JP4344500B2 - 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、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備え、前記セパレータには、少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガスである反応ガスを前記電解質・電極接合体の電極面内に供給する反応ガス流路が形成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路（以下、単に反応ガス流路ともいう）並びに冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口から流路出口に向かって前記セパレータの面内に設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し溝で構成されている。
【０００６】
ところが、複数本の流路溝に対して開口の小さな流路入口や流路出口が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体等の流体をセパレータ面内に均一に流すために、前記流路入口や前記流路出口の周囲にバッファ部が必要になっている。さらに、複数本の平行な流路溝では、特定の流路溝に生成水が滞留し易くなり、この生成水の排出効率が低下するおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特開平８−２２２２３７号公報に開示されている燃料電池用セパレータが知られている。この従来技術では、図１６に示すように、セパレータ板１を備え、このセパレータ板１は、エンボス加工乃至ディンプル加工が容易な金属材料で構成されており、その表裏両面には、数ｍｍ間隔で多数の突起２、３がエンボス加工乃至ディンプル加工により形成されている。
【０００８】
セパレータ板１の両側縁部には、例えば、燃料ガス入口４ａおよび燃料ガス出口４ｂが設けられるとともに、前記セパレータ板１の上下両端縁部には、例えば、酸化剤ガス入口５ａおよび酸化剤ガス出口５ｂが設けられている。
【０００９】
突起２は、セパレータ板１の一方の面１ａ側に突出しており、前記突起２間には、燃料ガス入口４ａと燃料ガス出口４ｂとに連通する燃料ガス流路６が形成されている。突起３は、セパレータ板１の他方の面１ｂ側に突出しており、前記突起３間には、酸化剤ガス入口５ａと酸化剤ガス出口５ｂとに連通する酸化剤ガス流路７が形成されている。
【００１０】
このような構成において、例えば、燃料ガス入口４ａに供給された燃料ガスは、セパレータ板１の一方の面１ａに供給されると、突起２間に連続して形成されている燃料ガス流路６を通って図示しない電極に供給されるとともに、未使用の燃料ガスが燃料ガス出口４ｂに排出される。
【００１１】
一方、酸化剤ガス入口５ａに供給された酸化剤ガスは、セパレータ板１の他方の面１ｂに突起３間に連続して形成されている酸化剤ガス流路７を介し、図示しない電極に供給されるとともに、未使用の酸化剤ガスが酸化剤ガス出口５ｂに排出される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、セパレータ板１では、突起２、３がそれぞれ異なる両側に突出して形成されるとともに、それぞれ独立した前記突起２、３により燃料ガス流路６および酸化剤ガス流路７が形成されている。このため、面１ａ、１ｂ内で燃料ガスおよび酸化剤ガスが均一に流れず、燃料ガス流路６および酸化剤ガス流路７内に燃料ガスや酸化剤ガスが十分に供給されない領域が発生し易い。これにより、電極面内に燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一に供給することが困難になるとともに、生成水が突起３等に捕捉されて滞留し易く、該生成水が排出され難いという問題が指摘されている。
【００１３】
一方、セパレータ板１には、冷却媒体流路が同様に突起部間を連通して形成される場合がある。その際、冷却媒体が流れ難い部分が発生すると、発電時の電極の冷却が不十分となり、温度が高くなって湿度の低下による抵抗過電圧が増加するという問題がある。
【００１４】
さらに、発電面内の発電分布にばらつきが発生したり、電解質膜の温度上昇による耐久性の低下が惹起されたりする。この種の性能低下を阻止するために多量の冷却媒体を流そうとすると、システム全体の効率が低下するとともに、圧損が増加するという不具合が惹起されてしまう。
【００１５】
そこで、例えば、特開２０００−１８２６３１号公報に開示されている燃料電池用のセパレータが知られている。この従来技術では、ガス不透過の緻密性カーボンにより形成されるセパレータを備え、前記セパレータの両面に複数の凸部を形成することによって、反応ガス流路が形成されている。そして、反応ガス流路における屈曲部には、等間隔の複数の溝を形成するコの字状の屈曲部リブが形成されており、反応ガスが前記屈曲部に沿って良好に流れるように構成されている。
【００１６】
しかしながら、上記の従来技術では、セパレータが緻密性カーボンにより形成されており、靱性が低く耐振破損性に劣るとともに、前記セパレータの板厚が相当に大きなものとなってしまう。これにより、燃料電池全体の小型および軽量化が達成されないという問題が指摘されている。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの面内に沿って反応ガス等の流体を円滑かつ均一に供給することができ、小型かつ簡単な構成で、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、薄板状の一対の金属板製セパレータを備えており、少なくとも一方のセパレータに設けられる反応ガス流路は、電極に対向する面側に前記反応ガス流路全体にわたって突出する複数のエンボス部と、電極面内に位置し且つ反応ガスが流れ難い部分に対応し２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されるリブ状ガイド部とを備えている。
【００１９】
このため、反応ガス流路には、複数のエンボス部とリブ状ガイド部との案内作用下に、反応ガスを良好に供給することができ、電極面内に反応ガスを均一に案内することが可能になる。これにより、反応ガスを電極面に十分に供給するとともに、前記反応ガスの流れ不良による生成水の排出性の低下を有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、少なくとも一方のセパレータに、電解質・電極接合体冷却用の冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が設けられるとともに、前記冷却媒体流路は、複数のエンボス部と、２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されるリブ状ガイド部とを備えている。従って、電極面方向に沿って冷却媒体を均一に案内することができ、燃料電池を良好に冷却して発電性能を向上させることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池（単位セル）１０を組み込む燃料電池スタック１２の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されている。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１および第２セパレータ１６、１８は、金属製薄板により構成されている。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口２０ｂ、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口２２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口２４ｂが設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口２４ａ、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口２２ｂ、および冷却媒体を供給するための冷却媒体入口２０ａが設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２６】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層３４ａ、３４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２７】
