(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面が触媒化処理されてなる触媒化メンブレン、前記触媒化メンブレンの両側に設けられる燃料流動領域部及び空気流動領域部、ならびに前記燃料流動領域部及び空気流動領域部の各外表面と接触するバイポーラプレートからなる単位セルが少なくとも２つ積層されている水素イオン交換膜燃料電池スタックにおいて、
前記燃料流動領域部及び空気流動領域部のうち少なくとも一方は前記触媒化メンブレンの面に平行なガス流動を誘導する平行流動領域部材と、前記触媒化メンブレンの面に垂直なガス流動を誘導する垂直流動領域部材とを含み、
前記単位セルの縁部が外部シーリング層により密閉かつ一体化され、単位セルの単一のアセンブリを形成し、
前記単位セルには燃料供給通路及び燃料排出通路、空気供給通路及び空気排出通路が形成されており、
前記燃料供給通路及び燃料排出通路に、燃料供給通路及び燃料排出通路を流動する燃料が前記空気流動領域部に流入するのを防止するための燃料流動阻止シーリング層が形成され、前記空気供給通路及び空気排出通路に、空気供給通路及び空気排出通路を流動する空気が前記燃料流動領域部に流入するのを防止するための空気流動阻止シーリング層が形成されており、
前記燃料流動領域部は、前記触媒化メンブレンと接触する垂直流動領域部材と垂直流動領域部材と接触する平行流動領域部材とを含み、前記平行流動領域部材の気孔率が前記垂直流動領域部材に比べて大きいことを特徴とする水素イオン交換膜燃料電池スタック。
【請求項２】
前記空気流動領域部は、空気流動チャンネルを含む平行流動領域部材と多孔性材料よりなる垂直流動領域部材とを含むことを特徴とする請求項１に記載の水素イオン交換膜燃料電池スタック。
【請求項３】
前記空気流動チャンネルは蛇行状に形成されることを特徴とする請求項２に記載の水素イオン交換膜燃料電池スタック。
【請求項４】
前記単位セル間に放熱フィンを有する導電性冷却部材をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素イオン交換膜燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素イオン交換膜燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素イオン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)（ＰＥＭＦＣ）スタックは、酸化反応を起こすアノード電極、還元反応を起こすカソード電極及びイオンを伝達するための電解質の、膜及び電解質アセンブリ(Membrane and Electrode Assembly)（ＭＥＡ）の基本単位を形成する３部分より構成される。
【０００３】
アノード電極及びカソード電極は、外部から供給される水素及び酸素の円滑な供給を保持する気体拡散層と化学反応を起こして生じたイオンを伝達する触媒層を有する。触媒層の材料としては、低温でも高い反応性を有するＰｔ／Ｃが使われる。気体拡散層としては、均一の燃料の拡散を可能にする微孔性層でコーティングされた多孔性のカーボン紙が用いられる。
【０００４】
また、電解質はイオン伝導度の高いフッ素化有機高分子膜として形成される。その他、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）多孔質膜及びフッ素化されていない有機高分子膜の複合メンブレンもまた電解質として使用されている。
【０００５】
ＰＥＭＦＣ等の燃料電池の特性の一つとして、単位面積当たりの電流密度はかなり大きい一方で、各ＭＥＡの理論的な電位が非常に低いことがある。実際、十分な電流を得るために必要な電位は、ＭＥＡ当たり１Ｖにも達しえない。このため、電子機器や電気自動車などに適用するためには、数個ないし数十個のＭＥＡを直列に接続して所望の電位を得るように設計しなければならない。
【０００６】
単位セルが多層に積層されているスタックの製造においては、黒鉛が、電気伝導性に非常にすぐれるため、広範に使用されている。また、黒鉛は加工性にすぐれるため、微細で複雑な燃料の流動領域を簡便に黒鉛に加工できる。
