(57)【要約】【課題】スタック構造の燃料電池の軽量化および小型化を可能とし、安定なスタック構造の維持を可能とする。【解決手段】２つのセパレータプレートのうちの少なくとも一方は、薄板状の基部と、基部内に配列され、ガス流路部側に凹んだ形状を有する複数のディンプル部と、を備える。基部とガス流路部との間に存在する空隙には、基部とガス流路部とに接するように導電性部材が内挿されている。【選択図】図１
2009283137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面上に形成された２つの触媒電極と、
前記２つの触媒電極上にそれぞれ配置された２つのガス流路部と、
前記２つのガス流路部上にそれぞれ配置された２つのセパレータプレートと、を備え、
前記２つのセパレータプレートのうちの少なくとも一方は、
薄板状の基部と、
前記基部内に配列され、前記ガス流路部側に凹んだ形状を有する複数のディンプル部と、を備え、
前記基部と前記ガス流路部との間に存在する空隙には、前記基部と前記ガス流路部とに接するように導電性部材が内挿されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のセパレータプレートは、各ディンプル部の間の基部に、前記ガス流路部とは反対の側に凹んだ形状を有する複数の流路空間部を備え、
前記導電性部材は、前記流路空間部と前記ガス流路部との間に存在する空隙に、前記基部と前記ガス流路部とに接するように内挿されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
前記導電性部材は、前記複数のディンプル部により得られる前記セパレータプレートの弾性係数よりも小さな弾性係数を有する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記導電性部材は、燃料電池に含まれる水の量に応じた吸水性および放水性を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電単位としての単セルを複数積層したスタック構造で用いられるのが一般的である。スタック構造の燃料電池では、スタックの一方の端部や両方の端部に、あるは、スタック内の１または複数の箇所に、締結用の弾性部材を設けて各単セルを締結し、各単セルをそれぞれ安定に接触させて保持することにより、安定なスタック構造を実現している（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４９２２１号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９２８３号公報
【特許文献３】特開２００６−１９０６２６号公報
【特許文献４】特開２００２−３６７６６５号公報
【特許文献５】特開平１１−２０４１１８号公報
【特許文献６】特開２００６−０７９９８２号公報
【特許文献７】特開２００４−１５８４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術のスタック構造では、燃料電池の軽量化および小型化の点で不十分であり、また、安定なスタック構造の維持の点で不十分である。
【０００５】
本発明は、スタック構造の燃料電池の軽量化および小型化を可能とし、安定なスタック構造の維持を可能とする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面上に形成された２つの触媒電極と、
前記２つの触媒電極上にそれぞれ配置された２つのガス流路部と、
前記２つのガス流路部上にそれぞれ配置された２つのセパレータプレートと、を備え、
前記２つのセパレータプレートのうちの少なくとも一方は、
薄板状の基部と、
前記基部内に配列され、前記ガス流路部側に凹んだ形状を有する複数のディンプル部と、を備え、
前記基部と前記ガス流路部との間に存在する空隙には、前記基部と前記ガス流路部とに接するように導電性部材が内挿されている
ことを特徴とする燃料電池。
適用例１の燃料電池によれば、スタック構造の燃料電池の軽量化および小型化を可能とし、安定なスタック構造の維持を可能とする。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記少なくとも一方のセパレータプレートは、各ディンプル部の間の基部に、前記ガス流路部とは反対の側に凹んだ形状を有する複数の流路空間部を備え、
前記導電性部材は、前記流路空間部と前記ガス流路部との間に存在する空隙に、前記基部と前記ガス流路部とに接するように内挿されている
ことを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、導電性部材を、前記基部と前記ガス流路部とに接するように容易に内挿することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の燃料電池であって、
