燃料電池
【課題】設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすこと等を防止することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】２つの矩形状のセパレータ８、１０には、その長手方向にガスを流すための複数のガス流路７、９と、このガス流路７、９の間を仕切る複数のリブ１１、１２が設けられ、セパレータ８、１０がその短手方向について一つのガス流路７、９の幅の範囲内でずれた状態でガス拡散層に接合された場合に、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、ガス流路７、９およびリブ１１、１２が形成されていることを特徴とするものである。
【解決手段】２つの矩形状のセパレータ８、１０には、その長手方向にガスを流すための複数のガス流路７、９と、このガス流路７、９の間を仕切る複数のリブ１１、１２が設けられ、セパレータ８、１０がその短手方向について一つのガス流路７、９の幅の範囲内でずれた状態でガス拡散層に接合された場合に、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、ガス流路７、９およびリブ１１、１２が形成されていることを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に設計誤差等によりセパレータがずれて接合された場合でもガス拡散層の損傷等を防止することのできる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は白金等の触媒を有する燃料極と酸化剤極によって電解質膜を挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
【０００３】
燃料極：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。
【０００４】
一般的に固体高分子型の燃料電池では、燃料極および酸化剤極の外側をそれぞれガス拡散層およびセパレータで挟持することで単位セルを構成し、この単位セルを１００〜２００層程度積層した状態で０．５〜３．０ＭＰａ程度の圧力をかけることにより燃料電池スタックを形成する。また、セパレータにはリブと呼ばれる仕切りで仕切られたガス流路が形成されるが、レイアウト、性能、コスト等の観点から種々の形状のガス流路を形成することができる。
【０００５】
例えば従来の燃料電池では、直線状で互いに平行な複数のガス流路が形成された矩形状のセパレータを用いていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１２４６６号公報（第１頁、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし従来の燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合に、単位セルの積層方向について一方のセパレータのリブと他方のセパレータのガス流路が単位セルの多くの部分で重なり合ってしまうという問題点があった。単位セルの積層方向について一方のセパレータのリブと他方のセパレータのガス流路が重なり合うと、本来両側のリブで挟持されるはずのガス拡散層の部分が減少して、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することのできる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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、この２つのガス拡散層の両側に接合された２つの矩形状のセパレータと、を備えた単位セルを複数積層することにより構成された燃料電池において、前記セパレータには、その長手方向にガスを流すための複数のガス流路と、このガス流路の間を仕切る複数のリブが設けられ、前記セパレータがその短手方向について一つの前記ガス流路の幅の範囲内でずれた状態で前記ガス拡散層に接合された場合に、一方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路と、他方のセパレータに設けられた前記リブが、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、前記ガス流路および前記リブが形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、矩形状のセパレータがその短手方向について一つのガス流路の幅の範囲内でずれた状態でガス拡散層に接合された場合に、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わないようにガス流路およびリブが形成されているため、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
図５は、一般的な燃料電池の単位セル１００の反応部を示す部分縦断面図である。一般的な燃料電池は、図５に示すような単位セル１００を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図５は、図６に示す燃料電池が組み立てられた状態のＸ−Ｘ断面を示している。また図５（ａ）は、２つのセパレータがガス拡散層に正常に取り付けられた状態を示し、図５（ｂ）は２つのセパレータがガス拡散層に若干ずれて取り付けられた状態を示している。
【００１１】
