(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と電極とセパレータを重ねて構成した固体高分子電解質型燃料電池を積層してスタックを構成し、
セパレータ面内に複数の互いに独立したマニホールドと５以上のセグメントに分けられたガス流路を構成し、前記複数のマニホールド同士をスタック端で直列に連通したガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータ面内にある上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないように上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路はそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されていることを特徴とするガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記５以上のセグメントが上流側から下流側に順にセグメント１、２、３、４、５の５つのセグメントを含み、前記セグメント１、２、３、４、５が、セパレータ面内に、セグメント３、４、１、５、２の順で配置されている請求項１記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
セパレータ面内で、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されている請求項１または請求項２記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の乾燥、湿潤過多を防止したガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
カソードでは、エアは入口では乾燥しているが水生成反応により通路下流（出口）側では水蒸気分が増加し、エアの飽和水蒸気量を越えると水滴となる。一方、電解質膜中を水素イオンが移動するためには電解質膜が適当に湿潤していることが必要である。電解質膜が乾燥していると膜中のプロトンの移動を阻害し抵抗となるため性能（出力電圧）が低下する。供給エアを加湿することで電解質膜の入口側での乾きは防止できるが、出口で反応生成水による水分過多により通路の水詰まりが生じ、酸素不足になってカソード側での反応が起こりにくくなるという問題が生じる。この問題を軽減するために、ガス流路に対して種々の工夫がなされている。
たとえば、特開２０００−１２０５１は、図６に示すように、セパレータ６面内を複数のマニホールド７、８、９に連通した複数の独立したセグメント１、２、３のガス流路とし、それら複数のマニホールド７、８、９同士をスタック端で連通し直列のガス流路を構成した、ガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、セグメント１、２、３化されたガス流路は、上流側のセグメント１から下流側のセグメント３に順に隣接させてセパレータ面内に配置されているので、上流側セグメント１では電解質膜の水分がエアに持ち去られて電解質膜の乾燥が生じやすく、下流側セグメント３ではカソード側の水生成反応によって水分過多となって飽和水蒸気以上は水滴を生成し、通路の詰まり、エア不足を生じやすい。
これを模式化すると図５に示すようになる。図５では、図６のセグメント数が３であったものを、本発明実施例（セグメント数が、たとえば５）との比較に便利なように、セグメント数を５（したがって、セグメントＮｏを１、２、３、４、５としてある）にして示してある。
図５において、セグメント１では乾燥したエアにより反応生成水は持ち去られ、さらに電解質膜中からも水分が持ち去られて、上流側（入口側）で電解質膜の乾燥が生じる。電解質膜が乾燥した部分では出力電圧低下が起きる。また、セグメント２、３、４となるにつれて、反応生成水によりエア中の水蒸気分が増大していく。セグメント５では湿潤過多になり、エアの飽和水蒸気量を越える分は水滴となって、通路や電極拡散層の通気性を阻害し水詰まりを生じさせる。水詰まりが生じると、酸素の供給が不十分となり、カソード側での発電反応が円滑に行われなくなる。
本発明の目的は、電解質膜の乾燥、湿潤過多を抑制するガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  電解質膜と電極とセパレータを重ねて構成した固体高分子電解質型燃料電池を積層してスタックを構成し、
セパレータ面内に複数の互いに独立したマニホールドと５以上のセグメントに分けられたガス流路を構成し、前記複数のマニホールド同士をスタック端で直列に連通したガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池において、セパレータ面内にある上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないように上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路はそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されていることを特徴とするガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
（２）  前記５以上のセグメントが上流側から下流側に順にセグメント１、２、３、４、５の５つのセグメントを含み、前記セグメント１、２、３、４、５が、セパレータ面内に、セグメント３、４、１、５、２の順で配置されている（１）記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
（３）  セパレータ面内で、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されている（１）または（２）記載のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池。
