JP4507971B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。

ところで、固体高分子型燃料電池では、燃料電池を起動する際に、燃料極側に残留していた空気と水素ガスとが混合して化学反応を起こすことによって、触媒が劣化することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、燃料電池を停止する際にも、残留している水素ガスと空気とが混合して化学反応を起こすことによって、触媒が劣化する。

そこで、水素ガスの流れをセルモジュール毎に折り返すサーペンタイン状とすることによって、水素ガスと空気との混合速度を上げる技術が提案されている。水素ガスと空気とが混合する時間を短くすることによって、触媒の劣化を防止することができる。
特開２００２−３２４５６４号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池スタックにおける水素ガスの入口側に近いセルモジュールほど水素ガスの流速が高くなり、燃料極からの水分の蒸発量が増加してイオン伝導性が減少する現象であるドライアップが発生する。該ドライアップの発生によって燃料電池の性能低下が起き、燃料電池システムを長時間に亘（わた）って安定的に運転することができず、また、燃料電池自体が劣化してしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池スタックにおける水素ガスの入口側に近いセルモジュールにおける電流密度を減少させることによって、電圧を上昇させ、発熱量を抑制し、ドライアップの発生を防止することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池装置においては、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、導電可能に、かつ、セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、燃料ガス入口側のセルモジュールの燃料電池の面積が、他のセルモジュールの燃料電池の面積よりも大きい。

本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料ガス入口側のセルモジュールの燃料電池は波形状に形成されている。

本発明によれば、燃料電池装置においては、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、前記セルモジュールは、導電可能に、かつ、セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、燃料ガス入口側のセルモジュールの燃料電池の面積が、他のセルモジュールの燃料電池の面積よりも大きい。

この場合、水素ガスの入口側に近いセルモジュールにおける電流密度を減少させることによって、電圧を上昇させ、発熱量を抑制し、ドライアップの発生を防止することができる。

この場合、ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールにおける電流密度を防止することができる。

他の燃料電池装置においては、さらに、前記燃料ガス入口側のセルモジュールの燃料電池は波形状に形成されている。

この場合、ドライアップの発生確率の高い場所に位置するセルモジュールを大型化することなく、燃料電池の面積を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。

図２において、２０は燃料電池装置（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、後述されるセルモジュール１０を複数個、例えば、１０個有する。そして、セルモジュール１０は、図３に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数セット重ねて構成されている。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。

単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３で構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網目状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網目状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。

そして、単位セル１０Ａにおいては、図４に示されるように、水が移動する。図４において、４８は燃料ガス流路としての燃料室であり、４９は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室４９内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室４９において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室４８にまで浸透したものである。

また、図２には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック２０の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、起動用燃料排出管路５６が接続され、該起動用燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド７１に接続されている。また、起動用燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド７１、凝縮器７２、出口側排気マニホールド２２及び排気口２２ａを通って大気中へ排出される。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

さらに、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

そして、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、図示されない水素濃度検出器を含む各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、従来の燃料電池装置におけるドライアップの発生について説明する。

図５は燃料電池スタック内の水素の流れを示す模式図、図６は各セルモジュールの平均セル電圧の変化を示す図、図７はドライアップに影響を与える因子を示す図である。

ここでは、セルモジュールを１０個積層して１つの燃料電池スタックを形成した、従来の燃料電池装置を例に採って説明する。この場合、燃料電池スタック内における水素ガスの流れは、図５において矢印で示されるように、セルモジュール毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇（だ）行状になっている。なお、図５において、１Ｍ〜１０Ｍは、燃料電池スタックにおける水素ガスの入口側から出口側に向けてのセルモジュールの順番を示し、第１番目〜第１０番目のセルモジュールであることを意味する。また、図５における矢印の太さは、水素ガスの流速及び圧力を示している。

図５から、水素ガスの入口側のセルモジュールほど水素ガスの流速及び圧力が高く、出口側に近付くほど水素ガスの流速が低くなっていくことが分かる。そして、水素ガスの流速及び圧力が高いほど燃料極から水分を奪いやすいと考えられるので、水素ガスの入口側に近いセルモジュールほどドライアップを起こしやすいと考えることができる。

そして、本発明の発明者が実験を行って、第１番目〜第１０番目のセルモジュール１Ｍ〜１０Ｍの各々における平均セル電圧の変化を測定したところ、図６に示されるような結果を得ることができた。なお、図６において、縦軸には平均セル電圧〔Ｖ〕が採ってあり、横軸には時間〔秒〕が採ってある。また、図６において、Ａは第２番目〜第１０番目のセルモジュール２Ｍ〜１０Ｍの各々における平均セル電圧の変化を示す線であり、Ｂは第１番目のセルモジュール１Ｍにおける平均セル電圧の変化を示す線である。

