JP6519496B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

燃料電池の冷却方式としては、冷却水を循環させる水冷式と、発電用に供給される空気を冷却に用いる空冷式（例えば特許文献１参照）とが知られている。空冷式の燃料電池には、冷却システムが水冷式の燃料電池より小規模になるというメリットがある。

特開２０１３−２５６２３４号公報

しかし、空気の熱伝導率は冷却水の熱伝導率の約２５分の１であるため、空冷式の燃料電池には、水冷式より冷却効率が低いという問題がある。このため、空冷式の燃料電池は、出力を増加させると、燃料電池セル内の温度が上昇し、空気の流路に沿った温度勾配が顕著となる。

したがって、燃料電池セル内の高分子電解質膜は、流路の上流側では十分に冷却されても、流路の下流側では冷却が不十分となる。このため、高分子電解質膜は、局所的に温度が上昇し乾燥するので、プロトン伝導性を失い、燃料電池の発電性能が低下する。

これに対し、例えば、燃料電池セルの酸素の流路方向のサイズを縮小することで局所的な乾燥を改善し、さらに流路方向と直交する幅方向のサイズの拡張や燃料電池セルの積層数の増加により発電性能を確保することもできる。しかし、この場合、燃料電池の大きさが制限されるため、例えば、燃料電池を搭載するＦＣＶなどの設計にも制限が生ずるという問題がある。なお、この問題は、ＦＣＶに搭載される燃料電池に限られず、他の用途の燃料電池についても存在する。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、大きさが制限されることなく、発電性能を向上させた燃料電池を提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池は、酸化剤ガスの供給により冷却される燃料電池であって、前記酸化剤ガスを供給するための第１流路が設けられた第１供給部と、燃料ガスを供給するための第２流路が設けられた第２供給部と、前記第１供給部及び前記第２供給部に挟まれるように前記第１流路の上流側に設けられ、前記第１流路から供給された前記酸化剤ガスと前記第２流路から供給された前記燃料ガスの反応により発電する第１発電部と、前記第１供給部及び前記第２供給部に挟まれるように前記第１流路の下流側に設けられ、前記第１流路から供給された前記酸化剤ガスと前記第２流路から供給された前記燃料ガスの反応により発電する第２発電部と、前記第１発電部と前記第２発電部の発電により生じた液水の流れを遮断する遮断部とを備え、前記第１発電部は、含水状態においてプロトン伝導性を有する第１電解質膜を有し、前記第２発電部は、８０℃以上の高温状態においてプロトン伝導性を有する第２電解質膜を有し、前記遮断部は、前記第１供給部と前記第２供給部の間において、少なくとも前記第１電解質膜から前記第２供給部側の領域を、前記第２電解質膜から前記第２供給部側の領域から隔てるように設けられている。

本発明によれば、大きさが制限されることなく、燃料電池の発電性能を向上できる。

空冷式の燃料電池システムの一例を示す構成図である。 膜電極接合体の配置の比較例を示す図である。 カソード流路に沿った位置に対する温度分布及び発電量の変化を示す図である。 膜電極接合体の配置の実施例を示す図である。 電解質膜の温度変化に対するプロトン伝導度の変化の一例を示す図である。 温度と空気の流路方向における位置の関係の一例を示す図である。 燃料電池の一例の斜視図である。 燃料電池の一例の分解斜視図である。 燃料電池の一例を示す断面図である。 燃料電池の他例を示す断面図である。 燃料電池の他例の分解斜視図である。 燃料電池の他例を示す断面図である。

図１は、空冷式の燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池９は、燃料ガスの一例である水素ガスと、酸化剤ガスの一例である空気とが供給される。燃料電池９は、供給される空気により冷却されるとともに、水素と空気内の酸素の化学反応により発電する。

燃料電池９の発電により得られた電力は、電気ケーブルなどを介して負荷７に出力される。負荷７としては、例えば車両を駆動するモータが挙げられる。

燃料電池９は、発電に用いた水素ガス、及び発電により発生した水蒸気を含む酸素を、燃料電池９の外部に排出する。

燃料電池９は、複数の燃料電池セルが積層されて構成される。各燃料電池セルには、発電を行う膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡのカソード側に供給される空気が流れるカソード流路とが備えられている。

図２には、ＭＥＡの配置の比較例が示されている。各燃料電池セルは、１つのＭＥＡ２０が設けられている。

ＭＥＡ２０には、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極及びカソード電極に挟まれた電解質膜を有する。電解質膜としては、含水状態においてプロトン伝導性を有するもの（以下、「有水電解質膜」と表記）が用いられる。有水電解質膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などのスルホン酸基を有するポリマー型電解質膜（ハーフルオロスルホン酸膜、炭化水素膜など）が挙げられる。

