JPH0992322A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池スタックにおける各セルの電解質膜
の含水量を運転可能な範囲に均一化して、燃料電池の安
定的かつ効率的な稼働を実現する。 【解決手段】 固体電解質の一方の側に燃料ガス（水
素）と反応する電極を、他方の側に酸化剤ガス（空気）
と反応する電極をそれぞれ配した燃料電池セルが複数集
積されてなる燃料電池サブスタック１１、１２を、燃料
電池サブスタック間における燃料ガスおよび酸化剤ガス
の流通を阻止するガス不透過手段１３を介して、複数個
が直列に接合一体化されて構成される燃料電池スタック
１０。燃料ガスおよび酸化剤ガスはそれぞれの燃料電池
サブスタックごとに独立して流通する。酸化剤ガスの流
量が燃料電池スタック全体の両端部において大きく中央
部において小さくなるような酸化剤ガス流量分布を有す
るため、燃料電池スタックの両端部において低く中央部
において高くなるセル温度分布と相殺されて、各セルの
電解質膜の含水量を均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池セルが複数
集積されてなる燃料電池スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池スタックにおける反応ガ
ス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）は、燃料電池スタック
の外側に配置される各反応ガスの供給用マニホールドを
介して各燃料電池セルに供給され、同様に燃料電池スタ
ックの外側に配置される排出用マニホールドを介して外
部に排出される。

【０００３】特に自動車の駆動力源として燃料電池が利
用される場合は、燃料電池スタックの体積が自動車内搭
載スペースとの関係で制約を受けるため、燃料電池スタ
ック中の各セル積層方向の一方または両方の側面にマニ
ホールドを配置して、各セルのガスセパレータの周囲に
形成されたマニホールド孔にマニホールドからの反応ガ
スを導入する方式が一般的に採用されている。

【０００４】一方、自動車の駆動力源としての用途に適
した燃料電池の種類としては、固体高分子電解質型燃料
電池が挙げられる。これは、分子中にプロトン交換基を
有する高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導
性電解質として機能することを利用した燃料電池であっ
て、比較的低温度域で作動し、発電効率も優れている。

【０００５】以上に説明した従来の燃料電池スタックの
構成例が図９ないし図１２に模式的に示されている。

【０００６】図９の構成は、セル２、２…を積層してな
る燃料電池スタック１の積層方向一側面に酸化剤ガスと
しての空気および燃料ガスとしての水素を供給および排
出するための供給空気マニホールド３、排出空気マニホ
ールド４、供給水素マニホールド５および排出水素マニ
ホールド６をそれぞれ配置したものである。各マニホー
ルドには導入口３ａ、４ａまたは排出口５ａ、６ａが設
けられる。この構成においては、空気と水素ガスは互い
に直交する平面においてそれぞれ図１０に示されるよう
な流路パターンで燃料電池スタック１内を流れる。

【０００７】図１１の構成は、セル２、２…を積層して
なる燃料電池スタック１の積層方向一側面に空気および
水素ガスを供給するための供給空気マニホールド３およ
び供給水素マニホールド５を配置するとともに、他側面
には排出空気マニホールド４および排出水素マニホール
ド６を配置したものである。この構成においては、空気
と水素ガスは互いに直交する平面においてそれぞれ図１
２に示されるような流路パターンで燃料電池スタック１
内を流れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、燃料電池ス
タックにおいては、その外側に位置するセルは放熱によ
り比較的作動温度が低く、スタック中央部に位置するセ
ルほど放熱面積が小さくなるため作動温度が高くなる。
すなわち、燃料電池スタック内の温度分布は一般に図５
に示されるようになっている。

【０００９】一方、反応ガス（固体高分子電解質型燃料
電池においては酸化剤ガスは空気、燃料ガスは水素）の
流量についてみると、反応ガスの上流側および下流側に
位置するセル内の反応ガス流量が大きくなり、図９の構
成では図１３、図１１の構成では図１４にそれぞれ示さ
れるような空気流量分布を持つことになる。

