JP2004281290A - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造によりスタックセル型燃料電池の気密性を向上させるとともに、生成水による流路の詰まりを防止することによって、装置の小型化・安定化を実現することが可能な燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータ本体に、燃料ガスの供給孔及び排出孔を形成し、燃料ガス流路が供給孔と引き込み口を介して接続され、該セパレータを積層する際にセパレータ間に挟持される気密部材の変形を防止して、引き込み口の流路断面積を確保する気密部材支持部を形成する。気密部材支持部によってセパレータ間に挟持される気密部材の変形を防止することで、気密部材とセパレータとの密着性を向上させ、引き込み口で変形した気密部材から燃料ガスが漏洩する可能性を低減することができる。また、気密部材保持部に撥水性材料を用いることによって、引き込み口、吐き出し口における水の滞留を防止することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガス流路が形成された燃料電池用セパレータに関するものであり、さらには、これを用いた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガス（燃料ガス）と空気に含まれる酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡなどの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば上記の用途に有望である。また、複数の接合体とセパレータを交互に積層することにより構成するスタックセル型の燃料電池も提案されている。
【０００５】
ところで、上述の如きスタックセル型の燃料電池では、セパレータには接合体に対して燃料ガスを供給するための燃料流路が形成されており、接合体とセパレータとの間に気密を保持するためのガスケットを挟持して、燃料電池内部からの燃料ガスの漏洩を防止する構造がとられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したスタックセル型の燃料電池においては、セパレータに形成されている燃料流路の形状によっては、ガスケットと燃料流路が重なり合うことがある。図９はセパレータ１２０に形成された燃料流路１２１の一部にガスケット１２２が重なりあった状態を示す部分拡大断面図である。図９に示すように、セパレータ１２０を積層しても燃料流路１２１部分ではガスケット１２２は燃料流路１２１の溝部分で凸形状に変形してしまい、ガスケット１２２と燃料極１２３との間に間隙１２４が生じていた。
【０００７】
この間隙１２４がガスケット１２２と燃料極１２３との間に生じていることにより燃料ガスが酸化剤極に漏洩する可能性が高くなってしまう。このため、セパレータ１２０間に挟持しているガスケット１２２とセパレータ１２０との密着性が保てず、燃料電池の気密性を保つためにさらに気密を保持するための手段等が必要となり、装置構成が複雑なものとなる。装置構成の複雑化は、装置の小型化においても妨げになる。
【０００８】
また、燃料流路１２１に燃料を供給するための引き込み口や、燃料流路１２１から燃料を排出するための吐き出し口は、燃料が流れている他の流路部分よりも断面積が小さいため、水分が滞留して閉塞し易い。これらの引き込み口や吐き出し口部分が詰まると、スタックセル構造の一層に相当するセルに対して燃料ガスの供給が不足して、燃料電池全体の発電効率が大幅に悪化してしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、簡便な構造によりスタックセル型燃料電池の気密性を向上させることができ、装置の小型化を実現することが可能であり、また、燃料の流路に水分が滞留しにくく、発電体への燃料の供給を円滑に行うことができる燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池用セパレータは、セパレータ本体に燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、該セパレータの前記引き込み口が形成された面に当接される気密部材の変形を防止して、前記引き込み口の流路断面積を確保する気密部材支持部が前記引き込み口に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
気密部材支持部によって気密部材の変形を防止することにより、気密部材とセパレータとの密着性が引き込み口で悪化することを防止することができ、引き込み口で変形した気密部材から燃料ガスが漏洩する可能性を低減することができるため、当該セパレータを用いた燃料電池にさらに気密を確保するための部材を付加する必要がなくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００１２】
また、気密部材支持部をチューブ状部材を引き込み口に埋設することにより形成し、チューブ状部材を撥水性の材質により形成して、その外径を引き込み口の高さよりも大きいものとすることにより、気密部材支持部を簡便に形成して効果的に気密部材の変形を防止することが可能となる。撥水性の材質によりチューブ状部材を形成することで、引き込み口に水分が滞留することを防止することも可能であり、当該セパレータを用いた燃料電池での発電効率を向上させることが可能となる。
【００１３】
また気密部材支持部を、平板状の部材を引き込み口上に覆設することにより形成し、引き込み口の内壁に撥水処理を施すことによっても、気密部材支持部を簡便に形成して効果的に気密部材の変形を防止することが可能となる。撥水性の材質によりチューブ状部材を形成することで、引き込み口に水分が滞留することを防止することも可能であり、当該セパレータを用いた燃料電池での発電効率を向上させることが可能となる。
