JP7230875B2 - ガス流路構造、支持板、及び、燃料電池 - Google Patents
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Description
本開示は、ガス流路構造、支持板、及び、燃料電池に関する。
燃料電池は、複数の単セルを積層した燃料電池スタックに、燃料ガスとしての水素（Ｈ２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、流路を通って系外へと排出される。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、流路を通って系外へと排出される。
燃料電池においては発電性能を向上させるために、触媒層及びガス拡散層を含む電極へのガス供給性を向上させることが検討されている。
例えば、特許文献１には、ガス流路にガス流れ方向の断面積を局所的に小さくした絞り部を設ける事で、ガス流路からの反応ガスをガス拡散層中に対流させるいわゆる潜り込みを発生させることで、電極へのガス供給性を向上させ、発電性能を向上させる技術が開示されている。
例えば、特許文献１には、ガス流路にガス流れ方向の断面積を局所的に小さくした絞り部を設ける事で、ガス流路からの反応ガスをガス拡散層中に対流させるいわゆる潜り込みを発生させることで、電極へのガス供給性を向上させ、発電性能を向上させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、同一流路内の潜り込み量を均一化させるために、同一流路内の中央域の流路幅を大きくするという技術が開示されている。
特許文献１では、ガスの潜り込みはガス流路の各絞り部前後に集中する。そのため各絞り部間の中央域は潜り込みが減少し十分な発電性能の向上効果を発揮できない。そこで絞り部を増やす（各絞り部間の間隔を小さくする）事でガスの潜り込み量は増加するものの、ガス流路の断面積が小さくなる部分が多くなることで、生成水によるガス流路の閉塞が発生しやすくなり、電極へのガス供給性が低下する。また、ガス流路の断面積が小さくなる部分が多くなることで、燃料電池の圧損が増加し燃料電池の発電性能が低下する。
また、特許文献２では、セパレータのリブ幅を小さくした部分でガス拡散層との接触面積が小さくなるため、セパレータとガス拡散層の接触抵抗の上昇と局所面圧増大によるガス拡散層の座屈が起こる恐れがある。これにより、ガス拡散層が盛り上がりセパレータのガス流路に入り込むことでガス流路の断面積が小さくなり、生成水によるガス流路の閉塞が発生しやすくなり、電極へのガス供給性が低下する。また、セパレータのガス流路の断面積が小さくなることで、燃料電池の圧損が増加し燃料電池の発電性能が低下する。
また、特許文献２では、セパレータのリブ幅を小さくした部分でガス拡散層との接触面積が小さくなるため、セパレータとガス拡散層の接触抵抗の上昇と局所面圧増大によるガス拡散層の座屈が起こる恐れがある。これにより、ガス拡散層が盛り上がりセパレータのガス流路に入り込むことでガス流路の断面積が小さくなり、生成水によるガス流路の閉塞が発生しやすくなり、電極へのガス供給性が低下する。また、セパレータのガス流路の断面積が小さくなることで、燃料電池の圧損が増加し燃料電池の発電性能が低下する。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、生成水によるガス流路の閉塞の発生及びガス拡散層の座屈による燃料電池の圧損の増加等を最小限に減らすことができ、安定した発電性能が得られる燃料電池用のガス流路構造を提供することを主目的とする。
本開示においては、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の、２つの当該ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板の当該ガス拡散層に接する面に形成された溝状の複数のガス流路を含むガス流路構造であって、
前記ガス流路は、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、隣り合う前記ガス流路間で各前記第１の領域と各前記第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、各前記第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を少なくとも１つ備えることを特徴とする燃料電池用のガス流路構造を提供する。
前記ガス流路は、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、隣り合う前記ガス流路間で各前記第１の領域と各前記第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、各前記第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を少なくとも１つ備えることを特徴とする燃料電池用のガス流路構造を提供する。
本開示においては、少なくとも一面に前記ガス流路構造を備えることを特徴とする燃料電池用の支持板を提供する。
本開示においては、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の２つの前記ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板と、を有し、
前記支持板が、前記ガス流路構造を備え、
前記ガス流路構造は、前記支持板の前記ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていることを特徴とする燃料電池を提供する。
前記膜電極接合体の２つの前記ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板と、を有し、
