JP2004214082A

JP2004214082A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004214082A
Application number: JP2003001144A
Authority: JP
Inventors: Yasumitsu Ito; 泰充伊藤
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【目的】本発明は、燃料電池を構成するセパレータにおいてシール性を低下させることなく、スムーズに流体を電極ユニットへ供給でき、燃料電池性能の向上に貢献し得ることを目的としている。
【構成】このため、燃料電池において、単セルの積層方向に貫通し、流体が流通される第１のマニホルドを設け、セパレータにおいて、第１のマニホルドより内側の各電極側に設けられ、かつ電解質膜と接する面側から接しない面側まで貫通した第２のマニホルドを形成し、第１のマニホルドと第２のマニホルドとは、電解質膜とは接していない面側で連通し、セパレータの電解質膜と接する面側には、流体通路が溝状に形成され、第２のマニホルドに接続されるとともに、流体通路は、燃料ガス通路と、酸化剤ガス通路とが、電極ユニットを挟んで対称となるように形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池に係り、特に燃料電池を構成するセパレータにおいてシール性を低下させることなく、スムーズに流体を電極ユニットへ供給でき、燃料電池性能の向上に貢献し得る燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、例えば固体高分子電解質膜型燃料電池は、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて電気化学反応により発電するものである。前記電気化学反応の結果、排出される物質は水のみであり、クリーンな発電装置として注目されている。
【０００３】
そして、前記燃料電池は、電解質である高分子イオン交換膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極との２つの電極とからなる電極ユニットと、この電極ユニットに、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流体通路を形成するセパレータとから構成された単セルを積層して構成されている。
【０００４】
また、前記燃料電池において、電極のアノード電極側に供給された燃料ガスは、触媒に接することにより水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、カソード電極には酸化剤ガスが供給されているため、このカソード電極において、水素イオンと酸素とが反応して水が生成され、一方、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ものである。このとき、上記の反応は、発熱反応である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１２３８５０号公報（第２−５頁、図１−４）
【特許文献２】
特開２００２−８３６１４号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献３】
特開２００２−１００３８０号公報（第４−５頁、図３−４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃料電池において、セパレータは、ガスを貫通方向に貫くようにマニホルドが形成されるとともに、電極面を繋ぐ流体通路部分がガスシール部を跨ぐため、リッド等の別部品を使用することや、薄いセパレータに横穴をあける等の精度の高い加工が必要であった。
【０００７】
先ず、第１例について説明すると、図１２（ａ）及び（ｂ）に示す如く、セパレータ２１８−１にマニホルド２２２ａ−１を形成するとともに、このマニホルド２２２ａ−１から電極面に直接溝状の流体通路２１４−１を刻み、蓋等をしないで、流体通路２１４−１の上にＯリングからなるガスシール部２３２−１を形成するものである。
【０００８】
しかし、第１例のものにおいては、ガスシール部２３２−１が、噛み込みによる破断やせん断応力による破断・変形（図１２（ｂ）の点Ｐ参照）が生ずる恐れがあるとともに、流体通路２１６−１側から押さえ付ける圧力がないため、電極面にガスが混入するおそれがある（図１２（ｂ）の点Ｑ参照）という不都合がある。
【０００９】
