JP2008004406A - 燃料電池及びそれを備える燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】セル内で発生するフラッディングを確実に防止することができる燃料電池及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】セル１１が積層されることによって、反応部と伝熱部が形成されたスタック１１１を有し、スタック１１１には、第１及び第２の熱媒体供給マニホールド１２５、１２６及び熱媒体排出マニホールド１２７が形成され、伝熱部には、第１の熱媒体供給マニホールド１２５から熱媒体排出マニホールド１２７に到る第１の熱媒体流路と、第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分を有するようにして第２の熱媒体供給マニホールド１２６から第１の熱媒体供給マニホールド１２５に到る第２の熱媒体流路と、が形成されている、燃料電池。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池及びそれを備える燃料電池システム、特に燃料電池の構造に関する。

燃料電池システムは、原料と水を反応させて水素リッチな燃料ガスが燃料処理器で生成され、この生成された燃料ガスと酸化剤ガスが燃料電池に供給され、燃料電池でこれらのガスを反応させて発電を行うシステムである。

この燃料電池システムを一般家庭用として用いる場合、電気消費量の多い昼間に発電を行い、逆に電気消費量の少ない夜間に運転を停止する、いわゆるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ Ｓｔａｒｔ−ｕｐ＆Ｓｈｕｔ−ｄｏｗｎ）運転が行われる。ＤＳＳ運転において、起動時等の燃料電池内の温度が充分に加熱されていないときに発電したり、また、燃料電池内の温度より高い露点となるように加湿された反応ガスが燃料電池内に供給されると、燃料電池を構成するセルにおける反応ガス流路の下流部で結露が生じ、これによりフラッディングが発生する。

このような燃料電池システムの起動時のフラッディングを防止するために、燃料電池の起動時にセルの下部から上部へ熱媒体を通流させる固体高分子型燃料電池（例えば、特許文献１）や燃料電池システムの起動時に燃料電池の酸化剤流路の下流の出口領域より熱媒体を循環させる燃料電池システム（例えば、特許文献２）が知られている。特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池や特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、セルの反応ガスの流れにおける下流側から熱媒体流路に熱媒体を供給して燃料電池を加熱するため、セルにおける反応ガス流路の下流部で生じるフラッディングを防止することができる。
特開平８−７８０３３号公報 特開２００３−３０３６０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池や特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、逆にセルにおける反応ガス流路の上流部の加熱が不充分となって、フラッディングが生じるおそれがあり、未だ改善の余地があった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、フラッディングの発生を確実に防止し、安全に運転可能な燃料電池及びそれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、セルが積層されることによって、反応ガスの反応により発熱を伴う発電をする１以上の反応部と、熱媒体の通流により該反応部との間で熱を授受する１以上の伝熱部と、が前記セルの積層方向において互いに隣接するように形成されたスタックを有し、前記スタックには、前記反応ガスを前記反応部に供給するための反応ガス供給マニホールド、前記反応ガスを前記反応部から排出するための反応ガス排出マニホールド、前記熱媒体を前記伝熱部に供給するための第１及び第２の熱媒体供給マニホールド、及び前記熱媒体を前記伝熱部から排出するための熱媒体排出マニホールドが前記積層方向に延びるようにそれぞれ形成され、各前記反応部には、前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス排出マニホールドに到る反応ガス流路が形成され、各前記伝熱部には、前記積層方向から見て巨視的に前記反応ガスと同じ方向に前記熱媒体が流れるようにして、前記第１の熱媒体供給マニホールドから前記熱媒体排出マニホールドに到る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分を有するようにして前記第２の熱媒体供給マニホールドから前記第１の熱媒体供給マニホールドに到る第２の熱媒体流路と、が形成されている。

これにより、セル内で発生するフラッディングを確実に防止することができ、安全に燃料電池を運転することが可能となる。また、セルの反応ガスの流れにおける上流側と下流側の両方から熱媒体を流通させるので、スタック内の温度を急速に暖めることができ、起動時間の短縮が可能となる。

また、本発明の燃料電池においては、外部からの前記熱媒体の供給先を前記第１の熱媒体供給マニホールドと前記第２の熱媒体供給マニホールドとの間で切り替える切り替え器を備えてもよい。

更に、本発明の燃料電池においては、前記セルは、一対のガス拡散電極と該一対のガス拡散電極の間に配置される電解質層を含む電解質層−電極積層体と、板状の形状を呈しており、かつ、導電性を有しており、前記電解質層−電極積層体を挟む一対のセパレータと、を有し、前記セパレータは、前記電解質層−電極積層体と当接する主面に前記反応ガス流路が形成され、かつ、他方の主面に前記熱媒体流路が形成され、前記反応部は、前記セルにおける、一方の前記セパレータの前記反応ガス流路から他方の前記セパレータの前記反応ガス流路に亘る部分から構成され、前記伝熱部は、前記積層方向において互いに隣接する２つの前記セパレータの前記熱媒体流路が形成された部分から構成されてもよい。

