(57)【要約】【課題】頻繁な出力変更があっても安定した発電性能と熱回収性能および耐久性を維持する燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質膜と、一対の電極と、一対の導電性セパレータと、セパレータが形成する流路を外部や他の流路から密閉するシール材とガスのショートカットを防止するシール材と一体となった枠体とを含む単電池セルを、複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池を提供する。一の単電池セルと、それに隣接する単電池セルとの間に、冷却水を流すための冷却水路があり、前記冷却水路を通過する前の冷却水が流れるマニホールドＸおよび前記冷却水路を通過した後の冷却水が流れるマニホールドＹが、前記枠体の積層体の内部を貫通している一つのマニホールドに、隔壁を介して隣接している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極と、一方の電極に燃料ガスを供給・排出するためのガス流路を有するセパレータおよび他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するためのガス流路を有するセパレータからなる一対の導電性セパレータと、前記セパレータが形成する流路を外部や他の流路から密閉するシール材とガスのショートカットを防止するシール材と一体となった枠体とを含む単電池セルを、複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池であって、
一の単電池セルと、それに隣接する単電池セルとの間に、冷却水を流すための冷却水路を更に有し、
前記冷却水路を通過する前の冷却水が流れるマニホールドＸおよび前記冷却水路を通過した後の冷却水が流れるマニホールドＹが、前記枠体の積層体を貫通しており、互いに隣接している、燃料電池。
【請求項２】
前記マニホールドＸと前記マニホールドＹとが、一つのマニホールドに板状の隔壁を介して互いに隣接している、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記マニホールドＸと前記マニホールドＹとが螺旋状であり、かつ前記隔壁を介して隣接している、請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
一方の電極に燃料ガスを供給・排出するためのガス流路を有するセパレータは、燃料ガスマニホールドと、前記燃料ガスを供給・排出するためのガス流路と前記燃料ガスマニホールドとを連絡する燃料ガス導入部と、をさらに有し、
前記マニホールドＹを通過した後の冷却水が流れるマニホールドＺが、前記枠体の積層体を貫通しており、前記燃料ガス導入部の近傍を通過する、請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させる。基本構成として、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および前記高分子電解質膜を挟む一対の電極を含む。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、および触媒層の外側に形成され通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層とを含む。
【０００３】
供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種のガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と称する。ＭＥＡの外周には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡどうしを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータが配置される。
【０００４】
セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るための流路が形成される。流路はセパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に形成した溝を流路とするのが一般的である。
【０００５】
燃料電池は、運転中に発熱するため、電池を良好な温度状態に維持するために冷却水で冷却する必要がある。通常、１〜３単電池毎に冷却水を流す冷却部が設けられる。冷却部は、セパレータとセパレータとの間に挿入されるか、セパレータ板の背面に冷却水路として設けられるが、後者が多く利用される。
【０００６】
ＭＥＡとセパレータ板および冷却部を、交互に１０〜２００単電池分積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００７】
このように、単電池を積層して直列に接続する構造を持つ燃料電池（燃料電池スタック）では、正極側の端部に位置する単電池の正極セパレータと、負極側の端部に位置する負極セパレータとから、電力をインバーターなどの電子機器を使って取り出す。取り出した電力を、電力負荷（たとえば照明や空調設備などの電化製品）に供給する。それとともに、燃料電池を通過することで高温となった冷却水から熱を回収し、必要時に利用できるように貯湯槽に貯めておいて、熱負荷（たとえば給湯機器や床暖房などの熱利用機器）に供給できるようにする。このようなシステムが、燃料電池コージェネレーションシステムとして知られている。
【０００８】
