(57)【要約】【課題】  工程の複雑化が抑制され位置決め自由度が高い燃料電池ガス流路およびそれを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池用ガス流路（２０）は、膜−電極接合体（１０）に沿って設けられた導電性の燃料電池用ガス流路であって、膜−電極接合体（１０）に対して突出して膜−電極接合体（１０）と接触する凹部（２１）を備え、凹部（２１）の底面は、膜−電極接合体（１０）に対して傾斜するとともに、膜−電極接合体（１０）に面接触する平面領域（２３）を一部に備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体に沿って設けられる導電性の燃料電池用ガス流路であって、
前記膜−電極接合体に対して突出して前記膜−電極接合体と接触する凹部を備え、
前記凹部の底面は、前記膜−電極接合体に対して傾斜するとともに、前記膜−電極接合体に面接触する平面領域を一部に備えることを特徴とする燃料電池用ガス流路。
【請求項２】
前記凹部は、複数設けられるとともに、規則的に配列されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用ガス流路。
【請求項３】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体に沿って設けられた導電性のガス流路と、を備え、
前記ガス流路は、前記膜−電極接合体に対して突出して前記膜−電極接合体と接触する凹部を備え、
前記凹部の底面は、前記膜−電極接合体に対して傾斜するとともに、前記膜−電極接合体に面接触する平面領域を一部に備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記膜−電極接合体は、前記ガス流路との間に導電性のガス拡散層を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用ガス流路およびそれを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池においては、膜−電極接合体のガス拡散層に反応ガスを供給するための多孔状のガス流路が開発されている。このガス流路の位置がずれると、膜−電極接合体とガス流路との間において電気的な接触性が低下するおそれがある。そこで、燃料電池セル表面およびセパレータ表面に複数の導電性の突起を設け、ガス流路として機能する多孔質導電体と係着させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０５６８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、導電性の突起を加工する必要があることから製造工程が複雑化する。また、組み付け時における位置決めの自由度が低くなる。
【０００６】
本発明は、位置ずれが抑制されるとともに、製造工程の複雑化が抑制され位置決め自由度が高い燃料電池ガス流路およびそれを備えた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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池用ガス流路は、膜−電極接合体に沿って設けられる導電性の燃料電池用ガス流路であって、膜−電極接合体に対して突出して膜−電極接合体と接触する凹部を備え、凹部の底面は、膜−電極接合体に対して傾斜するとともに、膜−電極接合体に面接触する平面領域を一部に備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池用ガス流路においては、凹部の一部が平面領域を介して膜−電極接合体と面接触することから、燃料電池用ガス流路と膜−電極接合体との相対移動が抑制される。また、凹部および平面領域は、ダイス等によって容易に加工できることから、製造工程の複雑化が抑制される。また、燃料電池用ガス流路を膜−電極接合体のいずれの位置に配置しても相対移動が抑制されることから、燃料電池用ガス流路の位置決め自由度が高くなる。なお、凹部は、複数設けられるとともに、規則的に配列されていてもよい。
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に沿って設けられた導電性のガス流路と、を備え、ガス流路は、膜−電極接合体に対して突出して膜−電極接合体と接触する凹部を備え、凹部の底面は、膜−電極接合体に対して傾斜するとともに、膜−電極接合体に面接触する平面領域を一部に備えることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る燃料電池においては、ガス流路の凹部の一部が平面領域を介して膜−電極接合体と面接触することから、ガス流路と膜−電極接合体との相対移動が抑制される。また、凹部および平面領域は、ダイス等によって容易に加工できることから、製造工程の複雑化が抑制される。また、ガス流路を膜−電極接合体のいずれの位置に配置しても相対移動が抑制されることから、ガス流路の位置決め自由度が高くなる。なお、膜−電極接合体は、ガス流路との間に導電性のガス拡散層を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガス流路の位置ずれが抑制されるとともに、製造工程の複雑化が抑制され位置決め自由度を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面にガス流路２０およびセパレータ３０が順に設けられ、膜−電極接合体１０の他面にガス流路４０およびセパレータ５０が順に設けられた構造を有する。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１の一面にアノード触媒層１２およびガス拡散層１３が順に設けられ、電解質膜１１の他面にカソード触媒層１４およびガス拡散層１５が順に設けられた構造を有する。
【００１４】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルフォン酸型ポリマー等の固体高分子電解質からなる。アノード触媒層１２は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。アノード触媒層１２における触媒は、水素のプロトン化を促進するための触媒である。例えば、アノード触媒層１２は白金担持カーボンからなる。ガス拡散層１３は、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有するカーボン材料からなる。
【００１５】
カソード触媒層１４は、触媒を担持する導電性材料等から構成される。カソード触媒層１４における触媒は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒である。例えば、カソード触媒層１４は、白金担持カーボンからなる。ガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス等のガス透過性を有するカーボン材料からなる。
【００１６】