単位セル１００は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）１０２と、電解質膜１０２を両側から挟むアノード触媒層（電極層、燃料極）１０３とカソード触媒層（電極層、酸化剤極）１０４と、アノード触媒層１０３の外側に設けられたアノードガス拡散層１０５と、カソード触媒層１０４の外側に設けたカソードガス拡散層１０６とを備える。また、アノードガス拡散層１０５側の面に設けられ、複数の水素流路（ガス流路）１０７を有する矩形状のアノードセパレータ１０８と、カソードガス拡散層１０６側の面に設けられ、複数の空気流路（ガス流路）１０９を有する矩形状のカソードセパレータ１１０を備える。さらにアノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０には、水素流路１０７、空気流路１０９の間にリブ１１１、リブ１１２が設けられている。このリブ１１１、リブ１１２により、水素流路１０７、空気流路１０９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路１０９は、後述する空気導入マニホールド１２０側から空気排出マニホールド１２１側に直線状に延び、互いに平行な状態で区画形成されている（図６参照）。
【００１２】
本発明では、電解質膜１０２とアノード触媒層１０３とカソード触媒層１０４とアノードガス拡散層１０５とカソードガス拡散層１０６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１３を構成しているものとする。
【００１３】
アノード触媒層１０３、カソード触媒層１０４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層１０５、カソードガス拡散層１０６は、導電性の多孔質材料からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０をカーボンから構成するものとするが、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０を貴金属メッキした金属等で構成するようにしてもよい。
【００１４】
図６は、図５に示す単位セル１００からアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０を取り外した状態の分解図である。図６では、膜電極複合体１１３を模式的に示している。
【００１５】
カソードセパレータ１１０は、膜電極複合体１１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路１０９を備え、空気流路１０９に空気を供給する空気導入マニホールド（酸化剤ガス入口）１２０と、反応部において反応しなかった空気を空気流路１０９から排出する空気排出マニホールド（酸化剤ガス出口）１２１を備える。空気流路１０９と空気導入マニホールド１２０はディフューザー１２２によって連結し、空気流路９と空気排出マニホールド１２１はディフューザー１２３によって連結している。
【００１６】
また、アノードセパレータ１０８は、水素流路１０７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド（燃料ガス入口）１２４と、反応部において反応しなかった水素を水素流路１０７から排出する水素排出マニホールド（燃料ガス出口）１２５とを備える。さらにアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０は、冷却水流路（図示せず）に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド１２６と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド１２７とを備える。図５および図６に示す単位セル１００は、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる向流型のものである。
【００１７】
図５（ａ）に示すように、２つのセパレータがガス拡散層に正常に取り付けられた状態では、アノードセパレータ１０８のリブ１１１とカソードセパレータ１１０のリブ１１２が膜電極複合体１１３を挟持しており、リブ１１１の中心線Ａとリブ１１２の中心線Ｂが一致している。このような状態では、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかることはなく、アノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４が損傷する恐れがない。
【００１８】
しかし図５（ｂ）に示すように、例えばアノードセパレータ１０８がその短手方向にほぼ１つの水素流路１０７の幅分ずれた状態では、リブ１１１の中心線Ａ′とリブ１１２の中心線Ｂ′が一致しておらず、アノードセパレータ１０８のリブ１１１とカソードセパレータ１１０のリブ１１２が膜電極複合体１１３を挟持した状態とならず、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見て重なり合う。このような状態では、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかったり、アノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４がガス流路に落ち込んでアノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４が損傷する恐れがある。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図１では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００２０】
本発明の各実施形態では、アノードセパレータ８またはカソードセパレータ１０がその短手方向について一つのガス流路の幅の範囲内でずれた状態でアノードガス拡散層１０５またはカソードガス拡散層１０６に接合された場合に、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、ガス流路およびリブが形成されている。
【００２１】
本実施形態において、アノードセパレータ８は図５および図６に示したアノードセパレータ１０８と同じものであり、直線状の水素流路７が互いに平行になるように区画形成されている。
【００２２】
