JP4663967B2

JP4663967B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4663967B2
Application number: JP2003139176A
Authority: JP
Inventors: 征治鈴木; 直之円城寺
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: DE10392682B4; GB0425353D0; JP2004047451A; DE10392682T5; GB2404492B; GB2404492A; US20050221151A1; WO2003098727A1; US7413825B2

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・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを設け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は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
こ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、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質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は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（反応ガス流路）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（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、この種の燃料電池では、反応ガス流路に反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスを流すための連通孔が、電解質・電極構造体およびセパレータの積層方向に貫通して設けられた内部マニホールドが採用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池では、図１３に示すように、燃料電池を構成するセパレータ１の矢印Ｘ方向の一端縁部には、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供給側連通孔２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給側連通孔３ａとが設けられている。
【０００６】
セパレータ１の矢印Ｘ方向の他端縁部には、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出側連通孔２ｂと、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出側連通孔３ｂとが設けられている。このセパレータ１のカソード側電極（図示せず）に対向する面１ａには、例えば、矢印Ｘ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４は、酸化剤ガス供給側連通孔２ａと酸化剤ガス排出側連通孔２ｂとに連通している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９１０号公報（段落［００２５］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化剤ガス供給側連通孔２ａがセパレータ１の矢印Ｘ方向の一端縁部右側に設けられているため、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス供給側連通孔２ａから鉛直方向（矢印Ｘ方向）に向かって酸化剤ガス流路４に導入される際、特に燃料ガス供給側連通孔３ａの近傍（矢印Ｘ方向の一端縁部左側）にこの酸化剤ガスを十分に供給することが困難である。
【０００９】
これにより、実質的に酸化剤ガスを酸化剤ガス供給側連通孔２ａから電極面に導く通路（酸化剤ガス流路４の一部）の本数が制限されてしまい、該通路で酸化剤ガスの圧損が増加する。従って、酸化剤ガス供給用のコンプレッサ等が大型化し、設備全体の小型化および軽量化を図ることができないという問題が指摘されている。しかも、電極面内に反応ガスが均一に供給されず、発電性能が低下するおそれがある。
【００１０】
さらに、セパレータ１では、矢印Ｘ方向に交差する矢印Ｙ方向両端側の２つの辺１ｂに連通孔が設けられていない。このため、各辺１ｂは外気に曝され易く、この辺１ｂ側の通路内で結露が発生し、結露水の滞留により発電性能の低下が惹起されてしまう。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、セパレータの小型化を図るとともに、発電性能を有効に維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、電解質・電極構造体に対向するセパレータ面内に形成された反応ガス流路に、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを供給および排出するため、前記セパレータに積層方向に貫通して反応ガス供給側連通孔および反応ガス排出側連通孔が設けられるとともに、少なくとも前記反応ガス供給側連通孔または前記反応ガス排出側連通孔（以下、単に連通孔ともいう）は、前記セパレータの角部を跨いで２辺方向にそれぞれ長尺状に延在する第１および第２直線部を備えている。
【００１３】
