燃料電池
【課題】金属製セパレータおよび金属製支持フレームを備える燃料電池において、短絡の防止と整流効果とを両立させること。
【解決手段】金属製支持フレーム５０には、整流部材５１の端面形状に対応するへこみ部５２が形成されている。整流部材５１の一端は、へこみ部５２に係合するようにして金属製支持フレーム５０上に配置される。整流部材５１は、その一端が、へこみ部５２に係合されている状態で、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置されている。整流部材５１は絶縁性を有する無機材料から形成されているので、整流部材５１を介した金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間の短絡が抑制または防止される。
【解決手段】金属製支持フレーム５０には、整流部材５１の端面形状に対応するへこみ部５２が形成されている。整流部材５１の一端は、へこみ部５２に係合するようにして金属製支持フレーム５０上に配置される。整流部材５１は、その一端が、へこみ部５２に係合されている状態で、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置されている。整流部材５１は絶縁性を有する無機材料から形成されているので、整流部材５１を介した金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間の短絡が抑制または防止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質に無機酸化物が用いて、比較的高い運転温度で稼働される燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素透過膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）が知られている。発電効率の観点からは、電解質は薄いことが望まれるが、無機酸化物は、一般的に脆い特性を有している。したがって、薄い無機酸化物を電解質に用いる燃料電池システムにおいては、電解質を支持、補強するための支持フレームを備えることが好ましい。
【０００３】
例えば、固体電解質の一面に水素透過性金属層が形成され、他面にカソード側電極が形成される膜電極接合体を備える水素分離膜形燃料電池では、膜電極接合体を補強するために、膜電極接合体の外縁を支持する支持フレームが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４３４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高い運転温度で稼働される燃料電池システムでは、支持フレームにも耐熱性が要求される。カーボン材は高い稼働温度で使用されることによって脆くなり、単電池積層時における締結荷重に対する強度が不十分となり、セラミックス材は耐熱性に優れるものの、単電池積層時における締結荷重に対して十分な強度を有していないという課題がある。したがって、支持フレームとして金属製の支持フレームが用いられる傾向にある。
【０００６】
また、金属製セパレータまたは支持フレームには、反応ガス供給マニホールドから膜電極接合体に対して反応ガスを導くための、あるいは、膜電極接合体から反応ガス排出マニホールドに対して反応に供された反応ガスを導くための整流フィンが形成若しくは備えられている。一般的に、膜電極接合体を含む支持フレームは、ガスケットを介して金属製セパレータによって挟持される。
【０００７】
したがって、例えば、金属製支持フレームに導電性を有する整流フィンが形成されている場合であって、整流フィンの高さが高い場合には、金属製セパレータと金属製支持フレームとの間で短絡が発生してしまうという問題があった。一方、短絡を回避するために、整流フィンの高さを低くすれば十分な整流効果を得ることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、金属製セパレータおよび金属製支持フレームを備える燃料電池において、短絡の防止と整流効果とを両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームと、前記支持フレームの両側に配置される一対の金属製セパレータと、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される１または複数の絶縁性整流部材とを備える燃料電池を提供する。
【００１０】
本発明に係る燃料電池によれば、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間に配置される１または複数の絶縁性整流部材を備えるので、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間における短絡を防止することができると共に、十分な整流効果を得ることができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池において、前記金属製支持フレームはへこみ部を有し、各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記一対の金属製セパレータに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置されても良い。この構成を備えることにより、絶縁性整流部材の配置が容易になると共に、絶縁性整流部材のずれを抑制または防止することができる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはへこみ部を有し、各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記金属製支持フレームに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置されても良い。この構成を備えることにより、絶縁性整流部材の配置が容易になると共に、絶縁性整流部材のずれを抑制または防止することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、前記各絶縁性整流部材は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流しても良い。この構成では、絶縁性整流部材によって、反応ガス供給部から膜電極接合体へ所望の整流が施された反応ガスを供給することができる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、前記各絶縁性整流部材は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流しても良い。この構成では、絶縁性整流部材によって、膜電極接合体から反応ガス排出部へ所望の整流が施された反応ガスを排出することができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池において、前記膜電極接合体は、水素透過性基材からなるアノード側電極と、固体酸化物型電解質膜からなる電解質膜とを備えても良い。
【００１６】
本発明に係る燃料電池において、前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されていても良い。この構成を備えることによって、反応ガスの拡散性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１８】
・燃料電池システムの構成
図１〜図４を参照して、以下の実施例において共通して用いられる燃料電池システムＦＣＳについて説明する。図１は本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図２は図１における燃料電池を切断線Ｘ−Ｘで切断した切断面の一部を示す説明図である。図３は本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。図４は本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。
【００１９】
本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、単電池１００が複数積層された積層体からなる燃料電池ＦＣ、燃料電池ＦＣに対して燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給源としての改質器ＦＲを備えている。燃料ガス供給源として改質器ＦＲを用いることによって、燃料電池ＦＣの運転温度域と同等温度の燃料ガスを燃料電池ＦＣに投入することができる。燃料電池ＦＣは、燃料ガス（アノードガス）供給部２５ａ、酸化ガス（カソードガス）供給部２６ａ、冷媒供給部２７ａ、燃料ガス排出部２５ｂ、酸化ガス排出部２６ｂ、冷媒排出部２７ｂを備えている。なお、改質器ＲＦに代えて、高圧水素タンクが燃料ガス供給源として用いられても良い。