ガス流路２０，４０は、ガス拡散層１３，１５よりも硬い多孔状の導電性材料からなる。ガス流路２０は、水素を含む燃料ガスが流動するための流路構造を有する。ガス流路４０は、酸素を含む酸化剤ガスが流動するための流路構造を有する。ガス流路２０，４０は、チタン、ステンレス等の耐食性を有する金属からなる。導電性を維持するために、ガス流路２０，４０の表面には、金めっき処理等が施されている。ガス流路２０，４０の構造の詳細は後述する。セパレータ３０，５０は、ステンレス等の導電性材料から構成される。
【００１７】
続いて、燃料電池１００の発電時の動作の概要について説明する。まず、燃料ガスがガス流路２０に供給される。その後、燃料ガスは、ガス流路２０を流動しつつ、ガス拡散層１３に供給される。燃料ガス中の水素は、アノード触媒層１２においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは電解質膜１１を伝導し、カソード触媒層１４に到達する。
【００１８】
一方、酸化剤ガスがガス流路４０に供給される。その後、酸化剤ガスは、ガス流路４０を流動しつつ、ガス拡散層１５に供給される。カソード触媒層１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ３０，５０を介して回収される。
【００１９】
続いて、ガス流路２０，４０の詳細について説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）においては、ガス流路２０について説明するが、ガス流路４０も同様の構造を有する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、ガス流路２０の模式的な斜視図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、ガス流路２０は、膜−電極接合体１０に対して突出して膜−電極接合体１０と接触する凹部２１ａを複数備えている。凹部２１ａと連続して隣接し膜−電極接合体１０と反対側に突出する凸部２１ｂには、開口が設けられている。この開口を通って、反応ガスが膜−電極接合体１０に供給される。
【００２０】
凹部２１ａおよび凸部２１ｂは、例えば、行と列とに規則的に配列されている。凸部２１ｂの位置が隣接する列同士で異なっていると、膜−電極接合体１０の全体に反応ガスを供給することができる。例えば、凹部２１ａおよび凸部２１ｂは、０．５ｍｍ程度のピッチで配列されている。ガス流路２０は、凹凸が繰り返し形成された金型を用いて加工することができる。
【００２１】
凹部２１ａの底面は、膜−電極接合体１０に対して傾斜している。したがって、凹部２１ａは、底面の全体が膜−電極接合体１０と接しているわけではなく、一部が膜−電極接合体１０と接触している。それにより、ガス流路２０に供給された反応ガスを膜−電極接合体１０に供給しやすくなる。
【００２２】
本実施例においては、凹部２１ａの底面は矩形状を有しており、凹部２１ａは、この矩形の一辺である辺Ｘにおいて膜−電極接合体１０と接触している。また、凹部２１ａの底面の一部に、膜−電極接合体１０に対してさらに突出する爪部２２が形成されている。
【００２３】
以下、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しつつ、爪部２２について詳説する。図３（ａ）は、図２の拡大図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３（ｃ）は、爪部２２をＡ−Ａ線方向から見た図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、爪部２２は、膜−電極接合体１０と面接触する平面領域２３を備えている。したがって、凹部２１ａは、辺Ｘにおいて膜−電極接合体１０と線接触するとともに、平面領域２３において膜−電極接合体１０と面接触している。例えば、平面領域２３は、５０μｍ×１００μｍ程度の面積を有している。
【００２４】
ここで、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照しつつ、衝撃等の外力によって辺Ｘ方向にせん断力が加わった場合について考える。爪部２２が形成されていない場合には、図４（ａ）に示すように、ガス流路２０は、辺Ｘにおいてのみ線接触している。この場合、線接触だけでは抵抗力が小さくなる。それにより、ガス流路２０と膜−電極接合体１０とが相対移動するおそれがある。これに比較して、本実施例においては、図４（ｂ）に示すように、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との界面において辺Ｘ方向に加えて辺Ｘと異なる方向にも抵抗力が生じる。それにより、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との相対移動が抑制される。
【００２５】
なお、本実施例においてはガス流路２０と膜−電極接合体１０とが線接触ではなく面接触していることから、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との界面に沿ったいずれの方向からせん断力が加わっても、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との相対移動が抑制される。
【００２６】
爪部２２の平面領域２３は、膜−電極接合体１０と接しているだけでもよいが、ガス拡散層１３に対して押下されていてもよい。この場合、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との相対移動がより抑制される。
【００２７】
また、爪部２２が設けられることによって、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との接触面積が増大する。それにより、ガス流路２０と膜−電極接合体１０との接触抵抗が低下する。その結果、燃料電池１００の発電性能が向上する。
【００２８】
ガス流路２０，４０は、ダイス等を用いた加工によって容易に製造することができる。この場合、導電性の突起等を加工する必要がない。それにより、工程の複雑化が抑制される。また、ガス流路２０，４０は、膜−電極接合体１０のいずれの箇所に配置されてもガス流路２０と膜−電極接合体１０との相対移動が抑制されることから、ガス流路２０，４０の位置決めの自由度が高くなる。
【００２９】
なお、図２および図３において爪部２２は辺Ｘを含んでいたが、それに限られない。例えば、爪部２２は、凹部２１の膜−電極接合体１０と接触していない領域から膜−電極接合体１０に突出していてもよい。また、本実施例においては固体高分子型の燃料電池を例として挙げたが、他の燃料電池にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】ガス流路の詳細について説明するための図である。
【図３】爪部の詳細について説明するための図である。
【図４】辺Ｘ方向にせん断力が加わった場合の爪部の作用について説明するための図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３，１５  拡散層
１４  カソード触媒層
２０，４０  ガス流路
２１  凹部
２２  爪部
２３  平面領域
３０，５０  セパレータ
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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