燃料電池のガス流路形成部材および燃料電池
【課題】電池セル内において水の溜まる量を少なくする。
【解決手段】電池セル内のガス流路にラスカットメタルからなるガス流路形成部材１２を配置する。このガス流路形成部材１２は、開口を仕切る梁部の傾きが場所によって異なるように設定してある。ガス流路の入口側においてガス流れの方向に対して小さく、出口側において、大きくする。これによって、出口側において梁部に溜まる水の量を少なくできる。
【解決手段】電池セル内のガス流路にラスカットメタルからなるガス流路形成部材１２を配置する。このガス流路形成部材１２は、開口を仕切る梁部の傾きが場所によって異なるように設定してある。ガス流路の入口側においてガス流れの方向に対して小さく、出口側において、大きくする。これによって、出口側において梁部に溜まる水の量を少なくできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材およびこれを使用する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池について各種の提案がなされている。燃料電池は、通常複数の電池セルを積層して構成され、１つの電池セルは膜電極接合体（ＭＥＡ）の両側にガス流路を介し配置される一対のセパレータからなっている。このような燃料電池セルにおいて、ガスの流通を効果的に行うことは重要であり、このガス流路の構成について、例えば特許文献１，２の提案がある。
【０００３】
特許文献１では、ラスカットメタルを平面上に圧延した得られたエキスパンドメタルについて筋状の凹凸を形成したものをガス流路セパレータとＭＥＡの間にガス流路形成部材として配置している。
【０００４】
また、引用文献２では、ラスカットメタルをコルゲート成型機で、波形に成型したものをガス流路形成部材として利用することが示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３１０６３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２６８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなガス流路形成部材は、ガスをなるべくＭＥＡの全体に均一に供給することが求められる。また、電池セルのカソード側では電池反応によって生じた水が生じるため、この水を効果的に排出できることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材であって、板材を離散的にカットして、梁部を残しながら千鳥状に複数の開口部を形成したラスカットメタルを使用するとともに、梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、同時にカットする方向に直交する縦方向で隣接する開口を形成する山部と谷部は連続平面を形成する接続部で接続され、この接続部のガス流路形成部材の厚み方向に対する傾きが縦方向の一方側の領域と他方側の領域で異なっていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記傾きは、横方向において、同じあることが好適である。
【０００９】
また、本発明は、前記燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、燃料電池セルは、電池反応部材の両側にガス流路を介し一対のセパレータが設けられて構成され、前記ガス流路のうち、カソード側のガス流路に前記燃料電池のガス流路形成部材を配置することを特徴とする。
【００１０】
また、前記ガス流路のうち、少なくともカソード側のガス流路に上記記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置し、ガス流路の入口側において、前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して大きな角度であり、ガス流の出口側において、前記前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して小さな角度であることが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガス流路形成部材の開口を形成する梁の連結部の傾きが場所により異なるガス流路形成部材を使用するため、電池セルに配置したときにガス出口側ほど、ガスの流れに対する傾きを小さくすることができ、これによって連結部に溜まる水の量を少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、電池セルの構成を示す断面図である。ＭＥＡ（膜電極接合体）の両側に拡散層が形成されたＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）１０の両側には、ガス流路形成部材１２が配置され、その外側にセパレータ１４が配置されている。また、ガス流路形成部材１２はＭＥＧＡ１０およびセパレータ１４に比べ面積が小さく、ＭＥＧＡ１０と一対のセパレータ１４周辺部をシール材１６でシールすることで、ガス流路形成部材１２が配置されているガス流路を密閉状態でシールしている。
【００１４】
そして、カソード側のガス流路には、酸化剤ガスとして空気（酸素含有ガス）が流通され、アノード側ガス流路には燃料ガスとして水素ガス（水素含有ガス）が供給され、これらガスがＭＥＧＡ１０内で反応し、発電電力が一対の電極間に得られる。ガス流路形成部材１２は、ステンレスなどのメタルで形成され、これが集電部材としても機能する。そして、通常はこのような電池セルが多数積層され、その両端から電池出力が得られる。
【００１５】
図２には、実施形態に係るガス流路形成部材１２の基本的構成が示されている。このガス流路形成部材１２は、ラスカットメタルで形成されている。すなわち、メタルの板材を離散的に千鳥状にカットすることで、図２に示すように、連結する梁部を残して千鳥状に複数の六角形の開口部を形成される。各六角形の開口の頂部は上の開口の底部を形成し、梁の連結部になっている。開口の六角形は、ほぼ正六角形であり、図における開口はハニーコーム状に配置されており、各開口の頂部の長さと底部の長さは同一になっている。
【００１６】
このようなガス流路形成部材１２は、梁部の面が板材の面に対し傾斜している。そして、この梁の傾斜面がセパレータ１４側に向けて下がるように、ガス流路形成部材１２が配置される。
【００１７】
図３は、電池セルの内側における、ガス流路形成部材１２およびセパレータ１４の構成が示されている。このように、セパレータ１４には、上辺には酸化剤ガスの入口（この例では３つ）が設けられており、下辺には酸化剤ガスの出口（この例では３つ）が設けられている。これら入口および出口は複数の電池セルのセパレータ１４を貫通するマニホールドとして構成され、このマニホールドとガス流路がセパレータ１４に設けられた多数の通路で連通している。
【００１８】
そこで、この図３では、酸化剤ガス入口からの流入するガスがガス流路形成部材１２中を通過して下方に向けて流れ、酸化剤ガス出口から排出される。なお、ＭＥＧＡ１０の反対側のガス流路には、燃料ガス（水素ガス）が供給される。例えば、燃料ガスの入口、出口用のマニホールドは、酸化剤ガスのマニホールドのない部分に配置されており、同様にガス流路を入口側から出口側に燃料ガスが流れる。
【００１９】
本実施形態においては、酸化剤ガスの流路における入口側と、出口側とで、梁部の面の傾斜を変更する。
【００２０】
すなわち、酸化剤ガス流路において、ガスの出口に向けての流れが、ガス流路形成部材１２と、セパレータ１４との接触部に当たり、ここに水が溜まりやすい。そこで、本実施形態では、図４に示すように、梁部の面の傾斜をガスの入口側で小さく、出口側で大きく設定する。なお、ガスの流れに対しては、入口側で角度が大きく、出口側で角度が小さくなる。
【００２１】
図５に示すように、傾斜を大きくすると、それだけ水が溜まりにくくなる。燃料電池セルでは、反応生成物である水がＭＥＧＡ１０の全体から生成され、これが流通するガスに随伴されるため、出口側において水が溜まりやすい。本実施形態によれば、出口側において傾斜が大きくなっているため、水が溜まりにくくなっており、全体として水が溜まりにくい。また、入口側では、傾斜が小さいことで、ガス流れを十分整流して、ＭＥＧＡ１０に対し全体的ににガスを拡散することができる。
【００２２】
傾斜角度θは、入口側で０〜３０度、中間部分で３０〜６０度、出口側で６０〜９０度程度に設定することが好適である。また、図に示すように、ガス流路形成部材１２の梁部は、セパレータ１４に向けて傾斜することが好適である。
【００２３】
水が溜まった部分は、燃料電池として機能できないため、溜まる水の量を少なくすることで、電池の有効面積を増やすことができ、また水をセル内から効果的に排出することができる。また、セパレータ１４に側に傾斜するため、ＭＥＧＡ１０側に水が溜まりにくく、電池反応が阻害されにくい。
【００２４】
また、酸化剤ガス流通側について、説明したが、燃料ガス流通側についても同様の構成を採ることが好適である。また、水の排出を考慮すると、ガス出口が下方に位置することが好ましいが、水はガスの流れに随伴されるため、水平方向にガスを流してもよい。
【００２５】
なお、梁部の傾きは、ラスカットの際の刃の向きを変更することで容易に行うことができる。この傾きは、１段ごとに順次変更してもよいし、複数段階（例えば、３段階）で変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電池セルの断面図である。
【図２】ガス流路形成部材の構成例を示す図である。
【図３】セパレータおよびガス流路形成部材の構成を示す図である。
【図４】ガス流路形成部材の傾きを示す図である。
【図５】ガス流路形成部材へ溜まる水の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０ ＭＥＧＡ、１２ ガス流路形成部材、１４ セパレータ、１６ シール材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材およびこれを使用する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池について各種の提案がなされている。燃料電池は、通常複数の電池セルを積層して構成され、１つの電池セルは膜電極接合体（ＭＥＡ）の両側にガス流路を介し配置される一対のセパレータからなっている。このような燃料電池セルにおいて、ガスの流通を効果的に行うことは重要であり、このガス流路の構成について、例えば特許文献１，２の提案がある。
【０００３】
特許文献１では、ラスカットメタルを平面上に圧延した得られたエキスパンドメタルについて筋状の凹凸を形成したものをガス流路セパレータとＭＥＡの間にガス流路形成部材として配置している。
【０００４】
また、引用文献２では、ラスカットメタルをコルゲート成型機で、波形に成型したものをガス流路形成部材として利用することが示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３１０６３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２６８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなガス流路形成部材は、ガスをなるべくＭＥＡの全体に均一に供給することが求められる。また、電池セルのカソード側では電池反応によって生じた水が生じるため、この水を効果的に排出できることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材であって、板材を離散的にカットして、梁部を残しながら千鳥状に複数の開口部を形成したラスカットメタルを使用するとともに、梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、同時にカットする方向に直交する縦方向で隣接する開口を形成する山部と谷部は連続平面を形成する接続部で接続され、この接続部のガス流路形成部材の厚み方向に対する傾きが縦方向の一方側の領域と他方側の領域で異なっていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記傾きは、横方向において、同じあることが好適である。
【０００９】
また、本発明は、前記燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、燃料電池セルは、電池反応部材の両側にガス流路を介し一対のセパレータが設けられて構成され、前記ガス流路のうち、カソード側のガス流路に前記燃料電池のガス流路形成部材を配置することを特徴とする。
【００１０】
また、前記ガス流路のうち、少なくともカソード側のガス流路に上記記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置し、ガス流路の入口側において、前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して大きな角度であり、ガス流の出口側において、前記前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して小さな角度であることが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガス流路形成部材の開口を形成する梁の連結部の傾きが場所により異なるガス流路形成部材を使用するため、電池セルに配置したときにガス出口側ほど、ガスの流れに対する傾きを小さくすることができ、これによって連結部に溜まる水の量を少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、電池セルの構成を示す断面図である。ＭＥＡ（膜電極接合体）の両側に拡散層が形成されたＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）１０の両側には、ガス流路形成部材１２が配置され、その外側にセパレータ１４が配置されている。また、ガス流路形成部材１２はＭＥＧＡ１０およびセパレータ１４に比べ面積が小さく、ＭＥＧＡ１０と一対のセパレータ１４周辺部をシール材１６でシールすることで、ガス流路形成部材１２が配置されているガス流路を密閉状態でシールしている。
【００１４】
そして、カソード側のガス流路には、酸化剤ガスとして空気（酸素含有ガス）が流通され、アノード側ガス流路には燃料ガスとして水素ガス（水素含有ガス）が供給され、これらガスがＭＥＧＡ１０内で反応し、発電電力が一対の電極間に得られる。ガス流路形成部材１２は、ステンレスなどのメタルで形成され、これが集電部材としても機能する。そして、通常はこのような電池セルが多数積層され、その両端から電池出力が得られる。
【００１５】
図２には、実施形態に係るガス流路形成部材１２の基本的構成が示されている。このガス流路形成部材１２は、ラスカットメタルで形成されている。すなわち、メタルの板材を離散的に千鳥状にカットすることで、図２に示すように、連結する梁部を残して千鳥状に複数の六角形の開口部を形成される。各六角形の開口の頂部は上の開口の底部を形成し、梁の連結部になっている。開口の六角形は、ほぼ正六角形であり、図における開口はハニーコーム状に配置されており、各開口の頂部の長さと底部の長さは同一になっている。
【００１６】
このようなガス流路形成部材１２は、梁部の面が板材の面に対し傾斜している。そして、この梁の傾斜面がセパレータ１４側に向けて下がるように、ガス流路形成部材１２が配置される。
【００１７】
図３は、電池セルの内側における、ガス流路形成部材１２およびセパレータ１４の構成が示されている。このように、セパレータ１４には、上辺には酸化剤ガスの入口（この例では３つ）が設けられており、下辺には酸化剤ガスの出口（この例では３つ）が設けられている。これら入口および出口は複数の電池セルのセパレータ１４を貫通するマニホールドとして構成され、このマニホールドとガス流路がセパレータ１４に設けられた多数の通路で連通している。
【００１８】
そこで、この図３では、酸化剤ガス入口からの流入するガスがガス流路形成部材１２中を通過して下方に向けて流れ、酸化剤ガス出口から排出される。なお、ＭＥＧＡ１０の反対側のガス流路には、燃料ガス（水素ガス）が供給される。例えば、燃料ガスの入口、出口用のマニホールドは、酸化剤ガスのマニホールドのない部分に配置されており、同様にガス流路を入口側から出口側に燃料ガスが流れる。
【００１９】
本実施形態においては、酸化剤ガスの流路における入口側と、出口側とで、梁部の面の傾斜を変更する。
【００２０】
すなわち、酸化剤ガス流路において、ガスの出口に向けての流れが、ガス流路形成部材１２と、セパレータ１４との接触部に当たり、ここに水が溜まりやすい。そこで、本実施形態では、図４に示すように、梁部の面の傾斜をガスの入口側で小さく、出口側で大きく設定する。なお、ガスの流れに対しては、入口側で角度が大きく、出口側で角度が小さくなる。
【００２１】
図５に示すように、傾斜を大きくすると、それだけ水が溜まりにくくなる。燃料電池セルでは、反応生成物である水がＭＥＧＡ１０の全体から生成され、これが流通するガスに随伴されるため、出口側において水が溜まりやすい。本実施形態によれば、出口側において傾斜が大きくなっているため、水が溜まりにくくなっており、全体として水が溜まりにくい。また、入口側では、傾斜が小さいことで、ガス流れを十分整流して、ＭＥＧＡ１０に対し全体的ににガスを拡散することができる。
【００２２】
傾斜角度θは、入口側で０〜３０度、中間部分で３０〜６０度、出口側で６０〜９０度程度に設定することが好適である。また、図に示すように、ガス流路形成部材１２の梁部は、セパレータ１４に向けて傾斜することが好適である。
【００２３】
水が溜まった部分は、燃料電池として機能できないため、溜まる水の量を少なくすることで、電池の有効面積を増やすことができ、また水をセル内から効果的に排出することができる。また、セパレータ１４に側に傾斜するため、ＭＥＧＡ１０側に水が溜まりにくく、電池反応が阻害されにくい。
【００２４】
また、酸化剤ガス流通側について、説明したが、燃料ガス流通側についても同様の構成を採ることが好適である。また、水の排出を考慮すると、ガス出口が下方に位置することが好ましいが、水はガスの流れに随伴されるため、水平方向にガスを流してもよい。
【００２５】
なお、梁部の傾きは、ラスカットの際の刃の向きを変更することで容易に行うことができる。この傾きは、１段ごとに順次変更してもよいし、複数段階（例えば、３段階）で変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電池セルの断面図である。
【図２】ガス流路形成部材の構成例を示す図である。
【図３】セパレータおよびガス流路形成部材の構成を示す図である。
【図４】ガス流路形成部材の傾きを示す図である。
【図５】ガス流路形成部材へ溜まる水の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０ ＭＥＧＡ、１２ ガス流路形成部材、１４ セパレータ、１６ シール材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材であって、
板材を離散的にカットして、梁部を残しながら千鳥状に複数の開口部を形成したラスカットメタルを使用するとともに、
梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、同時にカットする方向に直交する縦方向で隣接する開口を形成する山部と谷部は連続平面を形成する接続部で接続され、
この接続部のガス流路形成部材の厚み方向に対する傾きが縦方向の一方側の領域と他方側の領域で異なっていることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
【請求項２】
請求項１に記載のガス流路形成部材であって、
前記傾きは、横方向において、同じあることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、
燃料電池セルは、電池反応部材の両側にガス流路を介し一対のセパレータが設けられて構成され、
前記ガス流路のうち、カソード側のガス流路に請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、
前記ガス流路のうち、少なくともカソード側のガス流路に請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置し、ガス流路の入口側において、前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して大きな角度であり、ガス流の出口側において、前記前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して小さな角度であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材であって、
板材を離散的にカットして、梁部を残しながら千鳥状に複数の開口部を形成したラスカットメタルを使用するとともに、
梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、同時にカットする方向に直交する縦方向で隣接する開口を形成する山部と谷部は連続平面を形成する接続部で接続され、
この接続部のガス流路形成部材の厚み方向に対する傾きが縦方向の一方側の領域と他方側の領域で異なっていることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
【請求項２】
請求項１に記載のガス流路形成部材であって、
前記傾きは、横方向において、同じあることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、
燃料電池セルは、電池反応部材の両側にガス流路を介し一対のセパレータが設けられて構成され、
前記ガス流路のうち、カソード側のガス流路に請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、
前記ガス流路のうち、少なくともカソード側のガス流路に請求項１または２に記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置し、ガス流路の入口側において、前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して大きな角度であり、ガス流の出口側において、前記前記連結部の傾きがガスの流れの方向に対して小さな角度であることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２８７９４５（Ｐ２００８−２８７９４５Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２９８８７（Ｐ２００７−１２９８８７）
【出願日】平成１９年５月１５日（２００７．５．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１５日（２００７．５．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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