前記支持板が、前記ガス流路構造を備え、
前記ガス流路構造は、前記支持板の前記ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていることを特徴とする燃料電池を提供する。
本開示は、生成水によるガス流路の閉塞の発生及びガス拡散層の座屈による燃料電池の圧損の増加等を最小限に減らすことができ、安定した発電性能が得られる燃料電池用のガス流路構造を提供することができる。
１．ガス流路構造
本開示においては、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の、２つの当該ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板の当該ガス拡散層に接する面に形成された溝状の複数のガス流路を含むガス流路構造であって、
前記ガス流路は、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、隣り合う前記ガス流路間で各前記第１の領域と各前記第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、各前記第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を少なくとも１つ備えることを特徴とする燃料電池用のガス流路構造を提供する。
本開示においては、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の、２つの当該ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板の当該ガス拡散層に接する面に形成された溝状の複数のガス流路を含むガス流路構造であって、
前記ガス流路は、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、隣り合う前記ガス流路間で各前記第１の領域と各前記第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、各前記第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を少なくとも１つ備えることを特徴とする燃料電池用のガス流路構造を提供する。
支持板上のガス流路を隔てるリブ（隔壁又は凸部）はガス拡散層との接触部であるため、燃料電池の組み立て時に締結荷重を受けてリブによりガス拡散層が潰れ、ガス拡散層内の空隙率が減少し、ガス拡散層のガス拡散性と排水性が低下する。
本研究者は、３種類の流路断面積の異なるガス流路領域を組合せることにより、同一ガス流路内のガスの潜り込み量を均一化させ、且つ、異なるガス流路間で、リブとガス拡散層との接触部における面圧を均等にして、燃料電池の圧損の上昇を最低限に抑え、その発電性能を向上させるガス流路構造を見出した。
本研究者は、３種類の流路断面積の異なるガス流路領域を組合せることにより、同一ガス流路内のガスの潜り込み量を均一化させ、且つ、異なるガス流路間で、リブとガス拡散層との接触部における面圧を均等にして、燃料電池の圧損の上昇を最低限に抑え、その発電性能を向上させるガス流路構造を見出した。
図１は、本開示のガス流路構造を有する支持板のガス流路の断面形状の一部の一例を示す模式図である。
図１に示すように、本開示のガス流路構造においては、第２の領域（狭溝）は、第１の領域（広溝）よりも流路断面積が小さい。
図１に示すように、本開示のガス流路構造においては、第２の領域（狭溝）は、第１の領域（広溝）よりも流路断面積が小さい。
図２は、本開示のガス流路構造におけるガス流路配置の一例を示す模式図である。なお、図２において、リブは便宜のため省略している。
図２に示すように、本開示のガス流路構造においては、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域（広溝）よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域（狭溝）と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域（広溝）と各当該第２の領域（狭溝）とが交互に配置されている。また、隣り合うガス流路間で各第１の領域（広溝）と各第２の領域（狭溝）とが交互に配置されている。さらに、各第２の領域中に、当該第２の領域（狭溝）よりも流路断面積が小さい第３の領域（絞り部）を１つ備えている。
図２に示すように、本開示のガス流路構造においては、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域（広溝）よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域（狭溝）と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域（広溝）と各当該第２の領域（狭溝）とが交互に配置されている。また、隣り合うガス流路間で各第１の領域（広溝）と各第２の領域（狭溝）とが交互に配置されている。さらに、各第２の領域中に、当該第２の領域（狭溝）よりも流路断面積が小さい第３の領域（絞り部）を１つ備えている。
本開示のガス流路構造は、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の、２つの当該ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板の当該ガス拡散層に接する面に形成された溝状の複数のガス流路を含む。
膜電極接合体及び支持板については、後述する。
膜電極接合体及び支持板については、後述する。
複数のガス流路は、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置される。