図１に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、燃料ガス流路３６が設けられるとともに、この燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口２４ａと燃料ガス出口２４ｂとに連通する。
【００２８】
第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、酸化剤ガス入口２２ａと酸化剤ガス出口２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路３８が形成される。第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口２０ａと冷却媒体出口２０ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００２９】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１６には、少なくとも面１６ａ側に突出する複数の突起部、例えば、エンボス部４１が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１４内に燃料ガスを均一に案内するために、２以上の前記エンボス部４１同士を連結してそれぞれ一対のリブ状ガイド部４２ａ、４２ｂおよび４２ｃが形成される。エンボス部４１とリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃとにより燃料ガス流路３６が構成される。
【００３０】
リブ状ガイド部４２ａは、面１６ａ内で発電面の外周縁部にかつ燃料ガスが流れ難い部分に対応し略Ｌ字状に屈曲して上下に設けられる。リブ状ガイド部４２ｂは、リブ状ガイド部４２ａの内方に位置して、同様に略Ｌ字状に屈曲して設けられるとともに、リブ状ガイド部４２ｃは、前記リブ状ガイド部４２ｂの内方に位置し、Ｌ字状に屈曲して設けられている。リブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃは、外側から内側に向かってそれぞれの長さが短尺に設定されている。
【００３１】
図４および図５に示すように、第２セパレータ１８には、面１８ａ、１８ｂに交互に突出して複数のエンボス部４４ａ、４４ｂが設けられている。第２セパレータ１８の面１８ａには、図４に示すように、２以上のエンボス部４４ａ同士を連結してそれぞれ一対のリブ状ガイド部４６ａ、４６ｂ、４６ｃおよび４６ｄが形成される。複数のエンボス部４４ａとリブ状ガイド部４６ａ〜４６ｄとにより、酸化剤ガス流路３８が構成される。
【００３２】
リブ状ガイド部４６ａは、酸化剤ガス入口２２ａおよび酸化剤ガス出口２２ｂに向かって水平方向に突出するとともに、それぞれ鉛直方向に延在した後、発電面の外周端縁側で水平方向に沿って一体的に延在している。
【００３３】
リブ状ガイド部４６ｂは、リブ状ガイド部４６ａ内に位置し、かつ前記リブ状ガイド部４６ａと略相似形状に設定されている。直線状のリブ状ガイド部４６ｃ、４６ｄは、それぞれリブ状ガイド部４６ｂの両端部の水平延長線上に配置されている。換言すれば、リブ状ガイド部４６ｃ、４６ｄは、リブ状ガイド部４６ｂの両端部から分離して構成されている。
【００３４】
第２セパレータ１８の面１８ｂには、２以上のエンボス部４４ｂ同士を連結してそれぞれ一対のリブ状ガイド部４８ａ、４８ｂおよび４８ｃが形成される。複数のエンボス部４４ｂとリブ状ガイド部４８ａ〜４８ｃとにより冷却媒体流路４０が構成される。リブ状ガイド部４８ａ〜４８ｃは、第１セパレータ１６のリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃ（図３参照）と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
第２セパレータ１８では、表裏のリブ、すなわち、面１８ａ側のリブ状ガイド部４６ａ〜４６ｄと、面１８ｂ側のリブ状ガイド部４８ａ〜４８ｃとが重なる部分が存在すると、優先して流れを制御したい方のリブを繋げる一方、他方のリブを分離させている。具体的には、図６に示すように、冷却媒体流路４０側のリブ状ガイド部４８ｂを連続させる一方、酸化剤ガス流路３８側のリブ状ガイド部４６ｂを分離させてリブ状ガイド部４６ｄを設けている。
【００３６】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３７】
図１に示すように、燃料電池スタック１２内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の燃料電池１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００３８】
矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２２ａに供給された酸化剤ガスは、図１および図４に示すように、第２セパレータ１８に設けられている酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図１および図３に示すように、燃料ガス入口２４ａから第１セパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３９】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ｂ、３４ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００４０】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口２４ｂに排出される（図３参照）。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口２２ｂに排出される（図４参照）。
【００４１】
また、冷却媒体入口２０ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路４０に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口２０ｂに排出される（図１参照）。
【００４２】
この場合、第１の実施形態では、例えば、図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａに設けられている酸化剤ガス流路３８が、複数のエンボス部４１と、２以上の前記エンボス部４１同士を連結して形成されるリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃとを備えている。
