(57)【要約】【課題】不純物トラップ機構が不純物によって目詰まりしてしまうことを解消する。【解決手段】複数の発電モジュール２を積層した燃料電池であって、各発電モジュール２に不純物トラップ機構１０を有している。不純物トラップ機構１０はＧＤＬ４２，４３あるいは流路形成部材２０のガス導入側の非発電領域に設けられた溝４によって構成されている。不純物トラップ機構１０は、更に溝４にガスを誘導する誘導部材５を有することが好ましく、溝４にガスが導入される導入口に形成されていることが好ましい。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電モジュールを積層した燃料電池において、
各発電モジュールに不純物トラップ機構を有し、
該不純物トラップ機構はＧＤＬあるいは流路形成部材のガス導入側の非発電領域に設けられた溝によって構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記不純物トラップ機構は、更に前記溝に前記ガスを誘導する誘導部材を有す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】
前記不純物トラップ機構は、前記溝に前記ガスが導入される導入口に形成されてい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】
前記溝は、当該溝の底部方向に前記ガスが流れる構造であって、尚かつ溝底部方向とは反対方向に前記ガスが流れる連通構造を有している、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記連通構造における前記溝底部に、粘着性物質が設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記複数の発電モジュールのすべてが前記不純物トラップ機構を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【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】
燃料電池において、発電モジュールである各燃料電池セルに供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）および冷媒などの流体に不純物が含まれていると、当該不純物は燃料電池を劣化させる原因となる場合がある。このような不純物としては、例えば、配管系鉄錆、ポンプのフッ素系樹脂の磨耗粉などがガス流中に含まれる水分中でイオンとなっているものや、イオンとならないで異物となっているもの等が挙げられる。一例として、イオンが触媒に付着すると触媒性能を低下させることがあるし、電解質膜中に入ると、プロトン移動に使われる分子にイオンが付くことによって、プロトンの膜中の移動を阻害する結果、燃料電池を劣化させることもある。
【０００３】
このような問題を回避するべく、従来、不純物を捕えるための不純物トラップ機構（例えばイオン交換樹脂など）を、発電モジュールとは別に設けた燃料電池が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３５１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、例えば、エアコンプレッサの摩耗粉のようなある程度体積を有する不純物が混入すると、不純物トラップ機構が目詰まりすることがあり、そうなってしまった場合に、発電モジュールにおいて圧損（流体流路の形状、流体流路の表面の滑らかさ等に起因して、当該流体が有する圧力などのエネルギーが消費されること、あるいは当該流体に作用する差圧のことをいう）が増加し、その後、ガスが流れやすい（圧損が低い）発電モジュールの発電部にも不純物が混入してしまい、発電が阻害されるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、不純物トラップ機構が不純物によって目詰まりしてしまうことを解消した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】
【０００７】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。仮に不純物トラップ機構が設けられていない場合には、より圧損の小さい発電モジュール（燃料電池セル）にガスが多く流れることとなるため、圧損の小さい発電モジュールほど不純物が多く混入するようになり、当該発電モジュールの性能低下が早まることもわかっているため、通常の設計においては、各発電モジュールの圧損を揃えるようにすることが一般的な対策といえる。
【０００８】
ところが、厳密に各発電モジュール（燃料電池セル）の圧損を揃えることは、以下の２つの理由により困難なことである。すなわち、１つめは、製造上の公差があるため、燃料電池毎、発電モジュール毎に圧損によるバラツキが存在するということである。また、２つめは、発電モジュールの発電時間が増えるにしたがい、拡散層が流路へ撓むといった事象が起こり、圧損が増加する発電モジュールが生じるということである。これらの理由からすると、各セルの圧損を均一とすることは効果的な解決手段たり得ない可能性が高い。
【０００９】
ここで、上記のような問題は、不純物自体が圧損上昇の原因となることに起因しており、不純物混入により圧損が増加しないか、あるいは増加しにくい構造にすることが解決手段たり得ると考えられた。以上の点に着目し、こういった観点からさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
【００１０】
本発明はかかる知見に基づくもので、複数の発電モジュールを積層した燃料電池において、各発電モジュールに不純物トラップ機構を有し、該不純物トラップ機構はＧＤＬあるいは流路形成部材のガス導入側の非発電領域に設けられた溝によって構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
不純物混入により圧損が増加しないかあるいは増加しにくい構造にするには、従来のような不純物トラップ機構を発電モジュールとは別に備えることにより、各発電モジュールで不純物をトラップする機構とすることが可能となる。このような着想に基づき、さらに昇華した本発明では、発電モジュール毎という観点で不純物トラップ機構を配置することで、不純物トラップ機構と発電モジュールとが別個にはしない構造としている。このような着想に基づく本発明の燃料電池によれば、すべての発電モジュールにおいて相対的に圧損が低下した発電モジュールには優先的に不純物がトラップされ、これによる圧損増加、という繰り返りが生じる。要は、発電モジュールの発電性能に影響しない部位に積極的に圧損上昇原因となる不純物を混入させることでセルの圧損を上昇させ、それ以上、不純物が混入しないようにしており、これによれば、不純物が混入した後であっても発電モジュール毎の圧損のバラツキが生じ難い。
【００１２】
本発明に係る燃料電池において、不純物トラップ機構は、更に溝にガスを誘導する誘導部材を有することが好ましい。
【００１３】
