(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟むカソードおよびアノードを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板と、を有する単セルを２以上積層したセルスタックを具備する燃料電池であって、
前記セルスタックは、酸化剤ガスの入口側マニホールドおよび出口側マニホールド、燃料ガスの入口側マニホールドおよび出口側マニホールド、ならびに冷却流体の入口側マニホールドおよび出口側マニホールドを有し、
前記カソード側セパレータ板は、前記カソードと対向する第１の面に、前記酸化剤ガスの前記入口側マニホールドと前記酸化剤ガスの前記出口側マニホールドとを連絡する酸化剤ガスの流路を有し、
前記アノード側セパレータ板は、前記アノードと対向する第１の面に、前記燃料ガスの前記入口側マニホールドと前記燃料ガスの前記出口側マニホールドとを連絡する燃料ガスの流路を有し、
前記カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板の少なくとも一方は、前記第１の面の反対側に位置する第２の面に、前記冷却流体の前記入口側マニホールドと前記冷却流体の前記出口側マニホールドとを連絡する冷却流体の流路を有し、
前記冷却流体の流路は、前記カソードと対応する領域または前記アノードと対応する領域を冷却する第１の冷却部、ならびに前記第１の冷却部と前記冷却流体の入口側マニホールドとの間に位置する第２の冷却部を有し、
前記第２の冷却部は、前記冷却流体の前記入口側マニホールドから前記カソードと対応する領域または前記アノードと対応する領域までを直近で結ぶ直線を仮定した場合に、当該直線に対して略垂直な方向に延びる、直線部とターン部とで構成された複数の溝で構成されていること、を特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１の冷却部が複数の並行する溝で構成され、前記第２の冷却部が前記第１の冷却部の溝より少ない数の溝で構成されている請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いられる燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、燃料電池のセルスタックにおける各単セルの温度バラツキを低減することにより、フラッディングが発生しにくく、耐久性に優れた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含む燃料ガスと、空気など酸素を含む酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。これらの電極は、電極触媒（例えば、白金などの金属触媒）を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（例えば撥水処理を施したカーボンペーパー）からなるガス拡散電極から構成される。これを膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。
【０００３】
供給される燃料ガスや酸化剤ガス（反応ガス）が外部にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極の周辺には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
これらのＭＥＡとセパレータ板を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。これをセルスタックと呼ぶ。
【０００５】
高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性を有する電解質として機能する。よって、燃料電池の稼動中は、高分子電解質膜からの水分の蒸発を防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスは加湿して供給される。また、電池発電時には、次の電気化学反応が生じ、カソード側で反応生成物として水が生成される。
アノード  ；  Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                       （１）
カソード  ；  ２Ｈ+  ＋ （１／２）Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ   （２）
【０００６】
加湿された燃料ガス中の水、加湿された酸化剤ガス中の水、および反応生成水は、高分子電解質膜の含水量を飽和状態に保つために使用され、さらに余剰の燃料ガス酸化剤ガスとともに燃料電池の外部へ排出される。
【０００７】
また、上の反応は発熱反応であることから、電池発電時にはセルスタックを冷却する必要がある。セルスタックを冷却するには、セパレータ板のＭＥＡと接触する面（第１の面）とは反対側の面（第２の面）に冷却流体（例えば冷却水）の流路を形成し、そこに冷却流体を流し、発熱反応により温度上昇したセパレータ板と冷却流体とを熱交換させる方法が一般的である。冷却流体の流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けて流路とする方式が一般的である。
【０００８】
セルスタックの冷却が不十分な場合、ＭＥＡの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が短縮したり、高分子電解質膜の比抵抗が増大してセルスタックの出力が低下したりする。一方、セルスタックを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディングを起こす。その結果、電極の反応面積が減少し、電池性能が低下する。
【０００９】
