JP2006147501A - 燃料電池の面圧調整装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に低温始動を迅速且つ確実に遂行するとともに、簡単な構成及び工程で、良好な運転を行うことを可能にする。
【解決手段】面圧調整装置１０は、燃料電池スタック１４の端部に配設され、電極面内の異なる部位に積層方向に加圧力を付与する油圧ユニット６０ａ〜６０ｆと、前記油圧ユニット６０ａ〜６０ｆを個別に制御して反応ガス流路の上流側と下流側とにおける前記電極面内の面圧を相互に変更可能な制御部６８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池の面圧調整装置及び方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

こ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、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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（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、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在する一方、アノード側電極では、生成水の逆拡散や結露水が発生し易い。このため、燃料電池を低温、例えば、氷点下（水の凍結温度以下）で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。

そこで、特許文献１の燃料電池は、図８に示すように、アノード電極１とカソード電極２とが固体高分子電解質膜３の両側に配置された膜・電極構造体４を備えている。膜・電極構造体４は、アノード側のセパレータ５とカソード側のセパレータ６とにより挟持され、これらが複数組積層されて燃料電池スタックが構成されている。

アノード側のセパレータ５は、上下に２分割された燃料ガス流路５ａ、５ｂを備える一方、カソード側のセパレータ６は、同様に、上下に２分割された酸化剤ガス流路６ａ、６ｂを備えている。カソード側のセパレータ６とアノード側のセパレータ５の端子部材（図示せず）によって、燃料電池から出力を取り出す閉回路７が形成され、走行用モータＭや外部負荷Ｆが駆動されている。

このような構成において、外気温が氷点下となる低温時に燃料電池を始動する場合、図示しないバルブを操作して燃料ガス流路５ａ及び酸化剤ガス流路６ａのみを燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流路とする。この状態で、燃料ガス及び酸化剤ガスが起動時用反応ガス流路である上半分の燃料ガス流路５ａ及び酸化剤ガス流路６ａに集中して供給されるため、燃料電池に局所的発電が行われる。

これにより、膜・電極構造体４では、発電面の上半分のみが集中的に自己発熱し、凍結している生成水が解凍されて燃料ガス流路５ａ及び酸化剤ガス流路６ａの閉塞が解消され、低温時始動が良好に行われる。

特開２００２−３０５０１４号公報（図２）

本発明はこの種の燃料電池に関してなされたものであり、特に低温始動を迅速且つ確実に遂行するとともに、簡単な構成及び工程で、効率的な運転を良好に行うことが可能な燃料電池の面圧調整装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池の面圧調整装置である。

面圧調整装置は、燃料電池の端部に配設され、電極面内の異なる部位に積層方向に加圧力を付与可能な複数の面圧発生部と、前記複数の面圧発生部を個別に制御し、反応ガス流路の上流側と下流側とにおける前記電極面内の面圧を相互に変更可能な制御部とを備えている。

また、セパレータは、金属製プレートで構成されることが好ましい。面圧を高く調整すると、セパレータが容易に変形して反応ガス流路の開口断面積が縮小する。このため、反応ガス流路に残存する水溜まり部が良好に削減され、特に低温始動時に、水分の凍結を抑制して迅速且つ確実な始動が遂行可能になる。

さらに、本発明は、電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池において、電極面内の異なる部位に積層方向に加圧力を付与する燃料電池の面圧調整方法である。

そこで、燃料電池を始動する際に、反応ガス流路の上流側の面圧が、前記反応ガス流路の下流側の面圧よりも高くなるように電極面内の面圧を調整している。一方、燃料電池の運転を停止する前に、反応ガス流路の下流側の面圧が、前記反応ガス流路の上流側の面圧よりも高くなるように電極面内の面圧を調整している。

本発明によれば、反応ガス流路の上流側と下流側とにおける電極面内の面圧が変更可能である。このため、低温始動時には、上流側の面圧が高く調整されることにより、反応ガスの濃度が高い前記上流側に、すなわち、高濃度領域に反応を集中させることができる。従って、局所的な反応が効率的に行われ、燃料電池全体を所望の温度に迅速且つ確実に暖機することが可能になる。

