(57)【要約】【課題】燃料電池において、電池性能を向上させること。【解決手段】燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されるカソードと、電解質膜において、カソードが配置された面とは反対面に配置されるアノードと、第１凹部と第１凸部とを備え、第１凸部がカソードを押圧すると共に、第１凹部がカソードに酸化ガスを給排するための酸化ガス給排流路を形成するカソード側流路形成部と、板状の多孔体であって、アノードに当接するように設けられ、アノードに燃料ガスを給排するための第１燃料ガス給排流路を形成するアノード側流路形成部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に配置されるカソードと、
前記電解質膜において、前記カソードが配置された面とは反対面に配置されるアノードと、
第１凹部と第１凸部とを備え、前記第１凸部が前記カソードを押圧すると共に、前記第１凹部が前記カソードに酸化ガスを給排するための酸化ガス給排流路を形成するカソード側流路形成部と、
板状の多孔体であって、前記アノードに当接するように設けられ、前記アノードに燃料ガスを給排するための第１燃料ガス給排流路を形成するアノード側流路形成部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記カソード側流路形成部を有するカソード側セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
前記カソード側流路形成部の前記第１凹部は、溝状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノード側流路形成部を押圧する平滑部を有するアノード側セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、
第２凹部と第２凸部とを備え、前記第２凸部が前記アノード側流路形成部を押圧し、前記第２凹部が前記アノードに前記燃料ガスを給排するための第２燃料ガス給排流路を形成するセパレータであって、前記第２凸部が前記アノード側流路形成部を押圧する押圧面の面積が、前記カソード側流路形成部において、前記第１凸部が前記カソードを押圧する押圧面の面積よりも大きくなるように、前記第２凸部が形成されるアノード側セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードは、
前記電解質膜に当接して配置される第１触媒層と、
前記触媒層に当接して配置される第１ガス拡散層と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
前記カソードは、
前記電解質膜に当接して配置される第２触媒層と、
前記触媒層に当接して配置される第２ガス拡散層と、
を備え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、カソード側流路形成部とアノード側流路形成部とを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
カソード側流路形成部と、アノード側流路形成部と、を備えた燃料電池が知られている。この燃料電池において、カソード側流路形成部は、凹部と凸部とを備え、凸部がカソードを押圧すると共に、凹部がカソードに酸化ガスを給排するための酸化ガス給排流路を形成する。同様に、アノード側流路形成部も、凹部と凸部とを備え、凸部がアノードを押圧すると共に、凹部がアノードに燃料ガスを給排するための燃料ガス給排流路を形成する（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１３６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池では、例えば、カソードにおいてカソード側流路形成部材の凸部に押圧される部分付近、または、アノードにおいてアノード側流路形成部材の凸部に押圧される部分付近に、水が滞留するなどして、その結果、燃料電池の電池性能が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するものであり、燃料電池において、電池性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されるカソードと、前記電解質膜において、前記カソードが配置された面とは反対面に配置されるアノードと、第１凹部と第１凸部とを備え、前記第１凸部が前記カソードを押圧すると共に、前記第１凹部が前記カソードに酸化ガスを給排するための酸化ガス給排流路を形成するカソード側流路形成部と、板状の多孔体であって、前記アノードに当接するように設けられ、前記アノードに燃料ガスを給排するための第１燃料ガス給排流路を形成するアノード側流路形成部と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池によれば、電池性能を向上させることができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池において、前記カソード側流路形成部を有するカソード側セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【００１０】
