JP2005174749A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内部のあらゆる領域において適度な水分量を保つことができ、高い出力密度の維持安定化を図ることが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】酸化剤極集電体４の酸化剤ガス通路４ａが設けられた面とは反対側の面に、酸化剤ガス通路４ａと交差する方向の空気通路４ｂ（第一通路群１１、第二通路群１２、第三通路群１３）を酸化剤ガス通路４ａの上流側から下流側に向けて複数配列する。これら複数の通路群１１，１２，１３は直列に接続し、酸化剤ガス通路４ａの最も下流側に位置する通路群１３が酸化剤ガス通路４ａの最も上流側に位置する通路群１１に接続して、空気循環経路を構成する。そして、この空気循環経路内に、空気循環ポンプによって空気を循環通流させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料極と酸化剤極とにより挟持された高分子電解質膜を備えた燃料電池に関するものであり、特に、適正な加湿及び除湿を実現するための改良に関する。

近年、高効率の電力供給源として開発が進められている様々な燃料電池発電システムのうち、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用い、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給する燃料電池システムは、簡略な構造で高い出力密度が得られることから、特に自動車などの移動体用電源として注目されている。

この高分子電解質膜を用いた燃料電池においては、電解質膜を介して燃料極から酸化剤極へと水素イオンを移動させるために、高分子電解質膜が含水した状態であることが必要であり、加湿制御が必須の技術となる。高分子電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって、出力電圧の低下、出力電力の低下を招く。さらに含水量が低下して乾燥状態になると、高分子電解質膜が電解質膜として機能しなくなる。そこで、このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して燃料電池に供給する等、高分子電解質膜を積極的に加湿することが広く行われているが、加湿水や反応生成水の量が電解質膜の保水量を上回ると、これらが凝縮してガス流路へ水が溢れ出すフラッディングという現象を生ずる。フラッディングが発生すると、電極の発電面を水が覆って反応を抑制し、供給ガス流路を閉塞してガス通流を阻害するといった現象を招き、発電を安定して継続することが困難になる。

このような状況に鑑み、高分子電解質膜を用いた燃料電池を最適な状態で運転できるようにするために、燃料電池の冷却流路に供給する冷却水の流量を制御することによって空気オフガス中の水分量を変化させ、これにより、燃料電池に供給される空気の水分量を最適な状態に制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、燃料極集電板及び酸化剤極集電板に多孔質電導物質を用いた燃料電池では、燃料電池の内部において高分子膜の加湿及び生成水の除去が可能なため、より高い出力を安定して取り出すことができるという利点を有することが知られている。集電板に多孔質電導物質を用いた燃料電池では、両極の多孔質集電板を介して、通流するガスと水の間で水分が移動することにより両極を通流するガスの湿度が自律的に調整され、高分子電解質膜が燃料電池の運転に最適な湿潤状態に維持される。
特開２００３−２２３９０９号公報

ところで、燃料電池はその電気化学的な作動原理から、出力に比例して内部に水が生成される。ここで、燃料電池内部で生成される水の総量は、酸化剤ガス通路の上流側で少なく、下流側で多くなる。このため、燃料電池内部における加湿状態は、その位置に応じてばらつきが生じる傾向にあり、例えば酸化剤ガス通路の下流側で水量がある一定量を越えて、酸化剤ガス通路において水による通路の閉塞が起こったり、酸化剤極の表面が水に覆われることでガスの拡散が阻害されたりすると、上述したように、燃料電池の出力が低下する等の問題が生じる。

このような現象は、上述した特許文献１にて開示される技術のように、燃料電池に供給される空気の水分量を制御することで、燃料電池内部の加湿状態をコントロールするようにしたものでは解決が難しく、吸水透湿性の無い集電板を用いた燃料電池では、一般に、電気化学反応に必要な量以上、具体的には反応必要量の２倍を超える酸化剤ガスを供給しガス通路内の水を排出することによって解決するようにしている。

しかしながら、このような手法は、酸化剤ガスを供給するコンプレッサが必要以上の仕事をしていることに他ならず、燃料電池システム全体の効率が低下するという新たな問題が生じる。また、この方法では、酸化剤ガスの入口付近で高分子膜の乾燥が促進されてしまうため、これを防止するために燃料電池の外部に大型の加湿器を設け、予め加湿された酸化剤ガスを供給する必要が生じるため、燃料電池システムの装置全体が大型化するという、例えば自動車等の移動体にとっては極めて不都合な問題がある。

