(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を２つの電極で挟持する単電池と、
前記単電池の片側の表面に接して設けられ、前記２つの電極の内の一方の電極に燃料ガスを与える燃料ガス通路を有するセパレータと
を備え、前記燃料ガスに含まれる湿度によって前記電解質への加湿がなされる固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータの前記単電池のある側と反対側の面に冷却水通路を備えるとともに、
前記燃料ガス通路は、
前記冷却水通路によって前記単電池の前記表面に発生する温度勾配の高温部から低温部に向かう方向に流路を定めた構成
であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の固体高分子型燃料電池であって、
さらに、
前記単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他方の電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備える固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池であって、
さらに、
前記燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧を検出する検出手段と、
該検出手段で検出された水蒸気分圧が所定値を下回ったときに、前記冷却水通路の流量を増大して前記単電池の温度を低下させる制御手段と
を備える固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池であって、
前記冷却水通路は、前記燃料ガスの流れ方向に対して直交する方向に流路を定めた構成である固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電解質を２つの電極で挟持する単電池に燃料ガス通路を沿わした固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、燃料電池の一つである固体高分子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわれる。
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００３】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態（Ｈ＋・ｘＨ２Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移動する。この反応を連続して行なうには、電解質膜を飽和含水させる必要があり、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしまう。そこで、一般的には、アノードもしくはカソードに供給する反応ガス（水素ガスまたは酸素ガス）を加湿することにより、電解質膜の含水率を高める構成がとられていた。
【０００４】
ところで、こうした燃料電池では、通常、電解質膜とアノードおよびカソードとからなる単電池の表面に沿わして冷却媒体の通路が設けられていることから、単電池の表面に、冷却媒体の通路の入口側で低く、出口側で高いといった温度勾配が発生した。電解質膜が飽和含水状態で保持する水の飽和水蒸気圧には温度依存性があることから、単電池の面内の湿度がその温度勾配に依存して不均一になるという不具合が生じた。そこで、この不具合を解消する燃料電池として、単電池の表面の温度分布の低い部分側から反応ガスを流入し、面内の温度分布の高い部分側から反応ガスを排出するように、反応ガス通路方向を定めた構成が提案されていた（特開平５−１４４４５１号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池では、カソード側においては水が生成されることから、単電池の面内の湿度を確かに均一に保つことができるが、これに対して、アノード側において上述した構成をとっても、単電池面内の湿度を均一に保つことができない。というのは、アノード側では、電極反応により水が吸収されるのみで、前述したような生成水による作用がないためであり、この結果、単電池面内の湿度を均一に保つことができず、電解質膜の加湿状態にアンバランスを生じさせていた。そのため、加湿不足領域では電池反応が低下し、加湿が良好な領域では電池反応が集中化してしまい、結果的に出力が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
この発明の固体高分子型燃料電池は、こうした問題点に鑑みてなされたもので、単電池の面内の湿度をより確実に均一に保つことで、電池性能の向上を図ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成すべく、前記課題を解決するための手段として、以下に示す構成をとった。
【０００８】
即ち、本発明の固体高分子型燃料電池は、
電解質を２つの電極で挟持する単電池と、
