットが設けられている。またこのセパレータ２０には、酸化剤ガスマニホールド２０ａ，２０ｂ、および２１ａ，２１ｂが対向する辺の近傍に（図２上下両端）２箇所ずつ設けられている。
【００１７】
また、酸化剤ガスマニホールド２０ａ、２０ｂからは、酸化剤ガス溝２０ａ１、２０ｂ１、酸化剤ガス流路２５ａ，２５ｂ、酸化剤ガス溝２１ａ１，２１ｂ１が連続して設けられ、酸化剤ガス溝２１ａ１，２１ｂ１の端部が酸化剤ガスマニホールド２１ａ、２１ｂに接続している。酸化剤ガス流路２５ａ，２５ｂはセパレータ２０の裏面（Ｂ面）まで短冊状に貫通し、例えば電極面積分０．５ｃｍ2〜２５ｃｍ2の広さにおいて、平行に設けられている。酸化剤ガス溝２０ａ１，２０ｂ１，２１ａ１，２１ｂ１の深さは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍに形成されている。
【００１８】
また、酸化剤ガスセパレータ２０の酸化剤ガスマニホールド２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが設けられた辺と異なる二つの辺の近傍（図２（ａ）左右両端）には燃料ガスマニホールド２２ａ、２２ｂがそれぞれ形成されている。そして、ガスシール用として酸化剤ガスが流れる部分とセパレータ周縁（燃料電池外部）との間には、Ｏリング溝２４が一重に形成され、また、酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークする可能性がある箇所についてはＯリング溝２４が二重に形成されている。
【００１９】
燃料ガスセパレータ３０には、図３に示されるように、単電池６０側の面３０Ａにおいて、燃料ガスマニホールド３２ａ、３２ｂが左右上下に一箇所ずつ設けられ、セパレータ３０の右上には方向が分かるようにＣカットが設けられている。また、ガス流路分の貫通穴３４ａ，３４ｂが２〜１０個ほど設けられ、貫通穴３４ａ，３４ｂからは、例えば溝幅１．０ｍｍ、溝深さ０．１〜１．０ｍｍの燃料ガス流路３５がジグザグまたは平行状に電極面積０．５ｃｍ2〜２５ｃｍ2分にわたって形成され、上下両端に酸化剤ガスマニホールド３０ａ，３０ｂ、３１ａ，３１ｂが形成されている。またガスシールのため、酸化剤ガス、燃料ガスがクロスリークしないようにＯリング溝３５が電極、マニホールドの周りに二重に形成されている。なお、面３０Ｂは面３０Ａの裏面を示している。
【００２０】
図１に示されるガスセパレータ１０Ａ，１０Ｂには、四隅にボルト穴１３ａ〜１３ｄが設けられ、セパレータ１０Ａ，１０Ｂの一隅（右上）には方向が分かるようにＣカットが設けられている。また、酸化剤ガスマニホールド１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂが上下の辺付近に２箇所ずつ設けられると共に、燃料ガスマニホールド１２ａ，１２ｂが左右の辺近傍上下に一箇所ずつ設けられている。そして、燃料ガスが燃料ガスセパレータ３０に導入できるように燃料ガス導入流路１２ａ１、１２ｂ１が例えば溝幅１．０ｍｍ、溝深さ０．１〜１．０ｍｍ、長さ３ｍｍ〜２０ｍｍに設けられている。また、その周りにＯリングの溝１４が設けられ、燃料ガスと酸化ガス剤がクロスしないように酸化剤ガスマニホールド１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ近傍において２重にＯリング溝が設けられている。
【００２１】
図４は上述した各セパレータのＯリング溝に挿入されるＯリングを示しており、図中、１，３は酸化剤ガスマニホールド部、２，４は燃料ガスマニホールド部、５は電極部、１ａ、２ａは酸化剤ガス外部シール部、１ｂ、２ｂは酸化剤ガス内部シール部、１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃは電極部シール部、２ａ、４ａは燃料ガス外部シール部、２ｂ、４ｂは燃料ガス内部シール部を示している。図４より明らかなように、このＯリングは、酸化剤ガスと燃料ガスとがクロスリークしないようにそれらの間が二重シール構造を有し、また、全てのセパレータで共通の形のＯリングが使用できる。
【００２２】
図５は実施の形態における固体高分子型の小型燃料電池単セルにおけるガスの流れを模式的に示す図である。酸化剤ガス及び燃料ガスはそれぞれ矢印で示したようにセル内を流れる。なお、図中、６１，６２，６３はそれぞれ単電池６０のアノード電極、高分子電解質膜、カソード電極を示している。単セルは、単電池を酸化剤ガスセパレータ２０と燃料ガスセパレータ３０とで挟み、更にそれをガスセパレータ１０Ａ、１０Ｂで挟んだ構造をなし、これらを複数積層して燃料電池スタックが構成される。
【００２３】
以下に実施の形態の動作について説明する。
