燃料電池
【課題】コンパクトな構成で、所望の水蒸気透過性を確保することができ、効率的なガス加湿処理を良好に遂行することを可能にする。
【解決手段】発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１セパレータ２４は、酸化剤ガス流路４２を有し、前記酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間には、入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域４４ｂとが設けられる。入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域４４ｂには、複数の円柱状抵抗部材４６ａ、４６ｂが形成される一方、電解質膜・電極構造体２２には、第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂが設けられる。
【解決手段】発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１セパレータ２４は、酸化剤ガス流路４２を有し、前記酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間には、入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域４４ｂとが設けられる。入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域４４ｂには、複数の円柱状抵抗部材４６ａ、４６ｂが形成される一方、電解質膜・電極構造体２２には、第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂが設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、例えば、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する外部加湿方式が知られている。
【０００４】
一方、加湿部をセルと一体化した内部加湿方式として、例えば、特許文献１に開示された固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１１に示すように、膜電極接合体１とアノード側セパレータ２ａ及びカソード側セパレータ２ｋとを備えている。
【０００５】
膜電極接合体１は、電解質膜３の両面に触媒層４ａ、４ｋと拡散層５ａ、５ｋとを接合して形成されるアノード電極６ａとカソード電極６ｋとを備える。膜電極接合体１は、触媒層４ａ、４ｋが形成されていない電解質膜領域を加湿部７としている。アノード側セパレータ２ａ及びカソード側セパレータ２ｋには、アノードガス流通溝８ａとカソードガス流通溝８ｋとが、例えば、サーペンタイン状に蛇行して形成されている。
【０００６】
そこで、アノードガスとカソードガスとが対向流をなしている。このため、カソードガスは、触媒層４ｋで反応することにより生成された水により加湿された後、上側の加湿部７で水蒸気の濃度勾配によってカソード側からアノード側に水が移動する。アノードガスは、上側の加湿部７から移動してくる水で加湿される一方、下側の加湿部７では、水蒸気の濃度勾配によりアノード側からカソード側に水が移動し、反応前のカソードガスの加湿が行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２５５８４号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、アノードガス流通溝８ａ及びカソードガス流通溝８ｋを流れるアノードガス及びカソードガスの間で水蒸気の交換が行われている。このため、本来発電に使用されるアノードガス流通溝８ａ及びカソードガス流通溝８ｋの上下部分には、加湿部７が構成されており、電極面積が減少してしまう。従って、燃料電池の出力が低下するおそれがあり、所望の電極面積を確保するために、前記燃料電池全体が相当に大型化するという問題がある。
【０００９】
しかも、それぞれ連続したアノードガス流通溝８ａ及びカソードガス流通溝８ｋでは、比較的安定したガス流れが発生しており、加湿部７の表面近傍におけるガス流速が低下し易い。これにより、単位面積当たりの水蒸気透過精度が低下し、所望の加湿状態を得るためには、前記加湿部７の面積を相当に拡大しなければならならないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、所望の水蒸気透過性を確保することができ、効率的なガス加湿処理を良好に遂行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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１２】
セパレータは、電極の発電領域に対応して反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に設けられ、前記反応ガスの撹拌を行うバッファ領域とを備えている。そして、電解質膜・電極構造体には、バッファ領域に対向し且つ前記バッファ領域から水分を透過するための加湿部が設けられている。
【００１３】
また、バッファ領域には、反応ガスの流れに抵抗となる抵抗部材が設けられるとともに、前記抵抗部材には、前記反応ガスを電解質膜・電極接合体に案内する傾斜ガイド部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間には、バッファ領域が設けられており、反応ガスがこのバッファ領域で撹拌されるため、加湿部の外表面に沿うガス流速が速くなるとともに、乱流が発生する。従って、加湿部における水蒸気透過性が向上し、同等の水蒸気透過量に対して必要な加湿部面積を良好に減少させることができる。
【００１５】
しかも、バッファ領域は、ガス流の分布が不均一になるため、生成水の滞留が発生し易く、発電を行うには適さない領域であり、このバッファ領域を加湿領域として利用することによって、反応ガス流路の電極面積を減少させることがない。これにより、燃料電池全体の小型化及び軽量化を図るとともに、高性能な加湿処理が良好に遂行可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視説明図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が略水平方向である矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられているが、これに代えて、図示しない箱状ケーシング内に収容してもよい。この燃料電池スタック１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。
【００１８】
図２及び図３に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、カーボンプレートで構成されているが、金属プレートで構成してもよい。
【００１９】