このような燃料電池コージェネレーションシステムでは利用者が要求する電力負荷や熱負荷に応じて発電を行い、電力負荷、熱負荷ともにできるだけロスがなく高い総合効率を達成することが求められている。
【０００９】
燃料電池内の反応は発熱を伴う電気化学反応であるので、ＭＥＡ内の温度が触媒活性温度に維持されるよう、反応部の温度を調整する必要がある。燃料電池が十分に冷却されないと、ＭＥＡの温度が上昇して高分子膜から水分が蒸発する。その結果、高分子膜の劣化が促進されてＭＥＡの耐久性が低下したり、高分子膜の電気抵抗が増大してＭＥＡの起電力が低下したりすることが知られている。
【００１０】
一方で、燃料電池を必要以上に冷却すると、燃料ガスや酸化剤ガスの温度が露点を下回ることがある。露点を下回ると結露水が発生し、この結露水がセパレータのガス流路に表面張力により付着する。この付着が甚だしくなり、ガスの動圧で吹き飛ばせなくなると、付着水によりガス流路が閉塞され、フラッディングという現象が発生する。その結果、電気出力が不安定となり電池性能を低下させ最悪の場合転極に至り、さらに転極が度重なると発電不可能となりかねない、という問題があることが知られている。
【００１１】
さらに、単電池を複数個積層した燃料電池スタックでは、燃料電池の定常運転状態において、積層方向の両端部に位置する単電池の温度が、積層方向の中央部に位置する単電池の温度と比べて低くなる。そのため、積層型燃料電池の性能低下を招来するという問題がある。その理由は下記の通りである。
【００１２】
燃料電池スタックにおける各単電池の温度は、発電により発生する熱と、冷却水で回収される熱と、外気への放熱とで決定される。このうち、発電により発生する熱と冷却水で回収される熱とは、積層方向全ての単電池に亘ってほぼ均一になるよう調整することが可能である。つまり、各単電池のＭＥＡにおける触媒量と、ガス経路の圧損を均一化することによりガス量がほぼ均一となるように製作すれば発電により発生する熱を均一化することができる。各単電池の冷却水経路の圧損を均一化することにより冷却水量をほぼ均一となるように製作すれば冷却水で回収される熱を均一化することができる。
【００１３】
しかしながら、燃料電池スタックにおける各単電池の放熱を均一化するのは困難である。積層方向の中央部に位置する単電池は、積層方向の両隣に他の単電池がほぼ同温度で発電状態にあるので積層方向への放熱は僅少である。つまり、主な放熱は積層方向と直交する方向、つまりセパレータやＭＥＡなど積層する部品の厚み方向の端面からのものである。そのため、積層方向の中央付近に位置する単電池からの放熱量は、ほぼ均一である。
【００１４】
しかしながら、積層方向の最端部に位置する単電池は、片方の隣には発熱する部材がないため、積層面から集電板や端板を通じて積層方向へ放熱する熱量が多くなる。従って、積層方向の両端部の温度が積層方向の中央部に比べて低下するという問題が発生する。
【００１５】
このように、燃料電池スタックにおける各単電池は一定の触媒活性化温度に維持される必要があるにも係わらず、積層方向中央の単電池に比べて端部の単電池の温度が低くなるという問題があった。つまり、単電池が複数個積層された燃料電池スタック全体の温度を、適正な反応温度に維持することは困難であった。
【００１６】
そこで、燃料電池スタックにおける各単電池の温度の不均一性を抑制し、かつ、総合効率の低下を抑制する燃料電池の構造が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−３３５２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
近年の燃料電池の開発において、前述した総合効率（電力の取り出し効率と熱回収効率）の向上に加えて、負荷変動への耐性を向上させることが求められている。つまり、各種のフィールドテストや市場での稼働状況の調査の結果、頻繁な出力変更があっても安定した発電性能と熱回収性能および耐久性を維持する燃料電池が求められている。
【００１９】
燃料電池の出力変更のうち、燃料電池を低出力状態から高出力状態に変更する場合には、１）第一番目に燃料ガスと酸化剤ガスの供給量を増加させ、２）第二番目に冷却水を増加させ、３）最後にインバーター電流を増加させる必要がある。仮に、燃料ガスと酸化剤ガスの供給量を増加させる前にインバーター電流を増加させると、ガス不足による電圧低下が発生し、最悪の場合転極に至ってしまう。また、仮に、冷却水の増加の前にインバーター電流を増加させると、急激な発熱により電池の平均温度が上昇し触媒劣化を促進し、耐久性を低下さるからである。
【００２０】
このように冷却水の流量は、燃料電池が高出力状態に達する前に、高出力状態に適応した量に増やす必要がある。そのため、燃料電池を低出力状態から高出力状態に変更しようとするときに、燃料電池の単電池の平均温度は一時的に低下する。その結果、電池の発電領域内の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路内で結露が発生し、フラッディングによる電圧低下、電圧振動に至るという問題があることが、最近の調査で明らかになった。さらにこの現象は、燃料電池システムが外気の影響を受けやすい冬季において顕著であることもわかってききた。
【００２１】
