(57)【要約】【課題】  発電性能を向上させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、カソード側に冷媒流路（７２）が設けられた第１セル（１１０）と、第１セルのアノード側に隣接して積層され、アノード側に冷媒流路が設けられた第２セル（１２０）と、を備え、第１セルと第２セルとの間には冷媒流路が設けられておらず、第１セルのカソードガス出口と第２セルのカソードガス入口とが接続されていることを特徴とするものである。燃料電池によれば、第１セルの発電によって加湿されたカソードガスを第２セルに供給することができる。この場合、カソードガス中の水蒸気によって第２セルの乾燥が抑制される。それにより、燃料電池の発電特性を向上させることができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に冷媒流路が設けられた第１セルと、
前記第１セルのアノード側に隣接して積層され、アノード側に冷媒流路が設けられた第２セルと、を備え、
前記第１セルと前記第２セルとの間には冷媒流路が設けられておらず、
前記第１セルのカソードガス出口と前記第２セルのカソードガス入口とが接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１セルおよび前記第２セルは、膜−電極接合体にガス拡散層が積層された構造を有し、
前記第２セルのカソード側ガス拡散層の水蒸気透過度は、前記第１セルのカソード側ガス拡散層の水蒸気透過度に比較して低いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２セルのカソードガス流路の断面積は、前記第１セルのカソードガス流路の断面積に比較して小さいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１セルおよび前記第２セルにおいて、カソードガスの流動方向と冷媒の流動方向とが逆であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２セルの前記カソードガス流路には、吸水性部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
特許文献１には、一方の側に第１の膜−電極接合体用のカソード流路を有し、他方の側に冷媒流路を有する第１セパレータ（第１金属製セパレータ）と、一方の側に第２の膜−電極接合体用のアノードガス流路を有し、他方の側に冷媒流路を有する第２セパレータ（第３金属製セパレータ）と、第１の膜−電極接合体と第２の膜−電極接合体との間に配置され、一方の側に第１の膜−電極−接合体用のアノードガス流路を有し、他方の側に第２の膜−電極接合体用のカソードガス流路を有する中間セパレータ（第２金属製セパレータ）と、を有する燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８７３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る燃料電池は、カソード側に冷媒流路を備えない膜−電極接合体の温度が高温になるおそれがある。その結果、高温になった膜−電極接合体が乾燥して、燃料電池の発電性能が悪化するおそれがある。
【０００６】
本発明は、発電性能を向上させることが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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、カソード側に冷媒流路が設けられた第１セルと、第１セルのアノード側に隣接して積層され、アノード側に冷媒流路が設けられた第２セルと、を備え、第１セルと第２セルとの間には冷媒流路が設けられておらず、第１セルのカソードガス出口と第２セルのカソードガス入口とが接続されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池によれば、第１セルのカソードガス出口と第２セルのカソードガス入口とが接続されていることから、第１セルの発電によって加湿されたカソードガスを第２セルに供給することができる。この場合、カソードガス中の水蒸気によって第２セルの乾燥が抑制される。それにより、燃料電池１００の発電特性を向上させることができる。
【０００９】
上記構成において、第１セルおよび第２セルは、膜−電極接合体にガス拡散層が積層された構造を有し、第２セルのカソード側ガス拡散層の水蒸気透過度は、第１セルのカソード側ガス拡散層の水蒸気透過度に比較して低くてもよい。
【００１０】
この構成によれば、第１セルに比較して第２セルにおいて、発電によって生じた水がセルの外部に逃げ難くなる。その結果、第２セルの乾燥が抑制されることから、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００１１】