図２に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２０】
発電セル１２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連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２２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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。
【００２２】
アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、図３に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３６ａ、３８ａ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３６ａ、３８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層３６ｂ、３８ｂとを有する。電極触媒層３６ｂ、３８ｂは、固体高分子電解質膜３４の両面に形成されるとともに、後述するバッファ領域に対応してガス拡散層３６ａ、３８ａより小さな面積に設定されることにより、固体高分子電解質膜３４及びガス拡散層３６ａ、３８ａのみを有する第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂが設けられる（図２参照）。
【００２３】
第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａに酸化剤ガス流路４２を設ける。この酸化剤ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝４２ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝４２ａの両端部と、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間には、略三角形状の入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域４４ｂとが設けられる。
【００２４】
入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂには、酸化剤ガスの流れに抵抗となる複数の円柱状抵抗部材４６ａ、４６ｂが形成される。酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂと入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂとは、連結路４８ａ、４８ｂにより連通する。
【００２５】
第２セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａに燃料ガス流路５０を設ける。この燃料ガス流路５０は、図４に示すように、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝５０ａを有し、前記燃料ガス流路溝５０ａの両端部と、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂとの間には、略三角形状の入口側バッファ領域５２ａと出口側バッファ領域５２ｂとが設けられる。
【００２６】
入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂには、燃料ガスの流れに抵抗となる複数の円柱状抵抗部材５４ａ、５４ｂが形成される。燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂと入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂとは、連結路５６ａ、５６ｂにより連通する。
【００２７】
図２に示すように、第２セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体流路５８が形成される。この冷却媒体流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５８ａを有し、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。なお、冷却媒体流路溝５８ａと冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂとの間には、必要に応じて入口側バッファ領域５９ａ及び出口側バッファ領域５９ｂを設けることができる。
【００２８】
第１セパレータ２４の面２４ａと電解質膜・電極構造体２２との間、第２セパレータ２６と前記電解質膜・電極接合体２２との間、及び前記第１セパレータ２４の面２４ｂと前記第２セパレータ２６の面２６ｂとの間には、図示しないが、必要に応じてシール部材（ガスケット等）が介装される。
【００２９】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。一方、燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。
【００３１】
燃料電池スタック１０内では、図２に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから各発電セル１２を構成する第１セパレータ２４の連結路４８ａを通って入口側バッファ領域４４ａに導入される。入口側バッファ領域４４ａには、複数の円柱状抵抗部材４６ａが設けられており、この入口側バッファ領域４４ａに導入された酸化剤ガスの流れに抵抗となって、前記酸化剤ガスが撹拌される。
【００３２】
そして、撹拌された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２を構成する各酸化剤ガス流路溝４２ａに均等に分配して供給される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝４２ａに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に供給される。
【００３３】
一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａから各発電セル１２を構成する第２セパレータ２６の連結路５６ａを通って入口側バッファ領域５２ａに導入される。この出口側バッファ領域４４ｂには、複数の円柱状抵抗材４６ｂが形成されており、燃料ガスは、前記円柱状抵抗部材４６ｂにより分岐や合流が行われて、燃料ガスの撹拌が惹起される。
【００３４】
従って、燃料ガスは、燃料ガス流路５０を構成する各燃料ガス流路溝５０ａに均一に分配して供給され、前記燃料ガス流路溝５０ａに沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３６に供給される。
【００３５】
