JP5168980B2

JP5168980B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5168980B2
Application number: JP2007088232A
Authority: JP
Inventors: 英美加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008078111A

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流を駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。

そのために、前記燃料電池搭載車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の蒸気を凝縮させ、ガスと水とに分離させる凝縮器等を備える。

そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内に複数のモジュールが収容され、該各モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数のセルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。前記各セルは、電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層を備えた燃料極並びに空気極を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて水素ガス流路を形成するセパレータを備える。

また、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、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、プロトン（Ｈ⁺）の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。そして、前記燃料極で発生した電子が負荷装置を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介して負荷装置に供給することができる。

ところで、燃料電池として固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を使用する場合、前記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、燃料極側及び空気極側に水が供給されるようになっている。この場合、水は、燃料極側から空気極側に向けて、プロトン同伴水として移動し、空気極側の水の濃度が高くなった場合、空気極側から燃料極側に向けて、逆拡散水として移動する。

ところが、該逆拡散水の量が多くなると、燃料極側の水素ガス流路が水によって局所的に塞（ふさ）がれてしまい、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化したりしてしまう。そこで、網目が形成された導電体をセパレータと燃料極との間の燃料流路としての水素ガス流路内に配設して、水分が適切に拡散されるようにした燃料電池が提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２０９４７０号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池においては、水素ガス流路の底面が水平（重力方向に対して直交する方向）である場合、下部分に水が滞留しやすい。水が滞留した部分は、発電性能が低くなって燃料電池の出力が小さくなったり、燃料極が劣化して燃料電池の耐久性が低下したりしてしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池の問題点を解決して、燃料流路において水が滞留するのを防止し、出力が小さくなるのを防止して、耐久性を向上させ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、電解質膜を燃料極及び空気極によって挟んで形成された複数の膜・電極接合体と、互いに隣接する膜・電極接合体間に配設され、燃料極との間に燃料流路を、空気極との間に空気流路を形成するセパレータユニットと、前記膜・電極接合体及びセパレータユニットを備えたスタックユニットより上方に配設され、空気を前記空気流路に供給するための供給マニホルドと、前記スタックユニットより下方に配設され、空気を前記空気流路から排出するための排出マニホルドとを有する。

そして、前記スタックユニット内において、燃料は、前記燃料流路を水平方向に流れ、前記セパレータユニットに形成された燃料連通口で反転させられる。
また、前記スタックユニット内において、前記空気は、前記空気流路を上から下に向けて垂直方向に流れる。
そして、前記燃料流路の底面は、前記燃料が流れる方向に対して傾斜させられ、燃料流路内の水を排水穴に案内するための水流路を形成する。

本発明によれば、燃料電池装置においては、電解質膜を燃料極及び空気極によって挟んで形成された複数の膜・電極接合体と、互いに隣接する膜・電極接合体間に配設され、燃料極との間に燃料流路を、空気極との間に空気流路を形成するセパレータユニットと、前記膜・電極接合体及びセパレータユニットを備えたスタックユニットより上方に配設され、空気を前記空気流路に供給するための供給マニホルドと、前記スタックユニットより下方に配設され、空気を前記空気流路から排出するための排出マニホルドとを有する。

この場合、前記燃料流路の底面は、燃料が流れる方向に対して傾斜させられ、水流路を形成するので、各燃料室の水は、各燃料室内を重力で下方に移動した後、底面に沿って重力で流れ、外部に排出される。

また、例えば、燃料電池装置の起動時又は停止時に、燃料室内を減圧することによって、排水穴から水を排出すると、確実に水を除去することができる。

したがって、燃料室内で水が底面に滞留するのを防止することができるので、発電性能が低くなることがなく、燃料電池装置の出力が小さくなるのを防止することができる。また、燃料極が劣化しないので、燃料電池装置の耐久性を向上させることができる。

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は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図、図３は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムの制御ブロック図である。

図において、１１は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を構成する燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック１１は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両に、エネルギー供給源として搭載される。この場合、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等のように、車両を停車させている間においても電気エネルギーを消費する補機類を多数備え、しかも、多様な走行パターンで走行させられることが多い。

