(57)【要約】【課題】  セパレータのガス流路および媒体通路の形状を変更することで、発電セルの温度分布を均一化し、燃料電池の発電効率を高める。【解決手段】  発電セルとセパレータとを積層したセルスタック構造の燃料電池において、セパレータ１１が発電セルと接合する面に反応ガスＧの流路１２を備え、発電セルと反対側の面に温度調節媒体Ｗの通路２０を備える。ガス流路１２および媒体通路２０がセパレータ１１の表裏両面に同じ密度で分布するように、ガス流路１２の並行溝１２ａと媒体通路２０の並行溝２０ａとを同じ幅とピッチで、かつセパレータ１１の断面に左右対称に現れるように形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータとを積層したセルスタック構造の燃料電池において、セパレータが発電セルと接合する面に反応ガスの流路を備えるとともに、発電セルと反対側の面に温度調節媒体の通路を備え、前記ガス流路および媒体通路がセパレータの両面に略同じ密度で分布していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流路および媒体通路が同じ幅とピッチの並行溝を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記媒体通路がガス流路の下流側よりも上流側ほど深く形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セルとセパレータを積層したセルスタック構造の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子形燃料電池は、図３に示すように、発電セル１とセパレータ５２とを積層したセルスタック構造を備えている。発電セル１は、燃料極３と酸素極４との間に電解質膜５を備え、セパレータ５２上のガス流路５６から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に伴って電力と水と熱を発生する。発電セル１の温度分布は各部発熱量の相違により不均一になりやすく、これが燃料電池の発電効率を低下させる一因となっている。
【０００３】
そこで、従来、発電セル１の温度分布を均一化するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発電セルの複数部位に熱電対等の温度センサーを設け、温度測定値に基づいて反応ガス配管系に設けたバルブを制御し、セルスタック構造体への反応ガスの流入量または排出量を調整することで、発電セルの温度分布を均一化する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００６−３０９９８４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、反応ガスの流量を調整する従来の方法によると、温度センサーや複雑な制御プログラムが必要になる。また、反応ガスの温度はセパレータ５２のガス流路５６に沿って一様には変化しないため、総ガス流量を調整したとしても、発電セル１の温度分布になおばらつきが残るという問題点があった。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構成で発電セルの温度分布を均一化して、発電効率を高めることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、発電セルとセパレータとを積層したセルスタック構造の燃料電池において、セパレータが発電セルと接合する面に反応ガスの流路を備えるとともに、発電セルと反対側の面に温度調節媒体の通路を備え、ガス流路および媒体通路がセパレータの両面に略同じ密度で分布していることを特徴とする。
【０００７】
ここで、ガス流路および媒体通路の密度を等しくするために、ガス流路および媒体通路を同じ幅とピッチの並行溝とするのが好ましい。また、ガス流路の上流側では、反応ガス中の水素や酸素の濃度が高く、発電セルの発熱量が大きくなるため、媒体通路をガス流路の下流側よりも上流側ほど深く形成し、ガス流路の上流側に比較的多量の温度調節媒体を供給できるように構成するのが好ましい。
【０００８】
なお、温度調節媒体としては、ガス状媒体（例えば空気）も使用可能であるが、発電セルの温度を早期に安定させることができる点で、液状媒体を好ましく使用できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、ガス流路および媒体通路をセパレータの両面に略同じ密度で分布させたので、反応ガスと温度調節媒体の供給量がセパレータの両面でほぼ等しくなり、発電セルの発熱量と奪熱量との収支が均衡する。従って、セパレータの通路形状を変えるだけの簡単な構成により、発電セルの温度分布を均一化させて、発電効率を高めることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃料電池に用いられるセパレータの実施例１を示し、図２はセパレータの実施例２を示す。両図において、（ａ）はガス流路の形状を示すセパレータの表面図、（ｂ）はガス流路および媒体通路の配列を示すセパレータの断面図、（ｃ）は媒体通路の形状を示すセパレータの裏面図である。なお、発電セルおよびセルスタック構造体の構成は従来と同様である（図３参照）。
【実施例１】
