JP4951925B2 - 燃料電池用ガスセパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池用ガスセパレータおよびガスセパレータを備える燃料電池に関する。

燃料電池が発電する際には電気化学反応の進行に伴って熱が発生するため、一般に燃料電池では、冷媒が通過する冷媒流路を内部に設けることによって、燃料電池の内部温度を所定の温度範囲内に維持している。このとき、燃料電池全体で昇温を抑える効果を得るために、一般に冷媒流路は、各単セルごと、あるいは所定数の積層された単セルごとに、セル面に平行に形成される。このような冷媒流路の一例として、燃料電池を構成する単セル間に配設されて燃料ガスの流路と酸化ガスの流路とを隔てるガスセパレータの内部に、冷媒流路を形成する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−６１０４号公報

しかしながら、発電に伴って生じる熱の燃料電池内部での分布状態は、燃料電池内部でのガスの流れ方向や冷媒の流れ方向などの運転条件によって不均一となる。また、燃料電池内部の温度分布状態は、上記発電に伴って生じる熱の分布状態に加えて、燃料電池が配設される環境の影響によっても不均一となり得る。このように、燃料電池内部に冷媒流路を形成し、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲内に維持しようとしても、燃料電池内部において温度分布の不均一が生じる場合があった。温度分布が不均一になると、燃料電池の発電効率や耐久性が影響を受ける可能性があり、燃料電池の内部温度の均一化が望まれていた。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内部に冷媒を流通させる際に、燃料電池の内部温度をセル面内で均一化させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電解質層および前記電解質層を挟持する電極層と共に積層されて燃料電池を構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
前記ガスセパレータの一方の面を形成する第１プレートと、
前記ガスセパレータの他方の面を形成する第２プレートと、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に挟持される第３プレートであって、積層時に前記電解質層および前記電極層と重なる領域の少なくとも一部に、厚さ方向に貫通し、冷媒が流れる冷媒流路を前記第１プレートと前記第２プレートとの間に形成する冷媒流路形成部を備える第３プレートと、
前記冷媒流路に配置されると共に、前記燃料電池の運転条件および／または前記燃料電池が配設される環境により定まる前記燃料電池の発電時における前記ガスセパレータ面内の温度分布において、より温度が高くなる領域ほど前記冷媒の流速が速くなるように、前記冷媒流路内における前記冷媒の流速を調整する流速調整部と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池用ガスセパレータによれば、上記ガスセパレータ面内の温度分布においてより温度が高くなる領域ほど冷媒の流速が速くなり、冷却効率が高くなるため、ガスセパレータ面内の温度分布が均一化された燃料電池を得ることができる。

本発明の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記流速調整部は、前記温度分布において、より温度が高くなる領域ほど、前記冷媒流路における実質的な流路断面積を小さくする形状を有することとしても良い。

このように、実質的な流路断面積を小さくすることにより、温度が高くなる領域ほど冷媒の流速を速くすることができ、ガスセパレータ面内の温度分布の均一化を図ることができる。

本発明の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記流速調整部は、前記第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方のプレートにおいて、前記ガスセパレータの内部の前記冷媒流路側へと突出して設けられた複数の凸部であって、前記温度分布において、より温度が高くなる領域ほど密度が高く形成された複数の凸部であることとしても良い。

このような構成とすれば、第１および第２のプレートの少なくとも一方のプレートに設ける複数の凸部の密度を調節することにより、冷媒の流速を調整することができる。

このような本発明の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記第１プレートおよび第２プレートは、金属製薄板であって、プレス成形によって前記複数の凸部が形成されていることとしても良い。

このような構成とすれば、金属製薄板のプレス成形という簡便な方法により、容易に流速調整部を形成することができる。

また、本発明の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記流速調整部は、前記第３プレートとは別体で設けられ、前記第３プレートに略平行な基板と、前記基板の両側または片側へと突出して設けられると共に、前記温度分布において、より温度が高くなる領域ほど密度が高く形成された複数の凸部と、を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、第１および第２のプレートと別体で流速調整部を形成するため、第１および第２のプレートにおいて、冷媒の流速調整のための構造を設ける必要がない。したがって、第１のプレートおよび第２のプレートの形状と、流速調整部の形状とは、互いの形状によって制限されることがない。そのため、例えば、前記第１および第２のプレートによって形成される前記一方の面および前記他方の面は、平坦な面とすることができる。

本発明の燃料電池用ガスセパレータにおいて、
前記複数の凸部は、該凸部の先端が、該凸部が対向する前記第１のプレートまたは前記第２のプレートに接触していることとしても良い。

このような構成とすることで、ガスセパレータ全体の強度を高めることができる。ここで、第１のプレートと第２のプレートと流速調整部とが、いずれも導電性材料により形成されていれば、ガスセパレータにおける内部抵抗を低減することができる。

本発明の燃料電池は、
電解質層と、
前記電解質層を挟持する電極層と、
前記電極層のさらに外側に配設されて、前記電極層に給排するためのガスの流路を形成するガス流路形成部と、
前記ガス流路形成部のさらに外側に配設された本発明の燃料電池用ガスセパレータと
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、ガスセパレータ面内の温度分布が均一化されるため、燃料電池における発電効率および燃料電池の耐久性を高めることができる。

