WO2006057155A1

WO2006057155A1 - 燃料電池

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Publication number: WO2006057155A1
Application number: PCT/JP2005/020445
Authority: WO
Inventors: Shigeyuki Unoki; Shinsuke Takeguchi; Yasuo Takebe
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2006-06-01
Also published as: CN100527503C; JP4056550B2; JPWO2006057155A1; US20080014486A1; CN101065871A

Abstract

　発電中にセルの発熱部の温度の影響を受けて、入口側マニホールド内の冷却流体が温度上昇する。これにより燃料電池セルスタックにおける各単セルの温度バラツキを生じ、フラッディングや出力電圧の変動が起こる。本発明は、入口側マニホールド内の冷却流体が温度上昇するのを抑制し、耐久性に優れ、安定した出力電圧を実現する燃料電池を提供する。カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板に、冷却流体の入口側マニホールドと出口側マニホールドとを連絡する冷却流体の流路を有する燃料電池において、冷却流体の流路を、セルの発熱部、即ちカソードおよびアノードと対応する領域を冷却する第１の冷却部と、第１の冷却部と冷却流体の入口側マニホールドとの間に位置する第２の冷却部とで構成する。

Description

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイプリッド電気自動車等に用いられる燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、燃料電池のセルスタックにおける各単セルの温度バラツキを低減することにより、フラッデイングが発生しにくぐ耐久性に優れた燃料電池に関するものである。

背景技術

[0002] 陽イオン (水素イオン)伝導性を有する高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含む燃料ガスと、空気など酸素を含む酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に配置された一対の電極からなる。これらの電極は、電極触媒（例えば、白金などの金属触媒)を担持した導電性カーボン粉末を主成分とする触媒層、およびこの触媒層の外側に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層（例えば撥水処理を施したカーボンペーパー）からなるガス拡散電極から構成される。これを膜電極接合体 (MEA)と呼ぶ。

[0003] 供給される燃料ガスや酸化剤ガス (反応ガス）が外部にリークしたり、互いに混合したりしないように、電極の周辺には高分子電解質膜を挟んでガスシール材ゃガスケットが配置される。このシール材ゃガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあら力、じめ組み立てられる。 MEAの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接する MEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板の MEAと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。 [0004] これらの MEAとセパレータ板を交互に重ねていき、 10〜200セル積層した後、集電板と絶縁板を介して端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。これをセルスタックと呼ぶ。

[0005] 高分子電解質膜は、水分を飽和状態で含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、水素イオン伝導性を有する電解質として機能する。よって、燃料電池の稼動中は、高分子電解質膜からの水分の蒸発を防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスは加湿して供給される。また、電池発電時には、次の電気化学反応が生じ、力ソード側で反応生成物として水が生成される。

アノード； H → 2H+ + 2e ( 1 )

力ソード； 2H+ + ( 1/2) 0 + 2e → H O (2)

[0006] 加湿された燃料ガス中の水、加湿された酸化剤ガス中の水、および反応生成水は、高分子電解質膜の含水量を飽和状態に保っために使用され、さらに余剰の燃料ガス酸化剤ガスとともに燃料電池の外部へ排出される。

[0007] また、上の反応は発熱反応であることから、電池発電時にはセルスタックを冷却する必要がある。セルスタックを冷却するには、セパレータ板の MEAと接触する面（第 1 の面）とは反対側の面（第 2の面）に冷却流体 (例えば冷却水）の流路を形成し、そこに冷却流体を流し、発熱反応により温度上昇したセパレータ板と冷却流体とを熱交換させる方法が一般的である。冷却流体の流路は、セパレータ板と別に設けることもできる力 S、セパレータ板の表面に溝を設けて流路とする方式が一般的である。

[0008] セルスタックの冷却が不十分な場合、 MEAの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が短縮したり、高分子電解質膜の比抵抗が増大してセルスタックの出力が低下したりする。一方、セルスタックを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッデイングを起こす。その結果、電極の反応面積が減少し、電池性能が低下する。 [0009] そこで、酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域をより冷却することを目的として、当該酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域、即ち酸化剤ガスの流路の入口側と、冷却流体の流路中にぉレ、て冷却流体の温度が低レ、領域、即ち冷却流体の流路の入口側とを略一致するように互いに近傍に設け、これによつてフラッデイングを抑制し、出力電圧を安定にする冷却方法が提案されている（例えば、特許文献 1参照）。

特許文献 1：特表平 9一 511356号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] し力ながら、上記特許文献 1の方法を採用したセパレータ板においては、酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域、即ち式（1)による反応生成水の総量が少なく、酸化剤ガス濃度が高ぐかつ式（1)の反応がより促進されることによる発熱量が多い領域と、冷却流体の導入部とがー致しているため、以下のような問題が生じる。ここで、図 12に、上記特許文献 1におけるセパレータ板と同様の構造を有する従来の力ソード側セパレータ板の、冷却流体の流路側の上面図を示す。従来のセパレータ板 101においては、冷却流体の入口側マ二ホールド孔 102aと出口側のマ二ホールド孔 102bとを接続する溝状の冷却流体の流路 107が設けられ、裏面には、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 103aと出口側マ二ホール孔 103bと力溝状の酸化剤ガスのガス流路（図示せず）で接続されている。なお、 104aおよび 104bはそれぞれ燃料ガスの入口側マ二ホールド孔および出口側マ二ホールド孔で、四隅に締結ボノレト用の孔 106が設けられている。

