(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とが反応することにより電力を発生する発電セルを複数備える燃料電池スタックであって、
複数の前記発電セルは、前記水素が最初に導入される初期セルと、前記初期セルから最も遠い最遠セルとを備え、
前記燃料電池スタックは、前記初期セルから前記最遠セルへ向かって順次前記水素を導入する水素導入路を備え、
前記発電セルのそれぞれは、前記反応の際に生じた水を貯蔵する水貯蔵部を備える燃料電池スタックにおいて、
前記水貯蔵部は、アノードガス拡散体とアノード集電板とを含み構成され、
前記最遠セルの前記水貯蔵部の容積は他の前記発電セルの前記水貯蔵部の容積よりも大きいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記発電セルのそれぞれが有する前記水貯蔵部のそれぞれの容積は、
前記初期セルから前記最遠セルに向かうに従って大きくなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記水貯蔵部が、貯蔵された水を吸水して保持する吸水材を備えることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記発電セルのそれぞれに導入された水素の流れが、前記最遠セルで終端することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応によって電力を獲得する燃料電池を複数備える燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型の電解質膜とアノード及びカソード触媒体を備える膜電極接合体（以下ＭＥＡと記載）で発電する固体高分子型燃料電池（以下発電セルと記載）を複数積層させた燃料電池スタックにおいて、各発電セルのカソード電極上で発電に伴う電気化学反応によって生成した水は、その一部がＭＥＡを介してアノードに逆拡散する。この逆拡散した水（以下逆拡散水と記載）はアノードの触媒体を覆い、さらには燃料ガス流路中で凝縮して燃料ガスの供給を阻害するなど、燃料電池の発電を停止させる原因となるため、速やかに発電セルから排除する必要がある。
【０００３】
上記課題に対して、燃料ガス排出連通孔の最下部の高さ位置と同等乃至低い位置に排水口を設定し、これと隣接して排水タンクを設置し、排出燃料ガスの流れを駆動力として逆拡散水を排水タンクへと移動させる燃料電池スタックが発明されている。（例えば、下記特許文献参照）。
【特許文献１】特開２００４−３２７０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが特許文献の発明では、発電セルと排水タンクが隣接していないため、燃料電池スタックにおいて逆拡散水が凝縮する部位から燃料ガス排出連通孔を経由して排水タンクまで水を移動させる必要がある。特に燃料ガスの導入圧が小さい場合には、水は移動の途中で滞留して流路を閉塞させるおそれがある。逆に水の滞留を回避するためには、相当の燃料ガス導入圧が必要となり、燃料ガス供給部の大型化が懸念される。特に上記の水回収機構は、燃料ガス排出連通孔の終端が閉止されている、いわゆるデッドエンド構造の燃料電池スタックでは燃料ガスにより流路中の水を移動させることは困難であり、水が流路を閉塞する可能性が高かった。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、大型化することなく逆拡散水を速やかに発電セルから排除することのできる燃料電池スタック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に、本発明は、水素と酸素とが反応することにより電力を発生する発電セルを複数備える燃料電池スタックであって、燃料電池スタックには発電セルのそれぞれへ水素を導入する水素導入路が備えられ、さらに複数の発電セルのうち、水素が最初に導入される初期セルから最も遠い最遠セルに、反応の際に生じた水を貯蔵する水貯蔵部が備えられる構造とする。
【０００７】
さらに発電セルのそれぞれは、アノード収容部を有し、最遠セルのアノード収容部は水貯蔵部を備え、最遠セルのアノード収容部の容積が他の発電セルのアノード収容部の容積よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
また、それぞれの発電セルが有するアノード収容部のそれぞれの容積は、上述の初期セルから最遠セルに向かうに従って大きくなる構成であっても良い。
【０００９】
また上述の水貯蔵部とアノード収容部とは別体であっても良く、この場合、水貯蔵部は最遠セルのアノード収容部と隣接（併設）して設置されることを特徴とする。
【００１０】
最遠セルのアノード収容部と隣接して設置された水貯蔵部は、上述の最遠セルのアノード収容部から水を誘導する誘導部と誘導された水を捕集する水捕集部とを有する構成であることを特徴とする。
【００１１】
水貯蔵部と上述のアノード収容部とが一体であっても別体であっても、水貯蔵部に貯蔵された水を吸水して保持する吸水材が備えられる構成であっても良い。
