JP2018206597A

JP2018206597A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2018206597A
Application number: JP2017110375A
Authority: JP
Inventors: 雄一五味; Yuichi Gomi; 前田　正史; Masashi Maeda; 正史前田; 亘大津; Wataru Otsu
Original assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: JP6894299B2

Abstract

【課題】アノードセパレータによりアノード入口近傍及びアノード出口近傍での膜電極接合体の乾燥を抑制する燃料電池を提供する。【解決手段】アノード流路は、アノードガス拡散層１６ａに接触したリブ２４と、アノードガス拡散層１６ａに接触しない溝２３とを有し、アノード流路は、アノード入口からアノード出口の順に、上流域Ａ、中流域Ｂ、及び下流域Ｃを含み、上流域Ａは、アノード出口よりもアノード入口の近くに位置し、かつカソード入口よりもカソード出口の近くに位置し、下流域Ｃは、アノード入口よりもアノード出口の近くに位置し、かつカソード出口よりもカソード入口の近くに位置し、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、中流域よりも上流域及び下流域のそれぞれでの方が大きい、燃料電池。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池では、膜電極ガス拡散層接合体がアノードセパレータ及びカソードセパレータにより挟持されている。また、アノードセパレータのアノード入口近傍での膜電極接合体の乾燥を抑制するために、アノードセパレータのアノードガス流路の幅を、アノード出口側よりもアノード入口側で狭くする場合がある（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−０６４７７２号公報

アノード入口近傍のみならずアノード出口近傍でも膜電極接合体が乾燥する可能性があり、アノード出口近傍での膜電極接合体の乾燥が進行すると、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。また、カソードセパレータのカソード流路のアノード出口近傍での幅等を変更することにより、アノード出口近傍での膜電極接合体の乾燥を抑制することも考えられる。しかしながら、一般的にカソードガスはアノードガスよりも多くの流量を必要とし、カソード流路の幅等を変更することによりカソードガスの圧力損失が増大して、燃料電池の発電性能に影響を与える可能性がある。

そこで本発明は、アノードセパレータによりアノード入口近傍及びアノード出口近傍での膜電極接合体の乾燥を抑制する燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の間に膜電極接合体が位置する膜電極ガス拡散層接合体と、前記アノードガス拡散層に接したアノードセパレータと、前記カソードガス拡散層に接したカソードセパレータと、を備え、前記アノードセパレータ及びカソードセパレータのそれぞれは、アノード入口、アノード出口、カソード入口、及びカソード出口を有し、前記アノード入口は、前記カソード入口よりも前記カソード出口の近くに位置し、前記アノード出口は、前記カソード出口よりも前記カソード入口の近くに位置し、前記アノードセパレータは、前記アノード入口から前記アノード出口へアノードガスを案内するアノード流路を有し、前記カソードセパレータは、前記カソード入口から前記カソード出口へカソードガスを案内するカソード流路を有し、前記アノード流路は、前記アノードガス拡散層に接触したリブと、前記アノードガス拡散層に接触しない溝とを有し、前記アノード流路は、前記アノード入口から前記アノード出口の順に、上流域、中流域、及び下流域を含み、前記上流域は、前記アノード出口よりも前記アノード入口の近くに位置し、かつ前記カソード入口よりも前記カソード出口の近くに位置し、前記下流域は、前記アノード入口よりも前記アノード出口の近くに位置し、かつ前記カソード出口よりも前記カソード入口の近くに位置し、単位面積当たりの前記アノードセパレータと前記アノードガス拡散層との接触面積は、前記中流域よりも前記上流域及び下流域のそれぞれでの方が大きい、燃料電池によって達成できる。

アノードセパレータによりアノード入口近傍及びアノード出口近傍での膜電極接合体の乾燥を抑制する燃料電池を提供できる。

図１は、燃料電池を構成する複数積層された単セルがそれぞれ備えるアノードセパレータの正面図である。図２Ａ〜図２Ｃは、上流域、中流域、及び下流域のそれぞれでの単セル２の断面図である。図３Ａは、第１変形例のアノードセパレータの正面図であり、図３Ｂは、第２変形例のアノードセパレータの正面図である。

