JP4344484B2 - 固体高分子型セルアセンブリ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、比較的に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、多数個の単位セルを積層する構造等が採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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一体的に有し、前記接合体に隣接して波板構造の金属製セパレータを設ける単位セルを備え、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構成するとともに、前記金属製セパレータには、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、燃料ガス入口および燃料ガス出口が前記単位セルの重ね合わせ方向に連通して設けられ、前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルに酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が、各単位セル毎に前記重ね合わせ方向に対して互いに並列的に、かつ同一の流れ方向を有して設けられている。このため、各単位セル毎に良好な発電性能を維持することができる。しかも、冷却媒体流路にカソード側電極が近接する単位セルの酸化剤ガス流路の流路断面積は、前記冷却媒体流路にアノード側電極が近接する単位セルの酸化剤ガス流路の流路断面積よりも小さく設定されている。冷却媒体流路に近接する酸化剤ガス流路は、この冷却媒体流路から離間する酸化剤ガス流路よりも低温となって生成水が増加するため、流路断面積が減少されることによって、酸化剤ガスの流速が上がり、生成水の排水性が有効に向上する。
【０００９】
さらに、セルアセンブリが複数個の単位セルから一体的に構成されており、このセルアセンブリは、組み立て時の１つの単位となっている。このため、セルアセンブリとして取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる構成に比べて、燃料電池スタックを組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。
【００１０】
ここで、セルアセンブリを冷却するための冷却媒体流路は、複数個の単位セルを挟んで該単位セルの重ね合わせ方向両側に配置されている。従って、各単位セル毎に冷却媒体流路を設ける場合に比べ、冷却構造が有効に簡素化され、セルアセンブリ全体の小型軽量化が容易に図られる。しかも、冷却媒体流路は、単位セルの面方向に沿って直線状に設定されており、前記冷却媒体流路自体の流路構成が簡素化される。
【００１２】
具体的には、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って設定される。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ることによって、各単位セル同士の接触面積が増え、接触抵抗を低下させることができる。
【００１５】
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。具体的には、冷却媒体流路に近接する接合体は、フッ素系の膜を備える一方、前記冷却媒体流路から離間して配置される接合体は、炭化水素系の膜を備えている。冷却媒体流路から離間する接合体は、温度が高くなるため、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、前記接合体の耐用性が向上する。
【００１７】
さらに、金属製セパレータは、一方の接合体に対向する側に燃料ガス流路を設けるとともに、他方の接合体に対向する側に酸化剤ガス流路を設けている。このため、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを２枚のセパレータに個別に設けるものに比べ、薄肉化が容易に図られ、セルアセンブリ全体の小型化が可能になる。
【００１８】
また、燃料ガス流路の流れ方向と酸化剤ガス流路の流れ方向は、単位セルの反応面に沿って互いに反対方向に設定されている。これにより、酸化剤ガス流路の出口側の生成水が、電解質膜を介して燃料ガス流路に逆拡散して燃料ガスが有効に加湿される。
【００１９】
さらに、燃料ガス流路は、互いに積層されている複数個の単位セルに直列的に連通して設けられる一方、酸化剤ガス流路は、互いに積層されている各単位セル毎に並列して設けられてる。従って、粘度の小さな燃料ガス流路に十分な圧力損失を与えることができ、アノード側電極側からの生成水を有効に排水することが可能になる。しかも、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が直線状に設定されており、流路構成が簡略化される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図１および図３に示すように、第１接合体１８のアノード側電極２６ａ側に第１セパレータ２８が配設され、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂ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。
【００２８】
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、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とが設けられる。
【００２９】
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、冷却媒体出口４４ｂと、燃料ガス入口４２ａと、酸化剤ガス出口３６ｂとが設けられる。
【００３０】
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のアノード側電極２６ａに対向する面側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）４６を設けるとともに、前記燃料ガス流路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燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとに連通する。
【００３１】
図１および図３に示すように、第１セパレータ２８は、燃料ガス流路４６とは反対の面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、他端が冷却媒体出口４４ｂに連通する。
【００３２】
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）５２を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在して、それぞれの両端が酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、酸化剤ガス流路５２とは反対の面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、冷却媒体入口４４ａと冷却媒体出口４４ｂとに連通する。