また、本発明の燃料電池においては、前記反応ガスは、アノードガスとカソードガスとで構成され、前記一対のセパレータは、前記反応ガス流路としてアノードガス流路が形成されたアノードセパレータと、前記反応ガス流路としてカソードガス流路が形成されたカソードセパレータと、で構成され、前記反応ガス供給マニホールドは、各前記セルのアノードガス流路に前記アノードガスを供給するためのアノードガス供給マニホールドと、各前記セルのカソードガス流路に前記カソードガスを供給するためのカソードガス供給マニホールドと、で構成され、前記反応ガス排出マニホールドは、各前記セルのアノードガス流路から前記アノードガスを排出するためのアノードガス排出マニホールドと、各前記セルのカソードガス流路から前記カソードガスを排出するためのカソードガス排出マニホールドと、で構成され、前記セルは、互いに隣接する２つのセルにおいて一方のセルのアノードセパレータと、他方のセルのカソードセパレータと、が接触するように積層されていてもよい。

更に、本発明の燃料電池においては、前記第２の熱媒体流路は、前記第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分のその全体に対する比率が５０％以上８０％以下であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池においては、前記第１の熱媒体流路は、前記反応ガス流路と平行流となるように形成されていてもよい。

また、本発明の燃料電池においては、前記電解質層は、高分子電解質膜からなる層を少なくとも含んでいてもよい。

また、本発明の燃料電池においては、一対のガス拡散電極と該一対のガス拡散電極の間に配置される電解質層を含む電解質層−電極積層体と、板状の形状を呈しており、かつ、導電性を有しており前記電解質層−電極積層体を挟む一対のセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、前記セルスタックの内部には、反応ガス供給マニホールドと、反応ガス排出マニホールドと、第１及び第２の熱媒体供給マニホールドと、熱媒体排出マニホールドと、が前記積層方向に延びるようにそれぞれ形成され、前記セパレータには、前記電解質層−電極積層体と当接する主面に、前記反応ガス供給マニホールドと前記反応ガス排出マニホールドとを結ぶように前記反応ガス流路が形成され、かつ、他方の主面に、前記積層方向から見て巨視的に前記反応ガスと同じ方向に前記熱媒体が流れるようにして、前記第１の熱媒体供給マニホールドから前記熱媒体排出マニホールドに到る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分を有するようにして前記第２の熱媒体供給マニホールドから前記第１の熱媒体供給マニホールドに到る第２の熱媒体流路と、が形成されていてもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池と、制御装置と、前記燃料電池の前記熱媒体排出マニホールドから排出される熱媒体の温度を検出する温度検出器と、を備え、前記制御装置は、前記温度検出器からの温度情報を基に前記切り替え器を制御する。

これにより、セル内で発生するフラッディングを確実に防止することが可能となる。また、セルの反応ガスの流れにおける上流側と下流側の両方から熱媒体を流通させるので、スタック内を急速に暖めることができ、起動時間の短縮が可能となる。

また、本発明の燃料電池システムにおいては、前記切り替え器に前記熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、前記反応部に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、を備えてもよい。

本発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池システムによれば、セル内で発生するフラッディングを確実に防止することが可能となる。また、セルの反応ガスの流れにおける上流側と下流側の両方から熱媒体を流通させるので、スタック内の温度を急速に暖めることができ、起動時間の短縮が可能となる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システムは、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）１００と、燃料ガス供給装置１０１と、酸化剤ガス供給装置１０２と、熱媒体供給装置１０３と、温度検出器１０４と、制御装置（制御器）１０５と、を有している。

ＰＥＦＣ１００は、スタック１１１と切り替え弁（切り替え器）１１２を有している。

スタック１１１は、電解質層である高分子電解質膜１の両主面にアノード４ａ及びカソード４ｂが形成されてなるＭＥＡ５（電解質層部材；図２及び図３参照）と、該ＭＥＡ５を挟む一対のガスケット１０と、ＭＥＡ５とガスケット１０を挟むアノードガスセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂと、を有するセル１１が積層されて形成されている。そして、スタック１１１には、各セル１１に設けられた各種のマニホ−ルド孔が積層方向につながってアノード４ａにアノードガス（燃料ガス）を供給するアノードガス供給マニホールド１２１と、カソード４ｂにカソードガス（酸化剤ガス）を供給するカソードガス供給マニホールド１２３と、未反応のアノードガスをスタック１１１外に排出するアノードガス排出マニホールド１２２と、未反応のカソードガスをスタック１１１外に排出するカソードガス排出マニホールド１２４と、が形成されている。

アノードガス供給マニホールド１２１は、アノードガスを供給する燃料ガス供給装置１０１と適宜な配管で接続されており、燃料ガス供給装置１０１は、適宜な配管でアノードガス排出マニホールド１２２と接続されている。また、カソードガス供給マニホールド１２３は、適宜な配管により、カソードガスを供給する酸化剤ガス供給装置１０２と接続されており、一方、カソードガス排出マニホールド１２４は、適宜な配管が接続され、未反応の酸化剤ガスをシステム外に排出する。

これにより、燃料電池供給装置１０１及び酸化剤ガス供給装置１０２から供給されたアノードガスとカソードガス（これらを、反応ガスという）が電気化学的に反応して水が生成し、発熱を伴って電気が発生する。

また、スタック１１１には、外部から供給された熱媒体をスタック１１１内に通流させる第１の熱媒体供給マニホールド１２５、第２の熱媒体供給マニホールド及び熱媒体排出マニホールド１２６が形成されている。

