(57)【要約】【課題】  アノードガスの反応性を高めて、アノードガスが未反応ガスとして排出されるのを低減できる燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質膜１１と、カソード電極層１２と、アノード電極層１３とで構成された膜電極構造体１４の両面にセパレータ２０，３０が設けられる。前記セパレータ３０に設けられたガス反応路３１は、その入口３２側から出口３３側に向けて、深さ寸法が段階的に浅くなるように形成されている。これにより、カソード電極層１２側のセパレータ２０に設けられた反応路２１内の圧力と、ガス反応路３１内の圧力との圧力差が低減され、またアノードガスをアノード電極層に十分接近させておくことができるので、水素ガスの反応性を高めることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一面側に設けられたカソード電極層と、他面側に設けられたアノード電極層と、前記カソード電極層及び前記アノード電極層にそれぞれカソードガス及びアノードガスを導入する一対のセパレータが設けられた単セルが複数積層された燃料電池において、
前記アノード電極層側に設けられた前記セパレータには、前記アノードガスが導入されるガス反応路が設けられており、前記ガス反応路は、前記アノード電極層からの深さ寸法が上流側から下流側に向けて浅くなるように形成され且つその出口付近に狭隘部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス反応路は、上流側から下流側に向けて段階的に浅くなる形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノードガスが導入される前記ガス反応路の出口付近には、反応促進部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２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、アノード電極側に供給されるアノードガスの反応性を高めることができ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は、固体高分子膜からなる電解質膜の一面側にカソード電極、他面側にアノード電極が設けられた膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面を、一対のセパレータで挟んだ単セルが複数枚積層された構造をしている。つまり、前記カソード電極側及びアノード電極側には、それぞれセパレータが設けられている。そして、前記カソード電極側のセパレータにはカソードガス（空気）が、前記アノード電極側のセパレータにはアノードガス（水素ガス）が、それぞれ通る流路が形成され、この流路の一端からガスが導入され、他端からガスが排出されるようになっている。
【０００３】
前記アノード電極側に設けられたセパレータの流路は、一般的に、その深さ寸法（流路断面積）が一端から他端まで一定に形成され、アノードガス中の窒素ガス分圧よりカソードガス中の窒素ガス分圧の方が大きくなっている。そのため、カソードガス側の流路内の分圧とアノードガス側の流路内の分圧との間で差が生じて、カソードガスに含まれる窒素などが電解質膜を通してアノード電極側の流路に侵入し、流路内の窒素量が出口側に向けて徐々に増加する。これにより窒素によって流路内の水素ガスが希釈されて、アノードガスの反応性が低下して、発電性能が低下する原因となる。補足すると、カソードガスは空気であり、その約７８％が燃料電池の反応に関与しない窒素であるため体積減少が少なく水素主体のアノードガスとの間で圧力差が生じることになる。
【０００４】
ところで、この発電性能の低下を低減する手段としては、特許文献１乃至特許文献４に示す発明が提案されている。
特許文献１には、水素濃度を検出する水素センサを設けて、水素濃度の低下が検出された場合には、バルブを開けて水素濃度が低下した残留ガスを排出するとともに、純度の高い新たな水素ガスを供給する発明が記載されている。また、特許文献２乃至４に記載の発明には、アノードガスやカソードガスが導入される流路について、入口から出口にかけて流路の断面が小さく設定する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−８６９１号公報（段落００５０〜００５６、図１）
【特許文献２】特開平１１−１６５９０号公報（段落０００８，００１０、図１）
【特許文献３】特開平６−２６７５６４号公報（段落００１１，００１３、図１）
