JP5223203B2

JP5223203B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5223203B2
Application number: JP2007021657A
Authority: JP
Inventors: 裕堀田; 荘吾後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: JP2008186788A

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流入させる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、ＭＥＡプレートに反応ガスを流入させる供給口や、ＭＥＡプレートから反応ガスを流出させる排出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。例えば、長方形に成形されたＭＥＡの一つの角の近傍に向けて供給口を配置し、その対角の近傍に向けて排出口を配置した場合、これらの角を直線的に結んだ領域に比べ、その他の角の近傍における反応ガスの拡散量は少なくなる。反応ガスの拡散が不均一であることは、ＭＥＡにおける電気化学反応のムラを生じさせ、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、プロトン伝導性を有する電解質膜に積層した膜電極接合体と、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、前記膜電極接合体に接して積層され、前記反応ガスを前記膜電極接合体に拡散させるガス拡散プレートと、前記ガス拡散プレートに接して積層され、該ガス拡散プレートに前記反応ガスを供給するセパレータとを備え、前記ガス拡散プレートは、前記ガス拡散プレートを前記膜電極接合体に対して積層する方向に直交し、前記反応ガスが拡散する流れの上流側に位置する第１の辺と、前記第１の辺に対向し、前記反応ガスが拡散する流れの下流側に位置する第２の辺とを有し、前記セパレータに当接する前記ガス拡散プレートの積層面における前記第１の辺に沿って前記第１の辺よりも内側に、前記気孔よりも大きな第１の空隙を画定する第１の空隙部を形成し、前記積層面における前記第２の辺に沿って前記第２の辺よりも内側に、前記気孔よりも大きな第２の空隙を、前記第１の空隙に対して非連続に画定する第２の空隙部を形成し、前記第１の空隙部よりも前記第１の辺側と、前記第２の空隙部よりも前記第２の辺側とに、前記気孔を塞ぐ閉塞部を形成したことを特徴とする。この燃料電池によれば、反応ガスの流れの上流部や下流部に画定された第１および第２の空隙は、ガス拡散プレート内部の連続気孔よりも圧力損失が低いため、上流部における第１の空隙は、反応ガスをガス拡散プレートの内部へと流入させる領域を拡張し、下流部における第２の空隙は、反応ガスをガス拡散プレートの内部から流出させる領域を拡張する。その結果、ガス拡散プレートにおける反応ガスの拡散性を向上させることができる。また、ガス拡散プレートの外周を介して拡散する反応ガスが、閉塞部によって抑制されるため、反応ガスを一層均一に拡散させることができる。

上述の燃料電池は、次の形態を採ることもできる。例えば、前記第１および第２の空隙は、前記ガス拡散プレートを貫通する細隙を含むとしても良い。これによって、細隙（スリット）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、前記第１および第２の空隙は、凹溝状の空隙を含むとしても良い。これによって、凹溝状の空隙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、前記第１および第２の空隙は、断続的に延びた複数の空隙を含むとしても良い。これによって、反応ガスの拡散性を向上させつつ、第１および第２の空隙部の形成によってガス拡散プレートの強度が低下するのを抑制することができる。

また、前記第１の空隙は、前記セパレータに形成され前記ガス拡散プレートに前記反応ガスを流入させる供給口に直接的に連通しても良い。これによって、供給口から直接的に上流部における第１の空隙へと反応ガスが流入するため、上流部における反応ガスの拡散性を一層向上させることができる。

また、前記第２の空隙は、前記セパレータに形成され前記ガス拡散プレートから前記反応ガスを流出させる排出口に直接的に連通しても良い。これによって、下流部における第２の空隙から直接的に排出口へと反応ガスが流出するため、下流部における反応ガスの拡散性を一層向上させることができる。

また、前記第１および第２の空隙は、前記第１および第２の辺にそれぞれ沿って互いに略同一の間隔を保って延びた空隙の組を含むとしても良い。これによって、第１の空隙と第２の空隙とに挟まれた領域において反応ガスの移動距離が略等しくなるため、反応ガスを一層均一に拡散させることができる。

