(57)【要約】      （修正有）【課題】構造が簡単で、燃料電池における反応に悪影響を与えることなしに燃料電池セルの温度分布を均一化することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池スタック２を構成する燃料電池セルが、膜電極接合体の両面にアノードセパレータとカソードセパレータとが配置され、且つアノードセパレータには左から右に冷却水が流され、隣接する燃料電池セルのアノードセパレータには右から左に冷却水が流されて冷却水の流れが互いに反対方向になるように流路が形成されてい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】
膜電極接合体の両面にセパレータを配置して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池セルを流れる冷却水の流れ方向が、隣接する燃料電池セルとの間で互いに反対方向になるように流路が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記セパレータに冷却水流路を形成し、前記セパレータへの冷却水入口は前記セパレータの左右方向の一端下部に設置され、前記セパレータからの冷却水出口は前記セパレータの左右方向の他端上部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルに冷却水を供給するための冷却水供給流路と、前記燃料電池セルから冷却水を排出するための冷却水排出流路とを２つずつ設置して、隣接する燃料電池セルとの間で互いに反対方向に冷却水が流れるように構成し、
前記２つの冷却水排出流路には冷却水の温度を検出するための温度検出手段がそれぞれ設置され、前記温度検出手段によって検出された温度の温度差に基づいて、前記２つの冷却水供給流路に供給される冷却水の流量配分を調節することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムを停止させるときには、冷却水を前記燃料電池セルのカソードの入口側からカソードの出口側に向けた方向にのみ流すことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに係り、特に燃料電池セルを流れる冷却水の方向が、隣接する燃料電池セルとの間で反対方向になるように流して燃料電池セルの温度分布を均一化するようにした燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、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化剤ガスを供給して下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出している。
【０００３】
陽極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  
陰極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ  
このような反応によって発電する燃料電池システムでは、電気化学反応による発熱や電気イオン伝導による発熱などがあるために、燃料電池を許容温度範囲内で運転するためには燃料電池を冷却する必要がある。
【０００４】
そこで、従来では燃料電池に冷却水を流すことによって冷却しており、例えば特開２００３−１３２９３４号公報（特許文献１）に開示された燃料電池システムでは、燃料電池セルの積層方向に冷却水を流してアクティブエリアの周辺を冷却し、セパレータ面内に冷却水流路が不要になるようにして燃料電池スタックの積層方向のサイズを小さくするようにしている。
【０００５】
また、特開平３−４３９６２号公報（特許文献２）に開示された燃料電池では、積層された燃料電池セル毎に燃料ガス及び酸化剤ガスのフローパターンを変化させて燃料電池全体としての温度分布を均一化させている。
【０００６】
さらに、特開平６−３４９５１５号公報（特許文献３）に開示された燃料電池では、燃料電池セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスの出入り口をそれぞれ２つずつ設置し、燃料電池セル毎に燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが反対方向になるようにしている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９３４号号公報
【特許文献２】特開平３−４３９６２号公報
【特許文献３】特開平６−３４９５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された燃料電池システムでは、アクティブエリア内に冷却水を流さないので、実際には温度分布を均一にすることは困難であるという問題点があった。
【０００８】
