JP4559539B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、基本的に、プロトンを選択的に輸送する高分子電解質膜、ならびに高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極（燃料極および空気極）から構成される。上記構成を有する燃料電池は、燃料極に供給される燃料ガス（水素を含む）、および空気極に供給される酸化ガス（酸素を含む）を用いて、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。

高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。また、高分子電解質膜が、イオン輸送機能を有するためには、高分子電解質膜が一定量の水分を含むことが必要である。

触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば、白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。これら高分子電解質膜および一対の触媒電極（触媒層、カーボンコート層およびガス拡散基材層）を一体化したものは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」という）と呼ばれる。

ＭＥＡは、積層されることで電気的に直列に接続されうる。このとき、燃料ガスと酸化ガスとが混ざらないようにするため、および各ＭＥＡを電気的に直列に接続するために、導電性を有するセパレータが各ＭＥＡの間に配置される。

セパレータには、燃料極に接する燃料極セパレータおよび空気極に接する空気極セパレータがある。燃料極セパレータには、ＭＥＡに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成され、空気極セパレータには、ＭＥＡに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路が形成される。

上述したように高分子電解質膜がイオン輸送機能を有するためには、高分子電解質膜が一定量の水分を含むことが必要となる。したがって、燃料電池では、燃料電池内に充分な水分を確保するために、通常反応ガスは予め加湿される。しかし反応ガスを加湿するための加湿器は、発電には直接寄与せず、スペースを必要とする。したがって、加湿器を必要としない燃料電池を開発できれば、燃料電池システムの小型化が可能となり、システム全体のコストを削減することができる。

また、加湿器を必要としない燃料電池を開発できれば、加湿器によるエネルギーロスが無くなるので、システム全体の効率の向上が可能となる。このため、反応ガスが低加湿または無加湿の状態であっても、発電効率が低下しない燃料電池の開発が求められてきた。

従来、燃料電池の運転時に発生した水を燃料電池内に留まらせることで、反応ガスを加湿せずとも燃料電池内に一定量の水を確保する方法が知られていた（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池では、酸化ガスが酸化ガス流路内を流れる方向と燃料ガスが燃料ガス流路内を流れる方向とを逆にし、かつ酸化ガス流路の出口に冷媒流路を設けて、酸化ガス流路の出口を局所的に冷却する。

図１は特許文献１に記載された燃料電池の断面図である。図１に示された燃料電池は、ＭＥＡ１ならびにＭＥＡ１を挟む空気極セパレータ２および燃料極セパレータ３を有する。空気極セパレータ２は酸化ガス流路８を有し、燃料極セパレータ３は燃料ガス流路１６を有する。

図１に示されるように酸化ガスが流れる方向と、燃料ガスが流れる方向とは逆である。また、酸化ガスのガス出口１０上には冷媒流路１５が設けられている。酸化ガスのガス出口１０上に冷媒流路１５が設けられることで、ガス出口１０付近の酸化ガスを冷却することができる。ガス出口１０付近の酸化ガスが冷却されると酸化ガス中の水分が凝集され、酸化ガス中の水分を回収することができ、燃料電池内で生成された水を燃料電池内に留めることができる。

また、特許文献１に記載された燃料電池では、燃料電池内に均一に酸化ガスを供給するために全ての酸化ガス流路の幅および深さは一様である。

また、セパレータが有する反応ガス流路の断面積を流路の長軸方向に沿って増大させたり、縮小させたりすることで、フラッディングを防止する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、金属板をプレス加工することによって作製された、複数のガス流路を有するセパレータ（金属セパレータ）において、隣接するガス流路同士の体積を違えることで、セパレータの反りを低減する技術が知られている（例えば特許文献３参照）。

また、複数のガス流路を有するセパレータにおいて、各ガス流路同士の体積を調節することで、燃料電池における反応ガスの分布を均一にする技術が知られている（例えば特許文献４参照）。

特開２００３−２４９２４３号公報 特開２００６−１１４３８７号広報 特開２００５−３２５７８号広報 米国特許出願公開第２００７／０１０５００１号明細書

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池では、酸化ガス流路から燃料ガス流路へ移動する水の量が少なく、ＭＥＡ内の水分分布が不均一になる。以下、特許文献１に記載された燃料電池では、酸化ガス流路から燃料ガス流路へ移動する水の量が少ない理由について説明する。

燃料電池の発電時には空気極触媒層で生成された水は、水蒸気の状態で酸化ガス流路へ拡散する。したがって酸化ガス中に含まれる水分の量は、燃料ガスに含まれる水分の量よりも多い。