一方、本実施形態に係る燃料電池のカソードセパレータ１０の空気流路９は、水素流路７に対して０度でない所定の角度を成して形成されている。なお本実施形態では、空気流路９も直線状で互いに平行に形成されているものとする。このように空気流路９を水素流路７に対して斜めに配置することで、図５（ｂ）および図６示すように一方のセパレータに設けられたガス流路と他方のセパレータに設けられたリブが単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向全体に亘って重なり合う状態を回避することができる。これにより膜電極複合体１３に過大な面圧がかかったり、アノード触媒層やカソード触媒層がガス流路に落ち込んでアノード触媒層やカソード触媒層が損傷するのを防止することが可能となる。
【００２３】
なお本実施形態における空気流路９と水素流路７の間の角度は、カソードセパレータ１０の長手方向の両端において空気流路９が、カソードセパレータ１０の短手方向について一つの空気流路９の幅と一つのリブ１２の幅を合わせた長さよりもずれ量Ｃが少なくなるように設定されている。これにより、空気流路９における配流バラツキを抑制しながらカソード触媒層の損傷を防止することができる。
【００２４】
本実施形態では、空気流路９と水素流路７が０度でない所定の角度を成しているため、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わず、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを低コストで防止することができる。
【００２５】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図２では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００２６】
本実施形態において、アノードセパレータ８は図５および図６に示したアノードセパレータ１０８と同じものであり、直線状の水素流路７が互いに平行になるように区画形成されている。
【００２７】
一方、カソードセパレータ１０にも直線状の空気流路９が互いに平行になるように設けられているが、カソードセパレータ１０のリブ１２の幅がアノードセパレータ８のリブ１１の幅よりも長くなっている。なお本実施形態では、それぞれのセパレータに設けられた複数のリブの幅はそれぞれ同じであるものとするが、例えばそれぞれのセパレータに設けられた複数のリブの幅をリブごとに変化させるようにしてもよい。また、カソードセパレータ１０のリブ１２の幅とアノードセパレータ８のリブ１１の幅は、整数倍にならないようにするのが望ましい。これにより、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合うのを効果的に回避することができる。
【００２８】
本実施形態では、カソードセパレータ１０のリブ１２の幅とアノードセパレータ８のリブ１１の幅が異なるため、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わず、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを低コストで防止することができる。
【００２９】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図３では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３０】
本実施形態では、水素流路７がアノードセパレータ８で規定される面内、すなわち水素流路７が並んだ平面内で湾曲している。また空気流路９もカソードセパレータ１０で規定される面内、すなわち空気流路９が並んだ平面内で湾曲している。
【００３１】
複数の水素流路７および複数の空気流路９は、それぞれアノードセパレータ８の面内およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲しているが、水素流路７と空気流路９の単位セルの積層方向から見た位相は異なっている。ここで、単位セルの積層方向から見た位相が異なっているというのは、例えば水素流路７が図３の左端から右端にかけて−ｓｉｎ（ｘ）のカーブになっている場合に、空気流路９が１８０度位相がずれたｓｉｎ（ｘ）のカーブであったり、９０度位相のずれた−ｃｏｓ（ｘ）のカーブであったりするということである。なお本実施形態では、水素流路７と空気流路９の周期が同じであるものとする。また本実施形態では、水素流路７と空気流路９のそれぞれのセパレータの短手方向のずれ量の最大値（振幅の２倍、図３のＤ参照）は、同じであるものとするが、それぞれのセパレータにおけるガス流路の短手方向のずれ量の最大値は異なっていてもよい。
【００３２】
なお、それぞれのセパレータに設けられたガス流路のセパレータの短手方向のずれ量Ｄの最大値は、一つのガス流路の幅と一つのリブの幅を合わせた長さよりも小さいのが望ましい。これは、ガス流路のアールが大きすぎるとガス流路をガスが流れる際の流路抵抗が大きくなるのを防止するためである。
【００３３】
本実施形態では、水素流路７および空気流路９をそれぞれアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲させ位相をずらしているため、アノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の長手方向および短手方向のずれ、また回転方向のずれに対してもガス拡散層等の損傷を防止することができる。その他の効果については、実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００３４】
（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図４では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３５】
本実施形態では、実施形態３と同様に水素流路７がアノードセパレータ８で規定される面内、すなわち水素流路７が並んだ平面内で湾曲している。また空気流路９もカソードセパレータ１０で規定される面内、すなわち空気流路９が並んだ平面内で湾曲している。
