(57)【要約】【課題】経済的な構成で、腐食電流の流れを阻止して電極の劣化を有効に抑制することを可能にする。【解決手段】単位セル２２は、電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１及び第２金属セパレータ２６、２８とを備える。電解質膜・電極構造体２４は、固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード側電極３８及びアノード側電極４０を有し、前記カソード側電極３８は、酸化剤ガス流れ方向に沿って複数の電極領域３８ａに分割される一方、アノード側電極４０は、燃料ガス流れ方向に沿って複数の電極領域４０ａに分割される。カソード側電極３８の分割された電極領域３８ａ同士の間隙には、第１金属セパレータ２６の凹部４４が配置され、アノード側電極４０の分割された電極領域４０ａ同士の間隙には、第２金属セパレータ２８の凹部５４が配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記電極に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記電極は、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に沿って複数の電極領域に分割される一方、
前記金属セパレータは、前記反応ガス流路を形成する流路部と、
前記反応ガス流れ方向に沿って交互に連続する凹部及び凸部と、
を設けるとともに、
分割された前記電極領域同士の間隙には、前記凹部のいずれかが配置さ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、前記流路部は、前記反応ガス流路側の前記凸部に、前記反応ガス流れ方向に沿って凹みを設けることにより形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記電極は、前記反応ガス流れ方向に交差する方向に沿って複数に分割されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、前記反応ガスとして酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス流路と、
前記反応ガスとして燃料ガスが供給される一方、運転停止時に前記酸化剤ガスが導入される燃料ガス流路と、
を有し、
前記金属セパレータのいずれかの前記凹部は、少なくとも前記燃料ガスが供給されるアノード側の前記電極を構成する前記電極領域同士の間隙に配置されることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記電極に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
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設けた電解質膜・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。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に、カソード側が高電位に保持されてしまい、腐食電流が流れて電極触媒層が劣化（腐食）するという問題がある（特許文献１）。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、電解質膜の両主面に触媒層を有し、さらにその両側に燃料ガス拡散電極及び酸化剤ガス拡散電極をそれぞれ配置してなる膜電極接合体と、前記燃料ガス拡散電極及び酸化剤ガス拡散電極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのガス流路を備えたセパレータとを有する燃料電池を備えている。
【０００６】
そして、燃料ガス拡散電極、酸化剤ガス拡散電極及びセパレータは、燃料ガスの流れ方向に対して略垂直に、絶縁部材により複数に分割された分割体により構成されている。これにより、分割体間の電子の移動を妨げることができるので、触媒層の劣化反応を抑制することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００６−５０７６４７号公報
【特許文献２】特開２００６−９２７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献２では、燃料ガス拡散電極、酸化剤ガス拡散電極及びセパレータが複数に分割されており、構成が複雑化するとともに、構成部品数が相当に増大する。このため、燃料電池の製造工程が複雑化し、しかも製造コストが高騰するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、経済的な構成で、腐食電流の流れを阻止して電極の劣化を有効に抑制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】
【００１０】
本発明は、電解質膜の両側に電極が配設される電解質膜・電極構造体と、金属セパレータとが積層されるとともに、前記電極に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。
【００１１】
電極は、反応ガス流路の反応ガス流れ方向に沿って複数の電極領域に分割される一方、金属セパレータは、前記反応ガス流路を形成する流路部と、前記反応ガス流れ方向に沿って交互に連続する凹部及び凸部とを設けるとともに、分割された前記電極領域同士の間隙には、前記凹部のいずれかが配置されている。
【００１２】
また、流路部は、反応ガス流路側の凸部に、反応ガス流れ方向に沿って凹みを設けることにより形成されることが好ましい。
【００１３】
さらに、電極は、反応ガス流れ方向に交差する方向に沿って複数に分割されることが好ましい。
【００１４】