また、カソード流路は、矢印の示す方向に沿って設けられる。矢印の根本はカソード流路の上流側となり、矢印の矢先はカソード流路の下流側となる。空気がカソード流路を上流側から下流側へと流れることにより、ＭＥＡ２０は、空気内の酸素が供給されるとともに冷却される。なお、符号Ｌは、ＭＥＡ２０の上流側の端部を０とした場合のカソード流路の方向における位置である。

空冷式の燃料電池は、出力を増加させると、燃料電池セル内の温度が上昇し、カソード流路に沿った温度勾配が顕著となる。

図３には、カソード流路に沿った位置Ｌに対する温度分布及び発電量の変化が示されている。図３において、発電量は、符号Ｇ３で示されるように、枠内のハッチングの濃さにより示されており、ハッチングが濃いほど、発電量が低いことを表す。

カソード流路を流れる空気は、冷媒として、ＭＥＡ２０から熱を奪うため、カソード流路の入口から出口に向かうほど温度が上昇する。このため、ＭＥＡ２０も、カソード流路の上流側の領域では温度が低いが、カソード流路の下流側の領域では温度が高くなる。

ＭＥＡ２０内の有水電解質膜は、温度が上昇すると乾燥するため、プロトン伝導性を失う。このため、発電量は、カソード流路の下流側ほど低くなる。有水電解質膜のプロトン伝導性が失われないためには、その温度を、例えば８０（℃）以下とすることが要求される。

本例では、位置Ｌ＞２２（mm）の範囲において温度が８０（℃）を超えるため、燃料電池セルのカソード流路方向のサイズが２２（mm）未満に制限される。さらに、カソード流路方向のサイズの縮小により低下する発電量を補うためには、燃料電池セルの幅方向のサイズの拡張や燃料電池セルの積層数の増加が求められる。しかし、この場合、燃料電池９の大きさが制限されるため、例えば、燃料電池を搭載する車両などの設計にも制限が生ずる。

そこで、実施例の燃料電池９では、カソード流路の上流側には有水電解質膜を含むＭＥＡが設けられ、カソード流路の下流側には、８０℃以上の高温状態においてプロトン伝導性を有する電解質膜（以下、「無水電解質膜」と表記）が設けられている。

図４には、ＭＥＡの配置の実施例が示されている。実施例では、１つの燃料電池９内に２種類のＭＥＡ２１，２２がカソード流路方向において隣り合うように設けられている。

ＭＥＡ２１，２２は、電解質膜の種類が異なる。一方のＭＥＡ２１は有水電解質膜を含み、他方のＭＥＡ２２は無水電解質膜を含む。無水電解質膜としては、イオン液体含浸膜やＰＢＩ−リン酸膜などが挙げられる。有水電解質膜と無水電解質膜は、温度変化に対し、異なるプロトン伝導性を示す。

図５には、電解質膜の温度変化に対するプロトン伝導度（Ｓ／ｃｍ）の変化の一例が示されている。図５において、符号Ｇ１のグラフは有水電解質膜のプロトン伝導度の温度特性を示し、符号Ｇ２のグラフは無水電解質膜のプロトン伝導度の温度特性を示す。符号Ｇ１のグラフと符号Ｇ２のグラフの交点ｐにおける温度は８０（℃）である。

有水電解質膜は、温度が８０（℃）未満である場合、高いプロトン伝導度を示すが、温度が８０（℃）以上である場合、高温により乾燥して水分が失われるため、プロトン伝導度が低下する。すなわち、有水電解質膜は、含水状態において高いプロトン伝導性を有する。

一方、無水電解質膜は、温度が上昇するのに従いプロトン伝導度が上昇するため、温度が８０（℃）未満である場合、低いプロトン伝導度を示すが、温度が８０（℃）以上である場合、高いプロトン伝導度を示す。すなわち、無水電解質膜は、８０℃以上の高温状態において高いプロトン伝導性を有する。

このように、有水電解質膜は低温域で高いプロトン伝導度を示し、無水電解質膜は高温域で高いプロトン伝導度を示す。このため、実施例では、その真逆のプロトン伝導度の特性を利用し、図４に示されるように、有水電解質膜を含むＭＥＡ２１がカソード流路の上流側の領域Ａ１に配置され、無水電解質膜を含むＭＥＡ２２がカソード流路の下流側の領域Ａ２に配置される。

図６には、温度と空気の流路方向における位置Ｌの関係の一例が示されている。ＭＥＡ２１が配置される領域Ａ１の温度は、８０（℃）未満であり、ＭＥＡ２２が配置される領域Ａ２の温度は、８０（℃）以上である。このため、ＭＥＡ２１は、低温の領域Ａ１においてプロトン伝導性を発揮し、ＭＥＡ２２は、高温の領域Ａ２においてプロトン伝導性を発揮する。したがって、実施例の燃料電池９は、図２に示された比較例より発電量を増加させることができる。

ただし、無水電解質膜は、液水の存在する環境では電解質が流出しやすいため、燃料電池９は、有水電解質膜のＭＥＡ２１での発電で生じた液水が、無水電解質膜のＭＥＡ２２に流入することを防止するための構造を有する。以下に燃料電池９の構成を説明する。

