(57)【要約】      （修正有）【課題】カソード入口マニホールドの近傍で膜電極接合体の乾燥が抑制された燃料電池の提供。【解決手段】アノード側セパレータ４０ａが、膜電極ガス拡散層接合体側に凹凸が交互に並んで画定された複数の溝４３，４５を有する燃料ガス流路Ｇａと、燃料ガスが流通する燃料ガス入口マニホールドａ３及び燃料ガス出口マニホールドａ４と、を含み、燃料ガス出口マニホールドａ４が、酸化剤ガス出口マニホールドｃ４よりも酸化剤ガス入口マニホールドｃ３に近く、冷媒流路の複数の溝４４，４６の幅が、酸化剤ガス入口マニホールドｃ３の近傍の領域の方が離れた領域よりも広く、燃料ガス流路Ｇａが、酸化剤ガス入口マニホールドｃ３の近傍の領域に、燃料ガス流路Ｇａの溝４３を塞ぐ閉塞部４３１を備える燃料電池１。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を一対のガス拡散層で挟んだ膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体を挟むカソード側セパレータ及びアノード側セパレータと、を備え、
前記アノード側セパレータは、前記膜電極ガス拡散層接合体側に凹凸が交互に並んで画定された複数の溝を有する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路の裏側に前記複数の溝と表裏一体である複数の溝を有する冷媒流路と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス入口マニホールド及び酸化剤ガス出口マニホールドと、燃料ガスが流通する燃料ガス入口マニホールド及び燃料ガス出口マニホールドと、を含み、
前記燃料ガス出口マニホールドは、前記酸化剤ガス出口マニホールドよりも前記酸化剤ガス入口マニホールドに近く、
前記冷媒流路の前記複数の溝の幅は、前記酸化剤ガス入口マニホールドの近傍の領域の方が離れた領域よりも広く、
前記燃料ガス流路は、前記酸化剤ガス入口マニホールドの近傍の領域に、当該燃料ガス流路の前記溝を塞ぐ閉塞部を備える、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】
燃料電池には、膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層を挟むアノード側セパレータとカソード側セパレータとを備えている。カソード側セパレータには、カソード入口マニホールドと、カソードガス流路とが形成されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２５１７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
酸化剤ガスは、カソード入口マニホールドからカソードガス流路へ流れる。ここで、カソード入口マニホールドの近傍では、発電反応による生成水の量は少なく、カソード側のガス拡散層を通過するカソードガスの流速も比較的速くなりやすい。このため、カソード入口マニホールドの近傍での膜電極接合体の乾燥が促進されて、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、カソード入口マニホールドの近傍で膜電極接合体の乾燥が抑制され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】
【０００６】
上記目的は、膜電極接合体を一対のガス拡散層で挟んだ膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体を挟むカソード側セパレータ及びアノード側セパレータと、を備え、前記アノード側セパレータは、前記膜電極ガス拡散層接合体側に凹凸が交互に並んで画定された複数の溝を有する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路の裏側に前記複数の溝と表裏一体である複数の溝を有する冷媒流路と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス入口マニホールド及び酸化剤ガス出口マニホールドと、燃料ガスが流通する燃料ガス入口マニホールド及び燃料ガス出口マニホールドと、を含み、前記燃料ガス出口マニホールドは、前記酸化剤ガス出口マニホールドよりも前記酸化剤ガス入口マニホールドに近く、前記冷媒流路の前記複数の溝の幅は、前記酸化剤ガス入口マニホールドの近傍の領域の方が離れた領域よりも広く、前記燃料ガス流路は、前記酸化剤ガス入口マニホールドの近傍の領域に、当該燃料ガス流路の前記溝を塞ぐ閉塞部を備える、燃料電池によって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
