(57)【要約】【課題】燃料電池発電時での生成水によるフラッディング現象の発生を抑制する。【解決手段】電解質膜１の上面にアノード触媒層３を介してアノードガス拡散層７を配置し、電解質膜１の下面にはカソード触媒層５を設けて、その下方のセパレータ９との間に冷却水通路１３を形成する。冷却水通路１３はセパレータ９に形成した互いに平行に延びる複数の凹部９ａで構成し、この凹部９ａの底部に多孔質体１５を配置する。多孔質体１５に最下部のセパレータ９の貫通孔９ｆを通して空気を供給することで、この空気は冷却水通路１３内の冷却水中を浮力によって上昇し、カソード触媒層５に達する。この空気とアノード触媒層３に供給した水素ガスの反応による発電時に、カソード側で生成される水は、冷却水通路１３を流れる冷却水によって持ち去られ、最下部のセパレータ９の貫通孔９ｄから外部に排出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にアノード触媒層を、他方の面にカソード触媒層をそれぞれ設け、前記アノード触媒層の前記電解質膜と反対側にアノードガス拡散層を設ける一方、前記カソード触媒層の前記電解質膜と反対側に冷却媒体が流れる冷却媒体通路を設け、この冷却媒体通路に、前記カソード触媒層にカソードガスを供給するカソードガス供給手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソードガス供給手段は、外部から供給されるカソードガスが透過するカソードガス透過部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記冷却媒体通路は、前記カソード触媒層とこのカソード触媒層と反対側に設けたセパレータとの間に形成され、前記カソードガス透過部材を前記冷却媒体通路内の前記セパレータ側に配置したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記冷却媒体通路の下流側近傍の前記カソードガス透過部材の表面に、カソードガスが透過不能なガス不透過部を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記冷却媒体通路は、前記カソード触媒層とこのカソード触媒層と反対側に設けたセパレータとの間に形成されて、該セパレータの前記カソード触媒層側に設けた複数の凹部で構成し、この各凹部相互間の凸部の先端を前記カソード触媒層に接触させたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記冷却媒体通路を前記電解質膜に対し鉛直方向下方に位置させたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の一方の面にアノード触媒層を、他方の面にカソード触媒層をそれぞれ設けた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池、特に固体高分子電解質型燃料電池は、電解質膜の両側のアノード触媒層及びカソード触媒層のそれぞれの外側に、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を設けて一対の電極を構成している。ここで、例えば下記特許文献１の燃料電池では、これらのガス拡散層を、比較的小径の貫通孔を無数に持つ多孔体焼結粗粒子が、適度に隙間を持ちつつ前記多孔体焼結粗粒子同士が連なって比較的大径の貫通孔を無数に形成する構造としている。
【特許文献１】特開２００７−２４２３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池においては、酸化剤ガスを供給するカソード側で、電解質膜１を透過した水素イオンと酸化剤ガスである酸素が反応して水が生成され、この水が電極面（反応面）で詰まるフラッディング現象が発生することがあり、このようなフラッディング現象が発生すると、燃料電池としての性能低下を引き起こす。
【０００４】
ところが、上記特許文献１に記載された従来の燃料電池では、特に燃料電池の単セルを多数積層して燃料電池スタックとした場合に、積層方向に荷重を付与することから、多孔体焼結粗粒子で構成したガス拡散層が潰れやすく、フラッディング現象が発生しやすい状況にある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池発電時での生成水によるフラッディング現象の発生を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電解質膜の一方の面に設けたアノード触媒層上にアノードガス拡散層を設ける一方、電解質膜の他方の面に設けたカソード触媒層の電解質膜と反対側に冷却媒体通路を設け、この冷却媒体通路に、カソード触媒層にカソードガスを供給するカソードガス供給手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の発電時にカソード側で生成される水は、冷却媒体通路を流れる冷却媒体によって持ち去られるので、反応面となるカソード触媒層での生成水によるフラッディング現象の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池の断面図である。