(57)【要約】      （修正有）【課題】カソードセパレータに形成される空気流路に流れる空気の特性（酸素濃度、水蒸気含有量）を空気流路の全域で維持する加湿器や加圧空気送風装置などの補機を省略した燃料電池装置を提供する。【解決手段】第１の空気流路３６と第２の空気流路１３６及び該第１の空気流路と前記第２の空気流路とを離隔する隔壁１３８を備えるカソードセパレータにおいて、第１の空気流路はその全域が膜電極接合体２に開口し、第２の空気流路は隔壁により、その上流側において膜電極接合体から離隔されて、その下流側で第１の空気流路に開口する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソードセパレータであって、第１の空気流路と第２の空気流路及び該第１の空気流路と前記第２の空気流路とを離隔する隔壁を備え、
前記第１の空気流路はその全域が膜電極接合体に開口し、前記第２の空気流路は前記隔壁により、その上流側において前記膜電極接合体から離隔されて、その下流側で前記第１の空気流路に開口する、
ことを特徴とする燃料電地のカソードセパレータ。
【請求項２】
前記第１の空気流路の流路長の１/２よりも下流側において前記第２の空気流路からの空気が導入される、ことを特徴とする請求項１に記載のカソードセパレータ。
【請求項３】
前記第１の空気流路と前記第２の空気流路へともに空気を導入する空気導入口が備えられている、ことを特徴とする請求項２に記載のカソードセパレータ。
【請求項４】
前記第１の空気流路及び／又は前記第２の空気流路は導電性多孔体からなり、前記隔壁に複数の貫通孔が形成され、該貫通孔を介して前記第２の空気流路の空気が前記第１の空気流路へ導入される、ことを特徴とする請求項１に記載のカソードセパレータ。
【請求項５】
前記隔壁の貫通孔の形成密度が空気流れ方向に沿って増大する、ことを特徴とする請求項４に記載のカソードセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のカソードセパレータの空気流路の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＭ型の燃料電池本体は、燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成（膜電極接合体構造）である。燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する拡散層からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流路を設けたセパレータ（コネクタ板）が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。
【０００３】
上記燃料電池本体とセパレータとで単位構造の燃料電池（以下、「単セル」ということがある）が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単セルの多数個が直列に積層されてスタックが構成される。このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側（アノード）に燃料ガスとして水素ガスが供給され、空気極側に酸化ガスとして空気が供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。即ち、燃料極（アノード）にて得られる水素イオンがプロトン（Ｈ＋)の形態で、水分を含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、また燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を含む）中の酸素とプロトンが反応して発電し、反応生成物として水を排出する。
【０００４】
発電効率を向上させる見地から燃料電池システムの補機を省略することが検討されている。補機の代表例として電解質膜の湿潤状態を維持するための加湿器がある。この加湿器を省略すると、反応ガス（導入空気及び水素ガス）が乾燥しているため、反応ガスの上流（導入）側で電解質膜が乾燥傾向にある。流路を流通するに従って反応ガスは発電反応に伴う生成水により加湿されるので、反応ガス流路の下流（排出）側では反応ガスは上流側より水蒸気リッチな状態となる。そのため、電解質膜から水分が蒸発し難くなり、電解質膜は湿潤傾向となる。
