(57)【要約】【課題】負荷電流が増大してもガス流通溝の圧力損失が抑制され、負荷電流が減少してもガス流通溝の流速が適正に保持できるものを得る。【解決手段】セパレータ１６の燃料ガス流通溝に連通するガス供給、排出用のマニホールドとして、燃料ガスマニホールド１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを設け、そのうちの燃料ガスマニホールド１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅに、それぞれ電磁弁１２，１３，１４，１５を備えて、ガス供給回路１０あるいはガス排出回路１１への接続、あるいはガス遮断のうちのいずれかを選択可能に構成し、運転条件に対応して各電磁弁を切替えて、ガスの流速を調整する。【選択図】　　　　図２
2004047371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面に触媒層と多孔質の拡散層からなる電極を接合した膜電極接合体と、ガス流通溝および該ガス流通溝に流通させるガスの導入用あるいは排出用のマニホールドを有するガス不透過性のセパレータとを積層して燃料電池スタックを構成し、膜電極接合体に対向する前記ガス流通溝の一方に燃料ガスを、またもう一方に酸化剤ガスを流通させて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池において、
前記セパレータが、同一ガス流通溝に連通するマニホールドを少なくとも３個以上備え、かつ、それらのマニホールドの内少なくとも２個以上のマニホールドが、ガス供給回路、あるいはガス排出回路への接続、あるいはガス遮断の内のいずれかを選択可能に構成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、選択可能に構成されたマニホールドのガス供給回路、あるいはガス排出回路への接続、あるいはガス遮断が、前記ガス流通溝に流通させるガスの流量に基づいて選択されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項３】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、選択可能に構成されたマニホールドのガス供給回路、あるいはガス排出回路への接続、あるいはガス遮断が、負荷電流に基づいて選択されることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いる固体高分子形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池の燃料電池スタックは、一般に、固体高分子電解質膜の両面に触媒層と多孔質の拡散層からなる電極を接合した膜電極接合体と、ガス流通溝を備えたガス不透過性のセパレータとを積層して構成されており、セパレータの膜電極接合体に対向する面に備えられたガス流通溝の一方に水素リッチな燃料ガスを、またもう一方に空気等の酸化剤ガスを流通させて使用される。
【０００３】
セパレータに備えられているガス流通溝の代表的な方式には、平行溝方式と蛇行溝方式の二つの方式がある。図５は、セパレータに備えられているガス流通溝の従来例を示したもので、図５（ａ）は蛇行溝方式のガス流通溝を備えたセパレータの平面図、図５（ｂ）は平行溝方式のガス流通溝を備えたセパレータの平面図である。図５（ａ）、（ｂ）において、５１、５２、５３、５４は貫通孔よりなる燃料ガスや酸化剤ガスの供給用マニホールドあるいは排出用マニホールドであり、複数の膜電極接合体とセパレータとを積層した燃料電池スタック全体に連通して、セパレータのガス流通溝にこれらの反応ガスを流通させる役割を果たしている。
【０００４】
すなわち、図５（ａ）に示したセパレータにおいては、燃料ガスは、図示しない燃料ガス供給回路に連結された燃料ガスマニホールド５１より導入され、ガス流通溝８を蛇行しつつ流通し、燃料ガスマニホールド５２より図示しない燃料ガス排出回路へと排出される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールド５３より導入され、裏面に備えられた図示しないガス流通溝を流通し、酸化剤ガスマニホールド５４より排出される。また、図５（ｂ）に示したセパレータにおいては、燃料ガスは、燃料ガスマニホールド５１より導入され、左端の空間に拡散したのち、並列に形成されたガス流通溝８を右端へと流通したのち、燃料ガスマニホールド５２より排出される。同様に、酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールド５３より導入され、裏面に備えられたガス流通溝を流通し、酸化剤ガスマニホールド５４より排出される。
【０００５】
なお、図５（ａ）に示した蛇行溝方式の例では単一の溝を蛇行して流れるよう構成されているが、複数のガス流通溝を平行に流れながら蛇行する方式や、折り返し部分で複数のガス流通溝を結合させる方式もある。また、平行溝方式では、隣接するガス流通溝を隔てるリブを、流通方向に複数個に分割して配置する方式もある。
【０００６】
