JP4880836B2 - 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 - Google Patents
燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4880836B2 JP4880836B2 JP2001260399A JP2001260399A JP4880836B2 JP 4880836 B2 JP4880836 B2 JP 4880836B2 JP 2001260399 A JP2001260399 A JP 2001260399A JP 2001260399 A JP2001260399 A JP 2001260399A JP 4880836 B2 JP4880836 B2 JP 4880836B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unit cells
- fuel cell
- cell stack
- unit
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層して構成された燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱によって他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い単位セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている単位セル（以下、端部セルともいう）や、積層方向の途上にマニホールドが設けられている場合、このマニホールドの両端に隣接する単位セルは、上記の温度低下が顕著なものとなり易い。これにより、結露が発生して生成水の排出性が低下してしまい、特に高電流側でセル電圧が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
また、燃料電池スタックを氷点下雰囲気で起動する場合、この燃料電池スタックの内部温度と外気温度との差が大きくなり、特に端部セルの温度低下が著しいものとなる。さらに、端部セルでは、氷点下雰囲気での起動に際して、発電と同時に生成水が発生し、この端部セルが氷点下以下に冷やされることにより前記生成水が凍って反応ガス流路（酸化剤ガス流路および／または燃料ガス流路）が閉塞されるおそれがある。従って、反応ガス流路の閉塞による反応ガス不足に起因して、端部セルの電圧が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特開平８−１３００２８号公報（以下、従来技術１という）に開示されているように、端部セルを構成する外側のセパレータに、冷却用流体を通流させる溝が形成されておらず、このセパレータを冷却用流体により冷却し過ぎない構造の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これにより、端部セルの冷やし過ぎによる結露の発生を防止している。
【０００７】
また、特開平８−１６７４２４号公報（以下、従来技術２という）に開示されているように、単位燃料電池の積層体の少なくとも両端末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の部位に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体が形成された固体高分子電解質型燃料電池が知られている。このため、端部セルの冷やし過ぎによる結露の発生を阻止することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１および２では、燃料電池スタックの積層両端部に配置された端部セルの温度が、外部への放熱によって低下することを阻止するために、冷却用流体を通流させる溝が形成されないセパレータや、固体高分子電解質型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ている。これにより、燃料電池スタックの両端部に特別な構造が必要になり、前記燃料電池スタックが大型化するという問題が指摘されている。
【０００９】
さらに、従来技術１では、冷却用流体通流用の溝が形成されたセパレータと、この溝が形成されないセパレータとが必要となっている。このため、セパレータの種類が多くなり、前記セパレータの製造工程が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、単位セルの温度低下によって生成水が凝縮することを確実に阻止し、各単位セルの発電性能を有効に向上させることができるとともに、小型化に適する燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、簡単な工程で、生成水を容易かつ確実に排出し、各単位セルを有効に発電させることが可能な燃料電池スタックの反応ガス供給方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルが、複数個積層されるとともに、積層方向において他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い位置に配置された互いに隣接する少なくとも２個以上（ｎ個）の前記単位セル同士が、電気的に並列に接続されている。
【００１３】
このため、電気的に並列に接続されたｎ個の単位セル（以下、並列単位セルともいう）では、各単位セル毎に流れる電流が、電気的に直列に接続されている他の単位セル（以下、直列単位セルともいう）に流れる電流の１／ｎとなる。従って、並列単位セルおよび直列単位セルのそれぞれの反応ガス流路断面積が同一である際に、前記並列単位セルでは、前記直列単位セルに比べて単位電極面積当たりの電流密度が１／ｎとなり、反応に使用されない反応ガス（未反応ガス）が増加する。
【００１４】
これにより、余剰な未反応ガスが生成水を容易に気化させる、あるいは凝縮した生成水を確実に除去させるため、生成水の排出性が有効に向上する。しかも、発電面内の生成水の量も１／ｎとなり、生成水が凝縮し難くなる。このため、反応ガス流路やガス拡散層の多孔質部分が、生成水により閉塞されることを阻止することができ、単位セルの発電性能を確実に向上させることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックの反応ガス供給方法では、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルが、複数個積層されるとともに、積層方向において他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い位置に配置された互いに隣接する少なくとも２個以上の前記単位セル同士が、電気的に並列に接続されており、電気的に直列に接続される複数個の前記単位セルと、電気的に並列に接続される少なくとも２個以上の前記単位セルとに、同一流量の反応ガスが供給される。
【００１６】
従って、反応ガスの供給制御を行う必要がなく、簡単な構成および制御で、生成水が凝縮し易い単位セルに対してこの生成水を排出させるのに十分な量の反応ガスを供給することができる。これにより、生成水の排出性を向上させ、単位セルの発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の側面図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層しており、前記単位セル１２の積層方向両端には、第１単位セル１２ａが配置される。第１単位セル１２ａの外方には、正極側集電用電極１４ａおよび負極側集電用電極１４ｂを介して第２単位セル１２ｂが配置され、前記第２単位セル１２ｂの外方側には、絶縁板１５を介装してエンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。エンドプレート１６ａ、１６ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００１９】
図１に示すように、エンドプレート１６ａの長辺側の一端縁部には、上下方向に向かって酸化剤ガス供給口１８ａ、燃料ガス排出口２０ｂおよび冷却媒体供給口２２ａが形成される。エンドプレート１２ａの長辺側の他端縁部には、上下方向に向かって冷却媒体排出口２２ｂ、燃料ガス供給口２０ａおよび酸化剤ガス排出口１８ｂが形成される。
【００２０】
第１単位セル１２ａと第２単位セル１２ｂとは、電気的に並列に接続されるとともに、各第１単位セル１２ａ間に積層されている複数の単位セル１２同士は、電気的に直列に接続されている。
【００２１】
