(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池において、膜電極接合体の乾燥を防止する。【解決手段】固体高分子型燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となるように、アノード側ガス流路、および、カソード側ガス流路を備える。アノード側セパレータ３０は、水素が流れる空隙を形成する複数の溝部３４を備える。複数の溝部３４は、溝部３４によって形成される空隙内への水素の直接的な流入を阻害し、水素を、アノード側ガス拡散層２０ａを透過させてから、上記空隙内に流入させるための阻害部３６を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノードの表面に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層の表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って、前記第１の方向と対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料ガス流路は、
前記アノード側ガス拡散層の表面に当接する部材であって、
前記燃料ガスが流れる空隙を形成する複数の溝部と、
前記複数の溝部を互いに隔離するとともに、前記アノード側ガス拡散層の表面と当接するリブ部と、
を有する部材によって構成されており、
前記複数の溝部は、前記空隙内への前記燃料ガスの直接的な流入を阻害する阻害部を備える、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記阻害部は、前記複数の溝部における前記燃料ガスの入口を全閉塞する、
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記複数の溝部における前記燃料ガスの出口は開放されている、
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、詳しくは、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。
【０００３】
ところで、従来、固体高分子型燃料電池について、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとが対向流となるように、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路を備える構成が知られている。このような構成によって、発電によって生成された生成水を、電解質膜を介して、アノードとカソードとの間で内部循環させ、加湿器を用いることなく、電解質膜の加湿（自己加湿）を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３２０６２号公報
【特許文献２】特開２００５−３２２５９５号公報
【特許文献３】特開２００９−２１８０５１号公報
【特許文献４】特開２００２−２５５８４号公報
【特許文献５】特開２００６−４０５６３号公報
【特許文献６】特開２００８−１４０６３６号公報
【特許文献７】特開２００９−９７１５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、上述した構成を有する燃料電池では、特に、電解質膜が乾燥しやすくなる高温運転時に、燃料ガスの入口（酸化剤ガスの出口）で加湿された燃料ガスは、燃料ガスの出口（酸化剤ガスの出口）に達する前に、カソード側に水分が奪われ、最も乾燥しやすい酸化剤ガスの入口（燃料ガスの出口）を加湿することができなくなる。よって、酸化剤ガスの入口（燃料ガスの出口）部分の膜電極接合体（電解質膜）が乾燥しやすい。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池において、膜電極接合体の乾燥を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、
前記アノードの表面に配置されたアノード側ガス拡散層と、
前記アノード側ガス拡散層の表面に沿って、第１の方向に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記カソードの表面に沿って、前記第１の方向と対向する第２の方向に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路と、
を備え、
前記燃料ガス流路は、
前記アノード側ガス拡散層の表面に当接する部材であって、
前記燃料ガスが流れる空隙を形成する複数の溝部と、
前記複数の溝部を互いに隔離するとともに、前記アノード側ガス拡散層の表面と当接するリブ部と、
を有する部材によって構成されており、
前記複数の溝部は、前記空隙内への前記燃料ガスの直接的な流入を阻害する阻害部を備える、
燃料電池。
【０００９】
適用例１の燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流となるように、アノード側ガス流路、および、カソード側ガス流路を備える。なお、カソード側では、生成水が空気とともに流れるので、酸化剤ガスの流れ方向についての下流側ほど水分が多くなる。そして、適用例１の燃料電池では、燃料ガス流路を構成する複数の溝部が、上記阻害部を備えているので、燃料ガスは、アノード側ガス拡散層を透過してから、上記空隙内に流入する。このため、燃料ガスがアノード側ガス拡散層を透過する際に、カソードにおける酸化剤ガスの出口近傍の比較的水分が多い領域から、電解質膜を介して、アノード側ガス拡散層に透過した比較的多くの水分を、燃料ガス中に効果的に取り込み、燃料ガスを加湿することができる。そして、この加湿された燃料ガスが燃料ガスの出口に流れ、燃料ガスに含まれる水分によって、カソードにおける酸化剤ガスの入口近傍の比較的乾燥しやすい領域の膜電極接合体を加湿することができる。したがって、膜電極接合体の乾燥を防止することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池であって、