第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）は、１．００を超えていればよく、燃料電池の出力向上の観点から、１．１４以上であってもよく、１．４２以上であってもよく、１．８４以上であってもよい。また、流路断面積比（広溝／狭溝）は、例えば、燃料電池の出力向上の観点から、２．７４以下であってもよく、２．２４以下であってもよい。
ガス流路の第１の領域と第２の領域の溝の深さは、同じであっても、異なっていてもよいが、燃料電池の出力を安定にする観点からは、同じであってもよい。
また、ガス流路は、隣り合うガス流路間で各第１の領域と各第２の領域とが交互に配置される。そのため、ガス流路の第１の領域と第２の領域の流路長さは、同じである。
第１の領域と第２の領域の流路長さは、特に限定されず、燃料電池の大きさに合わせて適宜設定することができる。
同一ガス流路内に配置される第１の領域と第２の領域はそれぞれ２つ以上備えられていれば、その数は特に限定されず、燃料電池の大きさに合わせて適宜設定することができる。
ガス流路の第１の領域と第２の領域の溝の深さは、同じであっても、異なっていてもよいが、燃料電池の出力を安定にする観点からは、同じであってもよい。
また、ガス流路は、隣り合うガス流路間で各第１の領域と各第２の領域とが交互に配置される。そのため、ガス流路の第１の領域と第２の領域の流路長さは、同じである。
第１の領域と第２の領域の流路長さは、特に限定されず、燃料電池の大きさに合わせて適宜設定することができる。
同一ガス流路内に配置される第１の領域と第２の領域はそれぞれ２つ以上備えられていれば、その数は特に限定されず、燃料電池の大きさに合わせて適宜設定することができる。
ガス流路は、各第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を少なくとも１つ備える。
第３の領域（絞り部）に対する第２の領域（狭溝）の流路断面積比（狭溝／絞り部）は、１．００を超えていればよく、燃料電池の出力向上の観点から、３．００以上であってもよく、５．００以上であってもよい。また、流路断面積比（狭溝／絞り部）は、例えば、燃料電池の出力向上の観点から、１０．００以下であってもよく、８．００以下であってもよく、６．００以下であってもよい。
ガス流路の第２の領域と第３の領域の溝の深さは、同じであっても、異なっていてもよいが、燃料電池の出力を安定にする観点からは、同じであってもよい。
第３の領域（絞り部）に対する第２の領域（狭溝）の流路断面積比（狭溝／絞り部）は、１．００を超えていればよく、燃料電池の出力向上の観点から、３．００以上であってもよく、５．００以上であってもよい。また、流路断面積比（狭溝／絞り部）は、例えば、燃料電池の出力向上の観点から、１０．００以下であってもよく、８．００以下であってもよく、６．００以下であってもよい。
ガス流路の第２の領域と第３の領域の溝の深さは、同じであっても、異なっていてもよいが、燃料電池の出力を安定にする観点からは、同じであってもよい。
第３の領域の流路長さは、第２の領域の流路長さよりも短ければ特に限定されない。
第３の領域（絞り部）に対する第２の領域（狭溝）の流路長さ比（狭溝／絞り部）は、１．００を超えていればよく、燃料電池の出力向上の観点から、３．００以上であってもよく、５．００以上であってもよい。また、流路長さ比（狭溝／絞り部）は、例えば、燃料電池の出力向上の観点から、１００．００以下であってもよく、５０．００以下であってもよく、１０．００以下であってもよい。
各第２の領域中に配置される第３の領域は少なくとも１つ備えられていれば、その数は特に限定されないが、燃料電池の出力を安定化させる観点からは、１つであってもよい。
第３の領域は、具体的には絞り部であり、従来公知の絞り部を採用してもよい。
第３の領域（絞り部）に対する第２の領域（狭溝）の流路長さ比（狭溝／絞り部）は、１．００を超えていればよく、燃料電池の出力向上の観点から、３．００以上であってもよく、５．００以上であってもよい。また、流路長さ比（狭溝／絞り部）は、例えば、燃料電池の出力向上の観点から、１００．００以下であってもよく、５０．００以下であってもよく、１０．００以下であってもよい。
各第２の領域中に配置される第３の領域は少なくとも１つ備えられていれば、その数は特に限定されないが、燃料電池の出力を安定化させる観点からは、１つであってもよい。
第３の領域は、具体的には絞り部であり、従来公知の絞り部を採用してもよい。
ガス流路構造の隣り合うガス流路間にはリブが存在してもよい。
２．支持板
本開示の燃料電池用の支持板は、上記ガス流路構造を備える。
支持板は、その少なくとも一面に上記ガス流路構造を備えていればよく、その両面に上記ガス流路構造を備えていてもよい。
支持板は、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の２つのガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接させて用いられる。
支持板は、例えば、セパレータ、及び、集電体等であってもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
本開示の燃料電池用の支持板は、上記ガス流路構造を備える。
支持板は、その少なくとも一面に上記ガス流路構造を備えていればよく、その両面に上記ガス流路構造を備えていてもよい。
支持板は、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の２つのガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接させて用いられる。
支持板は、例えば、セパレータ、及び、集電体等であってもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
