JP2005327532A - 燃料電池、燃料電池用セパレータユニットキット、及び燃料電池発電ユニット用キット - Google Patents

Abstract

【課題】簡単なセパレータユニット構造で、電池反応による生成水や凝縮水がセパレータ流路に滞留した場合でも、セルの出口部においても一定以上の反応ガス流速を確保して、セパレータユニットの反応ガス流路から効果的に排水すること。
【解決手段】電解質膜電極接合体と、それを挟んで配置されたガス拡散層と、そのガス拡散層の外側に配置された一対のセパレータユニットを備えた発電単位を複数積層した燃料電池であって、上記セパレータユニットとガス拡散層との間に形成された流路空間が形成され、かつ上記セパレータユニットは複数のガス流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に配置された一対のフレームを備え、流路溝方向に直角な方向における流路断面積が、上流と下流で異なる燃料電池。また、燃料電池用セパレータユニットキット、及び燃料電池発電ユニット用キットを開示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池、燃料電池用セパレータユニットキット、及び燃料電池発電ユニット用キットに係わり、特に燃料電池のセパレータユニットの流路構造に関するものである。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸化剤極とからなる電極触媒で被覆した電解質膜電極接合体（以下、これを本明細書では膜電極接合体と称する）の両側をガス拡散層で挟み、さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータを配置して構成する単位セル（発電ユニット）を複数個設置して積層体を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックを構成する。この燃料電池セルスタックを膜電極複合体の面内方向が水平方向に対して垂直となるように積層設置する。

固体高分子形燃料電池の反応式を次に示す。
燃料極 ： Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻
酸化剤極 ： ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋ １／２ Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
全体 ： Ｈ_２ ＋ １／２ Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
固体高分子形燃料電池では、ガス拡散層内を拡散してきた燃料ガス中に含まれる水素（Ｈ_２）は燃料極に至ると電子（ｅ⁻）を放出してプロトン（Ｈ^＋）になる。プロトン（Ｈ^＋）は燃料極側から酸化剤極側に固体高分子電解質膜を経て移動するが、電子（ｅ⁻）は燃料極側から酸化剤極側に移動することができないため、外部回路を経由して酸化剤極側に移動する。

一方、酸化剤極側では、前記の固体高分子電解質膜を経て移動したプロトン（Ｈ^＋）と外部回路から送られてくる電子（ｅ⁻）と酸化剤ガス（空気）中の酸素とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。その生成水の大部分は未反応ガス中に蒸発し、そのままセルスタック外に排出されるが、過飽和となる状態では水として残留する。

固体高分子形燃料電池では、発電を行う場合には反応ガスを燃料極および酸化剤極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するだけではなく、固体高分子膜に水分を供給する必要がある。燃料極側から固体高分子膜を介して酸化剤極側にプロトン（Ｈ^＋）が移動する伝導性は、固体高分子膜に水分を充分に供給することにより著しく向上するためである。固体高分子膜に水分を供給するために、反応ガスに水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を添加して燃料電池セルに水を供給する。

電池反応により燃料ガス中の水素（Ｈ_２）および酸化剤ガス中の酸素（Ｏ_２）が消費されると、固体高分子電解質膜を加湿するために燃料ガスおよび酸化剤ガスに添加供給された水蒸気は、未反応の排出ガスが過飽和となると、凝縮水として反応ガス流路内に液体として存在することとなる。セパレータユニットの燃料ガスおよび酸化剤ガスを流すための流路内は水が滞留し易く、また、その水を除去しない場合、燃料ガスや酸化剤ガスの拡散の障害となり、電池反応が著しく低下して、電池性能が低下する。

流路内に滞留した液体をセルスタック流路に沿って排出するために必要となる一定流速以上のガスを流通させることが考えられる。燃料電池の反応では、反応ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、反応によりガスが消費されるために流路内の反応ガス流速は遅くなるとともに、流路内の相対湿度が上昇し、過飽和となりやすく、凝縮しやすい環境となる。したがって、反応ガス流路の最も下流域、すなわち、セル流路の出口近傍での流速が凝縮水を排出するのに必要な流速以上であることが望ましい。出口近傍の流量に合せて流路の断面積を決定すると、上流側の入口近傍では流速が早くなる。このような点を考慮して、例えば特許文献１に、反応ガス流路の溝深さをセル面内方向に変化させる燃料電池セル流路構造が開示されている。

