JP2008257973A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の端部セルでのフラッディングを抑制可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】電気化学反応により発電し、積層された複数のセル１００、１０１と、複数のセル１００、１０１の間に配置された絶縁板２０４とを設ける。セル１００、１０１は、電解質膜１０２と、電解質膜１０２の一面側に配置され、空気が通過する空気流路１０５が形成された空気側セパレータ１０３と、電解質膜１０２の他面側に配置され、水素が通過する水素流路１０６が形成された水素側セパレータ１０４とを有しており、絶縁板２０４を境にして一方の側に配置される第１のセル１００および他方の側に配置される第２のセル１０１は、電解質膜１０２を中心として、絶縁板２０４に近い側に水素側セパレータ１０４を配置し、絶縁板２０４から遠い側に空気側セパレータ１０３を配置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関する。

燃料電池は、複数のセルが積層され、その両端を集電板で挟まれて構成されているため、両端に位置するセルは集電板の熱伝導により冷却されやすく、他のセルより低温になりやすい。このため、両端に位置するセルでは水が凝縮してフラッディングが生じやすい。特にセルの燃料ガス側流路では空気側流路よりも流速が遅いので水分が排出されにくく、フラッディングが生じやすい。このようなセル内部でのフラッディング発生は、セルの発電性能を悪化させることとなる。

このような問題に対し、冷却水流路と燃料ガス流路との間に、燃料ガス側セパレータよりも熱伝導率が低い材質よりなる断熱層を設ける構成が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の構成では、断熱層により燃料ガスを空気より冷却されにくくすることで燃料ガス温度を空気温度よりも高くして、水蒸気分圧差で燃料ガス側の水分を電解質膜を透過させて空気側へ移動させ、空気側よりも流速の遅い燃料ガス側流路内でのフラッディングを防止している。さらに、燃料電池の積層体の少なくとも両端部に位置するセパレータの外側面に当接されている集電板に、燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体を設け、端部セルの温度低下による水の凝縮を防止する構成が提案されている（特許文献２）。
特開２００５−２０３３１３号公報 特開平８−１６７４２４号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、断熱層を設けることで冷却性能が低下してしまい、さらに燃料電池スタックの端部にある燃料ガス流路では、集電板の熱伝導による冷却で充分な効果が得られなくなるという問題がある。また、特許文献２の構成では、発熱体のために余分な電力を消費するため、燃料電池の燃費が悪化する問題がある。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の端部セルでのフラッディングを抑制可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、電気化学反応により発電し、積層された複数のセル（１００、１０１）と、複数のセル（１００、１０１）の間に配置された絶縁板（２０４）とを備え、セル（１００、１０１）は、電解質膜（１０２）と、電解質膜（１０２）の一面側に配置され、空気が通過する空気流路（１０５）が形成された空気側セパレータ（１０３）と、電解質膜（１０２）の他面側に配置され、水素が通過する水素流路（１０６）が形成された水素側セパレータ（１０４）とを有し、絶縁板（２０４）を境にして一方の側に配置される第１のセル（１００）および他方の側に配置される第２のセル（１０１）は、電解質膜（１０２）を中心として、絶縁板（２０４）に近い側に水素側セパレータ（１０４）が配置され、絶縁板（２０４）から遠い側に空気側セパレータ（１０３）が配置されていることを特徴としている。

このように、絶縁板（２０４）を中心にして対称な構成の第１のセル（１００）と第２のセル（１０１）を設けることで、積層されたセル（１００、１０１）の最外側に位置し、冷えやすい端部セル（１００、１０１）の外側に空気流路（１０５）を配置することができる。セル（１００、１０１）の空気流路（１０５）では、水素流路（１０６）に比較して反応ガスの流量が大きく流速が速いため、端部セル（１００、１０１）の空気流路（１０５）で凝縮した水分は、空気流により空気流路（１０５）から排出され、端部セル（１００、１０１）におけるフラッディングの発生を抑制することができる。

