JP2010287394A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを含む燃料電池システムの簡素化・軽量化を図る。
【解決手段】燃料電池システム１０においては、第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とが積層される。第１燃料電池スタック１２に含まれる第１電解質は、湿潤状態であるか否かに関わらず、プロトン伝導性を示す。一方、第２燃料電池スタック１４に含まれる第２電解質は、湿潤化されることによってプロトン伝導性が発現するものである。このような構成において、第１燃料電池スタック１２に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると、これら燃料ガス及び酸化剤ガスは、電極反応によって生成した水分が含まれた状態で第１燃料電池スタック１２から排出される。燃料ガス及び酸化剤ガスは、第１インタクーラ２１２及び第２インタクーラ２１４の各々で冷却され、これにより相対湿度が上昇した状態で、第２燃料電池スタック１４に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質が互いに相違する２種の燃料電池スタックを含んで構成される燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックの１種として、パーフルオロスルホン酸ポリマー（例えば、米国デュポン社製のナフィオン）等からなる固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟持した単位セルを積層したものが周知となるに至っている。

この種の固体高分子電解質膜は、乾燥状態ではプロトン伝導性をほとんど示さず、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する。換言すれば、燃料電池スタックを運転する最中は、固体高分子電解質膜に対して水分を付与し、これにより該固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を維持する必要がある。固体高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下した場合、プロトンがアノード側電極からカソード側電極に移動し難くなるので、燃料電池スタックの発電特性が低下してしまうからである。

そこで、従来から、前記燃料電池スタックに加湿器を付設して燃料電池システムを構築することが行われている（例えば、特許文献１参照）。この場合、前記加湿器の作用下に、アノード側電極に供給される燃料ガス、及びカソード側電極に供給される酸化剤ガスに水分を付与する。この水分が、固体高分子電解質膜におけるアノード側電極に臨む側の端面、及びカソード側電極に臨む側の端面に到達することにより、該固体高分子電解質膜の湿潤状態が保たれる。

特開２００８−４１４６６号公報

上記から諒解されるように、固体高分子電解質膜を具備する燃料電池スタックにおいて発電特性を維持するためには、加湿器を付設して前記固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。換言すれば、この種の燃料電池システムでは、加湿器を設けることが必須となる。

しかしながら、この場合、加湿器が存在するために燃料電池システムが大規模なものとなり、簡素化や軽量化を図ることが困難である。

また、燃料電池スタックの内部には、一般的に、冷却水又は冷却油等の冷却媒体が流通される。ここで、固体高分子電解質膜を具備する燃料電池スタックの運転温度は概ね１００℃前後であるが、このような温度の燃料電池スタックを冷却した後の冷却媒体の温度は、大気の温度とさほど差がない。従って、この冷却媒体を、燃料電池スタックを再度冷却可能な程度の温度まで降下させるためには大面積のラジエータが必要である。

このような大面積のラジエータは、必然的に大型であり、しかも、重量も大である。このことも、燃料電池システムの簡素化及び軽量化を妨げる一因となっている。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、加湿器が不要であり、しかも、冷却媒体の温度を降下させる冷却手段を小型化し得、このために構成の簡素化及び軽量化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、水分を含むか否かに関わらずプロトン伝導性を示す電解質を具備する第１の燃料電池スタックと、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する電解質を具備する第２の燃料電池スタックとを含んで構成され、前記第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が前記第２の燃料電池スタックに供給される燃料電池システムであって、
前記第１の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、冷却媒体排出口のそれぞれと、前記第２の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口のそれぞれとを連通する各配管に、前記第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を冷却するための第１〜第３の冷却手段が介装され、
前記第１の燃料電池スタックから排出された後、前記第１〜第３の冷却手段のそれぞれによって冷却された前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体が、前記第２の燃料電池スタックに供給されるとともに、
前記第２の燃料電池スタックから排出された前記冷却媒体を前記第１の燃料電池スタックに戻す配管をさらに有することを特徴とする。

第１の燃料電池スタックにおける電解質は、湿潤状態であるか乾燥状態であるかに関わらずプロトン伝導性を示す。このため、第１の燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると電極反応が生起され、その結果、カソード側電極で水分が生成する。この水分は、第１の燃料電池スタックの温度が１００℃を上回ると水蒸気となり、電解質を通過してアノード側電極に到達した分は燃料ガスに、カソード側電極に残留した分は酸化剤ガスに、それぞれ同伴されて第１の燃料電池スタックから排出される。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、水蒸気を含んだ湿潤ガスとなる。

このようにして湿潤状態となった燃料ガス及び酸化剤ガスは、第１の冷却手段及び第２の冷却手段によって冷却され、これにより相対湿度が上昇する。この状態で第２の燃料電池スタックの内部に導入された燃料ガス及び酸化剤ガスが、第２の燃料電池スタックに含まれるアノード側電極及びカソード側電極の各々に接触することにより、該アノード側電極と該カソード側電極に挟持された電解質に水分が付与される。その結果、該電解質がプロトン伝導性を示すようになる。

すなわち、本発明によれば、第２の燃料電池スタックに含まれる電解質を、加湿器を付設することなく湿潤状態とし、これにより該電解質にプロトン伝導性を発現させることが可能となる。このように加湿器が不要となるため、燃料電池システムの簡素化・軽量化を図ることができる。

また、プロトン伝導性の発現に水分を必要としない電解質を含む第１の燃料電池スタックの運転温度は、概して、プロトン伝導性の発現に水分を要する電解質を含む第２の燃料電池スタックの運転温度に比して高温である。このため、第１の燃料電池スタックから熱を奪取して排出された冷却媒体の温度は、大気に比して高温となっている。換言すれば、冷却媒体と大気との間の温度差が比較的大きい。