また、第２例としては、図１３〜図１５に示す如く、マニホルド３２２ａ−１を形成したセパレータ３１８−１においてマニホルド３２２ａ−１の外側からセパレータ３１８−１に横穴３２１−１を形成し、マニホルド３２２ａ−１よりも外側の横穴部分を芋ねじ等の閉塞具３２３−１によって閉塞するものがある。
【００１０】
そして、前記横穴３２１−１を流体通路３１４−１の一部として機能させるとともに、この横穴３２１−１に連絡する位置合わせ用縦穴３２５−１を形成し、セパレータ３１８−１の電極面に形成される流体通路（「チャンネル」ともいう）３１４−１に前記マニホルド３２２ａ−１を連通させている。
【００１１】
このとき、前記セパレータを薄く作る必要があるが、丸穴加工を施すために、セパレータにある程度の厚みが要求されるとともに、セパレータに横穴を形成する際に、セパレータ面に沿って長い距離を精度良くあける必要があり、高い加工精度が要求され、加工コストが大となるという不都合がある。
【００１２】
更に、第３例としては、図１６〜図２０に示す如く、セルを構成するセパレータ４１８−１、４２０−１にマニホルド４２２ａ−１を形成するとともに、このマニホルド４２２ａ−１から電極面に直接溝状の流体通路４１４−１、４１６−１を刻み、刻んだ流体通路４１４−１、４１６−１の上部にリッド４１５−１を夫々設け、このリッド４１５−１部分にガスシール部４３２−１を形成する。
【００１３】
つまり、セパレータ４１８−１に流体通路４１６−１を形成するとともに、セパレータ４２０−１に流体通路４１４−１を形成するものである。
【００１４】
このとき、熱膨張係数を考慮すると、セパレータとリッドとは同じ材質を使用することがよいが、リッドの材質としてはいろいろなものが利用されている。
【００１５】
しかし、図１８に示す如く、リッド４１５−１の高さがセパレータ４１８−１と異なると、ガスシール部４３２−１への面圧が変化し、シール性が低下するとともに、セパレータ４１８−１とリッド４１５−１との間に隙間が生じていると、ガスシール部４３２−１を噛み込むおそれがあり、しかも接着剤を使用した場合には、図１９に示す如く、隙間部分で盛り上がったり、流体通路４１６−１側に入り込み、流体通路４１６−１を閉塞するとともに、接着剤自体が電極の汚染原因となるという不都合がある。
【００１６】
また、リッドを使用することにより、部品点数が増加することとなり、製作コストが大となるとともに、組付工数が増加するという不都合もある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、電解質膜と、電解質膜の一面側に配置されたアノード電極と、電解質膜の他面側に配置されたカソード電極とからなる電極ユニットと、この電極ユニットに、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流体通路を形成するセパレータとから構成された単セルを積層して構成された燃料電池において、前記単セルの積層方向に貫通し、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体のいずれか一つを含む流体が流通される第１のマニホルドを設け、セパレータにおいて、第１のマニホルドより内側の各電極側に設けられ、かつ前記電解質膜と接する面側から接しない面側まで貫通した第２のマニホルドを形成し、第１のマニホルドと第２のマニホルドとは、前記電解質膜とは接していない面側で連通し、前記セパレータの電解質膜と接する面側には、流体通路が溝状に形成され、第２のマニホルドに接続されるとともに、流体通路は、燃料ガス通路と、酸化剤ガス通路とが、電極ユニットを挟んで対称となるように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
上述の如く発明したことにより、セパレータに第１、第２のマニホルドを形成するとともに、流体通路は、燃料ガス通路と、酸化剤ガス通路とが、電極ユニットを挟んで対称となるように形成し、シール性を低下させることなく、スムーズに流体を電極ユニットへ供給し、燃料電池性能の向上に貢献している。
【００１９】
【実施例】
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図９はこの発明の第１実施例を示すものである。図１において、２は燃料電池である。この燃料電池２は、複数の単セルを積層して形成される。例えば２個、つまり下段に位置する第１セル４−１と上段に位置する第２セル４−２とを積層して前記燃料電池２を形成する。
【００２１】
そして、単セルは、第１及び第２セル４−１、４−２とも同一形状を有することにより、下段に位置する第１セル４−１のみについて説明し、上段に位置する第２セル４−２の説明は省略する。