[0011] 従来の力ソード側セパレータ板 101のハッチングで示される領域 108においては、冷却流体の導入部と、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 103a付近における、酸化剤ガスの流路中の含水量が少ない領域とがー致しているため、冷却流体の入口側マ二ホールド内の冷却流体が、一点鎖線 105で示され力ソードに対応する領域の発熱の影響を受ける。そのため、セルスタックへの導入前ないしは導入直後の冷却流体の温度 T 、発熱した力ソードの温度 Tによって Tにまで上昇し（ただし、 T <

0 2 1 0

T <T )、その温度上昇 Δ Τ (=Τ _Τ )が比較的大きレ、。このことは、アノード側セパレータ板においても同様である。そうすると、単セルが積層されたセルスタックにおける冷却流体の入口側マ二ホールドにおレ、ては、冷却流体の滞留時間が短レ、入口部と、滞留時間が長くなる入口部から最も遠い奥側の部分 (即ち、冷却流体の入口側マ二ホールドの、冷却流体の流れる方向において最も下流側の部分）との間に、冷却流体の温度差が生じる。したがって、セルスタック内の積層方向において下流に行けばいくほど冷却効果が低下し、各単セルの冷却状態にバラツキが生じ、最適状態に冷却することが困難になる。

[0012] その結果、セルスタック内の積層方向において各単セルの温度が不均一になり、温度が高い単セルにおいては、高分子電解質膜から水分が蒸発して該高分子電解質膜の劣化が促進することによって単セルの耐久性が短縮したり、高分子電解質膜の比抵抗の増大によって単セルの出力が低下してしまうという問題を有していた。一方、温度が低い単セルにおいては、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露して液体状態の水が増加し、ガス流路内に付着した水がガス流路を塞いでガスの流れを阻害するフラッデイングが発生するとレ、う問題を有してレ、た。

[0013] 上記のような問題は、セルスタック内の積層方向における各単セルの不均一冷却に起因するため、個々の単セルにおけるセパレータ板の冷却流体の流路パターンや、冷却流体の流速の最適化などによっては解決することは困難であった。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電中に単セルの発熱部の温度と、冷却流体の入口側マ二ホールド内の冷却流体との温度差に起因して入口側マ二ホールド内の冷却流体に生じる温度上昇を緩和し、燃料電池のセノレスタックの積層方向における各単セルの温度バラツキを低減することにより、フラッデイングを抑制し、耐久性に優れ、安定した出力電圧を実現する燃料電池を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0014] 本発明は、上記課題を解決すベぐ

高分子電解質膜、高分子電解質膜を挟む力ソードおよびアノードを含む膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む力ソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板と、を有する単セルを 2以上積層したセルスタックを具備する燃料電池であつて、セルスタックは、酸化剤ガスの入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールド、燃料ガスの入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールド、ならびに冷却流体の入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールドを有し、

力ソード側セパレータ板は、力ソードと対向する第 1の面に、酸化剤ガスの入口側マ二ホールドと酸化剤ガスの出口側マ二ホールドを連絡する酸化剤ガスの流路を有し、アノード側セパレータ板は、アノードと対向する第 1の面に、燃料ガスの入口側マ二ホールドと燃料ガスの出口側マ二ホールドとを連絡する燃料ガスの流路を有し、力ソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板の少なくとも一方は、第 1の面の反対側に位置する第 2の面に、冷却流体の入口側マ二ホールドと冷却流体の出口側マ二ホールドとを連絡する冷却流体の流路を有し、

冷却流体の流路は、力ソードと対応する領域およびアノードと対応する領域を冷却する第 1の冷却部、ならびに第 1の冷却部と冷却流体の入口側マ二ホールドとの間に位置する第 2の冷却部を有すること、を特徴とする燃料電池を提供する。

[0015] ここで、「力ソードと対応する領域」とは、力ソード側セパレータ板の主面の法線方向力当該「力ソードに対応する領域」を投影してみた場合に (等倍にして投影してみた場合）に、膜電極接合体の発電部である力ソードを構成するガス拡散層を示す図形（投影された結果、「力ソードを構成するガス拡散層」を示すものとしてみえる図形）と略同一の大きさおよび形状となる領域、すなわち「力ソードを構成するガス拡散層」を示す図形に略一致した状態で重なる領域をいう（図 3および 4における符号 35で示される部分)。

[0016] 一方、「アノードと対応する領域」とは、アノード側セパレータ板の主面の法線方向力当該「アノードに対応する領域」を投影してみた場合に (等倍にして投影してみた場合）に、膜電極接合体の発電部であるアノードを構成するガス拡散層を示す図形（投影された結果、「アノードを構成するガス拡散層」を示すものとしてみえる図形）と略同一の大きさおよび形状となる領域、すなわち「アノードを構成するガス拡散層」を示す図形に略一致した状態で重なる領域をいう（図 5および 6における符号 45で示される部分)。

