(57)【要約】【課題】  残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる燃料電池および燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、膜−電極接合体（２１）に沿って設けられ反応ガスが流動するための多孔体（２４）と、多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ多孔体へ反応ガスを供給するためのガス供給口（４４ａ）および多孔体から反応ガスを排出するためのガス排出口（４４ｂ）を備えるセパレータ（１１）と、を備え、多孔体は、ガス供給口およびガス排出口のうち重力方向下側に位置する方よりも重力方向下側にシールガスケット（２２）によってシールされた生成水貯留部が形成されている。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体に沿って設けられ、反応ガスが流動するための多孔体と、
前記多孔体の前記膜−電極接合体と反対側に設けられ、前記多孔体へ反応ガスを供給するためのガス供給口および前記多孔体から反応ガスを排出するためのガス排出口を備えるセパレータと、を備え、
前記多孔体は、前記ガス供給口および前記ガス排出口のうち重力方向下側に位置する方よりも重力方向下側に、シールガスケットによってシールされた生成水貯留部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記生成水貯留部における前記多孔体の気孔率は、前記多孔体の平均気孔率よりも高いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記生成水貯留部の容積は、前記多孔体において前記ガス供給口および前記ガス排出口のうち重力方向上側に位置する方よりも重力方向上側の部分の容積に比較して大きいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガス供給口および前記ガス排出口のうち重力方向下側に位置する方は、水平方向において所定の間隔を空けて複数形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記多孔体を流動する反応ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止時に、前記ガス供給口および前記ガス排出口のうち重力方向上側の方に掃気ガスを供給する掃気手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
この燃料電池においては、ガス流路として機能する溝が表面に形成されたセパレータが用いられることがある。スタックを小型化・高性能化する手段として、多孔体を用いる技術が開発されている。多孔体を用いると、反応ガスの流速（差圧）に頼らずに排水することができる反面、低流速な流路構造となり、残水量が多くなってしまう。この場合、掃気に時間がかかるおそれがある。そこで、特許文献１には、ガス流れ方向を重力下方とする技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７６５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、多孔体に水が残留する場合がある。この場合、残留水の凍結によって反応ガスの流れが不均一になって圧力損失が増大するおそれがある。
【０００６】
本発明は、残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる燃料電池および燃料電池システム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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体に沿って設けられ反応ガスが流動するための多孔体と、多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ多孔体へ反応ガスを供給するためのガス供給口および多孔体から反応ガスを排出するためのガス排出口を備えるセパレータと、を備え、多孔体は、ガス供給口およびガス排出口のうち重力方向下側に位置する方よりも重力方向下側に、シールガスケットによってシールされた生成水貯留部が形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池においては、発電停止時に、生成水が重力によって重力方向下側へ移動し、生成水貯留部において貯留される。この場合、ガス供給口とガス排出口との間における残水量が低下する。その結果、多孔体における反応ガス流れへの影響を抑制することができる。
【０００９】
生成水貯留部の気孔率は、多孔体の平均気孔率よりも高くてもよい。この場合、生成水貯留部の容積が増加する。それにより、貯留可能な生成水量が増加する。
【００１０】