これにより、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３８ｂ、３６ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図３参照）。
【００３６】
次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、図２に示すように、出口側バッファ領域４４ｂに導入され、複数の円柱状抵抗部材４６ｂによって撹拌された後、連結路４８ｂから酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、出口側バッファ領域５２ｂに導入され、複数の円柱状抵抗部材５４ｂによって撹拌された後、連結路５６ｂから燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出される（図４参照）。
【００３７】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａには、酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間に、酸化剤ガスの撹拌を行う入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂが設けられている。同様に、第２セパレータ２６の面２６ａには、図４に示すように、燃料ガス流路５０と燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂとの間に、燃料ガスの撹拌を行う入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂが設けられている。
【００３８】
そして、電解質膜・電極構造体２２には、第１及び第２セパレータ２４、２６に挟持される際、入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域５２ｂとに積層される第１加湿部４０ａと、出口側バッファ領域４４ｂと入口側バッファ領域５２ａとに積層される第２加湿部４０ｂとが設けられている。
【００３９】
図５に示すように、酸化剤ガスは、入口側バッファ領域４４ａから酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ１方向に移動する際、上記の発電反応によって生成される水を含んで加湿された状態で、出口側バッファ領域４４ｂに導出される。この出口側バッファ領域４４ｂでは、加湿された酸化剤ガスが複数の円柱状抵抗部材４６ｂによって撹拌されるため、電解質膜・電極構造体２２の第２加湿部４０ｂの外表面に沿う酸化剤ガス流速が速くなるとともに、乱流が発生している。
【００４０】
一方、第２セパレータ２６では、反応前の燃料ガスは、入口側バッファ領域５２ａに導入され、複数の円柱状抵抗部材５４ａを介して撹拌される。従って、反応前の比較的低加湿な燃料ガスは、第２加湿部４０ｂの外表面に沿う反応ガス流速が速くなるとともに、乱流が発生している。
【００４１】
これにより、第２加湿部４０ｂの両外表面間では、水蒸気濃度に大きな差が生じており、酸化剤ガス側から燃料ガス側に水分が良好に移動するとともに、水蒸気透過性が大幅に向上する。従って、使用前の燃料ガスは、第２加湿部４０ｂを介して加湿された後、アノード側電極３６に供給されるため、電解質膜・電極構造体２２の乾燥を確実に阻止することができる。しかも、第２加湿部４０ｂでは、水蒸気透過性の向上により同等の水蒸気透過量に対して必要な加湿部面積を良好に減少させることができ、前記第２加湿部４０ｂの小型化が容易に図られる。
【００４２】
さらに、出口側バッファ領域４４ｂ及び入口側バッファ領域５２ａは、ガス流の分布が不均一になるため、生成水の滞留が発生し易く、発電を行うには適さない領域である。このため、出口側バッファ領域４４ｂ及び入口側バッファ領域５２ａを加湿領域として利用することにより、酸化剤ガス流路４２及び燃料ガス流路５０の発電面積を減少させることがない。これにより、発電セル１２の小型化が図られるとともに、燃料電池スタック１０全体の小型及び軽量化が良好に遂行されるという利点がある。
【００４３】
また、燃料ガスは、燃料ガス流路５０に沿って矢印Ｂ２方向に移動した後、水分を含んだ状態で出口側バッファ領域５２ｂに導出される。この出口側バッファ領域５２ｂは、第１セパレータ２４の入口側バッファ領域４４ａに第１加湿部４０ａを介装して重なり合っている。
【００４４】
従って、第１加湿部４０ａの両外表面には、水分を多量に含んだ使用済みの燃料ガスと比較的低加湿の使用前の酸化剤ガスとが接触しており、前記燃料ガス中の水分が前記第２加湿部４０ｂを透過して使用前の酸化剤ガスに供給される。このため、使用前の酸化剤ガスは、良好に加湿されて酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２２の乾燥を防止することが可能になる。
【００４５】
さらにまた、入口側バッファ領域４４ａ、５２ａと出口側バッファ領域４４ｂ、５２ｂとには、それぞれ複数の円柱状抵抗部材４６ａ、５４ａ及び４６ｂ、５４ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス及び燃料ガスには、方向性のない均質な圧損を自在に付与することができ、各酸化剤ガス流路溝４２ａ及び各燃料ガス流路溝５０ａの流量をより均一化することが可能になる。
【００４６】
また、固体高分子電解質膜３４の両面には、電極触媒層３６ｂ、３８ｂ及びガス拡散層３６ａ、３８ａを有した発電部と、前記ガス拡散層３６ａ、３８ａのみが設けられた、すなわち、前記電極触媒層３６ｂ、３８ｂを設けない第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂとが一体に構成されている。従って、電解質膜・電極構造体２２をシールするためのシール構造が簡略化されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２２の製造コストが低減される。
【００４７】
ところで、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図２に示すように、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路５８に導入され、複数の冷却媒体流路溝５８ａに沿って矢印Ｂ方向に流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出されて循環使用される。
【００４８】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル７０の一部拡大断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４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。
【００４９】
発電セル７０は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ７４、７６を備える。第１及び第２セパレータ７４、７６は、薄板状の金属プレートで構成され、前記第１及び第２セパレータ７４、７６には、それぞれ入口側バッファ領域４４ａ、５２ａ及び出口側バッファ領域４４ｂ、５２ｂが形成される。
