JP2009054601A - 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上させることを可能にする。
【解決手段】セルアセンブリ１０は、第１および第２単位セル１４、１６を重ね合わせて構成されるとともに、前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備える。セルアセンブリ１０内では、第１および第２単位セル１４、１６が互いに異なる構造に設定されている。
【選択図】図３

Description

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重ね合わ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、燃料電池スタックおよび燃料電池の運転方法に関する。

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おり、この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする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）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。

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。

ところで、燃料電池スタックでは、例えば、車載用として使用する際には、比較的大きな出力が要求されている。このため、単位セルの反応面（発電面）の寸法を大きく設定する構造や、多数個の前記単位セルを積層する構造等が採用されている（特許文献１参照）。

特開２０００−３０７３０号公報

しかしながら、単位セル自体の寸法を大きく設定すると、燃料電池スタック全体が大型化してしまい、車載用に適さないという問題が指摘されている。従って、通常、比較的コンパクトな単位セルを多数個積層した燃料電池スタックが使用されているが、積層個数が増加するのに伴って積層方向に温度分布が発生し易くなるとともに、電気化学反応により発生した生成水の排水性等が低下して所望の発電性能を得ることができないという不具合がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上させることができるとともに、小型化に適する固体高分子型セルアセンブリおよび燃料電池スタックを提供することを目的とする。

また、本発明は、単位セルを有効に発電させるとともに、排水性等の向上を図ることが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

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重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成するとともに、少なくとも２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定されている。このため、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り、発電機能を有効に向上させることができる。

その際、少なくとも２個の単位セルに設けられ、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は、それぞれの流路断面積が異なっている（請求項２）。これにより、電気化学反応により反応ガス量が減少しても、各単位セルの反応面での反応が均一化される。

具体的には、それぞれの流路断面積は、それぞれ流路深さ、流路幅または流路本数の少なくとも１つが異なることにより設定される（請求項３）。流路深さが浅く設定されることにより、単位セルの薄肉化が図られ、セルアセンブリ全体の小型化が可能になる。流路幅を狭く設定したり、流路本数を減少させたりすると、各単位セル同士の接触面積が増加し、接触抵抗を低下させることができる。

さらに、少なくとも２個の単位セルは、それぞれの反応ガス流路長が異なっている（請求項４）。このため、反応ガス流路長が長尺に設定される単位セルでは、反応ガスの圧力降下が惹起され、生成水の排水性を向上させることが可能になる。

ここで、少なくとも２個の単位セルは、それぞれの反応ガス流路形状が異なっている（請求項５）。例えば、一方を直線状に設定するとともに、他方を蛇行形状に設定することにより、各単位セル毎に反応に最適な構造を採用することができる。

さらにまた、少なくとも２個の単位セルが、それぞれ異なる接合体を備えている（請求項６）。例えば、反応ガス流路の流れ方向上流側の接合体は、流れ方向下流側の接合体に比べて耐熱性が高く設定される（請求項７）。流れ方向下流側の接合体は、流れ方向上流側の接合体よりも高温になるからである。具体的には、反応ガス流路の流れ方向上流側の接合体は、フッ素系の膜を備える一方、流れ方向下流側の接合体は、炭化水素系の膜を備えている（請求項８）。流れ方向上流側の接合体に比べて温度が高くなる流れ方向下流側の接合体は、耐熱性を有する炭化水素系の膜を使用することによって、耐用性の向上が図られる。

また、セルアセンブリ内では、複数個の単位セル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が、少なくとも一部分を各単位セルにわたって直列的に連通している（請求項９）。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。

このため、セルアセンブリ内に供給される反応ガスの流量を増加させるだけで、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。しかも、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される。

また、本発明の請求項１０に係る燃料電池スタックでは、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が、複数個重ね合わされるとともに、少なくとも２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定されるセルアセンブリを備え、複数組の前記セルアセンブリを重ね合わせて構成している。

また、本発明の請求項１１および請求項１６に係る燃料電池の運転方法では、複数個重ね合わされてセルアセンブリを構成する各単位セルは、少なくとも２つが互いに異なる条件で運転されている。具体的には、反応ガスの流れ方向上流側（または一方）の単位セルの温度に対して、流れ方向下流側（または他方）の単位セルの温度を高温にしている（請求項１２および請求項１７）。流れ方向下流側に多量の生成水が発生するため、下流側の単位セルの温度を上げることにより、排水性が有能に向上するからである。

