JP3736475B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子を電解質として用いた燃料電池に関し、特に、低加湿または無加湿状態のガス供給下で稼動する燃料電池においても、セル特性の低下を引き起こすことなく安定した稼動が可能であると共に、稼動温度を高く維持することによって発電効率を向上させることができる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料が有している化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００３】
一般に、燃料電池の燃料極（アノード極）、酸化剤極（カソード極）の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【０００４】
燃料極 ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ￣ …（１）
酸化剤極 ４Ｈ＋＋４ｅ￣＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ …（２）
すなわち、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では式（１）の反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型電池の場合には、固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至る。そして、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されることにより、カソードでは式（２）の反応が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することにより、燃料電池は起電力を発生する。
【０００５】
一般に燃料電池での発電では、燃料が有している化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換できない分を熱として放出するため、電極反応を円滑に進行させるためには、特開平５−１９０１９３号公報に記載されるように、循環する冷却水で燃料電池を冷却することが広く行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した式（２）で示すように、電極反応においては、カソード極で水が生成するため、生成した水が電極や拡散層の細孔に浸透する、いわゆる電極の濡れ（フラッディング）が生じ、ガス拡散性が低下してセル特性の低下を引き起こしている。
【０００７】
一方、固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿度に著しく依存しており、反応ガスの湿度が低すぎると、固体高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大して、セル特性の低下を引き起こすこととなる。このため、電極の湿潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器等の加湿手段により加湿して供給することが一般的に行われている。しかしながら、このように加湿器等の加湿手段を用いる場合には、固体高分子電解質型燃料電池が大型化し、発電システムとしての発電効率が低下する。
【０００８】
このため、反応ガスを加湿することなく供給して、固体高分子電解質型燃料電池を稼働する無加湿運転が試みられており、特開２００１−１８５１７２号公報や特開２００１−６６９８号公報には、高分子電解質膜を薄膜化したり、アノード極及びカソード極に供給する反応ガスを互いに反対方向に流通させる対向流として供給することが開示されている。
【０００９】
しかしながら、反応ガスを低加湿または無加湿の状態で発電を行うと、燃料ガス及び酸化剤ガスを消費して発電を行う部位であるＭＥＡ（膜電極接合体；Ｍｅｍｂｒａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｅｂｌｙ）の含水状態が不安定となり、その結果発電に必要なプロトンの移動が安定して行われなくなる。このため、セル特性を低下させることなく安定して発電を行うことは困難であった。従来の燃料電池では、安定して発電できる温度域が６０℃近辺と限られている。そのため燃料電池の発電効率がより望ましい状態となる９０℃に近い温度での稼動を維持することが困難であった。
【００１０】
さらに、車両の推進エネルギーとして燃料電池からの電力を用いるに当たっては、燃料電池からの排熱を円滑に行うためにラジエターを必要としている。これに対し、上述したような限られた稼動温度では、外気温との温度差があまりないため、良好な除熱効率とすることができないものとなっている。このようなことから、除熱効率を維持するためには非常に大きなラジエターを必要とし、これにより燃料電池による発電システムが大型化して、その効率低下の原因となっている。
【００１１】
さらに燃料電池車両（ＦＣＶ）に用いる燃料電池としては、負荷に応じて運転状況を変化させる過渡応答性が必要となる。すなわち、低負荷状態では発電で生成する生成水と比較して、ガス流速が比較的低いために、ＭＥＡの乾燥をある程度抑制できるのに対し、高負荷状態になると負荷に応じて生成する水量も多くなるが、それ以上にガス流速が早くなるため、ＭＥＡの乾燥を促進して、一部ではＭＥＡの水不足状態が生じることに応答する必要がある。またガスの下流側では蒸発した水分がガス中に溜め込まれてくるため、一定量以上の水分量をガスが保持できなくなり、水のたまり、すなわちフラッディングを起こすこととなり、これに応答する必要がある。このようにセル内では、ＭＥＡの含水状態が不均一となるため、セル特性の低下が生じて、安定して燃料電池を稼動することが難しい問題を有している。
【００１２】
そこで本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたもので、その目的は、電極反応により生成された水による膜電極接合体の乾燥を抑制でき、かつ加湿が抑制されたガスの供給下における発電においてもセル特性の低下を引き起こすことがなく、これにより発電効率が高く小型化の可能な燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するようにアノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するようにカソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が、前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明では、酸化剤ガス調整用冷却水路によって、含水量の多い酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができる。このとき、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低くすることによって水を回収できると共に、電解質膜の反対側に設置される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対して、電解質膜の表裏での水分量の濃度差を大きくすることができ、これにより、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能となる。
【００１５】
さらに加湿された燃料ガスがセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾燥を抑制することができる。このため、セル特性の低下を抑制し、安定した発電をすることが可能となる。
【００１６】
