燃料電池および燃料電池の製造方法
【課題】フラッティングを抑制する燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１１と、水素流路１７を有するアノードセパレータ１９と、空気流路１８を有するカソードセパレータ２０と、冷媒流路２１を有する燃料電池スタック１において、アノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０のうち少なくともどちらか一方を導電部１９ａ、２０ａと絶縁部１９ｂ、２０ｂによって構成し、水素流路１７または空気流路１８を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど、絶縁部１９ｂ、２０ｂの厚さを厚くする。
【解決手段】電解質膜１１と、水素流路１７を有するアノードセパレータ１９と、空気流路１８を有するカソードセパレータ２０と、冷媒流路２１を有する燃料電池スタック１において、アノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０のうち少なくともどちらか一方を導電部１９ａ、２０ａと絶縁部１９ｂ、２０ｂによって構成し、水素流路１７または空気流路１８を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど、絶縁部１９ｂ、２０ｂの厚さを厚くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特にガス流路の伝熱性能を調節する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、例えばプロトン伝導性を有する高分子電解質膜とこれを狭持するように配置されたアノードおよびカソードとからなる単セルを複数個積層した燃料電池本体（スタック）を備える。アノード側ガス流路には燃料としての水素を、水素供給源として例えば高圧の水素ボンベから供給し、カソード側ガス流路には酸化剤としての空気を例えばコンプレッサもしくはブロアを介して大気より供給している。アノード、カソードにはそれぞれの極において反応を促進するためにＰｔ等の貴金属を主とした触媒層を備える。
【０００３】
アノードでは以下の反応を生じて、燃料としての水素がプロトンと電子に分離される。
【０００４】
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- 式（１）
プロトンは高分子電解質の内部を拡散してカソードに到達し、電子は外部回路を流れ燃料電池出力として取り出される。
【０００５】
カソードにおいては、アノードから高分子電解質中を拡散してきたプロトン、アノードから外部回路を通じて移動してきた電子、および空気中の酸素がカソードの触媒層中に形成されている三相界面上で以下の反応を生じて水を生成する。
【０００６】
カソード：１/２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ 式（２）
高分子電解質膜は、プロトン一分子に複数の水分子を伴うことにより良好なプロトン伝導性を発揮することは公知であり、電解質が良好なプロトン導電性を保つためには燃料ガス、酸化剤ガスの少なくとも一方を適度に加湿する必要がある。しかしながら、ガス中の水分や式（２）の反応に伴って生成される水分子はガス拡散層のガス透過通路を閉塞する要素となり、式（１）、（２）の反応項成分と触媒との気固接触反応を妨害する要因となっている。
【０００７】
また、従来の燃料電池のガス流路はカーボンもしくは金属等を加工して成型されており、セパレータにおいてガス流路はガス流れ方向でガス流速が均一になるように加工されている。
【０００８】
このような構成において、発電により供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスが消費されると、供給されるガスはセパレータを介して冷媒流路に供給される冷却媒体と熱交換される。そのため、ガス流路入口に対して相対的に流路出口方向はガス湿度が高くなり、かつ、ガス流速が遅くなるのでガス流れの慣性で生成された水を除去するのが難しくなる。
【０００９】
これに対して、燃料ガスおよび酸化剤ガス流路のガス通路の深さを入口側と比較して相対的に出口側が浅くなるように、あるいはガス通路の幅を入口側と比較して相対的に出口側が狭くなるように構成することにより、出口付近のガス流速を増大させることによりガス拡散性を向上し、フラッディングを解消しているものが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ガス流路の深さを変化させることで、アノードおよびカソードのセパレータ背面を電解質に対して平行に設置できないためスタックを構成する際に、応力の集中によりセパレータが劣化する可能性がある。または、セパレータ厚さを全体的に一定としてガス流路の深さを変化させた場合、セパレータの構成部材の厚さが不均一となるため、セパレータが劣化する可能性がある。
【００１１】
また、ガス流路幅を変化させた場合、セパレータと電極との接触面積が不均一となるため、スタックを構成する際の応力集中や、燃料漏れが生じる可能性がある。
【００１２】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、性能低下を抑制しつつ、ガス拡散性を向上した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、燃料電池を冷却する冷却水が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池において、第１セパレータまたは第２セパレータのうち少なくともどちらか一方は、導電性の第１部材と前記導電性部材よりも熱伝導性の低い第２部材で構成され、燃料電池の発電時に燃料ガス流路または酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど、第２部材の厚さを厚くする。
【００１４】
また、アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、燃料電池を冷却する冷却水が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池の製造方法において、第１セパレータと第２セパレータを燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の背面が冷媒流路となるように接合する行程と、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または冷媒流路の少なくとも１つの流路の電解質液を接触させる時間を制御し、陽極酸化法によって酸化被膜を形成する行程と、からなり、燃料電池の発電時に燃料ガス流路または酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど酸化被膜の厚さを厚くする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、燃料電池の空気流路または水素流路内で水によって流路を塞ぐ可能性が高い箇所の熱伝導性を低くし、流路内の温度を高くして、燃料電池から排出されるガス中の水量を多くすることができるので、流路内のフラティングを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の第１実施形態による燃料電池スタック１の構成を図１を用いて説明する。なお、図１には便宜的に燃料電池スタック１を一つの燃料電池２で示すが、複数の燃料電池２を積層し、積層方向に圧力を掛けてスタッキングすることにより燃料電池スタック１を構成する。
【００１７】
燃料電池２は、電解質膜１１と、電解質膜１１の主面に形成されたアノード触媒層１２、カソード触媒層１３と、さらにその外側に配置された多孔質材よりなるアノードガス拡散層１４とカソードガス拡散層１５とからなる膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１６を備える。電解質膜１１としては、水素を透過するものであればよいが、ここではパーフルオロスルホン酸の膜を用いる。また、触媒層１２、１３としては白金担持カーボンを用いる。さらに、アノードガス拡散層１４またはカソードガス拡散層１５としては、水素または空気の反応ガスを拡散する多孔質材であれば良いが、ここではカーボンペーパを用いる。
【００１８】
さらに、ＭＥＡ１６の外側には、ＭＥＡ１６に対峙する面に水素流路（燃料ガス流路）１７を有するアノードセパレータ（第１セパレータ）１９と、空気流路（酸化剤ガス流路）１８を有するカソードセパレータ（第２セパレータ）２０を備える。なお、水素流路１７と空気流路１８をそれぞれ複数の直線の溝により構成する。
【００１９】
アノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０の水素流路１７、空気流路１８を設けた面の背面に、複数の溝よりなる冷媒流路２１を備える。なお、この限りではなく、冷媒流路２１をアノードセパレータ１９、またはカソードセパレータ２０のどちらか一方に設けても良く、さらには冷媒流路２１を構成する他の構成部材を備えても良い。冷媒流路２１には冷却水が供給されるが、これに限られず、燃料電池２を冷却するものであればよい。