本発明の燃料電池において、
前記燃料電池の運転条件により定まる前記温度分布は、前記ガスセパレータ面における燃料ガスおよび酸化ガスの流れ方向により定まる発熱量の不均一な分布と、前記ガスセパレータ面における前記冷媒の流れ方向とに基づいて定まることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料ガスおよび酸化ガスの流れ方向と、冷媒の流れ方向とに起因するガスセパレータ面内の温度分布を均一化することができる。

本発明の燃料電池において、
前記ガス流路形成部は、前記ガスセパレータにおける前記一方の面または他方の面と接するように配設された板状の導電性多孔質部材であることとしても良い。

このような構成とすれば、電極層に給排するためのガスは、ガスセパレータ面に平行な方向に移動するために、多孔質体であるガス流路形成部内に形成される空間を流れることができるため、ガスセパレータ表面に、ガスを導くための構造を設ける必要がない。また、ガスセパレータ内に流速調整部を設けることに起因してガスセパレータ表面に凹凸が生じる場合であっても、このような凹凸がガスの流れに与える影響を抑えることができると共に、ガスの流れ方向に制限されることなく流速調整部を設けることができる。

このような本発明の燃料電池において、
前記燃料電池用ガスセパレータは、さらに、
前記ガスセパレータの厚さ方向に貫通して設けられ、前記電極層に供給されるガスが流れるガス供給マニホールドを形成する第１の穴部と、
前記ガスセパレータの厚さ方向に貫通して設けられ、前記電極層を経由したガスが流れるガス排出マニホールドを形成する第２の穴部と、
前記ガス供給マニホールドを流れるガスを、前記燃料電池用ガスセパレータの内部を経由して、前記ガス流路形成部が配設された前記燃料電池用ガスセパレータ表面へと導くガス供給路と、
前記ガス流路形成部が配設された前記燃料電池用ガスセパレータ表面から、前記燃料電池用ガスセパレータの内部を経由して、前記ガス排出マニホールドへと前記ガスを導くガス排出路と
を備えることを要旨とする。

このような構成とすれば、ガス供給マニホールドとガス流路形成部が形成するガス流路とを接続するガス供給路と、ガス排出マニホールドとガス流路形成部が形成するガス流路とを接続するガス排出路とが、ガスセパレータ内に形成されるため、ガスセパレータ表面に、ガス供給路およびガス排出路を形成するための構造を設ける必要がない。したがって、ガスセパレータ表面に上記構造を形成することに起因して、ガスセパレータ内部の流速調整部の形状が制限されることがない。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用ガスセパレータを利用した、ガスセパレータ面における温度分布の均一化方法などの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、本実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、ガスセパレータ１０と、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）４０と、ガス流路形成部５０，５１とを順次積層することによって形成される。図１（Ａ）は、ガスセパレータ１０とＭＥＡ４０とガス流路形成部５０とを積層して成る燃料電池の構成の単位を表わす図である。また、図１（Ｂ）は、ＭＥＡ４０とガス流路形成部５０，５１、さらに、ガスセパレータ１０を構成する３枚のプレートであるカソード側プレート１２と、中間プレート１４と、アノード側プレート１６とを分離して示す説明図である。ここで、ＭＥＡ４０とガス流路形成部５０，５１とは、発電の単位である単セル６０を形成している。また、ガスセパレータ１０は、各単セル６０間に配設されると共に、内部に冷媒流路１８を形成している。図１（Ａ）に示すように、本実施例の燃料電池は、単セル６０およびガスセパレータ１０から成る構成の単位を繰り返し積層することによって形成される。

図２は、３層構造を有するガスセパレータ１０を構成するカソード側プレート１２、中間プレート１４、およびアノード側プレート１６の概略構成を表わす平面図である。ここで、図２（Ａ）はカソード側プレート１２を表わし、図２（Ｂ）は中間プレート１４を表わし、図２（Ｃ）はアノード側プレート１６を表わす。なお、図１（Ａ）の断面を１−１断面として、対応する位置を図２（Ａ）中に示す。

図２（Ａ）に示すように、ガスセパレータ１０を構成する各プレートは、外周の大きさがほぼ等しい略四角形状の薄板状部材である。また、各プレートは、外周部の互いに対応する位置に、辺に沿って細長く形成される複数の穴部（穴部２１〜２５）を有している。これらの複数の穴部は、ガスセパレータ１０および単セル６０を積層して燃料電池を組み立てたときに、燃料電池内部を積層方向に貫通し、内部を所定の流体が流れるマニホールドを形成する。

各プレートの対応する所定の１辺の近傍には、この辺に沿って、複数（図２（Ａ）では６個）の穴部２０が設けられている。燃料電池において穴部２０は、電気化学反応に供される酸化ガスが流れる酸化ガス供給マニホールド３０を形成する。また、各プレートの上記所定の１辺に対向する辺の近傍には、この辺に沿って、複数の（図２（Ａ）では６個の）穴部２１が設けられている。燃料電池において穴部２１は、電気化学反応に供された酸化ガスが流入する酸化ガス排出マニホールド３１を形成する。

各プレートのさらに他の１辺の近傍には、この辺に沿って２つの穴部が設けられている。すなわち、穴部２０が設けられた辺側には穴部２２が設けられ、穴部２１が設けられた辺側には穴部２３が設けられている。燃料電池において、穴部２２は、ガスセパレータ１０内の冷媒流路１８へと分配される冷媒が流れる冷媒供給マニホールド３２を形成する。また、穴部２３は、電気化学反応に供された燃料ガスが流入する燃料ガス排出マニホールド３３を形成する。