図６から、第２番目〜第１０番目のセルモジュール２Ｍ〜１０Ｍにおける平均セル電圧が時間が経過してもほぼ一定であるのに対し、第１番目のセルモジュール１Ｍにおける平均セル電圧は時間が経過するにつれて低下していくことが分かる。前記第１番目のセルモジュール１Ｍにおける平均セル電圧の低下は、ドライアップの発生による性能の低下を示している。このことから、水素ガスの入口側に最も近い第１番目のセルモジュール１Ｍにおいてドライアップが発生することが確認された。

ドライアップに影響を与える因子には、図７に示されるようなものが含まれる。まず、図７の左上に示される「電流密度」がある。燃料電池装置の負荷が上昇したりすることによって「電流密度」が増加すると、「セル温度」が上昇する。そして、「セル温度」が上昇すると「水分持ち出し量」が増加する。これにより、「ドライアップ」が発生する。

また、他の因子としては「冷却量」がある。「冷却量」が低下すると「セル温度」が上昇する。そして、「セル温度」が上昇すると「水分持ち出し量」が増加し、「ドライアップ」が発生する。

さらに、他の因子としては「空気極圧力」及び「燃料極圧力」がある。該「空気極圧力」及び「燃料極圧力」が低いと水分が蒸発しやすくなるので、「水分持ち出し量」が増加する。これにより、「ドライアップ」が発生する。

さらに、他の因子としては各セルモジュールに含まれる単位セルの数、すなわち、「１モジュール当たりのセル数」がある。「１モジュール当たりのセル数」が少ないと「水素流速」が上昇する。そして、「水素流速」が上昇すると「水分持ち出し量」が増加し、「ドライアップ」が発生する。

そこで、本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュールにおける電流密度を減少させることによって、ドライアップの発生を防止するようになっている。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図８は本発明の第１の実施の形態におけるセルモジュールのＩ−Ｖ特性を示す図である。

図１に示されるように、本実施の形態における燃料電池スタック２０は、複数個のセルモジュール１０を有する。この場合、燃料電池スタック２０内における水素ガスの流れは、図１において矢印で示されるように、セルモジュール１０毎に折り返すサーペンタイン状になっている。なお、図１において、水素ガスの入口に最も近い第１番目のセルモジュール１０は１０−１として示され、他のセルモジュール１０は一括して１０−２として示されている。また、セルモジュール１０−１及び１０−２を統括的に説明する場合には、セルモジュール１０として説明する。

そして、燃料電池スタック２０は、水素ガスの入口側のエンドプレート８１ａ、水素ガスの出口側のエンドプレート８１ｂ、水素ガスの入口側の絶縁板８２ａ、水素ガスの出口側の絶縁板８２ｂ、水素ガスの入口側の集電板８３ａ及び水素ガスの出口側の集電板８３ｂを有する。なお、エンドプレート８１ａ及び８１ｂ、絶縁板８２ａ及び８２ｂ並びに集電板８３ａ及び８３ｂを統合的に説明する場合には、それぞれ、エンドプレート８１、絶縁板８２及び集電板８３として説明する。セルモジュール１０は、水素ガスの入口側と出口側から、絶縁板８２ａ及び８２ｂ並びに集電板８３ａ及び８３ｂを介して、エンドプレート８１ａ及び８１ｂによって挟み込まれた状態になっている。なお、エンドプレート８１ａ及び８１ｂは、締め付け用シャフト８６によって、セルモジュール１０を締め付ける力を付与された状態で、相互に接続されている。

ここで、第１番目のセルモジュール１０−１は集電板８３ａに電気的に接続され、セルモジュール１０−２の中で水素ガスの出口側に最も近いものは集電板８３ｂに電気的に接続されている。さらに、隣接するセルモジュール１０同士は相互に電気的に接続されている。なお、各セルモジュール１０同士は電気伝導性が良好である。

本実施の形態において、第１番目のセルモジュール１０−１は、他のセルモジュール１０−２よりも大型であり、第１番目のセルモジュール１０−１における各単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂの面積は、他のセルモジュール１０−２における各単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂの面積よりも大きくなっている。なお、図１において、８７は水素配管であり、大型の第１番目のセルモジュール１０−１の端部から排出される水素ガスを隣接するセルモジュール１０−２の端部に導入するために配設されているが、不要であれば適宜省略することもできる。

