JP4844582B2

JP4844582B2 - 燃料電池及び燃料電池システム

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Publication number: JP4844582B2
Application number: JP2008090333A
Authority: JP
Inventors: 荘吾後藤; 諭二見; 和則柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: DE112009000942B4; WO2009122256A2; US9281528B2; CA2707529C; CN101836317A; CN101836317B; DE112009000942T5; JP2009245726A; US20110097638A1; WO2009122256A3; CA2707529A1

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池では、電解質の種類によっては、電解質を適度に湿潤させておくことが望ましく、従来から、反応ガスに対する種々の加湿方法が工夫されている。また、燃料電池は発電時に発熱するので、通常は、冷媒で冷却するための冷却構造を有している（例えば特許文献１）。

特開２００５−２５１４１６号公報

しかしながら、従来は、冷媒による冷却構造を利用して電解質膜の湿潤を促進する点については工夫がなされていないのが実情であった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池の電解質膜の湿潤を促進して燃料電池の発電性能を安定させることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。

本発明の第１の態様は、燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の第１の面側に設けられた第１の反応ガス流路と、前記電解質膜の第２の面側に設けられた第２の反応ガス流路と、冷媒流路とを備え、前記第１の反応ガス流路を流れる第１の反応ガスの流れの向きと前記第２の反応ガス流路を流れる第２の反応ガスの流れの向きが対向し、前記電解質膜の面内において、前記第１と第２の反応ガスの少なくとも一方の流れの下流部を前記面内の中央部分より冷却するように前記冷媒流路が構成されている。この態様によれば、反応ガスの流れの下流部で水分を凝集させ、当該水分を電解質膜供給して、電解質膜を湿潤させて、燃料電池の発電性能を安定させることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記第１と第２の反応ガスは燃料ガスと酸化ガスであり、
前記下流部は、前記燃料ガスの流れの下流部であってもよい。この態様によれば、燃料ガスの流れの下流部で水分を凝集させて、電解質膜を湿潤させることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記冷媒流路は、前記酸化ガスの流れの上流部を冷却するように構成されていてもよい。この態様によれば、酸化ガスの上流部において、電解質膜から水分が蒸発して乾燥することを抑制することが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記冷媒流路は、前記燃料ガスの流れの下流部及び前記酸化ガスの流れの下流部の両方を冷却するように構成されていてもよい。この態様によれば、燃料ガス、酸化ガスの両方の流れの下流部で水分を凝集させることが可能となる。

本発明の第１の態様において、さらに、矩形形状のセパレータを有しており、前記冷媒流路の入口と出口は、前記セパレータの同じ側辺に配置されていてもよい。冷媒流路の出口を、冷媒流路の入口と同じ側辺に配置することにより、反応ガスの流れの上流部を、直線流路の場合よりも冷却しやすくすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記冷媒流路には、前記入口と前記出口の間の冷媒の流れを屈曲させるための流路形成部が形成されていてもよい。この態様によれば、冷媒が屈曲して流れるので、電解質膜を冷却し易くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記入口と前記出口とをそれぞれ複数備え、前記入口と前記出口は、前記セパレータの対向する側辺にそれぞれ設けられていてもよい。この態様によれば、冷媒を両側辺から供給するので、電解質膜を冷却し易くすることが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記冷媒流路として、前記第１の反応ガス流路と隣接する第１の冷媒流路と、前記第１の冷媒流路とは別個に設けられ、前記第２の反応ガス流路と隣接する第２の冷媒流路とを有し、前記第１の反応ガスの流れの方向と前記第１の冷媒流路を流れる冷媒の流れの方向が対向し、前記第２の反応ガスの流れの方向と前記第２の冷媒流路を流れる冷媒の流れの方向が対向していてもよい。この態様によれば、反応ガスの流れの下流部を優先的に冷却し、反応ガス流路中の水分を凝集させることができる。

本発明の第２の態様は燃料電池システムであって、第１の態様に係る燃料電池と、第１と第２の反応ガスを供給する反応ガス供給部と、冷媒を供給する冷媒供給部とを備え、前記燃料電池システムは、前記第１と第２の反応ガスを加湿するための加湿モジュールを備えておらず、前記冷媒流路による前記第１と第２の反応ガスの少なくとも一方の流れの下流部の冷却によって、前記反応ガス中の水分を凝集させて前記電解質膜を湿潤する。この態様によれば、電解質膜を湿潤するための付加装置が不要となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池の加湿方法、燃料電池の冷却方法等、様々な形態で実現することができる。

