JP2007141599A - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいて、アノード側の導電性多孔質体における液水の滞留を抑制する。
【解決手段】燃料ガスを内部に留めた状態で発電を行なう燃料電池であって、電解質層と、導電性材料から成る多孔質層であるアノード側多孔質層４２およびカソード側多孔質層４１と、 導電性材料から成るアノード側ガスセパレータ４８およびカソード側ガスセパレータ４６と、電解質層とアノード側ガスセパレータ４８との間に形成される燃料ガス流路と、電解質層とカソード側ガスセパレータ４６との間に形成される酸化ガス流路とを備える。このような燃料電池には、カソード側多孔質層４１とカソード側ガスセパレータ４６とを含む部材を介した酸化ガス流路からの放熱に比べて、アノード側多孔質層４２とアノード側ガスセパレータ４８とを含む部材を介した燃料ガス流路からの放熱を抑える放熱抑制部が形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。

従来、電解質層表面に形成した電極上に導電性多孔質体を配設した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような導電性多孔質体は、毛管作用によって優れた吸水性および保水性を示す。ここで、燃料電池では、一般に、電気化学反応に伴って水が生成されるが、上記のように電極上に導電性多孔質体を配設すると、毛管作用を示す導電性多孔質体によって、電極近傍から効率良く液水を取り除かれる。このように電極近傍から効率良く液水が除去されることにより、燃料電池の発電性能を良好に維持することが可能になる。導電性多孔質体が吸収した液水は、導電性多孔質体内を流れるガスの流れに導かれて、あるいは、導電性多孔質体内を流れるガスによって気化が促進されて、導電性多孔質体から排出される。

特開２００４−６３０９５号公報 特開２００４−６３０９６号公報 特開２００２−３６７６５５号公報

しかしながら、燃料電池システムの中でも、特に、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムでは、アノード側の導電性多孔質体からの液水の除去が行なわれ難くなり、発電性能の維持が困難になる可能性があった。アノードデッドエンド型燃料電池システムとは、燃料電池に供給される燃料ガスとして、純度の高い水素ガスを用いる燃料電池システムにおいて、燃料ガスの流路の一端が閉塞された燃料電池を備え、燃料電池の内部に燃料ガスを留めた状態で発電を行なうシステムをいう。このような燃料電池システムでは、発電による消費量に相当する量の水素が燃料電池に対して供給されるものの、燃料電池内の燃料ガス流路内を燃料ガスが流れることがない。したがって、ガス流れによってアノード側の導電性多孔質体から液水が排出されることがなく、保水性の高い導電性多孔質体内に液水が滞留することにより、導電性多孔質体内におけるガスの流れが妨げられて、電池性能の低下が引き起こされる可能性があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいて、アノード側の導電性多孔質体における液水の滞留を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、アノードに供給するための水素を含有する燃料ガスを内部に留めた状態で発電を行なう燃料電池であって、
電解質層と、
導電性材料から成る多孔質層であって、前記電解質層の一方の表面の外側に配置されるアノード側多孔質層および前記電解質層の他方の表面の外側に配置されるカソード側多孔質層と、
導電性材料から成るガスセパレータであって、前記アノード側多孔質層の外側に配置されるアノード側ガスセパレータおよび前記カソード側多孔質層の外側に配置されるカソード側ガスセパレータと、
前記電解質層と前記アノード側ガスセパレータとの間に形成されて、前記アノード側多孔質層が配置されると共に電気化学反応に供するための水素を含有する燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
前記電解質層と前記カソード側ガスセパレータとの間に形成されて、前記カソード側多孔質層が配置されると共に電気化学反応に供するための酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路と
を備え、
前記カソード側多孔質層と前記カソード側ガスセパレータとを含む部材を介した前記酸化ガス流路からの放熱に比べて、前記アノード側多孔質層と前記アノード側ガスセパレータとを含む部材を介した前記燃料ガス流路からの放熱を抑える放熱抑制部が形成されていることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱が抑えられるため、燃料ガス流路内の温度をより高め、燃料ガス流路における水の気化を促進することができる。したがって、燃料ガス流路における水の滞留を抑制し、燃料ガス流路における水の滞留に起因する電池性能の低下を防止することができる。

本発明の燃料電池において、さらに、
前記アノード側ガスセパレータおよび前記カソード側ガスセパレータの外側に、冷媒が流れる冷媒流路が形成され、
前記放熱抑制部は、前記酸化ガス流路から前記冷媒流路への放熱に比べて、前記燃料ガス流路から前記冷媒流路への放熱を抑えることとしても良い。

このような構成とすれば、冷媒を用いて燃料電池の内部温度を調節する際に、燃料電池全体を冷媒によって冷却しつつ、酸化ガス流路に比べて燃料ガス流路内の温度を高めることができる。

本発明の燃料電池において、
前記放熱抑制部は、前記カソード側多孔質層と、前記カソード側多孔質層よりも気孔率が高い前記アノード側多孔質層と、によって形成されることとしても良い。

このような構成とすれば、電解質層からのアノード側多孔質層を介した熱伝導が、電解質層からのカソード側多孔質層を介した熱伝導よりも抑えられるため、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱を抑えることができる。

また、本発明の燃料電池において、
前記放熱抑制部は、前記カソード側多孔質層と、前記カソード側多孔質層よりも厚く形成された前記アノード側多孔質層と、によって形成されることとしても良い。

このような構成とすれば、電解質層からのアノード側多孔質層を介した熱伝導が、電解質層からのカソード側多孔質層を介した熱伝導よりも抑えられるため、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱を抑えることができる。

また、本発明の燃料電池において、
前記放熱抑制部は、前記カソード側ガスセパレータと、前記カソード側ガスセパレータよりも厚く形成された前記アノード側ガスセパレータと、によって形成されることとしても良い。

このような構成とすれば、電解質層からのアノード側ガスセパレータを介した熱伝導が、電解質層からのカソード側ガスセパレータを介した熱伝導よりも抑えられるため、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱を抑えることができる。

また、本発明の燃料電池において、
前記放熱抑制部は、前記カソード側多孔質層と、前記カソード側多孔質層を構成する材料よりも熱伝導率の低い材料によって構成された前記アノード側多孔質層と、によって形成されることとしても良い。

このような構成とすれば、電解質層からのアノード側多孔質層を介した熱伝導が、電解質層からのカソード側多孔質層を介した熱伝導よりも抑えられるため、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱を抑えることができる。

あるいは、本発明の燃料電池において、
前記放熱抑制部は、前記カソード側ガスセパレータと、前記カソード側ガスセパレータを構成する材料よりも熱伝導率の低い材料によって構成された前記アノード側ガスセパレータと、によって形成されることとしても良い。

このような構成とすれば、電解質層からのアノード側ガスセパレータを介した熱伝導が、電解質層からのカソード側ガスセパレータを介した熱伝導よりも抑えられるため、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱を抑えることができる。

本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池と、
前記燃料ガス流路に接続されると共に、前記燃料ガス流路内における前記燃料ガスの量が不足するときに、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池全体の温度を所定の温度範囲に調節する温度調節部と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池において、酸化ガス流路からの放熱に比べて燃料ガス流路からの放熱が抑えられるため、燃料電池全体の温度を所定の温度範囲に調節する際に、燃料ガス流路内の温度を酸化ガス流路内の温度よりも高め、燃料ガス流路における水の気化を促進することができる。したがって、燃料ガス流路における水の滞留を抑制し、燃料ガス流路における水の滞留に起因する電池性能の低下を防止することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスの一部を前記燃料ガス流路から排出する燃料ガス排出部を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料ガス流路内の気化した状態の水を、燃料ガスの一部と共に排出することができ、燃料ガス流路から効率良く排水することができる。

このような本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料ガス流路内における窒素濃度が所定値を超えたと判断されるときに、前記燃料ガス排出部を駆動して、前記燃料ガス流路から前記燃料ガスの一部を排出させる排出制御部を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、燃料ガス流路における水の気化が促進されるため、燃料ガス流路内の窒素濃度を抑えるために燃料ガスの一部を排出させる動作に伴って、燃料ガス流路から効率良く排水することができる。したがって、排水を確保するために、燃料ガス流路から排出する燃料ガスを増大させる必要がなく、水素の利用効率が低下することがない。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池を用いたアノード側導電性多孔質体からの水排出方法などの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．システムの全体構成：
Ｂ．燃料電池の構成：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．変形例：

Ａ．システムの全体構成：
図１は、本実施例の燃料電池システム１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２０と、水素供給部２２と、ブロワ２４と、冷媒給排部８０と、制御部２６と、を備えている。

燃料電池２０は、単セルを複数積層したスタック構造を有している。各単セル内には、アノード電極に供給される燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路３１と、カソード電極に供給される酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路３３とが形成されている。本実施例の燃料電池２０は、単セル内燃料ガス流路３１および単セル内酸化ガス流路３３を形成する多孔質層の構成に特徴があるが、燃料電池２０の詳しい構成については、後述する。

水素供給部２２は、燃料ガスとして燃料電池２０に供給する水素を貯蔵している。水素供給部２２としては、例えば、水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金を備える水素タンクを用いることができる。ブロワ２４は、酸化ガスとして燃料電池２０に空気を供給するための装置である。

水素供給部２２と燃料電池２０とは、燃料ガス供給路３０によって接続されている。燃料ガス供給路３０には、圧力調整弁３５が設けられている。圧力調整弁３５は、圧力調整弁３５よりも下流側における燃料ガス供給路３０内の圧力が所定の圧力となるように、圧力調整を行なう。また、燃料ガス供給路３０において、圧力調整弁３５と燃料電池２０との間には、圧力センサ３６が設けられている。ここで、燃料ガス供給路３０は、燃料電池２０内に形成されると共に、単セル内燃料ガス流路３１と単セル内燃料ガス流路３１に対して燃料ガスを給排するための流路とから成る燃料ガスの流路の、一方の端部に接続されている。なお、燃料電池２０内に形成された上記燃料ガスの流路の他方の端部には、パージ弁３７が設けられている。パージ弁３７は、燃料電池２０の発電時には、後述するパージ処理時を除いて閉状態となっている。

ブロワ２４と燃料電池２０とは、酸化ガス供給路３２によって接続されている。酸化ガス供給路３２は、燃料電池２０内に形成されると共に、単セル内酸化ガス流路３３と単セル内酸化ガス流路３３に対して酸化ガスを給排するための流路とから成る酸化ガスの流路の、一方の端部に接続されている。また、燃料電池２０内に形成された上記酸化ガスの流路の他方の端部は、酸化ガス排出路３４に接続されている。燃料電池２０の発電時には、ブロワ２４によって空気の供給が継続して行なわれ、電気化学反応に供された残りのカソード排ガスは、酸化ガス排出路３４から排出される。

冷媒給排部８０は、冷媒が流れる冷媒循環路８３と、ラジエータ８１と、冷媒循環路８３内で冷媒を循環させるポンプ８２と、燃料電池２０の内部温度を反映する冷媒温度を検出するための温度センサ８４と、を備えている。燃料電池２０の内部には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、この冷媒流路とラジエータ８１とが、冷媒循環路８３によって接続されている。温度センサ８４は、冷媒循環路８３において、燃料電池２０内の冷媒流路との接続部の近傍であって、冷媒が流出する位置に設けられている。燃料電池２０では、発電に伴って熱が生じるが、燃料電池２０の内部とラジエータ８１との間で冷媒を循環させることにより、燃料電池２０の内部温度を所定範囲に維持している。燃料電池２０内に形成した冷媒流路の構成については後述する。なお、冷媒としては、水や不凍液などの液体を用いればよい。あるいは、冷媒として空気などの気体を用い、冷媒を循環させない構成とすることも可能である。

制御部２６は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部２６は、燃料電池システム１０の各部を制御しており、例えば、既述した圧力調整弁３５、ブロワ２４、パージ弁３７、あるいはポンプ８２に対して駆動信号を出力する。また、制御部２６は、燃料電池システム１０の制御に関わる種々の信号を取得しており、例えば、既述した圧力センサ３６や温度センサ８４、あるいは燃料電池２０に対する負荷要求に係る信号を取得する。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０内に形成される単セル内燃料ガス流路３１を含む燃料ガスの流路において、パージ弁３７が設けられた端部を閉塞した状態で発電を行なう、いわゆるアノードデッドエンド型の燃料電池システムである。すなわち、燃料電池２０では、燃料電池２０内の燃料ガスの流路内に水素ガスを滞留させた状態で、発電が行なわれる。燃料電池２０の発電時には、制御部２６は、圧力センサ３６の検出信号を取得して、圧力調整弁３５よりも下流側の燃料ガス供給路３０内の圧力を所定値に調節する。これにより、発電により水素が消費されて燃料ガス流路内の圧力が低下する時には、直ちに水素供給部２２から水素が補充され、燃料電池２０内の燃料ガスの流路内では、必要量の水素が保持された状態が保たれる。

上記のように燃料電池２０で発電が行なわれる際には、酸化ガス（空気）中の窒素が、カソード側からアノード側へと燃料電池２０の電解質層を透過するため、燃料電池２０内に保持される燃料ガス（水素ガス）中の窒素濃度が次第に上昇する。このような燃料ガス中の窒素濃度の上昇は、電気化学反応の効率低下につながるため、本実施例の燃料電池システム１０では、所定のタイミングで短時間パージ弁３７を開状態とするパージ処理を行なう。燃料電池２０内の燃料ガスの圧力は、圧力調整弁３５によって所定圧に調整されているため、パージ弁を開状態とすることで、窒素濃度が上昇した燃料電池２０内の燃料ガスの一部が排出される。これにより、燃料電池２０内の燃料ガスを、窒素濃度が低い状態に維持することができる。パージ処理を行なうタイミングは、燃料ガス中の窒素濃度を、許容できる範囲に抑えることができるタイミングであればよい。燃料ガス中の窒素濃度を直接検出しても良いが、本実施例では、電解質層における窒素の透過速度を考慮して予め設定した時間間隔で、パージ処理を行なっている。パージ処理を行なう時間は、排出する水素量を抑えるために、充分に窒素濃度を低減できる範囲で、できるだけ短く設定することが望ましい。

Ｂ．燃料電池の構成：
図２は、本実施例の燃料電池２０の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池２０は、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）４０と、多孔質層であるガス流路形成部４１，４２と、ガスセパレータ４５と、を順次積層することによって形成される。

ＭＥＡ４０は、電解質層と、電解質層の両面に形成された触媒電極（アノードおよびカソード）とを備えている。本実施例の燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池であり、電解質層は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。触媒電極は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。なお、本実施例の燃料電池２０では、ＭＥＡ４０の表面に、さらに、カーボン多孔質体から成る層を形成している。

ガス流路形成部４１，４２は、多孔質層であり、導電性及びガス透過性を有する板状部材によって構成されている。このガス流路形成部４１，４２の内部に形成される空間は、電気化学反応に供されるガスの流路を形成する。すなわち、ガス流路形成部４１は、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路３３を形成し、ガス流路形成部４２は、燃料ガスが流れる単セル内燃料ガス流路３１を形成する。

このようなガス流路形成部４１，４２は、例えばチタンなどの金属から成る多孔質体によって形成することができる。金属多孔質体としては、例えば、発泡金属焼結体や、球状あるいは繊維状の微小な金属を焼結させた焼結体を用いることができる。本実施例の燃料電池２０では、ガス流路形成部４１と４２とでは、厚みは略同一であるが気孔率が異なっており、単セル内燃料ガス流路３１を形成するガス流路形成部４２の方が、単セル内酸化ガス流路３３を形成するガス流路形成部４１よりも、高い気孔率を示す。このように多孔質体の気孔率を異ならせるには、例えばガス流路形成部４１，４２を発泡金属焼結体によって形成する場合には、用いる発泡剤の割合を異ならせれば良く、発泡剤の割合を高めることによって、得られる多孔質体の気孔率を高めることができる。

また、ＭＥＡ４０およびガス流路形成部４１，４２の外周部には、シール部４３が設けられている。シール部４３は、例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなどの絶縁性樹脂材料によって形成されると共に、ＭＥＡ４０と一体で形成されている。このようなシール部４３は、例えば、シール部４３に対応する形状の金型のキャビティ内にＭＥＡ４０の外周部が収まるようにＭＥＡ４０を配設し、上記樹脂材料を射出成形することによって形成できる。これにより、ＭＥＡ４０とシール部４３とが隙間なく接合される。

図３は、ＭＥＡ４０と一体形成されたシール部４３の概略構成を表わす平面図である。図３に示すように、シール部４３は、略四角形状の薄板状部材であり、外周部に設けられた６つの穴部（穴部６０〜６５）と、中央部に設けられてＭＥＡ４０が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。なお、図３の平面図には表わしていないが、シール部４３は実際には図１の断面図に示すように所定の凹凸形状を有しており、燃料電池内では、上記６つの穴部および略四角形の穴部を取り囲む位置に設けられた凸部で、隣接するガスセパレータ４５と接触する。シール部４３とガスセパレータ４５との接触位置（図２において一点鎖線でシール位置と示す）を、図３の平面図においてシール線ＳＬとして示している。シール部４３は、弾性を有する樹脂材料から成るため、燃料電池内で積層方向に平行な方向に押圧力が加えられることにより、上記シール線ＳＬの位置においてガスセパレータ４５との間でガスシール性を実現可能となる。

また、図３では、シール部４３と一体化されたＭＥＡ４０における外部に露出している部分を、ハッチを付して示している。さらに図３では、シール部４３内部に埋め込まれているＭＥＡ４０の外周線を、点線で示している。ガス流路形成部４１，４２は、上記ＭＥＡ４０の外部に露出している領域と略同一形状に形成されており、この領域と重なるように、シール部４３に嵌め込まれている。なお、ガス流路形成部４１，４２は、上記のようにシール部４３に嵌め込む構成に代えて、予めＭＥＡ４０と接合しておき、ＭＥＡ４０と共にシール部４３と一体形成することとしても良い。

ガスセパレータ４５は、外周の大きさがシール部４３とほぼ等しい板状部材である。このガスセパレータ４５は、図２に示すように、ガス流路形成部４１に接するカソード側プレート４６と、ガス流路形成部４２に接するアノード側プレート４８と、カソード側プレート４６およびアノード側プレート４８に挟持される中間プレート４７と、を備えている。図４は、カソード側プレート４６の形状を示す平面図であり、図５は、アノード側プレート４８の形状を示す平面図であり、図６は、中間プレート４７の形状を示す平面図である。

カソード側プレート４６、アノード側プレート４８は、いずれも、その外周部においてシール部４３と同様の位置に、６つの穴部を備えている。これらの６つの穴部は、燃料電池２０の内部で互いに重なり合って、燃料電池内部において積層方向に平行に流体を導くマニホールドを形成する。上記各薄板状部材では、略四角形状である外周の一辺の近傍に穴部６０が形成されている。また、近傍に穴部６０が形成された辺と対向する辺の近傍には、穴部６１が形成されている。さらに、他の２辺のうちの一方の辺の近傍には穴部６２，６４が形成されており、他方の辺の近傍には穴部６３，６５が形成されている。なお、中間プレート４７は、上記６つの穴部のうち、穴部６４，６５は有していないが、後述する複数の冷媒孔７８が、穴部６４，６５に対応する位置に重なるように設けられている。

ガスセパレータ４５およびシール部４３が備える穴部６０は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各単セルに分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図３〜６中、Ｏ₂ inと表わす）、穴部６１は、各単セルから排出されて集合した酸化ガスを外部へと導く酸化ガス排出マニホールドを形成する（図３〜６中、Ｏ₂ outと表わす）。また、穴部６２は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各単セルに分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図３〜６中、Ｈ₂ inと表わす）、穴部６３は、各単セルから排出されて集合した燃料ガスを外部へと導く燃料ガス排出マニホールドを形成する（図３〜６中、Ｈ₂ outと表わす）。さらに、穴部６４は、燃料電池に対して供給された冷却水などの冷媒を各ガスセパレータ４５内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図３〜５中、水 inと表わす）、穴部６５は、各ガスセパレータ４５から排出されて集合した冷媒を外部へと導く冷媒排出マニホールドを形成する（図３〜５中、水 outと表わす）。

また、カソード側プレート４６は、穴部６０の近傍に、穴部６０よりも小さく、穴部６０に平行に配列する複数の穴部である連通孔７０を備えており、穴部６１の近傍には、同様に、穴部６１に平行に配列する複数の連通孔７１を備えている（図４参照）。アノード側プレート４８は、穴部６２の近傍に、穴部６２よりも小さく、穴部６２に平行に配列する複数の穴部である連通孔７２を備えており、穴部６３の近傍には、同様に、穴部６３に平行に配列する複数の連通孔７３を備えている（図５参照）。中間プレート４７においては、穴部６０の形状が他のプレートとは異なっており、中間プレート４７の穴部６０は、この穴部６０のプレート中央部側の辺が、プレート中央部方向へと突出する複数の突出部を備える形状となっている。穴部６０が有する上記複数の突出部を、連通部７４と呼ぶ。この連通部７４は、中間プレート４７とカソード側プレート４６とが積層されたときに連通孔７０と重なり合って、酸化ガス供給マニホールドと連通孔７０とを連通させるように、各連通孔７０に対応して設けられている。中間プレート４７では、他の穴部６１，６２，６３においても同様に、連通孔７１，７２，７３に対応して、複数の連通部７５，７６，７７がそれぞれ設けられている（図６参照）。

なお、中間プレート４７は、さらに、ガス流路形成部４１，４２と重なる領域に、互いに平行に形成された細長い複数の冷媒孔７８を備えている。冷媒孔７８の端部は、中間プレート４７を他の薄板状部材と重ね合わせたときに、穴部６４，６５と重なり合い、冷媒孔７８は、冷媒が流れるためのセル間冷媒流路をガスセパレータ４５内で形成する。

ガスセパレータ４５を構成する上記３種のプレートは、導電性材料、例えばステンレス鋼あるいはチタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。そして、穴部６０〜６５、連通孔７０〜７３および冷媒孔７８は、打ち抜き加工によって形成されている。ガスセパレータ４５を形成する際には、カソード側プレート４６、中間プレート４７、アノード側プレート４８の順に、各穴部を位置合わせしつつ重ね合わせて、例えば拡散接合により接合させている。

上記のように作製したガスセパレータ４５と、ガス流路形成部４１，４２が嵌め込まれ、シール部４３と一体で形成されたＭＥＡ４０とを交互に積層することにより、燃料電池２０を組み立てることができる。燃料電池２０において、以下の説明では、ＭＥＡ４０と、これを挟持するガス流路形成部４１，４２と、ガス流路形成部４１の外側に配置するカソード側プレート４６と、ガス流路形成部４２の外側に配置するアノード側プレート４８とから成る構造を、単セル５０と呼ぶ（図２参照）。

燃料電池２０が発電する際には、燃料電池２０の内部において、穴部６０が形成する酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、中間プレート４７の連通部７４が形成する空間と、カソード側プレート４６の連通孔７０とを介して、ガス流路形成部４１内に形成される単セル内酸化ガス流路３３へと流入する。単セル内酸化ガス流路３３において酸化ガスは、ガス流路形成部４１に平行な方向（面方向）に流れると共に、面方向に垂直な方向（積層方向）へとさらに拡散する。積層方向に拡散した酸化ガスは、触媒電極（カソード）に至り、電気化学反応に供される。このように電気化学反応に寄与しつつ単セル内酸化ガス流路３３を通過した酸化ガスは、電気化学反応により生じた生成水と共に、ガス流路形成部４２から、カソード側プレート４６の連通孔７１および中間プレート４７の連通部７５が形成する空間を介して、穴部６１が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。図３ないし図６に示したＡ−Ａ断面の位置は、図２に示した断面図に相当する位置を表わしている。図２では、酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールド近傍における酸化ガスの流出入の様子を、矢印で示している。

同様に、燃料ガスの流路においても、穴部６２が形成する燃料ガス供給マニホールドは、中間プレート４７の連通部７６が形成する空間と、アノード側プレート４８の連通孔７２とを介して、ガス流路形成部４２内に形成される単セル内燃料ガス流路３１に連通している。また、単セル内燃料ガス流路３１は、アノード側プレート４８の連通孔７３および中間プレート４７の連通部７７が形成する空間とを介して、穴部６３が形成する燃料ガス排出マニホールドに連通している。ただし、燃料ガスの流路では、燃料ガス排出マニホールドの端部、すなわち、スタック構造の一端に配置されたガスセパレータに形成される穴部６３の近傍に、パージ弁３７が設けられているため、パージ弁３７が閉塞されている間は、燃料ガスが流路内を流れることはほとんどない。

また、燃料電池２０の内部において、穴部６４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、冷媒孔７８によって形成されるセル間冷媒流路に分配され、セル間冷媒流路を流れた冷媒は、穴部６５が形成する冷媒排出マニホールドに排出される。ここで、燃料電池２０の冷媒供給マニホールドの端部と、冷媒排出マニホールドの端部とは、既述した冷媒給排部８０の冷媒循環路８３に接続されている。

燃料電池２０が発電する際には、制御部２６は、燃料電池２０の内部温度として温度センサ８４の検出信号を取得しつつ、燃料電池２０の内部温度が所定の温度範囲となるように、ポンプ８２を駆動して冷媒循環路８３内で冷媒を循環させる。このような温度調節の際には、燃料電池２０内では、触媒電極で進行する電気化学反応に伴って生じた熱が、ガス流路形成部４１，４２およびガスセパレータ４５を介して、冷媒流路内の冷媒へと伝えられる。このとき、本実施例では、既述したように、ガス流路形成部４２の方がガス流路形成部４１よりも気孔率が高く形成されている。すなわち、ガス流路形成部４２は、ガス流路形成部４１に比べて、金属よりも熱伝導率が低い気体が占める割合が高くなっている。したがって、ガス流路形成部４２の方がガス流路形成部４１よりも熱伝導が抑えられ、これによって、ガス流路形成部４２が形成する単セル内燃料ガス流路から冷媒への放熱の方が、ガス流路形成部４１が形成する単セル内酸化ガス流路から冷媒への放熱に比べて抑えられる。このように放熱が抑えられることにより、単セル内燃料ガス流路内の温度がより高くなり、単セル内燃料ガス流路内における水の気化が促進される。

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、ガス流路形成部４２の気孔率をガス流路形成部４１の気孔率よりも高くすることにより、燃料電池２０の内部温度を全体として所定温度に維持しつつ、単セル内燃料ガス流路内の温度をより高め、単セル内燃料ガス流路における水の気化を促進することができる。したがって、アノードデッドエンド型の燃料電池システムにおいて、燃料ガスのガス流れを利用した単セル内燃料ガス流路からの排水が困難な場合であっても、単セル内燃料ガス流路における水の滞留を抑制することができる。これにより、単セル内燃料ガス流路における水の滞留に起因する電池性能の低下を防止することが可能になる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１０によれば、単セル内燃料ガス流路の温度を上昇させて流路内の水をより多く気化させることができるため、パージ処理の際には、単セル内燃料ガス流路内の水を、水蒸気として容易に排出することができる。パージ処理の際には、単セル内燃料ガス流路においてもガス流れが生じるが、多孔質体から成るガス流路形成部４２は毛管作用により保水力が強いため、ガス流路形成部４２内に液水として存在する水を、短時間のパージ処理によって排出することは困難である。これに対して、本実施例のように、ガス流路形成部４２内で水をより多く気化させることができれば、短時間のパージ処理であっても、気体の状態で速やかに排水を行なうことができる。また、このように排水が容易であれば、排水を充分に行なう目的でパージ処理時間を長く設定する必要がなく、水蒸気および窒素の濃度低下の程度に基づいてパージ時間を設定すればよいため、燃料電池２０内の燃料ガス（水素）の排出量を抑えることができる。

Ｃ．第２実施例：
第１実施例では、単セル内酸化ガス流路からの放熱に比べて単セル内燃料ガス流路からの放熱を抑える放熱抑制部を、カソード側のガス流路形成部４１と、ガス流路形成部４１よりも高い気孔率を示すアノード側のガス流路形成部４２とによって形成したが、異なる構成としても良い。以下に、第２実施例として、上記放熱抑制部を、厚みを異ならせたカソード側のガス流路形成部およびアノード側のガス流路形成部によって形成する構成を説明する。

図７は、第２実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。第２実施例の燃料電池は、図１の燃料電池システム１０と同様のアノードデッドエンド型燃料電池システムにおいて燃料電池２０に代えて用いられ、第１実施例の燃料電池２０とほぼ同様の構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明する。

図７は、第２実施例の燃料電池の構成として、１つの単セル１５０の構成のみを示している。第２実施例の単セル１５０は、単セル５０と同様に、ＭＥＡ４０と一体で形成されたシール部４３に、ガス流路形成部１４１，１４２をはめ込んで作製される。ガス流路形成部１４１，１４２のさらに外側に配設されて単セル１５０を構成するカソード側プレート４６およびアノード側プレート４８は、第１実施例と同様に、図示しない中間プレートと一体で、三層構造を有するガスセパレータ４５を構成する。ここで、第２実施例では、ガス流路形成部１４１，１４２は、同等の気孔率を有する導電性多孔質体、例えば発泡金属焼結体によって形成されているが、カソード側のガス流路形成部１４１に比べて、アノード側のガス流路形成部１４２の方が、厚く形成されている。

以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、ＭＥＡ４０から冷媒へと熱が伝わる際には、ガス流路形成部１４１を介するよりも、厚く形成されたガス流路形成部１４２を介する方が、熱が伝わりにくくなる。すなわち、ガス流路形成部１４２が形成する単セル内燃料ガス流路から冷媒への放熱の方が、ガス流路形成部１４１が形成する単セル内酸化ガス流路から冷媒への放熱に比べて抑えられる。したがって、単セル内燃料ガス流路内の温度がより高くなり、単セル内燃料ガス流路内における水の気化が促進されるため、第１実施例と同様の効果が得られる。

Ｄ．第３実施例：
以下に、第３実施例として、単セル内酸化ガス流路からの放熱に比べて単セル内燃料ガス流路からの放熱を抑える放熱抑制部を、厚みを異ならせたカソード側プレートおよびアノード側プレートによって形成する構成を説明する。図８は、第３実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。第３実施例の燃料電池は、図１の燃料電池システム１０と同様のアノードデッドエンド型燃料電池システムにおいて燃料電池２０に代えて用いられ、第１実施例の燃料電池２０とほぼ同様の構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明する。

図８は、１つの単セル２５０と、単セル２５０の両側に設けられたガスセパレータ２４５とを表わしている。第３実施例の単セル２５０では、ガス流路形成部２４１とガス流路形成部２４２とは、略同一の厚みに形成されると共に、第１実施例とは異なり、気孔率も同等である。また、ガスセパレータ２４５は、カソード側プレート２４６と、アノード側プレート２４８と、中間プレート４７とから成る三層構造を有しており、各プレートは、第１実施例と同様の穴部を有することによって、ガスおよび冷媒の流路を形成している。ここで、単セル２５０において、アノード側プレート２４８とカソード側プレート２４６とは同じ材料によって形成されているが、アノード側プレート２４８は、カソード側プレート２４６に比べて厚く形成されている。

以上のように構成された第３実施例の燃料電池によれば、ＭＥＡ４０から冷媒へと熱が伝わる際には、カソード側プレート２４６を介するよりも、厚く形成されたアノード側プレート２４８を介する方が、熱が伝わりにくくなる。すなわち、アノード側プレート２４８が介在する単セル内燃料ガス流路から冷媒への放熱の方が、カソード側プレート２４６が介在する単セル内酸化ガス流路から冷媒への放熱に比べて抑えられる。したがって、単セル内燃料ガス流路内の温度がより高くなり、単セル内燃料ガス流路内における水の気化が促進されるため、第１実施例と同様の効果が得られる。

Ｅ．第４実施例：
以下に、第４実施例として、単セル内酸化ガス流路からの放熱に比べて単セル内燃料ガス流路からの放熱を抑える放熱抑制部を、異なる材料から成るカソード側のガス流路形成部およびアノード側のガス流路形成部によって形成する構成を説明する。このような燃料電池は、例えば、図２に示す燃料電池において、気孔率の異なるガス流路形成部４１，４２に代えて、互いに構成材料の異なるガス流路形成部を用いることで得られる。第４実施例では、アノード側のガス流路形成部を構成する導電性多孔質体として、カソード側のガス流路形成部を構成する導電性多孔質体よりも、熱伝導率の低い材料から成る多孔質体を用いる。例えば、カソード側のガス流路形成部として、ステンレス鋼あるいはカーボンから成る多孔質体を用いる場合には、アノード側のガス流路形成部としては、アルミニウム、銅、銀、金、チタンから選択される金属から成る多孔質体を用いればよい。

以上のように構成された第４実施例の燃料電池によれば、ＭＥＡ４０から冷媒へと熱が伝わる際には、カソード側のガス流路形成部を介するよりも、熱伝導率の低い材料で形成されたアノード側のガス流路形成部を介する方が、熱が伝わりにくくなる。すなわち、単セル内燃料ガス流路から冷媒への放熱の方が、単セル内酸化ガス流路から冷媒への放熱に比べて抑えられる。したがって、単セル内燃料ガス流路内の温度がより高くなり、単セル内燃料ガス流路内における水の気化が促進されるため、第１実施例と同様の効果が得られる。

上記第４実施例では、ガス流路形成部の構成材料を、アノード側とカソード側とで異ならせたが、ガスセパレータにおけるアノード側プレートとカソード側プレートの構成材料を異ならせても良い。すなわち、図２に示す燃料電池において、アノード側プレート４８の構成材料として、カソード側プレート４６の構成材料よりも、熱伝導率の低い材料を選択すればよい。選択可能な構成材料の例は、上記第４実施例と同様である。このような第４実施例の変形例による場合であっても、単セル内燃料ガス流路から冷媒への放熱の方が、単セル内酸化ガス流路から冷媒への放熱に比べて抑えられるため、第１実施例と同様の効果が得られる。

Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様におい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。

Ｆ１．変形例１：
第１実施例ないし第４実施例の燃料電池において形成される各放熱抑制部の特徴を組み合わせた放熱抑制部を有することとしても良い。すなわち、カソード側のガス流路形成部４１よりもアノード側のガス流路形成部４２の気孔率を高くすること、ガス流路形成部４１よりもガス流路形成部４２を厚く形成すること、カソード側プレート４６よりもアノード側プレート４８を厚く形成すること、ガス流路形成部４１（あるいはカソード側プレート４６）の構成材料よりも熱伝導率の低い材料でガス流路形成部４２（あるいはアノード側プレート４８）を形成すること、を適宜組み合わせて、燃料電池を作製しても良い。

Ｆ２．変形例２：
第１ないし第４実施例の燃料電池は、三層構造を有するガスセパレータを備えることとし、一体で形成した三層構造ガスセパレータ内に冷媒流路を設けたが、異なる構成としても良い。例えば、アノード側ガス流路形成部に隣接するアノード側ガスセパレータと、カソード側流路形成部に隣接するカソード側ガスセパレータとを別体で用意すると共に、アノード側ガスセパレータとカソード側ガスセパレータとの互いに対向する面に、冷媒流路を形成するための溝状構造を設け、両者を重ね合わせることとしても良い。この場合にも、アノード側ガスセパレータをカソード側ガスセパレータよりも厚く形成すれば、第３実施例と同様の効果が得られ、また、アノード側ガスセパレータをカソード側ガスセパレータよりも熱伝導率の低い材料で形成するならば、第４実施例の変形例と同様の効果が得られる。

Ｆ３．変形例３：
第１ないし第４実施例では、ガス流路形成部として板状の導電性多孔質体を用い、単セル内ガス流路全体を、多孔質なガス流路形成部内の空隙によって形成したが、異なる構成としても良い。例えば、ガスセパレータにおいて、ＭＥＡに対向する面上に、単セル内ガス流路を形成するための複数の溝状の凹凸を形成し、この溝によってＭＥＡとの間に形成される空間によって、単セル内ガス流路を形成しても良い。この場合にも、ガスセパレータとＭＥＡとの間に、単セル内ガス流路内でガスを拡散させるための多孔質層が設けられているならば、本発明を適用することで、アノードデッドエンド型燃料電池システムにおいて、アノード側の多孔質層における凝縮水の滞留を防止する効果が得られる。

Ｆ４．変形例４：
また、第１ないし第４実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池であっても良い。アノードデッドエンド型燃料電池システムに用いる燃料電池であって、触媒電極上に多孔質層を備え、発電に伴って水が生じると共に１００℃未満で運転する燃料電池であれば、本発明を適用することで、アノード側の多孔質層における凝縮水の滞留を防止する同様の効果が得られる。

燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。 実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 ＭＥＡと一体形成されたシール部の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレートの形状を示す平面図である。 アノード側プレートの形状を示す平面図である。 中間プレートの形状を示す平面図である。 第２実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。 第３実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２２…水素供給部
２４…ブロワ
２６…制御部
３０…燃料ガス供給路
３１…単セル内燃料ガス流路
３２…酸化ガス供給路
３３…単セル内酸化ガス流路
３４…酸化ガス排出路
３５…圧力調整弁
３６…圧力センサ
３７…パージ弁
４０…ＭＥＡ
４１，４２…ガス流路形成部
４３…シール部
４５，２４５…ガスセパレータ
４６，２４６…カソード側プレート
４７…中間プレート
４８，２４８…アノード側プレート
５０，１５０，２５０…単セル
６０〜６５…穴部
７０〜７３…連通孔
７４，７５，７６，７７…連通部
７８…冷媒孔
８０…冷媒給排部
８１…ラジエータ
８２…ポンプ
８３…冷媒循環路
８４…温度センサ
１４１，１４２…ガス流路形成部
２４１，２４２…ガス流路形成部

Claims (10)

1. アノードに供給するための水素を含有する燃料ガスを内部に留めた状態で発電を行なう燃料電池であって、
   電解質層と、
   導電性材料から成る多孔質層であって、前記電解質層の一方の表面の外側に配置されるアノード側多孔質層および前記電解質層の他方の表面の外側に配置されるカソード側多孔質層と、
   導電性材料から成るガスセパレータであって、前記アノード側多孔質層の外側に配置されるアノード側ガスセパレータおよび前記カソード側多孔質層の外側に配置されるカソード側ガスセパレータと、
   前記電解質層と前記アノード側ガスセパレータとの間に形成されて、前記アノード側多孔質層が配置されると共に電気化学反応に供するための水素を含有する燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、
   前記電解質層と前記カソード側ガスセパレータとの間に形成されて、前記カソード側多孔質層が配置されると共に電気化学反応に供するための酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路と
   を備え、
   前記カソード側多孔質層と前記カソード側ガスセパレータとを含む部材を介した前記酸化ガス流路からの放熱に比べて、前記アノード側多孔質層と前記アノード側ガスセパレータとを含む部材を介した前記燃料ガス流路からの放熱を抑える放熱抑制部が形成されている
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、さらに、
   前記アノード側ガスセパレータおよび前記カソード側ガスセパレータの外側に、冷媒が流れる冷媒流路が形成され、
   前記放熱抑制部は、前記酸化ガス流路から前記冷媒流路への放熱に比べて、前記燃料ガス流路から前記冷媒流路への放熱を抑える
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記放熱抑制部は、前記カソード側多孔質層と、前記カソード側多孔質層よりも気孔率が高い前記アノード側多孔質層と、によって形成される
   燃料電池。
4. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記放熱抑制部は、前記カソード側多孔質層と、前記カソード側多孔質層よりも厚く形成された前記アノード側多孔質層と、によって形成される
   燃料電池。
5. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記放熱抑制部は、前記カソード側ガスセパレータと、前記カソード側ガスセパレータよりも厚く形成された前記アノード側ガスセパレータと、によって形成される
   燃料電池。
6. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記放熱抑制部は、前記カソード側多孔質層と、前記カソード側多孔質層を構成する材料よりも熱伝導率の低い材料によって構成された前記アノード側多孔質層と、によって形成される
   燃料電池。
7. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記放熱抑制部は、前記カソード側ガスセパレータと、前記カソード側ガスセパレータを構成する材料よりも熱伝導率の低い材料によって構成された前記アノード側ガスセパレータと、によって形成される
   燃料電池。
8. 燃料電池システムであって、
   請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池と、
   前記燃料ガス流路に接続されると共に、前記燃料ガス流路内における前記燃料ガスの量が不足するときに、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記燃料電池全体の温度を所定の温度範囲に調節する温度調節部と
   を備える燃料電池システム。
9. 請求項８記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料ガス流路内の前記燃料ガスの一部を前記燃料ガス流路から排出する燃料ガス排出部を備える
   燃料電池システム。
10. 請求項９記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料ガス流路内における窒素濃度が所定値を超えたと判断されるときに、前記燃料ガス排出部を駆動して、前記燃料ガス流路から前記燃料ガスの一部を排出させる排出制御部を備える
    燃料電池システム。

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