切り替え弁１１２は、ここでは、三方弁で形成されており、その第１のポート１１２ａ及び第２のポート１１２ｂは、第１の熱媒体供給マニホールド１２５及び第２の熱媒体供給マニホールド１２６とそれぞれ適宜な配管で接続されている。また、切り替え弁１１２の第３のポート１１２ｃには、熱媒体供給路１０６の一端が接続されており、熱媒体供給路１０６の他端には、熱媒体を供給する熱媒体供給装置１０３の吐出口が接続されている。熱媒体供給装置１０３の吸入口には、熱媒体排出路１０７の一端が接続されており、熱媒体排出路１０７の他端には、熱媒体排出マニホールド１２７が接続されている。熱媒体排出路１０７の途中には、温度検出器１０４が設けられている。熱媒体供給装置１０３からＰＥＦＣ１００に供給された熱媒体がスタック１１１内を通流することにより、スタック１１１内を反応ガスが反応するのに適した温度に保つことができる。

燃料ガス供給装置１０１は、ここでは、天然ガス供給インフラから供給される天然ガスを燃料処理器（図示せず）に送出するプランジャーポンプ（図示せず）と、その送出量を調整することができる流量調整具（図示せず）と、送出された天然ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料処理器と、を有している。燃料処理器では、天然ガスと水蒸気とを改質反応させ、改質ガスが生成され、この改質ガスに含まれるＣＯを１ｐｐｍ程度まで減少させて燃料ガスが生成される。また、燃料ガス供給装置１０１の燃料処理器は、アノードガス排出マニホールド１２４と適宜な配管により接続され、未反応のアノードガスがオフガスとして図示されない燃料処理器（正確には、その加熱部）に供給される。

酸化剤ガス供給装置１０２は、ここでは、吸入口が大気開放されているブロワ（図示せず）で構成されており、酸化剤ガス（ここでは、空気）をＰＥＦＣ１００（正確には、カソードガス供給マニホールド）に供給する。なお、酸化剤ガス供給装置１０３は、シロッコファンなどのファン類を用いる構成としてもよい。

熱媒体供給装置１０３は、熱媒体を循環させるポンプ（図示せず）と、熱媒体を加熱するヒータ（図示せず）と、熱媒体と熱交換する熱交換器（図示せず）と、を有しており、スタック１１１内を適切な温度に維持する。具体的には、燃料電池システムの起動時には、熱媒体装置１０３では、図示されないヒータにより熱媒体が加熱され、加熱された熱媒体は、ＰＥＦＣ１００に供給され、スタック１１１内を加熱する。また、燃料電池システムの発電時には、反応ガスにおける電気化学的反応に伴い熱が発生するので、スタック１１１内を通流した熱媒体は加熱される。このため、熱媒体供給装置１０３では、加熱された熱媒体が、図示されない熱交換器を通流されて、外部と熱交換を行う。これにより、熱媒体は冷却され、この冷却された熱媒体をＰＥＦＣ１００に供給し、スタック１１１内を冷却する。なお、ここでは、熱媒体として水を使用している。

温度検出器１０４は、ここでは、熱電対、サーミスタなどの温度センサを有しており、熱媒体排出路１０７を流れる熱媒体の温度をスタック１１１の温度として検出し、その温度情報は、制御装置１０５に伝達される。

制御装置１０５は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部１４１、メモリ等からなる記憶部１４２、モニター等の表示部１４３及びキーボード等の操作入力部１４４を有している。演算処理部１４１は、記憶部１４２に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システムに関する各種の制御を行う。また、演算処理部１４１は、記憶部１４２に記憶されたデータや操作入力部１４４から入力されたデータを処理する。そして、特に、温度検出器１０４にて検出された温度情報に基づいて切り替え弁１１２を制御し、熱媒体供給装置１０３から供給される熱媒体の供給先を切り替える。熱媒体の供給先の切り替え動作については後述する。

ここで、本明細書において、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御装置群をも意味する。このため、制御装置は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置され、それらが協働して燃料電池システムの動作を制御するように構成されていてもよい。

次に、本実施の形態１に係るスタック１１１の構成について、図２を参照しながら説明する。

図２は、図１に示したスタック１１１の概容を示す模式図である。なお、図２においては、スタック１１１における上下方向を、図における上下方向として表している。

図２に示すように、スタック１１１は、板状の全体形状を有するセル１１がその厚み方向に積層されてなるセル積層体５０と、セル積層体５０の両端に配置された端板４１と、セル積層体５０と端板４１とをセル１１の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。また、端板４１には、集電板及び絶縁板がそれぞれ配設されているが図示を省略している。なお、板状のセル１１は、鉛直面に平行に延在しており、セル１１の積層方向は水平方向となっている。

セル積層体５０の一方の側部（以下、第１の側部という）の上部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにアノードガス供給マニホールド１２１が形成されており、また、第１の側部の下部には、熱媒体排出マニホールド１２７が形成されている。同様に、セル積層体５０の他方の側部（以下、第２の側部という）の上部には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにカソードガス供給マニホールド１２３が形成されており、第２の側部の下部には、第２の熱媒体供給マニホールド１２６が形成されている。また、セル積層体５０の第１の側部の熱媒体排出マニホールド１２７が配設されている下部の内側には、該セル積層体５０の積層方向に貫通するようにカソードガス排出マニホールド１２４が形成されており、セル積層体５０の第２の側部のカソードガス供給マニホールド１２３が配設されている上部の内側には、第１の熱媒体供給マニホールド１２５が形成されており、第２の側部の第２の熱媒体供給マニホールド１２７が配設されている下部の内側には、アノードガス排出マニホールド１２２が形成されている。そして、それぞれのマニホールドには、適宜な配管が設けられている。

