JP2004311279A

JP2004311279A - 燃料電池、セパレータ、燃料電池の製造方法及び酸化剤の供給方法

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Publication number: JP2004311279A
Application number: JP2003104992A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kanai; 剛金井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP4645007B2

Abstract

【課題】燃料電池が発電を行う際の燃料電池本体の温度ばらつきを低減する。
【解決手段】発電部７０の側面に開口する開口部７６ａ〜７６ｈと、発電部７０の他の側面に開口して開口部７６ａ〜７６ｈとそれぞれ対をなす開口部と、これら開口部を繋ぐように各セパレータに形成される溝部とからなる空気の流路の高さ寸法の違いによって各流路の断面積が異なり、この断面積の違いにより異なる空気の流量に応じて各発電セルからの放熱量を調節して、発電部７０の全体の温度を均一とする。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、セパレータ、燃料電池の製造方法及び酸化剤の供給方法に関する。さらに詳しくは、発電体とセパレータとが積層されたスタック構造を有する燃料電池において、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して燃料電池の温度分布を略均一にすることができる燃料電池、セパレータ、燃料電池の製造方法及び酸化剤の供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガスの如き燃料ガスと空気に含まれる酸素ガスの如き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いる。
【０００３】
また、燃料電池は発電セルを複数結合させることにより、出力される電力量を高めることが可能である。例えば固体高分子電解質膜の両面に電極を形成してなる接合体を発電体とし、発電体をセパレータで挟みこんで発電セルを形成して、これら発電セルが積層されたスタック構造を有する燃料電池も開発されている。
【０００４】
このような燃料電池は水素と酸素の化学反応によって発電を行うため、化学反応による損失分や発電セルを構成する材料の電気抵抗などによって発熱し発電セルの温度が上昇する。発電セルの温度上昇は、燃料電池を安定して動作させるためには好ましくなく、例えば固体高分子電解質膜と固体高分子電解質膜を挟む電極とから構成される発電体を有する固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜に含まれる水分量が温度上昇と共に減少し、ドライアップと呼ばれる不具合を招く場合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したスタック構造を有する燃料電池においては、複数の発電セルにより同時に発電を行うことから燃料電池の発熱量も大きく、さらに発電セルが積層されていることにより放熱される割合が燃料電池の各部で異なる。したがって、燃料電池の各部に温度差が生じることになり、各発電セルが駆動される際の温度条件がそれぞれの発電セルで異なる。特に、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して温度を均一に維持することが難しく、燃料電池の略中央付近に配設される発電セルの温度が他の発電セルに比べて高くなる傾向にある。このように他の発電セルより温度が高い発電セルは不具合を生じ易く、各発電セルが直列接続されてなる燃料電池全体の不具合に繋がる。
【０００６】
また、スタック構造を有する燃料電池を構成する発電セルの温度にばらつきが生じた場合には各発電セルの駆動状態にばらつきが生じ、さらに発電セルの駆動状態のばらつきにより温度のばらつきが生じるという解決困難な問題が生じることになる。
【０００７】
さらに、燃料電池の温度上昇を低減するためには、発電セルを構成するセパレータに放熱フィンを設けて各発電セルで発生した熱を放熱する技術も考案されているが、特にセパレータと発電体とが積層される積層方向に関して燃料電池を均一な温度に維持するように発熱量と放熱量とのバランスを保つことは困難である。したがって、燃料電池が発電を行う際に各発電セルに温度差が生じ、特定の発電セルにおいてドライアップの如き不具合が生じることもあり、燃料電池の信頼性の低下にも繋がる。
【０００８】
