(57)【要約】【課題】水分の滞留を低減し良好な発電効率が得られる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】膜電極接合体１１に供給する反応ガスを拡散するガス拡散層１１３と、ガス拡散層１１３に重ねられ、ガス拡散層１１３に供給する反応ガスが流れるガス供給流路１２１ａ−１と、そのガス供給流路１２１ａ−１の間に入り込んでガス供給流路１２１ａ−１とは連続することなく別通路となるように形成されて、ガス拡散層１１３を流れて膜電極接合体１１で触媒反応した反応ガスが流れるガス排出流路１２１ａ−２と、を備えるセパレータ１２１と、ガス供給流路１２１ａ−１からガス排出流路１２１ａ−２へ移動するガスの通気抵抗を、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くする通気抵抗調整手段１２１ａ−３と、を有することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体に対向し、前記膜電極接合体に供給する反応ガスが流れるガス供給流路と、そのガス供給流路の間に前記ガス供給流路とは前記膜電極接合体における電極触媒層を介して連通するように形成されて、前記膜電極接合体で触媒反応した反応ガスが流れるガス排出流路と、を有するセパレータを備える燃料電池において、
前記ガス供給流路から前記ガス排出流路へ移動するガスの通気抵抗を、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くする通気抵抗調整手段を有する、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス排出流路は、前記ガス供給流路と同一面に形成されており、
前記通気抵抗調整手段は、前記ガス供給流路と前記ガス排出流路との間に形成されてガス供給流路とガス排出流路とを隔てるとともに、ガス流れ上流側が幅狭であってガス流れ下流側が幅広に形成された隔壁である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス供給流路は、ガス流れ上流側が幅広であってガス流れ下流側が幅狭であり、
前記ガス排出流路は、一定幅である、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス排出流路は、ガス流れ上流側の流路断面積がガス流れ下流側の流路断面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記隔壁に形成され、前記ガス供給流路と前記ガス排出流路とを連通する連通路を有する、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス排出流路は、前記ガス供給流路と反対面に形成されており、
前記通気抵抗調整手段は、前記ガス供給流路が前記電極触媒層に当接する面に形成され、ガス流れ上流側が下流側の開孔密度よりも大きい孔である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記通気抵抗調整手段は、反応ガスの流れ方向上流側の気孔率が下流側の気孔率よりも大きい前記電極触媒層の気孔である、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ガス供給流路に連設される反応ガス供給孔は、前記ガス排出流路に連設される反応ガス排出孔よりも重力方向上方に設けられ、反応ガスが重力方向上方から下方に前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路を流れる、
ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
膜電極接合体に供給する反応ガスが流れるガス供給流路と、前記ガス供給流路の間に前記ガス供給流路とは前記膜電極接合体における電極触媒層を介して連通するように形成されて、前記膜電極接合体で触媒反応した反応ガスが流れるガス排出流路と、を備える燃料電池用セパレータであって、
前記ガス供給流路から前記ガス排出流路へ移動するガスの通気抵抗を、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くする通気抵抗調整手段を有する、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス拡散層へ当接する面に形成されガス流れ方向下流端が行き止まりになるガス供給流路と、ガス供給流路と同一面に設けられガス供給流路の間に入り込んでガス供給流路とは連続することなく別通路となるように形成されガス流れ方向上流端が行き止まりになるガス排出流路と、を備えるいわゆるインターデジテット(interdigitate)タイプのセパレータの燃料電池が提案されている(特許文献１参照)。このようなセパレータを使用すれば電極触媒層への反応ガスの拡散性が向上する。
【特許文献１】特開２００５−８５６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の構造では、ガスの移動量はガス供給流路及びガス排出流路の上流側よりも下流側で多い。すなわちガス移動量はガス供給流路及びガス排出流路の上流側のほうが下流側よりも少ない。そして燃料電池では、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において、以下の反応が進行して発電するとともに反応水が生成される。
【０００４】
【化１】
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【０００５】