一方、燃料電池の運転を停止する前に、反応ガス流路の下流側の面圧が高く調整される。このため、生成水等によって水溜まりが発生し易い反応ガス流路の下流側から水分を確実に排出することができ、運転終了時には、燃料電池内の水溜まりが有効に削減される。これにより、燃料電池は、次回の始動が容易且つ効率的に開始される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の面圧調整装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。

燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１４を備える。この燃料電池スタック１４は、複数の発電セル（燃料電池）１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート１８ａ、１８ｂ、絶縁プレート２０ａ、２０ｂ及びエンドプレート２２ａ、２２ｂが配置される。

エンドプレート２２ａには、マニホールドプレート２４が取り付けられる一方、エンドプレート２２ｂには、面圧調整装置１０がバックアッププレート２６を介して装着される。マニホールドプレート２４とバックアッププレート２６とは、複数の締め付けボルト２８により積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け保持される。

図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３２と、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３４、３６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３４、３６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

電解質膜・電極構造体３２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード側電極４０及びアノード側電極４２とを備える。

カソード側電極４０及びアノード側電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成される。

発電セル１６の長辺方向（図２中、矢印Ｂ方向）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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔４４ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとが設けられる。

発電セル１６の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４６ａと、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４６ｂとが設けられる。

発電セル１６の矢印Ｃ方向一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４８ａ、４８ａが設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｃ方向他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４８ｂ、４８ｂが設けられる。

第１金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、図３に示すように、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとを連通する燃料ガス流路５０が形成される。この燃料ガス流路５０は、例えば、矢印Ｂ方向にＵ字状に折り返す複数の溝部により構成される。

図２に示すように、第１金属セパレータ３４の面３４ｂには、冷却媒体入口連通孔４８ａと冷却媒体出口連通孔４８ｂとを連通する冷却媒体流路５２が形成される。この冷却媒体流路５２は、図示しないが、例えば、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。

図４に示すように、第２金属セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、例えば、矢印Ｂ方向にＵ字状に折り返す複数の溝部からなる酸化剤ガス流路５４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５４は、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとに連通する。第２金属セパレータ３６の面３６ｂには、第１金属セパレータ３４の面３４ｂと重なり合って冷却媒体流路５２が一体的に形成される。

図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第１金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ３６の面３６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ３６の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される（図２及び図４参照）。

図５に示すように、面圧調整装置１０は、バックアッププレート２６に固定される複数の油圧ユニット（面圧発生部）６０ａ〜６０ｆを備える。油圧ユニット６０ａ〜６０ｃは、エンドプレート２２ｂの上部に位置して矢印Ｂ方向に配列されるとともに、油圧ユニット６０ｄ〜６０ｆは、前記エンドプレート２２ｂの下部に位置して矢印Ｂ方向に配列される。

各油圧ユニット６０ａ〜６０ｆの加圧作動部（図示せず）には、押圧プレート６２ａ〜６２ｆが連結され、前記押圧プレート６２ａ〜６２ｆがエンドプレート２２ｂの略全面にわたってスライド可能に配設される。押圧プレート６２ａ〜６２ｆは、図３に示す燃料ガス流路５０及び図４に示す酸化剤ガス流路５４において、それぞれ電極面内の異なる押圧領域（部位）６４ａ〜６４ｆに対応して設定される。

図１に示すように、面圧調整装置１０は、油圧ユニット６０ａ〜６０ｆに圧力油を供給するコンプレッサ６６と、運転状況に応じて前記コンプレッサ６６を制御し、前記油圧ユニット６０ａ〜６０ｆの各油圧量を個別に調整可能な制御部６８とを備える。

マニホールドプレート２４には、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ、燃料ガス入口連通孔４６ａ、燃料ガス出口連通孔４６ｂ、冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂにそれぞれ個別に連通する複数の配管７０が設けられる。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池スタック１４では、図１に示すように、マニホールドプレート２４を介して酸素含有ガス等の酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス及び純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の発電セル１６に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔４４ａから第２金属セパレータ３６の酸化剤ガス流路５４に導入され、電解質膜・電極構造体３２のカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４６ａから第１金属セパレータ３４の燃料ガス流路５０に導入され、電解質膜・電極構造体３２のアノード側電極４２に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４２に供給される燃料ガスとが、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。

