JP5167635B2

JP5167635B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5167635B2
Application number: JP2006340783A
Authority: JP
Inventors: 諭二見
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2008153091A

Description

本発明は、電解質膜に触媒電極層を一体化した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」という）を有する燃料電池の構造に関し、特に、ＭＥＡを備えるＭＥＡプレートと、そのＭＥＡプレートに燃料ガスおよび酸化ガス（本明細書では、これらのガスを「反応ガス」と総称する）を供給するセパレータとを積層した構造に関する。

燃料電池の構造として、ＭＥＡプレートとセパレータとを交互に積層したものがある。ＭＥＡプレートと共に積層されるセパレータは、反応ガスをＭＥＡプレートに供給する機能の他、ＭＥＡプレートで生じた電気を集電する機能、ＭＥＡプレートでの反応熱を除去する冷却水を流す機能などを有する。

従来、燃料電池のセパレータとしては、貫通孔を有する複数のプレートを積層することによって、反応ガスや冷却水を流す流路をセパレータ内部に形成したセパレータが提案されていた。次の特許文献１には、ＭＥＡプレートに反応ガスを供給するガス供給口をセパレータ内部に形成された流路に沿って形成した三層セパレータが開示されている。

米国特許第５,７７０,３２７号明細書

反応ガスや冷却水を流す内部流路が形成されたセパレータは、その内部流路の位置関係から、反応ガスをＭＥＡプレートに供給する供給口の配置に制約を受けるため、ＭＥＡプレートのＭＥＡに反応ガスを均一に拡散させることは困難であった。特に、ＭＥＡのアノード側に供給される燃料ガスを循環させずに使い切るデッドエンド方式の燃料電池では、燃料ガスの拡散が不均一であることは、燃料ガスの欠乏に起因する窒素のクロスリークによってＭＥＡの劣化を早めてしまうという問題があった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、ＭＥＡに対する反応ガスの拡散性を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の一形態である燃料電池は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、前記反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒を含む電極層を、プロトン伝動性を有する電解質膜に積層した膜電極接合体であって、前記反応ガスのうちの燃料ガスが供給される前記電解質膜のアノード側に前記電極層の一部として積層され、前記触媒が担持されたアノード触媒層と、前記アノード触媒層に前記電極層の一部として積層され、前記燃料ガスを前記アノード触媒層に拡散させるアノードガス拡散層とを含む膜電極接合体と；前記アノードガス拡散層とは異なるガス拡散部材であって、導電性を有すると共に連続した複数の気孔を形成する多孔体から成り、前記アノードガス拡散層に接して積層され、前記燃料ガスを前記アノードガス拡散層に拡散させるガス拡散部材と；前記ガス拡散部材に接して積層され、該ガス拡散部材に前記燃料ガスを供給するセパレータとを備え、前記セパレータと前記ガス拡散部材との間に前記気孔よりも大きな空隙を画定する凹部を、前記ガス拡散部材に形成したことを特徴とする。この燃料電池によれば、セパレータの供給口からガス拡散部材に供給された燃料ガスを、ガス拡散部材内部の多孔体よりも圧力損失が低いセパレータとガス拡散部材との間の空隙を介して、ガス拡散部材内部へと拡散させることができる。したがって、ガス拡散部材における燃料ガスの拡散性は、セパレータとガス拡散部材との間に空隙がない場合に比べて向上する。なお、上述の燃料電池は、ＭＥＡのアノード側に供給される燃料ガスを循環して再利用する循環方式の燃料電池であっても良いし、ＭＥＡのアノード側に供給される燃料ガスを循環させずに使い切るデッドエンド方式の燃料電池であっても良い。

上述の燃料電池は、次の形態を採ることもできる。例えば、前記凹部によって画定される空隙は、溝状の空隙を含むとしても良い。これによって、溝が延びる方向への反応ガスの拡散性を向上させることができる。

また、前記凹部によって画定される空隙は、前記セパレータに接する側の前記ガス拡散部材の面における第１の辺から該第１の辺に対向する第２の辺へと延びた溝状の空隙を含むとしても良い。これによって、ガス拡散部材における一方の辺から他方の辺に亘って、反応ガスの拡散性を向上させることができる。

また、前記第１の辺から前記第２の辺へと延びた溝状の空隙は、前記第１の辺から前記第２の辺に亘って略同一の幅を有しても良い。これによって、ガス拡散部材を圧延によって製造する場合、ガス拡散部材の素材を圧延しながら溝を容易に成形することができる。

また、前記凹部によって画定される空隙は、略同一の形状を有し略同一の間隔で配置された複数の空隙を含むとしても良い。これによって、ガス拡散部材の強度を全体的に均一にすることができる。

また、前記凹部によって画定される空隙は、格子溝状の空隙を含むとしても良い。これによって、一方向だけでなく、交差する他の方向への反応ガスの拡散性を向上させることができる。