この燃料電池は、電解質膜としての固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜と呼ぶ）１の一方の面（図１中で上面）にアノード触媒層３を、他方の面（図１中で下面）にカソード触媒層５をそれぞれ設け、アノード触媒層３の電解質膜１と反対側の上面には、アノードガス拡散層７を設けている。
【００１０】
そして、これら電解質膜１と、その両側のアノード触媒層３及びカソード触媒層５と、アノードガス拡散層７とからなる積層体を、一対のセパレータ９，１１相互間に配置し、これにより燃料電池１の単セル（単電池）を構成している。図１では、この単セルを上下方向に３つ積層し、さらに上下両側から図示しないエンドプレートなどを用いて挟持固定し燃料電池スタックを構成する。
【００１１】
単セルにおける下部のセパレータ９は、図１のＡ−Ａ断面図である図２（但し、単セルを２個としている）及び平面図である図３に示すように、図１，図３中で左右方向に直線状に延びる凹部９ａを互いに平行となるよう複数形成してあり、この凹部９ａ相互間の凸部９ｂの先端面をカソード触媒層５に接触させている。これにより形成される凸部９ｂ相互間の空間が冷却水通路１３となる。この冷却水通路１３には、冷却媒体としての冷却水が流れる。すなわち、本実施形態では、カソード触媒層５の電解質膜１と反対側に、冷却媒体通路としての冷却媒体通路１３を設けていることになる。
【００１２】
なお、図１は、図３に示すセパレータ９のＢ−Ｂ断面に対応する燃料電池全体の断面図として示している。
【００１３】
また、上記したセパレータ９の凹部９ａの底部の全面には、カソードガス供給手段としてのカソードガス透過部材である多孔質体１５を配置している。多孔質体１５は、上記凹部９ａに配置した部位のほか、凸部９ｂの図３中で右側端部よりもさらに右側に図３中で上下方向に延びて上記凹部９ａに配置した部位と一体となる連結部１５ａを備えている。このような多孔質体１５は、例えばセラミックや樹脂で構成してあり、外部から供給されるカソードガスである空気が透過する。
【００１４】
上記した凹部９ａ及び凸部９ｂは、セパレータ９の長手方向両端よりも内側に形成してあり、これら凹部９ａ及び凸部９ｂの長手方向の端部とセパレータ９の長手方向両端との間の部分に、上下方向に貫通する冷却媒体入口部となる貫通孔９ｃ，９ｄを形成している。これら各貫通孔９ｃ，９ｄに対応して電解質膜１にも上下方向に貫通する貫通孔１ａ，１ｂを形成している。なお、前記した多孔質体１５は、この貫通孔９ｃ，１１ｃに重ならないように、貫通孔９ｃ，１１ｃよりも内側に位置している。
【００１５】
一方、アノードガス拡散層７側のセパレータ１１についても、上記したセパレータ９と同様に、図１中で左右方向に直線状に延びる凹部１１ａを互いに平行となるよう複数形成してある。そして、これら凹部１１ａ相互間の凸部１１ｂの先端面をアノードガス拡散層７に接触させている。ここでの凸部１１ｂ相互間の空間は、アノードガスである水素ガスが供給されるアノードガス通路１７となる。
【００１６】
これら凹部１１ａ及び凸部１１ｂの長手方向両端部は、セパレータ１１の長手方向両端部よりも内側に形成してあり、この凹部１１ａ及び凸部１１ｂの長手方向両端部とセパレータ１１の長手方向両端部との間の部分に、上下方向に貫通する貫通孔１１ｃ，１１ｄを形成している。
【００１７】
互いに隣接する単セル同士のセパレータ９，１１は背中合わせに互いに接触した状態となる。なお、最上段のセパレータ１１には貫通孔１１ｃ，１１ｄを設けていない。
【００１８】
上記各セパレータ９，１１及び電解質膜１における図１中で右側の貫通孔９ｃ，１１ｃ及び１ａは、冷却水通路１３に冷却水を供給する冷却水供給用のマニホールド１９を構成し、同左側の貫通孔９ｄ，１１ｂ及び１ｂは、冷却水通路１３から冷却水を排出する冷却水排出用のマニホールド２１を構成している。
【００１９】
ここで、電解質膜１とセパレータ９は、アノード，カソード各触媒層３，５及びアノードガス拡散層７よりも外周部が全周にわたり外側に突出しており、この突出した部分の電解質膜１とセパレータ９との間にはシール材２７を介装している。このシール材２７は、図３に示すように、上記した貫通孔９ｃに連通する冷却水供給部２３を除く貫通孔９ｃの周囲、貫通孔９ｄに連通する冷却水排出部２５を除く貫通孔９ｄの周囲及び、複数の冷却水通路１３全体の周囲を囲むような形状としている。
