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JP2002260709A - 固体高分子型セルアセンブリ、燃料電池スタックおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

固体高分子型セルアセンブリ、燃料電池スタックおよび燃料電池の運転方法

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Publication number
JP2002260709A
JP2002260709A JP2001061438A JP2001061438A JP2002260709A JP 2002260709 A JP2002260709 A JP 2002260709A JP 2001061438 A JP2001061438 A JP 2001061438A JP 2001061438 A JP2001061438 A JP 2001061438A JP 2002260709 A JP2002260709 A JP 2002260709A
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JP
Japan
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cell
cell assembly
gas
unit
unit cells
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JP2001061438A
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Seiji Sugiura
誠治 杉浦
Yoshinori Wariishi
義典 割石
Naoyuki Enjoji
直之 円城寺
Shigetoshi Sugita
成利 杉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に
向上させることを可能にする。 【解決手段】セルアセンブリ１０は、第１および第２単
位セル１４、１６を重ね合わせて構成されるとともに、
前記第１および第２単位セル１４、１６は、第１および
第２接合体１８、２０を備える。セルアセンブリ１０内
では、第１および第２単位セル１４、１６が互いに異な
る構造に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成さ
れる接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位
セルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成する
固体高分子型セルアセンブリ、燃料電池スタックおよび
燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦ
Ｃ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からな
る電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、そ
れぞれカーボンを主体とするアノード側電極およびカソ
ード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極
接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持
することにより構成される単位セル（単位発電セル）を
備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して
燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】この種の燃料電池において、アノード側電
極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有する
ガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で
水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側
へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出
され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カ
ソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含
有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともい
う）が供給されているために、このカソード側電極にお
いて、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成
される。
【０００４】ところで、燃料電池スタックでは、例え
ば、車載用として使用する際には、比較的大きな出力が
要求されている。このため、単位セルの反応面（発電
面）の寸法を大きく設定する構造や、多数個の前記単位
セルを積層する構造等が採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、単位セ
ル自体の寸法を大きく設定すると、燃料電池スタック全
体が大型化してしまい、車載用に適さないという問題が
指摘されている。従って、通常、比較的コンパクトな単
位セルを多数個積層した燃料電池スタックが使用されて
いるが、積層個数が増加するのに伴って積層方向に温度
分布が発生し易くなるとともに、電気化学反応により発
生した生成水の排水性等が低下して所望の発電性能を得
ることができないという不具合がある。
【０００６】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、簡単な構成で、各単位セルの発電性能を有効に向上
させることができるとともに、小型化に適する固体高分
子型セルアセンブリおよび燃料電池スタックを提供する
ことを目的とする。
【０００７】また、本発明は、単位セルを有効に発電さ
せるとともに、排水性等の向上を図ることが可能な燃料
電池の運転方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
固体高分子型セルアセンブリでは、固体高分子電解質膜
をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成され
