JP2010251061A

JP2010251061A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010251061A
Application number: JP2009098214A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Takeuchi; 弘明竹内; Kazunori Shibata; 和則柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】反応ガス供給及び水分量分布調節に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】セパレータの膜・電極接合体側の面に、膜・電極接合体へと供給される反応ガスが流通する反応ガス流入流路、及び、膜・電極接合体を通過した反応ガスが流通する反応ガス流出流路が備えられ、反応ガス流入流路の下流端及び反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路がセパレータにおいて互いに分離して配置されており、少なくとも反応ガス流入流路において、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする、燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガス供給及び水分量分布調節に優れた燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード（燃料極）では（１）式の反応が進行する。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。

また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。
２Ｈ^＋＋（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ（２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。

一般にカソードでは、電気浸透によるアノードからの水の移動と電極反応によるカソード内での水の生成の両方の原因によって、水が過剰に存在する傾向がある。あまりに水分量が過剰となると、水蒸気が多孔質のカソード側ガス拡散層内で凝縮して水滴となり空孔を塞いでしまう、いわゆるフラッディングが発生し、カソード側ガス拡散層のガス透過に支障をきたす問題が生じていた。その結果、従来の燃料電池においては、酸化剤ガスがカソード側触媒層に行き渡らなくなって、発電効率が低下してしまうという課題が存在した。

このような発電効率の低下の課題を解決するために、ガス供給用のガス流路部と、ガス排出用のガス流路部が分離されて設置された閉塞流路を採用する技術が、これまでにも開発されている。特許文献１には、高分子電解質膜と、前記高分子電解質薄膜の両面に触媒層を挟んでそれぞれ対向して配された、導電性と通気性を兼ね備えた一対の電極層と、前記電極層にガスを供給し、あるいは電極層からガスを排出するためのガス流路が形成された導電性の集電体とを備え、前記ガス流路を構成するガス供給用のガス流路部とガス排出用のガス流路部とが前記集電体上で分離され互いにつながっていないことを特徴とする固体高分子型燃料電池の技術が開示されている。

特開平１１−１６５９１号公報

特許文献１に開示された燃料電池は、供給用ガス流路に沿って電極部に供給されたガスの全てが、通気性を有する電極層にいったん送り込まれて電極反応に寄与した後、排出用ガス流路に湧出される構造を有している。しかし、特許文献１に開示された技術は、反応ガス供給の面内分布を考慮した技術ではないため、電極反応が燃料電池内で不均一に起こる可能性がある。また、特許文献１に開示された技術は、電極反応により生じた生成水の水分量分布を考慮した技術ではないため、局部的にフラッディングが発生する可能性は否定できない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、反応ガス供給及び水分量分布調節に優れた燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、高分子電解質膜の一面側にアノード触媒層及びガス拡散層を含むアノード電極を有し、他面側にカソード触媒層及びガス拡散層を含むカソード電極を有する膜・電極接合体、及び、当該膜・電極接合体をさらに挟持する一対のセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に、前記膜・電極接合体へと供給される反応ガスが流通する反応ガス流入流路、及び、前記膜・電極接合体を通過した反応ガスが流通する反応ガス流出流路が備えられ、前記反応ガス流入流路の下流端及び前記反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路が前記セパレータにおいて互いに分離して配置されており、少なくとも前記反応ガス流入流路において、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする。

このような構成の燃料電池は、前記反応ガスの流れの障壁となる部位を有する場合には、反応ガスの流れが当該部位と衝突するため、反応ガスがガス拡散層に拡散する機会を多く設けることができる。また、このような構成の燃料電池は、前記反応ガスの流れの障壁となる部位を有する場合には、反応ガスと共に流路内に流通する生成水の流れが当該部位と衝突するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させ、反応ガス流路内のフラッディングの発生を防止することができる。さらに、このような構成の燃料電池は、前記反応ガスの流れが滞留する部位を有する場合には、反応ガスと共に流路内に流通する生成水の流れが当該部位に少量ずつ滞留するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させ、反応ガス流路内のフラッディングの発生を防止することができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記反応ガスの流れの障壁となる部位が、屈曲部位及び凸形状部位からなる群から選ばれるという構成を取ることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記反応ガスの流れが滞留する部位が、凹形状部位であるという構成を取ることができる。

本発明の燃料電池は、前記反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が、３〜５０ｍｍのピッチで周期的に設けられていることが好ましい。