また、前記ガス拡散プレートは、燃料ガスを前記反応ガスとして拡散させるアノードガス拡散プレートと、酸化ガスを前記反応ガスとして拡散させるカソードガス拡散プレートとを含むとしても良い。これによって、燃料ガスおよび酸化ガスの両方の反応ガスについての拡散性を向上させることができる。

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プレート、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、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る。燃料電池１０に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って、水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池１０の外部に排出される。本実施例では、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。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直方体となる。

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Ｈ＿ＩＮで示す）と、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを流す流路（図１では、その流れ方向を矢印Ｈ＿ＯＵＴ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Ａ＿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Ａ＿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Ｗ＿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Ｗ＿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、アノードオフガスの排出、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複数の流路を形成し、本実施例では、これら複数の流路は、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およびアノード排出口２３８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のアノード排出口２３８は、ＭＥＡプレート３００のアノード側からアノードオフガスを排出する。アノードプレート２３０は、アノード供給口２３７およびアノード排出口２３８に加え、燃料電池１０の内部流路の一部を構成する複数の流路を形成し、本実施例では、これら複数の流路は、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。

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２２１，２２２，２２３，２２４，２２５を形成する。中間プレート２２０の流路２２１は、矢印Ｈ＿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２２２は、アノードプレート２３０のアノード排出口２３８から排出されるアノードオフガスを、矢印Ｈ＿ＯＵＴで示す方向に流れるアノードオフガスへと合流させる。中間プレート２２０の流路２２３は、矢印Ａ＿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Ａ＿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Ｗ＿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Ｗ＿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２２１，２２２，２２３，２２４，２２５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、図１に示すＡ−Ａ断面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。図３は、二つのセパレータ２００に挟持されたＭＥＡプレート３００を、図１に示すＢ−Ｂ断面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プレート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プレート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プレート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。アノードガス拡散プレート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、アノードガス拡散プレート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。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０には、アノードガス拡散プレート３１０の外縁における気効率を小さくする閉塞部３１８が設けられている。本実施例では、閉塞部３１８は、長方形に成形された多孔体の外縁に、シリコンゴム，ブチルゴム，フッ素ゴムなど、ガス不透過な樹脂材料を含浸させ多孔体の気孔を塞ぐことによって形成される。他の実施形態として、閉塞部３１８は、多孔体を製造する際に、外縁に相当する部位における金属材料の量を増やすことによって形成されても良いし、外縁に相当する部位における発泡剤の量を減らすことによって形成されても良いし、外縁に相当する部位に外力を加えて気孔を潰すことによって形成されても良い。

図２に示すように、アノードガス拡散プレート３１０には、アノードガス拡散プレート３１０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部３１２，３１４が設けられている。アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２は、燃料ガスが拡散する流れの上流側に位置し、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１４は、燃料ガスが拡散する流れの下流側に位置する。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２，３１４は、アノードガス拡散プレート３１０を貫通する細隙（スリット）を画定する。

アノードガス拡散プレート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。アノードガス拡散プレート３１０によって拡散された燃料ガスは、アノードオフガスとして、アノードプレート２３０のアノード排出口２３８を介してアノードガス拡散プレート３１０から排出される。アノードガス拡散プレート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プレート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。カソードガス拡散プレート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、カソードガス拡散プレート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。本実施例では、カソードガス拡散プレート３３０には、カソードガス拡散プレート３３０の外縁における気効率を小さくする閉塞部３３８が設けられている。本実施例では、閉塞部３３８は、長方形に成形された多孔体の外縁に、シリコンゴム，ブチルゴム，フッ素ゴムなど、ガス不透過な樹脂材料を含浸させ多孔体の気孔を塞ぐことによって形成される。他の実施形態として、閉塞部３３８は、多孔体を製造する際に、外縁に相当する部位における金属材料の量を増やすことによって形成されても良いし、外縁に相当する部位における発泡剤の量を減らすことによって形成されても良いし、外縁に相当する部位に外力を加えて気孔を潰すことによって形成されても良い。

