(57)【要約】【課題】流路の形状を複雑にすることなく、内部の温度バラツキを低減可能な燃料電池のスタック構造を提供する。【解決手段】冷却水路４１と、電解質膜１１１の冷却水路側の面の電極１１２ｂが触媒反応によって発熱する冷却側発熱単セル１０と、電解質膜２１１の冷却水路側の面の裏面の電極２１２ｂが触媒反応によって発熱するとともに、膜電極接合体２１の熱抵抗が、冷却側発熱単セル１０の膜電極接合体１１の熱抵抗に比して小さい裏側発熱単セル２０と、を含んだ単位モジュール１００が積層される。【選択図】図２
2010086893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水路と、
電解質膜の冷却水路側の面の電極が触媒反応によって発熱する冷却側発熱単セルと、
電解質膜の冷却水路側の面の裏面の電極が触媒反応によって発熱するとともに、膜電極接合体の熱抵抗が、前記冷却側発熱単セルの膜電極接合体の熱抵抗に比して小さい裏側発熱単セルと、
を含んだ単位モジュールが積層される燃料電池のスタック構造。
【請求項２】
冷却水路と、
電解質膜の冷却水路側の面の電極が触媒反応によって発熱する冷却側発熱単セルと、
電解質膜の冷却水路側の面の裏面の電極が触媒反応によって発熱するとともに、その発熱電極から前記冷却水路までの熱抵抗が、前記冷却側発熱単セルの発熱電極から前記冷却水路までの熱抵抗と略同等である裏側発熱単セルと、
を含んだ単位モジュールが積層される燃料電池のスタック構造。
【請求項３】
前記裏側発熱単セルの膜電極接合体の電解質膜は、前記冷却側発熱単セルの膜電極接合体の電解質膜に比して薄肉である、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項４】
前記裏側発熱単セルの電解質膜よりも冷却水路側の構成部品は、前記冷却側発熱単セルの電解質膜よりも冷却水路側の構成部品に比して薄肉である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項５】
冷却水路と、
電解質膜の冷却水路側の面の電極が触媒反応によって発熱する冷却側発熱単セルと、
電解質膜の冷却水路側の面の裏面の電極が触媒反応によって発熱するとともに、膜電極接合体の熱抵抗が、前記冷却側発熱単セルの膜電極接合体の熱抵抗に比して小さく、かつ前記冷却水路から離れるほど熱抵抗が小さい複数の裏側発熱単セルと、
を含んだ単位モジュールが積層される燃料電池のスタック構造。
【請求項６】
冷却水路と、
電解質膜の冷却水路側の面の電極が触媒反応によって発熱する冷却側発熱単セルと、
電解質膜の冷却水路側の面の裏面の電極が触媒反応によって発熱するとともに、各発熱電極から前記冷却水路までの熱抵抗が、前記冷却側発熱単セルの発熱電極から前記冷却水路までの熱抵抗と略同等である複数の裏側発熱単セルと、
を含んだ単位モジュールが積層される燃料電池のスタック構造。
【請求項７】
前記各裏側発熱単セルの膜電極接合体の電解質膜は、前記冷却側発熱単セルの膜電極接合体の電解質膜に比して薄肉であり、かつ前記冷却水路から離れるほど薄肉である、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項８】
前記各裏側発熱単セルの電解質膜よりも冷却水路側の構成部品は、前記冷却側発熱単セルの電解質膜よりも冷却水路側の構成部品に比して薄肉であり、かつ前記冷却水路から離れるほど薄肉である、
ことを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項９】
前記冷却側発熱単セルの膜電極接合体は、マイクロポーラス層を含み、そのマイクロポーラス層によって熱抵抗が大きくされる、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項１０】
すべての単セルの膜電極接合体の極間水移動特性が同等である、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
【請求項１１】
前記触媒反応によって発熱する電極は、カソード電極である、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池のスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の両面にアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において以下の反応が進行して発電する。
【０００３】
【化１】
2010086893.tif 000003
【０００４】
このときカソード電極触媒層では水分が生成されるとともに、熱が発生する。発熱量が過剰であれば、電解質膜が乾燥してドライアウト状態になり、発電効率が悪化してしまう。
【０００５】
燃料電池は、上述のように多数のＭＥＡを積層して構成している。それらのＭＥＡのうち特定のＭＥＡの電解質膜がドライアウト状態になってしまうと、効率的な発電ができないので、スタック内部の温度状態が一様であることが望ましい。
【０００６】
そこで特許文献１では、各ＭＥＡへ反応ガスを配流する反応ガス流路に突起を形成して反応ガス量を調整することで、スタック内部の温度状態が一様になるようにしていた。
【特許文献１】特開２０００−２５１９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のように突起を形成しても、流路に液水が存在しているときは、流量をうまく調整できない。液水が存在する条件下では、液水の挙動が予測できない。そのため突起を最適設計することが困難である。また突起を形成しては流路が複雑な形状になってしまう。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、流路の形状を複雑にすることなく、内部の温度バラツキを低減可能な燃料電池のスタック構造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】