そこで、エネルギー供給源として、前記燃料電池スタック１１のほかに、補助蓄電装置としての図示されない２次電池、キャパシタ（コンデンサ）等を併せて車両に搭載するのが好ましい。

また、１２は前記燃料電池スタック１１に媒体としての空気を供給する媒体供給系としての空気供給系、１３は前記燃料電池スタック１１から空気を排出するための空気排出系、１４は前記燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、１６は前記燃料電池スタック１１に水を供給するための冷却媒体供給部としての水供給系である。前記燃料電池スタック１１、空気供給系１２、空気排出系１３、水素ガス供給系１４及び水供給系１６によって車載燃料電池システムが構成される。

前記燃料電池スタック１１は、筐（きょう）体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニット１１ａを備える。該スタックユニット１１ａは、図示されない複数のモジュール、該各モジュールを挟んで配設され、燃料電池の端子を構成する図示されない一対のターミナル、並びに前記モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料によって形成された図示されないインシュレータを備える。

ところで、前記各モジュールにおいては、前記水素ガス供給系１４によって供給された水素ガスと、前記空気供給系１２によって酸化剤として供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、前記燃料電池スタック１１の要素を構成する複数の薄い膜状のセルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成されたセルの集合体から成る。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することができる。

前記各セルは、水素イオンを透過する固体電解質（固体高分子電解質膜）としての図示されない電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層から成る空気極、並びに反応層及び拡散層から成る燃料極（水素極）を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、及び互いに隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させるセパレータを備える。該セパレータと前記空気極との間にカソード室としての空気室が、セパレータと燃料極との間にアノード室としての燃料室が形成される。

前記各反応層は、前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面に配設され、燃料としての水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子電解質を混合してペースト状とした物質が、所定の厚さで均一に分散させられることによって形成された、触媒層から成る。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての純酸素を燃料電池スタック１１に供給することもできる。

前記スタックケース内には、前記スタックユニット１１ａより上方に、空気供給系１２から供給された空気を各空気極に供給し、かつ、分配するための、第１のマニホルドとしての供給マニホルド２２が、スタックユニット１１ａより下方に、空気極内のガスを集め、空気排出系１３に排出するための、第２のマニホルドとしての排出マニホルド２３が形成される。

そして、前記セパレータにおける空気極と面する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、各溝によってカソード流路としての空気流路が構成され、該空気流路は、前記供給マニホルド２２及び排出マニホルド２３と連通させられる。空気は、前記供給マニホルド２２に供給された後、各空気流路に分配され、該空気流路を下方に向けて流れ、前記排出マニホルド２３に排出される。

また、前記セパレータにおける燃料極と面する側には、網等のように多数の穴を有する図示されない集電体によって、水平方向に延びる複数の溝が形成され、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、前記各溝によって、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平なアノード流路としての、かつ、燃料流路としての水素ガス流路が、前記空気流路と遮蔽（へい）された状態で形成される。

なお、前記セパレータは、水素ガス流路と空気流路とを分離して、燃料極に供給される水素ガスと空気極に供給される空気とを遮断する機能を有するとともに、集電体としての機能を有し、カーボン、金属等の電気抵抗の低い材料から成る板状の部材である。

前記空気供給系１２は、供給マニホルド２２に空気を供給するための供給管２０、該供給管２０に配設された酸化剤供給装置としてのシロッコファン等から成るファン２１、該ファン２１によって吸引される空気を濾（ろ）過するフィルタ２４等を備える。前記酸化剤供給装置として、ファン２１に代えて空気ボンベ、空気タンク、酸素ボンベ、酸素タンク等を使用することができる。

また、前記空気排出系１３は、排出マニホルド２３から空気を排出するための排出管３０、該排出管３０に配設された水回収部材としての凝縮器３１、排出される空気の温度を検出する温度検出部としての温度センサ３２（Ｔ）等を備える。