図１は、燃料電池を構成する複数積層された単セルがそれぞれ備えるアノードセパレータ４０ａの正面図である。燃料電池は、反応ガスとしてカソードガスと称される酸化剤ガス（例えば酸素）とアノードガスと称される燃料ガス（例えば水素）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。

アノードセパレータ４０ａは、略矩形状に形成され、その中央にアノードガスが流通するアノードガス流路４１が形成されている。また、アノードガス流路４１周辺には、アノードガスが供給されるアノード入口ａ１及び排出されるアノード出口ａ２、カソードガスが供給されるカソード入口ｃ１及び排出されるカソード出口ｃ２、冷媒が供給される冷媒入口ｗ１及び排出される冷媒出口ｗ２が形成されている。アノード入口ａ１及び冷媒出口ｗ２は、アノードセパレータ４０ａの短辺の一方側に短手方向ＳＤに並んで形成されている。冷媒入口ｗ１及びアノード出口ａ２は、アノードセパレータ４０ａの短辺の他方側に短手方向ＳＤに並んで形成されている。

カソード入口ｃ１は、アノードセパレータ４０ａの長辺の一方側に長手方向ＬＤに２つ並んで形成されている。カソード出口ｃ２は、アノードセパレータ４０ａの長辺の他方側に長手方向ＬＤに２つ並んで形成されている。２つのカソード入口ｃ１の合計の開口面積、及び２つのカソード出口ｃ２の合計の開口面積のそれぞれは、アノード入口ａ１及びアノード出口ａ２の各開口面積よりも大きく形成されており、カソードガスの流量はアノードガスの流量よりも大きい。図１に示すように、アノード入口ａ１はカソード入口ｃ１よりもカソード出口ｃ２の近くに位置し、アノード出口ａ２はカソード出口ｃ２よりもカソード入口ｃ１の近くに位置する。

アノードガス流路４１は、アノードセパレータ４０ａ内での略矩形状の領域内に蛇行した所謂サーペンタイン型の流路であり、アノードガスをアノード入口ａ１からアノード出口ａ２へと案内する。図１には、アノードガスの流通方向が実線の矢印で示している。アノードガス流路４１は、アノード入口ａ１から離れ冷媒入口ｗ１に向けて２の長辺と略平行に略直線状に延び、次に冷媒入口ｗ１の近傍で屈曲し、冷媒入口ｗ１から離れ冷媒出口ｗ２に向けて２の長辺と略平行に略直線状に延び、冷媒出口ｗ２の近傍で屈曲し、冷媒出口ｗ２から離れアノード出口ａ２に向けて２の長辺と略平行に直線状に延びている。また、アノードガス流路４１は、アノード入口ａ１側からアノード出口ａ２側に順に上流域Ａ、中流域Ｂ、及び下流域Ｃを有する。上流域Ａは、アノード入口ａ１から略直線状に延びた領域内に形成されている。長手方向ＬＤのアノードガス流路４１の長さをＬとした場合に、アノードガス流路４１の長手方向ＬＤでの上流域Ａの長さは例えば０．２〜０．４Ｌ内に設定されており、アノードガス流路４１の長手方向ＬＤでの下流域Ｃの長さは例えば０．２５〜０．５Ｌに設定されている。即ち、上流域Ａ及び下流域Ｃはそれぞれアノード入口ａ１及びアノード出口ａ２近傍に位置している。ここで、上述したようにアノード入口ａ１及びアノード出口ａ２はそれぞれカソード出口ｃ２及びカソード入口ｃ１近傍に位置している。このため上流域Ａは、アノード出口ａ２よりもアノード入口ａ１の近くに位置し、かつカソード入口ｃ１よりもカソード出口ｃ２の近くに位置している。下流域Ｃは、アノード入口ａ１よりもアノード出口ａ２の近くに位置し、かつカソード出口ｃ２よりもカソード入口ｃ１の近くに位置している。

カソードセパレータ２０ｃには、カソードガスをカソード入口ｃ１からカソード出口ｃ２へ案内する、後述するカソードガス流路２１が、短手方向ＳＤに沿って略直線状に延びている。図１には、カソードガスの流通方向が点線の矢印で示している。