【００２０】
また、電解質膜１１の縁部に沿って絶縁性樹脂のエッジシール部２２を備え、反応ガスの漏洩を抑制する。
【００２１】
アノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０は電気抵抗の小さいアルミニウムクラッド材を用い、特にカソードセパレータ２０はアルミニウムクラッド材で構成する導電部（第１部材）２０ａとし、導電部２０ａよりも熱導電性の低い絶縁部（第２部材）２０ｂから構成される。
【００２２】
なお、アノードセパレータ１９は電気抵抗が小さく比較的加工が容易な炭素部材を用いても良く、カソードセパレータ２０は導電部２０ａとして炭素部材を用い、絶縁部２０ｂに絶縁性セラミックスを用いても良い。
【００２３】
次にカソードセパレータ２０について図２を用いて説明する。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
カソードセパレータ２０は、導電部２０ａと絶縁部２０ｂによって形成する空気流路１８を有する。導電部２０ａに構成された溝は空気が供給される空気入口近傍から空気出口近傍にかけて徐々に深くなるように傾斜を付けて形成され、絶縁部２０ｂは空気が供給される空気入口近傍から空気出口近傍にかけて溝の傾斜と逆傾斜となるように徐々に厚さを厚くして構成する。空気流路１８が空気出口近傍となるにつれて絶縁部２０ｂの厚さが厚くなるが、カソードセパレータ２０の厚さは空気流路１８に沿って一定となる。つまり、空気流路１８の流路断面積は空気流路１８の上流、下流にかかわらず一定である。ここでは空気流路１８の流路断面積を一定としたが、これに限られず、例えば出口近傍の流路断面積を小さくしてもよい。
【００２５】
絶縁部２０ｂは導電部２０ａに設けた溝の全壁面に設けられる。つまり空気流路１８は絶縁部２０ｂによって覆われている。なお、空気入口近傍では導電部２０ａの溝に絶縁部２０ｂを設けずに、導電部２０ａのみによって空気流路１８を構成しても良い。
【００２６】
また、絶縁部２０ｂはカソードガス拡散層１５と導電部２０ａが電気的に接続し、燃料電池１の発電効率を低くしないように、つまりカソードガス拡散層１５と導電部２０ａの接触面積が十分に確保できるように設けられる。
【００２７】
以上の構成によってフラッディングが生じやすい空気流路１８の出口近傍において、導電部２０ａよりも熱伝導性の低い絶縁部２０ｂを空気流路１８の入口近傍よりも空気流路１８と冷媒流路２１間で厚くすることにより空気流路１８から冷媒流路２１（導電部２０ｂ）への伝熱量を小さくすることができ、空気流路１８の出口近傍の酸化剤ガス温度を高くすることで、水の凝縮を防止しフラッディングを抑制することができる。
【００２８】
次にセパレータ（アノードセパレータ１９、カソードセパレータ２０）の製造方法について図３のフローチャートと図４の工程図を用いて説明する。
【００２９】
ステップＳ１００では、ろう材面３０にＪＩＳＡ４３４３を用い、母材３１としてＪＩＳＡ１０５０を用いてアルミニウムクラッド材３２（導電部２０ａ）を構成する（図４（ａ））。
【００３０】
ステップＳ１０１では、アルミニウムクラッド材３２を燃料電池１で使用するセパレータの形状にプレス成型し、水素流路１７、空気流路１８、冷媒流路２１の溝を成型する（図４（ｂ））。
【００３１】
ステップＳ１０２では、２枚のアルミニウムクラッド材３２のろう材面３０同士を向かい合わせて、ろう材面３０にアルミナ酸化被膜と化学反応を起こしてアルミナ酸化被膜を破壊するフラックス剤を接合面に塗布後、電気炉内にて６２０℃で１０分間加熱する。これによってろう材面３０を溶接し、ろう材面３０によって冷媒流路２１を形成する（図４（ｃ））。
【００３２】
ステップＳ１０３では、空気流路１８に４ｗｔ％シュウ酸溶液を電解液として用いて循環させ、セパレータを陽極として、循環させた電解液を戻すタンク側にＳＵＳ３０４剤を陰極として含浸させ、陽極としたセパレータと陰極としたＳＵＳ３０４材を電源装置に接続し、電流調整装置としてガルバノスタットを用いて、電流密度５０Ａ／ｃｍ２条件の一定電流密度において、陽極酸化法により空気流路１８内に酸化被膜３３（絶縁部２０ｂ）を形成する（図４（ｄ））。
【００３３】
ここで、酸化被膜３３の厚さと熱伝導性の関係を図５を用いて説明する。酸化被膜３３が厚くなると熱伝導性は低下する。そのため空気流路１８において、空気流路１８の出口近傍の酸化被膜３３を厚くすることにより、空気流路１８の出口近傍の酸化剤ガス温度を高くし、水の凝縮を防止しフラッディングを抑制することができる。
【００３４】
陽極酸化法による酸化被膜３３の形成は、電解液を循環させずにタンク電解液液面高さを調整することで、酸化被膜３３を任意の箇所に形成することができる。また、電解液との接触時間、電流密度を制御することにより、空気流路１８内に任意の厚さの酸化被膜３３を形成することができる。また、陽極酸化法によりステップＳ１０３で形成した冷媒流路２１、または水素流路１７に酸化被膜を形成することも可能である。
【００３５】
ステップＳ１０４では、電解めっき法によりステップＳ１０３で酸化被膜３３を形成した箇所以外に銅めっき、ニッケルめっきの順にめっき処理を施して下地とした後に金めっきをコーティングしてセパレータにめき処理を施す。なお、銅めっき、ニッケルめっき、金めっきは酸化被膜３３の上には形成されず、導電部２０ａとなるアルミニウムクラッド材３２にのみ金被膜３４が形成される（図４（ｅ））。
【００３６】
なお、ここではセパレータの材料としてアルミニウムクラッド材を用いたが、これに限られず、導電性であり酸化被膜を形成可能な材料であれば良い。また、電解液にシュウ酸を用いたが、その他にリン酸、硫酸などを用いて陽極酸化法によって酸化被膜を形成しても良い。さらに陽極酸化法の他に、窒化処理によって窒化物をアルミニウムクラッド材に形成しても良い。
【００３７】
この実施形態ではカソードセパレータ２０に絶縁部２０ｂを設けたが、これに限られず、アノードセパレータ１９に設けても良い。アノードセパレータ１９に設けることでカソードセパレータ２０と同様に水素流路１９内の温度を制御することができる。
【００３８】
なお図６（ａ）、（ｂ）に示すように空気流路１８ではなく、冷媒流路２１を構成する溝の壁面に絶縁部２０ｂを設けても良い。図６（ａ）は冷媒流路２１に絶縁部２０ｂを設けた場合の燃料電池１の概略断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ここでは、冷媒流路２１の溝壁面に絶縁部２０ｂを構成する。冷媒流路２１の溝壁面に空気流路１８の入口近傍と比較して出口近傍が肉厚となるように絶縁部２０ｂを設ける。
【００３９】
さらには、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、導電部２０ａで絶縁部２０ｂを被膜して構成しても良い。図７（ａ）は絶縁部２０ｂを導電部２０ａで被膜した場合の燃料電池１の概略断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この場合には導電部２０ａを、それぞれ空気流路１８側と冷媒流路２１側に二分割した後、両面または片面に予め傾斜を設けて加工した絶縁部２０ｂの傾斜に一致するように分割面を傾斜加工する。その後絶縁部２０ｂを挟むようにして、再度カソードセパレータ２０を張り合わせる。このとき、絶縁部２０ｂは完全にカソードセパレータ２０で被覆される。
【００４０】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００４１】
ここで、本発明を用いない場合の燃料電池スタック１内の反応ガス（空気）温度分布を図８に、燃料電池スタック１内の相対湿度を図９に示す。
【００４２】
燃料電池スタック１の発電反応は発熱反応であり、図８に示すように、燃料電池スタック１内の空気の温度は、空気の入口から出口となる従って徐々に高くなる。空気の温度は、空気流路１８と冷媒流路２１との間に位置するカソードセパレータ２０を伝わって冷媒流路２１を流れる冷媒に伝わり、冷媒との熱交換によって空気は冷却される。
【００４３】
また、空気流路１８の上流側では相対湿度は比較的小さく、空気流路１８の下流側になると相対湿度は１００％に達して凝縮水が発生する。空気流路１８の下流側では空気流量が小さくなるので、凝縮水は除去され難く、フラッディングを生じる要因となる。なお、このような現象は水素流路１７においても生じる。
【００４４】
本発明を用いた場合の空気温度分布を図１０に示す。この実施形態では燃料電池内のカソードセパレータ２０の空気流路１８と冷媒流路２１に挟まれた部分の熱伝導性を変化させ、空気流路１８の入口近傍と比較して出口近傍の熱伝導性を抑制する。これにより、空気は出口近傍で冷却され難くなるので、出口近傍で温度が上がり、つまりは露点が上昇する。これにより、出口近傍で水の凝縮を生じ難くして、空気中に含まれる水分を増大してフラッディングを抑制する。