第１の実施例：
図１は、第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガスタンク６００と、酸化ガス供給部７００と、冷媒供給部８００とを備える。燃料ガスタンク６００は、燃料電池１００の燃料ガス供給マニホールド１１０に接続されている。酸化ガス供給部７００は、空気取り入れ部７１０と、圧縮ポンプ７２０とを有し、空気取り入れ部７１０と圧縮ポンプ７２０は、燃料電池１００の酸化ガス供給マニホールド１３０に接続されている。冷媒供給部８００は、ラジエータ８１０と、ポンプ８２０を有し、ラジエータ８１０とポンプ８２０は、燃料電池の冷媒供給マニホールド１５０、１５１と冷媒排出マニホールド１６０、１６１に接続されている。

図２は、燃料電池１００の外観を示す斜視図である。燃料電池１００は、電池ユニット２００とエンドプレート２０２、２０４を備える。本実施例では、電池ユニット２００は複数積層されているが、電池ユニット２００は１個であってもよい。エンドプレート２０２、２０４は、電池ユニット２００の積層方向の両端にそれぞれ配置されている。燃料電池１００には、燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１２０と、酸化ガス供給マニホールド１３０と、酸化ガス排出マニホールド１４０と、冷媒供給マニホールド１５０、１５１と、冷媒排出マニホールド１６０、１６１とが設けられており、これらのマニホールドは、燃料電池１００を積層方向に貫通している。

図３は、燃料電池１００を図２に示す３−３切断線で切ったときの断面図の一部を示す図である。発電ユニット２００は、膜電極アッセンブリ２０とセパレータ３０とを備える。膜電極アッセンブリ２０は、電解質膜２１０と、アノード触媒層２２０と、カソード触媒層２３０と、アノード側ガス拡散層２４０と、カソード側ガス拡散層２５０と、シールガスケット２８０とを備える。

本実施例では、電解質膜２１０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。アノード触媒層２２０及びカソード触媒層２３０は、電解質膜２１０の各面にそれぞれ配置されている。本実施例では、アノード触媒層２２０及びカソード触媒層２３０として、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を例えばカーボン粒子上に担持した触媒層を用いている。

アノード側ガス拡散層２４０、カソード側ガス拡散層２５０は、それぞれアノード触媒層２２０、カソード触媒層２３０の外面に配置されている。本実施例では、アノード側ガス拡散層２４０およびカソード側ガス拡散層２５０として、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いている。

シールガスケット２８０は、電解質膜２１０、アノード側ガス拡散層２４０、カソード側ガス拡散層２５０の外縁を囲うように形成されている。シールガスケット２８０は、たとえば射出成形により、電解質膜２１０、アノード側ガス拡散層２４０、及びカソード側ガス拡散層２５０と一体に成形される。

セパレータ３０は、カソードプレート３００と、アノードプレート４００と、中間フィルム５００とを備える。カソードプレート３００は、カソード側ガス拡散層２５０の外側に配置され、中間フィルム５００はカソードプレート３００の外側に配置され、アノードプレート４００は中間フィルム５００の外側に配置されている。ここで、本実施例では、膜電極アッセンブリ２０とセパレータ３０とが交互に配置されている構成を採用しているので、アノードプレート４００は、膜電極アッセンブリ２０のアノード側ガス拡散層２４０の外側に配置される構成となっている。なお、アノードプレート４００とアノード側ガス拡散層２４０との間には、燃料ガス流路２６０が形成され、カソードプレート３００とカソード側ガス拡散層２５０との間には、酸化ガス流路２７０が形成されている。本実施例では、燃料ガス流路２６０としてアノードプレート４００とアノード側ガス拡散層２４０との間の空間を用いているが、例えば、金属製等の多孔体を配置し、多孔体を燃料ガス流路２６０として用いてもよい。酸化ガス流路２７０についても同様である。