さらに、各プレートの、上記他の１辺に対向する辺の近傍には、この辺に沿って２つの穴部が設けられている。すなわち、穴部２０が設けられた辺側には穴部２４が設けられ、穴部２１が設けられた辺側には穴部２５が設けられている。穴部２４は、電気化学反応に供される燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホールド３４を形成する。また、穴部２５は、ガスセパレータ１０内の冷媒流路１８から排出された冷媒が流入する冷媒排出マニホールド３５を形成する。なお、図２では、各穴部の参照番号と共に、各々の穴部によって形成されるマニホールドの参照番号を、カッコを付して示している。

カソード側プレート１２は、その外周部に、穴部２０〜２５に加えて、さらに細長い複数の穴部２６，２７を備えている。穴部２６は、複数の穴部２０の各々に対応して各々の穴部２０の近傍に設けれており、穴部２０よりも内側において各穴部２０に対して平行に形成されている。穴部２７は、複数の穴部２１の各々に対応して各々の穴部２１の近傍に設けられており、穴部２１よりも内側において各穴部２１に対して平行に形成されている。

中間プレート１４には、外周部に形成される穴部２０〜２５に加えて、外周部を除く中央部を貫通する略四角形状の穴部である冷媒流路形成部１５が形成されている。この冷媒流路形成部１５は、中間プレート１４がカソード側プレート１２とアノード側プレート１６とに挟持されたときに、冷媒流路１８となる空間を形成する。また、中間プレート１４では、穴部２０，２１、２３，２４は、他のプレートとは異なる形状を有しており、各穴部のプレート中央部側の辺が、プレート中央部側へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部２０，２１，２３，２４が有する上記複数の突出部を、それぞれ、連通部７０，７１，７３，７４と呼ぶ。また、中間プレート１４は、穴部２２と冷媒流路形成部１５とを連通させる複数の貫通孔７２を備えている。複数の貫通孔７２は、中間プレート１４の面方向と平行に、穴部２２と冷媒流路形成部１５との間を貫通させるように、互いに略平行に形成されている。さらに中間プレート１４は、貫通孔７２と同様に、穴部２５と冷媒流路形成部１５とを連通させる複数の貫通孔７５を備えている。

アノード側プレート１６は、その外周部に、穴部２０〜２５に加えて、さらに、穴部２８，２９を備えている。穴部２８は、穴部２３の近傍に設けられており、穴部２３よりも内側において穴部２３に対して略平行に形成される細長い穴部である。穴部２９は、穴部２４の近傍に設けられており、穴部２４よりも内側において穴部２４に対して略平行に形成される細長い穴部である。また、アノード側プレート１６は、穴部２０〜２５，２８，２９が形成される領域よりも中央部側の領域において、複数の凸部７８を備えている。複数の凸部７８は、中間プレート１４と接する面側に突出して形成されており、中間プレート１４において冷媒流路形成部１５が形成される領域に対応する領域内全体にわたって設けられている。したがって、ガスセパレータ１０の内部では、中間プレート１４の冷媒流路形成部１５によって形成される空間内に上記複数の凸部７８が突出することになる。そのため、冷媒流路形成部１５によって形成される空間であって、複数の凸部７８間に形成される空間が、実際に冷媒が流れる冷媒流路１８となる。ここで、複数の凸部７８は、アノード側プレート１６の面上に均一に形成されているわけではなく、穴部２４，２５の近傍の方が、穴部２２，２３の近傍よりも、密度が高く形成されている。このように凸部７８の密度がガスセパレータ面内で異なることにより、冷媒流路１８の流路断面積が面内で変化して、冷媒の流速が冷媒流路１８内で変化する。すなわち、複数の凸部７８は、冷媒流路内における冷媒の流速を調整する流速調整部として働く。なお、アノード側プレート１６においては、凸部７８が形成される面の裏面には、各凸部７８に対応する位置に、凸部７８に対応する形状の凹部が形成されている（図１（Ｂ）参照）。

なお、カソード側プレート１２に設けられた穴部２６と、中間プレート１４に設けられた連通部７０とは、酸化ガス供給マニホールド３０を流れる酸化ガスを、ガスセパレータ１０内部を経由して、ガス流路形成部５０が配設されたガスセパレータ１０表面へと導く酸化ガス供給路を形成する。そして、カソード側プレート１２に設けられた穴部２７と、中間プレート１４に設けられた連通部７１とは、ガス流路形成部５０が配設されたガスセパレータ１０表面から、ガスセパレータ１０内部を経由して、酸化ガス排出マニホールド３１へと酸化ガスを導く酸化ガス排出路を形成する。また、アノード側プレート１６に設けられた穴部２９と、中間プレート１４に設けられた連通部７４とは、燃料ガス供給マニホールド３４を流れる燃料ガスを、ガスセパレータ１０内部を経由して、ガス流路形成部５１が配設されたガスセパレータ１０表面へと導く燃料ガス供給路を形成する。そして、アノード側プレート１６に設けられた穴部２８と、中間プレート１４に設けられた連通部７３とは、ガス流路形成部５１が配設されたガスセパレータ１０表面から、ガスセパレータ１０内部を経由して、燃料ガス排出マニホールド３３へと燃料ガスを導く燃料ガス排出路を形成する。