【００２０】
燃料電池ＦＣの燃料ガス供給部２５ａと改質器ＦＲとは燃料ガス供給管２００を介して接続されている。燃料ガス供給管２００の改質器ＦＲ近傍には、燃料電池ＦＣに供給する燃料ガス圧力を所定圧力に調整するための調圧弁Ｖ１が配置されている。なお、燃料ガスには、例えば、純水素、水素含有ガス（水素リッチガス）が用いられ、酸化ガスには空気（大気）が用いられる。
【００２１】
燃料ガス排出部２５ｂには燃料ガス排出管２０１が接続されている。本実施例では、燃料ガス排出管２０１は、大気に通じる排出分岐管２０１ａと燃料ガス供給管２００に接続される循環分岐管２０１ｂとに分岐されている。排出分岐管２０１ａにはバルブＶ２が配置されており、バルブＶ２が閉じられると、燃料ガス排出部２５ｂから排出される燃料オフガスは、再度、燃料電池ＦＣ内部に供給される。一方、バルブＶ２が開かれると、燃料ガス排出部２５ｂから排出される燃料オフガスは、大気中に排出される。なお、バルブＶ２が開かれる時の燃料オフガスの組成は、一般的に、窒素、水蒸気がそのほとんどを占めている。
【００２２】
燃料ガス供給部２５ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される燃料ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される燃料ガス供給マニホールド２０ａを介して、電解質膜のアノードへと供給される。電解質膜にて消費された燃料ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される燃料ガス排出マニホールド２０ｂを介して燃料ガス排出部２５ｂから燃料ガス排出管２０１へ排出される。
【００２３】
図示しない酸化ガス供給ポンプによって、酸化ガス供給部２６ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される酸化ガス（一般的には、空気）は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される酸化ガス供給マニホールド２１ａを介して、電解質膜のカソードへと供給される。電解質膜にて起電反応に供された酸化ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される酸化ガス排出マニホールド２１ｂを介して酸化ガス排出部２６ｂから燃料電池ＦＣ外部へと排出される。
【００２４】
冷媒供給部２７ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される冷媒（一般的には、純水）は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される冷媒供給マニホールド２２ａを介して、セパレータ６０ａ、６０ｂの裏面（電解質膜と対向しない面）に形成されている冷媒流路へと供給される。冷媒流路に供給され、起電反応に伴い発生した熱の一部を吸熱した冷媒は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される冷媒排出マニホールド２２ｂを介して冷媒排出部２７ｂから図示しない放熱器に導かれる。放熱器に導かれた冷媒は、循環ポンプによって繰り返し、冷媒供給部２７ａへと供給される。
【００２５】
図２を参照して、燃料電池ＦＣを構成する単電池１００の内部構成について簡単に説明する。単電池１００は、１対の金属製セパレータ６０ａ、６０ｂと、１対の金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に配置される金属製の支持フレーム５０を燃料電池構成部材として備えている。
【００２６】
金属製セパレータ６０ａ、６０ｂは燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられるガス不透過で導電性を有する板材である。各セパレータ６０ａ、６０ｂの裏面、すなわち、セパレータ６０ａとセパレータ６０ｂとの接触面には冷媒を流動させるための複数の冷媒流路６２ａ、６２ｂが形成されている。各セパレータ６０ａ、６０ｂは、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。
【００２７】
金属製支持フレーム５０は、非自立型の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３０を支持するための金属製フレームであり、本実施例においてはアノード側全体にわたって膜電極接合体３０を支持するための格子状部５６を備えている。格子状部５６は、膜電極接合体３０に対して燃料ガスを導くための複数の孔５６１を備えている。金属製支持フレーム５０は、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。金属製支持フレーム５０と膜電極接合体３０は、例えば、公知のクラッド法、レーザー溶接によって互いに接合される。
【００２８】
本実施例において用いられる膜電極接合体３０は、水素透過膜形の膜電極接合体である。膜電極接合体３０は、電解質層３１、水素透過膜層３２およびカソード３３を備えている。
【００２９】
電解質層３１は、プロトン伝導性を有する固体電解質によって形成されている。本実施例では、ペロブスカイト型固体酸化物、例えば、ＢａＣｅ0.8Ｙ0.2Ｏ3や、ＳｒＺｒ0.8Ｉｎ0.2Ｏ3によって電解質層３１が形成されている。電解質層３１は、緻密な水素透過膜層３２上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。このように、電解質層２１をより薄く形成することによって電解質層２１の膜抵抗を低減することができるため、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度、例えば、４００℃〜６００℃で燃料電池を運転することができる。
【００３０】
水素透過膜層３２は、水素透過性を有する金属によって形成される層であり、本実施例では、パラジウム（Ｐｄ）によって形成されている。パラジウムは、水素を透過させる性質に加えて、水素が透過する際に水素分子を解離させる活性を有する。水素透過膜層３２は更に、燃料電池ＦＣにおけるアノードとして機能する。
【００３１】
カソード３４は、電解質層３２上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード２４はパラジウムにより形成されている。カソード３４を、白金（Ｐｔ）等、水素透過性を有しない他種の貴金属により構成する場合には、充分に薄く形成するなどにより、カソード３４の外側（セパレータ６０ａ側）と電解質層３１との間にガス透過性を確保すればよい。
【００３２】
本実施例では支持フレーム５０の格子状部５６とセパレータ６０ｂによって形成される燃料ガス内部流路３７ａ、およびカソード３４とセパレータ６０ａとによって形成される酸化ガス内部流路３７ｃには、ガス拡散性を向上させるために、アノード側ガス拡散層３８ａ、カソード側ガス拡散層３８ｃがそれぞれ備えられている。各ガス拡散層３８ａ、３８ｃは、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する部材によって構成されている。各ガス拡散層３８ａ、３８ｃとしては、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属多孔質体やカーボンペーパなどのカーボン製多孔質体を用いることができる。
【００３３】
金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間には、燃料ガスおよび酸化ガスを単電池１００内部に止めるための燃料電池用シール部材１０が配置されている。燃料電池用シール部材１０は、耐熱性、シール性、絶縁性に優れた材料、例えば、無機材料から形成されている。
【００３４】
図１に示す燃料ガス供給マニホールド２５ａに供給された燃料ガスはアノード側ガス拡散層３８ａ介して膜電極接合体３０のアノード側に供給される。酸化ガス供給マニホールド２６ａに供給された酸化ガスはカソード側ガス拡散層３８ｃ介して膜電極接合体３０のカソード側に供給される。
【００３５】