図３に示すように、第１単位セル１２ａは、電解質膜・電極構造体２４を備え、この電解質膜・電極構造体２４は、固体高分子電解質膜２６の一方の面にアノード側電極２８を設け、他方の面にカソード側電極３０を設けている。アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、貴金属系の触媒電極層を、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層に接合して構成されている。
【００２２】
電解質膜・電極構造体２４は、導電性のアノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３４とで挟持されることにより、第１単位セル１２ａが構成される。第１単位セル１２ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路３６ａ、燃料ガス排出路３８ｂおよび冷却媒体供給路４０ａが設けられるとともに、前記第１単位セル１２ａの長辺方向他端縁部には、冷却媒体排出路４０ｂ、燃料ガス供給路３８ａおよび酸化剤ガス排出路３６ｂが設けられる。
【００２３】
アノード側セパレータ３２は、アノード側電極２８に対向する面３２ａに燃料ガス流路４２を設ける。この燃料ガス流路４２は、燃料ガス供給路３８ａに一端側が連通するとともに、燃料ガス排出路３８ｂに他端側が連通する複数本の流路溝により構成される。
【００２４】
カソード側セパレータ３４のカソード側電極３０に対向する面３４ａには、アノード側セパレータ３２と同様に、両端が酸化剤ガス供給路３６ａと酸化剤ガス排出路３６ｂとに連通する複数本の酸化剤ガス流路４４が設けられる。カソード側セパレータ３４の面３４ｂには、冷却媒体供給路４０ａと冷却媒体排出路４０ｂとに連通する冷却媒体流路４６が設けられる。
【００２５】
上記のように構成される第１単位セル１２ａ間に介装されている複数の単位セル１２は、前記第１単位セル１２ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
第２単位セル１２ｂは、正極側集電用電極１４ａを挟んで第１単位セル１２ａと対称に構成されており、この集電用電極１４ａに隣接してカソード側セパレータ３４が配置される。カソード側セパレータ３４に電解質膜・電極構造体２４を介装してアノード側セパレータ３２が積層されるとともに、前記アノード側セパレータ３２に絶縁板１５を介してエンドプレート１６ａが配置されている。
【００２７】
第１単位セル１２ａを構成するアノード側セパレータ３２と、第２単位セル１２ｂを構成するアノード側セパレータ３２とは、連結用ケーブル４８を介して連結されており、前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂが電気的に並列に接続されて端部セル５０が構成される。
【００２８】
第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂを構成する電解質膜・電極構造体２４では、各固体高分子電解質膜２６の触媒担持量を単位セル１２を構成する固体高分子電解質膜２６に比べて減少させる等の工夫を施すことにより、活性化過電圧または抵抗過電圧を上昇させて低効率化させることが好ましい。なお、負極側集電用電極１４ｂは、上述した正極側集電用電極１４ａと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、本発明に係る反応ガス供給方法との関連で以下に説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、燃料ガス供給口２０ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口１８ａから空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口２２ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２と第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂとに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給される。
【００３１】
酸化剤ガス供給口１８ａに供給された酸化剤ガスは、図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給路３６ａに沿って流動し、カソード側セパレータ３４の面３４ａに設けられている酸化剤ガス流路４４に導入される。この酸化剤ガス流路４４に導入された酸化剤ガスは、カソード側電極３０に沿って移動し、酸化剤ガス排出路３６ｂから未反応の酸化剤ガスが排出される。
【００３２】
一方、燃料ガス供給口２０ａに供給された燃料ガスは、矢印Ａ方向に延在している燃料ガス供給路３８ａに導入された後、アノード側セパレータ３２の面３２ａに設けられている燃料ガス流路４２に導入される。燃料ガス流路４２に導入された燃料ガスは、アノード側電極２８に沿って移動した後、未反応の前記燃料ガスが燃料ガス排出路３８ｂに排出される。従って、電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３３】
また、冷却媒体供給口２２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給路４０ａからカソード側セパレータ３４の面３４ｂに設けられている冷却媒体流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２４の発電面内を冷却した後、冷却媒体排出路４０ｂから冷却媒体排出口２２ｂに排出される。
【００３４】
この場合、燃料電池スタック１０では、上記のように発電が行われることによって内部に生成水が生じており、前記燃料電池スタック１０の積層方向両端部側で外部への放熱により温度が低下すると、前記生成水が結露し易くなる。
【００３５】
そこで、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０において、特に温度低下が惹起され易い端部セル５０を第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂにより構成するとともに、前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂ同士が連結用ケーブル４８を介して電気的に並列に接続されている。
【００３６】
すなわち、図５に示すように、各単位セル１２同士が電気的に直列に接続される一方、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂが電気的に並列に接続されている。そこで、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂと各単位セル１２とに、同一流量の反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）が供給されるため、前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂにそれぞれ流れる電流は、前記単位セル１２に流れる電流の１／２となる。従って、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂの単位電極面積当たりの電流密度が、単位セル１２の電流密度（ｉ）の１／２（ｉ／２）となる。
【００３７】
このため、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂでは、単位セル１２に比べて反応に使用されない反応ガス（未反応ガス）が増加し、この未反応ガスが前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂ内の生成水を容易に気化させ、あるいは凝縮した生成水を確実に除去し、生成水の排水性が有効に向上することになる。しかも、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂでは、単位セル１２に比べて発電面内の生成水の量も１／２となり、この生成水が凝縮し難くなる。
【００３８】
これにより、酸化剤ガス流路４４、燃料ガス流路４２、あるいはガス拡散層の多孔質部分等が生成水により閉塞されることを阻止することができ、端部セル５０の発電性能を確実に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３９】
特に、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を氷点下雰囲気で起動する場合に好適に機能する。すなわち、氷点下雰囲気では、燃料電池スタック１０の内部の温度と外気温度との差が大きくなって、端部セル５０の温度低下が著しいものとなる。このため、端部セル５０では、発電と同時に生成水が発生し、この端部セル５０が氷点下以下に冷却されることによって、この生成水が凍ってしまい、酸化剤ガス流路４４や燃料ガス流路４２等が閉塞されるおそれがある。