このようにすれば、部品点数を減少させることができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記カソード側流路形成部の前記第１凹部は、溝状に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１２】
このようにすれば、酸化ガスを分散させてカソードに供給することができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノード側流路形成部を押圧する平滑部を有するアノード側セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【００１４】
このようにすれば、アノード側流路形成部に対する押圧力を分散させることができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池において、第２凹部と第２凸部とを備え、前記第２凸部が前記アノード側流路形成部を押圧し、前記第２凹部が前記アノードに前記燃料ガスを給排するための第２燃料ガス給排流路を形成するセパレータであって、前記第２凸部が前記アノード側流路形成部を押圧する押圧面の面積が、前記カソード側流路形成部において、前記第１凸部が前記カソードを押圧する押圧面の面積よりも大きくなるように、前記第２凸部が形成されるアノード側セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【００１６】
このようにすれば、燃料電池において、略均一に燃料ガスを供給することができる。
【００１７】
[適用例６]
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノードは、前記電解質膜に当接して配置される第１触媒層と、前記触媒層に当接して配置される第１ガス拡散層と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１８】
[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池において、前記カソードは、前記電解質膜に当接して配置される第２触媒層と、前記触媒層に当接して配置される第２ガス拡散層と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【００１９】
なお、本発明は、上記した燃料電池の他、燃料電池セルなど他の装置発明の態様として実現することも可能である。また、上記した燃料電池の製造方法など、方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セルＳＬと、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。複数の燃料電池セルＳＬは、インシュレータＩＳおよびターミナルＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、燃料電池セルＳＬが、複数個積層されたスタック構造である。また、燃料電池１００は、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合され、各燃料電池セルＳＬを、各部材を積層する方向（以下では、積層方向とも呼ぶ）に所定の力で締結する構造となっている。なお、積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＳＬに沿った方向を面方向とも呼ぶ。本実施例の燃料電池１００では、酸化ガスとしては、例えば、空気を用い、燃料ガスとしては、例えば、水素を用いる。
【００２１】
図２は、燃料電池１００における燃料電池セルＳＬの概略構成を表わす分解斜視図である。図３は、燃料電池セルＳＬの断面の様子を示す断面模式図である。具体的には、図３は、図２の燃料電池セルＳＬにおけるＡ−Ａ断面を模式的に示した断面図である。燃料電池セルＳＬは、図２に示すように、膜電極接合体５（以下では、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５と呼ぶ）と、流路形成部１７と、セパレータ６，７と、を備える。燃料電池セルＳＬは、セパレータ７、流路形成部１７、ＭＥＡ５、セパレータ６が、この順に積層されて成る。
【００２２】
ＭＥＡ５は、図３に示すように、電解質膜１１と、カソード１２と、アノード１３と、を備え、電解質膜１１をカソード１２およびアノード１３で挟持して構成される。
【００２３】
電解質膜１１は、固体高分子材料である炭化水素系電解質により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。
【００２４】
カソード１２は、図３に示すように、触媒層１２ａと、ガス拡散層１２ｂとを備えている。触媒層１２ａは、白金担持カーボンと、電解質とから成る。ガス拡散層１２ｂは、導電性を有する多孔質部材であり、酸化ガスの拡散を行うと共に、触媒層１２ａを保護する。
【００２５】
アノード１３は、図３に示すように、触媒層１３ａと、ガス拡散層１３ｂとを備えている。触媒層１３ａは、触媒金属である白金（Ｐｔ）を担持したカーボン（以下では、白金担持カーボンとも呼ぶ）と、電解質とから成る。ガス拡散層１３ｂは、ガス拡散層１２ｂと同様、導電性を有する多孔質部材であり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体によって形成され、燃料ガスを拡散させると共に、触媒層１３ａを保護する。