このため、該冷却媒体を冷却する第３の冷却手段における熱交換の効率が大きくなる。このことは、第３の冷却手段として小型のものを採用し得ることを意味する。このことも、燃料電池システムの簡素化・軽量化に寄与する。

第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックは、互いに積層して複合スタックとするようにしてもよい。この場合には、第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間に仕切り部材を介装し、該仕切り部材に、第１の燃料電池スタックの燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口及び冷却媒体排出口と、第２の燃料電池スタックの燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口の全てを形成すればよい。そして、前記燃料ガス排出口と前記燃料ガス供給口同士、前記酸化剤ガス排出口と前記酸化剤ガス供給口同士、前記冷却媒体排出口と前記冷却媒体供給口同士を、第１〜第３の冷却手段を介装した配管同士で接続するようにすればよい。

このように第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックを積層して複合スタックとすることにより、これら第１の燃料電池スタック、第２の燃料電池スタックを個別に設置する場合に比して燃料電池システムを設置することが容易となる。

なお、上記のように複合スタックを構成する場合、第１の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれと、第２の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれとを対角線上に位置させ、且つ第１の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれと、第２の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれとを対角線上に位置させるようにすると、互いに積層された第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの間で燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させることが容易となる。何故なら、各供給口と各排出口を連通するための配管の接続が極めて容易となるからである。

いずれの場合においても、第１の燃料電池スタックの冷却媒体排出口から第３の冷却手段にわたって橋架された配管に三方弁を介装し、該三方弁の出口の１つを、前記冷却媒体を前記第１の燃料電池スタックに戻す前記配管に接続することが好ましい。

すなわち、前記三方弁は第３の冷却手段の上流側に配置される。従って、この場合、前記三方弁を操作することにより、第１の燃料電池スタックから熱を奪取して高温となった冷却媒体を、第３の冷却手段を経由することなく第１の燃料電池スタックに戻すことが可能となる。

要するに、この場合、高温の冷却媒体が第１の燃料電池スタックに再供給される。このため、例えば、第１の燃料電池スタックの起動時等で該第１の燃料電池スタックを迅速に昇温させることができるようになる。

また、第１の燃料電池スタックの出力を、該第１の燃料電池スタックと第２の燃料電池スタックとの合計出力の１／４〜１／３に設定することが好ましい。なお、これは、燃料電池システムの運転中に第１の燃料電池スタックの出力を常に全出力の１／４〜１／３に制御することを意味するのではなく、第１の燃料電池スタックの理論最高出力を、該第１の燃料電池スタック及び第２の燃料電池スタックの理論最高出力同士の和の１／４〜１／３に設定することを意味する。

第１の燃料電池スタックの出力をこのように設定することにより、例えば、該第１の燃料電池スタックの起動時等において、該第１の燃料電池スタックを効率よく昇温させることができる。

しかも、この場合、第１の燃料電池スタックの温度が十分に上昇した後に第２の燃料電池スタックの温度を上昇させる際、第１の燃料電池スタックの温度が過度に上昇することが回避される。換言すれば、第１の燃料電池スタックを、発電（運転）に適切な温度に維持することが容易となる。

これとは別に、低出力運転時においては、主に第１の燃料電池スタックを運転するようにすればよい。これにより、該第１の燃料電池スタックの温度が過度に低下することが回避される。すなわち、この場合においても、第１の燃料電池スタックを運転に適切な温度に維持することができる。

本発明においては、水分を含むか否かに関わらずプロトン伝導性を示す電解質を具備する第１の燃料電池スタックと、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する電解質を具備する第２の燃料電池スタックとを含んで燃料電池システムを構成するとともに、第１の燃料電池スタックに供給され且つ該第１の燃料電池スタックの電極反応によって湿潤化された状態で排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを、相対湿度を上昇させて第２の燃料電池スタックに供給するようにしている。これにより第２の燃料電池スタックに含まれる電解質にプロトン伝導性が発現するので、該第２の燃料電池スタックが発電可能状態となる。

このように、本発明によれば、加湿器を付設することなく第２の燃料電池スタックを発電可能な状態とすることが可能となる。換言すれば、加湿器が不要となる。このため、燃料電池システムの簡素化・軽量化を図ることができる。

また、第１の燃料電池スタックの運転温度が第２の燃料電池スタックの運転温度に比して高温であるため、第１の燃料電池スタックから排出された冷却媒体と大気との間の温度差が比較的大きい。従って、該冷却媒体を冷却する第３の冷却手段における熱交換の効率が大きくなるので、該第３の冷却手段として小型のものを採用し得る。このことも相俟って、燃料電池システムの一層の簡素化・軽量化を図ることができる。

本実施の形態に係る燃料電池システムの概略全体構成図である。 前記燃料電池システムに含まれる第１燃料電池スタックを構成する第１単位セルの分解斜視図である。 第１単位セルに含まれるセパレータの、隣接する第１単位セルに含まれ且つ別種のセパレータに臨む側の端面を示す全体正面図である。 前記セパレータのカソード側電極に臨む側の端面を示す全体正面図である。 前記別種のセパレータのアノード側電極に臨む側の端面を示す全体正面図である。 前記別種のセパレータの、隣接する第１単位セルに含まれる前記セパレータに臨む側の端面を示す全体正面図である。 第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックの間に介装されるミドルプレート（仕切り部材）の概略全体斜視図である。 前記ミドルプレートの別角度からの概略全体斜視図である。 前記燃料電池システムに含まれる第２燃料電池スタックを構成する第２単位セルの分解斜視図である。 前記燃料電池システムの第２燃料電池スタック側の全体正面図である。 前記燃料電池システムの電気系統の概略全体システム図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略全体構成図である。この燃料電池システム１０は、第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４が矢印Ｘ方向に積層されて構成される複合スタック１５を含む。なお、第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４との間には、仕切り部材としてのミドルプレート１６が介装されている。

