JP2006309945A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライアップの発生確率の高い場所に位置する単位セルにおける燃料極の厚さを厚くすることによって、燃料極からの水分の蒸発を抑制し、ドライアップの発生を防止することができるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極１３と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極１３に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、該セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極１３が厚く形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の物性上の両側を湿潤な状態に維持する必要がある。

ところで、高負荷になると、燃料極側においては、水分の蒸発量が増加してイオン伝導性が減少する現象であるドライアップが発生し、燃料電池の性能が低下してしまうことが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１８５７７８号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、ドライアップの発生を適切に防止することができなかった。そのため、ドライアップの発生によって燃料電池の性能低下が起き、燃料電池システムを長時間に亘（わた）って安定的に運転することができず、電池に負荷がかかり燃料電池自体が劣化してしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、ドライアップの発生確率の高い場所に位置する単位セルにおける燃料極の厚さを厚くすることによって、燃料極からの水分の蒸発を抑制し、ドライアップの発生を防止することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、該セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極が厚く形成されている。

本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、酸素極より厚く形成されている。

本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、他の燃料電池の燃料極より厚く形成されている。

本発明によれば、燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、該セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極が厚く形成されている。

この場合、燃料電池の燃料極からの水分の蒸発を抑制することができ、ドライアップの発生を防止することができる。

また、他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、酸素極より厚く形成されている。

この場合、燃料極の厚さが厚くても、燃料極と電解質膜との境界に十分な量の水素イオンが供給されるので、燃料電池の性能が低下することがない。

また、更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、他の燃料電池の燃料極より厚く形成されている。

この場合、ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、他の燃料電池の燃料極より保湿性が高くなるので、ドライアップが発生することを確実に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。

図２において、２０は燃料電池装置（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、燃料電池車両は、効率を考えた場合、効率の良い範囲が特定されているためそれを補うべく、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール１０は、図３に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。

単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた水素極としての燃料極１３で構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。

次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図４において、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、起動用燃料排出管路５６が接続され、該起動用燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続されている。また、起動用燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２及び排気口２２ａを通って大気中へ排出される。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

さらに、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、図示されない水素濃度検出器を含む各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、前記構成の燃料電池スタック２０におけるドライアップの発生を防止する構成について説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池の電極の構成を示す図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池スタック内の水素の流れを示す模式図である。

ここでは、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂのセットを１０個積層して１つのセルモジュール１０を形成し、該セルモジュール１０を１０個積層して１つの燃料電池スタック２０を形成したものを例に採って説明する。この場合、燃料電池スタック２０内における水素ガスの流れは、図５において矢印で示されるように、セルモジュール１０毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇（だ）行状になっている。なお、図５において、８１は燃料電池スタック２０のエンドプレートに取り付けられた水素ガスの入口であり、８２は燃料電池スタック２０のエンドプレートに取り付けられた水素ガスの出口である。この場合、該出口８２は、通常は閉じており、間欠的に開いて、水素ガスの間欠排気を行うようになっている。

また、図５における矢印の長さは、水素ガスの流速を示している。図５から、水素ガスの入口８１側のセルモジュール１０ほど水素ガスの流速が高く、出口８２側に近付くほど水素ガスの流速が低くなっていくことが分かる。そして、水素ガスの流速が高いほど燃料極１３から水分を奪いやすいので、水素ガスの入口８１側に近い第１番目のセルモジュール１０がドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュール１０であると考えることができる。すなわち、第１番目のセルモジュール１０がドライアップを起こしやすいセルモジュール１０である。

そこで、本実施の形態においては、図１（ｂ）に示されるように、ドライアップの発生確率の高い場所に位置する第１番目のセルモジュール１０における単位セル１０Ａの燃料極１３の厚さを厚くするようになっている。なお、図１（ａ）は、他のセルモジュール１０、すなわち、ドライアップの発生確率の低い場所に位置するセルモジュール１０における単位セル１０Ａを示している。なお、図１において、Ｘ軸は水素ガスの流路方向を示し、Ｙ軸は水素ガスの流路に直交する方向を示している。

