JP2004146145A

JP2004146145A - 固体高分子電解質形燃料電池

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Publication number: JP2004146145A
Application number: JP2002308143A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Takegawa; 竹川　寿弘; Atsushi Aoki; 青木　敦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: JP4304955B2

Abstract

【課題】小型化された固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１を電極２、３により狭持することにより構成したＭＥＡ４を、板状部材に、ＭＥＡ４と対峙する面に酸化剤ガス流路６６Ａを成形することにより構成したカソード側セパレータ板５２と、ＭＥＡ１に対峙する面に燃料ガス流路６６Ｂを備えたアノード側セパレータ板５１と、で狭持する。このように構成したセルを複数積層したスタック１０を備える。このように構成したカソード側セパレータ板５２と、隣接するセルのアノード側セパレータ板５１との間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子電解質形燃料電池に関する。特に、固体高分子電解質形燃料電池内の冷媒流路の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は電解質の違いなどにより様々なタイプのものに分類されるが、この一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子電解質形燃料電池における電極反応は以下のようになる。
【０００４】
【化式】
燃料極　：　２Ｈ_２　→　４Ｈ^＋　＋　４ｅ⁻　・・・（１）
酸化剤極：　４Ｈ^＋　＋　４ｅ⁻　＋　Ｏ_２　→　２Ｈ_２Ｏ　・・・（２）
燃料極には燃料ガスが供給され、式（１）の反応が進行してプロトンが生成される。プロトンは、水和状態で電解質、ここでは固体高分子電解質内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極では、このプロトンと供給された酸化剤ガス中の酸素により式（２）の反応が進行する。式（１）、（２）の反応が各極で進行することで、燃料電池では起電力を生じることになる。
【０００５】
このように固体高分子電解質形燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池である。これは比較的低温で作動し、効率のよい発電を行うことができるため、電気自動車搭載用を始めとして各種の用途が見込まれている。
【０００６】
固体高分子電解質形燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極をホットプレス等の手段により接合してなる膜電極接合体と、カーボンや金属製のガスセパレータを積層した構造を有する。ガスセパレータとしては、炭素材は非常によく用いられるが、切削加工により構成されるためコストが高く、また、スタックの容量が大きくなるという問題があった。
【０００７】
そこで従来の固体高分子電解質燃料電池においては、セパレータ板と燃料電池セルとの間に反応ガス流路を形成するとともに、セパレータ板と中間板との間に冷却水流路を設けている。ここで、中間板は、反応ガス流路と冷却水流路を備えたセパレータ板と、反応ガス流路を備えたセパレータ板との間に配置される隔壁である。このように構成することで、冷却水流路を構成するための部材を必要とせずに、燃料電池の小型化や軽量化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２２８２０７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の固体高分子電解質形燃料電池においても、セパレータ板のほかに隔壁の役割を担う中間板が必要となり、燃料電池の大型化や重量化が懸念されている。そのため、同様の出力を得ようとすると、やはり燃料電池自体の大型化を招いてしまう。
【００１０】