このような構成の燃料電池は、反応ガス供給の効果及び水分量分布調節の効果を効率よく得ることができる。

本発明の燃料電池は、前記反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が、１流路につき１〜５０個設けられていることが好ましい。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路が、いずれも１又は２以上の屈曲部位を有する折れ線状の全体形状又は部分形状を有し、前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路が、互いの前記屈曲部位が折り重なるように配置されているという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、折れ線状の全体形状又は部分形状を有する前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路を有することにより、直線形状の反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路を有する燃料電池と比較して、反応ガスの流れが反応ガス流路の壁と衝突する回数を増やすことができるため、反応ガスが、ガス拡散層に拡散する機会を多く設けることができる。また、このような構成の燃料電池は、前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路が、互いの前記屈曲部位が折り重なるように配置されているため、セパレータの全面積に対する、前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路の面積利用率を向上させ、且つ、前記反応ガス流入流路から前記反応ガス流出流路への反応ガスの移動距離を、面内全領域において略等しくすることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記屈曲部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど広くなるように設けられているという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、反応ガス濃度が高いガス流れ方向上流において反応ガスがガス流路の壁と衝突する回数をより多くし、反応ガス濃度が低いガス流れ方向下流において反応ガスがガス流路の壁と衝突する回数をより少なくすることによって、反応ガスを均一にガス拡散層に拡散させることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記反応ガス流入流路が、流路幅を狭く変化させる凸形状部位を１又は２以上有するという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、前記凸形状部位を有する前記反応ガス流入流路を有することにより、直線形状の反応ガス流入流路を有する燃料電池と比較して、前記凸形状部位に電極反応により生成した水がせき止められるため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記凸形状部位が、ガス流れ方向下流端に近いほど当該部位のガス流れ方向の長さが長くなるように設けられているという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水がせき止められる量をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水がせき止められる量をより多くすることによって、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記凸形状部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど狭くなるように設けられているという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水がせき止められる回数をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水がせき止められる回数をより多くすることによって、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記反応ガス流入流路が、流路幅を広く変化させる凹形状部位を１又は２以上有するという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、前記凹形状部位を有する前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路を有することにより、直線形状の反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路を有する燃料電池と比較して、前記凹形状部位に電極反応により生成した水が滞留するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記凹形状部位が、ガス流れ方向下流端に近いほど当該部位のガス流れ方向の長さが長くなるように設けられているという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水が滞留する量をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水が滞留する量をより多くすることによって、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。

本発明の燃料電池の一形態としては、前記凹形状部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど狭くなるように設けられているという構成を取ることができる。

このような構成の燃料電池は、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水が滞留する回数をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水が滞留する回数をより多くすることによって、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。

本発明によれば、前記反応ガスの流れの障壁となる部位を有する場合には、反応ガスの流れが当該部位と衝突するため、反応ガスがガス拡散層に拡散する機会を多く設けることができる。また、本発明によれば、前記反応ガスの流れの障壁となる部位を有する場合には、反応ガスと共に流路内に流通する生成水の流れが当該部位と衝突するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させ、反応ガス流路内のフラッディングの発生を防止することができる。さらに、本発明によれば、前記反応ガスの流れが滞留する部位を有する場合には、反応ガスと共に流路内に流通する生成水の流れが当該部位に少量ずつ滞留するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させ、反応ガス流路内のフラッディングの発生を防止することができる。

本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。図２に示したアノード電極側セパレータの燃料ガス流路の一部分に、実際に燃料ガス及び生成水が流通する様子を示した模式図である。本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の一例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。図６に示したアノード電極側セパレータの燃料ガス流路の一部分に、実際に燃料ガス及び生成水が流通する様子を示した模式図である。本発明の第２の態様の燃料電池において用いられる反応ガス流路上の、流路幅を狭く変化させる凸形状部位の拡大図である。本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第１の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第２の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。図１２に示したアノード電極側セパレータの燃料ガス流路の一部分に、実際に燃料ガス及び生成水が流通する様子を示した模式図である。本発明の第３の態様の燃料電池において用いられる反応ガス流路上の、流路幅を広く変化させる凹形状部位の拡大図である。本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第１の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第２の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。従来技術の閉塞流路を用いた単セル中の、セパレータに水平な方向に切断した断面の一部を模式的に示した図である。

