JP5329098B2

JP5329098B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5329098B2
Application number: JP2008010797A
Authority: JP
Inventors: 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: JP2009176435A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、アルカリ型（ＡＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）などの各種燃料電池が知られている。

例えば、固体高分子型燃料電池は、複数の単位セルが積層されたスタック構造に形成されている。

各セルは、電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向配置された燃料側電極および酸素側電極とが圧着されて形成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）として構成されている。そして、複数のＭＥＡが、セパレータを介して積層されることにより、燃料電池のスタック構造が形成されている。

セパレータの一方面（燃料側電極に接する面）には、燃料側電極の全面に水素が行き渡るように、１本の燃料供給路が蛇行状に形成されている。一方、セパレータの他方面（酸素側電極に接する面）には、酸素側電極の全面に酸素が行き渡るように、１本の酸素供給路が蛇行状に形成されている。

燃料電池では、燃料供給路に水素を供給し、酸素供給路に酸素を供給して、各電極で電気化学反応を生じさせることにより、起電力を発生させる。

ところが、上記した燃料電池では、燃料供給路および酸素供給路が、それぞれ１本の蛇行流路に形成されている。そのため、例えば、発電量に対して水素や酸素の供給量が過剰になると、各供給路の上流側付近におけるセルの含水量が低下（乾燥）し、当該部分の内部抵抗が大きくなるという不具合がある。
そこで、例えば、燃料極側セパレータの表面に設けられる燃料ガス流路と、酸化剤極側セパレータの表面に設けられる酸化剤ガス流路の、それぞれの上流側に流路断面積減少部材を配置して、この流路断面積減少部材により、各ガス流路の上流側部分のガス圧力を上昇させて、各ガス流路の上流側付近における電極の乾燥を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３１１９７号公報

ところが、各セルの乾燥は、必ずしも燃料供給路および酸素供給路の上流側付近で発生するとは限らない。そのため、特許文献１に記載の燃料電池のように、各ガス流路の上流側付近における電極の乾燥を抑制するだけでは不十分である。

一方、ＭＥＡの面積を小さくし、各供給路の流路長を短くすることによって、各供給路の上流側と下流側との温度差を小さくすることが考えられる。これによって、各セルの加湿状態が均一化され、全体的な乾燥の抑制が図られる。

しかし、ＭＥＡの面積を小さくすると、各セルの出力量が低下するので、セルの積層数を増やす必要がある。それによって、燃料電池の構造が複雑になるという不具合がある。

本発明の目的は、燃料電池を構成する単位セルの乾燥を抑制することができ、さらには、燃料電池の構造を簡略にすることができる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、電解質層、この電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極、前記燃料側電極に隣接配置され、前記燃料側電極に燃料を供給する燃料供給路が形成された燃料側セパレータ、および、前記酸素側電極に隣接配置され、前記酸素側電極に酸素を供給する酸素供給路が形成された酸素側セパレータを備える単位セルを有する燃料電池を備え、前記燃料供給路および前記酸素供給路の少なくとも一方は、複数形成されており、前記単位セルの乾燥部分を検出する検出手段と、前記検出手段の検出に基づいて、各前記燃料供給路および／または各前記酸素供給路に供給する燃料および／または酸素の流量を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴としている。

本発明の燃料電池システムによれば、検出手段により、単位セルの乾燥部分を検出することができる。そして、その検出に基づき、各燃料供給路および／または各酸素供給路への燃料および／または酸素の流量を、適切に制御することによって、乾燥部分のさらなる乾燥を抑制することができる。したがって、単位セルの加湿状態を適切な状態に保つことができる。

また、燃料供給路および酸素供給路の少なくとも一方が複数設けられており、各供給路の流量を制御するため、単位セルの加湿状態を均一化することができる。そのため、単位セルの面積を小さくして、各供給路の流路長を短くする必要がない。その結果、単位セルの積層数を低減することができるので、燃料電池の構造を簡略にすることができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記燃料電池は、複数の前記単位セルが積層されたセルスタックを備え、前記セルスタックには、各前記単位セルを冷却する冷却水路が形成されており、前記冷却水路は、各前記単位セルにおいて、複数形成されている前記燃料供給路および前記酸素供給路の少なくとも一方に沿って形成されていることが好適である。

冷却水は、発電により加熱された単位セルを冷却すると、当該単位セルとの熱交換により、その温度が上昇する。それゆえ、セルスタックにおいて、冷却水路の下流側の単位セルでは、冷却水の温度が上流側の単位セルに比べて高くなり、セル全体に乾燥部分が生じやすくなる。しかし、冷却水路に沿って燃料供給路および／または酸素供給路が形成されているので、各単位セルの乾燥状態に応じて燃料および／または酸素の流量を制御することによって、セルスタックの加湿状態を全体的に適切な状態に保つことができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池を構成する単位セルの乾燥を抑制することができ、さらには、燃料電池の構造を簡略にすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構造を説明するための、一方向の斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構造を説明するための、他方向の斜視図である。

図１および図２において、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料給排部３と、酸素給排部４と、給排水部５とを備えている。

