(57)【要約】【課題】電解質膜・電極構造体に良好にガスを供給でき、しかも、電極触媒層の面内方向にガス濃度のばらつきが生じることを抑制できるため、優れた発電効率を示す燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１０のセパレータ１４にはガス供給流路５０とガス排出流路５２とが交互に複数並設される。ガス供給流路５０は一端が閉塞するとともに他端にガスが供給される供給開口５４を備え、供給開口５４から供給されたガスを吐出する供給孔２４が電解質膜・電極構造体１２に臨む側壁に所定の間隔をおいて複数設けられる。ガス排出流路５２は一端が閉塞するとともに他端にガスを排出する排出開口５６を備え、供給孔２４から吐出されたガスが流入する排出孔２６が電解質膜・電極構造体１２に臨む側壁に所定の間隔をおいて複数設けられる。一つの供給孔２４に隣接する四つの排出孔２６による方形Ｓにおいて短辺に対する長辺の長さの比が１．００〜１．３３である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜・電極構造体に臨むセパレータを備える燃料電池であって、
前記セパレータは、
一端が閉塞するとともに他端にガスが供給される供給開口を備え、前記供給開口から供給された前記ガスを吐出する供給孔が前記電解質膜・電極構造体に臨む側壁に所定の間隔をおいて複数設けられたガス供給流路と、
一端が閉塞するとともに他端に前記ガスを排出する排出開口を備え、前記供給孔から吐出された前記ガスが流入する排出孔が前記電解質膜・電極構造体に臨む側壁に所定の間隔をおいて複数設けられたガス排出流路と、を備え、
前記ガス供給流路と前記ガス排出流路とは交互に複数並設され、
一つの前記供給孔に隣接する四つの前記排出孔による方形において、短辺に対する長辺の長さの比が１．００〜１．３３であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記供給孔は前記方形の対角線の交点の位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、
前記供給孔及び前記排出孔の少なくとも何れか一方は平面視で円形状であることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、
複数の前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路のそれぞれの前記電解質膜・電極構造体に臨む前記側壁を一体に形成する板部材と、
前記板部材が重ね合わされることで、前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路を構成する複数のガス供給流路溝及びガス排出流路溝が交互に複数並設された溝板部材と、
を有す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、電解質膜・電極構造体に臨むセパレータを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の燃料電池の単位セルは、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を一組のセパレータによって挟持することで構成される（例えば、特許文献１）。電解質膜・電極構造体は電解質高分子からなる電解質膜の両面に、触媒を備えた電極触媒層と、電極触媒層に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス拡散層とが積層されて構成される。
【０００３】
セパレータにはガス流路が設けられている。ガス流路はガス拡散層に沿って延在し、このガス流路を流れる前記ガスがガス拡散層に拡散していき、さらに電極触媒層に到達する。電極触媒層では電気化学反応が生じ、発電が行われる。
【０００４】
しかしながら、上記のようにガス拡散層に沿って延在するガス流路では、例えば、前記電気化学反応に伴う生成水等がガス拡散層に滞留した場合、ガス流路からのガスの拡散が妨げられてしまう虞がある。この場合、ガスがガス拡散層に供給されることなくガス流路を通過し、単位セル内から排出されてしまうことになり、その結果、燃料電池の発電効率が低下してしまう懸念がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献２には、ガス拡散層に前記生成水等が滞留しているか否かに関わらず、電解質膜・電極構造体の積層方向に沿ってガスを供給することが可能なセパレータを備える燃料電池が提案されている。具体的には、このセパレータには、延在方向の一端が閉塞し且つ他端が開口した角筒状のガス供給流路及びガス排出流路が複数並設されている。このガス供給流路及びガス排出流路のガス拡散層に臨む側壁には、矩形状の供給孔及び排出孔がそれぞれ設けられている。