前記阻害部は、前記複数の溝部における前記燃料ガスの入口を全閉塞する、
燃料電池。
【００１１】
適用例２の燃料電池では、上記阻害部が燃料ガスの入口を部分的に閉塞する場合よりも、燃料ガスが上記空隙内に流入する際の、アノード側ガス拡散層を透過する燃料ガスの流量を多くして、燃料ガスの加湿を効果的に行うことができる。したがって、上記阻害部が燃料ガスの入口を部分的に閉塞する場合よりも、膜電極接合体の乾燥を効果的に抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池であって、
前記複数の溝部における前記燃料ガスの出口は開放されている、
燃料電池。
【００１３】
適用例３の燃料電池によって、燃料ガス流路の排水性を向上させることができる。したがって、燃料電池の氷点下始動性を向上させたり、燃料ガスの部分的な不足による膜電極接合体の劣化を抑制したりすることができる。
【００１４】
本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池に用いられるアノード側セパレータ（上記アノード側ガス拡散層の表面に当接する部材）の発明として構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】アノード側セパレータ３０の要部構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池１００における水素およびアノードオフガスの流れを示す説明図である。
【図４】比較例の燃料電池を構成するアノード側セパレータ３０Ｒの要部構成を示す説明図である。
【図５】比較例の燃料電池、および、実施例の燃料電池１００について、セル温度を変化させたときのセル電圧を示す説明図である。
【図６】比較例の燃料電池（アノード側セパレータ３０Ｒ）、および、実施例の燃料電池１００（アノード側セパレータ３０）の排水状態を模式的に示す説明図である。
【図７】変形例としてのアノード側セパレータ３０Ａの要部構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面に、それぞれ、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃを接合し、これらを、図示しないアノード側セパレータ（後述するアノード側セパレータ３０）、および、カソード側セパレータで挟持することによって構成されている。
【００１７】
膜電極接合体１０は、固体高分子からなり、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃを接合することによって構成されている。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）を用いるものとした。電解質膜１２として、プロトン伝導性を有する他の固体高分子膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。また、アノード側セパレータ、および、カソード側セパレータとしては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００１８】
また、本実施例の燃料電池１００は、図示するように、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての酸素を含む空気とが対向流となるように、燃料ガス流路、および、酸化剤ガス流路を備えている。
【００１９】
以下、本発明の燃料電池における特徴部分であるアノード側の構成について詳細に説明し、カソード側の構成については説明を省略する。
【００２０】
Ｂ．アノード側セパレータの構成：
図２は、アノード側セパレータ３０の要部構成を示す説明図である。図２（ａ）に、アノード側ガス拡散層２０ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図２（ｂ）に、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図２（ｃ）に、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００２１】
図示するように、アノード側セパレータ３０は、アノードに水素を供給するための水素供給用マニホールドを構成する貫通孔３２ｉと、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出用マニホールドを構成する貫通孔３２ｏとを備えている。また、アノード側セパレータ３０のアノード側ガス拡散層２０ａと当接する側の表面において、水素供給用の貫通孔３２ｉとアノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏとの間には、複数の溝部３４と、阻害部３６と、リブ部３８と、が形成されている。
【００２２】