図３および４を参照して金属製支持フレーム５０について説明する。先ず、金属製支持フレーム５０のアノード面（図３）とカソード面（図４）において共通する構成について以下に説明する。金属製支持フレーム５０は、積層時にセパレータ６０ａ、６０ｂ、シール部材１０と共に、燃料ガス供給マニホールド２５ａを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａ、燃料ガス排出マニホールド２５ｂを形成する燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂを備えている。金属製支持フレーム５０は同様に、酸化ガス供給マニホールド２６ａを形成する酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａ、酸化ガス排出マニホールド２６ｂを形成する酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂを備えている。金属製支持フレーム５０はさらに、積層時に冷媒供給マニホールド２７ａを形成する冷媒供給マニホールド形成部５２２ａ、冷媒排出マニホールド２７ｂを形成する冷媒排出マニホールド形成部５２２ｂを備えている。
【００３６】
金属製支持フレーム５０のアノード面およびカソード面の両面には、燃料ガス内部流路３７ａ、酸化ガス内部流路３７ｃを流れる各反応ガスを所望の方向へ整流するための複数の整流部材５１が形成されている。整流部材５１は、絶縁性、耐熱性を有する材料から形成されており、詳細については後述する。
【００３７】
金属製支持フレーム５０のアノード面には、既述の通り、膜電極接合体３０をアノード側底面から支持する格子状部５６が備えられている。格子状部５６は金属製支持フレーム５０の製造時に打ち抜き加工によって形成されても良く、あるいは、金属製支持フレーム５０に対応する開口部を形成しておき、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった複数の孔、またはスリットを有する別部材を接合することによって備えられても良い。なお、金属製支持フレーム５０は、膜電極接合体３０の少なくとも外縁を支持すれば良いので、格子状部５６を備えることなく、膜電極接合体３０の外縁を受けるためのフランジ部を有する開口部のみを備えていても良い。この場合、金属製支持フレーム５０のカソード面から見た開口部の面積は膜電極接合体３０の面積と略同一であり、アノード面の開口部面積は、フランジ部の面積分だけカソード面の開口部面積よりも小さい。
【００３８】
図３は金属製支持フレーム５０におけるアノード面を示しているため、燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａおよび燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂにはシール部材１０が配置されていない。したがって、燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａから燃料ガス内部流路３７ａに供給された燃料ガスは、矢印にて示すように、複数の整流部材５１によって整流され、燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂへと導かれる。
【００３９】
図４は金属製支持フレーム５０におけるカソード面を示しているため、酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａおよび酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂにはシール部材１０が配置されていない。したがって、酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａから酸化ガス内部流路３７ｃに供給された酸化ガスは、矢印にて示すように、複数の整流部材５１によって整流され、酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂへと導かれる。
【００４０】
なお、金属製支持フレーム５０のアノード面およびカソード面における燃料ガスおよび酸化ガスの整流方向は例示であり、条件に応じて適宜変更される。例えば、燃料ガスおよび酸化ガスは金属製支持フレーム５０の長手方向に対して平行に流れるように整流部材５１が配置されても良い。すなわち、整流部材５１の配置パターンは、燃料ガスおよび酸化ガスをどのように流すかによって適宜配置される。
【００４１】
金属製支持フレームと整流部材の構成：
図５および図６を参照して、第１の実施例に係る燃料電池に用いられる金属製支持フレームと整流部材の構成について詳細に説明する。図５は金属製支持フレームと金属製セパレータとが組み合わされた単電池をアノード面から見た平面透視図である。図６は第１の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【００４２】
金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置されるシール部材１０、整流部材５１および金属製支持フレーム５０に形成されている部位を点線にて示し、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａおよび６０ｂとが組み合わされた単電池１００をアノード側から見ると、図５に示すように表される。金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間には、既述のように燃料ガス内部流路３７ａが形成される。
【００４３】
図６には、図５中のＹ−Ｙ切断線で切断した単電池１００の断面の一部が示されている。図６を参照して整流部材５１について説明する。整流部材５１は、絶縁性および耐熱性を有する材料、例えば、アルミナ等のセラミックス材料、雲母シール等のマイカ系材料によって形成されている。本実施例では、整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置され、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ｂの双方と直接接触するが、絶縁性材料によって形成されているため、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間における短絡を防止することができる。
【００４４】
本実施例では、図６に示すように、金属製支持フレーム５０には、整流部材５１の端面形状に対応するへこみ部５２が形成されている。整流部材５１の一端は、へこみ部５２に係合するようにして金属製支持フレーム５０上に配置される。整流部材５１は、その一端が、へこみ部５２に係合されている状態で、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置されている。へこみ部５２は、例えば、切削加工、エッチング処理によって金属製支持フレーム５０上に形成される。
【００４５】
へこみ部５２は金属製支持フレーム５０に複数形成されており、へこみ部５２の形成パターンによって整流部材５１の配置パターンが決定される。本実施例では、金属製支持フレーム５０のアノード面には、左上方の燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａから右下方の燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂに向かって、好ましくは直線状に燃料ガスが流れるように複数の整流部材５１が配置されている。
【００４６】
なお、図５および図６を用いて、金属製支持フレーム５０のアノード面について説明しているが、金属製支持フレーム５０のカソード面においてもアノード面と同様にへこみ部が形成され、また、複数の整流部材５１が配置されている。
【００４７】
以上説明した第１の実施例に用いられる整流部材５１によれば、整流部材５１が絶縁性および耐熱性に優れた無機材料から形成されるので、整流部材５１を介した、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間の短絡を抑制または防止することができる。すなわち、稼働温度が高い本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、耐熱性および締結荷重に対する強度確保のために膜電極接合体３０を支持するための支持フレームおよびガスセパレータとして金属製の支持フレーム５０およびセパレータ６０ａ、６０ｂを備えている。また、整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの双方と直接接触するように配置されている。したがって、整流部材が導電性を有する場合には、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に短絡が発生するが、本実施例に用いられる整流部材５１は絶縁性に優れているため上記短絡を抑制または防止することができる。
