(57)【要約】【課題】簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上させることを可能にする。【解決手段】セルアセンブリ１０は、第１および第２単位セル１４、１６を重ね合わせて構成されるとともに、前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備える。セルアセンブリ１０内には、第１および第２単位セル１４、１６に沿って酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が直列的に設けられる。セルアセンブリ１０の間には、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路４８、５４が設けられる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて一体的に構成される固体高分子型セルアセンブリであって、
前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、少なくとも一部分を各単位セルにわたって直列的に連通するとともに、
前記セルアセンブリ内または該セルアセンブリの間には、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路が設けられることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
【請求項２】
請求項１記載の固体高分子型セルアセンブリにおいて、前記セルアセンブリ内または該セルアセンブリの間に壁板が介装されるとともに、
前記壁板の両面には、前記冷却媒体を互いに平行して供給する冷却媒体流路が形成されることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて一体的に構成される固体高分子型セルアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とするアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体（接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えている。通常、この単位セルが所定数だけ積層されて燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用する際には、比較的大きな出力が要求されている。このため、単位セルの反応面（発電面）の寸法を大きく設定する構造や、多数個の前記単位セルを積層する構造等が採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単位セル自体の寸法を大きく設定すると、燃料電池スタック全体が大型化してしまい、車載用に適さないという問題が指摘されている。従って、通常、比較的コンパクトな単位セルを多数個積層した燃料電池スタックが使用されているが、積層個数が増加するのに伴って積層方向に温度分布が発生し易くなるとともに、電気化学反応により発生した生成水の排水性等が低下して所望の発電性能を得ることができないという不具合がある。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上させることができるとともに、小型化に適する固体高分子型セルアセンブリを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る固体高分子型セルアセンブリでは、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせてセルアセンブリが一体的に構成されている。そして、セルアセンブリ内では、複数個の単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、少なくとも一部分を各単位セルにわたって直列的に連通している。ここで、少なくとも一部分とは、複数の反応ガス流路の中の少なくとも一部分である場合と、反応ガス流路自体の少なくとも一部分である場合とをいう。
【０００８】
このため、セルアセンブリには、下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが、上流側の単位セルに供給されており、前記セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流量が増加する。これにより、各単位セルの湿度を均一化することができ、複数個の単位セルの電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。しかも、セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流速を増加させるだけで、各単位セルの生成水を有効に排出することができ、前記セルアセンブリ全体の排水性が向上する。
【０００９】
その上、複数個の単位セルを繋ぐ長尺な反応ガス流路が設けられるため、圧力損失が増加して各単位セルでの反応ガスの分配性と生成水の排水性とが有効に向上する。さらに、セルアセンブリが複数個の単位セルから一体的に構成されており、このセルアセンブリは、組み立て時の１つの単位となっている。このため、セルアセンブリとして取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる構成に比べて、燃料電池スタックを組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。
【００１０】
さらにまた、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間には、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路が設けられている。従って、冷却媒体が一定方向に円滑に流動して冷却効率が向上するとともに、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間に、部分的に温度が高くなる部位が発生することを阻止することができる。これにより、単位セルの発電性能が低下することがなく、セルアセンブリ全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になる。
【００１１】
本発明の請求項２に係る固体高分子型セルアセンブリでは、セルアセンブリ内または該セルアセンブリの間に壁板が介装されるとともに、前記壁板の両面には、冷却媒体を互いに平行して供給する冷却媒体流路が形成されている。このため、壁板を挟んで配置される各単位セルを良好に冷却することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１０の要部分解斜視図であり、図２は、複数の前記セルアセンブリ１０が重ね合わされて（積層されて）構成される燃料電池スタック１２の概略斜視図である。
【００１３】
図１に示すように、セルアセンブリ１０は、第１単位セル１４と第２単位セル１６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および第２接合体（電解質膜・電極構造体）１８、２０を備える。
【００１４】
第１および第２接合体１８、２０は、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００１５】
図１および図３に示すように、第１接合体１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が配設され、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０の間に中間セパレータ３２が配設される。第１および第２セパレータ２８、３０の外側の面には、すなわち、セルアセンブリ１０の間には、薄板状の壁板３４が積層される。
【００１６】
図１に示すように、第１および第２単位セル１４、１６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、前記第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス入口３６ａと、酸化剤ガス出口３６ｂと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体出口４４ｂと、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス中間連通孔３８とが設けられる。
【００１７】
第１および第２単位セル１４、１６の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連通孔４０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口４２ａと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４４ａと、燃料ガス出口４２ｂとが設けられる。
【００１８】