そこで、酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域をより冷却することを目的として、当該酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域、即ち酸化剤ガスの流路の入口側と、冷却流体の流路中において冷却流体の温度が低い領域、即ち冷却流体の流路の入口側とを略一致するように互いに近傍に設け、これによってフラッディングを抑制し、出力電圧を安定にする冷却方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表平９−５１１３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１の方法を採用したセパレータ板においては、酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域、即ち式（２）による反応生成水の総量が少なく、酸化剤ガス濃度が高く、かつ式（２）の反応がより促進されることによる発熱量が多い領域と、冷却流体の導入部とが一致しているため、以下のような問題が生じる。
ここで、図１２に、上記特許文献１におけるセパレータ板と同様の構造を有する従来のカソード側セパレータ板の、冷却流体の流路側の上面図を示す。従来のセパレータ板１０１においては、冷却流体の入口側マニホールド孔１０２ａと出口側のマニホールド孔１０２ｂとを接続する溝状の冷却流体の流路１０７が設けられ、裏面には、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１０３ａと出口側マニホールド孔１０３ｂとが、溝状の酸化剤ガスのガス流路（図示せず）で接続されている。なお、１０４ａおよび１０４ｂはそれぞれ燃料ガスの入口側マニホールド孔および出口側マニホールド孔で、四隅に締結ボルト用の孔１０６が設けられている。
【００１１】
従来のカソード側セパレータ板１０１のハッチングで示される領域１０８においては、冷却流体の導入部と、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔１０３ａ付近における、酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域とが一致しているため、冷却流体の入口側マニホールド内の冷却流体が、一点鎖線１０５で示されカソードに対応する領域の発熱の影響を受ける。そのため、セルスタックへの導入前ないしは導入直後の冷却流体の温度Ｔ0が、発熱したカソードの温度Ｔ2によってＴ1にまで上昇し（ただし、Ｔ0＜Ｔ1＜Ｔ2）、その温度上昇ΔＴ（＝Ｔ1−Ｔ0）が比較的大きい。このことは、アノード側セパレータ板においても同様である。そうすると、単セルが積層されたセルスタックにおける冷却流体の入口側マニホールドにおいては、冷却流体の滞留時間が短い入口部と、滞留時間が長くなる入口部から最も遠い奥側の部分（即ち、冷却流体の入口側マニホールドの、冷却流体の流れる方向において最も下流側の部分）との間に、冷却流体の温度差が生じる。したがって、セルスタック内の積層方向において下流に行けばいくほど冷却効果が低下し、各単セルの冷却状態にバラツキが生じ、最適状態に冷却することが困難になる。
【００１２】
その結果、セルスタック内の積層方向において各単セルの温度が不均一になり、温度が高い単セルにおいては、高分子電解質膜から水分が蒸発して該高分子電解質膜の劣化が促進することによって単セルの耐久性が短縮したり、高分子電解質膜の比抵抗の増大によって単セルの出力が低下してしまうという問題を有していた。
一方、温度が低い単セルにおいては、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露して液体状態の水が増加し、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害するフラッディングが発生するという問題を有していた。
【００１３】
上記のような問題は、セルスタック内の積層方向における各単セルの不均一冷却に起因するため、個々の単セルにおけるセパレータ板の冷却流体の流路パターンや、冷却流体の流速の最適化などによっては解決することは困難であった。
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電中に単セルの発熱部の温度と、冷却流体の入口側マニホールド内の冷却流体との温度差に起因して入口側マニホールド内の冷却流体に生じる温度上昇を緩和し、燃料電池のセルスタックの積層方向における各単セルの温度バラツキを低減することにより、フラッディングを抑制し、耐久性に優れ、安定した出力電圧を実現する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】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決すべく、
高分子電解質膜、高分子電解質膜を挟むカソードおよびアノードを含む膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板と、を有する単セルを２以上積層したセルスタックを具備する燃料電池であって、
セルスタックは、酸化剤ガスの入口側マニホールドおよび出口側マニホールド、燃料ガスの入口側マニホールドおよび出口側マニホールド、ならびに冷却流体の入口側マニホールドおよび出口側マニホールドを有し、
カソード側セパレータ板は、カソードと対向する第１の面に、酸化剤ガスの入口側マニホールドと酸化剤ガスの出口側マニホールドを連絡する酸化剤ガスの流路を有し、
アノード側セパレータ板は、アノードと対向する第１の面に、燃料ガスの入口側マニホールドと燃料ガスの出口側マニホールドとを連絡する燃料ガスの流路を有し、
カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板の少なくとも一方は、第１の面の反対側に位置する第２の面に、冷却流体の入口側マニホールドと冷却流体の出口側マニホールドとを連絡する冷却流体の流路を有し、
