(57)【要約】【課題】単セルの厚みを増加させることなく、電解質の湿潤状態を維持できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜からなる電解質層１ａと、電解質層を挟持して設置される電極１ｂ、１ｃと、電極の外側に位置し、電極に面した面にガス流路が形成されたセパレータ１ｄ１、１ｄ２と、からなる単セルを積層して構成された燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記セパレータ１ｄ１、１ｄ２を水透過性の多孔質材で構成し、前記ガス流路１ｆが構成された面と同一面にガス加湿用の水流路１５を形成した。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜からなる電解質層と、
電解質層を挟持して設置される電極と、
電極の外側に位置し、電極に面した面にガス流路が形成されたセパレータと、からなる単セルを積層して構成された燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記セパレータを水透過性の多孔質材で構成し、前記ガス流路が構成された面と同一面にガス加湿用の水流路を形成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水流路は、少なくとも前記ガス流路上流側に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水流路は、前記ガス流路上流側においてガス流路と平行に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス流路から排出された排気中の水分を分離する手段を設け、
分離した水を前記水流路に供給することを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記各セルの水流路を連通する通路と、
この連通通路に水を供給するポンプと、
を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セパレータは前記ガス流路下流側ほど温度が高いことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに効率よく変換する装置として注目されている。この装置は、固体高分子電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち、陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
陽極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−        （１）
陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ        （２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
こうした燃料電池においては電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上されるためには、電解質膜の水分状態を所定状態に保つ必要がある。このため通常、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。また、電解質膜を湿潤する水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給した場合には膜に不純物が蓄積し、燃料電池の性能が低下するためである。
【０００５】
電解質膜の水分状態を維持する技術として、ガスのバイポーラプレートとして多孔質体を用い、その多孔質バイポーラプレートの裏面に水分均一化構造体を有し、セル内の水分を均一化する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１３８６９１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術では、ガス流路の裏側に水分均一化構造体となるプレートが必要となり、さらにガスがポーラスプレートを透過し利用率が低下するのを防止するためにガス遮断隔壁が必要となるため、単位セルピッチが増大し出力密度が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明は、燃料電池を構成するセルの厚みを増大することなく、燃料電池に供給されるガスを安定して加湿する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池を構成する単セルのセパレータを水透過性の多孔質材で構成し、セパレータのガス流路が構成された面と同一面にガス加湿用の水流路を形成する。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、水透過性の材料で構成されたセパレータの同一面のガス流路と水流路とを形成したので、単セルの厚みを軽減することができるとともに、ガス流路内を流通するガスを安定的に加湿することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明を適用する燃料電池を備えた車両システムの構成を模式的に示す図である。