カソード入口マニホールドの近傍で膜電極接合体の乾燥が抑制された燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池の単セルの断面図である。
【図２】図２は、カソード側セパレータをＭＥＧＡ側から見た図である。
【図３】図３は、アノード側セパレータをＭＥＧＡ側から見た図である。
【図４】図４は、第１変形例のアノード側セパレータをＭＥＧＡ側から見た図である。
【図５】図５は、第２変形例のアノード側セパレータをＭＥＧＡ側から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、単セル２が複数積層された燃料電池１の部分断面図である。この燃料電池１は、反応流体である燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を挟持するアノード側セパレータ４０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃ（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃ（以下、拡散層と称する）と、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。
【００１０】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。
【００１１】
拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。
【００１２】
セパレータ２０ｃ及び４０ａのそれぞれは、導電性の金属板をプレス成型することにより、反応ガスが流通する流路と冷媒が流通する流路とが表裏一体に形成されている。これにより、セパレータ２０ｃ及び４０ａの薄型化されている。
【００１３】
具体的には、セパレータ２０ｃは、断面視で凹凸が交互に並んだ形状であり、触媒層１４ｃ側には、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝２３と、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝２５とが形成されている。また、触媒層１４ｃとは反対側には、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝２４と、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝２６とが形成されている。溝２３及び２５と、溝２４及び２６とは表裏一体に形成されている。ここで、溝２３及び２５には酸化剤ガスが流通し、溝２４及び２６には冷媒が流通する。従って、冷媒が流通する溝２４は交互に並んだ溝２３を仕切る隔壁として機能し、冷媒が流通する溝２６は交互に並んだ溝２５を仕切る隔壁として機能する。このため、溝２３の幅Ｌ２３は互いに隣接する溝２４同士の間隔に相当し、同様に、溝２４の幅Ｌ２４は互いに隣接する溝２３同士の間隔に相当し、溝２５の幅Ｌ２５は互いに隣接する溝２６同士の間隔に相当し、溝２６の幅Ｌ２６は互いに隣接する溝２５同士の間隔に相当する。幅Ｌ２５及びＬ２６はほぼ同じ幅であるが、幅Ｌ２４は、幅Ｌ２３、Ｌ２５、及びＬ２６のそれぞれよりも広い。幅Ｌ２３は、幅Ｌ２４、Ｌ２５、及びＬ２６のそれぞれよりも狭い。
【００１４】