また、前記セパレータに接する側の前記ガス拡散部材の面において前記空隙が占める領域は、該面において前記セパレータと当接する集電部が占める領域よりも大きいとしても良い。これによって、反応ガスの拡散性をより一層向上させることができる。

また、前記セパレータに接する側の前記ガス拡散部材の面において前記空隙が占める領域は、該面において前記セパレータと当接する集電部が占める領域よりも小さいとしても良い。これによって、反応ガスの拡散性を向上させつつ、ガス拡散部材の強度が凹部の形成によって低下するのを抑制することができる。

また、前記凹部によって画定される空隙の深さは、前記ガス拡散部材が有する総厚の半分よりも小さいとしても良く、前記ガス拡散部材が有する総厚の三分の一よりも小さい方がより好ましい。これによって、反応ガスの拡散性を向上させつつ、ガス拡散部材の強度が凹部の形成によって低下するのを抑制することができる。

また、前記セパレータから前記ガス拡散部材に供給される反応ガスは、燃料ガスを含み、前記ガス拡散部材に一旦供給された燃料ガスが該ガス拡散部材から流出するのを阻止するデッドエンド部を、前記セパレータに形成しても良い。これによって、デッドエンド方式の燃料電池において、セパレータの供給口から離れたガス拡散部材の部位への反応ガスの拡散性を向上させることができる。その結果、デッドエンド方式の燃料電池において、アノード側における燃料の欠乏に起因する窒素のクロスリークを抑制することができる。

また、本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池のガス拡散部材、燃料電池を製造する製造装置、燃料電池を備える車両などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。

Ａ．実施例：
Ａ−１．燃料電池の全体構成：
図１は、燃料電池１０の全体構成を示す説明図である。燃料電池１０は、燃料電池１０の外部から供給を受けた反応ガスの電気化学反応によって発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池を含む。本実施例では、燃料電池１０で用いられる反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池１０で用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであっても良いし、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、例えば、外気から取り込んだ空気を用いることができる。

本実施例では、燃料電池１０は、いわゆるデッドエンド方式の燃料電池であり、燃料電池１０に一旦供給された燃料ガスは、燃料電池１０の外部に排出されることなく発電に用いられる。燃料電池１０に供給された酸化ガスは、電気化学反応の進行に伴って、酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。

図１に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）３２０を有するＭＥＡプレート３００と、ＭＥＡプレート３００に反応ガスを供給するセパレータ２００とを交互に複数積層することによって、ＭＥＡプレート３００を二つのセパレータ２００で挟み込んだスタック構造を有する。燃料電池１０は、交互に複数積層されたセパレータ２００およびＭＥＡプレート３００を両側から挟持するエンドプレート１００，４００を備える。本実施例では、エンドプレート１００，４００、セパレータ２００、ＭＥＡプレート３００は、略同一の長方形に成形された板状部材であり、燃料電池１０は、その長方形を断面とする立方体となる。

燃料電池１０を構成するエンドプレート１００、セパレータ２００、ＭＥＡプレート３００の各部材は、隣接する部材間で相互に連通する複数の貫通孔を有し、これら複数の貫通孔が連通し合うことによって複数の流路が燃料電池１０の内部に形成される。本実施例では、燃料電池１０の内部に形成される流路は、燃料電池１０に供給された燃料ガスを流す流路（図１では、その流れ方向を矢印Ｈ２＿ＩＮで示す）と、燃料電池１０に供給された酸化ガスを流す流路（図１では、その流れ方向を矢印Ａｉｒ＿ＩＮで示す）と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスを流す流路（図１では、その流れ方向を矢印Ａｉｒ＿ＯＵＴで示す）と、燃料電池１０に供給された冷却水を流す流路（図１では、その流れ方向を矢印Ｗａｔｅｒ＿ＩＮで示す）と、燃料電池１０から排出される冷却水を流す流路（図１では、その流れ方向を矢印Ｗａｔｅｒ＿ＯＵＴで示す）とを含む。本実施例では、エンドプレート１００に設けられた複数の貫通孔を介して、燃料ガスの供給、酸化ガスの供給、カソードオフガスの排出、冷却水の供給、冷却水の排出が、燃料電池１０の内部に対して行われる。

燃料電池１０のセパレータ２００は、反応ガスをＭＥＡプレート３００に供給する機能、ＭＥＡプレート３００で生じた電気を集電する機能、ＭＥＡプレート３００での反応熱を除去する冷却水を流す機能を備える。セパレータ２００は、発電された電気を集電するのに十分な導電性を有すると共に、反応ガスおよび冷却水を流す上で十分な耐久性，耐熱性，ガス不透過性を有する材料から成る。本実施例では、セパレータ２００の材料として、ステンレスが用いられるが、チタン，チタン合金などの金属の他、カーボン樹脂，導電性セラミックスであっても良い。本実施例では、セパレータ２００は、三枚の平坦な薄板を積層して構成される三層積層型のセパレータであり、セパレータ２００は、三枚の薄板として、カソードプレート２１０と、アノードプレート２３０と、中間プレート２２０とを備える。

