JP2023077628A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を向上できる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１１は、中央部に形成された開口部２１に膜電極接合体２０を支持した支持フレーム１９と、膜電極接合体２０を挟む一対のガス拡散層１３と、一対のガス拡散層１３の外側から支持フレーム１９を挟む一対のセパレータ１４とを備える。支持フレーム１９における開口部２１を挟んだ両端部には、酸化剤ガス孔がそれぞれ形成される。支持フレーム１９とセパレータ１４との間には、両端部にそれぞれ形成された酸化剤ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、開口部２１を通過させて他方へ流す酸化剤ガス流路２５が形成される。酸化剤ガス流路２５の延びる方向におけるガス拡散層１３の両端部のうちの少なくとも一方には、第１斜面３３が形成される。セパレータ１４における第１斜面３３と対向する位置には、第２斜面３４が形成される。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来、燃料電池として、例えば特許文献１に示す発電セルが知られている。こうした発電セルは、複数積層されて例えば車載用燃料電池スタックを構成する。発電セルは、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟持する第１金属セパレータ及び第２金属セパレータと、を備えている。

電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード電極及びカソード電極と、を備えている。アノード電極及びカソード電極は、共に矩形板状をなしている。アノード電極及びカソード電極は、ガス拡散層と、ガス拡散層の表面に形成された電極触媒層とをそれぞれ有している。

第１金属セパレータと電解質膜・電極構造体との間には、燃料ガス流路が形成されている。燃料ガス流路は、燃料ガス入口連通孔と燃料ガス出口連通孔とを連通する。第２金属セパレータと電解質膜・電極構造体との間には、酸化剤ガス流路が形成されている。酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とを連通する。

特開２０１５－２２５８４１号公報

ところで、上述のような発電セルでは、燃料ガス流路の延びる方向におけるアノード電極の両端面が燃料ガス流路に段差を形成する一方、酸化剤ガス流路の延びる方向におけるカソード電極の両端面が酸化剤ガス流路に段差を形成する。このため、これらのガス流路におけるそれぞれの電極の両端面の近傍にガスの淀みが発生するという問題がある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池は、中央部に形成された開口部に膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、一対の前記ガス拡散層の外側から前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池であって、前記支持フレームにおける前記開口部を挟んだ両端部には、ガス孔がそれぞれ形成され、前記支持フレームと前記セパレータとの間には、前記両端部にそれぞれ形成された前記ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、前記開口部を通過させて他方へ流すガス流路が形成され、前記ガス流路の延びる方向における前記ガス拡散層の両端部のうちの少なくとも一方には、第１斜面が形成され、前記セパレータにおける前記第１斜面と対向する位置には、第２斜面が形成されていることを要旨とする。

この構成によれば、第１斜面及び第２斜面によりガス流路におけるガス拡散層の端部の近傍にガスの淀みが発生することを抑制できるので、ガスがガス流路を円滑に流れるようになる。このため、発電性能を向上できる。

一実施形態の燃料電池の分解斜視図である。 図１の燃料電池の発電ユニットを示す分解斜視図である。 図１の燃料電池の平面模式図である。 図３の要部拡大断面図である。 変更例の燃料電池の要部拡大断面模式図である。

以下、燃料電池の一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、燃料電池１１は、矩形板状をなしているとともに複数積層されて燃料電池スタックを構成するものである。なお、以下の説明においては、燃料電池１１の長辺方向をＸ方向、燃料電池１１の短辺方向をＹ方向、燃料電池１１の厚さ方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、互いに直交する方向である。

＜燃料電池１１の構成＞
図１に示すように、燃料電池１１は、矩形板状の発電ユニット１２と、発電ユニット１２を挟む矩形板状をなす一対のガス拡散層１３と、発電ユニット１２及び一対のガス拡散層１３を挟む矩形板状をなす一対の金属製のセパレータ１４とを備えている。すなわち、燃料電池１１は、一対のガス拡散層１３と、発電ユニット１２と、一対のセパレータ１４とを積層した構造になっている。

一対のガス拡散層１３のうち、一方（カソード側）は第１ガス拡散層１５とされるとともに、他方（アノード側）は第２ガス拡散層１６とされている。一対のセパレータ１４のうち、一方（カソード側）は第１セパレータ１７とされるとともに、他方（アノード側）は第２セパレータ１８とされている。

図１及び図２に示すように、発電ユニット１２は、矩形板状をなす合成樹脂製の支持フレーム１９と、支持フレーム１９に支持される矩形板状をなす膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とを備えている。支持フレーム１９の中央部には、膜電極接合体２０よりも一回り小さい矩形状の開口部２１が形成されている。

