(57)【要約】      （修正有）【課題】  冷却水通路や空気通路等の設計の自由度を確保しつつ、簡易な構成で空気通路における水分分布の均一化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池を構成するセル１０は、ＭＥＡと、ＭＥＡと接するように配置されたセパレータ１２とを備えている。セパレータ１２には、ＭＥＡと接する側に酸化ガスが通過する酸化ガス通路２０が設けられているとともに、酸化ガス通路２０よりＭＥＡから遠い側に冷却媒体が通過する冷却媒体通路２２が設けられており、セパレータ１２における酸化ガス通路２０の下流部２０ｃに対応する部位に、酸化ガス通路２０と冷却媒体通路２２との間に熱抵抗手段１２ａを設ける。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池であって、
前記セル（１０）は、電解質膜の両側に一対の電極が配置されたＭＥＡ（１１）と、前記ＭＥＡ（１１）に接するように配置されたセパレータ（１２）とを備えており、
前記セパレータ（１２）には、前記ＭＥＡ（１１）と接する側に前記酸化ガスが通過する酸化ガス通路（２０）が設けられているとともに、前記酸化ガス通路（２０）より前記ＭＥＡ（１１）から遠い側に冷却媒体が通過する冷却媒体通路（２２）が設けられており、
前記セパレータ（１２）には、前記酸化ガス通路（２０）の下流部（２０ｃ）に対応する部位において、前記酸化ガス通路（２０）と前記冷却媒体通路（２２）との間に熱抵抗手段（１２ａ、１３）が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記熱抵抗手段は、空気層（１）を含んで構成されてい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】
前記熱抵抗手段は、前記冷却媒体通路（２２）における前記酸化ガス通路（２０）側の表面に施された撥水処理を含んで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記熱抵抗手段は、前記冷却媒体通路（２２）における前記酸化ガス通路（２０）側の表面に設けられた前記セパレータ（１２）より熱伝導率の低い材料（１３）を含んで構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、電気化学反応による生成水が燃料電池内部の空気極側で発生する。このような生成水は、空気通路出口側で水分が過剰となりやすい。このように水分が過剰になった場合、電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、燃料電池の出力が低下する。一方、空気通路入口側では水分が不足しやすく、水分が不足した場合には電解質膜が乾燥して電池の出力が低下する。したがって、燃料電池内の水分量を適正に保つ必要がある。
【０００３】
このような問題を解決するために、空気通路入口側から空気通路出口側に向かってセル面内温度分布を高くして空気通路出口側の飽和蒸気圧を高くし、空気通路出口側の水分を排出しやすくする燃料電池の運転方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、空気通路入口側と水素通路出口側とを対応させ、空気通路出口側と水素通路入口側とを対応させ、空気通路と水素通路それぞれにおける水分分布を均一化する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１１１２３０号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、セル面内温度分布を形成するために冷却媒体の温度と流量を制御する必要があり、構成が複雑となる。また、冷却媒体の温度・流量制御によりセル面内の温度分布を形成する場合、温度分布を狙い通りに形成することが難しく、さらに冷却水通路の設計の自由度が小さくなる。上記特許文献２に記載の燃料電池においても、空気通路と水素通路の設計の自由度が制限される。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、冷却水通路や空気通路等の設計の自由度を確保しつつ、簡易な構成で空気通路における水分分布の均一化が可能な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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０）が複数積層された燃料電池であって、セル（１０）は、ＭＥＡ（１１）と、ＭＥＡ（１１）と接するように配置されたセパレータ（１２）とを備えており、セパレータ（１２）には、ＭＥＡ（１１）と接する側に酸化ガスが通過する酸化ガス通路（２０）が設けられているとともに、酸化ガス通路（２０）よりＭＥＡ（１１）から遠い側に冷却媒体が通過する冷却媒体通路（２２）が設けられており、セパレータ（１２）には、酸化ガス通路（２０）の下流部（２０ｃ）に対応する部位において、酸化ガス通路（２０）と冷却媒体通路（２２）との間に熱抵抗手段（１２ａ、１３）が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