冷却流体の流路は、カソードと対応する領域またはアノードと対応する領域を冷却する第１の冷却部、ならびに第１の冷却部と冷却流体の入口側マニホールドとの間に位置する第２の冷却部を有し、
第２の冷却部は、冷却流体の入口側マニホールドからカソードと対応する領域またはアノードと対応する領域までを直近で結ぶ直線を仮定した場合に、当該直線に対して略垂直な方向に延びる、直線部とターン部とで構成された複数の溝で構成されていること、を特徴とする燃料電池を提供する。
【００１５】
ここで、「カソードと対応する領域」とは、カソード側セパレータ板の主面の法線方向から当該「カソードに対応する領域」を投影してみた場合に（等倍にして投影してみた場合）に、膜電極接合体の発電部であるカソードを構成するガス拡散層を示す図形（投影された結果、「カソードを構成するガス拡散層」を示すものとしてみえる図形）と略同一の大きさおよび形状となる領域、すなわち「カソードを構成するガス拡散層」を示す図形に略一致した状態で重なる領域をいう（図３および４における符号３５で示される部分）。
【００１６】
一方、「アノードと対応する領域」とは、アノード側セパレータ板の主面の法線方向から当該「アノードに対応する領域」を投影してみた場合に（等倍にして投影してみた場合）に、膜電極接合体の発電部であるアノードを構成するガス拡散層を示す図形（投影された結果、「アノードを構成するガス拡散層」を示すものとしてみえる図形）と略同一の大きさおよび形状となる領域、すなわち「アノードを構成するガス拡散層」を示す図形に略一致した状態で重なる領域をいう（図５および６における符号４５で示される部分）。
【００１７】
上記のように、カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板のうちの少なくとも一方において、冷却流体の流路として、カソードまたはアノードと対応する領域を冷却する第１の冷却部（即ち、従来からの冷却部）に加えて、第１の冷却部と冷却流体の入口側マニホールドとの間に位置する第２の冷却部を設けることにより、燃料電池の発電中に単セルの発熱部（即ちアノードまたはカソード）の温度と、冷却流体の入口側マニホールド内の冷却流体との温度差に起因する、入口側マニホールド内の冷却流体に生じる温度上昇を緩和することができ、これによって燃料電池のセルスタックの積層方向における各単セルの温度バラツキを低減することができ、フラッディングを抑制し、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、入口側マニホールド内の冷却流体が温度上昇するのを抑制することができるため、セルスタックにおける冷却流体の入口側マニホールド内において、冷却流体が入口から奥へ進むに従って次第に温度が高くなるということがなく、入口部と最も奥の部分とでの温度差が大きくなることはない。このため、セルスタックの各セルに導入される冷却流体の温度差が殆どなく、セルスタック全体がほぼ均一に冷却される。
したがって、本発明によれば、燃料電池のセルスタックにおける各セルの温度バラツキが低減されるので、フラッディングが抑制され、安定した出力電圧を実現する、耐久性に優れた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
【００２０】
［第一実施形態］
図１は、本発明の燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。単セル１０は、高分子電解質膜の一例である水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１を挟むカソード２およびアノード３を備えている。高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（商品名））を用いている。カソードおよびアノードは、高分子電解質膜に接する触媒層と、その外側に配置されたガス拡散層とからなる。カソードおよびアノードの触媒には、電極触媒（例えば白金金属）を担持したカーボンを用いている。
【００２１】
単セル１０は、高分子電解質膜１、カソード２およびアノード３からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）を挟む、カソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０を備えている。高分子電解質膜１は、カソード２およびアノード３の外周部において、ガスケット４により挟まれている。以下の説明では、単セル１０は、図１のように、ＭＥＡが水平方向に対して垂直となるように設置されるものとする。
【００２２】
次に、図２に、上記の単セル１０を２以上（複数個）積層して得られるセルスタック２０の概略斜視図を示す。セルスタック２０は、ＭＥＡ、カソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０にそれぞれ設けられて、互いに連通する酸化剤ガスの入口側マニホールド孔につながる酸化剤ガスの入口２２ａおよび出口側マニホールド孔につながる酸化剤ガスの出口２２ｂ、燃料ガスの入口側マニホールド孔につながる燃料ガスの入口２３ａおよび出口側マニホールド孔につながる燃料ガスの出口２３ｂ、ならびに、冷却水の入口側マニホールド孔につながる冷却水の入口２４ａおよび出口側マニホールド孔につながる冷却水の出口２４ｂを有する。なお、セルスタック２０の両端に位置するセパレータ板は、冷却水の流路を有しない。このセルスタック２０は、両端に、集電板および絶縁板を介して端板を重ね合わせ、締結ボルトで締め付けることにより、燃料電池が構成される。
【００２３】
上記のように構成された燃料電池においては、酸化剤ガスの入口２２ａから各セルの入口側マニホールドに導入された酸化剤ガスは、カソード側セパレータ板３０の流路３６からカソード２のガス拡散電極に拡散して反応に供される。余剰の酸化剤ガスおよび反応生成物は、流路３６から出口側マニホールドを経て出口２２ｂより排出される。燃料ガスも同様に、入口２３ａ、入口側マニホールド、およびアノード側セパレータ板４０の流路４６を経由してアノード３に供給され、余剰の燃料ガスおよび反応生成物は流路４６から出口側マニホールドを経て出口２３ｂより排出される。
