JP2004014446A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004014446A JP2004014446A JP2002169934A JP2002169934A JP2004014446A JP 2004014446 A JP2004014446 A JP 2004014446A JP 2002169934 A JP2002169934 A JP 2002169934A JP 2002169934 A JP2002169934 A JP 2002169934A JP 2004014446 A JP2004014446 A JP 2004014446A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- fuel cell
- flow path
- fuel
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S429/00—Chemistry: electrical current producing apparatus, product, and process
- Y10S429/901—Fuel cell including means for utilization of heat for unrelated application, e.g. heating a building
Abstract
【課題】簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを有効に阻止し、所望の発電性能を確実に維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体１４と、前記電解質膜・電極接合体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１セパレータ１６には、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６の折り返し部位内側には、流路境界部５２が、ガス拡散層を切り欠いて設けられるとともに、この流路境界部５２には、反応ガスの洩れを阻止するための絶縁性シール５４が配設される。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体１４と、前記電解質膜・電極接合体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１セパレータ１６には、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６の折り返し部位内側には、流路境界部５２が、ガス拡散層を切り欠いて設けられるとともに、この流路境界部５２には、反応ガスの洩れを阻止するための絶縁性シール５４が配設される。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、所望の発電機能を維持するために、それぞれのセパレータの面内には、アノード側電極およびカソード側電極の発電面全面にわたって燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する必要がある。このため、セパレータには、例えば、長尺な反応ガス流路（燃料ガス流路および酸化剤ガス流路）が蛇行するように設けられている。
【０００５】
ところが、上記の蛇行する反応ガス流路では、反応ガスを均一に供給するために比較的大きな圧損が発生しており、前記反応ガスが比較的抵抗の少ない部分を流れようとする。従って、反応ガスは、圧力差が生じ易い反応ガス流路間を跨ぐようにショートカットまたはバイパスしてしまい、発電面に前記反応ガスが十分に供給されないおそれがある。
【０００６】
そこで、例えば、米国特許第６，０９９，９８４号公報に開示されている技術が知られている。この従来技術では、反応ガスを流すために複数組の蛇行流路を設けるとともに、互いに隣り合う蛇行流路が対称構造（ミラーイメージ）となっている。このため、隣接して流れる反応ガスの流体圧が略同一となり、前記反応ガスのショートカットを防止することができる、としている。
【０００７】
具体的には、図８に示すように、セパレータ１の端部に複数の供給マニホールド２が形成されており、前記供給マニホールド２がそれぞれ導入レッグ３ａ、３ｂを介して第１蛇行流路４ａと第２蛇行流路４ｂの入口側に連通している。図示していないが、供給マニホールド２には、複数組の第１蛇行流路４ａと第２蛇行流路４ｂとが連通するとともに、前記第１蛇行流路４ａと前記蛇行第２流路４ｂの出口側が導出レッグを介して排出マニホールドに連通している。
【０００８】
第１蛇行流路４ａと第２蛇行流路４ｂとは、対称構造に設定されており、前記第１蛇行流路４ａは、矢印Ｈ方向に蛇行しながら矢印Ｖ１方向に反応ガスを流す一方、前記第２蛇行流路４ｂは、矢印Ｈ方向に蛇行しながら矢印Ｖ１方向とは逆の矢印Ｖ２方向に反応ガスを供給している。このため、導入レッグ３ａ、３ｂでは、反応ガスが略同一の流体圧で供給され、前記反応ガスのショートカットが防止される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１および第２蛇行流路４ａ、４ｂでは、例えば、反応ガスが流路溝５ａに沿って矢印Ｈ１方向に流れた後、折り返して流路溝５ｂに沿って矢印Ｈ２方向（矢印Ｈ１方向とは逆方向）に流れている。従って、流路溝５ａ、５ｂ間に反応ガスの流体圧力差が生じてしまい、この反応ガスが前記流路溝５ａ、５ｂ間を跨ぐようにして、すなわち、アノード側電極およびカソード側電極を構成するガス拡散層を通ってショートカットする場合がある。特に、運転条件によって反応ガス圧力が上昇したり、ガス流量が増加したりした際には、上記の反応ガスのショートカットが顕著なものとなってしまう。
【００１０】
これにより、発電面全面に対して反応ガスを均一に供給することができず、発電性能が低下するという問題が指摘されている。しかも、流路構造全体が複雑化し、セパレータ１の製造コストが高騰するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを有効に阻止し、所望の発電性能を確実に維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内に、反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられている。そして、少なくとも反応ガス流路の折り返し部位内側には、反応ガスが互いに逆方向に移動する前記反応ガス流路間を仕切る流路境界部が、電極を構成するガス拡散層を切り欠いて設けられるとともに、この流路境界部には、反応ガスの洩れを阻止するためのシールが配設されている。
【００１３】
従って、反応ガスの流体圧力に差が発生し易い流路境界部には、ガス拡散層が切り欠かれてシールが配設されるため、前記反応ガスが前記流路境界部を跨いでショートカットすることを有効に阻止することができる。これにより、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止し、発電面全面に反応ガスを均一に供給して燃料電池の発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、流路境界部に、シールを貫通して位置決めガイド挿入用の開口部が形成されている。このため、例えば、開口部にエンドプレートの位置決めガイドが挿入されることにより、燃料電池が容易かつ正確に位置決めされた状態で、締め付け保持される。従って、燃料電池、さらには燃料電池スタックの組み立て作業が、一挙に容易かつ効率的に遂行され、作業性の向上を図ることが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００１６】
燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体（電解質・電極接合体）１４と、例えば、金属板材で形成されて前記電解質膜・電極接合体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。電解質膜・電極接合体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２６が介装されている。
【００１７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、および燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極接合体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２０】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図２に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層４２ａ、４２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合される。アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、後述する酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の形状に対応した塗布範囲に設定されている（図１参照）。
【００２１】
シール部材２６の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２６に代替して、第１および第２セパレータ１６、１８にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００２２】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極接合体１４側の面１６ａには、酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路４６は、それぞれ独立した複数本の酸化剤ガス流路溝４８を備え、この酸化剤ガス流路溝４８は、面１６ａに壁部５０を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２３】
酸化剤ガス流路４６の折り返し部位内側には、酸化剤ガスが互いに逆方向に移動する酸化剤ガス流路溝４８間を仕切る流路境界部５２が設けられる。流路境界部５２は、矢印Ｃ方向に沿って３箇所に設けられており、各流路境界部５２には、酸化剤ガスの洩れ（ショートカット）を阻止するための絶縁性シール５４が配設される。
【００２４】
シール５４は、例えば、第１セパレータ１６に焼き付け等により固着されており、電解質膜・電極接合体１４に重ね合わされた際に、前記シール５４がカソード側電極４０の形状に対応し、すなわち、ガス拡散層４２ｂが切り欠かれた部分に対応して配置される（図２参照）。なお、シール５４を第１セパレータ１６に固着する代わりに、電解質膜・電極接合体１４側に装着してもよい。
【００２５】
図４に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極接合体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）５６が形成される。この燃料ガス流路５６は、それぞれ独立した複数本の燃料ガス流路溝５８を備え、この燃料ガス流路溝５８は、面１８ａに壁部６０を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２６】
燃料ガス流路５６の折り返し部位内側には、燃料ガスが互いに逆方向に移動する燃料ガス流路溝５８間を仕切る流路境界部６２が設けられる。流路境界部６２は、矢印Ｃ方向に３列に形成されており、各流路境界部６２には、燃料ガスの洩れ（ショートカット）を阻止するための絶縁性シール６４が配設される。このシール６４は、例えば、第２セパレータ１８に焼き付け等によって設けられている。第２セパレータ１８が電解質膜・電極接合体１４に重ね合わされる際、ガス拡散層４２ａが切り欠かれた部位に対応して、シール６４が配設される（図２参照）。
【００２７】
図１に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路６８が形成される。この冷却媒体流路６８は、それぞれ独立した複数本の冷却媒体流路溝７０を備え、この冷却媒体流路溝７０は、面１８ｂに壁部７２を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２８】
冷却媒体流路６８の折り返し部位内側には、冷却媒体が互いに逆方向に移動する冷却媒体流路溝７０間を仕切る流路境界部７４が設けられ、前記流路境界部７４には、前記冷却媒体の洩れを阻止するための絶縁性シール７６が配設される。このシール７６は、例えば、第２セパレータ１８に焼き付け等によって固定されている。
【００２９】
燃料電池１０は、アノード側電極３８およびカソード側電極４０を周回し、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して締め付けボルト挿通用の孔部７８が、例えば、８箇所に設けられる。なお、孔部７８の個数は、燃料電池１０の寸法等に応じて種々設定可能である。
【００３０】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
まず、燃料電池１０を運転するに際しては、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３２】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、この酸化剤ガス流路４６を構成する酸化剤ガス流路溝４８を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１４を構成するカソード側電極４０に沿って移動する（図３参照）。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ１８の燃料ガス流路５６に導入され、この燃料ガス流路５６を構成する燃料ガス流路溝５８を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１４を構成するアノード側電極３８に沿って移動する（図４参照）。
【００３３】
従って、各電解質膜・電極接合体１４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３４】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３５】
また、図１に示すように、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１６の冷却媒体流路６８に導入された後、冷却媒体流路６８を構成する冷却媒体流路溝７０を介して蛇行しながら流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。
【００３６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０内に、それぞれ蛇行する酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５６の折り返し部位内側には、酸化剤ガスおよび燃料ガスが互いに逆方向に移動する酸化剤ガス流路溝４８間および燃料ガス流路溝５８間を仕切る流路境界部５２、６２が、ガス拡散層４２ｂ、４２ａを切り欠いて設けられる。そして、流路境界部５２、６２には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの洩れ（ショートカット）を阻止するためのシール５４、６４が配設されている。
【００３７】