また、上述した特許文献２及び３に開示された燃料電池では、燃料電池セル毎に燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを変えるので、セパレータ構造が複雑になるとともに、燃料電池における反応に悪影響を与える可能性があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、膜電極接合体の両面にセパレータを配置して燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを複数積層させた燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルを流れる冷却水の流れ方向が、隣接する燃料電池セルとの間で互いに反対方向になるように流路が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池セルを流れる冷却水の方向が、隣接する燃料電池セルとの間で互いに反対方向になるので、燃料ガスや酸化剤ガスの流れを変更する場合と比較して、燃料ガス、酸化剤ガス共に、出入口を複数持つ必要がないため簡単な構造で燃料電池セルの温度分布を均一にすることができ、これによって燃料電池システムの性能と耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係わる燃料電池システムの実施例を添付の図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、膜電極接合体の両面にセパレータの配置された燃料電池セルを複数積層させて構成した燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に冷却水を供給する２つの冷却水供給配管Ｐ１、Ｐ２と、２つの冷却水供給配管Ｐ１、Ｐ２に冷却水を分配する三方弁Ｖ１と、燃料電池スタック２から冷却水を排出する２つの冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２と、２つの冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２にそれぞれ設置されて冷却水の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）Ｔ１、Ｔ２と、冷却水を循環させる冷却水ポンプ３と、循環する冷却水から放熱させるラジエータ４と、冷却水がラジエータ４をバイパスできるように設置されたバイパスライン５と、ラジエータ４側とバイパスライン５側に流路を切り替える三方弁Ｖ２とを備えて構成されている。
【００１３】
燃料電池スタック２はアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気ガスが供給されて、燃料電池スタック２を構成する複数の燃料電池セルにおいて電気化学反応により発電を行っている。
【００１４】
なお図１に示す燃料電池スタック２は、スタック本体を上から見たときの様子を示しており、水素ガス、空気ガス、及び冷却水はセルの積層方向に向けて供給され、さらに後述するセパレータに形成された流路に沿って流通するように構成されている。
【００１５】
また、三方弁Ｖ１、Ｖ２の開度、及び冷却水ポンプ３の冷却水吐出容量は図示しないコントローラにより制御されている。このコントローラはマイクロコンピュータにより構成され、温度センサＴ１、Ｔ２で検出された温度等に基づいて冷却水の流量配分や冷却水の流通経路を制御している。
【００１６】
次に、この燃料電池セルの構成を図２に基づいて説明する。ただし、図２は分解したセルの各部を積層方向に並べた状態を示している（図３も同じ）。
【００１７】
図２に示すように、燃料電池セル２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２１の両面に、アノードセパレータ２２とカソードセパレータ２３とを配置した構成となっている。図２の一番上に表示されているアノードセパレータ２４は、隣接する燃料電池セルを構成するアノードセパレータである。
【００１８】
本実施例におけるＭＥＡ２１の構成は一般的なものでよく、電解質膜としては、例えば一般的に使用されているパーフルオロスルホン酸系電解質膜の他に炭化水素系電解質膜を使用してもよい。この電解質膜の厚さや水透過性、給水速度等の大小によって、ＭＥＡ２１を構成する触媒層やカーボン層（マイクロカーボンレイヤー、以下ＭＩＬ層という）、ＧＤＬ基材の撥水性を調整する。
【００１９】
触媒層は、白金をカーボン（カーボンブラック、ケッチェンブラック等、グラファイト化したものでもよい）に担持させたものに電解質膜と同じパーフルオロスルホン酸系（または炭化水素系）電解質溶液（アイオノマ）と、撥水剤としてテフロン（登録商標）又はフッ化カーボン等を混入して形成する。
【００２０】
ＭＩＬ層としては、カーボン（アセチレンブラック、カーボンブラック等）に撥水剤としてテフロンを混入したもの、ＧＤＬ基材としてはカーボンペーパー、カーボンクロス等の炭素繊維で形成された材料に撥水剤としてテフロンを含浸したものを用いる。そして、ＭＩＬ層を乾式塗布または湿式塗布によって撥水処理されたＧＤＬ基材上に形成することにより、ガス拡散層（ＧＤＬ）を形成することができる。
【００２１】
また、ＭＥＡ２１の作成方法としては、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写またはスプレー塗布し、そこにＧＤＬ（ＭＩＬ層＋ＧＤＬ基材）を接合する方法と、ＧＤＬに触媒層をスプレー塗布したものを電解質膜にホットプレスで接合する方法のいずれの方法であってもよい。このとき、電解質膜及びアイオノマにパーフルオロスルホン酸系を使うか炭化水素系を使うかによって、ホットプレス等の接合条件が変わってくる。
【００２２】
また、冷却水流路（図示せず）が形成されているアノードセパレータ２２、２４では、冷却水入口がセパレータの左右方向の一端下部に設置され、冷却水出口がセパレータの左右方向の他端上部に設置されている。これによって、冷却水に混入している空気泡を流路から排出することができ、流路への滞留を防ぐことができる。
【００２３】
