(57)【要約】【課題】ガス流路を流れる反応ガスのうち、高濃度の反応ガスをガス拡散層へ供給することを促進し、出力を向上させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】反応ガスが流れるガス流路が複数設けられたセパレータ１０を備える燃料電池１であって、ガス流路のガス拡散層６ｂ側に対して反対側に、ガス拡散層６ｂ側に突出する突起６１が形成されており、当該突起６１は、ガス流路のガス拡散層６ｂ側に対して反対側を流れるガスの流れ方向をガス拡散層６ｂ側へ指向させるようにガスの流れ方向に対して傾斜させて設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを挟持する一対のセパレータとを備える燃料電池であって、
前記セパレータにおける前記ガス拡散層側の面に、ガスが流れるガス流路が複数設けられ、
前記ガス流路の前記ガス拡散層側に対して反対側には、前記ガス拡散層側に突出する突起が形成されており、
前記突起は、前記反対側を流れるガスの流れ方向を前記ガス拡散層側へ指向させるように前記ガスの流れ方向に対して傾斜させて設けられている、燃料電池。
【請求項２】
前記突起は、ガスの流れ方向に対して２０°以上６０°以下に傾斜させて設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記突起は、隣り合う前記ガス流路において互いに略平行に且つ互い違いに複数設けられている請求項１又は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、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子型の燃料電池は、膜電極接合体と、同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとからなる単セルを備えており、この単セルが複数積層されることによって構成されている。
【０００３】
上記膜電極接合体は、固体高分子電解質膜と、当該固体高分子電解質膜の両側に設けられたアノード側電極及びカソード側電極を備えており、所謂ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。上記セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通するガス流路が形成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池は通常、図９に示すように、電解質膜・電極構造体１００をアノード側セパレータ２００及びカソード側セパレータ３００で挟持している。電解質膜・電極構造体１００は、固体高分子電解質膜４００を備え、この固体高分子電解質膜４００の両面には、アノード側電極５００及びカソード側電極６００が設けられている。アノード側電極５００は、電極触媒層５００ａ及びガス拡散層５００ｂを有する一方、カソード側電極６００は、電極触媒層６００ａ及びガス拡散層６００ｂを有している。
【０００５】
アノード側セパレータ２００には、複数の燃料ガス流路２００ａが山部２００ｂ間に形成されるとともに、カソード側セパレータ３００には、複数の酸化剤ガス流路３００ａが山部３００ｂ間に形成されている。
【０００６】
上記燃料電池において、発電性能を良好に維持することを目的として、燃料ガス流路の入口及び出口近傍に絞り部を設けた構成が知られている（下記特許文献１参照）。下記特許文献１によれば、絞り部を設けることで隣り合う燃料ガス流路間で差圧を発生させ、一方の燃料ガス流路に流れるガスを、他方の燃料ガス流路に移動させることができる。その結果、隣り合う燃料ガス流路を仕切る山部に対面するガス拡散層に燃料ガスが供給され、発電性能を良好に維持することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０６１９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、セパレータに形成されたガス流路を流れるガスのうち、高濃度のガス（酸素）は、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側に滞留する。上記特許文献１のように絞り部を設けた構成にあっては、ガス流路のガス拡散層側を流れる、比較的低濃度のガスが隣り合うガス流路に移動するものの、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側に滞留する高濃度のガスは十分に移動していないということが判明した。このように比較的低濃度のガスがガス拡散層へ運ばれても、必要な出力を得るための酸素供給が十分ではないため、改善する必要があった。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、セパレータに形成されたガス流路を流れる高濃度の反応ガスをガス拡散層へ供給することを促進し、燃料電池の出力を向上させることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを挟持する一対のセパレータとを備える燃料電池であって、前記セパレータにおける前記ガス拡散層側の面に、ガスが流れるガス流路が複数設けられ、前記ガス流路の前記ガス拡散層側に対して反対側には、前記ガス拡散層側に突出する突起が形成されており、前記突起は、前記反対側を流れるガスの流れ方向を前記ガス拡散層側へ指向させるように前記ガスの流れ方向に対して傾斜させて設けられている。
