(57)【要約】      （修正有）【課題】部品点数を減らし、コンパクト化された燃料電池スタックを提供する。【解決手段】イオン導電性の固体高分子膜／電極接合体と、燃料ガス及び／又は酸化剤ガスが流れる流路が形成されるセパレータを有する発電部を積層した燃料電池スタックであって、一つ又は複数の前記発電部ごとに水透過膜を介して燃料及び／又は酸化剤ガスと、冷却水が流れる加湿部が形成されている。なお加湿部は発電部２つに１つ配置されているのが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを酸化する燃料極と酸化剤ガスを還元する酸素極と前記燃料極と前記酸素極との間に形成されるイオン導電性の固体高分子膜とを有する膜／電極接合体と、
前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスが流れる流路が形成されるセパレータとを有する発電部を積層した燃料電池スタックにおいて、
１つ又は複数の前記発電部ごとに水透過性を有する水透過膜を介して燃料ガス及び又は酸化剤ガスと、冷却水とが流れる加湿部が配置されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記加湿部が、発電部２つに１つの割合で配置されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料ガスを酸化する燃料極と酸化剤ガスを還元する酸素極と、前記燃料極と前記酸素極との間に介在するイオン導電性の固体高分子膜とを有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池の基本的な構成を説明する。燃料電池は、燃料ガスを酸化する燃料極と酸化剤ガスを還元する酸素極と、前記燃料極と前記酸素極との間に形成されるイオン導電性の固体高分子膜とを有する膜／電極接合体（以下ＭＥＡ），反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）や冷却水を供給する為の流路を備えたセパレータ，ＭＥＡとセパレータとを密着させて反応ガスや冷却水をシールする為のガスケットを備える。そして、これらを積層して燃料電池スタックとして所望の起電力を得るものである。
【０００３】
ＭＥＡを挟んでその両側のガスケットとセパレータのガス流路で形成される部分を発電部と称する。セパレータは表裏に形成するガス流路の違いにより、３種類に分かれ、それぞれ、燃料ガス，酸化剤ガス，冷却水のいずれか２つの流路を形成する。
【０００４】
発電セルは電気化学反応により電気を発生するため、電気のみならず熱も発生する（発電反応）。この熱により温度が必要以上に高くなる上に燃料電池スタック内の温度のばらつきも大きくなる。これを防ぐためにスタック内に何らかの冷却機構が必要である。その方法としてよく用いられるのが、冷却水を流す方法である。
【０００５】
燃料電池の発電反応は、ＭＥＡの燃料極から酸素極へプロトン（Ｈ+ ）が移動することにより生じるが、このプロトンの移動は、水の移動を伴って行われるため、プロトンをスムーズに移動させるためにはＭＥＡを構成する固体高分子膜をある程度湿潤状態に保つ必要がある。そこで、通常は固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つため反応ガスを加湿した後に、燃料電池スタックへ導入している。
【０００６】
反応ガスを加湿するにあたり、加湿膜を用いる方法がある。特許文献１によれば、燃料電池スタックの間に、加湿膜を配置し、その片側に温水の流路を持つセパレータを配し、その反対側に反応ガスの流路を有するセパレータを配してそれぞれ、温水と反応ガスを流して、反応ガスを加湿するものである。この温水は、燃料電池スタックに導入された冷却水を、再び燃料電池スタックに戻して加湿水として利用するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１２４７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池スタックの部品点数を減らし、コンパクト化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
