(57)【要約】【課題】冷却性能に優れ、かつ、製造コストを従来構造のものに比して格段に低廉にできるセパレータを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池の単セル１０を構成するセパレータ７は、ともに冷却水供給用および冷却水排水用の各マニホールドを備えた２枚の面材７１，７３が無端状のスペーサ７２を介在させて一体に形成されたものであり、一方の面材７１には複数の突起７１ｂ、…が備えられていて他方の面材７３の対向面に該突起７１ｂ、…の端部が当接して冷却水の流路を形成するものであり、スペーサ７２のマニホールドに対応する箇所には他方のマニホールド側へ突出する複数の突出部７２ｂ、…が間隔を置いて設けられていて、該間隔が冷却水の供給側流路と排水側流路となるものであり、各突出部７２ｂ、…の先端が対応する突起７１ｂ、…に係合している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セル間がセパレータで画成されてスタックが形成される燃料電池において、
前記セパレータは、ともに冷却水供給用および冷却水排水用の各マニホールドを備えた２枚の面材が無端状のスペーサを介在させて一体に形成されたものであり、かつ、一方の面材には複数の突起が備えられていて他方の面材の対向面に該突起の端部が当接して冷却水の流路を形成するものであり、
前記スペーサの前記マニホールドに対応する箇所には他方のマニホールド側へ突出する突出部が間隔を置いて複数設けられていて、該間隔が冷却水の供給側流路と排水側流路となるものであり、
前記突出部の先端が対応する前記突起に係合していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記突出部の先端に切欠きが形成されており、該切欠きと前記対応する突起が係合する、請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、そのセパレータに形成される冷却水用流路の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側電極層およびカソード側電極層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、もしくは、該電極層をガス拡散層（ＧＤＬ）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス流路層およびセパレータを少なくとも備えている。なお、セパレータがガス流路層の作用をも兼ね備えたセル構造も従来一般に知られるところである。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。
【０００３】
上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。
【０００４】
ところで、各単セルを画するセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水用流路が設けられており、たとえば、蛇行流路が形成されたセパレータを具備する燃料電池が特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５３１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示の燃料電池におけるセパレータの構造、具体的には、冷却水用の蛇行流路が形成されたセパレータでは、多数の蛇行流路を形成するために製造コストが高騰するという課題を有している。家庭用の定置型燃料電池や電気自動車等の移動体用燃料電池などの普及に伴い、その増産が図られている昨今においては、燃料電池の製造コストの削減項目の一つとして、セパレータの構造の見直しによる製造コストの削減も急務の課題である。
【０００７】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池のセパレータの構造、より具体的には、セパレータに形成される冷却水用流路構造に関し、冷却性能に優れ、かつ、製造コストを従来構造のものに比して格段に低廉にできるセパレータを備えた燃料電池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】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、単セル間がセパレータで画成されてスタックが形成される燃料電池において、前記セパレータは、ともに冷却水供給用および冷却水排水用の各マニホールドを備えた２枚の面材が無端状のスペーサを介在させて一体に形成されたものであり、かつ、一方の面材には複数の突起が備えられていて他方の面材の対向面に該突起の端部が当接して冷却水の流路を形成するものであり、前記スペーサの前記マニホールドに対応する箇所には他方のマニホールド側へ突出する突出部が間隔を置いて複数設けられていて、該間隔が冷却水の供給側流路と排水側流路となるものであり、前記突出部の先端が対応する前記突起に係合していることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の燃料電池を構成するセパレータは、２枚の面材とこれらの間に介在する無端状のスペーサとからなる３層積層構造を呈しており、一方の面材に多数の突起が設けられていて他方の面材の対向面にその端部が当接することにより、該セパレータの一方端から提供された電極体を冷却するための冷却水が突起間を乱流状に流れ、該セパレータの他方端から排水されるものである。すなわち、このセパレータでは、従来の蛇行流路の代わりに、多数の突起にて乱流を励起する流路を形成するものであり、蛇行流路の場合の課題を解消することができるものである。
【００１０】
上記する課題の一つは、蛇行流路の場合に、流路の入口付近の冷却水と流路の出口付近の冷却水とで、双方の温度差が大きくなり、出口に近づけば近づくほど、蛇行流路を通る過程で温められた冷却水による電極体冷却効果を発揮できなくなることである。
【００１１】