燃料電池２は、例えば、固体高分子型燃料電池であって、セルスタック６と、セルスタック６の積層方向（以下、この方向を単に「積層方向」と記述することがある。）において、セルスタック６を挟んでそれぞれ対向する、１対の集電板７、１対の絶縁板８および１対のエンドプレート９とを備えている。すなわち、燃料電池２は、セルスタック６の積層方向両側（正面側および背面側）に、集電板７、絶縁板８およびエンドプレート９が順次積層されることによって、全体としてスタック構造に形成されている。

セルスタック６は、水素と酸素との電気化学反応により発電する単位セル１０を複数備えている。

各単位セル１０は、それぞれ正面視略矩形状に形成されている。そして、これら複数の単位セル１０がスタック（積層）されることにより、セルスタック６は、スタック構造に形成されている。各単位セル１０には、単位セル１０の温度を測定する検出手段としての温度センサ１１が備えられている。

各温度センサ１１は、例えば、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサであって、それぞれ後述するコントローラ２２と電気的に接続されている。なお、各単位セル１０における、温度センサ１１の数や配置などについては、図３〜図５を参照して後に説明する。

集電板７は、例えば、銅などの導電性材料からなり、セルスタック６における積層方向一方側（以下、正面側とする。）に積層された一方の集電板７と、セルスタック６における積層方向他方側（以下、背面側とする。）に積層された他方の集電板７とからなる。各集電板７は、それぞれセルスタック６と正面視略同一形状に形成されている。各集電板７の上側周縁には、それぞれ端子１２が設けられている。

端子１２は、集電板７と一体的に形成され、集電板７の上側周縁から上方に向けて突出する略直方体形状に形成されている。燃料電池２では、セルスタック６で発生した起電力は、集電板７によって外部に取り出される。

絶縁板８は、例えば、ゴムや樹脂などの絶縁性材料からなり、一方の集電板７における正面側に積層された一方の絶縁板８と、他方の集電板７における背面側に積層された他方の絶縁板８とからなる。各絶縁板８は、それぞれセルスタック６と正面視略同一形状に形成されている。絶縁板８は、セルスタック６と、燃料電池２を収容するケーシング（図示せず）やエンドプレート９との間を絶縁している。

エンドプレート９は、例えば、鋼などの剛性の高い材料からなり、一方の絶縁板８における正面側に積層された一方のエンドプレート９と、他方の絶縁板８における背面側に積層された他方のエンドプレート９とからなる。各エンドプレート９は、それぞれセルスタック６と正面視略同一形状に形成されている。

そして、一方のエンドプレート９、一方の絶縁板８および一方の集電板７には、正面視上下方向に直交する幅方向（以下、この方向を単に「幅方向」と記述することがある。）の一方側端部における下角部に、セルスタック６から酸化ガスを排出するための酸素排出口１３が形成されている。酸素排出口１３は、正面視略円形に形成されている。

また、一方のエンドプレート９、一方の絶縁板８および一方の集電板７には、正面視幅方向一方側端部における酸素排出口１３よりも内側に、セルスタック６に燃料ガスを供給するための３つの燃料供給口１４が形成されている。

燃料供給口１４は、正面視略円形に形成されている。また、燃料供給口１４は、上下方向に互いに所定の間隔をあけて配置されており、上側の燃料供給口１４Ａと、上側の燃料供給口１４Ａよりも下方に配置される下側の燃料供給口１４Ｃと、燃料供給口１４Ａと燃料供給口１４Ｃとの間に配置される中間の燃料供給口１４Ｂとに区別される。

また、一方のエンドプレート９、一方の絶縁板８および一方の集電板７には、正面視幅方向他方側端部における上角部に、セルスタック６に酸素を供給するための酸素供給口１５が形成されている。

酸素供給口１５は、正面視略円形に形成されている。

また、一方のエンドプレート９、一方の絶縁板８および一方の集電板７には、正面視幅方向他方側端部における下角部に、セルスタック６から冷却水を排出するための排水口１６が形成されている。

排水口１６は、正面視略円形に形成されている。

また、一方のエンドプレート９、一方の絶縁板８および一方の集電板７には、正面視幅方向他方側端部における、酸素供給口１５および排水口１６の内側に、セルスタック６から燃料を排出するための３つの燃料排出口１７が形成されている。

燃料排出口１７は、正面視略円形に形成されている。また、燃料排出口１７は、上下方向に互いに所定の間隔をあけて配置されており、上側の燃料排出口１７Ａと、上側の燃料排出口１７Ａよりも下方に配置される下側の燃料排出口１７Ｃと、燃料排出口１７Ａと燃料排出口１７Ｃとの間に配置される中間の燃料排出口１７Ｂとに区別される。

さらに、他方のエンドプレート、他方の絶縁板８および他方の集電板７には、背面視幅方向一方側端部（積層方向において、正面視一方側端部に対向する部分）における上角部に、セルスタック６に冷却水を供給するための給水口１８が形成されている。

給水口１８は、背面視略円形に形成されている。

燃料給排部３は、燃料タンク１９と、燃料供給管２０と、燃料排出管２１と、制御手段としてのコントローラ２２とを備えている。

燃料タンク１９には、燃料が貯蔵される。貯蔵される燃料としては、少なくとも水素を含む化合物、例えば、水素、例えば、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素類、メタノール、エタノールなどのアルコール類、ヒドラジン、水加ヒドラジン、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、モノメチルヒドラジン、ジメチルヒドラジンなどのヒドラジン類、例えば、尿素、例えば、アンモニア、例えば、イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾールなどの複素環類、例えば、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミンなどのヒドロキシルアミン類などが挙げられる。これらは、単独または２種類以上併用してもよい。

