JP2004327063A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質膜全面を湿潤状態に維持するとともに、液状水を確実に排出して安定した発電を行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６を鉛直方向に積層する。発電セル１６は、第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａに燃料ガス流路５２が形成される一方、第２セパレータ３４のカソード側流路面３４ａに反応用空気流路５６が形成される。第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａおよび第２セパレータ３４のカソード側流路面３４ａは、水平面と平行に配置されるとともに、前記アノード側流路面３２ａが電解質膜・電極構造体３０の上方に、かつ、前記カソード側流路面３４ａが前記電解質膜・電極構造体３０に下方に設けられる。
【選択図】図２
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６を鉛直方向に積層する。発電セル１６は、第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａに燃料ガス流路５２が形成される一方、第２セパレータ３４のカソード側流路面３４ａに反応用空気流路５６が形成される。第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａおよび第２セパレータ３４のカソード側流路面３４ａは、水平面と平行に配置されるとともに、前記アノード側流路面３２ａが電解質膜・電極構造体３０の上方に、かつ、前記カソード側流路面３４ａが前記電解質膜・電極構造体３０に下方に設けられる。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルが鉛直方向に積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、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いる。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池（発電セル）が構成されている。
【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は、電極触媒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は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】
通常、所望の発電力を得るために、所定数の燃料電池を積層した燃料電池スタックが使用されている。この燃料電池スタックには、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するためのコンプレッサまたはブロアや、反応ガス（反応用空気および燃料ガス）を加湿するための加湿器や、運転温度を最適に維持するための温度調整機器等の周辺補器が組み込まれている。
【０００５】
上記の燃料電池スタックでは、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、例えば、特許文献１には、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
ところで、上記の特許文献１では、図８に示すように、ＭＥＡ１をエアフレーム（カソード側セパレータ）２および水素フレーム（アノード側セパレータ）３で挟んで単位セル４が構成されるとともに、各単位セル４間にセパレータ５が介装されている。単位セル４、セパレータ５および冷却セパレータ６により繰り返しユニットが構成されており、この冷却セパレータ６は、左側冷却セパレータ６ａと右側冷却セパレータ６ｂとを有している。
【０００７】
エアフレーム２には、複数の流路溝を備えて略Ｓ字状に蛇行する空気流路７が形成されている。この空気流路７は、上部側の空気入口が空気供給マニホールド２ａに連通し、下部側の空気出口が空気排出マニホールド２ｂに連通している。水素フレーム３には、複数の流路溝を備えて重力方向に延在する水素流路８が形成されている。この水素流路８は、上部側の水素入口が水素供給マニホールド３ａに連通し、下部側の水素出口が水素排出マニホールド３ｂに連通している。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第１３欄第１行〜第１４行、図４、図７、図１１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、特許文献１では、空気流路７および水素流路８の流れ方向が重力方向に設定されており、反応生成水が重力方向に沿って前記空気流路７および前記水素流路８の下方に流れ易い。このため、空気供給マニホールド２ａ付近および水素供給マニホールド３ａ付近では、生成水を電解質膜の湿潤状態を維持するために使用することができない。
【００１０】
しかしながら、固体高分子型の燃料電池スタックでは、水素イオンの伝導率を維持するために、電解質膜中を湿潤状態に確保する必要がある。従って、空気または水素の少なくとも一方を加湿して燃料電池スタックに供給しなければならず、例えば、加湿器および加湿に付随する制御システムや加湿セクション（特許文献１参照）が使用されており、設備全体を有効に小型化することができないという問題がある。
【００１１】
さらに、特許文献１では、燃料電池の運転温度が、通常の運転温度である７０℃〜８０℃よりも比較的低い温度、例えば、５０℃程度に設定されている。このため、燃料電池の発電により生成される水が凝縮し、空気流路７内に液状水として存在する場合が多い。さらに、液状水の一部は、電解質膜を拡散して水素流路８内に存在する場合がある。
【００１２】
その際、上記の特許文献１では、空気流路７および水素流路８に対して空気および水素が低圧かつ低流量で供給されるため、前記空気流路７および前記水素流路８から液状水を確実に排出することができない。これにより、空気および水素の供給が阻害されてしまい、発電性能が低下して安定した発電が遂行されないという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質膜全面を湿潤状態に維持するとともに、液状水を確実に排出して安定した発電を行うことが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルを鉛直方向に積層するとともに、作動温度が６０℃以下に設定される。
【００１５】
そして、アノード側セパレータのアノード側流路面には、アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路が設けられ、カソード側セパレータのカソード側流路面には、カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が設けられるとともに、前記アノード側流路面および前記カソード側流路面は、水平面と平行に配置されている。
【００１６】
