JP6859177B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

化学反応は、燃料電池内の膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）により行われる。ＭＥＡは一対の電極（アノード及びカソード）とその間の電解質膜により構成される。

電解質膜は、例えば固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。このため、燃料電池が発電性能を維持するには、電解質膜の湿度管理が重要である。

燃料電池内には、ＭＥＡを挟んで対向する一対のセパレータが設けられており、カソード側のセパレータには空気の流路（以下、「カソード流路」と表記）が設けられ、アノード側のセパレータには水素ガスの流路（以下、「アノード流路」と表記）が設けられる。燃料電池のカソードでは化学反応により水分が生成され、生成された水分は空気の流れにより上流から下流へと移動するため、カソード流路の下流側の領域では湿度が高いが、カソード流路の上流側の領域では燃料電池の外部から乾燥した空気が導入されることによって湿度が低くなる。一方、アノード流路の上流側の領域では、高圧タンクから乾いた水素ガスが導入されるために湿度が低く、アノード流路の下流側の領域では、カソードで生成された水分の一部がアノードに移動して蓄積するために湿度が高い。

このため、アノード流路の入口がカソード流路の出口付近に位置し、アノード流路の出口がカソード流路の入口付近に位置するように燃料電池は構成される。これにより、アノード流路の出口付近の領域からカソード流路の入口付近の領域に水分が移動し、カソード流路の出口付近の領域からアノード流路の入口付近の領域に水分が移動するため、燃料電池で生成された水分が燃料電池の内部を循環することができ、電解質膜が全面にわたって加湿される（例えば特許文献１及び２）。

また、特許文献２には、アノード流路の入口と出口の間に別の入口を設けておき、各入口から高圧タンクの水素ガスまたは排出後に再循環された水素ガス（以下、「再循環水素ガス」と表記）をアノード流路に導入する点、及びその両方の水素ガスを混合して各入口からアノード流路に導入する点が記載されている。

特開２０１３−１５７３１５号公報 特開２０１０−１３５０７１号公報

しかし、特許文献２に記載された手法によると、アノード流路の各入口から高圧タンクの水素ガスを導入する場合、再循環水素ガスはアノード流路に導入されないため、再循環水素ガスに含まれる十分な量の水分が電解質膜の加湿に利用されないという問題がある。

また、アノード流路の各入口から再循環水素ガスを導入する場合、及び、高圧タンクの水素ガスと再循環水素ガスを混合してアノード流路の各入口から導入する場合、カソード流路の出口付近に位置するアノード流路の入口の近傍において、アノード流路とカソード流路の間の湿度差が不十分となる。

このため、カソード流路内の空気に含まれる水分は、アノード流路に十分に移動することができない。したがって、カソード流路の出口付近の空気に含まれる水分を電解質膜の加湿に十分に利用することができないという問題がある。なお、このような問題は、ＦＣＶに搭載された燃料電池システムに限定されず、他用途の燃料電池システムにも同様に存在する。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜の加湿性能が向上された燃料電池システムを提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの発電反応が行われる膜電極接合体、及び前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータを有する燃料電池と、前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記燃料電池に再循環させる再循環部とを備え、前記一対のセパレータの一方には、前記燃料ガスが流通するアノード流路が設けられ、前記一対のセパレータの他方には、前記酸化剤ガスが流通するカソード流路が設けられ、前記アノード流路には、前記貯蔵部に貯蔵された前記燃料ガスを導入するための第１導入孔と、前記再循環部により再循環された前記燃料ガスを前記第１導入孔の下流側に導入するための第２導入孔とが接続され、前記カソード流路には、前記酸化剤ガスを導入するための第３導入孔と、前記酸化剤ガスを排出するための排出孔とが接続され、前記第１導入孔に導入される前記燃料ガスの湿度は、前記第２導入孔に導入される前記燃料ガスの湿度より低く、前記第１導入孔は、前記第３導入孔よりも前記排出孔の近くに配置されている。

本発明によれば、電解質膜の加湿性能を向上することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。 燃料電池の一例を示す断面図である。 第１実施例のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを示す平面図である。 第２実施例のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを示す平面図である。 第３実施例のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを示す平面図である。 第４実施例のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを示す平面図である。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。図１は、より具体的には、燃料電池システムのうち、水素ガスが流れるアノード系の構成を示す。燃料電池システムは、例えばＦＣＶのモータの動力源に用いられるが、これに限定されない。

燃料電池システムは、燃料電池スタック９０と、高圧タンク９１と、パージ弁９２と、ポンプＰと、供給路８０と、再循環路８１と、排出路８２とを備える。燃料電池スタック９０は、積層された複数の燃料電池１（単セル）により構成される。

燃料電池１は、燃料ガスの一例である水素ガスと、酸化剤ガスの一例である空気とが供給され、水素ガスと空気中の酸素を発電反応させる。発電反応により得られた電力は、ＦＣＶの場合、モータなどに供給される。

燃料電池スタック９０には、発電反応に用いられる水素ガスが供給される上流側ガス供給マニホールド４０ａ及び下流側ガス供給マニホールド４０ｂと、発電反応に用いられた水素ガスが排出されるガス排出マニホールド４１が設けられている。後述するように、上流側ガス供給マニホールド４０ａは、水素ガスが流れるアノード流路の上流側の領域に接続され、下流側ガス供給マニホールド４０ｂは、アノード流路の下流側の領域に接続されている。

上流側ガス供給マニホールド４０ａは、供給路８０を介して高圧タンク９１に接続されている。高圧タンク９１は、貯蔵部の一例であり、乾燥した水素ガスを貯蔵する。高圧タンク９１内の水素ガスは供給路８０から上流側ガス供給マニホールド４０ａに導入される。