次に、本実施の形態１に係るスタック１１１のセル１１の構造について説明する。

図３は、図２に示したスタック１１１を構成するセル１１の構造の概容を示す断面図である。なお、図３においては、その一部を省略している。

図３に示すように、セル１１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極積層体）５と、ガスケット１０と、アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂと、を有している。

ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１とアノード４ａとカソード４ｂを有している。高分子電解質膜１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード４ａとカソード４ｂ（これらを、ガス拡散電極という）がそれぞれ設けられている。アノード４ａは、高分子電解質膜１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３ａと、を有している。同様に、カソード４ｂは、高分子電解質膜１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とするカソード触媒層２ｂと、カソード触媒層２ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３ｂと、を有している。

アノード４ａ及びカソード４ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のフッ素ゴム製のガスケット１０が配設されている。これにより、燃料ガス、空気や酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル１１内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット１０の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる熱媒体供給マニホールド孔２５等のマニホールド孔が設けられている。

そして、ＭＥＡ５とガスケット１０を挟むように、導電性のアノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂが配設されている。これらのセパレータ６ａ、６ｂは、黒鉛板に、フェノール樹脂が含浸され硬化された樹脂含浸黒鉛板が用いられる。また、ＳＵＳ等の金属材料からなるものを用いてもよい。アノードセパレータ６ａとカソードセパレータ６ｂにより、ＭＥＡ５が機械的に固定されるとともに、隣接するＭＥＡ５同士が互いに電気的に直列に接続される。

アノードセパレータ６ａの内面（ＭＥＡ５に当接する面）には、燃料ガスを流すための溝状のアノードガス流路７がサーペンタイン状に形成されている。一方、アノードセパレータ６ａの外面には、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９がサーペンタイン状に形成されている。また、アノードセパレータ６ａの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる熱媒体供給マニホールド孔２５等のマニホールド孔（図４及び図５参照）が設けられている。

一方、カソードセパレータ６ｂの内面には、酸化剤ガスを流すための溝状のカソードガス流路８がサーペンタイン状に形成されており、その外面には、熱媒体を流すための溝状の熱媒体流路９がサーペンタイン状に形成されている。また、カソードセパレータ６ｂの周縁部には、アノードセパレータ６ａと同様に、厚み方向の貫通孔からなる熱媒体供給マニホールド孔２５等のマニホールド孔が設けられている。

このように形成したセル１１をその厚み方向に積層することにより、セル積層体５０が形成される。アノードセパレータ６ａ、カソードセパレータ６ｂ及びガスケット１０に設けられた熱媒体供給マニホールド孔２５等のマニホールド孔は、セル１１を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、熱媒体供給マニホールド１２５等のマニホールドがそれぞれ形成される。

そして、セル１１内において、アノードガス流路７、ＭＥＡ５、そして、カソードガス流路に亘る部分が反応部１５を構成する。また、隣接する２つのセルにおいて互いに接触する２つのセパレータにそれぞれ設けられた熱媒体流路９は、両者が合わさって１つの熱媒体流路を形成し、これが、伝熱部１６を構成する。なお、熱媒体流路９はセル毎に設けられても、所定数のセル毎に設けられても良い。

次に、カソードセパレータ６ｂの形状について、図４及び図５を参照して詳しく説明する。

図４は、図３に示すセル１１のカソードセパレータ６ｂの内面形状を示す模式図である。一方、図５は、図３に示すセル１１のカソードセパレータ６ｂの外面形状を示す模式図である。なお、図４及び図５においては、カソードセパレータ６ｂにおける上下方向を、図における上下方向として表している。

図４及び図５に示すように、カソードセパレータ６ｂには、アノードガス供給マニホールド孔２１が、カソードセパレータ６ｂの一方の側部（図面左側の側部：以下、第１の側部という）の上部に設けられ、カソードガス供給マニホールド孔２３が、カソードセパレータ６ｂの他方の側部（図面右側の側部：以下、第２の側部という）の上部に設けられている。また、熱媒体排出マニホールド孔２７が、カソードセパレータ６ｂの第１の側部の下部に設けられ、第２の熱媒体供給マニホールド孔２６が、カソードセパレータ６ｂの第２の側部の下部に設けられている。さらに、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５が、カソードガス供給マニホールド孔２３の上部の内側に設けられ、カソードガス排出マニホールド孔２４が、熱媒体排出マニホールド孔２７の下部の内側に設けられ、アノードガス排出マニホールド孔２２が、第２の熱媒体供給マニホールド孔２６の下部の内側に設けられている。

また、図４に示すように、カソードセパレータ６ｂの内面には、ＭＥＡ５と当接する当接部分３０の略全体に亘って、カソードガス供給用マニホールド孔２３とカソードガス排出マニホールド孔２４を結ぶようにサーペンタイン状に形成された溝状のカソードガス流路８が設けられている。