【００１２】
固体高分子型燃料電池１は、高分子電解質膜１ａと、電解質膜１ａを挟持して設置される燃料極１ｂ、酸化剤極１ｃとを備えた単セルを積層状にして構成される。燃料極１ｂには、例えばタンク２からの炭化水素系燃料を水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガスに改質する改質器などの燃料ガス供給装置３から燃料ガスが供給され、酸化剤極１ｃには、空気導入装置４から空気が導入される。
【００１３】
燃料電池１で発電に供された後、排出された燃料ガスは、未燃分の燃料を再利用するためにエゼクタポンプ７の作用により再び燃料極に１ｂに供給されてシステム効率を向上させる。また酸化剤極１ｃから排出される空気は、そのまま大気中に放出される。
【００１４】
燃料電池１には、燃料電池の温度を一定温度に制御するための冷却水が導入されており、その熱交換部８が燃料電池１に接して設けられる。冷却水は、冷却水タンク９から循環ポンプ１０の作用により熱交換部８に送られ、燃料電池の熱を吸熱し、燃料電池の熱を制御する。冷却水タンク８の下流には冷却水の温度を調節するためのラジエータ１１が設置され、燃料電池１が所定温度となるように冷却水温度を制御する。ラジエータ１１から排出された冷却水は冷却水流路１２を通じて熱交換部８に供給される。
【００１５】
図２は、本発明の特徴的な構成である燃料電池の単セルの構成を説明するための断面図であり、高分子膜１ａを挟持して燃料極１ｂ、酸化剤極１ｃが設置され、さらに両電極の外側にセパレータ１ｄ１、１ｄ２が備えられる。セパレータ１ｄ１には燃料ガス流路１ｅ、セパレータ１ｄ２には酸化剤ガス流路１ｆが設けられ、これらガス流路を通じて各電極に燃料ガス、酸化剤ガスが供給される。本実施例においては、酸化剤ガス流路１ｆは入口側マニフォールド１３からＵターンフローをジグザグに通るように、出口マニフォールド１４に向かって形成されている。このような構成からなる単セルが積層状に積み重なって燃料電池スタックが構成される。なお、各セル間には、ガス遮断シート１ｇが設置され、燃料ガスと酸化剤ガスが確実に分離される。
【００１６】
図３、図４はセパレータの詳細形状を説明するための図である。以下、酸化剤ガス流路１ｆを代表して説明するが、燃料ガス流路１ｅも同様に形成される。
【００１７】
セパレータ１ｄ２は、多孔質体のバイポーラプレートからなり、バイポーラプレートは、多孔質体のため、水、ガスの透過性を有している。このセパレータ１ｄ２表面に開口する複数のガス流路１ｈからなる酸化剤ガス流路１ｆ設けるとともに、この流路に連通する、下流側に入口マニフォールド１３、上流側に出口マニフォールド１４を設置する。このような構成により酸化剤ガスは下側から流入して上側から排出されることになり、セル内の電気化学反応で生成された水が、ガス流路１ｆを通じて出口マニフォールド１４から排出され、出口マニフォールド１４部に設置された水貯留部１４ａに生成水が貯留する。なお、ガス流路が開口する面が電極に面する側となる。ここで、入口側マニフォールド１３は、出口側マニフォールド１４より低い位置に配置する。
【００１８】
水貯留部１４ａ下部は、入口マニフォールド１３近傍まで延設される加湿用水流路１５に通じており、水貯留部１４ａの水が入口マニフォールド１３部まで重力の作用により供給される。加湿用水流路１５は、酸化剤ガス流路１ｆと同一平面に開口するように、かつ酸化剤ガス流路１ｆ近傍に形成される。また、加湿用水流路１５は、入口マニフォールド１３近傍の酸化剤ガス流路１ｆ上流側では酸化剤ガス流路１ｆと平行に形成される。
【００１９】
このように構成されて、以下、作用を説明する。
【００２０】
前述のようにガス流路１ｈ内に電気化学反応で生成された水は、入口マニフォールド１３から供給されてガス流路１ｈを流通するガスの運動エネルギによって移動し、出口マニフォールド１４から排出され、水貯留部１４ａに溜まる。この貯留した水は、毛細管現象により加湿用水流路１５に導入される。水流路１５を流れる生成水は、セパレータ１ｄが多孔質体で形成されているため、その細孔内部に徐々に浸透し、毛細管現象によりガス流路１ｈまで達する。この浸透してきた生成水（純水）によりガス流路１ｈを流通する酸化剤ガスを加湿することができる。
【００２１】
したがって、本発明では、セパレータを多孔質体で構成し、セパレータ面上に形成される燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通するガス流路と、この同一面上に水流路１５を形成し、多孔質体に水分を浸透させて燃料電池に供給される供給ガスを加湿するようにしたので、単セルの積層方向の厚さを抑えて発電効率を向上し、供給ガスの加湿を容易に行うことができる。
【００２２】
また、供給ガスの加湿水を供給ガス流路と平行に設置した水流路から浸透させて供給するため、供給ガスが燃料電池の単セルに供給されると同時に加湿を開始できるため、効率よく加湿することができる。
【００２３】
なお、水流路１５に気泡が残留すると生成水の移動が妨げられるため、図５に示すように水流路１５に水を供給する装置（例えば、ポンプ等）を設置し、水流路１５を水で充満させることが望ましい。なお、生成水の移動を効率よく行う手段は、これに限られないことはいうまでもない。
