(57)【要約】【課題】内部の温度差が非常に小さく、ガス導入口から導入されたガスの結露をきわめて効果的に防止することができ発電効率の良好な固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、単電池２，２・・を、冷却板２１の左右において、順次積層し、左側の単電池群２４ａの左端に、集電板３ａ、絶縁板４ａ、締付板５ａを順次積層するとともに、右側の単電池群２４ｂの右端に、集電板３ｂ、絶縁板４ｂ、締付板５ｂを順次積層し、それらの積層体を、締付具１４，１４・・によって締め付けることによって形成されている。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、片側の締付板５ａから単電池群２４ａ，２４ｂの内部に導入されて反対側の締付板５ｂから外部に排出されるとともに、冷却板２１に導かれた冷却水が、左側の単電池群２４ａの左端縁および右側の単電池群２４ｂの右端縁から外部に排出されるようになっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子膜からなる電解質層の片面に燃料電極を設け他面に酸化剤電極を設けた燃料電池セルと、燃料ガス通路を設けたセパレータと、酸化剤ガス通路を設けたセパレータとを有する扁平な単電池を、同一方向に複数積層し、それらの積層された単電池群の両端に、それぞれ、集電板および電気絶縁板を積層し、それらの積層体の両端を、金属製の締付板によって狭持してなる固体高分子型燃料電池であって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスが片側の締付板から単電池群の内部に導入されて反対側の締付板から外部に排出されるとともに、
前記単電池群の略中央に冷却板が組み込まれて単電池群が左右に分割されており、
前記冷却板に導かれた冷却水が、左側の単電池群の左端縁および右側の単電池群の右端縁から外部に排出されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
冷却板に、左側の単電池群を流れる冷却水路と、右側の単電池群を流れる冷却水路とが別々に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
冷却板、左側の単電池群の左端縁際、および、右側の単電池群の右端縁際に、温度センサが設置されていることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電解質膜としてフッ素系の高分子や炭化水素系の高分子等からなる膜を用いる固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一種として、電解質層の片面に燃料電極を設け他面に酸化剤電極を設けた燃料電池セルと、燃料ガス通路を設けたセパレータと、酸化剤ガス通路を設けたセパレータとを有する扁平な単電池を、同一方向に積層し、それらの積層した単電池の両端に、それぞれ、集電板および電気絶縁板を積層し、それらの積層体の両端を、金属製の締付板によって狭持したものが知られている。また、そのようなタイプの燃料電池の一種として、フッ素系の高分子や炭化水素系の高分子からなる膜を電解質膜として用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
上記した固体高分子型燃料電池においては、動作温度が低いことに起因して、金属製の締付板に設けられたガス導入口から導入される燃料ガス（水素）、酸化剤ガス（空気）が締付板において結露し易く、結露によって生じた水が、燃料電極、酸化剤電極（酸素電極）おけるガスの拡散や、燃料電極、酸化剤電極の外側に設けられるガス通路におけるガスの流れを阻害する事態が発生する。そして、そのような事態が発生すると、単電池セル内において燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が起こりにくくなり、出力が低下してしまう。
【０００４】
それゆえ、積層した単電池（スタック）の左右両側に積層する絶縁板をポリカーボネート、フッ素系樹脂、ＦＲＰ等の熱伝導性の低い材料によって形成するとともに、それらの絶縁板の側面に燃料ガスや酸化剤ガスの導入口を備えることによって、ガス導入口におけるガスの結露を抑制した固体高分子型燃料電池が開発されている（特許文献１）。
【０００５】
一方、固体高分子型燃料電池の中には、運転時に電力とともに発生する熱を外部に排出させるために、単電池の間にセパレータ板を介在させるとともに、片側の締付板に冷却水供給管および冷却水排出管を設け、冷却水供給管からセパレータ板内に導かれた冷却水を冷却水排出管から外部へ排出するものもある（特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２０８３３号公報