【特許文献４】特開昭６１−２５６５６８号公報（第２頁左下欄第１２行目〜第３頁左上欄第１８行目、第１図（ａ），（ｂ））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記特許文献１に記載のものは、水素濃度を検出する水素センサが必要となり、また水素センサで検出された水素濃度に基づいてバルブを制御する手段が必要になり、構成が複雑になる。
【０００６】
また、前記特許文献２〜４に記載のものは、流路の断面を入口側よりも出口側で小さく形成することにより、出口側でのガスの流速が速められてガスを良好に拡散させ、また生成した水を良好に排出できるようにして、良好な発電特性を得ることができるようにしたものである。しかし、前記したいずれの発明も、ガスの流速を上げるため、または生成水の排水性を高めるために、アノード電極面に対向する面を傾斜面にしただけものであり、よって流路の出口の端面で最も流路の断面寸法が小さくなるものであるため、アノードガスとアノード電極とが接近している領域が十分でない。したがって、アノードガスの反応性を高めることができず、多量のアノードガスが未反応ガスとして燃料電池から排出されることとなる。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、アノードガスの反応性を高めて、未反応ガスとして排出されるのを低減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】
【０００８】
本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の一面側に設けられたカソード電極層と、他面側に設けられたアノード電極層と、前記カソード電極層及び前記アノード電極層にそれぞれカソードガス及びアノードガスを導入する一対のセパレータが設けられた単セルが複数積層された燃料電池において、前記アノード電極層側に設けられた前記セパレータには、前記アノードガスが導入されるガス反応路が設けられており、前記ガス反応路は、前記アノード電極層からの深さ寸法が上流側から下流側に向けて浅くなるように形成され且つその出口付近に狭隘部を有することを特徴とするものである。
【０００９】
前記本発明では、ガス反応路のアノード電極層に対向する面の形状を上流側から下流側に向けて浅く形成し、さらにガス反応路の出口付近に狭隘部を設けるようにしたので、ガス反応路の出口付近でアノードガスをアノード電極層に接近させた状態を十分に確保することができ、アノードガスの反応性を高めることができるようになる。また、ガス反応路の形状が、下流側に向けて浅くなるように形成されているので、ガス反応路内のアノードガスの圧力の低下を低減できる。したがって、ガス反応路への不純物の侵入を抑えることができ、アノードガスが前記不純物によって希釈されるのを低減できる。よって、アノードガスが未反応ガスとして排出されるのを低減できるようになる。なお、後記する発明の最良の形態では、アノードガスは、発電要求に応じた量が供給されるようになっている。
【００１０】
例えば、前記ガス反応路は、上流側から下流側に向けて段階的に浅くなる形状である。なお、前記ガス反応路が、上流側から下流側に向けて曲面形状によって浅くなる形状であってもよい。
【００１１】
また、前記アノードガスが導入される前記ガス反応路の出口付近には、反応促進部が設けられている構成にしてもよい。
【００１２】
反応促進部としては、アノードガスをかき混ぜることができる部材で形成されたものであり、このような反応促進部を設けることにより、アノードガスの反応性がさらに高められて、未反応ガスの排出をさらに低減できるようになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、ガス反応路の形状を段階的に浅くしてアノードガスとアノード電極層とを接近させた状態を十分に確保できしかも電極間の差圧を低減できるので、アノードガスの反応性が高められて、アノードガスが未反応ガスとして排出されるのを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、第１の実施形態の燃料電池における内部構造を示す分解斜視図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１に示すように、この燃料電池１０Ａは、イオン導伝性を有する固体高分子で形成された電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面側（図１では上面側）に設けられる触媒を含むカソード電極層１２と、他面側（図１では下面側）に設けられる触媒を含むアノード電極層１３とが互いに積層された膜電極構造体（ＭＥＡ）１４を有している。前記膜電極構造体１４の外側（図１では上面及び下面）には、一対の導電性部材で形成されたセパレータ２０，３０が設けられて、このセパレータ２０，３０と前記膜電極構造体１４とで単セル１５が構成され、この単セル１５が、厚み方向に例えば数百枚積層されている。