【００１１】
かかる構成によれば、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側に設けられた突起が、ガスの流れ方向に対して傾斜させて設けられているので、この突起に当たるガスは斜めに配置された突起の表面に沿って流れの方向を変え、旋回流が発生する。このようにガスの流れ方向を変化させることで、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側を流れるガスは、突起に当たってガス拡散層側へ向かう一方で、ガス流路におけるガス拡散層側を流れるガスは、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側へ向かうこととなる。これにより、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側を流れる高濃度のガス（酸素）を、ガス拡散層側へ運ぶことができる。燃料電池の出力の向上を図るためには高濃度のガスをガス拡散層内に運ぶ必要があるが、本発明では上記のようにガスの流れ方向を変化させることで、高濃度のガスがガス拡散層内へ運ばれるため、燃料電池の出力を向上させることができる。
【００１２】
また本発明に係る燃料電池では、前記突起は、ガスの流れ方向に対して２０°以上６０°以下に傾斜させて設けられていることも好ましい。
【００１３】
また本発明に係る燃料電池では、前記突起は、隣り合う前記ガス流路において互いに略平行に且つ互い違いに複数設けられていることも好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セパレータに形成されたガス流路を流れる高濃度の反応ガスをガス拡散層へ供給することを促進し、燃料電池の出力を向上させることができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池が備える燃料電池セルの構成を説明するための概略断面図である。
【図２】カソード側セパレータの構成を示す概略平面図である。
【図３】図２に示すカソード側セパレータのガス流路の構成を説明するための図である。
【図４】図３の視点Ｂからみた場合の、隣り合うガス流路内を流れるガスを説明するための図である。
【図５】図３の視点Ａからみた場合の、隣り合うガス流路内を流れるガスを説明するための図である。
【図６】従来と本発明について検証した結果を示すグラフである。
【図７】変形例における突起の一例を示す図である。
【図８】図７に示す変形例の結果を示すグラフである。
【図９】従来の燃料電池の断面説明図である。
【図１０】従来の燃料電池が備えるセパレータの平面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。
【００１７】
まず、本発明の実施形態における燃料電池の構成について説明する。図１は、燃料電池の構成を説明するための概略断面図である。
【００１８】
燃料電池１は、図１に示す燃料電池セル２０を複数積層して構成される。同図に示すように、各燃料電池セル２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２をカソード側電極８ｂとアノード側電極８ａとで挟持した電解質膜・電極構造体９を備える。電解質膜・電極構造体９は、カソード側セパレータ１０ｂ及びアノード側セパレータ１０ａにより挟持される。カソード側セパレータ１０ｂ及びアノード側セパレータ１０ａは、例えば、カーボンセパレータで構成される。以下、カソード側セパレータ１０ｂ及びアノード側セパレータ１０ａを総称して、セパレータ１０とも称する。
【００１９】
アノード側電極８ａ及びカソード側電極８ｂは、固体高分子電解質膜２の両面に形成され、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子からなる電極触媒層４ａ、４ｂと、カーボンペーパ等からなるガス拡散層６ａ、６ｂとを有する。
【００２０】
アノード側セパレータ１０ａ及びカソード側セパレータ１０ｂの少なくとも片面には反応ガスが流れるガス流路が形成される。詳細には、アノード側セパレータ１０ａにおけるガス拡散層６ａ側の面には、複数の燃料ガス流路３８が山部４０間に形成される。カソード側セパレータ１０ｂにおけるガス拡散層６ｂ側の面には、複数の酸化剤ガス流路３１、３２が山部４８間に形成される。
【００２１】
カソード側セパレータ１０ｂの構成について図２を参照しながら説明する。図２は、カソード側セパレータ１０ｂの構成を示す概略平面図である。
【００２２】