このため、生成水が液状水として存在し易くなり、この液状水は、水平面に平行なカソード側流路面の面方向に沿って均一に広がるとともに、前記液状水の一部が電解質膜の面方向に均一に浸透し、アノード側流路面の面方向に沿って均一に広がる。従って、電解質膜全面の湿潤状態を維持することができ、水素イオンの伝導率を適正に保持して発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することが可能になる。
【００１７】
さらに、アノード側流路面が電解質膜・電極構造体の上方に設けられる一方、カソード側流路面が前記電解質膜・電極構造体の下方に設けられている。その際、カソード側流路面に設けられている酸化剤ガス流路は、通常、アノード側流路面に設けられている燃料ガス流路よりも開口断面積が大きい。これは、酸化剤ガスとして、一般的に空気が用いられるからである。
【００１８】
このため、発電を停止した際に、発電セル内に残留する生成水は、電解質膜・電極構造体の下方に配置されている酸化剤ガス流路側に移動し、上方に配置されている燃料ガス流路に生成水が滞留することを阻止することができる。これにより、燃料電池スタックを再始動させる際に、燃料ガス流路が生成水によって閉塞されることがなく、燃料ガスを確実に供給することができる一方、酸化剤ガス流路に移動した水は、開口断面積の大きな酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスにより排出され、所望の発電が遂行される。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが無加湿状態で供給されるため、加湿器および該加湿器用の制御システムや加湿セクション等が不要になる。このため、燃料電池スタック全体を小型化かつ経済的に構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略一部分解斜視図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向一端（鉛直方向下端）には、集電用ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａおよびエンドプレート２４ａが下方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端（鉛直方向上端）には、集電用ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂおよびエンドプレート２４ｂが上方に向かって、順次、配設される。
【００２２】
図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、隣接する各発電セル１６間には、シール部材３６ｂが介装される。
【００２３】
発電セル１６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するための反応用空気供給連通孔３８と、冷却用空気を供給するための冷却用空気供給連通孔４０とが設けられる。冷却用空気供給連通孔４０は、反応用空気供給連通孔３８よりも開口面積が大きく設定される。
【００２４】
発電セル１６の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｂ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２５】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図２および図３参照）。
【００２６】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００２７】
図４に示すように、第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かうアノード側流路面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部５３により構成される。
【００２８】
図５に示すように、第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、両端が互いに平行に延在しかつ中央部が傾斜する複数本の溝部５５により構成される。冷却用空気流路５４は、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気入口５４ａと、第１セパレータ３２の側部から外方に開放される冷却用空気出口５４ｂとを有する。
【００２９】
図６に示すように、第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かうカソード側流路面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す複数の蛇行する溝部５７を備える反応用空気流路５６が設けられる。この反応用空気流路５６は、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気入口５６ａと、第２セパレータ３４の側部から、すなわち、発電セル１６の側部から外方に開放される反応用空気出口５６ｂとを有する。
【００３０】
図２に示すように、第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａおよび第２セパレータ３４のカソード側流路面３４ａは、水平面と平行に配置されるとともに、前記アノード側流路面３２ａが電解質膜・電極構造体３０の上方に、かつ、前記カソード側流路面３４ａが前記電解質膜・電極構造体３０に下方に設けられる。
【００３１】
図３に示すように、反応用空気流路５６の各溝部５７の開口断面積は、燃料ガス流路５２の各溝部５３の開口断面積より大きく設定される。例えば、溝部５７と溝部５３は、同一の幅寸法を有しかつ深さが５：３に設定される。純水素と純酸素は、理想的には、２：１のガス量比に設定されるが、酸素として空気を使用すると、水素と空気は、１：２．５の体積比になり、さらにそれぞれの利用率が考慮される。これらの条件に基づいて、溝部５３、５７の開口断面積が設定される。
【００３２】
図１に示すように、エンドプレート２４ａには、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気供給口６０が形成された第１ブロック６０ａと、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気供給口６２が形成された第２ブロック６２ａと、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４が形成された第３ブロック６４ａと、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６が形成された第４ブロック６６ａとが設けられる。
【００３３】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、図示しないカラーを介してバックアッププレート７０ａ、７０ｂが配設される。バックアッププレート７０ａ、７０ｂは、左右にそれぞれ２本ずつ配置される締め付けロッド７２により積層方向に締め付け保持される。ターミナルプレート２０ａ、２０ｂには、例えば、モータ等の外部負荷７４が接続される。
【００３４】
