JP2009218051A - 燃料電池、および、燃料電池システム - Google Patents

燃料電池、および、燃料電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】固体高分子型燃料電池において、効果的な電解質膜の自己加湿を行う。
【解決手段】電解質膜(固体高分子膜)の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータで挟持することによって、燃料電池を構成する。この燃料電池は、アノードの表面に沿って、第1の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、カソードの表面に沿って、第1の方向と互いに対向する第2の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路とを備える。そして、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の少なくとも一方に、アノードオフガスに含まれる発電時に精製された生成水、および、カソードオフガスに含まれる生成水の少なくとも一方を捕捉するための生成水捕捉部を備える。
【選択図】図5

Description

本発明は、燃料電池、および、燃料電池システムに関するものである。
燃料ガス(例えば、水素)と酸化剤ガス(例えば、酸素)との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。このため、固体高分子型燃料電池では、発電中に、電解質膜の加湿が必要となる。
従来、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜(固体高分子膜)を加湿するために、カソードに供給される酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を加湿する加湿器が備えられることが多い。そして、この加湿器を備えることは、燃料電池システムの大型化を招いていた。このため、燃料電池システムの小型化を図るために、加湿器を小型化して低加湿のガスを用いて発電を行うこと、さらには、加湿器を省略して無加湿のガスを用いて発電を行うことが求められている。このような要請は、搭載スペースに制限がある車両に燃料電池システムを搭載する場合に特に強い。
そこで、近年では、発電時に上記電気化学反応によって生成された生成水を、燃料電池の内部で再循環させて、電解質膜の加湿を行う技術が提案されている(例えば、下記特許文献1,2参照)。以下、発電によって生成された生成水を、燃料電池の内部で再循環させて、電解質膜の加湿を行うことを、「自己加湿」と呼ぶ。
特開2006−40563号公報 特開2002−42844号公報
上記特許文献1,2に記載された技術によれば、アノード、および/または、カソードの同一面内における自己加湿は可能ではある。しかし、上記特許文献1,2に記載された技術では、十分かつ効果的な電解質膜の自己加湿を行うことができず、さらなる改善の余地があった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池において、効果的な電解質膜の自己加湿を行うことを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記アノードの表面に沿って、第1の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、前記カソードの表面に沿って、前記第1の方向と互いに対向する第2の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の少なくとも一方に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水、および、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水の少なくとも一方を捕捉するための生成水捕捉部と、を備える燃料電池。
膜電極接合体において、発電時にカソードで生成された生成水は、酸化剤ガス、あるいは、カソードオフガスの流れによって、これらのガスの流れ方向の下流に移動する。また、発電時にカソードで生成された生成水は、電解質膜を介して、アノード側に透過し、このアノード側に透過した生成水は、燃料ガス、あるいは、アノードオフガスの流れによって、これらのガスの流れ方向の下流に移動する。そして、適用例1の燃料電池では、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とが互いに対向しており、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部(すなわち、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部と膜電極接合体を挟んで互いに対向する部位)、および、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部(すなわち、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最上流部と膜電極接合体を挟んで互いに対向する部位)の少なくとも一方に、上記生成水捕捉部を備えている。
このため、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に生成水捕捉部を備えるようにすれば、この生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路から燃料電池の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜を介して、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード側に透過した生成水を、燃料ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部に生成水捕捉部を備えるようにすれば、この生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路から燃料電池の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜を介して、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。
したがって、本適用例によって、固体高分子型燃料電池において、効果的な電解質膜の自己加湿を行うことができる。なお、上述した内容から分かるように、生成水捕捉部は、アノード側ガス流路における燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の双方に備えるようにすることが好ましい。
[適用例2]適用例1記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内の少なくとも一方に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙である、燃料電池。
適用例2の燃料電池では、上記空隙内に生成水を含むガスを滞留させ、このガスに含まれる生成水を捕捉することができる。
[適用例3]適用例2記載の燃料電池であって、前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有している、燃料電池。
適用例3の燃料電池では、上記空隙は、空隙内の流路抵抗が、空隙が設けられた側の流路内の空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有しているので、この空隙内に滞留させた生成水を含むガスの移動を抑制し、さらに効果的に生成水を捕捉することができる。
[適用例4]適用例2または3記載の燃料電池であって、前記空隙は、前記第1の方向、または、前記第2の方向に対して蛇行するように形成されている、燃料電池。
適用例4の燃料電池によって、比較的容易に、上記空隙内の流路抵抗が、上記空隙が設けられた側の流路内の上記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなるようにすることができる。
[適用例5]適用例2ないし4のいずれかに記載の燃料電池であって、前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されている、燃料電池。
適用例5の燃料電池では、上記空隙内に、吸湿性を有する吸湿部材が充填されているので、さらに効果的に生成水捕捉部に生成水を捕捉することができる。
[適用例6]適用例5記載の燃料電池であって、前記吸湿性部材は、多孔質部材である、燃料電池。
適用例6の燃料電池によって、比較的容易に、吸湿部材を構成することができる。
[適用例7]適用例6記載の燃料電池であって、前記多孔質部材の細孔内には、親水処理が施されている、燃料電池。
適用例7の燃料電池によって、上記多孔質部材の吸湿性を向上させることができる。
[適用例8]適用例1記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、前記生成水捕捉部として、ガスの流れ方向への前記生成水の移動を抑制する移動抑制部材を備える、燃料電池。
適用例8の燃料電池では、上記移動抑制部材によって、ガスに含まれる生成水の排出口への移動を抑制し、効果的に生成水を捕捉することができる。
[適用例9]適用例8記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、前記多孔体は、第1の多孔体と、前記移動抑制部材として、前記第1の多孔体よりも圧力損失が大きい第2の多孔体と、を備える、燃料電池。
適用例9の燃料電池では、上記第2の多孔体によって、ガスに含まれる生成水の排出口への移動を抑制し、効果的に生成水を捕捉することができる。なお、上記第1の多孔体、および、上記第2の多孔体としては、例えば、発泡金属焼結体や、金属メッシュや、エキスパンドメタル等、種々の部材を用いることができる。
[適用例10]適用例9記載の燃料電池であって、前記第2の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗は、前記第1の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗よりも大きい、燃料電池。
適用例10の燃料電池によって、上記第2の多孔体における圧力損失を、上記第1の多孔体における圧力損失よりも大きくすることができる。
[適用例11]適用例9または10記載の燃料電池であって、前記第2の多孔体の気孔率は、前記第1の多孔体の気孔率よりも低い、燃料電池。
適用例11の燃料電池によって、上記第2の多孔体における圧力損失、および、流路抵抗を、上記第1の多孔体における圧力損失、および、流路抵抗よりも大きくすることができる。
[適用例12]適用例9ないし11のいずれかに記載の燃料電池であって、前記第2の多孔体には、親水処理が施されている、燃料電池。
適用例12の燃料電池によって、上記第2の多孔体に、より効果的に生成水を捕捉することができる。
[適用例13]適用例1記載の燃料電池であって、前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、前記生成水捕捉部は、前記アノード側に配置されるセパレータの前記アノード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面、および、前記カソード側に配置されるセパレータの前記カソード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面の少なくとも一方に設けられ、前記生成水を含むガスを滞留させるための凹部である、燃料電池。
適用例3の燃料電池では、上記凹部内に生成水を含むガスを滞留させ、このガスに含まれる生成水を捕捉することができる。
[適用例14]適用例13記載の燃料電池であって、前記セパレータは、少なくとも一方に前記凹部が形成された2枚の金属板を互いに接合することによって作製されている、燃料電池。
適用例14の燃料電池によって、上記凹部が形成されたセパレータを、比較的容易に作製することができる。
[適用例15]適用例13または14記載の燃料電池であって、前記凹部には、親水処理が施されている、燃料電池。
適用例15の燃料電池によって、上記凹部に、より効果的に生成水を捕捉することができる。
[適用例16]適用例1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、前記カソード側に配置されるセパレータは、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口を備えており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されている、燃料電池。
適用例16の燃料電池によって、生成水捕捉部に捕捉された生成水がカソードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制することができる。燃料電池において、カソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最下流部が最も生成水の多くなる傾向にあるため、本適用例は効果的である。
[適用例17]適用例16記載の燃料電池であって、前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口を備えており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、燃料電池。
適用例17の燃料電池によって、さらに、生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、アノード側に透過した生成水を、燃料ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。
[適用例18]適用例1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、前記アノード側に配置されるセパレータは、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口を備えており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されている、燃料電池。
適用例18の燃料電池によって、生成水捕捉部に捕捉された生成水がアノードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制することができる。さらに、本適用例によって、最も乾燥しやすいカソード側ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向の最上流部を効果的に自己加湿することができる。
[適用例19]適用例18記載の燃料電池であって、前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口を備えており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、燃料電池。
適用例19の燃料電池によって、さらに、生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、カソード側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。
[適用例20]適用例1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に設けられたカソード側生成水捕捉部と、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられたアノード側生成水捕捉部と、を含み、前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口と、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口と、を備えており、前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口と、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口と、を備えており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記カソード側生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記カソード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されており、前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記アノード側生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されており、前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記アノード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、燃料電池。
