特開2020-47518(P2020-47518A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-47518(P2020-47518A)
(43)【公開日】2020年3月26日
(54)【発明の名称】燃料電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/0258 20160101AFI20200303BHJP
   H01M 8/0263 20160101ALI20200303BHJP
   H01M 8/10 20160101ALN20200303BHJP
【FI】
   H01M8/0258
   H01M8/0263
   H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】1
【出願形態】OL
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2018-176378(P2018-176378)
(22)【出願日】2018年9月20日
(71)【出願人】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社SOKEN
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】加藤 英明
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 丈明
【テーマコード(参考)】
5H126
【Fターム(参考)】
5H126AA08
5H126BB06
5H126DD04
5H126DD05
5H126EE05
5H126EE24
5H126EE27
(57)【要約】
【課題】膜電極接合体のリブ下拡大部に対向する位置に水が溜まることを抑制できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池1は、MEGA3と、MEGA3を挟持するアノード側セパレータ4及びカソード側セパレータ5と、MEGA3とカソード側セパレータ5との間に設けられ、平面視で連続して延在する屈曲部からなる蛇行状に形成される酸化剤ガス流路13と、を備える。カソード側セパレータ5は、酸化剤ガス流路13のガス流れ方向Xと平行な縁部に設けられるとともに、MEGA3側に突出するリブ下拡大部53を有する。ガス流れ方向Xと平行な縁部において、リブ下拡大部53の外側には、酸化剤ガス流路13よりも圧損の大きい高圧損流路14が設けられている。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に設けられ、平面視で連続して延在する屈曲部からなる蛇行状に形成されるガス流路と、
を備える燃料電池であって、
前記セパレータは、前記ガス流路のガス流れ方向と平行な縁部に設けられるとともに、前記膜電極接合体側に突出するリブ下拡大部を有し、
前記ガス流路のガス流れ方向と平行な縁部において、前記リブ下拡大部の外側には、前記ガス流路よりも圧損の大きい高圧損流路が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層することにより形成され、供給される酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電することが知られている。例えば特許文献1に記載の燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に設けられるとともに平面視で波状に形成されるガス流路とを備えており、セパレータは、ガス流路のガス流れ方向と平行な縁部に設けられ、膜電極接合体側に突出するリブ下拡大部を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2011−60599号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、上述の燃料電池では、膜電極接合体のリブ下拡大部と対向する位置は、リブ下拡大部と当接するので、該位置にガスが拡散し難い。このため、ガスが電極触媒層に到達し難く、膜電極接合体のリブ下拡大部と対向する位置に水が溜まる問題が生じている。
【0005】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、膜電極接合体のリブ下拡大部と対向する位置に水が溜まることを抑制できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に設けられ、平面視で連続して延在する屈曲部からなる蛇行状に形成されるガス流路と、を備える燃料電池であって、前記セパレータは、前記ガス流路のガス流れ方向と平行な縁部に設けられるとともに、前記膜電極接合体側に突出するリブ下拡大部を有し、前記ガス流路のガス流れ方向と平行な縁部において、前記リブ下拡大部の外側には、前記ガス流路よりも圧損の大きい高圧損流路が設けられていることを特徴としている。
【0007】