【０００９】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【００１０】
本発明は、冷却水路と、電解質膜の冷却水路側の面の電極が触媒反応によって発熱する冷却側発熱単セルと、電解質膜の冷却水路側の面の裏面の電極が触媒反応によって発熱するとともに、膜電極接合体の熱抵抗が、前記冷却側発熱単セルの膜電極接合体の熱抵抗に比して小さい裏側発熱単セルと、を含んだ単位モジュールが積層されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電解質膜の冷却水路側の電極が発熱する冷却側発熱単セルの膜電極接合体の熱抵抗に比して、電解質膜の冷却水路側の裏の電極が発熱する裏側発熱単セルの膜電極接合体の熱抵抗が小さい単位モジュールを積層して燃料電池スタックを構成した。このように構成したので、単位モジュール内の温度バラツキを低減できたのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（基本形態）
図１は、本発明による燃料電池の外観を示す図であり、図１(Ａ)は斜視図、図１(Ｂ)は側面図である。
【００１３】
最初に燃料電池の基本構成について説明する。燃料電池スタック１は、積層された複数の単位モジュール１００と、集電プレート２００と、絶縁プレート３００と、エンドプレート４００と、４本のテンションロッド５００とを備える。
【００１４】
単位モジュール１００は、単セルを含む。単位モジュール１００は、直列に数百枚並べられている。単位モジュール１００の構成の詳細については後述する。
【００１５】
集電プレート２００は、積層された複数の単位モジュール１００の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２００は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２００は、上辺の一部に出力端子２０１を備える。燃料電池スタック１は、出力端子２０１によって、各単位モジュール１００で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１６】
絶縁プレート３００は、集電プレート２００の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３００は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。
【００１７】
エンドプレート４００は、絶縁プレート３００の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４００は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。
【００１８】
一方のエンドプレート４００(図１(Ａ)では、左手前のエンドプレート４００)には、アノード供給口、アノード排出口、カソード供給口、カソード排出口、冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられている。なお図１(Ａ)では、これらを円形で示したが形状は適宜変更すればよい。
【００１９】
アノード供給口にアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口に供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００２０】
テンションロッド５００は、エンドプレート４００の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５００が挿通される(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５００は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５００は、燃料電池スタックの内部での電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５００にナット５０１が螺合する(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５００とナット５０１とが燃料電池スタック１を積層方向に締め付けることで、スタッキング圧が発生する。
【００２１】
燃料電池スタック１は、図１(Ｂ)に示すように、積層された複数の単位モジュール１００の両側に、集電プレート２００と、絶縁プレート３００と、エンドプレート４００と、が配置される。
【００２２】
また燃料電池スタック１の片側の絶縁プレート３００の外側には、サブエンドプレート４０１が配置され、さらにそのサブエンドプレート４０１の外側にたとえば皿バネなどからなる変動吸収部材４０２が配置され、その外側にエンドプレート４００が設けられる。このような積層構造の燃料電池スタックを４本のテンションロッド５００で積層方向に締め付ける。このように変動吸収部材４０２が設けられているので、燃料電池スタックに作用する面圧の変動を吸収可能である。
【００２３】
（単位モジュール；第１実施形態）
図２は、本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第１実施形態を示す断面拡大図である。
【００２４】
単位モジュール１００は、第１単セル１０と、第２単セル２０と、冷却プレート４０と、を含む。
【００２５】
ここで説明の便宜上、第１単セル１０及び第２単セル２０に先行して冷却プレート４０について説明する。冷却プレート４０は、第１単セル１０と第２単セル２０との間に配置される。冷却プレート４０には、冷却水が流れる冷却水路４１が形成される。冷却プレート４０は、たとえばカーボンブラックなどの導電性カーボン粉末を用いて樹脂モールディング成型によって形成される。
【００２６】
次に第１単セル１０及び第２単セル２０について説明する。
【００２７】