カソードガス流路８は、本実施の形態では３つの流路で構成されており、各流路は、水平方向に延びる水平部８ａと、鉛直方向に延びる鉛直部８ｂと、で実質的に構成されている。具体的には、カソードガス流路８の各流路は、カソードガス供給マニホールド孔２３の上部からカソードセパレータ６ｂの第１の側部まで水平に延び、そこから、下方にある距離延びている。延びた地点から、第２の側部まで水平に延び、そこから、下方にある距離延びている。そして、そこから、上記延在パターンを３回繰り返し、その到達点からカソードガス排出マニホールド孔２４の下部に到るように下方に延びている。このような各流路の水平に延びる部分が、水平部８ａを形成し、下方に延びる部分が、鉛直部８ｂを形成している。

一方、図５に示すように、カソードセパレータ６ｂの外面には、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５と熱媒体排出マニホールド孔２４を結ぶようにサーペンタイン状に形成された溝状の第１の熱媒体流路１９と、第２の熱媒体供給マニホールド孔２６と第１の熱媒体マニホールド孔２５を結ぶように形成された溝状の第２の熱媒体流路２９と、が設けられている。第１の熱媒体流路１９と第２の熱媒体流路２９によって、熱媒体流路９が構成される。

第１の熱媒体流路１９は、本実施の形態では３つの流路で構成されており、各流路は、水平方向に延びる水平部１９ａと、鉛直方向に延びる鉛直部１９ｂと、で実質的に構成されている。具体的には、第１の熱媒体流路１９の各流路は、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５の上部から下方にある距離延び、そこから、カソードセパレータ６ｂの第１の側部まで水平に延びている。そこから、下方にある距離延び、その先端から第２の側部まで水平に延びている。そして、そこから、上記延在パターンを３回繰り返し、その到達点から熱媒体排出マニホールド孔２７の下部に到るように水平に延びている。このような各流路の水平に延びる部分が、水平部１９ａを形成し、下方に延びる部分が、鉛直部１９ｂを形成している。

なお、ここでは、カソードガス流路８及び第１の熱媒体流路１９は、３つの流路で構成したが、これに限られず、本発明の効果を損なわない範囲で任意に設計することができ、また、水平部８ａ、鉛直部８ｂ、水平部１９ａ及び鉛直部１９ｂについても、同様に、任意に設計することができる。

また、第２の熱媒体流路２９は、本実施の形態では１つの流路で構成されており、第１の熱媒体流路１９の下流部分である第１の熱媒体流路１９の水平部１９ａの最下端部に沿うように（第１の熱媒体流路１９の水平部１９ａの最下端部近傍に）、かつ、コの字状に形成された並走部分２９ａと、第２の熱媒体供給マニホールド孔２６と並走部分２９ａの上流端とを接続する上流側接続部分２９ｂと、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５と並走部分２９ａの下流端とを接続する下流側接続部分２９ｃと、を有し、カソードセパレータ６ｂの外面の周縁部であって、第１の熱媒体流路１９を形成する各流路を妨げないように設けられている。ここでは、第２の熱媒体流路２９は、第２の熱媒体供給マニホールド孔２６の下部から第１の側部に向かって下方に延び、その先端から第１の側部まで水平に延びている。そこから、上方にある距離延び、その先端から第２の側部まで水平に延びている。そして、そこから、上方に延びて、その到達点から第１の熱媒体供給マニホールド孔２５に到るように上方に延びている。

なお、アノードセパレータ６ａの内面に設けられたアノードガス流路７は、上述のカソードガス流路８と同様に構成されており、また、アノードセパレータ６ａの外面に設けられた第１の熱媒体流路は、上述のカソードセパレータ６ｂの外面に設けられた第１の熱媒体流路１９と同様に構成されている（正確には、セル１１の積層方向から見て第１の熱媒体流路１９に一致するように形成されている）ため、詳細な説明は省略する。

ここで、セル１１内を通流する反応ガスの流れと熱媒体の流れについて、図６を参照して説明する。

図６は、図３に示すセル１１の各セパレータ６ａ、６ｂの構造を示す模式図である。図６において、各セパレータ６ａ、６ｂは、セル１１の厚み方向（すなわち、セル１１の積層方向）から見て透視的に描かれている。また、アノードセパレータ６ａのアノードガス流路７、と熱媒体流路９及びカソードセパレータ６ｂのカソードガス流路８と熱媒体流路９の各流路をそれぞれ１本の線で代表するようにして示されている。

図６に示すように、アノードガス流路７及びカソードガス流路８は、一部に互いに反対方向にガスが流れる部分を有するが、セル１１の積層方向から見て、巨視的に（全体として）同じ方向にアノードガスとカソードガスが流れるように構成されている。そして、これらの反応ガス流路と第１の熱媒体流路１９も、一部に互いに反対方向に流れる部分を有するが、セル１１の積層方向から見て、巨視的に（全体として）同じ方向に反応ガスと熱媒体が流れるように構成されている（いわゆる、平行流が構成されている）。また、アノードガス流路７、カソードガス流路８、及び第１の熱媒体流路１９は、セル１１の積層方向から見て、ＭＥＡ５のアノード４ａ及びカソード４ｂが形成された領域（セパレータの当接部分３０）内に形成されているが、第２の熱媒体流路２９は、この領域（当接部分３０）とセパレータ６ａ、６ｂの外周との間に形成されている。