【００１６】
前記セパレータ２０には、前記カソード電極層１２に対向する面に、幅寸法及び深さ寸法がそれぞれ一定の複数の反応路２１，２１，・・・が形成されている。
【００１７】
前記セパレータ３０には、前記アノード電極層１３に対向する面に幅寸法（Ｗ）が一定の複数のガス反応路３１，３１，３１，・・・が形成されている。各ガス反応路３１は、図１及び図２に示すように、入口３２から出口３３に向けて、アノード電極層１３の電極面からの距離が段階的に短く（深さ寸法が段階的に浅く）なるように形成されている。さらに詳しく述べると、ガス反応路３１におけるセパレータ３０表面の膜電極構造体１４に対する斜度は、入口付近から徐々に増加して中央部３４で最も大きくなり、中央部３４から出口３３に向けて徐々に減少している。例えば、本実施形態では、図１及び図２に示すように、５段階に設定されている。ただし、５段に限定されるものではない。また、ガス反応路３１は、段階的に浅くなる形状に限定されるものではなく、断面が曲線的に浅くなる形状であってもよい。
【００１８】
また、本実施形態では、前記セパレータ３０に設けられたガス反応路３１は、出口３３に面する段の深さ寸法が、入口３２の深さ寸法に対して十分に小さい寸法で形成されている。この深さ寸法Ｈ２に設定された領域Ｄ（図２参照）が、本実施形態の狭隘部に相当する。例えば、入口３２の深さ寸法をＨ１として、出口３３の深さ寸法をＨ２としたときに、Ｈ１／Ｈ２＝１００以下に設定することが好ましい。
【００１９】
次に、第１の実施形態の燃料電池の発電時の未反応ガスの制御について説明する。
前記燃料電池１０Ａに対して発電要求が発せられると、エアフィルタやコンプレッサなどで構成された空気供給装置（いずれも図示せず）から、前記セパレータ２０の反応路２１にカソードガス（空気）が導入され、また高圧水素タンクや制御弁などで構成された水素供給装置から、前記セパレータ３０のガス反応路３１にアノードガス（水素ガス）が導入される。セパレータ３０に導入された水素ガスからは、アノード電極層１３の触媒の作用により水素イオンが生成され、この水素イオンは、電解質膜１１を介してカソード電極層１２に移動する。カソード電極層１２に移動した水素イオンは、触媒の作用により空気に含まれる酸素と反応して、水が生成される。
【００２０】
第１の実施形態の燃料電池１０Ａでは、前記ガス反応路３１の形状が、前記アノード電極層１３からの距離（深さ寸法）が、上流側から下流側に向けて浅くなるように形成されているので、単位体積当りの水素量が低下することが低減され、水素濃度（水素分圧）の低下を抑えることができる。よって、セパレータ２０の反応路２１内の圧力と、セパレータ３０のガス反応路３１内の圧力との間で圧力差がほとんど生じなくなるため、反応路２１を通る空気に含まれる窒素などの不純物が電解質膜１１を通してセパレータ３０のガス反応路３１に侵入するのを低減できるようになる。したがって、水素ガスの圧力の低下がないことと、水素ガスがカソード側から侵入した窒素などで希釈されることがないので、ガス反応路３１の下流側においても水素ガスの反応性を高めることができ、水素ガスが未反応の状態で燃料電池１０Ａから排出されるのを低減できる。
【００２１】
また、前記ガス反応路３１は、その形状が入口３２から出口３３にかけて段階的に浅くなっているので、ガス反応路３１の出口３３において、水素ガスをアノード電極層１３の電極面に十分に接近させておくことができるので、水素ガスの反応性を高めることができる。しかも、ガス反応路３１は、前記したように、入口３２の深さ寸法Ｈ１が出口３３の深さ寸法Ｈ２に対して十分に小さく形成されているので、アノード電極層１３と水素ガス（水素分子）との物理的距離を短く設定できる。これによっても、水素ガスの反応性を高めることができ、水素ガスが未反応ガスとして多量に排出されるのを低減できる。この点で、ガス反応路３１の幅寸法を狭くする場合よりも優れている。
【００２２】
このように、本実施形態の燃料電池１０Ａでは、未反応ガスの発生を低減でき、または前記図示しない水素供給装置から供給された分の水素ガスを使い切ることができるので、エゼクタなどを用いて水素ガスを循環させる循環装置（いずれも図示せず）を搭載することが不要となり、燃料電池システムの簡略化が図れる。また、発電時のみ必要な量の水素ガスを供給するだけでよいので、燃料消費効率を向上させることができる。補足すると、アノードへの水素の供給は、発電要求量や取り出し電流量などを加味して、水素の消費に応じた量に基づいて行われる構成になっている。すなわち、水素の供給量制御手段（流量調整弁）を備えたり、あるいは水素の供給は、ガス反応路等の圧力を検出して行われるようになっているが、本実施形態を採用することにより、排出される水素の量をゼロまたはわずかなものにすることができるようになっている。
