JP2004031134A - 固体高分子型セルアセンブリ - Google Patents
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Abstract
【課題】特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得るとともに、効率的な発電を遂行可能にする。
【解決手段】セルアセンブリ１０は、第１および第２単位セル１２、１４をそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列して構成されている。酸化剤ガス流路３２は、第１単位セル１２の第１酸化剤ガス通路３８と、連結流路部材１６の酸化剤ガス連通路４０と、第２単位セル１４の酸化剤ガス通路４２とを介して、前記第１単位セル１２から前記第２単位セル１４にわたり直線的に連通している。
【選択図】図１
【解決手段】セルアセンブリ１０は、第１および第２単位セル１２、１４をそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列して構成されている。酸化剤ガス流路３２は、第１単位セル１２の第１酸化剤ガス通路３８と、連結流路部材１６の酸化剤ガス連通路４０と、第２単位セル１４の酸化剤ガス通路４２とを介して、前記第１単位セル１２から前記第２単位セル１４にわたり直線的に連通している。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させてセルアセンブリを一体的に構成する固体高分子型セルアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えている。通常、この単位セルは所定数だけ積層されて燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなり、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。このため、従来から種々の加湿法が採用されている。例えば、燃料電池スタックの外部にバブラー等の加湿器を備え、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）を加湿して接合体に水分を供給することによって、前記接合体を構成する電解質膜を加湿する外部加湿法や、電解質膜を加湿するための加湿器（加湿構造）を、単位セルの内部に備えた内部加湿法等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の外部加湿法では、燃料電池スタックの外部に付加装置として加湿器が設けられるため、燃料電池全体が大型化してしまい、占有スペースが拡大するという問題が指摘されている。しかも、特に燃料電池の負荷を急激に上昇させた際等に、加湿器の追従性が問題となる場合がある。
【０００６】
また、上記の内部加湿法では、電解質膜の内部に埋め込まれた吸水糸による加湿法や、アノード側から水透過板を通した加湿法や、電解質膜のアノード側に吸水糸を接触させる加湿法が一般的である。ところが、この種の方式では、何らかの原因で加湿が不十分になった際、適切な補修が困難であるという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得るとともに、効率的な発電が遂行可能な固体高分子型セルアセンブリを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る固体高分子型セルアセンブリでは、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させてセルアセンブリを一体的に構成している。セルアセンブリ内では、電極面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路の少なくとも一部分が、並列された各単位セルにわたって直列的に連通している。ここで、少なくとも一部分とは、複数の反応ガス流路の中の少なくとも一部分である場合と、反応ガス流路自体の少なくとも一部分である場合とをいう。
【０００９】
このため、セルアセンブリには、下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが、上流側の単位セルに供給されており、前記セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流量が増加される。これにより、反応ガス流路内の結露を防止するとともに、各単位セルの湿度を均一化することができ、複数個の単位セルの電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。さらに、セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流速を増加させるだけで、各単位セルの生成水を有効に排出することができ、前記セルアセンブリ全体の排水性が向上する。
【００１０】
その上、複数個の単位セルを繋ぐ長尺な反応ガス流路が設けられるため、圧力損失が増加して各単位セルでの反応ガスの分配性と生成水の排水性とが有効に向上する。さらに、セルアセンブリでは、複数個の単位セルがそれぞれの電極面を互いに平行となるように並列されている。このため、各単位セル毎に独立して取り扱うことができ、例えば、前記各単位セル毎に性能評価が容易かつ正確に行われる。
【００１１】
しかも、以下に詳述するように、例えば、反応ガス流路である酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の流れ方向や、冷却媒体流路の流れ方向を設定することにより、上流側の単位セルと下流側の単位セルとに湿度差および温度差を付与し、反応ガスを低加湿乃至無加湿で供給することが可能になる。これにより、特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得ることができる。
【００１２】
また、反応ガス流路は、反応ガス流れ方向上流側の単位セルを構成する接合体の上方に設けられた通路と、前記反応ガス流れ方向下流側の単位セルを構成する接合体の下方に設けられた通路とに直列的に連通している（請求項２）。従って、上流側の単位セルで生成された生成水は、重力によって下流側の単位セルに確実に排出され、簡単な構成で、接合体に結露水が滞留することを有効に阻止することが可能になる。さらに、接合体からの過剰な水分は、重力を利用して該接合体の下方に設けられた反応ガス流路に有効に排出される。
【００１３】
反応ガス流路である燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、単位セルを構成する接合体の両面に沿って互いに対向流に設定されている（請求項３）。このため、燃料ガス流路を流れる燃料ガスと、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスとの間で、固体高分子電解質膜を挟んで水分の移動が行われる。これにより、固体高分子電解質膜が乾燥することを確実に阻止するとともに、反応ガスを低加湿乃至無加湿で供給することができる。
【００１４】
その際、酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向上流側の単位セルに対して酸化剤ガス流れ方向下流側の単位セルを高温に維持するために、冷却媒体を前記上流側の単位セルから前記下流側の単位セルに直列に流す冷却媒体流路を備えている（請求項４）。
【００１５】