【００１１】
図１（ａ）に示すように、セパレータ１１は焼成カーボン等の導電性材料で四角板状に成形され、表面（発電セル１に接合する面）に反応ガスＧを流すガス流路１２が形成されている。ガス流路１２の入口１３および出口１４は、それぞれ、連通溝１５（図１ｃ参照）を介して、セパレータ１１のコーナ部に形成されたガス供給穴１６とガス排出穴１７とに接続されている。そして、反応ガスＧである燃料ガスまたは酸化剤ガスがガス流路１２の各部から発電セル１の燃料極３または酸素極４に供給される。なお、ガス流路１２の周囲にはパッキン装着溝１８が環状に形成されている。
【００１２】
図１（ｃ）に示すように、セパレータ１１の裏面（発電セル１と反対側の面）には、温度調節媒体Ｗを流す媒体通路２０が形成されている。媒体通路２０の両端は、セパレータ１１の周縁部に形成された媒体供給穴２１と媒体排出穴２２に接続されている。そして、温度調節媒体Ｗが流体通路２０の各部において、発電セル１からセパレータ１１に伝わった熱を奪って、発電セル１を冷却するようになっている。なお、温度調節媒体Ｗには液状媒体が用いられている。媒体通路２０の周囲にはパッキン装着溝２３が環状に形成されている。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ガス流路１２および媒体通路２０は、セパレータ１１の表裏両面に同じ溝パターンで形成されている。この実施例の溝パターンは、反応ガスＧおよび温度調節媒体Ｗの流れ方向と直交する方向へ延びる多数本の並行溝１２ａ，２０ａと、並行溝１２ａ，２０ａの両端を接続する湾曲溝１２ｂ，２０ｂとから構成されている。そして、ガス流路１２および媒体通路２０がセパレータ１１の両面に同じ密度で分布するように、ガス流路１２の並行溝１２ａと媒体通路２０の並行溝２０ａとが、それぞれ、同じ幅とピッチで、かつセパレータ１１の断面に左右対称に現れるように形成されている。
【００１４】
上記形状のセパレータ１１を用いた燃料電池によれば、反応ガスＧの供給量と温度調節媒体Ｗの供給量とがセパレータ１１の表裏両面でほぼ等しくなる。特に、ガス流路１２および媒体通路２０の並行溝１２ａ，２０ａが同じ幅とピッチで形成されているので、発電セル１が発生する熱量と温度調節媒体Ｗが奪う熱量との収支を正確に均衡させることができ、もって、セパレータ１１の全域を温度調節媒体Ｗによってほぼ均一に冷却することができる。
【００１５】
このため、発電量の変化に応じて温度調節媒体Ｗの供給量を適宜に増減させ、発電セル１の温度調節を的確に行うことができる。また、温度調節媒体Ｗに液状媒体を使用しているので、ガス流量を調整する従来の方法と比較し、発電セル１の温度を早期に安定させることができる。従って、セパレータ１１の通路形状を変えるだけの簡単な構成により、発電セル１全体の温度分布を均一化させ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【実施例２】
【００１６】
図２に示すように、実施例２のセパレータ１１０は、媒体通路１２０の形状において、実施例１のセパレータ１１と相違する。図２（ｂ），（ｃ）に示すように、媒体通路１２０の並行溝１２０ａは、ガス流路１２の下流側よりも上流側ほど徐々に深くなるように形成され、ガス流路１２の上流側へ比較的多量の温度調節媒体Ｗを供給できるように構成されている。なお、媒体通路１２０は、ガス流路１２とは異なり、湾曲部を備えない溝パターンで形成されている。
【００１７】
一般に、反応ガスＧ中の水素や酸素は発電の進行に伴って消費され、濃度がガス流路１２の上流側ほど高く、下流側ほど低くなる。このため、ガス流路１２の上流付近では、発電セル１が高濃度の水素や酸素を反応させ、比較的大きな電力と高い熱を発生する。実施例２の媒体通路１２０によれば、多数本の並行溝１２０ａが発電セル１の発熱量と同じ勾配でガス流路１２の上流側ほど深くなるように形成されているので、局部発熱を防止して、発電セル１全体の温度分布を均一化させることができる。
【００１８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、ガス流路と媒体通路を共に波形の並行溝を含むパターン、同心円形の並行溝を含むパターン、あるいは渦巻形の並行溝を含むパターンで形成するなど、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状や構成を適宜に変更して実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１を示すセパレータの三面図である。
【図２】本発明の実施例２を示すセパレータの三面図である。
【図３】燃料電池の発電セルおよびセルスタック構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２０】
１    発電セル
１１    セパレータ（実施例１）
１２    ガス流路
１２ａ    並行溝
２０    媒体通路
２０ａ    並行溝
１１０    セパレータ（実施例２）
１２０    媒体通路
１２０ａ    並行溝
Ｇ    反応ガス
Ｗ    温度調節媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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