[0017] 上記のように、力ソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板のうちの少なくとも一方において、冷却流体の流路として、力ソードおよびアノードと対応する領域を冷却する第 1の冷却部（即ち、従来からの冷却部）に加えて、第 1の冷却部と冷却流体の入口側マ二ホールドとの間に位置する第 2の冷却部を設けることにより、燃料電池の発電中に単セルの発熱部（即ちアノードおよび力ソード）の温度と、冷却流体の入口側マ二ホールド内の冷却流体との温度差に起因する、入口側マ二ホールド内の冷却流体に生じる温度上昇を緩和することができ、これによつて燃料電池のセルスタックの積層方向における各単セルの温度バラツキを低減することができ、フラッディングを抑制し、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。

発明の効果

[0018] 本発明によれば、入口側マ二ホールド内の冷却流体が温度上昇するのを抑制することができるため、セルスタックにおける冷却流体の入口側マ二ホールド内において、冷却流体が入口から奥へ進むに従って次第に温度が高くなるということがなぐ入口部と最も奥の部分とでの温度差が大きくなることはなレ、。このため、セルスタックの各セルに導入される冷却流体の温度差が殆どなぐセルスタック全体がほぼ均一に冷却される。

したがって、本発明によれば、燃料電池のセルスタックにおける各セルの温度バラツキが低減されるので、フラッデイングが抑制され、安定した出力電圧を実現する、耐久性に優れた燃料電池を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0019] [図 1]本発明の第一実施形態 1における燃料電池の基本構成（単電池）の概略縦断面図である。

[図 2]図 1に示す単電池を 2以上積層してなるセルスタックの斜視図である。

[図 3]図 1に示す燃料電池の力ソード側セパレータ板の正面図である。

[図 4]図 3に示す力ソード側セパレータ板の背面図である。

[図 5]図 1に示す燃料電池のアノード側セパレータ板の正面図である。

[図 6]図 5に示すアノード側セパレータ板の背面図である。

[図 7]本発明の第一実施形態の燃料電池に用いる力ソード側セパレータ板における冷却水の温度状態（分布）を概念的に示す正面図である。 [図 8]本発明の第二実施形態における力ソード側セパレータ板の背面図である。

[図 9]本発明の第二実施形態におけるアノード側セパレータ板の背面図である。

[図 10]比較例における力ソード側セパレータ板の背面図である。

[図 11]比較例におけるアノード側セパレータ板の背面図である。

[図 12]比較例の燃料電池に用いる力ソード側セパレータ板における冷却水の温度状態（分布）を概念的に示す正面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することちある。

[0021] [第一実施形態]

図 1は、本発明の燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。単セル 10は、高分子電解質膜の一例である水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜 1と、高分子電解質膜 1を挟む力ソード 2およびアノード 3を備えている。高分子電解質膜 1には、パーフルォロスルホン酸からなる膜（デュポン (株)製の Nafion (商品名））を用いている。力ソードおよびアノードは、高分子電解質膜に接する触媒層と、その外側に配置されたガス拡散層とからなる。力ソードおよびアノードの触媒には、電極触媒 (例えば白金金属）を担持したカーボンを用いている。

[0022] 単セル 10は、高分子電解質膜 1、力ソード 2およびアノード 3からなる膜電極接合体 (MEA)を挟む、力ソード側セパレータ板 30およびアノード側セパレータ板 40を備えている。高分子電解質膜 1は、力ソード 2およびアノード 3の外周部において、ガスケット 4により挟まれている。以下の説明では、単セル 10は、図 1のように、 MEAが水平方向に対して垂直となるように設置されるものとする。

[0023] 次に、図 2に、上記の単セル 10を 2以上（複数個）積層して得られるセルスタックの概略斜視図を示す。セルスタック 20は、 MEA、力ソード側セパレータ板 30およびァノード側セパレータ板 40にそれぞれ設けられて、互いに連通する酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔につながる酸化剤ガスの入口 22aおよび出口側マ二ホールド孔につながる酸化剤ガスの出口 22b、燃料ガスの入口側マ二ホールド孔につながる燃料ガスの入口 23aおよび出口側マ二ホールド孔につながる燃料ガスの出口 23b、ならびに、冷却水の入口側マ二ホールド孔につながる冷却水の入口 24aおよび出口側マ二ホールド孔につながる冷却水の出口 24bを有する。なお、セルスタック 20の両端に位置するセパレータ板は、冷却水の流路を有しない。このセルスタック 20は、両端に、集電板および絶縁板を介して端板を重ね合わせ、締結ボルトで締め付けることにより、燃料電池が構成される。

[0024] 上記のように構成された燃料電池においては、酸化剤ガスの入口 22aから各セルの入口側マ二ホールドに導入された酸化剤ガスは、力ソード側セパレータ板 30の流路 36から力ソード 12のガス拡散電極に拡散して反応に供される。余剰の酸化剤ガスおよび反応生成物は、流路 36から出口側マ二ホールドを経て出口 22bより排出される。燃料ガスも同様に、入口 23a、入口側マ二ホールド、およびアノード側セパレータ板 40の流路 46を経由してアノード 3の供給され、余剰の燃料ガスおよび反応生成物は流路 46から出口側マ二ホールドを経て出口 23bより排出される。