【００２２】
第１セル４−１は、図１及び図３に示す如く、電解質膜６−１の一面側（図３において下面側）に配置されたアノード電極８−１と、電解質膜６−１の他面側（図３において上面側）に配置されたカソード電極１０−１とからなる電極ユニット１２−１と、この電極ユニット１２−１のアノード電極８−１側に形成された燃料ガス、例えば水素を供給するための水素側流体通路１４−１と、前記電極ユニット１２−１のカソード電極１０−１側に形成された酸化剤ガス、例えば空気を供給するための空気側流体通路１６−１と、前記アノード電極８−１の下側を包囲する水素用セパレータ１８−１と、前記カソード電極１０−１の上側を包囲する空気用セパレータ２０−１とから構成される。
【００２３】
このとき、単セルである、例えば第１セル４−１の積層方向に貫通し、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体のいずれか一つを含む流体が流通される第１のマニホルド２２−１を設ける。この第１のマニホルド２２−１は、燃料ガス、例えば水素が流通する第１の水素用マニホルド２２ａ−１と、酸化剤ガス、例えば空気が流通する第１の空気用マニホルド２２ｂ−１と、冷却媒体、例えば冷却水が流通する第１の冷却水用マニホルド（図示せず）とからなる。
【００２４】
また、前記単セルたる第１セル４−１のセパレータにおいて、第１のマニホルド２２−１より内側の各電極側に設けられ、かつ前記電解質膜６−１と接する面側から接しない面側まで貫通した第２のマニホルド２４−１を形成し、第１のマニホルド２２−１と第２のマニホルド２４−１とは、前記電解質膜６−１とは接していない面側で連通し、前記セパレータの電解質膜６−１と接する面側には、流体通路２６−１の一部を構成する水素側流体通路１４−１と空気側流体通路１６−１とが溝状に形成され、第２のマニホルド２４−１に接続されるとともに、流体通路２６−１の別の部分を構成する燃料ガス通路２８−１と、酸化剤ガス通路３０−１とが、電極ユニット１２−１を挟んで対称（点対称）となるように形成されている。
【００２５】
詳述すれば、前記水素用セパレータ１８−１においては、第１の水素用マニホルド２２ａ−１より内側の電極、つまり前記アノード電極８−１側に設けられ、かつ前記電解質膜６−１と接する上面１８ｘ−１側から接しない下面１８ｙ−１側まで貫通した第２の水素用マニホルド２４ａ−１を形成し、第１の水素用マニホルド２２ａ−１と第２の水素用マニホルド２４ａ−１とは、前記電解質膜６−１とは接していない下面１８ｙ−１側で連通し、前記水素用セパレータ１８−１の電解質膜６−１と接する上面１８ｘ−１側には、流体通路２６−１の一部を構成する水素側流体通路１４−１が溝状に形成され、第２の水素用マニホルド２４ａ−１に接続される。
【００２６】
また、前記空気用セパレータ２０−１においては、第１の空気用マニホルド２２ｂ−１より内側の電極、つまり前記カソード電極１０−１側に設けられ、かつ前記電解質膜６−１と接する下面２０ｙ−１側から接しない上面２０ｘ−１側まで貫通した第２の空気用マニホルド２４ｂ−１を形成し、第１の空気用マニホルド２２ｂ−１と第２の空気用マニホルド２４ｂ−１とは、前記電解質膜６−１とは接していない上面２０ｘ−１側で連通し、前記空気用セパレータ２０−１の電解質膜６−１と接する下面２０ｙ−１側には、流体通路２６−１の一部を構成する空気側流体通路１６−１が溝状に形成され、第２の空気用マニホルド２４ｂ−１に接続される。
【００２７】
そして、流体通路２６−１の別の部分を構成する燃料ガス通路２８−１と酸化剤ガス通路３０−１とは、前記電極ユニット１２−１を挟んで対称（点対称）となるように形成されている。
【００２８】
更に、前記単セルたる第１セル４−１において、電解質膜６−１と夫々接する水素用セパレータ１８−１の上面１８ｘ−１側と空気用セパレータ２０−１の下面２０ｙ−１側との間には、図１及び図４に示す如く、前記電極ユニット１２−１を囲繞すべく、Ｏリング等からなるガスシール部３２−１を設ける。つまり、ガスシール部３２−１は、前記流体通路２６−１の一部を構成する燃料ガス通路２８−１と酸化剤ガス通路３０−１との形成位置とは逆の位置側に設けられることとなる。
【００２９】
次に作用を説明する。
【００３０】
前記燃料電池２の第１の水素用マニホルド２２ａ−１に供給された水素は、図１に示す如く、上段に位置する第２セル４−２側から下段に位置する第１セル４−１側に流れ、この第１セル４−１内に到達すると、燃料ガス通路２８−１を介して第２の水素用マニホルド２４ａ−１に流れ、水素側流体通路１４−１に到達する。
