JPWO2012007998A1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
燃料電池１０のアノードセパレータ３０は、相互に平行に配列されＭＥＡ２０に燃料ガスを流す複数のガス流路４５と、複数のガス流路４５に燃料ガスを供給する供給流路４２と、複数のガス流路４５から燃料ガスを回収する回収流路４８とを形成し、複数のガス流路４５は、供給流路４２と回収流路４８との間を連通するガス流路４５ａと、供給流路４２側が閉塞されたガス流路４５ｂとを含む。
Description
本発明は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部において反応ガスを流すガス流路に関する。
燃料電池としては、電解質膜の両面に電極層を接合した複数の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、これら膜電極接合体の各間を隔離するセパレータとを交互に積層し、ＭＥＡの電極面に反応ガスを流すガス流路をセパレータによって形成したものが知られている。
従来、ガス流路の形状によって燃料電池の発電効率を高めるために、反応ガスの供給側に連通する供給流路と、反応ガスの回収側に連通する回収流路とを、それぞれ櫛歯状とし相互に噛み合うように分離して形成した燃料電池が提案されていた（例えば、特許文献１）。
しかしながら、相互に噛み合う櫛歯状の流路構造では、発電に伴って供給流路内に発生した生成水が、櫛歯状の供給流路における先端の閉塞した領域に移動して滞留し、その滞留した生成水がＭＥＡに対する反応ガスの供給を阻害するため、発電性能が低下し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、燃料電池の発電性能を向上させる技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
（適用例１） 適用例１の燃料電池は、燃料電池であって、電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に相互に並べて配列され、反応ガスの供給側から回収側に向けて前記膜電極接合体に前記反応ガスを流す複数のガス流路とを備え、前記複数のガス流路は、前記供給側と前記回収側との間を連通するガス流路である第１ガス流路と、前記供給側が閉塞されたガス流路である第２ガス流路とを含むことを特徴とする。適用例１の燃料電池によれば、反応ガスを第１ガス流路の供給側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと移動させると共に、第１ガス流路の回収側における生成水の滞留を抑制することができる。これによって、複数のガス流路における供給側では、膜電極接合体に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路における回収側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。その結果、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
（適用例２） 適用例１の燃料電池において、前記複数のガス流路は、前記膜電極接合体のアノード側に設けられ、前記膜電極接合体のカソード側における酸化ガスの流れに対向する方向で、前記アノード側に燃料ガスを流すと良い。適用例２の燃料電池によれば、アノード側で燃料ガスを第１ガス流路の供給側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと移動させることによって、カソード側の下流で比較的に多い水分を用いて燃料ガスを加湿することができる。
（適用例３） 適用例１または適用例２の燃料電池において、前記膜電極接合体は、前記複数のガス流路を流れる反応ガスを前記電極層に拡散させる拡散層を含み、前記拡散層の前記回収側における反応ガスが透過する度合である透気度は、前記拡散層の前記供給側よりも大きいと良い。適用例３の燃料電池によれば、複数のガス流路における回収側におけるガス拡散性能を向上させることができる。
適用例３の燃料電池において、前記拡散層の前記回収側におけるマイクロポーラス層の厚さは、前記拡散層の前記供給側よりも小さくても良い。これによって、供給側よりも回収側で透気度が大きい拡散層を容易に実現することができる。
適用例３の燃料電池において、前記拡散層は、前記供給側に設けられた第１拡散層と、前記回収側に設けられ、前記第１拡散層よりも透気度が大きい第２拡散層とを含むとしても良い。これによって、供給側よりも回収側で透気度が大きい拡散層を容易に実現することができる。
適用例３の燃料電池において、前記拡散層の前記回収側における厚さ方向の圧縮応力は、前記拡散層の前記供給側よりも小さくても良い。これによって、供給側よりも回収側で透気度が大きい拡散層を容易に実現することができる。
（適用例４） 適用例１ないし適用例３のいずれかの燃料電池は、更に、前記複数のガス流路から反応ガスを回収する回収流路と、前記回収流路に突設され、前記第１ガス流路から流出する反応ガスに対して、前記第２ガス流路から流出する反応ガスよりも大きな圧力損失を発生させる突出部とを備えても良い。適用例４の燃料電池によれば、第１ガス流路の回収側の圧力を、第２ガス流路の回収側の圧力よりも増大させることによって、反応ガスを第１ガス流路の回収側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと流動させることができる。これによって、複数のガス流路における回収側でのガス拡散性能を向上させることができる。
（適用例５） 適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池において、前記第１ガス流路および前記第２ガス流路を交互に配列して前記複数のガス流路を構成しても良い。適用例５の燃料電池によれば、複数のガス流路において、供給側でのガス拡散性能の向上と、回収側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