【００２６】
流路形成部１７は、導電性多孔体であり、例えば、金属焼結体、発砲金属、パンチングメタル、エキスパンドメタルなどの金属多孔質体によって形成される。流路形成部１７は、燃料ガスを面方向に分散させ、燃料ガスをアノード１３に供給するための燃料ガス給排流路３０を形成する。流路形成部１７は、ガス拡散層１２ｂおよびガス拡散層１３ｂよりも、孔の平均孔径が大きく、気孔率が高く形成されている。
【００２７】
セパレータ６，７は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。
【００２８】
セパレータ６は、図３に示すように、片面において凸部６ａと凹部６ｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。セパレータ６において、凸部６ａは、レール状に形成され、カソード１２のガス拡散層１２ｂを押圧する。凹部６ｂは、溝状に形成され、ガス拡散層１２ｂとの間にガス拡散層１２ｂに対して酸化ガスを給排するため酸化ガス給排流路２０を形成する。
【００２９】
セパレータ７は、図３に示すように、板状に形成され、平らな平滑部７ａを備えている。セパレータ７において、平滑部７ａは、全体でアノード１３のガス拡散層１３ｂを押圧する。
【００３０】
図２に示すように、セパレータ６，７は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部５３〜５６を備えている。セパレータ６，７を、ＭＥＡ５および流路形成部１７と共に積層して燃料電池１００を組み立てると、積層された各セパレータ６，７の対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、積層方向に燃料電池１００内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部５３は、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部５４は、酸化ガス排出マニホールドを形成し、孔部５５は、燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部５６は、燃料ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、酸化ガス給排流路２０に酸化ガスを導入するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、酸化ガス給排流路２０から酸化ガスを排出するための流路である。燃料ガス供給マニホールドは、燃料ガス給排流路３０に燃料ガスを導入するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、燃料ガス給排流路３０から燃料ガスを排出すための流路である。
【００３１】
なお、本実施例の燃料電池１００では、図示を省略しているが、燃料電池セルＳＬの外周部には、上記各マニホールド、酸化ガス給排流路２０、および、燃料ガス給排流路３０におけるガスシール性を確保するためのシール部材が配置されている。また、燃料電池１００では、図示を省略しているが、各燃料電池セルＳＬ間には、各燃料電池セルＳＬを冷却するための冷媒（例えば、冷却水）を流すための流路が形成されている。
【００３２】
Ａ２．燃料電池１００の有効性の検討：
図４は、比較例の燃料電池における燃料電池セルの断面模式図である。図５は、本実施例の燃料電池１００と比較例の燃料電池とを比較した実験結果を表すグラフである。この図５は、詳しくは、上述の燃料電池１００（以下では、「燃料電池」を省略し、単に実施例とも呼ぶ）における燃料電池セルＳＬと、比較例の燃料電池（以下では、「燃料電池」を省略し、単に比較例とも呼ぶ）における燃料電池セルと、を用いて同条件で発電を行い、実施例の燃料電池セルＳＬと比較例の燃料電池セルとを比較した実験結果を示す。比較例の燃料電池セルは、図４に示すように、流路形成部１７を備えておらず、セパレータ６と同様に、片面において凸部７７ａと凹部７７ｂとが交互に形成された凹凸形状を有したセパレータ７７を備えている。セパレータ７７において、凸部７７ａは、レール状に形成され、アノード１３（ガス拡散層１３ｂ）を押圧する。凹部７７ｂは、溝状に形成され、ガス拡散層１３ｂとの間にガス拡散層１３ｂに対して燃料ガスを給排するため燃料ガス給排流路３０ａを形成する。比較例は、上記相違点以外では、実施例と同様の構成となっている。
【００３３】
実験に伴う発電の際には、燃料電池温度を８０℃とし、燃料ガスとして、露点温度が８０℃の高純度水素ガスを用い、酸化ガスとして、露点温度が８０℃の空気を用いた。また、発電時では、燃料電池内の燃料ガスおよび酸化ガスの圧力が２００ｋＰａとなるように排圧を調整した。図５において、実線は、実施例の燃料電池セルＳＬにおける出力電流−出力電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示し、点線は、比較例の燃料電池セルにおける出力電流−出力電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。
【００３４】