上記したカソード側プレート１２およびアノード側プレート１６は、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材から成る。そして、穴部２０〜２９は、打ち抜き加工によって形成されており、凸部７８は、所定の凹凸形状を有する金型を用いたプレス加工によって形成されている。また、本実施例では、中間プレート１４は、シール層と耐熱性樹脂層とを備えるラミネート樹脂によって形成されている。ガスセパレータ１０を形成する際には、カソード側プレート１２、中間プレート１４、アノード側プレート１６の順に、各穴部を位置合わせしつつ重ね合わせて、加熱接着により各プレート間をシール接合している。なお、中間プレート１４を構成する樹脂として導電性樹脂を用いるならば、ガスセパレータ１０における内部抵抗を抑えることができて好ましい。また、中間プレート１４を金属製プレートとして、各プレートを例えば拡散接合により接合することも可能であるが、中間プレート１４を樹脂製とする場合には、各プレートを接着する際の温度をより低くすることができるため、ガスセパレータ１０の熱変形を抑えることができて好ましい。

単セル６０を構成するＭＥＡ４０は、電解質層と、電解質層上に形成された触媒電極層とを備えている。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。触媒電極層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。

ガス流路形成部５０，５１は、導電性及びガス透過性を有する板状部材であり、例えば、カーボン製多孔質体や、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体によって形成することができる。本実施例では、ガス流路形成部５０，５１として、チタン製の多孔質体を用いていおり、さらに、ガス流路形成部５０，５１と接するＭＥＡ４０表面上に、カーボン多孔質体から成る層を配設している。

このガス流路形成部５０，５１の内部に形成される空間は、電気化学反応に供されるガスの単セル６０内での流路を形成する。すなわち、ＭＥＡ４０とカソード側プレート１２との間に配設されるガス流路形成部５０は、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路を形成し、ＭＥＡ４０とアノード側プレート１６との間に配設されるガス流路形成部５１は、燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路を形成する。

また、隣り合うガスセパレータ１０間であって、ＭＥＡ４０およびガス流路形成部５０，５１の外周部には、シール部４２が設けられている。シール部４２は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡ４０と一体で形成されている。図３は、ＭＥＡ４０と一体形成されたシール部４２の概略構成を表わす平面図である。シール部４２は、外周の大きさがガスセパレータ１０とほぼ等しい略四角形状をしており、ガスセパレータ１０と同様に、穴部２０〜２５が形成されている。なお、図３では、冷媒供給マニホールド３２を形成する穴部に「冷媒 in」と記載し、冷媒排出マニホールド３５を形成する穴部に「冷媒 out」と記載し、燃料ガス供給マニホールド３４を形成する穴部に「Ｈ₂ in」と記載し、燃料ガス排出マニホールド３３を形成する穴部に「Ｈ₂ out」と記載している。

ここで、単セル６０は、ＭＥＡ４０と一体形成されたシール部４２のＭＥＡ４０上に対して、ガス流路形成部５０，５１を嵌め込んで形成することとしても良いし、ＭＥＡ４０とガス流路形成部５０，５１の双方を、シール部４２と一体形成することによって形成しても良い。シール部４２を上記他の部材（ＭＥＡ４０あるいはＭＥＡ４０に接合されたガス流路形成部５０，５１）と一体形成するには、例えば、金型のキャビティ内に、上記他の部材の外周部が収まるように、上記他の部材を配設し、既述した樹脂材料を用いて射出成形すればよい。

上記のようにガスセパレータ１０および単セル６０を作製すると、カソード側プレート１２が、ガス流路形成部５０に接し、アノード側プレート１６が、ガス流路形成部５１に接するように、ガスセパレータ１０と単セル６０とを交互に積層することで、燃料電池を製造することができる。

燃料電池において、酸化ガス供給マニホールド３０に対して酸化ガスを供給すると、酸化ガスは、各々のガスセパレータ１０における連通部７０と穴部２６とから成る既述した酸化ガス供給路を経由して、ガス流路形成部５０が形成する単セル内酸化ガス流路へと分配される。分配された酸化ガスは、電気化学反応に供されつつ、単セル内酸化ガス流路を、酸化ガス排出マニホールド３１側へと流れる。単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れの向きを、ＭＥＡ４０面に対する向きとして、図３に矢印で示している。単セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガスセパレータ１０における穴部２７と連通部７１とから成る既述した酸化ガス排出路を経由して、酸化ガス排出マニホールド３１へと排出される。マニホールド近傍における酸化ガスの流出入の様子を、図１（Ａ）に矢印で示している。なお、酸化ガスは、酸素を含有するガスであり、本実施例では空気を用いている。

燃料電池において、冷媒供給マニホールド３２に対して冷媒を供給すると、冷媒は、各々のガスセパレータ１０における中間プレート１４の貫通孔７２を経由して、冷媒流路１８へと分配される。図４は、図１（Ａ）とは異なる位置における燃料電池の断面の様子を表わす断面模式図である。図４の断面を４−４断面として、対応する位置を図２（Ａ）中に示す。図４では、冷媒供給マニホールド３２を流れるガスが、貫通孔７２を介して冷媒流路１８へと流入する様子を矢印で示している。ここで、図４に示す断面は、アノード側プレート１６に設けられた凸部７８を切断しない位置の断面である。分配された冷媒は、冷媒流路１８を、冷媒排出マニホールド３５側へと流れる。冷媒流路１８における冷媒の流れの向きを、ＭＥＡ４０面に対する向きとして、図３に矢印で示している。冷媒流路１８内を流れた冷媒は、中間プレート１４の貫通孔７５を経由して、冷媒排出マニホールド３５へと排出される（図示せず）。なお、冷媒としては、例えば水や不凍液、あるいは空気を用いることができる。