本発明は、上記の問題を鑑みて、冷媒流路を構成するための補助的な部品を使用することなく、小型化された固体高分子電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、反応ガスの電気化学反応により起電力を生じる固体高分子電解質形燃料電池に関する。電解質膜を電極により狭持することにより構成した膜電極接合体を、板状部材の前記膜電極接合体と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、前記膜電極接合体に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持することにより構成したセルを複数積層したスタックを備える。前記第１セパレータと、前記第２セパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。
【００１２】
【作用及び効果】
第１セパレータと、第２のセパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。これにより、補助的な部品を用いずに冷媒の流路を確保できるので、燃料電池の小型化、底コスト化を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池の概略構成を図１に示す。ここで用いる燃料電池は、固体高分子電解質形燃料電池であり、図１には固体高分子電解質形燃料電池スタック（以下、スタック）１０の一部分を示す。
【００１４】
固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１を、燃料極２、酸化剤極３で狭持することにより膜電極接合体（ＭＥＡ）４を構成する。電解質膜１としては、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜を用いる。各電極２、３はガス拡散層と触媒層とから構成し、触媒が存在する面が電解質膜１と対峙するように配置する。触媒層は、個別に形成してもよいし、ガス拡散層に触媒を充填させたり、ガス拡散層のセル面に塗布したりすることにより形成してもよい。ここでは、各電極２、３を白金または白金とその他の金属とからなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパから構成した触媒層と、多孔質のガス拡散層と、から構成する。
【００１５】
このようなＭＥＡ４とセパレータ５とを、交互に積層することによりスタック１０を構成する。ここで、セパレータ５、ＭＥＡ４間の隔壁の役割を担うと共に、各ＭＥＡに燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給する流路を備える。後述するようにセパレータ５は、アノード側セパレータ板５１とカソード側セパレータ板５２により構成されている。つまり、ＭＥＡ４をアノード側セパレータ板５１板とカソード側セパレータ板５２により狭持しりことにより単位セルを形成し、このようなセルを複数積層することによりスタック１０を構成する。このとき、アノード側セパレータ板５１と隣接するセルのカソード側セパレータ５２とが接合されて、セパレータ５が形成される。
【００１６】
また、セパレータ５の外縁部に沿ったシーリング領域６により、燃料極２に供給される水素を含有した燃料ガスや、酸化剤極３に供給される酸素を含有した空気等の酸化剤ガス、さらに各種冷却水をシールする。ここでは、セパレータ５と電解質膜１に狭持され、且つ、セパレータ５の外縁部に沿ってシール材を配置することによりシーリング領域６を構成する。
【００１７】
次に、セパレータ５の構成を説明する。ここでは、金属製の薄板を用いて製造したセパレータについて説明するが、これに限らず、例えばカーボン材料等であっても流路形状を実現できる素材については活用することができる。また、セパレータ５はプレス加工により成形する。
【００１８】
セパレータ５を、燃料極２に隣接するアノード側セパレータ板５１と、酸化剤極３に隣接するカソード側セパレータ板５２と、から構成する。図２にカソード側セパレータ板５２のセル面の概略構成を示す。ただし、図２（ａ）を反応ガスの流路、ここでは酸化剤ガスの流路を形成した面とし、図２（ｂ）をその裏面に当たる冷却水の流路を形成した面とする。
【００１９】
カソード側セパレータ板５２には、酸化剤ガスマニホールド６１、燃料ガスマニホールド６２、冷却水ガスマニホールド６３、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａを備える。
【００２０】
酸化剤ガス流路６６Ａは、カソード側セパレータ板５２のセル面中央付近に構成し、ここで発電反応を生じる。酸化剤ガス流路６６Ａは、カソード側セパレータ板５２に、酸化剤極３に向かって開放された凹溝を成形することにより構成する。凹溝の断面が矩形状または台形状となるように成形する。酸化剤ガス流路６６Ａを供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとから構成する。供給側ガス流路６６Ａａの一端は、後述するようにガス分配流路６４に連通する。排出側ガス流路６６Ａｂの一端は、後述するようにガス回収流路６５に連通する。供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとは、互いに非連通とする。
【００２１】
供給側ガス流路６６Ａａ、排出側ガス流路６６Ａｂは、それぞれ一方向に伸びる複数の流路を平行に配置することにより構成する。供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとを交互に配置する。このように構成することで、後述するように、供給側ガス流路６６Ａａに供給された全ての酸化剤ガスが酸化剤極３に供給され、反応に用いられなかった酸化剤ガスは排出側ガス流路６６Ａｂに排出される。
【００２２】
酸化剤ガス流路６６Ａの外周側には、スタック１０の積層方向に連通する酸化剤ガスマニホールド６１、燃料ガスマニホールド６２、冷却水マニホールド６３を備える。このとき、各マニホールド６１、６２、６３は、それぞれ供給用のマニホールド（６１ａ、６２ａ、６３ａ）と排出用のマニホールド（６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ）により構成する。
【００２３】
供給用酸化剤ガスマニホールド６１ａにガス分配流路６４を接続させる。ガス分配流路６４は、セル面の供給側ガス流路６６Ａａの一端に沿って形成された流路であり、供給用ガスマニホールド６１ａから供給された酸化剤ガスを供給側ガス流路６６Ａａに分配する。また、排出用酸化剤ガスマニホールド６１ｂにガス回収流路６５を接続させる。ガス回収流路６５は、セル面の排出側ガス流路６６Ａｂの一端に沿って形成された流路であり、排出側ガス流路６６Ａｂから排出された酸化剤ガスを排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂに回収する。
【００２４】
ここで、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａを、酸化剤極３に接触する平面７０に対する凹溝により構成する。ここではプレス加工により凹溝を形成する。このとき、それぞれの酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さが同じとなるように構成する。
【００２５】
また、ガスマニホールド６１、６２も平面７０に対する凹溝により構成し、その溝の底面の少なくとも一部に後述する連通孔６７を形成する。それぞれのガスマニホールド６１、６２を構成する凹溝の深さが同じとなるように構成する。ここでは、マニホールド６１、６２を構成する凹溝の深さと、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さを同じとなるように構成する。なお、ここではガス分配流路６４、ガス回収流路６５を酸化剤ガス流路６６Ａと同じ深さの凹溝により構成するが、この深さは供給する反応ガスの流量等により設定することができる。例えば、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５を構成する凹溝の深さが酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹溝の深さより浅くなるように構成してもよい。
【００２６】
また、カソード側セパレータ板５２の外縁には最外周縁部７２を備える。最外周縁部７２のすぐ内周側には外周縁部７１を備える。外周縁部７１を、平面７０から凹溝の深さ方向に折り曲げられた部分とする。つまり、外周縁部７１は略積層方向に構成された面となる。これにより、最外周縁部７２は、外周縁部７１の分だけ平面７０より深さ方向に突出して形成される。ここで、各流路６４、６５、６６Ａを構成する凹溝の底面と、最外周縁部７２の積層方向の位置が同じになるように構成する。
【００２７】
このように形成したカソード側セパレータ板５２を、図２（ａ）と反対の面、つまり、冷却水流路２１を形成した面から見た図を図２（ｂ）に示す。ここでは、ガス分配流路６４、ガス回収流路６５、酸化剤ガス流路６６Ａ、最外周縁部７２が、平面７０に対して凹方向（図面から手前に向かってくる方向）に突出した構成とする。これにより、平面７０に対して凹方向に突出していない領域を冷却水流路２１とし、冷却水ガスマニホールド６３から供給される冷却水の流路を形成する。ここでは、冷却水流路２１を供給側冷却水マニホールド６３ａから排出側冷却水マニホールド６３ｂにかけて連通した領域により構成する。特に、酸化剤ガス流路６６Ａの供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂとを非連通とする。これにより、冷却水流路２１を、供給側冷却水マニホールド６３ａから供給された冷却水を、酸化剤ガス流路６６Ａ間に沿って流通させ、排出側冷却水マニホールド６３ｂに回収する流路とすることができる。
【００２８】
このような形状のカソード側セパレータ板５２を用いてスタック１０を構成する場合のセパレータ５およびＭＥＡ４の断面（図２のＡ−Ａ断面）を図３に示す。また、セパレータ５の外観を図６に示す。
【００２９】
本実施形態では、アノード側セパレータ板５１として、カソード側セパレータ板５２と同様に成形したセパレータを用いる。アノード側セパレータ板５１とカソード側セパレータ板５２とを、冷却水流路２１を形成した面（図２（ｂ）面）が対峙するように積層する。
【００３０】
ただし、アノード側セパレータ板５１に形成したガス分配流路６４は供給側燃料ガスマニホールド６２ａに接続し、ガス回収流路６５は排出側燃料ガスマニホールド６２ｂに連通する。また、酸化剤ガス流路６６Ａと対峙する部分に燃料ガス流路６６Ｂを形成する。ただし、酸化剤ガス流路６６Ａ内の酸化剤ガスの流れ方向と、燃料ガス流路６６Ｂ内の燃料ガスの流れ方向とが、逆方向となるように構成する。これにより、カソード側セパレータ板５２に構成したガス分配流路６４とアノード側セパレータ板５１に構成したガス回収流路６５とが対峙し、カソード側セパレータ板５２に構成したガス回収流路６５とアノード側セパレータ板５１に構成したガス分配流路６４とが対峙する。
【００３１】
ここでは、カソード側セパレータ板５２の最外周縁部７２と酸化剤ガス流路６６Ａの底面との積層方向の位置を同じとし、また、アノード側セパレータ板５１の最外周縁部７２と燃料ガス流路６６Ｂとの積層方向の位置を同じとした。これにより、スタック１０を形成する際には、アノード側セパレータ板５１、カソード側セパレータ板５２は、最外周縁部７２、反応ガス流路６６の底面で接触する。
【００３２】
このように構成することで、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３方向に開いた凹溝は酸化剤ガス流路６６Ａとなる。また、アノード側セパレータ板５１の燃料極２方向に開いた凹溝は燃料ガス流路６６Ｂとなる。さらに、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３方向に開いていない溝と、アノード側セパレータ板５１の燃料極２方向に開いていない溝とにより形成される閉じた空間は、冷却水流路２１となる。
【００３３】
また、図２のＢ−Ｂ断面を図４に示す。ここでは、Ｂ−Ｂ断面は、供給側燃料ガスマニホールド６２ａ、ガス回収マニホールド６４、排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂの断面である。
【００３４】
供給側燃料ガスマニホールド６２ａから供給された燃料ガスは、アノード側セパレータ板５１に形成したガス分配流路６４を介して燃料ガス流路６６Ｂに分配される。また、酸化剤ガス流路６６Ａから回収される酸化剤ガスは、カソード側セパレータ板５２に形成したガス回収流路６５を介して排出側酸化剤ガスマニホールド６１ｂに回収される。
【００３５】
このとき、カソード側およびアノード側の供給側燃料ガスマニホールド６２ａを構成するそれぞれの凹溝の底面を、積層方向に同じ位置に形成する。つまり、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１を積層した際に、供給側燃料ガスマニホールド６２ａを構成する凹溝の底面が接触するように構成する。また、この底面の対峙する部分に積層方向に貫通する連通孔６７を設け、燃料ガスを積層方向に流通可能な構成とする。
【００３６】
ここでは供給側燃料ガスマニホールド６２ａに関して説明したが、酸化剤ガスマニホールド６１、排出側燃料ガスマニホールド６２ｂに関しても同様の構成とする。つまり、ガスマニホールド６１、６２を構成する溝の底面で、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１とが接触するように構成する。また、底面に積層方向に連通する連通孔６７を形成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを積層方向に流通可能とする。
【００３７】
なお、ここでは、ガスマニホールド６１、６２を構成する凹溝の底面の積層方向の位置を、最外周縁部７２と同じとしたが、図５に示すようにこの限りではない。これは、セパレータ板５１、５２を形成するための金属製の板を加工した後の安定性を考慮して、適宜最適な形状が選択される。
【００３８】
ここで、スタック１０をＭＥＡ４およびセパレータ５を多数積層して形成する場合、冷却水流路２１を有するセパレータ５は、隣接するセパレータ板５１、５２同士を接合した状態でバイポーラ極として作用するため、常に電気的に導通する必要がある。接合面での抵抗を極力小さくするためには、隣接するセパレータ板５１、５２の接触面積をできるだけ大きくとることが望ましい。さらに、１０セル以上を積層してスタック１０を構成する場合、スタック１０を安定した状態に保つためには、所定の面圧でセル間が圧接していることが望まれる。積層方向に面圧がかかるため、その圧接する力をセル間に伝達するためにも、隣接するセパレータ板５１、５２は互いの底部面で常に接触していることが必要となる。
【００３９】
本実施形態では、上述したように構成することで、冷却水流路２１を構成するセパレータ板５１、５２は、反応ガス流路６６、ガスマニホールド６１、６２、および最外周縁部７２で接合される。また、ここではガス分配流路６４と、これに対峙するガス回収流路６５が接合される。これにより、セパレータ５内の電気抵抗を小さくするとともに、圧力の伝達性、積層方向の耐久性を向上することができる。
【００４０】
なお、セパレータ板５１、５２は、金属平板をプレス加工することにより形成する。ただし、平板のプレス加工により得られる成形品のそり、歪みを制御するために、マニホールド６１、６２、６３と外周縁部７１との間に形成された平面部７０ａと、最外周縁部７２は形状維持に必要な大きさを確保する必要がある。しかし、これらは発電に寄与しないため、形状維持と性能とのバランスをとったサイズが選択される。
【００４１】
各接触部の接合方法としては、溶接、導電性接着剤による接着などが選択される。また、金属材料の種類の制限が生じるが、攪拌摩擦接合も可能である。
【００４２】
次に本実施形態における効果を説明する。
【００４３】
電解質膜１を電極２、３により狭持することにより構成したＭＥＡ４を、板状部材のＭＥＡ４と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、ＭＥＡ１に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持する。このように構成したセルを複数積層したスタック１０を備える。なお、本実施形態では第１セパレータはカソード側セパレータ板５２、第１反応ガス流路は酸化剤ガス流路６６Ａ、第２セパレータではアノード側セパレータ板５１、第２反応ガス流路は燃料ガス流路６６Ｂに相当する。このように構成した第１セパレータと、隣接するセルの第２のセパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させる。
【００４４】
このように構成することで、カソード側セパレータ板５２の酸化剤極３と対峙する面と反対の面において、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する凹凸により形成される領域を冷却水流路２１として使用することができる。このとき、冷却水流路２１を構成するために補助部材を必要としないので、スタック１０の小型化および底コスト化を図ることができる。
【００４５】
また、酸化剤ガス流路６６Ａを、カソード側セパレータ５２の一部を断面が矩形または台形の複数の溝に成形することにより構成し、カソード側セパレータ板５２の外周に沿って、溝の深さ方向に折り返した最外周縁部７２を備える。カソード側セパレータ板５２と、隣接するセルのアノード側セパレータ板５１を積層する際に、少なくとも酸化剤ガス流路６６Ａの底面と最外周縁部７２とを、アノード側セパレータ板５１に接合する。このように、カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ５２間に接触する領域を形成することで、積層方向の接合強度を高めることができる。また接触面性を広くすることができるので積層方向の電気抵抗を減らし発電効率を向上することができる。
【００４６】
反応ガスを各セルに分配するマニホールドの一部として、カソード側セパレータ板５２の一部に、酸化剤ガス流路６６Ａを構成する溝と同じ深さ方向を持つ複数の凹部領域（マニホールド６１、６２を構成する溝に相当）を形成し、凹部領域の底面に連通孔６７を構成する。アノード側セパレータ板５１板と、隣接するセルのカソード側セパレータ板５２とを積層する際に、凹部領域の底面とアノード側セパレータ板５１を接合する。また、カソード側セパレータ板５２と隣接するセルのアノ−ド側セパレータ板５１との間で、連通孔６７を介して反応ガスを流通させることにより各セルに反応ガスを分配するマニホールド６１、６２を構成する。このように構成することで、板状部材に積層方向に反応ガスを流通するマニホールド６１、６２の一部を構成することができる。このとき、マニホールド６１、６２の成形を、プレス加工等により行うことができるので、低コストでマニホールド６１、６２を成形することができる。
【００４７】
また、カソード側セパレータ板５２のＭＥＡ４に対峙する面と反対の面に、冷媒を供給する、セル積層方向に伸びた供給側冷却水マニホールド６３ａと、カソード側セパレータ板５２のＭＥＡ４に対峙する面と反対の面から冷媒を回収する、セル積層方向に伸びた排出側冷却水マニホールド６３ｂと、を備える。カソード側セパレータ板５２を、ＭＥＡ４に対峙する面と反対の面で、供給側冷却水マニホールド６３ａから供給された冷却水が、酸化剤ガス流路６６Ａ付近を介して排出側冷却水マニホールド６３ｂに回収されるように成形する。これにより、発電面付近に冷却水を流通させることができるので、効率的な冷却を行う冷却水流路２１を構成することができる。
【００４８】
酸化剤ガス流路６６Ａを、複数の供給側ガス流路６６Ａａと、排出側ガス流路６６Ａｂとから構成し、供給側ガス流路６６Ａａと排出側ガス流路６６Ａｂを交互に配置するとともに、それらを非連通に構成する。これにより、カソード側セパレータ板５２の酸化剤ガス流路６６Ａを形成した面と反対側の面の、酸化剤ガス流路６６Ａに沿った流路に冷媒を流通させることができる。この流路は、供給側冷却水マニホールド６３ａと排出側冷却水マニホールド６３ｂに連通するので、冷却水の流通を確保できるとともに、反応ガス流路６６に沿って形成されるので、効率のよい冷却を行うことができる。
【００４９】
さらに、第１セパレータをカソード側セパレータとし、前記第１反応ガス流路に酸化剤ガスを流通させる。反応ガスの供給側と排出側のマニホールドとが連通していない酸化剤ガス流路６６Ａを酸化剤極３側に形成することで、流路壁によって行き先をふさがれた反応ガスは強制的に多孔質材料で構成される酸化剤極３のガス拡散電極層を通り抜ける。このため、発電反応によって生成する水による酸化剤ガス流路６６Ａの閉塞を防止することができる。この流路は、電解質膜１の近傍へ反応ガスを強制的に送り込むことができるため、電解質膜１内に保有される水を持ち出しやすいため、発電によって水を生成する酸化剤ガス供給側に配置することが好ましい。
【００５０】
アノード側セパレータ板５１を、板状部材に、ＭＥＡ４と対峙する面に、隣接するカソード側セパレータ板５２の酸化剤ガス流路６６Ａに積層方向に重なるように燃料ガス流路６６Ｂを成形する。カソード側セパレータ板５２とアノード側セパレータ板５１とを積層する際に、酸化剤ガス流路６６Ａの底面と、燃料ガス流路６６Ｂの底面を接合する。このように構成することで、冷却水流路２１の容積を十分にとることができるとともに、スタック１０をコンパクト化することができる。また、十分な接触面積を確保することができるので、電気伝導性や耐久性を維持することができる。
【００５１】
カソード側セパレータ板５２を、金属製薄板をプレス加工することにより成形する。また、本実施形態では、アノード側セパレータ板５１もプレス加工により形成する。これにより、低コストでセパレータ板５１、５２を成形することができる。また、セパレータ板５１、５２の構成部材として薄板を用いることができる。ここではプレス加工により形成しているが、折り曲げ等により成形しても良い。
【００５２】
反応ガス流路６６の裏側に冷却水流路２１を構成したセパレータ板５１、５２を用いることで、冷却水流路２１セル毎に確保することができるので、効果的な除熱を行うことが可能となる。さらに、燃料電池の組立において、セパレータ板５１、５２の一部でマニホールド６１、６２、６３を構成するので、マニホールドを構成する部材を必要としないため、燃料電池自体の小型化や軽量化に寄与することができる。また、本実施形態のセパレータは比較的容易に作成できるため、燃料電池の低コスト化に大きく貢献できる。
【００５３】
次に、第２実施形態について説明する。ここで用いるセパレータ板５１、５２の概略を図７に示す。
【００５４】
第１実施形態と基本的なセパレータ形状は違わないが、セパレータ板５１、５２の外周部に、さらにＭＥＡ４側に向かって折り返しを形成し、ＭＥＡ４とセパレータ５の接触面の外周部にシーリング領域６となる溝を形成する。
【００５５】
このように形成することで、各流路から、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が漏れるのを確実に防ぐことができる。
【００５６】
なお、本実施の形態で説明したセパレータ形状は、少なくともカソード側セパレータ板５２に使用すればよい。カソード側セパレータ板５２に対して、従来のアノード側セパレータ板、例えば、燃料極２に対峙する面に燃料ガス流路が形成されており、カソード側セパレータ板５２に対峙する面を平面により構成したセパレータ板を用いても良い。
【００５７】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態におけるセパレータ平面構造の概略図である。
【図３】第１の実施形態におけるセルの断面の概略図である。
