特開 2020-47518 燃料電池

(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は図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は図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】