前記単電池の片側の表面に接して設けられ、前記２つの電極の内の一方の電極に燃料ガスを与える燃料ガス通路を有するセパレータと
を備え、前記燃料ガスに含まれる湿度によって前記電解質への加湿がなされる固体高分子型燃料電池において、
前記セパレータの前記単電池のある側と反対側の面に冷却水通路を備えるとともに、
前記燃料ガス通路は、
前記冷却水通路によって前記単電池の前記表面に発生する温度勾配の高温部から低温部に向かう方向に流路を定めた構成
であることを、その要旨としている。
【０００９】
こうした固体高分子型燃料電池において、さらに、前記単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他方の電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備えるように構成してもよい。また、前記燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧を検出する検出手段と、該検出手段で検出された水蒸気分圧が所定値を下回ったときに、前記冷却水通路の流量を増大して前記単電池の温度を低下させる制御手段とを備えるように構成してもよい。さらに、前記冷却水通路は、前記燃料ガスの流れ方向に対して直交する方向に流路を定めた構成としてもよい。
【００１０】
【作用】
燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の相対湿度は、電解質膜への水蒸気の消費によって燃料ガス通路の出口側に向かうにつれ徐々に低下するが、請求項１記載の発明のように、単電池の表面の高温部から低温部に向かう方向に燃料ガスを流すことにより、その温度の低下に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これにより、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対して均一にできる。この結果、上記電解質膜への水蒸気の消費による相対湿度の低下が抑えられ、単電池の燃料極側の表面における相対湿度は均一となる。
【００１１】
請求項２記載の発明のように、酸化ガス通路を、燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めた構成とすることで、酸化ガスは単電池の表面の低温部から高温部に向かう方向に流れる。このため、酸化ガス通路を流れる酸化ガスは電気反応による生成水を吸収していくことによって徐々に水蒸気分圧が高まっていくが、それに合わせて単電池の温度も上がるため、相対湿度の上昇は抑制される。この結果、電池反応によって発生した生成水は酸化ガスによってスムーズに排出され、フラッデイング等による反応低下が抑制できる。
【００１２】
請求項３記載の固体高分子型燃料電池によれば、検出手段により検出された燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が所定値を下回ったときに、制御手段により冷却水通路の流量が増大されて単電池の温度が低下する。このため、何らかの原因で電解質が急激に乾燥状態となり、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が低下した場合に、その水蒸気分圧の低下に応じて単電池の温度の低下が可能となり、電解質が湿潤状態に復帰される。
【００１３】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例を適用した固体高分子型の燃料電池１のセル構造の模式図、図２は、その分解斜視図である。これらの図に示すように、燃料電池１は、そのセル構造として、電解質膜１０と、この電解質膜１０を両側から挟んでサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード２０およびカソード３０と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつ燃料ガスの流路溝４０および酸化ガス（酸素含有ガス）の流路溝５０を形成するセパレータ６０，７０とを備える。なお、図１には、電解質膜１０，アノード２０およびカソード３０からなる単電池を１つだけ示したが、実際は、セパレータ６０，アノード２０，電解質膜１０，カソード３０，セパレータ７０の順に単電池を複数個積層して固体高分子型燃料電池を構成する。
【００１５】
また、燃料電池１は、積層した単電池間、詳細には一方側のセパレータ７０と他方側のセパレータ６０との間に、冷却水（温調水）の流路溝８０を形成する冷却板９０が介装されている。なお、この実施例では、単電池間に必ず一個の冷却板９０が設けられているが、これに換えて、単電池を複数個（例えば、３〜８個）積み重ねるごとに一個の冷却板９０を設けた構成としてもよい。
【００１６】
電解質膜１０は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。アノード２０およびカソード３０は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、このカーボンクロスには、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれている。
