JP2008277041A - 燃料電池および燃料電池用ガスセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】システム構成の複雑化を抑えて、両極間の水分バランスを適正化する。
【解決手段】燃料電池は、アノードおよびカソードから成る一対の電極を表面に備える複数の電解質層を備える。また、隣り合う電解質層間に配置され、隣り合う一方の電解質上のアノードとの間、および、隣り合う他方の電解質上のカソードとの間にガス流路を形成するガスセパレータ３０を備える。ガスセパレータ３０は、このガスセパレータ３０の内部に、アノード側に形成される第１の冷媒流路と、カソード側に形成される第２の冷媒流路と、を備える。第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とは、ガスセパレータ３０の内部において、互いに直列に接続されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。

燃料電池を用いて発電を行なう際には、ガス流路に液水が存在することによりガス流れを妨げる問題が生じる可能性がある。例えば固体高分子型燃料電池では、ガス流路に液水が生じる原因の一つとして、電気化学反応に伴ってカソードで生じる生成水が挙げられる。カソードで生じた水がカソード側流路で凝縮する場合があり、また、カソードで生じた水が電解質膜を介してアノード側に移動して、アノード側流路で凝縮する場合もある。また、固体高分子型燃料電池の場合には、供給ガスを加湿して電解質膜の乾燥の抑制を図る場合があるが、このようにガスの加湿を行なうと、ガスによって持ち込まれた水がガス流路内で凝縮する可能性もある。

上記のように燃料電池では、いずれかの電極側で水分量が過多となったり不足したりする場合があり、両極間の水分バランスの適正化が望まれていた。このように、両極間の水分バランスを適正化するための方法としては、従来、アノード側とカソード側との各々に対して別系統の冷媒流路を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の構成では、各々の冷媒流路に対して、温度や流速の異なる冷媒を供給し、アノード側とカソード側の冷却効率を異ならせている。

特開２００１−１５１３８号公報 特開平５−１９０１９３号公報 特開２００１−２８３８８９号公報 特開２００２−２７０１９７号公報 特開２００５−２０３３１３号公報

しかしながら、アノード側とカソード側のそれぞれに対して別系統で設けた冷媒流路に対して、温度や流速の異なる冷媒を供給する場合には、各々の冷媒流路に対して冷媒を供給するための配管や冷媒供給装置が必要となり、システム構成が複雑化するという問題を生じる。

本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、システム構成の複雑化を抑えて、両極間の水分バランスを適正化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
アノードおよびカソードから成る一対の電極を表面に備える複数の電解質層と、
隣り合う前記電解質層間に配置され、隣り合う一方の前記電解質上のアノードとの間、および、隣り合う他方の前記電解質上のカソードとの間にガス流路を形成するガスセパレータと
を備え、
前記ガスセパレータは、該ガスセパレータの内部に、前記アノード側に形成される第１の冷媒流路と、前記カソード側に形成される第２の冷媒流路と、を備え、
前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路とは、前記ガスセパレータの内部において、互いに直列に接続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第１の燃料電池によれば、ガスセパレータの内部において、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とが直列に接続されているため、冷媒は、一方の冷媒流路を流れた後に、他方の冷媒流路を流れることになる。したがって、一方の冷媒流路を流れる冷媒の方が、他方の冷媒流路を流れる冷媒よりも温度が低くなり、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路とでは、冷却効率が異なることになる。このように冷却効率を異ならせることにより、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路との間で、水分バランスの適正化を図ることができる。特に、本発明の第１の燃料電池によれば、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とを直列に接続することにより、アノード側とカソード側の冷却効率を異ならせるため、冷媒流路ごとに冷媒供給のための装置を用意する必要が無く、システム構成の複雑化を抑えることができる。

本発明の第２の燃料電池は、
アノードおよびカソードから成る一対の電極を表面に備える複数の電解質層と、
前記一対の電極の各々の上に配置され、前記アノードとの間、あるいは、前記カソードとの間にガス流路を形成するガスセパレータと
を備え、
前記アノード側に配置されたガスセパレータは、該ガスセパレータの内部の前記アノード側に形成された第１の冷媒流路を備え、
前記カソード側に配置されたガスセパレータは、該ガスセパレータの内部の前記カソード側に形成された第２の冷媒流路を備え、
前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路は、一方が冷媒流れの上流側であり、他方が冷媒流れの下流側となるように接続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第２の燃料電池によれば、アノード上に配置されたガスセパレータ内に形成された第１の冷媒流路と、カソード上に配置されたガスセパレータ内に形成された第２の冷媒流路とにおいて、冷媒は、一方の冷媒流路を流れた後に、他方の冷媒流路を流れることになる。したがって、上流側の冷媒流路を流れる冷媒の方が、下流側の冷媒流路を流れる冷媒よりも温度が低くなり、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路とでは、冷却効率が異なることになる。このように冷却効率を異ならせることにより、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路との間で、水分バランスの適正化を図ることができる。特に、本発明の第２の燃料電池によれば、第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とが、上流下流の関係となるように接続されて、アノード側とカソード側の冷却効率を異ならせるため、冷媒流路ごとに冷媒供給のための装置を用意する必要が無く、システム構成の複雑化を抑えることができる。