図３に示すように、カソードガス拡散プレート３３０には、カソードガス拡散プレート３３０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部３３２，３３４が設けられている。カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２は、酸化ガスが拡散する流れの上流側に位置し、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３４は、酸化ガスが拡散する流れの下流側に位置する。本実施例では、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２，３３４は、カソードガス拡散プレート３３０を貫通する細隙（スリット）を画定する。

カソードガス拡散プレート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。カソードガス拡散プレート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プレート３３０から排出される。カソードガス拡散プレート３３０の詳細構成については後述する。

ＭＥＡプレート３００のシールガスケット３４０は、ＭＥＡ３２０，アノードガス拡散プレート３１０，カソードガス拡散プレート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，アノードガス拡散プレート３１０，カソードガス拡散プレート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．アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０の詳細構成：
図４は、アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０におけるセパレータ側に当接する積層面を示す説明図である。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０は、同一の部材であり、図４では、アノードガス拡散プレート３１０に関する符号に付された括弧内の符号は、対応するカソードガス拡散プレート３３０に関する符号を示す。

図４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プレート３１０は、その長方形の四つの辺のうち一方の長辺Ｓ１に沿った外縁部３１７で、セパレータ２００のアノード供給口２３７と接すると共に、他方の長辺Ｓ２に沿った外縁部３１９で、セパレータ２００のアノード排出口２３８と接する。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０は、外縁部３１７における一方の短辺Ｓ３寄りの部位でアノード供給口２３７と接すると共に、外縁部３１９における他方の短辺Ｓ４寄りの部位でアノード排出口２３８と接する。

アノードガス拡散プレート３１０には、前述したように、アノードガス拡散プレート３１０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部３１２，３１４が設けられ、閉塞部３１８がアノードガス拡散プレート３１０の外縁に亘って設けられている。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２によって画定されるスリットは、外縁部３１７においてセパレータ２００のアノード供給口２３７に接する短辺Ｓ３寄りの部位から、他方の短辺Ｓ４寄りの部位に亘って連続して延びた貫通孔であり、アノード供給口２３７に直接的に連通する。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１４によって画定されるスリットは、外縁部３１９においてセパレータ２００のアノード排出口２３８に接する短辺Ｓ４寄りの部位から、他方の短辺Ｓ３寄りの部位に亘って連続して延びた貫通孔であり、アノード排出口２３８に直接的に連通する。本実施例では、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２，３１４によって画定される二つのスリットは、互いに略同一の間隔を保って略平行に延びた空隙の組を構成する。

図４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カソードガス拡散プレート３３０は、その長方形の四つの辺のうち一方の長辺Ｓ１に沿った外縁部３３７で、セパレータ２００のカソード供給口２１７と接すると共に、他方の長辺Ｓ２に沿った外縁部３３９で、セパレータ２００のカソード排出口２１８と接する。本実施例では、カソードガス拡散プレート３３０は、外縁部３３７における一方の短辺Ｓ３寄りの部位でカソード供給口２１７と接すると共に、外縁部３３９における他方の短辺Ｓ４寄りの部位でカソード排出口２１８と接する。

カソードガス拡散プレート３３０には、前述したように、カソードガス拡散プレート３３０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部３３２，３３４が設けられ、閉塞部３３８がカソードガス拡散プレート３３０の外縁に亘って設けられている。本実施例では、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２によって画定されるスリットは、外縁部３３７においてセパレータ２００のカソード供給口２１７に接する短辺Ｓ３寄りの部位から、他方の短辺Ｓ４寄りの部位に亘って連続して延びた貫通孔であり、カソード供給口２１７に直接的に連通する。本実施例では、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３４によって画定されるスリットは、外縁部３３９においてセパレータ２００のカソード排出口２１８に接する短辺Ｓ４寄りの部位から、他方の短辺Ｓ３寄りの部位に亘って連続して延びた貫通孔であり、カソード排出口２１８に直接的に連通する。本実施例では、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２，３３４によって画定される二つのスリットは、互いに略同一の間隔を保って略平行に延びた空隙の組を構成する。