【０００７】
しかしながら、このような長所にもかかわらず、黒鉛は、電池スタックの製造に適用されるには多くの問題点がある。例えば、１ｋＷ当たりのセルの体積及び重さを減らすという現状の必要性を考慮すると、黒鉛を電池スタックの主成分として使用することは望ましくない。また、黒鉛は、もろくて容易に崩れるという短所を有している。したがって、非常に高い圧力を印加して数十の単位セルを積層すると、単位セルが積層途中で壊れないように特に注意する必要がある。基本的に、数十の単位セルで作られたスタックの特定の単位セルへの燃料供給が円滑ではない、または１単位セルの触媒層が欠陥により反応性の低下を示す場合には、従来の電池スタックではその構造的な限界により欠陥が生じた単位セルの修理または交換が事実上不可能である。欠陥が生じた単位セルを電池スタックから除去したとしても、その過程においてスタックの分解及び組立てが不回避であり、従ってそれによるスタック全体の性能低下が生じる。
【０００８】
従来の単位セルからなるスタックは、構造上限定され、単位セルを積層するのが非常に困難であるという欠点を有する。特に、ＭＥＡとバイポーラプレート間の隙間からの燃料ガスの漏れを防止するためにスタックを密閉するという完全なシーリングが非常に重要である。シーリングに使われるガスケットは、例えば、適切な厚み及び伸縮性がなければならず、劣化せずに化学反応に対して耐久性がなければならないなどの、複合的な機能が要求されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、製作、組立て、解体及び修理が容易な水素イオン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）スタックを提供することである。
【００１０】
本発明の第２の目的は、燃料及び空気の効果的な拡散が可能な水素イオン交換膜燃料電池スタックを提供することである。
【００１１】
本発明の第３の目的は、効果的な放熱が可能であり、燃料変換効率のよりよい水素イオン交換膜燃料電池スタックを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、電解質膜の両面が触媒化処理されてなる触媒化メンブレン、前記触媒化メンブレンの両側に設けられる燃料流動領域部及び空気流動領域部、ならびに前記燃料流動領域部及び空気流動領域部の各外表面と接触するバイポーラプレートからなる単位セルが少なくとも２つ積層されている水素イオン交換膜燃料電池スタックにおいて、前記燃料流動領域部及び空気流動領域部のうち少なくとも一方は前記触媒化メンブレンの表面に平行なガス流動を誘導する平行流動領域部材と、前記触媒化メンブレンの表面に垂直なガス流動を誘導する垂直流動領域部材とを含むことを特徴とする水素イオン交換膜燃料電池スタックが提供される。
【００１３】
本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックにおいて、空気流動領域部は、空気流動チャンネルを含む平行流動領域部材と多孔性材料よりなる垂直流動領域部材とを含むことが好ましい。さらに好ましくは、空気流動チャンネルは蛇行状に形成される。
【００１４】
本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックにおいて、燃料流動領域部は、前記触媒化メンブレンと接触する垂直流動領域部材と垂直流動領域部材と接触する平行流動領域部材とを含み、前記平行流動領域部材の気孔率が前記垂直流動領域部材に比べて大きいことが好ましい。
【００１５】
また、本発明においては、単位セルの縁部が外部シーリング層により密閉され、単位セルの単一のアセンブリを形成することが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明においては、単位セルには、特に好ましくは単位セルを貫通する、燃料供給通路及び燃料排出通路、空気供給通路及び空気排出通路が形成されることが好ましい。より好ましくは、燃料供給通路及び燃料排出通路には、燃料供給通路及び燃料排出通路を流動する燃料が前記空気流動領域部に流入するのを防止するための燃料流動阻止シーリング層が形成され、前記空気供給通路及び空気排出通路に、空気供給通路及び空気排出通路を流動する空気が前記燃料流動領域部に流入するのを防止するための空気流動阻止シーリング層が形成される。
