JP3912662B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係り、特にガス拡散電極に反応ガスを供給するガス流路を備える燃料電池用セパレータに改良を加えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のエネルギ分野では、高効率のエネルギ変換装置として、燃料電池が注目されている。
【０００３】
また、燃料電池の中でも、例えば電解質としてプロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池がコンパクトな構造で、高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なので、定置用分散電源だけでなく家庭用や車両用などの電源としても注目され、現在、世界各国のメーカで開発が進められている。
【０００４】
このように注目度の高い固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、パーフルオロカーボンスルホン酸を基盤とする固体高分子膜１に白金等の触媒を被覆させるとともに、固体高分子膜１の両側を燃料極２ａと酸化剤極２ｂとからなるガス拡散電極２で挟み、膜電極複合体３を構成している。
【０００５】
この膜電極複合体３は、図７に示すように、燃料極２ａ、酸化剤極２ｂおよび固体高分子膜１のそれぞれをシート状または薄板状に配置し、そのシート状または薄板状の形状を長方形または正方形に形成するとともに、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれに供給される反応ガスの漏洩または混流を防ぐこともあって固体高分子膜１の面積を、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂの面積よりも大きくしている。
【０００６】
一方、膜電極複合体３から電流を取り出すには、燃料極２ａに燃料ガス（水素を主成分とするガス）を、酸化剤極２ｂに酸化剤ガス（空気）をそれぞれ供給して反応を促進させなければならない。この場合、燃料ガスは、都市ガス等の炭化水素系燃料を改質して使用しており、その反応が燃料極２ａで次のように行われる。
【０００７】
【化１】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−
このような反応式を得るプロセスを、今少し詳しく説明する。
【０００８】
ガス拡散電極２内を拡散してきた燃料ガス中に含まれる水素（Ｈ２）は、燃料極２ａ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２ａ側から酸化剤極２ｂ側に移るが、電子（ｅ−）は燃料極２ａ側から酸化剤極２ｂ側に移ることができないので、図６に示すように、外部回路を通って酸化剤極２ｂに移る。
【０００９】
また、水素（Ｈ２）以外の他の成分には、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が生成される。しかし、これらの成分が、電池化学反応に寄与しないにも拘らず、二酸化炭素（ＣＯ２）は水素（Ｈ２）の拡散に悪影響を与え、一酸化炭素（ＣＯ）は、固体高分子膜１の燃料極２ａ側の触媒に吸着し、電気化学反応に悪影響を与えることがある。
【００１０】
他方、酸化剤極２ｂでは、上述の電子（ｅ−）が加わって次のような反応が行われる。
【００１１】
【化２】
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
すなわち、燃料極２ａから固体高分子膜１を経てきたプロトン（Ｈ＋）と、外部回路を経て送られてくる電子（ｅ−）と、酸化剤ガス（空気）内の酸素（ＣＯ）とが反応して生成水（Ｈ２Ｏ）ができるが、大部分は未反応ガス中に蒸発し、そのまま外部に排出される。
【００１２】
その際、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれには、水分が溜り易く、水分をそのまま放置しておくと、燃料ガスや酸化剤ガスの拡散流れに悪影響を与える。
【００１３】
また、同時に、例えば燃料極２ａの燃料ガスが酸化剤極２ｂの酸化剤ガスに漏洩混流すると、電池化学反応が著しく悪くなり、電池性能が低下する。
【００１４】
このように、各ガスの拡散流れを良好にするとともに、各ガスの漏洩混流を防止する手段として、従来から燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれには、燃料電池用ガスセパレータが設けられている。図６には、一点鎖線で燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂが示されている。
【００１５】
燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂは、反応ガスが透過しにくく、かつ導電性の高い、例えば金属やカーボン等の硬質材が用いられている。燃料極２ａ側の燃料電池用ガスセパレータ４ａと、酸化剤極２ｂ側の燃料電池用ガスセパレータ４ｂとは、通常、１枚の平板の表裏を同時に使用する凹凸状の溝（流路）を持つ構造になっているか、あるいは、特開平６−２６０１７７に示すように、熱硬化性樹脂等により接合されている。また、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂ間には、図８に示すように、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれのシール性を考慮してパッキン５が設けられている。このパッキン５に各極２ａ，２ｂ、各燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂ、膜電極複合体３を列状または積層状に配置して一つの単位電池６が構成されている。
【００１６】
また、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂには、反応ガスを単位電池６毎に供給する、いわゆる通流孔と称するマニホールド７、燃料ガス流路８、および酸化剤ガス流路９が設けられ、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれに電池反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれが供給されるようになっている。
【００１７】
ところで、一つの膜電極複合体３が生じる起電力は、１Ｖ以下と小さい。このため、固体高分子型燃料電池は、図９に示すように、複数の単位電池６を列状または層状に接続して電池スタック１０を構成し、起電力を高くしている。電池スタック１０には、通常、一つまたはそれ以上の単位電池６毎に電池を冷却する冷却板（図示せず）を備えている。
【００１８】
また、電池スタック１０は、必要数の単位電池６を列状または層状に配置した後、図１０に示すように、締付板１１ａ，１１ｂ、締付ロッド１２、スプリング１３、ナット１４等の締付機構を用いて固設される。これは、各単位電池６間の電気的かつ熱的接触およびシール性を確保するためである。更に、電池スタック１０には、電流取出し板１５や絶縁シート１６が設けられている。
【００１９】
一方、固体高分子型燃料電池が発電を行うには、反応ガスを各極２ａ，２ｂのそれぞれに供給するだけではなく、固体高分子膜１に水分を充分に与える必要がある。固体高分子膜１は水分を吸収することにより、プロトン（Ｈ＋）の伝導性が著しく向上することに基づく。
【００２０】
また、電池スタック１０は、例えば、層状に積層される単位電池毎に対し、積層方向の反応ガスの流量配分、流速、温度、湿度等が均等に分布することが求められている。
【００２１】