図７は燃料電池９の一例の斜視図であり、図８はその分解斜視図である。なお、図７及び図８において、紙面の右方向をｘ軸の正方向とし、紙面の斜め奥方向をｙ軸の正方向とし、紙面の上方向をｚ軸の正方向とする。これにより、ｘ軸方向は燃料電池９の幅方向に該当し、ｙ軸方向は燃料電池９の奥行方向に該当し、ｚ軸方向は燃料電池セル５の積層方向に該当する。なお、この座標系の定義は、以降の図面においても同様とする。

燃料電池９は、酸化剤ガスである空気と、燃料ガスである水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル５が積層された積層体構造を有する。燃料電池セル５は、カソード側セパレータ１２、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）収容フレーム２、及びアノード側セパレータ３を含む。ＭＥＧＡ収容フレーム２は、ガス拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）４１〜４４及びＭＥＡ２１，２２（つまりＭＥＧＡ）を収容し、板状部材であるカソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３の間に挟まれている。

カソード側セパレータ１２は、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、例えばプレス金型による曲げ加工よって形成された厚み方向（ｚ軸方向）の凸凹形状を有する。カソード側セパレータ１２は、第１供給部の一例であり、厚み方向の凸凹形状により形成された複数の並列なカソード流路１２０，１２１が設けられている。各カソード流路１２０，１２１は、ＭＥＡ２１，２２に空気（酸素）を供給するための第１流路の一例であり、カソード側セパレータ１２の両面に、ｙ軸方向に沿って互いに平行に設けられている。

カソード側セパレータ１２の一方の面はＭＥＧＡ収容フレーム２の１つの面に対向し、カソード側セパレータ１２の他方の面はアノード側セパレータ３の１つの面に対向する。ＭＥＧＡ収容フレーム２の対向面に設けられたカソード流路１２０は、矢印で示されるように、供給された空気をＭＥＡ２１，２２に導くとともに、ＭＥＡ２１，２２により発電に用いられた空気を、発電により発生した水蒸気とともに排出する。また、このカソード流路１２０、及びアノード側セパレータ３の対向面に設けられたカソード流路１２１は、空気を空気供給口から空気排出口に通すことにより燃料電池９全体を冷却する。

ｘ軸方向において、カソード側セパレータ１２の両端には絶縁シール部１０，１１が設けられている。絶縁シール部１０，１１はガスシール性のある絶縁部材である。絶縁シール部１０，１１は、カソード側セパレータ１２を燃料電池９の外部に対して絶縁するとともに気密性を確保する。

一端の絶縁シール部１０には、燃料電池セル５の積層方向に貫通する貫通孔１００が設けられている。貫通孔１００は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９に水素ガスを供給する供給マニホールド９０の一部として機能する。他端の絶縁シール部１１には、燃料電池セル５の積層方向に貫通する貫通孔１０１ａ、１０１ｂが設けられている。貫通孔１０１ａ，１０１ｂは、ｙ軸方向において互いに隣接して設けられ、燃料電池９から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド９１ａ，９１ｂの一部としてそれぞれ機能する。

ＭＥＧＡ収容フレーム２は、ｙ軸方向の両端部に形成された一対の貫通孔２００，２０１ａ，２０１ｂと、ＧＤＬ４１，４３及びＭＥＡ２１を収容する収容孔２４１と、ＧＤＬ４２，４４及びＭＥＡ２２を収容する収容孔２４２とを有する。

収容孔２４１，２４２は、ｙ方向に並んで設けられた矩形状の貫通孔であり、ｘ軸方向に延びる隔壁２１３を介し互いに隔てられている。なお、図８において、ＭＥＡ２１，２２は収容孔２４１，２４２にそれぞれ収容された状態が示されている。

ＧＤＬ４１は、収容孔２４１内のＭＥＡ２１のカソード電極の上に積層され、収容孔２４１内においてＭＥＡ２１とカソード側セパレータ１２の間に挟まれている。ＧＤＬ４２は、収容孔２４２内のＭＥＡ２２のカソード電極の上に積層され、収容孔２４２内においてＭＥＡ２２とカソード側セパレータ１２の間に挟まれている。

また、ＧＤＬ４３は、収容孔２４１内のＭＥＡ２１のアノード電極の下に積層され、収容孔２４１内においてＭＥＡ２１とアノード側セパレータ３の間に挟まれている。ＧＤＬ４４は、収容孔２４２内のＭＥＡ２２のアノード電極の下に積層され、収容孔２４２内においてＭＥＡ２２とアノード側セパレータ３の間に挟まれている。

貫通孔２００は、矩形状の開口面を有し、燃料電池９に水素ガスを供給する供給マニホールド９０の一部として機能し、貫通孔２０１ａ，２０１ｂは、ｙ軸方向において互いに隣接して設けられ、燃料電池９から、発電に使用された水素ガスを排出する排出マニホールド９１ａ，９１ｂの一部としてそれぞれ機能する。