生成水貯留部の容積は、多孔体においてガス供給口およびガス排出口のうち重力方向上側に位置する方よりも重力方向上側の部分の容積に比較して大きくてもよい。この場合、貯留可能な生成水量が増加する。また、ガス供給口およびガス排出口のうち重力方向下側に位置する方は、水平方向において所定の間隔を空けて複数形成されていてもよい。さらに、多孔体を流動する反応ガスは、酸化剤ガスであってもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池と、燃料電池の発電停止時にガス供給口およびガス排出口のうち重力方向上側の方に掃気ガスを供給する掃気手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、掃気ガスが重力方向下側に向かって流動することから、生成水貯留部に生成水が効率よく移動する。この場合、多孔体における残留水量を低減させることができる。その結果、多孔体における反応ガス流れへの影響を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、残留水による反応ガス流れへの影響を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１においては、複数の燃料電池１００が積層されている場合が示されている。図１に示すように、燃料電池１００は、シールガスケット一体型ＭＥＡ（膜電極接合体）２０が２枚のセパレータ１０によって挟持された構造を有する。セパレータ１０は、カソード対向プレート１１とアノード対向プレート１３とによって、中間プレート１２が挟持された構造を有する。セパレータ１０を構成するこれら３枚のプレートは、ロウ付け、拡散接合等によって接合されている。
【００１５】
シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１およびシールガスケット２２を備える。ＭＥＡ２１は、電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に形成された構造を有する。電解質膜は、プロトン導電性を備える固体高分子型電解質等からなる。触媒層は、触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボン等からなる。ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性材料からなり、例えばカーボンクロス、カーボンペーパ等からなる。本実施例においては、ＭＥＡ２１の上面側（図中左側）がアノードとして機能し、ＭＥＡ２１の下面側（図中右側）がカソードとして機能する。
【００１６】
ＭＥＡ２１の上面側（図中左側）には、多孔体２３が配置されている。ＭＥＡ２１の下面側（図中右側）には、多孔体２４が配置されている。多孔体２３，２４は、ガス拡散層よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ等の金属多孔体または金属三次元構造体からなる。多孔体２３，２４は、セパレータ１０のディンプルの有無にかかわらず、厚みが略一定になるような強度を有していることが好ましい。この場合、ディンプルの有無にかかわらず、気孔率がほとんど変化しない。また、ディンプルの有無にかかわらず、拡散層に対する面圧を面内略一定にすることができる。したがって、拡散層における局所的圧縮を低減することができるため、排水性が向上する。
【００１７】
図２は、セパレータ１０およびシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の詳細について説明するための図である。図２（ａ）はカソード対向プレート１１の模式的平面図であり、図２（ｂ）はアノード対向プレート１３の模式的平面図であり、図２（ｃ）は中間プレート１２の模式的平面図であり、図２（ｄ）はシールガスケット一体型ＭＥＡ２０の模式的平面図である。なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）において、図中上側が重力方向上側であり、図中下側が重力方向下側である。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、カソード対向プレート１１は矩形の金属製のプレートである。この金属製プレートとしては、チタン、チタン合金、ステンレス等の表面に腐食防止のための金メッキ処理等が施されたものを用いることができる。
【００１９】
カソード対向プレート１１において発電領域Ｘと対向する部分は平面である。なお、発電領域Ｘとは、ＭＥＡ２１において触媒層が形成されている領域のことである。カソード対向プレート１１の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、カソード対向プレート１１には、複数の酸化剤ガス供給口４４ａおよび複数の酸化剤ガス排出口４４ｂが水平方向に所定の間隔を空けて形成されている。本実施例においては、発電領域Ｘを挟んで、酸化剤ガス供給口４４ａが酸化剤ガス排出口４４ｂよりも重力方向下側に形成されている。上記各マニホールド、各排出口および各供給口は、カソード対向プレート１１を厚さ方向に貫通している。
【００２０】
図２（ｂ）に示すように、アノード対向プレート１３は、カソード対向プレート１１と略同形状の矩形の金属製のプレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。アノード対向プレート１３における発電領域Ｘは平面である。
【００２１】
カソード対向プレート１１と同様に、アノード対向プレート１３の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。また、アノード対向プレート１３には、燃料ガス供給用のコモンレール４５ａおよび燃料ガス排出用のコモンレール４５ｂが形成されている。コモンレール４５ａは、燃料ガス供給マニホールド４１ａから発電領域Ｘの上端に沿って延びるように形成されている。コモンレール４５ｂは、燃料ガス排出マニホールド４１ｂから発電領域Ｘの下端に沿って延びるように形成されている。上記各マニホールドおよび上記各コモンレールは、アノード対向プレート１３を厚さ方向に貫通している。
【００２２】
図２（ｃ）に示すように、中間プレート１２は、カソード対向プレート１１と同形状の矩形の金属製プレートであり、カソード対向プレート１１と同様の材料から構成される。カソード対向プレート１１と同様に、中間プレート１２の外周縁部には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂが形成されている。
