JP4678185B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに係り、特に、各セルの含水状態に見合うスタック冷却を可能にした技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。この種の燃料電池システムは、例えば特許文献１に開示されているように、発電時に生ずる熱を除熱するための冷却水系を備えている。この種の冷却水系としては、燃料電池スタックの中央部と外周部との間に生じる温度分布の均一化を図る技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平０８−１３００２７号公報 特開平０６−１２４７１６号公報

上記特許文献の冷却構造によれば、燃料電池スタックの積層方向及びこれに直交する方向（セル面方向）の温度分布を均一化することができる。しかしながら、電気化学反応によってセル内に生成される水のことは何ら考慮されておらず、セル毎に含水状態が不均一となることによる発電性能の低下、例えば、生成水が過量に生じたセル（フラッディング）での電圧低下を回避することはできない。

そこで、本発明は、各セルの含水状態に見合うスタック冷却を可能にした燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明の発明者は、燃料電池スタックにおけるセル内の含水量分布について鋭意研究を続けた結果、燃料電池スタックにおいては、総マイナス側に向かって含水量が増加する傾向にあることを見出した。本発明の燃料電池システムは、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の手段を採用するものである。

すなわち、本発明の燃料電池システムは、複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムであって、前記冷却系による燃料電池スタックの冷却量分布を該燃料電池スタックの電位差方向に傾斜させたものである。

セルの含水状態は、燃料電池スタックのセル積層方向低電位側に向かって増加する傾向にあるため、この傾向に合わせて冷却系による燃料電池スタックの冷却量をセル毎あるいは複数のセル群毎に異ならせることにより、各セルの含水状態に見合うスタック冷却が可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックは、総マイナス側が相対的に高温となるように冷却されてもよい。

このような構成によれば、燃料電池スタックを構成している複数のセルのうち、他よりも相対的に含水量の多くなるセルでの生成水の凝縮を抑制することが可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記セル間に冷媒を流通させる冷媒流路を備え、前記冷媒流路は、冷媒流通量が当該燃料電池スタックの総マイナス側に減少傾向となるように形成されていてもよい。例えば、燃料電池スタックの総マイナス側に向かうに従い、セル間に形成された冷媒流路の本数を減らす、流路幅を狭くする、流路深さを浅くする、あるいは流路長を短くする等である。

なお、減少傾向とは、セル積層方向に並ぶ冷媒流路の一方の冷媒流通量が他方よりも常に少ない構成を含むことはもとより、他方と同じ冷媒流通量となる部分を一部に含んでいてもよいことを意味する。

本発明の燃料電池システムによれば、各セルの含水状態に応じたスタック冷却が行われるので、セル内におけるフラッディングの発生が抑制される。これにより、発電効率の向上と、セル電圧の低下防止及び挙動の安定化を図ることができる。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

この燃料電池システムは、図１に示すように、最小発電単位となるセル１（図２）を複数積層してなる燃料電池スタック１０と、該燃料電池スタック１０の各セル１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤ガスとしての空気をそれぞれ供給する燃料系２０及び空気系３０と、セル１間に冷却水（冷媒）を供給する冷却系４０とを備えて構成されている。

水素供給源２１に貯蔵された水素ガスは、第１の調圧弁２２と第２の調圧弁２３とにより供給圧および供給量が調整され、アノードに供給される。一方、フィルタから吸入された空気は、コンプレッサ３１で圧縮され、カソードに供給される。空気の供給圧および供給量は、調圧弁３２の開閉制御によって調整される。

冷却水は、ポンプ４１によって冷却系４０を流れ、燃料電池スタック１０のセル１間に供給されて当該燃料電池スタック１０を冷却する。燃料電池スタック１０との熱交換（吸熱）により昇温した冷却水は、ラジエータ４２で冷却された後、燃料電池スタック１０のセル１間に再び供給される。なお、冷却系４０の燃料電池スタック入口側及び出口側には、冷却水温を検出する温度センサ（図示略）が設けられている。

セル１は、図２に示すように、電解質膜５１と、アノード５２およびカソード５３と、セパレータ５４，５５，５６とから構成されている。アノード５２およびカソード５３は、電解質膜５１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。

セパレータ５４〜５６は、例えばガス不透過性の導電性材料からなり、上記サンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード５２およびカソード５３との間に水素ガスおよび空気の流路を形成するものである。具体的には、セパレータ５４の一面には複数のリブが形成されており、当該一面はアノード５２との間で水素ガス流路６１を形成し、他面は冷却プレート７０に隣接している。

セパレータ５５の両面にはリブが形成されており、その一面はアノード５２との間で水素ガス流路６１を形成し、他面は隣接するセル１が備えるカソード５３との間で空気流路６２を形成する。セパレータ５６は、セパレータ５４と同様に構成されていて、その一面には複数のリブが形成されており、当該一面はカソード５３との間で空気流路６２を形成し、他面は冷却プレート７０に隣接している。

以上のとおり、セパレータ５４〜５６は、アノード５２及びカソード５３との間で水素ガスと空気を流通させる流路６１，６２を形成すると共に、隣接するセル１間で水素ガスと空気の流れを分離する役割を果たしている。