図２Ａ〜図２Ｃは、上流域Ａ、中流域Ｂ、及び下流域Ｃのそれぞれでの単セル２の断面図である。図２Ａ〜図２Ｃは、それぞれ上流域Ａ、中流域Ｂ、及び下流域Ｃでの後述するアノードガス流路４１での溝及びリブが延びた方向に直交する断面図である。換言すれば、図２Ａ〜図２Ｃは、カソードガス流路２１での溝２３及びリブ２４が延びた方向に平行な断面図である。

単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を挟持するアノードセパレータ４０ａ及びカソードセパレータ２０ｃとを含む。ＭＥＧＡ１０は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＧＡ１０は、アノードガス流路４１及びカソードガス流路２１に挟持されるように配置されるが、アノード入口ａ１、アノード出口ａ２、カソード入口ｃ１、カソード出口ｃ２、冷媒入口ｗ１、及び冷媒出口ｗ２には重ならない。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。

アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。

カソードセパレータ２０ｃ及びアノードセパレータ４０ａのそれぞれは、導電性の金属板をプレス成型することにより、反応ガスが流通する流路と冷媒が流通する流路とが表裏一体に形成されているが、これに限定されず、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材であってもよい。

カソードセパレータ２０ｃにも、アノードセパレータ４０ａと同様に、アノード入口ａ１、アノード出口ａ２、カソード入口ｃ１、カソード出口ｃ２、冷媒入口ｗ１、及び冷媒出口ｗ２が形成されている。カソードセパレータ２０ｃには、カソード入口ｃ１からカソード出口ｃ２に向けて互いにほぼ平行に延びた溝２３及びリブ２４が、長手方向ＬＤに交互に複数設けられている。溝２３及びリブ２４は、金属板がプレス加工されて形成されている。リブ２４はカソードガス拡散層１６ｃに接触した凸状であるが、溝２３はカソードガス拡散層１６ｃには接触していない凹状である。カソードガスは、ＭＥＡ１１とカソードセパレータ２０ｃとの間を流れる。尚、冷媒は、隣接した単セル２同士の間を流れる。

図２Ａに示すように、アノードセパレータ４０ａのアノードガス流路４１の上流域Ａには、長手方向ＬＤに互いに略平行に延びた溝４３ａ及びリブ４４ａが、短手方向ＳＤに交互に複数設けられている。同様に、図２Ｂに示すように、アノードガス流路４１の中流域Ｂには、長手方向ＬＤに互いに略平行に延びた溝４３ｂ及びリブ４４ｂが、短手方向ＳＤに交互に複数設けられている。図２Ｃに示すように、アノードガス流路４１の下流域Ｃには、長手方向ＬＤに互いに略平行に延びた溝４３ｃ及びリブ４４ｃが、短手方向ＳＤに交互に複数設けられている。ここで、リブ４４ａ〜４４ｃは互いに連続したリブを示し、溝４３ａ〜４３ｃは互いに連続した溝を示している。従って、上流域Ａ、中流域Ｂ、及び下流域Ｃのそれぞれにおいて、溝及びリブの数は同じである。リブ４４ａ〜４４ｃはアノードガス拡散層１６ａに接触した凸状であり、溝４３ａ〜４３ｃはアノードガス拡散層１６ａには接触しない凹状である。

