(57)【要約】【課題】  燃料電池における膜電極構造体および固体高分子電解質膜の損傷を防止する。【解決手段】  固体高分子電解質膜５１の両側に一対の電極５２，５３を設けた膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６とを交互に積層した燃料電池５０であって、アノード側セパレータ５５とアノード電極５２との間にはアノード電極５２に面して燃料流路が設けられ、この燃料流路は流れの向きを反転させる折り返し部を備え、アノード側セパレータ５５には、冷却液が流通する冷却流路６０がアノード電極５２の反応面に対応して設けられるとともに、前記折り返し部における内側の下流側部分の冷却性能を他の部分よりも低下させる冷却性能抑制手段が設けられている。【選択図】    図１
2006019047.tif 000002
【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膜電極構造体とセパレータとを交互に積層した燃料電池であって、
前記セパレータと前記電極との間には該電極に面して反応ガス流路が設けられ、この反応ガス流路は流れの向きを反転させる折り返し部を備え、前記セパレータには、冷却液が流通する冷却流路が前記電極の反応面に対応して設けられるとともに、前記折り返し部における内側の下流側部分の冷却性能を他の部分よりも低下させる冷却性能抑制手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記冷却性能抑制手段は、前記折り返し部における内側の下流側部分に対応する部分への冷却液の流通を阻止する冷却液不通部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子電解質膜型の燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで膜電極構造体を形成し、アノード電極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給して、これら反応ガスの電気化学反応により電気エネルギを抽出するものがある。また、この固体高分子電解質膜型の燃料電池には、反応ガスの流路を蛇行して設けたものもある（例えば、特許文献１参照）。
この種の燃料電池は発電に伴い水が生成されるが、液滴となった水を燃料電池内に滞留させたまま氷点下環境に放置すると、液滴が凍結して燃料電池の構成部材（特に膜電極構造体）を損傷する虞がある。
【０００３】
そこで、一般に、燃料電池を停止するときに燃料電池内の反応ガス流路に乾燥ガスを流し、燃料電池内に滞留する液滴を吹き飛ばして除去するパージ処理を行っている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７０９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述したパージ処理を行っても、燃料電池内の反応ガス流路の構造に起因して、滞留している液滴を完全に吹き飛ばすことができない場合がある。
特に、アノード側の反応ガス流路が蛇行して形成されている場合には、流れの向きが反転する折り返し部の直後であって内側の部分に対応する膜電極構造体の内部に液滴が滞留し易く、ここに滞留した液滴は前述したパージ処理では除去することが難しく、膜電極構造体の内部に残留した液滴が氷点下環境で凍結して、膜電極構造体および固体高分子電解質膜を損傷させる場合がある。
そこで、この発明は、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の凍結による損傷を防止することができる燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜（例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜５１）の両側に一対の電極（例えば、後述する実施例におけるアノード電極５２、カソード電極５３）を設けた膜電極構造体（例えば、後述する実施例における膜電極構造体５４）とセパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ５５，５６）とを交互に積層した燃料電池（例えば、後述する実施例におけるセル５０）であって、前記セパレータと前記電極との間には該電極に面して反応ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料流路５８ａ〜５８ｇ）が設けられ、この反応ガス流路は流れの向きを反転させる折り返し部（例えば、後述する実施例における折り返し部６２）を備え、前記セパレータには、冷却液が流通する冷却流路（例えば、後述する実施例における冷却流路６０）が前記電極の反応面に対応して設けられるとともに、前記折り返し部における内側の下流側部分の冷却性能を他の部分よりも低下させる冷却性能抑制手段（例えば、後述する実施例における凸部５５ｅ）が設けられていることを特徴とする燃料電池である。
【０００６】
折り返し部を有する反応ガス流路では、折り返し部における内側の下流側部分（以下、易液溜まり部という）で液滴が生じ易いが、請求項１のように構成すると、前記易液溜まり部を他の部分よりも冷えにくくすることができ、他の部分よりも温度を高くすることができる。その結果、易液溜まり部における反応ガス流路内の相対湿度を下げることができ、結露しにくくすることができるので、液滴が滞留するのを防止することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷却性能抑制手段は、前記折り返し部における内側の下流側部分に対応する部分への冷却液の流通を阻止する冷却液不通部（例えば、後述する実施例における凸部５５ｅ）で構成されていることを特徴とする