Ａ−３．作用効果：
以上説明した燃料電池１０によれば、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２，３１４によって画定されたスリットは、アノードガス拡散プレート３１０の内部における連続気孔よりも圧力損失が低いため、空隙部３１２によるスリットは、燃料ガスをアノードガス拡散プレート３１０の内部へと流入させる上流側の領域を拡張し、空隙部３１４によるスリットは、燃料ガスをアノードガス拡散プレート３１０の内部から流出させる下流側の領域を拡張する。その結果、アノードガス拡散プレート３１０における燃料ガスの拡散性を向上させることができる。また、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２によるスリットは、セパレータ２００のアノード供給口２３７に直接的に連通するため、上流側の領域における燃料ガスの拡散性を一層向上させることができる。また、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１４によるスリットは、セパレータ２００のアノード排出口２３８に直接的に連通するため、下流側の領域における燃料ガスの拡散性を一層向上させることができる。また、アノードガス拡散プレート３１０の空隙部３１２，３１４によって画定される二つのスリットは、互いに略同一の間隔を保って略平行に延びるため、上流部のスリットと下流部のスリットとに挟まれた領域において燃料ガスの移動距離が略等しくなり、燃料ガスを一層均一に拡散させることができる。また、アノードガス拡散プレート３１０の閉塞部３１８は、アノードガス拡散プレート３１０の外周を介して拡散する燃料ガスを抑制するため、燃料ガスを一層均一に拡散させることができる。

また、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２，３３４によって画定された空隙は、カソードガス拡散プレート３３０の内部における連続気孔よりも圧力損失が低いため、空隙部３３２による空隙は、酸化ガスをカソードガス拡散プレート３３０の内部へと流入させる上流側の領域を拡張し、空隙部３３４による空隙は、酸化ガスをカソードガス拡散プレート３３０の内部から流出させる下流側の領域を拡張する。その結果、カソードガス拡散プレート３３０における酸化ガスの拡散性を向上させることができる。また、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２による空隙は、セパレータ２００のカソード供給口２１７に直接的に連通するため、上流側の領域における酸化ガスの拡散性を一層向上させることができる。また、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３４による空隙は、セパレータ２００のカソード排出口２１８に直接的に連通するため、下流側の領域における酸化ガスの拡散性を一層向上させることができる。また、カソードガス拡散プレート３３０の空隙部３３２，３３４によって画定される二つのスリットは、互いに略同一の間隔を保って略平行に延びるため、上流部のスリットと下流部のスリットとに挟まれた領域において酸化ガスの移動距離が略等しくなり、酸化ガスを一層均一に拡散させることができる。また、カソードガス拡散プレート３３０の閉塞部３３８がカソードガス拡散プレート３３０の外周を介して拡散する酸化ガスを抑制するため、酸化ガスを一層均一に拡散させることができる。

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プレート５１０およびカソードガス拡散プレート５３０におけるセパレータ側に当接する積層面を示す説明図である。本実施例では、アノードガス拡散プレート５１０およびカソードガス拡散プレート５３０は、同一の部材であり、図５では、アノードガス拡散プレート５１０に関する符号に付された括弧内の符号は、対応するカソードガス拡散プレート５３０に関する符号を示す。第１変形例は、上述の実施例と比較して、アノードガス拡散プレート３１０とは構成の異なるアノードガス拡散プレート５１０をアノードガス拡散プレート３１０に代えて用いる点、カソードガス拡散プレート３３０とは構成の異なるカソードガス拡散プレート５３０をカソードガス拡散プレート３３０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プレート５１０は、アノードガス拡散プレート３１０と比較して、スリットの形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。第１変形例のカソードガス拡散プレート５３０は、カソードガス拡散プレート３３０と比較して、スリットの形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。

図５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プレート５１０は、その長方形の四つの辺のうち一方の長辺Ｓ１に沿った外縁部５１７で、セパレータ２００のアノード供給口２３７と接すると共に、他方の長辺Ｓ２に沿った外縁部５１９で、セパレータ２００のアノード排出口２３８と接する。本実施例では、アノードガス拡散プレート５１０は、外縁部５１７における一方の短辺Ｓ３寄りの部位でアノード供給口２３７と接すると共に、外縁部５１９における他方の短辺Ｓ４寄りの部位でアノード排出口２３８と接する。