次いで、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂに沿って流動した後、マニホールドプレート２４から外部に排出される。同様に、アノード側電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４６ｂに排出されて流動し、マニホールドプレート２４から外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔４８ａから第１及び第２金属セパレータ３４、３６間の冷却媒体流路５２に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４８ｂを移動してマニホールドプレート２４から排出される。

次に、燃料電池システム１２を用いて、第１の実施形態に係る面圧調整方法について説明する。

先ず、燃料電池システム１２を低温で始動する際には、面圧調整装置１０を構成する制御部６８を介してコンプレッサ６６が制御され、油圧ユニット６０ａ〜６０ｆによる電極面内の面圧分布が設定される。すなわち、燃料ガス流路５０及び酸化剤ガス流路５４の上流側の面圧が、下流側の面圧よりも高くなるように電極面内の面圧を調整する。具体的には、油圧ユニット６０ａ〜６０ｃが油圧ユニット６０ｄ〜６０ｆよりも高圧に調整される。

ここで、燃料ガス流路５０及び酸化剤ガス流路５４の上流側は、それぞれ水素濃度及び酸素濃度が高い領域である。従って、上流側の面圧を高く調整することによって、接触抵抗の削減を図るとともに、反応を該上流側に集中させることができる。このため、局所的な反応が効率的に行われ、各発電セル１６を所望の温度に迅速且つ確実に温めることが可能になり、燃料電池スタック１４の低温始動を効率的に行うことができるという効果が得られる。

一方、燃料電池スタック１４の運転を停止する前に、面圧調整装置１０が駆動される。燃料電池スタック１４の運転時には、酸化剤ガス流路５４及び燃料ガス流路５０の下流側には、生成水等によって上流側に比べて多くの水分が存在しており、水溜まりが発生し易い。

そこで、燃料電池スタック１４の運転停止の直前に、油圧ユニット６０ｄ〜６０ｆが油圧ユニット６０ａ〜６０ｃよりも高圧に調整される。これにより、酸化剤ガス流路５４及び燃料ガス流路５０の下流側の面圧は、上流側の面圧よりも高くなるように調整される。従って、前記下流側に対応して発電セル１６間の隙間が減少し、該下流側の水分を外部に強制的に排出することができる。

特に、各発電セル１６を構成する第１及び第２金属セパレータ３４、３６は、薄板波形状を有している。このため、第１及び第２金属セパレータ３４、３６は、油圧ユニット６０ｄ〜６０ｆによる加圧力によって容易に変形し、流路溝を狭小化して残存する水分を確実に排出することが可能になる。これによって、燃料電池スタック１４は、次回の始動が容易且つ効率的に開始されるという利点が得られる。

なお、第１の実施形態では、面圧調整装置１０は、面圧発生部として油圧ユニット６０ａ〜６０ｆを備えているが、これに限定されるものではない。例えば、アクチュエータに連結されて螺回動作する複数のボルトを備え、前記ボルトの先端を押圧プレート６２ａ〜６２ｆに連結してもよい。また、それぞれ個別に駆動制御されるシリンダ等の直動アクチュエータを用いてもよい。さらに、燃料電池スタック１４の締め付け圧を感知する歪ゲージ（図示せず）を用いて、面圧の管理を行ってもよい。さらにまた、燃料電池システム１２がＯＦＦの状態でも、面圧を維持する状態又は維持しない状態でも、適用することができ、これらの状態に限定されるものではない。

さらにまた、第１の実施形態では、燃料ガス流路５０及び酸化剤ガス流路５４は、Ｕ字状の複数の流路溝により構成されているが、これに限定されるものではなく、以下に説明する第２及び第３の実施形態を採用してもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する第１金属セパレータ７０の正面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２を構成する第１金属セパレータ３４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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

第１金属セパレータ７０の電解質膜・電極構造体（図示せず）に向かう面７０ａには、一方の対角位置に燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとが設けられるとともに、他方の対角位置に酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとが設けられる。

燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとは、燃料ガス流路７２を介して連通する。燃料ガス流路７２は、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返して蛇行するサーペンタイン流路溝を構成している。燃料ガス流路７２には、上流側から下流側に向かって複数、例えば、６つの押圧領域７４ａ〜７４ｆが設定されており、前記押圧領域７４ａ〜７４ｆには、面圧調整装置１０（第１の実施形態において説明済み）により選択的に面圧調整が行われる。

