JP2008108610A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】端部セルにおいてアノード側の温度がカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セルの電圧低下を抑制できる燃料電池。
【解決手段】燃料電池１は、アノード３２Ａ及びカソード３２Ｂを有する単セル２が積層されてなるセル積層体３と、セル積層体３における総マイナス側の単セル２ｂを、当該単セル２ｂのアノード３２Ａ側から冷却するための冷媒流路４８と、冷媒流路４８に冷媒を供給するための冷媒入口５３ａと、冷媒流路４８から冷媒を排出するための冷媒出口５３ｂと、を備える。さらに、燃料電池１は、冷媒入口５３ａ側よりも冷媒出口５３ｂ側への加熱量が多くなるように構成された加熱手段９１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池に関するものである。

従来、固体高分子型の燃料電池の単セルは、電解質膜、アノード（陰極）及びカソード（陽極）からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を有し、さらにＭＥＡを挟持する一対のセパレータを有する（例えば、特許文献１参照。）。燃料電池では、このような単セルを複数積層してセル積層体を構成し、セル積層体の両端部に位置する単セル（以下、「端部セル」という。）の外側に、集電板、絶縁板及びエンドプレートなどを配置する。

燃料ガス及び酸化ガスは、セル積層体の一方の端から他方の端に向けて流れ、各単セルの燃料ガス流路及び酸化ガス流路へと供給される。通常、酸化ガスは、燃料ガスよりも多くセル積層体に供給され、排出される。この両ガスの電気化学反応により、単セルの起電力が得られると共に、カソード側で水が生成される。生成水は、酸化ガス又は燃料ガスの流れによって単セル外に排水される。

電気化学反応で発生した熱は、セル積層体の温度が適切な運転温度に保たれるように、冷媒により排熱される。通常、冷媒は、セル積層体の一方の端から他方の端に向けて流れ、単セル間に形成された冷媒流路に供給される。また、端部セルのセパレータと集電板との間にも冷媒流路（以下、「端部冷媒流路」という。）が形成される。

特許文献１に記載されているように、端部セルは、セル積層体の他の単セルよりも温度が低くなるという事実がある。これは、端部セルが、集電板、絶縁板及びエンドプレートからの放熱の影響を受け、端部冷媒流路の冷媒の温度が下がるからである。特に、セル積層体における総マイナス側の端部セルでは、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなる。

この両極の温度差の結果、酸化ガス流路から燃料ガス流路に水蒸気が移動し、燃料ガス流路に液水が発生する。この液水は燃料ガス流路の燃料ガスの流れによって排水されないわけではないが、燃料ガスは液水を排水するエネルギー（流量）が酸化ガスに比べて小さい。このため、液水が十分に持ち去られず、総マイナス側にある燃料ガス流路でフラッディング（湿潤過多）となり易い。その結果、総マイナス側にある端部セルへの燃料ガスの供給量が減少して、この端部セルの電圧が低下するという現象が生じる。

このような端部セルの温度低下に着目した特許文献１の燃料電池は、端部セルと集電板との間に薄板状の発熱体を備える。そして、発熱体のジュール熱の値を、燃料電池の両端から放散される熱量に見合った値にすることで、セル積層体の温度の分布の均一化を図ろうとしている。
特開平８−１６７４２４号公報

しかし、このような特許文献１に記載の燃料電池では、発熱体の全体を発熱させて端部セルの全体を加熱するので、熱量及び電力を多く必要としていた。また、両端の端部セルの温度を上げようとするので、条件によっては、総プラス側の端部セルの温度が他の単セルよりも高くなることも生じる。その場合には、アノード側の温度がカソード側の温度よりも低くなり、総マイナス側の端部セルで生じる上記の電圧低下の現象が総プラス側の端部セルでも生じてしまう。

本発明は、端部セルにおいてアノード側の温度がカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セルの電圧低下を抑制できる燃料電池を提供することをその目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池は、アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、セル積層体における総マイナス側の単セルを当該単セルのアノード側から冷却するための冷媒流路と、冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、冷媒入口側よりも冷媒出口側への加熱量が多くなるように構成された加熱手段と、を備えるものである。