したがって、前記ファン２１を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記供給マニホルド２２に供給することができる。また、排出マニホルド２３から排出された空気は、排出管３０を介して凝縮器３１に供給され、該凝縮器３１によって、ガス中の蒸気が凝縮されて水になる。そして、水が回収された後の空気は外部に排出される。なお、前記凝縮器３１に凝縮促進部材としての図示されない冷却ファンを配設することができる。該冷却ファンの回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。

また、前記水素ガス供給系１４は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置としての、かつ、水素供給装置としての燃料タンク４１、該燃料タンク４１に接続され、燃料タンク４１内の液体水素を水素ガスとして排出するための第１の燃料供給路５１、該第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続する第２の燃料供給路５２、該第２の燃料供給路５２と並列に形成され、前記第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続する燃料帰還路５３、該燃料帰還路５３に接続され、水素ガスを排出する燃料排出路５４Ａ、前記第２の燃料供給路５２に接続され、空気を導入する空気導入路５４Ｂ等を備える。

そして、前記第１の燃料供給路５１に、燃料タンク４１側から燃料電池スタック１１側にかけて、第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力（一次圧力）を検出する第１の圧力検出器としての水素圧センサ（Ｐ）４２、前記第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力を調整する第１の燃料供給圧調整部としての調圧弁４３Ａ、水素ガスの燃料電池スタック１１への供給量を調整する第１の燃料供給量調整部としての開閉弁４４Ａ、前記調圧弁４３Ａによって調整された水素ガスの圧力を更に調整する第２の燃料供給圧調整部としての調圧弁４３Ｂ、前記開閉弁４４Ａによって調整された水素ガスの供給量を更に調整する第２の燃料供給量調整部としての開閉弁４４Ｂ、及び調圧弁４３Ｂによって調整され、前記燃料電池スタック１１に供給される直前の水素ガスの圧力（二次圧力）を検出する第２の圧力検出器としての水素圧センサ（Ｐ）４５が配設される。

したがって、燃料タンク４１から水素ガスが排出されると、第１の燃料供給路５１において、水素ガスの圧力は、各調圧弁４３Ａ、４３Ｂによって調圧され、前記燃料電池スタック１１に供給するのに適した圧力になって第２の燃料供給路５２に送られ、燃料電池スタック１１に供給される。なお、前記調圧弁４３Ａ、４３Ｂは、水素ガスの圧力を段階的に低くするために二つ配設され、必要に応じて三つ以上配設することができる。また、前記開閉弁４４Ａ、４４Ｂは、水素ガスの燃料電池スタック１１への供給量を調整するだけでなく、燃料電池スタック１１への供給を行ったり、遮断したりする。なお、前記調圧弁４３Ａ、４３Ｂ及び開閉弁４４Ａ、４４Ｂによって燃料供給弁としての水素供給弁が構成される。

また、燃料帰還路５３に、燃料電池スタック１１側から燃料タンク４１側にかけて、燃料排出弁５７及び水排出弁５８が並列に配設されるとともに、燃料濃度検出部としての水素濃度センサ（Ｃ）４６、吸引ポンプ４７及び逆止弁４８が配設され、該逆止弁４８が前記第１の燃料供給路５１に接続される。そして、前記燃料帰還路５３における吸引ポンプ４７と逆止弁４８との間に前記燃料排出路５４Ａが接続され、該燃料排出路５４Ａに、燃料帰還路５３側から順に、逆止弁５５Ａ、排出電磁弁５６Ａ及び図示されない燃焼器が配設される。なお、前記逆止弁４８においては、吸引ポンプ４７側から水素圧センサ４５側に水素ガスが流れるのを許容し、水素圧センサ４５側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。また、前記逆止弁５５Ａにおいては、吸引ポンプ４７側から排出電磁弁５６Ａ側に水素ガスが流れるのを許容し、排出電磁弁５６Ａ側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。

そして、前記第２の燃料供給路５２に空気導入路５４Ｂが接続され、該空気導入路５４Ｂに、第２の燃料供給路５２側から順に、逆止弁５５Ｂ及び空気導入弁５６Ｂが配設される。なお、前記逆止弁５５Ｂにおいては、第２の燃料供給路５２側から空気導入弁５６Ｂ側に空気が流れるのを阻止し、空気導入弁５６Ｂ側から第２の燃料供給路５２側に空気が流れるのを許容する。