【特許文献２】特開２０００−６７９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の固体高分子型燃料電池によれば、ガス導入口におけるガスの結露をある程度抑制することが可能となる。しかしながら、特許文献１の固体高分子型燃料電池においては、絶縁板の内側に、銅メッキを施した金属製の集電板が積層されているため、かかる集電板に隣接した単電池は、中央部に比べて温度が低くなってしまう。それゆえ、それらの単電池においては、ガス通路内でのガスの結露を十分に抑制できないため、発電効率が悪くなってしまう。
また、特許文献２の固体高分子型燃料電池は、冷却水供給管、冷却水排出管がいずれも同側の締付板に設けられているので、内部の温度差が大きく、発電効率が悪いという不具合がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来の固体高分子型燃料電池が有する上記問題点を解消し、内部の温度差が非常に小さく、ガス導入口から導入されたガスの結露をきわめて効果的に防止することが可能で発電効率の良好な固体高分子型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】
【０００９】
かかる本発明の内、請求項１に記載された発明は、高分子膜からなる電解質層の片面に燃料電極を設け他面に酸化剤電極を設けた燃料電池セルと、燃料ガス通路を設けたセパレータと、酸化剤ガス通路を設けたセパレータとを有する扁平な単電池を、同一方向に複数積層し、それらの積層された単電池群の両端に、それぞれ、集電板および電気絶縁板を積層し、それらの積層体の両端を、金属製の締付板によって狭持してなる固体高分子型燃料電池であって、燃料ガスおよび酸化剤ガスが片側の締付板から単電池群の内部に導入されて反対側の締付板から外部に排出されるとともに、前記単電池群の略中央に冷却板が組み込まれて単電池群が左右に分割されており、前記冷却板に導かれた冷却水が、左側の単電池群の左端縁および右側の単電池群の右端縁から外部に排出されることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、冷却板に、左側の単電池群を流れる冷却水路と、右側の単電池群を流れる冷却水路とが別々に設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３に記載された発明は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、冷却板、左側の単電池群の左端縁際、および、右側の単電池群の右端縁際に、温度センサが設置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の固体高分子型燃料電池は、積層された単電池群（所謂スタック）の中央から燃料ガスや酸化剤ガスの導入口・排出口の存在する単電池群の左右の端縁に向けて冷却水を流すので、スタック内の温度差が小さくなるように容易に調整することができる。したがって、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、スタック内の温度差を低減することによって、スタックの電圧低下を防止し、効率良く発電することが可能となる。また、締付板の外側と内側（スタック側）との温度差が少なくなるため、燃料ガス、酸化剤ガスの導入口におけるガスの結露が非常に効率的に防止されるので、所謂フレッティング現象が発生せず、発電電圧を安定させることが可能となる。
【００１３】
請求項２の固体高分子型燃料電池は、冷却板に、左側の単電池群を流れる冷却水路と、右側の単電池群を流れる冷却水路とが別々に設けられており、スタックの左右において温度差が小さくなるように非常に容易に調整することができるので、非常に効率良く発電することができ、発電電圧の安定性が高い。
【００１４】
請求項３の固体高分子型燃料電池は、冷却板、左側の単電池群の左端縁際、および、右側の単電池群の右端縁際に、温度センサが設置されているので、それらの温度センサを制御装置に接続することによって、スタックの中央、左側、右側の温度差が小さくなるようにきわめて容易に制御することができる。したがって、請求項３の固体高分子型燃料電池によれば、きわめて効率良く発電することができ、発電電圧の安定性を飛躍的に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】