燃料電池スタック１０として組み立てるときには、図２に示すように、セパレータ５４、アノード５２、電解質膜５１、カソード５３、セパレータ５５、アノード５２、電解質膜５１、カソード５３、及びセパレータ５６をこの順序で積層して２組のセル１群を構成し、この２組のセル１群毎に１枚の冷却プレート７０を挿入すると共に、両端に不図示の集電板等を配置することによって、燃料電池スタック１０が構成される。

冷却プレート７０は、例えば直線状あるいは蛇行状の凹溝を複数備えてなるストレート型あるいはサーペンタイン型の冷却水流路（冷媒流路）６３を当該冷却プレート７０の片面側に有するもので、例えばセパレータ５４〜５６と同じ素材により形成されている。これら冷却プレート７０に、冷却系４０からの冷却水を給排することにより、燃料電池スタック１０は冷却される。

本実施形態の燃料電池スタック１０において、２組のセル１群毎に挿入された冷却プレート７０は、燃料電池スタック１０のセル積層方向（電位差方向）低電位側ほど、当該燃料電池スタック１０に対する冷却量が減少するように、より詳しくは図３（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０の総マイナス側に向かう途中までは冷却量がなだらかに減少し、そこから更に総マイナス側に向かっては冷却量が急激に減少するように形成されている。

ここで、図３（ａ），（ｂ）の横軸は、各セル１に付されたセル番号、言い換えれば、燃料電池スタック１０のセル積層方向（電位差方向）に対応するものであり、図示左側は燃料電池スタック１０の総プラス（高電位）側、図示右側は総マイナス（低電位）側を示している。図３（ａ）の縦軸は、２つのセル１群毎に挿入された冷却プレート７０が全て同一構成であると仮定した場合の含水量分布である。

一方、図３（ｂ）の縦軸は、図３（ａ）の含水量分布を同図の破線で示すように、セル積層方向に均一化すべく設定された、本実施形態に係る燃料電池スタック１０に対する、セル積層方向に沿う冷却水による冷却量分布を示している。

かかる冷却量分布を得るために、本実施形態の燃料電池スタック１０では、図２に示すように、より総マイナス側（図示右側）に配設された冷却プレート７０の冷媒流路本数（図２では３本）を、より総プラス側（図示左側）に配設された冷却プレート７０の冷媒流路本数（図２では５本）よりも少なくしている。

その結果、冷媒流路本数の少ない冷却プレート７０では、これに隣接するセル１と冷却水との熱交換量が減り、燃料電池スタック１０の総マイナス側が相対的に高温となるように冷却される。これにより、燃料電池スタック１０内で相対的に含水量の多い総マイナス側のセル１内での生成水の凝縮、ひいては、フラッディングの発生が抑制される。

特に、セル１は、高温な程、内部の水が気体（水蒸気）として排出されるので、燃料電池スタック１０において水が溜まりがちな総マイナス側を高温にすることにより、セル積層方向での水の偏りを抑制することができる。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムでは、セル１の含水状態が燃料電池スタック１０の総マイナス側ほど増加する傾向にあるとの知見に基づき、燃料電池スタック１０の冷却量分布を電位差方向に減少させているので、各セル１の含水状態に見合うスタック冷却が可能である。これにより、セル１内でのフラッディングの発生を抑制して、発電効率の向上と、セル電圧の低下防止及び挙動の安定化を図ることができる。

＜他の実施形態＞
上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態では、冷却プレート７０に形成される冷媒流路の本数を増減させることにより、冷却量を燃料電池スタック１０の電位差方向に傾斜させる構成を採用したが、流路幅，流路深さ，あるいは流路長を変えてもよい。

燃料電池スタック１０の電位差方向に沿う冷却量分布は、図３（ｂ）に示すような電位差方向（セル積層方向）に沿ってなだらかに減少するものに限らない。例えば、冷却量が複数のセル１群毎にステップ状に減少するものであってもよい。

上記実施形態では、セパレータ５４〜５６とは別体に構成された冷却プレート７０に冷却水流路６３を形成する構成を採用したが、例えばセパレータ５４，５６の他面側に冷却水流路６３を形成し、冷却プレート７０を省略するようにしてもよい。また、セル１間に冷却水を流通させる冷却水流路６３は、１つのセル１毎に介在させてもよいし、任意の数のセル１群毎に介在させてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示すシステム構成図。 図１に示す燃料電池スタックの要部拡大断面図。 （ａ）は従来構成の燃料電池スタックの含水量分布、（ｂ）は（ａ）の含水量分布に応じた本発明の冷却量分布を示す説明図。

符号の説明

１…セル、１０…燃料電池スタック、４０…冷却系、６３…冷却水流露（冷媒流路）

Claims (3)

1. 複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを冷却する冷却系とを備え、前記冷却系による燃料電池スタックの冷却量分布を該燃料電池スタックの電位差方向に傾斜させた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、前記セル間に冷媒を流通させる冷媒流路を備え、
   前記冷媒流路は、冷媒流通量が当該燃料電池スタックの総マイナス側に減少傾向となるように形成されている燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、総マイナス側が相対的に高温となるように冷却される請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒流通量は、前記冷媒流路の本数、流路幅、流路深さ、あるいは流路長のいずれかを変えることによって、前記燃料電池スタックの総マイナス側に減少傾向となるように調整される請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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