適用例20の燃料電池では、カソード側生成水捕捉部に捕捉された生成水がカソードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、カソード側生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、アノード側に透過した生成水を、燃料ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部に捕捉された生成水がアノードオフガス排出口から燃料電池の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、アノード側生成水捕捉部に捕捉され、電解質膜を介して、カソード側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。
[適用例21]適用例1記載の燃料電池であって、前記生成水捕捉部は、前記電解質膜に親水処理を施すことによって形成されている、燃料電池。
適用例21の燃料電池によって、生成水補足部を電解質膜の内部に形成し、効果的に生成水を捕捉し、この生成水を、電解質膜の一方の面から他方の面に透過させることができる。
[適用例22]適用例21記載の燃料電池であって、前記親水処理は、前記電解質膜よりも高い親水性を有する酸化物、および、前記電解質膜よりも高い親水性を有する金属の少なくとも一方を含む添加物を、前記電解質膜に添加する処理である、燃料電池。
適用例22の燃料電池によって、比較的容易に、電解質膜の内部に生成水捕捉部を形成することができる。なお、上記酸化物としては、例えば、酸化チタンや、酸化ケイ素や、酸化セリウム(セリア)等が挙げられる。また、上記金属としては、例えば、白金や、白金合金等が挙げられる。
[適用例23]適用例22記載の燃料電池であって、前記添加物は、さらに、前記電解質膜を劣化させるラジカルの発生を抑制する性質を有する、燃料電池。
固体高分子型燃料電池では、一般に、発電時に、ヒドロキシラジカルが発生し、このヒドロキシラジカルは、電解質膜を劣化させる。適用例23の燃料電池では、上記添加物が、さらに、電解質膜を劣化させるラジカル(ヒドロキシラジカル)の発生する性質を有しているので、さらに、生成水捕捉部における電解質膜の劣化を抑制することができる。
[適用例24]適用例23記載の燃料電池であって、前記添加物は、セリア、および、白金の少なくとも一方を含む、燃料電池。
セリア(酸化セリウム(IV))や、白金は、電解質膜よりも高い親水性、および、電解質膜を劣化させるラジカルの発生を抑制する性質を有している。したがって、適用例24の燃料電池によって、電解質膜に形成された生成水捕捉部において、生成水の捕捉、および、電解質膜を劣化させるラジカルの発生の抑制を効果的に行うことができる。また、白金は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を促進する触媒として性質も有しているため、上記添加物として、白金を用いることによって、さらに、電解質膜の内部で生成水を生成し、自己加湿に利用することも可能となる。
[適用例25]適用例1ないし24のいずれかに記載の燃料電池を備える燃料電池システム。
適用例25の燃料電池システムでは、上述した効果的な電解質膜の自己加湿を行うことが可能な燃料電池を備えているので、燃料電池システムに備えられる先に説明した加湿器を小型化したり、さらに、省略したりすることができる。この結果、燃料電池システムの燃費(エネルギ効率)を向上させることもできる。
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。
燃料電池スタック100は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルモジュール40を、複数積層させたスタック構造を有している。各セルモジュール40は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン(登録商標)等の固体高分子膜を用いるものとした。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水(水、エチレングリコール等)の流路が形成されている。なお、セルモジュール40の積層数は、燃料電池スタック100に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
燃料電池スタック100は、一端から、エンドプレート10a、絶縁板20a、集電板30a、複数のセルモジュール40、集電板30b、絶縁板20b、エンドプレート10bの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック100内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック100内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各セルモジュール40に分配して供給するための供給マニホールド(水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド)や、各セルモジュール40のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック100の外部に排出するための排出マニホールド(アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド)が形成されている。
エンドプレート10a,10bは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板20a,20bは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板30a,30bは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板30a,30bには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック100で発電した電力を出力可能となっている。
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック100は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。
燃料電池スタック100のアノードには、配管53を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク50から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク50の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
水素タンク50に貯蔵された高圧水素は、水素タンク50の出口に設けられたシャットバルブ51、レギュレータ52によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各セルモジュール40のアノードに供給される。各セルモジュール40から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管56を介して、燃料電池スタック100の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック100の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。
また、配管53、および、排出配管56には、アノードオフガスを配管53に再循環させるための循環配管54が接続されている。そして、排出配管56の循環配管54との接続部の下流側には、排気バルブ57が配設されている。また、循環配管54には、ポンプ55が配設されている。ポンプ55、および、排気バルブ57の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管53に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管53に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
燃料電池スタック100のカソードには、配管61を介して、コンプレッサ60によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管61に接続された空気供給マニホールドを介して、各セルモジュール40のカソードに供給される。各セルモジュール40のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管62を介して、燃料電池スタック100の外部に排出される。排出配管62からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック100のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
燃料電池スタック100は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ70によって、配管72を流れ、ラジエータ71によって冷却されて、燃料電池スタック100に供給される。
燃料電池システム1000の運転は、制御ユニット80によって制御される。制御ユニット80は、内部にCPU、RAM、ROM、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ROMに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。
なお、電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池を備える燃料電池システムでは、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保ち、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持する必要があるため、例えば、酸化剤ガスとしての空気を加湿するための加湿器が備えられることが多い。そして、この加湿器を備えることは、燃料電池システムの大型化や、燃費(エネルギ効率)の低下を招いていた。これに対し、本実施例の燃料電池システム1000では、燃料電池スタック100を構成する各セルモジュール40は、後述するように、発電時に生成された生成水を、各セルモジュール40内で再循環させて、各セルモジュール40が備える電解質膜の自己加湿を効率的に行うことが可能な構造をそれぞれ有している。したがって、燃料電池システム1000は、酸化剤ガスとしての空気や、燃料ガスとしての水素の加湿を行うための加湿器を備えておらず、小型化されており、燃費(エネルギ効率)の向上が図られている。
以下、本発明の特徴である、電解質膜の効率的な自己加湿を行うことが可能な種々のセルモジュール40について説明する。なお、以下に説明する種々の実施例のセルモジュールは、それぞれ異なる構造を有しているが、すべて「セルモジュール40」と統一して呼ぶものとする。
B.第1実施例:
第1実施例のセルモジュール40は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の周囲にシールガスケットを配置したユニット(以下、シールガスケット一体型MEAと呼ぶ)を、後述するカソード側セパレータ、および、アノード側セパレータによって挟持することによって構成されている。
図2は、第1実施例のセルモジュール40におけるシールガスケット一体型MEA41の概略構成を示す説明図である。図2(a)に、シールガスケット一体型MEA41のアノード側から見た平面図を示した。また、図2(b)には、図2(a)におけるA−A断面図を示した。
図2(a)に示したように、シールガスケット一体型MEA41は、矩形形状を有しており、矩形形状を有するMEA411の周囲に、シールガスケット410を一体形成したものである。シールガスケット410としては、ゴムや、樹脂等、絶縁性、耐熱性、および、ガス不透過性を有する種々の材料を用いることができる。
そして、シールガスケット410の図示した左側短辺部のMEA411の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔412iと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔414oとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット410の図示した右側短辺部のMEA411の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔414iと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔412oとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット410の図示した上側長辺部のMEA411の近傍領域には、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔416iが、シールガスケット410の上側長辺に沿って形成されている。また、シールガスケット410の図示した下側長辺部のMEA411の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔416oが、シールガスケット410の下側長辺に沿って形成されている。
MEA411は、図2(b)に示したように、電解質膜411mの両面に、それぞれカソード411c(カソード側触媒層411cc、カソード側ガス拡散層411cd)、および、アノード411a(アノード側触媒層411ac、アノード側ガス拡散層411ad)を接合したものである。
図3は、第1実施例のセルモジュール40におけるカソード側セパレータ42CA1の概略構成を示す説明図である。図3(a)に、カソード側セパレータ42CA1をMEA411のカソード411cと当接する側から見た平面図を示した。また、図3(b)に、図3(a)に示したカソード側セパレータ42CA1を裏面側から見た平面図を示した。
カソード側セパレータ42CA1は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41と同一の矩形形状を有している。そして、カソード側セパレータ42CA1には、図示するように、シールガスケット一体型MEA41のシールガスケット410に形成された空気供給用貫通孔412i、アノードオフガス排出用貫通孔414o、水素供給用貫通孔414i、カソードオフガス排出用貫通孔412o、冷却水供給用貫通孔416i、冷却水排出用貫通孔416oとそれぞれ対応する位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。
また、図3(a)に示したように、カソード側セパレータ42CA1の表面には、空気供給用貫通孔422iから、MEA411のカソード411cの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部422d1,422d2、および、複数のリブ部422r1,422r2が形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、図示するように、複数の溝部422d1と複数の溝部422d2との間、および、複数のリブ部422r1と複数のリブ部422r2との間、すなわち、カソード側ガス流路の途中に、カソード側セパレータ42CA1の厚さ方向に貫通し、カソード側ガス流路からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口422eが形成されている。つまり、複数の溝部422d2、および、複数のリブ部422r2は、カソードオフガス排出口422eよりも、空気、あるいは、カソードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。なお、カソードオフガス排出口422eから排出されたカソードオフガスは、カソード側セパレータ42CA1の裏面に形成された溝部422d3(図3(b)参照)を通って、カソードオフガス排出用貫通孔422oに流出する。