先ず、第１燃料電池スタック１２につき説明する。

図２は、第１燃料電池スタック１２を構成する第１単位セル２０の分解斜視図である。この第１単位セル２０は、第１電解質（図示せず）をアノード側電極２２とカソード側電極２４で挟持して形成される第１電解質・電極接合体２６を１組のセパレータ２８、３０の間に介装することで構成される。なお、参照符号３２は、第１電解質・電極接合体２６を支持するガスケットである。

第１燃料電池スタック１２は、このように構成される第１単位セル２０同士が所定の個数だけ積層されることによって形成される。すなわち、任意の第１単位セル２０におけるセパレータ３０に対しては、隣接する第１単位セル２０におけるセパレータ２８が重畳される。

セパレータ２８、ガスケット３２、セパレータ３０における図２中の下方左側には、酸素を含む酸化剤ガスをカソード側電極２４に供給するための酸化剤ガス供給孔３４、３６、３８が互いに連通して形成され、下方右側には、水素を含む燃料ガスをアノード側電極２２に供給するための燃料ガス供給孔４０、４２、４４が互いに連通して形成される。その一方で、上方左側には、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出孔４６、４８、５０が互いに連通して形成され、上方右側には、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出孔５２、５４、５６が互いに連通して形成される。すなわち、燃料ガス供給孔４０、４２、４４と燃料ガス排出孔４６、４８、５０は互いに対角線上に配置され、同様に、酸化剤ガス供給孔３４、３６、３８と酸化剤ガス排出孔５２、５４、５６も互いに対角線上に配置される。なお、各孔の連通方向は矢印Ｘ方向である。

また、酸化剤ガス供給孔３４、３６、３８と燃料ガス排出孔４６、４８、５０との間、燃料ガス供給孔４０、４２、４４と酸化剤ガス排出孔５２、５４、５６との間には、それぞれ、冷却媒体排出孔５８、６０、６２、冷却媒体供給孔６４、６６、６８が形成される。すなわち、冷却媒体供給孔６４、６６、６８と冷却媒体排出孔５８、６０、６２は、互いに対向するように設けられる。

セパレータ２８において、隣接する第１単位セル２０のセパレータ３０に臨む側の端面には、図２及び図３に示すように、冷却媒体（図面においては冷媒と略記している）が流通する冷却媒体通路７０が溝形状として刻設されている。冷却媒体は、この冷却媒体通路７０を経由することによってのみ、冷却媒体供給孔６４から冷却媒体排出孔５８に向かって流通する。

また、セパレータ２８におけるカソード側電極２４に臨む側の端面には、図４に示すように、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路７２が設けられる。酸化剤ガスは、この酸化剤ガス通路７２を介してのみ、酸化剤ガス供給孔３４から酸化剤ガス排出孔５２に向かって流通する。

一方、セパレータ３０におけるアノード側電極２２に臨む側の端面には、図２及び図５に示すように、燃料ガス供給孔４４から燃料ガス排出孔５０に向かって燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路７４が設けられる。燃料ガスは、この燃料ガス通路７４を介してのみ、燃料ガス供給孔４４から燃料ガス排出孔５０側に向かう。

セパレータ３０において、隣接する第１単位セル２０のセパレータ２８に臨む側の端面は、図６に示すように、平坦面である。この平坦面がセパレータ３０の前記冷却媒体通路７０（図２及び図３参照）を覆うことにより、該冷却媒体通路７０に蓋がなされた状態となる。

以上のセパレータ２８、３０間に介装される第１電解質・電極接合体２６を構成する第１電解質は、該第１電解質が湿潤状態であるか乾燥状態であるかに関わらず、略同等のプロトン伝導度を示す。すなわち、第１電解質のプロトン伝導度は、水分量に影響されない。

このような第１電解質は、例えば、硫酸やリン酸等の無機酸や、有機酸を含浸させた多孔質体で形成することができる。又は、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）等の有機高分子にドープを行ったもので第１電解質を構成するようにしてもよい。

第１電解質の材質の別の好適な例としては、ＣｓＨＳＯ₄、Ｓｎ_0.95Ａｌ_0.05Ｐ₂Ｏ₇等の酸の塩、酸塩ガラス、又は、下記の式に示される構造を有するイオン性液体を多孔質材に含浸させたものを挙げることができる。

さらに、第１電解質は、ペロブスカイト類等のイオン伝導性セラミックスであってもよい。

この種の材質からなる第１電解質は、概ね１００℃を超える温度で、水分量の多少に関わらず、良好なプロトン伝導性を示す。

第１電解質を挟持するカソード側電極２４及びアノード側電極２２はともに、酸化剤ガス又は燃料ガスが拡散するガス拡散層と、電極反応が起こる電極触媒層（ともに図示せず）とを有し、この中の電極触媒層が第１電解質側に臨む。この種のカソード側電極２４及びアノード側電極２２の構造は公知であり、従って、詳細な説明は省略する。

第１燃料電池スタック１２を得るには、上記したように構成される第１単位セル２０を複数個積層し、その両端に、タブ部（図１参照）７６を有する図示しない集電プレート、タブ部７８を有する図示しない集電プレートを配設する。さらに、該集電プレートの外方に、絶縁板をそれぞれ介してエンドプレート８０、ミドルプレート１６を配設する。

エンドプレート８０には、酸化剤ガス供給孔３４、３６、３８に連通する酸化剤ガス供給口８２、燃料ガス供給孔４０、４２、４４に連通する燃料ガス供給口８４、冷却媒体供給孔６４、６６、６８に連通する冷却媒体供給口８６がそれぞれ形成された供給用中空管８８、９０、９２が設けられる。