反応ガスの流量や流速を電池スタック１０内の各単位電池６に均等に配流するには、各部品の寸法精度が非常に重要である。特に、燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂに形成する各ガス流路８，９の精度や燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂ自身、あるいは膜電極複合体３の平面内厚さ精度は、各単位電池６あたりの特性のばらつきを抑制する上で、きわめて重要である。
【００２２】
このように、従来の固体高分子型燃料電池では、各単位電池６あたりの特性のばらつきを抑制するため、各部品の寸法精度を充分にチェックする一方、電池スタック１０の組立てに際し、充分に注意を払いながら組立て施工を行っていた。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この種の分野に適用される燃料電池は、固体高分子膜の両側のそれぞれに、燃料極２ａ、酸化剤極２ｂで構成するガス拡散電極２を配置し、全体を極としてまとめた膜電極複合体３に、燃料ガス、酸化剤ガスのそれぞれを供給するガス流路と、電池内に冷媒を供給する冷媒流路とを備える燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂを配置する際、膜電極複合体３と燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂとを互いに接触させて組立て、ガスの漏洩・混流を防止し、電池性能を高く維持させている。
【００２４】
しかし、各部品に充分に注意しながら組立て施工を行っても、部品の寸法精度に製作上の誤差があったり、偏り等があると、膜電極複合体３と燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂとは、その接触性に強弱の分布が生じ、反応ガスの一部が一方の流路から隣の流路に短絡して流れ、ガス反応中に発生する電流密度に偏りや流路内の、いわゆるフラッティングによる反応ガスの流れが悪くなる等の問題があった。
【００２５】
特に、このような不具合、不都合が発生する要因は、膜電極複合体３や燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂが、柔軟性に乏しく、比較的硬質の材料に起因すると考えられている。
【００２６】
このような知見から、発明者等は、ガス拡散電極２を、例えば特開平９−１３４７３２や特開平１０−２６１４２１に示すように、不織布や織布のような柔らかい材料を選定し、各部品の厚み方向の寸法精度を吸収できるように行ってみたが、締付け後の不織布や織布の厚さにばらつきが生じ、その気孔率や気孔径が変わるため、電池電圧にばらつきがでる等の別の問題が発生した。
【００２７】
また、発明者等は、例えばＵＳＰ５３００３７０に示すように、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂを膨張黒鉛で製作し、厚さ精度のばらつきを吸収させることを試みたが、単位電池６の面内や電池スタック１０の積層方向における流路の深さに差異が生じ、反応ガスや冷媒の配流に大きな分布差が生じ、電池電圧にばらつきがでる等の問題が発生した。
【００２８】
また、発明者等は、例えば特開平８−１８５８７６に示すように、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂそのものを導電性ゴム材料からなるような構成を試みたが、電気的抵抗及び熱的抵抗が大きく、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂにおいて電流分布や温度分布の偏りが生じやすく、電池の特性を充分に引き出せなかった。
【００２９】
また、発明者等は、例えば特開平３−１３８８６５号公報に示すように、使用する燃料電池用ガスセパレータを構成する際、凹凸流路を形成するリブ部材と膨張黒鉛シートからなる不透過性シートとを接合させることを試みたが、接合時に炭素化するための工程が入り、非常に高価な燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂとなる等の問題があった。
【００３０】
また、炭素化しないまでも接合の工程が入る燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂは、同一材質からなる燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂに較べて高価となり、その結果、例えば燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂを、例えば２００枚積層した場合、各部材の厚み方向の寸法精度は吸収できるが、燃料電池そのものが非常に高価となる等の問題があった。
【００３１】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたもので、反応ガスや冷媒を供給する燃料電池用ガスセパレータに柔軟性に優れた材料を用いて柔軟部を形成し、寸法上、製作誤差があってもこの柔軟部により厚さや精度のばらつきを吸収して燃料電池用ガスセパレータを設計値どおりの適正寸法、位置に配置させ、電池性能をより一層向上させる燃料電池を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極を配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極にガス流路を設けた燃料電池用ガスセパレータと冷却水と酸化剤とをそれぞれ別々に供給する流路を設けた酸化剤・冷却水一体用セパレータとを互いに接触させ繰り返し積層して形成してなる燃料電池において、前記セパレータのうち、少なくとも１枚を硬質板状部と導電性柔軟部で構成したものである。
【００３４】
また、本発明に係る燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記セパレータは硬質板状部にガス流路を設けたものである。
【００３８】
また、本発明に係る燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記導電性柔軟部は、膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種の材料である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００４０】
図１は、例えば、固体高分子型燃料電池を例示とする本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示す概念図である。
【００４１】
本実施形態に係る燃料電池は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を基盤とし、白金等の触媒で被覆する固体高分子膜２０の両側のそれぞれに燃料極２１ａと酸化剤極２１ｂとからなるガス拡散電極２１で挟んで膜電極複合体２２を形成し、この膜電極複合体２２の外側に燃料電池用ガスセパレータ２３を配置する構成になっている。
【００４２】
また、本実施形態に係る燃料電池は、膜電極複合体２２と燃料電池用ガスセパレータ２３とを一つの組として単位電池２４を構成し、この単位電池２４にマニホールド２７を設けるととともに、シール材２５を介装させて繰り返し列状に、または層状に配置し、電池スタック２６を構成している。
【００４３】
一方、本実施形態に係る燃料電池では、用途、形状の異なる二種類の燃料電池用セパレータ２３が組み込まれている。
【００４４】
一つは、燃料ガス用セパレータ２３ａとして使用される。この燃料ガス用セパレータ２３ａは、一側端に燃料ガス流路２８を備えている。
【００４５】
