(57)【要約】【課題】簡易な構造変更により、総マイナス側の端部の燃料電池セルにおけるアノード側とカソード側の温度差を低減し、アノード側電極で生じ得る水詰りを効果的に抑制することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池セルスタック１０の総マイナス側ＳＭおよび総プラス側ＳＰのそれぞれに、ターミナルプレート２，２、絶縁プレート３，３、エンドプレート４Ａ，４Ｂが配され、冷却媒体を流すための供給マニホールド６Ａと、該供給マニホールドからそれぞれの燃料電池セルに供給された冷却媒体を排出するための排出マニホールド６Ｂと、を備えている、燃料電池１００であり、総マイナス側ＳＭのエンドプレート４Ａ内には、その排出マニホールド側の領域から供給マニホールド側の領域へ冷却媒体を流通させるための冷却媒体用流路７が形成されている。【選択図】図３
2010205592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、該ガス透過層の両側に配されたセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層されて燃料電池セルスタックを成し、該燃料電池セルスタックの総マイナス側および総プラス側のそれぞれに、該燃料電池セルスタック側から順に、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが配され、その燃料電池セル積層方向に流体連通して冷却媒体を流すための供給マニホールドと、該供給マニホールドからそれぞれの燃料電池セルに供給された冷却媒体を排出するための、燃料電池セル積層方向に流体連通する排出マニホールドと、を備えている、燃料電池であって、
総マイナス側の前記エンドプレート内には、その排出マニホールド側の領域から供給マニホールド側の領域へ冷却媒体を流通させるための冷却媒体用流路が形成されており、
前記排水マニホールドを介し、前記冷却媒体用流路を介してエンドプレート内を流通した冷却媒体が、排出マニホールドを介して排出されるようになっている、燃料電池。
【請求項２】
前記総マイナス側のエンドプレートのうち、絶縁プレートと反対側の端面には、断熱部材が配設されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくはそれらの積層体のいずれか一方からなる、請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルスタックと、その両側に、ターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが配設されてなる、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、たとえば、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための金属多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。なお、セパレータにガス流路溝が形成された燃料電池セルも従来一般のものであり、この形態の場合にはガス流路層となる金属多孔体は不要である。実際の燃料電池は、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層されて燃料電池セルスタックを成し、この燃料電池セルスタックの総マイナス側、および総プラス側にはそれぞれ、該燃料電池セルスタック側から順に、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが配され、全体がスタッキングされることによって形成されている。
【０００３】
ところで、上記燃料電池には、そのセル積層方向に延設する、冷却媒体供給用および冷却媒体排出用のマニホールドが設けられており、供給用マニホールドから各燃料電池セルに冷却媒体（水、エアなど）が供給され、セルの面内方向に蛇行流路等を介して流れた冷却媒体や燃料電池セル内で生成された生成水は、排出マニホールドを介して外部に排出されるようになっている。燃料電池セル内に冷却媒体が提供されることにより、燃料電池の発電経過の発熱に伴う燃料電池セルの昇温を所望に抑制できるようになっている。
【０００４】
ここで、燃料電池セルスタックのうち、その端部に位置する燃料電池セルは、他の燃料電池セルに比して温度が低くなり易いことが特定されている。これは、この端部の燃料電池セルが、隣接するターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートを介して放熱されるためである。中でも、燃料電池セルスタックにおける総マイナス側の端部の燃料電池セルにおいては、アノード側電極の温度がカソード側電極の温度よりも低くなることが特定されている。
【０００５】
総マイナス側の端部の燃料電池セルにおいて、アノード側電極の温度がカソード側電極の温度よりも低くなることに起因して両電極に温度差が生じる結果、酸化剤ガス用の流路から燃料ガス用の流路に水蒸気が移動し易くなり、燃料ガス用の流路に液水が発生し易くなる。そして、この液水が十分に排水されない場合には、総マイナス側にある燃料ガス用の流路でフラッディングに至る危険性もある。さらには、燃料電池の運転を停止し、所定時間後に起動させた際に、総マイナス側にある端部の燃料電池セルのアノード側電極は上記液水に起因して水詰りとなり、燃料ガスの供給量が低減して電圧低下に至るという問題も生じ得る。
【０００６】
上記課題に対して、特許文献１では、加熱手段を燃料電池セル内に設け、冷却媒体の供給側よりも排出側の加熱量を多くするようにして、上記液水に起因する水詰りを抑制できる燃料電池が開示されている。
【０００７】
上記特許文献１に開示の燃料電池に対し、本発明者等は、加熱手段等の付加構成を燃料電池に追加することなく、現状の燃料電池の構造に改良を加えることで、総マイナス側の端部の燃料電池セルにおけるアノード側とカソード側の温度差を低減し、アノード側電極で生じ得る水詰りを効果的に抑制することのできる燃料電池の発案に至った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１０８６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構造変更により、総マイナス側の端部の燃料電池セルにおけるアノード側とカソード側の温度差を低減し、アノード側電極で生じ得る水詰りを効果的に抑制することの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】
【００１０】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、該ガス透過層の両側に配されたセパレータと、からなる燃料電池セルが複数積層されて燃料電池セルスタックを成し、該燃料電池セルスタックの総マイナス側および総プラス側のそれぞれに、該燃料電池セルスタック側から順に、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが配され、その燃料電池セル積層方向に流体連通して冷却媒体を流すための供給マニホールドと、該供給マニホールドからそれぞれの燃料電池セルに供給された冷却媒体を排出するための、燃料電池セル積層方向に流体連通する排出マニホールドと、を備えている、燃料電池であって、総マイナス側の前記エンドプレート内には、その排出マニホールド側の領域から供給マニホールド側の領域へ冷却媒体を流通させるための冷却媒体用流路が形成されており、前記排水マニホールドを介し、前記冷却媒体用流路を介してエンドプレート内を流通した冷却媒体が、排出マニホールドを介して排出されるようになっているものである。
【００１１】
本発明の燃料電池は、総マイナス側のエンドプレート内に冷却媒体を流通させる冷却媒体用流路を形成し、排出マニホールドを流れてきた冷却媒体を該冷却媒体用流路に流すことにより、この冷却媒体の有する熱量にてエンドプレートを保温するものである。
【００１２】
また、この冷却媒体用流路がエンドプレート内の排出マニホールド側の領域から供給マニホールド側の領域へ通じており、この方向に冷却媒体を流すようになっていることで、端部の燃料電池セルのアノード側電極の温度低下を効果的に抑制することができ、アノード側電極とカソード側電極の温度差を可及的に少なくできる。
【００１３】
なお、より好ましい実施の形態として、前記総マイナス側のエンドプレートのうち、絶縁プレートと反対側の端面には、断熱部材が配設されている形態であってもよい。
エンドプレートの外側に断熱部材が配設されていることにより、エンドプレートの保温性をより確実に保障できる。
【００１４】
ここで、上記する燃料電池セルの構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配された構造、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された従来一般のセル構造の双方を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。また、ガス透過層がガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体からなる形態においては、該金属多孔体のみが電解質膜よりも側方に張り出している形態などもある。
【発明の効果】
【００１５】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、加熱手段等の追加構成を付加することなく、燃料電池の総マイナス側のエンドプレート内に冷却媒体流通用の流路を形成しただけの極めて簡易な構造変更により、端部の燃料電池セルのアノード側電極の温度低下を効果的に抑制することができ、アノード側電極とカソード側電極の温度差を可及的に少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池を側面から見た図であって、冷却媒体の流通経路をともに示した模式図である。
【図２】図１のII−II矢視図であって、総マイナス側の端部の燃料電池セル内の冷却媒体の流れを示した模式図である。
【図３】図１のIII−III矢視図であって、総マイナス側のエンドプレート内の冷却媒体の流れを示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図２，３においては、燃料ガスや酸化剤ガスの供給孔および排気孔の図示を省略している。
【００１８】
図１は、本発明の燃料電池をその側面から見た図である。図示する燃料電池１００は、所望基数の燃料電池セル１，…が積層され、その積層方向の両端に、総マイナス側の端部燃料電池セル１Ａと、総プラス側の端部燃料電池セル１Ｂとが配されて燃料電池セルスタック１０を成し、それらの外側にそれぞれ、ターミナルプレート２，２、絶縁プレート３，３、総マイナス側エンドプレート４Ａおよび総プラス側エンドプレート４Ｂが配され、不図示のテンションプレートを介して全体がスタッキングされることにより、燃料電池１００が形成されている。なお、各燃料電池セル１、１Ａ，１Ｂにおいて、総マイナス側にアノード側電極、総プラス側にカソード側電極が形成されていることは言うまでもない。
【００１９】
また、図示例では、総マイナス側エンドプレート４Ａの外側に断熱部材が配されており、総マイナス側エンドプレート４Ａの保温性能をより確実に保障できるようになっている。
【００２０】
この燃料電池１００の総マイナス側ＳＭには、冷却媒体供給マニホールド６Ａと、冷却媒体排出マニホールド６Ｂそれぞれの端部開口が臨んでおり、冷却媒体供給マニホールド６Ａを流通する（Ｘ１方向）冷却媒体（水、エアなど）は、各燃料電池セル１のたとえばセパレータに設けられた不図示の流路を介してその面内方向に流れ（Ｘ２方向）、発電経過で発熱した電極体を所望にクーリングするようになっている。
