JP2004327091A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】発電により生成される液状水を確実に排出することができ、簡単かつ小型な構成で、発電性能の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタックを構成する積層体１８は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層され、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面には燃料ガス流路５２が形成され、その流路深さＤ１および流路幅Ｗ１の積である流路断面積が、０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成される。
【選択図】図３
【解決手段】燃料電池スタックを構成する積層体１８は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層され、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面には燃料ガス流路５２が形成され、その流路深さＤ１および流路幅Ｗ１の積である流路断面積が、０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成される。
【選択図】図３
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の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、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電極触媒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た電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池（発電セル）が構成されている。
【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は、電極触媒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は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】
一般的に、燃料電池では、一方のセパレータには、セパレータの面方向に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータには、セパレータの面方向に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、いずれかのセパレータまたは別のセパレータには、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００５】
ところで、上記の燃料電池では、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、図９に示すように、エアフレーム（空気側セパレータ）１の中央部に空気流路プレート２が配置されている。エアフレーム１は、空気流路プレート２を挟んで略対角位置に、空気供給マニホールド３と空気排出マニホールド４とを有するとともに、前記空気供給マニホールド３には、複数の供給通路５が連通する一方、前記空気排出マニホールド４には、同様に、複数の排出通路６が連通している。空気流路プレート２には、複数の流路溝を備えて略Ｓ字状に蛇行する空気流路８が形成されている。この空気流路８は、上部側の空気入口が供給通路５を介して空気供給マニホールド３に連通し、下部側の出口が排出通路６を介して空気排出マニホールド４に連通している。
【０００７】
この場合、空気流路８および図示しない水素流路は、その「深さ：幅」の関係が「１：１」、かつこの幅を０．０４０インチに形成することが好適とされている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第３欄第５４行〜第６２行、第９欄第１７行〜第２５行、第１０欄第３９行〜第４８行、図４、図７）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のエアフレーム１では、反応用空気が空気流路プレート２の空気流路８に沿って移動する際に、この反応用空気中の酸素と水素イオンおよび電子とが反応して水が生成されている。この水は、通常、空気流路８を流れる反応用空気に混在して、排出通路６から空気排出マニホールド４に排出されるとともに、固体高分子電解質膜の湿潤状態を維持するために利用される。
【００１０】
しかしながら、燃料電池の運転温度が、比較的低温、例えば、６０℃以下であると、この燃料電池の発電により生成される水は、液状水として存在する場合が多い。その際、上記の特許文献１では、空気流路８に対して反応用空気が低圧でかつ圧力降下量の少ない状態で供給されるため、この空気流路８から液状水が排出されても、この液状水が空気流路８や空気排出マニホールド４内に滞留し易い。また、比較的低温であるために、固体高分子電解質膜を拡散して水素流路側に到達した反応用空気中の水分も液状水として存在する割合が高くなり、この液状水が水素流路や水素排出マニホールド内に滞留し易くなる。このため、前記空気流路８あるいは水素流路が閉塞されて発電性能が低下するという問題が指摘されている。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電により生成される液状水を確実に排出することができ、簡単かつ小型な構成で、発電性能に優れる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って反応用空気を供給する反応用空気流路とを設ける複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下に設定されている。
【００１３】
そして、燃料ガス流路の開口断面積が０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されるため、発電により生成される液状水が固体高分子電解質膜を拡散して燃料ガス流路側に到達したとしても、この液状水は燃料ガス流路内に滞留することがなく確実に流動される。その結果、燃料ガス流路内に液状水が滞留して、燃料ガスの供給を阻害することがないので、燃料電池スタックの発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することができる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、燃料ガス流路の幅に対する深さの比が０．３未満に設定されている。これにより、液状水が燃料ガス流路内に滞留することを回避することができるとともに、燃料ガス流路が形成される、例えば、セパレータの積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、隣接する燃料ガス流路は、互いに０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設される。これにより、燃料ガス流路が形成される、例えば、セパレータを容易に加工することが可能になるとともに、該セパレータに燃料ガス流路が効率的に配置され、燃料ガス流路の数を十分に確保することができる。その結果、アノード側電極に燃料ガスを安定して供給することが可能となり、燃料電池スタックの発電をより安定して遂行することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って反応用空気を供給する反応用空気流路とを設ける複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下に設定されている。