この構成によれば、総マイナス側の単セルのアノード側の温度を加熱手段により上げることができる。また、本来、単セルの発熱反応と冷媒の流れとの関係上、カソードとアノードとの温度差は、冷媒入口側に比べて冷媒出口側で大きくなる。本発明によれば、冷媒出口側への加熱量を比較的多くしているので、アノード側の温度をカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整できる。したがって、総マイナス側の単セルのフラッディングを抑制でき、この単セルの電圧低下を抑制できる。また、全体を均一の加熱量としないので、小電力ともなる。

本発明の好ましい一態様によれば、加熱手段は、冷媒入口側よりも冷媒出口側で冷媒を加熱するように構成される。この場合、冷媒を直接加熱するようにしてもよいし、冷媒を間接的に加熱、つまり熱伝達により冷媒を加熱するようにしてもよい。

本発明の好ましい一態様によれば、加熱手段は、冷媒入口側よりも冷媒出口側に配置された発熱体である。

これにより、冷媒出口側のみを効率よく加熱できる。

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池は、総マイナス側の単セルに積層された集電板と、集電板の外側に配置された絶縁板と、を備える。そして、発熱体は、集電板と絶縁板との間に配置される。

これにより、総マイナス側の単セルのアノード側を好適に加熱できる。

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池は、発熱体を有するプレートであって、集電板と絶縁板とに挟持されるプレートを備える。

これにより、例えば燃料電池全体に圧縮荷重がかかる場合にも、発熱体を安定して配置することができる。

本発明の好ましい一態様によれば、プレートは、発熱体が設けられる第１の部分と、第１の部分に隣接する第２の部分と、を有する。そして、第１の部分は、第２の部分よりも熱伝導率が高い材料で構成される。

これにより、発熱体の熱を集電板に好適に熱伝達でき、総マイナス側のアノード側を加熱できる。

本発明の好ましい一態様によれば、発熱体は、ＰＴＣ抵抗体である。

この構成によれば、アノード側の低温時にはＰＴＣ抵抗体が通電して発熱するので、アノード側の温度を上げることができる。一方、アノード側の高温時には、ＰＴＣ抵抗体は電気抵抗値が上がって通電させないようにもできる。こうすることで、ＰＴＣ抵抗体が発熱しなくなるので、アノード側の温度を必要以上に上げなくて済む。このように、ＰＴＣ抵抗体の特性を有効に利用することで、フラッディングが生じ易いときには、アノード側の温度を上げてフラッディングを抑制できる一方、ドライアップし易いときには、それを抑制できる。

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池は、総マイナス側の単セルに積層された第１の集電板と、第１の集電板にＰＴＣ抵抗体を介して積層された第２の集電板と、を備える。そして、第２の集電板は、ＰＴＣ抵抗体が通電可能なときに、当該燃料電池が発電した電流が第１の集電板と並列で第２の集電板を流れるように構成される。

本発明の好ましい一態様によれば、加熱手段は、当該燃料電池の温度、その出力電圧、総マイナス側の単セルの温度、その出力電圧、及び冷媒の温度の少なくとも一つに基づいて、冷媒への加熱量を制御する。

これにより、燃料電池の色々な運転状態に応じて、総マイナス側の単セルのアノード側の温度をコントールできる。

本発明の好ましい一態様によれば、総マイナス側の単セルは、アノードに燃料ガスを供給する第１のセパレータと、カソードに酸化ガスを供給する第２のセパレータと、を有する。そして、冷媒流路の少なくとも一部は、第１のセパレータに形成される。

本発明の別の燃料電池は、アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、セル積層体における総マイナス側の単セルを当該単セルのアノード側から冷却するための冷媒流路と、冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、冷媒入口側よりも冷媒出口側において冷媒の放熱量が少なくなるように、当該冷媒出口側での冷媒の温度低下を抑制する抑制手段と、を備えるものである。

この構成によれば、総マイナス側の単セルのアノード側の温度が低下することを効率的に抑制できる。これにより、上記した本発明の燃料電池と同様に、総マイナス側の単セルのフラッディングを抑制でき、この単セルの電圧低下を抑制できる。