【００４８】
本実施例において用いられる整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとに直接接触するように配置されているので、部６に矢印Ｆ１で示す方向に発生する整流部材５１を跨ぐ（すり抜ける）反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流動を矢印Ｆ２で示すように阻止することができる。したがって、燃料ガス内部流路３７ａ（酸化ガス内部流路３７ｂ）において、膜電極接合体３０上を通過するように反応ガスの流れを規定することが可能となり、発電効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本実施例に用いられる整流部材５１は、金属製支持フレーム５０に形成されているへこみ部５２に係合されている。したがって、整流部材５１の位置決めが容易になり、単電池の組み立て効率を向上させることができる。本実施例においては、へこみ部５２は金属製支持フレーム５０のみに形成されているので、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとを組み合わせる際の位置決め誤差を考慮することなくへこみ部５２を形成することができる。
【００５０】
さらに、整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と別体の構成部材であるため、金属製支持フレーム５０におけるシール部材１０の配置位置（シール位置）に対する表面粗さを出すための加工を容易化することができる。
【００５１】
・第２の実施例：
図７を参照して第２の実施例に係る燃料電池に用いられる金属製セパレータと整流部材との構成について説明する。図７は第２の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【００５２】
第２の実施例では、金属製支持フレーム５０に代えて金属製セパレータ６０ｂにへこみ部６４が形成されている。へこみ部６４は、整流部材５１の端面形状と同等の形状を有し、例えば、切削加工、エッチング処理によって金属製セパレータ６０ｂ上に形成される。なお、図７には金属製支持フレーム５０のアノード面に配置されている整流部材５１、アノード面に形成されているへこみ部６４が示されているが、カソード面においても同様にへこみ部６４が形成され、整流部材５１が配置されている。
【００５３】
第２の実施例に係る燃料電池においても、第１の実施例と同様の利点を有することができる。
【００５４】
・その他の実施例：
（１）上記各実施例では水素透過膜形の膜電極接合体を例にとって説明したが、支持フレームによる支持が必要な非自立型の固体酸化物形の膜電極接合体に対しても適用され得ることは言うまでもない。非自立型の固体酸化物形膜電極接合体においても、締結過重、高い稼働温度の観点から膜電極接合体を支持するフレームとして金属製材料を用いなくてはならず、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間における絶縁性を確保しなければならないからである。
【００５５】
（２）上記第１および第２の実施例においては、へこみ部は金属製支持フレーム５０または金属製セパレータ６０ａ、６０ｂのいずれか一方に形成されているが、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの双方に形成されていても良い。この場合には、整流部材５１の保持強度を高めることが可能となり、整流部材５１の位置ズレをさらに抑制することができる。なお、へこみ部が金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの双方に形成される場合には、へこみ部の形成位置の管理精度を向上させることによって、あるいは、一方のへこみ部の大きさを大きく形成することによって組み立て時における位置ズレを抑制することができる。
【００５６】
（３）上記各実施例では、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂとして金属製材料を用いて説明しているが、その他の導電性材料であって、金属製材料と同等の対締結過重性能を有する材料であれば同様にして用いることができる。この場合には、上記各実施例において用いられた整流部材５１によって提供される良好な絶縁性が要求されるからである。
【００５７】
（４）上記燃料電池システムの実施例では、格子状部５６を備えている金属製支持フレーム５０を用いて説明したが、格子状部５６を備えることなく開口部を備える金属製フレームを用いても良い。
【００５８】
以上、実施例に基づき本発明を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１における燃料電池を切断線Ｘ−Ｘで切断した切断面の一部を示す説明図である。
【図３】本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。
【図４】本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。
【図５】金属製支持フレームと金属製セパレータとが組み合わされた単電池をアノード面から見た平面透視図である。
【図６】第１の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【図７】第２の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池用シール部材
２５ａ…燃料ガス供給マニホールド
２５ｂ…燃料ガス排出マニホールド
２６ａ…酸化ガス供給マニホールド
２６ｂ…酸化ガス排出マニホールド
２７ａ…冷媒供給マニホールド
２７ｂ…冷媒排出マニホールド
３０…膜電極接合体
３１…電解質層
３２…水素透過膜層
３３…カソード
３７ａ…燃料ガス内部流路
３７ｃ…酸化ガス内部流路
３８ａ…アノード側ガス拡散層
３８ｃ…カソード側ガス拡散層
５０…金属製支持フレーム
５１…整流部材
５２…へこみ部
５６…格子状部
５６１…孔
５２０ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
５２０ｂ燃料ガス排出マニホールド形成部
５２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
５２１ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成部
５２２ａ…冷媒供給マニホールド形成部
５２２ｂ…冷媒排出マニホールド形成部
６０ａ…カソードセパレータ
６０ｂ…アノードセパレータ
６２ａ、６２ｂ…冷媒流路
６４…へこみ部
１００…単電池
２００…燃料ガス供給管
２０１…燃料ガス排出管
２０１ａ…排出分岐管
２０１ｂ…循環分岐管
ＦＣＳ…燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質に無機酸化物が用いて、比較的高い運転温度で稼働される燃料電池システム、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素透過膜形燃料電池（ＨＭＦＣ）が知られている。発電効率の観点からは、電解質は薄いことが望まれるが、無機酸化物は、一般的に脆い特性を有している。したがって、薄い無機酸化物を電解質に用いる燃料電池システムにおいては、電解質を支持、補強するための支持フレームを備えることが好ましい。
【０００３】
例えば、固体電解質の一面に水素透過性金属層が形成され、他面にカソード側電極が形成される膜電極接合体を備える水素分離膜形燃料電池では、膜電極接合体を補強するために、膜電極接合体の外縁を支持する支持フレームが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４３４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高い運転温度で稼働される燃料電池システムでは、支持フレームにも耐熱性が要求される。カーボン材は高い稼働温度で使用されることによって脆くなり、単電池積層時における締結荷重に対する強度が不十分となり、セラミックス材は耐熱性に優れるものの、単電池積層時における締結荷重に対して十分な強度を有していないという課題がある。したがって、支持フレームとして金属製の支持フレームが用いられる傾向にある。