る接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セ
ルを重ね合わせてセルアセンブリを一体的に構成すると
ともに、少なくとも２つの前記単位セルが互いに異なる
構造に設定されている。このため、各単位セル毎に反応
に最適な構造を採用することが可能になり、発電機能を
有効に向上させることができる。
【０００９】その際、少なくとも２個の単位セルに設け
られ、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反
応ガスを流す反応ガス流路は、それぞれの流路断面積が
異なっている（請求項２）。これにより、電気化学反応
により反応ガス量が減少しても、各単位セルの反応面で
の反応が均一化される。
【００１０】具体的には、それぞれの流路断面積は、そ
れぞれ流路深さ、流路幅または流路本数の少なくとも１
つが異なることにより設定される（請求項３）。流路深
さが浅く設定されることにより、単位セルの薄肉化が図
られ、セルアセンブリ全体の小型化が可能になる。流路
幅を狭く設定したり、流路本数を減少させたりすると、
各単位セル同士の接触面積が増加し、接触抵抗を低下さ
せることができる。
【００１１】さらに、少なくとも２個の単位セルは、そ
れぞれの反応ガス流路長が異なっている（請求項４）。
このため、反応ガス流路長が長尺に設定される単位セル
では、反応ガスの圧力降下が惹起され、生成水の排水性
を向上させることが可能になる。
【００１２】ここで、少なくとも２個の単位セルは、そ
れぞれの反応ガス流路形状が異なっている（請求項
５）。例えば、一方を直線状に設定するとともに、他方
を蛇行形状に設定することにより、各単位セル毎に反応
に最適な構造を採用することができる。
【００１３】さらにまた、少なくとも２個の単位セル
が、それぞれ異なる接合体を備えている（請求項６）。
例えば、反応ガス流路の流れ方向上流側の接合体は、流
れ方向下流側の接合体に比べて耐熱性が高く設定される
（請求項７）。流れ方向下流側の接合体は、流れ方向上
流側の接合体よりも高温になるからである。具体的に
は、反応ガス流路の流れ方向上流側の接合体は、フッ素
系の膜を備える一方、流れ方向下流側の接合体は、炭化
水素系の膜を備えている（請求項８）。流れ方向上流側
の接合体に比べて温度が高くなる流れ方向下流側の接合
体は、耐熱性を有する炭化水素系の膜を使用することに
よって、耐用性の向上が図られる。
【００１４】また、セルアセンブリ内では、複数個の単
位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の
反応ガスを流す反応ガス流路が、少なくとも一部分を各
単位セルにわたって直列的に連通している（請求項
９）。ここで、少なくとも一部分とは、複数の反応ガス
流路の中の少なくとも一部分である場合と、反応ガス流
路自体の少なくとも一部分である場合とをいう。
【００１５】このため、セルアセンブリ内に供給される
反応ガスの流量を増加させるだけで、各単位セルの湿度
を均一化することができ、複数個の単位セルの電流密度
分布を均一にして濃度過電圧を低減することが可能にな
る。しかも、セルアセンブリ内に供給される反応ガスの
流速を増加させるだけで、各単位セルの生成水を有効に
排出することができ、前記セルアセンブリ全体の排水性
が向上される。
【００１６】また、本発明の請求項１０に係る燃料電池
スタックでは、固体高分子電解質膜をアノード側電極と
カソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単
位セルが、複数個重ね合わされるとともに、少なくとも
２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定されるセ
ルアセンブリを備え、複数組の前記セルアセンブリを重
ね合わせて構成している。
【００１７】また、本発明の請求項１１および請求項１
６に係る燃料電池の運転方法では、複数個重ね合わされ
てセルアセンブリを構成する各単位セルは、少なくとも
２つが互いに異なる条件で運転されている。具体的に
は、反応ガスの流れ方向上流側（または一方）の単位セ
ルの温度に対して、流れ方向下流側（または他方）の単
位セルの温度を高温にしている（請求項１２および請求
項１７）。流れ方向下流側に多量の生成水が発生するた
め、下流側の単位セルの温度を上げることにより、排水
性が有能に向上するからである。
【００１８】さらに、反応ガスの流れ方向上流側（また
は一方）の単位セルを流れる前記反応ガスの流速に対し
て、流れ方向下流側（または他方）の単位セルを流れる
前記反応ガスの流速を高くしている（請求項１３および
請求項１８）。従って、流れ方向下流側に多量に発生す
る生成水を確実に排出させることが可能になる。
【００１９】さらにまた、反応ガスの流れ方向上流側
（または一方）の単位セルの反応ガス出口での湿度に対
して、流れ方向下流側（または他方）の単位セルの反応
ガス入口での湿度を低くしている（請求項１４および請
求項１９）。このため、流れ方向下流側からの生成水の
排出が円滑に遂行される。
【００２０】さらに、反応ガスの流れ方向上流側（また
は一方）の単位セルの反応ガスの利用率に対して、流れ
方向下流側（または他方）の単位セルの反応ガスの利用
率を高くしている（請求項１５および請求項２０）。こ
れにより、セルアセンブリ全体としての反応ガスの利用
率を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る固体高分子型セルアセンブリ１０の要部分解斜視
図であり、図２は、複数組の前記セルアセンブリ１０が
重ね合わされて（積層されて）構成される燃料電池スタ
ック１２の概略斜視図である。
【００２２】図１に示すように、セルアセンブリ１０
は、第１単位セル１４と第２単位セル１６とを重ね合わ
せて構成されており、前記第１および第２単位セル１
４、１６は、第１および第２接合体１８、２０を備え
る。
【００２３】第１および第２接合体１８、２０は、固体
高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記電解質膜２２
ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、
２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有す
る。カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電
極２６ａ、２６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金
属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面に
