JP2005197150A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素極側の生成水を利用して酸化ガスの加湿を図るに際してその加湿量を十分に確保することで、燃料電池の出力低下を防止する。
【解決手段】 カソード側セパレータ３０の一部は、水分が透過可能な多孔質部３４により形成するとともに、多孔質部３４の単セル内酸化ガス流路４３と反対側の面に冷却ガス流路４７を形成する。冷却ガス流路４７の下流側は、単セル内酸化ガス流路４３に連通する酸化ガスの供給マニホールドに、接続流路によって接続されている。さらに、アノード側ガス拡散層１３の膜厚ｔ２は、カソード側ガス拡散層１４の膜厚ｔ１よりも大きくなっている。このために、単セル内酸化ガス流路４３中の水分が、ＭＥＡ１２を透過した後、アノード側ガス拡散層１３で透過し難くなる。したがって、単セル内酸化ガス流路４３中の水分は、多孔質部３４を透過してセル間冷却ガス流路４７に良好に供給される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電解質膜を２つの電極で挟持する膜電極接合体とセパレータとを有した燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料極側に水素ガスを、酸素極側に酸化ガスをそれぞれ受けて、両ガスに含まれる水素および酸素を利用して電気化学反応を進行することによって起電力を発生する。この電気化学反応に伴って、酸素極側では水または水蒸気（以下、「生成水」とも呼ぶ）が発生する。生成水が多くなると、酸化ガスの酸素極への供給が阻害される恐れがある。この結果、電気化学反応が円滑に行なわれなくなり、発電能力が低下する。そのため、燃料電池では、生成水を効率よく排出することが重要となる。

生成水の効率の良い排出とともに、その生成水の利用を図ろうという技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、セパレータを透水性のものとして、酸素極側で発生した余分な水分を、空気流路を流れる空気に一旦吸収させて、その水分を含んだ空気を酸化ガス流路（酸素極側流路）に供給する構成となっている（実施の形態２として記載されたもので、図４参照）。燃料電池では、電気化学反応を円滑なものとするには、電解質膜が湿潤状態でなければならず、酸化ガスを適度に加湿することは必要であり、上記構成によれば、その加湿用として生成水が利用できる。

特開平９−２８３１５７号公報

上記技術では、生成水の吸収量（取り込み量）と酸化ガスの加湿量とが釣り合う必要がある。その一方で、酸素極で発生した水は、電解質膜を透過して燃料極に接する燃料ガス流路へ逃げてしまう分もあり、この燃料ガス流路への逃げ量が多くなると、上記生成水の取り込み量が不足することになる。この結果、酸化ガスの加湿量が十分でなくなり、燃料電池出力の低下を招くといった問題が発生した。

本発明は、酸素極側の生成水を利用して酸化ガスの加湿を図るに際してその加湿量を十分に確保することで、燃料電池の出力低下を防止することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜を２つの電極で挟持する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の第１の面と対向することで第１の反応ガス流路を形成する第１のセパレータと、
前記膜電極接合体の第２の面と対向することで第２の反応ガス流路を形成する第２のセパレータと
を備える燃料電池において、
前記第１のセパレータの少なくとも一部は、水分が透過可能な多孔質部により形成し、該多孔質部の前記第１の反応ガス流路と反対側の面に冷却用ガス流路を形成するとともに、
前記冷却用ガス流路の下流側を、前記第１の反応ガス流路に連通する反応ガス供給流路に接続する接続流路と、
前記第１の反応ガス流路中の水分が、前記膜電極接合体側から前記第２の反応ガス流路へ逃げる量を抑制する水分逃げ量抑制手段と
を備えたことを特徴とする。

上記構成の燃料電池（以下、「基本構成の燃料電池」と呼ぶ）によれば、第１の反応ガス流路中の生成水は、多孔質部を透過して冷却用ガス流路に移り、冷却用ガスを加湿する。この加湿された冷却用ガスは、接続流路を介して、反応ガス供給流路に送られ、反応ガス供給流路から燃料電池内の第１の反応ガス流路に、第１の反応ガスとして送られる。このとき、水分逃げ量抑制手段によって、第１の反応ガス流路中の水分が、前記膜電極接合体側から前記第２の反応ガス流路へ逃げる量が抑制される。

したがって、第１の反応ガス流路中の水分は、多孔質部を透過して冷却用ガス流路に良好に供給される。これにより冷却用ガス流路へ移動する水分量、延いては第１の反応ガスの加湿量を十分に確保することができることから、燃料電池の出力低下を防止することができる。