さらにまた、酸化剤ガスのガス入口部分の温度に比べて出口部分のガス温度を異なる温度状態に調整する酸化剤ガス調整用冷却水路を、燃料電池自体から発生する熱の排熱用冷却水路と独立して設けることにより、セルの稼働温度を高く維持することができる。このため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行うことも可能となる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するように前記アノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するように前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると共に、前記燃料ガス流路のガス出口部分を冷却する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノード側セパレータに形成されていることを特徴とする。すなわち、このような構成の請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成に加えて、燃料ガスのガス入口部分の温度に比べて出口部分の温度が異なるように調整する燃料ガス調整用冷却水路を設けている。
【００１８】
したがって、請求項２記載の発明では、酸化剤ガスのガス出口部分だけではなく、燃料ガスのガス出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とすることができ、これにより、燃料ガス中に含まれている水分を凝集して回収することができる。このように、燃料ガスのガス出口部分に対しても、独立した冷却水路を設けることにより、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行うことが可能となる。
【００１９】
また、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスの双方がセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾操をさらに抑制することができる。このため、セル特性の低下をさらに抑制でき、安定して発電することが可能となる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池であって、前記酸化剤ガス調整用冷却水路および／または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記膜電極接合体における前記触媒層が配置された領域外に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００２１】
したがって、請求項３記載の発明では、酸化剤ガス調整用冷却水路や燃料ガス調整用水路を膜電極接合体における触媒層の領域外に設けるため、これら調整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することができ、その結果、燃料電池全体の効率を向上させることができる。
【００２２】
また、請求項３記載の発明では、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れ（フラッディング）の発生を防ぐことができ、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。
【００２３】
一般に、水の凝集のために温度を低くする部位では、中央部より温度が低くなるため発電効率が中央部より低くなってしまい、セル全体の安定性を損なうのに対し、この請求項３記載の発明では、調整用冷却水路を発電に必要な触媒塗布部と重ならないようにしているため、触媒を有効に活用できる。これにより、燃料電池の稼働の安定性を高めることができ、しかも、余分な触媒の使用を抑制できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排熱用冷却水路と、前記酸化剤ガス調整用冷却水路と、前記燃料ガス調整用冷却水路とが、個別の温度調整システムに接続されていることを特徴とする。
【００２５】
したがって、請求項４記載の発明では、負荷変動時に応じて、これら調整用冷却水路の温度を適した温度に維持することができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排熱用冷却水路及び調整用冷却水路とが同じ温度調整システムに接続されていることを特徴とする。
【００２７】
したがって、請求項５記載の発明では、同じ温度調整システムを用いることにより、燃料電池の構成を簡素化することができる。また、加湿が抑制されたガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることができる。
【００２８】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された燃料電池であって、自動車に搭載されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明では、自動車が加湿が抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパクトとすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、含水量の多い酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができる。そして、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低くして水を回収することにより、電解質膜の反対側に設置される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対しての水分量の濃度差を大きくすることができ、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能となる。
【００３１】
また、加湿された燃料ガスがセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合体の乾燥を抑制することができ、セル特性の低下を抑制し、発電を安定して行うことができる。
【００３２】
さらに、調整用冷却水路を排熱用冷却水路と独立して設けるため、セルの稼働温度を高く維持することができ、このため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行うことも可能となる。
【００３３】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様な効果を有するのに加えて、燃料ガスのガス出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とすることができるため、燃料ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができ、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行うこと可能となる。
【００３４】
また、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスの双方がセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合体の乾操をさらに抑制することができ、セル特性の低下を抑制して、発電を安定して行うことができる。
【００３５】
請求項３の発明によれば、請求項１及び２の発明と同様な効果を有するのに加えて、調整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することができ、燃料電池全体の効率を向上させることができる。また、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れの発生を防ぐことができ、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。
【００３６】