一方、多孔質電導物質を集電板に用いて燃料電池内部において加湿及び液水除去機能を有する燃料電池は、これらの問題の解決を図るものであるが、燃料電池内部の如何なる部分においてもその加湿および除水能力が一定であるため、やはりガス通路の上流側で水分が不足し、ガス通路の下流側で水分が過剰になる傾向があり、問題の解決には不十分な点が残されている。

そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池内部のあらゆる領域において適度な水分量を保つことができ、高い出力密度の維持安定化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された高分子電解質膜と、燃料極との対向面に燃料ガス通路が設けられた燃料極集電板と、酸化剤極との対向面に酸化剤ガス通路が設けられた酸化剤極集電板とを有する単セルが複数積層されて構成されるものである。このような構造の燃料電池において、本発明では、前記目的を達成するために、酸化剤極集電板の酸化剤ガス通路が設けられた面とは反対側の面に、酸化剤ガス通路と交差する方向の空気通路を、酸化剤ガス通路の上流側から下流側に向けて複数配列し、これら複数の空気通路を直列に接続するとともに、酸化剤ガス通路の最も下流側に位置する空気通路が酸化剤ガス通路の最も上流側に位置する空気通路と接続されるようにして、これらの空気通路で空気循環経路が構成されるようにした。

以上のように構成される本発明の燃料電池では、酸化剤ガス通路の上流側に位置する空気通路と酸化剤ガス通路の下流側に位置する空気通路とを接続して閉じた空気循環経路とし、この空気循環経路内に空気を循環通流させる構成とすることにより、酸化剤ガス通路の下流側に近接した空気通路内で加湿された空気が、酸化剤ガス通路の上流側に近接する空気通路に供給され、酸化剤ガス通路の上流側を通流する乾いた酸化剤ガスが加湿されることになる。

また、酸化剤ガス通路の最下流域に近接する空気通路から例えば空気供給手段で空気を吸引し、酸化剤ガス通路の最上流域に近接する空気通路に空気を供給する構成とすることで、酸化剤ガス通路の上流側では供給空気の圧力が酸化剤ガスの圧力より高くなり、この圧力差で空気通路を通流する空気が水分を伴って酸化剤ガス通路に移動するため、加湿能力がより高められる。反対に、酸化剤ガス通路の下流側では、供給空気の圧力が酸化剤ガスの圧力より低くなりこの圧力差で酸化剤ガス通路を通流する酸化剤ガスが水分を伴って空気通路に移動するため、除湿排水能力がより高められる。

本発明の燃料電池によれば、空気循環経路内に空気を循環通流させることによって、生成水の量が相対的に多い酸化剤ガス通路の下流域では、酸化剤ガスに含まれる水分を空気循環経路側へと移動させ、生成水の量が相対的に少ない酸化剤ガス通路の上流域では、空気循環経路内を循環通流する空気に含まれる水分で酸化剤ガスを積極的に加湿することができるので、燃料電池内部のあらゆる領域において適度な水分量を保ち、高い出力密度の維持安定化を図ることが可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池の１発電単位である単セルの構成を示すものである。この燃料電池の各単セルは、電解質としてプロトン伝導性を有する高分子電解質膜１を有している。この高分子電解質膜１の両表面上には、アノード側電極となる燃料極２とカソード側電極となる酸化剤極３とが一体に成形されている。

高分子電解質膜１の酸化剤極３側には、多孔質導電性物質で形成された酸化剤極集電板４が配置されている。この酸化剤極集電板４の酸化剤極３との対向面には、酸化剤ガス（例えば空気）が通流される酸化剤ガス通路４ａが設けられている。また、酸化剤極集電板４の酸化剤ガス通路４ａが設けられた面とは反対側の面には、空気を通流させる空気通路４ｂが設けられている。さらに、酸化剤極集電板４の背面側（高分子電解質膜１とは反対側）には、冷却水を通流させる冷却水通路が設けられた冷却水プレート５が配置されている。

また、図示はしないが、高分子電解質膜１の燃料極２側には、酸化剤極集電板４と同様に多孔質導電性物質で形成された燃料極集電板が配置されており、この燃料極集電板の燃料極２との対向面に、燃料ガス（例えば水素）を通流させる燃料ガス通路が設けられている。そして、これらの各部材が組み合わされて単セルが構成され、複数の単セルが積層されて燃料電池が構成される。

