(57)【要約】【課題】発電セルのカソード側のガス流路の生成水の排出を適正に行うことができ、発電効率を向上することができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１１を構成する発電セル１２に形成された酸化オフガス通路２８の下流側の開口を被覆するように酸化オフガス排出ケース３９を装着する。該酸化オフガス排出ケース３９の内部に保水体４０を収容する。前記排出ケース３９の下部に生成水加熱ケース４６を一体に形成する。発電の際に生成された生成水が前記酸化オフガス通路２８を通して酸化オフガス排出ケース３９の内部に流入し保水体４０に含浸される。保水体４０に含浸された生成水は、生成水加熱ケース４６内を流れる冷却後の高い温度の冷却水によって加熱されて蒸発される。このため、生成水を効率よく蒸発させて外部に排出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の発電セルのうち最外側の発電セルにエンドプレートが接合され、該エンドプレートには、燃料ガス及び酸化ガスを各発電セルに供給する燃料ガス供給口及び酸化ガス供給口が設けられるとともに、発電によって生じた燃料オフガス排出口及び酸化オフガス排出口が設けられ、発電セルを冷却する冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられた燃料電池において、
前記エンドプレートの表面に、前記酸化オフガス排出口を覆うように酸化オフガス排出ケースを接合し、該ケースの内側底部には発電によって生じた生成水を一時的に保水する多孔性材料よりなる保水体を収容し、該ケースには前記保水体に含浸されている水を加熱して蒸発させる加熱手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記加熱手段は、前記エンドプレートに形成された冷却水排出口に接続された冷却水排出配管を前記酸化オフガス排出ケースに接合することにより構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２において、前記酸化オフガス排出ケースの下部には、冷却水排出配管に接続された生成水加熱ケースが一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記各発電セルに形成された酸化オフガス通路の底部には、多孔性材料よりなる保水層が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４において、前記保水体の気孔率は、保水層の気孔率よりも小さく設定されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型の複数の発電セルを積層した燃料電池に係り、詳しくは発電によって生じる生成水を適正に処理することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池においては、各発電セルの電極構造体を構成する固体電解質膜のアノード側のガス拡散電極にガス流路から水素ガスが供給され、カソード側のガス拡散電極にガス流路から酸素を含んだ空気が供給されて、水素と酸素の電気化学反応が行われて発電される。この発電時にカソード側のガス流路に水が生成され、この生成水がカソード側のガス拡散電極の表面に水滴となって残留すると、該ガス拡散電極の有効表面積が減少して、酸素の供給量が水滴によって減少し、水素と酸素の電気化学反応が阻害され、発電効率が低下する。このため、生成水を発電セルのカソード側のガス流路から適正に排出することが要求されている。これに対処するため、酸化ガスを供給する供給装置のコンプレッサの能力を増大させて、カソード側のガス流路内における酸化ガスの流量を多くするとともに流速を速めて生成水を酸化ガスによって効率よく排出する方法が採用されていた。
【０００３】
ところが、上記従来の燃料電池は、酸化ガスの流量を多くするため、コンプレッサの容量を増大しなければならないので、消費電力が増加し、その分、発電効率が低下するという問題があった。
【０００４】
一方、特許文献１に開示された燃料電池も提案されている。この燃料電池は、酸化オフガスケースの内部に吸水材を設け、該吸水材によって生成水を効率的に外部に排出するようになっていた。即ち、ガスのほぼ全量が吸水材をバイパスすることなく、吸水材を通過し、吸水材による水分の吸収、吸い出し、吸水材中の移動、排水の各作用の効率を高めるようになっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２８５０７号公報（明細書の段落００１５、００２０及び図２，３参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に開示された燃料電池においては、酸化オフガスケースの流路を塞ぐように吸水材が配設されているので、酸化オフガスの流路抵抗が増大し、酸化ガス供給装置のコンプレッサの能力を高めなければならず、コンプレッサの消費電力が増加し、その分、発電効率が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、発電セルのカソード側のガス流路の生成水の排出を適正に行うことができ、発電効率を向上することができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