(57)【要約】【課題】燃料電池システムが広い温度幅で効率よく発電可能であるとともに、燃料電池システムの小型化、簡素化及び安定した発電性能を実現可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池スタック１は、カソード極７、１０、電解質膜６、９及びアノード極８、１１を含む燃料電池セル２が多数電気的に直列に接続されるように積層されてなる。各燃料電池セル３、４は、第１温度域で第１出力を発揮可能な第１セル３と、第１温度域と異なる第２温度域で第１出力より高い第２出力を発揮可能な第２セル４とを有している。【選択図】図４
2009238450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード極、電解質膜及びアノード極を含む燃料電池セルが多数電気的に直列に接続されるように積層されてなる燃料電池スタックにおいて、
各前記燃料電池セルは、第１温度域で第１出力を発揮可能な第１セルと、該第１温度域と異なる第２温度域で該第１出力より高い第２出力を発揮可能な第２セルとを有していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１セルと前記第２セルとがａ：ａ＋ｂ（但し、ａ＝１、２、３、…の自然数、ｂ＝０、１、２、…の整数）の割合で積層されている請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１セルと前記第２セルとが交互に積層されている請求項１記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、互いに異なる温度対出力特性を有する二つの燃料電池スタックと、始動時により低い温度域で効率的に発電する温度対出力特性を有する燃料電池スタックを選択して発電させる制御装置とを備えている。
【０００３】
各燃料電池スタックは、燃料電池セルが多数電気的に直列に接続されるように積層されてなる。各燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、膜電極接合体を挟み込むセパレータとからなる。膜電極接合体は、電解質膜の両側に電極が積層されたものであり、一方の電極がカソード極とされ、他方の電極がアノード極とされている。
【０００４】
この燃料電池システムでは、始動時においては、より低い温度域で効率的に発電する温度対出力特性を有する一方の燃料電池スタックが選択され、その燃料電池スタックのアノード極に燃料が供給され、カソード極に空気が供給される。これにより、その燃料電池スタックで発電される。他方の燃料電池スタックは、より高い温度域で効率的に発電する温度対出力特性を有しており、その燃料電池スタックには燃料や空気が供給されず、その燃料電池スタックでは発電を生じない。このため、始動時の低温環境下においても、一方の燃料電池スタックによって効率のよい発電が行われる。
【０００５】
また、始動後、一方の燃料電池スタックの発電時の発熱により、他方の燃料電池スタックが暖機されれば、他方の燃料電池スタックが選択され、その燃料電池スタックで発電される。このため、始動後の暖機後においては、他方の燃料電池スタックによってやはり効率のよい発電が行われる。
【０００６】
こうして、この燃料電池システムでは、低温から暖機後までの広い温度幅で効率のよい発電を行うことができると考えられる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３０２７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記燃料電池システムは、二つの燃料電池スタックを備え、しかもこれらの少なくとも一方を制御装置によって選択しなければならない。このため、燃料電池システムは、二つの燃料電池スタックの分だけ嵩張るばかりでなく、いずれの燃料電池スタックにもガス配管や冷却配管等が必要であるとともに、いずれの燃料電池スタックからの出力を負荷に供給するか切り替える切替手段も必要になり、大型化するとともに構造が複雑である。
【０００９】
また、この燃料電池システムは、二つの燃料電池スタックが離れていながら、一方の燃料電池スタックで他方の燃料電池スタックを暖機しなければならず、発電させる燃料電池スタックの切替までに長時間を要するという欠点もある。この場合、燃料電池システムは、一定時間出力が落ちる等、安定した発電性能が得られにくい。