従って、例えば、酸化剤ガス流路４６において、図３に示すように、流路境界部５２を挟んでそれぞれの酸化剤ガス流路溝４８に酸化剤ガスが互いに逆方向に移動する際、前記流路境界部５２に圧力差が発生しても、シール５４を介して前記酸化剤ガスが前記流路境界部５２を跨いで、すなわち、ガス拡散層４２ｂを通ってショートカットすることがない。一方、燃料ガス流路５６においても同様に、図４に示すように、流路境界部６２に燃料ガスの圧力差が発生しても、この流路境界部６２に配設されたシール６４を介し、前記燃料ガスがガス拡散層４２ａを通って洩れることを有効に防止することができる。
【００３８】
これにより、第１の実施形態では、流路境界部５２、６２にガス拡散層４２ｂ、４２ａを切り欠いてシール５４、６４を配設するだけでよく、簡単かつ安価な構成で、反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）の洩れを確実に阻止することが可能になる。このため、カソード側電極４０およびアノード側電極３８の発電面全面に対し、反応ガスを均一かつ確実に供給することができ、燃料電池１０の発電性能を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３９】
また、冷却媒体流路６８において、流路境界部７４にシール７６が配設されている（図１参照）。従って、冷却媒体が冷却媒体流路６８内でショートカットすることがなく、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の発電面全面を良好かつ確実に冷却することができる。
【００４０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００４１】
燃料電池９０は、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の抜き取り部分、すなわち、流路境界部５２、６２および７４に対応して１個〜３個、この第２の実施形態では、１個の開口部９２が積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して形成される。開口部９２は、燃料電池９０の中央部に対応しており、開口形状が長方形状に設定される。
【００４２】
燃料電池９０の積層方向一端には、集電プレート９４、絶縁プレート９６およびエンドプレート９８が配設されるとともに、前記燃料電池９０の積層方向他端には、図示しないが、同様に集電プレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが配設される。
【００４３】
エンドプレート９８には、燃料電池９０の開口部９２に対応して断面長方形状の位置決めガイド部９９が設けられる。この位置決めガイド部９９が、燃料電池９０の積層方向に貫通形成されている開口部９２に挿入されることにより、前記燃料電池９０が、前記エンドプレート９８、絶縁プレート９６および集電プレート９４に積層される。
【００４４】
燃料電池９０の外周縁部に形成されている孔部７８には、締め付けボルト９７が挿入される。この締め付けボルト９７は、他方のエンドプレートに挿入され、端部に図示しないナットが螺合されることによって、燃料電池９０が一体的に組み付けられる。なお、燃料電池９０は、必要に応じて所定組数だけ矢印Ａ方向に積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。
【００４５】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池９０に貫通形成されている開口部９２に、エンドプレート９８の位置決めガイド部９９が挿入されることにより、前記燃料電池９０が容易かつ正確に位置決めされた状態で、締め付け保持される。このため、燃料電池９０、さらには、燃料電池スタックの組み立て作業が、一挙に容易かつ効率的に遂行され、作業性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。その際、シール５４、６４および７６は、絶縁性を有しており、位置決めガイド部９９を介して第１および第２セパレータ１６、１８間が電気的に接続されることがない。
【００４６】
しかも、燃料電池９０は、開口部９２に位置決めガイド部９９が挿入された状態で締め付け保持されている。従って、特に、燃料電池９０を車載型として使用する際に、振動等による位置ずれを低減することができ、燃料ガスや酸化剤ガスの洩れや冷却媒体の洩れ等を有効に回避することが可能になる。
【００４７】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。
【００４８】
燃料電池１００は、電解質膜・電極接合体１０２と、第１および第２セパレータ１０４、１０６と、これらの間に介装されるシール部材１０８とを備える。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の一端縁部には、下部側に酸化剤ガス供給連通孔３０ａが設けられる一方、上部側に酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００４９】
燃料電池１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、下部側に燃料ガス供給連通孔３２ａが設けられる一方、上部側に燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス供給連通孔３２ａおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂに近接して、燃料電池１００の下端縁部および上端縁部に冷却媒体供給連通孔３４ａおよび冷却媒体排出連通孔３４ｂが設けられる。
【００５０】
第１セパレータ１０４に酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１０が設けられる一方、図７に示すように、第２セパレータ１０６に燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１２が設けられる。図６に示すように、第２セパレータ１０６は、燃料ガス流路１１２とは反対側の面に冷却媒体流路１１４を設けている。
【００５１】
酸化剤ガス流路１１０、燃料ガス流路１１２および冷却媒体流路１１４は、単一の折り返し部位を設ける蛇行形状に設定される。酸化剤ガス流路１１０、燃料ガス流路１１２および冷却媒体流路１１４の折り返し部位内側には、流路境界部１１６、１１８および１２０が設けられるとともに、前記流路境界部１１６、１１８および１２０には、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の洩れ（ショートカット）を阻止するためのシール１２２、１２４および１２６が配設される。
【００５２】
燃料電池１００の略中央部には、所定数、例えば、２個の開口部１２８ａ、１２８ｂが積層方向に貫通形成される。燃料電池１００の積層方向一端に配置されるエンドプレート１３０には、前記燃料電池１００の開口部１２８ａ、１２８ｂに挿入される位置決めガイド部１３２ａ、１３２ｂが形成されている。
【００５３】
このように構成される第３の実施形態では、例えば、第１セパレータ１０４の酸化剤ガス流路１１０に供給された酸化剤ガスは、流路境界部１１６に配設されているシール１２２を介し、前記流路境界部１１６を跨いでショートカットすることがない。これにより、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止し、燃料電池１００の発電性能を良好に維持することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５４】