図４は、カソードプレート３００の平面図である。カソードプレート３００は、例えば、金属製の略四角形状の板状部材である。カソードプレート３００の短辺側外縁部には、種々の開口部３１０〜３６１が形成されている。これらの開口部３１０〜３６１は、図２に示す燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１２０と、酸化ガス供給マニホールド１３０と、酸化ガス排出マニホールド１４０と、冷媒供給マニホールド１５０、１５１と、冷媒排出マニホールド１６０、１６１とを形成するための開口部である。ここで、開口部３５０、３５１は、図面下側に配置され、開口部３６０、３６１は図面上側に配置されている。また、開口部３５０と開口部３６０とは、同じ側辺に隣接し、開口部３５１と開口部３６１とは、同じ側辺に隣接している。カソードプレート３００の下側の長辺側外縁部には細長い開口部３３２が形成され、上側の長辺側外縁部には細長い開口部３４２が形成されている。開口部３３２は、酸化ガスを酸化ガス流路２７０に供給するために用いられ、開口部３４２は、酸化ガスを酸化ガス流路２７０から排出するために用いられる。したがって、本実施例では、図３に示すように、酸化ガスは酸化ガス流路２７０の中を図面の下から上に流れる。なお、本実施例では、酸化ガスとして空気を用いている。開口部３１０〜３６１、３３２、３４２は、例えば、打ち抜き加工により形成される。

図５は、アノードプレート４００の平面図である。アノードプレート４００は、例えば、金属製の略四角形状の板状部材である。アノードプレート４００の短辺側外縁部には、各種マニホールドを形成するための開口部４１０〜４６１が形成されている。開口部４１０〜４６１の位置、大きさは、それぞれ、カソードプレートの開口部３１０〜３６１の位置、大きさと対応している。アノードプレート４００の上側の長辺側外縁部には細長い開口部４１２が形成され、下側の長辺側外縁部には開口部４２２が形成されている。ここで、開口部４１２は、燃料ガスを燃料ガス流路２６０に供給するために用いられ、開口部４２２は、燃料ガスを燃料ガス流路２６０から排出するために用いられる。したがって、本実施例では、図３に示すように、燃料ガスは燃料ガス流路２６０の中を図面の上から下に流れる。なお、本実施例では、燃料ガスとして、水素を用いている。前述したように、酸化ガスは酸化ガス流路２７０を図面に下から上に流れているので、酸化ガスと燃料ガスの流れは逆向き（対向流）である。なお、開口部４１０〜４６０、４１２、４２２は、例えば、打ち抜き加工により形成される。また、アノードプレート４００の中央部には、複数の凸部４７０が形成されている。凸部４７０の一部は、後述する流路形成部５７０、５８０の位置決めをするために用いられる。さらに、凸部４７０の高さは、中間フィルム５００の厚さとほぼ同じに設定されている。そのため、アノードプレート４００と中間フィルム５００とカソードプレート３００とを重ねたとき、アノードプレートの凸部４７０は、カソードプレート３００と接触する。これにより、カソードプレート３００とアノードプレート４００とが電気的に導通する。凸部４７０は、例えば、プレス加工により形成される。

図６は、中間フィルム５００の平面図である。中間フィルム５００は、例えば熱可塑性樹脂性の略四角形状の板状部材である。図３に示すように、中間フィルム５００は、カソードプレート３００とアノードプレート４００とを接着する役割を有する。中間フィルム５００の短辺側外縁部には、各種マニホールドを形成するための開口部５１０〜５６１が形成されている。開口部５１０〜５６１の位置、大きさは、それぞれ、カソードプレートの開口部３１０〜３６１の位置、大きさと対応している。開口部５１０、５２０から長辺方向に沿って、連通部５１２、５２２が伸び、開口部５３０、５４０から長辺方向に沿って連通部５３２、５４２が伸びている。セパレータ３０形成後には、連通部５１２、５２２は、アノードプレート４００の開口部４１２、４２２に連通し、連通部５３２、５４２は、カソードプレート３００の開口部３３２、３４２に連通する。また、中間フィルム５００の中央部には、冷媒が流れる空間となる開口部５５５が形成されている。開口部５５５は、第１の流路形成部５７０により、開口部５５５ａ、５５５ｂと左右に２分されている。各開口部５５５ａ、５５５ｂは、冷媒が流れる冷媒流路として機能するが、その中には、冷媒流路をＵ字型に屈曲させるための第２の流路形成部５８０が形成されている。すなわち、図面の左側において、冷媒は、開口部５５０から供給され、開口部５５５に沿ってＵ字型に流れ、開口部５６０に排出される。図面の右側においても同様である。開口部５１０〜５６１と、連通部５１２〜５４２と、開口部５５５、５５６は、打ち抜き加工により形成される。