本発明の第１または第２の燃料電池において、前記第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とは、前記第１の冷媒流路および第２の冷媒流路内の冷媒温度が同一であった場合に、アノード側の前記ガス流路とカソード側の前記ガス流路のうちでガス流路内における水分量がより多くなるガス流路側の表面に沿って形成された冷媒流路の方が、前記冷媒流れの下流側となるように接続されていることとしても良い。

このような構成とすれば、第１の冷媒流路および第２の冷媒流路内の冷媒温度が同一であった場合に、ガス流路内の水分量がより多くなる側の冷媒流路内の冷媒温度が、より高くなる。そのため、水分量がより多くなる側のガス流路の方が温度が高くなり、このガス流路における飽和蒸気圧を上昇させて、ガス流路からの排水を促進させることができる。

また、本発明の第１または第２の燃料電池において、前記第１の冷媒流路が前記第２の冷媒流路よりも上流側に接続されていることとしても良い。

このような構成とすれば、電気化学反応に伴って生成水が生じるカソード側の第２の冷媒流路を流れる冷媒温度の方が、第１の冷媒流路を流れる冷媒温度よりも高くなる。そのため、生成水等に起因してカソード側のガス流路で水が過剰となる場合に、カソード側のガス温度をアノード側のガス温度よりも高くすることにより、カソード側ガス流路からの排水を促し、水バランスの適正化を図ることができる。

本発明の燃料電池用ガスセパレータは、両面に一対の電極を備える複数の電解質層間に配置される燃料電池用ガスセパレータであって、
前記燃料電池の内部を流れる冷媒の流路として、前記ガスセパレータの一方の面側に形成された第１の冷媒流路と、前記ガスセパレータの他方の面側に形成された第２の冷媒流路と、を内部に備え、
前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路とは、前記ガスセパレータの内部において、互いに直列に接続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用ガスセパレータによれば、ガスセパレータの内部において、冷媒が、一方の冷媒流路内を先に流れ、他方の冷媒流路内を後に流れることになる。そのため、このようなガスセパレータを用いて燃料電池を構成することで、一方の冷媒流路側に形成されるガス流路内の温度をより低くして、他方の冷媒流路側に形成されるガス流路内の温度をより高くすることにより、冷却効率を異ならせることができる。このように冷却効率を異ならせることにより、アノード側のガス流路とカソード側のガス流路との間で、水分バランスの適正化を図ることができる。

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、燃料電池内部の水分調節方法などの形態で実現することが可能である。

Ａ．実施例の燃料電池の構成：
図１は、第１実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図であり、図２は、図１において破線で囲んだＸ領域を拡大して示す説明図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。また、本実施例の燃料電池は、電気化学反応が進行する単位であるセルアセンブリ１０を複数備えると共に、各々のセルアセンブリ１０間にガスセパレータ３０を介在させつつセルアセンブリ１０を積層させたスタック構造を有している。

セルアセンブリ１０は、図１に示すように、発電体１２と、発電体１２を挟持する一対のガス流路形成部１４，１５と、シール部１６と、によって構成される。発電体１２は、図２に示すように、電解質膜２０と、電解質膜２０の表面に形成された一対の電極（カソード２２およびアノード２４）とから成るＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）１３と、ＭＥＡ１３を挟持する一対のガス拡散層２６，２８と、によって形成される。

電解質膜２０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により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２２およびアノード２４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。カソード２２およびアノード２４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜２０を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜２０上に塗布すればよい。

ガス拡散層２６，２８は、導電性多孔質体によって構成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパによって形成される。電解質膜２０上に触媒電極を形成したＭＥＡ１３とガス拡散層２６，２８とを、プレス接合により一体化することで、発電体１２が作製される。このガス拡散層２６，２８は、後述するガス流路形成部１４，１５よりも平均細孔径が小さな多孔質体によって構成されている。そのため、ガス拡散層２６，２８を設けることによって、触媒電極に対するガス供給効率を向上させると共に、ガス流路形成部１４，１５と触媒電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜２０を保護することができる。なお、ガス流路形成部１４，１５の構成材料やガス流路形成部１４，１５の気孔率によっては、ガス拡散層２６，２８を設けないこととしても良い。

ガス流路形成部１４，１５は、発泡金属や金属メッシュなどの金属製多孔質体、あるいは、カーボン製の多孔質体によって形成される導電性の薄板状部材であり、本実施例では、チタン製の多孔質体を用いている。ガス流路形成部１４，１５は、発電体１２およびガスセパレータ３０と接触するように配置されており、内部に形成される多数の細孔から成る空間は、電気化学反応に供されるガスが通過するセル内ガス流路として機能する。すなわち、カソード２２とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１４の細孔が形成する空間は、酸素を含有する酸化ガスが通過するセル内酸化ガス流路として機能する。また、アノード２４とガスセパレータ３０との間に配置されるガス流路形成部１５の細孔が形成する空間は、水素を含有する燃料ガスが通過するセル内燃料ガス流路として機能する。

ここで、発電体１２およびガス流路形成部１４，１５の外周部には、発電体１２の外周部と一体で形成されるシール部１６が設けられている。シール部１６は、弾性材料、すなわち、ゴム（例えば、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム）や、熱可塑性エラストマによって形成されている。このようなシール部１６は、例えば、シール部１６に対応する形状の金型のキャビティ内に発電体１２の外周部が収まるように発電体１２を配置し、上記弾性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、発電体１２とシール部１６とが隙間なく接合される。あるいは、シール部１６は、発電体１２と一体形成するだけでなく、発電体１２に加えてさらにガス流路形成部１４，１５と一体形成しても良い。

図３は、発電体１２とガス流路形成部１４，１５とシール部１６とが一体形成されたセルアセンブリ１０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１６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（後述する６つの穴部４０〜４５）と、中央部に設けられて発電体１２およびガス流路形成部１４，１５が組み込まれている略四角形の穴部とを有している。このようなシール部１６は、図１に示すように所定の凹凸形状を有している。すなわち、シール部１６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、略同一の高さを有する凸部であるリップ１７が設けられている（図１参照）。このリップ１７によってシール部１６は、隣接するガスセパレータ３０と接触する。シール部１６がガスセパレータ３０に接触する接触位置であるリップ１７が設けられた位置を、図１の断面図において、シール線ＳＬとして示している。シール部１６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の位置においてシール部１６によってガスシール性を実現可能となる。図３は、セルアセンブリ１０を、図１における右側から見た図であって、中央部に設けられた穴部に嵌め込まれた発電体１２上において、ガス流路形成部１４が表面に表われている。なお、以下の説明では、発電体１２において、シール部１６の中央部に形成される穴部で露出している部分に対応する領域を、発電領域ＤＡと呼ぶ。

ガスセパレータ３０は、図１に示すように、ガス流路形成部１４に接するカソード側プレート３１と、ガス流路形成部１５に接するアノード側プレート３５と、カソード側プレート３１とアノード側プレート３５との間に配置される第１冷媒流路形成プレート３２、冷媒流路分離プレート３３、第２冷媒流路形成プレート３４を備えている。これら５枚のプレートは、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り、カソード側プレート３１、第１冷媒流路形成プレート３２、冷媒流路分離プレート３３、第２冷媒流路形成プレート３４、アノード側プレート３５の順に重ね合わされて、例えば拡散接合により接合されている。これら５種のプレートは、いずれも凹凸のない平坦な表面を有すると共に、各々、所定の位置に所定形状の穴部を有している。図４は、カソード側プレート３１の形状を示す平面図であり、図５は、第１冷媒流路形成プレート３２の形状を示す平面図であり、図６は、冷媒流路分離プレート３３の形状を示す平面図であり、図７は、第２冷媒流路形成プレート３４の形状を示す平面図であり、図８は、アノード側プレート３５の形状を示す説明図である。これら図４〜図８は、各プレートを、図３に示すシール部１６と同じ側、すなわち、図１における右側から見た様子を表わす図であり、これら図４〜図８では、既述した発電領域ＤＡを、一点破線で囲んで示している。なお、既述した図３および図４ないし図８では、図１に示した断面図に相当する位置を、１−１断面として示している。

カソード側プレート３１、第１冷媒流路形成プレート３２、冷媒流路分離プレート３３、第２冷媒流路形成プレート３４、アノード側プレート３５は、いずれも、その外周部においてシール部１６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、スタック構造を形成するために各々の薄板状部材が積層された際に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４０および穴部４３が形成されている。また、近傍に穴部４０および穴部４３が形成された辺と対向する辺の近傍には、穴部４１および穴部４２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４４および穴部４５が形成されている。

上記各薄板状部材が備える穴部４２は、燃料電池に対して供給された酸化ガスを各セル内酸化ガス流路に分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｏ₂ inと表わす）、穴部４３は、各セル内酸化ガス流路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（図中、Ｏ₂ outと表わす）。また、穴部４０は、燃料電池に対して供給された燃料ガスを各セル内燃料ガス流路に分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し（図中、Ｈ₂ inと表わす）、穴部４１は、各セル内燃料ガス流路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（図中、Ｈ₂ outと表わす）。さらに、穴部４４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３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図中、ＣＬＴ inと表わす）、穴部４５は、各ガスセパレータ３０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（図中、ＣＬＴ outと表わす）。

また、カソード側プレート３１は、発電領域ＤＡ内において、発電領域ＤＡの辺の内、穴部４０および穴部４３に近接する辺（図４における上部の辺）に沿って設けられ、カソード側プレート３１を貫通して形成された酸化ガス排出スリット５０を備えている。また、同様に、発電領域ＤＡ内において、発電領域ＤＡの辺の内、穴部４１および穴部４２に近接する辺（図４における下部の辺）に沿って設けられ、カソード側プレート３１を貫通して形成された酸化ガス供給スリット５１を備えている（図４参照）。

アノード側プレート３５は、カソード側プレート３１と同様に、発電領域ＤＡ内において、発電領域ＤＡの辺の内、穴部４０および穴部４３に近接する辺（図８における上部の辺）に沿って設けられ、アノード側プレート３５を貫通して形成された燃料ガス供給スリット５２を備えている。また、発電領域ＤＡ内において、発電領域ＤＡの辺の内、穴部４１および穴部４２に近接する辺（図８における下部の辺）に沿って設けられ、アノード側プレート３５を貫通して形成された燃料ガス排出スリット５３を備えている（図８参照）。これらの燃料ガス供給スリット５２および燃料ガス排出スリット５３は、それぞれ、酸化ガス排出スリット５０および酸化ガス供給スリット５１と重ならないように、プレートのさらに中央部寄りに配置されている。

第１冷媒流路形成プレート３２は、カソード側プレート３１に形成された酸化ガス排出スリット５０および酸化ガス供給スリット５１と丁度重なる位置に、同様の酸化ガス排出スリット５０および酸化ガス供給スリット５１が形成されている。第１冷媒流路形成プレート３２では、上記酸化ガス排出スリット５０は、第１冷媒流路形成プレート３２を貫通する連通部６０によって、穴部４３と連通されている。また、上記酸化ガス供給スリット５１は、第１冷媒流路形成プレート３２を貫通する連通部６１によって、穴部４２と連通されている。さらに第１冷媒流路形成プレート３２は、発電領域ＤＡ内において、酸化ガス排出スリット５０、酸化ガス供給スリット５１、燃料ガス供給スリット５２および燃料ガス排出スリット５３と重ならない中央部よりの領域に、上記スリット５０〜５３に略平行な細長い形状を有して第１冷媒流路形成プレート３２を貫通通して設けられた複数（図５では６本）の第１冷媒孔５４が形成されている。これらの第１冷媒孔５４は、ガスセパレータの内部において、面方向に冷媒が流れる流路であるカソード側冷媒流路を形成する。各々の第１冷媒孔５４は、一端が、発電領域ＤＡの外側にまで延出して形成されると共に、他端が、第１冷媒流路形成プレート３２を貫通して設けられた連通部５５によって、穴部４５と連通されている（図５参照）。

第２冷媒流路形成プレート３４は、アノード側プレート３５に形成された燃料ガス供給スリット５２および燃料ガス排出スリット５３と丁度重なる位置に、同様の燃料ガス供給スリット５２および燃料ガス排出スリット５３が形成されている。第２冷媒流路形成プレート３４では、上記燃料ガス供給スリット５２は、第２冷媒流路形成プレート３４を貫通する連通部６２によって、穴部４０と連通されている。また、上記燃料ガス排出スリット５３は、第２冷媒流路形成プレート３４を貫通する連通部６３によって、穴部４１と連通されている。さらに第２冷媒流路形成プレート３４は、発電領域ＤＡ内において、第１冷媒流路形成プレート３２に設けられた複数の第１冷媒孔５４と丁度重なる位置に、同様の複数の第２冷媒孔５６を備えている。これらの第２冷媒孔５６は、ガスセパレータの内部において、面方向に冷媒が流れる流路であるアノード側冷媒流路を形成する。各々の第２冷媒孔５６は、一端が、発電領域ＤＡの外側にまで延出して形成されると共に、他端が、第２冷媒流路形成プレート３４を貫通して設けられた連通部５７によって、穴部４４と連通されている（図７参照）。

冷媒流路分離プレート３３は、第１冷媒流路形成プレート３２が備える各々の第１冷媒孔５４の既述した一端、および、第２冷媒流路形成プレート３４が備える各々の第２冷媒孔５６の既述した一端と重なる位置に、冷媒流路分離プレート３３を貫通する複数（図６では６個）の連通孔５８を備える（図６参照）。

Ｂ．燃料電池内におけるガス流れの様子：
燃料電池の内部において、穴部４２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、第１冷媒流路形成プレート３２の連通部６１が形成する空間と、第１冷媒流路形成プレート３２およびカソード側プレート３１に形成された酸化ガス供給スリット５１を介して、ガス流路形成部１４内に形成されるセル内酸化ガス流路へと流入する。セル内酸化ガス流路において酸化ガスは、ガス流路形成部１４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、ガス流路形成部１４からガス拡散層２６を介してカソード２２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セル内酸化ガス流路を通過した酸化ガスは、ガス流路形成部１４から、カソード側プレート３１および第１冷媒流路形成プレート３２に形成された酸化ガス排出スリット５０と、第１冷媒流路形成プレート３２の連通部６０が形成する空間とを介して、穴部４３が形成する酸化ガス排出マニホールドへと排出される。

同様に、燃料電池の内部において、穴部４０が形成する燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、第２冷媒流路形成プレート３４の連通部６２が形成する空間と、第２冷媒流路形成プレート３４およびアノード側プレート３５に形成された燃料ガス供給スリット５２を介して、ガス流路形成部１５内に形成されるセル内燃料ガス流路へと流入する。セル内燃料ガス流路において燃料ガスは、面方向に流れると共に、積層方向へとさらに拡散する。積層方向に拡散した燃料ガスは、ガス流路形成部１５からガス拡散層２８を介してアノード２４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セル内燃料ガス流路を通過した燃料ガスは、ガス流路形成部１５から、アノード側プレート３５および第２冷媒流路形成プレート３４に形成された燃料ガス排出スリット５３と、第２冷媒流路形成プレート３４の連通部６３が形成する空間とを介して、穴部４１が形成する燃料ガス排出マニホールドへと排出される。

Ｃ．燃料電池内における冷媒流れの様子：
燃料電池の内部において、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れる冷媒は、各々のガスセパレータ３０において、第２冷媒流路形成プレート３４の連通部５７が形成する空間を介して、第２冷媒流路形成プレート３４の各第２冷媒孔５６が形成するアノード側冷媒流路へと分配される。各々のアノード側冷媒流路を流れる冷媒は、アノード側冷媒流路の端部において、冷媒流路分離プレート３３に形成された連通孔５８を介して、第１冷媒流路形成プレート３２の各第１冷媒孔５４が形成するカソード側冷媒流路内へと流入する。各々のカソード側冷媒流路へと流入した冷媒は、カソード側冷媒流路の反対側の端部、すなわち第１冷媒流路形成プレート３２の連通部５５が形成する空間に集合して、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドへと排出される。このように、燃料電池内では、各ガスセパレータ３０に分配された冷媒は、アノード側冷媒流路を流れた後に、カソード側冷媒流路を流れる。

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、ガスセパレータ３０の内部において、アノード側冷媒流路がカソード側冷媒流路よりも上流となるように、冷媒流路が形成されている。そのため、燃料電池において、セル内燃料ガス流路とセル内酸化ガス流路との間で、冷却効率を異ならせることができる。このように、アノード側とカソード側とで冷却効率を異ならせることにより、セル内燃料ガス流路とセル内酸化ガス流路における水分バランスの適正化を図ることができる。

具体的には、本実施例では、アノード側冷媒流路がカソード側冷媒流路よりも上流となるように冷媒流路を形成しているため、アノード側冷媒流路を流れる冷媒の方が、カソード側冷媒流路を流れる冷媒よりも温度が低くなる。そのため、積層された各セルアセンブリ１０において、セル内燃料ガス流路の方が、セル内酸化ガス流路よりも冷却効率が高くなり、セル内燃料ガス流路の温度をより低くすることができる。このような構成とすることで、燃料電池全体で、生成水が生じるカソード側の方が温度が高くなるため、セル内酸化ガス流路における飽和水蒸気圧を上昇させて、セル内酸化ガス流路からの排水を促進させ、セル内酸化ガス流路における凝縮水の滞留を抑制することができる。また、電解質膜においては、電気化学反応の進行に伴ってアノード側からカソード側へとプロトンと共に水が移動するが、アノード側の温度をより低くしてセル内燃料ガス流路における飽和水蒸気圧を低くすることにより、アノード側における電解質膜の乾燥を抑えることができる。このように、カソード側よりもアノード側の冷却効率を高めることにより、水分量が過剰になり易いセル内酸化ガス流路における水分量を抑えると共に、水分量が不足し易いセル内燃料ガス流路における水分量を確保することができる。

このように、本実施例では、ガスセパレータ３０内でアノード側からカソード側へと冷媒を引き回すことで、燃料電池全体では、積層された各々のセルアセンブリ１０において、水分量がより多くなる側のセル内ガス流路における温度をより高くすることができる。すなわち、一つのセルアセンブリ１０に着目すると、セル内燃料ガス流路に近接して設けられたアノード側冷媒流路と、セル内酸化ガス流路に近接して設けられたカソード側冷媒流路とでは、上流下流の関係にないが、ガスセパレータ内で上記のように冷媒流路を接続することで、燃料電池全体では、個々のセルアセンブリ１０における冷却状態を所望の状態に近づけることができる。

なお、セル内酸化ガス流路においては、その出口付近において、酸化ガス中の水蒸気量が特に多くなる。そのため、実施例のように、セル内ガス流路で燃料ガスと酸化ガスとを対向する向きに流す（いわゆるカウンターフロー）場合には、酸化ガスの出口付近（燃料ガスの入り口付近）において、酸化ガス側から燃料ガス側へと、電解質膜を介して水を移動させて燃料ガスを加湿することができる。このとき、本実施例では、アノード側冷媒流路をカソード側冷媒流路よりも上流側に配置して、アノード側の冷却効率を高めているため、上記した酸化ガスを用いた燃料ガスの加湿の効果を、さらに高めることができる。

また、本実施例の燃料電池によれば、冷媒流路を、アノード側とカソード側の２系統として設けているが、アノード側冷媒流路がカソード側冷媒流路よりも上流となるように冷媒流路を直列に接続している。そのため、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路の各々に対して冷媒供給装置を用意する必要が無く、システムの複雑化を抑えることができる。特に本実施例では、ガスセパレータ３０を５枚の薄板状部材で構成し、各薄板状部材に形成した貫通孔の形状の組み合わせにより、ガスセパレータ３０内で冷媒流路の流れを導くため、アノード側を上流、カソード側を下流とする冷媒流路の構成を、簡素な構造により容易に実現することができる。

なお、本実施例では、冷媒流路において、アノード側冷媒流路をカソード側冷媒流路よりも上流となるように形成することにより、水が過剰となり易いカソード側と水が不足し易いアノード側との間の水分バランスの適正化を図ったが、異なる構成としても良い。燃料電池では、その構成により、カソード側とアノード側の水分バランスが異なるため、燃料電池の構成に応じてアノード側とカソード側の冷媒流路の接続関係を設定することにより、燃料電池の構成に応じた水分バランスの適正化を行なうことが可能となる。

燃料電池において、アノード側ガス流路とカソード側ガス流路との間の水分バランスに影響する要因としては、種々の要因が考えられる。このような要因の一つとして、燃料電池に供給されるガス中の水蒸気量を挙げることができる。電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料ガスと酸化ガスの内の少なくとも一方のガスを加湿する場合があるが、このような加湿を行なうことで、加湿したガスが供給される側の水分量が過剰となり易くなる。例えば、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給する場合には、アノード側の水分量が、より過剰になり易くなる。

また、燃料電池内の水分バランスに影響する他の要因として、電気化学反応に伴って生じる水を挙げることができる。既述したように、電気化学反応によってカソードで水が生じるため、燃料電池における発電量が多いほど、カソード側の水分量が、より過剰になり易くなる。

また、燃料電池内の水分バランスに影響する他の要因として、電解質膜における水の透過性を挙げることができる。電解質膜における水の透過性は、例えば、電解質膜の厚みによって異なる。電解質膜が薄いほど、電解質膜における水の透過性が増し、カソード側で生じた生成水がアノード側へと移動し易くなる。したがって、電解質膜が薄いほど、カソード側における水分過剰の傾向が抑えられる。さらに、電解質膜における水の透過性は、電解質膜の種類によっても異なる。本実施例では、電解質膜として、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を用いたが、フッ素系電解質膜に代えて、例えば炭化水素系電解質膜を用いることも可能である。このように、電解質膜の種類によっても電解質膜における水の透過性は異なるため、用いる電解質膜によって水分バランスは変化する。

このように、燃料電池内の水分バランスに影響する種々の要因を考慮して、冷媒流路において、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路のいずれが上流側となるように接続するかを、適宜設定すればよい。すなわち、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路とのそれぞれを流れる冷媒の温度が同一であった場合に、水分量がより多くなるガス流路に近接して設けられた冷媒流路が下流側となるように、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路とを接続することにより、燃料電池内の水分バランスを適正化することができる。より具体的には、電極に供給されるガス中の水分量と、電気化学反応により生じる水分量と、電解質膜を介して移動してくる水分量との合計が、より多い側のガス流路に近接して設けられた冷媒流路が、下流側となるように冷媒流路を形成すればよい。なお、実施例とは逆に、冷媒を流す順序を、カソード側冷媒流路に先、アノード側冷媒流路を後にする場合には、薄板状部材を積層してガスセパレータ３０を形成する際に、第１冷媒流路形成プレート３２と第２冷媒流路形成プレート３４の位置を入れ替えればよい。

Ｄ．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。

Ｄ１．変形例１：
実施例では、各々のガスセパレータ３０の内部において、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路とを直列に接続しているが、異なる構成としても良い。例えば、各々のセルアセンブリ１０に着目したときに、セル内燃料ガス流路に近接して設けられたアノード側冷媒流路と、セル内酸化ガス流路に近接して設けられたカソード側冷媒流路とが、一方が上流側で他方が下流側となるように接続されていても良い。このような構成としても、個々のセルアセンブリ１０において、セル内燃料ガス流路とセル内酸化ガス流路の冷却効率を異ならせて、セル内燃料ガス流路とセル内酸化ガス流路における水分バランスの適正化を図ることができる。

このような構成の一例として、冷媒を流す際に、スタック内のすべてのアノード側冷媒流路内に冷媒を流した後に、すべてのカソード側冷媒流路内に冷媒を流す構成を挙げることができるため、以下に説明する。このような変形例の燃料電池に用いる第１冷媒流路形成プレート１３２および第２冷媒流路形成プレート１３４の構成を、図９および図１０に示す。これらの第１および第２冷媒流路形成プレートは、それぞれ、実施例と同様の燃料電池において、実施例の第１および第２冷媒流路形成プレートに代えて用いるものである。この変形例の燃料電池は、第１および第２冷媒流路形成プレートの構成、および、各薄板状部材に設けた後述する穴部４６，４７以外の構成は、実施例と同様であるため、共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。

図９および図１０に示す冷媒流路形成プレート１３２，１３４は、実施例と同様の穴部４０〜４５に加えて、近傍に穴部４４，４５が形成された辺に対向する辺の近傍に、それぞれ、穴部４７あるいは穴部４６が設けられている。穴部４６は、燃料電池に対して供給された冷媒を各ガスセパレータ３０内に分配する冷媒供給マニホールドを形成し（図１０中、ＣＬＴ inと表わす）、穴部４７は、各ガスセパレータ３０から排出された冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する（図９中、ＣＬＴ outと表わす）。

また、冷媒流路形成プレート１３２は、冷媒排出マニホールドを形成する穴部４５を有しておらず、第１冷媒孔５４に代えて第１冷媒孔１５４を備えている。第１冷媒孔１５４は、カソード側冷媒流路を形成するための、互いに離間して設けられた細長い複数の貫通孔である。各第１冷媒孔１５４は、その両端近傍が、穴部４５および４６と重なるように形成されており、第１冷媒孔１５４が形成する冷媒流路は、穴部４６が形成する冷媒供給マニホールドから冷媒を分配されると共に、穴部４５が形成する冷媒排出マニホールドへと冷媒を排出する。

同様に、冷媒流路形成プレート１３４は、冷媒供給マニホールドを形成する穴部４４を有しておらず、第２冷媒孔５６に代えて第２冷媒孔１５６を備えている。第２冷媒孔１５６は、アノード側冷媒流路を形成するための、互いに離間して設けられた細長い複数の貫通孔である。各第２冷媒孔１５６は、その両端近傍が、穴部４４および４７と重なるように形成されており、第２冷媒孔１５６が形成する冷媒流路は、穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドから冷媒を分配されると共に、穴部４７が形成する冷媒排出マニホールドへと冷媒を排出する。

なお、上記変形例の燃料電池においては、ガスセパレータ３０を構成する他の薄板状部材（アノード側プレート、カソード側プレート、冷媒流路分離プレート）、および、セルアセンブリ１０の外周部に設けられるシール部も、対応する位置に、上記冷媒流路形成プレートと同様の穴部４６，４７を備えている。また、実施例とは異なり、冷媒流路分離プレートは連通孔５８を有しておらず、第１冷媒流路形成プレートの第１冷媒孔５４が形成するアノード側冷媒流路と、第２冷媒流路形成プレートの第２冷媒孔５６が形成するカソード側冷媒流路とは、ガスセパレータ内部では連通していない。そして、これらの部材を積層してなる燃料電池では、スタックの端部において、穴部４７が形成する冷媒排出マニホールドと、穴部４６が形成する冷媒供給マニホールドとが接続されている。

そのため、上記変形例の燃料電池では、冷媒は、最初に穴部４４が形成する冷媒供給マニホールドを流れて、第２冷媒流路形成プレート１３４の第２冷媒孔１５６が形成するアノード側冷媒流路へと分配され、各セルアセンブリ１０のアノード側を冷却して昇温する。その後、冷媒は、穴部４７が形成する冷媒排出マニホールドに集合し、スタック端部において、穴部４７が形成する冷媒排出マニホールドから、穴部４６が形成する冷媒供給マニホールドとへと流れる。そして、冷媒は、穴部４６が形成する冷媒供給マニホールドから、第１冷媒流路形成プレート１３２の第１冷媒孔１５４が形成するカソード側冷媒流路へと分配されて、各セルアセンブリ１０のカソード側を冷却して、さらに昇温する。その後、冷媒は、穴部４５が形成する冷媒流路排出マニホールドに集合して、燃料電池の外部へと導かれる。

Ｄ２．変形例２：
実施例では、燃料電池スタック全体において、アノード側冷媒流路が上流側、カソード側冷媒流路が下流側となるように冷媒流路を接続しているが、スタック内での位置によって、冷媒流路の接続関係を異ならせることとしても良い。すなわち、実施例では、すべてのガスセパレータ３０内において、アノード側冷媒流路からカソード側冷媒流路へと冷媒を流しているが、ガスセパレータ３０が配置されたスタック内での位置によって、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路との間で冷媒を引き回す順序を異ならせることとしても良い。

例えば、スタックの部位によって、アノード側の方が水分過剰になる部位と、カソード側の方が水分過剰になる部位とがある場合には、それぞれの部位ごとに、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路の接続関係を異ならせることにより、スタック全体として、水分バランスを適正化することが可能になる。スタックの位置によって、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路の接続関係を逆にする場合には、このような場所に用いるガスセパレータを作製する際に、第１冷媒流路形成プレート３２と第２冷媒流路形成プレート３４を入れ替えて配置すればよい。

各ガスセパレータ３０内部での冷媒の引き回しの順序を変えるだけでなく、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路の接続の仕方により、冷媒の引き回し順序には種々の変形が可能である。スタック全体で、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路とを所定の順序で接続することにより、各セルアセンブリ１０について見たときに、アノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路とで流れる冷媒の温度が異なるならば、アノード側とカソード側の冷却効率が異なることになり、実施例と同様の効果が得られる。

Ｄ３．変形例３：
さらに、燃料電池の構成は、種々の変形が可能である。例えば、セル内ガス流路におけるガス流れの向きを、実施例のように対向させる構成に代えて、直交させることとしても良い。あるいは、セル内ガス流路を、多孔質体が備える細孔によって形成するのではなく、ガスセパレータの表面に形成した凹凸形状によって、ガスセパレータと電極との間にセル内ガス流路となる空間を形成させることとしても良い。このように、燃料電池の構成を様々に変更した場合であっても、ガスセパレータの内部に形成されるアノード側冷媒流路とカソード側冷媒流路の接続関係を適宜設定して、アノード側とカソード側とで冷却効率を異ならせることにより、アノード側ガス流路とカソード側ガス流路の水バランスを適正化する同様の効果が得られる。

第１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。 図１中のＸ領域を拡大して示す説明図である。 セルアセンブリ１０の概略構成を表わす平面図である。 カソード側プレート３１の形状を示す平面図である。 第１冷媒流路形成プレート３２の形状を示す平面図である。 冷媒流路分離プレート３３の形状を示す平面図である。 第２冷媒流路形成プレート３４の形状を示す平面図である。 アノード側プレート３５の形状を示す説明図である。 第１冷媒流路形成プレート１３２の形状を示す平面図である。 第２冷媒流路形成プレート１３４の形状を示す平面図である。

符号の説明

１０…セルアセンブリ
１２…発電体
１３…ＭＥＡ
１４，１５…ガス流路形成部
１６…シール部
１７…リップ
２０…電解質膜
２２…カソード
２４…アノード
２６，２８…ガス拡散層
３０…ガスセパレータ
３１…カソード側プレート
３２…第１冷媒流路形成プレート
３３…冷媒流路分離プレート
３４…第２冷媒流路形成プレート
３５…アノード側プレート
４０〜４７…穴部
５０…酸化ガス排出スリット
５１…酸化ガス供給スリット
５２…燃料ガス供給スリット
５３…燃料ガス排出スリット
５４…第１冷媒孔
５５、５７…連通部
５６…第２冷媒孔
５８…連通孔
６０〜６３…連通部
１３２…第１冷媒流路形成プレート
１３４…第２冷媒流路形成プレート
１５４…第１冷媒孔
１５６…第２冷媒孔

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   アノードおよびカソードから成る一対の電極を表面に備える複数の電解質層と、
   隣り合う前記電解質層間に配置され、隣り合う一方の前記電解質上のアノードとの間、および、隣り合う他方の前記電解質上のカソードとの間にガス流路を形成するガスセパレータと
   を備え、
   前記ガスセパレータは、該ガスセパレータの内部に、前記アノード側に形成される第１の冷媒流路と、前記カソード側に形成される第２の冷媒流路と、を備え、
   前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路とは、前記ガスセパレータの内部において、互いに直列に接続されている
   燃料電池。
2. 燃料電池であって、
   アノードおよびカソードから成る一対の電極を表面に備える複数の電解質層と、
   前記一対の電極の各々の上に配置され、前記アノードとの間、あるいは、前記カソードとの間にガス流路を形成するガスセパレータと
   を備え、
   前記アノード側に配置されたガスセパレータは、該ガスセパレータの内部の前記アノード側に形成された第１の冷媒流路を備え、
   前記カソード側に配置されたガスセパレータは、該ガスセパレータの内部の前記カソード側に形成された第２の冷媒流路を備え、
   前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路は、一方が冷媒流れの上流側であり、他方が冷媒流れの下流側となるように接続されている
   燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池であって、
   前記第１の冷媒流路と第２の冷媒流路とは、前記第１の冷媒流路および第２の冷媒流路内の冷媒温度が同一であった場合に、アノード側の前記ガス流路とカソード側の前記ガス流路のうちでガス流路内における水分量がより多くなるガス流路側の表面に沿って形成された冷媒流路の方が、前記冷媒流れの下流側となるように接続されている
   燃料電池。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
   前記第１の冷媒流路が前記第２の冷媒流路よりも上流側に接続されている
   燃料電池。
5. 両面に一対の電極を備える複数の電解質層間に配置される燃料電池用ガスセパレータであって、
   前記燃料電池の内部を流れる冷媒の流路として、前記ガスセパレータの一方の面側に形成された第１の冷媒流路と、前記ガスセパレータの他方の面側に形成された第２の冷媒流路と、を内部に備え、
   前記第１の冷媒流路と前記第２の冷媒流路とは、前記ガスセパレータの内部において、互いに直列に接続されている
   ガスセパレータ。

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