【００３１】
また、前記燃料電池２の第１の空気用マニホルド２２ｂ−１に供給された空気は、下段に位置する第１セル４−１側から上段に位置する第２セル４−２側に流れる。そして、第１セル４−１内に供給された空気は、酸化剤ガス通路３０−１を介して第２の空気用マニホルド２４ｂ−１に流れ、空気側流体通路１６−１に到達する。
【００３２】
なお、第２セル４−２の場合にも、第１セル４−１と同様の流れが生ずることにより、説明は省略する。
【００３３】
そして、前記電極ユニット１２−１の電解質膜６−１を挟んで水素側流体通路１４−１に供給された水素と空気側流体通路１６−１に供給された空気とは対向流となり、電気化学反応により発電が行われる。このとき、電気化学反応の結果排出される物質は水のみであるとともに、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。
【００３４】
これにより、シール性を低下させることなく、スムーズに流体である水素と空気とを電極ユニット１２−１へ供給することが可能となり、燃料電池性能の向上に貢献でき、実用上有利である。
【００３５】
図５〜図８はこの発明の第２実施例を示すものである。この第２実施例において、上述第１実施例のものと同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。
【００３６】
一般に、セルは、効率良く発電を行うために、電極ユニット１２−１のアノード電極８−１及びカソード電極１０−１（「ガス拡散層電極」または「ＧＤＬ（）ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ」とも換言できる）に適正、かつ一様な面圧を与える必要がある。そして、前記セルには、図示しないボルト・ナット等の固定部材によってトルクが与えられる。
【００３７】
このため、従来の方策においては、図５に示す如く、例えば空気用セパレータ４６Ａの外周部位に等間隔に複数個の固定部材用孔４４Ａを形成した際に、これらの固定部材用孔４４Ａの間、例えば図５において左右の固定部材用孔４４Ａの間にマニホルド５０Ａを設け、各マニホルド５０Ａを連絡する平行な流体通路５２Ａを形成し、前記固定部材用孔４４Ａに流体通路５２Ａを形成しない構成としていた。従って、空気用セパレータ４６Ａの中央部位には、図５の破線部分で示す如く、流体通路５２Ａとして使用できない大なる領域が生じていた。
【００３８】
この第２実施例の特徴とするところは、上述不具合を解消するために、前記単セルを積層し固定するための固定部材用孔４４をセパレータに複数個形成し、少なくとも２つの固定部材用孔４４が、第１のマニホルドを貫通するように設けた点にある。
【００３９】
このとき、空気用及び水素用の各セパレータ４６、４８において、夫々対策を講じた。
【００４０】
すなわち、空気用セパレータ４６の場合には、図６に示す如く、空気用セパレータ４６の上下部位に等間隔に複数個の固定部材用孔４４を形成し、両端に位置する固定部材用孔４４間、つまり前記空気用セパレータ４６の左右部位に縦方向に延びる第１の空気用マニホルド５０を夫々設け、左右位置する第１の空気用マニホルド５０を複数本の流体通路５２によって連絡して設ける。
【００４１】
そして、第１の空気用マニホルド５０は、空気供給用として機能する第１の空気供給用マニホルド５０−１と、空気排出用として機能する第１の空気排出用マニホルド５０−２とからなる。
【００４２】
このとき、前記空気用セパレータ４６の場合には、図６に破線で示す如く、第１の空気供給用及び空気排出用マニホルド５０−１、５０−２を夫々貫通する固定部材用孔４４−１、４４−２を設けるものである。
【００４３】
また、前記水素用セパレータ４８の場合には、前記空気用セパレータ４６に比較して圧損が小さいため、図７に示す如く、水素用セパレータ４８の外周部位に等間隔に複数個の固定部材用孔５２を形成するとともに、これらの固定部材用孔５２の間にマニホルド５４を設けている。
【００４４】
そして、図７における水素用セパレータ４８の上下部位に設けたマニホルド５４を２本の溝状ディストリビュータ５６によって連絡し、これらのディストリビュータ５６間に複数の流体通路５８を設け、前記空気用セパレータ４６側の流体通路５２と前記水素用セパレータ４８側の流体通路５８との溝形状を合致させるように配慮した。
【００４５】
なお、この第２実施例の構成に、上述した第１実施例の第２のマニホルド構造を採用した構成とすることも可能である。
【００４６】