【００１０】ところで、燃料電池が固体高分子電解質型
燃料電池（以下ＰＥＭＦＣと称する）の場合、電解質中
の水分がプロトンを一方の電極から他方の電極へ授受す
る媒体となるため、各セルの電解質膜中の水含有量を均
一にして、各セルの電流密度を均一にすることが、燃料
電池スタックにおいて大きな出力を得るために必要とな
る。特に水含有量が過小であると電解質膜が乾燥して電
流密度が大幅に低下する。

【００１１】ここで、各セルの電解質膜中の水含有量
は、該セル内の温度および該セル内を流れる反応ガスの
流量によって大きく影響を受ける。セル内の温度が高い
と電解質膜は乾燥する傾向を持つ。また、反応ガス（特
に空気）の流量が多いセルの電解質膜は、その含有水分
を水蒸気として反応ガスに奪われて乾燥する傾向を持
つ。

【００１２】すなわち、ＰＥＭＦＣスタックにおける各
セルの温度および空気流量が図１５に斜線で示される範
囲にあるときに、各セルの電解質膜の含水量がほぼ均一
化され、ＰＥＭＦＣが運転可能な状態となる。

【００１３】ところが、上記した従来技術の構成では、
図１３の温度分布および図１４または図１５の空気流量
分布から理解されるように、燃料電池スタックの全般に
わたって各セルの電解質膜の含水量を均一化することが
実際上不可能である。たとえば、図９の構成では、マニ
ホールドが配置されていない側に位置するセルは温度も
低く空気流量も少ないため、他のセルに比べて電解質膜
の含水量が大きくなる。

【００１４】このため、従来技術による燃料電池スタッ
クは、図１５に斜線で示される運転可能範囲から外れる
不良セルを有する場合があり、燃料電池スタック全体の
発電効率を大幅に低下させる原因となっていた。

【００１５】従来技術において全セルを運転可能範囲に
収めるために、マニホールドを大型化したり、中央部の
セルを重点的に冷却する等の手法を採用し得るが、装置
の大型化は特に車載用途には致命的な不利となり、また
複雑な制御が要求されるため、有効な解決策とはなり得
ない。

【００１６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は上記した
従来技術の問題点を解消することを目的とし、燃料電池
スタックにおける各セルの電解質膜の含水量に影響を与
える温度分布特性と反応ガス流量分布特性とに鑑みて、
燃料電池スタック内の全部のセルを運転可能範囲に収め
ることを可能とする新規な燃料電池スタックの構成を提
案するものである。

【００１７】すなわち、本発明は、固体電解質の一方の
側に燃料ガスと反応する電極を、他方の側に酸化剤ガス
と反応する電極をそれぞれ配した燃料電池セルが複数集
積されてなる燃料電池サブスタックを、燃料電池サブス
タック間における燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通を阻
止するガス不透過手段を介して、複数個が直列に接合さ
れて一体的に形成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスがそ
れぞれの燃料電池サブスタックごとに独立して流通し、
かつ、酸化剤ガスの流量が燃料電池スタック全体の両端
部において大きく中央部において小さくなるような酸化
剤ガス流量分布を有することを特徴とする燃料電池スタ
ックである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例による固
体高分子電解質型燃料電池スタックの構成を概略的に示
すもので、図９に示される従来方式を本発明に適用した
構成例に関する。

【００１９】すなわち、この燃料電池スタック１０は、
図９のスタック１に相当するものを燃料電池サブスタッ
ク１１、１２として２個用い、これらを図示のように反
応ガスの供給／排出側が外側となるように対向配置し、
ガス不透過性のマニホールド仕切手段１３を介して直列
に積層して構成されている。

【００２０】燃料電池サブスタック１１、１２をそれぞ
れ構成する各単位セル１４は、公知のように、固体高分
子電解質膜の両面にガス拡散電極が接合されてなり、そ
の周囲には図２および図３に示すようなガスセパレータ
１５が配されている。このガスセパレータ１５は、表裏
面にそれぞれ多数の凹溝１６、１７が互いに直交方向に
形成されたガス不透過性材料（緻密カーボングラファイ
ト）よりなるセパレータ板１８が、フェノール樹脂等の
絶縁材料よりなるセパレータ枠１９の内部に収納された
状態で支持されている。セパレータ枠１９にはガスマニ
ホールド２０〜２３が装填されるマニホールド装填口２
４〜２７が開口形成される。