は、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等か
らなるガス拡散層が配設されている。
【００２４】図１および図３に示すように、第１接合体
１８のカソード側電極２４ａ側に第１セパレータ２８が
配設され、第２接合体２０のアノード側電極２６ｂ側に
第２セパレータ３０が配設されるとともに、前記第１お
よび第２接合体１８、２０間に中間セパレータ３２が配
設される。第１および第２セパレータ２８、３０の外側
の面側には、薄板状の壁板（隔壁部材）３４が設けられ
る。
【００２５】図１に示すように、第１および第２接合体
１８、２０、第１および第２セパレータ２８、３０並び
に中間セパレータ３２の長辺側の一端縁部には、第１お
よび第２単位セル１４、１６の重ね合わせ方向（矢印Ａ
方向）に互いに連通して、酸素含有ガスまたは空気であ
る酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガ
ス入口３６ａと、酸化剤ガス出口３６ｂと、水素含有ガ
ス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガ
ス中間連通孔３８とが設けられる。
【００２６】第１および第２接合体１８、２０、第１お
よび第２セパレータ２８、３０、並びに中間セパレータ
３２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通
して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連
通孔４０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口
４２ａと、燃料ガス出口４２ｂと、冷却媒体を通過させ
るための冷却媒体入口４４ａと、冷却媒体出口４４ｂと
が設けられる。
【００２７】第１セパレータ２８は、金属薄板で構成さ
れるとともに、第１接合体１８の反応面（発電面）に対
応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。
図３および図４に示すように、第１セパレータ２８は、
第１接合体１８のカソード側電極２４ａに対向する側に
複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６を設ける
とともに、前記酸化剤ガス流路４６は、長辺方向（矢印
Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガ
ス入口３６ａと酸化剤ガス中間連通孔４０とに連通す
る。
【００２８】図１および図３に示すように、第１セパレ
ータ２８は、壁板３４の一方の面に対向する側に複数本
の冷却媒体流路４８を設ける。冷却媒体流路４８は、長
辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が
冷却媒体入口４４ａに連通するとともに、他端側が壁板
３４に形成された、あるいは、別部材に形成された中間
折り返し部である孔部５０を介して前記壁板３４の他方
の面側から冷却媒体出口４４ｂに連通する。
【００２９】第２セパレータ３０は、上記の第１セパレ
ータ２８と略同様に構成されており、第２接合体２０の
アノード側電極２６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス
流路（反応ガス流路）５２を設けるとともに、前記燃料
ガス流路５２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延
在してそれぞれの両端が燃料ガス中間連通孔３８と燃料
ガス出口４２ｂとに連通する。第２セパレータ３０は、
壁板３４に対向する側に複数本の冷却媒体流路５４を設
ける。冷却媒体流路５４は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に
直線状に延在しており、終端が冷却媒体出口４４ｂに連
通する。
【００３０】中間セパレータ３２は、上記の第１および
第２セパレータ２８、３０と略同様に構成されており、
第１接合体１８のアノード側電極２６ａに対向する側に
複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）５６を設けると
ともに、前記燃料ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方
向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス入口
４２ａと燃料ガス中間連通孔３８とに連通する。
【００３１】図３に示すように、中間セパレータ３２
は、第２接合体２０のカソード側電極２４ｂに対向する
側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５８を設
けるとともに、前記酸化剤ガス流路５８は、長辺方向
（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸
化剤ガス中間連通孔４０と酸化剤ガス出口３６ｂとに連
通する。
【００３２】第１および第２単位セル１４、１６に直列
的に設けられる酸化剤ガス流路４６、５８と、燃料ガス
流路５６、５２とは、それぞれの流路断面積が異なって
いる。図３に示すように、出口側の酸化剤ガス流路５８
および燃料ガス流路５２は、入口側の酸化剤ガス流路４
６および燃料ガス流路５６よりも小さな流路断面積に設
定されている。
【００３３】このように構成されるセルアセンブリ１０
は、図示しない固定手段を介して一体的に保持された状
態で、図２に示すように、所定の組数だけ矢印Ａ方向に
重ね合わされる。セルアセンブリ１０の矢印Ａ方向両端
には、集電用電極６０ａ、６０ｂを介してエンドプレー
ト６２ａ、６２ｂが配置され、前記エンドプレート６２
ａ、６２ｂが図示しないタイロッド等により締め付けら
れることにより、燃料電池スタック１２が構成される。
【００３４】エンドプレート６２ａの長辺側の一端縁部
には、酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤ガス出口３６
ｂに連通する酸化剤ガス供給口６４ａおよび酸化剤ガス
排出口６４ｂが形成される。エンドプレート６２ａの長
辺側の他端縁部には、燃料ガス入口４２ａ、燃料ガス出
口４２ｂ、冷却媒体入口４４ａおよび冷却媒体出口４４
ｂに連通する燃料ガス供給口６６ａ、燃料ガス排出口６
６ｂ、冷却媒体供給口６８ａおよび冷却媒体排出口６８
ｂが形成される。
【００３５】このように構成される燃料電池スタック１
２およびセルアセンブリ１０の動作について、以下に説