さらに、調整用冷却水路が発電に必要な触媒塗布部と重ならないようになっているため、触媒を有効に活用でき、これにより、燃料電池の稼働の安定性を高めることができ、さらには、余分な触媒の使用を抑制できるため、コストを削減できる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、請求項１〜３の発明と同様な効果を有するのに加えて、負荷変動時に応じて、調整用冷却水路の温度を適した温度に維持することができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制することができる。
【００３８】
請求項５の発明によれば、請求項１〜３の発明と同様な効果を有するのに加えて、同じ温度調整システムを用いるため、燃料電池の構成を簡素化することができ、しかも、加湿が抑制されたガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることができる。
【００３９】
請求項６の発明によれば、請求項１〜５の発明と同様な効果を有するのに加えて、自動車が加湿が抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパクトとすることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の詳細を図面に示す各実施の形態に基づいて説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態の固体高分子電解質型の燃料電池を示し、図１は燃料電池の一部を示す断面図、図２は固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す分解斜線図である。
【００４２】
燃料電池スタックは、膜電極接合体１と、この膜電極接合体１を挟むように配置されたカソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３と、を有して構成されている。
【００４３】
膜電極接合体１は、固体高分子膜からなる電解質膜４と、この電解質膜４の両面に配置された電極５、６とによって形成されている。電解質膜４は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。電解質膜４の両面に配設される二つの電極５、６には、白金または白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロスまたはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜と接触するように形成されている。電極５は、酸化剤極、電極６は燃料極として機能する。
【００４４】
カソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３は、いずれもガス不透過である緻密性カーボン材で形成されており、片面または両面に燃料ガスや酸化性ガスあるいは冷却媒体の流路を確保するための多数のリブが形成されている。また、セパレータ外縁部に沿ったシーリング領域７によって水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化剤ガスをシールしている。
【００４５】
カソード側セパレータ２には、酸化剤ガス流路８が形成されている。酸化剤ガス流路８には、加湿が抑制された空気などの酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガス流路８は、カソード側セパレータ２における膜電極接合体１と対面した面内を酸化剤ガスが流通するように形成されている。酸化剤ガスはガス入口９から導入され、酸化剤ガス流路８を流通した後、ガス出口１０から排出される。
【００４６】
一方、アノード側セパレータ３には、燃料ガス流路１６が形成されている。この流路１１には、加湿が抑制された水素等の燃料ガスが供給される。そして、この燃料ガスはガス入口１２から導入され、燃料ガス流路１６を流通した後、ガス出口１３から排出されるようになっている。アノード側セパレータ３では、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス流路８と同様に、燃料ガスが膜電極接合体１と対面した面内を流通するように燃料ガス流路１６が形成されるが、酸化剤ガスおよび燃料ガスが対向した流れとなるように酸化剤ガス流路８および燃料ガス流路１６が形成されている。すなわち、図１に示すように酸化剤ガスは矢印Ａで示すように、酸化剤ガス流路８内を左側から右側に流通するのに対し、燃料ガスは矢印Ｂで示すように、燃料ガス流路１６内を右側から左側に流通するようにこれらの通路が形成されるている。
【００４７】
カソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３においては、ガス入口が相手側セパレータのガス出口と対向するように電極接合体１を挟んで配置されている。すなわち、カソード側セパレータ２のガス入口９はアノード側セパレータ３のガス出口１３と対向し、ガス出口１０はアノード側セパレータ３のガス入口１２と対向している。
【００４８】
カソード側セパレータ２における膜電極接合体１との反対側の面には、発電によって発生した熱を排熱するための排熱用冷却水路１４が溝状となって形成されている。
【００４９】
さらに、カソード側セパレータ２には酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。酸化剤ガス調整用冷却水路１５はカソード側セパレータ２におけるガス出口１０側に配置されている。また、酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、排熱用冷却水路１４と独立した水路となっている。さらに、酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、膜電極接合体１における電極４，５（触媒）の面外に位置しており、触媒が配置されていない部分を冷却するようになっている。
【００５０】
次にこの実施の形態の作用を説明する。
【００５１】
低加湿または無加湿状態のガス供給下においては、加湿して発電した場合に比べて著しく特性が低下するのが一般的であり、これは加湿が抑制されたために電極４、５が乾燥して電解質膜４の抵抗が高くなることが原因と考えられている。この実施の形態では、膜電極接合体１を挟んでそれぞれのガスを互いに対向流として供給することにより、互いの流路間に生じる水分の濃度勾配を利用して、膜電極接合体の乾燥を防ぐことが可能としている。
【００５２】
しかし、燃料電池の発電効率がより高く、燃料電池に発生する熱の除熱効率がより高くなる７０℃以上で発電を行う場合には、蒸気としての燃料電池から持ち出される水分量が多くなるため、たとえガス供給を対向流の形態としても膜電極接合体１が乾操状態となって特性が低下する。
【００５３】
この実施の形態では、このような問題を解決するため、発電部位で発生する熱を除くための排熱用冷却水路１４と、酸化剤ガスのガス１０出口を冷却する調整用冷却水路１５が独立して、それぞれの温度を調節できるようになっている。すなわち、酸化剤ガスのガス出口１０では、燃料電池の冷却用と独立した専用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５によって水分を凝集して排出される水分を回収している。このように、発電によって酸化剤極側に生成される水分が蒸気として含まれる酸化剤ガスを、そのガス出口１０で水分を回収し、凝集した水分を濃度差を利用して電解質膜４を介して通過させている。これにより、燃料ガス流路１６のガス入口１１に供給される燃料ガスを加湿して、セル内の膜電極接合体１の乾燥を抑制している。
【００５４】
このような実施の形態では、酸化剤ガスのガス出口１０付近のみを特に冷却するため、発電に関与する膜電極接合体１での温度を高く維持することができる。このように、発電部位の温度が高くなることにより、発電効率が高くなるとともに、燃料電池の除熱効率も改善されるため、系全体の発電効率がより向上した固体高分子電解質型燃料電池とすることができる。
【００５５】
また、発電部位の温度を高くすることによって、その部位での飽和水蒸気量が高くなるため、生成した水による電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れが抑制され、これにより優れたセル特性を得ることができる。
