(57)【要約】【課題】  発電性能の低下を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池は、２つの反応流体を用いて発電反応を行う膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟み、前記２つの反応流体をそれぞれ拡散させる一対の拡散層と、前記一対の拡散層を挟む一対のセパレータと、を備え、前記一対のセパレータの一方は、前記発電反応に用いられる前記２つの反応流体の一方が供給される供給孔と、前記発電反応に用いられた前記２つの反応流体の一方が排出される排出孔と、前記一対の拡散層の一方に対向する面内に設けられ、前記供給孔と連通する供給流路と、前記供給流路の延長方向に延びるように前記面内に設けられ、前記排出孔と連通する排出流路と、前記供給流路の下流端と前記排出流路の上流端を隔てる隔壁と、を備え、前記隔壁は、前記延長方向に対して斜め方向に面する。【選択図】図６
2018088337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの反応流体を用いて発電反応を行う膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟み、前記２つの反応流体をそれぞれ拡散させる一対の拡散層と、
前記一対の拡散層を挟む一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータの一方は、
前記発電反応に用いられる前記２つの反応流体の一方が供給される供給孔と、
前記発電反応に用いられた前記２つの反応流体の一方が排出される排出孔と、
前記一対の拡散層の一方に対向する面内に設けられ、前記供給孔と連通する供給流路と、
前記供給流路の延長方向に延びるように前記面内に設けられ、前記排出孔と連通する排出流路と、
前記供給流路の下流端と前記排出流路の上流端を隔てる隔壁と、を備え、
前記隔壁は、前記延長方向に対して斜め方向に面する、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】
燃料電池は、水素や酸素などの反応流体を膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）において電気化学反応させることにより発電する。ＭＥＡは、反応流体を拡散させる拡散層を介して一対のセパレータにより挟まれており、各セパレータのＭＥＡに対向する面内には、拡散層を介してＭＥＡに対し反応流体の供給及び排出を行うための流路（溝）が設けられている。
【０００３】
この流路の形態としては、例えば特許文献１〜３に開示されているように、供給側の流路と排出側の流路が櫛歯形状に形成されたものが挙げられる。櫛歯形状の流路において、供給側及び排出側の流路はそれぞれ閉塞され互いに連通していないため、供給側の圧力を排出側の圧力より高めることにより、拡散層のうち、流路に面した部分だけでなく、流路の側壁（リブ）の上面に接触する部分（燃料電池スタックの締結圧力により圧縮された部分）にも反応流体を浸透させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２２２３１号公報
【特許文献２】国際公開２０１０／０６７４５３号
【特許文献３】特開２０１２−６９４４７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、特許文献１〜３に開示された噛合型の櫛歯形状の流路では、供給側及び排出側の流路が互いに隣り合っているため、反応流体を、その供給側の流路内の流れる方向に対してほぼ直角方向に向かって側壁下の拡散層に浸透させる必要がある。このため、その方向の流速成分を反応流体に与えるための仕事量が圧力損失として生じ、電極の全面にわたって反応流体を十分に供給することができずに発電性能が低下するおそれがある。
【０００６】
また、供給側の流路の下流端と排出側の流路の上流端は閉塞されているため、反応流体の流路方向の流れが遮断される。このため、流路の閉塞部分では反応流体が側壁下の拡散層に浸透しにくく、発電性能が低下するおそれがある。
【０００７】
さらに、特許文献１には、供給側の流路と排出側の流路が一直線上に配置された非噛合型の櫛歯形状の流路も開示されている。非噛合型の櫛歯形状の流路において、反応流体は、供給側の流路から排出側の流路に向かうようにその閉塞部分の側壁から拡散層に浸透するが、その側壁の幅が噛合型の櫛歯形状の流路より狭くなる。このため、流路の単位断面積当たりの反応流体の流量が大きくなって圧力損失が増加し、電極の全面にわたって反応流体を十分に供給することができずに発電性能が低下するおそれがある。
【０００８】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、発電性能の低下を抑制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】
【０００９】
