JP7600834B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池として、一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有し、かつ貫通孔の密度および孔径の少なくとも一方が面方向に異なるガス拡散層電極基材を有するものが知られている。この燃料電池では、ガス拡散層電極基材が、ガス拡散層とプレートとの双方にガス流路を備えた構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５１６５３５３号公報

従来のガス拡散層電極基材は、貫通孔を有しているために反応ガスの流路抵抗が低い。そのため、反応ガスの流量を増加させてガス拡散層内に溜まった生成水の排水を促す必要があった。

そこで、本発明は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立可能な燃料電池を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池は、アノード極、固体高分子膜、およびカソード極を一体化した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、前記一対のガス拡散層を介して前記膜電極接合体を表裏から挟む一対のセパレーターと、を備え、それぞれの前記セパレーターは、対応する前記ガス拡散層を臨む平面を有し、それぞれの前記ガス拡散層は、多孔質状であって、前記アノード極または前記カソード極へ供給される気体を流通させる複数の気体通路と、前記気体を拡散させる閉塞部と、を有し、前記複数の気体通路は、前記ガス拡散層の一方の縁に配置される開口から延びて前記ガス拡散層の内部で途切れる上流側通路と、前記ガス拡散層の内部から延びて前記ガス拡散層の他方の縁に配置される開口に達する下流側通路と、を含み、それぞれの前記セパレーターは、前記平面に設けられ、かつ前記上流側通路および前記下流側通路のいずれか一方に繋がって前記閉塞部へ延びる溝形状のバイパス通路を有している。

本発明によれば、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立可能な燃料電池を提供できる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略的な斜視図。 本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの分解斜視図。 図２の燃料電池セルに流れる反応ガスの流れ方向に沿う部分断面図。 図２の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図。 図４のガス拡散層の要部を示す拡大図。 図５のＡ－Ａ視野を示す断面図。 図５のＢ－Ｂ視野を示す断面図。 図５のＣ－Ｃ視野を示す断面図。 本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図。 本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図。

本発明に係る燃料電池用セパレーターの実施形態について図１から図１０を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略的な斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての酸素（空気に含まれる酸素）とを反応させて発電する。燃料電池１は、積層された複数の燃料電池セル２を有する積層体５と、複数の燃料電池セル２の積層方向Ｈの外側から積層体５を挟み込む一対のエンドプレート６と、一対のエンドプレート６に架け渡されて積層体５と一対のエンドプレート６とを一体化する複数の締結部材８と、を備えている。

なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスを、単に反応ガスと総称する。

燃料電池１は、積層される多数の燃料電池セル２を備えている。そのため、燃料電池１は燃料電池スタックとも呼ばれる。燃料電池１は、燃料電池セル２を最小単位とし、積層された数十から数百の燃料電池セル２を備えている。積層される燃料電池セル２の数量は、燃料電池１に要求される発電能力による。

一対のエンドプレート６は、燃料電池セル２より大きい長方形状を有している。一対のエンドプレート６は、その間に架け渡される締結部材８によって連結されている。

締結部材８は、一対のエンドプレート６を介して複数の燃料電池セル２に積層方向Ｈ内向きの荷重を付与する。この荷重は、一対のエンドプレート６が近づく方向へ作用し、積層体５を積層方向Ｈに圧縮している。

図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの分解斜視図である。

本実施形態に係る燃料電池１の燃料電池セル２は、図２に示すように、膜電極接合体１１（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、膜電極接合体１１を挟む一対のガス拡散層１２、１３（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）と、一対のガス拡散層１２、１３を介して膜電極接合体１１を表裏から挟む一対のセパレーター１５、１６と、を備えている。

また、燃料電池セル２は、積層方向に隣り合うセパレーター１５、１６の間に、燃料電池１を冷却する冷媒としての空気または水を流通させる冷媒流通路（図示省略）を有している。

図３は、図２の燃料電池セルに流れる反応ガスの流れ方向に沿う部分断面図である。

図４は、図２の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図である。

図５は、図４のガス拡散層の要部を示す拡大図である。

図６は、図５のＡ－Ａ視野を示す断面図である。

図７は、図５のＢ－Ｂ視野を示す断面図である。

図８は、図５のＣ－Ｃ視野を示す断面図である。

なお、図３は、後述する空気入口４１近傍における燃料電池セル２の断面図である。空気出口４２、水素ガス入口３１、および水素ガス出口３２も同様の構造を有している。そのため、ここでは空気出口４２近傍における燃料電池セル２の断面図、水素ガス入口３１近傍における燃料電池セル２の断面図、および水素ガス出口３２近傍における燃料電池セル２の断面図を省略する。