このように構成された燃料電池セル２０において、アノードセパレータ２２の表面には左側から右側に向けて冷却水を流すストレート流路の冷却水流路が形成されており、冷却水供給配管Ｐ２から冷却水が供給され、冷却水排出配管Ｒ２に排出される。また、アノードセパレータ２２の裏面には左側から右側に向けて水素を流すストレート流路の水素流路（図示せず）が形成され、ＭＥＡ２１のアノード電極に水素を供給している。
【００２４】
ＭＥＡ２１の表面にはアノード電極が形成され、このアノード電極において水素が触媒反応によりイオン化して電解質膜を透過し、ＭＥＡ２１の裏面に形成されたカソード電極で酸素と反応して水が生成される。
【００２５】
カソードセパレータ２３の表面には右側から左側に向けて酸化剤ガスである空気を流すストレート流路の空気流路（図示せず）が形成され、ＭＥＡ２１のカソード電極に酸素を供給している。
【００２６】
また、隣接する燃料電池セルのアノードセパレータ２４の表面には右側から左側に向けて冷却水を流すストレート流路の冷却水流路が形成されており、冷却水供給配管Ｐ１から冷却水が供給され、冷却水排出配管Ｒ１に排出される。
【００２７】
このように、アノードセパレータ２２における冷却水の流れとアノードセパレータ２４における冷却水の流れは互いに反対方向になる。したがって、図２に示すようにして燃料電池セルを積層していくと、冷却水の流路は左側から右側に流れる流路と、右側から左側に流れる流路とが交互に現れることになる。これにより、一方向だけに冷却水を流した場合と比べて、セル面内において高温と低温の部分が相殺されて温度分布を均一にすることができる。
【００２８】
また、本実施例の構造によれば、外部に冷却水のリターンマニホールドを設置する必要がないので、燃料電池スタック全体として積層方向の寸法を小さくすることができる。
【００２９】
なお、図２では全ての流路をストレート流路にしているが、燃料電池セル毎に冷却水の流れが互いに反対方向になればよいので、図３に示すように、ガスの流路をサ−ペンタイン流路にしてもよい。さらに、図２ではアノードセパレータに冷却水流路が形成されているが、その面と重ね合わされるカソードセパレータの裏面に冷却水流路を形成してもよい。
【００３０】
また、冷却水流路を有するセルを２枚、冷却水流路を持たないセル１枚を交互に配列したスタックにおいて、冷却水流路を有するセル２枚ごとに冷却水方向を変えるようにしてもよい。
【００３１】
さらに、ＭＥＡ２１に供給される水素と空気の流れは、図２及び図３ではカウンターフローになっているが、パラレルフローにしてもよい。
【００３２】
なお、アノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３の材質に関しては、カーボンであっても金属であってもよいが、ガス流路と冷却水流路のフローパターンを変える場合にはカーボンのほうがよい。
【００３３】
このように構成された図１に示す燃料電池システム１において、通常の運転時には冷却水ポンプ３から排出された冷却水は、三方弁Ｖ１によって流量が配分されて冷却水供給配管Ｐ１、Ｐ２に供給される。そして、燃料電池スタック２を循環して冷却した後に冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２に排出される。このとき、各冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２に設置された温度センサＴ１、Ｔ２によって各配管を流れる冷却水の温度が検出される。
【００３４】
冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２に排出された冷却水は、１つの流路に合流されて循環し、三方弁Ｖ２によって流路が切り替えられ、ラジエータ４か、あるいはバイパスライン５のいずれかを循環して再び冷却水ポンプ３へと送られる。
【００３５】
次に、本実施例の燃料電池システム１によるシステム運転時における冷却水の流量制御処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。この流量制御処理は図示しないコントローラにより実行されている。
【００３６】
まず、燃料電池システム１の運転が開始されると（Ｓ４０１）、温度センサＴ１、Ｔ２によって冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２を流れる冷却水の温度が検出される（Ｓ４０２）。通常は図２で説明したように、隣接する燃料電池セルの間で冷却水の流れる方向を互いに反対方向にしているため、セル面内の温度が均一化されて温度センサＴ１、Ｔ２によって検出される冷却水の温度は近い値になるはずであるが、何らかの影響で両者に差が出る場合がある。
【００３７】
そこで、温度センサＴ１、Ｔ２の温度差が５℃以上あるか否かを判定し（Ｓ４０３）、温度差が５℃以上でない場合にはそのまま運転を継続するが（Ｓ４０４）、５℃以上の温度差があった場合には三方弁Ｖ１によって冷却水供給配管Ｐ１、Ｐ２の流量配分を変化させる。
【００３８】
まず、冷却水ポンプ３の回転数をアップし（Ｓ４０５）、冷却水供給配管Ｐ１に流れる流量をＱ１、冷却水供給配管Ｐ２に流れる流量をＱ２とすると、温度センサＴ１の温度が高いときには（Ｓ４０６）、流量Ｑ２を一定のままにして流量Ｑ１を増加させるように三方弁Ｖ１の開度を調節する（Ｓ４０７）。
【００３９】
一方、温度センサＴ２の温度が高いときには（Ｓ４０６）、流量Ｑ１を一定のままにして流量Ｑ２を増加させるように三方弁Ｖ１の開度を調節する（Ｓ４０８）。
【００４０】