セパレータ２００のカソードプレート２１０は、セパレータ２００の一部としてＭＥＡプレート３００のカソード側に接するカソード積層面を構成すると共に、そのカソード積層面にカソード供給口２１７およびカソード排出口２１８を形成する。カソードプレート２１０のカソード供給口２１７は、ＭＥＡプレート３００のカソード側に対して酸化ガスを供給する。カソードプレート２１０のカソード排出口２１８は、ＭＥＡプレート３００のカソード側からカソードオフガスを排出する。カソードプレート２１０は、カソード供給口２１７およびカソード排出口２１８に加え、燃料電池１０の内部流路の一部を構成する流路２１１，２１３，２１４，２１５，２１６を形成する。本実施例では、カソード供給口２１７、カソード排出口２１８、流路２１１，２１３，２１４，２１５，２１６は、カソードプレート２１０に複数の貫通孔を成形することによって構成される。

セパレータ２００のアノードプレート２３０は、セパレータ２００の一部としてＭＥＡプレート３００のアノード側に接するアノード積層面を構成すると共に、そのアノード積層面にアノード供給口２３７を形成する。アノードプレート２３０のアノード供給口２３７は、ＭＥＡプレート３００のアノード側に対して燃料ガスを供給する。アノードプレート２３０は、アノード供給口２３７に加え、燃料電池１０の内部流路の一部を構成する流路２３１，２３３，２３４，２３５，２３６を形成する。本実施例では、アノード供給口２３７、流路２３１，２３３，２３４，２３５，２３６は、アノードプレート２３０に複数の貫通孔を成形することによって構成される。

本実施例では、燃料電池１０はアノードデッドエンド方式の燃料電池であることから、アノードプレート２３０は、アノード供給口２３７からＭＥＡプレート３００に一旦供給された燃料ガスがＭＥＡプレート３００から流出するのを阻止するデッドエンド部を備える。本実施例では、アノードプレート２３０のデッドエンド部は、アノード供給口２３７のための貫通孔を除き、燃料電池１０の外部とＭＥＡプレート３００のアノード側との間を連通する貫通孔を設けずに平坦な板状部を残すことによって構成されるが、他の実施形態として、循環方式の燃料電池に用いられるセパレータを用いる場合、デッドエンド部は、燃料電池からアノードオフガスを排出するために形成された排出口を塞ぐことによって構成されるとしても良い。

セパレータ２００の中間プレート２２０は、カソードプレート２１０とアノードプレート２３０との間に挟持されセパレータ２００の内部に流路２２１，２２３，２２４，２２５を形成する。中間プレート２２０の流路２２１は、矢印Ｈ２＿ＩＮで示す方向に流れる燃料ガスの一部を、アノードプレート２３０のアノード供給口２３７へと分流させる。中間プレート２２０の流路２２３は、矢印Ａｉｒ＿ＩＮで示す方向に流れる酸化ガスの一部を、カソードプレート２１０のカソード供給口２１７へと分流させる。中間プレート２２０の流路２２４は、カソードプレート２１０のカソード排出口２１８から排出されるカソードオフガスを、矢印Ａｉｒ＿ＯＵＴで示す方向に流れるカソードオフガスへと合流させる。中間プレート２２０の流路２２５は、矢印Ｗａｔｅｒ＿ＩＮで示す方向に流れる冷却水の一部を、セパレータ２００の内部へと分流させると共に、その分流した冷却水を、矢印Ｗａｔｅｒ＿ＯＵＴで示す方向に流れる冷却水へと合流させる。本実施例では、流路２２１，２２３，２２４，２２５は、中間プレート２２０に複数の貫通孔を成形することによって構成される。

図２は、二つのセパレータ２００に挟持されたＭＥＡプレート３００を、その対向する二つの長辺の中央部を結ぶ線上で、二つのセパレータ２００と共に切断した断面を示す説明図である。燃料電池１０のＭＥＡプレート３００は、ＭＥＡ３２０に加え、ＭＥＡ３２０のアノード側の面に燃料ガスを拡散させるアノードガス拡散部材３１０と、ＭＥＡ３２０のカソード側の面に酸化ガスを拡散させるカソードガス拡散部材３３０と、燃料電池１０の外部に反応ガスが漏れるのを防止するシールガスケット３４０とを備える。

