(57)【要約】【課題】反応ガスとともに電極へ供給する水の気化線熱により冷却を行う際に、反応ガス入口付近の温度低下を防止する。【解決手段】燃料電池１に空気を供給する空気供給通路３７に、水供給通路５９を経て水を付加する。空気供給通路３７から、空気流路３の上流端の空気入口マニホールド１９を通して空気の一部を供給するとともに、空気供給通路３７から分岐する空気分岐通路４７を経て、空気流路３の中間位置にある中間入口マニホールド４９から残りの空気を供給する。【選択図】図１
2008004309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給して、発電とともに水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池装置において、前記電極にて前記反応ガスが流れる反応ガス流路の一端に前記反応ガスが流入する反応ガス入口を、同他端に前記反応ガスが排出される反応ガス出口をそれぞれ設け、前記燃料電池の発電に必要な反応ガスのうちの一部を、前記反応ガス入口に前記水とともに供給すると同時に、前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間の前記反応ガス流路の途中部位に前記反応ガスの他の一部を供給することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間の前記反応ガス流路の途中部位に前記反応ガスの他の一部を前記水とともに供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス入口に前記反応ガスを供給する反応ガス供給通路を接続するとともに、この反応ガス供給通路を分岐させて設けた反応ガス分岐通路を、前記反応ガス流路の途中部位に接続したことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流路の途中部位は、前記反応ガス流路における前記反応ガスの流れ方向中央位置より上流側としたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流路を、前記反応ガスが前記反応ガス流路の途中部位で折り返して流れるように、前記反応ガス入口と前記途中部位とを結ぶ上流側流路と、前記途中部位と前記反応ガス出口とを結ぶ下流側流路とを有する構成として、これら上流側流路および下流側流路を互いに隣接して並行配置したことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流路の下流側流路を、前記反応ガス流路の上流側流路の両側に配置したことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス入口から前記反応ガス流路に供給する反応ガスの流量と、前記反応ガス流路の途中部位に供給する反応ガスの流量とを調整する反応ガス流量調整手段を設けたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池装置において、前記反応ガス流量調整手段は、前記反応ガス入口と前記反応ガス流路の途中部位との間の電極面積と、前記反応ガス流路の途中部位と前記反応ガス出口との間の電極面積に応じて反応ガスの流量を変化させることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池装置において、前記燃料電池の暖機運転時に、前記反応ガス入口に供給する反応ガスの流量を、定常運転時よりも減少させることを特徴する燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給して、発電とともに水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。
【０００３】
このような燃料電池装置においては、電解質のイオン伝導度と、発電により発生した熱を冷却する機能が必要とされる。例えば、ナフィオン(デュポン株式会社の商品名)に代表される電解質として使用する高分子膜の多くは、電解質が湿潤した状態でイオン伝導度が確保される。このため、燃料電池に使用する反応ガスであるカソードガスやアノードガスは加湿した状態で利用する。
【０００４】
また、燃料電池は発電時に発熱するが、その際の冷却には、バイポーラプレートと呼ばれるカソードガスとアノードガスを分離する部品の内部に冷却水を流すことが一般的である。
