JP2003077498A

JP2003077498A - 燃料電池

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Publication number: JP2003077498A
Application number: JP2001270175A
Authority: JP
Inventors: Fumiya Nagai; 史也永井; Ikuyasu Katou; 育康加藤; Takeshi Nomura; 健野村; Toshiyuki Suzuki; 稔幸鈴木; Takeshi Takahashi; 剛高橋
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-14
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP4993828B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池においてガスや冷却水の供給効率を
高めることである。【解決手段】電解質膜２０の両面に電極２１，２２を
形成してなる電池部２を積層するとともに層間にセパレ
ータ３１，３２を設けた積層体１を有し、セパレータ３
１，３２の表面に形成した流路溝３１１，３１２，３２
１，３２２により、ガスや冷却水を流す流路４３，５
３，６３が形成され、複数の流路４３〜６３が上流端お
よび下流端で前記積層体１を貫通するマニホールド４
１，４５により１本化した構成において、マニホールド
４１，４５と流路４３との接続部４２を、マニホールド
４１側が拡径するテーパ形状とすることで、上流側の接
続部４２ではマニホールド４１側から流路４３側へと徐
々に圧力が上昇するように、下流側の接続部４４では流
路４３側からマニホールド４５側へと徐々に圧力が低下
するようにして、圧力損失の低減を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に関し、特
に酸化ガス、燃料ガスおよび冷却水の供給の効率の向上
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、図１２に示すように、電解
質膜９１０の上下面に触媒を担持した電極９１１，９１
２が形成された電池部９１を積層するとともに、層間に
セパレータ９２，９３を設けた積層体９ａが本体部分と
なっており、セパレータ９２，９３の表面の流路溝９２
１，９２２，９３１，９３２により、酸化ガス（以下、
適宜、単にガスという）または燃料ガス（以下、適宜、
単にガスという）または冷却水を流す流路９４２，９５
２，９６２が形成される。そして、これらのガスを電池
反応に供するとともに、発生した熱を冷却水により奪熱
している。前記流路９４２〜９６２は、上流端および下
流端で、前記積層体９ａを貫通するマニホールドにより
１本化している（特許第３０２９４１６号等）。マニホ
ールドは流路９４２の上流端で接続するマニホールド９
４１のみ図示している。

【０００３】燃料電池全体の効率を向上すべく、ガスや
冷却水の供給効率を高めることが考えられる。特開２０
００−２１５９０４号公報には、電池セルの積層体をダ
クト内に格納し、マニホールドは電極のうち陽極に供給
する燃料ガスの流路用のみ形成し、電極のうち陰極に供
給する酸化ガスを、流路の上流端開口部と対向するダク
トの入口から流路に供給するようにして、前記ハウジン
グをマニホールドとして機能せしめたものが提案されて
おり、圧力損失の低減を図っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開２０００−２１５９０４号公報記載の技術は、酸化ガ
スが電池セルの冷却用に膨大な量が流れ、積層体にマニ
ホールドのスペースを確保することが困難な構成におい
てなされた特殊な技術であり、燃料ガスの流路について
は適用することができず、また、電池セルの積層体をダ
クト状のハウジング内に格納するという、大きな構造上
の改変を伴う。

【０００５】また、前掲図１２の構成において、流路９
４２〜９６２では、流路壁面を介してガスを供給した
り、冷却水が熱交換を行うため、要求される流路断面積
はあまり大きくはないし、燃料電池の小型化の観点から
も要求される流路断面積を満たしている限り、できるだ
け小さい方が望ましい。しかし、流路断面積が小さい
と、マニホールドと流路との接続部における圧力損失が
大きくなり、結局、その分、ポンプに過剰な能力を強い
ることになる。かかる問題点に対しては、前記特開２０
００−２１５９０４号公報記載の技術では対応すること
ができない。

【０００６】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
簡単な構成でガスや冷却水の供給における圧力損失を低
減することのできる燃料電池を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、電解質膜の両面に電極を形成してなる電池部を積層
するとともに、層間にセパレータを設けた積層体を有
し、セパレータの表面に形成した流路溝により酸化ガス
または燃料ガスまたは冷却水を流す流路がそれぞれ形成
され、複数の流路が、上流端および下流端で前記積層体
を貫通するマニホールドにより１本化した燃料電池にお
いて、前記マニホールドと前記流路との接続部を、マニ
ホールド側が拡径するテーパ形状とする。

