燃料電池
【課題】排水性を向上させるために、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとを交互に並べて備え、両流路の両側に枝状に複数の閉塞状の凹所４９ａと凹所４９ｂを有する。凹所４９ａは、ガス流入流路４８ｉｎを流れる空気に対して、ガスの分流を起こす側に傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延びている。凹所４９ｂは、ガス流出流路４８ｏｕｔを流れる空気に対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延びている。
【解決手段】燃料電池は、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとを交互に並べて備え、両流路の両側に枝状に複数の閉塞状の凹所４９ａと凹所４９ｂを有する。凹所４９ａは、ガス流入流路４８ｉｎを流れる空気に対して、ガスの分流を起こす側に傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延びている。凹所４９ｂは、ガス流出流路４８ｏｕｔを流れる空気に対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延びている。
【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、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する。この燃料電池は、概ね、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両膜面にアノードとカソードの電極を形成した膜電極接合体（発電体）を、ガス拡散層を介在させた上でセパレーターで挟持して構成される。
【０００３】
このような燃料電池において、ガスの利用率を向上させて電池性能を向上させるための種々の提案がなされてきた。その一つとして、燃料ガスあるいは酸化ガスの流路の形状を、櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞された複数の流路を、閉塞側が互い違いになるように交互に配列する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。このような流路構成の燃料電池では、供給されたガスは、まず、ガス入口側が開放されて末端が閉塞された流路に流入する。この流路に流入したガスは、流路末端の閉塞により、流路間のリブが当接するガス拡散層を透過して、隣の流路に流入する。この隣の流路は、先の流路とは逆にガス入口側で閉塞されガス出口側で解放されていることから、当該隣の流路に流入したガスは、ガス拡散層の表面に沿って流しつつガス排出を行うので、ガス拡散層全体にガスが行き渡る効率が高まり、電極面全体でガス利用率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池にあっては、ガス利用率の向上により電池性能の向上が期待できるものの、次のような問題点が指摘されるに到った。カソード側では、電気化学反応により水が生成され、その生成水は、流路を流れるガスに運ばれて、閉塞した流路末端に貯まることになる。こうして流路末端に貯まった生成水は、流路末端付近のガス拡散層をガスと同様に透過して隣の流路に達して電池外部に排出される。こうした生成水の移動は、隣り合う流路の静圧差によりもたらされるので、ガス拡散層での生成水移動にはある程度の時間が掛かる。このため、生成水が全て貯まって生成水移動が起きる流路末端付近では、この生成水移動の間にあっては、生成水が入り込んだ範囲のガス拡散層ではガス拡散が生成水により阻害され、有効発電面積の低減を招いてしまう。
【０００６】
本発明は、上述した従来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、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池において、水の排水性の向上に寄与する新たな手法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】
【０００７】
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、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられたガス拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して前記ガス流入流路の隣に並んで流路端部で閉塞され、前記ガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路と、
前記ガス流入流路を流れるガスの分流を起こす側に傾斜して前記ガス流入流路から延びた閉塞状の流入流路凹所とを備える
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池では、ガス供給マニホールドから流入した反応ガスを複数のガス流入流路に入り込ませる。当該流路は末端で閉塞されているので、ガス流入流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層を透過して隣のガス流出流路に入り込む。こうしてガス流出流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層の表面に沿って流れつつガス排出マニホールドから流出される。そして、反応ガスは、ガス流入流路を通過する際と、ガス拡散層を透過する際、および、ガス流出流路を通過する際に、ガス拡散層を経て膜電極接合体に供給される。
【００１０】
上記構成を備える燃料電池では、ガス流入流路に入り込んだ水（例えば、生成水）を、上記したガス供給に伴って次のようにして排出する。ガス流入流路には、ガスの分流を起こす側に傾斜してガス流入流路から延びた閉塞状の流入流路凹所が存在することから、ガス流入流路に沿ってガスにより運ばれる水は、ガスの分流に乗って流入流路凹所に入り込んで当該凹所に貯まると共に、閉塞された流路末端（以下、流路閉塞末端）にも貯まる。そして、流入流路凹所と流路閉塞末端とに貯まった水は、隣り合う流路の静圧差により、ガス流入流路からガス拡散層を透過してその隣のガス流出流路に入り込み、このガス流出流路に沿って運ばれて排出される。つまり、上記構成を備える燃料電池では、水が貯まる箇所（以下、水貯留箇所）を流路閉塞末端と流入流路凹所とに分散して、流路閉塞末端と流入流路凹所の水貯留箇所での水が貯まる量を低減できる。この結果、上記構成を備える燃料電池によれば、水移動に要する時間の短縮化とこれに伴う排水性の向上を図ることができるほか、ガス拡散層に水が留まることの抑制を通した電池性能の維持も可能となる。
【００１１】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記流入流路凹所を、前記ガス流入流路の複数箇所において前記ガス流入流路から延びるようにできる。こうすれば、水貯留箇所の分散が進み、各水貯留箇所で貯まる水の量もより少なくできるので、更なる排水性の向上を図ることができる。この場合、前記流入流路凹所を、前記ガス流入流路の両側において前記ガス流入流路から延びるようにすれば、ガス流入流路からのガスの分流がより進むので効果的である。
【００１２】
また、前記流入流路凹所を、前記ガス流入流路のガスの流れ方向に対して下流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流入流路から延びるようにもできる。こうすれば、ガス流入流路に沿って流れるガスの分流がより確実に起きるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
【００１３】
この他、前記ガス流出流路を流れるガスに対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜して前記ガス流出流路から延びた閉塞状の流出流路凹所を備えるようにすることもできる。この態様では、次の利点がある。
【００１４】