【００３６】
複数の水素流路７および複数の空気流路９は、それぞれアノードセパレータ８の面内およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲しているが、水素流路７と空気流路９の単位セルの積層方向から見た周期は異なっている。例えば、図４に示す燃料電池の水素流路７はアノードセパレータ８の左端から右端にかけて２周期分湾曲しており、図４の空気流路９はカソードセパレータ１０の左端から右端にかけて１周期分湾曲している。また本実施形態では、水素流路７と空気流路９のそれぞれのセパレータの短手方向のずれ量の最大値（振幅の２倍）は、同じであるものとするが、それぞれのセパレータにおけるガス流路の短手方向のずれ量の最大値は異なっていてもよい。
【００３７】
本実施形態では、水素流路７および空気流路９をそれぞれアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲させ周期を相違させているため、アノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の長手方向および短手方向のずれ、また回転方向のずれに対してもガス拡散層等の損傷を防止することができる。その他の効果については、実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００３８】
なお、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。例えば、図１に示す燃料電池ではアノードセパレータ８の水素流路７を斜めにしてもよく、図２に示す燃料電池では、アノードセパレータ８のリブ１１を太くするようにしてもよい。また、図３および図４において、２つのセパレータのいずれか一方のガス流路のみを湾曲させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図４】本発明の実施形態４に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図５】一般的な燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図６】図５に示す単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【符号の説明】
【００４０】
２、１０２ 電解質膜
３、１０３ アノード触媒層
４、１０４ カソード触媒層
５、１０５ アノードガス拡散層
６、１０６ カソードガス拡散層
７、１０７ 水素流路
８、１０８ アノードセパレータ
９，１０９ 空気流路
１０、１１０ カソードセパレータ
１１、１１１ リブ
１２、１１２ リブ
１３、１１３ 膜電極複合体
２０、１２０ 空気導入マニホールド
２１、１２１ 空気排出マニホールド
２２、１２２ ディフューザー
２３、１２３ ディフューザー
２４、１２４ 水素導入マニホールド
２５、１２５ 水素排出マニホールド
２６、１２６ 冷却水導入マニホールド
２７、１２７ 冷却水排出マニホールド
１００ 単位セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に設計誤差等によりセパレータがずれて接合された場合でもガス拡散層の損傷等を防止することのできる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は白金等の触媒を有する燃料極と酸化剤極によって電解質膜を挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。
【０００３】
燃料極：２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ2 ＋ ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。
【０００４】
一般的に固体高分子型の燃料電池では、燃料極および酸化剤極の外側をそれぞれガス拡散層およびセパレータで挟持することで単位セルを構成し、この単位セルを１００〜２００層程度積層した状態で０．５〜３．０ＭＰａ程度の圧力をかけることにより燃料電池スタックを形成する。また、セパレータにはリブと呼ばれる仕切りで仕切られたガス流路が形成されるが、レイアウト、性能、コスト等の観点から種々の形状のガス流路を形成することができる。
【０００５】
例えば従来の燃料電池では、直線状で互いに平行な複数のガス流路が形成された矩形状のセパレータを用いていた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１２４６６号公報（第１頁、図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし従来の燃料電池では（例えば、特許文献１参照）、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合に、単位セルの積層方向について一方のセパレータのリブと他方のセパレータのガス流路が単位セルの多くの部分で重なり合ってしまうという問題点があった。単位セルの積層方向について一方のセパレータのリブと他方のセパレータのガス流路が重なり合うと、本来両側のリブで挟持されるはずのガス拡散層の部分が減少して、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することのできる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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、この２つのガス拡散層の両側に接合された２つの矩形状のセパレータと、を備えた単位セルを複数積層することにより構成された燃料電池において、前記セパレータには、その長手方向にガスを流すための複数のガス流路と、このガス流路の間を仕切る複数のリブが設けられ、前記セパレータがその短手方向について一つの前記ガス流路の幅の範囲内でずれた状態で前記ガス拡散層に接合された場合に、一方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路と、他方のセパレータに設けられた前記リブが、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、前記ガス流路および前記リブが形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、矩形状のセパレータがその短手方向について一つのガス流路の幅の範囲内でずれた状態でガス拡散層に接合された場合に、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わないようにガス流路およびリブが形成されているため、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施形態１）