（適用例６） 適用例１ないし適用例５のいずれかの燃料電池において、前記複数のガス流路は、更に、前記回収側が閉塞されたガス流路である第３ガス流路を含むとしても良い。適用例６の燃料電池によれば、反応ガスを第３ガス流路の回収側から膜電極接合体を潜らせ第２ガス流路へと移動させることができる。これによって、複数のガス流路における回収側でのガス拡散性能を向上させることができる。
（適用例７） 適用例６の燃料電池において、前記第１ガス流路、前記第２ガス流路、前記第３ガス流路、前記第２ガス流路の順で繰り返し配列して前記複数のガス流路を構成しても良い。適用例７の燃料電池によれば、複数のガス流路において、供給側および回収側でのガス拡散性能の向上と、回収側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法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．第１実施例：
図１は、燃料電池１０の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池１０で用いられる燃料ガスは、貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスであるが、他の実施形態において、水素吸蔵合金に貯蔵され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。本実施例では、燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、外気から取り込まれた空気である。
図１は、燃料電池１０の構成を示す説明図である。燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池１０で用いられる燃料ガスは、貯蔵タンクに貯蔵された水素ガスであるが、他の実施形態において、水素吸蔵合金に貯蔵され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。本実施例では、燃料電池１０で用いられる酸化ガスは、外気から取り込まれた空気である。
燃料電池１０は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う複数のセル１５を備え、これら複数のセル１５は相互に積層されている。燃料電池１０のセル１５は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、アノードセパレータ３０と、カソードセパレータ５０とを備える。ＭＥＡ２０は、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０との間に挟持されている。
燃料電池１０のＭＥＡ２０は、電解質膜２１０と、アノード電極２３０と、カソード電極２５０とを備える。ＭＥＡ２０のアノード電極２３０は、アノード触媒層２３１と、アノード拡散層２３５とを含み、ＭＥＡ２０のカソード電極２５０は、カソード触媒層２５１と、カソード拡散層２５５とを含む。電解質膜２１０の一方の面には、アノード触媒層２３１、アノード拡散層２３５の順に積層してアノード電極２３０が接合されている。電解質膜２１０における他方の面には、カソード触媒層２５１、カソード拡散層２５５の順に積層してカソード電極２５０が接合されている。
ＭＥＡ２０の電解質膜２１０は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体であり、本実施例では、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。ＭＥＡ２０のアノード触媒層２３１およびカソード触媒層２５１は、ガス透過性，導電性を有し、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）を担持した材料で形成され、本実施例では、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５およびカソード拡散層２５５は、ガス透過性，導電性を有する材料で形成され、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形成することができる。本実施例では、アノード拡散層２３５およびカソード拡散層２５５における反応ガスが透過する度合である透気度は、全面にわたって略均一である。
燃料電池１０のアノードセパレータ３０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５の面上に燃料ガスを流す複数のガス流路４５を有し、燃料電池１０のカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０のカソード拡散層２５５の面上に酸化ガスを流す複数のガス流路６５を有する。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、ＭＥＡ２０で生じた電気の集電に十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ２０に反応ガスを流すのに十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施例では、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ５０は、カーボン樹脂で形成されているが、他の実施形態において、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスで形成しても良い。本実施例では、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とを別々に構成したが、他の実施形態において、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とを一体的に構成しても良い。