前記導電性部材は、前記複数のディンプル部により得られる前記セパレータプレートの弾性係数よりも小さな弾性係数を有する
ことを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、導電性部材による基部とガス流路部との接触性を高めることができ、セパレータプレートとガス流路部との間の電気抵抗値を低減することが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記導電性部材は、燃料電池に含まれる水の量に応じた吸水性および放水性を有することを特徴とする燃料電池。
この燃料電池によれば、余分な水を吸水して保水しておくことが可能であり、保水していた水を放水することにより電解質膜および触媒電極の乾燥を抑制することが可能となる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池やスタック構造を有する燃料電池などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
【００１３】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池を構成する発電モジュール１００の概略構成を示す断面模式図である。燃料電池は、複数の発電モジュール１００を複数積層したスタック構造を有する。発電モジュール１００は、発電体１０と、発電体１０を挟持する２つのガス流路部２０，３０と、発電体１０および２つのガス流路部２０，３０を挟持する２つのセパレータ４０，５０と、を備える。
【００１４】
発電体１０は、電解質膜１２と、電解質膜１２の各々の面上に形成された触媒電極であるアノード１４およびカソード１６と、を備える。
【００１５】
電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質材料により形成される。固体高分子電解質材料としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂（例えば、ナフィオン、デュポン社製）を用いることができる。
【００１６】
アノード１４およびカソード１６は、発電反応を促進するための触媒として、例えば、白金、あるいは、白金合金を備えている。より具体的には、アノード１４およびカソード１６は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜１２を構成する高分子電解質と同様の高分子電解質と、を備える。
【００１７】
アノード側のガス流路部２０は、アノード１４の外側に配置されたガス拡散層２２およびガス拡散層２２の外側に配置されたガス流路形成部２４を備えている。ガス流路形成部２４は、ステンレス鋼やチタン，チタン合金等の発泡金属や金属メッシュ，エキスパンドメタルなど、内部に多数の細孔を備えた金属の多孔体からなる。このガス流路形成部２４は、ガス拡散層２２を介してアノード１４に燃料ガス（水素）を供給する流路として機能する。また、ガス拡散層２２は、カーボン性の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。こうした材料からなるガス拡散層２２は、ガス流路形成部２４を介して供給された燃料ガスをその厚み方向に拡散して、対応する触媒電極であるアノード１４の全面に燃料ガスを供給する。
【００１８】
カソード側のガス流路部３０は、アノード側のガス流路部２０と同様に、カソード１６の外側に配置されたガス拡散層３２およびガス拡散層３２の外側に配置されたガス流路形成部３４を備えている。このガス流路形成部３４は、ガス流路形成部２４と同様に、ガス拡散層３２を介してカソード１６に酸化ガス（酸素）を供給する流路として機能する。また、ガス拡散層３２は、ガス流路形成部３４を介して供給された酸化ガスをその厚み方向に拡散して、対応する触媒電極であるカソード１６の全面に酸化ガスを供給する。
【００１９】
２つのセパレータ４０，５０は、ガス不透過性の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、ステンレス鋼によって形成されている。これら２つのセパレータ４０，５０は、以下で説明するようにその構造に特徴を有する。
【００２０】
図２は、セパレータ４０の構成を示す概略斜視図である。セパレータ４０には、薄板状の基部４４内にガス流路部２０側に凹んだ形状を有する複数のディンプル部４２が格子状に設けられている。また、セパレータ４０には、各ディンプル部４２の間の基部にディンプル部の凹み方向とは反対側に凹んだ複数の流路空間部４６が設けられている。
【００２１】
なお、図示および説明は省略するが、セパレータ５０もセパレータ４０と同様の構成を有している。