本発明において、「反応ガス」とは、アノードに供給される燃料ガス、及び、カソードに供給される酸化剤ガスのいずれも含んでいる。したがって、「反応ガス流入流路」とは、「燃料ガス流入流路」及び「酸化剤ガス流入流路」のいずれをも含み、「反応ガス流出流路」とは、「燃料ガス流出流路」及び「酸化剤ガス流出流路」のいずれをも含む。
なお、「反応ガス流出流路」とは、反応ガスを積極的に排出する流路では必ずしもなく、結果的に反応ガスが燃料電池外へ流出されてしまう流路を含む。また、「反応ガス流出流路」は、反応ガスのみが流出する流路では必ずしもなく、例えば、膜・電極接合体から排出される他の気体や、反応生成水等の液体も流出するものとする。なお、本明細書においては、「反応ガス流入流路」及び「反応ガス流出流路」を合わせて「反応ガス流路」という場合がある。

従来から、燃料電池の単セルに用いられるセパレータには様々な形状が採用されている。その中でも、反応ガス等の気体や、電極反応によって生じる生成水等の液体等の移動促進を課題としたものとして、閉塞流路を設けたセパレータがある。
閉塞流路とは、反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の両方を指す。）が反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路からなり、かつ、反応ガス流入流路は、ガス流れ方向下流端が閉塞された流路であり、反応ガス流出流路は、ガス流れ方向上流端が閉塞された流路のことをいう。このような閉塞流路においては、特にカソード電極側において、セパレータの反応ガス流入流路と反応ガス流出流路を隔離するリブ直下のセパレータ側の界面に強制的に酸化剤ガスを供給できるため、濃度過電圧が大きくなる高負荷状態において特に性能向上の効果がある。

図１８は、従来技術の閉塞流路を用いた単セル中の、セパレータに水平な方向に切断した断面の一部を模式的に示した図である。反応ガス流入流路７０ａ及び反応ガス流出流路７０ｂは、それぞれセパレータの、膜・電極接合体が有する電極側の面に形成され、その大部分が直線形状の溝である。なお、矢印は、反応ガスの流れる方向を示す。
単セル内へ供給された反応ガスは、反応ガス流入流路７０ａを矢印の方向にしたがって移動する。この移動の際に、反応ガスの一部は電極が有するガス拡散層へと拡散し、電極反応に関わる。しかし、反応ガス流入流路７０ａの大部分が直線形状であるため、反応ガスの流れがガス流路の壁面と衝突する回数が少なく、したがって、反応ガスの残りの一部はガス拡散層へと拡散することなく、反応ガス流入流路７０ａの末端へと到達してしまう。その結果、反応ガスの拡散が単セル面内において不均一となるという問題が生じる。
電極反応により生成した水（以下、生成水と略す。）についても、同様に、水の流れがガス流路の壁面と衝突する回数が少ないため、ガス拡散層へと拡散することなく、反応ガス流入流路７０ａの末端へと到達してしまう。したがって、当該末端近傍において生成水７１が多量に貯留され、フラッディングや、多量な水の貯留による耐久劣化等が引き起こされる。
本発明は、閉塞流路を用いた場合における、反応ガス供給及び水分量分布調節の課題を、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方を設けることによって解決することを目的とする。

本発明の主な特徴の１つに、少なくとも前記反応ガス流入流路において、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が設けられていることが挙げられる。このように、反応ガスの流れの障壁となる部位を有する場合には、反応ガスの流れが当該部位と衝突するため、反応ガスがガス拡散層に拡散する機会を多く設けることができ、且つ、反応ガスと共に流路内に流通する生成水の流れも当該部位と衝突するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させ、反応ガス流路内のフラッディングの発生を防止することができる。また、このように反応ガスの流れが滞留する部位を有する場合には、反応ガスと共に流路内に流通する生成水の流れが当該部位に少量ずつ滞留するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させ、反応ガス流路内のフラッディングの発生を防止することができる。
反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位は、反応ガス流入流路のみならず、反応ガス流出流路においても設けることができる。

反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の具体的な態様は、特に限定されない。例えば、流路の形状や、流路の内壁を形成する材料及び材質等を調整することによって、これらの部位を形成することができる。
反応ガスの流れの障壁となる部位の例としては、屈曲部位、凸形状部位等を挙げることができる。反応ガスの流れが滞留する部位の例としては、凹形状部位等を挙げることができる。例示されたこのような形状の部位は、反応ガス流路内に容易に設けることができる。
反応ガス供給の効果及び水分量分布調節の効果を効率よく得ることができるという観点から、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が、３〜５０ｍｍのピッチで周期的に設けられていることが好ましい。当該ピッチは、１０〜２０ｍｍであることが特に好ましく、１５ｍｍであることが最も好ましい。
また、同様の観点から、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が、１流路につき１〜５０個設けられていることが好ましい。これらの部位は、１０〜２０個設けられていることが特に好ましく、１５個設けられていることが最も好ましい。