図２は、アノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図２には、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。アノードセパレータ３０は、外壁部３１０と、孔部３１１〜３１６と、複数の突出部３２２と、複数の隔壁部３５０と、複数の閉塞部３５２と、複数の突出部３８２とを備える。アノードセパレータ３０の外壁部３１０、隔壁部３５０、閉塞部３５２は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接する部位である。アノードセパレータ３０は、これらの部位によって区画された流路として、供給流路４２と、複数のガス流路４５と、回収流路４８とを形成する。本実施例では、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状は、長方形である。図２では、アノードセパレータ３０によって形成される各種流路の形状認識を容易にするために、外壁部３１０、突出部３２２、隔壁部３５０、閉塞部３５２および突出部３８２にハッチングを施した。
アノードセパレータ３０の孔部３１１〜３１６は、アノードセパレータ３０を貫通する孔を形成する。孔部３１１、孔部３１２、孔部３１３は、長方形のアノードセパレータ３０における一方の短辺に沿って順に設けられ、孔部３１４、孔部３１５、孔部３１６は、長方形のアノードセパレータ３０における他方の短辺に沿って順に設けられている。本実施例では、孔部３１１は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための燃料ガスを流す流路の一部を構成し、孔部３１６は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された燃料ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部３１４は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、孔部３１３は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、孔部３１２は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための冷却水を流す流路の一部を構成し、孔部３１５は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された冷却水を流す流路の一部を構成する。
本実施例では、アノードセパレータ３０とカソードセパレータ５０とは同じ部品であり、アノードセパレータ３０の孔部３１６に対応するカソードセパレータ５０の部位は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々に供給するための酸化ガスを流す流路の一部を構成し、アノードセパレータ３０の孔部３１１に対応するカソードセパレータ５０の部位は、燃料電池１０における複数のセル１５の各々から回収された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。本実施例では、アノードセパレータ３０の複数のガス流路４５における燃料ガスの流れは、ＭＥＡ２０を挟んで、カソードセパレータ５０の複数のガス流路６５における酸化ガスの流れに対向する方向となる。
アノードセパレータ３０の外壁部３１０は、ＭＥＡ２０において発電が行われる部位に対応する発電領域４０を、孔部３１１および孔部３１６に連通させた状態で囲繞する。アノードセパレータ３０の複数の隔壁部３５０は、長方形のアノードセパレータ３０における長辺と平行な方向に筋状の凸条として発電領域４０に延在し、相互に離間して等間隔で設けられ、外壁部３１０と隔壁部３５０との間、および隔壁部３５０同士の間には、複数のガス流路４５が形成されている。本実施例では、発電領域４０は、アノードセパレータ３０の中央に位置する矩形状の領域である。発電領域４０には、孔部３１１側から孔部３１６側へ順に、供給流路４２、複数のガス流路４５、回収流路４８が形成されている。
アノードセパレータ３０の供給流路４２は、矩形状の発電領域４０における孔部３１１側の一辺に沿って形成され、孔部３１１から供給された燃料ガスを複数のガス流路４５の各々に分配して供給しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを拡散させる。本実施例では、供給流路４２には、燃料ガスの流れを調整するために、複数の突出部３２２が相互に離間した状態でＭＥＡ２０に向けて突設されている。
アノードセパレータ３０の回収流路４８は、矩形状の発電領域４０における孔部３１６側の一辺に沿って形成され、複数のガス流路４５から回収した燃料ガスを孔部３１６へ排出しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを拡散させる。本実施例では、回収流路４８には、燃料ガスの流れを調整するために、複数の突出部３８２が相互に離間した状態でＭＥＡ２０に向けて突設されている。
アノードセパレータ３０の複数のガス流路４５は、矩形状の発電領域４０における供給流路４２と回収流路４８との間に形成され、供給流路４２側の上流部Ｓｕから回収流路４８側の下流部Ｓｄに向けて燃料ガスを流しつつ、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に燃料ガスを拡散させる。複数のガス流路４５は、供給流路４２と回収流路４８との間を連通する第１ガス流路であるガス流路４５ａと、供給流路４２側が閉塞部３５２によって閉塞された第２ガス流路であるガス流路４５ｂとを含む。なお、本実施例の説明では、ガス流路４５ａとガス流路４５ｂとを区別する場合、符号「４５ａ」，「４５ｂ」を用いてガス流路を示し、ガス流路４５ａ，４５ｂを総称する場合、符号「４５」を用いてガス流路を示す。