【００２２】
セパレータ４０，５０は、それぞれに設けられている複数のディンプル部４２，５２により弾性体として機能し、スタックされた複数の発電モジュールをスタック方向で締結した際に、各発電モジュールを安定に保持させることが可能となる。
【００２３】
セパレータ４０の流路空間部４６とガス流路部２０との間の空隙には、図１に示すように、流路空間部４６およびガス流路部２０に接するように導電性部材４８が内挿されている。この導電性部材４８としては、高分子電解質のような超吸水性樹脂に、カーボン粉末や金属粉末等を混合してシート化した部材や、超吸水性樹脂と、カーボン粉末や金属粉末等と、シリコンゴムとを混合してシート化した部材などが用いられる。なお、この導電性部材４８の弾性係数は、弾性体としてのセパレータの弾性係数よりも小さい。
【００２４】
ここで、セパレータ４０とガス流路部２０とが直接接するのは、ディンプル部４２の底部のみであるため、セパレータ４０とガス流路部２０との間の電気抵抗値は、平板状のセパレータの全面でガス流路部２０と接する場合に比べて高くなってしまう。しかしながら、本実施例の場合には、導電性部材４８が流路空間部４６とガス流路部２０とに接するように内挿されているので、セパレータ４０とガス流路部２０との間の電気抵抗値を低減することが可能である。また、導電性部材４８は高分子電解質のような超吸水性樹脂を含んでいるので、電解質膜１２、アノード１４、および、ガス流路部２０に余分な水が存在する場合には、超吸水性樹脂がこれを吸収して保持し、水が不足して電解質膜１２のプロトン伝導性が低下するような場合には、超吸水性樹脂がこれを放出して安定な湿潤状態を保持するようにすることが可能となる。
【００２５】
同様に、セパレータ５０の流路空間部５６とガス流路部３０との間の空隙にも、図１に示すように、流路空間部５６およびガス流路部３０に接するように、導電性部材４８と同じ導電性部材５８が内挿されている。これにより、セパレータ５０とガス流路部３０との間の電気抵抗値を低減することが可能である。また、導電性部材５８も、導電性部材４８と同様に高分子電解質のような超吸水性樹脂を含んでいるので、電解質膜１２、カソード１６、および、ガス流路部３０に余分な水が存在する場合には、超吸水性樹脂がこれを吸収して保持し、水が不足して電解質膜１２のプロトン伝導性が低下するような場合には、超吸水性樹脂がこれを放出して安定な湿潤状態を保持するようにすることが可能となる。
【００２６】
Ｂ．第２実施例：
図３は、第２実施例としての燃料電池を構成する発電モジュール１００Ａの概略構成を示す断面模式図である。第２実施例の発電モジュール１００Ａは、第１実施例の発電モジュール１００のセパレータ４０，５０をセパレータ４０Ａ，５０Ａに置き換えるとともに、これに応じて、導電性部材４８，５８の内挿状態が異なっている点を除いて、第１実施例の発電モジュール１００と同じである。
【００２７】
第２実施例のセパレータ４０Ａ，５０Ａは、第１実施例のセパレータ４０，５０において、基部４４，５４に設けられていた流路空間部４６，５８が設けられていないセパレータである。
【００２８】
本実施例の１００Ａにおいても、複数のディンプル部４２，５２により弾性体として機能するセパレータ４０Ａ，５０Ａにより、スタックされた複数の発電モジュールをスタック方向で締結した際に、各発電モジュールの安定な保持が可能となる。
【００２９】
また、セパレータ４０Ａとガス流路部２０との間の空隙に内挿された導電性部材４８により、セパレータ４０Ａとガス流路部２０との間の電気抵抗値を低減することが可能である。同様に、セパレータ５０Ａとガス流路部３０との間の空隙に内挿された導電性部材５８により、セパレータ５０Ａとガス流路部３０との間の電気抵抗値を低減することが可能である。また、導電性部材４８は高分子電解質のような超吸水性樹脂を含んでいるので、電解質膜１２、アノード１４、および、ガス流路部２０に余分な水が存在する場合には、超吸水性樹脂がこれを吸収して保持し、水が不足して電解質膜１２のプロトン伝導性が低下するような場合には、超吸水性樹脂がこれを放出して安定な湿潤状態を保持するようにすることが可能となる。同様に、導電性部材５８も高分子電解質のような超吸水性樹脂を含んでいるので、電解質膜１２、カソード１６、および、ガス流路部３０に余分な水が存在する場合には、超吸水性樹脂がこれを吸収して保持し、水が不足して電解質膜１２のプロトン伝導性が低下するような場合には、超吸水性樹脂がこれを放出して安定な湿潤状態を保持するようにすることが可能となる。
【００３０】
Ｃ．第３実施例：
図４は、第３実施例としての燃料電池を構成する発電モジュール１００Ｂの概略構成を示す断面模式図である。第３実施例の発電モジュール１００Ｂは、第１実施例の発電モジュール１００のセパレータ５０をセパレータ５０Ｂに置き換えるとともに、これに応じて導電性部材５８が省略されている点を除いて、第１実施例の発電モジュール１００と同じである。
