(57)【要約】【課題】アノードから水流路内への水素ガスの流出を抑えると共にカソードで発生する生成水を容易に回収して、発電出力の低下を抑制した燃料電池を提供する。また、気泡を容易に排出し、発電出力の低下を抑制した燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体高分子膜電解質の両面にアノード及びカソードを形成し、さらに外側に水流路８a,８bを有する多孔質体から形成される加湿水透過板（多孔質セパレータ４a,４b、ソリッドセパレータ５a,５b）を配置して単セル２構成し、アノードを上部に配置すると共にカソードを下部に配置し、各単セル２を縦に複数個積層した燃料電池スタック１備え、加湿水透過板（４a,４b、５a,５b）の外側から水を供給することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜電解質の両面にアノード及びカソードを形成し、さらに外側に水流路を有する多孔質体から形成される加湿水透過板を配置して単セルを構成し、前記アノードを上部に配置すると共に前記カソードを下部に配置し、各単セルを縦に複数個積層した燃料電池スタックを備え、前記加湿水透過板の外側から水を供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの上部から下部に向かい、前記加湿水透過板に形成した前記水流路の断面積が小さくなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水流路は、入口側から出口側に向かい、断面積が大きくなると共に前記水流路の高さ方向に幅広に構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
燃料として水素ガス及び酸素ガスをアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池の下流側に設置され、燃料電池の各単セル内に存在する気泡を排出する気泡排出装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、固体高分子型燃料電池に適し、高分子電解質膜に水を供給して直接加湿する構成とした燃料電池及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとして酸素ガスと水素ガスを用いて発電する装置であり、発電に伴い排気ガスが生じないため地球環境保護の観点から注目されている。燃料電池は、電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。その中の１つである固体高分子電解質型燃料電池は、作動温度（７０℃〜９０℃）が低いため取り扱いが容易であると共に起動時間が速く、起動性や運転操作性に優れており、また、電流密度が高いため小型軽量化が可能であり、小容量電源や移動用動力源に適している。このため、近年、固体高分子電解質膜を適用した固体高分子電解質型燃料電池は、自動車等の動力源としての実用化が進められている。
【０００３】
固体高分子電解質膜は、水素イオン伝導性を有する電解質膜から形成されており、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマなどのフッ素樹脂系イオン交換膜を使用している。固体高分子電解質膜は含水状態で動作するため、電解質膜を湿潤状態に保つために加湿する必要がある。固体高分子電解質膜を加湿する方法としては、外部加湿法と直接水供給加湿法とがあるが、直接水供給加湿法は、加湿器の設置が不要となりシステム構成を簡略化することができ、ガス流量や作動温度に関係なく加湿量を調整できる等の利点を有する。
【０００４】
直接水供給加湿法を採用した燃料電池システムとして、例えば、燃料電池本体と、冷却水系と、圧力調整手段とを備えた燃料電池システムが開示されている。燃料電池本体は、固体高分子電解質膜の両面側に燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）を形成した単セルを複数個積層し、各単セル間に冷却板を挿入し、多孔質体の加湿水透過板及び多孔質体の燃料極集電板（多孔質セパレータ）を介して冷却板に供給された冷却水の一部を固体高分子電解質膜に供給して加湿を行う構成としている。上記燃料電池システムの冷却水系により、燃料電池本体の冷却板に冷却水を循環させて発電中に生じる熱を除去し、圧力調整手段で冷却水圧力を独立して制御している（特許文献１参照）。このように冷却水の流量と圧力とを独立して制御することにより、燃料電池本体の過度の冷却を抑制することができる。
【特許文献１】特開平９−９２３１０号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の多孔質セパレータを用いた燃料電池システムでは、多孔質セパレータ中の水保持が不十分な場合は、燃料ガスが水流路中に流出してしまうため、燃料ガスの圧力が低下し、これに伴い発電出力が低下してしまう可能性を有していた。このため、燃料ガスが水流路中に流出した場合は、燃料電池の運転出力を落とす等の対策が必要となり、正常な運転を継続することができない等の弊害を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池は、固体高分子膜電解質の両面にアノード及びカソードを形成し、さらに外側に水流路を有する多孔質体から形成される加湿水透過板を配置して単セルを構成し、前記アノードを上部に配置すると共に前記カソードを下部に配置し、各単セルを縦に複数個積層した燃料電池スタックを備え、前記加湿水透過板の外側から水を供給することを要旨とする。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料として水素ガス及び酸素ガスをアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池の下流側に設置され、燃料電池の各単セル内に存在する気泡を排出する気泡排出装置と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池によれば、アノードから水流路内への水素ガスの流出を抑えると共にカソードで発生する生成水を容易に回収することにより、発電出力の低下を抑制することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムによれば、気泡排出装置を設置したため、気泡を容易に排出することができ、発電出力の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池及び燃料電池システムについて、固体高分子型燃料電池に適用した例を挙げて、第１実施形態及び第２実施形態を用いて説明する。
【００１１】
＜第１実施形態（図１〜図４）＞
第１実施形態では、本発明の実施の形態に係る燃料電池について、図１から図４までを用いて説明する。
【００１２】
図１は、燃料電池スタックの内部構造の一部を示す断面図である。図１に示す燃料電池スタック１は、発電の基本単位となる単セル２を縦に複数個積層している。単セル２は、固体高分子電解質膜の両面側にアノードとカソードを形成した膜電極接合体（MEA）３を構成し、膜電極接合体（MEA）３の両面側にアノードとカソードとの各電極を形成している。各電極は、単セルの積層方向の高い側にアノードを配置し、低い側にカソードを配置している。膜電極接合体（MEA: membrane electrode assembly）３の両面側には多孔質セパレータ４a,４bと、多孔質セパレータ４a,４bの外側にソリッドセパレータ５a,５bと、を配置して加湿水透過板を構成している。
【００１３】
アノード側の多孔質セパレータ４aは、膜電極接合体３側に水素ガス流路６を形成しており、燃料ガスである水素ガスを流通させてアノードに供給している。カソード側の多孔質セパレータ４bにも膜電極接合体３側に酸素ガス流路７を形成しており、燃料ガスである酸素ガスを流通させてカソードに供給している。
【００１４】
ソリッドセパレータ５a,５bは、多孔質セパレータ４a,４b側に水流路８a,８bを形成しており、水流路８a,８bと対向する側に冷却水流路９を形成している。なお、ここでは、水流路８a,８bをソリッドセパレータ５a,５bに形成したが、本構成に限定されるものではなく、例えば、ソリッドセパレータ５a,５b側の多孔質セパレータ４a,４bに、水流路８a,８bと同形状の水流路を形成しても良い。
【００１５】
図２に、多孔質セパレータに水流路を形成した場合の水流路の側面図(図２(a))、水流路入口側の側面図(図２(b))、水流路出口側の側面図(図２(c))をそれぞれ示す。図２(a)に示す多孔質セパレータ１０は、水の入口側（Ａ側）から出口側（Ｂ側）に向かって水流路１１が傾斜しており、水流路１１が高さ方向に幅広に構成され水流路１１内に水１２を流通させている。このため、図２の(b)及び(c)に示すように、入口側（Ａ側）よりも出口側（Ｂ側）の水流路の断面積が広く構成される。このような構造とすることにより、多孔質セパレータ内部での気泡の詰まりを抑制することができる。
【００１６】
上記構成の燃料電池スタック１外周には、図３の模式図に示すように、水流路配管１３a,１３bが設置されており、水流路配管１３a,１３bは燃料電池スタック１高さ方向の上部から下部に向かい配管径を幅狭に構成している。また、水流路配管１３a,１３bは、図１に示す各単セル２内に形成した水流路８a,８bに連結されている。
【００１７】
なお、ここで、燃料電池スタックの高さと水流路配管との関係を圧力相関図として図４に示す。縦軸に水頭圧、横軸に燃料電池スタック高さを示す。図４に示すように、断面積が一定である水流路配管を適用した場合は、燃料電池スタックの高さが高い程水頭圧も大きく、燃料電池スタックの高さが低くなるにつれて、水頭圧は速度エネルギに変換されて水頭圧は低下する（符号１６）。これに対し、図３の模式図に示した、下方に向かい配管幅の狭い水流路配管８a,８bを使用した場合は、下方になるほど水流路配管の断面積が小さくなるため水の単位体積当たりの重量が減少する。ここで、水頭圧は水の単位体積当たりの重量に反比例するため、スタック高さが低くなるにつれて、水頭圧が大きくなる（符号１７）。このため、図３の水流路配管の断面積を下方ほど小さくし、燃料電池スタック１の水流路の水頭圧をスタック配管の圧損によりバランスを取ることで、燃料電池スタックの上部と下部との圧力バランスを均一にすることができる。このように水を燃料電池スタック１上部から供給し、燃料電池スタック１下部の各水流路配管１３a,１３bの径を狭く構成したため、燃料電池スタック１下部の水流路８a,８bの圧損を大きくし、水流路８a,８bの水頭圧との圧力バランスを保つことができる。この結果、単セル２を縦に積み燃料電池スタック１を構成した場合でも、燃料電池スタック１の上部と下部とにより水流路の圧力バランスをとることができる。