ＭＥＡプレート３００のＭＥＡ３２０は、電解質膜３２１と、アノード触媒層３２２と、カソード触媒層３２３と、アノードガス拡散層３２６と、カソードガス拡散層３２７とを備える。本実施例では、ＭＥＡ３２０は、セパレータ２００よりも小さな長方形に成形されている。ＭＥＡ３２０の電解質膜３２１は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体から成り、例えば、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜であっても良い。アノード触媒層３２２およびアノードガス拡散層３２６は、アノード側のアノード電極層を構成し、カソード触媒層３２３およびカソードガス拡散層３２７は、カソード側のカソード電極層を構成する。

ＭＥＡ３２０のアノード触媒層３２２およびカソード触媒層３２３は、電解質膜３２１における反応ガスの電気化学反応を促進させる。アノード触媒層３２２は、電解質膜３２１のアノード側の面に接して積層され、カソード触媒層３２３は、電解質膜３２１のカソード側の面に接して積層される。アノード触媒層３２２およびカソード触媒層３２３は、ガス透過性および導電性を有する材料から成り、例えば、白金や白金合金を担持したカーボンブラック担体であっても良い。

ＭＥＡ３２０のアノードガス拡散層３２６は、アノード触媒層３２２に接して積層され、アノード触媒層３２２に燃料ガスを拡散させる。ＭＥＡ３２０のカソードガス拡散層３２７は、カソード触媒層３２３に接して積層され、カソード触媒層３２３に酸化ガスを拡散させる。アノードガス拡散層３２６およびカソードガス拡散層３２７は、ガス透過性および導電性を有する材料から成り、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパであっても良い。

ＭＥＡプレート３００のアノードガス拡散部材３１０は、本実施例では、ＭＥＡ３２０と略同一の長方形に成形された板状部材である。アノードガス拡散部材３１０は、ＭＥＡ３２０とセパレータ２００との間を導電するのに十分な導電性を有すると共に、燃料ガスを透過するのに十分な連続した複数の気孔を形成する多孔体から成る。本実施例では、アノードガス拡散部材３１０は、発泡金属から成るが、他の実施形態として、金属メッシュであっても良い。アノードガス拡散部材３１０は、ＭＥＡ３２０のアノードガス拡散層３２６に接して積層されると共に、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、セパレータ２００のアノードプレート２３０に当接して、アノードプレート２３０のアノード供給口２３７から供給された燃料ガスを、ＭＥＡ３２０のアノードガス拡散層３２６に拡散させる。アノードガス拡散部材３１０の二つの積層面のうちセパレータ２００に接するセパレータ側積層面には、アノードガス拡散部材３１０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙３１４をセパレータ２００との間に画定する凹部３１２が設けられ、セパレータ側積層面における残余の部分は、セパレータ２００に当接してセパレータ２００に電気を集電する集電部３１６として残される。アノードガス拡散部材３１０の詳細構成については後述する。

ＭＥＡプレート３００のカソードガス拡散部材３３０は、本実施例では、ＭＥＡ３２０と略同一の長方形に成形された板状部材である。カソードガス拡散部材３３０は、ＭＥＡ３２０とセパレータ２００との間を導電するのに十分な導電性を有すると共に、酸化ガスを透過するのに十分な連続した複数の気孔を形成する多孔体から成る。本実施例では、カソードガス拡散部材３３０は、発砲金属から成るが、他の実施形態として、金属メッシュであっても良い。カソードガス拡散部材３３０は、ＭＥＡ３２０のカソードガス拡散層３２７に接して積層されると共に、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、セパレータ２００のカソードプレート２１０に当接して、カソードプレート２１０のカソード供給口２１７から供給された酸化ガスを、ＭＥＡ３２０のカソードガス拡散層３２７に拡散させる。カソードガス拡散部材３３０によって拡散された酸化ガスは、カソードオフガスとして、カソードプレート２１０のカソード排出口２１８を介してカソードガス拡散部材３３０から排出される。

ＭＥＡプレート３００のシールガスケット３４０は、ＭＥＡ３２０，アノードガス拡散部材３１０，カソードガス拡散部材３３０を中央部に取り囲む状態で、セパレータ２００と略同一の長方形に成形され、その中央部を避けて、燃料電池１０の内部流路の一部を構成する貫通孔を有する。本実施例では、シールガスケット３４０は、シリコンゴム，ブチルゴム，フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料から成る。ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、シールガスケット３４０は、ＭＥＡプレート３００を挟む二つのセパレータ２００の間にＭＥＡ３２０，アノードガス拡散部材３１０，カソードガス拡散部材３３０を密封する。シールガスケット３４０は、ＭＥＡ３２０や貫通孔の周囲に凸部を有し、その凸部は、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された状態で、反応ガスや冷却水が燃料電池１０の外部に漏れるのを防止するシールラインＳＬを形成する。