【００４０】
そこで、端部セル５０を互いに電気的に並列される第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂにより構成することにより、この端部セル５０内に発生する生成水を迅速かつ確実に排出することができ、前記生成水の凍結を可及的に阻止することが可能になるという利点が得られる。
【００４１】
さらに、第１の実施形態では、各単位セル１２と第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂとに、同一流量の燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている。従って、反応ガスの供給制御を行う必要がなく、簡単な構成および制御で、生成水が凝縮し易い端部セル５０に対し、前記生成水を排出させるのに十分な量の反応ガスを供給することができる。これにより、生成水の排出性が向上し、燃料電池スタック１０全体の発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００４２】
また、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂを構成する電解質膜・電極構造体２４を、単位セル１２を構成する電解質膜・電極構造体２４に比して活性化過電圧または抵抗過電圧を大きくすることにより発電効率を低下させている。このため、端部セル５０の自己発熱により前記端部セル５０の温度を上昇させることができる。
【００４３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０の要部分解説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様である。
【００４４】
この燃料電池スタック６０は、矢印Ａ方向に積層された複数の単位セル１２の積層方向両端に配設される端部セル６２を備える。この端部セル６２は、電気的に並列に接続される第１単位セル６４ａ、第２単位セル６４ｂおよび第３単位セル６４ｃにより構成されている。
【００４５】
第１および第２単位セル６４ａ、６４ｂ間に正極側集電用電極１４ａが介装されるとともに、第１および第３単位セル６４ａ、６４ｃは、単位セル１２と同様に構成される。第２単位セル６４ｂは、単位セル１２とは対称に構成されており、第１および第２単位セル６４ａ、６４ｂの関係は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂと同様である。
【００４６】
第１単位セル６４ａを構成するアノード側セパレータ３２と、第２単位セル６４ｂを構成するアノード側セパレータ３２とが、第１ケーブル６６ａを介して電気的に接続されるとともに、前記第２単位セル６４ｂを構成するカソード側セパレータ３４と、第３単位セル６４ｃを構成するカソード側セパレータ３４とが、第２ケーブル６６ｂを介して電気的に接続される。このため、図７に示すように、各単位セル１２が電気的に直列に接続されるとともに、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃは、電気的に並列に接続されて端部セル６２を構成している。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック６０内に反応ガスが供給されて発電が行われる際、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃ毎に流れる電流が、単位セル１２に流れる電流の１／３となる。従って、それぞれの反応ガス流路（酸化剤ガス流路４４および燃料ガス流路４２）の流路断面積が同一で、かつ反応ガスの供給流量が同一であれば、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃの単位電極面積当たりの電流密度は、単位セル１２の電流密度（ｉ）の１／３（ｉ／３）となる。
【００４８】
これにより、未反応の反応ガスが単位セル１２の３倍となり、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃ内の反応生成水を容易かつ確実に排出させることができる。しかも、発電面内の生成水の量も１／３となり、生成水が一層凝縮し難くなる。
【００４９】
このため、第２の実施形態では、端部セル６２内に発生する生成水を迅速かつ確実に排出させることが可能になり、特に、燃料電池スタック６０を氷点下雰囲気で起動する際に、生成水の凍結を確実に防止し、発電性能を有効に維持することができるという効果が得られる。
【００５０】
また、第２の実施形態では、奇数個の第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃが電気的に並列に接続されて端部セル６２を構成しているため、この端部セル６２の両端の極が＋極と−極とになる。従って、正極側集電用電極１４ａを積層方向の任意の位置に配置することができ、この正極側集電用電極１４ａを第１および第２単位セル６４ａ、６４ｂ間の他、第３単位セル６４ｃを構成するカソード側セパレータ３４の外側の面に配設してもよい。この種の構成は、奇数個の単位セルを電気的に並列に接続する際に可能になる。
【００５１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略構成説明図である。
【００５２】
この燃料電池スタック８０は、単位セル１２の積層方向の途上に中間マニホールド８２を備えており、この中間マニホールド８２の両側に配設されている前記単位セル１２に向かって反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）を供給するように構成されている。
【００５３】
中間マニホールド８２の両側に隣接して端部セル８４が設けられるとともに、燃料電池スタック８０の積層方向両端には、端部セル５０が配設される。端部セル８４は、単位セル１２と同一に構成されてこの単位セル１２に積層される第１単位セル８６ａと、前記単位セル１２と対称に構成されて前記単位セル８６ａと中間マニホールド８２との間に介装される第２単位セル８６ｂとを備えている。第１および第２単位セル８６ａ、８６ｂは、端部セル５０を構成する第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂと同様に構成されている。端部セル８４同士は、連結用ケーブル８８を介して連結されている。
【００５４】
このように、第３の実施形態では、燃料電池スタック８０の積層方向の途上に中間マニホールド８２が配設されており、この中間マニホールド８２に隣接して温度低下を惹起し易い端部セル８４が、端部セル５０と同様に互いに電気的に並列に接続される第１および第２単位セル８６ａ、８６ｂを備えている。
【００５５】
これにより、中間マニホールド８２によって冷却され易い端部セル８４内での生成水の凝縮を確実に阻止し、この生成水を容易に気化させ、あるいは凝縮した生成水を円滑に除去して、該生成水の排出性を有効に向上させることができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
なお、第１および第３の実施形態では、端部セル５０、８４を第１単位セル１２ａ、８６ａと第２単位セル１２ｂ、８６ｂとの２つで構成し、第２の実施形態では、端部セル６２を第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃの３つで構成しているが、これに限定されるものではなく、必要に応じて４つ以上で構成してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、少なくとも２個以上（ｎ個）の単位セル同士が電気的に並列に接続されるため、各単位セル毎に流れる電流が、電気的に直列に接続されている他の単位セルに流れる電流の１／ｎとなり、単位電極面積当たりの電流密度が１／ｎとなる。これにより、余剰の未反応ガスが生成水を容易に気化させ、あるいは凝縮した生成水を確実に除去させることができ、生成水の排出性が有効に向上するとともに、発電面内の生成水の量が削減されて前記生成水の凝縮を可及的に阻止することが可能になる。
【００５８】
また、本発明に係る燃料電池スタックの反応ガス供給方法では、反応ガスの供給制御を行う必要がなく、簡単な構成および制御で、生成水が凝縮し易い単位セルに対し生成水を排出させるのに十分な反応ガスを確実に供給することができる。これにより、生成水の排出性を向上させ、単位セルの発電性能を有効に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する端部セルにおける流体の流れ説明図である。
