JP5315929B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池に関する。

高分子電解質形燃料電池においては、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）に形成
された一対の触媒電極それぞれの外側面（電解質膜と接触している面とは反対側の面）に拡散層が積層されている。そして、拡散層のさらに外側に設けられたガス流路から拡散層を介してそれぞれの触媒電極に燃料ガス又は酸化ガスが供給される。

また、上記のようなガス流路を多孔体によって形成する技術が知られている。例えば、特許文献１には、触媒電極に面して積層された拡散層を第一拡散層とし、該第一拡散層のさらに外側に、多孔体によって形成された第二拡散層をガス流路として設ける技術が記載されている。

この特許文献１に係る第二拡散層中には、第二拡散層中の水を収集するために、重力方向下向きに沿って断面積が小さくなっている水収集部材が設けられている。さらに、水収集部材より下側には水排出口が設けられている。

このような構成によれば、水収集部材において水が凝縮する。そして、凝縮した水が下方に落下し、水排出口から排出される。

また、特許文献２には、拡散層の外側に設けられ多孔体によって形成されたガス流路において、そのガス流れ方向に対して略垂直方向の断面積をガス流路の上流から下流に向けて小さくなるように構成する技術が開示されている。

特開２００７−１４９４２５号公報 特開２００６−１３４５８２号公報 特開２００６−１２７７７０号公報

ＭＥＡとその触媒電極の外側に積層された拡散層とを備えた燃料電池では、拡散層内部において水が凝縮し滞留する場合がある。凝縮した水の滞留が生じると、該水によって拡散層におけるガスの拡散が阻害され、その結果、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。

一方、燃料電池の発電性能を維持するためには、ＭＥＡにおいて適量の水を保持する必要がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池における拡散層内部からの排水を促進させることが出来、且つ、ＭＥＡにおける保水量を好適に維持することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明においては、多孔体によって形成されたガス流路層内に、拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部を複数設ける。さらに、アノード側触媒電極側のガス流路層内における阻害部とカソード側触媒電極側のガス流路層内における阻害部と
を拡散層に接触する面に沿った方向において互いにオフセットされた位置に配置する。

より詳しくは、本発明に係る燃料電池は、
電解質膜及び該電解質膜に形成された触媒電極を有するＭＥＡと、
各触媒電極の前記電解質膜と接触している面とは反対側の面に積層された拡散層と、
多孔体によって形成されており、各拡散層の前記触媒電極と接触している面とは反対側の面に積層され、前記拡散層を介して前記触媒電極に燃料ガス又は酸化ガスを供給するガス流路層と、を備えた燃料電池であって、
前記ガス流路層内において、前記拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部が該ガスの流れ方向に沿って互いに間隔を空けて複数設けられており、且つ、
アノード側触媒電極側のガス流路層内における前記阻害部とカソード側触媒電極側のガス流路層内における前記阻害部とが前記拡散層に接触する面に沿った方向において互いにオフセットされた位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。

ガス流路層内においては、通常、拡散層に接触する面に沿った方向の流れを主流としてガスが流れている。本発明によれば、ガス流路層内に阻害部が形成されることにより、ガス流路層から拡散層に向うガスの流れ及び拡散層からガス流路層に向うガスの流れが生じる。このようなガスの流れによって、拡散層内部に滞留した水を除去し、排水させることが出来る。

また、本発明では、アノード側触媒電極側のガス流路層内における阻害部とカソード側触媒電極側のガス流路層内における阻害部とが互いにオフセットされた位置に配置されている。これにより、アノード側触媒電極側の拡散層内において触媒電極に向って水が流れる部分とカソード側触媒電極側の拡散層内においてガス流路層に向って水が流れる部分とが対向することになる。また、アノード側触媒電極側の拡散層内においてガス流路層に向って水が流れる部分とカソード側触媒電極側の拡散層内において触媒電極に向って水が流れる部分とが対向することになる。

そのため、上記のようなガスの流れによって拡散層内部に滞留した水を除去する場合であっても、ＭＥＡに供給される水が不足することを抑制することが出来る。

従って、本発明によれば、燃料電池における拡散層内部からの排水を促進させることが出来、且つ、ＭＥＡにおける保水量を好適に維持することが出来る。

また、例えば、ガス流路層を溝状のガス流路が形成された構成体によって形成し、溝状のガス流路に複数の阻害部を設ける構成とした場合、ガス流路層の拡散層に対する面圧を考慮しなければならないために、阻害部を設ける位置が制限される。