本発明の燃料電池によれば、端部セルにおいてアノード側の温度がカソード側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セルの電圧低下を抑制できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池について、車両に好適な固体高分子型の燃料電池を例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば船舶、飛行機及びロボットといった自走式の移動体に搭載することもできるし、定置の発電システムとしても用いることが可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池の断面図である。
燃料電池１は、基本単位である単セル２を積層してなるセル積層体３を有する。セル積層体３は、同一種、つまり互いに同一構造の単セル２を多数積層してなる。セル積層体３の両端に位置する単セル２（以下、「端部セル２ａ」又は「端部セル２ｂ」という。）の外側には、それぞれ順次、集電板５ａ、５ｂ、絶縁板６ａ、６ｂ及びエンドプレート７ａ、７ｂが配置される。そして、燃料電池１は、セル積層方向に圧縮荷重が付与される。端部セル２ａは、セル積層体３における総プラス側に位置し、端部セル２ｂは、セル積層体３における総マイナス側に位置する。

燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７ａに接続した供給管からセル積層体３内に供給され、セル積層方向に流れると共に各単セル２の平面方向に流れる。その後、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒は、エンドプレート７ａに接続した排出管から燃料電池１外へと排出される。なお、図１は、冷媒の流れを矢印を用いて示し、他の流体（燃料ガス及び酸化ガス）に関連する構成を省略している。

ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガスを意味する。また、酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスを意味する。燃料ガスおよび酸化ガスは、反応ガスと総称されることがある。冷媒は、例えば冷却水である。

図２は、単セル２の断面図である。
単セル２は、ＭＥＡ２０及び一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂを備える。例えば接着により、ＭＥＡ２０、セパレータ２２Ａ及びセパレータ２２Ｂが一体化される。

ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、電解質膜３０と、電解質膜３０を挟んだアノード３２Ａ及びカソード３２Ｂと、で構成される。アノード３２Ａ及びカソード３２Ｂは、拡散層３６及び触媒層３８で構成される。拡散層３６は、例えば多孔質のカーボン素材からなる。触媒層３８の触媒としては例えば白金が好適に用いられる。

セパレータ２２Ａ，２２Ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成される。導電性材料としては、カーボン、導電性樹脂の他、アルミニウム等の金属が挙げられる。セパレータ２２Ａは、表面に燃料ガス流路４０を有し、裏面に冷媒流路４４Ａを有する。セパレータ２２Ｂは、表面に酸化ガス流路４２を有し、裏面に冷媒流路４４Ｂを有する。

燃料ガス流路４０が燃料ガスをアノード３２Ａに供給し、酸化ガス流路４２が酸化ガスをカソード３２Ｂに供給することにより、ＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じる。これにより、単セル２の起電力が得られる。また、この電気化学反応により、カソード３２Ｂ側に水が生成されると共に発熱する。冷媒は、電気化学反応で発生した単セル２の熱を低減し、燃料電池１の温度上昇を抑制する。

隣接する二つの単セル２，２の一方の冷媒流路４４Ａが他方の冷媒流路４４Ｂと連通することで、単セル２，２間に冷媒を供給する冷媒流路が構成される。また、端部セル２ａと集電板５ａとの間にも冷媒流路４６が構成される。冷媒流路４６は、端部セル２ａのセパレータ２２Ｂの冷媒流路４４Ｂが、集電板５ａに形成された冷媒流路４４Ｃに連通することで構成される。また、端部セル２ｂと集電板５ｂとの間にも冷媒流路４８が構成される。冷媒流路４８は、端部セル２ｂのセパレータ２２Ａの冷媒流路４４Ａが、集電板５ｂに形成された冷媒流路４４Ｄに連通することで構成される。冷媒流路４４Ｃ、４４Ｄは、冷媒流路４４Ａ，４４Ｂと同様の形状であればよい。

ここで、冷媒流路４８は、総マイナス側の端部セル２ｂを、そのアノード３２Ａ側から冷却するためのものであるといえる。一方、端部セル２ｂとこれに隣接する単セル２との間に構成される冷媒流路は、総マイナス側の端部セル２ｂを、そのカソード３２Ｂ側から冷却するためのものであるといえる。

