(57)【要約】【課題】燃料電池を低加湿運転するときにおいても電解質膜が十分に加湿されるようにするとともに、電極で生成した水が電極とガス拡散層に滞留することによるフラディングを防止する。【解決手段】カソード側バイポーラプレート４に形成されたガス流路を、酸化剤ガスの供給口４１に連通する上流側ガス流路４２と、上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、上流側ガス流路に連通する第１の下流側ガス流路４３と、上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、酸化剤ガスの排出口４５に連通するが第１の下流側ガス流路には連通しない第２の下流側ガス流路４４とで構成する。これにより、低加湿運転時、上流側の排水性を抑えて上流側の電解質膜が乾燥し易いという問題点を解消するとともに、下流側の排水性を高めてフラディングを防止することができる。【選択図】      図２
2004158369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側を触媒層、ガス拡散層で挟んで構成される電解質膜電極接合体と、前記電解質膜電極接合体を挟んで設けられるカソード側バイポーラプレート及びアノード側バイポーラプレートと、を備え、前記カソード側バイポーラプレートに形成されたガス流路に酸化剤ガス、前記アノード側バイポーラプレートに形成されたガス流路に燃料ガスを流通させることによって発電を行う燃料電池において、
前記カソード側バイポーラプレートに形成されたガス流路が、
酸化剤ガスの供給口に連通する上流側ガス流路と、
前記上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、前記上流側ガス流路に連通する第１の下流側ガス流路と、
前記上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、酸化剤ガスの排出口に連通し、かつ前記第１の下流側ガス流路に連通しない第２の下流側ガス流路と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１及び第２の下流側ガス流路は櫛歯状に分岐して、複数の袋小路状の枝流路を有し、
前記第１及び第２の下流側ガス流路は、一方の下流側ガス流路の枝流路と枝流路との間に他方の下流側ガス流路の枝流路が入り込むように配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード側バイポーラプレートに形成されたガス流路が、燃料ガスの供給口に連通する上流側ガス流路と、燃料ガスの排出口に連通する下流側ガス流路とを有し、
前記アノード側の上流側ガス流路の前記電解質膜電極接合体を挟んだ反対側に前記カソード側の第１及び第２の下流側ガス流路が配置される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード側の下流側ガス流路の前記電解質膜電極接合体を挟んだ反対側に前記カソード側の上流側ガス流路が配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソード側バイポーラプレートに重ねて配置される冷却水プレートをさらに備え、
前記冷却水プレートは、冷却水の供給口と冷却水の排出口を連通する冷却水流路を有し、前記冷却水流路の上流側流路が前記カソード側の上流側ガス流路に重なるように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード側の上流側ガス流路と前記ガス拡散層との接触する面積のカソード側ガス拡散層の全面積に対する割合が１／４から１／２の範囲に設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード側の上流側ガス流路と接触している前記ガス拡散層の撥水性を前記カソード側の第１及び第２の下流側ガス流路と接触している前記ガス拡散層の撥水性よりも低く設定したことを特徴とする請求項１から６のいずれかひとつに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記カソード側の上流側ガス流路と接触している前記ガス拡散層の空孔率ないし空孔サイズを前記カソード側の第１及び第２の下流側ガス流路と接触している前記ガス拡散層の空孔率ないし空孔サイズよりも低く設定したことを特徴とする請求項１から７のいずれかひとつに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池の供給ガス流路、冷却水流路の流路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、電解質膜の加湿状態が低くなるとイオン伝導度が下がって抵抗過電圧が増えるため、電解質膜を十分に加湿することが必要である。その反面、電極表面、あるいは、ガス拡散層に水が多くなると、電極への反応ガスの拡散を妨害し、拡散過電圧が増えてしまう。