複数の溝部３４は、後述するように、水素供給用の貫通孔３２ｉから、アノード側ガス拡散層２０ａを透過してから流入した水素が流れる空隙を形成する。リブ部３８は、複数の溝部３４を互いに隔離するとともに、アノード側ガス拡散層２０ａの表面と当接する。つまり、複数の溝部３４、および、リブ部３８は、複数の燃料ガス流路を構成する。阻害部３６は、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての上流端を閉塞し、水素供給用の貫通孔３２ｉから上記空隙内への直接的な水素の流入を阻害する。本実施例では、阻害部３６は、アノード側ガス拡散層２０ａと当接し、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての上流端の水素の入口を全閉塞するものとした。なお、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての下流端（水素の出口）は、開放されている、すなわち、複数の溝部３４とアノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏとは、連通している。
【００２３】
Ｃ．ガスの流れ：
図３は、燃料電池１００における水素およびアノードオフガスの流れを示す説明図である。膜電極接合体１０と、アノード側ガス拡散層２０ａと、アノード側セパレータ３０とを積層したときの断面図を示した。
【００２４】
図示するように、水素供給用の貫通孔３２ｉに導入された水素は、アノード側ガス拡散層２０ａを透過してから、溝部３４によって形成される空隙内に流入する。このとき、水素がアノード側ガス拡散層２０ａを透過する際に、カソード（図１参照）における空気の出口近傍の比較的水分が多い領域から、電解質膜１２を介して、アノード側ガス拡散層２０ａに透過した水分が、水素中に取り込まれる。このようにして加湿された水素は、アノード側ガス拡散層２０ａの表面を沿って流れ、カソードから電解質膜１２を介してアノード側ガス拡散層２０ａに透過した生成水Ｗ、および、アノードオフガスは、アノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏから排出される。
【００２５】
Ｄ．実施例の効果：
本実施例の燃料電池１００と比較例の燃料電池とを比較することによって、本実施例の燃料電池１００の効果について説明する。なお、比較例の燃料電池は、実施例の燃料電池１００におけるアノード側セパレータ３０の代わりに、後述するアノード側セパレータ３０Ｒを備えており、これ以外の構成は、実施例の燃料電池１００と同じである。
【００２６】
図４は、比較例の燃料電池を構成するアノード側セパレータ３０Ｒの要部構成を示す説明図である。図４（ａ）に、アノード側ガス拡散層２０ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図４（ｂ）に、図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図４（ｃ）に、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００２７】
図示するように、アノード側セパレータ３０Ｒは、図２に示したアノード側セパレータ３０と同様に、アノードに水素を供給するための水素供給用マニホールドを構成する貫通孔３２ｉと、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出用マニホールドを構成する貫通孔３２ｏとを備えている。また、アノード側セパレータ３０Ｒのアノード側ガス拡散層２０ａと当接する側の表面において、水素供給用の貫通孔３２ｉとアノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏとの間には、複数の溝部３４ｉと、複数の溝部３４ｏと、リブ部３８Ｒと、が形成されている。そして、複数の溝部３４ｉ、および、リブ部３８Ｒは、複数の燃料ガス流入流路を構成する。複数の燃料ガス流入流路は、それぞれ、水素供給用の貫通孔３２ｉから流入した水素をアノード側ガス拡散層２０ａの表面に沿って流すとともに、アノード側ガス拡散層２０ａに供給するためのガス流路である。複数の燃料ガス流入流路において、アノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏ側の端部は、それぞれ閉塞されている。また、複数の溝部３４ｏ、および、リブ部３８Ｒは、複数の燃料ガス流出流路を構成する。複数の燃料ガス流出流路は、それぞれ、燃料ガス流入流路からアノード側ガス拡散層２０ａを透過した発電に未使用の水素を受け取り、アノード側ガス拡散層２０ａの表面に沿ってアノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏに流出させるためのガス流路である。複数の燃料ガス流出流路において、水素供給用の貫通孔３２ｉ側の端部は、それぞれ閉塞されている。つまり、アノード側セパレータ３０Ｒには、いわゆるＩＤＦＦ（InterDigitated Flow Field）型のガス流路が形成されている。
【００２８】
図５，６は、実施例の効果を示す説明図である。図５に、比較例の燃料電池、および、実施例の燃料電池１００について、セル温度を変化させたときのセル電圧を示した。また、図６に、比較例の燃料電池（アノード側セパレータ３０Ｒ）、および、実施例の燃料電池１００（アノード側セパレータ３０）の排水状態を模式的に示した。
【００２９】
図５に示したように、本実施例の燃料電池１００と、比較例の燃料電池とでは、セル温度を変化させたときに、発電性能にほとんど差がなかった。また、図６に示したように、比較例の燃料電池では、アノード側セパレータ３０Ｒにおける溝部３４ｉ内に生成水Ｗが滞留したが、本実施例の燃料電池１００では、アノード側セパレータ３０における溝部３４内に、ほとんど生成水Ｗの滞留は見られなかった。