しかし、本発明においては、ガス流路層が多孔体によって形成され、多孔体内に阻害部が形成される。この場合、阻害部の位置に関わらずガス流路層の拡散層に対する面圧を略均一にすることが出来る。ガス流路層内における所望の位置に阻害部を設けることが可能となる。

本発明によれば、燃料電池における拡散層内部からの排水を促進させることができ、且つ、ＭＥＡにおける保水量を好適に維持することが出来る。

以下、本発明に係る燃料電池の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がな
い限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（燃料電池の単セルの概略構成）
図１は、本実施例に係る燃料電池を構成する単セル１の断面図である。本実施例に係る燃料電池は、該単セル１が複数積層されることで構成される。尚、本実施例に係る燃料電池は高分子電解質形燃料電池である。

単セル１はＭＥＡ２を有している。ＭＥＡ２は、電解質膜３及び電解質膜３に形成された一対の触媒電極４ａ、４ｂによって構成されている。図１においては、４ａがアノード側触媒電極を示しており、４ｂがカソード側触媒電極を示している。

アノード側触媒電極４ａ及びカソード側触媒電極４ｂそれぞれの電解質膜３と接触している面とは反対側の面には拡散層５が積層されている。さらに、各拡散層５の触媒電極４ａ、４ｂと接触している面とは反対側の面には、多孔体によって形成されたガス流路層６ａ、６ｂが積層されている。

アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａには燃料ガスとして水素ガスが流れる。このガス流路層６ａを流れる水素ガスが、拡散層５を介してアノード側触媒電極４ａに供給される。このとき、拡散層５において水素ガスの拡散が促進される。一方、カソード側触媒電極４ｂ側のガス流路層６ｂには酸化ガスとして空気が流れる。このガス流路層６ｂを流れる空気が、拡散層５を介してカソード側触媒電極４ｂに供給される。このとき、拡散層５において空気の拡散が促進される。

拡散層５において水素ガスの拡散が促進されることで、アノード側触媒電極４ａの全体に略均一に水素ガスが供給される。また、拡散層５において空気の拡散が促進されることで、カソード側触媒電極４ｂの全体に略均一に空気が供給される。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることが出来る。

（ガス流路層の概略構成）
次に、本実施例に係るガス流路層の構成について説明する。アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａにおいては、図１における上端が水素ガスの入口となっており、下端が燃料ガスの出口となっている。一方、カソード側触媒電極４ｂ側のガス流路層６ｂにおいては、図１における下端が空気の入口となっており、上端が空気の出口となっている。そして、各ガス流路層６ａ、６ｂ内においては、図１において実線の矢印で示すような拡散層５に接触する面に沿った方向に水素ガス又は空気が流れる。

ここで、拡散層５内部においては、水が凝縮し滞留する場合がある。拡散層５内部に水の滞留が生じると、空気の拡散が該水によって阻害され、触媒電極４ａ、４ｂの全体にガスが均一に供給され難くなる。その結果、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。

そこで、本実施例においては、拡散層５内部に滞留する水の排水性を向上させるために、各ガス流路層６ａ、６ｂ内に、実線の矢印で示すような方向のガスの流れに略直交する向きに延在する低気孔率部８を複数設けた。

低気孔率部８では、ガス流路層６ａ、６ｂ内における他の部分よりも気孔率が低くなっている。各低気孔率部８は、ガス流路層６ａ、６ｂ内において、拡散層５に接触する面に沿った方向に互いに間隔を空けて層状に形成されている。

低気孔率部８ではガス（水素ガス又は空気）の圧損が大きくなるため、拡散層５に接触する面に沿った方向のガスの流れが低気孔率部８によって阻害される。そのため、ガス流
路層６ａ、６ｂ内を流れるガスのうち、一部は低気孔率部８を通過するが、その他のガスは拡散層５に向って流れる。

その結果、図１において一点鎖線の矢印で示すような、ガス流路層６ａ、６ｂから拡散層５に向う空気の流れ及び拡散層５からガス流路層６ａ、６ｂに向うガスの流れが生じる。このようなガスの流れによって、拡散層５内部に滞留した水の排水を促進させることが出来る。