【００４３】
このリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃは、燃料ガスが流れ難い部分に対応して設けられており、燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って電極面内に均一に案内される。これにより、燃料ガスを電極面に十分に供給することができるとともに、前記燃料ガスの流れ不良による生成水の排出性の低下を有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００４４】
すなわち、図７に示すように、複数のエンボス部４１のみが設けられた第１セパレータ１６′では、燃料ガス入口２４ａから燃料ガス流路３６′に燃料ガスが供給されると、この燃料ガス流路３６′には、前記燃料ガスが流れ難い領域Ｓａ、Ｓｂが存在し易い。従って、領域Ｓａ、Ｓｂに燃料ガスが十分に供給されず、電解質膜・電極構造体１４に燃料ガスを均一かつ良好に供給することが困難になり、発電性能が低下するとともに、前記領域Ｓａ、Ｓｂに生成水が滞留し易いという問題がある。
【００４５】
これに対して、第１の実施形態では、燃料ガスは、燃料ガス流路３６全体に均一に分散して移動し、前記燃料ガスを発電面全面に対して不足することなく十分に供給することができる。これにより、燃料電池１０の発電性能が向上するとともに、圧損を有効に減少させることが可能になる。
【００４６】
また、冷却媒体流路４０においても同様に、冷却媒体入口２０ａから前記冷却媒体流路４０に冷却媒体を均一に供給することができるとともに、この冷却媒体を前記冷却媒体流路４０から冷却媒体出口２０ｂに円滑に排出することが可能になる。このため、燃料電池１０の発電時の発熱を十分に冷却することができ、温度の上昇に伴う湿度の低下が有効に回避され、抵抗過電圧が増加することがない。しかも、発電面内の発電分布のばらつきや固体高分子電解質膜２６の温度上昇による耐久性の悪化を阻止し、効率的な冷却機能を営むことができるという利点がある。
【００４７】
さらに、図６に示すように、冷却媒体流路４０側のリブ状ガイド部４８ｂを連続させる一方、酸化剤ガス流路３８側のリブ状ガイド部４６ｂを分離させてリブ状ガイド部４６ｄを設けている。このため、従来の波板状の流路のように表裏の流路形状に制限がなく、酸化剤ガス流路３８および冷却媒体流路４０を独立して設けることができ、設計自由度が高いという効果がある。
【００４８】
なお、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ１６、１８に突起部としてエンボス加工されたエンボス部４１、４４ａおよび４４ｂを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ディンプル加工されたディンプル部（図示せず）を用いてもよい。また、以下に説明する他の実施形態でも、同様である。
【００４９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ６０の正面説明図である。なお、図１に示す燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第９の実施形態においても同様である。
【００５０】
セパレータ６０は、一方の面６０ａに冷却媒体流路６２が設けられるとともに、他方の面６０ｂに燃料ガス流路６４が設けられる。冷却媒体流路６２は、面６０ａ側に突出する複数のエンボス部６６と、２以上の前記エンボス部６６同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部６８ａ、６８ｂおよび６８ｃとを備える。リブ状ガイド部６８ａ〜６８ｃは、全体として略Ｌ字状を有し、それぞれ３分割および２分割されるとともに、冷却媒体が流れ難い部分に対応して設けられている。
【００５１】
燃料ガス流路６４は、面６０ｂ側に突出する複数のエンボス部７０と、２以上の前記エンボス部７０同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部７２ａ、７２ｂおよび７２ｃとを備える。リブ状ガイド部７２ａ〜７２ｃは、それぞれ略Ｌ字状に構成され、燃料ガス入口２４ａから供給される燃料ガスを電極面全面に均一に案内して燃料ガス出口２４ｂに排出するために、所定の位置に設定されている。
【００５２】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ８０の正面説明図である。
【００５３】
このセパレータ８０は、長辺側の一端縁部に冷却媒体出口２０ｂと酸化剤ガス入口２２ａとが設けられるとともに、長辺側の他端縁部に燃料ガス入口２４ａと冷却媒体入口２２ａとが設けられる。セパレータ８０の下端縁部には、酸化剤ガス出口２２ｂと燃料ガス出口２４ｂとが形成される。セパレータ８０の一方の面８０ａには、酸化剤ガス流路８２が形成され、前記セパレータ８０の他方の面８０ｂには、冷却媒体流路８４が形成される。
【００５４】
酸化剤ガス流路８２は、面８０ａ側に突出する複数のエンボス部８８と、２以上の前記エンボス部８８同士を連結して形成されるリブ状ガイド部９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄおよび９０ｅとを備える。リブ状ガイド部９０ａ〜９０ｅは、それぞれ所定の形状に設定されており、酸化剤ガス入口２２ａから酸化剤ガス出口２２ｂに酸化剤ガスを良好に供給するように構成されている。
【００５５】
冷却媒体流路８４は、面８０ｂ側に突出する複数のエンボス部９２と、２以上の前記エンボス部９２同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部９４ａ、９４ｂおよび９４ｃとを備える。リブ状ガイド部９４ａ〜９４ｃは、略Ｌ字状に屈曲形成されている。
【００５６】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１００の正面説明図である。
【００５７】
セパレータ１００の一方の面１００ａには、酸化剤ガス流路１０２が形成されるとともに、前記セパレータ１００の他方の面１００ｂには、燃料ガス流路１０４が形成される。酸化剤ガス流路１０２は、面１００ａ側に突出する複数のエンボス部１０６と、２以上の前記エンボス部１０６同士を連結して形成されるリブ状ガイド部１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃおよび１０８ｄとを備える。リブ状ガイド部１０８ｂ〜１０８ｄは、分離形成されている。
【００５８】
燃料ガス流路１０４は、面１００ｂ側に突出する複数のエンボス部１１０と、２以上の前記エンボス部１１０同士を連結して形成されるリブ状ガイド部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄおよび１１２ｅとを備える。リブ状ガイド部１１２ａ〜１１２ｅは、略Ｌ字状に屈曲して構成されている。
【００５９】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１２０の正面説明図である。
【００６０】
セパレータ１２０の一方の面１２０ａには、燃料ガス流路１２２が設けられるとともに、面１２０ｂ側には、冷却媒体流路１２４が設けられる。燃料ガス流路１２２は、面１２０ａ側に突出する複数のエンボス部１２６と、２以上の前記エンボス部１２６同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１２８、ａ、１２８ｂおよび１２８ｃとを備える。リブ状ガイド部１２８ａ〜１２８ｃは、略Ｌ字状に屈曲して構成されている。