リブ４４ａのリブ幅Ｗ４４ａは、溝４３ａの溝幅Ｗ４３ａよりも広く形成されている。リブ４４ｂのリブ幅Ｗ４４ｂは、溝４３ｂの溝幅Ｗ４３ｂと略同じに形成されている。リブ４４ｃのリブ幅Ｗ４４ｃは、溝４３ｃの溝幅Ｗ４３ｃよりも広く形成されている。ここで、リブ幅Ｗ４４ａ〜Ｗ４４ｃのうち、リブ幅Ｗ４４ｃが最も広く、リブ幅Ｗ４４ｂが最も狭い。溝幅Ｗ４３ａ〜Ｗ４３ｃのうち、溝幅Ｗ４３ｃが最も狭く、溝幅Ｗ４３ｂが最も広い。また、溝幅Ｗ４３ｂはリブ幅Ｗ４４ｂとほぼ同じである。上流域Ａ内において溝幅Ｗ４３ａ及びリブ幅Ｗ４４ａはそれぞれ一定である。同様に、中流域Ｂ内において溝幅Ｗ４３ｂ及びリブ幅Ｗ４４ｂはそれぞれ一定であり、下流域Ｃ内において溝幅Ｗ４３ｃ及びリブ幅Ｗ４４ｃはそれぞれ一定である。また、一対の隣接する溝及びリブの幅方向でのピッチ間隔は、上流域Ａ、中流域Ｂ、及び下流域Ｃのそれぞれで同じである。即ち、溝幅Ｗ４３ａ及びリブ幅Ｗ４４ａの合計と、溝幅Ｗ４３ｂ及びリブ幅Ｗ４４ｂの合計と、溝幅Ｗ４３ｃ及びリブ幅Ｗ４４ｃの合計とは略同じである。

ここで、一般的にアノード入口近傍及びアノード出口近傍でのＭＥＡは乾燥しやすい。アノード入口近傍でのＭＥＡが乾燥しやすい理由は以下による。アノード入口には、アノードガスとして一般的に湿度の低い水素ガスが流入するからである。また、アノードガスと共にアノードオフガスも燃料電池内に導入する構成の場合には、一般的に発電効率の低下を抑制する観点からアノードオフガスよりも多くの流量のアノードガスをアノード入口から導入させるからである。

アノード出口近傍でのＭＥＡが乾燥しやすい理由は以下による。アノード出口近傍よりも上流側での発電反応により水素の多くは既に消費されているため、アノード出口近傍では水素量が低下しており、これに伴い水素に保持される生成水の量も低下しているからである。また、アノード出口近傍にあるカソード入口から導入されるカソードガスは湿度が低いため、カソード入口近傍でのＭＥＡは乾燥しやすく、これに伴ってアノード入口近傍でのＭＥＡも乾燥しやすいからである。

また、一般的にアノード出口近傍の方がアノード入口近傍よりも乾燥しやすい。この理由は以下による。例えばアノードガスと共にアノードオフガスも燃料電池内に導入する構成の場合には、アノードガスよりも湿度の高いアノードオフガスがアノード入口から導入される。また、アノード入口近傍のカソード出口には、生成水がカソードガスによって運ばれてくるからである。これに対してアノード出口近傍では、上述したように水素量が低いため水素により保持される生成水量も少ない。また、アノード出口近傍のカソード入口から導入されるカソードガスも乾燥状態にあり、プロトンに随伴して生成水がアノード側からカソード側に移動するからである。また、燃料電池への供給前にカソードガスを加湿する構成が採用されていない場合には、特にアノード出口近傍の方がアノード入口近傍よりも乾燥しやすい。

本実施例では、図２Ａ及び図２Ｃに示したように、溝幅Ｗ４３ａ及びＷ４３ｃのそれぞれは溝幅Ｗ４３ｂよりも狭く、リブ幅Ｗ４４ａ及びＷ４４ｃのそれぞれはリブ幅Ｗ４４ｂよりも広い。このため、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、中流域Ｂよりも上流域Ａ及び下流域Ｃのそれぞれの方が大きい。ここで、単位面積当たりとは、少なくともリブ４４ａに接触する部分と溝４３ａにより接触しない部分との双方を含む、アノードガス拡散層１６ａの、ＭＥＡ１１とは反対側の面の面積である。上流域Ａ及び下流域Ｃでのそれぞれでの単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、中流域Ｂでの単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積のおよそ１．１〜２．５倍程度である。このため、上流域Ａ及び下流域Ｃでは、発電反応によって生成された生成水がＭＥＡ１１からアノードガス拡散層１６ａを介して溝４３ａ及び４３ｃ内に排出されることが抑制されている。換言すれば、アノードガス拡散層１６ａによる保水性が確保されている。従って、アノード入口ａ１近傍とアノード出口ａ２近傍でのＭＥＡ１１の乾燥が抑制されている。