そして上述のように従来構造では、ガス供給流路及びガス排出流路の上流側では下流側よりもガスの移動量が少ないので、特に水分Ｈ2Ｏはガス排出流路の上流側で滞留しやすかった。水分が滞留しては反応ガスの拡散性が阻害される可能性がある。すると水分が滞留している部分と滞留していない部分とで電流密度差が大きくなって発電効率が低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、水分の滞留を低減し良好な発電効率が得られる燃料電池及び燃料電池用セパレータ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】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００８】
本発明は、膜電極接合体に対向し、前記膜電極接合体に供給する反応ガスが流れるガス供給流路と、そのガス供給流路の間に前記ガス供給流路とは電極接合体における電極触媒層を介して連通するように形成されて、膜電極接合体で触媒反応した反応ガスが流れるガス排出流路と、を備えるセパレータと、を備える。さらにガス供給流路からガス排出流路へ移動するガスの通気抵抗を、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くする通気抵抗調整手段を有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガス供給流路からガス排出流路へ移動するガスの通気抵抗を、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くする通気抵抗調整手段を有するので、上流側においてガス供給流路からガス排出流路へガスが移動しやすくなる。するとガス排出流路の上流側のガス流れが促進される。このためガス排出流路の上流側に生成水や凝縮水が滞留してしまうことを防止できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の外観を示す図であり、図１(Ａ)は斜視図、図１(Ｂ)は側面図である。
【００１１】
最初に燃料電池の基本構成について説明する。燃料電池スタック１は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。
【００１２】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述する。
【００１３】
集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、上辺の一部に出力端子２１を備える。燃料電池スタック１は、出力端子２１によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１４】
絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。
【００１５】
エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。
【００１６】
一方のエンドプレート４０(図１(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口、アノード排出口、カソード供給口、カソード排出口、冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられている。なお図１(Ａ)では、これらを円形で示したが形状は適宜変更すればよい。
【００１７】
アノード供給口にアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口に供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００１８】
テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面が絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット５１が螺合する(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０とナット５１とが燃料電池スタック１を積層方向に締め付けることで、スタッキング圧が発生する。
【００１９】
燃料電池スタック１は、図１(Ｂ)に示すように、積層された複数の発電セル１０の両側に、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、が配置される。
【００２０】
また燃料電池スタックの片側の絶縁プレート３０の外側には、サブエンドプレート４１が配置され、さらにそのサブエンドプレート４１の外側にたとえば皿バネなどからなる変動吸収部材４２が配置され、その外側にエンドプレート４０が設けられる。このような積層構造の燃料電池スタックを４本のテンションロッド５０で積層方向に締め付ける。このように変動吸収部材４２が設けられているので、燃料電池スタックに作用する面圧の変動を吸収可能である。
【００２１】
図２は、発電セルの拡大図である。
【００２２】
発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、カソードセパレータ１２１及びアノードセパレータ１２２が配置される構造である。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)が形成される。この電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３(１１３ａ，１１３ｂ)が形成される。
【００２３】
電極触媒層１１２は、たとえば白金Ｐｔ又は白金系合金をカーボン担体粉末上に担持させた触媒、電解質粒子(アイオノマ)及び撥水剤からなる混合層を電解質膜上に、ホットプレス又は直接噴霧することで形成される。
【００２４】
ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。なお、本実施形態では、ＧＤＬは電極触媒層として説明するが、一体成形でもよいし、機能的に一体なもの(たとえば電極触媒層にＧＤＬの機能を有するもの)を用いてもよい。
【００２５】