そこで、空気と水素ガスを反対方向に流通させることが提案されている。
図１（Ａ）にかかる従来例の燃料電池１の構成を示す。この燃料電池１は膜電極接合体である燃料電池本体２をアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持した構成である。
燃料電池本体２は固体高分子電解質膜３をアノード側電極４とカソード側電極５とで挟持した構成である。各電極４、５は触媒層６，７及び拡散層８，９を備える。図中の符号１０はシール材である。
【０００５】
この燃料電池１のアノードセパレータ２０は、図１（Ｂ）に示す水素流路２１を備える。この水素流路２１はアノードセパレータ２０へ溝を彫ることにより形成される。水素流路２１は、水素導入口２２に連通した導入部２３と水素排出口２４に連通した排出部２５とを備える。水素導入口２２は図示しない水素ボンベへ管路連結されている。水素排出口２４は開閉弁などを介して管路大気へ連通される。導入部２３と排出部２５とはアノードセパレータ２０の対向する上辺及び下辺にそって形成されている。
導入部２３と排出部２５との間には複数の流路が平行に形成されている（平行流路２６）。各平行流路２６には、図中矢印で示すとおり、導入部２３から排出部２５方向へ水素ガスが流される。
【０００６】
この燃料電池１のカソードセパレータ３０は、図１（Ｃ）に示す空気流路３１を備える。この空気流路３１はカソードセパレータ３０へ溝を彫ることにより形成される。空気流路３１は、空気導入口３２に連結した導入部３３と空気排出口３４に連結した排出部３５とを備える。空気導入口３２は図示しないブロアへ管路連結されている。空気排出口３４は開閉弁などを介して管路大気へ連通される。導入部３３と排出部３５とはカソードセパレータ３０の対向する下辺及び上辺にそって形成されている。
導入部３３と排出部３５との間には複数の流路が平行に形成されている（平行流路３６）。各平行流路３６には、図中矢印で示すとおり、導入部３３から排出部３５方向へ空気が流される。この空気の流れ方向は、アノードセパレータ２０の平行流路２６における水素流れ方向と逆方向である。
【０００７】
このように構成された燃料電池によれば、空気と水素ガスとが反対方向に流通するので、各反応ガスの上流側（乾燥傾向にある）が他方の反応ガスの下流側（湿潤傾向にある）と対向するので、電解質膜３を介して水分の均等化が図られる。
なお、本件に関連する文献として特許文献１を参照されたい。
【特許文献１】特開２００４−３３５１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
昨今、燃料電池に要求される高出力化・安定化に対応するためには、電解質膜の湿潤状態をより一層均一化することが必要である。特に、空気流の下流側において空気が加湿状態になることに起因するフラッディングはこれを確実に防止する必要がある。
また、補機削減の見地から空気の供給が常圧かつ低ストイキ比とされると、カソードセパレータの空気流路を流れる空気に十分な流速と流量を確保できない場合があり、そうすると、発電消費に伴い空気流の下流側では酸素濃度が減少する。これにより、カソード電極の全面へ酸素が均等に供給されず、燃料電池本体において発電効率のムラが生じて燃料電池の特性を低下させるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。この発明の第１の局面は次のように規定される。即ち。
燃料電池のカソードセパレータであって、第１の空気流路と第２の空気流路及び該第１の空気流路と前記第２の空気流路とを離隔する隔壁を備え、
前記第１の空気流路はその全域が膜電極接合体に開口し、前記第２の空気流路は前記隔壁により、その上流側において前記膜電極接合体から離隔されて、その下流側で前記第１の空気流路に開口する、
ことを特徴とする燃料電地のカソードセパレータ。
【００１０】
このように規定される第１の局面のカソードセパレータによれば、第２の空気流路が設けられることとなり、この第２の空気流路を介して、フレッシュな空気が第１の空気流路の下流側に供給される。これにより、空気を加圧して供給する補機を備えない場合でも、第１の空気流路の下流側においても十分な酸素濃度が維持される。また、フレッシュな空気（乾燥状態にある）の導入により第１の空気流路の下流側を流れる空気の水蒸気量が調節されるので、空気流れの下流側におけるフラッディングの発生を防止することができる。