第１単セル１０は、燃料電池の単位セルである。第１単セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。第１単セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１と、アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂと、を含む。
【００２８】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極触媒層１１２ａ及びカソード電極触媒層１１２ｂと、アノードガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３ａ及びカソードＧＤＬ１１３ｂと、を含む。
【００２９】
電解質膜１１１は、イオン交換膜で形成される。
【００３０】
アノード電極触媒層１１２ａ及びカソード電極触媒層１１２ｂは、上述した触媒反応によって発電する。アノード電極触媒層１１２ａ及びカソード電極触媒層１１２ｂは、たとえば白金Ｐｔ又は白金系合金をカーボン担体粉末上に担持させた触媒、電解質粒子(アイオノマ)及び撥水剤からなる混合層を電解質膜上に、ホットプレス又は直接噴霧することで形成される。アノード電極触媒層１１２ａは電解質膜１１１の片面に形成され、カソード電極触媒層１１２ｂはその反対面に形成される。本実施形態では、アノード電極触媒層１１２ａは電解質膜１１１の左面に形成され、カソード電極触媒層１１２ｂは電解質膜１１１の右面に形成される。そしてカソード電極触媒層１１２ｂにおいて、上述した触媒反応によって水分が生成されるとともに、熱が発生する。すなわち第１単セル１０は、電解質膜１１１の冷却水路側の面の電極であるカソード電極触媒層１１２ｂが触媒反応によって発熱する。
【００３１】
アノードＧＤＬ１１３ａ及びカソードＧＤＬ１１３ｂは、反応ガスを拡散して電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)に供給する。アノードＧＤＬ１１３ａ及びカソードＧＤＬ１１３ｂは、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。アノードＧＤＬ１１３ａは、アノード電極触媒層１１２ａに形成される。カソードＧＤＬ１１３ｂは、カソード電極触媒層１１２ｂに形成される。
【００３２】
アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、ガス不透過性であって電気伝導性である。アノードセパレータ１２ａ及びカソードセパレータ１２ｂは、たとえばカーボンブラックなどの導電性カーボン粉末を用いて樹脂モールディング成型によって形成される。アノードセパレータ１２ａは、アノードＧＤＬ１１３ａに重なる。アノードセパレータ１２ａには、アノードＧＤＬ１１３ａへの対向面に、アノードガスが流れるアノードガス流路１２１ａが形成される。カソードセパレータ１２ｂは、カソードＧＤＬ１１３ｂに重なる。カソードセパレータ１２ｂには、カソードＧＤＬ１１３ｂへの対向面に、カソードガスが流れるカソードガス流路１２１ｂが形成される。
【００３３】
第２単セル２０は、第１単セル１０と基本的な構成は同じである。そこで第１単セル１０と同様の機能を果たす部分には冒頭の符号を２に変更して重複する説明を省略する。なお第２単セル２０でもカソード電極触媒層２１２ｂにおいて、上述した触媒反応によって水分が生成されるとともに、熱が発生する。すなわち第２単セル２０は、電解質膜２１１の冷却水路側の面の裏面の電極であるカソード電極触媒層２１２ｂが触媒反応によって発熱する。
【００３４】
そしてカソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗が、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗と略同等になるように調整されている。具体的にはたとえば、第２単セル２０のアノードセパレータ２２ａの板厚を第１単セル１０のカソードセパレータ１２ｂの板厚よりも肉薄にすればよい。またアノードセパレータ２２ａ及びカソードセパレータ１２ｂの組成成分の含有量を変更することで、熱抵抗を調整してもよい。さらに冷却プレート４０に形成される冷却水路４１を、第２単セル２０のアノードセパレータ２２ａに寄せて形成してもよい。なお熱抵抗とは、熱の物質中の伝導しにくさを示す指標である。熱は、熱抵抗が大きいほど伝導しにくく、熱抵抗が小さいほど伝導しやすい。
【００３５】
本実施形態によれば、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までと、第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までと、が略同等の熱抵抗である。
【００３６】
第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂで生じた熱は、カソードＧＤＬ１１３ｂ、カソードセパレータ１２ｂを介して冷却プレート４０に伝導し、冷却される。
【００３７】
また第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂで生じた熱は、電解質膜２１１、アノード電極触媒層２１２ａ、アノードＧＤＬ２１３ａ、アノードセパレータ２２ａを介して冷却プレート４０に伝導し、冷却される。
【００３８】
ここで第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までと、第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までと、が略同等の熱抵抗であるので、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂまでが、冷却水路４１によって略均等に冷却される。したがって第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂまでの温度分布が略均一になる。そのため各ＭＥＡの温度バラツキを低減することができ、特定のＭＥＡだけ発熱量が多くて電解質膜がドライアウト気味になってしまうような事態が生じないのである。