以下、本発明の燃料電池の第１の態様について説明する。本発明の燃料電池の第１の態様においては、反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路が、いずれも１又は２以上の屈曲部位を有する折れ線状の全体形状又は部分形状を有し、反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路が、互いの屈曲部位が折り重なるように配置されている。

ここで、「互いの屈曲部位が折り重なるように配置されている」とは、反応ガス流入流路及び反応ガス流出流路の折れ線状部分の山部分同士、及び谷部分同士がそれぞれ隣接するように配置されているという意味である。

図１は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本態様の燃料電池に用いられる単セルは、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
単セル１００は、平型単セルであって、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ということがある）１と、前記電解質膜１を挟んだ一対のアノード電極６及びカソード電極７とでなる膜・電極接合体８を含み、さらに前記膜・電極接合体８を電極の外側から挟んだ一対のセパレータ９及び１０とでなる。セパレータ９及び１０と電極の境界には反応ガス流路（反応ガス流入流路又は反応ガス流出流路を含む。）１１及び１２が確保され、アノード側の流路１１（燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂを含む。）では水素ガスに代表される燃料が、カソード側の流路１２（酸化剤ガス流入流路１２ａ又は酸化剤ガス流出流路１２ｂを含む。）では酸化剤ガス（通常は空気又は酸素）がそれぞれ連続的に供給／排出される。通常は電極として、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成されたものが用いられる。すなわち、アノード電極６はアノード触媒層２とガス拡散層４とを積層したものからなり、カソード電極７はカソード触媒層３とガス拡散層５とを積層したものからなる。
図２において詳細に示すように、燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂは、セパレータ９上において交互に配置されており、また、図３において詳細に示すように、酸化剤ガス流入流路１２ａ及び酸化剤ガス流出流路１２ｂは、セパレータ１０上において交互に配置されている。

図２は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。また、図３は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルのセパレータは、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。図２に示すアノード電極側セパレータ及び図３に示すカソード電極側セパレータは、本例においては類似した構造を有するので、以下、主に図２に示すアノード電極側セパレータの例について説明する。
燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂは、それぞれセパレータの、膜・電極接合体が有するアノード電極側の面に形成された溝である。本例においては、流入流路１１ａ及び流出流路１１ｂは、いずれもくし形状の溝であり、セパレータ上において、互いに組み合わさって形成されている。セパレータの四隅には、燃料ガス供給孔２１ａ、燃料ガス排出孔２１ｂ、酸化剤ガス供給孔２２ａ、酸化剤ガス排出孔２２ｂが設けられている。これら４つの孔は、セパレータを貫通して設けられた孔である。なお、矢印は、燃料ガスの流れる方向を示す。
図２に示すように、燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂは、折れ線状の部分形状を有し、且つ、互いの屈曲部位が折り重なるように配置されている。このため、セパレータの全面積に対する、燃料ガス流入流路１１ａ及び燃料ガス流出流路１１ｂの面積利用率を向上させ、且つ、燃料ガス流入流路１１ａから燃料ガス流出流路１１ｂへの燃料ガスの移動距離を、面内全領域において略等しくすることができる。
燃料ガス供給孔２１ａから供給された燃料ガスは、燃料ガス流入流路１１ａを矢印の方向にしたがって移動する。この移動の際に、燃料ガスの大部分はアノード電極が有するガス拡散層へと拡散し、電極反応に関わった後、生成水及び反応に使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス流出流路１１ｂを矢印の方向にしたがって移動し、燃料ガス排出孔２１ｂへ至る。これと同様に、カソード電極側セパレータにおいては、図３に示すように、酸化剤ガス供給孔２２ａから供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流入流路１２ａを矢印の方向にしたがって移動し、その際に、酸化剤ガスの大部分はカソード電極が有するガス拡散層へと拡散し、電極反応に関わった後、生成水及び反応に使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス流出流路１２ｂを矢印の方向にしたがって移動し、酸化剤ガス排出孔２２ｂへ至る。

