JP2009064565A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、所定の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、燃料電池の発電効率低下を抑制すること。
【解決手段】
一方の面にアノードが、その反対面にカソードが形成された電解質膜を備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、燃料電池の一方の端部には、該端部側にアノードが設けられる第１の燃料電池セルが配置され、燃料電池の他方の端部には、該端部側にカソードが設けられる第２の燃料電池セルが配置され、さらに、第１の燃料電池セルの温度を、第２の燃料電池セルの温度より高くする昇温部を備える。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池に関する。

表面に、アノードおよびカソードが形成された電解質膜を備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池が知られている。この燃料電池では、電気化学反応によりカソードで、水が生成される（下記特許文献１参照）。

特開２００４−２８８５０９号公報

しかしながら、上記燃料電池において、カソードで生成された水は、燃料電池セルのガス流路で凝縮し、凝縮水がガス流れを阻害するおそれがあった。そして、その燃料電池セルでは、電気化学反応に供されるガス量が不足し、それに伴い電圧が低下するおそれがあった。その結果、このような燃料電池セルが増えることにより、燃料電池の発電効率が低下するおそれがあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、所定の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、燃料電池の発電効率低下を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
一方の面にアノードが、その反対面にカソードが形成された電解質膜を備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、前記燃料電池の一方の端部には、前記燃料電池の外側に向かって前記アノードが設けられる第１の燃料電池セルが配置され、前記燃料電池の他方の端部には、前記燃料電池の外側に向かって前記カソードが設けられる第２の燃料電池セルが配置され、さらに、前記第１の燃料電池セルの温度を、前記第２の燃料電池セルの温度より高くする昇温部を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池によれば、第１の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、その結果、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

[適用例２]
適用例１記載の燃料電池において、各燃料電池セルは、前記アノードおよび前記カソードが交互に配置されるように積層されており、前記昇温部は、前記燃料電池の前記一方の端部近傍に位置する前記燃料電池セルであって、前記第１の燃料電池セルを含む複数の燃料電池セルのセル平均温度を、前記燃料電池の前記他方の端部近傍に位置する前記燃料電池セルであって、前記第２の燃料電池セルを含む複数の燃料電池セルのセル平均温度より高くすることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、燃料電池の一方の端部近傍の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、その結果、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池において、前記燃料電池を冷却するための冷媒を各燃料電池セルに供給するための冷媒供給マニホールドと、前記燃料電池の前記一方の端部に属する板状部材と、各燃料電池セルを冷却した後の冷媒を集約し、集約した前記冷媒を、前記燃料電池の外部に排出するためのマニホールドであって、少なくとも一部が、前記昇温部として、集約した前記冷媒を前記板状部材内部に流すために前記板状部材の板面に沿った方向に形成される冷媒排出マニホールドと、を備えることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、他の昇温装置を用いることなく、冷媒排出マニホールドを用いて、一方の端部近傍の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。従って、燃料電池重量の削減、燃料電池の肥大化の抑制、構造の簡易化、製造コストの削減を行うことができる。

[適用例４]
適用例３に記載の燃料電池において、前記板状部材は、インシュレータであることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、インシュレータ内部に燃料電池セルを冷却した後の冷媒、すなわち、昇温した冷媒が流れるので、インシュレータを、暖めることができる。その結果、一方の端部近傍の燃料電池セルを、インシュレータを介して暖めることができ、一方の端部近傍の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池において、前記昇温部として、前記燃料電池の前記一方の端部側にヒータを設けることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、一方の端部近傍の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

[適用例６]
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池において、前記燃料電池の前記一方の端部に属する板状部材を備え、前記昇温部として、前記一方の端部または前記一方の端部近傍の前記燃料電池セルの少なくとも一方を覆う断熱材を設けることを特徴とする燃料電池。

このようにすれば、一方の端部近傍の燃料電池セルの電圧が低下することを抑制し、燃料電池の発電効率低下を抑制することができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池の他、燃料電池システムや昇温装置などの他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、このような装置発明に限られず、燃料電池の昇温方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．第１実施例の燃料電池システムの全体構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１０００は、主に、発電の本体である燃料電池１００と、水素供給部２２と、ブロワ２４と、水素循環ポンプ６０と、冷媒循環ポンプ７０と、ラジエータ７７と、気液分離器６５と、圧力調整弁２６と、を備えている。

燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であり、燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有している。この燃料電池１００についての詳細は、後述する。

水素供給部２２は、燃料ガスとして燃料電池１００（後述の燃料ガス供給マニホールドＭＨＩ）に供給する水素を貯蔵している。水素供給部２２としては、例えば、水素ガスを圧縮して貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金を備える水素タンクを用いることができる。水素供給部２２は、燃料電池１００に対して、水素供給路２３を介して燃料ガスを供給する。圧力調整弁２６は、水素供給路２３上に設けられ、水素供給部２２から燃料電池１００に供給される水素の圧力を所定の圧力に調整（減圧）する。なお、このような水素の圧力調整は、単一の圧力調整弁２６によって行なわれるのではなく、複数の弁を用いて順次減圧を行なうこととしても良い。

燃料電池１００（後述の燃料ガス排出マニホールドＭＨＯ）から排出された燃料ガスは、燃料ガス排出路２８に排出される。燃料ガス排出路２８には、燃料ガスバイパス路２９が接続されており、また、燃料ガスバイパス路２９上には、水素循環ポンプ６０が設けられている。燃料ガス排出路２８に排出された燃料ガスは、水素循環ポンプ６０によって燃料ガスバイパス路２９に導かれて再び水素供給路２３に流入する。このように、燃料電池１００から排出された燃料ガス中の残余の水素は、水素供給路２３の一部と燃料ガスバイパス路２９と燃料電池１００内の流路とから成る流路（以下、循環流路と呼ぶ）内を循環して再度電気化学反応に供される。

また、燃料ガスバイパス路２９には、気液分離器６５が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水の一部は、燃料電池１００の電解質膜を介してアノード側へと移動し、燃料ガス中に気化する。そのため、循環流路内を循環する燃料ガスにおいては、水蒸気濃度が次第に上昇する。気液分離器６５は、循環流路内を循環する燃料ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて、燃料ガス中の水蒸気濃度を低減させる。気液分離器６５には、バルブ６４が設けられており、このバルブ６４を開状態とすることで、気液分離器６５内で凝縮された水が、燃料ガス排出路２８を介して外部に排出される。なお、所定のタイミングでバルブ６４を開状態にすることで、凝縮水と共に循環流路内を循環する燃料ガスの一部も外部に排出しており、これにより、循環流路内の不純物濃度（電解質膜を介してカソード側からアノード側に移動した窒素等の濃度）の上昇を抑えている。

ブロワ２４は、酸化ガスとして燃料電池１００（後述の酸化ガス供給マニホールドＭＡＩ）に空気を供給するための装置である。ブロワ２４は、燃料電池１００に対して、酸化ガス供給路２５を介して酸化ガスを供給する。燃料電池１００（後述の酸化ガス排出マニホールドＭＡＯ）から排出された酸化ガスは、酸化ガス排出路２７を介して燃料電池１００外部へと排出される。

また、燃料電池１００において、後述の冷媒供給マニホールドＭＷＩおよび冷媒排出マニホールドＭＷＯに冷媒循環流路７５が接続されている。冷媒循環流路７５上には、ラジエータ７７及び冷媒循環ポンプ７０が設けられている。冷媒循環流路７５を流れる冷媒は、冷媒循環ポンプ７０により冷媒循環流路７５および燃料電池１００内を循環する。燃料電池１００を冷却した冷媒は、冷媒排出マニホールドＭＷＯから排出され、その後、ラジエータ７７によって冷却される。そして、再び冷媒供給マニホールドＭＷＩに導入され、燃料電池１００の冷却に用いられる。なお、冷媒としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。

Ａ２．燃料電池の構成：
図２は、燃料電池１００の概略外観構成図である。燃料電池１００は、図２の左端からアノード側エンドプレートＥＰＡ、アノード側インシュレータＩＳＡ、アノード側ターミナルＴＭＡ、複数の燃料電池セルＳＬおよび複数の冷媒用セパレータＳＰＷ、カソード側ターミナルＴＭＣ、カソード側インシュレータＩＳＣ、カソード側エンドプレートＥＰＣの順に積層されて構成される。燃料電池セルＳＬおよび冷媒用セパレータＳＰＷは、交互に積層される。