ガス流出流路に沿ってガスが流れる場合、ガス流出流路から延びた閉塞状の流出流路凹所では、ガス流出流路に沿ったガス通過に伴い、負圧が発生する。ガス流出流路と当該流路から延びた流出流路凹所とには、そのガス流出流路の隣のガス流入流路から水がガス拡散層を透過して流れ込むことになるが、流出流路凹所では上記の負圧により水がガス拡散層から吸引されることになる。そして、流出流路凹所に流れ込んだ水は、ガス流出流路に沿って流れるガスに引かれてガス流出流路のガスに合流して当該流路に沿って運ばれるので、流出流路凹所に留まることはない。この結果、上記の態様によれば、水移動に要する時間の更なる短縮化を図ることができ、排水性をより高めることができる。
【００１５】
また、前記流出流路凹所を、前記ガス流出流路の複数箇所において前記ガス流出流路から延びるにできる。こうすれば、上記したような負圧による水の吸引が複数の流出流路凹所で起きることから、水移動に要する時間のより一層の短縮化と、排水性の更なる向上とを図ることができる。この場合、前記流出流路凹所を、前記ガス流出流路の両側において前記ガス流出流路から延びるようにすれば、流出流路凹所からガス流出流路へのガスの合流がより進むので効果的である。
【００１６】
また、前記流出流路凹所を、前記ガス流出流路のガスの流れ方向に対して上流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流出流路から延びるようにもできる。こうすれば、ガス流出流路に沿って流れるガスへの流出流路凹所からの合流がより確実に起きるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】ガスセパレーター２６の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図である。
【図３】図２における３−３線の概略断面図である。
【図４】図２における４−４線の概略断面図である。
【図５】隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔにおける凹所４９ａおよび凹所４９ｂの形成の様子を一部拡大して示す説明図である。
【図６】凹所４９ａと凹所４９ｂの流路に対する傾斜の様子を説明する説明図である。
【図７】凹所形状の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。
【００１９】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するガス拡散層２３，２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
【００２０】
電解質膜２０は、固体高分子材料、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であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、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や、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
【００２１】
なお、図１では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２２】
次に、上記したカソード２２の側のガスセパレーター２６におけるセル内酸化ガス流路４８の詳細について説明する。図２はガスセパレーター２６の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図、図３は図２における３−３線の概略断面図、図４は図２における４−４線の概略断面図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、ガスセパレーター２６がなす矩形形状の長辺方向を水平方向とし、矩形短辺方向を垂直方向と称する。
【００２３】
図示するように、ガスセパレーター２６は、垂直方向の２辺に沿って、外周近傍に孔部４０〜４５を備える。孔部４０は、燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、H2 inと示す）、孔部４１は冷媒供給マニホールドを形成し（図中、CLT inと示す）、孔部４２は酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、O2 inと示す）、孔部４３は冷媒排出マニホールドを形成し（図中、CLT outと示す）、孔部４４は酸化ガス排出マニホールドを形成し（図中、O2 outと示す）、孔部４５は燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、H2 outと示す）。ガスセパレーター２６は、カソード２２の側のものであることから、孔部４２の酸化ガス供給マニホールドからセル内に流入したエアー（酸化ガス）は、このガスセパレーター２６で形成された後述のガス流路を通過して、孔部４４の酸化ガス排出マニホールドから排出される。こうしたガス供給は、積層された単セル１５のそれぞれでなされる。アノード２１の側のガスセパレーター２５では、孔部４０の燃料ガス供給マニホールドからセル内に流入した水素ガス（燃料ガス）は、このガスセパレーター２５で形成されたガス流路を通過して、孔部４５の燃料ガス排出マニホールドから排出される。
【００２４】
図２に示すガスセパレーター２６は、その中ほどに、セル内燃料ガス流路が形成されてカソード２２と重なって孔部４２および孔部４４と連通する略四角形状の領域を、発電領域５０とする。ガスセパレーター２６は、この発電領域５０に、水平方向に筋状のガス流路（セル内酸化ガス流路４８）を交互に並べて備える。つまり、このガスセパレーター２６は、発電領域５０において、流路間リブ３０と溝部３２とを交互に備え、それぞれの溝部３２を、入口側閉塞部３４と出口側閉塞部３５とで交互に閉塞する。この場合、入口・出口側の両閉塞部は、流路間リブ３０と異なる部材（例えば、セラミックス、カーボン、金属、あるいは、樹脂やゴムで形成の別部材）にて溝部３２を閉塞するものでもよく、溝部３２を、入口側閉塞部３４と出口側閉塞部３５とで交互に閉塞するよう、切削等するようにすることもできる。なお、ガスセパレーター２６とガス拡散層２４との接触抵抗を低減するためには、入口側閉塞部３４および出口側閉塞部３５を、導電性を有する材料により構成することが望ましい。
【００２５】
上記の両閉塞部は、その設置箇所、即ち流路末端或いは端部において溝部３２を閉塞する。このため、ガスセパレーター２６は、孔部４２の側に入口側閉塞部３４を備えず孔部４４の側に出口側閉塞部３５を有する溝部３２を複数備えることになり、この複数の溝部３２を、ガス供給マニホールド（孔部４０）の側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、流入したエアーをカソード２２のガス拡散層２４の表面に沿って流すガス流入流路４８ｉｎとする。その一方、ガスセパレーター２６は、孔部４２の側に入口側閉塞部３４を備えて孔部４４の側に出口側閉塞部３５を有しない溝部３２にあっても、これを複数備えることになり、この複数の溝部３２を、ガス排出マニホールド（孔部４４）の側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞され、ガス流入流路４８ｉｎと交互に並んだガス流出流路４８ｏｕｔとなる。つまり、単セル１５は、櫛歯状に分岐したガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとを流路間リブ３０を挟んで交互に有することになる。このガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔは、図中に矢印で示すガスの流れ方向に対して傾斜した凹所４９ａ、４９ｂを有するが、この凹所についての構成と、両流路におけるガス通過の様子は後述する。
【００２６】