さらにまた、反応ガス流路は、反応ガスとして酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス流路と、前記反応ガスとして燃料ガスが供給される一方、運転停止時に前記酸化剤ガスが導入される燃料ガス流路とを有し、金属セパレータのいずれかの凹部は、少なくとも前記燃料ガスが供給されるアノード側の電極を構成する電極領域同士の間隙に配置されることが好ましい。
【００１５】
燃料ガス流路に酸化剤ガスが導入されるとは、前記燃料ガス流路を前記酸化剤ガスにより掃気する場合の他、電解質膜やシールからの透過又は微少リークによって、前記燃料ガス流路に前記酸化剤ガスが入り込む場合も含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、金属セパレータが反応ガス流れ方向に沿って交互に連続する凹部及び凸部を設けるとともに、分割された電極領域同士の間隙に、前記凹部のいずれかが配置されている。従って、各電極領域間は、金属セパレータの凹部を構成する金属部分により電気的に接続されるため、直線的な金属部分により電気的に接続される場合に比べて、電流の経路が有効に長尺化される。これにより、分割された各電極領域間の抵抗値が大きくなり、腐食電流を良好に削減することができ、腐食の抑制が図られる。
【００１７】
しかも、金属セパレータは、各電極領域に対応して分割する必要がない。このため、構成部品数が増大することを阻止し、燃料電池の製造工程が簡素化されるとともに、製造コストが良好に抑制される。従って、経済的な構成で、腐食電流の流れを阻止して電極の劣化を有効に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池である単位セルの分解斜視説明図である。
【図３】前記単位セルの断面説明図である。
【図４】第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池である単位セルの分解斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、後述する燃料ガス流路５２に掃気ガスとして空気を供給する掃気ガス供給装置１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。
【００２０】
燃料電池スタック１２は、複数の単位セル（燃料電池）２２を積層して構成される。各単位セル２２は、電解質膜・電極構造体２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１及び第２金属セパレータ２６、２８とを備える。第１及び第２金属セパレータ２６、２８は、金属薄板を波形状に成形して構成される。
【００２１】
図２に示すように、単位セル２２の矢印Ｃ方向（鉛直方向）の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４ａが設けられる。
【００２２】
単位セル１２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２４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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード側電極３８及びアノード側電極４０とを備える。
【００２４】
カソード側電極３８及びアノード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成されている。
【００２５】
カソード側電極３８は、後述する酸化剤ガス流路４２の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）に沿って複数の電極領域３８ａに分割される一方、アノード側電極４０は、後述する燃料ガス流路５２の燃料ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）に沿って複数の電極領域４０ａに分割される。
【００２６】
第１金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４側の面２６ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する。
【００２７】
図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ２６は、酸化剤ガス流路４２における酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）に沿って交互に連続する凹部４４及び凸部４６を設ける。凹部４４及び凸部４６は、矢印Ｂ方向に延在しており、前記凸部４６に、酸化剤ガス流れ方向に沿って凹み４８を設けることにより、酸化剤ガス流路４２を構成する流路部４２ａが形成される。
【００２８】
カソード側電極３８の分割された電極領域３８ａ同士の間隙には、凹部４４のいずれかが配置される。電極領域３８ａでは、第１金属セパレータ２６が接触しない端部部位Ｔ１に電極触媒層を設けなくてもよい。出力寄与率が低い部位であり、高価な電極触媒層が削減でき、経済的であるからである。
【００２９】
第１金属セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、冷却媒体流路５０が形成される。冷却媒体流路５０は、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂに連通する。
【００３０】
図４に示すように、第２金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４側の面２８ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通し、矢印Ｃ１方向に延在する燃料ガス流路５２が形成される。
【００３１】
第２金属セパレータ２８は、燃料ガス流路５２における燃料ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）に沿って交互に連続する凹部５４及び凸部５６を設ける。凹部５４及び凸部５６は、矢印Ｂ方向に延在しており、前記凸部５６に、燃料ガス流れ方向に沿って凹み５８を設けることにより、燃料ガス流路５２を構成する流路部５２ａが形成される。
【００３２】
図３に示すように、アノード側電極４０の分割された電極領域４０ａ同士の間隙には、凹部５４のいずれかが配置される。電極領域４０ａでは、第２金属セパレータ２８が接触しない端部部位Ｔ２に電極触媒層を設けなくてもよい。
【００３３】
第２金属セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂには、第１金属セパレータ２６の面２６ｂと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、凹部５４の裏面側（又は凹部５４の裏面側）に凹み５０ａを設けることにより構成される。
【００３４】
第１金属セパレータ２６は、金属薄板上に第１シール部材６０が一体に射出成形されるとともに、第２金属セパレータ２８は、金属薄板上に第２シール部材６１が一体に射出成形される。
【００３５】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ６２を備え、前記エアコンプレッサ６２が空気供給流路６４に配設される。空気供給流路６４には、加湿器６６が配設されるとともに、前記空気供給流路６４は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔３０ａに連通する。
【００３６】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する空気排出流路６８を備える。この空気排出流路６８には、エアコンプレッサ６２から空気供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁７０が設けられる。
【００３７】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク７２を備え、この水素タンク７２は、水素供給流路７４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する。この水素供給流路７４には、水素遮断弁７６とエゼクタ７８とが設けられる。燃料ガス排出連通孔３４ｂには、オフガス流路８０が連通するとともに、前記オフガス流路８０に水素循環路８２が連通し、前記水素循環路８２は、エゼクタ７８に連通する。オフガス流路８０には、パージ弁８４が配設されるとともに、前記オフガス流路８０は、空気排出流路６８に連通する。
【００３８】
エゼクタ７８は、水素タンク７２から供給される水素ガスを、水素供給流路７４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路８２から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００３９】
掃気ガス供給装置１８は、エアコンプレッサ６２と加湿器６６との間に位置して空気供給流路６４に連結される空気分岐流路８８を備える。空気分岐流路８８には、遮断弁９０が配置されるとともに、前記空気分岐流路８８は、燃料電池スタック１２とエゼクタ７８との間に位置して水素供給流路７４に連結される。
【００４０】
燃料電池スタック１２には、車両駆動用モータやエアコンプレッサ等のスイッチ付き負荷９２と、前記燃料電池スタック１２の電圧（燃料電池スタック１２全体の電圧、各単位セル２２毎のセル電圧又は複数の単位セル２２のセル電圧の平均電圧）を検出する電圧センサ９４とが接続される。
【００４１】
コントローラ２０は、エアコンプレッサ６２、背圧制御弁７０、水素遮断弁７６、エゼクタ７８及びパージ弁８４の他、電圧センサ９４及びイグニッションスイッチ９６と電気的に接続される。
【００４２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ６２が駆動され、吸引された空気は、空気供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給される。一方、燃料ガス供給装置１６では、水素遮断弁７６の開放作用下に、水素ガスは、水素タンク７２から水素供給流路７４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３４ａに供給される。さらに、図示しない冷却媒体供給装置では、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が、燃料電池スタック１２の冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される。
【００４４】
このため、酸化剤ガスは、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ２６に設けられた酸化剤ガス流路４２に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４２を矢印Ｃ１方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード側電極３８に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガスは、第２金属セパレータ２８に設けられている燃料ガス流路５２に導入される。燃料ガス流路５２に導入された燃料ガスは、矢印Ｃ１方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード側電極４０に供給される。
【００４６】
従って、電解質膜・電極構造体２４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４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４７】
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、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに排出され、空気排出流路６８を介して燃料電池スタック１２の外部に排出される（図１参照）。