燃料電池において、燃料ガス供給マニホールド３４に対して燃料ガスを供給すると、燃料ガスは、各々のガスセパレータ１０における連通部７４と穴部２９とから成る既述した燃料ガス供給路を経由して、ガス流路形成部５１が形成する単セル内燃料ガス流路へと分配される。燃料ガス供給マニホールド３４から単セル内燃料ガス流路へと燃料ガスが流入する様子を、図４に矢印で示している。分配された燃料ガスは、電気化学反応に供されつつ、単セル内燃料ガス流路を、燃料ガス排出マニホールド３３側へと流れる。単セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れの向きを、ＭＥＡ４０面に対する向きとして、図３に矢印で示している。単セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガスセパレータ１０における穴部２８と連通部７３とから成る既述した燃料ガス排出路を経由して、燃料ガス排出マニホールド３３へと排出される。（図示せず）。なお、燃料ガスは、水素を含有するガスであり、本実施例では、純度の高い水素ガスを用いている。

各単セル６０内では、酸化ガス、冷媒および燃料ガスの流れる向きによって、面内の温度分布が不均一となる。すなわち、酸化ガス及び燃料ガスの流れる向きによって、電気化学反応に伴う発熱量が面内で不均一となり、冷媒の流れる向きによって、冷却の程度が面内で不均一となるため、結果的に面内の温度分布が不均一となる。

図５は、ガスおよび冷媒の流れの向きと、ガスセパレータ面内における温度分布を表わす説明図である。一般に、単セル面においては、電気化学反応に供されるガスの流れの上流側の領域ほど、ガス中の電極活物質の濃度が高く反応が活発に進行するため、発熱量が多くなる。特に、本実施例のように、酸化ガスとして空気を用い、燃料ガスとして純度の高い水素ガスを用いる場合には、酸化ガス中における酸素濃度の電気化学反応に対する影響が大きくなるため、単セル内酸化ガス流路の上流領域において、特に発熱量が多くなる。そのため、ガスの流れ方向にのみ着目するならば、本実施例では、穴部２０により近い領域ほど、発熱量が多くなると考えられる。単セル面において酸化ガスの流れ方向によって発熱量が不均一となる様子を、図５（Ａ）に示す。

また、冷媒流路を流れる冷媒の温度は、一般に、冷媒流路の上流側ほど低い。すなわち、本実施例では、冷媒供給マニホールド３２を形成する穴部２２の近傍領域ほど冷媒温度が低く、冷媒排出マニホールド３５を形成する穴部２５の近傍領域ほど冷媒温度が低くなる。単セル面において、冷媒の流れ方向によって冷媒温度が不均一となる様子を、図５（Ｂ）に示す。

さらに、上記のようにガスの流れ方向から予測される発熱量および冷媒温度が不均一になることによって定まる単セル面内における温度分布の様子を、図５（Ｃ）に示す。図５（Ｃ）に示すように、本実施例の燃料電池では、ガスセパレータ面において、穴部２４，２５の近傍領域ほど温度が高くなり、穴部２２，２３の近傍領域ほど温度が低くなるという温度分布を示すと考えられる。

ここで、本実施例の燃料電池では、アノード側プレート１６において、穴部２４および２５に近い領域ほど密度が高くなるように複数の凸部７８が設けられている。すなわち、発熱量および冷媒温度の不均一な分布によって定まるガスセパレータ面内（単セル面内）での温度分布において、温度が高くなる領域ほど、凸部７８が形成される密度が高くなっている。このように、冷媒の流れ方向に沿って凸部７８が形成される密度が高くなることにより、冷媒流路１８では、下流側領域、すなわち、不均一な温度分布において温度がより高くなる領域ほど、流路断面積が小さくなり、冷媒の流速が速まる。

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、ガスの流れ方向および冷媒の流れ方向といった燃料電池の運転条件により定まるガスセパレータ面内の温度分布において、より温度が高くなる領域ほど、凸部７８の密度が高く形成されており、冷媒の流速がより速くなるため、上記温度が高くなる領域ほど冷媒による冷却効率が高くなり、その結果、ガスセパレータ面内の温度分布を均一化することができる。このように、燃料電池の内部温度を面内で均一化することにより、発電効率および燃料電池の耐久性を高めることができる。

また、本実施例の燃料電池では、平板状部材であるガス流路形成部５０，５１によって単セル内ガス流路が形成されると共に、ガスマニホールドとガス流路形成部（単セル内ガス流路）とを接続するガス流路がガスセパレータ内に形成されている。すなわち、ガスセパレータ１０の表面の形状によらずに、単セル内ガス流路や、単セル内ガス流路とガスマニホールドとを接続する流路が形成されている。そのため、アノード側プレート１６において凸部７８が形成される面の裏面に形成される凹部の形状は、単セル内ガス流路等のガス流路の形状、および単セル内ガス流路におけるガスの流れに影響することがない。したがって、運転条件により予め予測される温度分布に応じて、上記温度分布均一化の効果が得られるように凸部７８の配置を定める際に、ガス流れによって凸部７８の配置が制限されることがない。

