(57)【要約】【課題】両端に配置された端部セルでのフラッディングを抑制可能な燃料電池を提供する。【解決手段】積層された複数のセル１００と、複数のセル１００に空気を圧縮して供給する空気供給装置２１と、複数のセル１００の積層方向両端に設けられ、空気供給装置２１からの供給空気が複数のセル１００に供給される前に通過可能な空気流路１０５、１０６が形成された一対のエンドプレート１０３、１０４と、一対のエンドプレート１０３、１０４の空気流路１０５、１０６のそれぞれを連通させる連結流路１０７とを設ける。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応により発電し、積層された複数のセル（１００）と、
電気化学反応に用いられる空気を圧縮して前記複数のセル（１００）に供給する空気供給装置（２１）と、
前記複数のセル（１００）の積層方向両端に設けられ、前記空気供給装置（２１）からの供給空気が前記複数のセル（１００）に供給される前に通過可能な空気流路（１０５、１０６）が形成された一対のエンドプレート（１０３、１０４）と、
前記一対のエンドプレート（１０３、１０４）の空気流路（１０５、１０６）のそれぞれを連通させる連結流路（１０７）とを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気流路（１０５、１０６）は、少なくとも前記セル（１００）内における水分が滞留しやすい部位に対応して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気流路（１０５、１０６）は、前記セル（１００）の発電領域に対応して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数のセルが積層され、その両端を集電板で挟まれて構成されているため、両端に位置する端部セルは集電板の熱伝導により冷却されやすく、他のセルより低温になりやすい。このため、端部セルでは水が凝縮してフラッディングが生じやすい。このようなセル内部でのフラッディング発生は、セルの発電性能を悪化させることとなる。このような問題に対し、エンドプレートに燃料電池への供給空気等が通過する流路を設け、供給空気等の熱を利用して端部セルの温度低下を抑制する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２０３２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の構成では、燃料電池の一端側に配置されたエンドプレートのみに供給空気等の流路が設けられているので、他端側の端部セルの温度低下を抑制することができないという問題がある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑み、両端に配置された端部セルでのフラッディングを抑制可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池は、積層された複数のセル（１００）と、空気を圧縮して前記複数のセル（１００）に供給する空気供給装置（２１）と、複数のセル（１００）の積層方向両端に設けられ、空気供給装置（２１）からの供給空気が複数のセル（１００）に供給される前に通過可能な空気流路（１０５、１０６）が形成された一対のエンドプレート（１０３、１０４）と、一対のエンドプレート（１０３、１０４）の空気流路（１０５、１０６）のそれぞれを連通させる連結流路（１０７）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
このような構成により、空気供給装置（２１）から供給される高温空気を、セル（１００）に供給する前にエンドプレートの空気流路（１０５、１０６）に通過させることができ、セル（１００）に供給される空気の廃熱を有効利用して、両端のセル（１００）を昇温させることができる。これにより、エンドプレートの空気流路（１０５、１０６）が保温層の役割を果たし、端部セル（１００）からの放熱を抑制することができる。このため、燃料電池の運転中に両端のセル（１００）が温度低下することを抑制でき、端部セル（１００）でのフラッディングの発生を抑制することができる。
【０００７】
また、空気流路（１０５、１０６）を、少なくともセル（１００）内における水分が滞留しやすい部位に対応して形成することで、フラッディングの発生を効果的に抑制することができる。セル内で水分が滞留しやすい部位は、温度低下しやすい部位であり、例えばセルの空気出口付近や冷却水入口付近とすることができる。
【０００８】
また、空気流路（１０５、１０６）は、セル（１００）の発電領域に対応して形成することで、セル（１００）の発電領域全体を昇温させることができる。セル（１００）の発電領域とは、水素と酸素の電気化学反応が行われる領域であり、電解質膜が設けられている領域を意味している。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。電気自動車の場合には、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。
【００１２】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電解質膜の両面側にセパレータが設けられたセル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１３】
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。
【００１４】
空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気供給装置２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気供給装置２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気供給装置２１としては、コンプレッサを用いることができる。水素供給流路３０ａの最上流部には、水素供給装置３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素供給装置３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。水素供給装置３１としては、高圧水素が充填された高圧水素タンクを用いることができる。
【００１５】
燃料電池１０は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水流路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ（放熱器）４３が設けられている。冷却水流路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるためのバイパス経路４４が設けられている。冷却水流路４０とバイパス経路４４との合流点には、バイパス経路４４に流れる冷却水流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。
【００１６】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御部５０は、各種演算処理を行い、空気供給装置２１、加湿器２２、水素調圧弁３２、ウォータポンプ４１、流路切替弁４５等に制御信号を出力する。
【００１７】
次に、燃料電池１０の構成について説明する。図２（ａ）は燃料電池１０の正面図であり、図２（ｂ）は燃料電池１０の平面図である。図３（ａ）は燃料電池１０の左側面図であり、図３（ｂ）は燃料電池１０の右側面図である。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池１０は積層されたセル１００の積層方向両端に第１集電板１０１と第２集電板１０２が設けられている。集電板１０１、１０２は、両端に位置する端部セル１００に接触するように設けられている。第１集電板１０１の外側には第１エンドプレート１０３が設けられ、第２集電板１０２の外側には第２エンドプレート１０４が設けられている。エンドプレート１０３、１０４は、例えばＳＵＳを用いて構成することができる。燃料電池１０のセル積層方向両端に設けられたエンドプレート１０３、１０４は、図示しない締結部材にて互いに締結されており、これにより複数のセル１００は両側から締め付けられて固定されている。
【００１９】
図３（ｂ）に示すように、燃料電池１０の第２エンドプレート１０４側には、空気流入口１０ａ、冷却水流入口１０ｂ、水素流入口１０ｃ、空気流出口１０ｄ、冷却水流出口１０ｅ、水素流出口１０ｆが形成されている。空気流出口１０ｄには、空気排出流路２０ｂが接続され、水素流入口１０ｃには水素供給流路３０ａが接続され、水素流出口１０ｆには水素排出流路３０ｂが接続され、冷却水流入口１０ｂと冷却水流出口１０ｅには、冷却水流路４０が接続されている。
【００２０】
図２、図３に示すように、エンドプレート１０３、１０４は、セル積層方向から見た場合に、集電板１０１、１０２を覆うように設けられており、さらにセル積層方向の外側に向かって突出する凸部が中央部に形成されている。このため、エンドプレート１０３、１０４は周縁部で集電板１０１、１０２と接触している。このようなエンドプレート１０３、１０４の形状により、エンドプレート１０３、１０４と集電板１０１、１０２との間に密閉空間が形成され、この密閉空間が空気が流れることができるエンドプレート空気流路１０５、１０６を形成している。第１エンドプレート１０３側の第１エンドプレート空気流路１０５と、第２エンドプレート１０４側の第２エンドプレート空気流路１０６は、連結流路１０７を介して連通されている。
【００２１】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）に示すように、第１エンドプレート１０３には、空気供給装置２１から供給される空気を第１エンドプレート空気流路１０５に導入するための開口部１０８が形成されている。第１エンドプレート１０３では、開口部１０８が形成された部位と連結流路１０７が接続された部位が対角線上に位置している。このため、空気供給装置２１から第１エンドプレート空気流路１０５に供給される空気は、第１エンドプレート空気流路１０５の全領域を通過する。
【００２２】
第２エンドプレート空気流路１０６には、空気供給装置２１から供給される空気が第１エンドプレート空気流路１０５と連結流路１０７を介して供給される。図３（ｂ）に示すように、第２エンドプレート空気流路１０６内に、燃料電池１０の空気流入口１０ａが位置している。第２エンドプレート１０４では、空気流入口１０ａと、連結流路１０７が接続された部位が対角線上に位置している。このため、連結流路１０７から第２エンドプレート空気流路１０６に流入する空気は、第２エンドプレート空気流路１０６の全領域を通過する。
【００２３】
各エンドプレート空気流路１０５、１０６は、セル１００の積層方向において、できるだけ大きな面積を有するように構成されている。具体的には、図３（ａ）に示すように、第１エンドプレート１０３の凸状部により構成される第１エンドプレート空気流路１０５は、図示しない締結部材による締結に必要な領域を除く領域に設けられている。また、図３（ｂ）に示すように、第２エンドプレート１０４の凸状部により構成される第２エンドプレート空気流路１０６は、図示しない締結部材による締結に必要な領域と、冷却水流入口１０ｂ、水素流入口１０ｃ、空気流出口１０ｄ、冷却水流出口１０ｅ、水素流出口１０ｆが設けられた領域を除く領域に設けられている。
【００２４】
図２に示すように、各エンドプレート空気流路１０５、１０６は、集電板１０１、１０２の板面にほぼ対応するとともに、セル１００の板面にほぼ対応した面積を有している。セル１００における電気化学反応が行われる発電領域、すなわち電解質膜が設けられている領域はセル１００板面より小さいため、各エンドプレート空気流路１０５、１０６はセル１００の発電領域全体を覆うことができる。
【００２５】
上記構成の燃料電池１０は、以下のように作動する。まず、空気供給装置２１から空気の供給が開始される。空気供給装置２１から供給された空気は、まず、第１エンドプレート空気流路１０５に導入される。空気供給装置２１から吐出された空気は断熱圧縮されており、１００℃以上の高温になっている。第１エンドプレート空気流路１０５に導入された高温空気は、第１集電板１０１の板面上を流れ、第１集電板１０１を加熱するとともに、第１集電板１０１に接触している端部セル１００を加熱する。
【００２６】
第１エンドプレート空気流路１０５を通過した高温空気は、連結流路１０７を介して第２エンドプレート空気流路１０６に導入される。第２エンドプレート空気流路１０６に導入された高温空気は、第２集電板１０２の板面上を流れ、第２集電板１０２を加熱するとともに、第２集電板１０２に接触している端部セル１００を加熱する。
【００２７】
第２エンドプレート空気流路１０６を通過した高温空気は、空気流入口１０ａから燃料電池１０内に導入される。燃料電池１０内に導入された空気は、各セル１００に分配され、各セル１００の空気極（酸素極）に対して並列に供給された後、空気流出口１０ｄから排出される。燃料電池１０には、空気供給装置２１からの空気供給と同時に、水素供給装置３１から水素の供給が開始される。水素流入口１０ｃから燃料電池１０内に導入された水素は、各セル１００に分配され、各セル１００の水素極に対して並列に供給された後、水素流出口１０ｆから排出される。このように、各セル１００に空気と水素が供給されることで、燃料電池１０は発電を開始する。
【００２８】
以上のように、空気供給装置２１から供給される高温空気を、セル１００に供給する前にエンドプレート空気流路１０５、１０６に通過させることで、セル１００に供給される空気の廃熱を有効利用して、両端の端部セル１００を昇温させることができる。これにより、燃料電池１０の起動直後には積層されたセル１００全体を昇温させることができ、早期に定常運転に移行させることができる。さらに、燃料電池１０が定常運転に移行した後では、エンドプレート空気流路１０５、１０６が保温層の役割を果たし、端部セル１００からの放熱を抑制することができる。このため、燃料電池１０の運転中に端部セル１００が温度低下して水分が凝縮することを抑制でき、端部セル１００でのフラッディングの発生を抑制することができる。さらに、エンドプレート空気流路１０５、１０６は、セル１００の発電領域全体を覆うことができるように設けられているので、セル１００の発電領域全体を昇温させることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３０】
図４（ａ）は本第２実施形態の燃料電池１０の左側面図であり、図４（ｂ）は燃料電池１０の右側面図である。図４（ａ）に示すように、第１エンドプレート１０３には、第１エンドプレート空気流路１０５を蛇行させるための複数の第１仕切部１０９が設けられている。図４（ｂ）に示すように、第２エンドプレート１０４には、第２エンドプレート空気流路１０６を蛇行させるための複数の第２仕切部１１０が設けられている。
【００３１】
複数の仕切部１０９、１１０は平行に配置されており、各仕切部１０９、１１０は、一端側がエンドプレート１０３、１０４の凸部内壁面に接続され、他端側がエンドプレート１０３、１０４の凸部内壁面と所定間隔を設けて配置されている。そして、一端側と他端側の関係が逆になった仕切部１０９、１１０が交互に配置されることで、空気流路１０５、１０６を蛇行させることができる。
【００３２】
本第２実施形態のように、エンドプレート空気流路１０５、１０６を蛇行させることで、エンドプレート１０３、１０４の全面に高温空気を行き渡らせることができる。これにより、集電板１０１、１０２を介してセル１００の発電領域全体を効率よく昇温させることができる。
【００３３】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、エンドプレート空気流路１０５、１０６をできるだけ大きく形成し、セル１００の発電領域全体に対応するように設けたが、このような構成に限定されず、少なくともセル１００内で温度低下しやすく水分が滞留しやすい部位に対応するようにエンドプレート空気流路１０５、１０６を設けるように構成してもよい。これにより、燃料電池１０に供給される高温空気を利用して、セル１００内で水分が滞留しやすい部位が温度低下して水分が凝縮することを抑制でき、端部セル１００でのフラッディングの発生を抑制することができる。セル１００内で水分が滞留しやすい部位は、例えばセル１００の空気出口付近や冷却水入口付近とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】燃料電池システムの模式図である。
【図２】（ａ）は燃料電池の正面図であり、（ｂ）は燃料電池の平面図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池の側面図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）右側面図である。
【図４】第２実施形態の燃料電池の側面図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）右側面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…燃料電池、１０ａ…空気流入口、１０ｂ…冷却水流入口、１０ｃ…水素流入口、１０ｄ…空気流出口、１０ｅ…冷却水流出口、１０ｆ…水素流出口、１００…セル、
１０１…第１集電板、１０２…第２集電板、１０３…第１エンドプレート、１０４…第２エンドプレート、１０５…第１エンドプレート空気流路、１０６…第２エンドプレート空気流路、１０７…連結流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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