【００１０】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムが広い温度幅で効率よく発電可能であるとともに、燃料電池システムの小型化、簡素化及び安定した発電性能を実現可能な燃料電池スタックを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池スタックは、カソード極、電解質膜及びアノード極を含む燃料電池セルが多数電気的に直列に接続されるように積層されてなる燃料電池スタックにおいて、
各前記燃料電池セルは、第１温度域で第１出力を発揮可能な第１セルと、該第１温度域と異なる第２温度域で該第１出力より高い第２出力を発揮可能な第２セルとを有していることを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池スタックの各燃料電池セルは第１セルと第２セルとを有し、燃料電池スタックは第１セルと第２セルとが積層されている。第１セルは第１温度域で第１出力を発揮可能であり、第２セルは第１温度域と異なる第２温度域で第１出力より高い第２出力を発揮可能である。このため、この燃料電池スタックを採用した燃料電池システムでは、第１温度域で第１セルが主として発電し、第２温度域で第２セルが主として発電し、第１温度域から第２温度域までの広い温度幅で効率のよい発電を行うことが可能である。
【００１３】
また、燃料電池システムは、この燃料電池スタックを一つ備えれば足り、嵩張らないとともに、余分なガス配管や冷却配管等が不要になる。また、その燃料電池システムは、出力を切り替える切替手段も不要になる。このため、燃料電池システムの小型化及び簡素化が実現される。
【００１４】
さらに、この燃料電池スタックは、近接する第１セルと第２セルとを有して構成されており、第１セルと第２セルとで熱の移動が直接かつ短時間で行われる。このため、燃料電池システムは、継続して安定した出力が得られる。
【００１５】
したがって、本発明の燃料電池スタックによれば、燃料電池システムが広い温度幅で効率よく発電可能であるとともに、燃料電池システムの小型化、簡素化及び安定した発電性能を実現可能である。
【００１６】
図５に電解質膜「Naffion（登録商標）117」の温度（°Ｃ）及び湿度（％）と導電率σ（Ｓｃｍ-1）との関係を示す。図５より、電解質膜は、一般的に温度が高く、湿度が高い程、導電率が高くなる、つまり抵抗値が小さくなるので、特性としては良好になることがわかる。しかし、温度が高くなると、水の蒸発により、ガス流路内という限られた空間内においては、水蒸気が増えた分だけ酸素や水素の分圧が低下する。また、氷点下においては、水の凍結も生じる。こうして、ガスの供給が妨げられるフラッディングを生じる。このフラッディングを回避するため、電極内の空孔の容積を増やし、ガス流路の閉塞を回避し、水を排出しやすくする手法があるが、空孔の容積を増やすことは必然的に単位面積当たりの触媒量を低減することとなり、セルの発電性能が低下する。すなわち、膜電極接合体の保水性を低下させれば、セルは５０°Ｃを超える高温域で出力が低下する。こうして、氷点下、常温、高温のいずれの温度域でも高い出力を発揮可能なセルは、現在までのところ、実現不可能である。換言すれば、流路構造、材料等を種々変更することにより、異なる温度対出力特性のセルが得られる。
【００１７】
各燃料電池セルが第１セル及び第２セル以外のセルを有し、燃料電池スタックは第１セル及び第２セル以外のセルが積層されていてもよい。そのようなセルは第１、２温度域と異なる第３温度域で第２出力より高い第３出力を発揮可能であり得る。つまり、第１、２セル等のセルは、異なる温度対出力特性を有してだけではなく、温度−出力グラフにおいて、出力曲線が交差する関係になる。
【００１８】
燃料電池スタックにおける第１、２セル等のセルの割合は、各セルの特性に基づき、寒冷地仕様、高温地帯使用、乾燥地帯使用、多湿地帯使用等、使用環境に適するように設計され得る。
【００１９】