燃料ガスを酸化する燃料極と酸化剤ガスを還元する酸素極と前記燃料極と前記酸素極との間に形成されるイオン導電性の固体高分子膜とを有する膜／電極接合体と、前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスが流れる流路が形成されるセパレータとを有する発電セルを積層した燃料電池スタックにおいて、
１つ又は複数の前記発電セルごとに水透過性を有する水透過膜を介して冷却水と燃料ガス又は酸化剤ガスとが流れる加湿セルが配置されていることを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池スタックの部品点数を減らし、燃料電池スタックをよりコンパクト化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を用いて本発明にかかる実施形態の概略を説明する。
【００１２】
図１は、燃料電池スタックのうち、本発明にかかる一部分を模式的に表した図である。セパレータ１ａ，セパレータ１ｂ，セパレータ１ｃ，セパレータ１ｅはそれぞれ、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するものである。ここでは、燃料ガスとしては、水素ガスを、酸化剤ガスとして酸素ガス（空気）を用いている。セパレータ１ｃとセパレータ１ｄとの間には水を透過する機能を持つ多孔質膜である水透過膜２が形成され、水透過膜のセパレータ１ｃ側には冷却水が、セパレータ１ｄ側には燃料ガスが流れる。セパレータ１ｄは、冷却水と燃料ガスを分離している。セパレータ１ｄと水透過膜２とセパレータ１ｃとで形成される部分を加湿部３と呼ぶ。
【００１３】
ＭＥＡ４ａ，ＭＥＡ４ｂ，ＭＥＡ４ｃは、イオン導電性固体高分子膜の両面に燃料極と酸素極とを形成させたもので、燃料極に燃料ガスが、酸素極に酸化剤ガスがそれぞれ供給されている。そして、セパレータ１ａとＭＥＡ４ａとセパレータ１ｂとで形成される部分を発電部と呼び、セパレータ１ｂとＭＥＡ４ｂとセパレータ１ｃ，セパレータ１ｄとMEA４ｃとセパレータ１ｅとで形成される部分も同様に発電部である。
【００１４】
加湿部３では、冷却水が水透過膜２を透過し、すでに発電反応に供された燃料ガスを加湿する。加湿された燃料ガスは再度燃料極に供給され、発電反応に供される。
【００１５】
セパレータ１ａからセパレータ１ｅはすべて導電性の材料で形成されており、同じく導電性の集電板５ａ，５ｂを外部負荷６に接続することにより起電力を得る。ここではセパレータ材料としてモールド黒鉛を用い、切削加工により燃料ガス，酸化剤ガス，冷却水の流路を形成している。
【００１６】
加湿部３の加湿水には冷却水を直接用いており、加湿部３は冷却機構も兼ね備える冷却部でもある。２つの機能を１つの構成で実現することにより燃料電池スタック全体の部品点数は減り、全体としてコンパクト化が可能となる。また、冷却水を用いた冷却構造をそのまま加湿部に応用しているため別途冷却水や、加湿水の流路を燃料電池スタック中に設ける必要はなく、配管構造も簡易化される。
【００１７】
発電部と冷却部との数の割合としては、種々の組み合わせが考えられるが、燃料電池スタックの発電性能や運転条件により発電量に対する発熱量が変わるので、それに応じて最適な組み合わせを選ぶことになる。一般的には、電流密度５００ｍＡ／cm2 程度の車載用燃料電池スタックでは（発電部：冷却部）＝（１：１）が適することが多く、効率を重視した電流密度２００ｍＡ／cm2 程度の家庭用燃料電池スタックでは、（発電部：冷却部）＝（２：１）とすることが多い。本実施形態では、２：１を採用している。尚、図中の点線は繰り返しを意味する。
【００１８】
本実施形態の場合、加湿量は、冷却部（加湿部）の数に比例するが、固体高分子膜の性能向上などにより、加湿量が少なくてすむような場合には、発電部に対する加湿部の割合は小さくなる。
【００１９】
本実施形態では、水透過膜２を燃料電池スタックの冷却部に設置し、尚かつ、水透過膜２の片側を冷却水流路とし、その反対側を反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス、或いは、その両方）の流路とすることにより、専用の加湿器を設置した場合と同様の加湿性能を燃料電池スタック本体に持たせる機構を実現している。