【００２１】燃料電池サブスタック１１において、酸化
剤ガスとしての空気は、空気導入口２０ａから供給空気
マニホールド２０に導入され、各セル１４においてガス
セパレータ１５の一面に設けられる凹溝１６を流れた
後、排出空気マニホールド２１に設けられる空気排出口
２１ａから外部に排出される。一方、燃料ガスとしての
水素ガスは、水素導入口２２ａから供給水素マニホール
ド２２に導入され、各セル１４においてガスセパレータ
１５の他面に設けられる凹溝１７を流れた後、排出水素
マニホールド２３に設けられる水素排出口２３ａから外
部に排出される。これら反応ガスの流路パターンは図１
０に示されるものと同様である。

【００２２】燃料電池サブスタック１２における反応ガ
スの流れは燃料電池サブスタック１１におけるものと反
対であり、空気および水素ガスはそれぞれ図１０に示さ
れる流路パターンとは反対方向に流れる。

【００２３】燃料電池サブスタック１１および１２の間
に配置されるガス不透過性のマニホールド仕切手段１３
は、本実施例では、上記したと同様に固体高分子電解質
膜の両面にガス拡散電極が接合されてなる単セルの周囲
にマニホールド仕切板２８を設けて一体化したものが用
いられている。

【００２４】マニホールド仕切板２８の一例が図４に示
される。このマニホールド仕切板２８は、各セルに用い
られるガスセパレータ１５と概ね同様の構成を有する
が、そのセパレータ枠２９にはマニホールド装填口は形
成されず、代わりに、セパレータ板３０における凹溝３
１と連通する凹部３３が設けられている。凹部３３に代
えて凹溝３１と連通する溝を設けてもよい。

【００２５】このため、燃料電池サブスタック１１、１
２において供給マニホールド２０、２２から供給される
反応ガスは、マニホールド仕切板２８を越えて反対側の
燃料電池サブスタック１２、１１に流れ込むことがな
い。

【００２６】すなわち、この燃料電池スタック１０にお
ける空気流路パターンは図５に示すものとなる。したが
って、この燃料電池スタック１０における空気流量分布
および温度分布は併せて図５に示す通りであって、両端
部近くは空気流量が多いが温度が低く、マニホールド仕
切板２８に近い中央部では温度が高いが空気流量が少な
くなる。このため、燃料電池スタック１０全体として見
た場合には各セル１４の固体高分子電解質膜の湿潤状態
が均一化され、特別な制御を必要とすることなしにすべ
てのセル１４が運転可能範囲（図１５の斜線範囲）に収
められ、発電効率を最大限に発揮することができる。

【００２７】図６は本発明の他の実施例による固体高分
子電解質型燃料電池スタックの構成を概略的に示すもの
で、図９に示される従来方式を本発明に適用した構成例
に関する。

【００２８】すなわち、この燃料電池スタック３０は、
図９のスタック１に相当するものを燃料電池サブスタッ
ク３１、３２として２個用い、これらを図示のように反
応ガスの供給側を内側、反応ガスの排出側を外側として
対向配置し、燃料電池サブスタック３１、３２相互間の
ガス流通がなされないように各供給マニホールド２０、
２２を介して直列に積層して構成されている。

【００２９】供給空気マニホールド２０および供給水素
マニホールド２２に通ずる導入口２０ａ、２２ａは、図
７に示すように、各燃料電池サブスタック３１、３２に
向けて空気および水素ガスを導入する単一の導入口２０
ａ、２２ａとすることができる。