【０００５】
上記（１）のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないようにそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられているので、他のセグメントのガス流路は上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路より水蒸気分が多いから、この他のセグメントのガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に移動し、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に対応する電解質膜部分の乾燥が抑制される。
上記（２）のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、下流側のセグメント４、５のガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が下流側のセグメントのガス流路に隣接する上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント４、５のガス流路と電極の湿潤過多が抑制されるとともに、上流側のセグメント１、２のガス流路に対応する電解質膜の乾燥が抑制される。
上記（３）のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されているので、一つのセグメントのガス流路のうち湿潤の大の部分が、それに隣接するセグメントのガス流路のうち乾燥の大の部分が隣接し合うことになり、電解質膜の乾燥抑制、ガス流路および電極拡散層の湿潤過多抑制の効果が大きい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池を図１〜図４を参照して、説明する。
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９を構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成し）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
【０００８】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからなる。
セパレータ１８は、不透過性で、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）または金属または導電性樹脂の何れかからなる。以下では、セパレータ１８が、カーボン（黒鉛である場合を含む）からなる場合を示すが、これに限るものではない。
【０００９】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、図２に示すように２セルで１モジュールを構成するものでは、モジュール毎（２セル毎）に１つの冷却水流路２６が設けられる。
【００１０】
セパレータ１８は、燃料電池を冷却する冷却水流路を形成するとともに反応ガスの流路を形成する冷却用セパレータ１８Ａと、反応ガスの流路を形成する反応ガス用セパレータ１８Ｂとの２種類のセパレータがある。
冷却用セパレータ１８Ａは、一面に冷却水流路２６が形成され他面に反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）流路２７が形成されていて、冷却水と反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）とを隔てる。反応ガス用セパレータ１８Ｂは、一面に燃料ガス流路２７ａが形成され他面に酸化ガス流路２７ｂが形成されていて、燃料ガスと酸化ガスとを隔てる。
【００１１】
セパレータ１８は、通常、ほぼ四角形で、外周部にガスマニホールド２９、冷却水マニホールドを有し、外周部より内側部に冷却水流路２６および／または反応ガス流路２７が形成されている。通常、ガスマニホルード２９は、燃料ガスマニホールドと酸化ガスマニホールドに分けられ、対向する２辺に酸化ガスマニホールドが形成され、それと直交する方向の対向する２辺に燃料ガスマニホールドが形成される。そして、通常、燃料ガスと酸化ガスとは、反応ガス用セパレータ１８Ｂの表裏で、直交する方向に流れる。
【００１２】
図３は、一面に酸化ガス（空気）のガス流路２７ｂが形成され外周部の対向２辺にガス（酸化ガス）マニホールド２９が形成されているセパレータ１８を、酸化ガス流路２７ｂ側から見た場合を示す。セパレータ１８には外周部に酸化ガスマニホールドが形成された２辺と直交する２辺に燃料ガスマニホールドが形成されるが、図３では燃料ガスマニホールドの図示を省略してある。
【００１３】
図３に示すように、セパレータ面内のマニホールド（酸化ガスマニホールド）２９は、複数の互いに独立した複数のマニホールドとされており、セパレータ面内のガス流路（酸化ガス流路、すなわちエア流路）は、複数のセグメント１、２、３、４、５に分けられたガス流路２７とされている。ガス流路は溝状のガス流路から構成されていてもよいし、多数の小突起によってセパレータと電極間に形成されるスペースであってもよい。ガス流路が溝状のガス流路である場合は、各セグメント１、２、３、４、５は並行する溝状のガス流路群である。各マニホールド２９と各セグメントのガス流路とは連通している。セグメントの数は、図示例では５個の場合を示すが、個数は３個以上であれば任意である。
【００１４】
複数の独立したマニホールド２９同士はスタック端で直列に連通されている。  したがって、ガス入口から入ったガスは、各セルのセグメント１の入口側マニホールド２９からセグメント１のガス流路に入り、セグメント１の出口側マニホールド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端内（エンドプレート内に形成した通路）に至り、スタック端内のセグメント１の出口側マニホールドからスタック端内のセグメント２の入口側マニホールドに流れる。