一方、図１で示されたように、特許文献１に記載された燃料電池では、燃料ガス流路の容量と酸化ガス流路の容量とには、差がない。また、一般的に酸化ガス流路に流れる酸化ガスの流量は、燃料ガス流路に流れる燃料ガスの流量よりも多い。したがって、図１で示されたような燃料電池では、たとえ酸化ガス中に含まれる水分の量が多くても、酸化ガスの流量も多いため、単位体積あたりの酸化ガス中の水分量と、単位体積あたりの燃料ガス中の水分量との差は、比較的小さい。

酸化ガス流路から燃料ガス流路への水の移動は、酸化ガス中の水分量と、燃料ガス中の水分量との差が大きければ大きいほど促進されることから、特許文献１に記載された燃料電池では、酸化ガス流路から燃料ガス流路への水の移動が充分に促進されない。

また、特許文献１に記載された燃料電池のように酸化ガスの出口のみで酸化ガスを冷却して、水を凝集させても、酸化ガスに含まれる水分の大部分は酸化ガスとともに酸化ガスの出口から燃料電池の外部に排出される。

本発明の目的は、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保し、水分布を均一にすることができる燃料電池を提供することである。

本発明者は、隣接する酸化ガス流路の横断面の面積の大きさを違えることで、酸化ガス流路から燃料ガス流路への水の移動が促進されることを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。

すなわち、本発明は以下に記載される燃料電池に関する。
［１］高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータと；を有する燃料電池であって、前記空気極セパレータは、前記膜電極接合体に酸化ガスを供給する第１酸化ガス流路および前記第１酸化ガス流路に隣接する第２酸化ガス流路を有し、前記第１酸化ガス流路および前記第２酸化ガス流路は、互いに平行であり、かつ交互に配置され、前記第１酸化ガス流路の横断面の面積は、前記第２酸化ガス流路の横断面の面積よりも大きく、前記燃料極セパレータは、前記膜電極接合体に燃料ガスを供給し、かつ前記第１酸化ガス流路および前記第２酸化ガス流路に平行な第１燃料ガス流路と、前記第１燃料ガス流路に隣接する第２燃料ガス流路とを有し、前記第１燃料ガス流路および前記第２燃料ガス流路は、互いに平行であり、かつ交互に配置され、前記第１酸化ガス流路は、前記膜電極接合体を挟んで、前記第１燃料ガス流路に対向し、前記第２酸化ガス流路は、前記膜電極接合体を挟んで、前記第２燃料ガス流路に対向し、前記第１酸化ガス流路および第２酸化ガス流路内を前記酸化ガスが流れる方向は、前記第１燃料ガス流路および第２燃料ガス流路内を前記燃料ガスが流れる方向と逆である、燃料電池。
［２］前記第１燃料ガス流路の横断面の面積は、前記第２燃料ガス流路の横断面の面積よりも小さい、［１］に記載の燃料電池。
［３］前記第１酸化ガス流路の深さは、前記第２酸化ガス流路の深さよりも深く、前記第１燃料ガス流路の深さは、前記第２燃料ガス流路の深さよりも浅い、［２］に記載の燃料電池。
［４］前記第１酸化ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．３〜０．８ｍｍであり、前記第２酸化ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．０６〜０．１ｍｍである、［１］〜［３］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［５］前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜７５℃であり、燃料電池の発電時の温度は５５〜１００℃である、［１］〜［４］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［６］前記空気極セパレータおよび前記燃料極セパレータは、厚さが一定の波型断面を有する、［１］〜［５］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［７］前記空気極セパレータおよび前記燃料極セパレータは、金属セパレータである、［１］〜［６］のいずれか一つに記載の燃料電池。
［８］複数の［６］または［７］に記載した燃料電池を積層したセル積層体を有する、燃料電池スタックであって、前記セル積層体において隣接する二つの燃料電池を、燃料電池Ｘおよび燃料電池Ｙとしたとき、前記燃料電池Ｘと、前記燃料電池Ｙとは、前記燃料電池Ｘの空気極セパレータｘおよび前記燃料電池Ｙの燃料極セパレータｙを介して電気的に接続され、前記空気極セパレータｘの前記第１酸化ガス流路の裏面は、前記燃料極セパレータｙの前記第１燃料ガス流路の裏面と接触し、前記空気極セパレータｘの前記第２酸化ガス流路の裏面は、前記燃料極セパレータｙの前記第２燃料ガス流路の裏面と接触する、燃料電池スタック。

本発明の燃料電池は、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内で水分を循環させることができる。そのため本発明の燃料電池は、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、充分な量の水分を燃料電池内に確保し、かつ水分布を均一にすることができるので、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。

従来の燃料電池の断面図 本発明の燃料電池の空気極セパレータの平面図 図２で示した空気極セパレータの断面図 本発明の燃料電池の一部の斜視図 本発明の燃料電池の空気極セパレータの平面図 本発明の燃料電池スタックの断面図 本発明の燃料電池スタックの断面図 本発明の燃料電池の断面図 第２酸化ガス流路の深さと反応ガス流路内の湿度との関係を示すグラフ 第２酸化ガス流路の深さと発電電圧およびプロトン導電率との関係を示すグラフ