３．燃料電池
本開示の燃料電池は、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の２つの前記ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板と、を有し、
前記支持板が、前記ガス流路構造を備え、
前記ガス流路構造は、前記支持板の前記ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていることを特徴とする。
本開示の燃料電池は、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の２つの前記ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板と、を有し、
前記支持板が、前記ガス流路構造を備え、
前記ガス流路構造は、前記支持板の前記ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていることを特徴とする。
燃料電池は、当該燃料電池の単セルを複数積層して構成される燃料電池スタックであってもよい。
燃料電池の単セルは、膜電極接合体と、当該膜電極接合体の少なくとも片面に支持板を備える。また、燃料電池の単セルは、膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚の支持板を備えてもよい。
支持板は、少なくともガス拡散層に接する面に上記ガス流路構造を有していればよく、両面に上記ガス流路構造を有していてもよい。
燃料電池の単セルは、膜電極接合体と、当該膜電極接合体の少なくとも片面に支持板を備える。また、燃料電池の単セルは、膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚の支持板を備えてもよい。
支持板は、少なくともガス拡散層に接する面に上記ガス流路構造を有していればよく、両面に上記ガス流路構造を有していてもよい。
膜電極接合体は、触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える。
電解質膜は、固体高分子材料であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
２つの電極は、触媒層及びガス拡散層を含み、一方が酸化剤極（カソード）であり、もう一方が燃料極（アノード）である。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
支持板は、膜電極接合体の２つのガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接するように少なくとも１つ配置されていればよいが、膜電極接合体の２つのガス拡散層にそれぞれ支持板が隣接して配置されていてもよい。
支持板は、例えば、セパレータとして機能するものであってもよく、集電体として機能するものであってもよい。
セパレータとしては、上記「２．支持板」に記載のセパレータとして挙げられる材料等を挙げることができる。
支持板が備えるガス流路構造は、当該支持板の当該ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていればよく、当該支持板の両面に形成されていてもよい。
膜電極接合体は、通常、２枚の支持板でその両側を挟持され、アノードと支持板との間には燃料ガス流路が形成され、カソードと支持板との間には酸素含有ガス流路が形成される。
支持板は、例えば、セパレータとして機能するものであってもよく、集電体として機能するものであってもよい。
セパレータとしては、上記「２．支持板」に記載のセパレータとして挙げられる材料等を挙げることができる。
支持板が備えるガス流路構造は、当該支持板の当該ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていればよく、当該支持板の両面に形成されていてもよい。
膜電極接合体は、通常、２枚の支持板でその両側を挟持され、アノードと支持板との間には燃料ガス流路が形成され、カソードと支持板との間には酸素含有ガス流路が形成される。
（実施例１）
触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体と、当該膜電極接合体の２つのガス拡散層にそれぞれ隣接して配置される２つの支持板と、を有し、２つの当該支持板が、ガス流路構造を備え、ガス流路構造は、各支持板のガス拡散層に接する面に形成されている燃料電池を準備した。
支持板が備えるガス流路構造は、以下の通りである。
同一ガス流路内に、所定の数の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい所定の数の第２の領域と、を備える。
同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置されている。
隣り合うガス流路間で各第１の領域と各第２の領域とが交互に配置されている。
各第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を１つ備える。
第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）は、１．８４とした。
準備した燃料電池について所定の条件で運転を実施し、所定の電流密度における燃料電池の圧損及び電圧、並びに、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１～２、図３、図７、図８に示す。
図３は、上図が実施例１で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