【００３９】
（第２実施形態）
図３は、本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第２実施形態を示す断面拡大図である。
【００４０】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４１】
本実施形態では、第２単セル２０のＭＥＡ２１の熱抵抗が、第１単セル１０のＭＥＡ１１の熱抵抗に比して小さくなるようにした。具体的にはたとえば、ＭＥＡ２１の電解質膜２１１をＭＥＡ１１の電解質膜１１１に比して薄肉にした。
【００４２】
このようにしたので、第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂで生じた熱は、電解質膜２１１、アノード電極触媒層２１２ａ、アノードＧＤＬ２１３ａ、アノードセパレータ２２ａを介して冷却プレート４０に伝導しやすくなり、冷却されやすくなる。特に第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までと、第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までと、が略同等の熱抵抗になるように調整すれば、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂまでが、冷却水路４１によって略均等に冷却される。したがって第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂまでの温度分布が略均一になる。そのため各ＭＥＡの温度バラツキを低減することができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図４は、本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第３実施形態を示す断面拡大図である。
【００４４】
本実施形態では、第１単セル１０のＭＥＡ１１の熱抵抗が、第２単セル２０のＭＥＡ２１の熱抵抗に比して大きくなるようにした。具体的にはたとえば、電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)と、ＧＤＬ１１３(１１３ａ，１１３ｂ)と、の間にマイクロポーラス層(Micro Porous Layer；ＭＰＬ)１１４(１１４ａ，１１４ｂ)を形成すればよい。ＭＰＬ１１４は、おもにカーボンブラックなどの導電性カーボン粉末と四フッ化エチレン樹脂(PolyTetraFluoroEthylene；ＰＴＦＥ)などとの結着剤兼撥水剤の混合層である。ＭＰＬ１１４は、ＧＤＬ１１３の繊維が電解質膜１１１を貫通して短絡してしまうことを防止する。またＭＰＬ１１４は、電極触媒層１１２とＧＤＬ１１３との接触面積を増大する。さらにＭＰＬ１１４は、電極触媒層１１２の排水性を調整することで、発電時の電極触媒層１１２の湿潤環境を最適化してフラッディングやドライアウトを防止する。さらにまたＭＰＬ１１４は、反応ガスの分配を促進して燃料電池の発電性能を向上する。そしてこのようなＭＰＬ１１４を第１単セル１０のＭＥＡ１１に設け、第２単セル２０のＭＥＡ２１には設けないので、第１単セル１０のＭＥＡ１１の熱抵抗が、第２単セル２０のＭＥＡ２１の熱抵抗に比して大きくなる。
【００４５】
このようにしたので、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂで生じた熱は、冷却プレート４０に伝導しにくくなる。特に第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までと、第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までと、が略同等の熱抵抗になるように調整すれば、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂまでが、冷却水路４１によって略均等に冷却される。したがって第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂまでの温度分布が略均一になる。そのため各ＭＥＡの温度バラツキを低減することができる。
【００４６】
（第４実施形態）
図５は、本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第４実施形態を示す断面拡大図である。
【００４７】
本実施形態の単位モジュール１００では、第２単セル２０の隣にさらに第３単セル３０が並ぶ。
【００４８】
第３単セル３０は、第１単セル１０及び第２単セル２０と基本的な構成は同じである。そこで第１単セル１０，第２単セル２０と同様の機能を果たす部分には冒頭の符号を３に変更して重複する説明を省略する。なお第３単セル３０でもカソード電極触媒層３１２ｂにおいて上述した触媒反応によって水分が生成されるとともに、熱が発生する。すなわち第３単セル３０は、電解質膜３１１の冷却水路側の面の裏面の電極であるカソード電極触媒層３１２ｂが触媒反応によって発熱する。
【００４９】
そして第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗と、第２単セル２０のカソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗と、第３単セル３０のカソード電極触媒層３１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗と、が略同等になるように調整されている。
【００５０】
熱抵抗の調整は、第１実施形態のようにセパレータの肉厚を変更すればよい。たとえば冷却水路４１から最も離れた第３単セル３０のアノードセパレータ３２ａの肉厚を最薄にするとともに、第１単セル１０のカソードセパレータ１２ｂの肉厚を最厚にすればよい。また第１実施形態のようにセパレータの材料を変更したり、冷却水路４１の形成位置を調整したり、第２実施形態のように電解質膜の肉厚を調整したり、第３実施形態のようにＭＰＬを設けたり、それらを組み合わせてもよい。