また、ガスセパレーター２６は、発電領域５０において、複数の流路間リブ３０の端部と孔部４０〜４２との間の領域、および、複数の流路間リブ３０の端部と孔部４３〜４５との間の領域に、互いに離間して形成された複数の凸部３６を備える。これら複数の凸部３６は、燃料電池１０内では、ガス拡散層２４に当接して、セル内ガス流路の壁面の一部を構成する。孔部４２が形成するガス供給マニホールドからセル内燃料ガス流路に流入したエアーは、上流側の凸部３６の間に形成される空間を導かれて、複数のガス流入流路４８ｉｎに分配される。
【００２７】
このガス流入流路４８ｉｎに流れ込んだエアーは、当該流路が出口側閉塞部３５でその末端において閉塞されていることから、図３に示すように、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに入り込む。こうしてガス流出流路４８ｏｕｔに入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層２４の表面に沿って流れつつガス排出マニホールド（孔部４４）から流出される。そして、エアーは、ガス流入流路４８ｉｎを通過する際と、流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４を透過する際（以下、この際のエアー透過をリブ当接箇所エアー透過と称する）、および、ガス流出流路４８ｏｕｔを通過する際に、ガス拡散層２４を経てＭＥＡに供給される。このリブ当接箇所エアー透過は、隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔの静圧差により起きる。アノード２１の側においても、ガスセパレーター２５において上記した流路構成とできる。
【００２８】
次に、凹所４９ａ、４９ｂについて説明する。図５は隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔにおける凹所４９ａおよび凹所４９ｂの形成の様子を一部拡大して示す説明図、図６は凹所４９ａと凹所４９ｂの流路に対する傾斜の様子を説明する説明図である。
【００２９】
図示するように、凹所４９ａは、ガス流入流路４８ｉｎに対して下流側に向けて斜めに傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延び、ガス流入流路４８ｉｎの両側に枝状に複数形成されている。個々の凹所４９ａは、三角波形状で閉鎖した凹形状をなし、ガス流入流路４８ｉｎを流れるガスの分流を起こす側に傾斜する。そして、この凹所４９ａの傾斜程度は、図６に示すように、ガス流入流路４８ｉｎのガスの流れ方向に対して下流側から約６０°の傾斜角度で傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延びている。
【００３０】
凹所４９ｂにあっては、ガス流出流路４８ｏｕｔに対して上流側に向けて斜めに傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延び、ガス流出流路４８ｏｕｔの両側に枝状に複数形成されている。個々の凹所４９ｂは、三角波形状で閉鎖した凹形状をなし、ガス流出流路４８ｏｕｔを流れるガスに対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜する。そして、この凹所４９ｂの傾斜程度は、図６に示すように、ガス流出流路４８ｏｕｔのガスの流れ方向に対して上流側から約６０°の傾斜角度で傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延びている。そして、凹所４９ａと凹所４９ｂとは、隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔの間の流路間リブ３０において、両流路の流路方向に交互に位置することになる。なお、本実施例では、凹所４９ａと凹所４９ｂの傾斜角度を約６０°としたが、当該傾斜角度は、ガスの流れ方向に対して下流側或いは上流側から９０°未満の傾斜角度とすればよく、約２０〜８０°の傾斜角度範囲とすることが、後述のガス分流・合流の実効性確保の上から、或いは、凹所形成のしやすさから好ましい。
【００３１】
本実施例の燃料電池１０では、既述したようにガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔのセル内酸化ガス流路４８によるカソード２２への空気の供給と、セル内燃料ガス流路４７によるアノード２１への水素の供給を受けて発電し、発電に伴ってカソード２２において水を生成する。この生成水は、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔに入り込む。本実施例の燃料電池１０では、この生成水を次のようにして排出する。
【００３２】
本実施例の燃料電池１０は、図５〜図６に示すように、ガス流入流路４８ｉｎの両側に枝状に複数の閉塞状の凹所４９ａを備え、この凹所４９ａを、ガス流入流路４８ｉｎを流れる空気に対して、ガスの分流を起こす側に傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延ばしている。このため、ガス流入流路４８ｉｎに入り込んだ生成水は、当該流路に沿って流れる空気に運ばれ、流路下流側に流れる。このようにしてガス流入流路４８ｉｎを運ばれる生成水は、ガスの分流に乗って凹所４９ａに入り込む。この凹所４９ａは閉塞状であり、ガス流入流路４８ｉｎでは空気搬送の動圧が掛かっていることから、凹所４９ａに入り込んだ生成水は、この凹所４９ａに貯まり、凹所４９ａに入り込まなかった生成水は、ガス流入流路４８ｉｎの出口側閉塞部３５に貯まる。そして、それぞれの凹所４９ａと出口側閉塞部３５とに貯まった生成水は、ガス流入流路４８ｉｎとその隣りのガス流出流路４８ｏｕｔとの静圧差により、ガス流入流路４８ｉｎからガス拡散層２４（図３参照）を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに入り込み、このガス流出流路４８ｏｕｔに沿って運ばれ、燃料電池１０から排出される。
【００３３】
以上説明したように、本実施例の燃料電池１０では、生成水を出口側閉塞部３５に貯めるばかりか、ガス流入流路４８ｉｎからガスの分流が起きる側に斜めに傾斜して延びる複数の凹所４９ａにも分散して貯め置くので、出口側閉塞部３５と各凹所４９ａで生成水が貯まる量を低減できる。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、水移動に要する時間を短縮できると共に、排水性についてもその向上を図ることができる。その上、水移動が短時間で済むことから、ガス拡散層２４に水が留まることも抑制できるので、有効発電面積の確保、延いては電池性能の維持も図ることができる。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池１０は、ガスの分流が起きる側に傾斜した凹所４９ａをガス流入流路４８ｉｎの流路に亘ってその両側に枝状に複数有することから、各凹所４９ａに貯まる水の量をより少なくできるので、より一層、排水性を向上できる。しかも、本実施例の燃料電池１０は、凹所４９ａを、ガス流入流路４８ｉｎのガスの流れ方向に対して下流側から約６０°の傾斜角度で傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延ばしているので、ガス流入流路４８ｉｎに沿って流れるガス（空気）の分流を確実に起こして、凹所４９ａに水を貯め置く。このため、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
【００３５】
また、本実施例の燃料電池１０では、上記のようにガス流入流路４８ｉｎから下流側に傾斜して延びた凹所４９ａに、ガス流入流路４８ｉｎに沿った空気搬送を起こす動圧を掛ける。このため、空気搬送のための動圧をも、凹所４９ａの水をガス拡散層２４を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに移動させるよう作用させるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性をより高めることができる。
【００３６】