他の実施態様では、冷媒流路４４Ｄを省略して、冷媒流路４８を冷媒流路４４Ａのみで構成しても良い（例えば、図１１参照。）。また、別の実施態様では、発電に寄与する反応ガスを流さないいわゆるダミーセパレータを端部セル２ｂと集電板５ｂとの間に配置し、ダミーセパレータに冷媒流路４４Ｄを形成してもよい。いずれの場合にせよ、冷媒流路４８の少なくとも一部は冷媒流路４４Ａによって構成される。

図３は、セパレータ２２Ａを冷媒流路４４Ａ側から見た平面図である。なお、セパレータ２２Ｂの形状もセパレータ２２Ａと同様であるが、ここでは詳細な説明及び図面を省略する。

セパレータ２２Ａ、２２Ｂは、平面視矩形状に形成される。各セパレータ２２Ａ、２２Ｂは、冷媒流路４４Ａ，４４Ｂの周囲に周縁部を有する。周縁部の一つの辺部には、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の供給側の入口５１ａ，５２ａ，５３ａが貫通形成される。また、この辺部とは対辺の関係にある他の辺部には、燃料ガス、酸化ガス及び冷媒の排出側の出口５１ｂ，５２ｂ，５３ｂが貫通形成される。

冷媒流路４４Ａ，４４Ｂは、冷媒入口５３ａ及び出口５３ｂと接続される。冷媒流路４４Ａ，４４Ｂは、例えば、重力方向で下側にある冷媒入口５３ａから冷媒を供給され、この冷媒を重力方向の下側から上側へと流す際に蛇行させ、冷媒出口５３ｂから排出する。冷媒流路４４Ａ，４４Ｂは、途中に折り返し部を有する溝状のサーペンタイン流路で構成される。例えばプレス成形によって、セパレータ２２Ａの両面に燃料ガス流路４０及び冷媒流路４４Ａが同時に形成される。セパレータ２２Ｂの両面の流路４２、４４Ｂも同様に形成される。なお、冷媒流路４４Ａ，４４Ｂを、凹凸の繰り返しが一方向に延びる複数のストレート流路で構成してもよい。

そして、セル積層体３では、全ての単セル２の冷媒入口５３ａが積層方向に連通して、セル積層体３内を積層方向に延びる供給マニホールド５５が構成される（図１参照）。また、全ての単セル２の冷媒出口５３ｂが積層方向に連通して、セル積層体３内を積層方向に延びる排出マニホールド５６が構成される（図１参照）。

ここで、図１及び図３において、符号Ｗｉは供給マニホールド５５内の冷媒の流れを示し、Ｗｏは排出マニホールド５６内の冷媒の流れを示す。また、符号ｗｉは単セル２又は単セル２、２間への冷媒の流れを示し、ｗｏは単セル２又は単セル２，２間への冷媒の流れを示す。

したがって、冷媒は、燃料電池１外から供給マニホールド５５に供給され、供給マニホールド５５から各単セル２，２間の冷媒流路のほか、冷媒流路４６及び冷媒流路４８に供給される。そして、これら冷媒流路を流れた冷媒は、排出マニホールド５６にて合流し、燃料電池１外へと排出される。

図示省略したが、燃料電池１は、各流体に対応した供給管及び排出管を含む燃料電池システムに組み込まれる。燃料電池システムでは、通常、酸化ガスは、コンプレッサにより燃料電池１に圧送されるが、その圧送過程の際に加湿される。また、燃料電池１には、酸化ガスの方が燃料ガスよりも多く供給され、多く排出される。

したがって、燃料電池１から排出される酸化ガス及び燃料ガスが持ち去る水分は、酸化ガスの方が多い。つまり、本実施形態の燃料電池１は、燃料ガスによる単セル２内の水分の持ち去り量が、酸化ガスによる単セル２内の水分の持ち去り量よりも少ない燃料電池システムに組み込まれる。なお、厳密には、水分の持ち去り量は、カソード３２Ｂでの生成水量や、カソード３２Ｂから電解質膜３０を介したアノード３２Ａへの水分の移動し易さ等の条件も考慮して、算出されるものである。

続いて、図１及び図４を参照して、本発明の特徴部分である加熱構造について説明する。
図１に示すように、プレート８０は、集電板５ｂと絶縁板６ｂとに挟持される。ただし、プレート８０と集電板５ｂとの間には、絶縁シート８２が設けられる。