さらに、上記のように、ガス流路の形状に影響されることなくガスセパレータ１０内部に所望の形状の冷媒流路１８を形成できるため、凸部７８を形成する際に、ガス流路側の形状への影響を抑えるためにアノード側プレート１６の厚みを確保する必要がなく、セパレータ１０を薄型化することができる。したがって、燃料電池全体を小型化することができる。また、ＭＥＡ４０と一体形成されたシール部４２とガスセパレータ１０のように、略同一形状の薄板状部材を交互に積層する構成とすることで、燃料電池の組み立てを、容易に行なうことが可能となる。

なお、ガスセパレータ１０を介して隣り合う単セル６０間が電気的に接続されていれば、凸部７８の先端がカソード側プレート１２に接触しないこととしても良く、既述したように凸部７８の密度を変えることで、同様の効果が得られる。ただし、先端がカソード側プレート１２に接触するように凸部７８を形成することにより、燃料電池における内部抵抗を抑えると共に、ガスセパレータ１０の強度を向上させることができる。

ここで、ガスセパレータ面においては、図５（Ｃ）に示す温度が高い領域の中でも、酸化ガス中の酸素濃度が高く発熱量がより多い穴部２４の近傍は特に温度が高いと考えられる。また、図５（Ｃ）に示す温度が低い領域の中でも、酸化ガス中の酸素濃度が低く発熱量がより少ない穴部２３の近傍は特に温度が低いと考えられる。しかしながら、本実施例では、凸部７８の密度を、予想されるこのような温度分布に厳密に従って設定しているわけでなく、穴部２４近傍から穴部２５近傍までの一帯の凸部密度を高くし、穴部２３近傍から穴部２２近傍までの一帯の凸部密度を低くしている。これは、冷媒流路内を冷媒が流れる際に、所定の流路横断面において、流路抵抗の異なる部位があると、冷媒は、流路抵抗のより低い部位を流れようとして、凸部７８の密度が高く流路抵抗が大きい領域の冷媒流速が、必ずしも速くはならない場合が考えられるためである。そのため、複数の凸部７８は、冷媒の流れる向きを考慮して、流路横断面内では大きく密度がばらつかないように配置されると共に、ガスセパレータ全体として、温度分布をより均一化するように、配置されている。

Ｂ．第１実施例の変形例：
第１実施例では、冷媒流路１８の流路壁を形成すると共に流速調整部として働く凸部７８を、アノード側プレート１６に形成したが、カソード側プレート１２に形成することとしても良い。あるいは、アノード側プレート１６とカソード側プレート１２との両方に、凸部７８を形成しても良い。図６は、アノード側プレート１６とカソード側プレート１２との両方に、凸部７８を形成する構成の一例を示す断面模式図である。図６では、ガスセパレータ１０の内部の様子として、凸部が形成される密度と、単セル面において予測される温度分布の状態との関係を、模式的に表わしており、中間プレート１４を含むガスセパレータ１０外周部については記載を省略している。例えばプレス成形により凸部７８を形成する場合には、凸部７８の密度をある程度以上に高めようと思うと技術的な困難が生じる場合があるが、両方のプレートに凸部７８を設けることにより、より容易に、凸部７８の密度を高めることができる。

なお、図６に示したガスセパレータでは、カソード側プレート１２およびアノード側プレート１６に設けられた凸部は、他方のプレートとは接していないが、他方のプレートと接するように凸部を形成しても良い。カソード側プレート１２およびアノード側プレート１６に、他方のプレートと接するように凸部を形成した構成を図７に示す。ガスセパレータ面における既述した不均一な温度分布において高温になる領域の凸部密度を高めることで、冷媒の流速を調整し、ガスセパレータ全体の温度分布を均一化することができればよい。

また、凸部７８を形成する方法として、プレス成形は、加工が容易であり、凸部を設けることによりガスセパレータの重量が増えることがなく望ましいが、他の方法を用いても良い。例えば、凸部を設けるためのプレートを構成する基板上に、金属などの導電性材料を盛り付けることによって凸部を形成することも可能である。あるいは、第１実施例と同様に、プレス成形によりプレートに凸部を設ける場合に、凸部の裏面（単セル内ガス流路側）に形成される凹部内を、別部材を充填することにより埋めることとしても良い。このように、プレートにおける単セル内ガス流路側の面を平坦な面とするならば、単セル内ガス流路において、凸部形成に伴って凸部裏面に形成される空間に起因するガス流れへの影響を抑えることができる。

Ｃ．第２実施例：
第１実施例の燃料電池が備えるガスセパレータ１０では、冷媒の流速調整部を、カソード側プレート１２に設けた凸部７８によって形成したが、異なる構成としても良い。例えば、カソード側プレート１２およびアノード側プレート１６とは別体で、流速調整部を形成しても良い。このような構成を第２実施例として以下に説明する。

図８は、第２実施例のガスセパレータ１１０の構成を表わす断面模式図である。ガスセパレータ１１０は、第１実施例と同様に燃料電池において、ガスセパレータ１０に代えて用いることができる。ガスセパレータ１１０は、カソード側プレート１１２、中間プレート１１４、およびアノード側プレート１１６から成る３層構造を有しており、さらに、流速調整部１１７を備えている。ここで、カソード側プレート１１２および中間プレート１１４は、第１実施例のカソード側プレート１２および中間プレート１４と同じ形状を有している。また、アノード側プレート１１６は、第１実施例のアノード側プレート１６と同様の穴部２０〜２５，２８，２９が形成されると共に、表面には凸部が形成されていない形状を有している。なお、図８では、中間プレート１１４が設けられた外周部については記載を省略しており、カソード側プレート１１２およびアノード側プレート１１６と、両プレートの間に配設される流速調整部１１７について示している。