この他、本実施例の燃料電池１０は、図５〜図６に示すように、ガス流出流路４８ｏｕｔについても、その両側に枝状に複数の閉塞状の凹所４９ｂを設け、この凹所４９ｂを、ガス流出流路４８ｏｕｔを流れるガス（空気）に対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延ばしている。この凹所４９ｂを有するガス流出流路４８ｏｕｔには、既述したように隣のガス流入流路４８ｉｎから、詳しくは各凹所４９ａおよび出口側閉塞部３５から水が入り込む。つまり、水は、ガス流出流路４８ｏｕｔに直接入り込むほか、それぞれの凹所４９ｂに入り込むことになる。
【００３７】
ガス流出流路４８ｏｕｔでは、その流路に沿ってガス（空気）が流れているので、このガス流出流路４８ｏｕｔから延びた閉塞状の凹所４９ｂでは、ガス流出流路４８ｏｕｔに沿った空気通過に伴い、負圧が発生する。このため、凹所４９ｂでは上記の負圧により水がガス拡散層２４から吸引されることになる。そして、凹所４９ｂに入り込んだ水は、ガス流出流路４８ｏｕｔに沿って流れるガス（空気）に引かれてガス流出流路４８ｏｕｔの空気に合流して当該流路に沿って下流に運ばれるので、凹所４９ｂに留まることはない。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、水移動に要する時間の更なる短縮化を図ることができ、排水性をより高めることができる。
【００３８】
また、本実施例の燃料電池１０では、ガスの合流が起きる側に傾斜した凹所４９ｂをガス流出流路４８ｏｕｔの流路に亘ってその両側に枝状に複数有することから、上記したような負圧による水の吸引をそれぞれの凹所４９ｂで起きるようにできる。このため、本実施例の燃料電池１０によれば、水移動に要する時間のより一層の短縮化と、排水性の更なる向上とを図ることができる。しかも、本実施例の燃料電池１０は、凹所４９ｂを、ガス流出流路４８ｏｕｔのガスの流れ方向に対して上流側から６０°の傾斜角度で傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延ばしているので、ガス流出流路４８ｏｕｔに沿って流れるガス（空気）への凹所４９ｂからの合流を確実に起こす。このため、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性をより高めることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、本実施例では、カソード２２の側のエアー流路を流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとしたが、アノード２１のセル内燃料ガス流路４７についても、セル内酸化ガス流路４８と同様に櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとできる。アノード２１に水素ガスを供給する際には、ガスを加湿する場合があるので、加湿のために加えられた水蒸気がセル内燃料ガス流路４７において水滴となることが有り得る。そうすると、この水滴は、カソード２２について説明した場合と同様にして流路末端の閉塞箇所と各流路から傾斜した凹所に分散されて、排出されるので、アノード側での排水性も高めることができる。
【００４０】
また、凹所４９ａおよび凹所４９ｂについては、該当する流路における形成の様子、凹所形状等、種々の変形が可能である。図７は凹所形状の変形例を示す説明図である。図示するように、上記の両凹所を、流路の長手方向の両側において交互に設けたり（図７（Ａ）参照）、流路のガスの流れに対する傾斜の程度を、流路の長手方向の両側において異なるようにすることもできる（図７（Ｂ）参照）。この他、各流路において長手方向に並ぶそれぞれの凹所を異なる傾斜程度で形成したりすることもできる。また、凹所４９ａおよび凹所４９ｂの形状についても、三角波形状の凹所の他、図７（Ｃ）に示すような矩形形状でガス流入流路４８ｉｎやガス流出流路４８ｏｕｔから延びる凹所や、図７（Ｄ）に示すような異形形状で流路から延びる凹所とすることもできる。この他、閉塞状の凹所であれば、湾曲した凹所とすることもできる。
【００４１】
また、図２において上下のガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔについては、凹所４９ａ或いは凹所４９ｂを流路長手方向の一方側だけに有するようにすることもできる。例えば、図２の最下端のガス流入流路４８ｉｎは、隣のガス流出流路４８ｏｕｔの側にだけ凹所４９ａを備え、最上端のガス流出流路４８ｏｕｔについては、隣のガス流入流路４８ｉｎの側だけ凹所４９ｂを備える。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池
１５…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…ガス拡散層
２４…ガス拡散層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０…流路間リブ
３２…溝部
３４…入口側閉塞部
３５…出口側閉塞部
３６…凸部
４０〜４５…孔部
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
４８ｏｕｔ…ガス流出流路
４８ｉｎ…ガス流入流路
４９ａ…凹所
４９ｂ…凹所
５０…発電領域
【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、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する。この燃料電池は、概ね、電解質膜（例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜）の両膜面にアノードとカソードの電極を形成した膜電極接合体（発電体）を、ガス拡散層を介在させた上でセパレーターで挟持して構成される。
【０００３】
このような燃料電池において、ガスの利用率を向上させて電池性能を向上させるための種々の提案がなされてきた。その一つとして、燃料ガスあるいは酸化ガスの流路の形状を、櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞された複数の流路を、閉塞側が互い違いになるように交互に配列する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。このような流路構成の燃料電池では、供給されたガスは、まず、ガス入口側が開放されて末端が閉塞された流路に流入する。この流路に流入したガスは、流路末端の閉塞により、流路間のリブが当接するガス拡散層を透過して、隣の流路に流入する。この隣の流路は、先の流路とは逆にガス入口側で閉塞されガス出口側で解放されていることから、当該隣の流路に流入したガスは、ガス拡散層の表面に沿って流しつつガス排出を行うので、ガス拡散層全体にガスが行き渡る効率が高まり、電極面全体でガス利用率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したような流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池にあっては、ガス利用率の向上により電池性能の向上が期待できるものの、次のような問題点が指摘されるに到った。カソード側では、電気化学反応により水が生成され、その生成水は、流路を流れるガスに運ばれて、閉塞した流路末端に貯まることになる。こうして流路末端に貯まった生成水は、流路末端付近のガス拡散層をガスと同様に透過して隣の流路に達して電池外部に排出される。こうした生成水の移動は、隣り合う流路の静圧差によりもたらされるので、ガス拡散層での生成水移動にはある程度の時間が掛かる。このため、生成水が全て貯まって生成水移動が起きる流路末端付近では、この生成水移動の間にあっては、生成水が入り込んだ範囲のガス拡散層ではガス拡散が生成水により阻害され、有効発電面積の低減を招いてしまう。
【０００６】
本発明は、上述した従来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、流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有する燃料電池において、水の排水性の向上に寄与する新たな手法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】