一方のミドルプレート１６は、図７及び図８に示すように、略直方体形状をなす。なお、図７及び図８における端面１６ａが第１燃料電池スタック１２側に臨み、端面１６ｂが第２燃料電池スタック１４側に臨む。

ミドルプレート１６の端面１６ａにおいて、図７及び図８の下方左側には、酸化剤ガス供給孔３４、３６、３８に連通する第１酸化剤ガス受部９４が形成されるとともに、下方右側に、燃料ガス供給孔４０、４２、４４に連通する第１燃料ガス受部９６が形成される。さらに、上方左側に、燃料ガス排出孔４６、４８、５０に連通する燃料ガス一括排出口９８が形成され、上方右側に、酸化剤ガス排出孔５２、５４、５６に連通する酸化剤ガス一括排出口１００が形成される。

また、第１酸化剤ガス受部９４と燃料ガス一括排出口９８との間には、冷却媒体排出孔５８、６０、６２に連通する冷却媒体一括排出口１０２が形成されるとともに、第１燃料ガス受部９６と酸化剤ガス一括排出口１００との間に、第１冷却媒体受部１０４が形成される。

一方、ミドルプレート１６の端面１６ｂには、第１酸化剤ガス受部９４、第１燃料ガス受部９６、燃料ガス一括排出口９８、酸化剤ガス一括排出口１００の各々の裏面となる位置に、第２酸化剤ガス受部１０６、第２燃料ガス受部１０８、燃料ガス一括供給口１１０、酸化剤ガス一括供給口１１２が設けられる。さらに、冷却媒体一括排出口１０２、第１冷却媒体受部１０４の各々の裏面となる位置に、冷却媒体一括供給口１１４、第２冷却媒体受部１１６が設けられる。

図７及び図８から諒解されるように、第１酸化剤ガス受部９４と第２酸化剤ガス受部１０６、第１燃料ガス受部９６と第２燃料ガス受部１０８は互いに離隔されている。同様に、燃料ガス一括供給口１１０と燃料ガス一括排出口９８同士、酸化剤ガス一括供給口１１２と酸化剤ガス一括排出口１００同士、冷却媒体一括排出口１０２と冷却媒体一括供給口１１４同士も互いに離隔されている。

ミドルプレート１６の一側面１６ｃには、その内部が冷却媒体一括排出口１０２に連通する中空な継手用管１２０と、その内部が冷却媒体一括供給口１１４に連通する中空な継手用管１２２とが取り付けられる。また、この側面１６ｃには、各々の内部が燃料ガス一括排出口９８、燃料ガス一括供給口１１０に連通する継手用管１２４、１２６が、前記継手用管１２０、１２２の上方にそれぞれ設けられる。

同様に、ミドルプレート１６の一側面１６ｄには、各々の内部が酸化剤ガス一括排出口１００、酸化剤ガス一括供給口１１２に連通する中空な継手用管１２８、１３０が取り付けられる。後述するように、継手用管１２０、１２２同士、継手用管１２４、１２６同士、継手用管１２８、１３０同士は配管１３２、１３４、１３６を介して連結され、これにより、冷却媒体一括排出口１０２と冷却媒体一括供給口１１４同士、燃料ガス一括排出口９８と燃料ガス一括供給口１１０同士、酸化剤ガス一括排出口１００と酸化剤ガス一括供給口１１２同士が連通する（図１参照）。

第２燃料電池スタック１４は、このように構成されたミドルプレート１６の端面１６ｂ側（図７及び図８参照）に対し、図示しない絶縁板、タブ部１３８（図１参照）を有する図示しない集電プレートを介して配設される。

ここで、第２燃料電池スタック１４を構成する第２単位セル１４０の分解斜視図を図９に示す。なお、第１単位セル２０を構成する構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。

図９から諒解されるように、第２単位セル１４０は、第１電解質に代替して第２電解質（図示せず）を採用した第２電解質・電極接合体１４２が１組のセパレータ１４４、１４６間に介装されることを除き、第１単位セル２０に準拠して構成される。

第２電解質・電極接合体１４２を構成する第２電解質としては、湿潤状態にあるときに高プロトン伝導度を示す物質が選定される。この種の物質の好適な例としては、パーフルオロスルホン酸系高分子（例えば、米国デュポン社製のナフィオン）や、スルホン化した芳香族炭化水素系高分子（例えば、スルホン酸化ポリエーテルサルフォン、スルホン酸化ポリエーテルエーテルケトン等）を挙げることができる。

このような物質からなる第２電解質は、湿潤状態にあるとき、１００℃以下の比較的低温域で０．１Ｓ／ｃｍ程度の高プロトン伝導度を示す。

第２電解質には、吸湿性や水分保持性を向上させるための添加剤を添加するようにしてもよい。このような添加剤の好適な例としては、ＴｉＯ₂やシリカ等の金属酸化物の粒子が挙げられる。また、例えば、シリカには強酸基が付加していてもよい。

セパレータ１４４、１４６及びガスケット１４８の構成は、第１単位セル２０におけるセパレータ２８、３０及びガスケット３２の各々と同一であるが、各供給孔及び各排出孔の位置が異なる。すなわち、第２単位セル１４０では、セパレータ１４４、ガスケット１４８、セパレータ１４６における下方左側に酸化剤ガス排出孔１５０、１５２、１５４が互いに連通して形成され、下方右側に燃料ガス排出孔１５６、１５８、１６０が互いに連通して形成される。また、上方左側に燃料ガス供給孔１６２、１６４、１６６が互いに連通して形成され、上方右側に酸化剤ガス供給孔１６８、１７０、１７２が互いに連通して形成される。さらに、酸化剤ガス排出孔１５０、１５２、１５４と燃料ガス供給孔１６２、１６４、１６６との間、燃料ガス排出孔１５６、１５８、１６０と酸化剤ガス供給孔１６８、１７０、１７２との間には、それぞれ、冷却媒体供給孔１７４、１７６、１７８、冷却媒体排出孔１８０、１８２、１８４が形成される。