また、特許文献２に、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向を逆向きとして、流路断面積を流れ方向に変化させる燃料電池セル流路構造が開示されている。

また、特許文献３にリブの接触突起幅または流路幅を反応ガスの流れ方向に小さくする燃料電池セル流路構造が開示されている。

特開２００３−１３２９１１号公報

特開２００３−９２１２１号公報 特開２０００−２２３１３７号公報

上記、特許文献１および特許文献２に開示された燃料電池の流路構造では、燃料ガス流路とその裏面を流れる酸化剤ガス流路の流れ方向が互いに対向する向きの場合に限定される。また、特許文献３に開示された燃料電池の流路構造では、セパレータ基板の表裏面で流路断面積の変化のさせ方を独立して設定することができないという課題があった。

電池反応によって生じる生成水あるいは凝縮水を反応ガス流路から効率的に排出し、また、冷却ユニットを流通させる冷却材が液体の場合にも気泡の滞留を防止することができるセパレータユニットが、電池性能の低下を防止するために必要とされる。

本発明の課題は、上記の前提に立って、簡便、安価に製造することができるセパレータユニットを提供することである。

本発明によれば、膜電極接合体と、それを挟んで配置されたガス拡散層と、そのガス拡散層の外側に配置された一対のセパレータユニットを備えた発電ユニットを複数個積層し、上記セパレータユニットと上記ガス拡散層との間に形成された流路空間の流路断面積が流体の上流よりも下流が小さくなるように構成された燃料電池が提供される。また、上記セパレータユニットはガス供給のためのセパレータユニットと、少なくとも１つの冷却材供給用セパレータユニットとで構成することができる。

また、本発明は複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に配置され、流路の流れ方向の断面積を変える部材を形成したフレームを有する燃料電池用セパレータキットが提供される。更に、膜電極接合体と、その両側に配置されるガス拡散層と、上記ガス拡散層の外側に配置されるセパレータキットを有する燃料電池発電ユニット用キットが提供される。

本発明によれば、セパレータ基板の形状を表面と裏面とで実質的に同一とすることが出来、従ってセパレータユニットを容易、安価に製造でき、しかも任意の流路構成が構築できるので、効率的な滞留水の排出が可能となる。

本発明による燃料電池の構成を具体的に説明する。まず、膜電極複合体を挟んで両側にセパレータユニットを配置して構成する単位セルを複数個積層設置して形成した燃料電池セルスタックにおいて、セパレータユニットは以下の流路溝のいずれかの組み合わせを取るものである。
（１）セパレータユニットの一方の面に形成された燃料ガス流路ともう一方に形成された酸化剤ガス流路。
（２）セパレータユニットの一方の面に形成された燃料ガス流路ともう一方の面に形成された冷却ユニット流路。
（３）セパレータユニットの一方の面に形成された酸化剤ガス流路ともう一方の面に形成された冷却ユニット流路。

それぞれの面でフレームとセパレータ基板との間に形成された反応ガスが隣り合う流路溝への移動を妨げるための部材例えば、突起物を表裏面で独立してガス流路の流れ方向に直角な方向の断面積を、ガス流の上流又は入口よりも下流又は出口の方が小さくなるように、即ち下流のガスの流速が早くなる部材を設ける。また、他方のフレームにガスの流れ方向を変更する部材を設ける。但し、セパレータユニットの酸化剤ガス用流路溝については、燃料ガスに比べて燃料電池内で消費される酸化剤の絶対量が少ないために、上流と下流とで極端なガス流量の変化が無いので、流路断面積を変える部材を省略するか、その数を少なくすることができる。それに対し燃料ガスの場合は燃料電池内で消費される燃料の絶対量が多いために、上流と下流のガス容積が大きく変わるために、上記部材は必須である。このように構成したフレームをセパレータ基板の両面に配置することによりセパレータユニットを構成する。

フレームは、その中央部に窓を有し、その周辺部（フレーム）にはセパレータ基板と接する側に、流体の横方向への流れを形成する折り返し構造を有する。更に、セパレータ基板と同じ構造のガス入口マニホールド、ガス出口マニホールド及び／又は冷却材入口マニホールド、冷却材出口マニホールドをフレームに形成する。ガス拡散層に接するフレームの面は平滑で、ガス拡散層及び電解質膜に対するシール構造を持っている。上記窓には、複数の流路溝を仮想的に分割し、所望の数の流路溝群に分ける為の部の部材を形成する。ガス流の上流の流路溝群の数よりも下流の流路溝群の数を少なくして、下流のガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の流速を大きくする。セパレータを構成するセパレータ基板及びフレームはそれぞれ耐食性の材料例えば、スレンレススチール板などからプレス成形等で作られる。