ここで、本実施例の燃料電池１００において、後述する各燃料電池セルＳＬのアノードに近い方の端部をアノード側端部とも呼び、各燃料電池セルＳＬのカソード側に近い方の端部をカソード側端部とも呼ぶ。このアノード側端部は、マイナス極側であり、具体的には、アノード側エンドプレートＥＰＡ、アノード側インシュレータＩＳＡ、および、アノード側ターミナルＴＭＡから構成される。カソード側端部は、プラス極側であり、具体的には、カソード側エンドプレートＥＰＣ、カソード側インシュレータＩＳＣ、および、カソード側ターミナルＴＭＣから構成される。

燃料電池１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。なお、燃料電池１００において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を図２に示すように規定する。また、燃料電池セルＳＬおよび冷媒用セパレータＳＰＷを積層する方向を積層方向とも呼ぶ。さらに、積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＳＬに沿った方向を面方向とも呼ぶ。

各エンドプレートは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。各ターミナルは、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。アノード側ターミナルＴＭＡは、マイナス端子となるアノード側端子ＴＡを、カソード側ターミナルＴＭＣは、プラス端子となるカソード側端子ＴＣを、それぞれ備えている。各インシュレータは、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。

燃料電池１００には、酸化ガスが供給され、後述する各セル内酸化ガス流路に酸化ガスを導入するための酸化ガス供給マニホールドＭＡＩと、各セル内酸化ガス流路から排出される酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールドＭＡＯと、燃料ガスが供給され、後述する各セル内燃料ガス流路に燃料ガスを導入するための燃料ガス供給マニホールドＭＨＩと、各セル内燃料ガス流路から排出される燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドＭＨＯと、冷媒を供給され、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドＭＷＩと、各セル間冷媒流路から排出される冷媒が集合する冷媒排出マニホールドＭＷＯと、が設けられている。

これら各マニホールドは、図２に示すように、燃料電池１００のアノード側端部において、開口部を有している。燃料ガス供給マニホールドＭＨＩの開口部は、水素供給路２３と接続され、燃料ガスが導入される。燃料ガス排出マニホールドＭＨＯの開口部は、燃料ガス排出路２８と接続され、燃料ガスを排出する。酸化ガス供給マニホールドＭＡＩの開口部は、酸化ガス供給路２５と接続され、酸化ガスが導入される。酸化ガス排出マニホールドＭＡＯの開口部は、酸化ガス排出路２７と接続され、酸化ガスを排出する。冷媒供給マニホールドＭＷＩおよび冷媒排出マニホールドＭＷＯの開口部は、冷媒循環流路７５と接続され、冷媒が給排される。

図３は、燃料電池１００の構成単位である燃料電池セルＳＬと、冷媒用セパレータＳＰＷの様子を表わす分解斜視図である。燃料電池セルＳＬは、膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）１０と、アノード側セパレータＳＰＡと、カソード側セパレータＳＰＣと、を備えている。ＭＥＡ１０は、電解質膜４０と、電極であるカソード４１およびアノード４２と、ガス拡散層４３，４４と、を備え、カソード４１およびアノード４２が表面に形成された電解質膜４０を、ガス拡散層４３，４４で挟持して構成される。燃料電池セルＳＬは、このＭＥＡ１０を、さらにアノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣで挟持して構成される。

電解質膜４０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード４１およびアノード４２は、カーボン粒子などの導電性を有する担体上に担持された、白金や白金合金等の触媒を備えている。ガス拡散層４３，４４は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができ、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。

アノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣは、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはプレス成形した金属板により形成されている。アノード側セパレータＳＰＡおよびカソード側セパレータＳＰＣは、反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。アノード側セパレータは、表面に溝６３が形成され、ＭＥＡ１０との間に、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路を形成する。カソード側セパレータは、表面に溝６２が形成され、ＭＥＡ１０との間に、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路を形成する。