また、前記燃料タンク４１に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁４３Ａ、４３Ｂの開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境下に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電され、前記水素吸蔵合金が加熱される。

なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して水素ガスを生成し、該水素ガスを前記燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、燃料電池搭載車両の高負荷走行時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、前記燃料タンク４１を使用するのが好ましい。

また、前記水供給系１６は、媒体供給源としての水タンク６１、水供給装置としてのポンプ６２、空気極冷却装置としての噴射装置（インジェクタ）６３、前記水タンク６１から排出された水を噴射装置６３に供給するための供給管６０、排出マニホルド２３の下部に溜（た）まり、排出マニホルド２３から排出された水、及び凝縮器３１において分離させられた水を回収し、水タンク６１に供給するための水帰還路５９、回収された水を前記水タンク６１に供給する水回収ポンプ６５、該水回収ポンプ６５と水タンク６１との間に配設された逆止弁６６等を備える。該逆止弁６６においては、水回収ポンプ６５側から水タンク６１側に水が流れるのを許容し、水タンク６１側から水回収ポンプ６５側に水が流れるのを阻止する。

前記制御部８１によって燃料電池搭載車両に加わる負荷が検出され、該負荷に対応させてポンプ６２に印加される電圧を調整することによって、噴射装置６３に供給される水の圧力を調整することができる。

ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが、プロトンの形態で、かつ、プロトン同伴水を伴って、水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気室内で空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子が前記負荷装置を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介して負荷装置に供給することができる。また、空気室において生成された水が電解質膜内に拡散し、該電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室に移動する。

本実施の形態において、前記負荷装置は、直流の電流を相電流に変換する図示されないインバータ、及び前記相電流が供給されて駆動される図示されない駆動モータから成る。なお、燃料電池スタック１１によって出力として発生させられた電圧は、第１の検出部としての電圧センサ（Ｖ）７１によって、燃料電池スタック１１によって発生させられた電流は、第２の検出部としての図示されない電流センサによって検出される。

本実施の形態において、前記制御部８１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、入出力インタフェース等を備え、メモリ８２が接続される。そして、制御部８１は、記憶装置、メモリ８２等に記録されたプログラム、データ等に基づいてコンピュータとして機能し、各種の演算を行う。

また、前記制御部８１には、電圧センサ７１、水位センサ６４、水素圧センサ４２、４５、水素濃度センサ４６、温度センサ３２等の検出部としての各センサが接続され、各センサのセンサ出力が制御部８１に送られる。また、前記制御部８１には、調圧弁４３Ａ、４３Ｂ、開閉弁４４Ａ、４４Ｂ、排出電磁弁５６、燃料排出弁５７、ポンプ６２、ファン２１、警報器８０、水排出弁５８、水回収ポンプ６５、吸引ポンプ４７等の各アクチュエータが接続され、制御部８１は、前記センサ出力に基づいて各アクチュエータの動作を制御する。

次に、燃料電池スタック１１の構造について説明する。

図１は本発明の実施の形態におけるセパレータユニットを燃料極側から見た第１の図、図４は本発明の実施の形態におけるスタックユニットの概念図、図５は本発明の実施の形態におけるモジュールの斜視図、図６は本発明の実施の形態におけるセパレータ及びフレームを示す斜視図、図７は本発明の実施の形態における燃料電池スタック内の水素ガスの流れを示す図、図８は本発明の実施の形態における水素ガスの供給側のエンドプレートを示す図、図９は本発明の実施の形態における水素ガスの排出側のエンドプレートを示す図、図１０は本発明の実施の形態におけるセパレータユニットを燃料極側から見た第２の図、図１１は本発明の実施の形態におけるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリを燃料極側から見た図、図１２は本発明の実施の形態におけるセパレータユニットのシール箇所を説明する図、図１３は本発明の実施の形態におけるセパレータを空気極側から見た図、図１４は本発明の実施の形態における燃料電池スタック内の水の流れを示す図である。