上記基本構成の燃料電池において、前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層とを備え、前記水分逃げ量抑制手段は、前記第２のガス拡散層の膜厚を、前記第１のガス拡散層の膜厚よりも大きくした構成とすることができる。

この構成によれば、膜電極接合体と第２のセパレータとの間に位置する第２のガス拡散層の膜厚が大きいことから、第１の反応ガス流路中の水分が、膜電極接合体を透過した後、第２のガス拡散層で透過し難くなる。このため、その水分が、第２のセパレータに形成される第２の反応ガス流路へ逃げる量が抑制される。

上記基本構成の燃料電池において、前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層とを備え、前記水分逃げ量抑制手段は、前記第２のガス拡散層の気孔率を、前記第１のガス拡散層の気孔率よりも小さくした構成とすることができる。

この構成によれば、膜電極接合体と第２のセパレータとの間に位置する第２のガス拡散層の気孔率が小さいことから、第１の反応ガス流路中の水分が、膜電極接合体を透過した後、第２のガス拡散層で透過し難くなる。このため、その水分が、第２のセパレータに形成される第２の反応ガス流路へ逃げる量が抑制される。

上記基本構成の燃料電池において、前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層とを備え、前記水分逃げ量抑制手段は、前記第２のガス拡散層と前記第２のセパレータとの間に設けられる金属メッシュまたは金属発泡体である構成とすることができる。

この構成によれば、第２のガス拡散層と第２のセパレータとの間に金属メッシュまたは金属発泡体が配設されることから、第１の反応ガス流路中の水分が、膜電極接合体、第２のガス拡散層を透過した後、金属メッシュまたは金属発泡体で吸収される。このため、その水分が、第２のセパレータに形成される第２の反応ガス流路へ逃げる量が抑制される。

上記基本構成の燃料電池において、前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層とを備え、前記水分逃げ量抑制手段は、前記第２のガス拡散層の少なくとも一方側の面に設けられる撥水性の膜体である構成とすることができる。

この構成によれば、第２のガス拡散層の少なくとも一方側の面に設けられる撥水性の膜体により、第１の反応ガス流路中の水分が、膜電極接合体を透過した後、第２のガス拡散層の少なくともいずれかの面で透過し難くなる。このため、その水分が、第２のセパレータに形成される第２の反応ガス流路へ逃げる量が抑制される。

前述してきた各燃料電池において、前記第１の反応ガス流路は、酸素を含有する酸化ガスを流すための酸化ガス流路であり、前記冷却用ガス流路に空気を流すように構成してもよい。

この構成によれば、冷却用ガス流路に流した空気を、酸化ガス流路に流す酸化ガスとして利用することができ、燃料電池の構成を簡単化することができる。

前述してきた各燃料電池において、前記第１のセパレータは、緻密質部と前記多孔質部とから構成され、前記緻密質部の前記第１の反応ガス流路と反対側の面に形成される冷却液流路を備えた構成とすることができる。

この構成によれば、冷却用ガス流路に加えて冷却液流路により、燃料電池の冷却性能を向上することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１：燃料電池の構成：
Ａ−２：効果：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１：燃料電池の構成：
図１は、本発明の第１実施例における燃料電池内部の単セル１０の構成を模式的に示す分解斜視図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２を、ガス拡散層１３、１４で挟持し、これらＭＥＡ１２およびガス拡散層１３、１４をさらに両側からセパレータ２０、３０によって挟持することによって構成されている。

ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、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。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層であり、アノード（水素極）とカソード（酸素極）の役割を果たす。また、ガス拡散層１３、１４は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。ガス拡散層１３、１４の厚さは、本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。

アノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ３０とには、複数の孔や凹部が形成されている。この凹部によって、ガス拡散層１３、１４に挟持されたＭＥＡ１２との間に、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、アノード側セパレータ２０と、アノード側ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路４１（図３参照）が形成される。また、カソード側セパレータ３０と、カソード側ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路４３が形成される。さらに、一つの単セル１０を構成するカソード側セパレータ３０と、隣接する単セル１０を構成するアノード側セパレータ２０との間には、冷却液（ＬＬＣ）が通過するセル間冷却液流路４５と、冷却ガスが通過するセル間冷却ガス流路４７とが形成される。

