(57)【要約】【課題】ガス流体の圧力損失の増大を抑制することができる燃料電池の提供。【解決手段】燃料電池（１０、１、２１）は、電解質膜電極構造体（４０、２４０）とセパレータ（７、８、２７）との間に設けられたガス流路（２）と、セパレータに設けられたガス入口孔（３ａ）及びガス出口孔（３ｂ）とを備える。ガス流路（２）は、ガス入口分配部（２ｂ）と、流路本体（２ａ）と、ガス出口分配部（２ｃ）とを備える。ガス入口分配部（２ｂ）は、ガス入口孔（３ａ）から供給されたガスを流路本体（２ａ）へ導き、ガス出口分配部（２ｃ）は、流路本体（２ａ）から供給されたガスをガス出口孔（３ｂ）へ導き、ガス入口分配部（２ｂ）及びガス出口分配部（２ｃ）の少なくとも一つにおいて電解質膜電極構造体（４０，２４０）とセパレータ（７、８、２７）との積層方向における面圧は、流路本体（２ａ）における面圧よりも小さい。【選択図】図２
2018063834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜電極構造体と、
前記電解質膜電極構造体と対向して配置されるセパレータと、
前記電解質膜電極構造体と前記セパレータとの間に設けられたガス流路と、
前記セパレータに設けられたガス入口孔及びガス出口孔と、
を備える燃料電池であって、
前記ガス流路は、ガス入口分配部と、流路本体と、ガス出口分配部と、を備え、
前記ガス入口分配部は、前記ガス入口孔から供給されたガスを前記流路本体へ導き、
前記ガス出口分配部は、前記流路本体から供給されたガスを前記ガス出口孔へ導き、
前記ガス入口分配部及び前記ガス出口分配部の少なくとも一つにおいて前記電解質膜電極構造体と前記セパレータとの積層方向における面圧は、前記流路本体における面圧よりも小さい、
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】
酸化剤ガス、燃料ガス等のガスをそれぞれ導くガス流路を備える燃料電池がある。特許文献１に開示される燃料電池では、ガス流路の入口側とガス入口連通孔とを繋ぐ入口分配部（入口バッファ部）と、ガス流路の出口側とガス出口連通孔とを繋ぐ出口分配部（出口バッファ部）とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２４６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池の入口分配部と出口分配部では、流路のたわみが大きく、ガス流体の速度が速くなることがあり、圧力損失が大きくなることがあったり、配流バラツキが生じたりすることがある。これらの現象が生じると、低温環境下及び高温環境下において、燃料電池の性能が下がることがある。
【０００５】
本発明に係る燃料電池は、ガス流体の圧力損失の増大を抑制し、かつ、配流バラツキを低減させるものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池は、
電解質膜電極構造体と、
前記電解質膜電極構造体と対向して配置されるセパレータと、
前記電解質膜電極構造体と前記セパレータとの間に設けられたガス流路と、
前記セパレータに設けられたガス入口孔及びガス出口孔と、
を備える燃料電池であって、
前記ガス流路は、ガス入口分配部と、流路本体と、ガス出口分配部と、を備え、
前記ガス入口分配部は、前記ガス入口孔から供給されたガスを前記流路本体へ導き、
前記ガス出口分配部は、前記流路本体から供給されたガスを前記ガス出口孔へ導き、
前記ガス入口分配部及び前記ガス出口分配部の少なくとも一つにおいて前記電解質膜電極構造体と前記セパレータとの積層方向における面圧は、前記流路本体における面圧よりも小さい。
このような構成によれば、ガス入口分配部及びガス出口分配部の少なくとも一つにおいて電解質膜電極構造体とセパレータとの積層方向における面圧は、流路本体における面圧よりも小さい。そのため、ガス流速を低下させて、圧力損失の増大を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、ガス流体の圧力損失の増大を抑制することができ、低温環境下及び高温環境下において性能を確保する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１にかかる燃料電池を示す模式的な正面図である。
【図２】実施の形態１にかかる燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。
【図３】実施の形態２にかかる燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。
【図４】エア入口圧に対するセル電圧を示すグラフである。
【図５】エアストイキ比に対するセル電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１０】