図４に示すように、プレート８０は、平面視矩形状に形成される。プレート８０のサイズは、絶縁板６ｂやセパレータ２２Ａ，２２Ｂのサイズと同程度又は同じである。プレート８０は、燃料電池１の締結時の圧縮荷重によって変形しない程度の強度を有する。

プレート８０は、ヒータ９１を有する第１の部分９２と、ヒータ９１のない第２の部分９３と、で構成される。ヒータ９１（加熱手段）は、リード線からの電力供給により、発熱体として機能する。ヒータ９１への電力供給は、燃料電池１が発電した電力により行うことができる。ヒータ９１は、第１の部分９２の内部に埋め込まれる。

第１の部分９２は、第２の部分９３に隣接する。例えば、第１の部分９２はプレート８０の上半部を構成し、第２の部分９３はプレート８０の下半部を構成する。第１の部分９２は、第２の部分９３よりも熱伝導率が高い材料で構成される。例えば、第１の部分９２はアルミニウムからなり、第２の部分９３は硬質の樹脂からなる。こうすることで、第２の部分９３と絶縁板６ｂとの絶縁性と、第２の部分９３から絶縁シート８２を介して集電板５ｂへの伝熱性が高まる。なお、第１の部分９２は、絶縁材料で表面処理されることが好ましい。

ここで、図３及び図４を参照するに、ヒータ９１は、冷媒の入口５３ａ側よりも、出口５３ｂ側に寄せて配置される。つまり、ヒータ９１は、入口５３ａ側よりも出口５３ｂ側への加熱量が多くなるように、より正確には、冷媒流路４８における出口側５３ｂ側に近い部分を熱伝達により加熱するように構成される。なお、図１において、プレート８０内に点線で示す符号９４は、ヒータ９１による加熱領域の一例を表す。

したがって、ヒータ９１を通電すると、ヒータ９１の熱は集電板５ｂに伝達され、冷媒流路４８を流れる冷媒に伝達される。この加熱された冷媒によって、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側のうち、出口５３ｂに近い側が温められる。また、集電板５ｂと端部セル２ｂのセパレータ２２Ａとの接触部分からの熱伝達によっても、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側のうち、出口５３ｂに近い側が温められる。

本発明の作用効果について、図５ないし図８を参照して説明する。

図５ないし図８に示す「従来例」とは、本発明のプレート８０を具備しない比較例に係る燃料電池を意味する。
図５、図６及び図８の横軸はセル積層体３における単セル２の積層位置であり、図７の横軸は端部セル２ｂのセル面内位置（積層方向に直交する面内位置）であり、「入口側」は入口５３ａ側を、「出口側」は出口５３ｂ側を示す。一方、図５及び図７の縦軸は冷媒の温度（℃）である。また、図６の縦軸は、単セル２におけるカソード３２Ｂ側（プラス側）の冷媒温度からアノード３２Ａ側（マイナス側）の冷媒温度を減算した温度差（℃）である。さらに、図８の縦軸は、単セル２に含まれる水分量（ｇ/セル）である。

図５に示すように、従来例では、セル積層体３の両端の冷媒温度は、中央部に比べて低い。これは、上述したように、端部セル２ａ、２ｂがエンドプレート７ａ，７ｂ等からの放熱の影響を受けて、冷媒の温度が下がるからである。

これに対し、本発明では、上記のヒータ９１で端部セル２ｂ側を加熱できる。これにより、本発明では、端部セル２ｂ側の冷媒温度が、セル積層体３の中央部の単セル２の冷媒温度と同等になるか（曲線Ｌ１参照）、それよりも高くなる（曲線Ｌ２参照）。

また、図６に示すように、従来例では、セル積層体３の両端において、単セル２におけるカソード３２Ｂ側とアノード３２Ａ側の冷媒の温度差が、セル積層体３の中央部のそれに比べて大きい。これは、端部セル２ａではカソード３２Ｂ側がエンドプレート７ａ等からの放熱の影響を受け、端部セル２ｂではアノード側３２Ａ側がエンドプレート７ｂ等からの放熱の影響を受けるからである。