また、図４は、空気極としてのカソード極１９を臨むセパレーター１６側から見たガス拡散層１３の模式図であり、図５は、カソード極１９を臨むセパレーター１６側から見たガス拡散層１３の要部拡大図である。さらに、図６～図８は、カソード極１９を臨むセパレーター１６およびガス拡散層１３の部分断面図である。燃料極としてのアノード極１８を臨むセパレーター１５側から見たガス拡散層１２も図４～図８と同様に構成されていても良い。

燃料電池１の膜電極接合体１１は、図２に加えて図３に示すように、電解質としての固体高分子膜１７と、アノード極１８と、カソード極１９と、を備えている。膜電極接合体１１は、一体化された固体高分子膜１７、アノード極１８、およびカソード極１９である。一対の電極１８、１９は、固体高分子膜１７を表裏から挟んでいる。

一対のガス拡散層１２、１３は、多孔質状の膜である。一対のガス拡散層１２、１３は、水素ガスや空気を一対の電極１８、１９へ供給し、化学反応により生じた電子を集電し、固体高分子膜１７の保湿および生成水の排出を行う。

一対のガス拡散層１２、１３の周囲には、一対のサブガスケット２１が配置されている。一対のサブガスケット２１は、ガス拡散層１２、１３よりもガス透過係数の小さい、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂の薄膜である。

また、それぞれの燃料電池セル２は、アノード極１８に水素ガスを供給する水素ガス流路２２（気体通路）と、カソード極１９に空気を供給する気体通路２３（気体通路）と、を有している。水素ガス流路２２は、アノード極１８を臨むガス拡散層１２とセパレーター１５との間に区画されている。気体通路２３は、カソード極１９を臨むガス拡散層１３とセパレーター１６との間に区画されている。

そして、図４～図７に示すように、ガス拡散層１３は、カソード極１９（図２、図３参照）へ供給される気体を流通させる複数の気体通路２３を有している。複数の気体通路２３は、ガス拡散層１３のセパレーター１６を臨む面１３ａに開放し、セパレーター１６に閉じられる溝形状を有している。

複数の気体通路２３は、ガス拡散層１３の一方の縁に配置される開口２３ｉから延びてガス拡散層１３の内部で途切れる複数の上流側通路２５と、ガス拡散層１３の内部から延びてガス拡散層１３の他方の縁に配置される開口２３ｏに達する複数の下流側通路２６と、を含んでいる。換言すると、上流側通路２５および下流側通路２６は、ガス拡散層１３の一方の縁から他方の縁へと一続きに繋がることのない、断絶された通路であって、ガス拡散層１３の一方の縁と他方の縁との間で貫通していない。なお、図４および図５に気体の流通方向Ｘを実線矢印で示す。

複数の上流側通路２５および複数の下流側通路２６は、互いに繋がることなく、平行に延びている。複数の上流側通路２５および複数の下流側通路２６は、図４に示すような直線状の通路であっても良いし、蛇行した通路であっても良い。

また、複数の上流側通路２５および複数の下流側通路２６は、図４に示すように互い違いに並んでいても良いし、一直線上に並んでいても良い。

また、複数の気体通路２３は、上流側通路２５および下流側通路２６から離れた箇所に延びる、ガス拡散層１３の縁に非開放の中間通路７１を含んでいる。

中間通路７１は、上流側通路２５および下流側通路２６と同じようにガス拡散層１３のセパレーター１６を臨む面１３ａに開放し、セパレーター１６に閉じられる溝形状を有している。

そして、中間通路７１は、ガス拡散層１３のいずれの縁にも達しておらず、かつガス拡散層１３内において上流側通路２５および下流側通路２６にも直接的には繋がっていない。ガス拡散層１３において、上流側通路２５と中間通路７１との間、および中間通路７１と下流側通路２６との間は、これら気体通路２３が形成されていない閉塞部１３Ａとして機能する。