本発明は、前記の総合効率低下の抑制と、出力変更の際に発生しやすい不安定状態の回避とを両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極と、一方の電極に燃料ガスを供給・排出するためのガス流路を有するセパレータおよび他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するためのガス流路を有するセパレータからなる一対の導電性セパレータと、前記セパレータが形成する流路を外部や他の流路から密閉するシール材とガスのショートカットを防止するシール材と一体となった枠体とを含む単電池セルを、複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池に関する。本発明の燃料電池は、一の単電池セルと、それに隣接する単電池セルとの間に、冷却水を流すための冷却水路を更に有する。前記冷却水路を通過する前の冷却水が流れるマニホールドＸおよび前記冷却水路を通過した後の冷却水が流れるマニホールドＹが、前記枠体の積層体を貫通しており、互いに隣接している。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池の出力を低出力状態から高出力状態に変更するために、冷却水の流量を高出力に応じた量に増加させたときに、大量の低温の冷却水が単電池内に流入して発電領域の平均温度が低下するという問題が発生することを抑制する。そのため、発電領域のガス流路における結露水の発生を抑制でき、結露水による流路閉塞のための電圧不安定現象（フラッディング現象）を発生しにくくすることができる。
【００２４】
本発明の燃料電池においては、発電領域通過後の冷却水マニホールド内の高温冷却水が、発電領域通過前の冷却水マニホールド内の低温冷却水を加温している。この加温は、元来断熱された燃料電池内で行われるので、新たな断熱のための部材やエネルギー源を必要とする機器は不要であり、燃料電池システムとしての総合効率低下の抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】実施の形態１の燃料電池における単電池の斜視図
【図１Ｂ】実施の形態１の燃料電池における単電池の分解斜視図
【図２】実施の形態１の燃料電池における、単電池の積層後の燃料電池スタックの斜視図
【図３】実施の形態１の燃料電池における、ＭＥＡ一体シールの冷却水補助マニホールドの周辺の部分拡大図
【図４Ａ】実施の形態１の燃料電池における端板の上面図
【図４Ｂ】実施の形態１の燃料電池における端板の上面図
【図５】実施の形態２の燃料電池における、ＭＥＡ一体シールの冷却水補助マニホールドの周辺の部分拡大図
【図６Ａ】実施の形態３の燃料電池における単電池の斜視図
【図６Ｂ】実施の形態３の燃料電池における単電池の分解斜視図
【図７】実施の形態３の燃料電池における、単電池の積層後の燃料電池スタックの斜視図
【図８Ａ】実施の形態３の燃料電池における端板の上面図
【図８Ｂ】実施の形態３の燃料電池における端板の上面図
【図９】実験装置のブロック図
【図１０】参考例における燃料電池スタックの冷却水の流れ方を示した模式図
【図１１】参考例における燃料電池スタックの出力変化時の単電池電圧と排熱回収熱量
【図１２】実施の形態１における燃料電池スタックの出力変化時の単電池電圧と排熱回収熱量
【図１３】実施の形態２における燃料電池スタックの出力変化時の単電池電圧と排熱回収熱量
【図１４】実施の形態３における燃料電池スタックの出力変化時の単電池電圧と排熱回収熱量
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
［実施の形態１］
図１Ａは、実施の形態１における燃料電池を構成する単電池の斜視図であり、図１Ｂは、組み立て前の単電池の分解斜視図である。図２は、単電池を積層させた燃料電池スタックの斜視図である。図１Ｂにおいて、冷却水マニホールド１−３−１の付近の一部を断面にして表示している。
【００２８】
図１Ｂには、ＭＥＡ一体シール１と、アノードセパレータ２と、カソードセパレータ３が示され、これらで単電池４を構成する。ＭＥＡ一体シール１には、ＭＥＡ１−ａとシール付枠体１−ｂとが一体とされている。アノードセパレータ２とカソードセパレータ３とで、ＭＥＡ一体シール１を挟みこむ。
【００２９】
カソードセパレータ３のＭＥＡ１−ａとの当接面と反対側の面には、冷却水流路溝３−１が設けられていてもよい。単電池同士が積層されると、カソードセパレータ３とアノードセパレータ２のブランク面２−１とで、冷却水路が構成される。
【００３０】
ＭＥＡ一体シール１のシール付枠体１−ｂには、単電池の積層体である燃料電池スタック（図２参照）にアノードガスを供給するためのマニホールド１−１−１、カソードガスを供給するためのマニホールド１−２−１、冷却水を供給するためのマニホールド１−３−１、アノードガスを排出するためのマニホールド１−１−２、カソードガスを排出するためのマニホールド１−２−２、冷却水を排出するためのマニホールド１−３−２が設けられている。
【００３１】
さらに、ＭＥＡ一体シール１には、冷却水供給補助マニホールド１−３−０と冷却水排出補助マニホールド１−３−３とを含む冷却水補助マニホールドを有する。図３は、ＭＥＡ一体シール１の冷却水補助マニホールド周辺の部分拡大図である。図３に示されるように、ＭＥＡ一体シール１のシール付枠体１−ｂには、冷却水供給マニホールド１−３−１に流入する前の冷却水が流れる冷却水供給補助マニホールド１−３−０が設けられる。さらに、ＭＥＡ一体シール１のシール付枠体１−ｂには、冷却水排出マニホールド１−３−２を通過した後の冷却水が流れる冷却水排出補助マニホールド１−３−３が設けられている。冷却水供給補助マニホールド１−３−３と冷却水排出補助マニホールド１−３−３とは、隔壁１−３−６を介して隣接している。
【００３２】