また、溝幅Ｗ４３ａは溝幅Ｗ４３ｃよりも広く、リブ幅Ｗ４４ａはリブ幅Ｗ４４ｃよりも狭い。即ち、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、上流域Ａよりも下流域Ｃの方が大きい。このため下流域Ｃでは、生成水がＭＥＡ１１からアノードガス拡散層１６ａを介して溝４３ｃ内に排出されることがより抑制される。この理由は、上述したように下流域Ｃはカソード入口ｃ１の近傍に位置し、かつ一般的にセル内を流通するカソードガスの流量はアノードガスの流量よりも大きくカソード入口ｃ１近傍でのカソードガスの流速が比較的速いため、カソード入口ｃ１近傍、即ちアノード出口ａ２近傍でのＭＥＡ１１がより乾燥しやすいからである。このため、上記構成によりアノード出口ａ２近傍でのＭＥＡ１１の乾燥が抑制されている。

また、上述したように単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、中流域Ｂよりも上流域Ａ及び下流域Ｃのそれぞれの方が大きいため、アノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が確保されている。これにより、アノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの間の電気抵抗が低減され、発電性能の低下が抑制されている。

尚、アノード入口ａ１近傍とアノード出口ａ２近傍でのＭＥＡ１１の乾燥を抑制するために、アノード入口ａ１近傍とアノード出口ａ２近傍でのカソードガス流路２１の溝幅及びリブ幅を変更して、アノード入口ａ１近傍とアノード出口ａ２近傍での単位面積当たりのカソードセパレータ２０ｃとカソードガス拡散層１６ｃとの接触面積を増大させることが考えられる。しかしながらリブ幅が拡大すると、カソードガスの圧力損失の増大やカソードガスの拡散性が低下して発電性能が低下する可能性がある。本実施例では、上述したアノードセパレータ４０ａを採用することにより、カソードセパレータ２０ｃのカソードガス流路２１の溝幅及びリブ幅を変更することなく、アノード入口ａ１近傍とアノード出口ａ２近傍でのＭＥＡ１１の乾燥を抑制できる。このため、カソードガスの圧力損失の増大やカソードガスの拡散性の低下を抑制しつつ、アノード入口ａ１近傍とアノード出口ａ２近傍でのＭＥＡ１１の乾燥を抑制できる。

従って、カソードセパレータ２０ｃの形状に制約を受けずに、ＭＥＡ１１の乾燥を抑制できる。このため、例えば、カソードセパレータ２０ｃの代わりに、少なくともＭＥＡ１１側の面が平坦なカソードセパレータを採用し、多孔質の繊維基材で形成されたカソードガス拡散層１６ｃの代わりに、または多孔質の繊維基材で形成されたカソードガス拡散層１６ｃと少なくともＭＥＡ１１側の面が平坦なカソードセパレータとの間に、例えば切り曲げ加工により形成されたエキスパンドメタル、ラス加工により形成されたラスカットメタル、発泡焼結体等の金属多孔質体を採用してもよい。尚、上記の趣旨は、リブ幅及び溝幅が変更されたカソードセパレータの採用を否定するものではない。発電性能に影響を与えない範囲で、カソードセパレータのリブ幅を変更して、アノード入口ａ１及びアノード出口ａ２の少なくとも一方の近傍での単位面積当たりのカソードセパレータとカソードガス拡散層１６ｃとの接触面積を増大させてもよい。

尚、本実施例では単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は上流域Ａよりも下流域Ｃでの方が大きいが、これに限定されない。例えば、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が中流域Ｂよりも上流域Ａ及び下流域Ｃのそれぞれの方が大きい限り、接触面積は上流域Ａと下流域Ｃとで同程度であってもよいし、上流域Ａの方が下流域Ｃよりも大きくてもよい。例えば、リブ幅Ｗ４４ａはリブ幅Ｗ４４ｃと同じであってもよいし、リブ幅Ｗ４４ａはリブ幅Ｗ４４ｃより広くてもよい。

また、溝幅Ｗ４３ａ、Ｗ４３ｂ、及びＷ４３ｃを一定にし、リブ幅Ｗ４４ａ及びＷ４４ｃのそれぞれがリブ幅Ｗ４４ｂよりも広くしてもよい。また、長手方向ＬＤでの上流域Ａ及び下流域Ｃの長さは同じであってもよいし、上流域Ａの方が下流域Ｃよりも長くてもよいし、下流域Ｃの方が上流域Ａよりも長くてもよい。