また、積層された第１のセル（１００）には、絶縁板（２０４）から遠い側の端部に第１プラス極側集電板（２００）が配置され、絶縁板（２０４）に近い側の端部に第１マイナス極側集電板（２０１）が配置されており、積層された第２のセル（１０１）には、絶縁板（２０４）から遠い側の端部に第２プラス極側集電板（２０３）が配置され、絶縁板（２０４）に近い側の端部に第２マイナス極側集電板（２０２）が配置されており、第１プラス極側集電板（２００）と第２マイナス極側集電板（２０２）とが電気的に接続されているようにすることで、積層された第１のセル（１００）と積層された第２のセル（１０１）を直列接続して用いることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００、１０１が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気供給装置２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気供給装置２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気供給装置２１としては、コンプレッサを用いることができる。水素供給流路３０ａの最上流部には、水素供給装置３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素供給装置３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。水素供給装置３１としては、高圧水素が充填された高圧水素タンクを用いることができる。

燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。冷却水経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水経路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部５０は、各種演算処理を行い、空気供給装置２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。

次に、燃料電池１０の構成について説明する。図２は燃料電池１０の空気および水素の流れを示す概念図であり、図３は燃料電池１０の側面図であり、図４は燃料電池１０の斜視図である。なお、図４では、燃料電池１０の構成要素を分離した状態で図示している。

図２、図３に示すように、燃料電池１０を構成するセル１００、１０１は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０２と、このＭＥＡ１０２を挟持する空気側セパレータ１０３および水素側セパレータ１０４で構成されている。セパレータ１０３、１０４は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。空気側セパレータ１０３には空気が流れる空気流路１０５が形成され、水素側セパレータ１０４には水素が流れる水素流路１０６が形成されている。

図２に示すように、空気側セパレータ１０３の空気流路１０５を介して酸素が各セル１００に対して並列に供給され、水素側セパレータ１０４の水素流路１０６を介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。空気および水素は、燃料電池１０の図２における左側から流入し、各セル１００、１０１の反応ガス流路１０５、１０６を通過した後、燃料電池１０の図２における左側から流出するようになっている。

図２〜図４に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、複数の第１セル１００と複数の第２セル１０１がそれぞれ積層されて設けられている。積層された第１セル１００の両端には第１プラス極側集電板２００と第１マイナス極側集電板２０１が配置されており、積層された第２セル１０１の両端には第２マイナス極側集電板２０２と第２プラス極側集電板２０３が配置されている。

第１マイナス極側集電板２０１と第２マイナス極側集電板２０２との間には絶縁板２０４が配置されている。絶縁板２０４は、積層されたセル１００、１０１の中央に配置されている。すなわち、絶縁判２０４を中心として同数の第１セル１００と第２セル１０１が設けられている。絶縁板２０４は、例えば樹脂材料から構成することができる。また、積層されたセル１００、１０１の間に配置される絶縁板２０４は、熱容量ができるだけ小さいことが望ましく、できるだけ薄く構成することが望ましい。

燃料電池１０は、反応ガスの流入出側（図２、図３の左側）から順に、第１プラス極側集電板２００、複数の第１セル１００、第１マイナス極側集電板２０１、絶縁板２０４、第２マイナス極側集電板２０２、複数の第２セル１０１、第２プラス極側集電板２０３が積層されて構成されている。第１マイナス極側集電板２０１と第２マイナス極側集電板２０２との間は絶縁板２０４により絶縁されており、第１プラス極側集電板２００と第２マイナス極側集電板２０２との間は連結ケーブル２０５により電気的に接続されている。第１マイナス側集電板２０１と第２プラス側集電板２０３は、電気負荷１５に接続されている。このため、燃料電池１０の電流の経路は、第２プラス極集電板２０３→第２セル１０１→第２マイナス極側集電板２０２→連結ケーブル２０５→第１プラス極集電板２００→第１セル１００→第１マイナス極側集電板２０１となる。

第１セル１００と第２セル１０１は、絶縁板２０４を中心として対称の構成を有しており、第１セル１００と第２セル１０１では、電解質膜１０２に対する空気側セパレータ１０３と水素側セパレータ１０４の配置が逆になっている。具体的には、第１セル１００では、電解質膜１０２を中心として空気側セパレータ１０３が反応ガスの流入側に近い側に配置され、水素側セパレータ１０４が反応ガスの流入側から遠い側に配置されている。また、第２セル１０１では、電解質膜１０２を中心として水素側セパレータ１０４が反応ガスの流入出側に近い側に配置され、空気側セパレータ１０３が反応ガスの流入側から遠い側に配置されている。