ところで、比較例では、カソード１２において、セパレータ６の凸部６ａに押圧される部分付近、または、アノード１３において、セパレータ７７の凸部７７ａに押圧される部分付近に水が滞留し、その結果、燃料電池の電池性能が低下するおそれがあった。
【００３５】
一方、実施例の燃料電池セルＳＬと比較例の燃料電池セルとを比較すると、図５に示すように、比較例の燃料電池セルに比べて実施例の燃料電池セルＳＬの方が、全体的に出力電流Ｉに対する出力電圧Ｖが高く、発電効率が高いことがわかる。このことから、アノード側において、流路形成部１７を配置し、セパレータ７の平滑部７ａ全体で流路形成部１７を押圧する構成とした実施例では、比較例と比較して、アノードおよびカソード（特にカソード）において、水の滞留が抑制されていると考えることができ、その結果、比較例に比べて実施例の方が、燃料電池の電池性能がよいということが言える。
【００３６】
本実施例において、セパレータ６は、特許請求の範囲におけるカソード側流路形成部またはカソード側セパレータに該当し、セパレータ６の凸部６ａは、特許請求の範囲における第１凸部に該当し、凹部６ｂは、特許請求の範囲における第１凹部に該当し、流路形成部１７は、アノード側流路形成部に該当し、燃料ガス給排流路３０は、特許請求の範囲における第１燃料ガス給排流路に該当し、セパレータ７は、特許請求の範囲におけるアノード側セパレータに該当し、セパレータ７の平滑部７ａは、特許請求の範囲における平滑部に該当し、触媒層１３ａは、特許請求の範囲における第１触媒層に該当し、ガス拡散層１３ｂは、特許請求の範囲における第１ガス拡散層に該当し、触媒層１２ａは、特許請求の範囲における第２触媒層に該当し、ガス拡散層１２ｂは特許請求の範囲における第２ガス拡散層に該当する。
【００３７】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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、例えば以下のような変形も可能である。
【００３８】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、セパレータ７は、平滑部７ａを備え、平滑部７ａ全体で流路形成部１７を押圧するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、以下のようにしてもよい。
【００３９】
図６は、一変形例としてのセパレータ７ｙの概略断面構成を示す模式図である。このセパレータ７ｙは、片面において凸部７ｙａと凹部７ｙｂとが交互に形成された凹凸形状を有している。そして、セパレータ７ｙにおいて、凸部７ｙａは、レール状に形成され、流路形成部１７を押圧する。凹部７ｙｂは、溝状に形成され、流路形成部１７との間に流路形成部１７に対して燃料ガスを給排するため燃料ガス給排流路３０ｙを形成する。この場合、セパレータ７ｙにおいて、凸部７ｙａが流路形成部１７を押圧する押圧面の面積が、セパレータ６の凸部６ａがカソード１２（ガス拡散層１２ｂ）を押圧する押圧面の面積よりも大きくなるように、凸部７ｙａを形成する。このようにすれば、燃料電池セルにおいて、燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスを面方向により分散することができ、アノード１３に対し、略均一に燃料ガスを供給することができる。なお、セパレータ７ｙは、特許請求の範囲におけるアノード側セパレータに該当し、凸部７ｙａは、特許請求の範囲における第２凸部に該当し、凹部７ｙｂは、特許請求の範囲における第２凹部に該当し、燃料ガス給排流路３０ｙは、特許請求の範囲における第２燃料ガス給排流路に該当する。
【００４０】
Ｂ２．変形例２：
上記変形例１のセパレータ７ｙにおいて、特に、ファインピッチ化するようにしてもよい。このようにすれば、燃料電池セルにおいて、燃料ガス供給マニホールドから供給された燃料ガスを面方向により分散することができ、アノード１３に対し、略均一に燃料ガスを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池１００の外観構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００における燃料電池セルＳＬの概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルＳＬの断面の様子を示す断面模式図である。
【図４】比較例の燃料電池における燃料電池セルの断面模式図である。
【図５】上記実施例の燃料電池１００と比較例の燃料電池とを比較した実験結果を表すグラフである。
【図６】一変形例としてのセパレータ７ｙの概略断面構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４２】
５…ＭＥＡ
６…セパレータ
６ａ…凸部
６ｂ…凹部
７…セパレータ
７ａ…平滑部
７ｙ…セパレータ
７ｙａ…凸部
７ｙｂ…凹部
１１…電解質膜
１２…カソード
１２ａ…触媒層
１２ｂ…ガス拡散層
１３…アノード
１３ａ…触媒層
１３ｂ…ガス拡散層
１７…流路形成部
２０…酸化ガス給排流路
３０，３０ａ，３０ｙ…燃料ガス給排流路
５３〜５６…孔部
７７…セパレータ
７７ａ…凸部
７７ｂ…凹部
１００…燃料電池
ＳＬ…燃料電池セル
【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】
2010062017.tif 000008