【００５６】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態の燃料電池の一部を示す断面図、図４は燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。
【００５７】
この実施の形態では、第１の実施の形態の構成に加えて燃料ガス調整用冷却水路１７がアノード側セパレータ３に形成されている。すなわち、この形態ではカソード側セパレータ２に酸化剤ガス調整用冷却水路１５を第１の実施の形態と同様に形成するのに加えて、アノード側セパレータ３にも燃料ガス調整用冷却水路１７を形成するものである。この調整用冷却水路１７はアノード側セパレータ３における燃料ガスのガス出口１３に対応するように形成されている。
【００５８】
アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用冷却水路１７は、排熱用冷却水路１４と独立していると共に、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５とも独立している。したがって、この燃料ガス調整用冷却水路１７は、燃料ガスのガス出口１３部分の温度をガス入口１１部分と異なるように調整するが、この調整は排熱用冷却水路１４およびカソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５と独立して行うようになっている。また、アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用冷却水路１７は、膜電極接合体１における電極４、５（触媒層）の面外に位置するように配置されている。
【００５９】
この実施の形態では、第１の実施の形態の排熱用冷却水路１４および酸化ガスのガス出口１０冷却用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５に加えて、燃料ガスのガス出口１３を冷却する燃料ガス調整用冷却水路１７を設けているため、両方のガス出口１０、１３における水回収およびガスの加湿を酸化剤ガス、燃料ガスの両方で行うことができるため、膜電極接合体１の乾燥抑制をより促進することができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図５および図６は、本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態では、図５に示すように燃料ガス調整用冷却水路１９がアノード側セパレータ３に形成されている。図６はカソード側セパレータ２でを示し、酸化剤ガスの入口マニホールド２１および出口マニホールド２２がアノード側セパレータ３の入口マニホールド２４および出口マニホールド２５と対応するように形成されている。
【００６１】
図５および図６において、２６、２７は燃料ガスの入口マニホールド、２８、２９は燃料ガスの出口マニホールド、３１、３２は冷却水の入口、３３、３４は冷却水の出口である。
【００６２】
この実施の形態において、カソード側セパレータ２では、図６に示すようにガス流路が同一平面状を往復する構成となっている。ここでは、そのガス供給出口を冷却する独立した調整用冷却水路１９をアノード側セパレータ３に形成している。このような構成とすることにより、酸化剤ガス自身でガス供給に必要な加湿を行なうことが可能となっている。
【００６３】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態であり、固体高分子電解質型燃料電池におけるガスや冷却水の流通系を示している。
【００６４】
本実施の形態では、固体高分子電解質型燃料電池が、上記した第１〜第３の実施の形態のいずれかの構成となっている。したがって、図７に示すように、燃料電池４１は、酸化ガスのガス入口９、ガス出口１０および燃料ガスのガス入口１１およびガス出口１３を有している。
【００６５】
さらに、酸化ガスのガス出口１３の温度調整を行う酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。この酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、燃料電池４１の系外に設けられた酸化剤ガス出口冷却系４２と接続されている。酸化剤ガス出口冷却系４２は熱交換器４３を有しており、燃料電池４１の系外で熱交換が行われる。
【００６６】
一方、発電によって発生した熱を排熱する排熱用冷却水路は、燃料電池４１の系外に設けられた燃料電池スタック冷却系４４に接続されている。この冷却系４４は酸化ガス出口冷却系４２の熱交換器４３とは、別個の熱交換器４５を備えている。
【００６７】
このような実施の形態では、燃料電池本体の除熱のための冷却系と酸化剤ガス出口でのガス中の水分を回収する冷却系が独立して循環して温度制御を行う。これにより、燃料電池の運転温度を高く維持することができ、高い運転温度にもかかわらず膜電極接合体１の乾操を抑制することができ、安定して発電することが可能となる。
【００６８】
（第５実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態のガスおよび冷却水の流通系を示している。
【００６９】
この実施の形態では、独立している燃料電池４１の除熱のための燃料電池スタック冷却系４４と、酸化剤ガス出口でガス中の水分を回収する酸化ガス出口冷却系４２とが、スタックの外部で連結されて冷却水が循環して、温度制御を行うようになっている。これにより熱交換器４５を出た直後の温度の低い冷却水で、空気または燃料の出口側を冷却することができる。
【００７０】
このような構成では、燃料電池４１のシステム構成を簡素化することができ、結果としてシステム全体のサイズをコンパクトにできる。従って、体積あたりの出力密度を向上することができ、結果として、安定したより小型の固体高分子電解質型燃料電池とすることができる。
【００７１】
システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用いるアノード側セパレータの平面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用いるカソード側セパレータの平面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態のシステムを示す全体図である。
【図８】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態のシステムを示す全体図である。
【符号の説明】
１ 膜電極接合体
２ カソード側セパレータ
３ アノード側セパレータ
４ 電解質膜
５、６ 電極
８ 酸化ガス流路
９ 酸化ガスのガス入口
１０ 酸化ガスのガス出口
１１ 燃料ガスのガス入口
１３ 燃料ガスのガス出口
１４ 排熱用冷却水路
１５ 酸化剤ガス調整用冷却水路
１７ 燃料ガス調整用冷却水路
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子を電解質として用いた燃料電池に関し、特に、低加湿または無加湿状態のガス供給下で稼動する燃料電池においても、セル特性の低下を引き起こすことなく安定した稼動が可能であると共に、稼動温度を高く維持することによって発電効率を向上させることができる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料が有している化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００３】
一般に、燃料電池の燃料極（アノード極）、酸化剤極（カソード極）の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【０００４】
燃料極 ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ￣ …（１）
