(57)【要約】【課題】  軽量化を実現することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１０）は、膜−電極接合体（２０）と、膜−電極接合体の電極面に沿ってまたは少なくとも一部が電極内に埋設されて配置され、導電性およびガス透過性を有する集電体（３０，４０）と、を備え、集電体は、膜−電極接合体の面内方向において、膜−電極接合体の出力電流量の分布に応じて異なる断面積を有することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、膜−電極接合体の出力電流量の分布に応じて集電体の断面積を小さくすることができる。それにより、燃料電池の軽量化を実現することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の電極面に沿ってまたは少なくとも一部が前記電極内に埋設されて配置され、導電性およびガス透過性を有する集電体と、を備え、
前記集電体は、前記膜−電極接合体の面内方向において、前記膜−電極接合体の出力電流量の分布に応じて異なる断面積を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記集電体に沿って設けられ、前記膜−電極接合体へ反応ガスを供給するためのガス流路が形成されたガス流路部材をさらに備え、
前記集電体の断面積は、前記ガス流路方向において、前記ガス流路の入口側から出口側にかけて徐々にまたは段階的に小さくなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流路は、カソードガス流路であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜を含む膜−電極接合体を有する。このような燃料電池においては、カソード側の電極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノード側の電極に水素を含むアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。
【０００４】
特許文献１には、集電体が電極の内部に埋設された膜−電極接合体を備え、集電体の面方向の先から電力を取り出すことができる燃料電池が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７４８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１においては、集電体の断面積に関する記載は見当たらない。一般に、集電体が必要以上に大きい断面積を有すると、燃料電池が重量化してしまう。
【０００７】
本発明は、軽量化を実現することができる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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の電極面に沿ってまたは少なくとも一部が電極内に埋設されて配置され、導電性およびガス透過性を有する集電体と、を備え、集電体は、膜−電極接合体の面内方向において、膜−電極接合体の出力電流量の分布に応じて異なる断面積を有することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池によれば、膜−電極接合体の出力電流量の分布に応じて集電体の断面積を小さくすることができる。それにより、燃料電池の軽量化を実現することができる。
【００１０】
上記構成において、集電体に沿って設けられ、膜−電極接合体へ反応ガスを供給するためのガス流路が形成されたガス流路部材をさらに備え、集電体の断面積は、ガス流路方向において、ガス流路の入口側から出口側にかけて徐々にまたは段階的に小さくなっていてもよい。この場合、出力電流量の小さい領域において集電体の断面積を小さくすることができる。それにより、燃料電池の軽量化を実現することができる。
【００１１】
上記構成において、ガス流路は、カソードガス流路であってもよい。この場合、膜−電極接合体の電流分布が生じやすい側の集電体の断面積に分布を持たせることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、軽量化を実現することができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１に係る燃料電池１０について説明する。図１は、燃料電池１０の模式的斜視図である。図２は、燃料電池１０の側面図である。図１および図２を参照して、燃料電池１０は、膜−電極接合体２０と、集電体（カソード集電体３０およびアノード集電体４０）と、セパレータ（カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０）と、ガスケット７０と、を備える。膜−電極接合体２０は、電解質膜２１と、触媒層（カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３）と、を備える。電解質膜２１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。
【００１５】
カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３は、電解質膜２１を挟持するように配置されている。カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３は、触媒を含有する導電性材料からなる。カソード触媒層２２の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層２３の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。例えば、カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３は、白金担持カーボン等を含む。なお、膜−電極接合体２０の外周は、ガスケット７０によってシールされている。
【００１６】