上記構成において、第２セルのカソードガス流路の断面積は、第１セルのカソードガス流路の断面積に比較して小さくてもよい。
【００１２】
この構成によれば、第２セルからの水分の持ち去り量を低減することができる。その結果、第２セルの乾燥を抑制することができることから、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００１３】
上記構成の第１セルおよび第２セルにおいて、カソードガスの流動方向と冷媒の流動方向とが逆であってもよい。
【００１４】
セルのカソードガス入口側はカソードガス出口側に比較して高温になり易く、冷媒の温度は冷媒入口側の方が冷媒出口側に比較して低い。よって、この構成によれば、第２セル内の温度分布を均一化することができる。それにより、第２セルの発電効率低下を抑制することができる。その結果、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００１５】
上記構成において、第２セルのカソードガス流路には、吸水性部材が配置されていてもよい。
【００１６】
この構成によれば、第２セルからの水分の持ち去り量を低減することができる。その結果、第２セルの乾燥を抑制することができることから、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発電性能を向上させることができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの模式的断面図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池を冷媒の流動方向に平行な方向から見た模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）は、第１セパレータを図１のＡ方向から見た図である。図３（ｂ）は、中間セパレータを図１のＡ方向から見た図である。図３（ｃ）は、第２セパレータを図１のＡ方向から見た図である。
【図４】図４は、実施例３に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図５】図５は、実施例５に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１は、燃料電池１００が複数積層された燃料電池スタック２００の模式的断面図である。図２は、図１の燃料電池１００を冷媒の流動方向に平行な方向から見た模式的断面図である。燃料電池１００は、冷媒が流動する流路である冷媒流路７２がカソード側に設けられた第１セル１１０と、第１セル１１０のアノード側に隣接して積層され、冷媒流路７２がアノード側に設けられた第２セル１２０と、を備える。したがって、本実施例においては、燃料電池１００は、２枚のセルを一組備える構造を有している。
【００２１】
第１セル１１０は、膜−電極接合体１０と、ガス拡散層（アノード側ガス拡散層２０およびカソード側ガス拡散層３０）と、セパレータ（第１セパレータ４０および中間セパレータ５０）と、を有する。第２セル１２０は、膜−電極接合体１０と、ガス拡散層（アノード側ガス拡散層２０およびカソード側ガス拡散層３０）と、セパレータ（第２セパレータ６０および中間セパレータ５０）と、を有する。本実施例において、第１セル１１０および第２セル１２０は、中間セパレータ５０を共有している。
【００２２】
膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１３と、を有する。電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。
【００２３】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。
【００２４】
アノード側ガス拡散層２０は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側の面に配置されている。カソード側ガス拡散層３０は、カソード触媒層１３の電解質膜１１と反対側の面に配置されている。すなわち、ガス拡散層は、膜−電極接合体１０に隣接して積層されている。アノード側ガス拡散層２０は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソード側ガス拡散層３０は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノード側ガス拡散層２０およびカソード側ガス拡散層３０としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等を用いることができる。
【００２５】
第１セパレータ４０は、第１セル１１０のカソード側ガス拡散層３０のカソード触媒層１３と反対側の面に配置されている。第１セパレータ４０は、第１セル１１０のカソード側ガス拡散層３０との間にカソードガスが流動する流路であるカソードガス流路７０を画定している。第１セパレータ４０のカソードガス流路７０とは反対側の面は、冷媒流路７２を画定している。