よって、本発明はかかる実情を鑑み、スタック構造を有する燃料電池の温度を均一にすることにより安定した状態で発電を行うことができる燃料電池、セパレータ、燃料電池の製造方法及び酸化剤の供給方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる燃料電池は、発電体にセパレータを介して他の発電体を積層してなる燃料電池であって、セパレータは発電体に酸化剤を供給するための酸化剤供給路を有し、発電体とセパレータの積層方向におけるセパレータの位置に応じて酸化剤供給路の断面積が異なることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池によれば、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して、セパレータが有する酸化剤供給路の断面積が異なることにより各酸化剤供給路に流れる酸化剤の流量が異なる。各セパレータ中で流れる酸化剤の流量が異なることにより、酸化剤を介して燃料電池から排熱される熱量を燃料電池の各部で調節することが可能であり、燃料電池の各部における温度に殆ど差が生じないように燃料電池の全体の温度を均一に維持することができる。
【００１０】
このような燃料電池においては、酸化剤供給路の断面積は、燃料電池の温度が均一となるように設定されることを特徴とする。燃料電池を構成する発電セルに安定した発電を行わせることができ、信頼性が向上した燃料電池を提供することが可能となる。
【００１１】
本発明にかかる燃料電池においては、酸化剤供給路は、セパレータの一の側面から他の側面に亘って略直線状に形成されて一の側面と他の側面にそれぞれ開口することを特徴とする。このような燃料電池によれば、燃料電池の側面から酸化剤供給路を介して酸化剤が供給されて、排出される。したがって、燃料電池によって発電が行われる際に酸化剤を介して燃料電池の外部に排熱することが可能となる。
【００１２】
本発明にかかる燃料電池においては、酸化剤供給路の断面積は、酸化剤供給路を有するセパレータに対して燃料電池の外側に位置するセパレータが有する酸化剤供給路の断面積に比べて大きいことを特徴とする。このような酸化剤供給路によれば、燃料電池において発電が行われる際に、放熱が行われ難い中央付近に配設されたセパレータからの放熱量を燃料電池の外側に配設されたセパレータからの放熱量に比べて大きくすることができ、温度が上昇し易い中央付近の温度の上昇を抑制すると共に、燃料電池の各部の温度が略一定になるように放熱量を調節することができる。
【００１３】
このような燃料電池においては、酸化剤供給路の断面の幅寸法は、燃料電池を構成する各セパレータで互いに略等しく、断面の高さ寸法は、酸化剤供給路を有するセパレータに対して燃料電池の外側に配設されるセパレータが有する酸化剤供給路の断面の高さ寸法に比べて大きいことを特徴とする。このような酸化剤供給路によれば、セパレータが発電体に接する接触面積を各セパレータで略一定にすることにより各発電セルとセパレータとの接触面積を均一とすることができ、さらに発電体とセパレータとの接触領域における電気抵抗を略一定することにより燃料電池に電流が流れる際の発熱ばらつきを低減することができる。さらにまた、燃料電池の中央付近に配設されるセパレータほど酸化剤供給路の断面積を大きくすることにより酸化剤の流量を増大させ、燃料電池の中央付近に配設されて温度が上昇し易い発電セルからの放熱量を増大させることが可能となる。
【００１４】
本発明にかかる燃料電池においては、セパレータの厚み寸法は、セパレータに対して燃料電池の外側に位置するセパレータの厚み寸法に比べて厚いことを特徴とする。このような燃料電池によれば、燃料電池の内側に配設されたセパレータほど伝熱面積を大きくすることができ、熱が放熱され難い燃料電池の中央付近からの放熱量を大きくすることが可能となる。したがって、燃料電池の各部における温度のばらつきを低減することができ、燃料電池全体の温度を均一にすることが可能となる。
【００１５】
本発明にかかる燃料電池は、発電体にセパレータを介して他の発電体を積層してなる燃料電池であって、発電体とセパレータの積層方向におけるセパレータの位置に応じて酸化剤供給路の断面積が異なると共に、各セパレータにはそれぞれ酸化剤供給手段が設けられ、酸化剤供給手段は、酸化剤の流量をセパレータ毎にそれぞれ調整して供給することを特徴とする。このような燃料電池によれば、発電体に供給されて、排出される酸化剤の流量を酸化剤供給路の断面積に応じて調節することができるだけでなく、各セパレータに配設された酸化剤供給手段により流量を個別に調整して、酸化剤を介して放熱される熱量を調節することができる。このような酸化剤供給手段によれば、酸化剤供給路の断面積の違いによる燃料電池の温度の調整に比べて、精度良く温度の調整を行うことが可能となり、さらに燃料電池の温度を均一にすることができる。
【００１６】
本発明にかかるセパレータは、発電体と他の発電体との間に挟まれるように積層されて燃料電池を構成するセパレータであって、発電体と接するセパレータ本体を備え、セパレータ本体は、発電体に酸化剤を供給すると共にセパレータ本体が燃料電池に配設される位置に合わせて所定の断面積を有するように形成された酸化剤供給路を備えることを特徴とする。このようなセパレータにより燃料電池を構成することにより、燃料電池の各部における温度のばらつきを低減することができ、燃料電池の全体の温度を均一に維持した状態で発電を行うことができる。
【００１７】