【００１７】
さらにまた、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックは、単位セル間に放熱フィンを有する導電性冷却部材からさらになることが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、電解質膜の両面が触媒化処理されてなる触媒化メンブレン、前記触媒化メンブレンの両側に設けられる燃料流動領域部及び空気流動領域部、ならびに前記燃料流動領域部及び空気流動領域部の各外表面と接触するバイポーラプレートからなる単位セルが少なくとも２つ積層されている水素イオン交換膜燃料電池スタックにおいて、燃料流動領域部及び空気流動領域部のうち少なくとも一方は触媒化メンブレンの表面に平行なガス流動を誘導する平行流動領域部材と、触媒化メンブレンの表面に垂直なガス流動を誘導する垂直流動領域部材とを含むことを特徴とする水素イオン交換膜燃料電池スタックに関するものである。
【００１９】
以下、添付された図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックに適用される単位セルの概略平面図である。図１において、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックの単位セル１０の四隅の部分に、燃料入口Ｆｉｎ、燃料出口Ｆｏｕｔ、空気入口Ａｉｎ及び空気出口Ａｏｕｔがアノードバイポーラプレート１３を貫通して形成されている。図１に示されるように、燃料及び空気は、単位セル中を対角線方向に流動する。
【００２１】
次に、図２〜図４により、単位セル１０の全体的な構造を説明する。
【００２２】
図２は、図１の単位セルのＩ−ＩＩ’線の断面図であり、図３は、図１の単位セルのＩＩ−Ｉ’線の断面図であり、および図４は、図１の単位セルのＩＩ−ＩＩ’線の断面図である。図２〜４において、触媒化メンブレン１１の両面に、燃料流動領域部１２及び空気流動領域部１５がそれぞれ設けられている。この際、触媒化メンブレン１１の両面は、触媒化処理されている。また、燃料流動領域部１２は燃料が流動する領域であり、空気流動領域部１５は空気が流動する領域である。燃料流動領域部１２の外側（触媒化メンブレン１１とは反対の面）には、アノードバイポーラプレート１３が、及び空気流動領域部１５の外側（触媒化メンブレン１１とは反対の面）には、カソードバイポーラプレート１４がそれぞれ設けられている。ここで、単位セルの縁部は、外部シーリング層により密閉され、単位セルの単一のアセンブリを形成することが好ましい。すなわち、燃料流動領域部１２及び空気流動領域部１５の縁部は外部シーリング層１８により外部から密閉されていることが好ましい。この外部シーリング層１８は、接着成分で形成され、燃料流動領域部１２及び空気流動領域部１５の縁部を密閉するだけではなく、触媒化メンブレン１１およびその上下の積層物を一体化する。
【００２３】
空気流動領域部１５は、特に好ましくは図２に示されるようにその内面に空気流動チャンネル１５ｃを含む平行流動領域部材１５ｂと多孔性材料よりなる垂直流動領域部材１５ａとを含むことが好ましい。また、空気流動チャンネル１５ｃは、蛇行状に形成されることがより好ましい。
【００２４】