【００１４】
さらに、吐き出し口を介して燃料ガスの排出孔と燃料ガス流路が接続され、該セパレータの吐き出し口が形成された面に当接される気密部材の変形を防止して、吐き出し口の流路断面積を確保する第二の気密部材支持部が吐き出し口に形成することで、吐き出し口側においても気密部材とセパレータとの密着性が吐き出し口で悪化することを防止することができ、吐き出し口で変形した気密部材から燃料ガスが漏洩する可能性を低減することができるため、当該セパレータを用いた燃料電池にさらに気密を確保するための部材を付加する必要がなくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池用セパレータは、セパレータ本体に燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、前記引き込み口に水分の滞留を防止する撥水部が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
引き込み口に水分の滞留を防止する撥水部を形成することにより、当該セパレータを用いた燃料電池では、引き込み口に水分が溜まって燃料ガスの供給が困難になる不具合を防止することが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
撥水部は、撥水性のチューブ状部材を引き込み口に埋設することにより形成され、チューブ状部材は、外径が前記引き込み口の高さよりも大きいものとされてもよい。また撥水部は、引き込み口の内壁に撥水処理を施すことにより形成されてもよい。さらに、吐き出し口を介して燃料ガスの排出孔と燃料ガス流路が接続され、吐き出し口に水分の滞留を防止する第二の撥水部を形成することで、吐き出し口側でも水分が溜まって燃料ガスの排出が困難になる不具合を防止することが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、イオン伝導性を有するイオン伝導体と当該イオン伝導体を挟んで対峙する電極とを備える接合体と、前記接合体を挟装するセパレータとを有するとともに、これら接合体とセパレータとが積層されたスタック構造を有し、前記セパレータは、燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、前記セパレータの前記引き込み口が形成された面と、前記接合体の燃料極との間に燃料ガスの漏洩を防止する気密部材が挟持され、前記引き込み口における前記気密部材の変形を防止して前記引き込み口の流路断面積を確保する気密部材支持部が前記引き込み口に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
気密部材支持部によってセパレータ間に挟持される気密部材の変形を防止することにより、気密部材とセパレータとの密着性が引き込み口で悪化することを防止することができ、引き込み口で変形した気密部材から燃料ガスが漏洩する可能性を低減することができるため、燃料電池にさらに気密を確保するための部材を付加する必要がなくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００２０】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池は、イオン伝導性を有するイオン伝導体と当該イオン伝導体を挟んで対峙する電極とを備える接合体と、前記接合体を挟装するセパレータとを有するとともに、これら接合体とセパレータとが積層されたスタック構造を有し、前記セパレータは、燃料ガスの供給孔及び排出孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、前記セパレータの前記引き込み口が形成された面と、前記接合体の燃料極との間に燃料ガスの漏洩を防止する気密部材が挟持され、前記引き込み口に水分の滞留を防止する撥水部が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
引き込み口に水分の滞留を防止する撥水部を形成することにより、当該セパレータを用いた燃料電池では、引き込み口に水分が溜まって燃料ガスの供給が困難になる不具合を防止することが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
以下、本願発明を適用した燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述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いて適宜変更可能である。
【００２３】
図１は、燃料電池の発電部分を分解して示すものである。燃料電池はスタック構造を有し、このスタック構造は、固体高分子電解質膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１を挟持するように電解質膜の両面に配設される二つの燃料極２と酸化剤極３と、セル間の隔壁となるセパレータ４と、燃料極２とセパレータ４との間で気密を確保するガスケット１１を積層することにより構成される。
【００２４】
ここで、電解質膜１には、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の要求を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜としては、例えばパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、燃料極２および酸化剤極３には、例えば発電反応を促進するための触媒が担持された電極が用いられる。