【０００８】接続部をマニホールド側が拡径するテーパ
形状とすることで、流路の断面積がガスや冷却水の流通
方向に変化し、マニホールド側で大きくなる。したがっ
て、ガスや冷却水の供給側のマニホールドと流路との接
続部を前記テーパ形状とした場合には、ガスや冷却水の
圧力がマニホールド側から徐々に低下していき、ガスや
冷却水の排出側のマニホールドと流路との接続部を前記
テーパ形状とした場合には、圧力が流路側から徐々に回
復していく。急激な圧力変化を回避することで、圧力損
失を低減することができる。

【０００９】また、接続部の形状の改変だけでよいか
ら、構成が大がかりにならず簡単である。

【００１０】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、前記接続部をＲ形状にマニホールド側
が拡径する形状とする。

【００１１】マニホールド側から接続部にかけて、接続
部から流路にかけて、それぞれ壁面が滑らかに連続する
から、一層流路断面積が滑らかに変化し、さらに圧力損
失を低減することができる。

【００１２】請求項３記載の発明では、請求項１または
２の発明の構成において、マニホールド内にマニホール
ド壁面に沿って挿入された追加板を具備せしめ、該追加
板には、前記流路を横切る位置にマニホールド側が拡径
する孔を形成して、前記接続部となす。

【００１３】積層体の各層のそれぞれにおいてマニホー
ルドと流路との接続部をテーパ形状とするには、例えば
すべてのセパレータについて接続部がテーパ形状となる
ように加工を加える必要があるのに対して、マニホール
ドが共通の接続部の数だけ、追加板１つに孔を形成する
だけでよいから、実施が容易である。

【００１４】請求項４記載の発明では、請求項３の発明
の構成において、前記追加板を、断面コ字状板として、
前記流路側のマニホールド壁面と当接する等幅帯状の本
体部と、前記流路側のマニホールド壁面に連なる対向壁
面と弾接する折り曲げ部とからなる構成とする。

【００１５】追加板の固定用の部材が不要なので、簡単
に取り付けることができる。また、追加板以外は従来の
ものと同じものを用いることができ、部材の共通化を図
ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１（Ａ）、図
１（Ｂ）に本発明の第１実施形態になる燃料電池の断面
を示し、図２に外観を示す。燃料電池は、その本体とし
ての電池スタック１を有している。電池スタック１は、
電池部２を積層するとともに、層間には二層構造のセパ
レータ３１，３２が設けられてなる積層体であり、電池
部２をセパレータ３１とセパレータ３２とで挟んだ単セ
ル１１が各層で実質的に同じ構造を繰り返す。電池スタ
ック１の全体形状は直方体である。電池部２は、電解質
膜２０の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を
有する電極２１，２２を成膜した一般的な構造を有して
いる。

【００１７】電池部２の電極２１，２２と対向するセパ
レータ３１，３２の表面には、流路溝３１１，３２１が
形成されて、流路溝３１１により、酸素を含有する空気
等の酸化ガスが電極２１との間隙を流れる流路４３が形
成される。また、流路溝３２１により、水素を含有する
水素リッチガス等の燃料ガスが電極２２との間隙を流れ
る流路５３が形成される。流路４３，５３を流通するこ
れらのガスは、電極２１，２２の表面の、セパレータ３
１，３２とは非接触の部分から電極２１，２２内に拡散
し、電池反応に供される。電極２１，２２と対向するセ
パレータ３１，３２の表面は、流路溝３１１，３２１の
段上面にて対向する電極２１，２２と密着し、該電極２
１，２２とセパレータ３１，３２とが導通するようにな
っている。

【００１８】密着対向するセパレータ３１，３２の対向
面にも流路溝３１２，３２２が形成され、これにより、
電池反応で発生する熱の放熱用の冷却水が流れる流路６
３が形成される。

【００１９】電池スタック１の辺縁部は、電極２１，２
２が非形成で、ここには、積層方向に電池スタック１を
貫通して、流路４３，５３，６３を１本化するマニホー
ルド４１，４５，５１，５５，６１，６５が形成してあ
る。マニホールド４１〜６５は、酸化ガス、燃料ガスお
よび冷却水用にそれぞれ、供給側と排出側との１対ずつ
形成され、供給側のマニホールド４１，５１，６１は流
路の上流側で、排出側のマニホールド４５，５５，６５
は流路の下流側で流路を１本化するようになっている。

