(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向して設けられたセパレータと、
互いに直交又は略直交するように設けられており、アノード入口がカソード出口近傍に配置され、且つ、アノード出口がカソード入口近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路及びアノードガス流路と、を備え、
前記アノードガス流路は、前記アノード入口と前記アノード出口との間の部位近傍を起端として延在するリブによってＵ字状に転回するように画成されており、且つ、該Ｕ字状流路の外周側の圧損が該Ｕ字状流路の内周側の圧損よりも小さくされたものである、
燃料電池。
【請求項２】
前記Ｕ字状流路の外周側と内周側とを隔別する仕切りをさらに備える、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】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜がカソード及びアノードの両電極間に挟持された構造を有しており、空気等の酸素を含むカソードガス（酸化ガス）がカソードに接触する一方、水素を含むアノードガス（燃料ガス）がアノードに接触することにより、両電極で電気化学反応が生じ、その結果、両電極間に電圧が生起されるように構成されている。
【０００３】
かかる燃料電池の構造としては、種々のものが提案されており、例えば、特許文献１には、ガス流の方向が互いに逆向きになるように形成されたサーペンタイン型のアノードガス流路及びカソードガス流路を有する燃料電池が記載されている。この燃料電池は、カソードのフラッディングを防止するために、ガス流路の途中に排水路が設けられており、また、カソードガスの入口付近の乾燥を防止するために、ガス流路の上流側の幅よりも下流側の幅が狭められ、下流に向かってガス流速が増大するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１９８０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池においては、一般に、カソード出口（カソードガスが流出する部位）側にアノード入口（アノードガスが流入する部位）を配置し、且つ、アノード出口（アノードガスが流出する部位）側にカソード入口（カソードガスが流入する部位）を配置し、カソード側で生じる水を、カソード出口（アノード入口）からアノード出口（カソード入口）へ運搬することにより、電解質膜の湿潤状態、すなわち、燃料電池における水バランスを保持する方法が広く採用されており、特許文献１に記載された燃料電池においても同様である。
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された従来の燃料電池では、サーペンタイン流路がリブ状の仕切壁で画定されており、その仕切壁を挟んで隣接するガス流路が互いに逆向きに構成されているので、ガス流がその隣接するガス流路間をパスカット（短絡）してしまうおそれがある。特にアノードガス流にパスカットが生じると、カソード出口（アノード入口）付近の水分をアノード出口（カソード入口）へ十分に運搬することが困難となる。
【０００７】
また、ガス流速が入口側で比較的遅く出口側で比較的速いため、アノードガス中の水蒸気量がアノード入口付近で飽和に達し易くなり、アノードガスによってカソード出口の水分を取り去り難くなるので、却って、カソードのフラッディングを誘発するおそれもある。さらに、ガス流速が入口側で比較的遅いため、水分を受け取ったアノードガスが流路下流に到達する前に乾燥してしまい、アノード出口（カソード入口）付近に十分な水分を供給できないことも想定され得る。これらの懸念は、高温無加湿運転と呼ばれるような高温運転時において、特に顕著となるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、カソード出口側で生じた水分を、アノードガス流路を介してカソード入口側へ効率的に運搬・供給して循環させることができ、これにより、高温運転時においても、電解質膜の湿潤状態を良好に維持して出力低下を抑止することが可能な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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池は、電解質膜の両面にカソード及びアノードが配置された膜電極接合体と、膜電極接合体に対向して設けられたセパレータと、互いに直交又は略直交するように設けられており、アノード入口がカソード出口近傍に配置され、且つ、アノード出口がカソード入口近傍に配置されるように構成されたカソードガス流路及びアノードガス流路とを備え、アノードガス流路は、リブによってＵ字状に転回（Ｕターン）するように画成されており、且つ、そのＵ字状流路の外周側（外側）の圧損が同内周側（内側）の圧損よりも小さくなるように構成されている。
【００１０】
このように構成された本発明による燃料電池においては、カソードガス流路及びアノードガス流路が互いに直交又は略直交するように設けられており、アノードガス流路がＵ字状に転回してＵ字状流路が画成されているので、そのＵ字状流路の外周側部分が、最もフラッディングし易いカソード出口端側（最下流）と最も乾燥し易いカソード入口端側（最上流）のそれぞれに対抗する部位を経由するように延在する。そして、アノード入口及びアノード出口がそれぞれカソード出口近傍及びカソード入口近傍に配置され、また、アノードガス流路を流れるアノードガスの大部分は、圧損が比較的小さいＵ字状流路の外周側を流通するので、アノードガスによって、カソード出口側からより多くの水分を奪い去ることができ、且つ、そうして奪取した多くの水分をカソード入口側へ供給することができる。