【０００６】
また、金属製セパレータまたは支持フレームには、反応ガス供給マニホールドから膜電極接合体に対して反応ガスを導くための、あるいは、膜電極接合体から反応ガス排出マニホールドに対して反応に供された反応ガスを導くための整流フィンが形成若しくは備えられている。一般的に、膜電極接合体を含む支持フレームは、ガスケットを介して金属製セパレータによって挟持される。
【０００７】
したがって、例えば、金属製支持フレームに導電性を有する整流フィンが形成されている場合であって、整流フィンの高さが高い場合には、金属製セパレータと金属製支持フレームとの間で短絡が発生してしまうという問題があった。一方、短絡を回避するために、整流フィンの高さを低くすれば十分な整流効果を得ることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、金属製セパレータおよび金属製支持フレームを備える燃料電池において、短絡の防止と整流効果とを両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームと、前記支持フレームの両側に配置される一対の金属製セパレータと、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される１または複数の絶縁性整流部材とを備える燃料電池を提供する。
【００１０】
本発明に係る燃料電池によれば、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間に配置される１または複数の絶縁性整流部材を備えるので、金属製支持フレームと一対の金属製セパレータとの間における短絡を防止することができると共に、十分な整流効果を得ることができる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池において、前記金属製支持フレームはへこみ部を有し、各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記一対の金属製セパレータに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置されても良い。この構成を備えることにより、絶縁性整流部材の配置が容易になると共に、絶縁性整流部材のずれを抑制または防止することができる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはへこみ部を有し、各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記金属製支持フレームに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置されても良い。この構成を備えることにより、絶縁性整流部材の配置が容易になると共に、絶縁性整流部材のずれを抑制または防止することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、前記各絶縁性整流部材は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流しても良い。この構成では、絶縁性整流部材によって、反応ガス供給部から膜電極接合体へ所望の整流が施された反応ガスを供給することができる。
【００１４】
本発明に係る燃料電池において、前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、前記各絶縁性整流部材は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流しても良い。この構成では、絶縁性整流部材によって、膜電極接合体から反応ガス排出部へ所望の整流が施された反応ガスを排出することができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池において、前記膜電極接合体は、水素透過性基材からなるアノード側電極と、固体酸化物型電解質膜からなる電解質膜とを備えても良い。
【００１６】
本発明に係る燃料電池において、前記膜電極接合体と前記各セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されていても良い。この構成を備えることによって、反応ガスの拡散性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１８】
・燃料電池システムの構成
図１〜図４を参照して、以下の実施例において共通して用いられる燃料電池システムＦＣＳについて説明する。図１は本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図２は図１における燃料電池を切断線Ｘ−Ｘで切断した切断面の一部を示す説明図である。図３は本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。図４は本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。
【００１９】
本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、単電池１００が複数積層された積層体からなる燃料電池ＦＣ、燃料電池ＦＣに対して燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給源としての改質器ＦＲを備えている。燃料ガス供給源として改質器ＦＲを用いることによって、燃料電池ＦＣの運転温度域と同等温度の燃料ガスを燃料電池ＦＣに投入することができる。燃料電池ＦＣは、燃料ガス（アノードガス）供給部２５ａ、酸化ガス（カソードガス）供給部２６ａ、冷媒供給部２７ａ、燃料ガス排出部２５ｂ、酸化ガス排出部２６ｂ、冷媒排出部２７ｂを備えている。なお、改質器ＲＦに代えて、高圧水素タンクが燃料ガス供給源として用いられても良い。
【００２０】
燃料電池ＦＣの燃料ガス供給部２５ａと改質器ＦＲとは燃料ガス供給管２００を介して接続されている。燃料ガス供給管２００の改質器ＦＲ近傍には、燃料電池ＦＣに供給する燃料ガス圧力を所定圧力に調整するための調圧弁Ｖ１が配置されている。なお、燃料ガスには、例えば、純水素、水素含有ガス（水素リッチガス）が用いられ、酸化ガスには空気（大気）が用いられる。
【００２１】
燃料ガス排出部２５ｂには燃料ガス排出管２０１が接続されている。本実施例では、燃料ガス排出管２０１は、大気に通じる排出分岐管２０１ａと燃料ガス供給管２００に接続される循環分岐管２０１ｂとに分岐されている。排出分岐管２０１ａにはバルブＶ２が配置されており、バルブＶ２が閉じられると、燃料ガス排出部２５ｂから排出される燃料オフガスは、再度、燃料電池ＦＣ内部に供給される。一方、バルブＶ２が開かれると、燃料ガス排出部２５ｂから排出される燃料オフガスは、大気中に排出される。なお、バルブＶ２が開かれる時の燃料オフガスの組成は、一般的に、窒素、水蒸気がそのほとんどを占めている。
【００２２】
燃料ガス供給部２５ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される燃料ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される燃料ガス供給マニホールド２０ａを介して、電解質膜のアノードへと供給される。電解質膜にて消費された燃料ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される燃料ガス排出マニホールド２０ｂを介して燃料ガス排出部２５ｂから燃料ガス排出管２０１へ排出される。
【００２３】
図示しない酸化ガス供給ポンプによって、酸化ガス供給部２６ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される酸化ガス（一般的には、空気）は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される酸化ガス供給マニホールド２１ａを介して、電解質膜のカソードへと供給される。電解質膜にて起電反応に供された酸化ガスは、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される酸化ガス排出マニホールド２１ｂを介して酸化ガス排出部２６ｂから燃料電池ＦＣ外部へと排出される。
【００２４】