本発明に係る燃料電池では、ガス流路のガス流れ方向と平行な縁部において、リブ下拡大部の外側にガス流路よりも圧損の大きい高圧損流路が設けられているので、高圧損流路からリブ下拡大部を跨いでガス流路に向かうガスの流れを生じさせることができる。このガスの流れによって、膜電極接合体のリブ下拡大部に対向する位置に溜まった水を排出させることができるので、膜電極接合体のリブ下拡大部に対向する位置に水が溜まることを抑制できる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、膜電極接合体のリブ下拡大部に対向する位置に水が溜まることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】第1実施形態に係る燃料電池の要部を示す平面図である。
図2図1のA−A線に沿う断面図である。
図3】第1実施形態に係る燃料電池の変形例を示す平面図である。
図4】第1実施形態に係る燃料電池の変形例を示す平面図である。
図5】第2実施形態に係る燃料電池を示す部分断面図である。
図6】第3実施形態に係る燃料電池の要部を示す平面図である。
図7図6のB−B線に沿う断面図である。
図8】第4実施形態に係る燃料電池を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複説明を省略する。また、各図において、燃料電池内部のガス流れ方向を「ガス流れ方向X」、燃料電池を構成する燃料電池セルの積層方向を「積層方向Z」、ガス流れ方向X及び積層方向Zに直交する方向を「燃料電池の幅方向Y」とする。更に、下記の説明において「内側」及び「外側」は、特に言及しない限り、燃料電池の幅方向Yを基準にする。
【0011】
[第1実施形態]
図1は第1実施形態に係る燃料電池の要部を示す平面図であり、図2図1のA−A線に沿う断面図である。本実施形態に係る燃料電池1は、例えば車両、船舶、航空機、電車等に搭載されて駆動源として用いられ、或いは建物の発電設備として用いられる。この燃料電池1は、基本単位である燃料電池セル2が積層方向Zに複数積層された状態で、締結部材(図示せず)によって一体化されたスタック構造となっている。
【0012】
燃料電池セル2は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素ガス)との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池であり、略薄板状に形成されている。燃料電池セル2は、矩形板状のMEGA(膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)3と、積層方向Zに沿ってMEGA3の両側に配置されるとともにMEGA3を挟持する一対のセパレータ(すなわち、アノード側セパレータ4及びカソード側セパレータ5)とを備えている。
【0013】
MEGA3は、矩形板状のMEA(膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly)6と、積層方向Zに沿ってMEA6の両側に配置される一対のガス拡散層(すなわち、アノード側ガス拡散層7及びカソード側ガス拡散層8)とが、一体化されたものである。MEA6は、電解質膜9と、電解質膜9を挟むように接合された一対の電極触媒層(すなわち、アノード側電極触媒層10及びカソード側電極触媒層11)とからなる。
【0014】
アノード側ガス拡散層7とカソード側ガス拡散層8は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材によってそれぞれ形成されている。電解質膜9は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。アノード側電極触媒層10とカソード側電極触媒層11は、例えば白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材によってそれぞれ形成されている。
【0015】
本実施形態において、MEGA3は燃料電池セル2の発電部を構成している。アノード側セパレータ4はMEGA3のアノード側ガス拡散層7、カソード側セパレータ5はMEGA3のカソード側ガス拡散層8に接するように配置されている。なお、ガス拡散層は必ずしも必要ではなく、該ガス拡散層が省略されたMEA6を備える燃料電池セルの場合もある。その際に、MEA6が燃料電池セル2の発電部を構成することになり、アノード側セパレータ4はMEA6のアノード側電極触媒層10、カソード側セパレータ5はMEA6のカソード側電極触媒層11に直接に接するようになる。
【0016】
アノード側セパレータ4とカソード側セパレータ5は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって、それぞれ形成されている。
【0017】
本実施形態において、燃料電池1は、アノード側セパレータ4とMEGA3との間に設けられるとともに燃料電池セル2に燃料ガスを供給する燃料ガス流路12と、カソード側セパレータ5とMEGA3との間に設けられるとともに燃料電池セル2に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路13とをそれぞれ複数備えている。
【0018】
具体的には、アノード側セパレータ4は、断面視において、燃料電池の幅方向Yに沿って凸部41と凹部42とを交互に繰り返すことにより波状に形成されている(図2参照)。凸部41は、MEGA3側に突出しており、その頂部が平面状を呈しており、MEGA3のアノード側ガス拡散層7と面接触している。一方、凹部42の底部も平面状を呈しており、隣接する燃料電池セル2のカソード側セパレータ5における凹部52の底部と面接触している(図示せず)。なお、断面視において、凸部41はその中心に対して左右対称な形状となるように形成されており、同様に、凹部42もその中心に対して左右対称な形状となるように形成されている。