Ａ−２．アノードガス拡散部材３１０の詳細構成：
図３は、アノードガス拡散部材３１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。図４は、アノードガス拡散部材３１０のセパレータ側積層面の一部を示す拡大斜視図である。アノードガス拡散部材３１０のセパレータ側積層面には、前述したように、セパレータ２００との間に画定される空隙３１４となる溝を形成する凹部３１２と、セパレータ２００に当接する集電部３１６とが設けられている。なお、図３および図４では、集電部３１６にハッチングが施されている。

図３に示すように、本実施例では、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された場合、長方形の板状に成形されたアノードガス拡散部材３１０は、その長方形の四角のうちの一つの角の近傍で、セパレータ２００のアノード供給口２３７と接する。図３および図４に示すように、本実施例では、アノードガス拡散部材３１０の凹部３１２は、セパレータ側積層面における一方の短辺から他方の短辺へと長辺に略沿って直線的に延びる複数の溝を略同一の形状で形成し、これら複数の溝は、略同一の間隔で配置される。本実施例では、セパレータ側積層面において凹部３１２が占める領域（図３でハッチングが施されていない部分）は、集電部３１６が占める領域（図３でハッチングが施されている部分）よりも大きい。

本実施例では、凹部３１２によって形成される溝の幅Ｗｃおよび深さＤｃは、一方の短辺から他方の短辺に亘って略同一である。凹部３１２による溝の深さＤｃは、アノードガス拡散部材３１０の総厚Ｔｇの半分から三分の一程度である。本実施例では、アノードガス拡散部材３１０の総厚Ｔｇが約０．２〜０．３ミリメートルであるのに対し、凹部３１２による溝の深さＤｃは約０．１ミリメートルである。本実施例では、アノードガス拡散部材３１０は、凹部３１２の形状に合った型を用いて、凹部３１２の溝方向へ多孔体素材を圧延することによって製造される。

Ａ−３．作用効果：
以上説明した燃料電池１０によれば、セパレータ２００のアノード供給口２３７からアノードガス拡散部材３１０に供給された燃料ガスの少なくとも一部を、アノードガス拡散部材３１０の多孔体よりも圧力損失が低いセパレータ２００とアノードガス拡散部材３１０との間の空隙３１４を介して、アノードガス拡散部材３１０の内部へと拡散させることができる。したがって、アノードガス拡散部材３１０における燃料ガスの拡散性は、セパレータ２００とアノードガス拡散部材３１０との間に空隙３１４がない場合に比べて向上する。その結果、デッドエンド方式の燃料電池１０において、アノード側における燃料の欠乏に起因する窒素のクロスリークを抑制することができる。

また、アノードガス拡散部材３１０の凹部３１２によって画定される空隙３１４は、長方形に成形されたアノードガス拡散部材３１０における長辺に略沿った方向へ延びる溝であるため、アノード供給口２３７に隣接する一方の短辺付近から、アノード供給口２３７から離れた他方の短辺付近に渡って燃料ガスの拡散性を向上させることができる。また、凹部３１２によって画定される空隙３１４の幅Ｗｃは、長方形に成形されたアノードガス拡散部材３１０における一方の短辺から他方の短辺に亘って略同一であるため、アノードガス拡散部材３１０を圧延によって製造する場合、多孔体素材を圧延しながら凹部３１２を容易に成形することができる。

また、凹部３１２によって画定される空隙３１４は、略同一の形状を有し略同一の間隔で配置されるため、アノードガス拡散部材３１０の強度を全体的に均一にすることができる。また、セパレータ側積層面において凹部３１２が占める領域（図３でハッチングが施されていない部分）は、集電部３１６が占める領域（図３でハッチングが施されている部分）よりも大きいため、燃料ガスの拡散性をより一層向上させることができる。また、凹部３１２によって画定される空隙３１４の深さＤｃは、アノードガス拡散部材３１０の総厚Ｔｇの半分から三分の一程度であるため、燃料ガスの拡散性を向上させつつ、アノードガス拡散部材３１０の強度が凹部３１２の成形によって低下するのを抑制することができる。

Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論であり、例えば、次のような変形も可能である。

Ｂ−１．第１変形例：
図５は、第１変形例におけるアノードガス拡散部材５１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。第１変形例は、上述の実施例と比較して、アノードガス拡散部材３１０とは構成の異なるアノードガス拡散部材５１０を、アノードガス拡散部材３１０に代えて用いる点で相違し、その他の構成は同一である。第１変形例のアノードガス拡散部材５１０は、アノードガス拡散部材３１０と比較して、セパレータ側積層面から見た凹部および集電部の形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。

アノードガス拡散部材５１０には、セパレータ２００との間に画定される空隙となる溝を形成する凹部５１２と、セパレータ２００に当接する集電部５１６とが設けられている。なお、図５において、集電部５１６にはハッチングが施されている。図５に示すように、第１変形例では、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された場合、長方形の板状に成形されたアノードガス拡散部材５１０は、その長方形の四角のうちの一つの角の近傍で、セパレータ２００のアノード供給口２３７と接する。

第１変形例では、アノードガス拡散部材５１０の凹部５１２は、セパレータ側積層面における短辺に略沿って延びる複数の溝と、セパレータ側積層面における長辺に略沿って延びる複数の溝とを形成する。凹部５１２による短辺に沿って延びる複数の溝は、アノード供給口２３７から離れた方の長辺に略沿って略同一の間隔で配列され、これらの溝の長さは、アノード供給口２３７に近い方の短辺から他方の短辺へと向かうに連れて徐々に短くなる。凹部５１２による長辺に沿って延びる複数の溝は、アノード供給口２３７から離れた方の短辺に略沿って略同一の間隔で配列され、これらの溝の長さは、アノード供給口２３７に近い方の長辺から他方の長辺へと向かうに連れて徐々に短くなる。第１変形例では、セパレータ側積層面において凹部５１２が占める領域（図５でハッチングが施されていない部分）は、集電部５１６が占める領域（図５でハッチングが施されている部分）よりも小さい。

以上説明した第１変形例の燃料電池によれば、セパレータ２００のアノード供給口２３７からアノードガス拡散部材５１０に供給された燃料ガスの少なくとも一部を、アノードガス拡散部材５１０の多孔体よりも圧力損失が低いセパレータ２００とアノードガス拡散部材５１０との間の空隙を介して、アノードガス拡散部材５１０の内部へと拡散させることができる。したがって、アノードガス拡散部材５１０における燃料ガスの拡散性は、セパレータ２００とアノードガス拡散部材５１０との間に空隙がない場合に比べて向上する。また、アノードガス拡散部材５１０の凹部５１２は、アノード供給口２３７から離れるに連れて溝の長さが短くなるように、短辺に沿って延びる複数の溝と、長辺に沿って延びる複数の溝とを形成するため、拡散する燃料ガスの均一性を向上させることができる。また、セパレータ側積層面において凹部５１２が占める領域（図５でハッチングが施されていない部分）は、集電部５１６が占める領域（図５でハッチングが施されている部分）よりも小さいため、燃料ガスの拡散性を向上させつつ、アノードガス拡散部材５１０の強度が凹部５１２の成形によって低下するのを抑制することができる。

Ｂ−２．第２変形例：
図６は、第２変形例におけるアノードガス拡散部材６１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。第２変形例は、前述の実施例と比較して、アノードガス拡散部材３１０とは構成の異なるアノードガス拡散部材６１０を、アノードガス拡散部材３１０に代えて用いる点で相違し、その他の構成は同一である。第２変形例のアノードガス拡散部材６１０は、アノードガス拡散部材３１０と比較して、セパレータ側積層面から見た凹部および集電部の形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。

アノードガス拡散部材６１０には、セパレータ２００との間に画定される空隙となる溝を形成する凹部６１２と、セパレータ２００に当接する集電部６１６とが設けられている。なお、図６において、集電部６１６にはハッチングが施されている。図６に示すように、第２変形例では、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された場合、長方形の板状に成形されたアノードガス拡散部材６１０は、その長方形の四角のうちの一つの角の近傍で、セパレータ２００のアノード供給口２３７と接する。

第２変形例では、アノードガス拡散部材６１０の凹部６１２は、アノード供給口２３７に近い方の短辺および長辺に沿って「Ｌ」字状に延びるＬ字溝と、そのＬ字溝に囲まれた矩形領域内でセパレータ側積層面における短辺に略沿って延びる複数の溝と、その矩形領域内でセパレータ側積層面における長辺に略沿って延びる複数の溝とを形成する。凹部６１２による短辺に沿って延びる複数の溝は、アノード供給口２３７に近い方の長辺に略沿って略同一の間隔で配列され、これらの溝の長さは、アノード供給口２３７に近い方の短辺から他方の短辺へと向かうに連れて徐々に長くなる。凹部５１２による長辺に沿って延びる複数の溝は、アノード供給口２３７に近い方の短辺に略沿って略同一の間隔で配列され、これらの溝の長さは、アノード供給口２３７に近い方の長辺から他方の長辺へと向かうに連れて徐々に長くなる。第２変形例では、セパレータ側積層面において凹部６１２が占める領域（図６でハッチングが施されていない部分）は、集電部６１６が占める領域（図６でハッチングが施されている部分）よりも小さい。

以上説明した第２変形例の燃料電池によれば、セパレータ２００のアノード供給口２３７からアノードガス拡散部材６１０に供給された燃料ガスの少なくとも一部を、アノードガス拡散部材６１０の多孔体よりも圧力損失が低いセパレータ２００とアノードガス拡散部材６１０との間の空隙を介して、アノードガス拡散部材６１０の内部へと拡散させることができる。したがって、アノードガス拡散部材６１０における燃料ガスの拡散性は、セパレータ２００とアノードガス拡散部材６１０との間に空隙がない場合に比べて向上する。また、アノードガス拡散部材６１０の凹部６１２は、Ｌ字溝と、そのＬ字溝に囲まれた矩形領域内でアノード供給口２３７から離れるに連れて溝の長さが長くなるように、短辺に沿って延びる複数の溝と、長辺に沿って延びる複数の溝とを形成するため、拡散する燃料ガスの均一性を向上させることができる。また、セパレータ側積層面において凹部６１２が占める領域（図６でハッチングが施されていない部分）は、集電部６１６が占める領域（図６でハッチングが施されている部分）よりも小さいため、燃料ガスの拡散性を向上させつつ、アノードガス拡散部材６１０の強度が凹部６１２の成形によって低下するのを抑制することができる。

Ｂ−３．第３変形例：
図７は、第３変形例におけるアノードガス拡散部材７１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。第３変形例は、前述の実施例と比較して、アノードガス拡散部材３１０とは構成の異なるアノードガス拡散部材７１０を、アノードガス拡散部材３１０に代えて用いる点で相違し、その他の構成は同一である。第３変形例のアノードガス拡散部材７１０は、アノードガス拡散部材３１０と比較して、セパレータ側積層面から見た凹部および集電部の形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。

アノードガス拡散部材７１０には、セパレータ２００との間に画定される空隙となる溝を形成する凹部７１２と、セパレータ２００に当接する集電部７１６とが設けられている。なお、図７において、集電部７１６にはハッチングが施されている。図７に示すように、第３変形例では、ＭＥＡプレート３００がセパレータ２００に挟持された場合、長方形の板状に成形されたアノードガス拡散部材７１０は、その長方形の四角のうちの一つの角の近傍で、セパレータ２００のアノード供給口２３７と接する。

第３変形例では、アノードガス拡散部材５１０の凹部７１２は、セパレータ側積層面における一方の短辺から他方の短辺へと長辺に略沿って直線的に延びる複数の溝を略同一の形状で形成すると共に、セパレータ側積層面における一方の長辺から他方の長辺へと短辺に略沿って直線的に延びる複数の溝を略同一の形状で形成し、これら複数の溝は、格子状に略同一の間隔で配置される。第３変形例では、セパレータ側積層面において凹部７１２が占める領域（図７でハッチングが施されていない部分）は、集電部７１６が占める領域（図７でハッチングが施されている部分）よりも小さい。

以上説明した第３変形例の燃料電池によれば、セパレータ２００のアノード供給口２３７からアノードガス拡散部材７１０に供給された燃料ガスの少なくとも一部を、アノードガス拡散部材７１０の多孔体よりも圧力損失が低いセパレータ２００とアノードガス拡散部材７１０との間の空隙を介して、アノードガス拡散部材７１０の内部へと拡散させることができる。したがって、アノードガス拡散部材７１０における燃料ガスの拡散性は、セパレータ２００とアノードガス拡散部材７１０との間に空隙がない場合に比べて向上する。また、アノードガス拡散部材７１０の凹部７１２によって画定される空隙は、アノードガス拡散部材７１０の長辺に沿った方向だけでなく、その方向に交差する短辺に沿った方向への反応ガスの拡散性を向上させることができる。また、凹部７１２によって画定される空隙は、略同一の間隔で格子状に配置されるため、アノードガス拡散部材７１０の強度を全体的に均一にすることができる。また、セパレータ側積層面において凹部７１２が占める領域（図７でハッチングが施されていない部分）は、集電部７１６が占める領域（図７でハッチングが施されている部分）よりも小さいため、燃料ガスの拡散性を向上させつつ、アノードガス拡散部材７１０の強度が凹部７１２の成形によって低下するのを抑制することができる。

Ｂ−４．その他の変形例：
前述の実施例では、いわゆるデッドエンド方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態として、アノードオフガスを燃料電池に再び導入して燃料ガスを循環させる循環方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、アノードガス拡散部材の凹部による溝は、セパレータから反応ガスの供給を受ける位置や、アノードガス拡散部材の全体形状，材料，ガス透過率に応じて、溝の深さ，幅，長さ，方向，本数などを適宜変更することができる。また、アノードガス拡散部材の凹部による溝の幅Ｗｃおよび深さＤｃは、アノードガス拡散部材の全域に亘って略同一としたが、他の実施形態として、反応ガスの供給口から遠ざかるに連れて大きくしても良いし、逆に、反応ガスの供給口から遠ざかるに連れて小さくしても良い。また、アノードガス拡散部材の全体形状は長方形に限るものではなく、共に積層されるＭＥＡの形状に合わせて適宜変更することができる。また、前述の本実施例では、アノードガス拡散部材のセパレータ側積層面のみに凹部を設けたが、他の実施形態として、カソードガス拡散部材のセパレータ側積層面にも凹部を設けても良い。

燃料電池１０の全体構成を示す説明図である。二つのセパレータ２００に挟持されたＭＥＡプレート３００をその対向する二つの長辺の中央部を結ぶ線上で二つのセパレータ２００と共に切断した断面を示す説明図である。アノードガス拡散部材３１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。アノードガス拡散部材３１０のセパレータ側積層面の一部を示す拡大斜視図である。第１変形例におけるアノードガス拡散部材５１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。第２変形例におけるアノードガス拡散部材６１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。第３変形例におけるアノードガス拡散部材７１０のセパレータ側積層面を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
１００…エンドプレート
２００…セパレータ
２１０…カソードプレート
２１１，２１３，２１４，２１５，２１６…流路
２１７…カソード供給口
２１８…カソード排出口
２２０…中間プレート
２２１，２２３，２２４，２２５…流路
２３０…アノードプレート
２３１，２３３，２３４，２３５，２３６…流路
２３７…アノード供給口
３００…ＭＥＡプレート
３１０…アノードガス拡散部材
３１２…凹部
３１４…空隙
３１６…集電部
３２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）
３２１…電解質膜
３２２…アノード触媒層
３２３…カソード触媒層
３２６…アノードガス拡散層
３２７…カソードガス拡散層
３３０…カソードガス拡散部材
３４０…シールガスケット
５１０…アノードガス拡散部材
５１２…凹部
５１６…集電部
６１０…アノードガス拡散部材
６１２…凹部
６１６…集電部
７１０…アノードガス拡散部材
７１２…凹部
７１６…集電部

Claims

反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池であって、
前記反応ガスの電気化学反応を促進させる触媒を含む電極層を、プロトン伝動性を有する電解質膜に積層した膜電極接合体であって、
前記反応ガスのうちの燃料ガスが供給される前記電解質膜のアノード側に前記電極層の一部として積層され、前記触媒が担持されたアノード触媒層と、
前記アノード触媒層に前記電極層の一部として積層され、前記燃料ガスを前記アノード触媒層に拡散させるアノードガス拡散層と
を含む膜電極接合体と、
前記アノードガス拡散層とは異なるガス拡散部材であって、導電性を有すると共に連続した複数の気孔を形成する多孔体から成り、前記アノードガス拡散層に接して積層され、前記燃料ガスを前記アノードガス拡散層に拡散させるガス拡散部材と、
前記ガス拡散部材に接して積層され、該ガス拡散部材に前記燃料ガスを供給するセパレータと
を備え、
前記セパレータと前記ガス拡散部材との間に前記気孔よりも大きな空隙を画定する凹部を、前記ガス拡散部材に形成した燃料電池。
前記凹部によって画定される空隙は、溝状の空隙を含む請求項１記載の燃料電池。
前記凹部によって画定される空隙は、前記セパレータに接する側の前記ガス拡散部材の面における第１の辺から該第１の辺に対向する第２の辺へと延びた溝状の空隙を含む請求項１記載の燃料電池。
前記第１の辺から前記第２の辺へと延びた溝状の空隙は、前記第１の辺から前記第２の辺に亘って略同一の幅を有する請求項３記載の燃料電池。
前記凹部によって画定される空隙は、略同一の形状を有し略同一の間隔で配置された複数の空隙を含む請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池。
前記凹部によって画定される空隙は、格子溝状の空隙を含む請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池。
前記セパレータに接する側の前記ガス拡散部材の面において前記空隙が占める領域は、該面において前記セパレータと当接する集電部が占める領域よりも大きい請求項１ないし６のいずれか記載の燃料電池。
前記セパレータに接する側の前記ガス拡散部材の面において前記空隙が占める領域は、該面において前記セパレータと当接する集電部が占める領域よりも小さい請求項１ないし６のいずれか記載の燃料電池。
前記凹部によって画定される空隙の深さは、前記ガス拡散部材が有する総厚の半分よりも小さい請求項１ないし８のいずれか記載の燃料電池。
前記凹部によって画定される空隙の深さは、前記ガス拡散部材が有する総厚の三分の一よりも小さい請求項１ないし９のいずれか記載の燃料電池。
請求項１ないし１０のいずれか記載の燃料電池であって、
前記セパレータから前記ガス拡散部材に供給される反応ガスは、燃料ガスを含み、
前記ガス拡散部材に一旦供給された燃料ガスが該ガス拡散部材から流出するのを阻止するデッドエンド部を、前記セパレータに形成した燃料電池。