【００３３】
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）５６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在して、それぞれの両端が酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。
【００３４】
中間セパレータ３２は、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）５８を設けるとともに、前記燃料ガス流路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燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとに連通する。酸化剤ガス流路５６の両端には、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する部位に対応して絞り部５９ａ、５９ｂが形成される（図１参照）。
【００３５】
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って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。
【００３６】
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、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体入口４４ａに連通する酸化剤ガス供給口６４ａ、燃料ガス排出口６６ｂおよび冷却媒体供給口６８ａ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、冷却媒体出口４４ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する冷却媒体排出口６８ｂ、燃料ガス供給口６６ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂが形成される。
【００３７】
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、本発明に係る反応ガス供給方法との関連で以下に説明する。
【００３８】
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供給される。
【００３９】
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、中間セパレータ３２に設けられている複数本の酸化剤ガス流路５６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、第１セパレータ２８に設けられている複数本の燃料ガス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って前記酸化剤ガスとは反対方向に移動する。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。
【００４０】
同様に、酸化剤ガスは、第２セパレータ３０に設けられている複数本の酸化剤ガス流路５２に導入され、第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動するとともに、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５８に導入され、前記第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。これにより、第２接合体２０で発電が行われる。
【００４１】
一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ２８、３０に設けられている冷却媒体流路４８、５４に沿って移動した後、冷却媒体出口４４ｂに排出される。
【００４２】
この場合、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、各セルアセンブリ１０毎に取り扱うことにより、各単位セル１４、１６毎に取り扱われる従来の構成に比べて、燃料電池スタック１２を組み立てる際の取り扱い作業性が有効に向上する。
【００４３】
しかも、冷却媒体流路４８、５４が、第１および第２単位セル１４、１６を挟むように設けられている。すなわち、第１および第２接合体１８、２０間には、冷却媒体流路が設けられず、所謂、間引き冷却構造を採用している。このため、各単位セル１４、１６毎に冷却媒体流路を設ける場合に比べ、冷却構造が有効に簡素化され、セルアセンブリ１０全体の小型軽量化が容易に図られるという効果が得られる。
【００４４】
その際、セルアセンブリ１０では、冷却媒体流路５４が第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路５２に近接して配置される一方、冷却媒体流路４８が中間セパレータ３２の酸化剤ガス流路５６から離間して配置されている。これにより、第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路５２は、冷却媒体を介し冷却されて低温側となる一方、中間セパレータ３２の酸化剤ガス流路５６は、冷却され難く高温側となり、第１および第２単位セル１４、１６間で異なる温度環境が発生する。ここで、低温側の第２セパレータ３０では、酸化剤ガス流路５２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５２が閉塞されるおそれがある。
【００４５】
そこで、第１の実施形態では、第２セパレータ３０に設けられている酸化剤ガス流路５２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の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３２に設けられている酸化剤ガス流路５６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５９ａ、５９ｂが設けられている。従って、中間セパレータ３２の酸化剤ガス流路５６での酸化剤ガス流量に比べ、第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路５２での酸化剤ガス流量が増加している。
【００４６】
これにより、第１の実施形態では、低温側の第２セパレータ３０から生成水を確実に排出し、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。しかも、高温側の中間セパレータ３２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１８の乾燥を防ぐことが可能になるという利点がある。
【００４７】
また、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路５６、５２の流路断面積を異なるように設定することができる。例えば、流路深さ、流路幅、あるいは流路本数を変更することによって流路断面積を設定すればよく、実際上、酸化剤ガス流路５２側の流速を酸化剤ガス流路５６側の流速よりも増加させるように構成する。