勿論、酸化剤ガス供給孔１６８、１７０、１７２はミドルプレート１６の酸化剤ガス一括供給口１１２（図８及び図９参照）に連通し、燃料ガス供給孔１６２、１６４、１６６はミドルプレート１６の燃料ガス一括供給口１１０に連通する。同様に、冷却媒体供給孔１７４、１７６、１７８はミドルプレート１６の冷却媒体一括供給口１１４に連通する。すなわち、ミドルプレート１６の酸化剤ガス一括供給口１１２、燃料ガス一括供給口１１０及び冷却媒体一括供給口１１４は、第２燃料電池スタック１４における酸化剤ガス供給口、燃料ガス供給口及び冷却媒体供給口として機能する。

なお、ミドルプレート１６の端面１６ｂに設けられた第２酸化剤ガス受部１０６、第２燃料ガス受部１０８及び第２冷却媒体受部１１６は、それぞれ、酸化剤ガス排出孔１５０、１５２、１５４、燃料ガス排出孔１５６、１５８、１６０、冷却媒体排出孔１８０、１８２、１８４に連通する。

第２燃料電池スタック１４は、このように構成された第２単位セル１４０を所定の個数だけ積層し、その終端部に、タブ部１８６を有する図示しない集電プレート、及び絶縁板を介してエンドプレート１８８を配設して構成される。なお、第１単位セル２０及び第２単位セル１４０の個数は、第１燃料電池スタック１２の出力が、該第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４との合計出力の１／４〜１／３となるように設定することが好ましい。

図１０に示すように、エンドプレート１８８には、酸化剤ガス排出孔１５０、１５２、１５４に連通する酸化剤ガス排出口１９０、燃料ガス排出孔１５６、１５８、１６０に連通する燃料ガス排出口１９２、冷却媒体排出孔１８０、１８２、１８４に連通する冷却媒体排出口１９４が形成された排出用中空管１９６、１９８、２００が設けられる。

そして、エンドプレート８０の外方にバックプレート２０２が配設される（図１参照）とともに、エンドプレート１８８の外方にバックプレート２０４が配設される（図１０参照）。バックプレート２０２には２箇所の貫通孔及び２箇所の逃げ部２０５ａ、２０５ｂが２箇所ずつ形成され、バックプレート２０４にも同様に、２箇所の貫通孔及び２箇所の逃げ部２０６ａ、２０６ｂが形成される。供給用中空管８８、９０及び排出用中空管１９６、１９８は前記貫通孔に通されるとともに、供給用中空管９２及び排出用中空管２００は、前記逃げ部２０５ｂ又は前記逃げ部２０６ａによってバックプレート２０２、２０４に干渉することが回避されている。

図１及び図１０に示されるように、バックプレート２０２、２０４の四方の各隅部近傍には、ねじ用挿入孔２０７ａ〜２０７ｄ、２０７ｅ〜２０７ｈが貫通形成される。ねじ用挿入孔２０７ａ〜２０７ｄ、２０７ｅ〜２０７ｈの各々に挿入されたタイロッド２０８ａ〜２０８ｄのねじ部に図示しないナットが螺合されることにより、バックプレート２０２、２０４間に介装されたエンドプレート８０、絶縁板、集電プレート、第１燃料電池スタック１２、絶縁板、ミドルプレート１６、絶縁板、集電プレート、第２燃料電池スタック１４、絶縁板、集電プレート及びエンドプレート１８８が緊締される。

以上の構成において、図１に示すように、継手用管１２０、１２２には配管１３２が橋架され、継手用管１２４、１２６には配管１３４が橋架される。また、継手用管１２８、１３０には配管１３６が橋架される。そして、これら配管１３２、１３４、１３６には、冷却手段としてのラジエータ２１０、第１インタクーラ２１２、第２インタクーラ２１４がそれぞれ介装される。

さらに、エンドプレート１８８の排出用中空管２００からエンドプレート８０の供給用中空管９２には、配管２１６が橋架される。この配管２１６には、該配管２１６から分岐するように分岐管２１８が連結されており、該分岐管２１８は、配管１３６におけるラジエータ２１０の上流側に三方弁２２０を介して連結されている。

勿論、酸化剤ガス供給口８２が形成された供給用中空管８８には図示しない酸化剤ガス供給源（例えば、エアコンプレッサ）が接続される。同様に、燃料ガス供給口８４が形成された供給用中空管９０には図示しない燃料ガス供給源（例えば、水素ボンベ）が接続される。

図１１に、燃料電池システム１０の電気系統を概略的に示す。タブ部７６、１３８はモータ２２２（外部負荷）の入力側に電気的に接続され、一方、タブ部７８、１８６はモータ２２２の出力側に電気的に接続されている。さらに、モータ２２２の出力側とタブ部７８、１８６を接続する信号線の間には、スイッチ２２４、２２６がそれぞれ介装される。勿論、これらスイッチ２２４、２２６は、個別にオン状態又はオフ状態に設定することが可能である。

本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

この燃料電池システム１０を運転するに際しては、先ず、冷却媒体一括排出口１０２から冷却媒体供給口８６にのみ、すなわち、第１燃料電池スタック１２の内部にのみ冷却媒体が流通するように三方弁２２０（図１参照）を設定する。なお、冷却媒体としては、冷却水や冷却油等を選定すればよい。

この状態で、前記酸化剤ガス供給源から酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料ガス供給源から燃料ガスを供給する。この中、燃料ガスの一部は、第１燃料電池スタック１２（第１単位セル２０）の燃料ガス供給孔４０、４２を流通し、図２及び図５に示されるセパレータ３０の燃料ガス供給孔４４を経由した後、燃料ガス通路７４を流通する。この流通の過程で、燃料ガスに含まれる水素が第１電解質・電極接合体２６のアノード側電極２２に接触する。燃料ガスは、該アノード側電極２２のガス拡散層を拡散して電極触媒層に達する。