流速調整部１１７は、金属製薄板状部材を、例えばプレス成形することによって、両面に凸部が形成された部材である。流速調整部１１７は、中間プレート１１４の冷媒流路形成部１５によってカソード側プレート１１２とアノード側プレート１１６との間に形成される空間内に配設されており、カソード側プレート１１２あるいはアノード側プレート１１６に接する複数の凸部１７８を備えている。この流速調整部１１７に形成された凸部１７８は、第１実施例のアノード側プレート１６に設けられた凸部７８と同様に、運転条件により定まる温度分布において高温になる領域ほど密度が高くなるように形成されている。

このようなガスセパレータ１１０を備える燃料電池においても、セル面内において凸部１７８の形成される密度が高い領域ほど冷媒の流速が速くなるため、第１実施例と同様に、ガスセパレータ面における温度分布をより均一化することができる。なお、ガスセパレータを介して隣り合う単セル間が電気的に接続されているならば、凸部１７８は、必ずしもその先端がカソード側プレート１１２およびアノード側プレート１１６に接している必要はない。ただし、接触させることにより、燃料電池における内部抵抗を抑えると共にガスセパレータの強度を向上させることができる。また、流速調整部１１７に設ける凸部としては、カソード側プレート１１２に接する凸部とアノード側プレート１１６に接する凸部の両方を設ける必要はない。少なくとも一方のプレート側へと突出する複数の凸部を設けることによって、上記高温領域における冷媒流速をより速くすることができればよい。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
第１および第２実施例では、流速調整部は、図１あるいは図８に示す凸部形状を有することとしたが、異なる形状により冷媒の流速を調整することとしても良い。流速調整部の形状は、実質的に流路断面積を変更することによって冷媒流路内の領域ごとに冷媒流速を異ならせ、温度が高い領域ほど流速を高くすることができれば良い。

Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施例では、穴部２４および穴部２５の近傍領域において冷媒の流速を速くし、穴部２２および穴部２３の近傍領域において冷媒の流速を遅くしているが、このような冷媒の流速調整は、ガスおよび冷媒の流れ方向に応じて適宜設定すればよい。第１および第２実施例とはガスおよび冷媒の流れ方向を異ならせた例を、図９に示す。

図９（Ａ）では、単セル面におけるガスおよび冷媒の流れ方向と、ガスセパレータ面における温度分布の様子を表わしている。また、図９（Ｂ）では、このような燃料電池のガスセパレータにおいて、第１実施例と同様にアノード側プレートに流速調整部としての凸部を設けた場合の、アノード側プレートにおける凸部の配置の様子を表わしている。なお、図９では、第１および第２実施例におけるマニホールドと同様のマニホールドを形成する穴部には、第１および第２実施例と同じ参照番号を付している。

図９に示す燃料電池における単セル面では、冷媒と燃料ガスとが同じ方向に流れる。このような場合には、冷媒および燃料ガスが単セル面に流入する穴部２２および穴部２４の近傍よりも、冷媒および燃料ガスの流れのやや下流側の領域、より具体的には、穴部２２および穴部２４の近傍よりも単セル面中央部よりの領域の方が、温度分布において高温になると考えられる（図９（Ａ）参照）。これは、燃料ガスと冷媒とが同じ方向に流れる場合には、燃料ガスおよび冷媒の流入部付近は冷媒が低温であるために温度上昇の程度が比較的抑えられ、より下流側であって冷媒温度が上昇している領域の方が、電気化学反応の活性も高くなって、結果的に温度が高くなるためである。この場合には、図９（Ｂ）に示すように、温度が高い領域ほど凸部７８の密度を高くして、温度が低くなるにしたがって凸部７８の密度が低くなるように、凸部７８を形成すればよい。

Ｄ３．変形例３：
第１および第２実施例では、燃料電池の運転条件である燃料ガス、酸化ガスおよび冷媒の流れ方向により定まる燃料電池の発電時におけるガスセパレータ面内の温度分布に基づいて、冷媒流速を速めるべき高温領域と、冷媒流速をより遅くすべき低温領域とを設定したが、さらに他の条件を考慮して、高温領域および低温領域を設定しても良い。例えば、燃料電池が配設される環境における温度条件をさらに考慮しても良い。

燃料電池の内部温度は、燃料電池が設置された周囲の環境の温度の影響を受け得る。例えば、燃料電池の近傍に所定の高温装置を配置する場合には、この高温装置に近い側ほど、上記高温装置の影響により昇温することになる。この場合には、ガスセパレータ面における温度分布を考える際に、高温装置に起因する温度上昇を考慮して、流速調整部を設ければよい。このように、燃料電池内部の温度分布状態に影響する種々の要因を併せて考慮して流速調整部の形状を定めることにより、ガスセパレータ面内における温度を均一化する効果を高めることができる。

Ｄ４．変形例４：
また、本発明を適用する燃料電池は、固体高分子型以外の種類の燃料電池であっても良い。３層構造を有して内部に冷媒流路を形成するガスセパレータを、単セルと交互に積層して形成する燃料電池であれば、本発明を適用することにより、ガスセパレータ面における温度分布を均一化することによる同様の効果を得ることができる。