また、図3(b)に示したように、カソード側セパレータ42CA1の裏面には、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。
図4は、第1実施例のセルモジュール40におけるアノード側セパレータ42AN1の概略構成を示す説明図である。図4(a)に、アノード側セパレータ42AN1をMEA411のアノード411aと当接する側から見た平面図を示した。また、図4(b)に、図4(a)に示したアノード側セパレータ42AN1を裏面側から見た平面図を示した。
アノード側セパレータ42AN1は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41と同一の矩形形状を有している。そして、アノード側セパレータ42AN1には、図示するように、シールガスケット一体型MEA41のシールガスケット410に形成された空気供給用貫通孔412i、アノードオフガス排出用貫通孔414o、水素供給用貫通孔414i、カソードオフガス排出用貫通孔412o、冷却水供給用貫通孔416i、冷却水排出用貫通孔416oとそれぞれ対応する位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。
また、図4(a)に示したように、アノード側セパレータ42AN1の表面には、水素供給用貫通孔424iから、MEA411のアノード411aの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部424d1,424d2、および、複数のリブ部424r1,424r2が形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、図示するように、複数の溝部424d1と複数の溝部424d2との間、および、複数のリブ部424r1と複数のリブ部424r2との間、すなわち、アノード側ガス流路の途中に、アノード側セパレータ42AN1の厚さ方向に貫通し、アノード側ガス流路からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口424eが形成されている。つまり、複数の溝部424d2、および、複数のリブ部424r2は、アノードオフガス排出口424eよりも、水素、あるいは、アノードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。なお、アノードオフガス排出口424eから排出されたアノードオフガスは、アノード側セパレータ42AN1の裏面に形成された溝部424d3(図4(b)参照)を通って、アノードオフガス排出用貫通孔424oに流出する。
また、図4(b)に示したように、アノード側セパレータ42AN1の裏面には、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。
図5は、第1実施例のセルモジュール40の断面構造を示す説明図である。図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA1、および、アノード側セパレータ42AN1によって挟持したときの、図3(a)におけるA−A断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA1、および、アノード側セパレータ42AN1によって挟持したときの、図4(a)におけるB−B断面図を示した。
図示するように、燃料電池スタック100の外部から供給された空気は、カソード側セパレータ42CA1に形成された空気供給用貫通孔422iから分岐して、溝部422d1内を図示した左から右に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、空気、および、カソードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むカソードオフガスの一部は、空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部422d2内の空隙に流れ込んで滞留し、残りのカソードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたカソードオフガス排出口422e、および、溝部422d3を通って、カソードオフガス排出用貫通孔422oを通じて燃料電池スタック100の外部に排出される。溝部422d2内の空隙に滞留したカソードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する(以下、カソード側生成水捕捉部とも呼ぶ)。
一方、燃料電池スタック100の外部から供給された水素は、アノード側セパレータ42AN1に形成された水素供給用貫通孔424iから分岐して、溝部424d1内を図示した右から左に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むアノードオフガスの一部は、水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部424d2内の空隙に流れ込んで滞留し、残りのアノードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたアノードオフガス排出口424e、および、溝部424d2を通って、アノードオフガス排出用貫通孔424oを通じて燃料電池スタック100の外部に排出される。溝部424d2内の空隙に滞留したアノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する(以下、アノード側生成水捕捉部とも呼ぶ)。
以上説明した第1実施例のセルモジュール40では、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向と、アノード側ガス流路における水素および、アノードオフガスの流れ方向とが互いに対向している。また、セルモジュール40は、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部(すなわち、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部とMEA411を挟んで互いに対向する部位)に、カソード側生成水捕捉部を備えている。また、アノード側ガス流路における水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部(すなわち、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部とMEA411を挟んで互いに対向する部位)に、アノード側生成水捕捉部を備えている。
このため、カソード側生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路からセルモジュール40の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜411mを介して、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード411a側に透過した生成水を、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路からセルモジュール40の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜411mを介して、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード411c側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。したがって、第1実施例のセルモジュール40によれば、効果的な電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
上述した第1実施例のセルモジュール40による自己加湿の効果を検証するために、第1実施例のセルモジュール40と、比較例のセルモジュール40Rとの発電性能の比較実験を行った。この実験では、第1実施例のセルモジュール40、および、比較例のセルモジュール40Rを用いてそれぞれ無加湿運転(発電)を行ったときの、所定の下限電圧を所定時間維持できる冷却水の最高温度を比較した。セルモジュール40,40Rでは、冷却水の温度上昇、すなわち、セルモジュール40,40Rの温度上昇とともに、電解質膜411mのドライアップ(水分不足)が生じ、起電力が低下するからである。
図6は、比較例のセルモジュール40Rの構成を示す説明図である。比較例のセルモジュール40Rは、第1実施例のセルモジュール40と同様に、図2に示したシールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CAR、および、アノード側セパレータ42ANRによって挟持することによって構成されている。図6(a)に、カソード側セパレータ42CARをMEA411のカソード411cと当接する側から見た平面図を示した。また、図6(b)に、アノード側セパレータ42ANRをMEA411のアノード411aと当接する側から見た平面図を示した。また、図6(c)に、セルモジュール40Rの断面構造を示した。図6(c)において、図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CAR、および、アノード側セパレータ42ANRによって挟持したときの、図6(a)におけるA−A断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CAR、および、アノード側セパレータ42ANRによって挟持したときの、図6(b)におけるB−B断面図を示した。
図6(a)と図3との比較から分かるように、カソード側セパレータ42CARには、カソード側セパレータ42CA1と同じ位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。また、カソード側セパレータ42CARの表面には、空気供給用貫通孔422iからカソードオフガス排出用貫通孔422oに、MEA411のカソード411cの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部422d、および、複数のリブ部422rが形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、カソード側セパレータ42CARは、カソード側セパレータ42CA1とは異なり、カソード側ガス流路の途中からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口422e、および、溝部422d3や、カソード側生成水捕捉部を備えていない(図6(c)参照)。なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ42CARの裏面には、カソード側セパレータ42CA1と同様に、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。
また、図6(b)と図4との比較から分かるように、アノード側セパレータ42ANRには、アノード側セパレータ42AN1と同じ位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。また、アノード側セパレータ42ANRの表面には、水素供給用貫通孔424iからアノードオフガス排出用貫通孔424oに、MEA411のアノード411aの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部424d、および、複数のリブ部424rが形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、アノード側セパレータ42ANRは、アノード側セパレータ42AN1とは異なり、アノード側ガス流路の途中からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口424e、および、溝部424d3や、アノード側生成水捕捉部を備えていない(図6(c)参照)。なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ42ANRの裏面には、アノード側セパレータ42AN1と同様に、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。
図7は、比較実験の実験結果を示す説明図である。第1実施例のセルモジュール40では、比較例のセルモジュール40Rに対して、5(℃)のゲインが得られた。すなわち、第1実施例のセルモジュール40では、比較例のセルモジュール40Rよりも5(℃)高い最高温度で、同じ下限電圧を維持することができた。この結果から、第1実施例のセルモジュール40において、効果的に電解質膜411mの自己加湿が行われることが分かる。また、第1実施例のセルモジュール40を燃料電池スタック100に適用した場合、比較例のセルモジュール40Rを燃料電池スタック100に適用した場合よりも、燃料電池システム1000におけるラジエータ71の大きさを小型化し、燃料電池システム1000の小型化を図ることもできることが分かる。
C.第2実施例:
第2実施例のセルモジュール40の構成は、第1実施例のセルモジュール40の構成とほぼ同じである。ただし、第2実施例のセルモジュール40では、カソード側セパレータ42CA2、および、アノード側セパレータ42AN2の構成が、それぞれ、第1実施例のセルモジュール40におけるカソード側セパレータ42CA1、および、アノード側セパレータ42AN1の構成と一部異なっている。
図8は、第2実施例のセルモジュール40の構成を示す説明図である。第2実施例のセルモジュール40は、第1実施例のセルモジュール40と同様に、図2に示したシールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA2、および、アノード側セパレータ42AN2によって挟持することによって構成されている。図8(a)に、カソード側セパレータ42CA2をMEA411のカソード411cと当接する側から見た平面図を示した。また、図8(b)に、アノード側セパレータ42AN2をMEA411のアノード411aと当接する側から見た平面図を示した。また、図8(c)に、セルモジュール40の断面構造を示した。図8(c)において、図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA2、および、アノード側セパレータ42AN2によって挟持したときの、図8(a)におけるA−A断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA2、および、アノード側セパレータ42AN2によって挟持したときの、図8(b)におけるB−B断面図を示した。
図8(a)と図3との比較から分かるように、カソード側セパレータ42CA2には、カソード側セパレータ42CA1と同じ位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。また、カソード側セパレータ42CA2の表面には、空気供給用貫通孔422iから、MEA411のカソード411cの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部422d1,422d2、および、複数のリブ部422r1,422r2が形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、カソード側セパレータ42CA1と同様に、複数の溝部422d1と複数の溝部422d2との間、および、複数のリブ部422r1と複数のリブ部422r2との間、すなわち、カソード側ガス流路の途中に、カソード側セパレータ42CA2の厚さ方向に貫通し、カソード側ガス流路からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口422eが形成されている。つまり、複数の溝部422d2、および、複数のリブ部422r2は、カソードオフガス排出口422eよりも、空気、あるいは、カソードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるカソード側セパレータ42CA2では、カソード側セパレータ42CA1と異なり、複数の溝部422d2、および、複数のリブ部422r2は、カソード側ガス流路が蛇行するように形成されている。
なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ42CA2の裏面には、カソード側セパレータ42CA1と同様に、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。また、カソード側セパレータ42CA2の裏面には、カソードオフガス排出口422eから排出されたカソードオフガスをカソードオフガス排出用貫通孔422oに流出させるための溝部422d3が形成されている。
また、図8(b)と図4との比較から分かるように、アノード側セパレータ42AN2には、アノード側セパレータ42AN1と同じ位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。また、アノード側セパレータ42AN2の表面には、水素供給用貫通孔424iから、MEA411のアノード411aの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部424d1,424d2、および、複数のリブ部424r1,424r2が形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、アノード側セパレータ42AN1と同様に、複数の溝部424d1と複数の溝部424d2との間、および、複数のリブ部424r1と複数のリブ部424r2との間、すなわち、アノード側ガス流路の途中に、アノード側セパレータ42AN1の厚さ方向に貫通し、アノード側ガス流路からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口424eが形成されている。つまり、複数の溝部424d2、および、複数のリブ部424r2は、アノードオフガス排出口424eよりも、水素、あるいは、アノードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるアノード側セパレータ42AN2では、アノード側セパレータ42AN1と異なり、複数の溝部424d2、および、複数のリブ部424r2は、アノード側ガス流路が蛇行するように形成されている。
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ42AN2の裏面には、アノード側セパレータ42AN1と同様に、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。また、アノード側セパレータ42AN2の裏面には、アノードオフガス排出口424eから排出されたアノードオフガスをアノードオフガス排出用貫通孔424oに流出させるための溝部424d3が形成されている。
図8(c)に示したように、燃料電池スタック100の外部から供給された空気は、カソード側セパレータ42CA2に形成された空気供給用貫通孔422iから分岐して、溝部422d1内を図示した左から右に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、空気、および、カソードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むカソードオフガスの一部は、空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部422d2内の、蛇行した形状を有する空隙に流れ込んで滞留し、残りのカソードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたカソードオフガス排出口422e、および、溝部422d3を通って、カソードオフガス排出用貫通孔422oを通じて燃料電池スタック100の外部に排出される。溝部422d2内の、蛇行した形状を有する空隙に滞留したカソードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
一方、燃料電池スタック100の外部から供給された水素は、アノード側セパレータ42AN2に形成された水素供給用貫通孔424iから分岐して、溝部424d1内を図示した右から左に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むアノードオフガスの一部は、水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部424d2内の、蛇行した形状を有する空隙に流れ込んで滞留し、残りのアノードオフガスは、この空隙よりも上流側に形成されたアノードオフガス排出口424e、および、溝部424d2を通って、アノードオフガス排出用貫通孔424oを通じて燃料電池スタック100の外部に排出される。溝部424d2内の、蛇行した形状を有する空隙に滞留したアノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この空隙は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
以上説明した第2実施例のセルモジュール40では、第1実施例のセルモジュール40と同様に、カソード側生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路からセルモジュール40の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜411mを介して、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード411a側に透過した生成水を、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路からセルモジュール40の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜411mを介して、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード411c側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。したがって、第2実施例のセルモジュール40によれば、効果的な電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
なお、本実施例のセルモジュール40では、上述したように、カソード側生成水捕捉部の形状が蛇行した形状を有しているため、カソード側流路において、カソード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなっている。同様に、アノード側生成水捕捉部の形状も蛇行した形状を有しているため、アノード側流路において、アノード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなっている。したがって、第2実施例のセルモジュール40では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部に捕捉した生成水が外部へ排出されるのを抑制する効果が、第1実施例のセルモジュール40よりも高くなる。
上述した第2実施例のセルモジュール40による自己加湿の効果を検証するために、第1実施例のセルモジュール40と、第2実施例のセルモジュール40との発電性能の比較実験を行った。この実験では、先に第1実施例で説明したのと同様に、第1実施例のセルモジュール40、および、第2実施例のセルモジュール40を用いてそれぞれ無加湿運転(発電)を行ったときの、所定の下限電圧を所定時間維持できる冷却水の最高温度を比較した。
図9は、比較実験の実験結果を示す説明図である。第2実施例のセルモジュール40では、第1実施例のセルモジュール40Rに対して、3(℃)のゲインが得られた。すなわち、第2実施例のセルモジュール40では、第1実施例のセルモジュール40よりも3(℃)高い最高温度で、同じ下限電圧を維持することができた。この結果から、第2実施例のセルモジュール40において、第1実施例のセルモジュール40よりも効果的に電解質膜411mの自己加湿が行われることが分かる。また、第2実施例のセルモジュール40を燃料電池スタック100に適用した場合、第1実施例のセルモジュール40を燃料電池スタック100に適用した場合よりも、燃料電池システム1000におけるラジエータ71の大きさを小型化し、燃料電池システム1000の小型化を図ることもできることが分かる。
D.第3実施例:
第3実施例のセルモジュール40の構成は、第1実施例のセルモジュール40の構成とほぼ同じである。ただし、第3実施例のセルモジュール40では、カソード側セパレータ42CA3、および、アノード側セパレータ42AN3の構成が、それぞれ、第1実施例のセルモジュール40におけるカソード側セパレータ42CA1、および、アノード側セパレータ42AN1の構成と一部異なっている。
図10は、第3実施例のセルモジュール40の構成を示す説明図である。第3実施例のセルモジュール40は、第1実施例のセルモジュール40と同様に、図2に示したシールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA3、および、アノード側セパレータ42AN2によって挟持することによって構成されている。図10(a)に、カソード側セパレータ42CA3をMEA411のカソード411cと当接する側から見た平面図を示した。また、図10(b)に、アノード側セパレータ42AN3をMEA411のアノード411aと当接する側から見た平面図を示した。また、図10(c)に、セルモジュール40の断面構造を示した。図10(c)において、図中に描かれた一点鎖線の上側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA3、および、アノード側セパレータ42AN3によって挟持したときの、図10(a)におけるA−A断面図を示した。また、図中に描かれた一点鎖線の下側に、シールガスケット一体型MEA41を、カソード側セパレータ42CA3、および、アノード側セパレータ42AN3によって挟持したときの、図10(b)におけるB−B断面図を示した。
図10(a)と図3との比較から分かるように、カソード側セパレータ42CA3には、カソード側セパレータ42CA1と同じ位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。また、カソード側セパレータ42CA3の表面には、空気供給用貫通孔422iから、MEA411のカソード411cの表面に沿って、空気が流れるように、複数の溝部422d1,422d2、および、複数のリブ部422r1,422r2が形成されており、これらはカソード側ガス流路を形成する。そして、カソード側セパレータ42CA1と同様に、複数の溝部422d1と複数の溝部422d2との間、および、複数のリブ部422r1と複数のリブ部422r2との間、すなわち、カソード側ガス流路の途中に、カソード側セパレータ42CA2の厚さ方向に貫通し、カソード側ガス流路からカソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出口422eが形成されている。つまり、複数の溝部422d2、および、複数のリブ部422r2は、カソードオフガス排出口422eよりも、空気、あるいは、カソードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるカソード側セパレータ42CA3では、カソード側セパレータ42CA1と異なり、複数の溝部422d2内に、多孔質部材からなる吸湿材422aが充填されている。多孔質部材としては、多数の細孔を有する種々の部材を適用可能である。この吸湿材422a(多孔質部材)の細孔内には、吸湿性を高めるため、親水処理が施されている。
なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ42CA3の裏面には、カソード側セパレータ42CA1と同様に、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。また、カソード側セパレータ42CA3の裏面には、カソードオフガス排出口422eから排出されたカソードオフガスをカソードオフガス排出用貫通孔422oに流出させるための溝部422d3が形成されている。
また、図10(b)と図4との比較から分かるように、アノード側セパレータ42AN3には、アノード側セパレータ42AN1と同じ位置に、空気供給用貫通孔422i、アノードオフガス排出用貫通孔424o、水素供給用貫通孔424i、カソードオフガス排出用貫通孔422o、冷却水供給用貫通孔426i、冷却水排出用貫通孔426oが形成されている。また、アノード側セパレータ42AN3の表面には、水素供給用貫通孔424iから、MEA411のアノード411aの表面に沿って、水素が流れるように、複数の溝部424d1,424d2、および、複数のリブ部424r1,424r2が形成されており、これらはアノード側ガス流路を形成する。そして、アノード側セパレータ42AN1と同様に、複数の溝部424d1と複数の溝部424d2との間、および、複数のリブ部424r1と複数のリブ部424r2との間、すなわち、アノード側ガス流路の途中に、アノード側セパレータ42AN1の厚さ方向に貫通し、アノード側ガス流路からアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出口424eが形成されている。つまり、複数の溝部424d2、および、複数のリブ部424r2は、アノードオフガス排出口424eよりも、水素、あるいは、アノードオフガスの流れ方向の下流側に形成されている。ただし、図示するように、本実施例におけるアノード側セパレータ42AN3では、アノード側セパレータ42AN1と異なり、複数の溝部424d2内に、多孔質部材からなる吸湿材424aが充填されている。多孔質部材としては、多数の細孔を有する種々の部材を適用可能である。この吸湿材424a(多孔質部材)の細孔内には、吸湿性を高めるため、親水処理が施されている。
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ42AN3の裏面には、アノード側セパレータ42AN1と同様に、冷却水供給用貫通孔426iから冷却水排出用貫通孔426oに冷却水が流れるように、複数の溝部426d、および、複数のリブ部426rが形成されている。また、アノード側セパレータ42AN3の裏面には、アノードオフガス排出口424eから排出されたアノードオフガスをアノードオフガス排出用貫通孔424oに流出させるための溝部424d3が形成されている。
図10(c)に示したように、燃料電池スタック100の外部から供給された空気は、カソード側セパレータ42CA3に形成された空気供給用貫通孔422iから分岐して、溝部422d1内を図示した左から右に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、空気、および、カソードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むカソードオフガスの一部は、空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部422d2内に充填された吸湿材422aに流れ込んで滞留し、残りのカソードオフガスは、吸湿材422aよりも上流側に形成されたカソードオフガス排出口422e、および、溝部422d3を通って、カソードオフガス排出用貫通孔422oを通じて燃料電池スタック100の外部に排出される。吸湿材422a内に滞留したカソードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この吸湿材422aは、本発明における生成水捕捉部に相当する。
一方、燃料電池スタック100の外部から供給された水素は、アノード側セパレータ42AN3に形成された水素供給用貫通孔424iから分岐して、溝部424d1内を図示した右から左に流れる。このとき、発電時に生成された生成水も、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動する。そして、生成水を含むアノードオフガスの一部は、水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部に位置する溝部424d2内に充填された吸湿材424aに流れ込んで滞留し、残りのアノードオフガスは、吸湿材424aよりも上流側に形成されたアノードオフガス排出口424e、および、溝部424d2を通って、アノードオフガス排出用貫通孔424oを通じて燃料電池スタック100の外部に排出される。吸湿材424a内に滞留したアノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この吸湿材424aは、本発明における生成水捕捉部に相当する。