さらに、本実施例においては、図１に示すように、アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａ内における低気孔率部８とカソード側触媒電極４ｂ側のガス流路層６ｂ内における低気孔率部８とが拡散層５に接触する面に沿った方向において互いにオフセットされた位置に配置されている。つまり、図１の上下方向において、アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａ内における低気孔率部８と低気孔率部８との間の部分（即ち、低気孔率部８よりも気孔率が高い部分）に対向するカソード側触媒電極４ｂ側のガス流路層６ｂ内の位置には低気孔率部８が形成されている。

これにより、カソード側触媒電極４ｂ側とアノード側触媒電極４ａ側とにおける互いに対向する部分において、一方ではガス流路層から拡散層５に向うガスの流れが生じ、他方では拡散層５からガス流路層に向うガスの流れが生じることになる。

拡散層５からガス流路層６ａ、６ｂに向うガスの流れが生じている部分においては、該ガスの流れに伴って拡散層５内の水もガス流路層６ａ、６ｂに向って流れる。そのため、触媒電極４ａ、４ｂへの水の供給が抑制されることになる。従って、両方の触媒電極４ａ、４ｂ側において拡散層５からガス流路層６ａ、６ｂに向うガスの流れが生じると、該部分におけるＭＥＡ２に供給される水が不足する虞がある。

本実施例によれば、上記のようにガスの流れが生じる結果、アノード側触媒電極４ａ側の拡散層５内において触媒電極４ａに向って水が流れる部分とカソード側触媒電極４ｂ側の拡散層５内においてガス流路層６ｂに向って水が流れる部分とが対向することになる。また、アノード側触媒電極４ａ側の拡散層５内においてガス流路層６ａに向って水が流れる部分とカソード側触媒電極４ｂ側の拡散層５内において触媒電極４ｂに向って水が流れる部分とが対向することになる。

これにより、一方の触媒電極において拡散層５からガス流路層側に水が排水されることで水の供給が抑制される部分に対向する他方の触媒電極の部分には拡散層５から水が供給される。そのため、上記のようなガスの流れによって拡散層５内部に滞留した水を除去する場合であっても、ＭＥＡ２に供給される水が不足することを抑制することが出来る。

従って、本実施例によれば、燃料電池における拡散層５内部からの排水を促進させることが出来、且つ、ＭＥＡ２における保水量を好適に維持することが出来る。

また、本実施例に係る低気孔率部８においては、上述したように、図１における実線の矢印で示す方向に流れるガスの通路が完全には閉塞されない。従って、ガス流路層６ａ、６ｂにおけるガスの圧損が過剰に大きくなることを抑制することが出来る。

尚、本実施例に係る各低気孔率部８の形状を、図２の（ａ）に示すような波形状又は図２の（ｂ）に示すような屈曲形状としてもよい。

本実施例においては、低気孔部８が本発明に係る阻害部に相当する。低気孔率部８に代えて、多孔体に樹脂（例えば、アイオノマー）を含浸させることで、本発明に係る阻害部
を形成してもよい。また、ガス流路層６ｂの低気孔率部８に当たる部分の断面積を他の部分よりも小さくする、又は、当該部分の断面方向の一部を閉塞することで、本発明に係る阻害部を形成してもよい。

実施例に係る、燃料電池を構成する単セルの断面図。 実施例に係る低気孔率部の形状の変形例を示す図。

符号の説明

１・・・単セル
２・・・ＭＥＡ
３・・・電解質膜
４ａ・・アノード側触媒電極
４ｂ・・カソード側触媒電極
５・・・拡散層
６ａ・・ガス流路層
６ｂ・・ガス流路層
８・・・低気孔率部

Claims (1)

1. 電解質膜及び該電解質膜に形成された触媒電極を有するＭＥＡと、
   各触媒電極の前記電解質膜と接触している面とは反対側の面に積層された拡散層と、
   多孔体によって形成されており、各拡散層の前記触媒電極と接触している面とは反対側の面に積層され、前記拡散層を介して前記触媒電極に燃料ガス又は酸化ガスを供給するガス流路層と、を備えた燃料電池であって、
   前記ガス流路層内において、前記拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部が該ガスの流れ方向に沿って互いに間隔を空けて複数設けられており、且つ、
   アノード側触媒電極側のガス流路層内における互いに隣接する一の阻害部と他の阻害部との間の部分に対向するカソード側触媒電極側のガス流路層内の位置に阻害部が形成されることで、アノード側触媒電極側のガス流路層内における前記阻害部とカソード側触媒電極側のガス流路層内における前記阻害部とが前記拡散層に接触する面に沿った方向において互いにオフセットされた位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。

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