このように、連通孔がセパレータの２辺方向に延在する第１および第２直線部を備えているため、反応ガスは異なる方向から反応ガス流路に供給される際に互いに衝突し、前記反応ガス流路内に均一に分散される。このため、電極面に対して反応ガスを均一かつ確実に供給することが可能になる。しかも、反応ガスを異なる方向から反応ガス流路に供給することができ、前記反応ガスを前記連通孔から電極面まで導く通路の範囲が、従来構造に比べて有効に増加し、前記電極面の全領域にわたって前記反応ガスを均一に供給することが可能になる。従って、通路内での反応ガスの圧損が有効に低減され、反応ガスを供給するコンプレッサ等が大型化することがなく、かつセル構造の薄型化が図られる。
【００１４】
しかも、セパレータの角部を含んで該セパレータの周辺に連通孔が配置されており、セパレータ面内のスペースを有効に利用することができ、前記セパレータの電極面利用率が向上する。これにより、燃料電池全体の小型化および軽量化が可能になる。
【００１５】
また、第１直線部と第２直線部とが、セパレータの角部を挟んで互いに離間することにより、前記第１および第２直線部間にリブ部が設けられている。このため、セパレータの角部は、リブ部によって良好に補強され、前記セパレータの強度が向上する。
【００１６】
さらに、リブ部には、スタック締め付けボルトまたは位置決めノックを挿入するための孔部が形成されており、セパレータ面内を効率的に使用することができ、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。
【００１７】
さらにまた、セパレータには、冷却媒体を供給および排出するために積層方向に貫通して冷却媒体供給側連通孔および冷却媒体排出側連通孔（以下、単に連通孔ともいう）が設けられるとともに、反応ガス供給側連通孔、反応ガス排出側連通孔、前記冷却媒体供給側連通孔および前記冷却媒体排出側連通孔は、電解質・電極構造体の電極面を囲繞して延在している。
【００１８】
従って、電極面が外気により直接冷却されることがなく、前記電極面内での結露の発生を有効に阻止することができる。これにより、加湿水を有効に活用することが可能になるとともに、電極面内の結露水量を低減して発電性能の低下を防止することができる。しかも、各連通孔を囲繞してシール部材が設けられる場合には、セパレータ面内にシールの面圧が作用し難い部位が存在することがなく、前記セパレータ面内に均一なシール面圧が付与される。
【００１９】
また、電解質・電極構造体とセパレータとは、水平方向に積層されている。このため、連通孔には、電極面よりも低い部分が存在し、前記連通孔に結露水が滞留しても、反応ガス流路内が結露水で満たされることがない。従って、結露水の排出性が向上するとともに、電極面内に水が蓄積することがなく、発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００２０】
さらに、セパレータの角部に、反応ガス流路と反応ガス供給側連通孔および反応ガス排出側連通孔とを連通するバッファ部が設けられている。このため、反応ガスは、反応ガス供給側連通孔から反応ガス流路を通って反応ガス排出側連通孔に円滑に流れることができる。
【００２１】
さらにまた、セパレータの平面形状は略四角形に設定されるとともに、少なくとも一方の反応ガス供給側連通孔と一方の反応ガス排出側連通孔とは、前記セパレータの対角位置のそれぞれの角部を跨いで設けられている。これにより、反応ガスは、セパレータ面内を良好に流れることが可能になる。
【００２２】
また、セパレータの平面形状は略四角形に設定されるとともに、少なくとも一方の反応ガス流路は、セパレータ面内に略Ｕ字状に設けられ、一方の前記反応ガス流路に連通する一方の反応ガス供給側連通孔と一方の反応ガス排出側連通孔とは、前記セパレータの互いに隣接する角部を跨いで設けられている。従って、セパレータ面内には、略直線状の他、略Ｕ字状の反応ガス流路が有効に形成される。
【００２３】
さらに、セパレータの平面形状は略正方形に設定されるとともに、セパレータ面内には、少なくとも一方の反応ガス供給側連通孔と一方の反応ガス排出側連通孔とに近接して入口バッファ部と出口バッファ部とが設けられ、反応ガス流路は、前記入口バッファ部と前記出口バッファ部との間に略直線状に設けられている。ここで、略直線状とは、反応ガスの流れ方向に沿って曲線状や波状にうねりを有するものを含む。このため、反応ガス流路内での反応ガスの圧損が可及的に低減されるとともに、略正方形状の電極面積に対してセパレータの外周寸法を小さく設定することができ、前記セパレータの保温性が向上する。
【００２４】
さらにまた、少なくとも反応ガス流路の入口側端部位置または出口側端部位置は、少なくとも反応ガス供給側連通孔または反応ガス排出側連通孔の前記反応ガス流路に向かって突出する端部位置と実質的に同一位置に設定されている。
【００２５】
ここで、例えば、反応ガス供給側連通孔の端部が、反応ガス流路の入口側端部位置より前記反応ガス流路の内方に突出すると、この反応ガス供給側連通孔の端部から前記反応ガス流路内に反応ガスが流れないおそれがある。従って、端部位置を設定することにより、略直線状の反応ガス流路の流れ方向に直交する幅方向に対して、反応ガスを均一に流すことができ、良好な発電機能を確保することが可能になる。
【００２６】
また、反応ガス供給側連通孔は、反応ガス排出側連通孔よりも開口断面積が大きく設定されている。反応ガス排出側連通孔側では、反応ガスが消費されて反応ガス流量が減少している。このため、反応ガス排出側連通孔の開口断面積を反応ガス供給連通孔の開口断面積よりも小さく設定することによって、反応ガスの円滑な流れが可能になる。
【００２７】
【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１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面図である。
【００２８】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する長方形（略四角形）状の第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。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との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１９が介装されている。