【００２６】
中間セパレータ５０は、第１セル１１０のアノード側ガス拡散層２０と第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０との間に配置されている。中間セパレータ５０は、第１セル１１０のアノード側ガス拡散層２０との間にアノードガスが流動する流路であるアノードガス流路７１を画定し、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０との間にカソードガス流路７０を画定している。
【００２７】
第２セパレータ６０は、第２セル１２０のアノード側ガス拡散層２０のアノード触媒層１２と反対側の面に配置されている。第２セパレータ６０は、第２セル１２０のアノード側ガス拡散層２０との間にアノードガス流路７１を画定している。第２セパレータ６０のアノードガス流路７１とは反対側の面は、冷媒流路７２を画定している。
【００２８】
第１セパレータ４０、中間セパレータ５０および第２セパレータ６０の材質としては、例えば金属等の導電性材料が用いられる。また、アノードガス流路７１、カソードガス流路７０および冷媒流路７２の断面形状および流路形状は特に限定されない。
【００２９】
燃料電池１００において、第１セル１１０と第２セル１２０との間には冷媒流路７２が設けられていない。それにより、第１セル１１０と第２セル１２０との間に冷媒流路７２が設けられている場合に比較して、燃料電池１００を小型化することができる。また、図１を参照して、本実施例において、冷媒流路７２の冷媒の流動方向とカソードガス流路７０のカソードガスの流動方向とは、同一方向である。第１セル１１０のカソードガス流路７０の出口と第２セル１２０のカソードガス流路７０の入口とは、接続流路７３によって接続されている。
【００３０】
図３（ａ）は、第１セパレータ４０を図１のＡ方向から見た図である。図３（ｂ）は、中間セパレータ５０を図１のＡ方向から見た図である。図３（ｃ）は、第２セパレータ６０を図１のＡ方向から見た図である。本実施例において、カソードガスは、第１セパレータ４０のカソードガス入口４１から第１セル１１０のカソードガス流路７０に流入して、第１セパレータ４０のカソードガス出口４２から流出する。第１セパレータ４０のカソードガス出口４２から流出したカソードガスは、接続流路７３を通過する。その後、カソードガスは、中間セパレータ５０のカソードガス入口５１から第２セル１２０のカソードガス流路７０に流入して、中間セパレータ５０のカソードガス出口５２から流出する。その後、カソードガスは、燃料電池１００の外部に排出される。
【００３１】
アノードガスは、中間セパレータ５０のアノードガス入口５３および第２セパレータ６０のアノードガス入口６１からそれぞれのセルのアノードガス流路７１に流入する。その後、アノードガスは、中間セパレータ５０のアノードガス出口５４および第２セパレータ６０のアノードガス出口６２から流出する。その後、アノードガスは、燃料電池１００の外部に排出される。
【００３２】
冷媒は、第１セパレータ４０の冷媒入口４３および第２セパレータ６０の冷媒入口６３からそれぞれのセルの冷媒流路７２に流入する。その後、冷媒は、第１セパレータ４０の冷媒出口４４および第２セパレータ６０の冷媒出口６４から流出する。その後、冷媒は、燃料電池１００の外部に排出される。
【００３３】
なお、第１セパレータ４０の貫通孔４５および第２セパレータ６０の貫通孔６５は、中間セパレータ５０のカソードガス出口５２から流出したカソードガスが流動する流路として機能する。第１セパレータ４０の貫通孔４６は、中間セパレータ５０のアノードガス入口５３および第２セパレータ６０のアノードガス入口６１に流入するアノードガスが流動する流路として機能する。第１セパレータ４０の貫通孔４７は、中間セパレータ５０のアノードガス出口５４および第２セパレータ６０のアノードガス出口６２から流出するアノードガスが流動する流路として機能する。
【００３４】
中間セパレータ５０の貫通孔５５および第２セパレータ６０の貫通孔６６は、第１セパレータ４０のカソードガス入口４１に流入するカソードガスが流動する流路として機能する。中間セパレータ５０の貫通孔５６は、第１セパレータ４０の冷媒入口４３および第２セパレータ６０の冷媒入口６３に流入する冷媒が流動する流路として機能とする。中間セパレータ５０の貫通孔５７は、第１セパレータ４０の冷媒出口４４および第２セパレータ６０の冷媒出口６４から流出する冷媒が流動する流路として機能する。
【００３５】
燃料電池１００の各セルにおいては、以下のように発電が行われる。アノードガス流路７１を流動するアノードガスは、アノード側ガス拡散層２０を拡散してアノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、隣接するセルのカソード触媒層１３に伝導する。