【００２４】
ここで、従来の燃料電池においては、上述したように、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水が電極の発熱の影響を受けるため、セルスタック内の積層方向において各単セルの温度が不均一になり、温度が高い単セルにおいては、高分子電解質膜から水分が蒸発して該高分子電解質膜の劣化が促進することによって単セルの耐久性が短縮したり、高分子電解質膜の比抵抗の増大によって単セルの出力が低下してしまうという問題を有していた。これに対し、本発明の燃料電池においては、図３および図４に示すような構造を有するカソード側セパレータ板と、図５および図６に示すような構造を有するアノード側セパレータ板とを用いる。
【００２５】
図３は、本実施形態における燃料電池のカソード側セパレータ板の酸化剤ガスの流路側の正面図である。図４は、図３に示すカソード側セパレータ板の背面図、即ち冷却水の流路側の正面図である。
カソード側セパレータ板３０は、図３および図４に示すように、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔３２ａおよび酸化剤ガスの出口側マニホールド孔３２ｂ、燃料ガスの入口側マニホールド孔３３ａおよび燃料ガスの出口側マニホールド孔３３ｂ、冷却水の入口側マニホールド孔３４ａおよび冷却水の出口側マニホールド孔３４ｂ、ならびに締結用ボルトを通すための４個の孔３１を有する。また、カソード側セパレータ板３０は、カソードと対向する面に、酸化剤ガスのマニホールド孔３２ａと３２ｂをつなぐ酸化剤ガスの流路３６を有し、背面には、冷却水のマニホールド孔３４ａと３４ｂをつなぐ冷却水の流路３７を有する。
【００２６】
図３および図４において、一点鎖線３５で囲まれた領域は、カソードと対応する領域である。すなわち、図３において、一点鎖線３５で囲まれた領域には、ＭＥＡの発電部であるカソードを構成するガス拡散層が当接する。ＭＥＡの触媒層を含む発電部が位置する領域と対応する。そして、図３に示すように、酸化剤ガスの流路３６は、２本の並行する溝により構成され、一点鎖線３５で囲まれた領域においては、各溝は７本の水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐ６個のターン部から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００２７】
一方、冷却水の流路３７は、２本の並行する溝からなり、一点鎖線３５で囲まれた領域に位置する部分３７ｃ、部分３７ｃを入口側マニホールド孔３４ａにつなぐ入口側の部分（第２の冷却部）３７ａ、および部分（第１の冷却部）３７ｃを出口側マニホールド孔３４ｂにつなぐ出口側の部分３７ｂで構成されている。部分３７ｃは、１本の溝が、７本の水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐ６個のターン部とから構成されているが、他方の溝は、さらに直線部およびターン部が１つずつ増えている。
【００２８】
すなわち、図４に示すように、第２の冷却部３７ａは、冷却水の入口側マニホールド孔３４ａから一点鎖線３５で示されるカソードと対応する領域までを直近で結ぶ直線Ｘを仮定した場合に、当該直線Ｘに対して略垂直な方向に延びる少なくとも１本の溝で構成されている。
出口側の部分３７ｂは、単純に垂直方向に伸びる直線部からなり、入口側の部分３７ａは、水平方向に伸びる直線部とターン部各１からなる溝と、水平方向に伸びる２本の直線部と１つのターン部からなる溝により構成されている。この場合も、溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００２９】
以上のように、本実施形態では、冷却水の流路３７は、その入口側の部分３７ａが、水平方向に伸びる３本の直線部を有し、したがって、セパレータ板を有効に冷却できるようになっている点で出口側の部分３７ｂと異なっている。さらに、一点鎖線３５で囲まれた領域、すなわち部分３７ｃにおいては、水平方向に伸びた直線部が１本増えた他は、酸化剤ガスの流路の同じ部分とほぼ対応する位置関係にある。
【００３０】
なお、第１の冷却部（部分）３７ｃは、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔３２ａおよび燃料ガスの入口側マニホールド孔３３ａを冷やさない範囲で形成されることが好ましい。したがって、例えば、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔３２ａおよび燃料ガスの入口側マニホールド孔３３ａを過度に冷やさないのであれば、第１の冷却部（部分）３７ｃは上記一点鎖線３５で囲まれた領域からはみ出していても構わない。ただし、図４に示すように、より確実に冷却を行うためには、第１の冷却部（部分）３７ｃは上記一点鎖線３５で囲まれた領域からはみ出さないほうがよい。
【００３１】
一方、冷却水の流路３７の下流側に位置する酸化剤ガスの出口側マニホールド孔３２ｂおよび燃料ガスの出口側マニホールド孔３３ｂは、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔３２ａおよび燃料ガスの入口側マニホールド孔３３ａより相対的に冷却される。そのため、酸化剤ガスの出口側マニホールド孔３２ｂおよび燃料ガスの出口側マニホールド孔３３ｂ付近では、第１の冷却部（部分）３７ｃは上記一点鎖線３５で囲まれた領域からはみ出るように形成されてもはみ出ないように形成されてもよい。
【００３２】
次に、図５は、本実施形態における燃料電池のアノード側セパレータ板の燃料ガスの流路側の正面図である。図６は、図５に示すアノード側セパレータ板の背面図、即ち冷却水の流路側の正面図である。