他の課題として、蛇行流路における流路箇所では、電極体にスタック形成時の圧力を作用させることができないために、電極体に面内均一な圧力を付与できていないため、面内均一な発電の障害となっていたことである。
【００１２】
さらに他の課題として、セパレータにおいて蛇行流路を形成する際に多大な手間と時間を要し、結果として製造コストが高くなっていることが挙げられる。これは、精度よく蛇行流路の幅および線形を規定するべく、この蛇行流路とセパレータを構成する面材とを別体に成形し、双方を接続（接着）するという具合に、セパレータの製造が多工程に亘らざるを得ないことに依拠する。
【００１３】
上記各課題に対し、本発明の燃料電池におけるセパレータ構造とすることにより、多数の突起がセパレータの面内に分散して配置されていることから、スタック形成時の圧力は該多数の突起を介して電極体の全面に均一に作用させることが可能となる。さらに、たとえば１本の蛇行流路を通って冷却水の温度が除々に昇温していくのに対して、多数の突起間を冷却水が乱流しながら、冷却水供給側のマニホールドから排水側のマニホールドに向って蛇行流路に比して短い流路長で流れていくことにより、排水側のマニホールド付近でも冷却水による電極体冷却効果を十分に期待することができるものである。さらには、面材の一方面にたとえばランダムに多数の突起を成形するだけであることより、それに応じた成形型を用意するだけで効率的に冷却水用流路を具備するセパレータを製造することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池におけるセパレータ構造では、スペーサのマニホールドに対応する箇所に他方のマニホールド側へ突出する突出部が間隔を置いて複数設けられていて、該間隔が冷却水の供給側流路と排水側流路となるものであり、この突出部の先端が対応する一方の面材に形成された突起に係合した構造をも呈している。
【００１５】
本発明者等によれば、仮にスペーサに形成された上記突出部が面材に形成された突起に係合していない場合、２枚の面材とその間に介在するスペーサとを熱圧着にて一体に形成する際に、突出部の先端が圧着時の圧力で左右のどちらかに偏移してしまい、隣接する突出部の先端同士がお互いに近接するように偏移した場合には、流路が遮断されるという大きな問題が生じ得ることが特定されている。
【００１６】
そこで、各突出部の先端を一方の面材に形成された対応する各突起に係合させることにより、熱圧着の際に該突出部に圧力が作用しても、突出部の係合姿勢が確保されていることにより、各突出部間の流路を精度よく形成することができる。
【００１７】
ここで、上記する各突出部の先端に切欠きを形成しておき、この切欠きを対応する突起に嵌め合いすることにより、係合を容易に、かつ、係合姿勢をより確実に確保できる実施の形態が好ましい。
【００１８】
本発明に特有の流路構造を備えたセパレータを具備する燃料電池によれば、精度よく冷却水用流路を形成することができ、電極体の冷却効果を一層高めることができ、さらには、電極体に作用する圧力の面内均一化を図ることで燃料電池の発電性能を高めることができる。したがって、かかる燃料電池は、近時その生産が拡大しており、車載される燃料電池の高性能化が叫ばれている電気自動車やハイブリッド車等に好適である。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、冷却性能に優れた冷却水用流路が精度よく形成されたセパレータを備えていることにより、電極体の冷却性能に優れ、スタック形成時の圧縮力を電極体に面内均一に作用させることができ、もって発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。さらには、従来の冷却水用蛇行流路を備えたセパレータを具備する燃料電池に比してセパレータの製造が簡易となり、したがって製造効率の向上に基づいて製造コストが廉価になることから、その量産に好適な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の燃料電池の縦断面図であり、図２は３層構造のセパレータの分解斜視図である。図３ａは３層構造のセパレータの一部をスペーサの突出部を通るラインで切断した縦断面図であり、図３ｂは３層構造のセパレータの一部をスペーサの突出部間の流路を通るラインで切断した縦断面図である。図４は３層構造のセパレータで上層の面材を省略した一部を示した斜視図である。
【００２１】
図１に示す単セル１０の構造は、イオン交換膜である電解質膜１（ＭＥＡ）と、これを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層２，２（ＧＤＬ）と、から形成される膜電極接合体３（ＭＥＧＡ）と、この膜電極接合体３を挟持する導電性多孔体であるガス流路層４，４Ａと、このガス流路層４，４Ａを挟持する３層構造のセパレータ７，７と、からなり、その周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケット５が一体に形成されている。
【００２２】
電解質膜１は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、ガス拡散層２は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材であり、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。また、ガスケット５は、膜電極接合体（ＭＥＧＡ）を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。
【００２３】
図示する実施例において、ガス流路層４，４Ａは多孔質のラスメタルからなるもので、アノード側のラスメタルの端部がカソード側に屈曲し、さらに屈曲してマニホールド６側に延びることでガスケット５の補強材４１となっている。ガス流路層４Ａが比較的硬質のラスメタルから形成されることにより、かかる補強材としての兼用が可能となっている。
【００２４】