本発明にかかる燃料電池の製造方法は、発電体と、発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータとを積層して燃料電池を組み上げる燃料電池の製造方法にあって、燃料電池に配設されるセパレータの位置に応じた所定の断面積を有して発電体に酸化剤を供給する酸化剤供給路をセパレータに形成し、セパレータが燃料電池の所定の位置に配設されるように燃料電池を組み上げることを特徴とする。このような燃料電池の製造方法によれば、発電の際に温度ばらつきが殆ど生じることがない燃料電池を製造することが可能であり、十分な信頼性を有する燃料電池を提供することができる。
【００１８】
本発明にかかる酸化剤の供給方法は、発電体と、前記発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータとを積層してなる燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤の供給方法であって、セパレータが配設される位置に応じた所定の断面積を有する酸化剤供給路をセパレータに設け、燃料電池に酸化剤を供給する際に、所定の断面積に応じた流量で各酸化剤供給路に酸化剤を流動させることを特徴とする。本発明にかかる酸化剤の供給方法によれば、酸化剤の流量に応じて各セパレータから放熱される熱量を調整することができ、燃料電池本体の温度を均一にしながら発電を行うことが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる燃料電池、セパレータ、燃料電池の製造方法及び酸化剤の供給方法について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明にかかる燃料電池の一例を示す分解斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池本体とされる発電部７０と、発電部７０に発電を行わせるための各種機器として筐体２０、制御基板３０、空気供給ファン５１，５２，５３、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６とを基台５７に搭載した燃料電池とされる。発電部７０に空気を供給する空気供給ファン５１，５２，５３は発電部７０の側面に沿って隣り合うように配設されるとともに、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６が発電部７０の端面に沿って隣り合うように配設されている。燃料電池１０は、燃料としての水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ６０から手動バルブ５６によって開かれた流路を介して燃料ガスとされる水素ガスを受け取り、発電を行う。また、レギュレータ５５は、水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスの圧力を調整し、水素ガスを所要の圧力で発電部７０に供給する。水素パージバルブ５４は、水素ガスが流動される流路に水分が蓄積された場合に水素ガスをパージして水分を排出し、流路を確保する。なお、本発明にかかる燃料電池は、発電部７０の如き燃料電池本体に特徴を有することから、発電部７０について例を示しながらさらに詳細に後述する。
【００２１】
図１及び図２に示すように、筐体２０は略直方体形状の外形とされ、燃料電池１０に搭載される各種機器を覆うように内部が空洞とされると共に底面が開放されている。筐体２０は排気口２１，２２，２３、吸気口２４を備え、筐体２０の上面の端部は排気口２１，２２，２３が形成された側面に向かう傾斜面とされる。図２（ａ）に示すように、排気口２１，２２，２３は筐体２０の側面において隣り合うように形成され、発電部７０によって発電が行われた後の空気の吐き出し口とされる。排気口２１，２２，２３は、筐体２０の側面に略矩形状に開口し、上下方向に複数形成されている。また、排気口２１，２２，２３は筐体２０の側面の中央から上方向及び下方向に沿って順次長手方向の寸法が短くなるように形成されている。
【００２２】
さらに、図２（ｂ）に示すように、吸気口２４は、筐体２０の排気口２１、２２，２３と対面するように筐体２０の側面に形成され、燃料電池１０に空気を取り込む取り込み口とされる。また、吸気口２４は、筐体２０の側面に略矩形状に開口し、上下方向に複数形成されている。
【００２３】
また、図１、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、筐体２０の端面には燃料電池１０と外部との間で各種信号を送受信するための配線が通される接続孔２６が形成されている。さらに、筐体２０の他の端面にも所要の接続孔２８を形成することもできる。
【００２４】
図１に示すように、制御基板３０には燃料電池１０を構成する各種機器を制御するための制御回路が形成され、制御基板３０は発電部７０の上側に配設される。制御基板３０が搭載する制御回路については図中において詳細に示さないが、制御基板３０は、例えば空気供給ファン５１，５２，５３を駆動させる際の制御回路、或いは水素パージバルブ５４の開閉動作の制御回路、発電部７０により出力された電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータの如き電圧変換回路、さらに燃料電池１０に温度センサ及び湿度センサが配設されている場合にはこれらセンサにて検知された温度や湿度などの各種環境条件に基づいて各種機器を制御する制御回路を搭載することもできる。また、制御基板３０は燃料電池１０の内部に配設されるが、燃料電池１０の外部に配設されていても良く、例えば、燃料電池１０から駆動用の電力が提供される各種電子機器に制御基板３０を搭載することもできる。