【００１７】
セパレータ６０は、カーボンを圧縮して不透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。セパレータ６０には、その一方面にリブが形成されており、このリブとアノード２０の表面とで前記燃料ガスの流路溝４０を形成している。また、セパレータ７０の一方面にもリブが形成されており、このリブとカソード３０の表面とで前記酸化ガスの流路溝５０を形成している。なお、これら燃料ガス流路溝４０と酸化ガス流路溝５０とは、互いに平行となっている。
【００１８】
燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて次に説明する。図２に示すように、燃料ガス源（図示せず）から供給された燃料ガスＧ１は、セパレータ６０の外郭フレームに形成された吸気マニホールド（図示せず）を介して燃料ガス流路溝４０の各流路方向に分岐され、燃料ガス流路溝４０の各流路を図中、ｙ方向に流される。その後、燃料ガスＧ１は排気マニホールドを介して一旦集められて装置外部に排出される。一方、酸化ガス源（図示せず）から供給された酸化ガスＧ２は、セパレータ７０の外郭フレームに形成された吸気マニホールド（図示せず）を介して酸化ガス流路溝５０の各流路方向に分岐され、酸化ガス流路溝５０の各流路を図中、−ｙ方向に流される。その後、酸化ガスＧ２は排気マニホールドを介して一旦集められて装置外部に排出される。
【００１９】
冷却板９０は、セパレータ６０と同じ素材により形成されている。冷却板９０には、セパレータ６０，７０と同様に、その一方面にリブが形成されており、このリブとセパレータ７０の表面（酸化ガス流路溝５０が形成されている面と反対側の面）とで温調水の流路溝８０を形成している。この流路溝８０は、複数本の流路から構成され、その方向は燃料ガス流路溝４０と酸化ガス流路溝５０に対して直交する方向である。これら流路の間隔は両端ほど狭く中央部に向かって徐々に大きくなるように形成されている。複数本の流路は、２系統の流路８０ａ，８０ｂに区別することができ、片側半分に位置する流路８０ａには、第１の温度Ｔ１の温調水Ｗ１（図２）が流され、他方側半分に位置する流路８０ｂには、第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２の温調水Ｗ２（図２）が流される。第１の温度Ｔ１は、燃料電池１の最適作動温度に近い値であり、例えば８０［℃］である。第２の温度Ｔ２は、例えば７０［℃］である。
【００２０】
こうした構成の冷却板９０では、前記温調水Ｗ１，Ｗ２の温度差と流路溝８０の溝間隔の差から、片側端部９０ａで最も高い温度Ｔ１、即ち、燃料電池の作動温度にほぼ等しい温度となり、その後、図中ｙ方向に移行するにつれ徐々に小さくなり、他方側端部９０ｂで最も低い温度Ｔ２となる。なお、冷却板９０により単電池に過度な温度勾配を設けると、触媒反応速度の不均一を招くため、単電池内の温度差は、２０［℃］以下が望ましいことから、本実施例では、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差は２０［℃］以下、具体的には１０［℃］となっている。
【００２１】
以上のように構成された燃料電池１では、冷却板９０により、電解質膜１０，アノード２０およびカソード３０からなる単電池の表面に、図３のグラフに示すように、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで徐々に低下する温度勾配が発生する。燃料ガス流路溝４０は、温度Ｔ１である高温部側にその入口が、温度Ｔ２である低温部側にその出口が位置している。このため、燃料電池１では、燃料ガス流路溝４０を流れる燃料ガスについて、その温度の低下に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これにより、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対して均一にできる。燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の相対湿度は、電解質膜１０への水蒸気の消費によって燃料ガス通路の出口側に向かうにつれ徐々に低下するはずであるが、上述したように均一にすることができることから、電解質膜１０への水蒸気の消費による相対湿度の低下を抑えて、図３の２点鎖線に示すように、アノード２０の表面における相対湿度を均一とすることができる。従って、電解質膜１０への加湿を均一に行なうことができ、その結果、単電池での電気化学反応は安定したものなり、電池性能の向上を図ることができる。
【００２２】