アノードガス拡散プレート５１０には、アノードガス拡散プレート５１０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部５１２，５１４が設けられ、閉塞部５１８がアノードガス拡散プレート５１０の外縁に亘って設けられている。本実施例では、アノードガス拡散プレート５１０の空隙部５１２によって画定されるスリットは、外縁部５１７においてセパレータ２００のアノード供給口２３７に接する短辺Ｓ３寄りの部位から、他方の短辺Ｓ４寄りの部位に亘って断続的に延びた複数の貫通孔である。本実施例では、空隙部５１２によるスリットは、直線上に配列した四つのスリットで構成され、それらのスリットのうち短辺Ｓ３寄りの二つのスリットは、アノード供給口２３７に直接的に連通する。本実施例では、アノードガス拡散プレート５１０の空隙部５１４によって画定されるスリットは、外縁部５１９においてセパレータ２００のアノード排出口２３８に接する短辺Ｓ４寄りの部位から、他方の短辺Ｓ３寄りの部位に亘って断続的に延びた複数の貫通孔である。本実施例では、空隙部５１４によるスリットは、直線上に配列した四つのスリットで構成され、それらのスリットのうち短辺Ｓ４寄りの二つのスリットは、アノード排出口２３８に直接的に連通する。本実施例では、アノードガス拡散プレート５１０の空隙部５１２，５１４によって画定される二組のスリットは、互いに略同一の間隔を保って略平行に延びた空隙の組を構成する。

カソードガス拡散プレート５３０には、カソードガス拡散プレート５３０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部５３２，５３４が設けられ、閉塞部５３８がカソードガス拡散プレート５３０の外縁に亘って設けられている。本実施例では、カソードガス拡散プレート５３０の空隙部５３２によって画定されるスリットは、外縁部５３７においてセパレータ２００のカソード供給口２１７に接する短辺Ｓ３寄りの部位から、他方の短辺Ｓ４寄りの部位に亘って断続的に延びた複数の貫通孔である。本実施例では、空隙部５３２によるスリットは、直線上に配列した四つのスリットで構成され、それらのスリットのうち短辺Ｓ３寄りの二つのスリットは、カソード供給口２１７に直接的に連通する。本実施例では、カソードガス拡散プレート５３０の空隙部５３４によって画定されるスリットは、外縁部５３９においてセパレータ２００のカソード排出口２１８に接する短辺Ｓ４寄りの部位から、他方の短辺Ｓ３寄りの部位に亘って断続的に延びた複数の貫通孔である。本実施例では、空隙部５３４によるスリットは、直線上に配列した四つのスリットで構成され、それらのスリットのうち短辺Ｓ４寄りの二つのスリットは、カソード排出口２１８に直接的に連通する。本実施例では、カソードガス拡散プレート５３０の空隙部５３２，５３４によって画定される二組のスリットは、互いに略同一の間隔を保って略平行に延びた空隙の組を構成する。

以上説明した第１変形例の燃料電池１０によれば、アノードガス拡散プレート５１０の空隙部５１２によるスリットは、燃料ガスをアノードガス拡散プレート５１０の内部へと流入させる上流側の領域を拡張し、空隙部５１４によるスリットは、燃料ガスをアノードガス拡散プレート５１０の内部から流出させる下流側の領域を拡張する。その結果、アノードガス拡散プレート５１０における燃料ガスの拡散性を向上させることができる。また、アノードガス拡散プレート５１０の空隙部５１２，５１４によるスリットは、それぞれ複数のスリットに分割されているため、燃料ガスの拡散性を向上させつつ、空隙部５１２，５１４の形成によってアノードガス拡散プレート５１０の強度が低下するのを抑制することができる。

