JPH07302602A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスシール性が高くしかも、歪みが起こりに
くく、作製工程の簡単な燃料電池を提供することを目的
とする。 【構成】 ガス分離板８、１１のガス出入り口端部及び
その近傍に設けられたガス通過部材１０、１３は、セル
またはジムと対面する表面が、ガス出入り口端部の反応
ガス流れ方向に対して垂直な方向に渡って連続した平坦
な平面に形成されているので、電池を組み立てた際に燃
料電池の端部でシールを行なうシム５やセルの構成部材
がセパレータ６、７とガス通路部材１０、１３とによっ
て均一に押圧され波打つことがなくなる。その上、ガス
分離板８、１１、チャンネル部材９、１２、ガス通路部
材１０、１３はそれぞれ別体であり、ガス分離板８、１
１とチャンネル部材９、１２とが一体形成されたものよ
り平面性が出し易い。また、ガス分離板８、１１、チャ
ンネル部材９、１２、ガス通路部材１０、１３はそれぞ
れ別体であり、各部材が比較的単純な形状なので作製が
容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に関し、詳しく
はそのガスシール性の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は天然ガス，メタノール，石炭
ガス等の燃料を改質して得られる水素と，空気中の酸素
とから電気エネルギーを発生させる装置である。この燃
料電池は、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動
エネルギーの過程を経ない直接発電であるので、小規模
でも高い発電効率が期待でき、しかも、発電に伴って発
生する熱が給湯や冷暖房として利用しやすいので、これ
により総合エネルギー効率を高めることができる。

【０００３】さらに、窒素化合物等の排出が少なく、騒
音や振動も小さいので環境性が良い。このように、燃料
電池発電は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用で
き、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を
担う都市型のエネルギー供給システムとして期待され、
宇宙用から自動車用まで、大規模発電から小規模発電ま
で、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電シス
テムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化
している。

【０００４】上記燃料電池は、例えば、図９に示すよう
に、電解質マトリックス８１を介してカソード８２及び
アノード８３を配したセル部分を有し、カソード８２及
びアノード８３の他面側には反応ガスの通路となるチャ
ンネル部材８４、８５と、ガス分離板８６、８７とから
なるセパレータ８８、８９がそれぞれ積層されている。
さらに、電解質マトリックス８１と、セパレータ８８、
８９との間の空隙部で上記カソード８２及びアノード８
３の外周側には反応ガスをシールするためのシム９０、
９１が配されており、電解質マトリックス８１とシム９
０、９１によって電池のガスシール性が確保された構造
となっている。

【０００５】上記したチャンネル部材８４はガス分離板
８６の凹部に設けられており、チャンネル部材８４のガ
ス入口端部８４ａ、ガス出口端部８４ｂは、それぞれガ
ス分離板８６のガス入口側端部８６ａ及びガス出口端部
８６ｂに位置しており、チャンネル部材８４のセル側表
面にはガス入口端部８４ａからガス出口端部８４ｂに渡
って設けられた複数本の溝が形成されており、この溝を
通過してガスの給排が行なわれる。

【０００６】チャンネル部材８５についても、チャンネ
ル部材８４と同様にガス分離板８７の凹部に設けられて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の電池では、以下のような問題が生じる。上記したシ
ム９０、９１、電解質マトリックス８１カソード８２及
びアノード８３は可撓性であるため、燃料電池を組み立
てた際に、チャンネル部材８４、８５の溝に合わせて波
打った状態になる。このような波打った状態が燃料電池
端部に生じると、例えば、図１０に示すように、ガス分
離板８７と、シム９１との間に隙間９２が生じてしまう
（図１０には、カソード側のチャンネル８４により部材
が波打った場合の例を示す）。このような隙間９２が端
部に生じた状態で、外部マニホールドからカソード８２
に反応ガスが供給されると、本来ならば、カソード８２
側のみに供給されるべき反応ガスが、隙間９２から対極
であるアノード８３側にも流入してしまう。また、逆に
この隙間９２からアノード８３側に流れている反応ガス
が漏れ出し反応ガスの混合が起こってしまう。

【０００８】つまり、一方の電極側のチャンネル部材の
溝により端部のシールを行なっている部材の波打ちがお
こり、対極側のシール性を低下させてしまうことになる
のである。このような問題点を解決するために、特開昭
５４−１５４０４６に開示された燃料電池では、図１１
に示すようなガス給排用の溝を端部だけトンネル構造に
したバイポーラプレートが用いられている。このバイポ
ーラプレートであれば、反応ガス出入り口となる端部の
電極方向の面が平面なので、上記したように燃料電池を
組み立てた際に端部でシムや電極が波打つことなく、ガ
スシール性は向上する。

【０００９】しかしながら、上記のように、ガス分離板
とチャンネル部材が一体となっているバイポーラプレー
トは、プレート自体の平面性が出にくい。燃料電池は複
数個のセルを積層させて組み立てるので、各部材の歪み
が積層していくうちに大きな歪みとなってしまう。ま
た、特開昭５４−１５４０４６に開示されたバイポーラ
プレートの作製は、平坦な板の一部に溝を作製し、さら
にこの溝と連通した穴を設けなければならず、作製工程
が複雑であるという問題がある。

【００１０】本発明は、上記問題に鑑み行なわれたもの
であり、ガスシール性が高くしかも、歪みが起こりにく
く、作製工程の簡単な燃料電池を提供することを目的と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明では、反応ガスが通過する溝を
有するチャンネル部材と、前記チャンネル部材を両主表
面または一方の主表面に有するガス分離板とを組み合わ
せてなるセパレータと、電解質を含浸させた電解質マト
リックスを介してアノード及びカソードを配したセルと
を有し、上記セルとセパレータとが交互に積層されてお
り、上記セルを挟持する２つのセパレータの間にガスを
シールするシムが設けられた燃料電池において、前記ガ
ス分離板のガス出入り口端部及びその近傍のチャンネル
部材が欠除され、この欠除した部分にはガス通過部材が
チャンネル部材とは間隔を置いて設けられると共に、前
記ガス通過部材は、セル、または、シムと対向する表面
が上記チャンネル部材の凸部のセル側上面と面一であ
り、且つ、ガス出入り口端部を通過する反応ガス流れ方
向に対して垂直な方向に渡って連続した平坦な平面に形
成され、一方ガス通過部材の内部には、燃料電池外部と
チャンネル部材側とを連通するガス流通用の穴或いは溝
が設けられていることを特徴とする。

【００１２】また、請求項２記載の発明では、反応ガス
が通過する溝が形成されたチャンネル部材を有するガス
分離板と、ガス流通用の溝が形成されたガス通過部材
と、電解質を含浸させた電解質マトリックスを介してア
ノード及びカソードが配置されたセルと、ガスをシール
する絶縁性シムとを有する燃料電池であって、上記ガス
分離板に、上記ガス通過部材が配置され、セパレータを
構成しており、上記セルと上記セパレータとは上記絶縁
性シムを介して、積層されており、上記ガス分離板の上
記チャンネル部材において、ガス入口端部もしくは出口
端部と、上記ガス通路部材とが、ガスの出入口方向にお
いて、所定の間隔をおいて配置されており、上記ガス通
路部材のシム、または、セルと対向する表面は平坦な平
面であり、その高さはチャンネル部材の凸部の上面と一
致していることを特徴とする。

【００１３】

【作用】ガス分離板のガス出入り口端部及びその近傍に
設けられたガス通過部材は、セルまたはシムと対面する
表面が、ガス出入り口端部の反応ガス流れ方向に対して
垂直な方向に渡って連続した平坦な平面に形成されてい
るので、電池を組み立てた際に燃料電池の端部でシール
を行なうシムやセルの構成部材がセパレータとガス通路
部材とによって均一に押圧され波打つことがなくなる。

【００１４】その上、ガス分離板、チャンネル部材、ガ
ス通路部材はそれぞれ別体であり、ガス分離板とチャン
ネル部材とが一体形成されたものより平面性が出し易
い。また、ガス分離板、チャンネル部材、ガス通路部材
はそれぞれ別体であり、各部材が比較的単純な形状なの
で作製が容易である。さらに、ガス通過部材とチャンネ
ル部材とは間隔を置いて設けられているので、ガス通路
部材がチャンネル部材のガス出入り口の開口度を小さく
することがなく、反応ガス供給がスムーズに行なわれ
る。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例について図面を参照しなが
ら以下に説明を行なう。尚、図１は本実施例の燃料電池
単セルの要部分解斜視図であり、図２は組立後の単セル
の斜視図であり、図３はカソード側チャンネル及びその
周辺の部材を示す図であり、図４は図２に示す単セルの
矢印方向の側面図であり、図５はアノード側チャンネ
ル及びその周辺の部材を示す図であり、図６は図２に示
す単セルの矢印方向の側面図であり、図７は図２のI-
I 断面であり、図８は図２のII-II 断面である。

【００１６】図１に示されるように、燃料電池の単セル
では、電解液を含浸させた電解質マトリックス１の一方
の主表面にはカソード２が配され、他方の主表面にはア
ノード３が配され、当該カソード２、アノード３の他面
側には、セパレータ６、７が配されている。さらに、前
記カソード２及びアノード３の外周側で、且つ電解質マ
トリックスとセパレータ６、７の間には、ガスシール用
のカソードシム４、アノードシム５がそれぞれ配されて
いる。

【００１７】上記構成の単セルを組み立てた状態は、図
２のようになり、酸化剤ガス（図中実線で示す）、燃料
ガス（図中破線で示す）がそれぞれ図示しない外部マニ
ホールドにより各電極に供給され発電が行なわれる。上
記セパレータ６は、図１、３に示すようにガス分離板８
と、酸化剤ガスが通過する複数本の溝を有したカソード
側チャンネル部材９と、カソード側チャンネル部材９の
ガス出口端部９ａとガス出口端部９ｂ方向に設けられた
酸化剤ガス通路部材１０とを有している。

【００１８】前記ガス分離板８のカソード２方向の面に
は酸化剤ガス流れに沿った凹部が設けられており、この
凹部にカソード側チャンネル部材９が設けられている。
但し、このカソード側チャンネル部材９のガス入口端部
９ａ、ガス出口端部９ｂはガス分離板８のガス出入り口
端部８ｂより内側に位置しており、このアノード側チャ
ンネル９が欠除した部分に、カソード側チャンネル部材
９と所定の間隔Ａを開けて酸化剤ガス通路部材１０が設
けられている。

【００１９】上記カソード側チャンネル部材９は、その
ガス入口端部９ａからガス出口端部に渡った溝を有して
おり、この溝はカソード２側に開口している。さらに溝
と溝との境となっている凸部の上面がガス分離板８の凹
部両端の凸部８ａの上面と面一になっている。また、上
記酸化剤ガス通路部材１０は、図１、４に示すように上
記カソード側チャンネル部材９のガス出入り口部分を丁
度反転させた構成であり、酸化剤ガス通路部材１０のシ
ム４と対向する側の面は、上記カソード側チャンネル部
材９の凸部の上面と面一で、且つ、ガス分離板８の一方
の凸部から他方の凸部に渡った平坦な平面から構成され
ている。さらに、酸化剤ガス通路部材１０の内部には、
単セル外部とカソード側チャンネル部材９側の空間とを
連通させる溝が、ガス分離板８側に開口した状態で設け
られており、この溝を通過して酸化剤ガスがカソード側
チャンネル部材９方向に供給される。

【００２０】一方、セパレータ７は、図１、５に示すよ
うに、ガス分離板１１と、酸化剤ガスが通過する複数本
の溝を有したアノード側チャンネル部材１２と、アノー
ド側チャンネル部材１２のガス入り口端部１２ａ、ガス
出口端部１２ｂ方向に設けられた燃料ガス通路部材１３
とを有している。上記ガス分離板１１のアノード３側の
面には、図１、５に示されるように燃料ガスの出入り口
となる部分が切りかかれた状態で凹部が設けられてい
る。このガス分離板１１の凹部には、上記アノード側チ
ャンネル部材１２が設けられている。但し、このアノー
ド側チャンネル部材１２も上記したカソード側チャンネ
ル部材９と同様に燃料ガス入口端部１２ａ、燃料ガス出
口端部１２ｂが、ガス分離板１１のガス出入り口端部１
１ｂより内側に位置しており、このアノード側チャンネ
ル部材１２が欠除した部分に、アノード側チャンネル部
材１２と所定の間隔Ｂを開けて燃料ガス通路部材１３が
設けられている。

【００２１】上記アノード側チャンネル部材１２は、中
央部１２１とガス入口側１２０及び出口側１２２とでは
ガスの流れる方向が異なっており、ガス入口側１２０及
び出口側１２２の溝は、燃料ガス通路に供給されるの流
れと平行な方向に設けられ、ガス入口側１２０と出口側
１２２の溝とを連結する中央部１２１の溝は、ガス入口
側１２０と出口側１２２の溝に対して垂直方向に設けら
れ、さらにアノード側チャンネル部材１２中を燃料ガス
が均一に流れるようになっている。

【００２２】さらに、アノード側チャンネル部材１２
は、溝と溝との境となっている凸部の上面が、上記ガス
分離板１１の凹部の周囲にあるＬ字上の凸部上面と面一
になっている。また、燃料ガス通路部材１３は、図６に
示すように、上記アノード側チャンネル部材１２のガス
出入り口部分を丁度反転させた構成であり、この燃料ガ
ス通路部材１３のアノードシム５と対向する側の面は、
アノード側チャンネル部材１２の凸部上面と面一で、且
つ、ガス分離板１１のガス出入り口にある一方の凸部か
ら他方の凸部に渡った平坦な平面から構成されている。
さらに、燃料ガス通路部材１３の内部には、単セル外部
とアノード側チャンネル部材１２側の空間とを連通させ
る溝がガス分離板１１側に開口した状態で設けられてお
り、この溝を通過して燃料ガスがアノード側チャンネル
１１方向に供給される。

【００２３】上記構成の燃料電池の組立を行なうと、図
２、７、８に示すように、セパレーヤ６、７のセル側の
面の外周には、電解質マトリックス１、カソードシム４
及びアノードシム５が配された状態になり、この電解質
マトリック１、カソードシム４及びアノードシム５とに
よってガスがシールされる。この際に、ガス分離板８、
１１の凸部８ａ、１１ａの上面、酸化剤ガス通路部材１
０のカソードシム４と対向する面及び燃料ガス通路部材
１３のアノードシム５と対向する面は、平坦な平面なの
で、燃料電池のシールをおこなっている電解質マトリッ
ク１、カソードシム４及びアノードシム５がガス分離板
８、１０と各ガス通路１０、１３とで均一に押圧され、
燃料電池端部では波打つことはない（図４、図６参
照）。

【００２４】尚、上記したように酸化剤ガス通路部材１
０とカソード側チャンネル部材９とは所定の距離を開け
て設けられているので、酸化剤ガス通路部材１０の溝の
底面７ａからシム４と対向する面７ｂ迄の厚みｍによっ
てカソード側チャンネル部材９のガス出入り口の開口度
が小さくなることはなくスムーズにガス供給が行なわれ
る（図７参照）。