水素は、電極触媒層でプロトンと電子に分離する。ここで、第１電解質は、湿潤化されているか否か（水分が存在するか否か）に関わらずプロトン伝導性を示す物質からなる。このため、例えば、０℃を下回る環境温度で第１燃料電池スタック１２を起動させた場合であっても、プロトンは、第１電解質内を伝導してカソード側電極２４の電極触媒層に到達する。また、電子は、モータ２２２（図１１参照）を経由した後、カソード側電極２４の電極触媒層に到達する。

反応に関与しなかった余剰の燃料ガスは、燃料ガス排出孔５０に到達する。そして、第１単位セル２０に導入されなかった余剰の燃料ガスと合流し、隣接する第１単位セル２０の燃料ガス排出孔４６、４８、５０を矢印Ｘ方向に沿って流通する。最終的に、反応済及び未反応の燃料ガスは、ミドルプレート１６の燃料ガス一括排出口９８に到達する。

一方、酸化剤ガスの一部は、図２及び図４に示されるセパレータ２８の酸化剤ガス供給孔３４から酸化剤ガス通路７２に導入される。そして、該セパレータ２８の酸化剤ガス通路７２を流通する際、カソード側電極２４に接触する。酸化剤ガスは、カソード側電極２４のガス拡散層を拡散して電極触媒層に達する。

上記したように、カソード側電極２４の電極触媒層には、第１電解質を伝導して到達したプロトン、及び外部回路を経由して到達した電子が存在する。これらプロトン及び電子が酸化剤ガスに含まれる酸素と反応することにより、水分が生成する。

この水分生成反応は、発熱反応である。しかも、本実施の形態において、第１燃料電池スタック１２の出力は、好適には、燃料電池システム１０の全出力の１／４〜１／３程度に設定されている。このため、第１燃料電池スタック１２では上記の電極反応が効率よく進行する。その結果、第１燃料電池スタック１２の温度が迅速に上昇して運転に適した温度、すなわち、１００℃超に達する。

このように、第１燃料電池スタック１２は、環境温度が０℃を下回るような場合であっても、運転に適した温度まで昇温させることが容易である。

第１燃料電池スタック１２の温度が上昇する間、エンドプレート８０の冷却媒体供給口８６から第１燃料電池スタック１２の内部に供給された冷却媒体は、セパレータ２８の冷却媒体供給孔６４から冷却媒体通路７０を経て冷却媒体排出孔５８に至る。冷却媒体は、この間に第１単位セル２０から熱を奪取することで該第１単位セル２０を冷却した後、冷却媒体排出孔６０、６２を介して矢印Ｘ方向に沿って流通し、ミドルプレート１６の冷却媒体一括排出口１０２を介して第１燃料電池スタック１２から排出される。

本実施の形態では、このようにして第１燃料電池スタック１２から排出された冷却媒体が、ラジエータ２１０を通過することなく、分岐管２１８及び配管２１６を介して冷却媒体供給口８６に戻され、高温のまま第１燃料電池スタック１２に再供給される。このことによっても、第１燃料電池スタック１２が迅速に昇温される。

第１燃料電池スタック１２の温度が１００℃を超えることに伴い、前記水分が水蒸気として生成するようになる。この水蒸気は、未反応の余剰な酸化剤ガスに同伴されて酸化剤ガス排出孔５２に到達し、第１単位セル２０に導入されなかった余剰の酸化剤ガスと合流してガスケット３２の酸化剤ガス排出孔５４、セパレータ３０の酸化剤ガス排出孔５６を経て、隣接する第１単位セル２０の酸化剤ガス排出孔５２、５４、５６を矢印Ｘ方向に沿って流通する。最終的に、反応済及び未反応の酸化剤ガスは、水蒸気を含んだ状態で、ミドルプレート１６の酸化剤ガス一括排出口１００に到達する。

上記したように第１燃料電池スタック１２の温度が上昇することに伴い、熱伝達を受けて酸化剤ガスの温度が上昇する。これにより、酸化剤ガスの飽和水蒸気量が大きくなる。このため、酸化剤ガス一括排出口１００から排出される酸化剤ガスには、多量の水蒸気が含まれる。すなわち、第１燃料電池スタック１２から排出された酸化剤ガスは、水蒸気を含んだ湿潤ガスである。

酸化剤ガス一括排出口１００から継手用管１２８を経て配管１３６に導出された酸化剤ガスは、第２インタクーラ２１４に到達して冷却される。この冷却により、酸化剤ガスの相対湿度が上昇する。

カソード側電極２４の電極触媒層で発生した水蒸気の一部は、第１電解質を通過してアノード側電極２２の電極触媒層に到達し、該アノード側電極２２に供給された燃料ガスに同伴されて燃料ガス排出孔４６、４８、５０から排出される。このため、燃料ガス一括排出口９８に到達した燃料ガスもまた、水蒸気を含んだ湿潤ガスとなる。

燃料ガス一括排出口９８から継手用管１２４を経て配管１３４に導出された燃料ガスは、第１インタクーラ２１２に到達して冷却される。この冷却により、燃料ガスの相対湿度も上昇する。

このようにして相対湿度が上昇した酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれ、配管１３６、１３４、継手用管１３０、１２６を介して酸化剤ガス一括供給口１１２、燃料ガス一括供給口１１０に至る。そして、第２燃料電池スタック１４（第２単位セル１４０）の酸化剤ガス供給孔１６８、１７０、１７２、燃料ガス供給孔１６２、１６４、１６６にそれぞれ導入され、矢印Ｘ方向に沿って流通する。