以上のように構成される本実施形態の燃料電池では、特に、酸化剤極集電板４の酸化剤ガス通路４ａが設けられた面とは反対側の面に、空気を通流させる空気通路４ｂが設けられている点に大きな特徴を有する。ここで、本実施形態の燃料電池に特徴的な空気通路４ｂの配列について、具体的な例を挙げながら説明する。なお、ここでは、説明を簡略化するために、空気通路４ｂが酸化剤ガス通路４ａに対して９０度の角度をなし、３本の通路が並列接続された通路群が３群備えられた場合の配列例について説明する。

酸化剤極集電板４に設けられた空気通路４ｂのうち、第一通路群１１は酸化剤ガス通路４ａの最も上流側に隣接して設けられ、３本の通路１１ａ，１１ｂ，１１ｃを並列に接続することで構成されている。この第一通路群１１の最上流部は、循環空気入口１１ｄとされており、この循環空気入口１１ｄから導入された空気は、各通路１１ａ，１１ｂ，１１ｃに分配され、それぞれの通路１１ａ，１１ｂ，１１ｃの最下流部にある第一通路群出口合流部１１ｅで再び合流した後、第二通路群１２の入口合流部１２ｄへ流れる。

第二通路群１２は、酸化剤ガス通路４ａの中流付近に隣接して設けられ、同様に３本の通路１２ａ，１２ｂ，１２ｃを並列に接続することで構成されている。第二通路群入口合流部１２ｄから導入された空気は、各通路１２ａ，１２ｂ，１２ｃに分配され、それぞれの通路１２ａ，１２ｂ，１２ｃの最下流部にある第二通路群出口合流部１２ｅで再び合流した後、第三通路群の入口合流部１３ｄへ流れる。

第三通路群１３は、酸化剤ガス通路４ａの最も下流側に隣接して設けられ、やはり３本の通路１３ａ，１３ｂ，１３ｃを並列に接続することで構成されており、この第三通路群１３の最下流部は、循環空気出口１３ｅとされている。第三通路群入口合流部１３ｄから導入された空気は、各通路１３ａ，１３ｂ，１３ｃに分配され、それぞれの通路１３ａ，１３ｂ，１３ｃの最下流部で再び合流した後、循環空気出口１３ｅから燃料電池の外部へ排出される。

このように、第一通路群１１、第二通路群１２、及び第三通路群１３は、直列に接続されて一連の空気通路４ｂとして構成されている。また、第三通路群１３の最下流部の循環空気出口１３ｄは、第一通路群１１の最上流部の循環空気入口１１ｄと接続されており、これにより空気を循環通流させる空気循環経路が構成されている。この空気循環経路には、後述の空気循環ポンプが空気供給手段として設置されている。そして、循環空気出口１３ｄから燃料電池の外部へ排出された循環空気が、この空気循環ポンプに吸引され昇圧された後、再び循環空気入口１１ｄへと供給されるようになっている。

なお、以上の例では、各通路群を構成する通路を３本として説明したが、各通路群を構成する通路の本数としては任意の本数を選択でき、これより多くても少なくても構わない。また、各通路群における通路本数は一定である必要は無く、例えば第一通路群１１では５本の通路、第二通路群１２では１０本の通路、第三通路群１３では７本の通路といったように、各通路群毎に任意の本数を選択することも可能である。

さらに、以上の例では、通路群の数を３群としたが、通路群の数も任意に選択することができる。通路群の数を増やすほど、高分子電解質膜１の各部において、より緻密に加湿状態をコントロールできるようになる。さらにまた、以上の例では、空気通路４ｂと酸化剤ガス通路４ａとの成す角度を９０度としたが、これも任意の角度を選択できる。ただし、０度、若しくは１８０度（酸化剤ガス通路７ａと並行）に近い値としてしまうと、酸化剤ガス通路４ａの上流側と下流側とで加湿および除水能力を変化させるという、本発明に特徴的な機能を発揮することができなくなるので、空気通路４ｂと酸化剤ガス通路４ａとは９０度に近い角度で交差させるようにすることが望ましい。