同じことをセグメント２に対して繰り返す。すなわち、スタック端内のセグメント２の入口側マニホールドに流れたガスは、各セルのセグメント２の入口側マニホールド２９からセグメント２のガス流路に入り、セグメント２の出口側マニホールド２９に出て該マニホールドを通ってスタック端内（エンドプレート内に形成した通路）に至り、スタック端内のセグメント２の出口側マニホールドからスタック端内のセグメント３の入口側マニホールドに流れる。
上記を順次、セグメント２、３、４、５と繰り返して、最後はスタック端内のセグメント５の出口側マニホールドから外部に出ていく。
【００１５】
各セパレータ面内のセグメント１、２、３、４、５は直列の流路を構成しており、このうちセグメント１、２は上流側のセグメントを構成し、セグメント４、５は下流側のセグメントを構成し、セグメント３は中央のセグメントとなる。
セグメント数をＮとすると、Ｎが奇数の場合は、（Ｎ＋１）／２より小のＮｏのセグメントが上流側セグメント、（Ｎ＋１）／２より大のＮｏのセグメントが上流側セグメントであり、Ｎが偶数の場合は、Ｎ／２より以下のＮｏのセグメントが上流側セグメント、Ｎ／２より大のＮｏのセグメントが上流側セグメントである。
【００１６】
本発明では、セパレータ面内にある上流側のセグメント（たとえば、セグメント１）のガス流路とそのすぐ下流のセグメント（たとえば、セグメント２）のガス流路が隣接しないように、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路はそれらより下流側の他のセグメント（たとえば、セグメント５）のガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されており、かつセパレータ面内にある下流側のセグメント（たとえば、セグメント５）のガス流路とそのすぐ上流のセグメント（たとえば、セグメント４）のガス流路が隣接しないように下流側のセグメントのガス流路とそのすぐ上流のセグメントのガス流路はそれらより上流側にある他のセグメント（たとえば、セグメント１）のガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されている。
【００１７】
したがって、セパレータ面内で、下流側のセグメント（たとえば、セグメント５、４）のガス流路は上流側のセグメント（たとえば、セグメント１、２）のガス流路に隣接して配置されており、上流側のセグメント（たとえば、セグメント１、２）のガス流路は下流側のセグメント（セグメント５、４）のガス流路に隣接して配置されている。この場合、最上流側のセグメント１と最下流側のセグメント５を隣接させることが望ましい。
【００１８】
また、セパレータ面内で、下流側のセグメント（たとえば、セグメント５）のガス流路は２つの上流側のセグメント（たとえば、セグメント１、２）のガス流路に挟まれて配置されており、上流側のセグメント（たとえば、セグメント１）のガス流路は２つの下流側のセグメント（たとえば、セグメント４、５）のガス流路に挟まれて配置されている。この場合、最下流側のセグメント５が最上流側のセグメント１と２番目に上流側のセグメント２で挟まれることが望ましく、最上流側のセグメント１が最下流側のセグメント５と２番目に下流側のセグメント４で挟まれることが望ましい。
【００１９】
図３では、セパレータ面内で、各セグメントのガス流路を同じ向きにガスが流れる場合を示してあるが、これに限らず、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されていてもよい。たとえば、図３でセグメント４、５のガスの流れを図示例と逆しに、セグメント１、２、３のガスの流れを図示例のままとしてもよい。このガス流れは、スタック端でのマニホールドの接続を選定することによって、容易に得ることができる。
【００２０】
つぎに、本発明の作用を、図３、図４を参照して、説明する。
本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、上流側のセグメント１のガス流路とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路が隣接しないようにそれらより下流側の他のセグメント５のガス流路によって隔てられているので、他のセグメント５のガス流路は上流側のセグメントのガス流路１とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路より湿潤度が大であるから、該他のセグメント５のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分が上流側のセグメント１のガス流路とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路に移動し、上流側のセグメント１のガス流路とそのすぐ下流のセグメント２のガス流路に対応する電解質膜部分の乾燥が抑制される。これによって、電解質膜１１の乾燥による燃料電池の出力電圧低下が防止される。
【００２１】
同様に、セパレータ面内にある下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路が隣接しないように下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路はそれらより上流側にある他のセグメント１のガス流路によって隔てられてセパレータ面内に配置されているので、下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分がそれらより上流側にある他のセグメント１のガス流路に移動し、下流側のセグメント５のガス流路とそのすぐ上流のセグメント４のガス流路および電極拡散層での湿潤過多および過剰な水滴生成が抑制される。
【００２２】