このように構成されている燃料電池システムにおいて、システムの起動時のようにスタック１１１内の温度が低い場合には、熱媒体は、スタック１１１（各セル１１）に熱を奪われながら第１の熱媒体流路１９を流れる。このため、第１の熱媒体流路１９の下流側では、冷却された熱媒体が通流し、セル１１の積層方向から見て第１の熱媒体流路１９の下流側におけるスタック１１１が充分に加熱されない。これにより、反応ガス流路の下流側では、反応ガスに加湿されている水蒸気の露点以下にまで反応ガスの温度が下がり、反応ガス流路内で結露が生じ、フラッディングが発生する。

しかしながら、本発明では、図６に示すように、第２の熱媒体流路２９が、第１の熱媒体流路１９の最下流部分近傍に設けられているため、第１の熱媒体流路１９の下流部分を通流する冷却された熱媒体と第２の熱媒体流路２９の並走部分２９ａを通流する加熱された（冷却されていない）熱媒体やスタック１１１（セル１１）において充分に加熱されていない下流部分との間で熱交換が行われる。

これにより、セル１１の反応ガスの流れにおける下流側の加熱が充分に行えるので、セル１１の反応ガス流路の下流側で生じるフラッディングを確実に防止することができ、また、第１の熱媒体供給マニホールド２５から第１の熱媒体流路１９に熱媒体が供給されるため、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側も充分に加熱されるので、セル１１の反応ガス流路の上流側で生じるおそれのあるフラッディングも確実に防止することができる。

なお、第２の熱媒体流路２９の並走部分２９ａは、セル１１下流側で生じるフラッディングを確実に防止することができる観点から、第２の熱媒体流路２９全体に対する割合（長さの割合）が５０％以上であることが好ましい。また、セル１１下流側での加熱を適切に行いつつセル１１上流側の加熱も不足なく十分に行う観点と、第１の熱媒体流路１９の下流部での熱の回収量及び外部への放熱量を適切に行いセル１１の加熱効率の低下を十分に抑制する観点とから、第２の熱媒体流路２９全体に対する割合（長さの割合）は８０％以下であることが好ましい。また、ここでは、第２の熱媒体流路２９は、１つの流路で構成したが、これに限られず、本発明の効果を損なわない範囲で任意の数に設計することができる。

次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの運転動作について、図５、図７及び図８を参照して説明する。

図７は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの起動時における熱媒体の流れを示した模式図であり、図８は、本実施の形態１に係る燃料電池システムの発電運転時における熱媒体の流れを示した模式図である。なお、図７及び図８においては、一部を省略している。

まず、本実施の形態１に係る燃料電池システムの起動動作について説明する。

燃料電池システムは、制御装置１０５の演算処理部１４１からの運転開始の制御信号が出力されて起動する。具体的には、燃料ガス供給装置１０１で生成された燃料ガスが、ＰＥＦＣ１００のアノードガス供給マニホールド１２１に供給され、また、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給装置１０２からＰＥＦＣ１００のカソードガス供給マニホールド１２３に供給される。

運転開始時のＰＥＦＣ１００のスタック１１１内の温度は、設置場所における外気の温度に近い状態にあるため、制御装置１０５の演算処理部１４１は、熱媒体供給装置１０３の図示されないヒータに起動指令を出し、ヒータは熱媒体を加熱する。加熱された熱媒体は、図示されないポンプにより、熱媒体供給路１０６を介してＰＥＦＣ１００に供給される。また、演算処理部１４１は、切り替え弁１１２に指令して、熱媒体の供給先を第２の熱媒体供給マニホールド１２６にする（第３のポート１１２ｃを第２のポート１１２ｂに接続する）。

図７に示すように、スタック１１１に供給された熱媒体は、第２の熱媒体供給マニホールド１２６を通流し、そこで分流して各セパレータ６ａ、６ｂに設けられた第２の熱媒体流路２９を通流する（図５参照）。第２の熱媒体流路２９を通流した熱媒体は、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５（第１の熱媒体供給マニホールド１２５）に流入する。そして、熱媒体は、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５から各アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂに設けられた第１の熱媒体流路１９を通流して（図５参照）熱媒体排出マニホールド孔２７に流出し、そこで合流する。この合流した熱媒体は、熱媒体排出マニホールド１２７を流通し、熱媒体排出路１０７に排出される。

これにより、第１の熱媒体流路１９の下流部分を通流する熱媒体と第２の熱媒体流路２９の並走部分を通流する熱媒体との間で熱交換が行われるため、セル１１の反応ガスの流れにおける下流側で生じるフラッディングを確実に防止することができる。また、この第２の熱媒体流路２９を通流した熱媒体が、第１の熱媒体供給マニホールド１２５を経て第１の熱媒体流路１９に供給されるため、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側も充分に加熱されるので、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側で生じるおそれがあるフラッディングも確実に防止することができる。さらに、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側、下流側の両方から加熱するので、スタック１１１内を急速に加熱することができる。

そして、温度検出器１０４は、熱媒体排出路１０７を通流する熱媒体の温度をＰＥＦＣ１００の温度として検出し、検出した温度情報は、演算処理部１４１に伝達される。制御装置１０５の演算処理部１４１は、伝達された温度情報がＰＥＦＣ１００で発電を行うことができる所定の温度であるか否かを判定する。演算処理部１４１は、所定の温度以上である場合に、切り替え弁１１２に指令して、熱媒体の供給先を第１の熱媒体供給マニホールド１２５に切り替える（第３のポート１１２ｃを第１のポート１１２ａに接続する）そして、図示されないインバータに電力の取り出し指令を出す。これにより、燃料電池システムの発電運転が開始される。