酸化剤ガスは外部からガスセパレータ１０Ａの酸化剤マニホールド１０ａと１０ｂに供給される。まず酸化剤マニホールド１０ａに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガスセパレータ２０の酸化剤マニホールド２０ａ、酸化剤ガス溝２０ａ１、電極面積分半分の酸化剤ガス流路２５ａ、酸化剤ガス溝２１ａ１を順次流れ酸化剤マニホールド２１aに排出され、ガスセパレータ１０Ｂの酸化剤マニホールド１１ａを流れて外部に排出される。
【００２４】
また酸化剤マニホールド１０ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガスセパレータ２０の酸化剤マニホールド２０ｂ、酸化剤ガス溝２０ｂ１、電極面積分半分の酸化剤ガス流路２５ｂ、酸化剤ガス溝２１ｂ１を順次流れ酸化剤マニホールド２１ｂに排出され、ガスセパレータ１０Ａの酸化剤マニホールド１１ｂを流れて外部に排出される。
【００２５】
なお、この流れは次のような流れでもよい。すなわち、酸化剤ガスは外部から酸化剤マニホールド１０ａに供給され、酸化剤マニホールド２０ａ、酸化剤ガス溝２０ａ１、電極面積分半分の酸化剤ガス流路２５ａ、酸化剤ガス溝２１ａ１を順次流れて酸化剤マニホールド２１aに排出され、他のセパレータ１０Ｂの酸化剤マニホールドを流れて外部に排出される。この場合、排出されたガスを、配管などを接合して、酸化剤ガスマニホールド１１ｂに流れるようにする。さらに、酸化剤ガスは酸化剤マニホールド２１ｂから酸化剤ガス溝２１ｂ１に流れ、電極面積分半分の酸化剤ガス流路２５ｂ、酸化剤ガス溝２０ｂ１に流れ、酸化剤マニホールド２０ｂに排出されて外部に排出される方法でも良い、またその反対でも良い。
【００２６】
燃料ガスは外部からガスセパレータ１０Ｂの燃料ガスマニホールド１２ａに供給される。そして、燃料ガス導入流路１２ａ１、燃料ガスセパレーター３０の裏面から貫通した穴３４ｂに流れ、電極面積分の燃料ガス流路３５、裏面に貫通した穴３４aに流れ、ガスセパレータ１０Ａの燃料ガス導入流路１２ｂ１、燃料ガスマニホールド１２ｂを流れ外部に排出される。
【００２７】
またこの燃料ガスの流れは以下のようなものであってもよい。
すなわち、燃料ガスは外部からガスセパレータ１０Ｂの燃料ガスマニホールド１２ｂに供給された後、燃料ガス導入流路１２ｂ１、燃料ガスセパレータ３０の裏面から貫通した穴３４ａ、電極面積分の燃料ガス流路３５、裏面に貫通した穴３４ｂ、セパレーター１０Ａの燃料ガス導入流路１２ａ１を順次流れ、ガスセパレータ１０Ａの燃料ガスマニホールド１２ａを流れて外部に排出される。
【００２８】
ここで、水素を１Ｌ／ｍｉｎ、空気を３Ｌ／ｍｉｎ供給して集電板（図示しない）から８Ａの電流を取り出すとともに、セルスタックで７．５Ｖの６０Ｗ出力を取り出せた。このときの酸化剤ガス燃料ガスの圧力損失は０．００２Ｍｐａであった。
【００２９】
また、酸化剤ガス及び燃料ガス剤の差圧力を０．１ＭｐａにしてもＯリングからのガス漏れはなかった。同様に樹脂含浸をしてガス不透過処理をした等方性カーボンに溝加工をして評価したところ同様な結果となった。なお、本発明はセパレータの材料に限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、燃料電池の小型軽量化が容易に実現できる小型燃料電池セパレータ、小型燃料セルスタック、小型燃料電池スタックを得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】酸化剤ガスセパレータを示す正面図及び裏面図である。
【図３】燃料ガスセパレータの表面及び裏面を示す図である。
【図４】Ｏリングを示す図である。
【図５】ガスの流れを示す側面図である。
【図６】シートガスケットを用いた場合の問題点を示す図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ  ガスセパレータの表、裏
１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ  酸化剤ガスマニホールド
１２ａ，１２ｂ  燃料ガスマニホールド
１２ａ１，１２ｂ１  燃料ガス導入流路
２０  酸化剤ガスセパレータ
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ  酸化剤ガスマニホールド
２０ａ１，２０ｂ１，２１ａ１，２１ｂ１  酸化剤ガス溝
２５ａ，２５ｂ  酸化剤ガス流路
３０  燃料ガスセパレータ
３４ａ，３４ｂ  貫通穴
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ  Ｏリング
【図１】
0004934243.tif 000002
【図２】
0004934243.tif 000003
【図３】
0004934243.tif 000004
【図４】
0004934243.tif 000005
【図５】
0004934243.tif 000006
【図６】
0004934243.tif 000007