図５は、一般的な燃料電池の単位セル１００の反応部を示す部分縦断面図である。一般的な燃料電池は、図５に示すような単位セル１００を例えば１００から２００枚積層して構成されており、スタック構造を有する。なお図５は、図６に示す燃料電池が組み立てられた状態のＸ−Ｘ断面を示している。また図５（ａ）は、２つのセパレータがガス拡散層に正常に取り付けられた状態を示し、図５（ｂ）は２つのセパレータがガス拡散層に若干ずれて取り付けられた状態を示している。
【００１１】
単位セル１００は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）１０２と、電解質膜１０２を両側から挟むアノード触媒層（電極層、燃料極）１０３とカソード触媒層（電極層、酸化剤極）１０４と、アノード触媒層１０３の外側に設けられたアノードガス拡散層１０５と、カソード触媒層１０４の外側に設けたカソードガス拡散層１０６とを備える。また、アノードガス拡散層１０５側の面に設けられ、複数の水素流路（ガス流路）１０７を有する矩形状のアノードセパレータ１０８と、カソードガス拡散層１０６側の面に設けられ、複数の空気流路（ガス流路）１０９を有する矩形状のカソードセパレータ１１０を備える。さらにアノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０には、水素流路１０７、空気流路１０９の間にリブ１１１、リブ１１２が設けられている。このリブ１１１、リブ１１２により、水素流路１０７、空気流路１０９がそれぞれ複数のガス流路に仕切られている。例えば複数の空気流路１０９は、後述する空気導入マニホールド１２０側から空気排出マニホールド１２１側に直線状に延び、互いに平行な状態で区画形成されている（図６参照）。
【００１２】
本発明では、電解質膜１０２とアノード触媒層１０３とカソード触媒層１０４とアノードガス拡散層１０５とカソードガス拡散層１０６が、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１１３を構成しているものとする。
【００１３】
アノード触媒層１０３、カソード触媒層１０４は、例えば白金などの触媒をカーボンブラック等に担持させて構成する。アノードガス拡散層１０５、カソードガス拡散層１０６は、導電性の多孔質材料からなり、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスによって構成する。また本発明では、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０をカーボンから構成するものとするが、アノードセパレータ１０８、カソードセパレータ１１０を貴金属メッキした金属等で構成するようにしてもよい。
【００１４】
図６は、図５に示す単位セル１００からアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０を取り外した状態の分解図である。図６では、膜電極複合体１１３を模式的に示している。
【００１５】
カソードセパレータ１１０は、膜電極複合体１１３と対峙する面に空気（酸化剤ガス）が流れる空気流路１０９を備え、空気流路１０９に空気を供給する空気導入マニホールド（酸化剤ガス入口）１２０と、反応部において反応しなかった空気を空気流路１０９から排出する空気排出マニホールド（酸化剤ガス出口）１２１を備える。空気流路１０９と空気導入マニホールド１２０はディフューザー１２２によって連結し、空気流路９と空気排出マニホールド１２１はディフューザー１２３によって連結している。
【００１６】
また、アノードセパレータ１０８は、水素流路１０７に水素（燃料ガス）を導入する水素導入マニホールド（燃料ガス入口）１２４と、反応部において反応しなかった水素を水素流路１０７から排出する水素排出マニホールド（燃料ガス出口）１２５とを備える。さらにアノードセパレータ１０８およびカソードセパレータ１１０は、冷却水流路（図示せず）に冷却水を導入するための冷却水導入マニホールド１２６と、冷却水流路から冷却水を排出するための冷却水排出マニホールド１２７とを備える。図５および図６に示す単位セル１００は、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに逆向きに流れる、いわゆる向流型のものである。
【００１７】
図５（ａ）に示すように、２つのセパレータがガス拡散層に正常に取り付けられた状態では、アノードセパレータ１０８のリブ１１１とカソードセパレータ１１０のリブ１１２が膜電極複合体１１３を挟持しており、リブ１１１の中心線Ａとリブ１１２の中心線Ｂが一致している。このような状態では、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかることはなく、アノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４が損傷する恐れがない。
【００１８】