【０００７】
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、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池]
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられたガス拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して前記ガス流入流路の隣に並んで流路端部で閉塞され、前記ガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路と、
前記ガス流入流路を流れるガスの分流を起こす側に傾斜して前記ガス流入流路から延びた閉塞状の流入流路凹所とを備える
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池では、ガス供給マニホールドから流入した反応ガスを複数のガス流入流路に入り込ませる。当該流路は末端で閉塞されているので、ガス流入流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層を透過して隣のガス流出流路に入り込む。こうしてガス流出流路に入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層の表面に沿って流れつつガス排出マニホールドから流出される。そして、反応ガスは、ガス流入流路を通過する際と、ガス拡散層を透過する際、および、ガス流出流路を通過する際に、ガス拡散層を経て膜電極接合体に供給される。
【００１０】
上記構成を備える燃料電池では、ガス流入流路に入り込んだ水（例えば、生成水）を、上記したガス供給に伴って次のようにして排出する。ガス流入流路には、ガスの分流を起こす側に傾斜してガス流入流路から延びた閉塞状の流入流路凹所が存在することから、ガス流入流路に沿ってガスにより運ばれる水は、ガスの分流に乗って流入流路凹所に入り込んで当該凹所に貯まると共に、閉塞された流路末端（以下、流路閉塞末端）にも貯まる。そして、流入流路凹所と流路閉塞末端とに貯まった水は、隣り合う流路の静圧差により、ガス流入流路からガス拡散層を透過してその隣のガス流出流路に入り込み、このガス流出流路に沿って運ばれて排出される。つまり、上記構成を備える燃料電池では、水が貯まる箇所（以下、水貯留箇所）を流路閉塞末端と流入流路凹所とに分散して、流路閉塞末端と流入流路凹所の水貯留箇所での水が貯まる量を低減できる。この結果、上記構成を備える燃料電池によれば、水移動に要する時間の短縮化とこれに伴う排水性の向上を図ることができるほか、ガス拡散層に水が留まることの抑制を通した電池性能の維持も可能となる。
【００１１】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記流入流路凹所を、前記ガス流入流路の複数箇所において前記ガス流入流路から延びるようにできる。こうすれば、水貯留箇所の分散が進み、各水貯留箇所で貯まる水の量もより少なくできるので、更なる排水性の向上を図ることができる。この場合、前記流入流路凹所を、前記ガス流入流路の両側において前記ガス流入流路から延びるようにすれば、ガス流入流路からのガスの分流がより進むので効果的である。
【００１２】
また、前記流入流路凹所を、前記ガス流入流路のガスの流れ方向に対して下流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流入流路から延びるようにもできる。こうすれば、ガス流入流路に沿って流れるガスの分流がより確実に起きるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
【００１３】
この他、前記ガス流出流路を流れるガスに対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜して前記ガス流出流路から延びた閉塞状の流出流路凹所を備えるようにすることもできる。この態様では、次の利点がある。
【００１４】
ガス流出流路に沿ってガスが流れる場合、ガス流出流路から延びた閉塞状の流出流路凹所では、ガス流出流路に沿ったガス通過に伴い、負圧が発生する。ガス流出流路と当該流路から延びた流出流路凹所とには、そのガス流出流路の隣のガス流入流路から水がガス拡散層を透過して流れ込むことになるが、流出流路凹所では上記の負圧により水がガス拡散層から吸引されることになる。そして、流出流路凹所に流れ込んだ水は、ガス流出流路に沿って流れるガスに引かれてガス流出流路のガスに合流して当該流路に沿って運ばれるので、流出流路凹所に留まることはない。この結果、上記の態様によれば、水移動に要する時間の更なる短縮化を図ることができ、排水性をより高めることができる。
【００１５】
また、前記流出流路凹所を、前記ガス流出流路の複数箇所において前記ガス流出流路から延びるにできる。こうすれば、上記したような負圧による水の吸引が複数の流出流路凹所で起きることから、水移動に要する時間のより一層の短縮化と、排水性の更なる向上とを図ることができる。この場合、前記流出流路凹所を、前記ガス流出流路の両側において前記ガス流出流路から延びるようにすれば、流出流路凹所からガス流出流路へのガスの合流がより進むので効果的である。
【００１６】
また、前記流出流路凹所を、前記ガス流出流路のガスの流れ方向に対して上流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流出流路から延びるようにもできる。こうすれば、ガス流出流路に沿って流れるガスへの流出流路凹所からの合流がより確実に起きるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】ガスセパレーター２６の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図である。
【図３】図２における３−３線の概略断面図である。
【図４】図２における４−４線の概略断面図である。
【図５】隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔにおける凹所４９ａおよび凹所４９ｂの形成の様子を一部拡大して示す説明図である。
【図６】凹所４９ａと凹所４９ｂの流路に対する傾斜の様子を説明する説明図である。
【図７】凹所形状の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池１０を構成する単セル１５の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池１０は、図１に示す構成の単セル１５を複数積層したスタック構造を有している。なお、本実施例の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であるが、異なる種類の燃料電池、例えば固体電解質型燃料電池においても、同様に適用可能である。
【００１９】
単セル１５は、電解質膜２０の両側にアノード２１とカソード２２の両電極を備える。このアノード２１とカソード２２は、電解質膜２０の両膜面に形成され膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、単セル１５は、電極形成済みの電解質膜２０を両側から挟持するガス拡散層２３，２４とガスセパレーター２５，２６を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。ガスセパレーター２５は、ガス拡散層２３の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路４７を備える。ガスセパレーター２６は、ガス拡散層２４の側に、酸素を含有する酸化ガス（本実施例では、空気）を流すセル内酸化ガス流路４８を備える。なお、図１には記載していないが、隣り合う単セル１５間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。
【００２０】
