JP2006286557A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 フラッディング等の新たな問題が生じることなしに、発熱量の多い空気極側の冷却能力を高めて、発電効率を向上する。
【解決手段】 隣接するＭＥＡの間に配置されるセパレータ２５は、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３と中間プレート２４とを備える。中間プレート２４は、冷却媒体流路を備える。冷却媒体流路は、アノード電極が当接する面側に配置される第１の導電性多孔体層６５ａと、前記水素極が当接する面側に配置される第２の導電性多孔体層６５ｂとを備え、第２の導電性多孔体層６５ｂよりも前記第１の導電性多孔体層６５ａの方が気孔率が高くなるよう構成されている。したがって、カソード対向プレート２２側での冷却媒体の流量が、アノード対向プレート２３側での冷却媒体の流量よりも大きくなる。このため、発熱量の多いカソード電極の冷却能力をより高めることができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、電解質膜と一対の電極からなる膜電極接合体を複数積層した燃料電池に関する。

近年、エネルギ変換効率が高く、かつ発電反応により有害物質を発生しない電源として、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池では、水素と酸素が反応して電気を作り出すが、その反応の際に熱が発生する。そこで、燃料電池では、冷却水を通して、反応に適した温度に燃料電池を保つことで、発電効率の低下が抑えられている。

上記の燃料電池において、さらに、下記特許文献１に記載されているように、燃料電池の空気極の除熱能力を、水素極の除熱能力よりも高くなるように、酸素極のガス拡散層の気孔率を、水素極のガス拡散層の気孔率よりも低くした構成が提案されている。空気極側では発熱反応が多いためであり、酸素極のガス拡散層の気孔率を低くすることで、熱伝導性を良くして、空気極側での冷却能力を高めている。

特開２００４−１８５９０４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、酸素極のガス拡散層の気孔率を低くしたことで、酸素極でのガス拡散性が悪化することから、酸素極側でフラッディングが発生した。

本発明は、フラッディング等の新たな問題が生じることなしに、発熱量の多い空気極側の冷却能力を高めて、発電効率を向上することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜の一方の面に水素極を、他方の面に酸素極をそれぞれ配した膜電極接合体が複数積層され、一の膜電極接合体の水素極と隣接する他の膜電極接合体の酸素極との間に、所定の冷却媒体が内部を通過する冷却媒体流路が配置された燃料電池において、
前記冷却媒体流路は、
前記酸素極が当接する面側での前記冷却媒体の流量が、前記水素極が当接する面側での前記冷却媒体の流量よりも大きくなるよう構成されたこと
を特徴とする。
ここで、「流量」とは、単位時間に流れる流体の重量もしくは体積のことである。

この構成の燃料電池によれば、冷却媒体流路において、酸素極が当接する面側での冷却媒体の流量が、水素極が当接する面側での冷却媒体の流量よりも大きいことから、酸素極側の冷却能力が、水素極側に比べて高い。したがって、発熱量の多い酸素極の冷却能力をより高めることができることから、発電効率を向上することができるという効果を奏する。特に、この燃料電池によれば、従来例のように、酸素極を構成するガス拡散層に対して、気孔率を小さくする等なんら特別な細工が施されている訳ではないので、フラッディング等の新たな問題が生じることなしに、上記の効果を生じさせることができる。

前記冷却媒体流路は、前記酸素極が当接する面側での流路抵抗が、前記水素極が当接する面側での流路抵抗よりも小さくなるよう構成されることにより、前記冷却媒体の流量の相違を実現してもよい。

この構成によれば、冷却媒体流路の流路抵抗を、酸素極が当接する面側と水素極が当接する面側とで変更することで、酸素極が当接する面側での冷却媒体の流量が、水素極が当接する面側での冷却媒体の流量よりも大きくなるよう構成することができる。

前記冷却媒体流路は、前記酸素極が当接する面側に配置される第１の導電性多孔体層と、前記水素極が当接する面側に配置される第２の導電性多孔体層とを備え、前記第２の導電性多孔体層よりも前記第１の導電性多孔体層の方が気孔率が高くなるよう構成されることにより、前記流路抵抗の相違を実現してもよい。

この構成によれば、冷却媒体流路に、気孔率の違う第１の導電性多孔体層と第２の導電性多孔体層とを用意することで、酸素極が当接する面側での冷却媒体の流量が、水素極が当接する面側での冷却媒体の流量よりも大きくなるよう容易に構成することができる。

前記燃料電池において、前記一の膜電極接合体の前記水素極との対向面が平面である水素極対向プレートと、前記他の膜電極接合体の前記酸素極との対向面が平面である酸素極対向プレートと、前記水素極対向プレートと前記酸素極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備えるセパレータを有し、前記中間プレートは、前記第１の導電性多孔体層と第２の導電性多孔体層とが配置された構成としてもよい。

この構成によれば、水素極対向プレートと酸素極対向プレートと中間プレートによって、隣り合う膜電極接合体の間に配設されるセパレータを形成することができ、そのセパレータに、第１の導電性多孔体層と第２の導電性多孔体層とが配置された冷却媒体流路を形成することができる。

前記第１の導電性多孔体層は、金属製多孔体を用いて構成してもよい。

金属製多孔体は、剛性が高いことから気孔率を十分に高くすることができることから、第１の導電性多孔体層の気孔率を高くすることが容易である。すなわち、酸素極での排水性を容易に高めることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池の全体構成：
Ｂ．冷却媒体流路の構成：
Ｃ．燃料電池の動作：
Ｄ．作用・効果：
Ｅ．他の実施形態：

Ａ．燃料電池の全体構成：
図１は、一実施例としての燃料電池１０を備える燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、モジュール２０と、エンドプレート３０と、テンションプレート３１と、インシュレータ３３と、ターミナル３４とを備えている。モジュール２０は、インシュレータ３３およびターミナル３４を挟んで、２枚のエンドプレート３０によって挟持される。すなわち、燃料電池１０は、モジュール２０が、複数個積層された層状構造を有している。また、テンションプレート３１がボルト３２によって各エンドプレート３０に結合されることによって、各モジュール２０は、積層方向に所定の圧縮力で締結される。

燃料電池１０には、電池反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化ガス）と、燃料電池１０を冷却する冷却媒体が供給される。簡単に説明すると、燃料電池１０のアノード電極（水素極）には、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１０から、配管２５０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２１０の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成しても良い。配管２５０には、水素の供給を調整するため、シャットバルブ２２０および調圧バルブ２３０が配置されている。燃料電池１０のアノード電極から排出された水素は、配管２６０を介して配管２５０に戻され、再び燃料電池１０に循環される。配管２６０上には、循環のための循環ポンプ２４０が配置されている。

燃料電池１０のカソード電極（酸素極）には、エアポンプ３１０から、配管３５０を介して、酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池１０のカソード電極から排出された空気は、配管３６０を介して大気中に放出される。燃料電池１０には、さらに、ラジエータ４２０から、配管４５０を介して、冷却媒体が供給される。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。燃料電池１０から排出された冷却媒体は、配管４６０を介して、ラジエータ４２０に送られ、再び燃料電池１０に循環される。配管４６０上には、循環のための循環ポンプ４１０が配置されている。

図２は、燃料電池１０を構成するモジュール２０の概略構成を示す説明図である。モジュール２０は、セパレータ２５とシール一体型膜電極接合体（以下、膜電極接合体をＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly ）ともいう。）２１を交互に積層して構成される。

セパレータ２５は、シール一体型ＭＥＡ２１のカソード電極側に対向するカソード対向プレート（酸素極対向プレート）２２と、アノード電極側に対向するアノード対向プレート（水素極対向プレート）２３と、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３とに挟持される中間プレート２４とを備えている。これらの３枚のプレートは重ね合わせて、ホットプレスすることにより接合されている。

図３は、セパレータ２５を構成するカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３の平面図である。図４は、セパレータ２５を構成する中間プレート２４と、シール一体型ＭＥＡ２１の平面図である。ここで、セパレータ２５において、燃料電池を構成する際に、ＭＥＡに対応する領域、すなわち、ＭＥＡと対向して発電が行われる領域を発電部と呼ぶこととする。図３および図４において、カソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３、中間プレート２４の略中央部に点線で示した領域は、発電部ＤＡを示している。

カソード対向プレート２２は、略四角形の金属製の薄板である。金属製の薄板は、高耐食性材料によって構成されている。例えば、チタン、ＳＵＳ（ステンレス）、その他の合金であり、表面に導電性メッキを施しても良い。カソード対向プレート２２は、図３（ａ）に示すように、ＭＥＡのカソード電極と対向面が平面であり、酸化ガス流路は形成されていない。ここで、略四角形である発電部の図３における上側の辺を第１の辺Ｓ１とし、第１の辺Ｓ１と向かい合う辺を第２の辺Ｓ２とする。さらに、第１の辺Ｓ１と隣接する左側の辺を第３の辺Ｓ３とし、第３の辺Ｓ３と向かい合う辺を第４の辺Ｓ４とする。これらの辺の呼び名は、後述するアノード対向プレート２３における発電部ＤＡおよび中間プレート２４における発電部ＤＡについても同様とする。

カソード対向プレート２２は、複数個の酸化ガス供給孔２２５と、複数個の酸化ガス排出孔２２６とを有している。複数個の酸化ガス供給孔２２５は、発電部ＤＡの第１の辺Ｓ１に対応する端部（以下、酸化ガス供給端部という。）に、酸化ガス供給端部の全長に亘って、並んで配置されている。複数個の酸化ガス排出孔２２６は、発電部ＤＡの酸化ガス供給孔２２５とは反対側の端部、つまり、本実施例では発電部ＤＡの第２の辺Ｓ２に対応する端部（以下、酸化ガス排出端部という。）に、酸化ガス排出端部の全長に亘って、並んで配置されている。

カソード対向プレート２２は、さらに、発電部ＤＡを囲む外側の領域（以下、外周部という。）において、セパレータ２５を構成する際に各種マニホールドを形成する燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２２１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２２２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２２３ｂとを有している。これらの各種マニホールド形成部、酸化ガス供給孔２２５、酸化ガス排出孔２２６は、全てカソード対向プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。カソード対向プレート２２は、これらの貫通部以外には特に構造を有していない平板である。カソード対向プレート２２は、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製される。

アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード対向プレート２２と同じ高耐食性材料を用いることができる。アノード対向プレート２３は、図３（ｂ）に示すように、カソード対向プレート２２同様、ＭＥＡのアノード極との対向面が平面であり、燃料ガス流路は形成されていない。アノード対向プレート２３は、複数個の燃料ガス供給孔２３７と、複数個の燃料ガス排出孔２３８とを有している。複数個の燃料ガス供給孔２３７は、発電部ＤＡの第３の辺に対応する端部（以下、燃料ガス供給端部という。）の上側の部分に、並んで配置されている。複数個の燃料ガス排出孔２３８は、発電部ＤＡの燃料ガス供給孔２３７とは反対側の端部、つまり、発電部ＤＡの第４の辺Ｓ４に対応する端部（以下、燃料ガス排出端部という。）の下側の部分に、並んで配置されている。

アノード対向プレート２３は、さらに、カソード対向プレート２２と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２３２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２３２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２３３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２３３ｂとを有している。これらの各種マニホールド形成部、燃料ガス供給孔２３７、燃料ガス排出孔２３８は、全てアノード対向プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。アノード対向プレート２３は、これらの貫通部以外には特に構造を有していない平板である。アノード対向プレート２３は、カソード対向プレート２２と同様に、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製される。

中間プレート２４は、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じ大きさの略四角形の金属製の薄板である。材料もカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じものを用いることができる。中間プレート２４は、図４（ａ）に示すように、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂとを有している。

中間プレート２４には、図４（ａ）に示すように、酸化ガス供給マニホールド形成部２４２ａと一端が連通し、他端が発電部ＤＡの酸化ガス供給端部に至る長孔である酸化ガス供給流路形成部２４５が複数個並んで形成されている。酸化ガス供給流路形成部２４５は、３つのプレートを接合したとき（以下、接合時という。）に、カソード対向プレート２２の酸化ガス供給孔２２５と１対１で対応するように、酸化ガス供給孔２２５と同数個形成されている。そして、複数個の酸化ガス供給流路形成部２４５は、それぞれが互いに平行であり、カソード対向プレート２２における酸化ガス供給孔２２５と同様に、発電部ＤＡの酸化ガス供給端部の全長に亘って、並んで配置されている。

中間プレート２４は、図４（ａ）に示すように、酸化ガス排出マニホールド形成部２４２ｂと一端が連通し、他端が発電部ＤＡの酸化ガス排出端部に至る長孔である酸化ガス排出流路形成部２４６が複数個並んで形成されている。酸化ガス供給流路形成部２４５は、接合時にカソード対向プレート２２の酸化ガス排出孔２２６と１対１で対応するように、酸化ガス排出孔２２６と同数個形成されている。そして、複数個の酸化ガス排出流路形成部２４６は、それぞれが互いに平行であり、カソード対向プレート２２における酸化ガス排出孔２２６と同様に、発電部ＤＡの酸化ガス排出端部の全長に亘って、並んで配置されている。

中間プレート２４は、さらに、上述した酸化ガス供給流路形成部２４５および酸化ガス排出流路形成部２４６と同様の構造を有する要素として、一端が燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａに連通し他端が発電部ＤＡの燃料ガス供給端部に至る燃料ガス供給流路形成部２４７と、一端が燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと連通し他端が発電部ＤＡの燃料ガス排出端部に至る燃料ガス排出流路形成部２４８とを、それぞれ複数個備えている。燃料ガス供給流路形成部２４７は、アノード対向プレート２３の燃料ガス供給孔２３７と１対１で対応し、燃料ガス供給端部に沿って並んでいる。同様にして、燃料ガス排出流路形成部２４８は、アノード対向プレート２３の燃料ガス排出孔２３８と１対１で対応し、燃料ガス排出端部に沿って並んでいる。

中間プレート２４は、さらに、図４（ａ）に示すように、冷却媒体流路形成部２４３を有している。冷却媒体流路形成部２４３は、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂとの上下方向の間の領域において、中間プレート２４の右端近傍から左端近傍に至る矩形の孔であり、中間プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。この冷却媒体流路形成部２４３の中央部には金属製多孔体が配置されているが、この金属製多孔体については後述する。

中間プレート２４における上述した各種マニホールド形成部と、各種流路形成部は、全て中間プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成される。中間プレート２４は、これらの貫通部以外の部分は、未加工のままの平板である。従って、中間プレート２４は、カソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３と同様に、略四角形の金属薄板に打ち抜き加工を施すだけで作製される。

シール一体型ＭＥＡ２１は、図４（ｂ）に示すように、ＭＥＡとＭＥＡの外周縁部に接合されたシール部５０を備えている。ＭＥＡは、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜２１１と、電解質膜２１１の両面に配置されて白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（図示せず）と、さらに各触媒層のセパレータ対向面に配置されてガス透過性と導電性を兼ね備えた拡散層２１２，２１３とを備えている。電解質膜２１１の一方側（図２中の左側）の触媒層と拡散層２１２によりカソード電極（酸素極）が、他方側（図２中の右側）の触媒層と拡散層２１３によりアノード電極（酸素極）がそれぞれ構成される。カソード側の拡散層２１２は、金属製（例えば、チタン）多孔体を用い、アノード側の拡散層２１３は、カーボン製多孔体を用いてそれぞれ構成されている。

シール部５０は、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が用いられる。シール部５０は、金型のキャビティにＭＥＡ部の外周端部を臨ませて、樹脂材料を射出成形することによって作製される。こうすることで、膜電極接合体２１とシール部５０とが隙間なく接合され、酸化ガスと燃料ガスが接合部から漏れ出すことを防止できる。シール部５０は、カソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３と同様に、酸化ガス供給マニホールド形成部５０１ａ、酸化ガス排出マニホールド形成部５０１ｂ、燃料ガス供給マニホールド形成部５０２ａ、燃料ガス排出マニホールド形成部５０２ｂ、冷却媒体供給マニホールド形成部５０３ａ、冷却媒体排出マニホールド形成部５０３ｂを有している。シール部５０は、図２に示すように、燃料電池１０を構成する際に、一方の面に当接する一のセパレータ２５と他方の面に当接するセパレータ２５との間をシール線ＳＬにてシールしている。シール部５０は、図４（ｂ）に示すように、ＭＥＡの外周すなわち燃料電池の発電部ＤＡの外周と、各マニホールドの外周を囲むようにシールしている。図４（ｂ）では、図を見やすくするため、シール部５０のセパレータ２５と当接部を結ぶシール線ＳＬのみを示している。

図５ないし図７を参照して、セパレータ２５に形成される各種流路の構成について説明する。図５は、セパレータとシール一体型ＭＥＡを重ねた様子を示す平面図である。図６は、図５におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。図７は、図５におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。

セパレータ２５には、図５においてハッチングで示すように、厚さ方向に貫通する各種マニホールドが形成される。すなわち、上述したカソード対向プレート２２、アノード対向プレート２３、中間プレート２４にそれぞれに形成された燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａ、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａ、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａによって、燃料ガス供給マニホールドが形成される。セパレータ２５には、同様にして、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールド、冷却媒体排出マニホールドがそれぞれ形成される。

ここで、図５に示すように酸化ガス供給マニホールドは、発電部ＤＡの酸化ガス供給端部と向かい合うように、発電部ＤＡの外周部において酸化ガス供給端部の全長に亘って形成される。酸化ガス排出マニホールドは、発電部ＤＡの酸化ガス排出端部と向かい合うように、発電部ＤＡの外周部において酸化ガス排出端部の全長に亘って形成される。また、燃料ガス供給マニホールドは、発電部ＤＡの燃料ガス供給端部と向かい合うように、発電部ＤＡの外周部において、燃料ガス供給端部の燃料ガス供給孔２３７が配置されている範囲に亘って形成される。同様に、燃料ガス排出マニホールドは、発電部ＤＡの外周部において、燃料ガス排出端部の燃料ガス排出孔２３８が配置されている範囲に亘って形成される。冷却媒体供給マニホールドは、発電部ＤＡの外周部において、冷却媒体流路形成部２４３の一方の端部に対応する範囲に亘って形成される。冷却媒体排出マニホールドは、発電部ＤＡの外周部において、冷却媒体流路形成部２４３の他方の端部に対応する範囲に亘って形成される。

さらに、断面の構成も交えて説明していく。セパレータ２５には、図６に示すように、中間プレート２４に形成された酸化ガス供給流路形成部２４５と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａとによって、酸化ガス供給流路６３が形成される。酸化ガス供給流路６３は、一端が酸化ガス供給マニホールドと連通し、他端がカソード対向プレート２２に形成された酸化ガス供給孔２２５と連通している。

セパレータ２５には、図６に示すように、中間プレート２４に形成された酸化ガス排出流路形成部２４６と、アノード対向プレート２３における中間プレート２４との当接面２３ａと、カソード対向プレート２２における中間プレート２４との当接面２２ａとによって、酸化ガス排出流路６４が形成される。酸化ガス排出流路６４は、一端が酸化ガス排出マニホールドと連通し、他端がカソード対向プレート２２に形成された酸化ガス排出孔２２６と連通している。

図示は省略するが、図５におけるＣ−Ｃ断面およびＣ'−Ｃ'断面は、図５に示すＡ−Ａ断面と、同様の構造を有している。すなわち、セパレータ２５には、図５に示すＣ−Ｃ部において、上述した酸化ガス供給流路６３と同様にして、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス供給孔２３７とを連通する燃料ガス供給流路６１が形成される。そして、図５におけるＣ'−Ｃ'部において、上述した酸化ガス排出流路６４と同様にして、燃料ガス排出マニホールドと燃料ガス排出孔２３８とを連通する燃料ガス排出流路６２が形成される。

Ｂ．冷却媒体流路の構成：
さらにセパレータ２５には、冷却媒体流路形成部２４３によって、冷却媒体流路が形成される。この冷却媒体流路が、本発明の主要な特徴部分であり、以下、この点について詳述する。

図８は、冷却媒体流路形成部２４３とそれに配置される２つの導電性多孔体層を示す説明図である。図示するように、冷却媒体流路形成部２４３における発電部ＤＡに対応する領域、すなわち、左右の第３の辺Ｓ３と第４の辺Ｓ４の間の領域に、第１の導電性多孔体層６５ａと第２の導電性多孔体層６５ｂとが重ねて配置される。断面からみると、図７に示すように、中間プレート２４を厚さ方向に貫通する冷却媒体流路形成部２４３における前記左右の第３の辺Ｓ３と第４の辺Ｓ４の間の領域に、第１の導電性多孔体層６５ａと第２の導電性多孔体層６５ｂとが重ねて配置されている。第１の導電性多孔体層６５ａは、カソード対向プレート２２側に対向するように配置され、第２の導電性多孔体層６５ｂは、アノード対向プレート２３と対向するように配置されている。第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂの厚さは同じである。この第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂによって、冷却媒体流路が形成される。なお、第１の導電性多孔体層６５ａと第２の導電性多孔体層６５ｂとは、接着剤等を用いることなしで、３枚のプレート２２〜２４の接合によって装着されている。

第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂは、金属製多孔体を用いて構成され、第１の導電性多孔体層６５ａに用いられる多孔体の気孔率は、第２の導電性多孔体層６５ｂに用いられる気孔率よりも高いものとなっている。すなわち、冷却媒体流路形成部２４３において、カソード対向プレート２２側に気孔率の高い第１の導電性多孔体層６５ａが配置されており、アノード対向プレート２３側に気孔率の低い第２の導電性多孔体層６５ｂが配置されている。

金属製多孔体としては、金属発泡体、エキスパンドメタル等が用いられている。気孔率は、第１の導電性多孔体層６５ａでは、約８０［％］であり、第２の導電性多孔体層６５ｂでは、約６０［％］である。この気孔率の数値（高さ）はこれに限る必要はなく、第１の導電性多孔体層６５ａの気孔率が、第２の導電性多孔体層６５ｂの気孔率よりも高くなるようなものであれば、いずれの気孔率の高さであってもよい。また、第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂに用いられる導電性多孔体を、金属製多孔体に換えて、カーボン製あるいは導電性の樹脂製の多孔体等としてもよい。なお、気孔率を異ならせるには、多孔体の気孔の数を増やすこと、気孔径を大きくすることのいずれによっても可能である。

第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂによって形成される冷却媒体流路は、一端が冷却媒体供給マニホールドと連通し、他端が冷却媒体排出マニホールドと連通する。

ここで、図５に示すように、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールドは、シール線ＳＬで示すシール部５０とセパレータ２５との当接部のうち燃料電池の発電部ＤＡの外周を囲む当接部（以下、発電部外周シール部という。）の外側に位置している。一方で、酸化ガス供給孔２２５、酸化ガス排出孔２２６、燃料ガス供給孔２３７、燃料ガス排出孔２３８は、それぞれ、発電部ＤＡの端部、すなわち、上述した発電部外周シール部の内側に位置している。この結果上述した燃料ガス供給流路６１、燃料ガス排出流路６２、酸化ガス供給流路６３、酸化ガス排出流路６４は、それぞれ、発電部外周シール部をセパレータ２５の内部からトンネルするように形成されている。また、冷却媒体流路も、発電部外周シール部の外側にそれぞれ位置する冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドと連通しているため、発電部外周シール部をセパレータ２５の内部からトンネルしている。

Ｃ．燃料電池の動作：
同じく、図４〜図７を参照して、本実施例に係る燃料電池の動作について説明する。

燃料電池１０に供給された酸化ガスは、図６において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド−酸化ガス供給流路６３−酸化ガス供給孔２２５という複数の経路（上述した酸化ガス供給経路）を通って、カソード側の拡散層２１２に供給される。図５に示す矢印Ｆｉは、各酸化ガス供給孔２２５（各酸化ガス供給経路）から供給される酸化ガスの流れを示している。拡散層２１２に供給された酸化ガスは、カソード電極において電気化学反応に供される。その後、酸化ガスは、図６において矢印で示すように、酸化ガス排出孔２２６−酸化ガス排出流路６４−酸化ガス排出マニホールドを通って外部に排出される。図５において、矢印Ｆｏは、拡散層２１２から各酸化ガス排出孔２２６に排出される酸化ガスの流れを示している。

酸化ガスと同様にして、燃料電池１０に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド−燃料ガス供給流路６１−燃料ガス供給孔２３７という経路（上述した燃料ガス供給経路）を通って、アノード側の拡散層２１３に供給される。拡散層２１３に供給された燃料ガスは、発電部ＤＡ全体に亘って拡散し（図示は省略）アノード電極において電気化学反応に供される。その後、燃料ガスは、酸化ガスと同様にして、燃料ガス排出孔２３８−燃料ガス排出流路６２−燃料ガス排出マニホールドを通って外部に排出される。

燃料電池１０に供給された冷却媒体は、図７において矢印で示すように、冷却媒体供給マニホールド−冷却媒体流路（第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂ）−冷却媒体排出マニホールドを通って、外部に排出される。冷却媒体は、主として冷却媒体流路６５内を流動中に燃料電池１０の熱エネルギを吸収して燃料電池１０を冷却する。

Ｄ．作用・効果：
以上説明した本実施例の燃料電池１０によれば、セパレータ２５を構成する中間プレート２４において、カソード電極が当接するカソード対向プレート２２側に第１の導電性多孔体層６５ａが、アノード電極が当接するアノード対向プレート２３側に第２の導電性多孔体層６５ｂがそれぞれ配置されており、第１の導電性多孔体層６５ａの気孔率は、第２の導電性多孔体層６５ｂの気孔率よりも高くなるよう構成されている。

図９は、第１の導電性多孔体層６５ａと第２の導電性多孔体層６５ｂにおける流路抵抗を示すグラフである。前述したように、第１の導電性多孔体層６５ａの気孔率は高く、第２の導電性多孔体層６５ｂの気孔率は低いことから、図示するように、第１の導電性多孔体層６５ａの流路抵抗は小さく、第２の導電性多孔体層６５ｂの流路抵抗は大きい。この結果、カソード対向プレート２２側での冷却媒体の流量が、アノード対向プレート２３側での冷却媒体の流量よりも大きくなる。したがって、発熱量の多いカソード電極の冷却能力をより高めることができることから、発電効率を向上することができるという効果を奏する。特に、この燃料電池１０によれば、従来例のように、カソード電極を構成する拡散層２１２に対して、気孔率を小さくする等なんら特別な細工が施されている訳ではないので、フラッディング等の新たな問題が生じることなしに、上記の効果を生じさせることができる。

特に、本実施例では、第１の導電性多孔体層６５ａは、金属製多孔体を用いて構成していることから、その気孔率を十分に高くすることができる。金属製多孔体は、剛性が高いことから気孔率を高めることが容易であるためである。本実施例では、カソード対向プレート２２がフラットプレートであるために、カソード電極での排水性が悪化しやすいが、第１の導電性多孔体層６５ａに金属製多孔体を用いた本実施例によれば、気孔率を十分に高くすることができることから、カソード電極での排水性を容易に高めることができる。

Ｅ．他の実施形態：
本発明は上記の実施例や変形例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様にて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）前記実施例では、第１および第２の導電性多孔体層６５ａ，６５ｂは、同種の材料で、気孔率が異なる構成としていたが、これに換えて、異なる種類の材料を用いる構成としてもよい。すなわち、第１の導電性多孔体層６５ａを金属製多孔体を用いて構成し、第２の導電性多孔体層６５ｂをカーボン製多孔体を用いて構成してもよいし、あるいは、第１の導電性多孔体層６５ａを金属製多孔体を用いて構成し、第２の導電性多孔体層６５ｂを導電性の樹脂製の多孔体を用いて構成してもよい。要は、いずれの種類の材料の組み合わせであっても、第１の導電性多孔体層６５ａの気孔率が、第２の導電性多孔体層６５ｂの気孔率よりも高くなる構成であればよい。なお、第１の導電性多孔体層６５ａを金属製多孔体を用いて構成し、第２の導電性多孔体層６５ｂをカーボン製多孔体（あるいは導電性の樹脂製の多孔体）を用いて構成すれば、第１の導電性多孔体層６５ａの気孔率を第２の導電性多孔体層６５ｂの気孔率よりも高めることが容易である。金属製多孔体は、剛性が高いことから、気孔率を高めることが容易であるからである。

（２）前記実施例では、冷却媒体流路を、２つの導電性多孔体層６５ａ，６５ｂによって構成していたが、３以上の数の導電性多孔体層を配置して、カソード電極が当接する面に近い層ほど、気孔率が高くなる構成としてもよい。

（３）また、複数の層によって段階的に気孔率を上げるのではなく、ひとつの層（部材）の中で、カソード電極と当接する面に近いほど、気孔率が高くなるよう、連続もしくは非連続に気孔率を変化させる構成としてもよい。図１０は、カソード対向プレートにおける中間プレートとの当接面２２ａとアノード対向プレートにおける中間プレートとの当接面２３ａの間で気孔率を連続的に変化させた場合の流路抵抗を示すグラフである。図示するように、カソード電極と当接する面に近いほど、流路抵抗が小さくなっている。したがって、したがって、発熱量の多いカソード電極の冷却能力をより高めることができることから、発電効率を向上することができる。

（４）前期実施例では、２つの導電性多孔体層６５ａ，６５ｂの流路抵抗の相違を、気孔率を変えることによって構成していたが、これに換えて、冷却媒体流路形成部２４３は何も充填することなしに空洞のままで、アノード対向プレート２３における中間プレート２４の当接面２３ａに流量低減用の突出片を設けることにより、カソード電極と当接する面側での流路抵抗が、アノード電極と当接する面側での流路抵抗よりも小さくなるように構成してもよい。要は、いずれの構成であっても、カソード電極と当接する面側での流路抵抗が、アノード電極と当接する面側での流路抵抗よりも小さくなるように構成できればよい。

（５）前期実施例では、カソード対向プレート２２とアノード対向プレート２３とが同一の厚さであったが、これに換えて、カソード対向プレート２２の厚さを、アノード対向プレート２３の厚さよりも薄くした上で、冷却媒体流路形成部２４３には何も充填することなしに空洞のままで冷却媒体を流す構成としてもよい。この構成によれば、冷却媒体流路が、アノード電極側よりもカソード電極側に近づいた構成となることから、結局、カソード電極が当接する面側での冷却媒体の流量が、アノード電極が当接する面側での冷却媒体の流量よりも大きくなるよう構成されたことになる。したがって、前記実施例と同様に、発熱量の多いカソード電極の冷却能力をより高めることができることから、発電効率を向上することができるという効果を奏する。

（６）前記実施例の燃料電池１０は、電解質層に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であったが、これに代えて、電解質層に固体酸化物を用いた固体酸化物型の燃料電池等、他の種類の電解質層を持つ燃料電池とすることもできる。

一実施例としての燃料電池１０を備える燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池１０を構成するモジュール２０の概略構成を示す説明図である。 セパレータ２５を構成するカソード対向プレート２２およびアノード対向プレート２３の平面図である。 セパレータ２５を構成する中間プレート２４とシール一体型ＭＥＡ２１の平面図である。 セパレータ２５とシール一体型ＭＥＡを重ねた様子を示す平面図である。 図５におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。 図５におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 冷却媒体流路形成部２４３とそれに配置される２つの導電性多孔体層６５ａ、６５ｂを示す説明図である。 第１の導電性多孔体層６５ａと第２の導電性多孔体層６５ｂにおける流路抵抗を示すグラフである。 カソード対向プレートにおける中間プレートとの当接面２２ａとアノード対向プレートにおける中間プレートとの当接面２３ａの間で気孔率を連続的に変化させた場合の流路抵抗を示すグラフである。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...モジュール
２１... シール一体型膜電極接合体
２１１...電解質膜
２１２...拡散層
２２...カソード対向プレート
２２１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２２１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２２２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２２２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２２３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
２２３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
２２５...酸化ガス供給孔
２２６...酸化ガス排出孔
２３...アノード対向プレート
２３１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２３１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２３２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２３２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２３３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
２３３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
２３７...燃料ガス供給孔
２３８...燃料ガス排出孔
２４...中間プレート
２４１ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
２４１ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
２４２ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
２４２ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
２４３...冷却媒体流路形成部
２５...セパレータ
３０...エンドプレート
３１...テンションプレート
３２...ボルト
３３...インシュレータ
３４...ターミナル
５０...シール部
５０１ａ...酸化ガス供給マニホールド形成部
５０１ｂ...酸化ガス排出マニホールド形成部
５０２ａ...燃料ガス供給マニホールド形成部
５０２ｂ...燃料ガス排出マニホールド形成部
５０３ａ...冷却媒体供給マニホールド形成部
５０３ｂ...冷却媒体排出マニホールド形成部
６１...燃料ガス供給流路
６２...燃料ガス排出流路
６３...酸化ガス供給流路
６４...酸化ガス排出流路
６５ａ...第１の導電性多孔体層
６５ｂ...第２の導電性多孔体層
２１０...水素タンク
２２０...シャットバルブ
２３０...調圧バルブ
２４０、４１０...循環ポンプ
２５０、２６０、３５０、３６０、４５０、４６０...配管
３１０...エアポンプ
４２０...ラジエータ
ＳＬ...シール線
ＤＡ...発電部

Claims (5)

1. 電解質膜の一方の面に水素極を、他方の面に酸素極をそれぞれ配した膜電極接合体が複数積層され、一の膜電極接合体の水素極と隣接する他の膜電極接合体の酸素極との間に、所定の冷却媒体が内部を通過する冷却媒体流路が配置された燃料電池において、
   前記冷却媒体流路は、
   前記酸素極が当接する面側での前記冷却媒体の流量が、前記水素極が当接する面側での前記冷却媒体の流量よりも大きくなるよう構成されたこと
   を特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記冷却媒体流路は、
   前記酸素極が当接する面側での流路抵抗が、前記水素極が当接する面側での流路抵抗よりも小さくなるよう構成されることにより、前記冷却媒体の流量の相違を実現した燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記冷却媒体流路は、
   前記酸素極が当接する面側に配置される第１の導電性多孔体層と、前記水素極が当接する面側に配置される第２の導電性多孔体層とを備え、前記第２の導電性多孔体層よりも前記第１の導電性多孔体層の方が気孔率が高くなるよう構成されることにより、前記流路抵抗の相違を実現した燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池であって、
   前記一の膜電極接合体の前記水素極との対向面が平面である水素極対向プレートと、前記他の膜電極接合体の前記酸素極との対向面が平面である酸素極対向プレートと、前記水素極対向プレートと前記酸素極対向プレートとに挟持される中間プレートとを備えるセパレータを有し、
   前記中間プレートは、
   前記第１の導電性多孔体層と第２の導電性多孔体層とが配置された構成である
   燃料電池。
5. 請求項３または４に記載の燃料電池であって、
   前記第１の導電性多孔体層は、金属製多孔体を用いて構成される
   燃料電池。

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