【００５０】
具体的には、第１セパレータ７４は、中立面７８を有するとともに、この中立面７８の第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂに対向する部分には、積層方向一方の電解質膜・電極構造体２２側に膨出する第１円筒状凸部８０ａと、積層方向他方の電解質膜・電極構造体２２側に膨出する第２円筒状凸部８０ｂとをそれぞれ交互に且つ複数ずつ設けている。
【００５１】
第１円筒状凸部８０ａと、一方の電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８側の第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂとの間には、入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂが形成される。入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂは、第１セパレータ７４に形成される複数の酸化剤ガス流路溝４２ａに連通する。
【００５２】
第２円筒状凸部８０ｂと、他方の電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６側の第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂとの間には、入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂが形成される。入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂは、第１セパレータ７４に形成される複数の燃料ガス流路溝５０ａに連通する。
【００５３】
なお、第２セパレータ７６は、上記の第１セパレータ７４と同様に構成され、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、発電セル７０間には、必要に応じて所定の間隔をおいて冷却媒体流路（図示せず）を形成するためのプレートを介装してもよい。
【００５４】
このように構成される第２の実施形態では、第１及び第２セパレータ７４、７６を金属プレートで構成するとともに、プレス加工によって第１及び第２円筒状凸部８０ａ、８０ｂを形成することができる。これにより、第１及び第２セパレータ７４、７６の構成が一挙に簡素化され、燃料電池スタック全体の製造コストが低減されるという効果が得られる。
【００５５】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル９０の第１セパレータ９２の一部拡大説明図であり、図８は、前記発電セル９０の一部断面説明図である。
【００５６】
第１セパレータ９２は、カーボンプレートで構成されており、出口側バッファ領域４４ｂには、酸化剤ガスの流れに抵抗となる複数の角錐状抵抗部材９４が形成される。角錐状抵抗部材９４は、電解質膜・電極構造体２２側に向かって幅狭となる傾斜面９４ａを有し、その最小断面積側である頂面９４ｂが第２加湿部４０ｂに接触している。
【００５７】
なお、第１セパレータ９２では、図示していないが、入口側バッファ領域においても上記の出口側バッファ領域４４ｂと同様に構成される。さらに、図示しない第２セパレータにおいても、同様に構成される。また、以下に説明する第４の実施形態でも、同様である。
【００５８】
この第３の実施形態では、図８に示すように、複数の角錐状抵抗部材９４の幅狭となる頂面９４ｂが第２加湿部４０ｂに接触しており、この第２加湿部４０ｂの酸化剤ガスに接触する面積が良好に拡大される。しかも、各角錐状抵抗部材９４の傾斜面９４ａによって酸化剤ガスに撹拌が惹起され易くなる。これにより、第２加湿部４０ｂの表面に沿う酸化剤ガス流速が速くなるとともに、接触表面積が増加し、前記第２加湿部４０ｂにおける水蒸気透過性能が一層向上するという効果が得られる。
【００５９】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル１００の第１セパレータ１０２の一部拡大説明図であり、図１０は、前記発電セル１００の一部断面説明図である。
【００６０】
第１セパレータ１０２を構成する出口側バッファ領域４４ｂには、酸化剤ガスの流れに抵抗となる複数の角柱状抵抗部材１０４が形成される。角柱状抵抗部材１０４は、酸化剤ガスの流れ方向に沿う第１傾斜面１０４ａと、この第１傾斜面１０４ａとは反対側の第２傾斜面１０４ｂとを有する。第１傾斜面１０４ａは、底面側から第２加湿部４０ｂ側に向かって緩やかに傾斜する一方、第２傾斜面１０４ｂは、前記第２加湿部４０ｂに接触する頂面１０４ｃから急激に底部側に傾斜している。
【００６１】
このように構成される第４の実施形態では、出口側バッファ領域４４ｂに導入された酸化剤ガスは、複数の角柱状抵抗部材１０４によって撹拌されるとともに、第１傾斜面１０４ａの案内作用下に第２加湿部４０ｂの内部に向かって移動する。これにより、酸化剤ガス中の水蒸気は、第２加湿部４０ｂ内に一層確実且つ円滑に浸透し、水蒸気透過性能がより一層向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記発電セルの一部拡大断面図である。
【図４】前記発電セルを構成する第２セパレータの正面図である。
【図５】前記発電セル内の水蒸気透過状態の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの一部拡大断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの第１セパレータの一部拡大説明図である。
【図８】前記発電セルの一部断面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの第１セパレータの一部拡大説明図である。
【図１０】前記発電セルの一部断面説明図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…燃料電池スタック １２、７０、９０、１００…発電セル
１４…積層体 ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、７４、７６、９２、１０２…セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ３６ａ、３８ａ…ガス拡散層
３６ｂ、３８ｂ…電極触媒層 ４０ａ、４０ｂ…加湿部
４２…酸化剤ガス流路 ４２ａ…酸化剤ガス流路溝
４４ａ、４４ｂ、５２ａ、５２ｂ…バッファ領域
４６ａ、４６ｂ、５４ａ、５４ｂ、９４、１０４…抵抗部材
５０…燃料ガス流路 ５０ａ…燃料ガス流路溝