また、本実施形態では、図１に示すように、燃料ガス用セパレータ２３ａのうち、一枚を導電性柔軟部２９にし、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作される。また、残りの燃料ガス用セパレータ２３ａは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作される。このとき、導電性柔軟部２９に構成する燃料ガス用セパレータ２３ａの燃料ガス流路２８は、硬質材を用いて製作した他の燃料ガス用セパレータ２３ａの燃料ガス流路２８よりも深いことが望ましい。
【００４６】
導電性柔軟部２９にて構成する燃料ガス用セパレータ２３ａは、単位電池２４として繰り返し、列状または層状に配置し電池スタック２６を構成する場合、少なくとも１枚以上組み込むようになっている。
【００４７】
他方、もう一つは、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとして使用される。この酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、一側端に凹凸状に成形加工した酸化剤ガス流路３０を備えるとともに、反対側の他側端に冷却水流路３１を備えている。なお、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作しているが、これに限定されることなく、例えば、そのうち少なくとも一枚について膨張黒鉛材等を用いて導電性柔軟部２９を形成するように構成してもよい。
【００４８】
このように、一方を導電性柔軟部２９で製作する燃料ガス用セパレータ２３ａと、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの二種類の燃料電池用ガスセパレータ２３に膜電極複合体２２およびシール材２５を介装させて単位電池２４を構成し、この単位電池２４を繰り返し列状に、あるいは層状に配置し、電池スタック２６を構成するとき、実機による燃料ガス用セパレータ２３ａと酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの面内厚さ精度は、予め定められた５箇所の測定位置の平均で、全て±５０μｍの範囲内に収まっていた。
【００４９】
このように、本実施形態は、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部２９に構成しているので、隣りに位置する、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂや膜電極複合体２２等に寸法上の製作誤差、あるいは組立誤差等があっても、面内厚さのばらつきを充分に吸収することができる。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部２９に構成し、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂの面内ばらつきを吸収するので、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの燃料電池面内での電気的、熱的接触性を良好にすることができ、燃料ガス用セパレータ２３ａから酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂに、またはその逆に、ガスのパス流れによる短絡を確実に防止することができ、電池電圧をより一層向上させて安定化を図ることができる。
【００５１】
図２および図３は、例えば固体高分子型燃料電池を例示とする本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示す概念図である。なお、図２は、図３に示す燃料電池用セパレータを組み込んだ本発明に係る燃料電池の概念図である。また、図３は本発明に係る燃料電池に適用する燃料電池用セパレータの概念図である。
【００５２】
また、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００５３】
本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態と同様に、用途、形状の異なる二種類の燃料電池用セパレータ２３を使用している。一つは、燃料ガス用セパレータ２３ａであり、もう一つは酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂである。
【００５４】
燃料ガス用セパレータ２３ａは、図３に示すように、一側端を凹凸状の燃料ガス流路３３に成形加工した板状部３４と導電性柔軟部２９とを組み合せた構成になっている。
【００５５】
燃料ガス流路３３を備える板状部３４は、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材で製作されている。また、導電性柔軟部２９は、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作されている。
【００５６】
なお、本実施形態では、燃料ガス用セパレータ２３ａの全てに導電性柔軟部２９を備える構造としたが、これに限らず、少なくとも１枚の燃料ガス用セパレータ２３ａに関して導電性柔軟部２９を備える構造にしてもよい。
【００５７】
他方、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、図２に示すように、一側端に凹凸状に成形加工した酸化剤ガス流路３０を備えるとともに、反対側の他側端に冷却水路３１を備えている。なお、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作しているが、これに限定されることなく、例えば膨張黒鉛材等を用いて導電性柔軟部３２にして構成してもよい。
【００５８】
このように、導電性柔軟部２９と硬質材で製作する板状部３４とを組み合せて構成する燃料ガス用セパレータ２３ａの少なくとも１枚以上と、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの二種類の燃料電池用ガスセパレータ２３に膜電極複合体２２およびシール材２５を介装させて単位電池２４を構成し、この単位電池２４を繰り返し列状に、あるいは層状に配置し、電池スタック２６を構成するとき、実機による燃料ガス用セパレータ２３ａと酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの面内厚さ精度は、予め定められた５箇所の測定位置の平均で、全て±５０μｍの範囲内に収まっていた。
【００５９】
このように、本実施形態は、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部と硬質材で製作する板状部３４とを組み合せて構成しているので、隣りに位置する、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂや膜電極複合体２２等に寸法上の製作誤差、あるいは組立誤差等があっても、面内厚さのばらつきを充分に吸収することができる。
【００６０】
したがって、本実施形態によれば、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部２９と硬質材で製作する板状部３４とを組み合せて構成し、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂの面内ばらつきを吸収するので、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの燃料電池面内での電気的、熱的接触性を良好にすることができ、燃料ガス用セパレータ２３ａから酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂに、またはその逆に、ガスのパス流れによる短絡を確実に防止することができ、電池電圧をより一層向上させて安定化を図ることができる。
【００６１】