すなわち、図８（ａ）及び（ｂ）に示す如く、前記水素用セパレータ４８に第１のマニホルド６０及び第２のマニホルド６２を形成した際に、第１のマニホルド６０と第２のマニホルド６２とは、ガスシール部６４によるシール部分を迂回した後に空気側と対向流とするために、第１のマニホルド６０と第２のマニホルド６２とを連絡する一次ディストリビュータ６６と、第２のマニホルド６２と流体通路６８とを連絡する二次ディストリビュータ７０とが設けられる。
【００４７】
さすれば、前記空気用及び水素用の各セパレータ４６、４８の中央部位に生じていた流体通路として使用できない大なる領域を解消し、中央部位に梁として機能する省なる領域が存在するのみとなり、流体通路として使用できる有効面積を拡張し得るものである。
【００４８】
また、前記ガスシール部６４によるシール部分を迂回した後に空気側と対向流とするために、第１のマニホルド６０と第２のマニホルド６２とを連絡する一次ディストリビュータ６６と、第２のマニホルド６２と流体通路６８とを連絡する二次ディストリビュータ７０とを設けたことにより、水素・空気の完全対向流を実現することができ、燃料電池性能の向上に寄与し得る。
【００４９】
更に、上述した水素用セパレータにおける流体通路においては、完全対向流でない場合でも良く、あるいはターペンタインと呼ばれる蛇行溝を使用した場合でも、発電を行うことができる。
【００５０】
図９はこの発明の第３実施例を示すものである。
【００５１】
この第３実施例の特徴とするところは、ガス迂回部分をシールする部分と冷却部分とを隔てるシール部７２を設けた点にある。
【００５２】
すなわち、シングルポーラープレートと膜電極複合体（「電解質膜−電極接合体」または「ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）」とも換言できる）のアセンブリ構成による場合、図９に示す如く、セパレータ７４に、第１のマニホルド７６と、この第１のマニホルド７６に一次ディストリビュータ７８を介して連絡する第２のマニホルド８０と、この第２のマニホルド８０の内側、つまり前記セパレータ７４の中央部位に位置する電極ユニット８２と、冷却水通路８４とが形成される。
【００５３】
そして、前記シール部７２は、第１及び第２のマニホルド７６、８０及び電極ユニット８２、つまりガス迂回部分を囲繞してシールするガスシール部７２−１と、冷却水通路８４を囲繞してシールする冷却水シール部７２−２とからなる。
【００５４】
なお、セルとしてバイポーラープレートを使用すると、両側に膜電極複合体があるため、１セルのみの交換ができないと不都合がある。このため、この第３実施例においては、セルとして、通常使用されるバイポーラープレートを使用せず、モノポーラープレートと膜電極複合体とで１つのユニットを構成している。
【００５５】
さすれば、前記シール部７２によってガス迂回部分をシールする部分と冷却部分とを隔てることができ、各部分のシールを効率良く実施し得て、実用上有利である。
【００５６】
また、万一、前記セルに不良が出た場合には、１ユニットにてセル交換を行うことができるものである。
【００５７】
図１０はこの発明の第４実施例を示すものである。
【００５８】
上述第２実施例においては、前記単セルを積層し固定するための固定部材用孔４４をセパレータに複数個形成し、少なくとも２つの固定部材用孔４４が、第１のマニホルドを貫通するように設ける構成としたが、この第４実施例の特徴とするところは、空気用マニホルド９２をボルト９４が貫通する際に、空気に対するシールを施した点にある。
【００５９】
すなわち、図１０に示す如く、バインドプレート９６は、燃料電池を構成するセル９８に一様、あるいは非一様な面圧を与えるための部品であり、通常は、固定部材によって両側を締め付けるために、セル９８と絶縁されている。また、バインドプレート９６は、ガスや冷却水を入出力するインターフェース（図示せず）を持つ場合が多い。
【００６０】
そして、前記セル９８にバインドプレート９６を固定する際に、ボルト９４とこのボルト９４に係合する袋ナット１００を使用する。
【００６１】
このとき、図１０に示す如く、バインドプレート９６の上面に凹部１０２を形成し、前記セル９８の上面にバインドプレート９６を積層し、前記凹部１０２内にシール部材１０４を介在させつつ、空気用マニホルド９２を貫通するボルト９４にバインドプレート９６の上面側から袋ナット１００を係合させ、袋ナット１００のボルト側端面部位をシール部材１０４に接触させてシールを行うものである。
【００６２】
さすれば、前記空気用マニホルド９２を貫通するボルト９４の外周部位において、袋ナット１００の取付部位の空気に対するシールを確実に行うことができる。
【００６３】