以上説明した第3実施例のセルモジュール40では、第1実施例のセルモジュール40と同様に、カソード側生成水捕捉部によって、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、カソード側ガス流路からセルモジュール40の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜411mを介して、アノード側ガス流路における水素、および、アノードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このアノード411a側に透過した生成水を、水素、および、アノードオフガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。また、アノード側生成水捕捉部によってアノードオフガスに含まれる生成水を捕捉し、アノード側ガス流路からセルモジュール40の外部への生成水の排出を抑制するとともに、捕捉した生成水を、電解質膜411mを介して、カソード側ガス流路における空気、および、カソードオフガスの流れ方向の最上流部に効果的に透過させることができる。そして、このカソード411c側に透過した生成水を、酸化剤ガスの流れによって移動させ、再循環させることができる。したがって、第3実施例のセルモジュール40によれば、効果的な電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
なお、本実施例のセルモジュール40では、上述したように、カソード側生成水捕捉部として、吸湿材422aを備えているため、カソード側流路において、カソード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなり、かつ、捕捉する生成水の量も多くなる。同様に、アノード側生成水捕捉部として、吸湿材424aを備えているため、アノード側流路において、アノード側生成水捕捉部の流路抵抗が、他の部位における流路抵抗よりも大きくなり、かつ、捕捉する生成水の量も多くなる。したがって、第3実施例のセルモジュール40では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部に捕捉した生成水が外部へ排出されるのを抑制する効果が、第1実施例のセルモジュール40よりも高くなる。
上述した第3実施例のセルモジュール40による自己加湿の効果を検証するために、第1実施例のセルモジュール40と、第3実施例のセルモジュール40との発電性能の比較実験を行った。この実験では、先に第1実施例で説明したのと同様に、第1実施例のセルモジュール40、および、第3実施例のセルモジュール40を用いてそれぞれ無加湿運転(発電)を行ったときの、所定の下限電圧を所定時間維持できる冷却水の最高温度を比較した。
図11は、比較実験の実験結果を示す説明図である。第3実施例のセルモジュール40では、第1実施例のセルモジュール40Rに対して、5(℃)のゲインが得られた。すなわち、第3実施例のセルモジュール40では、第1実施例のセルモジュール40よりも5(℃)高い最高温度で、同じ下限電圧を維持することができた。この結果から、第3実施例のセルモジュール40において、第1実施例のセルモジュール40よりも効果的に電解質膜411mの自己加湿が行われることが分かる。また、第3実施例のセルモジュール40を燃料電池スタック100に適用した場合、第1実施例のセルモジュール40や、第2実施例のセルモジュール40を燃料電池スタック100に適用した場合よりも、燃料電池システム1000におけるラジエータ71の大きさを小型化し、燃料電池システム1000の小型化を図ることもできることが分かる。
E.第4実施例:
第4実施例のセルモジュール40は、後述するように、シールガスケット一体型MEAの両面に、金属多孔体を積層させ、これらを、セパレータによって挟持することによって構成されている。
図12は、第4実施例のセルモジュール40におけるシールガスケット一体型MEA41Aの概略構造を示す説明図である。図12(a)に、シールガスケット一体型MEA41Aのカソード側から見た平面図を示した。また、図12(b)には、図12(a)におけるA−A断面図を示した。
図12(a)に示したように、シールガスケット一体型MEA41Aは、矩形形状を有しており、矩形形状を有するMEA411の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット410Aを一体形成したものである。MEA411は、先に図2を用いて説明したMEA411と同じものであり、電解質膜411mの両面に、それぞれカソード411c(カソード側触媒層411cc、カソード側ガス拡散層411cd)、および、アノード411a(アノード側触媒層411ac、アノード側ガス拡散層411ad)を接合したものである。
そして、シールガスケット410Aの図示した左側短辺部のMEA411の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔412oと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔416iとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット410Aの図示した右側短辺部のMEA411の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔416oと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔414oとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット410Aの図示した上側長辺部のMEA411の近傍領域には、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔414iが、シールガスケット410Aの上側長辺に沿って形成されている。また、シールガスケット410Aの図示した下側長辺部のMEA411の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔412iが、シールガスケット410Aの下側長辺に沿って形成されている。
また、シールガスケット410Aにおける、上述した各貫通孔、および、MEA411の周囲には、図12(b)に示したように、シールガスケット410Aの両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインSLがそれぞれ形成されている。このシールラインSLによって、シールガスケット一体型MEA41Aと後述するセパレータ42Aとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、MEA411の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
図13は、セパレータ42Aの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ42Aは、それぞれ複数の貫通孔が設けられた3枚の金属製の平板、すなわち、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとから構成されている。そして、セパレータ42Aは、中間プレート42mを、カソード対向プレート42cと、アノード対向プレート42aとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとは、シールガスケット一体型MEA41Aと同一の矩形形状を有するステンレス鋼製の平板を用いるものとした。カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとして、ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属製の平板を用いるものとしてもよい。
図13(a)は、シールガスケット一体型MEA41Aのカソード側の面と当接するカソード対向プレート42cの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41におけるMEA411に対応する領域を表している。
図示するように、カソード対向プレート42cには、シールガスケット一体型MEA41Aに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422ciと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422coと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424ciと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426ciと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426coと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424coとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、カソード対向プレート42cには、図示するように、空気供給用貫通孔422ci近傍のMEA411の下端部と対向する位置に配置された空気供給口422osと、カソードオフガス排出用貫通孔422co近傍のMEA411の上端部と対向する位置から所定間隔下方の位置に配置されたカソードオフガス排出口422oeとが形成されている。本実施例では、空気供給口422osと、カソードオフガス排出口422oeとは、MEA411の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
図13(b)は、中間プレート42mの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41AにおけるMEA411に対応する領域を表している。
図示するように、中間プレート42mには、シールガスケット一体型MEA41Aに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422miと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422moと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424miと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424moとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート42mには、冷却水供給マニホールドを構成する複数の冷却水流路形成用貫通孔426mも形成されている。
また、中間プレート42mにおいて、空気供給用貫通孔422miには、空気供給用貫通孔422miから、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422osに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部422mipが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔422moには、カソード対向プレート42cに形成されたカソードオフガス排出口422oeから、カソードオフガス排出用貫通孔422moに、カソードオフガスを流すためのカソードオフガス排出用流路形成部422mopが設けられている。また、水素供給用貫通孔424miには、この水素供給用貫通孔424miから、後述するアノード対向プレート42aに形成された水素供給口424hsに、水素を流すための複数の水素供給用流路形成部424mipが、櫛歯状に設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔424moには、後述するアノード対向プレート42aに形成されたアノードオフガス排出口424heから、アノードオフガス排出用貫通孔424moに、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部424mopが設けられている。
図13(c)は、シールガスケット一体型MEA41Aのアノード側の面と当接するアノード対向プレート42aの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41AにおけるMEA411に対応する領域を表している。
図示するように、アノード対向プレート42aには、シールガスケット一体型MEA41Aに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422aiと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422aoと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424aiと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426aiと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426aoと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424aoとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41Aにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、アノード対向プレート42aには、図示するように、水素供給用貫通孔424ai近傍のMEA411の上端部と対向する位置に配置された水素供給口424hsと、空気供給用貫通孔422ai近傍のMEA411の下端部と対向する位置から所定間隔上方の位置に配置されたアノードオフガス排出口424heとが形成されている。本実施例では、水素供給口424hsと、アノードオフガス排出口424heとは、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422os、および、カソードオフガス排出口422oeと同様に、MEA411の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。
図14は、セパレータ42Aの平面図である。このセパレータ42Aは、先に説明したように、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42a側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42aにおいて、水素供給口424hsは、中間プレート42mに形成された複数の水素供給用流路形成部424mipの各下端部と重なるように形成されている。また、アノード対向プレート42aにおいて、アノードオフガス排出口424heは、中間プレート42mに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部424mopと重なるように形成されている。
また、カソード対向プレート42cにおいて、空気供給口422osは、中間プレート42mに形成された複数の空気供給用流路形成部422mipの各上端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート42cにおいて、カソードオフガス排出口422oeは、中間プレート42mに形成されたカソードオフガス排出用流路形成部422mopと重なるように形成されている。
また、中間プレート42mにおいて、複数の冷却水流路形成用貫通孔426mは、それぞれ、図示した左側の端部が、アノード対向プレート42aに形成された冷却水供給用貫通孔426ai、および、カソード対向プレート42cに形成された冷却水供給用貫通孔426ciと重なるとともに、図示した右側の端部が、アノード対向プレート42aに形成された冷却水排出用貫通孔426ao、および、カソード対向プレート42cに形成された冷却水排出用貫通孔426coと重なるように形成されている。
図15は、第4実施例のセルモジュール40の断面構造を示す説明図である。セパレータ42Aと、シールガスケット一体型MEA41Aとを積層させたときの、図14におけるA−A断面図を示した。
