(57)【要約】【課題】端部セルの燃料ガス流路のフラッディングを抑制し、この端部セルの電圧低下を抑制できる燃料電池。【解決手段】同一種の単セル（２）が積層されてなるセル積層体（３）を備えた燃料電池（１）であって、単セル（２）がその内部の燃料ガス流路（４０）の圧損で公差を有し、且つ、セル積層体（３）の積層方向に燃料ガスが供給されることによりそれぞれの単セル（２）の燃料ガス流路（４０）に燃料ガスが供給される。そして、セル積層体（３）では、セル積層体（３）での燃料ガスの供給方向の下流側の単セル（２ｂ）ほど、燃料ガス流路（４０）の圧損が小さくなるように単セル（２）が積層される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一種の単セルが積層されてなるセル積層体を備えた燃料電池であって、
前記単セルがその内部の燃料ガス流路の圧損で公差を有し、且つ、前記セル積層体の積層方向に燃料ガスが供給されることによりそれぞれの単セルの前記燃料ガス流路に燃料ガスが供給される、燃料電池において、
前記セル積層体では、当該セル積層体での燃料ガスの供給方向の下流側の単セルほど、前記燃料ガス流路の圧損が小さくなるように単セルが積層されている、燃料電池。
【請求項２】
前記セル積層体での燃料ガスの供給方向の下流側は、当該セル積層体における総マイナス側であり、当該供給方向の上流側は、当該セル積層体における総プラス側である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
当該燃料電池は、前記セル積層体に燃料ガス及び酸化ガスを供給する燃料電池システムに組み込まれており、
前記燃料電池システムでは、燃料ガスによる前記単セル内の水分の持ち去り量が、酸化ガスによる当該単セル内の水分の持ち去り量よりも少ない、請求項１又は２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、単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子型の燃料電池の単セルは、電解質膜およびこれを挟持する一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータと、を備える（例えば、特許文献１参照。）。一方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガス（水素ガス）が供給され、両ガスの電気化学反応により、単セルの起電力が得られる。また、電気化学反応によって水が生成される。この生成水は、酸化ガス又は燃料ガスの流れによって単セル外に排水される。
【０００３】
このような燃料電池は、複数の単セルが積層されてなるセル積層体を有する。燃料ガスや酸化ガスは、セル積層体の一方の端から他方の端に向けて流れ、各単セルの燃料ガス流路及び酸化ガス流路へと供給される。このとき、各単セルには、それぞれの発電性能を維持するために燃料ガス及び酸化ガスが均等に供給されることが望ましい。
【０００４】
ところで、セル積層体の両端部に位置する単セル（以下、「端部セル」という。）は、他の位置の単セルよりも温度が低くなり、水分量が多くなってフラッディング（湿潤過多）となり易い傾向がある。このような事情に鑑みて、特許文献１に記載の燃料電池では、端部セルのカソード側ガス拡散層の撥水性を、他の位置の単セルよりも低くし、カソード側触媒層中に過剰に水を滞留させないようにしている。
【特許文献１】特開２００１−３５７８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような特許文献１に記載の燃料電池では、総マイナス側にある端部セルの燃料ガス流路の含水量が他の単セルに比べて多くなり易い。特に、酸化ガス流量が比較的多く、燃料ガス流量が比較的少ない燃料電池システムにおいては、燃料ガスによって生成水が持ち去られ難い。それゆえ、総マイナス側にある端部セルの燃料ガス流路に水が溜まり易いため、総マイナス側にある端部セルへの燃料ガスの供給量が減少して、この端部セルの電圧が低下するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、端部セルの燃料ガス流路のフラッディングを抑制し、この端部セルの電圧低下を抑制できる燃料電池を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池は、同一種の単セルが積層されてなるセル積層体を備え、単セルがその内部の燃料ガス流路の圧損で公差を有し、且つ、セル積層体の積層方向に燃料ガスが供給されることによりそれぞれの単セルの燃料ガス流路に燃料ガスが供給される。そして、セル積層体では、セル積層体での燃料ガスの供給方向の下流側の単セルほど、燃料ガス流路の圧損が小さくなるように単セルが積層される。