【図５】前記端部セルの電気的接続状態の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する端部セルの電気的接続状態の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０…燃料電池スタック
１２、１２ａ、１２ｂ、６４ａ〜６４ｃ、８６ａ、８６ｂ…単位セル
１４ａ、１４ｂ…集電用電極 １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
２４…電解質膜・電極構造体 ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード側電極 ３０…カソード側電極
３２…アノード側セパレータ ３４…カソード側セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス供給路 ３６ｂ…酸化剤ガス排出路
３８ａ…燃料ガス供給路 ３８ｂ…燃料ガス排出路
４０ａ…冷却媒体供給路 ４０ｂ…冷却媒体排出路
４２…燃料ガス流路 ４４…酸化剤ガス流路
４６…冷却媒体流路 ４８、６６ａ、６６ｂ、８８…ケーブル
５０、６２、８４…端部セル ８２…中間マニホールド
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層して構成された燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用している。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックでは、外部への放熱によって他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い単位セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている単位セル（以下、端部セルともいう）や、積層方向の途上にマニホールドが設けられている場合、このマニホールドの両端に隣接する単位セルは、上記の温度低下が顕著なものとなり易い。これにより、結露が発生して生成水の排出性が低下してしまい、特に高電流側でセル電圧が低下するという不具合が指摘されている。
【０００５】
また、燃料電池スタックを氷点下雰囲気で起動する場合、この燃料電池スタックの内部温度と外気温度との差が大きくなり、特に端部セルの温度低下が著しいものとなる。さらに、端部セルでは、氷点下雰囲気での起動に際して、発電と同時に生成水が発生し、この端部セルが氷点下以下に冷やされることにより前記生成水が凍って反応ガス流路（酸化剤ガス流路および／または燃料ガス流路）が閉塞されるおそれがある。従って、反応ガス流路の閉塞による反応ガス不足に起因して、端部セルの電圧が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特開平８−１３００２８号公報（以下、従来技術１という）に開示されているように、端部セルを構成する外側のセパレータに、冷却用流体を通流させる溝が形成されておらず、このセパレータを冷却用流体により冷却し過ぎない構造の固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これにより、端部セルの冷やし過ぎによる結露の発生を防止している。
【０００７】
また、特開平８−１６７４２４号公報（以下、従来技術２という）に開示されているように、単位燃料電池の積層体の少なくとも両端末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の部位に、固体高分子電解質型燃料電池が出力する電流によって加熱される発熱体が形成された固体高分子電解質型燃料電池が知られている。このため、端部セルの冷やし過ぎによる結露の発生を阻止することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１および２では、燃料電池スタックの積層両端部に配置された端部セルの温度が、外部への放熱によって低下することを阻止するために、冷却用流体を通流させる溝が形成されないセパレータや、固体高分子電解質型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ている。これにより、燃料電池スタックの両端部に特別な構造が必要になり、前記燃料電池スタックが大型化するという問題が指摘されている。
【０００９】
さらに、従来技術１では、冷却用流体通流用の溝が形成されたセパレータと、この溝が形成されないセパレータとが必要となっている。このため、セパレータの種類が多くなり、前記セパレータの製造工程が複雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、単位セルの温度低下によって生成水が凝縮することを確実に阻止し、各単位セルの発電性能を有効に向上させることができるとともに、小型化に適する燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、簡単な工程で、生成水を容易かつ確実に排出し、各単位セルを有効に発電させることが可能な燃料電池スタックの反応ガス供給方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルが、複数個積層されるとともに、積層方向において他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い位置に配置された互いに隣接する少なくとも２個以上（ｎ個）の前記単位セル同士が、電気的に並列に接続されている。
【００１３】
このため、電気的に並列に接続されたｎ個の単位セル（以下、並列単位セルともいう）では、各単位セル毎に流れる電流が、電気的に直列に接続されている他の単位セル（以下、直列単位セルともいう）に流れる電流の１／ｎとなる。従って、並列単位セルおよび直列単位セルのそれぞれの反応ガス流路断面積が同一である際に、前記並列単位セルでは、前記直列単位セルに比べて単位電極面積当たりの電流密度が１／ｎとなり、反応に使用されない反応ガス（未反応ガス）が増加する。
【００１４】
これにより、余剰な未反応ガスが生成水を容易に気化させる、あるいは凝縮した生成水を確実に除去させるため、生成水の排出性が有効に向上する。しかも、発電面内の生成水の量も１／ｎとなり、生成水が凝縮し難くなる。このため、反応ガス流路やガス拡散層の多孔質部分が、生成水により閉塞されることを阻止することができ、単位セルの発電性能を確実に向上させることが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックの反応ガス供給方法では、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルが、複数個積層されるとともに、積層方向において他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い位置に配置された互いに隣接する少なくとも２個以上の前記単位セル同士が、電気的に並列に接続されており、電気的に直列に接続される複数個の前記単位セルと、電気的に並列に接続される少なくとも２個以上の前記単位セルとに、同一流量の反応ガスが供給される。
【００１６】
従って、反応ガスの供給制御を行う必要がなく、簡単な構成および制御で、生成水が凝縮し易い単位セルに対してこの生成水を排出させるのに十分な量の反応ガスを供給することができる。これにより、生成水の排出性を向上させ、単位セルの発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の側面図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を矢印Ａ方向に積層しており、前記単位セル１２の積層方向両端には、第１単位セル１２ａが配置される。第１単位セル１２ａの外方には、正極側集電用電極１４ａおよび負極側集電用電極１４ｂを介して第２単位セル１２ｂが配置され、前記第２単位セル１２ｂの外方側には、絶縁板１５を介装してエンドプレート１６ａ、１６ｂが配設される。エンドプレート１６ａ、１６ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池スタック１０が構成される。
【００１９】
図１に示すように、エンドプレート１６ａの長辺側の一端縁部には、上下方向に向かって酸化剤ガス供給口１８ａ、燃料ガス排出口２０ｂおよび冷却媒体供給口２２ａが形成される。エンドプレート１２ａの長辺側の他端縁部には、上下方向に向かって冷却媒体排出口２２ｂ、燃料ガス供給口２０ａおよび酸化剤ガス排出口１８ｂが形成される。
【００２０】
第１単位セル１２ａと第２単位セル１２ｂとは、電気的に並列に接続されるとともに、各第１単位セル１２ａ間に積層されている複数の単位セル１２同士は、電気的に直列に接続されている。
【００２１】