しかも、燃料電池１００を組み付ける際に、この燃料電池１００に貫通形成されている開口部１２８ａ、１２８ｂには、エンドプレート１３０の位置決めガイド部１３２ａ、１３２ｂが挿入される。このため、燃料電池１００は、位置決めガイド部１３２ａ、１３２ｂにより位置ずれを惹起することなく強固に保持され、特に、車載用に適する等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、反応ガス流路において、反応ガスの流体圧力に差が発生し易い流路境界部に、ガス拡散層を切り欠いてシールが配設されるため、前記反応ガスが前記流路境界部を跨いで、すなわち、前記ガス拡散層を通ってショートカットすることがない。これにより、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止することができ、発電面全面に反応ガスを均一に供給して燃料電池の発電性能を良好に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図８】従来技術に係るセパレータの一部拡大説明図である。
【符号の説明】
１０、９０、１００…燃料電池 １４、１０２…電解質膜・電極接合体
１６、１８、１０４、１０６…セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４ａ…冷却媒体供給連通孔 ３４ｂ…冷却媒体排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層
４４ａ、４４ｂ…電極触媒層 ４６、１１０…酸化剤ガス流路
４８…酸化剤ガス流路溝
５２、６２、７４、１１６、１１８、１２０…流路境界部
５４、６４、７６、１２２、１２４、１２６…シール
５６、１１２…燃料ガス流路 ５８…燃料ガス流路溝
６８、１１４…冷却媒体流路 ７０…冷却媒体流路溝
９２、１２８ａ、１２８ｂ…開口部 ９４…集電プレート
９６…絶縁プレート ９８、１３０…エンドプレート
９９、１３２ａ、１３２ｂ…位置決めガイド部
１０８…シール部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、所望の発電機能を維持するために、それぞれのセパレータの面内には、アノード側電極およびカソード側電極の発電面全面にわたって燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する必要がある。このため、セパレータには、例えば、長尺な反応ガス流路（燃料ガス流路および酸化剤ガス流路）が蛇行するように設けられている。
【０００５】
ところが、上記の蛇行する反応ガス流路では、反応ガスを均一に供給するために比較的大きな圧損が発生しており、前記反応ガスが比較的抵抗の少ない部分を流れようとする。従って、反応ガスは、圧力差が生じ易い反応ガス流路間を跨ぐようにショートカットまたはバイパスしてしまい、発電面に前記反応ガスが十分に供給されないおそれがある。
【０００６】
そこで、例えば、米国特許第６，０９９，９８４号公報に開示されている技術が知られている。この従来技術では、反応ガスを流すために複数組の蛇行流路を設けるとともに、互いに隣り合う蛇行流路が対称構造（ミラーイメージ）となっている。このため、隣接して流れる反応ガスの流体圧が略同一となり、前記反応ガスのショートカットを防止することができる、としている。
【０００７】
具体的には、図８に示すように、セパレータ１の端部に複数の供給マニホールド２が形成されており、前記供給マニホールド２がそれぞれ導入レッグ３ａ、３ｂを介して第１蛇行流路４ａと第２蛇行流路４ｂの入口側に連通している。図示していないが、供給マニホールド２には、複数組の第１蛇行流路４ａと第２蛇行流路４ｂとが連通するとともに、前記第１蛇行流路４ａと前記蛇行第２流路４ｂの出口側が導出レッグを介して排出マニホールドに連通している。
【０００８】
第１蛇行流路４ａと第２蛇行流路４ｂとは、対称構造に設定されており、前記第１蛇行流路４ａは、矢印Ｈ方向に蛇行しながら矢印Ｖ１方向に反応ガスを流す一方、前記第２蛇行流路４ｂは、矢印Ｈ方向に蛇行しながら矢印Ｖ１方向とは逆の矢印Ｖ２方向に反応ガスを供給している。このため、導入レッグ３ａ、３ｂでは、反応ガスが略同一の流体圧で供給され、前記反応ガスのショートカットが防止される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１および第２蛇行流路４ａ、４ｂでは、例えば、反応ガスが流路溝５ａに沿って矢印Ｈ１方向に流れた後、折り返して流路溝５ｂに沿って矢印Ｈ２方向（矢印Ｈ１方向とは逆方向）に流れている。従って、流路溝５ａ、５ｂ間に反応ガスの流体圧力差が生じてしまい、この反応ガスが前記流路溝５ａ、５ｂ間を跨ぐようにして、すなわち、アノード側電極およびカソード側電極を構成するガス拡散層を通ってショートカットする場合がある。特に、運転条件によって反応ガス圧力が上昇したり、ガス流量が増加したりした際には、上記の反応ガスのショートカットが顕著なものとなってしまう。
【００１０】
これにより、発電面全面に対して反応ガスを均一に供給することができず、発電性能が低下するという問題が指摘されている。しかも、流路構造全体が複雑化し、セパレータ１の製造コストが高騰するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを有効に阻止し、所望の発電性能を確実に維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内に、反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられている。そして、少なくとも反応ガス流路の折り返し部位内側には、反応ガスが互いに逆方向に移動する前記反応ガス流路間を仕切る流路境界部が、電極を構成するガス拡散層を切り欠いて設けられるとともに、この流路境界部には、反応ガスの洩れを阻止するためのシールが配設されている。
【００１３】
従って、反応ガスの流体圧力に差が発生し易い流路境界部には、ガス拡散層が切り欠かれてシールが配設されるため、前記反応ガスが前記流路境界部を跨いでショートカットすることを有効に阻止することができる。これにより、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止し、発電面全面に反応ガスを均一に供給して燃料電池の発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、流路境界部に、シールを貫通して位置決めガイド挿入用の開口部が形成されている。このため、例えば、開口部にエンドプレートの位置決めガイドが挿入されることにより、燃料電池が容易かつ正確に位置決めされた状態で、締め付け保持される。従って、燃料電池、さらには燃料電池スタックの組み立て作業が、一挙に容易かつ効率的に遂行され、作業性の向上を図ることが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００１６】
燃料電池１０は、電解質膜・電極接合体（電解質・電極接合体）１４と、例えば、金属板材で形成されて前記電解質膜・電極接合体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。電解質膜・電極接合体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２６が介装されている。
【００１７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、および燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００１９】
電解質膜・電極接合体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２０】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、図２に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層４２ａ、４２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層４２ａ、４２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層４４ａ、４４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層４４ａ、４４ｂは、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合される。アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、後述する酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の形状に対応した塗布範囲に設定されている（図１参照）。