上流域Ａ内において溝幅Ｗ４３ａ及びリブ幅Ｗ４４ａはそれぞれ一定であるとしたがこれに限定されない。例えば、上流域Ａ内において、溝幅Ｗ４３ａ及びリブ幅Ｗ４４ａが溝４３ａ及びリブ４４ａの長さ方向に異なっていてもよい。同様に下流域Ｃ内において、溝幅Ｗ４３ｃ及びリブ幅Ｗ４４ｃが溝４３ｃ及びリブ４４ｃの長さ方向に異なっていてもよい。また、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が中流域Ｂよりも上流域Ａ及び下流域Ｃのそれぞれの方が大きい限り、中流域Ｂ内において溝幅Ｗ４３ｂ及びリブ幅Ｗ４４ｂが溝４３ｂ及びリブ４４ｂの長さ方向に異なっていてもよい。

次に、複数の変形例について説明する。尚、以下の複数の変形例について、上記実施例と類似の構成については、類似の符号を付することにより重複する説明は省略する。図３Ａは、第１変形例でのアノードセパレータ４０ａａの正面図である。第１変形例では、上述した実施例でのアノードセパレータ４０ａの代わりにアノードセパレータ４０ａａが採用され、上述した実施例でのカソードセパレータ２０ｃの代わりに形状が異なるカソードセパレータが採用されている点以外は、同一の部材が採用されているものとして説明する。

図３Ａに示すように、略矩形状であるアノードセパレータ４０ａａの短辺の一方側に、アノード入口ａ１ａ、カソード出口ｃ２ａ、及び冷媒入口ｗ１ａが短手方向ＳＤに並んで形成されている。同様に、アノードセパレータ４０ａａの短辺の他方側に、冷媒出口ｗ２ａ、カソード入口ｃ１ａ、及びアノード出口ａ２ａが短手方向ＳＤに並んで形成されている。アノード入口ａ１ａ及びカソード出口ｃ２ａは隣接しており、アノード出口ａ２ａ及びカソード入口ｃ１ａは隣接している。即ち、アノード入口ａ１ａは、カソード入口ｃ１ａよりもカソード出口ｃ２ａの近くに位置し、アノード出口ａ２ａは、カソード出口ｃ２ａよりもカソード入口ｃ１ａの近くに位置している。アノードガス流路４１ａの上流域Ａａは、アノード出口ａ２ａよりもアノード入口ａ１ａの近くに位置し、かつカソード入口ｃ１ａよりもカソード出口ｃ２ａの近くに位置している。アノードガス流路４１ａの下流域Ｃａは、アノード入口ａ１ａよりもアノード出口ａ２ａの近くに位置し、かつカソード出口ｃ２ａよりもカソード入口ｃ１ａの近くに位置している。また、略矩形状のアノードガス流路４１ａの長手方向ＬＤでの長さＬａに対して、上流域Ａａは例えば０．２〜０．４Ｌａであり、下流域Ｃａは例えば０．２５〜０．５Ｌａである。

第１変形例でのカソードセパレータには、カソード入口ｃ１ａからカソード出口ｃ２ａにカソードガスを案内するカソードガス流路が形成されている。カソードガス流路は、アノードガス流路４１ａと同様にサーペンタイン型の流路である。従って、カソードガスの流通方向は、アノードガスの流通方向と略逆方向である。尚、図３Ａには、実線の矢印でアノードガスの流通方向を示し、点線の矢印でカソードガスの流通方向を示している。

第１変形例においても上記実施例と同様に、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、中流域Ｂａよりも上流域Ａａ及び下流域Ｃａのそれぞれの方が大きい。これにより、アノード入口ａ１ａ近傍とアノード出口ａ２ａ近傍でのＭＥＡ１１の乾燥が抑制されている。また、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は上流域Ａａよりも下流域Ｃａの方が大きいため、よりアノード出口ａ２ａ近傍でのＭＥＡ１１の乾燥が抑制される。また、アノードセパレータ４０ａａとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が確保されているので、アノードセパレータ４０ａａとアノードガス拡散層１６ａとの間の電気抵抗が低減され、発電性能の低下が抑制されている。