酸化剤極 ４Ｈ＋＋４ｅ￣＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ …（２）
すなわち、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では式（１）の反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型電池の場合には、固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至る。そして、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されることにより、カソードでは式（２）の反応が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することにより、燃料電池は起電力を発生する。
【０００５】
一般に燃料電池での発電では、燃料が有している化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換できない分を熱として放出するため、電極反応を円滑に進行させるためには、特開平５−１９０１９３号公報に記載されるように、循環する冷却水で燃料電池を冷却することが広く行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した式（２）で示すように、電極反応においては、カソード極で水が生成するため、生成した水が電極や拡散層の細孔に浸透する、いわゆる電極の濡れ（フラッディング）が生じ、ガス拡散性が低下してセル特性の低下を引き起こしている。
【０００７】
一方、固体高分子電解質型燃料電池においては、固体高分子電解質膜のプロトン導電性が反応ガスの湿度に著しく依存しており、反応ガスの湿度が低すぎると、固体高分子電解質膜が乾燥して膜抵抗が増大して、セル特性の低下を引き起こすこととなる。このため、電極の湿潤状態を適切に保持するために、反応ガスを加湿器等の加湿手段により加湿して供給することが一般的に行われている。しかしながら、このように加湿器等の加湿手段を用いる場合には、固体高分子電解質型燃料電池が大型化し、発電システムとしての発電効率が低下する。
【０００８】
このため、反応ガスを加湿することなく供給して、固体高分子電解質型燃料電池を稼働する無加湿運転が試みられており、特開２００１−１８５１７２号公報や特開２００１−６６９８号公報には、高分子電解質膜を薄膜化したり、アノード極及びカソード極に供給する反応ガスを互いに反対方向に流通させる対向流として供給することが開示されている。
【０００９】
しかしながら、反応ガスを低加湿または無加湿の状態で発電を行うと、燃料ガス及び酸化剤ガスを消費して発電を行う部位であるＭＥＡ（膜電極接合体；Ｍｅｍｂｒａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｅｂｌｙ）の含水状態が不安定となり、その結果発電に必要なプロトンの移動が安定して行われなくなる。このため、セル特性を低下させることなく安定して発電を行うことは困難であった。従来の燃料電池では、安定して発電できる温度域が６０℃近辺と限られている。そのため燃料電池の発電効率がより望ましい状態となる９０℃に近い温度での稼動を維持することが困難であった。
【００１０】
さらに、車両の推進エネルギーとして燃料電池からの電力を用いるに当たっては、燃料電池からの排熱を円滑に行うためにラジエターを必要としている。これに対し、上述したような限られた稼動温度では、外気温との温度差があまりないため、良好な除熱効率とすることができないものとなっている。このようなことから、除熱効率を維持するためには非常に大きなラジエターを必要とし、これにより燃料電池による発電システムが大型化して、その効率低下の原因となっている。
【００１１】
さらに燃料電池車両（ＦＣＶ）に用いる燃料電池としては、負荷に応じて運転状況を変化させる過渡応答性が必要となる。すなわち、低負荷状態では発電で生成する生成水と比較して、ガス流速が比較的低いために、ＭＥＡの乾燥をある程度抑制できるのに対し、高負荷状態になると負荷に応じて生成する水量も多くなるが、それ以上にガス流速が早くなるため、ＭＥＡの乾燥を促進して、一部ではＭＥＡの水不足状態が生じることに応答する必要がある。またガスの下流側では蒸発した水分がガス中に溜め込まれてくるため、一定量以上の水分量をガスが保持できなくなり、水のたまり、すなわちフラッディングを起こすこととなり、これに応答する必要がある。このようにセル内では、ＭＥＡの含水状態が不均一となるため、セル特性の低下が生じて、安定して燃料電池を稼動することが難しい問題を有している。
【００１２】
そこで本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたもので、その目的は、電極反応により生成された水による膜電極接合体の乾燥を抑制でき、かつ加湿が抑制されたガスの供給下における発電においてもセル特性の低下を引き起こすことがなく、これにより発電効率が高く小型化の可能な燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するようにアノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するようにカソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が、前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項１記載の発明では、酸化剤ガス調整用冷却水路によって、含水量の多い酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができる。このとき、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低くすることによって水を回収できると共に、電解質膜の反対側に設置される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対して、電解質膜の表裏での水分量の濃度差を大きくすることができ、これにより、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能となる。
【００１５】
さらに加湿された燃料ガスがセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾燥を抑制することができる。このため、セル特性の低下を抑制し、安定した発電をすることが可能となる。
【００１６】
さらにまた、酸化剤ガスのガス入口部分の温度に比べて出口部分のガス温度を異なる温度状態に調整する酸化剤ガス調整用冷却水路を、燃料電池自体から発生する熱の排熱用冷却水路と独立して設けることにより、セルの稼働温度を高く維持することができる。このため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行うことも可能となる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するように前記アノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するように前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると共に、前記燃料ガス流路のガス出口部分を冷却する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノード側セパレータに形成されていることを特徴とする。すなわち、このような構成の請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成に加えて、燃料ガスのガス入口部分の温度に比べて出口部分の温度が異なるように調整する燃料ガス調整用冷却水路を設けている。
【００１８】