【０００５】
一方、下記特許文献１に記載されているように、燃料電池に供給する反応ガスに、直接液体の水を混入させて燃料電池内部で蒸発させることにより、加湿と気化潜熱による冷却を行う燃料電池が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２１０３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記したような加湿と気化潜熱による冷却を行う燃料電池装置では、発電に伴う発熱によって気化した水蒸気が飽和するように、反応ガスの流れに沿って温度上昇が見られる。
【０００７】
このような温度上昇は、反応ガスの入口付近では、局所的に見れば反応ガスの利用率は極めて低いので、水蒸気圧が低く、それに対応して温度も反応ガスの出口付近に比べて低くなる。このため、図６のように、実線Ａで示す冷却水で冷却する一般的な燃料電池と比べて、破線Ｂで示す気化潜熱で冷却する燃料電池では、温度が低い部分が多くなる。
【０００８】
温度が低い部分では、電極での触媒活性が低いため発電性能が低下する。発電性能の低下から、反応ガス入口付近の温度の低い部分での電流密度が減少するため、燃料電池の電流−電圧特性が低下するという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、反応ガスとともに電極へ供給する水の気化線熱により冷却を行う際に、反応ガス入口付近の温度低下を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給して、発電とともに水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池装置において、前記電極にて前記反応ガスが流れる反応ガス流路の一端に前記反応ガスが流入する反応ガス入口を、同他端に前記反応ガスが排出される反応ガス出口をそれぞれ設け、前記燃料電池の発電に必要な反応ガスのうちの一部を、前記反応ガス入口に前記水とともに供給すると同時に、前記反応ガス入口と前記反応ガス出口との間の前記反応ガス流路の途中部位に前記反応ガスの他の一部を供給することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の発電に必要な反応ガスを、反応ガス流路の上流端の反応ガス入口と反応ガス流路の途中部位とに分割して供給するようにしたので、反応ガス入口付近における局所的な反応ガスの供給量が相対的に減少して反応ガスの利用率が増加し、水蒸気分圧が上昇して反応ガス入口付近の温度低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。図１では、燃料電池１の構成部品の一つであるバイポーラプレート（セパレータとも呼ぶ）５を平面図として示している。図１に示すように、バイポーラプレート５には、後述の図２に示す電極１１，１３を備える発電領域にて反応ガス（ここでは酸素を含む空気とする）が流れる反応ガス流路としての空気流路３を形成してある。
【００１４】
図２は、上記した燃料電池１の一部を示す、図１のＡ−Ａ線断面に相当する断面図であり、ここでの燃料電池１は、電解質に固体高分子を用いる固体高分子電解質形燃料電池としている。
【００１５】
この燃料電池１は、一つの電池セル７が、中央に位置する固体高分子膜からなる電解質膜９と、電解質膜９を挟持するように電解質膜９の両面に配設される二つの電極１１，１３と、その外側に配置されて電池セル７相互間の隔壁を成すバイポーラプレート５，１５とを備えており、通常は、この電池セル７を複数積層して構成して燃料電池スタックを構成している。
【００１６】
電解質膜９は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料により、プロトン伝導性の膜として形成している。この電解質膜９の両面の二つの電極１１，１３は、白金または、白金とその他の金属とからなる触媒を担持するカーボン微粒子を塗布したカーボンクロス、またはカーボンペーパからなり、触媒の存在する塗布面が電解質膜９と接触している。
【００１７】
バイポーラプレート５，１５は、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成している。一方のバイポーラプレート５は、電極１１に対向する面に、前記した反応ガスである酸素を含む空気が流通する前記図１に示した空気流路３を形成している。他方のバイポーラプレート１５は、電極１３に対向する面に、燃料ガスとして水素が流通する水素流路１７を形成している。