図４および図５は、例えば固体高分子型燃料電池を例示とする本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示す概念図である。なお、図４は、図５に示す燃料電池用セパレータを組み込んだ本発明に係る燃料電池の概念図である。また、図５は本発明に係る燃料電池に適用する燃料電池用セパレータの概念図である。
【００６２】
また、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００６３】
本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態と同様に、用途、形状の異なる二種類の燃料電池用セパレータ２３を使用している。一つは、燃料ガス用セパレータ２３ａであり、もう一つは酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂである。
【００６４】
本実施形態では、燃料ガス用セパレータ２３ａは図５に示すように、このうち１枚の燃料ガス流路２８を形成するための板を貫流した網状流路３３を備える板状部３４と導電性柔軟部２９と一体として組み合せた構成になっている。
【００６５】
また、残りの燃料ガス用セパレータ２３ａは、例えばカーボン樹脂複数材等の硬質材を用いて製作される。網状流路３３を備える板状部３４と導電性柔軟部２９とを一体として組み合せた構成の燃料ガス用セパレータ２３ａは、単位電池２４として繰り返し、列状または層状に配置し電池スタック２６を構成する場合、少なくとも１枚以上組み込むようになっている。
【００６６】
燃料ガス流路２８として用いる網状流路３３を備える板状部３４は、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材で製作されている。また、導電性柔軟部２９は、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作されている。
【００６７】
他方、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、図４に示すように、一側端に凹凸状に成形加工した酸化剤ガス流路３０を備えるとともに、反対側の他側端に冷却水路３１を備えている。なお、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作しているが、これに限定されることなく、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作してもよい。この場合、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、冷却水流路３１を形成するための板を貫通した網状流路３５を備える板状部３６と導電性柔軟部３２とを一体として組み合せた構成にしてもよい。
【００６８】
冷却水流路３１として用いる網状流路３５を備える板状部３６は、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材で製作されている。また、導電性柔軟部３２は、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作されている。
【００６９】
このように、導電性柔軟部２９（３２）と例えば硬質材で製作する板状部３４（３６）とを組み合せて構成する燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方の、少なくとも１枚以上と、例えば硬質材で製作する残りの燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方との二種類の燃料電池用ガスセパレータ２３に膜電極複合体２２およびシール材２５を介装させて単位電池２４を構成し、この単位電池２４を繰り返し列状に、あるいは層状に配置し、電池スタック２６を構成するとき、実機による燃料ガス用セパレータ２３ａと酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの面内厚さ精度は、予め定められた５箇所の測定位置の平均で、全て±５０μｍの範囲内に収まっていた。
【００７０】
このように、本実施形態は、燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方を導電性柔軟部２９，３２と、例えば硬質材で製作する板状部３４，３６とを組み合せて構成しているので、隣りに位置する例えば硬質材で製作する残りの燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方や膜電極複合体２２の面内ばらつきを吸収するので、燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂのうち、いずれか一方や膜電極複合体２２との燃料電池面内での電気的、熱的接触性を良好にすることができ、燃料ガス用セパレータ２３ａから酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂに、またはその逆に、ガスのパス流れによる短絡を確実に防止することができ、電池電圧をより一層向上させて安定化を図ることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池には、セパレータに導電性柔軟部を備え、導電性柔軟部を備えるセパレータと膜電極複合体とからなる単位電池を列状に、または層状に配置して電池スタックを構成する際、各部品に製作上の誤差等があっても導電性柔軟部で吸収させ、セパレータに成形加工する凹凸状または網状の流路の深さや、セパレータの厚みを設計値どおりの寸法に維持させているので、膜電極複合体およびセパレータとの電池面内での電気的、熱的接触性を良好にして電池電圧をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示す概念図。
【図２】本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示す概念図。
【図３】本発明に係る燃料電池の第２実施形態に適用する燃料電池用ガスセパレータの概念図。
【図４】本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示す概念図。
【図５】本発明に係る燃料電池の第３実施形態に適用する燃料電池用ガスセパレータの概念図。
【図６】従来の燃料電池の概念図。
【図７】従来の燃料電池における膜電極複合体の平面図。
【図８】従来の燃料電池における単電池を示す概念図。
【図９】従来の燃料電池における単電池を層状に積み重ねて構成する電池スタックを示す概念図。
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の概略組立図。
【符号の説明】
１ 固体高分子膜
２ ガス拡散電極
２ａ 燃料極
２ｂ 酸化剤極
３ 膜電極複合体
４ａ，４ｂ 燃料電池用ガスセパレータ
５ パッキン
６ 単位電池
７ マニホールド
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 電池スタック
１１ａ，１１ｂ 締付板
１２ 締付ロッド
１３ スプリング
１４ ナット
１５ 電流取出し板
１６ 絶縁シート
２０ 固体高分子膜
２１ ガス拡散電極
２１ａ 燃料極
２１ｂ 酸化剤極
２２ 膜電極複合体
２３ 燃料電池用ガスセパレータ
２３ａ 燃料ガス用セパレータ
２３ｂ 酸化剤・冷却水一体用セパレータ
２４ 単位電池
２５ シール材
２６ 電池スタック
２７ マニホールド
２８ 燃料ガス流路
２９，３２ 導電性柔軟部
３０ 酸化剤ガス流路
３１ 冷却水流路
３３，３５ 網状流路