【００３１】
第３実施例のセパレータ５０Ｂは、平板状のセパレータであり、ガス流路部３０の全面で接する構造を有している。
【００３２】
本実施例の１００Ａにおいても、複数のディンプル部４２により弾性体として機能するセパレータ４０により、スタックされた複数の発電モジュールをスタック方向で締結した際に、各発電モジュールの安定な保持が可能である。
【００３３】
また、セパレータ４０の流路空間部４６とガス流路部２０との間の空隙に内挿された導電性部材４８により、セパレータ４０とガス流路部２０との間の電気抵抗値を低減することが可能である。また、導電性部材４８は高分子電解質のような超吸水性樹脂を含んでいるので、電解質膜１２、アノード１４、および、ガス流路部２０に余分な水が存在する場合には、超吸水性樹脂がこれを吸収して保持し、水が不足して電解質膜１２のプロトン伝導性が低下するような場合には、超吸水性樹脂がこれを放出して安定な湿潤状態を保持するようにすることが可能となる。
【００３４】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３５】
（１）変形例１
上記実施例では、導電性部材４８，５８の弾性係数は、セパレータとガス流路部との接触性を高めるために、弾性体としてのセパレータ４０，５０の弾性係数よりも小さい場合を例として説明しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、セパレータ４０，５０の弾性係数の大きさ以上としてもよい。また、上記実施例の導電性部材は、超吸水性樹脂を含み吸水性を有する場合を例に説明しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、吸水性を有していなくてもよい。すなわち、導電性部材４８，５８は、少なくとも導電性を有していればよい。
【００３６】
（２）変形例２
上記実施例の弾性体としてのセパレータ４０は、複数のディンプル部４２が格子状に配列された場合を例に説明している、これに限定されるものではなく、複数のディンプル部４２が千鳥状に配列されていてもよい。すなわち、複数のディンプル部４２は基板上に複数配列されていればその配列パターンに特に限定はない。
【００３７】
（３）変形例３
上記第３実施例は、第１実施例の発電モジュール１００のカソード側のセパレータ５０を平板状のセパレータ５０Ａとした場合を例に説明したが、アノード側のセパレータ４０を平板状のセパレータとしてもよい。この場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、第３実施例は、第１実施例の発電モジュール１００のセパレータ４０，５０の一方を平板状のセパレータに置き換える場合を例に説明したが、第２実施例の発電モジュール１００Ａのセパレータ４０Ａ，５０Ａの一方を平板状のセパレータに置き換えるようにしてもよい。この場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
（４）変形例４
上記実施例では、ガス流路部がガス拡散層とガス流路形成部とで構成される場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ガス拡散層およびガス流路形成部のいずれか一方を備えないガス流路部であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池を構成する発電モジュール１００の概略構成を示す断面模式図である。
【図２】セパレータ４０の構成を示す概略斜視図である。
【図３】第２実施例としての燃料電池を構成する発電モジュール１００Ａの概略構成を示す断面模式図である。
【図４】第３実施例としての燃料電池を構成する発電モジュール１００Ｂの概略構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…発電体
１２…電解質膜
１４…アノード
１６…カソード
２０…ガス流路部
２２…ガス拡散層
２４…ガス流路形成部
３０…ガス流路部
３２…ガス拡散層
３４…ガス流路形成部
４０…セパレータ
４０…セパレータ
４０Ａ…セパレータ
４２…ディンプル部
４４…基部
４６…流路空間部
４８…導電性部材
５０…セパレータ
５０Ａ…セパレータ
５０Ｂ…セパレータ
５２…ディンプル部
５４…基部
５６…流路空間部
５８…導電性部材
１００…発電モジュール
１００Ａ…発電モジュール
１００Ｂ…発電モジュール
【図１】
2009283137.tif 000003
【図２】
2009283137.tif 000004
【図３】
2009283137.tif 000005
【図４】
2009283137.tif 000006