５８…冷却媒体流路 ８０ａ、８０ｂ…凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層するとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配置されることにより、燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、例えば、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する外部加湿方式が知られている。
【０００４】
一方、加湿部をセルと一体化した内部加湿方式として、例えば、特許文献１に開示された固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１１に示すように、膜電極接合体１とアノード側セパレータ２ａ及びカソード側セパレータ２ｋとを備えている。
【０００５】
膜電極接合体１は、電解質膜３の両面に触媒層４ａ、４ｋと拡散層５ａ、５ｋとを接合して形成されるアノード電極６ａとカソード電極６ｋとを備える。膜電極接合体１は、触媒層４ａ、４ｋが形成されていない電解質膜領域を加湿部７としている。アノード側セパレータ２ａ及びカソード側セパレータ２ｋには、アノードガス流通溝８ａとカソードガス流通溝８ｋとが、例えば、サーペンタイン状に蛇行して形成されている。
【０００６】
そこで、アノードガスとカソードガスとが対向流をなしている。このため、カソードガスは、触媒層４ｋで反応することにより生成された水により加湿された後、上側の加湿部７で水蒸気の濃度勾配によってカソード側からアノード側に水が移動する。アノードガスは、上側の加湿部７から移動してくる水で加湿される一方、下側の加湿部７では、水蒸気の濃度勾配によりアノード側からカソード側に水が移動し、反応前のカソードガスの加湿が行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２５５８４号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、アノードガス流通溝８ａ及びカソードガス流通溝８ｋを流れるアノードガス及びカソードガスの間で水蒸気の交換が行われている。このため、本来発電に使用されるアノードガス流通溝８ａ及びカソードガス流通溝８ｋの上下部分には、加湿部７が構成されており、電極面積が減少してしまう。従って、燃料電池の出力が低下するおそれがあり、所望の電極面積を確保するために、前記燃料電池全体が相当に大型化するという問題がある。
【０００９】
しかも、それぞれ連続したアノードガス流通溝８ａ及びカソードガス流通溝８ｋでは、比較的安定したガス流れが発生しており、加湿部７の表面近傍におけるガス流速が低下し易い。これにより、単位面積当たりの水蒸気透過精度が低下し、所望の加湿状態を得るためには、前記加湿部７の面積を相当に拡大しなければならならないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクトな構成で、所望の水蒸気透過性を確保することができ、効率的なガス加湿処理を良好に遂行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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。
【００１２】
セパレータは、電極の発電領域に対応して反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガス流路と反応ガス連通孔との間に設けられ、前記反応ガスの撹拌を行うバッファ領域とを備えている。そして、電解質膜・電極構造体には、バッファ領域に対向し且つ前記バッファ領域から水分を透過するための加湿部が設けられている。
【００１３】
また、バッファ領域には、反応ガスの流れに抵抗となる抵抗部材が設けられるとともに、前記抵抗部材には、前記反応ガスを電解質膜・電極接合体に案内する傾斜ガイド部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反応ガス流路と反応ガス連通孔との間には、バッファ領域が設けられており、反応ガスがこのバッファ領域で撹拌されるため、加湿部の外表面に沿うガス流速が速くなるとともに、乱流が発生する。従って、加湿部における水蒸気透過性が向上し、同等の水蒸気透過量に対して必要な加湿部面積を良好に減少させることができる。
【００１５】
しかも、バッファ領域は、ガス流の分布が不均一になるため、生成水の滞留が発生し易く、発電を行うには適さない領域であり、このバッファ領域を加湿領域として利用することによって、反応ガス流路の電極面積を減少させることがない。これにより、燃料電池全体の小型化及び軽量化を図るとともに、高性能な加湿処理が良好に遂行可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視説明図である。
【００１７】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が略水平方向である矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられているが、これに代えて、図示しない箱状ケーシング内に収容してもよい。この燃料電池スタック１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。
【００１８】
図２及び図３に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、カーボンプレートで構成されているが、金属プレートで構成してもよい。
【００１９】
図２に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２０】
発電セル１２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連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体２２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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。
【００２２】
アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、図３に示すように、カーボンペーパ等からなるガス拡散層３６ａ、３８ａ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３６ａ、３８ａの表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層３６ｂ、３８ｂとを有する。電極触媒層３６ｂ、３８ｂは、固体高分子電解質膜３４の両面に形成されるとともに、後述するバッファ領域に対応してガス拡散層３６ａ、３８ａより小さな面積に設定されることにより、固体高分子電解質膜３４及びガス拡散層３６ａ、３８ａのみを有する第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂが設けられる（図２参照）。
【００２３】