図３に示すように、第１単位セル１２ａは、電解質膜・電極構造体２４を備え、この電解質膜・電極構造体２４は、固体高分子電解質膜２６の一方の面にアノード側電極２８を設け、他方の面にカソード側電極３０を設けている。アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、貴金属系の触媒電極層を、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層に接合して構成されている。
【００２２】
電解質膜・電極構造体２４は、導電性のアノード側セパレータ３２とカソード側セパレータ３４とで挟持されることにより、第１単位セル１２ａが構成される。第１単位セル１２ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路３６ａ、燃料ガス排出路３８ｂおよび冷却媒体供給路４０ａが設けられるとともに、前記第１単位セル１２ａの長辺方向他端縁部には、冷却媒体排出路４０ｂ、燃料ガス供給路３８ａおよび酸化剤ガス排出路３６ｂが設けられる。
【００２３】
アノード側セパレータ３２は、アノード側電極２８に対向する面３２ａに燃料ガス流路４２を設ける。この燃料ガス流路４２は、燃料ガス供給路３８ａに一端側が連通するとともに、燃料ガス排出路３８ｂに他端側が連通する複数本の流路溝により構成される。
【００２４】
カソード側セパレータ３４のカソード側電極３０に対向する面３４ａには、アノード側セパレータ３２と同様に、両端が酸化剤ガス供給路３６ａと酸化剤ガス排出路３６ｂとに連通する複数本の酸化剤ガス流路４４が設けられる。カソード側セパレータ３４の面３４ｂには、冷却媒体供給路４０ａと冷却媒体排出路４０ｂとに連通する冷却媒体流路４６が設けられる。
【００２５】
上記のように構成される第１単位セル１２ａ間に介装されている複数の単位セル１２は、前記第１単位セル１２ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
第２単位セル１２ｂは、正極側集電用電極１４ａを挟んで第１単位セル１２ａと対称に構成されており、この集電用電極１４ａに隣接してカソード側セパレータ３４が配置される。カソード側セパレータ３４に電解質膜・電極構造体２４を介装してアノード側セパレータ３２が積層されるとともに、前記アノード側セパレータ３２に絶縁板１５を介してエンドプレート１６ａが配置されている。
【００２７】
第１単位セル１２ａを構成するアノード側セパレータ３２と、第２単位セル１２ｂを構成するアノード側セパレータ３２とは、連結用ケーブル４８を介して連結されており、前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂが電気的に並列に接続されて端部セル５０が構成される。
【００２８】
第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂを構成する電解質膜・電極構造体２４では、各固体高分子電解質膜２６の触媒担持量を単位セル１２を構成する固体高分子電解質膜２６に比べて減少させる等の工夫を施すことにより、活性化過電圧または抵抗過電圧を上昇させて低効率化させることが好ましい。なお、負極側集電用電極１４ｂは、上述した正極側集電用電極１４ａと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の動作について、本発明に係る反応ガス供給方法との関連で以下に説明する。
【００３０】
図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、燃料ガス供給口２０ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口１８ａから空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給され、さらに冷却媒体供給口２２ａから純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。このため、燃料電池スタック１０では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２と第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂとに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が供給される。
【００３１】
酸化剤ガス供給口１８ａに供給された酸化剤ガスは、図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給路３６ａに沿って流動し、カソード側セパレータ３４の面３４ａに設けられている酸化剤ガス流路４４に導入される。この酸化剤ガス流路４４に導入された酸化剤ガスは、カソード側電極３０に沿って移動し、酸化剤ガス排出路３６ｂから未反応の酸化剤ガスが排出される。
【００３２】
一方、燃料ガス供給口２０ａに供給された燃料ガスは、矢印Ａ方向に延在している燃料ガス供給路３８ａに導入された後、アノード側セパレータ３２の面３２ａに設けられている燃料ガス流路４２に導入される。燃料ガス流路４２に導入された燃料ガスは、アノード側電極２８に沿って移動した後、未反応の前記燃料ガスが燃料ガス排出路３８ｂに排出される。従って、電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３３】
また、冷却媒体供給口２２ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給路４０ａからカソード側セパレータ３４の面３４ｂに設けられている冷却媒体流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２４の発電面内を冷却した後、冷却媒体排出路４０ｂから冷却媒体排出口２２ｂに排出される。
【００３４】
この場合、燃料電池スタック１０では、上記のように発電が行われることによって内部に生成水が生じており、前記燃料電池スタック１０の積層方向両端部側で外部への放熱により温度が低下すると、前記生成水が結露し易くなる。
【００３５】
そこで、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０において、特に温度低下が惹起され易い端部セル５０を第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂにより構成するとともに、前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂ同士が連結用ケーブル４８を介して電気的に並列に接続されている。
【００３６】
すなわち、図５に示すように、各単位セル１２同士が電気的に直列に接続される一方、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂが電気的に並列に接続されている。そこで、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂと各単位セル１２とに、同一流量の反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）が供給されるため、前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂにそれぞれ流れる電流は、前記単位セル１２に流れる電流の１／２となる。従って、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂの単位電極面積当たりの電流密度が、単位セル１２の電流密度（ｉ）の１／２（ｉ／２）となる。
【００３７】
このため、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂでは、単位セル１２に比べて反応に使用されない反応ガス（未反応ガス）が増加し、この未反応ガスが前記第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂ内の生成水を容易に気化させ、あるいは凝縮した生成水を確実に除去し、生成水の排水性が有効に向上することになる。しかも、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂでは、単位セル１２に比べて発電面内の生成水の量も１／２となり、この生成水が凝縮し難くなる。
【００３８】
これにより、酸化剤ガス流路４４、燃料ガス流路４２、あるいはガス拡散層の多孔質部分等が生成水により閉塞されることを阻止することができ、端部セル５０の発電性能を確実に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００３９】