しかし図５（ｂ）に示すように、例えばアノードセパレータ１０８がその短手方向にほぼ１つの水素流路１０７の幅分ずれた状態では、リブ１１１の中心線Ａ′とリブ１１２の中心線Ｂ′が一致しておらず、アノードセパレータ１０８のリブ１１１とカソードセパレータ１１０のリブ１１２が膜電極複合体１１３を挟持した状態とならず、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見て重なり合う。このような状態では、膜電極複合体１１３に過大な面圧がかかったり、アノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４がガス流路に落ち込んでアノード触媒層１０３やカソード触媒層１０４が損傷する恐れがある。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図１では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００２０】
本発明の各実施形態では、アノードセパレータ８またはカソードセパレータ１０がその短手方向について一つのガス流路の幅の範囲内でずれた状態でアノードガス拡散層１０５またはカソードガス拡散層１０６に接合された場合に、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、ガス流路およびリブが形成されている。
【００２１】
本実施形態において、アノードセパレータ８は図５および図６に示したアノードセパレータ１０８と同じものであり、直線状の水素流路７が互いに平行になるように区画形成されている。
【００２２】
一方、本実施形態に係る燃料電池のカソードセパレータ１０の空気流路９は、水素流路７に対して０度でない所定の角度を成して形成されている。なお本実施形態では、空気流路９も直線状で互いに平行に形成されているものとする。このように空気流路９を水素流路７に対して斜めに配置することで、図５（ｂ）および図６示すように一方のセパレータに設けられたガス流路と他方のセパレータに設けられたリブが単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向全体に亘って重なり合う状態を回避することができる。これにより膜電極複合体１３に過大な面圧がかかったり、アノード触媒層やカソード触媒層がガス流路に落ち込んでアノード触媒層やカソード触媒層が損傷するのを防止することが可能となる。
【００２３】
なお本実施形態における空気流路９と水素流路７の間の角度は、カソードセパレータ１０の長手方向の両端において空気流路９が、カソードセパレータ１０の短手方向について一つの空気流路９の幅と一つのリブ１２の幅を合わせた長さよりもずれ量Ｃが少なくなるように設定されている。これにより、空気流路９における配流バラツキを抑制しながらカソード触媒層の損傷を防止することができる。
【００２４】
本実施形態では、空気流路９と水素流路７が０度でない所定の角度を成しているため、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わず、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを低コストで防止することができる。
【００２５】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図２では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００２６】
本実施形態において、アノードセパレータ８は図５および図６に示したアノードセパレータ１０８と同じものであり、直線状の水素流路７が互いに平行になるように区画形成されている。
【００２７】
一方、カソードセパレータ１０にも直線状の空気流路９が互いに平行になるように設けられているが、カソードセパレータ１０のリブ１２の幅がアノードセパレータ８のリブ１１の幅よりも長くなっている。なお本実施形態では、それぞれのセパレータに設けられた複数のリブの幅はそれぞれ同じであるものとするが、例えばそれぞれのセパレータに設けられた複数のリブの幅をリブごとに変化させるようにしてもよい。また、カソードセパレータ１０のリブ１２の幅とアノードセパレータ８のリブ１１の幅は、整数倍にならないようにするのが望ましい。これにより、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合うのを効果的に回避することができる。
【００２８】
本実施形態では、カソードセパレータ１０のリブ１２の幅とアノードセパレータ８のリブ１１の幅が異なるため、一方のセパレータに設けられたガス流路と、他方のセパレータに設けられたリブが、単位セルの積層方向から見てセパレータの長手方向に亘って重なり合わず、設計誤差や製造バラツキ等によりガス拡散層にセパレータを接合する位置がずれた場合でも、ガス拡散層にかかる面圧が過大になったり、ガス拡散層がガス流路に落ち込んで剪断による損傷などを起こすことを低コストで防止することができる。
【００２９】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図３では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３０】
本実施形態では、水素流路７がアノードセパレータ８で規定される面内、すなわち水素流路７が並んだ平面内で湾曲している。また空気流路９もカソードセパレータ１０で規定される面内、すなわち空気流路９が並んだ平面内で湾曲している。
【００３１】
複数の水素流路７および複数の空気流路９は、それぞれアノードセパレータ８の面内およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲しているが、水素流路７と空気流路９の単位セルの積層方向から見た位相は異なっている。ここで、単位セルの積層方向から見た位相が異なっているというのは、例えば水素流路７が図３の左端から右端にかけて−ｓｉｎ（ｘ）のカーブになっている場合に、空気流路９が１８０度位相がずれたｓｉｎ（ｘ）のカーブであったり、９０度位相のずれた−ｃｏｓ（ｘ）のカーブであったりするということである。なお本実施形態では、水素流路７と空気流路９の周期が同じであるものとする。また本実施形態では、水素流路７と空気流路９のそれぞれのセパレータの短手方向のずれ量の最大値（振幅の２倍、図３のＤ参照）は、同じであるものとするが、それぞれのセパレータにおけるガス流路の短手方向のずれ量の最大値は異なっていてもよい。