【００２３】
また、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに連通し、他端が酸化剤ガス供給口４４ａに連通する複数の酸化剤ガス供給流路４７ａが形成されている。同様に、中間プレート１２には、一端が酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂに連通し、他端が酸化剤ガス排出口４４ｂに連通する複数の酸化剤ガス排出流路４７ｂが形成されている。また、中間プレート１２には、一端が冷却媒体供給マニホールド４３ａに連通し、他端が冷却媒体排出マニホールド４３ｂに連通する複数の冷却媒体流路４８が形成されている。上記各流路は、中間プレート１２を厚さ方向に貫通している。
【００２４】
図２（ｄ）に示すように、シールガスケット一体型ＭＥＡ２０は、ＭＥＡ２１の外周縁部にシールガスケット２２が接合された構造を有する。シールガスケット２２は、絶縁性およびシール性を有し、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム等の樹脂材料から構成される。シールガスケット２２は、金型のキャビティにＭＥＡ２１の外周端部を臨ませて、上記樹脂材料を射出成形することによって作製される。この方法によれば、ＭＥＡ２１とシールガスケット２２とが隙間なく接合される。それにより、冷却媒体、酸化剤ガスおよび燃料ガスの接合部からの漏出を防止することができる。
【００２５】
カソード対向プレート１１と同様に、シールガスケット２２には、燃料ガス供給マニホールド４１ａ、燃料ガス排出マニホールド４１ｂ、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂ、冷却媒体供給マニホールド４３ａおよび冷却媒体排出マニホールド４３ｂが形成されている。シールガスケット２２は、上面および下面に当接する２枚のセパレータ１０をシールしている。また、シールガスケット２２は、ＭＥＡ２１の外周と各マニホールドの外周との間をシールしている。
【００２６】
続いて、図１および図２を参照しつつ、燃料電池１００の発電時の動作の概要について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド４１ａに供給される。この燃料ガスは、コモンレール４５ａを介して、多孔体２３に供給される。その後、燃料ガスは、多孔体２３を流動しつつ、アノード側のガス拡散層に供給される。燃料ガス中の水素は、ガス拡散層を拡散し、アノード側の触媒層においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは電解質膜を伝導し、カソード側の触媒層に到達する。
【００２７】
一方、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａには、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路４７ａを介して、多孔体２４に供給される。その後、酸化剤ガスは、多孔体２４を流動しつつ、カソード側のガス拡散層に供給される。酸化剤ガスは、ガス拡散層を拡散してカソード側の触媒層に到達する。カソード側の触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、セパレータ１０を介して回収される。また、多孔体２４が吸水性を有することから、発電に伴って生成された水は、多孔体２４においてセパレータ１０側に滞留しやすい傾向にある。
【００２８】
冷却媒体供給マニホールド４３ａには冷却水等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、冷却媒体流路４８を流動して燃料電池１００を冷却する。それにより、燃料電池１００の温度を適切な温度に調整することができる。なお、冷却媒体流路４８を流動した冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールド４３ｂを介して外部に排出される。
【００２９】
また、発電に用いられなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出流路４７ｂおよび酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂを介して外部に排出される。発電に用いられなかった燃料ガスは、コモンレール４５ｂを介して燃料ガス排出マニホールド４１ｂに流動する。
【００３０】
次に、図３（ａ）および図３（ｂ）に、シールガスケット２２と多孔体２４と酸化剤ガス供給口４４ａとの位置関係を示す。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）においては、図１と比較して上下左右の縮尺が異なっている。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、多孔体２４において、酸化剤ガス供給口４４ａよりも重力方向下側の領域をデッドボリューム２４ａと称し、酸化剤ガス排出口４４ｂよりも重力方向上側の領域をデッドボリューム２４ｂと称する。酸化剤ガスは、主として、酸化剤ガス供給口４４ａと酸化剤ガス排出口４４ｂとの間を流動する。それにより、デッドボリューム２４ａ，２４ｂにおいては、酸化剤ガスはほとんど流動しない。
【００３１】
デッドボリューム２４ａの重力方向下端は、シールガスケット２２によってシールされる。デッドボリューム２４ａの重力方向下端から酸化剤ガス供給口４４ａまでは、カソード対向プレート１１によってシールされる。デッドボリューム２４ａは、生成水貯留部として機能する。
【００３２】
