JP2009117281A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、反応ガス流路の下流側のフラッディングを確実に阻止するとともに、燃料電池内の水分量を最適に維持することを可能にする。
【解決手段】第１セパレータ２４には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとに連通し、酸化剤ガスを重力方向に沿って流す酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６の上流側に入口バッファ部３８ａが設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路３６の下流側に出口バッファ部３８ｂが設けられる。入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂには、給水部４２ａ及び吸水部４２ｂが設けられ、前記吸水部４２ｂに連通する水導出口４４は、水循環流路４８を介して給水部４２ａに連通する水導入口４６に接続される。水循環流路４８には、吸水部４２ｂで回収された水を給水部４２ａに戻すためのポンプ５０が配設される。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有し、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される固体高分子型燃料電池に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池は、発電反応によりカソード側電極に生成水が発生する一方、アノード側電極には、前記生成水が逆拡散している。このため、反応ガス流路の下端側には、水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図１６に示すように、単セル１を備えており、この単セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、このＭＥＡ２を挟持するガス拡散層２ａと、前記ガス拡散層２ａの外側に配置されるアノード側セパレータ３及びカソード側セパレータ４とを備えている。

アノード側セパレータ３の外側には、ＬＬＣプレート５が設置され、このＬＬＣプレート５には、ＬＬＣ流路５ａが形成されている。アノード側セパレータ３には、一方のガス拡散層２ａに面して燃料ガスを流通させる燃料ガス流路３ａが形成されるとともに、カソード側セパレータ４には、他方のガス拡散層２ａに面して空気を流通させる酸化剤ガス流路４ａが形成されている。このカソード側セパレータ４は、気液透過性の多孔質材で構成されており、このカソード側セパレータ４の背面には、純水流路４ｂが形成されている。

これにより、気液透過性のカソード側セパレータ４では、酸化剤ガス流路４ａに流入された低湿度の空気は、純水流路４ｂからの純水により加湿されてＭＥＡ２に水分を補給する一方、前記酸化剤ガス流路４ａの下流側では、生成水が凝縮しても、この凝縮水は、前記カソード側セパレータ４を透過して前記純水流路４ｂに吸引される、としている。

特開２００５−１４９８２７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、カソード側セパレータ４は、気液透過性の多孔質材を用いており、このカソード側セパレータ４として、緻密質の金属セパレータを用いることができない。しかも、単セル１では、ＭＥＡ２を挟持するアノード側セパレータ３及びカソード側セパレータ４の他に、ＬＬＣプレート５が用いられている。これにより、単セル１の積層方向の寸法が増大し、燃料電池スタック全体の積層方向の寸法が相当に長尺化するという問題がある。

さらに、酸化剤ガス流路４ａの上流及び下流に対応する純水流路４ｂが連通して純水が流れている。このため、場所による水圧差を設けることが困難であり、給水と排水とを同時に、しかも、確実に行うことが困難となるという問題がある。

さらにまた、スタック外部には、冷却系とは別に、純水を供給及び循環するための装置が必要である。これにより、システム全体は、複雑且つ大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、反応ガス流路の下流側のフラッディングを確実に阻止するとともに、燃料電池内の水分量を最適に維持することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有し、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される固体高分子型燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池は、少なくとも反応ガス流路の下流側に設けられる吸水部と、前記吸水部に連通する水導出口と、前記反応ガス流路の上流側に連通する水導入口と、前記水導出口及び前記水導入口を繋ぎ、前記反応ガス流路の外部に配置される水循環流路と、前記水循環流路に配設され、前記吸水部で回収された水を前記反応ガス流路の上流側に戻すポンプとを有している。

また、少なくとも反応ガス流路の上流側に給水部が設けられることが好ましい。

さらに、セパレータには、反応ガス流路の上流側及び下流側に入口バッファ部及び出口バッファ部が設けられるとともに、少なくとも前記出口バッファ部には、吸水部が設けられることが好ましい。

さらにまた、少なくとも入口バッファ部には、給水部が設けられることが好ましい。

また、セパレータには、反応ガス流路の上流側及び下流側に入口バッファ部及び出口バッファ部が設けられるとともに、電解質膜・電極構造体は、少なくとも前記出口バッファ部に対応する部分に、拡散層と同一平面上に吸水部が設けられることが好ましい。