【００２５】
次に、発電部７０について、図３乃至図６を参照しながら説明する。図３は、発電部７０の概観を示す斜視図であり、図４は発電部７０の一部を示す分解斜視図、図５は発電部７０を構成するセパレータの基本的な構造を示す平面図、図６は発電部７０を側面側からみた側面図である。
【００２６】
図３に示すように、発電部７０は、セパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉ及び発電体７２が積層された構成を有しており、９枚のセパレータ７１ａ〜７１ｉの間にそれぞれ発電体７２が挟みこまれて発電を行う発電セルが８個直列に接続されている。また、発電部７０は略直方体とされる外形を有し、発電部７０の上側及び下側にはそれぞれ板状部材７３，７４が配設されている。発電部７０の上半分を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｄは、積層方向に関して発電部７０の中央から上側に向かってセパレータ７１ｄ，７１ｃ，７１ｂ，７１ａの順にそれぞれ発電体７２を挟み込むように積層されている。発電部７０の下半分は、積層方向に関して中央から下側に向かってセパレータ７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉの順で各セパレータがそれぞれ発電体７２を挟み込むようにして構成されている。なお、最も下側に配設されるセパレータ７１ｉは、セパレータ７１ｉの上面に配設される発電体７２に燃料ガスを供給するためのセパレータであり、発電体７２の空気極に酸素を供給するための溝部及び溝部がセパレータの側面に開口する開口部は形成されていない。
【００２７】
発電部７０においては、最も下側に配設されるセパレータ７１ｉを除いて、発電部７０の上半分を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｄと下半分を構成するセパレータ７１ｅ〜７１ｈとは、それぞれ積層方向に関して燃料電池本体の中央から上側及び中央から下側のそれぞれに向かって順に同様の厚み寸法を有するセパレータとされる。例えば、セパレータ７１ｄ及びセパレータ７１ｅが同じ厚み寸法を有するセパレータとされ、同様にセパレータ７１ｃ及びセパレータ７１ｆ、セパレータ７１ｂ及びセパレータ７１ｇ、セパレータ７１ａ及びセパレータ７１ｈの各セパレータの組み合わせが、それぞれ同じ厚み寸法のセパレータの組み合わせとされる。なお、発電部７０において、セパレータ７１ａ〜７１ｄと発電体７２で構成される上半分と、セパレータ７１ｅ〜７１ｈと発電体７２で構成される下半分とは同様の構成とされていることから、発電部７０の上半分について詳細に説明する。
【００２８】
発電部７０の側面７５には、セパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄの側面に複数形成された開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄが臨む。発電部７０の側面７５に対して反対側に位置する側面にも開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄと対をなす開口部が形成されている。開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄはセパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄに形成された溝部が発電部７０の側面７５に開口する開口部であり、開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄと対をなして発電部７０の反対側の側面に臨む開口部もセパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄに形成された溝部の開口部である。このような溝部は、発電部７０の内部に空気を流動させるための流路とされ、これら溝部には開口部７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄが臨む側面７５に沿って配設された空気供給ファン５１，５２、５３によって空気が流動される。
【００２９】
図４に示すように、固体高分子電解質膜７２ｂの上側に配設される電極７２ｃは、セパレータ７１ｂ，７１ｃからそれぞれ空気が供給される空気極とされる。また、発電部７０を構成する発電セルは、２枚のセパレータとセパレータに挟み込まれる発電体によって形成され、例えば、図４に示すように、セパレータ７１ｄ，７１ｃ及び発電体７２により１つの発電セル９０ａを構成し、セパレータ７１ｃ，７１ｂ及び発電体７２により別の発電セル９０ｂを１つ構成する。また、発電体７２は、発電体とセパレータとを積層した際にセパレータ７１ｄ，７１ｃ，７１ｂと発電体７２との間を封止する封止部材７２ａを備えている。このようにして構成される発電セルが直列接続されることにより発電部７０が構成されている。なお、図４には発電部７０の一部のみを示しているが、発電部７０を構成する他のセパレータ及び発電体も同様にして発電セルを構成している。