[0025] ここで、従来の燃料電池においては、上述したように、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水が電極の発熱の影響を受けるため、セルスタック内の積層方向において各単セルの温度が不均一になり、温度が高い単セルにおいては、高分子電解質膜から水分が蒸発して該高分子電解質膜の劣化が促進することによって単セルの耐久性が短縮したり、高分子電解質膜の比抵抗の増大によって単セルの出力が低下してしまうという問題を有していた。これに対し、本発明の燃料電池においては、図 3および図 4に示すような構造を有する力ソード側セパレータ板と、図 5および図 6に示すような構造を有するアノード側セパレータ板とを用いる。

[0026] 図 3は、本実施形態における燃料電池の力ソード側セパレータ板の酸化剤ガスの流路側の正面図である。図 4は、図 3に示す力ソード側セパレータ板の背面図、即ち冷却水の流路側の正面図である。

力ソード側セパレータ板 30は、図 3および図 4に示すように、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 32aおよび酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔 32b、燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 33aおよび燃料ガスの出口側マ二ホールド孔 33b、冷却水の入口側マ二ホールド孔 34aおよび冷却水の出口側マ二ホールド孔 34b、ならびに締結用ボルトを通すための 4個の孔 31を有する。また、力ソード側セパレータ板 30は、力ソードと対向する面に、酸化剤ガスのマ二ホールド孔 32aと 32bをつなぐ酸化剤ガスの流路 36を有し、背面には、冷却水のマ二ホールド孔 34aと 34bをつなぐ冷却水の流路 37を有する。

[0027] 図 3および図 4において、一点鎖線 35で囲まれた領域は、力ソードと対応する領域である。すなわち、図 3において、一点鎖線 35で囲まれた領域には、 MEAの発電部である力ソードを構成するガス拡散層が当接する。 MEAの触媒層を含む発電部が位置する領域と対応する。そして、図 3に示すように、酸化剤ガスの流路 36は、 2本の並行する溝により構成され、一点鎖線 35で囲まれた領域においては、各溝は 7本の水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐ 6個のターン部から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。

[0028] 一方、冷却水の流路 37は、 2本の並行する溝からなり、一点鎖線 35で囲まれた領域に位置する部分 37c、部分 37cを入口側マ二ホールド孔 34aにつなぐ入口側の部分 (第 2の冷却部） 37a,および部分（第 1の冷却部） 37cを出口側マ二ホールド孔 34 bにつなぐ出口側の部分 37bで構成されている。部分 37cは、 1本の溝が、 7本の水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐ 6個のターン部とから構成されている力他方の溝は、さらに直線部およびターン部が 1つずつ増えている。

[0029] すなわち、図 4に示すように、第 2の冷却部 37aは、冷却水の入口側マ二ホールド孔 34aから一点鎖線 35で示される力ソードと対応する領域までを直近で結ぶ直線 X を仮定した場合に、当該直線 Xに対して略垂直な方向に延びる少なくとも 1本の溝で構成されている。

出口側の部分 37bは、単純に垂直方向に伸びる直線部からなり、入口側の部分 37 aは、水平方向に伸びる直線部とターン部各 1からなる溝と、水平方向に伸びる 2本の直線部と 1つのターン部からなる溝により構成されている。この場合も、溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。

[0030] 以上のように、本実施形態では、冷却水の流路 37は、その入口側の部分 37aが、水平方向に伸びる 3本の直線部を有し、したがって、セパレータ板を有効に冷却できるようになっている点で出口側の部分 37bと異なっている。さらに、一点鎖線 35で囲まれた領域、すなわち部分 37cにおいては、水平方向に伸びた直線部が 1本増えた他は、酸化剤ガスの流路の同じ部分とほぼ対応する位置関係にある。

[0031] なお、第 1の冷却部（部分） 37cは、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 32aおよび燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 33aを冷やさない範囲で形成されることが好ましい。したがって、例えば、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 32aおよび燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 33aを過度に冷やさないのであれば、第 1の冷却部（部分） 37c は上記一点鎖線 35で囲まれた領域からはみ出していても構わなレ、。ただし、図 4に示すように、より確実に冷却を行うためには、第 1の冷却部（部分） 37cは上記一点鎖線 35で囲まれた領域からはみ出さないほうがよい。

[0032] 一方、冷却水の流路 37の下流側に位置する酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔 3 2bおよび燃料ガスの出口側マ二ホールド孔 33bは、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 32aおよび燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 33aとは相対的により冷却される。そのため、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 32aおよび燃料ガスの入口側マニホ一ルド孔 33a付近では、第 1の冷却部（部分） 37cは上記一点鎖線 35で囲まれた領域からはみ出るように形成されてもはみ出ないように形成されてもよい。

[0033] 次に、図 5は、本実施形態における燃料電池のアノード側セパレータ板の燃料ガスの流路側の正面図である。図 6は、図 5に示すアノード側セパレータ板の背面図、即ち冷却水の流路側の正面図である。