また、上記の例のごとく、各反応ガスについて供給側と排出側の２個のマニホールドを備えるのが一般的であるが、電極面積が大きな燃料電池スタックの場合には、面内の反応ガスの流れを均一化するために３個以上のマニホールドを備える場合もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、固体高分子形燃料電池においては、膜電極接合体を挟持するセパレータに対向して備えられたガス流通溝の一方に燃料ガスを、またもう一方に酸化剤ガスを流通させて発電運転が行われており、セパレータに備えられたガス流通溝の幅、深さ、長さ、本数などの形状は、燃料電池スタックの定格運転条件における反応ガスの流速が適切な値となるよう選定されている。
【０００８】
しかしながら、固体高分子形燃料電池は常に定格運転条件で運転されるとは限らず、例えば、何らかの要因によって負荷電流が大幅に低下すれば、反応ガスの流速が低下する。このようにガス流通溝のガス流速が低下すれば、発電に伴って生じた反応生成水をガス圧により送り出すことが困難となるので、ガス流通溝内に反応生成水が凝縮して滞留し、反応ガスの流通が妨げられて流量が減少し、セル電圧が低下する事態が起こる危険性がある。
【０００９】
また、上記の危険性を回避するために、低い負荷電流におけるガス流速を基準にガス流通溝の形状を選定すれば、定格負荷条件でのガス流通溝の圧力損失が増加するので、反応ガスの供給圧力を増大させる必要が生じ、加圧のための補機動力の増加によって発電効率が低下することとなる。
本発明は、上記のごとき従来技術の難点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、負荷電流が増大する事態が生じても、ガス流通溝の圧力損失が適正に保持されて発電効率の低下が防止され、負荷電流が減少する事態が生じても、ガス流通溝のガス流速が適正に保持されてガス流通溝内への生成水の凝縮、滞留によるセル電圧の低下が回避される固体高分子形燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
固体高分子電解質膜の両面に触媒層と多孔質の拡散層からなる電極を接合した膜電極接合体と、ガス流通溝およびこのガス流通溝に流通させるガスの導入用あるいは排出用のマニホールドを有するガス不透過性のセパレータとを積層して燃料電池スタックを構成し、膜電極接合体に対向するガス流通溝の一方に燃料ガスを、またもう一方に酸化剤ガスを流通させて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池において、
（１）上記のセパレータに、同一ガス流通溝に連通するマニホールドを少なくとも３個以上備え、かつ、それらのマニホールドの内少なくとも２個以上のマニホールドを、ガス供給回路、あるいはガス排出回路への接続、あるいはガス遮断の内のいずれかを選択可能に構成することとする。
【００１１】
（２）さらに上記（１）のセパレータにおいて、選択可能に構成されたマニホールドのガス供給回路、あるいはガス排出回路への接続、あるいはガス遮断が、前記ガス流通溝に流通させるガスの流量、あるいは負荷電流に基づいて選択することとする。
上記の（１）のごとく構成すれば、ガス供給回路、あるいはガス排出回路への接続、あるいはガス遮断の内のいずれかを選択可能に構成されたマニホールドの接続を切替えることにより、ガス流通溝を流れるガスのパターンが変更され、流速を変えることができる。したがって、上記（２）のごとく、ガスの流量、あるいは負荷電流に基づいて上記のマニホールドの接続を切替えれば、ガス流速を適正な値に保持することが可能となり、圧力損失の上昇による発電効率の低下や、ガス流通溝内への生成水の凝縮、滞留によるセル電圧の低下を回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池の実施例に用いられているセパレータの燃料ガスのガス流通溝とマニホールドの構成を示す平面図で、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは、ガス流通溝６に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅは裏面のガス流通溝に酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガスマニホールドである。また、４Ａ、４Ｂは、燃料電池スタックに介装される冷却板の冷却水流路に冷却水を流通させるための冷却水マニホールドである。ガス流通溝６は、複数の平行に延伸するリブをガスの流通方向、すなわち図１において紙面の上下方向に４分割して配置することによって形成されており、このリブの分割位置に対応して燃料ガスマニホールド１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅが配置されている。
【００１３】