図４において、１１ａはスタックユニットであり、該スタックユニット１１ａは、水素ガスを供給する側のエンドプレート１０２、水素ガスを排出する側のエンドプレート１０３、右側及び左側の端面１０４、１０５、底面１０６及び頂面１０７を備え、前記エンドプレート１０２、１０３は、端面１０４側を上底とし、端面１０５側を上底より長い下底とする台形の形状を有する。したがって、前記底面１０６は、端面１０４側から端面１０５側にかけて次第に低くなるように傾斜させられる。なお、前記頂面１０７にファン２１が、前記底面１０６に排出マニホルド２３が、それぞれ取り付けられ、前記空気流路は、頂面１０７に形成された図示されない空気導入口を介してファン２１と、底面１０６に形成された図示されない空気排出口を介して排出マニホルド２３と連通させられる。

そして、前記エンドプレート１０２における端面１０４側の上端の近傍に、第２の燃料供給路５２と接続される燃料導入口１１１が、前記エンドプレート１０３における端面１０４側の所定の近傍に燃料帰還路５３と接続される燃料排出口１１２が、前記エンドプレート１０３における端面１０５側の下端の近傍に燃料帰還路５３と接続される水排出口１１３が形成される。

前記スタックユニット１１ａは、図５に示されるように、複数のモジュール１１５を積層することによって形成され、前記スタックケース内に収容される。また、前記モジュール１１５は、セルを挟んで、図６に示されるように、複数のセパレータユニット１４１を積層し、さらに、セルの両側には必ずセパレータユニット１４１が配設されるようにセパレータユニット１４１をもう一枚積層することによって形成される。該セパレータユニット１４１は、セパレータ１１８、及びセパレータ１１８を周縁において支持するフレーム１３０を備える。

前記スタックユニット１１ａにおいて、空気は、図４において矢印Ａで示されるように、垂直方向において上から下に向けて直線状に流れ、水素ガスは、図７の矢印で表されるように、水平方向においてモジュール１１５ごとに折り返し、蛇行して流れる。そのために、前記フレーム１３０の右側及び左側の端部には、長手方向に、かつ、垂直方向に延びる長穴によって第１、第２の燃料連通口としての水素ガス連通口１３６、１３７が形成され、各モジュール１１５間に位置するセパレータユニット１４１において、各水素ガス連通口１３６、１３７の一方が、モジュール１１５ごとに交互に連通させられる。

例えば、図７において、各モジュール１１５間に位置する各セパレータユニット１４１のうちの、セパレータユニット１４１−Ａにおいては、水素ガス連通口１３６が連通させられ、水素ガス連通口１３７は非連通にされ、セパレータユニット１４１−Ｂにおいては、水素ガス連通口１３７が連通させられ、水素ガス連通口１３６は非連通にされる。なお、各モジュール１１５内の他のセパレータユニット１４１においては、各水素ガス連通口１３６、１３７の両方が連通させられる。

したがって、水素ガスの流れ方向におけるセパレータユニット１４１−Ａより上流側のモジュール１１５において、各水素ガス流路を流れた水素ガスは、セパレータユニット１４１−Ａの水素ガス連通口１３６で反転させられ、セパレータユニット１４１−Ａより下流側のモジュール１１５の各水素ガス流路に進入し、水素ガスの流れる方向におけるセパレータユニット１４１−Ｂより上流側のモジュール１１５において、水素ガス流路を流れた水素ガスは、セパレータユニット１４１−Ｂの水素ガス連通口１３７で反転させられ、セパレータユニット１４１−Ｂより下流側のモジュール１１５の各水素ガス流路に進入する。

また、図７〜９において、１０２は水素ガスの供給側に配設されたエンドプレート、１０３は水素ガスの排出側エンドプレートであり、エンドプレート１０２、１０３は、締付け用シャフト１２３によって、モジュール１１５を締め付ける力を付与された状態で、相互に接続される。なお、図８において、１２４は締付け用シャフト１２３を通す穴である。

ところで、前述されたように、空気極側から燃料極側に向けて、逆拡散水として移動する水の量が多くなると、燃料極側の水素ガス流路が水によって局所的に塞（ふさ）がれてしまい、水素ガスが燃料極と接触して電気化学反応を起こすための面積が小さくなり、燃料電池の性能が低下するだけでなく、水との接触によって、燃料極が劣化したりしてしまう。そこで、網等のように多数の穴を有する図示されない集電体によって、水平方向に延びる複数の溝を形成し、前記集電体をセパレータ１１８と燃料極との間に配設して、水分が適切に拡散されるようにしている。ところが、水素ガス流路の底面が水平（重力方向にに対して直交する方向）である場合、下部分に水が滞留しやすい。水が滞留した部分は、発電性能が低くなって燃料電池の出力が小さくなったり、燃料極が劣化して燃料電池の耐久性が低下したりしてしまう。

そこで、水素ガス流路の底面を傾斜させ、水素ガス流路の下部に水が滞留するのを防止するとともに、前記水排出口１１３を介して水を外部に排出するようにしている。

そのために、前記セパレータ１１８は、台形の形状を有する枠状のフレーム１３０によって支持され、該フレーム１３０内に台形の形状を有する開口１２８が形成され、該開口１２８内にセパレータ１１８及びセルが収容される。前記フレーム１３０は、右側及び左側において垂直方向に延びる横枠部位１３１、１３２、各横枠部位１３１、１３２の上端間を連結する上枠部位１３３、及び各横枠部位１３１、１３２の下端間を連結する下枠部位１３４を備え、横枠部位１３１は横枠部位１３２より短くされ、上枠部位１３３は水平に延在させられ、下枠部位１３４は、横枠部位１３１側から横枠部位１３２にかけて、次第に低くなるように傾斜させて延在させられる。

前記横枠部位１３１には、前記水素ガス連通口１３６が形成され、前記横枠部位１３２には、水素ガス連通口１３６と同じ位置に前記水素ガス連通口１３７が形成され、該水素ガス連通口１３７より下方、すなわち、横枠部位１３２の下端の近傍には、排水穴１３８が形成される。

各セパレータユニット１４１は、図５に示されるように、相互に密着させて、かつ、水素ガス連通口１３６、１３７及び排水穴１３８同士が相互に整列するように積層され、これにより、水素ガス連通口１３６、１３７は、セパレータユニット１４１の積層方向に貫通する水素ガス連通流路を、排水穴１３８は、セパレータユニット１４１の積層方向に貫通する水排出流路を形成する。

次に、前記各セパレータユニット１４１においてセパレータ１１８の燃料極側に形成された水流路について説明する。

図１、１０及び１３に示されるように、セパレータ１１８は、フレーム１３０の開口１２８内に配設されて、フレーム１３０によって支持される。前記セパレータ１１８における燃料極と対向する側には、図１及び１０に示されるように、網等のように多数の穴を有する図示されない集電体によって、水平方向に延びる複数の溝１４３が形成され、該各溝１４３によって複数の水素ガス流路が構成される。

前記フレーム１３０の下枠部位１３４は、前述されたように傾斜させられる。したがって、逆拡散水として各燃料室に送られた水は、水素ガス流路を形成する網を通過して燃料室内を重力で下方に移動した後、燃料室の底面を形成する前記下枠部位１３４に沿って横枠部位１３１側から横枠部位１３２側に向けて重力で流れ、最下端に隣接させて形成された排水穴１３８に到達する。なお、下枠部位１３４上には水流路が形成される。前記セパレータ１１８における燃料極と対向する面の右側及び左側の端部、並びに下端には、セパレータ１１８及びセルの電解質膜が外力を受けて変形することがないように、補強部材としてのバックアッププレート１４６〜１４８が貼り付けられる。なお、前記バックアッププレート１４６、１４７は、長尺状のプレートから成り、バックアッププレート１４８は、三角形の形状を有し、バックアッププレート１４６、１４７間に水平に延びる上縁１５１、前記下枠部位１３４に沿って、バックアッププレート１４６側からバックアッププレート１４７側にかけて傾斜する下縁１５２、及びバックアッププレート１４７側において上縁１５１と下縁１５２との間に延びる側縁１５３を備える。