【００２１】
シール部材２６の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２６に代替して、第１および第２セパレータ１６、１８にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００２２】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極接合体１４側の面１６ａには、酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。酸化剤ガス流路４６は、それぞれ独立した複数本の酸化剤ガス流路溝４８を備え、この酸化剤ガス流路溝４８は、面１６ａに壁部５０を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２３】
酸化剤ガス流路４６の折り返し部位内側には、酸化剤ガスが互いに逆方向に移動する酸化剤ガス流路溝４８間を仕切る流路境界部５２が設けられる。流路境界部５２は、矢印Ｃ方向に沿って３箇所に設けられており、各流路境界部５２には、酸化剤ガスの洩れ（ショートカット）を阻止するための絶縁性シール５４が配設される。
【００２４】
シール５４は、例えば、第１セパレータ１６に焼き付け等により固着されており、電解質膜・電極接合体１４に重ね合わされた際に、前記シール５４がカソード側電極４０の形状に対応し、すなわち、ガス拡散層４２ｂが切り欠かれた部分に対応して配置される（図２参照）。なお、シール５４を第１セパレータ１６に固着する代わりに、電解質膜・電極接合体１４側に装着してもよい。
【００２５】
図４に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極接合体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）５６が形成される。この燃料ガス流路５６は、それぞれ独立した複数本の燃料ガス流路溝５８を備え、この燃料ガス流路溝５８は、面１８ａに壁部６０を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２６】
燃料ガス流路５６の折り返し部位内側には、燃料ガスが互いに逆方向に移動する燃料ガス流路溝５８間を仕切る流路境界部６２が設けられる。流路境界部６２は、矢印Ｃ方向に３列に形成されており、各流路境界部６２には、燃料ガスの洩れ（ショートカット）を阻止するための絶縁性シール６４が配設される。このシール６４は、例えば、第２セパレータ１８に焼き付け等によって設けられている。第２セパレータ１８が電解質膜・電極接合体１４に重ね合わされる際、ガス拡散層４２ａが切り欠かれた部位に対応して、シール６４が配設される（図２参照）。
【００２７】
図１に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路６８が形成される。この冷却媒体流路６８は、それぞれ独立した複数本の冷却媒体流路溝７０を備え、この冷却媒体流路溝７０は、面１８ｂに壁部７２を介して水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。
【００２８】
冷却媒体流路６８の折り返し部位内側には、冷却媒体が互いに逆方向に移動する冷却媒体流路溝７０間を仕切る流路境界部７４が設けられ、前記流路境界部７４には、前記冷却媒体の洩れを阻止するための絶縁性シール７６が配設される。このシール７６は、例えば、第２セパレータ１８に焼き付け等によって固定されている。
【００２９】
燃料電池１０は、アノード側電極３８およびカソード側電極４０を周回し、積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して締め付けボルト挿通用の孔部７８が、例えば、８箇所に設けられる。なお、孔部７８の個数は、燃料電池１０の寸法等に応じて種々設定可能である。
【００３０】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
まず、燃料電池１０を運転するに際しては、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３２】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路４６に導入され、この酸化剤ガス流路４６を構成する酸化剤ガス流路溝４８を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１４を構成するカソード側電極４０に沿って移動する（図３参照）。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ１８の燃料ガス流路５６に導入され、この燃料ガス流路５６を構成する燃料ガス流路溝５８を介して蛇行しながら電解質膜・電極接合体１４を構成するアノード側電極３８に沿って移動する（図４参照）。
【００３３】
従って、各電解質膜・電極接合体１４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３４】
次いで、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３５】
また、図１に示すように、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ１６の冷却媒体流路６８に導入された後、冷却媒体流路６８を構成する冷却媒体流路溝７０を介して蛇行しながら流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極接合体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。
【００３６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１０内に、それぞれ蛇行する酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５６の折り返し部位内側には、酸化剤ガスおよび燃料ガスが互いに逆方向に移動する酸化剤ガス流路溝４８間および燃料ガス流路溝５８間を仕切る流路境界部５２、６２が、ガス拡散層４２ｂ、４２ａを切り欠いて設けられる。そして、流路境界部５２、６２には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの洩れ（ショートカット）を阻止するためのシール５４、６４が配設されている。
【００３７】
従って、例えば、酸化剤ガス流路４６において、図３に示すように、流路境界部５２を挟んでそれぞれの酸化剤ガス流路溝４８に酸化剤ガスが互いに逆方向に移動する際、前記流路境界部５２に圧力差が発生しても、シール５４を介して前記酸化剤ガスが前記流路境界部５２を跨いで、すなわち、ガス拡散層４２ｂを通ってショートカットすることがない。一方、燃料ガス流路５６においても同様に、図４に示すように、流路境界部６２に燃料ガスの圧力差が発生しても、この流路境界部６２に配設されたシール６４を介し、前記燃料ガスがガス拡散層４２ａを通って洩れることを有効に防止することができる。
【００３８】
これにより、第１の実施形態では、流路境界部５２、６２にガス拡散層４２ｂ、４２ａを切り欠いてシール５４、６４を配設するだけでよく、簡単かつ安価な構成で、反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）の洩れを確実に阻止することが可能になる。このため、カソード側電極４０およびアノード側電極３８の発電面全面に対し、反応ガスを均一かつ確実に供給することができ、燃料電池１０の発電性能を良好に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３９】