図７は、電池ユニット２００における冷媒の流れを模式的に示す説明図である。電池ユニット２００の短辺側外縁部においては、各種マニホールド１１０〜１６１が貫通しており、長辺側外縁部においては、開口部３３２、３４２、４１２、４２２が形成されている。本実施例においては、冷媒供給マニホールド１５０、１５１は電池ユニット２００の下部、すなわち燃料ガスの流れの下流部に配置されている。そのため、電池ユニット２００の下部Ｘ１、Ｘ２は、新鮮な冷媒が供給されるので、冷却されやすい。これにより、燃料ガス中の水分は、燃料ガスの流れの下流部のほぼ全体にわたって十分に冷却されて凝集する。その結果、燃料電池１００外への水分の持ち出しを抑制し、電解質膜２１０を十分に湿潤させることが可能となる。

図８は、比較例における冷媒の流れを模式的に示す説明図である。比較例は、冷媒供給マニホールド１５０から冷媒排出マニホールド１６０への冷媒の流れが一直線であり、屈曲していない。この場合、電池ユニット２００の冷媒供給マニホールド１５０側の下部Ｙ１は、新鮮な冷媒が供給されるため、冷却されやすい。一方、冷媒排出マニホールド１６０側の下部Ｙ２においては、冷媒は、電池ユニット２００の中を通る間に温度が高くなっているので、下部Ｙ１に比較すると冷却され難い。そのため、この下部Ｙ２において、水分が凝集し難く、燃料排ガスとともに多量の水分が持ち去られてしまう可能性がある。

以上のように、本実施例によれば、燃料ガスの流れの下流部のほぼ全体にわたって十分に冷却して、水分を凝集するので、燃料電池１００外への水分の持ち出しを抑制し、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。また、こうすれば、燃料ガス中の水分を、電解質膜の湿潤に有効に用いることが可能となる。

第２の実施例：
図９は、第２の実施例の中間フィルム５００の平面図である。第１の実施例では、冷媒流路を構成する開口部５５５は、左右に２分割されていたが、第２の実施例では、開口部５５５は、第１の流路形成部５７０により、上下左右に４分割（開口部５５５ａ〜５５５ｄ）されている点が異なる。各開口部５５５ａ〜５５５ｄは、Ｕ字状に形成されている。また、各開口部５５５ａ〜５５５ｄへの冷媒供給部（開口部５５０〜５５３）は、短辺の端側に配置され、各開口部５５５ａ〜５５５ｄからの冷媒排出部（開口部５６０〜５６３）は、短辺の中央側に配置されている。したがって、第２の実施例では、冷媒は、酸化ガスの上流部と下流部、及び、燃料ガスの上流部と下流部をそれぞれ中央部よりも優先して冷却するように流れる。この構成によれば、酸化ガスの流れの上流部と下流部、及び、燃料ガスの流れの上流部と下流部のそれぞれにおいて、水分を凝集させることが可能となる。これにより、燃料電池１００の外部への水分の持ち出しを抑制するとともに、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。また、酸化ガスの上流部を冷却するので、電解質膜２１０からの水分の蒸発を抑制することが可能となる。

第３の実施例：
図１０は、第３の実施例の中間フィルム５００の平面図である。第３の実施例は、冷媒流路下流部を一体化している点が、第２の実施例と異なる。すなわち、開口部５５５ａ、５５５ｂは、第１の流路形成部５７０により左右に２分割されているが、その形状は、Ｕ字型ではなく、Ｅ字型となっている。各開口部５５５ａ、５５５ｂへの冷媒供給部（開口部５５０〜５５３）は、短辺の端側に配置され、各開口部５５５ａ、５５５ｂからの冷媒排出部（開口部５６０、５６１）は、短辺の中央側に配置されている。こうしても、酸化ガスの流れの上流部と下流部、及び、燃料ガスの流れの上流部と下流部において、水分を凝集させることが可能となり、燃料電池１００の外部への水分の持ち出しを抑制するとともに、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。また、酸化ガスの上流部を冷却するので、電解質膜２１０からの水分の蒸発を抑制することが可能となる。