ここで、アノード側セパレータ２０は、特許請求の範囲で言う（以下同じ）「第２のセパレータ」に相当し、カソード側セパレータ３０は「第１のセパレータ」に相当する。単セル内燃料ガス流路４１は「第２の反応ガス流路」に相当し、単セル内酸化ガス流路４３は「第１の反応ガス流路」に相当する。アノード側ガス拡散層１３は「第２のガス拡散層」に相当し、カソード側ガス拡散層１４は「第１のガス拡散層」に相当する。「セル間冷却ガス流路４７が、「冷却用ガス流路」に相当する。

一方、各セパレータ２０、３０に形成された一対の孔は、複数の単セルを積層したときに、複数の単セルを貫くように設けられており、反応ガスを燃料電池の積層方向に流通可能とする流路を形成する。すなわち、セパレータ２０、３０に形成された一対の孔４１ａは、上流側の燃料ガスの流路を形成し、一対の孔４１ｂは、下流側の燃料ガスの流路を形成する。一対の孔４３ａは、上流側の酸化ガスの流路を形成し、一対の孔４３ｂは、下流側の酸化ガスの流路を形成する。さらには、一対の孔４５ａは、上流側の冷却液の流路を形成し、一対の孔４５ｂは、下流側の冷却液の流路を形成する。一対の孔４７ａは、上流側の冷却ガスの流路を形成し、一対の孔４７ｂは、下流側の冷却ガスの流路を形成する。

上流側の流路を形成する各孔４１ａ、４３ａ、４５ａ、４７ａは、単セル内燃料ガス流路４１、単セル内酸化ガス流路４３、セル間冷却液流路４５、セル間冷却ガス流路４７にそれぞれ接続されることで、外部から送られてきた流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却液、冷却ガス）を各単セルに分配する流体の供給マニホールドとして機能する。下流側の流路を形成する各孔４１ｂ、４３ｂ、４５ｂ、４７ｂは、単セル内燃料ガス流路４１、単セル内酸化ガス流路４３、セル間冷却液流路４５、セル間冷却ガス流路４７のそれぞれの他方端（上記各孔４１ａ、４３ａ、４５ａ、４７ａが接続されたと反対側の端部）にそれぞれ接続されることで、各単セル１０から排出された流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却液、冷却ガス）を集合させて燃料電池の外部へ導く流体の排出マニホールドとして機能する。ここで、酸化ガスについての供給マニホールドとして機能する孔４３ａは、特許請求の範囲に記載された「反応ガス供給流路」に相当する。

なお、本実施例の燃料電池では、セル間冷却液流路４５およびセル間冷却ガス流路４７が、隣り合うすべての単セル間に形成されているが、複数のセル毎に形成されることとしてもよい。

図２は、カソード側セパレータ３０を模式的に示す説明図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、図１に示すカソード側セパレータ３０の第１の面Ｓｃ１と第２の面Ｓｃ２とを示している。図示するように、カソード側セパレータ３０の第１の面Ｓｃ１には、単セル内酸化ガス流路４３を構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓｃ２には、セル間冷却液流路４５を構成する凹部と、セル間冷却ガス流路４７を構成する凹部とが形成されている。

なお、図２に示すように、セル間冷却液流路４５を構成する凹部は、単セル内酸化ガス流路４３を構成する凹部の上流側部分の背面に形成されており、セル間冷却ガス流路４７を構成する凹部は、単セル内酸化ガス流路４３を構成する凹部の下流側部分の背面に形成されている。本実施例のセル間冷却液流路４５は、冷却液の流れが変更される折れ曲がり部を複数有するサーペンタイン流路である。

アノード側セパレータ２０は、カソード側セパレータ３０と同様である。ただし、図２に示すアノード側セパレータ２０の第１の面Ｓａ１には、単セル内燃料ガス流路４１を構成する凹部が形成されている。また、第２の面Ｓａ２には、セル間冷却液流路４５を構成する凹部と、セル間冷却ガス流路４７を構成する凹部とが形成されている。

図１および図２では、単セル内酸化ガス流路４３は、平坦な底面を有する凹部として表わしているが、単セル内酸化ガス流路４３は、実際は、所定の凹凸形状を設けて、凸部において隣り合う部材と接することで、導電性を確保する構成となっている。設ける凹凸形状は、例えば、略平行な複数の溝状流路群としてもよく、あるいは、凹部の底面から突出する複数の凸部を設けることとしてもよい。また、酸化ガスの流れが変更される折れ曲がり部を複数有するサーペンタインな溝状流路としてもよい。また、単セル内燃料ガス流路４１についても、単セル内酸化ガス流路４３と同様に、ストレートタイプ、サーペンタインタイプの溝状流路等、様々は形状により実現することができる。セル間冷却ガス流路４７においても同様に、所定の凹凸形状を設ける構成となっている。