【００４５】
同様に、アノードセパレータ１９に絶縁部２０ｂを設けた場合には、水素流路１７と冷媒流路２１に挟まれた部分の熱伝導性を変化させる。水素流路１７の入口近傍と比較して出口近傍の熱伝導性を抑制する。これにより、水素も出口付近で冷却され難くなるので、出口近傍で温度が上がり、つまりは露点が上昇する。これにより、出口近傍で水の凝縮を生じ難くして、水素中に含まれる水分を増大してフラッディングを抑制する。
【００４６】
カソードセパレータ２０では空気流路１８のまわりにカノードセパレータ２０よりも熱伝導性の低い絶縁性材料のセラミックである絶縁部２０ｂを設ける。そして空気流路１８の入口近傍よりも出口近傍の絶縁部２０ｂの厚さを厚くすることにより、空気流路１８の出口近傍の温度を高め、フラディングを抑制することができる。
【００４７】
導電部２０ａと絶縁部２０ｂの厚さ比に傾斜を設けることで、熱伝導率の差異を徐々に変化させることができ、伝熱分布を的確に制御することができる。また、絶縁部２０ｂの厚さに傾斜を付け、絶縁部２０ｂを張り合わせる導電部２０ａには絶縁部２０ｂと逆方向の傾斜を付けることで、空気流路１８の流路断面積を一定とすることができる。
【００４８】
カソードセパレータ２０（アノードセパレータ１９）の導電部２０ａを導電性の金属セパレータとして、絶縁部２０ｂを陽極酸化法によって形成される酸化被膜３３とすることで、容易に絶縁部２０ｂを形成することができ、更にカソードセパレータ２０をめっきする場合に、酸化被膜３３上にはめっきされないので、絶縁部２０ｂに導電性の部材が形成されずに、出口近傍の熱伝導性を確実に抑制し、出口近傍でのフラッディングを確実に抑制することができる。
【００４９】
また、カソードセパレータ２０またはアノードセパレータ１９を酸化被膜３３、または金めっきによる金被膜３４の化学的に安定な物質によって覆うので、カソードセパレータ２０またはアノードセパレータ１９の劣化を抑制することができる。
【００５０】
次に本発明の第２実形態の燃料電池スタック１について図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１１（ａ）はこの実施形態の燃料電池スタック１の概略断面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この実施形態はカソードセパレータ２０に加えて、アノードセパレータ１９を導電部１９ａと絶縁部１９ｂで構成する。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
【００５１】
アノードセパレータ１９の構成については第１実施形態で説明したカソードセパレータ２０の構成と同様であり、詳しい説明は省略するが、アノードセパレータ１９の水素入口近傍から出口近傍にかけて、絶縁部１９ｂの厚さを厚くすることで出口近傍でのフラッティングを防止することができる。
【００５２】
アノードセパレータ１９の絶縁部１９ｂの厚さｄとカソードセパレータ２０の絶縁部２０ｂの厚さｅとの関係が、絶縁部２０ｂの厚さｅが絶縁部１９ｂの厚さｄよりも厚くなるように構成する。なお、絶縁部１９ｂ、２０ｂは、水素流路１７の入口近傍に比較して出口近傍で、また空気流路１８の入口近傍に比較して出口近傍で肉厚となるように傾斜を付けて構成する。
【００５３】
なお、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように水素流路１７、空気流路１８ではなく冷媒流路２１に絶縁部１９ｂ、２０ｂを設けても良い。図１２（ａ）は冷媒流路２１を絶縁部１９ｂ、２０ｂによって覆った場合の燃料電池スタック１の一部を示す概略断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００５４】
さらには、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように導電部１９ａ、２０ａによって絶縁部１９ａ、２０ａを被膜しても良い。図１３（ａ）は絶縁部１９ｂを導電部１９ａで、また絶縁部２０ｂを導電部２０ａにおいて被膜した場合の燃料電池スタック１の一部を示す概略断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この場合には導電部１９ａ、２０ａを、それぞれ水素流路１７側と冷媒流路２１側、または空気流路１８と冷媒流路２１側に二分割した後、両面または片面に予め傾斜を設けて加工した絶縁部１９ｂ、２０ｂの傾斜に一致するように分割面を傾斜を付けて加工する。その後絶縁部１９ｂ、２０ｂを挟むようにして、再度導電部１９ａ、２０ａを張り合わせる。これによって絶縁部１９ｂ、２０ｂは完全に導電部１９ａ、２０ａで被覆される。
【００５５】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００５６】
この実施形態ではアノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０において、伝熱分布を正確に制御することができ、フラッディングを抑止することができる。
【００５７】
次に本発明の第３実形態の燃料電池スタック１について図１４を用いて説明する。図１４はカソードセパレータ４０において、電解質膜１１と接する方向から見た正面図である。カソードセパレータ４０以外の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。この実施形態では空気流路４１を絶縁部４０ｂで覆うのではなく、特に水の凝縮が生じ易い部分にのみ絶縁部４０ｂ（図１４中、斜線部）を備える。
【００５８】
カソードセパレータ４０は空気流路４１に空気を導入する空気供給マニホールド４３と、空気流路４１から発電反応で使用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド４４を備える。なお水素、または空気が流れるマニホールドを有するが、ここでは省略する。
【００５９】
空気流路４１は直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状に形成される。サーペンタイン形状の折り返し部分、所謂Ｒ部４５で水の凝縮が生じ易く、フラッディングが発生し易い。そこで、サーペンタイン形状の空気流路４１においては、Ｒ部４５に絶縁部４０ｂを設ける。これによりＲ部４５の熱伝導が絶縁部４０ｂによって抑制されて温度が上昇するので、露点が上昇してＲ部４５でのフラッディングを抑制することができる。
【００６０】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００６１】
空気流路１８をサーペンタイン形状とした場合に、フラッディングが発生し易い、Ｒ部４５に絶縁部４０ｂを設けることにより、フラッディングを抑制することができる。
【００６２】
次に本発明の第４実形態の燃料電池について図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。図１５（ａ）はカソードセパレータ５０を電解質膜１１と接する方向から見た正面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１５（ｃ）は図１５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、この実施形態においては、燃料電池スタック２は燃料電池１の積層方向と鉛直方向（重力方向）が直交するように配置される。つまり、カソードセパレータ５０の空気流路５１を設けた面が鉛直方向と平行となるように配置される。カソードセパレータ５０以外の構成については第１実施形態と同じ構成なのでここでの説明は省略する。
【００６３】
カソードセパレータ５０は空気流路５１に空気を導入する空気供給マニホールド５２と、空気流路５１から発電反応で使用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド５３を備える。なお水素、または空気が流れるマニホールドを有するが、ここでは省略する。また、空気流路５１を設けた背面に冷媒流路５７を備える。
【００６４】
カソードセパレータ５０は空気流路５１をサーペンタイン形状に形成し、サーペンタイン形状の直線部５４においては、燃料電池スタック２を配置した場合に鉛直方向の下方側（図１５（ａ））となるに従って絶縁部５０ｂの厚さが徐々に厚くなる。また、導電部５０ａの厚さは鉛直方向の下方側となるに従って、かつ絶縁部５０ｂの厚さと傾斜が逆となるよう徐々に薄くなる。これによって空気流路５１の流路断面積は空気流路５１において一定となる。
【００６５】
また、Ｒ部５６によって方向が代わり、並列する直線部５４においては空気出口に近づくにつれて、つまり並列する直線部５４では下流となるにつれて絶縁部５０ｂの厚さが厚くなる。すなわち、カソードセパレータ５０を水平方向に切断した場合の断面図において、空気入口近傍から出口近傍にかけて、絶縁部５０ｂの断面積が大きくなる（図１５（ｃ））。
【００６６】
