(57)【要約】【課題】燃料電池に関し、電極面内での発電反応の均一化を可能にする。【解決手段】多孔体流路層４をその両側から挟むようにガス分配路１０とガス回収路１２とを形成する。ガス回収路１２のガスの流れ方向と、ガス分配路１０のガスの流れ方向とは同方向に設定する。且つ、ガス回収路１２の上流側の流路断面積は、その下流側の流路断面積よりも小さくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体をセパレータで挟んで構成される燃料電池であって、
前記膜電極接合体の電極面と前記セパレータとの間に設けられたガス流路と、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間において前記膜電極接合体の縁の一部に沿って設けられ、前記ガス流路に反応ガスを分配するガス分配路と、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間において前記ガス分配路との間で前記膜電極接合体を挟むようにして前記膜電極接合体の縁の一部に沿って設けられ、前記ガス流路を通過した反応ガスを集めて排出するガス回収路とを備え、
前記ガス回収路は、そのガスの流れ方向を前記ガス分配路のガスの流れ方向と同方向に設定され、且つ、上流側の流路断面積を下流側の流路断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス回収路は、上流側から下流側に向けて流路断面積が次第に大きくなるよう形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体の電極面と前記セパレータとの間には電子伝導性を有する多孔体からなる層が形成され、前記層内に存在する連続した気孔によって前記ガス流路が構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス回収路内には連続した気孔を有する多孔体が配置され、前記多孔体によって前記ガス回収路の実質的な流路断面積が調整されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス回収路内に配置された前記多孔体と、前記ガス流路を構成する前記多孔体層とは一体化されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス流路に供給される反応ガスはアノードガスであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１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、膜電極接合体をセパレータで挟んで構成される燃料電池に関し、詳しくは、膜電極接合体とセパレータとの間に反応ガスの給排のためのガス分配路及びガス回収路を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に記載されているように、膜電極接合体とセパレータとの間に反応ガスの給排のためのガス分配路及びガス回収路を備えた燃料電池が知られている。この燃料電池では、反応ガスはガス分配路を介して膜電極接合体の電極面に分配される。また、膜電極接合体の電極面を通過した反応ガスは、ガス排出路に集められて排出される。特許文献１に記載の燃料電池では、膜電極接合体の電極面とセパレータとの間に複数列のガス流路が形成されている。各ガス流路の上流側の端部はガス分配路に接続され、各ガス流路の下流側の端部はガス回収路に接続されている。
【特許文献１】特開平５−１０９４１５号公報
【特許文献２】特開２００４−６１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池においては、ガス分配路の上流側に形成されたガス流路から下流側に形成されたガス流路に順々に反応ガスが分配される。このため、ガス分配路の上流側と下流側とで各ガス流路に流入する反応ガスの流量が異なるおそれがある。この場合、ガス分配路の下流側に形成されたガス流路に十分な反応ガスが供給されないと、この部位に接触する電極では十分な発電を行えない。つまり、発電がガス分配路の上流側に集中してしまうことになる。
【０００４】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電極面内での発電反応を均一化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】
【０００５】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
膜電極接合体をセパレータで挟んで構成される燃料電池であって、