また、冷却媒体流路６８において、流路境界部７４にシール７６が配設されている（図１参照）。従って、冷却媒体が冷却媒体流路６８内でショートカットすることがなく、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の発電面全面を良好かつ確実に冷却することができる。
【００４０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００４１】
燃料電池９０は、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の抜き取り部分、すなわち、流路境界部５２、６２および７４に対応して１個〜３個、この第２の実施形態では、１個の開口部９２が積層方向（矢印Ａ方向）に貫通して形成される。開口部９２は、燃料電池９０の中央部に対応しており、開口形状が長方形状に設定される。
【００４２】
燃料電池９０の積層方向一端には、集電プレート９４、絶縁プレート９６およびエンドプレート９８が配設されるとともに、前記燃料電池９０の積層方向他端には、図示しないが、同様に集電プレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが配設される。
【００４３】
エンドプレート９８には、燃料電池９０の開口部９２に対応して断面長方形状の位置決めガイド部９９が設けられる。この位置決めガイド部９９が、燃料電池９０の積層方向に貫通形成されている開口部９２に挿入されることにより、前記燃料電池９０が、前記エンドプレート９８、絶縁プレート９６および集電プレート９４に積層される。
【００４４】
燃料電池９０の外周縁部に形成されている孔部７８には、締め付けボルト９７が挿入される。この締め付けボルト９７は、他方のエンドプレートに挿入され、端部に図示しないナットが螺合されることによって、燃料電池９０が一体的に組み付けられる。なお、燃料電池９０は、必要に応じて所定組数だけ矢印Ａ方向に積層されることにより、燃料電池スタックが構成される。
【００４５】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池９０に貫通形成されている開口部９２に、エンドプレート９８の位置決めガイド部９９が挿入されることにより、前記燃料電池９０が容易かつ正確に位置決めされた状態で、締め付け保持される。このため、燃料電池９０、さらには、燃料電池スタックの組み立て作業が、一挙に容易かつ効率的に遂行され、作業性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。その際、シール５４、６４および７６は、絶縁性を有しており、位置決めガイド部９９を介して第１および第２セパレータ１６、１８間が電気的に接続されることがない。
【００４６】
しかも、燃料電池９０は、開口部９２に位置決めガイド部９９が挿入された状態で締め付け保持されている。従って、特に、燃料電池９０を車載型として使用する際に、振動等による位置ずれを低減することができ、燃料ガスや酸化剤ガスの洩れや冷却媒体の洩れ等を有効に回避することが可能になる。
【００４７】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。
【００４８】
燃料電池１００は、電解質膜・電極接合体１０２と、第１および第２セパレータ１０４、１０６と、これらの間に介装されるシール部材１０８とを備える。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の一端縁部には、下部側に酸化剤ガス供給連通孔３０ａが設けられる一方、上部側に酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。
【００４９】
燃料電池１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、下部側に燃料ガス供給連通孔３２ａが設けられる一方、上部側に燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。燃料ガス供給連通孔３２ａおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂに近接して、燃料電池１００の下端縁部および上端縁部に冷却媒体供給連通孔３４ａおよび冷却媒体排出連通孔３４ｂが設けられる。
【００５０】
第１セパレータ１０４に酸化剤ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１０が設けられる一方、図７に示すように、第２セパレータ１０６に燃料ガス流路（折り返し型反応ガス流路）１１２が設けられる。図６に示すように、第２セパレータ１０６は、燃料ガス流路１１２とは反対側の面に冷却媒体流路１１４を設けている。
【００５１】
酸化剤ガス流路１１０、燃料ガス流路１１２および冷却媒体流路１１４は、単一の折り返し部位を設ける蛇行形状に設定される。酸化剤ガス流路１１０、燃料ガス流路１１２および冷却媒体流路１１４の折り返し部位内側には、流路境界部１１６、１１８および１２０が設けられるとともに、前記流路境界部１１６、１１８および１２０には、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の洩れ（ショートカット）を阻止するためのシール１２２、１２４および１２６が配設される。
【００５２】
燃料電池１００の略中央部には、所定数、例えば、２個の開口部１２８ａ、１２８ｂが積層方向に貫通形成される。燃料電池１００の積層方向一端に配置されるエンドプレート１３０には、前記燃料電池１００の開口部１２８ａ、１２８ｂに挿入される位置決めガイド部１３２ａ、１３２ｂが形成されている。
【００５３】
このように構成される第３の実施形態では、例えば、第１セパレータ１０４の酸化剤ガス流路１１０に供給された酸化剤ガスは、流路境界部１１６に配設されているシール１２２を介し、前記流路境界部１１６を跨いでショートカットすることがない。これにより、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止し、燃料電池１００の発電性能を良好に維持することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５４】
しかも、燃料電池１００を組み付ける際に、この燃料電池１００に貫通形成されている開口部１２８ａ、１２８ｂには、エンドプレート１３０の位置決めガイド部１３２ａ、１３２ｂが挿入される。このため、燃料電池１００は、位置決めガイド部１３２ａ、１３２ｂにより位置ずれを惹起することなく強固に保持され、特に、車載用に適する等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、反応ガス流路において、反応ガスの流体圧力に差が発生し易い流路境界部に、ガス拡散層を切り欠いてシールが配設されるため、前記反応ガスが前記流路境界部を跨いで、すなわち、前記ガス拡散層を通ってショートカットすることがない。これにより、簡単かつ安価な構成で、反応ガスの洩れを確実に阻止することができ、発電面全面に反応ガスを均一に供給して燃料電池の発電性能を良好に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図８】従来技術に係るセパレータの一部拡大説明図である。
【符号の説明】
１０、９０、１００…燃料電池 １４、１０２…電解質膜・電極接合体
１６、１８、１０４、１０６…セパレータ
３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４ａ…冷却媒体供給連通孔 ３４ｂ…冷却媒体排出連通孔
３６…固体高分子電解質膜 ３８…アノード側電極
４０…カソード側電極 ４２ａ、４２ｂ…ガス拡散層
４４ａ、４４ｂ…電極触媒層 ４６、１１０…酸化剤ガス流路
４８…酸化剤ガス流路溝
５２、６２、７４、１１６、１１８、１２０…流路境界部