【００４８】
具体的には、図６に示すように、酸化剤ガス流路５２の流路断面積を酸化剤ガス流路５６の流路断面積よりも小さく設定することにより、前記酸化剤ガス流路５２の流速を増加させる。これにより、低温側の酸化剤ガス流路５２に多量に発生し易い生成水の排水性を有効に向上させることが可能になる。
【００４９】
また、図７に示すように、板状の中間セパレータ３２ａに設けられる酸化剤ガス流路５６ａの流路深さに対して、板状の第２セパレータ３０ａに設けられている酸化剤ガス流路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。
【００５０】
また、図８に示すように、板状の中間セパレータ３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、酸化剤ガス流路５６ｂの流路幅よりも酸化剤ガス流路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。
【００５１】
さらに、図９に示すように、板状の中間セパレータ３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、酸化剤ガス流路５６ｃの流路本数よりも酸化剤ガス流路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。
【００５２】
さらにまた、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０の小型化を図ることにより、燃料電池スタック１２全体の小型化が容易に可能になる。すなわち、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２は、金属薄板を用いて波形状（凹凸形状）に構成されている。このため、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２を一挙に薄型化することができ、セルアセンブリ１０全体の薄肉化が遂行される。
【００５３】
また、中間セパレータ３２は、第１接合体１８に対向する側に酸化剤ガス流路５６を設けるとともに、第２接合体２０に対向する側に燃料ガス流路５８を設けている（図３参照）。従って、酸化剤ガス流路５６と燃料ガス流路５８とを２枚のセパレータに個別に設けるものに比べて薄肉化が容易に図られ、セルアセンブリ１０全体の小型化が可能になる。
【００５４】
さらに、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２には、酸化剤ガス入口３６ａ、酸化剤ガス出口３６ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび燃料ガス出口４２ｂが重ね合わせ方向に互いに連通して設けられている。これにより、セルアセンブリ１０の外部に別体のマニホールド（外部マニホールド）を設ける必要がなく、この外部マニホールドに使用されるシール構造が不要になって、前記セルアセンブリ１０の小型化および構成の簡素化が図られる。
【００５５】
図１０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。
【００５６】
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、炭化水素系の電解質膜８６を有するとともに、第２接合体８４は、フッ素系の電解質膜８８を有している。
【００５７】
このように構成される第２の実施形態では、間引き冷却構造を採用することにより第１接合体８２が第２接合体８４に比べて高温となるため、前記第１接合体８２に耐熱性を有する炭化水素系の電解質膜８６が設けられている。これにより、第１接合体８２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。
【００５８】
図１１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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、燃料ガス入口４２ａ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、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体出口４４ｂが設けられる。
【００６１】
このように構成されるセルアセンブリ１００では、図１２に示すように、このセルアセンブリ１００の長辺側の一端縁部を矢印Ａ方向に沿って酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が流れ、前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスは、第１および第２接合体１０６、１０８の両面側に沿って同一方向に供給される。そして、反応に使用された酸化剤ガスおよび燃料ガスの排気成分は、セルアセンブリ１００の長辺側の他端縁部から排気されて矢印Ａ方向に沿って移動する。従って、酸化剤ガスと冷却媒体とが同一方向に流れるため、生成水の排水性が有効に向上する。
【００６２】
図１３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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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８８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８６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。
【００６６】
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。
【００６７】
図１４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。
【００６８】
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。
【００６９】
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、酸化剤ガス出口３６ｂ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および冷却媒体出口４４ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられている。
【００７０】
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。
【００７１】
このように構成されるセルアセンブリ１４０内では、燃料ガスおよび冷却媒体は、図１５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、燃料ガスが第１単位セル１４２から第２単位セル１４４に直列される燃料ガス流路４６、５８に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路５６、５２を介して前記第１および第２単位セル１４２、１４４に個別に、すなわち、並列的に流されている。