【００３０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池１００は、水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）とが対向流となるように、アノード側ガス流路、および、カソード側ガス流路を備えている。そして、アノード側セパレータ３０において、燃料ガス流路を構成する複数の溝部３４が、阻害部３６を備えているので、水素は、アノード側ガス拡散層２０ａを透過してから、溝部３４によって形成される空隙内に流入する。このため、水素がアノード側ガス拡散層２０ａを透過する際に、カソードにおける空気の出口近傍の比較的水分が多い領域から、電解質膜１２を介して、アノード側ガス拡散層２０ａに透過した比較的多くの水分を、水素中に効果的に取り込み、水素を加湿することができる。そして、この加湿された水素が水素の出口に流れ、水素に含まれる水分によって、カソードにおける空気の入口近傍の比較的乾燥しやすい領域の膜電極接合体１０を加湿することができる。したがって、膜電極接合体１０の乾燥を防止することができる。
【００３１】
また、本実施例の燃料電池１００では、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての下流端（水素の出口）は開放されているので、図６（ｂ）に示したように、燃料ガス流路の排水性を向上させることができる。したがって、燃料電池１００の氷点下始動性を向上させたり、水素の部分的な不足による膜電極接合体１０の劣化を抑制したりすることができる。
【００３２】
Ｅ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３３】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側セパレータ３０において、阻害部３６は、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての上流端に配置されるものとしたが、本発明は、これに限られない。阻害部３６は、例えば、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての上流部に配置されるようにしてもよい。なお、「水素の流れ方向についての上流部」とは、例えば、水素供給用の貫通孔３２ｉからアノードオフガス排出用の貫通孔３２ｏまでの距離、すなわち、水素の流路長における上流端から１／３程度までの部位を意味している。
【００３４】
図７は、変形例としてのアノード側セパレータ３０Ａの要部構成を示す説明図である。図７は、図２と対応しており、図７（ａ）に、アノード側ガス拡散層２０ａと当接する側から見た平面図を示した。また、図７（ｂ）に、図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示した。また、図７（ｃ）に、図７（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。
【００３５】
図２と図７との比較から分かるように、変形例のアノード側セパレータ３０Ａには、アノード側セパレータ３０における複数の溝部３４の代わりに、複数の溝部３４Ａが形成されている。そして、複数の溝部３４Ａにおける水素の流れ方向についての上流部の燃料ガス流路の途中に、阻害部３６Ａが配置されている。このようなアノード側セパレータ３０Ａを用いた燃料電池によっても、水素を、アノード側ガス拡散層２０ａを透過させてから、溝部３４Ａによって形成される空隙内に流入させることができるので、実施例の燃料電池１００と同様の効果を奏することができる。
【００３６】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、アノード側セパレータ３０において、阻害部３６は、複数の溝部３４における水素の流れ方向についての上流端を全閉塞するものとしたが、本発明は、これに限られない。各溝部３４を部分的に閉塞し、一部が開口するようにしてもよい。ただし、実施例によれば、各溝部３４を部分的に閉塞する場合よりも、水素が溝部３４によって形成される空隙内に流入する際の、アノード側ガス拡散層２０ａを透過する水素の流量を多くして、水素の加湿を効果的に行うことができる。したがって、阻害部３６が水素の入口を部分的に閉塞する場合よりも、膜電極接合体１０の乾燥を効果的に抑制することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｃ…カソード側触媒層
２０ａ…アノード側ガス拡散層
２０ｃ…カソード側ガス拡散層
３０，３０Ａ，３０Ｒ…アノード側セパレータ
３２ｉ…貫通孔（水素供給用）
３２ｏ…貫通孔（アノードオフガス排出用）
３４，３４ｉ，３４ｏ，３４Ａ…溝部
３６，３６Ａ…阻害部
３８，３８Ｒ…リブ部
Ｗ…生成水
【図１】
2012216444.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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【図６】
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【図７】
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