図３Ｂは、第２変形例でのアノードセパレータ４０ａｂの正面図である。第２変形例では、上述した実施例でのアノードセパレータ４０ａの代わりにアノードセパレータ４０ａｂが採用され、上述した実施例でのカソードセパレータ２０ｃ及び第１変形例でのカソードセパレータの代わりに形状が異なるカソードセパレータが採用されている点以外は、同一の部材が採用されているものとして説明する。

図３Ｂに示すように、略矩形状であるアノードセパレータ４０ａｂの短辺の一方側に、アノード入口ａ１ｂ、冷媒入口ｗ１ｂ、及びカソード出口ｃ２ｂが短手方向ＳＤに並んで形成されている。同様に、アノードセパレータ４０ａｂの短辺の他方側に、カソード入口ｃ１ｂ、冷媒出口ｗ２ｂ、及びアノード出口ａ２ｂが短手方向ＳＤに並んで形成されている。アノード入口ａ１ｂ及びカソード出口ｃ２ｂは冷媒入口ｗ１ｂを介して隣接しており、アノード出口ａ２ｂ及びカソード入口ｃ１ｂは冷媒出口ｗ２ｂを介して隣接している。即ち、アノード入口ａ１ｂは、カソード入口ｃ１ｂよりもカソード出口ｃ２ｂの近くに位置し、アノード出口ａ２ｂは、カソード出口ｃ２ｂよりもカソード入口ｃ１ｂの近くに位置している。

アノードガス流路４１ｂは、アノードガスをアノード入口ａ１ｂからアノード出口ａ２ｂに案内するが、上流側から順に分配部４２ａ、平行部４２ｂ、及び集合部４２ｃを有している。分配部４２ａは、アノード入口ａ１ｂから平行部４２ｂに向けて拡大するように延びている。平行部４２ｂは長手方向ＬＤに略平行に延びている。集合部４２ｃは、平行部４２ｂからアノード出口ａ２ｂに縮小するように延びている。アノードガス流路４１ｂの上流域Ａｂ、中流域Ｂｂ、及び下流域Ｃｂは、それぞれ分配部４２ａ、平行部４２ｂ、及び集合部４２ｃに対応している。従って、上流域Ａｂは、アノード出口ａ２ｂよりもアノード入口ａ１ｂの近くに位置し、かつカソード入口ｃ１ｂよりもカソード出口ｃ２ｂの近くに位置している。下流域Ｃｂは、アノード入口ａ１ｂよりもアノード出口ａ２ｂの近くに位置し、かつカソード出口ｃ２ｂよりもカソード入口ｃ１ｂの近くに位置している。尚、分配部４２ａ及び集合部４２ｃのそれぞれでのリブ及び溝の数は、平行部４２ｂでのリブ及び溝の数と同じであるが、平行部４２ｂでのリブ及び溝の数よりも少なくてもよい。

第２変形例でのカソードセパレータには、カソード入口ｃ１ｂからカソード出口ｃ２ｂにカソードガスを案内するカソードガス流路が形成されている。カソードガス流路は、アノードガス流路４１ｂと同様に、カソード入口ｃ１ｂから中央部にまで拡大するように延び、中央部では長手方向ＬＤに略平行に延び、中央部からカソード出口ｃ２ｂに縮小するように延びている。従って、カソードガス流路の中央部では、カソードガスの流通方向はアノードガスの流通方向とは逆方向になる。尚、図３Ｂには、実線の矢印でアノードガスの流通方向を示し、点線の矢印でカソードガスの流通方向を示している。