電解質膜２０は、固体高分子材料、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であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード２１およびカソード２２は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ガスセパレーター２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、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や、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレーター２５，２６は、既述したセル内燃料ガス流路４７およびセル内酸化ガス流路４８の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。
【００２１】
なお、図１では図示していないが、ガスセパレーター２５，２６の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター２５，２６が他の部材と共に積層されて燃料電池１０が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池１０内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路４７やセル内酸化ガス流路４８、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
【００２２】
次に、上記したカソード２２の側のガスセパレーター２６におけるセル内酸化ガス流路４８の詳細について説明する。図２はガスセパレーター２６の具体的な形状の一例を平面視して示す説明図、図３は図２における３−３線の概略断面図、図４は図２における４−４線の概略断面図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、ガスセパレーター２６がなす矩形形状の長辺方向を水平方向とし、矩形短辺方向を垂直方向と称する。
【００２３】
図示するように、ガスセパレーター２６は、垂直方向の２辺に沿って、外周近傍に孔部４０〜４５を備える。孔部４０は、燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、H2 inと示す）、孔部４１は冷媒供給マニホールドを形成し（図中、CLT inと示す）、孔部４２は酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、O2 inと示す）、孔部４３は冷媒排出マニホールドを形成し（図中、CLT outと示す）、孔部４４は酸化ガス排出マニホールドを形成し（図中、O2 outと示す）、孔部４５は燃料ガス排出マニホールドを形成する（図中、H2 outと示す）。ガスセパレーター２６は、カソード２２の側のものであることから、孔部４２の酸化ガス供給マニホールドからセル内に流入したエアー（酸化ガス）は、このガスセパレーター２６で形成された後述のガス流路を通過して、孔部４４の酸化ガス排出マニホールドから排出される。こうしたガス供給は、積層された単セル１５のそれぞれでなされる。アノード２１の側のガスセパレーター２５では、孔部４０の燃料ガス供給マニホールドからセル内に流入した水素ガス（燃料ガス）は、このガスセパレーター２５で形成されたガス流路を通過して、孔部４５の燃料ガス排出マニホールドから排出される。
【００２４】
図２に示すガスセパレーター２６は、その中ほどに、セル内燃料ガス流路が形成されてカソード２２と重なって孔部４２および孔部４４と連通する略四角形状の領域を、発電領域５０とする。ガスセパレーター２６は、この発電領域５０に、水平方向に筋状のガス流路（セル内酸化ガス流路４８）を交互に並べて備える。つまり、このガスセパレーター２６は、発電領域５０において、流路間リブ３０と溝部３２とを交互に備え、それぞれの溝部３２を、入口側閉塞部３４と出口側閉塞部３５とで交互に閉塞する。この場合、入口・出口側の両閉塞部は、流路間リブ３０と異なる部材（例えば、セラミックス、カーボン、金属、あるいは、樹脂やゴムで形成の別部材）にて溝部３２を閉塞するものでもよく、溝部３２を、入口側閉塞部３４と出口側閉塞部３５とで交互に閉塞するよう、切削等するようにすることもできる。なお、ガスセパレーター２６とガス拡散層２４との接触抵抗を低減するためには、入口側閉塞部３４および出口側閉塞部３５を、導電性を有する材料により構成することが望ましい。
【００２５】
上記の両閉塞部は、その設置箇所、即ち流路末端或いは端部において溝部３２を閉塞する。このため、ガスセパレーター２６は、孔部４２の側に入口側閉塞部３４を備えず孔部４４の側に出口側閉塞部３５を有する溝部３２を複数備えることになり、この複数の溝部３２を、ガス供給マニホールド（孔部４０）の側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、流入したエアーをカソード２２のガス拡散層２４の表面に沿って流すガス流入流路４８ｉｎとする。その一方、ガスセパレーター２６は、孔部４２の側に入口側閉塞部３４を備えて孔部４４の側に出口側閉塞部３５を有しない溝部３２にあっても、これを複数備えることになり、この複数の溝部３２を、ガス排出マニホールド（孔部４４）の側から櫛歯状に分岐して流路端部で閉塞され、ガス流入流路４８ｉｎと交互に並んだガス流出流路４８ｏｕｔとなる。つまり、単セル１５は、櫛歯状に分岐したガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔとを流路間リブ３０を挟んで交互に有することになる。このガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔは、図中に矢印で示すガスの流れ方向に対して傾斜した凹所４９ａ、４９ｂを有するが、この凹所についての構成と、両流路におけるガス通過の様子は後述する。
【００２６】
また、ガスセパレーター２６は、発電領域５０において、複数の流路間リブ３０の端部と孔部４０〜４２との間の領域、および、複数の流路間リブ３０の端部と孔部４３〜４５との間の領域に、互いに離間して形成された複数の凸部３６を備える。これら複数の凸部３６は、燃料電池１０内では、ガス拡散層２４に当接して、セル内ガス流路の壁面の一部を構成する。孔部４２が形成するガス供給マニホールドからセル内燃料ガス流路に流入したエアーは、上流側の凸部３６の間に形成される空間を導かれて、複数のガス流入流路４８ｉｎに分配される。
【００２７】
このガス流入流路４８ｉｎに流れ込んだエアーは、当該流路が出口側閉塞部３５でその末端において閉塞されていることから、図３に示すように、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔを区画する流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに入り込む。こうしてガス流出流路４８ｏｕｔに入り込んだ反応ガスは、ガス拡散層２４の表面に沿って流れつつガス排出マニホールド（孔部４４）から流出される。そして、エアーは、ガス流入流路４８ｉｎを通過する際と、流路間リブ３０が当接した範囲のガス拡散層２４を透過する際（以下、この際のエアー透過をリブ当接箇所エアー透過と称する）、および、ガス流出流路４８ｏｕｔを通過する際に、ガス拡散層２４を経てＭＥＡに供給される。このリブ当接箇所エアー透過は、隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔの静圧差により起きる。アノード２１の側においても、ガスセパレーター２５において上記した流路構成とできる。
【００２８】
次に、凹所４９ａ、４９ｂについて説明する。図５は隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔにおける凹所４９ａおよび凹所４９ｂの形成の様子を一部拡大して示す説明図、図６は凹所４９ａと凹所４９ｂの流路に対する傾斜の様子を説明する説明図である。
【００２９】