明する。
【００３６】燃料電池スタック１２内には、燃料ガス供
給口６６ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される
とともに、酸化剤ガス供給口６４ａから空気または酸素
含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体
供給口６８ａから純水やエチレングリコールやオイル等
の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック
１２では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組のセルア
センブリ１０に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却
媒体が、順次、供給される。
【００３７】図５に示すように、矢印Ａ方向に連通して
いる酸化剤ガス入口３６ａに供給された酸化剤ガスは、
第１セパレータ２８に設けられている複数本の酸化剤ガ
ス流路４６に導入され、第１接合体１８を構成するカソ
ード側電極２４ａに沿って移動する。一方、燃料ガス入
口４２ａに供給された燃料ガスは、中間セパレータ３２
に設けられている複数本の燃料ガス流路５６に導入さ
れ、第１接合体１８を構成するアノード側電極２６ａに
沿って移動する。従って、第１接合体１８では、カソー
ド側電極２４ａに供給される酸化剤ガスと、アノード側
電極２６ａに供給される燃料ガスとが、触媒層内で電気
化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３８】第１接合体１８に一部が消費された酸化剤
ガスは、酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス中間連通孔
４０に導入され、この酸化剤ガス中間連通孔４０に沿っ
て矢印Ａ方向に移動した後、中間セパレータ３２に設け
られている酸化剤ガス流路５８に導入される。この酸化
剤ガスは、酸化剤ガス流路５８を介して第２接合体２０
を構成するカソード側電極２４ｂに沿って移動する。
【００３９】同様に、第１接合体１８を構成するアノー
ド側電極２６ａで一部が消費された燃料ガスは、燃料ガ
ス中間連通孔３８に導入された後、矢印Ａ方向に移動
し、第２セパレータ３０に設けられている燃料ガス流路
５２に導入され、第２接合体２０を構成するアノード側
電極２６ｂに沿って移動する。このため、第２接合体２
０では、酸化剤ガスおよび燃料ガスが触媒層内で電気化
学反応により消費され、発電が行われる。酸素が消費さ
れた酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口３６ｂに排出される
とともに、水素が消費された燃料ガスは、燃料ガス出口
４２ｂに排出される。
【００４０】一方、冷却媒体入口４４ａに供給された冷
却媒体は、第１セパレータ２８に設けられている冷却媒
体流路４８に沿って移動した後、壁板３４に形成された
孔部５０で折り返し、第２セパレータ３０に設けられて
いる冷却媒体流路５４に沿って移動し、冷却媒体出口４
４ｂに排出される。
【００４１】この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガ
ス流路４６、５８と、燃料ガス流路５６、５２とは、そ
れぞれの流路断面積が異なっている。具体的には、出口
側の酸化剤ガス流路５８および燃料ガス流路５２が、入
口側の酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６より
も小さな流路断面積に設定されている（図３参照）。酸
化剤ガスおよび燃料ガスは、出口側に移動するに従っ
て、酸素ガスおよび水素ガスが反応により消費されて減
少する。このため、出口側の酸化剤ガス流路５８および
燃料ガス流路５２の流路断面積を小さくすることによ
り、第２接合体２０の反応面における反応が均一化され
ることになる。
【００４２】ここで、酸化剤ガス流路４６、５８と燃料
ガス流路５６、５２とにおいて、それぞれの流路断面積
を変更する際には、それぞれ流路深さ、流路幅、あるい
は流路本数を変更することにより設定することができ
る。
【００４３】具体的には、図６に示すように、板状の第
１セパレータ２８ａに設けられる酸化剤ガス流路４６ａ
の流路深さに対し、板状の中間セパレータ３２ａに設け
られる酸化剤ガス流路５８ａの流路深さが浅く設定され
るとともに、前記中間セパレータ３２ａの燃料ガス流路
５６ａの流路深さに対して、板状の第２セパレータ３０
ａに設けられている燃料ガス流路５２ａの流路深さが小
さく設定される。これにより、第１および第２単位セル
１４、１６の薄肉化が図られ、セルアセンブリ１０全体
の小型化が容易に可能になる。
【００４４】また、図７に示すように、中間セパレータ
３２ｂおよび第２セパレータ３０ｂにおいて、入口側の
燃料ガス流路５６ｂの流路幅よりも、出口側の燃料ガス
流路５２ｂの流路幅が小さく設定される。このため、第
１および第２単位セル１４、１６同士の接触面積が増大
し、接触抵抗の低減を図ることができる。なお、図示し
ないが、酸化剤ガス流路も同様である。
【００４５】さらに、図８に示すように、板状の第１セ
パレータ２８ｃ、中間セパレータ３２ｃおよび第２セパ
レータ３０ｃにおいて、入口側の酸化剤ガス流路４６ｃ
および燃料ガス流路５６ｃの流路本数よりも、出口側の
酸化剤ガス流路５８ｃおよび燃料ガス流路５２ｃの流路
本数が減少される。これにより、上記と同様に、第１お
よび第２単位セル１４、１６同士の接触面積を有効に増
加させることが可能になる。
【００４６】さらにまた、第１および第２単位セル１
４、１６内における排水性の向上を図るためには、出口
側である第２単位セル１６内のガス流路長を入口側の第
１単位セル１４のガス流路長よりも長く設定すればよ
い。出口側ほど生成水の量が増加し、この出口側のガス
流路長を長尺化させることによって圧力降下を惹起さ
せ、生成水の排水性を向上させることができるからであ
る。
【００４７】具体的には、図９に示すように、例えば、
中間セパレータ３２に直線状の燃料ガス流路５６が設け
られる一方、第２セパレータ３０ｄには、蛇行する燃料
ガス流路５２ｄが設けられている。従って、出口側の燃
料ガス流路５２ｄのガス流路長は、入口側の燃料ガス流
路５６のガス流路長よりも有効に長尺化される。なお、
この蛇行形状の燃料ガス流路５２ｄに代替して、屈曲乃
至湾曲する燃料ガス流路を採用することもできる。
【００４８】また、第１の実施形態では、セルアセンブ
リ１０が複数個、例えば、２個の単位セル１４、１６か
ら一体的に構成されるため、このセルアセンブリ１０と
して取り扱うことにより、各単位セル毎に取り扱われる
従来構成に比べて、燃料電池スタック１２を組み立てる
際の作業性が有効に簡素化する。
【００４９】さらに、第１の実施形態では、第１および
第２単位セル１４、１６によりセルアセンブリ１０が一
体的に構成されるとともに、前記第１および第２単位セ
ル１４、１６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８およ
び燃料ガス流路５６、５２が、酸化剤ガス中間連通孔４
０および燃料ガス中間連通孔３８を介して、少なくとも
一部分を直列的に連通している。これにより、入口側の
酸化剤ガス流路４６および燃料ガス流路５６には、第１
および第２単位セル１４、１６全体の反応に必要な量の
酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス
流路４６および前記燃料ガス流路５６には、通常の単位
セルの２倍の流量が流されることになる。
【００５０】従って、特に、生成水が発生する酸化剤ガ
ス流路４６、５８での排水性が向上し、第１および第２
単位セル１４、１６における湿度の均一化を図ることが
できる。このため、第１および第２単位セル１４、１６
の電流密度分布を均一にして、濃度過電圧を低減するこ
とが可能になるという効果が得られる。
【００５１】さらに、第１および第２単位セル１４、１
６にわたって酸化剤ガス流路４６、５８および燃料ガス
流路５６、５２が直列的に連通するため、酸化剤ガス入
口３６ａおよび燃料ガス入口４２ａに供給される酸化剤
ガスおよび燃料ガスの流速は、従来の単位セルに比べて
増加する。従って、第１および第２単位セル１４、１６
内で発生する生成水を有効に排出することができ、セル
アセンブリ１０全体の排水性が大幅に向上する。
【００５２】次に、上記のセルアセンブリ１０および燃
料電池スタック１２を用いて、本発明に係る運転方法に
ついて説明する。なお、基本的な動作については、セル
アセンブリ１０および燃料電池スタック１２の動作で説
明しており、以下に概略的に説明する。
【００５３】本発明の運転方法では、第１および第２単
位セル１４、１６を互いに異なる条件で運転しており、
具体的には、以下の第１乃至第４の方法が採用されてい
る。
【００５４】まず、第１の方法では、上流側の第１単位
セル１４の温度に対して、下流側の第２単位セル１６の
温度を高温にしている。例えば、カソード側電極２４
ａ、２４ｂにおいて説明すると、図１０に示すように、
第１単位セル１４側に比べて第２単位セル１６側のガス
流路内温度を高くすることにより、前記第１および第２
単位セル１４、１６のガス流路内相対湿度が、図１１に
示す状態となる。第１単位セル１４では、２セル分の酸
化剤ガスが供給されるために湿度変化が低減される一
方、第２単位セル１６では、セル温度が高くなって相対
湿度が低減されるからである。
【００５５】これにより、第１および第２単位セル１
４、１６における相対湿度を均一化することができ、電
解質膜２２ａ、２２ｂのイオン導電性を向上させ、濃度
過電圧の低減を図ることが可能となる。
【００５６】また、本発明の第２の方法では、第１単位
セル１４を流れる酸化剤ガスおよび燃料ガスの流速に対
して、第２単位セル１６を流れる前記酸化剤ガスおよび
前記燃料ガスの流速を高くしている。特に、酸化剤ガス
の出口側に向かうほど生成水が多量に発生しており、流
れ方向下流側の第２単位セル１６を流れる酸化剤ガスの
流速を高く設定することにより、前記生成水の排水性が
向上するという利点がある。
【００５７】さらに、本発明の第３の方法では、第１単
位セル１４の反応ガス出口である酸化剤ガス中間連通孔
４０での湿度に対して、第２単位セル１６の反応ガス入
口である酸化剤ガス入口３６ａでの湿度を低くしている
（図１１中、実線参照）。
【００５８】さらにまた、本発明の第４の方法では、第
１単位セル１４での反応ガスの利用率に対して第２単位
セル１６の反応ガスの利用率を高くしている。このた
め、セルアセンブリ１０全体としての利用率が向上し、
反応ガスの使用量を有効に削減させることが可能にな
る。
【００５９】図１２は、本発明の第２の実施形態に係る
セルアセンブリ８０の要部分解斜視図である。なお、第
１の実施形態に係るセルアセンブリ１０と同一の構成要
素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略
する。以下に示す第３の実施形態以降も同様である。
【００６０】このセルアセンブリ８０は、第１および第
２接合体８２、８４を備える。第１接合体８２は、フッ
素系の電解質膜８６を有するとともに、第２接合体８４
は、炭化水素系の電解質膜８８を有している。
【００６１】このように構成される第２の実施形態で
は、反応ガスの流れ方向下流側の第２接合体８４が流れ
方向上流側の第１接合体８２に比べて高温となるため、
前記第２接合体８４に耐熱性を有する炭化水素系の電解
質膜８８が設けられている。これにより、第２接合体８
４の耐用性が向上し、長期間にわたって使用することが
でき、経済的なものとなる。
【００６２】図１３は、本発明の第３の実施形態に係る
固体高分子型セルアセンブリ１００の要部分解斜視図で
ある。
【００６３】セルアセンブリ１００は、第１および第２
単位セル１０２、１０４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構
成される。第１および第２単位セル１０２、１０４は、
第１および第２接合体１０６、１０８を備えるととも
に、前記第１および第２接合体１０６、１０８が、第１
セパレータ１１０、第２セパレータ１１２および中間セ
パレータ１１４で挟持されている。
【００６４】第１および第２単位セル１０２、１０４の
長辺側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、
酸化剤ガス入口３６ａ、燃料ガス出口４２ｂおよび冷却
媒体入口４４ａが設けられるとともに、長辺側の他端縁
部には、同様に、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤
ガス出口３６ｂ、燃料ガス入口４２ａおよび冷却媒体出
口４４ｂが設けられる。
【００６５】第１セパレータ１１０の一方の面には、複
数本の冷却媒体流路４８が設けられている。この冷却媒
体流路４８は、一端が冷却媒体入口４４ａに連通すると
ともに、他端が冷却媒体出口４４ｂに連通して、矢印Ｂ
方向に直線状に延在している。
【００６６】第１セパレータ１１０の他方の面には、図
１４に示すように、複数本の燃料ガス流路５６が矢印Ｂ
方向に直線状に設けられており、前記燃料ガス流路５６
は、燃料ガス入口４２ａと燃料ガス出口４２ｂとに両端
