(57)【要約】【課題】燃料電池の大型化や構造の複雑化を伴うことなく、両極間の水分バランスを適正化する。【解決手段】燃料電池は、両面に一対の電極を備える複数の電解質層と、隣り合う電解質層間に配置されるガスセパレータと、を備える。ガスセパレータは、電極との間にガス流路を形成すると共に、ガスセパレータの内部に、多孔質体が配置される冷媒流路を形成する。多孔質体は、隣り合う一方の電解質層上に形成されたアノード側のガス流路側に配置された第１の多孔質体３８と、隣り合う他方の電解質層上に形成されたカソード側のガス流路側に配置された第２の多孔質体３９とから成り、第１の多孔質体３８と第２の多孔質体３９とでは、冷媒流路に冷媒を流したときの流路抵抗が異なっている。【選択図】図１
2008218201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
両面に一対の電極を備える複数の電解質層と、
隣り合う前記電解質層間に配置されるガスセパレータと
を備え、
前記ガスセパレータは、前記電極との間にガス流路を形成すると共に、該ガスセパレータの内部に、多孔質体が配置される冷媒流路を形成し、
前記多孔質体は、隣り合う一方の前記電解質層上に形成されたアノード側の前記ガス流路側に配置された第１の多孔質体と、隣り合う他方の前記電解質層上に形成されたカソード側の前記ガス流路側に配置された第２の多孔質体とから成り、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体とでは、前記冷媒流路に冷媒を流したときの流路抵抗が異なっている
燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記多孔質体は、導電性多孔質体である
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記冷媒流路は、前記アノード側と前記カソード側のうち、前記冷媒流路内の流路抵抗が均一であった場合に前記ガス流路内における水分量がより多くなる側に、流路抵抗がより大きくなる多孔質体を配置している
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いて発電を行なう際に、燃料電池の運転条件が液水の存在し得る条件である場合には、ガス流路に液水が存在することによりガス流れを妨げる問題が生じる可能性がある。例えば固体高分子型燃料電池では、ガス流路に液水が生じる原因の一つとして、電気化学反応に伴ってカソードで生じる生成水が挙げられる。カソードで生じた水がカソード側流路で凝縮する場合があり、また、カソードで生じた水が電解質膜を介してアノード側に移動して、アノード側流路で凝縮する場合もある。また、固体高分子型燃料電池の場合には、電解質膜の含水量が低下すると電池性能が低下するため、電解質膜の乾燥を抑制する必要がある。電解質膜の乾燥を抑制するために、供給ガスの加湿が行なわれる場合があるが、このようにガスの加湿を行なう場合には、ガスによって持ち込まれた水が、ガス流路内で凝縮する可能性もある。
【０００３】
上記のように燃料電池では、いずれかの電極側で水分量が過多となったり不足したりする場合があり、両極間の水分バランスの適正化が望まれていた。このように、両極間の水分バランスを適正化するための方法としては、従来、冷媒を用いて燃料電池内部を冷却する際に、アノード側とカソード側とで冷媒の流路断面積を異ならせて、冷却効率を異ならせる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２７０１９７号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３３１３号公報
【特許文献３】特開平８−３２１３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、アノード側とカソード側とで冷媒の流路断面積を異ならせる場合には、アノード側の冷媒流路とカソード側の冷媒流路とを、別系統でそれぞれ設ける必要があるため、燃料電池全体が大型化し、配管等の構造が複雑化するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の大型化や構造の複雑化を伴うことなく、両極間の水分バランスを適正化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、
両面に一対の電極を備える複数の電解質層と、
隣り合う前記電解質層間に配置されるガスセパレータと
を備え、
前記ガスセパレータは、前記電極との間にガス流路を形成すると共に、該ガスセパレータの内部に、多孔質体が配置される冷媒流路を形成し、