【００１７】
そして、反応用空気流路の開口断面積が０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されるため、発電により生成される液状水は反応用空気流路内に滞留することがなく確実に流動される。その結果、反応用空気流路内に液状水が滞留して、反応用空気の供給を阻害することがないので、燃料電池スタックの発電性能を確保し、かつより一層安定した発電を遂行することができる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池スタックでは、反応用空気流路の幅に対する深さの比が０．６未満に設定されている。これにより、液状水が反応用空気流路内に滞留することを回避することができるとともに、反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータの積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタックを積層方向により一層小型化することができる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項６に係る燃料電池スタックでは、隣接する反応用空気流路は、互いに０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設される。これにより、反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータを容易に加工することが可能になるとともに、該セパレータに反応用空気流路を効率的に配置することができる。その結果、カソード側電極に反応用空気を安定して供給することが可能となり、燃料電池スタックの発電をより一層安定して遂行することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略一部分解斜視図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、集電用ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａおよびエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端には、集電用ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂおよびエンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００２２】
図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０、第１および第２セパレータ３２、３４および隣接する発電セル１６のそれぞれの間には、後述する燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４の周囲を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、電解質膜・電極構造体３０と第１セパレータ３２と間には、電解質膜・電極構造体３０の外周を覆ってシール部材３６ｂが介装される。また、電解質膜・電極構造体３０と第２セパレータ３４と間には、電解質膜・電極構造体３０の外周に沿ってシム（ｓｈｉｍ）３６ｃが介装される。
【００２３】
発電セル１６の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｃ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２４】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図２〜図４参照）。
【００２５】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００２６】
図５に示すように、第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成され、燃料ガスを水平方向に沿って流動させる。
【００２７】
また、燃料ガス流路５２は、図３に示すように、流路深さＤ１および流路幅Ｗ１の溝部を有し、この流路深さＤ１と流路幅Ｗ１の積である流路断面積（開口断面積）は、０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されると好適である。また、この流路幅Ｗ１に対する流路深さＤ１の比（アスペクト比ともいう）が０．３未満、すなわち「Ｄ１／Ｗ１＜０．３」に設定される。
【００２８】
さらに、隣接する各燃料ガス流路５２は、互いに間隔ｔ１だけ離間して配設される。この間隔ｔ１は、０．５ｍｍ〜１ｍｍが好適とされる。このように間隔ｔ１を設定することにより、第１セパレータ３２に燃料ガス流路５２を形成するための溝部の加工が容易になる一方、該溝部に対して形成される壁部の破損等を回避することができる。
【００２９】
図６に示すように、第１セパレータ３２の面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数本の溝部により構成される。冷却用空気流路５４は、その両側の端部５４ａ、５４ｂが、第１セパレータ３２の側部から大気に開放されている。
【００３０】
図７に示すように、第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かう面３４ａには、反応用空気流路５６が形成され、この反応用空気流路５６は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部により構成される。反応用空気流路５６は、その両側の端部５６ａ、５６ｂが、第２セパレータ３４の側部から大気に開放されている。
【００３１】
また、反応用空気流路５６は、図４に示すように、流路深さＤ２および流路幅Ｗ２の溝部を有し、この流路深さＤ２と流路幅Ｗ２の積である流路断面積（開口断面積）は、０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されると好適である。また、この流路幅Ｗ２に対する流路深さＤ２の比が０．６未満、すなわち「Ｄ２／Ｗ２＜０．６」に設定される。
【００３２】
さらに、隣接する各反応用空気流路５６は、互いに間隔ｔ２だけ離間して配設される。この間隔ｔ２は、０．５ｍｍ〜１ｍｍが好適とされる。このように間隔ｔ２を設定することにより、第２セパレータ３４に反応用空気流路５６を形成するための溝部の加工が容易になる一方、該溝部に対して形成される壁部の破損等を回避することができる。
【００３３】
なお、燃料電池スタック１０の上方には、空気を供給するための図示しないブロア等が設置され、該ブロアの付勢によって、反応用空気流路５６および冷却用空気流路５４にそれぞれ反応用空気および冷却用空気を重力方向に流動させる。
【００３４】
図１に示すように、エンドプレート２４ａには、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４が形成された第１ブロック６４ａと、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６が形成された第２ブロック６６ａとが設けられる。
【００３５】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、皿ばね６８等を介してバックアッププレート７０ａ、７０ｂが配設される。バックアッププレート７０ａ、７０ｂは、上下にそれぞれ２本ずつ配置される締め付けロッド７２により積層方向に締め付け保持される。
【００３６】
第１ブロック６４ａには、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための図示しない水素ボンベや減圧弁等の周辺補器が接続される。
【００３７】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３８】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、燃料ガス（水素ガス）は、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの水素供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率１００％）〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率１０％）に調整される。一方、反応用空気は、空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの空気供給量が０．００３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率１００％）〜０．０３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率１０％）に調整される。
【００３９】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、図示しない水素ボンベや減圧弁等の周辺補器を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、上記の水素供給量に調整されて、燃料ガス供給口６４から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２から第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図３および図５参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って水平方向に移動する。
【００４０】
一方、図１に示すように、燃料電池スタック１０の上方に設置された前記ブロアにより、０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度で、かつ上記の空気供給量に調整された空気は、第２セパレータ３４の上方から端部５６ａを経て反応用空気流路５６に導入される（図４および図７参照）。このため、反応用空気流路５６に導入された反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って重力方向に移動する。
【００４１】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２〜図４参照）。
【００４２】
また、図１に示すように、冷却用空気は、上記の反応用空気と同様に、第１セパレータ３２の上方から端部５４ａを経て冷却用空気流路５４に導入される（図３、図４および図６参照）。このため、冷却用空気流路５４に導入された冷却用空気は、電解質膜・電極構造体３０に沿って重力方向に移動し、各発電セル１６の運転温度が６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃になるように冷却する。
【００４３】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿、あるいは低加湿で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００４４】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて矢印Ａ方向に流動し、燃料ガス排出口６６から外部に排出される。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の端部５６ｂを経て大気に排出される。
【００４５】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。この液状水の一部は、固体高分子電解質膜４６を拡散して燃料ガス流路５２に到達し、この燃料ガス流路５２に前記液状水が存在し易い。このため、反応用空気流路５６および燃料ガス流路５２から液状水が排出される場合が多い。
【００４６】
その際、燃料ガス流路５２は、その流路断面積が０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されているため、燃料ガス流路５２に前記液状水が存在したとしても、燃料ガスのガス流による流動作用によって、この液状水が滞留することがなく確実に流動される。その結果、燃料ガス流路５２内に液状水が滞留して燃料ガスの供給を阻害することがないので、燃料電池スタック１０の発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することができる。しかも、本実施形態のように、燃料ガス流路５２が水平方向に延在するような場合でも、流路断面積を０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満にすることで、液状水を確実に流動させることができる。
【００４７】
なお、燃料ガス流路５２の流路断面積を上記の範囲外、すなわち、流路断面積を０．１ｍｍ２未満にすると、燃料ガス流路５２内のガス流の流速が増大して、液状水を流動させるための流動作用がより強く働くが、流路断面積が小さくなり、かつ流路長さとの関係における燃料ガス流路５２の体積も小さくなる。このため、燃料ガス流路５２中の液状水が流路断面を閉塞し易くなるので、ガス流の流速が速くなったとしても該液状水が滞留し好ましくない。
【００４８】
一方、燃料ガス流路５２の流路断面積を０．３ｍｍ２以上にすると、燃料ガス流路５２内のガス流の流速が低下して、液状水を流動させるための流動作用の働きが弱くなる。このため、燃料ガス流路５２中の液状水が滞留し易くなり好ましくない。
【００４９】
また、燃料ガス流路５２のアスペクト比が０．３未満（Ｄ１／Ｗ１＜０．３）に設定されているので（図３参照）、液状水が燃料ガス流路５２内に滞留することを回避することができるとともに、燃料ガス流路５２が形成される第１セパレータ３２の積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタック１０を積層方向に小型化することができる。
【００５０】
さらに、隣接する各燃料ガス流路５２は、互いに間隔ｔ１、すなわち０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設されているため（図３参照）、第１セパレータ３２に燃料ガス流路５２が効率的に配置され、燃料ガス流路５２の数を十分に確保することができる。その結果、アノード側電極４８に燃料ガスを安定して供給することが可能となり、燃料電池スタック１０の発電を安定して遂行することができる。
【００５１】
一方、反応用空気流路５６には、発電反応によって生成される生成水が液状水として存在するが、反応用空気流路５６の流路断面積が０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されており、かつ反応用空気の空気流による流動作用が働くため、この液状水が滞留することがなく確実に流動される。その結果、反応用空気流路５６内に液状水が滞留して反応用空気の供給を阻害することがないので、燃料電池スタック１０の発電性能を確保し、かつより一層安定した発電を遂行することができる。しかも、本実施形態のように、反応用空気流路５６が鉛直方向に延在していると、さらに重力による流動作用が働いて、液状水をより一層確実に流動させることができる。