第１ブロック６０ａには、反応用空気供給口６０に反応用空気を供給するための第１ブロア８０が接続され、第２ブロック６２ａには、冷却用空気供給口６２に冷却用空気を供給するための第２ブロア８２が接続される。第３ブロック６４ａには、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための水素ボンベ８４が減圧弁８６を介して接続される。
【００３５】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、燃料ガス（水素ガス）では、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２ 当たりの水素供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率１００％）〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率１０％）に調整される。一方、反応用空気では、反応用空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの反応用空気供給量が０．００３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率１００％）〜０．０３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率１０％）に調整される。
【００３７】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、水素ボンベ８４から減圧弁８６を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、上記の水素供給量に調整されて燃料ガス供給口６４から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２を鉛直上方向に移動して第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図３および図４参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って水平面を平行に移動する。
【００３８】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア８０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に加圧され、上記の反応用空気供給量に調整されて反応用空気供給口６０から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、反応用空気が反応用空気供給連通孔３８に供給され、この反応用空気供給連通孔３８を鉛直上方向に移動して第２セパレータ３４の反応用空気流路５６に導入される（図３および図６参照）。このため、反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って蛇行しながら水平面に平行して移動する。
【００３９】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極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（図２および図３参照）。
【００４０】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア８２を介して冷却用空気供給口６２から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、冷却用空気が冷却用空気供給連通孔４０に供給され、この冷却用空気供給連通孔４０を鉛直上方向に移動して第１セパレータ３２の冷却用空気流路５４に導入される（図３および図５参照）。このため、冷却用空気は、電解質膜・電極構造体３０に沿って移動し、各発電セル１６の運転温度が６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃になるように冷却する。
【００４１】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて鉛直下方向に流動し、燃料ガス排出口６６から外部に排出される。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂから外部に排出される。
【００４２】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。その際、本実施形態では、カソード側流路面３４ａおよびアノード側流路面３２ａが水平面と平行に配置されている。従って、液状水は、カソード側流路面３４ａの面方向に沿って均一に広がるとともに、前記液状水の一部が固体高分子電解質膜４６の面方向に均一に浸透し、アノード側流路面３２ａの面方向に沿って均一に広がる。
【００４３】
このため、固体高分子電解質膜４６全体の湿潤状態を維持することができ、水素イオンの伝導率を適正に保持して、発電セル１６の発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することが可能になる。
【００４４】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿状態で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００４５】
しかも、上記のように、反応生成水を用いて固体高分子電解質膜４６を所望の湿潤状態に維持することができ、水素ボンベ８４から燃料電池スタック１０内に供給される燃料ガスの加湿を行う必要がない。一方、反応用空気は、第１ブロア８０から燃料電池スタック１０に供給される際に、加湿を行う必要がない。
【００４６】
このため、燃料ガスおよび反応用空気を、加湿せずに、すなわち、無加湿状態で、燃料電池スタック１０に供給することが可能となり、加湿器や加湿用の制御システム等が不要になる。これにより、燃料電池スタック１０全体を有効に小型化かつ経済的に構成することができるという利点が得られる。
【００４７】
さらに、アノード側流路面３２ａが電解質膜・電極構造体３０の上方に設けられる一方、カソード側流路面３４ａが前記電解質膜・電極構造体３０に下方に設けられている。カソード側流路面３４ａに設けられている反応用空気流路５６は、アノード側流路面３２ａに設けられている燃料ガス流路５２よりも開口断面積が大きい。
【００４８】
従って、生成水の一部は、電解質膜・電極構造体３０を透過してカソード側流路面３４ａに到達し、水平面に平行な反応用空気流路５６に略均一に広がる。そして、反応用空気流路５６の各溝部５７内に浅く蓄積される液状水は、この反応用空気流路５６を流通する反応用空気を介して外部に排出される。このため、反応用空気が低圧かつ低流量であっても、液状水を確実に排出することが可能になり、安定した発電が容易に遂行される。
【００４９】
さらにまた、燃料電池スタック１０の発電を停止した際に、発電セル内に残留する生成水は、電解質膜・電極構造体３０の下方に配置されている開口断面積の大きな反応用空気流路５６側に移動し、上方に配置されている開口断面積の小さな燃料ガス流路５２に生成水が滞留することを阻止することができる。これにより、燃料電池スタック１０を再始動させる際に、燃料ガス流路５２が生成水によって閉塞されることがなく、燃料ガスを確実に供給して所望の発電が遂行されるという効果がある。