【００１８】
図１に示すように、バイポーラプレート５を含む燃料電池構成部品は、図１中で左右方向に長い長方形状を呈しており、その長手方向に沿って前記した空気流路３を形成している。そして、図１中の左側端部にて紙面に直交する方向、すなわち燃料電池１の各構成部品の積層方向に沿って、燃料電池１を貫通する反応ガス入口となる空気入口マニホールド１９を設け、同右側端部にて紙面に直交する方向に沿って、燃料電池１を貫通する反応ガス出口となる空気出口マニホールド２１を設け、これら各空気入口，出口マニホールド１９，２１相互を、前記した空気流路３により連通している。
【００１９】
すなわち、上記した空気入口マニホールド１９を流れる空気が、各電池セル７の空気流路３にそれぞれ分配供給される。
【００２０】
同様にして、上記した空気入口，出口マニホールド１９，２１にそれぞれ隣接して、水素入口，出口マニホールド２３，２５を、図１中の紙面に直交する方向に貫通して設けている。そして、この水素においても、上記した空気と同様に、各電池セル７の水素流路１７に分配供給される。
【００２１】
ここで、図１に示すように、本実施形態における空気流路３は、上流側流路２７と下流側流路２９との二つに分割し、これら相互間に中間領域３１を設けている。また、上流側流路２７と空気入口マニホールド１９との間には、分散領域３３を、下流側領域２９と空気出口マニホールド２１との間には、集合領域３５をそれぞれ設けている。
【００２２】
そして、図１に示すように、空気入口マニホールド１９には、反応ガス供給通路としての空気供給通路３７を接続する一方、空気出口マニホールド２１には空気排出通路３８を接続する。空気供給通路３７には、吸気口３９から外気を吸入して吐出するコンプレッサ４１を設置する一方、空気排出通路３８には調圧弁４３を設置し、吸気口３９から取り入れた空気を、燃料電池１の運転負荷に応じた空気量と圧力になるように、コントローラ４５がコンプレッサ４１および調圧弁４３を制御する。
【００２３】
空気供給通路３７は、反応ガス分岐通路としての空気分岐通路４７を途中で分岐して設け、この空気分岐通路４７を、前記した中間領域３１に連通しかつ、反応ガス入口と反応ガス出口との間の反応ガス流路の途中部位に相当する中間入口マニホールド４９に接続する。この中間入口マニホールド４９は、空気入口，出口マニホールド１９，２１と同様に、図１中で紙面に直交する方向に貫通して設けており、各電池セル７の中間領域３１に分岐した空気をそれぞれ分配供給する。
【００２４】
また、空気分岐通路４７とコンプレッサ４１との間の空気供給通路３７には圧力センサ５１を、空気分岐通路４７には、その上流側から調圧弁５３および圧力センサ５５をそれぞれ設け、これら各圧力センサ５１，５５の検出値は、前記したコントローラ４５に入力され、調圧弁５３はコントローラ４５によって制御される。
【００２５】
そして、上記した圧力センサ５１と空気分岐通路４７との間の空気供給通路３７には、液相の水をインジェクタ５７により供給する水供給通路５９を接続し、水供給通路５９を通して空気供給通路３７に水を加える。
【００２６】
なお、インジェクタ５７から噴出する水の供給源としては、例えば、空気排出通路３８を流れる排出空気中の水蒸気を凝縮させた水を貯留するタンクなどでよい。
【００２７】
一方、水素入口マニホールド２３には、水素供給通路６５を接続し、水素供給通路６５には、上流側から、水素を高圧で貯蔵する水素タンク６７，前記コントローラ４５によって制御される調圧弁６９，水素循環装置であるエジェクタ７１を順次設置する。また、水素出口マニホールド２５に水素循環通路７３の一端を接続し、水素循環通路７３の他端を上記したエジェクタ７１に接続し、このエジェクタ７１により、水素循環通路７３を流れる排出水素を、再度水素入口マニホールド２３に供給するよう循環させる。
【００２８】
次に作用を説明する。コンプレッサ４１が吸気口３９から空気を取り入れるが、この際コントローラ４５が、上記取り入れた空気を、燃料電池１の運転負荷に応じた空気量と空気圧力となるように、圧力センサ５１の検出値を取り込みつつコンプレッサ４１および調圧弁４３を制御する。
【００２９】