【００４８】
また、アノード側電極４０に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに導出された後、オフガス流路８０に排出される。燃料ガスは、エゼクタ７８の作用下に水素循環路８２から吸引されて、再度、燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給される。
【００４９】
次に、燃料電池システム１０の運転を停止する際には、イグニッションスイッチ９６がオフされて、燃料電池スタック１２の運転が停止されるととともに、負荷９２が遮断された後、水素遮断弁７６が閉じられて水素の供給が遮断される。
【００５０】
そこで、エアコンプレッサ６２の駆動作用下に燃料電池スタック１２に空気が供給され、この空気は、酸化剤ガス流路４２に導入されてカソード掃気が行われる。さらに、エアコンプレッサ６２の駆動が一旦停止された後、掃気処理が行われる。この掃気処理では、エアコンプレッサ６２が駆動されるとともに、遮断弁９０及びパージ弁８４が開放される。
【００５１】
このため、エアコンプレッサ６２から空気供給流路６４に導入される空気は、燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路４２に導入される一方、空気分岐流路８８を通って前記燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路５２に導入される。従って、酸化剤ガス流路４２及び燃料ガス流路５２には、空気による掃気が行われる。そして、エアコンプレッサ６２が停止され、遮断弁９０及びパージ弁８４が閉じられて燃料電池システム１０全体が停止される。
【００５２】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、カソード側電極３８は、酸化剤ガス流路４２の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）に沿って複数の電極領域３８ａに分割される一方、アノード側電極４０は、燃料ガス流路５２の燃料ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）に沿って複数の電極領域４０ａに分割されている。
【００５３】
さらに、カソード側電極３８の分割された電極領域３８ａ同士の間隙には、第１金属セパレータ２６の凹部４４のいずれかが配置されるとともに、アノード側電極４０の分割された電極領域４０ａ同士の間隙には、第２金属セパレータ２８の凹部５４のいずれかが配置されている。
【００５４】
従って、特に電極領域４０ａ間は、第２金属セパレータ２８の凹部５４を構成する金属部分により電気的に接続されるため、直線的な金属部分により電気的に接続される場合に比べて、電流の経路が有効に長尺化される。これにより、分割された各電極領域４０ａ間の抵抗値が大きくなり、腐食電流を良好に削減することができ、腐食の抑制が図られるという効果が得られる。
【００５５】
しかも、第２金属セパレータ２８は、各電極領域４０ａに対応して分割する必要がない。このため、構成部品数が増大することを阻止し、燃料電池スタック１２の製造工程が簡素化されるとともに、製造コストが良好に抑制される。従って、経済的な構成で、腐食電流の流れを阻止して電極の劣化を有効に抑制することが可能になるという利点が得られる。
【００５６】
なお、第１金属セパレータ２６においても、上記の第２金属セパレータ２８と同様の効果が得られる。
【００５７】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池である単位セル１００の分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０を構成する単位セル２２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５８】
単位セル１００は、第１及び第２金属セパレータ２６、２８に挟持される電解質膜・電極構造体１０２を備える。この電解質膜・電極構造体１０２は、固体高分子電解質膜３６を挟持するカソード側電極１０４及びアノード側電極１０６を有する。
【００５９】
カソード側電極１０４は、酸化剤ガス流路４２の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）及び前記酸化剤ガス流れ方向に交差する方向（矢印Ｂ方向）に沿ってそれぞれ複数の電極領域１０４ａに分割される。アノード側電極１０６は、燃料ガス流路５２の燃料ガス流れ方向（矢印Ｃ１方向）及び前記燃料ガス流れ方向に交差する方向（矢印Ｂ方向）に沿ってそれぞれ複数の電極領域１０６ａに分割される。
【００６０】
このように構成される第２の実施形態では、カソード側電極１０４及びアノード側電極１０６は、少なくとも酸化剤ガス流れ方向及び燃料ガス流れ方向に沿って複数の電極領域１０４ａ、１０６ａに分割されている。従って、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…掃気ガス供給装置              ２０…コントローラ
２２、１００…単位セル              ２４、１０２…電解質膜・電極構造体
２６、２８…金属セパレータ          ３６…固体高分子電解質膜
３８、１０４…カソード側電極
３８ａ、４０ａ、１０４ａ、１０６ａ…電極領域
４０、１０６…アノード側電極        ４２…酸化剤ガス流路
４２ａ、５２ａ…流路部              ４４、５０ａ、５４…凹部
４６、５６…凸部                    ４８、５８…凹み
５０…冷却媒体流路                  ５２…燃料ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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