図４は、図２に示したアノード電極側セパレータの燃料ガス流路の一部分に、実際に燃料ガス及び生成水が流通する様子を示した模式図である。図中の黒矢印は、燃料ガス及び生成水が通過する経路を示す。
従来技術である、直線形状の反応ガス流路を有するセパレータを示した図１８と比較すると明らかなように、本発明の第１の態様は、折れ線状の全体形状又は部分形状を有する燃料ガス流路を有することにより、燃料ガスが燃料ガス流路の壁と衝突する回数を増やすことができるため、燃料ガスが、ガス拡散層に拡散する機会を多く設けることができる。また、燃料ガスのガス流れ方向を変える態様であるため、流路内の内圧を高め、ガス拡散を向上させることができる。なお、カソード電極側セパレータにおいて本発明の第１の態様の構成を採用した場合には、酸化剤ガスのガス拡散について、同様の効果を得ることができる。
このように、直線形状のガス流路とは異なる効果を得るためには、屈曲部位の角度が３０°〜１２０°、好ましくは６０°〜１００°、特に好ましくは９０°であればよい。

上記第１の態様の応用例としては、屈曲部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど広くなるように設けられているという構成が挙げられる。
図５は、本発明の第１の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の一例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。同一の反応ガス流路上において、屈曲部位のピッチを、上流側から下流側にかけてｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_１０、ｄ_１１としたとき、図から分かるように、ｄ_１＜ｄ_２＜…＜ｄ_１０＜ｄ_１１というように、屈曲部位のピッチは、ガス流れ方向下流端に近いほど大きくなっている。このように屈曲部位のピッチを調整することで、反応ガス濃度が高いガス流れ方向上流において反応ガスがガス流路の壁と衝突する回数をより多くし、反応ガス濃度が低いガス流れ方向下流において反応ガスがガス流路の壁と衝突する回数をより少なくし、その結果、反応ガスを均一にガス拡散層に拡散させることができる。
上記第１の態様の応用例の構成は、アノード電極側セパレータのみならず、カソード電極側セパレータにおいても設けることができる。

以下、本発明の第１の態様の燃料電池中の構成要素である、高分子電解質膜、電極中の触媒層及びガス拡散層について述べる。

高分子電解質膜とは、燃料電池において使用される高分子電解質膜であり、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂のようなフッ素系高分子電解質を含むフッ素系高分子電解質膜の他、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレン等のエンジニアリングプラスチックや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の汎用プラスチック等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基等のプロトン酸基（プロトン伝導性基）を導入した炭化水素系高分子電解質を含む炭化水素系高分子電解質膜等が挙げられる。

電極は、触媒層とガス拡散層とを有する。
アノード触媒層及びカソード触媒層はいずれも、触媒、導電性材料及び高分子電解質を含有する触媒インクを用いて形成することができる。
高分子電解質としては、上述した高分子電解質膜同様の材料を用いることができる。
触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノードに供給される燃料の酸化反応又はカソードに供給される酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等を用いることができる。

触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。導電性材料は、触媒層に導電性を付与するための導電性材料としての役割も担っている。

触媒層の形成方法は特に限定されず、例えば、触媒インクをガス拡散層シートの表面に塗布、乾燥することによって、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよいし、或いは、電解質膜表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、電解質膜表面に触媒層を形成してもよい。或いは、転写用基材表面に触媒インクを塗布、乾燥することによって、転写シートを作製し、該転写シートを、電解質膜又はガス拡散シートと熱圧着等により接合した後、転写シートの基材フィルムを剥離する方法で、電解質膜表面上に触媒層を形成するか、ガス拡散層シート表面に触媒層を形成してもよい。

触媒インクは上記のような触媒と電極用電解質とを、溶媒に溶解又は分散させて得られる。触媒インクの溶媒は、適宜選択すればよく、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等の有機溶媒、又はこれら有機溶媒の混合物やこれら有機溶媒と水との混合物を用いることができる。触媒インクには、触媒及び電解質以外にも、必要に応じて結着剤や撥水性樹脂等のその他の成分を含有させてもよい。

触媒インクの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。また、触媒層の膜厚は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすればよい。

ガス拡散層を形成するガス拡散層シートとしては、触媒層に効率良く燃料を供給することができるガス拡散性、導電性、及びガス拡散層を構成する材料として要求される強度を有するもの、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等の炭素質多孔質体や、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、ニッケル−クロム合金、銅及びその合金、銀、アルミ合金、亜鉛合金、鉛合金、チタン、ニオブ、タンタル、鉄、ステンレス、金、白金等の金属から構成される金属メッシュ又は金属多孔質体等の導電性多孔質体からなるものが挙げられる。導電性多孔質体の厚さは、５０〜５００μｍ程度であることが好ましい。