以上の構成によって、空気流路５１がサーペンタイン形状に形成され、燃料電池スタック２は燃料電池１の積層方向と鉛直方向が直交するように配置されると、重力によってカソードセパレータ５０の下方に水が溜まり易くなるが、カソードセパレータ５０において直線部５４を下方となるに従って絶縁部５０ｂの厚さを厚くすることで、水が溜まりやすい箇所の温度を高くすることができ、フラッディングを抑制することができる。
【００６７】
なお、ここでは空気流路５１をサーペンタイン形状としたが、この形状に限られるものではなく、図１６に示すように空気流路５１を直線形状を複数並列に設けてもよい。この場合では垂直方向の下方に位置する空気流路５１となるにつれて絶縁部５０ｂ（図１６中、斜線部）の厚さを厚くする。また、絶縁部５０ｂを設ける範囲を広くしてもよい。つまり、並列する複数の空気流路において、絶縁部５０ｂを構成した領域の面積は、下方に位置する溝ほど徐々に大きくなるように構成してもよい。
【００６８】
以上の構成によって燃料電池１の積層方向が水平方向となるように燃料電池スタック２を配置した場合でも、フラッティングを抑制することができる。
【００６９】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００７０】
燃料電池スタック２が燃料電池１の積層方向が水平方向となるように配置される場合にカソードセパレータ５０の鉛直方向の下方に位置する空気流路の絶縁部５０ｂの厚さを厚くすることで、重力によって水が溜まり易くなる箇所ほど温度を高くして、フラッディングを抑制することができる。
【００７１】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
燃料電池を搭載する燃料電池自動車に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明のセパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明のセパレータの製造工程を示す工程図である。
【図５】酸化被膜の厚さと熱伝導性の関係を示す図である。
【図６（ａ）】本発明の第１実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図６（ｂ）】図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７（ａ）】本発明の第１実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図７（ｂ）】図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図８】本発明を用いない場合の燃料電池スタックの温度分布を示す図である。
【図９】本発明を用いない場合の燃料電池スタックの相対湿度を示す図である。
【図１０】本発明を用いた場合の燃料電池スタックの温度分布を示す図である。
【図１１（ａ）】本発明の第２実施形態の燃料電池スタックを示す概略構成図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１２（ａ）】本発明の第２実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図１２（ｂ）】図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１３（ａ）】本発明の第２実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図１３（ｂ）】図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態のカソードセパレータを示す概略図である。
【図１５（ａ）】本発明の第４実施形態のカソードセパレータを示す概略図である。
【図１５（ｂ）】図１５（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１５（ｃ）】図１５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態の変更例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池
１１ 電解質膜
１６ 膜電極複合体（ＭＥＡ）
１７ 水素流路（燃料ガス流路）
１８、４１、５１ 空気流路（酸化剤ガス流路）
１９ アノードセパレータ（第１セパレータ）
２０、４０、５０ カソードセパレータ（第２セパレータ）
１９ａ、２０ａ 導電部（第１部材）
１９ｂ、２０ｂ、４０ｂ、５０ｂ 絶縁部（第２部材）
２１ 冷媒流路
３２ アルミニウムクラッド材
３３ 酸化被膜
３４ 金被膜
４５ Ｒ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特にガス流路の伝熱性能を調節する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、例えばプロトン伝導性を有する高分子電解質膜とこれを狭持するように配置されたアノードおよびカソードとからなる単セルを複数個積層した燃料電池本体（スタック）を備える。アノード側ガス流路には燃料としての水素を、水素供給源として例えば高圧の水素ボンベから供給し、カソード側ガス流路には酸化剤としての空気を例えばコンプレッサもしくはブロアを介して大気より供給している。アノード、カソードにはそれぞれの極において反応を促進するためにＰｔ等の貴金属を主とした触媒層を備える。
【０００３】
アノードでは以下の反応を生じて、燃料としての水素がプロトンと電子に分離される。
【０００４】
アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- 式（１）
プロトンは高分子電解質の内部を拡散してカソードに到達し、電子は外部回路を流れ燃料電池出力として取り出される。
【０００５】
カソードにおいては、アノードから高分子電解質中を拡散してきたプロトン、アノードから外部回路を通じて移動してきた電子、および空気中の酸素がカソードの触媒層中に形成されている三相界面上で以下の反応を生じて水を生成する。
【０００６】
カソード：１/２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ 式（２）
高分子電解質膜は、プロトン一分子に複数の水分子を伴うことにより良好なプロトン伝導性を発揮することは公知であり、電解質が良好なプロトン導電性を保つためには燃料ガス、酸化剤ガスの少なくとも一方を適度に加湿する必要がある。しかしながら、ガス中の水分や式（２）の反応に伴って生成される水分子はガス拡散層のガス透過通路を閉塞する要素となり、式（１）、（２）の反応項成分と触媒との気固接触反応を妨害する要因となっている。
【０００７】
また、従来の燃料電池のガス流路はカーボンもしくは金属等を加工して成型されており、セパレータにおいてガス流路はガス流れ方向でガス流速が均一になるように加工されている。
【０００８】
このような構成において、発電により供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスが消費されると、供給されるガスはセパレータを介して冷媒流路に供給される冷却媒体と熱交換される。そのため、ガス流路入口に対して相対的に流路出口方向はガス湿度が高くなり、かつ、ガス流速が遅くなるのでガス流れの慣性で生成された水を除去するのが難しくなる。
【０００９】
これに対して、燃料ガスおよび酸化剤ガス流路のガス通路の深さを入口側と比較して相対的に出口側が浅くなるように、あるいはガス通路の幅を入口側と比較して相対的に出口側が狭くなるように構成することにより、出口付近のガス流速を増大させることによりガス拡散性を向上し、フラッディングを解消しているものが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ガス流路の深さを変化させることで、アノードおよびカソードのセパレータ背面を電解質に対して平行に設置できないためスタックを構成する際に、応力の集中によりセパレータが劣化する可能性がある。または、セパレータ厚さを全体的に一定としてガス流路の深さを変化させた場合、セパレータの構成部材の厚さが不均一となるため、セパレータが劣化する可能性がある。
【００１１】
また、ガス流路幅を変化させた場合、セパレータと電極との接触面積が不均一となるため、スタックを構成する際の応力集中や、燃料漏れが生じる可能性がある。
【００１２】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、性能低下を抑制しつつ、ガス拡散性を向上した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明では、アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、燃料電池を冷却する冷却水が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池において、第１セパレータまたは第２セパレータのうち少なくともどちらか一方は、導電性の第１部材と前記導電性部材よりも熱伝導性の低い第２部材で構成され、燃料電池の発電時に燃料ガス流路または酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど、第２部材の厚さを厚くする。