前記膜電極接合体の電極面と前記セパレータとの間に設けられたガス流路と、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間において前記膜電極接合体の縁の一部に沿って設けられ、前記ガス流路に反応ガスを分配するガス分配路と、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間において前記ガス分配路との間で前記膜電極接合体を挟むようにして前記膜電極接合体の縁の一部に沿って設けられ、前記ガス流路を通過した反応ガスを集めて排出するガス回収路とを備え、
前記ガス回収路は、そのガスの流れ方向を前記ガス分配路のガスの流れ方向と同方向に設定され、且つ、上流側の流路断面積を下流側の流路断面積よりも小さく形成されていることを特徴としている。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において
前記ガス回収路は、上流側から下流側に向けて流路断面積が次第に大きくなるよう形成されていることを特徴としている。
【０００７】
第３の発明は、第１又は第２の発明において
前記膜電極接合体の電極面と前記セパレータとの間には電子伝導性を有する多孔体からなる層が形成され、前記層内に存在する連続した気孔によって前記ガス流路が構成されていることを特徴としている。
【０００８】
第４の発明は、第３の発明において
前記ガス回収路内には連続した気孔を有する多孔体が配置され、前記多孔体によって前記ガス回収路の実質的な流路断面積が調整されていることを特徴としている。
【０００９】
第５の発明は、第４の発明において
前記ガス回収路内に配置された前記多孔体と、前記ガス流路を構成する前記多孔体層とは一体化されていることを特徴としている。
【００１０】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、前記ガス流路に供給される反応ガスはアノードガスであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、ガス回収路の上流側の流路断面積が下流側の流路断面積よりも小さく形成されていることで、ガス分配路の下流側からガス流路を通ってガス回収路の下流側に流れる反応ガスの圧力損失に比較して、ガス分配路の上流側からガス流路を通ってガス回収路の上流側に流れる反応ガスの圧力損失を大きくすることができる。これにより、ガス分配路の上流側と下流側とでガス流路に流入する反応ガスの流量を均一化することができ、電極面内に発電量の分布が生じることを抑制することができる。
【００１２】
第２の発明によれば、ガス回収路の流路断面積を上流側から下流側に向けて次第に大きくすることで、ガス流路内の圧力損失をガス分配路の上流側から下流側に向けて次第に小さくすることができる。これによれば、ガス分配路の上流側と下流側とでガス流路に流入する反応ガスの流量をより均一化することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、ガス流路を多孔体層で形成することによって電極面への反応ガスの供給をより均一化することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、ガス回収路の上流側の流路断面積を下流側の流路断面積よりも小さくすることを容易に実現することができる。
【００１５】
第５の発明によれば、部品点数を少なくして燃料電池の組立てを簡単化することができる。
【００１６】
第６の発明によれば、ガス流路におけるアノードガスの入口側に発電が集中してしまうことを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１乃至図３は、本発明の実施の形態１としての燃料電池の構成を示す図である。図１は燃料電池の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。これらの図を用いて、実施の形態１としての燃料電池の構成について説明する。
【００１８】
通常、燃料電池は、複数枚の燃料電池（セルという）を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。図１乃至図３は、燃料電池スタックを構成する複数枚の燃料電池の中から一枚を取り出して示したものである。燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の両面を導電性材料からなるセパレータで挟んで構成されている。図１の平面図は、セパレータを取り外して膜電極接合体をそのアノード側から見た図である。
【００１９】
