JPWO2012039005A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

燃料電池スタックであって、複数の燃料電池モジュールを備える。燃料電池モジュールは、電解質膜と、第１の電極同士が対向するように配置された第１と第２の膜電極接合体と、第１と第２の膜電極接合体の第１の電極に第１の反応ガスを供給するための第１の反応ガス流路と、第１と第２の膜電極接合体の第２の電極に第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス流路と、第１と第２の膜電極接合体の第２の電極を冷却するための冷却流路と、を有する。燃料電池スタックは、第１の電極を冷却するための冷却流路を有さず、第１と第２の膜電極接合体の間に配置された第１の流路形成部材であって、第１の反応ガス流路が形成された第１の流路形成部材を有する。

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。
燃料電池は、複数枚が積層された燃料電池スタックとして使用されるのが一般的である。燃料電池スタックは、燃料電池と、燃料電池のアノード及びカソードを冷却するための冷却流路を備えている（例えば、特許文献１）。燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体に反応ガスを供給するための反応ガス流路と、を有する。
特開２００８−１８６７８３号公報 特開２００６−１１４２４４号公報 国際公開第２００３／１０７４６６号
燃料電池スタックは、車両や船舶等の移動体に設置され動力源として利用される。また、燃料電池スタックは、各種施設に設置され電源として利用される。よって、設置のしやすさを考慮すると、小型化を図ることが求められている。しかしながら、従来の燃料電池スタックの構成では小型化が十分に図れない場合があった。
従って本発明は、燃料電池スタックにおいて小型化を図ることができる技術を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することができる。
［適用例１］
燃料電池スタックであって、
所定方向に積層された複数の燃料電池モジュールを備え、
前記燃料電池モジュールは、
電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟むように配置された第１と第２の電極とをそれぞれ有する第１と第２の膜電極接合体であって、前記第１の電極同士が対向するように配置された第１と第２の膜電極接合体と、
前記第１と第２の膜電極接合体の前記第１の電極に第１の反応ガスを供給するための第１の反応ガス流路と、
前記第１と第２の膜電極接合体の前記第２の電極に第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス流路と、
前記第１と第２の膜電極接合体の前記第２の電極を冷却するための冷却流路と、を有し、
前記燃料電池スタックは、前記第１の電極を冷却するための冷却流路を有さず、前記第１と第２の膜電極接合体の間に配置された第１の流路形成部材であって、前記第１の反応ガス流路が形成された第１の流路形成部材を有する、燃料電池スタック。
適用例１に記載の燃料電池スタックによれば、第１と第２の膜電極接合体の対向する２つの第１の電極を冷却するための冷却流路を有さないため、第１の電極を冷却するための冷却流路を有する燃料電池スタックに比べ小型化を図ることができる。
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の流路形成部材は、前記第１と第２の膜電極接合体の前記第１の電極に前記第１の反応ガスを供給可能な多孔体である、燃料電池スタック。
適用例２に記載の燃料電池スタックによれば、第１の流路形成部材を多孔体によって形成することで、第１の流路形成部材の両側に配置された第１と第２の膜電極接合体の第１の電極に第１の反応ガスを容易に供給できる。
［適用例３］適用例１に記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の流路形成部材は、板状の部材であり、
前記第１の膜電極接合体に対向する第１の面と、前記第２の膜電極接合体に対向する第２の面とを有し、
前記第１の反応ガス流路は、前記第１と第２の面に形成された溝である、燃料電池スタック。
適用例３に記載の燃料電池スタックによれば、板状の部材の両面に溝を形成することで、第１と第２の膜電極接合体の第１の電極に第１の反応ガスを供給することができる。
［適用例４］適用例１乃至適用例３のいずれか１つに記載の燃料電池スタックであって、さらに、
隣り合う前記燃料電池モジュールの間に配置された絶縁体を、備え、
前記冷却流路は、前記絶縁体の内部に形成されている、燃料電池スタック。
適用例４に記載の燃料電池スタックによれば、絶縁体とは別に冷却流路を有する部材を配置する必要がないため、さらに小型化を図ることができる。
［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１つに記載の燃料電池スタックであって、
前記第１の電極は、カソードであり
前記第２の電極は、アノードである、燃料電池スタック。