特に、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を氷点下雰囲気で起動する場合に好適に機能する。すなわち、氷点下雰囲気では、燃料電池スタック１０の内部の温度と外気温度との差が大きくなって、端部セル５０の温度低下が著しいものとなる。このため、端部セル５０では、発電と同時に生成水が発生し、この端部セル５０が氷点下以下に冷却されることによって、この生成水が凍ってしまい、酸化剤ガス流路４４や燃料ガス流路４２等が閉塞されるおそれがある。
【００４０】
そこで、端部セル５０を互いに電気的に並列される第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂにより構成することにより、この端部セル５０内に発生する生成水を迅速かつ確実に排出することができ、前記生成水の凍結を可及的に阻止することが可能になるという利点が得られる。
【００４１】
さらに、第１の実施形態では、各単位セル１２と第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂとに、同一流量の燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている。従って、反応ガスの供給制御を行う必要がなく、簡単な構成および制御で、生成水が凝縮し易い端部セル５０に対し、前記生成水を排出させるのに十分な量の反応ガスを供給することができる。これにより、生成水の排出性が向上し、燃料電池スタック１０全体の発電性能を有効に維持することが可能になる。
【００４２】
また、第１の実施形態では、第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂを構成する電解質膜・電極構造体２４を、単位セル１２を構成する電解質膜・電極構造体２４に比して活性化過電圧または抵抗過電圧を大きくすることにより発電効率を低下させている。このため、端部セル５０の自己発熱により前記端部セル５０の温度を上昇させることができる。
【００４３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０の要部分解説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様である。
【００４４】
この燃料電池スタック６０は、矢印Ａ方向に積層された複数の単位セル１２の積層方向両端に配設される端部セル６２を備える。この端部セル６２は、電気的に並列に接続される第１単位セル６４ａ、第２単位セル６４ｂおよび第３単位セル６４ｃにより構成されている。
【００４５】
第１および第２単位セル６４ａ、６４ｂ間に正極側集電用電極１４ａが介装されるとともに、第１および第３単位セル６４ａ、６４ｃは、単位セル１２と同様に構成される。第２単位セル６４ｂは、単位セル１２とは対称に構成されており、第１および第２単位セル６４ａ、６４ｂの関係は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂと同様である。
【００４６】
第１単位セル６４ａを構成するアノード側セパレータ３２と、第２単位セル６４ｂを構成するアノード側セパレータ３２とが、第１ケーブル６６ａを介して電気的に接続されるとともに、前記第２単位セル６４ｂを構成するカソード側セパレータ３４と、第３単位セル６４ｃを構成するカソード側セパレータ３４とが、第２ケーブル６６ｂを介して電気的に接続される。このため、図７に示すように、各単位セル１２が電気的に直列に接続されるとともに、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃは、電気的に並列に接続されて端部セル６２を構成している。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック６０内に反応ガスが供給されて発電が行われる際、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃ毎に流れる電流が、単位セル１２に流れる電流の１／３となる。従って、それぞれの反応ガス流路（酸化剤ガス流路４４および燃料ガス流路４２）の流路断面積が同一で、かつ反応ガスの供給流量が同一であれば、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃの単位電極面積当たりの電流密度は、単位セル１２の電流密度（ｉ）の１／３（ｉ／３）となる。
【００４８】
これにより、未反応の反応ガスが単位セル１２の３倍となり、第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃ内の反応生成水を容易かつ確実に排出させることができる。しかも、発電面内の生成水の量も１／３となり、生成水が一層凝縮し難くなる。
【００４９】
このため、第２の実施形態では、端部セル６２内に発生する生成水を迅速かつ確実に排出させることが可能になり、特に、燃料電池スタック６０を氷点下雰囲気で起動する際に、生成水の凍結を確実に防止し、発電性能を有効に維持することができるという効果が得られる。
【００５０】
また、第２の実施形態では、奇数個の第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃが電気的に並列に接続されて端部セル６２を構成しているため、この端部セル６２の両端の極が＋極と−極とになる。従って、正極側集電用電極１４ａを積層方向の任意の位置に配置することができ、この正極側集電用電極１４ａを第１および第２単位セル６４ａ、６４ｂ間の他、第３単位セル６４ｃを構成するカソード側セパレータ３４の外側の面に配設してもよい。この種の構成は、奇数個の単位セルを電気的に並列に接続する際に可能になる。
【００５１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略構成説明図である。
【００５２】
この燃料電池スタック８０は、単位セル１２の積層方向の途上に中間マニホールド８２を備えており、この中間マニホールド８２の両側に配設されている前記単位セル１２に向かって反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）を供給するように構成されている。
【００５３】
中間マニホールド８２の両側に隣接して端部セル８４が設けられるとともに、燃料電池スタック８０の積層方向両端には、端部セル５０が配設される。端部セル８４は、単位セル１２と同一に構成されてこの単位セル１２に積層される第１単位セル８６ａと、前記単位セル１２と対称に構成されて前記単位セル８６ａと中間マニホールド８２との間に介装される第２単位セル８６ｂとを備えている。第１および第２単位セル８６ａ、８６ｂは、端部セル５０を構成する第１および第２単位セル１２ａ、１２ｂと同様に構成されている。端部セル８４同士は、連結用ケーブル８８を介して連結されている。
【００５４】
このように、第３の実施形態では、燃料電池スタック８０の積層方向の途上に中間マニホールド８２が配設されており、この中間マニホールド８２に隣接して温度低下を惹起し易い端部セル８４が、端部セル５０と同様に互いに電気的に並列に接続される第１および第２単位セル８６ａ、８６ｂを備えている。
【００５５】
これにより、中間マニホールド８２によって冷却され易い端部セル８４内での生成水の凝縮を確実に阻止し、この生成水を容易に気化させ、あるいは凝縮した生成水を円滑に除去して、該生成水の排出性を有効に向上させることができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
なお、第１および第３の実施形態では、端部セル５０、８４を第１単位セル１２ａ、８６ａと第２単位セル１２ｂ、８６ｂとの２つで構成し、第２の実施形態では、端部セル６２を第１乃至第３単位セル６４ａ、６４ｂおよび６４ｃの３つで構成しているが、これに限定されるものではなく、必要に応じて４つ以上で構成してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、少なくとも２個以上（ｎ個）の単位セル同士が電気的に並列に接続されるため、各単位セル毎に流れる電流が、電気的に直列に接続されている他の単位セルに流れる電流の１／ｎとなり、単位電極面積当たりの電流密度が１／ｎとなる。これにより、余剰の未反応ガスが生成水を容易に気化させ、あるいは凝縮した生成水を確実に除去させることができ、生成水の排出性が有効に向上するとともに、発電面内の生成水の量が削減されて前記生成水の凝縮を可及的に阻止することが可能になる。
【００５８】
また、本発明に係る燃料電池スタックの反応ガス供給方法では、反応ガスの供給制御を行う必要がなく、簡単な構成および制御で、生成水が凝縮し易い単位セルに対し生成水を排出させるのに十分な反応ガスを確実に供給することができる。これにより、生成水の排出性を向上させ、単位セルの発電性能を有効に維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する端部セルにおける流体の流れ説明図である。