アノード側セパレータ板４０は、図５および図６に示すように、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔４２ａおよび酸化剤ガスの出口側マニホールド孔４２ｂ、燃料ガスの入口側マニホールド孔４３ａおよび燃料ガスの出口側マニホールド孔４３ｂ、冷却水の入口側マニホールド孔４４ａおよび冷却水の出口側マニホールド孔４４ｂ、ならびに締結用ボルトを通すための４個の孔４１を有する。また、アノード側セパレータ板４０は、アノードと対向する面に、燃料ガスのマニホールド孔４３ａと４３ｂをつなぐ燃料ガスの流路４６を有し、背面には、冷却水のマニホールド孔４４ａと４４ｂをつなぐ冷却水の流路４７を有する。
【００３３】
図５および図６において、一点鎖線４５で囲まれた領域は、図３および図４に示したカソード側セパレータ板の場合と同様に、アノードと対応する領域である。すなわち、図５において、一点鎖線４５で囲まれた領域には、ＭＥＡの発電部であるアノードを構成するガス拡散層が当接する。そして、図５に示すように、燃料ガスの流路４６は、２本の並行する溝により構成され、一点鎖線４５で囲まれた領域においては、各溝は７本の水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐ６個のターン部から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。
【００３４】
アノード側セパレータ板４０は、その背面をカソード側セパレータ板３０の背面と接合すると、セパレータ板３０の冷却水の流路３７とともに１つの冷却水の流路を構成するための冷却水の流路４７を有する。したがって、流路４７は、流路３７と面対称の関係にある形状を有する。そのため、流路４７の構成は流路３７の構成に合わせて適宜変更することが可能である。
【００３５】
流路４７は、一点鎖線４５で囲まれた領域に位置する部分（第１の冷却部）４７ｃ、部分４７ｃを入口側マニホールド孔４４ａにつなぐ入口側の部分（第２の冷却部）４７ａ、および部分４７ｃを出口側マニホールド孔４４ｂにつなぐ出口側の部分４７ｂで構成されている。
そして、図６に示すように、第２の冷却部４７ａは、冷却水の入口側マニホールド孔４４ａから一点鎖線４５で示されるアノードと対応する領域までを直近で結ぶ直線Ｙを仮定した場合に、当該直線Ｙに対して略垂直な方向に延びる少なくとも１本の溝で構成されている。
【００３６】
なお、第１の冷却部（部分）４７ｃは、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔４２ａおよび燃料ガスの入口側マニホールド孔４３ａを冷やさない範囲で形成されることが好ましい。したがって、例えば、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔４２ａおよび燃料ガスの入口側マニホールド孔４３ａを過度に冷やさないのであれば、第１の冷却部（部分）４７ｃは上記一点鎖線４５で囲まれた領域からはみ出していても構わない。ただし、図６に示すように、より確実に冷却を行うためには、第１の冷却部（部分）４７ｃは上記一点鎖線４５で囲まれた領域からはみ出さないほうがよい。
【００３７】
一方、冷却水の流路４７の下流側に位置する酸化剤ガスの出口側マニホールド孔４２ｂおよび燃料ガスの出口側マニホールド孔４３ｂは、酸化剤ガスの入口側マニホールド孔４２ａおよび燃料ガスの入口側マニホールド孔４３ａより相対的に冷却される。そのため、酸化剤ガスの出口側マニホールド孔４２ｂおよび燃料ガスの出口側マニホールド孔４３ｂ付近では、第１の冷却部（部分）４７ｃは上記一点鎖線４５で囲まれた領域からはみ出るように形成されてもはみ出ないように形成されてもよい。
【００３８】
ここで、本実施形態の燃料電池におけるセパレータ板が、上述したような従来の問題点を解決する機構について、図３および図４に示したカソード側セパレータ板３０に代表させて説明する。
図７は、図４に示した本発明の燃料電池のカソード側セパレータ板３０の冷却水の流路３７を流れる冷却水の温度状態（分布）を概念的に表した図である。
【００３９】
本発明におけるカソード側セパレータ板３０においては、一点鎖線３５で示されカソードに対応する領域に存在する第１の冷却部３７ｃに加えて、第１の冷却部３７ｃと冷却水の入口側マニホールド３４ａとの間のハッチングで示される領域３８に位置する第２の冷却部３７ａを有する。従来のセパレータ板においては、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水が、一点鎖線３５で示されカソードに対応する領域におけるカソードの発熱の影響を受けるが、本発明におけるカソード側セパレータ板３０では、先に述べた第２の冷却部３７ａを有するため、セルスタック２０への導入前ないしは導入直後の冷却水の温度Ｔ0が、発熱したカソードの温度Ｔ2によってＴ1にまで上昇するものの（ただし、Ｔ0＜Ｔ1＜Ｔ2）、その温度上昇ΔＴ（＝Ｔ1−Ｔ0）が従来に比べて小さくなる。
【００４０】
そうすると、単セル１０が積層されたセルスタック２０における冷却水の入口側マニホールドにおいても、冷却水の滞留時間が短い入口部と、滞留時間が長くなる入口部から最も遠い奥側の部分（即ち、冷却水の入口側マニホールドの、冷却水の流れる方向において最も下流側の部分）との間において生じる、冷却水の温度差を小さくすることができる。したがって、セルスタック２０内の積層方向において各単セル１０の冷却状態にバラツキが生じるのを低減させることができ、最適状態に冷却することが可能となる。
【００４１】