支持フレーム１９は、開口部２１に膜電極接合体２０を支持している。すなわち、膜電極接合体２０は、その周縁部において支持フレーム１９の第１ガス拡散層１５側の面における開口部２１の周縁部に支持されている。一対のガス拡散層１３は、Ｚ方向において膜電極接合体２０を挟んでいる。

図１～図３に示すように、一対のガス拡散層１３のうちカソード側に位置する第１ガス拡散層１５は、Ｘ方向及びＹ方向の長さが開口部２１よりも若干長くなっている。一対のガス拡散層１３のうちアノード側に位置する第２ガス拡散層１６は、Ｘ方向及びＹ方向の長さが開口部２１とほぼ同じになっている。一対のセパレータ１４は、Ｚ方向において一対のガス拡散層１３の外側から一対のガス拡散層１３と共に膜電極接合体２０及び支持フレーム１９を挟んでいる。

燃料電池１１は、膜電極接合体２０のＺ方向の一方側（カソード側）の部分に酸素を含むガスの一例としての酸化剤ガスが供給され且つ膜電極接合体２０のＺ方向の他方側（アノード側）の部分に水素を含むガスの一例としての燃料ガスが供給される。これにより、燃料電池１１は、酸化剤ガス及び燃料ガスの膜電極接合体２０での電気化学反応に基づき発電を行う。

燃料電池１１におけるＹ方向の両端部、すなわち支持フレーム１９及び一対のセパレータ１４における開口部２１をＹ方向に挟んだ両端部には、ガス孔の一例としての酸化剤ガス孔２２がＸ方向に並んで２つずつ貫通して形成されている。燃料電池１１におけるＹ方向の両端部のうち、一方の端部に形成された酸化剤ガス孔２２は酸化剤ガス供給孔２３とされるとともに、他方の端部に形成された酸化剤ガス孔２２は酸化剤ガス排出孔２４とされている。

発電ユニット１２と第１セパレータ１７との間には、酸化剤ガス供給孔２３から供給された酸化剤ガスを、開口部２１を通過させて酸化剤ガス排出孔２４へ流すガス流路の一例としての酸化剤ガス流路２５が形成されている。酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路２５は、Ｙ方向に延びている。すなわち、酸化剤ガス流路２５における酸化剤ガスの流れ方向は、Ｙ方向における酸化剤ガス供給孔２３から酸化剤ガス排出孔２４へ向かう方向となる。

燃料電池１１におけるＸ方向の両端部、すなわち支持フレーム１９及び一対のセパレータ１４における開口部２１をＸ方向に挟んだ両端部には、燃料ガス孔２６及び冷却媒体孔２７がＹ方向に並んで貫通して形成されている。つまり、燃料電池１１における開口部２１をＸ方向に挟んだ両端部のうち、一方の端部には１つの燃料ガス孔２６及び１つの冷却媒体孔２７がＹ方向に並んで形成されるとともに、他方の端部には１つの燃料ガス孔２６及び１つの冷却媒体孔２７がＹ方向に並んで形成されている。

燃料電池１１における開口部２１をＸ方向に挟んだ両端部において、燃料ガス孔２６と冷却媒体孔２７とのＹ方向における並び順は互いに逆になっている。燃料電池１１におけるＸ方向の両端部のうち、一方の端部に形成された燃料ガス孔２６及び冷却媒体孔２７はそれぞれ燃料ガス供給孔２８及び冷却媒体供給孔２９とされるとともに、他方の端部に形成された燃料ガス孔２６及び冷却媒体孔２７はそれぞれ燃料ガス排出孔３０及び冷却媒体排出孔３１とされている。

図１、図２及び図４に示すように、発電ユニット１２と第２セパレータ１８との間には、燃料ガス供給孔２８から供給された燃料ガスを、開口部２１を通過させて燃料ガス排出孔３０へ流す燃料ガス流路３２が形成されている。燃料電池１１を複数積層した場合における第１セパレータ１７と第２セパレータ１８との間には、冷却媒体供給孔２９から供給された冷却媒体を冷却媒体排出孔３１へ流す冷却媒体流路（図示略）が形成される。

＜酸化剤ガス流路２５＞
図４に示すように、酸化剤ガス流路２５の延びる方向であるＹ方向における第１ガス拡散層１５の下流側の端部には、第１斜面３３が形成されている。すなわち、第１斜面３３は、第１ガス拡散層１５における酸化剤ガス流路２５の下流側に位置する端部に形成されている。第１セパレータ１７における第１斜面３３と対向する位置には、第１斜面３３と傾斜の向きが同じ第２斜面３４が形成されている。本実施形態では、第１斜面３３と第２斜面３４とが互いに平行になっている。また、支持フレーム１９に対する第１斜面３３の角度は、４０°以上８０°以下の範囲であることが好ましい。

酸化剤ガス流路２５において、第１斜面３３と第２斜面３４との間の部分である第１部分３５の流路断面積は、第１部分３５と上流側で隣り合う部分である第２部分３６の流路断面積よりも小さくなっている。すなわち、酸化剤ガス流路２５において、第１部分３５の流路幅Ａは、第２部分３６の流路幅Ｂよりも狭くなっている。

＜燃料電池１１の作用＞
次に、燃料電池１１の作用について説明する。
図３及び図４に示すように、燃料電池１１によって発電が行われる場合には、酸化剤ガス供給孔２３から酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給孔２８から燃料ガスが供給される。燃料電池１１において酸化剤ガス供給孔２３から酸化剤ガスが供給されると、当該酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２５を通って酸化剤ガス排出孔２４へ流れる過程で第１ガス拡散層１５によって拡散されながら膜電極接合体２０のカソード側の面に供給される。

一方、燃料電池１１において燃料ガス供給孔２８から燃料ガスが供給されると、当該燃料ガスは、燃料ガス流路３２を通って燃料ガス排出孔３０へ流れる過程で第２ガス拡散層１６によって拡散されながら膜電極接合体２０のアノード側の面に供給される。そして、燃料電池１１では、膜電極接合体２０におけるカソード側の面に供給された酸化剤ガスと、膜電極接合体２０におけるアノード側の面に供給された燃料ガスとの膜電極接合体２０での電気化学反応に基づいて発電される。

このとき、第１斜面３３及び第２斜面３４により酸化剤ガス流路２５における第１ガス拡散層１５の下流側の端部の近傍に酸化剤ガスの淀みが発生することが抑制されるので、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路２５の特に下流側で円滑に流れるようになる。加えて、酸化剤ガス流路２５は、第１部分３５の流路断面積が第２部分３６の流路断面積よりも狭くなっている。

このため、第１部分３５の圧力が第１部分３５の上流側に位置する第２部分３６の圧力よりも低くなるので、第１部分３５と第２部分３６との圧力差により、酸化剤ガス流路２５の酸化剤ガスの流れがさらに促進される。したがって、膜電極接合体２０におけるカソード側の面に酸化剤ガスが効率よく安定して供給されるので、上記電気化学反応が効率よく起こる。よって、燃料電池１１の発電性能が向上する。

また、上記電気化学反応が起こることにより、特に酸化剤ガス流路２５には、反応生成水が比較的多く発生する。しかし、酸化剤ガス流路２５の特に下流側では、第１斜面３３及び第２斜面３４の作用と、第１部分３５と第２部分３６との圧力差による効果とにより酸化剤ガスが淀みなく円滑に流れる。このため、酸化剤ガス流路２５では、酸化剤ガスの流れに伴って反応生成水も流れ易くなる。したがって、酸化剤ガス流路２５の反応生成水が酸化剤ガス排出孔２４から円滑に排出される。つまり、酸化剤ガス流路２５における排水性が向上する。

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）燃料電池１１において、酸化剤ガス流路２５の延びる方向における第１ガス拡散層１５の下流側の端部には、第１斜面３３が形成されている。第１セパレータ１７における第１斜面３３と対向する位置には、第２斜面３４が形成されている。

この構成によれば、第１斜面３３及び第２斜面３４により酸化剤ガス流路２５における第１ガス拡散層１５の下流側の端部の近傍に酸化剤ガスの淀みが発生することを抑制できるので、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路２５を円滑に流れる。このため、燃料電池１１の発電性能を向上できる。加えて、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路２５を円滑に流れるため、酸化剤ガス流路２５で発生する反応生成水も酸化剤ガスと共に酸化剤ガス流路２５を円滑に流れる。このため、酸化剤ガス流路２５の排水性を向上できる。

（２）燃料電池１１において、第１斜面３３と第２斜面３４とは、平行である。
この構成によれば、第１斜面３３及び第２斜面３４の作用により、酸化剤ガス流路２５における第１ガス拡散層１５の下流側の端部の近傍に酸化剤ガスの淀みが発生することを効果的に抑制できる。