図１（ａ）に示されるように、ドライアップの発生確率の低い場所に位置するセルモジュール１０における単位セル１０Ａ、すなわち、通常の単位セル１０Ａでは、燃料極１３の厚さが、固体高分子電解質膜１１の反対側に設けられた空気極１２の厚さと同程度に形成されている。それに対し、ドライアップを起こしやすいセルモジュール１０における単位セル１０Ａでは、燃料極１３の厚さが空気極１２の厚さよりも厚く、かつ、通常の単位セル１０Ａの燃料極１３の厚さよりも厚くなるように形成されている。

そのため、ドライアップを起こしやすいセルモジュール１０における単位セル１０Ａでは、燃料極１３の厚さが厚いので、該燃料極１３から蒸発して水素ガスに奪われる水分の量が抑制される。すなわち、燃料極１３の保湿性が高くなる。これにより、第１番目のセルモジュール１０のようにドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュール１０において、燃料極１３の保湿性が高くなるので、燃料電池スタック２０においてドライアップが発生することを防止することができる。ここで、水素は反応性が高く水素イオンに成りやすく、燃料極１３の厚さが厚くても、該燃料極１３と固体高分子電解質膜１１との境界に十分な量の水素イオンが供給されるので、単位セル１０Ａの性能が低下することがない。なお、空気極１２の厚さを厚くすると、燃料極１３と固体高分子電解質膜１１との境界に十分な量の酸素が供給されにくくなる。

また、燃料極１３の厚さを厚くする単位セル１０Ａは、ドライアップを起こしやすいセルモジュール１０に含まれるすべての単位セル１０Ａであってもよいし、ドライアップを起こしやすいセルモジュール１０内においてドライアップの発生確率の高い場所に位置する単位セル１０Ａだけであってもよい。微細に観ると、セルモジュール１０の内部における水素ガスの流れは必ずしも一様ではなく、流速及び圧力が局所的に変化している。そのため、第１番目のセルモジュール１０のようにドライアップを起こしやすいセルモジュール１０であっても、すべての単位セル１０Ａにおいてドライアップを起こしやすいとは限らない。そこで、ドライアップを起こしやすいセルモジュール１０内でのドライアップを起こしやすい単位セル１０Ａを特定し、該単位セル１０Ａにおける燃料極１３の厚さを厚くすることによって、燃料電池スタック２０においてドライアップが発生することを防止することができる。なお、水素ガスの流れはセルモジュール１０の構造、形状等によって変化する。そのため、ドライアップを起こしやすいセルモジュール１０の内部において、必ずしも水素ガスの入口８１側に近い単位セル１０Ａほどドライアップを起こしやすいと言うことができず、どの単位セル１０Ａがドライアップを起こしやすいのかは、セルモジュール１０の構造、形状等によって相違する。

このように、本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュール１０の単位セル１０Ａにおける燃料極１３の厚さを厚くするようになっている。そのため、前記単位セル１０Ａにおいて、燃料極１３の保湿性が高くなるので、燃料電池スタック２０においてドライアップが発生することを防止することができる。

これにより、燃料電池スタック２０を高負荷で長時間に亘って運転させてもドライアップが発生しなくなるので、高速道路、上り坂等を走行する場合において、燃料電池スタック２０を動力源とする車両の走行性能が向上する。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池の電極の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池スタック内の水素の流れを示す模式図である。

符号の説明

１０ セルモジュール
１０Ａ 単位セル
１０Ｂ セパレータ
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
２０ 燃料電池スタック

Claims (3)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、
   前記セルモジュールは、該セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、
   ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極が厚く形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、酸素極より厚く形成されている請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記ドライアップの発生確率の高い場所に位置する燃料電池の燃料極は、他の燃料電池の燃料極より厚く形成されている請求項１に記載の燃料電池装置。

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