さらに、電解質膜・電極構造体は、少なくとも入口バッファ部に対応する部分に、拡散層と同一平面上に給水部が設けられることが好ましい。

さらにまた、固体高分子型燃料電池は、電解質膜・電極構造体とセパレータとが複数積層されたスタックを備え、前記スタックには、水導出口及び水導入口が積層方向に貫通して設けられることが好ましい。

また、水循環流路及びポンプは、スタックに一体に設けられることが好ましい。

さらに、ポンプは、反応ガス流路の下流側に設けられる吸水部の水保持力よりも低い吸引圧力に設定されることが好ましい。

さらにまた、水循環流路には、水を外部に放出するために、切換弁及び排水流路が設けられることが好ましい。

また、水循環流路は、同一の極内で水導出口と水導入口とを繋ぐことが好ましい。

さらに、水循環流路は、異なる極内で水導出口と水導入口とを繋ぐことが好ましい。

さらにまた、吸水部は、親水性の吸水部材であることが好ましい。

また、給水部は、親水性の吸水部材であることが好ましい。

本発明によれば、吸水部に回収された水は、ポンプの作用下に水導出口から水循環路を通って水導入口に送られ、この水導入口に連通する反応ガス流路の上流側に前記水が供給されている。このため、水分が過剰な反応ガス流路の下流側から水を確実に排出させることができ、フラッディングを良好に阻止することが可能になる。一方、反応ガス流路の下流側から排出された水は、水分が不足し易い前記反応ガス流路の上流側に供給されている。従って、燃料電池内の水分量を最適に維持することが可能になる。

この結果、燃料電池は、発電性能及び発電安定性の向上を図ることができるとともに、電解質膜や触媒の耐久性を向上させることが可能になる。

さらに、セパレータとして、カーボンセパレータの他、緻密質の金属セパレータを使用することができ、燃料電池の設計自由度が有効に向上する。しかも、燃料電池は、積層方向の寸法が増大することがなく、前記燃料電池全体を簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システム１０の概略構成図である。燃料電池システム１０は、車載用又は定置用に使用される。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行う制御装置１８とを備える。

燃料電池１２は、単セルで、又は複数の単セルを積層して構成される。図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２２が、カソード側の第１セパレータ２４とアノード側の第２セパレータ２６とに挟持される。第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、カーボンセパレータで構成される。

なお、第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した緻密質の金属プレートにより構成してもよい。

燃料電池１２の長辺方向（図２中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２８ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）３０ａとが設けられる。

燃料電池１２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）３０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２８ｂとが設けられる。

燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３０と、前記固体高分子電解質膜３０を挟持するカソード側電極３２及びアノード側電極３４とを備える。

カソード側電極３２及びアノード側電極３４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３０の両面に形成される。

図２及び図３に示すように、第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとを連通して酸化剤ガス流路３６が形成される。この酸化剤ガス流路３６は、重力方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数の直線状流路溝３６ａを有し、前記流路溝３６ａの矢印Ｃ方向上端（上流）及び下端（下流）に位置して入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂが設けられる。

入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂは、複数のエンボス４０ａ、４０ｂを設けるとともに、前記入口バッファ部３８ａ及び前記出口バッファ部３８ｂ（少なくとも前記出口バッファ部３８ｂ）には、給水部４２ａ及び吸水部４２ｂが設けられる。

給水部４２ａ及び吸水部４２ｂは、親水性の吸収性部材で構成されており、例えば、不織布又は多孔質材料に親水処理を施したものが使用される。図４に示すように、出口バッファ部３８ｂの矢印Ｂ方向一端から矢印Ｂ方向に延在して吸水部４２ｂに連通する水導出口４４が形成されるとともに、入口バッファ部３８ａの矢印Ｂ方向一端から矢印Ｂ方向に延在して給水部４２ａに連通する水導入口４６が形成される。