【００５１】
このように構成することで、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから第３単セル３０のカソード電極触媒層３１２ｂまでが、冷却水路４１によって略均等に冷却される。したがって単位モジュール１００を構成する単セルが増えても、単位モジュール内の温度分布が略均一になる。そのため各ＭＥＡの温度バラツキを低減することができる。
【００５２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００５３】
たとえば、単位モジュールを構成する単セルの数量を４つ以上に増やしてもよい。
【００５４】
また上記実施形態では、冷却水路は冷却プレートに形成するようにしたが、そのような構造には限られない。たとえば第１単セル１０のカソードセパレータ１２ｂの背面と、第２単セル２０のアノードセパレータ２２ａの背面と、に流路を凹設し、両セパレータの背面の凹部同士を合わせることで冷却水路を形成してもよい。
【００５５】
さらに第２実施形態では、第２単セル２０のＭＥＡ２１の熱抵抗が、第１単セル１０のＭＥＡ１１の熱抵抗に比して小さくなるようにするために、ＭＥＡ２１の電解質膜２１１をＭＥＡ１１の電解質膜１１１に比して薄肉にすることを例示したが、アノード電極触媒層２１２ａやアノードＧＤＬ２１３ａをカソード電極触媒層１１２ｂやカソードＧＤＬ１１３ｂに比して薄肉にしてもよい。
【００５６】
さらにまた第１実施形態においては、カソード電極触媒層２１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗が、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂから冷却水路４１までの熱抵抗と略同等になるように調整している。この場合に、第２単セル２０のアノード電極触媒層２１２ａ及びアノードＧＤＬ２１３ａの熱抵抗が標準的な抵抗であれば、第１単セル１０のカソード電極触媒層１１２ｂ及びカソードＧＤＬ１１３ｂの熱抵抗を、第２単セル２０のアノード電極触媒層２１２ａ及びアノードＧＤＬ２１３ａの熱抵抗よりも大きくなるようにする。そして第１単セル１０のアノード電極触媒層１１２ａ及びアノードＧＤＬ１１３ａの熱抵抗は、第２単セル２０のアノード電極触媒層２１２ａ及びアノードＧＤＬ２１３ａの熱抵抗と同等にしてもよい。このように第１単セル１０のＭＥＡ１１の表裏面の仕様が異なるようにしてもよい。しかしながらこのように構成すると、ＭＥＡを介した極間の水移動特性が単セルで不均一となってしまう可能性もある。そして単セルのいずれか一方の極で存在する液水量がバラつくことがある。そして単セルによって液水量の多少が生じてしまう可能性がある。そして液水が相対的に多い単セルでは、フラッディングが発生し、発電が不安定になってしまうという問題が新たに発生することが考えられる。このような問題を回避するためには、ＭＥＡの仕様を変えても、電解質膜を介した極間の水移動特性が不均一とならないようにすればよい。そのためには、すべてのＭＥＡの極間の水移動特性をある所定値の範囲内に収めればよい。ある所定値とは、設計する運転条件において、ある単セルが相対的に発生するフラッディングが著しく発生しない限界の水移動特性差の閾値をいう。水移動特性を調整するには、電解質膜の厚さ、材料、ＧＤＬの材料、材質、気孔径、気孔率、表面の親水性、疎水性などを調整すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による燃料電池の外観を示す図である。
【図２】本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第１実施形態を示す断面拡大図である。
【図３】本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第２実施形態を示す断面拡大図である。
【図４】本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第３実施形態を示す断面拡大図である。
【図５】本発明による燃料電池のスタック構造に使用する単位モジュールの第４実施形態を示す断面拡大図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００  単位モジュール
１０  第１単セル(冷却側発熱単セル)
１１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１１  電解質膜
１１２ａ  アノード電極触媒層
１１２ｂ  カソード電極触媒層(発電電極)
１１３ａ  アノードガス拡散層(アノードＧＤＬ)
１１３ｂ  カソードガス拡散層(カソードＧＤＬ)
２０  第２単セル(裏側発熱単セル)
２１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
２１１  電解質膜
２１２ａ  アノード電極触媒層
２１２ｂ  カソード電極触媒層(発電電極)
２１３ａ  アノードガス拡散層(アノードＧＤＬ)
２１３ｂ  カソードガス拡散層(カソードＧＤＬ)
３０  第３単セル(裏側発熱単セル)
３１  膜電極接合体(ＭＥＡ)
３１１  電解質膜
３１２ａ  アノード電極触媒層
３１２ｂ  カソード電極触媒層(発電電極)
３１３ａ  アノードガス拡散層(アノードＧＤＬ)
３１３ｂ  カソードガス拡散層(カソードＧＤＬ)
４０  冷却プレート
４１  冷却水路
【図１】
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【図２】
2010086893.tif 000005
【図３】
2010086893.tif 000006
【図４】
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【図５】
2010086893.tif 000008