これによりセパレータ基板の流路溝幅、ピッチを一定にしたうえで、流れ方向に流路断面積を変更することができる燃料電池を提供することができる。その結果、電池反応によって生じる生成水あるいは凝縮水がセパレータ基板内の反応ガス流路に滞留しても効果的に排出することができるため、燃料ガスや酸化剤ガスを反応ガス流路に効果的に供給することができ、電池性能をより一層向上させることができる燃料電池を提供することができる。

即ち、本発明に係わる燃料電池は、セパレータ基板の流路溝形状や種類を変えたり増やしたりすることなく、１枚のセパレータ基板の表裏面に所望の形状の流路を構成することが出来る。そして、フレームに形成した部材の適切な配置によって、流路溝の上流と下流における所望の流速が確保できる。また、セル入口部の流速が過大となるようなことは無く、更にセル出口部における所望の流速を確保することができるので、流路内に生じた生成水や凝縮水を効果的に排出することができる特徴を有する。

本発明の具体的な実施態様の１つは、上記セパレータユニットは、複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に配置された一対のフレームを備え、上記フレームが上記ガス拡散層に面した側の窓に、任意の数の流路溝群に分割して、流路断面積を変えるための部材が設けられ、かつ上記フレームが上記セパレータ基板に接する側には、上記流路溝の方向に対し横方向に流体の流れを変える折り返し構造とすることが望ましい。

上記折り返し構造の一方は流体入口マニホールドに連通し、他方は流体出口マニホールドに連通している。膜電極接合体と、それを挟んで配置されたガス拡散層と、そのガス拡散層の外側に配置された一対のセパレータユニットを備えた発電単位を複数個積層した燃料電池であって、上記セパレータユニットとガス拡散層との間に流路空間を形成し、かつ上記セパレータユニットは、複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に配置された一対のフレームを備え、上記フレームに、上流と下流とで流路断面積を変える部材を設けた燃料電池が提供される。

上記フレームの一方の面（セパレータ基板と接する側）に流体の流れ方向を変えるための流路溝部を形成し、他方の面（ガス拡散層と接する側）に反応ガスが隣り合う流路溝への移動を妨げる部材が設けられ、その結果、反応ガス流路溝の流路断面積が、上流と下流とで異なる燃料電池が提供される。例えば、流体の出口の流路断面積は、入口の流路断面積よりも小さくし、出口での流体流速を大きくし、セパレータユニット内に滞留する水を効率よく排出する。

上記発電単位におけるガス又は液体の下流の流路断面積が上流の流路断面積よりも小さくなるように、上記部材の位置や形状を調節する。また、フレームに設けられた流路溝部あるいは部材により、セルの入口部と出口部と平行して流れる反応ガス流路の本数を変えることが出来る。そして、フレームとセパレータ基板とで構成される空間（流路空間）内に位置する突起のピッチを、下流ほど小さくすることも出来る。

フレームのセパレータ基板に接する面のマニホールドに開口する流路導入部のピッチをセパレータ基板に設けられた流路溝部のピッチと同じにしてもよい。また、上記フレームの窓に設けられた突起物をフレームの空間の全長（窓の全長）に亘り形成してもよい。そして、上記セパレータ基板を金属板の機械加工又はプレス加工により形成するのが、コスト、取り扱い性、寸法精度など、多くの点で好ましい。

本発明の他の実施形態によれば、膜電極接合体を挟んで両側にセパレータユニットを配置して構成する発電単位セルを複数個設置し、１個以上の発電ユニットに対して１個の割合で冷却ユニットを積層設置して積層体を形成した燃料電池であって、裏面および表面の両面に反応ガスまたは冷却材を流通させるための流路が形成された１枚のセパレータ基板とシール部を形成するフレームとを設けることにより単位セルの冷却材流路を形成する燃料電池であって、シール部を形成するフレームに設けられたガイド部によって冷却材の流れ方向を変える冷却ユニットを備えた燃料電池が提供される。