【０００８】
この構成によれば、水分量が多くなり易い単セル（セル積層体での燃料ガスの供給方向の下流側に位置する単セル）の燃料ガス流路の圧損が、セル積層体の単セルの中で最も小さくなる。これにより、水分量が多くなり易い単セルの燃料ガス流路への燃料ガスの供給量を増大することができ、燃料ガス流路における排水性が高まる。よって、この燃料ガス流路のフラッディングを抑制でき、燃料ガスの供給量の減少による電圧低下を抑制できる。また、燃料ガス流路の圧損順に単セルが積層されるので、各単セルの燃料ガス流路における燃料ガスの供給圧のバラツキを抑制でき、各単セルの発電性能を維持できる。
【０００９】
本発明の好ましい一態様によれば、セル積層体での燃料ガスの供給方向の下流側は、セル積層体における総マイナス側であり、供給方向の上流側は、セル積層体における総プラス側である。
【００１０】
これにより、総マイナス側の単セルの燃料ガス流路のフラッディングを抑制できるので、この燃料ガス流路への燃料ガスの供給量減少による電圧低下を抑制できる。
【００１１】
本発明の好ましい一態様によれば、本発明の燃料電池は、セル積層体に燃料ガス及び酸化ガスを供給する燃料電池システムに組み込まれており、この燃料電池システムでは、燃料ガスによる単セル内の水分の持ち去り量が、酸化ガスによる当該単セル内の水分の持ち去り量よりも少ない。
【００１２】
これにより、燃料ガスによる単セル内の水分の持ち去り量が相対的に少ない燃料電池システムに燃料電池を組み込んでも、水分量が多くなり易い単セルの燃料ガス流路のフラッディングを抑制でき、電圧低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池によれば、セル積層体での燃料ガスの供給方向の下流側の単セルの燃料ガス流路のフラッディングを抑制でき、この単セルの電圧低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば船舶、飛行機及びロボットといった自走式の移動体に搭載することもできるし、定置の発電システムとしても用いることが可能である。
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池の断面図である。
燃料電池１は、基本単位である単セル２を積層してなるセル積層体３を有する。セル積層体３は、同一種、つまり互いに同一構造の単セル２を多数積層してなる。セル積層体３の両端に位置する単セル２（以下、「端部セル２ａ」又は「端部セル２ｂ」という。）の外側には、順次、集電板５、絶縁板６及びエンドプレート７が配置される。
【００１６】
燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７に接続した供給管１８からセル積層体３内に供給され、セル積層方向に流れると共に各単セル２の平面方向に流れる。その後、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７に接続した排出管１９から燃料電池１外へと排出される。なお、図１は、燃料ガス用の供給管１８及び排出管１９を示し、また、燃料ガスの流れを矢印を用いて示し、他の流体（酸化ガス及び冷媒）に関連する構成を省略している。
【００１７】
ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガスを意味する。また、酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスを意味する。燃料ガスおよび酸化ガスは、反応ガスと総称されることがある。冷媒は、例えば冷却水である。
【００１８】
図２は、単セル２を分解して示す斜視図である。