したがって、請求項２記載の発明では、酸化剤ガスのガス出口部分だけではなく、燃料ガスのガス出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とすることができ、これにより、燃料ガス中に含まれている水分を凝集して回収することができる。このように、燃料ガスのガス出口部分に対しても、独立した冷却水路を設けることにより、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行うことが可能となる。
【００１９】
また、加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスの双方がセル中央部へ水分を持ち込むため、膜電極接合体の乾操をさらに抑制することができる。このため、セル特性の低下をさらに抑制でき、安定して発電することが可能となる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池であって、前記酸化剤ガス調整用冷却水路および／または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記膜電極接合体における前記触媒層が配置された領域外に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００２１】
したがって、請求項３記載の発明では、酸化剤ガス調整用冷却水路や燃料ガス調整用水路を膜電極接合体における触媒層の領域外に設けるため、これら調整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することができ、その結果、燃料電池全体の効率を向上させることができる。
【００２２】
また、請求項３記載の発明では、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れ（フラッディング）の発生を防ぐことができ、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。
【００２３】
一般に、水の凝集のために温度を低くする部位では、中央部より温度が低くなるため発電効率が中央部より低くなってしまい、セル全体の安定性を損なうのに対し、この請求項３記載の発明では、調整用冷却水路を発電に必要な触媒塗布部と重ならないようにしているため、触媒を有効に活用できる。これにより、燃料電池の稼働の安定性を高めることができ、しかも、余分な触媒の使用を抑制できる。
【００２４】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排熱用冷却水路と、前記酸化剤ガス調整用冷却水路と、前記燃料ガス調整用冷却水路とが、個別の温度調整システムに接続されていることを特徴とする。
【００２５】
したがって、請求項４記載の発明では、負荷変動時に応じて、これら調整用冷却水路の温度を適した温度に維持することができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制することができる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された燃料電池であって、前記排熱用冷却水路及び調整用冷却水路とが同じ温度調整システムに接続されていることを特徴とする。
【００２７】
したがって、請求項５記載の発明では、同じ温度調整システムを用いることにより、燃料電池の構成を簡素化することができる。また、加湿が抑制されたガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることができる。
【００２８】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された燃料電池であって、自動車に搭載されていることを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明では、自動車が加湿が抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパクトとすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、含水量の多い酸化剤ガスのガス出口部分でガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とするため、ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができる。そして、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度より低くして水を回収することにより、電解質膜の反対側に設置される含水量の少ない燃料ガスのガス入口部分に対しての水分量の濃度差を大きくすることができ、酸化剤ガスのガス出口側からガス入口側へ電解質膜を介して水の供給を促進することが可能となる。
【００３１】
また、加湿された燃料ガスがセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合体の乾燥を抑制することができ、セル特性の低下を抑制し、発電を安定して行うことができる。
【００３２】
さらに、調整用冷却水路を排熱用冷却水路と独立して設けるため、セルの稼働温度を高く維持することができ、このため、高い発電効率を維持できるとともに、外気温との温度差を保持でき、燃料電池からの排熱をスムーズに行うことも可能となる。
【００３３】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様な効果を有するのに加えて、燃料ガスのガス出口部分においても、ガス出口部分のガス温度をガス入口部分のガス温度と異なる温度とすることができるため、燃料ガス中に飛散している水分を凝集して回収することができ、含水量が少ないガスの双方の入口部分に対しても、水分量の濃度差を利用した水分の供給を電解質膜の表裏で行うこと可能となる。
【００３４】
また、加湿された燃料ガス及び酸化剤ガスの双方がセル中央部へ水分を同伴するため、膜電極接合体の乾操をさらに抑制することができ、セル特性の低下を抑制して、発電を安定して行うことができる。
【００３５】
請求項３の発明によれば、請求項１及び２の発明と同様な効果を有するのに加えて、調整用冷却水路の冷却が膜電極接合体に影響することがなくなり、セルの稼動温度を発電効率に適した温度に維持することができ、燃料電池全体の効率を向上させることができる。また、ガス流路へガスを供給する流路幅の大きな部位を冷却することができるため、凝集した水が電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れの発生を防ぐことができ、ガス拡散性が低下し、セル特性の低下を抑制できる。
【００３６】
さらに、調整用冷却水路が発電に必要な触媒塗布部と重ならないようになっているため、触媒を有効に活用でき、これにより、燃料電池の稼働の安定性を高めることができ、さらには、余分な触媒の使用を抑制できるため、コストを削減できる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、請求項１〜３の発明と同様な効果を有するのに加えて、負荷変動時に応じて、調整用冷却水路の温度を適した温度に維持することができるため、燃料電池の発電の効率低下を抑制することができる。
【００３８】
請求項５の発明によれば、請求項１〜３の発明と同様な効果を有するのに加えて、同じ温度調整システムを用いるため、燃料電池の構成を簡素化することができ、しかも、加湿が抑制されたガス供給の発電においても、セル特性の低下を引き起こすことなく、かつ発電効率が高く、より小型化された燃料電池とすることができる。
【００３９】
請求項６の発明によれば、請求項１〜５の発明と同様な効果を有するのに加えて、自動車が加湿が抑制された燃料電池を搭載するため、自動車自体をコンパクトとすることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の詳細を図面に示す各実施の形態に基づいて説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態の固体高分子電解質型の燃料電池を示し、図１は燃料電池の一部を示す断面図、図２は固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す分解斜線図である。
【００４２】
燃料電池スタックは、膜電極接合体１と、この膜電極接合体１を挟むように配置されたカソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３と、を有して構成されている。
【００４３】
膜電極接合体１は、固体高分子膜からなる電解質膜４と、この電解質膜４の両面に配置された電極５、６とによって形成されている。電解質膜４は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。電解質膜４の両面に配設される二つの電極５、６には、白金または白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロスまたはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜と接触するように形成されている。電極５は、酸化剤極、電極６は燃料極として機能する。
【００４４】
カソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３は、いずれもガス不透過である緻密性カーボン材で形成されており、片面または両面に燃料ガスや酸化性ガスあるいは冷却媒体の流路を確保するための多数のリブが形成されている。また、セパレータ外縁部に沿ったシーリング領域７によって水素を含有する燃料ガスや酸素を含有する酸化剤ガスをシールしている。
【００４５】
カソード側セパレータ２には、酸化剤ガス流路８が形成されている。酸化剤ガス流路８には、加湿が抑制された空気などの酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガス流路８は、カソード側セパレータ２における膜電極接合体１と対面した面内を酸化剤ガスが流通するように形成されている。酸化剤ガスはガス入口９から導入され、酸化剤ガス流路８を流通した後、ガス出口１０から排出される。
【００４６】
一方、アノード側セパレータ３には、燃料ガス流路１６が形成されている。この流路１１には、加湿が抑制された水素等の燃料ガスが供給される。そして、この燃料ガスはガス入口１２から導入され、燃料ガス流路１６を流通した後、ガス出口１３から排出されるようになっている。アノード側セパレータ３では、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス流路８と同様に、燃料ガスが膜電極接合体１と対面した面内を流通するように燃料ガス流路１６が形成されるが、酸化剤ガスおよび燃料ガスが対向した流れとなるように酸化剤ガス流路８および燃料ガス流路１６が形成されている。すなわち、図１に示すように酸化剤ガスは矢印Ａで示すように、酸化剤ガス流路８内を左側から右側に流通するのに対し、燃料ガスは矢印Ｂで示すように、燃料ガス流路１６内を右側から左側に流通するようにこれらの通路が形成されるている。
【００４７】
カソード側セパレータ２およびアノード側セパレータ３においては、ガス入口が相手側セパレータのガス出口と対向するように電極接合体１を挟んで配置されている。すなわち、カソード側セパレータ２のガス入口９はアノード側セパレータ３のガス出口１３と対向し、ガス出口１０はアノード側セパレータ３のガス入口１２と対向している。
【００４８】
カソード側セパレータ２における膜電極接合体１との反対側の面には、発電によって発生した熱を排熱するための排熱用冷却水路１４が溝状となって形成されている。
【００４９】
さらに、カソード側セパレータ２には酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。酸化剤ガス調整用冷却水路１５はカソード側セパレータ２におけるガス出口１０側に配置されている。また、酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、排熱用冷却水路１４と独立した水路となっている。さらに、酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、膜電極接合体１における電極４，５（触媒）の面外に位置しており、触媒が配置されていない部分を冷却するようになっている。
【００５０】
次にこの実施の形態の作用を説明する。
【００５１】
低加湿または無加湿状態のガス供給下においては、加湿して発電した場合に比べて著しく特性が低下するのが一般的であり、これは加湿が抑制されたために電極４、５が乾燥して電解質膜４の抵抗が高くなることが原因と考えられている。この実施の形態では、膜電極接合体１を挟んでそれぞれのガスを互いに対向流として供給することにより、互いの流路間に生じる水分の濃度勾配を利用して、膜電極接合体の乾燥を防ぐことが可能としている。
【００５２】
しかし、燃料電池の発電効率がより高く、燃料電池に発生する熱の除熱効率がより高くなる７０℃以上で発電を行う場合には、蒸気としての燃料電池から持ち出される水分量が多くなるため、たとえガス供給を対向流の形態としても膜電極接合体１が乾操状態となって特性が低下する。
【００５３】
この実施の形態では、このような問題を解決するため、発電部位で発生する熱を除くための排熱用冷却水路１４と、酸化剤ガスのガス１０出口を冷却する調整用冷却水路１５が独立して、それぞれの温度を調節できるようになっている。すなわち、酸化剤ガスのガス出口１０では、燃料電池の冷却用と独立した専用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５によって水分を凝集して排出される水分を回収している。このように、発電によって酸化剤極側に生成される水分が蒸気として含まれる酸化剤ガスを、そのガス出口１０で水分を回収し、凝集した水分を濃度差を利用して電解質膜４を介して通過させている。これにより、燃料ガス流路１６のガス入口１１に供給される燃料ガスを加湿して、セル内の膜電極接合体１の乾燥を抑制している。
【００５４】
このような実施の形態では、酸化剤ガスのガス出口１０付近のみを特に冷却するため、発電に関与する膜電極接合体１での温度を高く維持することができる。このように、発電部位の温度が高くなることにより、発電効率が高くなるとともに、燃料電池の除熱効率も改善されるため、系全体の発電効率がより向上した固体高分子電解質型燃料電池とすることができる。
【００５５】
また、発電部位の温度を高くすることによって、その部位での飽和水蒸気量が高くなるため、生成した水による電極や拡散層の細孔に浸透する電極の濡れが抑制され、これにより優れたセル特性を得ることができる。
【００５６】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態の燃料電池の一部を示す断面図、図４は燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。
【００５７】
この実施の形態では、第１の実施の形態の構成に加えて燃料ガス調整用冷却水路１７がアノード側セパレータ３に形成されている。すなわち、この形態ではカソード側セパレータ２に酸化剤ガス調整用冷却水路１５を第１の実施の形態と同様に形成するのに加えて、アノード側セパレータ３にも燃料ガス調整用冷却水路１７を形成するものである。この調整用冷却水路１７はアノード側セパレータ３における燃料ガスのガス出口１３に対応するように形成されている。
【００５８】
アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用冷却水路１７は、排熱用冷却水路１４と独立していると共に、カソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５とも独立している。したがって、この燃料ガス調整用冷却水路１７は、燃料ガスのガス出口１３部分の温度をガス入口１１部分と異なるように調整するが、この調整は排熱用冷却水路１４およびカソード側セパレータ２の酸化剤ガス調整用冷却水路１５と独立して行うようになっている。また、アノード側セパレータ３の燃料ガス調整用冷却水路１７は、膜電極接合体１における電極４、５（触媒層）の面外に位置するように配置されている。
【００５９】