【００６１】
冷却媒体流路１２４は、面１２０ｂ側に突出する複数のエンボス部１３０と、２以上の前記エンボス部１３０同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１３２ａ、１３２ｂおよび１３２ｃとを備える。リブ状ガイド部１３２ａ〜１３２ｃは、略Ｌ字状に屈曲して構成され、リブ状ガイド部１２８ａ〜１２８ｃとは対称位置に配置されている。
【００６２】
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１４０の正面説明図である。
【００６３】
セパレータ１４０の一方の面１４０ａには、酸化剤ガス流路１４２が形成されるとともに、他方の面１４０ｂには、冷却媒体流路１４４が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、面１４０ａ側に突出する複数のエンボス部１４６と、２以上の前記エンボス部１４６同士を連結して形成されるリブ状ガイド部１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ、１４８ｄおよび１４８ｅとを備える。リブ状ガイド部１４８ａ〜１４８ｅは、略Ｌ字状に構成されている。
【００６４】
冷却媒体流路１４４は、面１４０ｂ側に突出する複数のエンボス部１５０と、２以上の前記エンボス部１５０同士を連結して形成され、鉛直方向に延在する複数本、例えば、７本のリブ状ガイド部１５２とを備える。リブ状ガイド部１５２は、リブ状ガイド部１４８ａ〜１４８ｅに重なり合う部分を分離して構成されている。
【００６５】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１６０の正面説明図である。
【００６６】
セパレータ１６０の一方の面１６０ａ側には、酸化剤ガス流路１６２が形成される一方、他方の面１６０ｂ側に燃料ガス流路１６４が形成される。酸化剤ガス流路１６２は、面１６０ａ側に突出する複数のエンボス部１６６と、２以上の前記エンボス部１６６同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１６８ａ、１６８ｂおよび１６８ｃとを備える。
【００６７】
燃料ガス流路１６４は、面１６０ｂ側に突出する複数のエンボス部１７０と、２以上の前記エンボス部１７０同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１７２ａ、１７２ｂおよび１７２ｃを備える。リブ状ガイド部１６８ａ〜１６８ｃおよび１７２ａ〜１７２ｃは、略Ｌ字状に構成されており、それぞれ対角位置に対応して配置されている。
【００６８】
図１４は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１８０の正面説明図である。
【００６９】
このセパレータ１８０の一方の面１８０ａ側には、燃料ガス流路１８２が形成される。燃料ガス流路１８２は、面１８０ａ側に突出する複数のエンボス部１８４と、２以上の前記エンボス部１８４同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１８６ａ、１８６ｂおよび１８６ｃとを備える。リブ状ガイド部１８６ａ〜１８６ｃは、略Ｌ字状に屈曲して構成されている。
【００７０】
図１５は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池２００の一部断面説明図である。この燃料電池２００は、第１および第２セパレータ２０２、２０４を備え、前記第１および第２セパレータ２０２、２０４の両面には、複数の突起部２０６ａ、２０６ｂおよび２０８ａ、２０８ｂが設けられる。突起部２０６ａ側に燃料ガス流路３６が形成されるとともに、突起部２０８ａ側に酸化剤ガス流路３８が形成される。
【００７１】
この燃料電池２００では、第１および第２セパレータ２０２、２０４の厚さを薄肉化することにより、燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の流路面積を広く確保することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、一対の金属板製セパレータを備え、少なくとも一方のセパレータに設けられた反応ガス流路は、複数のエンボス部と、２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されたリブ状ガイド部とを備えている。このため、反応ガスの流動不良を有効に阻止することができ、電極面内に前記反応ガスを均一に案内することが可能になる。これにより、反応ガスを電極面に十分に供給するとともに、前記反応ガスの流れ不良による生成水の排出性を低下させることがなく、効率的かつ良好な発電機能を営むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図５】図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの一部断面斜視説明図である。
【図７】前記第1セパレータとの比較に用いられる従来構造のセパレータの正面説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図１６】従来技術に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０、２００…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２０２、２０４…セパレータ
２０ａ…冷却媒体入口 ２０ｂ…冷却媒体出口
２２ａ…酸化剤ガス入口 ２２ｂ…酸化剤ガス出口
２４ａ…燃料ガス入口 ２４ｂ…燃料ガス出口
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３４ａ、３４ｂ…電極触媒層
３６、６４、１０４、１２２、１６４、１８２…燃料ガス流路
３８、８２、１０２、１４２、１６２…酸化剤ガス流路
４０、６２、８４、１２４、１４４…冷却媒体流路
４１、４４ａ、４４ｂ、６６、７０、８８、９２、１０６、１１０、１２６、１３０、１４６、１５０、１６６、１７０、１８４…エンボス部
４２ａ〜４２ｃ、４６ａ〜４６ｄ、４８ａ〜４８ｃ、６８ａ〜６８ｃ、７２ａ〜７２ｃ、９０ａ〜９０ｅ、９４ａ〜９４ｃ、１０８ａ〜１０８ｄ、１１２ａ〜１１２ｅ、１２８ａ〜１２８ｃ、１３２ａ〜１３２ｃ、１４８ａ〜１４８ｅ、１５２、１６８ａ〜１６８ｃ、１７２ａ〜１７２ｃ、１８６ａ〜１８６ｃ…リブ状ガイド部
２０６ａ、２０６ｂ、２０８ａ、２０８ｂ…突起部
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備え、前記セパレータには、少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガスである反応ガスを前記電解質・電極接合体の電極面内に供給する反応ガス流路が形成された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路（以下、単に反応ガス流路ともいう）並びに冷却媒体流路は、一般的にセパレータの積層方向に貫通する流路入口から流路出口に向かって前記セパレータの面内に設けられる複数本の流路溝を備えるとともに、この流路溝は、直線溝や折り返し溝で構成されている。
【０００６】