前記多孔質体は、隣り合う一方の前記電解質層上に形成されたアノード側の前記ガス流路側に配置された第１の多孔質体と、隣り合う他方の前記電解質層上に形成されたカソード側の前記ガス流路側に配置された第２の多孔質体とから成り、前記第１の多孔質体と前記第２の多孔質体とでは、前記冷媒流路に冷媒を流したときの流路抵抗が異なっていることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、冷媒流路内に多孔質体を配置すると共に、アノード側のガス流路側に配置された第１の多孔質体と、カソード側のガス流路側に配置された第２の多孔質体とでは、冷媒流路に冷媒を流したときの流路抵抗が異なっているため、アノード側とカソード側とで冷却効率を異ならせることができる。このように、アノード側とカソード側とで冷却効率を異ならせることにより、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路における水分バランスの適正化を図ることができる。
【０００９】
本発明の燃料電池において、前記多孔質体は、導電性多孔質体であることとしても良い。このような構成とすれば、冷媒流路が形成されるガスセパレータにおいて、内部抵抗を低減することによって、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池において、前記冷媒流路は、前記アノード側と前記カソード側のうち、前記冷媒流路内の流路抵抗が均一であった場合に前記ガス流路内における水分量がより多くなる側に、流路抵抗がより大きくなる多孔質体を配置していることとしても良い。このような構成とすれば、ガス流路内における水分量がより多くなる側の冷却効率を相対的に低下させて温度を高くすることにより、このガス流路内の水分量を抑えることができる。また、ガス流路内の水分量がより少なく成る側の冷却効率を相対的に向上させて温度を低くすることにより、このガス流路内の水分量を確保することができる。これにより、燃料電池において水分バランスの適正化を図ることができる。
【００１１】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池内部の水分調節方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の実施例としての燃料電池の構成の概要を表わす断面模式図であり、図２は、分解斜視図である。この燃料電池は、電極を表面に形成した複数の電解質膜を含む部材を積層したスタック構造を有しているが、図１および図２では、積層構造の一部の様子を表わしている。なお、図２では、図１に示す断面の位置を、１−１断面として示している。また、図１では、図２に示す１−１断面における部材の中央部近傍の様子を表わしている。
【００１３】
燃料電池は、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２０と、ガス拡散層２３，２４と、ガスセパレータ２５，２６と、を備えている。ここで、ＭＥＡ２０は、電極であるアノードおよびカソードを表面に形成した電解質膜によって形成される。このＭＥＡ２０は、ガス拡散層２３，２４によって挟持されており、ＭＥＡ２０およびガス拡散層２３，２４から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ２５，２６によって挟持されている（ただし、ガス拡散層２３は、ＭＥＡ２０の裏面に配置されるため、図２では図示せず）。
【００１４】
ＭＥＡ２０を構成する電解質膜は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソードおよびアノードは、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体上に担持させることによって形成されている。より具体的には、カソードおよびアノードは、例えば、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を用いて電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜上、あるいはガス拡散層上に塗布し、乾燥・固着させることにより形成できる。
【００１５】
ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。本実施例のガス拡散層２３，２４は、いずれも、全体として平坦な形状の板状部材である。このようなガス拡散層２３，２４は、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。
【００１６】
ガスセパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレータ２５，２６は、ＭＥＡ２０との間に形成される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）の流路の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。表面に溝６２が形成されたガスセパレータ２５とＭＥＡ２０との間には、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路２７が形成される（図１参照）。また、表面に溝６３が形成されたガスセパレータ２６とＭＥＡ２０との間には、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路２８が形成される（図１参照）。ＭＥＡ２０と、ガス拡散層２３，２４と、セル内酸化ガス流路２７およびセル内燃料ガス流路２８とから成る構造を、以下、発電部１０と呼ぶ。また、本実施例の燃料電池は、ＭＥＡ２０と、ガス拡散層２３，２４と、ガスセパレータ２５，２６と、から成る積層体を複数積層して成るため、上記積層体を、以下、積層単位１２と呼ぶ。
【００１７】
ここで、ガスセパレータ２５では、その一方の面にはセル内酸化ガス流路２７を形成するための既述した溝６２が設けられているが、他方の面には凹部８７が形成されている（ただし、凹部８７は、ガスセパレータ２５の裏面に形成されるため、図２では図示せず）。同様に、ガスセパレータ２６では、一方の面にはセル内燃料ガス流路２８を形成するための既述した溝６３が設けられているが、他方の面には凹部８８が形成されている。ガスセパレータに形成された上記凹部８７，８８は、底面が略四角形状の平坦面に形成された凹部であり、燃料電池内部においてガス拡散層２３，２４が配置される領域全体と重なるように形成されている。このような凹部８７，８８は、隣り合う発電部１０間において、冷媒が流れる流路、すなわち、セル間冷媒流路を形成する。なお、燃料電池を冷却するために燃料電池内部を流す冷媒としては、種々の流体を用いることができ、例えば、水や不凍液を用いることができる。
【００１８】
さらに、本実施例の燃料電池は、上記凹部８７，８８に嵌め込まれる第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９を備えている。第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９は、それぞれ、薄板状の導電性多孔質体から成る部材である。流路形成多孔質体３８，３９として用いる導電性多孔質体は、例えば、ステンレス鋼やチタン製の金属多孔質体によって構成することができる。このような金属多孔質体は、例えば、発泡成形、メッキ法、機械加工やエッチングなど、種々の方法により作製可能である。
【００１９】
第１流路形成多孔質体３８は、凹部８７に丁度嵌り込む平面形状および厚みを有しており、第２流路形成多孔質体３９は、凹部８８に丁度嵌り込む平面形状および厚みを有している。すなわち、凹部８７，８８によって形成されるセル間冷媒流路となる空間は、第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９によって隙間無く占められている。そのため、凹部８７，８８によって形成されるセル間冷媒流路に供給された冷媒は、上記第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９が備える細孔によって形成される空間内を流れる。本実施例の燃料電池では、第１流路形成多孔質体３８は、第２流路形成多孔質体３９に比べて、多孔質体内部に冷媒を流したときの流路抵抗がより大きくなるように形成されている。
【００２０】
ここで、多孔質体内を流体が流れる際の流路抵抗は、例えば、多孔質体の気孔率（空隙率）の影響を受ける。また、流路抵抗は、多孔質体内に形成される細孔の平均細孔径や、細孔の形状、あるいは、多孔質体内に形成される各細孔の連通状態等の影響を受ける。本実施例の燃料電池では、上記のような各要因の影響を受けた結果として、第１流路形成多孔質体３８の方が、第２流路形成多孔質体３９に比べて、多孔質体内部に冷媒を流したときの流路抵抗がより大きくなるように形成されている。なお、流路形成多孔質体３８，３９は、既述したように種々の方法により作製可能であるが、第１流路形成多孔質体３８と第２流路形成多孔質体３９とは、異なる種類の多孔質体を用いても良い。例えば、一方を発泡金属により形成し、他方をエキスパンドメタルにより形成することも可能である。また、流路形成多孔質体３８，３９は、各々が単一の多孔質体により形成される必要はなく、さらに複数の層に分割して形成されていても良い。全体として、凹部８７に嵌め込まれた第１流路形成多孔質体３８の方が、凹部８８に嵌め込まれた第２流路形成多孔質体３９に比べて、多孔質体内部に冷媒を流したときの流路抵抗がより大きくなるように形成されていれば良い。
【００２１】
ガスセパレータ２５，２６は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。ガスセパレータ２５，２６を、ＭＥＡ２０およびガス拡散層２３，２４と共に積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、孔部８３〜８６は、セル内ガス流路に対して反応ガスを供給・排出する給排ガス流路であるガスマニホールドを形成する。また、孔部８１，８２は、セル間冷媒流路に対して冷媒を供給・排出する冷媒マニホールドを形成する。
【００２２】
具体的には、溝６２と連通する孔部８３および孔部８４は、それぞれ、各セル内酸化ガス流路２７に酸化ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路２７から排出されるカソード排ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する。同様に、溝６３と連通する孔部８５および孔部８６は、それぞれ、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、凹部８７，８８と連通する孔部８１および孔部８２は、それぞれ、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドと、各セル間冷媒流路から排出される冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する。このように、セル内ガス流路およびセル間冷媒流路の各々は、マニホールドによって並列に接続されている。
【００２３】
図３は、上記各部材を積層して成るスタック１５によって形成される燃料電池の外観の概略を表わす斜視図である。上記各部材を備える燃料電池を組み立てるときには、図１および図２に示す順序で各部材を重ね合わせ、所定の数の積層単位１２を積層した後、その両端に、出力端子３２，３３を備える集電板３０，３１、絶縁板３４，３５、エンドプレート３６，３７を順次配置して、スタック１５を完成する。なお、積層単位１２を積層する際には、ＭＥＡ２０の周辺部において、ガスセパレータとの間に、弾性材料から成るシール材が配置されて、セル内ガス流路におけるシール性が確保される。また、スタック１５は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持されるが、図３では、スタック１５に対して押圧力を加える構成については図示を省略している。
【００２４】
ここで、スタック１５の一方の端部側に配置される集電板３０、絶縁板３４、およびエンドプレート３６には、それぞれ、６つの孔部が設けられている。すなわち、各ガスセパレータに設けられた孔部８１〜８６の各々に対応する位置に、孔部４１〜４６が設けられている。燃料電池による発電を行なうときには、孔部４１を介して冷媒供給マニホールド（孔部８１）へと冷媒が供給され、セル間冷媒流路を流れた冷媒は、冷媒排出マニホールド（孔部８２）を介して孔部４２から排出される。このとき、各々のセル間冷媒流路においては、カソード側に配置された第１流路形成多孔質体３８の方が、アノード側に配置された第２流路形成多孔質体３９に比べて流路抵抗が大きいため、第１流路形成多孔質体３８内よりも第２流路形成多孔質体３９内の方が、流れる冷媒の流量が多くなる。
【００２５】
同様に、燃料電池においては、孔部４３を介して酸化ガス供給マニホールド（孔部８３）へと酸化ガスが供給され、セル内酸化ガス流路を流れた酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド（孔部８４）を介して孔部４４から排出される。また、孔部４５を介して燃料ガス供給マニホールド（孔部８５）へと燃料ガスが供給され、セル内燃料ガス流路を流れた燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド（孔部８６）を介して孔部４６から排出される。
【００２６】
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、冷媒流路において、カソード側に配置される第１流路形成多孔質体３８の方が、アノード側に配置される第２流路形成多孔質体３９よりも、冷媒流路に冷媒を流したときの流路抵抗が大きくなるような多孔質体を用いている。このように、冷媒流路内において、アノード側とカソード側とで流路抵抗を異ならせることにより、アノード側とカソード側とで冷却効率を異ならせて、燃料ガス流路と酸化ガス流路における水分バランスの適正化を図ることができる。
【００２７】
具体的には、本実施例ではカソード側の第１流路形成多孔質体３８の流路抵抗をより大きくしているため、アノード側の第２流路形成多孔質体３９内を流れる冷媒量が、カソード側の第１流路形成多孔質体３８内を流れる冷媒量よりも多くなる。そのため、各々の冷媒流路を流れる冷媒による熱の持ち出しは、アノード側からの熱の持ち出し量の方が、カソード側からの熱の持ち出し量よりも多くなり、アノード側の方がカソード側よりも冷却効率が高まる。このような構成とすることで、燃料電池全体で、生成水が生じるカソード側の方が温度が高くなるため、セル内酸化ガス流路における飽和水蒸気圧を上昇させて、セル内酸化ガス流路からの排水を促進させ、セル内酸化ガス流路における凝縮水の滞留を抑制することができる。また、電解質膜においては、電気化学反応の進行に伴ってアノード側からカソード側へとプロトンと共に水が移動するが、アノード側の温度をより低くしてセル内燃料ガス流路における飽和水蒸気圧を低くすることにより、アノード側における電解質膜の乾燥を抑えることができる。このように、カソード側よりもアノード側の冷却効率を高めることにより、水分量が過剰になり易いセル内酸化ガス流路における水分量を抑えると共に、水分量が不足し易いセル内燃料ガス流路における水分量を確保することができる。
【００２８】
また、本実施例の燃料電池によれば、冷媒流路内において、流路抵抗の異なる２種類の多孔質体を配置することによって、アノード側とカソード側とで冷却効率を異ならせているため、アノード側とカソード側との冷却効率を異ならせるために燃料電池全体が大型化することがない。また、流路抵抗が異なる多孔質体を備える冷媒流路に冷媒を供給すれば、その結果としてアノード側とカソード側とで冷却効率が異なることになるため、アノード側とカソード側との間で冷却効率を異ならせるために、配管を複数系統用意する等の構造の複雑化を要することがない。
【００２９】
さらに、本実施例の燃料電池によれば、冷媒流路内に、冷媒流路を形成する凹部と略同一の厚みの導電性多孔質体である第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９を配置しているため、燃料電池の内部抵抗を低減することができる。ここで、流路形成多孔質体３８，３９を、導電性を有しない多孔質体によって形成する場合であっても、両者の流路抵抗を異ならせることによる既述した効果は得られるが、導電性多孔質体を用いることにより、隣り合うガスセパレータ２５，２６間の接触抵抗を低減することが可能になる。そのため、本実施例のように導電性多孔質体を用いる場合には、流路形成多孔質体３８，３９として導電性を有しない多孔質体を用いる場合に比べて、また、冷媒流路内に多孔質体を配置しない場合に比べて、燃料電池の内部抵抗を低減して電池性能を向上させることができる。
【００３０】
なお、本実施例では、セル間冷媒流路において、カソード側の流路抵抗をアノード側の流路抵抗よりも大きくすることにより、水が過剰となり易いカソード側と水が不足し易いアノード側との間の水分バランスの適正化を図ったが、異なる構成としても良い。燃料電池では、その構成により、カソード側とアノード側の水分バランスが異なるため、燃料電池の構成に応じて冷媒流路における流路抵抗を設定することにより、燃料電池の構成に応じた水分バランスの適正化を行なうことが可能となる。
【００３１】
燃料電池において、アノード側ガス流路とカソード側ガス流路との間の水分バランスに影響する要因としては、種々の要因が考えられる。このような要因の一つとして、燃料電池に供給されるガス中の水蒸気量を挙げることができる。電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料ガスと酸化ガスの内の少なくとも一方のガスを加湿する場合があるが、このような加湿を行なうことで、加湿したガスが供給される側の水分量が過剰となり易くなる。例えば、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給する場合には、アノード側の水分量が、より過剰になり易くなる。
【００３２】
また、燃料電池内の水分バランスに影響する他の要因として、電気化学反応に伴って生じる水を挙げることができる。既述したように、電気化学反応によってカソードで水が生じるため、燃料電池における発電量が多いほど、カソード側の水分量が、より過剰になり易くなる。
【００３３】
また、燃料電池内の水分バランスに影響する他の要因として、電解質膜における水の透過性を挙げることができる。電解質膜における水の透過性は、例えば、電解質膜の厚みによって異なる。電解質膜が薄いほど、電解質膜における水の透過性が増し、カソード側で生じた生成水がアノード側へと移動し易くなる。したがって、電解質膜が薄いほど、カソード側における水分過剰の傾向が抑えられる。さらに、電解質膜における水の透過性は、電解質膜の種類によっても異なる。本実施例では、電解質膜として、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を用いたが、フッ素系電解質膜に代えて、例えば炭化水素系電解質膜を用いることも可能である。このように、電解質膜の種類によっても電解質膜における水の透過性は異なるため、用いる電解質膜によって水分バランスは変化する。
【００３４】
このように、燃料電池内の水分バランスに影響する種々の要因を考慮して、冷媒内に配置する流路形成多孔質体において、アノード側とカソード側のいずれの流路抵抗を大きくするか、また、それぞれの流路抵抗をどのくらいにするかを、適宜設定すればよい。すなわち、セル間冷媒流路内の流路抵抗が均一であった場合にガス流路内の水分量がより多くなる側の流路抵抗がより大きくなるように、アノード側とカソード側とで流路形成多孔質体の流路抵抗を異ならせることにより、燃料電池内の水分バランスを適正化することができる。より具体的には、電極に供給されるガス中の水分量と、電気化学反応により生じる水分量と、電解質膜を介して移動してくる水分量との合計が、より多い側に、流路抵抗のより大きな多孔質体を配置すれば良い。さらに、冷媒による冷却効率は、冷媒流路内に配置する多孔質体やガスセパレータの材質などによる熱伝達率の影響を受けるため、特にアノード側とカソード側とで異なる材質の多孔質体を配置する場合には、上記した影響をさらに考慮して流路抵抗を設定することが望ましい。
【００３５】
また、冷媒流路に配置する多孔質体において、アノード側とカソード側とで流路抵抗を異ならせる際に、流路抵抗の異なる多孔質体の配置を同一面内で異ならせても良い。例えば、セル内酸化ガス流路においては、酸化ガスが流入する入り口付近では流路内湿度は比較的低いが、酸化ガスがセル内酸化ガス流路を流れる過程で生成水が酸化ガス中に混入するため、酸化ガスが流出する出口付近では流路内湿度が比較的高くなる。そのため、他の影響を考慮しても酸化ガスの入り口付近でカソード側が水分不足となり、酸化ガスの出口付近でカソード側が水分過剰となる場合には、上記入り口付近ではカソード側の流路抵抗をアノード側よりも大きくし、上記出口付近ではカソード側の流路抵抗をアノード側よりも小さくすればよい。
【００３６】
あるいは、燃料電池スタック全体で同じ側の流路抵抗を大きくする必要はなく、冷媒流路内に配置する多孔質体におけるアノード側とカソード側の流路抵抗の設定を、燃料電池スタックの部位ごとに異ならせることとしても良い。スタックの部位によって、アノード側の方が水分過剰になる部位と、カソード側の方が水分過剰になる部位とがある場合には、それぞれの部位ごとに、アノード側とカソード側の流路抵抗を異ならせることにより、スタック全体として、水分バランスを適正化することが可能になる。例えば、スタックの一方の端部ではカソード側の流路抵抗をアノード側よりも大きくし、スタックの他方の端部に向かって徐々に、あるいは段階的に流路抵抗の差を縮め、他方の端部ではアノード側の流路抵抗をカソード側よりも大きくするという構成も可能である。
【００３７】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３８】
変形例１：
実施例のように、隣り合う発電部１０間に配置されて、一方の発電部１０におけるセル内酸化ガス流路と他方の発電部１０におけるセル内燃料ガス流路を隔てるガスセパレータを、２枚の板状部材（ガスセパレータ２５，２６）を組み合わせて形成する場合には、凹部８７，８８について種々の変形が可能である。例えば、ガスセパレータ２５，２６の内、一方のガスセパレータのみに凹部を設け、この凹部に、第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９を配置しても良い。２枚の板状部材によってガスセパレータを形成する場合には、この２枚の板状部材の少なくとも一方に、冷媒流路を形成するための凹部を形成して、ガスセパレータ全体の内部に冷媒流路を形成し、この冷媒流路に第１および第２の流路形成多孔質体を配置すれば、同様の効果が得られる。
【００３９】
変形例２：
実施例では、隣り合うガスセパレータ２５とガスセパレータ２６との間にセル間冷媒流路を設けており、隣り合う発電部１０間すべてに冷媒流路を形成しているが、異なる構成としても良い。例えば、発電部１０を所定の複数個積層するごとに、冷媒流路を形成しても良い。この場合には、発電部１０間であって冷媒流路を形成しない位置には、１枚の板状部材であって、一方の面にセル内酸化ガス流路を形成する溝６２が設けられ、他方の面にセル内燃料ガス流路を形成する溝６３が設けられたガスセパレータを配置すればよい。
【００４０】
変形例３：
実施例では、冷媒流路は、底面がガス拡散層と重なる略四角形状である凹部をガスセパレータ表面に設けることによって形成したが、異なる形状としても良い。例えば、ガスセパレータ表面に設けた溝によって冷媒流路を形成しても良い。このような構成の一例を、図４および図５に示す。図４は、図１と同様に、燃料電池の構成の一部を示す断面模式図であり、図５は、図２と同様に、燃料電池の構成の一部を示す分解斜視図である。ここで、図４では、図５に示す４−４断面における部材の中央部近傍の様子を表わしている。また、図４および図５では、実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。
【００４１】
図４および図５に示す燃料電池では、ガスセパレータ２５，２６のそれぞれにおいて、凹部８７，８８に代えて、溝１８７，１８８が形成されている（ただし、溝１８７は、ガスセパレータ２５の裏面に形成されるため、図２では図示せず）。これらの溝１８７，１８８は、各々のガスセパレータ表面において、冷媒供給マニホールドを形成する孔部８１と、冷媒排出マニホールドを形成する孔部１８２とを連通させるものであり、溝１８７と溝１８８とは、互いに重なり合う形状を有している。また、図４および図５に示す燃料電池は、第１流路形成多孔質体３８および第２流路形成多孔質体３９に代えて、第１流路形成多孔質体１３８および第２流路形成多孔質体１３９を備えている。これらの流路形成多孔質体１３８，１３９は、各々、溝１８７，１８８に対応する平面形状および厚みを有し、溝１８７，１８８に丁度嵌り込む。また、カソード側に配置される第１流路形成多孔質体１３８は、アノード側に配置される第２流路形成多孔質体１３９に比べて、冷媒を流したときの流路抵抗がより大きくなるように形成されている。このような構成の燃料電池であっても、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
変形例４：
実施例では、一方の面にセル内ガス流路を形成するための溝を有すると共に、他方の面に冷媒流路を形成するための凹部を有する２枚のガスセパレータ２５，２６を重ねることによって、セル間冷媒流路を形成したが、異なる構成としても良い。例えば、電極を形成した電解質膜との間でガス流路を形成するガスセパレータにおいて、冷媒流路を形成する面を平坦面とすることもできる。この場合には、隣り合う発電部において、一方の発電部が備えるアノード側のガスセパレータと、他方の発電部が備えるカソード側のガスセパレータとの間に、冷媒流路となる所定形状の貫通孔が形成された中間プレートを配置すればよい。このような構成の一例を、変形例として図６に示す。図６は、変形例の燃料電池の構成を表わす断面模式図である。
【００４３】
図６に示す変形例の燃料電池では、ＭＥＡ２０およびガス拡散層２３，２４を挟持するように、一対の多孔質体であるガス流路形成多孔質体２５０，２５１が設けられている。そして、変形例の燃料電池では、セル内ガス流路は、ガスセパレータ表面に形成された凹凸によって形成されるのではなく、上記ガス流路形成多孔質体２５０，２５１が備える細孔によって形成される。
【００４４】
図６の燃料電池は、実施例においてＭＥＡ２０との間でセル内酸化ガス流路を形成したガスセパレータ２５に対応して、ガス流路形成多孔質体２５０に隣接して設けられたカソード側セパレータプレート２２５を備えている。また、実施例においてＭＥＡ２０との間でセル内燃料ガス流路を形成したガスセパレータ２６に対応して、ガス流路形成多孔質体２５１に隣接して設けられたアノード側セパレータプレート２２６を備えている。さらに、上記カソード側セパレータプレート２２５とアノード側セパレータプレート２２６との間に配置されて、冷媒流路となる所定形状の貫通孔が形成された中間プレート２５３を備えている。そして、カソード側セパレータプレート２２５と、アノード側セパレータプレート２２６と、中間プレート２５３とが一体となって、ガスセパレータ２５５を形成している。このような燃料電池では、中間プレート２５３に形成された冷媒流路となる貫通孔内において、カソード側セパレータプレート２２５側に、第１流路形成多孔質体２３８が配置されると共に、アノード側セパレータプレート２２６側に、第２流路形成多孔質体２６９が配置されている。なお、各々のガスセパレータ１５５の間であって、ＭＥＡ２０、ガス拡散層２３，２４およびガス流路形成多孔質体２５０，２５１の外周部には、セル内ガス流路におけるシール性を確保するためのシール部２６０が、ＭＥＡ２０、ガス拡散層２３，２４、ガス流路形成多孔質体２５０，２５１と一体で設けられている。
【００４５】
ここでは、実施例の孔部８１〜８６と同様に流体のマニホールドとなる孔部が、ガスセパレータ２５５およびシール部２６０の対応する位置にそれぞれ設けられている。そして、ガスセパレータを構成する３枚のプレートの所定の位置に設けられた孔構造によって、各々のガスマニホールドと、ガス流路形成多孔質体２５０，２５１によって形成されるセル内ガス流路とが接続される。図６では、酸化ガス供給マニホールドから、セル内酸化ガス流路を経由して酸化ガス排出マニホールドへと酸化ガスが流れる様子が表わされている。また、図６の燃料電池では、図示しない冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとが、中間プレート２５３に形成される既述した貫通孔であって、第１流路形成多孔質体２３８および第２流路形成多孔質体２３９が配置された貫通孔によって連通されている。このような燃料電池においても、同様の効果を奏することができる。
【００４６】
このように、ガスセパレータが、いくつの部材が組み合わされているかに拘わらず、本願を適用することができる。ガスセパレータは、隣り合う一方の電解質膜上に形成されたアノードに対向する面上ではセル内酸化ガス流路を形成すると共に、隣り合う他方の電解質層上に形成されたカソードに対向する面上ではセル内燃料ガス流路を形成しており、内部に冷媒流路を形成していればよい。そして、ガスセパレータ内部に形成された冷媒流路において、アノード側とカソード側とで流路抵抗の異なる多孔質体が配置されていれば、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
変形例５：
また、セル内ガス流路におけるガスの流れ方向も、種々の変形が可能であり、実施例のように燃料ガスの流れと酸化ガスの流れとを直交させる他、例えば、燃料ガスと酸化ガスとを対向する向きに流しても良い（いわゆるカウンターフロー）。このようなカウンターフローの構成では、酸化ガスの出口付近（燃料ガスの入り口付近）において水蒸気量の多い酸化ガス側から水蒸気量の少ない燃料ガス側へと、電解質膜を介して水を移動させて燃料ガスを加湿することができる。このとき、冷媒流路においてカソード側の流路抵抗をアノード側よりも大きくしてアノード側の冷却効率を高めるならば、上記した酸化ガスを用いた燃料ガスの加湿の効果を、さらに高めることができる。
【００４８】
このように、燃料電池の構成を様々に変更した場合であっても、冷媒流路内に配置する多孔質体において、アノード側とカソード側とで流路抵抗を適宜異ならせることにより、酸化ガス流路側と燃料ガス流路側の水バランスを適正化する同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【図２】実施例の燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。
【図３】実施例の燃料電池の外観の概略を表わす斜視図である。
【図４】実施例の変形例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【図５】実施例の変形例の燃料電池の概略構成を表わす分解斜視図である。
【図６】実施例の変形例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…発電部
１２…積層単位
１５…スタック
２０…ＭＥＡ
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６…ガスセパレータ
２７…セル内酸化ガス流路
２８…セル内燃料ガス流路
３０，３１…集電板
３２，３３…出力端子
３４，３５…絶縁板
３６，３７…エンドプレート
３８，１３８…第１流路形成多孔質体
３９，１３９…第２流路形成多孔質体
４１〜４６…孔部
６２，６３…溝
８１〜８６…孔部
８７，８８…凹部
１８２…孔部
１８７，１８８…溝
２２５…カソード側セパレータプレート
２２６…アノード側セパレータプレート
２３８…第１流路形成多孔質体
２３９…第２流路形成多孔質体
２５０…ガス流路形成多孔質体
２５１…ガス流路形成多孔質体
２５３…中間プレート
２５５…ガスセパレータ
２６０…シール部
【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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