このため、本実施形態の燃料電池１０では、第１セル１００、第２セル１０１ともに、電解質膜１０２に対して、絶縁板２０４から遠い側に空気側セパレータ１０３が配置され、絶縁板２０４に近い側に水素側セパレータ１０４が配置されている。積層された第１セル１００の端（図２、図３の左端）に位置する第１端部セル１００では、空気側セパレータ１０３が外側に位置しており、第１端部セル１００の空気側セパレータ１０３が第１プラス極側集電板２００に接している。同様に、積層された第２セル１０１の端（図２、図３の右端）に位置する第２端部セル１０１では、空気側セパレータ１０３が外側に位置しており、第２端部セル１０１の空気側セパレータ１０３が第２プラス極側集電板２０３に接している。

上記構成の燃料電池１０は、以下のように作動する。まず、空気供給装置２１から空気の供給が開始され、水素供給装置３１から水素の供給が開始されることで、各セル１００の空気流路１０５に空気が流れ、水素流路１０６に水素が流れ、燃料電池１０は発電を開始する。

積層された第１セル１００の最外側に位置する第１端部セル１００の空気側セパレータ１０３は、第１プラス極側集電板２００が接触しているため、第１プラス極側集電板２００の熱伝導により冷却される。これにより、第１端部セル１００の空気側セパレータ１０３は、積層された第１セル１００における他の部分より低温となる。同様に、積層された第２セル１０１の最外側に位置する第２端部セル１０１の空気側セパレータ１０３は、第２プラス極側集電板２０３が接触しているため、第２プラス極側集電板２０３の熱伝導により冷却される。これにより、第２端部セル１０１の空気側セパレータ１０３は、積層された第２セル１０１における他の部分より低温となる。このため、第１端部セル１００と第２端部セル１０１の空気側セパレータ１０３に形成された空気流路１０５では、水分が凝縮しやすくなっている。

セル１００、１０１の空気流路１０５では、水素流路１０６に比較して反応ガスの流量が大きく流速が速い。このため、第１端部セル１００と第２端部セル１０１の空気流路１０５で凝縮した水分は、空気流により空気流路１０５から排出されることとなり、端部セル１００、１０１におけるフラッディングの発生を抑制することができる。

さらに、端部セル１００、１０１では、空気流路１０５を流れる空気が水素流路１０６を流れる水素よりも低温となり、空気流路１０５の水蒸気分圧は水素流路１０６の水蒸気分圧より低くなる。この水蒸気分圧差により、水蒸気分圧が高い水素流路１０６側に存在する水分が、ＭＥＡ１０２を透過して、水蒸気分圧が低い空気流路１０５に移動する。この結果、水分を排出しにくい水素流路１０６から水分を排出しやすい空気流路１０５に水分を移動させることができるので、端部セル１００、１０１におけるフラッディングの発生を効果的に抑制することができる。

以上のように、絶縁板２０４を中心にして対称な構成の第１セル１００と第２セル１０１を設けるという簡易な構成で、積層されたセル１００、１０１の端部セル１００、１０１の外側に空気流路１０５が位置するようにでき、端部セル１００、１０１におけるフラッディングの発生を抑制することができる。また、本実施形態では、絶縁板２０４を積層されたセル１００、１０１の中心に設けているので、燃料電池１０全体での熱的なバランスを保つことができ、絶縁板２０４の熱容量の影響を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５は、本第２実施形態の燃料電池１０の側面図である。図５に示すように、本第２実施形態では、２つの燃料電池１０、１１が連結されて用いられる。各燃料電池１０、１１の第１セル１００と第２セル１０１は、上記第１実施形態で説明したように、絶縁板２０４を中心にして対称な構造となっている。第１燃料電池１０では、第１連結ケーブル２０５により、第１プラス極側集電板２００と第２マイナス極側集電板２０２とが接続されている。第２燃料電池１１では、第２連結ケーブル２０６により、第１マイナス極側集電板２０１と第２プラス極側集電板２０３とが接続されている。