また、本発明において、燃料流動領域部１２及び空気流動領域部１５の少なくとも一方は、触媒化メンブレン１１の面に平行なガス流動を誘導する平行流動領域部材及び触媒化メンブレンの面に垂直なガス流動を誘導する垂直流動領域部材を含むことが必須である。例えば、燃料流動領域部１２が平行流動領域部材及び垂直流動領域部材を含む場合には、燃料流動領域部１２は、触媒化メンブレンと接触する垂直流動領域部材（ＯＦＦ）１２ａ及び当該垂直流動領域部材と接触する平行流動領域部材（ＰＦＦ）１２ｂからなることが好ましい。燃料流動領域部１２の平行流動領域部材１２ｂには、燃料が垂直流動領域部材１２ａ中に均一に拡散するように、導入された燃料を触媒化メンブレン１１の面と平行に流動させる。また、触媒化メンブレン１１及び平行流動領域部材１２ｂの間に介在する垂直流動領域部材１２ａは、平行流動領域部材１２ｂを介して均一に拡散して、供給される燃料を触媒化メンブレン１１に拡散させる。この際、平行流動領域部材１２ｂは、垂直流動領域部材１２ａに比べて大きな気孔率を有することが好ましい。この際、平行流動領域部材の気孔率は、好ましくは７０〜９０％、より好ましくは７５〜８０％であり、垂直流動領域部材の気孔率は好ましくは６０〜８０％、より好ましくは６５〜７５％である。なお、本明細書において、気孔率は、平行流動領域部材（ＰＦＦ）及び垂直流動領域部材（ＯＦＦ）の体積に対するすべての孔の体積の比として規定され、水銀ポロシメーター(mercury porosimeter)によって測定（算出）できる。
【００２５】
また、空気流動領域部１５が平行流動領域部材及び垂直流動領域部材を含む場合には、空気流動領域部１５は、多孔性材料よりなる垂直流動領域部材（ＯＦＦ）１５ａ及び空気流動チャンネルを含む平行流動領域部材（ＰＦＦ）１５ｂからなることが好ましい。空気流動領域部１５の平行流動領域部材１５ｂには、空気が垂直流動領域部材１５ａ中に均一に拡散するように、導入された空気を触媒化メンブレン１１の面と平行に流動させる。また、触媒化メンブレン１１及び平行流動領域部材１５ｂの間に介在する垂直流動領域部材１５ａは、平行流動領域部材１５ｂを介して均一に拡散して、供給される空気を触媒化メンブレン１１に拡散させる。
【００２６】
図２に示されるように、単位セル１０には、空気入口Ａｉｎ及び空気出口Ａｏｕｔに連結された空気供給通路１９ａ及び空気排出通路１９ｂが単位セル１０を垂直に貫通して形成されることが好ましい。この際、空気供給通路１９ａ及び空気排出通路１９ｂには、空気が流入してはならない部分、すなわち燃料流動領域部１２に接する部分には空気流動阻止シーリング層１８ａが空気供給通路１９ａ及び空気排出通路１９ｂの周囲をそれぞれ包むように形成されることが好ましい。これにより、図２に示されたように、空気入口Ａｉｎから供給された空気は、空気流動領域部１５のみを通じて拡散した後、空気出口Ａｏｕｔを通じて排出され、燃料流動領域部１２を通じた空気の流動は防止される。
【００２７】
また、図３に示されるように、単位セル１０には、燃料入口Ｆｉｎ及び燃料出口Ｆｏｕｔに連結された燃料供給通路１７ａ及び燃料排出通路１７ｂが単位セル１０を垂直に貫通して形成されることが好ましい。この際、燃料供給通路１７ａ及び燃料排出通路１７ｂには、燃料が流入されてはならない部分、すなわち空気流動領域部１５に接する部分には燃料流入阻止シーリング層１８ｂが燃料供給通路１７ａ及び燃料排出通路１７ｂの周囲をそれぞれ包んむように形成されることが好ましい。これにより、図３に示されたように、燃料入口Ｆｉｎを介して供給された燃料は、燃料流動領域部１２のみを通じて拡散した後、燃料出口Ｆｏｕｔを通じて排出され、空気流動領域部１５を通じた燃料の流動は防止される。
【００２８】
図４は、図１の単位セルのＩＩ−ＩＩ’線の断面図、即ち、燃料供給通路１７ａ及び空気排出通路１９ｂを共に示したものであり、燃料及び空気が混合するのを防止できる単位セル１０の基本的な構造を示すものである。この構造において、空気流動阻止シーリング層１８ａは空気供給通路１９ａ及び空気排出通路１９ｂを囲むように形成され（図２を参照）、燃料流動阻止シーリング層１８ｂは燃料供給通路１７ａ及び燃料排出通路１７ｂを囲むように形成される（図３を参照）。空気流動阻止シーリング層１８ａ及び燃料流動阻止シーリング層１８ｂの形状は特に制限されず、それぞれの相当する通路（即ち、空気供給通路１９ａ、空気排出通路１９ｂ、燃料供給通路１７ａ及び燃料排出通路１７ｂ）の形状に応じて決定されるが、例えば、各通路が円筒形に形成される場合には、空気流動阻止シーリング層１８ａ及び燃料流動阻止シーリング層１８ｂはリング状を有する。
【００２９】