【００７２】
このように、粘度の小さい燃料ガスが直列される燃料ガス流路４６、５８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。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型セルアセンブリでは、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ており、複数個の単位セルをセルアセンブリ毎に取り扱うことができ、作業性が有効に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】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。
【図５】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図６】流路断面積を異にして設定する際の説明図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【符号の説明】
１０、８０、１００、１２０、１４０…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…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、３０、３０ａ、３０ｂ、１１０、１１２、１５０、１５２…セパレータ
３２、３２ａ、３２ｂ、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、５８…燃料ガス流路 ４８、５４…冷却媒体流路
５２、５２ａ〜５２ｃ、５６、５６ａ〜５６ｃ…酸化剤ガス流路
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
【発明の属する技術分野】
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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、比較的に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、多数個の単位セルを積層する構造等が採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００６】
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を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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一体的に有し、前記接合体に隣接して波板構造の金属製セパレータを設ける単位セルを備え、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構成するとともに、前記金属製セパレータには、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、燃料ガス入口および燃料ガス出口が前記単位セルの重ね合わせ方向に連通して設けられ、前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルに酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が、各単位セル毎に前記重ね合わせ方向に対して互いに並列的に、かつ同一の流れ方向を有して設けられている。このため、各単位セル毎に良好な発電性能を維持することができる。しかも、冷却媒体流路にカソード側電極が近接する単位セルの酸化剤ガス流路の流路断面積は、前記冷却媒体流路にアノード側電極が近接する単位セルの酸化剤ガス流路の流路断面積よりも小さく設定されている。冷却媒体流路に近接する酸化剤ガス流路は、この冷却媒体流路から離間する酸化剤ガス流路よりも低温となって生成水が増加するため、流路断面積が減少されることによって、酸化剤ガスの流速が上がり、生成水の排水性が有効に向上する。
【０００９】
さらに、セルアセンブリが複数個の単位セルから一体的に構成されており、このセルアセンブリは、組み立て時の１つの単位となっている。このため、セルアセンブリとして取り扱うことにより、単位セル毎に取り扱われる構成に比べて、燃料電池スタックを組み立てる際の作業性が有効に簡素化する。
【００１０】
ここで、セルアセンブリを冷却するための冷却媒体流路は、複数個の単位セルを挟んで該単位セルの重ね合わせ方向両側に配置されている。従って、各単位セル毎に冷却媒体流路を設ける場合に比べ、冷却構造が有効に簡素化され、セルアセンブリ全体の小型軽量化が容易に図られる。しかも、冷却媒体流路は、単位セルの面方向に沿って直線状に設定されており、前記冷却媒体流路自体の流路構成が簡素化される。
【００１２】
具体的には、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って設定される。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ることによって、各単位セル同士の接触面積が増え、接触抵抗を低下させることができる。
【００１５】
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。具体的には、冷却媒体流路に近接する接合体は、フッ素系の膜を備える一方、前記冷却媒体流路から離間して配置される接合体は、炭化水素系の膜を備えている。冷却媒体流路から離間する接合体は、温度が高くなるため、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、前記接合体の耐用性が向上する。
【００１７】
さらに、金属製セパレータは、一方の接合体に対向する側に燃料ガス流路を設けるとともに、他方の接合体に対向する側に酸化剤ガス流路を設けている。このため、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを２枚のセパレータに個別に設けるものに比べ、薄肉化が容易に図られ、セルアセンブリ全体の小型化が可能になる。
【００１８】
また、燃料ガス流路の流れ方向と酸化剤ガス流路の流れ方向は、単位セルの反応面に沿って互いに反対方向に設定されている。これにより、酸化剤ガス流路の出口側の生成水が、電解質膜を介して燃料ガス流路に逆拡散して燃料ガスが有効に加湿される。
【００１９】
さらに、燃料ガス流路は、互いに積層されている複数個の単位セルに直列的に連通して設けられる一方、酸化剤ガス流路は、互いに積層されている各単位セル毎に並列して設けられてる。従って、粘度の小さな燃料ガス流路に十分な圧力損失を与えることができ、アノード側電極側からの生成水を有効に排水することが可能になる。しかも、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が直線状に設定されており、流路構成が簡略化される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図１および図３に示すように、第１接合体１８のアノード側電極２６ａ側に第１セパレータ２８が配設され、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂ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。