こうしてステップＳ４０７及び４０８による三方弁Ｖ１の開度調節が実施されるか、あるいはステップＳ４０４により運転が継続された場合には、燃料電池システム１の運転停止が選択されているか否かを判定し（Ｓ４０９）、運転を停止しない場合にはステップＳ４０２に戻って再び上述した処理を繰り返し行い、運転を停止する場合には本実施例の燃料電池システム１によるシステム運転時における冷却水の流量制御処理を終了する。
【００４１】
次に、本実施例の燃料電池システム１によるシステム停止時における冷却水の流量制御処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。この流量制御処理は図示しないコントローラにより実行されている。
【００４２】
燃料電池システム１の運転停止が選択されて停止シーケンスが開始されると（Ｓ５０１）、冷却水ポンプ３の回転数を調整して流量を低減させる（Ｓ５０２）。
【００４３】
そして、三方弁Ｖ２のバイパスライン５側の開度を全開にして冷却水がバイパスライン５を通過するように流路を切り替え（Ｓ５０３）、さらに三方弁Ｖ１の開度を冷却水供給配管Ｐ１の流量Ｑ１が最大になるように全開にし、冷却水供給配管Ｐ２の流量Ｑ２が０になるように開度を０にする（Ｓ５０４）。これにより、冷却水供給配管Ｐ１のみに冷却水が流されることになり、図２ではアノードセパレータ２４のみに冷却水が流され、アノードセパレータ２２には冷却水が流されないことになる。アノードセパレータ２４の冷却水の流れはカソードセパレータ２３を流れる空気の入口側から出口側に向けた方向に流れており、これによってカソードの出口における空気温度を上昇させることができ、カソードの出口付近でのＭＥＡ内含水量を低減することができるので、氷点下からの起動を有利に実施することが可能になる。
【００４４】
続いて、温度センサＴ１で検出される温度が所定の温度以上であるか否かを判定し（Ｓ５０５）、所定の温度より低いときにはステップＳ５０２に戻って上述した処理を繰り返し行い、所定の温度以上のときには所定時間が経過した後にガスの操作を完了し、これによって燃料電池システム１の停止シーケンスを完了して（Ｓ５０６）本実施例の燃料電池システム１によるシステム停止時における冷却水の流量制御処理を終了する。
【００４５】
このように、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池セルを流れる冷却水の方向を隣接する燃料電池セルとの間で互いに反対方向になるようにしたので、燃料電池セルにおける温度分布を均一にすることができ、これによって燃料電池システム１の性能と耐久性を向上させることができる。さらに、燃料電池セルの温度分布を均一にするために、燃料ガスや酸化剤ガスの流れを変更していた従来の方法と比較して、簡単な構造で、なお且つ燃料電池における反応に悪影響を与えることもなく温度分布を均一にすることができる（請求項１に対応する効果）。
【００４６】
また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池セルに冷却水を流すセパレータの冷却水入口はセパレータの左右方向の一端下部に設置され、冷却水出口はセパレータの左右方向の他端上部に設置されているので、冷却水流路において空気泡を滞留させることなく排出することができる（請求項２に対応する効果）。
【００４７】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、２つの冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２に冷却水の温度を検出するための温度センサＴ１、Ｔ２をそれぞれ設置し、この温度センサＴ１、Ｔ２によって検出された温度の温度差に基づいて、２つの冷却水供給配管Ｐ１、Ｐ２に供給される冷却水の流量配分を調節するので、２つの冷却水排出配管Ｒ１、Ｒ２を流れる冷却水の間で温度差が生じた場合でも、流量配分を調節することにより燃料電池セル面内の温度分布を均一に保つことができる（請求項３に対応する効果）。
【００４８】
また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池システム１を停止させるときには、冷却水を燃料電池セルのカソードの入口側からカソードの出口側に向けた方向にのみ流すので、カソードの出口における空気温度を上昇させることができ、これによってカソードの出口付近でのＭＥＡ内含水量を低減させて氷点下からの起動を有利に実施することが可能になる（請求項４に対応する効果）。
【００４９】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１に係る燃料電池セルの構造を説明するための図である。
【図３】実施例１に係る燃料電池セルの他の構造を説明するための図である。
【図４】実施例１に係る燃料電池システムによるシステム運転時における冷却水の流量制御処理を示すフローチャートである。
【図５】実施例１に係る燃料電池システムによるシステム停止時における冷却水の流量制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
Ｐ１、Ｐ２…冷却水供給配管
Ｒ１、Ｒ２…冷却水排出配管
Ｔ１、Ｔ２…温度センサ（温度検出手段）
Ｖ１、Ｖ２…三方弁
１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…冷却水ポンプ
４…ラジエータ
５…バイパスライン
２０…燃料電池セル
２１…ＭＥＡ（ＭＥＡ）
２２、２４…アノードセパレータ
２３…カソードセパレータ
【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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