冷却水供給補助マニホールド１−３−０と冷却水排出補助マニホールド１−３−３は、シール付枠体１−ｂから積層方向に突出している。つまり、ＭＥＡ一体シール１のシール付枠体１−ｂには、突出部分であるアノード側隔壁１−１−４と、カソード側隔壁１−１−５とが設けられている。アノード側隔壁１−１−４は、アノードセパレータ２の厚さαと同じ寸法の突出寸法を有する。また、カソード側隔壁１−１−５はカソードセパレータ３の厚さβと同じ寸法の突出寸法を有する。そのため、アノードセパレータ２と、ＭＥＡ一体シール１と、カソードセパレータとを積層して単電池をくみたてたとき、アノード側隔壁１−１−４とカソード側隔壁１−１−５とがそれぞれ、アノードセパレータ２の貫通穴２−２とカソードセパレータ３の貫通穴３−２とにはめこまれる（図１参照）。アノード側隔壁１−１−４の先端およびアノード側隔壁１−１−４の先端はそれぞれ、アノードセパレータ２およびカソードセパレータ３と同一平面上に位置する。
【００３３】
一方、隔壁１−３−６の厚さδは、アノードセパレータ２の厚さαや、カソードセパレータ３の厚さβや、ＭＥＡ一体シール１の厚さγより薄くしてもよい。冷却水供給補助マニホールド１−３−０を流れる冷却水と冷却水排出補助マニホールド１−３−３を流れる冷却水との熱交換を促進するためである。
【００３４】
このように構成された単電池4を複数積層して組み立てた燃料電池スタックの斜視図を図２に示す。図２では、理解を助けるため、一部の短電池を省略し、ひとつの単電池のカソードセパレータ３の冷却水流路面が見えるように作図している。
【００３５】
図２に示される燃料電池スタックは、６０個の単電池からなる積層体と；積層体を、集電板５と絶縁板６とを介して挟み込む端板７−１および端板７−２と；それらを固定する締結ボルトとナットからなる締結部材８と、を有する。さらに、燃料電池スタックに、燃料ガスを供給するめの配管９−１と排出するための配管９−２；酸化剤ガスを供給するための配管１０−１と排出するための配管１０−２；冷却水を供給するための配管１１−１と排出するための配管１１−２とを有する。
【００３６】
燃料ガスは、配管９−１を通じて、各単電池のアノードガスの供給マニホールド１−１−１に供給される。次に、各単電池のアノードセパレータ２のガス流路に供給されて、発電反応に用いられる。余剰の燃料ガスは、各単電池のアノードガスの排出マニホールド１−１−２を通って配管９−２を介して排出される。
【００３７】
酸化剤ガスは、配管１０−１を通じて、各単電池のカソードガスの供給マニホールド１−２−１に供給される。次に、各単電池のカソードセパレータのガス流路に供給されて、発電反応に用いられる。余剰の酸化剤ガスは、各単電池のカソードガスの排出マニホールド１−２−２を通って配管１０−２を介して排出される。
【００３８】
図４Ａは、端板７−１の絶縁板６と接する面を示す上面図である。図４Ｂは、端板７−２の絶縁板６と接する面を示す上面図である。図４Ａに示されるように、端板７−１には、各配管（９−１，９−２，１０−１，１０−２，１１−１,１１−２）と連通する貫通穴（９−１’，９−２’，１０−１’，１０−２’，１１−１’,１１−２’）が設けられており；さらに、折り返し流路Ｚが設けられている。折り返し流路Ｚの一端に、配管１１−２と連通する貫通穴が配置されている。端板７−１は、折り返し流路Ｚを取り囲むシール材と、各貫通穴を取り囲むシール材とを有する。
【００３９】
図４Ｂに示されるように、端板７−２には、折り返し流路Ｘと折り返し流路Ｙとが設けられている。折り返し流路Ｘは、一方の端部で冷却水供給補助マニホールド１−３−０と連通し、他方の端部で冷却水供給マニホールド１−３−１と連通する。また、折り返し流路Ｙは、一方の端部で、冷却水排出マニホールド１−３−２と連通し、他方の端部で冷却水排出補助マニホールド１−３−３と連通する。端板７−２は、折り返し流路ＸおよびＹをそれぞれ取り囲むシール材を有する。
【００４０】
冷却水は、配管１１−１を通じて、冷却水供給補助マニホールド１−３−０に供給される。冷却水供給補助マニホールド１−３−０に供給された冷却水は、負極側端板７−２の折り返し流路Ｘを通って反転して、冷却水の供給マニホールド１−３−１に流入する。次に、単電池同士の間にある冷却水流路に供給される。冷却水は、冷却水流路を通過中に、反応によって高温となったセパレータから熱を奪う。その後、冷却水の排出マニホールド１−３−２を通って負極側端板７−２に向かって流れる。そして、冷却水は、負極側端板７−２内の折り返し流路Ｙを通って反転して、冷却水排出補助マニホールド１−３−３に流入する。さらに、正極側端板７−１の折り返し流路Ｚを経て、配管１１−２から排出される。
【００４１】
このように、冷却水供給マニホールド１−３−１に流入する前の冷却水が、冷却水供給補助マニホールド１−３−０を流れ；かつ冷却水排出マニホールド１−３−２から流出した後の冷却水が、冷却水排出補助マニホールド１−３−３を流れる。冷却水供給補助マニホールド１−３−０と冷却水排出補助マニホールド１−３−３とは、隔壁を介して互いに隣接して設けられているので、冷却水排出補助マニホールド１−３−３を流れる高温の冷却水が、冷却水供給補助マニホールド１−３−０を流れる低温の冷却水を加温することができる。
【００４２】
前述の通り、燃料電池の出力を低出力状態から高出力状態に変更するとき、多量の冷却水を冷却水流路に供給しなければならない。それにより、従来は燃料電池スタックの単電池の発電領域の温度が低下するという問題が生じていた。これに対して実施の形態１の燃料電池では、冷却水流路に供給される前の冷却水が、冷却水供給補助マニホールド１−３−０内で予め加温されるので、低温の冷却水が大量に電池内に流入して発電領域の平均温度が低下することを抑制することができる。
【００４３】
［実施の形態２］