第１セパレータ２８は、金属薄板で構成されるとともに、第１接合体１８の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。図３および図４に示すように、第１セパレータ２８は、第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する面に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在して、両端がそれぞれ酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス中間連通孔４０とに連通する。
【００１９】
図１および図３に示すように、第１セパレータ２８は、壁板３４に対向する面に複数本の冷却媒体流路４８を設ける。冷却媒体流路４８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体入口４４ａに連通するとともに、他端が冷却媒体出口４４ｂに連通する。
【００２０】
第２セパレータ３０は、上記の第１セパレータ２８と略同様に構成されており、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する面に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５２を設ける。燃料ガス流路５２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、それぞれの両端が燃料ガス中間連通孔３８と燃料ガス出口４２ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、壁板３４に対向する面に複数本の冷却媒体流路５４を設ける。冷却媒体流路５４は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、両端が冷却媒体入口４４ａと冷却媒体出口４４ｂとに連通する。
【００２１】
中間セパレータ３２は、上記の第１および第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する面に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５６を設ける。燃料ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、両端がそれぞれ燃料ガス入口４２ａと燃料ガス中間連通孔３８とに連通する。
【００２２】
図３に示すように、中間セパレータ３２は、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する面に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５８を設ける。酸化剤ガス流路５８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、両端がそれぞれ酸化剤ガス中間連通孔４０と酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。
【００２３】
第１および第２単位セル１４、１６に直列的に設けられる酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、流路断面積がそれぞれ異なっている。図３に示すように、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２は、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設定されている。
【００２４】
このように構成されるセルアセンブリ１０は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状態で、図２に示すように、所定の組数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされる。セルアセンブリ１０の矢印Ａ方向両端には、集電用電極６０ａ、６０ｂを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配置され、前記エンドプレート６２ａ、６２ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が構成される。
【００２５】
エンドプレート６２ａの長辺方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する酸化剤ガス供給口６４ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂと、冷却媒体出口４４ｂに連通する冷却媒体排出口６８ｂとが形成される。エンドプレート６２ａの長辺方向の他端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体入口４４ａに連通する燃料ガス供給口６６ａ、燃料ガス排出口６６ｂおよび冷却媒体供給口６８ａが形成される。
【００２６】
このように構成されるセルアセンブリ１０の動作について、以下に説明する。
【００２７】
燃料電池スタック１２内には、燃料ガス供給口６６ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口６４ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口６８ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１２には、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数のセルアセンブリ１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。
【００２８】
図５に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口３６ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２８に設けられている複数本の酸化剤ガス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口４２ａに供給された燃料ガスは、中間セパレータ３２に設けられている複数本の燃料ガス流路５６に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００２９】
第１接合体１８により一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス中間連通孔４０に導入され、この酸化剤ガス中間連通孔４０に沿って矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ３２に設けられている酸化剤ガス流路５８に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８を介して第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。
【００３０】
同様に、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス中間連通孔３８に導入された後、矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路５２に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って移動する。このため、第２接合体２０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口３６ｂに排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口４２ｂに排出される。
【００３１】
一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷却媒体は、各セルアセンブリ１０の間に壁板３４を介装することにより第１および第２セパレータ２８、３０にそれぞれ設けられている冷却媒体流路４８、５４に沿って直線状に移動した後、冷却媒体出口４４ｂに排出される。従って、各セルアセンブリ１０の間に冷却媒体が一定方向に向かって直線状に供給され、前記セルアセンブリ１０が冷却される。
【００３２】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６によりセルアセンブリ１０が一体的に構成されるとともに、前記第１および第２単位セル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス中間連通孔３８を介して、少なくとも一部分を直列的に連通している。
【００３３】
これにより、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６には、第１および第２単位セル１４、１６全体の反応に必要な量の酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５６には、通常の単位セルに比べて２倍の流量が流されることになる。
【００３４】
従って、特に、生成水が発生する酸化剤ガス流路４６、５８での排水性が向上し、第１および第２単位セル１４、１６における前記酸化剤ガス流路４６、５８内の湿度の均一化を図ることができる。このため、第１および第２単位セル１４、１６の電流密度分布を均一にして、濃度過電圧を低減することが可能になるという効果が得られる。
【００３５】
さらに、第１および第２単位セル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が直列的に連通するため、酸化剤ガス入口３６ａおよび燃料ガス入口４２ａに供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの流速は、従来の単位セルに比べて増加する。従って、第１および第２単位セル１４、１６内で発生する生成水を有効に排出することができ、セルアセンブリ１０全体の排水性が大幅に向上する。
【００３６】
さらにまた、酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が直列的に連通することにより、第１および第２単位セル１４、１６を繋ぐ長尺な反応ガス流路が構成されている。このため、第１および第２単位セル１４、１６内で圧力損失が増加し、前記第１および第２単位セル１４、１６内での酸化剤ガスおよび燃料ガスの排水性が有効に向上するとともに、燃料電池スタック１２内の各セルアセンブリ１０への酸化剤ガスおよび燃料ガスの分配が均一化されるという利点がある。
【００３７】
また、第１の実施形態では、図５に示すように、冷却媒体入口４４ａから供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ２８、３０にそれぞれ設けられている冷却媒体流路４８、５４に沿って矢印Ｂ１方向（一定方向）に直線状に移動した後、冷却媒体出口４４ｂに排出されている。従って、冷却媒体が円滑に流動して冷却効率が向上し、セルアセンブリ１０の間に、部分的に温度が高くなる部位が発生することを阻止することができる。これにより、第１および第２単位セル１４、１６の発電性能が低下することがなく、セルアセンブリ１０全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００３８】
さらに、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０が複数個、例えば、２個の単位セル１４、１６から一体的に構成されるため、このセルアセンブリ１０として取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる従来構成に比べて、燃料電池スタック１２を組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。
【００３９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１００の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係るセルアセンブリ１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
セルアセンブリ１００は、第１および第２単位セル１０２、１０４を重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１０２、１０４は、第１および第２接合体（電解質膜・電極構造体）１０６、１０８を備える。第１および第２接合体１０６、１０８は、第１および第２セパレータ１１０、１１２と第１および第２中間セパレータ１１４、１１６とにより挟持される。
【００４１】
セルアセンブリ１００の長辺方向の一端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、酸化剤ガス中間連通孔４０、冷却媒体出口４４ｂおよび燃料ガス出口４２ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられている。セルアセンブリ１００の長辺方向の他端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、冷却媒体入口４４ａ、燃料ガス中間連通孔３８および酸化剤ガス出口３６ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられている。
【００４２】
第１および第２中間セパレータ１１４、１１６の互いに対向する面には、冷却媒体流路５４が直線状に設けられている。冷却媒体流路５４は、冷却媒体入口４４ａおよび冷却媒体出口４４ｂに連通するとともに、冷却媒体を矢印Ｂ１方向に向かって直線状に供給する。
【００４３】
このように構成されるセルアセンブリ１００内では、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が、図７に示す流れ方向に沿って直列的に第１および第２単位セル１０２、１０４に送られる。その際、第１および第２単位セル１０２、１０４の間（セルアセンブリ１００内）には、冷却媒体を矢印Ｂ１方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路５４が形成されている。
【００４４】
これにより、冷却効率が向上して、特に、セルアセンブリ１００内には、部分的に温度が高くなる部位が発生することがなく、第１および第２単位セル１０２、１０４の発電性能が低下することを阻止することができる。従って、セルアセンブリ１００全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１２０の流れ図である。なお、図６に示す第２の実施形態に係るセルアセンブリ１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
セルアセンブリ１２０は、第１および第２単位セル１２２、１２４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されており、酸化剤ガス中間連通孔４０を設けていない。このため、セルアセンブリ１２０内では、燃料ガスが第１単位セル１２２から第２単位セル１２４に直列的に連通する燃料ガス流路５６、５２に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路４６、５８を介して前記第１および第２単位セル１２２、１２４に個別に、すなわち、並列的に流されている。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型セルアセンブリでは、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間に、冷却媒体を一定方向に向かって直線状に供給する冷却媒体流路が設けられている。このため、冷却媒体が一定方向に円滑に流動して冷却効率が向上するとともに、セルアセンブリ内またはセルアセンブリの間に、部分的に温度が高くなる部位が発生することを阻止することができる。これにより、単位セルの発電性能が低下することがなく、セルアセンブリ全体として良好な発電性能を確実に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。
【図５】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図７】前記第２の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの流れ図である。
【符号の説明】
１０、１００、１２０…セルアセンブリ
１２…燃料電池スタック
１４、１６、１０２、１０４、１２２、１２４…単位セル
１８、２０、１０６、１０８…接合体
２２ａ、２２ｂ…固体分子電解質膜　　２４ａ、２４ｂ…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８、３０、１１０、１１２…セパレータ
３２、１１４、１１６…中間セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口　　　　　　　３６ｂ…酸化剤ガス出口
３８…燃料ガス中間連通孔　　　　　　４０…酸化剤ガス中間連通孔
４２ａ…燃料ガス入口　　　　　　　　４２ｂ…燃料ガス出口
４４ａ…冷却媒体入口　　　　　　　　４４ｂ…冷却媒体出口
４６、５８…酸化剤ガス流路　　　　　４８、５４…冷却媒体流路
５２、５６…燃料ガス流路
【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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【図７】
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【図８】
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