この実施の形態では、第１の実施の形態の排熱用冷却水路１４および酸化ガスのガス出口１０冷却用の酸化剤ガス調整用冷却水路１５に加えて、燃料ガスのガス出口１３を冷却する燃料ガス調整用冷却水路１７を設けているため、両方のガス出口１０、１３における水回収およびガスの加湿を酸化剤ガス、燃料ガスの両方で行うことができるため、膜電極接合体１の乾燥抑制をより促進することができる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図５および図６は、本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態では、図５に示すように燃料ガス調整用冷却水路１９がアノード側セパレータ３に形成されている。図６はカソード側セパレータ２でを示し、酸化剤ガスの入口マニホールド２１および出口マニホールド２２がアノード側セパレータ３の入口マニホールド２４および出口マニホールド２５と対応するように形成されている。
【００６１】
図５および図６において、２６、２７は燃料ガスの入口マニホールド、２８、２９は燃料ガスの出口マニホールド、３１、３２は冷却水の入口、３３、３４は冷却水の出口である。
【００６２】
この実施の形態において、カソード側セパレータ２では、図６に示すようにガス流路が同一平面状を往復する構成となっている。ここでは、そのガス供給出口を冷却する独立した調整用冷却水路１９をアノード側セパレータ３に形成している。このような構成とすることにより、酸化剤ガス自身でガス供給に必要な加湿を行なうことが可能となっている。
【００６３】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態であり、固体高分子電解質型燃料電池におけるガスや冷却水の流通系を示している。
【００６４】
本実施の形態では、固体高分子電解質型燃料電池が、上記した第１〜第３の実施の形態のいずれかの構成となっている。したがって、図７に示すように、燃料電池４１は、酸化ガスのガス入口９、ガス出口１０および燃料ガスのガス入口１１およびガス出口１３を有している。
【００６５】
さらに、酸化ガスのガス出口１３の温度調整を行う酸化剤ガス調整用冷却水路１５が形成されている。この酸化剤ガス調整用冷却水路１５は、燃料電池４１の系外に設けられた酸化剤ガス出口冷却系４２と接続されている。酸化剤ガス出口冷却系４２は熱交換器４３を有しており、燃料電池４１の系外で熱交換が行われる。
【００６６】
一方、発電によって発生した熱を排熱する排熱用冷却水路は、燃料電池４１の系外に設けられた燃料電池スタック冷却系４４に接続されている。この冷却系４４は酸化ガス出口冷却系４２の熱交換器４３とは、別個の熱交換器４５を備えている。
【００６７】
このような実施の形態では、燃料電池本体の除熱のための冷却系と酸化剤ガス出口でのガス中の水分を回収する冷却系が独立して循環して温度制御を行う。これにより、燃料電池の運転温度を高く維持することができ、高い運転温度にもかかわらず膜電極接合体１の乾操を抑制することができ、安定して発電することが可能となる。
【００６８】
（第５実施の形態）
図８は、本発明の第５の実施の形態のガスおよび冷却水の流通系を示している。
【００６９】
この実施の形態では、独立している燃料電池４１の除熱のための燃料電池スタック冷却系４４と、酸化剤ガス出口でガス中の水分を回収する酸化ガス出口冷却系４２とが、スタックの外部で連結されて冷却水が循環して、温度制御を行うようになっている。これにより熱交換器４５を出た直後の温度の低い冷却水で、空気または燃料の出口側を冷却することができる。
【００７０】
このような構成では、燃料電池４１のシステム構成を簡素化することができ、結果としてシステム全体のサイズをコンパクトにできる。従って、体積あたりの出力密度を向上することができ、結果として、安定したより小型の固体高分子電解質型燃料電池とすることができる。
【００７１】
システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用いるアノード側セパレータの平面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態に用いるカソード側セパレータの平面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態のシステムを示す全体図である。
【図８】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態のシステムを示す全体図である。
【符号の説明】
１ 膜電極接合体
２ カソード側セパレータ
３ アノード側セパレータ
４ 電解質膜
５、６ 電極
８ 酸化ガス流路
９ 酸化ガスのガス入口
１０ 酸化ガスのガス出口
１１ 燃料ガスのガス入口
１３ 燃料ガスのガス出口
１４ 排熱用冷却水路
１５ 酸化剤ガス調整用冷却水路
１７ 燃料ガス調整用冷却水路
Claims (6)
- 電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するようにアノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、
低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するようにカソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が、前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されていることを特徴とする燃料電池。 - 電解質膜の両面に高分子電解質を含む触媒層及び多孔質の拡散層からなる電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように配置されたアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
低加湿または無加湿状態の燃料ガスが前記膜電極接合体と対向する面内を流通するように前記アノード側セパレータに形成された燃料ガス流路と、
低加湿または無加湿状態の酸化剤ガスが前記膜電極接合体と対向した面内を燃料ガスと対向した流れとなって流通するように前記カソード側セパレータに形成された酸化剤ガス流路とを備え、
前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路のガス入口及びガス出口が膜電極接合体を挟んで対向するように配置されると共に、発電によって発生する熱を排熱する排熱用冷却水路が設けられた燃料電池であって、
前記酸化剤ガス流路のガス出口部分を冷却する酸化剤ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路と独立して前記カソード側セパレータに形成されると共に、前記燃料ガス流路のガス出口部分を冷却する燃料ガス調整用冷却水路が前記排熱用冷却水路及び前記酸化剤ガス調整用冷却水路と独立して前記アノード側セパレータに形成されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記酸化剤ガス調整用冷却水路および／または前記燃料ガス調整用冷却水路が、前記膜電極接合体における前記触媒層が配置された領域外に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
- 前記排熱用冷却水路と、前記酸化剤ガス調整用冷却水路と、前記燃料ガス調整用冷却水路とが、個別の温度調整システムに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記排熱用冷却水路と前記酸化剤ガス調整用冷却水路と前記燃料ガス調整用冷却水路とが、同じ温度調整システムに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
- 自動車に搭載されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
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