【００２５】
電解質膜１は、燃料極２と酸化剤極３により挟み込まれ、これら電解質膜１と燃料極２，酸化剤極３とからなる接合体を２枚のセパレータ４で挟み込むことにより発電セル（単位素子）が構成される。
【００２６】
燃料極２には、燃料である水素が供給され、供給された水素が水素イオンと電子とに解離され、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極３にそれぞれ移動する。酸化剤極３には、酸化剤である酸素（空気）が供給され、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
【００２７】
セパレータ４は、基本的には各接合体間の隔壁としての機能を有するものであるが、その他、集電体としての機能、燃料ガスの流路、空気の流路としての機能も有する。したがって、これらのガスを透過しない緻密な材料により形成されている。
【００２８】
セパレータ４の燃料極２，酸化剤極３と接する面には、それぞれ燃料である水素を流すための燃料ガス流路５、及び空気を流すための空気流路１０が形成されている。燃料ガス流路５は、いわゆるミアンダ状に蛇行形成される溝部からなり、この燃料ガス流路５に水素ガスを供給することで、各接合体の燃料極２のほぼ全面に水素ガスが供給されることになる。
【００２９】
空気流路１０は、セパレータ４の酸化剤極３（空気極）と接する面に多数のリブを所定の間隔で形成することにより、これらリブ間の溝部として形成されている。したがって、空気流路１０は、平行する複数本の流路からなり、セパレータ４の一方の長辺側からこれら流路に空気が送り込まれ、セパレータ４の反対側の長辺側から排出される。この空気流路１０に酸素を含んだ空気を供給することで、各接合体の酸化剤極３のほぼ全面に酸素を含んだ空気が供給されることになる。
【００３０】
各セパレータ４には、水素ガスの入口となる燃料供給孔６及び燃料極で水素が消費された後の燃料排ガスの出口となる燃料排出孔７がセパレータ４を厚さ方向に貫通する形で形成されており、上記燃料ガス流路５の一方の端部は燃料引き込み口８を介して燃料供給孔６と接続され、他方の端部は燃料吐き出し口９を介して燃料排出孔７と接続されている。上記燃料供給孔６と燃料排出孔７は、複数のセパレータ４を重ね合わせたときに互いに連通し、それぞれ燃料供給路、燃料排出路を構成する。
【００３１】
ガスケット１１は、セパレータ４の燃料ガス流路５が形成された面と接合体の燃料極２との間に挟持されて、接合体とセパレータ４の間から燃料ガスが漏洩することを防止する枠形状の気密部材である。接合体とセパレータ４とによって挟み込まれたガスケット１１は、燃料ガス流路５の周囲を取り囲み、燃料引き込み口８と燃料吐き出し口９上を横断するように覆設して配置される。燃料引き込み口８と燃料吐き出し口９はセパレータ４に形成された溝であるため、ガスケット１１が覆設された場合においても燃料ガス流路５との間で燃料ガスの授受を行うことが可能である。
【００３２】
しかし、ガスケット１１は燃料引き込み口８および燃料吐き出し口９上に覆設される位置では、燃料引き込み口８と燃料吐き出し口９がセパレータ４に形成された溝であるために、セパレータ４によってガスケット１１の支持がなされず、燃料極２に対して十分には当接されない。そこで、燃料引き込み口８と燃料吐き出し口９に、ガスケット１１を燃料極２に当接させるための支持部を形成する。
【００３３】
図２は図１中の丸枠Ａで示された燃料引き込み口８周辺を拡大した部分拡大平面図である。セパレータ４に形成された燃料ガス流路５と燃料供給孔６とが燃料引き込み口８によって接続されている。燃料引き込み口８の溝には、ガスケット１１を燃料極２に当接させるための支持部として、溝の長手方向に孔が貫通したチューブ１２が埋設して配置されている。ガスケット１１を支持するためには、チューブ１２の長さは燃料引き込み口８の溝上に覆設されるガスケット１１の幅と同等かそれ以上であるほうが望ましい。
【００３４】
図３は燃料引き込み口８の部分拡大断面図であり、図３（ａ）はチューブ１２を燃料引き込み口８に埋設する前の状態であり、図３（ｂ）はチューブ１２を燃料引き込み口８に埋設した後の状態である。図３（ａ）に示すように、燃料引き込み口８の溝深さをｈ、溝幅をｗとし、チューブ１２の外径をｄとすると、チューブ１２の外径ｄは燃料引き込み口８の溝深さｈと同程度か少し大きい程度であり、チューブ１２の外径ｄは燃料引き込み口８の溝幅ｗと同程度か少し小さい程度である。
【００３５】
図３（ｂ）に示すように、チューブ１２を燃料引き込み口８に埋設してセパレータ４を積層した場合には、隣接するガスケット１１と燃料極２によって圧力がチューブ１２に加えられて、燃料引き込み口８の溝内でチューブ１２が変形して溝内に収納される。また、燃料引き込み口８の溝とチューブ１２との間には間隙が生じてしまうため、チューブ１２は溝に接着剤で固定することで、間隙を塞いでしまうことが望ましい。
【００３６】
チューブ１２は、ＳＵＳなどの金属製、ポリイミド製、フッ素樹脂製、シリコンゴム製などにより形成されるが、耐腐食性と加圧時の変形を考慮すると樹脂製であることが好ましい。また、セパレータ４を積層してチューブ１２に加圧したときに、チューブ１２が潰れて内孔が塞がってしまい、燃料ガスの供給が滞ってしまうことがない程度の強度を持ち合わせている必要がある。
【００３７】
さらには、他の流路に比べチューブ１２の内孔のほうが流路断面が小さくなるので水が詰まりやすくなるため、これを防止するために、撥水性の材料を選択することが望ましく、フッ素樹脂製チューブが好適である。チューブ１２を撥水性の材料とすることにより、燃料引き込み口８での水分の滞留を防止することや、滞留した水分を効率的に外部に排出することができる。これにより、燃料ガス流路５との燃料ガスの授受を円滑に行うことが可能となるため、燃料極２に対する燃料ガスの供給を十分に行って発電効率が低下することを防止することができる。