図４中に実線矢印で示す気体の流通方向Ｘにおける閉塞部１３Ａの長さ寸法ＬＸは、流通方向Ｘに直交する方向Ｙにおける閉塞部１３Ａの幅寸法Ｗよりも大きい。また、流通方向Ｘに直交する方向Ｙにおける上流側通路２５、中間通路７１、および中間通路７１の間隔、つまり整列間隔は、閉塞部１３Ａの長さ寸法ＬＸよりも小さい。換言すると、閉塞部１３Ａの長さ寸法ＬＸは、閉塞部１３Ａの幅寸法Ｗより大きく、かつ上流側通路２５、中間通路７１、および中間通路７１の整列間隔より大きい。そのため、流通方向Ｘに流れる気体は、上流側通路２５の下流端および中間通路７１の下流端で閉塞部１３Ａに流れ込む際に、流通方向Ｘへの移動を妨げられつつ流通方向Ｘに直交する方向Ｙへ広く拡散する。この気体の拡散によって、気体通路２３および閉塞部１３Ａに溜まった水分が排水される。

つまり、ガス拡散層１３は、閉塞部１３Ａを設けることで図４中に実線矢印で示す気体の流通方向Ｘに交差する方向Ｙへ積極的な流れを発生させ、閉塞部１３Ａに溜まった水を下流側通路２６に押し流す。

そのため、上流側通路２５と中間通路７１または中間通路７１と下流側通路２６との気体の流通方向Ｘにおける間隔、すなわち閉塞部１３Ａの流通方向Ｘの大きさを小さくしてしまうと圧力損失が小さくなってしまい、流通方向Ｘへの水の流れも少なくなってしまう。よって、複数の気体通路２３のうちの流通方向Ｘに隣り合う上流側通路２５と中間通路７１または中間通路７１と下流側通路２６との間は間隔を開けておくことが好ましい。つまり、閉塞部１３Ａの流通方向Ｘの寸法は広く確保することが好ましい。

中間通路７１は、複数の上流側通路２５および複数の下流側通路２６に平行に延びている。中間通路７１は、図４に示すような直線状の通路であっても良いし、蛇行した通路であっても良い。

また、中間通路７１は、図４に示すように上流側通路２５および下流側通路２６の延長線上になく、上流側通路２５および下流側通路２６に平行であっても良いし、上流側通路２５および下流側通路２６のいずれか一方の延長線上に配置されていても良いし、上流側通路２５および下流側通路２６の延長線上に一直線に並んでいても良い。

さらに、図４に示すように、中間通路７１は、気体の流れに交差する方向Ｙにおいて上流側通路２５および下流側通路２６の両方に重なりを有していても良いし、重なりを有していなくても良い。また、中間通路７１は、気体の流れに交差する方向Ｙにおいて上流側通路２５および下流側通路２６のいずれか一方に重なりを有していても良いし、重なりを有していなくても良い。さらに、隣り合う中間通路７１は、気体の流れに交差する方向Ｙにおいて重なりを有していても良いし、有していなくても良い。また、気体の流れに交差する方向Ｙにおいて重なりを有する中間通路７１、上流側通路２５、および下流側通路２６と、重なりを有していない中間通路７１、上流側通路２５および下流側通路２６と、が混在していても良い。なお、気体の流れに交差する方向Ｙは、中間通路７１、上流側通路２５、および下流側通路２６の整列方向でもある。

これらのように並ぶ複数の上流側通路２５、複数の下流側通路２６、複数の中間通路７１は、それぞれの上流側通路２５の下流端および中間通路７１の上流端の間と、それぞれの中間通路７１の下流端および下流側通路２６の上流端の間とに、ガス拡散層１３によって隔てられる部位を有する。この部位は、ガス拡散層１３内の多数の細孔（図示省略）を有している。換言すると、上流側通路２５、複数の下流側通路２６、および複数の中間通路７１は、ガス拡散層１３内の多数の細孔を介して繋がっている。この部位は、上流側通路２５および下流側通路２６に比べて、極めて圧力損失が高い。そこで、この部位を、便宜上、高圧力損失部２７と呼ぶ。

つまり、カソード極１９へ供給される気体は、上流側通路２５から高圧力損失部２７に流れ込み、高圧力損失部２７を経て中間通路７１へ流れ込み、さらに高圧力損失部２７を経て下流側通路２６へ流れ出る。そして、高圧力損失部２７では、上流側通路２５から流れ込む気体の流速、および中間通路７１から流れ込む気体の流速が上昇する。この流速の上昇した気体は、高圧力損失部２７の細孔に溜まった生成水を中間通路７１および下流側通路２６へ容易に排水する。