即ち、本発明の燃料電池では、発電中に単セル１０の発熱部の温度と、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水との温度差に起因して、入口側マニホールド内の冷却水が温度上昇するのを緩和するための温度上昇緩和手段として、各単セル１０のセパレータ板において、冷却水により単セルの発熱部に対応する一点鎖線３５で示される領域を冷却する第１の冷却部３７ｃと、冷却水の入口側マニホールド孔３４ａとの間に、第２の冷却部３７ａを設ける。この第２の冷却部３７ａを設け、第１の冷却部３７ｃと冷却水の入口側マニホールド孔３４ａとの間に位置するセパレータ板の領域３８を冷却する。これにより、セルスタック２０内の積層方向において各単セル１０の冷却状態にバラツキが生じるのを低減させることができ、最適状態に冷却することが可能となる。
【００４２】
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池のセルスタック２０においては、冷却水が、入口２４ａから導入され、入口側マニホールドからカソード側セパレータ板３０の流路３７とアノード側セパレータ板４０の流路４７とにより構成される流路を流れ、出口側マニホールドを経て出口２４ｂより排出される。排出された冷却水は、適当な熱交換器で熱交換して冷却された後、再び入口２４ａからセルスタック２０に導入される。セパレータ板３０、４０により形成された冷却水の流路に流れる冷却水は、部分３７ｃ、４７ｃにより形成される第１の冷却部において、単セル１０の発熱部であるアノードおよびカソードの触媒層に対応するセパレータ板３０、４０の部位を冷却する。また、カソード側セパレータ板３０の部分３７ａとアノード側セパレータ板４０の部分４７ａにより構成される第２の冷却部において、第１の冷却部と入口側マニホールドとの間のセパレータ板の部位を冷却する。これによって、単セル１０の発熱部の熱がセパレータ板３０および４０により形成される入口側マニホールド内を流れる冷却水の温度が上昇するのを抑制することができる。
【００４３】
［第二実施形態］
次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図１に示した第一実施形態の単セル１０に於けるセパレータ板３０および４０を異なる構成に代えたものであり、セパレータ板３０および４０以外の構成は第一実施形態の単セル１０と同様である。
以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ板（本発明のセパレータ板の第二実施形態）について説明する。
【００４４】
本実施形態における燃料電池は、カソード側セパレータ板における冷却水の流路の形状を図８に示すような構成とし、アノード側セパレータ板における冷却水の流路の形状を図９に示すような構成とする以外は、先に述べた第一実施形態と同様である。
カソード側セパレータ板３０Ａの冷却水の流路５７は、入口側マニホールド孔３４ａにつながる入口側の部分（第２の冷却部）５７ａ、一点鎖線３５で囲まれた領域の部分（第１の冷却部）５７ｃ、および出口側マニホールド孔３４ｂにつながる出口側の部分５７ｂからなる。
【００４５】
入口側の部分５７ａは、１本の溝で構成されている点で第一実施形態の部分３７ａと異なるが、３本の直線部と２個のターン部からなり、その全長は部分３７ａとほぼ同じである。一点鎖線３５で囲まれた領域の部分５７ｃは、部分５７ａにつながる最上位の直線部の下流側のターン部付近で２つに分岐している点が異なるほかは、第一実施形態の部分３７ｃとほぼ同様である。出口側の部分５７ｂは、第一実施形態と同様部分５７ｃをマニホールド孔３４ｂにつなぐ垂直方向の直線部からなる。
【００４６】
アノード側セパレータ板４０Ａの冷却水の流路６７は、流路５７と面対称の関係にある形状を有する。すなわち、流路６７は、一点鎖線４５で囲まれた領域に位置する部分（第１の冷却部）６７ｃ、部分６７ｃを入口側マニホールド孔４４ａにつなぐ入口側の部分（第２の冷却部）６７ａ、および部分６７ｃを出口側マニホールド孔４４ｂにつなぐ出口側の部分６７ｂで構成されている。
【００４７】
第１の冷却部が２本の流路で構成されているのに対して、第２の冷却部は１本の流路で構成されているので、第２の冷却部での冷却水の流速は、第１の冷却部での冷却水の流速より２倍速くなり、したがって、より冷却効果が良好になる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態においては、各単セルの間に、冷却水の流路による冷却部を設けたが、例えば２〜３セルに１つの割合で、冷却部を設けてもよい。また、冷却水の流路は、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板の双方に溝を設けて１組の流路を形成したが、一方のセパレータ板のみに溝を設け、これによって、両セパレータ板間に冷却水の流路を設けるようにしてもよい。
【００４９】
また、上述の実施形態においては、単セルを積層したセルスタック２０において、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板との間に冷却水の流路が形成されるが、セルスタック２０の両端の単セルの外側部分に位置するカソード側セパレータ板またはアノード側セパレータ板では、集電板、絶縁板および端板が積層され、セパレータ板と集電板との間に冷却水の流路が形成されていてもよい。
【００５０】
また、セパレータ板における冷却水の流路は、冷却水の入口側マニホールドと出口側マニホールドとに連絡されており、通常はセパレータ板に設けた１本または複数本の溝により構成される。第１の冷却部が複数本の溝により構成される場合、第２の冷却部は第１の冷却部と同じ本数の溝で構成することができる。また、第２の冷却部を第１の冷却部より少ない数の溝で構成することもできる。
【００５１】
この構成によると、第２の冷却部における熱交換量をある程度抑制しつつ冷却水を第１の冷却部に供給することができるため、第１の冷却部による発熱部に対する冷却効果を充分なものとすることができる。これにより、入口側マニホールド内の冷却水が温度上昇するのをより有効に緩和することができる。
なお、セパレータ板の構造以外の構成要素については、特に制限はなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。冷却流体も冷却水に限定されるものではない。