【００３８】
図４にガスケット１１が燃料引き込み口８上に覆設された状態の部分拡大図を示す。図４（ａ）は燃料引き込み口８上にガスケット１１が覆設された状態を示す部分拡大平面図であり、図４（ｂ）はチューブ１２を燃料引き込み口８に埋設した場合でのガスケット１１の様子を示す部分拡大断面図である。
【００３９】
図４（ａ）に示すように、燃料引き込み口８上にガスケット１１が重なったとしても、燃料引き込み口８の溝にチューブ１２を埋設しておくことにより、図４（ｂ）に示すようにセパレータ４の表面凹凸を微小なものとし、ガスケット１１を支持して燃料極２に押し付けて当接させることができる。このとき、チューブ１２の外径を燃料引き込み口８の溝深さよりも若干大きくしておくことで、セパレータ４を積層した場合にチューブ１２が変形して溝内に収納され、燃料ガスの漏洩を防止することが可能な程度にガスケット１１を燃料極に押し付ける圧力が得られる。これによって、燃料引き込み口８部分の溝によるガスケット１１に対する加圧力低下を防ぐことができ、酸化剤極３側への燃料ガスの漏洩の可能性が低減される。
【００４０】
燃料吐き出し口９にもチューブ１２を埋設することで、図４を用いて説明したのと同様にして、燃料吐き出し口９側での燃料ガスの漏洩の可能性を低減することができる。また、燃料吐き出し口９に埋設するチューブ１２にも撥水性を持たせることにより、燃料吐き出し口９での水分の滞留を防止することや、滞留した水分を効率的に外部に排出することができる。
【００４１】
したがって、燃料引き込み口８と燃料吐き出し口９にチューブ１２を埋設して、ガスケット１１の変形を防止して流路断面積の確保を行うことにより、燃料ガス漏洩の可能性を低減することができ、セパレータ４を積層してスタックセル型燃料電池を構成した場合に、新たに燃料ガス漏洩を防止するための部材を付加する必要がなくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００４２】
上述の構成を有する燃料電池用セパレータは、種々の構成の燃料電池に用いることができる。以下、この種の燃料電池用セパレータが用いられる燃料電池の構成例について説明する。
【００４３】
図５に示すように、燃料電池１００は、筐体１０１と、当該燃料電池１００を動作させるのに必要な各種回路が形成された制御基板１０２と、上述のセパレータ４を用いて構成される発電部１０３と、この発電部１０３を冷却するための冷却ファン１０４と、発電部１０３に対して空気を供給する空気供給部に相当する２つの空気供給ファン１０５，１０６と、燃料ガス流路５に滞留した水を排出するための水素パージバルブ１０７と、水素ガスの圧力制御を行うレギュレータ１０８と、水素ガスを発電部１０３に供給するための手動バルブ１０９とを備える。さらには、図示しないが、必要に応じて、外部から取りこまれる空気や当該燃料電池１００の内部から排出される空気の温度・湿度・圧力等を検知するセンサや、発電部１０３自体の温度を検知するセンサ等を備える。
【００４４】
また、この燃料電池１００には、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ１１０が取り付けられる。燃料電池１００は、この水素吸蔵カートリッジ１１０から供給される水素ガスを受け取り、発電を行う。すなわち、この水素吸蔵カートリッジ１１０は、水素ガスを供給する水素供給部に相当するものである。
【００４５】
発電部１０３は、略直方体状の外形を呈し、冷却ファン１０４及び空気供給ファン１０５，１０６に臨む側面に対向する側面の一部が上下方向に沿って矩形状に切り欠かれた形状とされる。具体的には発電部１０３は、例えば９枚のセパレータ４の間にそれぞれ発電体としての接合体が挟み込まれて構成され、これにより、発電を行う単位素子が８個直列に接続されたスタック構造を有する。
【００４６】
単位素子は、上述した２つのセパレータ４と、燃料極２と酸化剤極３とで電解質膜１が挟み込まれた接合体とから構成される。なお、同図においては、直列に接続される２つの単位素子を示している。
【００４７】
また接合体の周縁付近には、発電部１０３としてスタック構造を形成した際に、燃料ガスが燃料供給孔６及び燃料排出孔７から漏れないようにセパレータ４と接合体との間を封止する封止部材が配置される。この封止部材は、セパレータ４の周縁部と接合体の周縁部とを十分に絶縁することができる材質から構成される。また、封止部材としては、発電部１０３の放熱性を高めるために高い熱伝導性を有する材質を用いることが好ましく、例えば商品名コサーム（太陽金網社製）といった十分な熱伝導性及び電気的絶縁性を有する材質が好適である。
【００４８】
以上の構成を有する燃料電池１００は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ、携帯電話機又は携帯情報端末機（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ；ＰＤＡ）といった携帯型の各種電子機器をはじめとする任意の電子機器を駆動するための電力を供給する電源として極めて好適に用いることができる。
【００４９】
［第二の実施の形態］
次に、本願発明を適用した燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池について、他の実施の形態として燃料引き込み口にのみチューブを埋設して、燃料吐き出し口にはチューブを埋設しない場合の効果について説明する。
【００５０】