水導出口４４と水導入口４６とは、酸化剤ガス流路３６の外部（第１の実施形態では、燃料電池１２の外部）に配置される水循環流路４８に連通する。この水循環流路４８には、下流の吸水部４２ｂで回収された水を上流の給水部４２ａに戻すためのポンプ５０が配設される。ポンプ５０は、気体及び液体両方を輸送可能であるとともに、吸水部４２ｂの水保持力よりも低い吸引圧力に設定可能である。図１に示すように、ポンプ５０は、ポンプ電源５３に接続されるとともに、このポンプ電源５３は、制御装置１８により駆動制御される。

酸化剤ガス供給連通孔２８ａと入口バッファ部３８ａとの間には、連通路形成用の複数の受け部５２ａが設けられる一方、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂと出口バッファ部３８ｂとの間には、連通路形成用の複数の受け部５２ｂが設けられる。

図５に示すように、第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路５４が形成される。この燃料ガス流路５４は、重力方向（矢印Ｃ方向）に延在する複数の直線状流路溝５４ａを有し、前記流路溝５４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂが設けられる。

入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂは、複数のエンボス５８ａ、５８ｂを設ける。なお、入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂには、必要に応じて給水部４２ａ及び吸水部４２ｂを設けてもよい。

燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス流路５４との間には、連通路形成用の複数の受け部５９ａが設けられるとともに、燃料ガス排出連通孔３０ｂと前記燃料ガス流路５４との間には、連通路形成用の複数の受け部５９ｂが設けられる。

図２に示すように、第２セパレータ２６の面２６ｂと、第１セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路６０が形成される。この冷却媒体流路６０は、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

図３に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材６２が配設される。第２セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材６４が配設される。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（又はエアコンプレッサ）７０を備え、前記エアポンプ７０が空気供給流路７２に配設される。空気供給流路７２は、加湿器７４を介して燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する空気排出流路７６を備える。この空気排出流路７６には、エアポンプ７０から空気供給流路７２を通って燃料電池１２に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁７８が設けられるとともに、前記空気排出流路７６が加湿器７４に連結される。加湿器７４では、空気供給流路７２を通る空気が、空気排出流路７６を通る使用済みの空気により加湿される。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク８０を備え、この水素タンク８０は、水素供給流路８２を介して燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに連通する。この水素供給流路８２には、調圧器８４及びエゼクタ８６が設けられる。

エゼクタ８６は、水素タンク８０から供給される水素ガスを、水素供給流路８２を通って燃料電池１２に供給するとともに、燃料電池１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、燃料ガス排出連通孔３０ｂに連通する水素循環流路８８から吸引して燃料電池１２に再度供給する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４では、エアポンプ７０が駆動される。このエアポンプ７０から供給される空気は、加湿器７４で加湿された後、空気供給流路７２を介して燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク８０から水素供給流路８２に供給される水素ガスは、調圧器８４及びエゼクタ８６を介して燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに供給される。また、図示しない冷却媒体供給装置の作用下に、純水やエチレングリコール等の冷却媒体が、燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔３２ａに供給される。

燃料電池１２では、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第１セパレータ２４の酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に沿って移動する。

その際、図２及び図４に示すように、第１セパレータ２４の面２４ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部５２ａ間を通って入口バッファ部３８ａに供給される。この入口バッファ部３８ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路３６を構成する複数の流路溝３６ａに沿って鉛直下方向に流動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に供給される。

一方、図５に示すように、第２セパレータ２６の面２６ａでは、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔３０ａから複数の受け部５９ａ間を通って入口バッファ部５６ａに導入される。入口バッファ部５６ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路５４を構成する複数の流路溝５４ａに沿って鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３４に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、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。

次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、図２及び図４に示すように、酸化剤ガス流路３６の下部に連通する出口バッファ部３８ｂに送られる。酸化剤ガスは、出口バッファ部３８ｂから複数の受け部５２ｂ間に沿って酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出され、さらに、図１に示すように、空気排出流路７６に排出される。

同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、図５に示すように、燃料ガス流路５４の下部に連通する出口バッファ部５６ｂに送られた後、複数の受け部５９ｂ間に沿って燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出される。図１に示すように、燃料ガス排出連通孔３０ｂから水素循環流路８８に排出された排ガス（未使用水素を含む排出燃料ガス）は、エゼクタ８６の吸引作用下に水素供給流路８２の途上に戻された後、再度、燃料ガスとして燃料電池１２に供給される。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３２ａから第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路６０に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３及び図４に示すように、酸化剤ガス流路３６の下流側に、出口バッファ部３８ｂが設けられるとともに、この出口バッファ部３８ｂには、吸水部４２ｂが設けられている。

ここで、酸化剤ガス流路３６では、発電反応により水が生成されており、この生成水が前記酸化剤ガス流路３６の流れ方向に沿って、すなわち、重力方向に沿って移動し、出口バッファ部３８ｂに流動する。従って、生成水は、吸水部４２ｂに導入されて、毛細管現象を利用して前記吸水部４２ｂから水導出口４４に移動した水は、ポンプ５０が駆動されることにより、水循環流路４８に吸引される。

ポンプ５０により吸引された水は、水循環流路４８を下方向から上方向に向かって移動し、水導入口４６に供給される。水導入口４６は、入口バッファ部３８ａに設けられている給水部４２ａに連通しており、毛細管現象を利用してこの給水部４２ａに給水される。このため、出口バッファ部３８ｂから過剰な水を確実に排出させることができ、この出口バッファ部３８ｂにおけるフラッディングを良好に阻止することが可能になる。

しかも、給水部４２ａでは、毛細管効果により水を広範囲に分散させることができ、酸化剤ガス流路３６に均一に給水することが可能になる。その上、水が広い面に分散されるため、この水を通過する酸化剤ガス内への蒸発が良好に促進される。これにより、水導入口４６から入口バッファ部３８ａに戻された水が、気化せずに酸化剤ガス流路３６を閉塞する等の不具合を回避することができる。

一方、出口バッファ部３８ｂから排出された水は、ポンプ５０の作用下に水分が不足し易い酸化剤ガス流路３６の上流側、すなわち、入口バッファ部３８ａに供給されている。従って、燃料電池１２内の水分量を最適に維持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及び第２セパレータ２４、２６は、カーボンセパレータの他、緻密質の金属セパレータを採用することが可能になり、燃料電池１２の設計自由度が有効に向上する。

しかも、給水部４２ａ及び吸水部４２ｂは、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに設けられており、燃料電池１２は、積層方向の寸法が殆ど増大することがない。これにより、燃料電池１２を簡単且つコンパクトに構成することが可能になる。

その際、給水部４２ａ及び吸水部４２ｂは、ガス流れが不均一なため発電に適さない入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに設けられている。このため、発電面積を減少させることがなく、しかも、ガス透過を阻害することによる固体高分子電解質膜３０や触媒の劣化を惹起することがない。

さらにまた、給水部４２ａ及び吸水部４２ｂに発電電流が流れないため、抵抗損失が増大することがない上に、前記給水部４２ａ及び吸水部４２ｂに高導電性の材料を使う必要がなく、材料選定の自由度が向上する。例えば、内部の水が凍結しても破損しない弾力性を有する材料も使用することができる。

また、ポンプ５０は、出口バッファ部３８ｂに設けられている吸水部４２ｂの水保持力よりも低い吸引圧力に設定されている。従って、例えば、積層された複数の燃料電池１２の内、いずれかの燃料電池１２に生成水が過剰でない場合、ポンプ５０を介して空気のみが吸引されることがない。これにより、過剰な生成水が存在する他の燃料電池１２から水を吸引することができないという不具合を回避することができる。

さらに、ポンプ５０は、気体及び液体両方を輸送可能であるため、吸水部４２ｂや水循環流路４８に気泡が存在していても、水を確実に輸送することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０を構成する第１セパレータ９２の正面説明図であり、図７は、前記燃料電池９０の図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１２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。また、以下に説明する第３〜第８の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池９０は、電解質膜・電極構造体２２を第１セパレータ９２及び第２セパレータ２６で挟持して構成される（図７参照）。第１セパレータ９２は、図６に示すように、酸化剤ガス流路３６を設けるとともに、この酸化剤ガス流路３６を構成する複数の流路溝３６ａの下部側には、出口バッファ部３８ｂから延在して吸水部位９４ｂが設けられる。この吸水部位９４ｂは、出口バッファ部３８ｂに対応して配置される前述した吸水部４２ｂと、各流路溝３６ａの内壁面を覆って設けられる吸水部９６ｂとを有する。

水導出口４４は、出口バッファ部３８ｂの最下端位置に積層方向に貫通して設けられる一方、水導入口４６は、入口バッファ部３８ａの最上端位置に積層方向に貫通して設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、吸水部位９４ｂは、出口バッファ部３８ｂから各流路溝３６ａの内壁面に沿って設けられており、第１セパレータ９２の積層方向の厚さが殆ど増加することがない。

これにより、酸化剤ガス流路３６の下流側から凝縮水を確実に吸収することができ、フラッディングを有効に防止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、酸化剤ガス流路３６の上流側においても、流路溝３６ａの内壁面を覆って、給水部位９４ａを設けることができる。このため、酸化剤ガス流路３６の上流側では、より広い面積から酸化剤ガスや電解質膜・電極構造体２２に水を供給することが可能になり、より効果的な加湿が遂行されるという利点がある。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図であり、図９は、前記燃料電池１００の断面説明図である。

燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１０２がカソード側の第１セパレータ１０４とアノード側の第２セパレータ１０６とに挟持される。第１及び第２セパレータ１０４、１０６は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

電解質膜・電極構造体１０２は、固体高分子電解質膜３０と、カソード側電極１０８及びアノード側電極１１０とを備える。カソード側電極１０８は、アノード側電極１１０よりも大きな表面積に設定され、所謂、段差ＭＥＡを構成する。

図９に示すように、カソード側電極１０８は、ガス拡散層１０８ａと電極触媒層１０８ｂとを有する一方、アノード側電極１１０は、ガス拡散層１１０ａと電極触媒層１１０ｂとを有する。カソード側電極１０８は、上部及び下部にそれぞれ第１セパレータ１０４の入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに対応する部位に給水部１１２ａ及び吸水部１１２ｂを設ける。

給水部１１２ａ及び吸水部１１２ｂは、不織布又は多孔質材料に親水処理を施したものを、ガス拡散層１０８ａと同一平面上に一体化し、又は前記ガス拡散層１０８ａを部分的に親水処理することにより構成される。アノード側電極１１０は、ガス拡散層１１０ａの外周部であって入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂに対応する部位にガスの透過を阻止する樹脂含浸部１１４を設ける。

このように構成される第３の実施形態では、カソード側電極１０８は、第１セパレータ１０４の入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂに対向する部分に、ガス拡散層１０８ａと同一平面上に位置して給水部１１２ａ及び吸水部１１２ｂを一体化している。このため、電解質膜・電極構造体１０２の厚さが増大することがなく、燃料電池１００の積層方向の寸法が長尺化することを阻止することができる。これにより、燃料電池１００を組み込む燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に遂行される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１２０を組み込む燃料電池スタック１２２の概略構成図である。

燃料電池１２０は、電解質膜・電極構造体２２を第１セパレータ２４と第２セパレータ２６とで挟持しており、複数積層された前記燃料電池１２０の両端には、エンドプレート１２４ａ、１２４ｂが配置されて燃料電池スタック１２２が構成される。

エンドプレート１２４ａには、水導出口４４に連通する第１通路１２６ａと、水導入口４６に連通する第２通路１２６ｂとを備える水循環流路１２６が設けられる。第２通路１２６ｂは、エンドプレート１２４ａ内で屈曲して第１通路１２６ａ側に近接して配置される。第１通路１２６ａ及び第２通路１２６ｂは、ポンプ５０に接続されるとともに、このポンプ５０は、エンドプレート１２４ａに取り付けられる。

図１０及び図１１に示すように、各燃料電池１２０では、水導出口４４及び水導入口４６は、前記燃料電池１２０の積層方向に貫通しており、水循環流路１２６に一体に連通する。

このように構成される第４の実施形態では、各燃料電池１２０を構成する酸化剤ガス流路３６の下流側に滞留し易い凝縮水は、ポンプ５０を介して一体的に吸引されるとともに、水が不足し易い各酸化剤ガス流路３６の上流側に水が一体に戻されている。

さらに、水循環流路１２６がエンドプレート１２４ａに形成されるとともに、ポンプ５０が前記エンドプレート１２４ａに取り付けられている。これにより、燃料電池スタック１２２全体を有効に小型化することができる他、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１２０を組み込む燃料電池スタック１３０の概略構成説明図である。

燃料電池スタック１３０は、複数の燃料電池１２０が積層されるとともに、積層方向略中央部には、仕切りプレート１３２が介装される。積層方向両端には、エンドプレート１３４ａ、１３４ｂが配設される。エンドプレート１３４ａには、このエンドプレート１３４ａから仕切りプレート１３２間に配置されている燃料電池１２０の水導出口４４と水導入口４６とを繋ぐ水循環流路１３６ａ及びポンプ５０ａが設けられる。エンドプレート１３４ｂには、このエンドプレート１３４ｂから仕切りプレート１３２間の燃料電池１２０に設けられる水導出口４４と水導入口４６とを繋ぐ水循環流路１３６ｂ及びポンプ５０ｂが設けられる。

このように構成される第５の実施形態では、燃料電池スタック１３０を仕切りプレート１３２により分割して、それぞれポンプ５０ａ、５０ｂ及び水循環流路１３６ａ、１３６ｂにより、水の循環供給を行っている、このため、特に、水導出口４４及び水導入口４６の内径を小さく設定することができる。

これにより、各燃料電池１２０間の電圧差により生じる水導出口４４及び水導入口４６の内部の水を介する漏電によって電食等が発生することを良好に抑制することが可能になる。

図１３は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１４０を組み込む燃料電池システム１４２の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム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。

燃料電池１４０では、水循環流路４８に水を外部に放出するために切換弁１４４及び排水流路１４６が設けられる。従って、第６の実施形態では、燃料電池１４０の発電状態に応じて、酸化剤ガス流路３６の下流側に生成される過剰な水を排水流路１４６を通して外部に排出することができる一方、前記酸化剤ガス流路３６の上流側に供給する水の制御が行われ、前記燃料電池１４０の発電安定性を向上させることができるという効果が得られる。

図１４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１５０の断面説明図である。

燃料電池１５０を構成する第１セパレータ２４には、入口バッファ部３８ａに給水部１５２ａが設けられるとともに、第２セパレータ２６には、出口バッファ部５６ｂに吸水部１５２ｂが設けられる。吸水部１５２ｂは、水循環流路４８を介して、給水部１５２ａに繋がっている。なお、給水部１５２ａ及び吸水部１５２ｂには、ガス透過防止用の膜（図示せず）を挿入することが好ましい。

このように構成される第７の実施形態では、発電反応により酸化剤ガス流路３６に発生する生成水が、電解質膜・電極構造体２２を逆拡散して燃料ガス流路５４に導入される。そして、燃料ガス流路５４の下流側（下部側）で凝縮した水は、吸水部１５２ｂに取り込まれる。

そして、吸水部１５２ｂの凝縮水は、ポンプ５０の吸引作用下に、水循環流路４８を介して酸化剤ガス流路３６の上流側に設けられた給水部１５２ａに戻される。これにより、発電に応じてプロトンに随伴されて固体高分子電解質膜３０を通過する水量や逆拡散により燃料ガス流路５４に移動する水量の差を介して異なる極間で生じる水量の不均等にも対応することができ、各極での水分量を均一化することが可能になるという効果がある。

図１５は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１６０を構成する第１セパレータ１６２の一部正面説明図である。

燃料電池１６０の長辺方向（図１５中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとが設けられる。燃料電池１６０の長辺方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとが設けられる。

燃料電池１６０の短辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、冷却媒体供給連通孔３２ａが設けられるとともに、短辺方向の下端縁部には、冷却媒体排出連通孔３２ｂが設けられる。

酸化剤ガス流路３６の上流（矢印Ｂ方向一端）に形成される入口バッファ部３８ａには、給水部４２ａが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路３６の下流（矢印Ｂ方向他端）に形成される出口バッファ部３８ｂには、吸水部４２ｂが設けられる。吸水部４２ｂの下端縁部には、重力方向最下部に水導出口４４が形成されるとともに、給水部４２ａの上端縁部には、重力方向最上部に水導入口４６が形成される。

このように構成される第８の実施形態では、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に沿って矢印Ｂ方向、すなわち、水平方向に移動して出口バッファ部３８ｂに流動する。従って、生成水は、吸水部４２ｂに導入された後、重力方向に沿って水導出口４４に移動するとともに、ポンプ５０が駆動されることにより、水循環流路４８に吸引される。

ポンプ５０により吸引された水は、水循環流路４８を移動して水導入口４６に供給される。水導入口４６は、入口バッファ部３８ａに設けられている給水部４２ａに連通しており、毛細管現象を利用してこの給水部４２ａに給水される。

これにより、第８の実施形態では、出口バッファ部３８ｂにおけるフラッディングを良好に阻止することが可能になるとともに、酸化剤ガス流路３６に均一に給水することができる等、上記の第１〜第７の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面図である。 前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの概略構成図である。 前記燃料電池の概略説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの概略構成説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの一部正面説明図である。 特許文献１の燃料電池システムの説明図である。

符号の説明

１０、１４２…燃料電池システム
１２、９０、１００、１２０、１４０、１５０、１６０…燃料電池
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…制御装置 ２２、１０２…電解質膜・電極構造体
２４、２６、９２、１０４、１０６、１６２…セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０…固体高分子電解質膜 ３０ａ…燃料ガス供給連通孔
３０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３２、１０８…カソード側電極
３４、１１０…アノード側電極 ３６…酸化剤ガス流路
３８ａ、５６ａ…入口バッファ部 ３８ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
４２ａ、１１２ａ、１５２ａ…給水部
４２ｂ、９６ｂ、１１２ｂ、１５２ｂ…吸水部
４４…水導出口 ４６…水導入口
４８、１２６、１３６ａ、１３６ｂ…水循環流路
５０、５０ａ、５０ｂ…ポンプ ５４…燃料ガス流路
１０８ａ、１１０ａ…ガス拡散層 １０８ｂ、１１０ｂ…電極触媒層
１２２、１３０…燃料電池スタック
１２４ａ、１２４ｂ、１３４ａ、１３４ｂ…エンドプレート
１３２…仕切りプレート １４４…切換弁
１４６…排水流路

Claims (14)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとを有し、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される固体高分子型燃料電池であって、
   少なくとも前記反応ガス流路の下流側に設けられる吸水部と、
   前記吸水部に連通する水導出口と、
   前記反応ガス流路の上流側に連通する水導入口と、
   前記水導出口及び前記水導入口を繋ぎ、前記反応ガス流路の外部に配置される水循環流路と、
   前記水循環流路に配設され、前記吸水部で回収された水を前記反応ガス流路の上流側に戻すポンプと、
   を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、少なくとも前記反応ガス流路の上流側に給水部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記セパレータには、前記反応ガス流路の上流側及び下流側に入口バッファ部及び出口バッファ部が設けられるとともに、
   少なくとも前記出口バッファ部には、前記吸水部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
4. 請求項３記載の固体高分子型燃料電池において、少なくとも前記入口バッファ部には、前記給水部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
5. 請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池において、前記セパレータには、前記反応ガス流路の上流側及び下流側に入口バッファ部及び出口バッファ部が設けられるとともに、
   前記電解質膜・電極構造体は、少なくとも前記出口バッファ部に対応する部分に、拡散層と同一平面上に前記吸水部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
6. 請求項５記載の固体高分子型燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体は、少なくとも前記入口バッファ部に対応する部分に、拡散層と同一平面上に前記給水部が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記電解質膜・電極構造体と前記セパレータとが複数積層されたスタックを備え、
   前記スタックには、前記水導出口及び前記水導入口が積層方向に貫通して設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
8. 請求項７記載の固体高分子型燃料電池において、前記水循環流路及び前記ポンプは、前記スタックに一体に設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記ポンプは、前記反応ガス流路の下流側に設けられる前記吸水部の水保持力よりも低い吸引圧力に設定されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記水循環流路には、前記水を外部に放出するために切換弁及び排水流路が設けられることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記水循環流路は、同一の極内で前記水導出口と前記水導入口とを繋ぐことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記水循環流路は、異なる極内で前記水導出口と前記水導入口とを繋ぐことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記吸水部は、親水性の吸水部材であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
14. 請求項２〜１３のいずれか１項に記載の固体高分子型燃料電池において、前記給水部は、親水性の吸水部材であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

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