なお、図示していないが、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとを連通する酸化剤ガス流路は、同様に、矢印Ｂ方向に１往復半だけ折り返すサーペンタイン流路溝を構成している。

このように構成される第２の実施形態では、低温始動時には、燃料ガス流路７２の上流側に、すなわち、押圧領域７４ａ〜７４ｃに下流側に比べて高い面圧を付与する一方、運転停止直前には、前記燃料ガス流路７２の下流側に、すなわち、押圧領域７４ｄ〜７４ｆに上流側よりも高い面圧を付与する。これにより、低温始動が迅速且つ確実に遂行されるとともに、水溜まり部の発生を良好に阻止することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する第１金属セパレータ９０の正面説明図である。

第１金属セパレータ９０の電解質膜・電極構造体（図示せず）に向かう面９０ａには、燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとに連通する燃料ガス流路９２が設けられる。この燃料ガス流路９２は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する複数の溝部を備えている。

燃料ガス流路９２の上流側から下流側に対応して押圧領域９４ａ〜９４ｆが設けられ、この押圧領域９４ａ〜９４ｆは、前述した面圧調整装置１０によりそれぞれ所望の面圧が付与可能である。なお、図示していないが、酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとは、同様に、矢印Ｂ方向に延在する直線状溝部によって構成されている。

この第３の実施形態では、低温始動時には、水素濃度が高い押圧領域９４ａと、酸素濃度の高い押圧領域９４ｃとに付与される面圧を高く設定することにより、反応を局所的に集中させることができる。一方、運転停止直前には、燃料ガス流路９２の出口近傍である押圧領域９４ｆと、酸化剤ガスの出口近傍である押圧領域９４ｄとに対応して面圧を高く設定することにより、水溜まりが有効に削減される。これにより、第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態の面圧調整装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記発電セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 前記面圧調整装置の分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 特許文献１の説明図である。

符号の説明

１０…面圧調整装置 １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック １６…発電セル
３２…電解質膜・電極構造体 ３４、３６、７０、９０…金属セパレータ
３８…固体高分子電解質膜 ４０…カソード側電極
４２…アノード側電極 ５０、７２、９２…燃料ガス流路
５２…冷却媒体流路 ５４…酸化剤ガス流路
６０ａ〜６０ｆ…油圧ユニット ６２ａ〜６２ｆ…押圧プレート
６４ａ〜６４ｆ、７４ａ〜７４ｆ、９４ａ〜９４ｆ…押圧領域
６６…コンプレッサ ６８…制御部

Claims (6)

1. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池の面圧調整装置であって、
   前記燃料電池の端部に配設され、電極面内の異なる部位に積層方向に加圧力を付与可能な複数の面圧発生部と、
   前記複数の面圧発生部を個別に制御し、前記反応ガス流路の上流側と下流側とにおける前記電極面内の面圧を相互に変更可能な制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の面圧調整装置。
2. 請求項１記載の面圧調整装置において、前記セパレータは、金属製プレートで構成されることを特徴とする燃料電池の面圧調整装置。
3. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池において、電極面内の異なる部位に積層方向に加圧力を付与する燃料電池の面圧調整方法であって、
   前記燃料電池を始動する際に、前記反応ガス流路の上流側の面圧が、前記反応ガス流路の下流側の面圧よりも高くなるように前記電極面内の面圧を調整することを特徴とする燃料電池の面圧調整方法。
4. 請求項３記載の面圧調整方法において、前記燃料電池の運転を停止する前に、前記反応ガス流路の下流側の面圧が、前記反応ガス流路の上流側の面圧よりも高くなるように前記電極面内の面圧を調整することを特徴とする燃料電池の面圧調整方法。
5. 電解質を一対の電極間に配設した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層されるとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池において、電極面内の異なる部位に積層方向に加圧力を付与する燃料電池の面圧調整方法であって、
   前記燃料電池の運転を停止する前に、前記反応ガス流路の下流側の面圧が、前記反応ガス流路の上流側の面圧よりも高くなるように前記電極面内の面圧を調整することを特徴とする燃料電池の面圧調整方法。
6. 請求項３乃至５のいずれか１項に記載の面圧調整方法において、前記セパレータは、金属製プレートであることを特徴とする燃料電池の面圧調整方法。
   
   

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