(57)【要約】【課題】電池反応面の水の分布を均一化する。【解決手段】供給用ガス流路６から供給し且つ排出用ガス流路７から排出するガスの量を、冷却液流路１１へ冷却液を通流させることにより電解質膜３上に得られる温度に対応して、温度が低い部分には少なめに、また、温度が高い部分には多めに調整する。【選択図】　　図１
2004103456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒層を挟んでそれぞれ対向して配され導電性と通気性を兼ね備えた一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にガスを供給するためのガス流路が形成された導電性の集電セパレータと、前記集電セパレータの背面もしくは集電セパレータとともに積層して構成される別のセパレータ上に冷却剤流路を備え、前記ガス流路は供給用ガス流路と排出用ガス流路とが前記集電セパレータ上で分離され互いに繋がっていない固体高分子型燃料電池において、
前記供給用ガス流路から排出用ガス流路へ流れるガスの量を、冷却剤流路へ冷却剤を通流させることにより得られる温度勾配に応じて設定することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
冷却剤流路へ冷却剤を通流させることにより得られる温度勾配に応じて、供給用ガス流路と排出ガス流路の間隔を変化させることにより前記供給用ガス流路から排出用ガス流路へ流れるガスの量を設定したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒層を挟んでそれぞれ対向して配され導電性と通気性を兼ね備えた一対のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にガスを供給するためのガス流路が形成された導電性の集電セパレータと、前記集電セパレータの背面もしくは集電セパレータとともに積層して構成される別のセパレータ上に冷却剤流路を備え、前記ガス流路は供給用ガス流路と排出用ガス流路とが前記集電セパレータ上で分離され互いに繋がっていない固体高分子型燃料電池において、
前記ガス流路は、供給側あるいは排出側マニホールド部に連通する基部流路と、前記基部流路に対して略垂直に分流する複数の枝部流路とからなり、かつ、それぞれの枝部流路は略平行であり、
前記供給側ガス流路の枝部流路と排出側ガス流路の枝部流路とが平行であって、
供給側枝部流路と排出側枝部流路との間隔は、前記冷却剤流路へ冷却剤を通流させることにより得られる温度勾配に応じて設定することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記冷却剤流路上流側の供給側枝部流路と排出側枝部流路との間隔が、冷却剤流路下流側に比較して狭いことを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記供給側ガス流路の各枝部流路に対して、排出側枝部流路が、冷却剤上流側と冷却材下流側とにそれぞれ隣接し、
供給側枝部流路と冷却剤上流側に隣接する排出側枝部流路との間隔が、冷却剤下流側に隣接する排出側枝部流路との間隔よりも大きいことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、電池反応面に反応ガスを供給するガス流路が供給用流路と排出用流路とを互に独立しつつ近接して配置する固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から反応ガスを供給用流路からガス拡散電極に供給し、ガス拡散電極を通過した未反応ガスを供給用流路とは独立した排出用流路から排出するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、水蒸気や水滴、および供給ガス中の混入物である二酸化炭素や窒素の、触媒層近傍からの排除を効率的に行え、この反応ガスの流れを低圧損で電極部分全体に効果的に導くことができるものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１６５９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の燃料電池においては、電解質膜のカソード側に電池反応により生成する水が、反応面の温度が低い部分では結露・滞留しやすくなる一方、電池反応面の温度が高い部分では蒸発が促進されて電解質膜が乾燥気味となって導電率が低下し、いずれの場合にも電池反応が阻害される。