本発明の燃料電池スタックは、第１セルと第２セルとがａ：ａ＋ｂ（但し、ａ＝１、２、３、…の自然数、ｂ＝０、１、２、…の整数）の割合で積層されていることが好ましい。第１セルと第２セルとが交互に積層されていることがより好ましい。この場合、第１セルで発生した熱が隣の第２セルにすぐに移動し、第２温度域に最も短時間で移行できることとなる。逆の場合も同様である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した実施例１を図面を参照しつつ説明する。実施例１の燃料電池システムは、図１に示す燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という。）１が用いられている。
【００２１】
このスタック１は、図２に示すように、２枚のエンドプレート１ａ、１ｂ間に複数枚の燃料電池セル（以下、単に「セル」という。）２を積層したものである。
【００２２】
各セル２は、図３に示すように、第１セル３と第２セル４とからなる。第１セル３は、膜電極接合体３ａと、膜電極接合体３ａを挟み込むセパレータ５ａ、５ｂとからなる。膜電極接合体３ａは、電解質膜６の両側に電極７、８が積層されたものであり、一方の電極７がカソード極とされ、他方の電極８がアノード極とされている。第１セル３は、流路構造、材料等を種々変更することにより、図４に示すように、常温タイプ（Ｎ）とされており、−５°Ｃ以上の第１温度域で最も大きな出力を発揮可能である。
【００２３】
また、図３に示すように、第２セル４は、膜電極接合体４ａと、膜電極接合体４ａを挟み込むセパレータ５ａ、５ｂとからなる。膜電極接合体４ａは、電解質膜９の両側に電極１０、１１が積層されたものであり、一方の電極１０がカソード極とされ、他方の電極１１がアノード極とされている。第２セル４は、流路構造、材料等を種々変更することにより、図４に示すように、低温タイプ（Ｃ）とされており、−５°Ｃ未満の第２温度域で第１セル３より大きな出力を発揮可能である。
【００２４】
スタック１は、第１セル３同士及び第２セル４同士は積層されておらず、第１セル３と第２セル４とが交互に積層されている。すなわち、スタック１における第１、２セル３、４の割合は１：１とされている。隣り合うセパレータ５ａ、５ｂは第１、２セル３、４で共通とされている。セパレータ５ａ、５ｂには、カソード極７、１０に空気を供給する図示しない空気流路が形成されているとともに、アノード極８、１１に水素を供給する図示しない水素流路が形成されている。
【００２５】
各セル２の全ての水素流路は、図１に示すように、一方のエンドプレート１ａに形成された燃料ガス導入口１ｃ及び他方のエンドプレート１ｂに形成された燃料ガス導出口１ｄに連通している。また、各セル２の全ての空気流路は上下に開放されている。
【００２６】
この燃料電池システムでは、図１に示すように、スタック１の燃料ガス導入口１ｃに水素供給循環流路１２が接続され、燃料ガス導出口１ｄに第１水素排気流路１３が接続されている。水素供給循環流路１２には、モータによって駆動される水素ポンプ１４と、電磁弁１５とがスタック１から見てこの順で設けられている。第１水素排気流路１３にはリリーフ弁１６が設けられている。
【００２７】
水素供給循環流路１２と水素排気流路１３とは水素供給流路１７に接続されており、水素供給循環流路１２は電磁弁１５と水素供給流路１７との間に電磁弁１８を有し、電磁弁１８はフィルタ１９を介して外気に連通している。また、水素供給循環流路１２には水素ポンプ１４の上流側と下流側とに第２水素排気流路２０、２１が接続されており、第２水素排気流路２０、２１にはそれぞれ電磁弁２２、２３が設けられている。第２水素排気流路２０、２１は合流されて後述する排気ダクト４０内に連通されている。
【００２８】
水素供給流路１７には圧力センサ２４、電磁弁２５及び調整弁２６がスタック１から見てこの順に接続されている。また、水素供給流路１７には調整弁２６をバイパスする流路２７が設けられ、流路２７には電磁弁２８と圧力センサ２９とがスタック１から見てこの順で設けられている。
【００２９】
水素供給流路１７のさらに上流には三本の流路２８、２９、３０が接続されており、各流路２８、２９、３０には電磁弁３１、調整弁３２、圧力センサ３３、手動弁３４及び水素タンク３５がスタック１から見てこの順でそれぞれ設けられている。
【００３０】
スタック１の上方には空気マニホールド３６が設けられており、空気マニホールド３６には吸気ダクト３７を介して空気供給ファン３８が接続されている。空気供給ファン３８はモータによって駆動され、フィルタ３９を介して外気を吸引するようになっている。
【００３１】