（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１にかかる燃料電池について説明する。図１は、実施の形態１にかかる燃料電池を示す模式的な正面図である。図２は、実施の形態１にかかる燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。図１及び図２では、ｘｙｚ３次元直交座標を規定した。なお、図２では、分かり易さのため、カソード側ガス拡散層５とアノード側ガス拡散層６とのハッチングの図示を省略した。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、セル１を備える。セル１の一具体例は、固体分子形の燃料電池セルである。燃料電池スタック１０の一具体例は、複数枚のセル１を積層したものである。セル１は、ガス流路２と、ガス入口孔３ａと、ガス出口孔３ｂとを備える。ガス流路２は、流路本体２ａと、ガス入口分配部２ｂと、ガス出口分配部２ｃとを備える。ガス入口孔３ａ、ガス入口分配部２ｂ、流路本体２ａ、ガス出口分配部２ｃ、及びガス出口孔３ｂが、この順に所定の方向（ここでは、Ｘ軸方向）に並んでおり、ガスを流通可能なように互いに接続されている。ガスは、アノードガスやカソードガスである。ガスは、ガス入口孔３ａからガス入口分配部２ｂに流入し、流路本体２ａ及びガス出口分配部２ｃを通過し、ガス出口孔３ｂから、セル１の外部へ排出される。言い換えると、ガス入口分配部２ｂは、ガス入口孔３ａから供給されたガスを流路本体２ａへ導き、ガス出口分配部２ｃは、流路本体２ａから供給されたガスをガス出口孔３ｂへ導く。ガスの流入などのために、コンプレッサを必要に応じてセル１に、ガスを流通可能なように接続するとよい。
【００１２】
図２に示すように、セル１は、アノード側セパレータ８と、電解質膜電極構造体４０と、カソード側セパレータ７とを備える。アノード側セパレータ８とカソード側セパレータ７とが対向して配置されており、電解質膜電極構造体４０が、アノード側セパレータ８とカソード側セパレータ７との間に所定の距離を空けて配置され、アノード側セパレータ８とカソード側セパレータ７とそれぞれ対向している。
【００１３】
電解質膜電極構造体４０は、電解質膜４と、カソード側ガス拡散層５と、アノード側ガス拡散層６とを備える。カソード側ガス拡散層５は、電解質膜４におけるカソード側セパレータ７側の主面に配置されており、アノード側ガス拡散層６は、電解質膜４におけるアノード側セパレータ８側の主面に配置されている。カソード側ガス拡散層５は、その部位に応じて、厚みが変動することなく、一定であること好ましい。
【００１４】
ガス入口分配部２ｂの面圧、及びガス出口分配部２ｃの面圧は、流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下であると好ましく、ガス出口分配部２ｃの面圧の一具体例は、５０％である。
【００１５】
カソード側セパレータ７は、カソード側セパレータ本体７ａと、カソード側セパレータ本体７ａよりも薄く、カソード側セパレータ本体７ａの端部から突き出るカソード側セパレータ出口側７ｂとを備える。カソード側セパレータ出口側７ｂは、カソード側セパレータ本体７ａよりも薄いため、ガス出口分配部２ｃは流路本体２ａよりも、電解質膜電極構造体４０の積層方向（ここでは、Ｚ軸方向）において厚みを有する。カソード側セパレータ出口側７ｂの厚みを変化させることによって、ガス出口分配部２ｃの面圧を流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させることができる。
同様に、カソード側セパレータ７の入口側の厚みを変化させることによって、ガス出口分配部２ｃの面圧を流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させることができる。具体的には、カソード側セパレータ７の入口側の厚みを、カソード側セパレータ本体７ａよりも薄くする。これによって、ガス入口分配部２ｂのガス流速を下げることができ、局所的な乾燥を抑制し得て好ましい。
【００１６】
ここで、図１及び図２に示すように、ガスをガス入口孔３ａからセル１内部に流入させる。すると、ガスは、ガス入口孔３ａからガス入口分配部２ｂに流入し、流路本体２ａを通過して、ガス出口分配部２ｃに流入する。ガス出口分配部２ｃの面圧は流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるため、ガスの流速が低くなる。そのため、ガスによる圧力損失の増大を抑制できる。また、ガスの配流のバラツキを抑制することができる。また、水をアノード側ガス拡散層６へ逆拡散させることを促進し、フラッディングの発生を抑制することができる。また、エアコンプレッサがガスを送り込むために利用される場合、ガスによる圧力損失の増大を抑制できるため、エアコンプレッサの消費電力の増大を抑制することができる。
【００１７】
（実施の形態２）
次に、図１及び図３を参照して実施の形態２にかかる燃料電池について説明する。図３は、実施の形態２にかかる燃料電池の要部を示す模式的な断面図である。実施の形態２にかかる燃料電池は、電解質膜電極構造体及びカソード側セパレータを除いて、実施の形態１にかかる燃料電池スタック１０と共通する構成を有する。異なる構成について説明する。図３では、ｘｙｚ３次元直交座標を規定した。なお、図３では、分かり易さのため、カソード側ガス拡散層２５とアノード側ガス拡散層６とのハッチングの図示を省略した。
【００１８】
図３に示すように、セル２１は、アノード側セパレータ８と、電解質膜電極構造体４０と、カソード側セパレータ２７とを備える。アノード側セパレータ８とカソード側セパレータ２７とが対向して配置されており、電解質膜電極構造体２４０が、アノード側セパレータ８とカソード側セパレータ２７との間に所定の距離を空けて配置され、アノード側セパレータ８とカソード側セパレータ２７とそれぞれ対向している。カソード側セパレータ２７は、その部位に応じて、厚みが変動することなく、殆ど一定であると好ましい。
【００１９】
電解質膜電極構造体２４０は、電解質膜４と、カソード側ガス拡散層２５と、アノード側ガス拡散層６とを備える。カソード側ガス拡散層２５は、電解質膜４におけるカソード側セパレータ２７側の主面に配置されており、アノード側ガス拡散層６は、電解質膜４におけるアノード側セパレータ８側の主面に配置されている。
【００２０】
ガス入口分配部２ｂの面圧、及びガス出口分配部２ｃの面圧は、流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下であると好ましく、ガス出口分配部２ｃの面圧の一具体例は、５０％である。
【００２１】
カソード側ガス拡散層２５は、カソード側ガス拡散層本体２５ａと、カソード側ガス拡散層本体２５ａよりも薄く、カソード側ガス拡散層本体２５ａの端部から突き出るカソード側ガス拡散層出口側２５ｂとを備える。カソード側ガス拡散層出口側２５ｂは、カソード側ガス拡散層本体２５ａよりも薄いため、ガス出口分配部２ｃは流路本体２ａよりも、電解質膜電極構造体４０の積層方向（ここでは、Ｚ軸方向）において長い。カソード側ガス拡散層出口側２５ｂの厚みを変化させることによって、ガス出口分配部２ｃの面圧を流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させる。
同様に、カソード側セパレータ２５の入口側の厚みを変化させることによって、ガス出口分配部２ｃの面圧を流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させることができる。具体的には、カソード側セパレータ２５の入口側の厚みを、カソード側ガス拡散層本体２５ａよりも薄くする。これによって、ガス入口分配部２ｂの流速を下げることができ、局所的な乾燥を抑制し得て好ましい。
【００２２】
ここで、図１及び図３に示すように、ガスをガス入口孔３ａからセル２１内部に流入させる。すると、ガスは、ガス入口孔３ａからガス入口分配部２ｂに流入し、流路本体２ａを通過して、ガス出口分配部２ｃに流入する。ガス出口分配部２ｃの面圧は流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるため、ガスの流速が低くなる。そのため、ガスによる圧力損失の増大を抑制できる。また、ガスの配流のバラツキを抑制することができる。また、水をアノード側ガス拡散層６へ逆拡散させることを促進し、フラッディングの発生を抑制することができる。また、エアコンプレッサがガスを送り込むために利用される場合、ガスによる圧力損失の増大を抑制できるため、エアコンプレッサの消費電力の増大を抑制することができる。
【実施例】
【００２３】
次に、実施例について説明する。本実施例は、実施の形態１にかかる燃料電池スタック１０と同じ構成を有する燃料電池である。この実施例に係る燃料電池について、ガスとして空気（エア）を流入させたときの、高温環境下において各エア入口圧に対するセル電圧を計測した。その結果を図４に示した。図４は、エア入口圧に対するセル電圧を示すグラフである。ここで、エア入口圧は、空気をガス入口孔３ａ（図１参照）に相当するガス入口孔に流入させたときの、当該ガス入口孔における気圧である。セル電圧は、実施例に係る燃料電池における、セル１（図１参照）に相当するセル一枚当たりの電圧である。高温環境下とは、燃料電池の温度であり、例えば、６０〜１２０℃である。
【００２４】
また、この実施例に係る燃料電池について、低温環境下においてガスとして空気（エア）を流入させたときの、各エアストイキ比に対するセル電圧を計測した。その結果を図５に示した。図５は、エアストイキ比に対するセル電圧を示すグラフである。ここで、エアストイキ比は、一定の電流を燃料電池に発生させるのに必要なガス量（つまり、燃料電池における電気化学反応に用いられるガス量）と、実際に燃料電池に供給されたガス量との比である。例えば、エアストイキ比２であれば、燃料電池に一定の電流を流すのに必要なガス量の２倍の量のガスを燃料電池に供給している。セル電圧は、実施例に係る燃料電池のセル一枚当たりの電圧である。低温環境下とは、上記した高温環境下よりも低い温度であり、例えば、５〜４５℃である。
【００２５】
なお、比較例は、カソード側セパレータ７の代わりにカソード側セパレータ２７を有するところを除いて、燃料電池スタック１０と同じ構成を有する燃料電池である。この比較例に係る燃料電池について、実施例に係る燃料電池と同様に、各エア入口圧に対するセル電圧、及びエアストイキ比に対するセル電圧を計測した。これらの結果を図４、及び図５に示した。
【００２６】
図４に示すように、実施例では、各エア入口圧に対するセル電圧が比較例のそれよりも高かった。実施例では、所定のエア入口圧Ｐ１に対するセル電圧Ｖ１は、比較例におけるエア入口圧Ｐ２に対するセル電圧Ｖ２と殆ど同じ値であった。エア入口圧Ｐ２は、所定のエア入口圧Ｐ１よりも３０ｋＰａ低かった。高温環境下においてエア入口圧が低下しても、実施例のセル電圧は、比較例のセル電圧よりも高く、基準となる値を維持し得るため、燃料電池としての性能低下を抑制することができる。
【００２７】
図５に示すように、実施例では、各エアストイキ比に対するセル電圧が比較例のそれよりも高かった。実施例では、所定のエアストイキ比Ｒ２１に対するセル電圧Ｖ２１は、比較例におけるエアストイキ比Ｒ２２に対するセル電圧Ｖ２２と殆ど同じ値であった。エアストイキ比Ｒ２２は、所定のエアストイキ比Ｒ２１よりも約０．５低かった。低温環境下においてエアストイキ比が低下しても、実施例のセル電圧は、比較例のセル電圧よりも高く、基準となる値を維持し得るため、燃料電池としての性能低下を抑制することができる。
【００２８】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１及び２に係る燃料電池スタックは、カソード側セパレータ出口側７ｂ（図２参照）の厚み及びカソード側セパレータ７（図２参照）の入口側の厚み、又はカソード側ガス拡散層出口側２５ｂ（図３参照）の厚み及びカソード側ガス拡散層２５（図３参照）の入口側の厚みを変化させる。これによって、ガス入口分配部２ｂの面圧及びガス出口分配部２ｃ（図２、３参照）の面圧を流路本体２ａ（図２、３参照）の面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させる。セル１、又はセル２１の外周部のシール線圧を変化させることによって、ガス出口分配部２ｃの面圧を流路本体２ａの面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させてもよい。
【００２９】
また、実施の形態１及び２に係る燃料電池スタックは、カソード側セパレータ７（図２参照）の入口側の厚み及びカソード側セパレータ７（図２参照）の入口側の厚みの少なくとも一方、又はカソード側ガス拡散層２５（図３参照）の入口側の厚み及びカソード側ガス拡散層２５（図３参照）の入口側の厚みの少なくとも一方を変化させる。これらによって、ガス入口分配部２ｂ（図１参照）の面圧、又はガス出口分配部２ｃ（図２、３参照）の面圧を流路本体２ａ（図１参照）の面圧の３０％以上、７０％以下の範囲内に収まるように変化させる。このような厚みを変化させると、ガス入口分配部２ｂのガス流速、又はガス出口分配部２ｃのガス流速を下げることができ、局所的な乾燥を抑制し得て好ましい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  燃料電池スタック                      １、２１  セル
２  ガス流路
２ａ  流路本体                              ２ｂ  ガス入口分配部
２ｃ  ガス出口分配部
３ａ  ガス入口孔                            ３ｂ  ガス出口孔
４０、２４０  電解質膜・電極構造体
４  電解質膜                                
５、２５  カソード側ガス拡散層
２５ａ  カソード側ガス拡散層本体            ２５ｂ  カソード側ガス拡散層出口側
６  アノード側ガス拡散層                    
７、２７  カソード側セパレータ
７ａ  カソード側セパレータ本体              ７ｂ  カソード側セパレータ出口側
８  アノード側セパレータ
【図１】
2018063834.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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