そして、上記コンプレッサ４１にて空気供給通路３７に吐出した空気に、インジェクタ５７からの水を、水供給通路５９を通して供給する。これにより、反応ガスとしては、気液２相流の状態で燃料電池１に送ることになり、一部は空気入口マニホールド１９から、上流側流路２７に対応する上流発電部６１に供給し、他の一部は空気分岐通路４７を通して中間入口マニホールド４９から下流側流路２９に対応する下流発電部６３に供給する。
【００３０】
この際、中間入口マニホールド４９から中間領域３１に供給した空気に、上流発電部６１で未利用の空気が混合されて下流発電部６３に供給され、その後、未使用の空気が空気出口マニホールド２１から空気排出通路３８に排出される。
【００３１】
一方、水素タンク６７からの水素は、燃料電池１の運転負荷に応じた循環水素量となり、かつエジェクタ７１の供給圧力となるように、コントローラ４５が調圧弁６９を制御する。この際、水素は水素入口マニホールド２３から燃料電池１に導入され、水素出口マニホールド２５から排出される未利用水素は、エジェクタ７１で水素タンク６７からの水素と混合され循環する。
【００３２】
このときコントローラ４５は、空気入口マニホールド１９から上流発電部６１に供給される空気量と、空気分岐通路４７を通って中間入口マニホールド４９に供給される空気量とが互いに等しくなるように、圧力センサ５５の出力値を参照しつつ調圧弁５３の開度を調整する。すなわち、コントローラ４５と調圧弁５３と圧力センサ５５とで、反応ガス流量調整手段を構成している。
【００３３】
ここで、燃料電池１が空気利用率６７％で運転するとすれば、吸気口３９から取り入れられる空気は、理論上必要な空気量の１．５倍となる。その後、上流発電部６１と下流発電部６３には、空気入口マニホールド１９と中間入口マニホールド４９から、理論上必要な空気量のそれぞれ０．７５倍ずつの空気が導入される。
【００３４】
この場合、全体の発電部の半分の領域となる上流発電部６１だけでみれば、本実施形態では上流発電部６１に供給される空気量は理論上必要な空気量の１．５倍となる。一方、従来のように空気入口マニホールドから全量の空気を、上記と同様に全体の発電部の半分の領域に供給するとした場合には、理論上必要な空気量の３．０倍となる。
【００３５】
このため、水蒸気は発電時の発熱に応じて発生することから、大きく変化しないが、水蒸気以外の反応ガス量（ここでは空気量）が、従来に比べて本実施形態の方が少ないことになる。このため、従来に比べて本実施形態では、上流発電部６１の水蒸気分圧は高くなり、蒸気圧が飽和状態に平衡する温度になるために、上流発電部６１の温度は、図３の実線Ｃで示すように、従来の一点鎖線Ｄに比べて高くなる。
【００３６】
以上より、本実施形態によれば、空気流路３の入口に接続する空気供給通路３７を分岐させた空気分岐通路４７を、空気流路３の途中部位の中間入口マニホールド４９に接続し、反応ガスである空気を、空気入口マニホールド１９と中間入口マニホールド４９とに分割して供給するようにしたので、空気入口マニホールド１９付近の空気流路３における局所的な空気の利用率を高めることができ、空気入口マニホールド１９入口付近の発電部の温度低下を防止して、燃料電池１の発電性能を高めることができる。
【００３７】
なお、上記した実施形態では、中間入口マニホールド４９を空気流路３の長手方向中央位置に設定してこの中央位置に空気分岐通路４７を接続しているが、この接続位置は、中央位置に限定されるものではない。
【００３８】
例えば、本発明の第２の実施形態として、中間入口マニホールド４９を空気流路３の長手方向中央位置より上流側に配置することで、図３の実線Ｅで示すように、上流側の温度の低い部分の温度をより高温にすることができる。
【００３９】
この場合、上流発電部６１の発電面積（電極面積）と、下流発電部６３の発電面積（電極面積）に応じて空気の流量を変化させる。すなわち、上記のように中間入口マニホールド４９を空気流路３の長手方向中央位置より上流側に配置すると、上流発電部６１の電極面積が下流発電部６３の電極面積より小さくなるが、その小さくなった分だけ空気入口マニホールド１９への空気供給量を、中間入口マニホールド４９への空気供給量より少なくする。空気供給量が少なくなることで、実線Ｅで示すように、実線Ｄの場合に比較して上流側での温度が高くかつ急激に上昇する。
【００４０】
図４は、本発明の第３の実施形態示す、前記したバイポーラプレート５に対応するバイポーラプレート５Ａの平面図である。この実施形態は、燃料電池１Ａの上流発電部６１Ａにおける上流側流路２７Ａに対し、下流発電部６３Ａにおける下流側流路２９Ａを、中間領域３１Ａの部分で空気が折り返して流れるように、これら各流路２７Ａ，２９Ａ相互を、隣接して並行配置している。
【００４１】
この場合には、図１における上流発電部６１と下流発電部６３の図１中で左右方向（長手方向）の長尺部の長さと、図１中で上下方向の短尺部の長さとの比が、２：１を超える程度に左右方向の長さが長いものに限り、上流発電部６１Ａおよび下流発電部６３Ａの周囲を取り囲む非発電部分の面積が、図１の例に比較して減少し、燃料電池１Ａとしてコンパクト化を図ることができる。
【００４２】
図５は、本発明の第４の実施形態示す、前記したバイポーラプレート５に対応するバイポーラプレート５Ｂの平面図である。この実施形態は、前記図４に示した第３の実施形態と同様に、燃料電池１Ｂの上流発電部６１Ｂにおける上流側流路２７Ｂに対し、下流発電部６３Ｂにおける下流側流路２９Ｂを、中間領域３１Ｂの部分で空気が折り返して流れるように、これら各流路２７Ｂ，２９Ｂ相互を、隣接して並行配置しているが、ここでは、下流側流路２９Ｂを、上流側流路２７Ｂの両側に設けている。
【００４３】
これにより、温度の低い上流発電部６１Ｂの両側を、温度高い下流側発電部６３Ｂで囲い込む形となり、下流側発電部６３Ｂに比較して温度の低い上流発電部６１Ｂから燃料電池外部への放熱を低減できる。
【００４４】
なお、上記図４，図５においては、図１と同一構成部分には、図１の数字の後に、アルファベットのＡ，Ｂをそれぞれ付加して示している。また、図４，図５では、前記図１における空気供給通路３７や空気分岐通路４７、水素供給通路６５や水素循環通路７３の一部のみ示しているが、これらは、基本的には、図１と同様の接続形態となっている。
【００４５】
本発明の第５の実施形態として、燃料電池１，１Ａ，１Ｂの暖機運転時には、上流発電部６１，６１Ａ，６１Ｂに供給する空気の量を、定常運転時よりも減少させる。これは、第１の実施形態で、上流発電部６１の空気量を減らすことにより、この部位の温度上昇を達成できることとした点を利用している。したがって、この場合、暖機運転中で温度を早く上昇させたい場合に有効であり、暖機運転時間の短縮化を図ることができる。
【００４６】
なお、上記した各実施形態は、空気側のみで気化潜熱を利用する方法を示したが、水素側で気化潜熱を利用するものに対して実施することを否定するものではない。また、本実施形態では、気化するための液相の水を供給する方法は、燃料電池１の外側で、インジェクタ５７を用いて供給する方法を示したが、その他の方法を否定するものではない。
【００４７】
また、上記した実施形態では、空気供給通路３７から空気分岐通路４７を分岐させているが、コンプレッサ４１などの空気供給源を２系統設置して、空気入口マニホールド１９と中間入口マニホールド４９とに空気を別々に供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図２】燃料電池の一部を示す、図１のＡ−Ａ線断面に相当する断面図である。
【図３】空気流路に沿った温度変化を、従来例と本実施形態とを比較して示す説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態示すバイポーラプレートの平面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態示すバイポーラプレートの平面図である。
【図６】空気流路に沿った温度変化を、冷却水冷却と気化潜熱冷却とを比較して示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，  １Ａ，１Ｂ  燃料電池
３，３Ａ，３Ｂ  空気流路（反応ガス流路）
１１，１３  電極
１９，１９Ａ，１９Ｂ    空気入口マニホールド（反応ガス入口）
２１，２１Ａ，２１Ｂ  空気出口マニホールド（反応ガス出口）
３７  空気供給通路（反応ガス供給通路）
４５  コントローラ（反応ガス流量調整手段）
４７  空気分岐通路
４９  中間入口マニホールド（反応ガス入口と反応ガス出口との間の反応ガス流路の途中部位）
５３  調圧弁（反応ガス流量調整手段）
５５  圧力センサ（反応ガス流量調整手段）
６１，６１Ａ，６１Ｂ  空気流路の上流側流路
６３，６３Ａ，６３Ｂ  空気流路の下流側流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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