【００５０】
実施例
電極面積が１５０ｃｍ２の発電セル１６を１０個だけ鉛直方向に積層し、図１の燃料電池システム１２に組み込んだ実施例を構成して、燃料ガスおよび反応用空気を供給した。そして、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の条件下で発電を開始し、第２ブロア８２の作用下に冷却用空気を２０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ〜３０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎの供給圧力で供給し、作動温度を５０℃近傍に維持した。
【００５１】
次いで、燃料ガスの供給圧力を０．４ｋＰａ〜１ｋＰａ間で領域▲１▼〜▲４▼の４段階に順次変化させるとともに、電極１ｃｍ２当たりの供給量を０．００３４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率４０％）〜０．００２８ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率５０％）、すなわち、発電セル１６当たりの供給量を０．５２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ〜０．４２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ間で順次変化させ、前記燃料ガスを加湿することなく、水素ボンベ８４から供給した。
【００５２】
一方、反応用空気は、加湿することなく、第１ブロア８０から供給圧力を１．１ｋＰａ〜１．３ｋＰａ間で領域▲１▼〜▲４▼の４段階に順次変化させるとともに、電極１ｃｍ２当たりの供給量を０．００８２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率４０％）〜０．００５５ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率６０％）、すなわち、発電セル１６当たりの供給量を１．２４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ〜０．８２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ間で領域▲１▼〜▲４▼の４段階に順次変化させた。
【００５３】
そこで、燃料ガスおよび反応用空気が、水平面と平行に燃料ガス流路５２および反応用空気流路５６に供給されるとともに、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２で作動したとき、燃料電池スタック１０の端子間電圧と１０個の各発電セル１６のセル電圧の変化幅とは、図７に示す値となった。
【００５４】
これにより、燃料電池スタック１０の端子間電圧が相当に高くなるとともに、各発電セル１６のセル電圧の変動幅が極めて小さくなった。従って、各発電セル１６は、液状水の滞留による燃料ガス流路５２の詰まりや、固体高分子電解質膜４６の部分的な乾燥等が良好に阻止され、簡単な構成で、所望の発電性能を確実に保持することが可能になった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの作動温度が６０℃以下に設定されるため、生成水が液状水として存在し易くなり、この液状水は、水平面に平行なカソード側流路面の面方向に沿って均一に広がるとともに、前記液状水の一部が電解質膜の面方向に均一に浸透し、アノード側流路面の面方向に沿って均一に広がる。従って、電解質膜全面の湿潤状態を維持することができ、水素イオンの伝導率を適正に保持して発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することが可能になる。
【００５６】
さらに、アノード側流路面が電解質膜・電極構造体の上方に設けられる一方、カソード側流路面が前記電解質膜・電極構造体の下方に設けられている。このため、発電を停止した際に、発電セル内に残留する生成水は、電解質膜・電極構造体の下方に配置されている酸化剤ガス流路側に移動し、上方に配置されている燃料ガス流路に生成水が滞留することを阻止することができる。これにより、燃料電池スタックを再始動させる際に、燃料ガス流路が生成水によって閉塞されることがなく、燃料ガスを確実に供給して所望の発電が遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの一部断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図７】実施例の燃料電池スタックの端子間電圧とセル電圧の変動幅との結果説明図である。
【図８】特許文献１の燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１６…発電セル １８…積層体
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ…シール部材 ３８…反応用空気供給連通孔
４０…冷却用空気供給連通孔 ４２…燃料ガス供給連通孔
４４…燃料ガス排出連通孔 ４６…固体高分子電解質膜
４８…アノード側電極 ５０…カソード側電極
５２…燃料ガス流路 ５３、５５、５７…溝部
５４…冷却用空気流路 ５４ａ…冷却用空気入口
５４ｂ…冷却用空気出口 ５６…反応用空気流路
５６ａ…反応用空気入口 ５６ｂ…反応用空気出口
６０…反応用空気供給口 ６０ａ、６２ａ、６４ａ、６６ａ…ブロック
６２…冷却用空気供給口 ６４…燃料ガス供給口
６６…燃料ガス排出口 ７０ａ、７０ｂ…バックアッププレート
７４…外部負荷 ８０、８２…ブロア
８４…水素ボンベ ８６…減圧弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルが鉛直方向に積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、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いる。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより、燃料電池（発電セル）が構成されている。
【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は、電極触媒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は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】
通常、所望の発電力を得るために、所定数の燃料電池を積層した燃料電池スタックが使用されている。この燃料電池スタックには、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するためのコンプレッサまたはブロアや、反応ガス（反応用空気および燃料ガス）を加湿するための加湿器や、運転温度を最適に維持するための温度調整機器等の周辺補器が組み込まれている。