本実施例では、ガス流路４５の流路断面積は、上流部Ｓｕから下流部Ｓｄにわたって略同じである。本実施例では、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂを交互に配列して複数のガス流路４５を構成したが、他の実施形態において、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの少なくとも一方を二個以上連続して配列しても良い。本実施例では、隔壁部３５０および閉塞部３５２は、外壁部３１０と共に一体的に形成されているが、他の実施形態において、隔壁部３５０および閉塞部３５２の少なくとも一方を別部材として形成しても良い。本実施例では、隔壁部３５０における供給流路４２側の端部に閉塞部３５２を設けたが、これに限るものではなく、少なくとも隔壁部３５０における中央よりも供給流路４２側であれば良い。
図２には、発電領域４０を流れる燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示し、隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂに流入する燃料ガスの流れを黒色の矢印を用いて図示した。ガス流路４５ａは、供給流路４２から回収流路４８へと連通するため、発電に伴ってガス流路４５ａ内に発生した生成水は、ガス流路４５ａ内に滞留することなく、回収流路４８へと排出される。ガス流路４５ｂの供給流路４２側では、閉塞部３５２によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｂには、ガス流路４５ａからＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を通じて隔壁部３５０を潜り抜けて燃料ガスが流入する。
図３は、第１実施例におけるガス流路４５の特性を示す説明図である。図３には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布を図示した。図３の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図３の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図３の流路間流量分布は、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。
図３に示すように、上流部Ｓｕでは、ガス流路４５ａの圧力は、上流部Ｓｕが閉塞されたガス流路４５ｂの圧力よりも大きい。ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力は、下流部Ｓｄに向かうに従って、双方の圧力差を狭めつつ低下し、下流部Ｓｄでは同じ圧力となる。ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、ガス流路４５ａとガス流路４５ｂとの間の圧力差に応じて、上流部Ｓｕから下流部Ｓｄに向けて徐々に低下する。
以上説明した第１実施例の燃料電池１０によれば、反応ガスをガス流路４５ａの供給流路４２側からＭＥＡ２０を潜らせガス流路４５ｂへと移動させると共に、ガス流路４５ａの回収流路４８側における生成水の滞留を抑制することができる。これによって、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。
また、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂを交互に配列して複数のガス流路４５を構成したため、複数のガス流路４５において、供給流路４２側でのガス拡散性能の向上と、回収流路４８側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
また、複数のガス流路４５は、ＭＥＡ２０のカソード側における酸化ガスの流れに対向する方向で、ＭＥＡ２０のアノード側に燃料ガスを流すため、アノード側で燃料ガスをガス流路４５ａの供給流路４２側からアノード拡散層２３５を経由してガス流路４５ｂへと移動させることによって、カソード側の下流で比較的に多い水分を用いて燃料ガスを加湿することができる。
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池１０は、アノードセパレータ３０における複数のガス流路４５の構成が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図４は、第２実施例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図４には、図２と同様に、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。第２実施例のアノードセパレータ３０は、複数のガス流路４５の一部を区画する閉塞部３５４を備える点を除き、第１実施例と同様である。アノードセパレータ３０の閉塞部３５４は、閉塞部３５２と同様に、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接する部位である。
第２実施例の燃料電池１０は、アノードセパレータ３０における複数のガス流路４５の構成が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図４は、第２実施例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図４には、図２と同様に、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。第２実施例のアノードセパレータ３０は、複数のガス流路４５の一部を区画する閉塞部３５４を備える点を除き、第１実施例と同様である。アノードセパレータ３０の閉塞部３５４は、閉塞部３５２と同様に、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５に当接する部位である。