同様に、セパレータ４０ａは、断面視で凹凸が交互に並んだ形状であり、触媒層１４ａ側には、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝４３と、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝４５とが形成されている。また、触媒層１４ａとは反対側には、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝４４と、所定の間隔をあけて互いに隣接した複数の溝４６とが形成されている。溝４３及び４５と、溝４４及び４６とは表裏一体に形成されている。ここで、溝４３及び４５には燃料ガスが流通し、溝４４及び４６には冷媒が流通する。従って、冷媒が流通する溝４４は交互に並んだ溝４３を仕切る隔壁として機能し、冷媒が流通する溝４６は交互に並んだ溝４５を仕切る隔壁として機能する。このため、溝４３の幅Ｌ４３は互いに隣接する溝４４同士の間隔に相当し、同様に、溝４４の幅Ｌ４４は互いに隣接する溝４３同士の間隔に相当し、溝４５の幅Ｌ４５は互いに隣接する溝４６同士の間隔に相当し、溝４６の幅Ｌ４６は互いに隣接する溝４５同士の間隔に相当する。幅Ｌ４５及びＬ４６はほぼ同じ幅であるが、幅Ｌ４４は、Ｌ４３、Ｌ４５、及びＬ４６のそれぞれよりも広い。幅Ｌ４３は、幅Ｌ４４、Ｌ４５、及びＬ４６のそれぞれよりも狭い。
【００１５】
次に、セパレータ２０ｃについて説明する。図２は、セパレータ２０ｃをＭＥＧＡ１０側から見た図である。セパレータ２０ｃには、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス入口マニホールドｃ１及び排出される酸化剤ガス出口マニホールドｃ２、冷媒が供給される冷媒入口マニホールドｗ１及び排出される冷媒出口マニホールドｗ２、燃料ガスが供給される燃料ガス入口マニホールドａ１及び排出される燃料ガス出口マニホールドａ２が形成されている。詳しくは後述するが、セパレータ４０ａにも同様のマニホールドが形成されている。
【００１６】
また、セパレータ２０ｃには、拡散層１６ｃを介してＭＥＡ１１に対向し酸化剤ガス入口マニホールドｃ１側から酸化剤ガス出口マニホールドｃ２側に延びた酸化剤ガス流路Ｇｃ、酸化剤ガスを酸化剤ガス入口マニホールドｃ１から酸化剤ガス流路Ｇｃに分配する分配部２１、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路Ｇｃから酸化剤ガス出口マニホールドｃ２にかけて合流させる合流部２９、が形成されている。酸化剤ガス流路Ｇｃは、セパレータ２０ｃの略中央部に形成され、酸化剤ガス入口マニホールドｃ１側から酸化剤ガス出口マニホールドｃ２側に延び、上述した複数の溝２３及び２５を有している。尚、溝２３及び２５に表裏一体に形成された溝２４及び２６は、冷媒流路を画定する。ここで溝２３及び２５が延びた方向を長さ方向ＬＤとし、溝２３及び２５が並んだ方向であって長さ方向ＬＤに垂直な方向を幅方向ＷＤとする。溝２３〜２６は、分配部２１から合流部２９に向けて互いに平行に延びている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールドｃ１から分配部２１、酸化剤ガス流路Ｇｃの溝２３及び溝２５、合流部２９、酸化剤ガス出口マニホールドｃ２へと流れる。冷媒は、冷媒入口マニホールドｗ１から図２の分配部２１の裏側を流れ、冷媒流路の溝２４及び２６、合流部２９の裏側、冷媒出口マニホールドｗ２へと流れる。
【００１７】
図２では、酸化剤ガス入口マニホールドｃ１に近い近傍領域ＣＲを破線で囲って示している。図２では、上方側に幅狭の溝２３及び幅広の溝２４が形成され、下方側に略同じ幅の溝２５及び２６が形成されている。即ち、近傍領域ＣＲにおいて、幅広の溝２４が形成されている。これにより、近傍領域ＣＲにおいて、溝２４を流通する冷媒の流量を確保することができる。よって、近傍領域ＣＲの温度を効果的に低下させて相対湿度を確保することができ、近傍領域ＣＲに対応するＭＥＡ１１の領域での乾燥を抑制することができる。
【００１８】
次に、セパレータ４０ａについて説明する。図３は、セパレータ４０ａをＭＥＧＡ１０側から見た図である。セパレータ４０ａには、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス入口マニホールドｃ３及び排出される酸化剤ガス出口マニホールドｃ４、冷媒が供給される冷媒入口マニホールドｗ３及び排出される冷媒出口マニホールドｗ４、燃料ガスが供給される燃料ガス入口マニホールドａ３及び排出される燃料ガス出口マニホールドａ４が形成されている。上述したセパレータ２０ｃの各マニホールドとセパレータ４０ａのこれらマニホールドとがそれぞれ連通する。
【００１９】
セパレータ４０ａには、拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１に対向し燃料ガス入口マニホールドａ３側から燃料ガス出口マニホールドａ４側に延びた燃料ガス流路Ｇａ、燃料ガスを燃料ガス入口マニホールドａ３から燃料ガス流路Ｇａに分配する分配部４１、燃料ガスを燃料ガス流路Ｇａから燃料ガス出口マニホールドａ４にかけて合流させる合流部４９、が形成されている。燃料ガス流路Ｇａは、セパレータ４０ａの略中央部に形成され、燃料ガス入口マニホールドａ３側から燃料ガス出口マニホールドａ４側に延び、上述した複数の溝４３及び４５を有している。尚、溝４３及び４５に表裏一体に形成された溝４４及び４６は、冷媒流路を画定する。上述した場合と同様に、溝４３及び４５が延びた方向を長さ方向ＬＤとし、溝４３及び４５が並んだ方向であって長さ方向ＬＤに垂直な方向を幅方向ＷＤとする。溝４３〜４６は、分配部４１から合流部４９に向けて互いに平行に延びている。燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールドａ３から分配部４１、燃料ガス流路Ｇａの溝４３及び４５、合流部４９、燃料ガス出口マニホールドａ４へと流れる。冷媒は、冷媒入口マニホールドｗ３から図３の合流部４９の裏側の裏側を流れ、冷媒流路の溝４４及び４６、分配部４１の裏側、冷媒出口マニホールドｗ４へと流れる。
【００２０】
燃料ガス出口マニホールドａ４は、酸化剤ガス出口マニホールドｃ４よりも酸化剤ガス入口マニホールドｃ３に近い。また、燃料ガス入口マニホールドａ３は、酸化剤ガス入口マニホールドｃ３よりも酸化剤ガス出口マニホールドｃ４に近い。同様に、図２に示したようにセパレータ２０ｃについても、燃料ガス出口マニホールドａ２は酸化剤ガス出口マニホールドｃ２よりも酸化剤ガス入口マニホールドｃ１に近く、燃料ガス入口マニホールドａ１は酸化剤ガス入口マニホールドｃ１よりも酸化剤ガス出口マニホールドｃ２に近い。このため、本実施例の燃料電池１の単セル２では、燃料ガスが流れる燃料ガス流路Ｇａの下流側が、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路Ｇｃの上流側に対応する。
【００２１】
図３においても、酸化剤ガス入口マニホールドｃ３に近い近傍領域ＣＲを破線で囲って示している。図３では、上方側に幅狭の溝４３及び幅広の溝４４が形成され、下方側に略同じ幅の溝４５及び４６が形成されている。即ち、近傍領域ＣＲにおいて、幅広の溝４４が形成されている。これにより、近傍領域ＣＲにおいて、溝４４を流通する冷媒の流量を確保することができる。よって、近傍領域ＣＲの温度を効果的に低下させて相対湿度を確保することができ、近傍領域ＣＲに対応するＭＥＡ１１の領域での乾燥を抑制することができる。
【００２２】
また、図３に示すように、燃料ガスの下流側には溝４３を塞ぐ閉塞部４３１と、上流側に溝４３を塞ぐ閉塞部４３２とが、複数の溝４３に交互に設けられている。ここで、閉塞部４３１は近傍領域ＣＲ内に設けられている。このため、燃料ガス入口マニホールドａ３から流れた燃料ガスが溝４３を流れて閉塞部４３１に衝突して、拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１近傍を流れることを促進することができる。これにより、例えば溝４３内に滞留している生成水などを、燃料ガスを利用してアノード側から近傍領域ＣＲに対応するＭＥＡ１１へ供給することができる。このような作用によっても、近傍領域ＣＲに対応するＭＥＡ１１の領域での乾燥を抑制することができる。尚、溝４５にも閉塞部４５１及び４５２が設けられている。
【００２３】
また、上述したように近傍領域ＣＲでは幅広の溝４４が形成されていることに伴って、幅狭の溝４３が形成されている。このため、幅狭の溝４３を流れる燃料ガスの流量が低下して溝４３から拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１に拡散される燃料ガスの流量も低下すると考えられる。しかしながら近傍領域ＣＲにおいて閉塞部４３１が形成されているため、閉塞部４３１に衝突した燃料ガスを、拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１側へと拡散できる。よって、幅狭の溝４３が形成されたことに伴う燃料ガスの拡散性の低下が抑制されている。
【００２４】
尚、セパレータ４０ａと同様に、セパレータ２０ｃにも閉塞部を設けてもよい。また、セパレータ２０ｃに閉塞部を設けた場合、隣接する溝２３間に、酸化剤ガスの流通を許容する微細溝を形成してもよい。
【００２５】
次にアノード側セパレータの複数の変形例について説明する。以下の複数の変形例では、上記実施例と同じ構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。まず、第１変形例のセパレータ４０ａａについて説明する。図４は、第１変形例のセパレータ４０ａａをＭＥＧＡ１０側から見た図である。流路Ｇａａには、図４において上方側の溝４３ａ及び４４ａが形成されている。溝４３ａは、近傍領域ＣＲで幅狭となった幅狭部４３ａ１を有している。溝４４ａは、近傍領域ＣＲで幅広となった幅広部４４ａ１を有している。近傍領域ＣＲ以外での溝４３ａ及び４４ａは、互いにほぼ同じ幅であって、溝４５や溝４６ともほぼ同じ幅である。このように溝４３ａ及び４４ａの近傍領域ＣＲにのみ、幅広部４４ａ１が形成されていても、冷媒の流量を確保でき、近傍領域ＣＲに対応するＭＥＡ１１の部分の乾燥を抑制できる。また、近傍領域ＣＲ以外の溝４３ａ、即ち燃料ガスの上流側での溝４３ａの幅は、下流側の幅狭部４３ａ１よりも幅広に形成されている。このように溝４３ａの幅狭の部分が一部分のみに設けられているため、溝４３ａの上流側を流れる燃料ガスの流量を確保できる。
【００２６】
次に第２変形例であるセパレータ４０ａｂについて説明する。図５は、第２変形例のセパレータ４０ａｂをＭＥＧＡ側から見た図である。酸化剤ガス入口マニホールドｃ３ｂ及び酸化剤ガス出口マニホールドｃ４ｂは、燃料ガス流路Ｇａｂを幅方向ＷＤで挟む位置に設けられている。燃料ガス入口マニホールドａ３及び燃料ガス出口マニホールドａ４や、冷媒入口マニホールドｗ３ｂ及び冷媒出口マニホールドｗ４ｂは、燃料ガス流路Ｇａｂを長さ方向ＬＤで挟む位置に設けられている。カソード側セパレータの各マニホールドも、図５に示したセパレータ４０ａｂの各マニホールドに対応する位置に設けられている。尚、酸化剤ガス入口マニホールドｃ３ｂ及び酸化剤ガス出口マニホールドｃ４ｂはそれぞれ３つ設けられており、冷媒入口マニホールドｗ３ｂ及び冷媒出口マニホールドｗ４ｂはそれぞれ２つ設けられているが、これに限定されない。
【００２７】
第２変形例においても、燃料ガス出口マニホールドａ４は、酸化剤ガス出口マニホールドｃ４ｂよりも酸化剤ガス入口マニホールドｃ３ｂに近く、燃料ガス入口マニホールドａ３は、酸化剤ガス入口マニホールドｃ３ｂよりも酸化剤ガス出口マニホールドｃ４ｂに近い。このため、燃料ガスの下流側が酸化剤ガスの上流側に対応する。
【００２８】
酸化剤ガス入口マニホールドｃ３ｂの近傍の近傍領域ＣＲｂにおいて、溝４３及び４４が形成されている。このため、近傍領域ＣＲｂにおいて、溝４４を流通する冷媒の流量を確保することができ、近傍領域ＣＲｂの温度を効果的に低下させて相対湿度を確保して、近傍領域ＣＲｂに対応するＭＥＡの領域での乾燥を抑制することができる。また、閉塞部４３１及び４３２は近傍領域ＣＲｂ内に設けられているので、燃料ガスを利用してアノード側から近傍領域ＣＲｂに対応するＭＥＡへ生成水を供給することができる。このような作用によっても、近傍領域ＣＲｂに対応するＭＥＡの領域での乾燥を抑制することができる。
【００２９】
上記実施例及び変形例では、拡散層は繊維基材で成形されたものであるが、これに限定されず、例えば切り曲げ加工により形成されたエキスパンド部が形成された金属多孔質体であってもよい。
【００３０】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池
２  単セル
１０  ＭＥＧＡ
１１  ＭＥＡ
２０ｃ  カソード側セパレータ
２３〜２６、４３〜４６、溝
４０ａ  アノード側セパレータ
【図１】
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【図２】
2018073748.tif 000004
【図３】
2018073748.tif 000005
【図４】
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【図５】
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