５４、６４、７６、１２２、１２４、１２６…シール
５６、１１２…燃料ガス流路 ５８…燃料ガス流路溝
６８、１１４…冷却媒体流路 ７０…冷却媒体流路溝
９２、１２８ａ、１２８ｂ…開口部 ９４…集電プレート
９６…絶縁プレート ９８、１３０…エンドプレート
９９、１３２ａ、１３２ｂ…位置決めガイド部
１０８…シール部材
Claims (2)
- 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一組のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体に対向するセパレータ面内には、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを蛇行して流すための折り返し型反応ガス流路が設けられた燃料電池であって、少なくとも前記反応ガス流路の折り返し部位内側には、前記反応ガスが互いに逆方向に移動する前記反応ガス流路間を仕切る流路境界部が、前記電極を構成するガス拡散層を切り欠いて設けられるとともに、
前記流路境界部には、前記反応ガスの洩れを阻止するためのシールが配設されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記流路境界部には、前記シールを貫通して位置決めガイド挿入用の開口部が形成されることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002169934A JP4121315B2 (ja) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | 燃料電池 |
| US10/454,215 US7393607B2 (en) | 2002-06-11 | 2003-06-04 | Fuel cell and fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002169934A JP4121315B2 (ja) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004014446A true JP2004014446A (ja) | 2004-01-15 |
| JP4121315B2 JP4121315B2 (ja) | 2008-07-23 |
Family
ID=30436349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002169934A Expired - Fee Related JP4121315B2 (ja) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | 燃料電池 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7393607B2 (ja) |
| JP (1) | JP4121315B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006216442A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 燃料電池用セパレータ |
| WO2007126095A1 (ja) * | 2006-04-25 | 2007-11-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池のセパレータ |
| JP2008103348A (ja) * | 2002-11-07 | 2008-05-01 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| US7445865B2 (en) | 2002-11-07 | 2008-11-04 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| JP2008282777A (ja) * | 2007-05-14 | 2008-11-20 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| US9203103B2 (en) | 2006-03-10 | 2015-12-01 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell, fuel cell stack, and method of producing the fuel cell stack |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006075786A1 (ja) * | 2005-01-13 | 2006-07-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池及び燃料電池用セパレータ |
| US20070003814A1 (en) * | 2005-06-29 | 2007-01-04 | Fisher Allison M | Polymer electrolyte membrane fuel cell stack |
| JP5485727B2 (ja) * | 2010-01-27 | 2014-05-07 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP5666396B2 (ja) * | 2011-07-14 | 2015-02-12 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用金属セパレータの製造方法 |
| US10103390B2 (en) * | 2015-04-20 | 2018-10-16 | Energyor Technologies Inc | Method for producing kiss cut fluid flow field plates |
| JP6848580B2 (ja) * | 2017-03-24 | 2021-03-24 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池スタック |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6313309A (ja) | 1986-07-03 | 1988-01-20 | Mitsubishi Electric Corp | ロ−タリ−トランス |
| JPH03119665A (ja) | 1989-10-03 | 1991-05-22 | Toshiba Corp | 燃料電池締付装置 |
| US6099984A (en) | 1997-12-15 | 2000-08-08 | General Motors Corporation | Mirrored serpentine flow channels for fuel cell |
| US6071635A (en) * | 1998-04-03 | 2000-06-06 | Plug Power, L.L.C. | Easily-formable fuel cell assembly fluid flow plate having conductivity and increased non-conductive material |
| JP2000100457A (ja) * | 1998-09-25 | 2000-04-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池 |
| JP3769958B2 (ja) * | 1998-12-24 | 2006-04-26 | 三菱電機株式会社 | 燃料電池 |
| JP2001110432A (ja) | 1999-10-08 | 2001-04-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 高分子電解質型燃料電池 |