【実施例】
【００５２】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
《実施例１》
ガス拡散層は、細孔の８０％以上の径が２０〜７０μｍである日本カーボン（株）製のカーボン織布（GF-20-E）を基材として用い、この基材を、界面活性剤入りの純水に、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）を分散させた分散液に浸漬させた。その後、基材を遠赤外線乾燥炉に通し、３００℃で６０分間焼成した。このときの基材における撥水性樹脂（PTFE）量は１．０ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００５３】
次に、コート層用塗料を作製した。純水と界面活性剤を混ぜ合わせて得られた溶液に、カーボンブラックを加え、プラネタリーミキサーで３時間分散させた。得られた分散液にPTFEと水を加え、さらに３時間混練した。なお、界面活性剤としては、トリトン（Triton）X-100の商品名で市販されているものを用いた。
このコート層用塗料を、上述のように撥水処理を施したカーボン織布の片方の面に、アプリケータを用いて塗工した。コート層を形成したカーボン織布を、熱風乾燥機を用いて３００℃で２時間焼成し、ガス拡散層を作製した。得られたガス拡散層に含まれる撥水性樹脂（PTFE）量は０．８ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００５４】
次に触媒層を作製した。炭素粉末であるケッチェンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル（株）製のKetjen Black EC、粒径３０ｎｍ）上に電極触媒である白金を担持させて得られた触媒体（５０質量％がＰｔ）６６質量部を、水素イオン伝導材でありかつ結着剤であるパーフルオロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国Aldrich社製の５質量％Nafion分散液）３３質量部（高分子乾燥質量）と混合し、得られた混合物を成形して触媒層（１０〜２０μｍ）を作製した。
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜（米国Du Pont社のNafion 112膜、イオン交換基容量：０．９ｍｅｑ／ｇ）の両面にホットプレスにより接合し、ＭＥＡを作製した。
【００５５】
次に、以上のように作製したＭＥＡの高分子電解質膜の外周部に、ゴム製のガスケット板を接合し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させるためのマニホールド孔を形成した。
一方、１６０ｍｍ×１６０ｍｍ×５ｍｍの外寸を有し、かつ幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍのガス流路を有し、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる、図３および図４に示す構造を有するカソード側セパレータ板ならびに図５および図６に示す構造を有するアノード側セパレータ板を準備した。
【００５６】
これらのセパレータ板を用い、ＭＥＡの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路が成形されたカソード側セパレータ板を重ね合わせ、他方の面に燃料ガス用のガス流路が成形されたアノード側セパレータ板を重ね合わせ、単セルを得た。
ついでこの単セル１００個を積層してセルスタックとし、セルスタックの両端部に、銅製の集電板、ならびに電気絶縁性材料で作製された絶縁板および端板を配置し、全体を締結ロッドで固定することによって、本発明の第一実施形態に基づく燃料電池１を作製した。なお、このときの締結圧はセパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００５７】
《実施例２》
カソード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図８に示す構成とし、アノード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図９に示す構成とした他は、実施例１と同様にして、本発明の第二実施形態に基づく燃料電池２を作製した。
【００５８】
《比較例１》
カソード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図１０に示す構成とし、アノード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図１１に示す構成とした他は、実施例１と同様にして、本発明の比較燃料電池１を作製した。
なお、カソード側セパレータ板７０およびアノード側セパレータ板８０の構成は、冷却水の流路を除いて、それぞれ本発明の第一実施形態のカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０と同じとした。
【００５９】
カソード側セパレータ板７０の冷却水の流路７７は、入口側マニホールド孔３４ａにつながる入口側の部分７７ａ、一点鎖線３５で囲まれた領域の部分７７ｃ、および出口側マニホールド孔３４ｂにつながる出口側の部分７７ｂで構成した。部分７７ｃは、本発明の第一実施形態の流路３７ｃと同じ構成とした。また、部分７７ａおよび７７ｂは、それぞれ部分７７ｃとマニホールド孔３４ａおよび３４ｂとをつなぐ垂直方向の直線部で構成した。
【００６０】
アノード側セパレータ板８０の冷却水の流路８７は、流路７７と面対称の関係にある形状を有するように構成した。即ち、流路８７は、一点鎖線４５で囲まれた領域に位置する部分８７ｃ、部分８７ｃを入口側マニホールド孔４４ａにつなぐ入口側の部分８７ａ、および部分８７ｃを出口側マニホールド孔４４ｂにつなぐ出口側の部分８７ｂで構成した。