カソード集電体３０は、カソード触媒層２２の電解質膜２１と反対側の面に沿って配置されている。アノード集電体４０は、アノード触媒層２３の電解質膜２１と反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、導電性および反応ガス透過性を有している。カソード集電体３０およびアノード集電体４０として、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属発泡焼結体、カーボンファイバー等を用いることができる。
【００１７】
また、カソード集電体３０は、外周にターミナル３１およびターミナル３２を有している。アノード集電体４０は、外周にターミナル４１およびターミナル４２を有している。これらのターミナルは、外部との電気的な接続端子としての機能を有している。なお、カソード集電体３０のターミナル３１およびターミナル３２と、アノード集電体４０のターミナル４１およびターミナル４２とは、補機等の負荷（図示せず）と、電気的に接続されている。カソード集電体３０、アノード集電体４０および負荷は、電気回路を構成している。
【００１８】
カソードセパレータ５０は、カソード集電体３０のカソード触媒層２２と反対側に配置されている。アノードセパレータ６０は、アノード集電体４０のアノード触媒層２３と反対側に配置されている。カソードセパレータ５０には、カソードガス入口５１およびカソードガス出口５２が形成されている。例えば、カソードガス入口５１は、ターミナル３１に近い側に形成されており、カソードガス出口５２は、ターミナル３２に近い側に形成されている。同様に、アノードセパレータ６０には、アノードガス入口６１およびアノードガス出口６２が形成されている。例えば、アノードセパレータ６０のターミナル４２に近い側には、アノードガス入口６１が形成され、アノードセパレータ６０のターミナル４１に近い側には、アノードガス出口６２が形成されている。
【００１９】
なお、集電体を介して膜−電極接合体２０の出力電流を取り出すことができることから、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０は導電性を有していなくてもよい。したがって、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０の材料に対する制約は抑制されている。本実施例において、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０の材質は、特に限定されず、例えば樹脂、金属等が用いられる。樹脂は金属に比較して燃料電池１０を軽量化および低コスト化できる点で好ましい。
【００２０】
燃料電池１０は、以下のように動作する。アノードガスは、アノードセパレータ６０のアノードガス入口６１から燃料電池１０に供給される。供給されたアノードガスは、アノードガス出口６２に向かって流動しつつアノード集電体４０を透過する。アノード集電体４０を透過したアノードガスは、アノード触媒層２３に到達する。アノード触媒層２３において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜２１を伝導して、カソード触媒層２２に到達する。電子は、アノード集電体４０によって集電されてターミナル４１およびターミナル４２から外部に取り出された後に、カソード集電体３０に到達する。
【００２１】
カソードガスは、カソードセパレータ５０のカソードガス入口５１から燃料電池１０に供給される。供給されたカソードガスは、カソードガス出口５２に向かって流動しつつカソード集電体３０を透過する。カソード集電体３０を透過したカソードガスは、カソード触媒層２２に到達する。カソード触媒層２２においては、カソードガス中の酸素と電解質膜２１を伝導したプロトンとターミナル３１およびターミナル３２からの電子とによって水が生成される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス出口６２およびカソードガス出口５２から排出される。以上のように、燃料電池１０は動作する。
【００２２】
ここで、膜−電極接合体２０の面内において出力電流量に分布が生じることがある。例えば、カソードガスの酸素分圧は、発電時の化学反応で酸素が消費されることに伴って低下する。それにより、カソードガスの上流側に比較して下流側において出力電流量が低下する。アノードガスについても、カソードガスと同様の現象が生じ得る。
【００２３】
そこで、本実施例に係る燃料電池１０においては、集電体は、膜−電極接合体２０の面内方向において、膜−電極接合体２０の出力電流量の分布に応じて異なる断面積を有する。例えば、集電体は、出力電流量の多い領域では大きい断面積を有し、出力電流量の少ない領域では小さい断面積を有する。この場合、出力電流量の多い領域では集電体の抵抗が小さくなる。それにより、集電効率が高まる。また、出力電流量の少ない領域では集電体が軽量化する。以上のことから、所定の集電効率を確保しつつ、集電体を軽量化することができる。その結果、燃料電池１０の軽量化を実現することができる。
【００２４】
図３は、カソード集電体３０の平面図である。まず、カソード集電体３０を、カソードガスの流動方向に沿って複数の領域に分類した。本実施例においては、４つの領域に分類した。４つの領域をそれぞれ、上流側から順に領域１００、領域１１０、領域１２０および領域１３０とする。次いで、これら各々の領域の断面積を膜−電極接合体２０の出力電流量の分布に対応するように設定した。表１は、カソード集電体３０の断面積の一例を示す。なお、表１の各値は、相対比である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
カソードガスの酸素分圧は上流側から下流側にかけて減少することから、膜−電極接合体２０の出力電流量も上流側から下流側にかけて減少する。例えば、領域１００〜領域１３０を流れる出力電流量が相対比で、２０，１５，１０，５になるとする。これに応じて、領域１００〜領域１３０の断面積を、相対比でそれぞれ２０，１５，１０，５とする。すなわち、本実施例に係るカソード集電体３０の断面積を、カソードガスの入口側から出口側にかけて段階的に小さくする。この場合、領域１００〜領域１３０の重量は、相対比でそれぞれ２０，１５，１０，５となる。その結果、カソード集電体３０の総重量は５０となる。
【００２７】