【００１４】
また、アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、燃料電池を冷却する冷却水が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池の製造方法において、第１セパレータと第２セパレータを燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の背面が冷媒流路となるように接合する行程と、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または冷媒流路の少なくとも１つの流路の電解質液を接触させる時間を制御し、陽極酸化法によって酸化被膜を形成する行程と、からなり、燃料電池の発電時に燃料ガス流路または酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど酸化被膜の厚さを厚くする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、燃料電池の空気流路または水素流路内で水によって流路を塞ぐ可能性が高い箇所の熱伝導性を低くし、流路内の温度を高くして、燃料電池から排出されるガス中の水量を多くすることができるので、流路内のフラティングを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の第１実施形態による燃料電池スタック１の構成を図１を用いて説明する。なお、図１には便宜的に燃料電池スタック１を一つの燃料電池２で示すが、複数の燃料電池２を積層し、積層方向に圧力を掛けてスタッキングすることにより燃料電池スタック１を構成する。
【００１７】
燃料電池２は、電解質膜１１と、電解質膜１１の主面に形成されたアノード触媒層１２、カソード触媒層１３と、さらにその外側に配置された多孔質材よりなるアノードガス拡散層１４とカソードガス拡散層１５とからなる膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１６を備える。電解質膜１１としては、水素を透過するものであればよいが、ここではパーフルオロスルホン酸の膜を用いる。また、触媒層１２、１３としては白金担持カーボンを用いる。さらに、アノードガス拡散層１４またはカソードガス拡散層１５としては、水素または空気の反応ガスを拡散する多孔質材であれば良いが、ここではカーボンペーパを用いる。
【００１８】
さらに、ＭＥＡ１６の外側には、ＭＥＡ１６に対峙する面に水素流路（燃料ガス流路）１７を有するアノードセパレータ（第１セパレータ）１９と、空気流路（酸化剤ガス流路）１８を有するカソードセパレータ（第２セパレータ）２０を備える。なお、水素流路１７と空気流路１８をそれぞれ複数の直線の溝により構成する。
【００１９】
アノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０の水素流路１７、空気流路１８を設けた面の背面に、複数の溝よりなる冷媒流路２１を備える。なお、この限りではなく、冷媒流路２１をアノードセパレータ１９、またはカソードセパレータ２０のどちらか一方に設けても良く、さらには冷媒流路２１を構成する他の構成部材を備えても良い。冷媒流路２１には冷却水が供給されるが、これに限られず、燃料電池２を冷却するものであればよい。
【００２０】
また、電解質膜１１の縁部に沿って絶縁性樹脂のエッジシール部２２を備え、反応ガスの漏洩を抑制する。
【００２１】
アノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０は電気抵抗の小さいアルミニウムクラッド材を用い、特にカソードセパレータ２０はアルミニウムクラッド材で構成する導電部（第１部材）２０ａとし、導電部２０ａよりも熱導電性の低い絶縁部（第２部材）２０ｂから構成される。
【００２２】
なお、アノードセパレータ１９は電気抵抗が小さく比較的加工が容易な炭素部材を用いても良く、カソードセパレータ２０は導電部２０ａとして炭素部材を用い、絶縁部２０ｂに絶縁性セラミックスを用いても良い。
【００２３】
次にカソードセパレータ２０について図２を用いて説明する。図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
カソードセパレータ２０は、導電部２０ａと絶縁部２０ｂによって形成する空気流路１８を有する。導電部２０ａに構成された溝は空気が供給される空気入口近傍から空気出口近傍にかけて徐々に深くなるように傾斜を付けて形成され、絶縁部２０ｂは空気が供給される空気入口近傍から空気出口近傍にかけて溝の傾斜と逆傾斜となるように徐々に厚さを厚くして構成する。空気流路１８が空気出口近傍となるにつれて絶縁部２０ｂの厚さが厚くなるが、カソードセパレータ２０の厚さは空気流路１８に沿って一定となる。つまり、空気流路１８の流路断面積は空気流路１８の上流、下流にかかわらず一定である。ここでは空気流路１８の流路断面積を一定としたが、これに限られず、例えば出口近傍の流路断面積を小さくしてもよい。
【００２５】
絶縁部２０ｂは導電部２０ａに設けた溝の全壁面に設けられる。つまり空気流路１８は絶縁部２０ｂによって覆われている。なお、空気入口近傍では導電部２０ａの溝に絶縁部２０ｂを設けずに、導電部２０ａのみによって空気流路１８を構成しても良い。
【００２６】
また、絶縁部２０ｂはカソードガス拡散層１５と導電部２０ａが電気的に接続し、燃料電池１の発電効率を低くしないように、つまりカソードガス拡散層１５と導電部２０ａの接触面積が十分に確保できるように設けられる。
【００２７】
以上の構成によってフラッディングが生じやすい空気流路１８の出口近傍において、導電部２０ａよりも熱伝導性の低い絶縁部２０ｂを空気流路１８の入口近傍よりも空気流路１８と冷媒流路２１間で厚くすることにより空気流路１８から冷媒流路２１（導電部２０ｂ）への伝熱量を小さくすることができ、空気流路１８の出口近傍の酸化剤ガス温度を高くすることで、水の凝縮を防止しフラッディングを抑制することができる。
【００２８】
次にセパレータ（アノードセパレータ１９、カソードセパレータ２０）の製造方法について図３のフローチャートと図４の工程図を用いて説明する。
【００２９】
ステップＳ１００では、ろう材面３０にＪＩＳＡ４３４３を用い、母材３１としてＪＩＳＡ１０５０を用いてアルミニウムクラッド材３２（導電部２０ａ）を構成する（図４（ａ））。
【００３０】
ステップＳ１０１では、アルミニウムクラッド材３２を燃料電池１で使用するセパレータの形状にプレス成型し、水素流路１７、空気流路１８、冷媒流路２１の溝を成型する（図４（ｂ））。
【００３１】
ステップＳ１０２では、２枚のアルミニウムクラッド材３２のろう材面３０同士を向かい合わせて、ろう材面３０にアルミナ酸化被膜と化学反応を起こしてアルミナ酸化被膜を破壊するフラックス剤を接合面に塗布後、電気炉内にて６２０℃で１０分間加熱する。これによってろう材面３０を溶接し、ろう材面３０によって冷媒流路２１を形成する（図４（ｃ））。
【００３２】
ステップＳ１０３では、空気流路１８に４ｗｔ％シュウ酸溶液を電解液として用いて循環させ、セパレータを陽極として、循環させた電解液を戻すタンク側にＳＵＳ３０４剤を陰極として含浸させ、陽極としたセパレータと陰極としたＳＵＳ３０４材を電源装置に接続し、電流調整装置としてガルバノスタットを用いて、電流密度５０Ａ／ｃｍ２条件の一定電流密度において、陽極酸化法により空気流路１８内に酸化被膜３３（絶縁部２０ｂ）を形成する（図４（ｄ））。
【００３３】
ここで、酸化被膜３３の厚さと熱伝導性の関係を図５を用いて説明する。酸化被膜３３が厚くなると熱伝導性は低下する。そのため空気流路１８において、空気流路１８の出口近傍の酸化被膜３３を厚くすることにより、空気流路１８の出口近傍の酸化剤ガス温度を高くし、水の凝縮を防止しフラッディングを抑制することができる。
【００３４】
陽極酸化法による酸化被膜３３の形成は、電解液を循環させずにタンク電解液液面高さを調整することで、酸化被膜３３を任意の箇所に形成することができる。また、電解液との接触時間、電流密度を制御することにより、空気流路１８内に任意の厚さの酸化被膜３３を形成することができる。また、陽極酸化法によりステップＳ１０３で形成した冷媒流路２１、または水素流路１７に酸化被膜を形成することも可能である。
【００３５】
ステップＳ１０４では、電解めっき法によりステップＳ１０３で酸化被膜３３を形成した箇所以外に銅めっき、ニッケルめっきの順にめっき処理を施して下地とした後に金めっきをコーティングしてセパレータにめき処理を施す。なお、銅めっき、ニッケルめっき、金めっきは酸化被膜３３の上には形成されず、導電部２０ａとなるアルミニウムクラッド材３２にのみ金被膜３４が形成される（図４（ｅ））。
【００３６】