【０００３】
また、カソード側流路は下流の排出口に近づくほど相対湿度が高くなり、電極で生成した水の蒸発速度が遅くなって、水が電極とガス拡散層に滞留して、フラディングという現象が発生し易い。フラディングの発生を防ぐため、流速を高く設定して、水を強制的に排出する流路設計が多いが、ガス流速が速くなると圧損が高くなって送風機への要求が増え、燃料電池システム全体として見ると性能の低下を及ぼす。
【０００４】
この問題に対する解決策の一つとして、特許文献１に開示されているように、ガス供給口に連通する流路とガス排出口に連通する流路とを分離し、ガス供給用流路の全てのガスが電極層や触媒層をくぐり抜けてガス排出用ガス流路へ排出される構成を採用することが考えられる。この構成によれば、触媒層近傍の水滴や窒素などの不要ガスが強制的に排出されるので、高圧・高速のガスを送風する必要がなくなる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１６５９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、上記構成では、排水性が優れている反面、供給ガスの露点がセル温度よりはるかに低い低加湿で燃料電池を運転するときに、ガスが電解質膜から水を奪って電解質膜が乾燥し、電気抵抗が増えるという問題が発生する。特に、カソード流路の入り口付近においてその問題が著しい。
【０００７】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、燃料電池を低加湿運転するときにおいても電解質膜が十分に加湿されるようにするとともに、電極で生成した水が電極とガス拡散層に滞留することによるフラディングを防止することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
カソード側バイポーラプレートに形成されたガス流路を、酸化剤ガスの供給口に連通する上流側ガス流路と、上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、上流側ガス流路に連通する第１の下流側ガス流路と、上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、酸化剤ガスの排出口に連通するが第１の下流側ガス流路には連通しない第２の下流側ガス流路とで構成する。
【０００９】
【作用及び効果】
本発明によれば、ガス流路が連続している上流側においてはガスが抵抗なく下流に流れるが、ガス流路が連続していない下流側においてはガスがプレートを強制的に通過させられ電極層や触媒層をも通過するようになるので、上流側ガス流路の排水性（電解質膜からガス中への水の移動のし易さ）が抑えられるとともに下流側ガス流路の排水性が高められる。これにより、低加湿運転時において、上流側の乾燥し易いという問題点を解消するとともに、下流側におけるフラディングを防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池の構成を示しており、燃料電池１は、冷却水プレート２と、カソード側バイポーラプレート４、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）６、アノード側バイポーラプレート８からなる単位セル１０とを積層することによって構成される。
【００１２】
電解質膜電極接合体６は、固体高分子膜（電解質膜）の両側に触媒層、さらにその外側を覆うガス拡散層７を備え、カソード側バイポーラプレート４、アノード側バイポーラプレート８がこの電解質膜電極接合体６を両側から挟む構成となっている。カソード側バイポーラプレート４、アノード側バイポーラプレート８にはそれぞれガスを流通させるための流路が形成されていて、カソード側のガス流路に酸化剤ガス（例えば、酸素）を供給し、アノード側のガス流路に燃料ガス（例えば、水素）を供給すると、ガスがガス拡散層に流れ込み、触媒層において所定の電気化学反応が起こって、電気エネルギーを外部に取り出すことができる。
【００１３】
図２ないし図５を参照しながら、カソード側バイポーラプレート４、アノード側バイポーラプレート８に形成されるガス流路、冷却水プレート２に形成される冷却水流路の構成について説明する。
【００１４】
図２はカソード側バイポーラプレート４を電解質膜電極接合体６側からみた図である。図中左上にガス供給口４１、右下にガス排出口４５が開口し、ガス供給口４１から導入される酸化剤ガスはプレート４に形成されたガス流路を通って図中下方向に流れ、ガス排出口４５から排出される。図中プレート４内に示された矢印は酸化剤ガスの流れる方向を示している。
【００１５】
プレート４に形成されるガス流路は、ガス供給口４１が連通する上流側ガス流路４２と、上流側ガス流路４２の下流に設けられ、上流側ガス流路４２の最下流部に連通する第１の下流側ガス流路４３と、上流側ガス流路４２の下流に設けられ、第１の下流側ガス流路４３とは連通せずにガス排出口４５に連通する第２の下流側ガス流路４４とで構成される。以下の説明では、便宜上、上流側ガス流路４２と第１の下流側ガス流路４３との接続位置を中間接続点４７という。
【００１６】
上流側ガス流路４２は、ガス供給口４１と中間接続点４７との間を蛇行しながら連通する一連の流路であり、ガス供給口４１から供給された酸化剤ガスがプレート４を左右に大きく往復しながら下流に向けて流れるように構成される。なお、上流側ガス流路４２は複数本であってもよく、燃料電池１の運転条件に応じて最適な本数が設定される。
【００１７】
また、中間接続点４７から下流側に延びる第１の下流側ガス流路４３は櫛歯状に分岐しており、第２の下流側ガス流路４４、ガス排出口４５には連通しない袋小路状の複数の枝流路４８を有している。ガス排出口４５から上流側に延びる第２の下流側ガス流路４４も同様に櫛歯状に分岐し、第１の下流側ガス流路４３、中間接続点４７には連通しない複数の袋小路状の枝流路４９を有している。第１の下流側ガス流路４３と第２の下流側ガス流路４４は、それぞれの枝流路４８、４９が上流から順に交互に配置されるように、一方の下流側ガス流路の枝流路と枝流路の間に他方の下流側ガス流路の枝流路が入り込むように構成される。両下流側ガス流路４３、４４は直接には連通していないので、第１の下流側ガス流路４３に流れ込んだガスは電極層や触媒層をくぐり抜けてから第２の下流側ガス流路４４あるいは反対側のアノード側のガス流路に流れ込むことになる。
【００１８】
すなわち、全流路域のうち、比較的上流側の流路域において、ガス供給口４１と中間接続点４７との間に設けられているような連通する一連の流路を形成し、上流側流路域に比較して下流側の流路域にて、連通しない複数の袋小路状の枝流路を形成している。
【００１９】
このような流路構成により、カソード側の上流側においては抵抗なくガスが流れるので電解質膜からの排水性を抑えることができ、ガスの露点がセル温度よりはるかに低い低加湿運転時において上流側において電解質膜が乾燥しやすいという問題を解消することができる。また、下流側においては、ガスが強制的にプレートを通過させられ電極層や触媒層を通過してからガス排出口４５に至るので、触媒層近傍の水滴や窒素などの不要なガスが強制的に排出され、優れた排水性と触媒へのガス分配性によってセルの性能と効率を高めることができる。
【００２０】
櫛歯状でない上流側ガス流路４２を覆ったガス拡散層面積のカソード側のガス拡散層の全面積に対する割合（≒上流側ガス流路４２がプレート４における全ガス流路４２、４３、４４に占める割合）は燃料電池の設計加湿状況に応じて設定される。低加湿で運転が行われるほど上流側の櫛歯状でないガス流路の割合を多くし上流側での排水性を抑える必要があるので、運転時の加湿が低いほど中間接続点４７の位置がより上流側に設定される。
【００２１】
上流側ガス流路４２を覆ったガス拡散層面積のカソード側ガス拡散層の全面積に対する割合は、その割合が１／４以下の場合、上流側の水蒸発を抑える効果はあまり得られず、一方、その割合が１／２を超えると、櫛歯状ガス流路の優れたガス分配性を十分に発揮できないことから、上流側ガス流路４２を覆ったガス拡散層面積のカソード側ガス拡散層の全面積に対する割合は１／４から１／２の範囲で設定するのが好適である。
【００２２】
さらに、この実施形態では、上流側の保水性をさらに高め、上流側の電解質膜の乾燥を防ぐために、上流側ガス流路４２と接しているガス拡散層の撥水性を下流側ガス流路４３、４４と接しているガス拡散層の撥水性よりも低く設定し、上流側における水の蒸発をさらに抑えるために、上流側ガス流路４２と接しているガス拡散層の空孔率あるいは空孔サイズ（例えば、空孔の径）を下流側ガス流路４３、４４と接しているガス拡散層のものより低く設定する。
【００２３】
なお、この実施形態では上流側ガス流路４２が上記したように蛇行した流路であるが、上流側ガス流路４２を図３に示すように途中から櫛歯状に分岐させて、同方向に酸化剤ガスを流す枝流路を複数平行に形成し、分岐した枝流路を再びまとめて中間接続点４７に連通させるようにしてもよい。このような流路パターン（平行流路パターン）によれば、上記した効果が得られるだけでなく、流路断面積が同じであれば流路本数が一番多く取れるので、各流路内の流速を高め、圧損を低くできるほか、電解質膜からの水の蒸発量を抑えることができるという利点がある。
【００２４】
図４はアノード側バイポーラプレート８を電解質膜電極接合体６側からみた図である。図中右下にガス供給口８１、左上にガス排出口８５が開口し、ガス供給口８１から導入される燃料ガスは、プレート８に形成されたガス流路を通って図中上方向に流れ、ガス排出口８５から排出される。図中プレート８内の矢印は燃料ガスの流れる方向を示している。ガスの流れはカソード側バイポーラプレート４と逆になっており、このため、カソード側の上流側が電解質膜電極接合体６を挟んでアノード側の下流側と対向し、カソード側の下流側が電解質膜電極接合体６を挟んでアノード側の上流側と対向する。
【００２５】
アノード側バイポーラプレート８に形成されるガス流路は、ガス供給口８１に連通する第１の上流側ガス流路８２と、第１の上流側ガス流路８２、ガス供給口８１に連通しない第２の上流側ガス流路８３と、第２の上流側ガス流路８３の最下流部とガス排出口８５とを連通する下流側ガス流路８４とで構成される。以下の説明では、便宜上、第２の上流側ガス流路８２が下流側ガス流路８４と接続する位置を中間接続点８７という。
【００２６】
第１の上流側ガス流路８２は途中から櫛歯状に分岐し、第２の上流側ガス流路８３も同様に櫛歯状に分岐している。上流側ガス流路８２、８３はそれぞれプレートの左右方向に延びる複数の枝流路８８、８９を有しており、一方の上流側ガス流路の枝流路と枝流路の間に他方の上流側ガス流路の枝流路が入り込むように配置される。また、下流側ガス流路８４は櫛歯状に分岐し、同じ方向に燃料ガスを左右方向に流す平行な流路を複数有し、分岐した枝流路を再びまとめてガス排出口８５に連通させる平行流路パターンとなっている。
【００２７】
上記流路構成により、アノード側の上流側ガス流路８２、８３がカソード側の下流側ガス流路４３、４４と電解質膜電極接合体６を隔てて略重なり、アノード側の下流側ガス流路８４がカソード側の上流側ガス流路４２と電解質膜電極接合体６を隔てて略重なって配置されることになる。このような配置により、カソード側の下流側ガス流路４３、４４からアノード側の上流側ガス流路８２への水の拡散を促進することができ、カソード側下流で生成した水をアノード側上流のガスの加湿に利用することができる。同時に、アノード側の上流側ガス流路８４からカソード側の上流側ガス流路４２への水の拡散を促進することができ、燃料ガス（カソードガス）に含まれている水をカソード側上流のガスの加湿に利用することができる。この結果、加湿に要する水の量をさらに減らし、電解質膜における含水量の分布を均一にすることができる。
【００２８】
図５は、冷却水プレート２をカソード側バイポーラプレート４側からみた図である。図中右上が水供給口２１、左下が水排出口２５となっており、水供給口２１から導入された冷却水がプレート２の冷却水流路２２を通り、カソード側バイポーラプレート４における酸化剤ガスの流れと同じく図中下方向に流れ、水排出口２５に至るようになっている。図中プレート２内に示された矢印は冷却水の流れる方向を示している。水供給口２１と水排出口２５を連通する冷却水流路２２は、上流側領域がカソード側の上流側ガス流路４２と接し、下流側領域がカソード側の下流側ガス流路４３、４４と接するようになっている。
【００２９】
このような流路構成、カソード側ガス流路との位置関係によれば、冷却水流路２２を流れる冷却水の温度は上流側の方が低く、下流に行くほど高くなることから、カソード側の上流側を流れるガスを優先的に冷却することが可能となる。電解質膜の表面温度が均一の場合、上流側ほど電解質膜からガス中へ移る水の蒸発量は多くなり、電解質膜からガス中に蒸発した水の大半は上流側に集中するのであるが、カソード側の上流側ガス流路を優先的に冷却するようにすれば、カソード側の上流側に配置される電解質膜の乾燥をさらに抑えることができる。
【００３０】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池では、カソード側バイポーラプレートに形成されたガス流路を、酸化剤ガスの供給口に連通する上流側ガス流路と、上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、上流側ガス流路に連通する第１の下流側ガス流路と、上流側ガス流路よりも下流側に設けられ、酸化剤ガスの排出口に連通するが第１の下流側ガス流路には連通しない第２の下流側ガス流路とで構成したので、カソード側の上流側における排水性を抑えることができ、低加湿運転時においてカソード側の上流側において電解質膜が乾燥しやすいという問題を解消することができる。また、カソード側の下流側においては、ガスが強制的にプレートを通過させられ、電極層や触媒層を通過してからカソード側あるいはアノード側ガス排出口に至るので、触媒層近傍の水滴や窒素などの不要なガスが強制的に排出され、優れた排水性と触媒へのガス分配性によってセルの性能と効率を高めることができる。
【００３１】
かかる作用効果は、第１及び第２の下流側ガス流路を櫛歯状に分岐させて複数の袋小路状の枝流路を有するようにし、第１及び第２の下流側ガス流路の一方の枝流路と枝流路との間に他方の枝流路が入り込むように配置することによってさらに高められる。
【００３２】
また、アノード側の上流側ガス流路の電解質膜電極接合体を挟んだ反対側にカソード側の第１及び第２の下流側ガス流路を配置したことにより、カソード側の下流側ガス流路からアノード側の上流側ガス流路への水の拡散を促進することができ、カソード側下流で生成した水をアノード側上流のガスの加湿に利用できる。また、アノード側の下流側ガス流路の電解質膜電極接合体を挟んだ反対側にカソード側の上流側ガス流路を配置したことにより、アノード側の上流側ガス流路からカソード側の上流側ガス流路への水の拡散を促進することができ、アノードガスに含まれている水をカソード側上流のガスの加湿に利用することができる。
【００３３】
さらに、カソード側バイポーラプレートに重ねて配置される冷却水プレートの冷却水流路を、上流側流路がカソード側の上流側ガス流路に重なるように配置したことにより、カソード側の上流側ガス流路を優先的に冷却することができ、カソード側の上流側に配置される電解質膜の乾燥をさらに抑えることができる。
【００３４】
また、カソード側の上流側ガス流路とガス拡散層との接触する面積のカソード側ガス拡散層の全面積に対する割合を１／４から１／２の範囲に設定したので、上流側における電解質膜からの水の蒸発を十分に抑えるとともに、下流側ガス流路の優れたガス分配性を十分に発揮できる。
【００３５】
また、カソード側の上流側ガス流路と接触しているガス拡散層の撥水性をカソード側の第１及び第２の下流側ガス流路と接触しているガス拡散層の撥水性よりも低く設定したことにより、上流側の保水性がさらに高められ、上流側の電解質膜の乾燥を防ぐことができる。さらに、カソード側の上流側ガス流路と接触しているガス拡散層の空孔率ないし空孔サイズをカソード側の第１及び第２の下流側ガス流路と接触しているガス拡散層の空孔率ないし空孔サイズよりも低く設定したことにより、上流側にける電解質膜からの水の蒸発をさらに抑えることができる。
【００３６】
なお、上記実施形態は本発明を説明するために本発明を適用した燃料電池の一例を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の構成に限定する趣旨ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の概略構成を示した図である。
【図２】カソード側バイポーラプレートのガス流路の配置を示した図である。
【図３】カソード側バイポーラプレートのガス流路の配置の別の例を示した図である。
【図４】アノード側バイポーラプレートのガス流路の配置を示した図である。
【図５】冷却水プレートの冷却水流路の配置を示した図である。
【符号の説明】
２  冷却水プレート
４  カソード側バイポーラプレート
６  電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）
７  ガス拡散層
８  アノード側バイポーラプレート
２２  冷却水流路
４２  上流側ガス流路
４３  第１の下流側ガス流路
４４  第２の下流側ガス流路
４８、４９  枝流路
８２  第１の上流側ガス流路
８３  第２の上流側ガス流路
８４  下流側ガス流路
【図１】
2004158369.tif 000003
【図２】
2004158369.tif 000004
【図３】
2004158369.tif 000005
【図４】
2004158369.tif 000006
【図５】
2004158369.tif 000007