本実施の形態の燃料電池も第一の実施の形態と同様にスタック構造を有し、このスタック構造は、図６に示すように、固体高分子電解質膜からなる電解質膜２１と、この電解質膜を挟持するように電解質膜２１の両面に配設される二つの燃料極２２と酸化剤極２３と、セル間の隔壁となるセパレータ２４と、燃料極２２とセパレータ２４との間で気密を確保するガスケット３１を積層することにより構成される。
【００５１】
セパレータ２４の燃料極２２，酸化剤極２３と接する面には、それぞれ燃料である水素を流すための燃料ガス流路２５、及び空気を流すための空気流路３０が形成されている。燃料ガス流路２５は、いわゆるミアンダ状に蛇行形成される溝部からなり、この燃料ガス流路２５に水素ガスを供給することで、各接合体の燃料極２２のほぼ全面に水素ガスが供給されることになる。
【００５２】
空気流路３０は、セパレータ２４の酸化剤極２３（空気極）と接する面に多数のリブを所定の間隔で形成することにより、これらリブ間の溝部として形成されている。したがって、空気流路３０は、平行する複数本の流路からなり、セパレータ２４の一方の長辺側からこれら流路に空気が送り込まれ、セパレータ２４の反対側の長辺側から排出される。この空気流路３０に酸素を含んだ空気を供給することで、各接合体の酸化剤極２３のほぼ全面に酸素を含んだ空気が供給されることになる。
【００５３】
各セパレータ２４には、水素ガスの入口となる燃料供給孔２６及び燃料極で水素が消費された後の燃料排ガスの出口となる燃料排出孔２７がセパレータ２４を厚さ方向に貫通する形で形成されており、上記燃料ガス流路２５の一方の端部は引き込み口２８を介して燃料供給孔２６と接続され、他方の端部は吐き出し口２９を介して燃料排出孔２７と接続されている。上記燃料供給孔２６と燃料排出孔２７は、複数のセパレータ２４を重ね合わせたときに互いに連通し、それぞれ燃料供給路、燃料排出路を構成する。
【００５４】
ガスケット３１は、セパレータ２４の燃料ガス流路２５が形成された面と接合体の燃料極２２との間に挟持されて、接合体とセパレータ２４の間から燃料ガスが漏洩することを防止する枠形状の気密部材である。接合体とセパレータ２４とによって挟み込まれたガスケット３１は、燃料ガス流路２５の周囲を取り囲み、燃料引き込み口２８と燃料吐き出し口２９上を横断するように覆設して配置される。燃料引き込み口２８と燃料吐き出し口２９はセパレータ２４に形成された溝であるため、ガスケット３１が覆設された場合においても燃料ガス流路２５との間で燃料ガスの授受を行うことが可能である。
【００５５】
しかし、ガスケット３１は燃料引き込み口２８および燃料吐き出し口２９上に覆設される位置では、燃料引き込み口２８と燃料吐き出し口２９がセパレータ２４に形成された溝であるために、セパレータ２４によってガスケット３１の支持がなされず、燃料極２２に対して十分には当接されない。そこで燃料引き込み口２８に、ガスケット３１を燃料極２２に当接させるための支持部を形成する。
【００５６】
燃料引き込み口２８の溝には、ガスケット３１を燃料極２２に当接させるための支持部として、溝の長手方向に孔が貫通したチューブ３２を埋設して配置する。チューブ３２の外径は燃料引き込み口２８の溝深さと同程度か少し大きい程度であり、セパレータ２４を積層した場合には隣接するガスケット３１と燃料極２２によって圧力が加えられて、燃料引き込み口２８の溝内で変形して溝内に収納される。ガスケット３１を支持するためには、チューブ３２の長さは燃料引き込み口２８の溝上に覆設されるガスケット３１の幅と同等かそれ以上であるほうが望ましい。また、燃料引き込み口２８の溝とチューブ３２との間には間隙が生じてしまうため、チューブ３２は溝に接着剤で固定することで、間隙を塞いでしまうことが望ましい。
【００５７】
燃料引き込み口２８の溝にチューブ３２を埋設することで、セパレータ２４の表面凹凸が微小なものとなり、ガスケット３１を支持して燃料極２２に押し付けて当接させる。このとき、チューブ３２の外径を燃料引き込み口２８の溝深さよりも若干大きくしておくことで、セパレータ２４を積層した場合にチューブ３２が変形して溝内に収納され、燃料ガスの漏洩を防止することが可能な程度にガスケット３１を燃料極に押し付ける圧力が得られる。これによって、燃料引き込み口２８部分の溝によるガスケット３１に対する加圧力低下を防ぐことができ、酸化剤極２３側への燃料ガスの漏洩の可能性が低減される。
【００５８】
本実施の形態では上述した第一の実施の形態とは異なり、燃料吐き出し口２９にはチューブ３２を埋設しない。これは、燃料引き込み口２８は燃料ガスが供給される側であるのに対して、燃料吐き出し口２９は燃料ガスの排出側だからである。燃料引き込み口２８では燃料ガスの圧力や流速が大きくなり燃料ガスが漏洩する可能性が高いのに対して、燃料ガス流路２５を通過する間に燃料ガスが燃料極２２で消費されるため、燃料吐き出し口２９では燃料ガスの圧力や流速が燃料引き込み口２８よりも小さくなり、燃料ガスが漏洩する可能性は低い。
【００５９】
セパレータ２４において、例えば燃料ガス流路２５に水が凝縮し、これが蓄積されると燃料ガスを燃料極２２に対して安定して供給することが難しくなり、また燃料極２２の発電面を水が覆って反応を抑制し、発電を安定して継続することが困難になるおそれがある。
【００６０】
しかし、燃料引き込み口２８にはチューブ３２を埋設し、燃料吐き出し口２９にはチューブ３２を埋設しないことにより、燃料引き込み口２８の流路断面積が燃料吐き出し口２９の流路断面積よりも小さくなり、燃料引き込み口２８の流路抵抗が相対的に高くなる。その結果、燃料ガス流路２５に水が凝縮した場合に、アノード側のバルブを開き燃料排出側を大気開放とすることによって、燃料ガスの供給側と排出側との間に圧力差を生じさせることができ、この圧力差によって燃料ガス流路２５から凝縮した水を速やかに排出することが可能となる。また、チューブ３２を撥水性の材質で形成することで、水分の排出効率が向上する。