続いて、上述の単セル構造を有する燃料電池を備えた燃料電池システムの概要について、図２を参照して説明する。

図２に示す燃料電池システムは、上述の単セル構造を有する燃料電池２０を発電手段として備えてなるものであり、燃料電池２０の燃料極へは、例えば炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器等の燃料ガス供給手段２１から、水素リッチな燃料ガスが供給される。なお、燃料電池２０の燃料極から排出される未利用の燃料ガスは、エゼクタポンプ２２を用いて再度燃料電池２０の燃料極２へ循環供給され、燃料電池２０の酸化剤極から排出される未利用の酸素はそのまま大気中へ排出される。

また、燃料電池２０の酸化剤極へは、コンプレッサ２３から酸化剤ガスとしての空気が供給される。コンプレッサ２３の直後には、供給空気圧検出手段２４が設けられており、コンプレッサ２３により供給される空気の圧力がここで検出される。また、燃料電池２０には湿潤度検出手段３９が設けられており、燃料電池２０の高分子電解質膜の乾燥状態はこの湿潤度検出手段３９によって検出される。

また、この燃料電池２０においては、上述したように、酸化剤極集電板に形成した複数の通路群１１，１２，１３が直列に接続されて空気循環経路が構成されており、この空気循環経路内に空気を循環通流させるための空気循環ポンプ（空気供給手段）２５が、前記コンプレッサ２３とは別に設けられている。

燃料電池２０を冷却する冷却機構２６としては、燃料電池２０と冷却水とで熱交換を行うための冷却水プレート５が燃料電池２０に組み込まれ、この冷却水プレート５に、冷却水循環ポンプ２７と、冷却水に含まれる気体成分を分離除去すると共に冷却水を貯蔵する気液分離器２８と、冷却水を外気により冷却するラジエタ２９とがこの順に接続されている。冷却水プレート５と冷却水循環ポンプ２７とを接続する冷却水循環管路３０には、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段３１が設けられている。また、気液分離器２８とラジエタ２９とを接続する冷却水循環管路３２には、ラジエタ２９をバイパスするバイパス管路３３を通流する冷却水の流量を制御するバイパス弁３４が設けられ、ラジエタ２９と冷却水プレート５とを接続する冷却水循環管路３５には、冷却水の圧力を制御する冷却水圧力レギュレータ３６が設けられている。冷却水圧力レギュレータ３６の基準圧検知部と気液分離器２８の気層部は、燃料電池２０の酸化剤極３に空気を供給するコンプレッサ２３と、燃料電池２０とに接続される空気供給管３７に接続されている。

また、燃料電池システムは、各部の制御を行う制御装置４０を有しており、冷却水温度検出手段３１や供給空気圧検出手段２４からの出力信号は、この制御装置４０に入力される。そして、制御装置４０は、検出された空気圧に対応して設定される冷却水温度を保持するようにバイパス弁３４、及びラジエタ冷却ファン３８を制御する。また、湿潤度検出手段３９からの出力信号は制御装置４０に入力され、制御装置４０は、燃料電池２０の高分子電解質膜が最適な湿潤状態となるように、空気循環ポンプ２５の回転数を制御する。

なお、図２においては、燃料電池システム全体の構成を分かり易く図示するために、燃料電池２０の酸化剤極集電板に設けた各通路群１１，１２，１３を流れる空気の流れと、燃料電池２０の酸化剤極を流れる酸化剤ガスの流れとの方向関係を正確に示していないが、これら各通路群１１，１２，１３を流れる空気と、酸化剤極を流れる酸化剤ガスとは、図３に示すように、９０度に近い角度で交差する方向に流れることになる。図３は、燃料電池２０に供給される燃料ガス、酸化剤ガス及び空気の流れを立体的に示したものである。

次に、以上のような燃料電池システムにおいて発電手段として用いられる燃料電池２０の動作時における加湿制御について説明する。

燃料電池２０は、上述したように、その特性上、発電に伴って内部で水が生成されることになる。したがって、反応が始まったばかりの酸化剤ガス入口付近では、ほとんど水が生成されておらず、高分子電解質膜は乾燥する傾向にある。ここで、第一通路群１１に供給される循環空気圧力を、空気循環ポンプ２５の働きで酸化剤ガス圧力に対し高い圧力で供給すると、その圧力差によって、第一通路群１１に属する各通路を通流する湿潤した空気は、水分を伴って酸化剤極集電板の多孔質層を通過して酸化剤ガス通路へと移動し、付近を通流する酸化剤ガス及び付近の高分子電解質膜を加湿する。この際、第一通路群１１を通流する空気は、その水分が酸化剤ガス通路側へと移動することによって徐々に除湿され乾燥して行く。