【００２８】
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、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とが設けられる。
【００２９】
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、冷却媒体出口４４ｂと、燃料ガス入口４２ａと、酸化剤ガス出口３６ｂとが設けられる。
【００３０】
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のアノード側電極２６ａに対向する面側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）４６を設けるとともに、前記燃料ガス流路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燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとに連通する。
【００３１】
図１および図３に示すように、第１セパレータ２８は、燃料ガス流路４６とは反対の面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、他端が冷却媒体出口４４ｂに連通する。
【００３２】
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）５２を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在して、それぞれの両端が酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、酸化剤ガス流路５２とは反対の面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、冷却媒体入口４４ａと冷却媒体出口４４ｂとに連通する。
【００３３】
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）５６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在して、それぞれの両端が酸化剤ガス入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに連通する。
【００３４】
中間セパレータ３２は、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）５８を設けるとともに、前記燃料ガス流路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燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとに連通する。酸化剤ガス流路５６の両端には、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する部位に対応して絞り部５９ａ、５９ｂが形成される（図１参照）。
【００３５】
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って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。
【００３６】
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、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体入口４４ａに連通する酸化剤ガス供給口６４ａ、燃料ガス排出口６６ｂおよび冷却媒体供給口６８ａ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、冷却媒体出口４４ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび酸化剤ガス出口３６ｂに連通する冷却媒体排出口６８ｂ、燃料ガス供給口６６ａおよび酸化剤ガス排出口６４ｂが形成される。
【００３７】
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、本発明に係る反応ガス供給方法との関連で以下に説明する。
【００３８】
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供給される。
【００３９】
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、中間セパレータ３２に設けられている複数本の酸化剤ガス流路５６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、第１セパレータ２８に設けられている複数本の燃料ガス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに沿って前記酸化剤ガスとは反対方向に移動する。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。
【００４０】
同様に、酸化剤ガスは、第２セパレータ３０に設けられている複数本の酸化剤ガス流路５２に導入され、第２接合体２０を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動するとともに、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５８に導入され、前記第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。これにより、第２接合体２０で発電が行われる。
【００４１】
一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ２８、３０に設けられている冷却媒体流路４８、５４に沿って移動した後、冷却媒体出口４４ｂに排出される。
【００４２】
この場合、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、各セルアセンブリ１０毎に取り扱うことにより、各単位セル１４、１６毎に取り扱われる従来の構成に比べて、燃料電池スタック１２を組み立てる際の取り扱い作業性が有効に向上する。
【００４３】
しかも、冷却媒体流路４８、５４が、第１および第２単位セル１４、１６を挟むように設けられている。すなわち、第１および第２接合体１８、２０間には、冷却媒体流路が設けられず、所謂、間引き冷却構造を採用している。このため、各単位セル１４、１６毎に冷却媒体流路を設ける場合に比べ、冷却構造が有効に簡素化され、セルアセンブリ１０全体の小型軽量化が容易に図られるという効果が得られる。
【００４４】
その際、セルアセンブリ１０では、冷却媒体流路５４が第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路５２に近接して配置される一方、冷却媒体流路４８が中間セパレータ３２の酸化剤ガス流路５６から離間して配置されている。これにより、第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路５２は、冷却媒体を介し冷却されて低温側となる一方、中間セパレータ３２の酸化剤ガス流路５６は、冷却され難く高温側となり、第１および第２単位セル１４、１６間で異なる温度環境が発生する。ここで、低温側の第２セパレータ３０では、酸化剤ガス流路５２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５２が閉塞されるおそれがある。