【００６１】
したがって、燃料引き込み口２８にはチューブ３２を埋設して、燃料吐き出し口２９にはチューブ３２を埋設しないことにより、燃料ガスの漏洩の可能性を低減するとともに、燃料極２２に水分が蓄積された場合に速やかに水分を除去することが可能になる。
【００６２】
［第三の実施の形態］
次に、本願発明を適用した燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池について、他の実施の形態として燃料引き込み口および燃料吐き出し口に平板状の部材を覆設することでガスケットの変形を防止する支持部を形成する例を示す。
【００６３】
本実施の形態の燃料電池も第一の実施の形態と同様にスタック構造を有し、このスタック構造は、図７に示すように、固体高分子電解質膜からなる電解質膜４１と、この電解質膜を挟持するように電解質膜４１の両面に配設される二つの燃料極４２と酸化剤極４３と、セル間の隔壁となるセパレータ４４と、燃料極４２とセパレータ４４との間で気密を確保するガスケット５１を積層することにより構成される。
【００６４】
セパレータ４４の燃料極４２，酸化剤極４３と接する面には、それぞれ燃料である水素を流すための燃料ガス流路４５、及び空気を流すための空気流路５０が形成されている。燃料ガス流路４５は、いわゆるミアンダ状に蛇行形成される溝部からなり、この燃料ガス流路４５に水素ガスを供給することで、各接合体の燃料極４２のほぼ全面に水素ガスが供給されることになる。
【００６５】
空気流路５０は、セパレータ４４の酸化剤極４３（空気極）と接する面に多数のリブを所定の間隔で形成することにより、これらリブ間の溝部として形成されている。したがって、空気流路５０は、平行する複数本の流路からなり、セパレータ４４の一方の長辺側からこれら流路に空気が送り込まれ、セパレータ４４の反対側の長辺側から排出される。この空気流路５０に酸素を含んだ空気を供給することで、各接合体の酸化剤極４３のほぼ全面に酸素を含んだ空気が供給されることになる。
【００６６】
各セパレータ４４には、水素ガスの入口となる燃料供給孔４６及び燃料極で水素が消費された後の燃料排ガスの出口となる燃料排出孔４７がセパレータ４４を厚さ方向に貫通する形で形成されており、上記燃料ガス流路４５の一方の端部は引き込み口４８を介して燃料供給孔４６と接続され、他方の端部は吐き出し口４９を介して燃料排出孔４７と接続されている。上記燃料供給孔４６と燃料排出孔４７は、複数のセパレータ４４を重ね合わせたときに互いに連通し、それぞれ燃料供給路、燃料排出路を構成する。
【００６７】
ガスケット５１は、セパレータ４４の燃料ガス流路４５が形成された面と接合体の燃料極４２との間に挟持されて、接合体とセパレータ４４の間から燃料ガスが漏洩することを防止する枠形状の気密部材である。接合体とセパレータ４４とによって挟み込まれたガスケット５１は、燃料ガス流路４５の周囲を取り囲み、燃料引き込み口４８と燃料吐き出し口４９上を横断するように覆設して配置される。燃料引き込み口４８と燃料吐き出し口４９はセパレータ４４に形成された溝であるため、ガスケット５１が覆設された場合においても燃料ガス流路４５との間で燃料ガスの授受を行うことが可能である。
【００６８】
しかし、ガスケット５１は燃料引き込み口４８および燃料吐き出し口４９上に覆設される位置では、燃料引き込み口４８と燃料吐き出し口４９がセパレータ４４に形成された溝であるために、セパレータ４４によってガスケット５１の支持がなされず、燃料極４２に対して十分には当接されない。そこで燃料引き込み口４８に、ガスケット５１を燃料極４２に当接させるための支持部を形成する。
【００６９】
図８は燃料引き込み口４８周辺を拡大した図であり、燃料引き込み口４８上に平板状の部材を覆設して支持部を形成した様子を示す部分拡大断面図である。セパレータ４４のガスケット５１と当接する面の燃料引き込み口４８周辺に、段差が設けられて凹部５２を形成しており、凹部５２には平板状の部材である支持板５３が配置されている。凹部５２の深さと支持板５３の厚さは略同一であり、凹部５２の幅と支持板５３の幅も略同一である。支持板５３が燃料引き込み口４８を覆うように凹部５２に配置されることにより、セパレータ４４のガスケット５１が当接する面はセパレータ４４表面と支持板５３表面とが略同一面を形成することになる。
【００７０】
支持板５３は、セパレータ４４を積層した際にガスケット５１が燃料引き込み口４８内で変形しないように、ガスケット５１に対して燃料極４２方向への圧力を加えることができる程度の剛性を有している必要がある。また、支持板５３はＳＵＳなどの金属製、ポリイミド製、フッ素樹脂製、シリコンゴム製などにより形成され、耐腐食性と加圧時の変形を考慮して材質を選択することができる。また、セパレータ４４を積層して支持板５３に加圧したときに、支持板５３が潰れてしまい、燃料ガスの供給が滞ってしまうことがない程度の強度を持ち合わせている必要がある。
【００７１】
また、燃料引き込み口４８および燃料吐き出し口４９の内側壁面には撥水性の被膜を形成するなど、撥水処理を施しておく。これにより、燃料引き込み口４８および燃料吐き出し口４９での水分の滞留を防止することができ、燃料ガス流路４５との燃料ガスの授受を円滑に行うことが可能となるため、燃料極４２に対する燃料ガスの供給を十分に行って発電効率が低下することを防止することができる。
【００７２】
燃料引き込み口４８周辺に凹部５２を形成して支持板５３を配置することで、セパレータ４４の表面凹凸が微小なものとなり、ガスケット５１を支持して燃料極４２に押し付けて当接させる。このとき、支持板５３の表面とセパレータ４４の表面が略同一平面を形成するため、セパレータ４４を積層した場合に燃料ガスの漏洩を防止することが可能な程度にガスケット５１を燃料極４２に押し付ける圧力が得られる。これによって、燃料引き込み口４８部分の溝によるガスケット５１に対する加圧力低下を防ぐことができ、酸化剤極４３側への燃料ガスの漏洩の可能性が低減される。