さらに、反応ガスの流れ方向上流側（または一方）の単位セルを流れる前記反応ガスの流速に対して、流れ方向下流側（または他方）の単位セルを流れる前記反応ガスの流速を高くしている（請求項１３および請求項１８）。従って、流れ方向下流側に多量に発生する生成水を確実に排出させることが可能になる。

さらにまた、反応ガスの流れ方向上流側（または一方）の単位セルの反応ガス出口での湿度に対して、流れ方向下流側（または他方）の単位セルの反応ガス入口での湿度を低くしている（請求項１４および請求項１９）。このため、流れ方向下流側からの生成水の排出が円滑に遂行される。

さらに、反応ガスの流れ方向上流側（または一方）の単位セルの反応ガスの利用率に対して、流れ方向下流側（または他方）の単位セルの反応ガスの利用率を高くしている（請求項１５および請求項２０）。これにより、セルアセンブリ全体としての反応ガスの利用率を向上させることができる。

本発明に係る固体高分子型セルアセンブリおよび燃料電池スタックでは、複数個の単位セルを重ね合わせてセルアセンブリが構成されるとともに、少なくとも２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定されており、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って、発電機能を有効に向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池の運転方法では、各単位セルが互いに異なる条件で運転されるため、各単位セル毎に最適な運転条件が設定され、発電性能や排水性の向上が容易に遂行可能になる。

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の要部分解斜視図であり、図２は、複数組の前記セルアセンブリ１０が重ね合わされて（積層されて）構成される燃料電池スタック１２の概略斜視図である。

図１に示すように、セルアセンブリ１０は、第１単位セル１４と第２単位セル１６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１４、１６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、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記電解質膜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。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。

図１および図３に示すように、第１接合体１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が配設され、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０間に中間セパレータ３２が配設される。第１および第２セパレータ２８、３０の外側の面側には、薄板状の壁板（隔壁部材）３４が設けられる。

図１に示すように、第１および第２接合体１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０並びに中間セパレータ３２の長辺側の一端縁部には、第１および第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス入口３６ａと、酸化剤ガス出口３６ｂと、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス中間連通孔３８とが設けられる。

第１および第２接合体１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０、並びに中間セパレータ３２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連通孔４０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口４２ａと、燃料ガス出口４２ｂと、冷却媒体を通過させるための冷却媒体入口４４ａと、冷却媒体出口４４ｂとが設けられる。

第１セパレータ２８は、金属薄板で構成されるとともに、第１接合体１８の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。図３および図４に示すように、第１セパレータ２８は、第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス中間連通孔４０とに連通する。

図１および図３に示すように、第１セパレータ２８は、壁板３４の一方の面に対向する側に複数本の冷却媒体流路４８を設ける。冷却媒体流路４８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体入口４４ａに連通するとともに、他端側が壁板３４に形成された、あるいは、別部材に形成された中間折り返し部である孔部５０を介して前記壁板３４の他方の面側から冷却媒体出口４４ｂに連通する。

第２セパレータ３０は、上記の第１セパレータ２８と略同様に構成されており、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５２を設けるとともに、前記燃料ガス流路５２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス中間連通孔３８と燃料ガス出口４２ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、壁板３４に対向する側に複数本の冷却媒体流路５４を設ける。冷却媒体流路５４は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、終端が冷却媒体出口４４ｂに連通する。

中間セパレータ３２は、上記の第１および第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５６を設けるとともに、前記燃料ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス入口４２ａと燃料ガス中間連通孔３８とに連通する。

図３に示すように、中間セパレータ３２は、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５８を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス中間連通孔４０と酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。

第１および第２単位セル１４、１６に直列的に設けられる酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、それぞれの流路断面積が異なっている。図３に示すように、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２は、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設定されている。

このように構成されるセルアセンブリ１０は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状態で、図２に示すように、所定の組数だけ矢印Ａ方向に重ね合わされる。セルアセンブリ１０の矢印Ａ方向両端には、集電用電極６０ａ、６０ｂを介してエンドプレート６２ａ、６２ｂが配置され、前記エンドプレート６２ａ、６２ｂが図示しないタイロッド等により締め付けられることにより、燃料電池スタック１２が構成される。