【００２１】
各燃料電池セル１，…、１Ａ，１Ｂ内を流れた冷却水は、冷却媒体排出マニホールド６Ｂに排水され、冷却媒体排出マニホールド６Ｂを介して燃料電池１００外に排出される。
【００２２】
ここで、燃料電池１００を構成する燃料電池セル１の構造を概説する。燃料電池セル１は、電解質膜とその両側に配されたアノード側およびカソード側の触媒層とからなる膜電極接合体、この膜電極接合体の両側に配されたガス透過層、アノード側およびカソード側のガス透過層の外側に配されたセパレータから大略構成されている。ここで、「ガス透過層」とは、ガス拡散層、もしくは金属多孔体からなるガス流路層のいずれか一方、もしくはそれらの積層体からなり、さらには、このガス拡散層は、集電層のみの形態、集電層と拡散層基材の積層体のいずれか一方からなるものである。
【００２３】
上記する電解質膜は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。また、触媒層は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜やガス拡散層等の基材にたとえば塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。さらに、ガス拡散層を構成する拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、集電層は、アノード側、カソード側の触媒層から電子を集める電極の役割を果たすとともに生成水を排水する撥水作用を奏するものである。さらに、セパレータは、ステンレスやチタン製のアノード側プレート、中間プレート、カソード側プレートからなる３層構造の形態、同素材からなり、ガス流路と冷却媒体流路となる溝流路が形成された従来一般のセパレータのいずれか一方からなる。
【００２４】
図２は、図１のII−II矢視図であって、総マイナス側の端部の燃料電池セル内の冷却媒体の流れを示した模式図であり、図３は、図１のIII−III矢視図であって、総マイナス側のエンドプレート内の冷却媒体の流れを示した模式図である。
【００２５】
図２より、総マイナス側の端部燃料電池セル１Ａでは、相対的に低温の冷却媒体が流入する冷却媒体供給マニホールド６Ａに近接した領域が低温領域となり易い（低温領域Ａ）。
【００２６】
同図では、蛇行流路に沿って冷却媒体が供給マニホールド６Ａから排出マニホールド６Ｂに流される形態を示しており（Ｘ２ａ方向）、この冷却媒体の流れにより、相対的に低温の冷却媒体が供給マニホールド６Ａから排出マニホールド６Ｂに向かって流通することになる（Ｘ２方向）。この流通過程で、冷却媒体は電極体で生じる熱で温められ、排出マニホールド６Ｂには相対的に高温となった冷却媒体が排水されることになる。なお、図示例の蛇行流路以外にも、直線状の溝流路などであってもよく、さらに、上記する３層構造セパレータの場合には、中間プレート内に多数のディンプルが形成されていて、これらのディンプルにて冷却媒体を乱流状に流通させるような形態であってもよい。
排水された冷却媒体は、排出マニホールド６Ｂを介して総マイナス側エンドプレート４Ａに到達する。
【００２７】
総マイナス側エンドプレート４Ａ内には、図３で示すような冷却媒体用流路７が形成されており、該流路７を介して、上記する相対的に高温の冷却媒体が低温領域Ａを流通する（Ｘ４方向）。この低温領域Ａには、蛇行流路７Ａが形成されており、蛇行流路７Ａを温められた冷却媒体が流通することにより、低温領域Ａを所望に昇温させることができる。低温領域Ａを通過した冷却媒体は、エンドプレート４Ａの厚み方向に延設する連絡流路６Ｃを介し、該エンドプレート４Ａ内に設けられた不図示の排出流路を介して排出マニホールド６Ｂに送られ、燃料電池１００外に排出される。
【００２８】
図示のごとく、総マイナス側エンドプレート４Ａ内に、温められた冷却媒体が流通する冷却媒体用流路７が形成され、該流路７を温められた冷却媒体が流通して低温領域Ａを昇温することにより、総マイナス側の端部燃料電池セル１Ａにおけるアノード側電極とカソード側電極の温度差を可及的に低減でき、さらには、該アノード側電極の面内温度を可及的に均一に制御することができる。
【００２９】
したがって、総マイナス側の端部燃料電池セルにおいて、アノード側電極の温度がカソード側電極の温度よりも低くなることに起因して両電極に温度差が生じ、酸化剤ガス用の流路から燃料ガス用の流路に水蒸気が移動して液水が発生し、この液水にて総マイナス側にある燃料ガス用の流路でフラッディングが生じるという危険性、さらには、燃料電池の運転を停止し、所定時間後に起動させた際に、総マイナス側にある端部の燃料電池セルのアノード側電極は上記液水に起因して水詰りとなり、燃料ガスの供給量が低減して電圧低下に至るという危険性が、効果的に解消されることになる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池セル、１Ａ…総マイナス側の端部燃料電池セル、１Ｂ…総プラス側の端部燃料電池セル、２…ターミナルプレート、３…絶縁プレート、４Ａ…カソード側エンドプレート、４Ｂ…アノード側エンドプレート、５…断熱部材、６Ａ…冷却媒体供給マニホールド、６Ｂ…冷却媒体排出マニホールド、７…冷却媒体用流路、ＳＭ…総マイナス側、ＳＰ…総プラス側
【図１】
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【図２】
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【図３】
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