図示するように、凹所４９ａは、ガス流入流路４８ｉｎに対して下流側に向けて斜めに傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延び、ガス流入流路４８ｉｎの両側に枝状に複数形成されている。個々の凹所４９ａは、三角波形状で閉鎖した凹形状をなし、ガス流入流路４８ｉｎを流れるガスの分流を起こす側に傾斜する。そして、この凹所４９ａの傾斜程度は、図６に示すように、ガス流入流路４８ｉｎのガスの流れ方向に対して下流側から約６０°の傾斜角度で傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延びている。
【００３０】
凹所４９ｂにあっては、ガス流出流路４８ｏｕｔに対して上流側に向けて斜めに傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延び、ガス流出流路４８ｏｕｔの両側に枝状に複数形成されている。個々の凹所４９ｂは、三角波形状で閉鎖した凹形状をなし、ガス流出流路４８ｏｕｔを流れるガスに対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜する。そして、この凹所４９ｂの傾斜程度は、図６に示すように、ガス流出流路４８ｏｕｔのガスの流れ方向に対して上流側から約６０°の傾斜角度で傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延びている。そして、凹所４９ａと凹所４９ｂとは、隣り合うガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔの間の流路間リブ３０において、両流路の流路方向に交互に位置することになる。なお、本実施例では、凹所４９ａと凹所４９ｂの傾斜角度を約６０°としたが、当該傾斜角度は、ガスの流れ方向に対して下流側或いは上流側から９０°未満の傾斜角度とすればよく、約２０〜８０°の傾斜角度範囲とすることが、後述のガス分流・合流の実効性確保の上から、或いは、凹所形成のしやすさから好ましい。
【００３１】
本実施例の燃料電池１０では、既述したようにガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔのセル内酸化ガス流路４８によるカソード２２への空気の供給と、セル内燃料ガス流路４７によるアノード２１への水素の供給を受けて発電し、発電に伴ってカソード２２において水を生成する。この生成水は、ガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔに入り込む。本実施例の燃料電池１０では、この生成水を次のようにして排出する。
【００３２】
本実施例の燃料電池１０は、図５〜図６に示すように、ガス流入流路４８ｉｎの両側に枝状に複数の閉塞状の凹所４９ａを備え、この凹所４９ａを、ガス流入流路４８ｉｎを流れる空気に対して、ガスの分流を起こす側に傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延ばしている。このため、ガス流入流路４８ｉｎに入り込んだ生成水は、当該流路に沿って流れる空気に運ばれ、流路下流側に流れる。このようにしてガス流入流路４８ｉｎを運ばれる生成水は、ガスの分流に乗って凹所４９ａに入り込む。この凹所４９ａは閉塞状であり、ガス流入流路４８ｉｎでは空気搬送の動圧が掛かっていることから、凹所４９ａに入り込んだ生成水は、この凹所４９ａに貯まり、凹所４９ａに入り込まなかった生成水は、ガス流入流路４８ｉｎの出口側閉塞部３５に貯まる。そして、それぞれの凹所４９ａと出口側閉塞部３５とに貯まった生成水は、ガス流入流路４８ｉｎとその隣りのガス流出流路４８ｏｕｔとの静圧差により、ガス流入流路４８ｉｎからガス拡散層２４（図３参照）を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに入り込み、このガス流出流路４８ｏｕｔに沿って運ばれ、燃料電池１０から排出される。
【００３３】
以上説明したように、本実施例の燃料電池１０では、生成水を出口側閉塞部３５に貯めるばかりか、ガス流入流路４８ｉｎからガスの分流が起きる側に斜めに傾斜して延びる複数の凹所４９ａにも分散して貯め置くので、出口側閉塞部３５と各凹所４９ａで生成水が貯まる量を低減できる。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、水移動に要する時間を短縮できると共に、排水性についてもその向上を図ることができる。その上、水移動が短時間で済むことから、ガス拡散層２４に水が留まることも抑制できるので、有効発電面積の確保、延いては電池性能の維持も図ることができる。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池１０は、ガスの分流が起きる側に傾斜した凹所４９ａをガス流入流路４８ｉｎの流路に亘ってその両側に枝状に複数有することから、各凹所４９ａに貯まる水の量をより少なくできるので、より一層、排水性を向上できる。しかも、本実施例の燃料電池１０は、凹所４９ａを、ガス流入流路４８ｉｎのガスの流れ方向に対して下流側から約６０°の傾斜角度で傾斜してガス流入流路４８ｉｎから延ばしているので、ガス流入流路４８ｉｎに沿って流れるガス（空気）の分流を確実に起こして、凹所４９ａに水を貯め置く。このため、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性を高めることができる。
【００３５】
また、本実施例の燃料電池１０では、上記のようにガス流入流路４８ｉｎから下流側に傾斜して延びた凹所４９ａに、ガス流入流路４８ｉｎに沿った空気搬送を起こす動圧を掛ける。このため、空気搬送のための動圧をも、凹所４９ａの水をガス拡散層２４を透過して隣のガス流出流路４８ｏｕｔに移動させるよう作用させるので、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性をより高めることができる。
【００３６】
この他、本実施例の燃料電池１０は、図５〜図６に示すように、ガス流出流路４８ｏｕｔについても、その両側に枝状に複数の閉塞状の凹所４９ｂを設け、この凹所４９ｂを、ガス流出流路４８ｏｕｔを流れるガス（空気）に対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延ばしている。この凹所４９ｂを有するガス流出流路４８ｏｕｔには、既述したように隣のガス流入流路４８ｉｎから、詳しくは各凹所４９ａおよび出口側閉塞部３５から水が入り込む。つまり、水は、ガス流出流路４８ｏｕｔに直接入り込むほか、それぞれの凹所４９ｂに入り込むことになる。
【００３７】
ガス流出流路４８ｏｕｔでは、その流路に沿ってガス（空気）が流れているので、このガス流出流路４８ｏｕｔから延びた閉塞状の凹所４９ｂでは、ガス流出流路４８ｏｕｔに沿った空気通過に伴い、負圧が発生する。このため、凹所４９ｂでは上記の負圧により水がガス拡散層２４から吸引されることになる。そして、凹所４９ｂに入り込んだ水は、ガス流出流路４８ｏｕｔに沿って流れるガス（空気）に引かれてガス流出流路４８ｏｕｔの空気に合流して当該流路に沿って下流に運ばれるので、凹所４９ｂに留まることはない。この結果、本実施例の燃料電池１０によれば、水移動に要する時間の更なる短縮化を図ることができ、排水性をより高めることができる。
【００３８】
また、本実施例の燃料電池１０では、ガスの合流が起きる側に傾斜した凹所４９ｂをガス流出流路４８ｏｕｔの流路に亘ってその両側に枝状に複数有することから、上記したような負圧による水の吸引をそれぞれの凹所４９ｂで起きるようにできる。このため、本実施例の燃料電池１０によれば、水移動に要する時間のより一層の短縮化と、排水性の更なる向上とを図ることができる。しかも、本実施例の燃料電池１０は、凹所４９ｂを、ガス流出流路４８ｏｕｔのガスの流れ方向に対して上流側から６０°の傾斜角度で傾斜してガス流出流路４８ｏｕｔから延ばしているので、ガス流出流路４８ｏｕｔに沿って流れるガス（空気）への凹所４９ｂからの合流を確実に起こす。このため、水移動に要する時間の短縮化と排水性の向上の実効性をより高めることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、本実施例では、カソード２２の側のエアー流路を流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとしたが、アノード２１のセル内燃料ガス流路４７についても、セル内酸化ガス流路４８と同様に櫛歯状の分岐流路を交互に有するものとできる。アノード２１に水素ガスを供給する際には、ガスを加湿する場合があるので、加湿のために加えられた水蒸気がセル内燃料ガス流路４７において水滴となることが有り得る。そうすると、この水滴は、カソード２２について説明した場合と同様にして流路末端の閉塞箇所と各流路から傾斜した凹所に分散されて、排出されるので、アノード側での排水性も高めることができる。