【００２９】
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とは、水平方向（矢印Ａ方向）に積層されており、その積層方向に交差する矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向に互いに連通して、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供給側連通孔２０と、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排出側連通孔２２とが設けられる。
【００３０】
酸化剤ガス供給側連通孔２０は、第１セパレータ１６の一端縁部上部の角部を跨いで矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向（２辺方向）にそれぞれ長尺状に延在する第１および第２直線部２０ａ、２０ｂを一体的に備える。燃料ガス排出側連通孔２２は、第１セパレータ１６の一端縁部下部の角部を跨いで矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向（２辺方向）にそれぞれ長尺状に延在する第１および第２直線部２２ａ、２２ｂを一体的に備える。
【００３１】
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の矢印Ｂ方向の他端縁部には、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供給側連通孔２４と、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出側連通孔２６とが設けられる。燃料ガス供給側連通孔２４および酸化剤ガス排出側連通孔２６は、第１セパレータ１６の他端縁部上部および下部の角部を跨いで矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向（２辺方向）にそれぞれ長尺状に延在する第１直線部２４ａ、２６ａおよび第２直線部２４ｂ、２６ｂを備える。
【００３２】
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の下端縁部には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給側連通孔２８が設けられるとともに、上端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出側連通孔３０が設けられる。
【００３３】
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た固体高分子電解質膜（電解質）３２と、該固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４およびカソード側電極３６とを備える。アノード側電極３４およびカソード側電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３４】
図１および図３に示すように、第１セパレータ１６のカソード側電極３６に対向する面１６ａには、前記カソード側電極３６に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、酸化剤ガス供給側連通孔２０および酸化剤ガス排出側連通孔２６に近接して設けられる第１および第２バッファ部４０ａ、４０ｂと、前記第１および第２バッファ部４０ａ、４０ｂに連通する複数本の酸化剤ガス流路溝４２とを備える。
【００３５】
第１および第２バッファ部４０ａ、４０ｂは、複数本の断続流路溝やエンボス部等により構成されている。酸化剤ガス流路溝４２は、互いに平行して面１６ａ内に延在するとともに、それぞれ屈曲形成されている。
【００３６】
図４に示すように、第２セパレータ１８のアノード側電極３４に対向する面１８ａには、前記アノード側電極３４に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が形成される。燃料ガス流路４８は、燃料ガス供給側連通孔２４および燃料ガス排出側連通孔２２に近接して設けられる第１および第２バッファ部５０ａ、５０ｂと、前記第１および第２バッファ部５０ａ、５０ｂに連通する複数本の酸化剤ガス流路溝５２とを備える。
【００３７】
第１および第２バッファ部５０ａ、５０ｂは、複数本の断続流路溝やエンボス部等により構成されている。酸化剤ガス流路溝５２は、互いに平行して面１８ａ内に延在するとともに、それぞれ屈曲形成されている。
【００３８】
図１に示すように、第２セパレータ１８の面１８ａとは反対の面１８ｂには、冷却媒体流路５８が設けられる。この冷却媒体流路５８は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に平行に延在する所定本数の直線流路溝６０を設けている。直線流路溝６０の両端は、冷却媒体供給側連通孔２８と、冷却媒体排出側連通孔３０とに連通している。シール部材１９の中央部には、アノード側電極３４およびカソード側電極３６に対応して開口部６２が形成されている（図１参照）。
【００３９】
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。
【００４０】
図１に示すように、燃料電池１０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。矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給側連通孔２０に供給された酸化剤ガスは、図１および図３に示すように、第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路３８に導入される。