冷媒用セパレータＳＰＷは、貫通孔８７が形成されている。燃料電池セルＳＬと冷媒用セパレータＳＰＷとを交互い積層することにより、貫通孔８７は、燃料電池セルＳＬ間のセル間冷媒流路を形成する。

セパレータＳＰＡ，ＳＰＣ，ＳＰＷは、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。セパレータＳＰＡ，ＳＰＣ，ＳＰＷを、ＭＥＡ１０と共に積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、セパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、各セパレータに設けられた孔部のうち、孔部８５および孔部８６は、セル内燃料ガス流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝６３と連通している。また、孔部８３および孔部８４は、セル内酸化ガス流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝６２と連通している。さらに、孔部８１および孔部８２は、セル間冷媒流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた貫通孔８７と連通している。また、この場合、孔部８５は、燃料ガス供給マニホールドＭＨＩを形成し、孔部８６は、燃料ガス排出マニホールドＭＨＯを形成し、孔部８３は、酸化ガス供給マニホールドＭＡＩを形成し、孔部８４は酸化ガス排出マニホールドＭＡＯを形成する。さらに、孔部８１は、冷媒供給マニホールドＭＷＩを形成し、孔部８２は、冷媒排出マニホールドＭＷＯを形成する。従って、セル内燃料ガス流路、セル内酸化ガス流路、および、セル間冷媒流路は、燃料電池内で、上記マニホールドを介して並列に接続されている。

図４は、本実施例における冷媒排出マニホールドＭＷＯの詳細を説明するための図である。図４（Ａ）は、燃料電池１００の側面図（燃料電池１００をｚ方向に向かって見た図）であり、図４（Ｂ）は、アノード側インシュレータＩＳＡの正面図（アノード側インシュレータＩＳＡをｘ方向に向かって見た図）である。本実施例における冷媒排出マニホールドＭＷＯは、図４（Ａ）に示すように、燃料電池セルＳＬおよび冷媒用セパレータＳＰＷを積層方向（ｘ方向）に貫通すると共に、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、アノード側インシュレータＩＳＡの内部を、面方向に沿って蛇行するように貫通し、開口部に至るように形成されている。これにより、アノード側インシュレータＩＳＡ内の冷媒排出マニホールドＭＷＯでは、各燃料電池セルＳＬで熱交換によって昇温した冷媒が流れることとなる。

Ａ３．温度分布と電池性能の関係：
従来のスタック構造を有する燃料電池では、一般に、外部との熱交換が行なわれやすい両端部近傍の燃料電池セルにおいて、内部温度がより低くなることが知られている。このように温度が低下すると、飽和水蒸気圧が低下することによってガス流路内で凝縮水が生じ、凝縮水によってガス流れが阻害される可能性がある。そのため、従来は、温度がより低くなる両端部近傍の燃料電池セルにおいて、凝縮水によるガス流れの阻害に起因する電圧低下が起こると考えられていた。

これに対して、本願発明者は、新たな知見として、内部温度が低下する両端部の内、実際には、特にアノード側端部近傍の燃料電池セルにおいて電圧低下が起こり易いことを見いだした。すなわち、本実施例の燃料電池１００のように、セル内燃料ガス流路およびセル内酸化ガス流路が、上記マニホールドを介して、それぞれ、燃料電池内で並列に接続される燃料電池では、以下の図５に示すように、外気温度が低い場合には、アノード側端部近傍の燃料電池セルのみにおいて、内部の凝縮水量が多くなり、その結果、その燃料電池セルの電圧低下が特に顕著に認められた。

図５は、横軸に、従来のスタック構造を有する燃料電池における各燃料電池セルの相対的な位置を示しつつ、燃料電池セル内部における凝縮水量分布を表わす説明図である。図５に凝縮水量分布を示す燃料電池は、従来から知られるスタック構造の燃料電池であって、冷媒排出マニホールドＭＷＯが、アノード側インシュレータＩＳＡを含め、各部材（燃料電池セルＳＬ、冷媒用セパレータＳＰＷ、ターミナル等）を単に積層方向に貫通する構造となっている。図５は、この燃料電池を、外気温度が、６０℃、２０℃、および、−１０℃の場合において、燃料ガスおよび酸化ガスを共に大過剰量流し、冷媒温度６０℃、電流密度０．１Ａ／ｃｍ²の条件で、１時間発電した場合の結果を示している。