【００２０】マニホールド４１〜６５と流路４３，５
３，６３との接続構造について説明する。酸化ガス、燃
料ガスおよび冷却水用で同様の構造を有するので、代表
して酸化ガスの流通系について説明する。マニホールド
４１，４５のそれぞれは、電解質膜２０とセパレータ３
１，３２とに、同位置に基本的に板厚方向に貫通する長
方形の孔（以下、適宜、マニホールド形成孔という）２
０１，３１３，３２３，２０２，３１４，３２４を形成
してなる。形成位置は、セパレータ３１のマニホールド
形成孔３１３が流路４３の最上流部である導入部４３１
位置で流路溝３１１の底面に開口するように、セパレー
タ３１のマニホールド形成孔３１４が流路４３の最下流
部である排出部４３２位置で流路溝３１１の底面に開口
するように設定され、供給側のマニホールド４１が流路
４３の導入部４３１を横切るように、排出側のマニホー
ルド４５が流路４３の排出部４３２を横切るようになっ
ている。

【００２１】また、マニホールド形成孔２０１〜３２４
の外周で電解質膜２０とセパレータ３１との間にはパッ
キン３３が、電解質膜２０とセパレータ３２との間には
パッキン３４が設けられて気密または液密が保持されて
いる。

【００２２】セパレータ３１のマニホールド形成孔３１
３，３１４のそれぞれは流路４３側で面とりされ、マニ
ホールド４１，４５の壁面から流路溝３１１底面にかけ
てが、一定の傾斜角をもって連なっている。これによ
り、マニホールド４１と流路４３との接続部４２、マニ
ホールド４５と流路４３との接続部４４がそれぞれマニ
ホールド４１，４５側で拡径するテーパ形状となる。

【００２３】本燃料電池の作動について説明する。各供
給側のマニホールド４１，５１，６１に流入したガスや
冷却水は、対応する流路４３，５３，６３を流通し、排
出側のマニホールド４５，５５，６５を介して排出され
る。図１中の矢印は酸化ガスの流れを示している（以
下、同じ）。

【００２４】ここで、代表して酸化ガスの流通系に注目
すると、供給側のマニホールド４１と流路４３との接続
部４２では、流路断面積が酸化ガスの流通方向に連続的
に変化し、下流側ほど小さくなっている。したがって、
酸化ガスの圧力が、マニホールド４１側から流路４３側
へと急激に低下するのではなく、徐々に低下していく。
これにより、圧力損失の低減を図ることができる。

【００２５】一方、同様に、流路４３と排出側のマニホ
ールド４５との接続部４４では、流路断面積が酸化ガス
の流通方向に連続的に変化し、下流側ほど大きくなって
いる。したがって、酸化ガスの圧力が、流路４３側から
マニホールド４５側へと急激に変化するのではなく、徐
々に上昇していく。これにより、圧力損失の低減を図る
ことができる。

【００２６】（第２実施形態）図３に本発明の第２実施
形態になる燃料電池の要部の断面を示す。本燃料電池
は、基本的な構造は第１実施形態と同じで、セパレータ
のマニホールド形成孔の形状が相違している。

【００２７】セパレータ３１Ａのマニホールド形成孔３
１３Ａは、流路４３側をＲ加工することにより、第１実
施形態のごとく、マニホールド４１と流路４３との接続
部４２Ａがマニホールド４１側ほど拡径するようにした
ものである。Ｒ加工とすることで、さらに、次のように
圧力損失の低減効果が高くなっている。すなわち、マニ
ホールド４１から接続部４２Ａへ、また、接続部４２Ａ
から流路４３へ壁面が滑らかに連続する。これにより、
一層、マニホールド４１から流路４３にかけて流路断面
積が滑らかに変化し、さらに圧力損失を低減することが
できる。

【００２８】（第３実施形態）図４に本発明の第３実施
形態になる燃料電池の要部の断面を示す。本燃料電池
は、従来構成（図１２）の燃料電池をベースに僅かの部
材の追加で、前記各実施形態と同等の効果が得られるよ
うにしたものである。

【００２９】セパレータ３１Ｂはマニホールド形成孔３
１３Ｂが前記従来のものと同様に板厚方向の単純な孔で
ある。

【００３０】そして、本実施形態では、マニホールド４
１内には、流路４３側のマニホールド壁面（以下、適
宜、流路側マニホールド壁面という）４１ａに沿って細
長の長方形の追加板７が挿入されており、流路側マニホ
ールド壁面４１ａを覆っている。追加板７のマニホール
ド４１への固定はセパレータ３１Ａ，３２への溶接やネ
ジ止め等の係合手段等により行い得る。

【００３１】図５（Ａ）、図５（Ｂ）に追加板を示す。
追加板７は、流路導入部４３１を横切る位置に、流路導
入部４３１の流路断面形状と同じ形状の長孔７０１が単
セル１１の積層ピッチと等間隔で形成したもので、マニ
ホールド４１に取り付けた状態で各層の流路４３と１対
１に対応して、流路導入部４３１と重なるようになって
おり、長孔７０１がマニホールド４１と流路４３との接
続部となっている。