また、前記燃料電池１では、酸化ガス流路溝５０中の酸化ガスは、燃料ガス流路溝４０中の燃料ガスと対向する方向に流されていることから、酸化ガスは単電池の表面の低温部から高温部に向かう方向に流れることになる。このため、酸化ガス流路溝５０を流れる酸化ガスは電気反応による生成水を吸収していくことによって徐々に水蒸気分圧が高まっていくが、それに合わせて単電池の温度も上がるため、相対湿度の上昇は抑制される。この結果、電池反応によって発生した生成水は酸化ガスによってスムーズに排出され、フラッデイング等による反応低下が抑制でき、単電池の出力を安定化させることができる。
【００２３】
なお、前記第１実施例の燃料電池１では、温度の相違する２系統の温調水を用い、冷却板９０の流路溝８０の間隔を中央部程広くする構成としたが、これに換えて、一の温調水を用いて、冷却板９０の流路溝を片側端部９０ａから他方側端部９０ｂに向かって徐々に広くするように構成してもよい。この構成により、第１実施例と同様に、冷却板９０の表面に温度勾配を発生させることができ、ひいては、単電池表面に温度勾配を発生させることができる。また、前記第１実施例では、セパレータ６０と冷却板９０とは別体のものを固着して使用していたが、これに換えて、両者を一体化して構成してもよい。
【００２４】
また、前記第１実施例の燃料電池１では、冷却板９０の流路溝８０の間隔を中央部程広くする構成としたが、これに換えて、２系統の温調水を、燃料電池１の最適作動温度よりも低いもの（冷却水）とした場合、次のように構成することもできる。温調水が６０［℃］および５０［℃］といった最適作動温度よりも低い温度の場合、冷却板９０の流路溝８０の間隔が密な部分ほど温度が下がる傾向になるため、第１実施例と同様な図３に示した温度勾配を発生させるには、第１系統の流路８０ａを、第２系統の流路８０ｂと同様に、図２においてはｙ軸の正の方向に流路溝８０の間隔が狭くなるようにした方がよい。
【００２５】
次に、本発明の第２実施例を説明する。この実施例は、第１実施例と同じ構成の燃料電池（本体）１を備えた上で、冷却板９０の流路溝８０に供給する第１および第２の温調水Ｗ１，Ｗ２の温度を調節可能としたものである。詳しくは、図４の概略構成図に示すように、冷却板９０の流路溝８０の片側流路８０ａに第１の循環流路１００を接続し、流路溝８０の他方側流路８０ｂに第２の循環路２００を接続し、両循環路１００，２００の途中に、ファン１１０，２１０を備えたラジエター１２０，２２０と循環ポンプ１３０，２３０とをそれぞれ設けた。循環ポンプ１３０，２３０は、外部からの制御信号を受けて循環量を制御可能なタイプである。さらに、この実施例では、燃料ガス流路溝４０の出口側のマニホールド内に設けられ、その出口側の水蒸気分圧を検出する湿度センサ３００が設けられている。この湿度センサ３００と循環ポンプ１３０，２３０は電子制御ユニット（ＥＣＵ）４００に接続される。
【００２６】
ＥＣＵ４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するＣＰＵ４１０、ＣＰＵ４１０で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ４２０、同じくＣＰＵ４１０で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ４３０、湿度センサ３００からの出力信号を入力する入力回路４４０と、ＣＰＵ４１０での演算結果に応じて循環ポンプ１３０，２３０に制御信号を出力する出力回路４５０等を備えている。
【００２７】
こうした構成のＥＣＵ４００のＣＰＵ４１０よって、湿度センサ３００で検出された水蒸気分圧に応じて、循環ポンプ１３０，２３０が制御されることにより、冷却板９０を流れる温調水の温度が調整される。
【００２８】
次に、ＣＰＵ４１０により実行される温調水温制御処理について、図５のフローチャートに沿って説明する。この制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ４１０は、まず、湿度センサ３００から燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧ＰＲを読み込む（ステップＳ５００）。次いで、その水蒸気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ０（ガス流量、または要求出力値に応じて設定される値である）より低い値か否かを判定し（ステップＳ５１０）、ここで、肯定判定されると、第１および第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転数を上昇する処理を行なう（ステップＳ５２０）。第１および第２の循環ポンプ１３０，２３０は、燃料電池１の定常運転時には、所定の回転数ｎ１，ｎ２（ｎ１，ｎ２は正の値）でそれぞれ運転されるが、ステップＳ５２０では、この回転数をｎ１＋ｎ０，ｎ２＋ｎ０（ｎ０は正の値）にそれぞれ上昇する。
【００２９】
