(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持された燃料電池であって、
前記電極の面内中央部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性が、前記電極の前記面内中央部分以外の面内外周部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータには、前記電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝と、該電極に接触する平坦部とが設けられるとともに、
前記電極の面内中央部分に接触する前記平坦部の面積率が、前記電極の面内外周部分に接触する前記平坦部の面積率よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータには、前記電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝と、該電極に接触する平坦部とが設けられるとともに、
前記平坦部は、前記電極の面内中央部分に接触する表面部位に粗面化処理が施されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記電極の面内中央部分と前記セパレータとの接触部位には、断熱層が設けられることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持された燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池は、低温起動される際に発電効率が低下するため、所望の発電状態に至るまでに相当な時間がかかってしまう。特に、氷点下での始動では、外部への放熱によって結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池スタックに外部電気回路が接続可能に設けられており、前記燃料電池スタックを構成する電解質膜・電極構造体の少なくとも一部の温度が水の凝固温度を超過するように、前記燃料電池スタックから前記外部電気回路に電流を供給する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池のカソード側に水素と空気との混合ガスを供給し、このカソード側の触媒により反応熱を生起させる技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特表２０００−５１２０６８号公報（図３）
【特許文献２】
米国特許第６，１０３，４１０号公報（ＦＩＧ．１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、自己発熱によって燃料電池スタックを低温から始動するため、始動に時間がかかり易く、特に氷点下での始動に長時間を要するという問題がある。また、上記の特許文献２では、発電用の水素の他に、始動時の自己発熱用の水素が必要である。これにより、水素タンクが大型化するとともに、付属機器が必要となって構造の複雑化およびコストの高騰が惹起されるという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことができ、発電性能の向上を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質膜・電極構造体が一対のセパレータにより挟持されるとともに、前記電解質膜・電極構造体を構成する電極の面内中央部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性が、前記電極の前記面内中央部分以外の面内外周部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性よりも低く設定されている。
【００１１】
このため、電極の面内中央部分から外部に熱が移動することを制限することができ、電解質膜・電極構造体を所望の温度まで迅速に加熱することが可能になる。これにより、特に氷点下始動時に、電極表面を速やかに０℃以上に加熱することができ、電圧低下を阻止して低温始動中に所定の負荷を確実に持続することが可能になる。
【００１２】
しかも、電極の面内中央部分では、前記電極の面内外周部分よりも放熱量が少ない。従って、低温始動時の放熱量がより一層低減され、負荷の持続がより確実に遂行される。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータには、電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝と、前記電極に接触する平坦部とが設けられるとともに、前記電極の面内中央部分に接触する前記平坦部の面積率が、前記電極の面内外周部分に接触する前記平坦部の面積率よりも低くなっている。
【００１４】
具体的には、電極の面内中央部分に接触する部位を、他の部位に比べて幅狭に形成し、あるいは、前記接触する部位に切り欠きを設けている。これにより、面内中央部分の熱伝導性が、面内外周部分の熱伝導性よりも低くなって前記面内中央部分からの熱の移動が制限される。従って、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことができ、発電性能の向上を図ることが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、セパレータには、電極に反応ガスを供給するための反応ガス流路溝と、前記電極に接触する平坦部とが設けられるとともに、前記平坦部は、前記電極の面内中央部分に接触する表面部位に粗面化処理、例えば、凹凸形状に加工する処理が施されている。このため、簡単な構成で、電極の面内中央部分に接触する表面部位の熱伝達性を低下させることができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、電極の面内中央部分とセパレータとの接触部位には、断熱層が設けられている。従って、電極の面内中央部分とセパレータとの接触部位からの放熱を確実に阻止し、低温始動を効率的に行うことが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１および第２セパレータ１４、１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２と第１および第２セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１８が介装されている。