冷媒供給部２７ａから燃料電池ＦＣ内部に供給される冷媒（一般的には、純水）は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される冷媒供給マニホールド２２ａを介して、セパレータ６０ａ、６０ｂの裏面（電解質膜と対向しない面）に形成されている冷媒流路へと供給される。冷媒流路に供給され、起電反応に伴い発生した熱の一部を吸熱した冷媒は、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂ、およびシール部材１０によって形成される冷媒排出マニホールド２２ｂを介して冷媒排出部２７ｂから図示しない放熱器に導かれる。放熱器に導かれた冷媒は、循環ポンプによって繰り返し、冷媒供給部２７ａへと供給される。
【００２５】
図２を参照して、燃料電池ＦＣを構成する単電池１００の内部構成について簡単に説明する。単電池１００は、１対の金属製セパレータ６０ａ、６０ｂと、１対の金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に配置される金属製の支持フレーム５０を燃料電池構成部材として備えている。
【００２６】
金属製セパレータ６０ａ、６０ｂは燃料ガスと酸化ガスとを分離するために用いられるガス不透過で導電性を有する板材である。各セパレータ６０ａ、６０ｂの裏面、すなわち、セパレータ６０ａとセパレータ６０ｂとの接触面には冷媒を流動させるための複数の冷媒流路６２ａ、６２ｂが形成されている。各セパレータ６０ａ、６０ｂは、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。
【００２７】
金属製支持フレーム５０は、非自立型の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３０を支持するための金属製フレームであり、本実施例においてはアノード側全体にわたって膜電極接合体３０を支持するための格子状部５６を備えている。格子状部５６は、膜電極接合体３０に対して燃料ガスを導くための複数の孔５６１を備えている。金属製支持フレーム５０は、例えば、耐腐食性に優れるステンレス製材料から形成される。金属製支持フレーム５０と膜電極接合体３０は、例えば、公知のクラッド法、レーザー溶接によって互いに接合される。
【００２８】
本実施例において用いられる膜電極接合体３０は、水素透過膜形の膜電極接合体である。膜電極接合体３０は、電解質層３１、水素透過膜層３２およびカソード３３を備えている。
【００２９】
電解質層３１は、プロトン伝導性を有する固体電解質によって形成されている。本実施例では、ペロブスカイト型固体酸化物、例えば、ＢａＣｅ0.8Ｙ0.2Ｏ3や、ＳｒＺｒ0.8Ｉｎ0.2Ｏ3によって電解質層３１が形成されている。電解質層３１は、緻密な水素透過膜層３２上に成膜されるため、充分な薄膜化が可能となる。このように、電解質層２１をより薄く形成することによって電解質層２１の膜抵抗を低減することができるため、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度、例えば、４００℃〜６００℃で燃料電池を運転することができる。
【００３０】
水素透過膜層３２は、水素透過性を有する金属によって形成される層であり、本実施例では、パラジウム（Ｐｄ）によって形成されている。パラジウムは、水素を透過させる性質に加えて、水素が透過する際に水素分子を解離させる活性を有する。水素透過膜層３２は更に、燃料電池ＦＣにおけるアノードとして機能する。
【００３１】
カソード３４は、電解質層３２上に成膜された金属層であり、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成されている。本実施例では、カソード２４はパラジウムにより形成されている。カソード３４を、白金（Ｐｔ）等、水素透過性を有しない他種の貴金属により構成する場合には、充分に薄く形成するなどにより、カソード３４の外側（セパレータ６０ａ側）と電解質層３１との間にガス透過性を確保すればよい。
【００３２】
本実施例では支持フレーム５０の格子状部５６とセパレータ６０ｂによって形成される燃料ガス内部流路３７ａ、およびカソード３４とセパレータ６０ａとによって形成される酸化ガス内部流路３７ｃには、ガス拡散性を向上させるために、アノード側ガス拡散層３８ａ、カソード側ガス拡散層３８ｃがそれぞれ備えられている。各ガス拡散層３８ａ、３８ｃは、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する部材によって構成されている。各ガス拡散層３８ａ、３８ｃとしては、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属多孔質体やカーボンペーパなどのカーボン製多孔質体を用いることができる。
【００３３】
金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間には、燃料ガスおよび酸化ガスを単電池１００内部に止めるための燃料電池用シール部材１０が配置されている。燃料電池用シール部材１０は、耐熱性、シール性、絶縁性に優れた材料、例えば、無機材料から形成されている。
【００３４】
図１に示す燃料ガス供給マニホールド２５ａに供給された燃料ガスはアノード側ガス拡散層３８ａ介して膜電極接合体３０のアノード側に供給される。酸化ガス供給マニホールド２６ａに供給された酸化ガスはカソード側ガス拡散層３８ｃ介して膜電極接合体３０のカソード側に供給される。
【００３５】
図３および４を参照して金属製支持フレーム５０について説明する。先ず、金属製支持フレーム５０のアノード面（図３）とカソード面（図４）において共通する構成について以下に説明する。金属製支持フレーム５０は、積層時にセパレータ６０ａ、６０ｂ、シール部材１０と共に、燃料ガス供給マニホールド２５ａを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａ、燃料ガス排出マニホールド２５ｂを形成する燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂを備えている。金属製支持フレーム５０は同様に、酸化ガス供給マニホールド２６ａを形成する酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａ、酸化ガス排出マニホールド２６ｂを形成する酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂを備えている。金属製支持フレーム５０はさらに、積層時に冷媒供給マニホールド２７ａを形成する冷媒供給マニホールド形成部５２２ａ、冷媒排出マニホールド２７ｂを形成する冷媒排出マニホールド形成部５２２ｂを備えている。
【００３６】
金属製支持フレーム５０のアノード面およびカソード面の両面には、燃料ガス内部流路３７ａ、酸化ガス内部流路３７ｃを流れる各反応ガスを所望の方向へ整流するための複数の整流部材５１が形成されている。整流部材５１は、絶縁性、耐熱性を有する材料から形成されており、詳細については後述する。
【００３７】
金属製支持フレーム５０のアノード面には、既述の通り、膜電極接合体３０をアノード側底面から支持する格子状部５６が備えられている。格子状部５６は金属製支持フレーム５０の製造時に打ち抜き加工によって形成されても良く、あるいは、金属製支持フレーム５０に対応する開口部を形成しておき、パンチングメタル、エキスパンドメタルといった複数の孔、またはスリットを有する別部材を接合することによって備えられても良い。なお、金属製支持フレーム５０は、膜電極接合体３０の少なくとも外縁を支持すれば良いので、格子状部５６を備えることなく、膜電極接合体３０の外縁を受けるためのフランジ部を有する開口部のみを備えていても良い。この場合、金属製支持フレーム５０のカソード面から見た開口部の面積は膜電極接合体３０の面積と略同一であり、アノード面の開口部面積は、フランジ部の面積分だけカソード面の開口部面積よりも小さい。
【００３８】
図３は金属製支持フレーム５０におけるアノード面を示しているため、燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａおよび燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂにはシール部材１０が配置されていない。したがって、燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａから燃料ガス内部流路３７ａに供給された燃料ガスは、矢印にて示すように、複数の整流部材５１によって整流され、燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂへと導かれる。