第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａに酸化剤ガス流路４２を設ける。この酸化剤ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の酸化剤ガス流路溝４２ａを有し、前記酸化剤ガス流路溝４２ａの両端部と、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間には、略三角形状の入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域４４ｂとが設けられる。
【００２４】
入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂには、酸化剤ガスの流れに抵抗となる複数の円柱状抵抗部材４６ａ、４６ｂが形成される。酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂと入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂとは、連結路４８ａ、４８ｂにより連通する。
【００２５】
第２セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａに燃料ガス流路５０を設ける。この燃料ガス流路５０は、図４に示すように、矢印Ｂ方向に延在する複数の燃料ガス流路溝５０ａを有し、前記燃料ガス流路溝５０ａの両端部と、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂとの間には、略三角形状の入口側バッファ領域５２ａと出口側バッファ領域５２ｂとが設けられる。
【００２６】
入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂには、燃料ガスの流れに抵抗となる複数の円柱状抵抗部材５４ａ、５４ｂが形成される。燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂと入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂとは、連結路５６ａ、５６ｂにより連通する。
【００２７】
図２に示すように、第２セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体流路５８が形成される。この冷却媒体流路５８は、矢印Ｂ方向に延在する複数の冷却媒体流路溝５８ａを有し、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。なお、冷却媒体流路溝５８ａと冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂとの間には、必要に応じて入口側バッファ領域５９ａ及び出口側バッファ領域５９ｂを設けることができる。
【００２８】
第１セパレータ２４の面２４ａと電解質膜・電極構造体２２との間、第２セパレータ２６と前記電解質膜・電極接合体２２との間、及び前記第１セパレータ２４の面２４ｂと前記第２セパレータ２６の面２６ｂとの間には、図示しないが、必要に応じてシール部材（ガスケット等）が介装される。
【００２９】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。一方、燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。
【００３１】
燃料電池スタック１０内では、図２に示すように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから各発電セル１２を構成する第１セパレータ２４の連結路４８ａを通って入口側バッファ領域４４ａに導入される。入口側バッファ領域４４ａには、複数の円柱状抵抗部材４６ａが設けられており、この入口側バッファ領域４４ａに導入された酸化剤ガスの流れに抵抗となって、前記酸化剤ガスが撹拌される。
【００３２】
そして、撹拌された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２を構成する各酸化剤ガス流路溝４２ａに均等に分配して供給される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路溝４２ａに沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に供給される。
【００３３】
一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａから各発電セル１２を構成する第２セパレータ２６の連結路５６ａを通って入口側バッファ領域５２ａに導入される。この出口側バッファ領域４４ｂには、複数の円柱状抵抗材４６ｂが形成されており、燃料ガスは、前記円柱状抵抗部材４６ｂにより分岐や合流が行われて、燃料ガスの撹拌が惹起される。
【００３４】
従って、燃料ガスは、燃料ガス流路５０を構成する各燃料ガス流路溝５０ａに均一に分配して供給され、前記燃料ガス流路溝５０ａに沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３６に供給される。
【００３５】
これにより、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３８ｂ、３６ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図３参照）。
【００３６】
次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、図２に示すように、出口側バッファ領域４４ｂに導入され、複数の円柱状抵抗部材４６ｂによって撹拌された後、連結路４８ｂから酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、出口側バッファ領域５２ｂに導入され、複数の円柱状抵抗部材５４ｂによって撹拌された後、連結路５６ｂから燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出される（図４参照）。
【００３７】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａには、酸化剤ガス流路４２と酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとの間に、酸化剤ガスの撹拌を行う入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂが設けられている。同様に、第２セパレータ２６の面２６ａには、図４に示すように、燃料ガス流路５０と燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂとの間に、燃料ガスの撹拌を行う入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂが設けられている。
【００３８】