図２〜４において、空気供給通路１９ａ及び空気排出通路１９ｂ、ならびに燃料供給通路１７ａ及び燃料排出通路１７ｂは、カソードバイポーラプレート１４の底面において別の部材２０によって閉じられている。
【００３０】
また、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックは、単位セル間に放熱フィンを有する導電性冷却部材を有すること好ましい。この際、冷却部材は、例えば、図６に示されるような構造を有する。
【００３１】
以上において説明したように、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックは、単位セルが、シーリング層により密閉されて燃料電池スタックの一つの単位ブロックが形成され、燃料及び空気の通路が単位セルを貫通して形成される点にその特徴がある。また、本発明は、単位セルが、燃料及び空気を燃料流動領域及び空気流動領域にだけ独立して流動するような構造を有する点に特徴がある。このような構造的な特徴によれば、一体化されて密閉された単位セルの単独的な運転が可能であり、特に一つの本体に一体化しているために多数の単位セルにより燃料電池スタックを製造することが非常に容易である。加えて、特に燃料電池スタックの運転中に単位セルに不具合が生じた際に、欠陥のある単位セルを代替するための燃料電池スタックの分解及び組立てが非常に容易にできる。
【００３２】
以下、前述した単位セルの各構成部品及び製造方法について説明する。
【００３３】
Ｉ）燃料及び空気の垂直流動領域部材の製造
以下、本発明による燃料及び空気の垂直流動領域部材の製造の一実施態様を記載するが、本発明はこれに制限されるものではなく、各材料の種類、量及び製造条件などは、公知のものを同様にして使用できる。まず基板としてカーボン紙を必要な大きさに切った後、切断された基板の重さ及び厚みを測定する。ＫＳ６黒鉛を脱イオン水に添加、混合して、ＫＳ６黒鉛エマルジョン（６０ｗｔ％）を調製する。ＰＴＦＥ及びＫＳ６黒鉛エマルジョン（６０ｗｔ％）を、１：１の質量比に混合して、スラリーを調製した。次に、カーボン紙に適当量のスラリーを含浸させる。スラリーを含浸させたカーボン紙を１４０℃温度で約５分間加熱し、乾燥する。この過程を所望のローディング量を得るまで反復する。前記過程を経たカーボン紙上にスプレーコーティング法により次の物質をコーティングし、目的とする微孔質層をカーボン紙上に形成する。
【００３４】
微孔質層は次の通り製造する。イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）溶液を、カーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２Ｒ）と混合し、これに脱イオン水を添加してスラリーを作る。このようにして調製されたスラリーを機械的撹拌器を利用し、５００ｒｐｍで５分間撹拌して、粒度が均一のスラリーを製造する。ＰＴＦＥ及び脱イオン水を混合して得られたエマルジョンを前記スラリーに添加して、さらに５分間撹拌する。ＩＰＡ及び脱イオン水の１：１（質量比）の混合液を、前記ＰＴＦＥスラリーと１：１の割合（質量比）で混合して、カーボン紙に塗布する。このようにして得られたカーボン紙を３６０℃で１０分間焼結して、目的とする垂直流動領域を製造する。
【００３５】
ＩＩ）アノード／カソードバイポーラプレートの製造
炭素粉末(Vulcan XC-72)に、ＩＰＡを添加し、さらに脱イオン水を添加した後、５５０ｒｐｍで５分間撹拌して、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２スラリーを調製する。１：１の割合でＰＴＦＥエマルジョン及び脱イオン水を混合して、Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２Ｒスラリーに添加し、６００ｒｐｍで３分間撹拌する。このスラリーを利用してバイポーラプレートが製造される。バイポーラプレートの基材として炭素繊維フリースを使用する。１０％ＰＴＦＥ分散液をローラを用いて炭素繊維フリースに浸透させる。一定のローディング量に達するまでこの過程を反復し、得られた炭素繊維フリースを３５０℃の温度で８分間焼結する。