【0019】
同様に、カソード側セパレータ5は、断面視において、燃料電池の幅方向Yに沿って凸部51と凹部52とを交互に繰り返すことにより波状に形成されている(図2参照)。凸部51は、MEGA3側に突出しており、その頂部が平面状を呈しており、MEGA3のカソード側ガス拡散層8と面接触している。一方、凹部52の底部も平面状を呈している。なお、断面視において、凸部51はその中心に対して左右対称な形状となるように形成されており、同様に、凹部52もその中心に対して左右対称な形状となるように形成されている。
【0020】
アノード側セパレータ4の凹部42は、アノード側ガス拡散層7とともに、燃料ガス流路12を構成している。カソード側セパレータ5の凹部52は、カソード側ガス拡散層8とともに、酸化剤ガス流路13を構成している。そして、平面視において、燃料ガス流路12と酸化剤ガス流路13とは、それぞれガス流れ方向Xに沿って連続して延在する屈曲部からなる蛇行状、より具体的には波状に形成されている(図1参照)。
【0021】
図示しないが、燃料電池セル2同士は、積層方向Zにおいてある燃料電池セル2のアノード側セパレータ4と、それに隣接する他の燃料電池セル2のカソード側セパレータ5とを向き合わせた状態で積層されている。これによって、隣接するアノード側セパレータ4の凸部41とカソード側セパレータ5の凸部51との間には空間が形成され、この空間は燃料電池セル2に冷媒を供給する冷媒流路になる。
【0022】
また、カソード側セパレータ5は、ガス流れ方向Xと平行な縁部に設けられるとともに、MEGA3側に突出するリブ下拡大部53を複数有する。ここでの「ガス流れ方向Xと平行な縁部」とは、後述するように、燃料電池の幅方向Yの端部であって、少なくともリブ下拡大部53と高圧損流路14とを含む領域を意味する。より具体的には、図1に示すように、カソード側セパレータ5のガス流れ方向Xと平行な両縁部、言い換えればカソード側セパレータ5の燃料電池の幅方向Yの両縁部において、最も外側に位置する酸化剤ガス流路13の隙間部分(すなわち、酸化剤ガス流路13の山部又は谷部)には、台形状のリブ下拡大部53が複数形成されている。これらのリブ下拡大部53は、幅が比較的に狭い部分がカソード側セパレータ5の内側、幅が比較的に広い部分がカソード側セパレータ5の外側に向くように配置され、ガス流れ方向Xに沿って配列されている。
【0023】
また、図2に示すように、リブ下拡大部53は、平面状を呈しており、MEGA3のカソード側ガス拡散層8と面接触している。このリブ下拡大部53は、上述の凸部51及び凹部52と一体的に形成されている。
【0024】
また、ガス流れ方向Xと平行な両縁部、言い換えればカソード側セパレータ5の幅方向の両縁部において、リブ下拡大部53の外側には、酸化剤ガス流路13よりも圧損の大きい高圧損流路14が設けられている。具体的には、カソード側セパレータ5において、リブ下拡大部53の外側には、凹部54と凸部55とが形成されている。凸部55は、平面状を呈しており、MEGA3のカソード側ガス拡散層8と面接触している。凹部54は、カソード側ガス拡散層8とともに高圧損流路14を構成している。なお、断面視において、凹部54はその中心に対して左右対称な形状となるように形成されている。
【0025】
図1に示すように、高圧損流路14は、燃料ガス流路12及び酸化剤ガス流路13と異なり、ガス流れ方向Xに沿って直線状に形成されている。この高圧損流路14は、各リブ下拡大部53に対応する位置に配置されるリブ対応部141と、隣接するリブ対応部141同士を連結する連結部142とを有する。そして、リブ対応部141の断面積は、連結部142の断面積よりも大きくなっている。
【0026】
燃料電池の幅方向Yから見たときに、高圧損流路14のリブ対応部141は、対応するリブ下拡大部53と一部の領域が重なるように配置されている。具体的には、このリブ対応部141は、リブ下拡大部53に対して、ガス流れ方向Xの一方側(図1においては左側)に位置ずれして配置されている。そして、高圧損流路14のリブ対応部141の断面積は、酸化剤ガス流路13の断面積よりも小さくなっている(図2参照)。
【0027】
本実施形態に係る燃料電池1によれば、ガス流れ方向Xと平行な両縁部において、リブ下拡大部53の外側に酸化剤ガス流路13よりも圧損の大きい高圧損流路14が設けられているので、図2中の矢印に示すように、高圧損流路14からリブ下拡大部53を跨いで隣接する酸化剤ガス流路13に向かう酸化剤ガスの流れを生じさせることができる。
【0028】
すなわち、高圧損流路14のリブ対応部141の断面積が酸化剤ガス流路13の断面積よりも小さいので、高圧損流路14を流れる酸化剤ガスの圧力は、酸化剤ガス流路13を流れる酸化剤ガスの圧力より高くなる。このため、高圧損流路14を流れる酸化剤ガスの一部が、リブ下拡大部53を跨ぐようにして隣接する酸化剤ガス流路13側に潜り込む。このような酸化剤ガスの潜り込みによって、MEGA3のリブ下拡大部53に対向する位置に溜まった水を排出させることができる。その結果、MEGA3のリブ下拡大部53に対向する位置に水が溜まることを抑制することができる。