【００３２】なお、図示はしないが、排出側のマニホー
ルドや燃料ガスや冷却水用のマニホールドにも同様の追
加板を挿入し得る。

【００３３】この接続部となる長孔７０１は、マニホー
ルド４１側が面とりされており、マニホールド４１側が
拡径するテーパ状としてある。これにより、第１実施形
態と同等の圧力損失低減作用を得ることができる。

【００３４】本実施形態によれば、単純な平板に長孔を
形成するとともに面とりすればよいから、セパレータへ
の面とり加工が困難な場合に有効であり、また、すべて
のセパレータの１つ１つについてマニホールド形成孔の
面とりをしなくとも、追加板１つについて、その長孔の
面とりすればよいから、製造工程が簡略化される。

【００３５】なお、長孔７０１の形状は、第２実施形態
のようにＲ形状でもよい。

【００３６】（第４実施形態）図６に本発明の第４実施
形態になる燃料電池の要部の断面を示す。本燃料電池
は、追加板を設けた第３実施形態の構成において、長孔
の断面形状を別の形状としたものである。

【００３７】追加板７Ａの長孔７０１Ａは第２実施形態
のごとくマニホールド４１側が拡径するＲ形状としてあ
り、第２実施形態と等価な燃料電池を簡単に実現するこ
とができる。

【００３８】（第５実施形態）図７に本発明の第５実施
形態になる燃料電池の要部の断面を示し、図８に外観を
示す。本燃料電池は、追加板をマニホールドに挿入する
構造において、追加板の固定を容易に行い得るようにし
たものである。

【００３９】マニホールド４１内に挿入される追加板７
Ｂは、断面コ字状のもので、流路４３側のマニホールド
壁面４１ａおよびこれに連なる１対の対向壁面（以下、
適宜、サイド側マニホールド壁面という）４１ｂ，４１
ｃとに密着対向している。流路側マニホールド壁面４１
ａと密着対向する追加板７Ｂの本体部７１は、前記第３
実施形態の追加板７と同様に、流路導入部４３１を横切
る位置に、流路導入部４３１の流路断面形状と同じ形状
の長孔７０１が流路導入部４３１と重なるように開口し
ており、マニホールド４１と流路４３との接続部となっ
ている。

【００４０】追加板７Ｂは、例えば長方形の鋼板から製
作され、先ず前記長孔７０１を単セル１１の積層ピッチ
と等間隔で形成した後、長孔７０１の両側部分を、長孔
７０１の配列方向に平行な折り曲げ線に沿って折り曲げ
加工して断面コ字状とし、完成となる。長孔７０１の配
列方向に長い帯状の本体部７１の両側の折り曲げ部７
２，７３の折り曲げ角度を、折り曲げ部７２，７３が、
流路側マニホールド壁面４１ａとサイド側マニホールド
壁面７２ａ，７２ｃとのなす角度である直角よりもやや
外側に開いた形状となるようにする。このときの折り曲
げは塑性変形である。

【００４１】追加板７Ｂは、電池部２およびセパレータ
３１，３２の積層体が組上がってからマニホールド４１
に挿入する。挿入に先立って、作業者は、追加板７Ｂの
折り曲げ部７２，７３を対向方向にさらに少し折り曲
げ、折り曲げ角度をやや鋭角とする。このときの折り曲
げは弾性変形である。この状態で、追加板７Ｂをマニホ
ールド４１に挿入する。

【００４２】作業者による折り曲げ力が解除された追加
板７Ｂは、折り曲げ部７２，７３と対向するサイド側マ
ニホールド壁面４１ｂ，４１ｃと弾接し、追加板７Ｂが
マニホールド４１に固定される。

【００４３】本実施形態によれば、溶接等によることな
く追加板７Ｂをマニホールド４１に固定することができ
るので、製造が容易である。

【００４４】また、セパレータ３１Ｂに、追加板７Ｂ固
定のための加工が不要で、追加板７Ｂを除く燃料電池の
構成が実質的に従来の燃料電池と同じであるから、従来
の燃料電池と使用部材の共通化を図ることができ、さら
に低コスト化できる。