【００３０】
セパレータ７１ｄ，７１ｃに形成された溝部８３ｄ，８３ｃは、燃料ガスとされる水素ガスをセパレータ７１ｄ，７１ｃから発電体７２にそれぞれ供給するための流路とされる。また、セパレータ７１ｂの上面に形成された溝部８３ｂもセパレータ７１ｂの上面と接するように配設される発電体に燃料を供給する。溝部８３ｄ，８３ｃ，８３ｂは、発電反応の効率を高めるためにセパレータ７１ｄ，７１ｃ，７１ｂの表面内を蛇行するように形成されており、水素ガスを発電体の燃料極全体に供給する。供給孔８２は、他のセパレータに形成された供給孔と接続されて供給路を形成し、発電部７０の外部に設けられた水素吸蔵カートリッジ６０の如き水素ガス貯蔵部から溝部８３ｄ，８３ｃ，８３ｂに水素ガスを供給する。また、排出孔８１は、他のセパレータに形成された排出孔と接続されて排出路を形成し、発電に使用された水素ガスを装置外部に排出する。
【００３１】
続いて、図５を参照しながら発電部７０を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｈの基本的な構造について詳細に説明する。図５（ａ）に示すように、セパレータ９３が発電体と接する表面、すなわち発電体の空気極に接する面には、セパレータ９３の長手方向Ｌに沿って溝部９９が複数形成されている。溝部９９は、セパレータ９３の幅方向Ｗに沿って略直線状に延在されてセパレータ９３の両方の側面に開口する開口部１００，１０１を有する。セパレータ９３は、溝部９９が形成された表面で発電体の空気極と接するように発電部７０に配設され、開口部１００，１０１を介して溝部９９に空気が流動されることにより、発電体の空気極の略面内全体に酸素が供給されて発電が行われる。開口部１００，１０１はセパレータ９３と発電体とを積層した際に発電部７０の側面に開口し、発電部７０の側面側から空気が供給され、或いは吸い出されることにより溝部９９に空気が流動される。
【００３２】
さらに、図５（ａ）に示すように、一枚のセパレータ９３に形成された溝部９９の幅寸法Ｗ_１は互いに略等しく、さらに溝部９９がセパレータ９３の側面に開口した開口部１００，１０１の幅寸法Ｗ_２も互いに略等しい。溝部９９の高さ寸法、すなわち溝部９９の図中紙面に対して奥行き方向に沿った深さ寸法も一枚のセパレータ９３に形成された各溝部９９については互いに略等しい。したがって、セパレータ９３の長手方向Ｌに沿った平面によってセパレータ９３を切断した場合、一枚のセパレータ９３に形成された溝部９９の断面積は互いに略等しい。また、溝部９９と同様に略矩形状を有する開口部１００，１０１の断面積も、一枚のセパレータ９３においては互いに略等しい。このように、一枚のセパレータ９３においては基本的に溝部９９及び開口部１００，１０１がそれぞれ互いに断面積が略等しくなるように形成されるが、発電部７０に配設されるセパレータ９３の位置に応じて溝部９９及び開口部１００，１０１はセパレータ毎に異なる断面積を有するように形成される。発電部７０においてセパレータ９３が積層された位置に応じて溝部９９及び開口部１００，１０１の断面積をセパレータ毎に変えることにより、各セパレータ間で比較した場合に溝部を流動する空気の流量が異なることとなり、この空気の流量の違いによって各発電セルから外部に放熱される放熱量が調整されることになる。
【００３３】
また、セパレータ９３のように、開口部１００，１０１の幅寸法Ｗ_２を溝部９９の幅寸法Ｗ_１に比べて大きくすることにより、溝部９９が側面に開口する開口部１００，１０１をテーパ形状に形成して溝部９９に外部から空気を取り込む際の空気の流動を阻害する抵抗を低減することもできる。さらにまた、開口部１００，１０１の高さ寸法を溝部９９の高さ寸法より大きめに形成することもできる。また、開口部１００，１０１を溝部９９に比べて幅広とした場合でも、一枚のセパレータ９３に形成される開口部１００，１０１は互いに幅寸法及び高さ寸法が等しくなるように形成される。また、後述するように、セパレータ９３の端部には水素ガスを溝部９８に供給するための燃料供給孔９６ａと、水素ガスを排出するための燃料排出孔９７ａが形成されている。
【００３４】
図５（ｂ）に示すように、溝部９９が形成されたセパレータ９３の裏面側には、発電体に燃料を供給するための溝部９８が形成されている。セパレータ９３は、空気が流動される溝部９９が接する発電体とは別の発電体と溝部９８が形成された表面で接して別の発電セルを構成する。溝部９８は、例えば水素ガスの如き燃料ガスを発電体に供給する溝部であり、発電体の燃料極と接する。本例では発電体の燃料極の略面内全体に燃料を供給することができるようにセパレータ９３の表面内で蛇行した形状とされる。溝部９８の一方の端部には燃料供給孔９６ａの裏面側とされる燃料供給孔９６ｂが臨み、溝部９８に燃料を供給するための燃料供給孔とされる。また、他方の端部には、燃料排出孔９７ａの裏面側とされる燃料排出孔９７ｂが臨み、溝部９８から発電後の燃料及び発電によって発生した生成物を排出する。これら燃料供給孔９６ｂ及び燃料排出孔９７ｂは発電部７０を組み上げた際に他のセパレータに形成された燃料供給孔及び燃料排出孔と接続されて燃料供給路及び燃料排出路を形成する。これら燃料供給路及び燃料排出路は、各セパレータに形成された燃料を供給するための溝部にそれぞれ燃料を一括して供給し、排出して、各発電セルに発電を行わせる。