【００１１】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面で規定されたカソードセパレータにおいて、前記第１の空気流路においてその流路長の１/２よりも下流側において前記第２の空気流路からの空気が導入される。
第１の空気流路においてその流路長の1/2より下流側を流れる空気はその酸素濃度が低下しており、他方水蒸気を多く含んでいる。ここへ第２の空気流路からフレッシュな空気を導入すれば、酸素濃度が高くなって発電効率の低下が防止される。また、空気中の水蒸気量が低下し、フラッディングの発生を確実に防止できる。
【００１２】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第２の局面で規定されたカソードセパレータにおいて、前記第１の空気流路と前記第２の空気流路へともに空気を導入する空気導入口が備えられている。
このように規定された第３の局面のカソードセパレータによれば、第１の空気流路への空気導入口と第２の空気流路への空気導入口とが共通化されるので、カソードセパレータの構成が簡素化され、ひいては安価なカソードセパレータを供給できる。
【００１３】
この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面で規定したカソードセパレータにおいて、前記第１の空気流路及び／又は前記第２の空気流路は導電性多孔体からなり、前記隔壁に複数の貫通孔が形成され、該貫通孔を介して前記第２の空気流路の空気が前記第１の空気流路へ導入される。
このように規定される第６の局面のカソードセパレータによれば、各空気流路を導電性多孔体とすることにより、各流路において空気を均等に流通させることができる。その結果、開口部の形状及び形成位置に拘わらず、第２の空気流路から第１の空気流路へフレッシュな空気を安定して供給できる。換言すれば、各空気流路及び貫通孔に高い設計自由度が確保される。
ここに導電性多孔体とは、通気性を有するように連続した孔若しくは空間、隙間を有する導電性材料であり、この導電性多孔体へ導入された空気は導電性多孔体中に特定方向の流れを持たない。換言すれば、導電性多孔体の全領域に均等な空気圧がかかる。これにより、全ての開口部から均等に空気か第１の空気流路へ導入される。かかる、導電性多孔体として例えばチタン、タンタル、ＳＵＳ、ハステロイ等の金属の発泡体、繊維織布または不織布、ポーラスカーボン、カーボンフロス、カーボーン不織布を用いることができる。
【００１４】
この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、第６の局面のカソードセパレータにおいて、前記隔壁の貫通孔の形成密度が空気流れ方向に沿って増大する。
このように規定される第７の局面のカソードセパレータによれば、貫通孔の形成密度が下流側で増大するので、下流側へいくにつれて第２の空気流路からより多くのフレッシュな空気が第１の空気流路へ供給される。これにより、燃料電池本体に触れる空気の酸素量及び水蒸気量が均等化され、燃料電池本体の発電効率が均等化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施の形態の燃料電池１００を図２に基づいて説明する。なお、図２において、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この例のカソードセパレータ１３０は、燃料電池本体２へ対向する面に刻設された空気流路３６（主空気流路、第１の空気流路）に加えて、その内部に副空気流路１３６（第２の空気流路）が形成されている。符号１３８は主空気流路３６と副空気流路１３６とを離隔する隔壁である。主空気流路３６の流路長（空気流れ方向、導入口側からみて）の約２／３の位置で開口部１４０を介して副空気流路１３６は主空気流路３６へ連通している。この開口部１４０は、主空気流路３６の流路長（空気流れ方向）において１／２より下流側に形成されることが好ましい。
【００１６】
このように構成された図２の例の燃料電池１００によれば、空気導入口３２から導入された空気は主空気流路３６と副空気流路１３６とをそれぞれ流通する。主空気流路３６を流通する空気は燃料電池本体２へ作用して酸素を供給し、また燃料電池本体２の生成水を蒸発させる。ここに、空気が常圧かつ低ストイキ比で供給される場合、主空気流路３６の空気量が減少する。従って、燃料電池本体２による酸素の消費が主に上量側で生じ、主空気流路３６においてその流路長の約１／２を超えると酸素濃度が不十分になるおそれがある。また、燃料電池本体２から多量の水分を蒸発させたとき、空気が発電生成水により、水蒸気で飽和してしまうおそれがある。前者のように酸素濃度が低下するとそれ以降の領域において発電量が低下する。また後者の場合、フラッディングの発生するおそれがある。