上記フレームに設けられた反応ガスが隣り合う流路溝ユニットへの移動を妨げる突起物の位置を、セパレータ基板の裏表に位置するフレームでそれぞれ独立に設定することができる。また、上記フレームに設けられた反応ガスが隣り合う流路溝への移動を妨げる突起物と上記フレームに設けられた冷却材の流れ方向を変えるガイド部を、セパレータ基板の表裏に位置するフレームによりそれぞれ独立に形成してもよい。

本発明は、両面に複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に接して流体が流れる空間を形成するためのフレームとを有し、上記フレームの少なくとも一方に、上記流路の流れ方向と直交する方向の断面積を変える部材を１つ以上有する燃料電池用セパレータユニットキットを提供するものである。このキットは他の構成要素、例えば膜電極接合体、水冷セパレータユニットなどを含んでも良いことは当然である。上記水冷セパレータユニットは本発明で提案する構造、即ちセパレータ基板と一対のフレームで構成しても良いし、従来の水冷構造のセパレータでも良い。

本発明は更に、電解質膜とその両面に接する電極とを有する膜電極接合体と、その両面に配置されるガス拡散層と、上記ガス拡散層の外側に配置される一対のセパレータユニットとを有する燃料電池用発電ユニット用キットであって、上記セパレータユニットは両面に複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に接して流体が流れる空間を形成するためのフレームとを有し、上記フレームの少なくとも一方に、上記流路の流れ方向と直交する方向の断面積を変える部材を１つ以上有する燃料電池用発電ユニットキットを提供する。このキットは更に、水冷セパレータユニットや端板など発電ユニット又は燃料電池スタックを構成するのに必要な全ての構成要素又は一部の構成要素を含んでも良いことは当然である。

上記セパレータユニットは、共通の流体入口マニホールド及び流体出口マニホールドを有し、かつこれらが積層されている。上記一対のフレームの空間部に、上記部材が上記流路溝と平行の方向に形成されている。上記一対のフレームの１つに、上記流路溝の方向に対し横方向に流体の流れを形成する部材と共に、上記流路溝の方向と平行の方向に上記部材が形成されていてもよい。

上記発電ユニットにおける流体は燃料ガス又は酸化剤ガス及び冷却材であるみずを含み、下流の流体速度が上流の流体速度より大であることが望ましい。上記部材は、流路溝の上流側における流体の流れ方向と下流側における流体の流れ方向を１回以上変えることが望ましい。上記部材は、セパレータユニットの入口部と出口部における流路溝の本数が異なる位置に形成されていることが望ましい。

流体出口マニホールドに近いほど上記部材のピッチを小さくし、流体の流速を速くすることが望ましい。上記フレームのセパレータ基板に接する面のマニホールドに開口する流路導入部のピッチをセパレータ基板に設けられた流路溝部のピッチと合せてもよい。上記フレームに設けられた上記部材を、フレームの窓（空間）全体に亘って形成してもよい。窓内の流路溝の長さと窓の寸法を自室的に同じとすることができる。

上記セパレータ基板の流路溝は、金属板を加工し又は金属板をプレスして形成することができる。本発明においては流路溝の形状、本数はセパレータ基板の両面において全く同じにすることが出来、加工は極めて容易で、かつ安価である。

以下、本発明に係わる燃料電池の実施形態を、固体高分子形燃料電池を例にとり、図を用いて説明する。
（実施例１）
図１（ａ）は、本発明における燃料電池の第１実施例によるセパレータユニットの構造を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図である。図１（ａ）、（ｂ）によって明らかなように、本発明の実施例において最も重要な特徴部分を構成するセパレータユニットは、複数の平行の流路溝１０を持つセパレータ基板５を２枚のフレーム６，７（第１フレーム６、第２フレーム７）で挟んだ構造を有する。セパレータ基板５、フレーム６，７は、共通の燃料ガス入口マニホールド８Ａ、酸化剤入口マニホールド８Ｃ、燃料ガス出口マニホールド９Ａ、酸化剤出口マニホールド９Ｃを有し、積層されている。第１フレーム６には、流体の上流における流路溝の断面積よりも下流における流路の断面積が小さくなるように、言い換えれば、流路溝の本数が上流よりも下流の本数が少なくなるように、突起部１２を設ける。図１１では第１フレームと第２フレームに突起部１２を４個づつ設けている。前述のように、第２フレーム側（酸化剤ガス側）の突起部は第１フレーム側（燃料ガス側）よりも減らすことが出来、例えば、突起のいくつかを省略しても良い。これにより、ガスの流れが突起部において変わり、フレーム上に設けた折り返し構造によってガスが横方向に移動し、反対方向に流れる。同様にしてガス流が方向転換し、かつかつ流路断面積が減少する。従って下流ほど流速が早くなるか上流と同じになる。また、セパレータユニットの両面にはガス拡散層４が設置される。