【図５】前記端部セルの電気的接続状態の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する端部セルの電気的接続状態の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０…燃料電池スタック
１２、１２ａ、１２ｂ、６４ａ〜６４ｃ、８６ａ、８６ｂ…単位セル
１４ａ、１４ｂ…集電用電極 １６ａ、１６ｂ…エンドプレート
２４…電解質膜・電極構造体 ２６…固体高分子電解質膜
２８…アノード側電極 ３０…カソード側電極
３２…アノード側セパレータ ３４…カソード側セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス供給路 ３６ｂ…酸化剤ガス排出路
３８ａ…燃料ガス供給路 ３８ｂ…燃料ガス排出路
４０ａ…冷却媒体供給路 ４０ｂ…冷却媒体排出路
４２…燃料ガス流路 ４４…酸化剤ガス流路
４６…冷却媒体流路 ４８、６６ａ、６６ｂ、８８…ケーブル
５０、６２、８４…端部セル ８２…中間マニホールド
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルを、複数個積層して構成された燃料電池スタックであって、
積層方向において他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い位置に配置された互いに隣接する少なくとも２個以上の前記単位セル同士が、電気的に並列に接続されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 固体高分子電解質膜の一方の面にアノード側電極を設け、他方の面にカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を有し、前記電解質膜・電極構造体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとで挟持した単位セルが、複数個積層されるとともに、積層方向において他の単位セルに比べて温度低下が惹起され易い位置に配置された互いに隣接する少なくとも２個以上の前記単位セル同士が、電気的に並列に接続される燃料電池スタックの反応ガス供給方法であって、
電気的に直列に接続される複数個の前記単位セルと、電気的に並列に接続される少なくとも２個以上の前記単位セルとに、同一流量の反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池スタックの反応ガス供給方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001260399A JP4880836B2 (ja) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 |
| CA002400452A CA2400452C (en) | 2001-08-29 | 2002-08-28 | A fuel cell stack and a method of supplying reactant gases to the fuel cell stack |
| DE10239496A DE10239496B4 (de) | 2001-08-29 | 2002-08-28 | Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Zuführung von Reaktionsgasen zu dem Brennstoffzellenstapel |
| US10/232,086 US6866954B2 (en) | 2001-08-29 | 2002-08-29 | Fuel cell stack and a method of supplying reactant gases to the fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001260399A JP4880836B2 (ja) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003068349A JP2003068349A (ja) | 2003-03-07 |
| JP4880836B2 true JP4880836B2 (ja) | 2012-02-22 |
Family
ID=19087609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001260399A Expired - Fee Related JP4880836B2 (ja) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6866954B2 (ja) |
| JP (1) | JP4880836B2 (ja) |
| CA (1) | CA2400452C (ja) |
| DE (1) | DE10239496B4 (ja) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10342493B4 (de) * | 2003-09-12 | 2008-04-10 | Clausthaler Umwelttechnikinstitut Gmbh, (Cutec-Institut) | Brennstoffzellenmodul und Brennstoffzellenbatterie |
| JP4505204B2 (ja) * | 2003-10-03 | 2010-07-21 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| US7081313B2 (en) * | 2004-09-27 | 2006-07-25 | Utc Fuel Cells, Llc | Cathode-to-cathode fuel cell stacks |
| CN101297426B (zh) * | 2005-10-25 | 2010-08-11 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池电动车 |
| KR100759664B1 (ko) * | 2006-09-12 | 2007-09-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 퍼징 장치가 구비된 연료전지 시스템 및 그 가동 정지 방법 |
| DE102006050182A1 (de) * | 2006-10-25 | 2008-04-30 | Daimler Ag | Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
| US7799481B2 (en) * | 2007-03-08 | 2010-09-21 | Adaptive Materials, Inc. | Fuel cell including bypass circuit for interconnecting fuel cells |
| JP5194524B2 (ja) * | 2007-04-02 | 2013-05-08 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池、燃料電池の製造方法および製造装置 |
| US20080299418A1 (en) * | 2007-06-04 | 2008-12-04 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Fuel Cell Stack with Improved End Cell Performance |
| DK2313942T3 (da) | 2008-08-21 | 2012-08-20 | Ceres Ip Co Ltd | Forbedret luftstrømning i luftføringshætte til brændselscellestak ved anvendelse af en luftfordelingsanordning |
| JP2010153267A (ja) * | 2008-12-26 | 2010-07-08 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池スタック |
| US8206871B2 (en) * | 2009-07-10 | 2012-06-26 | GM Global Technology Operations LLC | Insulating layer for a fuel cell assembly |
| US8530106B2 (en) | 2010-05-21 | 2013-09-10 | GM Global Technology Operations LLC | End cell thermal barrier having variable properties |