【００１８】
上記構成の燃料電池スタック１では、水入口１４から水を供給すると、水流路配管１３aを介して水流路８a,８b内に水が流通する。そして、アノード側及びカソード側の各多孔質セパレータ４a,４bに水が染み込み、多孔質セパレータ４a,４bに水が均一に補給される。燃料ガスが乾燥している場合には、多孔質セパレータ４a,４b中の水により燃料ガスの加湿を行い、燃料ガスが過加湿である場合には、燃料ガス流路（水素ガス流路６、酸素ガス流路７）に溜まった生成水を多孔質セパレータ４a,４bが吸収し、さらに水流路８bから水が回収されて水出口１５から排水され、燃料電池スタック１外部に水を排水する。
【００１９】
本実施形態によれば、アノードの上に水流路を配置し、アノード側の多孔質セパレータに水を均一に供給し、多孔質セパレータ面内の圧力バランスを均一として水を均一に保持してウエットシールしたため、アノードから水流路内への水素ガスの流出を抑制することができる。また、カソードの下に水流路を配置したため、電気化学反応により生成した生成水の回収が容易となる。この結果、発電出力の低下を抑制することができる。
【００２０】
また、本実施形態に示すように単セルを縦に複数積層すると多孔質セパレータの内部を流れる水の流れの方向が、平面に対して平行となり気泡が抜け難くなるが、本実施形態によれば、単セルを縦に複数個積層するだけでなく、水流路の入口側より出口側の断面積を大きくし、かつ、水流路の高さを幅広としたため、水流路内の気泡を抜け易くして気泡の詰まりを防ぐことができる。
【００２１】
また、燃料電池の通常運転時に水流路に流出する主要なガスは水素ガスであるが、本実施形態によれば、多孔質セパレータ裏面から水を供給したため、水流路に流出する水素ガスを抑制することができる。
【００２２】
＜第２実施形態（図５）＞
第２実施形態では、第１実施形態に示した燃料電池スタックを適用した燃料電池システムについて、図５を用いて説明する。なお、第１実施形態の図１から図４までに示した構成と同一箇所には同一符号を用いて、その説明を省略する。
【００２３】
図５に示す燃料電池システム１８は、燃料電池スタック１の外周に入口側マニホールド１９と出口側マニホールド２０とを配置し、各マニホールド１９,２０に、入口側の水流路配管１３aと出口側の水流路配管１３bとを接続している。出口側の水流路配管１３bには気泡排出装置２１が接続され、気泡排出装置２１にレベルゲージ２２とレベルセンサ２３とを設置している。レベルセンサ２３には制御装置２４が接続され、制御装置２４は出口側の水流路配管１３bに取り付けた電磁弁２５を制御している。
【００２４】
上記構成の燃料電池システム１８では、燃料電池スタック１の上部から水を供給して水流路８a,８bに流して、水流路８a,８b内に漏出した気泡を水出口（Ｂ側）マニホールド２０から排出し、排出した気泡を気泡排出装置２１に流し込み、気泡を回収する。気泡排出装置２１では、レベルセンサ２３で水面の高さを計測しており、気泡排出装置２１内の水が一定量以上溜まると、レベルセンサ２３からの信号が制御装置２４に送られ、制御装置２４は、電磁弁２５に制御信号を送り電磁弁２５が開放する。電磁弁２５の開放により、気泡排出装置２４内の水が出口側の水流路配管１３bから排水され、レベルセンサ２３で水面の高さが一定量以下になると、レベルセンサ２３から制御装置２４に信号を送信し、制御装置２４から電磁弁２５に制御信号が送られ、電磁弁２５が閉じる。
【００２５】
本実施形態によれば、単セルを縦に積層して燃料電池スタックを構成した場合であっても、燃料電池スタックの上部から水を供給することにより、水流路内に流出した気泡を容易に排出することができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、気泡排出装置内の水面の高さを計測し、一定の水位に保持して水が気泡の抜ける配管から漏れ出ない構成としたため、水流路に入り込んだ気泡を燃料電池スタックから排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した多孔質セパレータに形成した水流路の構成を説明する図であり、（a）は多孔質セパレータの側面図、（b）は水流路入口側の側面図、(c)は水流路出口側の側面図である。
【図３】燃料電池スタック外周に配置された水流路配管の構成を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの高さと水頭圧との相関関係を説明する圧力相関図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…燃料電池スタック，
２…単セル,
３…膜電極接合体（MEA）, 
４a,４b…多孔質セパレータ，
５a,５b…ソリッドセパレータ，
６…水素ガス流路, 
７…酸素ガス流路,
８a,８b…水流路,
９…冷却水流路,
【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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