、積層された複数の発電セルのうち最外側の発電セルにエンドプレートが接合され、該エンドプレートには、燃料ガス及び酸化ガスを各発電セルに供給する燃料ガス供給口及び酸化ガス供給口が設けられるとともに、発電によって生じた燃料オフガス排出口及び酸化オフガス排出口が設けられ、発電セルを冷却する冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられた燃料電池において、前記エンドプレートの表面に、前記酸化オフガス排出口を覆うように酸化オフガス排出ケースを接合し、該ケースの内側底部には発電によって生じた生成水を一時的に保水する多孔性材料よりなる保水体を収容し、該ケースには前記保水体に含浸されている水を加熱して蒸発させる加熱手段を設けたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記加熱手段は、前記エンドプレートに形成された冷却水排出口に接続された冷却水排出配管を前記酸化オフガス排出ケースに接合することにより構成されていることを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記酸化オフガス排出ケースの下部には、冷却水排出配管に接続された生成水加熱ケースが一体に形成されていることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記各発電セルに形成された酸化オフガス通路の底部には、多孔性材料よりなる保水層が設けられていることを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記保水体の気孔率は、保水層の気孔率よりも小さく設定されていることを要旨とする。
（作用）
この発明は、発電によって発電セルの酸化ガス通路に生じた生成水が酸化オフガス排出ケースの底部に収容された保水体によって一時的に保水される。加熱手段によって保水体に保持された生成水が加熱されて蒸発される。このため、保水体による生成水の吸収と蒸発が適正に行われ、発電セルの酸化ガス通路に生成水が残留して膜電極接合体へ付着することを防止でき、残留生成水によって膜電極接合体への酸化ガスの供給量が低下し、発電効率が低下するのが防止される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発電セルのカソード側の酸化ガス通路内の生成水の排出を適正に行うことができ、発電効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の燃料電池を具体化した第１の実施形態を示す図３の１−１線断面図。
【図２】燃料電池の発電セル及びエンドプレートの斜視図。
【図３】エンドプレートに水素ガス供給配管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給ケース、酸化オフガス排出ケース、冷却水供給ケース、冷却水排出ケース及び生成水加熱ケースを装着した状態の斜視図。
【図４】この発明の燃料電池の第２の実施形態を示す縦断面図。
【図５】この発明の燃料電池の第３の実施形態を示す縦断面図。
【図６】生成水の加熱手段の別の実施形態を示す部分縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した燃料電池の一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示す燃料電池システムの燃料電池スタック１１は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する発電セル１２を複数積層させている。積層された発電セル１２の両端部には、図示しない集電板及び絶縁板を介してエンドプレート１３，１４が積層されている。
【００１６】
図１に示すように、前記発電セル１２は、膜電極接合体１５（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ・Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ・Ａｓｓｅｍｂｌｅ）の周囲にシールガスケット１６を配置したシールガスケット一体型ＭＥＡ１７と、該シールガスケット一体型ＭＥＡ１７の両面を挟持するアノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９とによって構成されている。前記膜電極接合体１５を構成するフッ素系の高分子膜よりなる固体電解質膜２０の両面には、導電性を有し、かつガス拡散電極として機能するアノード側金属多孔体層２１及びカソード側金属多孔体層２２がそれぞれ配設されている。前記アノード側セパレータ１８には、前記アノード側金属多孔体層２１に燃料（水素）ガスを供給する燃料ガス流路２３が形成されている。各発電セル１２の燃料ガス流路２３には、前記エンドプレート１３、シールガスケット１６、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９に設けられた共通の燃料ガス供給通路２４（図２参照）から燃料ガスが分配供給されるようになっている。発電に用いられた燃料オフガスは、前記各燃料ガス流路２３から前記エンドプレート１３、シールガスケット１６、アノード側セパレータ１８、カソード側セパレータ１９に設けられた共通の燃料オフガス通路２５（図２参照）を通して外部に排出されるようになっている。