アノード側セパレータ板 40は、図 5および図 6に示すように、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 42aおよび酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔 42b、燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 43aおよび燃料ガスの出口側マ二ホールド孔 43b、冷却水の入口側マ二ホールド孔 44aおよび冷却水の出口側マ二ホールド孔 44b、ならびに締結用ボルトを通すための 4個の孔 41を有する。また、アノード側セパレータ板 40は、ァノードと対向する面に、燃料ガスのマ二ホールド孔 43aと 43bをつなぐ燃料ガスの流路 46を有し、背面には、冷却水のマ二ホールド孔 44aと 44bをつなぐ冷却水の流路 47 を有する。 [0034] 図 5および図 6において、一点鎖線 45で囲まれた領域は、図 3および図 4に示した力ソード側セパレータ板の場合と同様に、アノードと対応する領域である。すなわち、図 5において、一点鎖線 45で囲まれた領域には、 MEAの発電部であるアノードを構成するガス拡散層が当接する。そして、図 5に示すように、燃料ガスの流路 46は、 2 本の並行する溝により構成され、一点鎖線 45で囲まれた領域においては、各溝は 7 本の水平方向に伸びる直線部と隣接する直線部をつなぐ 6個のターン部から構成されている。溝の数およびターン部の数はこれらに限定されるものではなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。

[0035] アノード側セパレータ板 40は、その背面を力ソード側セパレータ板 30の背面と接合すると、セパレータ板 30の冷却水の流路 37とともに 1つの冷却水の流路を構成するための冷却水の流路 47を有する。したがって、流路 47は、流路 37と面対称の関係にある形状を有する。そのため、流路 47の構成は流路 37の構成に合わせて適宜変更することが可能である。

[0036] 流路 47は、一点鎖線 45で囲まれた領域に位置する部分（第 1の冷却部） 47c、部分 47cを入口側マ二ホールド孔 44aにつなぐ入口側の部分（第 2の冷却部） 47a、および部分 47cを出口側マ二ホールド孔 44bにつなぐ出口側の部分 47bで構成されている。

そして、図 6に示すように、第 2の冷却部 47aは、冷却水の入口側マ二ホールド孔 4 4aから一点鎖線 45で示されるアノードと対応する領域までを直近で結ぶ直線 Yを仮定した場合に、当該直線 Yに対して略垂直な方向に延びる少なくとも 1本の溝で構成されている。

[0037] なお、第 1の冷却部（部分) 47cは、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 42aおよび燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 43aを冷やさない範囲で形成されることが好ましい。したがって、例えば、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 42aおよび燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 43aを過度に冷やさないのであれば、第 1の冷却部（部分) 47c は上記一点鎖線 45で囲まれた領域からはみ出していても構わなレ、。ただし、図 6に示すように、より確実に冷却を行うためには、第 1の冷却部（部分) 47cは上記一点鎖線 45で囲まれた領域からはみ出さないほうがよい。 [0038] 一方、冷却水の流路 47の下流側に位置する酸化剤ガスの出口側マ二ホールド孔 4 2bおよび燃料ガスの出口側マ二ホールド孔 43bは、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 42aおよび燃料ガスの入口側マ二ホールド孔 43aとは相対的により冷却される。そのため、酸化剤ガスの入口側マ二ホールド孔 42aおよび燃料ガスの入口側マニホ一ルド孔 43a付近では、第 1の冷却部（部分) 47cは上記一点鎖線 35で囲まれた領域からはみ出るように形成されてもはみ出ないように形成されてもよい。

[0039] ここで、本実施形態の燃料電池におけるセパレータ板が、上述したような従来の問題点を解決する機構について、図 3および図 4に示した力ソード側セパレータ板 30に代表させて説明する。

図 7は、図 4に示した本発明の燃料電池の力ソード側セパレータ板 30の冷却水の流路 37を流れる冷却水の温度状態（分布）を概念的に表した図である。

[0040] 本発明における力ソード側セパレータ板 30においては、一点鎖線 35で示されカソードに対応する領域に存在する第 1の冷却部 37cに加えて、第 1の冷却部 37cと冷却水の入口側マ二ホールド 34aとの間のハッチングで示される領域 38に、位置する第 2の冷却部 37aを有する。従来のセパレータ板においては、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水力 S、一点鎖線 35で示され力ソードに対応する領域におけるカソードの発熱の影響を受ける力本発明におけるセパレータ 30では、先に述べた第 2 の冷却部 37aを有するため、セルスタック 20への導入前ないしは導入直後の冷却水の温度 T 、発熱した力ソードの温度 Tによって Tにまで上昇するものの（ただし、 T

0 2 1

<T <Τ )、その温度上昇 ΔΤ (=Τ— Τ )が従来に比べて小さくなる。

0 1 2 1 0

[0041] そうすると、単セル 10が積層されたセルスタック 20における冷却水の入口側マニホ一ルドにおいても、冷却水の滞留時間が短い入口部と、滞留時間が長くなる入口部力最も遠い奥側の部分 (即ち、冷却水の入口側マ二ホールドの、冷却水の流れる方向において最も下流側の部分）との間において生じる、冷却水の温度差を小さくすること力 Sできる。したがって、セルスタック 20内の積層方向において各単セル 10の冷却状態にバラツキが生じるのを低減させることができ、最適状態に冷却することが可能となる。

[0042] 即ち、本発明の燃料電池では、発電中に単セル 10の発熱部の温度と、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水との温度差に起因して、入口側マ二ホールド内の冷却水が温度上昇するのを緩和するための温度上昇緩和手段として、各単セル 10のセパレータ板において、冷却水により単セルの発熱部に対応する一点鎖線 35で示される領域を冷却する第 1の冷却部 37cと、冷却水の入口側マ二ホールド孔 34aとの間に、第 2の冷却部 37aを設ける。この第 2の冷却部 37aを設け、第 1の冷却部 37cと冷却水の入口側マ二ホールド孔 34aとの間に位置するセパレータ板の領域 38を冷却する。これにより、セルスタック 20内の積層方向において各単セル 10の冷却状態にバラツキが生じるのを低減させることができ、最適状態に冷却することが可能となる。