従って、上流側の単位セルは低温型単位セルを構成するとともに、下流側の単位セルは高温型単位セルを構成する。低温型単位セルは、酸化剤ガスの入口低湿度側となる一方、燃料ガスの出口高湿度側となり、高温型単位セルは、前記酸化剤ガスの出口高湿度側となる一方、燃料ガスの入口低湿度側となる。これにより、下流側の単位セルでは、生成水により酸化剤ガスが高湿度になるものの、前記下流側の単位セル自体の高温化によって、前記酸化剤ガスの相対湿度が低下する。このため、下流側の単位セルで結露が発生することがなく、電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。
【００１６】
また、上流側の単位セル（低温型単位セル）と下流側の単位セル（高温型単位セル）とは、互いに異なる構造に設定される（請求項５）。従って、各単位セル毎に反応に最適な構造を採用することが可能になる。具体的には、上流側の単位セルを構成する上流側接合体は、下流側の単位セルを構成する下流側接合体よりも低温でかつ前記下流側接合体と同等の発電性能を発揮する（請求項６）。
【００１７】
さらに、上流側の単位セルを構成する上流側接合体は、カソード側電極に低空孔率・撥水性拡散層を設けるとともに、アノード側電極に高空孔率・親水性拡散層を設け、前記低空孔率・撥水性拡散層を上向きに配置し、高空孔率・親水性拡散層を下向きに配置している（請求項７）。
【００１８】
このため、酸化剤ガスが上流側接合体の上方を流れる際に、低空孔率・撥水性拡散層を介して生成水が重力により下方に移動することがなく、前記酸化剤ガスを良好に加湿保持することができる。一方、燃料ガスが下流側の単位セルを通って上流側接合体の下方を流れる際に、高空孔率・親水性拡散層を介して固体高分子電解質膜側に結露水を移動させることが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜や電極は、最適な発電が可能な状態に面内を均一に保湿されるとともに、酸化剤ガスを低加湿乃至無加湿で供給することができる。
【００１９】
さらにまた、下流側の単位セルを構成する下流側接合体は、アノード側電極に低空孔率・撥水性拡散層を設けるとともに、カソード側電極に高空孔率・親水性拡散層を設け、前記低空孔率・撥水性拡散層を上向きに配置し、高空孔率・親水性拡散層を下向きに配置している（請求項８）。
【００２０】
従って、燃料ガスが下流側接合体の上方を流れる際に、低空孔率・撥水性拡散層を介して生成水が重力により下方に移動することがなく、前記燃料ガスを良好に加湿保持することができる。一方、酸化剤ガスが上流側の単位セルを通って加湿された状態で下流側接合体の下方を流れる際に、高空孔率・親水性拡散層を介して固体高分子電解質膜側に結露水を移動させることが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜や電極は、最適な発電が可能な状態に面内を均一に保湿されるとともに、燃料ガスを低加湿乃至無加湿で供給することができる。さらに、接合体からの過剰な水分は、重力を利用して該接合体の下方に設けられた酸化剤ガス流路に有効に排出される。
【００２１】
また、並列された複数個の単位セル間には、反応ガスおよび冷却媒体を直列に供給するための反応ガス連通路および冷却媒体連通路を有する連結流路部材が介装されている（請求項９）。このため、セルアセンブリ全体をコンパクトに構成することが可能になるとともに、種々の設置部位に容易かつ良好に取り付けることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１０の要部概略構成図である。
【００２３】
セルアセンブリ１０は、複数個の単位セル、例えば、第１単位セル１２と第２単位セル１４とを、それぞれの電極面が互いに平行となるように並列して構成されている。第１および第２単位セル１２、１４間には、連結流路部材１６が配設される。第１単位セル１２は、酸化剤ガス（反応ガス）流れ方向（矢印Ａ方向）上流側の単位セルを構成し、第２単位セル１４は、酸化剤ガス流れ方向下流側の単位セルを構成する。
【００２４】
第１および第２単位セル１２、１４は、第１および第２接合体１８、２０を備える。第１および第２接合体１８、２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。固体高分子電解質膜２２ａは相対的に低温型電解質膜である一方、固体高分子電解質膜２２ｂは高温型電解質膜であり、前記固体高分子電解質膜２２ａは、前記固体高分子電解質膜２２ｂよりも低温でかつ該固体高分子電解質膜２２ｂと同等の発電性能を発揮する。
【００２５】
カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００２６】
第１接合体１８では、カソード側電極２４ａが低空孔率・撥水性拡散層を有してこのカソード側電極２４ａを上向き（矢印Ｃ１方向）に配置するとともに、アノード側電極２６ａが高空孔率・親水性拡散層を有しており、このアノード側電極２６ａが下向き（矢印Ｃ２方向）に配置される。第２接合体２０では、アノード側電極２６ｂが低空孔率・撥水性拡散層を有しており、このアノード側電極２６ｂが上向き（矢印Ｃ１方向）に配置されるとともに、カソード側電極２４ｂが高空孔率・親水性拡散層を有しており、このカソード側電極２４ｂが下向き（矢印Ｃ２方向）に配置される。
【００２７】
第１および第２接合体１８、２０のカソード側電極２４ａ、２４ｂ側に第１セパレータ２８ａ、２８ｂが配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０のアノード側電極２６ａ、２６ｂ側に第２セパレータ３０ａ、３０ｂが配設される。
【００２８】
セルアセンブリ１０は、並列された第１単位セル１２から第２単位セル１４にわたって酸化剤ガス（反応ガス）を直列的に供給する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３２と、前記第２単位セル１４から前記第１単位セル１２にわたって燃料ガス（反応ガス）を直列的に供給する燃料ガス流路（反応ガス流路）３４と、前記第１単位セル１２から前記第２単位セル１４にわたって冷却媒体を直列的に供給する冷却媒体流路３６とを有する。
【００２９】
第１単位セル１２は、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａと第１セパレータ２８ａとの間に矢印Ａ方向に延在する第１酸化剤ガス通路３８を備える。この第１酸化剤ガス通路３８は、連結流路部材１６に設けられた酸化剤ガス連通路４０に連通し、さらに第２単位セル１４を構成する第２接合体２０のカソード側電極２４ｂと第１セパレータ２８ｂとの間に形成される第２酸化剤ガス通路４２に連通する。
【００３０】
酸化剤ガス流路３２は、第１酸化剤ガス通路３８、酸化剤ガス連通路４０および第２酸化剤ガス通路４２を介して第１および第２単位セル１２、１４にわたって直列的に連通している。
【００３１】
第２単位セル１４を構成する第２接合体２０のアノード側電極２６ｂと第２セパレータ３０ｂとの間に第１燃料ガス通路４４が形成される。この第１燃料ガス通路４４は、連結流路部材１６に形成された燃料ガス連通路４６に連通し、さらに第１単位セル１２を構成する第１接合体１８のアノード側電極２６ａと第２セパレータ３０ａとの間に形成される第２燃料ガス通路４８に連通する。
【００３２】
第１および第２燃料ガス通路４４、４８は、第２および第１酸化剤ガス通路４２、３８に対して第２および第１接合体２０、１８の両面に沿って互いに対向流に設定される。燃料ガス流路３４は、酸化剤ガス流路３２と対向流を構成しており、第１燃料ガス通路４４、燃料ガス連通路４６および第２燃料ガス通路４８を介して第２単位セル１４から第１単位セル１２にわたって直列的に連通している。
【００３３】
第１単位セル１２の第２セパレータ３０ａには、第２燃料ガス通路４８と対向流をなして第１冷却媒体通路５０が形成される。この第１冷却媒体通路５０は、連結流路部材１６に形成される冷却媒体連通路５２に連通し、さらに第２単位セル１４を構成する第２セパレータ２８ｂの第２酸化剤ガス通路４２と平行流をなす第２冷却媒体通路５４に連通する。