【００４０】
また、凹所４９ａおよび凹所４９ｂについては、該当する流路における形成の様子、凹所形状等、種々の変形が可能である。図７は凹所形状の変形例を示す説明図である。図示するように、上記の両凹所を、流路の長手方向の両側において交互に設けたり（図７（Ａ）参照）、流路のガスの流れに対する傾斜の程度を、流路の長手方向の両側において異なるようにすることもできる（図７（Ｂ）参照）。この他、各流路において長手方向に並ぶそれぞれの凹所を異なる傾斜程度で形成したりすることもできる。また、凹所４９ａおよび凹所４９ｂの形状についても、三角波形状の凹所の他、図７（Ｃ）に示すような矩形形状でガス流入流路４８ｉｎやガス流出流路４８ｏｕｔから延びる凹所や、図７（Ｄ）に示すような異形形状で流路から延びる凹所とすることもできる。この他、閉塞状の凹所であれば、湾曲した凹所とすることもできる。
【００４１】
また、図２において上下のガス流入流路４８ｉｎとガス流出流路４８ｏｕｔについては、凹所４９ａ或いは凹所４９ｂを流路長手方向の一方側だけに有するようにすることもできる。例えば、図２の最下端のガス流入流路４８ｉｎは、隣のガス流出流路４８ｏｕｔの側にだけ凹所４９ａを備え、最上端のガス流出流路４８ｏｕｔについては、隣のガス流入流路４８ｉｎの側だけ凹所４９ｂを備える。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池
１５…単セル
２０…電解質膜
２１…アノード
２２…カソード
２３…ガス拡散層
２４…ガス拡散層
２５…ガスセパレーター
２６…ガスセパレーター
３０…流路間リブ
３２…溝部
３４…入口側閉塞部
３５…出口側閉塞部
３６…凸部
４０〜４５…孔部
４７…セル内燃料ガス流路
４８…セル内酸化ガス流路
４８ｏｕｔ…ガス流出流路
４８ｉｎ…ガス流入流路
４９ａ…凹所
４９ｂ…凹所
５０…発電領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられたガス拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して前記ガス流入流路の隣に並んで流路端部で閉塞され、前記ガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路と、
前記ガス流入流路を流れるガスの分流を起こす側に傾斜して前記ガス流入流路から延びた閉塞状の流入流路凹所とを備える
燃料電池。
【請求項２】
前記流入流路凹所は、前記ガス流入流路の複数箇所において前記ガス流入流路から延びる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流入流路凹所は、前記ガス流入流路の両側において前記ガス流入流路から延びる請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流入流路凹所は、前記ガス流入流路のガスの流れ方向に対して下流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流入流路から延びる請求項１ないし請求項３いずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれかに記載の燃料電池であって、
更に、
前記ガス流出流路を流れるガスに対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜して前記ガス流出流路から延びた閉塞状の流出流路凹所を備える
燃料電池。
【請求項６】
前記流出流路凹所は、前記ガス流出流路の複数箇所において前記ガス流出流路から延びる請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記流出流路凹所は、前記ガス流出流路の両側において前記ガス流出流路から延びる請求項５または請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記流出流路凹所は、前記ガス流出流路のガスの流れ方向に対して上流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流出流路から延びる請求項５ないし請求項７いずれかに記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質膜の両膜面に電極を形成した膜電極接合体と、該膜電極接合体の少なくとも一方の電極面に設けられたガス拡散層と、該ガス拡散層に電気化学反応に供される反応ガスを供給するガス流路とを有する燃料電池であって、
前記ガス流路は、
前記反応ガスの供給用のガス供給マニホールドの側から櫛歯状に分岐して流路末端で閉塞され、前記ガス供給マニホールドから流入した前記反応ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流す複数のガス流入流路と、
ガス排出用のガス排出マニホールドの側から櫛歯状に分岐して前記ガス流入流路の隣に並んで流路端部で閉塞され、前記ガス流入流路から前記ガス拡散層を透過したガスを受け取って、該ガスを前記ガス拡散層の表面に沿って流しつつ前記ガス排出マニホールドに流出させる複数のガス流出流路と、
前記ガス流入流路を流れるガスの分流を起こす側に傾斜して前記ガス流入流路から延びた閉塞状の流入流路凹所とを備える
燃料電池。
【請求項２】
前記流入流路凹所は、前記ガス流入流路の複数箇所において前記ガス流入流路から延びる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記流入流路凹所は、前記ガス流入流路の両側において前記ガス流入流路から延びる請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流入流路凹所は、前記ガス流入流路のガスの流れ方向に対して下流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流入流路から延びる請求項１ないし請求項３いずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれかに記載の燃料電池であって、
更に、
前記ガス流出流路を流れるガスに対して上流側からのガスの合流を起こす側に傾斜して前記ガス流出流路から延びた閉塞状の流出流路凹所を備える
燃料電池。
【請求項６】
前記流出流路凹所は、前記ガス流出流路の複数箇所において前記ガス流出流路から延びる請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記流出流路凹所は、前記ガス流出流路の両側において前記ガス流出流路から延びる請求項５または請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記流出流路凹所は、前記ガス流出流路のガスの流れ方向に対して上流側から９０°未満の傾斜角度で傾斜して前記ガス流出流路から延びる請求項５ないし請求項７いずれかに記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４８９９５（Ｐ２０１２−４８９９５Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９０２７９（Ｐ２０１０−１９０２７９）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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