【００３６】
焼結された２枚の炭素繊維フリースをエポキシに含浸することによって、バイポーラプレートが製造される。エポキシ及び硬化剤を２：１（質量比）の割合で混合した後、これにエタノール溶液を混合してエポキシ溶液を作る。２枚の前記で焼結された炭素繊維フリースにエポキシ溶液を含浸し、４０℃で３分間乾燥する。さらに、２枚の炭素繊維フリースを、ホットプレスによって１３０℃で３００ｋｇ／ｍ2の圧力で８分間圧縮する。このようにして得られたバイポーラプレートについてガス漏れ試験を経た後、目的とするアノード／カソードバイポーラプレートが形成される。
【００３７】
ＩＩＩ）燃料流動領域部の平行流動領域部材の製造
６０ｗｔ％ＰＴＦＥエマルジョン及び脱イオン水を１：５（質量比）の割合で混合した後、この混合液にカーボン紙(Toray 120)を含浸させる。次に、このカーボン紙を１４０℃において３分間乾燥した後、３５０℃において８分間焼結して、目的とするアノードの燃料流動領域部の平行流動領域部材を得る。ここで、アノードの燃料流動領域部の平行流動領域部材の気孔率は、アノードの燃料流動領域部の垂直流動領域部材に比べて大きい。
【００３８】
ＩＶ）空気流動領域部の平行流動領域部材の製造
ＰＴＦＥを含浸させたカーボン紙(Toray 120)を使用して、蛇行状の空気流動チャンネルが形成された空気流動領域部の平行流動領域を製造する。空気流動領域部の平行流動領域部材を、カソードの空気流動領域部の垂直流動領域部材に、例えば、シリコンゴムを用いて、接合する。この際、空気流動チャンネルは、幅が、好ましくは２〜５ｍｍ、より好ましくは２〜３ｍｍ、特に好ましくは２ｍｍであり、深さが、好ましくは０．２〜２ｍｍ、より好ましくは０．２〜０．６ｍｍ、特に好ましくは０．６ｍｍである。
【００３９】
図５は空気流動領域部の平行流動領域部材１５ｂの平面図である。図５に示されるように、平行流動領域部材１５ｂの内面に蛇行状の流動チャンネル１５ｃが形成されている。流動チャンネル１５ｃが形成された面側の平行流動領域部材１５ｂは垂直流動領域部材１５ａと接する。
【００４０】
Ｖ）単位セルのシーリング方法
シーリングジグを使用してアノードバイポーラプレートを固定した後、燃料流動領域部の平行流動領域部材及び燃料流動領域部の垂直流動領域部材を、アノードバイポーラプレートの上面中央に順次載せた後、シリコンシーリングペーストをバイポーラプレートの縁部に塗布する。次に、真空プレートで固定した触媒化メンブレンを燃料流動領域部に接合し、適当な圧力下に１２時間保持してシリコンシーリングペーストを硬化させ、これによりアノード側の外部シーリング層を形成する。
【００４１】
カソード部分のシーリングに関しても、やはりシーリングジグを使用し、前記過程を経た触媒化メンブレン及びアノードの燃料流動領域部のアセンブリを、触媒化メンブレンが上方を向くように固定する。次に、この触媒化メンブレン面上に、空気流動領域部の垂直流動領域部材及び平行流動領域部材を順次積層する。そして、触媒化メンブレンの縁部にシリコンシーリングペーストを塗布した後、前記と同様にしてシリコンシーリングペーストを硬化させ、カソード側の外部シーリング層を形成する。
【００４２】
ＶＩ）燃料及び空気通路のシーリング方法
燃料及び空気などのガス通路は、スタック内に流入する燃料及び空気がそれぞれの単位セルの該当部分にだけ案内、供給されるように、シリコンチューブ及びシリコンシーリングペーストを利用しシーリングする。
【００４３】
図６は、前記のような構造を有する単位セルによるスタックに適用される冷却部材３０の断面図である。
【００４４】
図６において、冷却部材３０は単位セル内での化学反応の結果生じる熱を放散するように機能し、さらに単位セル間での電流集電体としての役割を果たす。なお、冷却部材３０の材料は、特に制限されるものではなく、アルミニウム等の公知の材料が使用できる。冷却部材３０の一面には、空気が流れられるような空間を提供する、複数の放熱フィン３０ａが形成されている。この冷却部材３０に別途設置された送風装置から空気を供給することによって、冷却部材は熱を効果的に放散できる。必要であれば、冷却部材３０は、各単位セル間ではなく、単位セル中に設置されてもよい。