３４，３６ 板状部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係り、特にガス拡散電極に反応ガスを供給するガス流路を備える燃料電池用セパレータに改良を加えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のエネルギ分野では、高効率のエネルギ変換装置として、燃料電池が注目されている。
【０００３】
また、燃料電池の中でも、例えば電解質としてプロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池がコンパクトな構造で、高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なので、定置用分散電源だけでなく家庭用や車両用などの電源としても注目され、現在、世界各国のメーカで開発が進められている。
【０００４】
このように注目度の高い固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、パーフルオロカーボンスルホン酸を基盤とする固体高分子膜１に白金等の触媒を被覆させるとともに、固体高分子膜１の両側を燃料極２ａと酸化剤極２ｂとからなるガス拡散電極２で挟み、膜電極複合体３を構成している。
【０００５】
この膜電極複合体３は、図７に示すように、燃料極２ａ、酸化剤極２ｂおよび固体高分子膜１のそれぞれをシート状または薄板状に配置し、そのシート状または薄板状の形状を長方形または正方形に形成するとともに、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれに供給される反応ガスの漏洩または混流を防ぐこともあって固体高分子膜１の面積を、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂの面積よりも大きくしている。
【０００６】
一方、膜電極複合体３から電流を取り出すには、燃料極２ａに燃料ガス（水素を主成分とするガス）を、酸化剤極２ｂに酸化剤ガス（空気）をそれぞれ供給して反応を促進させなければならない。この場合、燃料ガスは、都市ガス等の炭化水素系燃料を改質して使用しており、その反応が燃料極２ａで次のように行われる。
【０００７】
【化１】
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−
このような反応式を得るプロセスを、今少し詳しく説明する。
【０００８】
ガス拡散電極２内を拡散してきた燃料ガス中に含まれる水素（Ｈ２）は、燃料極２ａ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２ａ側から酸化剤極２ｂ側に移るが、電子（ｅ−）は燃料極２ａ側から酸化剤極２ｂ側に移ることができないので、図６に示すように、外部回路を通って酸化剤極２ｂに移る。
【０００９】
また、水素（Ｈ２）以外の他の成分には、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が生成される。しかし、これらの成分が、電池化学反応に寄与しないにも拘らず、二酸化炭素（ＣＯ２）は水素（Ｈ２）の拡散に悪影響を与え、一酸化炭素（ＣＯ）は、固体高分子膜１の燃料極２ａ側の触媒に吸着し、電気化学反応に悪影響を与えることがある。
【００１０】
他方、酸化剤極２ｂでは、上述の電子（ｅ−）が加わって次のような反応が行われる。
【００１１】
【化２】
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
すなわち、燃料極２ａから固体高分子膜１を経てきたプロトン（Ｈ＋）と、外部回路を経て送られてくる電子（ｅ−）と、酸化剤ガス（空気）内の酸素（ＣＯ）とが反応して生成水（Ｈ２Ｏ）ができるが、大部分は未反応ガス中に蒸発し、そのまま外部に排出される。
【００１２】
その際、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれには、水分が溜り易く、水分をそのまま放置しておくと、燃料ガスや酸化剤ガスの拡散流れに悪影響を与える。
【００１３】
また、同時に、例えば燃料極２ａの燃料ガスが酸化剤極２ｂの酸化剤ガスに漏洩混流すると、電池化学反応が著しく悪くなり、電池性能が低下する。
【００１４】
このように、各ガスの拡散流れを良好にするとともに、各ガスの漏洩混流を防止する手段として、従来から燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれには、燃料電池用ガスセパレータが設けられている。図６には、一点鎖線で燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂが示されている。
【００１５】
燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂは、反応ガスが透過しにくく、かつ導電性の高い、例えば金属やカーボン等の硬質材が用いられている。燃料極２ａ側の燃料電池用ガスセパレータ４ａと、酸化剤極２ｂ側の燃料電池用ガスセパレータ４ｂとは、通常、１枚の平板の表裏を同時に使用する凹凸状の溝（流路）を持つ構造になっているか、あるいは、特開平６−２６０１７７に示すように、熱硬化性樹脂等により接合されている。また、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂ間には、図８に示すように、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれのシール性を考慮してパッキン５が設けられている。このパッキン５に各極２ａ，２ｂ、各燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂ、膜電極複合体３を列状または積層状に配置して一つの単位電池６が構成されている。
【００１６】
また、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂには、反応ガスを単位電池６毎に供給する、いわゆる通流孔と称するマニホールド７、燃料ガス流路８、および酸化剤ガス流路９が設けられ、燃料極２ａおよび酸化剤極２ｂのそれぞれに電池反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれが供給されるようになっている。
【００１７】
ところで、一つの膜電極複合体３が生じる起電力は、１Ｖ以下と小さい。このため、固体高分子型燃料電池は、図９に示すように、複数の単位電池６を列状または層状に接続して電池スタック１０を構成し、起電力を高くしている。電池スタック１０には、通常、一つまたはそれ以上の単位電池６毎に電池を冷却する冷却板（図示せず）を備えている。
【００１８】
また、電池スタック１０は、必要数の単位電池６を列状または層状に配置した後、図１０に示すように、締付板１１ａ，１１ｂ、締付ロッド１２、スプリング１３、ナット１４等の締付機構を用いて固設される。これは、各単位電池６間の電気的かつ熱的接触およびシール性を確保するためである。更に、電池スタック１０には、電流取出し板１５や絶縁シート１６が設けられている。
【００１９】
一方、固体高分子型燃料電池が発電を行うには、反応ガスを各極２ａ，２ｂのそれぞれに供給するだけではなく、固体高分子膜１に水分を充分に与える必要がある。固体高分子膜１は水分を吸収することにより、プロトン（Ｈ＋）の伝導性が著しく向上することに基づく。
【００２０】
また、電池スタック１０は、例えば、層状に積層される単位電池毎に対し、積層方向の反応ガスの流量配分、流速、温度、湿度等が均等に分布することが求められている。
【００２１】
反応ガスの流量や流速を電池スタック１０内の各単位電池６に均等に配流するには、各部品の寸法精度が非常に重要である。特に、燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂに形成する各ガス流路８，９の精度や燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂ自身、あるいは膜電極複合体３の平面内厚さ精度は、各単位電池６あたりの特性のばらつきを抑制する上で、きわめて重要である。