これに対し、本発明では、上記のヒータ９１で端部セル２ｂのアノード３２Ａ側を加熱できる。これにより、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側の冷媒の温度を上昇させることができる。したがって、本発明では、端部セル２ｂ側の両極間の冷媒温度差は、セル積層体３の中央部の単セル２の冷媒温度差と同等になるか（曲線Ｌ３参照）、それよりも低くなる（曲線Ｌ４参照）。

特に、図７に示すように、従来例では、端部セル２ｂにおいて、アノード３２Ａ側及びカソード３２Ｂ側の冷媒温度は入口５３ａ側でほぼ同じであるが、出口５３ｂに向かい、その温度差が大きい。これは、端部セル２ｂが発電反応により発熱して、アノード３２Ａ側及びカソード３２Ｂ側の冷媒が出口５３ｂに向かうにつれて温度上昇する一方で、上記のとおり、アノード３２Ａ側では放熱の影響を受けることで、アノード３２Ａ側の冷媒温度の上昇が抑制されるからである。

これに対し、本発明では、上記のヒータ９１によって、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側のうち出口５３ｂに近い側を選択的に加熱できる。これにより、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側の全領域を加熱する場合に比べて、少ない加熱領域９４となるので、少ない電力で加熱できる。したがって、端部セル２ｂの出口５３ｂ側において、アノード３２Ａ側の冷媒温度をカソード３２Ｂ側のそれよりも低くならないように効率的に調整できる。なお、図７に示す「アノード（本発明）」は、アノード３２Ａ側の冷媒温度をカソード３２Ｂ側のそれよりも高くした例である。

図８に示すように、従来例では、端部セル２ｂの含水量がセル積層体３の他の単セル２に比べて多い。これは、前述のとおり、端部セル２ｂでの温度差の結果、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側（燃料ガス流路４０）で液水が発生するが、その液水が燃料ガスによって持ち去られ難いからである。

これに対し、本発明では、図５及び図６に示すように、端部セル２ｂにおいて、アノード３２Ａ側がカソード３２Ｂ側よりも低温となる温度差の発生を抑制できる。これにより、図８に示すように、端部セル２ｂの含水量は、セル積層体３の中央部の単セル２の含水量と同等になるか（曲線Ｌ５参照）、それよりも低くなる（曲線Ｌ６参照）。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池１によれば、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側の温度を、比較的小さい電力で上げることができる。これにより、端部セル２ｂにおいてアノード３２Ａ側の温度がカソード３２Ｂ側のそれよりも低くならないように効率的に調整でき、端部セル２ｂのフラッディングを抑制できる。それゆえ、端部セル２ｂの電圧低下を抑制できる。

なお、ヒータ９１は、外気温、燃料電池１の温度、端部セル２ｂの温度、及び端部セル２ｂの両極間の温度差の少なくとも一つに基づいて、加熱開始、加熱時間及び加熱量が制御されるとよい。特に、ヒータ９１は、これらの温度の低温時に発熱することが好ましい。

ここで、燃料電池１の温度は、例えば、冷媒の供給管での温度又は冷媒の排出管での温度である。また、端部セル２ｂの温度は、例えば、冷媒流路４８における冷媒の温度であり、端部セル２ｂの両極間の温度差は、例えば、冷媒流路４８の冷媒の温度と、端部セル２ｂと単セル２との間の冷媒流路４４Ｂの冷媒の温度との差である。

また、ヒータ９１は、燃料電池１の出力及び端部セル２ｂの出力に基づいて、加熱開始、加熱時間及び加熱量が制御されるとよい。特に、端部セル２ｂの出力が低下した場合に、ヒータ９１は発熱することが好ましい。さらに、燃料電池１の低負荷発電時に、ヒータ９１を発熱させてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、図９及び図１０を参照して、第２実施形態に係る燃料電池１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との大きな相違点は、他の加熱構造を採用したことである。この加熱構造は、ヒータ９１の代わりに、発熱体としてＰＴＣ抵抗体１００を用いたものである。なお、第１実施形態と共通する第２実施形態の構成については、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