図２に示すように、カソード側セパレータ１０ｂは、例えば略矩形の板状部材であり、外縁部に、複数の開口部１２、１４、１６、１８、２０、２２が設けられている。これらの開口部１２〜２２は、反応ガスや冷却水等の各種流体が流れる開口を形成しており、これら開口を通って各種流体が供給、排出される。
【００２３】
カソード側セパレータ１０ｂにおける隣り合う山部４８と山部４８の間に形成される酸化剤ガス流路３１について図３を参照しながら更に説明する。図３は、酸化剤ガス流路３１の構成について説明するための図である。なお、図３では、説明の便宜のため、酸化剤ガス流路３１の構成について説明し、その他の酸化剤ガス流路の構成についての説明は省略する。
【００２４】
図３に示すように、酸化剤ガス流路３１のガス拡散層６ｂ（図１参照）側に対して反対側には、突起６１が形成されている。この突起６１は、山部４８（図１参照）よりもその高さが小さく形成され、酸化剤ガス流路３１におけるガス拡散層６ｂ側の反対側を流れるガスの流れ方向を、ガス拡散層６ｂ側へ指向させるように、ガスの流れ方向（図３では左方向）に対して傾斜させて設けられている。言い換えれば、図３（Ｂ）のＳ１−Ｓ１断面に示すように、ガスが突起６１に向けて進入する最前面すなわち突起６１の最前部（図３では右側）では、ガスの流れ方向に対していずれか片側（本実施形態では右側）にのみ突起６１が設けられている。なお、同図のＳ２−Ｓ２断面に示すように、突起６１の中央部では、ガスの流れ方向に対して両側に突起６１が設けられている。また、同図のＳ３−Ｓ３断面に示すように、突起６１の後方側（図３では左側）では、ガスの流れ方向に対していずれか片側（本実施形態では左側）にのみ突起６１が設けられている。なお、図１を参照しながら説明したように、隣り合う山部４８と山部４８との間に酸化剤ガス流路３１が設けられ、この酸化剤ガス流路３１に突起６１が形成されているので、図示は省略するが、本実施形態における突起６１は、カソード側セパレータ１０ｂの表面に形成されている。
【００２５】
ところで、従来の構成である、反応ガスが流れるガス流路に絞り部５４ａ、５４ｂを設けた構成（図１０参照）にあっては、隣り合うガス流路においてガスの移動が行われる結果、ガス拡散層内にガスが運ばれてはいるものの、ガス流路におけるガス拡散層側とは反対側に溜まった高濃度のガス（酸素）がガス拡散層内へ十分に運ばれていなかった。その結果、必要な出力を得るための酸素供給が十分に行われず、出力の向上が求められていた。
【００２６】
そこで、本実施形態では、上述したように、酸化剤ガス流路３１におけるガス拡散層６ｂ（図１参照）側に対して反対側に、ガス拡散層６ｂ側に突出する突起６１がガスの流れ方向に対して傾斜させて設けられている。この突起６１にガスが当たると、そのガスは斜めに配置された突起の表面に沿って流れの方向を変え、旋回流が発生する。このようにガスの流れ方向を変化させることで、図４に示すように、酸化剤ガス流路３１、３２のガス拡散層６ｂ側に対して反対側に溜まった高濃度酸素Ｃがガス拡散層６ｂへ向かい、酸化剤ガス流路３１、３２におけるガス拡散層６ｂ側の低濃度酸素が当該ガス拡散層６ｂ側に対して反対側へ向かうこととなる。これにより、一方の酸化剤ガス流路３１内を流れるガスの流れ方向（図５の矢印Ａ１、Ａ２）を、ガス拡散層６ｂへ向かう方向（図５の矢印Ａ３）に変化させることができ、酸化剤ガス流路３１に溜まった高濃度酸素Ｃをガス拡散層６ｂ内に運ぶことができる。その結果、ガス拡散層６ｂ内へ高濃度酸素Ｃのガス供給が十分に行われるので、燃料電池の出力を向上させることができる。なお、一方の酸化剤ガス流路３１に隣り合う他方の酸化剤ガス流路３２にも同様に突起６１を設けることで、図５に示すように、ガスの流れ方向を変化させることができ（図５の矢印Ｂ１、Ｂ２）、酸化剤ガス流路３２内の高濃度酸素をガス拡散層６ｂ内へ運ぶことができる。
【００２７】
なお、図３に示した突起６１について、酸化剤ガス流路３１の流路高さ（図３において上下方向の高さ）の３分の１又は３分の２に突起６１の高さを設定することが好ましく、ガスの流れ方向（図３では左右方向）に１〜１０ｍｍの大きさ且つガスの流れ方向に対して２０°〜６０°傾斜させて突起６１を設けることが好ましい。また、突起６１は、酸化剤ガス流路３１の上部から下部に複数個設置することが好ましい。
【００２８】
図３〜図５を参照しながら説明した、酸化剤ガス流路３１に突起６１を設けた構成について、酸化剤ガス流路に突起を設けない構成（従来の構成）と比較するために、電圧と電流密度についての検証を行った。なお、この検証においては、カソード側セパレータ１０ｂに形成された複数の酸化剤ガス流路３１の上流から下流にかけて突起６１を複数設けた構成を、本発明の構成として検証を行った。
【００２９】
図６（Ａ）は、従来の構成と本発明の構成について、燃料電池の電圧の検証結果を示すグラフである。図６（Ｂ）は、従来の構成と本発明の構成について、燃料電池の電流密度の検証結果を示すグラフである。なお、電流密度の検証では、酸化剤ガス流路の長手方向（延在方向）に酸化剤ガス流路を８等分した場合の各々の位置で電流密度を測定した。つまり、例えば図６（Ｂ）の横軸の目盛１は、酸化剤ガス流路の最下流側の位置を示し、図６（Ｂ）の横軸の目盛８は、酸化剤ガス流路の最上流側の位置を示している。
【００３０】
図６（Ａ）に示すように、本発明の構成と従来の構成とを比較すると、本発明の構成を備えた燃料電池を用いた電圧値は、従来の構成を用いた電圧値よりも高い結果が得られた。
【００３１】
また図６（Ｂ）に示すように、線Ｇ１（本発明）と線Ｇ２（従来）とを比較すると、本発明の構成では、酸化剤ガス流路の下流側の電流値が増加し、酸化剤ガス流路の上流側の電流値が減少した結果が得られた。同図に明らかなように、本発明では、酸化剤ガス流路の上流側から下流側にかけて、つまりセパレータ面内において、発電の均一性を向上できることが確認された。
【００３２】
続いて、変形例における突起の構成について図７を参照しながら説明する。図７には、隣り合う酸化剤ガス流路において、突起の個数や傾斜角度を変更した４つの変形例（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）が示されている。
【００３３】
図７のＰ１に示す例では、一方の酸化剤ガス流路３１及び他方の酸化剤ガス流路３２に突起６１ａをそれぞれ複数設け（Ｐ１では突起を１つの酸化剤ガス流路に２つ設ける）、一方の酸化剤ガス流路３１に設けられる２つの突起６１ａの傾斜角度を異ならせる一方、隣り合う酸化剤ガス流路３１、３２においては突起６１ａの傾斜角度を略平行にする。なお、他方の酸化剤ガス流路３２に設けられる２つの突起６１ａについても、酸化剤ガス流路３１と同様にそれぞれの突起６１ａの傾斜角度を異ならせている。
【００３４】
図７のＰ２に示す例では、一方の酸化剤ガス流路３１及び他方の酸化剤ガス流路３２に突起６１ｂをそれぞれ複数設け（Ｐ２では突起を１つの酸化剤ガス流路に２つ設ける）、一方の酸化剤ガス流路３１に設けられる２つの突起６１ｂの傾斜角度を略平行にし、隣り合う酸化剤ガス流路３１、３２においても、突起６１ｂの傾斜角度を略平行にする。
【００３５】
図７のＰ３に示す例では、一方の酸化剤ガス流路３１及び他方の酸化剤ガス流路３２に突起６１ｃを１つずつ設け、一方の酸化剤ガス流路３１に設けられる突起６１ｃの傾斜角度を、他方の酸化剤ガス流路３２に設けられる突起６１ｃの傾斜角度と異ならせ、且つ、互い違いに突起６１ｃを設けている。
【００３６】
図７のＰ４に示す例では、一方の酸化剤ガス流路３１及び他方の酸化剤ガス流路３２に突起６１ｄを１つずつ設け、一方の酸化剤ガス流路３１に設けられる突起６１ｄの傾斜角度を、他方の酸化剤ガス流路３２に設けられる突起６１ｄの傾斜角度と略平行にし、且つ、互い違いに突起６１ｄを設けている。
【００３７】
図７に示したように突起６１ａ〜６１ｄを配置した場合について、燃料電池の電圧値の大きさを比較検証した。図８は、図７に示したＰ１〜Ｐ４の構成と従来の構成（ガス流路に突起を設けない構成）との電圧値の大きさを比較するためのグラフである。
【００３８】
図８に示すように、従来の構成と比較して、突起６１ａ〜６１ｄを設けた方が電圧を上昇できることが確認された。詳細には、従来の電圧値と、Ｐ１〜Ｐ４の電圧値とを比較すると、約１４％の電圧の上昇が確認された。特に、Ｐ４の電圧値に示されるように、隣り合う酸化剤ガス流路３１、３２において、ガスの流れ方向に対して傾斜させる突起６１ｄ、６１ｄの傾斜角度を互いに略平行にし、且つ、互い違いになるように突起６１ｄ、６１ｄを設ける構成が最も性能を向上できることが確認された。
【００３９】
以上説明した本実施形態では、電解質膜の両側に電極触媒層を接合した膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面に配置された一対のガス拡散層とを挟持する一対のセパレータとを備える燃料電池であって、セパレータにおけるガス拡散層側の面に、ガスが流れるガス流路が複数設けられ、ガス流路のガス拡散層側に対して反対側には、ガス拡散層側に突出する突起が形成されており、当該突起は、ガス流路のガス拡散層側に対して反対側を流れるガスの流れ方向をガス拡散層側へ指向させるように前記ガスの流れ方向に対して傾斜させて設けられている。
【００４０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。例えば上述した実施形態では、カソード側セパレータに形成されたガス流路に突起を設けた例を説明したが、アノード側セパレータに形成されたガス流路に突起を設けても良い。本発明は、他の種々の実施形態でも実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１：燃料電池
２：固体高分子電解質膜
４ａ、４ｂ：電極触媒層
６ａ、６ｂ：ガス拡散層
９：電解質膜・電極構造体（膜電極接合体）
１０ａ：アノード側セパレータ（セパレータ）
１０ｂ：カソード側セパレータ（セパレータ）
２０：燃料電池セル
３１、３２：酸化剤ガス流路
３８：燃料ガス流路
６１、６１ａ〜６１ｄ：突起
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図４】
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