一方、酸化剤ガス出口付近では、生成された水が蓄積され高分子電解質膜は必要以上に湿潤し、酸化剤ガス通路も閉塞する傾向になる。この酸化剤ガス出口付近に隣接する第三通路群１３に属する各通路を流れる空気圧力は、ここに到達する以前に第一通路群１１及び第二通路群１２を通過してきたことにより圧力損失が生じ、既に酸化剤ガスよりも低い圧力となっている。また、湿度も低い状態で流入してくる。この圧力差と湿度差によって、酸化剤ガス通路内に滞留する水は、酸化剤極集電板の多孔質層を通過し第三通路群１３に属する各通路に吸収され、高分子電解質膜は適度な湿潤状態に保たれる。この過程において、第三通路群１３を通流する循環空気は徐々に加湿され、循環空気出口に到達するころにはほぼ飽和状態にある。この湿潤空気が空気循環ポンプ２５の作用で再び循環空気入口へと送られることで、除湿及び加湿のサイクルが成り立っている。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池２０では、酸化剤極集電板４の酸化剤ガス通路４ａが設けられた面とは反対側の面に空気通路４ｂを設け、酸化剤ガス通路４ａの上流側に近接する空気通路４ｂ（第一通路群１１）と、酸化剤ガス通路４ａの下流側に近接する空気通路４ｂ（第三通路群１３）と、空気循環ポンプ２５とをこの順に接続し、閉じた空気循環経路内に空気を循環通流させる構成としたので、酸化剤ガス通路４ａの下流側に近接した空気通路４ｂ内で加湿された空気が、酸化剤ガス通路４ａの上流側に近接する空気通路４ｂに供給され、酸化剤ガス通路４ａの上流側を通流する乾いた酸化剤ガスを加湿することができる。

また、酸化剤ガス通路４ａの最下流域に近接する空気通路４ｂから空気循環ポンプ２５で空気を吸引し、酸化剤ガス通路４ａの最上流域に近接する空気通路４ｂに空気を供給する構成としたので、酸化剤ガス通路４ａの上流側では供給空気の圧力が酸化剤ガスの圧力より高くなり、この圧力差で空気通路４ｂを通流する空気が水分を伴って酸化剤ガス通路４ａに移動するため、加湿能力をより高めることができる。反対に、酸化剤ガス通路４ａの下流側では、供給空気の圧力が酸化剤ガスの圧力より低くなり、この圧力差で酸化剤ガス通路４ａを通流する酸化剤ガスが水分を伴って空気通路４ｂに移動するため、除湿排水能力をより高めることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、酸化剤極集電板４に設けた空気通路４ｂの変形例である。すなわち、上述した第１の実施形態では、空気通路４ｂを構成する全ての通路群１１，１２，１３がそれぞれ３本の通路により構成されていたのに対し、本実施形態では、図４に示すように、酸化剤ガス通路の上流側に位置する通路群５１に属する通路の本数が、酸化剤ガス通路の下流側に位置する通路群５３に属する通路の本数よりも大とされている。なお、燃料電池の他の構成については、上述した第１の実施形態と同様である。

具体的に説明すると、本実施形態の燃料電池では、酸化剤極集電板４に、酸化剤ガス通路の上流側から下流側に向かって３つの通路群５１，５２，５３がこの順で配置され、これら３つの通路群５１，５２，５３が直列に接続されている。これら各通路群５１，５２，５３は、それぞれ異なる本数の通路が並列接続された構成となっており、例えば、酸化剤ガス通路の上流側に位置する通路群５１は８本の通路５１ａ〜５１ｈにより構成され、酸化剤ガス通路の中流付近に位置する通路群５２は６本の通路５２ａ〜５２ｆにより構成され、酸化剤ガス通路の下流側に位置する通路群５３は４本の通路５３ａ〜５３ｄにより構成されている。