【００１７】
前記カソード側セパレータ１９には、前記カソード側金属多孔体層２２に酸化（酸素）ガスを供給するための酸化ガス流路２６が形成されている。各発電セル１２の酸化ガス流路２６には、図１の下部に示すように、前記エンドプレート１３、シールガスケット１６、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９に形成された共通の酸化ガス供給通路２７から酸化（酸素）ガスが上方向に分配供給されるようになっている。図１の上部に示すように、前記エンドプレート１３、シールガスケット１６、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９には、発電に用いられた各酸化ガス流路２６内の酸化オフガスを合流して外部に排出するための共通の酸化オフガス通路２８が形成されている。
【００１８】
図１に示すように、前記アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１９の背面には、各発電セル１２を冷却するための冷却水流路３１が形成されている。図２に示すように、前記各発電セル１２及びエンドプレート１３には、前記冷却水流路３１に冷却水を分配供給するための共通の冷却水供給通路３２が形成されている。前記発電セル１２及びエンドプレート１３には、燃料電池の冷却に用いられた冷却水流路３１内の冷却水を外部に排出するための共通の冷却水排出通路３３が形成されている。なお、図２では燃料ガス供給通路２４、燃料オフガス通路２５、酸化ガス供給通路２７、酸化オフガス通路２８、冷却水流路３１及び冷却水排出通路３３等は簡略化されている。
【００１９】
次に、図３に基づいて、エンドプレート１３の表面に前記燃料ガス供給通路２４、燃料オフガス通路２５、酸化ガス供給通路２７、酸化オフガス通路２８、冷却水供給通路３２、冷却水排出通路３３の各開口と対応して装着される配管及びケースについて説明する。
【００２０】
前記エンドプレート１３の表面には、前記燃料ガス供給通路２４に図示しない水素ガスボンベから所定圧力の水素ガスを供給するための水素ガス供給配管３５が取り付けられている。前記エンドプレート１３の表面には、前記燃料オフガス通路２５から燃料オフガスを図示しない水素希釈装置に排出するための燃料オフガス排出管３６が取り付けられている。
【００２１】
前記エンドプレート１３の表面には、前記酸化ガス供給通路２７に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ケース３７が図示しないボルトによって装着されている。前記酸化ガス供給ケース３７には、図示しないコンプレッサから圧縮空気が酸化ガス供給配管３８を介して供給されるようになっている。前記エンドプレート１３の表面には、前記酸化オフガス通路２８内の酸化オフガスを外部に排出するための酸化オフガス排出ケース３９が図示しないボルトによって装着されている。図１及び図２に示すように、酸化オフガス排出ケース３９の内部には、例えば銅やアルミニウム等の焼結体により形成された多孔性材料よりなる保水体４０が収容されている。この保水体４０に発電の際にカソード側の酸化ガス流路２６に生成された生成水が酸化オフガスによって酸化オフガス通路２８を通して酸化オフガス排出ケース３９内に運ばれる。その後、生成水は、保水体４０の毛細管作用によって該保水体４０に含浸されるようにしている。前記酸化オフガス排出ケース３９には酸化オフガス排出管４１が接続され、酸化オフガスが外部に排出されるようになっている。
【００２２】
前記エンドプレート１３の表面には、前記冷却水供給通路３２に冷却水を供給するための冷却水供給ケース４２が図示しないボルトによって装着され、図示しないポンプから第１循環配管４３を介して該ケース４２に冷却水が供給されるようになっている。前記エンドプレート１３の表面には、前記冷却水排出通路３３内の冷却に供された高温度の冷却水を外部に排出するための冷却水排出ケース４４が図示しないボルトによって装着されている。該冷却水排出ケース４４には、第２循環配管４５を介して図示しないラジエータが接続され、該ラジエータによって冷却された冷却水が前記第１循環配管４３を介して燃料電池スタック１１に循環供給されるようになっている。前記酸化オフガス排出ケース３９の下部には、該酸化オフガス排出ケース３９内の保水体４０に浸透された生成水を加熱して蒸発させるための加熱手段としての生成水加熱ケース４６が一体成形されている。該生成水加熱ケース４６の入口（図３の右端）には、前記冷却水排出ケース４４に接続された第２循環配管４５が接続されている。該生成水加熱ケース４６の出口（図３の左端）にも、前記第２循環配管４５が接続されている。
【００２３】
次に、前記のように構成された燃料電池の作用について説明する。
図１に示す燃料電池において、図示しない制御ユニットからの制御信号によって、燃料電池スタック１１が作動される。そして、図示しない水素タンクから水素ガスが水素ガス供給配管３５及び燃料ガス供給通路２４を通して燃料電池スタック１１に供給されると、この水素ガスは、図１に示す発電セル１２の燃料ガス流路２３に供給される。一方、図示しないコンプレッサが作動されて、酸化ガス供給配管３８を通して空気（酸素）が図１及び図３に示す発電セル１２の酸化ガス供給ケース３７に供給されると、この空気は、酸化ガス供給通路２７を通して各発電セル１２の酸化ガス流路２６に分配供給される。前記燃料ガス流路２３に供給された水素は、前記アノード側金属多孔体層２１に供給される。前記カソード側セパレータの酸化ガス流路２６に供給された空気は、前記カソード側金属多孔体層２２に供給される。そして、前記ＭＥＡ１７の固体電解質膜２０を介して、前記水素と空気に含まれる酸化剤ガスとしての酸素とが電気化学反応により反応されて発電が行われる。