なお、ここではセパレータの材料としてアルミニウムクラッド材を用いたが、これに限られず、導電性であり酸化被膜を形成可能な材料であれば良い。また、電解液にシュウ酸を用いたが、その他にリン酸、硫酸などを用いて陽極酸化法によって酸化被膜を形成しても良い。さらに陽極酸化法の他に、窒化処理によって窒化物をアルミニウムクラッド材に形成しても良い。
【００３７】
この実施形態ではカソードセパレータ２０に絶縁部２０ｂを設けたが、これに限られず、アノードセパレータ１９に設けても良い。アノードセパレータ１９に設けることでカソードセパレータ２０と同様に水素流路１９内の温度を制御することができる。
【００３８】
なお図６（ａ）、（ｂ）に示すように空気流路１８ではなく、冷媒流路２１を構成する溝の壁面に絶縁部２０ｂを設けても良い。図６（ａ）は冷媒流路２１に絶縁部２０ｂを設けた場合の燃料電池１の概略断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ここでは、冷媒流路２１の溝壁面に絶縁部２０ｂを構成する。冷媒流路２１の溝壁面に空気流路１８の入口近傍と比較して出口近傍が肉厚となるように絶縁部２０ｂを設ける。
【００３９】
さらには、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、導電部２０ａで絶縁部２０ｂを被膜して構成しても良い。図７（ａ）は絶縁部２０ｂを導電部２０ａで被膜した場合の燃料電池１の概略断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この場合には導電部２０ａを、それぞれ空気流路１８側と冷媒流路２１側に二分割した後、両面または片面に予め傾斜を設けて加工した絶縁部２０ｂの傾斜に一致するように分割面を傾斜加工する。その後絶縁部２０ｂを挟むようにして、再度カソードセパレータ２０を張り合わせる。このとき、絶縁部２０ｂは完全にカソードセパレータ２０で被覆される。
【００４０】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００４１】
ここで、本発明を用いない場合の燃料電池スタック１内の反応ガス（空気）温度分布を図８に、燃料電池スタック１内の相対湿度を図９に示す。
【００４２】
燃料電池スタック１の発電反応は発熱反応であり、図８に示すように、燃料電池スタック１内の空気の温度は、空気の入口から出口となる従って徐々に高くなる。空気の温度は、空気流路１８と冷媒流路２１との間に位置するカソードセパレータ２０を伝わって冷媒流路２１を流れる冷媒に伝わり、冷媒との熱交換によって空気は冷却される。
【００４３】
また、空気流路１８の上流側では相対湿度は比較的小さく、空気流路１８の下流側になると相対湿度は１００％に達して凝縮水が発生する。空気流路１８の下流側では空気流量が小さくなるので、凝縮水は除去され難く、フラッディングを生じる要因となる。なお、このような現象は水素流路１７においても生じる。
【００４４】
本発明を用いた場合の空気温度分布を図１０に示す。この実施形態では燃料電池内のカソードセパレータ２０の空気流路１８と冷媒流路２１に挟まれた部分の熱伝導性を変化させ、空気流路１８の入口近傍と比較して出口近傍の熱伝導性を抑制する。これにより、空気は出口近傍で冷却され難くなるので、出口近傍で温度が上がり、つまりは露点が上昇する。これにより、出口近傍で水の凝縮を生じ難くして、空気中に含まれる水分を増大してフラッディングを抑制する。
【００４５】
同様に、アノードセパレータ１９に絶縁部２０ｂを設けた場合には、水素流路１７と冷媒流路２１に挟まれた部分の熱伝導性を変化させる。水素流路１７の入口近傍と比較して出口近傍の熱伝導性を抑制する。これにより、水素も出口付近で冷却され難くなるので、出口近傍で温度が上がり、つまりは露点が上昇する。これにより、出口近傍で水の凝縮を生じ難くして、水素中に含まれる水分を増大してフラッディングを抑制する。
【００４６】
カソードセパレータ２０では空気流路１８のまわりにカノードセパレータ２０よりも熱伝導性の低い絶縁性材料のセラミックである絶縁部２０ｂを設ける。そして空気流路１８の入口近傍よりも出口近傍の絶縁部２０ｂの厚さを厚くすることにより、空気流路１８の出口近傍の温度を高め、フラディングを抑制することができる。
【００４７】
導電部２０ａと絶縁部２０ｂの厚さ比に傾斜を設けることで、熱伝導率の差異を徐々に変化させることができ、伝熱分布を的確に制御することができる。また、絶縁部２０ｂの厚さに傾斜を付け、絶縁部２０ｂを張り合わせる導電部２０ａには絶縁部２０ｂと逆方向の傾斜を付けることで、空気流路１８の流路断面積を一定とすることができる。
【００４８】
カソードセパレータ２０（アノードセパレータ１９）の導電部２０ａを導電性の金属セパレータとして、絶縁部２０ｂを陽極酸化法によって形成される酸化被膜３３とすることで、容易に絶縁部２０ｂを形成することができ、更にカソードセパレータ２０をめっきする場合に、酸化被膜３３上にはめっきされないので、絶縁部２０ｂに導電性の部材が形成されずに、出口近傍の熱伝導性を確実に抑制し、出口近傍でのフラッディングを確実に抑制することができる。
【００４９】
また、カソードセパレータ２０またはアノードセパレータ１９を酸化被膜３３、または金めっきによる金被膜３４の化学的に安定な物質によって覆うので、カソードセパレータ２０またはアノードセパレータ１９の劣化を抑制することができる。
【００５０】
次に本発明の第２実形態の燃料電池スタック１について図１１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１１（ａ）はこの実施形態の燃料電池スタック１の概略断面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この実施形態はカソードセパレータ２０に加えて、アノードセパレータ１９を導電部１９ａと絶縁部１９ｂで構成する。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
【００５１】
アノードセパレータ１９の構成については第１実施形態で説明したカソードセパレータ２０の構成と同様であり、詳しい説明は省略するが、アノードセパレータ１９の水素入口近傍から出口近傍にかけて、絶縁部１９ｂの厚さを厚くすることで出口近傍でのフラッティングを防止することができる。
【００５２】
アノードセパレータ１９の絶縁部１９ｂの厚さｄとカソードセパレータ２０の絶縁部２０ｂの厚さｅとの関係が、絶縁部２０ｂの厚さｅが絶縁部１９ｂの厚さｄよりも厚くなるように構成する。なお、絶縁部１９ｂ、２０ｂは、水素流路１７の入口近傍に比較して出口近傍で、また空気流路１８の入口近傍に比較して出口近傍で肉厚となるように傾斜を付けて構成する。
【００５３】
なお、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように水素流路１７、空気流路１８ではなく冷媒流路２１に絶縁部１９ｂ、２０ｂを設けても良い。図１２（ａ）は冷媒流路２１を絶縁部１９ｂ、２０ｂによって覆った場合の燃料電池スタック１の一部を示す概略断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００５４】
さらには、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように導電部１９ａ、２０ａによって絶縁部１９ａ、２０ａを被膜しても良い。図１３（ａ）は絶縁部１９ｂを導電部１９ａで、また絶縁部２０ｂを導電部２０ａにおいて被膜した場合の燃料電池スタック１の一部を示す概略断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この場合には導電部１９ａ、２０ａを、それぞれ水素流路１７側と冷媒流路２１側、または空気流路１８と冷媒流路２１側に二分割した後、両面または片面に予め傾斜を設けて加工した絶縁部１９ｂ、２０ｂの傾斜に一致するように分割面を傾斜を付けて加工する。その後絶縁部１９ｂ、２０ｂを挟むようにして、再度導電部１９ａ、２０ａを張り合わせる。これによって絶縁部１９ｂ、２０ｂは完全に導電部１９ａ、２０ａで被覆される。
【００５５】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００５６】
この実施形態ではアノードセパレータ１９とカソードセパレータ２０において、伝熱分布を正確に制御することができ、フラッディングを抑止することができる。
【００５７】
次に本発明の第３実形態の燃料電池スタック１について図１４を用いて説明する。図１４はカソードセパレータ４０において、電解質膜１１と接する方向から見た正面図である。カソードセパレータ４０以外の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。この実施形態では空気流路４１を絶縁部４０ｂで覆うのではなく、特に水の凝縮が生じ易い部分にのみ絶縁部４０ｂ（図１４中、斜線部）を備える。
【００５８】
カソードセパレータ４０は空気流路４１に空気を導入する空気供給マニホールド４３と、空気流路４１から発電反応で使用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド４４を備える。なお水素、または空気が流れるマニホールドを有するが、ここでは省略する。