【００６１】
［評価］
以上の実施例１、２および比較例１の各燃料電池について、入口側マニホールドの入口部へ、温度７０℃の冷却水を３．７リットル／分で供給した。また、アノード側およびカソード側にはそれぞれ露点が７０℃となるように加温、加湿した水素ガスおよび空気を供給し、燃料ガス利用率Ｕｆは７０％、酸化ガス利用率Ｕｏは４０％に設定した。
【００６２】
電流密度を０．２Ａ／ｃｍ2として２４時間運転した後、冷却水の入口側マニホールドの入口部および入口から最も遠い奥の部分における冷却水温度を測定した。
次いで、Ｕｏを７０％に上げて６時間運転し、１０秒毎に電圧をサンプリングしたときの標準偏差により電圧の安定性を比較した。
また、Ｕｏを４０％に戻して２４時間運転した。この時点を基点として、連続１０００時間運転した。この連続運転による、平均電圧の低下分により、電池の耐久性を比較した。
これらの結果を表１に示した。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
表１から明らかなように、比較例１の燃料電池は、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水温度が入口部と入口部から最も遠い最奥側の部分とで４℃の差があり、利用率７０％で運転時の電圧安定性、および連続１０００時間運転時の耐久性が実施例１および２に比較して劣っている。
【００６５】
比較例１では、マニホールド内の冷却水温度の不均一により、セルスタック内の各セルを最適状態に冷却することが困難となっていることがわかる。即ち、冷却不足により単セル温度が高くなり、高分子電解質膜から水分が蒸発することによる高分子電解質膜の劣化が促進し、単セルの耐久性の短縮、および、高分子電解質膜の比抵抗の増大による単セルの出力低下が発生したものと考えられる。
【００６６】
一方、本発明の燃料電池においては、発電中におけるＭＥＡの発熱部の温度と、冷却水の入口マニホールド内の冷却水との温度差に起因する冷却水の温度上昇を緩和するための温度上昇緩和手段が設けられていることにより、上記のような問題の発生がなく、燃料電池の耐久劣化抑制効果が確認された。
【００６７】
実施例２の燃料電池は、表１から明らかなように、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水温度は、入口部と最奥側部分との差がなく、利用率７０％で運転時の電圧安定性、および連続１０００時間運転時の耐久性が実施例１と比較し、より優れていることがわかる。
この理由は次のように考えられる。すなわち、第２の冷却部が、第１の冷却部より少ない数の流路から構成することにより、第２の冷却部での冷却水の流速が、第１の冷却部での冷却水の流速より速くなり、より冷却効果が良好になっている。このため、発電中における単セルの発熱部の温度と、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水との温度差が小さくなり、冷却水の入口側マニホールド内の冷却水の温度上昇が緩和され、フラッディングおよび耐久劣化を抑制する効果が生じたと考えられる。
【００６８】
なお、本発明は、各実施例に記載の冷却水の流路の形状、本数などに限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱することなく様々な変形が可能である。
さらに、各実施例は高分子電解質型燃料電池に関するものであるが、本発明は、電池発電時に電気化学反応により発熱することから冷却が必要な燃料電池や、カソード側で反応生成物として水が生成される燃料電池に適用した場合に、大きな効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の燃料電池は、セルスタックにおける各単セルの温度バラツキが低減され、耐久性に優れ、フラッディングや出力電圧の変動が生じない。したがって、本発明の燃料電池は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等に用いるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第一実施形態１における燃料電池の基本構成（単電池）の概略縦断面図である。
【図２】図１に示す単電池を２以上積層してなるセルスタックの斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図４】図３に示すカソード側セパレータ板の背面図である。
【図５】図１に示す燃料電池のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図６】図５に示すアノード側セパレータ板の背面図である。
【図７】本発明の第一実施形態の燃料電池に用いるカソード側セパレータ板における冷却水の温度状態（分布）を概念的に示す正面図である。
【図８】本発明の第二実施形態におけるカソード側セパレータ板の背面図である。
【図９】本発明の第二実施形態におけるアノード側セパレータ板の背面図である。
【図１０】比較例におけるカソード側セパレータ板の背面図である。
【図１１】比較例におけるアノード側セパレータ板の背面図である。
【図１２】比較例の燃料電池に用いるカソード側セパレータ板における冷却水の温度状態（分布）を概念的に示す正面図である。
【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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【図７】
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【図８】
0004056550.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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