カソードセパレータ１２１は、カソードＧＤＬ１１３ａに重なる。カソードセパレータ１２１には、カソードＧＤＬ１１３ａへの対向面に、カソードガスが流れるカソードガス流路１２１ａが形成される。その反対面には、冷却水が流れる凹部１２１ｂが形成される。なおカソードガス流路１２１ａは、後述のようにカソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２からなる。
【００２６】
アノードセパレータ１２２は、アノードＧＤＬ１１３ｂに重なる。アノードセパレータ１２２には、アノードＧＤＬ１１３ｂへの対向面に、アノードガスが流れるアノードガス流路１２２ａが形成される。その反対面には、冷却水が流れる凹部１２２ｂが形成される。アノードガス流路１２２ａは、アノードガス供給流路１２２ａ−１及びアノードガス排出流路１２２ａ−２からなる。
【００２７】
カソードセパレータ１２１の凹部１２１ｂ及びアノードセパレータ１２２の凹部１２２ｂによって、冷却水が流れる冷却水流路が形成される。
【００２８】
カソードセパレータ１２１及びアノードセパレータ１２２は、たとえばカーボンブラック等の導電性カーボン粉末を用いて樹脂モールディング成型によって形成される。
【００２９】
外部から供給されたカソードガスは、図中矢印で示したように、カソードガス供給流路１２１ａ−１を流れてカソードＧＤＬ１１３ａからカソード電極触媒層１１２ａに供給されて触媒反応した後、カソードガス排出流路１２１ａ−２を流れて排出される。
【００３０】
また外部から供給されたアノードガスは、図中矢印で示したように、アノードガス供給流路１２２ａ−１を流れてアノードＧＤＬ１１３ｂからアノード電極触媒層１１２ｂに供給されて触媒反応した後、アノードガス排出流路１２２ａ−２を流れて排出される。
【００３１】
図３は、第１実施形態のカソードセパレータの表面図である。
【００３２】
図３に示すように、カソードセパレータ１２１は、表面に、カソードガス供給流路１２１ａ−１と、カソードガス排出流路１２１ａ−２と、が凹設され、両流路を隔てる隔壁１２１ａ−３が残されたいわゆるインターデジテット(interdigitate)タイプのセパレータである。
【００３３】
カソードガス供給流路１２１ａ−１は、カソード供給口４２ａに連なる。カソードガス供給流路１２１ａ−１は、カソードＧＤＬ１１３ａへ供給する反応ガスが流れる。カソードガス供給流路１２１ａ−１はガス流れ方向に進むにつれて先細になるように形成されている。図３では、反応ガスは紙面上から下に流れる。
【００３４】
カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソード排出口４２ｂに連なる。カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソードガス拡散層を通過した反応ガスが流れる。カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソードガス供給流路１２１ａ−１が凹設された面と同一面に凹設される。カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソードガス供給流路１２１ａ−１の間に入り込んでカソードガス供給流路１２１ａ−１とは連続することなく別通路となるように形成される。カソードガス排出流路１２１ａ−２は一定幅の直線流路である。図３では、反応ガスは紙面上から下に流れる。
【００３５】
隔壁１２１ａ−３は、カソードガス供給流路１２１ａ−１とカソードガス排出流路１２１ａ−２との間に形成されて、カソードガス供給流路１２１ａ−１とカソードガス排出流路１２１ａ−２とを隔てる。隔壁１２１ａ−３は、ガス流れ上流側が幅狭であってガス流れ下流側が幅広である。すなわちガス流れ上流側の幅ｗ１がガス流れ下流側の幅ｗ２よりも小さい。
【００３６】
次に本実施形態の効果について説明する。
【００３７】
外部から供給されたカソードガスは、上述のように、図２の矢印で示したように、カソードガス供給流路１２１ａ−１を流れてカソードＧＤＬ１１３ａからカソード電極触媒層１１２ａに供給されて触媒反応した後、カソードガス排出流路１２１ａ−２を流れて排出される。
【００３８】
本実施形態によれば、隔壁１２１ａ−３は、ガス流れ上流側の幅ｗ１がガス流れ下流側の幅ｗ２よりも小さくなるように構成されている。このように隔壁１２１ａ−３の幅に広狭があると、カソードガス供給流路１２１ａ−１からカソードガス排出流路１２１ａ−２へ移動するガスの通気抵抗は、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くなる。したがって、隔壁１２１ａ−３の幅に広狭が無く一様である場合に比べて、上流側においてカソードガス供給流路１２１ａ−１からカソードガス排出流路１２１ａ−２へガスが移動しやすくなる。するとカソードガス排出流路１２１ａ−２の上流側のガス流れが促進される。このためカソードガス排出流路１２１ａ−２の上流側に生成水や凝縮水が滞留してしまうことを防止できるのである。
【００３９】
（第２実施形態）
図４は本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図であり、図４(Ａ)はセパレータ表面図、図４(Ｂ)は図４(Ａ)のＢ−Ｂ断面図、図４(Ｃ)は図４(Ａ)のＣ−Ｃ断面図である。
【００４０】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４１】
本実施形態のカソードセパレータ１２１は、表面には図４に示すように、カソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２が凹設される。本実施形態のカソードガス排出流路１２１ａ−２は、ガス流れ方向によって流路断面積が変わる点で、第１実施形態と相違する。
【００４２】
すなわちカソードガス排出流路１２１ａ−２は、図４(Ａ)に示したように一定幅の直線流路であるが、図４(Ｂ)に示した上流側の流路深さＤ１が、図４(Ｃ)に示した下流側の流路深さＤ２よりも浅くなっている。