が連通している。この燃料ガス流路５６は、例えば、溝
深さが燃料ガス出口４２ｂ側に向かって浅くなるように
構成されている。
【００６７】第２セパレータ１１２は、第２接合体１０
８を構成するカソード側電極２４ｂに対向する面側に、
複数本の酸化剤ガス流路５８が矢印Ｂ方向に直線状に設
けられている。この酸化剤ガス流路５８は、酸化剤ガス
入口３６ａと酸化剤ガス出口３６ｂとに両端が連通して
いる。
【００６８】中間セパレータ１１４は、第１接合体１０
６を構成するカソード側電極２４ａに対向する面側に酸
化剤ガス流路４６が直線状に設けられるとともに、前記
酸化剤ガス流路４６の両端が酸化剤ガス入口３６ａおよ
び酸化剤ガス出口３６ｂに連通する部位には、絞り部１
１６ａ、１１６ｂが形成される。中間セパレータ１１４
の第２接合体１０８を構成するアノード側電極２６ｂに
対向する面側には、第１セパレータ１１０と同様に、燃
料ガス流路５２が形成されている（図１５参照）。
【００６９】このように構成されるセルアセンブリ１０
０では、冷却媒体流路４８が第２セパレータ１１２の酸
化剤ガス流路５８とは反対側の面に設けられている。こ
のため、第２セパレータ１１２の酸化剤ガス流路５８が
冷却媒体を介して冷却されて低温側となる一方、中間セ
パレータ１１４の酸化剤ガス流路４６は、冷却され難く
高温側となり、第１および第２単位セル１０２、１０４
間で異なる温度環境が発生する。その際、低温側の第２
セパレータ１１２では、酸化剤ガス流路５８に生成水が
存在し、流路または拡散層や触媒層に水が溜まり、前記
酸化剤ガス流路５８が閉塞されるおそれがある。
【００７０】そこで、第３の実施形態では、第２セパレ
ータ１１２に設けられている酸化剤ガス流路５８におけ
る流量の増加による湿度の均一化や、流速の増加による
生成水排水性の向上を図る構造を採用している。すなわ
ち、高温側の中間セパレータ１１４に設けられている酸
化剤ガス流路４６の酸化剤ガス入口３６ａおよび酸化剤
ガス出口３６ｂに連通する部位には、絞り部１１６ａ、
１１６ｂが設けられる（図１３参照）。これにより、中
間セパレータ１１４の酸化剤ガス流路４６での酸化剤ガ
ス流量に比べ、第２セパレータ１１２の酸化剤ガス流路
５８での酸化剤ガス流量が増加している。
【００７１】このため、第３の実施形態では、低温側の
第２セパレータ１１２から生成水を確実に排出し、湿度
の均一化を図るとともに、高温側の中間セパレータ１１
４を流れる酸化剤ガスの流量および流速が減少すること
によって、第１接合体１０６の乾燥を防ぐことが可能に
なるという効果が得られる。
【００７２】なお、第３の実施形態では、高温側の酸化
剤ガス流路４６の両端側に絞り部１１６ａ、１１６ｂを
設けているが、これに代替して、低温側の酸化剤ガス流
路５８の溝深さを前記高温側の酸化剤ガス流路４６の溝
深さよりも浅くすることにより、容易に対応することが
できる。
【００７３】図１６は、本発明の第４の実施形態に係る
固体高分子型セルアセンブリ１２０の要部分解斜視図で
ある。なお、第３の実施形態に係るセルアセンブリ１０
０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その
詳細な説明は省略する。
【００７４】セルアセンブリ１２０は、第１単位セル１
２２と第２単位セル１２４と第３単位セル１２６とを、
互いに矢印Ａ方向に重ね合わせて構成されている。第１
乃至第３単位セル１２２、１２４および１２６は、第１
乃至第３接合体１０６、１０８および１２８を備え、こ
の第１乃至第３接合体１０６、１０８および１２８が、
第１セパレータ１１０、第２セパレータ１１２並びに第
１および第２中間セパレータ１１４ａ、１１４ｂで挟持
されている。
【００７５】セルアセンブリ１２０内では、第１乃至第
３単位セル１２２、１２４および１２６においてそれぞ
れ異なる温度環境が発生し、特に、第２接合体１０８
が、第１および第３接合体１０６、１２８に比べて高温
となり易い。
【００７６】そこで、比較的低温の第１および第３接合
体１０６、１２８は、低温域で安定した性能が得られる
フッ素系の電解質膜８６を備える一方、比較的高温とな
る第２接合体１０８は、高温に耐え得る炭化水素系の電
解質膜８８を備えている。さらに、第１および第３接合
体１０６、１２８では湿度が高くなるため、排水性にす
ぐれた触媒層や拡散層を使用する一方、第２接合体１０
８では湿度が低くなるため、自己加湿膜や保水性のある
拡散層を使用する。
【００７７】このように構成されるセルスタック１２０
では、異なる種類の第１乃至第３接合体１０６、１０８
および１２８を使用することにより、異なる温度環境に
対応して性能の向上を図ることができるという効果が得
られる。
【００７８】図１７は、本発明の第５の実施形態に係る
固体高分子型セルアセンブリ１４０の要部分解斜視図で
ある。
【００７９】セルアセンブリ１４０は、第１および第２
単位セル１４２、１４４を重ね合わせて構成されてお
り、前記第１および第２単位セル１４２、１４４は、第
１および第２接合体１４６、１４８を備える。第１およ
び第２接合体１４６、１４８は、第１および第２セパレ
ータ１５０、１５２と第１および第２中間セパレータ１
５４、１５６とにより挟持されるとともに、前記第１お
よび第２中間セパレータ１５４、１５６間には平板状の
整流板１５８が介装される。
【００８０】セルアセンブリ１４０の長辺側の一端縁部
には、燃料ガス入口４２ａ、酸化剤ガス中間連通孔４０
および燃料ガス出口４２ｂが矢印Ａ方向に連通して設け
られるとともに、前記セルアセンブリ１４０の長辺側の
他端縁部には、酸化剤ガス入口３６ａ、冷却媒体入口４
４ａ、燃料ガス中間連通孔３８、冷却媒体出口４４ｂお
よび酸化剤ガス出口３６ｂが矢印Ａ方向に連通して設け
られている。
【００８１】第１および第２中間セパレータ１５４、１
５６の互いに整流板１５８に対向する面には、冷却媒体
流路５４が直線状に設けられており、前記第１中間セパ
レータ１５４では、冷却媒体入口４４ａに前記冷却媒体
流路５４の一端が連通するとともに、該冷却媒体流路５
４の他端が整流板１５８で折り返して第２中間セパレー
タ１５６に設けられている冷却媒体流路５４に連通して
いる。この冷却媒体流路５４は、第２中間セパレータ１
５６の冷却媒体出口４４ｂに連通している。
【００８２】このように構成されるセルアセンブリ１４
０内では、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体は、図
１８に示す流れ方向に沿って直列的に第１および第２単
位セル１４２、１４４に送られる。その際、第１および
第２単位セル１４２、１４４間には、整流板１５８を介
して冷却媒体流路５４が形成されている。これにより、
特に、セルアセンブリ１４０の内部で過度に温度が上昇
することを確実に阻止することができる。
【００８３】図１９は、本発明の第６の実施形態に係る
固体高分子型セルアセンブリ１６０の要部分解斜視図で
ある。なお、図１７に示す第５の実施形態に係るセルア
センブリ１４０と同一の構成要素には同一の参照符号を
付して、その詳細な説明は省略する。
【００８４】セルアセンブリ１６０は、第１および第２
単位セル１６２、１６４を矢印Ａ方向に重ね合わせて構
成されており、酸化剤ガス中間連通孔４０を設けていな
い。このため、セルアセンブリ１６０内では、図２０に
示すように、燃料ガスが第１単位セル１６２から第２単
位セル１６４に直列的に連通される燃料ガス流路５６、
５２に沿って流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス流路
４６、５８を介して前記第１および第２単位セル１６
２、１６４に個別に、すなわち、並列的に流されてい
る。
【００８５】このように、粘度の小さい燃料ガスが直列
的に連通される燃料ガス流路５６、５２に沿って流され
るため、流量長が長尺化されて十分な圧力損失を与える
ことができ、アノード側電極２６ａ、２６ｂからの生成
水を有効に排出することが可能になるという利点があ
る。
【００８６】
【発明の効果】本発明に係る固体高分子型セルアセンブ
リおよび燃料電池スタックでは、複数個の単位セルを重
ね合わせてセルアセンブリが構成されるとともに、少な
くとも２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定さ
れており、各単位セル毎に反応に最適な構造を採用する
ことが可能になって、発電機能を有効に向上させること
ができる。
【００８７】また、本発明に係る燃料電池の運転方法で
は、各単位セルが互いに異なる条件で運転されるため、
各単位セル毎に最適な運転条件が設定され、発電性能や
排水性の向上が容易に遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体高分子型セ
ルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリの一部断面説明図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成する第１セパレータ
の正面図である。
【図５】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図６】流路断面積を、流路深さを異にして設定する際
の説明図である。
【図７】前記流路断面積を、流路幅を異ならせて設定す
る際の説明図である。
【図８】前記流路断面積を、流路本数を異ならせて設定
する際の説明図である。
【図９】流路長を変更した前記セルアセンブリの分解斜
視説明図である。
【図１０】第１および第２単位セル内のカソード温度の
説明図である。
【図１１】前記第１および第２単位セル内のカソード相
対湿度の説明図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る固体高分子型
セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る固体高分子型
セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図１４】前記セルアセンブリを構成する第１セパレー
タの正面図である。
【図１５】前記第３の実施形態に係るセルアセンブリの
流れ図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る固体高分子型
セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態に係る固体高分子型
セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図１８】前記第５の実施形態に係るセルアセンブリの
流れ図である。
【図１９】本発明の第６の実施形態に係る固体高分子型
セルアセンブリの要部分解斜視図である。
【図２０】前記第６の実施形態に係るセルアセンブリの
流れ図である。
【符号の説明】
１０、８０、１００、１２０、１４０、１６０…セルア
センブリ １２…燃料電池スタック １４、１６、１０２、１０４、１２２、１２４、１２
６、１４２、１４４、１６２、１６４…単位セル １８、２０、８２、８４、１０６、１０８、１２８、１
４６、１４８…接合体 ２２ａ、２２ｂ、８６、８８…電解質膜 ２４ａ、２４ｂ…カソード側電極 ２６ａ、２６ｂ…
アノード側電極 ２８、２８ａ〜２８ｃ、３０、３０ａ〜３０ｄ、１１
０、１１２、１５０、１５２…セパレータ ３２、３２ａ〜３２ｃ、１１４、１５４、１５６…中間
セパレータ ３６ａ…酸化剤ガス入口 ３６ｂ…酸化剤ガ
ス出口 ３８…燃料ガス中間連通孔 ４０…酸化剤ガス
中間連通孔 ４２ａ…燃料ガス入口 ４２ｂ…燃料ガス
出口 ４４ａ…冷却媒体入口 ４４ｂ…冷却媒体
出口 ４６、４６ａ〜４６ｃ、５８、５８ａ〜５８ｃ…酸化剤
ガス流路 ４８、５４…冷却媒体流路 ５０…孔部 ５２、５２ａ〜５２ｄ、５６、５６ａ〜５６ｃ…燃料ガ
ス流路 ６４ａ…酸化剤ガス供給口 ６４ｂ…酸化剤ガ
ス排出口 １１６ａ、１１６ｂ…絞り部 １５８…整流板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 円城寺 直之 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 杉田 成利 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 CC05 CC08 CC10 EE19

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固体高分子電解質膜をアノード側電極とカ
    ソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位
    セルを備え、 複数個の前記単位セルを重ね合わせてセルアセンブリを
    一体的に構成するとともに、 複数個の前記単位セルは、少なくとも２つが互いに異な
    る構造に設定されることを特徴とする固体高分子型セル
    アセンブリ。
  2. 【請求項２】請求項１記載のセルアセンブリにおいて、
    少なくとも２個の前記単位セルに設けられ、燃料ガスま
    たは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流す反応
    ガス流路は、それぞれの流路断面積が異なることを特徴
    とする固体高分子型セルアセンブリ。