第２実施例のガス流路４５は、供給流路４２と回収流路４８との間を連通する第１ガス流路であるガス流路４５ａと、供給流路４２側が閉塞部３５２によって閉塞された第２ガス流路であるガス流路４５ｂとに加え、回収流路４８側が閉塞部３５４によって閉塞された第３ガス流路であるガス流路４５ｃを備える。なお、本実施例の説明では、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃの各々を区別する場合、符号「４５ａ」，「４５ｂ」，「４５ｃ」を用いてガス流路を示し、ガス流路４５ａ，４５ｂ，４５ｃを総称する場合、符号「４５」を用いてガス流路を示す。
本実施例では、ガス流路４５の流路断面積は、上流部Ｓｕから下流部Ｓｄにわたって略同じである。本実施例では、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂ、ガス流路４５ｃ、ガス流路４５ｂの順で繰り返し配列して複数のガス流路４５を構成したが、他の実施形態において、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃの少なくとも一つを二個以上連続して配列しても良いし、順序を入れ替えても良い。本実施例では、隔壁部３５０、閉塞部３５２、閉塞部３５４は、外壁部３１０と共に一体的に形成されているが、他の実施形態において、隔壁部３５０、閉塞部３５２および閉塞部３５４の少なくとも一つを別部材として形成しても良い。本実施例では、隔壁部３５０における回収流路４８側の端部に閉塞部３５４を設けたが、これに限るものではなく、少なくとも隔壁部３５０における中央から回収流路４８側であれば良い。
図４には、発電領域４０を流れる燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示し、隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃに流入する燃料ガスの流れを黒色の矢印を用いて図示した。ガス流路４５ａは、供給流路４２から回収流路４８へと連通するため、発電に伴ってガス流路４５ａ内に発生した生成水は、ガス流路４５ａ内に滞留することなく、回収流路４８へと排出される。ガス流路４５ｂの供給流路４２側では、閉塞部３５２によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｂには、ガス流路４５ａからＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を通じて隔壁部３５０を潜り抜けて燃料ガスが流入する。ガス流路４５ｃの回収流路４８側では、閉塞部３５４によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｃの回収流路４８側では、ガス流路４５ａの回収流路４８側よりも多くの燃料ガスが隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂへと流入する。
図５は、第２実施例におけるガス流路４５の特性を示す説明図である。図５には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布を図示した。図５の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図５の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図５の圧力分布（下流閉塞）は、ガス流路４５ｃを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図５の流路間流量分布は、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｃからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。
図５に示すように、ガス流路４５ａの圧力は、上流部Ｓｕでは、上流部Ｓｕが閉塞されたガス流路４５ｂの圧力よりも大きい。ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力は、下流部Ｓｄに向かうに従って、双方の圧力差を狭めつつ低下し、下流部Ｓｄでは同じ圧力となる。下流部Ｓｄが閉塞されたガス流路４５ｃの圧力は、上流部Ｓｕではガス流路４５ａと同じ圧力であるが、下流部Ｓｄに向かうに従って、ガス流路４５ａとの圧力差を拡げつつ低下し、下流部Ｓｄではガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂよりも大きな圧力となる。ガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、下流部Ｓｄ側でガス流路４５ｂとガス流路４５ｃとの間に圧力差が存在するため、第１実施例の流路間流量分布と比較して下流部Ｓｄ側で増加する。
以上説明した第２実施例の燃料電池１０によれば、第１実施例と同様に、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と比較して、複数のガス流路４５における回収流路４８側でのガス拡散性能を向上させることができる。
また、ガス流路４５ａ、ガス流路４５ｂ、ガス流路４５ｃ、ガス流路４５ｂの順で繰り返し配列して複数のガス流路４５を構成したため、複数のガス流路４５において、供給流路４２側および回収流路４８側でのガス拡散性能の向上と、回収流路４８側での生成水の滞留抑制とを、均一に実現することができる。
Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５の透気度特性が異なる点を除き、第１実施例と同様である。第１実施例では、アノード拡散層２３５の透気度は、全面にわたって略均一であるとしたが、第３実施例では、アノードセパレータ３０の供給流路４２に対応する側よりも回収流路４８に対応する側で大きくなる。
第３実施例の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５の透気度特性が異なる点を除き、第１実施例と同様である。第１実施例では、アノード拡散層２３５の透気度は、全面にわたって略均一であるとしたが、第３実施例では、アノードセパレータ３０の供給流路４２に対応する側よりも回収流路４８に対応する側で大きくなる。