【００２５】これは、アノード側チャンネル部材１２と
燃料ガス通路部材１３の場合も同様である。（その他の
事項） ガス供給方向は、上記実施例に限るものではなく、酸
化剤ガスと燃料ガスとを同方向から供給する構造等にし
てもよい。 上記実施例では、カソード、アノードとも電解質マト
リックスより小さくその外周がわにシムが設けられる構
成になっているが、これに限ることはなく、例えば、カ
ソードが酸化剤ガス通路部材１０のガス入口側端部から
ガス出口側端部まで、設けられており、帯状のシムが８
ａ上に設けられているような構成にしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、ガス分離板のガス
出入り口端部に設けられたガス通過部材は、そのセル側
面が、ガス出入り口端部の反応ガス流れ方向に対して垂
直な方向に渡って連続した平坦な平面であるので、燃料
電池の端部でガスシールを行なう部材が波打つことがな
く、ガスシール性が向上するという効果を奏する。

【００２７】また、ガス分離板、チャンネル部材、ガス
通路部材はそれぞれ別体であるので、平面性が出しやす
く、歪みのない燃料電池を作製できるという効果を奏す
る。さらに、ガス分離板、チャンネル部材、ガス通路部
材はそれぞれ別体であり、各部材が比較的単純な形状な
ので作製が容易になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例にかかるの燃料電池単セルの要部
分解斜視図である。

【図２】組立後の単セルの斜視図である。

【図３】セパレータのカソード側の面を示す図である。

【図４】図２に示す単セルの矢印方向の側面図であ
る。

【図５】セパレータのアノード側の面を示す図である。

【図６】図２に示す単セルの矢印方向の側面図であ
る。

【図７】図２に示す単セルのI-I 断面図である。

【図８】図２に示す単セルのII-II 断面図である。

【図９】従来の燃料電池の要部分解斜視図である。

【図１０】従来の燃料電池の端部側面図である。

【図１１】従来の燃料電池のバイポーラプレートを示す
図である。

【符号の説明】

１ 電解質マトリックス ２ カソード ３ アノード ４ カソードシム ５ アノードシム ６ カソード側チャンネル ７ 酸化剤ガス通路 ８ ガス分離板 ９ アノード側チャンネル １０ 燃料ガス通路 １１ ガス分離板１１

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉本 保則 守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応ガスが通過する溝を有するチャンネ
   ル部材と、前記チャンネル部材を両主表面または一方の
   主表面に有するガス分離板とを組み合わせてなるセパレ
   ータと、 電解質を含浸させた電解質マトリックスを介してアノー
   ド及びカソードを配したセルとを有し、 上記セルとセパレータとが交互に積層されており、上記
   セルを挟持する２つのセパレータの間にガスをシールす
   るシムが設けられた燃料電池において、 前記ガス分離板のガス出入り口端部及びその近傍のチャ
   ンネル部材が欠除され、この欠除した部分にはガス通過
   部材がチャンネル部材とは間隔を置いて設けられると共
   に、前記ガス通過部材は、セル、または、シムと対向す
   る表面が上記チャンネル部材の凸部のセル側上面と面一
   であり、且つ、ガス出入り口端部を通過する反応ガス流
   れ方向に対して垂直な方向に渡って連続した平坦な平面
   に形成され、一方ガス通過部材の内部には、燃料電池外
   部とチャンネル部材側とを連通するガス流通用の穴或い
   は溝が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 反応ガスが通過する溝が形成されたチャ
   ンネル部材を有するガス分離板と、 ガス流通用の溝が形成されたガス通過部材と、 電解質を含浸させた電解質マトリックスを介してアノー
   ド及びカソードが配置されたセルと、 ガスをシールする絶縁性シムとを有する燃料電池であっ
   て、 上記ガス分離板に、上記ガス通過部材が配置され、セパ
   レータを構成しており、 上記セルと上記セパレータとは上記絶縁性シムを介し
   て、積層されており、上記ガス分離板の上記チャンネル
   部材において、ガス入口端部もしくは出口端部と、上記
   ガス通路部材とが、ガスの出入口方向において、所定の
   間隔をおいて配置されており、 上記ガス通路部材のシム、または、セルと対向する表面
   は平坦な平面であり、その高さはチャンネル部材の凸部
   の上面と一致していることを特徴とする燃料電池。