最後に、参考までに、上述の各実施例において使用されている用語の説明を追記する。
【００６４】
（１）燃料電池
燃料（通常は水素、一部ではメタノール等の研究も進められている）と空気極（酸素が反応種のため、以前は酸素を使用していた）をイオン交換膜とその両側に構成した触媒層を使って、水の生成反応で起こる分子間の電子の移動を、外部に取り出し電池としたもの。通常、生成物は、水のみ（生成水）であるが、また燃料電池を駆動させるために必要な水（加湿水）を外部から、あるいは内部でリサイクルがある。これはイオン交換膜が乾燥状態では、絶縁膜となることと、水素イオンが水素極から空気極に移動する時、クラスタとなって移動するために、水素極に面する膜の水分がドラッグ（電気浸透）されるからである。そして、水素電池は、水素ガスは、水素極の触媒上で水素イオンと電子に分解される。電子はＧＤＬからセパレータ、外部端子と順次通って、外部に流れ出る。水素イオンは、膜を移動して、酸素との間に１Ｖ程度の電位をつくる。水素イオンは、空気局の触媒に拘束され、衝突してきた水素分子と反応する。この際、外部から入ってきた電子を受け取って、水を生成する。
（２）セル
燃料極（水素極）、空気極と電解質（ここではＭＥＡ）とが一組となって構成される電池の基本構成単位。セパレータの一部やチャンネル部分を含むと解釈することも可能。
（３）ＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）
プロトン交換膜の両側に電極触媒を得した物に、ＧＤＬ（ガス拡散層）を合わせたもの。ＧＤＬを含まないＣＣＭ（ｃａｔａｌｙｓｔｃｏａｔｅｄｍｅｍｂｒａｎｅ）をＭＥＡと呼ぶこともある。
（４）ＧＤＬ（ｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｌａｙｅｒ）
ガスを透過でき、通電も可能にする多孔体で、膜との間に三層界面を構成するのに用いられる。燃料電池は、反応物質である水素イオン（プロトン）を運ぶ水（液体）とプロトンと反応する酸素（気体）を触媒（固体）上で反応させるネットワークを構成する必要があり、ＧＤＬはこの重要な役割を果たしている。
（５）電極触媒
代表的な例はカーボンブラック粒子に白金あるいはその合金を担持させ、膜あるいはＧＤＬに塗布して用いる。バインダは、膜のモノマーやその誘導体、ベス物質であることが多い。水素極の白金触媒上で、水素ガスが電子と水素イオンに交換され、水素イオンは膜内を、水をドラッグしながら（電気浸透）空気極に移動する。空気極の触媒に到達した水素イオンは、触媒上で固定され、空気中の酸素分子が到達するのを待つ。水素イオンとの反応時に酸素は電子を放出して、ＦＣは電池として働く。
（６）セパレータ
通常、電池の世界では、正・陰極の通過イオンを通過するのに用いる多孔質膜を指すが、ＦＣの場合、ガスを分離するのが、その名称の由来である。インターコネクタとも呼ばれる。材質は、カーボンやステンレス等の金属が用いられる。
（７）バイポーラープレート
セパレータは積層枚数を減ずるためと、接触抵抗を減らすために、プレートの両側に電極面を作り、積層していく。
（８）モノポーラープレート
水素極、空気極夫々の単体の機能した持たないプレート。
（９）イオン交換膜
水素イオン（プロトン）を選択的に透過する膜を用いるのでプロトン交換膜と呼ぶことも多い。。水素イオンがプラスイオンなので、カチオン交換膜とも呼ばれる。
【００６５】
なお、この発明は上述実施例に限定されるものではなく、種々の応用改変が可能である。
【００６６】
例えば、この発明の実施例においては、セパレータに第１のマニホルドと第２のマニホルドとを形成するとともに、第１及び第２のマニホルドを連通する流体通路を形成する構成としたが、第２のマニホルドを排除する特別構成とすることも可能である。
【００６７】
すなわち、図１１に示す如く、セパレータ１１２に第１のマニホルドであるマニホルド１１４を形成し、このマニホルド１１４と電極ユニット１１６の燃料ガス通路あるいは酸化剤ガス通路のいずれか一方のガス通路１１８に連絡する流体通路１２０を斜めに形成するものである。
【００６８】