（３）燃料電池１１において、酸化剤ガス流路２５における第１部分３５の流路断面積は、第１部分３５と上流側で隣り合う第２部分３６の流路断面積よりも小さい。
この構成によれば、酸化剤ガス流路２５において第１部分３５の圧力が第２部分３６の圧力よりも高くなる。このため、第１部分３５と第２部分３６との圧力差により酸化剤ガス流路２５で発生する反応生成水が下流側へ流れ易くなるので、酸化剤ガス流路２５の排水性を一層向上できる。

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図５に示すように、酸化剤ガス流路２５における第１部分３５の流路断面積は、下流へ向かって徐々に小さくなるようにしてもよい。このようにすれば、酸化剤ガス流路２５における第１部分３５では、下流側に向かうほど圧力が高くなる。このため、第１部分３５で生じる圧力差により、酸化剤ガス流路２５で発生する反応生成水が下流側へさらに流れ易くなる。したがって、酸化剤ガス流路２５の排水性をより一層向上できる。

・酸化剤ガス流路２５における第１部分３５の流路断面積は、必ずしも第２部分３６の流路断面積よりも小さくする必要はない。すなわち、第１部分３５の流路断面積は、第２部分３６の流路断面積と同じであってもよいし、第２部分３６の流路断面積よりも大きくてもよい。

・第１斜面３３は、酸化剤ガス流路２５の延びる方向における第１ガス拡散層１５の上流側の端部に形成してもよい。この場合、第１セパレータ１７における第１斜面３３と対向する位置に第２斜面３４が形成される。このようにすれば、酸化剤ガス流路２５における第１ガス拡散層１５の上流側の端部の近傍に酸化剤ガスの淀みが発生することを抑制できる。

・第１斜面３３と第２斜面３４とは、必ずしも平行である必要はない。すなわち、第１斜面３３及び第２斜面３４のそれぞれの傾斜角度は、互いに異なっていてもよい。
・燃料ガス流路３２の延びる方向における第２ガス拡散層１６の両端部のうちの少なくとも一方に第１斜面３３を形成してもよい。この場合、第２セパレータ１８における第１斜面３３と対向する位置には、第２斜面３４が形成される。このようにすれば、第１斜面３３及び第２斜面３４により、燃料ガス流路３２における第２ガス拡散層１６の下流側の端部及び上流側の端部のうちの少なくとも一方の近傍に燃料ガスの淀みが発生することを抑制できる。このため、燃料ガスが燃料ガス流路３２を円滑に流れるようになるので、燃料電池１１の発電性能を向上できる。加えて、燃料ガスが燃料ガス流路３２を円滑に流れるため、燃料ガス流路３２に混入した水も燃料ガスと共に燃料ガス流路３２を円滑に流れる。このため、燃料ガス流路３２の排水性を向上できる。

１１…燃料電池
１２…発電ユニット
１３…ガス拡散層
１４…セパレータ
１５…第１ガス拡散層
１６…第２ガス拡散層
１７…第１セパレータ
１８…第２セパレータ
１９…支持フレーム
２０…膜電極接合体
２１…開口部
２２…ガス孔の一例としての酸化剤ガス孔
２３…酸化剤ガス供給孔
２４…酸化剤ガス排出孔
２５…ガス流路の一例としての酸化剤ガス流路
２６…燃料ガス孔
２７…冷却媒体孔
２８…燃料ガス供給孔
２９…冷却媒体供給孔
３０…燃料ガス排出孔
３１…冷却媒体排出孔
３２…燃料ガス流路
３３…第１斜面
３４…第２斜面
３５…第１部分
３６…第２部分
Ａ，Ｂ…流路幅

Claims (5)

1. 中央部に形成された開口部に膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、一対の前記ガス拡散層の外側から前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池であって、
   前記支持フレームにおける前記開口部を挟んだ両端部には、ガス孔がそれぞれ形成され、
   前記支持フレームと前記セパレータとの間には、前記両端部にそれぞれ形成された前記ガス孔のうちの一方から供給されたガスを、前記開口部を通過させて他方へ流すガス流路が形成され、
   前記ガス流路の延びる方向における前記ガス拡散層の両端部のうちの少なくとも一方には、第１斜面が形成され、
   前記セパレータにおける前記第１斜面と対向する位置には、第２斜面が形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１斜面と前記第２斜面とは、平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１斜面は、前記ガス拡散層における前記ガス流路の下流側に位置する端部に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記ガス流路において、前記第１斜面と前記第２斜面との間の部分である第１部分の流路断面積は、前記第１部分と上流側で隣り合う部分である第２部分の流路断面積よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記ガス流路における前記第１部分の流路断面積は、下流へ向かって徐々に小さくなっていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。

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