ガスケット５とその補強材４１には、図示する冷却水供給用および排水用のマニホールド６，６のほかにも、水素ガス、酸素ガス（または空気）を供給するための孔（マニホールド）と、反応後のガスを排気するための孔（マニホールド）がそれぞれに対応する基数だけ穿孔されており、実際の燃料電池では、単セルが発電能力に応じた基数だけ積層され、対応する孔が積層方向に繋がることで、冷却水供給用および排水用のマニホールド６とガス供給用もしくは排気用の不図示のマニホールドが形成される。
【００２５】
実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて単セル１０が所定段積層されて燃料電池スタックが形成されるものである。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。
【００２６】
電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００２７】
３層構造のセパレータ７の分解斜視図を図２に示している。このセパレータ７は、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材７３と、これに対向するＭＥＧＡ側の面材７１と、これら面材７１，７３間に介層され、面材７１，７３の外周輪郭に沿う枠状（無端状）に形成された樹脂素材のスペーサ７２と、から構成されている。なお、図示例では、面材７１，７３とスペーサ７２にはガス供給用および排気用の貫通孔の図示を省略している。
【００２８】
面材７１，７３とスペーサ７２の対応する各端部位置には、冷却水供給用および排水用の貫通孔７１ａ，７３ａ，７２ａが形成されており、３層構造に一体とされた際に、単セルのマニホールド６が形成されるようになっている。
【００２９】
また、面材７１における面材７３に対向する側面には、多数の突起７１ｂ、…が備えてあり、この突起７１ｂがスペーサ７２の厚み分の高さを有していることにより、３層構造となった際に、突起７１ｂの先端が面材７３の側面と当接される。
【００３０】
一方、スペーサ７２のうち、冷却水供給用および排水用の各貫通孔７２ａ，７２ａの近傍には、該貫通孔７２ａの長手方向に間隔を置いて、他方の貫通孔７２ａ側に延びる複数の突出部７２ｂ、…が備えてある。
【００３１】
面材７１，７３とスペーサ７２とは熱圧着にて一体にされるが、面材７１とスペーサ７２とは、図４で示すように、突出部７２ｂの先端に形成された切欠き７２ｂ１と、該突出部７２ｂに対応する突起７１ｂとが嵌め合いされることにより、上記熱圧着時の押圧力が突出部７２ｂに作用した場合でも、突出部７２ｂは図示する位置決め姿勢を確保することができ、突出部７２ｂ、７２ｂ間の冷却水用流路を精度よく形成することができる。なお、仮に図示のごとく、突出部７２ｂと突起７１ｂとが係合していない場合には、たとえば隣接する突出部７２ｂ、７２ｂ双方の先端が近接するように偏移することもあり、この領域では冷却水用流路が確保できないこととなる。なお、図示のごとく突出部７２ｂの先端に切欠き７２ｂ１が形成される実施例のほかにも、この切欠きを具備しない突出部の先端が対応する突起と直接係合する形態など、係合形態は図示例に限定されるものではない。
【００３２】
図３は、３層構造の縦断面図を示しており、図３ａは突出部７２ｂがある領域で切った断面図を、図３ｂは突出部７２ｂ、７２ｂ間の冷却水用流路で切った断面図をそれぞれ示している。
【００３３】
スペーサ７２では、マニホールド６を流れる冷却水を面材７１，７３間に流すとともに、さらに隣接する単セルへも提供する必要がある。したがって、図３ａで示すごとく、突出部７２ｂの厚みはスペーサ端部の厚みと同じ厚みに成形されることで所望数の冷却水用流路が形成され、図３ｂで示すごとく、冷却水用流路に沿う断面では、流路を形成するべくスペーサ７２の一部の厚みが薄く成形されていて、マニホールド６に流れてきた（Ｙ方向）冷却水は、スペーサ７１，７３間に提供されるとともに（Ｙ１方向）、隣接する単セルへも提供される（Ｙ２方向）。
【００３４】
面材７１，７３間に提供された冷却水は、図４で示すように多数の突起７１ｂ、…間を他方のマニホールド側に向って乱流状に流れ、隣接する電極体（ＭＥＧＡとガス流路層）を効果的に冷却することができる。
【００３５】
図示する流路構造とすることにより、多数の突起７１ｂ、…がセパレータ７の面内に分散して配置されていることより、スタック形成時の圧力を該多数の突起７１ｂ、…を介して電極体の全面に均一に作用させることが可能となり、面内均一な発電に寄与することができる。さらに、たとえば１本の蛇行流路を通って冷却水の温度が除々に昇温していく従来構造のセパレータに対して、多数の突起７１ｂ、…間を冷却水が乱流しながら、冷却水供給側のマニホールドから排水側のマニホールドに向って蛇行流路に比して短い流路長で流れていくこととにより、排水側のマニホールド付近でも冷却水による電極体冷却効果を十分に期待することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池の縦断面図である。
【図２】３層構造のセパレータの分解斜視図である。
【図３】（ａ）は３層構造のセパレータの一部をスペーサの突出部を通るラインで切断した縦断面図であり、（ｂ）は３層構造のセパレータの一部をスペーサの突出部間の流路を通るラインで切断した縦断面図である。
【図４】３層構造のセパレータで上層の面材を省略した一部を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…電解質膜（ＭＥＡ）、２…ガス拡散層（ＧＤＬ）、３…膜電極接合体（ＭＥＧＡ）、４，４Ａ…ガス流路層（ラスメタル）、４１…補強体、５…ガスケット、５１…無端状リブ、６…マニホールド、７…セパレータ、７１…面材、７１ａ…貫通孔、７１ｂ…突起、７２…スペーサ、７２ａ…貫通孔、７２ｂ…突出部、７２ｂ１…切欠き、７３…面材、７３ａ…貫通孔、１０…単セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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