【００３４】
冷却媒体流路３６は、酸化剤ガス流路３２と平行流を構成し、第１冷却媒体通路５０、冷却媒体連通路５２および第２冷却媒体通路５４を介して第１単位セル１２から第２単位セル１４にわたって直列的に連通している。
【００３５】
このように構成されるセルアセンブリ１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
まず、酸化剤ガス流路３２に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス流路３４に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体流路３６には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３７】
酸化剤ガスは、第１単位セル１２を構成する第１酸化剤ガス通路３８に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って矢印Ａ方向に移動する。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス通路３８の出口側から連結流路部材１６に形成された酸化剤ガス連通路４０に供給され、重力方向（矢印Ｃ２方向）に移動した後、第２単位セル１４に設けられた第２酸化剤ガス通路４２に導入される。このため、酸化剤ガスは、第２単位セル１４の第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って矢印Ａ方向に移動した後、前記第２単位セル１４から排出される。
【００３８】
燃料ガスは、第２単位セル１４に設けられた第１燃料ガス通路４４に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って矢印Ｂ方向（矢印Ａ方向とは逆方向）に移動する。燃料ガスは、第１燃料ガス通路４４の出口側から連結流路部材１６に形成された燃料ガス連通路４６を介して重力方向（矢印Ｃ２方向）に移動した後、第１単位セル１２に形成された第２燃料ガス通路４８に導入される。この燃料ガスは、第１単位セル１２の第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１単位セル１２から排出される。
【００３９】
従って、第１および第２接合体１８、２０では、カソード側電極２４ａ、２４ｂに供給される酸化剤ガスとアノード側電極２６ｂに供給される燃料ガスとが、触媒電極層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４０】
また、冷却媒体流路３６に供給された冷却媒体は、第１単位セル１２の第１冷却媒体通路５０に導入された後、矢印Ａ方向に沿って移動する。この冷却媒体は、連結流路部材１６の冷却媒体連通路５２を介して第２単位セル１４の第２冷却媒体通路５４に導入され、第１および第２接合体１８、２０を冷却した後、前記第２単位セル１４から排出される。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０の特徴的な構造が、図２に概略的に示されている。具体的には、第１単位セル１２の第１酸化剤ガス通路３８に、低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが供給される一方、第２単位セル１４の第１燃料ガス通路４４に、低加湿乃至無加湿の燃料ガスが供給される。
【００４２】
酸化剤ガスは、第１接合体１８の上方に設けられた第１酸化剤ガス通路３８を通って連結流路部材１６内で重力方向に移動した後、第２単位セル１４を構成する第２接合体２０の下方に設けられた第２酸化剤ガス通路４２に供給される。
【００４３】
一方、燃料ガスは、第２単位セル１４を構成する第２接合体２０の上方に設けられた第１燃料ガス通路４４に供給された後、連結流路部材１６を介して重力方向に移動した後、第１単位セル１２を構成する第１接合体１８の下方に設けられた第２燃料ガス通路４８に供給される。
【００４４】
第１および第２接合体１８、２０では、酸化剤ガスと燃料ガスとが前記第１および第２接合体２０の両面に沿って互いに対向流に設定される。さらに、冷却媒体は、酸化剤ガスと同一方向に、すなわち、第１単位セル１２の第１冷却媒体通路５０から連結流路部材１６を介して第２単位セル１４の第２冷却媒体通路５４に矢印Ａ方向に沿って移動する。
【００４５】
このため、第１単位セル１２は、第２単位セル１４よりも低温となるが、第１接合体１８を構成する固体高分子電解質膜２２ａは、第２接合体２０を構成する固体高分子電解質膜２２ｂよりも低温で該固体高分子電解質膜２２ｂと同等の発電機能を発揮するように設定されている。
【００４６】
第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａでは、低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが供給されるため、前記第１接合体１８の保水性を高めるために低空孔率・撥水性拡散層を有する一方、アノード側電極２６ａは、第２単位セル１４を通って水素分圧が低くなった燃料ガス、すなわち、相対湿度が高くなった燃料ガスが供給されるため、水分をカソード側電極２４ａ側に移動し易いように高空孔率・親水性拡散層を有している。
【００４７】
同様に、第２接合体２０では、低加湿乃至無加湿の燃料ガスが供給されるアノード側電極２６ｂは、保水性を高めるために低空孔率・撥水性拡散層を有する一方、第１単位セル１２を通って生成水を含み、高湿度となった酸化剤ガスが供給されるカソード側電極２４ｂは、水分をアノード側電極２６ｂ側に移動し易いように高空孔率・親水性拡散層を有している。
【００４８】
このように、第１の実施形態では、例えば、並列された第１および第２単位セル１２、１４にわたって酸化剤ガス流路３２が直列的に連通している。従って、セルアセンブリ１０には、下流側の第２単位セル１４の反応に必要な流量を付加した酸化剤ガスが上流側の第１単位セル１２に供給され、前記セルアセンブリ１０内に供給される酸化剤ガスの流量が増加されている。
【００４９】
これにより、酸化剤ガス流路３２内の結露を防止するとともに、第１および第２単位セル１２、１４の湿度を均一化することができ、前記第１および第２単位セル１２、１４の電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。さらに、セルアセンブリ１０内に供給される酸化剤ガスの流速が増加されるため、第１および第２単位セル１２、１４内の生成水を有効に排出することができる。
【００５０】
特に、第１接合体１８の上方に第１酸化剤ガス通路３８が設けられる一方、第２接合体２０の下方に第２酸化剤ガス通路４２が設けられている。このため、第１単位セル１２で生成された生成水は、重力によってこの第１単位セル１２から第２単位セル１４側に確実に排出された後、この第２単位セル１４から排出される。しかも、第１接合体１８からの過剰な水分は、重力を利用して該第１接合体１８の下方に設けられた第２酸化剤ガス通路４２に有効に排出される。従って、簡単な構成で、第１および第２接合体１８、２０に結露水が滞留することを有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
その上、酸化剤ガス流路３２は、第１および第２単位セル１２、１４を繋ぐために長尺に構成されている。これにより、圧力損失が増加して第１および第２単位セル１２、１４内での酸化剤ガスの分配性と生成水の排水性とが有効に向上する。
【００５２】
なお、燃料ガス流路３４は、並列された第２および第１単位セル１４、１２にわたって直列的に連通しており、上記の酸化剤ガス流路３２と同様の効果が得られる。
【００５３】