実施例１では、圧損は２４ｋＰａであり、電圧は０．６１１５Ｖであり、平均潜り込み流速は０．４０ｍ／ｓであった。
触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体と、当該膜電極接合体の２つのガス拡散層にそれぞれ隣接して配置される２つの支持板と、を有し、２つの当該支持板が、ガス流路構造を備え、ガス流路構造は、各支持板のガス拡散層に接する面に形成されている燃料電池を準備した。
支持板が備えるガス流路構造は、以下の通りである。
同一ガス流路内に、所定の数の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい所定の数の第２の領域と、を備える。
同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置されている。
隣り合うガス流路間で各第１の領域と各第２の領域とが交互に配置されている。
各第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい第３の領域を１つ備える。
第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）は、１．８４とした。
準備した燃料電池について所定の条件で運転を実施し、所定の電流密度における燃料電池の圧損及び電圧、並びに、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１～２、図３、図７、図８に示す。
図３は、上図が実施例１で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
実施例１では、圧損は２４ｋＰａであり、電圧は０．６１１５Ｖであり、平均潜り込み流速は０．４０ｍ／ｓであった。
（比較例１）
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、１．００としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の圧損及び電圧、並びに、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１～２、図４、図７、図８に示す。
図４は、上図が比較例１で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
比較例１では、圧損は３２ｋＰａであり、電圧は０．６０３０Ｖであり、平均潜り込み流速は０．２１ｍ／ｓであった。
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、１．００としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の圧損及び電圧、並びに、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１～２、図４、図７、図８に示す。
図４は、上図が比較例１で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
比較例１では、圧損は３２ｋＰａであり、電圧は０．６０３０Ｖであり、平均潜り込み流速は０．２１ｍ／ｓであった。
（比較例２）
ガス流路構造において、第３の領域を設けなかったこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の圧損、及び、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１、図５、図７に示す。
図５は、上図が比較例２で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
比較例２では、圧損は１８ｋＰａであり、平均潜り込み流速は０．２０ｍ／ｓであった。
ガス流路構造において、第３の領域を設けなかったこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の圧損、及び、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１、図５、図７に示す。
図５は、上図が比較例２で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
比較例２では、圧損は１８ｋＰａであり、平均潜り込み流速は０．２０ｍ／ｓであった。
（比較例３）
ガス流路構造において、各第２の領域中に、第３の領域を設けず、その代わりに、各第１の領域中に、第３の領域を１つ設けたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の圧損、及び、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１、図６、図７に示す。
図６は、上図が比較例３で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
比較例３では、圧損は３５ｋＰａであり、平均潜り込み流速は０．３５ｍ／ｓであった。
ガス流路構造において、各第２の領域中に、第３の領域を設けず、その代わりに、各第１の領域中に、第３の領域を１つ設けたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の圧損、及び、支持板のリブからガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速を測定した。結果を表１、図６、図７に示す。
図６は、上図が比較例３で用いたガス流路構造のガス流路配置の模式図であり、下図が当該ガス流路配置箇所でのガス拡散層へのガス潜り込み流速を示す図である。
比較例３では、圧損は３５ｋＰａであり、平均潜り込み流速は０．３５ｍ／ｓであった。