ここで、図８には、燃料電池スタック２０におけるセルモジュール１０の電流と電圧との関係を表すＩ−Ｖ特性が示されている。なお、図８において、縦軸には平均セル電圧〔Ｖ〕が採ってあり、横軸には電流密度〔Ａ／ｃｍ² 〕が採ってある。そして、図８において、Ｃはセルモジュール１０のＩ−Ｖ特性を示す線であり、電流密度が増加するほど、平均セル電圧が低下することが示されている。また、線Ｄは熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧、すなわち、セル電圧の理論値である１．４８〔Ｖ〕を示している。さらに、Ｃ−１は線Ｃ上における第１番目のセルモジュール１０−１に対応する点であり、Ｃ−２は線Ｃ上におけるセルモジュール１０−２に対応する点である。なお、線Ｅは他のセルモジュール１０−２における平均セル電圧を示している。

点Ｃ−１及びＣ−２から、第１番目のセルモジュール１０−１における各単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂの面積が、他のセルモジュール１０−２における各単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂの面積よりも大きいので、第１番目のセルモジュール１０−１における電流密度が他のセルモジュール１０−２における電流密度より小さくなっていること分かる。また、それに伴って、第１番目のセルモジュール１０−１における平均セル電圧が他のセルモジュール１０−２における平均セル電圧より高くなっていること分かる。なお、Ｇは第１番目のセルモジュール１０−１における平均セル電圧と他のセルモジュール１０−２における平均セル電圧との差を示している。

そして、Ｆ−１は、第１番目のセルモジュール１０−１における平均セル電圧と熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧との差を示し、Ｆ−２は、他のセルモジュール１０−２における平均セル電圧と熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧との差を示している。Ｆ−１及びＦ−２から、第１番目のセルモジュール１０−１における平均セル電圧は、他のセルモジュール１０−２における平均セル電圧よりも、熱損失が一切ないと仮定した場合における平均セル電圧に近い値となっていることが分かる。これは、第１番目のセルモジュール１０−１における発熱量が他のセルモジュール１０−２における発熱量より小さいことを意味する。なお、Ｆ−１及びＦ−２は、第１番目のセルモジュール１０−１における発熱による熱損失の大きさ、及び、他のセルモジュール１０−２における発熱による熱損失の大きさを表している。すなわち、第１番目のセルモジュール１０−１では、他のセルモジュール１０−２よりもＧで示される電圧に対応する分だけ発熱による熱損失が少なくなっている。なお、単位セル１０Ａ１つ当たりの発熱量は、熱損失が一切ないと仮定した場合におけるセル電圧と実際のセル電圧との差に電流量を乗じたものである。

このことから、第１番目のセルモジュール１０−１においては、各単位セル１０Ａの面積が他のセルモジュール１０−２における各単位セル１０Ａの面積よりも大きく、電流密度が低いので、発熱量が低くなっていることが分かる。そして、発熱量が低いので各単位セル１０Ａの温度を低く抑えることができるために、ドライアップの発生を防止することができる。

このように、本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュール１０である第１番目のセルモジュール１０−１における電流密度を減少させるようになっている。そのため、第１番目のセルモジュール１０−１における電流密度を低下させて発熱量を低くすることができるので、ドライアップの発生を防止することができる。

これにより、燃料電池スタック２０を高負荷で長時間に亘って運転させてもドライアップが発生しなくなるので、高速道路、上り坂等を走行する場合において、燃料電池スタック２０を動力源とする車両の走行性能が向上する。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図９は本発明の第２の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す模式断面図である。

本実施の形態においては、ドライアップが発生する確率の高いセルモジュール１０である第１番目のセルモジュール１０−１における各単位セル１０Ａが、図９に示されるように、波形状に形成されている。そのため、単位セル１０Ａの面積を、前記第１の実施の形態のような平板状に形成されたものよりも、大きくすることができる。なお、セパレータ１０Ｂは、前記第１の実施の形態と同様に、平板状に形成されている。

このように、本実施の形態においては、第１番目のセルモジュール１０−１における各単位セル１０Ａが波形状に形成されているので、第１番目のセルモジュール１０−１を大型化することなく、第１番目のセルモジュール１０−１における各単位セル１０Ａの面積を他のセルモジュール１０−２における各単位セル１０Ａの面積よりも大きくすることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。 燃料電池スタック内の水素の流れを示す模式図である。 各セルモジュールの平均セル電圧の変化を示す図である。 ドライアップに影響を与える因子を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるセルモジュールのＩ−Ｖ特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す模式断面図である。

符号の説明

１０、１０−１、１０−２ セルモジュール
１０Ａ 単位セル
１０Ｂ セパレータ
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
２０ 燃料電池スタック
４８ 燃料室

Claims (2)

1. 固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有する燃料電池装置であって、
   前記セルモジュールは、導電可能に、かつ、セルモジュール内の燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続され、
   燃料ガス入口側のセルモジュールの燃料電池の面積が、他のセルモジュールの燃料電池の面積よりも大きいことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記燃料ガス入口側のセルモジュールの燃料電池は波形状に形成されている請求項１に記載の燃料電池装置。

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