本実施形態の燃料電池では、酸化剤極集電板４に設けた空気通路４ｂが以上のような構成とされることによって、酸化剤ガス入口側に近接する通路群５１を通流する空気圧力と酸化剤ガス出口側に近接する通路群５３を通流する空気圧力との圧力差をさらに大きく取ることができる。その結果、酸化剤ガス入口付近ではより高い加湿性能を、酸化剤ガス出口付近ではより高い除湿及び排水能力を得ることができ、燃料電池の発電特性に応じてより幅広い湿度コントロールを行うことができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、酸化剤極集電板４に設けた空気通路４ｂの他の変形例である。すなわち、上述した第１の実施形態では、空気通路４ｂを構成する全ての通路群１１，１２，１３に属する通路の断面積が同一であったのに対し、本実施形態では、図５に示すように、酸化剤ガス通路の上流側に位置する通路群６１に属する通路の断面積が、酸化剤ガス通路の下流側に位置する通路群６３に属する通路の断面積よりも大とされている。なお、燃料電池の他の構成については、上述した第１の実施形態と同様である。

具体的に説明すると、本実施形態の燃料電池では、酸化剤極集電板４に、酸化剤ガス通路の上流側から下流側に向かって３つの通路群６１，６２，６３がこの順で配置され、これら３つの通路群６１，６２，６３が直列に接続されている。これら各通路群６１，６２，６３は、それぞれ４本の通路６１ａ〜６１ｄ，６２ａ〜６２ｄ，６３ａ〜６３ｄが並列接続された構成となっている。そして、これら３つの通路群６１，６２，６３に属する各通路６１ａ〜６１ｄ，６２ａ〜６２ｄ，６３ａ〜６３ｄの断面積の関係は、酸化剤ガス通路の上流側に位置する通路群６１に属する通路６１ａ〜６１ｄの断面積が最も大きく、酸化剤ガス通路の下流側に位置する通路群６３に属する通路６３ａ〜６３ｄの断面積が最も小さくされている。

本実施形態の燃料電池では、酸化剤極集電板４に設けた空気通路４ｂが以上のような構成とされることによって、酸化剤ガス通路の上流側に近接する通路群６１を通流する空気の圧力を酸化剤ガス通路の下流側に近接する通路群６３を通流する空気の圧力に対しさらに高く設定することができる。したがって、結果として、上述した第２の実施形態の燃料電池と同様、酸化剤ガス上流域では加湿能力をより高め、酸化剤ガス下流域では除湿排水能力をより高めることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、燃料電池の高分子電解質膜の湿潤状態に応じて空気循環経路を通流する空気の圧力をコントロールするようにしたものである。なお、燃料電池の構成及びこれを発電手段として用いる燃料電池システムの構成は、上述した第１の実施形態と同様である。

図２に示したように、燃料電池２０には高分子電解質膜の湿潤度を検出する湿潤度検出手段３９が設けられており、この湿潤度検出手段３９からの出力信号は制御装置４０に入力されるようになっている。ここで、高分子電解質膜が乾燥状態にあるとき、湿潤度検出手段３９は制御装置４０に高分子膜の乾燥を示す信号を送る。制御装置４０は、湿潤度検出手段３９の信号に基づいて高分子電解質膜の乾燥度合いを判断し、判断された乾燥度合いに応じて空気循環ポンプ２５に回転数を上昇させるよう信号を送る。これらの一連の制御により、高分子電解質膜が乾燥すればするほど空気循環経路（空気通路）を通流する空気の圧力が燃料電池２０の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力より高く設定されるので、この圧力差をもって空気通路内の水が酸化剤極集電板の多孔質層を通過し、高分子電解質膜を加湿する。

反対に、高分子電解質膜が必要以上に湿潤している場合には、湿潤度検出手段３９は制御装置４０に高分子電解質膜の過湿潤を示す信号を送る。制御装置４０は、湿潤度検出手段３９の信号に基づいて高分子電解質膜の湿潤度合いを判断し、判断された湿潤度合いに応じて空気循環ポンプ２５に回転数を低下させるよう信号を送る。これらの一連の制御により、高分子電解質膜が湿潤すればするほど空気循環経路（空気通路）を通流する空気の圧力が燃料電池２０の酸化剤極に供給される酸化剤ガスの圧力より低く設定されるので、この圧力差をもって酸化剤ガス通路内の水が酸化剤極集電板の多孔質層を通過し、過剰な水分が除去される。