【００４５】
そこで、第１の実施形態では、第２セパレータ３０に設けられている酸化剤ガス流路５２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の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３２に設けられている酸化剤ガス流路５６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５９ａ、５９ｂが設けられている。従って、中間セパレータ３２の酸化剤ガス流路５６での酸化剤ガス流量に比べ、第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路５２での酸化剤ガス流量が増加している。
【００４６】
これにより、第１の実施形態では、低温側の第２セパレータ３０から生成水を確実に排出し、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。しかも、高温側の中間セパレータ３２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１８の乾燥を防ぐことが可能になるという利点がある。
【００４７】
また、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路５６、５２の流路断面積を異なるように設定することができる。例えば、流路深さ、流路幅、あるいは流路本数を変更することによって流路断面積を設定すればよく、実際上、酸化剤ガス流路５２側の流速を酸化剤ガス流路５６側の流速よりも増加させるように構成する。
【００４８】
具体的には、図６に示すように、酸化剤ガス流路５２の流路断面積を酸化剤ガス流路５６の流路断面積よりも小さく設定することにより、前記酸化剤ガス流路５２の流速を増加させる。これにより、低温側の酸化剤ガス流路５２に多量に発生し易い生成水の排水性を有効に向上させることが可能になる。
【００４９】
また、図７に示すように、板状の中間セパレータ３２ａに設けられる酸化剤ガス流路５６ａの流路深さに対して、板状の第２セパレータ３０ａに設けられている酸化剤ガス流路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。
【００５０】
また、図８に示すように、板状の中間セパレータ３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、酸化剤ガス流路５６ｂの流路幅よりも酸化剤ガス流路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。
【００５１】
さらに、図９に示すように、板状の中間セパレータ３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、酸化剤ガス流路５６ｃの流路本数よりも酸化剤ガス流路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。
【００５２】
さらにまた、第１の実施形態では、セルアセンブリ１０の小型化を図ることにより、燃料電池スタック１２全体の小型化が容易に可能になる。すなわち、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２は、金属薄板を用いて波形状（凹凸形状）に構成されている。このため、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２を一挙に薄型化することができ、セルアセンブリ１０全体の薄肉化が遂行される。
【００５３】
また、中間セパレータ３２は、第１接合体１８に対向する側に酸化剤ガス流路５６を設けるとともに、第２接合体２０に対向する側に燃料ガス流路５８を設けている（図３参照）。従って、酸化剤ガス流路５６と燃料ガス流路５８とを２枚のセパレータに個別に設けるものに比べて薄肉化が容易に図られ、セルアセンブリ１０全体の小型化が可能になる。
【００５４】
さらに、第１および第２セパレータ２８、３０および中間セパレータ３２には、酸化剤ガス入口３６ａ、酸化剤ガス出口３６ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび燃料ガス出口４２ｂが重ね合わせ方向に互いに連通して設けられている。これにより、セルアセンブリ１０の外部に別体のマニホールド（外部マニホールド）を設ける必要がなく、この外部マニホールドに使用されるシール構造が不要になって、前記セルアセンブリ１０の小型化および構成の簡素化が図られる。
【００５５】
図１０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。
【００５６】
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、炭化水素系の電解質膜８６を有するとともに、第２接合体８４は、フッ素系の電解質膜８８を有している。
【００５７】
このように構成される第２の実施形態では、間引き冷却構造を採用することにより第１接合体８２が第２接合体８４に比べて高温となるため、前記第１接合体８２に耐熱性を有する炭化水素系の電解質膜８６が設けられている。これにより、第１接合体８２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。
【００５８】
図１１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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、燃料ガス入口４２ａ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、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却媒体出口４４ｂが設けられる。
【００６１】
このように構成されるセルアセンブリ１００では、図１２に示すように、このセルアセンブリ１００の長辺側の一端縁部を矢印Ａ方向に沿って酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が流れ、前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスは、第１および第２接合体１０６、１０８の両面側に沿って同一方向に供給される。そして、反応に使用された酸化剤ガスおよび燃料ガスの排気成分は、セルアセンブリ１００の長辺側の他端縁部から排気されて矢印Ａ方向に沿って移動する。従って、酸化剤ガスと冷却媒体とが同一方向に流れるため、生成水の排水性が有効に向上する。
【００６２】