一般に、電解質膜は高温ほど多くの水を含水できるという特徴を有する。一方で、カソードでは、電気化学反応により水が発生する。適用例５に記載の燃料電池スタックによれば、カソード側に冷却流路を有さず、アノード側に冷却流路を有することで、水が発生するカソードをアノードよりも高温に維持することができる。これにより、電解質膜のカソード側ではアノード側より多くの水を含水させることができ、電解質膜の水の勾配により、カソード側からアノード側へと水を拡散させることができる。よって、燃料電池スタックの小型化を図ることができる共に、電解質膜の含水率を均一化することができる。
［適用例６］適用例１乃至適用例５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックであって、さらに、
前記第１と第２の膜電極接合体とを電気的に並列に接続する外部回路を有する、燃料電池スタック。
適用例６に記載の燃料電池スタックによれば、第１の電極同士を対向させた第１と第２の膜電極接合体を有する燃料電池スタックから集電することが可能となる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、上記に記載の燃料電池スタックとしての構成の他、例えば、燃料電池スタックを搭載した車両（移動体）や、燃料電池スタックを備えた施設等の態様で実現することができる。
燃料電池システム１の全体構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１０の内部構成を説明するための図である。 図２の３−３断面図である。 第１実施例の電気回路図を説明するための図である。 対向するカソードに空気を供給する方法を説明するための図である。 燃料電池スタック１０の効果を説明するための図である。 燃料電池スタック１０の効果を説明するための図である。 燃料電池スタック１０の効果を説明するための図である。 第２実施例の燃料電池スタック１０ａの内部構成を説明するための図である。 第３実施例の燃料電池スタック１０ｂを説明するための図である。
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池スタック１０を備える燃料電池システム１の全体構成を示す説明図である。第１実施例の燃料電池システム１は、例えば車両に搭載され、車両の動力源として使用することができる。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、酸化剤ガス供給部としてのエアポンプ６０と、燃料ガス供給部としての水素タンク７０と、冷却媒体供給部としてのラジエータ８４と、燃料電池システムの運転を制御する制御部（図示せず）を備えている。さらに、燃料電池システム１は、反応ガスや冷却媒体が流通する配管６２，６４，７２，７７，７８，８２，８６と、バルブ７１，７４と、循環ポンプ７６，８０とを備える。
燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池を形成する。燃料電池スタック１０は、燃料電池モジュール４０が絶縁体（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造を有する。また、燃料電池モジュール４０は、各燃料電池モジュール４０の厚さ方向に積層され、両側に配置されたエンドプレート３０によって挟持されている。燃料電池モジュール４０は、２つの後述する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有する。なお、燃料電池スタック１０の内部構成の詳細は後述する。
燃料電池スタック１０内部には、酸化剤ガス供給マニホールド６３と、酸化剤ガス排出マニホールド６５と、燃料ガス供給マニホールド７３と、燃料ガス排出マニホールド７５と、冷却媒体供給マニホールド８１と、冷却媒体排出マニホールド８５とが形成されている。
燃料ガスとしての水素は、高圧水素を貯蔵した水素タンク７０から燃料ガス供給配管７２及び燃料ガス供給マニホールド７３を介して各燃料電池モジュール４０の膜電極接合体（詳細には、アノード）に供給される。燃料ガス供給配管７２には水素の供給を調整するためのバルブ７１が設置されている。膜電極接合体（詳細にはアノード）に供給された水素は、電気化学反応による発電に供される。アノードを通過した水素であるアノードオフガスは、燃料ガス排出マニホールド７５及び燃料ガス排出配管７８を介して外部へ排出される。なお、燃料電池システム１は、燃料ガス供給配管７２と燃料ガス排出配管７８とを連通させる燃料ガス循環配管７７と、循環ポンプ７６とを備える。アノードオフガスは、バルブ７４と循環ポンプ７６を制御することで、燃料ガス循環配管７７及び燃料ガス供給配管７２を介して再び燃料電池スタック１０に供給しても良い。
酸化剤ガスとしての空気は、エアポンプ６０を駆動することで、酸化剤ガス供給配管６２及び酸化剤ガス供給マニホールド６３を介して各燃料電池モジュール４０の膜電極接合体（詳細には、カソード）に供給される。膜電極接合体（詳細にはカソード）に供給された空気は、電気化学反応による発電に供される。カソードを通過した空気であるカソードオフガスは、酸化剤ガス排出マニホールド６５及び酸化剤ガス排出配管６４を介して外部へ排出される。
冷却媒体としての冷却水は、ラジエータ８４から冷却媒体供給配管８６及び冷却媒体供給マニホールド８１を介して、各燃料電池モジュール４０に供給される。各燃料電池モジュール４０を通過した冷却水は、循環ポンプ８０によって冷却媒体排出配管８２を介してラジエータ８４に送られ、再び、冷却媒体供給配管８６を介して燃料電池スタック１０内部に供給される。なお、冷却媒体としては、水だけでなく、エチレングリコール等の不凍液や空気等を用いることができる。
Ａ−２．燃料電池スタックの構成：
図２は、燃料電池スタック１０の内部構成を説明するための図である。図２は、燃料電池スタック１０の概略構成を示している。燃料電池スタック１０は、各構成の面と直交する方向に積層された複数の燃料電池モジュール４０と、隣り合う燃料電池モジュール４０の間に配置された絶縁体２１と、外部回路（図示せず）と、を備える。燃料電池モジュール４０は、２つの燃料電池セル４２を備える。２つの燃料電池セル４２は、同極同士が対向するように配置されている。各燃料電池セル４２は、膜電極接合体の両側にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）３０と、ＭＥＧＡの両面を挟むように配置された第１と第２のセパレータ２２，２６とを備える。第１と第２のセパレータ２２，２６は板状の部材であり、両面には溝が形成されている。形成された溝には、各マニホールド６３，７３，８６（図１）から分配され供給された反応ガス（空気、水素）や冷却水が流通する。該溝に反応ガスが流通することで、ＭＥＧＡ３０を構成する各電極に反応ガスが供給され、電気化学反応による発電に供される。また、冷却水によって燃料電池スタック１０の温度調節が行われる。以上のように、第１と第２のセパレータ２２，２６の両面の溝は、反応ガスや冷却水を流通させるための流路として機能する。
図３は、図２の３−３断面図である。図３を用いて燃料電池スタック１０の詳細構成について説明する。ＭＥＧＡ３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３５と、ＭＥＡ３５の両面を挟むように配置（接合）されたカソードガス拡散層３６及びアノードガス拡散層３７を備える。ＭＥＡ３５は、電解質膜３１と、第１の電極としてのカソード３３と、第２の電極としてのアノード３４とを備える。カソード３３及びアノード３４は、電解質膜３１の両面を挟むように配置されている。
電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。すなわち、電解質膜３１は、固体高分子電解質膜である。
カソード３３及びアノード３４は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。カソード３３およびアノード３４を形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを用いてペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。
カソードガス拡散層３６及びアノードガス拡散層３７は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ＭＥＡ２０とガス拡散層３６，３７とは、ＭＥＡ３５をガス拡散層３６，３７によって挟持して、プレス接合することによって一体化されている。ここで、燃料電池モジュール４０は、２つのＭＥＡ３５の同極同士が対向するように配置されている。本実施例では、カソード３３同士が対向するように配置されている。
燃料電池モジュール４０を構成する２つのＭＥＧＡ３０の間には、第１のセパレータ２２が配置されている。また、２つのＭＥＧＡ３０を挟むように第２のセパレータ２６が配置されている。第１と第２のセパレータ２２，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成される板状部材である。第１の第２のセパレータ２２，２６の両面には溝２５ａ，ｂ，ｃが形成されている。
第１のセパレータ２２に形成された溝２５ａには、酸化剤ガス供給マニホールド６３（図１）を流れる空気が流通する。溝２５ａを流通する空気は、カソードガス拡散層３６によりＭＥＧＡ３０の面方向に拡散され、燃料電池モジュール４０を構成する２つのカソード３３に供給される。すなわち、第１のセパレータ２２は、対向する２つのカソード３３に空気を供給するための共通（単一）の流路形成部材として機能する。すなわち、燃料電池モジュール４０の２つの燃料電池セル４２（図２）のうち、空気を供給する流路は共通の部材（第１のセパレータ２２）によって形成されている。なお、２つのＭＥＧＡ２０の間には冷却水が流れる冷却流路は形成されていない。
第２のセパレータ２６に形成された溝２５ｂ，２５ｃのうち、アノード３４と対向する面に形成された溝２５ｂには、燃料ガス供給マニホールド７３を流れる水素が流通する。溝２５ｂを流通する水素は、アノードガス拡散層３７によりＭＥＧＡ３０の面内方向に拡散され、燃料電池モジュール４０を構成する２つのアノード３４に供給される。また、第２のセパレータ２６に形成された溝２５ｂ，２５ｃのうち、アノード３４と対向する面とは反対側の面に形成された溝２５ｃには、冷却媒体供給マニホールド８１（図１）を流れる冷却水が流通する。言い換えれば、冷却水の流路である溝２５ｃは、水素の流路である溝２５ｂに対して、アノード３４が位置する側とは反対の側に位置する。これにより、燃料電池スタック１０（主に、アノード３４）の温度調節が行われる。このように、第２のセパレータ２６は、燃料電池モジュール４０のアノード３４に水素を供給するための流路形成部材と、アノード３４を冷却する冷却水を供給するための流路形成部材として機能する。
また、第１と第２のセパレータ２２，２６は、ＭＥＡ３５において発電された電気を集電するための集電体としても機能し、第１と第２のセパレータ２２，２６には、外部回路４５が電気的に接続されている。具体的には、外部回路４５は、燃料電池モジュール４０の２つのＭＥＡ３５を並列に接続する。
隣り合う燃料電池モジュール４０の間には、隣り合う燃料電池モジュール４０の同極同士が直接に接続されるのを防止するために絶縁体２１が配置されている。絶縁体２１は、シート状のフッ素樹脂や、絶縁紙等の絶縁シートを用いることができる。本実施例では、第１と第２のセパレータ２２，２６よりも薄い絶縁シートを用いている。
図４は、第１実施例の電気回路図を説明するための図である。燃料電池スタック１０は、燃料電池モジュール４０を構成する２つの燃料電池セル４２が並列に接続されている。また、並列に接続された２つの燃料電池セル４２が複数直列に接続されている。そして、外部回路４５には、負荷９０が接続されている。負荷９０は、例えば、車両の駆動用モータや燃料電池システム１を構成する各種アクチュエータ（例えば、循環ポンプ８０やバルブ７１等）が挙げられる。このように、並列に接続された２つの燃料電池セル４２を複数直列に接続することで、出力電圧を高くすることができる。
図５は、対向するカソード３３に空気を供給する方法を説明するための図である。図５（Ａ）は、対向する２つのカソード３３に空気を供給する第１の方法を説明するための図である。図５（Ｂ）は、対向する２つのカソード３３に空気を供給する第２の方法を説明するための図である。
燃料電池システム１は、燃料電池モジュール４０の対向する２つのカソード３３に空気を供給する方法として、例えば２つの供給方法のいずれかを採用することができる。第１の方法は、図５（Ａ）に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド６３から第１のセパレータ２２の両側の溝流路２５ａにそれぞれ並行に空気が供給される方法である。第１の方法は、電気化学反応に供される反応ガスである空気を確実に対向する２つのカソード３３に供給することができる。第２の方法は、図５（Ｂ）に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド６３から第１のセパレータ２２の一方の面に形成された溝流路２５ａ（「第１の溝流路２５ａ」とも呼ぶ。）に空気が供給され、第１の溝流路２５ａから出た空気が第１のセパレータの他方の面に形成された溝流路２５ａに供給される方法である。第２の方法は、酸化剤ガス供給マニホールド６３から第１のセパレータ２２に供給される空気を有効に利用することができる。
Ａ−３．第１実施例の効果：
図６は、燃料電池スタック１０の効果を説明するための図である。図６（Ａ）は、第１実施例の燃料電池スタック１０の３−３断面図である。図６（Ｂ）は、比較例の燃料電池スタック１０ｇの３−３断面図に相当する断面図である。なお、外部回路の図示は省略している。
比較例の燃料電池スタック１０ｇは、隣り合うＭＥＧＡ３０について、異なる極が対向するように積層されている。すなわち、ＭＥＧＡ３０を含む各燃料電池セルが電気的に直列になるように接続されている。また、燃料電池スタック１０ｇは、セパレータ２２ｇを備える。セパレータ２２ｇは、第１と第２のセパレータ２２，２６と同様に、ガス不透過な導電性部材により形成され、両面に反応ガスや冷却水を流通させるための溝２５ａ，２５ｂ，２５ｃが形成されている。セパレータ２２ｇの厚さは、第１と第２のセパレータ２２，２６と同一である。また、燃料電池スタック１０ｇは、隣り合うＭＥＧＡ３０の間に２枚のセパレータ２２ｇが配置されている。そして、２枚のセパレータ２２ｇのうち、ＭＥＧＡ３０のカソード３３と対向する溝２５ａには、空気が流通する。ＭＥＧＡ３０のアノード３４と対向する溝２５ｂには、空気が流通する。そして、２枚のセパレータ２２ｇが対向する面に設けられた溝２５ｃには、燃料電池スタック１０ｇ（カソード３３及びアノード３４）を冷却するための冷却水が流通する。すなわち、燃料電池スタック１０ｇは、カソード３３とアノード３４の両方を冷却するための冷却流路を有する構成である。
ここで、ＭＥＧＡ３０の厚さを２ｔ１、セパレータ２２，２６，２２ｇの厚さを２ｔ２、絶縁体２１の厚さを２ｔ３とする。また、燃料電池スタック１０の各構成の１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分（ＭＥＧＡ３０と、反応ガス流路２５ａ，２５ｂと、冷却流路２５ｃと、絶縁体２１）の厚さをａとする。また、燃料電池スタック１０ｇの各構成の１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分（ＭＥＧＡ３０と、反応ガス流路２５ａ，２５ｂと、冷却流路２５ｃ）の厚さをｂとする。図６（Ａ）より、厚さａは、以下の式（１）のように算出できる。一方、図６（Ｂ）より、厚さｂは、以下の式（２）のように算出できる。
厚さａ＝３ｔ１＋２ｔ２＋ｔ３ （１）
厚さｂ＝４ｔ１＋２ｔ２ （２）
ここで、絶縁体２１の厚さ２ｔ３はセパレータ２２，２６，２２ｇの厚さ２ｔ１よりも小さいことから、以下の式（３）が成立する。
厚さａ＜厚さｂ （３）
上記のように、第１実施例の燃料電池スタック１０は、同極（カソード３３）同士が対向するように配置され、燃料電池モジュール４０の２つのカソード３３を冷却するための冷却流路を有さず、対向する２つのカソード３３に空気を供給するために共通する第１のセパレータ２２を用いた（図３）。これにより、燃料電池スタック１０の１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分の厚さａを比較例の燃料電池スタック１０ｇの１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分の厚さｂよりも小さくできる。よって、カソード３３及びアノード３４の双方を冷却するための冷却流路を有する燃料電池スタック１０ｇに比べ小型化を図ることができる。
図７は、燃料電池スタック１０の効果を説明するための図である。図７は、ＭＥＡ３５を用いて燃料電池（単セル）を作製し、カソード３３側及びアノード３４側に所定温度の冷却水を流通させることで、カソード３３及びアノード３４を所定の温度状態とした。すなわち、例えば、カソード３３側に冷却水温６０℃、アノード３４側に冷却水温８０℃の冷却水を流通させることで、カソード３３の温度を６０℃、アノード３４の温度を８０℃に設定している。また、カソード３３及びアノード３４にはそれぞれ加湿した反応ガス（カソード３３：空気、アノード３４：水素）を供給している。図７は、電流密度を変化させたときのセル電圧の変化（Ｖ−Ｉ特性）、及び、セル抵抗の変化を調べた結果を示している。ここで、上記比較例の燃料電池スタック１０ｇ（図６（Ｂ））を運転した場合に実現されるカソード３３及びアノード３４の温度状態を再現するために、カソード３３及びアノード３４の冷却水温を８０℃に設定したサンプル（サンプルＮｏ．１）を用いて実験を行った。また、第１実施例の燃料電池スタック１０（図６（Ａ））を運転した場合に実現されるカソード３３及びアノード３４の温度状態を再現するために、アノード３４の冷却水温をカソード３３の冷却水温よりも低く設定したサンプルを２つ（サンプルＮｏ．２，サンプルＮｏ．３）用いて実験を行った。
図７に示すＶ−Ｉ特性から分かるように、サンプルＮｏ．２及びサンプルＮｏ．３は、サンプルＮｏ．１に比べて、同じ電流密度に対して高いセル電圧が得られた。また、図７に示すセル抵抗から分かるように、サンプルＮｏ．２及びサンプルＮｏ．３は、サンプルＮｏ．１に比べて、同じ電流密度に対して低いセル抵抗値を示した。すなわち、サンプルＮｏ．２及びＮｏ．３は、サンプルＮｏ．１に比べ発電効率を向上させることができる。特に、サンプルＮｏ．１とサンプルＮｏ．２及びサンプルＮｏ．３を比較した場合に、高出力側（電流密度１．０Ａ／ｃｍ2近傍）では、低出力側（電流密度０．５Ａ／ｃｍ2近傍）よりも、同じ電流密度に対して得られるセル電圧の差が大きくなっている。すなわち、アノード３４の温度をカソード３３の温度よりも低くすることで、高出力が要求される場合（車両の場合、例えば、坂道運転や高速運転を行う場合）に、所望とする出力による燃料電池システム１の運転がより可能となる。
図８は、燃料電池スタック１０の効果を説明するための図である。図８（Ａ）は、図７の実験に用いたＭＥＡ３５を示している。図８（Ｂ）〜（Ｄ）は、各サンプルにおいて、図７の電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2の場合について、ＭＥＡ３５を面内方向に複数の領域に分割した場合の各領域における電流密度と抵抗値を表している。すなわち、図８（Ｂ）〜（Ｄ）に示す電流密度を平均すると１．０Ａ／ｃｍ2となり、抵抗値を平均すると図７に示す電流密度１．０Ａ／ｃｍ2における抵抗値となる。
図８（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、サンプルＮｏ．２及びサンプルＮｏ．３は、サンプルＮｏ．１に比べて、各領域における抵抗（電解質膜３１の抵抗）の分布のばらつきが小さいことが分かる。詳細には、サンプルＮｏ．１ではＭＥＡ３５の両端（図８（Ａ）に示すＭＥＡ３５の右端及び左端）の抵抗は大きくなっているのに対し、サンプルＮｏ．２及びサンプルＮｏ．３はサンプルＮｏ．１に比べて、ＭＥＡ３５の両端の抵抗が小さくなっている。すなわち、アノード冷却水温をカソード冷却水温よりも低く設定したサンプルＮｏ．２及びＮｏ．３は、冷却水温を同じに設定したサンプルＮｏ．１に比べ、電解質膜３１の面内方向の含水率のばらつきの発生が低減できたことが分かる。すなわち、電気化学反応により水が発生するカソード３３をアノード３４よりも高温に維持することで、電解質膜３１のカソード側をアノード側よりも多くの水を含水させることができる。これにより、電解質膜３１のカソード３３側からアノード３４側への水の拡散を促進させることで、面内方向への水の拡散も促進させ、電解質膜３１の面内方向の含水率を均一化することができる。
電解質膜３１の面内方向の含水率を均一化して、面内方向の膜抵抗を均一化することで、面内方向の電流密度を均一化することができる。これにより、ＭＥＡ３５が局所的に劣化する可能性を低減でき、ＭＥＡ３５の性能を長時間にわたり維持できる。
すなわち、第１実施例の燃料電池スタック１０は、カソード３３を冷却するための冷却流路を有さず、アノード３４を冷却するための冷却流路２５ｃ（図３）を有する。よって、図７，８に示すようなサンプルＮｏ．２及びＮｏ．３のように、カソード３３をアノード３４よりも高温に維持することができる。これにより、第１実施例の燃料電池スタック１０は比較例の燃料電池スタック１０ｇに比べて、電解質膜３１の含水率を均一化することができる。よって、燃料電池スタック１０はＭＥＡ３５の劣化を抑制し、ＭＥＡ３５の性能を長時間にわたり維持できる。また、第１実施例の燃料電池スタック１０は、比較例の燃料電池スタック１０ｇに比べて、発電効率を向上させることができる。また、第１実施例の燃料電池スタック１０は、カソード３３を冷却するための冷却流路を有さないことから、燃料電池システム１の始動の際に、より短時間に燃料電池スタック１０を所定の温度（例えば８０℃〜９０℃）まで昇温させることができる。さらに、燃料電池スタック１０は、カソード３３及びアノード３４の双方を冷却するための冷却流路を有する燃料電池スタック１０ｇ（図６（Ｂ））に比べ小型化を図ることができる。
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例の燃料電池スタック１０ａの内部構成を説明するための図である。第１実施例の燃料電池スタック１０との違いは、第１のセパレータ２２ａの構成である。その他の構成については第１実施例の燃料電池スタック１０と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号を付すと共に説明を省略する。また、燃料電池システムのその他の構成（図１：水素タンク７０、ラジエータ８４等）は、第１実施例と同様の構成であるため説明を省略する。なお、図９は、図２に相当する図である。
燃料電池スタック１０ａのうち、燃料電池モジュール４０の２つのＭＥＡ３０の間には、水素の流通させる流路を形成する部材（水素流路形成部材）に、第１のセパレータとしての多孔体２２ａを用いている。多孔体２２ａは、外表面及び内部に連通した多数の孔を有する部材である。また、多孔体２２ａは、導電性を有する部材である。多孔体２２ａは、例えば、カーボン，Ａｕ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｓｎ、及び、これらの合金、若しくは、少なくともこれらを１種以上含む複合体により作製される。なお、多孔体２２ａの厚さは、第１のセパレータ２２の厚さと同一である。
多孔体２２ａを用いることで、酸化剤ガス供給マニホールド６３（図１）から多孔体２２ａに供給された空気は、多孔体２２ａ内を流通し、両側に位置する２つのＭＥＧＡ３０のカソード３３に供給される。
このように、第２実施例の燃料電池スタック１０ａは、水素流路形成部材を多孔体２２ａとすることで、水素流路形成部材を板状の部材であって両面に溝を有する部材（図２：セパレータ２２）とするよりも、容易に２つのカソード３３に水素を供給するための流路を形成することができる。また、第２実施例の燃料電池スタック１０ａは、第１実施例の燃料電池スタック１０と同様に、アノード３４を冷却するための冷却流路を有すると共に、カソード３３を冷却するための流路を有さない。よって、第１実施例と同様に、燃料電池スタック１０ａを小型化できる。また、第１実施例と同様に、電解質膜３１の含水率を均一化することができ、ＭＥＡ３５の劣化を抑制し、ＭＥＡ３５の性能を長時間にわたり維持できる。また、第１実施例と同様に、発電効率を向上させることができる。
Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例の燃料電池スタック１０ｂを説明するための図である。第１実施例の燃料電池スタック１０との違いは、絶縁体２１ｂ及び第２のセパレータ２６ｂの構成である。その他の構成については第１実施例の燃料電池スタック１０と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号を付すと共に説明を省略する。また、燃料電池システムのその他の構成（図１：水素タンク７０、ラジエータ８４等）は、第１実施例と同様の構成であるため説明を省略する。なお、図１０は、図３に相当する図である。但し、外部回路４５（図３）の図示は省略している。
第３実施例の燃料電池スタック１０ｂは、絶縁体２１ｂ内に冷却流路２５ｃが形成されている。また、絶縁体２１ｂと隣り合って配置されている第２のセパレータ２６ｂは、アノード３４側の面にのみ溝が形成されている。絶縁体２１ｂは、所定の厚さを有し、フッ素樹脂等の絶縁部材により形成されている。このように、絶縁体２１ｂ内に冷却流路２５ｃを形成することで、第２のセパレータ２６ｂに冷却流路用の溝を形成する必要が無くなり、第２のセパレータ２６ｂの構造を単純化できる。
ここで、第２のセパレータ２６ｂは片面のみに溝を形成すれば良いため、第１実施例の第２のセパレータ２６に比べ、厚さが半分（ｔ１）である。一方、絶縁体２１ｂは内部に冷却流路２５ｃを形成する必要があるため、厚さが第２のセパレータ２６ｂと同様ｔ１である。そうすると、燃料電池スタック１０ｂの１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分の厚さｃは、以下の式（４）のように算出できる。
厚さｃ＝ｔ１＋２ｔ２＋ｔ１＋ｔ１／２＝（５ｔ１／２）＋２ｔ２ （４）
ここで、第１実施例の燃料電池スタック１０の燃料電池スタック部分の厚さａは３ｔ１＋２ｔ２＋ｔ３であったことから（図６（Ａ））、第３実施例の燃料電池スタック１０ｂは、第１実施例の燃料電池スタック１０よりも更に小型化を図ることができる。また、上記実施例と同様に、電解質膜３１の含水率を均一化することができ、ＭＥＡ３５の劣化を抑制し、ＭＥＡ３５の性能を長時間にわたり維持できる。また、第１実施例と同様に、発電効率を向上させることができる。
Ｄ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｄ−１．第１変形例：
上記実施例では、燃料電池モジュール４０において、カソード３３が対向するようにＭＥＧＡ３０が配置されていたが（図３）、アノード３４が対向するようにＭＥＧＡ３０を配置しても良い。このようにしても、燃料電池スタック１０，１０ａ，１０ｂは、対向するアノード３４を冷却するための冷却流路を有さないため、アノード３４を冷却するための冷却流路を有する燃料電池スタックに比べて、小型化を図ることができる。
Ｄ−２．第２変形例：
上記第３実施例において、反応ガス流路２５ａ，２５ｂは板状の部材（第１と第２のセパレータ）２２，２６ｂに溝を形成することで形成されていたが、これに限定されるものではない。例えば、第１と第２のセパレータ２２，２６ｂの少なくとも一方を多孔体としても良い。こうすることで、反応ガス流路を容易に形成することができる。
Ｄ−３．第３変形例：
上記実施例では、燃料電池スタック１０〜１０ｂは、ガス拡散層３６，３７を備えていたが（図３）、省略可能である。この場合、カソード３３及びアノード３４の面内方向に均一に反応ガスを供給するために、反応ガス流路は多孔体２２ａ（図９）で形成することが好ましい。
Ｄ−４．第４変形例：
上記実施例では、燃料電池スタック１０〜１０ｂに固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池を用いることができる。
Ｄ−５．第５変形例：
上記実施例の燃料電池スタック１０〜１０ｂのいずれかを備えた燃料電池システム１は、車両に限らず、船舶等の各種移動体に搭載され、各種移動体の動力源として用いることができる。また、燃料電池システム１を定置型電源として用いることもできる。
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１０ａ…燃料電池スタック
１０ｂ…燃料電池スタック
１０ｇ…燃料電池スタック
２１…絶縁体
２１ｂ…絶縁体
２２…第１のセパレータ
２２ａ…第１のセパレータ（多孔体）
２２ｇ…セパレータ
２５ａ…溝（溝流路、反応ガス流路）
２５ｂ…溝
２５ｃ…溝（冷却流路）
２６…第２のセパレータ
２６ｂ…第２のセパレータ
３０…エンドプレート
３１…電解質膜
３３…カソード
３４…アノード
３６…カソードガス拡散層
３７…アノードガス拡散層
４０…燃料電池モジュール
４２…燃料電池セル
４５…外部回路
６０…エアポンプ
６２…酸化剤ガス供給配管
６３…酸化剤ガス供給マニホールド
６４…酸化剤ガス排出配管
６５…酸化剤ガス排出マニホールド
７０…水素タンク
７１…バルブ
７２…燃料ガス供給配管
７３…燃料ガス供給マニホールド
７４…バルブ
７５…燃料ガス排出マニホールド
７６…循環ポンプ
７７…燃料ガス循環配管
７８…燃料ガス排出配管
８０…循環ポンプ
８１…冷却媒体供給マニホールド
８２…冷却媒体排出配管
８４…ラジエータ
８５…冷却媒体排出マニホールド
８６…冷却媒体供給配管
９０…負荷
燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池を形成する。燃料電池スタック１０は、燃料電池モジュール４０が絶縁体（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造を有する。また、燃料電池モジュール４０は、各燃料電池モジュール４０の厚さ方向に積層され、両側に配置されたエンドプレート５０によって挟持されている。燃料電池モジュール４０は、２つの後述する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有する。なお、燃料電池スタック１０の内部構成の詳細は後述する。
第１のセパレータ２２に形成された溝２５ａには、酸化剤ガス供給マニホールド６３（図１）を流れる空気が流通する。溝２５ａを流通する空気は、カソードガス拡散層３６によりＭＥＧＡ３０の面方向に拡散され、燃料電池モジュール４０を構成する２つのカソード３３に供給される。すなわち、第１のセパレータ２２は、対向する２つのカソード３３に空気を供給するための共通（単一）の流路形成部材として機能する。すなわち、燃料電池モジュール４０の２つの燃料電池セル４２（図２）のうち、空気を供給する流路は共通の部材（第１のセパレータ２２）によって形成されている。なお、２つのＭＥＧＡ３０の間には冷却水が流れる冷却流路は形成されていない。
比較例の燃料電池スタック１０ｇは、隣り合うＭＥＧＡ３０について、異なる極が対向するように積層されている。すなわち、ＭＥＧＡ３０を含む各燃料電池セルが電気的に直列になるように接続されている。また、燃料電池スタック１０ｇは、セパレータ２２ｇを備える。セパレータ２２ｇは、第１と第２のセパレータ２２，２６と同様に、ガス不透過な導電性部材により形成され、両面に反応ガスや冷却水を流通させるための溝２５ａ，２５ｂ，２５ｃが形成されている。セパレータ２２ｇの厚さは、第１と第２のセパレータ２２，２６と同一である。また、燃料電池スタック１０ｇは、隣り合うＭＥＧＡ３０の間に２枚のセパレータ２２ｇが配置されている。そして、２枚のセパレータ２２ｇのうち、ＭＥＧＡ３０のカソード３３と対向する溝２５ａには、空気が流通する。ＭＥＧＡ３０のアノード３４と対向する溝２５ｂには、水素が流通する。そして、２枚のセパレータ２２ｇが対向する面に設けられた溝２５ｃには、燃料電池スタック１０ｇ（カソード３３及びアノード３４）を冷却するための冷却水が流通する。すなわち、燃料電池スタック１０ｇは、カソード３３とアノード３４の両方を冷却するための冷却流路を有する構成である。
ここで、ＭＥＧＡ３０の厚さを２ｔ２、セパレータ２２，２６，２２ｇの厚さを２ｔ１、絶縁体２１の厚さを２ｔ３とする。また、燃料電池スタック１０の各構成の１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分（ＭＥＧＡ３０と、反応ガス流路２５ａ，２５ｂと、冷却流路２５ｃと、絶縁体２１）の厚さをａとする。また、燃料電池スタック１０ｇの各構成の１繰り返し周期となる燃料電池スタック部分（ＭＥＧＡ３０と、反応ガス流路２５ａ，２５ｂと、冷却流路２５ｃ）の厚さをｂとする。図６（Ａ）より、厚さａは、以下の式（１）のように算出できる。一方、図６（Ｂ）より、厚さｂは、以下の式（２）のように算出できる。
厚さａ＝３ｔ１＋２ｔ２＋ｔ３ （１）
厚さｂ＝４ｔ１＋２ｔ２ （２）
燃料電池スタック１０ａのうち、燃料電池モジュール４０の２つのＭＥＡ３０の間には、空気の流通させる流路を形成する部材（空気流路形成部材）に、第１のセパレータとしての多孔体２２ａを用いている。多孔体２２ａは、外表面及び内部に連通した多数の孔を有する部材である。また、多孔体２２ａは、導電性を有する部材である。多孔体２２ａは、例えば、カーボン，Ａｕ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｓｎ、及び、これらの合金、若しくは、少なくともこれらを１種以上含む複合体により作製される。なお、多孔体２２ａの厚さは、第１のセパレータ２２の厚さと同一である。
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１０ａ…燃料電池スタック
１０ｂ…燃料電池スタック
１０ｇ…燃料電池スタック
２１…絶縁体
２１ｂ…絶縁体
２２…第１のセパレータ
２２ａ…第１のセパレータ（多孔体）
２２ｇ…セパレータ
２５ａ…溝（溝流路、反応ガス流路）
２５ｂ…溝
２５ｃ…溝（冷却流路）
２６…第２のセパレータ
２６ｂ…第２のセパレータ
３１…電解質膜
３３…カソード
３４…アノード
３６…カソードガス拡散層
３７…アノードガス拡散層
４０…燃料電池モジュール
４２…燃料電池セル
４５…外部回路
５０…エンドプレート
６０…エアポンプ
６２…酸化剤ガス供給配管
６３…酸化剤ガス供給マニホールド
６４…酸化剤ガス排出配管
６５…酸化剤ガス排出マニホールド
７０…水素タンク
７１…バルブ
７２…燃料ガス供給配管
７３…燃料ガス供給マニホールド
７４…バルブ
７５…燃料ガス排出マニホールド
７６…循環ポンプ
７７…燃料ガス循環配管
７８…燃料ガス排出配管
８０…循環ポンプ
８１…冷却媒体供給マニホールド
８２…冷却媒体排出配管
８４…ラジエータ
８５…冷却媒体排出マニホールド
８６…冷却媒体供給配管
９０…負荷

Claims (6)

  1. 燃料電池スタックであって、
    所定方向に積層された複数の燃料電池モジュールを備え、
    前記燃料電池モジュールは、
    電解質膜と、前記電解質膜の両面を挟むように配置された第１と第２の電極とをそれぞれ有する第１と第２の膜電極接合体であって、前記第１の電極同士が対向するように配置された第１と第２の膜電極接合体と、
    前記第１と第２の膜電極接合体の前記第１の電極に第１の反応ガスを供給するための第１の反応ガス流路と、
    前記第１と第２の膜電極接合体の前記第２の電極に第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス流路と、
    前記第１と第２の膜電極接合体の前記第２の電極を冷却するための冷却流路と、を有し、
    前記燃料電池スタックは、前記第１の電極を冷却するための冷却流路を有さず、前記第１と第２の膜電極接合体の間に配置された第１の流路形成部材であって、前記第１の反応ガス流路が形成された第１の流路形成部材を有する、燃料電池スタック。
  2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１の流路形成部材は、前記第１と第２の膜電極接合体の前記第１の電極に前記第１の反応ガスを供給可能な多孔体である、燃料電池スタック。
  3. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１の流路形成部材は、板状の部材であり、
    前記第１の膜電極接合体に対向する第１の面と、前記第２の膜電極接合体に対向する第２の面とを有し、
    前記第１の反応ガス流路は、前記第１と第２の面に形成された溝である、燃料電池スタック。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、さらに、
    隣り合う前記燃料電池モジュールの間に配置された絶縁体を、備え、
    前記冷却流路は、前記絶縁体の内部に形成されている、燃料電池スタック。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１の電極は、カソードであり
    前記第２の電極は、アノードである、燃料電池スタック。
  6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、さらに、
    前記第１と第２の膜電極接合体とを電気的に並列に接続する外部回路を有する、燃料電池スタック。
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