単セル２は、ＭＥＡ２０、一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂ，及び、一対の樹脂フレーム２４Ａ，２４Ｂを備える。
【００１９】
ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、電解質膜３０と、電解質膜３０を挟んだ一対の電極３２Ａ，３２Ｂ（アノードおよびカソード）と、で構成される。電極３２Ａ，３２Ｂは、図３に示すように、拡散層３６及び触媒層３８で構成される。拡散層３６は、例えば多孔質のカーボン素材からなる。触媒層３８の触媒としては例えば白金が好適に用いられる。
【００２０】
セパレータ２２Ａ，２２Ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボン、導電性樹脂の他、アルミニウム等の金属が挙げられる。セパレータ２２Ａ、２２Ｂには、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の供給側のマニホールド５１ａ，５２ａ，５３ａ、並びに排出側のマニホールド５１ｂ，５２ｂ，５３ｂが貫通形成される。
【００２１】
図３に示すように、セパレータ２２Ａは、表面に燃料ガス流路４０を有し、裏面に冷媒流路４４Ａを有する。セパレータ２２Ｂは、表面に酸化ガス流路４２を有し、裏面に冷媒流路４４Ｂを有する。
【００２２】
燃料ガス流路４０が燃料ガスを電極３２Ａに供給し、酸化ガス流路４２が酸化ガスを電極３２Ｂに供給することにより、ＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じ、単セル２の起電力が得られる。また、この電気化学反応により、カソード電極３２Ｂ側に水が生成されると共に発熱する。隣接する二つの単セル２，２の一方の冷媒流路４４Ａが他方の冷媒流路４４Ｂと連通することで、単セル２，２間に冷媒を供給する流路が構成される。
【００２３】
燃料ガス流路４０、酸化ガス流路４２及び冷媒流路４４Ａ，４４Ｂは、複数の溝状の流路からなり、凹凸の繰り返しが一方向に延びるストレート流路で構成される。例えばプレス成形によって、セパレータ２２Ａの両面に燃料ガス流路４０及び冷媒流路４４Ａが同時に形成される。セパレータ２２Ｂの両面の流路４２、４４Ｂも同様に形成される。ただし、これらの流路は、途中に折り返し部を有するサーペンタイン流路で構成されてもよい。
【００２４】
樹脂フレーム２４Ａ，２４Ｂは、枠状に形成されており、その開口部６０Ａ，６０Ｂには、燃料ガス流路４０及び酸化ガス流路４２がそれぞれ面する。樹脂フレーム２４Ａ，２４Ｂには、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の供給側のマニホールド６１ａ，６２ａ，６３ａ、並びに排出側のマニホールド６１ｂ，６２ｂ，６３ｂが貫通形成される。マニホールド６１ａ，６２ａ及び６３ａは、セル積層方向でマニホールド５１ａ，５２ａ及び５３ａに合致して連通し、各流体に対応する供給管１８に連通する。また、マニホールド６１ｂ，６２ｂ及び６３ｂは、セル積層方向でマニホールド５１ｂ，５２ｂ及び５３ｂに合致して連通し、各流体に対応する排出管１９に連通する。
【００２５】
樹脂フレーム２４Ａ，２４Ｂは、ＭＥＡ２０の周縁部を表側と裏側から挟持し、ＭＥＡ２０と共にセパレータ２２Ａ，２２Ｂ間に挟持される。樹脂フレーム２４Ａ，２４Ｂは、主として、ＭＥＡ２０を保持する機能、セパレータ２２Ａ、２２Ｂ間のスペーサとしての機能、セパレータ２２Ａ，２２Ｂの剛性を補強する機能、絶縁部材としての機能を発揮するほか、発電領域に反応ガスを導入及び導出する機能を発揮する。
【００２６】
樹脂フレーム２４Ａでは、燃料ガスの導入側の連通路７０がマニホールド６１ａ及び開口部６０Ａに直接開放するように連通し、燃料ガスの導出側の連通路７２がマニホールド６１ｂ及び開口部６０Ａに直接開放するように連通する。同様に、樹脂フレーム２４Ｂでは、酸化ガスの導入側の連通路８０がマニホールド６２ａと開口部６０Ｂとを連通し、酸化ガスの排出側の連通路８２がマニホールド６２ｂと開口部６０Ｂとを連通する。
【００２７】
このような構成により、例えば、単セル２に導入される燃料ガスは、マニホールド５１ａからマニホールド６１ａへと流れ、一部がマニホールド６１ａから連通路７０を流れて燃料ガス流路４０に流入する。その後、ＭＥＡ２０の発電に供された燃料ガスは、連通路７２を流れてマニホールド６１ｂに達し、マニホールド５１ｂから単セル２外へと流出する。なお、冷媒は、セパレータ２２Ａ，２２Ｂに形成した連通路（図示省略）を介して、マニホールド５３ａ、５３ｂから冷媒流路４４Ａ，４４Ｂに給排される。
【００２８】
図示省略したが、燃料電池１は、各流体に対応した供給管１８及び排出管１９を含む燃料電池システムに組み込まれる。この燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスに対応した供給管１８及び排出管１９を介して、燃料電池１に対し燃料ガス及び酸化ガスの供給及び排出を行う。
【００２９】
燃料電池システムでは、通常、酸化ガスは、コンプレッサにより燃料電池１に圧送されるが、その圧送過程の際に加湿される。また、燃料電池１には、酸化ガスの方が燃料ガスよりも多く供給され、多く排出される。したがって、燃料電池１から排出される酸化ガス及び燃料ガスが持ち去る水分は、酸化ガスの方が多い。つまり、本実施形態の燃料電池１は、燃料ガスによる単セル２内の水分の持ち去り量が、酸化ガスによる単セル２内の水分の持ち去り量よりも少ない燃料電池システムに組み込まれる。なお、厳密には、水分の持ち去り量は、カソード電極３２Ｂでの生成水量や、カソード電極３２Ｂから電解質膜３０を介したアノード電極３２Ａへの水分の移動し易さ等の条件も考慮して、算出されるものである。
【００３０】
続いて、図１及び図４を参照して、セル積層体３における多数の単セル２の組み付けについて説明する。
【００３１】
多数の単セル２は、上記したとおり同一種のものである。ただし、多数の単セル２では、燃料ガス流路４０及び酸化ガス流路４２の圧損（圧力損失）について製造上のバラツキがあるので、セル積層体３には、この圧損について所定の許容範囲を満たす単セル２が用いられる。すなわち、セル積層体３に用いられる単セル２は、燃料ガス流路４０及び酸化ガス流路４２の圧損で所定の公差を有する。一般に、燃料ガス流路４０と酸化ガス流路４２の公差は必ずしも同程度ではなく、燃料ガス流路４０は相対的に低圧損であるが、酸化ガス流路４２は高圧損の単セル２も含む。
【００３２】
本実施形態のセル積層体３を構成する場合には、先ず、個々に製造された単セル２の燃料ガス流路４０の圧損を測定する。この圧損の測定は、単セル２における燃料ガスの圧力差を測定することで行うことができる。具体的には、燃料ガス流路４０の上流側の圧力（単セル２の供給側圧力）と、燃料ガス流路４０の下流側の圧力（単セル２の排出側圧力）とを圧力センサで測定し、その差分を求めることで、燃料ガス流路４０の圧損を測定することができる。このような燃料ガス流路４０の圧損の測定を、製造される全ての単セル２で行う。
【００３３】
次に、燃料ガス流路４０の圧損にのみ着目し、その圧損で所定の公差を満たす単セル２を圧損順に並べる。具体的には、図４の曲線Ｍ１に示すように、セル積層体３における総プラス側の端部セル２ａから総マイナス側の端部セル２ｂにかけて燃料ガス流路４０の圧損が小さくなるように、多数の単セル２を積層する。したがって、セル積層体３では、酸化ガス流路４２の圧損はランダムで（無視して）、単セル２が積層されることになる。すなわち、燃料ガス流路４０の公差内の圧損は積層方向で小さくなるように並んでいるのに対し、酸化ガス流路４２の公差内の圧損は積層方向で順序立てて並んでいない。
【００３４】
ここで、総プラス側の端部セル２ａは、セル積層体３において供給管１８から最も近い位置にある単セル２であり、総マイナス側の端部セル２ｂは、セル積層体３において供給管１８から最も遠い位置にある単セルである。換言すれば、セル積層体３での燃料ガスの供給方向（図１において、左から右への方向）の上流側の単セル２は、総プラス側の端部セル２ａであり、この供給方向の下流側の単セル２は、総マイナス側の端部セル２ｂである。
【００３５】
本実施形態の燃料電池１の作用効果について説明する。
図４の曲線Ｎ１は、比較例に係るセル積層体３におけるセル内含水量を示し、図４の曲線Ｎ２は、本実施形態に係る積層体３におけるセル内含水量を示す。セル内含水量とは、単セル２に含まれる水分量を意味する。このセル内含水量は、例えば交流インピーダンス法により、個々の単セル２で測定することができる。
【００３６】
比較例に係るセル積層体３は、燃料ガス流路４０の圧損を無視して、所定の公差を満たす単セル２を積層してなるものである。図４の曲線Ｎ１に示すように、比較例では、セル内含水量が総プラス側から総マイナス側にかけて徐々に上昇し、特に、総マイナス側の端部セル２ｂでは、他の単セル２に比べてセル内含水量が多くなる。この原因は、以下のとおりである。
【００３７】
すなわち、総マイナス側の端部セル２ｂでは、放熱量の差により、燃料ガス流路４０の温度が下がり、燃料ガス流路４０と酸化ガス流路４２との間の温度差が大きくなる。その結果、総マイナス側の端部セル２ｂでは、酸化ガス流路４２から燃料ガス流路４０に水蒸気が移動する。そして、燃料ガスの水分の持ち去り量が比較的少ないので、総マイナス側にある燃料ガス流路４０では、水分が溜まり易くなる。そのため、総マイナス側の端部セル２ｂでは、他の単セル２に比べてセル内含水量が多くなる。
したがって、比較例に係るセル積層体３では、総マイナス側にある燃料ガス流路４０への燃料ガスの供給量が減少し、端部セル２ｂの電圧が低下するおそれがある。
【００３８】
一方、本実施形態に係るセル積層体３は、上記のように、総マイナス側の端部セル２ｂほど燃料ガス流路４０の圧損が小さくなるように単セル２を積層してなるものである。図４の曲線Ｎ２に示すように、本実施形態では、総マイナス側における単セル２のセル内含水量の上昇を比較例よりも抑えることができる。これは、総マイナス側の端部セル２ｂほど燃料ガス流路４０の圧損が小さいので、この燃料ガス流路４０にも十分な量の燃料ガスが供給され、燃料ガス流路４０における排水性が高まるからである。
【００３９】
このように、本実施形態の燃料電池１は、酸化ガス流路４２側の圧損を無視して、水分量が多くなり易い総マイナス側の燃料ガス流路４０の圧損を減らすように構成される。こうすることで、単セル２をランダムに積層する比較例に比べて、端部セル２ｂの燃料ガス流路４０への燃料ガスの供給量を増大でき、端部セル２ｂの燃料ガス流路４０のフラッディングを抑制できる。したがって、本実施形態によれば、燃料ガスの供給量の減少による端部セル２ｂの電圧低下を抑制できる。
【００４０】
また、本来、セル積層体３では、燃料ガスの供給圧力が供給方向の下流側（総マイナス側）ほど小さくなる。これは、燃料ガスが各単セル２のマニホールド５１ａ，６１ａを通じて積層方向の奥側に供給されるほど、燃料ガスに圧損が生じるからである。
本実施形態のセル積層体３では、上記のように、燃料ガスの供給方向の下流側ほど、燃料ガス流路４０の圧損が低くなるように単セル２が圧損順に積層される。したがって、各単セル２の燃料ガス流路４０における燃料ガスの供給圧のバラツキを抑制でき、各単セル２の発電性能を維持できる。
【００４１】
なお、単セル２の構成は上記に限定されるものではない。例えば、単セル２は、樹脂フレーム２４Ａ，２４Ｂを具備しなくてもよい。この場合には、連通路７０，７２はセパレータ２２Ａに形成され、連通路８０，８２はセパレータ２２Ｂに形成される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池の単セルを示す分解斜視図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池の単セルを示す断面図である。
【図４】燃料電池の積層方向とセル内含水量との関係について、比較例（曲線Ｎ１）及び本実施形態（曲線Ｎ２）を示すと共に、本実施形態に係る燃料電池の積層方向と燃料ガス流路の圧損との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池、２…単セル、３…セル積層体、２０…ＭＥＡ、２２Ａ…セパレータ、２２Ｂ…セパレータ、２４Ａ…樹脂フレーム、２４Ｂ…樹脂フレーム、３０…電解質膜、３２Ａ，３２Ｂ…電極、４０…燃料ガス流路、４２…酸化ガス流路
【図１】
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【図２】
2008091278.tif 000004
【図３】
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【図４】
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