ガス排出マニホールド４１は排出路８２に接続されている。排出路８２にはパージ弁９２が設けられており、パージ弁９２がパージ時に開放されることにより、燃料電池スタック９０内の水素ガスが排出路８２から外部に排出される。

また、排出路８２は、再循環路８１に接続されている。再循環路８１にはポンプＰが設けられている。通常運転時、パージ弁９２は閉塞されているため、排出路８２から排出された水素ガスは、ポンプＰが駆動することにより再循環路８１を経由して下流側ガス供給マニホールド４０ｂに導入される。つまり、燃料電池１から排出された水素ガスは、ポンプＰ及び再循環路８１により燃料電池１に再循環される。なお、ポンプＰ及び再循環路８１は、再循環部の一例である。

上流側ガス供給マニホールド４０ａ及び下流側ガス供給マニホールド４０ｂに導入された水素ガスは、矢印で示されるように、発電反応に用いられた後、ガス排出マニホールド４１に排出される。カソードの発電反応で生成された水分の一部がアノードに移動するため、ガス排出マニホールド４１内の水素ガスの湿度は、上流側ガス供給マニホールド４０ａ内の水素ガスの湿度より高い。この高湿の水素ガスは、下流側ガス供給マニホールド４０ｂに導入される。

このように、上流側ガス供給マニホールド４０ａには、高圧タンク９１から乾燥した水素ガス（以下、「ドライガス」と表記）が導入され、下流側ガス供給マニホールド４０ｂには、再循環路８１から高湿の水素ガス（以下、「ウェットガス」と表記）が導入される。燃料電池１は、ドライガスとウェットガスによりアノード流路とカソード流路の間で水分の移動が効果的に行われる。

図２は、燃料電池１の一例を示す断面図である。燃料電池１は、カソード側セパレータ２１、アノード側セパレータ２２、電解質膜１０、カソード電極１１、アノード電極１２、カソード側ガス拡散層１３、アノード側ガス拡散層１４、及びガスケット３０，３１を有する。

電解質膜１０、カソード電極１１、及びアノード電極１２は、水素ガスと空気の発電反応が行われるＭＥＡ１００を構成する。電解質膜１０は、アノード電極１２及びカソード電極１１の間に挟まれている。アノード電極１２及びカソード電極１１は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極１２及びカソード電極１１は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

電解質膜１０は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。

ＭＥＡ１００は、カソード側ガス拡散層１３及びアノード側ガス拡散層１４により挟み込まれている。ＭＥＡ１００、カソード側ガス拡散層１３、及びアノード側ガス拡散層１４は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）を構成する。

カソード側ガス拡散層１３及びアノード側ガス拡散層１４は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した多孔質加工部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。カソード側ガス拡散層１３は空気を拡散し、アノード側ガス拡散層１４は水素ガスを拡散する。

アノード電極１２には、アノード側セパレータ２２からアノード側ガス拡散層１４を介し水素ガスが供給され、カソード電極１１には、カソード側セパレータ２１からカソード側ガス拡散層１３を介し空気が供給される。ＭＥＡ１００は、空気及び水素ガスを用いた電気化学反応により発電する。

カソード側セパレータ２１及びアノード側セパレータ２２は、一対のセパレータの一例であり、ＭＥＡ１００を挟んでいる。より具体的には、カソード側セパレータ２１及びアノード側セパレータ２２は、ＭＥＡ１００を挟んで対向する。カソード側セパレータ２１及びアノード側セパレータ２２は、例えば金属板などにより構成される。

カソード側セパレータ２１及びアノード側セパレータ２２は、例えば樹脂により形成されたガスケット３０を挟み込むことによりカソード側セパレータ２１及びアノード側セパレータ２２の間の空間の気密性を維持する。ガスケット３０は、Ｙ−Ｚ平面に広がるフレーム形状を有し、そのフレーム内には上記のＭＥＧＡが保持されている。

カソード側セパレータ２１には、燃料電池スタック９０の上流側ガス供給マニホールド４０ａを構成するガス通過孔２１０と、燃料電池スタック９０の下流側ガス供給マニホールド４０ｂを構成する不図示のガス通過孔と、燃料電池スタック９０のガス排出マニホールド４１を構成するガス通過孔２１１とが設けられている。下流側ガス供給マニホールド４０ｂを構成するガス通過孔は、ガス通過孔２１０から見てＺ軸の負方向に位置する。なお、各ガス通過孔２１０，２１１のＺ軸上の位置は相違する。

カソード側セパレータ２１のＭＥＧＡと対向する面（Ｙ−Ｚ平面）には、例えばプレス金型による曲げ加工などによってカソード流路２１ｂが形成されている。より具体的には、カソード側セパレータ２１は、金属板をプレス金型で曲げ加工することでカソード流路２１ｂを構成するリブ２１ａが形成される。なお、カソード側セパレータ２１は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。

カソード流路２１ｂには、空気供給マニホールドから導入された空気が流通する。カソード流路２１ｂは、発電反応に用いられる空気を導入し、発電反応に用いられた空気を排出する。なお、カソード流路２１ｂは、後述するように、Ｚ軸方向に延びるストレート形状を有する。

また、アノード側セパレータ２２には、燃料電池スタック９０の上流側ガス供給マニホールド４０ａを構成する第１のガス導入孔２２０と、燃料電池スタック９０の下流側ガス供給マニホールド４０ｂを構成する不図示の第２のガス導入孔と、燃料電池スタック９０のガス排出マニホールド４１を構成するガス排出孔２２１とが設けられている。下流側ガス供給マニホールド４０ｂを構成する第２のガス導入孔は、第１のガス導入孔２２０から見てＺ軸の負方向に位置する。なお、第１のガス導入孔２２０と第２のガス導入孔のＺ軸上の位置は相違する。

アノード側セパレータ２２のＭＥＧＡと対向する面（Ｙ−Ｚ平面）には、例えばプレス金型による曲げ加工などによってアノード流路２２ａが形成されている。より具体的には、アノード側セパレータ２２は、金属板をプレス金型で曲げ加工することでアノード流路２２ａを構成する不図示のリブが形成される。なお、アノード側セパレータ２２は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。

アノード流路２２ａには、上流側ガス供給マニホールド４０ａ及び下流側ガス供給マニホールド４０ｂから導入された水素ガスが流通する。アノード流路２２ａは、発電反応に用いられる水素ガスを導入し、発電反応に用いられた水素ガスを排出する。なお、アノード流路２２ａは、後述するように、Ｙ−Ｚ平面内で蛇行するサーペンタイン形状を有する。

互いに隣接する燃料電池１の間には、例えば樹脂により形成されたガスケット３１が設けられている。より具体的には、一方の燃料電池１のアノード側セパレータ２２と他方の燃料電池１のカソード側セパレータ２１は、ガスケット３１を挟み込むことによりカソード側セパレータ２１及びアノード側セパレータ２２の間の冷却水の流路２３の気密性を維持する。ガスケット３１は、Ｙ−Ｚ平面に広がるフレーム形状を有している。

また、各ガスケット３０，３１には、燃料電池スタック９０の上流側ガス供給マニホールド４０ａを構成するガス通過孔３００,３１０と、燃料電池スタック９０の下流側ガス供給マニホールド４０ｂを構成する不図示のガス通過孔と、燃料電池スタック９０のガス排出マニホールド４１を構成するガス通過孔３０１，３１１とが設けられている。下流側ガス供給マニホールド４０ｂを構成するガス通過孔は、ガス通過孔３００,３１０から見てＺ軸の負方向に位置する。なお、各ガス通過孔３００, ３０１のＺ軸上の位置は相違し、各ガス通過孔３１０, ３１１のＺ軸上の位置は相違する。

水素ガス（Ｈ_２）は、点線で示されるように、上流側ガス供給マニホールド４０ａ及び下流側ガス供給マニホールド４０ｂを介して各燃料電池１に供給され、ガス排出マニホールド４１を介して各燃料電池１から排出される。上流側ガス供給マニホールド４０ａの水素ガスは、第１のガス導入孔２２０からアノード流路２２ａに導入され、アノード側ガス拡散層１４を介してＭＥＡ１００に到達する。ＭＥＡ１００により発電反応に用いられずに残った水素ガスは、アノード側ガス拡散層１４を介してアノード流路２２ａに到達し、ガス排出孔２２１からガス排出マニホールド４１に排出される。

また、下流側ガス供給マニホールド４０ｂの水素ガスも、第１のガス導入孔２２０より下流側に位置する第２のガス導入孔からアノード流路２２ａに導入され、上流側ガス供給マニホールド４０ａの水素と同様の経路を流れる。

一方、カソード流路２１ｂには、空気供給マニホールドから空気導入孔を介して空気が導入され、カソード側ガス拡散層１３を介してＭＥＡ１００に到達する。ＭＥＡ１００により発電反応に用いられずに残った空気は、カソード側ガス拡散層１３を介してカソード流路２１ｂに到達し、空気排出孔から空気排出マニホールドに排出される。

上述したように、燃料電池１が発電性能を維持するには、電解質膜１０の湿度管理が重要である。燃料電池１のカソードでは発電反応により水分が生成されるため、カソード流路２１ｂの下流側の領域では湿度が高いが、カソード流路２１ｂの上流側の領域では燃料電池１の外部から空気が導入されるため、湿度が低くなる。一方、アノード流路２２ａの上流側の領域では、高圧タンク９１から乾いた水素ガスが導入されるために湿度が低く、アノード流路２２ａの下流側の領域では、カソードの発電反応により生成された水分がアノードに移動して蓄積するために湿度が高い。

このため、アノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０がカソード流路２１ｂの空気排出孔付近に位置し、アノード流路２２ａのガス排出孔２２１がカソード流路２１ｂの空気導入孔付近に位置するように燃料電池１を構成する。これにより、アノード流路２２ａのガス排出孔２２１付近の領域からカソード流路２１ｂの空気導入孔付近の領域に水分が移動し、カソード流路２１ｂの空気排出孔付近の領域からアノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０付近の領域に水分が移動するため、燃料電池で生成された水分が燃料電池の内部を循環することができ、電解質膜が全面にわたって加湿される。

しかし、アノード流路２２ａのガス排出孔２２１付近では水分が不足し、アノード流路２２ａの下流側の領域では局所的に発電量が不十分となるおそれがある。これは、カソード流路２１ｂから多くの水分がアノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０付近に移動しても、アノード流路２２ａを流れる過程において、カソード流路２１ｂに移動し、また、発電反応による水素ガスの減少のためにアノード流路２２ａ内で保持可能な水分量が減少するためである。

そこで、アノード流路２２ａには、再循環路８１から再循環された水素ガスを第１のガス導入孔２２０の下流側に導入するための第２のガス導入孔が接続されている。以下にアノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２１の構成を説明する。

（第１実施例）
図３は、第１実施例のアノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２１を示す平面図である。図３の紙面の上方には、アノード側セパレータ２２をＭＥＡ１００の反対側（裏側）から正面視したときのＹ−Ｚ平面の平面図が示されている。アノード側セパレータ２２は、一例として矩形状を有する。

アノード側セパレータ２２は、蛇行形状（サーペンタイン形状）のアノード流路２２ａ、空気通過孔２２５，２２６、及び冷却水通過孔２２３，２２４を有する。アノード流路２２ａは、例えばプレス加工により形成されたリブ２２ｂ，２２ｃなどから構成される。

アノード流路２２ａは、上流側ガス供給マニホールド４０ａ、下流側ガス供給マニホールド４０ｂ、及びガス排出マニホールド４１と連通することにより水素ガスが流通する。アノード流路２２ａには、第１のガス導入孔２２０、第２のガス導入孔２２２、及びガス排出孔２２１が接続されている。

第１のガス導入孔２２０は、高圧タンク９１からアノード流路２２ａの上流に水素ガスを導く。第２のガス導入孔２２２は、アノード流路２２ａにおいて第１のガス導入孔２２０の下流側に配置され、再循環路８１及びポンプＰから再循環された水素ガスを第１のガス導入孔２２０の下流側に導く。ガス排出孔２２１は、水素ガスをアノード流路２２ａから排出路８２に導く。なお、第１のガス導入孔２２０は第１導入孔の一例であり、第２のガス導入孔２２２は第２導入孔の一例である。

図３の紙面の下方には、カソード側セパレータ２１をＭＥＡ１００側から正面視したときのＹ−Ｚ平面の平面図が示されている。カソード側セパレータ２１は、一例として矩形状を有する。

カソード側セパレータ２１は、直線形状（ストレート形状）の複数本のカソード流路２１ｂ、ガス通過孔２１０〜２１２、及び冷却水通過孔２１３，２１４を有する。複数本のカソード流路２１ｂには、共通の空気導入孔２１６及び空気排出孔２１５が接続されている。

複数本のカソード流路２１ｂは、空気供給マニホールド５１及び空気排出マニホールド５０と連通することにより空気が流通する。空気導入孔２１６は、不図示のエアコンプレッサからカソード流路２１ｂに空気を導く。空気排出孔２１５は、カソード流路２１ｂから空気を排出する。なお、空気導入孔２１６は第３導入孔の一例であり、空気排出孔２１５は排出孔の一例である。

第１のガス導入孔２２０と第２のガス導入孔２２２及び冷却水通過孔２２３は、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の一方に沿って設けられている。また、ガス通過孔２１０，２１２及び冷却水通過孔２１３は、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の一方に沿って設けられている。

より具体的には、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の一方において、第２のガス導入孔２２２、冷却水通過孔２２３、及び第１のガス導入孔２２０は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。また、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の一方において、ガス通過孔２１２、冷却水通過孔２１３、及びガス通過孔２１０は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。

アノード側セパレータ２２の第１のガス導入孔２２０とカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１０は、重なり合うことにより上流側ガス供給マニホールド４０ａの一部を構成する。アノード側セパレータ２２の第２のガス導入孔２２２とカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１２は、重なり合うことにより下流側ガス供給マニホールド４０ｂの一部を構成する。アノード側セパレータ２２の冷却水通過孔２２３とカソード側セパレータ２１の冷却水通過孔２１３は、重なり合うことにより冷却水供給マニホールド６０の一部を構成する。

また、冷却水通過孔２２４及びガス排出孔２２１は、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の他方に沿って設けられている。ガス通過孔２１１及び冷却水通過孔２１４は、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の他方に沿って設けられている。

より具体的には、アノード側セパレータ２２の一対の辺の他方において、ガス排出孔２２１及び冷却水通過孔２２４は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。また、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の他方において、ガス通過孔２１１及び冷却水通過孔２１４は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。

アノード側セパレータ２２のガス排出孔２２１とカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１１は、重なり合うことによりガス排出マニホールド４１の一部を構成する。アノード側セパレータ２２の冷却水通過孔２２４とカソード側セパレータ２１の冷却水通過孔２１４は、重なり合うことにより冷却水排出マニホールド６１の一部を構成する。冷却水供給マニホールド６０及び冷却水排出マニホールド６１は冷却水の流路２３と連通する。

また、空気通過孔２２５，２２６は、アノード側セパレータ２２の対向する他の一対の辺の各々に沿って設けられており、空気導入孔２１６及び空気排出孔２１５は、カソード側セパレータ２１の対向する他の一対の辺の各々に沿って設けられている。より具体的には、空気導入孔２１６、空気排出孔２１５、及び空気通過孔２２５，２２６は、Ｙ軸方向に沿ってそれぞれ設けられている。

空気導入孔２１６は、ガス通過孔２１２，２１１の近傍に設けられ、空気排出孔２１５は、ガス通過孔２１０の近傍に設けられている。一方の空気通過孔２２５は第１のガス導入孔２２０の近傍に設けられ、他方の空気通過孔２２６は第２のガス導入孔２２２及びガス排出孔２２１の近傍に設けられている。

アノード側セパレータ２２の空気通過孔２２６とカソード側セパレータ２１の空気導入孔２１６は、重なり合うことにより空気供給マニホールド５１の一部を構成する。アノード側セパレータ２２の空気通過孔２２５とカソード側セパレータ２１の空気排出孔２１５は、重なり合うことにより空気排出マニホールド５０の一部を構成する。

符号Ｒａは、第１のガス導入孔２２０から導入された水素ガスの流れを示し、符号Ｒｂは、第２のガス導入孔２２２から導入された水素ガスの流れを示す。また、符号Ｒｃは、空気導入孔２１６から導入された空気の流れを示す。

第１のガス導入孔２２０から導入された水素ガスは、アノード流路２２ａに沿って蛇行しながらガス排出孔２２１に到達する。第２のガス導入孔２２２から導入された水素ガスは、第１のガス導入孔２２０から導入された水素ガスに合流してガス排出孔２２１に到達する。また、空気導入孔２１６から導入された空気は、カソード流路２１ｂに沿って空気排出孔２１５に向かい真っ直ぐに流れる。

アノード側セパレータ２２において、第１のガス導入孔２２０は、空気通過孔２２６よりも空気通過孔２２５の近くに配置されている。また、空気通過孔２２５は、カソード側セパレータ２１の空気排出孔２１５に重なり合い、空気通過孔２２６は、カソード側セパレータ２１の空気導入孔２１６に重なり合う。

このため、燃料電池１のＹ−Ｚ平面を正面視した場合、第１のガス導入孔２２０は、空気導入孔２１６よりも空気排出孔２１５の近くに配置されている。アノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０の付近には、高圧タンク９１から乾燥した水素ガスが導入され、カソード流路２１ｂの空気排出孔２１５の付近には、発電反応により湿った空気が集中する。

このため、アノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０の付近とカソード流路２１ｂの空気排出孔２１５の付近の湿度差は、他部分の湿度差よりも大きくなる。したがって、カソード流路２１ｂの空気排出孔２１５の付近からアノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０の付近に、電解質膜１０の加湿に十分な量の水分を移動させることが可能となる。

アノード側セパレータ２２において、第２のガス導入孔２２２は、空気通過孔２２５よりも空気通過孔２２６の近くに配置されている。また、空気通過孔２２５は、カソード側セパレータ２１の空気排出孔２１５に重なり合い、空気通過孔２２６は、カソード側セパレータ２１の空気導入孔２１６に重なり合う。

このため、燃料電池１のＹ−Ｚ平面を正面視した場合、第２のガス導入孔２２２は、空気排出孔２１５よりも空気導入孔２１６の近くに配置されている。第２のガス導入孔２２２には、再循環路８１からの湿った水素ガスが導入される。

このため、水素ガスがアノード流路２２ａを流れる過程において、アノード流路２２ａ中の水分がカソード流路２１ｂに移動し、また、発電反応による水素ガスの減少のためにアノード流路２２ａ内で保持可能な水分量が減少しても、第２のガス導入孔２２２から水素ガスとともに水分が補充される。これにより、アノード流路２２ａのガス排出孔２２１の付近に多くの水分が存在するため、アノード流路２２ａのガス排出孔２２１の付近からカソード流路２１ｂの上流側の領域に、電解質膜１０の加湿に十分な量の水分を移動させることが可能となる。

このように、上記の燃料電池１の構成によると、カソード流路２１ｂの空気排出孔２１５の付近の空気に含まれる水分、及び再循環水素ガスに含まれる十分な量の水分を、電解質膜１０の加湿に利用することが可能である。したがって、本実施例の燃料電池システムは、電解質膜１０の加湿性能を向上することができる。

（第２実施例）
第１実施例において、第２のガス導入孔２２２は、空気排出孔２１５よりも空気導入孔２１６の近くに配置されているが、アノード流路２２ａにおいて第１のガス導入孔２２０より下流側であれば、その配置は限定されない。

図４は、第２実施例のアノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２１を示す平面図である。図４において、図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２のガス導入孔２２２ａは、アノード側セパレータ２２の一対の辺の一方の側において、ガス排出孔２２１及び冷却水通過孔２２４の間に位置し、ガス通過孔２１２ａは、カソード側セパレータ２１の一対の辺の一方の側において、冷却水通過孔２１４とガス通過孔２１１の間に位置する。燃料電池１において、第２のガス導入孔２２２ａとガス通過孔２１２ａは、重なり合うことにより下流側ガス供給マニホールド４０ｂの一部を構成する。

このため、第２のガス導入孔２２２ａは、アノード流路２２ａにおいて第１実施例の第２のガス導入孔２２２よりも上流側であるが、第１実施例と同様に、第１のガス導入孔２２０より下流側に配置されている。したがって、第２のガス導入孔２２２ａは、第１実施例と同様に、再循環路８１及びポンプＰから再循環された水素ガスを第１のガス導入孔２２０の下流側に導く。

これにより、カソード流路２１ｂの排出孔付近からアノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０付近に燃料電池１内部の水分が移動した後に、アノード流路２２ａの上流において、第２のガス導入孔２２２ａから水素ガスとともにさらに水分が補充されるため、第１実施例と同様に、アノード流路２２ａのガス排出孔２２１の付近からカソード流路２１ｂの上流側に、電解質膜１０の加湿に十分な量の水分を移動させることが可能となる。

また、本実施例において、空気供給マニホールド５１及び空気排出マニホールド５０は、２つずつ設けられている。このため、カソード側セパレータ２１では、２つの空気排出孔２１５と２つの空気導入孔２１６が、Ｙ軸方向に並列にそれぞれ配置されており、アノード側セパレータ２２では、２つの空気通過孔２２５と２つの空気通過孔２２６が、Ｙ軸方向に並列にそれぞれ配置されている。このように、カソード流路２１ｂが複数に分割されている場合、それぞれの流路ごとに、例えば流通させる空気量を異なるように制御することができ、アノードとカソードの間の水分の移動量をより適切に制御することができる。なお、カソード流路２１ｂの分割数は２つに限定されず、３つ以上であってもよい。

（第３実施例）
第１及び第２実施例において、カソード流路２１ｂはストレート形状を有しているが、これに限定されず、サーペンタイン形状を有してもよい。

図５は、第３実施例のアノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２１を示す平面図である。図５において、図４と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の一方において、冷却水通過孔２２３、空気通過孔２２５ａ、及び第１のガス導入孔２２０は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の他方において、ガス排出孔２２１、空気通過孔２２６ａ、第２のガス導入孔２２２ａ、及び冷却水通過孔２２４は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。

また、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の一方において、冷却水通過孔２１３、空気排出孔２１５ａ、及びガス通過孔２１０は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の他方において、ガス通過孔２１１、空気導入孔２１６ａ、ガス通過孔２１２ａ、及び冷却水通過孔２１４は、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。なお、空気導入孔２１６ａは第３導入孔の一例であり、空気排出孔２１５ａは排出孔の一例である。

燃料電池１において、空気導入孔２１６ａと空気通過孔２２６ａは重なり合うことにより空気供給マニホールド５１の一部を構成し、空気排出孔２１５ａ及び空気通過孔２２５ａは重なり合うことにより空気排出マニホールド５０の一部を構成する。

カソード流路２１ｃはサーペンタイン形状を有している。このため、空気は、符号Ｒｃで示されるように、カソード流路２１ｃを蛇行しながら空気導入孔２１６ａから空気排出孔２１５ａへと流れる。

また、水素ガスは、符号Ｒａ，Ｒｂで示されるように、アノード流路２２ａを蛇行しながら第１のガス導入孔２２０と第２のガス導入孔２２２ａからガス排出孔２２１へと流れる。このとき、アノード流路２２ａの水素ガスとカソード流路２１ｃの空気は、互いに反対方向に流れる。つまり、水素ガスの流れと空気の流れは対向流となる。

以上の構成により、第１のガス導入孔２２０は、空気導入孔２１６ａよりも空気排出孔２１５ａの近くに配置されている。このため、本実施例においても、カソード流路２１ｃの空気排出孔２１５ａの付近からアノード流路２２ａの第１のガス導入孔２２０の付近に、電解質膜１０の加湿に十分な量の水分を移動させつつ、第２のガス導入孔２２２ａから水素ガスとともにさらに水分を補充することが可能となる。

（第４実施例）
また、アノード流路及びカソード流路は、両方ともストレート形状を有してもよい。

図６は、第４実施例のアノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２１を示す平面図である。図６において、図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

アノード側セパレータ２２は、アノード流路２２ｄ、空気通過孔２２５ｄ，２２６ｄ、及び冷却水通過孔２２３ｄｌ，２２３ｄｒ，２２４ｄｌ，２２４ｄｒを有する。アノード流路２２ｄは、上流側ガス供給マニホールド４０ａ、下流側ガス供給マニホールド４０ｂ、及びガス排出マニホールド４１と連通することにより水素ガスが流通する。アノード流路２２ｄには、分配流路部２２７、平行流路部２２８、及び集合流路部２２９が設けられ、第１のガス導入孔２２０ｄと第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂが接続されている。

第１のガス導入孔２２０ｄは、高圧タンク９１からアノード流路２２ｄの上流に水素ガスを導く。第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂは、アノード流路２２ｄにおいて第１のガス導入孔２２０ｄの下流側にそれぞれ配置され、再循環路８１及びポンプＰから再循環された水素ガスを第１のガス導入孔２２０ｄの下流側に導く。ガス排出孔２２１ｄは、水素ガスをアノード流路２２ｄから排出路８２に導く。なお、第１のガス導入孔２２０ｄは第１導入孔の一例であり、第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂは第２導入孔の一例である。

平行流路部２２８には、ストレート形状の複数本の流路が設けられている。平行流路部２２８は第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂと接続されている。

分配流路部２２７は、平行流路部２２８の上流側に設けられ、第１のガス導入孔２２０ｄと接続されている。分配流路部２２７には、第１のガス導入孔２２０ｄから導入された水素ガスが平行流路部２２８の複数本の流路に分配されるように、第１のガス導入孔２２０ｄから平行流路部２２８に向かって放射状に広がる複数本の流路が設けられている。

集合流路部２２９には、平行流路部２２８の下流側に設けられ、ガス排出孔２２１ｄに接続されている。集合流路部２２９には、平行流路部２２８の複数の流路から流れ込んだ水素ガスがガス排出孔２２１ｄに導かれるように、ガス排出孔２２１ｄから平行流路部２２８に向かって放射状に広がる複数本の流路が設けられている。

また、カソード側セパレータ２１は、カソード流路２１ｄ、ガス通過孔２１０ｄ，２１１ｄ，２１２ｄａ，２１２ｄｂ、及び冷却水通過孔２１３ｄｌ，２１３ｄｒ，２１４ｄｌ，２１４ｄｒを有する。カソード流路２１ｄには、分配流路部２１７、平行流路部２１８、及び集合流路部２１９が設けられ、空気導入孔２１６ｄと空気排出孔２１５ｄが接続されている。

カソード流路２１ｄは、空気供給マニホールド５１及び空気排出マニホールド５０と連通することにより空気が流通する。空気導入孔２１６ｄは、不図示のエアコンプレッサからカソード流路２１ｄに空気を導く。空気排出孔２１５ｄは、カソード流路２１ｄから空気を排出する。なお、空気導入孔２１６ｄは第３導入孔の一例であり、空気排出孔２１５ｄは排出孔の一例である。

平行流路部２１８には、ストレート形状の複数本の流路が設けられている。分配流路部２１７は、平行流路部２１８の上流側に設けられ、空気導入孔２１６ｄと接続されている。分配流路部２１７には、空気導入孔２１６ｄから導入された空気が平行流路部２１８の複数本の流路に分配されるように、空気導入孔２１６ｄから平行流路部２１８に向かって放射状に広がる複数本の流路が設けられている。

集合流路部２１９は、平行流路部２１８の下流側に設けられ、空気排出孔２１５ｄに接続されている。集合流路部２１９には、平行流路部２１８の複数の流路から流れ込んだ空気が空気排出孔２１５ｄに導かれるように、空気排出孔２１５ｄから平行流路部２１８に向かって放射状に広がる複数本の流路が設けられている。

燃料電池１において、アノード側セパレータ２２の分配流路部２２７とカソード側セパレータ２１の集合流路部２１９は対向し、アノード側セパレータ２２の集合流路部２２９とカソード側セパレータ２１の分配流路部２１７は対向する。また、アノード側セパレータ２２の平行流路部２２８とカソード側セパレータ２１の平行流路部２２８も対向する。

第１のガス導入孔２２０ｄ及び空気通過孔２２５ｄは、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の一方に沿って設けられている。また、ガス通過孔２１０ｄ及び空気排出孔２１５ｄは、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の一方に沿って設けられている。

より具体的には、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の一方において、空気通過孔２２５ｄ及び第１のガス導入孔２２０ｄは、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。また、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の一方において、空気排出孔２１５ｄ及びガス通過孔２１０ｄは、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。

アノード側セパレータ２２の第１のガス導入孔２２０ｄとカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１０ｄは、重なり合うことにより上流側ガス供給マニホールド４０ａの一部を構成する。アノード側セパレータ２２の空気通過孔２２５ｄとカソード側セパレータ２１の空気排出孔２１５ｄは、重なり合うことにより空気排出マニホールド５０の一部を構成する。

ガス排出孔２２１ｄ及び空気通過孔２２６ｄは、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の他方に沿って設けられている。また、ガス通過孔２１１ｄ及び空気導入孔２１６ｄは、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の他方に沿って設けられている。

より具体的には、アノード側セパレータ２２の対向する一対の辺の他方において、ガス排出孔２２１ｄ及び空気通過孔２２６ｄは、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。また、カソード側セパレータ２１の対向する一対の辺の他方において、ガス通過孔２１１ｄ及び空気導入孔２１６ｄは、Ｚ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。

アノード側セパレータ２２のガス排出孔２２１ｄとカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１１ｄは、重なり合うことによりガス排出マニホールド４１の一部を構成する。アノード側セパレータ２２の空気通過孔２２６ｄとカソード側セパレータ２１の空気導入孔２１６ｄは、重なり合うことにより空気供給マニホールド５１の一部を構成する。

また、冷却水通過孔２２４ｄｌ，２２４ｄｒ及び第２のガス導入孔２２２ｄａは、アノード側セパレータ２２の対向する他の一対の辺の各々に沿って設けられており、冷却水通過孔２１４ｄｌ，２１４ｄｒ及びガス通過孔２１２ｄａは、カソード側セパレータ２１の対向する他の一対の辺の各々に沿って設けられている。

より具体的には、冷却水通過孔２２４ｄｒ、第２のガス導入孔２２２ｄａ、及び冷却水通過孔２２４ｄｌは、Ｙ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。冷却水通過孔２１４ｄｒ、ガス通過孔２１２ｄａ、及び冷却水通過孔２１４ｄｌは、Ｙ軸の正方向に沿って、この順に並んでいる。

アノード側セパレータ２２の第２のガス導入孔２２２ｄａとカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１２ｄａは、重なり合うことにより下流側ガス供給マニホールド４０ｂの１つの一部を構成する。アノード側セパレータ２２の第２のガス導入孔２２２ｄｂとカソード側セパレータ２１のガス通過孔２１２ｄｂは、重なり合うことにより下流側ガス供給マニホールド４０ｂの他の１つの一部を構成する。

アノード側セパレータ２２の冷却水通過孔２２４ｄｌ，２２４ｄｒとカソード側セパレータ２１の冷却水通過孔２１４ｄｌ，２１４ｄｒは、それぞれ重なり合うことにより冷却水排出マニホールド６１の一部を構成する。アノード側セパレータ２２の冷却水通過孔２２３ｄｌ，２２３ｄｒとカソード側セパレータ２１の冷却水通過孔２１３ｄｌ，２１３ｄｒは、それぞれ重なり合うことにより冷却水供給マニホールド６０の一部を構成する。

符号Ｒｄは、第１のガス導入孔２２０ｄから導入された水素ガスの流れを示し、符号Ｒｅは、第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂから導入された水素ガスの流れを示す。また、符号Ｒｆは、空気導入孔２１６ｄから導入された空気の流れを示す。

第１のガス導入孔２２０ｄから導入された水素ガスは、分配流路部２２７を経由して平行流路部２２８に流れ込み、平行流路部２２８に沿ってＹ軸の負方向に流れ、集合流路部２２９を経由してガス排出孔２２１ｄに到達する。第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂから導入された水素ガスは、平行流路部２２８において第１のガス導入孔２２０ｄから導入された水素ガスに合流してガス排出孔２２１ｄに到達する。

また、空気導入孔２１６ｄから導入された空気は、分配流路部２１７を経由して平行流路部２１８に流れ込み、平行流路部２１８に沿ってＹ軸の正方向に流れ、集合流路部２１９を経由して空気排出孔２１５ｄに到達する。このため、平行流路部２２８，２１８において、水素ガスの流れと空気の流れは対向流となる。

以上の構成により、第１のガス導入孔２２０ｄは、空気導入孔２１６ｄよりも空気排出孔２１５ｄの近くに配置されている。このため、本実施例においても、カソード流路２１ｄの空気排出孔２１５ｄの付近からアノード流路２２ｄの第１のガス導入孔２２０ｄの付近に、電解質膜１０の加湿に十分な量の水分を移動させることが可能となる。

また、第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂは、アノード流路２２ｄにおいて、第１実施例と同様に、第１のガス導入孔２２０ｄより下流側に配置されている。したがって、第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂは、第１実施例と同様に、再循環路８１及びポンプＰから再循環された水素ガスを第１のガス導入孔２２０ｄの下流側に導く。

これにより、アノード流路２２ｄの平行流路部２２８において、第２のガス導入孔２２２ｄａ，２２２ｄｂから水素ガスとともに水分が補充されるため、第１実施例と同様に、アノード流路２２ｄのガス排出孔２２１ｄの付近からカソード流路２１ｄの上流側の領域に、電解質膜１０の加湿に十分な量の水分を移動させることが可能となる。

上記の各実施例において、カソード流路２１ｂ〜２１ｄの空気排出孔２１５，２１５ａ，２１５ｄ付近の領域からアノード流路２２ａ，２２ｄの第１のガス導入孔２２０，２２０ｄ付近の領域への水分の移動量は、カソード流路２１ｂ〜２１ｄとアノード流路２２ａ，２２ｄの湿度差が大きいほど多い。このため、仮に、アノード流路２２ａ，２２ｄの第１のガス導入孔２２０，２２０ｄからウェットガスが導入されて第１のガス導入孔２２０，２２０ｄ付近の湿度が高い場合には、カソード流路２１ｂ〜２１ｄからの水分の移動量が減少し、その結果として、電解質膜１３の加湿が不十分となるおそれがある。

しかし、上述したように、アノード流路２２ａ，２２ｄの第１のガス導入孔２２０，２２０ｄからドライガスが導入されることにより、カソード流路２１ｂ〜２１ｄとアノード流路２２ａ，２２ｄの湿度差は十分に大きくなる。このため、カソード流路２１ｂ〜２１ｄの空気排出孔２１５，２１５ａ，２１５ｄ付近の水分を効果的にアノード流路２２ａ，２２ｄの第１のガス導入孔２２０，２２０ｄ付近に移動させることが可能となる。

このように、本実施例によれば、カソード流路２１ｂ〜２１ｄの空気排出孔２１５，２１５ａ，２１５ｄ付近の空気に含まれる水分、及び再循環水素ガスに含まれる十分な量の水分を電解質膜１０の加湿に利用することが可能となる。

なお、第２実施例において、第１のガス導入孔２２０と第２のガス導入孔２２２ａの間のアノード流路２２ａは、ＭＥＡ１００のうち、アノード電極１２及びカソード電極１１が存在する発電可能な領域（以下、「発電領域」と表記）と対向するように形成されているが、アノード電極１２及びカソード電極１１が存在しない発電不可能な領域（以下、「非発電領域」と表記）と対向するように形成されてもよい。非発電領域では、アノード電極１２及びカソード電極１１が形成されていないため、発電反応が行われない。

この場合、カソード流路２１ｂの空気排出孔２１５の付近から、アノード流路２２ａのうち、非発電領域に対向する流路に水分が移動するため、水素ガスを、発電領域に対向する流路に入る前に十分に加湿することが可能となる。なお、第２のガス導入孔２２２ａは、アノード流路２２ａのうち、非発電領域に対向する流路を短縮するため、冷却水通過孔２２４の位置に設けられてもよい。

また、本実施例において、供給路８０は、燃料電池スタック９０に水素ガスを供給する経路として再循環路８１から独立に設けられているが、例えば三方弁などを介して再循環路８１と接続されてもよい。この場合、燃料電池システムは、三方弁の開度を制御することにより、運転時、供給路８０及び再循環路８１から個別に水素ガスを燃料電池１に供給し、非運転時、ポンプＰを駆動することにより供給路８０及び再循環路８１の両方を介して燃料電池１に水素ガスを再循環させることができる。このため、燃料電池システムは、非運転時、燃料電池１の発電で生じた水分を水素ガスの流れにより排出路８２から排出することによって、例えば氷点下の環境における燃料電池１内の水分の凍結を抑制することができる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１ 燃料電池
１０ 電解質膜
２１ カソード側セパレータ
２１ｂ〜２１ｄ カソード流路
２２ アノード側セパレータ
２２ａ，２２ｄ アノード流路
９１ 高圧タンク（貯留部）
８１ 再循環路（再循環部）
１００ ＭＥＡ（膜電極接合体）
２２０，２２０ｄ 第１のガス導入孔（第１導入孔）
２２２，２２２ｄ，２２２ｄａ，２２２ｄｂ 第２のガス導入孔（第２導入孔）
２２１，２２１ｄ ガス排出孔
２１６，２１６ａ，２１６ｄ 空気導入孔（第３導入孔）
２１５，２１５ａ，２１５ｄ 空気排出孔（排出孔）
Ｐ ポンプ（再循環部）

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの発電反応が行われる膜電極接合体、及び前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータを有する燃料電池と、
   前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、
   前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記燃料電池に再循環させる再循環部とを備え、
   前記一対のセパレータの一方には、前記燃料ガスが流通するアノード流路が設けられ、
   前記一対のセパレータの他方には、前記酸化剤ガスが流通するカソード流路が設けられ、
   前記アノード流路には、前記貯蔵部に貯蔵された前記燃料ガスを導入するための第１導入孔と、前記再循環部により再循環された前記燃料ガスを前記第１導入孔の下流側に導入するための第２導入孔とが接続され、
   前記カソード流路には、前記酸化剤ガスを導入するための第３導入孔と、前記酸化剤ガスを排出するための排出孔とが接続され、
   前記第１導入孔に導入される前記燃料ガスの湿度は、前記第２導入孔に導入される前記燃料ガスの湿度より低く、
   前記第１導入孔は、前記第３導入孔よりも前記排出孔の近くに配置されている、
   燃料電池システム。
   

Images