(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、単位セル１０、中間セパレータ、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３０８の凹深さＤ２を、中間セパレータの凹深さＤ１よりも深くする。これにより、右側単位セル１１０のカソードの空気の流量（ガス流路の空気流量）を、左側単位セル１０のカソードの空気の流量（ガス流路２４の空気流量）に比して、多くすることができ、カソードのフラッディングを抑制することができる。【選択図】図２
2010212215.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２の膜電極接合体の前記カソ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２の膜電極接合体側の該カソ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断面積＞前記中間セパレータの前記第１の膜電極接合体側の前記凹の流路断面積、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１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、
前記外側セパレータの前記凹の流路長＞前記中間セパレータの前記第１の膜電極接合体側の前記凹の流路長、という構成と、
のうち少なくとも１つ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】
この発明は、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２の膜電極接合体の前記カソ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２の膜電極接合体側の該カソ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断面積＞前記中間セパレータの前記第１の膜電極接合体側の前記凹の流路断面積、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１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、
前記外側セパレータの前記凹の流路長＞前記中間セパレータの前記第１の膜電極接合体側の前記凹の流路長、という構成と、
のうち少なくとも１つ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１の膜電極接合体側の凹とにそれぞれカソードガスを流した場合に、外側セパレータの凹内のガスの流量または／および流速を相対的に大きくすることができる。その結果、第２の膜電極接合体のカソードのガスの流量または／および流速を、第１の膜電極接合体のカソードのガスの流量または／および流速よりも、大きくすることができる。これにより、第２の膜電極接合体のカソードのフラッディングを抑制することができ、結果、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】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の特徴的構成を説明するための断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池のガス流路形状を模式的に示す平面図である。
【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。単位セル１０、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２は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の特徴的構成を説明するための断面図である。実施の形態１は、図１の構成において、セパレータ３０８の凹深さＤ２を、中間セパレータ３０６の凹深さＤ１よりも深くする（Ｄ２＞Ｄ１）。これにより、右側単位セル１１０のカソードの空気の圧力損失を、左側単位セル１０のカソードの空気の圧力損失よりも少なくすることができる。これにより、右側単位セル１１０のカソードの空気の流量（ガス流路１２４の空気流量）を、左側単位セル１０のカソードの空気の流量（ガス流路２４の空気流量）に比して、多くすることができる。なお、実施の形態１では、Ｄ１：Ｄ２＝１．０：１．０５の比率にする。これにより、圧損比で約１．０５：１．０、流量比で約１．０：１．１となり、ストイキ比で１．４：１．５４が達成できる。なお、本願発明者の知見によれば、左側単位セル１０のカソードの空気流量を、右側単位セル１１０のカソードの空気流量失よりも、５％〜２５％程度高くすることが好ましい。
【００１３】
［実施の形態１の作用および効果］
燃料電池の発電時には、カソードで水が生成する。実施の形態１の燃料電池では、冷却液流路３１２と近い右側単位セル１１０のカソードのほうが、左側単位セル１０のカソードよりも、冷却効果が高い。一般的に、常温域（５０℃〜７０℃程度）の発電中は、カソード冷却効果が高いセル（右側単位セル１１０）のほうが、そうでないセル（左側単位セル１０）に比して、カソードに液体水が多く存在しやすい。カソードは、アノードよりも、少ない液体水によってフラッディングが発生しやすい。これは、アノードでは一般にほぼ１００％の水素が供給されるのに対し、カソードでは空気中の窒素等の発電非関与ガスが酸素の供給を妨げることに起因する。カソードにおけるフラッディングは、カソードガス流路内のガスの流量や流速を増すことにより解消できる。実施の形態１の構成によれば、セパレータ３０８の凹深さＤ２が、中間セパレータ３０６の凹深さＤ１よりも深くされている。これにより、カソードが冷え易い右側単位セル１１０のカソードの空気流量を、左側単位セル１０のカソードの空気流量に比して、多くすることができる。その結果、実施の形態１の構成によれば、右側単位セル１１０のカソードに対してフラッディング防止措置を施すことができる。なお、凹の深さではなく、凹の幅を異ならしめてもよい。
【００１４】