ガス拡散層シートは、上記したような導電性多孔質体の単層からなるものであってもよいが、触媒層に面する側に撥水層を設けることもできる。撥水層は、通常、炭素粒子や炭素繊維等の導電性粉粒体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂等を含む多孔質構造を有するものである。撥水層は、必ずしも必要なものではないが、触媒層及び電解質膜内の水分量を適度に保持しつつ、ガス拡散層の排水性を高めることができる上に、触媒層とガス拡散層間の電気的接触を改善することができるという利点がある。
上記したような方法によって触媒層を形成した電解質膜及びガス拡散層シートは、適宜、重ね併せて熱圧着等し、互いに接合することで、膜・電極接合体が得られる。

作製された膜・電極接合体は、さらに、上述した反応ガス流路を有するセパレータで狭持され、単セルを形成する。セパレータとしては、導電性及びガスシール性を有し、集電体及びガスシール体として機能しうるもの、例えば、炭素繊維を高濃度に含有し、樹脂との複合材からなるカーボンセパレータや、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができる。金属セパレータとしては、耐腐食性に優れた金属材料からなるものや、表面をカーボンや耐腐食性に優れた金属材料等で被覆し、耐腐食性を高めるコーティングが施されたもの等が挙げられる。このようなセパレータを、適切に圧縮成形又は切削加工することによって、上述した反応ガス流路を形成することができる。

以下、本発明の燃料電池の第２の態様について説明する。本発明の燃料電池の第２の態様においては、反応ガス流入流路が、流路幅を狭く変化させる凸形状部位を１又は２以上有する。凸形状部位は、反応ガス流入流路の内壁に設けられている。

図６は、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。また、図７は、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。この例において、膜・電極接合体を積層方向に切断した断面模式図は、図１に示したものと同様である。なお、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルのセパレータは、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。図６に示すアノード電極側セパレータ及び図７に示すカソード電極側セパレータは、本例においては類似した構造を有するので、以下、主に図６に示すアノード電極側セパレータの例について説明する。
燃料ガス流路がセパレータ上に形成された溝であること、セパレータの四隅には反応ガス供給孔が設けられていること、並びに燃料ガス及び生成水の移動の方向等は、図２に示したセパレータと同様である。

図８は、図６に示したアノード電極側セパレータの燃料ガス流路の一部分に、実際に燃料ガス及び生成水が流通する様子を示した模式図である。図中の黒矢印は、燃料ガス及び生成水が通過する経路を示す。
従来技術である、直線形状の反応ガス流路を有するセパレータを示した図１８と比較すると明らかなように、本発明の第２の態様は、流路幅を狭く変化させる凸形状部位に電極反応により生成した水がせき止められるため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させることができる。
このように、直線形状のガス流路とは異なる効果を得るためには、凸形状部位によって狭められた流路幅の最小値が、他の部位の流路幅の３０〜９０％、好ましくは６０〜８０％であればよい。

図９は、本発明の第２の態様の燃料電池において用いられる反応ガス流路上の、流路幅を狭く変化させる凸形状部位の拡大図である。図９（ａ）〜（ｃ）はいずれも、セパレータの反応ガス流入流路と反応ガス流出流路を隔離するリブ３０の間に挟まれた反応ガス流入流路１１ａの一部の形状を示している。なお、矢印は反応ガスの流通方向を示す。
図９（ａ）に示した流路幅を狭く変化させる凸形状部位は、図６〜図８に示したセパレータ上に形成された凸形状部位と同様である。すなわち、反応ガスの流通をせき止めるように流路幅が断続的に変化して狭くなる部位と、流路幅が連続的に変化して元の流路幅に戻る部位を有している。
図９（ｂ）に示した流路幅を狭く変化させる凸形状部位は、流路幅が連続的に変化して狭くなる部位と、流路幅が連続的に変化して元の流路幅に戻る部位を有している。
図９（ｃ）に示した流路幅を狭く変化させる凸形状部位は、反応ガスの流通をせき止めるように流路幅が断続的に変化して狭くなる部位と、流路幅が断続的に変化して元の流路幅に戻る部位を有している。

上記第２の態様の応用例としては、凸形状部位が、ガス流れ方向下流端に近いほど当該部位のガス流れ方向の長さが長くなるように設けられているという構成が挙げられる。
図１０は、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第１の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。反応ガス流入流路上において、流路幅を狭く変化させる凸形状部位のガス流れ方向の長さを、上流側から下流側にかけてｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_９、ｄ_１０としたとき、図から分かるように、ｄ_１＜ｄ_２＜…＜ｄ_９＜ｄ_１０というように、凸形状部位は、ガス流れ方向下流端に近いほど長くなっている。このように流路幅を狭く変化させる凸形状部位を調整することで、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水がせき止められる量をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水がせき止められる量をより多くし、その結果、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。