【０００５】
上記の燃料電池スタックでは、システム全体の小型化および軽量化が望まれており、周辺補器を削減するとともに、前記周辺補器を作動させるための電力消費を最小化する必要がある。このため、例えば、特許文献１には、空気流路チャンネルから生成水の除去に十分な空気流を維持しながら、空気供給用の電力消費を最小限にし、ネット出力を最大にすることを目的とした燃料電池スタックが開示されている。
【０００６】
ところで、上記の特許文献１では、図８に示すように、ＭＥＡ１をエアフレーム（カソード側セパレータ）２および水素フレーム（アノード側セパレータ）３で挟んで単位セル４が構成されるとともに、各単位セル４間にセパレータ５が介装されている。単位セル４、セパレータ５および冷却セパレータ６により繰り返しユニットが構成されており、この冷却セパレータ６は、左側冷却セパレータ６ａと右側冷却セパレータ６ｂとを有している。
【０００７】
エアフレーム２には、複数の流路溝を備えて略Ｓ字状に蛇行する空気流路７が形成されている。この空気流路７は、上部側の空気入口が空気供給マニホールド２ａに連通し、下部側の空気出口が空気排出マニホールド２ｂに連通している。水素フレーム３には、複数の流路溝を備えて重力方向に延在する水素流路８が形成されている。この水素流路８は、上部側の水素入口が水素供給マニホールド３ａに連通し、下部側の水素出口が水素排出マニホールド３ｂに連通している。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，８７９，８２６号明細書（第１３欄第１行〜第１４行、図４、図７、図１１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、特許文献１では、空気流路７および水素流路８の流れ方向が重力方向に設定されており、反応生成水が重力方向に沿って前記空気流路７および前記水素流路８の下方に流れ易い。このため、空気供給マニホールド２ａ付近および水素供給マニホールド３ａ付近では、生成水を電解質膜の湿潤状態を維持するために使用することができない。
【００１０】
しかしながら、固体高分子型の燃料電池スタックでは、水素イオンの伝導率を維持するために、電解質膜中を湿潤状態に確保する必要がある。従って、空気または水素の少なくとも一方を加湿して燃料電池スタックに供給しなければならず、例えば、加湿器および加湿に付随する制御システムや加湿セクション（特許文献１参照）が使用されており、設備全体を有効に小型化することができないという問題がある。
【００１１】
さらに、特許文献１では、燃料電池の運転温度が、通常の運転温度である７０℃〜８０℃よりも比較的低い温度、例えば、５０℃程度に設定されている。このため、燃料電池の発電により生成される水が凝縮し、空気流路７内に液状水として存在する場合が多い。さらに、液状水の一部は、電解質膜を拡散して水素流路８内に存在する場合がある。
【００１２】
その際、上記の特許文献１では、空気流路７および水素流路８に対して空気および水素が低圧かつ低流量で供給されるため、前記空気流路７および前記水素流路８から液状水を確実に排出することができない。これにより、空気および水素の供給が阻害されてしまい、発電性能が低下して安定した発電が遂行されないという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質膜全面を湿潤状態に維持するとともに、液状水を確実に排出して安定した発電を行うことが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルを鉛直方向に積層するとともに、作動温度が６０℃以下に設定される。
【００１５】
そして、アノード側セパレータのアノード側流路面には、アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路が設けられ、カソード側セパレータのカソード側流路面には、カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が設けられるとともに、前記アノード側流路面および前記カソード側流路面は、水平面と平行に配置されている。
【００１６】
このため、生成水が液状水として存在し易くなり、この液状水は、水平面に平行なカソード側流路面の面方向に沿って均一に広がるとともに、前記液状水の一部が電解質膜の面方向に均一に浸透し、アノード側流路面の面方向に沿って均一に広がる。従って、電解質膜全面の湿潤状態を維持することができ、水素イオンの伝導率を適正に保持して発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することが可能になる。
【００１７】
さらに、アノード側流路面が電解質膜・電極構造体の上方に設けられる一方、カソード側流路面が前記電解質膜・電極構造体の下方に設けられている。その際、カソード側流路面に設けられている酸化剤ガス流路は、通常、アノード側流路面に設けられている燃料ガス流路よりも開口断面積が大きい。これは、酸化剤ガスとして、一般的に空気が用いられるからである。
【００１８】
このため、発電を停止した際に、発電セル内に残留する生成水は、電解質膜・電極構造体の下方に配置されている酸化剤ガス流路側に移動し、上方に配置されている燃料ガス流路に生成水が滞留することを阻止することができる。これにより、燃料電池スタックを再始動させる際に、燃料ガス流路が生成水によって閉塞されることがなく、燃料ガスを確実に供給することができる一方、酸化剤ガス流路に移動した水は、開口断面積の大きな酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスにより排出され、所望の発電が遂行される。
【００１９】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが無加湿状態で供給されるため、加湿器および該加湿器用の制御システムや加湿セクション等が不要になる。このため、燃料電池スタック全体を小型化かつ経済的に構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略一部分解斜視図である。
【００２１】
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向一端（鉛直方向下端）には、集電用ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａおよびエンドプレート２４ａが下方に向かって、順次、配設される。積層体１８の積層方向他端（鉛直方向上端）には、集電用ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂおよびエンドプレート２４ｂが上方に向かって、順次、配設される。
【００２２】
図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３６ａが介装されるとともに、隣接する各発電セル１６間には、シール部材３６ｂが介装される。
【００２３】
発電セル１６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向（積層方向）に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、反応用空気を供給するための反応用空気供給連通孔３８と、冷却用空気を供給するための冷却用空気供給連通孔４０とが設けられる。冷却用空気供給連通孔４０は、反応用空気供給連通孔３８よりも開口面積が大きく設定される。