以上のように、第２単位セル１４０（第２燃料電池スタック１４）では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の供給開始位置が第１単位セル２０（第１燃料電池スタック１２）と異なる。すなわち、本実施の形態においては、第１燃料電池スタック１２における酸化剤ガス供給口８２及び燃料ガス供給口８４に対し、第２燃料電池スタック１４における酸化剤ガス供給口（酸化剤ガス一括供給口１１２）及び燃料ガス供給口（燃料ガス一括供給口１１０）が、それぞれ、対角線上に位置する一方で、第１燃料電池スタック１２における酸化剤ガス排出口（酸化剤ガス一括排出口１００）及び燃料ガス排出口（燃料ガス一括供給口１１０）に対し、エンドプレート１８８に設けられた第２燃料電池スタック１４における燃料ガス排出口１９２及び酸化剤ガス排出口１９０が、それぞれ、対角線上に位置するからである。酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の流通方向の切り換えは、ミドルプレート１６によって営まれる。

燃料ガスの一部は、第２燃料電池スタック１４（第２単位セル１４０）の燃料ガス供給孔１６２、１６４を流通し、図９に示されるセパレータ１４６の燃料ガス供給孔１６６を経由した後、燃料ガス通路７４を流通する。この流通の過程で、燃料ガスに含まれる水蒸気が第２電解質・電極接合体１４２のアノード側電極２２に接触する。燃料ガスは、アノード側電極２２のガス拡散層を拡散し、電極触媒層に達する。

なお、この際、アノード側電極２２では、第１単位セル２０におけるアノード側電極２２と同様の電離反応が起こる。

その一方で、酸化剤ガスの一部は、第２燃料電池スタック１４（第２単位セル１４０）の酸化剤ガス供給孔１６８を経てセパレータ１４４の酸化剤ガス通路７２を流通する。この流通の過程で、酸化剤ガスに含まれる水蒸気が第２電解質・電極接合体１４２のカソード側電極２４に接触する。酸化剤ガスは、さらに、カソード側電極２４のガス拡散層を拡散して電極触媒層に達する。

カソード側電極２４及びアノード側電極２２の各電極触媒層は、第２電解質に臨む。このため、第２電解質に対し、電極触媒層に達した湿潤ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの双方から湿分が付与される。これにより、第２電解質を効率よく湿潤化することができる。すなわち、第２電解質は、第１燃料電池スタック１２から排出された湿潤ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）で湿潤化される。

このようにして湿潤化された第２電解質は、優れたプロトン伝導性を示す。このため、アノード側電極２２で生じたプロトンが第２電解質内を伝導することが容易となる。換言すれば、プロトンがアノード側電極２２からカソード側電極２４に向かって移動を開始する。

以降は、第１単位セル２０と同様に、カソード側電極２４において、該カソード側電極２４に供給された酸化剤ガスと、第２電解質を伝導してカソード側電極２４に到達したプロトンと、アノード側電極２２で生じ且つ外部回路を経由してカソード側電極２４に到達した電子とで電極反応が起こり、水分が生成する。

すなわち、本実施の形態によれば、加湿器を付設することなく第２電解質を湿潤化し、これにより第２燃料電池スタック１４を発電（運転）可能な状態とすることができる。換言すれば、発電のために電解質を湿潤化することが必要な第２燃料電池スタック１４を含むにも関わらず加湿器が不要となる。このため、燃料電池システム１０の簡素化及び軽量化を図ることができる。

第２燃料電池スタック１４において上記した電極反応が起こることに伴い、該第２燃料電池スタック１４の温度が上昇し始める。また、第１燃料電池スタック１２から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスは、第１インタクーラ２１２及び第２インタクーラ２１４によって冷却されるものの、室温に比して高温の状態で第２燃料電池スタック１４に供給される。従って、第２燃料電池スタック１４の温度が効率よく上昇する。

第２燃料電池スタック１４が所定の温度まで上昇したことが確認されたとき、三方弁２２０を切り換え、第１燃料電池スタック１２から排出された冷却媒体をラジエータ２１０側に流通させる。冷却媒体は、ラジエータ２１０によって冷却された後、継手用管１２２を経てミドルプレート１６の冷却媒体一括供給口１１４に至り、第２燃料電池スタック１４の内部に導入される。

ここで、第１燃料電池スタック１２の運転温度は、上記したように１００℃を上回る。従って、第１燃料電池スタック１２を冷却して排出された冷却媒体は、大気に比して高温である。このため、ラジエータ２１０が小型のものであっても効率よく冷却媒体の温度を降下させることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、ラジエータ２１０として小型のものを採用することができる。このことも、燃料電池システム１０の簡素化及び軽量化に寄与する。

さらに、第１燃料電池スタック１２から熱を奪取して高温となった冷却媒体は、大きな熱量を持つ。この熱量を暖房源として利用すれば、燃料電池システム１０としての燃費を向上させることも可能である。

第２燃料電池スタック１４の温度が上昇する間、第１燃料電池スタック１２は、該第１燃料電池スタック１２の出力が燃料電池システム１０の全出力の１／４〜１／３程度に抑制されているので、略一定温度に保たれる。すなわち、第１燃料電池スタック１２の温度が過度に上昇することが回避されて該第１燃料電池スタック１２の運転に適切な温度に維持される。このため、第１燃料電池スタック１２の発電効率が高い状態に維持される。

第２燃料電池スタック１４が適切な運転温度、すなわち、概ね１００℃に到達した後、図１１に示すスイッチ２２４、２２６をともにオン状態とすることにより、モータ２２２が付勢される。なお、低出力運転時等、第１燃料電池スタック１２の出力で十分である場合には、スイッチ２２６をオフ状態として、スイッチ２２４のみをオン状態とすればよい。それでもなお、必要とされる出力が第１燃料電池スタック１２の出力を下回る場合には、第１燃料電池スタック１２の余剰出力を蓄電装置に蓄電すればよい。