また、不純物トラップ機構は、溝にガスが導入される導入口に形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、溝は、当該溝の底部方向にガスが流れる構造であって、尚かつ溝底部方向とは反対方向にガスが流れる連通構造を有していることが好ましい。
【００１５】
また、連通構造における溝底部に、粘着性物質が設けられていることが好ましい。
【００１６】
さらに、複数の発電モジュールのすべてが不純物トラップ機構を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、不純物トラップ機構が不純物によって目詰まりしてしまうことを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池の構成例を示す図である。
【図２】燃料電池セル（発電モジュール）の内部構成の一例を示す部分拡大図である。
【図３】ＭＥＧＡ（膜−電極−拡散層接合体）の構成例を示す部分拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す、燃料電池セルの不純物トラップ機構を示す図である。
【図５】不純物トラップ機構の他の形態を示す図である。
【図６】不純物トラップ機構のさらに他の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１〜図６に本発明の実施形態を示す。以下に説明する実施形態においては、まず、燃料電池１を構成するセル（発電モジュール）２およびセル積層体３の概略構成について説明し、その後、不純物トラップ機構（不純物トラップモジュールとも呼ばれる）１０の構成について説明することとする。
【００２０】
図１〜図３に燃料電池１の概略構成を示す。本実施形態における燃料電池１は、電解質膜３１と、該電解質膜３１の両面に形成された電極触媒層であるアノード電極層（本明細書ではアノード触媒層という）３２およびカソード電極層（本明細書ではカソード触媒層という）３３と、各触媒層３２，３３に供給される反応ガスを拡散させるガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）４２，４３と、電解質膜３１、アノード触媒層３２、カソード触媒層３３およびガス拡散層４２，４３を挟持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）と、フレーム部材４０と、を備えるものである（図３等参照）。なお、図１〜図３には燃料電池１の一般的な構成を示し、磁気空中浮揚システム１０に関する構成については図４〜図６に示す。
【００２１】
燃料電池１を構成するセル２は、発電モジュールとして機能するもので、順次積層されることによってセル積層体３を構成する。このように形成されたセル積層体３は、その両端を例えばエンドプレート８で挟まれ、さらにこれら対向するエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される（図１参照）。
【００２２】
このようなセル積層体３においては、従来、セル積層方向の両端に、不純物トラップ機構をセル２（あるいはセル積層体３）とは別個に設ける場合があるが（図１中の符号１０’参照）、本実施形態では、後述するように、不純物トラップ機構を、このようにセル２（あるいはセル積層体３）とは別個に設けるのではなく、セル２に付随した機構として設けている。
【００２３】
上述のようなセル２が積層されたセル積層体３によって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとして用いることができる。また、場合によっては定置の燃料電池１として用いることも可能である。
【００２４】
セル２に含まれる電解質としては、膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）あるいは膜−電極−拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いることができる。例えば本実施形態では、膜−電極−拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡともいう）３０を用いている（図３等参照）。セル２は、このようなＭＥＧＡ（膜−電極−拡散層接合体）３０と、ＭＥＧＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図２、図３においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）とで構成されている（図２、図３参照）。ＭＥＧＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＧＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。さらに、ＭＥＧＡ３０と各セパレータ２０ａ，２０ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂとともに成形樹脂によってモールドされている（図２参照）。
【００２５】
ＭＥＧＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード触媒層およびカソード触媒層）３２，３３とで構成されている（図２、図３参照）。これらのうち、電解質膜３１は、各電極３２，３３よりも僅かに大きくなるように形成されている。ＭＥＧＡ３０を構成する電極３２，３３は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード触媒層）３２には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード触媒層）３３には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＧＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。
【００２６】
フレーム部材４０は、ＭＥＧＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（樹脂フレーム）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状のフレーム部材４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該フレーム部材４０によってＭＥＧＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている（図２参照）。このように設けられるフレーム部材４０は、締結力を支持するセパレータ２０ａ，２０ｂ間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０ａ，２０ｂの剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。
【００２７】