【００２４】
発電セル１６の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４２が設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４４が設けられる。燃料ガス供給連通孔４２および燃料ガス排出連通孔４４は、矢印Ｂ方向に長尺な長円状の開口形状に設定される。
【００２５】
電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、この固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える（図２および図３参照）。
【００２６】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０は、多孔質のカーボンペーパ、カーボンクロスまたはカーボン不織布等からなるガス拡散層と、白金系触媒がカーボン担体に担持されて固体高分子電解質膜４６の両面に塗布された電極触媒層とを有する。第１および第２セパレータ３２、３４は、導電性材料、例えば、緻密質のカーボン材料や金属で構成される。
【００２７】
図４に示すように、第１セパレータ３２のアノード側電極４８に向かうアノード側流路面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２と燃料ガス排出連通孔４４とを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部５３により構成される。
【００２８】
図５に示すように、第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａとは反対の面３２ｂには、冷却用空気流路５４が形成され、この冷却用空気流路５４は、両端が互いに平行に延在しかつ中央部が傾斜する複数本の溝部５５により構成される。冷却用空気流路５４は、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気入口５４ａと、第１セパレータ３２の側部から外方に開放される冷却用空気出口５４ｂとを有する。
【００２９】
図６に示すように、第２セパレータ３４のカソード側電極５０に向かうカソード側流路面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返す複数の蛇行する溝部５７を備える反応用空気流路５６が設けられる。この反応用空気流路５６は、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気入口５６ａと、第２セパレータ３４の側部から、すなわち、発電セル１６の側部から外方に開放される反応用空気出口５６ｂとを有する。
【００３０】
図２に示すように、第１セパレータ３２のアノード側流路面３２ａおよび第２セパレータ３４のカソード側流路面３４ａは、水平面と平行に配置されるとともに、前記アノード側流路面３２ａが電解質膜・電極構造体３０の上方に、かつ、前記カソード側流路面３４ａが前記電解質膜・電極構造体３０に下方に設けられる。
【００３１】
図３に示すように、反応用空気流路５６の各溝部５７の開口断面積は、燃料ガス流路５２の各溝部５３の開口断面積より大きく設定される。例えば、溝部５７と溝部５３は、同一の幅寸法を有しかつ深さが５：３に設定される。純水素と純酸素は、理想的には、２：１のガス量比に設定されるが、酸素として空気を使用すると、水素と空気は、１：２．５の体積比になり、さらにそれぞれの利用率が考慮される。これらの条件に基づいて、溝部５３、５７の開口断面積が設定される。
【００３２】
図１に示すように、エンドプレート２４ａには、反応用空気供給連通孔３８に連通する反応用空気供給口６０が形成された第１ブロック６０ａと、冷却用空気供給連通孔４０に連通する冷却用空気供給口６２が形成された第２ブロック６２ａと、燃料ガス供給連通孔４２に連通する燃料ガス供給口６４が形成された第３ブロック６４ａと、燃料ガス排出連通孔４４に連通する燃料ガス排出口６６が形成された第４ブロック６６ａとが設けられる。
【００３３】
燃料電池スタック１０の積層方向両端には、図示しないカラーを介してバックアッププレート７０ａ、７０ｂが配設される。バックアッププレート７０ａ、７０ｂは、左右にそれぞれ２本ずつ配置される締め付けロッド７２により積層方向に締め付け保持される。ターミナルプレート２０ａ、２０ｂには、例えば、モータ等の外部負荷７４が接続される。
【００３４】
第１ブロック６０ａには、反応用空気供給口６０に反応用空気を供給するための第１ブロア８０が接続され、第２ブロック６２ａには、冷却用空気供給口６２に冷却用空気を供給するための第２ブロア８２が接続される。第３ブロック６４ａには、燃料ガス供給口６４に燃料ガスを供給するための水素ボンベ８４が減圧弁８６を介して接続される。
【００３５】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
まず、燃料電池スタック１０では、作動温度が比較的低温、例えば、６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃の範囲内に設定されている。また、燃料ガス（水素ガス）では、水素供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２ 当たりの水素供給量が０．００１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率１００％）〜０．０１４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率１０％）に調整される。一方、反応用空気では、反応用空気供給圧力が０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａであり、電極１ｃｍ２当たりの反応用空気供給量が０．００３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率１００％）〜０．０３３ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率１０％）に調整される。
【００３７】
そこで、図１に示すように、燃料電池システム１２では、水素ボンベ８４から減圧弁８６を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に減圧された燃料ガスが、上記の水素供給量に調整されて燃料ガス供給口６４から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、燃料ガスが燃料ガス供給連通孔４２に供給され、この燃料ガス供給連通孔４２を鉛直上方向に移動して第１セパレータ３２の燃料ガス流路５２に導入される（図３および図４参照）。従って、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４８に沿って水平面を平行に移動する。
【００３８】