本発明の燃料電池は、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟むセパレータＡおよびセパレータＢからなる一対のセパレータと、を有する。また本発明の燃料電池では、供給される反応ガスは無加湿または低加湿である。

（１）膜電極接合体（ＭＥＡ）について
ＭＥＡは、高分子電解質膜ならびに高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極を有する。空気極は、高分子電解質膜に接する空気極触媒層と、空気極触媒層に積層される空気極ガス拡散層とを有することが好ましい。同様に、燃料極は、高分子電解質膜に接する燃料極触媒層と、燃料極触媒層に積層される燃料極ガス拡散層とを有することが好ましい。

高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分
子膜である。高分子電解質膜の材料は、プロトンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜などが含まれる。

空気極触媒層は、水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。空気極触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。

燃料極触媒層は、水素の酸化反応を促進する触媒を含む層である。燃料極触媒層は、導電性を有し、かつ水素の酸化反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。燃料極触媒層は、例えば、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。

空気極触媒層および燃料極触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene, ＰＴＦＥ）などの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。

ガス拡散層（空気極ガス拡散層および燃料極ガス拡散層）は、ＭＥＡの最も外側に配置される（セパレータに接する）導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
ガス拡散層は、例えば、撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を付帯させた炭素繊維や、糸状のカーボンを織って作製したカーボンクロス、紙状のカーボンペーパーなどを触媒層表面に熱圧着して、作製されてもよい。

（２）セパレータについて
セパレータは、リブによって規定された複数のガス流路を有する導電性の板である。ガス流路は、反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）を電極に供給するための流路である。セパレータはカーボンの板にガス流路を刻印することで製造されてよい（図３Ａ参照）。また、セパレータは、導電性のプレートにプレス加工によってガス流路することで製造されてもよい（図４参照）。導電性のプレートは、カーボンプレートであってもよく金属プレートであってもよい。金属プレートをプレス加工することによって製造されたセパレータは金属セパレータとも称される。
導電性のプレートにプレス加工することによって製造されたセパレータ（以下単に「波型断面を有するセパレータ」と称する）は、厚さが一定の波型断面と、表裏一体に形成された流路と、を有する。つまり波型断面を有するセパレータの第１面には、溝とリブが交互に形成されており；その溝とリブに対応する箇所の第１の面の裏面には、リブと溝がそれぞれ形成されている。
本発明はセパレータの構造に特徴を有する。以下、ｉ）セパレータＡおよびii）セパレータＢについて説明する。

ｉ）セパレータＡについて
セパレータＡは、リブによって規定された複数のガス流路を有する導電性の板である。本発明の燃料電池では、セパレータＡが、横断面の面積の大きい（すなわち容量が大きい）ガス流路（以下「第１ガス流路ａ１」と称する）と、横断面の面積の小さい（すなわち
容量が小さい）ガス流路（以下「第２ガス流路ａ２」と称する）とを有することを特徴とする。ここで横断面とは流路の長手方向に垂直な断面を意味する。第１ガス流路ａ１の横断面の面積と第２ガス流路ａ２の横断面の面積との比率は、５：１〜９：１であることが好ましい。

第１ガス流路ａ１と第２ガス流路ａ２とは互いに平行であることが好ましい。また、第１ガス流路ａ１および第２ガス流路ａ２は交互に配置されていることが好ましい。第１ガス流路ａ１と第２ガス流路ａ２との間のギャップは０．７〜１．３ｍｍであることが好ましい。

ガス流路の容量を調節するには、ガス流路の幅を調節してもよいし、ガス流路の深さを調節してもよいが、ガス流路の深さを調節することが好ましい。第１ガス流路ａ１の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．３〜０．８ｍｍであることが好ましい。第２ガス流路ａ２の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．０６〜０．１ｍｍであることが好ましい。

図２はガス流路の深さを調節することで、セパレータＡのガス流路の容量を調節した例を示す。図２は本発明におけるセパレータＡの一例の平面図である。図２に示されるようにセパレータＡ１２０は、第１ガス流路１２１、第２ガス流路１２２およびガス流路を規定するリブ１２３を有する。図２に示されるように第１ガス流路１２１と第２ガス流路１２２とは互いに平行である。また、第１ガス流路１２１および第２ガス流路１２２は交互に配置されている。