【００２４】
また、本実施形態においては、各単セル間にガス遮断プレート１ｇを設置した。このとき、隣接するセルで酸化剤セパレータ同士、もしくは、燃料ガスセパレータ同士を隣り合うように設けることで、ガス遮断プレート１ｇを設ける必要がなくなるので、部品点数を減らし、生産コストを削減するとともに、単セルの厚みを削減することもできる。
【００２５】
図６は本発明の第２の実施形態を示している。この実施形態は、第１の実施形態の構成に対して、水貯留部１４ａを廃止し、生成水を利用せずに、別置した純水タンク１６の純水を用いて供給ガスを加湿する構成である。
【００２６】
入口マニフォールド近傍の酸化材ガス流路１ｆに平行に形成した水流路１５の両端部に入口部１５ａ、出口部１５ｂを設け、これらの出入口部と純水タンク１６を結ぶ流路を設置する。純水タンク１６を入口部１５ａを結ぶ流路途中にポンプ１７を設置し、純水タンク１６の純水を水流路１５に供給する。この水流路１５に供給された水が浸透して供給ガスを加湿し、電解質膜１ａが加湿される。なお、図では１個のセルとポンプとで水が循環する構成としたが、各セル間の水流路を連通させてポンプの作用により水が循環するようにしてもよい。
【００２７】
このような構成とすることで、水流路１５中の気泡の発生を確実に防止できるとともに、各セル間の水の供給量のバラツキを抑制することができる。
【００２８】
図７と図８は、第３の実施形態を示しており、この実施形態は、第２の実施形態に対して、入口マニフォールド近傍のガス流路１ｆの上下に水流路１５ｃ、１５ｄを形成した実施形態である。この実施形態では、より多くの水を短時間に供給ガスに供給することができ、ガス流路の配置による加湿のバラツキを抑制し、安定した加湿が行える。
【００２９】
なお本実施形態では、ガス流路の上下に２本の水流路を形成したが、これに限らず、セル形状、バイポーラプレートの物性（気孔率や細孔径等）や流路の幅等に基づき水流路を設定する。
【００３０】
図９は、第４の実施形態を示しており、第３の実施形態の構成に比して、出口マニフォールド１４から排出された排気中の水分を凝縮、分離する手段１８を設置した点が異なる。この水分離手段１８を設け、排気中の水分を分離し、純水タンク１６に供給することにより、純水タンク１６に外部から水分を補給する必要がなく、生成水を活用してシステムの水収支を向上することができる。
【００３１】
続いて図１０と図１１に示す第５の実施形態について説明する。本実施形態は、同一平面状にガス流路１ｆと水流路１５とを並設して入口マニフォールドから出口マニフォールドまで形成したもので、ガスの流れと水の流れとは同じ方向に流れる。ガス流路１ｆを流通するガスの温度は電気化学反応による発熱で下流側ほど高温となり、したがって、ガスの飽和水蒸気圧も下流側ほど上昇する（図１２参照。）。これにより、飽和水蒸気圧が上昇したガスは、高温の下流において電気化学反応により生成された水を含有し、水蒸気として排出することができ、生成水がガス流路を閉塞するフラッディング現象を防止することができる。
【００３２】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の構成図である。
【図３】セパレータに形成された流路を説明する図である。
【図４】同じく流路断面の詳細図である。
【図５】セパレータに形成された他の流路を説明する図である。
【図６】セパレータに形成された他の流路を説明する図である。
【図７】セパレータに形成された他の流路を説明する図である。
【図８】同じく流路断面の詳細図である。
【図９】セパレータに形成された他の流路を説明する図である。
【図１０】セパレータに形成された他の流路を説明する図である。
【図１１】同じく流路断面の詳細図である。
【図１２】ガス流路の位置と温度及び飽和水蒸気圧の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
１ａ  電解質膜
１ｂ  燃料極
１ｃ  酸化材極
１ｄ１、１ｄ２  セパレータ
１ｅ  燃料ガス流路
１ｆ  酸化材ガス流路
１ｇ  ガス遮断シート
１ｈ  ガス流路
２  タンク
３  燃料ガス供給装置
４  空気導入装置
７  エゼクタポンプ
８  熱交換部
９  冷却水タンク
１０  循環ポンプ
１１  ラジエータ
１３  入口マニフォールド
１４  出口マニフォールド
１４ａ  水貯留部
１５  加湿用水流路
１６  純水タンク
１７  ポンプ
１８  水分離手段
【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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【図８】
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【図９】
2004227893.tif 000011
【図１０】
2004227893.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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