【００２２】
このように、従来の固体高分子型燃料電池では、各単位電池６あたりの特性のばらつきを抑制するため、各部品の寸法精度を充分にチェックする一方、電池スタック１０の組立てに際し、充分に注意を払いながら組立て施工を行っていた。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この種の分野に適用される燃料電池は、固体高分子膜の両側のそれぞれに、燃料極２ａ、酸化剤極２ｂで構成するガス拡散電極２を配置し、全体を極としてまとめた膜電極複合体３に、燃料ガス、酸化剤ガスのそれぞれを供給するガス流路と、電池内に冷媒を供給する冷媒流路とを備える燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂを配置する際、膜電極複合体３と燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂとを互いに接触させて組立て、ガスの漏洩・混流を防止し、電池性能を高く維持させている。
【００２４】
しかし、各部品に充分に注意しながら組立て施工を行っても、部品の寸法精度に製作上の誤差があったり、偏り等があると、膜電極複合体３と燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂとは、その接触性に強弱の分布が生じ、反応ガスの一部が一方の流路から隣の流路に短絡して流れ、ガス反応中に発生する電流密度に偏りや流路内の、いわゆるフラッティングによる反応ガスの流れが悪くなる等の問題があった。
【００２５】
特に、このような不具合、不都合が発生する要因は、膜電極複合体３や燃料電池用セパレータ４ａ，４ｂが、柔軟性に乏しく、比較的硬質の材料に起因すると考えられている。
【００２６】
このような知見から、発明者等は、ガス拡散電極２を、例えば特開平９−１３４７３２や特開平１０−２６１４２１に示すように、不織布や織布のような柔らかい材料を選定し、各部品の厚み方向の寸法精度を吸収できるように行ってみたが、締付け後の不織布や織布の厚さにばらつきが生じ、その気孔率や気孔径が変わるため、電池電圧にばらつきがでる等の別の問題が発生した。
【００２７】
また、発明者等は、例えばＵＳＰ５３００３７０に示すように、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂを膨張黒鉛で製作し、厚さ精度のばらつきを吸収させることを試みたが、単位電池６の面内や電池スタック１０の積層方向における流路の深さに差異が生じ、反応ガスや冷媒の配流に大きな分布差が生じ、電池電圧にばらつきがでる等の問題が発生した。
【００２８】
また、発明者等は、例えば特開平８−１８５８７６に示すように、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂそのものを導電性ゴム材料からなるような構成を試みたが、電気的抵抗及び熱的抵抗が大きく、燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂにおいて電流分布や温度分布の偏りが生じやすく、電池の特性を充分に引き出せなかった。
【００２９】
また、発明者等は、例えば特開平３−１３８８６５号公報に示すように、使用する燃料電池用ガスセパレータを構成する際、凹凸流路を形成するリブ部材と膨張黒鉛シートからなる不透過性シートとを接合させることを試みたが、接合時に炭素化するための工程が入り、非常に高価な燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂとなる等の問題があった。
【００３０】
また、炭素化しないまでも接合の工程が入る燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂは、同一材質からなる燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂに較べて高価となり、その結果、例えば燃料電池用ガスセパレータ４ａ，４ｂを、例えば２００枚積層した場合、各部材の厚み方向の寸法精度は吸収できるが、燃料電池そのものが非常に高価となる等の問題があった。
【００３１】
本発明は、上述の知見に基づいてなされたもので、反応ガスや冷媒を供給する燃料電池用ガスセパレータに柔軟性に優れた材料を用いて柔軟部を形成し、寸法上、製作誤差があってもこの柔軟部により厚さや精度のばらつきを吸収して燃料電池用ガスセパレータを設計値どおりの適正寸法、位置に配置させ、電池性能をより一層向上させる燃料電池を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極を配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極にガス流路を設けた燃料電池用ガスセパレータと冷却水と酸化剤とをそれぞれ別々に供給する流路を設けた酸化剤・冷却水一体用セパレータとを互いに接触させ繰り返し積層して形成してなる燃料電池において、前記セパレータのうち、少なくとも１枚を硬質板状部と導電性柔軟部で構成したものである。
【００３４】
また、本発明に係る燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記セパレータは硬質板状部にガス流路を設けたものである。
【００３８】
また、本発明に係る燃料電池は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記導電性柔軟部は、膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種の材料である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００４０】
図１は、例えば、固体高分子型燃料電池を例示とする本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示す概念図である。
【００４１】
本実施形態に係る燃料電池は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を基盤とし、白金等の触媒で被覆する固体高分子膜２０の両側のそれぞれに燃料極２１ａと酸化剤極２１ｂとからなるガス拡散電極２１で挟んで膜電極複合体２２を形成し、この膜電極複合体２２の外側に燃料電池用ガスセパレータ２３を配置する構成になっている。
【００４２】
また、本実施形態に係る燃料電池は、膜電極複合体２２と燃料電池用ガスセパレータ２３とを一つの組として単位電池２４を構成し、この単位電池２４にマニホールド２７を設けるととともに、シール材２５を介装させて繰り返し列状に、または層状に配置し、電池スタック２６を構成している。
【００４３】
一方、本実施形態に係る燃料電池では、用途、形状の異なる二種類の燃料電池用セパレータ２３が組み込まれている。
【００４４】
一つは、燃料ガス用セパレータ２３ａとして使用される。この燃料ガス用セパレータ２３ａは、一側端に燃料ガス流路２８を備えている。
【００４５】
また、本実施形態では、図１に示すように、燃料ガス用セパレータ２３ａのうち、一枚を導電性柔軟部２９にし、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作される。また、残りの燃料ガス用セパレータ２３ａは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作される。このとき、導電性柔軟部２９に構成する燃料ガス用セパレータ２３ａの燃料ガス流路２８は、硬質材を用いて製作した他の燃料ガス用セパレータ２３ａの燃料ガス流路２８よりも深いことが望ましい。
【００４６】