【００３０】図６および図７に示される燃料電池スタッ
ク３０における空気流路パターンは図８に示すものとな
る。したがって、この燃料電池スタック３０における空
気流量分布および温度分布は併せて図８に示す通りであ
って、両端部近くは空気流量が多いが温度が低く、反応
ガス供給マニホールド２０、２２に近い中央部では温度
が高いが空気流量が少なくなる。このため、燃料電池ス
タック３０全体として見た場合には各セル３４の固体高
分子電解質膜の湿潤状態が均一化され、特別な制御を必
要とすることなしにすべてのセル３４が運転可能範囲
（図１５の斜線範囲）に収められ、発電効率を最大限に
発揮することができる。

【００３１】なお、いずれの実施例においても、燃料電
池スタック１０、３０の両端部において過剰の空気流量
によりセル１４、３４内の電解質膜がドライ状態となら
ないように、ブロアまたはコンプレッサからの供給空気
マニホールド導入口２０ａに対する空気供給量を調節す
ることが好ましい。

【００３２】また、燃料電池サブスタックを２個用いた
燃料電池スタックについて説明したが、より多くの個数
の燃料電池サブスタックを用いてもよい。各燃料電池サ
ブスタックにおけるセル数も任意である。

【００３３】

【実施例】図１に示す構成の燃料電池スタック１０にお
いて、各燃料電池サブスタック１１、１２をそれぞれ２
０個のセル１４の集積体とし、空気流量を６０〜１２０
０リットル／分、水素流量を約６リットル／分として運
転した場合に、燃料電池スタック１０全体として出力５
００Ｗが得られた。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池集積体におけ
る温度分布特性と反応ガス流量分布特性とを利用するこ
とにより、マニホールドを大型化したり、外部からの複
雑な水分コントロールを行うことを必要とせずに、燃料
電池スタック内の全セルの含水量を運転に適した状態に
均一化して維持することができるため、燃料電池の安定
的かつ効率的な稼働が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による燃料電池スタックの構
成を概略的に示す斜視図である。

【図２】図１の燃料電池スタックに用いられるガスセパ
レータの一面を示す平面図である。

【図３】同ガスセパレータの他面を示す平面図である。

【図４】図１の燃料電池スタックに用いられるマニホー
ルド仕切板の正面図である。

【図５】図１の燃料電池スタックにおける空気流路パタ
ーン、空気流量分布およびセル温度分布を示す相関図で
ある。

【図６】本発明の他の実施例による燃料電池スタックの
構成を概略的に示す斜視図である。

【図７】図６の実施例の変形例を概略的に示す斜視図で
ある。

【図８】図６または図７の燃料電池スタックにおける空
気流路パターン、空気流量分布およびセル温度分布を示
す相関図である。

【図９】従来の燃料電池スタックの構成例を概略的に示
す斜視図である。

【図１０】図９の燃料電池スタックにおける反応ガスの
流路パターンを示す図である。

【図１１】従来の燃料電池スタックの他の構成例を概略
的に示す斜視図である。

【図１２】図１１の燃料電池スタックにおける反応ガス
の流路パターン図である。

【図１３】図９の燃料電池スタックにおける空気流量の
分布図である。

【図１４】図１１の燃料電池スタックにおける空気流量
の分布図である。

【図１５】燃料電池スタックの運転可能範囲を空気流量
とセル温度の相関として示す図である。

【符号の説明】

１０、３０ 燃料電池スタック １１、１２、３１、３２ 燃料電池サブスタック １３ マニホールド仕切手段 １４、３４ セル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質の一方の側に燃料ガスと反
   応する電極を、他方の側に酸化剤ガスと反応する電極を
   それぞれ配した燃料電池セルが複数集積されてなる燃料
   電池サブスタックを、燃料電池サブスタック間における
   燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通を阻止するガス不透過
   手段を介して、複数個が直列に接合されて一体的に形成
   され、燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれの燃料電池
   サブスタックごとに独立して流通し、かつ、酸化剤ガス
   の流量が燃料電池スタック全体の両端部において大きく
   中央部において小さくなるような酸化剤ガス流量分布を
   有することを特徴とする燃料電池スタック。