燃料供給管２０は、その一方側端部が燃料タンク１９に接続されている。燃料供給管２０は、一方側端部よりも下流側において、上下方向上側の燃料供給管２０Ａと、上側の燃料供給管２０Ａよりも下方に配置される下側の燃料供給管２０Ｃと、燃料供給管２０Ａと燃料供給管２０Ｃとの間に配置される中間の燃料供給管２０Ｂとに分岐している。これら燃料供給管２０Ａ〜２０Ｃの他方側端部は、それぞれ燃料供給口１４Ａ〜１４Ｃに接続されている。また、燃料供給管２０には、供給弁２３が介装されている。

供給弁２３は、燃料供給管２０Ａ〜２０Ｃのそれぞれに介装され、燃料供給管２０Ａに介装される供給弁２３Ａと、燃料供給管２０Ｂに介装される供給弁２３Ｂと、燃料供給管２０Ｃに介装される供給弁２３Ｃとに区別される。これら供給弁２３Ａ〜２３Ｃは、それぞれ燃料供給管２０Ａ〜２０Ｃを流れる燃料ガスの流量を調節することができる弁であって、例えば、絞り弁など、公知の流量制御弁が用いられる。

燃料排出管２１は、上下方向上側の燃料排出管２１Ａと、上側の燃料排出管２１Ａよりも下方に配置される下側の燃料排出管２１Ｃと、燃料排出管２１Ａと燃料排出管２１Ｃとの間に配置される中間の燃料排出管２１Ｂとに区別される。これら燃料排出管２１Ａ〜２１Ｃの一方側端部は、例えば、セルスタック６から排出される未反応の燃料ガスや、水素と酸素との電気化学反応により生成する水などを処理するためのバッファタンク（図示せず）に接続されている。一方、燃料排出管２１Ａ〜２１Ｃの他方側端部は、それぞれ燃料排出口１７Ａ〜１７Ｃに接続されている。

コントローラ２２は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されており、温度センサ１１および供給弁２３と電気的に接続されている。燃料電池システム１では、コントローラ２２から供給弁２３に対して、所定の制御信号が入力されることによって、燃料供給管２０を流れる燃料ガスの流量が制御される。

酸素給排部４は、酸素供給管２４と、酸素排出管２５とを備えている。

酸素供給管２４は、その一方側端部が、例えば、コンプレッサ（図示せず）などに接続されている。一方、酸素供給管２４の他方側端部は、酸素供給口１５に接続されている。

酸素排出管２５は、その一方側端部が、排気とされる。一方、酸素排出管２５の他方側端部は、酸素排出口１３に接続されている。

給排水部５は、給水管２６と、排水管２７とを備えている。

給水管２６は、その一方側端部が給水口１８に接続されている。給水管２６の他方側端部は、例えば、給水装置（図示せず）などに接続されている。

排水管２７は、その一方側端部が、例えば、ドレインとされるか、あるいは、排水管２７からの排水を再度給水管２６に供給する場合には、例えば、排水を給水管２６へ送るためのポンプ（図示せず）などに接続される。一方、排水管２７の他方側端部は、排水口１６に接続されている。

図３は、図１に示すセルスタック６を、Ｌ−Ｌで示される切断線で切断したときの要部断面図である。図４は、図１に示すセルスタック６の一方向要部分解図である。図５は、図１に示すセルスタック６の他方向要部分解図である。
まず、主として図３を参照して、セルスタック６の構造を説明する。

セルスタック６は、上記したように、複数の単位セル１０が積層されたスタック構造に形成されている。

各単位セル１０は、電解質層３１と、電解質層３１を挟んで対向配置される燃料側電極３２および酸素側電極３３と、燃料側電極３２に隣接配置された燃料側セパレータ３４と、酸素側電極３３に隣接配置された酸素側セパレータ３５とを備えている。

電解質層３１は、正面視略矩形状に形成されている（図４および図５参照。）。電解質層３１の積層方向の厚みは、例えば、１０〜１００μｍである。電解質層３１としては、例えば、プロトン交換膜やアニオン交換膜などの固体高分子膜が挙げられる。

プロトン交換膜としては、その内部をプロトンが移動できる膜であれば、特に制限され
ず、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。

一方、アニオン交換膜としては、その内部をアニオン（とりわけ、水酸化物イオン（Ｏ
Ｈ⁻））が移動できる膜であれば、特に制限されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリ
ジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられ
る。

燃料側電極３２は、正面視において、電解質層３１よりも面積の小さい略矩形状に形成されている（図４および図５参照。）。

燃料側電極３２の材料としては、特に制限されず、例えば、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。

多孔質担体としては、特に制限されず、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。

触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素など、さらには、これらの組み合わせなどが挙げられる。また、燃料の種類によって一酸化炭素（ＣＯ）が副生する場合には、上記例示の元素とともに、ルテニウム（Ｒｕ）を用いることで、触媒の被毒を防止することができる。

酸素側電極３３は、正面視において、燃料側電極３２と略同一形状に形成されている（図４および図５参照。）。

酸素側電極３３の材料としては、特に制限されず、例えば、燃料側電極３２の材料として例示した、触媒が担持された多孔質担体などが挙げられる。
そして、燃料側電極３２および酸素側電極３３は、電解質層３１を、積層方向両側から挟みこむように、電解質層３１の表面に接触形成されている。具体的には、燃料側電極３２は、電解質層３１の正面側の一方面略中央に形成されており、燃料側電極３２の周囲には、電解質層３１の一方面が露出している。一方、酸素側電極３３は、電解質層３１の背面側の他方面略中央に形成されており、酸素側電極３３の周囲には、電解質層３１の他方面が露出している。

燃料側セパレータ３４は、電解質層３１と正面視略同一形状に形成されており（図４および図５参照。）、例えば、ガス不透過性の導電性部材を用いて形成されている。

燃料側セパレータ３４には、燃料側電極３２と接触する背面側の他方面に、燃料側電極３２を受け入れるための略矩形状の凹部３６が形成されている。

凹部３６内には、燃料側電極３２に向かって開口される燃料側溝３７が形成されており、この燃料側溝３７と燃料側電極３２との間に、気化された燃料（例えば、水素ガス、メタノールガス、ヒドラジンガス、アンモニアガスなど）からなる燃料ガスを流すための燃料供給路３８が形成されている。

また、燃料側セパレータ３４には、隣接する単位セル１０の酸素側セパレータ３５と接触する正面側の一方面に、当該酸素側セパレータ３５に向かって開口される通水溝３９が、燃料側溝３７と平行に（燃料側溝３７に沿って）形成されている。この通水溝３９と後述する通水溝４４との間には、加湿のための冷却水を流すための冷却水路としての通水路４０が形成されている。すなわち、通水路４０は、燃料供給路３８と平行に形成されており、燃料側セパレータ３４を挟んで燃料供給路３８に対向している。

酸素側セパレータ３５は、電解質層３１と正面視略同一形状に形成されており（図４および図５参照。）、例えば、ガス不透過性の導電性部材を用いて形成されている。

酸素側セパレータ３５には、酸素側電極３３と接触する正面側の一方面に、酸素側電極３３を受け入れるための略矩形状の凹部４１が形成されている。

凹部４１内には、酸素側電極３３に向かって開口される酸素側溝４２が形成されており、この酸素側溝４２と酸素側電極３３との間に、酸化ガス（例えば、空気などの酸素を含むガスなど）を流すための酸素供給路４３が形成されている。

また、酸素側セパレータ３５には、隣接する単位セル１０の燃料側セパレータ３４と接触する背面側の他方面に、当該燃料側セパレータ３４に向かって開口される通水溝４４が、酸素側溝４２と平行に（酸素側溝４２に沿って）形成されている。上記したように、この通水溝４４と通水溝３９との間には、加湿のための冷却水を流すための通水路４０が形成されている。すなわち、通水路４０は、酸素供給路４３と平行に形成されており、酸素側セパレータ３５を挟んで酸素供給路４３に対向している。

次に、主として図４および図５を参照して、セルスタック６の構造を説明する。

セルスタック６の各単位セル１０において、燃料側セパレータ３４、電解質層３１および酸素側セパレータ３５には、正面視幅方向一方側端部における下角部および他方側端部における上角部に、正面視略円形の２つの酸素孔４５が形成されている。

一方側端部および他方側端部の酸素孔４５は、積層状態において、各単位セル１０を積層方向に貫通する酸化ガスの流路を形成し、酸素供給路４３を介して互いに連通している。また、積層状態において、一方側端部の酸素孔４５は酸素排出口１３に連通しており、他方側端部の酸素孔４５は酸素供給口１５に連通している。

また、各単位セル１０において、燃料側セパレータ３４、電解質層３１および酸素側セパレータ３５には、正面視幅方向両端部における酸素孔４５よりも内側に、正面視略円形の６つの燃料孔４６が形成されている。

燃料孔４６は、一方側端部および他方側端部にそれぞれ３つずつ、それぞれ上下方向に互いに所定の間隔をあけて配置されている。一方側端部および他方側端部の燃料孔４６は、積層状態において、各単位セル１０を積層方向に貫通する燃料ガスの流路を形成し、幅方向に対向する１対の燃料孔４６は、燃料供給路３８を介して互いに連通している。また、積層状態において、一方側端部の燃料孔４６は燃料供給口１４に連通しており、他方側端部の燃料孔４６は燃料排出口１７に連通している。また、燃料孔４６は、燃料供給口１４Ａおよび燃料排出口１７Ａに連通する上下方向上側の燃料孔４６Ａと、上側の燃料孔４６Ａよりも下方に配置され、燃料供給口１４Ｃおよび燃料排出口１７Ｃに連通する下側の燃料孔４６Ｃと、燃料孔４６Ａと燃料孔４６Ｃとの間に配置され、燃料供給口１４Ｂおよび燃料排出口１７Ｂに連通する中間の燃料孔４６Ｂとに区別されている。

さらに、各単位セル１０において、燃料側セパレータ３４、電解質層３１および酸素側セパレータ３５には、正面視幅方向一方側端部における上角部および他方側端部における下角部に、正面視略円形の２つの通水孔４７が形成されている。

一方側端部および他方側端部の通水孔４７は、積層状態において、各単位セル１０を積層方向に貫通する冷却水の流路を形成し、通水路４０を介して互いに連通している。また、積層状態において、一方側端部の通水孔４７は給水口１８に連通しており、他方側端部の通水孔４７は排水口１６に連通している。

セルスタック６の各単位セル１０において、燃料側セパレータ３４には、上記したように、背面側の他方面に燃料側溝３７が形成され、正面側の一方面に通水溝３９が形成されている。

燃料側溝３７は、凹部３６内において、互いに幅方向に対向する一方側端部の燃料孔４６と他方側端部の燃料孔４６との間を連絡し、上下方向に互いに間隔をあけて配置される９つの分岐溝４８を備えている。

各分岐溝４８は、それぞれ幅方向に延び、９つの分岐溝４８のうち、上側３つの分岐溝４８は、その両端部において合流し、１つの溝ユニット（上側溝ユニット）として一方側端部および他方側端部の燃料孔４６Ａに連通している。また、９つの分岐溝４８のうち、下側３つの分岐溝４８は、その両端部において合流し、１つの溝ユニット（下側溝ユニット）として一方側端部および他方側端部の燃料孔４６Ｃに連通している。さらに、９つの分岐溝４８のうち、上側３つの分岐溝４８と下側３つの分岐溝４８との間の中間３つの分岐溝４８は、その両端部において合流し、１つの溝ユニット（中間溝ユニット）として一方側端部および他方側端部の燃料孔４６Ｂに連通している。これにより、燃料側溝３７は、上側３つの分岐溝４８で構成される上側溝ユニット３７Ａと、中間３つの分岐溝４８で構成される中間溝ユニット３７Ｂと、下側３つの分岐溝４８で構成される下側溝ユニット３７Ｃとに区別される。すなわち、各単位セル１０では、積層状態において、これら上側溝ユニット３７Ａ、中間溝ユニット３７Ｂおよび下側溝ユニット３７Ｃは、燃料側電極３２との間において、互いに独立した３つ（複数）の燃料供給路として、上側燃料供給路３８Ａ、中間燃料供給路３８Ｂおよび下側燃料供給路３８Ｃを形成する。

通水溝３９は、互いに単位セル１０の対角に対向する各通水孔４７の間を連絡する、幅方向に延びる９つの直線溝４９と略コ字状の折返溝５０とが交互に連続する葛折状に形成されている。

９つの直線溝４９は、それぞれ燃料側セパレータ３４を挟んで分岐溝４８と平行に（分岐溝４８に沿って）形成されている。そのため、各単位セル１０の積層状態においては、通水溝３９と通水溝４４とで形成される通水路４０は、上記したように、燃料側溝３７と燃料側電極３２とで形成される燃料供給路３８と平行に形成される。

また、セルスタック６の各単位セル１０において、酸素側セパレータ３５には、上記したように、正面側の一方面に酸素側溝４２が形成され、背面側の他方面に通水溝４４が形成されている。

酸素側溝４２は、互いに単位セル１０の対角に対向する各酸素孔４５の間を連絡する、幅方向に延びる直線溝５１と略コ字状の折返溝５２とが交互に連続する葛折状に形成されている。直線溝５１は、上下方向に互いに間隔をあけて配置されており、それぞれが酸素側セパレータ３５を挟んで後述する直線溝５３に対向するように形成されている。そして、この酸素側溝４２は、各単位セル１０の積層状態において、上記したように、酸素側電極３３との間において酸素供給路４３を形成する。

通水溝４４は、互いに単位セル１０の対角に対向する各通水孔４７の間を連絡する、幅方向に延びる直線溝５３と略コ字状の折返溝５４とが交互に連続する葛折状に形成されている。直線溝５３および折返溝５４は、それぞれ酸素側セパレータ３５を挟んで、直線溝５１および折返溝５２と平行に形成されている。そして、この通水溝４４は、各単位セル１０の積層状態において、上記したように、隣接する単位セル１０の燃料側セパレータ３４に形成された通水溝３９との間において通水路４０を形成する。

各単位セル１０は、上下方向３つのセクションに区画される。具体的には、例えば、上側溝ユニット３７Ａの下端やや下方から単位セル１０の上端に至る上側セクション５５と、下側溝ユニット３７Ｃの上端やや上方から単位セル１０の下端に至る下側セクション５７と、中間溝ユニット３７Ｂを全部含み、上側セクション５５と下側セクション５７とで挟まれる中間セクション５６とに区画される。

そして、図１に示した温度センサ１１は、各単位セル１０において、上側セクション５５、中間セクション５６および下側セクション５７のそれぞれに１つずつ設けられる。すなわち、各単位セル１０には、上側セクション５５の温度を測定する温度センサ１１Ａ、中間セクション５６の温度を測定する温度センサ１１Ｂおよび下側セクション５７の温度を測定する温度センサ１１Ｃの合計３つの温度センサが設けられる。

これら温度センサ１１Ａ〜１１Ｃは、各単位セル１０において、具体的には、積層状態において、燃料側セパレータ３４と電解質層３１との界面、かつ、正面視幅方向一方側端部において、燃料孔４６よりもやや外側に設けられる。また、これら温度センサ１１Ａ〜１１Ｃは、図４および図５では図示されていないが、それぞれ独立してコントローラ２２と電気的に接続されている。

そして、このような各単位セル１０が複数積層（スタック）されてセルスタック６が構成され、セルスタック６の積層方向両側に、集電板７、絶縁板８およびエンドプレート９が順次積層されることによって燃料電池２が構成される。

燃料電池２は、図示しないケーシングに納められ、各給排部、すなわち、燃料給排部３、酸素給排部４および給排水部５が取り付けられることにより、図１に示す燃料電池システム１が構成される。

燃料電池システム１において、燃料供給口１４には、燃料タンク１９からの燃料ガスが供給されるとともに、酸素供給口１５には、例えば、コンプレッサなどからの酸化ガスが供給される。また、給水口１８には、例えば、給水装置からの加湿のための冷却水が供給される。

そして、燃料ガスは、燃料供給口１４から、スタック構造とされたセルスタック６内に供給され、各単位セル１０の燃料孔４６および燃料供給路３８を順次通過した後、燃料排出口１７から排出される。また、酸化ガスは、酸素供給口１５から、スタック構造とされたセルスタック６内に供給され、各単位セル１０の酸素孔４５および酸素供給路４３を順次通過した後、酸素排出口１３から排出される。また、冷却水は、給水口１８からスタック構造とされたセルスタック６内に供給され、各単位セル１０の通水孔４７および通水路４０を順次通過した後、排水口１６から排出される。

電解質層３１がアニオン交換膜である場合、各単位セル１０では、下記のように発電が行なわれる。すなわち、燃料ガスが供給された燃料側電極３２では、燃料ガスから水素（Ｈ_２）が生成し、この水素（Ｈ_２）の酸化反応によって、水素（Ｈ_２）から電子（ｅ⁻）が解放され、プロトン（Ｈ^＋）が生成する。

水素（Ｈ_２）から解放された電子（ｅ⁻）は、図示しない外部回路を経由して酸素側電極３３に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ⁻）が、電流となる。

一方、酸素側電極３３では、電子（ｅ⁻）と、外部からの供給もしくは単位セル１０における反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、酸素供給路４３を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（下記反応式（２）参照。）。

そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）は、電解質層３１を通過して燃料側電極３２に到達する。水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が燃料側電極３２に到達すると、燃料側電極３２では、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と、燃料中の水素（Ｈ_２）とが反応して、電子（ｅ⁻）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成する（下記反応式（１）参照。）。生成した電子（ｅ⁻）は、図示しない外部回路を経由して酸素側電極３３へ供給される。

このような燃料側電極３２および酸素側電極３３における電気化学的反応が連続的に行なわれることによって、単位セル１０内に閉回路が形成されて起電力が生じ、発電が行なわれる。
（１）２Ｈ_２＋４ＯＨ⁻→４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （燃料側電極３２における反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （酸素側電極３３における反応）
（３）２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ（単位セル１０全体としての反応）
そして、以上説明した燃料電池システム１では、コントローラ２２によって、燃料タンク１９からの燃料ガスの流量制御が行なわれる。

図６は、コントローラ２２において実行される供給弁２３に対する制御処理の流れ示すフローチャートである。

燃料ガスの流量制御では、具体的には、発電中、まず、単位セル１０の平均温度Ｔ_０の測定処理が行なわれる（Ｓ１）。この平均温度Ｔ_０の測定処理は、例えば、各単位セル１０の温度センサ１１で測定された温度がコントローラ２２で検出され、この検出された温度の平均値を計算することにより行なわれる。算出された平均温度Ｔ_０は、後述する乾燥状態を判別するための基準としてコントローラ２２に記憶される。

次いで、各単位セル１０の各部分の温度Ｔｉが測定される（Ｓ２）。ここで、ｉは、１〜ｎの正の整数で示され、各単位セル１０において温度が測定されるセクションの数である。この燃料電池システム１では、各単位セル１０は、上側セクション５５、中間セクション５６および下側セクション５７の３つのセクションに区別されているため、ｉ＝１〜３（すなわち、ｎ＝３）として燃料ガスの流量制御が行なわれる。

そして、まず、各単位セル１０における最初のセクション（ｉ＝１）、例えば、上側セクション５５の温度Ｔ_１が温度センサ１１Ａで測定される。

測定温度Ｔ_１とセル平均温度Ｔ_０との差が、予め定める上限温度Ｔ_{ｕｐｐｅｒ}（例えば、３〜２０℃）よりも大きければ（Ｓ３：ＹＥＳ）、すなわち、Ｔ_ｉ−Ｔ_０>Ｔ_{ｕｐｐｅｒ}であれば、コントローラ２２では、上側セクション５５が乾燥状態にある乾燥部分であると判断される。この乾燥状態とは、例えば、上側セクション５５の含水量が低下することにより、上側セクション５５の内部抵抗が増加するなど、いわゆるドライアウトが発生するおそれがある状態のことである。

上側セクション５５が乾燥部分である判断されると、供給弁２３Ａの開度が小さくされる、ｄｏｗｎ処理が行なわれて（Ｓ４）、燃料供給管２０Ａから燃料孔４６を通って上側燃料供給路３８Ａに流入する燃料ガスの流量が減少する。

一方、測定温度Ｔ_１とセル平均温度Ｔ_０との差が、上限温度Ｔ_{ｕｐｐｅｒ}以下（Ｓ３：ＮＯ）、かつ、予め定める下限温度Ｔ_{ｌｏｗｅｒ}（例えば、−１０〜−３℃）よりも小さければ（Ｓ５：ＹＥＳ）、すなわち、Ｔ_ｉ−Ｔ_０≦Ｔ_{ｕｐｐｅｒ}かつＴ_ｉ−Ｔ_０＜Ｔ_ｌｏｗコントローラ２２では、上側セクション５５が湿潤状態にある湿潤部分であると判断される。この湿潤状態とは、例えば、上側セクション５５の含水量が過剰になることにより、上側セクション５５における燃料側電極３２への燃料ガスの拡散が妨げられるなど、いわゆるフラッディングが発生するおそれがある状態のことである。

上側セクション５５が湿潤状態であると判断されると、供給弁２３Ａの開度が大きくされる、ｕｐ処理が行なわれて（Ｓ６）、燃料供給管２０Ａから燃料孔４６を通って上側燃料供給路３８Ａに流入する燃料ガスの流量が増加する。

そして、供給弁２３Ａの開度が制御処理されるか（Ｓ４およびＳ６）、あるいは、Ｔ_ｉ−Ｔ_０≦Ｔ_{ｕｐｐｅｒ}（Ｓ３：ＮＯ）かつＴ_ｉ−Ｔ_０≧Ｔ_ｌｏｗと判断されると（Ｓ５：ＮＯ）、再度上側セクション５５の温度が温度センサ１１Ａで測定される（Ｓ７）。

測定温度Ｔ_１とセル平均温度Ｔ_０との差の絶対値が、予め定める許容温度Ｔ_ｘよりも大きければ（Ｓ８：ＮＯ）、再度上側セクション５５の温度が温度センサ１１Ａで測定され（Ｓ２）、上記と同様に、上限温度Ｔ_{ｕｐｐｅｒ}および／または下限温度Ｔ_{ｌｏｗｅｒ}との比較（Ｓ３およびＳ５）、および、供給弁２３の開度制御処理（Ｓ４およびＳ６）が行なわれる。

そして、測定温度Ｔ_１とセル平均温度Ｔ_０との差の絶対値が、許容温度Ｔ_ｘ以下（すなわち、｜Ｔ_ｉ−Ｔ_０｜≦Ｔ_ｘになると（Ｓ８：ＹＥＳ）、コントローラ２２では、上側セクション５５が適切な加湿状態であると判断される。

次いで、温度が測定されたセクションの数ｉが、ｉの最大値ｉ_ｍａｘと等しいか否か判別される。この燃料電池システム１では、上側セクション５５の他に、温度が測定されるセクションとして、中間セクション５６および下側セクション５７が設定されているため、ｉ＝ｉ_ｍａｘでないと判断され（Ｓ９：ＮＯ）、各単位セル１０における第２のセクション（ｉ＝１＋１＝２）として、例えば、中間セクション５６がロードされる（Ｓ１０）。

そして、中間セクション５６および下側セクション５７に対して、上記した上側セクション５５に対する燃料ガスの流量制御処理と同様の処理が行なわれると、ｉ＝ｉ_ｍａｘと判別されて（Ｓ９：ＹＥＳ）、当該単位セル１０に対する燃料ガスの流量制御処理が終了となる。

その後は、例えば、燃料ガスの流量制御処理が終了した単位セル１０に隣接する単位セル１０に対して、上記した制御処理が行なわれ、このような処理が、燃料電池２の発電中継続される。

以上のように、本発明の燃料電池システム１では、温度センサ１１Ａ、温度センサ１１Ｂおよび温度センサ１１Ｃにより、各単位セル１０における上側セクション５５、中間セクション５６および下側セクション５７それぞれの温度が測定される。

そして、その測定温度に基づいて、コントローラ２２により、各セクション５５〜５７が乾燥状態、湿潤状態あるいは適切な加湿状態であるか否かが判別され、供給弁２３Ａ〜２３Ｃの開度が適切に制御される。

これによって、各セクション５５〜５７が乾燥状態や湿潤状態である場合でも、上側燃料供給路３８Ａ、中間燃料供給路３８Ｂおよび下側燃料供給路３８Ｃに対して、各セクション５５〜５７を適切な加湿状態にするために、適切な流量の燃料ガスを供給することができるので、各セクション５５〜５７のさらなる乾燥および湿潤を抑制することができる。したがって、各単位セル１０の加湿状態を適切な状態に保つことができる。

また、各単位セル１０が、上側セクション５５、中間セクション５６および下側セクション５７に区別され、さらに、３つの燃料供給路３８（上側燃料供給路３８Ａ、中間燃料供給路３８Ｂおよび下側燃料供給路３８Ｃ）が、これら各セクションそれぞれに振り分けられて設けられている。そのため、各単位セル１０の加湿状態を均一化することができる。したがって、例えば、燃料側セパレータ３４の幅方向の長さを短くすることなどによって、各単位セル１０の面積を小さくして、燃料供給路３８の流路長を短くする必要がない。