ところが、複数本の流路溝に対して開口の小さな流路入口や流路出口が設けられる場合、前記流路溝に沿って燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体等の流体をセパレータ面内に均一に流すために、前記流路入口や前記流路出口の周囲にバッファ部が必要になっている。さらに、複数本の平行な流路溝では、特定の流路溝に生成水が滞留し易くなり、この生成水の排出効率が低下するおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特開平８−２２２２３７号公報に開示されている燃料電池用セパレータが知られている。この従来技術では、図１６に示すように、セパレータ板１を備え、このセパレータ板１は、エンボス加工乃至ディンプル加工が容易な金属材料で構成されており、その表裏両面には、数ｍｍ間隔で多数の突起２、３がエンボス加工乃至ディンプル加工により形成されている。
【０００８】
セパレータ板１の両側縁部には、例えば、燃料ガス入口４ａおよび燃料ガス出口４ｂが設けられるとともに、前記セパレータ板１の上下両端縁部には、例えば、酸化剤ガス入口５ａおよび酸化剤ガス出口５ｂが設けられている。
【０００９】
突起２は、セパレータ板１の一方の面１ａ側に突出しており、前記突起２間には、燃料ガス入口４ａと燃料ガス出口４ｂとに連通する燃料ガス流路６が形成されている。突起３は、セパレータ板１の他方の面１ｂ側に突出しており、前記突起３間には、酸化剤ガス入口５ａと酸化剤ガス出口５ｂとに連通する酸化剤ガス流路７が形成されている。
【００１０】
このような構成において、例えば、燃料ガス入口４ａに供給された燃料ガスは、セパレータ板１の一方の面１ａに供給されると、突起２間に連続して形成されている燃料ガス流路６を通って図示しない電極に供給されるとともに、未使用の燃料ガスが燃料ガス出口４ｂに排出される。
【００１１】
一方、酸化剤ガス入口５ａに供給された酸化剤ガスは、セパレータ板１の他方の面１ｂに突起３間に連続して形成されている酸化剤ガス流路７を介し、図示しない電極に供給されるとともに、未使用の酸化剤ガスが酸化剤ガス出口５ｂに排出される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、セパレータ板１では、突起２、３がそれぞれ異なる両側に突出して形成されるとともに、それぞれ独立した前記突起２、３により燃料ガス流路６および酸化剤ガス流路７が形成されている。このため、面１ａ、１ｂ内で燃料ガスおよび酸化剤ガスが均一に流れず、燃料ガス流路６および酸化剤ガス流路７内に燃料ガスや酸化剤ガスが十分に供給されない領域が発生し易い。これにより、電極面内に燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一に供給することが困難になるとともに、生成水が突起３等に捕捉されて滞留し易く、該生成水が排出され難いという問題が指摘されている。
【００１３】
一方、セパレータ板１には、冷却媒体流路が同様に突起部間を連通して形成される場合がある。その際、冷却媒体が流れ難い部分が発生すると、発電時の電極の冷却が不十分となり、温度が高くなって湿度の低下による抵抗過電圧が増加するという問題がある。
【００１４】
さらに、発電面内の発電分布にばらつきが発生したり、電解質膜の温度上昇による耐久性の低下が惹起されたりする。この種の性能低下を阻止するために多量の冷却媒体を流そうとすると、システム全体の効率が低下するとともに、圧損が増加するという不具合が惹起されてしまう。
【００１５】
そこで、例えば、特開２０００−１８２６３１号公報に開示されている燃料電池用のセパレータが知られている。この従来技術では、ガス不透過の緻密性カーボンにより形成されるセパレータを備え、前記セパレータの両面に複数の凸部を形成することによって、反応ガス流路が形成されている。そして、反応ガス流路における屈曲部には、等間隔の複数の溝を形成するコの字状の屈曲部リブが形成されており、反応ガスが前記屈曲部に沿って良好に流れるように構成されている。
【００１６】
しかしながら、上記の従来技術では、セパレータが緻密性カーボンにより形成されており、靱性が低く耐振破損性に劣るとともに、前記セパレータの板厚が相当に大きなものとなってしまう。これにより、燃料電池全体の小型および軽量化が達成されないという問題が指摘されている。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの面内に沿って反応ガス等の流体を円滑かつ均一に供給することができ、小型かつ簡単な構成で、良好な発電性能を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、薄板状の一対の金属板製セパレータを備えており、少なくとも一方のセパレータに設けられる反応ガス流路は、電極に対向する面側に前記反応ガス流路全体にわたって突出する複数のエンボス部と、電極面内に位置し且つ反応ガスが流れ難い部分に対応し２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されるリブ状ガイド部とを備えている。
【００１９】
このため、反応ガス流路には、複数のエンボス部とリブ状ガイド部との案内作用下に、反応ガスを良好に供給することができ、電極面内に反応ガスを均一に案内することが可能になる。これにより、反応ガスを電極面に十分に供給するとともに、前記反応ガスの流れ不良による生成水の排出性の低下を有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、少なくとも一方のセパレータに、電解質・電極接合体冷却用の冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が設けられるとともに、前記冷却媒体流路は、複数のエンボス部と、２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されるリブ状ガイド部とを備えている。従って、電極面方向に沿って冷却媒体を均一に案内することができ、燃料電池を良好に冷却して発電性能を向上させることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池（単位セル）１０を組み込む燃料電池スタック１２の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されている。燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１および第２セパレータ１６、１８は、金属製薄板により構成されている。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口２０ｂ、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口２２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口２４ｂが設けられる。
【００２４】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口２４ａ、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口２２ｂ、および冷却媒体を供給するための冷却媒体入口２０ａが設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜（電解質）２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２６】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、カーボンペーパー等からなるガス拡散層３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層３４ａ、３４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２７】