【００３９】
図４は金属製支持フレーム５０におけるカソード面を示しているため、酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａおよび酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂにはシール部材１０が配置されていない。したがって、酸化ガス供給マニホールド形成部５２１ａから酸化ガス内部流路３７ｃに供給された酸化ガスは、矢印にて示すように、複数の整流部材５１によって整流され、酸化ガス排出マニホールド形成部５２１ｂへと導かれる。
【００４０】
なお、金属製支持フレーム５０のアノード面およびカソード面における燃料ガスおよび酸化ガスの整流方向は例示であり、条件に応じて適宜変更される。例えば、燃料ガスおよび酸化ガスは金属製支持フレーム５０の長手方向に対して平行に流れるように整流部材５１が配置されても良い。すなわち、整流部材５１の配置パターンは、燃料ガスおよび酸化ガスをどのように流すかによって適宜配置される。
【００４１】
金属製支持フレームと整流部材の構成：
図５および図６を参照して、第１の実施例に係る燃料電池に用いられる金属製支持フレームと整流部材の構成について詳細に説明する。図５は金属製支持フレームと金属製セパレータとが組み合わされた単電池をアノード面から見た平面透視図である。図６は第１の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【００４２】
金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置されるシール部材１０、整流部材５１および金属製支持フレーム５０に形成されている部位を点線にて示し、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａおよび６０ｂとが組み合わされた単電池１００をアノード側から見ると、図５に示すように表される。金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間には、既述のように燃料ガス内部流路３７ａが形成される。
【００４３】
図６には、図５中のＹ−Ｙ切断線で切断した単電池１００の断面の一部が示されている。図６を参照して整流部材５１について説明する。整流部材５１は、絶縁性および耐熱性を有する材料、例えば、アルミナ等のセラミックス材料、雲母シール等のマイカ系材料によって形成されている。本実施例では、整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置され、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ｂの双方と直接接触するが、絶縁性材料によって形成されているため、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間における短絡を防止することができる。
【００４４】
本実施例では、図６に示すように、金属製支持フレーム５０には、整流部材５１の端面形状に対応するへこみ部５２が形成されている。整流部材５１の一端は、へこみ部５２に係合するようにして金属製支持フレーム５０上に配置される。整流部材５１は、その一端が、へこみ部５２に係合されている状態で、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ｂとの間に配置されている。へこみ部５２は、例えば、切削加工、エッチング処理によって金属製支持フレーム５０上に形成される。
【００４５】
へこみ部５２は金属製支持フレーム５０に複数形成されており、へこみ部５２の形成パターンによって整流部材５１の配置パターンが決定される。本実施例では、金属製支持フレーム５０のアノード面には、左上方の燃料ガス供給マニホールド形成部５２０ａから右下方の燃料ガス排出マニホールド形成部５２０ｂに向かって、好ましくは直線状に燃料ガスが流れるように複数の整流部材５１が配置されている。
【００４６】
なお、図５および図６を用いて、金属製支持フレーム５０のアノード面について説明しているが、金属製支持フレーム５０のカソード面においてもアノード面と同様にへこみ部が形成され、また、複数の整流部材５１が配置されている。
【００４７】
以上説明した第１の実施例に用いられる整流部材５１によれば、整流部材５１が絶縁性および耐熱性に優れた無機材料から形成されるので、整流部材５１を介した、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間の短絡を抑制または防止することができる。すなわち、稼働温度が高い本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、耐熱性および締結荷重に対する強度確保のために膜電極接合体３０を支持するための支持フレームおよびガスセパレータとして金属製の支持フレーム５０およびセパレータ６０ａ、６０ｂを備えている。また、整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの双方と直接接触するように配置されている。したがって、整流部材が導電性を有する場合には、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとの間に短絡が発生するが、本実施例に用いられる整流部材５１は絶縁性に優れているため上記短絡を抑制または防止することができる。
【００４８】
本実施例において用いられる整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとに直接接触するように配置されているので、部６に矢印Ｆ１で示す方向に発生する整流部材５１を跨ぐ（すり抜ける）反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流動を矢印Ｆ２で示すように阻止することができる。したがって、燃料ガス内部流路３７ａ（酸化ガス内部流路３７ｂ）において、膜電極接合体３０上を通過するように反応ガスの流れを規定することが可能となり、発電効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本実施例に用いられる整流部材５１は、金属製支持フレーム５０に形成されているへこみ部５２に係合されている。したがって、整流部材５１の位置決めが容易になり、単電池の組み立て効率を向上させることができる。本実施例においては、へこみ部５２は金属製支持フレーム５０のみに形成されているので、金属製支持フレーム５０と金属製セパレータ６０ａ、６０ｂとを組み合わせる際の位置決め誤差を考慮することなくへこみ部５２を形成することができる。
【００５０】
さらに、整流部材５１は、金属製支持フレーム５０と別体の構成部材であるため、金属製支持フレーム５０におけるシール部材１０の配置位置（シール位置）に対する表面粗さを出すための加工を容易化することができる。
【００５１】
・第２の実施例：
図７を参照して第２の実施例に係る燃料電池に用いられる金属製セパレータと整流部材との構成について説明する。図７は第２の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【００５２】
第２の実施例では、金属製支持フレーム５０に代えて金属製セパレータ６０ｂにへこみ部６４が形成されている。へこみ部６４は、整流部材５１の端面形状と同等の形状を有し、例えば、切削加工、エッチング処理によって金属製セパレータ６０ｂ上に形成される。なお、図７には金属製支持フレーム５０のアノード面に配置されている整流部材５１、アノード面に形成されているへこみ部６４が示されているが、カソード面においても同様にへこみ部６４が形成され、整流部材５１が配置されている。
【００５３】
第２の実施例に係る燃料電池においても、第１の実施例と同様の利点を有することができる。
【００５４】
・その他の実施例：
（１）上記各実施例では水素透過膜形の膜電極接合体を例にとって説明したが、支持フレームによる支持が必要な非自立型の固体酸化物形の膜電極接合体に対しても適用され得ることは言うまでもない。非自立型の固体酸化物形膜電極接合体においても、締結過重、高い稼働温度の観点から膜電極接合体を支持するフレームとして金属製材料を用いなくてはならず、金属製支持フレームと金属製セパレータとの間における絶縁性を確保しなければならないからである。
【００５５】
（２）上記第１および第２の実施例においては、へこみ部は金属製支持フレーム５０または金属製セパレータ６０ａ、６０ｂのいずれか一方に形成されているが、金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの双方に形成されていても良い。この場合には、整流部材５１の保持強度を高めることが可能となり、整流部材５１の位置ズレをさらに抑制することができる。なお、へこみ部が金属製支持フレーム５０および金属製セパレータ６０ａ、６０ｂの双方に形成される場合には、へこみ部の形成位置の管理精度を向上させることによって、あるいは、一方のへこみ部の大きさを大きく形成することによって組み立て時における位置ズレを抑制することができる。
【００５６】
（３）上記各実施例では、支持フレーム５０、セパレータ６０ａ、６０ｂとして金属製材料を用いて説明しているが、その他の導電性材料であって、金属製材料と同等の対締結過重性能を有する材料であれば同様にして用いることができる。この場合には、上記各実施例において用いられた整流部材５１によって提供される良好な絶縁性が要求されるからである。
【００５７】
（４）上記燃料電池システムの実施例では、格子状部５６を備えている金属製支持フレーム５０を用いて説明したが、格子状部５６を備えることなく開口部を備える金属製フレームを用いても良い。
【００５８】
以上、実施例に基づき本発明を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施例に用いられる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１における燃料電池を切断線Ｘ−Ｘで切断した切断面の一部を示す説明図である。
【図３】本実施例に用いられる金属製支持フレームのアノード側を示す説明図である。
【図４】本実施例に用いられる金属製支持フレームのカソード側を示す説明図である。
【図５】金属製支持フレームと金属製セパレータとが組み合わされた単電池をアノード面から見た平面透視図である。
【図６】第１の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【図７】第２の実施例に係る燃料電池に用いられる単電池について図５中の切断線Ｙ−Ｙで切断した断面を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０…燃料電池用シール部材
２５ａ…燃料ガス供給マニホールド
２５ｂ…燃料ガス排出マニホールド
２６ａ…酸化ガス供給マニホールド
２６ｂ…酸化ガス排出マニホールド
２７ａ…冷媒供給マニホールド
２７ｂ…冷媒排出マニホールド
３０…膜電極接合体
３１…電解質層
３２…水素透過膜層
３３…カソード
３７ａ…燃料ガス内部流路
３７ｃ…酸化ガス内部流路
３８ａ…アノード側ガス拡散層
３８ｃ…カソード側ガス拡散層
５０…金属製支持フレーム
５１…整流部材
５２…へこみ部
５６…格子状部
５６１…孔
５２０ａ…燃料ガス供給マニホールド形成部
５２０ｂ燃料ガス排出マニホールド形成部
５２１ａ…酸化ガス供給マニホールド形成部
５２１ｂ…酸化ガス排出マニホールド形成部
５２２ａ…冷媒供給マニホールド形成部
５２２ｂ…冷媒排出マニホールド形成部
６０ａ…カソードセパレータ
６０ｂ…アノードセパレータ
６２ａ、６２ｂ…冷媒流路
６４…へこみ部
１００…単電池
２００…燃料ガス供給管
２０１…燃料ガス排出管
２０１ａ…排出分岐管
２０１ｂ…循環分岐管
ＦＣＳ…燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームと、
前記支持フレームの両側に配置される一対の金属製セパレータと、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される１または複数の絶縁性整流部材とを備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記金属製支持フレームはへこみ部を有し、
各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記一対の金属製セパレータに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはへこみ部を有し、
各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記金属製支持フレームに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、
前記各絶縁性整流部材は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流する燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、
前記各絶縁性整流部材は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流する燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体は、
水素透過性基材からなるアノード側電極と、
固体酸化物型電解質膜からなる電解質膜とを備える燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体と前記各金属製セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されている燃料電池。
【請求項１】
燃料電池であって、
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の外縁を支持する板状の金属製支持フレームと、
前記支持フレームの両側に配置される一対の金属製セパレータと、
前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される１または複数の絶縁性整流部材とを備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記金属製支持フレームはへこみ部を有し、
各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記一対の金属製セパレータに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはへこみ部を有し、
各前記絶縁性整流部材は、一端が前記へこみ部に係合し、他端が前記金属製支持フレームに接触して、前記金属製支持フレームと前記一対の金属製セパレータとの間に配置される燃料電池。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体に対して反応ガスを供給するための反応ガス供給部を有し、
前記各絶縁性整流部材は、前記反応ガス供給部と前記膜電極接合体との間に形成され、前記反応ガス供給部から前記膜電極接合体へ供給される反応ガスを整流する燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記一対の金属製セパレータはさらに、前記膜電極接合体から反応ガスを排出するための反応ガス排出部を備え、
前記各絶縁性整流部材は、前記膜電極接合体と前記反応ガス排出部との間に形成され、前記膜電極接合体から前記反応ガス排出部へ排出される反応ガスを整流する燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体は、
水素透過性基材からなるアノード側電極と、
固体酸化物型電解質膜からなる電解質膜とを備える燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体と前記各金属製セパレータとの間にはそれぞれ拡散層が配置されている燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３２８９６９（Ｐ２００７−３２８９６９Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５８０３４（Ｐ２００６−１５８０３４）
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【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１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【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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