ステップＳ５２０の実行後、または、ステップＳ５２０で、否定判定、即ち、水蒸気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ０以上であると判定された場合には、処理はステップＳ５３０に進む。ステップＳ５３０では、水蒸気分圧ＰＲが圧力Ｐ０よち高い所定の圧力Ｐ１を越えたか否かを判定する。ここで、肯定判定されると、第１および第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転数を定常運転時の回転数ｎ１，ｎ１に復帰する処理を行なう（ステップＳ５４０）。その後、「リターン」に進み、このルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ５２０で、否定判定、即ち、水蒸気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ１に達していないと判定された場合にも、「リターン」に進み、このルーチンの処理を一旦終了する。
【００３０】
こうして構成された温調水温制御ルーチンによれば、燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ０より低下すると、第１および第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転数が定常運転時の回転数ｎ１，ｎ２から所定回転数ｎ０だけそれぞれ高められる。このため、冷却板９０の流路溝８０を流れる温調水の温度は第１系統，第２系統共、それぞれ低下することになり、この結果、燃料ガス流路溝４０および酸化ガス流路溝５０を流れる各ガス中の飽和水蒸気量が減少して、ガス中の湿度が高くなる。従って、この第２実施例では、何らかの原因で電解質膜１０が急激に乾燥状態となり、湿度センサ３００で検出された燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧が所定値Ｐ１以下に低下した場合に、燃料ガス流路溝４０を流れる燃料ガスおよび酸化ガス流路溝５０を流れる酸化ガス中の湿度を高めることができ、その結果、電解質膜１０を湿潤状態に確実に復帰させることができる。よって、電池性能の向上を図ることができる。
【００３１】
なお、循環路中に電気式ヒータを配し、水蒸気分圧ＰＲが大きくなりすぎ、即ち、余剰に加湿されているような場合には、その電気式ヒータを作動させ、逆に相対湿度を下げるように制御することを可能である。また、その場合、その電気式ヒータを始動時に作動させ、燃料電池の始動特性を向上させるようにしてもよい。
【００３２】
前述した循環ポンプ１３０，２３０の制御では、両循環ポンプ１３０，２３０を共に制御したが、燃料ガスの出口側のポンプ２３０のみ制御するようにしてもよい。また、湿度センサを入口側にも追加し、両循環ポンプ１３０，２３０を個別に制御してもよい。さらには、ファン１１０，２１０の回転数を制御することによって温度制御することも可能である。
【００３３】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体高分子型燃料電池では、単電池の表面の高温部から低温部に向かう方向に燃料ガスを流すことにより、単電池の電解質への加湿を均一なものとすることができる。その結果、単電池での電気化学反応は安定したものとなり、電池性能の向上を図ることができる。
【００３５】
また、酸化ガスの流れ方向を燃料ガスの流れ方向に対向させることにより、酸化ガスの電極側からも単電池の電解質への加湿の均一化を図ることができる。その結果、単電池での電気化学反応は安定したものとなり、より一層の電池性能の向上を図ることができる。
【００３６】
さらに、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が低下した場合に単電池の温度を低下することにより、不足の事態における単電池の急激な乾燥を抑えることができ、電池性能の向上をより一層図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を適用した燃料電池１のセル構造の模式図である。
【図２】そのセル構造の分解斜視図である。
【図３】燃料ガス流路溝４０の位置に対する単電池表面の温度勾配と電解質膜１０の相対湿度との変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施例の全体構成を示す概略構成図である。
【図５】電子制御ユニット４００で実行される温調水温制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池
１０…電解質膜
２０…アノード
３０…カソード
４０…燃料ガス流路溝
５０…酸化ガス流路溝
６０…セパレータ
７０…セパレータ
８０…流路溝
９０…冷却板
１００…第１の循環流路
１１０…ファン
１２０…ラジエター
１３０…第１の循環ポンプ
２００…第２の循環路
２１０…ファン
２２０…ラジエター
２３０…第２の循環ポンプ
３００…湿度センサ
４００…電子制御ユニット
４１０…ＣＰＵ
４２０…ＲＯＭ
４３０…ＲＡＭ
４４０…入力回路
４５０…出力回路
Ｇ１…燃料ガス
Ｇ２…酸化ガス
ＰＲ…水蒸気分圧
Ｔ１…第１の温度
Ｔ２…第２の温度
Ｗ１…第１の温調水
Ｗ２…第２の温調水
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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