なお、湿潤度検出手段３９の代わりに高分子電解質膜の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段を設け、この電気伝導度検出手段からの出力信号に基づいて高分子電解質膜の湿潤状態を推定し、それに応じて空気循環経路を通流する空気の圧力をコントロールするようにしてもよい。この場合にも、その制御は、高分子電解質膜の湿潤度を湿潤度検出手段３９で直接検出する場合と同様である。

以上のように、湿潤度検出手段３９が燃料電池の高分子電解質膜の湿潤度の低下を検出した場合、若しくは電気伝導度検出手段が高分子電解質膜の電気伝導度の低下を検出した場合に、空気循環ポンプ２５から供給される空気の流量を増大させて運転することにより、高分子電解質膜の乾燥を防止することができ、さらに安定的に大出力を取り出せるようになる。逆に、湿潤度検出手段３９が高分子電解質膜の湿潤度の上昇を検出した場合、若しくは電気伝導度検出手段が高分子電解質膜の電気伝導度の上昇を検出した場合に、空気循環ポンプ２５から供給される空気の流量を減少させて運転することにより、高分子電解質膜が過剰に湿潤したり、あるいは酸化剤ガス通路が液水により閉塞することを防止することができ、やはり安定的に大出力を取り出せるようになる。

本発明を適用した燃料電池の１発電単位である単セルの構成を示す斜視図である。 前記燃料電池を発電手段として備える燃料電池システムの一構成例を示す図である。 空気通路と酸化剤ガス通路における流体の流れの方向を説明する図である。 空気通路の変形例を説明する図であり、通路群を構成する通路の本数を変えた例を模式的に示す平面図である。 空気通路の他の変形例を説明する図であり、通路群を構成する通路の断面積を変えた例を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ 燃料極
３ 酸化剤極
４ 酸化剤極集電板
４ａ 酸化剤ガス通路
４ｂ 空気通路
１１ 第一通路群
１２ 第二通路群
１３ 第三空気通路群
２５ 空気循環ポンプ
３９ 湿潤度検出手段

Claims (8)

1. 燃料極と酸化剤極により挟持された高分子電解質膜と、前記燃料極との対向面に燃料ガス通路が設けられた燃料極集電板と、前記酸化剤極との対向面に酸化剤ガス通路が設けられた酸化剤極集電板とを有する単セルが複数積層されて構成される燃料電池であって、
   前記酸化剤極集電板の酸化剤ガス通路が設けられた面とは反対側の面に、前記酸化剤ガス通路と交差する方向の空気通路が酸化剤ガス通路の上流側から下流側に向けて複数配列され、これら複数の空気通路が直列に接続されるとともに、前記酸化剤ガス通路の最も下流側に位置する空気通路が前記酸化剤ガス通路の最も上流側に位置する空気通路に接続され、空気循環経路を構成していることを特徴とする燃料電池。
2. 前記酸化剤極集電板の背面側に、冷却水通路を有する冷却水プレートが配されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記空気循環経路は、前記酸化剤ガス通路の最も下流側に位置する空気通路から空気を吸引し、前記酸化剤ガス通路の最も上流側に位置する空気通路に空気を供給する空気供給手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記空気循環経路を構成する各空気通路は、複数の通路が並列接続された通路群からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記酸化剤ガス通路の上流側に配される通路群を構成する通路の本数を、前記酸化剤ガス通路の下流側に配される通路群を構成する通路の本数よりも大とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記酸化剤ガス通路の上流側に配される通路群を構成する通路の断面積を、前記酸化剤ガス通路の下流側に配される通路群を構成する通路の断面積よりも大とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
7. 前記高分子電解質膜には、湿潤度を検出する湿潤度検出手段、若しくは電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段の少なくとも一方が備えられ、
   前記湿潤度検出手段が前記高分子電解質膜の湿潤度の低下を検出した場合、若しくは前記電気伝導度検出手段が前記高分子電解質膜の電気伝導度の低下を検出した場合には、前記空気供給手段により吸引、供給される空気の流量が増大するように運転されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
8. 前記高分子電解質膜には、湿潤度を検出する湿潤度検出手段、若しくは電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段の少なくとも一方が備えられ、
   前記湿潤度検出手段が前記高分子電解質膜の湿潤度の上昇を検出した場合、若しくは前記電気伝導度検出手段が前記高分子電解質膜の電気伝導度の上昇を検出した場合には、前記空気供給手段により吸引、供給される空気の流量が減少するように運転されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。

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