これに比較して、膜−電極接合体２０の出力電流量の最大値を実現する領域１００の電流２０に対応させて領域１００〜領域１３０の断面積を全て２０とすると、カソード集電体の総重量は８０となる。したがって、本実施例に係るカソード集電体３０を用いることによって燃料電池１０の軽量化を実現することができる。なお、出力電流量の少ない領域の集電体の断面積を小さくしても、集電効率低下は抑制される。
【００２８】
なお、膜−電極接合体２０の出力電流が領域１２０から領域１３０を通ってターミナル３２に流入することを考慮して、領域１３０の断面積を大きく（例えば、１０）としてもよい。
【００２９】
なお、アノード集電体４０も、出力電流量の多い領域では大きい断面積を有し、出力電流量の少ない領域では小さい断面積を有していてもよい。本実施例においては、アノード集電体４０の断面積を、カソードガス入口５１側からカソードガス出口５２側にかけて段階的に小さくしてもよい。この場合においても、所定の集電効率を確保しつつ、アノード集電体４０の軽量化を図ることができる。
【００３０】
なお、集電体の断面積は、集電体が金属メッシュまたはエキスパンドメタルの場合には、例えば金属線の線径を調整することによって変化させることができる。集電体が金属発泡体の場合には、例えば気孔率を調整することによって、集電体の断面積を変化させることができる。集電体がカーボンクロスの場合には、例えばカーボン線の線径を調整することによって、集電体の断面積を変化させることができる。
【００３１】
以上のように、本実施例に係る燃料電池１０によれば、集電体の所定の集電効率を確保しつつ、集電体の軽量化を図ることができる。それにより、燃料電池１０の軽量化を実現することができる。
【００３２】
なお、本実施例においてアノード集電体４０もカソード集電体３０と同様の構成を有しているが、これに限られない。アノード集電体４０およびカソード集電体３０の少なくとも一方が膜−電極接合体２０の出力電流量の分布に応じて異なる断面積を有していてもよい。
【００３３】
また、本実施例においてはカソードガス入口５１側からカソードガス出口５２側にかけて集電体の断面積が小さくなっているが、これに限られない。反応ガス種に応じて膜−電極接合体２０の出力電流量の分布が変化することがあるからである。その場合には、膜−電極接合体２０の出力電流量の多い領域において集電体の断面積を大きくし、出力電流量の少ない領域において集電体の断面積を小さくすればよい。
【００３４】
また、本実施例において、カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、膜−電極接合体２０の電極面に沿って配置されているが、これに限られない。カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、少なくとも一部が膜−電極接合体２０の電極内に埋設されていてもよい。
【００３５】
また、本実施例において、集電体の断面積は段階的に変化しているが、徐々に変化していてもよい。
【実施例２】
【００３６】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１０ａについて説明する。図４は、燃料電池１０ａの模式的斜視図である。燃料電池１０ａは、カソードセパレータ５０、アノードセパレータ６０、カソード集電体３０およびアノード集電体４０の代わりに、カソードセパレータ５０ａ、アノードセパレータ６０ａ、カソード集電体３０ａおよびアノード集電体４０ａを備える点において、図１の燃料電池１０と異なる。その他の構成は燃料電池１０と同様のため、説明を省略する。
【００３７】
カソードセパレータ５０ａは、サーペンタイン型のガス流路５３を有する点で、カソードセパレータ５０と異なる。本実施例においては、ガス流路５３は、カソードガス入口５１に流入したカソードガスがカソードガス出口５２から排出されるまでの間に複数回折り返すサーペンタイン型のガス流路である。なお、アノードセパレータ６０ａの構成は、カソードセパレータ５０ａと同様であるため、説明を省略する。
【００３８】
カソード集電体３０ａおよびアノード集電体４０ａは、断面積の変化態様がカソード集電体３０およびアノード集電体４０と異なっている。図５は、カソード集電体３０ａの平面図である。本実施例においては、カソード集電体３０ａを、カソードガスの流動方向に沿って６つの領域に分類した。６つの領域をカソードガスの上流側から順に、領域１４０、領域１５０、領域１６０、領域１７０、領域１８０および領域１９０とする。
【００３９】
本実施例においては、カソード集電体３０ａの断面積は、領域１４０〜領域１９０の順に低下する。それにより、酸素分圧の低下に併せてカソード集電体３０ａの断面積を小さくすることができる。その結果、所定の集電効率を確保しつつ、カソード集電体３０ａの軽量化を図ることができる。
【００４０】
なお、アノード集電体４０ａの断面積も、カソードガス入口５１側からカソードガス出口５２側にかけて段階的にまたは徐々に小さくしてもよい。この場合においても、所定の集電効率を確保しつつ、アノード集電体４０ａの軽量化を図ることができる。
【００４１】
なお、アノード集電体４０ａおよびカソード集電体３０ａの少なくとも一方が、膜−電極接合体２０の出力電流量の分布に応じて異なる断面積を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池１０の模式的斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池１０の側面図である。
【図３】図３は、実施例１に係るカソード集電体３０の平面図である。
【図４】図４は、実施例２に係る燃料電池１０ａの模式的斜視図である。
【図５】図５は、実施例２に係るカソード集電体３０ａの平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池
２０  膜−電極接合体
２１  電解質膜
２２  カソード触媒層
２３  アノード触媒層
３０  カソード集電体
３１，３２  ターミナル
４０  アノード集電体
４１，４２  ターミナル
５０  カソードセパレータ
５１  カソードガス入口
５２  カソードガス出口
５３  ガス流路
６０  アノードセパレータ
６１  アノードガス入口
６２  アノードガス出口
７０  ガスケット
【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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