【０００６】
このように、一端が閉塞したガス供給流路に対して、他端の開口からガスを供給して内圧を高めることで、該ガス供給流路に供給したガスのほぼ全てを、供給孔を介して電解質膜・電極構造体の積層方向に沿って供給することができる。このようにして供給孔から電解質膜・電極構造体に供給されたガスのうち、電極触媒層内の電気化学反応により消費されなかった残余のガス等は、排出孔を介してガス排出流路に流入し、該排出流路の開口から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５０４２６１８号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、電解質膜・電極構造体の積層方向に沿ってガスを供給する場合、供給孔及び排出孔の配置によっては電極触媒層の供給孔近傍に比して、排出孔近傍のガス濃度が低くなるため、該排出孔近傍で十分に電気化学反応を生じさせることが困難になる。つまり、電極触媒層の面内方向に生じるガス濃度のばらつきにより、燃料電池の発電効率が低下してしまう懸念がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、電解質膜・電極構造体に良好にガスを供給でき、しかも、電極触媒層の面内方向にガス濃度のばらつきが生じることを抑制できるため、優れた発電効率を示す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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、電解質膜・電極構造体に臨むセパレータを備える燃料電池であって、前記セパレータは、一端が閉塞するとともに他端にガスが供給される供給開口を備え、前記供給開口から供給された前記ガスを吐出する供給孔が前記電解質膜・電極構造体に臨む側壁に所定の間隔をおいて複数設けられたガス供給流路と、一端が閉塞するとともに他端に前記ガスを排出する排出開口を備え、前記供給孔から吐出された前記ガスが流入する排出孔が前記電解質膜・電極構造体に臨む側壁に所定の間隔をおいて複数設けられたガス排出流路と、を備え、前記ガス供給流路と前記ガス排出流路とは交互に複数並設され、一つの前記供給孔に隣接する四つの前記排出孔による方形において、短辺に対する長辺の長さの比が１．００〜１．３３であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池では、一端が閉塞したガス供給流路に対して、他端の供給開口からガスを供給することで、該ガス供給流路の内圧を高めて、供給孔から吐出するガスの圧力を増大させることができる。これによって、例えば、電極触媒層での電気化学反応に伴う生成水等がガス拡散層に滞留しているか否かに関わらず、ガス供給流路に供給されたガスのほぼ全てを電解質膜・電極構造体の積層方向に沿って良好に供給することができる。
【００１２】
この際、一つの前記排出孔に隣接する四つの前記供給孔による方形において、短辺に対する長辺の長さの比が１．００〜１．３３となるように、供給孔の配置が調整されている。なお、ここでは、前記長さの比が１．００となり、前記方形が正方形からなる場合も、説明の便宜上、該方形の一辺を短辺といい、他辺を長辺という。すなわち、短辺と長辺とは互いに同じ長さであってもよい。供給孔から吐出されたガスは球面波として電解質膜・電極構造体中を拡散していくため、上記の条件となるように供給孔を配置することで、電極触媒層の面内方向に生じるガス濃度のばらつきを十分に低減することができる。すなわち、電極触媒層内で電気化学反応を効果的に生じさせることが可能となる。
【００１３】
以上から、本発明に係る燃料電池によれば、電極触媒層に対して、その面内方向にガス濃度のばらつきが生じることを抑制しつつ良好にガスを供給して電気化学反応を促進することができるため、発電効率を向上させることができる。
【００１４】
上記の燃料電池において、前記供給孔は前記方形の対角線の交点の位置に配置されていることが好ましい。この場合、電極触媒層の供給孔近傍と排出孔近傍との間におけるガス濃度のばらつきを一層良好に低減することができるため、電極触媒層全体における電気化学反応を促して、燃料電池の発電効率のさらなる向上を図ることが可能になる。
【００１５】