【００７３】
燃料吐き出し口４９周辺にも同様に凹部５２を形成して支持板５３を配置することで、燃料吐き出し口４９側での燃料ガスの漏洩の可能性を低減することができる。
【００７４】
したがって、燃料引き込み口４８と燃料吐き出し口４９の周辺に凹部５２を形成して支持板５３を配置することで、ガスケット５１の変形を防止して流路断面積の確保を行い、燃料ガス漏洩の可能性を低減することができる。これにより、セパレータ４４を積層してスタックセル型燃料電池を構成した場合に、新たに燃料ガス漏洩を防止するための部材を付加する必要がなくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、燃料引き込み口４８および燃料吐き出し口４９の内側壁面には撥水処理を施しておくことにより、水分の滞留を防止することや、滞留した水分を効率的に外部に排出することができる。これにより、燃料ガス流路４５との燃料ガスの授受を円滑に行うことが可能となるため、燃料極４２に対する燃料ガスの供給を十分に行って発電効率が低下することを防止することができる。
【００７５】
【発明の効果】
燃料引き込み口と燃料吐き出し口にチューブを埋設することや、平板状の部材を覆設することによって、セパレータ間に挟持されるガスケットの変形を防止することにより、ガスケットとセパレータとの密着性が燃料引き込み口で悪化することを防止することができ、燃料引き込み口で変形したガスケットから燃料ガスが漏洩する可能性を低減することができるため、当該セパレータを用いた燃料電池にさらに気密を確保するための部材を付加する必要がなくなり、製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００７６】
燃料引き込み口にはチューブを埋設して、燃料吐き出し口にはチューブを埋設しないことにより、燃料ガスの漏洩の可能性を低減するとともに、アノード側ガス排出時に、バルブを開き大気開放とすることによって、燃料引き込み口と燃料吐き出し口に圧力差を生じさせて燃料極に水分が蓄積された場合に速やかに水分を除去することが可能になる。
【００７７】
燃料引き込み口に形成する支持部に水分の滞留を防止するために撥水性を持たせることで、燃料引き込み口に水分が溜まって燃料ガスの供給が困難になる不具合を防止することが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態で、接合体をセパレータで挟み込むスタック構造の燃料電池を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】図１中の丸枠Ａで示された燃料引き込み口周辺を拡大した平面図である。
【図３】第一の実施の形態での燃料引き込み口の部分拡大断面図であり、図３（ａ）はチューブを埋設する前の状態で、図３（ｂ）はチューブを埋設した後を示す。
【図４】第一の実施の形態での燃料引き込み口とガスケットを示す拡大図であり、図４（ａ）は燃料引き込み口上にガスケットが覆設された状態を示す部分拡大平面図であり、図４（ｂ）は燃料引き込み口にチューブを埋設した状態でのガスケットの様子を示す部分拡大断面図である。
【図５】セパレータを積層したスタックセル型燃料電池の構成例を示す分解斜視図である。
【図６】第二の実施の形態で、接合体をセパレータで挟み込むスタック構造の燃料電池を模式的に示す分解斜視図である。
【図７】第三の実施の形態で、接合体をセパレータで挟み込むスタック構造の燃料電池を模式的に示す分解斜視図である。
【図８】第三の実施の形態で燃料引き込み口上に平板状の部材を覆設して支持部を形成した様子を示す部分拡大断面図である。
【図９】燃料引き込み口に気密部材支持部を形成していない場合のガスケットの変形の様子を示す部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１，２１，４１ 電解質膜
２，２２，４２，１２３ 燃料極
３，２３，４３ 酸化剤極
４，２４，４４，１２０ セパレータ
５，２５，４５ 燃料ガス流路
１２１ 燃料流路
６，２６，４６ 燃料供給孔
７，２７，４７ 燃料排出孔
８，２８，４８ 燃料引き出し口
９，２９，４９ 燃料吐き出し口
１０，３０，５０ 空気流路
１１，３１，５１，１２２ ガスケット
１２，３２ チューブ
１３ 間隙
５３ 支持板
１００ 燃料電池
１０１ 筐体
１０２ 制御基板
１０３ 発電部
１０４ 冷却ファン
１０５，１０６ 空気供給ファン
１０７ 水素パージバルブ
１０８ レギュレータ
１０９ 手動バルブ
１１０ 水素吸蔵カートリッジ

Claims (22)

1. セパレータ本体に燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、
   該セパレータ本体の前記引き込み口が形成された面に当接される気密部材の変形を防止しながら前記引き込み口の流路断面積を確保する気密部材支持部が前記引き込み口に形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記気密部材支持部は、チューブ状部材を前記引き込み口に埋設することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記チューブ状部材は、撥水性の材質により形成されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記チューブ状部材は、外径が前記引き込み口の高さよりも大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記気密部材支持部は、平板状の部材を前記引き込み口上に覆設することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記引き込み口の内壁は撥水処理を施されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