【００３５】
続いて、図６を参照しながら発電部７０についてさらに詳細に説明する。発電部７０は、９枚のセパレータと、セパレータによって挟まれた８枚の発電体７２により構成されて、８つの発電体が直列接続されている。発電部７０を構成する各セパレータ７１ａ〜７１ｉは、図５を参照しながら説明したセパレータ９３と基本的に同様の構造を有しているが、酸化剤としての酸素を含む空気を発電体に供給して排出するための溝部の断面積が、セパレータが配設される位置に応じて異なっている。また、空気が流動される溝部がセパレータの側面に開口してなる開口部７６ａ〜７６ｈも溝部と同様にセパレータが配設される位置に応じて断面積が異なるように形成されている。セパレータ７１ａ〜７１ｈと発電体７２とが積層される積層方向、すなわち発電部７０の高さ方向について、発電部７０の略中央に配設されるセパレータ７１ｄに形成される開口部７６ｄの幅寸法と、発電体７２を介してセパレータ７１ｄの上側に配設されるセパレータ７１ｃに形成された開口部７６ｃの幅寸法とは略等しく幅寸法Ｗ_３とされる。同様に、開口部７６ａ〜７６ｈの幅寸法も開口部７６ｄ，７６ｃの幅寸法Ｗ_３と等しく、開口部７６ａ〜７６ｈの幅寸法はセパレータが配設される位置に関係なく互いに略等しい。さらに、これら開口部と繋がるように各セパレータに形成された溝部の幅寸法もセパレータが配設される位置に関わらず互いに等しい。
【００３６】
発電部７０の中央に配設されたセパレータが有する開口部の高さ寸法に比べて発電部７０の外側に配設されたセパレータが有する開口部の高さ寸法は小さい。具体的には、セパレータ７１ｄに形成された開口部７６ｄの高さ寸法ｈ_１に比べてセパレータ７１ｄの外側に配設されるセパレータ７１ｃに形成された開口部７６ｃの高さ寸法ｈ_２は小さく、さらにセパレータ７１ｂに形成された開口部７６ｂの高さ寸法ｈ_３は開口部７６ｃの高さ寸法ｈ_２よりさらに小さい。すなわち、発電部７０の外側に配設されるセパレータに形成された開口部ほど断面積が小さい。
【００３７】
また、セパレータ７１ａ〜７１ｈに形成され、空気を発電体に供給して排出するための溝部も、それぞれのセパレータに形成された開口部７６ａ〜７６ｈと同様に発電部７０の外側に配設されるセパレータほど高さ寸法が小さくなるように形成される。このように、上述した積層方向に関して発電部７０の中央に配設されるセパレータに形成された開口部及び溝部の高さ寸法に比べて、発電部７０の外側に配設されるセパレータに形成された開口部及び溝部の高さ寸法が小さくなるように各セパレータに溝部及び開口部が形成されている。
【００３８】
開口部７６ａ〜７６ｈ及びこれら開口部と繋がって各セパレータの幅方向、すなわち図６における紙面に対する奥行き方向に延在される溝部は、発電体７２に酸化剤としての酸素を含む空気を供給して、排出するための酸化剤供給路とされるが、上述したように開口部７６ａ〜７６ｈ及びこれら開口部に繋がる溝部の高さ寸法の違いによって各溝部及び各開口部の断面積が異なり、セパレータが配設される位置に応じて開口部から取り込まれて溝部に流動される空気の流量が各セパレータで異なる。本例の発電部７０においては、積層方向について略中央部に配設されるセパレータ７１ｄに形成された溝部に流動される空気の流量に比べて、発電部７０の外側に配設されるセパレータ７１ｃに形成された溝部に流動される空気の流量が少ない。よって、発電部７０の略中央に配設される発電セルほど流動する空気の流量に応じて放熱量が高められる。
【００３９】
このように、発電部７０に配設されるセパレータの位置に応じて空気を流動させる開口部７６ａ〜７６ｄ及び溝部の断面積が異なることにより、発電部７０が有する開口部の全てに対して一括して空気を供給して排出する場合でも、各セパレータに形成された溝部に流動される空気の流量に差が生じ、各セパレータから放熱される熱量がそれぞれ調整された状態で発電を行うことができる。特に、本例にかかる発電部７０では、発電部７０の中央付近に位置する発電セルの温度上昇が他の発電セルに比べて大きくなる傾向にある。このような温度上昇が他の発電セルより大きい場合には、セパレータと発電体とが積層される積層方向に沿って放熱が効率良く行われない発電セルに対して他の発電セルより空気の供給量を増やし、空気を介した放熱量を増大させることにより温度上昇を抑制することができる。
【００４０】
さらに、発電部７０の外側に配設されるセパレータほど溝部及び開口部の断面積が小さいことにより、溝部に供給される空気が溝部及び開口部の断面積に応じて低減され、各溝部に流動される空気量に応じて放熱量を小さくすることができる。つまり、温度上昇が他のセパレータに比べて大きいセパレータほど放熱量を増大させて、発電部７０の各部の温度をほぼ均一に維持することが可能となる。したがって、発電を行う際に各発電セルによる発電反応が略均一に行われることになり、温度差によって特定の発電セルに不具合が生じることを低減することができ、信頼性が向上された燃料電池本体を搭載した燃料電池を提供することができる。
【００４１】
また、図６に示すように空気を発電体７２に供給して、排出する開口部の幅寸法Ｗ_３及びこれらに繋がる溝部の幅寸法が、発電部７０を構成するセパレータ７１ａ〜７１ｈで互いに略等しいことにより、セパレータ７１ａ〜７１ｈが実質的に発電体と接する接触面積が各発電セルにおいてほぼ等しくなる。よって、発電体７２がセパレータ７１ａ〜７１ｈによって挟み込まれてなる発電セルが直列に直列接続されている発電部７０においては、発電体７２とセパレータ７１ａ〜７１ｄとの接触部における電気抵抗のばらつきが殆どなく、発電によって電力を発電部７０から取り出す際に発電部７０中を積層方向に沿って流れる電流と、セパレータ７１ａ〜７１ｈ及び発電体７２との接触面における電気抵抗とにより生じる発熱量のばらつきを低減することができる。すなわち、各発電セルの温度ばらつきの原因の一つとされるセパレータ７１ａ〜７１ｈ及び発電体７２との接触面における電気抵抗とにより生じる発熱量のばらつきを低減することにより、発電部７０の全体を均一な温度とすることも可能となる。
【００４２】
さらにまた、本例にかかる発電部７０においては、発電部７０の略中央に配設されるセパレータ７１ｄの厚み寸法ｔ_１は、セパレータの外側に配設されるセパレータ７１ｃの厚み寸法ｔ_２に比べて大きく、さらにセパレータ７１ｃの厚み寸法ｔ_２はセパレータ７１ｂの厚み寸法ｔ_３に比べて大きい。すなわち、セパレータが積層される積層方向に関して、発電部７０の中央から外側に配設されるセパレータほど厚みが薄いセパレータを用いることができる。これにより、各セパレータが延在する方向に沿った伝熱量が各セパレータで調整されて発電部７０の温度を均一に維持することができる。なお、各セパレータの厚み寸法を互いに等しくしても良く、この場合でも発電部７０の温度を均一に維持することができる。
【００４３】
また、セパレータ７１ａ〜７１ｈに対して供給される空気の流量を、セパレータ毎に個別に調整しながら供給することもできる。図７は、図５に示したセパレータの開口部１００に酸化剤供給手段としてのファンが配設された状態を示す図であり、溝部９９が延在される方向に沿ってセパレータ９３を切断した際の断面図である。ファン１０３は、支持部１０８によって溝部９９の底面に支持されて開口部１００に臨み、溝部９９に個別に空気を供給する。ファン１０３は、溝部９９に収納されて空気の流動を妨げないサイズを有し、且つ十分な空気を溝部９９に供給可能な出力を備える機構を備えるものであれば如何なるものでもよく、例えば圧電セラミクスを振動させることによりフィンを駆動させる圧電フィンを用いることができる。圧電フィンは小型で十分な出力を有することから本例の如き発電部７０を構成するセパレータには好適な酸化剤供給手段とされる。
【００４４】
よって、セパレータ７１ａ〜７１ｈに個別に酸化剤供給手段を配設して酸化剤の供給量を調整することができる。これにより、酸化剤供給手段をセパレータに配設しない場合に比べて、空気の流量を個別に調整することができ、燃料電池本体の全体の温度をさらに均一に維持しながら発電を行うことができる。
【００４５】
また、図３乃至図６を参照しながら説明した発電部７０を製造する際には、燃料電池本体に配設される位置に合わせて断面積が所定の大きさとなるように開口部及び溝部が形成されたセパレータを積層して燃料電池本体を組み上げればよい。セパレータを積層する際には発電体をセパレータにより挟み込んで発電セルを構成し、これら発電セルが直列接続させて一組の燃料電池本体を構成する。
【００４６】
さらに、発電部７０を組み上げる際に、発電部７０に配設される位置に応じてセパレータ７１ａ〜７１ｈに開口部及び溝部を設け、これら開口部及び溝部の断面積に応じて空気の流量を調節しながら供給することにより、発電部７０の温度を均一となるように維持し、安定した発電を行うことができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる燃料電池によれば、発電セルを構成するセパレータに流れる空気の流量を各セパレータに形成される溝部及び開口部の断面積を変えることにより調整することができる。これら溝部及び開口部はセパレータが配設される位置に応じて断面積が異なっており、発電を行う際に放熱されにくい発電部の中央に配設されるセパレータほど溝部及び開口部の断面積が大きくなるように形成されている。よって、セパレータに形成された溝部及び開口部を流れる空気の流量が、セパレータが配設される位置に応じて調整されることになる。すなわち、放熱されにくい位置に配設されるセパレータに形成される溝部及び開口部の断面積を他のセパレータに形成される溝部及び開口部より大きめにすることにより、放熱量を他のセパレータより高めることができ、発電部の全体の温度を略均一にすることができる。このように発電部の温度を均一に維持しながら発電を行うことにより、特定の発電セルに他の発電セルより大きな負荷をかけることなく、発電部を構成する発電セル全体に略均一な状態で発電を行わせることができる。
【００４８】
また、本発明にかかるセパレータによれば、空気をセパレータ中で流動させて発電体に供給して排出するための開口部及び溝部を所定のサイズとなるように形成したセパレータを、スタック構造を有する発電部の所定の位置に配設することにより簡単に各発電セルからの放熱量を調整することができ、発電時の温度を燃料電池の全体で略均一にすることができる。