【００４５】
図７は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックの上端及び下端に設置される集電体３１の平面図である。この際、集電体３１は、特に制限されず、公知の材料が使用できるが、例えば、金でコーティングされた銅板がある。
【００４６】
図８は、本発明による単位セル１０を有する本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックの構造を概略的に示した垂直断面図である。
【００４７】
図８に示されるように、冷却部材３０を電池スタックの中央に置いて、その上下部に単位セル１０が積層されている。そして、スタックの上下端には集電体３１が設置されている。集電体３１は導電性を有しかつスタックを外部の衝撃から保護できる複数の部材よりなることが好ましい。
【００４８】
図８に、燃料供給通路及び空気供給通路を通した燃料及び空気の流れを示す。図８に示されるように、各単位セル１０の燃料供給通路１７ａ及び空気供給通路１９ａが、それぞれ、一つの燃料供給通路１７ａ’及び空気供給通路１９ａ’を形成するように連結される。また、燃料供給通路１７ａ’及び空気供給通路１９ａ’には、それぞれ、燃料供給パイプ２１ａ及び空気供給パイプ２２ａが挿入されている。燃料供給パイプ２１ａ及び空気供給パイプ２２ａが挿入された燃料供給通路１７ａ’及び空気供給通路１９ａ’の上下端部分は、シーリング部材２０ａ，２０ｂで密閉されている。この際、燃料供給パイプ２１ａ及び空気供給パイプ２２ａは一般的に管状体であり、それぞれ、燃料供給通路１７ａ’及び空気供給通路１９ａ’と連通する、燃料開口部２１ａ及び空気開口部２１ｂを有する。図８において、矢印は燃料及び空気が流れる方向を示す。
【００４９】
【実施例】
以下、本発明の実施例により具体的に説明する。
【００５０】
実施例１
本実施例において、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックを製作した。なお、本実施例で製作されたスタックの実際の製作写真を図９及び１０に示し、また、これは３００Ｗに設計されたスタックである。
【００５１】
図９及び１０に示される水素イオン交換膜燃料電池スタックは、以下の規格に従って設計された。
【００５２】
１）単位セル面積：５０ｃｍ2
２）活性領域面積：３０ｃｍ2
３）セル数：２４シングル単位セル
４）スタックの高さ：１４．７ｃｍ
５）スタックの長短辺の長さ：１０ｃｍ、５ｃｍ
６）全体体積：０．７Ｌ
７）重量：１．２ｋｇ
８）冷却方法：空気冷却
このような規格で製作されたＰＥＭＦＣスタックの最大電力は２３４Ｗ（１３Ｖ）であり、出力密度は３２０Ｗ／Ｌ（１３Ｖ）であった。この際、ＰＥＭＦＣスタックは、２０ｐｉｓａの乾燥Ｈ2圧力及び２５ｐｉｓａの空気圧力で操作した。また、セルの温度は５５℃であった。このようにして操作されたＰＥＭＦＣスタックの製造を図１０に示す。
【００５３】
このようにして製造された３００ＷのＰＥＭＦＣスタックの空気の最大流速は５Ｌ／分であった。このため、空気流動領域部として微孔質層を使用する場合には、空気の流動通路で圧力低下が生じ、従って単位セル内部に円滑に空気が供給できない。また、局部的に空気圧が増加するため、セルが損傷する危険性がある一方で、局部的に空気がほとんど供給されず化学反応が起こらない点が生じる。したがって、本発明においては、蛇行状の空気流動チャンネルが空気流動領域部の平行流動領域部材に形成され、これにより自然にかつ均一に空気が単位セル全体に供給できる。
【００５４】
基本的に、燃料ガスとしての水素及び空気は、セル内で向流形態でそれぞれ対角線方向に流れる。燃料供給通路を通じて流入した水素は、単位セル内の微孔質層を通じてアノードと平行に拡散する。次に、拡散された水素（プロトン）は、燃料流動領域部の垂直流動領域部材を通じて触媒化メンブレンに対して垂直方向に移動する。これに対して、空気は、空気供給通路から流入して蛇行状の空気流動チャンネルを有する空気流動領域部の平行流動領域部材を電極（カソード）に平行に流れる。平行流動領域部材の空気流動チャンネルは空気で飽和し、さらに電極（カソード）に対して垂直方向に空気流動領域部の垂直流動領域部材を通じて触媒化メンブレンに供給される。