本実施例のセルモジュール40では、シールガスケット一体型MEA41Aのアノード411aと、セパレータ42Aのアノード対向プレート42aとの間には、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体(アノード側金属多孔体43a)が介装され、アノード側ガス拡散層411adの表面に沿って水素を流すためのアノード側流路が形成されている。そして、図示するように、アノード側金属多孔体43aにおいて、水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部であって、空気供給口422osとMEA411を挟んで対向する部位には、他の部位よりも気孔率が低いアノード側金属多孔体43asが配置されている。そして、アノード側金属多孔体43aにおいて、アノード側金属多孔体43asにおける圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗は、他の部位に配置された金属多孔体における圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗よりも高い。なお、このアノード側金属多孔体43asには、保水性を高めるために、親水処理が施されている。このアノード側金属多孔体43asは、本発明における第2の多孔体、移動抑制部材に相当する。また、アノード側金属多孔体43aにおけるアノード側金属多孔体43as以外の領域に配置された金属多孔体は、本発明における第1の多孔体に相当する。
また、シールガスケット一体型MEA41Aのカソード411cと、セパレータ42Aのカソード対向プレート42cとの間にも、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体(カソード側金属多孔体43c)が介装され、カソード側ガス拡散層411cdの表面に沿って空気を流すためのカソード側流路が形成されている。そして、図示するように、カソード側金属多孔体43cにおいて、空気、および、アノードオフガスの流れ方向の最下流部であって、水素供給口424hsとMEA411を挟んで対向する部位には、他の部位よりも気孔率が低いカソード側金属多孔体43csが配置されている。そして、カソード側金属多孔体43cにおいて、カソード側金属多孔体43csにおける圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗は、他の部位に配置された金属多孔体における圧力損失、および、ガスの流れ方向の流路抵抗よりも高い。なお、このカソード側金属多孔体43csには、保水性を高めるために、親水処理が施されている。このカソード側金属多孔体43csは、本発明における第2の多孔体、移動抑制部材に相当する。また、カソード側金属多孔体43cにおけるカソード側金属多孔体43cs以外の領域に配置された金属多孔体は、本発明における第1の多孔体に相当する。
本実施例では、アノード側金属多孔体43a(アノード側金属多孔体43asを含む)、および、カソード側金属多孔体43c(カソード側金属多孔体43csを含む)として、発泡金属焼結体を用いるものとしたが、この代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタルや、パンチングメタルを波板状に加工したもの等、種々の部材を用いることができる。
図中に矢印で示したように、セルモジュール40において、燃料電池スタック100の外部から供給された空気は、アノード対向プレート42aの空気供給用貫通孔422aiを通り、中間プレート42mの空気供給用貫通孔422miから分岐して、空気供給用流路形成部422mipを通り、カソード対向プレート42cの空気供給口422osから、カソード側金属多孔体43cの表面に対して垂直な方向に供給される。
そして、図14、および、図15から分かるように、空気供給口422osから供給された空気は、カソード側金属多孔体43c中、および、カソード側ガス拡散層411cd中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート42cのカソードオフガス排出口422oeから、カソード側金属多孔体43cの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート42mのカソードオフガス排出用流路形成部422mop、カソードオフガス排出用貫通孔422moを通って、アノード対向プレート42aのカソードオフガス排出用貫通孔422aoを通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。このとき、生成水を含むカソードオフガスの一部は、カソードオフガス排出口422oeよりも下流側のカソード側金属多孔体43csに流れ込んで滞留し、カソードオフガスに含まれる生成水は、カソード側金属多孔体43csによって捕捉される。カソード側金属多孔体43csは、本発明におけるカソード側生成水捕捉部に相当する。
また、図中に矢印で示したように、燃料電池スタック100の外部から供給された水素は、カソード対向プレート42cの水素供給用貫通孔424ciを通り、中間プレート42mの水素供給用貫通孔424miから分岐して、水素供給用流路形成部424mipを通り、アノード対向プレート42aの水素供給口424hsから、アノード側金属多孔体43aの表面に対して垂直な方向に供給される。
そして、図14、および、図15から分かるように、水素供給口424hsから供給された水素は、アノード側金属多孔体43a中、および、アノード側ガス拡散層411ad中を拡散しつつ流れ、アノード対向プレート42aのアノードオフガス排出口424heから、アノード側金属多孔体43aの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート42mのアノードオフガス排出用流路形成部424mop、アノードオフガス排出用貫通孔424moを通って、カソード対向プレート42cのアノードオフガス排出用貫通孔424co等を通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。このとき、生成水を含むアノードオフガスの一部は、アノードオフガス排出口424heよりも下流側のアノード側金属多孔体43asに流れ込んで滞留し、アノードオフガスに含まれる生成水は、アノード側金属多孔体43asによって捕捉される。アノード側金属多孔体43asは、本発明におけるアノード側生成水捕捉部に相当する。
また、図14、および、図15から分かるように、燃料電池スタック100の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート42aの冷却水供給用貫通孔426ai、中間プレート42mの冷却水流路形成用貫通孔426mを通って、アノード対向プレート42aの冷却水排出用貫通孔426ao等を通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。
以上説明した第5実施例のセルモジュール40では、カソード側金属多孔体43cs(カソード側生成水捕捉部)に捕捉された生成水がカソードオフガス排出口422oeからセルモジュール40の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、カソード側金属多孔体43csに捕捉され、電解質膜411mを介して、アノード側に透過した生成水を、水素の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。また、アノード側金属多孔体43as(アノード側生成水捕捉部)に捕捉された生成水がアノードオフガス排出口424heからセルモジュール40の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、アノード側金属多孔体43asに捕捉され、電解質膜411mを介して、カソード側に透過した生成水を、空気の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。したがって、第5実施例のセルモジュール40によれば、効果的な電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
F.第5実施例:
第5実施例のセルモジュール40は、第4実施例のセルモジュール40と同様に、シールガスケット一体型MEAの両面に金属多孔体を積層させ、これらを、セパレータによって挟持することによって構成されている。
図16は、第5実施例のセルモジュール40におけるシールガスケット一体型MEA41Bの概略構造を示す説明図である。シールガスケット一体型MEA41Bのカソード側から見た平面図を示した。
図16に示したように、シールガスケット一体型MEA41Bは、矩形形状を有しており、矩形形状を有するMEA411の周囲に、シリコーンゴムからなるシールガスケット410Bを一体形成したものである。MEA411は、先に図2を用いて説明したMEA411と同じものであり、電解質膜411mの両面に、それぞれカソード411c(カソード側触媒層411cc、カソード側ガス拡散層411cd)、および、アノード411a(アノード側触媒層411ac、アノード側ガス拡散層411ad)を接合したものである。
そして、シールガスケット410Bの図示した左側短辺部のMEA411の近傍領域には、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔414oと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔416iとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット410Bの図示した右側短辺部のMEA411の近傍領域には、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔416oと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔414iとが、上下に配置して形成されている。また、シールガスケット410Bの図示した上側長辺部のMEA411の近傍領域には、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔412iが、シールガスケット410Bの上側長辺に沿って形成されている。また、シールガスケット410Bの図示した下側長辺部のMEA411の近傍領域には、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔412oが、シールガスケット410Bの下側長辺に沿って形成されている。
また、シールガスケット410Bにおける、上述した各貫通孔、および、MEA411の周囲には、第4実施例におけるシールガスケット410Aと同様に、シールガスケット410Bの両面にライン状の突起部を形成することによって、シールラインSLがそれぞれ形成されている。このシールラインSLによって、シールガスケット一体型MEA41Bと後述するセパレータ42Bとを積層したときに、上述した各貫通孔内を流れる水素や、空気や、冷却水、および、MEA411の表面を流れる水素や、空気等の外部へ漏洩を抑制することができる。
図17は、セパレータ42Bの構成部品の平面図である。本実施例におけるセパレータ42Bは、それぞれ複数の貫通孔が設けられた2枚の金属製のプレート、すなわち、カソード対向プレート42c、および、アノード対向プレート42aと、樹脂製の中間プレート42mとから構成されている。中間プレート42mとして、金属の代わりに樹脂を用いることによって、セパレータ42Bの軽量化を図ることができる。そして、セパレータ42Bは、中間プレート42mを、カソード対向プレート42cと、アノード対向プレート42aとによって挟み、これらをホットプレス接合することによって作製されている。本実施例では、カソード対向プレート42c、および、アノード対向プレート42aは、シールガスケット一体型MEA41Bと同一の矩形形状を有するステンレス鋼製のプレートを用いるものとした。なお、カソード対向プレート42c、および、アノード対向プレート42aには、後述するように、プレス加工によって凹凸が形成されている。
図17(a)は、シールガスケット一体型MEA41Bのカソード側の面と当接するカソード対向プレート42cの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41におけるMEA411に対応する領域を表している。
図示するように、カソード対向プレート42cには、シールガスケット一体型MEA41Bに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422ciと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422coと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424ciと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426ciと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426coと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424coとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、カソード対向プレート42cには、図示するように、空気供給用貫通孔422ci近傍のMEA411の上端部と対向する位置に配置された空気供給口422osと、カソードオフガス排出用貫通孔422co近傍のMEA411の下端部と対向する位置に配置されたカソードオフガス排出口422oeとが形成されている。本実施例では、空気供給口422osと、カソードオフガス排出口422oeとは、MEA411の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。また、図示するように、冷却水供給用貫通孔426ciと冷却水排出用貫通孔426coとの間の領域には、複数の凹部427が形成されている。これら複数の凹部427は、後述するように、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとを重ねて、これらをホットプレス接合したときに、アノード対向プレート42aと当接するように形成されている。これは、カソード対向プレート42cとアノード対向プレート42aとの電気的導通を確保するためである。
図17(b)は、中間プレート42mの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41BにおけるMEA411に対応する領域を表している。
図示するように、中間プレート42mには、シールガスケット一体型MEA41Bに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422miと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422moと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424miと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424moとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41において、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。また、中間プレート42mには、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水流路形成用貫通孔426mも形成されている。
また、中間プレート42mにおいて、空気供給用貫通孔422miには、空気供給用貫通孔422miから、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422osに、空気を流すための複数の空気供給用流路形成部422mipが、櫛歯状に設けられている。また、カソードオフガス排出用貫通孔422moには、カソード対向プレート42cに形成されたカソードオフガス排出口422oeから、カソードオフガス排出用貫通孔422moに、カソードオフガスを流すための複数のカソードオフガス排出用流路形成部422mopが、櫛歯状に設けられている。また、水素供給用貫通孔424miには、この水素供給用貫通孔424miから、後述するアノード対向プレート42aに形成された水素供給口424hsに、水素を流すための水素供給用流路形成部424mipが設けられている。また、アノードオフガス排出用貫通孔424moには、後述するアノード対向プレート42aに形成されたアノードオフガス排出口424heから、アノードオフガス排出用貫通孔424moに、アノードオフガスを流すためのアノードオフガス排出用流路形成部424mopが設けられている。
図17(c)は、シールガスケット一体型MEA41Bのアノード側の面と当接するアノード対向プレート42aの平面図である。図中の破線で囲った領域は、先に説明したシールガスケット一体型MEA41BにおけるMEA411に対応する領域を表している。