【００２３】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の燃料電池の分解斜視図である。なお、図３では、紙面左上側に示す反応促進部は組込み前の状態、紙面右下側に示す反応促進部は組込み後の状態をそれぞれ示している。
この燃料電池１０Ｂは、前記セパレータ３０のガス反応路３１の出口３３に反応促進部４０が設けられたものである。その他の構成については第１の実施形態と同様であるので同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
前記反応促進部４０は、金属板４１に、所定の深さ寸法、例えば１０〜１００μｍの溝部４１ａが複数本形成されて構成されたものである。前記金属板４１は、その幅寸法及び厚み寸法が、それぞれ前記ガス反応路３１の幅寸法Ｗ及び深さ寸法Ｈ２と同じに形成されて、前記金属板４１が前記ガス反応路３１に嵌め合わされている。
【００２５】
また、前記金属板４１の長さ寸法（下流側−上流側）は、ガス反応路３１の出口３３に設定されている最も浅い深さ寸法Ｈ２の領域Ｄ（図２参照）の範囲内に合わせて設定可能である。前記各溝部４１ａは、上流側及び下流側に向く面と、アノード電極層１３側に向く面とがそれぞれ解放する凹形状となっている。
【００２６】
なお、前記金属板４１の出口３３側の一面と、セパレータ３０の出口３３側の面とは、必ずしも一致する必要はなく、前記金属板４１の出口３３側の一面が、前記セパレータ３０の出口３３側の面よりも内側（上流側）となるように設置されていてもよい。
【００２７】
前記反応促進部４０が設けられた燃料電池１０Ｂでは、ガス反応路３１に水素ガス（アノードガス）が導入されると、水素ガスは、ガス反応路３１が浅くなることによって絞られて、前記溝部４１ａに入った水素ガスは、前記溝部４１ａ内の上流領域Ｓ１では乱流となってかぎ混ぜられる。
【００２８】
このように、溝部４１ａによって水素ガスがかぎ混ぜられることにより、水素ガスは、アノード電極層１３との反応性がさらに高められ、溝部４１ａの下流側からは、水素ガスが未反応ガスとして排出されることはほとんどなくなる。なお、溝部４１ａの下流領域Ｓ２では、カソード電極層１２側で生成されてアノード電極層１３に透過した水などが通って、排出される。
【００２９】
図４に示すように、第２の実施形態の燃料電池１０Ｂの変形例として、反応促進部４０に替えて別の反応促進部５０を設けてもよい。
【００３０】
この反応促進部５０は、グラスウールなどの繊維状のものを接着材などで、ガス反応路３１の出口３３に固定したものである。なお、この反応促進部５０の素材としは、グラスウールなどの繊維状のものに限定されることはなく、ビーズ状のもの、発泡体など、水素ガスをかぎ混ぜて乱流を発生させることができるものであればよい。ただし、ガス反応路３１内の圧力が高くなり過ぎて水素ガスがガス反応路３１内に導入しにくくならないような素材を選択する必要がある。
【００３１】
このような反応促進部５０が設けられた燃料電池１０Ｂであっても、前記反応促進部４０が設けられた実施形態と同様に、図４の矢印で示すようにアノードガスがかき混ぜられて、水素ガスの反応性が高められ、水素ガスが未反応で排出されることがほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１の実施形態の燃料電池の内部構造を示す分解斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】第２の実施形態の燃料電池の一部を拡大して示す分解斜視図である。
【図４】第２の実施形態の燃料電池の変形例を示す一部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０Ａ，１０Ｂ  燃料電池
１１    電解質膜
１２    カソード電極層
１３    アノード電極層
１４    膜電極構造体
２０，３０  セパレータ
２１，３１  ガス反応路
３２    入口
３３    出口
４０，５０  反応促進部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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