一方、図１に示すように、反応用空気は、第１ブロア８０を介して０．１ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度に加圧され、上記の反応用空気供給量に調整されて反応用空気供給口６０から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、反応用空気が反応用空気供給連通孔３８に供給され、この反応用空気供給連通孔３８を鉛直上方向に移動して第２セパレータ３４の反応用空気流路５６に導入される（図３および図６参照）。このため、反応用空気は、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５０に沿って蛇行しながら水平面に平行して移動する。
【００３９】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４８に供給される燃料ガスと、カソード側電極５０に供給される反応用空気とが、電極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（図２および図３参照）。
【００４０】
また、図１に示すように、冷却用空気は、第２ブロア８２を介して冷却用空気供給口６２から燃料電池スタック１０に供給される。この燃料電池スタック１０内では、冷却用空気が冷却用空気供給連通孔４０に供給され、この冷却用空気供給連通孔４０を鉛直上方向に移動して第１セパレータ３２の冷却用空気流路５４に導入される（図３および図５参照）。このため、冷却用空気は、電解質膜・電極構造体３０に沿って移動し、各発電セル１６の運転温度が６０℃以下、より好ましくは、３０℃〜５０℃になるように冷却する。
【００４１】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４に排出されて鉛直下方向に流動し、燃料ガス排出口６６から外部に排出される。一方、カソード側電極５０に供給されて消費された反応用空気は、反応用空気流路５６の反応用空気出口５６ｂから外部に排出される。
【００４２】
この場合、燃料電池スタック１０の運転温度は、６０℃以下（好ましくは３０℃〜５０℃）と低温であり、発電反応により生成される生成水は、液状水として存在する割合が大きい。その際、本実施形態では、カソード側流路面３４ａおよびアノード側流路面３２ａが水平面と平行に配置されている。従って、液状水は、カソード側流路面３４ａの面方向に沿って均一に広がるとともに、前記液状水の一部が固体高分子電解質膜４６の面方向に均一に浸透し、アノード側流路面３２ａの面方向に沿って均一に広がる。
【００４３】
このため、固体高分子電解質膜４６全体の湿潤状態を維持することができ、水素イオンの伝導率を適正に保持して、発電セル１６の発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することが可能になる。
【００４４】
これにより、各発電セル１６が比較的低温で運転され、反応用空気および燃料ガスを無加湿状態で使用しても、固体高分子電解質膜４６が乾燥し難くなり、加湿器等の周辺補器が不要になるという効果がある。
【００４５】
しかも、上記のように、反応生成水を用いて固体高分子電解質膜４６を所望の湿潤状態に維持することができ、水素ボンベ８４から燃料電池スタック１０内に供給される燃料ガスの加湿を行う必要がない。一方、反応用空気は、第１ブロア８０から燃料電池スタック１０に供給される際に、加湿を行う必要がない。
【００４６】
このため、燃料ガスおよび反応用空気を、加湿せずに、すなわち、無加湿状態で、燃料電池スタック１０に供給することが可能となり、加湿器や加湿用の制御システム等が不要になる。これにより、燃料電池スタック１０全体を有効に小型化かつ経済的に構成することができるという利点が得られる。
【００４７】
さらに、アノード側流路面３２ａが電解質膜・電極構造体３０の上方に設けられる一方、カソード側流路面３４ａが前記電解質膜・電極構造体３０に下方に設けられている。カソード側流路面３４ａに設けられている反応用空気流路５６は、アノード側流路面３２ａに設けられている燃料ガス流路５２よりも開口断面積が大きい。
【００４８】
従って、生成水の一部は、電解質膜・電極構造体３０を透過してカソード側流路面３４ａに到達し、水平面に平行な反応用空気流路５６に略均一に広がる。そして、反応用空気流路５６の各溝部５７内に浅く蓄積される液状水は、この反応用空気流路５６を流通する反応用空気を介して外部に排出される。このため、反応用空気が低圧かつ低流量であっても、液状水を確実に排出することが可能になり、安定した発電が容易に遂行される。
【００４９】
さらにまた、燃料電池スタック１０の発電を停止した際に、発電セル内に残留する生成水は、電解質膜・電極構造体３０の下方に配置されている開口断面積の大きな反応用空気流路５６側に移動し、上方に配置されている開口断面積の小さな燃料ガス流路５２に生成水が滞留することを阻止することができる。これにより、燃料電池スタック１０を再始動させる際に、燃料ガス流路５２が生成水によって閉塞されることがなく、燃料ガスを確実に供給して所望の発電が遂行されるという効果がある。
【００５０】
実施例
電極面積が１５０ｃｍ２の発電セル１６を１０個だけ鉛直方向に積層し、図１の燃料電池システム１２に組み込んだ実施例を構成して、燃料ガスおよび反応用空気を供給した。そして、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の条件下で発電を開始し、第２ブロア８２の作用下に冷却用空気を２０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ〜３０ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎの供給圧力で供給し、作動温度を５０℃近傍に維持した。
【００５１】
次いで、燃料ガスの供給圧力を０．４ｋＰａ〜１ｋＰａ間で領域▲１▼〜▲４▼の４段階に順次変化させるとともに、電極１ｃｍ２当たりの供給量を０．００３４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率４０％）〜０．００２８ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（水素利用率５０％）、すなわち、発電セル１６当たりの供給量を０．５２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ〜０．４２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ間で順次変化させ、前記燃料ガスを加湿することなく、水素ボンベ８４から供給した。
【００５２】
一方、反応用空気は、加湿することなく、第１ブロア８０から供給圧力を１．１ｋＰａ〜１．３ｋＰａ間で領域▲１▼〜▲４▼の４段階に順次変化させるとともに、電極１ｃｍ２当たりの供給量を０．００８２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率４０％）〜０．００５５ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ（空気利用率６０％）、すなわち、発電セル１６当たりの供給量を１．２４ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ〜０．８２ｎｏｒｍａｌ ｌ／ｍｉｎ間で領域▲１▼〜▲４▼の４段階に順次変化させた。