このため、第１燃料電池１０の電流の経路は、第２プラス極集電板２０３→第２セル１０１→第２マイナス極側集電板２０２→第１連結ケーブル２０５→第１プラス極集電板２００→第１セル１００→第１マイナス極側集電板２０１となっている。また、第２燃料電池１１の電流の経路は、第１プラス極集電板２００→第１セル１００→第１マイナス極側集電板２０１→第２連結ケーブル２０６→第２プラス極集電板２０３→第２セル１０１→第２マイナス極側集電板２０２となっている。

第１燃料電池１０と第２燃料電池１１は、第３連結ケーブル２０７により電気的に接続されている。具体的には、第３連結ケーブル２０７により、第１燃料電池１０の第１マイナス極側集電板２０１と第２燃料電池１１の第１プラス極側集電板２００とが電気的に接続されている。また、第１燃料電池１０の第２プラス側集電板２０３と第２燃料電池１１の第２マイナス側集電板２０２は、電気負荷１５に接続されている。このような構成により、第１燃料電池１０と第２燃料電池１１を直列接続して用いることができる。

本実施形態の構成においても、燃料電池１０、１１の各セル１００、１０１では、電解質膜１０２に対して、絶縁板２０４から遠い側に空気側セパレータ１０３が配置され、絶縁板２０４に近い側に水素側セパレータ１０４が配置されている。このため、燃料電池１０、１１の端部セル１００、１０１の空気流路１０５で凝縮した水分は、空気流により空気流路１０５から排出されることとなり、端部セル１００、１０１におけるフラッディングの発生を抑制することができる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、絶縁板２０４を積層されたセル１００、１０１の中央に配置し、第１セル１００と第２セル１０１を同数にしたが、これに限らず、絶縁板２０４は中心からずらして配置してもよい。すなわち、本発明では、端部セル１００、１０１の外側に空気側セパレータ１０３が位置していればいいので、絶縁板２０４を中心に配置される第１セル１００と第２セル１０１は必ずしも同数である必要はなく、それぞれ１以上設けられていればよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 燃料電池の空気および水素の流れを示す概念図である。 燃料電池の側面図である。 燃料電池の斜視図である。 第２実施形態の燃料電池の側面図である

符号の説明

１０、１１…燃料電池、１００、１０１…セル、１０２…ＭＥＡ、１０３…空気側セパレータ、１０４…水素側セパレータ、１０５…空気流路、１０６…水素流路、１０７…冷却水流路、２００〜２０３…集電板、２０４…絶縁板、２０５〜２０７…連結ケーブル。

Claims (2)

1. 電気化学反応により発電し、積層された複数のセル（１００、１０１）と、
   前記複数のセル（１００、１０１）の間に配置された絶縁板（２０４）とを備え、
   前記セル（１００、１０１）は、電解質膜（１０２）と、前記電解質膜（１０２）の一面側に配置され、空気が通過する空気流路（１０５）が形成された空気側セパレータ（１０３）と、前記電解質膜（１０２）の他面側に配置され、水素が通過する水素流路（１０６）が形成された水素側セパレータ（１０４）とを有し、
   前記絶縁板（２０４）を境にして一方の側に配置される第１のセル（１００）および他方の側に配置される第２のセル（１０１）は、前記電解質膜（１０２）を中心として、前記絶縁板（２０４）に近い側に前記水素側セパレータ（１０４）が配置され、前記絶縁板（２０４）から遠い側に前記空気側セパレータ（１０３）が配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 積層された前記第１のセル（１００）には、前記絶縁板（２０４）から遠い側の端部に第１プラス極側集電板（２００）が配置され、前記絶縁板（２０４）に近い側の端部に第１マイナス極側集電板（２０１）が配置されており、
   積層された前記第２のセル（１０１）には、前記絶縁板（２０４）から遠い側の端部に第２プラス極側集電板（２０３）が配置され、前記絶縁板（２０４）に近い側の端部に第２マイナス極側集電板（２０２）が配置されており、
   前記第１プラス極側集電板（２００）と前記第２マイナス極側集電板（２０２）とが電気的に接続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。

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