【００１２】
また、発電セルのそれぞれに導入された水素の流れは、最遠セルで終端して良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池によれば、発電セルを積層させた燃料電池スタックにおいて、逆拡散水を速やかに発電セルから排除することで、逆拡散水による電圧低下や発電停止などの起こらない連続的な発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明に係る燃料電池スタックを示したものである。図１において燃料電池スタック１０は発電部１３がカソード集電板１２およびアノード集電板１４で挟持され、さらにその外側からカソードエンドプレート１１およびアノードエンドプレート１５で挟持され、固定される。発電部１３は図２に示す発電セル２１を積層させたスタック構造であり、積層方向に導通しており、上述したカソード集電板１２とアノード集電板１４に負荷を接続することで電力を得ることが出来る。またカソード集電板１２とカソードエンドプレート１１の間、及びアノード集電板１４とアノードエンドプレート１５の間のそれぞれに、図示しないカソード絶縁板、アノード絶縁板を設置しても良い。
【００１６】
上述の燃料電池スタックへの水素の供給は、カソードエンドプレート１１に設置された水素供給口１６を介して行われ、カソードエンドプレート１１の裏面に形成された図示しない流路を通って、発電部１３を構成する各発電セル２１及びカソード集電板１２に形成された水素導入路１７へ導入される。図１においては、水素導入路１７は５箇所に設置されているが、設置数及び設置箇所はこれに限定されるものではなく、少なくとも１箇所以上に設置されていれば良い。さらに水素供給口１６がアノードエンドプレート１５に設置され、水素がアノードエンドプレート１５の側から導入されても良い。
【００１７】
図１の燃料電池スタック１０の固定は、カソードエンドプレート１１及びカソード集電板１２、各発電セル２１、アノード集電板１４にそれぞれ開けられた貫通孔１８を通した図示しないボルトをアノードエンドプレート１５に開けられた図示しないネジ穴で締結することで行われる。図１では貫通孔１８はそれぞれの部材に４箇所ずつ開けられているが、その数、箇所はこれに限定されるものではない。また固定方法についても上述の方法に限定されるものではない。
【００１８】
図２及び図３は図１における発電部１３を構成する発電セル２１を示す図であり、図２は発電セル２１の外観を示し、図３は発電セル２１の構成を示す図である。図３より、発電セル２１は、カソード集電板３１、カソードガス拡散体３２（以下カソードＧＤＬと記載）、カソード枠体３３、ＭＥＡ３４、アノードガス拡散体３５（以下アノードＧＤＬと記載）、アノード集電板３６、アノード板３７を積層して構成される。
【００１９】
ＭＥＡ３４はプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面に電極触媒（電極触媒体）を配した構成となっており、電極触媒界面で生じる水素と酸素の電気化学反応で電力を得ることができる。
【００２０】
カソード集電板３１、アノード集電板３６はパンチングメタルを使用しているが、通気性に富む導電材であれば全て適用可能で、発泡金属やエキスパンドメタルなどであっても良い。
【００２１】
カソードＧＤＬ３２及びアノードＧＤＬ３５は供給された空気あるいは水素を面内に拡散させ、かつ電気伝導性を有する部材であれば全て適用可能であるが、好ましくはカーボンクロスあるいはカーボンファイバーペーパーを使用した方が良い。
【００２２】
アノード板３７はアノードＧＤＬ３５及びアノード集電板３６を収容し、さらに上述した水素導入路１７と連通する凹部を備える。
【００２３】
上述のように構成された発電セル２１は、空気の供給を強制的に行わない自己呼吸型（いわゆるパッシブ系）で構成されることが望ましいが、ブロアなどによって強制的に供給される構造であっても良い。
【００２４】
図４は、図１に示した燃料電池スタックを側面から見た模式図であり、本発明の燃料電池スタックの第１の実施形態の基本形例である。発電部１３は水素供給口１６が設置されているカソードエンドプレート１１に最も近く、水素が最初に導入される初期セル２１ａ、カソードエンドプレート１１から最も遠い最遠セル２１ｃ及び初期セル２１ａ、最遠セル２１ｃに挟持される中間セル２１ｂからなる複数の発電セル２１ａ〜２１ｃから構成される。ここで中間セル２１ｂの数は、０以上であって良く、複数個であっても良い。さらに図４におけるカソード３３１、３３３、３３５は、図３におけるカソード集電板３１、カソードＧＤＬ３２、カソード枠体３３に相当し、アノード収容部３３２、３３４、３３６は、図３におけるアノードＧＤＬ３５、アノード集電板３６、アノード板３７に相当するものである。上述したように水素の導入が、カソードエンドプレート１１に設置された水素供給口１６から行われる場合、水素供給口１６から最も遠い最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６は、その他の発電セル２１ａ、２１ｂのアノード収容部３３２、３３４と比べて容積が大きく、水貯蔵部として作用する。これにより、燃料電池スタック１０を連続的に発電させた時に、燃料電池スタック１０の逆拡散水は選択的に最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６に凝縮され、逆拡散水による電圧低下や発電停止などを回避した連続発電を実現することが出来る。
