(57)【要約】【課題】デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、各セルにおける反応の効率を向上させて、高い効率で燃料電池を運転することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスを供給されるアノードと、酸化ガスを供給されるカソードと、アノードに燃料ガスを供給する多孔質体流路とを有するセルが複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収納するスタックケースとを有する。外部からスタックケース４の内部に導入されて拡散した燃料ガスは、流路２８から多孔質体流路へ流入する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有するセルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを収納するケースとを備えており、前記セルから排出されるアノードオフガスの下流側流路を閉塞して運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルは、外部から前記ケースの内部に導入されて拡散した燃料ガスを少なくとも二方向から流入させて前記アノードに供給する流路を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記セルは、前記アノードと前記カソードを挟んで配設されたセパレータを有しており、
前記流路は、前記アノードと前記セパレータの間に設けられる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流路は多孔質体からなる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流路はディンプル構造を有する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記セパレータを前記セルの積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドを有し、該酸化ガス供給マニホールドを介して前記カソードに酸化ガスを供給する請求項１〜４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セパレータを前記セルの積層方向に貫通する冷却媒体マニホールドを有し、該冷却媒体マニホールドを流れる冷却媒体によって前記セルが冷却される請求項１〜５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出される燃料オフガスの流路を閉じて運転を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素（燃料ガス）が供給され、カソードに酸素（酸化ガス）が供給されることによって起電力を生じる。
【０００３】
具体的には、アノードにおいて、
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
の反応によりＨ＋が生じ、これがＨ３Ｏ＋となって電解質膜中を移動した後、カソードで
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
の反応を起こす。すなわち、両電極間において、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応が起こることにより起電力が発生する。
【０００４】
水素の供給は、例えば、高圧水素タンクに貯蔵された高圧水素を減圧した後、ガス供給流路を通じてアノードに送ることにより行われる。さらに、アノードオフガスを循環させるタイプの燃料電池システムでは、アノードオフガスをガス供給流路に送ることによって、未反応の水素が再びアノードに供給されるようにもしている。一方、酸素の供給は、例えば、コンプレッサを用いて、外気から取り込んだ空気をカソードに送ることにより行われる。
【０００５】
アノードへの水素の供給方法の１つとして、いわゆるデッドエンド方式によるものがある（例えば、特許文献１参照。）。この方式では、水素の下流側流路が閉塞された状態で運転が行われ、電気化学反応で消費された量に相当する量の水素がアノードに供給される。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−３１２１６７号公報
【特許文献２】特開平６−２５１７９３号公報
【特許文献３】特開平６−１１１８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池は、複数のセルが積層された構造（スタック構造）を有する。したがって、燃料電池の運転効率を高くするには、各セルにおいて、上記の電気化学反応が効率よく行われるようにする必要がある。しかしながら、反応が進行するにしたがって、各セルにおける反応の効率が低下し、これにより、燃料電池全体での運転効率が低下してしまうという問題があった。これは、次の理由による。
【０００８】