【００４５】なお、本実施形態ではマニホールド形成孔
の形状が矩形のものについて説明したが、他の形状のも
のにも適用することができる。例えば、図９に示すよう
にマニホールド４１Ａの形状がサイド側マニホールド壁
面４１ｄ，４１ｅが弧状のものであってもよく、この場
合はサイド側マニホールド壁面４１ｄ，４１ｅと弾接す
る折り曲げ部７２Ａ，７３Ａも図のように弧状の形状と
するが、折り曲げ部７２Ａ，７３Ａの幅を、折り曲げ部
７２Ａ，７３Ａの先端が、長孔７０１の長手方向のマニ
ホールド４１Ａの幅が最大となる位置に達し当該位置に
てサイド側マニホールド壁面４１ｄ，４１ｅと弾接する
ように設定する。

【００４６】また、追加板７Ｂ，７Ｃは、マニホールド
４１，４１Ａへの挿入状態のときに本体部７１が撓まな
いように折り曲げ部７２，７３，７２Ａ，７３Ａよりも
肉厚として剛性を高めるのがよい。

【００４７】最後に、図１０に本発明の効果を確認した
測定結果を示す。図１２の従来の燃料電池の構成のもの
（比較例）と、これに、供給側のマニホールド４１のみ
に第４実施形態に示した追加板７を挿入したもの（本発
明）とについて、圧力損失を測定したものである。測定
は、マニホールド４１，４５内の酸化ガスの流通方向に
積層する単セル１１について、酸化ガスの供給側のマニ
ホールド４１と流路４３との接続部４２の直上流位置に
おける供給側のマニホールド４１の圧力と、流路４３と
排出側のマニホールド４５との接続部４４の直下流位置
における排出側のマニホールド４５の圧力とを測定し、
その差を算出して、各単セル１１の圧力損失とした。ま
た、図１１に示すように、マニホールド４１のガス流通
方向の最上流側（Ａ点）から最も下流側（Ｂ点）までの
複数の単位セル１１について測定した。図１０より知ら
れるように、本発明では、マニホールド４１内のガス流
通方向の位置によらず、圧力損失が大幅に低減されてい
ることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態になる燃料電池
の図２におけるＩＡ−ＩＡ線に沿う断面図であり、
（Ｂ）は図２におけるＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図であ
る。

【図２】前記燃料電池の全体斜視図である。

【図３】本発明の第２実施形態になる燃料電池の断面図
である。

【図４】本発明の第３実施形態になる燃料電池の断面図
である。

【図５】（Ａ）は前記燃料電池の部品の平面図であり、
（Ｂ）は（Ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図であ
る。

【図６】本発明の第４実施形態になる燃料電池の断面図
である。

【図７】本発明の第５実施形態になる燃料電池の断面図
である。

【図８】前記燃料電池の分解斜視図である。

【図９】前記燃料電池の変形例を示す図である。

【図１０】本発明の効果を確認した測定結果を示すグラ
フである。

【図１１】前記測定結果の測定条件を説明する図であ
る。

【図１２】従来の燃料電池の代表例の断面図である。

【符号の説明】

１電池スタック（積層体）１１単セル２電池部２０電解質膜２１，２２電極３１，３１Ａ，３１Ｂ，３２セパレータ３１１，３１２，３２１，３２２流路溝３１３，３１３Ａ，３１３Ｂ，３１４，３２３，３２４
孔４１，４１Ａ，４５，５１，５５，６１，６５マニホ
ールド４１ａマニホールド壁面４１ｂ，４１ｃマニホールド壁面（対向壁面）４２，４２Ａ，４４接続部４３，５３，６３流路７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ追加板７１本体部７２，７３，７２Ａ，７３Ａ折り曲げ部７０１長孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤育康愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者野村健愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者鈴木稔幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者高橋剛愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜の両面に電極を形成してなる電
池部を積層するとともに、層間にセパレータを設けた積
層体を有し、セパレータの表面に形成した流路溝により
酸化ガスまたは燃料ガスまたは冷却水を流す流路がそれ
ぞれ形成され、複数の流路が、上流端または下流端で前
記積層体を貫通するマニホールドにより１本化した燃料
電池において、前記マニホールドと前記流路との接続部を、マニホール
ド側が拡径するテーパ形状としたことを特徴とする燃料
電池。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記
接続部をＲ形状にマニホールド側が拡径する形状とした
燃料電池。
【請求項３】請求項１または２いずれか記載の燃料電
池において、マニホールド内にマニホールド壁面に沿っ
て追加板を挿入し、該追加板には、前記流路を横切る位
置にマニホールド側が拡径する孔を形成して、前記接続
部となした燃料電池。
【請求項４】請求項３記載の燃料電池において、前記
追加板を、断面コ字状板として、前記流路側のマニホー
ルド壁面と当接する等幅帯状の本体部と、前記流路側の
マニホールド壁面に連なる対向壁面と弾接する折り曲げ
部とからなる構成とした燃料電池。