本実施形態に係わる燃料電池セルは、図２に示すように、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸化剤極とからなる電極触媒で被覆した膜電極接合体３の両側をガス拡散層４で挟み、さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータユニットとからなる単位セル１を複数個積層設置して燃料電池積層体（スタック）を形成する。

図３は、セパレータ基板に接する側と反対側の構造を示し、隣り合う流路溝への反応ガスの移動を妨げる突起物１２を２箇所に設けた場合のフレーム構造を示した図で、図１および図２に示した第１フレーム６である。図３はフレームのセパレータ基板に接面する側から見た図である。図３において、セルスタックに供給された燃料ガスは入口マニホールド８から入口側の流路導入部１５を経て、セパレータ基板の反応ガス流路溝１０に供給され、フレームシール部裏面（図３に示した）に設けられた流路折り返し部１１でガス流れ方向を反転し、再びセパレータ基板の反応ガス流路溝１０を折り返し前とは逆向きに流れ、もう一度流路折り返し部１１でガス流れ方向を反転し、セパレータ基板の流路溝１０を通り、出口側流路排出部１６からセル外に排出され、出口マニホールド９を経て、セルスタック外へ排出される。

流路折り返し部１１の流路を平行する流路溝で形成した場合には、前記突起物１２は隣り合う流路溝へのバイパスリーク防止のための遮蔽物となるが、流路折り返し部１１の流路を突起１３、１４によって構成する場合には、突起物１２が折り返し部に設けられることにより、セパレータ基板の流路溝１０のガスが平行に流れる流路の境界部分となり、設置位置、本数により、平行して流れる流路の本数を任意に設定することができる。また、この突起物１２は、フレームに設けるものであるので、セパレータ基板の当該面の裏側には何ら影響を与えることがない。そのため、セパレータ基板の表裏に設けられた流路に対して、１種類の形状のフレームを用いるだけで、両面でそれぞれ独立した折り返し回数や平行して流れる流路の本数を設定することができる。

図５および図６は、隣り合う流路溝への反応ガスの移動を妨げる突起物を４箇所に設けた場合のフレーム構造を示した図である。図５はフレームのセパレータ基板に接面する側から見た図であり、図６はガス拡散層を介して電解質膜に接面する側から見たフレームの図で、図５を裏側から見た図である。図５において、セルスタックに供給された燃料ガスは入口マニホールド８から入口側の流路導入部１５を経て、セパレータ基板の反応ガス流路溝１０に供給され、フレームシール部裏面に設けられた流路折り返し部１１で合計４回反転し、出口側流路排出部１６セル外へ排出され、出口マニホールド９を経て、セルスタック外へ排出される。

図１１は、本発明の実施態様におけるセパレータユニットのガス拡散層を介して電解質膜と接する側（ａ）とセパレータ基板に接する側（ｂ）における流体の流れを示す概略図であり、図１１（ａ）、（ｂ）ともに平面図である。このように、セパレータ基板に形成された流路溝の構造を両面とも全く同じにしても、それぞれの面で異なった流路断面構成を形成することができる。しかも、フレームを単にセパレータ基板に重ねるだけで、所望の流路構成を形成できるという、極めて簡単な方法で実現できる。典型的には、（ａ）は燃料ガスが、（ｂ）は酸化剤ガスが供給され、セパレータユニットに接したガス拡散層を介して膜電極接合体の触媒層に供給される。（ａ）では燃料ガスが燃料ガス入口マニホールド８Ａから入り、セパレータ基板に形成された流路溝１０を流れ、突起１２によってガイドされながら燃料ガス出口マニホールド９Ｃから排出される。燃料ガスの入口８Ａ近傍では、５本の流路溝を通って拡散する。そしてマニホールド９Ａの手前でフレームに形成された流路変更手段により、隣接する流路群に移行する。図１１（ａ）に示すように、最初の流路群は５本の流路溝を有し、以下、下流に行くに従って、４本、３本、２本、１本となり、下流ほどガス流速が早くなる。