また、カソードガス拡散プレート５３０の空隙部５３２による空隙は、酸化ガスをカソードガス拡散プレート５３０の内部へと流入させる上流側の領域を拡張し、空隙部５３４によるスリットは、酸化ガスをカソードガス拡散プレート５３０の内部から流出させる下流側の領域を拡張する。その結果、カソードガス拡散プレート５３０における酸化ガスの拡散性を向上させることができる。また、カソードガス拡散プレート５３０の空隙部５３２，５３４によるスリットは、それぞれ複数のスリットに分割されているため、燃料ガスの拡散性を向上させつつ、空隙部５３２，５３４の形成によってカソードガス拡散プレート５３０の強度が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、二つのセパレータ２００に挟持された第２変形例におけるＭＥＡプレート３００を、図１に示すＡ−Ａ断面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。第２変形例は、前述の実施例と比較して、アノードガス拡散プレート３１０とは構成の異なるアノードガス拡散プレート６１０をアノードガス拡散プレート３１０に代えて用いる点、カソードガス拡散プレート３３０とは構成の異なるカソードガス拡散プレート６３０をカソードガス拡散プレート３３０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プレート６１０は、アノードガス拡散プレート３１０と比較して、空隙の断面形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。第２変形例のカソードガス拡散プレート６３０は、カソードガス拡散プレート３３０と比較して、空隙の断面形状が異なる点で相違し、その他の構成は同一である。

図６に示すように、アノードガス拡散プレート６１０には、アノードガス拡散プレート６１０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部６１２，６１４が設けられている。アノードガス拡散プレート６１０の空隙部６１２は、燃料ガスが拡散する流れの上流側に位置し、アノードガス拡散プレート６１０の空隙部６１４は、燃料ガスが拡散する流れの下流側に位置する。本実施例では、アノードガス拡散プレート６１０の空隙部６１２，６１４は、セパレータ２００側に接する積層面に、「Ｖ」字型に凹んだ溝状の空隙を画定する。

図６に示すように、カソードガス拡散プレート６３０には、カソードガス拡散プレート６３０を構成する多孔体の気孔よりも大きな空隙を画定する空隙部６３２，６３４が設けられている。カソードガス拡散プレート６３０の空隙部６３２は、酸化ガスが拡散する流れの上流側に位置し、カソードガス拡散プレート６３０の空隙部６３４は、酸化ガスが拡散する流れの下流側に位置する。本実施例では、カソードガス拡散プレート６３０の空隙部６３２，６３４は、セパレータ２００側に接する積層面に、「Ｖ」字型に凹んだ凹溝状の空隙を画定する。

以上説明した第２変形例の燃料電池１０によれば、アノードガス拡散プレート６１０の空隙部６１２による凹溝状の空隙は、燃料ガスをアノードガス拡散プレート６１０の内部へと流入させる上流側の領域を拡張し、空隙部６１４による凹溝状の空隙は、燃料ガスをアノードガス拡散プレート６１０の内部から流出させる下流側の領域を拡張する。その結果、アノードガス拡散プレート６１０における燃料ガスの拡散性を向上させることができる。また、カソードガス拡散プレート６３０の空隙部６３２による凹溝状の空隙は、酸化ガスをカソードガス拡散プレート６３０の内部へと流入させる上流側の領域を拡張し、空隙部６３４による空隙は、酸化ガスをカソードガス拡散プレート６３０の内部から流出させる下流側の領域を拡張する。その結果、カソードガス拡散プレート６３０における酸化ガスの拡散性を向上させることができる。

Ｂ−３．その他の変形例：
前述の実施例では、いわゆる循環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、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、アノードガス拡散プレートやカソードガス拡散プレートの空隙は、セパレータのガス供給口やガス排出口に接する位置や、アノードガス拡散プレートの全体形状，材料，ガス透過率に応じて、空隙の深さ，幅，長さ，方向，本数などを適宜変更することができる。また、アノードガス拡散プレートやカソードガス拡散プレートの空隙の幅や深さは、空隙の全域に亘って略同一としたが、他の実施形態として、反応ガスの供給口や排出口から遠ざかるに連れて大きくしても良いし、逆に、反応ガスの供給口や排出口から遠ざかるに連れて小さくしても良い。また、アノードガス拡散プレートやカソードガス拡散プレート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、本実施例では、アノードガス拡散プレートやカソードガス拡散プレートの空隙は、反応ガスの供給口や排出口に連通するものとしたが、他の実施形態として、反応ガスの供給口や排出口の近傍に配置されても良い。また、第２変形例においてアノードガス拡散プレートやカソードガス拡散プレートの凹溝状の空隙は、セパレータ２００側に接する積層面に形成されるとしたが、他の実施形態として、ＭＥＡ３２０側に接する積層面に形成されるとしても良い。

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を図１に示すＡ−Ａ断面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。二つのセパレータ２００に挟持されたＭＥＡプレート３００を図１に示すＢ−Ｂ断面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。アノードガス拡散プレート３１０およびカソードガス拡散プレート３３０におけるセパレータ側に当接する積層面を示す説明図である。第１変形例におけるアノードガス拡散プレート５１０およびカソードガス拡散プレート５３０におけるセパレータ側に当接する積層面を示す説明図である。二つのセパレータ２００に挟持された第２変形例におけるＭＥＡプレート３００を図１に示すＡ−Ａ断面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。

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
２１７…カソード供給口
２１８…カソード排出口
２２０…中間プレート
２２１，２２２，２２３，２２４，２２５…流路
２３０…アノードプレート
２３７…アノード供給口
２３８…アノード排出口
３１０…アノードガス拡散プレート
３１２，３１４…空隙部
３１７…外縁部
３１８…閉塞部
３１９…外縁部
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…カソードガス拡散プレート
３３２，３３４…空隙部
３３７…外縁部
３３８…閉塞部
３３９…外縁部
３４０…シールガスケット
５１０…アノードガス拡散プレート
５１２，５１４…空隙部
５１７…外縁部
５１８…閉塞部
５１９…外縁部
５３０…カソードガス拡散プレート
５３２，５３４…空隙部
５３７…外縁部
５３８…閉塞部
５３９…外縁部
６１０…アノードガス拡散プレート
６１２，６１４…空隙部
６３０…カソードガス拡散プレート
６３２，６３４…空隙部

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、プロトン伝導性を有する電解質膜に積層した膜電極接合体と、
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、前記膜電極接合体に接して積層され、前記反応ガスを前記膜電極接合体に拡散させるガス拡散プレートと、
前記ガス拡散プレートに接して積層され、該ガス拡散プレートに前記反応ガスを供給するセパレータと
を備え、
前記ガス拡散プレートは、
前記ガス拡散プレートを前記膜電極接合体に対して積層する方向に直交し、前記反応ガスが拡散する流れの上流側に位置する第１の辺と、
前記第１の辺に対向し、前記反応ガスが拡散する流れの下流側に位置する第２の辺と
を有し、
前記セパレータに当接する前記ガス拡散プレートの積層面における前記第１の辺に沿って前記第１の辺よりも内側に、前記気孔よりも大きな第１の空隙を画定する第１の空隙部を形成し、
前記積層面における前記第２の辺に沿って前記第２の辺よりも内側に、前記気孔よりも大きな第２の空隙を、前記第１の空隙に対して非連続に画定する第２の空隙部を形成し、
前記第１の空隙部よりも前記第１の辺側と、前記第２の空隙部よりも前記第２の辺側とに、前記気孔を塞ぐ閉塞部を形成した、燃料電池。
前記第１および第２の空隙は、前記ガス拡散プレートを貫通する細隙を含む請求項１記載の燃料電池。
前記第１および第２の空隙は、凹溝状の空隙を含む請求項１記載の燃料電池。
前記第１および第２の空隙は、断続的に延びた複数の空隙を含む請求項１ないし３のいずれか記載の燃料電池。
前記第１の空隙は、前記セパレータに形成され前記ガス拡散プレートに前記反応ガスを流入させる供給口に直接的に連通する請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池。
前記第２の空隙は、前記セパレータに形成され前記ガス拡散プレートから前記反応ガスを流出させる排出口に直接的に連通する請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池。
前記第１および第２の空隙は、前記第１および第２の辺にそれぞれ沿って互いに略同一の間隔を保って延びた空隙の組を含む請求項１ないし６のいずれか記載の燃料電池。
請求項１ないし７のいずれか記載の燃料電池であって、
前記ガス拡散プレートは、
燃料ガスを前記反応ガスとして拡散させるアノードガス拡散プレートと、
酸化ガスを前記反応ガスとして拡散させるカソードガス拡散プレートと
を含む燃料電池。