【００１９】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える（図１および図２参照）。
【００２２】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。シール部材１８の中央部には、アノード側電極２８およびカソード側電極３０に対応して開口部３４が形成されている。
【００２３】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。図１および図３に示すように、酸化剤ガス流路３６は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）３８とカソード側電極３０との間に形成されており、各溝部３８間には、前記カソード側電極３０に接触する平坦部４０が設けられる。
【００２４】
第１の実施形態では、カソード側電極３０の面内中央部分に接触する平坦部４０の面積率が、前記カソード側電極３０の前記面内中央部分以外の面内外周部分に接触する前記平坦部４０の面積率よりも低く設定される。面積率とは、面１４ａの一定面積内における平坦部４０の面積割合をいう。
【００２５】
具体的には、第１セパレータ１４の面１４ａにおいて、カソード側電極３０の面内中央部分に対応する流路中央部Ｔ１では、図４に示すように、平坦部４０の矢印Ｂ方向に延在する側面４０ａ、４０ｂのうち、例えば、側面４０ｂを内方に切り欠いて側面４０ｃが形成される。側面４０ａ、４０ｃ間の幅寸法Ｈ２は、側面４０ａ、４０ｂ間の幅寸法Ｈ１に対して相当に小さな値に設定される。
【００２６】
図１および図５に示すように、第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）４４とアノード側電極２８との間に形成されており、各溝部４４間には、前記アノード側電極２８に接触する平坦部４６が設けられる。
【００２７】
アノード側電極２８の面内中央部分に接触する平坦部４６の面積率は、前記アノード側電極２８の面内外周部分に接触する前記平坦部４６の面積率よりも低く設定される。第２セパレータ１６では、第１セパレータ１４と同様に、アノード側電極２８の面内中央部分に対応する流路中央部Ｔ２において、平坦部４６の幅寸法が他の部分の幅寸法に比べて幅狭に設定されている。
【００２８】
第２セパレータ１６の面１６ａとは反対の面１６ｂには、図１に示すように、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。この冷却媒体流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００２９】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、および純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３１】
従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３２】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３３】
さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１６の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。
【００３４】
この場合、第１の実施形態では、例えば、第１セパレータ１４の流路中央部Ｔ１において、図４に示すように、平坦部４０の側面４０ｂを切り欠いて側面４０ｃが形成されることにより、他の部分の幅寸法Ｈ１よりも相当に幅狭な幅寸法Ｈ２が設定されている。
【００３５】
このため、カソード側電極３０の面内中央部分に接触する平坦部４０の面積率が、前記カソード側電極３０の面内外周部分に接触する前記平坦部４０の面積率よりも低くなっている。換言すると、カソード側電極３０の面内中央部分と第１セパレータ１４との接触部位における熱伝導性が、前記カソード側電極３０の面内外周部分と前記第１セパレータ１４との接触部位における熱伝導性よりも低く設定されている。
【００３６】
これにより、燃料電池１０の運転時に、カソード側電極３０の面内中央部分から外部に熱が移動することを制限することができ、電解質膜・電極構造体１２を所望の温度まで迅速に加熱することが可能になる。従って、特に氷点下始動時にカソード側電極３０の電極表面を速やかに０℃以上に加熱することができ、電圧低下を阻止して低温始動中に所定の負荷を確実に持続することが可能になるという効果が得られる。
【００３７】
しかも、カソード側電極３０の面内中央部分では、このカソード側電極３０の面内外周部分よりも放熱量が少ない。このため、低温始動時の放熱量がより一層低減され、負荷の持続がより確実に遂行される。
【００３８】
なお、第２セパレータ１６では、アノード側電極２８の面内中央部分と前記第２セパレータ１６との接触部位における熱伝導性が、前記アノード側電極２８の面内外周部分と該第２セパレータ１６との接触部位における熱伝導性より低く設定され、第１セパレータ１４と同様の効果が得られる。これにより、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことができ、燃料電池１０の発電性能を有効に向上させることが可能になるという利点がある。
【００３９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ６０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
第１セパレータ６０は、蛇行する酸化剤ガス流路６２を設けるとともに、この酸化剤ガス流路６２の流路中央部Ｔ３では、他の部分に比べて熱伝導性が低く設定される。具体的には、図７に示すように、流路中央部Ｔ３では、平坦部４０が矢印Ｂ方向に所定の間隔毎に切り欠かれており、前記平坦部４０間には、空間部６４が形成される。