【００３６】
カソードガス流路７０を流動するカソードガスは、カソード側ガス拡散層３０を拡散してカソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンとアノード側から伝導した電子とによって水が生成される。以上のように、発電が行われる。なお、発電時に生じた水は、主としてカソードガス流路７０を流動するカソードガスとともに、セルの外部に排出される。したがって、カソードガスは、発電時に生じた水によって加湿される。
【００３７】
燃料電池１００の各セルは、発電に伴って熱を発生する。この場合、温度上昇に起因する電解質膜１１の乾燥によって、各セルの発電効率が低下するおそれがある。本実施例においては、冷媒の流動によって各セルの温度上昇が抑制される。ところで、各セルにおいては、カソード触媒層１３の発熱量が最も多くなる。したがって、第２セル１２０においては、カソード側に冷媒流路７２が設けられていないことから、電解質膜１１が乾燥するおそれがある。
【００３８】
しかしながら、本実施例に係る燃料電池１００においては、第１セル１１０のカソードガス出口４２と第２セル１２０のカソードガス入口５１とが接続されていることから、第１セル１１０の発電によって加湿されたカソードガスを第２セル１２０に供給することができる。この場合、カソードガス中の水蒸気によって第２セル１２０の電解質膜１１の乾燥が抑制される。それにより、燃料電池１００の発電特性を向上させることができる。
【００３９】
なお、実施例１においてはセル２つおきに冷媒流路７２が設けられているが、それに限られない。例えば、セル３つおきに冷媒流路７２が設けられている場合、カソード側に冷媒流路７２が設けられているセルからのカソードオフガスを他の２つのセルのカソードガス流路７０に流入させることによって、他の２つのセルにおける電解質膜１１の乾燥を抑制することができる。
【実施例２】
【００４０】
続いて本発明の実施例２に係る燃料電池１００ｂについて説明する。燃料電池１００ｂは、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０の水蒸気透過度が第１セル１１０のカソード側ガス拡散層３０の水蒸気透過度に比較して低い点において、実施例１に係る燃料電池１００と異なる。その他の構成は燃料電池１００と同様のため、説明を省略する。
【００４１】
第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０の水蒸気透過度を第１セル１１０のカソード側ガス拡散層３０の水蒸気透過度に比較して低くするためには、例えば、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０の気孔率を低くすればよい。また、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０を構成するカーボン繊維量を多くしてもよい。また、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０の厚みをより大きくしてもよい。カソード側ガス拡散層３０に撥水剤を含浸させることによって撥水処理を施している場合には、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０の撥水剤の含浸量をより多くしてもよい。カソード側ガス拡散層３０が撥水層を含んでいる場合には、第２セル１２０のカソード側ガス拡散層３０の撥水層の厚みをより大きくしてもよい。
【００４２】
本実施例に係る燃料電池１００ｂによれば、第１セル１１０に比較して第２セル１２０において、発電によって生じた水がセルの外部に逃げ難くなる。第２セル１２０の乾燥が抑制されることから、燃料電池１００ｂの発電特性を向上させることができる。
【００４３】
上記の水蒸気透過度に加えて、第２セル１２０は、電解質膜１１の乾燥を抑制する構成を有していてもよい。例えば、第２セル１２０のカソード触媒層１３は、第１セル１１０のカソード触媒層１３に比較して耐乾燥性を有していてもよい。具体的には、第１セル１１０のカソード触媒層１３に比較して、第２セル１２０のカソード触媒層１３の気孔率を低下させる、電解質量を増加させる、厚みを大きくする、親水性を高くする、ＥＷ（イオン交換基１ｍｏｌあたりのイオン交換樹脂乾燥重量）を低下させる、または、構成材料の水蒸気拡散性を低下させることによって、第２セル１２０のカソード触媒層１３の耐乾燥性を高くすることができる。
【実施例３】
【００４４】
続いて本発明の実施例３に係る燃料電池１００ｃについて説明する。図４は、燃料電池１００ｃの模式的断面図である。燃料電池１００ｃは、第２セル１２０のカソードガス流路７０の断面積が第１セル１１０のカソードガス流路７０の断面積に比較して小さい点において、図２に示す燃料電池１００と異なる。本実施例においては、第２セル１２０のカソードガス流路７０に、充填部材８０が配置されている。それにより、第２セル１２０のカソードガス流路７０の断面積が第１セル１１０のカソードガス流路７０の断面積より小さくなっている。なお、充填部材８０の材質、形状、大きさ等は、第２セル１２０のカソードガス流路７０の断面積を小さくできる構成であれば特に限定されない。
【００４５】
本実施例に係る燃料電池１００ｃによれば、充填部材８０が配置されていない場合に比較して、第２セル１２０のカソードガス流路７０を流動するカソードガスの流量が減少することから、第２セル１２０のカソードガス供給量を減少させることができる。それにより、第２セル１２０からの水分の持ち去り量を低減することができる。その結果、第２セル１２０の乾燥を抑制することができることから、燃料電池１００ｃの発電特性を向上させることができる。
【００４６】
なお、実施例２に係る燃料電池１００ｂにおいて、第２セル１２０のカソードガス流路７０の断面積が第１セル１１０のカソードガス流路７０の断面積に比較して小さくてもよい。
【実施例４】
【００４７】
続いて本発明の実施例４に係る燃料電池１００ｄについて説明する。燃料電池１００ｄは、第2セルのカソードガス流路７０に吸水性部材が配置されている点において、実施例１に係る燃料電池１００、実施例２に係る燃料電池１００ｂおよび実施例３に係る燃料電池１００ｃと異なる。例えば、図４に示す燃料電池１００ｃにおいて、充填部材８０の代わりに吸水性部材を配置すればよい。吸水性部材としては、吸水することができる部材であれば特に限定されない。
【００４８】
本実施例に係る燃料電池１００ｄによれば、吸水部材が配置されていない場合に比較して、第２セル１２０からの水分の持ち去り量を低減することができる。その結果、第２セル１２０の乾燥を抑制することができることから、燃料電池１００ｄの発電特性を向上させることができる。
【実施例５】
【００４９】
続いて本発明の実施例５に係る燃料電池１００ｅについて説明する。図５は、燃料電池１００ｅが複数積層された燃料電池スタック２００ｅの模式的断面図である。燃料電池１００ｅは、第１セル１１０および第２セル１２０におけるカソードガスの流動方向と冷媒の流動方向とが逆である点において、図１に示す燃料電池１００と異なる。具体的には、燃料電池１００ｅは、図３（ａ）および図３（ｃ）にそれぞれ示す第１セパレータ４０および第２セパレータ６０において、冷媒入口４３，６３および冷媒出口４４，６４の位置が入れ替わった構成を有している。この場合、第２セル１２０においては、カソードガスの流動方向が冷媒の流動方向と一致する。
【００５０】
ここで、セルにおいて、カソードガス入口側はカソードガス出口側に比較して、酸素濃度が高い状態になる。よって、セルのカソードガス入口側はカソードガス出口側に比較して、発電が活発になる。したがって、セルのカソードガス入口側はカソードガス出口側に比較して高温になり易い。一方、冷媒の温度は、冷媒入口側の方が冷媒出口側に比較して低い。よって、本実施例に係る燃料電池１００ｅによれば、第２セル１２０内の温度分布を均一化することができる。それにより、第２セル１２０の発電効率低下を抑制することができる。その結果、燃料電池１００ｅの発電特性を向上させることができる。
【００５１】
なお、実施例１〜実施例５に係る燃料電池は、２枚のセルを一つの冷媒流路を用いて冷却する構造を有しているが、これに限られない。燃料電池は、２枚以上のセルを一つの冷媒流路を用いて冷却する構造であってもよい。この場合においても、カソード側に冷媒流路が設けられているセルからのカソードオフガスを他のセルのカソードガス流路に流入させることによって、他のセルにおける電解質膜の乾燥を抑制することができる。それにより、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
２０  アノード側ガス拡散層
３０  カソード側ガス拡散層
４０  第１セパレータ
４１  カソードガス入口
４２  カソードガス出口
４３  冷媒入口
４４  冷媒出口
４５，４６，４７  貫通孔
５０  中間セパレータ
５１  カソードガス入口
５２  カソードガス出口
５３  アノードガス入口
５４  アノードガス出口
５５，５６，５７  貫通孔
６０  第２セパレータ
６１  アノードガス入口
６２  アノードガス出口
６３  冷媒入口
６４  冷媒出口
６５，６６  貫通孔
７０  カソードガス流路
７１  アノードガス流路
７２  冷媒流路
７３  接続流路
８０  充填部材
１００  燃料電池
１１０  第１セル
１２０  第２セル
２００  燃料電池スタック
【図１】
2010251066.tif 000003
【図２】
2010251066.tif 000004
【図３】
2010251066.tif 000005
【図４】
2010251066.tif 000006
【図５】
2010251066.tif 000007