そのため、各単位セル１０の出力量を幅広くカバーすることができる。その結果、各単位セル１０の面積を大きくして、セル積層数を低減することができるので、燃料電池２の構造を簡略にすることができる。

また、燃料供給路３８が複数（この実施形態では、３つ）設けられていることにより、燃料側電極３２で生成する水を、各単位セル１０において部分的にパージすることができる。そのため、パージに必要なエネルギーを低減することができる。その結果、ランニングコストを低減することができる。

さらに、通水路４０が、燃料供給路３８と平行に（燃料供給路３８に沿って）形成されており、燃料側セパレータ３４を挟んで燃料供給路３８に対向している。

例えば、通水路４０を流れる冷却水は、発電により加熱された単位セル１０を冷却すると、当該単位セル１０との熱交換により、その温度が上昇する。それゆえ、セルスタック６において、通水孔４７の下流側（排水口１６により近い側）の単位セル１０では、冷却水の温度が上流側（給水口１８により近い側）の単位セル１０に比べて高くなり、単位セル１０全体が乾燥状態になりやすくなる。

しかし、この燃料電池システム１では、燃料電池２における通水路４０が、燃料側セパレータ３４を挟んで燃料供給路３８に対向している。そのため、各単位セル１０の乾燥状態に応じて燃料ガスの流量を制御することによって、セルスタック６の加湿状態を全体的に適切な状態に保つことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
本発明の燃料電池システム１の用途としては、例えば、電動車両、鉄道、船舶、航空機などが挙げられる。

また、前述の実施形態では、燃料側溝３７のみを、３つの上側溝ユニット３７Ａ、中間溝ユニット３７Ｂおよび下側溝ユニット３７Ｃに区別される溝として形成し、これによって、互いに独立した３つ（複数）の燃料供給路として、上側燃料供給路３８Ａ、中間燃料供給路３８Ｂおよび下側燃料供給路３８Ｃを形成したが、例えば、酸素側溝４２についても同様に、３つの溝ユニットに区別される溝として形成し、互いに独立した３つの酸素供給路４３を形成することができる。この場合には、さらに、３つの酸素供給路４３に沿って、通水溝４４を形成することもできる。

また、前述の実施形態では、各単位セル１０を上側セクション５５、中間セクション５６および下側セクション５７の３つのセクションに区別したが、各単位セル１０のセクションは、さらに細分化することもできる。

また、前述の実施形態では、各単位セル１０の乾燥状態および湿潤状態を、温度センサ１１を用いて検出したが、例えば、各単位セル１０に参照電極を設け、当該参照電極から交流を印加することにより行なうインピーダンス法により検出することもできる。また、各単位セル１０に圧電素子を設け、各単位セル１０の温度変化に伴う単位セル１０面内の荷重変化を検出し、これによって各単位セルの温度を検出する方法によって検出することもできる。

また、前述の実施形態では、単位セル１０のセル平均温度Ｔ_０は、温度センサ１１の測定値に基づいて算出したが、例えば、給水口１８付近の冷却水温度と排水口１６付近の冷却水温度との差から、単位セル１０を通過する冷却水の温度上昇率に基づいて算出することもできる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構造を説明するための、一方向の斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構造を説明するための、他方向の斜視図である。図１に示すセルスタックを、Ｌ−Ｌで示される切断線で切断したときの要部断面図である。図１に示すセルスタックの一方向要部分解図である。図１に示すセルスタックの他方向要部分解図である。コントローラにおいて実行される供給弁に対する制御処理の流れ示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
２燃料電池
６セルスタック
１０単位セル
１１温度センサ
２２コントローラ
２３供給弁
３１電解質層
３２燃料側電極
３３酸素側電極
３４燃料側セパレータ
３５酸素側セパレータ
３７燃料側溝
３８燃料供給路
３９通水溝
４０通水路
４２酸素側溝
４３酸素供給路
４４通水溝
５５上側セクション
５６中間セクション
５７下側セクション

Claims

電解質層、この電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極、前記燃料側電極に隣接配置され、前記燃料側電極に燃料を供給する燃料供給路が形成された燃料側セパレータ、および、前記酸素側電極に隣接配置され、前記酸素側電極に酸素を供給する酸素供給路が形成された酸素側セパレータを備える単位セルを有する燃料電池を備え、
前記燃料供給路および前記酸素供給路の少なくとも一方は、複数形成されており、
前記単位セルの乾燥部分を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出に基づいて、各前記燃料供給路および／または各前記酸素供給路に供給する燃料および／または酸素の流量を制御する制御手段と
をさらに備え、
さらに、前記燃料電池は、複数の前記単位セルが積層されたセルスタックを備え、
前記セルスタックには、各前記単位セルを冷却する冷却水路が形成されており、
前記冷却水路は、各前記単位セルにおいて、複数形成されている前記燃料供給路および前記酸素供給路に沿って形成されており、
前記燃料供給路と前記酸素供給路と前記冷却水路とが、前記セルスタックの積層方向において互いに対向するように、平行に形成されている
ことを特徴とする、燃料電池システム。