そして、電解質膜・電極構造体２２には、第１及び第２セパレータ２４、２６に挟持される際、入口側バッファ領域４４ａと出口側バッファ領域５２ｂとに積層される第１加湿部４０ａと、出口側バッファ領域４４ｂと入口側バッファ領域５２ａとに積層される第２加湿部４０ｂとが設けられている。
【００３９】
図５に示すように、酸化剤ガスは、入口側バッファ領域４４ａから酸化剤ガス流路４２に沿って矢印Ｂ１方向に移動する際、上記の発電反応によって生成される水を含んで加湿された状態で、出口側バッファ領域４４ｂに導出される。この出口側バッファ領域４４ｂでは、加湿された酸化剤ガスが複数の円柱状抵抗部材４６ｂによって撹拌されるため、電解質膜・電極構造体２２の第２加湿部４０ｂの外表面に沿う酸化剤ガス流速が速くなるとともに、乱流が発生している。
【００４０】
一方、第２セパレータ２６では、反応前の燃料ガスは、入口側バッファ領域５２ａに導入され、複数の円柱状抵抗部材５４ａを介して撹拌される。従って、反応前の比較的低加湿な燃料ガスは、第２加湿部４０ｂの外表面に沿う反応ガス流速が速くなるとともに、乱流が発生している。
【００４１】
これにより、第２加湿部４０ｂの両外表面間では、水蒸気濃度に大きな差が生じており、酸化剤ガス側から燃料ガス側に水分が良好に移動するとともに、水蒸気透過性が大幅に向上する。従って、使用前の燃料ガスは、第２加湿部４０ｂを介して加湿された後、アノード側電極３６に供給されるため、電解質膜・電極構造体２２の乾燥を確実に阻止することができる。しかも、第２加湿部４０ｂでは、水蒸気透過性の向上により同等の水蒸気透過量に対して必要な加湿部面積を良好に減少させることができ、前記第２加湿部４０ｂの小型化が容易に図られる。
【００４２】
さらに、出口側バッファ領域４４ｂ及び入口側バッファ領域５２ａは、ガス流の分布が不均一になるため、生成水の滞留が発生し易く、発電を行うには適さない領域である。このため、出口側バッファ領域４４ｂ及び入口側バッファ領域５２ａを加湿領域として利用することにより、酸化剤ガス流路４２及び燃料ガス流路５０の発電面積を減少させることがない。これにより、発電セル１２の小型化が図られるとともに、燃料電池スタック１０全体の小型及び軽量化が良好に遂行されるという利点がある。
【００４３】
また、燃料ガスは、燃料ガス流路５０に沿って矢印Ｂ２方向に移動した後、水分を含んだ状態で出口側バッファ領域５２ｂに導出される。この出口側バッファ領域５２ｂは、第１セパレータ２４の入口側バッファ領域４４ａに第１加湿部４０ａを介装して重なり合っている。
【００４４】
従って、第１加湿部４０ａの両外表面には、水分を多量に含んだ使用済みの燃料ガスと比較的低加湿の使用前の酸化剤ガスとが接触しており、前記燃料ガス中の水分が前記第２加湿部４０ｂを透過して使用前の酸化剤ガスに供給される。このため、使用前の酸化剤ガスは、良好に加湿されて酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２２の乾燥を防止することが可能になる。
【００４５】
さらにまた、入口側バッファ領域４４ａ、５２ａと出口側バッファ領域４４ｂ、５２ｂとには、それぞれ複数の円柱状抵抗部材４６ａ、５４ａ及び４６ｂ、５４ｂが設けられている。これにより、酸化剤ガス及び燃料ガスには、方向性のない均質な圧損を自在に付与することができ、各酸化剤ガス流路溝４２ａ及び各燃料ガス流路溝５０ａの流量をより均一化することが可能になる。
【００４６】
また、固体高分子電解質膜３４の両面には、電極触媒層３６ｂ、３８ｂ及びガス拡散層３６ａ、３８ａを有した発電部と、前記ガス拡散層３６ａ、３８ａのみが設けられた、すなわち、前記電極触媒層３６ｂ、３８ｂを設けない第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂとが一体に構成されている。従って、電解質膜・電極構造体２２をシールするためのシール構造が簡略化されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２２の製造コストが低減される。
【００４７】
ところで、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図２に示すように、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路５８に導入され、複数の冷却媒体流路溝５８ａに沿って矢印Ｂ方向に流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出されて循環使用される。
【００４８】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル７０の一部拡大断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４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。
【００４９】
発電セル７０は、電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ７４、７６を備える。第１及び第２セパレータ７４、７６は、薄板状の金属プレートで構成され、前記第１及び第２セパレータ７４、７６には、それぞれ入口側バッファ領域４４ａ、５２ａ及び出口側バッファ領域４４ｂ、５２ｂが形成される。
【００５０】
具体的には、第１セパレータ７４は、中立面７８を有するとともに、この中立面７８の第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂに対向する部分には、積層方向一方の電解質膜・電極構造体２２側に膨出する第１円筒状凸部８０ａと、積層方向他方の電解質膜・電極構造体２２側に膨出する第２円筒状凸部８０ｂとをそれぞれ交互に且つ複数ずつ設けている。
【００５１】
第１円筒状凸部８０ａと、一方の電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８側の第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂとの間には、入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂが形成される。入口側バッファ領域４４ａ及び出口側バッファ領域４４ｂは、第１セパレータ７４に形成される複数の酸化剤ガス流路溝４２ａに連通する。
【００５２】
第２円筒状凸部８０ｂと、他方の電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６側の第１及び第２加湿部４０ａ、４０ｂとの間には、入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂが形成される。入口側バッファ領域５２ａ及び出口側バッファ領域５２ｂは、第１セパレータ７４に形成される複数の燃料ガス流路溝５０ａに連通する。
【００５３】
なお、第２セパレータ７６は、上記の第１セパレータ７４と同様に構成され、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、発電セル７０間には、必要に応じて所定の間隔をおいて冷却媒体流路（図示せず）を形成するためのプレートを介装してもよい。