エンドプレート６２ａの長辺側の一端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する酸化剤ガス供給口６４ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂが形成される。エンドプレート６２ａの長辺側の他端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、燃料ガス出口４２ｂ、冷却媒体入口４４ａおよび冷却媒体出口４４ｂに連通する燃料ガス供給口６６ａ、燃料ガス排出口６６ｂ、冷却媒体供給口６８ａおよび冷却媒体排出口６８ｂが形成される。

このように構成される燃料電池スタック１２およびセルアセンブリ１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池スタック１２内には、燃料ガス供給口６６ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口６４ａから空気または酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口６８ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルアセンブリ１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が、順次、供給される。

図５に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口３６ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２８に設けられている複数本の酸化剤ガス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入口４２ａに供給された燃料ガスは、中間セパレータ３２に設けられている複数本の燃料ガス流路５６に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソード側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２６ａに供給される燃料ガスとが、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。

第１接合体１８に一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス中間連通孔４０に導入され、この酸化剤ガス中間連通孔４０に沿って矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ３２に設けられている酸化剤ガス流路５８に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５８を介して第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。

同様に、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス中間連通孔３８に導入された後、矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路５２に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂに沿って移動する。このため、第２接合体２０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが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。酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口３６ｂに排出されるとともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口４２ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２８に設けられている冷却媒体流路４８に沿って移動した後、壁板３４に形成された孔部５０で折り返し、第２セパレータ３０に設けられている冷却媒体流路５４に沿って移動し、冷却媒体出口４４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、それぞれの流路断面積が異なっている。具体的には、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２が、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設定されている（図３参照）。酸化剤ガスおよび燃料ガスは、出口側に移動するに従って、酸素ガスおよび水素ガスが反応により消費されて減少する。このため、出口側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２の流路断面積を小さくすることにより、第２接合体２０の反応面における反応が均一化されることになる。

ここで、酸化剤ガス流路４６、５８と燃料ガス流路５６、５２とにおいて、それぞれの流路断面積を変更する際には、それぞれ流路深さ、流路幅、あるいは流路本数を変更することにより設定することができる。

具体的には、図６に示すように、板状の第１セパレータ２８ａに設けられる酸化剤ガス流路４６ａの流路深さに対し、板状の中間セパレータ３２ａに設けられる酸化剤ガス流路５８ａの流路深さが浅く設定されるとともに、前記中間セパレータ３２ａの燃料ガス流路５６ａの流路深さに対して、板状の第２セパレータ３０ａに設けられている燃料ガス流路５２ａの流路深さが小さく設定される。これにより、第１および第２単位セル１４、１６の薄肉化が図られ、セルアセンブリ１０全体の小型化が容易に可能になる。

また、図７に示すように、中間セパレータ３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、入口側の燃料ガス流路５６ｂの流路幅よりも、出口側の燃料ガス流路５２ｂの流路幅が小さく設定される。このため、第１および第２単位セル１４、１６同士の接触面積が増大し、接触抵抗の低減を図ることができる。なお、図示しないが、酸化剤ガス流路も同様である。

さらに、図８に示すように、板状の第１セパレータ２８ｃ、中間セパレータ３２ｃおよび第２セパレータ３０ｃにおいて、入口側の酸化剤ガス流路４６ｃおよび燃料ガス流路５６ｃの流路本数よりも、出口側の酸化剤ガス流路５８ｃおよび燃料ガス流路５２ｃの流路本数が減少される。これにより、上記と同様に、第１および第２単位セル１４、１６同士の接触面積を有効に増加させることが可能になる。

さらにまた、第１および第２単位セル１４、１６内における排水性の向上を図るためには、出口側である第２単位セル１６内のガス流路長を入口側の第１単位セル１４のガス流路長よりも長く設定すればよい。出口側ほど生成水の量が増加し、この出口側のガス流路長を長尺化させることによって圧力降下を惹起させ、生成水の排水性を向上させることができるからである。

具体的には、図９に示すように、例えば、中間セパレータ３２に直線状の燃料ガス流路５６が設けられる一方、第２セパレータ３０ｄには、蛇行する燃料ガス流路５２ｄが設けられている。従って、出口側の燃料ガス流路５２ｄのガス流路長は、入口側の燃料ガス流路５６のガス流路長よりも有効に長尺化される。なお、この蛇行形状の燃料ガス流路５２ｄに代替して、屈曲乃至湾曲する燃料ガス流路を採用することもできる。

また、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０が複数個、例えば、２個の単位セル１４、１６から一体的に構成されるため、このセルアセンブリ１０として取り扱うことにより、各単位セル毎に取り扱われる従来構成に比べて、燃料電池スタック１２を組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。

さらに、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１４、１６によりセルアセンブリ１０が一体的に構成されるとともに、前記第１および第２単位セル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス中間連通孔３８を介して、少なくとも一部分を直列的に連通している。これにより、入口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６には、第１および第２単位セル１４、１６全体の反応に必要な量の酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス流路４６および前記燃料ガス流路５６には、通常の単位セルの２倍の流量が流されることになる。

従って、特に、生成水が発生する酸化剤ガス流路４６、５８での排水性が向上し、第１および第２単位セル１４、１６における湿度の均一化を図ることができる。このため、第１および第２単位セル１４、１６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という効果が得られる。

さらに、第１および第２単位セル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス流路５６、５２が直列的に連通するため、酸化剤ガス入口３６ａおよび燃料ガス入口４２ａに供給される酸化剤ガスおよび燃料ガスの流速は、従来の単位セルに比べて増加する。従って、第１および第２単位セル１４、１６内で発生する生成水を有効に排出することができ、セルアセンブリ１０全体の排水性が大幅に向上する。

次に、上記のセルアセンブリ１０および燃料電池スタック１２を用いて、本発明に係る運転方法について説明する。なお、基本的な動作については、セルアセンブリ１０および燃料電池スタック１２の動作で説明しており、以下に概略的に説明する。

本発明の運転方法では、第１および第２単位セル１４、１６を互いに異なる条件で運転しており、具体的には、以下の第１乃至第４の方法が採用されている。

まず、第１の方法では、上流側の第１単位セル１４の温度に対して、下流側の第２単位セル１６の温度を高温にしている。例えば、カソード側電極２４ａ、２４ｂにおいて説明すると、図１０に示すように、第１単位セル１４側に比べて第２単位セル１６側のガス流路内温度を高くすることにより、前記第１および第２単位セル１４、１６のガス流路内相対湿度が、図１１に示す状態となる。第１単位セル１４では、２セル分の酸化剤ガスが供給されるために湿度変化が低減される一方、第２単位セル１６では、セル温度が高くなって相対湿度が低減されるからである。

これにより、第１および第２単位セル１４、１６における相対湿度を均一化することができ、電解質膜２２ａ、２２ｂのイオン導電性を向上させ、濃度過電圧の低減を図ることが可能となる。

また、本発明の第２の方法では、第１単位セル１４を流れる酸化剤ガスおよび燃料ガスの流速に対して、第２単位セル１６を流れる前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスの流速を高くしている。特に、酸化剤ガスの出口側に向かうほど生成水が多量に発生しており、流れ方向下流側の第２単位セル１６を流れる酸化剤ガスの流速を高く設定することにより、前記生成水の排水性が向上するという利点がある。

さらに、本発明の第３の方法では、第１単位セル１４の反応ガス出口である酸化剤ガス中間連通孔４０での湿度に対して、第２単位セル１６の反応ガス入口である酸化剤ガス入口３６ａでの湿度を低くしている（図１１中、実線参照）。

さらにまた、本発明の第４の方法では、第１単位セル１４での反応ガスの利用率に対して第２単位セル１６の反応ガスの利用率を高くしている。このため、セルアセンブリ１０全体としての利用率が向上し、反応ガスの使用量を有効に削減させることが可能になる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係るセルアセンブリ８０の要部分解斜視図である。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。以下に示す第３の実施形態以降も同様である。

このセルアセンブリ８０は、第１および第２接合体８２、８４を備える。第１接合体８２は、フッ素系の電解質膜８６を有するとともに、第２接合体８４は、炭化水素系の電解質膜８８を有している。

このように構成される第２の実施形態では、反応ガスの流れ方向下流側の第２接合体８４が流れ方向上流側の第１接合体８２に比べて高温となるため、前記第２接合体８４に耐熱性を有する炭化水素系の電解質膜８８が設けられている。これにより、第２接合体８４の耐用性が向上し、長期間にわたって使用することができ、経済的なものとなる。

図１３は、本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１００の要部分解斜視図である。

セルアセンブリ１００は、第１および第２単位セル１０２、１０４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成される。第１および第２単位セル１０２、１０４は、第１および第２接合体１０６、１０８を備えるとともに、前記第１および第２接合体１０６、１０８が、第１セパレータ１１０、第２セパレータ１１２および中間セパレータ１１４で挟持されている。

第１および第２単位セル１０２、１０４の長辺側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口３６ａ、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体入口４４ａが設けられるとともに、長辺側の他端縁部には、同様に、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス出口３６ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび冷却媒体出口４４ｂが設けられる。

第１セパレータ１１０の一方の面には、複数本の冷却媒体流路４８が設けられている。この冷却媒体流路４８は、一端が冷却媒体入口４４ａに連通するとともに、他端が冷却媒体出口４４ｂに連通して、矢印Ｂ方向に直線状に延在している。

第１セパレータ１１０の他方の面には、図１４に示すように、複数本の燃料ガス流路５６が矢印Ｂ方向に直線状に設けられており、前記燃料ガス流路５６は、燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとに両端が連通している。この燃料ガス流路５６は、例えば、溝深さが燃料ガス出口４２ｂ側に向かって浅くなるように構成されている。

第２セパレータ１１２は、第２接合体１０８を構成するカソード側電極２４ｂに対向する面側に、複数本の酸化剤ガス流路５８が矢印Ｂ方向に直線状に設けられている。この酸化剤ガス流路５８は、酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに両端が連通している。

中間セパレータ１１４は、第１接合体１０６を構成するカソード側電極２４ａに対向する面側に酸化剤ガス流路４６が直線状に設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４６の両端が酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する部位には、絞り部１１６ａ、１１６ｂが形成される。中間セパレータ１１４の第２接合体１０８を構成するアノード側電極２６ｂに対向する面側には、第１セパレータ１１０と同様に、燃料ガス流路５２が形成されている（図１５参照）。

このように構成されるセルアセンブリ１００では、冷却媒体流路４８が第２セパレータ１１２の酸化剤ガス流路５８とは反対側の面に設けられている。このため、第２セパレータ１１２の酸化剤ガス流路５８が冷却媒体を介して冷却されて低温側となる一方、中間セパレータ１１４の酸化剤ガス流路４６は、冷却され難く高温側となり、第１および第２単位セル１０２、１０４間で異なる温度環境が発生する。その際、低温側の第２セパレータ１１２では、酸化剤ガス流路５８に生成水が存在し、流路または拡散層や触媒層に水が溜まり、前記酸化剤ガス流路５８が閉塞されるおそれがある。

そこで、第３の実施形態では、第２セパレータ１１２に設けられている酸化剤ガス流路５８における流量の増加による湿度の均一化や、流速の増加による生成水排水性の向上を図る構造を採用している。すなわち、高温側の中間セパレータ１１４に設けられている酸化剤ガス流路４６の酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する部位には、絞り部１１６ａ、１１６ｂが設けられる（図１３参照）。これにより、中間セパレータ１１４の酸化剤ガス流路４６での酸化剤ガス流量に比べ、第２セパレータ１１２の酸化剤ガス流路５８での酸化剤ガス流量が増加している。

このため、第３の実施形態では、低温側の第２セパレータ１１２から生成水を確実に排出し、湿度の均一化を図るとともに、高温側の中間セパレータ１１４を流れる酸化剤ガスの流量および流速が減少することによって、第１接合体１０６の乾燥を防ぐことが可能になるという効果が得られる。

なお、第３の実施形態では、高温側の酸化剤ガス流路４６の両端側に絞り部１１６ａ、１１６ｂを設けているが、これに代替して、低温側の酸化剤ガス流路５８の溝深さを前記高温側の酸化剤ガス流路４６の溝深さよりも浅くすることにより、容易に対応することができる。

図１６は、本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１２０の要部分解斜視図である。なお、第３の実施形態に係るセルアセンブリ１００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。

セルアセンブリ１２０は、第１単位セル１２２と第２単位セル１２４と第３単位セル１２６とを、互いに矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されている。第１乃至第３単位セル１２２、１２４および１２６は、第１乃至第３接合体１０６、１０８および１２８を備え、この第１乃至第３接合体１０６、１０８および１２８が、第１セパレータ１１０、第２セパレータ１１２並びに第１および第２中間セパレータ１１４ａ、１１４ｂで挟持されている。

セルアセンブリ１２０内では、第１乃至第３単位セル１２２、１２４および１２６においてそれぞれ異なる温度環境が発生し、特に、第２接合体１０８が、第１および第３接合体１０６、１２８に比べて高温となり易い。

そこで、比較的低温の第１および第３接合体１０６、１２８は、低温域で安定した性能が得られるフッ素系の電解質膜８６を備える一方、比較的高温となる第２接合体１０８は、高温に耐え得る炭化水素系の電解質膜８８を備えている。さらに、第１および第３接合体１０６、１２８では湿度が高くなるため、排水性にすぐれた触媒層や拡散層を使用する一方、第２接合体１０８では湿度が低くなるため、自己加湿膜や保水性のある拡散層を使用する。

このように構成されるセルスタック１２０では、異なる種類の第１乃至第３接合体１０６、１０８および１２８を使用することにより、異なる温度環境に対応して性能の向上を図ることができるという効果が得られる。

図１７は、本発明の第５の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１４０の要部分解斜視図である。

セルアセンブリ１４０は、第１および第２単位セル１４２、１４４を重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル１４２、１４４は、第１および第２接合体１４６、１４８を備える。第１および第２接合体１４６、１４８は、第１および第２セパレータ１５０、１５２と第１および第２中間セパレータ１５４、１５６とにより挟持されるとともに、前記第１および第２中間セパレータ１５４、１５６間には平板状の整流板１５８が介装される。

セルアセンブリ１４０の長辺側の一端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、酸化剤ガス中間連通孔４０および燃料ガス出口４２ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられるとともに、前記セルアセンブリ１４０の長辺側の他端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、冷却媒体入口４４ａ、燃料ガス中間連通孔３８、冷却媒体出口４４ｂおよび酸化剤ガス出口３６ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられている。

第１および第２中間セパレータ１５４、１５６の互いに整流板１５８に対向する面には、冷却媒体流路５４が直線状に設けられており、前記第１中間セパレータ１５４では、冷却媒体入口４４ａに前記冷却媒体流路５４の一端が連通するとともに、該冷却媒体流路５４の他端が整流板１５８で折り返して第２中間セパレータ１５６に設けられている冷却媒体流路５４に連通している。この冷却媒体流路５４は、第２中間セパレータ１５６の冷却媒体出口４４ｂに連通している。

このように構成されるセルアセンブリ１４０内では、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体は、図１８に示す流れ方向に沿って直列的に第１および第２単位セル１４２、１４４に送られる。その際、第１および第２単位セル１４２、１４４間には、整流板１５８を介して冷却媒体流路５４が形成されている。これにより、特に、セルアセンブリ１４０の内部で過度に温度が上昇することを確実に阻止することができる。

図１９は、本発明の第６の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリ１６０の要部分解斜視図である。なお、図１７に示す第５の実施形態に係るセルアセンブリ１４０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。

セルアセンブリ１６０は、第１および第２単位セル１６２、１６４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されており、酸化剤ガス中間連通孔４０を設けていない。このため、セルアセンブリ１６０内では、図２０に示すように、燃料ガスが第１単位セル１６２から第２単位セル１６４に直列的に連通される燃料ガス流路５６、５２に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路４６、５８を介して前記第１および第２単位セル１６２、１６４に個別に、すなわち、並列的に流されている。

このように、粘度の小さい燃料ガスが直列的に連通される燃料ガス流路５６、５２に沿って流されるため、流量長が長尺化されて十分な圧力損失を与えることができ、アノード側電極２６ａ、２６ｂからの生成水を有効に排出することが可能になるという利点がある。

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分解斜視図である。 燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記セルアセンブリの一部断面説明図である。 前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。 前記セルアセンブリ内の流れ図である。 流路断面積を、流路深さを異にして設定する際の説明図である。 前記流路断面積を、流路幅を異ならせて設定する際の説明図である。 前記流路断面積を、流路本数を異ならせて設定する際の説明図である。 流路長を変更した前記セルアセンブリの分解斜視説明図である。 第１および第２単位セル内のカソード温度の説明図である。 前記第１および第２単位セル内のカソード相対湿度の説明図である。 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分解斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。 前記第３の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。 本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第５の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。 本発明の第６の実施形態に係る固体高分子型セルアセンブリの要部分解斜視図である。 前記第６の実施形態に係るセルアセンブリの流れ図である。

符号の説明

１０、８０、１００、１２０、１４０、１６０…セルアセンブリ
１２…燃料電池スタック
１４、１６、１０２、１０４、１２２、１２４、１２６、１４２、１４４、１６２、１６４…単位セル
１８、２０、８２、８４、１０６、１０８、１２８、１４６、１４８…接合体
２２ａ、２２ｂ、８６、８８…電解質膜
２４ａ、２４ｂ…カソード側電極 ２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８、２８ａ〜２８ｃ、３０、３０ａ〜３０ｄ、１１０、１１２、１５０、１５２…セパレータ
３２、３２ａ〜３２ｃ、１１４、１５４、１５６…中間セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口 ３６ｂ…酸化剤ガス出口
３８…燃料ガス中間連通孔 ４０…酸化剤ガス中間連通孔
４２ａ…燃料ガス入口 ４２ｂ…燃料ガス出口
４４ａ…冷却媒体入口 ４４ｂ…冷却媒体出口
４６、４６ａ〜４６ｃ、５８、５８ａ〜５８ｃ…酸化剤ガス流路
４８、５４…冷却媒体流路 ５０…孔部
５２、５２ａ〜５２ｄ、５６、５６ａ〜５６ｃ…燃料ガス流路
６４ａ…酸化剤ガス供給口 ６４ｂ…酸化剤ガス排出口
１１６ａ、１１６ｂ…絞り部 １５８…整流板

Claims (20)

1. 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重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成するとともに、
   複数個の前記単位セルは、少なくとも２つが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。
2. 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、少なくとも２個の前記単位セルに設けられ、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は、それぞれの流路断面積が異なることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
3. 請求項２記載のセルアセンブリにおいて、それぞれの流路断面積は、それぞれ流路深さ、流路幅または流路本数の少なくとも１つが異なることにより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。
4. 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、少なくとも２個の前記単位セルは、それぞれの反応ガス流路長が異なることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
5. 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、少なくとも２個の前記単位セルは、それぞれの反応ガス流路形状が異なることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
6. 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、少なくとも２個の前記単位セルは、それぞれ異なる接合体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。
7. 請求項６記載のセルアセンブリにおいて、前記反応ガス流路の流れ方向上流側の接合体は、流れ方向下流側の接合体に比べて耐熱性が高く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。
8. 請求項７記載のセルアセンブリにおいて、比較的低温となる接合体は、フッ素系の膜を備える一方、
   比較的高温となる接合体は、炭化水素系の膜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。
9. 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、前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セル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が、少なくとも一部分を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。
10. 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が、複数個重ね合わされるとともに、少なくとも２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定されるセルアセンブリを備え、
    複数個の前記セルアセンブリを重ね合わせて構成することを特徴とする燃料電池スタック。
11. 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が、複数個重ね合わされて構成される固体高分子型セルアセンブリを運転するための燃料電池の運転方法であって、
    前記単位セルは、少なくとも２つが互いに異なる条件で運転されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
12. 請求項１１記載の運転方法において、一方の単位セルの温度に対して、他方の単位セルの温度を高温にすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
13. 請求項１１記載の運転方法において、一方の単位セルを流れる前記反応ガスの流速に対して、他方の単位セルを流れる前記反応ガスの流速を高くすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
14. 請求項１１記載の運転方法において、一方の単位セルの反応ガス出口での湿度に対して、他方の単位セルの反応ガス入口での湿度を低くすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
15. 請求項１１記載の運転方法において、一方の単位セルの反応ガスの利用率に対して、他方の単位セルの反応ガスの利用率を高くすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
16. 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が、複数個重ね合わされてセルアセンブリを構成するとともに、前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セル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複数の反応ガス流路が、少なくとも一部分を各単位セルにわたって直列的に連通している固体高分子型セルアセンブリを運転するための燃料電池の運転方法であって、
    前記単位セルは、少なくとも２つが互いに異なる条件で運転されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
17. 請求項１６記載の運転方法において、前記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルの温度に対して、流れ方向下流側の単位セルの温度を高温にすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
18. 請求項１６記載の運転方法において、前記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルを流れる前記反応ガスの流速に対して、流れ方向下流側の単位セルを流れる前記反応ガスの流速を高くすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
19. 請求項１６記載の運転方法において、前記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルの反応ガス出口での湿度に対して、流れ方向下流側の単位セルの反応ガス入口での湿度を低くすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
20. 請求項１６記載の運転方法において、前記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルの反応ガスの利用率に対して、流れ方向下流側の単位セルの反応ガスの利用率を高くすることを特徴とする燃料電池の運転方法。

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