燃料電池では、電極間の反応により、カソード側で水が生成する。また、カソードに供給される空気には、酸素の他に窒素なども含まれる。反応が進行すると、電解質膜を透過して、アノード側へ水や窒素が滲み出す。ここで、デッドエンド方式の燃料電池システムでは、アノード側の流路の下流が閉塞されているので、水や窒素の分圧はアノード側で次第に上昇する。このため、水素の分圧が低下して、各セルにおける反応の効率が低下することとなる。
【０００９】
反応効率の低下は、例えば、電圧の低下となって現れる。アノード側では、流路の入口から遠くなるほど、すなわち、下流になるほど不純物の割合が多くなるので、下流側で電圧の低下が起こる。
【００１０】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。
すなわち、本発明の目的は、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、各セルにおける反応の効率を向上させて、高い効率で燃料電池を運転することのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、アノードおよびカソードを有するセルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを収納するケースとを備えており、前記セルから排出されるアノードオフガスの下流側流路を閉塞して運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルは、外部から前記ケースの内部に導入されて拡散した燃料ガスを、少なくとも二方向から流入させて、前記アノードに供給する流路を有することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明において、前記セルは、前記アノードと前記カソードを挟んで配設されたセパレータを有することができる。
この場合、前記流路は、前記アノードと前記セパレータの間に設けることができる。
【００１４】
前記流路は、多孔質体からなることが好ましい。
あるいは、前記流路は、ディンプル構造を有することが好ましい。
【００１５】
本発明における燃料電池システムは、前記セパレータを前記セルの積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールドを有することができる。
そして、該酸化ガス供給マニホールドを介して前記カソードに酸化ガスを供給することができる。
【００１６】
本発明における燃料電池システムは、前記セパレータを前記セルの積層方向に貫通する冷却媒体マニホールドを有することができる。
そして、該冷却媒体マニホールドを流れる冷却媒体によって前記セルを冷却することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、各セルにおける反応の効率を向上させて、高い効率で燃料電池を運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
燃料電池スタックを構成するセルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層された構造を有する。そして、膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する。また、アノードおよびカソードは、それぞれ電解質膜に接して配置された触媒層を有する。
【００１９】
膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれには、拡散層と、多孔質体からなるガス流路（以下、多孔質体流路と称す。）とが、セパレータとの間に設けられる。燃料ガスとしての水素は、アノード側にある多孔質体流路を通ってアノードに供給される。一方、酸化ガスとしての酸素を含む空気は、カソード側にある多孔質体流路を通ってカソードに供給される。
【００２０】
各セル面で、水素や空気の流速には分布がある。このため、カソード側から電解質膜を透過してきた窒素や水は、アノード側の各セル面で流速の小さい箇所に滞留するようになる。すると、この部分における水素の供給量が低下して、電気化学反応が起こり難い状態となる。したがって、アノード側のセル面におけるガスの流速分布を小さくして、ガスの拡散性を向上させれば、窒素や水が滞留するのを防いで、各セルの反応効率を向上させることが可能になる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。尚、これらの図面において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００２２】
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を示す側面断面図である。この図に示すように、燃料電池スタック１は、１つのセルから構成されたセルモジュール２が複数積層された構造（以下、セル積層体と称す。）を有する。但し、セルモジュール２は複数のセルから構成されていてもよい。
【００２３】
図１において、詳細は図示しないが、セル積層体の両端には、ターミナル、インシュレータおよびエンドプレートなどの締結部材３が配置されていて、セル積層体をセルモジュール２の積層方向に締め付けている。また、燃料電池スタック１は、スタックケース４に収納されている。スタックケース４には、冷却媒体としての冷却水、空気および水素を燃料電池スタック１に供給する配管５，６，７がそれぞれ接続している。また、燃料電池スタック１からこれらの流体を排出する配管８，９，１０もそれぞれ接続している。但し、スタックケース４の内部は、気密性が保たれた状態となっている。
【００２４】
図２は、図１の燃料電池スタック１を構成するセルの平面図である。尚、図１のスタックケース４を点線で示している。
【００２５】
セル１１は、図２に示すように、セパレータ１２を有する。セパレータ１２には、冷却水供給マニホールド１３と冷却水排出マニホールド１４が設けられている。これらのマニホールドは、セパレータ１２をセルの積層方向に貫通するようにして設けられている。また、セパレータ１２の非電極面側に設けられた流路（図示せず）を介して、図１の冷却水を供給する配管５と冷却水を排出する配管８にそれぞれ接続している。
【００２６】
また、セパレータ１２には、空気供給マニホールド１５と空気排出マニホールド１６も設けられている。これらは、セパレータ１２をセルの積層方向に貫通するようにして設けられている。空気供給マニホールド１５は、図１の空気を供給する配管６に接続している。また、空気排出マニホールド１６は、空気を排出する配管９に接続している。そして、空気供給マニホールド１５から供給された空気は、セル面に沿って流れた後、空気排出マニホールド１６から排出される。
【００２７】
図３は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面図であり、カソードに空気が供給される様子を矢印で示している。
【００２８】
図３に示すように、膜−電極アッセンブリ２１は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード２３と、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード２４とを有する。そして、膜−電極アッセンブリ２１のアノード側およびカソード側のそれぞれには、拡散層２５と多孔質体流路２６が、セパレータ１２との間に設けられている。空気供給マニホールド１５から供給された空気は、カソード側にある多孔質体流路２６を通ってカソード２４に供給される。ここで、空気供給マニホールド１５とアノード２３の間は、ガスケット２７によって遮断されており、アノード側に空気が供給されないような構造となっている。尚、多孔質体流路に代えて、セパレータに設けられたガス流路から、空気が供給される構造であってもよい。
【００２９】
一方、水素は、図１の水素を供給する配管７からスタックケース４の内部に供給された後、図２のスタックケース４とセパレータ１２の間に設けられた流路２８を通じて各セルに供給される。つまり、冷却水や空気のように、マニホールドを通じて水素が供給されるわけではなく、スタックケースの内部に拡散した水素が流路２８に供給されるようになっている。尚、水素はスタックケース４の内部に充満することになるが、スタックケース４の気密性を高くすることによって、水素がスタックケース４の外部に漏れるのを防ぐことができる。
【００３０】
図４は、燃料電池のスタック構造を模式的に示したものである。尚、図では、代表して３つのセルのみを表している。以下では、これらのセルを用い、冷却水、空気および水素の流れについて説明する。
【００３１】
図４のセル３１では、冷却水の流れる方向を矢印で示している。すなわち、冷却水供給マニホールド１３から供給された冷却水は、セパレータに設けられた冷却水流路（図示せず）を通って、冷却水排出マニホールド１４から排出される。冷却水流路は、例えば、溝状の流路とすることができる。
【００３２】
図４のセル３２では、空気の流れる方向を矢印で示している。すなわち、空気供給マニホールド１５から供給された冷却水は、セパレータに設けられた空気流路（図示せず）を通って、空気排出マニホールド１６から排出される。
【００３３】
図４のセル３３では、水素の流れる方向を矢印で示している。すなわち、水素は、スタックケース４とセパレータ１２の間に設けられた流路２８からセル面に流れ出る。このとき、水素は、一方向からのみ供給されるのではなく、複数の方向（図４では六方向）から供給される。これにより、水素の拡散距離が短くなるので、一方向からのみ供給される場合に比較して、セル面でのガスの拡散性を向上させて、セル面の全体に水素を行き渡らせることが可能となる。したがって、窒素や水が滞留した領域がセル面に形成されるのを防いで、各セルの反応効率を向上させることができる。尚、水素が供給される方向は、少なくとも二方向とする。これにより、水素の拡散性を向上させることができる。
【００３４】
アノードへの水素の供給は、デッドエンド方式によって行う。すなわち、図１の水素を排出する配管１０の先にはパージ弁（図示せず）が設けられており、パージ弁を開くことによって、アノードオフガスがパージされる。一方、パージ弁を閉じると、アノードオフガスの下流側流路が閉塞された状態となり、供給された水素は反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。
【００３５】
尚、アノードの下流側が閉塞された状態は、本実施の形態のように、アノードの下流側にアノードオフガスを燃料電池の外部に排出するための排出流路を形成し、この排出流路に設けた開閉弁を閉弁することで、アノードの下流側を（一時的に）閉塞された状態とする他に、アノード面内に形成されているガス流路の下流側が構造的に（恒久的に）閉塞された状態とすることもできる。
【００３６】
図５は、図２のＢ−Ｂ′線に沿う断面図であり、アノードに水素が供給される様子を矢印で示している。
【００３７】
図５に示すように、アノード側の多孔質体流路２６は、セパレータ１２の外縁まで設けられている。そして、図４で、スタックケース４とセパレータ１２の間に設けられた流路２８からセル面に供給された水素は、図５に示すように、多孔質体流路２６を通ってアノード２３に供給される。一方、水素の流路２８とカソード２４の間は、ガスケット２９によって遮断されており、カソード側に水素が供給されないような構造となっている。
【００３８】
セル面での水素の拡散性を向上させるには、本実施の形態のように、多孔質体流路を介してアノードに水素が供給されるようにするのがよい。これは、セパレータに設けられた溝状の流路を介してアノードに水素が供給される場合に比較すると、多孔質体流路を用いた場合の方が、流路内を水素が自由に流れることができるからである。但し、多孔質体流路に限られるものではなく、水素の拡散性を向上させるのに有効であれば、他の流路を用いることも可能である。例えば、ディンプル構造の流路を通じて、アノードに水素が供給されるようにすることもできる。具体的には、電解質膜を波形にして、セパレータと電解質膜で区切られた部分を水素が通過するようにする。
【００３９】
一方、冷却水および空気の流路は、特に限定されるものではない。したがって、本実施の形態では、セパレータと拡散層の間に多孔質体流路を設け、この多孔質体流路から空気がカソードに供給されるようにしたが、セパレータに溝を設け、この溝を通って空気が供給されるようにしてもよい。
【００４０】
以上述べたように、本実施の形態によれば、アノード側のセル面における水素の拡散性が向上するので、各セルでの反応効率を向上させることができる。したがって、燃料電池をデッドエンド方式によって運転する際の電圧保持時間を大幅に向上させることができ、さらには、永続的な電圧の保持が可能となる。
【００４１】
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００４２】
例えば、セパレータとスタックケースとの関係は、図２に示す例に限られるものではない。図６に示すように、セパレータ１２に対してスタックケース４′が図２より大きくなってもよい。この場合には、セパレータ１２とスタックケース４′の間隔が大きくなることによって、流路２８′の容積が大きくなるので、セパレータ１２の外形を単純な矩形状とすることもできる。尚、図６において、図２と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００４３】
また、図７に示すように、セパレータ１２′に開口部を設け、この開口部を流路２８″としてもよい。この場合、セパレータ１２′の外形は単純な矩形状であり、セパレータ１２′とスタックケース４の間に殆ど空隙はない。しかし、開口部を設けることによって、水素の流路を確保することができる。尚、図７において、図２と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００４４】
また、上記実施の形態では、セパレータとアノードの間に設けられた流路からアノードに水素が供給される例について述べた。しかし、本発明は、これに限られるものではない。例えば、セパレータに多数の孔が設けられており、この孔を通じてアノードに水素が供給されるようにすることもできる。
【００４５】
さらに、本発明は、燃料電池から排出される燃料オフガスの出口の断面積を小さくすることによって、アノードオフガスの排出量を少なくして燃料ガスの利用効率を向上させる、少量排気型の燃料電池システムに適用することもでき、この場合にも上記と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施の形態における燃料電池の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックを構成するセルの平面図である。
【図３】本実施の形態におけるセルの断面図である。
【図４】本実施の形態における燃料電池のスタック構造を模式的に示した図である。
【図５】本実施の形態におけるセルの断面図である。
【図６】本発明におけるセルの平面図の他の例である。
【図７】本発明におけるセルの平面図の他の例である。
【符号の説明】
【００４７】
１  燃料電池スタック
２  セルモジュール
３  締結部材
４，４′  スタックケース
５〜１０  配管
１１  セル
１２，１２′  セパレータ
１３  冷却水供給マニホールド
１４  冷却水排出マニホールド
１５  空気供給マニホールド
１６  空気排出マニホールド
２１  膜−電極アッセンブリ
２２  電解質膜
２３  アノード
２４  カソード
２５  拡散層
２６    多孔質体流路
２７，２９  ガスケット
２８，２８′，２８″  流路
３１，３２，３３  セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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