【００４１】
具体的には、酸化剤ガス供給側連通孔２０には、酸化剤ガス流路３８を構成する第１バッファ部４０ａが連通しており、この酸化剤ガス供給側連通孔２０から前記第１バッファ部４０ａに酸化剤ガスが供給される。第１バッファ部４０ａは、酸化剤ガス流路溝４２に連通しており、酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス流路溝４２を介して電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３６に沿って供給される。
【００４２】
一方、燃料ガスは、矢印Ａ方向に連通している燃料ガス供給側連通孔２４から燃料ガス流路４８に導入される。この燃料ガス流路４８は、図４に示すように、燃料ガス供給側連通孔２４に連通する第１バッファ部５０ａを備えており、燃料ガスは、前記第１バッファ部５０ａを介して酸化剤ガス流路溝５２に供給される。燃料ガスは、酸化剤ガス流路溝５２を流れることにより、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３４に沿って供給される。
【００４３】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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）。
【００４４】
次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、第２バッファ部４０ｂを介して酸化剤ガス排出側連通孔２６に排出される（図３参照）。同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、第２バッファ部５０ｂを介して燃料ガス排出側連通孔２２に排出される（図４参照）。
【００４５】
また、図１に示すように、冷却媒体供給側連通孔２８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５８に導入される。この冷却媒体は、直線流路溝６０に沿って鉛直上方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出側連通孔３０に排出される。
【００４６】
この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス供給側連通孔２０が、第１セパレータ１６の一端縁部上部の角部を跨いで２辺方向（矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向）にそれぞれ長尺状に延在する第１および第２直線部２０ａ、２０ｂを備えている。このため、図３に示すように、酸化剤ガス供給側連通孔２０に供給された酸化剤ガスは、第１直線部２０ａから第１バッファ部４０ａに鉛直下方向に向かって導入されるとともに、第２直線部２０ｂから前記第１バッファ部４０ａに対して水平方向に向かって導入される。
【００４７】
従って、酸化剤ガスは、第１バッファ部４０ａに異なる方向から供給される際に互いに衝突し、前記第１バッファ部４０ａ内に均一に分散される。これにより、第１セパレータ１６の面１６ａ内では、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３８の全体にわたり良好に供給することができ、実質的に前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給側連通孔２０から電極面６４（図３参照）まで導く通路の範囲が、従来構造に比べて大幅に増加し、前記電極面６４の全領域にわたって前記酸化剤ガスを均一に供給することが可能になる。このため、通路内、すなわち、酸化剤ガス流路３８内での酸化剤ガスの圧損が有効に低減され、酸化剤ガス供給用のコンプレッサ等が大型化することがなく、かつ燃料電池１０全体の薄型化が容易に図られる。
【００４８】
しかも、第１セパレータ１６の各角部を含んで前記第１セパレータ１６の４辺に酸化剤ガス供給側連通孔２０、酸化剤ガス排出側連通孔２６、燃料ガス供給側連通孔２４、燃料ガス排出側連通孔２２、冷却媒体供給側連通孔２８および冷却媒体排出側連通孔３０が設けられている。これにより、第１セパレータ１６の面内スペースが有効に利用できるとともに、前記第１セパレータ１６の電極面利用率が向上する。このため、燃料電池１０全体の小型化および軽量化が可能になるという効果が得られる。
【００４９】
さらにまた、第１セパレータ１６の電極面６４の周囲が酸化剤ガス供給側連通孔２０、酸化剤ガス排出側連通孔２６、燃料ガス供給側連通孔２４、燃料ガス排出側連通孔２２、冷却媒体供給側連通孔２８および冷却媒体排出側連通孔３０により囲まれている。従って、電極面６４が外気により直接冷却されることがなく、この電極面６４内での結露の発生を有効に阻止することができる。このため、酸化剤ガスや燃料ガス等の反応ガスの加湿水を有効に活用することが可能になるとともに、電極面６４内での結露水量を低減し、燃料電池１０の発電性能の低下を防止することができる。
【００５０】
さらに、酸化剤ガス排出側連通孔２６は、２辺方向（矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向）にそれぞれ延在する第１および第２直線部２６ａ、２６ｂを設けている。その際、燃料電池１０は、積層方向が水平方向に設定されており、図３に示すように、第１直線部２６ａは、電極面６４よりも低い位置に設定され、酸化剤ガス排出側連通孔２６に結露水が滞留しても、酸化剤ガス流路３８内が結露水で満たされることはない。これにより、結露水の排出性が向上するとともに、電極面６４内に水が蓄積することがなく、燃料電池１０の発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００５１】