図１に示すように、膜電極接合体２の外周部には、膜電極接合体２を囲むようにシールガスケット８が一体的に取り付けられている。図２に示すように、膜電極接合体２は一体化されたシールガスケット８とともに、その両面をプレート３２、３４によって挟まれている。図３に示すように、これら２枚のプレート３２、３４はその間に配置される中間プレート３６とともに、セパレータ３０を構成している。図２、図３において、プレート３２は膜電極接合体２のアノード側に位置し、プレート３４は膜電極接合体２のカソード側に位置している。各プレート３２、３４、３６は何れも導電性材料からできている。
【００２０】
図２に示すように、膜電極接合体２のアノード面とプレート３２との間には、アノードガスの流路となる層４が設けられている。膜電極接合体２のカソード面とプレート３４との間には、カソードガスの流路となる層６が設けられている。これらの層４、６は電子伝導性を有する多孔体からなり、層４、６内に存在する連続した気孔によってガス流路が構成されている。以下、これらの層４、６を多孔体流路層という。
【００２１】
膜電極接合体２の電極面のうち少なくともアノード側には、膜電極接合体２の輪郭を形成する４辺のうちの対向する２辺に沿って、表面に多孔体流路層４が存在しない区域が設けられている。これらの区域では、多孔体流路層４の側面４ａ、４ｂとシールガスケット８のシールライン８ａ、８ｂとの間に隙間ができるために膜電極接合体２の電極面が露出し、膜電極接合体２とプレート３２との間には細長い空間１０、１２が形成される。これら２つの空間１０、１２は多孔体流路層４を両側から挟むように延びている。一方の空間１０は、多孔体流路層４にその側面４ｂからアノードガスを分配するためのガス分配路である。もう一方の空間１２は、多孔体流路層４を通過してその側壁４ａから流れ出るアノードオフガスを集めて排出するためのガス回収路である。
【００２２】
図１に示すように、シールガスケット８には複数の貫通孔１４、１６、２０、２２、２６、２８が形成されている。同様の貫通孔はセパレータ３０にも形成されている。燃料電池が積層されてセパレータ３０の貫通孔とシールガスケット８の貫通孔とが交互に重なっていくことにより、燃料電池スタックを積層方向に貫通する貫通孔（いわゆるマニホールド）が形成される。
【００２３】
供給マニホールド１０の一端に近い貫通孔１４は、各燃料電池にアノードガスを分配するためのアノードガス供給孔である。このアノードガス供給孔１４の対角上に位置する貫通孔１６は、各燃料電池から排出されるアノードオフガスを収集するためのアノードオフガス排出孔である。また、貫通孔２２は冷媒供給孔、貫通孔２０は冷媒排出孔である。貫通孔２８はカソードガス供給孔、貫通孔２６はカソードオフガス排出孔である。
【００２４】
アノードガス供給孔１４とガス分配路１０とは、図３に示すように、セパレータ３０内に形成された連通路１８によって接続されている。連通路１８は、セパレータ３０を構成する２枚のプレート３２、３４の間に設けられた隙間であり、アノード側のプレート３２に形成された開口を介してガス分配路１０の端部に連通している。図３中に矢印で示すように、この連通路１８を通ってアノードガス供給孔１４からガス分配路１０へアノードガスが導入される。
【００２５】
アノードガス排出孔１６とガス回収路１２とは、セパレータ３０内に形成された図示しない連通路によって接続されている。この連通路は、アノード側のプレート３２に形成された開口を介してガス回収路１２の端部に連通している。アノードガス排出孔１６はアノードガス供給孔１４の対角上に位置しているので、ガス回収路１２内をアノードガス排出孔１６に向けて流れるアノードオフガスの向きは、ガス分配路１０内を流れるアノードガスの向きと同方向となる。
【００２６】
ガス分配路１０とガス回収路１２とは、その形状に相違がある。ガス分配路１０を構成する多孔体流路層４の側面４ｂとシールガスケット８のシールライン８ｂとは平行であり、ガス分配路１０の幅はその全域において一定になっている。これに対し、ガス回収路１２を構成する多孔体流路層４の側面４ａとシールガスケット８のシールライン８ａとは平行ではない。多孔体流路層４のガス回収路１２側の側面４ａは、ガス回収路１２の上流側から下流側にかけて側面４ａ、４ｂ間の幅が狭まるように、ガス分配路１０側の側面４ｂに対して傾斜して形成されている。一方、シールガスケット８のガス回収路１２側のシールライン８ａは、ガス回収路１０側のシールライン８ｂに対して平行に形成されている。これにより、ガス回収路１２の流路断面積は、その上流側から下流側に向けて次第に大きくなっている。
【００２７】
次に、以上説明した燃料電池の構成で得られる作用及び効果について説明する。
【００２８】
アノードガス供給孔１４から各セルに供給されたアノードガスは、ガス分配路１０内を図１中に矢印で示す方向に流れながら多孔体流路層４に分配されていく。多孔体流路層４を通過したアノードガスは、アノードオフガスとなってガス回収路１２に排出される。このとき、ガス分配路１０の上流側において多孔体流路層４に流入したアノードガスは、多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の上流側に流れ出る。一方、ガス分配路１０の下流側において多孔体流路層４に流入したアノードガスは、多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の下流側に流れ出る。
【００２９】
ガス回収路１２は、その上流側の流路断面積が下流側の流路断面積よりも小さくなっている。これによれば、ガス分配路１０の下流側から多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の下流側に流れるアノードガスの圧力損失に比較して、ガス分配路１０の上流側から多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の上流側に流れるアノードガスの圧力損失を大きくすることができる。また、ガス回収路１２の流路断面積は、その上流側から下流側に向けて次第に大きくなっていることから、多孔体流路層４内でのアノードガスの圧力損失も排出マニホールド１２の上流側から下流側に向けて次第に小さくなる。
【００３０】
アノードガスはガス分配路１０の上流側から優先的に分配されていくため、ガス分配路１０の下流側では上流側に比較して多孔体流路層４に供給されるアノードガスの流量が小さくなるおそれがある。しかし、本実施の形態の燃料電池のように、ガス分配路１０の上流側と下流側とでアノードガスが多孔体流路層４を通過する際の圧力損失の大きさに差を生じさせることができれば、ガス分配路１０の上流側と下流側とで多孔体流路層４に流入するアノードガスの流量を均一化することができる。その結果、膜電極接合体２の電極面内に発電量の分布が生じることを抑制することが可能になる。  
【００３１】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２としての燃料電池の構成を示す平面図である。図４において、実施の形態１と共通する部品或いは部位については、同一の符号を付して示している。以下、この図４を用いて、実施の形態２としての燃料電池の構成、特に、構成における実施の形態１との相違点について説明する。
【００３２】
本実施の形態の燃料電池は、実施の形態１とはガス回収路１２の構成に相違がある。ガス回収路１２は、その上流側の幅が下流側の幅よりも狭くなるように形成されている点においては、実施の形態１と共通している。ただし、本実施の形態では、多孔体流路層４のガス回収路１２側の側面４ａは、ガス分配路１０側の側面４ｂに対して平行に形成されている。つまり、多孔体流路層４の平面形状は、実施の形態１のような台形ではなく、より単純な形状である長方形になっている。一方、シールガスケット８のガス回収路１２側のシールライン８ａは、ガス回収路１２の上流側から下流側にかけてシールライン８ａ、８ｂ間の幅が広まるように、ガス分配路１０側のシールライン８ｂに対して傾斜して形成されている。これにより、ガス回収路１２の流路断面積は、その上流側から下流側に向けて次第に大きくなっている。
【００３３】
本実施の形態の燃料電池によっても、実施の形態１と同様、ガス分配路１０の下流側から多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の下流側に流れるアノードガスの圧力損失に比較して、ガス分配路１０の上流側から多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の上流側に流れるアノードガスの圧力損失を大きくすることができる。これにより、ガス分配路１０の上流側と下流側とで多孔体流路層４に流入するアノードガスの流量を均一化することが可能であり、膜電極接合体２の電極面内に発電量の分布が生じることを抑制することができる。
【００３４】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３としての燃料電池の構成を示す平面図である。図５において、実施の形態１或いは２と共通する部品或いは部位については、同一の符号を付して示している。以下、この図５を用いて、実施の形態３としての燃料電池の構成、特に、構成における実施の形態１及び２との相違点について説明する。
【００３５】
本実施の形態の燃料電池は、実施の形態１及び２とはガス回収路１２の構成に相違がある。ガス回収路１２は、その上流側の流路断面積が下流側の流路断面積よりも小さく形成されている点においては、実施の形態１及び２と共通している。ただし、実施の形態１及び２では、ガス回収路１２の形状によって流路断面積に変化をつけていたのに対し、本実施の形態では、ガス回収路１２内に多孔体４０を配置することで、その実質的な流路断面積を調整している。
【００３６】
具体的には、本実施の形態では、ガス回収路１２を構成する多孔体流路層４の側面４ａとシールガスケット８のシールライン８ａとは平行であり、ガス回収路１２の幅はその全域において一定になっている。多孔体４０はガス回収路１２の上流側に配置されている。多孔体４０は電子伝導性を有する材料からなるものが好ましく、例えば、多孔体流路層４を形成する多孔体と同じものを用いることができる。多孔体４０内には連続した気孔が存在するため、その連続した気孔によってガス回収路１２の上流側でもアノードオフガスの流路は確保される。しかし、多孔体４０の網目構造が抵抗となるため、実質的な流路断面積は多孔体４０が配置されていないガス回収路１２の下流側に比較して小さくなる。
【００３７】
本実施の形態の燃料電池によっても、実施の形態１及び２と同様、ガス分配路１０の下流側から多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の下流側に流れるアノードガスの圧力損失に比較して、ガス分配路１０の上流側から多孔体流路層４を通ってガス回収路１２の上流側に流れるアノードガスの圧力損失を大きくすることができる。これにより、ガス分配路１０の上流側と下流側とで多孔体流路層４に流入するアノードガスの流量を均一化することが可能であり、膜電極接合体２の電極面内に発電量の分布が生じることを抑制することができる。
【００３８】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３９】
実施の形態１或いは２において、ガス分配路１２の幅は全域において一定にし、代わりに、ガス分配路１２の深さを上流側から下流側に向けて次第に深くするようにしてもよい。これによっても、ガス分配路１２の流路面積をその上流側から下流側に向けて次第に大きくすることができる。また、ガス分配路１２の輪郭を形成する多孔体流路層側面４ａとシールライン８ａは、必ずしも図１、図４に示すような平面である必要はなく、カーブしてたり折れ曲がっていてもよい。ガス分配路１２の上流側の流路断面積が下流側の流路断面積よりも小さくなってさえいればよい。したがって、ガス分配路１２の幅或いは深さは、その上流側から下流側に向けて段階的に変化させてもよい。  
【００４０】
実施の形態３において、気孔率の異なる複数種類の多孔体をガス分配路１２内に配置してもよい。その場合、上流側から下流側に向けて気孔率の小さい順に並べるのが好ましい。そうすることで、ガス分配路１２の上流側から下流側に向けて、その実質的な流路断面積を段階的に大きくすることができる。
【００４１】
また、実施の形態３において、ガス分配路１２内に配置する多孔体４０は、多孔体流路層４と一体化することもできる。これは、実施の形態１において排出マニホールド１２の幅を段階的に変化させるようにし、且つ、その上流側の幅をゼロに設定したことに等しい。
【００４２】
上記実施の形態では、膜電極接合体の形状を長方形としているが、台形や楕円形等の他の形状であってもよい。ガス分配路を膜電極接合体の縁の一部に沿って設けることができ、ガス分配路との間で膜電極接合体を挟むようにして膜電極接合体の縁の一部に沿ってガス回収路を設けることができればよい。
【００４３】
本発明は、上記実施の形態のような多孔体流路層を有する燃料電池のみならず、セパレータの表面に形成された多数の溝によってガス流路が構成される燃料電池にも適用可能である。その場合、各ガス流路の上流端がガス分配路に連通し、各ガス流路の下流端がガス分配路に連通していればよい。
【００４４】
また、本発明にかかる燃料電池の構成は、アノード側のみならずカソード側にも適用することができる。もちろん、アノード側とカソード側の双方に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２としての燃料電池の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態３としての燃料電池の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２  膜電極接合体
４  多孔体流路層
４ａ、４ｂ  多孔体流路層側面
８  シールガスケット
８ａ、８ｂ  シールライン
１０  ガス分配路
１２  ガス回収路
１４  アノードガス供給孔
１６  アノードオフガス排出孔
１８  連通路
３０  セパレータ
３２  アノード側プレート
３４  カソード側プレート
３６  中間プレート
４０  多孔体
【図１】
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【図２】
2008123901.tif 000004
【図３】
2008123901.tif 000005
【図４】
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【図５】
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