次に、本実施の形態１に係る燃料電池システムの発電運転について説明する。

上述したように、制御装置１０５の演算処理部１４１が、切り替え弁１１２に熱媒体の供給先を第１の熱媒体供給マニホールド１２５に切り替える指令を出す。これにより、熱媒体は、図８に示すようにスタック１１１内を流れる。具体的には、熱媒体は、第１の熱媒体供給マニホールド１２５を流通し、そこで分流して各アノードセパレータ６ａ及びカソードセパレータ６ｂに設けられた第１の熱媒体流路１９を通流する（図５参照）。そして、第１の熱媒体流路１９を通流した熱媒体は、熱媒体排出マニホールド孔２７に流出し、熱媒体排出マニホールド１２７を経て、熱媒体排出路１０７に排出される。なお、第２の熱媒体マニホールド１２６及び第２の熱媒体流路２９は、燃料電池システムの起動動作時の熱媒体の通流により熱媒体で満たされており、また、外部から空気等が混入されることはないので、通常運転中にこれらの流路に熱媒体や空気等が通流されることはない。

また、制御装置１０５の演算処理部１４１は、温度検出器１０４で検出される温度情報を取得し、スタック１１１内を発電に適した温度に保つように熱媒体供給装置１０３に指令を出し、熱媒体供給装置１０３は、適宜熱媒体を加熱又は冷却する。

さらに、演算処理部１４１は、図示されないインバータに電力取り出し指令を出し、インバータは、ＰＥＦＣ１００で発生した電気を外部に取り出す（供給する）。

このように、本実施の形態１に係る燃料電池システムでは、第１の熱媒体流路１９の下流部分を通流する熱媒体と第２の熱媒体流路２９の並走部分２９ａを通流する熱媒体との間で熱交換が行われるため、セル１１の反応ガスの流れにおける下流側の加熱が不充分なために生じるフラッディングを確実に防止することが可能となる。また、この第２の熱媒体流路２９を通流した熱媒体が、第１の熱媒体供給マニホールド孔２５（第１の熱媒体マニホールド１２５）から第１の熱媒体流路１９に供給されるため、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側も充分に加熱されるので、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側で生じるおそれのあるフラッディングも確実に防止することが可能となる。さらには、セル１１の反応ガスの流れにおける上流側、下流側の両方から熱媒体を通流させるので、スタック１１１内を急速に加熱することができ、燃料電池システムの起動動作を迅速に行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池について説明したが、これに限定されず、本発明に係る燃料電池は、リン酸形燃料電池等の燃料電池であってもよい。また、燃料電池システムの起動時に、第２の熱媒体流路から第１の熱媒体マニホールドに熱媒体が供給される構成としたが、これに限定されず、熱媒体供給装置から熱媒体が、第１の熱媒体マニホールド、第２の熱媒体マニホールドの各々に供給される構成としてもよい。

本発明の燃料電池及びそれを備える燃料電池システムは、セル内で発生するフラッディングを確実に防止し、また、起動時間が短い燃料電池及び燃料電池システムとして有用である。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの高分子電解質形燃料電池の概略を示す模式図である。 図２に示した高分子電解質形燃料電池を構成するセルの構造の概略を示す断面図である。 図３に示すセルのカソードセパレータの内面形状を示す模式図である。 図３に示すセルのカソードセパレータの外面形状を示す模式図である。 図３に示すセルのカソードセパレータ及びアノードセパレータの構造を示す模式図である。 図１に示す燃料電池システムにおける起動時の熱媒体の流れを示す模式図である。 図１に示す燃料電池システムにおける発電運転時の熱媒体の流れを示す模式図である。

符号の説明

１ 高分子電解質膜
２ａ アノード触媒層
２ｂ カソード触媒層
３ａ アノードガス拡散層
３ｂ カソードガス拡散層
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ ＭＥＡ
６ａ アノードセパレータ
６ｂ カソードセパレータ
７ アノードガス流路
８ カソードガス流路
８ａ 水平部
８ｂ 鉛直部
９ 熱媒体流路
１０ ガスケット
１１ セル
１５ 反応部
１６ 伝熱部
１９ 第１の熱媒体流路
１９ａ 水平部
１９ｂ 鉛直部
２１ アノードガス供給マニホールド孔
２２ アノードガス排出マニホールド孔
２３ カソードガス供給マニホールド孔
２４ カソードガス排出マニホールド孔
２５ 第１の熱媒体供給マニホールド孔
２６ 第２の熱媒体供給マニホールド孔
２７ 熱媒体排出マニホールド孔
２９ 第２の熱媒体流路
２９ａ 並走部分
２９ｂ 上流側接続部分
２９ｃ 下流側接続部分
３０ 当接部分
４１ 端板
５０ セル積層体
１００ 高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０１ 燃料ガス供給装置
１０２ 酸化剤ガス供給装置
１０３ 熱媒体供給装置
１０４ 温度検出器
１０５ 制御装置（制御器）
１０６ 熱媒体供給路
１０７ 熱媒体排出路
１１１ スタック
１１２ 切り替え弁（切り替え器）
１１２ａ 第１のポート
１１２ｂ 第２のポート
１１２ｃ 第３のポート
１２１ アノードガス供給マニホールド
１２２ アノードガス排出マニホールド
１２３ カソードガス供給マニホールド
１２４ カソードガス排出マニホールド
１２５ 第１の熱媒体供給マニホールド
１２６ 第２の熱媒体供給マニホールド
１２７ 熱媒体排出マニホールド
１４１ 演算処理部
１４２ 記憶部
１４３ 表示部
１４４ 操作入力部