セパレータ２０ａ，２０ｂは、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２，３３側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。
【００２８】
また、セパレータ２０ａ，２０ｂは流路形成部材として機能するものであり、これらセパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれら酸化ガスのガス流路３４および水素ガスのガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図２参照）。なお、隣接するセル２，２のセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂは、それらの間における周辺の部分が成形樹脂によりモールドされるようになっている。
【００２９】
また、セル積層体３には、燃料電池１の運転状態を監視し制御するためにセル２の電圧を測定するためのセルモニタ（図示省略）が設けられている。燃料電池１においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われるようになっている。
【００３０】
続いて、燃料電池１における不純物トラップ機構１０について説明する（図４〜図６参照）。
【００３１】
不純物トラップ機構１０は、各セル２に供給される流体（燃料ガス、酸化ガス、あるいは冷媒）に含まれている不純物（配管系鉄錆、ポンプのフッ素系樹脂の磨耗粉などがガス流中に含まれる水分中でイオンとなっているものや、イオンとならないで異物となっているもの等）を捕えるための機構である。本実施形態では、このような不純物トラップ機構１０を、従来のようにセル２（あるいはセル積層体３）とは別個に設けるのではなく、セル２に付随した機構として設けている（図４等参照）。このような不純物トラップ機構１０は、すべてのセル２のそれぞれに設けられていることが好ましい。また、不純物トラップ機構１０は、セル２のアノード側、カソード側のいずれか一方に設けられていればよいが、アノード側とカソード側の両方に設けられていることが好ましい。
【００３２】
不純物トラップ機構１０は、上述したガス拡散層（ＧＤＬ）４２，４３に掘り込まれるように設けられた溝４によって構成することができる（図４、図５参照）。このような不純物トラップ機構１０は、当該溝４におけるガス拡散層４２，４３との絡み合いにより不純物を保持する効果がある。また、溝４は、セル２におけるガス導入口付近（酸化ガスや水素ガスがセル２に導入される部分の付近）に設けられていることが好ましく、セル２に混入した不純物を導入口付近で捕えることにより、セル２の内部に行き渡ることに起因する燃料電池１の性能低下をより低減することができる。
【００３３】
また、不純物トラップ機構１０には、溝４にガスを誘導する誘導部材を有することが好ましい。本実施形態では、セル２内に混入した不純物を含むガスを溝４に向けて誘導するように傾斜した板状の誘導部材５を流路（酸化ガスのガス流路３４あるいは水素ガスのガス流路３５）内に設けている（図４参照）。誘導部材５は、湾曲する面で構成されていてもよいし（図４参照）、面一の平板状であってもよい。また、いわゆるラスカット処理により形成されたラスカットメタル（エキスパンドメタル）における傾斜部の一部を誘導部材５として利用することもできる（図４参照）。あるいは、セパレータ２０ａ，２０ｂの、溝状の流路を構成する凸部を誘導部材５として機能させることもできる（図５参照）。
【００３４】
上述した溝４は、当該溝４の溝底部４ａにまでガスが流れることができる構造ないし形状となっている。また、溝底部４ａにまで流れたガスが、当該溝４の溝底部４ａの方向とは反対方向（つまり溝４の出入口ないし開口部に向けた方向）に連通するように流れる構造（連通構造）を有していることが好ましい（図４、図５参照）。
【００３５】
また、本実施形態では、上述のように連通構造とされた溝底部４ａに粘着性物質６を設けている（図４、図５参照）。粘着性物質６は粘着力を備えた物質で、該粘着機能によって溝４における不純物のトラップ機能（捕捉機能）を向上させるものである。
【００３６】
ここまで説明したごとき不純物トラップ機構１０が設けられた燃料電池１によれば、不純物トラップ機構１０が設けられた各セル２において不純物を捕捉することが可能となる。また、あるセル２において圧損低下が生じた場合、当該相対的に圧損が低下したセル２には他のセル２よりもガスが流れ込みやすくなり、優先的に不純物がトラップされる結果、これによって当該セル２における圧損増加が生じる、という繰り返りが起きる。要は、本実施形態の燃料電池１においては、発電モジュールとしてのセル２の発電性能に影響しない部位に、圧損上昇原因となる不純物を積極的に混入させることでセル２の圧損を上昇させ、それ以上、当該セル２には不純物が混入しないように調整することが可能となっており（自己圧損調整機能）、これによれば、不純物が混入した後であってもセル２間における圧損のバラツキが生じ難い状態となる。換言すれば、本実施形態の燃料電池１においては、各セル２の圧損を均一にするよりも、セル発電性能に影響しない部位に積極的に圧損上昇原因となる不純物を混入させることでセルの圧損を上昇させ、それ以上不純物が混入しないようにすることを可能としている。従来の燃料電池においては、セル（発電モジュール）とは別に設けられた発電モジュールが不純物によって目詰まりするおそれがあったが、本実施形態の燃料電池１によればこのような事態が解消される。
【００３７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態においては、ガス拡散層（ＧＤＬ）４２，４３に設けられた溝４によって構成された不純物トラップ機構１０を説明したが（図４、図５参照）、これは好適例にすぎない。この他、例えば、セパレータ（流路形成部材）２０ａ，２０ｂのガス導入側の非発電領域に設けられた溝（図６において符号２１で示す）によって不純物トラップ機構１０を構成することもできる（図６参照）。この場合には、ＭＥＧＡ３０のガス拡散層（ＧＤＬ）４２，４３に形成された突起などによって、溝２１にガスを誘導する誘導部材５が形成されていることが好ましい（図６参照）。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、複数の発電モジュールを積層した燃料電池に適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池、２…セル（発電モジュール）、３…セル積層体、４…ガス拡散層（ＧＤＬ）に設けられた溝、４ａ…溝底部、５…誘導部材、６…粘着性物質、１０（１０’）…不純物トラップ機構、１１…溝、１２…誘導部材、２０（２０ａ，２０ｂ）…セパレータ（流路形成部材）、２１…セパレータの溝、４２，４３…ガス拡散層（ＧＤＬ）
【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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