ここで、燃料電池システム１０を低出力で運転する場合には、第１燃料電池スタック１２を主たる出力源とするようにしてもよい。これにより、該第１燃料電池スタック１２の温度が過度に低下することが回避される。すなわち、この場合においても、第１燃料電池スタック１２が運転に適切な温度に維持され、その結果、該第１燃料電池スタック１２の発電効率が高い状態に維持される。

以上のように、水分が存在するか否か（湿潤状態であるか否か）に関わらずプロトン伝導性を示す第１電解質を具備する第１燃料電池スタック１２に流通され、これに伴って湿潤化された燃料ガス及び酸化剤ガスを、湿潤化されることによってプロトン伝導性が発現する第２電解質を具備する第２燃料電池スタック１４に流通することにより、加湿器を付設することなく第２燃料電池スタック１４を運転可能な状態とすることができる。このため、燃料電池システム１０の簡素化・軽量化を図ることができる。

また、第１燃料電池スタック１２から排出された冷却媒体を冷却するためのラジエータ２１０の熱交換効率も向上するので、ラジエータ２１０として小型なものを採用することができる。このことも、燃料電池システム１０の簡素化・軽量化に寄与する。

さらに、第１燃料電池スタック１２から熱を奪取して高温となった冷却媒体は大きな熱量を持つので、この熱量を暖房源として利用することにより、燃料電池システム１０としての燃費を向上させることもできる。

さらにまた、上記したような構成とすることにより、第１燃料電池スタック１２及び第２燃料電池スタック１４の温度を効率よく上昇させることができるという利点も得られる。

なお、上記した実施の形態においては、第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４を、ミドルプレート１６を介して積層するようにしているが、第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４を互いに離間して設けるようにしてもよい。

１０…燃料電池システム １２…第１燃料電池スタック
１４…第２燃料電池スタック １６…ミドルプレート
２０…第１単位セル ２２…アノード側電極
２４…カソード側電極 ２６…第１電解質・電極接合体
２８、３０、１４４、１４６…セパレータ
３４、３６、３８、１６８、１７０、１７２…酸化剤ガス供給孔
４０、４２、４４、１６２、１６４、１６６…燃料ガス供給孔
４６、４８、５０、１５６、１５８、１６０…燃料ガス排出孔
５２、５４、５６、１５０、１５２、１５４…酸化剤ガス排出孔
５８、６０、６２、１８０、１８２、１８４…冷却媒体排出孔
６４、６６、６８、１７４、１７６、１７８…冷却媒体供給孔
７０…冷却媒体通路 ７２…酸化剤ガス通路
７４…燃料ガス通路 ７６、７８、１３８、１８６…タブ部
８２…酸化剤ガス供給口 ８４…燃料ガス供給口
８６…冷却媒体供給口 ８８、９０、９２…供給用中空管
９８…燃料ガス一括排出口 １００…酸化剤ガス一括排出口
１０２…冷却媒体一括排出口 １１０…燃料ガス一括供給口
１１２…酸化剤ガス一括供給口 １１４…冷却媒体一括供給口
１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、１３０…継手用管
１３２、１３４、１３６、２１６…配管
１４０…第２単位セル １４２…第２電解質・電極接合体
１９０…酸化剤ガス排出口 １９２…燃料ガス排出口
１９４…冷却媒体排出口 １９６、１９８、２００…排出用中空管
２１０…ラジエータ ２１２…第１インタクーラ
２１４…第２インタクーラ ２１８…分岐管
２２０…三方弁 ２２２…モータ
２２４、２２６…スイッチ

Claims (5)

1. 水分を含むか否かに関わらずプロトン伝導性を示す電解質を具備する第１の燃料電池スタックと、湿潤化されることに伴ってプロトン伝導性が発現する電解質を具備する第２の燃料電池スタックとを含んで構成され、前記第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が前記第２の燃料電池スタックに供給される燃料電池システムであって、
   前記第１の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、冷却媒体排出口のそれぞれと、前記第２の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、冷却媒体供給口のそれぞれとを連通する各配管に、前記第１の燃料電池スタックから排出された燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を冷却するための第１〜第３の冷却手段が介装され、
   前記第１の燃料電池スタックから排出された後、前記第１〜第３の冷却手段のそれぞれによって冷却された前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体が、前記第２の燃料電池スタックに供給されるとともに、
   前記第２の燃料電池スタックから排出された前記冷却媒体を前記第１の燃料電池スタックに戻す配管をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の燃料電池スタックに対して前記第２の燃料電池スタックが積層されるとともに、前記第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの間に介装された仕切り部材を有し、
   前記第１の燃料電池スタックの前記燃料ガス排出口、前記酸化剤ガス排出口及び前記冷却媒体排出口と、前記第２の燃料電池スタックの前記燃料ガス供給口、前記酸化剤ガス供給口、前記冷却媒体供給口の全てが前記仕切り部材に形成されたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれと、前記第２の燃料電池スタックにおける燃料ガス供給口及び酸化剤ガス供給口のそれぞれとが対角線上に位置し、
   且つ前記第１の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれと、前記第２の燃料電池スタックにおける燃料ガス排出口及び酸化剤ガス排出口のそれぞれとが対角線上に位置することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の燃料電池スタックの前記冷却媒体排出口から前記第３の冷却手段のにわたって橋架された配管に介装された三方弁を有し、
   前記三方弁の出口の１つが、前記冷却媒体を前記第１の燃料電池スタックに戻す前記配管に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の燃料電池スタックの出力が、該第１の燃料電池スタックと前記第２の燃料電池スタックとの合計出力の１／４〜１／３であることを特徴とする燃料電池システム。

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