【００３２】
なお、それぞれのセパレータに設けられたガス流路のセパレータの短手方向のずれ量Ｄの最大値は、一つのガス流路の幅と一つのリブの幅を合わせた長さよりも小さいのが望ましい。これは、ガス流路のアールが大きすぎるとガス流路をガスが流れる際の流路抵抗が大きくなるのを防止するためである。
【００３３】
本実施形態では、水素流路７および空気流路９をそれぞれアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲させ位相をずらしているため、アノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の長手方向および短手方向のずれ、また回転方向のずれに対してもガス拡散層等の損傷を防止することができる。その他の効果については、実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００３４】
（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０を取り外した状態の分解図である。図４では、膜電極複合体１３を模式的に示している。なお本実施形態に係る燃料電池は、以下に示す点を除いて図５および図６に示した燃料電池と同様であり、図５および図６に示した燃料電池と同じ構成要素には図５および図６の符号から１００を差し引いた符号を付して説明する。
【００３５】
本実施形態では、実施形態３と同様に水素流路７がアノードセパレータ８で規定される面内、すなわち水素流路７が並んだ平面内で湾曲している。また空気流路９もカソードセパレータ１０で規定される面内、すなわち空気流路９が並んだ平面内で湾曲している。
【００３６】
複数の水素流路７および複数の空気流路９は、それぞれアノードセパレータ８の面内およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲しているが、水素流路７と空気流路９の単位セルの積層方向から見た周期は異なっている。例えば、図４に示す燃料電池の水素流路７はアノードセパレータ８の左端から右端にかけて２周期分湾曲しており、図４の空気流路９はカソードセパレータ１０の左端から右端にかけて１周期分湾曲している。また本実施形態では、水素流路７と空気流路９のそれぞれのセパレータの短手方向のずれ量の最大値（振幅の２倍）は、同じであるものとするが、それぞれのセパレータにおけるガス流路の短手方向のずれ量の最大値は異なっていてもよい。
【００３７】
本実施形態では、水素流路７および空気流路９をそれぞれアノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の面内で周期的に湾曲させ周期を相違させているため、アノードセパレータ８およびカソードセパレータ１０の長手方向および短手方向のずれ、また回転方向のずれに対してもガス拡散層等の損傷を防止することができる。その他の効果については、実施形態１に係る燃料電池と同様である。
【００３８】
なお、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。例えば、図１に示す燃料電池ではアノードセパレータ８の水素流路７を斜めにしてもよく、図２に示す燃料電池では、アノードセパレータ８のリブ１１を太くするようにしてもよい。また、図３および図４において、２つのセパレータのいずれか一方のガス流路のみを湾曲させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図４】本発明の実施形態４に係る燃料電池の単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【図５】一般的な燃料電池の単位セルの反応部を示す部分縦断面図である。
【図６】図５に示す単位セルからアノードセパレータおよびカソードセパレータを取り外した状態の分解図である。
【符号の説明】
【００４０】
２、１０２ 電解質膜
３、１０３ アノード触媒層
４、１０４ カソード触媒層
５、１０５ アノードガス拡散層
６、１０６ カソードガス拡散層
７、１０７ 水素流路
８、１０８ アノードセパレータ
９，１０９ 空気流路
１０、１１０ カソードセパレータ
１１、１１１ リブ
１２、１１２ リブ
１３、１１３ 膜電極複合体
２０、１２０ 空気導入マニホールド
２１、１２１ 空気排出マニホールド
２２、１２２ ディフューザー
２３、１２３ ディフューザー
２４、１２４ 水素導入マニホールド
２５、１２５ 水素排出マニホールド
２６、１２６ 冷却水導入マニホールド
２７、１２７ 冷却水排出マニホールド
１００ 単位セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、この２つのガス拡散層の両側に接合された２つの矩形状のセパレータと、を備えた単位セルを複数積層することにより構成された燃料電池において、
前記セパレータには、その長手方向にガスを流すための複数のガス流路と、このガス流路の間を仕切る複数のリブが設けられ、
前記セパレータがその短手方向について一つの前記ガス流路の幅の範囲内でずれた状態で前記ガス拡散層に接合された場合に、一方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路と、他方のセパレータに設けられた前記リブが、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、前記ガス流路および前記リブが形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
一方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路が互いに平行であり、他方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路が、前記一方のセパレータに設けられた前記ガス流路に対して０度でない所定の角度を成してい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】