図示するように、アノード対向プレート42aには、シールガスケット一体型MEA41Bに形成された各貫通孔と対応する位置に、空気供給マニホールドを構成する空気供給用貫通孔422aiと、カソードオフガス排出マニホールドを構成するカソードオフガス排出用貫通孔422aoと、水素供給マニホールドを構成する水素供給用貫通孔424aiと、冷却水供給マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔426aiと、冷却水排出マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔426aoと、アノードオフガス排出マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔424aoとが形成されている。これらの各貫通孔の形状は、シールガスケット一体型MEA41Bにおいて、これらと対応する各貫通孔の形状と同じである。
また、アノード対向プレート42aには、図示するように、カソードオフガス排出用貫通孔422ao近傍のMEA411の下端部と対向する位置から所定間隔上方の位置に配置された水素供給口424hsと、空気供給用貫通孔422ai近傍のMEA411の上端部と対向する位置から所定間隔下方の位置に配置されたアノードオフガス排出口424heとが形成されている。本実施例では、水素供給口424hsと、アノードオフガス排出口424heとは、カソード対向プレート42cに形成された空気供給口422os、および、カソードオフガス排出口422oeと同様に、MEA411の長辺の長さとほぼ等しい幅を有するスリット形状を有するものとした。また、図示するように、冷却水供給用貫通孔426aiと冷却水排出用貫通孔426aoとの間であって、先に説明したカソード対向プレート42cにおける複数の凹部427と対向する部位よりも上方の領域には、複数の凸部428が、千鳥状に配置されて形成されている。これら複数の凸部428は、後述するように、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとを重ねて、これらをホットプレス接合したときに、カソード対向プレート42cと当接するように形成されている。これは、先に説明したカソード対向プレート42cにおける凹部427と同様に、カソード対向プレート42cとアノード対向プレート42aとの電気的導通を確保するためである。
図18は、セパレータ42Bの平面図である。このセパレータ42Bは、先に説明したように、カソード対向プレート42cと、中間プレート42mと、アノード対向プレート42aとを、ホットプレス接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート42a側から見た様子を示した。
図から分かるように、アノード対向プレート42aにおいて、水素供給口424hsは、中間プレート42mに形成された水素供給用流路形成部424mipと重なるように形成されている。また、アノード対向プレート42aにおいて、アノードオフガス排出口424heは、中間プレート42mに形成されたアノードオフガス排出用流路形成部424mopと重なるように形成されている。
また、カソード対向プレート42cにおいて、空気供給口422osは、中間プレート42mに形成された複数の空気供給用流路形成部422mipの各下端部と重なるように形成されている。また、カソード対向プレート42cにおいて、カソードオフガス排出口422oeは、中間プレート42mに形成された複数のカソードオフガス排出用流路形成部422mopの各上端部と重なるように形成されている。
また、中間プレート42mにおいて、冷却水流路形成用貫通孔426mは、図示した左側の端部が、アノード対向プレート42aに形成された冷却水供給用貫通孔426ai、および、カソード対向プレート42cに形成された冷却水供給用貫通孔426ciと重なるとともに、図示した右側の端部が、アノード対向プレート42aに形成された冷却水排出用貫通孔426ao、および、カソード対向プレート42cに形成された冷却水排出用貫通孔426coと重なるように形成されている。
図19は、第5実施例のセルモジュール40の断面構造を示す説明図である。セパレータ42Bと、シールガスケット一体型MEA41Bとを積層させたときの、図18におけるA−A断面図を示した。
本実施例のセルモジュール40では、シールガスケット一体型MEA41Bのアノード411aと、セパレータ42Bのアノード対向プレート42aとの間には、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体(アノード側金属多孔体43a)が介装され、アノード側ガス拡散層411adの表面に沿って水素を流すためのアノード側流路が形成されている。
また、シールガスケット一体型MEA41Bのカソード411cと、シールガスケット一体型MEA41Bのカソード対向プレート42cとの間にも、導電性、および、ガス拡散性を有する金属多孔体(カソード側金属多孔体43c)が介装され、カソード側ガス拡散層411cdの表面に沿って空気を流すためのカソード側流路が形成されている。
本実施例では、アノード側金属多孔体43a(アノード側金属多孔体43asを含む)、および、カソード側金属多孔体43c(カソード側金属多孔体43csを含む)として、発泡金属焼結体を用いるものとしたが、この代わりに、例えば、金属メッシュや、エキスパンドメタルや、パンチングメタルを波板状に加工したもの等、種々の部材を用いることができる。
図中に矢印で示したように、セルモジュール40において、燃料電池スタック100の外部から供給された空気は、アノード対向プレート42aの空気供給用貫通孔422aiを通り、中間プレート42mの空気供給用貫通孔422miから分岐して、空気供給用流路形成部422mipを通り、カソード対向プレート42cの空気供給口422osから、カソード側金属多孔体43cの表面に対して垂直な方向に供給される。
そして、空気供給口422osから供給された空気は、カソード側金属多孔体43c中、および、カソード側ガス拡散層411cd中を拡散しつつ流れ、カソード対向プレート42cのカソードオフガス排出口422oeから、カソード側金属多孔体43cの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート42mのカソードオフガス排出用流路形成部422mop、カソードオフガス排出用貫通孔422moを通って、アノード対向プレート42aのカソードオフガス排出用貫通孔422aoを通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。このとき、生成水を含むカソードオフガスの一部は、カソード対向プレート42cに形成され凹部427に流れ込んで滞留し、カソードオフガスに含まれる生成水は、この凹部427で捕捉される。なお、凹部427の内壁には、保水性を高めるために、親水処理が施されている。凹部427は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
また、図18、および、図19から分かるように、燃料電池スタック100の外部から供給された水素は、カソード対向プレート42cの水素供給用貫通孔424ciを通り、中間プレート42mの水素供給用貫通孔424miから分岐して、水素供給用流路形成部424mipを通り、アノード対向プレート42aの水素供給口424hsから、アノード側金属多孔体43aの表面に対して垂直な方向に供給される。
そして、水素供給口424hsから供給された水素は、アノード側金属多孔体43a中、および、アノード側ガス拡散層411ad中を拡散しつつ流れ、アノード対向プレート42aのアノードオフガス排出口424heから、アノード側金属多孔体43aの表面に対して垂直な方向に排出され、中間プレート42mのアノードオフガス排出用流路形成部424mop、アノードオフガス排出用貫通孔424moを通って、カソード対向プレート42cのアノードオフガス排出用貫通孔424coを通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。このとき、生成水を含むアノードオフガスの一部は、アノード側金属多孔体43aの水素、および、カソードオフガスの流れ方向のアノードオフガス排出口424heよりも下流側の最下流部に流れ込んで滞留し、アノードオフガスに含まれる生成水は、ここで捕捉される。この部位は、本発明における生成水捕捉部に相当する。
また、図18、および、図19から分かるように、燃料電池スタック100の外部から供給された冷却水は、アノード対向プレート42aの冷却水供給用貫通孔426ai、中間プレート42mの冷却水流路形成用貫通孔426mを通って、アノード対向プレート42aの冷却水排出用貫通孔426ao等を通じて、燃料電池スタック100の外部に排出される。
以上説明した第5実施例のセルモジュール40では、カソード対向プレート42cに形成された凹部427で捕捉された生成水がカソードオフガス排出口422oeからセルモジュール40の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、凹部427で捕捉され、電解質膜411mを介して、アノード側に透過した生成水を、水素の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。また、アノード側金属多孔体43aの水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部で捕捉された生成水がアノードオフガス排出口424heからセルモジュール40の外部に排出されるのを効果的に抑制するとともに、アノード側金属多孔体43aの水素、および、カソードオフガスの流れ方向の最下流部で捕捉され、電解質膜411mを介して、カソード側に透過した生成水を、空気の流れによって移動させ、効果的に再循環させることができる。したがって、第5実施例のセルモジュール40によれば、効果的な電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
G.第6実施例:
上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40では、主として、カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路を改良することによって、効率的な電解質膜411mの自己加湿を実現した。第6実施例では、MEA411に改良を加えることによって、効果的な電解質膜411mの自己加湿を実現した。なお、本実施例のMEA411は、水素と酸素とが、MEA411を挟んで互いに対向する方向に流れる構成を有する種々のセルモジュール40に適用可能であり、上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40、または、先に説明した比較例のセルモジュール40Rのいずれにも適用することができる。
図20は、第6実施例のMEA411を示す説明図である。第6実施例のMEA411の断面図を示した。なお、図中の白抜き矢印は、生成水の移動の様子を示している。
図示するように、第6実施例のMEA411では、電解質膜411mの一方の面(図示した上側の面)に、カソード側触媒層411ccが形成されており、他方の面(図示した下側の面)に、アノード側触媒層411acが形成されている。なお、図示した例では、カソード側触媒層411cc、および、アノード側触媒層411acは、電解質膜411mの全面に形成されていないが、カソード側触媒層411cc、および、アノード側触媒層411acを、電解質膜411mの全面に形成するようにしてもよい。また、この図では、カソード側ガス拡散層411cd、および、アノード側ガス拡散層411adは描かれていないが、これらを備えるようにしてもよい。
そして、本実施例のMEA411では、電解質膜411mにおける空気の流れ方向の最下流部(すなわち、水素の流れ方向の最上流部)、および、水素の流れ方向の最下流部(すなわち、空気の流れ方向の最上流部)に、白金(Pt)の粒子が添加物として添加されている。白金は、電解質膜411mの親水性よりも高い親水性を有しているので、発電時に生成されたカソードオフガスに含まれる生成水を、電解質膜411mにおける白金が添加された空気の流れ方向の最下流部の領域で捕捉し、この生成水を効果的にアノード側の水素の流れ方向の最上流部に透過させることができる。また、アノードオフガスに含まれる生成水を、電解質膜411mにおける白金が添加された水素の流れ方向の最下流部の領域で捕捉し、この生成水を効果的にカソード側の空気の流れ方向の最上流部に移動させることができる。したがって、第6実施例のMEA411をセルモジュール40に適用することによって、効果的な電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
また、白金は、電解質膜411mを劣化させるラジカル(ヒドロキシラジカル)の発生を抑制する性質を有している。そして、第6実施例のMEA411では、電解質膜411mに添加する添加剤として、白金を用いているので、さらに、ヒドロキシラジカルによる電解質膜411mの劣化を抑制することもできる。
また、白金は、水素と酸素との反応を促進する触媒としての性質を有しているので、電解質膜411mに添加する添加物として、白金を用いることによって、さらに、電解質膜411mの内部で生成水を生成し、自己加湿に利用することも可能となる。
H.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
H1.変形例1:
上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40では、カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路の双方に、生成水捕捉部を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側ガス流路、および、アノード側ガス流路の少なくとも一方に生成水捕捉部を備えるようにすればよい。
また、上記第1ないし第5実施例のセルモジュール40では、MEA411の全面にカソード側触媒層411cc、カソード側ガス拡散層411cd、および、アノード側触媒層411ac、アノード側ガス拡散層411adが形成されているものとしたが、生成水捕捉部に対応する領域について、これらを形成しないようにしてもよい。こうすることによって、生成水が透過するときの抵抗を抑制することができる。
H2.変形例2:
上記第2実施例のセルモジュール40では、カソード側生成水捕捉部、および、アノード側生成水捕捉部は、蛇行した形状を有する空隙であるものとしたが、本発明は、これに限られない。これらの形状は、流路抵抗が、各ガス流路内の他の部位における流路抵抗よりも大きくなるような形状とすればよい。
H3.変形例3:
上記第2実施例のセルモジュール40において、カソード側セパレータ42CA2の溝部422d2、および、溝部424d2の内部に、第3実施例のセルモジュール40で用いた吸湿材422a、および、吸湿材424aをそれぞれ充填するようにしてもよい。
H4.変形例4:
上記第3実施例のセルモジュール40では、吸湿材422a、および、吸湿材424aに、それぞれ親水処理を施すものとしたが、親水処理を省略するようにしてもよい。
H5.変形例5:
上記第4実施例のセルモジュール40では、図15に示したように、カソード側金属多孔体43cの、MEA411を挟んで水素供給口424hsと対向する部位に、他の部位よりも気孔率が低いカソード側金属多孔体43csを配置し、アノード側金属多孔体43aの、411を挟んで空気供給口422osと対向する部位に、他の部位よりも気孔率が低いアノード側金属多孔体43asを配置するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、カソード側金属多孔体43csや、アノード側金属多孔体43asを省略するようにしてもよい。この場合、カソード側金属多孔体43csや、アノード側金属多孔体43asを配置していた部位を空隙としてもよいし、カソード側金属多孔体43cや、アノード側金属多孔体43aを延在させるようにしてもよい。
H6.変形例6:
上記第5実施例のセルモジュール40では、図19に示したように、セパレータ42Bに設けられた凹部427で、カソードオフガスに含まれる生成水を捕捉するものとしたが、さらに、アノードオフガスに含まれる生成水を捕捉するための凹部を設けるようにしてもよい。
また、第5実施例のセルモジュール40では、凹部427の内壁に親水処理を施すものとしたが、親水処理を省略するようにしてもよい。
H7.変形例7:
上記第6実施例では、電解質膜411mに添加する添加物として、白金を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。添加物として、例えば、セリアや、白金合金を用いるようにしてもよい。セリアや、白金合金も、白金と同様に、電解質膜411mよりも高い親水性を有するとともに、ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質を有しているので、同様の効果を得ることができる。つまり、電解質膜411mに添加する添加物としては、セリア、および、白金の少なくとも一方を含むようにすればよい。
また、上記第6実施例、および、上記変形例では、電解質膜411mに添加する添加物として、電解質膜411mよりも高い親水性を有するとともに、ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質を有する白金やセリアを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。ヒドロキシラジカルの発生を抑制する性質は有していないが、電解質膜411mよりも高い親水性を有する材料を添加物として用いるようにしてもよい。このような材料としては、例えば、酸化チタンや、酸化ケイ素等の酸化物が挙げられる。このような添加物を電解質膜411mに添加することによっても、電解質膜411mの内部に生成水を保水して、電解質膜411mの一方のから他方に透過させ、電解質膜411mの自己加湿を行うことができる。
H8.変形例8:
上記第1ないし第6実施例のセルモジュール40における特徴部分を、適宜、組み合わせてもよい。また、上記第1ないし第3実施例では、空気、および、水素の流路はストレートであるものとしたが、本発明では、一般に、これらの流れ方向が互いに対向する方向になるようにすればよく、いわゆるサーペンタイン型のガス流路を適用するようにしてもよい。
H9.変形例9:
上記実施例の燃料電池システム1000では、燃料電池スタック100を構成するセルモジュール40において、電解質膜411mの自己加湿を効果的に行うことが可能であるため、空気や、水素を加湿するための加湿器を備えないものとしたが、高温での運転時に補助的に用いられる小型の加湿器を備えるようにしてもよい。
本発明の一実施例としての燃料電池システム1000の概略構成を示す説明図である。 第1実施例のセルモジュール40におけるシールガスケット一体型MEA41の概略構成を示す説明図である。 第1実施例のセルモジュール40におけるカソード側セパレータ42CA1の概略構成を示す説明図である。 第1実施例のセルモジュール40におけるアノード側セパレータ42AN1の概略構成を示す説明図である。 第1実施例のセルモジュール40の断面構造を示す説明図である。 比較例のセルモジュール40Rの構成を示す説明図である。 比較実験の実験結果を示す説明図である。 第2実施例のセルモジュール40の構成を示す説明図である。 比較実験の実験結果を示す説明図である。 第3実施例のセルモジュール40の構成を示す説明図である。 比較実験の実験結果を示す説明図である。 第4実施例のセルモジュール40におけるシールガスケット一体型MEA41Aの概略構造を示す説明図である。 セパレータ42Aの構成部品の平面図である。 セパレータ42Aの平面図である。 第4実施例のセルモジュール40の断面構造を示す説明図である。 第5実施例のセルモジュール40におけるシールガスケット一体型MEA41Bの概略構造を示す説明図である。 セパレータ42Bの構成部品の平面図である。 セパレータ42Bの平面図である。 第5実施例のセルモジュール40の断面構造を示す説明図である。 第6実施例のMEA411を示す説明図である。
符号の説明
1000…燃料電池システム
100…燃料電池スタック
10a,10b…エンドプレート
20a,20b…絶縁板
30a,30b…集電板
40,40R…セルモジュール
41…シールガスケット一体型MEA
411…MEA
411m…電解質膜
411a…アノード
411ac…アノード側触媒層
411ad…アノード側ガス拡散層
411c…カソード
411cc…カソード側触媒層
411cd…カソード側ガス拡散層
410,410A,410B…シールガスケット
412i…空気供給用貫通孔
412o…カソードオフガス排出用貫通孔
414i…水素供給用貫通孔
414o…アノードオフガス排出用貫通孔
416i…冷却水供給用貫通孔
416o…冷却水排出用貫通孔
42CA1,42CA2,42CA3,42CAR…カソード側セパレータ
42AN1,42AN2,42AN3,42ANR…アノード側セパレータ
422i…空気供給用貫通孔
422o…カソードオフガス排出用貫通孔
422e…カソードオフガス排出口
422d,422d1,422d2,422d3…溝部
422r,422r1,422r2…リブ部
422a…吸湿材
424i…水素供給用貫通孔
424o…アノードオフガス排出用貫通孔
424e…アノードオフガス排出口
424d,424d1,424d2,424d3…溝部
424r,424r1,424r2…リブ部
424a…吸湿材
426i…冷却水供給用貫通孔
426o…冷却水排出用貫通孔
426d…溝部
426r…リブ部
41A,41B…シールガスケット一体型MEA
42A,42B…セパレータ
42c…カソード対向プレート
422ci…空気供給用貫通孔
422co…カソードオフガス排出用貫通孔
422os…空気供給口
422oe…カソードオフガス排出口
424ci…水素供給用貫通孔
424co…アノードオフガス排出用貫通孔
426ci…冷却水供給用貫通孔
426co…冷却水排出用貫通孔
427…凹部
42m…中間プレート
422mi…空気供給用貫通孔
422mip…空気供給用流路形成部
422mo…カソードオフガス排出用貫通孔
422mop…カソードオフガス排出用流路形成部
424mi…水素供給用貫通孔
424mip…水素供給用流路形成部
424mo…アノードオフガス排出用貫通孔
424mop…アノードオフガス排出用流路形成部
426m…冷却水流路形成用貫通孔
42a…アノード対向プレート
422ai…空気供給用貫通孔
422ao…カソードオフガス排出用貫通孔
424ai…水素供給用貫通孔
424ao…アノードオフガス排出用貫通孔
424hs…水素供給口
424he…アノードオフガス排出口
426ai…冷却水供給用貫通孔
426ao…冷却水排出用貫通孔
428…凸部
43a,43as…アノード側金属多孔体
43c,43cs…カソード側金属多孔体
50…水素タンク
51…シャットバルブ
52…レギュレータ
53…配管
54…循環配管
55…ポンプ
56…排出配管
57…排気バルブ
60…コンプレッサ
61…配管
62…排出配管
70…ポンプ
71…ラジエータ
72…配管
80…制御ユニット
SL…シールライン

Claims (25)

  1. 固体高分子からなる電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
    前記アノードの表面に沿って、第1の方向に燃料ガスを流すためのアノード側ガス流路と、
    前記カソードの表面に沿って、前記第1の方向と互いに対向する第2の方向に酸化剤ガスを流すためのカソード側ガス流路と、
    前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部、および、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部の少なくとも一方に設けられ、前記アノードから排出される排出ガスであるアノードオフガスに含まれる、発電時に生成された生成水、および、前記カソードから排出される排出ガスであるカソードオフガスに含まれる、前記生成水の少なくとも一方を捕捉するための生成水捕捉部と、
    を備える燃料電池。
  2. 請求項1記載の燃料電池であって、
    前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路内、および、前記カソード側ガス流路内の少なくとも一方に形成された、前記生成水を含むガスを滞留させるための空隙である、
    燃料電池。
  3. 請求項2記載の燃料電池であって、
    前記空隙は、前記空隙内の流路抵抗が、前記空隙が設けられた側の流路内の前記空隙以外の部位における流路抵抗よりも大きくなる形状を有している、
    燃料電池。
  4. 請求項2または3記載の燃料電池であって、
    前記空隙は、前記第1の方向、または、前記第2の方向に対して蛇行するように形成されている、
    燃料電池。
  5. 請求項2ないし4のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記空隙内には、吸湿性を有する吸湿部材が充填されている、
    燃料電池。
  6. 請求項5記載の燃料電池であって、
    前記吸湿性部材は、多孔質部材である、
    燃料電池。
  7. 請求項6記載の燃料電池であって、
    前記多孔質部材の細孔内には、親水処理が施されている、
    燃料電池。
  8. 請求項1記載の燃料電池であって、
    前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、前記生成水捕捉部として、ガスの流れ方向への前記生成水の移動を抑制する移動抑制部材を備える、
    燃料電池。
  9. 請求項8記載の燃料電池であって、
    前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、
    前記多孔体は、
    第1の多孔体と、
    前記移動抑制部材として、前記第1の多孔体よりも圧力損失が大きい第2の多孔体と、を備える、
    燃料電池。
  10. 請求項9記載の燃料電池であって、
    前記第2の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗は、前記第1の多孔体におけるガスの流れ方向の流路抵抗よりも大きい、
    燃料電池。
  11. 請求項9または10記載の燃料電池であって、
    前記第2の多孔体の気孔率は、前記第1の多孔体の気孔率よりも低い、
    燃料電池。
  12. 請求項9ないし11のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記第2の多孔体には、親水処理が施されている、
    燃料電池。
  13. 請求項1記載の燃料電池であって、
    前記アノード側ガス流路、および、前記カソード側ガス流路の少なくとも一方は、導電性、および、ガス拡散性を有する多孔体を、前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介装することによって形成されており、
    前記生成水捕捉部は、前記アノード側に配置されるセパレータの前記アノード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面、および、前記カソード側に配置されるセパレータの前記カソード側ガス流路を形成する多孔体と当接する表面の少なくとも一方に設けられ、前記生成水を含むガスを滞留させるための凹部である、
    燃料電池。
  14. 請求項13記載の燃料電池であって、
    前記セパレータは、少なくとも一方に前記凹部が形成された2枚の金属板を互いに接合することによって作製されている、
    燃料電池。
  15. 請求項13または14記載の燃料電池であって、
    前記凹部には、親水処理が施されている、
    燃料電池。
  16. 請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記生成水捕捉部は、前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、
    前記カソード側に配置されるセパレータは、前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口を備えており、
    前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されている、
    燃料電池。
  17. 請求項16記載の燃料電池であって、
    前記アノード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口を備えており、
    前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
    燃料電池。
  18. 請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記生成水捕捉部は、前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられており、
    前記アノード側に配置されるセパレータは、前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口を備えており、
    前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されている、
    燃料電池。
  19. 請求項18記載の燃料電池であって、
    前記カソード側に配置されるセパレータは、外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口を備えており、
    前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
    燃料電池。
  20. 請求項1ないし15のいずれかに記載の燃料電池であって、
    前記生成水捕捉部は、
    前記カソード側ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向の最下流部に設けられたカソード側生成水捕捉部と、
    前記アノード側ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向の最下流部に設けられたアノード側生成水捕捉部と、を含み、
    前記カソード側に配置されるセパレータは、
    外部から供給された前記酸化剤ガスを、前記カソード側ガス流路に、前記カソードの表面に対して略垂直方向に供給するための酸化剤ガス供給口と、
    前記カソードオフガスを、前記カソード側ガス流路から、前記カソードの表面に対して略垂直方向に排出するためのカソードオフガス排出口と、を備えており、
    前記アノード側に配置されるセパレータは、
    外部から供給された前記燃料ガスを、前記アノード側ガス流路に、前記アノードの表面に対して略垂直方向に供給するための燃料ガス供給口と、
    前記アノードオフガスを、前記アノード側ガス流路から、前記アノードの表面に対して略垂直方向に排出するためのアノードオフガス排出口と、を備えており、
    前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記カソードオフガス排出口は、前記カソード側生成水捕捉部よりも前記酸化剤ガスの流れ方向の上流側に形成されており、
    前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記燃料ガス供給口は、前記膜電極接合体を挟んで、前記カソード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されており、
    前記アノード側に配置されるセパレータにおいて、前記アノードオフガス排出口は、前記アノード側生成水捕捉部よりも前記燃料ガスの流れ方向の上流側に形成されており、
    前記カソード側に配置されるセパレータにおいて、前記酸化剤ガス供給部は、前記膜電極接合体を挟んで、前記アノード側生成水捕捉部と互いに対向する部位に形成されている、
    燃料電池。
  21. 請求項1記載の燃料電池であって、
    前記生成水捕捉部は、前記電解質膜に親水処理を施すことによって形成されている、
    燃料電池。
  22. 請求項21記載の燃料電池であって、
    前記親水処理は、前記電解質膜よりも高い親水性を有する酸化物、および、前記電解質膜よりも高い親水性を有する金属の少なくとも一方を含む添加物を、前記電解質膜に添加する処理である、
    燃料電池。
  23. 請求項22記載の燃料電池であって、
    前記添加物は、さらに、前記電解質膜を劣化させるラジカルの発生を抑制する性質を有する、
    燃料電池。
  24. 請求項23記載の燃料電池であって、
    前記添加物は、セリア、および、白金の少なくとも一方を含む、
    燃料電池。
  25. 請求項1ないし24のいずれかに記載の燃料電池を備える燃料電池システム。
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