【００５３】
そこで、燃料ガスおよび反応用空気が、水平面と平行に燃料ガス流路５２および反応用空気流路５６に供給されるとともに、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２で作動したとき、燃料電池スタック１０の端子間電圧と１０個の各発電セル１６のセル電圧の変化幅とは、図７に示す値となった。
【００５４】
これにより、燃料電池スタック１０の端子間電圧が相当に高くなるとともに、各発電セル１６のセル電圧の変動幅が極めて小さくなった。従って、各発電セル１６は、液状水の滞留による燃料ガス流路５２の詰まりや、固体高分子電解質膜４６の部分的な乾燥等が良好に阻止され、簡単な構成で、所望の発電性能を確実に保持することが可能になった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの作動温度が６０℃以下に設定されるため、生成水が液状水として存在し易くなり、この液状水は、水平面に平行なカソード側流路面の面方向に沿って均一に広がるとともに、前記液状水の一部が電解質膜の面方向に均一に浸透し、アノード側流路面の面方向に沿って均一に広がる。従って、電解質膜全面の湿潤状態を維持することができ、水素イオンの伝導率を適正に保持して発電性能の低下や不安定な発電を良好に阻止することが可能になる。
【００５６】
さらに、アノード側流路面が電解質膜・電極構造体の上方に設けられる一方、カソード側流路面が前記電解質膜・電極構造体の下方に設けられている。このため、発電を停止した際に、発電セル内に残留する生成水は、電解質膜・電極構造体の下方に配置されている酸化剤ガス流路側に移動し、上方に配置されている燃料ガス流路に生成水が滞留することを阻止することができる。これにより、燃料電池スタックを再始動させる際に、燃料ガス流路が生成水によって閉塞されることがなく、燃料ガスを確実に供給して所望の発電が遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの概略一部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池スタックの一部断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの一方の面の正面図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第１セパレータの他方の面の正面図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面図である。
【図７】実施例の燃料電池スタックの端子間電圧とセル電圧の変動幅との結果説明図である。
【図８】特許文献１の燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１６…発電セル １８…積層体
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ…シール部材 ３８…反応用空気供給連通孔
４０…冷却用空気供給連通孔 ４２…燃料ガス供給連通孔
４４…燃料ガス排出連通孔 ４６…固体高分子電解質膜
４８…アノード側電極 ５０…カソード側電極
５２…燃料ガス流路 ５３、５５、５７…溝部
５４…冷却用空気流路 ５４ａ…冷却用空気入口
５４ｂ…冷却用空気出口 ５６…反応用空気流路
５６ａ…反応用空気入口 ５６ｂ…反応用空気出口
６０…反応用空気供給口 ６０ａ、６２ａ、６４ａ、６６ａ…ブロック
６２…冷却用空気供給口 ６４…燃料ガス供給口
６６…燃料ガス排出口 ７０ａ、７０ｂ…バックアッププレート
７４…外部負荷 ８０、８２…ブロア
８４…水素ボンベ ８６…減圧弁
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを設けた電解質膜・電極構造体を、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより挟持する発電セルを備え、複数の前記発電セルを鉛直方向に積層するとともに、作動温度が６０℃以下の燃料電池スタックであって、
前記アノード側セパレータのアノード側流路面には、前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路が設けられ、
前記カソード側セパレータのカソード側流路面には、前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が設けられ、
前記アノード側流路面および前記カソード側流路面は、水平面と平行に配置されるとともに、前記アノード側流路面が前記電解質膜・電極構造体の上方に、かつ、前記カソード側流路面が前記電解質膜・電極構造体の下方に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスは、無加湿状態で供給されることを特徴とする燃料電池スタック。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003115668A JP2004327063A (ja) | 2003-04-21 | 2003-04-21 | 燃料電池スタック |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003115668A JP2004327063A (ja) | 2003-04-21 | 2003-04-21 | 燃料電池スタック |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004327063A true JP2004327063A (ja) | 2004-11-18 |
Family
ID=33496147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003115668A Pending JP2004327063A (ja) | 2003-04-21 | 2003-04-21 | 燃料電池スタック |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004327063A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013541135A (ja) * | 2010-08-31 | 2013-11-07 | ユーティーシー パワー コーポレイション | 燃料電池の水和 |
-
2003
- 2003-04-21 JP JP2003115668A patent/JP2004327063A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013541135A (ja) * | 2010-08-31 | 2013-11-07 | ユーティーシー パワー コーポレイション | 燃料電池の水和 |
| US9564644B2 (en) | 2010-08-31 | 2017-02-07 | Audi Ag | Hydrating a fuel cell |
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