また、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、下流側のセグメント５のガス流路は上流側のセグメント１、２のガス流路に隣接して配置されており、上流側のセグメント１のガス流路は下流側のセグメント５、４のガス流路に隣接して配置されているので、下流側のセグメント５のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分が下流側のセグメント５のガス流路に隣接する上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント５のガス流路の湿潤過多が抑制されるとともに、上流側のセグメント１、２のガス流路に対応する電解質膜１１の乾燥が抑制される。
この場合、図４に示すように、湿潤防止効果は最下流側のセグメント５で最も大きく、乾燥防止効果は最上流側のセグメント１で最も大きい。
【００２３】
また、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータ面内で、下流側のセグメント５のガス流路は２つの上流側のセグメント１、２のガス流路に挟まれて配置されており、上流側のセグメント１のガス流路は２つの下流側のセグメント４、５のガス流路に挟まれて配置されているので、下流側のセグメント５のガス流路から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して水分が下流側のセグメント５を挟む上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント５のガス流路および電極の湿潤過多および過剰な水滴生成が抑制され、上流側のセグメント１を挟む下流側のセグメント５、４から電解質膜１１およびそれに接する電極１７を通して上流側のセグメント１のガス流路へ水分が移動し、上流側のセグメント１のガス流路に対応する電解質膜１１の乾燥が抑制される。
【００２４】
また、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定した場合は、一つのセグメントのガス流路のうち湿潤度の大の部分が、それに隣接するセグメントのガス流路のうち乾燥の大の部分が隣接し合うことになり、電解質膜１１の乾燥抑制、通路および電極の湿潤過多抑制の効果が大きい。
【００２５】
図４に示すように、本発明のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池では、水蒸気分の高いセグメントから乾燥度の高いセグメントに水分（水蒸気分）が移動するので、膜中水分量がセグメント間で均一化の方向に向かい、従来の図５に示した膜中水分量の分布に比べて均一化する。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池によれば、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路が隣接しないようにそれらより下流側の他のセグメントのガス流路によって隔てられているので、他のセグメントのガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に移動し、上流側のセグメントのガス流路とそのすぐ下流のセグメントのガス流路に対応する電解質膜部分の乾燥を抑制できる。
請求項２のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池によれば、下流側のセグメント４、５のガス流路から電解質膜およびそれに接する電極を通して水分が下流側のセグメント４、５のガス流路に隣接する上流側のセグメント１、２に移動し、下流側のセグメント４、５のガス流路と電極の湿潤過多を抑制できるとともに、上流側のセグメント１、２のガス流路に対応する電解質膜の乾燥を抑制できる。
請求項３のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池によれば、隣接するセグメントのガス流路同士でガス流れの向きが逆に設定されているので、一つのセグメントのガス流路のうち湿潤の大の部分が、それに隣接するセグメントのガス流路のうち乾燥の大の部分が隣接し合うことになり、電解質膜の乾燥抑制、ガス流路および電極拡散層の湿潤過多抑制の効果を大にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池の全体概略図である。
【図２】  本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池のモジュールの端部とその近傍の断面図である。
【図３】  本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの酸化ガス流路側から見た概略正面図である。
【図４】  本発明実施例のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池におけるセパレータ内セグメント間での水分のやりとりとその前後における膜中水分量を棒グラフで示したセパレータの正面図である。
【図５】  従来のガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池の問題を模式化して示した、各セグメントでの膜中水分量の棒グラフである。
【図６】  特開２０００−１２０５１に記載されたセパレータの正面図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５  セグメント
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１８Ａ  冷却用セパレータ
１８Ｂ  反応ガス用セパレータ
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルトまたはナット
２６  冷却水流路
２７  ガス流路
２７ａ  燃料ガス流路
２７ｂ  酸化ガス流路
２９  ガスマニホルド
【図１】
0003945136.tif 000002
【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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