第４の実施例：
図１１は、第４の実施例の中間フィルム５００の平面図である。第４の実施例は、冷媒流路を構成する開口部５５５が、上下に２分割されており、各開口部５５５ａ、５５５ｂは、Ｕ字状に形成されている。また、各開口部５５５ａ、５５５ｂへの冷媒供給部（開口部５５０、５５１）と各開口部５５５ａ、５５５ｂからの冷媒排出部（開口部５６０、５６１）は、同一の短辺側に配置されている。こうすれば、開口部５５０、５５１、５６０、５６１がある辺の対辺側は、対辺近傍まで電解質膜２１０を拡張することが可能となるので、電解質膜２１０の面積を大きくし、供給可能な電流量を増やす事が可能となる。

第５の実施例：
図１２は、第５の実施例に係る燃料電池の外観を模式的に示す説明図である。第５の実施例では、冷媒供給マニホールド１５０、１５１が同一の短辺側（図面左側）に配置され、冷媒排出マニホールド１６０、１６１が同一の短辺側（図面右側）に配置されている。

図１３は、燃料電池１００を図１２に示す１３−１３切断線で切ったときの断面図の一部を示す図である。第５の実施例では、第１の実施例における中間フィルム５００が、第１中間フィルム５０２、第２中間フィルム５０４、中間プレート５０６の３層構造になっている点が異なる。第１中間フィルム５０２は、カソードプレート３００と隣接し、第２中間フィルム５０４はアノードプレート４００と隣接している。中間プレート５０６は、第１中間フィルム５０２と第２中間フィルム５０４の間に配置されている。

図１４は、第１中間フィルム５０２の平面図である。第１中間フィルム５０２は、例えば熱可塑性樹脂性の略四角形状の板状部材である。第１中間フィルム５０２は、外縁部に、各種マニホールドを形成するための開口部５１０〜５６１と、連通部５３２、５４２が形成され、中央部に開口部５８５が形成されている。開口部５８５は、冷媒を流すための流路として機能する。開口部５８５の上下部分と、開口部５５０、５６０は、それぞれ連通部５８１、５８２を介して連通している。そのため、冷媒は、反応ガスの流れ方向と平行に流れる。本実施例では、図１３に示すように、第１中間フィルム５０２の開口部５８５には、図面の上側から下側に冷媒が流れ、隣接する酸化ガスの流れ方向と逆向きになっている。そのため、酸化ガスの流れの下流部を優先的に冷却することが可能となり、水分を凝集して、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。

図１５は、第２中間フィルム５０４の平面図である。第２中間フィルム５０４は、例えば熱可塑性樹脂性の略四角形状の板状部材である。第２中間フィルム５０４には第１中間フィルム５０２と同様に、各種開口部５１０〜５６１、５８６、及び連通部５１２、５２２が形成されている。本実施例では、図１３に示すように、第１中間フィルム５０２の開口部５８６には、図面の下側から上側に冷媒が流れ、隣接する燃料ガスの流れ方向と逆向きになっている、そのため、燃料ガスの流れの下流部を優先的に冷却することが可能となり、水分を凝集して、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。

図１６は、中間プレート５０６の平面図である。中間プレート５０６は、例えば金属製の略四角形状の板状部材である。中間プレート５０６は、各種マニールドを形成するための開口部５１０〜５６１が形成されている。中間プレート５０６は、第１中間フィルム５０２の開口部５８５を流れる冷媒と、第２中間フィルム５０４の開口部５８６を流れる冷媒とを分離する機能を有する。

以上、第５の実施例によれば、開口部５８５を流れる冷媒により、酸化ガスの流れの下流部を優先的に冷却し、開口部５８６を流れる冷媒により、燃料ガスの流れの下流部を優先的に冷却する。そのため、水分を凝集し、燃料電池１００の外部への水分の持ち出しを抑制し、電解質膜を湿潤させることが可能となる。

第６の実施例：
図１７は、第６実施例に係る燃料電池の平面図である。図１７は、アノードプレート４００の上に中間フィルム５００が配置された状態を示しており、中間フィルム５００の開口を通してアノードプレート４００の一部が見えている。第６の実施例では、流路形成部５７５を、開口部５５５の図面中央部では密に配置し、図面外縁部では、疎に配置している。これにより、開口部５５５の外縁部（図面上下部）を流れる冷媒が多くなる。一方、開口部５５５の中央部を流れる冷媒が少なくなる。これにより、反応ガスの流れの上流部、下流部を優先的に冷却することが可能となり、水分を凝集して、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。