図１３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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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８８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８６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。
【００６６】
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。
【００６７】
図１４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。
【００６８】
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。
【００６９】
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、酸化剤ガス出口３６ｂ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および冷却媒体出口４４ｂが矢印Ａ方向に連通して設けられている。
【００７０】
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。
【００７１】
このように構成されるセルアセンブリ１４０内では、燃料ガスおよび冷却媒体は、図１５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、燃料ガスが第１単位セル１４２から第２単位セル１４４に直列される燃料ガス流路４６、５８に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路５６、５２を介して前記第１および第２単位セル１４２、１４４に個別に、すなわち、並列的に流されている。
【００７２】
このように、粘度の小さい燃料ガスが直列される燃料ガス流路４６、５８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。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型セルアセンブリでは、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ており、複数個の単位セルをセルアセンブリ毎に取り扱うことができ、作業性が有効に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】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。
【図５】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図６】流路断面積を異にして設定する際の説明図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【符号の説明】
１０、８０、１００、１２０、１４０…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…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、３０、３０ａ、３０ｂ、１１０、１１２、１５０、１５２…セパレータ
３２、３２ａ、３２ｂ、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、５８…燃料ガス流路 ４８、５４…冷却媒体流路
５２、５２ａ〜５２ｃ、５６、５６ａ〜５６ｃ…酸化剤ガス流路
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 (7)
- 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一体的に有し、前記接合体に隣接して波板構造の金属製セパレータを設ける単位セルを備え、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構成するとともに、
前記金属製セパレータには、酸化剤ガス入口、酸化剤ガス出口、燃料ガス入口および燃料ガス出口が前記単位セルの重ね合わせ方向に連通して設けられ、
前記セルアセンブリ内では、複数個の前記単位セルに前記酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路が、各単位セル毎に前記重ね合わせ方向に対して互いに並列的に、かつ同一の流れ方向を有して設けられ、
前記セルアセンブリは、前記セルアセンブリを冷却するための冷却媒体流路を備え、
前記冷却媒体流路は、複数個の前記単位セルを挟んで該単位セルの重ね合わせ方向両側に配置されており、
前記冷却媒体流路に前記カソード側電極が近接する単位セルの前記酸化剤ガス流路の流路断面積は、前記冷却媒体流路に前記アノード側電極が近接する単位セルの前記酸化剤ガス流路の流路断面積よりも小さ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。 - 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、前記流路断面積は、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。
- 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、前記冷却媒体流路に近接して配置される前記接合体は、フッ素系の膜を備える一方、
前記冷却媒体流路から離間して配置される前記接合体は、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。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルアセンブリにおいて、前記金属製セパレータは、一方の前記接合体に対向する側に燃料ガス流路を設けるとともに、
他方の前記接合体に対向する側に前記酸化剤ガス流路を設けることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。 - 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、燃料ガス流路の流れ方向と前記酸化剤ガス流路の流れ方向は、前記単位セルの反応面に沿って互いに反対方向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。
- 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、燃料ガス流路は、互いに積層されている複数個の前記単位セルに直列的に連通して設けられる一方、
前記酸化剤ガス流路は、互いに積層されている各単位セル毎に並列して設けられることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。 - 請求項１記載のセルアセンブリにおいて、燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路は、前記単位セルの反応面に沿って直線状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。
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