【００２０】
つまり冷却水は、シール材２７によってシールされた状態で、貫通孔９ｃから冷却水供給部２３を経て各冷却水通路１３に流出した後、冷却水排出部２５を経て貫通孔９ｄへと流れる。
【００２１】
また、前記した各セパレータ９の長手方向両端部には、前記した貫通孔９ｃ，９ｄとは別に、アノードガス供給用及び排出用の各マニホールド２９及び３１をそれぞれ構成する貫通孔９ｅ及び１１ｅを形成している。同様にしてセパレータ１１及び電解質膜１にも、上記各マニホールド２９，３１を構成する図示しない貫通孔を、貫通孔９ｅ，１１ｅに対応してそれぞれ形成してある。
【００２２】
そして、前記したシール材２７は、図３に示すように、上記した貫通孔９ｅ，１１ｅの周囲及び電解質膜１の上記した図示しない貫通孔の周囲を囲むアノードガスシール部２７ａ，２７ｂを一体に備えている。
【００２３】
また、セパレータ１１についても、アノード，カソード各触媒層３，５及びアノードガス拡散層７よりも外周部が全周にわたり外側に突出しており、この突出した部分の電解質膜１とセパレータ１１との間にはシール材３３を介装してある。このシール材３３は、前記したシール材２７とほぼ同様な形状としてある。
【００２４】
すなわち、このシール材３３は、図１に示すように、セパレータ１１の貫通孔１１ｃの周囲及び電解質膜１の貫通孔１ａの周囲を囲む冷却水シール部３３ａと、セパレータ１１の貫通孔１１ｄの周囲及び電解質膜１の貫通孔１ｂの周囲を囲む冷却水シール部３３ｂとを一体に備えている。さらに、このシール材３３は、前記したアノードガス供給用及び排出用の各マニホールド２９及び３１をそれぞれ構成する貫通孔９ｅ及び１１ｅに対応する図示しない各貫通孔にそれぞれ連通するアノードガス供給部及びアノードガス排出部を除く該貫通孔の周囲及び、複数のアノードガス通路１７全体の周囲を囲むように形成している。
【００２５】
つまりアノードガスは、シール材３３によってシールされた状態で、貫通孔９ｅに対応する図示しない貫通孔からアノードガス供給部を経てアノードガス通路１７に流出した後、アノードガス排出部を経て貫通孔１１ｅに対応する図示しない貫通孔へと流れる。
【００２６】
以上より、上下方向に互いに積層した複数の単セルの各冷却水通路１３は、一方の端部で電解質膜１の貫通孔１ａとセパレータ９，１１の各貫通孔９ｃ，１１ｃを通して互いに連通し、他方の端部で電解質膜１の貫通孔１ｂとセパレータ９，１１の各貫通孔９ｄ，１１ｄを通して互いに連通することになる。よって、外部から最下段のセパレータ９の貫通孔９ｃを通して冷却水を供給することで、各単セルの冷却水通路１３に冷却水が流れ、反対側の貫通孔９ｄ（最下段のセパレータ９の貫通孔９ｄを除く），１１ｄを通って最下段のセパレータ９の貫通孔９ｄから外部に排出される。
【００２７】
次に、冷却水通路１３に配置した多孔質体１５への酸化剤ガスである空気の供給経路について説明する。前記した多孔質体１５の連結部１５ａは、電解質膜１の貫通孔１ａのほぼ中心位置付近まで延出した位置にあり、この延出した連結部１５ａに対応するセパレータ９，１１の凹部９ａ，１１ａと同一面上となる部位には、上下方向に貫通するカソードガス供給通路となる貫通孔９ｆ，１１ｆを設けている。
【００２８】
そして、貫通孔９ｆを覆う部分の多孔質体１５と、その上部の貫通孔１１ｆを設けた部分のセパレータ１１との間には、リング状のガスケット３５を介装し、これにより、各単セルの多孔質体１５相互は、このガスケット３５及び貫通孔９ｆ，１１ｆを通して互いに連通した状態となる。したがって、外部から最下段のセパレータ９の酸化剤ガス供給口となる貫通孔９ｆを通して酸化剤ガスである空気を供給することで、この空気は、各単セルの多孔質体１５にそれぞれ供給されることになる。
【００２９】
次に、作用を説明する。本燃料電池に対し、冷却水を最下段のセパレータ９の貫通孔９ｃから冷却水供給用のマニホールド１９に供給することで、この冷却水は各単セルの冷却水通路１３に供給される。このとき、各冷却水通路１３及び冷却水供給用のマニホールド１９，冷却水排出用のマニホールド２１は冷却水で充満し、かつ冷却水排出口となる最下段のセパレータ９の貫通孔９ｄから冷却水が排出されて冷却水通路１３には冷却水が常時流れることになる。
【００３０】
これとともに、水素ガスを最下段のセパレータ９の図示しない貫通孔からアノードガス供給用のマニホールド２９（図３）に供給することで、この水素ガスは各単セルのアノードガス通路１７に流入してアノード触媒層７に達する。
【００３１】
また、空気を、最下段のセパレータ９の貫通孔９ｆから供給することで、この空気は、各単セルの多孔質体１５に流入する。なお、この供給する空気の量は冷却水の供給量に対して１／１０以上とすることで、発電に必要なガス量を確保できる。
【００３２】
