(57)【要約】    【課題】  各セル面内に反応ガスを均一に拡散させるガス均一拡散性を向上することが可能であり、発電効率が向上した燃料電池を提供する。    【解決手段】  複数のセル２０を積層してなるスタック１と、スタック１のセル積層方向に貫通形成された多数の水素供給路３１及び空気供給路３２と、を備え、多数の水素供給路３１及び空気供給路３２が、セル面内において略均一に各々分散されてなる燃料電池である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを積層してなるスタックと、当該スタックのセル積層方向に貫通形成された多数の反応ガス供給路と、を備え、
前記多数の反応ガス供給路は、セル面内において略均一に分散されてなる燃料電池。
【請求項２】
前記セルは多孔体層を備え、前記多数の反応ガス供給路を流通する反応ガスは、前記多孔体層を介して、前記セル面内に略均一に分散される請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セルは、電解質膜を挟んだ両側に形成された電極に反応ガスを拡散させて供給する拡散層を備え、前記多孔体層は、当該両拡散層の外側に各々積層されてなる請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記前記多孔体層は、前記拡散層よりも低密度である請求項２または請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記スタックのセル積層方向端部に、反応ガスを整流する整流室が形成されてなる請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記積層されるセル同士の間と、セル積層方向両端に配設されるセルの外面に、前記反応ガスの流れを遮断すると共に、セルを冷却可能な冷却層が配設されてなる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記スタックの積層方向に沿った少なくとも片側に冷却通路を形成してなる請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池にかかり、特に、スタックの積層方向に、複数の反応ガス供給路が貫通形成されてなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に配置された燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」と記すことがある）を備え、前記燃料極の外側に、該燃料極に燃料ガス（水素）を拡散して供給する拡散層を配設し、前記酸化剤極の外側に、該酸化剤極に酸化ガス（酸素、通常は空気）を拡散して供給する拡散層を配設し、さらに、前記両拡散層の外側に、これらの拡散層に燃料ガス及び酸化ガスを各々供給するための反応ガス供給路を形成するセパレータを配設してなるセルを構成し、このセルを複数積層してモジュールとしているものがある。
【０００３】
このような燃料電池では、通常、水素及び空気の供給経路は、セルの外周近傍に各々１または２カ所程度設置されている。また、水素及び空気の供給経路をセルの中央部に、各々１または２カ所程度設置した燃料電池もある。そして、燃料電池の各々のセルには、水素及び空気が、各々のセパレータに形成された反応ガス供給路を介して供給される。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような従来の燃料電池では、水素及び空気の供給経路から、各セルのカーボンや金属製のセパレータに形成された反応ガス供給路を介して供給され、カーボンクロスやカーボンペーパー製の拡散層を通過して電解質膜の両側に形成された燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）に水素及び空気（酸素）が供給されて発電が行われる。
【０００５】
また、近年では、スタックの積層方向に、反応ガス供給路が複数貫通されてなる燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−２１７６１５号公報
【特許文献２】特開平５−４１２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている燃料電池は、各セル内に形成されている反応ガス供給路に折り返し等があるため、反応ガス供給路が長くなり、また、断面積も小さいため、反応ガスの流れが不均一となる傾向にある。このため、セル面内に反応ガスを充分に均一に拡散させる（供給する）ことが困難であり、セル内の各部位毎の出力が不均一になる虞がある。したがって、セルの発電効率が低下してしまう可能性がある。また、高電流領域では、反応ガス供給路がフラッディングして反応ガス供給路を塞ぎ、発電効率をさらに低下させることも考えられる。この結果、複数のセルを積層してスタック化した燃料電池の出力が低下する虞がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載されている燃料電池は、各マニホルドを複数の貫通孔により構成することで各貫通孔を細くして、貫通孔間の隔壁を広くとることにより機械的強度を増すことを目的としたものであり、反応ガスをセル面内に均一に供給することについては、言及されておらず、セル面内に反応ガスを充分に均一に拡散させることが困難となる虞もある。
【０００８】
本発明は、このような従来の燃料電池を改良することを課題とするものであり、各セル面内に反応ガスを均一に拡散させるガス均一拡散性を向上することが可能であり、発電効率が向上した燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達するため本発明は、複数のセルを積層してなるスタックと、当該スタックのセル積層方向に貫通形成された多数の反応ガス供給路と、を備え、前記多数の反応ガス供給路が、セル面内において略均一に分散されてなる燃料電池を提供するものである。
【００１０】
この構成を備えた燃料電池は、多数の反応ガス供給路が、セル面内において略均一に分散されているため、各セル面内に反応ガスを均一に拡散させることができる。また、従来のように、セパレータに形成された溝型の反応ガス供給路を設ける必要ないため、スタックの接触抵抗を低減させることができる。
【００１１】
また、前記セルは多孔体層を備え、前記多数の反応ガス供給路を流通する反応ガスは、前記多孔体層を介して、前記セル面内に略均一に分散させることができる。このように構成することで、各セル面内に反応ガスをさらに均一に拡散させることができる。
【００１２】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、電解質膜を挟んだ両側に形成された電極に反応ガスを拡散させて供給する拡散層を備え、前記多孔体層を、当該両拡散層の外側に各々積層した構成とすることもできる。
【００１３】
さらにまた、前記多孔体層は、前記拡散層よりも低密度となるよう構成することができる。このように構成することで、各セル面内の水平方向（セル積層方向に対し略垂直な方向）により一層均一に反応ガスを拡散させることができる。また、前記多孔体層を導電性が高い材料で構成することにより、セル内の抵抗を低減させることができる。
【００１４】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、前記スタックのセル積層方向端部に、反応ガスを整流する整流室を形成することができる。このように整流室を形成することで、前記利点に加え、反応ガスの流れをより均一にすることができる。
【００１５】
また、本発明にかかる燃料電池は、前記積層されるセル同士の間と、セル積層方向両端に配設されるセルの外面に、前記反応ガスの流れを遮断すると共に、セルを冷却可能な冷却層を配設することもできる。このように冷却層を配設することで、発電によって発生する熱をさらに効率よく冷却することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池は、前記スタックの積層方向に沿った少なくとも片側に冷却通路を形成することもできる。このように冷却通路を形成して、これらに冷媒を通過させることで、発電によって発生する熱を、より一層効率よく冷却することができる。
【００１７】
なお、本発明では、電解質膜を挟んだ両面に配設された層（例えば触媒層）を電極と定義し、拡散層は、この電極に反応ガスを拡散して供給するための層と定義する。したがって、本発明でいうＭＥＡとは、電解質膜と、電解質膜を挟んだ両面に配設された層から構成され、拡散層を含まないものとする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる燃料電池は、各セル面内に反応ガスを均一に拡散させることができると共に、セパレータに形成される溝型の反応ガス供給路を設ける必要ない。したがって、発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池の構成要素であるスタックの、図２に示すＩ−Ｉ線に沿った断面図、図２は、図１に示すII−II線に沿った断面図、図３は、図１に示すスタックの一部を拡大して示す断面図である（但し、図２のIII−III線に沿った断面図）、図４は、図３に示すIV−IV線に沿った断面図である。
【００２１】
図１〜図４に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池の構成要素であるスタック１は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面（図１及び図３でいう上側）に形成されたアノード電極（燃料極）１２と、電解質膜１１の他方の面（図１及び図３でいう下側）に形成されたカソード電極（酸化剤極）１３と、からなるＭＥＡ１５を備えている。なお、本実施の形態では、アノード電極１２及びカソード電極１３を、白金を担持したカーボンから構成した。
【００２２】
アノード電極１２の外側（図１及び図３でいう上側）には、アノード電極１２に反応ガスとしての水素を拡散して供給するためのアノード側拡散層１７が配設されている。また、カソード電極１３の外側（図１及び図３でいう下側）には、カソード電極１３に反応ガスとしての空気を供給するためのカソード側拡散層１８が配設されている。なお、本実施の形態では、アノード側拡散層１７及びカソード側拡散層１８を、密度が高い多孔体から構成した。さらに具体的には、例えば、フッ素樹脂等の撥水材が含浸されたカーボンペーパーやカーボンクロス等から構成した。
【００２３】
さらに、アノード側拡散層１７及びカソード側拡散層１８の外側には、これらの拡散層１７及び１８よりも密度が低いアノード側多孔体層２１及びカソード側多孔体層２２が各々配設されている。このように、アノード側多孔体層２１及びカソード側多孔体層２２の密度が、アノード側拡散層１７及びカソード側拡散層１８の密度よりも低いため、各セル面内の水平方向（セル積層方向に対し略垂直な方向）に、水素及び空気をより一層均一に拡散させることができる。このアノード側多孔体層２１及びカソード側多孔体層２２は、アノード側拡散層１７及びカソード側拡散層１８に、それぞれ水素及び空気を均一に分散させて供給するための層である。
【００２４】
なお、本実施の形態では、アノード側多孔体層２１及びカソード側多孔体層２２を導電性の高いカーボンから構成した。このように構成することにより、セル内の抵抗をさらに低減させることができる。
【００２５】
そして、ＭＥＡ１５、アノード側拡散層１７及びカソード側拡散層１８、アノード側多孔体層２１及びカソード側多孔体層２２により、単セル２０が構成されている。そして、この単セル２０を複数積層してモジュール１０が構成されるが、積層された単セル２０同士の間と、セル積層方向両端に配設される単セル２０の外面には、水素及び空気の流れを遮断すると共に、各々の単セル２０を効率よく冷却するための冷却層２３が配設されている。
【００２６】
この冷却層２３は、特に図３に示すように、２枚の金属板２４及び２５（例えば、ステンレスやアルミニウム等の板）の間にフィン２６を形成し、冷媒（例えば、冷却空気や冷却水等）を流すことによって、各々の単セル２０を効率よく冷却する構成となっている。また、冷却層２３と、アノード側多孔体層２１及びカソード側多孔体層２２との接触部分に、例えば、フッ素樹脂等の撥水層（図示せず）を設けることによって、金属板２４及び２５の腐食を効果的に防止することもできる。
【００２７】
モジュール１０には、水素供給路３１と、空気供給路３２が、セル積層方向に、略均一に多数貫通形成されている。水素供給路３１は、アノード側多孔体層２１に水素を均一に供給するための通路であり、特に図３及び図４に示すように、アノード側多孔体層２１と冷却層２３以外の領域（すなわち、アノード側拡散層１７、ＭＥＡ１５、カソード側拡散層１８及びカソード側多孔体層２２からなる積層部分）には、水素が直接供給されないように、円筒状のパッキンシール３３が設けられている。同様に、空気供給路３２は、カソード側多孔体層２２に空気を均一に供給するための通路であり、特に図３及び図４に示すように、カソード側多孔体層２２と冷却層２３以外の領域には、空気が直接供給されないように、円筒状のパッキンシール３４が設けられている。なお、本実施の形態では、円筒状のパッキンシール３３及び３４として、ゴム製あるいは樹脂製のパッキンを用いた。
【００２８】
水素供給路３１及び空気供給路３２は、両者がほぼ等距離となるように、互い違いに配置され、例えば、パッキンシール３３及び３４のピッチをａ（図４参照）、外径をｂ（図４参照）とし、ａ／ｂ＝５／１とすると、単セル２０に占める水素供給路３１及び空気供給路３２の比率は、５％程度ですみ、発電のために有効に使える面積を充分に確保することができる。また、水素供給路３１及び空気供給路３２は、いわゆる毛細血管のように、セル面内において略均一に分散されているため、アノード側多孔体層２１に水素を、カソード側多孔体層２２に空気を各々均一に拡散させることができる。また、従来のように、セパレータに形成された溝型の水素供給路や、空気供給路を設ける必要ないため、接触抵抗を低減させることもでき、抵抗損失が少なくなる。したがって、燃料電池の出力及び発電効率を大幅に向上させることができる。
【００２９】
また、各単セル２０の外周部は、樹脂等でシールされた構造（図示せず）となっており、積層された多数の単セル２０及び冷却層２３からなるモジュール１０の四隅が、ボルト４０（図２参照）によって直列に締結されている。このモジュール１０のセル積層方向に沿った一側面には、冷媒（例えば、冷却空気や冷却水等）を通過させてモジュール１０を効率よく冷却する冷媒供給路３６が配設されている。また、モジュール１０のセル積層方向に沿った反対側の側面には、冷媒を外部に排出するための冷媒排出路３７が配設されている。
【００３０】
また、モジュール１０の積層方向の一端（図１でいう上端）には、各々の水素供給路３１に連通し、これらの水素供給路３１に水素を効率よく供給するための水素整流室３８が配設されている。そしたまた、モジュール１０の積層方向の他端（図１でいう下端）には、各々の空気供給路３２に連通し、これらの空気供給路３２に空気を効率よく供給するための空気整流室３９が配設されている。
【００３１】
この構成を備えた燃料電池が発電する際には、先ず、セル面内において略均一に多数形成された水素供給路３１に、水素整流室３８から水素がそれぞれ供給され、この水素がアノード側多孔体層２１に均一に拡散して供給される。次に、アノード側多孔体層２１に供給された水素は、ここでさらに水平方向に均一に分散されて、アノード側拡散層１７に供給される。
【００３２】
これと同時に、セル面内において略均一に多数形成された酸素供給路３２に、空気整流室３９から空気がそれぞれ供給され、この空気がカソード側多孔体層２２に均一に拡散して供給される。次に、カソード側多孔体層２２に供給された空気は、ここでさらに水平方向に均一に分散されて、カソード側拡散層１８に供給される。
【００３３】
このように、アノード側拡散層１７に水素が均一に拡散された状態で供給され、カソード側拡散層１８に空気が均一に拡散された状態で供給されると、各単セル２０で、以下の電気化学反応が効率よく行われる。すなわち、
アノード電極１２側では、    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード電極１３側では、    （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、    Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  
【００３４】
この時、冷却層２３及び、冷媒供給路３６及び冷媒排出路３７を通過する冷媒により、モジュール１０が冷却され、燃料電池の発電によって発生する熱が排熱される。
【００３５】
なお、本実施の形態で説明した、水素供給路３１と空気供給路３２の直径（パッキンシール３３及び３４の外径）や、水素供給路３１と空気供給路３２の配設ピッチ等は、一例であり、これに限定されるものではなく、所望により決定することができる。また、水素供給路３１と空気供給路３２の配設数は、多数（少なくとも３つ以上）配設されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池の構成要素であるスタックの、図２に示すＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図２】図１に示すII−II線に沿った断面図である。
【図３】図１に示すスタックの一部を拡大して示す断面図（但し、図２のIII−III線に沿った断面図）である。
【図４】図３に示すIV−IV線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    スタック
１０    モジュール
１１    電解質膜
１２    アノード電極
１３    カソード電極
１５    ＭＥＡ
１７    アノード側拡散層
１８    カソード側拡散層
２１    アノード側多孔体層
２２    カソード側多孔体層
２３    冷却層
３１    水素供給路
３２    空気供給路
３６    冷媒供給路
３７    冷媒排出路
３８    水素整流室
３９    空気整流室
【図１】
2005251432.tif 000003
【図２】
2005251432.tif 000004
【図３】
2005251432.tif 000005
【図４】
2005251432.tif 000006