図１０に示すように、ＰＴＣ抵抗体１００は、所定の温度Ｔ₁までは通電して発熱する一方、所定の温度Ｔ₁になると、その電気抵抗値Ｒ_PTCが急激に上昇して通電しなくなり、発熱しなくなる、という特徴を有する。温度Ｔ₁は、固体高分子型の燃料電池１の発電時の温度を考慮し、例えば７０℃に設定される。また、電気抵抗値Ｒ_PTCは、例えば０℃では１０Ｒ_Aに設定され、その範囲は例えば１０Ｒ_A〜∞に設定される。

図９に示すように、ＰＴＣ抵抗体１００は、集電板５ｂと第２の集電板１１０との間に配置される。集電板５ｂと絶縁板６ｂとの間では、ＰＴＣ抵抗体１００及び第２の集電板１１０が冷媒の出口５３ｂよりに配置されて挟持される一方、冷媒の入口５３ａよりには絶縁板１２０が配置されて挟持される。

そして、図９に示すように、燃料電池１では、負荷１３０に電流を供給する電気的な回路１４０が構成される。回路１４０では、集電板５ｂと補正抵抗１４１（電気抵抗値Ｒ_A）とが直列接続された部分と、第２の集電板１１０がある部分とが、負荷１３０に対して並列に接続される。ここでは、前者の部分を流れる電流をｉ_Aとし、後者の部分を流れる電流をｉ_Bとし、負荷１３０に供給される発電電流をＩとする。これらの関係は、以下のとおりに表現できる。

Ｉ＝ｉ_A＋ｉ_B

また、ｉ_Bは、次のように表現できる。
ｉ_B＝｛Ｒ_A／（Ｒ_A＋Ｒ_PTC）｝×Ｉ

ここで、上記のとおり、仮にＲ_PTCが１０Ｒ_A〜∞の間の値をとるとなると、ｉ_Bは０〜０．０９×Ｉの値をとることになる。この場合には、７０℃未満では総発電電流Ｉの約１割分で端部セル２ｂのアノード３２Ａ側の加熱を行い、７０℃以上では加熱しない。

本実施形態によれば、低負荷運転及び冷媒温度が低い場合（例えば７０℃未満）、燃料電池１の発電電流は、集電板５ｂと並列でＰＴＣ抵抗体１００及び第２の集電板１１０を流れ、ＰＴＣ抵抗体１００は発熱しヒータＯＮ状態となる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。一方、冷媒温度が高い場合（例えば７０℃以上）は、ＰＴＣ抵抗体１００のＲ_PTCが増加するので、発電電流は集電板５ｂのみ流れる。

＜第３実施形態＞
次に、図１１を参照して、第３実施形態に係る燃料電池１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との大きな相違点は、加熱構造に代えて、温度の低下を抑制する抑制手段を採用したことである。なお、第１実施形態と共通する第３実施形態の構成については、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

この抑制手段は、第１実施形態で説明した集電板５ｂ、絶縁板６ｂ及びエンドプレート７ｂの構造を工夫することで構成される。具体的には、集電板５ｂには、排出マニホールド５６の延長上に貫通孔２００を形成する。絶縁板６ｂには、貫通孔２００に連通する流路２１０を形成し、エンドプレート７ｂには、流路２１０に連通する流路２２０を形成する。

流路２１０及び流路２２０からなるバイパス流路２３０は、端部セル２ｂの冷媒の入口５３ａ側よりも出口５３ｂ側に近い位置に、折り返し部を有するように形成される。そして、バイパス流路２３０は、燃料電池１外のバイパス配管２４０に接続される。バイパス流路２３０及びバイパス配管２４０は、セル積層体３内の排出マニホールド５６をバイパスして冷媒を流すものであり、この冷媒を排出マニホールド５６から排出された冷媒に、燃料電池１外にある合流点２５０にて合流させる。

本実施形態によれば、燃料電池１の発熱反応により温度上昇した冷媒の一部が、バイパス流路２３０に流れる。このため、端部セル２ｂでは、入口５３ａ側よりも出口５３ｂ側において、冷媒の放熱量が少なくなる。これにより、端部セル２ｂの出口５３ｂ側での冷媒の温度低下を抑制でき、端部セル２ｂのアノード３２Ａ側の温度低下を効率的に抑制できる。したがって、本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、端部セル２ｂのフラッディングを抑制でき、端部セル２ｂの電圧低下を抑制できる。

第１実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池の単セルの断面図である。 第１実施形態に係る単セルのセパレータの平面図である。 第１実施形態に係る加熱手段を備えたプレートの平面図である。 単セルの積層位置と冷媒温度との関係について、従来例及び本実施形態を示すグラフである。 単セルの積層位置と単セルにおける極間の温度差との関係について、従来例及び第１実施形態を示すグラフである。 総マイナス側の端部セルのセル面内における位置と、アノード側及びカソード側の冷媒温度との関係について、従来例及び第１実施形態を示すグラフである。 単セルの積層位置と単セルの含水量との関係について、従来例及び第１実施形態を示すグラフである。 第２実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。 第２実施形態に係るＰＴＣ抵抗体の特性を示すグラフである。 第３実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…単セル、２ａ…総プラス側の端部セル、２ｂ…総マイナス側の端部セル、３…セル積層体、５ａ，５ｂ…集電板、６ａ，６ｂ…絶縁板、７ａ，７ｂ…エンドプレート、２０…ＭＥＡ、２２Ａ…セパレータ、２２Ｂ…セパレータ、３２Ａ…アノード、３２Ｂ…カソード、４０…燃料ガス流路、４２…酸化ガス流路、４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４６，４８…冷媒流路、５３ａ…冷媒入口、５３ｂ…冷媒出口、８０…プレート、９１…ヒータ（加熱手段、発熱体）、９２…第１の部分、９３…第２の部分、１００…ＰＴＣ抵抗体、１１０…第２の集電板、２３０…バイパス流路（抑制手段）

Claims (11)

1. アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、
   前記セル積層体における総マイナス側の単セルを、当該単セルのアノード側から冷却するための冷媒流路と、
   前記冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、
   前記冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、
   を備えた燃料電池において、
   前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側への加熱量が多くなるように構成された加熱手段を、更に備えた燃料電池。
2. 前記加熱手段は、前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側で前記冷媒を加熱するように構成された、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記加熱手段は、前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側に配置された発熱体である、請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記総マイナス側の単セルに積層された集電板と、
   前記集電板の外側に配置された絶縁板と、
   を更に備え、
   前記発熱体は、前記集電板と前記絶縁板との間に配置される、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記発熱体を有するプレートであって、前記集電板と前記絶縁板とに挟持されるプレートを備えた、請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記プレートは、前記発熱体が設けられる第１の部分と、前記第１の部分に隣接する第２の部分と、を有し、
   前記第１の部分は、第２の部分よりも熱伝導率が高い材料で構成される、請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記発熱体は、ＰＴＣ抵抗体である、請求項３に記載の燃料電池。
8. 前記総マイナス側の単セルに積層された第１の集電板と、
   前記第１の集電板に前記ＰＴＣ抵抗体を介して積層された第２の集電板であって、前記ＰＴＣ抵抗体が通電可能なときに、当該燃料電池が発電した電流が前記第１の集電板と並列で前記第２の集電板を流れるように構成された第２の集電板と、
   を備えた請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記加熱手段は、当該燃料電池の温度、その出力電圧、前記総マイナス側の単セルの温度、その出力電圧、及び前記冷媒の温度の少なくとも一つに基づいて、前記加熱量を制御する、請求項２ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池。
10. 前記総マイナス側の単セルは、前記アノードに燃料ガスを供給する第１のセパレータと、前記カソードに酸化ガスを供給する第２のセパレータと、を有しており、
    前記冷媒流路の少なくとも一部は、前記第１のセパレータに形成されている、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池。
11. アノード及びカソードを有する単セルが積層されてなるセル積層体と、
    前記セル積層体における総マイナス側の単セルを、当該単セルのアノード側から冷却するための冷媒流路と、
    前記冷媒流路に冷媒を供給するための冷媒入口と、
    前記冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口と、
    を備えた燃料電池において、
    前記冷媒入口側よりも前記冷媒出口側において前記冷媒の放熱量が少なくなるように、当該冷媒出口側での冷媒の温度低下を抑制する抑制手段を、更に備えた燃料電池。

Images