| KR102371046B1 (ko) * | 2016-07-15 | 2022-03-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 엔드셀 히터 |
| JP6724825B2 (ja) * | 2017-03-10 | 2020-07-15 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池ユニット |
| CN111900427B (zh) * | 2019-05-06 | 2023-07-25 | 上海轩玳科技有限公司 | 一种燃料电池堆及其串并联方法 |
| KR102620798B1 (ko) * | 2023-02-17 | 2024-01-05 | (주)넥슨스타 | 전력 수직 배향형 수전해 스택 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3709736A (en) * | 1970-08-17 | 1973-01-09 | Engelhard Min & Chem | Fuel cell system comprising noncirculating,counter-current gas flow means |
| US4310605A (en) * | 1980-09-22 | 1982-01-12 | Engelhard Minerals & Chemicals Corp. | Fuel cell system |
| DE3043692C2 (de) * | 1980-11-19 | 1985-07-11 | Ingenieurkontor Luebeck Prof. Gabler Nachf. Gmbh, 2400 Luebeck | Elektrische Gleichstromquelle |
| JP3465379B2 (ja) * | 1994-10-31 | 2003-11-10 | 富士電機株式会社 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
| JPH08167424A (ja) * | 1994-12-13 | 1996-06-25 | Fuji Electric Co Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池 |
| JP2000090956A (ja) * | 1998-09-17 | 2000-03-31 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 固体高分子型燃料電池 |
| JP3459597B2 (ja) * | 1999-08-25 | 2003-10-20 | 三洋電機株式会社 | 固体高分子型燃料電池 |
-
2001
- 2001-08-29 JP JP2001260399A patent/JP4880836B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-08-28 DE DE10239496A patent/DE10239496B4/de not_active Expired - Fee Related
- 2002-08-28 CA CA002400452A patent/CA2400452C/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-08-29 US US10/232,086 patent/US6866954B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6866954B2 (en) | 2005-03-15 |
| CA2400452A1 (en) | 2003-02-28 |
| US20030044657A1 (en) | 2003-03-06 |
| JP2003068349A (ja) | 2003-03-07 |
| CA2400452C (en) | 2007-01-09 |
| DE10239496A1 (de) | 2003-09-18 |
| DE10239496B4 (de) | 2011-07-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4303899B2 (ja) | 燃料電池スタックおよびその運転方法 | |
| US7767355B2 (en) | Fuel cell stack with dummy cell | |
| JP4880836B2 (ja) | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 | |
| JP3548433B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3801096B2 (ja) | スタック構造を有する燃料電池 | |
| JP5180484B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4351431B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3721321B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4612977B2 (ja) | 燃料電池スタックおよびその反応ガス供給方法 | |
| JPH05251097A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| US6723463B2 (en) | Fuel cell stack having terminal element located at specified location | |
| JP4040863B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3673252B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2009081102A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2004087190A (ja) | 固体高分子型セルアセンブリ | |
| JP3875612B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4886128B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3780775B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH05190193A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2003288923A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2006172967A (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3811382B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2004185904A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2004103456A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP3945136B2 (ja) | ガス流路を有する固体高分子電解質型燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080709 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110629 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110802 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110914 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20111129 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20111202 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4880836 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141209 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |