(57)【要約】      （修正有）【課題】２セル１冷却型の構成において、２つのＭＥＡの冷却状態が不均一になる問題の改善を図り、発電性能の低下を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、セパレータ３０２、３０４、左側単位セル１０、中間セパレータ３０６、右側単位セル１１０、セパレータ３０８、３１０の順に積み重なった２セル１冷却型の構成を備え、セパレータ３０４の凹深さＤ１を、中間セパレータ３０６の凹深さＤ２よりも浅くすることにより、外側セパレータ３０４の流路総断面積を中間セパレータ３０６の流路総断面積より小さくし、第２の膜電極接合体１１０のアノード側面内の湿潤状態を良好に保ち、発電性能の低下を抑制することができる。【選択図】図１
2010212216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一方の面に備えられたアノード電極触媒層と、該電解質膜の他方の面に備えられたカソード電極触媒層と、を備えた第１の膜電極接合体と、
前記第１の膜電極接合体の前記カソード電極触媒層側に配置され、電解質膜と、該電解質膜の前記第１の膜電極接合体側の面に備えられたアノード電極触媒層と、該電解質膜の他方の面に備えられたカソード電極触媒層と、を備えた第２の膜電極接合体と、
前記第１、２の膜電極接合体の間に介在し、複数の凹と、該複数の凹が合流する合流部とを、前記第１、２の膜電極接合体のそれぞれの側の面に備えた中間セパレータと、
前記第１の膜電極接合体の前記アノード触媒層側に配置され、複数の凹と、該複数の凹が合流する合流部とを、該第１の膜電極接合体側の該アノード触媒層側を向く面に備えた外側セパレータと、
前記第１の膜電極接合体、前記中間セパレータ、および前記第２の膜電極接合体を挟むように位置する冷媒流路と、
を備え、
前記外側セパレータの前記凹の流路総断面積＜前記中間セパレータの前記第２の膜電極接合体側の前記凹の流路総断面積、という構成と、
前記外側セパレータの前記合流部の流路断面積＜前記中間セパレータの前記第２の膜電極接合体側の前記合流部の流路断面積、という構成と、
のうち少なくとも一方の構成を備えることを特徴とする燃料電池。
【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】
従来、例えば、特開２００４−８７３１１号公報に開示されているように、２セル１冷却型の燃料電池が知られている。「２セル１冷却型の燃料電池」とは、特開２００４−８７３１１号公報の図１や図８に例示されるように、２つのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と１つの冷媒流路が交互に積層された構成の燃料電池を指す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８７３１１号公報
【特許文献２】特開２０００−２０８１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２セル１冷却型燃料電池では、２つのＭＥＡの冷却状態が不均一になる。具体的には、２つのＭＥＡのうち片方のＭＥＡではアノード側が積極的に冷却されもう片方のＭＥＡではカソード側が積極的に冷却される。２セル１冷却型燃料電池では、このような冷却具合の相違に起因して特有の問題が発生する。その結果、燃料電池の発電性能低下を招くおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、２セル１冷却型の構成において全体構成の改善を図り、発電性能の低下を抑制す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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、該電解質膜の一方の面に備えられたアノード電極触媒層と、該電解質膜の他方の面に備えられたカソード電極触媒層と、を備えた第１の膜電極接合体と、
前記第１の膜電極接合体の前記カソード電極触媒層側に配置され、電解質膜と、該電解質膜の前記第１の膜電極接合体側の面に備えられたアノード電極触媒層と、該電解質膜の他方の面に備えられたカソード電極触媒層と、を備えた第２の膜電極接合体と、
前記第１、２の膜電極接合体の間に介在し、複数の凹と、該複数の凹が合流する合流部とを、前記第１、２の膜電極接合体のそれぞれの側の面に備えた中間セパレータと、
前記第１の膜電極接合体の前記アノード触媒層側に配置され、複数の凹と、該複数の凹が合流する合流部とを、該第１の膜電極接合体側の該アノード触媒層側を向く面に備えた外側セパレータと、
前記第１の膜電極接合体、前記中間セパレータ、および前記第２の膜電極接合体を挟むように位置する冷媒流路と、
を備え、
前記外側セパレータの前記凹の流路総断面積＜前記中間セパレータの前記第２の膜電極接合体側の前記凹の流路総断面積、という構成と、
前記外側セパレータの前記合流部の流路断面積＜前記中間セパレータの前記第２の膜電極接合体側の前記合流部の流路断面積、という構成と、
のうち少なくとも一方の構成を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、外側セパレータの凹と中間セパレータの第２の膜電極接合体側の凹とにそれぞれ燃料ガスを流した場合に、第２の膜電極接合体のアノードの燃料ガスの流量を相対的に多くすることができる。これにより、第２の膜電極接合体のアノード側面内における水分の搬送能力を向上させることができる。結果、第２の膜電極接合体のアノード側面内の湿潤状態を良好に保ち、発電性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】本願発明者が行った温度特性試験シュミレーションの結果を示す図である。
【図３】特定のセル温度におけるアノードガス流量とセル電圧との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１． 
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態１の燃料電池は、セパレータ３０２、３０４、単位セル１０（以下、説明の便宜上「左側単位セル１０」とも称す）、中間セパレータ３０６、単位セル１１０（以下、説明の便宜上、「右側単位セル１１０」とも称す）、セパレータ３０８、３１０の順に積み重なった２セル１冷却型の構成を備える。図示しないが、実施の形態１では、この２セル１冷却型の構成が繰り返し数百枚単位で積み重ねられることにより、１つの燃料電池スタックが形成されている。左側単位セル１０および右側単位セル１１０は、それぞれ、紙面左側にアノードの構成を備え、紙面右側にカソードの構成を備える。各セパレータは凹凸形状である。
【００１０】
左側単位セル１０は、固体高分子電解質膜１２の各面に電極触媒層１４、２０が積層されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）、およびカーボンシート等からなるガス拡散層１６、２２を備える。セパレータ３０４のガス拡散層１６側に開いた複数の凹は、それぞれ水素を流すためのガス流路１８として機能する。中間セパレータ３０６のガス拡散層１２２側に開いた複数の凹は、それぞれ空気を流すためのガス流路２４として機能する。中間セパレータ３０６は、表面と裏面とで凹凸が反転した凹凸形状を備える。右側単位セル１１０も、左側単位セル１０と同様に、固体高分子電解質膜１１２の各面に電極触媒層１１４、１２０が積層されたＭＥＡ、およびガス拡散層１１６、１２２を備える。水素用の複数のガス流路１１８、空気用の複数のガス流路１２４も同様に備えられる。また、セパレータ３０２、３０４の間には複数の冷却液流路３００が、セパレータ３０８、３１０の間には複数の冷却液流路３１２が、それぞれ形成されている。
【００１１】
ガス流路１８、２４、１１８、１２４および冷却液流路３００、３１２は、それぞれ、図１の紙面貫通方向に伸びている。各流路は、それぞれ、図１紙面手前側と、図１紙面奥側とに、それぞれの合流部を備えている。それらの合流部のうち、片方の合流部がガスや冷却液の入口に、もう片方の合流部がガスや冷却液の出口に接続する。なお、図示しないが、ガスの入口やガスの出口は、燃料電池スタック内を延びるアノードマニホールドまたはカソードマニホールドに接続している。また、実施の形態１の燃料電池は、水素と空気の流れがＭＥＡの面内で対向する燃料電池（いわゆるカウンターフロー型の燃料電池）であるものとする。
【００１２】
図１に示すように、実施の形態１は、セパレータ３０４の凹深さＤ１を、中間セパレータ３０６の凹深さＤ２よりも浅くする（Ｄ１＜Ｄ２）。これにより、左側単位セル１０のアノードの水素の圧力損失を、右側単位セル１１０のアノードの水素の圧力損失よりも高くすることができる。これにより、左側単位セル１０のアノードの水素の流量（ガス流路１８の水素流量）に比して、右側単位セル１１０のアノードの水素の流量（ガス流路１１８の水素流量）を多くすることができる。なお、実施の形態１では、Ｄ１：Ｄ２＝１．０：１．１の比率にする。これにより、流量比で１．１２：１．０２≒１．２：１．０となり、ストイキ比で１．４４：１．２が達成できる。
【００１３】
［実施の形態１の作用効果］
以下、実施の形態１の作用効果について説明する。実施の形態１によれば、ガス流路１８とガス流路２４に水素ガスが流れる。右側単位セル１１０のアノード側は、中間セパレータ３０６と面しており冷却液流路３００、３１２とは離れている。逆に、左側単位セル１０のアノード側は冷却液流路３００に隣接しており、冷却されやすい。その結果、右側単位セル１１０のアノード側は、左側単位セル１０のアノード側に比べて、発電中の温度が高い。このような冷却具合の不均一がある場合に、仮に単位セル１０、１１０のガス流路構成を同一にした場合（つまりセパレータ３０４の凹深さＤ１と中間セパレータ３０６の凹深さＤ２とを同一にした場合）、右側単位セル１１０のアノード側、特に水素流れの下流側部分で、水分が不足するおそれがある。この点、実施の形態１によれば、右側単位セル１１０のアノードの水素の流量を相対的に多くすることができる。その結果、水の搬送能力を高め、右側単位セル１１０のアノード側面内に水分を行き渡らせることができる。結果、発電性能の低下を抑制することができる。なお、アノードとカソードとで出入口が対向している燃料電池の場合（特にカウンターフロー型の燃料電池の場合）、アノードのガス入口側には電解質膜を介したカソードからの水分移動があるため良好な湿潤を保ち易いが、逆に、アノードのガス出口側は乾燥しやすいカソードのガス入口側と対向しているため水分が不足しやすい。実施の形態１は特にこのような場合に適している。
【００１４】
図２は、本願発明者が行った温度特性試験シュミレーションの結果を示す。２セル１冷却型の燃料電池では、カソード側、アノード側それぞれ片面のみに冷媒流路がある。これに起因して、２セル１冷却型の燃料電池で内部構成を同一（具体的には、水素と空気のガス流路を同じ形状や流路断面積）のものとすると、図２に示すように発電性能の乖離が大きくなる。図２のうち、Ｎｏｒｍａｌは１セル１冷却型燃料電池（つまり各ＭＥＡの間に１つずつ冷媒流路がある構成）の特性を示す。Ｌｅｆｔは２セル１冷却型の構成のうちアノードが冷やされるセルの特性に、Ｒｉｇｈｔは２セル１冷却型の構成のうちカソードが冷やされるセルの特性に、それぞれ相当する。カソード側のみが冷却されるＲｉｇｈｔのセルでは、電圧低下が６２℃付近から起こる。一方、アノード側のみが冷却されるＬｅｆｔのセルでは、６７℃付近まで電圧が高く維持されている。
【００１５】
図３は、セル温度６６℃におけるアノードガス流量とセル電圧との関係を示す。アノードガス流量とセル電圧との相関を調べた結果、図３に示すように、Ｒｉｇｈｔのセル（破線）とＬｅｆｔのセル（実線）とでは異なる特性を示す。図３からわかるように、Ｌｅｆｔのセルは、ストイキを上げるほど（水素ガスを多く流すほど）、電圧が低下する。逆に、Ｒｉｇｈｔのセルは、水素ガスのストイキを下げるほど（水素ガスを少なく流すほど）、電圧が低下する。つまり、両方のセルの性能を向上させるには、Ｌｅｆｔのセルのストイキを下げ、Ｒｉｇｈｔのセルのストイキを上げればよい。実施の形態１の燃料電池の構成にはこの傾向が反映されている。
【００１６】
尚、上述した実施の形態１では、左側単位セル１０のＭＥＡ（つまり、固体高分子電解質膜１２および電極触媒層１４、２０）が、前記第１の発明における「第１の膜電極接合体」に、右側単位セル１１０のＭＥＡ（つまり、固体高分子電解質膜１１２および電極触媒層１１４、１２０）が、前記第１の発明における「第２の膜電極接合体」に、中間セパレータ３０６が、前記第１の発明における「中間セパレータ」に、セパレータ３０４が、前記第１の発明における「外側セパレータ」に、冷却液流路３００、３１２が、前記第１の発明における「冷媒流路」に、それぞれ相当している。そして、実施の形態１では、セパレータ３０４の凹深さＤ１を、中間セパレータ３０６の凹深さＤ２よりも浅くする構成が、前記第１の発明における「前記外側セパレータの前記凹の流路断面積＜前記中間セパレータの前記第２の膜電極接合体側の前記凹の流路断面積」という関係を成立させている。
【００１７】