【００５４】
このように構成される第２の実施形態では、第１及び第２セパレータ７４、７６を金属プレートで構成するとともに、プレス加工によって第１及び第２円筒状凸部８０ａ、８０ｂを形成することができる。これにより、第１及び第２セパレータ７４、７６の構成が一挙に簡素化され、燃料電池スタック全体の製造コストが低減されるという効果が得られる。
【００５５】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル９０の第１セパレータ９２の一部拡大説明図であり、図８は、前記発電セル９０の一部断面説明図である。
【００５６】
第１セパレータ９２は、カーボンプレートで構成されており、出口側バッファ領域４４ｂには、酸化剤ガスの流れに抵抗となる複数の角錐状抵抗部材９４が形成される。角錐状抵抗部材９４は、電解質膜・電極構造体２２側に向かって幅狭となる傾斜面９４ａを有し、その最小断面積側である頂面９４ｂが第２加湿部４０ｂに接触している。
【００５７】
なお、第１セパレータ９２では、図示していないが、入口側バッファ領域においても上記の出口側バッファ領域４４ｂと同様に構成される。さらに、図示しない第２セパレータにおいても、同様に構成される。また、以下に説明する第４の実施形態でも、同様である。
【００５８】
この第３の実施形態では、図８に示すように、複数の角錐状抵抗部材９４の幅狭となる頂面９４ｂが第２加湿部４０ｂに接触しており、この第２加湿部４０ｂの酸化剤ガスに接触する面積が良好に拡大される。しかも、各角錐状抵抗部材９４の傾斜面９４ａによって酸化剤ガスに撹拌が惹起され易くなる。これにより、第２加湿部４０ｂの表面に沿う酸化剤ガス流速が速くなるとともに、接触表面積が増加し、前記第２加湿部４０ｂにおける水蒸気透過性能が一層向上するという効果が得られる。
【００５９】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セル１００の第１セパレータ１０２の一部拡大説明図であり、図１０は、前記発電セル１００の一部断面説明図である。
【００６０】
第１セパレータ１０２を構成する出口側バッファ領域４４ｂには、酸化剤ガスの流れに抵抗となる複数の角柱状抵抗部材１０４が形成される。角柱状抵抗部材１０４は、酸化剤ガスの流れ方向に沿う第１傾斜面１０４ａと、この第１傾斜面１０４ａとは反対側の第２傾斜面１０４ｂとを有する。第１傾斜面１０４ａは、底面側から第２加湿部４０ｂ側に向かって緩やかに傾斜する一方、第２傾斜面１０４ｂは、前記第２加湿部４０ｂに接触する頂面１０４ｃから急激に底部側に傾斜している。
【００６１】
このように構成される第４の実施形態では、出口側バッファ領域４４ｂに導入された酸化剤ガスは、複数の角柱状抵抗部材１０４によって撹拌されるとともに、第１傾斜面１０４ａの案内作用下に第２加湿部４０ｂの内部に向かって移動する。これにより、酸化剤ガス中の水蒸気は、第２加湿部４０ｂ内に一層確実且つ円滑に浸透し、水蒸気透過性能がより一層向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記発電セルの一部拡大断面図である。
【図４】前記発電セルを構成する第２セパレータの正面図である。
【図５】前記発電セル内の水蒸気透過状態の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの一部拡大断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの第１セパレータの一部拡大説明図である。
【図８】前記発電セルの一部断面説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの第１セパレータの一部拡大説明図である。
【図１０】前記発電セルの一部断面説明図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…燃料電池スタック １２、７０、９０、１００…発電セル
１４…積層体 ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、７４、７６、９２、１０２…セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ３６ａ、３８ａ…ガス拡散層
３６ｂ、３８ｂ…電極触媒層 ４０ａ、４０ｂ…加湿部
４２…酸化剤ガス流路 ４２ａ…酸化剤ガス流路溝
４４ａ、４４ｂ、５２ａ、５２ｂ…バッファ領域
４６ａ、４６ｂ、５４ａ、５４ｂ、９４、１０４…抵抗部材
５０…燃料ガス流路 ５０ａ…燃料ガス流路溝
５８…冷却媒体流路 ８０ａ、８０ｂ…凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電極の発電領域に対応して前記反応ガスを供給する反応ガス流路と、
前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間に設けられ、前記反応ガスの撹拌を行うバッファ領域と、
を備え、
前記電解質膜・電極構造体には、前記バッファ領域に対向し且つ前記バッファ領域から水分を透過するための加湿部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記バッファ領域には、前記反応ガスの流れに抵抗となる抵抗部材が設けられるとともに、
前記抵抗部材には、前記反応ガスを前記電解質膜・電極接合体に案内する傾斜ガイド部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の両側に一対の電極が配設される電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、積層方向に貫通して反応ガスを流す反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電極の発電領域に対応して前記反応ガスを供給する反応ガス流路と、
前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔との間に設けられ、前記反応ガスの撹拌を行うバッファ領域と、
を備え、
前記電解質膜・電極構造体には、前記バッファ領域に対向し且つ前記バッファ領域から水分を透過するための加湿部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記バッファ領域には、前記反応ガスの流れに抵抗となる抵抗部材が設けられるとともに、
前記抵抗部材には、前記反応ガスを前記電解質膜・電極接合体に案内する傾斜ガイド部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２３４５４３（Ｐ２００７−２３４５４３Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５８１０４（Ｐ２００６−５８１０４）
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３日（２００６．３．３）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]