【０００６】
しかしながら、上記従来例では、反応ガスの通過によって全ての反応面から一様に生成水を排出するものであり、反応面の温度ができるだけ均一になるような工夫を施す必要があり、電池反応面で水の分布を均一とすることが難しく、全体として充分な出力を得られない虞があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、電池反応面の水の分布を均一化可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜の両面に触媒層を挟んでそれぞれ対向して配され導電性と通気性を兼ね備えた一対のガス拡散電極にガスを供給するためのガス流路が供給用ガス流路と排出用ガス流路とが集電セパレータ上で分離され互いに繋がってなく、且つ、集電セパレータの背面もしくは集電セパレータとともに積層して構成される別のセパレータ上に冷却剤流路を備える固体高分子型燃料電池において、前記供給用ガス流路から排出用ガス流路へ流れるガスの量を、冷却剤流路へ冷却剤を通流させることにより得られる温度勾配に応じて設定した。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、供給用ガス流路から供給し且つ排出用ガス流路から排出するガスの量を、冷却剤流路へ冷却剤を通流させることにより得られる温度に対応して調整するため、ガス拡散電極から排出する水の量を得られた温度勾配に対応して調整でき、電池反応面の水の分布を均一化できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１〜図３は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の一例を示し、図１はガス流路を示すセパレータの平面図、図２は冷却液流路を示す背面図、図３は図１のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線による単セルの部分断面図である。
【００１２】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、固体高分子型燃料電池１の単セルは、固体高分子電解質膜３の両側にガス拡散電極４を配置して膜電解接合体２を構成し、この膜電解接合体２の一方のガス拡散電極４にはカソードガスとしての空気（酸素）を一方の集電セパレータ５Ａのガス流路６を経由させて供給し、他方のガス拡散電極４にはアノードガスとしての水素リッチガスを他方の集電セパレータ５Ｂのガス流路８を経由させて供給することで、水素を酸素と電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に供給するものである。
【００１３】
前記カソード側の集電セパレータ５Ａには、図１に示すように、カソードガスを膜電解接合体２のガス拡散電極４に供給する入口マニホールド９に連通した供給ガス流路６とガス拡散電極４よりの未反応ガスを出口マニホールド１０に排出する排出ガス流路７とが配置されている。供給用ガス流路６あるいは、排出用ガス流路７は、入口側あるいは出口側マニホールド部に連通する基部流路６Ａ、７Ａと、前記基部流路６Ａ、７Ａに対して略垂直であって、かつ、それぞれが略平行に基部流路から分流する複数の枝部流路６Ｂ、７Ｂとからなっている。
【００１４】
また、前記供給側ガス流路の枝部流路６Ｂと、排出側ガス流路の枝部流路７Ｂとも略平行となるように流路を形成してあり、さらに、各供給側ガス流路の枝部流路６Ｂには排出側ガス流路の枝部流路７Ｂが隣接し、各排出側ガス流路の枝部流路７Ｂには、供給側ガス流路の枝部流路６Ｂがそれぞれ隣接するように、交互に配置して設けられている（ちなみに、このガス流路の形状は櫛型形状とも表現されることもある。その際は枝部流路６Ｂ、７Ｂはいわゆる櫛型形状の歯の部分と形容されることもある。）。
【００１５】
前記一方の集電セパレータ５Ａの前記ガス流路６、７が存在する面の反対側面（裏面）には、冷却剤流路としての冷却液流路１１が配置される。冷却液流路１１は、図２に示すように、図中下方に位置する冷却剤としての冷却液の入口マニホールド１２から図中上方に位置する出口マニホールド１３に向かって蛇行させながら配置している。図２は集電セパレータ５Ａを図１の背面から見た図であるために、図１とは左右が逆となっている。なお、冷却液流路１１は、この例のように、カソードガスを供給するガス流路６、７を備えた集電セパレータ５Ａの背面に設けるものの他、この集電セパレータ５Ａの背面に当接される部材、例えば、冷却用流路を備えた冷却板やアノードガスを供給する他方の集電セパレータの背面に設けるものであってもよい。
【００１６】
図１において、入口マニホールド９から供給されるカソードガスは、櫛型形状の供給用ガス流路６の枝部流路６Ｂ（櫛型形状の歯にあたる部分）から一旦ガス拡散電極４内にガス拡散し、その後、隣り合う排出用ガス流路７の枝部流路７Ｂ排出され、出口マニホールド１０から燃料電池スタック１の外部へ排出される。前記カソードガスの給用ガス流路６の枝部流路６Ｂと排出用ガス流路７の枝部流路７Ｂとの間隔は、冷却液流路１１の出口マニホールド１３に近い図中上方において狭まり、冷却液流路１１の入口マニホールド１２に近い図中下方に移動するに連れてその間隔が拡げられている。
【００１７】
図３（Ａ）は、図１の上方部分であるＡ−Ａ線に沿う断面図を示し、供給用ガス流路の枝部流路６Ｂと排出用ガス流路の枝部流路７Ｂとの間隔が狭く形成されている。このため、供給用ガス流路６から排出用ガス流路７へ流れる反応ガスの量も相対的に多くなるように構成されている。他方、図３（Ｂ）は、図１の下方部分であるＢ−Ｂ線に沿う断面図を示し、供給用ガス流路６の枝部流路６Ｂと排出用ガス流路の枝部流路７Ｂとの間隔が広く形成されている。このため、供給用ガス流路６から排出用ガス流路７へ流れる反応ガスの量も上方部分に対して相対的に少なくなるように構成されている。
【００１８】
以上の構成になる固体高分子型燃料電池においては、図３に示す単セルを積層して燃料電池スタックとし、図示しないアノードガスをアノード側の集電セパレータ５Ｂのガス流路８に流動させ、カソードガスをカソード側の集電セパレータ５Ａの入口マニホールド９から供給用ガス流路６へ供給し、未反応カソードガスを排出用ガス流路７から出口マニホールド１０を経由して排出させ、冷却液を入口マニホールド１２から冷却液流路１１を経由して出口マニホールド１３に流動させることで作動可能となる。
【００１９】
冷却液は冷却液流路１１中を流動していくにつれて電池反応による熱を吸収して温度上昇する。このため、カソード側の集電セパレータ５Ａは、冷却液流路１１の上流側（図１中の上方部分）から下流側（図１中の下方部分）に向かって温度が高くなる。
【００２０】
カソードガスは、入口マニホールド９から供給用ガス流路６に流れ、通気性のあるガス拡散電極４に強制的に送り込まれ、触媒層で電極反応する。電極反応の結果、ガス拡散電極４で生成した水蒸気や水滴、あるいは反応を阻害する二酸化炭素や窒素は強制的に排出用ガス流路７に押出され、排出用ガス流路７を経由して出口マニホールド１０から外部へ排出される。
【００２１】
冷却液流路１１の上流側に位置するガス拡散電極４においては、冷却液による冷却により比較的低温であり、電池反応で生成される生成水は結露・滞留しやすくなっている。また、カソードガスの供給用ガス流路６と排出用ガス流路７との間隔は比較的広く形成しており、カソードガスの透過抵抗が大きくガス拡散層４を透過するカソードガスの量も比較的少ない。生成水の発生を抑えることができ、生成水の結露・滞留を防止することができる。
【００２２】
他方、冷却液流路１１の下流側に位置するガス拡散電極４においては、冷却液が電池反応熱の吸熱により比較的高温であり、ガス拡散電極４や電解質膜３は生成水の蒸発により乾燥気味となっている。また、カソードガスの供給用ガス流路６と排出用ガス流路７との間隔は比較的狭く形成しているため、カソードガスの透過抵抗が小さくガス拡散層４を透過するカソードガスの量も比較的多い。したがって、生成水の発生を比較的多くすることができるとともに、発生した生成水をガス透過により適度に拡散することができ、ガス拡散電極４や電解質膜３が乾燥気味となるのを防止することができる。
【００２３】
以上の作用により、電池反応面の温度が部位により相違するも、温度に対応してガス拡散電極４を通過するカソードガスの量を調整することで、電池反応面の水の分布を均一化することができる。
【００２４】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００２５】
（ア）供給用ガス流路６から排出用ガス流路７へ流れるガスの量を冷却液流路１１へ冷却液を通流させることにより電解質膜３上に得られる温度に対応して、温度が低い部分には少なめに、また、温度が高い部分には多めに流れるようにしたため、ガス拡散電極４から排出する水の量を電解質膜３上に得られる温度勾配に対応して適度に調整でき、温度が低い部分では生成水の結露・滞留を防止しつつ、温度が高い部分では生成水の蒸発によりガス拡散電極４や電解質膜３が乾燥気味となるのを防止して、電池反応面の水の分布を均一化できる。
【００２６】
（イ）供給用ガス流路６から排出用ガス流路７へ流れるガスの量は、供給用ガス流路６の枝部流路６Ｂ、と排出用ガス流路７の枝部流路７Ｂとの間隔を変更して設定することで、間隔の広い部分よりも間隔の狭い部分をガスが流れやすくすることができ、通過するガスの量を容易に所望の量に設定できる。
【００２７】
（第２実施形態）
図４は、本発明を適用した第２実施形態の固体高分子型燃料電池の一例のガス流路を示すセパレータの平面図である。本実施形態においては、交互に隣接して配置されている供給用ガス流路６の枝部流路６Ｂと排出用ガス流路７の枝部流路７Ｂとの間隔を、温度が低い側の排出用枝部流路との間隔よりも温度が高い側の排出用枝部流路との間隔を狭くするようにして電池反応面の水の分布を供給用ガス流路の両側で均一化するようにしたものである。なお、図１と同一部品には同一符号を付して説明を省略もしくは簡略化する。
【００２８】
図４において、カソード側集電セパレータ５Ａには、カソードガスを膜電解接合体２のガス拡散電極４に供給する入口マニホールド９に連通した複数の供給用ガス流路６とガス拡散電極４よりの未反応ガスを出口マニホールド１０に排出する排出用ガス流路７とが配置されている構成は図１と同様である。即ち、供給用ガス流路６と排出用ガス流路７とは櫛型形状のいわゆる歯の部分にあたる枝部流路６Ｂ、７Ｂが互に違いに隣接するように配置して備えられている。
【００２９】
本実施形態においては、複数の供給用枝部流路６Ｂは、夫々供給用枝部流路６Ｂを挟んで配置した一対の排出用枝部流路７Ｂの間の中央部より温度が高い側（図中の上方側）へ偏らせて配置している。言い換えれば、供給用枝部流路６Ｂと温度が高い側（図中上方）の排出用枝部流路７Ｂとの間隔Ｃは、温度が低い側（図中下方）の排出用枝部流路７Ｂとの間隔Ｄより小さくしている。
【００３０】
供給用ガス流路６の冷却液上流側に位置するガス拡散電極４においては、冷却液による冷却により比較的低温であり、電池反応で生成される生成水は結露・滞留しやすくなっている。また、カソードガスの供給用枝部流路６Ｂと温度が低い側（図中下方）の排出用枝部流路７Ｂとの間隔Ｄは比較的広く形成しており、カソードガスの透過抵抗が大きくガス拡散層４を透過するカソードガスの量も比較的少ない。このため、前記結露・滞留しやすい生成水の発生を比較的少なくでき、生成水の結露・滞留を防止することができる。
【００３１】
他方、供給用ガス流路６の冷却液下流側に位置するガス拡散電極４においては、冷却液が電池反応熱の吸熱により比較的高温であり、ガス拡散電極４や電解質膜３は生成水の蒸発により乾燥気味となっている。また、カソードガスの供給用枝部流路６Ｂと温度が高い側（図中下方）の排出用枝部流路７Ｂとの間隔Ｃは比較的狭く形成しているため、カソードガスの透過抵抗が小さくガス拡散層４を透過するカソードガスの量も比較的多く、生成水の発生も比較的多い。従って、生成水の蒸発によりガス拡散電極４や電解質膜３が乾燥気味となるのを防止することができる。
【００３２】
以上の作用により、電池反応面の温度が供給用ガス流路６の高温側若しくは低温側のいずれの側に位置するかによって相違するも、温度に対応してガス拡散電極４を通過するカソードガスの量を調整することで、電池反応面の水の分布を均一化することができる。
【００３３】
なお、上記実施形態において、全ての供給用枝部流路６Ｂと全ての排出用枝部流路７Ｂとを、供給用ガス流路６Ａから温度が低い側において間隔Ｃを隔て、温度が高い側において間隔Ｄを隔てるものについて説明しているが、図示しないが、間隔Ｃ同士およびまたは間隔Ｄ同士を温度が低い側から温度が高い側に、図１の実施形態のように、徐々に狭くしてゆくことも可能である。このように構成すると、ガス拡散電極４の全ての領域において、さらに電池反応面の水の分布を均一化することができる。
【００３４】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３５】
（ウ）供給用ガス流路６から排出用ガス流路７へ流れるガスの量を、供給用枝部流路６Ｂと温度が低い側の排出用枝部流路７Ｂとの間隔より温度が高い側の排出用枝部流路７Ｂとの間隔を小さくしたので、供給用枝部流路６Ｂから流れるガスが温度が低い側の排出用枝部流路７Ｂより温度が高い側の排出用枝部流路７Ｂへガスが流れやすくでき、供給用枝部流路６Ｂの両側で電池反応面の水の分布を均一化できる。
【００３６】
図５は、図４に示される第２実施形態の一例の構成なる固体高分子型燃料電池の特性の試験結果を示したグラフである。実験は、水素ガスの利用率を８３％、空気の酸素利用率を６７％とし、セル温度は７０℃、水素ガス加湿温度は５０℃で、空気は加湿していない条件で実施した。
【００３７】
図中の実線図示の特性は、図４において、冷却液を入口マニホールド１２から供給し、出口マニホールド１３から排出した場合であり、点線図示の特性は、逆に、冷却液を出口マニホールド１３から供給し、入口マニホールド１２から排出した場合である。
【００３８】
実線図示の特性と点線図示の特性とは、冷却液を流す方向を変えたのみであるが、その出力特性には大きな差異が生じた。
【００３９】
すなわち、実線図示の特性では、結露・湿潤傾向となる温度が低い部分においては、供給用ガス流路６Ｂと排出用ガス流路７Ｂとの間隔を広げ、通気抵抗を比較的高くすることでガス拡散電極４を通過するカソードガスを少なくして結露・湿潤傾向を緩和し、乾燥傾向となる温度が高い部分においては、供給用ガス流路６Ｂと排出用ガス流路７Ｂとの間隔を狭め、ガス拡散電極４を通過するカソードガスを多くして生成水の発生を促すようにしたのに対して、一方、点線図示の特性では、結露・湿潤傾向となる温度が低い部分においては、供給用ガス流路６Ｂと排出用ガス流路７Ｂとの間隔を狭くしたので、通気抵抗が比較的低くなるためガス拡散電極４を通過するカソードガスが多くなり、湿潤傾向になり、乾燥傾向となる温度が高い部分においては、逆にガス拡散電極４を通過するカソードガスが少なくなり、より乾燥傾向となったためと思われる。
【００４０】
同様の試験を、ガス利用率を小さくした場合と供給する冷却液の温度を高くした場合とで行うと、第２実施形態の構成の燃料電池スタックはあまり大きな性能低下は見られなかったが、冷却液を流す方向を逆にしたものではさらに大きな性能低下を見せた。
【００４１】
なお、上記実施形態において、燃料電池セルの冷却を冷却液流路１１に冷却液を流すことにより行うものについて説明したが、図示しない、冷却水やロングライフクーラント、冷媒や冷却気体を冷却液流路に流すものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す固体高分子型燃料電池のガス流路を示す正面図。
【図２】同じく冷却液流路を示す背面図。
【図３】図１のＡ−Ａ線による部分断面図（Ａ）、および、Ｂ−Ｂ線による部分断面図（Ｂ）。
【図４】本発明の第２実施形態を示す固体高分子型燃料電池のガス流路を示す正面図。
【図５】本発明に係る固体高分子型燃料電池の特性の試験結果を示したグラフ。
【符号の説明】
１　固体高分子型燃料電池
２　膜電解接合体
３　電解質膜
４　ガス拡散電極
５Ａ、５Ｂ　集電セパレータ
６　供給用ガス流路
７　排出用ガス流路
８　ガス流路
９　ガス流路の入口マニホールド
１０　ガス流路の出口マニホールド
１１　冷却剤流路としての冷却液流路
１２　冷却液流路の入口マニホールド
１３　冷却液流路の出口マニホールド
【図１】
2004103456.tif 000003
【図２】
2004103456.tif 000004
【図３】
2004103456.tif 000005
【図４】
2004103456.tif 000006
【図５】
2004103456.tif 000007