スタック１の下方には排気ダクト４０が設けられ、排気ダクト４０は凝縮器４１に接続されている。排気ダクト４０には温度センサ４２が設けられている。凝縮器４１の下流には流路４３が接続されており、流路４３はフィルタ４４を介して外気に連通している。流路４３にも温度センサ４５が設けられている。
【００３２】
凝縮器４１には排水流路４６が接続されており、排水流路４６にはモータによって駆動される回収ポンプ４７が設けられている。排水流路４６の下流側にはレベルゲージが内装された水タンク４８が設けられている。水タンク４８には給水流路４９が接続されている。給水流路４９には、フィルタ５０を介し、モータによって駆動される直噴水ポンプ５１が設けられている。直噴水ポンプ５１の下流は、吸気ダクト３７内に設けられた直噴ノズル５２に接続されている。
【００３３】
また、スタック１には接続線５３、５４によってインバータ５５が接続されており、接続線５３、５４は絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）５６を介してキャパシタ５７に接続されている。また、この燃料電池システムは、圧力センサ２４、電磁弁１５等を制御する図示しない制御装置を備えている。
【００３４】
以上の構成をした燃料電池システムのスタック１では、図４に示すように、−５°Ｃ以上では第１セル３が主として発電し、−５°Ｃ未満では第２セル４が主として発電する。スタック１における第１、２セル３、４の割合は１：１であるから、スタック１は、常温タイプ（Ｎ）である第１セル３の出力曲線と低温タイプ（Ｃ）である第２セル４の出力曲線との中間の出力を生じている。こうして、この燃料電池システムは広い温度幅で効率のよい発電を行うことが可能である。
【００３５】
また、この燃料電池システムは、スタック１を一つ備えているだけであり、嵩張らないとともに、余分なガス配管や冷却配管等が不要になっている。また、この燃料電池システムは、出力を切り替える切替手段も不要である。このため、燃料電池システムは小型化及び簡素化が実現されている。
【００３６】
さらに、スタック１は、隣り合う第１セル３と第２セル４とを有して構成されている。このため、−５°Ｃ未満で第２セル４が主として発電を行っている状態において、その発熱で第１セル３を加熱し、−５°Ｃ以上に移行したい場合、第２セル４で発生した熱が隣の第１セル３にすぐに移動し、−５°Ｃ以上に最も短時間で移行できることとなる。こうして、燃料電池システムは、継続して安定した出力が得られる。
【００３７】
したがって、このスタック１によれば、燃料電池システムが広い温度幅で効率よく発電可能であるとともに、燃料電池システムの小型化、簡素化及び安定した発電性能を実現可能である。
【００３８】
以上において、本発明を実施例１に即して説明したが、本発明は上記実施例１に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、スタック１における第１、２セル３、４の割合を２：１とすれば、図４に示すように、スタック１は、常温タイプ（Ｎ）である第１セル３の出力曲線と低温タイプ（Ｃ）である第２セル４の出力曲線とを２：１で按分した出力を生じることとなる。このように、スタック１における第１、２セル３、４の割合は、第１、２セル３、４の特性に基づき、使用環境に適するように設計され得る。また、スタック１は第１、２セル３、４以外のセルが積層されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１の燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施例１のスタックの模式斜視図である。
【図３】実施例１のスタックの模式断面図である。
【図４】実施例１のセル及びスタックの温度−出力グラフである。
【図５】電解質膜の温度及び湿度と導電率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
７、１０…カソード極
６、９…電解質膜
８、１１…アノード極
２、３、４…セル（３…第１セル、４…第２セル）
１…スタック
【図１】
2009238450.tif 000003
【図２】
2009238450.tif 000004
【図３】
2009238450.tif 000005
【図４】
2009238450.tif 000006
【図５】
2009238450.tif 000007