7. 吐き出し口を介して燃料ガスの排出孔と前記燃料ガス流路が接続され、
   前記セパレータ本体の前記吐き出し口が形成された面に当接される前記気密部材の変形を防止しながら前記吐き出し口の流路断面積を確保する第二の気密部材支持部が前記吐き出し口に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
8. セパレータ本体に燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、
   前記引き込み口に水分の滞留を防止する撥水部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
9. 前記撥水部は、撥水性のチューブ状部材を前記引き込み口に埋設することにより形成されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
10. 前記チューブ状部材は、外径が前記引き込み口の高さよりも大きいことを特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータ。
11. 前記撥水部は、前記引き込み口の内壁に撥水処理を施すことにより形成されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
12. 吐き出し口を介して燃料ガスの排出孔と前記燃料ガス流路が接続され、
    前記吐き出し口に水分の滞留を防止する第二の撥水部が形成されていることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用セパレータ。
13. イオン伝導性を有するイオン伝導体と当該イオン伝導体を挟んで対峙する電極とを備える接合体と、前記接合体を挟装するセパレータとを有するとともに、これら接合体とセパレータとが積層されたスタック構造を有し、
    前記セパレータは、燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、
    前記セパレータの前記引き込み口が形成された面と、前記接合体の燃料極との間に燃料ガスの漏洩を防止する気密部材が挟持され、
    前記引き込み口における前記気密部材の変形を防止して前記引き込み口の流路断面積を確保する気密部材支持部が前記引き込み口に形成されていることを特徴とする燃料電池。
14. 隣接する各セパレータ間において前記供給孔が互いに接続されて各セパレータに燃料ガスを供給するための供給路が形成されていることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
15. 前記気密部材支持部は、チューブ状部材を前記引き込み口に埋設してすることにより形成され、前記チューブ状部材によって前記気密部材を前記接合体の燃料極に当接させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
16. 前記気密部材支持部は、平板状の部材を前記引き込み口上に覆設することにより形成され、前記平板状の部材によって前記気密部材を前記接合体の燃料極に当接させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
17. 吐き出し口を介して燃料ガスの排出孔と前記燃料ガス流路が接続され、
    前記吐き出し口における前記気密部材の変形を防止して前記吐き出し口の流路断面積を確保する第二の気密部材支持部が前記吐き出し口に形成されていることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池。
18. 隣接する各セパレータ間において前記排出孔が互いに接続されて各セパレータから燃料排ガスを排出するための排出路が形成されていることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池。
19. イオン伝導性を有するイオン伝導体と当該イオン伝導体を挟んで対峙する電極とを備える接合体と、前記接合体を挟装するセパレータとを有するとともに、これら接合体とセパレータとが積層されたスタック構造を有し、
    前記セパレータは、燃料ガスの供給孔を有するとともに、前記供給孔と引き込み口を介して接続される燃料ガス流路を有し、
    前記セパレータの前記引き込み口が形成された面と、前記接合体の燃料極との間に燃料ガスの漏洩を防止する気密部材が挟持され、
    前記引き込み口に水分の滞留を防止する撥水部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
20. 隣接する各セパレータ間において前記供給孔が互いに接続されて各セパレータに燃料ガスを供給するための供給路が形成されていることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池。
21. 吐き出し口を介して燃料ガスの排出孔と前記燃料ガス流路が接続され、
    前記吐き出し口に水分の滞留を防止する第二の撥水部が形成されていることを特徴とする請求項２２記載の燃料電池用セパレータ。
22. 隣接する各セパレータ間において前記排出孔が互いに接続されて各セパレータから燃料排ガスを排出するための排出路が形成されていることを特徴とする請求項２１記載の燃料電池。

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