【実施例１】
【００２０】
燃料電池スタックの概略は前述の図１に示した通りであり、図２はさらに詳細な本発明にかかる燃料電池スタックの実施例の一つを示すものである。燃料電池スタックは大きく２つの部分に分けられる。一つはＭＥＡを配置した発電部７であり、もう一つは冷却水を流す冷却機構を兼ねる加湿部３である。
【００２１】
本実施例は、冷却部に相当する箇所に水透過膜２を配置し、片側のセパレータに冷却水流路を形成し、その反対側のセパレータに反応ガスの流路を形成する構造を取るものである。
【００２２】
ガスケット８はセパレータに流れる流体の漏れを防ぐために役立つ。
【００２３】
加湿部３に流す反応ガスは燃料ガスと酸化剤ガスのどちらでも良い。また、一つの燃料電池スタック内において、燃料ガスを加湿する加湿部と、酸化剤ガスを加湿する加湿部の両方を配置する構造を取っても良い。例えば、燃料電池スタックは出力１ｋＷ級のもので発電部を５０枚程度積層するものが多いが、発電部と加湿部の枚数の割合として(２：１)を採用する場合、加湿部は２５枚となる。このうち、１５枚に対して酸化剤ガスを流し、１０枚に対して燃料ガスを流すということができる。この枚数の比率は自由に変えることができる。図２は、発電部７と加湿部３の枚数の割合が（２：１）で、酸化剤ガスのみを加湿部に流す場合を示すものである。
【００２４】
図２において、反応ガスと冷却水の流れを詳細に説明すると次のようになる。
【００２５】
入口側冷却水９ａは燃料電池スタックの入口側冷却水マニホールド９ａｍへ供給された後、加湿部３へ導入され、一部は水透過膜２を透過して燃料ガスを加湿する。残りの冷却水は、出口側冷却水マニホールド９ｂｍに集まって燃料電池スタック外部へ排出される。入口側酸化剤ガス１０ａは入口側酸化剤ガスマニホールド１０ａｍへ供給された後、加湿部３へ導入され、水透過膜を介して冷却水とは反対側の流路を流れる。そこで、水透過膜２を透過した冷却水に加湿された後に、加湿後酸化剤ガスマニホールド１０ａｂｍへ一旦出る。そこから、発電部７へ導入され、出口側酸化剤ガスマニホールド１０ｂｍに集約して燃料電池スタック外部へ排出される。入口側燃料ガス１１ａは入口側燃料ガスマニホールド１１ａｍへ供給された後、発電部７へ分散し、出口側燃料ガスマニホールド１１ｂｍへ集約して燃料電池スタック外部へ排出される。マニホールドは、スタック内を積層方向に貫通する流路であり、反応ガスと冷却水の入口出口それぞれに対して１流路ずつ形成される。酸化剤ガスに対しては入口出口のみならず、加湿後酸化剤ガスマニホールド10abmが形成される。
【実施例２】
【００２６】
図３は本発明の第２の実施例を示すものである。これは、１枚の加湿部３に燃料ガスと酸化剤ガスの両方を流すものである。この場合、加湿部３のガス流路側に完全に分離した２系統のガス流路を形成する必要がある。燃料ガスと酸化剤ガスがセル内で混じり合わないようにガスシール構造に注意する必要があるが、実施例１において、燃料ガスを加湿する加湿部３と酸化剤ガスを加湿する加湿部３の両方を設ける場合より部品の種類が少なくなり、部品管理や組立時の手間を軽減し、コスト低減も図れるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明にかかる実施形態の概略図。
【図２】本発明にかかる実施例１の構成図。
【図３】本発明にかかる実施例２の構成図。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ…セパレータ、２…水透過膜、３…加湿部、４ａ，４ｂ,４ｃ…ＭＥＡ、５ａ,５ｂ…集電板、６…外部負荷、７…発電部、８…ガスケット、９ａ…入口側冷却水、９ａｍ…入口側冷却水マニホールド、９ｂｍ…出口側冷却水マニホールド、１０ａｍ…入口側酸化剤ガスマニホールド、１０ａｂｍ…加湿後酸化剤ガスマニホールド、１０ｂｍ…出口側酸化剤ガスマニホールド、１１ａ…入口側燃料ガス、１１ａｍ…入口側燃料ガスマニホールド、１１ｂｍ…出口側燃料ガスマニホールド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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