図３は、単セル１０の断面を模式的に示す説明図である。図示するように、ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜１２ｍをアノード１２ａとカソード１２ｂで挟持した構成である。アノード１２ａ、カソード１２ｂは、前述した触媒層により構成される。

アノード側セパレータ２０は、緻密質部材２２で構成されている。一方、カソード側セパレータ３０は、緻密質部材（緻密質部）３２と多孔質部材（多孔質部）３４とを含んでいる。ここで、緻密質部材２２、３２は、水およびガスを透過させない性質を有している。一方、多孔質部材３４は、比較的大きな気孔率を有しており、水およびガスが透過可能な性質を有している。なお、多孔質部３４は、図１、図２に示す領域Ｐに設けられている。

緻密質部材および多孔質部材は、カーボンや金属などの導電性材料を用いて形成される。具体的には、緻密質部材は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形して得られた緻密質カーボンや、プレス成形された金属板などを用いて形成可能である。また、多孔質部材は、カーボン粉末の形状や、サイズ、カーボン粉末とバインダとの混合比率などを適宜選定することによって得られた所望の気孔率を有する多孔質カーボンを用いて形成可能である。あるいは、多孔質部材は、所望の気孔率を有する焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体を用いて形成可能である。緻密質部３２と多孔質部３４とを含むカソード側セパレータ３０は、例えば、個別に準備された緻密質カーボンと多孔質カーボンとを組み合わせ、バインダの溶融温度以上に加熱することによって、形成可能である。

図３からも、単セル内燃料ガス流路４１は、アノード側セパレータ２０の第１の面Ｓａ１に設けられた凹部と、アノード側ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間に形成されており、単セル内酸化ガス流路４３は、カソード側セパレータ３０の第１の面Ｓｃ１に設けられた凹部と、カソード側ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間に形成されていることがわかる。また、セル間冷却液流路４５とセル間冷却ガス流路４７とは、２つのセパレータ２０、３０の第２の面Ｓａ２、Ｓｃ２に設けられた凹部が組み合わされて形成されていることがわかる。特に、単セル内酸化ガス流路４３は、カソード側セパレータ３０のＭＥＡ１２の対向面である第１の面Ｓｃ１に設けられており、セル間冷却ガス流路４７は、多孔質部３４の単セル内酸化ガス流路４３と反対側の面である第２の面Ｓｃ２に設けられている。

上記のようなカソード側セパレータ３０を用いれば、セル間冷却ガス流路４７に冷却ガス（空気）を供給することによって、燃料電池を冷却することができる。また、セル間冷却ガス流路４７を通る冷却ガスは、多孔質部３４を介して、単セル内酸化ガス流路４３の水分を持ち去ることができる。具体的には、単セル内酸化ガス流路４３内の水は、毛管吸引力によって、多孔質部３４内部に容易に取り込まれる。そして、多孔質部３４に取り込まれた水分は、多孔質部３４内部を移動して、セル間冷却ガス流路４７を流れる冷却ガス（空気）中に排出される。多孔質部３４が水分を取り込むと、多孔質部３４は、シール機能を獲得する。このため、単セル内酸化ガス流路４３とセル間冷却ガス流路４７との間のガスの移動は、抑制される。

なお、本実施例では、多孔質部３４による水分の取り込みと、多孔質部３４を介した水分の移動とを促進させるために、多孔質部３４に親水性が付与されている。親水性は、例えば、多孔質カーボンを過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基（−ＯＨ基）を導入することによって、付与される。

さらに、本実施例では、多孔質部３４による水分の取り込みを促進させるために、アノード側ガス拡散層１３の膜厚ｔ２を、カソード側ガス拡散層１４の膜厚ｔ１よりも大きくしている。具体的には、例えば、アノード側ガス拡散層１３の膜厚ｔ２を２００［μｍ］程度、カソード側ガス拡散層１４の膜厚ｔ１を１００［μｍ］程度としている。前述したように、カソードで発生した水は、単セル内酸化ガス流路４３から多孔質部３４側へ移動するばかりでなく、ＭＥＡ１２を透過して単セル内酸化ガス流路４３へ逃げてしまう分もあるが、上記のように、アノード側ガス拡散層１３の膜厚ｔ２が大きいことから、アノード側ガス拡散層１３でその逃げる量が抑制される。

なお、上記膜厚ｔ２、ｔ１は、２００［μｍ］、１００［μｍ］に限定されるわけではなく、例えば、３００［μｍ］、１００［μｍ］、あるいは１００［μｍ］、７０［μｍ］というように、ｔ２＞ｔ１の条件を満たせば、いずれの大きさとすることもできる。

本実施例では、図３に示すように、多孔質部３４は、セル間冷却ガス流路４７と単セル内酸化ガス流路４３の下流側部分との間に設けられている。これは、通常、単セル内酸化ガス流路４３では、下流側部分の水分量が比較的多く、上流側部分の水分量が比較的少ないためである。すなわち、燃料電池内部の電気化学反応の進行に伴って生じた生成水は、単セル内酸化ガス流路４３を通る酸化ガス中に気化して、該酸化ガスと共に下流に向かう。このため、単セル内酸化ガス流路４３の下流側ほど、水分量が多くなる。そこで、本実施例では、単セル内酸化ガス流路４３の下流側部分に、多孔質部３４が設けられている。

本実施例の燃料電池では、冷却ガスは、酸化ガスとして電気化学反応に供する空気を用いている。図４に、本実施例の燃料電池における冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に表わす。図４では、カソード側セパレータ３０のセル間冷却ガス流路４７が形成される第２の面Ｓｃ２を用いて流路の接続関係を説明している。すなわち、空気ポンプ５０から、孔部４７ａが形成する冷却ガスの供給マニホールドに対して、冷却ガスとして空気が供給され、供給された空気は、セル間冷却ガス流路４７を介して、孔部４７ｂが形成する冷却ガスの排出マニホールドへと流れる。このとき、セル間冷却ガス流路４７を通過する空気は、多孔質部３４（Ｐの領域）内を移動する水分によって加湿される。

排出マニホールドに集合した空気は、接続流路５１に導かれて、孔部４３ａが形成する酸化ガスの供給マニホールドに流入し、各単セル内の単セル内酸化ガス流路４３に分配される。ここで、冷却ガスの排出マニホールドおよび酸化ガスの供給マニホールドは、燃料電池を積層方向に貫通する流路であるため、接続流路５１は、例えば、燃料電池の積層方向端部の一方において、冷却ガスの排出マニホールド端部と酸化ガスの供給マニホールド端部とを接続するように配設すればよい。あるいは、燃料電池を構成するスタック内で、各セル面内において、接続流路５１を形成することも可能である。

また、図４に示すように、本実施例の燃料電池では、空気ポンプ５０と冷却ガスの供給マニホールドとを接続する流路から分岐して、セル間冷却ガス流路４７を経由することなく空気を接続流路５１に導く空気分岐路５３が設けられている。この空気分岐路５３には、空気分岐路５３を通過する空気量を調節するための流量調整弁５４が設けられている。したがって、空気ポンプ５０および流量調整弁５４を制御することで、セル間冷却ガス流路４７を通過する空気量と、電気化学反応に供する空気量とを、それぞれ調節することができる。

Ａ−２：効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、多孔質部３４を介して、単セル内酸化ガス流路４３からセル間冷却ガス流路４７へと水分移動が可能となっているため、単セル内酸化ガス流路４３内に生成水が滞留することに起因する不都合を防止することができる。また、セル間冷却ガス流路４７内の加湿された冷却ガスは、接続流路５１を介して、孔部４３ａが形成する酸化ガスの供給マニホールドに流入し、各単セル内の単セル内酸化ガス流路４３に、酸化ガスとして分配されることから、生成水を燃料電池の加湿用として利用することができる。

さらに、本実施例の燃料電池によれば、アノード側ガス拡散層１３の膜厚ｔ２を、カソード側ガス拡散層１４の膜厚ｔ１よりも大きくしていることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分が、ＭＥＡ１２を透過した後、アノード側ガス拡散層１３で透過し難くなる。このため、その水分が、アノード側セパレータ２０に形成される単セル内燃料ガス流路４１へ逃げる量が抑制されることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分は、多孔質部３４を透過してセル間冷却ガス流路４７に良好に供給される。これによりセル間冷却ガス流路４７へ移動する水分量、延いては単セル内酸化ガス流路４３へ供給する酸化ガスの加湿量を十分に確保することができることから、燃料電池の出力低下を防止することができる。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例についての燃料電池の単セル１００の断面を模式的に示す説明図である。この図は、第１実施例における図３の単セル分に相当するものである。図示するように、この単セル１００は、第１実施例の単セル１０と比較して、アノード側ガス拡散層１１３の構成が相違するだけで、その他の構成は同じである。同一のパーツには、第１実施例と同じ番号を付けた。

この第２実施例のアノード側ガス拡散層１１３は、第１実施例のガス拡散層と同様の材料から構成されてはいるが、気孔率が７０［％］程度に調整されたものである。第１実施例のアノード側ガス拡散層１３とカソード側ガス拡散層１４は、気孔率が９０［％］程度であったが、この第２実施例のアノード側ガス拡散層１１３は上記のように、カソード側ガス拡散層１４よりも小さなものとなっている。なお、この第２実施例では、アノード側ガス拡散層１１３の膜厚は、カソード側ガス拡散層１４と同じ膜厚である。

以上のように構成された第２実施例の燃料電池によれば、アノード側ガス拡散層１１３の気孔率を、カソード側ガス拡散層１４の気孔率よりも小さくしていることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分が、ＭＥＡ１２を透過した後、アノード側ガス拡散層１１３で透過し難くなる。このため、その水分が、アノード側セパレータ２０に形成される単セル内燃料ガス流路４１へ逃げる量が抑制されることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分は、多孔質部３４を透過してセル間冷却ガス流路４７に良好に供給される。これによりセル間冷却ガス流路４７へ移動する水分量、延いては単セル内酸化ガス流路４３へ供給する酸化ガスの加湿量を十分に確保することができることから、燃料電池の出力低下を防止することができる。

なお、上記アノード側ガス拡散層１１３の気孔率、カソード側ガス拡散層１４の気孔率は、上記値に限定されるわけではなく、アノード側ガス拡散層１１３の気孔率がカソード側ガス拡散層１４の気孔率よりも小さい条件を満たせば、いずれの大きさとすることもできる。なお、ガス拡散層としては７０〜９０［％］程度の範囲で調整することが好ましい。

Ｃ．第３実施例：
図６は、第３実施例についての燃料電池の単セル２００の断面を模式的に示す説明図である。この図は、第１実施例における図３の単セル分に相当するものである。図示するように、この単セル２００は、第１実施例の単セル１０と比較して、アノード側ガス拡散層２１３の膜厚をカソード側ガス拡散層１４と同じ膜厚とした上で、アノード側ガス拡散層２１３のアノード側セパレータ２０側の面に金属メッシュ２０２を設けた構成が相違するだけで、その他の構成は同じである。同一のパーツには、第１実施例と同じ番号を付けた。

金属メッシュ２０２は、金やステンレス等の金属製のメッシュである。金属メッシュ２０２は、吸水性、保水性に優れている。

以上のように構成された第３実施例の燃料電池によれば、アノード側ガス拡散層２１３とアノード側セパレータ２０の間に金属メッシュ２０２が配設されていることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分が、ＭＥＡ１２、アノード側ガス拡散層２１３を透過した後、金属メッシュ２０２で吸収される。このため、その水分が、アノード側セパレータ２０に形成される単セル内燃料ガス流路４１へ逃げる量が抑制されることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分は、多孔質部３４を透過してセル間冷却ガス流路４７に良好に供給される。これによりセル間冷却ガス流路４７へ移動する水分量、延いては単セル内酸化ガス流路４３へ供給する酸化ガスの加湿量を十分に確保することができることから、燃料電池の出力低下を防止することができる。

なお、この第３実施例の変形例として、金属メッシュ２０２を金属発泡体に換えることができる。金属発泡体は、溶融した金属中に発泡剤を投入して発泡させて凝固させて製造するなどの手法で製造されたもので、ステンレス、アルミニウム等の金属製のものである。金属発泡体は、金属メッシュと同様に、吸水性、保水性に優れている。この変形例によっても、第３実施例と同様の効果を奏することができる。

また、金属メッシュ２０２は、アノード１２ａの片側表面全面に亘って設けられていたが、必ずしも全面に設ける必要もなく、単セル内燃料ガス流路４１の下流側部分に当たる一部分の面に設ける構成とすることもできる。多孔質部３４は、単セル内酸化ガス流路４３の下流側部分に設けられていることから、単セル内燃料ガス流路４１の下流側部分に生成水が逃げるのを防止すれば十分な効果を得られるためである。

Ｄ．第４実施例：
図７は、第４実施例についての燃料電池の単セル３００の断面を模式的に示す説明図である。この図は、第１実施例における図３の単セル分に相当するものである。図示するように、この単セル３００は、第１実施例の単セル１０と比較して、アノード側ガス拡散層３１３の膜厚をカソード側ガス拡散層１４と同じ膜厚とした上で、アノード側ガス拡散層３１３とＭＥＡ１２との間に撥水性フィルム３０２を設けた構成が相違するだけで、その他の構成は同じである。同一のパーツには、第１実施例と同じ番号を付けた。

撥水性フィルム３０２は、カーボンフィルム等の撥水性のフィルムである。なお、撥水性フィルム３０２に換えて、撥水性のフィルム以外の膜体とすることもできる。

以上のように構成された第４実施例の燃料電池によれば、ＭＥＡ１２とアノード側ガス拡散層３１３の間に撥水性フィルム３０２が配設されていることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分が、ＭＥＡ１２を透過した後、撥水性フィルム３０２で透過し難くなる。このため、その水分が、アノード側セパレータ２０に形成される単セル内燃料ガス流路４１へ逃げる量が抑制されることから、単セル内酸化ガス流路４３中の水分は、多孔質部３４を透過してセル間冷却ガス流路４７に良好に供給される。これによりセル間冷却ガス流路４７へ移動する水分量、延いては単セル内酸化ガス流路４３へ供給する酸化ガスの加湿量を十分に確保することができることから、燃料電池の出力低下を防止することができる。

なお、この第４実施例では、撥水性フィルム３０２を、ＭＥＡ１２とアノード側ガス拡散層３１３の間に設ける構成としていたが、これに換えて、アノード側ガス拡散層３１３とアノード側セパレータ２０の間に設けた構成とすることができる。この変形例によれば、単セル内酸化ガス流路４３中の水分が、ＭＥＡ１２、アノード側ガス拡散層２１３を透過した後、撥水性フィルムで透過し難くなる。したがって、第４実施例と同様の効果を奏する。

また、撥水性フィルム３０２は、アノード１２ａの片側表面全面に亘って設けられていたが、必ずしも全面に設ける必要もなく、単セル内燃料ガス流路４１の下流側部分に当たる一部分の面に設ける構成とすることもできる。多孔質部３４は、単セル内酸化ガス流路４３の下流側部分に設けられていることから、単セル内燃料ガス流路４１の下流側部分に生成水が逃げるのを防止すれば十分な効果を得られるためである。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の各実施例や変形例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態様で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。

（１）上記各実施例では、燃料電池は冷却ガスと共に冷却液によって冷却されているが、これに代えて、冷却ガスのみで冷却されるようにしてもよい。ただし、上記各実施例のようにすれば、燃料電池を効率よく冷却することができる。

（２）上記各実施例では、多孔質部３４は、単セル内酸化ガス流路４３の下流側部分に設ける構成としていたが、必ずしも下流側部分に限る必要はなく、これに換えて、多孔質部を単セル内酸化ガス流路４３の全流域に設ける構成とすることもできる。この構成によれば、生成水の取り込み量を増大させることができる。

（３）メタノールなどの炭化水素を水蒸気改質して水素を生成して、その水素を燃料電池に供給する場合、水素ガス流路にも水が存在する。また、カソード側での生成水は、電解質膜を通過して、水素ガス流路に送られてくる。これらのことから、水素ガス流路でも水分の排出の必要性がある。したがって、前述した各実施例の構成を、アノード（水素極）側とカソード（酸素極）側とで入れ換えた構成に換えることができる。すなわち、アノード側セパレータの少なくとも一部は、水分が透過可能な多孔質部により形成し、該多孔質部の水素ガス流路と反対側の面に冷却用ガス流路を形成するとともに、冷却用ガス流路の下流側を、水素ガス流路に連通する水素ガス供給流路（水素ガス供給マニホールド）に接続する接続流路と、水素ガス流路中の水分が、膜電極接合体側から酸化ガス流路へ逃げる量を抑制する水分逃げ量抑制手段とを備えた構成とすることができる。