そして、前記セパレータ１１８にバックアッププレート１４６〜１４８が貼り付けられた上に、図１１に示されるように、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ１５５の図示されない燃料極がセパレータ１１８と対向するように配設される。なお、この場合、メンブレン・エレクトロード・アッセンブリ１５５の空気極１５６及び燃料極は、矩形の形状を有するのに対して、電解質膜１５７は、矩形の形状を有する部分の下部にバックアッププレート１４８と等しい三角形の形状を有する領域１５８を一体に備える。したがって、空気極１５６及び燃料極は、水流路を流れる水と接触させられないので、劣化するのを防止することができる。

この場合、図１２に示されるように、フレーム１３０の横枠部位１３１、１３２、上枠部位１３３及び下枠部位１３４に、それぞれシール部分Ｓ１〜Ｓ４が配設され、セパレータユニット１４１内を大気に対してシールするとともに、横枠部位１３１における空気室と水素ガス連通口１３６との間、及び横枠部位１３２における空気室と水素ガス連通口１３７との間にそれぞれシール部分Ｓ５、Ｓ６が配設され、空気室と水素ガス連通口１３６、１３７との間をシールし、横枠部位１３２における排水穴１３８と空気室及び水素ガス連通口１３７との間にそれぞれシール部分Ｓ７、Ｓ８が配設され、排水穴１３８と空気室及び連通口１３７との間をシールする。

また、図１３に示されるように、セパレータ１１８における空気極と対向する側には、垂直方向に延びる複数の溝１６３が形成され、該各溝１６３によって複数の空気流路が構成される。

そして、前記セパレータ１１８における空気と対向する面の上端及び下端には、セパレータ１１８及びセルの電解質膜が外力を受けて変形することがないように、補強部材としてのバックアッププレート１６５、１６６が貼り付けられる。なお、前記バックアッププレート１６５は、長尺状のプレートから成り、バックアッププレート１６６は三角形の形状を有する。

このように、本実施の形態においては、水素ガス流路の底面が傾斜させられるので、水は、各燃料室内を重力で下方に移動した後、図１４に示されるように、燃料室の底面を形成する前記下枠部位１３４に沿って横枠部位１３１側から横枠部位１３２側に向けて重力で流れ、最下端において、下枠部位１３４と隣接する排水穴１３８に到達する。続いて、各モジュール１１５内を前記排水穴１３８によって形成された水排出流路に沿って流れ、水排出口１１３を介してスタックユニット１１ａ外に排出される。

したがって、燃料室内で水が底面に滞留するのを防止することができるので、発電性能が低くなることがなく、燃料電池の出力が小さくなるのを防止することができる。また、燃料極が劣化しないので、燃料電池の耐久性を向上させることができる。

この場合、セパレータ１１８に形成された溝１４３及び水素ガス流路は、水平方向に形成されるので、重力の影響を受けることなく、水素ガスを円滑に流すことができ、水流路が傾斜させられるので、重力によって水を円滑に排水することができる。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

この場合、燃料電池の起動時又は停止時に、燃料室内を減圧することによって、前記水排出口１１３から水を排出するようにしている。

まず、起動時に、前記制御部８１の図示されない起動処理手段は、起動処理を行い、開閉弁４４Ｂ及び燃料排出弁５７を閉鎖し、水排出弁５８を開放し、吸引ポンプ４７を作動させることによって、スタックユニット１１ａ内を３０〔ｋｐａ〕程度に減圧する。これに伴って、燃料室内の水が水排出口１１３を介して排出される。

次に、前記起動処理手段は、開閉弁４４Ｂ及び水排出弁５８を閉鎖し、燃料排出弁５７を開放し、吸引ポンプ４７を作動させることによって、スタックユニット１１ａ内を同様に、３０〔ｋｐａ〕程度に減圧する。

