(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜が湿潤に保持され、水分の欠如による特性の低下を生じることなく高効率で運転できるものを得る。【解決手段】膜電極接合体をガス流路を備えた２枚のセパレータで挟持して単セルを構成するものにおいて、一方のセパレータ１Ａに備えた燃料ガスのガス流路の外部より流入する燃料ガス入口領域２ｅと、もう一方のセパレータに備えた酸化剤ガスのガス流路の外部へと流出する酸化剤ガス出口領域とを膜電極接合体を挟んで相対する位置に配置し、かつ、これらの領域を流れるガスが互いに直交して流れるようガス流路を構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体を電極面に対向してガス流路を備えた２枚のセパレータで挟持して単セルを構成し、一方のセパレータのガス流路に燃料ガスを、またもう一方のセパレータのガス流路に酸化剤ガスを流通させて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子電解質形燃料電池において、
燃料ガスのガス流路の燃料ガスが外部より流入する燃料ガス入口領域と、酸化剤ガスのガス流路の酸化剤ガスが外部へと流出する酸化剤ガス出口領域とが膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設され、かつ、燃料ガス入口領域を流れる燃料ガスと酸化剤ガス出口領域を流れる酸化剤ガスが互いに直交して流れるようにガス流路が構成されていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体を電極面に対向してガス流路を備えた２枚のセパレータで挟持して単セルを構成し、一方のセパレータのガス流路に燃料ガスを、またもう一方のセパレータのガス流路に酸化剤ガスを流通させて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子電解質形燃料電池において、
酸化剤ガスのガス流路の酸化剤ガスが外部より流入する酸化剤ガス入口領域と、燃料ガスのガス流路の燃料ガスが外部へと流出する燃料ガス出口領域とが膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設され、かつ、酸化剤ガス入口領域を流れる酸化剤ガスと燃料ガス出口領域を流れる燃料ガスが互いに直交して流れるようにガス流路が構成されていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池において、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各供給用マニホールドと各排出用マニホールドがセパレータの相対する２辺の近傍に配され、かつ、燃料ガスの供給用マニホールドと前記燃料ガス入口領域を連結するガス供給流路が備えられていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【請求項４】
請求項２に記載の固体高分子電解質形燃料電池において、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各供給用マニホールドと各排出用マニホールドがセパレータの相対する２辺の近傍に配され、かつ、酸化剤ガスの供給用マニホールドと前記酸化剤ガス入口領域を連結するガス供給流路が備えられていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子電解質形燃料電池に係り、特に単セルのセパレータに備えられるガス流路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ；Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は電解質に高分子膜を用いる燃料電池で、出力密度が高い、電池寿命が長いなどの優れた特徴を備えている。
図５は、固体高分子電解質形燃料電池の一般的なセルの断面模式図である。固体高分子電解質膜５１の両主面に電極層５２と拡散層５３を配置した膜電極接合体を、ガス流通溝５５を備えた２枚のセパレーター５４で挟持して単セルが構成されている。アノード側のセパレーター５４のガス供給口５６から燃料ガスを供給し、ガス流通溝５５を流通させてガス排出口から排出し、もう一方のカソード側のセパレーター５４のガス流通溝５５に酸化剤ガスを流通させ、電気化学反応によって電気エネルギーが取出される。なお、図５においては省略されているが、セパレーター５４のガス流通溝５５の反対側の表面には冷却水流通溝が備えられており、この冷却水流通溝に冷却水を流通することによって、電気化学反応に伴って生じる発熱が除去される。
【０００３】