【００４９】
また、本発明にかかる燃料電池の製造方法によれば、上述したセパレータを組み上げるだけで燃料電池本体とされる発電部の温度が略均一とされる燃料電池を簡単に製造することができ、複雑な温度制御及び装置構造を必要とすることなく信頼性の高い燃料電池を提供することができる。
【００５０】
さらに、本発明にかかる酸化剤の供給方法によれば、各セパレータに設けられた開口部及び溝部の断面積に応じて空気の流量を調節しながら供給することにより、発電部の温度を均一となるように維持し、安定した発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる燃料電池の一例を示す分解斜視図である。
【図２】同燃料電池を構成する筐体の構造を示す構造図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は他の側面を示す側面図、（ｃ）は端面図、（ｄ）は他の端面を示す端面図である。
【図３】発電部の一例を示す斜視図である。
【図４】発電部の一部の構成を示す分解斜視図である。
【図５】発電部を構成するセパレータの基本的な構造を示す平面図である。
【図６】発電部を側面側から見た側面図である。
【図７】発電部を構成するセパレータに圧電フィンを配設した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０燃料電池、２０筐体、２１，２２，２３排気口、２４吸気口、３０制御基板、５１，５２，５３空気供給ファン、５４水素パージバルブ、５５レギュレータ、５６手動バルブ、５７基台、６０水素吸蔵カートリッジ、７０発電部、７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ，７１ｈ，７１ｉセパレータ、７２ｂ固体高分子電解質膜、７２ｃ電極、７２発電体、７６ａ，７６ｂ，７６ｃ，７６ｄ，７６ｅ，７６ｆ，７６ｇ，７６ｈ開口部、８３ｂ，８３ｃ，８３ｄ溝部、９０ａ，９０ｂ発電セル、９３セパレータ、９８溝部、９９溝部、１００，１０１開口部、１０３圧電フィン、１０８支持部

Claims

発電体にセパレータを介して他の発電体を積層してなる燃料電池であって、
前記セパレータは前記発電体に酸化剤を供給するための酸化剤供給路を有し、前記発電体と前記セパレータの積層方向における前記セパレータの位置に応じて前記酸化剤供給路の断面積が異なる燃料電池。
前記酸化剤供給路の断面積は、当該燃料電池の温度が均一となるように設定される請求項１記載の燃料電池。
前記酸化剤供給路は、前記セパレータの一の側面から他の側面に亘って略直線状に形成されて前記一の側面と前記他の側面にそれぞれ開口する請求項１記載の燃料電池。
前記酸化剤供給路の断面積は、前記酸化剤供給路を有するセパレータに対して前記燃料電池の外側に位置するセパレータが有する酸化剤供給路の断面積に比べて大きい請求項１記載の燃料電池。
前記酸化剤供給路の断面の幅寸法は、前記燃料電池を構成する各セパレータで互いに略等しく、
前記断面の高さ寸法は、当該酸化剤供給路を有するセパレータに対して前記燃料電池の外側に配設されるセパレータが有する酸化剤供給路の断面の高さ寸法に比べて大きい請求項４記載の燃料電池。
前記セパレータの厚み寸法は、前記セパレータに対して前記燃料電池の外側に位置するセパレータの厚み寸法に比べて厚い請求項１記載の燃料電池。
発電体にセパレータを介して他の発電体を積層してなる燃料電池であって、
前記発電体と前記セパレータの積層方向における前記セパレータの位置に応じて前記酸化剤供給路の断面積が異なると共に、各セパレータにはそれぞれ酸化剤供給手段が設けられ、
前記酸化剤供給手段は、酸化剤の流量をセパレータ毎にそれぞれ調整して供給する燃料電池。
発電体と他の発電体との間に挟まれるように積層されて燃料電池を構成するセパレータであって、
前記発電体と接するセパレータ本体を備え、
前記セパレータ本体は、前記発電体に酸化剤を供給すると共に前記セパレータ本体が前記燃料電池に配設される位置に合わせて所定の断面積を有するように形成された酸化剤供給路を備えるセパレータ。
発電体と、前記発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータとを積層して燃料電池を組み上げる燃料電池の製造方法にあって、
前記燃料電池に配設される前記セパレータの位置に応じた所定の断面積を有して前記発電体に酸化剤を供給する酸化剤供給路を前記セパレータに形成し、
前記セパレータが前記燃料電池の所定の位置に配設されるように前記燃料電池を組み上げる燃料電池の製造方法。
発電体と、前記発電体と他の発電体とを電気的に導通させるセパレータとを積層してなる燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤の供給方法であって、
前記セパレータが配設される位置に応じた所定の断面積を有する酸化剤供給路を前記セパレータに設け、
前記燃料電池に前記酸化剤を供給する際に、前記所定の断面積に応じた流量で各酸化剤供給路に前記酸化剤を流動させる酸化剤の供給方法。