このように構成することにより、前記易液溜まり部を他の部分よりも冷えにくくすることができ、他の部分よりも温度を高くすることができる。その結果、易液溜まり部における反応ガス流路内の相対湿度を下げることができ、結露しにくくすることができるので、液滴が滞留するのを防止することができる。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１および請求項２に係る発明によれば、易液溜まり部の反応ガス流路内に液滴が滞留するのを防止することができるので、発電を停止して氷点下環境に放置したときに、易液溜まり部に対応する膜電極構造体の内部で水が凍結することがなく、膜電極構造体および固体高分子電解質膜の損傷を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明に係る燃料電池の一実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。
この燃料電池は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図１に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード電極５２とカソード電極５３とで両側から挟み込んで膜電極構造体５４を形成し、膜電極構造体５４の両側にセパレータ５５，５６を密接して配置してセル（単位燃料電池）５０が構成される。また、このセル５０を複数積層して燃料電池スタックが構成される。
セパレータ５５，５６はカーボン製であり、膜電極構造体５４に面して反応ガス流路溝が形成されている。
【００１０】
図２は、アノード側セパレータ５５を燃料流路溝５５ｃが形成されている側から見た正面図であり、裏面に冷却流路溝５５ｄが形成されている。燃料流路溝５５ｃは所定本数（この実施例では７本）平行に配列されていて、正面から見てＳ字状に蛇行して形成されており、アノード側セパレータ５５の燃料流路溝５５ｃとアノード電極５２との間に形成される空間は水素ガス（燃料）が流通する燃料流路５８ａ〜５８ｇとされている。この実施例における燃料流路５８ａ〜５８ｇは、流れの向きが水平となる水平部６１と流れの向きを反転させる折り返し部６２とが交互に連なって構成されている。
【００１１】
図３は、アノード側セパレータ５５を冷却流路溝５５ｄが形成されている側から見た正面図であり、冷却流路溝５５ｄは、燃料流路溝５５ｃが形成されている領域（換言すると、アノード電極５２の反応面に対応する領域）に対応して、その全域に亘って水平方向直線状に多数形成されている。ただし、水素ガスの流れ方向が最初に反転せしめられる部位において一番内側に位置する燃料流路５８ｇに対応する部分には、冷却流路溝が形成されておらず、幅広の凸部（冷却性能抑制手段）５５ｅが形成されている。換言すると、互いに隣り合う冷却流路溝５５ｄ，５５ｄ間には凸部５５ｆが形成されているが、水素ガスの流れ方向が最初に反転せしめられる部位において一番内側に位置する燃料流路５８ｇに対応する部分には、他の凸部５５ｆよりも幅広の凸部５５ｅが形成されている。
【００１２】
図４は、カソード側セパレータ５６を空気流路溝５６ｃが形成されている側から見た正面図である。空気流路溝５６ｃは、燃料流路溝５５ｃと同本数だけ平行に配列され、Ｓ字状に蛇行して形成されており、カソード側セパレータ５６の空気流路溝５６ｃとカソード電極５３との間に形成される空間は酸化剤としての酸素を含む空気が流通する空気流路（酸化剤流路）５９ａ〜５９ｇとされている。この実施例における空気流路５９ａ〜５９ｇは、流れの向きが水平となる水平部６３と流れの向きを反転させる折り返し部６４とが交互に連なって構成されている。なお、カソード側セパレータ５６の裏面側（すなわち、アノード側セパレータ５５に面する側）は平坦面にされている。
そして、セル５０を複数積層したときに互いに隣接して配置された両セパレータ５５，５６間において、アノード側セパレータ５５の冷却流路溝５５ｄとカソード側セパレータ５６との間に形成される空間は、冷却液が流通する冷却流路６０とされている。
【００１３】
図１に示すように、膜電極構造体５４は、固体高分子電解質膜５１の周縁部に電極５２，５３を有さない領域（以下、電極５２，５３を有する領域を「発電部」、有さない領域を「非発電部」と称す）を有し、前述した燃料流路５８、空気流路５９、および冷却流路６０は発電部に対応する領域に形成されている。
図１において、膜電極構造体５４の非発電部には、左端部に３つの開口７１，７２，７３が設けられ、右端部に３つの開口７４，７５、７６が設けられている。また、セパレータ５５，５６の左右端部にも膜電極構造体５４と同様に開口７１〜７６が設けられている。これら開口７１〜７６は膜電極構造体５４とセパレータ５５，５６を積層した状態（すなわち、燃料電池スタックとして組み立てられた状態）においてシール材（図示略）を介して各開口毎にそれぞれ１本の管の如く連通し、分配流路もしくは集合流路として機能する。
【００１４】
ここで、図１において、左端部側の開口は上から順に、燃料供給開口７１，冷却液排出開口７２、空気排出開口７３とされており、右端部側の開口は上から順に、空気供給開口７４、冷却液供給開口７５、燃料排出開口７６とされている。そして、燃料供給開口７１同士が連通して燃料分配流路７１Ａを構成し、冷却液排出開口７２同士が連通して冷却液集合流路７２Ａを構成し、空気排出開口７３同士が連通して空気集合流路７３Ａを構成し、空気供給開口７４同士が連通して空気分配流路７４Ａを構成し、冷却液供給開口７５同士が連通して冷却液分配流路７５Ａを構成し、燃料排出開口７６同士が連通して燃料集合流路７６Ａを構成する。
【００１５】
さらに、図２に示すように、アノード側セパレータ５５において燃料流路溝５５ｃの始端が燃料供給開口７１に連通し、燃料流路溝５５ｃの終端が燃料排出開口７６に連通している。したがって、水素ガスは、燃料分配流路７１Ａから燃料供給開口７１を介して燃料流路５８ａ〜５８ｇに導入され、Ｓ字状に蛇行する燃料流路５８ａ〜５８ｇに沿い鉛直方向下方に向かって流通した後、燃料排出開口７６を介して燃料集合流路７６Ａに排出される。
【００１６】
一方、図４に示すように、カソード側セパレータ５６において空気流路溝５６ｃの始端が空気供給開口７４に連通し、空気流路溝５６ｃの終端が空気排出開口７３に連通している。したがって、空気は、空気分配流路７４Ａから空気供給開口７４を介して空気流路５９ａ〜５９ｇに導入され、Ｓ字状に蛇行する空気流路５９ａ〜５９ｇに沿い鉛直方向下方に向かって流通した後、空気排出開口７３を介して空気集合流路７３Ａに排出される。
【００１７】
また、図３に示すように、アノード側セパレータ５５において右側に位置する冷却流路溝５５ｄの始端が冷却液供給開口７５に連通し、図中左側に位置する冷却流路溝５５ｄの終端が冷却液排出開口７２に連通しており、冷却液は、冷却液分配流路７５Ａから冷却液供給開口７５を介して冷却流路６０に導入され、冷却流路６０を水平方向に流通した後、冷却液排出開口７２を介して冷却液集合流路７２Ａに排出される。
【００１８】
このように構成された燃料電池スタックでは、アノード電極５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を透過してカソード電極５３まで移動し、カソード電極５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水を生成し、生成水の一部はカソード電極５３側から逆拡散によりアノード電極５２側に移動してくる。このこの発電に伴う発熱により燃料電池スタックが所定の作動温度を越えないように、冷却流路６０を流れる冷却液で熱を奪い冷却する。
【００１９】
ところで、この実施例のように水素ガスが流れる場合には、水素ガスの流れ方向が最初に反転せしめられる部位において一番内側に位置する燃料流路５８ｇであって、最初の折り返し部６２の直ぐ下流の部分（図２において二点鎖線で示す部分、以下、易液溜まり部と称す）Ａに液滴が滞留し易い。
【００２０】
しかしながら、この実施例の燃料電池では、前述したように、アノード側セパレータ５５において、水素ガスの流れ方向が最初に反転せしめられる部位の一番内側に位置する燃料流路５８ｇに対応する部分には幅広の凸部５５ｅが形成されていて、冷却流路溝が形成されていないので、易液溜まり部Ａおよびその周辺に対応する部分には冷却液が流れず、冷却性能が低下せしめられている。つまり、凸部５５ｅは、易液溜まり部Ａに対応する部分への冷却液の流通を阻止する冷却液不通部と言える。したがって、易液溜まり部Ａおよびその周辺は他の部分よりも冷やされにくく、他の部分よりも温度を高くすることができる。その結果、易液溜まり部Ａにおける燃料流路５８ｇ内の相対湿度を下げることができ、結露しにくくすることができる。これにより、燃料流路５８ｇの易液溜まり部Ａに液滴が滞留するのを防止することができる。
【００２１】
このように易液溜まり部Ａにおける燃料流路５８ｇに液滴が滞留するのを防止することができるので、易液溜まり部Ａに対応する部分の膜電極構造体５４の内部に液滴が滞留するのを防止することができる。
その結果、発電を停止して氷点下環境に放置しても、易液溜まり部Ａにおける燃料流路５８ｇ内および膜電極構造体５４の内部で水が凍結することがなく、膜電極構造体５４および固体高分子電解質膜５１の損傷を防止することができる。
【００２２】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、燃料流路の最初の折り返し部の下流部分に対応する部分にのみ冷却液不通部を設けたが、これに加えて、燃料流路の２番目の折り返し部の下流部分に対応する部分にも冷却液不通部を設けてもよい。
また、前述した実施例では、アノード側セパレータに冷却流路溝を設けて冷却流路としたが、カソード側セパレータに冷却流路溝を設けて冷却流路としてもよいし、あるいは両セパレータに冷却流路溝を設けてもよい。
さらに、セパレータはカーボン製に限るものではなく、金属プレートを断面波形にプレス成形して形成した、所謂金属セパレータであってもよい。
また、前述した実施例では、反応ガス流路をＳ字状に蛇行する流路としたが、折り返し部を有している限り、迷路状やそのほか種々の形状に屈曲形成された流路でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明に係る燃料電池スタックの一実施例の分解斜視図である。
【図２】前記実施例における燃料電池スタックのアノード側セパレータの燃料流路溝を有する側から見た正面図である。
【図３】前記アノード側セパレータの冷却流路溝を有する側から見た正面図である。
【図４】前記実施例における燃料電池スタックのカソード側セパレータの正面図である。
【符号の説明】
【００２４】
５０  セル（燃料電池）
５１  固体高分子電解質膜
５２  アノード電極
５３  カソード電極
５４  膜電極構造体
５５，５６  セパレータ
５５ｅ  凸部（冷却性能抑制手段、冷却液不通部）
５８ａ〜５８ｇ  燃料流路（反応ガス流路）
６０  冷却流路
６２  折り返し部
Ａ  易液溜まり部
【図１】
2006019047.tif 000003
【図２】
2006019047.tif 000004
【図３】
2006019047.tif 000005
【図４】
2006019047.tif 000006