第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 ガスセパレータ１０を構成する各プレートの概略構成を表わす平面図である。 ＭＥＡ４０と一体形成されたシール部４２の概略構成を表わす平面図である。 第１実施例の燃料電池を表わす断面模式図である。 ガスおよび冷媒の流れの向きと、ガスセパレータ面内における温度分布を表わす説明図である。 第１実施例の変形例を示す断面模式図である。 第１実施例の変形例を示す断面模式図である。 第２実施例のガスセパレータ１１０の構成を表わす断面模式図である。 変形例を示す説明図である。

符号の説明

１０，１１０…ガスセパレータ
１２，１１２…カソード側プレート
１４，１１４…中間プレート
１５…冷媒流路形成部
１６，１１６…アノード側プレート
１８…冷媒流路
２０〜２９…穴部
３０…酸化ガス供給マニホールド
３１…酸化ガス排出マニホールド
３２…冷媒供給マニホールド
３３…燃料ガス排出マニホールド
３４…燃料ガス供給マニホールド
３５…冷媒排出マニホールド
４０…ＭＥＡ
４２…シール部
５０，５１…ガス流路形成部
６０…単セル
７０，７１，７３，７４…連通部
７２，７５…貫通孔
７８，１７８…凸部
１１７…流速調整部

Claims (11)

1. 電解質層および前記電解質層を挟持する電極層と共に積層されて燃料電池を構成する燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記ガスセパレータの一方の面を形成する第１プレートと、
   前記ガスセパレータの他方の面を形成する第２プレートと、
   前記第１プレートと前記第２プレートとの間に挟持される第３プレートであって、積層時に前記電解質層および前記電極層と重なる領域の少なくとも一部に、厚さ方向に貫通し、冷媒が流れる冷媒流路を前記第１プレートと前記第２プレートとの間に形成する冷媒流路形成部を備える第３プレートと、
   前記冷媒流路に配置されると共に、前記燃料電池の運転条件および／または前記燃料電池が配設される環境により定まる前記燃料電池の発電時における前記ガスセパレータ面内の温度分布において、より温度が高くなる領域ほど前記冷媒の流速が速くなるように、前記冷媒流路内における前記冷媒の流速を調整する流速調整部と
   を備える燃料電池用ガスセパレータ。
2. 請求項１記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記流速調整部は、前記温度分布において、より温度が高くなる領域ほど、前記冷媒流路における実質的な流路断面積を小さくする形状を有する
   燃料電池用ガスセパレータ。
3. 請求項２記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記流速調整部は、前記第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方のプレートにおいて、前記ガスセパレータの内部の前記冷媒流路側へと突出して設けられた複数の凸部であって、前記温度分布において、より温度が高くなる領域ほど密度が高く形成された複数の凸部である
   燃料電池用ガスセパレータ。
4. 請求項３記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記第１プレートおよび第２プレートは、金属製薄板であって、プレス成形によって前記複数の凸部が形成されている
   燃料電池用ガスセパレータ。
5. 請求項２記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記流速調整部は、前記第３プレートとは別体で設けられ、前記第３プレートに略平行な基板と、前記基板の両側または片側へと突出して設けられると共に、前記温度分布において、より温度が高くなる領域ほど密度が高く形成された複数の凸部と、を備える
   燃料電池用ガスセパレータ。
6. 請求項５記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記第１および第２のプレートによって形成される前記一方の面および前記他方の面は、平坦な面である
   燃料電池用ガスセパレータ。
7. 請求項３ないし６いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記複数の凸部は、該凸部の先端が、該凸部が対向する前記第１のプレートまたは前記第２のプレートに接触している
   燃料電池用ガスセパレータ。
8. 燃料電池であって、
   電解質層と、
   前記電解質層を挟持する電極層と、
   前記電極層のさらに外側に配設されて、前記電極層に給排するためのガスの流路を形成するガス流路形成部と、
   前記ガス流路形成部のさらに外側に配設された請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池用ガスセパレータと
   を備える燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池であって、
   前記燃料電池の運転条件により定まる前記温度分布は、前記ガスセパレータ面における燃料ガスおよび酸化ガスの流れ方向により定まる発熱量の不均一な分布と、前記ガスセパレータ面における前記冷媒の流れ方向とに基づいて定まる
   燃料電池。
10. 請求項８または９記載の燃料電池であって、
    前記ガス流路形成部は、前記ガスセパレータにおける前記一方の面または他方の面と接するように配設された板状の導電性多孔質部材である
    燃料電池。
11. 請求項１０記載の燃料電池であって、
    前記燃料電池用ガスセパレータは、さらに、
    前記ガスセパレータの厚さ方向に貫通して設けられ、前記電極層に供給されるガスが流れるガス供給マニホールドを形成する第１の穴部と、
    前記ガスセパレータの厚さ方向に貫通して設けられ、前記電極層を経由したガスが流れるガス排出マニホールドを形成する第２の穴部と、
    前記ガス供給マニホールドを流れるガスを、前記燃料電池用ガスセパレータの内部を経由して、前記ガス流路形成部が配設された前記燃料電池用ガスセパレータ表面へと導くガス供給路と、
    前記ガス流路形成部が配設された前記燃料電池用ガスセパレータ表面から、前記燃料電池用ガスセパレータの内部を経由して、前記ガス排出マニホールドへと前記ガスを導くガス排出路と
    を備える燃料電池。

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