上記の燃料電池において、前記供給孔及び前記排出孔の少なくとも何れか一方は平面視で円形状であることが好ましい。この場合、上記の通り、球面波として拡散するガスを、供給孔又は排出孔を介して一層円滑に流通させることが可能になり、電極触媒層での電気化学反応を促進させることができるため、燃料電池の発電効率のさらなる向上を図ることが可能になる。
【００１６】
上記の燃料電池において、前記セパレータは、複数の前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路のそれぞれの前記電解質膜・電極構造体に臨む前記側壁を一体に形成する板部材と、前記板部材が重ね合わされることで、前記ガス供給流路及び前記ガス排出流路を構成する複数のガス供給流路溝及びガス排出流路溝が交互に複数並設された溝板部材と、を有することが好ましい。この場合、複数のガス供給流路及びガス排出流路を有するセパレータを、簡素な構成によって容易に得ることができ、ひいては、燃料電池の製造コストを低減すること等が可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池では、一端が閉塞し、他端に供給開口が設けられ、電解質膜・電極構造体に臨む側壁に複数の供給孔が設けられたガス供給流路に対して、該供給開口からガスを供給する。これによって、ガス供給流路の内圧を高めて、供給孔から吐出するガスの圧力を増大させることができるため、該ガス供給流路に供給されたガスのほぼ全てを電解質膜・電極構造体に、その積層方向に沿って良好に供給することができる。
【００１８】
また、一つの前記供給孔に隣接する四つの前記排出孔による方形において、短辺に対する長辺の長さの比が１．００〜１．３３となるように配置されている。このため、上記のように、供給孔から電解質膜・電極構造体の積層方向に沿ってガスを供給しても、電極触媒層の面内方向にガス濃度のばらつきが生じることを抑制して、電気化学反応を効果的に生じさせることができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】図１のセパレータの板部材側の正面図である。
【図３】第１線分Ｌ１（短辺）に対する第２線分Ｌ２（長辺）の比（長辺／短辺）と、燃料電池のセル電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る燃料電池につき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１０の単位セルは、電解質膜・電極構造体１２と、電解質膜・電極構造体１２の一方の面に臨むセパレータ１４と、電解質膜・電極構造体１２の他方の面に臨む不図示のセパレータとを有する。なお、不図示のセパレータは、セパレータ１４とほぼ同様に構成されるため、以下では、セパレータ１４の説明をもって不図示のセパレータの説明を省略する。
【００２２】
電解質膜・電極構造体１２は、電解質高分子からなる電解質膜と、該電解質膜の両面にそれぞれ電極反応の反応場となる電極触媒層と、該電極触媒層の各々に燃料ガスや酸化剤ガス等のガスを拡散して供給するガス拡散層とが積層されて構成される。すなわち、電解質膜の両側に電極触媒層が配設され、さらに該電極触媒層の両側にガス拡散層が配設される。なお、電解質膜・電極構造体１２の各構成要素についての図示は省略する。
【００２３】
セパレータ１４は、例えば、鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、めっき処理鋼、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属や、カーボン等からなる矩形状であり、板部材２０及び溝板部材２２を有する。板部材２０は、電解質膜・電極構造体１２のガス拡散層に臨み、複数の供給孔２４及び排出孔２６が後述するように貫通形成されている。
【００２４】
溝板部材２２は、該溝板部材２２の短辺方向に沿って延在する複数のガス供給流路溝３２及びガス排出流路溝３４が、該溝板部材２２の長辺方向に所定の間隔をおいて交互に複数並設される。また、溝板部材２２の短辺方向の一端側にはガス供給口４０が設けられ、該ガス供給口４０は、該溝板部材２２の長辺方向に沿って延在するガス供給連通路４２を介して複数のガス供給流路溝３２のそれぞれと連通する。一方、溝板部材２２の短辺方向の他端側にはガス排出口４４が設けられ、該ガス排出口４４は、該溝板部材２２の長辺方向に沿って延在するガス排出連通路４６を介して複数のガス排出流路溝３４のそれぞれと連通する。
【００２５】
図２に示すように、板部材２０と溝板部材２２とは、供給孔２４がガス供給流路溝３２に臨み、且つ排出孔２６がガス排出流路溝３４に臨むように重ね合わされた状態で位置決め固定される。これによって、ガス供給流路溝３２と板部材２０との間にガス供給流路５０が形成され、ガス排出流路溝３４と板部材２０との間にガス排出流路５２が形成される。
【００２６】
すなわち、電解質膜・電極構造体１２に臨むガス供給流路５０及びガス排出流路５２の側壁は、板部材２０によって一体的に形成される。また、ガス供給流路５０及びガス排出流路５２は、セパレータ１４の短辺方向に沿って延在し、且つセパレータ１４の長辺方向に所定の間隔をおいて交互に複数配設される。
【００２７】
ガス供給流路５０は、一端が閉塞し且つ他端にガス供給連通路４２を介してガス供給口４０と連通する供給開口５４が設けられる。このため、ガス供給口４０からガス供給連通路４２に供給された燃料ガスや酸化剤ガス等のガス（以下、単にガスともいう）は、供給開口５４を介してガス供給流路５０内に流入する。ガス排出流路５２は、一端が閉塞し且つ他端にガス排出連通路４６を介してガス排出口４４と連通する排出開口５６が設けられる。ガス排出流路５２内のガスは、排出開口５６を介してガス排出連通路４６に流通し、ガス排出口４４からセパレータ１４の外部へと排出される。
【００２８】
供給孔２４は、例えば、平面視で直径がほぼ０．１〜３．０ｍｍの円形状であり、複数のガス供給流路５０のそれぞれの延在方向に所定の間隔（〜２０ｍｍ）をおいて複数配設される。これによって、ガス供給流路５０内のガスは、供給孔２４を介して電解質膜・電極構造体１２の積層方向に沿って吐出されることが可能となっている。
【００２９】
排出孔２６は、例えば、平面視で直径がほぼ０．１〜３．０ｍｍの円形状であり、複数のガス排出流路５２のそれぞれの延在方向に所定の間隔（〜２０ｍｍ）をおいて複数配設される。これによって、電解質膜・電極構造体１２に供給されたガスのうち、電極触媒層での電気化学反応で消費されなかった残余のガス等が排出孔２６を介してガス排出流路５２に流入することが可能になっている。
【００３０】
すなわち、供給孔２４及び排出孔２６は、板部材２０に格子点状に配置される。具体的には、一つの供給孔２４を囲んで隣接する四つの排出孔２６、２６、２６、２６を頂点とする方形Ｓの短辺（図２における第１線分Ｌ１）に対する、長辺（図２における第２線分Ｌ２）の長さの比が１．００〜１．３３となるように設定される。また、前記方形Ｓの対角線の交点となる位置に供給孔２４が設けられる。なお、ここでは、前記長さの比が１．００となり、方形Ｓが正方形からなる場合も、説明の便宜上、該方形Ｓの一辺（第１線分Ｌ１）を短辺といい、他辺（第２線分Ｌ２）を長辺という。すなわち、短辺と長辺とは互いに同じ長さであってもよい。
【００３１】
基本的には上記のように構成される燃料電池１０について、その動作との関係で作用効果を説明する。
【００３２】
先ず、ガス供給口４０から、ガス供給連通路４２にガスが供給される。このガスは、供給開口５４を介してガス供給流路５０にそれぞれ導入される。ガス供給流路５０では、その一端が閉塞するため、供給開口５４に比して小径の供給孔２４のみがガスの出口となる。このため、ガス供給流路５０内で圧力が高められたガスが供給孔２４から吐出される。これによって、例えば、前記電気化学反応に伴う生成水等がガス拡散層に滞留しているか否かに関わらず、ガス供給流路５０に供給されたガスのほぼ全てを供給孔２４から電解質膜・電極構造体１２の積層方向に沿って良好に供給することができる。
【００３３】
このようにして供給孔２４から供給されたガスは、ガス拡散層でさらに拡散されつつ電極触媒層に到達し、該電極触媒層内での電気化学反応により消費される。この際、第１線分Ｌ１に対する第２線分Ｌ２の比が上記の範囲となるように排出孔２６の配置が設定され、排出孔２６、２６、２６、２６に対して上記のように供給孔２４が設けられている。また、供給孔２４及び排出孔２６が平面視で円形状である。これらによって、球面波であるガスを電解質膜・電極構造体１２中に円滑に流通させて効果的に拡散させることができるため、電極触媒層の供給孔２４近傍と排出孔２６近傍との間におけるガス濃度のばらつきを良好に低減することができる。
【００３４】
したがって、上記のように、電解質膜・電極構造体１２に良好にガスを供給するべく、その積層方向に沿ってガスを供給しても、電極触媒層の面内方向にガス濃度のばらつきが生じることを抑制して、電極触媒層全体における電気化学反応を促すことができる。これによって、燃料電池１０の発電効率を向上させることが可能になる。
【００３５】
一方、供給孔２４から電解質膜・電極構造体１２に供給されたガスのうち、電気化学反応により消費されなかった残余のガス等は、排出孔２６を介してガス排出流路５２に流入し、排出開口５６及びガス排出連通路４６を介して、ガス排出口４４からセパレータ１４の外部へ排出される。これによって、電解質膜・電極構造体１２に対して良好にガスを供給することができる。
【００３６】
また、この燃料電池１０では、セパレータ１４が板部材２０と溝板部材２２とを有し、板部材２０に設けられた供給孔２４及び排出孔２６と、溝板部材２２に設けられたガス供給流路溝３２及びガス排出流路溝３４とを重ね合わせることで、ガス供給流路５０及びガス排出流路５２が形成されることとした。これによって、複数のガス供給流路５０及びガス排出流路５２を有するセパレータ１４を、簡素な構成によって容易に得ることができ、ひいては、燃料電池１０の製造コストを低減すること等が可能となる。
【００３７】
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００３８】
例えば、上記の実施形態では同じガス排出流路５２にある排出孔２６間の長さである第２線分Ｌ２を長辺とし、ガス供給流路５０を挟んで異なるガス排出流路５２にある排出孔２６間の長さである第１線分Ｌ１を短辺としたが、これとは逆に第１線分Ｌ１を第２線分Ｌ２よりも長くすることもできる。あるいは、供給孔２４の位置は、供給孔２４近傍と排出孔２６近傍との間におけるガス濃度のばらつきを十分に低減することが可能な位置であれば、排出孔２６による方形Ｓの対角線の交点からずれていてもよい。
【００３９】
また、上記の実施形態では、供給孔２４及び排出孔２６の両方が平面視で円形状であることとしたが、供給孔２４及び排出孔２６の形状は特に限定されるものではない。例えば、供給孔２４及び排出孔２６の何れか一方のみが平面視で円形状であり、他方が平面視で多角形状であってもよい。また、供給孔２４及び排出孔２６の両方が平面視で多角形状であってもよい。
【００４０】
さらに、上記の実施形態では、セパレータ１４が板部材２０と溝板部材２２とを有することとしたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、セパレータ１４は、それぞれ別部材から形成されたガス供給流路５０及びガス排出流路５２を有していてもよい。
【００４１】
以下、本発明に係る実験結果を示す。本実験では、１つの供給孔の周囲に該供給孔から等距離（８．５ｍｍ）で且つその位置がそれぞれ長（正）方形の頂点となるよう４つの排出孔を配置したセパレータで、前記長（正）方形の短辺と長辺の長さの比率が異なるものを複数用意し、それぞれ燃料電池の単位セルを作成して前記長さの比率の違いによる燃料電池の性能を検証した。なお長さの比は、１．０、１．２、１．４、１．６の４種類で、供給孔、排出孔ともに平面視で直径が０．５ｍｍの円形状である。
【００４２】
４種の単位セルに対して、燃料ガスとして水素ガスを供給し、酸化剤ガスとして空気を供給して発電を行い、電圧を測定した。結果を図３に示す。
【００４３】
図３から、前記長さの比率が１から大きくなるにつれてセル電圧が低下する傾向にあることが分かる。また、図３に示す特性の近似式では、変曲点（２階微分が０になる点）における比率が１．３３であった。すなわち、短辺に対する長辺の長さの比率が１．００〜１．３３の範囲内であれば、良好なセル電圧を示すといえる。
【００４４】
以上から、短辺に対する長辺の長さの比率を１．００〜１．３３とする本実施形態に係る燃料電池では、電極触媒層に対して、その面内方向にガス濃度のばらつきが生じることを抑制しつつ良好にガスを供給して電気化学反応を促進できるため、発電効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…燃料電池                            １２…電解質膜・電極構造体
１４…セパレータ                          ２０…板部材
２２…溝板部材                            ２４…供給孔
２６…排出孔                              ３２…ガス供給流路溝
３４…ガス排出流路溝                      ４０…ガス供給口
４２…ガス供給連通路                      ４４…ガス排出口
４６…ガス排出連通路                      ５０…ガス供給流路
５２…ガス排出流路                        ５４…供給開口
５６…排出開口                            Ｓ…方形
【図１】
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【図２】
2018022614.tif 000004
【図３】
2018022614.tif 000005