[0043] 以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池のセルスタック 20においては、冷却水が、入口 24aから導入され、入口側マ二ホールドから力ソード側セパレータ板 30の流路 37とアノード側セパレータ板 40の流路 47とにより構成される流路を流れ、出口側マ二ホールドを経て出口 24bより排出される。排出された冷却水は、適当な熱交換器で熱交換して冷却された後、再び入口 24aからセルスタック 20に導入される。セパレータ板 30、 40により形成された冷却水の流路に流れる冷却水は、部分 37c、 47cにより形成される第 1の冷却部において、単セル 10の発熱部であるアノードおよび力ソードの触媒層に対応するセパレータ板 30、 40の部位を冷却する。また、セパレータ板 30の部分 37aとセパレータ板 40の部分 47aにより構成される第 2の冷却部において、第 1の冷却部と入口側マ二ホールドとの間のセパレータ板の部位を冷却する。これによつて、単セル 10の発熱部の熱がセパレータ板 30および 40により形成される入口側マ二ホールド内を流れる冷却水の温度が上昇するのを抑制することができる。

[0044] [第二実施形態]

次に、本発明の燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の燃料電池（図示せず）は、図 1に示した第一実施形態の単セル 10に於けるセパレータ板 30および 40を異なる構成に代えたものであり、セパレータ板 30および 40以外の構成は第一実施形態の単セル 10と同様である。

以下、第二実施形態の燃料電池に備えられるセパレータ板 (本発明のセパレータ板の第二実施形態）について説明する。 [0045] 本実施形態における燃料電池は、力ソード側セパレータ板における冷却水の流路の形状を図 8に示すような構成とし、アノード側セパレータ板における冷却水の流路の形状を図 9に示すような構成とする以外は、先に述べた実施の形態 1と同様である力ソード側セパレータ板 30Aの冷却水の流路 57は、入口側マ二ホールド孔 34aにつながる入口側の部分（第 2の冷却部） 57a、一点鎖線 35で囲まれた領域の部分 (第 1の冷却部） 57c,および出口側マ二ホールド孔 34bにつながる出口側の部分 57bからなる。

[0046] 入口側の部分 57aは、 1本の溝で構成されている点で実施の形態 1の部分 37aと異なるが、 3本の直線部と 2個のターン部からなり、その全長は部分 37aとほぼ同じである。一点鎖線 35で囲まれた領域の部分 57cは、部分 57aにつながる最上位の直線部の下流側のターン部付近で 2つに分岐している点が異なるほかは、実施の形態 1 の部分 37cとほぼ同様である。出口側の部分 57bは、実施の形態 1と同様部分 57cをマ二ホールド孔 34bにつなぐ垂直方向の直線部からなる。

[0047] アノード側セパレータ板 40Aの冷却水の流路 67は、流路 57と面対称の関係にある形状を有する。すなわち、流路 67は、一点鎖線 45で囲まれた領域に位置する部分（第 1の冷却部） 67c、部分 67cを入口側マ二ホールド孔 44aにつなぐ入口側の部分（第 2の冷却部） 67a、および部分 67cを出口側マ二ホールド孔 44bにつなぐ出口側の部分 67bで構成されている。

[0048] 第 1の冷却部が 2本の流路で構成されているのに対して、第 2の冷却部は 1本の流路で構成されているので、第 2の冷却部での冷却水の流速は、第 1の冷却部での冷却水の流速より 2倍速くなり、したがって、より冷却効果が良好になる。

[0049] 以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態においては、各単セルの間に、冷却水の流路による冷却部を設けた力例えば 2〜3セルに 1つの割合で、冷却部を設けてもよい。また、冷却水の流路は、力ソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板の双方に溝を設けて 1組の流路を形成したが、一方のセパレータ板のみに溝を設け、これによつて、両セパレータ板間に冷却水の流路を設けるようにしてもょレ、。

[0050] また、上述の実施形態においては、単セルを積層したセルスタック 20において、力ソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板との間に冷却水の流路が形成される、セルスタック 20の両端の単セルの外側部分に位置する力ソード側セパレータ板またはアノード側セパレータ板では、集電板、絶縁板および端板が積層され、セパレータ板と集電板との間に冷却水の流路が形成されていてもよい。

[0051] また、セパレータ板における冷却水の流路は、冷却水の入口側マ二ホールドと出口側マ二ホールドとに連絡されており、通常はセパレータ板に設けた 1本または複数本の溝により構成される。第 1の冷却部が複数本の溝により構成される場合、第 2の冷却部は第 1の冷却部と同じ本数の溝で構成することができる。また、第 2の冷却部を第 1の冷却部より少ない数の溝で構成することもできる。

[0052] この構成によると、第 2の冷却部における熱交換量をある程度抑制しつつ冷却水を第 1の冷却部に供給することができるため、第 1の冷却部による発熱部に対する冷却効果を充分なものとすることができる。これにより、入口側マ二ホールド内の冷却水が温度上昇するのをより有効に緩和することができる。