なお、第２セパレータ１８側では、上記の第１セパレータ１６側と同様の効果が得られるため、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
また、第１の実施形態では、第１バッファ部４０ａ、５０ａおよび第２バッファ部４０ｂ、５０ｂは、長方形状に構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、第１バッファ部４０ａに代替して円形状の第１バッファ部４０ａａを採用してもよい。さらに、四角形の他、多角形等の種々の形状に選択可能である。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ７０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する第１セパレータ１６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〜至第８の実施形態においても、同様にその詳細な説明は省略する。
【００５４】
第１セパレータ７０では、矢印Ｂ方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔７２と燃料ガス排出側連通孔７４とが設けられる。酸化剤ガス供給側連通孔７２および燃料ガス排出側連通孔７４は、矢印Ｂ方向に長尺状に延在する第１直線部７２ａ、７４ａと、矢印Ｃ方向に長尺状に延在する第２直線部７２ｂ、７４ｂとを個別に備える。第１直線部７２ａ、７４ａと第２直線部７２ｂ、７４ｂとは、第１セパレータ７０の上下両角部で分離構成されるとともに、各角部には、補強用リブ部７６が形成される。
【００５５】
第１セパレータ７０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給側連通孔７８と酸化剤ガス排出側連通孔８０とが設けられる。燃料ガス供給側連通孔７８および酸化剤ガス排出側連通孔８０は、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向にそれぞれ長尺状に延在する第１直線部７８ａ、８０ａおよび第２直線部７８ｂ、８０ｂを個別に備える。第１直線部７８ａ、８０ａと第２直線部７８ｂ、８０ｂとは、互いに分離構成されており、第１セパレータ７０の上下両角部に対応してリブ部７６が形成される。
【００５６】
このように構成される第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、第１セパレータ７０の四隅にリブ部７６が形成されている。従って、リブ部７６により第１セパレータ７０の四隅が良好に補強され、前記第１セパレータ７０の強度が向上するという利点がある。
【００５７】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８２の正面説明図である。
【００５８】
第１セパレータ８２では、矢印Ｂ方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔８４と燃料ガス排出側連通孔８６とが設けられる。酸化剤ガス供給側連通孔８４および燃料ガス排出側連通孔８６は、矢印Ｂ方向に長尺状に延在するとともに、第１セパレータ８２の角部に向かって傾斜突起を有する第１直線部８４ａ、８６ａと、矢印Ｃ方向に長尺状に延在するとともに、前記第１セパレータ８２の角部に向かって傾斜突起を有する第２直線部８４ｂ、８６ｂとを個別に備える。第１直線部８４ａ、８６ａと第２直線部８４ｂ、８６ｂとは、第１セパレータ８２の上下両角部で分離構成されるとともに、各角部には、補強用リブ部８８が形成される。
【００５９】
第１セパレータ８２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給側連通孔９０と酸化剤ガス排出側連通孔９２とが設けられる。燃料ガス供給側連通孔９０および酸化剤ガス排出側連通孔９２は、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向にそれぞれ長尺状に延在するとともに、第１セパレータ８２のそれぞれ角部に向かって傾斜突起を有する第１直線部９０ａ、９２ａおよび第２直線部９０ｂ、９２ｂを個別に備える。第１直線部９０ａ、９２ａと第２直線部９０ｂ、９２ｂとは、互いに分離構成されており、第１セパレータ８２の上下両角部に対応してリブ部８８が形成される。
【００６０】
このように構成される第３の実施形態では、第１直線部８４ａ、８６ａ、９０ａ、９２ａおよび第２直線部８４ｂ、８６ｂ、９０ｂ、９２ｂは、それぞれ第１セパレータ８２の四隅に向かって傾斜突起を有している。このため、酸化剤ガス供給側連通孔８４、燃料ガス排出側連通孔８６、燃料ガス供給側連通孔９０および酸化剤ガス排出側連通孔９２の開口面積を拡大することができ、電極面利用率（第１セパレータ８２の平面積に対する電極面面積）が有効に向上するという効果が得られる。
【００６１】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１００の正面説明図である。
【００６２】
第１セパレータ１００では、矢印Ｂ方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔１０２と燃料ガス排出側連通孔１０４とが設けられる。酸化剤ガス供給側連通孔１０２および燃料ガス排出側連通孔１０４は、矢印Ｂ方向に長尺状に延在する第１直線部１０２ａ、１０４ａと、矢印Ｃ方向に長尺状に延在する第２直線部１０２ｂ、１０４ｂとを個別に備える。
【００６３】
第１直線部１０２ａ、１０４ａと第２直線部１０２ｂ、１０４ｂとは、第１セパレータ１００の上下両角部で分離構成されるとともに、各角部には、補強用リブ部１０５が形成される。リブ部１０５には、スタック締め付け用ボルト孔（または位置決めノック孔）としての孔部１０６が形成される。
【００６４】