第２変形例でも上記実施例と同様に、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａｂとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は、中流域Ｂｂよりも上流域Ａｂ及び下流域Ｃｂのそれぞれの方が大きい。具体的には、平行部４２ｂでのリブ幅よりも分配部４２ａ及び集合部４２ｃでのリブ幅の方が広く形成されている。これにより、アノード入口ａ１ｂ近傍とアノード出口ａ２ｂ近傍でのＭＥＡ１１の乾燥が抑制されている。また、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａｂとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積は上流域Ａｂよりも下流域Ｃｂの方が大きいため、よりアノード出口ａ２ａ近傍でのＭＥＡ１１の乾燥が抑制される。更に、アノードセパレータ４０ａｂとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が確保されているので、アノードセパレータ４０ａｂとアノードガス拡散層１６ａとの間の電気抵抗が低減され、発電性能の低下が抑制されている。

第２変形例では単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａｂとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が大きく形成された上流域Ａｂ及び下流域Ｃｂがそれぞれ分配部４２ａ及び集合部４２ｃに対応し、単位面積当たりのアノードセパレータ４０ａｂとアノードガス拡散層１６ａとの接触面積が小さく形成された中流域Ｂｂが平行部４２ｂに対応しているがこれに限定されない。例えば上流域Ａｂは、分配部４２ａ全体に加えて更に平行部４２ｂの上流側の一部分をも含むように形成されていてもよいし、分配部４２ａの上流側の一部分のみを含むように形成されていてもよい。下流域Ｃｂは、集合部４２ｃ全体に加えて更に平行部４２ｂの下流側の一部分をも含むように形成されていてもよいし、集合部４２ｃの下流側の一部分のみを含むように形成されていてもよい。中流域Ｂｂは、平行部４２ｂに加えて更に分配部４２ａの下流側の一部分を含むように形成されていてもよいし、平行部４２ｂの上流側の一部分を含まないように形成されていてもよいし、集合部４２ｃの上流側の一部分を含むように形成されていてもよいし、平行部４２ｂの下流側の一部分を含まないように形成されていてもよい。

第２変形例では、分配部４２ａ、平行部４２ｂ、及び集合部４２ｃのそれぞれでのリブ及び溝の数が同じであるがこれに限定されない。例えば、分配部４２ａ及び集合部４２ｃでのそれぞれでのリブ及び溝の数が、平行部４２ｂでのリブ及び溝の数よりも少なくてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

２単セル
１０膜電極ガス拡散層接合体
１１膜電極接合体
１６ａアノードガス拡散層
２０ｃカソードセパレータ
２１カソードガス流路
４０ａアノードセパレータ
４１アノードガス流路
４３ａ〜４３ｃ溝
４４ａ〜４４ｃリブ
Ｗ４３ａ〜Ｗ４３ｃ溝幅
Ｗ４４ａ〜Ｗ４４ｃリブ幅
ａ１アノード入口
ａ２アノード出口
ｃ１カソード入口
ｃ２カソード出口
Ａ上流域
Ｂ中流域
Ｃ下流域

Claims

アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層の間に膜電極接合体が位置する膜電極ガス拡散層接合体と、
前記アノードガス拡散層に接したアノードセパレータと、
前記カソードガス拡散層に接したカソードセパレータと、を備え、
前記アノードセパレータ及びカソードセパレータのそれぞれは、アノード入口、アノード出口、カソード入口、及びカソード出口を有し、
前記アノード入口は、前記カソード入口よりも前記カソード出口の近くに位置し、
前記アノード出口は、前記カソード出口よりも前記カソード入口の近くに位置し、
前記アノードセパレータは、前記アノード入口から前記アノード出口へアノードガスを案内するアノード流路を有し、
前記カソードセパレータは、前記カソード入口から前記カソード出口へカソードガスを案内するカソード流路を有し、
前記アノード流路は、前記アノードガス拡散層に接触したリブと、前記アノードガス拡散層に接触しない溝とを有し、
前記アノード流路は、前記アノード入口から前記アノード出口の順に、上流域、中流域、及び下流域を含み、
前記上流域は、前記アノード出口よりも前記アノード入口の近くに位置し、かつ前記カソード入口よりも前記カソード出口の近くに位置し、
前記下流域は、前記アノード入口よりも前記アノード出口の近くに位置し、かつ前記カソード出口よりも前記カソード入口の近くに位置し、
単位面積当たりの前記アノードセパレータと前記アノードガス拡散層との接触面積は、前記中流域よりも前記上流域及び下流域のそれぞれでの方が大きい、燃料電池。