さらに、セルアセンブリ１０では、第１および第２単位セル１２、１４が、それぞれの電極面を互いに平行となるように並列されている。このため、第１単位セル１２と第２単位セル１４とを独立して取り扱うことができ、例えば、前記第１単位セル１２のみの性能評価が容易かつ正確に行われる。
【００５４】
さらにまた、第１単位セル１２では、低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが第１酸化剤ガス通路３８を矢印Ａ方向に流れる一方、第２燃料ガス通路４８には、相対湿度が高い燃料ガスが矢印Ｂ方向に流れている。これにより、第２燃料ガス通路４８の水分が高空孔率・親水性拡散層を有するアノード側電極２６ａから固体高分子電解質膜２２ａ側に移動する。従って、固体高分子電解質膜２２ａが乾燥することを確実に阻止し、この固体高分子電解質膜２２ａを所望の保湿状態に維持することができるとともに、酸化剤ガスを低加湿乃至無加湿で供給することが可能となる。
【００５５】
一方、第２単位セル１４では、生成水を含んだ高湿度の酸化剤ガスが、第２酸化剤ガス通路４２を矢印Ａ方向に流れるとともに、低加湿乃至無加湿の燃料ガスが、第１燃料ガス通路４４を矢印Ｂ方向に向かって流れている。このため、第２酸化剤ガス通路４２の水分は、高空孔率・親水性拡散層を有するカソード側電極２４ｂから固体高分子電解質膜２２ｂ側に移動し、この固体高分子電解質膜２２ｂを所望の加湿状態に有効に維持することができる。従って、燃料ガスを低加湿乃至無加湿で供給することが可能になる。
【００５６】
次に、第１および第２単位セル１２、１４内における第１および第２接合体１８、２０と、第１および第２酸化剤ガス通路３８、４２と、第１および第２燃料ガス通路４４、４８との湿度の変化が、図３に示されている。
【００５７】
第１単位セル１２では、第２燃料ガス通路４８を流れる相対湿度の高い燃料ガスにより第１接合体１８が加湿される一方、第２単位セル１４では、第２酸化剤ガス通路４２を流れる高湿度の酸化剤ガスにより第２接合体２０が加湿される。
【００５８】
これにより、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスの無加湿化を図るとともに、第１および第２接合体１８、２０を所望の湿度に確実に維持することができ、第１および第２単位セル１２、１４の発電性能を向上させることが可能になるという利点が得られる。
【００５９】
また、第１および第２単位セル１２、１４内における温度変化が、図４に示されている。
【００６０】
第２単位セル１４では、生成水により酸化剤ガスが高湿度になるものの、この第２単位セル１４の高温化によって、前記酸化剤ガスの相対湿度が低下する（図３および図４参照）。このため、第２単位セル１４内で結露が発生することがなく、電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することができる。
【００６１】
さらにまた、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１２、１４間には、連結流路部材１６が介装されている。従って、セルアセンブリ１０全体をコンパクトに構成することが可能になるとともに、前記セルアセンブリ１０の取り扱い作業性が向上し、該セルアセンブリ１０を種々の設置部位に容易かつ良好に取り付けることができる。
【００６２】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ８０の要部概略構成図である。なお、第１の実施形態に係るセルアセンブリ１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
セルアセンブリ８０は、第１単位セル１２を多段、例えば、３段に積層した第１燃料電池スタック８２と、第２単位セル１４を多段、例えば、３段に積層した第２燃料電池スタック８４とを、連結流路部材１６を介装して互いに並列して構成している。
【００６４】
連結流路部材１６は、単一の構成でもよく、３段に積層した構成でもよい。また、第１および第２燃料電池スタック８２、８４は、それぞれの第１および第２単位セル１２、１４に対して酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の供給、排出を行うマニホールド部材８６、８８を備えている。
【００６５】
このように第２の実施形態では、複数の第１および第２単位セル１２、１４がそれぞれ積層されて第１および第２燃料電池スタック８２、８４を構成することにより、容易に高出力化を図ることが可能になる。さらに、連結流路部材１６に、外部から反応ガス、例えば、酸化剤ガスを供給可能に構成すれば、第１燃料電池スタック８２に供給される酸化剤ガスの流量を有効に削減することができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型セルアセンブリでは、上流側の単位セルに下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが供給されるため、反応ガス流量内の結露を防止するとともに、各単位セルの湿度を均一化することができる。このため、各単位セルの電流密度分布を均一にし、濃度過電圧を低減することが可能になる。
【００６７】
さらに、反応ガスの流速が増加されて単位セルの生成水を有効に排出することができる。
【００６８】
さらにまた、複数個の単位セルが、それぞれの電極面を互いに平行となるように並列されており、各単位セル毎に独立して取り扱うことが可能になる。これにより、例えば、各単位セル毎に性能評価が容易かつ確実に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部概略構成図である。
【図２】前記セルアセンブリの特徴的な構造を示す概略説明図である。
【図３】第１および第２単位セル内の湿度変化の説明図である。
【図４】前記第１および第２単位セル内の温度変化の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部概略構成図である。
【符号の説明】
１０、８０…セルアセンブリ １２、１４…単位セル
１６…連結流路部材 １８、２０…接合体
２２ａ、２２ｂ…固体高分子電解質膜 ２４ａ、２４ｂ…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ…セパレータ
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路 ３８、４２…酸化剤ガス通路
４０…酸化剤ガス連通路 ４４、４８…燃料ガス通路
４６…燃料ガス連通路 ５０、５４…冷却媒体通路
５２…冷却媒体連通路 ８２、８４…燃料電池スタック
８６、８８…マニホールド部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させてセルアセンブリを一体的に構成する固体高分子型セルアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えている。通常、この単位セルは所定数だけ積層されて燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなり、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。このため、従来から種々の加湿法が採用されている。例えば、燃料電池スタックの外部にバブラー等の加湿器を備え、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）を加湿して接合体に水分を供給することによって、前記接合体を構成する電解質膜を加湿する外部加湿法や、電解質膜を加湿するための加湿器（加湿構造）を、単位セルの内部に備えた内部加湿法等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の外部加湿法では、燃料電池スタックの外部に付加装置として加湿器が設けられるため、燃料電池全体が大型化してしまい、占有スペースが拡大するという問題が指摘されている。しかも、特に燃料電池の負荷を急激に上昇させた際等に、加湿器の追従性が問題となる場合がある。