図１１（ｂ）は酸化剤ガスが供給される側のガス流を示す。（ａ）側とは反対に、酸化剤ガスはセパレータユニットの右側の入口マニホールド８Ｃから入り、左下の酸化剤ガス出口マニホールド９Ａから排出される。図１１（ａ）と（ｂ）の比較から明らかなように、セパレータ基板に形成された流路溝１０は両面とも全く同一で、しかも流路溝は両面ともそれぞれ同一形状をしている。しかし、突起によって形成された流路群の数は上流から７本、６本、５本であり、第１フレーム側ほど変化が大きくない。従って、セパレータ基板の製造が極めて容易であり、構造も簡単にできるため安価である。セパレータ基板に重ねる一対のフレーム（第１フレーム６及び第２フレーム７）にガス流を規制する部材１２を設け、或いはガス流の流路を変える部材を設けるだけで、任意の流路溝構成を形成することが出来、セパレータユニットの構成が簡単かつ安価である。

セパレータ基板の流路溝の本数を一定にして、突起物１２の本数を増加させた場合、折り返しの回数が増加し、平行して流れる流路の本数が少なくなる。即ち、流路断面積を小さくすることができる。また、突起物１２の設置間隔を一定にせず、入口側より出口側に向かうに従って間隔を狭くすることにより、平行して流れる流路の本数をさらに減少させることができるので、流路断面積をさらに小さくすることができる。図５では、図１および図２に示した第１フレーム６において、入口マニホールドに開口している流路導入部より出口側流路排出部の溝本数を減らした例を示している。

燃料電池では、発電効率の高効率化のため、供給した燃料流量に対する消費した燃料流量の割合を示す燃料利用率を８０％程度に設定して運転されることがある。それに対して、供給した酸化剤ガス中の酸素流量に対する消費した酸素流量の割合を示す酸化剤利用率は４０〜６０％程度で運転されることが多い。そのため、酸化剤ガス流量に比べて燃料ガス流量の方が供給ガス流量が少ない上に、利用率も高いことから、出口側流路排出部１６から出口マニホールド９に排出されるガス流量は、燃料ガスの方が明らかに少ない。即ち、同じ流路断面積の流路を流れた場合は流速が小さいことになる。反応ガス流路には生成水や加湿のための水蒸気が凝縮しない条件で運転することが望ましいが、セルスタック内には温度分布が生じることから、局所的に凝縮水が生じ得る。凝縮水をセル外に排出するためには、一定速度以上の流速を有するガスとともに排出することが考えられる。

例えば、水素１００％の燃料ガスを供給し、燃料利用率８０％で運転した場合は、供給燃料ガス流量に比べて出口排出ガス流量は５分の１まで減少する。一方、酸素濃度が２１％の空気を酸化剤ガスとして供給し、酸化剤ガス利用率５０％で運転した場合は、１０％程度流量が減少するにとどまる。このことは、酸化剤ガスの流速は、出入口でも１０％程度しか変化しないが、燃料ガスの流速は２０％程度にまで小さくなり得ることを示している。

そこで、本発明におけるセパレータ基板の流路溝１０とシール部を構成するフレームに設けた折り返し流路部１１と隣り合う流路溝への移動を妨げる突起物１２とを併用し、連通させた流路を用いる。ここにおいて、酸化剤ガス流路側よりも燃料ガス流路側の突起物１２の本数を多く設定して平行して流れる流路の本数を少なくして平均のガス流速を増大させるとともに、燃料ガス流路側の突起物１２の間隔をセル内の入口側よりも出口側で狭くすることにより、入口側より出口側で平行して流れる流路本数を少なくする。これにより、平行して流れる流路の合計流路断面積を小さく設定でき、供給流量が少なく、かつ、流路内でのガス流量の変化割合が大きい燃料ガス流路においても、入口側での流速を過大にすることなく、出口側で凝縮水を排出するのに必要なガス流速を得ることができる。本発明によれば、凝縮水が反応ガス流路を閉塞して燃料電池の性能が低下するのを効果的に防止することができる。

隣り合う流路溝への反応ガスの移動を妨げる突起物１２は流路折り返し部１１を介して、セパレータ基板の反応ガス流路１０を通ることなく隣り合う流路溝へ反応ガスがバイパスリークするのを防止するために設けられている。また、流路溝を形成するリブとして先端部は、図７に示すようにフレーム内側縁と面一まででも機能するが、よりバイパスリークを確実に防止するためには、図１，３，５に示すように、フレーム内側に突出させるのが良い。あるいは、図８に示すように突起物１２は相対するフレームの窓内の流路溝の全長に亘って延長しても良い。