また、隣り合う上流側通路２５の間も、ガス拡散層１３内の多数の細孔を介して繋がっている。そのため、カソード極１９へ供給される気体は、隣り合う上流側通路２５の間の細孔に溜まった生成水も容易に排水する。中間通路７１および下流側通路２６も同様である。

図３に示すように、気体通路２３は、セパレーター１６に設けられる空気入口４１および空気出口４２（図２参照）に繋がっている。

空気入口４１と気体通路２３との間には、空気入口側マニホールド４５が設けられている。空気入口側マニホールド４５は、空気入口４１から流れ込む空気を気体通路２３へ導く。空気入口側マニホールド４５は、空気入口４１から流れ込む空気を、それぞれの上流側通路２５へ分岐させる。空気出口４２と気体通路２３との間には、空気出口側マニホールド（図示省略）が設けられている。空気出口側マニホールドは、気体通路２３から流れ出る空気を空気出口４２へ導く。空気出口側マニホールドは、気体通路２３から流れ出る空気を、それぞれの下流側通路２６から空気出口４２へ集約する。

ガス拡散層１２は、アノード極１８へ供給される気体を流通させる複数の水素ガス流路２２を有している。水素ガス流路２２についても、図４の気体通路２３のように構成することで、カソード極１９からの逆拡散で生成される水の排水性が向上し、アノード極１８の有効反応面積の向上を見込むことができる。

水素ガス流路２２は、セパレーター１５に設けられる水素ガス入口３１および水素ガス出口３２に繋がっている。

水素ガス入口３１と水素ガス流路２２との間には、水素ガス入口側マニホールド３５が設けられている。水素ガス入口側マニホールド３５は、水素ガス入口３１から流れ込む水素ガスを水素ガス流路２２へ導く。水素ガス入口側マニホールド３５は、水素ガス入口３１から流れ込む水素ガスを、それぞれの上流側通路へ分岐させる。水素ガス出口３２と水素ガス流路２２との間には、水素ガス出口側マニホールド３６が設けられている。水素ガス出口側マニホールド３６は、水素ガス流路２２から流れ出る水素ガスを水素ガス出口３２へ導く。水素ガス出口側マニホールド３６は、水素ガス流路２２から流れ出る水素ガスを、それぞれの下流側通路から水素ガス出口３２へ集約する。

セパレーター１５、１６は、例えば炭素繊維強化プラスチック製、導電性樹脂製、または金属製である。それぞれのセパレーター１５、１６は、対応するガス拡散層１２、１３を臨む平面１５ａ、１６ａを有している。これら平面１５ａ、１６ａは、対応するガス拡散層１２、１３の溝状の気体通路を閉じている。

アノード極１８を臨むガス拡散層１２に対面するセパレーター１５は、カソード極１９を臨むガス拡散層１３に対面するセパレーター１６へ空気を供給する空気導入口５１と、セパレーター１５から空気を排出させる空気導出口５２と、を有している。

セパレーター１５の面１５ａには、膜電極接合体１１に向かって突出する水素ガス側シール５９が設けられている。

カソード極１９を臨むガス拡散層１３に対面するセパレーター１６は、アノード極１８を臨むガス拡散層１２に対面するセパレーター１５へ水素ガスを供給する水素ガス導入口６１と、セパレーター１５からの水素ガスを排出させる水素ガス導出口６２と、を有している。