なお、実施の形態１では、Ｄ１：Ｄ２＝１．０：１．１の比率にしたが、本発明はこれに限られない。本願発明者の知見では、Ｄ１：Ｄ２＝１．０：１．２程度まで差を大きくしてもよいと考えられる。流量比で言えば、１．１倍から１．３倍程度の差がつくようにするとよいと考えられる。また、セパレータ３０４、３０６では凹の断面形状がともに台形であるが、凹の断面形状をセパレータ３０４、３０６で非対称にしてもよい。断面積や断面形状を異ならしめることにより、圧損ひいては流量に差をつけることができる。
【００１８】
実施の形態２． 
図４は、実施の形態２の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。図１と同一の構成には同一の符号を付す。この斜視図では、各セパレータに矩形の貫通穴がある。これらの貫通穴が単位セル積層方向に繋がることで、水素用、空気用、冷却液用のマニホールドがそれぞれ形成される。
【００１９】
実施の形態２では、左側単位セル１０のアノードの水素のマニホールド出入口部の圧力損失が、右側単位セル１１０のアノードの水素のマニホールド出入口部の圧力損失よりも高くなるように、マニホールド入口側、出口側のガス流路の大きさを異ならしめる。すなわち、セパレータ３０４におけるマニホールドと凹（ガス流路１８）との合流部３０５の開口断面積を、セパレータ３０６におけるマニホールドと凹（ガス流路１１８）との合流部３０７の開口断面積よりも、小さく（狭く）する。これにより、実施の形態１と同様に、ガス流路１８は相対的にガス流量が少なく、ガス流路１１８は相対的にガス流量が多くなる。その結果、実施の形態１と異なる手法で、左側単位セル１０に比して、右側単位セル１１０のアノードの水素の流量を相対的に多くすることができる。
【００２０】
なお、開口断面積は、合流部３０５、３０７の深さ、幅、形状のいずれかを変更して異ならしめることができる。また、合流部３０５のガス流量を合流部３０７のガス流量よりも絞るように、合流部３０５を全体的に或いは部分的に狭くしてもよい。また、マニホールドの出口側の合流部と入口側の合流部とのうち両方を対象としても片方のみを対象としても良い。なお、実施の形態２は実施の形態１のセパレータ構成（Ｄ１＜Ｄ２）も備えるが、本発明はこれに限られない。つまり、各単位セルのアノード、カソードのガス流路が同一断面積、同一断面形状の燃料電池に対して（つまりセパレータの凹凸の断面形状が同一である燃料電池に対して）、実施の形態２にかかるマニホールド出入口の構成を適用しても良い。この場合にも、２セル１冷却型セルのうち片方のセルのアノードの水素の流量を、相対的に多くすることができる。
【００２１】
尚、上述した実施の形態２では、合流部３０５の開口断面積を合流部３０７の開口断面積よりも狭くする構成が、前記第１の発明における「前記外側セパレータの前記合流部の流路断面積＜前記中間セパレータの前記第２の膜電極接合体側の前記合流部の流路断面積」の関係を成立させている。
【００２２】
実施の形態３． 
図５は、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池の構成を示す。実施の形態３は、図５のように凹の幅の関係をＷ１＜Ｗ２、具体的には、幅Ｗ１と幅Ｗ２の比をＷ１：Ｗ２＝１．０：１．１とする。これにより、実施の形態１でＤ１：Ｄ２＝１．０：１．１としたのと同様に、ガス流路１８の水素流量に比して、ガス流路１１８の水素流量を多くすることができる。なお、上記の幅Ｗ１と幅Ｗ２の比率は一例であり、実施の形態１で述べたのと同様に各種の比率を適用できる。
【００２３】
実施の形態４．
なお、溝の本数を変える（相違させる）構成によって、実施の形態１〜３の構成と同様の機能、つまり流量等を異ならしめる機能を実現してもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１０    左側単位セル
１１０  右側単位セル
１２、１１２  固体高分子電解質膜
１４、２０、１１４、１２０  電極触媒層
１６、２２、１１６、１２２  ガス拡散層
１８、２４、１１８、１２４  ガス流路
３００、３１２  冷却液流路
３０６  中間セパレータ
３０２、３０４、３０８、３１０  セパレータ
３０５、３０７  合流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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