上記第２の態様の他の応用例としては、凸形状部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど狭くなるように設けられているという構成が挙げられる。
図１１は、本発明の第２の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第２の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。反応ガス流入流路上において、凸形状部位のピッチを、上流側から下流側にかけてｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_７、ｄ_８としたとき、図から分かるように、ｄ_１＞ｄ_２＞…＞ｄ_７＞ｄ_８というように、凸形状部位のピッチは、ガス流れ方向下流端に近いほど狭くなっている。このように凸形状部位のピッチを調整することで、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水がせき止められる回数をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水がせき止められる回数をより多くし、その結果、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。
図１０、図１１に示したような上記第２の態様の応用例の構成は、アノード電極側セパレータのみならず、カソード電極側セパレータにおいても設けることができる。

本発明の第２の態様の燃料電池中の構成要素である、高分子電解質膜、電極中の触媒層及びガス拡散層等については、上述した本発明の第１の態様の燃料電池と同様のものを用いることができる。

以下、本発明の燃料電池の第３の態様について説明する。本発明の燃料電池の第３の態様においては、反応ガス流入流路が、流路幅を広く変化させる凹形状部位を１又は２以上有する。凹形状部位は、反応ガス流入流路の内壁に設けられている。

図１２は、本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。また、図１３は、本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、カソード電極側セパレータの一例を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。この例において、膜・電極接合体を積層方向に切断した断面模式図は、図１に示したものと同様である。なお、本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルのセパレータは、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。図１２に示すアノード電極側セパレータ及び図１３に示すカソード電極側セパレータは、本例においては類似した構造を有するので、以下、主に図１２に示すアノード電極側セパレータの例について説明する。
燃料ガス流路がセパレータ上に形成された溝であること、セパレータの四隅には反応ガス供給孔が設けられていること、並びに燃料ガス及び生成水の移動の方向等は、図２に示したセパレータと同様である。

図１４は、図１２に示したアノード電極側セパレータの燃料ガス流路の一部分に、実際に燃料ガス及び生成水が流通する様子を示した模式図である。図中の黒矢印は、燃料ガス及び生成水が通過する経路を示す。
従来技術である、直線形状の反応ガス流路を有するセパレータを示した図１８と比較すると明らかなように、本発明の第３の態様は、流路幅を広く変化させる凹形状部位に電極反応により生成した水が滞留するため、当該生成水を分散してガス拡散層へ拡散させることができる。
このように、直線形状のガス流路とは異なる効果を得るためには、凹形状部位によって広げられた流路幅の最大値が、他の部位の流路幅の１１０〜１５０％、好ましくは１１０〜１３０％であればよい。

図１５は、本発明の第３の態様の燃料電池において用いられる反応ガス流路上の、流路幅を広く変化させる凹形状部位の拡大図である。図１５（ａ）〜（ｃ）はいずれも、セパレータの反応ガス流入流路と反応ガス流出流路を隔離するリブ３０の間に挟まれた反応ガス流入流路１１ａの一部の形状を示している。なお、矢印は反応ガスの流通方向を示す。
図１５（ａ）に示した流路幅を広く変化させる凹形状部位は、図１２〜図１４に示したセパレータ上に形成された凹形状部位と同様である。すなわち、生成水が滞留するように流路幅が連続的に変化して広くなる部位と、流路幅が断続的に変化して元の流路幅に戻る部位を有している。
図１５（ｂ）に示した流路幅を広く変化させる凹形状部位は、流路幅が連続的に変化して広くなる部位と、流路幅が連続的に変化して元の流路幅に戻る部位を有している。
図１５（ｃ）に示した流路幅を広く変化させる凹形状部位は、生成水が滞留するように流路幅が断続的に変化して広くなる部位と、流路幅が断続的に変化して元の流路幅に戻る部位を有している。

上記第３の態様の応用例としては、凹形状部位が、ガス流れ方向下流端に近いほど当該部位のガス流れ方向の長さが長くなるように設けられているという構成が挙げられる。
図１６は、本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第１の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。反応ガス流入流路上において、流路幅を広く変化させる凹形状部位のガス流れ方向の長さを、上流側から下流側にかけてｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_９、ｄ_１０としたとき、図から分かるように、ｄ_１＜ｄ_２＜…＜ｄ_９＜ｄ_１０というように、当該凹形状部位は、ガス流れ方向下流端に近いほど長くなっている。このように流路幅を広く変化させる凹形状部位を調整することで、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水が滞留する量をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水が滞留する量をより多くし、その結果、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。