続いて、発電停止後における生成水の挙動について説明する。発電停止時においては、図３（ａ）に示すように、生成水は、多孔体２４に保持されている。この生成水は、図３（ｂ）に示すように、重力によって重力方向下側へ移動し、デッドボリューム２４ａへと移動する。この場合、生成水は、デッドボリューム２４ａに貯留される。それにより、酸化剤ガス供給口４４ａと酸化剤ガス排出口４４ｂとの間における残水量が低下する。その結果、多孔体２４における反応ガス流れへの影響を抑制することができる。なお、カソード対向プレート１１は親水性を有することから、生成水はカソード対向プレート１１の各酸化剤ガス供給口４４ａの間を通りやすい。
【００３３】
なお、デッドボリューム２４ａに貯留された水は、次回の発電時に蒸発して外部に排出される。それにより、次回の発電停止時に、再度、デッドボリューム２４ａに生成水を貯留することができる。
【００３４】
デッドボリューム２４ａの容量は、デッドボリューム２４ｂの容量に比較して大きいことが好ましい。貯留可能な残留水が多くなるからである。また、本実施例においては、カソード側の多孔体に注目したが、アノード側の多孔体にも本発明を適用することができる。それにより、燃料ガス流れへの影響を抑制することができる。
【００３５】
また、デッドボリューム２４ａにおける多孔体２４の気孔率は、多孔体２４の平均気孔率よりも大きいことが好ましい。この場合、デッドボリューム２４ａの容積が多くなる。それにより、貯留可能な残留水が多くなる。
【００３６】
なお、本実施例においては酸化剤ガス供給口４４ｂが酸化剤ガス排出口４４ｂよりも重力方向下側に設けられているが、酸化剤ガス排出口４４ｂが酸化剤ガス供給口４４ａよりも重力方向下側に設けられていてもよい。この場合においても、酸化剤ガス排出口４４ｂよりも重力方向下側のデッドボリュームに、残留水を貯留することができる。
【実施例２】
【００３７】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム２００について説明する。図４は、燃料電池システム２００の全体構成を示す模式図である。図４に示すように、燃料電池システム２００は、図１に示した燃料電池１００、燃料ガス供給手段１１０、酸化剤ガス供給手段１２０、掃気手段１３０および制御手段１４０を備える。
【００３８】
燃料ガス供給手段１１０は、制御手段１４０の指示に従って燃料ガス供給マニホールド４１ａに燃料ガスを供給する手段であり、水素ボンベ、改質器等からなる。酸化剤ガス供給手段１２０は、制御手段１４０の指示に従って酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに酸化剤ガスを供給する手段であり、エアポンプ等からなる。掃気手段１３０は、制御手段１４０の指示に従って酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂに掃気ガスを供給する手段であり、不活性ガスボンベ、エアポンプ等からなる。本実施の形態においては酸化剤ガス供給手段１２０と掃気手段１３０とが別個に設けられているが、酸化剤ガス供給手段１２０を掃気手段１３０として用いてもよい。制御手段１４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。
【００３９】
続いて、燃料電池システム２００の動作について説明する。制御手段１４０は、燃料ガス供給マニホールド４１ａに燃料ガスが供給されるように燃料ガス供給手段１１０を制御する。また、制御手段１４０は、酸化剤ガス供給マニホールド４２ａに酸化剤ガスが供給されるように酸化剤ガス供給手段１２０を制御する。この場合にカソードおよびアノードを含む電気回路（図示せず）が形成されると、燃料電池１００において発電が行われる。
【００４０】
発電停止時には、上記電気回路が遮断される。次に、制御手段１４０は、燃料ガスの供給が停止されるように燃料ガス供給手段１１０を制御するとともに、酸化剤ガスの供給が停止されるように酸化剤ガス供給手段１２０を制御する。次いで、制御手段１４０は、酸化剤ガス排出マニホールド４２ｂに掃気ガスが供給されるように掃気手段１３０を制御する。この場合、多孔体２４において、掃気ガスが重力方向下側に向かって流動する。それにより、多孔体２４に滞留する生成水が効率よくデッドボリューム２４ａに移動する。その結果、多孔体２４における残留水量を低減させることができる。
【００４１】
なお、酸化剤ガス排出口４４ｂが酸化剤ガス供給口４４ａに比較して重力方向下側に形成されている場合には、掃気手段１３０は、酸化剤ガス供給マニホールド４２ｂに掃気ガスを供給する。それにより、掃気ガスは、多孔体２４において重力方向下側に向かって流動する。
【００４２】
なお、本実施例においては、請求項との関係において、酸化剤ガス供給口４４ａがガス供給口に相当し、酸化剤ガス排出口４４ｂがガス排出口に相当し、デッドボリューム２４ａが生成水貯留部に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】セパレータおよびシールガスケット一体型ＭＥＡの詳細について説明するための図である。
【図３】シールガスケットと多孔体と酸化剤ガス供給口との位置関係を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１  カソード対向プレート
２２  シールガスケット
２４  多孔体
２４ａ，２４ｂ  デッドボリューム
４４ａ  酸化剤ガス供給口
４４ｂ  酸化剤ガス排出口
１００  燃料電池
１３０  掃気手段
２００  燃料電池システム
【図１】
2009266685.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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