セパレーター１６の面１６ａには、膜電極接合体１１に向かって突出する空気側シール６９が設けられている。

本実施形態に係る燃料電池１のセパレーター１６は、図５～図７に示すように、ガス拡散層１３の閉塞部１３Ａに対向する部位に設けられてガス拡散層１３を臨む面１６ａに開放し、カソード極１９（図２、図３参照）へ供給される気体を流通させる複数のバイパス通路１６ｂを有している。複数のバイパス通路１６ｂは、ガス拡散層１３のセパレーター１６を臨む面１３ａに開放している。複数のバイパス通路１６ｂは、上流側通路２５または中間通路７１と重ならない部位において、ガス拡散層１３の閉塞部１３Ａに閉じられる溝形状を有している。そして、バイパス通路１６ｂは、上流側通路２５と中間通路７１とを繋ぐ第一バイパス通路１６ｂａ、および中間通路７１と下流側通路２６とを繋ぐ第二バイパス通路１６ｂｂの少なくとも一方を含んでいる。よって、図８に示すように、バイパス通路１６ｂは、上流側通路２５と中間通路７１とを閉塞部１３Ａを迂回して連結している。なお、ここでは、ガス拡散層１３の要部として、上流側通路２５と中間通路７１との間の閉塞部１３Ａを中心とした部位を拡大して説明しているが、中間通路７１と下流側通路２６との間の閉塞部１３Ａを中心とした部位についても同様の構造を有している。また、バイパス通路１６ｂは、プレス工法やエッチング工法等の手法によって形成される。

バイパス通路１６ｂは、気体の流通方向Ｘに隣り合う気体通路２３を連結していることが好ましい。具体的には、第一バイパス通路１６ｂａは、気体の流通方向Ｘに隣り合う上流側通路２５と中間通路７１とを繋ぎ、第二バイパス通路１６ｂｂは、気体の流通方向Ｘに隣り合う中間通路７１と下流側通路２６とを繋いでいる。複数の気体通路２３（上流側通路２５、下流側通路２６および中間通路７１を含む）は圧力損失が少ないため、そこを連結するようにバイパス通路１６ｂを備えることで閉塞部１３Ａにおける圧力損失を下げることができる。また、気体の流通方向Ｘに隣接する上流側通路２５と中間通路７１とを、閉塞部１３Ａを迂回するようにバイパス通路１６ｂで連結するため、複数の気体通路２３（上流側通路２５、下流側通路２６および中間通路７１を含む）が短くなり、ガス拡散層１３側に触媒ガスが流れるようになり、当該触媒ガスの拡散性を向上できる。

なお、気体通路２３とバイパス通路１６ｂとは、ガス拡散層１３の一方の縁に配置される開口２３ｉとガス拡散層１３の他方の縁に配置される開口２３ｏとを、ガス拡散層１３の閉塞部１３Ａを介することなく、一続きに連結しない。つまり、一方の縁に配置される開口２３ｉから流れ込んだ気体は、他方の縁に配置される開口２３ｏに到達するまでに、少なくとも１回はガス拡散層１３の閉塞部１３Ａを通過する。また、一方の縁に配置される開口２３ｉから流れ込んだ気体が他方の縁に配置される開口２３ｏに到達するまでに少なくとも１回はガス拡散層１３の閉塞部１３Ａを通過する範囲で、上流側通路２５、下流側通路２６および中間通路７１とバイパス通路１６ｂとの重なりは、大きくても良いし、小さくても良い。また、バイパス通路１６ｂは、閉塞部１３Ａに対向する箇所で途切れていても良い。例えば、第一バイパス通路１６ｂａは、上流側通路２５から中間通路７１へ延び、かつ中間通路７１を越えてガス拡散層１３の他方の縁の近傍へ達していても良い。

また、図６に示すように、バイパス通路１６ｂの断面積Ｌ２は、複数の気体通路２３（上流側通路２５、下流側通路２６および中間通路７１を含む）の断面積Ｌ１より小さいことが好ましい。バイパス通路１６ｂの断面積Ｌ２が狭く、閉塞部１３Ａで触媒ガスを拡散させて排水性を向上させつつ、圧力損失の低下を図ることができる。

また、図７に示すように、バイパス通路１６ｂは、閉塞部１３Ａの気体の流れに交差する方向Ｙの中央部に配置されることが好ましい。セパレーター１６とガス拡散層１３との接触部分で生成水は溜まり易いが、ガス拡散層１３とセパレーター１６の接触していない部分では流速も早く排水性も良い傾向になる。そのため、最も排水性の悪い傾向にある閉塞部１３Ａの気体の流れに交差する方向Ｙの中央部にバイパス通路１６ｂを設けることで、排水性を高めることができる。

ここで、本実施の形態に係る変形例の燃料電池セル２について説明する。

図９は、本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図である。

図１０は、本発明の実施の形態に係る変形例の燃料電池セルのセパレーター側から見たガス拡散層の模式図である。

バイパス通路１６ｂの気体の流通方向Ｘにおける両端部には、セパレーター１６の厚み方向に傾斜する傾斜部１６ｃが設けられることが好ましい。これにより、バイパス通路１６ｂへの気体の流れ込みが円滑になる。

なお、バイパス通路１６ｂには、気体の流通を攪拌する凹部や凸部等から構成される攪拌部１６ｄが設けられていることが好ましい。これにより、バイパス通路１６ｂ内の気体の流れに乱流を発生させ、空気を攪拌させることで、よりガス拡散層１３に反応ガスを拡散することができる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池１は、ガス拡散層１３の一方の縁に配置される開口２３ｉから延びてガス拡散層１３の内部で途切れる上流側通路２５と、ガス拡散層１３の内部から延びてガス拡散層１３の他方の縁に配置される開口２３ｏに達する下流側通路２６と、を含む複数の気体通路２３を備えている。ガス拡散層１３は、多孔質状であり、気体通路２３の入口としての開口２３ｉから気体通路２３の出口としての開口２３ｏに一続きに繋がる通路が無く、上流側通路２５と下流側通路２６とのように途切れた通路によって反応ガスとしての空気を流通させることができる。そのため、気体通路２３には高圧力損失部２７が含まれる。この高圧力損失部２７では、上流側通路２５から流れ込む反応ガスとしての空気によって、細孔に溜まった生成水が下流側通路２６へ容易に排水される。しかも、セパレーター１６において、ガス拡散層１３の閉塞部１３Ａに対向する部位には、ガス拡散層１３を臨む面１６ａに開放し、カソード極１９（図２、図３参照）へ供給される気体を流通させる複数のバイパス通路１６ｂを有している。複数のバイパス通路１６ｂは、ガス拡散層１３のセパレーター１６を臨む面１３ａに開放し、上流側通路２５または中間通路７１と重ならない部位において、ガス拡散層１３の閉塞部１３Ａに閉じられる溝形状を有している。そして、バイパス通路１６ｂは、上流側通路２５と中間通路７１、または中間通路７１と下流側通路２６の少なくとも一方を、閉塞部１３Ａを迂回して連結している。そのため、燃料電池１は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立できる。

セパレーター１６にバイパス通路１６ｂが形成されていない場合、ガス拡散層１３の上流側通路２５と下流側通路２６とが閉塞部１３Ａの部分で分断されるが、当該閉塞部１３Ａに対向するセパレーター１６にバイパス通路１６ｂを設けることで、セパレーター１６にバイパス通路１６ｂが形成されていない場合に比べて圧力損失を下げることができる。図示省略するが、燃料電池１は、圧縮機を駆動して反応ガスを供給する。したがって、燃料電池１は、閉塞部１３Ａに対向するセパレーター１６にバイパス通路１６ｂを設けることで圧力損失が低下した分、反応ガスの供給圧力を低減することが可能であり、圧縮機の省エネルギー化や小型化を図ることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池１の上流側通路２５と下流側通路２６とは、反応ガスの流れに交差する方向において重なりを有する。この重なり部分では、上流側通路２５の下流端部と下流側通路２６の上流端部との間の直線距離が最も近く、高圧力損失部２７における圧力損失の影響が小さい。つまり、重なり部分では、反応ガスは、上流側通路２５から下流側通路２６へ容易に流れ込む。そのため、重なり部では、反応ガスがガス拡散層１３へ拡散しすぎることによる減速が抑制され、高圧力損失部２７に溜まった生成水をより高効率に排水することができる。そのため、燃料電池１は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立できる。

ガス拡散層１３は、閉塞部１３Ａを設けることで気体の流れに交差する方向Ｙに積極的な対流を発生させ、閉塞部１３Ａに溜まってしまう生成水を下流側通路２６に押し流す効果が期待できる。そのため、上流側通路２５と中間通路７１または中間通路７１と下流側通路２６との流れ方向Ｘにおける間隔、すなわち閉塞部１３Ａの流れ方向Ｘの大きさを小さくしてしまうと圧力損失が小さくなってしまい、流れ方向Ｘへの水の流れも少なくなってしまう。よって、複数の気体通路２３のうちの流れ方向Ｘに隣り合う上流側通路２５と中間通路７１または中間通路７１と下流側通路２６との間は間隔を開けておくことが好ましい。つまり、閉塞部１３Ａの流れ方向Ｘの寸法は広く確保することが好ましい。

また、本実施形態に係る燃料電池１は、複数の気体通路２３、すなわち上流側通路２５および下流側通路２６から離れた箇所に延びる、ガス拡散層１３の縁に非開放の中間通路７１を有している。中間通路７１は、上流側通路２５および下流側通路２６のいずれにも繋がらず、離れている。そして、バイパス通路１６ｂは、上流側通路２５と中間通路７１、または中間通路７１と下流側通路２６の少なくとも一方を連結する。よって、上流側通路２５および下流側通路２６のみが設けられている場合に比べて中間通路７１が設けられている分、ガス拡散層１３のより広範囲に反応ガスを拡散させつつ、かつ反応ガスの流速の低下を抑制する。そのため、燃料電池１は、反応ガスの供給性と生成水の排水性を両立できる。

なお、水素ガス流路２２についても、図３～図１０の気体通路２３のように構成することで、カソード極１９からの逆拡散で生成される水の排水性が向上し、アノード極１８の有効反応面積の向上を見込むことができる。

したがって、本発明に係る燃料電池１によれば、反応ガスの供給性と生成水の排水性を容易に両立することができる。

１…燃料電池、２…燃料電池セル、５…積層体、６…エンドプレート、８…締結部材、１１…膜電極接合体、１２、１３…ガス拡散層、１３Ａ…閉塞部、１３ａ…ガス拡散層の面、１５、１６…セパレーター、１５ａ、１６ａ…セパレーターの面、１６ｂ…バイパス通路、１６ｂａ…第一バイパス通路、１６ｂｂ…第二バイパス通路、１６ｃ…傾斜部、１６ｄ…攪拌部、１７…固体高分子膜、１８…アノード極、１９…カソード極、２１…サブガスケット、２２…水素ガス流路、２３…気体通路、２３ｉ…開口、２３ｏ…開口、２５…上流側通路、２６…下流側通路、２７…高圧力損失部、３１…水素ガス入口、３２…水素ガス出口、３５…水素ガス入口側マニホールド、３６…水素ガス出口側マニホールド、４１…空気入口、４２…空気出口、４５…空気入口側マニホールド、５１…空気導入口、５２…空気導出口、５９…水素ガス側シール、６１…水素ガス導入口、６２…水素ガス導出口、６９…空気側シール、７１…中間通路。

Claims (7)

1. アノード極、固体高分子膜、およびカソード極を一体化した膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、
   前記一対のガス拡散層を介して前記膜電極接合体を表裏から挟む一対のセパレーターと、を備え、
   それぞれの前記セパレーターは、対応する前記ガス拡散層を臨む平面を有し、
   それぞれの前記ガス拡散層は、多孔質状であって、前記アノード極または前記カソード極へ供給される気体を流通させる複数の気体通路と、前記気体を拡散させる閉塞部と、を有し、
   前記複数の気体通路は、前記ガス拡散層の一方の縁に配置される開口から延びて前記ガス拡散層の内部で途切れる上流側通路と、前記ガス拡散層の内部から延びて前記ガス拡散層の他方の縁に配置される開口に達する下流側通路と、を含み、
   それぞれの前記セパレーターは、前記平面に設けられ、かつ前記上流側通路および前記下流側通路のいずれか一方に繋がって前記閉塞部へ延びる溝形状のバイパス通路を有している、燃料電池。
2. 前記複数の気体通路は、前記上流側通路および前記下流側通路から離れた箇所に延びる、前記ガス拡散層の縁に非開放の中間通路を含み、
   前記バイパス通路は、前記上流側通路と前記中間通路とを繋ぐ第一バイパス通路、および前記中間通路と前記下流側通路とを繋ぐ第二バイパス通路の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第一バイパス通路は、前記気体の流通方向に隣り合う前記上流側通路と前記中間通路とを繋ぎ、
   前記第二バイパス通路は、前記気体の流通方向に隣り合う前記中間通路と前記下流側通路とを繋ぐ、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記バイパス通路の断面積は、前記複数の気体通路の断面積より小さい、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記バイパス通路は、前記閉塞部の前記気体の流通方向に交差する方向の中央部に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記バイパス通路は、前記気体の流通方向における両端部に設けられて、前記セパレーターの厚み方向に傾斜する傾斜部を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記バイパス通路は、前記気体の流通を攪拌する攪拌部を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池。
   

Images