そこでこの例のように、副空気流路１３６によりフレッシュな空気を主空気流路３６へ導入すると、燃料電池本体２へ作用する空気の酸素濃度が回復し、また空気中の水蒸気量が低下して、フラッディングの発生を確実に予防することができる。勿論、主空気流路３６を流れる空気が十分に加湿されているので、これへ副空気流路１３６のフレッシュな空気を導入しても、主空気流路３６を流れる空気が過剰に乾燥することはない。
【００１７】
変形態様のカソードセパレータ１５０を図３に示す。なお、図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この例では、空気導入口３２の付近にマニホールド部１５１を設けて、空気導入部３２から導入された空気が主空気流路（第１の空気流路）１５２と副空気流路１５３とへより均等に導入されるようにする。このマニホールド部１５１は、隔壁１５４の下端（空気導入口３２に対向する部分）を削除することにより形成される。空気抵抗を低下させる見地から、隔壁１５４の下端は流線型とすることが好ましい。
副空気流路１５３が主空気流路１５２へ開口する開口部１５５において、副空気流路１５３を流れる空気が突き当たる部分はテーパ面１５６とされている。これにより、開口部１５５が主空気流路１５２側で拡径し、もって副空気流路１５２から主空気流路１５２へフレッシュな空気が導入しやすくなる。
【００１８】
図４には他の例のカソードセパレータ２３０を示す。図４の各図は三角法に基づいて作図されている。
このカソードセパレータ２３０の一方の面に、短辺と平行に、一対の長辺を結ぶように複数の溝が等ピッチで形成されている。この溝が主空気流路２３６となる。主空気流路２３６の両端には支持板２４１が取り付けられている。この支持板２４１とアノードセパレータ２２０の周縁とで膜電極接合体２０２の周縁部を挟持する。なお、アノードセパレータ２２０の周縁部にはガスケット２２１が配設されている。支持板２４１にもガスケットを配設することができる。
カソードセパレータ２３０において他方の面にはその短辺と平行に、複数の溝が形成され、この溝が副空気流路２３７となる。この副空気流路２３７は主空気流路２３６に対向して形成されており、隔壁２３８で両流路は隔離されている。
【００１９】
副空気流路２３７の一端はカソードセパレータの長辺に開口し、他方は貫通孔２４０により主空気流路２３６に開口する。貫通孔２４０の形成位置は、一対の長辺間において副空気流路２３７の空気導入口（長辺開口部分）から約２／３の位置としている。
かかるカソードセパレータ２３０を備える単セル２００の分解図を図５に示す。図５において、符号２０２は膜電極接合体であり、符号２０５はカソード電極を示す。符号２５０は冷却水ジャケットであり、この冷却水ジャケット２５０はカソードセパレータ２３０に積層されて溝状の副空気流路２３７の表面側開口部を閉塞する。
単セル２００のスタック２９０の断面図を図６に示している。
図７には、同じくスタック２９０の斜視図を示している。
【００２０】
かかるスタック２９０において、符号２７０は集電板であり、スタックを構成する両端の単セル２００に取り付けられる。集電板２７０の側面には集電端子２７１が突設されている。集電板２７０の外方には絶縁板２７５及び終端板２７７が積層される。
このスタック２９０に対し図７の下方から空気がブロワで送風されると、空気は主空気流路２３６と副空気流路２３７を通り、上方へ排出される。このとき、主空気流路２３６を通過する空気は常にカソード電極２０５に触れるので、その酸素が消費される。その結果、主空気流路２３６の下流に行くに従って酸素濃度が低下することとなるが、副空気流路２３７を通るフレッシュな空気が開口部２４０から導入されてその濃度が回復するので、カソード電極２０５上の電池反応に悪影響は現れない。また、フレッシュな空気が開口部２４０より導入されることにより、主空気流路２３６の最下流においてもそこを通過する空気が水蒸気で飽和されることがなくなる。よって、カソード電極２０５から水分を蒸発させることができ、もってフラッディングの発生を防止できる。
【００２１】