多孔質体１５に流入した空気は、多孔質体１５内の小孔を通ってそのほぼ全域に行き渡り、上面の開口から冷却水通路１３内の冷却水中に図２に示すように気泡３９として放出され、カソード触媒層５に達する。そして、このカソード触媒層５に達した空気中の酸素と、前記アノード触媒層７に達した水素ガスとが反応して発電する。
【００３３】
このとき、本実施形態では、カソード側において水が生成されるが、この生成水は、冷却水通路１３を流れている冷却水により持ち去られるようにして流されて、冷却水排出用のマニホールド２１に達し、最下段セパレータ９の貫通孔９ｄから外部に排出される。
【００３４】
このように、本実施形態では、燃料電池の発電時にカソード側で生成される水は、冷却水通路１３を流れる冷却水によって持ち去られるので、反応面であるカソード触媒層５での生成水の滞留によるフラッディング発生を抑制することができる。
【００３５】
なお、特に図示はしていないが、燃料電池の外部に排出された冷却水は、図示しないラジエータなどの放熱手段によって放熱された後、再度燃料電池の冷却水通路１３に流入するように循環するものとする。
【００３６】
また、本実施形態では、カソードガス供給通路である貫通孔９ｆから空気を供給することで、カソードガス透過部材である多孔質体１５内に空気が流れて行き、この多孔質体１５を通して冷却水通路１３内に効率よく空気を放出でき、発電効率の向上に寄与することができる。
【００３７】
また、本実施形態では、多孔質体１５を冷却水通路１３内のセパレータ９側に配置しているので、発電時に発生した水（生成水）が、多孔質体１５に保持されにくく、生成水の排出が容易となり、フラッディング発生をより確実に抑えることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、多孔質体１５は、冷却水通路１３の下流側の端部に対応する端面及び該端面付近の電解質膜１に対向する上面を覆うガス不透過部としてのカバー部３７を設けている。このカバー部３７は、カソードガスが透過不能な部材で構成してあり、多孔質体１５における冷却水通路１３の下流側端部付近において、多孔質体１５の表面の開口から放出される空気がカソード触媒層５に達せずそのまま冷却水排出用のマニホールド２１に流出するのを抑えることができる。
【００３９】
これにより、多孔質体１５に供給した空気を効率よくカソード触媒層５に供給して反応に有効利用することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、セパレータ９の凹部９ａ相互間の凸部９ｂの先端をカソード触媒層５に接触させている。これに対して、従来では、凸部９ｂの先端をカソード触媒層５上に別途設けたカソードガス拡散層に接触させており、本実施形態の燃料電池では、このカソードガス拡散層を廃止している分積層方向の厚さを薄くできる。
【００４１】
さらに、本実施形態では、カソード触媒層５とセパレータ９との間のカソードガス供給領域が、本燃料電池を冷却するための冷却水通路１３となっており、別途専用の冷却水通路を互いに隣接するセパレータ９，１１相互間に設ける場合に比較して、さらに上記積層方向の厚さを薄くできる。
【００４２】
このため、電極反応面としては、本実施形態では多孔質体１５を設けた部位のみとなって従来のものに対して反応面の面積が減少するが、上記厚さを薄くできる分、単セルを適宜複数積層することで、発生電力を同等として、燃料電池スタック全体の体積（大きさ）を同等もしくは小さくすることが可能である。
【００４３】
また、図１のように、多孔質体１５を収容してある冷却水通路１３を電解質膜１に対し鉛直方向下方に位置させているので、冷却水通路１３内に放出した空気は浮力によって図２に示すように気泡３９となって上昇してカソード触媒層５に効率よく供給でき、発電効率向上に寄与することができる。
【００４４】
なお、本実施形態では、互いに隣接する単セル同士のセパレータを、セパレータ９，１１として別体としているが、これら互いに隣接するセパレータ９，１１を一体化したものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の燃料電池に使用するカソード側のセパレータの平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  電解質膜
３  アノード触媒層
５  カソード触媒層
７  アノードガス拡散層
９  カソード側のセパレータ
９ａ  セパレータの凹部
９ｂ  セパレータの凸部
１３  冷却水通路（冷却媒体通路）
１５  多孔質体（カソードガス透過部材，カソードガス供給手段）
３７  カバー部（ガス不透過部）
【図１】
2010129248.tif 000003
【図２】
2010129248.tif 000004
【図３】
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