流路折り返し部１１は図９に示すように、縦方向と横方向の流路溝の組み合わせとすることもできる。突起物１２により折り返し部を任意の位置で設定する場合には、図３，５，７に示すように、折り返し流路部を突起１３によって構成しても良い。この突起１３は折り返し流路部１１を形成するとともに、フレームの強度メンバとなる。燃料電池の電池単位は各部位に締付面圧を作用させることにより、接触抵抗が小さくなり良好な電池性能を発揮するとともに、シールに必要な面圧も作用させている。その観点から、折り返し流路部の突起のうち、フレーム内側縁の突起１４は間隔を小さくすることで、強度低下を防ぐ効果もある。
（実施例２）
図１０は、本発明における燃料電池の実施例による冷却ユニットの構造を示すものである。実施例１に示したセパレータ基板５に設けられた流路溝１０と冷却ユニット用フレーム１７に設けられた冷却ユニット流路ガイド部１８Ａ，１８Ｂを連携させて冷却ユニット流路を形成する。冷却ユニットの入口マニホールド１９から冷却材が供給され、入口側冷却ユニット流路ガイド部１８Ａによりセパレータ基板の流路溝１０に導かれ、出口側冷却ユニット流路ガイド部１８Ｂによって流れ方向を反転させ、セパレータ基板の流路溝を逆行する。さらに、入口側冷却ユニット流路ガイド部１８Ａにより流れ方向を反転し、セパレータ基板の流路溝１０から出口側冷却ユニット流路ガイド部１８Ｂに沿って、冷却材出口マニホールド２０から排出される。出入口部に設けた流路ガイドの本数を任意に設定することにより、冷却ユニット流路の折り返し回数を任意に設定することができ、冷却材の流速を設定することができるので、燃料電池セルスタックを熱交換器に見立てた場合に、この流路ガイド部の設定の仕方によって、交換熱量の最適化を図ることができる。

このように、この実施形態によれば、セパレータ基板をガス供給用及び冷却材供給用として全て同一構造とすることが出来、これによって所望の流路断面積構造を形成することが出来、効率よく滞留水をセパレータから排除することができる。従って製造が簡単で、コストが低く押さえられる。

（ａ）は本発明の第１実施例による燃料電池のセパレータユニットの構造を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図。 本発明の実施例による燃料電池セルスタックの主要部の構成を示す分解斜視図。 本発明の第１実施例による第１フレームのセパレータ基板に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第１実施例によるフレームのガス拡散層に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第２実施例によるフレームのセパレータ基板に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第２実施例によるフレームのガス拡散層に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第３実施例によるフレームのセパレータ基板に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第４実施例によるフレームのセパレータ基板に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第５施例によるフレームのセパレータ基板に接面する側の構造を示す斜視図。 本発明の第６実施例による燃料電池の冷却ユニットの流路構成部を示す斜視図。 本発明による実施例のセパレータユニットにおけセパレータ基板の第１フレーム側の流体の流れ方向と流路溝の数と突起部の位置との関係を示す平面概略図。 本発明による実施例のセパレータユニットにおけるセパレータ基板の第２フレーム側の流体の流れ方向と流路溝の数と突起部の位置との関係を示す平面概略図。

符号の説明

１…単位セル、２…セパレータユニット、３…電解質膜電極複合体、４…ガス拡散層、５…セパレータ基板、６…第１フレーム、７…第２フレーム、８…入口マニホールド、８Ａ…燃料ガス入口マニホールド、８Ｃ…酸化剤ガス入口マニホールド、９…出口マニホールド、９Ａ…燃料ガス出口マニホールド、９Ｃ…酸化剤ガス出口マニホールド、１０…流路溝、１１…折り返し流路部、１２…突起物、１３…折り返し流路部突起、１４…折り返し流路部フレーム内側縁近傍部突起、１５…流路導入部、１６…出口側流路排出部、１７…入口側冷却ユニット流路ガイド部、１８Ａ、１８Ｂ…出口側冷却ユニット流路ガイド部、１９…冷却ユニット入口マニホールド、２０…冷却ユニット出口マニホールド。

Claims (20)