【００５５】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、電解質膜の両面が触媒化処理されているなる触媒化メンブレン、前記触媒化メンブレンの両側に設けられる燃料流動領域部及び空気流動領域部、ならびに前記燃料流動領域部及び空気流動領域部に外側の各外表面と接触するバイポーラプレートからなる単位セルが少なくとも２つ積層されている水素イオン交換膜燃料電池スタックにおいて、前記燃料流動領域部及び空気流動領域部のうち少なくとも一方は前記触媒化メンブレンの平面面に並んだ方向への平行なガス流動を誘導する平行流動領域部材と、前記触媒化メンブレンの面に垂直方向へのガス流動を誘導する垂直流動領域部材とを含むことを特徴とする水素イオン交換膜燃料電池スタックに関するものである。本発明によれば、水素イオン交換膜燃料電池スタック全体の重さ及び体積を、単位セルの数を調節することによって適度に減少できる。また、スタックの性能を低下させることなく不良単位セルを容易に交換でき、電極としてバイポーラプレートを使用することにより円滑にガスの流動を誘導できる。
【００５６】
また、本発明によれば、反応熱を効果的に放散でき、重さ及び体積当たりの出力密度を増加できる。特に、蛇行状の空気流動チャンネルを空気流動領域部材中に形成することによって、圧力低下を防止でき、ゆえに燃料変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックに適用される単位セルの概略平面図である。
【図２】は、図１のＩ−ＩＩ’線の断面図である。
【図３】は、図１のＩＩ−Ｉ’線の断面図である。
【図４】は、図１のＩＩ−ＩＩ’線の断面図である。
【図５】は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックに適用される空気平行流動領域部材の概略平面図である。
【図６】は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックに適用される冷却部材の概略断面図である。
【図７】は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックに適用される電流集電体の概略平面図である。
【図８】は、本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックの単位セルの概略垂直断面図である。
【図９】は、実際に製作された本発明による水素イオン交換膜燃料電池スタックの写真である。
【図１０】は、実際に製作された本発明による水素イオン交換膜燃料電池スタックの写真である。
【図１１】は、図９及び図１０に示された本発明の水素イオン交換膜燃料電池スタックの性能を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…単位セル、
１１…触媒化メンブレン、
１２ａ、１５ａ…垂直流動領域部材、
１２ｂ、１５ｂ…平行流動領域部材、
１３…バイポーラプレート、
１５…空気流動領域部、
１５ｃ…空気流動チャンネル、
１７ａ’…燃料供給通路、
１９ａ’…空気供給通路、
２０ａ、２０ｂ…密閉部分、
２１ａ…燃料供給パイプ、
２２ａ…空気供給パイプ、
３０…冷却部材、
３１…集電体。
【図１】
0003936222.tif 000002
【図２】
0003936222.tif 000003
【図３】
0003936222.tif 000004
【図４】
0003936222.tif 000005
【図５】
0003936222.tif 000006
【図６】
0003936222.tif 000007
【図７】
0003936222.tif 000008
【図８】
0003936222.tif 000009
【図９】
0003936222.tif 000010
【図１０】
0003936222.tif 000011
【図１１】
0003936222.tif 000012