図８は、図７に示したスタック２９０を組み込んだ燃料電池システム３００を示す。
この燃料電池システム３００は、水素ガス供給系３１０、空気供給系３３０及び冷却系３５０を備えてなる。
水素ガス供給系３１０では、水素タンク３１１の水素ガス圧がレギュレータ３１３で調圧され、水素導入弁３１５を介してスタック２９０の水素供給口へ供給される。水素供給口へ供給された水素ガスはスタック２９０を構成する各単セル２００の水素流路２２６へ供給される。パージ弁３１９を所定のタイミングで開閉することにより、スタック２９０から水蒸気、窒素など水素流路２２６に溜まった不純物水素ガスが排出される。この水素排出ガスを排気空気へ混合させて強制的に水素濃度の低下を図ることが好ましい。
【００２２】
空気供給系３３０は空気導入ファン３３１により、常圧で空気をスタック２９０の下方から上方へ送風している。
冷却系３５０は冷却水ポンプ３５１とラジエータ３５３を備え、冷却水ジャケット２５０の冷却水路２５３へ冷却水を循環させている。
【００２３】
図９には、図４に示したカソードセパレータの変形態様を示す。なお、図９の各図も図４と同様に三角法に基づいて作図されている。図９において、図４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
このカソードセパレータ４３０の一方の面には導電性多孔体層が一対の長辺を結ぶように形成され、この導電性多孔体層が主空気流路４３６となる。カソードセパレータ４３０の他方の面にも導電性多孔体層が一方の長辺から対向長辺側へむけてほぼ２／３の領域まで形成されており、この導電性他孔体層が副空気流路４３７となる。主空気流路４３６と副空気流路と４３７とは隔壁４３８で分離されている。
ここに、導電性多孔体層は例えば、チタン、タンタル、ＳＵＳ、ハステロイ等の金属の発泡体、繊維織布または不織布、ポーラスカーボン、カーボンフロス、カーボーン不織布などを用いることができる。主空気流路４３６を構成する導電性多孔体層と副空気流路４３７を構成する導電性多孔体層とは同一材料であっても、また異種材料であってもよい。
【００２４】
隔壁４３８には複数の開口部４４０が穿設され、副空気流路４３７を主空気流路へ開口させている。副空気流路４３７へ送られた空気はこの開口部４４０から主空気流路４３６へ導入され、主空気流路４３６の下流側においてもカソード電極に接触する空気中の酸素濃度を所定以上に維持するとともに、当該空気の湿度を低下させることによりフラッディングの発生を予防する。
なお、開口部４４０は、空気流れに沿ってその形成密度を増大させることが好ましい。即ち、下流側ほど開口部４４０を多く形成する。これにより、第１の空気流路を流れる空気の酸素濃度及び水蒸気量をより均一に維持できる。
【００２５】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来例の燃料電池の単セルの構成を説明する図である。
【図２】この発明の実施例の燃料電池の単セルの構成を説明する断面図である。
【図３】実施例のカソードセパレータの変形態様を示す断面図である。
【図４】他の実施例のカソードセパレータの構成を示す。
【図５】同じく燃料電池の単セルの構成を示す分解斜視図である。
【図６】同じく単セルのスタックの構成を示す断面図である。
【図７】スタックの構成を示す斜視図である。
【図８】燃料電池装置を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】他の実施例のカソードセパレータの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１，１００，２００  燃料電池（単セル）、  ２  膜電極接合体、  ３  電解質膜、  4  アノード電極、  ５  カソード電極、  ２０，２２０  アノードセパレータ、  ２１，２２６  水素流路  ３０，１３０，２３０，４３０  カソードセパレータ、３６，１５２，２３６，４３６  主空気流路（第１の空気流路）、１３６，１５３，２３７，４３７  副空気流路（第２の空気流路）、１３８，２３８，４３８  隔壁
【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】
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【図９】
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