図７は、実施例１と比較例１～３の各燃料電池の圧損に対するガス拡散層へのガスの平均潜り込み流速との関係を示す図である。
図８は、実施例１と比較例１の各燃料電池の運転時の電流密度に対する燃料電池の電圧と圧損との関係を示す図である。図８において、実線が電圧を示し、破線が圧損を示す。また、三角形が実施例１の値を示し、ひし形が比較例１の値を示す。
図８は、実施例１と比較例１の各燃料電池の運転時の電流密度に対する燃料電池の電圧と圧損との関係を示す図である。図８において、実線が電圧を示し、破線が圧損を示す。また、三角形が実施例１の値を示し、ひし形が比較例１の値を示す。
表１に示すように、実施例１の燃料電池は、比較例１、３の燃料電池よりも圧損が低く、比較例１～３の燃料電池よりも平均潜り込み流速が大きい、そのため、本開示のガス流路構造を備えた支持体を燃料電池に用いることにより、圧損の上昇を抑制し、且つ、平均潜り込み流速を大きくすることができ、燃料電池の安定した発電性能が得られることがわかる。
（実施例２）
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、１．１５としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例２では、電圧は０．６０８０Ｖであった。
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、１．１５としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例２では、電圧は０．６０８０Ｖであった。
（実施例３）
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、１．４２としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例３では、電圧は０．６１０５Ｖであった。
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、１．４２としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例３では、電圧は０．６１０５Ｖであった。
（実施例４）
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、２．２４としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例４では、電圧は０．６１００Ｖであった。
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、２．２４としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例４では、電圧は０．６１００Ｖであった。
（実施例５）
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、２．７４としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例５では、電圧は０．６０７８Ｖであった。
ガス流路構造において、第２の領域（狭溝）に対する第１の領域（広溝）の流路断面積比（広溝／狭溝）を、２．７４としたこと以外は実施例１と同様の条件の燃料電池を準備し、実施例１と同じ条件での所定の電流密度における燃料電池の電圧を測定した。結果を表２、図９に示す。
実施例５では、電圧は０．６０７８Ｖであった。
図９は、実施例１～５と比較例１の各燃料電池の電圧から導き出される、流路断面積比（広溝／狭溝）に対する燃料電池の電圧との関係を示す図である。
表２、図９に示すように、流路断面積比（広溝／狭溝）が１．１５～２．７４の範囲であれば燃料電池の電圧が高くなり、１．８４の場合が最も燃料電池の電圧が高くなることが実証された。
表２、図９に示すように、流路断面積比（広溝／狭溝）が１．１５～２．７４の範囲であれば燃料電池の電圧が高くなり、１．８４の場合が最も燃料電池の電圧が高くなることが実証された。
Claims (3)
- 触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体の、２つの当該ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板の当該ガス拡散層に接する面に形成された溝状の複数のガス流路を含むガス流路構造であって、
前記ガス流路は、同一ガス流路内に、２つ以上の第１の領域と、当該第１の領域よりも流路断面積が小さい２つ以上の第２の領域と、を備え、且つ、同一ガス流路内で各当該第１の領域と各当該第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、隣り合う前記ガス流路間で各前記第１の領域と各前記第２の領域とが交互に配置され、
前記ガス流路は、各前記第２の領域中に、当該第２の領域よりも流路断面積が小さい絞り部を少なくとも１つ備え、
前記第２の領域に対する前記第１の領域の流路断面積比が、１．１５以上２．７４以下であることを特徴とする燃料電池用のガス流路構造。 - 少なくとも一面に請求項１に記載のガス流路構造を備えることを特徴とする燃料電池用の支持板。
- 触媒層及びガス拡散層を含む２つの電極と、２つの当該触媒層の間に配置される電解質膜と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の２つの前記ガス拡散層のうちの少なくとも１つのガス拡散層に隣接して配置される少なくとも１つの支持板と、を有し、
前記支持板が、請求項１に記載のガス流路構造を備え、
前記ガス流路構造は、前記支持板の前記ガス拡散層に接する面に少なくとも形成されていることを特徴とする燃料電池。
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