【０００６】
また、上記の内部加湿法では、電解質膜の内部に埋め込まれた吸水糸による加湿法や、アノード側から水透過板を通した加湿法や、電解質膜のアノード側に吸水糸を接触させる加湿法が一般的である。ところが、この種の方式では、何らかの原因で加湿が不十分になった際、適切な補修が困難であるという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得るとともに、効率的な発電が遂行可能な固体高分子型セルアセンブリを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る固体高分子型セルアセンブリでは、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させてセルアセンブリを一体的に構成している。セルアセンブリ内では、電極面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路の少なくとも一部分が、並列された各単位セルにわたって直列的に連通している。ここで、少なくとも一部分とは、複数の反応ガス流路の中の少なくとも一部分である場合と、反応ガス流路自体の少なくとも一部分である場合とをいう。
【０００９】
このため、セルアセンブリには、下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが、上流側の単位セルに供給されており、前記セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流量が増加される。これにより、反応ガス流路内の結露を防止するとともに、各単位セルの湿度を均一化することができ、複数個の単位セルの電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。さらに、セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流速を増加させるだけで、各単位セルの生成水を有効に排出することができ、前記セルアセンブリ全体の排水性が向上する。
【００１０】
その上、複数個の単位セルを繋ぐ長尺な反応ガス流路が設けられるため、圧力損失が増加して各単位セルでの反応ガスの分配性と生成水の排水性とが有効に向上する。さらに、セルアセンブリでは、複数個の単位セルがそれぞれの電極面を互いに平行となるように並列されている。このため、各単位セル毎に独立して取り扱うことができ、例えば、前記各単位セル毎に性能評価が容易かつ正確に行われる。
【００１１】
しかも、以下に詳述するように、例えば、反応ガス流路である酸化剤ガス流路および燃料ガス流路の流れ方向や、冷却媒体流路の流れ方向を設定することにより、上流側の単位セルと下流側の単位セルとに湿度差および温度差を付与し、反応ガスを低加湿乃至無加湿で供給することが可能になる。これにより、特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得ることができる。
【００１２】
また、反応ガス流路は、反応ガス流れ方向上流側の単位セルを構成する接合体の上方に設けられた通路と、前記反応ガス流れ方向下流側の単位セルを構成する接合体の下方に設けられた通路とに直列的に連通している（請求項２）。従って、上流側の単位セルで生成された生成水は、重力によって下流側の単位セルに確実に排出され、簡単な構成で、接合体に結露水が滞留することを有効に阻止することが可能になる。さらに、接合体からの過剰な水分は、重力を利用して該接合体の下方に設けられた反応ガス流路に有効に排出される。
【００１３】
反応ガス流路である燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、単位セルを構成する接合体の両面に沿って互いに対向流に設定されている（請求項３）。このため、燃料ガス流路を流れる燃料ガスと、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスとの間で、固体高分子電解質膜を挟んで水分の移動が行われる。これにより、固体高分子電解質膜が乾燥することを確実に阻止するとともに、反応ガスを低加湿乃至無加湿で供給することができる。
【００１４】
その際、酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向上流側の単位セルに対して酸化剤ガス流れ方向下流側の単位セルを高温に維持するために、冷却媒体を前記上流側の単位セルから前記下流側の単位セルに直列に流す冷却媒体流路を備えている（請求項４）。
【００１５】
従って、上流側の単位セルは低温型単位セルを構成するとともに、下流側の単位セルは高温型単位セルを構成する。低温型単位セルは、酸化剤ガスの入口低湿度側となる一方、燃料ガスの出口高湿度側となり、高温型単位セルは、前記酸化剤ガスの出口高湿度側となる一方、燃料ガスの入口低湿度側となる。これにより、下流側の単位セルでは、生成水により酸化剤ガスが高湿度になるものの、前記下流側の単位セル自体の高温化によって、前記酸化剤ガスの相対湿度が低下する。このため、下流側の単位セルで結露が発生することがなく、電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。
【００１６】
また、上流側の単位セル（低温型単位セル）と下流側の単位セル（高温型単位セル）とは、互いに異なる構造に設定される（請求項５）。従って、各単位セル毎に反応に最適な構造を採用することが可能になる。具体的には、上流側の単位セルを構成する上流側接合体は、下流側の単位セルを構成する下流側接合体よりも低温でかつ前記下流側接合体と同等の発電性能を発揮する（請求項６）。
【００１７】
さらに、上流側の単位セルを構成する上流側接合体は、カソード側電極に低空孔率・撥水性拡散層を設けるとともに、アノード側電極に高空孔率・親水性拡散層を設け、前記低空孔率・撥水性拡散層を上向きに配置し、高空孔率・親水性拡散層を下向きに配置している（請求項７）。
【００１８】
このため、酸化剤ガスが上流側接合体の上方を流れる際に、低空孔率・撥水性拡散層を介して生成水が重力により下方に移動することがなく、前記酸化剤ガスを良好に加湿保持することができる。一方、燃料ガスが下流側の単位セルを通って上流側接合体の下方を流れる際に、高空孔率・親水性拡散層を介して固体高分子電解質膜側に結露水を移動させることが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜や電極は、最適な発電が可能な状態に面内を均一に保湿されるとともに、酸化剤ガスを低加湿乃至無加湿で供給することができる。
【００１９】
さらにまた、下流側の単位セルを構成する下流側接合体は、アノード側電極に低空孔率・撥水性拡散層を設けるとともに、カソード側電極に高空孔率・親水性拡散層を設け、前記低空孔率・撥水性拡散層を上向きに配置し、高空孔率・親水性拡散層を下向きに配置している（請求項８）。
【００２０】
従って、燃料ガスが下流側接合体の上方を流れる際に、低空孔率・撥水性拡散層を介して生成水が重力により下方に移動することがなく、前記燃料ガスを良好に加湿保持することができる。一方、酸化剤ガスが上流側の単位セルを通って加湿された状態で下流側接合体の下方を流れる際に、高空孔率・親水性拡散層を介して固体高分子電解質膜側に結露水を移動させることが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜や電極は、最適な発電が可能な状態に面内を均一に保湿されるとともに、燃料ガスを低加湿乃至無加湿で供給することができる。さらに、接合体からの過剰な水分は、重力を利用して該接合体の下方に設けられた酸化剤ガス流路に有効に排出される。
【００２１】
また、並列された複数個の単位セル間には、反応ガスおよび冷却媒体を直列に供給するための反応ガス連通路および冷却媒体連通路を有する連結流路部材が介装されている（請求項９）。このため、セルアセンブリ全体をコンパクトに構成することが可能になるとともに、種々の設置部位に容易かつ良好に取り付けることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１０の要部概略構成図である。
【００２３】
セルアセンブリ１０は、複数個の単位セル、例えば、第１単位セル１２と第２単位セル１４とを、それぞれの電極面が互いに平行となるように並列して構成されている。第１および第２単位セル１２、１４間には、連結流路部材１６が配設される。第１単位セル１２は、酸化剤ガス（反応ガス）流れ方向（矢印Ａ方向）上流側の単位セルを構成し、第２単位セル１４は、酸化剤ガス流れ方向下流側の単位セルを構成する。
【００２４】
第１および第２単位セル１２、１４は、第１および第２接合体１８、２０を備える。第１および第２接合体１８、２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。固体高分子電解質膜２２ａは相対的に低温型電解質膜である一方、固体高分子電解質膜２２ｂは高温型電解質膜であり、前記固体高分子電解質膜２２ａは、前記固体高分子電解質膜２２ｂよりも低温でかつ該固体高分子電解質膜２２ｂと同等の発電性能を発揮する。
【００２５】
カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００２６】
第１接合体１８では、カソード側電極２４ａが低空孔率・撥水性拡散層を有してこのカソード側電極２４ａを上向き（矢印Ｃ１方向）に配置するとともに、アノード側電極２６ａが高空孔率・親水性拡散層を有しており、このアノード側電極２６ａが下向き（矢印Ｃ２方向）に配置される。第２接合体２０では、アノード側電極２６ｂが低空孔率・撥水性拡散層を有しており、このアノード側電極２６ｂが上向き（矢印Ｃ１方向）に配置されるとともに、カソード側電極２４ｂが高空孔率・親水性拡散層を有しており、このカソード側電極２４ｂが下向き（矢印Ｃ２方向）に配置される。
【００２７】
第１および第２接合体１８、２０のカソード側電極２４ａ、２４ｂ側に第１セパレータ２８ａ、２８ｂが配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０のアノード側電極２６ａ、２６ｂ側に第２セパレータ３０ａ、３０ｂが配設される。
【００２８】
セルアセンブリ１０は、並列された第１単位セル１２から第２単位セル１４にわたって酸化剤ガス（反応ガス）を直列的に供給する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）３２と、前記第２単位セル１４から前記第１単位セル１２にわたって燃料ガス（反応ガス）を直列的に供給する燃料ガス流路（反応ガス流路）３４と、前記第１単位セル１２から前記第２単位セル１４にわたって冷却媒体を直列的に供給する冷却媒体流路３６とを有する。
【００２９】
第１単位セル１２は、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａと第１セパレータ２８ａとの間に矢印Ａ方向に延在する第１酸化剤ガス通路３８を備える。この第１酸化剤ガス通路３８は、連結流路部材１６に設けられた酸化剤ガス連通路４０に連通し、さらに第２単位セル１４を構成する第２接合体２０のカソード側電極２４ｂと第１セパレータ２８ｂとの間に形成される第２酸化剤ガス通路４２に連通する。
【００３０】
酸化剤ガス流路３２は、第１酸化剤ガス通路３８、酸化剤ガス連通路４０および第２酸化剤ガス通路４２を介して第１および第２単位セル１２、１４にわたって直列的に連通している。
【００３１】
第２単位セル１４を構成する第２接合体２０のアノード側電極２６ｂと第２セパレータ３０ｂとの間に第１燃料ガス通路４４が形成される。この第１燃料ガス通路４４は、連結流路部材１６に形成された燃料ガス連通路４６に連通し、さらに第１単位セル１２を構成する第１接合体１８のアノード側電極２６ａと第２セパレータ３０ａとの間に形成される第２燃料ガス通路４８に連通する。
【００３２】
第１および第２燃料ガス通路４４、４８は、第２および第１酸化剤ガス通路４２、３８に対して第２および第１接合体２０、１８の両面に沿って互いに対向流に設定される。燃料ガス流路３４は、酸化剤ガス流路３２と対向流を構成しており、第１燃料ガス通路４４、燃料ガス連通路４６および第２燃料ガス通路４８を介して第２単位セル１４から第１単位セル１２にわたって直列的に連通している。
【００３３】
第１単位セル１２の第２セパレータ３０ａには、第２燃料ガス通路４８と対向流をなして第１冷却媒体通路５０が形成される。この第１冷却媒体通路５０は、連結流路部材１６に形成される冷却媒体連通路５２に連通し、さらに第２単位セル１４を構成する第２セパレータ２８ｂの第２酸化剤ガス通路４２と平行流をなす第２冷却媒体通路５４に連通する。
【００３４】
冷却媒体流路３６は、酸化剤ガス流路３２と平行流を構成し、第１冷却媒体通路５０、冷却媒体連通路５２および第２冷却媒体通路５４を介して第１単位セル１２から第２単位セル１４にわたって直列的に連通している。
【００３５】
このように構成されるセルアセンブリ１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
まず、酸化剤ガス流路３２に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス流路３４に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体流路３６には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３７】
酸化剤ガスは、第１単位セル１２を構成する第１酸化剤ガス通路３８に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って矢印Ａ方向に移動する。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス通路３８の出口側から連結流路部材１６に形成された酸化剤ガス連通路４０に供給され、重力方向（矢印Ｃ２方向）に移動した後、第２単位セル１４に設けられた第２酸化剤ガス通路４２に導入される。このため、酸化剤ガスは、第２単位セル１４の第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って矢印Ａ方向に移動した後、前記第２単位セル１４から排出される。
【００３８】
燃料ガスは、第２単位セル１４に設けられた第１燃料ガス通路４４に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って矢印Ｂ方向（矢印Ａ方向とは逆方向）に移動する。燃料ガスは、第１燃料ガス通路４４の出口側から連結流路部材１６に形成された燃料ガス連通路４６を介して重力方向（矢印Ｃ２方向）に移動した後、第１単位セル１２に形成された第２燃料ガス通路４８に導入される。この燃料ガスは、第１単位セル１２の第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動し、第１単位セル１２から排出される。
【００３９】
従って、第１および第２接合体１８、２０では、カソード側電極２４ａ、２４ｂに供給される酸化剤ガスとアノード側電極２６ｂに供給される燃料ガスとが、触媒電極層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４０】