【図４】第１の実施形態におけるガスマニホールドの断面の概略図である。
【図５】第１の実施形態におけるガスマニホールドの断面の例の概略図である。
【図６】第１の実施形態におけるセパレータの外観図である。
【図７】第２の実施形態におけるセパレータの外観図である。
【符号の説明】
１　　電解質膜
２　　燃料極（電極）
３　　酸化剤極（電極）
４　　膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１　冷却水流路（冷媒の流通領域）
５１　アノード側セパレータ板（第２セパレータ）
５２　カソード側セパレータ板（第１セパレータ）
６１　酸化剤ガスマニホールド
６２　燃料ガスマニホールド
６３　冷却水ガスマニホールド
６６Ａ　酸化剤ガス流路（第１反応ガス流路）
６６Ｂ　燃料ガス流路（第２反応ガス流路）
６７　連通孔（貫通孔）
７２　最外周縁部（外周部）

Claims

反応ガスの電気化学反応により起電力を生じる固体高分子電解質形燃料電池において、
電解質膜を電極により狭持することにより構成した膜電極接合体を、
板状部材の前記膜電極接合体と対峙する面に第１反応ガス流路を成形することにより構成した第１セパレータと、
前記膜電極接合体に対峙する面に第２反応ガス流路を備えた第２セパレータと、で狭持することにより構成したセルを複数積層したスタックを備え、
前記第１セパレータと、隣接するセルの前記第２セパレータとの間に形成された隙間に、発電反応に伴う熱を除去するための冷媒を流通させることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
前記第１反応ガス流路を、前記第１セパレータの一部を断面が矩形または台形の複数の溝に成形することにより構成し、
前記第１セパレータの外周に沿って、前記溝の深さ方向に折り返した外周部を備え、
前記第１セパレータと、隣接するセルの前記第２セパレータを積層する際に、少なくとも前記溝の底面と前記外周部とを、前記第２セパレータに接合する請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
少なくとも反応ガスを各セルに分配するマニホールドの一部として、前記第１セパレータの一部に、前記溝と同じの深さ方向を持つ凹部領域を成形し、
前記凹部領域の底面を貫通する貫通孔を備え、
前記第１セパレータと、隣接するセルの第２セパレータとを積層する際に、前記凹部領域の底面と第２セパレータとを接合するとともに、
第１セパレータと隣接するセルの第２セパレータとの間で、前記貫通孔を介して少なくとも反応ガスを流通させることにより各セルに反応ガスを分配する請求項２に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記第１セパレータの前記膜電極接合体に対峙する面と反対の面に、冷媒を供給する、セル積層方向に伸びた冷媒供給流路と、
前記第１セパレータの前記膜電極接合体に対峙する面と反対の面から冷媒を回収する、セル積層方向に伸びた冷媒排出流路と、を備え、
前記第１セパレータを、前記膜電極接合体に対峙する面と反対の面で、前記冷媒供給流路から供給された冷媒が、前記反応ガス流路付近を介して前記冷媒排出流路に回収されるように成形した請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記第１反応ガス流路を、複数の供給側反応ガス流路と排出側反応ガス流路とから構成し、
前記供給側反応ガス流路と前記排出側反応ガス流路を交互に配置するとともに、それらを非連通に構成することで、前記第１セパレータの前記第１反応ガス流路を形成した面と反対側の面の、前記第１反応ガス流路に沿った流路に冷媒を流通させる請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記第１セパレータをカソード側セパレータとし、前記第１反応ガス流路に酸化剤ガスを流通させる請求項５に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記第２セパレータを、板状部材の前記膜電極接合体と対峙する面に、隣接する前記第１セパレータの前記第１反応ガス流路と積層方向に重なるように第２反応ガス流路を成形することにより構成し、
前記第１セパレータと隣接するセルの前記第２セパレータとを積層する際に、前記第１反応ガス流路の底面と、前記第２反応ガス流路の底面を接合する請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記第１セパレータは、金属製薄板をプレス加工することにより成形する請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。