ＭＥＧＡ収容フレーム２は、例えば樹脂により形成され、異なる発電特性のために並列接続の形態で配置されたＭＥＡ２１，２２を、他の構成に対してシールするとともに一体化して収容孔２４１，２４２に収容する。このため、ＭＥＡ２１，２２の間において、互いの締結やシールのための部材が共有化されるので、燃料電池９が小型化される。

アノード側セパレータ３は、第２供給部の一例であり、カーボンまたはステンレスなどの導電性材料から形成され、ｘ軸方向の両端に設けられた貫通孔３０，３１ａ，３１ｂと、ＭＥＡ２１，２２に対向する面に形成されたアノード流路３２とを有する。アノード流路３２は、ＭＥＡ２１，２２に水素ガスを供給するための第２流路の一例であり、貫通孔３０と貫通孔３１ａの間及び貫通孔３０と貫通孔３１ｂの間をそれぞれ接続する。

アノード流路３２は、例えばプレス加工などで形成された溝であり、一例として、入口側の貫通孔３０から出口側の貫通孔３１ａ，３１ｂへ向かうように複数本設けられている。アノード流路３２は、貫通孔３０から供給された水素ガスをＭＥＡ２１，２２に導くとともに、ＭＥＡ２１，２２により発電に用いられた水素ガス及び発電で生じた液水を貫通孔３１ａ，３１ｂへとそれぞれ導く。

一端の貫通孔３０は、矩形状の開口面を有し、ＭＥＧＡ収容フレーム２の貫通孔２００及び絶縁シール部１０の貫通孔１００と重なり合う。これにより、積層された全燃料電池セル５分の貫通孔３０，１００，２００は、図７に示されるように、燃料電池９外から水素ガスを供給する供給マニホールド９０を構成する。

また、他端の貫通孔３１ａ，３１ｂは、矩形状の開口面を有し、ｙ軸方向において互いに隣接して設けられている。貫通孔３１ａは、ＭＥＧＡ収容フレーム２の貫通孔２０１ａ及び絶縁シール部１１の貫通孔１０１ａと重なり合う。このため、貫通孔３１ａ，１０１ａ，２０１ａは、図１に示されるように、燃料電池セル５の積層数分だけ積層されることにより、水素ガスを燃料電池９外へ排出する排出マニホールド９１ａを構成する。

また、貫通孔３１ｂは、ＭＥＧＡ収容フレーム２の貫通孔２０１ｂ及び絶縁シール部１１の貫通孔１０１ｂと重なり合う。このため、貫通孔３１ｂ，１０１ｂ，２０１ｂは、図７に示されるように、燃料電池セル５の積層数分だけ積層されることにより、水素ガスを燃料電池９外へ排出する排出マニホールド９１ｂを構成する。

供給マニホールド９０及び排出マニホールド９１ａ，９１ｂは、燃料電池セル５の積層方向に沿って設けられた貫通孔である。水素ガスは、燃料電池９の下部の水素供給口９２から供給マニホールド９０に導入され、符号Ｄ１で示されるように流通する。なお、水素供給口９２は、例えば燃料電池９の積層体の最下層の貫通孔１００に相当する。

供給マニホールド９０に導入された水素ガスの一部は、積層体内の各アノード側セパレータ３に導入され、アノード流路３２を通り排出マニホールド９１ａ，９１ｂへと排出され、符号Ｄ２で示されるように燃料電池９の下部の水素排出口９３ａ，９３ｂから外部へ排気される。なお、水素排出口９３ａ，９３ｂは、例えば燃料電池９の積層体の最下層の貫通孔１０１ａ，１０１ｂにそれぞれ相当する。

また、水素ガスと酸素の化学反応により生成された液水の一部も、アノード流路３２を通り排出マニホールド９１ａ，９１ｂへと排出される。より具体的には、ＭＥＡ２１で生成された液水は排出マニホールド９１ａから排出され、ＭＥＡ２２で生成された液水は排出マニホールド９１ｂから排出される。

このように、ＭＥＡ２１，２２の排出マニホールド９１ａ，９１ｂは分離されているため、ＭＥＡ２１，２２の一方から他方への液水の流れ込みが防止される。したがって、ＭＥＡ２２の無水電解質膜に液水が流入し、電解質が溶出することによる発電性能の低下が防止される。なお、供給マニホールド９０も、排出マニホールド９１ａ，９１ｂと同様に、ＭＥＡ２１，２２ごとに設けられてもよい。

次に、ＭＥＧＡ収容フレーム２の収容孔２４１，２４２内の構成について述べる。上述したように、一方のＭＥＡ２１は有水電解質膜を含み、他方のＭＥＡ２２は無水電解質膜を含むため、収容孔２４１，２４２内には、ＭＥＡ２１，２２の間において、その発電により生じた液水の流れを遮断するための構成が備えられる。

図９は、図８のＬｙ−Ｌｙ線に沿った燃料電池９の断面図である。より具体的には、図９には、ＭＥＡ２１，２２を互いに隔てる隔壁２１３の近傍の断面が示されている。

隔壁２１３は、略Ｔ字状の断面を有しており、収容孔２４１，２４２を互いに隔てる。一方の収容孔２４１内には、ＧＤＬ４３、ＭＥＡ２１、及びＧＤＬ４１が、この順に積層されており、他方の収容孔２４２内には、ＧＤＬ４４、ＭＥＡ２２、及びＧＤＬ４２が、この順に積層されている。

ＭＥＡ２１は、有水電解質膜２１０、カソード電極２１１、及びアノード電極２１２を有する。有水電解質膜２１０は、アノード電極２１２及びカソード電極２１１の間に挟まれている。有水電解質膜２１０は、上述したように、含水状態において高いプロトン伝導性を有するものである。

アノード電極２１２及びカソード電極２１１は、それぞれ、触媒電極層であり、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極２１２及びカソード電極２１１は、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

ＭＥＡ２１は、第１発電部の一例であり、カソード流路１２０から供給された空気中の酸素とアノード流路３２から供給された水素ガスの反応により発電する。ＭＥＡ２１は、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３に挟まれるようにカソード流路１２０の上流側に設けられている。ここで、カソード流路１２０の方向はｙ軸方向に一致し、ｙ軸の負方向がカソード流路１２０の上流側に該当し、ｙ軸の正方向がカソード流路１２０の下流側に該当する。このため、ＭＥＡ２１は、図４〜図６を参照して述べたように、低温域において有水電解質膜２１０を含水状態に維持することができる。なお、符号Ｘは、Ｌｘ−Ｌｘ線に沿ったカソード流路１２０の断面を示す。

ＭＥＡ２１は、収容孔２４１内において、ＧＤＬ４１，４３の間に挟まれている。なお、ＭＥＡ２１とＧＤＬ４１，４３の間には、不図示のＭＰＬ（Micro Porous Layer）が設けられている。

ＧＤＬ４１，４３は、カソード電極２１１及びアノード電極２１２の表面に酸素及び水素ガスをそれぞれ行きわたらせる機能と、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３との間の導電経路としての機能とを有する。ＧＤＬ４１，４３は、炭素繊維などの繊維基材や、いわゆるエキスパンドメタルなどの金属板を加工した流路部材、発泡金属などの多孔質部材により構成される。ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４１，４３はＭＥＧＡを構成する。

また、ＭＥＡ２２は、無水電解質膜２２０、カソード電極２２１、及びアノード電極２２２を有する。無水電解質膜２２０は、アノード電極２２２及びカソード電極２２１の間に挟まれている。無水電解質膜２２０は、上述したように、高温状態において高いプロトン伝導性を有するものである。なお、アノード電極２２２及びカソード電極２２１は、上記のアノード電極２１２及びカソード電極２１１と同様の構成を有する。

ＭＥＡ２２は、第２発電部の一例であり、カソード流路１２０から供給された空気中の酸素とアノード流路３２から供給された水素ガスの反応により発電する。ＭＥＡ２２は、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３に挟まれるようにカソード流路１２０の下流側に設けられている。このため、ＭＥＡ２２は、図４〜図６を参照して述べたように、高温域において無水電解質膜２２０を無水状態に維持することができる。

ＭＥＡ２２は、収容孔２４２内において、ＧＤＬ４２，４４間に挟まれている。なお、ＭＥＡ２２とＧＤＬ４２，４４の間には、不図示のＭＰＬが設けられている。ＧＤＬ４２，４４は、上記のＧＤＬ４１，４３と同様の機能及び構成を有する。ＭＥＡ２２及びＧＤＬ４２，４４はＭＥＧＡを構成する。

ＭＥＡ２１，２２は、上述したように、カソード流路１２０の方向における適切な位置に設けられているため、図２の比較例より高い発電性能が得られる。しかし、一方のＭＥＡ２１の有水電解質膜２１０は、プロトン伝導性の発揮のために液水を必要とし、他方のＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０は、電解質の溶出を抑制するために液水のない乾燥した状態を必要とする。

そこで、ＭＥＧＡ収容フレーム２の隔壁２１３は、ＭＥＡ２１とＭＥＡ２２の発電により生じた液水の流れを遮断する遮断部として機能する。隔壁２１３の下部は、接着剤５１によりアノード流路３２の上板部３２ａに接着されており、隔壁２１３の上部の幅広の部分は、接着剤５２，５３によりＭＥＡ２１，２２の上面にそれぞれ接着されている。このため、接着剤５１〜５３及び上板部３２ａは、遮断部の一部として、隔壁２１３とともに液水の流れを遮断する。

このように、隔壁２１３は、カソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ３の間において、ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４１，４３を、ＭＥＡ２２及びＧＤＬ４２，４４から隔てるように設けられている。このため、ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４１，４３とＭＥＡ２２及びＧＤＬ４２，４４の間で液水の流れが遮断され、一方のＭＥＡ２１の発電で生じた液水が他方のＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０に流れ込むことが防止される。

したがって、ＭＥＡ２１の有水電解質膜２１０は含水状態が維持され、ＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０は、高温域において無水状態が維持されるため、図２の比較例より高い発電性能が得られる。

また、本例において、有水電解質膜２１０の厚みＴａ１は、無水電解質膜２２０の厚みＴａ２より薄い（つまり、Ｔａ１＜Ｔａ２）。例えば、有水電解質膜２１０の厚みＴａ１は約１０（μｍ）であるのに対し、無水電解質膜２２０の厚みＴａ２は約５０（μｍ）である。

このため、本例では、ＭＥＡ２１，２２のアノード側のＧＤＬ４３，４４の厚みＴｂ１，Ｔｂ２を異ならせることにより、有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みの差分（Ｔａ１−Ｔａ２）が補償されている。なお、カソード電極２１１，２２１及びアノード電極２１２，２２２の厚みは同一であり、カソード側のＧＤＬ４１，４２の厚さは同一であると仮定する。

ＧＤＬ４３の厚みＴｂ１は、ＧＤＬ４４の厚みＴｂ２より大きい（つまり、Ｔｂ１＞Ｔｂ２）。ＧＤＬ４３，４４の厚みＴｂ１，Ｔｂ２の差分（Ｔｂ１−Ｔｂ２）は、有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みの差分（Ｔａ１−Ｔａ２）に基づき決定される。

このため、カソード流路１２０及びアノード流路３２の深さ（溝の凸部の高さ）を均一としても、ＭＥＡ２１，２２及びＧＤＬ４１〜４４を、カソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ３の間に安定に挟み込むことが可能となる。

図９に示された構成は次のような手順で製造される。まず、各ＭＥＡ２１，２２にＧＤＬ４１〜４４を積層し、各ＭＥＡ２１，２２のカソード側の端部を接着剤５２，５３により隔壁２１３に接着する。次に、隔壁２１３の下部を、接着剤５１によりアノード側セパレータ３に接着し、ＧＤＬ４１，４２の上部にカソード側セパレータ１２を重ねる。なお、隔壁２１３とＧＤＬ４１〜４４の間には、接着剤５１〜５３が流れ込むための隙間Ｓが設けられている。

本例では、ＧＤＬ４３，４４の厚みＴｂ１，Ｔｂ２により有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みの差分を補償したが、これに限定されず、ＭＰＬの厚みまたはＭＰＬとＧＤＬの厚みの合計により補償してもよい。さらに、以下の例のように、アノード流路３２の高さにより有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みＴａ１，Ｔａ２の差分を補償することもできる。

図１０は、燃料電池９の他例を示す断面図である。図１０において、図９と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本例では、アノード側のＧＤＬ４３，４４の厚さＴｂ３は同一であると仮定する。このため、ＭＥＡ２１側のアノード流路３２の深さＴｃ１とＭＥＡ２２側のアノード流路３２の深さＴｃ２を異ならせることにより、有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みの差分（Ｔａ１−Ｔａ２）が補償されている。

ＭＥＡ２１側のアノード流路３２の深さＴｃ１は、アノード流路３２の深さＴｃ２より深い（つまり、Ｔｃ１＞Ｔｃ２）。ＭＥＡ２１，２２側の各アノード流路３２の深さＴｃ１，Ｔｃ２の差分（Ｔｃ１−Ｔｃ２）は、有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みの差分（Ｔａ１−Ｔａ２）に基づき決定される。

このため、アノード側のＧＤＬ４３，４４の厚さＴｂ３は同一としても、ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４１，４３とＭＥＡ２２及びＧＤＬ４２，４４を、カソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ３の間に安定に挟み込むことが可能となる。

上述した実施例において、ＭＥＡ２１，２２のカソード側のＧＤＬ４１，４２はＭＥＧＡ収容フレーム２の隔壁２１３により分離されているが、これに限定されない。カソード側のＧＤＬ４１，４２とＭＥＡ２１，２２の境界部分は、アノード側のＧＤＬ４３，４４とＭＥＡ２１，２２の境界部分と比較すると高温であるため、カソード側では発電で生じた液水が失われやすい。また、カソード流路１２０の空気の流量は、アノード流路３２の水素ガスの流量より多いため、やはり、カソード側では発電で生じた液水が失われやすい。

したがって、以下の例のように、カソード側のＧＤＬ４１，４２を分離せずに、共通のＧＤＬとした構成を用いることもできる。

図１１は、燃料電池９の他例の分解斜視図である。図１１において、図８と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本例において、カソード側のＧＤＬ４５は、ＭＥＡ２１，２２の間で共通である。つまり、ＧＤＬ４５は、ＭＥＡ２１，２２の両方に積層される。ＧＤＬ４５は、ＭＥＡ２１，２２とともにＭＥＧＡ収容フレーム２ａに収容される。

ＭＥＧＡ収容フレーム２ａは、ｙ軸方向の両端部に形成された一対の貫通孔２００，２０１ａ，２０１ｂと、ＧＤＬ４３を収容する収容孔２４１ａと、ＧＤＬ４４を収容する収容孔２４２ａとを有する。

収容孔２４１ａ，２４２ａは、ｙ方向に並んで設けられた矩形状の貫通孔であり、ｘ軸方向に延びる隔壁２１３ａを介し互いに隔てられている。なお、図１１において、ＧＤＬ４３，４４は収容孔２４１ａ，２４２ａにそれぞれ収容された状態が示されている。

本例の隔壁２１３ａの高さ（Ｚ軸方向の長さ）は、図８の例の隔壁２１３より低いため、収容孔２４１ａ，２４２ａ及び隔壁２１３ａの上部には、収容孔２４１ａ，２４２ａを合わせた広さ程度のスペース２４３が存在する。ＧＤＬ４５及びＭＥＡ２１，２２は、このスペース２４３に積層された状態で収容される。以下に、ＭＥＧＡ収容フレーム２ａの収容孔２４１ａ，２４２ａ及びスペース２４３内の構成について述べる。

図１２は、図１１のＬｙ’−Ｌｙ’線に沿った燃料電池９の断面図である。より具体的には、図１２には、ＭＥＡ２１，２２を互いに隔てる隔壁２１３ａの近傍の断面が示されている。なお、図１２において、図９と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

隔壁２１３ａは、矩形状の断面を有しており、収容孔２４１ａ，２４２ａを互いに隔てる。一方の収容孔２４１ａ内にはＧＤＬ４３が収容されており、他方の収容孔２４２ａ内にはＧＤＬ４４が収容されている。また、収容孔２４１ａ，２４２ａ及び隔壁２１３ａの上部のスペース２４３にはＧＤＬ４５及びＭＥＡ２１，２２が収容されている。

ＧＤＬ４５は、ＭＥＡ２１，２２の上部に積層されている。このため、ＭＥＡ２１はＧＤＬ４５，４３の間に挟まれており、ＭＥＡ２２はＧＤＬ４５，４４の間に挟まれている。ＧＤＬ４５は、上記のＧＤＬ４１，４２と同様の機能及び構成を有する。ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４５，４３とＭＥＡ２２及びＧＤＬ４５，４４は、それぞれ、ＭＥＧＡを構成する。

ＭＥＧＡ収容フレーム２ａの隔壁２１３ａは、ＭＥＡ２１とＭＥＡ２２の発電により生じた液水の流れを遮断する遮断部の一部として機能する。隔壁２１３ａの底部は、接着剤５５によりアノード流路３２の上板部３２ａに接着されており、隔壁２１３ａの上部は、接着剤５４によりＭＥＡ２１，２２の各端部及びＧＤＬ４５の下部に接着されている。このため、接着剤５４，５５及び上板部３２ａは、隔壁２１３ａとともに液水の流れを遮断する、遮断部を構成する。

このように、隔壁２１３ａ及び接着剤５４は、カソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ３の間において、ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４３を、ＭＥＡ２２及びＧＤＬ４４から隔てるように設けられている。このため、ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４３とＭＥＡ２２及びＧＤＬ４４の間で液水の流れが遮断され、一方のＭＥＡ２１の発電で生じた液水が他方のＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０に流れ込むことが防止される。

したがって、ＭＥＡ２１の有水電解質膜２１０は含水状態が維持され、ＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０は、高温域において無水状態が維持されるため、図２の比較例より高い発電性能が得られる。

また、本例では、図９の例と同様に、ＭＥＡ２１，２２のアノード側のＧＤＬ４３，４４の厚みＴｂ１，Ｔｂ２を異ならせることにより、有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みの差分（Ｔａ１−Ｔａ２）が補償されている。このため、カソード流路１２０及びアノード流路３２の深さ（溝の凸部の高さ）を均一としても、ＭＥＡ２１，２２及びＧＤＬ４３〜４５を、カソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ３の間に安定に挟み込むことが可能となる。なお、本例では、図１０の例と同様に、アノード流路３２の高さにより有水電解質膜２１０と無水電解質膜２２０の厚みＴａ１，Ｔａ２の差分を補償することも可能であり、また、ＭＰＬの厚みやＭＰＬとＧＤＬの厚みの合計による補償も可能である。

さらに、本例では、図９の例と比較すると、ＭＥＡ２１，２２の間において、カソード側のＧＤＬ４５が共通であるため、部品数が削減されて、製造コストが低減される。

図１２に示された構成は次のような手順で製造される。まず、各ＭＥＡ２１，２２にＧＤＬ４３〜４５を積層し、各ＭＥＡ２１，２２のアノード側の端部を接着剤５４により隔壁２１３ａに接着する。次に、隔壁２１３ａの下部を、接着剤５５によりアノード側セパレータ３に接着し、ＧＤＬ４５の上部にカソード側セパレータ１２を重ねる。なお、隔壁２１３ａとＧＤＬ４３，４４の間には、接着剤５４，５５が流れ込むための隙間Ｓが設けられている。

これまで述べたように、実施例の燃料電池９は、空気の供給により冷却され、カソード側セパレータ１２、アノード側セパレータ３、ＭＥＡ２１，２２、及び隔壁２１３，２１３ａを備える。カソード側セパレータ１２は、空気を供給するためのカソード流路１２０が設けられ、アノード側セパレータ３は、水素ガスを供給するためのアノード流路３２が設けられている。

ＭＥＡ２１は、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３に挟まれるようにカソード流路１２０の上流側に設けられ、カソード流路１２０から供給された空気とアノード流路３２から供給された水素ガスの反応により発電する。また、ＭＥＡ２２は、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３に挟まれるようにカソード流路１２０の下流側に設けられ、カソード流路１２０から供給された空気とアノード流路３２から供給された水素ガスの反応により発電する。また、隔壁２１３，２１３ａは、ＭＥＡ２１，２２の発電により生じた液水の流れを遮断する。

ＭＥＡ２１は、含水状態においてプロトン伝導性を有する有水電解質膜２１０を有し、ＭＥＡ２２は、８０℃以上の高温状態においてプロトン伝導性を有する無水電解質膜２２０を有する。隔壁２１３，２１３ａは、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３の間において、少なくとも有水電解質膜２１０からアノード側セパレータ３側の領域を、無水電解質膜２２０からアノード側セパレータ３側の領域から隔てるように設けられている。

上記の構成によると、図４に示されるように、有水電解質膜２１０を含むＭＥＡ２１がカソード流路１２０の上流側の領域Ａ１に配置され、無水電解質膜２２０を含むＭＥＡ２２がカソード流路１２０の下流側の領域Ａ２に配置される。このため、ＭＥＡ２１は、低温域において有水電解質膜２１０を含水状態に維持することができるので、有水電解質膜２１０はプロトン伝導性を発揮できる。また、ＭＥＡ２２は、高温域において無水電解質膜２２０を無水状態に維持することができるので、無水電解質膜２２０はプロトン伝導性を発揮できる。

また、隔壁２１３，２１３ａは、カソード側セパレータ１２及びアノード側セパレータ３の間において、少なくとも有水電解質膜２１０からアノード側セパレータ３側の領域を、無水電解質膜２２０からアノード側セパレータ３側の領域から隔てるように設けられている。このため、ＭＥＡ２１及びＧＤＬ４３とＭＥＡ２２及びＧＤＬ４４の間で液水の流れが遮断され、一方のＭＥＡ２１の発電で生じた液水が他方のＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０に流れ込むことが防止される。これにより、無水電解質膜２２０の電解質の溶出が抑制される。

したがって、ＭＥＡ２１の有水電解質膜２１０は含水状態が維持され、ＭＥＡ２２の無水電解質膜２２０は無水状態が維持されるため、図２の比較例より高い発電性能が得られる。よって、実施例の燃料電池９は、大きさが制限されることなく、発電性能を向上することができる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

９ 燃料電池
２，２ａ ＭＥＧＡ収容フレーム
３ アノード側セパレータ（第２供給部）
１２ カソード側セパレータ（第１供給部）
２１，２２ ＭＥＡ（第１及び第２発電部）
３２ アノード流路（第２流路）
４１〜４５ ＧＤＬ
１２０ カソード流路（第１流路）
２１０ 有水電解質膜（第１電解質膜）
２２０ 無水電解質膜（第２電解質膜）
２１３，２１３ａ 隔壁（遮断部）

Claims (1)

1. 酸化剤ガスの供給により冷却される燃料電池であって、
   前記酸化剤ガスを供給するための第１流路が設けられた第１供給部と、
   燃料ガスを供給するための第２流路が設けられた第２供給部と、
   前記第１供給部及び前記第２供給部に挟まれるように前記第１流路の上流側に設けられ、前記第１流路から供給された前記酸化剤ガスと前記第２流路から供給された前記燃料ガスの反応により発電する第１発電部と、
   前記第１供給部及び前記第２供給部に挟まれるように前記第１流路の下流側に設けられ、前記第１流路から供給された前記酸化剤ガスと前記第２流路から供給された前記燃料ガスの反応により発電する第２発電部と、
   前記第１発電部と前記第２発電部の発電により生じた液水の流れを遮断する遮断部とを備え、
   前記第１発電部は、含水状態においてプロトン伝導性を有する第１電解質膜を有し、
   前記第２発電部は、８０℃以上の高温状態においてプロトン伝導性を有する第２電解質膜を有し、
   前記遮断部は、前記第１供給部と前記第２供給部の間において、少なくとも前記第１電解質膜から前記第２供給部側の領域を、前記第２電解質膜から前記第２供給部側の領域から隔てるように設けられている燃料電池。
   

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