図６は、従来の固体高分子電解質形燃料電池の燃料極側のセパレータの正面模式図である。セパレータ１の電極層対向領域２を挟んで相対する２辺の近傍に、それぞれ燃料ガス入口マニホールド３、酸化剤ガス入口マニホールド５、冷却水入口マニホールド７、および、燃料ガス出口マニホールド４、酸化剤ガス出口マニホールド６、冷却水出口マニホールド８が配されている。燃料ガス入口マニホールド３より供給された燃料ガスは、セパレータ１のガス流路を燃料ガス入口領域２ａから燃料ガス出口領域２ｂへと電極層対向領域２を全域に渡って流れたのち、燃料ガス出口マニホールド４へと排出される。また、酸化剤ガス入口マニホールド５より供給された酸化剤ガスは、膜電極接合体を介して相対して配されたセパレータのガス流路を酸化剤ガス入口領域２ｃから酸化剤ガス出口領域２ｄへと電極層対向領域２を全域に渡って流れたのち、酸化剤ガス出口マニホールド６へと排出される。また、冷却水入口マニホールド７より供給された冷却水は、セパレータの背面に形成された冷却水流路を流れて、冷却水出口マニホールド８へと排出される。
固体高分子電解質形燃料電池に用いられている固体高分子電解質膜は、水を含んだ湿潤状態において高いイオン伝導性を示すので、水で加湿した反応ガスを上記のガス流路に流通して固体高分子電解質膜を湿潤に保持すれば、高い電池特性が得られる。したがって、追って詳しく述べる図４の特性図の従来の特性（特性Ｂ）に見られるように、反応ガスの加湿温度を高くしてセル温度に近づけるほど、高い電池電圧が得られる。しかしながら、このように反応ガスの加湿温度を高くすると、燃料電池発電装置内の熱をより多量に消費することとなるので、排熱回収効率が低下し、燃料電池発電装置の総合効率が低下する。したがって、反応ガスの加湿温度が低く、かつ電池特性の高い燃料電池発電装置が望ましいが、反応ガスの加湿温度を下げると、相対的に湿度の低いガスが電極対向領域のガス入口領域の水分を運び去って、この領域の固体高分子電解質膜のイオン導電性が低下するので、電池特性が低下し、燃料電池発電装置の総合効率が低下する可能性が強い。
ところで、燃料電池においては、下記の電気化学反応により、カソード側（酸化剤ガス供給側）に水が生成する。
【０００４】
【化１】
Ｈ２  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
したがって、酸化剤ガスはガス流路の電極面対向領域を通過する際に生成水により湿潤化されるので、酸化剤ガス出口領域の酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口領域に比べて多量の水分を含むこととなる。また、この生成水は、固体高分子電解質膜を透過してアノード側（燃料ガス供給側）にも到達するので、燃料ガスも電極面対向領域を通過する際に湿潤化され、燃料ガス出口領域では、燃料ガス入口領域に比べて多量の水分を含むこととなる。
【０００５】
特許文献１には、この生成水により湿潤化した酸化剤ガスを用いて固体高分子電解質膜を加湿保持する燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、燃料ガスと酸化剤ガスをともに無加湿で供給しているが、燃料ガス流路の燃料ガス入口近傍の部分を固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤ガス流路の酸化剤ガス出口近傍の部分に近接して配置し、酸化剤ガス出口近傍に多量に存在する生成水を燃料ガス流路に逆拡散させることによって燃料ガスを加湿し、この燃料ガスから固体高分子電解質膜へと水分の供給を行って、加湿保持する構成としている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１７２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１に見られる燃料電池のごとく、燃料ガス流路の燃料ガス入口近傍の部分を固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤ガス流路の酸化剤ガス出口近傍の部分に近接して配置すれば、湿度の低い燃料ガスと湿度の高い酸化剤ガスが固体高分子電解質膜を介して存在することとなるので、水分の濃度勾配によって水分が湿度の高い酸化剤ガスから湿度の低い燃料ガスへと移動する。したがって、燃料ガス入口近傍の燃料ガスは加湿されて電極面対向領域を流通し、固体高分子電解質膜へ水分を供給して加湿保持することとなるので、水分の不足に起因する電池特性の低下が抑制されることとなる。
【０００８】
しかしながら、このように構成された燃料電池においても、なお、以下のごとき問題点がある。すなわち、セパレータに設けられる燃料ガス流路および酸化剤ガス流路は、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを電極面対向領域に広く、かつより均一に供給するために、通常、並列に接続された複数の蛇行流路より形成されているが、燃料ガスの供給流量と酸化剤ガスの供給流量は同一ではないので、それぞれの供給流量に合わせて燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が形成されており、例えば、供給流量が相対的に多い酸化剤ガスのガス流路をより多数の蛇行流路により形成する等の措置が採られている。このようなガス流路を備えた燃料電池においては、入口近傍の燃料ガス流路を固体高分子電解質膜を挟んで出口近傍の酸化剤ガス流路に近接して配置するために、特許文献１の図６に示されているごとく、これらの領域の燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を固体高分子電解質膜を挟んで互いに並列に配置しても、ガス流路の形状が異なるが故に、互いに十分に対向する配置を採ることが困難で、固体高分子電解質膜を介しての水分の交換効率が低下してしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、以上に述べたような現状技術の問題点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、反応生成水によって効果的に加湿された反応ガスがセパレータに備えられたガス流路に流通されて、固体高分子電解質膜が湿潤に保持され、水分の欠如による電池特性の低下を生じることなく高効率で運転可能な固体高分子電解質形燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
固体高分子電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体を電極面に対向してガス流路を備えた２枚のセパレータで挟持して単セルを構成し、一方のセパレータのガス流路に燃料ガスを、またもう一方のセパレータのガス流路に酸化剤ガスを流通させて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子電解質形燃料電池において、
（１）燃料ガスのガス流路の燃料ガスが外部より流入する燃料ガス入口領域と、酸化剤ガスのガス流路の酸化剤ガスが外部へと流出する酸化剤ガス出口領域とを膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、かつ、燃料ガス入口領域を流れる燃料ガスと酸化剤ガス出口領域を流れる酸化剤ガスが互いに直交して流れるようにガス流路を構成することとする。
【００１１】
（２）また、酸化剤ガスのガス流路の酸化剤ガスが外部より流入する酸化剤ガス入口領域と、燃料ガスのガス流路の燃料ガスが外部へと流出する燃料ガス出口領域とを膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、かつ、酸化剤ガス入口領域を流れる酸化剤ガスと燃料ガス出口領域を流れる燃料ガスが互いに直交して流れるようにガス流路が構成することとする。
（３）また上記の（１）において、さらに、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各供給用マニホールドと各排出用マニホールドをセパレータの相対する２辺の近傍に配置し、かつ、燃料ガスの供給用マニホールドと上記の燃料ガス入口領域を連結するガス供給流路を備えることとする。
【００１２】
（４）また上記の（２）において、さらに、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各供給用マニホールドと各排出用マニホールドがセパレータの相対する２辺の近傍に配置し、かつ、酸化剤ガスの供給用マニホールドと上記の酸化剤ガス入口領域を連結するガス供給流路を備えることとする。
上記の（１）のごとくとすれば、燃料ガス入口領域と酸化剤ガス出口領域が膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設されているので、反応生成水により高度に加湿された出口領域の酸化剤ガスより入口領域の燃料ガスへと固体高分子電解質膜を介して水分が移動し、移動した水分を受けて加湿された燃料ガスがセパレータのガス流路を流れ、固体高分子電解質膜を湿潤に保持する。また、特に、燃料ガス入口領域を流れる燃料ガスと酸化剤ガス出口領域を流れる酸化剤ガスが互いに直交して流れるようにガス流路が構成されているので、これらのガスの間の水分の交換が、ガス流路の構成の影響を受けることなく効率よく行われることとなる。
【００１３】
同様に、上記の（２）のごとくとすれば、反応生成水により高度に加湿された出口領域の燃料ガスより入口領域の酸化剤ガスへと固体高分子電解質膜を介して効率よく水分が移動し、移動した水分を受けて加湿された酸化剤ガスがセパレータのガス流路を流れ、固体高分子電解質膜を湿潤に保持することとなる。
また、上記の（３）あるいは（４）のごとく、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各供給用マニホールドと各排出用マニホールドをセパレータの相対する２辺の近傍に配置すれば、他の２辺にはマニホールドを設ける必要がないのでセパレータの所要広さは相対的に小さくなる。したがって、より小型の構成で、固体高分子電解質膜が湿潤に保持される固体高分子電解質形燃料電池が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の固体高分子電解質形燃料電池の第１の実施例に用いられている燃料極側のセパレータの正面模式図である。
図６に示した従来例のセパレータ１では、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の合計６個のマニホールドが電極層対向領域２を挟んで相対する２辺の近傍に配されていたのに対して、本実施例のセパレータ１Ａにおいては、燃料ガス入口マニホールド３Ａを酸化剤ガス出口マニホールド６の近傍の他の辺に、また、燃料ガス出口マニホールド４Ａを酸化剤ガス入口マニホールド５の近傍の他の辺に配することによって、燃料ガス入口マニホールド３Ａより供給される燃料ガスの燃料ガス入口領域２ｅと空気極側セパレータの酸化剤ガス出口領域を膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、同様に燃料ガス出口マニホールド４Ａへと排出される燃料ガスの燃料ガス出口領域２ｆと空気極側セパレータの酸化剤ガス入口領域を膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、さらにこれらの領域において、図中実線矢印で表示した燃料ガスの流れと、図中点線矢印で表示した酸化剤ガスの流れの方向が互いに直交するよう構成している。
【００１５】
図３は、上記の燃料ガス入口領域２ｅにおける反応ガスの流れと水分の移動との関係を示す模式図である。本図において、２０は、燃料ガス入口領域２ａの膜電極接合体、実線矢印で表示した２１は、燃料ガス入口マニホールド３Ａより燃料ガス入口領域２ａへと供給された燃料ガスの流れ、点線矢印で表示した２２は、電気化学反応に寄与したのち排出される酸化剤ガスの流れである。燃料ガス入口マニホールド３Ａより供給された燃料ガス２１は、反応生成水を十分に含んで排出される酸化剤ガス２２と膜電極接合体２０を挟んで近接して流れるので、相対的に湿度の高い酸化剤ガス２２から湿度の低い燃料ガス２１へと水分の移動２３が起こり、この水分の移動２３によって燃料ガス２１が加湿されることとなる。特に、本構成では、燃料ガス２１と酸化剤ガス２２がこの燃料ガス入口領域２ｅを互いに直交して流れるよう構成されているので、並列に接続された複数の流路に分配されて流通するものにおいても、すべての流路の燃料ガスがすべての流路の酸化剤ガスに近接して流れ、相対的に湿度の高い酸化剤ガスが含有する水分によって効果的に加湿されるので、より一層効率的な加湿が可能となる。
【００１６】
なお、あらためて図示はしないが、同様に、燃料ガス出口領域２ｆにおいては、酸化剤ガス入口マニホールドより供給された入口部分の酸化剤ガスが、反応生成水を十分に含んで排出される燃料ガスと膜電極接合体を挟んで近接して流れ、燃料ガスの水分の移動によって効果的に加湿される。
図４は、図１のごとき構成のセパレータを組込んだ本実施例の固体高分子電解質形燃料電池のセル電圧の酸化剤ガス加湿温度に対する依存性を従来例と比較して示した特性図で、特性Ａが、本実施例の固体高分子電解質形燃料電池の特性、特性Ｂが、図６に示したセパレータを組込んだ従来の固体高分子電解質形燃料電池の特性である。特性Ｂに見られるように、従来の固体高分子電解質形燃料電池では、酸化剤ガスを約７０  ℃以上の温度で加湿して供給すればセル電圧を高く保持できるが、加湿温度が低下するとセル電圧の大幅な低下が生じている。このセル電圧の低下は、加湿温度の低下によって加湿量が低下し、酸化剤ガス入口領域の水分量が不足してこの領域の固体高分子電解質膜のイオン伝導性が低下したことに起因するものである。これに対して本実施例の固体高分子電解質形燃料電池においては（特性Ａ）、酸化剤ガスの加湿温度を低下させ、供給ガスの湿度を低くした場合にも、セル電圧の低下は極めて微小に抑制されている。図１のごとく、燃料ガス入口領域２ｅと酸化剤ガス出口領域、並びに燃料ガス出口領域２ｆと酸化剤ガス入口領域を、それぞれ膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、さらにこれらの領域において、燃料ガスの流れと酸化剤ガスの流れの方向が互いに直交するよう構成したことによって、燃料ガスと酸化剤ガスが生成水により効果的に加湿されて流通することとなるので、外部からの加湿処理の度合が低くとも固体高分子電解質膜が湿潤に保持され、高いセル電圧が得られることとなる。
【００１７】
＜実施例２＞
図２は、本発明の固体高分子電解質形燃料電池の第２の実施例に用いられている燃料極側のセパレータの正面模式図である。
本実施例の第１の特徴は、図６に示した従来例と同様に、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の供給排出用の合計６個のマニホールドが電極層対向領域２を挟んで相対する２辺の近傍に配されていることにある。また第２の特徴は、第１の実施例と同様に、燃料ガス入口領域２ｅと酸化剤ガス出口領域を膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、燃料ガス出口領域２ｆと酸化剤ガス入口領域を膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設し、かつ、燃料ガス入口マニホールド３Ｂと燃料ガス入口領域２ｅとの間に燃料ガス導入流路９を、また、燃料ガス出口マニホールド４Ｂと燃料ガス出口領域２ｆとの間に燃料ガス排出流路１０を配した点にある。
【００１８】
したがって、本構成では、第１の実施例と同様に、燃料ガスと酸化剤ガスが生成水により効果的に加湿されて流通するので、外部からの加湿処理を行わずとも固体高分子電解質膜が湿潤に保持され、高いセル電圧が得られるばかりでなく、６個のマニホールドが電極層対向領域２を挟んで相対する２辺の近傍に配され、セパレータ１Ｂの不使用部分が大幅に低減されるので、コンパクトな構成の固体高分子電解質形燃料電池が得られる。
なお、上記の第１、第２の実施例においては、燃料ガス入口領域と酸化剤ガス出口領域、並びに燃料ガス出口領域と酸化剤ガス入口領域を、ともに膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設しているが、これらのうちのいずれか一方のみを膜電極接合体を挟んで相対する位置に配設することとしても、導入される燃料ガスあるいは酸化剤ガスが生成水により加湿されたもう一方の反応ガスにより加湿され、固体高分子電解質膜が湿潤に保持されるので、優れた電池特性が得られることとなる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、
固体高分子電解質膜の両面に電極を形成した膜電極接合体を電極面に対向してガス流路を備えた２枚のセパレータで挟持して単セルを構成し、セパレータのガス流路にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを流通させて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子電解質形燃料電池において、
（１）請求項１、あるいは請求項２に記載のごとく構成することとしたので、反応生成水が効率よく活用されて、固体高分子電解質膜が湿潤に保持されることとなり、水分の欠如による電池特性の低下を生じることなく高効率で運転可能な固体高分子電解質形燃料電池が得られることとなった。
【００２０】
（２）また、さらに請求項３、あるいは請求項４に記載のごとくとすれば、固体高分子電解質膜が湿潤に保持されるとともに、セパレータの不使用空間が低減されて小型化が可能となるので、水分の欠如による電池特性の低下を生じることなく高効率で運転可能な固体高分子電解質形燃料電池としてより好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の第１の実施例に用いられている燃料極側のセパレータの正面模式図
【図２】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の第２の実施例に用いられている燃料極側のセパレータの正面模式図
【図３】第１の実施例のセパレータの燃料ガス入口領域における反応ガスの流れと水分の移動との関係を示す模式図
【図４】第１の実施例の固体高分子電解質形燃料電池のセル電圧の酸化剤ガス加湿温度依存性を従来例と比較して示した特性図
【図５】固体高分子電解質形燃料電池の一般的なセルの断面模式図
【図６】従来の固体高分子電解質形燃料電池の燃料極側のセパレータの正面模式図
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ    セパレータ
２    電極層対向領域
２ｅ    燃料ガス入口領域
２ｆ    燃料ガス出口領域
３Ａ，３Ｂ    燃料ガス入口マニホールド
４Ａ，４Ｂ    燃料ガス出口マニホールド
５    酸化剤ガス入口マニホールド
６    酸化剤ガス出口マニホールド
７    冷却水入口マニホールド
８    冷却水入口マニホールド
９    燃料ガス導入流路
１０    燃料ガス排出流路
【図１】
2004355956.tif 000003
【図２】
2004355956.tif 000004
【図３】
2004355956.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004355956.tif 000007
【図６】
2004355956.tif 000008