ＭＥＡ（１１）では、電気化学反応に伴い発熱するが、酸化ガス通路（２０）の下流部（２０ｃ）に対応する部位において、酸化ガス通路（２０）と冷却媒体通路（２２）との間に熱抵抗手段（１２ａ）を設けることにより、この部位では空気通路（２０）の上流部より温度が高くなり、セル面内に確実に温度分布を形成することができる。このため、空気通路下流部（２０ｃ）では空気の飽和蒸気圧が上昇するため、空気に含まれて排出される水分の量が多くなる。一方、空気通路（２０）の上流部では相対的に温度が低くなっているため、空気の飽和蒸気圧が低くなる。このため、空気に含まれて排出される水分の量が少なくなる。これにより、熱抵抗手段を設けるだけの簡易な構成で、冷却水通路や空気通路等の設計の自由度を確保しつつ、空気通路（２０）における水分分布を均一化することができる。
【０００８】
具体的には、熱抵抗手段は、請求項２に記載の発明のように、空気層（１）を含むものとすることができ、請求項３に記載の発明のように、冷却媒体通路（２２）における酸化ガス通路（２０）側の表面に施された撥水処理を含むものとすることができ、あるいは請求項４に記載の発明のように、冷却媒体通路（２２）における酸化ガス通路（２０）側の表面に設けられたセパレータ（１２）より熱伝導率の低い材料（１３）を含むものとすることができる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した一実施形態の燃料電池について図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態の燃料電池１００の構成を示す概念図であり、図１（ａ）は燃料電池１００の斜視図、図１（ｂ）は単セル１０の分解斜視図を示している。
【００１１】
本第１実施形態では、燃料電池１００として固体高分子電解質膜型の燃料電池を用いている。図１（ａ）に示すように、燃料電池１００は基本単位となる単セル１０が複数積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１００では、水素と酸素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極）２Ｈ+＋１／２Ｏ2  ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１００の内部には、各セル１０に空気を供給するための空気通路、各セル１０に水素を供給するための水素通路、各セル１０に冷却水を供給するための冷却水通路がそれぞれ形成されている（図示せず）。図１（ａ）に示すように、燃料電池１００の一方の側面には、空気通路入口部１０１ａと空気通路出口部１０１ｂ、水素通路入口部１０２ａと水素通路出口部１０２ｂ、冷却水通路入口部１０３ａと冷却水通路出口部１０３ｂがそれぞれ形成されている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００１２】
図示しない空気供給装置から燃料電池１００内に空気が供給され、図示しない水素供給装置から燃料電池１００内に水素が供給される。さらに図示しない冷却システムから燃料電池１００に冷却媒体としての冷却水が供給される。なお、本例では冷却水として一般的な不凍液冷却水（ＬＬＣ）を用いている。
【００１３】
空気は空気通路入口部１０１ａから燃料電池１００内に流入し、各セル１０を積層方向に貫通するとともに各セル１０の内部を通過した後、空気通路入口部１０１ａから流出する。同様に、水素は水素通路入口部１０２ａから燃料電池１００内に流入し、各セル１０を積層方向に貫通するとともに各セル１０の内部を通過した後、水素通路入口部１０２ａから流出する。さらに同様に、冷却水は冷却水通路入口部１０３ａから燃料電池１００内に流入し、各セル１０を積層方向に貫通するとともに各セル１０の内部を通過した後、冷却水通路入口部１０３ａから流出する。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、単セル１０はＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極複合体）１１とこれを両側から挟み込むセパレータ１２とから構成されている。ＭＥＡ１１は、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は酸素が供給される酸素極（正極）として構成され、他方の電極は水素が供給される水素極（負極）として構成されている。これらの電極には図示しない負荷が接続されており、燃料電池１００にて発生した電力は負荷に供給される。
【００１５】
セパレータ１２は、ガスが透過しない導電性部材（例えばカーボン材）にて形成されている。セパレータ１２には、空気通路入口部２０ａと空気通路出口部２０ｂ、水素通路入口部２１ａと水素通路出口部２１ｂ、冷却水通路入口部２２ａと冷却水通路出口部２２ｂがそれぞれ形成されている。
【００１６】
図２はセル１０内部の構成を示す概念図であり、図２（ａ）は空気通路２０の構成を示し、図２（ｂ）は冷却水通路２２の構成を示している。
【００１７】
セル１０内部において、セパレータ１２のＭＥＡ１１と接する面には溝（図示せず）が形成され、ガス通路を構成している。セパレータ１２の酸素極と接する側には空気が通過する空気通路２０が形成され（図２（ａ））、水素極と接する側には水素が通過する水素通路が形成されている（図示せず）。また、セパレータ１２内部には、冷却水が通過する冷却水通路２２が形成されている（図２（ｂ））。なお、空気通路２０は本発明の酸化ガス通路に相当し、冷却水通路２２は本発明の冷却媒体通路に相当する。
【００１８】
燃料電池１００では、水素および酸素が供給されることで上記電気化学反応が起こり、酸素極側で生成水が発生し、余剰な水が空気通路２０に残留する。この残留水は、空気通路上流から下流に向かい、空気の蒸気圧が飽和となり下流で凝縮水が生成されるため発生する。ここで、空気通路下流部２０とは、空気通路２０の中央付近から空気通路出口部２０ｂに至る領域を示すものとする。