導電性柔軟部２９にて構成する燃料ガス用セパレータ２３ａは、単位電池２４として繰り返し、列状または層状に配置し電池スタック２６を構成する場合、少なくとも１枚以上組み込むようになっている。
【００４７】
他方、もう一つは、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとして使用される。この酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、一側端に凹凸状に成形加工した酸化剤ガス流路３０を備えるとともに、反対側の他側端に冷却水流路３１を備えている。なお、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作しているが、これに限定されることなく、例えば、そのうち少なくとも一枚について膨張黒鉛材等を用いて導電性柔軟部２９を形成するように構成してもよい。
【００４８】
このように、一方を導電性柔軟部２９で製作する燃料ガス用セパレータ２３ａと、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの二種類の燃料電池用ガスセパレータ２３に膜電極複合体２２およびシール材２５を介装させて単位電池２４を構成し、この単位電池２４を繰り返し列状に、あるいは層状に配置し、電池スタック２６を構成するとき、実機による燃料ガス用セパレータ２３ａと酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの面内厚さ精度は、予め定められた５箇所の測定位置の平均で、全て±５０μｍの範囲内に収まっていた。
【００４９】
このように、本実施形態は、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部２９に構成しているので、隣りに位置する、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂや膜電極複合体２２等に寸法上の製作誤差、あるいは組立誤差等があっても、面内厚さのばらつきを充分に吸収することができる。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部２９に構成し、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂの面内ばらつきを吸収するので、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの燃料電池面内での電気的、熱的接触性を良好にすることができ、燃料ガス用セパレータ２３ａから酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂに、またはその逆に、ガスのパス流れによる短絡を確実に防止することができ、電池電圧をより一層向上させて安定化を図ることができる。
【００５１】
図２および図３は、例えば固体高分子型燃料電池を例示とする本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示す概念図である。なお、図２は、図３に示す燃料電池用セパレータを組み込んだ本発明に係る燃料電池の概念図である。また、図３は本発明に係る燃料電池に適用する燃料電池用セパレータの概念図である。
【００５２】
また、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００５３】
本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態と同様に、用途、形状の異なる二種類の燃料電池用セパレータ２３を使用している。一つは、燃料ガス用セパレータ２３ａであり、もう一つは酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂである。
【００５４】
燃料ガス用セパレータ２３ａは、図３に示すように、一側端を凹凸状の燃料ガス流路３３に成形加工した板状部３４と導電性柔軟部２９とを組み合せた構成になっている。
【００５５】
燃料ガス流路３３を備える板状部３４は、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材で製作されている。また、導電性柔軟部２９は、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作されている。
【００５６】
なお、本実施形態では、燃料ガス用セパレータ２３ａの全てに導電性柔軟部２９を備える構造としたが、これに限らず、少なくとも１枚の燃料ガス用セパレータ２３ａに関して導電性柔軟部２９を備える構造にしてもよい。
【００５７】
他方、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、図２に示すように、一側端に凹凸状に成形加工した酸化剤ガス流路３０を備えるとともに、反対側の他側端に冷却水路３１を備えている。なお、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作しているが、これに限定されることなく、例えば膨張黒鉛材等を用いて導電性柔軟部３２にして構成してもよい。
【００５８】
このように、導電性柔軟部２９と硬質材で製作する板状部３４とを組み合せて構成する燃料ガス用セパレータ２３ａの少なくとも１枚以上と、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの二種類の燃料電池用ガスセパレータ２３に膜電極複合体２２およびシール材２５を介装させて単位電池２４を構成し、この単位電池２４を繰り返し列状に、あるいは層状に配置し、電池スタック２６を構成するとき、実機による燃料ガス用セパレータ２３ａと酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの面内厚さ精度は、予め定められた５箇所の測定位置の平均で、全て±５０μｍの範囲内に収まっていた。
【００５９】
このように、本実施形態は、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部と硬質材で製作する板状部３４とを組み合せて構成しているので、隣りに位置する、例えば硬質材で製作する酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂや膜電極複合体２２等に寸法上の製作誤差、あるいは組立誤差等があっても、面内厚さのばらつきを充分に吸収することができる。
【００６０】
したがって、本実施形態によれば、燃料ガス用セパレータ２３ａを導電性柔軟部２９と硬質材で製作する板状部３４とを組み合せて構成し、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂの面内ばらつきを吸収するので、膜電極複合体２２および酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの燃料電池面内での電気的、熱的接触性を良好にすることができ、燃料ガス用セパレータ２３ａから酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂに、またはその逆に、ガスのパス流れによる短絡を確実に防止することができ、電池電圧をより一層向上させて安定化を図ることができる。
【００６１】
図４および図５は、例えば固体高分子型燃料電池を例示とする本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示す概念図である。なお、図４は、図５に示す燃料電池用セパレータを組み込んだ本発明に係る燃料電池の概念図である。また、図５は本発明に係る燃料電池に適用する燃料電池用セパレータの概念図である。
【００６２】
また、第１実施形態の構成部分と同一構成部分には同一符号を付す。
【００６３】