【００２４】
上記の電気化学反応に供された水素は、燃料オフガスとして、燃料ガス流路２３、燃料オフガス通路２５及び燃料オフガス排出管３６から外部に排出され、図示しない水素希釈装置に送られ、回収された水素が再利用される。一方、電気化学反応に供された後の酸素は、酸化オフガスとして酸化ガス流路２６から酸化オフガス通路２８及び酸化オフガス排出ケース３９を通して外部に排出される。
【００２５】
前述した燃料電池スタック１１による発電によって発電セル１２のカソード側金属多孔体層２２の酸化ガス流路２６に生成水が生成される。この生成水の一部は前記固体電解質膜２０を透過してアノード側金属多孔体層２１に浸透水として進入する。この浸透水の水滴は、燃料電池スタック１１に形成された燃料オフガス排出管３６を通して燃料オフガスとともに外部に排出される。
【００２６】
図示しないポンプが作動されると、ラジエータによって冷却された冷却水が第１循環配管４３及び燃料電池スタック１１の冷却水供給ケース４２から各発電セル１２のカソード側セパレータ１９の冷却水流路３１及びアノード側セパレータ１８の冷却水流路３１に供給され、発電により生じた熱が冷却水によって吸収され、発電セル１２が冷却される。冷却水は燃料電池スタック１１の冷却水排出ケース４４から第２循環配管４５及び生成水加熱ケース４６を通してラジエータに流れ、ここで冷却されて、燃料電池スタック１１の冷却に再利用される。
【００２７】
上記実施形態の燃料電池スタック１１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）第１の実施形態では、酸化オフガス排出ケース３９の内部に保水体４０を収容し、酸化オフガス排出ケース３９の下部に生成水加熱ケース４６を設けた。又、保水体４０によって酸化オフガス通路２８内から酸化オフガス排出ケース３９内に流入した酸化オフガスに含まれる生成水を毛管作用より吸収し、生成水加熱ケース４６の内部を流れる高い温度の冷却水によって前記保水体４０を加熱して、冷却水を蒸発させるようにした。このため、生成水を酸化オフガス通路２８内から適正に排出することができ、膜電極接合体１５に生成水が付着して、酸化ガスの供給不足による発電効率の低下を防止することができる。
【００２８】
（２）第１の実施形態では、酸化オフガス排出ケース３９と生成水加熱ケース４６を一体に成形したので、一枚の隔壁を通して冷却水の熱を保水体４０に伝達することができ、冷却水の加熱を効率的に行うことができる。又、生成水加熱ケース４６を取り付ける専用部品を省略することができ、製造及び組付を容易に行いコストの低減を図ることができる。
（第２の実施形態）
次に、図４に基づいて、この発明の燃料電池の第２の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【００２９】
この実施形態においては、前記第１の実施形態の構成において、前記酸化オフガス通路２８の内部に多孔性材料よりなる保水層５１が収容されている。
この実施形態においては、酸化オフガス通路２８の内側底部に保水層５１が配設されているので、前記各酸化ガス流路２６から酸化オフガス通路２８に流入する酸化オフガスに含まれる生成水が保水層５１によって捕捉される。この捕捉された生成水は酸化オフガス通路２８の上部を流れる酸化オフガスの流動圧力によって、保水体４０側に流動され、該保水体４０内部において前記生成水加熱ケース４６内の高温の冷却水によって加熱されて蒸発される。このため、生成水を効率よく外部に排出することができる。
（第３の実施形態）
次に、図５に基づいて、この発明の燃料電池の第３の実施形態について説明する。
【００３０】
図５に示すように、前記酸化オフガス通路２８の内部には全域にわたって多孔性材料よりなる保水層５１が配設されている。前記保水体４０の気孔率は、保水層５１の気孔率よりも小さく設定されている。
【００３１】
この実施形態においては、保水体４０の気孔率が保水層５１の気孔率よりも小さく設定されているので、保水層５１の内部の生成水が保水体４０の内部に流動し易く、生成水の流動が適正に行われる。
（変更例）
なお、前記各実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
【００３２】
・図６に示すように、生成水加熱ケース４６に代えて、酸化オフガス排出ケース３９の下面に第２循環配管４５を接触させてもよい。
・図示しないが、前記保水体４０の下部に加熱手段としての電気ヒータを配設してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１２…発電セル、１３，１４…エンドプレート、２８…酸化オフガス通路、３９…酸化オフガス排出ケース、４０…保水体、４２…ケース、４６…生成水加熱ケース、５１…保水層。
【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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