(57)【要約】【課題】燃料電池全体での出力を確保することができ、信頼性を高めることができる平面積層型燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜７を燃料極８と酸化剤極９とで挟んで形成した膜電極構造体３を備えた燃料電池セル２を平面状に並列させ、互いに隣り合う一つの燃料電池セル２の燃料極８を、他方の燃料電池セル２の酸化剤極９に接続させて直列接続を得る平面積層型燃料電池１である。各燃料電池セル２の前記膜電極構造体３の電流密度分布Ｄ１〜Ｄ４に対応させて、前記膜電極構造体３の面積Ｓ１〜Ｓ４を設定した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を備えた燃料電池セルを平面状に並列させ、
互いに隣り合う燃料電池セルのうち、一方の燃料電池セルの燃料極を、他方の燃料電池セルの酸化剤極に接続させて直列接続を得る平面積層型燃料電池において、
各燃料電池セルの前記膜電極構造体の電流密度分布に対応させて、各燃料電池セルの前記膜電極構造体の面積を設定したことを特徴とする平面積層型燃料電池。
【請求項２】
前記互いに隣り合う燃料電池セルの前記膜電極構造体は、前記電流密度分布に対して並行方向に接続されることを特徴とする請求項１に記載の平面積層型燃料電池。
【請求項３】
前記互いに隣り合う燃料電池セルの前記膜電極構造体は、前記電流密度分布に対して直交方向に接続されることを特徴とする請求項１に記載の平面積層型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を備えた燃料電池セルを平面状に並列させた平面積層型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池として、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟んで形成した膜電極構造体を、一対のセパレータで挟持して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた構造のものが一般的に知られている。ただし、この構造の燃料電池では、出力を高めるために燃料電池セルの積層数を増やすと、その分燃料電池の積層寸法が増大するため、車高に制限のある車両に搭載する場合等には適さない。また、この構造の燃料電池では、一つの燃料電池セルで発電不良が発生すると、積層された燃料電池全体に影響が及び、発電出力が大幅に低下してしまう。このような不具合を解消するものとして、膜電極構造体を備えた燃料電池セルを平面状に並列させる平面積層型燃料電池が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に、電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対峙させた複数個の燃料電池セルを、同じ面に並ぶように平面に並べ、互いに隣接する一方の燃料電池セルの燃料極の背面と他方の燃料電池セルの酸化剤極の背面とを導電性のＺ字状接続板で電気的に接続する平面積層型燃料電池が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、平面積層型燃料電池を構成する各燃料電池セルは略同一形状に形成されているため、各燃料電池セルの膜電極構造体は、それぞれの面積が略等しくなるように形成されている。しかし、各膜電極構造体における電流密度は反応ガスの流れ方や温度分布に依存するため、同一面積に形成された各膜電極構造体での発生電流にばらつきが生じる場合がある。直列に接続された各燃料電池セルでは、各膜電極構造体を流れる電流が最も発電電流の低い膜電極構造体の電流に抑えられてしまうため、その分燃料電池全体での出力が低下してしまい信頼性の点で問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池全体での出力を確保することができ、信頼性を高めることができる平面積層型燃料電池を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜７）を燃料極（例えば、実施の形態におけるアノード電極８）と酸化剤極（例えば、実施の形態におけるカソード電極９）とで挟んで形成した膜電極構造体（例えば、実施の形態における膜電極構造体３）を備えた燃料電池セル（例えば、実施の形態における燃料電池セル２）を平面状に並列させ、互いに隣り合う燃料電池セルのうち、一方の燃料電池セルの燃料極（例えば、実施の形態におけるアノード電極８Ａ）を、他方の燃料電池セルの酸化剤極（例えば、実施の形態におけるカソード電極９Ｂ）に接続させて直列接続を得る平面積層型燃料電池において、各燃料電池セルの前記膜電極構造体の電流密度分布（例えば、実施の形態における電流密度分布Ｄ１〜Ｄ４）に対応させて、各燃料電池セルの前記膜電極構造体の面積（例えば、実施の形態における面積Ｓ１〜Ｓ４）を設定したことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、各膜電極構造体の面積を、前記電流密度分布に対応させて設定するので、各膜電極構造体毎の発電電流が略均等になるように設定することができる。これにより、直列に接続された各燃料電池セルの発生電流のばらつきを低減できるとともに、各膜電極構造体に流れる電流を発電電流と同等にすることができるため、燃料電池全体の出力を確保することができ、信頼性を高めることができる。
【０００９】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記互いに隣り合う燃料電池セルの前記膜電極構造体は、前記電流密度分布に対して並行方向に接続されることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記電流密度分布（換言すれば電流密度分布の変化する方向）に対し並行方向に接続したセルにより電圧はセル数分増加するようになる。そこで前記電流密度分布に合わせて各膜電極構造体の面積を変更することで、各膜電極構造体での発電電流を均等化させることができる。すなわち、電流密度が低くなる領域に配置される膜電極構造体の面積を大きく設定して、電流密度が高くなる領域に配置される膜電極構造体の面積を小さく設定することで、各膜電極構造体の発電電流を均等化させることができる。
【００１１】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記互いに隣り合う燃料電池セルの前記膜電極構造体は、前記電流密度分布に対して直交方向に接続されることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記電流密度分布（換言すれば電流密度分布の変化する方向）に対し直交方向に接続したセルにより電圧はセル数分増加するようになる。そこで前記電流密度毎の面積が等しくなるように各膜電極構造体を区画することで、前記電流密度の変化による発生電流の変動を各膜電極構造体で均等化させることができる。すなわち、前記電流密度が変化して発生電流に変動が生じても、前記電流密度毎の面積が等しくなるように区画すると、その変動は各膜電極構造体に均等に及ぶので、各膜電極構造体毎の電流のばらつきの発生は抑制できる。よって、各膜電極構造体の面積を略同一に維持しつつ、発電電流を均等化させることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る平面積層型燃料電池の平面図である。図２は図１の平面積層型燃料電池の断面図である。これらに示したように、平面積層型燃料電池１は、平面視略長方形に形成された燃料電池セル２を平面状に並列させて構成されている。
【００１４】
各燃料電池セル２（２Ａ〜２Ｆ）は、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜という。）７をアノード電極８およびカソード電極９とで挟んで形成されている。電解質膜７は、例えば、ペルフルオロスルホン酸ポリマーで構成されている。アノード電極８およびカソード電極９は、多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、Ｐｔを主体とする合金からなる触媒層とを備え、触媒層の表面を電解質膜７に接触させている。
【００１５】
また、図２に示したように、燃料電池セル２Ａ、２Ｆの外側端面には、外部回路１６に接続されたターミナル１４Ａ、１４Ｂが設けられるとともに、互いに隣り合う燃料電池セル２、２間には、導電接合部１３が介装されている。また、各燃料電池セル２の電解質膜７は、左側端部を上方向に突出させるとともに、右側端部を下方向に突出させた断面略Ｚ字状に形成されている。そして、各燃料電池セル２の各電極８、９は前記突出した電解質膜７により互いにオフセットして設けられている。このように、互いに隣り合う燃料電池セル（例えば２Ａ、２Ｂ）のうち、一方の燃料電池セル２Ａのアノード電極８Ａを、他方の燃料電池セル２Ｂのカソード電極９Ｂに導電接合部１３を介して接続されるので、直列接続を得ることができる。従って、各燃料電池セル２を厚さ方向に積層した場合と同様の、高い出力電圧を得ることができる。
なお、各燃料電池セル２の同一の電極８、９同士は、前記突出した電解質膜７により絶縁されている。
【００１６】
各燃料電池セル２のアノード電極８側に水素ガスを、カソード電極９側に酸化剤ガスを供給させることで、燃料電池セル２に発電させる。すなわち、アノード電極８の電極反応面に燃料ガスを供給すると、ここで水素がイオン化され、電解質膜７を介してカソード電極９に移動する。この間に生じた電子はターミナル１４Ａ，１４Ｂを介して外部回路１６に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【００１７】
本実施の形態における各燃料電池セル２の膜電極構造体３は、その面積を、各燃料電池セル２の前記膜電極構造体３の電流密度分布に対応させて、設定している。これについて図３〜図５を用いて説明する。
図３は各燃料電池セルの膜電極構造体の電流密度分布を示す説明図である。この図は、供給口１７から排出口１８に向かって反応ガスが膜電極構造体３上を流通した時の、膜電極構造体３の電流密度分布Ｄ１〜Ｄ４を示している。この場合には、領域Ｄ３が最も電流密度が高く、次いで、領域Ｄ４、Ｄ２、そして、領域Ｄ１が最も電流密度が低くなっている。このときに、各領域Ｄ１〜Ｄ４毎に同一の面積で膜電極構造体３を区画すると、各膜電極構造体３での発電電流がばらついてしまい、燃料電池全体を流れる電流が、最も低い領域Ｄ１の発電電流に抑えられてしまうことになる。
【００１８】
そこで、本実施の形態においては、各膜電極構造体の面積を、前記電流密度分布Ｄ１〜Ｄ４に対応させて設定する。図４は、互いに隣り合う膜電極構造体３ａ１〜３ａ４を電流密度分布Ｄ１〜Ｄ４の変化する方向に対して並行方向に接続した場合の説明図である。この場合、前記電流密度分布（換言すれば電流密度分布の変化する方向）に対し並行方向に接続したセル２により電圧はセル数分増加するようになる。同図に示したように、電流密度が低くなる領域Ｄ１、Ｄ４に配置される膜電極構造体３ａ１、３ａ４の面積Ｓ１、Ｓ４を大きく設定して、電流密度が高くなる領域Ｄ２、Ｄ３に配置される膜電極構造体３ａ２、３ａ３の面積を小さく設定することで、各膜電極構造体３ａ１〜３ａ４の発電電流を均等化させることができる。
これにより、直列に接続された各燃料電池セル２の発生電流のばらつきを低減できるとともに、各膜電極構造体３に流れる電流を発電電流と同等にすることができるため、燃料電池全体の出力を確保することができ、信頼性を高めることができる。
【００１９】
また、図５は、互いに隣り合う膜電極構造体３ｂ１〜３ｂ４を電流密度分布Ｄ１〜Ｄ４の変化する方向に対して直交方向に接続した場合の説明図である。この場合、前記電流密度分布（換言すれば電流密度分布の変化する方向）に対し直交方向に接続したセル２により電圧はセル数分増加するようになる。この場合には、各膜電極構造体３ｂ１〜３ｂ４を、前記電流密度Ｄ１〜Ｄ４毎の面積が等しくなるように区画することで、各膜電極構造体ｂ１〜３ｂ４における、電流密度Ｄ１〜Ｄ４の変化による発生電流の変動が均等になるので、各膜電極構造体３ｂ１〜３ｂ４毎の電流のばらつきの発生は抑制できる。従って、この場合にも、燃料電池全体の出力を確保することができ、信頼性を高めることができる。
【００２０】
また、図６は反応ガスの流れが不均一な場合における、各燃料電池セルの膜電極構造体の電流密度分布を示す説明図である。この図は、反応ガス供給口１９と排出口２０とが対角線状に配置され、膜電極構造体３上の反応ガスの流れが不均一になる時の、膜電極構造体３の電流密度分布Ｄ１０〜Ｄ１４を示している。この場合には、領域Ｄ１２が最も電流密度が高く、次いで、領域Ｄ１３、Ｄ１１、Ｄ１４そして、領域Ｄ１０が最も電流密度が低くなっている。
このように、反応ガスの流れが不均一な場合であっても、図７に示すように、前記電流密度分布Ｄ１０〜Ｄ１４に合わせて各膜電極構造体３ｃ１〜３ｃ５の面積Ｓ１０〜Ｓ１４を変更することで、各膜電極構造体３ｃ１〜３ｃ５での発電電流を均等化することができる。
また、図８に示したように、各膜電極構造体３ｄ１〜３ｄ６を、前記電流密度Ｄ１０〜Ｄ１４毎の面積Ｓ１０〜Ｓ１４が等しくなるように区画することで、前記電流密度Ｄ１０〜Ｄ１４の変化による発生電流の変動を各膜電極構造体３ｄ１〜３ｄ６で均等化させることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、直列に接続された各燃料電池セルの発生電流のばらつきを低減できるとともに、各膜電極構造体に流れる電流を発電電流と同等にすることができるため、燃料電池全体の出力を確保することができ、信頼性を高めることができる。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記電流密度分布に合わせて各膜電極構造体の面積を変更することで、各膜電極構造体での発電電流を均等化させることができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、各膜電極構造体を、前記電流密度毎の面積が等しくなるように区画することで、前記電流密度の変化による発生電流の変動を各膜電極構造体で均等化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る平面積層型燃料電池の平面図である。
【図２】図１の平面積層型燃料電池の断面図である。
【図３】各燃料電池セルの膜電極構造体の電流密度分布を示す説明図である。
【図４】互いに隣り合う膜電極構造体を図３の電流密度分布に対して並行方向に接続した場合の説明図である。
【図５】互いに隣り合う膜電極構造体を図３の電流密度分布に対して直交方向に接続した場合の説明図である。
【図６】反応ガスの流れが不均一な場合における、各燃料電池セルの膜電極構造体の電流密度分布を示す説明図である。
【図７】互いに隣り合う膜電極構造体を図６の電流密度分布に対して並行方向に接続した場合の説明図である。
【図８】互いに隣り合う膜電極構造体を図６の電流密度分布に対して直交方向に接続した場合の説明図である。
【符号の説明】
１  平面積層型燃料電池
２  燃料電池セル
３  膜電極構造体
７  固体高分子電解質膜
８  アノード電極
９  カソード電極
【図１】
2004303651.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004303651.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004303651.tif 000008
【図７】
2004303651.tif 000009
【図８】
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