また、冷却媒体流路３６に供給された冷却媒体は、第１単位セル１２の第１冷却媒体通路５０に導入された後、矢印Ａ方向に沿って移動する。この冷却媒体は、連結流路部材１６の冷却媒体連通路５２を介して第２単位セル１４の第２冷却媒体通路５４に導入され、第１および第２接合体１８、２０を冷却した後、前記第２単位セル１４から排出される。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０の特徴的な構造が、図２に概略的に示されている。具体的には、第１単位セル１２の第１酸化剤ガス通路３８に、低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが供給される一方、第２単位セル１４の第１燃料ガス通路４４に、低加湿乃至無加湿の燃料ガスが供給される。
【００４２】
酸化剤ガスは、第１接合体１８の上方に設けられた第１酸化剤ガス通路３８を通って連結流路部材１６内で重力方向に移動した後、第２単位セル１４を構成する第２接合体２０の下方に設けられた第２酸化剤ガス通路４２に供給される。
【００４３】
一方、燃料ガスは、第２単位セル１４を構成する第２接合体２０の上方に設けられた第１燃料ガス通路４４に供給された後、連結流路部材１６を介して重力方向に移動した後、第１単位セル１２を構成する第１接合体１８の下方に設けられた第２燃料ガス通路４８に供給される。
【００４４】
第１および第２接合体１８、２０では、酸化剤ガスと燃料ガスとが前記第１および第２接合体２０の両面に沿って互いに対向流に設定される。さらに、冷却媒体は、酸化剤ガスと同一方向に、すなわち、第１単位セル１２の第１冷却媒体通路５０から連結流路部材１６を介して第２単位セル１４の第２冷却媒体通路５４に矢印Ａ方向に沿って移動する。
【００４５】
このため、第１単位セル１２は、第２単位セル１４よりも低温となるが、第１接合体１８を構成する固体高分子電解質膜２２ａは、第２接合体２０を構成する固体高分子電解質膜２２ｂよりも低温で該固体高分子電解質膜２２ｂと同等の発電機能を発揮するように設定されている。
【００４６】
第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａでは、低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが供給されるため、前記第１接合体１８の保水性を高めるために低空孔率・撥水性拡散層を有する一方、アノード側電極２６ａは、第２単位セル１４を通って水素分圧が低くなった燃料ガス、すなわち、相対湿度が高くなった燃料ガスが供給されるため、水分をカソード側電極２４ａ側に移動し易いように高空孔率・親水性拡散層を有している。
【００４７】
同様に、第２接合体２０では、低加湿乃至無加湿の燃料ガスが供給されるアノード側電極２６ｂは、保水性を高めるために低空孔率・撥水性拡散層を有する一方、第１単位セル１２を通って生成水を含み、高湿度となった酸化剤ガスが供給されるカソード側電極２４ｂは、水分をアノード側電極２６ｂ側に移動し易いように高空孔率・親水性拡散層を有している。
【００４８】
このように、第１の実施形態では、例えば、並列された第１および第２単位セル１２、１４にわたって酸化剤ガス流路３２が直列的に連通している。従って、セルアセンブリ１０には、下流側の第２単位セル１４の反応に必要な流量を付加した酸化剤ガスが上流側の第１単位セル１２に供給され、前記セルアセンブリ１０内に供給される酸化剤ガスの流量が増加されている。
【００４９】
これにより、酸化剤ガス流路３２内の結露を防止するとともに、第１および第２単位セル１２、１４の湿度を均一化することができ、前記第１および第２単位セル１２、１４の電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能になる。さらに、セルアセンブリ１０内に供給される酸化剤ガスの流速が増加されるため、第１および第２単位セル１２、１４内の生成水を有効に排出することができる。
【００５０】
特に、第１接合体１８の上方に第１酸化剤ガス通路３８が設けられる一方、第２接合体２０の下方に第２酸化剤ガス通路４２が設けられている。このため、第１単位セル１２で生成された生成水は、重力によってこの第１単位セル１２から第２単位セル１４側に確実に排出された後、この第２単位セル１４から排出される。しかも、第１接合体１８からの過剰な水分は、重力を利用して該第１接合体１８の下方に設けられた第２酸化剤ガス通路４２に有効に排出される。従って、簡単な構成で、第１および第２接合体１８、２０に結露水が滞留することを有効に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００５１】
その上、酸化剤ガス流路３２は、第１および第２単位セル１２、１４を繋ぐために長尺に構成されている。これにより、圧力損失が増加して第１および第２単位セル１２、１４内での酸化剤ガスの分配性と生成水の排水性とが有効に向上する。
【００５２】
なお、燃料ガス流路３４は、並列された第２および第１単位セル１４、１２にわたって直列的に連通しており、上記の酸化剤ガス流路３２と同様の効果が得られる。
【００５３】
さらに、セルアセンブリ１０では、第１および第２単位セル１２、１４が、それぞれの電極面を互いに平行となるように並列されている。このため、第１単位セル１２と第２単位セル１４とを独立して取り扱うことができ、例えば、前記第１単位セル１２のみの性能評価が容易かつ正確に行われる。
【００５４】
さらにまた、第１単位セル１２では、低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが第１酸化剤ガス通路３８を矢印Ａ方向に流れる一方、第２燃料ガス通路４８には、相対湿度が高い燃料ガスが矢印Ｂ方向に流れている。これにより、第２燃料ガス通路４８の水分が高空孔率・親水性拡散層を有するアノード側電極２６ａから固体高分子電解質膜２２ａ側に移動する。従って、固体高分子電解質膜２２ａが乾燥することを確実に阻止し、この固体高分子電解質膜２２ａを所望の保湿状態に維持することができるとともに、酸化剤ガスを低加湿乃至無加湿で供給することが可能となる。
【００５５】
一方、第２単位セル１４では、生成水を含んだ高湿度の酸化剤ガスが、第２酸化剤ガス通路４２を矢印Ａ方向に流れるとともに、低加湿乃至無加湿の燃料ガスが、第１燃料ガス通路４４を矢印Ｂ方向に向かって流れている。このため、第２酸化剤ガス通路４２の水分は、高空孔率・親水性拡散層を有するカソード側電極２４ｂから固体高分子電解質膜２２ｂ側に移動し、この固体高分子電解質膜２２ｂを所望の加湿状態に有効に維持することができる。従って、燃料ガスを低加湿乃至無加湿で供給することが可能になる。
【００５６】
次に、第１および第２単位セル１２、１４内における第１および第２接合体１８、２０と、第１および第２酸化剤ガス通路３８、４２と、第１および第２燃料ガス通路４４、４８との湿度の変化が、図３に示されている。
【００５７】
第１単位セル１２では、第２燃料ガス通路４８を流れる相対湿度の高い燃料ガスにより第１接合体１８が加湿される一方、第２単位セル１４では、第２酸化剤ガス通路４２を流れる高湿度の酸化剤ガスにより第２接合体２０が加湿される。
【００５８】
これにより、反応ガスである酸化剤ガスおよび燃料ガスの無加湿化を図るとともに、第１および第２接合体１８、２０を所望の湿度に確実に維持することができ、第１および第２単位セル１２、１４の発電性能を向上させることが可能になるという利点が得られる。
【００５９】
また、第１および第２単位セル１２、１４内における温度変化が、図４に示されている。
【００６０】
第２単位セル１４では、生成水により酸化剤ガスが高湿度になるものの、この第２単位セル１４の高温化によって、前記酸化剤ガスの相対湿度が低下する（図３および図４参照）。このため、第２単位セル１４内で結露が発生することがなく、電流密度分布を均一にして濃度過電圧を低減することができる。