1. 電解質膜電極接合体と、それを挟んで配置されたガス拡散層と、そのガス拡散層の外側に配置された一対のセパレータユニットを備えた発電ユニットを複数個積層し、上記セパレータユニットと上記ガス拡散層との間に形成された流路空間の下流の流路断面積が、上流の流路断面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
2. 上記セパレータユニットは、複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に配置された一対のフレームとを備え、上記フレームが上記ガス拡散層に面した側の窓に、上記流路溝を任意の数の流路溝群に分割して、流路断面積を変えるための部材が設けられ、かつ上記フレームが上記セパレータ基板に接する側には、上記流路溝の方向に対し横方向に流体の流れを変える折り返し構造を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 上記折り返し構造の一方は流体入口マニホールドに連通し、他方は流体出口マニホールドに連通していることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 上記一対のフレームの窓に、上記部材が上記窓の中央方向に伸び、かつ流路溝と平行の方向に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 上記発電ユニットにおける下流の流体速度が、上流の流体速度より大であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 上記部材及び折り返し構造によって、流路溝の上流側における流体の流れ方向と下流側における流体の流れ方向を１回以上変えることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 上記セパレータユニットの入口部と出口部における流路溝の本数が異なる位置に上記部材が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 流体出口マニホールドに近いほど上記部材のピッチを小さくしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 上記フレームのセパレータ基板に接する面のマニホールドに開口する流路導入部のピッチが、セパレータ基板に設けられた流路溝部のピッチと同じであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
10. 上記一方のフレームに設けられた上記部材が、フレーム内の流路溝の全長に亘って形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
11. 上記セパレータ基板の流路溝は、金属板を加工し又は金属板をプレスして形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
12. 電解質膜電極接合体と、それを挟んで配置されたガス拡散層と、そのガス拡散層の外側に配置された一対のガスセパレータユニット及びセパレータ基板とその両面に積層されたフレームを備えた冷却ユニットを備えた発電ユニットを複数個積層し、上記セパレータユニットと上記ガス拡散層との間に形成された流路空間の流路断面積が流体の上流よりも下流を小さくする部材を上記フレームに配置したことを特徴とする燃料電池。
13. 上記ガスセパレータユニットのフレームに設けられた上記部材は、セパレータ基板の裏表で独立に形成されたことを特徴とする請求項１〜１２に記載の燃料電池。
14. 両面に複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に接して流体が流れる空間を形成するためのフレームとを有し、上記フレームの一方の面に窓を有し、上記窓は上記流路溝の流れ方向と直交する方向の断面積を変えるように仮想的に流路溝を複数の領域に区分する部材、及び他方の面のフレーム上に流体の流れを横方向に変える折り返し構造部をそれぞれ１つ以上有することを特徴とする燃料電池用セパレータユニットキット。
15. 上記一対のフレームとセパレータ基板とによって形成された流路空間に、上記部材が上記流路溝と平行方向に形成されていることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池用セパレータユニットキット。
16. 上記部材は、流路溝の上流側における流体の流れ方向と下流側における流体の流れ方向を１回以上変えることを特徴とする請求項１４又は１６に記載の燃料電池電池用セパレータユニットキット。
17. 電解質膜とその両面に接する電極とを有する電解質膜電極接合体と、その両面に配置されるガス拡散層と、上記ガス拡散層の外側に配置される一対のセパレータユニットとを有し、上記セパレータユニットは両面に複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に接して流体が流れる空間を形成するためのフレームとを有し、上記フレームの少なくとも一方に、上記流路の流れ方向と直交する方向の断面積を変える部材を１つ以上有することを特徴とする燃料電池用発電ユニットキット。
18. 上記セパレータユニットは、複数の流路溝を有するセパレータ基板と、その両面に配置された一対のフレームを備え、上記フレームが上記ガス拡散層に面した側の窓に、任意の数の流路溝群に分割して、流路断面積を変えるための部材が設けられ、かつ上記フレームが上記セパレータ基板に接する側には、上記流路溝の方向に対し横方向に流体流を変える折り返し構造を有することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池電池用セパレータユニットキット。
19. 上記部材は、流路溝の上流側における流体の流れ方向と下流側における流体の流れ方向を１回以上変えることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の燃料電池発電ユニット用キット。
20. 全セパレータユニット数よりも少ない数のセパレータユニットを、セパレータ基板とその両面に積層されたフレームを備えた冷却ユニットとしたことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれかに記載の燃料電池発電ユニット用キット。
    

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