続いて、前記起動処理手段は、開閉弁４４Ｂ及び燃料排出弁５７を開放し、水排出弁５８を閉鎖する。これに伴って、燃料導入口１１１を介して水素ガスが供給される。

このように、燃料電池システムが起動されると、制御部８１の図示されない運転処理手段は、運転処理を行い、開閉弁４４Ｂ及び燃料排出弁５７を開放し、水排出弁５８を閉鎖した状態で燃料電池システムを運転し、必要に応じて水素ガスを燃料帰還路５３に帰還させる。

また、前記運転処理手段は、定期的に、例えば、３０分に１回程度、水排出弁５８を開放し、水素ガスの圧力で水排出口１１３を介して水を排出する。

そして、制御部８１の図示されない停止処理手段は、停止処理を行い、開閉弁４４Ｂ及び燃料排出弁５７を閉鎖し、水排出弁５８を開放し、吸引ポンプ４７を作動させることによって、スタックユニット１１ａ内を３０〔ｋｐａ〕程度に減圧する。これに伴って、燃料室内の水が水排出口１１３を介して排出される。

次に、前記停止処理手段は、開閉弁４４Ｂ及び水排出弁５８を閉鎖し、燃料排出弁５７を開放し、吸引ポンプ４７を作動させることによって、燃料室内を同様に、３０〔ｋｐａ〕程度に減圧する。

続いて、前記停止処理手段は、空気導入弁５６Ｂ及び燃料排出弁５７を開放し、水排出弁５８を閉鎖する。これに伴って、燃料導入口１１１を介して空気が供給される。

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。

本発明の実施の形態におけるセパレータユニットを燃料極側から見た第１の図である。本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図である。本発明の実施の形態における車載燃料電池システムの制御ブロック図である。本発明の実施の形態におけるスタックユニットの概念図である。本発明の実施の形態におけるモジュールの斜視図である。本発明の実施の形態におけるセパレータ及びフレームを示す斜視図である。本発明の実施の形態における燃料電池スタック内の水素ガスの流れを示す図である。本発明の実施の形態における水素ガスの供給側のエンドプレートを示す図である。本発明の実施の形態における水素ガスの排出側のエンドプレートを示す図である。本発明の実施の形態におけるセパレータユニットを燃料極側から見た第２の図である。本発明の実施の形態におけるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリを燃料極側から見た図である。本発明の実施の形態におけるセパレータユニットのシール箇所を説明する図である。本発明の実施の形態におけるセパレータを空気極側から見た図である。本発明の実施の形態における燃料電池スタック内の水の流れを示す図である。

符号の説明

１１燃料電池スタック
１３４下枠部位
１４１セパレータユニット
１５６空気極

Claims

電解質膜を燃料極及び空気極によって挟んで形成された複数の膜・電極接合体と、
互いに隣接する膜・電極接合体間に配設され、燃料極との間に燃料流路を、空気極との間に空気流路を形成するセパレータユニットと、
前記膜・電極接合体及びセパレータユニットを備えたスタックユニットより上方に配設され、空気を前記空気流路に供給するための供給マニホルドと、
前記スタックユニットより下方に配設され、空気を前記空気流路から排出するための排出マニホルドとを有するとともに、
前記スタックユニット内において、燃料は、前記燃料流路を水平方向に流れ、前記セパレータユニットに形成された燃料連通口で反転させられ、
前記スタックユニット内において、前記空気は、前記空気流路を上から下に向けて垂直方向に流れ、
前記燃料流路の底面は、前記燃料が流れる方向に対して傾斜させられ、燃料流路内の水を排水穴に案内するための水流路を形成することを特徴とする燃料電池装置。
前記燃料流路の底面は、セパレータを保持する複数のフレームによって形成される請求項１に記載の燃料電池装置。
前記各フレームには、水流路の最下端に隣接させて前記排水穴が形成される請求項１に記載の燃料電池装置。
起動時又は停止時に、燃料室内を減圧することによって、前記排水穴を介して水が排出される請求項３に記載の燃料電池装置。