第１セパレータ１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給側連通孔１０８と酸化剤ガス排出側連通孔１１０とが設けられる。燃料ガス供給側連通孔１０８および酸化剤ガス排出側連通孔１１０は、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向にそれぞれ長尺状に延在する第１直線部１０８ａ、１１０ａおよび第２直線部１０８ｂ、１１０ｂを個別に備える。
【００６５】
第１直線部１０８ａ、１１０ａと第２直線部１０８ｂ、１１０ｂとは、互いに分離構成されており、第１セパレータ１００の上下両角部に対応してリブ部１０５が形成される。リブ部１０５には、スタック締め付け用ボルト孔（または位置決めノック孔）としての孔部１０６が形成される。
【００６６】
このように構成される第４の実施形態では、第２の実施形態と同様の効果が得られる他、第１セパレータ１００の四隅に孔部１０６が形成されており、この孔部１０６を用いて燃料電池全体の締め付けや位置決め等を行うことができる。
【００６７】
図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１２０の正面説明図である。
【００６８】
第１セパレータ１２０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給側連通孔１２２と、冷却媒体供給側連通孔１２４と、燃料ガス排出側連通孔１２６とが設けられるとともに、矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給側連通孔１２８と、冷却媒体排出側連通孔１３０と、酸化剤ガス排出側連通孔１３２とが設けられる。酸化剤ガス供給側連通孔１２２および燃料ガス排出側連通孔１２６は、矢印Ｂ方向に延在する第１直線部１２２ａ、１２６ａと、矢印Ｃ方向に延在する第２直線部１２２ｂ、１２６ｂとを一体的に備える。第１直線部１２２ａ、１２６ａは、第１セパレータ１２０の略中央部に向かって比較的長尺状に構成されている。
【００６９】
燃料ガス供給側連通孔１２８および酸化剤ガス排出側連通孔１３２は、同様に矢印Ｂ方向に延在する第１直線部１２８ａ、１３２ａと、矢印Ｃ方向に延在する第２直線部１２８ｂ、１３２ｂとを一体的に備える。第１直線部１２８ａ、１３２ａは、第１セパレータ１２０の略中間部に向かって比較的長尺状に構成されている。
【００７０】
第５の実施形態では、第１直線部１２２ａ、１２６ａおよび第１直線部１２８ａ、１３２ａは、第１セパレータ１２０の略中間部に向かって比較的長尺状に構成されている。従って、酸化剤ガス供給側連通孔１２２と酸化剤ガス排出側連通孔１３２とは互いに近接して配置されるとともに、燃料ガス供給側連通孔１２８と燃料ガス排出側連通孔１２６とは互いに近接して配置され、燃料ガスの圧損を良好に低減することができるという効果が得られる。
【００７１】
図１０は、本発明に関連する燃料電池を構成する第１セパレータ１４０の正面説明図である。
【００７２】
この第１セパレータ１４０では、矢印Ｂ方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔２０と、酸化剤ガス排出側連通孔２６とが設けられるとともに、矢印Ｂ方向の他端縁部に燃料ガス供給側連通孔２４と、燃料ガス排出側連通孔２２とが設けられる。
【００７３】
第１セパレータ１４０の面１４０ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１４２が形成される。酸化剤ガス流路１４２は、酸化剤ガス供給側連通孔２０および酸化剤ガス排出側連通孔２６に近接して、すなわち、第１セパレータ１４０の矢印Ｂ方向の一端縁部の上下に位置して、第１および第２バッファ部１４４ａ、１４４ｂを備える。第１および第２バッファ部１４４ａ、１４４ｂは、複数本の酸化剤ガス流路溝１４６を介して連通しており、前記酸化剤ガス流路溝１４６は、略Ｕ字状の通路を構成している。
【００７４】
図１１は、本発明に関連する燃料電池を構成する第１セパレータ１５０の正面説明図である。
【００７５】
この第１セパレータ１５０は、上述した第１セパレータ１２０と第１セパレータ１４０とを合わせた構成であり、矢印Ｂ方向の一端縁部に酸化剤ガス供給側連通孔１２２、冷却媒体供給側連通孔１２４および酸化剤ガス排出側連通孔１３２が設けられる。第１セパレータ１５０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給側連通孔１２８、冷却媒体排出側連通孔１３０および燃料ガス排出側連通孔１２６が設けられる。
【００７６】
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第１セパレータ１６０の正面説明図である。
【００７７】
第１セパレータ１６０は、略正方形状に設定されるとともに、前記第１セパレータ１６０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給側連通孔１６２と燃料ガス排出側連通孔１６４とが設けられる。
【００７８】
酸化剤ガス供給側連通孔１６２は、矢印Ｂ方向に長尺状に延在する第１直線部１６２ａと矢印Ｃ方向に長尺状に延在する第２直線部１６２ｂとを一体的に備える。燃料ガス排出側連通孔１６４は、矢印Ｂ方向に長尺状に延在する。
【００７９】
第１セパレータ１６０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス供給側連通孔１６６と酸化剤ガス排出側連通孔１６８とが設けられる。燃料ガス供給側連通孔１６６および酸化剤ガス排出側連通孔１６８は、矢印Ｂ方向および矢印Ｃ方向にそれぞれ長尺状に延在する第１直線部１６６ａ、１６８ａおよび第２直線部１６６ｂ、１６８ｂを一体的に備える。
【００８０】
酸化剤ガス供給側連通孔１６２は、酸化剤ガス排出側連通孔１６８よりも開口断面積が大きく設定されるとともに、燃料ガス供給側連通孔１６６は、燃料ガス排出側連通孔１６４よりも開口断面積が大きく設定される。
【００８１】
第１セパレータ１６０の図示しないカソード側電極に対向する面１６０ａには、酸化剤ガス流路（反応ガス流路）１７０が形成される。酸化剤ガス流路１７０は、酸化剤ガス供給側連通孔１６２および酸化剤ガス排出側連通孔１６８に近接して設けられる第１および第２バッファ部１７２ａ、１７２ｂと、前記第１および第２バッファ部１７２ａ、１７２ｂに連通して矢印Ｂ方向に互いに並行に延在する複数本の略直線状の酸化剤ガス流路溝１７４とを備える。ここで、略直線状とは、酸化剤ガス（反応ガス）の流れ方向に沿って曲線状や波状にうねりを有するものを含む。
【００８２】
酸化剤ガス流路１７０の入口側端部位置Ｔ１は、酸化剤ガス供給側連通孔１６２の矢印Ｂ方向に向かって突出する第１直線部１６２ａの端部位置と実質的に同一位置に設定される。同様に、酸化剤ガス流路１７０の出口側端部位置Ｔ２は、酸化剤ガス排出側連通孔１６８の矢印Ｂ方向に向かって突出する第１直線部１６８ａの端部位置と実質的に同一位置に設定される。
【００８３】
このように構成される第６の実施形態では、酸化剤ガス流路１７０が第１および第２バッファ部１７２ａ、１７２ｂ間に略直線状に延在する複数本の酸化剤ガス流路溝１７４を設けている。このため、酸化剤ガス流路１７０内での酸化剤ガスの圧損が可及的に低減されるとともに、特に、電極面積が略正方形状に設定される際に、第１セパレータ１６０の外周寸法を可及的に小さく設定することができ、前記第１セパレータ１６０の保温性が向上するという利点がある。
【００８４】
さらに、酸化剤ガス流路１７０の入口側端部位置Ｔ１が、酸化剤ガス供給側連通孔１６２の前記酸化剤ガス流路１７０に向かって突出する第１直線部１６２ａの端部位置と実質的に同一位置に設定されている。ここで、第１直線部１６２ａの端部が、酸化剤ガス流路１７０の入口側端部位置Ｔ１よりも前記酸化剤ガス流路１７０の内方に突出していると（図１２中、ニ点鎖線参照）、この端部から前記酸化剤ガス流路１７０内に酸化剤ガスが流れないおそれがある。
【００８５】
従って、第１直線部１６２ａの端部位置が、酸化剤ガス流路１７０の入口側端部位置Ｔ１と同一位置に設定されることにより、前記酸化剤ガス流路１７０の幅方向（酸化剤ガス流路溝１７４の流れ方向に直交する方向）に対して酸化剤ガスを均一に流すことができ、良好な発電機能を確保することが可能になる。
【００８６】
一方、酸化剤ガス排出側連通孔１６８においても同様に、第１直線部１６８ａの端部位置が、酸化剤ガス流路１７０の出口側端部位置Ｔ２と実質的に同一位置に設定される。これにより、酸化剤ガス流路１７０から酸化剤ガス排出側連通孔１６８全体にわたって酸化剤ガスが円滑に排出される。
【００８７】
さらにまた、酸化剤ガス供給側連通孔１６２は、酸化剤ガス排出側連通孔１６８よりも開口断面積が大きく設定されている。この酸化剤ガス排出側連通孔１６８の近傍では、酸化剤ガスが消費されて流量が減少している。このため、酸化剤ガス排出側連通孔１６８の開口断面積を酸化剤ガス供給側連通孔１６２よりも小さく設定することによって、酸化剤ガスの円滑な流れが可能になる。
【００８８】
同様に、燃料ガス供給側連通孔１６６は、燃料ガス排出側連通孔１６４よりも開口断面積が大きく設定されており、消費されて流量が減少した燃料ガスを前記燃料ガス排出側連通孔１６４に円滑に排出することができる。その際、排出される燃料ガスの流量が酸化剤ガスに比べて相当に少なくなっており、燃料ガス排出側連通孔１６４の開口断面積を可及的に小さく設定することができる。
【００８９】
なお、第１〜第６の実施形態では、酸化剤ガスおよび燃料ガスである反応ガスの流れ方向が上方から下方に向かって設定されているが、これとは逆に前記反応ガスを下方から上方に向かって流すように構成してもよい。
【００９０】
また、積層方向を水平方向に設定しているが、この積層方向を鉛直方向に設定してもよい。
【００９１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、少なくとも反応ガスの供給または排出用の連通孔が、セパレータの２辺方向に延在する第１および第２直線部を備えているため、反応ガスは異なる方向から反応ガス流路に供給される際に互いに衝突し、前記反応ガス流路内に均一に分散される。このため、電極面に対して反応ガスを均一かつ確実に供給することが可能になる。しかも、反応ガスを連通孔から電極面まで導く通路の範囲が、従来構造に比べて大幅に増加する。従って、通路内での反応ガスの圧損が有効に低減され、反応ガスを供給するコンプレッサ等が大型化することなく、かつセル構造の薄肉化が容易に図られる。
【００９２】
しかも、セパレータの角部を含んで前記セパレータの周辺に連通孔が配置されるため、前記セパレータの電極面利用率が有効に向上する。これにより、燃料電池全体の小型化および軽量化が可能になる。
【００９３】
また、セパレータの周辺に配置された連通孔を介して電極面が囲まれており、前記電極面が外気により直接冷却されることがなく、該電極面内での結露の発生を阻止することができる。このため、電極面内の結露水量を低減して発電性能の低下を防止することが可能である。
【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の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面図である。
【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セパレータの正面説明図である。
【図５】円形のバッファ部を設けた前記第１セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る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７】本発明の第３の実施形態に係る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８】本発明の第４の実施形態に係る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９】本発明の第５の実施形態に係る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１０】本発明に関連する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１１】本発明に関連する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１２】本発明の第６の実施形態に係る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１３】特許文献１に係るセパレータの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体
１６、１８、７０、８２、１００、１２０、１４０、１５０、１６０…セパレータ
１９…シール部材
２０、７２、８４、１０２、１２２、１６２…酸化剤ガス供給側連通孔
２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ、７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ、７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ、８４ａ、８４ｂ、８６ａ、８６ｂ、９０ａ、９０ｂ、９２ａ、９２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、１６２ａ、１６２ｂ、１６６ａ、１６６ｂ、１６８ａ、１６８ｂ…直線部
２２、７４、８６、１０４、１２６、１６４…燃料ガス排出側連通孔
２４、７８、９０、１０８、１２８、１６６…燃料ガス供給側連通孔
２６、８０、９２、１１０、１３２、１６８…酸化剤ガス排出側連通孔
２８、１２４…冷却媒体供給側連通孔
３０、１３０…冷却媒体排出側連通孔
３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極
３６…カソード側電極
３８、１４２、１７０…酸化剤ガス流路
４０ａ、４０ａａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂ、１４４ａ、１４４ｂ、１７２ａ、１７２ｂ…バッファ部
４２、５２、１４６、１７４…酸化剤ガス流路溝
４８…燃料ガス流路
７６、８８、１０５…リブ部
１０６…孔部

Claims

電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体と、前記電解質・電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備え、前記電解質・電極構造体に対向するセパレータ面内に形成された反応ガス流路に、少なくとも酸化剤ガスまたは燃料ガスである反応ガスを供給および排出するため、前記セパレータに積層方向に貫通して反応ガス供給側連通孔および反応ガス排出側連通孔が設けられた燃料電池であって、
前記セパレータの平面形状は略四角形に設定されるとともに、
少なくとも一方の前記反応ガス供給側連通孔と一方の前記反応ガス排出側連通孔とは、前記セパレータの対角位置のそれぞれの角部を跨いで設けられ、
少なくとも前記反応ガス供給側連通孔は、前記セパレータの角部を跨いで２辺方向にそれぞれ長尺状に延在する第１および第２直線部を備え、前記第１および第２直線部から前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが互いに衝突するとともに、
前記セパレータの前記角部には、前記反応ガス流路と前記反応ガス供給側連通孔および前記反応ガス排出側連通孔とを連通する入口側バッファ部および出口側バッファ部が設けられ、前記反応ガス流路は、前記入口側バッファ部と前記出口側バッファ部との間に独立した複数の流路溝を有す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、前記第１直線部と前記第２直線部とは、前記セパレータの前記角部を挟んで互いに離間することにより、該第１および第２直線部間にリブ部が設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項２記載の燃料電池において、前記リブ部には、スタック締め付けボルトまたは位置決めノックを挿入するための孔部が形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータには、冷却媒体を供給および排出するために積層方向に貫通して冷却媒体供給側連通孔および冷却媒体排出側連通孔が設けられるとともに、
前記反応ガス供給側連通孔、前記反応ガス排出側連通孔、前記冷却媒体供給側連通孔および前記冷却媒体排出側連通孔は、前記電解質・電極構造体の電極面を囲繞して延在することを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとは、水平方向に積層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、前記セパレータの平面形状は略正方形に設定されるとともに、
前記セパレータ面内には、少なくとも一方の前記反応ガス供給側連通孔と一方の前記反応ガス排出側連通孔とに近接して入口バッファ部と出口バッファ部とが設けられ、
前記反応ガス流路は、前記入口バッファ部と前記出口バッファ部との間に略直線状に設けられることを特徴とする燃料電池。
請求項６記載の燃料電池において、少なくとも前記反応ガス流路の入口側端部位置または出口側端部位置は、少なくとも前記反応ガス供給側連通孔または前記反応ガス排出側連通孔の前記反応ガス流路に向かって突出する端部位置と実質的に同一位置に設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス供給側連通孔は、前記反応ガス排出側連通孔よりも開口断面積が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。