| US6468682B1 (en) * | 2000-05-17 | 2002-10-22 | Avista Laboratories, Inc. | Ion exchange membrane fuel cell |
| JP4969719B2 (ja) * | 2000-10-17 | 2012-07-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
-
2002
- 2002-06-11 JP JP2002169934A patent/JP4121315B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2003
- 2003-06-04 US US10/454,215 patent/US7393607B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008103348A (ja) * | 2002-11-07 | 2008-05-01 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| US7445865B2 (en) | 2002-11-07 | 2008-11-04 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| US7846612B2 (en) | 2002-11-07 | 2010-12-07 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
| JP2006216442A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 燃料電池用セパレータ |
| JP4736453B2 (ja) * | 2005-02-04 | 2011-07-27 | 住友金属工業株式会社 | 燃料電池用セパレータ |
| US9203103B2 (en) | 2006-03-10 | 2015-12-01 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell, fuel cell stack, and method of producing the fuel cell stack |
| WO2007126095A1 (ja) * | 2006-04-25 | 2007-11-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池のセパレータ |
| JP2008282777A (ja) * | 2007-05-14 | 2008-11-20 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4121315B2 (ja) | 2008-07-23 |
| US20040038112A1 (en) | 2004-02-26 |
| US7393607B2 (en) | 2008-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7309542B2 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
| JP4344484B2 (ja) | 固体高分子型セルアセンブリ | |
| JP4067371B2 (ja) | 燃料電池 | |
| US7759014B2 (en) | Fuel cell having a seal member | |
| US7569301B2 (en) | Fuel cell | |
| JP5318382B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| CN103250290B (zh) | 燃料电池和燃料电池组 | |
| JP4417224B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4634933B2 (ja) | 燃料電池 | |
| US7790326B2 (en) | Fuel cell and separator for fuel cell | |
| JP2004172094A (ja) | 燃料電池 | |
| JP4820068B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4121315B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2004158341A (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4473519B2 (ja) | 燃料電池 | |
| CA2441623C (en) | Fuel cell with a seal member defining a reactant gas flow field | |
| JP4214027B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2007188664A (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2005235613A (ja) | 燃料電池 | |
| JP4723196B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4109569B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4069039B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2007324122A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2004087190A (ja) | 固体高分子型セルアセンブリ | |
| JP5021698B2 (ja) | 燃料電池スタック |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041130 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060428 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060718 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060915 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20071225 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080219 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20080226 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080422 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080428 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110509 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110509 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130509 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130509 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140509 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |