(57)【要約】　　　（修正有）【課題】ガス拡散層内での局所的な排水を防いだ燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜３、触媒層７、ガス拡散層６、セパレータ５を積層することにより燃料電池１を構成する。セパレータ５には、ガス拡散層６に反応ガスを供給する供給流路８と、反応後のガスを回収する排出流路９と、隣ある供給流路８、排出流路９の側面１２ａ、１２ｂと接触面１２ｃと、により構成したリブ部１２を備える。反応ガスが供給流路８からガス拡散層６内に入り込む際に、反応ガスの主流が接触面１２ｃに沿って供給流路８に垂直な方向の成分を増加させるようにリブ部１２を構成する。【選択図】　　　図３
2004047213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に形成した触媒層と、
前記触媒層を狭持するガス拡散層と、
前記ガス拡散層を狭持するセパレータと、を備え、
前記セパレータには、前記ガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、
前記ガス拡散層から反応後のガスを回収する排出流路と、
反応ガスが通過するガス拡散層の一部に接触する接触面と隣り合う前記供給流路と前記排出流路の側面とにより構成されたリブ部と、を設け、
反応ガスが前記供給流路から前記ガス拡散層内に入り込む際に、反応ガスの主流が前記接触面に沿って前記供給流路方向に垂直な方向の成分を増加させるように前記リブ部を構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記リブ部の幅が前記ガス拡散層側で減少するように、前記リブ部の前記供給流路側の側面を形成する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記リブ部を形成する前記供給流路側の側面の前記ガス拡散層付近における接平面と、前記接触面の接平面と、の交差角が９０度より大きく１８０度未満である請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記リブ部を形成する前記供給流路側の側面の前記ガス拡散層と接する角部を、面取りにより形成した斜面により構成する請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記リブ部を形成する前記供給流路側の側面の前記ガス拡散層と接する角部を、曲面形状とした請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記リブ部を構成する前記供給流路側の側面と前記接触面とにより構成される、前記リブ部の角を鈍角により形成し、
かつ、前記供給流路を構成する溝の前記拡散層と対峙した位置の底面と前記リブ部を構成する前記供給流路の側面とにより構成される、前記供給流路の角を鈍角により形成する請求項３に記載の燃料電池。
【請求項７】
電解質の両面に形成した触媒層と、
前記触媒層を狭持するガス拡散層と、
前記ガス拡散層を狭持するセパレータと、を備え、
前記セパレータには、前記ガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、
前記ガス拡散層から反応後のガスを回収する排出流路と、
反応ガスが通過するガス拡散層の一部に接触する接触面と隣り合う前記供給流路と前記排出流路の側面とにより構成されたリブ部と、を設け、
前記リブ部と前記触媒層に挟まれた部分の前記ガス拡散層の断面積を、前記供給流路から前記排出流路に向かって減少させることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
前記リブ部の前記供給流路の側面と前記供給流路を構成する溝の前記底面とが交差する角部に、傾斜面を設けた請求項３から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記リブ部の前記供給流路の側面と前記供給流路を構成する溝の前記底面とが交差する角部を、曲面形状とした請求項３から７のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に関する、特に固体高分子型燃料電池における反応ガスの流路形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素の電気化学反応から電気エネルギを取り出す燃料電池は、高効率であり、排出物が無害な水だけであることから、将来の自動車の動力源として注目されている。しかしながら、自動車に適用する場合には、車内の限られた空間に搭載する必要があることから、高効率であるとともに高出力密度であることが要求される。
【０００３】
そこで、特開平１１−１６５９１号公報においては、セパレータ内に形成された反応ガス流路に導入されたすべての反応ガス（水素含有ガスおよび酸素含有ガス）がガス拡散層内を通過するように流路を構成している。ここでは、セパレータリブによりセパレータ面に形成した供給側の反応ガス流路（以下、供給流路）と、排出側の反応ガス流路（以下、排出流路）と、を隔離して構成している。これにより、供給流路内の反応ガスはガス拡散層を通過して排出流路側に排出される。その結果、ガス拡散層内でのガス交換と、ガス拡散層内で凝縮した水の排出とを促進させて、燃料電池の単位体積当たりの発電効率を向上している。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開平１１−１６５９１号公報のような構成の燃料電池では、反応ガスが供給流路からガス拡散層に流入する際に、セパレータリブの角部において反応ガスの流れはセパレータリブから剥離する。これにより、反応ガスは、ガス拡散層流入後には速度が上昇し、また固体高分子膜の表面方向へ偏向する。
【０００５】
このため、セパレータリブと固体高分子膜に挟まれたガス拡散層内の、供給流路側を上流側、排出流路側を下流側とした際に、上流側の生成水の排水が過剰に行われて含水率が低下する場合がある。これにより、イオンが水和状態で膜中を移動するＰＥＭ型燃料電池では、ガス拡散層の上流側に面する部分の電解質膜で湿潤が十分ではなく、イオン導電率が低下して発電が抑制されてしまうという問題が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、ガス拡散層内での局所的な排水を防ぐことができる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、電解質膜の両面に形成した触媒層と、前記触媒層を狭持するガス拡散層と、前記ガス拡散層を狭持するセパレータと、を備える。前記セパレータには、前記ガス拡散層に反応ガスを供給する供給流路と、前記ガス拡散層から反応後のガスを回収する排出流路と、反応ガスが通過するガス拡散層の一部に接触する接触面と隣り合う前記供給流路と前記排出流路の側面とにより構成されたリブ部と、を設ける。反応ガスが前記供給流路から前記ガス拡散層内に入り込む際に、反応ガスの主流が前記接触面に沿って前記供給流路方向に垂直な方向の成分を増加させるように前記リブ部を構成する。
【０００８】
または、前記リブ部と前記触媒層に挟まれた部分の前記ガス拡散層の断面積を、前記供給流路から前記排出流路に向かって減少させる。
【０００９】
【作用及び効果】
反応ガスが供給流路からガス拡散層内に入り込む際に、反応ガスの主流が接触面に沿って供給流路方向に垂直な方向の成分を増加させるようにリブ部を構成する。これにより、反応ガスの剥離を抑制することができ、ガス拡散層内の反応ガスの流れを均一化することができる。その結果、過剰な排水を抑制することができるので、電解質膜の局所的な乾燥を抑制して発電効率を向上することができる。
【００１０】
また、リブ部と触媒層に挟まれた部分のガス拡散層の断面積を、供給流路から排出流路に向かって減少させる。これにより、ガス拡散層内の反応ガスの流速は排出流路側で大きくなり、排出流路側と剥離により流速が大きくなる供給流路側との反応ガスの流れを均一化することができる。これにより、局所的な排水を避け、発電効率を向上することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池１の反応ガス流路２の構成を図１に示す。
【００１２】
燃料電池１を電解質膜３と、電解質膜３を狭持する電極、さらに電極を狭持する集電体としての役割を持つセパレータ５とからなる単電池を積層することにより構成する。電極を、ガス拡散層６およびその内側に配置し、電解質膜３に接した触媒層７とから構成する。セパレータ５には、発電に用いる水素含有ガスまたは酸素含有ガスを各極に供給する反応ガス流路２を設ける。
【００１３】
ここでは、供給側の反応ガス流路（以下、供給流路８）と、排出側の反応ガス流路（以下、排出流路９）を分離して構成する。セパレータ５面内で互いに平行に、かつ、交互に供給流路８と排出流路９を形成し、供給流路８と排出流路９との間にはセパレータ５のリブ部１２を構成する。リブ部１２は、供給流路８側の側面１２ａと、排出流路９側の側面１２ｂと、ガス拡散層６との接触面１２ｃとによりガス拡散層６に向かって凸形状に構成する。供給流路８および排出流路９は、それぞれの一端を供給側マニホルド１０および排出側マニホルド１１に接続させ、またそれぞれの他端が行き止まりとなるように構成する。
【００１４】
このように構成することで、供給側マニホルド１０に反応ガスを供給すると反応ガスは供給流路８に分配され、ガス拡散層６を介して低圧力の排出流路９側に排出される。このとき、供給流路８には、両隣に排出流路９が形成されているが、気体はより低圧の部分に移動するので、反応ガスは圧力が低い側の排出流路９に供給される。つまり、反応ガスは主に排出側マニホルド１１内の流れの下流側に配置された排出流路９に移動する。図１においては、排出側マニホルド１１内では排出ガスが左から右に向かって流れているので、供給流路８からは右側に配置された排出流路９に反応ガスが排出される。排出流路９に排出された排出ガスは、排出側マニホルド１１に回収されて、燃料電池１外に排出される。
【００１５】
このような燃料電池１において、供給流路８から排出流路９に反応ガスが排出される際の従来の状態を図２に示す。ここで、排出流路９は供給流路８に隣接する流路のうち内部圧力が低い側の流路とする。
【００１６】
供給流路８と排出流路９との圧力差から、反応ガスはガス拡散層６を介して移動する。このとき、ガス拡散層６のうち、リブ部１２と触媒層７に挟まれた部分の供給流路８側を上流側６ａ、排出流路９側を下流側６ｂとする。反応ガスが、供給流路８からガス拡散層６の上流側６ａに浸透する際には、反応ガスはリブ部１２の側面１２ａおよび接触面１２ｃにより構成された凸角部１３において剥離し、浸透直後は速度が上昇して触媒層７方向に偏向する。その後、反応ガスの流れが一様化し、減速しながらガス拡散層６から排出流路９に向かう。
【００１７】
ガス拡散層６に供給された反応ガスは、触媒層７で発電を行うためのガス交換を行うとともに、生成水または過剰に供給された水分によるガス拡散層６の水詰まりを防ぐための水パージを行う。
【００１８】
しかしながら、上記のような燃料電池１においては、ガス拡散層６内の上流側６ａでは反応ガス速度が速く、流れの向きが触媒層７方向に偏向しているので、水パージおよびガス交換の性能が高くなる。一方、ガス拡散層６内の下流側６ｂでは反応ガス速度が遅く、流れの向きがセパレータ５面に平行もしくは出口付近では触媒層７から離れる方向となるので、水パージおよびガス交換性能が低くなる。
【００１９】
これにより、発電面の反応率に分布が生じるとともに、電解質膜３の湿潤不足またはガス拡散層６における水詰まりが生じるおそれがある。これにより、燃料電池１の発電効率が低下し必要な出力を得るために必要な燃料電池１のサイズが増大するという問題がある。
【００２０】
そこで、本実施形態では、反応ガス流路２を図３に示すように構成する。
【００２１】
ガス拡散層６への入口部となるリブ部１２の凸角部１３の面取りを行う。つまり、リブ部１２の側面１２ａのガス拡散層６付近を、面取りにより形成した斜面により構成する。ここで、凸角部１３は、図２に示すように平面で側面１２ａと接触面１２ｃを構成した場合の側面１２ａと接触面１２ｃとの交差部であり、後述する境界部１４は形状にかかわらず側面１２ａと接触面１２ｃとの接続部を示す。
【００２２】
このように、側面１２ａのガス拡散層６付近を斜面により構成する。これにより、供給流路８からガス拡散層６へ反応ガスを供給する際に接触面１２ｃに沿った速度成分が与えられる。
【００２３】
なお、ここでは、凸角部１３を切り落とすことにより構成するが、この切り落とす時の角度や程度は実験等により全体の発電効率が向上するように構成する。
【００２４】
また、供給流路８を構成するリブ部１２のうち一方のみに面取りを施しているが、リブ部１２を介して隣接する二つの排出流路９の圧力差が小さく、両方に反応ガスが供給される場合には、両側のリブ部１２に面取りを施してもよい。つまり、本実施形態におけるリブ部１２は、触媒層７との間のガス拡散層６内に反応ガスが流通する部分を示す。
【００２５】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２６】
セパレータ５に、ガス拡散層６に反応ガスを供給する供給流路８と、反応後のガスを回収する排出流路９とを、リブ部１２を介して配置する。反応ガスが供給流路８からガス拡散層６内に入り込む際に、反応ガスの主流が接触面１２ｃに沿って供給流路８の軸に垂直な方向の成分を増加させるようにリブ部１２を構成する。これにより、反応ガスが供給流路８側から排出流路９側へ流れる際に、凸角部分に集中せず、供給流路８付近のガス拡散層６内の　特定部位の水分が集中的に排水されるのを抑制することができる。このとき、ガス拡散層６内を通過する反応ガスの上流側６ａと下流側６ｂの流れが均一化されるので、ガス拡散層６内の反応ガスの流れの不均一さを抑制することができる。
【００２７】
リブ部１２の幅がガス拡散層６側で減少するように、リブ部１２の供給流路８側の側面１２ａを形成する。これにより、反応ガスが供給流路８からガス拡散層６に流入する上流側６ａで、下流側６ｂで顕著になる排出流路９に向かう速度成分を与えることができる。これにより上流側６ａと下流側６ｂとの間の反応ガスの流れが均一化するので、発電効率を向上することができる。
【００２８】
ここでは、側面１２ａのガス拡散層６付近を面取りにより形成した斜面により構成する。これにより、供給流路８内で反応ガスは排出流路９方向の速度分布を得ることになる。その結果、反応ガスの剥離を抑制することができ、また、ガス拡散層６内の反応ガスの流れの不均一さを抑制することができるので、発電効率を向上することができる。上述したような効果を得るための構成を容易に実現でき、セパレータ５の製造を容易にすることができる。
【００２９】
第２の実施形態における燃料電池１の反応ガス流路２の構成を図４に示す。ここでは、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００３０】
図２における凸角部１３を曲面により構成する。ここでは、ガス拡散層６付近の側面１２ａの接平面と接触面１２ｃの接平面が１８０未満で交差するように曲面を構成する。そのため、側面１２ａは、平面と排出流路９側に湾曲した曲面により構成される。この曲面は、供給流路８からガス拡散層６に浸透する反応ガスの流れの、側面１２ａと接触面１２ｃとの境界部１４における剥離をさらに抑制する。曲面の曲率は、ガス拡散層６内の反応ガスの流れが上流側６ａから下流側６ｂにかけて一様化するように設定する。
【００３１】
次に本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを記載する。
【００３２】
側面１２ａのガス拡散層６と接する角部を曲面により形成する。これにより、反応ガスの剥離をさらに抑制することができ、ガス拡散層６内の反応ガスの流れをさらに均一化して、発電効率を向上することができる。また、単電池の積層方向に圧力をかける場合に、境界部１４によりガス拡散層７を損傷するのを抑制することができる。
【００３３】
第３の実施形態における燃料電池１の反応ガス流路２の構成を図５に示す。ここでは、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。ここで、後述する底面８ａは供給流路８のガス拡散層６に対峙する面、つまりセパレータ５の供給流路８として形成した溝の底面部とする。また、後述する境界部１６は底面８ａと側面１２ａの交差部分を示し、特に、図２のように、底面８ａと側面１２ａが平面により構成されている場合を凹角部１５とする。
【００３４】
ここでは、側面１２ａと接触面１２ｃとの接続部である境界部１４（凸角部１３）を鈍角で形成する。また、底面８ａと側面１２ａとの接続部である境界部１５（凹角部１６）を凹状の鈍角で形成する。つまり、供給流路８を構成する側面１２ａを、底面８ａからガス拡散層６にかけて排出流路９側に傾いた斜面により形成する。
【００３５】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３６】
リブ部１２を形成する供給流路８側の側面１２ａのガス拡散層６付近における接平面と、接触面１２ｃの接平面と、の交差角が９０度より大きく１８０度未満とする。これにより、側面１２ａと接触面１２ｃとの接続部である境界部１４における反応ガスの剥離を抑制することができ、上流側６ａと下流側６ｂの反応ガスの流れを均一化することができる。その結果、局所的な排水を抑制し、電解質膜３の乾燥やガス拡散層６の水詰まりを抑制することができ、発電効率を向上することができる。また、反応ガスの流れを均一化することで、触媒層７に供給される反応ガス量を均一化することもできるので、場所に寄る反応効率の分布を抑制し、全体の発電効率を向上することができる。
【００３７】
ここではリブ部１２を構成する供給流路８側の側面１２ａと接触面１２ｃとにより構成される、リブ部１２の角、ここでは境界部１４（凸角部１３）を鈍角により形成する。さらに、供給流路８を構成する溝の底面８ａとリブ部１２を構成する供給流路８の側面１２ａとにより構成される、供給流路８の角、ここでは境界部１５（凹角部１６）を鈍角により形成する。このように、境界部１４を鈍角により構成することで、反応ガスの剥離を抑制することができる。また、境界部１５を鈍角で構成することで、鋳造等の型を用いる工法で反応ガス流路２を形成する際に離型が容易になる。また、少ない平面で供給流路８を構成できるので製造を容易にすることができる。
【００３８】
次に第４の実施形態に用いる燃料電池１の反応ガス２の構成を図６に示す。
【００３９】
ここでは、反応ガス流路２を構成するリブ部１２の積層方向の長さ（高さ）を、供給流路８から排出流路９にかけて徐々に大きくする。つまり、触媒層７とリブ部１２の間のガス拡散層６の積層方向の長さ（高さ）を、上流側６ａから下流側６ｂにかけて徐々に小さくする。
【００４０】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを記載する。
【００４１】
リブ部１２と触媒層７に挟まれたガス拡散層６の断面積を、供給流路８から排出流路９に向かって減少させる。このようにガス拡散層６内で反応ガスの流路断面積を上流側６ａから下流６ｂに向かって徐々に小さくすることで、ガス拡散層６に供給される反応ガスの単位体積当たりの供給量を下流側で大きくすることができる。これにより、反応ガスが触媒層７に供給されにくい下流側６ｂでの反応を促進することができる。また、流路断面積を小さくすることで、下流側６ｂの反応ガス速度を増大することができるので、生成水のパージを促進することができる。
【００４２】
また、リブ部１２の積層方向の幅を供給流路８から排出流路９にかけて徐々に大きくすることから、リブ部１２の側面１２ａと接触面１２ｃとの境界部１４を鈍角で構成することができ、反応ガスの流れの剥離を抑制することができる。
【００４３】
第５の実施形態に用いる燃料電池１の反応ガス流路２の構成を図７に示す。
【００４４】
本実施形態では、供給流路８の底面８ａと側面１２ａにより構成される凹角部１６に傾斜面を施して、側面１２ａの一部とする。
【００４５】
なお、ここでは第１の実施形態と同様にリブ部１２の凸角部１３を面取りして斜面を形成しているが、第１から４の実施形態に用いた反応ガス流路のいずれの形状と組み合わせてもよい。
【００４６】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果についてのみ記載する。
【００４７】
側面１２ａの底面８ａ付近を、面取りにより形成した斜面により構成する。これにより、供給流路８の側面１２ａに沿って流れる反応ガスが、ガス拡散層６内に流入する際により滑らかに接触面１２ｃに平行な速度成分を得ることができる。これによりガス拡散層６内での反応ガスの流れをさらに均一化することができる。また、第３の実施形態と同様に、型を用いて製造する際に離型を容易にすることができる。
【００４８】
第６の実施形態に用いる燃料電池１の反応ガス流路２の構成を図８に示す。
【００４９】
ここでは、供給流路８の凹角部１６を凹形状の曲面により構成する。これにより、凹角部１６を曲面により構成し、側面１２ａを平面と曲面により構成する。
【００５０】
このように構成することで、第５の実施形態の効果をさらに促進することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池の反応ガスの流れの説明図である。
【図２】供給流路から排出流路へ移動する反応ガスの流れを示す図である。
【図３】第１の実施形態における反応ガス流路およびその周辺の断面図である。
【図４】第２の実施形態における反応ガス流路およびその周辺の断面図である。
【図５】第３の実施形態における反応ガス流路およびその周辺の断面図である。
【図６】第４の実施形態における反応ガス流路およびその周辺の断面図である。
【図７】第５の実施形態における反応ガス流路およびその周辺の断面図である。
【図８】第６の実施形態における葉能ガス流路およびその周辺の断面図である。
【符号の説明】
１　　燃料電池
２　　反応ガス流路
３　　電解質膜
５　　セパレータ
６　　ガス拡散層
７　　触媒層
８　　供給流路
９　　排出流路
１２　リブ部
１３　凸角部
１４　境界部（リブ部の角）
１５　凹角部
１６　境界部（供給流路の角）
【図１】
2004047213.tif 000003
【図２】
2004047213.tif 000004
【図３】
2004047213.tif 000005
【図４】
2004047213.tif 000006
【図５】
2004047213.tif 000007
【図６】
2004047213.tif 000008
【図７】
2004047213.tif 000009
【図８】
2004047213.tif 000010