【００１９】
図３は図２のＡ−Ａ断面図であり、空気通路２０の下流部２０ｃにおけるセル１０の断面構成を示している。図３ではＭＥＡ１１の空気極側のみを示している。図３に示すように、セパレータ１２における空気通路２０の下流部２０ａには、冷却水通路２２に近い側に熱抵抗手段としての空気層１２ａが形成されている。空気層１２ａは、セパレータ１２内部に溝あるいは空洞を設けることで形成されている。熱抵抗手段は、空気通路２０と冷却水通路２２との間に設けられていればよく、空気通路２０からできるだけ近づけて設けられることが望ましい。
【００２０】
ここで、セパレータ１２（＝ガス）の温度は、ＭＥＡ１１からセパレータ１２に伝わる熱量とセパレータ１２から空気層１２ａを通って冷却水に伝わる熱量との差によって決まる。なお、熱量は両方の温度差に比例する（例えば、セパレータ１２と空気層１２ａとの温度差で決まる）。
【００２１】
図４は、空気通路下流部２０ｃにおけるセル１０内部の温度分布を示す特性図である。図４に示すように、電解質１１とセパレータ１２との間はほぼ同じ温度である。一方、セパレータ１２と冷却水との間は、空気層１２ａが熱抵抗になり大きな温度差が形成されている。すなわち、空気層１２ａの存在によりセパレータ１２と空気層１２ａ、空気層１２ａと冷却水のそれぞれ隣接する箇所の温度差が小さくなり、熱移動量が減少する。これにより熱抵抗がない場合と比較して、ＭＥＡ１１での発熱量の多くがセパレータ１２（＝ガス）の昇温に使用され、セパレータ１２（＝ガス）の温度を高く維持できる。これにより、セパレータ１２における空気通路下流部２０ｃの温度を空気通路２０の上流側より高くすることができる。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料電池１００の作動を説明する。
【００２３】
まず、燃料電池１００では、水素および酸素が供給されることで上記電気化学反応が起こり発電する。このとき、ＭＥＡ１１の酸素極側で生成水が発生し、余剰な水が空気通路２０の下流部２０ｃに残留水として溜まる。また、発電に伴いＭＥＡ１１が発熱し、この熱はＭＥＡ１１→セパレータ１２→冷却水へと伝えられ、ＭＥＡ１１およびセパレータ１２が冷却される。
【００２４】
上述のように、セパレータ１２における空気通路下流部２０ｃでは、空気層１２ａの存在によって空気通路上流部より温度が高くなっており、セル面内で確実に温度分布を形成することができる。このため、空気通路下流部２０ｃでは空気の飽和蒸気圧が上昇するため、空気に含まれて排出される水分の量が多くなる。一方、空気通路２０の上流部では相対的に温度が低くなっているため、空気の飽和蒸気圧が低くなる。このため、空気に含まれて排出される水分の量が少なくなる。これにより、空気通路２０のうち水分が溜まりやすい下流部２０ｃでは水分の排出を促進でき、乾燥しやすい上流部では水分の排出を抑制でき、空気通路２０内の水分分布を均一化することができる。この結果、空気通路下流部２０ｃでは水分過剰により燃料電池１００の出力が低下することを抑制でき、空気通路上流部では水分不足により燃料電池１００の出力が低下することを抑制することができる。
【００２５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、セパレータ１２の冷却水通路２２側に形成した空気層１２ａで熱抵抗手段を構成したが、これに限らず、図５または図６に示す他の手段により熱抵抗手段を構成することもできる。なお、図５および図６は空気通路下流部２０ｃにおけるセル１０の断面構成を示しており、上記実施形態の図３に対応している。
【００２６】
例えば図５に示すように、セパレータ１２内の冷却水通路２２表面に撥水処理を施すことで熱抵抗手段を構成することができる。これにより、セパレータ１２と冷却水との接触面積を減らし、伝熱量を減らすことができる。また、図６に示すように、セパレータ１２内の冷却水通路２２表面に熱伝導率の低い材料１３を塗布することで熱抵抗手段を構成することができる。低熱伝導材料１３は、セパレータ１２より熱伝導率の低い材料であればよく、例えばエポキシ等の樹脂材料を用いることができる。これらの熱抵抗手段は、単独で用いてもよく、任意に組み合わせて用いてもよい。
【００２７】
また、熱抵抗手段を設ける空気通路下流部２０は、空気通路２０の中央付近から空気通路出口部２０ｂに至る全領域である必要はなく、その一部でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】上記実施形態の燃料電池の構成を示す概念図である。
【図２】セル内部の構成を示す概念図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図であり、空気通路下流部におけるセルの断面図である。
【図４】空気通路下流部におけるセル内部の温度分布を示す特性図である。
【図５】本発明の変形例に係る空気通路下流部におけるセルの断面図である。
【図６】本発明の変形例に係る空気通路下流部におけるセルの断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００…燃料電池、１０…セル、１１…ＭＥＡ（膜電極複合体）、１２…セパレータ、１３…低熱伝導材料、２０…空気通路、２０ｃ…空気通路下流部、２２…冷却水通路。
【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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