本実施例では、撥水性樹脂および導電性材料を主成分とするマイクロポーラス層をアノード拡散層２３５に形成する厚さを、供給流路４２側よりも回収流路４８側で小さくすることによって、供給流路４２側よりも回収流路４８側で透気度が大きいアノード拡散層２３５を実現する。他の実施形態において、透気度の異なる複数の拡散層部材を透気度が小さい順に供給流路４２側から回収流路４８側へ配置してアノード拡散層２３５を構成することによって、供給流路４２側よりも回収流路４８側で透気度が大きいアノード拡散層２３５を実現しても良い。また、他の実施形態において、アノード拡散層２３５およびアノードセパレータ３０の少なくとも一方の厚さを供給流路４２側よりも回収流路４８側で小さくして、アノード拡散層２３５の回収流路４８側における厚さ方向の圧縮応力を供給流路４２側よりも小さくすることによって、供給流路４２側よりも回収流路４８側で透気度が大きいアノード拡散層２３５を実現しても良い。
図６は、第３実施例におけるガス流路４５およびアノード拡散層２３５の特性を示す説明図である。図６には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量、ならびに透気度を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布、ならびに拡散層透気度分布を図示した。図６の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図６の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図６の拡散層透気度分布は、アノード拡散層２３５の透気度分布を示す。図６の流路間流量分布は、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。図６に示すように、ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力分布の傾向は、第１実施例と同様であるが、アノード拡散層２３５の透気度が上流部Ｓｕから下流部Ｓｄに向かうに従って大きくなるため、ガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、第１実施例の流路間流量分布と比較して下流部Ｓｄ側で増加する。
以上説明した第３実施例の燃料電池１０によれば、第１実施例と同様に、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と比較して、複数のガス流路４５における回収流路４８側でのガス拡散性能を向上させることができる。
Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池１０は、アノードセパレータ３０における回収流路４８の構成が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図７は、第４実施例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図７には、図２と同様に、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。第４実施例のアノードセパレータ３０は、回収流路４８に突設された突出部３８４を備える点を除き、第１実施例と同様である。アノードセパレータ３０の突出部３８４は、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。本実施例では、突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、突出部３８２よりも大きな楕円柱状であり、その長軸方向はガス流路４５ａの流れ方向に直交し、長軸方向の大きさはガス流路４５ａの幅よりも大きい。
第４実施例の燃料電池１０は、アノードセパレータ３０における回収流路４８の構成が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図７は、第４実施例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。図７には、図２と同様に、ＭＥＡ２０側から見たアノードセパレータ３０の形状を図示した。第４実施例のアノードセパレータ３０は、回収流路４８に突設された突出部３８４を備える点を除き、第１実施例と同様である。アノードセパレータ３０の突出部３８４は、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。本実施例では、突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、突出部３８２よりも大きな楕円柱状であり、その長軸方向はガス流路４５ａの流れ方向に直交し、長軸方向の大きさはガス流路４５ａの幅よりも大きい。
図７には、発電領域４０を流れる燃料ガスの流れを白抜きの矢印を用いて図示し、隔壁部３５０を潜り抜けてガス流路４５ｂおよびガス流路４５ｃに流入する燃料ガスの流れを黒色の矢印を用いて図示した。ガス流路４５ａは、供給流路４２から回収流路４８へと連通するため、発電に伴ってガス流路４５ａ内に発生した生成水は、ガス流路４５ａ内に滞留することなく、回収流路４８へと排出される。ガス流路４５ｂの供給流路４２側では、閉塞部３５２によって燃料ガスの流れが遮断されるため、ガス流路４５ｂには、ガス流路４５ａからＭＥＡ２０のアノード拡散層２３５を通じて隔壁部３５０を潜り抜けて燃料ガスが流入する。
図８は、第４実施例におけるガス流路４５の特性を示す説明図である。図８には、ガス流路４５における上流部Ｓｕから下流部Ｓｄまでの位置を横軸に設定し、燃料ガスの圧力および流量を縦軸に設定して、ガス流路４５における圧力分布および流路間流量分布を図示した。図８の圧力分布（連通）は、ガス流路４５ａを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図８の圧力分布（上流閉塞）は、ガス流路４５ｂを流れる燃料ガスの圧力分布を示す。図８の流路間流量分布は、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへと潜り抜けて移動する燃料ガスの流量を示す。