なお、例えばフラッディング時に空気供給系の圧力を増加するなどシステムの制御により、カソードガスの流量や流速を増すことも可能ではある。しかし、２セル１冷却型の燃料電池では、上述したように、カソードが積極的に冷却される単位セル（右側単位セル１１０）でフラッディングの発生確率が高い。空気供給系が２セルで共通なシステムにおいて仮にシステム制御によりガスの流量や流速を増すとすると、セルの区別なく均一にフラッディング防止措置が施されてしまう。空気供給系の空気ポンプの容量や、システム全体の消費電力を効率化する観点からは、対策が必要なセルに、選択的にフラッディング防止措置を施すことが好ましい。この点、実施の形態１では、構造上の工夫により、フラッディング対策が必要なセル（右側単位セル１１０）に予防措置を施すことができる。
【００１５】
尚、上述した実施の形態１では、左側単位セル１０のＭＥＡ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３０８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。また、実施の形態１では、セパレータ３０８の凹深さＤ２が中間セパレータ３０６の凹深さＤ１よりも深くされた構成により、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１の膜電極接合体側の前記凹の流路断面積」という関係が実現されている。
【００１６】
実施の形態２．
図示していないが、実施の形態１で述べた各セパレータには、積層時にマニホールドを形成するための貫通穴が設けられている。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ているものとする。
【００１７】
実施の形態２では、右側単位セル１１０のカソードのマニホールド出入口部の空気の圧力損失が、左側単位セル１０のカソードのマニホールド出入口部の空気の圧力損失よりも少なくなるように、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３０８におけるマニホールドと凹（ガス流路１２４）との合流部の開口断面積を、中間セパレータ３０６におけるマニホールドと凹（ガス流路２４）との合流部の開口断面積よりも、大きくする。これにより、実施の形態１と同様に、ガス流路２４は相対的にガス流量が少なく、ガス流路１２４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のカソードの空気流量を相対的に多くすることができる。
【００１８】
なお、開口断面積は、合流部の深さ、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、一方の合流部のガス流量を他方の合流部のガス流量よりも絞るように、合流部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（Ｄ２＞Ｄ１）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合流部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カソードの空気流量を、相対的に多くすることができる。
【００１９】
なお、実施の形態２では、セパレータ３０８におけるマニホールドと凹（ガス流路１２４）との合流部の開口断面積が、中間セパレータ３０６におけるマニホールドと凹（ガス流路２４）との合流部の開口断面積よりも大きくされた構成により、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１の膜電極接合体側の前記合流部の流路断面積」という関係が実現されている。
【００２０】
実施の形態３．
実施の形態１、２にかかる構成は、フラッディングが懸念される右側単位セル１１０のカソード側で、ガスの流量を多くするという構成である。一方、カソードにおけるフラッディングは、カソードガス流路内における、ガスの流速を増すことによっても解消できる。ガスの流速を高めることにより、カソードの水を吹き飛ばす効果が得られるからである。実施の形態３の構成は、ガスの流速を相違させることを主眼に置いた構成である。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池のガス流路形状を模式的に示す平面図である。実施の形態３では、カソードのガス流路の流路長さを左側単位セル１０と右側単位セル１１０との間で異ならしめる点に、特徴を有している。図３（ａ）は、中間セパレータ３０６を平面視した場合の左側単位セル１０の凹（ガス流路２４）の形状を模式的に示す平面図である。図３（ｂ）は、セパレータ３０８を平面視した場合の右側単位セル１１０の凹（ガス流路１２４）の形状を模式的に示す平面図である。図３にあるように、実施の形態３では、右側単位セル１１０の凹を蛇行（ジグザグ）させる。これにより、右側単位セル１１０では、左側単位セル１０に比して、カソードの流路長が長くなる。なお、右側単位セル１１０の凹の流路断面積は、流量を考えて適当な大きさに設計すればよい。
【００２２】
なお、実施の形態３では、右側単位セル１１０が左側単位セル１０に比してカソードの流路長が長くされた構成により、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長＞前記中間セパレータの前記第１の膜電極接合体側の前記凹の流路長」という関係が実現されている。
【００２３】
なお、実施の形態３の場合、例えば次のような構成により、圧力損失は同じものの流速が異なるという場合もありうる。すなわち、図３（ａ）の形状において、マニホールド出入口の合流部の開口断面積を絞り圧損を大きくする。一方、図３（ｂ）の形状において、流路長を倍にするなどして圧損を大きくする。これらのバランスから、結果的に、圧力損失は同じものの流速が異なるという場合もありうる。この場合にも、ガスの流速によりカソードの水を吹き飛ばす効果が得られるので、フラッディング抑制の効果が得られる。
【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
３０２、３０４、３０８、３１０  セパレータ
３０６  中間セパレータ
【図１】
2010212215.tif 000003
【図２】
2010212215.tif 000004
【図３】
2010212215.tif 000005