このように、アノード側端部近傍の燃料電池セルにおいて特に電圧低下が起こり易いのは、端部近傍に配置される一群の燃料電池セル内における電解質膜の両側間に存在する微少な温度差と、燃料ガスおよび酸化ガスの性質の違いによるものと考えられる。燃料電池が発電する際には、上記微少な温度差に起因して、まず、より温度が低い側のガス流路に凝縮水が発生すると考えられる。すなわち、同じ燃料電池セル内であっても、燃料電池セル内酸化ガス流路と燃料電池セル内燃料ガス流路の間には、微少な温度差が生じ、より端部側の燃料電池セル内ガス流路の方が温度が低くなる。このように温度差が生じると、燃料ガスと酸化ガスのいずれもが略飽和蒸気圧であったとしても、わずかに温度が低い端部側の燃料電池セル内ガス流路において、内部のガスが流路壁上でわずかに冷やされることにより、その流路壁上で凝縮水が生じ始める。このような温度が低い側のガスは、撹拌されて電解質膜に接するが、このとき電解質膜は、両側のガス流路の中間の温度となっているため、接したガスはわずかに加熱されて飽和蒸気圧がわずかに上昇し、電解質膜から水分を奪う。電解質膜から水分を受け取ったガスは、再び撹拌されて、流路壁で冷却されて再び凝縮水を生じる。これに対して、わずかに温度が高い内部側の燃料電池セル内ガス流路を流れるガスは、撹拌されて電解質膜に接するが、接したガスはわずかに冷却されて飽和蒸気圧がわずかに低下し、電解質膜上で凝縮水を生じる。生じた凝縮水は、電解質膜内を、反対の面側（わずかに温度が低いガス流路側）に移動する。このような工程が繰り返されることにより、上記したわずかに温度が低い側の燃料電池セル内のガス流路において、凝縮水がより発生し易くなると考えられる。

そして、上記のように温度が低い側の流路で液水が発生すると、上記温度が低い側の流路が燃料ガスの流路であった場合には、燃料ガスおよび酸化ガスの性質の違いにより、特に流路内に液水が滞留し易くなると考えられる。このガスの性質の違いとは、液水を流す力の違いであり、液水を流す力は、例えばそれぞれのガスの流速の影響を受ける。ガス流速は、一般に酸化ガスの方が燃料ガスよりも速くなるが、これについて以下に説明する。燃料電池で進行する電気化学反応は、以下の（１）ないし（３）式で表わすことができる。（１）式はアノード側における反応を表わし、（２）式はカソード側における反応を表わし、（３）式は燃料電池全体で進行する反応を表わす。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

（３）式に示すように、燃料電池が所定量の発電をする際に理論的に必要とされる水素量と酸素量の比は、２：１となる。本実施例のように、燃料ガスとして水素を用い、酸化ガスとして空気を用いる場合には、空気中の酸素の割合は約２０％であるため、理論的に必要とされる燃料ガス量と酸化ガス量の比は、およそ２：５となる。したがって、燃料電池に対してガスを供給する際の過剰率（理論的に必要な量に対する実際に供給する量の割合）が、燃料ガスと酸化ガスとで同じであれば、燃料電池の入り口部において、供給される酸化ガスの流速は、燃料ガスの流速の約２．５倍であるといえる。このように、一般に、燃料電池に供給される酸化ガスの流速の方が燃料ガスの流速よりも速いため、凝縮水を吹き飛ばす力は酸化ガスの方が強くなる。

ガスが液水を吹き飛ばす力は、より具体的には、例えば、ガスの運動量や粘性力に依存すると考えることができる。運動量は、質量と速度の積であるため、ガスの運動量は、ガスの分子量と流速の積として比較することができる。水素の分子量が２であるのに対し、空気の平均分子量は約２９である。また、上記したように、過剰率が同じであるときに燃料電池に供給される入り口部のガス流速は、酸化ガスが燃料ガスの約２．５倍となる。そのため、燃料ガスの運動量に対する酸化ガスの運動量の比は、以下の（４）式に示すように、１：３６．２５となり、燃料ガスが液水を跳ね飛ばす力は、酸化ガスの約３６分の１しかないと考えることができる。

２×１：２９×２．５＝２：７２．５＝１：３６．２５ …（４）

また、ガスの粘性力は、ガスが液水を粘りで引きずる力として捉えることができ、ガスの粘性係数と流速の積として比較することができる。２０℃、１気圧における水素の粘性係数が、８．８×１０^-6［Ｐａ・ｓ］であるのに対し、空気の粘性係数は、１８．２×１０^-6［Ｐａ・ｓ］である。また、上記したように、過剰率が同じであるときに燃料電池に供給される入り口部のガス流速は、酸化ガスが燃料ガスの約２．５倍となる。そのため、燃料ガスの粘性力に対する酸化ガスの粘性力の比は、以下の（５）式に示すように、１：５．２となり、燃料ガスが液水を引きずる力は、酸化ガスの約５分の１しかないと考えることができる。

８．８×１：１８．２×２．５＝８．８：４５．５≒１：５．２ …（５）

以上説明したように、燃料電池の両端部近傍の燃料電池セルでは、微妙な温度差に起因して、より温度が低い端部側の燃料電池セル内のガス流路において、凝縮水が生じ始める。そして、凝縮水を排出する力が酸化ガスに比べて弱い燃料ガスの流路においては、生じた凝縮水を排出することができずに凝縮水が次第に滞留してしまう。このようにして、特にアノード側端部近傍の燃料電池セルにおいて、セル内燃料ガス流路における凝縮水の滞留に起因して、電圧低下が起こると考えられる。

一方、本実施例の燃料電池１００では、アノード側インシュレータＩＳＡの内部を、冷媒排出マニホールドＭＷＯが、面方向に沿って貫通するように形成されている。このようにすれば、各燃料電池セルＳＬを冷却し、昇温した冷媒が、アノード側インシュレータＩＳＡを流れる際、アノード側インシュレータＩＳＡを暖めることができ、それに伴い、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めることが可能となる。従って、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬにおいて、凝縮水の発生を抑制することができ、それに起因する電圧低下も抑制することができる。その結果、燃料電池１００において、局所的に電圧が低い燃料電池セルＳＬが生じることを抑制することができ、燃料電池１００全体の発電効率を向上させることができる。

また、本実施例の燃料電池１００では、カソード側端部について昇温させるための機構を設けておらず、アノード側端部のみに、昇温させるための機構を設けているので、燃料電池１００の構造の簡易化、重量の削減、肥大化の抑制、または、製造コストの削減を実現することができる。

燃料電池セルＳＬは、請求項における燃料電池セルに該当し、冷媒排出マニホールドＭＷＯは、請求項における昇温部に該当する。上記アノード側端部は、請求項における一方の端部に該当し、上記カソード側端部は、請求項における他方の端部に該当する。

Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例の燃料電池１００Ａの側面図である。第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、基本的に第１実施例の燃料電池システム１０００と同様の構造を有しているが、以下の点で、第１実施例の燃料電池システム１０００と異なる。第１実施例の燃料電池１００は、各燃料電池セルＳＬで昇温した冷媒を、アノード側インシュレータＩＳＡ内部において、面方向に沿って流すことで、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしていたが、本実施例の燃料電池１００Ａは、ヒータＨＴを備え、このヒータＨＴにより、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしている。具体的には、燃料電池１００Ａにおいて、ヒータＨＴは、図６に示すように、アノード側エンドプレートＥＰＡの外側に配置され、アノード側エンドプレートＥＰＡ、アノード側インシュレータＩＳＡ、および、アノード側ターミナルＴＭＡを介して、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖める。

このようにすれば、ヒータＨＴによって、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めることが可能となる。従って、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬにおいて、凝縮水の発生を抑制することができ、それに起因する電圧低下も抑制することができる。その結果、燃料電池１００Ａにおいて、局所的に電圧が低い燃料電池セルＳＬが生じることを抑制することができ、燃料電池１００Ａ全体の発電効率を向上させることができる。

Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例の燃料電池１００Ｂの側面図である。第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、基本的に第１実施例の燃料電池システム１０００と同様の構造を有しているが、以下の点で、第１実施例の燃料電池システム１０００と異なる。第１実施例の燃料電池１００は、各燃料電池セルＳＬで昇温した冷媒を、アノード側インシュレータＩＳＡ内部において、面方向に沿って流すことで、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしていたが、本実施例の燃料電池１００Ｂは、断熱材ＨＳを備え、この断熱材ＨＳにより、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬの降温を抑制するようにしている。具体的には、燃料電池１００Ｂにおいて、断熱材ＨＳは、図７に示すように、アノード側エンドプレートＥＰＡ、アノード側インシュレータＩＳＡ、アノード側ターミナルＴＭＡ、および、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬ（７つ）を覆うように配置される。なお、断熱材ＨＳは、例えば、グラスウールやロックウールなどを用いることができる。また、断熱材ＨＳによって覆われる燃料電池セルＳＬ数は、燃料電池１００Ｂの具体的な設計等に基づいて定められる。

このようにすれば、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを略断熱し、これらの燃料電池セルＳＬの温度が降温することを抑制し、カソード側端部近傍の燃料電池セルＳＬと比較して、相対的に、温度が低くなることを抑制することができる。従って、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬにおいて、凝縮水の発生を抑制することができ、それに起因する電圧低下も抑制することができる。その結果、燃料電池１００Ｂにおいて、局所的に電圧が低い燃料電池セルＳＬが生じることを抑制することができ、燃料電池１００Ｂ全体の発電効率を向上させることができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例の燃料電池１００は、各燃料電池セルＳＬで昇温した冷媒を、アノード側インシュレータＩＳＡ内部において、面方向に沿って流すことで、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、冷媒排出マニホールドＭＷＯを、アノード側ターミナルＴＭＡまたはアノード側エンドプレートＥＰＡを面方向に貫通するように形成し、各燃料電池セルＳＬで昇温した冷媒を、それらの内部において面方向に沿って流すことで、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記第２実施例の燃料電池１００Ａ（図６）は、ヒータＨＴを、アノード側エンドプレートＥＰＡの外側に配置し、アノード側エンドプレートＥＰＡ、アノード側インシュレータＩＳＡ、および、アノード側ターミナルＴＭＡを介して、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしていたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ヒータＨＴを、アノード側エンドプレートＥＰＡとアノード側インシュレータＩＳＡの間に配置して、アノード側インシュレータＩＳＡおよびアノード側ターミナルＴＭＡを介して、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしてもよい。また、ヒータＨＴを、アノード側インシュレータＩＳＡとアノード側ターミナルＴＭＡとの間に配置して、アノード側ターミナルＴＭＡを介して、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬを暖めるようにしてもよい。この場合、ヒータＨＴは、絶縁部材で覆うようにする。以上のようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｃ３．変形例３：
上記第３実施例の燃料電池１００Ｂ（図７）は、断熱材ＨＳを、アノード側エンドプレートＥＰＡ、アノード側インシュレータＩＳＡ、アノード側ターミナルＴＭＡ、および、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬ（７つ）を覆うように配置するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、断熱材ＨＳを、アノード側エンドプレートＥＰＡのみ、または、アノード側インシュレータＩＳＡのみ、または、アノード側ターミナルＴＭＡのみ、または、アノード側端部近傍の燃料電池セルＳＬのみ、を覆うようにしてもよい。また断熱材ＨＳを、アノード側エンドプレートＥＰＡとアノード側インシュレータＩＳＡとを覆うようにしてもよいし、アノード側エンドプレートＥＰＡとアノード側インシュレータＩＳＡとアノード側ターミナルＴＭＡとを覆うようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池は、燃料電池セルＳＬと冷媒用セパレータＳＰＷとを交互に積そうして構成されているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池セルのセパレータにおいて、セル内ガス流路を形成する面とは反対面に溝を形成し、このセパレータを用いて燃料電池セルを積層するようにしてもよい。この場合、燃料電池セル間の溝によって形成される空間が冷媒流路となる。また、セパレータを、いわゆる、三層積層セパレータとし、その三層積層セパレータと、ＭＥＡや多孔体流路を備えた積層体とを、交互に積層することにより、燃料電池を構成するようにしてもよい。なお、この積層体は、燃料電池セルとして機能する。このような構成の燃料電池であっても上記実施例と同様の効果を奏することができる。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を表わすブロック図である。 燃料電池１００の概略外観構成図である。 燃料電池１００の構成単位である燃料電池セルＳＬと冷媒用セパレータＳＰＷの様子を表わす分解斜視図である。 冷媒排出マニホールドＭＷＯの詳細を説明するための図である。 横軸にスタック構造を有する燃料電池における各燃料電池セルの相対的な位置を示しつつ燃料電池セル内部における凝縮水量分布を表わす説明図である。 第２実施例の燃料電池１００Ａの側面図である。 第３実施例の燃料電池１００Ｂの側面図である。