図８に示すように、ガス流路４５ａの圧力は、上流部Ｓｕでは、上流部Ｓｕが閉塞されたガス流路４５ｂの圧力よりも大きい。ガス流路４５ａおよびガス流路４５ｂの圧力は、下流部Ｓｄに向かうに従って、双方の圧力差を狭めつつ低下する。第３実施例では、回収流路４８に突設された突出部３８４によって、ガス流路４５ａの回収流路４８側の圧力はガス流路４５ｂの圧力よりも大きくなるため、ガス流路４５ａからガス流路４５ｂへの流路間流量分布は、第１実施例の流路間流量分布と比較して下流部Ｓｄ側で増加する。
図９は、第４実施例の第１変形例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。第１変形例のアノードセパレータ３０は、突出部３８４の形状が異なる点を除き、図７のアノードセパレータ３０と同様である。第１変形例の突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、ガス流路４５ａの流れ方向に直交する壁面の両端をガス流路４５ｂに向けてそれぞれ折り曲げた形状であり、図７の突出部３８４と同様に、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。
図１０は、第４実施例の第２変形例におけるアノードセパレータ３０の詳細構成を示す説明図である。第２変形例のアノードセパレータ３０は、突出部３８４の形状が異なる点を除き、図７のアノードセパレータ３０と同様である。第２変形例の突出部３８４は、回収流路４８におけるガス流路４５ａの延長線上に配置され、「Ｌ」字状の壁面の頂点をガス流路４５ａに向けた形状であり、図７の突出部３８４と同様に、ガス流路４５ａから流出す燃料ガスに対して、ガス流路４５ｂから流出する燃料ガスよりも大きな圧力損失を発生させる。
以上説明した第４実施例の燃料電池１０によれば、第１実施例と同様に、複数のガス流路４５における供給流路４２側では、ＭＥＡ２０に反応ガスを拡散させるガス拡散性能を向上させることができ、複数のガス流路４５における回収流路４８側では、生成水の滞留によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。また、第１実施例と比較して、複数のガス流路４５における回収流路４８側でのガス拡散性能を向上させることができる。
Ｅ．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る。例えば、回収流路４８側が閉塞されたガス流路４５ｃを備える第２実施例の燃料電池１０に、第３実施例のアノード拡散層２３５を適用しても良いし、第４実施例の突出部３８４を適用しても良い。
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る。例えば、回収流路４８側が閉塞されたガス流路４５ｃを備える第２実施例の燃料電池１０に、第３実施例のアノード拡散層２３５を適用しても良いし、第４実施例の突出部３８４を適用しても良い。
また、上述の実施例では、カソードセパレータ５０は、アノードセパレータ３０と同じ部品であり、双方の流路構成が同様であったが、他の実施形態において、カソードセパレータ５０の流路構造は、相互に噛み合う櫛歯状の流路構成であっても良いし、多孔体で形成された流路構成であっても良いし、閉塞させることなく相互に平行に配列した流路構成であっても良い。また、上述の実施例における複数のガス流路４５と供給流路４２との間に、相互に噛み合う櫛歯状のガス流路を設けても良い。
Claims (7)
- 燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極層を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の少なくとも一方の面に相互に並べて配列され、反応ガスの供給側から回収側に向けて前記膜電極接合体に前記反応ガスを流す複数のガス流路と
を備え、
前記複数のガス流路は、
前記供給側と前記回収側との間を連通するガス流路である第１ガス流路と、
前記供給側が閉塞されたガス流路である第２ガス流路と
を含む、燃料電池。 - 前記複数のガス流路は、前記膜電極接合体のアノード側に設けられ、前記膜電極接合体のカソード側における酸化ガスの流れに対向する方向で、前記アノード側に燃料ガスを流す請求項１に記載の燃料電池。
- 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記膜電極接合体は、前記複数のガス流路を流れる反応ガスを前記電極層に拡散させる拡散層を含み、
前記拡散層の前記回収側における反応ガスが透過する度合である透気度は、前記拡散層の前記供給側よりも大きい、燃料電池。 - 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池であって、更に、
前記複数のガス流路から反応ガスを回収する回収流路と、
前記回収流路に突設され、前記第１ガス流路から流出する反応ガスに対して、前記第２ガス流路から流出する反応ガスよりも大きな圧力損失を発生させる突出部と
を備える燃料電池。 - 前記第１ガス流路および前記第２ガス流路を交互に配列して前記複数のガス流路を構成した請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記複数のガス流路は、更に、前記回収側が閉塞されたガス流路である第３ガス流路を含む、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記第１ガス流路、前記第２ガス流路、前記第３ガス流路、前記第２ガス流路の順で繰り返し配列して前記複数のガス流路を構成した請求項６に記載の燃料電池。
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