図３Ａは図２に示されたセパレータＡ１２０のＡＡ線による断面図である。また図３Ｂは図３Ａに示されたセパレータＡ１２０の四角で囲まれた領域の拡大図である。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように第１ガス流路１２１の深さ１２１ｄは、第２ガス流路１２２の深さ１２２ｄよりも深い。したがって、第１ガス流路１２１の横断面の面積は、第２ガス流路１２２の横断面の面積よりも大きい。すなわち第１ガス流路１２１の容量は、第２ガス流路１２２の容量よりも大きい。

本発明では、セパレータＡは、空気極セパレータであることが好ましい。したがって、本発明では、セパレータＡが有するガス流路は、空気極に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路であることが好ましい。以下「セパレータＡ」を「空気極セパレータ」と；「第１ガス流路ａ１」を「第１酸化ガス流路」と；「第２ガス流路ａ２」を「第２酸化ガス流路」とも称する。

ii）セパレータＢについて
セパレータＢは、リブによって規定された２以上のガス流路を有する導電性の板である。本発明では、セパレータＢのガス流路と、上述したセパレータＡのガス流路とは平行である。また、セパレータＢは、セパレータＡと同一の材料からなることが好ましい。特にセパレータＢおよびセパレータＡを金属セパレータにした場合、１つの流路パターンを有する金属セパレータがセパレータＡにもセパレータＢにもなりうることから、製造プロセス上のメリットがある。

本発明の燃料電池では、セパレータＢは第１ガス流路ｂ１および第１ガス流路ｂ１に隣接する第２ガス流路ｂ２を有する。第１ガス流路ｂ１および第２ガス流路ｂ２は、互いに平行であり、かつ交互に配置されることが好ましい。第１ガス流路ｂ１の横断面の面積と、第２ガス流路ｂ２の横断面の面積は同一であってもよいが、第１ガス流路ｂ１の横断面の面積は、第２ガス流路ｂ２の横断面の面積よりも小さいことが好ましい。すなわち第１ガス流路ｂ１の容量は、第２ガス流路ｂ２の容量よりも小さいことが好ましい。第１ガス
流路ｂ１の横断面の面積と第２ガス流路ｂ２の横断面の面積との比率は、１：５〜１：９であることが好ましい。

ガス流路の容量を調節するには、ガス流路の幅を調節してもよいし、ガス流路の深さを調節してもよいが、ガス流路の深さを調節することが好ましい。第１ガス流路ｂ１の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．０６〜０．１ｍｍであることが好ましい。第２ガス流路ｂ２の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．３〜０．８ｍｍであることが好ましい。

本発明では、セパレータＢは、燃料極セパレータであることが好ましい。したがって、本発明では、セパレータＢが有するガス流路は、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路であることが好ましい。以下「セパレータＢ」を「燃料極セパレータ」と；「第１ガス流路ｂ１」を「第１燃料ガス流路」と；「第２ガス流路ｂ２」を「第２燃料ガス流路」とも称する。

（３）酸化ガス流路（セパレータＡのガス流路）と燃料ガス流路（セパレータＢのガス流路）との位置関係について
本発明の燃料電池では、酸化ガス流路と燃料ガス流路とがＭＥＡを挟んで対向することが好ましい。より具体的には、第１酸化ガス流路が第１燃料ガス流路にＭＥＡを挟んで対向し、第２酸化ガス流路が第２燃料ガス流路にＭＥＡを挟んで対向することが特に好ましい。

図４は本発明の燃料電池の一部の斜視図であり、酸化ガス流路（セパレータＡのガス流路）と燃料ガス流路（セパレータＢのガス流路）との位置関係を示す図である。

図４に示されたように燃料電池１００は、ＭＥＡ１１０、空気極セパレータ（セパレータＡ）１２０および燃料極セパレータ（セパレータＢ）１３０を有する。ＭＥＡ１１０は、高分子電解質膜１１１、空気極触媒層１１３、燃料極触媒層１１５、空気極ガス拡散層１１７、および燃料極ガス拡散層１１９を有する。図４に示された空気極セパレータ１２０および燃料極セパレータ１３０は波型断面を有するセパレータである。

空気極セパレータ１２０は第１酸化ガス流路（第１ガス流路ａ１）１２１および第２ガス流路１２２（第２ガス流路ａ２）を有する。燃料極セパレータ１３０は第１燃料ガス流路（第１ガス流路ｂ１）１３１および第２ガス流路１３２（第２ガス流路ｂ２）を有する。第１酸化ガス流路１２１の横断面の面積は、第２酸化ガス流路１２２の横断面の面積よりも大きい。第１燃料ガス流路１３１の横断面の面積は、第２燃料ガス流路１３２の横断面の面積よりも小さい。

図４に示した矢印Ｘは、酸化ガスが酸化ガス流路内を流れる方向を示し、矢印Ｙは燃料ガスがガス燃料ガス流路内を流れる方向を示す。このように酸化ガスが酸化ガス流路内を流れる方向は、燃料ガスが燃料ガス流路内を流れる方向と逆である。

このように、容量の大きい第１酸化ガス流路と容量の小さい第２酸化ガス流路とを交互に配置し、酸化ガスが酸化ガス流路内を流れる方向を、燃料ガスが燃料ガス流路内を流れる方向と逆にすることで、燃料電池の発電中に生成された水の酸化ガス流路から燃料ガス流路への移動を促進することができる。水の酸化ガス流路から燃料ガス流路への移動を促進するメカニズムについては後述する。

また、図４に示されるように、酸化ガス流路と燃料ガス流路とはＭＥＡ１００を挟んで対向していることが好ましい。より具体的には、第１酸化ガス流路１２１は、ＭＥＡを挟
んで、第１燃料ガス流路１３１に対向し；第２酸化ガス流路１２２は、ＭＥＡを挟んで、第２燃料ガス流路１３２に対向している。第２酸化ガス流路の横断面の面積と第２燃料ガス流路の横断面の面積との比率は、１：５〜１：９であることが好ましい。

これまでは、空気極セパレータ内の酸化ガス流路が直線状である例について説明してきた（図２参照）。しかし本発明では、酸化ガス流路は、図５で示すように蛇行していてもよい。

また、上述のように酸化ガス流路が蛇行状である場合は、燃料ガス流路も蛇行状であることが好ましい。

本発明の燃料電池を積層して、燃料電池スタックを製造してもよい。通常、燃料電池スタックは、燃料電池を積層したセル積層体と、集電板と、絶縁板と、端板とを有する。セル積層体は、集電板、絶縁板および端版によって挟持され、さらに締結ロッドにより固定される。
燃料電池スタックを製造する場合、空気極セパレータおよび燃料極セパレータは波型断面を有するセパレータであることが好ましい。

図６は、波型断面を有するセパレータである空気極セパレータおよび燃料極セパレータを有する燃料電池を積層したセル積層体を有する、燃料電池スタック１０１の断面図である。図６に示されるように燃料電池スタック１０１では、燃料電池１００Ｘと燃料電池１００Ｙとが隣接している。燃料電池１００Ｘと、燃料電池１００Ｙとは、燃料電池１００Ｘの空気極セパレータ１２０Ｘおよび燃料電池１００Ｙの燃料極セパレータ１３０Ｙを介して電気的に接続される。より具体的には、空気極セパレータ１２０Ｘの第１酸化ガス流路１２１の裏面は、燃料極セパレータ１３０Ｙの第１燃料ガス流路１３１の裏面と接触し；空気極セパレータ１２０Ｘの第２酸化ガス流路１２２の裏面は、燃料極セパレータ１３０Ｙの第２燃料ガス流路１３２の裏面と接触する。これにより、空気極セパレータ１２０Ｘおよび燃料極セパレータ１３０Ｙとの間に容量が一定の流路１４０が形成される。燃料電池スタック１０１においては流路１４０は冷媒流路として機能することができる。

このように金属セパレータである空気極セパレータおよび燃料極セパレータを有する燃料電池を積層して製造した燃料電池スタックでは、冷媒用の流路を別途に形成する必要がないので、スタックの小型化が可能になる。

また、燃料ガス流路または酸化ガス流路のうち一方の幅を狭めてもよい。図７は、燃料ガス流路の幅が、酸化ガス流路の幅よりも狭い燃料電池を積層したセル積層体を有する燃料電池スタック１０２の断面図である。図６に示した燃料電池スタック１０１と同一の構成部材には同一の符号を付し説明を省略する。

図７に示すように、燃料極セパレータ１３０’が有する燃料ガス流路（１３１’１３２’）の幅は、酸化ガス流路（１２１、１２２）の幅よりも狭い。このため、燃料ガス流路の裏面は、酸化ガス流路の裏面よりも狭い。これにより、燃料電池スタックにおいて隣接する燃料電池が少々ずれたとしても、燃料電池間の接触面積が変動しにくくなる。このため、燃料電池スタックにおける燃料電池のずれによる出力のムラを抑制することができる。

本発明の燃料電池は、反応ガスが無加湿または、低加湿であっても燃料電池内に充分な量の水分を確保し、高い出力密度を維持できることを特徴とする。すなわち、本発明の燃料電池は、中温無加湿条件または高温低加湿条件下であっても高い出力密度を維持できる。

ここで「中温無加湿条件」とは、燃料電池に供給される酸化ガスが加湿されない運転条件を意味する。具体的には、中温無加湿条件とは、燃料電池の発電時の温度が５５〜７５℃であり；燃料電池に供給される酸化ガスの露点が４５℃以下、好ましくは−１０〜４５℃であり；燃料電池に供給される燃料ガスの露点が５０〜７０℃である条件を意味する。露点は、ガスに含まれる水分が多いと高くなり、ガスに含まれる水分が少ないと低くなる。このような中温無加湿条件では、酸化ガスの露点は、燃料ガスの露点よりも通常２０℃以上低い。

一方、「高温低加湿条件」とは、燃料電池の発電時の温度が８０〜１００℃であり；酸化ガスの露点が５５〜７５℃であり；燃料ガスの露点が５０〜７０℃である条件を意味する。このような高温低加湿条件では、酸化ガスの露点と、燃料ガスの露点との差は通常１０℃以下である。

燃料電池コージェネレーションシステムに供給される燃料ガスは、通常、燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成される。燃料電池処理器を用いて炭化水素系のガスを改質して生成された燃料ガスの露点は、通常５０℃〜７０℃になる。

（４）本発明の燃料電池内で水分が循環するメカニズムについて
次に本発明の燃料電池が、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保し、水分布を均一にするメカニズムについて説明する。

酸化ガス流路に、酸素を含む酸化ガスを供給し、燃料ガス流路に水素ガスを含む燃料ガスを供給することで、本発明の燃料電池から電気エネルギを得ることができる。電気エネルギは以下の反応で得られる。

まず、燃料極に供給された水素分子は、燃料極ガス拡散層を拡散し燃料極触媒層に達する。燃料極触媒層において、水素分子は、プロトンと電子に分けられる。プロトンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。電子は、外部回路を通して空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきたプロトンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。生成された水は水蒸気となり、主に酸化ガス流路内に拡散する。

従来の燃料電池では、酸化ガス流路内に拡散した水分は、酸化ガスとともに酸化ガスの出口から燃料電池の外部へ排出されていた。本発明の燃料電池は、酸化ガス中の水分を燃料電池内で循環させることができることを特徴とする。以下図面を用いて、本発明の燃料電池における水分の動きについて説明する。

図８は、図４に示した本発明の燃料電池１００の一点鎖線Ａによる断面図である。すなわち図８は、第２酸化ガス流路１２２および第２燃料ガス流路１３２の縦断面図を示す。また図８中の矢印は流れるガスの向きおよび量を示す。上述したように、第２酸化ガス流路１２２の容量は、ＭＥＡ１１０を挟んで対向する第２燃料ガス流路１３２の容量よりも小さい。したがって第２酸化ガス流路１２２内を流れる酸化ガスの流量は少ない。このため、第２酸化ガス流路１２２内を流れる酸化ガス中の酸素のほとんどは、第２酸化ガスの入口１２５側で、消費され、第２酸化ガス流路１２２内を流れる酸化ガス中の酸素の量は少なくなる。このため、第２酸化ガス流路１２２内を流れる酸化ガス中の水分比率が相対的に高くなる。

一方、第２燃料ガス流路１３２の容量は大きいので、第２燃料ガス流路１３２を流れる燃料ガスの流量は多い。また、上述したように、燃料電池の運転時に生成された水は、主に酸化ガス流路内に拡散するので、第２燃料ガス流路１３２を流れる燃料ガス中の水分の量は少ない。このため第２燃料ガス流路１３２を流れる燃料ガス中の水分の比率は低くなる。

このため、第２酸化ガス流路１２２内を流れる酸化ガス中の水分の比率が、第２燃料ガス流路１３２を流れる燃料ガス中の水分の比率よりも高くなる。この水分の比率の差によって、第２酸化ガス流路１２２から第２燃料ガス流路１３２への水分の移動が促進される。

また、上述のように酸化ガス流路内には、発電時に発生した水分が拡散するので、酸化ガスは、酸化ガス流路内を流れる過程で、水分を獲得する。このため、酸化ガスの出口１２７付近で、酸化ガス中の水分の比率が最も高くなる。

一方、燃料ガス中の水素は燃料ガス流路を流れる過程で消費されるので、燃料ガス中の水素の比率は、燃料ガスの入口１３５付近で最も高い。このため、燃料ガスの入口１３５付近で、燃料ガス中の水分の比率が最も低くなる。したがって、酸化ガス中の水分比率と、燃料ガス中の水分比率との差は、図８の酸化ガスの出口１２７および燃料ガスの入口１３５付近（図８の四角で囲まれた領域）で最も大きくなる。よって、酸化ガス流路の出口１２７付近から燃料ガス流路の入口１３５付近への水の移動が最も促進される。

また酸化ガスの出口１２７付近では、酸化ガス中の酸素の量は少ないことから、発電量が低下する。発電量が低下すると燃料極から空気極への電気浸透による水の移動が低下するので、第２酸化ガス流路から第２燃料ガス流路への水の移動がより促進される。