図２は、図１のセパレータの燃料ガスマニホールドと外部燃料ガス系との接続図である。図２において、１０は燃料ガス供給回路、１１は燃料ガス排出回路である。セパレータ１６に備えられた５個の燃料ガスマニホールドのうち、燃料ガスマニホールド１Ａは燃料ガス供給回路１０に直接連結されているが、燃料ガスマニホールド１Ｂ、１Ｄには、燃料ガス排出回路１１への接続またはガス遮断を選択可能な電磁弁１２、１４が、また、燃料ガスマニホールド１Ｃには、燃料ガス供給回路１０、あるいは燃料ガス排出回路１１への接続、あるいはガス遮断を選択可能な３方電磁弁１３が連結されており、燃料ガスマニホールド１Ｅには、燃料ガス供給回路１０あるいは燃料ガス排出回路１１への接続を選択可能な３方電磁弁１５が連結されている。
【００１４】
図２の接続図の構成において、燃料電池スタックの負荷電流に対応して各電磁弁を次表のごとく切替えて接続した。
【００１５】
【表１】
2004047371.tif 000003
図３は、表１のごとく各電磁弁を選択した場合のガス流通溝内の燃料ガスの流れのパターンを示したもので、図３（ａ）は過負荷の場合、図３（ｂ）は定格負荷の場合、図３（ｃ）は部分負荷の場合の流れである。図に見られるように、図３（ａ）の場合には、ガス供給回路より供給された燃料ガスが４分割されて、平行に配置されたガス流通溝の全体の１／４を流れてガス排出回路へと排出されるのに対して、図３（ｂ）の場合には、２分割されてガス流通溝の全体の１／２を流れてガス排出回路へと排出され、図３（ｃ）の場合には、ガス流通溝の全体を流れてガス排出回路へと排出される。したがって、図３（ａ）の過負荷の場合のガス流通溝を流れる燃料ガスの流速は、図３（ｂ）の定格負荷の場合の流速の１／２倍となり、図３（ｃ）の部分負荷の場合のガス流通溝を流れる燃料ガスの流速は、図３（ｂ）の定格負荷の場合の流速の２倍となる。
【００１６】
図４は、表１のごとく各電磁弁を選択した場合の燃料電池スタックの負荷電流とガス流通溝内の燃料ガスの流速との関係を示す特性図で、直線（ａ）、直線（ｂ）、直線（ｃ）は、それぞれ上記の図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）のごときガスの流れが得られるよう各電磁弁を選択した場合の特性線である。上述のように、本実施例では、燃料電池スタックを定格負荷で運転する際には上記の図３（ｂ）とし、部分負荷運転の際には図３（ｃ）、過負荷運転の際には図３（ａ）を選択しているので、本燃料電池スタックの負荷電流とガス流通溝内の燃料ガスの流速との関係は、図中に３本の太い実線で示した特性Ａのごとくとなる。この特性においては、太い点線で示した従来例の特性Ｂに比較してガス流速の変化の範囲が小さく抑えられる。この結果、部分負荷運転の際に、従来のようにガス流通溝に水滴が滞留する恐れがなくなり、ガス流量の不足によるセル電圧の低下が回避される。また、過負荷運転の際に従来のように圧力損失が増大する恐れがないので、圧力損失の増大を補う補機動力を増加させる必要がなくなり、発電効率の低下がなくなる。
【００１７】
なお、以上に述べた実施例においては、燃料ガスのガス流通溝とこのガス流通溝に流通させる燃料ガスの供給用あるいは排出用のマニホールドを例に取り上げて説明したが、本発明はこれらの燃料ガス系に限定されるものではなく、燃料ガス系と対をなして用いられる酸化剤ガス系に適用しても同様の効果が得られることは例示するまでもなく明らかである。
【００１８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、
固体高分子電解質形燃料電池を、請求項１、さらには請求項２、３に記載のごとく構成することとしたので、ガス流通溝を流れるガスの流速を適切に調整することが可能となった。その結果、負荷電流が増大する事態が生じても、、ガス流通溝の圧力損失が適正に保持されて発電効率の低下が防止され、負荷電流が減少する事態が生じても、ガス流通溝のガス流速が適正に保持されてガス流通溝内への生成水の凝縮、滞留によるセル電圧の低下が回避される固体高分子形燃料電池が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池の実施例に用いられているセパレータのガス流通溝とマニホールドの構成を示す平面図
【図２】図１のセパレータの燃料ガスマニホールドと外部燃料ガス系との接続図
【図３】負荷電流に対応して各電磁弁を選択して得たガス流通溝内の燃料ガスの流れのパターン図
【図４】本実施例の燃料電池スタックの負荷電流とガス流通溝内の燃料ガスの流速との関係を示す特性図
【図５】（ａ）は従来の蛇行溝方式のガス流通溝を備えたセパレータの平面図、（ｂ）は従来の平行溝方式のガス流通溝を備えたセパレータの平面図
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　　燃料ガスマニホールド
１Ｄ，１Ｅ　　燃料ガスマニホールド
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ　　酸化剤ガスマニホールド
２Ｄ，２Ｅ　　酸化剤ガスマニホールド
１０　　燃料ガス供給回路
１１　　燃料ガス排出回路
１２　　電磁弁
１３　　３方電磁弁
１４　　電磁弁
１５　　３方電磁弁
【図１】
2004047371.tif 000004
【図２】
2004047371.tif 000005
【図３】
2004047371.tif 000006
【図４】
2004047371.tif 000007
【図５】
2004047371.tif 000008