【0029】
なお、本実施形態において、燃料電池の幅方向Yから見たときに、高圧損流路14のリブ対応部141はリブ下拡大部53に対してガス流れ方向Xの一方側(図1においては左側)に位置ずれして配置される例を説明したが、これに限られない。例えば図3に示すように、燃料電池の幅方向Yから見たときに、リブ対応部141はリブ下拡大部53と全領域が重なるように配置されても良く、或いは図4に示すように、リブ対応部141はリブ下拡大部53に対してガス流れ方向Xの他方側(図4においては右側)に位置ずれして配置されても良い。
【0030】
[第2実施形態]
図5は第2実施形態に係る燃料電池を示す部分断面図である。本実施形態の燃料電池1Aは、高圧損流路の形状において上述の第1実施形態と相違している。以下、第1実施形態との相違点のみを説明する。
【0031】
具体的には、断面視において、高圧損流路14を構成する凹部54Aは、その中心に対して左右非対称な形状となるように形成されている。凹部54Aを形成する内側壁部54a及び外側壁部54bのうち、MEGA3に対する内側壁部54aの勾配は、外側壁部54bよりも緩くなっている。これによって、構成される高圧損流路14も左右非対称となり、中央よりも外側に偏心するようになっている。
【0032】
本実施形態に係る燃料電池1Aによれば、上述の第1実施形態と同様な作用効果を得られるほか、高圧損流路14が中央よりも外側に偏心しているので、酸化剤ガスが潜り込む効果を高めることができ、MEGA3のリブ下拡大部53に対向する位置に溜まった水を排出させる効果を向上することができる。
【0033】
[第3実施形態]
図6は第3実施形態に係る燃料電池の要部を示す平面図であり、図7図6のB−B線に沿う断面図である。本実施形態の燃料電池1Bは、リブ対応部141とリブ下拡大部53との位置ずれが生じない点、及び、連結部142と酸化剤ガス流路13とが連通する点において、上述の第1実施形態と相違している。以下、第1実施形態との相違点のみを説明する。
【0034】
具体的には、燃料電池の幅方向Yから見たときに、高圧損流路14のリブ対応部141は、リブ下拡大部53と全領域が重なるように配置されている。また、高圧損流路14の連結部142と最も外側に位置する酸化剤ガス流路13とは、2本のスリット部56によって連通している。2本のスリット部56は、所定の間隔で離れて配置されるとともに、リブ下拡大部53を横断するように連結部142からリブ下拡大部53を経て酸化剤ガス流路13まで延設されている。これによって、高圧損流路14と最も外側に位置する酸化剤ガス流路13との間には、連結部142と酸化剤ガス流路13とを連通する狭小酸化剤ガス流路15が形成されている。
【0035】
本実施形態に係る燃料電池1Bによれば、上述の第1実施形態と同様な作用効果を得られるほか、高圧損流路14と最も外側に位置する酸化剤ガス流路13との間に、連結部142と酸化剤ガス流路13とを連通する狭小酸化剤ガス流路15が形成されているので、酸化剤ガスが潜り込み易くなり、MEGA3のリブ下拡大部53に対向する位置に溜まった水を排出させる効果を更に高めることができる。
【0036】
[第4実施形態]
図8は第4実施形態に係る燃料電池を示す部分断面図である。本実施形態の燃料電池1Cは、最も外側に位置する酸化剤ガス流路がその他の酸化剤ガス流路よりも太く形成される点において、上述の第1実施形態と相違している。以下、第1実施形態との相違点のみを説明する。
【0037】
具体的には、複数の酸化剤ガス流路のうち、燃料電池の幅方向Yの最も外側に位置する酸化剤ガス流路13Aは、他の酸化剤ガス流路13よりも断面積が大きくなっている。この酸化剤ガス流路13Aは、凹部52よりも幅が大きい凹部52Aとカソード側ガス拡散層8とで構成されている。
【0038】
本実施形態に係る燃料電池1Cによれば、上述の第1実施形態と同様な作用効果を得られるほか、最も外側に位置する酸化剤ガス流路13Aがその他の酸化剤ガス流路13よりも太く形成されているので、高圧損流路14と酸化剤ガス流路13Aとの間の圧力の差が更に高くなる。これによって、酸化剤ガスが潜り込み易くなり、MEGA3のリブ下拡大部53に対向する位置に溜まった水を排出させる効果を更に高めることができる。
【0039】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態では、高圧損流路14のリブ対応部141の断面積が連結部142の断面積より大きい例を説明したが、高圧損流路14は全体の断面積が同じであっても良い。
【符号の説明】
【0040】
1,1A,1B,1C 燃料電池
2 燃料電池セル
3 MEGA(膜電極ガス拡散層接合体)
4 アノード側セパレータ
5 カソード側セパレータ
6 MEA(膜電極接合体)
7 アノード側ガス拡散層
8 カソード側ガス拡散層
9 電解質膜
10 アノード側電極触媒層
11 カソード側電極触媒層
12 燃料ガス流路
13,13A 酸化剤ガス流路
14 高圧損流路
41,51,55 凸部
42,52,52A,54 凹部
53 リブ下拡大部
54a 内側壁部
54b 外側壁部
56 スリット部
141 リブ対応部
142 連結部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8