なお、セパレータ板の構造以外の構成要素については、特に制限はなぐ本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。冷却流体も冷却水に限定されるものではない。

実施例

[0053] 以下、実施例及び比較例を挙げて本発明について更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

《実施例 1》

ガス拡散層は、細孔の 80%以上の径が 20〜70 μ mである日本カーボン (株）製のカーボン織布（GF-20-E)を基材として用レ、、この基材を、界面活性剤入りの純水に、ポリテトラフルォロエチレン (PTFE)を分散させた分散液に浸漬させた。その後、基材を遠赤外線乾燥炉に通し、 300°Cで 60分間焼成した。このときの基材における撥水性樹脂（PTFE)量は 1 · Omg/cm²であった。

[0054] 次に、コート層用塗料を作製した。純水と界面活性剤を混ぜ合わせて得られた溶液に、カーボンブラックを加え、プラネタリーミキサーで 3時間分散させた。得られた分散液に PTFEと水をカ卩え、さらに 3時間混練した。なお、界面活性剤としては、トリトン (Tri ton) X-100の商品名で市販されているものを用いた。

このコート層用塗料を、上述のように撥水処理を施したカーボン織布の片方の面に、アプリケータを用いて塗工した。コート層を形成したカーボン織布を、熱風乾燥機を用いて 300°Cで 2時間焼成し、ガス拡散層を作製した。得られたガス拡散層に含まれる撥水性樹脂（PTFE)量は 0. 8mg/cm²であった。

[0055] 次に触媒層を作製した。炭素粉末であるケッチェンブラック (ケッチェンブラックインターナショナル（株）製の Ketjen Black EC、粒径 30nm)上に電極触媒である白金を担持させて得られた触媒体（50質量％が Pt) 66質量部を、水素イオン伝導材でありかつ結着剤であるパーフルォロカーボンスルホン酸アイオノマー（米国 Aldrich社製の 5質量°/^^₀11分散液) 33質量部（高分子乾燥質量)と混合し、得られた混合物を成形して触媒層（10〜20 / m)を作製した。

上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜 (米国 Du Pont社の Nafion 112膜、イオン交換基容量： 0. 9meq/g)の両面にホットプレスにより接合し、 MEAを作製した。

[0056] 次に、以上のように作製した MEAの高分子電解質膜の外周部に、ゴム製のガスケット板を接合し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させるためのマ二ホールド孔を形成した。

一方、 160mm X 160mm X 5mmの外寸を有し、力つ幅 1. Omm、深さ 1. Ommのガス流路を有し、フエノール樹脂を含浸させた黒鉛板からなる、図 3および図 4に示す構造を有する力ソード側セパレータ板ならびに図 5および図 6に示す構造を有するァノード側セパレータ板を準備した。

[0057] これらのセパレータ板を用レ、、 MEAの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路が成形された力ソード側セパレータ板を重ね合わせ、他方の面に燃料ガス用のガス流路が成形されたアノード側セパレータ板を重ね合わせ、単セルを得た。

ついでこの単セル 100個を積層してセルスタックとし、セルスタックの両端部に、銅製の集電板、ならびに電気絶縁性材料で作製された絶縁板および端板を配置し、全体を締結ロッドで固定することによって、本発明の第一実施形態に基づく燃料電池 1 を作製した。なお、このときの締結圧はセパレータの面積当たり 10kgf/cm²とした。

[0058] 《実施例 2》

力ソード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図 8に示す構成とし、アノード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図 9に示す構成とした他は、実施例 1と同様にして、本発明の第二実施形態に基づく燃料電池 2を作製した。

[0059] 《比較例 1》

力ソード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図 10に示す構成とし、アノード側セパレータ板の冷却水の流路の形状を図 11に示す構成とした他は、実施例 1と同様にして、本発明の比較燃料電池 1を作製した。

なお、力ソード側セパレータ板 70およびアノード側セパレータ板 80の構成は、冷却水の流路を除いて、それぞれ本発明の第一実施形態の力ソード側セパレータ板 30 およびアノード側セパレータ板 40と同じとした。

[0060] 力ソード側セパレータ板 70の冷却水の流路 77は、入口側マ二ホールド孔 34aにつながる入口側の部分 77a、一点鎖線 35で囲まれた領域の部分 77c、および出口側マ二ホールド孔 34bにつながる出口側の部分 77bで構成した。部分 77cは、本発明の第一実施形態の流路 37cと同じ構成とした。また、部分 77aおよび 77bは、それぞれ部分 77cとマ二ホールド孔 34aおよび 34bとをつなぐ垂直方向の直線部で構成した。

[0061] アノード側セパレータ板 80の冷却水の流路 87は、流路 77と面対称の関係にある形状を有するように構成した。即ち、流路 87は、一点鎖線 45で囲まれた領域に位置する部分 87c、部分 87cを入口側マ二ホールド孔 44aにつなぐ入口側の部分 87a、および部分 87cを出口側マ二ホールド孔 44bにつなぐ出口側の部分 87bで構成した

[0062] [評価]

以上の実施例 1、 2および比較例 1の各燃料電池について、入口側マ二ホールドの入口部へ、温度 70°Cの冷却水を 3. 7リットノレ/分で供給した。また、アノード側および力ソード側にはそれぞれ露点が 70°Cとなるように加温、加湿した水素ガスおよび空気を供給し、燃料ガス利用率 Ufは 70%、酸化ガス利用率 Uoは 40%に設定した。

[0063] 電流密度を 0. 2A/ cm²として 24時間運転した後、冷却水の入口側マ二ホールドの入口部および入口から最も遠レ、奥の部分における冷却水温度を測定した。

次いで、 Uoを 70%に上げて 6時間運転し、 10秒毎に電圧をサンプリングしたときの標準偏差により電圧の安定性を比較した。

また、 Uoを 40%に戻して 24時間運転した。この時点を基点として、連続 1000時間運転した。この連続運転による、平均電圧の低下分により、電池の耐久性を比較したこれらの結果を表 1に示した。

[0064] [表 1]

[0065] 表 1から明ら力、なように、比較例 1の燃料電池は、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水温度が入口部と入口部から最も遠レ、最奥側の部分とで 4°Cの差があり、利用率 70%で運転時の電圧安定性、および連続 1000時間運転時の耐久性が実施例 1および 2に比較して劣っている。

[0066] 比較例 1では、マ二ホールド内の冷却水温度の不均一により、セルスタック内の各セルを最適状態に冷却することが困難となっていることがわかる。即ち、冷却不足により単セル温度が高くなり、高分子電解質膜から水分が蒸発することによる高分子電解質膜の劣化が促進し、単セルの耐久性の短縮、および、高分子電解質膜の比抵抗の増大による単セルの出力低下が発生したものと考えられる。

[0067] 一方、本発明の燃料電池においては、発電中における MEAの発熱部の温度と、冷却水の入口マ二ホールド内の冷却水との温度差に起因する冷却水の温度上昇を緩和するための温度上昇緩和手段が設けられていることにより、上記のような問題の発生がなぐ燃料電池の耐久劣化抑制効果が確認された。

[0068] 実施例 2の燃料電池は、表 1から明らかなように、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水温度は、入口部と最奥側部分との差がなぐ利用率 70%で運転時の電圧安定性、および連続 1000時間運転時の耐久性が実施例 1と比較し、より優れていることがわかる。

この理由は次のように考えられる。すなわち、第 2の冷却部が、第 1の冷却部より少ない数の流路から構成することにより、第 2の冷却部での冷却水の流速が、第 1の冷却部での冷却水の流速より速くなり、より冷却効果が良好になっている。このため、発電中における単セルの発熱部の温度と、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水との温度差が小さくなり、冷却水の入口側マ二ホールド内の冷却水の温度上昇が緩和され、フラッデイングおよび耐久劣化を抑制する効果が生じたと考えられる。

[0069] なお、本発明は、各実施例に記載の冷却水の流路の形状、本数などに限定されるものではなぐ発明の趣旨から逸脱することなく様々な変形が可能である。

さらに、各実施例は高分子電解質型燃料電池に関するものであるが、本発明は、電池発電時に電気化学反応により発熱することから冷却が必要な燃料電池や、カソード側で反応生成物として水が生成される燃料電池に適用した場合に、大きな効果が得られる。

産業上の利用可能性

[0070] 本発明の燃料電池は、セルスタックにおける各単セルの温度バラツキが低減され、耐久性に優れ、フラッデイングや出力電圧の変動が生じなレ、。したがって、本発明の燃料電池は、家庭用コージェネレーションシステム、自動二輪車、電気自動車、ハイブリツド電気自動車等に用いるのに有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む力ソードおよびアノードを含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む力ソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板と、を有する単セルを 2以上積層したセルスタックを具備する燃料電池であって、

前記セルスタックは、酸化剤ガスの入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールド、燃料ガスの入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールド、ならびに冷却流体の入口側マ二ホールドおよび出口側マ二ホールドを有し、

前記力ソード側セパレータ板は、前記力ソードと対向する第 1の面に、前記酸化剤ガスの前記入口側マ二ホールドと前記酸化剤ガスの前記出口側マ二ホールドとを連絡する酸化剤ガスの流路を有し、

前記アノード側セパレータ板は、前記アノードと対向する第 1の面に、前記燃料ガスの前記入口側マ二ホールドと前記燃料ガスの前記出口側マ二ホールドとを連絡する燃料ガスの流路を有し、

前記力ソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板の少なくとも一方は、前記第 1の面の反対側に位置する第 2の面に、前記冷却流体の前記入口側マ二ホールドと前記冷却流体の前記出口側マ二ホールドとを連絡する冷却流体の流路を有し前記冷却流体の流路は、前記力ソードと対応する領域および前記アノードと対応する領域を冷却する第 1の冷却部、ならびに前記第 1の冷却部と前記冷却流体の入口側マ二ホールドとの間に位置する第 2の冷却部を有すること、を特徴とする燃料電池

[2] 前記第 2の冷却部は、前記冷却流体の前記入口側マ二ホールドから前記力ソードと対応する領域および前記アノードと対応する領域までを直近で結ぶ直線を仮定した場合に、当該直線に対して略垂直な方向に延びる少なくとも 1本の溝で構成されていること、を特徴とする請求項 1に記載の燃料電池。

[3] 前記第 1の冷却部が複数の並行する溝で構成され、前記第 2の冷却部が前記第 1 の冷却部の溝より少ない数の溝で構成されている請求項 1記載の燃料電池。