【００６１】
さらにまた、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１２、１４間には、連結流路部材１６が介装されている。従って、セルアセンブリ１０全体をコンパクトに構成することが可能になるとともに、前記セルアセンブリ１０の取り扱い作業性が向上し、該セルアセンブリ１０を種々の設置部位に容易かつ良好に取り付けることができる。
【００６２】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ８０の要部概略構成図である。なお、第１の実施形態に係るセルアセンブリ１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
セルアセンブリ８０は、第１単位セル１２を多段、例えば、３段に積層した第１燃料電池スタック８２と、第２単位セル１４を多段、例えば、３段に積層した第２燃料電池スタック８４とを、連結流路部材１６を介装して互いに並列して構成している。
【００６４】
連結流路部材１６は、単一の構成でもよく、３段に積層した構成でもよい。また、第１および第２燃料電池スタック８２、８４は、それぞれの第１および第２単位セル１２、１４に対して酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の供給、排出を行うマニホールド部材８６、８８を備えている。
【００６５】
このように第２の実施形態では、複数の第１および第２単位セル１２、１４がそれぞれ積層されて第１および第２燃料電池スタック８２、８４を構成することにより、容易に高出力化を図ることが可能になる。さらに、連結流路部材１６に、外部から反応ガス、例えば、酸化剤ガスを供給可能に構成すれば、第１燃料電池スタック８２に供給される酸化剤ガスの流量を有効に削減することができる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型セルアセンブリでは、上流側の単位セルに下流側の単位セルの反応に必要な流量を付加した反応ガスが供給されるため、反応ガス流量内の結露を防止するとともに、各単位セルの湿度を均一化することができる。このため、各単位セルの電流密度分布を均一にし、濃度過電圧を低減することが可能になる。
【００６７】
さらに、反応ガスの流速が増加されて単位セルの生成水を有効に排出することができる。
【００６８】
さらにまた、複数個の単位セルが、それぞれの電極面を互いに平行となるように並列されており、各単位セル毎に独立して取り扱うことが可能になる。これにより、例えば、各単位セル毎に性能評価が容易かつ確実に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部概略構成図である。
【図２】前記セルアセンブリの特徴的な構造を示す概略説明図である。
【図３】第１および第２単位セル内の湿度変化の説明図である。
【図４】前記第１および第２単位セル内の温度変化の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部概略構成図である。
【符号の説明】
１０、８０…セルアセンブリ １２、１４…単位セル
１６…連結流路部材 １８、２０…接合体
２２ａ、２２ｂ…固体高分子電解質膜 ２４ａ、２４ｂ…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ…セパレータ
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路 ３８、４２…酸化剤ガス通路
４０…酸化剤ガス連通路 ４４、４８…燃料ガス通路
４６…燃料ガス連通路 ５０、５４…冷却媒体通路
５２…冷却媒体連通路 ８２、８４…燃料電池スタック
８６、８８…マニホールド部材
Claims (9)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させてセルアセンブリを一体的に構成するとともに、前記セルアセンブリ内では、前記電極面に燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路の少なくとも一部分が、並列された各単位セルにわたって直列的に連通することを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
- 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、前記反応ガス流路は、反応ガス流れ方向上流側の単位セルを構成する接合体の上方に設けられた通路と、前記反応ガス流れ方向下流側の単位セルを構成する接合体の下方に設けられた通路とに直列的に連通して設けられることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
- 請求項１または２記載のセルアセンブリにおいて、前記反応ガス流路である燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とは、前記単位セルを構成する接合体の両面に沿って互いに対向流に設定されることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
- 請求項３記載のセルアセンブリにおいて、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向上流側の単位セルに対して酸化剤ガス流れ方向下流側の単位セルを高温に維持するために、冷却媒体を前記上流側の単位セルから前記下流側の単位セルに直列に流す冷却媒体流路を備えることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
- 請求項４記載のセルアセンブリにおいて、前記上流側の単位セルと前記下流側の単位セルとは、互いに異なる構造に設定されることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
- 請求項５記載のセルアセンブリにおいて、前記上流側の単位セルを構成する上流側接合体は、前記下流側の単位セルを構成する下流側接合体よりも低温でかつ該下流側接合体と同等の発電性能を発揮することを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
- 請求項５または６記載のセルアセンブリにおいて、前記上流側の単位セルを構成する上流側接合体は、前記カソード側電極に低空孔率・撥水性拡散層を設けるとともに、前記アノード側電極に高空孔率・親水性拡散層を設け、
前記低空孔率・撥水性拡散層を上向きに配置し、高空孔率・親水性拡散層を下向きに配置することを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。 - 請求項５乃至７のいずれか１項に記載のセルアセンブリにおいて、前記下流側の単位セルを構成する下流側接合体は、前記アノード側電極に低空孔率・撥水性拡散層を設けるとともに、前記カソード側電極に高空孔率・親水性拡散層を設け、
前記低空孔率・撥水性拡散層を上向きに配置し、高空孔率・親水性拡散層を下向きに配置することを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。 - 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセルアセンブリにおいて、並列された複数個の前記単位セル間には、反応ガスおよび冷却媒体を直列に供給するための反応ガス連通路および冷却媒体連通路を有する連結流路部材が介装されることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
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