（４）前述した各実施例では、水分逃げ量抑制手段として、ガス拡散層の膜厚を大きくする構成、ガス拡散層の気孔率を小さくする構成、金属メッシュまたは金属発泡体を設けた構成、撥水性の膜体を設けた構成と種々の構成を提案してきたが、こうした構成に必ずしも限る必要もない。第１の反応ガス流路中の水分が、前記膜電極接合体側から前記第２の反応ガス流路へ逃げる量を抑制する構成であれば、異物を挿入する構成、既に用いられているパーツの水分の透過性を低くする構成等、種々の構成に換えることができる。また、前述した各実施例を組み合わせて、水分の逃げ量をより一層抑える構成とすることもできる。例えば、第１実施例と第２実施例を組み合わせて、アノード側ガス拡散層の膜厚を、カソード側ガス拡散層の膜厚よりも大きくし、かつ、アノード側ガス拡散層の気孔率を、カソード側ガス拡散層の気孔率よりも小さくする構成としてもよい。あるいは、第１実施例と第３実施例を組み合わせて、アノード側ガス拡散層の膜厚を、カソード側ガス拡散層の膜厚よりも大きくし、かつ、アノード側ガス拡散層のアノード側セパレータ側の面に金属メッシュを設けた構成としてもよい。

（５）上記各実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。発電中に反応ガス流路中の水分量が増加し、燃料電池を冷却するために冷却ガスを用いる燃料電池であれば、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。

本発明の第１実施例における燃料電池内部の単セル１０の構成を模式的に示す分解斜視図である。 カソード側セパレータ３０を模式的に示す説明図である。 単セル１０の断面を模式的に示す説明図である。 燃料電池における冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に示す説明図である。 第２実施例についての燃料電池の単セル１００の断面を模式的に示す説明図である。 第３実施例についての燃料電池の単セル２００の断面を模式的に示す説明図である。 第４実施例についての燃料電池の単セル３００の断面を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１０...単セル
１２ａ...アノード（水素極）
１２ｂ...カソード（酸素極）
１２ｍ...固体高分子電解質膜
１３...アノード側ガス拡散層
１４...カソード側ガス拡散層
２０...アノード側セパレータ
２２...緻密質部材
３０...カソード側セパレータ
３２...緻密質部材
３４...多孔質部
４１...単セル内燃料ガス流路
４３...単セル内酸化ガス流路
４５...セル間冷却液流路
４７...セル間冷却ガス流路
５０...空気ポンプ
５１...接続流路
５３...空気分岐路
５４...流量調整弁
１００...単セル
１１３...アノード側ガス拡散層
２００...単セル
２０２...金属メッシュ
２１３...アノード側ガス拡散層
３００...単セル
３１３...アノード側ガス拡散層
３０２...撥水性フィルム

Claims (7)

1. 電解質膜を２つの電極で挟持する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の第１の面と対向することで第１の反応ガス流路を形成する第１のセパレータと、
   前記膜電極接合体の第２の面と対向することで第２の反応ガス流路を形成する第２のセパレータと
   を備える燃料電池において、
   前記第１のセパレータの少なくとも一部は、水分が透過可能な多孔質部により形成し、該多孔質部の前記第１の反応ガス流路と反対側の面に冷却用ガス流路を形成するとともに、
   前記冷却用ガス流路の下流側を、前記第１の反応ガス流路に連通する反応ガス供給流路に接続する接続流路と、
   前記第１の反応ガス流路中の水分が、前記膜電極接合体側から前記第２の反応ガス流路へ逃げる量を抑制する水分逃げ量抑制手段と
   を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層と
   を備え、
   前記水分逃げ量抑制手段は、
   前記第２のガス拡散層の膜厚を、前記第１のガス拡散層の膜厚よりも大きくした構成である燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層と
   を備え、
   前記水分逃げ量抑制手段は、
   前記第２のガス拡散層の気孔率を、前記第１のガス拡散層の気孔率よりも小さくした構成である燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層と
   を備え、
   前記水分逃げ量抑制手段は、
   前記第２のガス拡散層と前記第２のセパレータとの間に設けられる金属メッシュまたは金属発泡体である燃料電池。
5. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体の前記第１のセパレータ側の面に設けられる第１のガス拡散層と、
   前記膜電極接合体の前記第２のセパレータ側の面に設けられる第２のガス拡散層と
   を備え、
   前記水分逃げ量抑制手段は、
   前記第２のガス拡散層の少なくとも一方側の面に設けられる撥水性の膜体である燃料電池。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記第１の反応ガス流路は、酸素を含有する酸化ガスを流すための酸化ガス流路であり、
   前記冷却用ガス流路に空気を流すように構成された燃料電池。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
   前記第１のセパレータは、緻密質部と前記多孔質部とから構成され、
   前記緻密質部の前記第１の反応ガス流路と反対側の面に形成される冷却液流路を備えた燃料電池。

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