【００５２】
なお、反応用空気流路５６の流路断面積を上記の範囲外、すなわち、流路断面積を０．３ｍｍ２未満にすると、反応用空気流路５６内の空気流の流速が増大して、液状水を流動させるための流動作用がより強く働くが、流路断面積が小さくなり、かつ流路長さとの関係における反応用空気流路５６の体積も小さくなる。このため、反応用空気流路５６中の液状水が流路断面を閉塞し易くなるので、空気流の流速が速くなったとしても該液状水が滞留し好ましくない。
【００５３】
一方、反応用空気流路５６の流路断面積を０．６ｍｍ２以上にすると、反応用空気流路５６内のガス流の流速が低下して、液状水を流動させるための流動作用の働きが弱くなる。このため、反応用空気流路５６中の液状水が滞留し易くなり好ましくない。
【００５４】
また、反応用空気流路５６のアスペクト比が０．６未満（Ｄ２／Ｗ２＜０．６）に設定されているので（図４参照）、液状水が反応用空気流路５６内に滞留することを回避することができるとともに、反応用空気流路５６が形成される第２セパレータ３４の積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタック１０を積層方向により一層小型化することができる。
【００５５】
さらに、隣接する各反応用空気流路５６は、互いに間隔ｔ２、すなわち０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設されているため（図４参照）、第２セパレータ３４に反応用空気流路５６が効率的に配置され、反応用空気流路５６の数を十分に確保することができる。その結果、カソード側電極５０に反応用空気を安定して供給することが可能となり、燃料電池スタック１０の発電をより一層安定して遂行することができる。
【００５６】
実施例
流路深さＤ１が０．２ｍｍおよび流路幅Ｗ１が１ｍｍの流路断面積０．２ｍｍ２を有する燃料ガス流路５２（この場合、アスペクト比は０．２となる）が形成された第１セパレータ３２と、流路深さＤ２が０．４ｍｍおよび流路幅Ｗ２が１ｍｍの流路断面積０．４ｍｍ２を有する反応用空気流路５６（この場合、アスペクト比は０．４となる）が形成された第２セパレータ３４と、電極面積が１５０ｃｍ２の電解質膜・電極構造体３０とを備える発電セル１６を用意して、この発電セル１６を１個だけ図１の燃料電池システム１２に組み込んだ実施例を構成した。
【００５７】
ここでは、供給圧力が０．８６ｋＰａ、流量が０．３２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率５０％）で加湿することなく燃料ガスを供給する一方、供給圧力が１．２３ｋＰａ、流量が１ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率５０％）で加湿することなく反応用空気を供給した。
【００５８】
そして、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の条件下で発電を開始し、２０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．〜３０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．で冷却用空気を供給し、作動温度を５０℃近傍に維持した。その結果を図８のグラフに実施例として示す。
【００５９】
一方、比較例として、流路深さＤ１が０．３ｍｍおよび流路幅Ｗ１が１ｍｍの流路断面積０．３ｍｍ２を有する燃料ガス流路５２（この場合、アスペクト比は０．３となる）が形成された第１セパレータ３２と、流路深さＤ２が０．６ｍｍおよび流路幅Ｗ２が１ｍｍの流路断面積０．６ｍｍ２を有する反応用空気流路５６（この場合、アスペクト比は０．６となる）が形成された第２セパレータ３４とを用意して、上記の実施例と同様に発電セル１６を構成した。そして、燃料ガスの流量が０．３２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率５０％）、および反応用空気の流量が１ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率５０％）となるように調整し、これら以外の構成および条件は上記の実施例と同一にして発電を行った。その結果を図８のグラフに比較例として示す。
【００６０】
この図８に示すグラフから明らかなように、上記の実施例では良好でかつ安定したセル電圧が得られたのに対し、比較例では十分なセル電圧を得ることができなかった。これにより、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込んだ燃料電池システム１２によれば、良好でかつ安定した発電性能が得られることが解かった。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料ガス流路内および反応用空気流路内に液状水が滞留して、燃料ガスおよび反応用空気の供給を阻害することがないので、燃料電池スタックの発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することができる。
【００６２】
また、燃料ガス流路および反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータの積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になるので、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【００６３】
さらに、燃料ガス流路および反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータを容易に加工することが可能になるとともに、該セパレータに燃料ガス流路および反応用空気流路が効率的に配置され、各流路の数を十分に確保することができる。その結果、各電極に燃料ガスおよび反応用空気を安定して供給することが可能となり、燃料電池スタックの発電をより安定して遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの鉛直方向の一部断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックの水平方向の一部断面図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】実施例および比較例のセル電圧と時間変化との関係を示すグラフである。
【図９】特許文献１のエアフレームの正面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１６…発電セル １８…積層体
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ…シール部材 ３６ｃ…シム
４２…燃料ガス供給連通孔 ４４…燃料ガス排出連通孔
４６…固体高分子電解質膜 ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却用空気流路 ５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂ…端部
５６…反応用空気流路 ６４…燃料ガス供給口
６４ａ、６６ａ…ブロック ６６…燃料ガス排出口
７０ａ、７０ｂ…バックアッププレート
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、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電極触媒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た電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池（発電セル）が構成されている。
【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は、電極触媒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は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】
一般的に、燃料電池では、一方のセパレータには、セパレータの面方向に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータには、セパレータの面方向に沿って酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、いずれかのセパレータまたは別のセパレータには、セパレータの面方向に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
【０００５】
ところで、上記の燃料電池では、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、図９に示すように、エアフレーム（空気側セパレータ）１の中央部に空気流路プレート２が配置されている。エアフレーム１は、空気流路プレート２を挟んで略対角位置に、空気供給マニホールド３と空気排出マニホールド４とを有するとともに、前記空気供給マニホールド３には、複数の供給通路５が連通する一方、前記空気排出マニホールド４には、同様に、複数の排出通路６が連通している。空気流路プレート２には、複数の流路溝を備えて略Ｓ字状に蛇行する空気流路８が形成されている。この空気流路８は、上部側の空気入口が供給通路５を介して空気供給マニホールド３に連通し、下部側の出口が排出通路６を介して空気排出マニホールド４に連通している。
【０００７】
この場合、空気流路８および図示しない水素流路は、その「深さ：幅」の関係が「１：１」、かつこの幅を０．０４０インチに形成することが好適とされている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第３欄第５４行〜第６２行、第９欄第１７行〜第２５行、第１０欄第３９行〜第４８行、図４、図７）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のエアフレーム１では、反応用空気が空気流路プレート２の空気流路８に沿って移動する際に、この反応用空気中の酸素と水素イオンおよび電子とが反応して水が生成されている。この水は、通常、空気流路８を流れる反応用空気に混在して、排出通路６から空気排出マニホールド４に排出されるとともに、固体高分子電解質膜の湿潤状態を維持するために利用される。
【００１０】
しかしながら、燃料電池の運転温度が、比較的低温、例えば、６０℃以下であると、この燃料電池の発電により生成される水は、液状水として存在する場合が多い。その際、上記の特許文献１では、空気流路８に対して反応用空気が低圧でかつ圧力降下量の少ない状態で供給されるため、この空気流路８から液状水が排出されても、この液状水が空気流路８や空気排出マニホールド４内に滞留し易い。また、比較的低温であるために、固体高分子電解質膜を拡散して水素流路側に到達した反応用空気中の水分も液状水として存在する割合が高くなり、この液状水が水素流路や水素排出マニホールド内に滞留し易くなる。このため、前記空気流路８あるいは水素流路が閉塞されて発電性能が低下するという問題が指摘されている。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、発電により生成される液状水を確実に排出することができ、簡単かつ小型な構成で、発電性能に優れる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って反応用空気を供給する反応用空気流路とを設ける複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下に設定されている。
【００１３】
そして、燃料ガス流路の開口断面積が０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されるため、発電により生成される液状水が固体高分子電解質膜を拡散して燃料ガス流路側に到達したとしても、この液状水は燃料ガス流路内に滞留することがなく確実に流動される。その結果、燃料ガス流路内に液状水が滞留して、燃料ガスの供給を阻害することがないので、燃料電池スタックの発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することができる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、燃料ガス流路の幅に対する深さの比が０．３未満に設定されている。これにより、液状水が燃料ガス流路内に滞留することを回避することができるとともに、燃料ガス流路が形成される、例えば、セパレータの積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池スタックでは、隣接する燃料ガス流路は、互いに０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設される。これにより、燃料ガス流路が形成される、例えば、セパレータを容易に加工することが可能になるとともに、該セパレータに燃料ガス流路が効率的に配置され、燃料ガス流路の数を十分に確保することができる。その結果、アノード側電極に燃料ガスを安定して供給することが可能となり、燃料電池スタックの発電をより安定して遂行することができる。
【００１６】
また、本発明の請求項４に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って反応用空気を供給する反応用空気流路とを設ける複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下に設定されている。
【００１７】
そして、反応用空気流路の開口断面積が０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されるため、発電により生成される液状水は反応用空気流路内に滞留することがなく確実に流動される。その結果、反応用空気流路内に液状水が滞留して、反応用空気の供給を阻害することがないので、燃料電池スタックの発電性能を確保し、かつより一層安定した発電を遂行することができる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池スタックでは、反応用空気流路の幅に対する深さの比が０．６未満に設定されている。これにより、液状水が反応用空気流路内に滞留することを回避することができるとともに、反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータの積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタックを積層方向により一層小型化することができる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項６に係る燃料電池スタックでは、隣接する反応用空気流路は、互いに０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設される。これにより、反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータを容易に加工することが可能になるとともに、該セパレータに反応用空気流路を効率的に配置することができる。その結果、カソード側電極に反応用空気を安定して供給することが可能となり、燃料電池スタックの発電をより一層安定して遂行することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略一部分解斜視図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、集電用ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａおよびエンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端には、集電用ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂおよびエンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。
【００２２】
図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０、第１および第２セパレータ３２、３４および隣接する発電セル１６のそれぞれの間には、後述する燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４の周囲を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、電解質膜・電極構造体３０と第１セパレータ３２と間には、電解質膜・電極構造体３０の外周を覆ってシール部材３６ｂが介装される。また、電解質膜・電極構造体３０と第２セパレータ３４と間には、電解質膜・電極構造体３０の外周に沿ってシム（ｓｈｉｍ）３６ｃが介装される。
【００２３】
発電セル１６の矢印Ｂ方向（水平方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｃ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２４】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図２〜図４参照）。
【００２５】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００２６】
図５に示すように、第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成され、燃料ガスを水平方向に沿って流動させる。
【００２７】
また、燃料ガス流路５２は、図３に示すように、流路深さＤ１および流路幅Ｗ１の溝部を有し、この流路深さＤ１と流路幅Ｗ１の積である流路断面積（開口断面積）は、０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されると好適である。また、この流路幅Ｗ１に対する流路深さＤ１の比（アスペクト比ともいう）が０．３未満、すなわち「Ｄ１／Ｗ１＜０．３」に設定される。
【００２８】
さらに、隣接する各燃料ガス流路５２は、互いに間隔ｔ１だけ離間して配設される。この間隔ｔ１は、０．５ｍｍ〜１ｍｍが好適とされる。このように間隔ｔ１を設定することにより、第１セパレータ３２に燃料ガス流路５２を形成するための溝部の加工が容易になる一方、該溝部に対して形成される壁部の破損等を回避することができる。
【００２９】
図６に示すように、第１セパレータ３２の面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する複数本の溝部により構成される。冷却用空気流路５４は、その両側の端部５４ａ、５４ｂが、第１セパレータ３２の側部から大気に開放されている。
【００３０】
図７に示すように、第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かう面３４ａには、反応用空気流路５６が形成され、この反応用空気流路５６は、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部により構成される。反応用空気流路５６は、その両側の端部５６ａ、５６ｂが、第２セパレータ３４の側部から大気に開放されている。
【００３１】
また、反応用空気流路５６は、図４に示すように、流路深さＤ２および流路幅Ｗ２の溝部を有し、この流路深さＤ２と流路幅Ｗ２の積である流路断面積（開口断面積）は、０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されると好適である。また、この流路幅Ｗ２に対する流路深さＤ２の比が０．６未満、すなわち「Ｄ２／Ｗ２＜０．６」に設定される。
【００３２】
さらに、隣接する各反応用空気流路５６は、互いに間隔ｔ２だけ離間して配設される。この間隔ｔ２は、０．５ｍｍ〜１ｍｍが好適とされる。このように間隔ｔ２を設定することにより、第２セパレータ３４に反応用空気流路５６を形成するための溝部の加工が容易になる一方、該溝部に対して形成される壁部の破損等を回避することができる。
【００３３】
なお、燃料電池スタック１０の上方には、空気を供給するための図示しないブロア等が設置され、該ブロアの付勢によって、反応用空気流路５６および冷却用空気流路５４にそれぞれ反応用空気および冷却用空気を重力方向に流動させる。
【００３４】
図１に示すように、エンドプレート２４ａには、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４が形成された第１ブロック６４ａと、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６が形成された第２ブロック６６ａとが設けられる。
【００３５】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、皿ばね６８等を介してバックアッププレート７０ａ、７０ｂが配設される。バックアッププレート７０ａ、７０ｂは、上下にそれぞれ２本ずつ配置される締め付けロッド７２により積層方向に締め付け保持される。
【００３６】
第１ブロック６４ａには、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための図示しない水素ボンベや減圧弁等の周辺補器が接続される。
【００３７】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３８】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、燃料ガス（水素ガス）は、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの水素供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率１００％）〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率１０％）に調整される。一方、反応用空気は、空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの空気供給量が０．００３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率１００％）〜０．０３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率１０％）に調整される。
【００３９】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、図示しない水素ボンベや減圧弁等の周辺補器を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、上記の水素供給量に調整されて、燃料ガス供給口６４から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２から第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図３および図５参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って水平方向に移動する。
【００４０】
一方、図１に示すように、燃料電池スタック１０の上方に設置された前記ブロアにより、０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度で、かつ上記の空気供給量に調整された空気は、第２セパレータ３４の上方から端部５６ａを経て反応用空気流路５６に導入される（図４および図７参照）。このため、反応用空気流路５６に導入された反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って重力方向に移動する。
【００４１】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２〜図４参照）。
【００４２】
また、図１に示すように、冷却用空気は、上記の反応用空気と同様に、第１セパレータ３２の上方から端部５４ａを経て冷却用空気流路５４に導入される（図３、図４および図６参照）。このため、冷却用空気流路５４に導入された冷却用空気は、電解質膜・電極構造体３０に沿って重力方向に移動し、各発電セル１６の運転温度が６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃になるように冷却する。
【００４３】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿、あるいは低加湿で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００４４】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて矢印Ａ方向に流動し、燃料ガス排出口６６から外部に排出される。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の端部５６ｂを経て大気に排出される。
【００４５】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。この液状水の一部は、固体高分子電解質膜４６を拡散して燃料ガス流路５２に到達し、この燃料ガス流路５２に前記液状水が存在し易い。このため、反応用空気流路５６および燃料ガス流路５２から液状水が排出される場合が多い。
【００４６】
その際、燃料ガス流路５２は、その流路断面積が０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されているため、燃料ガス流路５２に前記液状水が存在したとしても、燃料ガスのガス流による流動作用によって、この液状水が滞留することがなく確実に流動される。その結果、燃料ガス流路５２内に液状水が滞留して燃料ガスの供給を阻害することがないので、燃料電池スタック１０の発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することができる。しかも、本実施形態のように、燃料ガス流路５２が水平方向に延在するような場合でも、流路断面積を０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満にすることで、液状水を確実に流動させることができる。
【００４７】
なお、燃料ガス流路５２の流路断面積を上記の範囲外、すなわち、流路断面積を０．１ｍｍ２未満にすると、燃料ガス流路５２内のガス流の流速が増大して、液状水を流動させるための流動作用がより強く働くが、流路断面積が小さくなり、かつ流路長さとの関係における燃料ガス流路５２の体積も小さくなる。このため、燃料ガス流路５２中の液状水が流路断面を閉塞し易くなるので、ガス流の流速が速くなったとしても該液状水が滞留し好ましくない。
【００４８】
一方、燃料ガス流路５２の流路断面積を０．３ｍｍ２以上にすると、燃料ガス流路５２内のガス流の流速が低下して、液状水を流動させるための流動作用の働きが弱くなる。このため、燃料ガス流路５２中の液状水が滞留し易くなり好ましくない。
【００４９】
また、燃料ガス流路５２のアスペクト比が０．３未満（Ｄ１／Ｗ１＜０．３）に設定されているので（図３参照）、液状水が燃料ガス流路５２内に滞留することを回避することができるとともに、燃料ガス流路５２が形成される第１セパレータ３２の積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタック１０を積層方向に小型化することができる。
【００５０】
さらに、隣接する各燃料ガス流路５２は、互いに間隔ｔ１、すなわち０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設されているため（図３参照）、第１セパレータ３２に燃料ガス流路５２が効率的に配置され、燃料ガス流路５２の数を十分に確保することができる。その結果、アノード側電極４８に燃料ガスを安定して供給することが可能となり、燃料電池スタック１０の発電を安定して遂行することができる。
【００５１】
一方、反応用空気流路５６には、発電反応によって生成される生成水が液状水として存在するが、反応用空気流路５６の流路断面積が０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されており、かつ反応用空気の空気流による流動作用が働くため、この液状水が滞留することがなく確実に流動される。その結果、反応用空気流路５６内に液状水が滞留して反応用空気の供給を阻害することがないので、燃料電池スタック１０の発電性能を確保し、かつより一層安定した発電を遂行することができる。しかも、本実施形態のように、反応用空気流路５６が鉛直方向に延在していると、さらに重力による流動作用が働いて、液状水をより一層確実に流動させることができる。
【００５２】
なお、反応用空気流路５６の流路断面積を上記の範囲外、すなわち、流路断面積を０．３ｍｍ２未満にすると、反応用空気流路５６内の空気流の流速が増大して、液状水を流動させるための流動作用がより強く働くが、流路断面積が小さくなり、かつ流路長さとの関係における反応用空気流路５６の体積も小さくなる。このため、反応用空気流路５６中の液状水が流路断面を閉塞し易くなるので、空気流の流速が速くなったとしても該液状水が滞留し好ましくない。
【００５３】
一方、反応用空気流路５６の流路断面積を０．６ｍｍ２以上にすると、反応用空気流路５６内のガス流の流速が低下して、液状水を流動させるための流動作用の働きが弱くなる。このため、反応用空気流路５６中の液状水が滞留し易くなり好ましくない。
【００５４】
また、反応用空気流路５６のアスペクト比が０．６未満（Ｄ２／Ｗ２＜０．６）に設定されているので（図４参照）、液状水が反応用空気流路５６内に滞留することを回避することができるとともに、反応用空気流路５６が形成される第２セパレータ３４の積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になる。その結果、燃料電池スタック１０を積層方向により一層小型化することができる。
【００５５】
さらに、隣接する各反応用空気流路５６は、互いに間隔ｔ２、すなわち０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設されているため（図４参照）、第２セパレータ３４に反応用空気流路５６が効率的に配置され、反応用空気流路５６の数を十分に確保することができる。その結果、カソード側電極５０に反応用空気を安定して供給することが可能となり、燃料電池スタック１０の発電をより一層安定して遂行することができる。
【００５６】
実施例
流路深さＤ１が０．２ｍｍおよび流路幅Ｗ１が１ｍｍの流路断面積０．２ｍｍ２を有する燃料ガス流路５２（この場合、アスペクト比は０．２となる）が形成された第１セパレータ３２と、流路深さＤ２が０．４ｍｍおよび流路幅Ｗ２が１ｍｍの流路断面積０．４ｍｍ２を有する反応用空気流路５６（この場合、アスペクト比は０．４となる）が形成された第２セパレータ３４と、電極面積が１５０ｃｍ２の電解質膜・電極構造体３０とを備える発電セル１６を用意して、この発電セル１６を１個だけ図１の燃料電池システム１２に組み込んだ実施例を構成した。
【００５７】
ここでは、供給圧力が０．８６ｋＰａ、流量が０．３２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率５０％）で加湿することなく燃料ガスを供給する一方、供給圧力が１．２３ｋＰａ、流量が１ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率５０％）で加湿することなく反応用空気を供給した。
【００５８】
そして、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の条件下で発電を開始し、２０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．〜３０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．で冷却用空気を供給し、作動温度を５０℃近傍に維持した。その結果を図８のグラフに実施例として示す。
【００５９】
一方、比較例として、流路深さＤ１が０．３ｍｍおよび流路幅Ｗ１が１ｍｍの流路断面積０．３ｍｍ２を有する燃料ガス流路５２（この場合、アスペクト比は０．３となる）が形成された第１セパレータ３２と、流路深さＤ２が０．６ｍｍおよび流路幅Ｗ２が１ｍｍの流路断面積０．６ｍｍ２を有する反応用空気流路５６（この場合、アスペクト比は０．６となる）が形成された第２セパレータ３４とを用意して、上記の実施例と同様に発電セル１６を構成した。そして、燃料ガスの流量が０．３２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（水素利用率５０％）、および反応用空気の流量が１ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ．（空気利用率５０％）となるように調整し、これら以外の構成および条件は上記の実施例と同一にして発電を行った。その結果を図８のグラフに比較例として示す。
【００６０】
この図８に示すグラフから明らかなように、上記の実施例では良好でかつ安定したセル電圧が得られたのに対し、比較例では十分なセル電圧を得ることができなかった。これにより、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込んだ燃料電池システム１２によれば、良好でかつ安定した発電性能が得られることが解かった。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料ガス流路内および反応用空気流路内に液状水が滞留して、燃料ガスおよび反応用空気の供給を阻害することがないので、燃料電池スタックの発電性能を確保し、かつ安定した発電を遂行することができる。
【００６２】
また、燃料ガス流路および反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータの積層方向の寸法を可及的に小さくすることが可能になるので、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【００６３】
さらに、燃料ガス流路および反応用空気流路が形成される、例えば、セパレータを容易に加工することが可能になるとともに、該セパレータに燃料ガス流路および反応用空気流路が効率的に配置され、各流路の数を十分に確保することができる。その結果、各電極に燃料ガスおよび反応用空気を安定して供給することが可能となり、燃料電池スタックの発電をより安定して遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの鉛直方向の一部断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックの水平方向の一部断面図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図８】実施例および比較例のセル電圧と時間変化との関係を示すグラフである。
【図９】特許文献１のエアフレームの正面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１６…発電セル １８…積層体
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ…シール部材 ３６ｃ…シム
４２…燃料ガス供給連通孔 ４４…燃料ガス排出連通孔
４６…固体高分子電解質膜 ４８…アノード側電極
５０…カソード側電極 ５２…燃料ガス流路
５４…冷却用空気流路 ５４ａ、５４ｂ、５６ａ、５６ｂ…端部
５６…反応用空気流路 ６４…燃料ガス供給口
６４ａ、６６ａ…ブロック ６６…燃料ガス排出口
７０ａ、７０ｂ…バックアッププレート
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って反応用空気を供給する反応用空気流路とを設ける複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下の燃料電池スタックであって、
前記燃料ガス流路の開口断面積は、０．１ｍｍ２以上０．３ｍｍ２未満に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス流路の幅に対する深さの比が０．３未満に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、隣接する前記燃料ガス流路は、互いに０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持するとともに、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード側電極に沿って反応用空気を供給する反応用空気流路とを設ける複数の発電セルを備え、作動温度が６０℃以下の燃料電池スタックであって、
前記反応用空気流路の開口断面積は、０．３ｍｍ２以上０．６ｍｍ２未満に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記反応用空気流路の幅に対する深さの比が０．６未満に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項４または５記載の燃料電池スタックにおいて、隣接する前記反応用空気流路は、互いに０．５ｍｍ〜１ｍｍだけ離間して配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
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| JP2003116246A JP2004327091A (ja) | 2003-04-21 | 2003-04-21 | 燃料電池スタック |
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