  3. 【請求項３】請求項２記載のセルアセンブリにおいて、
    それぞれの流路断面積は、それぞれ流路深さ、流路幅ま
    たは流路本数の少なくとも１つが異なることにより設定
    されることを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
  4. 【請求項４】請求項１記載のセルアセンブリにおいて、
    少なくとも２個の前記単位セルは、それぞれの反応ガス
    流路長が異なることを特徴とする固体高分子型セルアセ
    ンブリ。
  5. 【請求項５】請求項１記載のセルアセンブリにおいて、
    少なくとも２個の前記単位セルは、それぞれの反応ガス
    流路形状が異なることを特徴とする固体高分子型セルア
    センブリ。
  6. 【請求項６】請求項１記載のセルアセンブリにおいて、
    少なくとも２個の前記単位セルは、それぞれ異なる接合
    体を備えることを特徴とする固体高分子型セルアセンブ
    リ。
  7. 【請求項７】請求項６記載のセルアセンブリにおいて、
    前記反応ガス流路の流れ方向上流側の接合体は、流れ方
    向下流側の接合体に比べて耐熱性が高く設定されること
    を特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
  8. 【請求項８】請求項７記載のセルアセンブリにおいて、
    比較的低温となる接合体は、フッ素系の膜を備える一
    方、 比較的高温となる接合体は、炭化水素系の膜を備えるこ
    とを特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
  9. 【請求項９】請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセ
    ルアセンブリにおいて、前記セルアセンブリ内では、複
    数個の前記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少な
    くとも一方の反応ガスを流す反応ガス流路が、少なくと
    も一部分を各単位セルにわたって直列的に連通すること
    を特徴とする固体高分子型セルアセンブリ。
  10. 【請求項１０】固体高分子電解質膜をアノード側電極と
    カソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単
    位セルが、複数個重ね合わされるとともに、少なくとも
    ２つの前記単位セルが互いに異なる構造に設定されるセ
    ルアセンブリを備え、 複数個の前記セルアセンブリを重ね合わせて構成するこ
    とを特徴とする燃料電池スタック。
  11. 【請求項１１】固体高分子電解質膜をアノード側電極と
    カソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単
    位セルが、複数個重ね合わされて構成される固体高分子
    型セルアセンブリを運転するための燃料電池の運転方法
    であって、 前記単位セルは、少なくとも２つが互いに異なる条件で
    運転されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
  12. 【請求項１２】請求項１１記載の運転方法において、一
    方の単位セルの温度に対して、他方の単位セルの温度を
    高温にすることを特徴とする燃料電池の運転方法。
  13. 【請求項１３】請求項１１記載の運転方法において、一
    方の単位セルを流れる前記反応ガスの流速に対して、他
    方の単位セルを流れる前記反応ガスの流速を高くするこ
    とを特徴とする燃料電池の運転方法。
  14. 【請求項１４】請求項１１記載の運転方法において、一
    方の単位セルの反応ガス出口での湿度に対して、他方の
    単位セルの反応ガス入口での湿度を低くすることを特徴
    とする燃料電池の運転方法。
  15. 【請求項１５】請求項１１記載の運転方法において、一
    方の単位セルの反応ガスの利用率に対して、他方の単位
    セルの反応ガスの利用率を高くすることを特徴とする燃
    料電池の運転方法。
  16. 【請求項１６】固体高分子電解質膜をアノード側電極と
    カソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単
    位セルが、複数個重ね合わされてセルアセンブリを構成
    するとともに、前記セルアセンブリ内では、複数個の前
    記単位セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一
    方の反応ガスを流す複数の反応ガス流路が、少なくとも
    一部分を各単位セルにわたって直列的に連通している固
    体高分子型セルアセンブリを運転するための燃料電池の
    運転方法であって、 前記単位セルは、少なくとも２つが互いに異なる条件で
    運転されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
  17. 【請求項１７】請求項１６記載の運転方法において、前
    記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルの温度に対し
    て、流れ方向下流側の単位セルの温度を高温にすること
    を特徴とする燃料電池の運転方法。
  18. 【請求項１８】請求項１６記載の運転方法において、前
    記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルを流れる前記反
    応ガスの流速に対して、流れ方向下流側の単位セルを流
    れる前記反応ガスの流速を高くすることを特徴とする燃
    料電池の運転方法。
  19. 【請求項１９】請求項１６記載の運転方法において、前
    記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルの反応ガス出口
    での湿度に対して、流れ方向下流側の単位セルの反応ガ
    ス入口での湿度を低くすることを特徴とする燃料電池の
    運転方法。
  20. 【請求項２０】請求項１６記載の運転方法において、前
    記反応ガスの流れ方向上流側の単位セルの反応ガスの利
    用率に対して、流れ方向下流側の単位セルの反応ガスの
    利用率を高くすることを特徴とする燃料電池の運転方
    法。
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