このように第２酸化ガス流路から第２燃料ガス流路へ水が移動することで、従来は酸化ガスとともに燃料電池の外部に排出されていた水分を燃料電池内で効率的に循環させることができる。燃料ガス流路内に移動した水分は、燃料ガスとともに燃料ガス流路内を流れて、再び燃料電池内に拡散されるので、燃料電池内の水分分布が均一化される。

一方で、第１酸化ガス流路の容量は充分に大きいので、燃料電池に充分な量の酸化ガスを供給することができる。

このように容量の小さい酸化ガス流路を容量の大きい燃料ガス流路にＭＥＡを挟んで対向させ、酸化ガスが流れる方向と燃料ガスが流れる方向とを逆にすることで、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、燃料電池内に充分な量の水分を確保することができ、出力密度およびＭＥＡの耐久性を維持することができる。

（５）本発明の燃料電池のシミュレーション１
第２酸化ガス流路の容量を相対的に小さくすることで、燃料電池内の水分の分布が均一化されることを示すため、第２酸化ガス流路の深さを変化させたときの反応ガス流路内の湿度をシミュレーションした。本シミュレーションでは、第１酸化ガス流路および第２酸化ガス流路の幅は１ｍｍに設定し、第１酸化ガス流路の深さは０．５ｍｍに設定した。また第１燃料ガスおよび第２燃料ガス流路の幅は１ｍｍに設定し、第２燃料ガス流路の深さは０．５ｍｍに設定した。また、第１燃料ガス流路の深さは、第２酸化ガス流路の深さと同じにした。また、発電時の燃料電池の温度は９０℃に設定した。

図９Ａは、第２酸化ガス流路の深さと酸化ガス流路内の湿度との関係を示す。図９Ａに示されるように、第１酸化ガス流路の容量と第２酸化ガス流路の容量との間に差がない場
合（第２酸化ガス流路の深さが０．５ｍｍの場合）、酸化ガス流路の上流では相対湿度がおよそ３５％、そして酸化ガス流路の下流では相対湿度がおよそ５５％であった。
第２酸化ガス流路の深さが０．１ｍｍである場合、酸化ガス流路の上流では相対湿度がおよそ３５％、そして酸化ガス流路の下流では相対湿度がおよそ５３％であった。
一方、第２酸化ガス流路の深さが０．０２ｍｍである場合、酸化ガス流路の上流では相対湿度がおよそ３７％、そして酸化ガス流路の下流では相対湿度がおよそ５１％であった。このように酸化ガス流路の深さが小さくなればなるほど、酸化ガス流路内における相対湿度のばらつきが減少することが示された。

図９Ｂは、第２酸化ガス流路の深さと燃料ガス流路内の湿度との関係を示す。図９Ｂに示されるように、第１酸化ガス流路の容量と第２酸化ガス流路の容量との間に差がない場合（第２酸化ガス流路の深さが０．５ｍｍ）、燃料ガス流路の上流では相対湿度がおよそ４２％、燃料ガス流路の下流ではおよそ３７％、そして最も高い相対湿度がおよそ５２％であった。
第２酸化ガス流路の深さが０．１ｍｍである場合、燃料ガス流路の上流では相対湿度がおよそ４３％、燃料ガス流路の下流ではおよそ３９％、そして最も高い相対湿度がおよそ５３％であった。
一方、第２酸化ガス流路の深さが０．０２ｍｍである場合、燃料ガス流路の上流では相対湿度がおよそ４５％、燃料ガス流路の下流ではおよそ３９％、そして最も高い相対湿度がおよそ５３％であった。このように酸化ガス流路の深さが小さくなればなるほど、燃料ガス流路内における相対湿度のばらつきが減少することが示された。

図９ＡおよびＢに示された結果は、酸化ガス流路の深さが小さくなればなるほど、燃料電池内の水分分布が均一になることを示唆する。

（６）本発明の燃料電池のシミュレーション２
上述のように第２酸化ガス流路の深さが小さければ小さいほど、燃料電池内における水分分布が均一化される。しかし、第２酸化ガス流路の深さが小さすぎると、酸化ガス流路を通して供給される酸化ガスの量が減少し、発電効率も減少すると考えられる。したがって、最適な第２酸化ガス流路の深さを導くべく第２酸化ガス流路の深さを変化させたときの、発電電圧と高分子電解質膜のプロトン導電率をシミュレーションした。シミュレーションの条件は、シミュレーション１の条件と同じであってよい。

図１０は第２酸化ガス流路の深さと、発電電圧および高分子電解質膜のプロトン導電率との関係を示したグラフである。図１０に示されるように、第２酸化ガス流路の深さが０．０６ｍｍのときに高分子電解質膜のプロトン導電率は最も高くなる。一方、発電電圧は第２酸化ガス流路の深さが０．０６〜０．１ｍｍのときに高くなり、第２酸化ガス流路の深さが０．０８ｍｍのときに最も高くなる。したがって、第２酸化ガス流路の最適な深さは０．０６〜０．１ｍｍであることが示唆される。

このように、本発明の燃料電池では、容量の小さい第２酸化ガス流路と容量の大きい第２燃料ガス流路とを対向させ、酸化ガスが流れる方向と燃料ガスが流れる方向とを逆にすることで、酸化ガス流路から燃料ガス流路への水の拡散を促進することができる。このため本発明の燃料電池は、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する場合であっても、ＭＥＡの耐久性および高い出力密度を維持することができる。

本出願は、２００８年１２月２日出願の特願２００８−３０７６５１に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明に係る燃料電池は、反応ガスを無加湿または低加湿で供給する固体高分子形燃料電池などに有用である。

１００ 燃料電池
１０１、１０２ 燃料電池スタック
１、１１０ ＭＥＡ
１１１ 高分子電解質膜
１１３ 空気極触媒層
１１５ 燃料極触媒層
１１７ 空気極ガス拡散層
１１９ 燃料極ガス拡散層
２、１２０ 空気極セパレータ
８ 酸化ガス流路
１２１ 第１酸化ガス流路
１２２ 第２酸化ガス流路
１２３ リブ
１２５ 酸化ガスの入口
１０、１２７ 酸化ガスの出口
３、１３０、１３０’ 燃料極セパレータ
１６ 燃料ガス流路
１３１、１３１’ 第１燃料ガス流路
１３２、１３２’ 第２燃料ガス流路
１３５ 燃料ガスの入口
１３７ 燃料ガスの出口
１５、１４０ 冷媒流路

Claims (8)

1. 高分子電解質膜、ならびに前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟む空気極セパレータおよび燃料極セパレータと；を有する燃料電池であって、
   前記空気極セパレータは、前記膜電極接合体に酸化ガスを供給する第１酸化ガス流路および前記第１酸化ガス流路に隣接する第２酸化ガス流路を有し、
   前記第１酸化ガス流路および前記第２酸化ガス流路は、互いに平行であり、かつ交互に配置され、
   前記第１酸化ガス流路の横断面の面積は、前記第２酸化ガス流路の横断面の面積よりも大きく、
   前記燃料極セパレータは、前記膜電極接合体に燃料ガスを供給し、かつ前記第１酸化ガス流路および前記第２酸化ガス流路に平行な第１燃料ガス流路と、前記第１燃料ガス流路に隣接する第２燃料ガス流路とを有し、
   前記第１燃料ガス流路および前記第２燃料ガス流路は、互いに平行であり、かつ交互に配置され、
   前記第１酸化ガス流路は、前記膜電極接合体を挟んで、前記第１燃料ガス流路に対向し、前記第２酸化ガス流路は、前記膜電極接合体を挟んで、前記第２燃料ガス流路に対向し、
   前記第１酸化ガス流路および第２酸化ガス流路内を前記酸化ガスが流れる方向は、前記第１燃料ガス流路および第２燃料ガス流路内を前記燃料ガスが流れる方向と逆である、燃料電池。
2. 前記第１燃料ガス流路の横断面の面積は、前記第２燃料ガス流路の横断面の面積よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１酸化ガス流路の深さは、前記第２酸化ガス流路の深さよりも深く、前記第１燃料ガス流路の深さは、前記第２燃料ガス流路の深さよりも浅い、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記第１酸化ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．３〜０．８ｍｍであり、
   前記第２酸化ガス流路の幅は、０．８〜１．２ｍｍであり、深さは０．０６〜０．１ｍｍである、請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの露点は、−１０〜７５℃であり、燃料電池の発電時の温度は５５〜１００℃である、請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記空気極セパレータおよび前記燃料極セパレータは、厚さが一定の波型断面を有する、請求項３に記載の燃料電池。
7. 前記空気極セパレータおよび前記燃料極セパレータは、金属セパレータである、請求項６に記載の燃料電池。
8. 複数の請求項６に記載した燃料電池を積層したセル積層体を有する、燃料電池スタックであって、
   前記セル積層体において隣接する二つの燃料電池を、燃料電池Ｘおよび燃料電池Ｙとしたとき、
   前記燃料電池Ｘと、前記燃料電池Ｙとは、前記燃料電池Ｘの空気極セパレータｘおよび前記燃料電池Ｙの燃料極セパレータｙを介して電気的に接続され、
   前記空気極セパレータｘの前記第１酸化ガス流路の裏面は、前記燃料極セパレータｙの前記第１燃料ガス流路の裏面と接触し、
   前記空気極セパレータｘの前記第２酸化ガス流路の裏面は、前記燃料極セパレータｙの前記第２燃料ガス流路の裏面と接触する、燃料電池スタック。

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