第７の実施例：
図１８は、第７の実施例に係る燃料電池の断面を模式的に示す説明図である。第７の実施例では、流路形成部５７５の大きさを、開口部５５５の図面中央部では大きくし、図面外縁部で小さくしている。これにより、開口部５５５の図面外縁部を流れる冷媒が多くなる、図面中央部を流れる冷媒が少なくなる。これにより、反応ガスの流れの上流部、下流部を優先的に冷却することが可能となり、水分を凝集して、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。

上述した第６と第７の実施例から理解されるように、中間フィルム５００の開口部５５５に流路形成部５７５を配置し、流路形成部５７５の大きさ、配置の密度の少なくとも一方を、開口部の外縁部と中央部とで異なるようにしてもよい。

第８の実施例：
図１９は、第８の実施例に係る燃料電池の平面図である。図１９は、図１７と同様に、アノードプレート４００の上に中間フィルム５００が配置された状態を示している。第８の実施例では、大きさ、配置の密度を用いるのではなく、アノードプレート４００の凸部４７０の疎密を用いている。すなわち、第８の実施例では、凸部４７０を、開口部５５５の図面中央部では密に配置し、図面外縁部では、疎に配置している。これにより、第６の実施例と同様に、反応ガスの流れの上流部、下流部を優先的に冷却することが可能となり、水分を凝集して、電解質膜２１０を湿潤させることが可能となる。

変形例：
上述した各実施例では、３層セパレータを例にとり説明したが、セパレータの構成は、これに限られない、例えば、２層セパレータ、単層セパレータ構成であってもよい。

また、上述した各実施例では、アノードプレート４００に凸部４７０が形成されているが、カソードプレート３００に凸部が形成されていてもよい。

また、上述した各実施例では、中間フィルム５００は熱可塑性樹脂で作られているが、他の種類の樹脂や金属製で形成してもよい。

カソードプレート３００、アノードプレート４００、中間フィルム５００に設けられる各種開口部の位置や形状については、上記実施例の構成以外の種々の構成が可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池１００の外観を示す斜視図である。燃料電池１００を図２に示す３−３切断線で切ったときの断面図の一部を示す図である。カソードプレート３００の平面図である。アノードプレート４００の平面図である。中間フィルム５００の平面図である。電池ユニット２００における冷媒の流れを模式的に示す説明図である。比較例における冷媒の流れを模式的に示す説明図である。第２の実施例の中間フィルム５００の平面図である。第３の実施例の中間フィルム５００の平面図である。第４の実施例の中間フィルム５００の平面図である。第５の実施例に係る燃料電池の外観を模式的に示す説明図である。燃料電池１００を図１２に示す１３−１３切断線で切ったときの断面図の一部を示す図である。第１中間フィルム５０２の平面図である。第２中間フィルム５０４の平面図である。中間プレート５０６の平面図である。第６の実施例に係る燃料電池の平面図である。第７の実施例に係る燃料電池の断面を模式的に示す説明図である。第８の実施例に係る燃料電池の平面図である。

１０…燃料電池システム
２０…膜電極アッセンブリ
３０…セパレータ
１００…燃料電池
１１０…種マニホールド
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１２０…燃料ガス排出マニホールド
１３０…酸化ガス供給マニホールド
１４０…酸化ガス排出マニホールド
１５０…冷媒供給マニホールド
１６０…冷媒排出マニホールド
２００…電池ユニット
２０２、２０４…エンドプレート
２１０…電解質膜
２２０…アノード触媒層
２３０…カソード触媒層
２４０…アノード側ガス拡散層
２５０…カソード側ガス拡散層
２６０…燃料ガス流路
２７０…酸化ガス流路
２８０…シールガスケット
３００…カソードプレート
３１０〜３６１、３３２、３４２…開口部
４００…アノードプレート
４１０〜４６１、４１２、４２２…開口部
４７０…凸部
５００…中間フィルム
５０２…第１中間フィルム
５０４…第２中間フィルム
５０６…中間プレート
５１０〜５６３…開口部
５１２、５２２、５３２、５４２…連通部
５５５…開口部
５６０…開口部
５７０、５７５、５８０…流路形成部
５８１、５８２…連通部
５８５、５８６…開口部
６００…燃料ガスタンク
７００…酸化ガス供給部
７１０…空気取り入れ部
７２０…圧縮ポンプ
８００…冷媒供給部
８１０…ラジエータ
８２０…ポンプ

Claims

燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の側に設けられた燃料ガス流路と、
前記カソード触媒層の側に設けられた酸化ガス流路と、
冷媒流路と、
矩形形状のセパレータと、を備え、
前記セパレータは、
燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給するための燃料ガス供給用開口部を互いに対向する２つの第１の辺のうちの一方の辺の外縁部に有し、燃料ガスを前記燃料ガス流路から排出するための燃料ガス排出用開口部を前記２つの第１の辺のうちの他方の辺の外縁部に有し、
前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流れの向きと前記酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れの向きが対向するように、酸化ガスを前記酸化ガス流路に供給するための酸化ガス供給用開口部を前記２つの第１の辺のうちの前記燃料ガス排出用開口部を有している辺の外縁部に有し、前記酸化ガスを前記酸化ガス流路から排出するための酸化ガス排出用開口部を前記２つの第１の辺のうちの前記燃料ガス供給用開口部を有している辺の外縁部に有し、
前記冷媒流路に対し冷媒を供給するための入口部を前記第１の辺と異なる第２の辺の両端部に有し、前記冷媒を排出するための出口部を前記第２の辺の中央側に有しており、
前記冷媒流路は、前記入口部から前記出口部への冷媒の流れをＵ字型に屈曲させることにより、前記アノード触媒層の面内における前記燃料ガスの流れの上流部と下流部のそれぞれに前記Ｕ字型の前記冷媒流路の上流部を配置することにより、前記燃料ガスの流れの上流部と下流部とを前記燃料ガスの流れの上流部と下流部との中間である中央部分に比べて温度の低い冷媒で冷却し、前記カソード触媒層の面内における前記酸化ガスの流れの上流部と下流部のそれぞれに前記Ｕ字型の前記冷媒流路の上流部を配置することにより、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部との中間である中央部分に比べて温度の低い冷媒で冷却するように構成されている、燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、
前記冷媒流路は、前記入口部と前記出口部とをそれぞれ複数備え、
前記入口部と前記出口部は、前記セパレータの対向する前記第２の辺にそれぞれ設けられている、燃料電池。
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に設けられたアノード触媒層及びカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の側に設けられた燃料ガス流路と、
前記カソード触媒層の側に設けられた酸化ガス流路と、
冷媒流路と、
矩形形状のセパレータと、を備え、
前記セパレータは、
燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給するための燃料ガス供給用開口部を互いに対向する２つの第１の辺のうちの一方の辺の外縁部に有し、燃料ガスを前記燃料ガス流路から排出するための燃料ガス排出用開口部を前記２つの第１の辺のうちの他方の辺の外縁部に有し、
前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流れの向きと前記酸化ガス流路を流れる酸化ガスの流れの向きが対向するように、酸化ガスを前記酸化ガス流路に供給するための酸化ガス供給用開口部を前記２つの第１の辺のうちの前記燃料ガス排出用開口部を有している辺の外縁部に有し、前記酸化ガスを前記酸化ガス流路から排出するための酸化ガス排出用開口部を前記２つの第１の辺のうちの前記燃料ガス供給用開口部を有している辺の外縁部に有し、
前記冷媒流路に対し冷媒を供給するための入口部を前記第１の辺と異なる第２の辺の一方の端部に有し、前記冷媒を排出するための出口部を前記第２の辺の他方の端部に有しており、
前記冷媒流路は、前記入口部から前記出口部への冷媒の流れをＵ字型に屈曲させることにより、前記アノード触媒層の面内における前記燃料ガスの流れの下流部に前記Ｕ字型の前記冷媒流路の上流部を配置することにより、前記燃料ガスの流れの下流部を前記燃料ガスの流れの上流部と下流部との中間である中央部分に比べて温度の低い冷媒で冷却し、前記カソード触媒層の面内における前記酸化ガスの流れの上流部に前記Ｕ字型の前記冷媒流路の上流部を配置することにより、前記酸化ガスの流れの上流部を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部との中間である中央部分に比べて温度の低い冷媒で冷却するように構成されている、燃料電池。
燃料電池システムであって、
請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池と、
前記燃料ガスと前記酸化ガスとを供給する反応ガス供給部と、
冷媒を供給する冷媒供給部と、
を備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料ガス及び酸化ガスを加湿するための加湿モジュールを備えておらず、
前記冷媒流路による前記酸化ガス及び前記燃料ガスの流れの下流部の両方を冷却することによって、前記燃料ガス及び酸化ガス中の水分を凝集させて前記アノード触媒層及びカソード触媒層を湿潤する、燃料電池システム。