上記第３の態様の他の応用例としては、凹形状部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど狭くなるように設けられているという構成が挙げられる。
図１７は、本発明の第３の態様の燃料電池に用いられる単セルの、アノード電極側セパレータの他の第２の例の一部分を示す図であって、セパレータに水平な方向に切断した断面を模式的に示した図である。反応ガス流入流路上において、凹形状部位のピッチを、上流側から下流側にかけてｄ_１、ｄ_２、…、ｄ_７、ｄ_８としたとき、図から分かるように、ｄ_１＞ｄ_２＞…＞ｄ_７＞ｄ_８というように、凹形状部位のピッチは、ガス流れ方向下流端に近いほど狭くなっている。このように凹形状部位のピッチを調整することで、電極反応により生成した水の量が少ないガス流れ方向上流において当該生成水が滞留する回数をより少なくし、当該生成水の量が多いガス流れ方向下流において当該生成水が滞留する回数をより多くし、その結果、生成水を均一にガス拡散層に分布させることができる。
図１６、図１７に示したような上記第３の態様の応用例の構成は、アノード電極側セパレータのみならず、カソード電極側セパレータにおいても設けることができる。

本発明の第３の態様の燃料電池中の構成要素である、高分子電解質膜、電極中の触媒層及びガス拡散層等については、上述した本発明の第１の態様の燃料電池と同様のものを用いることができる。

１…固体高分子電解質膜
２…アノード触媒層
３…カソード触媒層
４，５…ガス拡散層
６…アノード電極
７…カソード電極
８…膜・電極接合体
９，１０…セパレータ
１１…燃料ガス流路
１１ａ…燃料ガス流入流路
１１ｂ…燃料ガス流出流路
１２…酸化剤ガス流路
１２ａ…酸化剤ガス流入流路
１２ｂ…酸化剤ガス流出流路
２１ａ…燃料ガス供給孔
２１ｂ…燃料ガス排出孔
２２ａ…酸化剤ガス供給孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出孔
３０…リブ
７０ａ…反応ガス流入流路
７０ｂ…反応ガス流出流路
７１…生成水
１００…単セル

Claims

高分子電解質膜の一面側にアノード触媒層及びガス拡散層を含むアノード電極を有し、他面側にカソード触媒層及びガス拡散層を含むカソード電極を有する膜・電極接合体、及び、当該膜・電極接合体をさらに挟持する一対のセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、
前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に、前記膜・電極接合体へと供給される反応ガスが流通する反応ガス流入流路、及び、前記膜・電極接合体を通過した反応ガスが流通する反応ガス流出流路が備えられ、
前記反応ガス流入流路の下流端及び前記反応ガス流出流路の上流端がそれぞれ閉塞され、かつ、当該反応ガス流入流路と当該反応ガス流出流路が前記セパレータにおいて互いに分離して配置されており、
少なくとも前記反応ガス流入流路において、反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする、燃料電池。
前記反応ガスの流れの障壁となる部位が、屈曲部位及び凸形状部位からなる群から選ばれる、請求項１に記載の燃料電池。
前記反応ガスの流れが滞留する部位が、凹形状部位である、請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が、３〜５０ｍｍのピッチで周期的に設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記反応ガスの流れの障壁となる部位及び当該流れが滞留する部位の少なくとも一方が、１流路につき１〜５０個設けられている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路が、いずれも１又は２以上の屈曲部位を有する折れ線状の全体形状又は部分形状を有し、
前記反応ガス流入流路及び前記反応ガス流出流路が、互いの前記屈曲部位が折り重なるように配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記屈曲部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど広くなるように設けられている、請求項６に記載の燃料電池。
前記反応ガス流入流路が、流路幅を狭く変化させる凸形状部位を１又は２以上有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記凸形状部位が、ガス流れ方向下流端に近いほど当該部位のガス流れ方向の長さが長くなるように設けられている、請求項８に記載の燃料電池。
前記凸形状部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど狭くなるように設けられている、請求項８又は９に記載の燃料電池。
前記反応ガス流入流路が、流路幅を広く変化させる凹形状部位を１又は２以上有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記凹形状部位が、ガス流れ方向下流端に近いほど当該部位のガス流れ方向の長さが長くなるように設けられている、請求項１１に記載の燃料電池。
前記凹形状部位が、当該部位のピッチがガス流れ方向下流端に近いほど狭くなるように設けられている、請求項１１又は１２に記載の燃料電池。