本明細書に記載の燃料電池は、２つの反応流体を用いて発電反応を行う膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟み、前記２つの反応流体をそれぞれ拡散させる一対の拡散層と、前記一対の拡散層を挟む一対のセパレータと、を備え、前記一対のセパレータの一方は、前記発電反応に用いられる前記２つの反応流体の一方が供給される供給孔と、前記発電反応に用いられた前記２つの反応流体の一方が排出される排出孔と、前記一対の拡散層の一方に対向する面内に設けられ、前記供給孔と連通する供給流路と、前記供給流路の延長方向に延びるように前記面内に設けられ、前記排出孔と連通する排出流路と、前記供給流路の下流端と前記排出流路の上流端を隔てる隔壁と、を備え、前記隔壁は、前記延長方向に対して斜め方向に面する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発電性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】燃料電池セルの一例を示す分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルの一例を示す断面図である。
【図４】第１比較例のセパレータの平面図及び断面図である。
【図５】第２比較例のセパレータの平面図及び断面図である。
【図６】第１実施例のセパレータの平面図及び断面図である。
【図７】隔壁を外向きにしたセパレータの平面図である。
【図８】第２実施例のセパレータの平面図及び断面図である。
【図９】第３実施例のセパレータの平面図である。
【図１０】流量に対する圧力損失の変化の一例を示す図である。
【図１１】電流密度に対するセル電圧及び抵抗値の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。本例では、レドックスフロー型の燃料電池システムを挙げる。
【００１３】
レドックス（RedOx: Reduction / Oxidation）とは、還元及び酸化のことである。この燃料電池システムは、燃料電池１３のカソードと再生装置２１との間で、ポリオキソメタレート（ＰＯＭ:polyoxometalate）などの酸化還元物質（メディエータ）を含むカソード溶液を循環させることにより、カソードにおける酸化還元反応を実現する。酸化還元物質は、カソードにおいて発電反応に用いられることで還元された後、再生装置２１により酸化されることにより再生されて、カソードに再供給される。
【００１４】
燃料電池システムは、水素タンク１１と、燃料ガス調圧弁１２と、燃料電池１３と、パージ弁１４と、水素循環ポンプＰｈと、再生装置２１と、気泡発生装置２２と、溶液循環ポンプＰｏと、エアコンプレッサ３１とを有する。燃料電池システムは、例えば自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータに電力ＰＷを供給する。
【００１５】
燃料電池１３には、反応流体の一例である水素ガスを供給するための燃料ガス供給路Ｒ１０と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路Ｒ１１とが接続されている。燃料ガス供給路Ｒ１０には、水素タンク１１及び燃料ガス調圧弁１２が、この順に接続されている。
【００１６】
水素タンク１１は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１１から燃料ガス調圧弁１２を経由して燃料電池１３のアノードに導入される。水素ガスは、燃料ガス調圧弁１２を通過することで圧力が調整される。
【００１７】
燃料電池１３から排出された水素ガス（つまりオフガス）は、燃料ガス排出路Ｒ１１に導かれる。燃料ガス排出路Ｒ１１の途中には、パージ弁１４が設けられている。パージ弁１４は、通常、閉塞されているが、燃料ガス排出路Ｒ１１から水素ガスをパージするときに開放される。
【００１８】
燃料ガス排出路Ｒ１１からは、再循環経路Ｒ１２が分岐している。分岐した再循環経路Ｒ１２は、燃料ガス供給路Ｒ１０に接続されている。再循環経路Ｒ１２には水素循環ポンプＰｈが設けられており、水素循環ポンプＰｈは、燃料ガス排出路Ｒ１１に排出された水素ガスを、再循環経路Ｒ１２を経由して燃料ガス供給路Ｒ１０に導く。再循環経路Ｒ１２から燃料ガス供給路Ｒ１０に導かれた水素ガスは、燃料電池１３に再供給される。
【００１９】
燃料電池１３のアノードには水素ガスが供給され、燃料電池１３のカソードには、酸化還元物質であるＰＯＭ（ポリオキソメタレート）を含むカソード溶液が供給される。カソード溶液は反応流体の一例である。燃料電池１３は、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成され、各燃料電池セルは、アノード電極１３２とカソード電極１３１、及びアノード電極１３２とカソード電極１３１とに挟まれた電解質膜１３３を備える。カソード電極１３１、アノード電極１３２、及び電解質膜１３３は膜電極接合体（ＭＥＡ）１３０を構成する。
【００２０】
電解質膜１３３は、例えば、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン電導性を有する。アノード電極１３２及びカソード電極１３１は、例えば多孔質構造を有し、圧力損失が抑制され、かつ、反応面積が大きい構造であることが望ましい。アノード電極１３２には白金触媒が備えられており、アノード電極１３２に供給された水素ガスは、白金触媒によりプロトン（水素イオン）に変化する。
【００２１】
一方、カソード電極１３１と再生装置２１の間には、ＰＯＭを含むカソード溶液が循環している。ＰＯＭは、バナジウム、モリブデン、及びタングステンなどを含む化合物である。カソード溶液内のＰＯＭは、カソード電極１３１において、アノード電極１３２から移動してきたプロトンと結合することにより還元されてＰＯＭ−Ｈ（還元体）に変化する。より具体的には、カソード電極１３１では、ＰＯＭ＋ｅ−＋Ｈ＋→ＰＯＭ−Ｈの反応が生ずる。なお、ｅ−は電子を表す。
【００２２】
このように、燃料電池１３は、カソードに供給されたカソード溶液内のＰＯＭを、アノードに供給された水素ガスで還元されることにより発電する。このとき、ＭＥＡ１３０は、反応流体であるカソード溶液及び水素ガスを用いて発電反応を行う。発電により得られた電力ＰＷは、例えば車両を駆動するモータなどに供給される。
【００２３】
燃料電池１３と再生装置２１の間には、カソード溶液を供給するための溶液供給路Ｒ２０と、発電に使用されたカソード溶液を排出するための溶液排出路Ｒ２１とが接続されている。溶液排出路Ｒ２１には、燃料電池１３と再生装置２１の間でカソード溶液を循環させるための溶液循環ポンプＰｏ、及び、再生装置２１に供給されるカソード溶液に気泡を発生させる気泡発生装置２２が接続されている。
【００２４】
気泡発生装置２２は、一例として、再生装置２１に取り付けられ、溶液排出路Ｒ２１、及び、酸化ガスである空気を供給するための酸化ガス供給路Ｒ３０に接続されている。なお、気泡発生装置２２は、再生装置２１から分離し、溶液排出路Ｒ２１の途中に設けられてもよい。
【００２５】
エアコンプレッサ３１は、酸化ガス供給路Ｒ３０を介し気泡発生装置２２に空気を供給する。より具体的には、エアコンプレッサ３１は、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ２）を含む空気を取り込んで気泡発生装置２２に圧送する。
【００２６】
気泡発生装置２２には、燃料電池のカソードから排出されたカソード溶液が、溶液排出路Ｒ２１から流入し、エアコンプレッサ３１から供給された空気が、酸化ガス供給路Ｒ３０から流入する。気泡発生装置２２は、カソード溶液に空気の気泡を発生させる。気泡発生装置２２は、気泡として、例えば直径約１０〜１００（μｍ）のマイクロバブルを発生させる。
【００２７】
気泡発生装置２２としては、例えば特開２００９−１８９９８４に開示されたバブル発生ノズルを用いることができる。このバブル発生ノズルによると、ノズル内部に導入された気体が、テーパ部により加速された高速のループ流により細分化されるため、空気のマイクロバブルを発生させることができる。
【００２８】
このように、気泡発生装置２２は、空気をマイクロバブルとしてカソード溶液に混入させるため、再生装置２１における酸化反応の効率を向上させることができる。気泡発生装置２２は、空気の気泡を含むカソード溶液を再生装置２１内に噴出する。
【００２９】
再生装置２１は、燃料電池１３のカソードから排出されたカソード溶液内のＰＯＭ−Ｈを、空気に含まれる酸素で酸化することでＰＯＭ（酸化体）を再生する。再生装置２１内で行われる酸化反応は、Ｏ２＋４ＰＯＭ−Ｈ→２Ｈ２Ｏ＋４ＰＯＭで表される。
【００３０】
再生装置２１には、再生したＰＯＭを燃料電池１３に再供給するための溶液供給路Ｒ２０、及び、酸化反応に使用されずに残った空気を排出するための酸化ガス排出路Ｒ３１が接続されている。溶液循環ポンプＰｏは、燃料電池１３と再生装置２１の間にカソード溶液の循環流を発生させることにより、ＰＯＭ、つまり再生装置２１により酸化されたＰＯＭを含むカソード溶液を、燃料電池１３のカソードに再供給する。燃料電池１３は、ＰＯＭを水素ガスで還元することにより発電を行う。
【００３１】
図２は、燃料電池セルの一例を示す分解斜視図である。燃料電池１３は、複数の燃料電池セルをスタックして、その両端にエンドプレートを配置して各エンドプレートの間を締結することにより構成されている。
【００３２】
燃料電池セルは、一対のセパレータ１３６，１３９と、一対のガスケット１３４，１３７と、一対のガスケット１３４，１３７内に収容された一対の拡散層１３５，１３８と、ＭＥＡ１３０とを有する。セパレータ１３６及びガスケット１３４は燃料電池１３のカソード側に配置され、セパレータ１３９及びガスケット１３７は燃料電池１３のアノード側に配置されている。
【００３３】
ガスケット１３４，１３７は、一対のセパレータ１３６，１３９の間を封止し、気密性を維持する。ガスケット１３４，１３７は、例えば、樹脂部材の射出成型により形成されたものでもよいし、複数の樹脂製のフィルム部材を接着することにより形成されたものでもよい。
【００３４】
ガスケット１３４，１３７は例えば矩形の板状部材であり、その中心には、拡散層１３５，１３８を収容するための方形の収容孔４０，７０を有する。また、ガスケット１３４，１３７同士が積層されたとき、ＭＥＡ１３０の外周部分がガスケット１３４，１３７の少なくとも一方に接合される。これにより、ＭＥＡ１３０は一対の拡散層１３５，１３８により挟まれるため、カソード側の拡散層１３５、ＭＥＡ１３０、及びアノード側の拡散層１３８は、この順に積層される。
【００３５】
カソード側の拡散層１３５はカソード溶液を拡散させ、アノード側の拡散層１３８は水素ガスを拡散させる。より具体的には、カソード側の拡散層１３５は、カソード電極１３１の表面にカソード溶液を行きわたらせる機能と、カソード側のセパレータ１３６とカソード電極１３１の間の導電経路としての機能とを有する。アノード側の拡散層１３８は、アノード電極１３２の表面に水素ガスを行きわたらせる機能と、アノード側セパレータ１３９とアノード電極１３２の間の導電経路としての機能とを有する。
【００３６】
拡散層１３５，１３８は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。拡散層１３５，１３８が多孔質部材により構成される場合、セパレータ１３６，１３９には、カソード溶液または水素ガスの流路溝が形成されていなくてもよい。なお、カソード溶液は、気体である水素ガスより拡散しにくいため、カソード側の拡散層１３５の孔をアノード側の拡散層１３８の孔より大きくすると好ましい。
【００３７】
一対のセパレータ１３６，１３９は、互いに積層されたガスケット１３４，１３７を挟む。セパレータ１３６，１３９は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成された矩形の板状部材である。
【００３８】
カソード側のセパレータ１３６には、例えばプレス金型による曲げ加工などによってカソード溶液の供給溝６５及び排出溝６６が形成されている。また、カソード側のセパレータ１３６には、カソード溶液の供給孔６１及び排出孔６２と、水素ガスの供給孔６３及び排出孔６４とが形成されている。
【００３９】
カソード溶液の供給孔６１及び排出孔６２は、厚み方向に延びる貫通孔であり、セパレータ１３６の一組の対辺に沿ってそれぞれ設けられている。水素ガスの供給孔６３及び排出孔６４は、厚み方向に延びる貫通孔であり、セパレータ１３６の他の一組の対辺に沿ってそれぞれ設けられている。
【００４０】
供給孔６１には、発電反応に用いられるカソード溶液が供給され、排出孔６２には発電反応に用いられたカソード溶液が排出される。供給孔６３には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔６４には発電反応に用いられた水素ガスが排出される。供給孔６１，６３及び排出孔６２，６４は、一例としてスリット形状を有するが、これに限定されず、例えば円形状であってもよい。
【００４１】
供給溝６５は、供給流路の一例であり、カソード側の拡散層１３５に対向する面Ｓａ内に設けられ、供給孔６１と連通する。排出溝６６は、排出流路の一例であり、カソード側の拡散層１３５に対向する面Ｓａ内に設けられ、排出孔６２と連通する。
【００４２】
カソード溶液は、供給孔６１から供給溝６５に流れ込み、拡散層１３５に浸透してカソード電極１３１まで拡散する。カソード溶液は、カソード電極１３１において発電反応に用いられた後、拡散層１３５から排出溝６６に流れ込み、排出孔６２に排出される。
【００４３】
ガスケット１３４，１３７とアノード側のセパレータ１３９には、スタック時に供給孔６１及び排出孔６２に重なり合う貫通孔が設けられている。より具体的には、ガスケット１３４，１３７には、カソード溶液が供給される供給孔４１，７１と、カソード溶液が排出される排出孔４２，７２とが設けられている。また、アノード側のセパレータ１３９には、カソード溶液が供給される供給孔９１と、カソード溶液が排出される排出孔９２とが設けられている。
【００４４】
各供給孔６１，４１，７１，９１は、燃料電池セルのスタック時に互いに重なり合うことにより溶液供給マニホルドを構成する。カソード溶液は、矢印Ｌｉｎで示されるように、溶液供給マニホルド内を燃料電池セルの積層方向に流れる。なお、各供給孔６１，４１，７１，９１は溶液供給路Ｒ２０と接続されている。
【００４５】
また、各排出孔６２，４２，７２，９２は、燃料電池セルのスタック時に互いに重なり合うことにより溶液排出マニホルドを構成する。カソード溶液は、矢印Ｌｏｕｔで示されるように、溶液排出マニホルド内を燃料電池セルの積層方向に流れる。なお、各排出孔６２，４２，７２，９２は溶液排出路Ｒ２１と接続されている。
【００４６】
一方、アノード側のセパレータ１３９には、例えばプレス金型による曲げ加工などによって水素ガスの供給溝９５及び排出溝９６が形成されている。また、アノード側のセパレータ１３９には、カソード溶液の供給孔９１及び排出孔９２と、水素ガスの供給孔９３及び排出孔９４とが形成されている。
【００４７】
カソード溶液の供給孔９１及び排出孔９２は、厚み方向に延びる貫通孔であり、セパレータ１３９の一組の対辺に沿ってそれぞれ設けられている。水素ガスの供給孔９３及び排出孔９４は、厚み方向に延びる貫通孔であり、セパレータ１３９の他の一組の対辺に沿ってそれぞれ設けられている。
【００４８】
供給孔９１には、発電反応に用いられるカソード溶液が供給され、排出孔９２には発電反応に用いられたカソード溶液が排出される。供給孔９３には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔９４には発電反応に用いられた水素ガスが排出される。供給孔９１，９３及び排出孔９２，９４は、一例としてスリット形状を有するが、これに限定されず、例えば円形状であってもよい。
【００４９】
供給溝９５は、供給流路の一例であり、アノード側の拡散層１３８に対向する面Ｓｂ内に設けられ、供給孔９３と連通する。排出溝９６は、排出流路の一例であり、アノード側の拡散層１３８に対向する面Ｓｂ内に設けられ、排出孔９４と連通する。
【００５０】
水素ガスは、供給孔９３から供給溝９５に流れ込み、拡散層１３８に浸透してアノード電極１３２まで拡散する。水素ガスは、アノード電極１３２において発電反応に用いられた後、拡散層１３８から排出溝９６に流れ込み、排出孔９４に排出される。
【００５１】
ガスケット１３４，１３７とアノード側のセパレータ１３９には、スタック時に供給孔９３及び排出孔９４に重なり合う貫通孔が設けられている。より具体的には、ガスケット１３４，１３７には、水素ガスが供給される供給孔４３，７３と、水素ガスが排出される排出孔４４，７４とが設けられている。また、カソード側のセパレータ１３６には、水素ガスが供給される供給孔６３と、水素ガスが排出される排出孔６４とが設けられている。
【００５２】
各供給孔６３，４３，７３，９３は、燃料電池セルのスタック時に互いに重なり合うことにより燃料ガス供給マニホルドを構成する。水素ガスは、矢印Ａｉｎで示されるように、燃料ガス供給マニホルド内を燃料電池セルの積層方向に流れる。なお、各供給孔６３，４３，７３，９３は燃料ガス供給路Ｒ１０と接続されている。
【００５３】
また、各排出孔６４，４４，７４，９４は、燃料電池セルのスタック時に互いに重なり合うことにより燃料ガス排出マニホルドを構成する。カソード溶液は、矢印Ａｏｕｔで示されるように、燃料ガス排出マニホルド内を燃料電池セルの積層方向に流れる。なお、各排出孔６４，４４，７４，９４は燃料ガス排出路Ｒ１１と接続されている。
【００５４】
このように、燃料電池１３の各燃料電池セルは、ＭＥＡ１３０と、一対の拡散層１３５，１３８と、一対のセパレータ１３６，１３９とを備える。ＭＥＡ１３０は、反応流体であるカソード溶液及び水素ガスを用いて発電反応を行う。一対の拡散層１３５，１３８は、ＭＥＡ１３０を挟み、カソード溶液及び水素ガスをそれぞれ拡散させる。一対のセパレータ１３６，１３９は一対の拡散層１３５，１３８を挟む。
【００５５】
カソード側のセパレータ１３６は、供給孔６１と、排出孔６２と、供給溝６５と、排出溝６６とを備える。供給孔６１には、発電反応に用いられるカソード溶液が供給され、排出孔６２には、発電反応に用いられたカソード溶液が排出される。供給溝６５と排出溝６６は、カソード側の拡散層１３５に対向する面Ｓａ内に設けられている。供給溝６５は供給孔６１に連通し、排出溝６６は排出孔６２に連通する。
【００５６】
また、アノード側のセパレータ１３９は、供給孔９３と、排出孔９４と、供給溝９５と、排出溝９６とを備える。供給孔９３には、発電反応に用いられる水素ガスが供給され、排出孔９４には、発電反応に用いられた水素ガスが排出される。供給溝９５と排出溝９６は、アノード側の拡散層１３８に対向する面Ｓｂ内に設けられている。供給溝９５は供給孔９３に連通し、排出溝９６は排出孔９４に連通する。
【００５７】
図３は、燃料電池セルの一例を示す断面図である。この断面図は、積層方向に沿った断面であって、供給溝６５，９５が形成された領域Ａ１と排出溝６６，９６が形成された領域Ａ２を並べて示すものである。なお、供給溝６５と排出溝６６の延びる方向は、供給溝９５と排出溝９６の延びる方向に対して直交するが、便宜上、同一方向として示す。
【００５８】
矢印は、カソード溶液及び水素ガスの移動方向を示す。カソード溶液は、供給孔６１から供給溝６５に流れ込み、供給溝６５から拡散層１３５に浸透してＭＥＡ１３０に到達する。また、水素ガスは、供給孔９３から供給溝９５に流れ込み、供給溝９５から拡散層１３８に浸透してＭＥＡ１３０に到達する。ＭＥＡ１３０は、カソード溶液中のＰＯＭと水素ガスの電気化学反応により発電する。発電で得られた電力は、拡散層１３５，１３８及びセパレータ１３６，１３９から外部に取り出される。
【００５９】
発電に使用されたカソード溶液は、ＭＥＡ１３０から拡散層１３５を通り排出溝６６に流れ込み、排出孔６２から排出される。また、発電に使用された水素ガスは、ＭＥＡ１３０から拡散層１３８を通り排出溝９６に流れ込み、排出孔９４から排出される。なお、図３において、カソード溶液及び水素ガスは、ＭＥＡ１３０から排出溝６６，９６に流れる向きのみが記載されているが、一部のカソード溶液及び水素ガスは排出溝６６，９６からＭＥＡ１３０の向きに流れる。
【００６０】
このように、カソード溶液及び水素ガスは拡散層１３５，１３８を移動する必要があるため、供給溝６５，９５には排出溝６６，９６より大きな圧力を加える必要がある。とりわけ、供給溝６５，９５の側壁を形成するリブは燃料電池スタックの締結圧力により拡散層１３５，１３８を圧縮しているため、リブ下の拡散層１３５，１３８にはカソード溶液及び水素ガスが浸透しにくく、大きな圧力が必要となる。
【００６１】
また、カソード溶液は、気体である水素ガスより拡散層１３５に浸透しにくいため、水素ガスより大きな圧力を供給溝６５に加える必要がある。しかし、そのために溶液循環ポンプＰｏのポンプ圧を高めると、燃料電池システムの電力効率が低下してしまう。したがって、圧力が低い場合でもカソード溶液を拡散層１３５に十分に浸透させることができるように、供給溝６５と排出溝６６を形成することが必要である。
【００６２】
以下に供給溝６５と排出溝６６の比較例を挙げて説明する。なお、本例ではカソード溶液の供給溝６５と排出溝６６を挙げて説明するが、以下の内容は水素ガスの供給溝９５と排出溝９６にも同様に適用可能である。
【００６３】
（第１比較例）
図４は、第１比較例のセパレータ１３６ａの平面図及び断面図である。断面図は平面図の直線Ｌｘに沿った断面を示す。なお、矢印はカソード溶液の流れる方向を示す。
【００６４】
セパレータ１３６ａは上記のセパレータ１３６の比較例である。セパレータ１３６ａには複数の供給溝６５ａと複数の排出溝６６ａが備えられる。複数の供給溝６５ａと複数の排出溝６６ａは噛合型の櫛歯形状の流路を構成する。供給溝６５ａと排出溝６６ａは隣り合って同一方向に延びるように設けられている。
【００６５】
供給溝６５ａは、上流端６５０ａにおいて供給孔６１と連通し、下流端６５１ａにおいて閉塞されている。排出溝６６ａは、上流端６６０ａにおいて閉塞され、下流端６６１ａにおいて排出孔６２に連通する。
【００６６】
カソード溶液は、供給孔６１から供給溝６５ａに流れ込み、供給溝６５ａの隣の排出溝６６ａに向かい拡散層１３５に浸透する。より具体的には、供給溝６５ａ内のカソード溶液は、隣の排出溝６６ａとの間の側壁（リブ）５０の下の拡散層１３５に浸透する。カソード溶液は、断面図に示されるように拡散層１３５から側壁５０の下のＭＥＡ１３０に到達し、発電反応に用いられた後、拡散層１３５から排出溝６６ａに移動する。
【００６７】
本例において、供給溝６５ａと排出溝６６ａは閉塞され、互いに連通していない。このため、供給溝６５ａの圧力を排出溝６６ａの圧力より高めることにより、カソード溶液を側壁５０の下の拡散層１３５に浸透させることができる。しかし、このとき、カソード溶液は流れる方向をほぼ直角に変更するため、その方向の流速成分をカソード溶液に与えるための仕事量が圧力損失として生じ、カソード電極１３１の全面にわたってカソード溶液を十分に供給することができずに発電性能が低下するおそれがある。
【００６８】
また、供給溝６５ａの下流端６５１ａと排出溝６６ａの上流端６６０ａは閉塞されているため、カソード溶液の溝方向の流れが遮断される。このため、供給溝６５ａの閉塞部分Ｋａと排出溝６６ａの閉塞部分Ｋｂではカソード溶液が側壁下の拡散層１３５に浸透しにくく、発電性能が低下する。
【００６９】
（第２比較例）
図５は、第２比較例のセパレータ１３６ｂの平面図及び断面図である。断面図は平面図の直線Ｌｙに沿った断面を示す。なお、矢印はカソード溶液の流れる方向を示す。
【００７０】
セパレータ１３６ｂは上記のセパレータ１３６の比較例である。セパレータ１３６ｂには複数の供給溝６５ｂと複数の排出溝６６ｂが備えられる。複数の供給溝６５ｂと複数の排出溝６６ｂは非噛合型の櫛歯形状の流路を構成する。供給溝６５ｂと排出溝６６ｂは同一直線（Ｌｙ）上に配置されている。複数の供給溝６５ｂ及び排出溝６６ｂは、側壁５１を挟んで並んでいる。
【００７１】
供給溝６５ｂは、上流端６５０ｂにおいて供給孔６１と連通し、下流端６５１ｂにおいて閉塞されている。排出溝６６ｂは、上流端６６０ｂにおいて閉塞され、下流端６６１ｂにおいて排出孔６２に連通する。供給溝６５ｂの下流端６５１ｂと排出溝６６ｂの上流端６６０ｂは隔壁５２により隔てられている。隔壁５２は側壁５０に対して直交するように設けられており、その壁面はカソード溶液の流れる方向に向いている。
【００７２】
カソード溶液は、供給孔６１から供給溝６５ｂに流れ込み、供給溝６５ｂと同一直線上の排出溝６６ｂに向かい拡散層１３５に浸透する。より具体的には、供給溝６５ｂ内のカソード溶液は、同一直線上の排出溝６６ｂとの間の隔壁（リブ）５２の下の拡散層１３５に浸透する。カソード溶液は、断面図に示されるように拡散層１３５から隔壁５２の下のＭＥＡ１３０に到達し、発電反応に用いられた後、拡散層１３５から排出溝６６ｂに移動する。
【００７３】
本例では、供給溝６５ｂと排出溝６６ｂが同一直線上に配置されているため、第１比較例とは異なり、カソード溶液は流れる方向を変えずに、供給溝６５ｂから隔壁５２の下の拡散層１３５に浸透して排出溝６６ｂへと抜けることができる。しかし、隔壁５２は供給溝６５ｂ及び排出溝６６ｂ内のカソード溶液の流れ方向に面しているため、その幅ｗ０が、供給溝６５ｂの幅分しか確保されない。このため、供給溝６５ｂの単位断面積当たりのカソード溶液の流量が大きくなり、圧力損失が増加して発電性能が低下する。
【００７４】
（第１実施例）
そこで、実施例では、隔壁を供給溝６５及び排出溝６６の延びる方向に対して斜めに面するように設けることにより、カソード溶液の流れ込む幅を広げて圧力損失を低減する。
【００７５】
図６は、第１実施例のセパレータ１３６の平面図及び断面図である。断面図は平面図の直線Ｌｙに沿った断面を示す。なお、矢印はカソード溶液の流れる方向を示す。
【００７６】
セパレータ１３６には、複数の供給溝６５と、複数の排出溝６６と、側壁５３と、隔壁６８とが備えられる。複数の供給溝６５と複数の排出溝６６は非噛合型の櫛歯形状の流路を構成する。供給溝６５と排出溝６６は同一直線（Ｌｙ）上に配置されている。つまり、排出溝６６は、供給溝６５の延長方向に延びるように設けられている。複数の供給溝６５及び排出溝６６は、側壁５３を挟んで並んでいる。
【００７７】
供給溝６５は、上流端６５０において供給孔６１と連通し、下流端６５１において閉塞されている。排出溝６６は、上流端６６０において閉塞され、下流端６６１において排出孔６２に連通する。
【００７８】
供給溝６５の下流端６５１と排出溝６６の上流端６６０は隔壁６８により隔てられている。隔壁６８は側壁５３に対して角度α（≠９０度）で交差するように設けられており、その壁面はカソード溶液の流れる方向に対して斜め方向に向いている。つまり、隔壁６８は、直線Ｌｙで示される供給溝６５の延長方向に対して斜め方向に面している。このため、隔壁６８の幅ｗは第２比較例の隔壁５２の幅ｗ０より広い。
【００７９】
本例では、供給溝６５と排出溝６６が同一直線上に配置されているため、第１比較例とは異なり、カソード溶液は流れる方向を変えずに、供給溝６５から隔壁６８の下の拡散層１３５に浸透して排出溝６６へと抜けることができる。
【００８０】
カソード溶液は、供給孔６１から供給溝６５に流れ込み、供給溝６５と同一直線上の排出溝６６に向かい拡散層１３５に浸透する。より具体的には、供給溝６５内のカソード溶液は、同一直線上の排出溝６６との間の隔壁（リブ）６８の下の拡散層１３５に浸透する。カソード溶液は、断面図に示されるように拡散層１３５から隔壁６８の下のＭＥＡ１３０に到達し、発電反応に用いられた後、拡散層１３５から排出溝６６に移動する。
【００８１】
このとき、隔壁６８の幅ｗは第２比較例の隔壁５２の幅ｗ０より広いため、供給溝６５の単位断面積当たりのカソード溶液の流量が第２比較例より小さくなり、圧力損失が低減される。このため、カソード電極１３１の全面にわたってカソード溶液を十分に供給することができるので、発電性能の低下が抑制される。また、カソード溶液に対する拡散層１３５の抵抗成分である濃度過電圧を低下させれば、さらに効果的に発電性能の低下が抑制される。
【００８２】
また、隔壁６８の向きは、供給溝６５及び排出溝６６の並んだ方向におけるセパレータ１３６の中心線Ｌｏを挟んで対象となるように設定されている。より具体的には、隔壁６８の下のカソード溶液の流れる方向が中心線Ｌｏ側を向くように隔壁６８が配置されている。
【００８３】
このように隔壁６８を内向きとすることにより、カソード溶液はセパレータ１３６内を排出孔６２の中心に向かうように流れるので、燃料電池スタックの締結圧力の低いセパレータ１３６の角部にカソード溶液が流れ、そこから外部に漏れるおそれが低減される。
【００８４】
図７は、隔壁６８を外向きにしたセパレータ１３６の平面図である。図７において、図６と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。本例のように、隔壁６８を外向きにすると、燃料電池スタックの締結圧力の低いセパレータ１３６の角部にカソード溶液が流れ、そこから外部に漏れるおそれがある。このため、隔壁６８は、上述したように内向きとするのが好ましい。
【００８５】
（第２実施例）
第１実施例では、隔壁６８を１つだけ設けたが、より多くのカソード溶液がＭＥＡ１３０に到達できるように複数の隔壁を設けてもよい。
【００８６】
図８は、第２実施例のセパレータ１３６の平面図及び断面図である。断面図は平面図の直線Ｌｙに沿った断面を示す。なお、矢印はカソード溶液の流れる方向を示す。
【００８７】
セパレータ１３６には、複数の供給溝６５ｃと、複数の中間溝６７と、複数の排出溝６６ｃと、側壁５４と、隔壁６８ａ，６８ｂとが備えられる。供給溝６５ｃと中間溝６７と排出溝６６ｃは同一直線（Ｌｙ）上に配置されている。つまり、排出溝６６ｃ及び中間溝６７は、供給溝６５ｃの延長方向に延びるように設けられている。中間溝６７は供給溝６５ｃ及び排出溝６６ｃの間に設けられている。複数の供給溝６５ｃ、中間溝６７、及び排出溝６６ｃは、側壁５４を挟んで並んでいる。
【００８８】
供給溝６５ｃは、上流端６５０ｃにおいて供給孔６１と連通し、下流端６５１ｃにおいて閉塞されている。排出溝６６ｃは、上流端６６０ｃにおいて閉塞され、下流端６６１ｃにおいて排出孔６２に連通する。
【００８９】
供給溝６５ｃの下流端６５１ｃと中間溝６７は隔壁６８ａにより隔てられている。隔壁６８ａは側壁５４に対して角度β（≠９０度）で交差するように設けられており、その壁面はカソード溶液の流れる方向に対して斜め方向に向いている。つまり、隔壁６８ａは、直線Ｌｙで示される供給溝６５ｃの延長方向に対して斜め方向に面している。このため、隔壁６８ａの幅ｗａは第２比較例の隔壁５２の幅ｗ０より広い。
【００９０】
排出溝６６ｃの上流端６６０ｃと中間溝６７は隔壁６８ｂにより隔てられている。隔壁６８ｂは側壁５４に対して角度γ（≠９０度）で交差するように設けられており、その壁面はカソード溶液の流れる方向に対して斜め方向に向いている。つまり、隔壁６８ｂは、直線Ｌｙで示される供給溝６５ｃの延長方向に対して斜め方向に面している。このため、隔壁６８ｂの幅ｗｂは第２比較例の隔壁５２の幅ｗ０より広い。なお、隔壁６８ａの角度βと隔壁６８ｂの角度γは、同一であっても異なっていてもよい。
【００９１】
カソード溶液は、供給孔６１から供給溝６５ｃに流れ込み、供給溝６５ｃと同一直線上の中間溝６７に向かい拡散層１３５に浸透する。より具体的には、供給溝６５ｃ内のカソード溶液は、同一直線上の中間溝６７との間の隔壁（リブ）６８ａの下の拡散層１３５に浸透する。カソード溶液は、断面図に示されるように拡散層１３５から隔壁６８ａの下のＭＥＡ１３０に到達し、発電反応に用いられた後、拡散層１３５から中間溝６７に移動する。
【００９２】
さらに、カソード溶液は、中間溝６７から供給溝６５ｃと同一直線上の排出溝６６ｃに向かい拡散層１３５に浸透する。より具体的には、中間溝６７内のカソード溶液は、同一直線上の排出溝６６ｃとの間の隔壁（リブ）６８ｂの下の拡散層１３５に浸透する。カソード溶液は、断面図に示されるように拡散層１３５から隔壁６８ｂの下のＭＥＡ１３０に到達し、発電反応に用いられた後、拡散層１３５から排出溝６６ｃに移動する。
【００９３】
このとき、隔壁６８ａの幅ｗａと隔壁６８ｂの幅ｗｂは第２比較例の隔壁５２の幅ｗ０より広いため、供給溝６５ｃの単位断面積当たりのカソード溶液の流量が第２比較例より小さくなり、圧力損失が低減される。このため、カソード電極１３１の全面にわたってカソード溶液を十分に供給することができるので、発電性能の低下が抑制される。また、カソード溶液に対する拡散層１３５の抵抗成分である濃度過電圧を低下させれば、さらに効果的に発電性能の低下が抑制される。
【００９４】
また、本例においても隔壁６８ａ，６８ｂは内向きであるため、カソード溶液はセパレータ１３６内を排出孔６２の中心に向かうように流れる。このため、燃料電池スタックの締結圧力の低いセパレータ１３６の角部にカソード溶液が流れ、そこから外部に漏れるおそれが低減される。
【００９５】
（第３実施例）
第２実施例において、隣接する中間溝６７同士の間の領域Ｐの拡散層１３５には、中間溝６７同士の間の圧力差が低いためにカソード溶液が浸透しにくい。そこで、カソード溶液が領域Ｐの拡散層１３５に浸透するように、カソード溶液を流す微細な溝を追加してもよい。
【００９６】
図９は、第３実施例のセパレータ１３６の平面図である。図９において、図８と共通する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９７】
本例では、隣接する一組の中間溝６７の一方と隔壁６８ａを挟んで対向する供給溝６５ｃの下流端６５１ｃと、隣接する一組の中間溝６７の他方と隔壁６８ｂを挟んで対向する排出溝６６ｃの上流端６６０ｃとを結ぶ微細な溝６９が、セパレータ１３６に設けられている。この微細な溝６９の断面積は、一例として供給溝６５ｃ及び排出溝６６ｃのおよそ５分の１から２０分の１である。
【００９８】
カソード溶液の一部は、供給溝６５ｃの下流端６５１ｃから微細な溝６９を通り、隣接する排出溝６６ｃの上流端６６０ｃに流れ込む。このため、上記の領域Ｐの拡散層１３５にもカソード溶液を十分に浸透させることができる。
【００９９】
（効果）
次に、実施例の効果について説明する。本例では、比較例として第１比較例（図４参照）を用い、実施例として第３実施例（図９参照）を用いて得られた実験結果を示す。ここで、実施例と比較例の供給溝６５ｃ，６５ａ及び排出溝６６ｃ，６６ａの本数、断面積、及び長さは同一とする。なお、燃料電池１３としてはレドックスフロー型の燃料電池を用い、そのカソード溶液としてはポリオキソメタレート（Ｈ７ＰＶ４Ｍｏ８Ｏ４０、日本無機化学製）を用いる。
【０１００】
図１０は、流量に対する圧力損失の変化の一例を示す図である。図１０において、横軸はセパレータ１３６に供給されるカソード溶液の流量（Ｌ／ｍｉｎ．）を示し、縦軸は圧力損失（ｋＰａ）を示す。また、図１０において、三角形のマークは比較例のデータを示し、四角形のマークは実施例のデータを示す。
【０１０１】
圧力損失は、流量が増えるほど増加する。実施例の圧力損失は、比較例の圧力損失の１／３〜１／５程度に低減されている。これは、上述したように、カソード溶液が流れる方向を変えずに供給溝６５ｃから排出溝６６ｃに流通するためである。
【０１０２】
図１１は、電流密度に対するセル電圧及び抵抗値の変化の一例を示す図である。図１１において、横軸は燃料電池１３の電流密度（Ａ／ｃｍ２）を示し、縦軸は燃料電池１３のセル電圧（Ｖ）及び抵抗値（ｍΩ）を示す。実線はセル電圧を示し、三角形のマークは抵抗値を示す。符号Ｇ１は実施例のセル電圧を示し、符号Ｇ２は比較例のセル電圧を示す。また、符号Ｇ３は実施例の燃料電池セルの抵抗値を示し、符号Ｇ４は、比較例の燃料電池セルの抵抗値を示す。
【０１０３】
セル電圧及び抵抗値は、電流密度が増加するほど減少する。実施例のセル電圧及び抵抗値は、比較例のセル電圧及び抵抗値より大きい値に維持される。このため、実施例の燃料電池１３は、比較例の燃料電池１３より発電性能が良好であることがわかる。
【０１０４】
このように、実施例の燃料電池１３によると、発電性能の低下を抑制することができる。なお、本実施例では、レドックスフロー型の燃料電池１３を挙げたが、これに限定されない。酸素と水素から発電する燃料電池のカソード側またはアノード側のセパレータに、図６〜図９に示される供給溝６５，６５ｃ及び排出溝６６，６６ｃを設けることで、上記と同様の効果が得られる。また、各実施例の構成は、セパレータ１３６，１３９の一方に適用されてもよいし、その両方に適用されてもよい。なお、実施例における抵抗値は比較例における抵抗値より大きいが、このように抵抗値が大きくても発電性能は向上していることが理解される。
【０１０５】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、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内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１３                                     燃料電池
１３０                                   ＭＥＡ
１３５，１３８                           拡散層
１３６，１３９                           セパレータ
６１，９３                               供給孔
６２，９４                               排出孔
６５，９５                               供給溝
６６，９６                               排出溝
６８，６８ａ，６８ｂ                            隔壁
【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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【図７】
2018088337.tif 000009
【図８】
2018088337.tif 000010
【図９】
2018088337.tif 000011
【図１０】
2018088337.tif 000012
【図１１】
2018088337.tif 000013