【００２５】
図５を用いて、図４の構造による作用を説明する。図５は図４の燃料電池スタック１０における水素導入路１７中の水素の流れと熱の分布を示す図である。
【００２６】
燃料電池システム１０の熱分布は、発電部１３の最も中間に位置する発電セルで最も高く、その発電セルから遠ざかるに従って低くなる、という勾配を持つ。これは、カソードエンドプレート１１、アノードエンドプレート１５に近い発電セル（すなわち初期セル２１ａと最遠セル２１ｃ）は放熱性に富むためである。よって、水蒸気が冷却されて液水になる現象は、初期セル２１ａ、最遠セル２１ｃで最も多く見られ、中間のセルに向かうに従って少なくなる。
【００２７】
一方、図５において矢印５１が水素の流れを示す。図５に示すように、水素供給口から水素導入路１７へ導入された水素流量をＦ０とすると、水素導入路１７から流量Ｆ１が、まず初期セル２１ａのアノード収容部に導入され、同時にＦ１０が水素導入路１７を最遠セル２１ｃに向けて流れる。ここでＦ０、Ｆ１、Ｆ１０の関係は、
Ｆ０＝Ｆ１＋Ｆ１０
で示される。次に、中間セル２１ｂ中の初期セル２１ａに隣接する発電セルのアノード収容部へＦ１０のうちのＦ２という流量が供給され、同時にＦ２０が水素導入路１７を最遠セル２１ｃに向けて流れる。ここで同様にＦ１０、Ｆ２、Ｆ２０の関係は、
Ｆ１０＝Ｆ２＋Ｆ２０
で示される。一方、水素導入路１７から各発電セルのアノード収容部へ導入された水素は、一部が発電の電気化学反応に消費されるが、その他は水素導入路１７へと流れる。
【００２８】
このように水素は矢印５１に示すように流れ、しかもその流量は、初期セル２１ａから最遠セル２１ｃへ向かうに従って小さくなる。よって、水蒸気あるいは液水が水素流によって移動する効果は初期セル２１ａで最も高く、最遠セル２１ｃに向かうに従い小さくなる。
【００２９】
以上の水素流量勾配と熱分布の影響で、最遠セル２１ｃに逆拡散水が最も滞留しやすいため、最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６の容積をその他の発電セルのアノード収容部の容積よりも大きくすることにより、アノード収容部３３６が確実かつ効率的に逆拡散水を捕集する水貯蔵部として作用することが出来る。
【００３０】
図６に示すのは、本発明の燃料電池スタックの第１の実施形態の変形例である。図６において、図４に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。
【００３１】
図６に示すように、実施例１と異なり、各セルのアノード収容部３３２、３３４、３３６は初期セル２１ａのアノード収容部３３２が最も容積が小さく、最遠セル２１ｃに向かうに従って容積が大きくなる。上述したように燃料電池スタック１０における水素流量勾配と熱分布によって、最も逆拡散水が液水として凝縮しやすいのは最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６であるが、中間セル２１ｂであっても最遠セル２１ｃに近づくにつれ逆拡散水が凝縮する可能性が高まるため、アノード収容部の容積を最遠セル２１ｃに向かうに従って大きくすることにより、各アノード収容部がその逆拡散水を確実かつ効率的に捕集する水貯蔵部として作用することが出来る。
【００３２】
（実施例２）
図７に示すのは、本発明の燃料電池スタックの第２の実施形態の基本形例である。図７において、図４、６に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。
【００３３】
第１の実施形態ではアノード収容部が水貯蔵部として作用していたのに対し、本実施形態では、水貯蔵部７１がアノード収容部と別体であり、最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６と隣接している。上記水貯蔵部７１は、水を捕集し保持する水捕集部７１１と、水捕集部７１１とアノード収容部３３６とを連通し、アノード収容部３３６に凝縮した逆拡散水を水捕集部７１１へと誘導する連通孔７１２を備えた誘導部７１３とを有する。
【００３４】
図７においては、誘導部７１３は導電性を有し、アノード集電板としても作用しているが、この限りではない。また連通孔７１２は、最遠セル２１ｃの下端に位置するように設置されることが望ましい。さらにアノード集電板（図７における誘導部７１３）とアノードエンドプレート１５を誘導部７１３として、水捕集部７１１をアノードエンドプレート１５の外側に配置することも可能であるし、またはアノード収容部３３６とアノード集電板（図７における誘導部７１３）とアノードエンドプレート１５を隣接して配置し、アノードエンドプレート１５の一部に凹部を形成し、この凹部を水捕集部７１１として作用する構成であっても良い。
【００３５】
さらに図８に示すように、アノード収容部３３６と水捕集部７１１との間に半透膜８１を設置し、この半透膜８１を誘導部として作用させてアノード収容部３３６に凝縮した逆拡散水を水捕集部７１１に誘導するように構成しても良い。
【００３６】
上述の構成により、誘導部を用いて水捕集部へ逆拡散水を誘導するため、短時間で水を効率良く回収でき、逆拡散水による電圧低下や発電停止などを回避した連続発電を実現することが出来る。
【００３７】
なお、本実施例の図７において示された水捕集部７１１、連通孔７１２、誘導部７１３を有する水貯蔵部７１をアノード収容部と別体とする構成、図８において示されたアノード収容部と水捕集部７１１との間に半透膜８１を設置する構成は、実施例１の図４において示された最遠セル２１ｃのアノード収容部の容積が最も大きく水貯蔵部として作用する構成や、図６において示されたアノード収容部の容積が最遠セル２１ｃに向かうに従って大きくなる構成と組み合わされても良い。
【００３８】
（実施例３）
図９に示すのは、本発明の燃料電池スタックの第３の実施形態の基本形例である。図９において、図４、６、７、８に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。
【００３９】
図９に示すように水貯蔵部に吸水材９１を配置することで、捕集した逆拡散水をより保持しやすいように構成することが出来、燃料電池スタックが姿勢変化した場合においても水貯蔵部外に水が漏れ出すことを防ぐことが出来る。
【００４０】
図９では第１の実施形態に示したように、最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６が水貯蔵部７１として作用する場合の変形例として図示しているが、第２の実施形態に示したように水貯蔵部７１と最遠セル２１ｃのアノード収容部３３６とが別体である場合においても水捕集部７１１に吸水材９１を配置しても良い。
【００４１】
また吸水材９１としては、シリカゲルのように水を吸着する部材であっても良いし、繊維体のように毛細管現象によって水を保持する部材でも良く、水を保持する機能を有する部材であれば全て適用可能である。
【００４２】
[その他の実施形態]
本発明の一例を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、実施形態における具体的構成等は、適宜設計変更可能である。また、実施形態の具体的構成のそれぞれは、組み合わせることが可能である。さらに、実施形態の作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックを構成する発電セルの外観を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックを構成する発電セルの構成を示す分解図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの第１実施形態の基本形例である。
【図５】本発明の燃料電池スタックにおける水素の流れと熱分布を示す図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの第１実施形態の変形例である。
【図７】本発明の燃料電池スタックの第２実施形態の基本形例である。
【図８】本発明の燃料電池スタックの第２実施形態の変形例である。
【図９】本発明の燃料電池スタックの第３実施形態の基本形例である。
【符号の説明】
【００４４】
１０   燃料電池スタック
１１   カソードエンドプレート
１２   カソード集電板
１３   発電部
１４   アノード集電板
１５   アノードエンドプレート
１６   水素供給口
１７   水素導入路
１８   貫通孔
２１   発電セル
２１ａ 初期セル
２１ｂ 中間セル
２１ｃ 最遠セル
３１   カソード集電板
３２   カソードガス拡散体（カソードGDL）
３３   カソード枠体
３４   MEA
３５   アノードガス拡散体（アノードGDL）
３６   アノード集電板
３７   アノード板
３３１、３３３、３３５      カソード
３３２、３３４、３３６      アノード収容部
７１   水貯蔵部
７１１ 水捕集部
７１２ 連通孔
７１３ 誘導部
８１   半透膜
９１   吸水材
【図１】
0005260024.tif 000002
【図２】
0005260024.tif 000003
【図３】
0005260024.tif 000004
【図４】
0005260024.tif 000005
【図５】
0005260024.tif 000006
【図６】
0005260024.tif 000007
【図７】
0005260024.tif 000008
【図８】
0005260024.tif 000009
【図９】
0005260024.tif 000010