【００５９】
空気流路４１は直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状に形成される。サーペンタイン形状の折り返し部分、所謂Ｒ部４５で水の凝縮が生じ易く、フラッディングが発生し易い。そこで、サーペンタイン形状の空気流路４１においては、Ｒ部４５に絶縁部４０ｂを設ける。これによりＲ部４５の熱伝導が絶縁部４０ｂによって抑制されて温度が上昇するので、露点が上昇してＲ部４５でのフラッディングを抑制することができる。
【００６０】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００６１】
空気流路１８をサーペンタイン形状とした場合に、フラッディングが発生し易い、Ｒ部４５に絶縁部４０ｂを設けることにより、フラッディングを抑制することができる。
【００６２】
次に本発明の第４実形態の燃料電池について図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。図１５（ａ）はカソードセパレータ５０を電解質膜１１と接する方向から見た正面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１５（ｃ）は図１５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。なお、この実施形態においては、燃料電池スタック２は燃料電池１の積層方向と鉛直方向（重力方向）が直交するように配置される。つまり、カソードセパレータ５０の空気流路５１を設けた面が鉛直方向と平行となるように配置される。カソードセパレータ５０以外の構成については第１実施形態と同じ構成なのでここでの説明は省略する。
【００６３】
カソードセパレータ５０は空気流路５１に空気を導入する空気供給マニホールド５２と、空気流路５１から発電反応で使用されなかった空気を排出する空気排出マニホールド５３を備える。なお水素、または空気が流れるマニホールドを有するが、ここでは省略する。また、空気流路５１を設けた背面に冷媒流路５７を備える。
【００６４】
カソードセパレータ５０は空気流路５１をサーペンタイン形状に形成し、サーペンタイン形状の直線部５４においては、燃料電池スタック２を配置した場合に鉛直方向の下方側（図１５（ａ））となるに従って絶縁部５０ｂの厚さが徐々に厚くなる。また、導電部５０ａの厚さは鉛直方向の下方側となるに従って、かつ絶縁部５０ｂの厚さと傾斜が逆となるよう徐々に薄くなる。これによって空気流路５１の流路断面積は空気流路５１において一定となる。
【００６５】
また、Ｒ部５６によって方向が代わり、並列する直線部５４においては空気出口に近づくにつれて、つまり並列する直線部５４では下流となるにつれて絶縁部５０ｂの厚さが厚くなる。すなわち、カソードセパレータ５０を水平方向に切断した場合の断面図において、空気入口近傍から出口近傍にかけて、絶縁部５０ｂの断面積が大きくなる（図１５（ｃ））。
【００６６】
以上の構成によって、空気流路５１がサーペンタイン形状に形成され、燃料電池スタック２は燃料電池１の積層方向と鉛直方向が直交するように配置されると、重力によってカソードセパレータ５０の下方に水が溜まり易くなるが、カソードセパレータ５０において直線部５４を下方となるに従って絶縁部５０ｂの厚さを厚くすることで、水が溜まりやすい箇所の温度を高くすることができ、フラッディングを抑制することができる。
【００６７】
なお、ここでは空気流路５１をサーペンタイン形状としたが、この形状に限られるものではなく、図１６に示すように空気流路５１を直線形状を複数並列に設けてもよい。この場合では垂直方向の下方に位置する空気流路５１となるにつれて絶縁部５０ｂ（図１６中、斜線部）の厚さを厚くする。また、絶縁部５０ｂを設ける範囲を広くしてもよい。つまり、並列する複数の空気流路において、絶縁部５０ｂを構成した領域の面積は、下方に位置する溝ほど徐々に大きくなるように構成してもよい。
【００６８】
以上の構成によって燃料電池１の積層方向が水平方向となるように燃料電池スタック２を配置した場合でも、フラッティングを抑制することができる。
【００６９】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００７０】
燃料電池スタック２が燃料電池１の積層方向が水平方向となるように配置される場合にカソードセパレータ５０の鉛直方向の下方に位置する空気流路の絶縁部５０ｂの厚さを厚くすることで、重力によって水が溜まり易くなる箇所ほど温度を高くして、フラッディングを抑制することができる。
【００７１】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
燃料電池を搭載する燃料電池自動車に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池スタックの概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明のセパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明のセパレータの製造工程を示す工程図である。
【図５】酸化被膜の厚さと熱伝導性の関係を示す図である。
【図６（ａ）】本発明の第１実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図６（ｂ）】図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７（ａ）】本発明の第１実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図７（ｂ）】図７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図８】本発明を用いない場合の燃料電池スタックの温度分布を示す図である。
【図９】本発明を用いない場合の燃料電池スタックの相対湿度を示す図である。
【図１０】本発明を用いた場合の燃料電池スタックの温度分布を示す図である。
【図１１（ａ）】本発明の第２実施形態の燃料電池スタックを示す概略構成図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１２（ａ）】本発明の第２実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図１２（ｂ）】図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１３（ａ）】本発明の第２実施形態の変更例を示す概略構成図である。
【図１３（ｂ）】図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態のカソードセパレータを示す概略図である。
【図１５（ａ）】本発明の第４実施形態のカソードセパレータを示す概略図である。
【図１５（ｂ）】図１５（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１５（ｃ）】図１５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態の変更例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池
１１ 電解質膜
１６ 膜電極複合体（ＭＥＡ）
１７ 水素流路（燃料ガス流路）
１８、４１、５１ 空気流路（酸化剤ガス流路）
１９ アノードセパレータ（第１セパレータ）
２０、４０、５０ カソードセパレータ（第２セパレータ）
１９ａ、２０ａ 導電部（第１部材）
１９ｂ、２０ｂ、４０ｂ、５０ｂ 絶縁部（第２部材）
２１ 冷媒流路
３２ アルミニウムクラッド材
３３ 酸化被膜
３４ 金被膜
４５ Ｒ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、
前記アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、
前記カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、
燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池において、
前記第１セパレータまたは第２セパレータのうち少なくともどちらか一方は、導電性の第１部材と、前記導電性部材よりも熱伝導性の低い第２部材で構成し、
前記燃料電池の発電時に前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど、前記第２部材の厚さを厚くすることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の入口から出口にかけて、前記第２部材の前記厚さを厚くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記冷媒流路の入口から出口にかけて、前記第２部材の前記厚さを厚くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路が直線形状であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路が直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状であり、