【００１１】
また、そのようにしてアノードガス流路を流れるアノードガスの大部分が、圧損の比較的小さいＵ字状流路の外周側を流通することにより、従来の燃料電池（特許文献１）で危惧されるアノードガスのパスカットを抑制することができる。
【００１２】
さらに、アノードガス流路において、そのＵ字状流路の外周側と内周側とを隔別するリブのような仕切りを設けることにより、外周側と内周側との圧損差をより高めることができ、且つ、外周側を流れるアノードガスが内周側に拡散することを効果的に抑止することができる。また、その結果、上述したアノードガスのパスカットを更に一層防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のことから、本発明の燃料電池によれば、カソード出口側で生じた水分を、アノードガス流路を介してカソード入口側へ効率的に運搬・供給して循環させることができ（カウンターフロー効果の促進）、これにより、通常運転時だけではなく高温運転時においても、電解質膜の湿潤状態を、従来に比して格段に良好に維持して出力低下を効果的に抑止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による燃料電池の好適な一実施形態の構成の一部を模式的に示す斜視部品分解図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックのアノードセパレータの構成を模式的に示す平面図である。
【図３】アノードガス流路として単一流路を有するアノードセパレータの構成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】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００１６】
図１は、本発明による燃料電池の好適な一実施形態の構成の一部を模式的に示す斜視部品分解図である。燃料電池スタック１（燃料電池）は、固体電解質膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車等に搭載される。この燃料電池スタック１は、単位セルを複数積層したスタック構造を有している（なお、図示においては一単位のみ示す）。その単位セルは、例えばステンレス鋼やチタン等の導電性金属材料からなるカソードセパレータ１０と、同じくアノードセパレータ２０との間に、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置されたＭＥＡ３０（膜電極接合体：Membrane Electrode Assembly）が挟持されたものである。また、ＭＥＡ３０の両面並びにカソードセパレータ１０及びアノードセパレータ２０に対向するように、ガス拡散層４０，４０がシールガスケット（図示せず）等によって一体に設けられている。
【００１７】
一方、カソードセパレータ１０の図示下端部には、その長辺に沿って複数のカソード入口１１が穿設されており、カソードセパレータ１０の同上端部には、その長辺に沿って、それらの複数のカソード入口１１に対向する位置に、複数のカソード出口１２が穿設されている。これにより、カソードセパレータ１０とガス拡散層４０との間には、カソードガスがカソード入口１１からカソード出口１２に向かって略直線的に流通する（図示矢印Ｙｃ参照）カソードガス流路１３が画成される。このカソードガス流路１３は、多孔体流路であって、そこを流れるカソードガスの圧損が全体的に平均化されて略一定に保持され得る。
【００１８】
他方、アノードセパレータ２０の図示左端部の上段には、アノード入口２１が穿設されており、アノードセパレータ２０の同左端部の下段には、アノード出口２２が穿設されている。また、アノードセパレータ２０の長辺に沿って、且つ、アノード入口２１とアノード出口２２との間の部位近傍を起端として、リブ２５が直線状に延在している。これにより、アノードセパレータ２０とガス拡散層４０との間には、アノードガスがアノード入口２１からアノード出口２２に向かってＵ字状に転回（Ｕターン）して流通する（図示矢印Ｙａ１，Ｙａ２参照）アノードガス流路２３，２４が画成される。
【００１９】
このように、アノードガス流路２３，２４は、Ｕ字状流路であって、ともに多孔体流路であり、そのＵ字状流路の外周側（外側）流路としてのアノードガス流路２３の圧損が、同内周側（内側）流路としてのアノードガス流路２４の圧損よりも小さくされている。具体的には、例えば、アノードセパレータ２０におけるアノードガス流路２３に相当する部位の気孔率が、アノードセパレータ２０におけるアノードガス流路２４に相当する部位の気孔率よりも大きくなるように構成されている。これにより、アノードガス流路２３を流れるアノードガス（図示矢印Ｙａ１参照）の流速は、アノードガス流路２４を流れるアノードガス（図示矢印Ｙａ２参照）の流速よりも速く、また、アノードガス流路２３を流れるアノードガスの流量は、アノードガス流路２４を流れるアノードガスの流量よりも多くなる。
【００２０】
このように構成された燃料電池スタック１によれば、カソードガス流路１３とアノードガス流路２３，２４が互いに直交又は略直交するように設けられており、且つ、アノード入口２１及びアノード出口２２が、それぞれカソード出口１２近傍及びカソード入口１１近傍に配置されている。よって、アノード入口２１付近（アノードガス流路２３の図示上段の一方端）で乾燥状態にあるアノードガスが、アノードガス流路２３，２４を流れるにつれて、ＭＥＡ３０を介してカソードガスの水分を奪い、アノードガス流路２３，２４の図示上段の他方端（リブ２５の先端側）に達するまでに湿度が略飽和となる。こうして高湿度となったアノードガスは、アノードガス流路２３，２４の図示下段において、ＭＥＡ３０を介してカソードガスへ水分を供給する。
【００２１】
そして、アノードガス流路２３，２４がＵ字状に転回してＵ字状流路が画成されているので、そのＵ字状流路の外周側部分であるアノードガス流路２３が、最もフラッディングし易いカソード出口１２端側（カソード流路１３の最下流）と最も乾燥し易いカソード入口１１端側（カソード流路１３の最上流）のそれぞれに対向する部位を経由するように延びている。
【００２２】
したがって、アノードガスによってカソード出口１２側からより多くの水分を奪い去ることができ、且つ、その多くの水分をカソード入口１１側へ効率よく供給することができるので、湿度分布のばらつきに起因するフラッディングや過度の乾燥を効果的に防止することが可能となる。換言すれば、カソード出口１２側で生じた水分（反応生成水）を、アノードガス流路２３，２４を介してカソード入口１１側へ効率的に運搬・供給して循環させることができ（カウンターフロー効果の促進）、これにより、通常運転時だけではなく高温運転時においても、電解質膜の湿潤状態を従来に比して格段に良好に維持し、燃料電池スタック１の出力低下を効果的に抑止することが可能となる。
【００２３】
さらに、そのようにしてアノードガス流路２３，２４を流れるアノードガスの大部分が、圧損の比較的小さいアノードガス流路２３を流通するので、従来の燃料電池で危惧され得るアノードガスのパスカットを抑制し易くなり、その結果、上述したカウンターフロー効果を更に一層促進させることができる。
【００２４】
ここで、図２及び図３は、それぞれ、燃料電池スタック１のアノードセパレータ２０、及び、アノードガス流路として単一流路を有するアノードセパレータ２００の構成を模式的に示す平面図である。アノードセパレータ２００は、アノードセパレータ２０のアノード入口２１及びアノード出口２２並びにリブ２５と同等に設けられたアノード入口２２１及びアノード出口２２２並びにリブ２２５を有している。また、アノードセパレータ２００は、アノードセパレータ２０と異なり、アノードガスの圧損が全体として平均化された多孔体流路としてのアノードガス流路２２６を備えている。
【００２５】
このように構成されたアノードセパレータ２０のアノードガス流路２３に相当する部位の気孔率を８３％、及び、アノードセパレータ２０のアノードガス流路２４に相当する部位の気孔率を７８％とし、且つ、アノードセパレータ２００のアノードガス流路２２６に相当する部位の気孔率を７８％として、３Ａ／ｃｍ2発電時における圧損を評価した。その結果、アノードガス流路２３における圧損は３０ｋＰａであり、アノードガス流路２４，２２６における圧損は４４ｋＰａであった。
【００２６】
かかるアノードセパレータ２０，２００をそれぞれ備える燃料電池スタックを運転したところ、アノードセパレータ２０のアノードガス流路２３（外側流路）を流れるアノードガスの流量は１０％向上され、アノードガス流路２３，２４全体の平均的な水素ストイキが１．２５のとき、アノードガス流路２３には水素ストイキ１．５相当のアノードガスが流れ、カソード入口１１付近への水分供給量が十分に増加して乾燥が抑制されることが確認された。また、このように水素ストイキが１．２５から１．５へ増大する場合、アノード出口２２（カソード入口１１）付近の湿度が１．８〜４．１％増加し、これにより、単位セルの電圧（セル電圧）が４０ｍＶ増加することが推算評価された。
【００２７】
なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、燃料電池スタック１のアノードセパレータ２０に、Ｕ字状流路であるアノードガス流路２３，２４を隔別するリブのような仕切りを追設してもよい。そうすることにより、アノードガス流路２３，２４間の圧損差を更に高めることができ、且つ、アノードガス流路２３を流通するアノードガスがアノードガス流路２４へ拡散することを効果的に抑止することができる。また、それにより、アノードガス流路２３からアノードガス流路２４へのアノードガスのパスカットを更に一層防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
以上説明したとおり、本発明は、燃料電池における電解質膜の湿潤状態を良好に維持して燃料電池の出力低下を有効に防止することができるので、燃料電池全般、燃料電池を備える機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１…燃料電池スタック（燃料電池）、１０…カソードセパレータ、１１…カソード入口、１２…カソード出口、１３…カソードガス流路、２０…アノードセパレータ、２１…アノード入口、２２…アノード出口、２３，２４…アノードガス流路、２５…リブ、３０…ＭＥＡ、４０…ガス拡散層、２００…アノードセパレータ、２２１…アノード入口、２２２…アノード出口、２２５…リブ、２２６…アノードガス流路。
【図１】
0005694093.tif 000002
【図２】
0005694093.tif 000003
【図３】
0005694093.tif 000004