実施の形態２の燃料電池は、冷却水供給補助マニホールド １−３−０と冷却水排出補助マニホールド１−３−３を含む冷却水補助マニホールドの構成が、実施の形態１（図３参照）と相違する。その他の構成は、実施の形態１の燃料電池と同様とすることができる。
【００４４】
図５は、実施の形態２におけるＭＥＡ一体シール１の、冷却水補助マニホールドの周辺の部分拡大図である。図５に示されるように、実施の形態２におけるＭＥＡ一体シール１において、冷却水供給補助マニホールド１−３−０’と冷却水排出補助マニホールド１−３−３’とが隔壁を介して隣接している。この隔壁は、ＭＥＡ一体シール１と一体に成形される螺旋状の隔壁部１−３−６と、ＭＥＡ一体シール１とは別部品として成形される螺旋部１−３−７とからなる。螺旋状の隔壁部１−３−６の凸部１−３−８と、螺旋部１−３−７の凹部１−３−９とがかみ合うように、矢印η方向に組み合わせることにより、隔壁が形成される。
【００４５】
この隔壁を介して隣接する冷却水供給補助マニホールド１−３−０’と冷却水排出補助マニホールド １−３−３’とは、積層方向を軸とする一回転分のスパイラル流路を構成する。
【００４６】
このような単電池を複数積層して燃料電池スタックとするとき、螺旋状の隔壁部１−３−６の凹部１−３−９と螺旋部１−３−７の凸部１−３−８とがかみ合うように積層させる。それにより、積層方向を軸として単電池の数だけ回転するスパイラル状の冷却水供給補助マニホールド１−３−０’と冷却水排出補助マニホールド１−３−３’とが構成される。
【００４７】
［実施の形態３］
図６Ａは、実施の形態３の燃料電池を構成する単電池の斜視図であり、図６Ｂは、組み立て前の単電池の分解斜視図である。図７は、単電池を積層した燃料電池スタックの斜視図である。実施の形態３の燃料電池は、実施の形態１の燃料電池と、冷却水の排出補助マニホールド１−３−３を流れた後の、冷却水の経路が異なる。その他の構成は、実施の形態１の燃料電池と同様にすることができる。
【００４８】
まず、図６Ｂに示されるように、実施の形態３の燃料電池スタックを構成する単電池は、ＭＥＡ一体シール１’と、アノードセパレータ２’と、カソードセパレータ３’とを有する。ＭＥＡ一体シール１’と、アノードセパレータ２’と、カソードセパレータ３’とは、単電池を積層方向に貫通する燃料ガス加温用マニホールド１−３−４と１−３−５とを有する点で、実施の形態１と相違する。具体的には、燃料ガス加温用マニホールド１−３−４と１−３−５とは、いずれも、アノードセパレータ２’における燃料ガス導入部２−４の近傍を通過する。燃料ガス導入部２−４は、アノードガス供給マニホールド１−１−１とアノードガス流路２−３とを接続する流路である。
【００４９】
さらに、図８ＡＢに示されるように、実施の形態３の燃料電池スタックが有する端板７−１’と端板７−２’の折り返し流路の構成が、実施の形態３の燃料電池スタックが有する端板７−１と端板７−２と異なる。具体的には、図８Ａは、端板７−１’の絶縁板６と接する面を示す上面図であり；図８Ｂは、端板７−２’の絶縁板６と接する面を示す上面図である。
【００５０】
図８Ａに示されるように、端板７−１’は、各配管（９−１，９−２，１０−１，１０−２，１１−１,１１−２）と連通する貫通穴（９−１’，９−２’，１０−１’，１０−２’，１１−１’,１１−２’）が設けられており、さらに折り返し流路Ｚ−１と折り返し流路Ｚ−３とを有する。折り返し流路Ｚ−１は、その一端で冷却水排出補助マニホールド１−３−３と連通しており、他端で燃料ガス加温用マニホールド１−３−４と連通している。折り返し流路Ｚ−３は、その一端で燃料ガス加温用マニホールド１−３−５と連通しており、他端で配管１１−２と連通している。端板７−１’は、折り返し流路Ｚ−１とＺ−３をそれぞれ取り囲むシール材と、各貫通穴を取り囲むシール材とを有する。
【００５１】
図８Ｂに示されるように、端板７−２’は、折り返し流路Ｘと、折り返し流路Ｙと、折り返し流路Ｚ−２とを有する。折り返し流路Ｘおよび折り返し流路Ｙの構成は、実施の形態１と同様である。折り返し流路Ｚ−２は、その一端で燃料ガス加温用マニホールド１−３−４と連通し、他端で燃料ガス加温用マニホールド１−３−５と連通する。端板７−２’は、折り返し流路Ｘ,ＹおよびＺ−２をそれぞれ取り囲むシール材を有する。
【００５２】
つまり、実施の形態３の燃料電池において、冷却水は単電池同士の間の冷却水路を通過したあと、冷却水排出マニホールド１−３−２を流れる。さらに、端板７−２’の折り返し流路Ｙを経て冷却水排出補助マニホールド１−３−３を流れる。さらに、端板７−１’の折り返し流路Ｚ−１を経て燃料ガス加温用マニホールド１−３−４を流れる。次に、端板７−２’の流路Ｚ−２を経て燃料ガス加温用マニホールド１−３−５を流れる。さらに、端板７−１’の流路Ｚ−３を経て配管１１−２を流れて、燃料電池から排出される。
【００５３】
実施の形態３では、燃料ガス導入部２−４の上方に燃料ガス加温用マニホールド１−３−４を配置し、下方に燃料ガス加温用マニホールド１−３−５を配置している。燃料ガス加温用マニホールド１−３−４および１−３−５を流れる冷却水は、いずれも加温されている。従って、燃料ガスは、アノードガス供給マニホールド１−１−１からアノードガス流路２−３に流れ込むときに、加温されることができる。
【００５４】
［実験例］
以下において、参考例および実施の形態１〜３の燃料電池の出力を低出力状態から高出力状態に変更したときの、各単電池の電圧比および排熱回収熱量比を測定した実験結果を示す。参考例および実施の形態１〜３の燃料電池は、いずれも６０個の単電池を積層した燃料電池スタックを含む。
【００５５】
図９に、実験に用いた装置のブロック図が示される。図９に示される実験装置は、燃料ガスの供給源１９−１と、酸化ガスの供給源２０−１と、流量制御装置１９−２および２０−２と、各ガスの加湿装置１９−３と２０−３とを有する。各ガスの流量は各流量制御装置でコントロールされる。
【００５６】
さらに、図９に示される実験装置は、冷却水をタンク１５からポンプ１６で汲み上げて、その流量を流量計１７で計測する。冷却水は、スタックの入り口配管１１−１に供給され、スタックを通過後スタックの出口配管１１−２から排出されて、タンク１５に回収される。スタックに供給される冷却水の温度は、温度計１８−１で測定される。スタックから排出される冷却水の温度は、温度計１８−２で測定する。スタックの温度は冷却水の入口温度と出口温度との平均値であり、ＭＥＡの仕様で決定される最適活性化温度の近傍になるよう、冷却水の流量をポンプ１６の出力で調整する。また、スタックの排熱回収量は、冷却水の流量と、スタックの冷却水の出口温度と入口温度との差から、冷却水の比熱から算出される。
【００５７】
電流計１３と電圧計１４とで各単電池の電圧（V1、V2、〜V60）を測定し、インバータ１２は電流を制御する。
【００５８】
［参考例の燃料電池の場合］
図１０は、参考例の燃料電池スタックの冷却水の流れ方を示す模式図である。参考例における燃料電池スタックは、前述の文献１に具体的に開示されている。図１０に示される燃料電池スタックは、６０個の単電池Ｖ１〜Ｖ６０を有する。単電池Ｖ１から冷却水が、マニホールドを通って燃料電池スタックに供給される。次に、第１反応部を構成する単電池Ｖ２１〜Ｖ４０の冷却面に流れ込む。このとき、水が流れ込む単電池の順序は、Ｖ２１，Ｖ２２，Ｖ２３・・・Ｖ４０の順序となる。第１反応部を構成する単電池を通過した冷却水の一部は、第２反応部を構成する単電池Ｖ１〜Ｖ２０の電極面に流れ込み；他の一部は、第２’反応部を構成する単電池Ｖ４１〜Ｖ６０の電極面に流れ込む。
【００５９】
図１１は、参考例の燃料電池スタックを低出力状態から高出力状態に変化させたときの、各単電池の電圧と排熱回収熱量の変化を示す。図１１において、横軸は実経過時間を基準時間で除した時間比を示し；左の縦軸は実電圧を基準電圧で除した電圧比を示し；右の縦軸は単位時間あたりの排熱回収量を基準値で除した排熱回収量比を示す。
【００６０】
固体高分子電解質を用いた燃料電池は、一般にＩ-Ｖ特性といわれる特性を有する。Ｉ-Ｖ特性とは、ガスを供給しつつ、電流を取り出さない状態において最も電圧が高く、取り出す電流が増加するとともに電圧が低下する特性をいう。図１１に示されるように、経過時間比０ではガス量、冷却水量、電流ともに低出力状態である。その後、高出力状態の量に向かって、経過時間比Ｇ１点でガスが、経過時間比Ｗ１点で冷却水が、経過時間比Ｅ１点で電流が、次第に変化し始める。そして、経過時間比Ｇ２点でガスが、経過時間比Ｗ２点で冷却水が、経過時間比Ｅ２点で電流が、完全な高出力状態に達している。
【００６１】
各単電池の電圧比は、経過時間比が０からＥ１点までの低出力状態では８０弱である。高出力状態に遷移するにしたがって、各単電池の電圧比が次第に低下し、完全に高出力状態になるＥ２点以降では７０付近にまで低下している。電圧比が低下する現象の途中で、図１０に示す第１反応部の２つの単電池Ｖ２２とＶ２３の電圧比が急激に低下し、再び回復するという現象をくりかえしていることがわかる。単電池Ｖ２２とＶ２３は、燃料電池スタックの積層方向中央付近にある。
【００６２】
この現象は、燃料電池を低出力状態から高出力状態に変更するために、冷却水の流量を高出力状態に応じた量に増加させた際に、低温の冷却水が第１反応部の単電池Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３の順で流入した結果、単電池Ｖ２２とＶ２３の発電領域の平均温度が低下したためであると考えられる。温度が低下すると、発電領域のガス流路において結露水が発生する。発生した結露水によって流路が閉塞され、ガス不足による電圧比低下が発生する。その後、幸いにも時間経過とともにガスの動圧によって結露水が吹き飛ばされ、流路閉塞が解消して、電圧比が回復する。この現象はフラッディング現象と称される。
【００６３】
単電池Ｖ２１でフラッディング現象が生じていない理由は、低温の冷却水が到達していない第２反応部の単電池Ｖ２０が高温であるため、単電池Ｖ２１が隣接する単電池Ｖ２０からの熱を受け、温度低下が緩和されたためと考えられる。
【００６４】
また、第１反応部の他の単電池のＶ２４〜Ｖ４０においては、結露は発生したものの；単電池Ｖ２２やＶ２３の流路が閉塞したことによって、ガス流通可能な流路本数が減少した結果、単電池Ｖ２４〜Ｖ４０でのガス動圧が増加したものと考えられる。そして、ガス動圧の増加により結露水が吹き飛ばされやすくなったために、フラッディング現象が発生しなかったと考えられる。
【００６５】
さらに、第２反応部と第２’反応部の各単電池には、第１反応部で加温された冷却水のみが流入するため、結露が発生せずフラッディング現象が発生しなかったと考えられる。
【００６６】
［実施の形態１の燃料電池の場合］
図１２は、実施の形態１における燃料電池スタック（図１〜３を参照）を低出力状態から高出力状態に変化させたときの、単電池の電圧と排熱回収熱量の変化を示す。図１２において、図１１と同様に、横軸は実経過時間を基準時間で除した時間比を示し、左の縦軸は実電圧を基準電圧で除した電圧比を示し、右の縦軸は単位時間あたりの実排熱回収量を基準値で除した排熱回収量比である。
【００６７】
図１２において、低出力状態から高出力状態に遷移するにしたがって、前述の参考例と同様に、各単電池の電圧比が次第に低下し、かつ一部の単電池に電圧比振動（一時的に急激に電圧比が低下すること）が見られる。しかしながら、参考例の場合（図１１参照）と異なり、最負極側端の単電池Ｖ６０で電圧比振動が確認された。しかも、実施の形態１における電圧比振動幅（図１２参照）は、参考例における単電池Ｖ２２やＶ２３の電圧比振動幅（図１１参照）と比べて小さい。
【００６８】
参考例において電圧比振動が発生する単電池（図１１参照）と、実施の形態１において電圧比振動が発生する単電池（図１２参照）とが異なる理由は、燃料電池スタックに供給された冷却水が流入する単電池の順序が異なるからであると考えられる。つまり、参考例の燃料電池スタック（図９）では、単電池Ｖ２０、Ｖ２１、Ｖ２２の順に冷却水が流入するのに対して；実施の形態１の燃料電池スタックでは、単電池Ｖ６０、Ｖ５９、Ｖ５８の順に冷却水が流入する。つまり、単電池Ｖ６０、Ｖ５９、Ｖ５８の順に、出力の増加に伴って流入する冷却水が増加する。つまり、最初に単電池Ｖ６０で流路閉塞が発生しやすいと考えられる。実際に、Ｖ６０で電圧比振動が発生している。
【００６９】
また、実施の形態１での電圧比振動幅（図１２）が、参考例（図１１）での電圧比振動幅と比べて小さい理由は、冷却水の供給マニホールド１−３−１に流入する前の冷却水が流れる冷却水供給補助マニホールド１−３−０と、冷却水の排出マニホールド１−３−２から流出した後の冷却水が流れる冷却水排出補助マニホールド１−３−３とが互いに隣接して設けられているためであると考えられる。つまり、発電領域（単電池同士の間にある冷却水路）通過前の冷却水排出補助マニホールド１−３−０内の冷却水が、発電領域通過後の冷却水排出補助マニホールド１−３−３内の高温冷却水によって加温され、その後に、各単電池に流入する。
【００７０】
これにより、低温の冷却水が大量に単電池に流入して発電領域の平均温度が低下することが抑制され、発電領域でのガス流路における結露水の発生が抑制され、結露水による流路閉塞が生じにくくなったと考えられる。
【００７１】
さらに、単電池Ｖ６０以外の単電池で電圧比振動が発生していない理由は、単電池Ｖ６０での流路閉塞によってガス流通可能な流路本数が減少した結果、ガス動圧が増加したためであると考えられる。ガス動圧の増加により、少量の結露は発生したものの結露水が吹き飛びやすくなったため、フラッディング現象が発生しなかったためと考えられる。
【００７２】
また、図１２に示されるように、実施の形態１の燃料電池における排熱回収熱量比は、低出力状態から高出力状態に遷移するに従って増加する。低出力状態での排熱回収熱量比と高出力での排熱回収熱量比は、参考例（図１１参照）の場合とほぼ同じ値である。したがって、実施の形態１の燃料電池における総合効率は、参考例の燃料電池における総合効率と比べて低下していないと考えられる。
【００７３】
［実施の形態２の燃料電池の場合］
図１３は、実施の形態２における燃料電池スタックを低出力状態から高出力状態に変化させたときの、単電池の電圧と排熱回収熱量の変化を示したものである。
【００７４】
図１３において、図１１と同様に、横軸は実経過時間を基準時間で除した時間比を示し、左の縦軸は実電圧を基準電圧で除した電圧比を示し、右の縦軸は単位時間あたりの実排熱回収量を基準値で除した排熱回収量比である。
【００７５】
図１３に示されるように、低出力状態から高出力状態に遷移するにしたがって、実施の形態１（図１２参照）と同様に、各単電池の電圧比が次第に低下する。電圧比が低下する途中で、最も負極側にある単電池Ｖ６０の電圧比が、他の単電池の電圧比と比べて大きく低下する現象が見られる。しかしながら、その低下幅は参考例と比べて大幅に小さく、改善されていることがわかる。また、単電池Ｖ６０以外の単電池で電圧比振動が発生していない理由は実施の形態１と同様と考えられる。
【００７６】
実施の形態２における燃料電池の排熱回収熱量比は、出力が低出力から高出力に遷移するに従って増加しており（図１３参照）、低出力での排熱回収熱量比と高出力での排熱回収熱量比は、参考例とほぼ同じ値（図１１参照）である。したがって、実施の形態２の燃料電池における総合効率は、参考例の燃料電池における総合効率と比べて低下していないと考えられる。
【００７７】
さらに、実施の形態２における排熱回収量比の比率が増加するタイミング（図１３）が、実施の形態１の場合（図１２）よりも早まっている。つまり、実施の形態１における排熱回収熱量比は、冷却水の増加開始点Ｗ１から経過時間比５〜１０程度経過した後になって増加を開始し、冷却水の増加完了点Ｗ２から経過時間比５〜１０程度経過した後になって増加を完了している（図１２参照）のに対し；実施の形態２における排熱回収熱量比は、冷却水の増加開始点Ｗ１の直後から増加を開始し、冷却水の増加完了点Ｗ２直後に増加を完了している（図１３参照）。これは、冷却水供給補助マニホールド１−３−０と冷却水排出補助マニホールド１−３−３とが、スパイラル状の隔壁を介して隣接しているため、両者を流れる冷却水同士の熱交換がより促進されたためと考えられる。
【００７８】
［実施の形態３の燃料電池の場合］
図１４は、実施の形態３における燃料電池スタックを低出力状態から高出力状態に変化させたときの、単電池の電圧と排熱回収熱量の変化を示す。
【００７９】
図１４において、図１１と同様に、横軸は実経過時間を基準時間で除した時間比、左の縦軸は実電圧を基準電圧で除した電圧比、右の縦軸は単位時間あたりの実排熱回収量を基準値で除した排熱回収量比である。
【００８０】
図１４において、低出力状態から高出力状態に遷移するにしたがって、実施の形態１と同様、各単電池の電圧比が次第に低下し、かつ最も負極側にある単電池Ｖ６０の電圧比が他の単電池の電圧比と比べて低下する現象が見られる。しかしながら、その低下幅は参考例の場合と比べて小さくなっており、実施の形態１と比べても小さくなっていることがわかる。
【００８１】
この理由は、第１に、実施例１と同様に、冷却水の供給マニホールド１−３−１に流入する前の冷却水が流れる冷却水供給補助マニホールド１−３−０と、冷却水の排出マニホールド１−３−２から流出した後の冷却水が流れる冷却水排出補助マニホールド１−３−３が互いに隣接して設けられているためであると考えられる。つまり、発電領域通過後の冷却水排出マニホールド１−３−３内の高温冷却水が、発電領域通過前の冷却水排出マニホールド１−３−０内の低温冷却水を加温しているためであると考えられる。
【００８２】
第２に、燃料ガス導入部を流れる燃料ガスが、発電領域に供給される直前に燃料ガス加温マニホールド１−３−４と１−３−５とを流れる冷却水によって加温されるためであると考えられる。アノードガス流路２−３に供給される燃料ガスが加温されることで、アノードガス流路２−３における結露の発生がより効率的に抑制される。
【００８３】
この２つの効果で、燃料ガスが発電領域でのアノードガス流路２−３において結露水が発生すること抑制し、結露水による流路閉塞が生じにくくなったためと考えられる。また、単電池Ｖ６０以外の単電池で電圧比振動が発生していない理由は実施の形態１と同様と考えられる。
【００８４】
また、実施の形態３における排熱回収熱量比（図１４参照）は、低出力状態から高出力状態に遷移するに従って増加する。低出力状態での排熱回収熱量比と高出力での排熱回収熱量比は、参考例や実施の形態１とほぼ同じ値を示しているので、実施の形態３における総合効率は、参考例や実施の形態と比べて低下していないと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、燃料電池を低出力状態から高出力状態に変更するために、冷却水量を高出力に応じた量に増加させても、発電領域のガス流路における結露水の発生を抑制でき、結露水による流路閉塞のための電圧不安定現象（フラッディング現象）を発生しにくくすることができる。つまり、発電領域通過後の冷却水マニホールド内の高温冷却水で、発電領域通過前の冷却水マニホールド内の低温冷却水を加温しているため、低温の冷却水が大量に電池内に流入して発電領域の平均温度が低下することが抑制される。
【００８６】
しかも、冷却水同士の熱交換は、元来断熱された積層単電池としての燃料電池内で行われるため、新たな断熱のための部材やエネルギー源を必要とする機器は不要であるため、燃料電池システムとしての総合効率低下の抑制できる。
【００８７】
よって、本発明の燃料電池は、頻繁な出力変更があっても安定した発電性能と熱回収性能および耐久性を維持することが求められるポータブル電源、電気自動車用電源、家庭用の発電機に好適に使用される。また、発電時の電力と発電に伴って発生する熱の回収を行って電力と熱を供給するコージェネレーションシステムに適する。
【符号の説明】
【００８８】
１，１’  ＭＥＡ一体シール
１−ａ  ＭＥＡ
１−ｂ  シール付枠体
１−１−１  アノードガスの供給マニホールド
１−１−２  アノードガスの排出マニホールド
１−１−４  アノード側隔壁
１−１−５  カソード側隔壁
１−２−１  カソードガスの供給マニホールド
１−２−２  カソードガスの排出マニホールド
１−３−０  冷却水供給補助マニホールド
１−３−１  冷却水供給マニホールド
１−３−２  冷却水排出マニホールド
１−３−３  冷却水排出補助マニホールド
１−３−４  燃料ガス加温用マニホールド
１−３−５  燃料ガス加温用マニホールド
１−３−６  隔壁
２，２’  アノードセパレータ
２−１  ブランク面
２−２  貫通穴
２−３  アノードガス流路
２−４  燃料ガス導入部
３，３’  カソードセパレータ
３−１  冷却水路
３−２  貫通穴
４，４’  単電池
５  集電板
６  絶縁板
７−１，７−２，７−１’，７−２’  端板
８  締結部材
９−１，９−２，１０−１，１０−２，１１−１，１１−２  配管
１２  インバーター
１３  電流計
１４  電圧計
１５  タンク
１６  ポンプ
１７  流量計
１８−１，１８−２  温度計
１９−１  燃料ガス供給源
１９−２  流量制御装置
１９−３  加湿装置
２０−１  酸化ガス供給源
２０−２  流量制御装置
２０−３  加湿装置
【図１Ａ】
2015053168.tif 000003
【図１Ｂ】
2015053168.tif 000004
【図２】
2015053168.tif 000005
【図３】
2015053168.tif 000006
【図４Ａ】
2015053168.tif 000007
【図４Ｂ】
2015053168.tif 000008
【図５】
2015053168.tif 000009
【図６Ａ】
2015053168.tif 000010
【図６Ｂ】
2015053168.tif 000011
【図７】
2015053168.tif 000012
【図８Ａ】
2015053168.tif 000013
【図８Ｂ】
2015053168.tif 000014
【図９】
2015053168.tif 000015
【図１０】
2015053168.tif 000016
【図１１】
2015053168.tif 000017
【図１２】
2015053168.tif 000018
【図１３】
2015053168.tif 000019
【図１４】
2015053168.tif 000020