前記所定の角度は、前記セパレータの長手方向の両端において前記ガス流路が、前記セパレータの短手方向に一つの前記ガス流路の幅と一つの前記リブの幅を合わせた長さよりもずれ量が少なくなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２つのセパレータに設けられた前記ガス流路が互いに平行であり、それぞれの前記セパレータに設けられた前記複数のリブの幅が同じで、一方の前記セパレータに設けられたリブの幅と、他方の前記セパレータに設けられたリブの幅が異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５】
少なくとも一つの前記セパレータに設けられた複数の前記ガス流路が１平面内に設けられており、この複数のガス流路が前記１平面内で湾曲してい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】
それぞれの前記セパレータに設けられた前記ガス流路は周期的に湾曲しており、２つの前記セパレータに設けられたガス流路の周期は同じであり、２つのセパレータに設けられたガス流路は位相が異なることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
それぞれの前記セパレータに設けられた前記ガス流路は周期的に湾曲しており、２つの前記セパレータに設けられたガス流路の周期が異なることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
それぞれの前記セパレータに設けられた前記ガス流路の前記セパレータの短手方向のずれ量の最大値は、一つの前記ガス流路の幅と一つの前記リブの幅を合わせた長さよりも小さいことを特徴とする請求項５から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜の両側に設けられた２つの電極層と、この電極層の外側に配置された２つのガス拡散層と、この２つのガス拡散層の両側に接合された２つの矩形状のセパレータと、を備えた単位セルを複数積層することにより構成された燃料電池において、
前記セパレータには、その長手方向にガスを流すための複数のガス流路と、このガス流路の間を仕切る複数のリブが設けられ、
前記セパレータがその短手方向について一つの前記ガス流路の幅の範囲内でずれた状態で前記ガス拡散層に接合された場合に、一方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路と、他方のセパレータに設けられた前記リブが、前記単位セルの積層方向から見て前記セパレータの長手方向に亘って重なり合わないように、前記ガス流路および前記リブが形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
一方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路が互いに平行であり、他方の前記セパレータに設けられた前記ガス流路が、前記一方のセパレータに設けられた前記ガス流路に対して０度でない所定の角度を成してい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】
前記所定の角度は、前記セパレータの長手方向の両端において前記ガス流路が、前記セパレータの短手方向に一つの前記ガス流路の幅と一つの前記リブの幅を合わせた長さよりもずれ量が少なくなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２つのセパレータに設けられた前記ガス流路が互いに平行であり、それぞれの前記セパレータに設けられた前記複数のリブの幅が同じで、一方の前記セパレータに設けられたリブの幅と、他方の前記セパレータに設けられたリブの幅が異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５】
少なくとも一つの前記セパレータに設けられた複数の前記ガス流路が１平面内に設けられており、この複数のガス流路が前記１平面内で湾曲してい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】
それぞれの前記セパレータに設けられた前記ガス流路は周期的に湾曲しており、２つの前記セパレータに設けられたガス流路の周期は同じであり、２つのセパレータに設けられたガス流路は位相が異なることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
それぞれの前記セパレータに設けられた前記ガス流路は周期的に湾曲しており、２つの前記セパレータに設けられたガス流路の周期が異なることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
それぞれの前記セパレータに設けられた前記ガス流路の前記セパレータの短手方向のずれ量の最大値は、一つの前記ガス流路の幅と一つの前記リブの幅を合わせた長さよりも小さいことを特徴とする請求項５から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【公開番号】特開２００８−４７２９３（Ｐ２００８−４７２９３Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１８５５６（Ｐ２００６−２１８５５６）
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【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２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【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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