Claims (10)

1. セルが積層されることによって、反応ガスの反応により発熱を伴う発電をする１以上の反応部と、熱媒体の通流により該反応部との間で熱を授受する１以上の伝熱部と、が前記セルの積層方向において互いに隣接するように形成されたスタックを有し、
   前記スタックには、前記反応ガスを前記反応部に供給するための反応ガス供給マニホールド、前記反応ガスを前記反応部から排出するための反応ガス排出マニホールド、前記熱媒体を前記伝熱部に供給するための第１及び第２の熱媒体供給マニホールド、及び前記熱媒体を前記伝熱部から排出するための熱媒体排出マニホールドが前記積層方向に延びるようにそれぞれ形成され、
   各前記反応部には、前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス排出マニホールドに到る反応ガス流路が形成され、
   各前記伝熱部には、前記積層方向から見て巨視的に前記反応ガスと同じ方向に前記熱媒体が流れるようにして、前記第１の熱媒体供給マニホールドから前記熱媒体排出マニホールドに到る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分を有するようにして前記第２の熱媒体供給マニホールドから前記第１の熱媒体供給マニホールドに到る第２の熱媒体流路と、が形成されている、燃料電池。
2. 外部からの前記熱媒体の供給先を前記第１の熱媒体供給マニホールドと前記第２の熱媒体供給マニホールドとの間で切り替える切り替え器を備える、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セルは、一対のガス拡散電極と該一対のガス拡散電極の間に配置される電解質層を含む電解質層−電極積層体と、板状の形状を呈しており、かつ、導電性を有しており、前記電解質層−電極積層体を挟む一対のセパレータと、を有し、
   前記セパレータは、前記電解質層−電極積層体と当接する主面に前記反応ガス流路が形成され、かつ、他方の主面に前記熱媒体流路が形成され、
   前記反応部は、前記セルにおける、一方の前記セパレータの前記反応ガス流路から他方の前記セパレータの前記反応ガス流路に亘る部分から構成され、
   前記伝熱部は、前記積層方向において互いに隣接する２つの前記セパレータの前記熱媒体流路が形成された部分から構成される、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記反応ガスは、アノードガスとカソードガスとで構成され、
   前記一対のセパレータは、前記反応ガス流路としてアノードガス流路が形成されたアノードセパレータと、前記反応ガス流路としてカソードガス流路が形成されたカソードセパレータと、で構成され、
   前記反応ガス供給マニホールドは、各前記セルのアノードガス流路に前記アノードガスを供給するためのアノードガス供給マニホールドと、各前記セルのカソードガス流路に前記カソードガスを供給するためのカソードガス供給マニホールドと、で構成され、
   前記反応ガス排出マニホールドは、各前記セルのアノードガス流路から前記アノードガスを排出するためのアノードガス排出マニホールドと、各前記セルのカソードガス流路から前記カソードガスを排出するためのカソードガス排出マニホールドと、で構成され、
   前記セルは、互いに隣接する２つのセルにおいて一方のセルの前記アノードセパレータと、他方のセルの前記カソードセパレータと、が接触するように積層されている、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記第２の熱媒体流路は、前記第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分のその全体に対する比率が５０％以上８０％以下である、請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記第１の熱媒体流路は、前記反応ガス流路と平行流となるように形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記電解質層は、高分子電解質膜からなる層を少なくとも含んでいる、請求項１〜６のうちの何れか１項に記載の燃料電池。
8. 一対のガス拡散電極と該一対のガス拡散電極の間に配置される電解質層を含む電解質層−電極積層体と、板状の形状を呈しており、かつ、導電性を有しており前記電解質層−電極積層体を挟む一対のセパレータと、を有するセルと、該セルが積層されたセルスタックと、を備え、
   前記セルスタックの内部には、反応ガス供給マニホールドと、反応ガス排出マニホールドと、第１及び第２の熱媒体供給マニホールドと、熱媒体排出マニホールドと、が前記積層方向に延びるようにそれぞれ形成され、
   前記セパレータには、前記電解質層−電極積層体と当接する主面に、前記反応ガス供給マニホールドと前記反応ガス排出マニホールドとを結ぶように前記反応ガス流路が形成され、かつ、他方の主面に、前記積層方向から見て巨視的に前記反応ガスと同じ方向に前記熱媒体が流れるようにして、前記第１の熱媒体供給マニホールドから前記熱媒体排出マニホールドに到る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路の下流部分に沿った部分を有するようにして前記第２の熱媒体供給マニホールドから前記第１の熱媒体供給マニホールドに到る第２の熱媒体流路と、が形成されている、燃料電池。
9. 請求項２に記載の燃料電池と、
   制御装置と、
   前記燃料電池の前記熱媒体排出マニホールドから排出される熱媒体の温度を検出する温度検出器と、を備え、
   前記制御装置は、前記温度検出器からの温度情報を基に前記切り替え器を制御する、燃料電池システム。
10. 前記切り替え器に前記熱媒体を供給する熱媒体供給装置と、
    前記反応部に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、を備える、請求項７に記載の燃料電池システム。
    
    
    

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