(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側に配置されるカソード及びアノードと、を備えるＭＥＡの両側に、一対のセパレータを配設してセルを構成し、
前記カソード側に配設されている前記セパレータに多孔質材料で形成した多孔質部と前記多孔質部以外の部位である非多孔質部とを設け、該多孔質部が前記カソードと対向する面に前記多孔質部と前記非多孔質部とに連通する第１ガス流路を設けるとともに、他方の面の前記多孔質部に第２ガス流路を設け、
前記第２ガス流路の下流部と前記第１ガス流路の上流部とが通じている燃料電池であって、
前記多孔質部を通過した前記第１ガス流路内のガスに含まれる水分を、前記第１ガス流路が形成されている前記面内にて捕集するとともに、捕集した前記水分を前記多孔質部へと供給する、捕集手段を有し、
燃料電池の使用時において、前記多孔質部が前記セルの重力方向下方に配置されるとともに、
前記捕集手段が、前記セパレータの前記第１ガス流路に備えられるガス流路Ａであり、
前記ガス流路Ａは、前記多孔質部から重力方向上方へと流れるべきガスの流路であることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記第１ガス流路が、さらに、重力方向上方から前記多孔質部へと流れるべきガスの流路Ｂを備え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】
前記ガス流路Ａに、ガスの流速を低下させる流速低下手段が備えられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流速低下手段が、前記ガス流路Ｂの流路よりも広幅の流路を有する前記ガス流路Ａであることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、セル内の余剰水を効果的に利用し得る燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン導電性膜として使用するものである。この導電性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能している。そして、この電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。
【０００３】
ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディング状態が発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。この電圧低下は、ＰＥＦＣの効率の低下に繋がるため、ＰＥＦＣの高いエネルギー変換効率を維持するためには、フラッディング現象を抑制することが重要である。
【０００４】
フラッディング現象を抑制するとともに、ＰＥＦＣの効率を高めることを目的とした技術が、これまでにいくつか提案されてきている。例えば、特許文献１には、多孔質部を部分的に含むセパレータを使用し、この多孔質部を重力方向下方であり、かつ、酸化ガス流路出口近傍に設けることで、水分、酸素、及び水素を、燃料電池の反応領域へ均一に供給する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１０９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されている技術によれば、重力により下方に滞留した水分が多孔質部を通って乾燥空気側へと添加される前に、燃料電池のセル外へ排出されてしまうという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、酸化ガスをセル内の余剰水により効果的に加湿することが可能であるとともに、セル内の排水性を向上させることによりフラッディングを抑制することが可能な、燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質と、電解質の両側に配置されるカソード及びアノードと、を備えるＭＥＡの両側に、一対のセパレータを配設してセルを構成し、カソード側に配設されているセパレータに多孔質材料で形成した多孔質部と該多孔質部以外の部位である非多孔質部とを設け、該多孔質部がカソードと対向する面に多孔質部と非多孔質部とに連通する第１ガス流路を設けるとともに、他方の面の多孔質部に第２ガス流路を設け、第２ガス流路の下流部と第１ガス流路の上流部とが通じている燃料電池であって、多孔質部を通過した第１ガス流路内のガスに含まれる水分を、第１ガス流路が形成されている面内にて捕集するとともに、捕集した水分を多孔質部へと供給する、捕集手段を有し、燃料電池の使用時において、多孔質部がセルの重力方向下方に配置されるとともに、捕集手段が、セパレータの第１ガス流路に備えられるガス流路Ａであり、ガス流路Ａは、多孔質部から重力方向上方へと流れるべきガスの流路であることを特徴とする、燃料電池である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、第１ガス流路が、さらに、重力方向上方から多孔質部へと流れるべきガスの流路Ｂを備えることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、ガス流路Ａに、ガスの流速を低下させる流速低下手段が備えられていることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池において、流速低下手段が、ガス流路Ｂの流路よりも広幅の流路を有するガス流路Ａであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、多孔質部へと供給される水分が、多孔質部を介して第２ガス流路内の酸化ガスを加湿し、この加湿された酸化ガスにより、第１ガス流路内の酸化ガスを加湿できる。したがって、本発明によれば、酸化ガスをセル内の余剰水により効果的に加湿することが可能な、燃料電池を提供できる。また、請求項１に記載の発明によれば、多孔質部を通過した第１ガス流路内の酸化ガスに含まれる水分が、重力によって、重力方向下方に位置する多孔質部に溜まりやすくなる。そのため、酸化ガスを余剰水により効果的に加湿することが可能になり、かつ、セル内の排水性を向上させることによりフラッディングを抑制することが可能な、燃料電池を提供できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、セル内の電気化学反応により生成された水分を、ガス流路Ｂ内におけるガスの流れ及び重力により、重力方向下方に配置された多孔質部へと効果的に運ぶことが可能になるため、セル内の排水性をより一層向上させた燃料電池を提供できる。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、セル外へと持ち出される水分量を低減することが可能になるため、セル内における余剰水の利用効率を向上させた燃料電池を提供できる。
【００１１】
請求項４に記載の発明によれば、セル内における水の利用効率を向上させた燃料電池を容易に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の燃料電池は、電解質と、電解質の両側に配置されるカソード及びアノードと、を備えるＭＥＡの両側に、一対のセパレータを配設してセルを構成し、カソード側に配設されているセパレータの一部に多孔質材料で形成した多孔質部を設け、該多孔質部がカソードと対向する面に第１ガス流路を設けるとともに、他方の面に第２ガス流路を設け、第２ガス流路の下流部と第１ガス流路の上流部とが通じている。本発明では、酸化ガス中に含まれる水分を多孔質部に滞留させ、当該多孔質部から、乾燥した酸化ガスが供給される第２ガス流路を介して第１ガス流路の上流部へと水分を移動させることにより、第１ガス流路へと供給される酸化ガスを加湿する。かかる構成とすることにより、燃料電池の酸化ガスを、セル（以下において、燃料電池内において電気化学反応が起こる部位を含む、一対のセパレータにより挟まれる部位を「セル」と記述し、当該セルを、「燃料電池」と記載することがある。）内の余剰水により効果的に加湿することが可能であり、かつ、セル内における排水性を向上させることが可能な燃料電池とすることができる。
【００１４】
図１に、本発明の燃料電池の断面図を概略的に示す。本発明の燃料電池１００は、電解質膜１と、当該膜１の両側に配置されるカソード２及びアノード３と、を含むＭＥＡ５、並びに、ＭＥＡ５の両側に配置される一対のセパレータ１０、２０を有している。カソード２側に配設されているセパレータ１０は、その一部が多孔質部３０により形成されている。セパレータ１０のカソード２と対向する面１１には第１ガス流路１５が形成されるとともに、面１１の裏側の面１２には、多孔質部３０にあっては第２ガス流路１６、１６が、多孔質部３０以外の部位（以下において、「非多孔質部３１」と記述する。）にあっては冷却水流路１７、１７、１７が形成されている。そして、第２ガス流路１６、１６の下流部と第１ガス流路１５の上流部とは通じている。非多孔質部３１における第１ガス流路１５は、重力方向と平行な方向に形成されている一方で、多孔質部３０における流路１５は、後述するように、重力方向に流れるガス流路Ｂの流れを反重力方向に流れるガス流路Ａの流れの方向に変換する。
なお、図１において、紙面の左右方向がＭＥＡの面の法線方向であるとともに、紙面の上から下への方向が、重力方向である。
燃料電池の使用時には、かかる構成の燃料電池１００を、多孔質部３０が重力方向下方となるように配置することで、第１ガス流路１５内を流れる酸化ガス中に含まれる水分を、重力方向下方に配置される多孔質部３０へと捕集しやすくなる。燃料電池１００において、多孔質部３０に捕集された水分は、面１２側に形成されている第２ガス流路１６、１６へと移動して当該流路１６、１６内を流れる酸化ガスを加湿し、この加湿された酸化ガスが流路１５の上流部へと移動することで、流路１５内の酸化ガスを加湿することができる。
【００１５】
図２に、本発明の燃料電池１００におけるセパレータ１０を、面１１側から見た正面図を概略的に示す。図２において、紙面に垂直な方向がＭＥＡの面の法線方向であるとともに、紙面の上から下への方向が、重力方向である。
セパレータ１０の面１１には、重力方向上方から下方へと流れるべきガスの流路Ｂと、多孔質部３０において重力方向に流れるガス流路Ｂの流れを反重力方向に流れるガス流路Ａの流れの方向に変換する流路１４と、重力方向下方から上方へと流れるべきガスの流路Ａとが形成され、これらのガス流路Ｂ、流路１４、及び、ガス流路Ａにより、Ｕ字形の流路形状を有する第１ガス流路１５が構成される。ここで、第１ガス流路１５を流れるガスは、酸化ガス流路入口１８より流路１５へと導入され、流路Ｂ、流路１４、及び流路Ａを経た後、ガスは、酸化ガス流路出口１９からセル外へと導かれる。なお、図２における第１ガス流路１５内の矢印は、当該流路１５内におけるガスの流れ方向を表している。
本発明の燃料電池１００は、第１ガス流路１５をかかる形態とすることで、後述するように、セル内において生成された余剰水を効果的に活用することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池における第１ガス流路１５に関する説明を容易にするため、従来の燃料電池のセパレータに形成される一般的な流路を、図３に概略的に示す。
従来の燃料電池では、図３に示すいわゆるサーペンタイン型の流路が、一般的に使用されている。ところが、このように複数の曲部を有する流路をセパレータに形成すると、流路の曲部において酸化ガスのよどみ点が生じる。そのため、セル内の反応において当該部位に生成された水は、酸化ガスにより持ち去られ難く、特に、酸化ガスが低流速である場合には、排水性が低下する。そのため、当該曲部に水溜り５０、５０、５０、５０、５０が発生し、燃料電池の性能低下を引き起こすという問題があった。
また、従来の燃料電池では、セル内において生成された余剰水を、酸化ガス加湿用として効果的に活用できておらず、セル内の電解質膜を湿潤させるために、加湿器を用いて酸化ガスを加湿する必要があった。
【００１７】
そこで、本発明の燃料電池は、図２に示すように、第１のガス流路１５の曲部を、２箇所のみとする。かかる形態とすることにより、上記よどみ点の発生を低減することが可能になる。また、本発明では、当該曲部が位置する部位を、多孔質部３０により構成する。かかる形態とすることにより、よどみ点が位置する多孔質部３０において強制的に水溜りを発生させることができる。さらに、本発明では、多孔質部３０を重力方向下方に配置することにより、流路Ａ及びＢの方向を重力方向と平行な方向にすることができるため、重力により、これらの流路内のガスに含まれる水分を当該多孔質部３０において捕集することが容易になり、流路１５内のガスが低流速であっても、流路１５内の排水性を向上させることができる。
このようにして多孔質部３０に水を捕集すれば、当該多孔質部３０を介して、面１１側の余剰水を面１１の裏側へと移動させることができる。そして、当該面１１の裏側に形成されている第２ガス流路は、その下流部が第１ガス流路の上流部と通じているため、第２ガス流路へと移動された水分が当該流路内の酸化ガスを加湿し、この加湿された酸化ガスが、第１ガス流路１５の上流部において、流路１５へと供給される酸化ガスを加湿する。したがって、本発明の燃料電池における第１ガス流路１５を図２のような形態とすることにより、セル内において生成された余剰水を効果的に活用して酸化ガスを加湿することができるため、従来の燃料電池において必要とされていた加湿器を小型化、もしくは不要にすることができるという利点を得ることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池１００は、第１ガス流路１５のガス流路Ａに、ガス流速低下手段が備えられていることが好ましい。かかる手段を備えることにより、第１ガス流路内の酸化ガスがセル内の余剰水をセル外へと持ち去ることを抑制することが可能になるため、セル内における余剰水の利用効率を向上させることができる。本発明の燃料電池１００では、余剰水の利用効率が向上すれば、第１ガス流路へと導入される酸化ガスをより効率的に加湿することが可能になり、ひいては燃料電池セルの発電効率を向上させることが可能になる。
さらに、上記ガス流路Ａの流路幅を、第１ガス流路１５におけるガス流路Ｂの流路幅よりも広くすることにより、ガス流路Ａにおけるガス流速を低下させることが好ましい。本発明の燃料電池１００をかかる形態とすることにより、簡便な方法で、ガス流速低下手段を設けることが可能になる。なお、当該ガス流路Ａの流路幅は、特定の流路幅に固定されていてもよいが、流路幅を変更することが可能な流路壁を備えるガス流路Ａとすることが、さらに好ましい。ガス流路Ａをかかる形態とすることにより、当該流路Ａ内のガス流速に応じて流路Ａの流路幅を適宜変更することが可能になり、流路Ａ内の酸化ガスによる余剰水の持ち去りをより効果的に抑制することで、酸化ガスをより一層効果的に加湿することが可能になる。
【００１９】
本発明の燃料電池１００において、少なくとも上記第１ガス流路１５及び第２ガス流路１６の一部に備えられる多孔質部３０は、流路１５から流路１６へと水を通すことが可能であれば、その材質は特に限定されるものではないが、水を流路１５内のガスよりも早く流路１６側へ移動させることができる部材であることが好ましい。例えば、当該部材として、１μｍ〜２μｍ程度の気孔径の気孔からなる多孔質部材を用いることで、毛細管現象により、流路１５から流路１６側へと水を移動可能な多孔質部とすることができる。かかる形態とすることにより、多孔質部３０の気孔が水により塞がれると、流路１５内のガスは流路１６側へと移動することが困難になるため、水を流路１５内のガスよりも早く流路１６側へ移動させることが可能な多孔質部材３０とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の燃料電池を概略的に示す図である。
【図２】本発明の燃料電池におけるセパレータを概略的に示す図である。
【図３】従来の燃料電池におけるセパレータを概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  電解質膜
２  カソード
３  アノード
５  ＭＥＡ
１０、２０  セパレータ
１１  カソードと対向する面
１２  カソードと対向する面の裏面
１５  第１ガス流路
１６  第２ガス流路
３０  多孔質部
１００  セル（燃料電池）
【図１】
0004742513.tif 000002
【図２】
0004742513.tif 000003
【図３】
0004742513.tif 000004