本実施形態に係る燃料電池は、第１実施形態と同様に、用途、形状の異なる二種類の燃料電池用セパレータ２３を使用している。一つは、燃料ガス用セパレータ２３ａであり、もう一つは酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂである。
【００６４】
本実施形態では、燃料ガス用セパレータ２３ａは図５に示すように、このうち１枚の燃料ガス流路２８を形成するための板を貫流した網状流路３３を備える板状部３４と導電性柔軟部２９と一体として組み合せた構成になっている。
【００６５】
また、残りの燃料ガス用セパレータ２３ａは、例えばカーボン樹脂複数材等の硬質材を用いて製作される。網状流路３３を備える板状部３４と導電性柔軟部２９とを一体として組み合せた構成の燃料ガス用セパレータ２３ａは、単位電池２４として繰り返し、列状または層状に配置し電池スタック２６を構成する場合、少なくとも１枚以上組み込むようになっている。
【００６６】
燃料ガス流路２８として用いる網状流路３３を備える板状部３４は、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材で製作されている。また、導電性柔軟部２９は、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作されている。
【００６７】
他方、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、図４に示すように、一側端に凹凸状に成形加工した酸化剤ガス流路３０を備えるとともに、反対側の他側端に冷却水路３１を備えている。なお、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材を用いて製作しているが、これに限定されることなく、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作してもよい。この場合、酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂは、冷却水流路３１を形成するための板を貫通した網状流路３５を備える板状部３６と導電性柔軟部３２とを一体として組み合せた構成にしてもよい。
【００６８】
冷却水流路３１として用いる網状流路３５を備える板状部３６は、例えばカーボン樹脂複合材等の硬質材で製作されている。また、導電性柔軟部３２は、例えば膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種以上を用いて製作されている。
【００６９】
このように、導電性柔軟部２９（３２）と例えば硬質材で製作する板状部３４（３６）とを組み合せて構成する燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方の、少なくとも１枚以上と、例えば硬質材で製作する残りの燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方との二種類の燃料電池用ガスセパレータ２３に膜電極複合体２２およびシール材２５を介装させて単位電池２４を構成し、この単位電池２４を繰り返し列状に、あるいは層状に配置し、電池スタック２６を構成するとき、実機による燃料ガス用セパレータ２３ａと酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとの面内厚さ精度は、予め定められた５箇所の測定位置の平均で、全て±５０μｍの範囲内に収まっていた。
【００７０】
このように、本実施形態は、燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方を導電性柔軟部２９，３２と、例えば硬質材で製作する板状部３４，３６とを組み合せて構成しているので、隣りに位置する例えば硬質材で製作する残りの燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂとのうち、いずれか一方や膜電極複合体２２の面内ばらつきを吸収するので、燃料ガス用セパレータ２３ａおよび酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂのうち、いずれか一方や膜電極複合体２２との燃料電池面内での電気的、熱的接触性を良好にすることができ、燃料ガス用セパレータ２３ａから酸化剤・冷却水一体用セパレータ２３ｂに、またはその逆に、ガスのパス流れによる短絡を確実に防止することができ、電池電圧をより一層向上させて安定化を図ることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る燃料電池には、セパレータに導電性柔軟部を備え、導電性柔軟部を備えるセパレータと膜電極複合体とからなる単位電池を列状に、または層状に配置して電池スタックを構成する際、各部品に製作上の誤差等があっても導電性柔軟部で吸収させ、セパレータに成形加工する凹凸状または網状の流路の深さや、セパレータの厚みを設計値どおりの寸法に維持させているので、膜電極複合体およびセパレータとの電池面内での電気的、熱的接触性を良好にして電池電圧をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示す概念図。
【図２】本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示す概念図。
【図３】本発明に係る燃料電池の第２実施形態に適用する燃料電池用ガスセパレータの概念図。
【図４】本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示す概念図。
【図５】本発明に係る燃料電池の第３実施形態に適用する燃料電池用ガスセパレータの概念図。
【図６】従来の燃料電池の概念図。
【図７】従来の燃料電池における膜電極複合体の平面図。
【図８】従来の燃料電池における単電池を示す概念図。
【図９】従来の燃料電池における単電池を層状に積み重ねて構成する電池スタックを示す概念図。
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の概略組立図。
【符号の説明】
１ 固体高分子膜
２ ガス拡散電極
２ａ 燃料極
２ｂ 酸化剤極
３ 膜電極複合体
４ａ，４ｂ 燃料電池用ガスセパレータ
５ パッキン
６ 単位電池
７ マニホールド
８ 燃料ガス流路
９ 酸化剤ガス流路
１０ 電池スタック
１１ａ，１１ｂ 締付板
１２ 締付ロッド
１３ スプリング
１４ ナット
１５ 電流取出し板
１６ 絶縁シート
２０ 固体高分子膜
２１ ガス拡散電極
２１ａ 燃料極
２１ｂ 酸化剤極
２２ 膜電極複合体
２３ 燃料電池用ガスセパレータ
２３ａ 燃料ガス用セパレータ
２３ｂ 酸化剤・冷却水一体用セパレータ
２４ 単位電池
２５ シール材
２６ 電池スタック
２７ マニホールド
２８ 燃料ガス流路
２９，３２ 導電性柔軟部
３０ 酸化剤ガス流路
３１ 冷却水流路
３３，３５ 網状流路
３４，３６ 板状部
Claims (3)
- 電解質膜の両面にそれぞれガス拡散電極を配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極にガス流路を設けた燃料電池用ガスセパレータと冷却水と酸化剤とをそれぞれ別々に供給する流路を設けた酸化剤・冷却水一体用セパレータとを互いに接触させ繰り返し積層して形成してなる燃料電池において、
前記セパレータのうち、少なくとも１枚を硬質板状部と導電性柔軟部で構成したことを特徴とする燃料電池。 - 前記セパレータは硬質板状部にガス流路を設けたこと特徴とする請求項１記載の燃料電池。
- 前記導電性柔軟部は、膨張黒鉛材、炭素繊維材および導電性ゴムのうち、少なくとも１種の材料であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
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