符号の説明

１０…ＭＥＡ
２２…水素供給部
２４…ブロワ
４０…電解質膜
４１…カソード
４２…アノード
４３…ガス拡散層
６０…水素循環ポンプ
６２…溝
６３…溝
６５…気液分離器
７０…冷媒循環ポンプ
７５…冷媒循環流路
７７…ラジエータ
８１〜８６…孔部
８７…貫通孔
１００，１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ…燃料電池システム
ＴＡ…アノード側端子
ＴＣ…カソード側端子
ＳＬ…燃料電池セル
ＨＳ…断熱材
ＨＴ…ヒータ
ＭＡＩ…酸化ガス供給マニホールド
ＴＭＡ…アノード側ターミナル
ＴＭＣ…カソード側ターミナル
ＭＡＯ…酸化ガス排出マニホールド
ＳＰＡ…セパレータ
ＭＨＩ…燃料ガス供給マニホールド
ＳＰＡ…アノード側セパレータ
ＥＰＡ…アノード側エンドプレート
ＳＰＣ…カソード側セパレータ
ＥＰＣ…カソード側エンドプレート
ＩＳＡ…アノード側インシュレータ
ＩＳＣ…カソード側インシュレータ
ＭＨＯ…燃料ガス排出マニホールド
ＭＷＩ…冷媒供給マニホールド
ＭＷＯ…冷媒排出マニホールド
ＳＰＷ…冷媒用セパレータ

Claims (6)

1. 一方の面にアノードが、その反対面にカソードが形成された電解質膜を備える燃料電池セルを複数積層した燃料電池であって、
   前記燃料電池の一方の端部には、前記燃料電池の外側に向かって前記アノードが設けられる第１の燃料電池セルが配置され、前記燃料電池の他方の端部には、前記燃料電池の外側に向かって前記カソードが設けられる第２の燃料電池セルが配置され、さらに、
   前記第１の燃料電池セルの温度を、前記第２の燃料電池セルの温度より高くする昇温部を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   各燃料電池セルは、前記アノードおよび前記カソードが交互に配置されるように積層されており、
   前記昇温部は、
   前記燃料電池の前記一方の端部近傍に位置する前記燃料電池セルであって、前記第１の燃料電池セルを含む複数の燃料電池セルのセル平均温度を、前記燃料電池の前記他方の端部近傍に位置する前記燃料電池セルであって、前記第２の燃料電池セルを含む複数の燃料電池セルのセル平均温度より高くすることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記燃料電池を冷却するための冷媒を各燃料電池セルに供給するための冷媒供給マニホールドと、
   前記燃料電池の前記一方の端部に属する板状部材と、
   各燃料電池セルを冷却した後の冷媒を集約し、集約した前記冷媒を、前記燃料電池の外部に排出するためのマニホールドであって、少なくとも一部が、前記昇温部として、集約した前記冷媒を前記板状部材内部に流すために前記板状部材の板面に沿った方向に形成される冷媒排出マニホールドと、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記板状部材は、インシュレータであることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記昇温部として、前記燃料電池の前記一方の端部側にヒータを設けることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記燃料電池の前記一方の端部に属する板状部材を備え、
   前記昇温部として、前記一方の端部または前記一方の端部近傍の前記燃料電池セルの少なくとも一方を覆う断熱材を設けることを特徴とする燃料電池。

Images