【００４１】
従って、第２の実施形態では、カソード側電極（図示せず）の面内中央部分に接触する平坦部４０の面積率が、前記カソード側電極の面内外周部分に接触する前記平坦部４０の面積率よりも低くなっている。
【００４２】
これにより、流路中央部Ｔ３から外部に熱が移動することを制限することができ、簡単かつ安価な構成で、低温始動を短時間で良好に行うことが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、平坦部４０を所定の間隔毎に切り欠く代わりに、流路中央部Ｔ３内をエンボス状に構成してもよい。
【００４３】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ７０の流路中央部Ｔ４の概略斜視説明図である。
【００４４】
流路中央部Ｔ４において、平坦部４０の表面には、粗面化処理が施されて凹凸面７２が形成される。従って、平坦部４０では、流路中央部Ｔ４における熱伝導性が、他の部分の熱伝導性よりも低く設定され、この流路中央部Ｔ４から外部への熱の移動を制限することが可能になる。これにより、低温始動を短時間で良好に行うことができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ８０の流路中央部Ｔ５の概略斜視説明図である。
【００４６】
この第１セパレータ８０では、流路中央部Ｔ５において、平坦部４０が部分的に所定の間隔毎に切り欠き部８２を設けており、各切り欠き部８２には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の断熱材８４が固着される。
【００４７】
これにより、流路中央部Ｔ５には、断熱材８４による断熱層が設けられ、カソード側電極（図示せず）の面内中央部分と第１セパレータ８０との接触部位（流路中央部Ｔ５に対応する部位）からの放熱を確実に阻止することができる。従って、第４の実施形態では、低温始動を効率的に行うことが可能になる等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ９２およびカソード側電極９４の流路中央部Ｔ６における概略斜視説明図である。
【００４９】
カソード側電極９４は、ガス拡散層内に、この拡散層の中央部（流路中央部Ｔ６に対応する部位）にポリテトラフルオロエチレンやエポキシ樹脂等の複数の断熱材９６が、例えば、含浸等によって分散されている。
【００５０】
これにより、第５の実施形態では、カソード側電極９４に断熱材９６を設けることによって断熱層が形成され、このカソード側電極９４の面内中央部分とセパレータ９２の平坦部４０との接触部位からの放熱を確実に阻止することができる。このため、低温始動を効率的に行うことが可能になる等、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
なお、第２〜第５の実施形態では、第１セパレータ６０、７０、８０および９２について説明したが、第２セパレータ（図示せず）も同様に構成することができる。また、反応ガス流路（酸化剤ガス流路および燃料ガス流路）は、サーペンタインに限定されるものではなく、直線状流路であってもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、電解質膜・電極構造体を構成する電極の面内中央部分とセパレータとの接触部位における熱伝導性が、前記電極の面内外周部分と前記セパレータとの接触部位における熱伝導性よりも低く設定される。このため、電極の面内中央部分から外部に熱が移動することを制限することができ、電解質膜・電極構造体を所望の温度まで迅速に加熱することが可能になる。これにより、特に氷点下始動時に、電極表面を速やかに０℃以上に加熱することができ、電圧低下を阻止して低温始動中に所定の負荷を確実に持続することが可能になる。
【００５３】
しかも、電極の面内中央部分では、前記電極の面内外周部分よりも放熱が少ない。従って、低温始動時の放熱がより一層低減され、負荷の持続がより確実に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図４】前記第１セパレータの流路中央部の拡大説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図７】前記第１セパレータの流路中央部の概略拡大説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの流路中央部の概略斜視説明図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの流路中央部の概略斜視説明図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータおよびカソード側電極の流路中央部における概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池                    １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６０、７０、８０、９２…セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔      ２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔        ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔        ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜          ２８…アノード側電極
３０、９４…カソード側電極        ３６、６２…酸化剤ガス流路
３８、４４…溝部                  ４０、４６…平坦部
４２…燃料ガス流路                ７２…凹凸面
８２…切り欠き部                  ８４、９６…断熱材
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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