前記第２部材は前記折り返し部の厚さを前記直線部よりも厚くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を設けた面が、鉛直方向と略平行となるように前記燃料電池が配設された場合に、
前記第２部材は鉛直方向下向きとなるにつれて厚くなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス流路または前記酸化剤ガス流路が直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状であり、
前記直線部に設けた前記第２部材の厚さは、水平方向の前記第２部材の断面積が前記ガス流路または前記酸化剤ガス流路の入口から出口にかけて前記断面積が大きくなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第２部材を前記第１セパレータと前記第２セパレータで挟持することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第２部材は絶縁性部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１部材は、導電性の金属セパレータであり、
前記第２部材は、前記金属セパレータにコーティングされた絶縁性部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第２部材は陽極酸化処理によって構成された酸化被膜であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記第２部材は窒化処理によって構成された窒化被膜であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、
前記アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、
前記カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、
燃料電池を冷却する冷却水が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池の製造方法において、
前記第１セパレータと前記第２セパレータを前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の背面が前記冷媒流路となるように接合する行程と、
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路または前記冷媒流路の少なくとも１つの流路の電解質液を接触させる時間を制御し、陽極酸化法によって酸化被膜を形成する行程と、からなり、
前記燃料電池の発電時に前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど前記酸化被膜の厚さを厚くすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１】
アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、
前記アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、
前記カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、
燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池において、
前記第１セパレータまたは第２セパレータのうち少なくともどちらか一方は、導電性の第１部材と、前記導電性部材よりも熱伝導性の低い第２部材で構成し、
前記燃料電池の発電時に前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど、前記第２部材の厚さを厚くすることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路の入口から出口にかけて、前記第２部材の前記厚さを厚くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記冷媒流路の入口から出口にかけて、前記第２部材の前記厚さを厚くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路が直線形状であることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路が直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状であり、
前記第２部材は前記折り返し部の厚さを前記直線部よりも厚くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を設けた面が、鉛直方向と略平行となるように前記燃料電池が配設された場合に、
前記第２部材は鉛直方向下向きとなるにつれて厚くなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス流路または前記酸化剤ガス流路が直線部と折り返し部からなるサーペンタイン形状であり、
前記直線部に設けた前記第２部材の厚さは、水平方向の前記第２部材の断面積が前記ガス流路または前記酸化剤ガス流路の入口から出口にかけて前記断面積が大きくなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第２部材を前記第１セパレータと前記第２セパレータで挟持することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第２部材は絶縁性部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１部材は、導電性の金属セパレータであり、
前記第２部材は、前記金属セパレータにコーティングされた絶縁性部材であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第２部材は陽極酸化処理によって構成された酸化被膜であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記第２部材は窒化処理によって構成された窒化被膜であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
アノード極とカソード極との間に挟まれた電解質膜と、
前記アノード極に供給される燃料ガスを流通する燃料ガス流路を有する第１セパレータと、
前記カソード極に供給される酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路を有する第２セパレータと、
燃料電池を冷却する冷却水が流通する冷媒流路と、を備えた燃料電池の製造方法において、
前記第１セパレータと前記第２セパレータを前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路の背面が前記冷媒流路となるように接合する行程と、
前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路または前記冷媒流路の少なくとも１つの流路の電解質液を接触させる時間を制御し、陽極酸化法によって酸化被膜を形成する行程と、からなり、
前記燃料電池の発電時に前記燃料ガス流路または前記酸化剤ガス流路を水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど前記酸化被膜の厚さを厚くすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１２（ａ）】
【図１２（ｂ）】
【図１３（ａ）】
【図１３（ｂ）】
【図１４】
【図１５（ａ）】
【図１５（ｂ）】
【図１５（ｃ）】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１２（ａ）】
【図１２（ｂ）】
【図１３（ａ）】
【図１３（ｂ）】
【図１４】
【図１５（ａ）】
【図１５（ｂ）】
【図１５（ｃ）】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−１３４６９８（Ｐ２００６−１３４６９８Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２２０２８（Ｐ２００４−３２２０２８）
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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