さすれば、マニホルドの数を減少させることができ、形成するための作業工程を減少させることができ、作業性を向上し得るとともに、コストの低減に寄与し得る。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳細に説明した如くこの本発明によれば、電解質膜と、電解質膜の一面側に配置されたアノード電極と、電解質膜の他面側に配置されたカソード電極とからなる電極ユニットと、電極ユニットに、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流体通路を形成するセパレータとから構成された単セルを積層して構成された燃料電池において、単セルの積層方向に貫通し、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体のいずれか一つを含む流体が流通される第１のマニホルドを設け、セパレータにおいて、第１のマニホルドより内側の各電極側に設けられ、かつ電解質膜と接する面側から接しない面側まで貫通した第２のマニホルドを形成し、第１のマニホルドと第２のマニホルドとは、電解質膜とは接していない面側で連通し、セパレータの電解質膜と接する面側には、流体通路が溝状に形成され、第２のマニホルドに接続されるとともに、流体通路は、燃料ガス通路と、酸化剤ガス通路とが、電極ユニットを挟んで対称となるように形成されていることにより、シール性を低下させることなく、スムーズに流体を電極ユニットへ供給することが可能となり、燃料電池性能の向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す燃料電池の概略説明図である。
【図２】第１及び第２の水素用マニホルドを示す概略斜視図である。
【図３】第１セルの概略説明図である。
【図４】水素用セパレータの平面図である。
【図５】この発明の第２実施例に関する従来例を示す空気用セパレータの平面図である。
【図６】この発明の第２実施例を示す空気用セパレータの平面図である。
【図７】水素用セパレータの平面図である。
【図８】第２実施例の改良案を示し、（ａ）は一次及び二次マニホルドの概略平面図、（ｂ）はセパレータの概略説明図である。
【図９】この発明の第３実施例のセパレータのシール状態を示す概略平面図である。
【図１０】この発明の第４実施例を示すボルト・袋ナットの固定部位の概略拡大説明図である。
【図１１】この発明の他の第１の実施例を示すセパレータの概略拡大図である。
【図１２】この発明の第１の従来技術を示し、（ａ）はマニホルドの概略斜視図、（ｂ）は流体通路とガスシール部との概略拡大図である。
【図１３】この発明の第２の従来技術を示すマニホルドの概略斜視図である。
【図１４】セパレータの概略説明図である。
【図１５】セパレータに形成されるマニホルドや流体通路の概略説明用斜視図である。
【図１６】この発明の第３の従来技術を示すセパレータの概略説明図である。
【図１７】セパレータの平面図である。
【図１８】流体通路とリッドとの概略拡大図である。
【図１９】接着剤を使用した際の流体通路とリッドとの概略拡大図である。
【図２０】セルの概略説明図である。
【符号の説明】
２燃料電池
４−１第１セル
４−２第２セル
６−１電解質膜
８−１アノード電極
１０−１カソード電極
１２−１電極ユニット
１４−１水素側流体通路
１６−１空気側流体通路
１８−１水素用セパレータ
２０−１空気用セパレータ
２２−１第１のマニホルド
２２ａ−１第１の水素用マニホルド
２２ｂ−１第１の空気用マニホルド
２４−１第２のマニホルド
２６−１流体通路
２８−１燃料ガス通路
３０−１酸化剤ガス通路
３２−１ガスシール部

Claims

電解質膜と、電解質膜の一面側に配置されたアノード電極と、電解質膜の他面側に配置されたカソード電極とからなる電極ユニットと、この電極ユニットに、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流体通路を形成するセパレータとから構成された単セルを積層して構成された燃料電池において、前記単セルの積層方向に貫通し、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却媒体のいずれか一つを含む流体が流通される第１のマニホルドを設け、セパレータにおいて、第１のマニホルドより内側の各電極側に設けられ、かつ前記電解質膜と接する面側から接しない面側まで貫通した第２のマニホルドを形成し、第１のマニホルドと第２のマニホルドとは、前記電解質膜とは接していない面側で連通し、前記セパレータの電解質膜と接する面側には、流体通路が溝状に形成され、第２のマニホルドに接続されるとともに、流体通路は、燃料ガス通路と、酸化剤ガス通路とが、電極ユニットを挟んで対称となるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
前記単セルを積層し固定するための固定部材用孔をセパレータに複数個形成し、少なくとも２つの固定部材用孔が、第１のマニホルドを貫通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。