【００４３】
本実施形態によれば、カソードガス排出流路１２１ａ−２は、ガス流れ上流側の流路断面積が下流側の流路断面積よりも小さくなっている。このように構成することで、カソードガス排出流路１２１ａ−２の上流領域のガス流速が下流領域のガス流速よりも速くなるとともに、下流領域の空間を確保することができる。この結果、カソードガス排出流路１２１ａ−２の上流領域では、生成水や凝縮水を排出しやすくなる。またカソードガス排出流路１２１ａ−２の下流領域では、上流領域から流れてくる生成水や凝縮水による水詰まりを抑制することができる。このため局所的に発電効率が低下して電流密度分布に偏りが生じるのを抑制することができるのである。
【００４４】
（第３実施形態）
図５は、本発明による燃料電池の第３実施形態を示すセパレータの流路拡大図である。
【００４５】
本実施形態のカソードセパレータ１２１の隔壁１２１ａ−３には、表面には図５に示すように、カソードガス供給流路１２１ａ−１とカソードガス排出流路１２１ａ−２とを連通する連通路１２１ａ−４が形成されている。連通路１２１ａ−４は特に、カソードガス供給流路１２１ａ−１がカソードガス排出流路１２１ａ−２の上流領域に連通するように形成されている。なお連通路１２１ａ−４の図示した形状は一例に過ぎず適宜変更すればよい。
【００４６】
本実施形態のように構成すれば、カソードガス供給流路１２１ａ−１を流れるガスが連通路１２１ａ−４を通ってカソードガス排出流路１２１ａ−２に流れる。するとカソードガス排出流路１２１ａ−２の上流領域のガス流速がさらに速くなるので、上流領域での排水性が一層向上する。
【００４７】
（第４実施形態）
図６は、本発明による燃料電池の第３実施形態を示すセパレータの流路拡大図である。
【００４８】
本実施形態のカソードセパレータ１２１は、たとえばステンレスなどの金属製のセパレータであり、プレス成型されて片面にカソードガス供給流路１２１ａ−１が形成され、反対面にカソードガス排出流路１２１ａ−２が形成される。図６では紙面裏側にカソードガス供給流路１２１ａ−１が形成され、紙面表側にカソードガス排出流路１２１ａ−２が形成される。
【００４９】
カソードガス供給流路１２１ａ−１がカソードＧＤＬ１１３ａに当接する面には、多数の孔１２１ａ−５が穿孔されている。このときカソードガスは図中矢印のように流れる。そして孔１２１ａ−５は、ガス流れ上流側の開孔密度が下流側の開孔密度よりも大きくなるように形成されている。図６では孔径が同一であり上流側の孔数が下流側の孔数よりも多くなっている。ただし図示は省略するが孔数を同一にして上流側の孔径を下流側の孔径よりも大きくしてもよい。
【００５０】
本実施形態によれば、カソードガス供給流路１２１ａ−１がカソードＧＤＬ１１３ａに当接する面に形成された孔１２１ａ−５は、ガス流れ上流側の開孔密度が下流側の開孔密度よりも大きくなるように構成されている。このように開孔密度に大小があると、カソードガス供給流路１２１ａ−１からカソードガス排出流路１２１ａ−２へ移動するガスの通気抵抗は、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くなる。したがって、開孔密度に大小が無く一様である場合に比べて、上流側においてカソードガス供給流路１２１ａ−１からカソードガス排出流路１２１ａ−２へガスが移動しやすくなる。するとカソードガス排出流路１２１ａ−２の上流側のガス流れが促進されるのである。
【００５１】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００５２】
たとえばＧＤＬにおいて、ガス流れ方向上流側の気孔率を下流側の気孔率よりも大きくしておけば、カソードガス供給流路１２１ａ−１からカソードガス排出流路１２１ａ−２へ移動するガスの通気抵抗は、ガス流れ上流側のほうが、ガス流れ下流側のよりも低くなる。したがって、気孔率に大小が無く一様である場合に比べて、上流側においてカソードガス供給流路１２１ａ−１からカソードガス排出流路１２１ａ−２へガスが移動しやすくなる。するとカソードガス排出流路１２１ａ−２の上流側のガス流れが促進されるのである。
【００５３】
また本発明による燃料電池を設置する場合において、反応ガスが重力方向上方から下方にカソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２を流れるようにすれば、カソードガス排出流路１２１ａ−２の上流に滞留した液水に排出方向へ重力が作用することとなるので、排水性が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明による燃料電池の外観を示す図である。
【図２】発電セルの拡大図である。
【図３】第１実施形態のカソードセパレータの表面図である。
【図４】本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図である。
【図５】本発明による燃料電池の第３実施形態を示すセパレータの流路拡大図である。
【図６】本発明による燃料電池の第３実施形態を示すセパレータの流路拡大図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１３(１１３ａ，１１３ｂ)  ガス拡散層
１２１  カソードセパレータ
１２１ａ−１  カソードガス供給流路
１２１ａ−２  カソードガス排出流路
１２１ａ−３  隔壁(通気抵抗調整手段)
１２１ａ−４  連通路
１２１ａ−５  孔(通気抵抗調整手段)
【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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【図６】
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