図１に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、燃料ガス流路３６が設けられるとともに、この燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口２４ａと燃料ガス出口２４ｂとに連通する。
【００２８】
第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、酸化剤ガス入口２２ａと酸化剤ガス出口２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路３８が形成される。第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口２０ａと冷却媒体出口２０ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。
【００２９】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１６には、少なくとも面１６ａ側に突出する複数の突起部、例えば、エンボス部４１が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体１４内に燃料ガスを均一に案内するために、２以上の前記エンボス部４１同士を連結してそれぞれ一対のリブ状ガイド部４２ａ、４２ｂおよび４２ｃが形成される。エンボス部４１とリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃとにより燃料ガス流路３６が構成される。
【００３０】
リブ状ガイド部４２ａは、面１６ａ内で発電面の外周縁部にかつ燃料ガスが流れ難い部分に対応し略Ｌ字状に屈曲して上下に設けられる。リブ状ガイド部４２ｂは、リブ状ガイド部４２ａの内方に位置して、同様に略Ｌ字状に屈曲して設けられるとともに、リブ状ガイド部４２ｃは、前記リブ状ガイド部４２ｂの内方に位置し、Ｌ字状に屈曲して設けられている。リブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃは、外側から内側に向かってそれぞれの長さが短尺に設定されている。
【００３１】
図４および図５に示すように、第２セパレータ１８には、面１８ａ、１８ｂに交互に突出して複数のエンボス部４４ａ、４４ｂが設けられている。第２セパレータ１８の面１８ａには、図４に示すように、２以上のエンボス部４４ａ同士を連結してそれぞれ一対のリブ状ガイド部４６ａ、４６ｂ、４６ｃおよび４６ｄが形成される。複数のエンボス部４４ａとリブ状ガイド部４６ａ〜４６ｄとにより、酸化剤ガス流路３８が構成される。
【００３２】
リブ状ガイド部４６ａは、酸化剤ガス入口２２ａおよび酸化剤ガス出口２２ｂに向かって水平方向に突出するとともに、それぞれ鉛直方向に延在した後、発電面の外周端縁側で水平方向に沿って一体的に延在している。
【００３３】
リブ状ガイド部４６ｂは、リブ状ガイド部４６ａ内に位置し、かつ前記リブ状ガイド部４６ａと略相似形状に設定されている。直線状のリブ状ガイド部４６ｃ、４６ｄは、それぞれリブ状ガイド部４６ｂの両端部の水平延長線上に配置されている。換言すれば、リブ状ガイド部４６ｃ、４６ｄは、リブ状ガイド部４６ｂの両端部から分離して構成されている。
【００３４】
第２セパレータ１８の面１８ｂには、２以上のエンボス部４４ｂ同士を連結してそれぞれ一対のリブ状ガイド部４８ａ、４８ｂおよび４８ｃが形成される。複数のエンボス部４４ｂとリブ状ガイド部４８ａ〜４８ｃとにより冷却媒体流路４０が構成される。リブ状ガイド部４８ａ〜４８ｃは、第１セパレータ１６のリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃ（図３参照）と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
第２セパレータ１８では、表裏のリブ、すなわち、面１８ａ側のリブ状ガイド部４６ａ〜４６ｄと、面１８ｂ側のリブ状ガイド部４８ａ〜４８ｃとが重なる部分が存在すると、優先して流れを制御したい方のリブを繋げる一方、他方のリブを分離させている。具体的には、図６に示すように、冷却媒体流路４０側のリブ状ガイド部４８ｂを連続させる一方、酸化剤ガス流路３８側のリブ状ガイド部４６ｂを分離させてリブ状ガイド部４６ｄを設けている。
【００３６】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３７】
図１に示すように、燃料電池スタック１２内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。このため、燃料電池スタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の燃料電池１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００３８】
矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２２ａに供給された酸化剤ガスは、図１および図４に示すように、第２セパレータ１８に設けられている酸化剤ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、図１および図３に示すように、燃料ガス入口２４ａから第１セパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３９】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ｂ、３４ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００４０】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口２４ｂに排出される（図３参照）。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口２２ｂに排出される（図４参照）。
【００４１】
また、冷却媒体入口２０ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路４０に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口２０ｂに排出される（図１参照）。
【００４２】
この場合、第１の実施形態では、例えば、図３に示すように、第１セパレータ１６の面１６ａに設けられている酸化剤ガス流路３８が、複数のエンボス部４１と、２以上の前記エンボス部４１同士を連結して形成されるリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃとを備えている。
【００４３】
このリブ状ガイド部４２ａ〜４２ｃは、燃料ガスが流れ難い部分に対応して設けられており、燃料ガスは、燃料ガス流路３６に沿って電極面内に均一に案内される。これにより、燃料ガスを電極面に十分に供給することができるとともに、前記燃料ガスの流れ不良による生成水の排出性の低下を有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００４４】
すなわち、図７に示すように、複数のエンボス部４１のみが設けられた第１セパレータ１６′では、燃料ガス入口２４ａから燃料ガス流路３６′に燃料ガスが供給されると、この燃料ガス流路３６′には、前記燃料ガスが流れ難い領域Ｓａ、Ｓｂが存在し易い。従って、領域Ｓａ、Ｓｂに燃料ガスが十分に供給されず、電解質膜・電極構造体１４に燃料ガスを均一かつ良好に供給することが困難になり、発電性能が低下するとともに、前記領域Ｓａ、Ｓｂに生成水が滞留し易いという問題がある。
【００４５】
これに対して、第１の実施形態では、燃料ガスは、燃料ガス流路３６全体に均一に分散して移動し、前記燃料ガスを発電面全面に対して不足することなく十分に供給することができる。これにより、燃料電池１０の発電性能が向上するとともに、圧損を有効に減少させることが可能になる。
【００４６】
また、冷却媒体流路４０においても同様に、冷却媒体入口２０ａから前記冷却媒体流路４０に冷却媒体を均一に供給することができるとともに、この冷却媒体を前記冷却媒体流路４０から冷却媒体出口２０ｂに円滑に排出することが可能になる。このため、燃料電池１０の発電時の発熱を十分に冷却することができ、温度の上昇に伴う湿度の低下が有効に回避され、抵抗過電圧が増加することがない。しかも、発電面内の発電分布のばらつきや固体高分子電解質膜２６の温度上昇による耐久性の悪化を阻止し、効率的な冷却機能を営むことができるという利点がある。
【００４７】
さらに、図６に示すように、冷却媒体流路４０側のリブ状ガイド部４８ｂを連続させる一方、酸化剤ガス流路３８側のリブ状ガイド部４６ｂを分離させてリブ状ガイド部４６ｄを設けている。このため、従来の波板状の流路のように表裏の流路形状に制限がなく、酸化剤ガス流路３８および冷却媒体流路４０を独立して設けることができ、設計自由度が高いという効果がある。
【００４８】
なお、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ１６、１８に突起部としてエンボス加工されたエンボス部４１、４４ａおよび４４ｂを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ディンプル加工されたディンプル部（図示せず）を用いてもよい。また、以下に説明する他の実施形態でも、同様である。
【００４９】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ６０の正面説明図である。なお、図１に示す燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第９の実施形態においても同様である。
【００５０】
セパレータ６０は、一方の面６０ａに冷却媒体流路６２が設けられるとともに、他方の面６０ｂに燃料ガス流路６４が設けられる。冷却媒体流路６２は、面６０ａ側に突出する複数のエンボス部６６と、２以上の前記エンボス部６６同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部６８ａ、６８ｂおよび６８ｃとを備える。リブ状ガイド部６８ａ〜６８ｃは、全体として略Ｌ字状を有し、それぞれ３分割および２分割されるとともに、冷却媒体が流れ難い部分に対応して設けられている。
【００５１】
燃料ガス流路６４は、面６０ｂ側に突出する複数のエンボス部７０と、２以上の前記エンボス部７０同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部７２ａ、７２ｂおよび７２ｃとを備える。リブ状ガイド部７２ａ〜７２ｃは、それぞれ略Ｌ字状に構成され、燃料ガス入口２４ａから供給される燃料ガスを電極面全面に均一に案内して燃料ガス出口２４ｂに排出するために、所定の位置に設定されている。
【００５２】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ８０の正面説明図である。
【００５３】
このセパレータ８０は、長辺側の一端縁部に冷却媒体出口２０ｂと酸化剤ガス入口２２ａとが設けられるとともに、長辺側の他端縁部に燃料ガス入口２４ａと冷却媒体入口２２ａとが設けられる。セパレータ８０の下端縁部には、酸化剤ガス出口２２ｂと燃料ガス出口２４ｂとが形成される。セパレータ８０の一方の面８０ａには、酸化剤ガス流路８２が形成され、前記セパレータ８０の他方の面８０ｂには、冷却媒体流路８４が形成される。
【００５４】
酸化剤ガス流路８２は、面８０ａ側に突出する複数のエンボス部８８と、２以上の前記エンボス部８８同士を連結して形成されるリブ状ガイド部９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄおよび９０ｅとを備える。リブ状ガイド部９０ａ〜９０ｅは、それぞれ所定の形状に設定されており、酸化剤ガス入口２２ａから酸化剤ガス出口２２ｂに酸化剤ガスを良好に供給するように構成されている。
【００５５】
冷却媒体流路８４は、面８０ｂ側に突出する複数のエンボス部９２と、２以上の前記エンボス部９２同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部９４ａ、９４ｂおよび９４ｃとを備える。リブ状ガイド部９４ａ〜９４ｃは、略Ｌ字状に屈曲形成されている。
【００５６】
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１００の正面説明図である。
【００５７】
セパレータ１００の一方の面１００ａには、酸化剤ガス流路１０２が形成されるとともに、前記セパレータ１００の他方の面１００ｂには、燃料ガス流路１０４が形成される。酸化剤ガス流路１０２は、面１００ａ側に突出する複数のエンボス部１０６と、２以上の前記エンボス部１０６同士を連結して形成されるリブ状ガイド部１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃおよび１０８ｄとを備える。リブ状ガイド部１０８ｂ〜１０８ｄは、分離形成されている。
【００５８】
燃料ガス流路１０４は、面１００ｂ側に突出する複数のエンボス部１１０と、２以上の前記エンボス部１１０同士を連結して形成されるリブ状ガイド部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄおよび１１２ｅとを備える。リブ状ガイド部１１２ａ〜１１２ｅは、略Ｌ字状に屈曲して構成されている。
【００５９】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１２０の正面説明図である。
【００６０】
セパレータ１２０の一方の面１２０ａには、燃料ガス流路１２２が設けられるとともに、面１２０ｂ側には、冷却媒体流路１２４が設けられる。燃料ガス流路１２２は、面１２０ａ側に突出する複数のエンボス部１２６と、２以上の前記エンボス部１２６同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１２８、ａ、１２８ｂおよび１２８ｃとを備える。リブ状ガイド部１２８ａ〜１２８ｃは、略Ｌ字状に屈曲して構成されている。
【００６１】
冷却媒体流路１２４は、面１２０ｂ側に突出する複数のエンボス部１３０と、２以上の前記エンボス部１３０同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１３２ａ、１３２ｂおよび１３２ｃとを備える。リブ状ガイド部１３２ａ〜１３２ｃは、略Ｌ字状に屈曲して構成され、リブ状ガイド部１２８ａ〜１２８ｃとは対称位置に配置されている。
【００６２】
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１４０の正面説明図である。
【００６３】
セパレータ１４０の一方の面１４０ａには、酸化剤ガス流路１４２が形成されるとともに、他方の面１４０ｂには、冷却媒体流路１４４が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、面１４０ａ側に突出する複数のエンボス部１４６と、２以上の前記エンボス部１４６同士を連結して形成されるリブ状ガイド部１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ、１４８ｄおよび１４８ｅとを備える。リブ状ガイド部１４８ａ〜１４８ｅは、略Ｌ字状に構成されている。
【００６４】
冷却媒体流路１４４は、面１４０ｂ側に突出する複数のエンボス部１５０と、２以上の前記エンボス部１５０同士を連結して形成され、鉛直方向に延在する複数本、例えば、７本のリブ状ガイド部１５２とを備える。リブ状ガイド部１５２は、リブ状ガイド部１４８ａ〜１４８ｅに重なり合う部分を分離して構成されている。
【００６５】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１６０の正面説明図である。
【００６６】
セパレータ１６０の一方の面１６０ａ側には、酸化剤ガス流路１６２が形成される一方、他方の面１６０ｂ側に燃料ガス流路１６４が形成される。酸化剤ガス流路１６２は、面１６０ａ側に突出する複数のエンボス部１６６と、２以上の前記エンボス部１６６同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１６８ａ、１６８ｂおよび１６８ｃとを備える。
【００６７】
燃料ガス流路１６４は、面１６０ｂ側に突出する複数のエンボス部１７０と、２以上の前記エンボス部１７０同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１７２ａ、１７２ｂおよび１７２ｃを備える。リブ状ガイド部１６８ａ〜１６８ｃおよび１７２ａ〜１７２ｃは、略Ｌ字状に構成されており、それぞれ対角位置に対応して配置されている。
【００６８】
図１４は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１８０の正面説明図である。
【００６９】
このセパレータ１８０の一方の面１８０ａ側には、燃料ガス流路１８２が形成される。燃料ガス流路１８２は、面１８０ａ側に突出する複数のエンボス部１８４と、２以上の前記エンボス部１８４同士を連結して形成されるそれぞれ一対のリブ状ガイド部１８６ａ、１８６ｂおよび１８６ｃとを備える。リブ状ガイド部１８６ａ〜１８６ｃは、略Ｌ字状に屈曲して構成されている。
【００７０】
図１５は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池２００の一部断面説明図である。この燃料電池２００は、第１および第２セパレータ２０２、２０４を備え、前記第１および第２セパレータ２０２、２０４の両面には、複数の突起部２０６ａ、２０６ｂおよび２０８ａ、２０８ｂが設けられる。突起部２０６ａ側に燃料ガス流路３６が形成されるとともに、突起部２０８ａ側に酸化剤ガス流路３８が形成される。
【００７１】
この燃料電池２００では、第１および第２セパレータ２０２、２０４の厚さを薄肉化することにより、燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の流路面積を広く確保することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、一対の金属板製セパレータを備え、少なくとも一方のセパレータに設けられた反応ガス流路は、複数のエンボス部と、２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されたリブ状ガイド部とを備えている。このため、反応ガスの流動不良を有効に阻止することができ、電極面内に前記反応ガスを均一に案内することが可能になる。これにより、反応ガスを電極面に十分に供給するとともに、前記反応ガスの流れ不良による生成水の排出性を低下させることがなく、効率的かつ良好な発電機能を営むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図５】図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの一部断面斜視説明図である。
【図７】前記第1セパレータとの比較に用いられる従来構造のセパレータの正面説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図１６】従来技術に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０、２００…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２０２、２０４…セパレータ
２０ａ…冷却媒体入口 ２０ｂ…冷却媒体出口
２２ａ…酸化剤ガス入口 ２２ｂ…酸化剤ガス出口
２４ａ…燃料ガス入口 ２４ｂ…燃料ガス出口
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３４ａ、３４ｂ…電極触媒層
３６、６４、１０４、１２２、１６４、１８２…燃料ガス流路
３８、８２、１０２、１４２、１６２…酸化剤ガス流路
４０、６２、８４、１２４、１４４…冷却媒体流路
４１、４４ａ、４４ｂ、６６、７０、８８、９２、１０６、１１０、１２６、１３０、１４６、１５０、１６６、１７０、１８４…エンボス部
４２ａ〜４２ｃ、４６ａ〜４６ｄ、４８ａ〜４８ｃ、６８ａ〜６８ｃ、７２ａ〜７２ｃ、９０ａ〜９０ｅ、９４ａ〜９４ｃ、１０８ａ〜１０８ｄ、１１２ａ〜１１２ｅ、１２８ａ〜１２８ｃ、１３２ａ〜１３２ｃ、１４８ａ〜１４８ｅ、１５２、１６８ａ〜１６８ｃ、１７２ａ〜１７２ｃ、１８６ａ〜１８６ｃ…リブ状ガイド部
２０６ａ、２０６ｂ、２０８ａ、２０８ｂ…突起部
Claims (2)
- 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備え、前記セパレータには、少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガスである反応ガスを前記電解質・電極接合体の電極面内に供給するために、前記電極面内に反応ガス流路が形成された燃料電池であって、
少なくとも一方のセパレータに形成された前記反応ガス流路は、前記電極に対向する面側に前記反応ガス流路全体にわたって突出する複数のエンボス部と、
前記電極面内に前記反応ガスを均一に案内するために、前記電極面内に位置し且つ前記反応ガスが流れ難い部分に対応し２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されるリブ状ガイド部と、
により構成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、少なくとも一方のセパレータには、前記電解質・電極接合体を冷却する冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が設けられるとともに、
前記冷却媒体流路は、前記反応ガス流路とは反対の面側に前記冷却媒体流路全体にわたって突出する複数のエンボス部と、
前記電極面方向に沿って前記冷却媒体を均一に案内するために、前記電極面内に位置し且つ前記冷却媒体が流れ難い部分に対応し２以上の前記エンボス部同士を連結して形成されるリブ状ガイド部と、
により構成されることを特徴とする燃料電池。
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