【００１５】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池という）の一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１〜図４は、それぞれ、本発明に係る燃料電池の正面、平面、背面、左側面を示したものであり、燃料電池１は、複数の単電池２，２・・、単電池２，２・・で生じた直流電力を取り出すための集電板３ａ，３ｂ、単電池２，２・・および集電板３ａ，３ｂを外部と絶縁するための絶縁板４ａ，４ｂ、単電池２，２・・、集電板３ａ，３ｂおよび絶縁板４ａ，４ｂを狭持するための締付板５ａ，５ｂ、長尺なボルトとナットからなる締付具１４，１４・・・、冷却水を内部に導くための金属製で扁平な矩形板状の冷却板２１等によって構成されている。
【００１６】
図５は、単電池２の鉛直断面を示す説明図であり、単電池２は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）９、セパレータ１０ａ，１０ｂ、シール部材１３等によって構成されている。膜・電極接合体（ＭＥＡ）９は、薄い矩形状の固体高分子膜からなる電解質層６、触媒活性物質を含む触媒層と燃料ガスの供給、排出および集電機能を奏する電極基材とからなる燃料電極７、触媒活性物質を含む触媒層と酸化剤ガスの供給、排出および集電機能を奏する電極基材とからなる酸化剤電極８によって構成されている。
【００１７】
また、セパレータ１０ａは、ガス不透過性の材料によって形成されており、燃料電極７と接合した面に、燃料ガスを流通させるための複数の燃料ガス通路１１を備えている。セパレータ１０ｂも、セパレータ１０ａと同様に、ガス不透過性の材料によって形成されており、酸化剤電極８と接合した面に、酸化剤ガスを流通させるための複数の酸化剤ガス通路１２を備えている。
【００１８】
そして、単電池２は、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２からのガスの漏洩を防止するゴムシール１３を、セパレータ１０ａ，１０ｂの周縁の凹状部と膜・電極接合体（ＭＥＡ）９の周縁の凹状部に嵌め込んだ状態で、膜・電極接合体（ＭＥＡ）９の表裏両側に、それぞれ、セパレータ１０ａ，１０ｂを積層することによって形成されている。
【００１９】
燃料電池１は、上記の如く構成された複数の単電池２，２・・を、冷却板２１の左右において、順次積層し、冷却板２１の左側に積層された単電池２，２・・からなる単電池群（スタック）２４ａの左端に、集電板３ａ、絶縁板４ａ、締付板５ａを順次積層するとともに、冷却板２１の右側に積層された単電池２，２・・からなる単電池群２４ｂの右端に、集電板３ｂ、絶縁板４ｂ、締付板５ｂを順次積層し、それらの積層体を、締付具１４，１４・・によって適度な圧力を加えて締め付けることによって形成されている（図１〜図４参照）。また、左側の単電池群２４ａの左端縁際、右側の単電池群２４ｂの右端縁際、冷却板２１の中央（後述する冷却水導入口２５ａと冷却水導入口２５ｂとの間）には、それぞれ、温度を検出するための温度センサ２７ａ〜２７ｃが設置されている。
【００２０】
また、左側に位置した締付板５ａの外面の前方上側には、内部に酸化剤ガス（空気）を導入するための金属製の酸化剤ガス導入口１６が設けられており、締付板５ａの外面の後方上側には、内部に燃料ガス（水素）を導入するための金属製の燃料ガス導入口１５が設けられている。
【００２１】
また、図６は、酸化剤ガス導入口１６の設置部付近の鉛直断面を示したものであり、締付板５ａ、絶縁板４ａ、集電板３ａ、複数の単電池２，２・・（単電池群２４ａ）には、酸化剤ガス導入口１６と連通した水平状の連通孔１７が形成されている。そして、酸化剤ガス導入口１６から導入された酸化剤ガスが、連通孔１７を通って各単電池２，２・・（単電池群２４ａ）へと送られるようになっている。加えて、締付板５ａ、絶縁板４ａ、集電板３ａの連通孔１７の外周部分には、連通孔１７を流れる酸化剤ガスの外部への漏洩を防止するためにシール部材１８が配設されている。なお、燃料ガス導入口１５の設置部付近の構造も、上記した酸化剤ガス導入口１６の設置部付近の構造と同様であり、燃料ガス導入口１５から導入された燃料ガスが、連通孔１７を通って各単電池２，２・・（単電池群２４ａ）へと送られるようになっている。
【００２２】
一方、図１、図２、図４の如く、右側に位置した締付板５ｂの外面の前方下側には、内部を通過した酸化剤ガス（空気）を外部へ排出するための金属製の酸化剤ガス排出口２０が設けられている。また、図２、図３、図４の如く、右側に位置した締付板５ｂの外面の後方下側には、内部を通過した燃料ガス（水素）を外部へ排出するための金属製の燃料ガス排出口１９が設けられている。
【００２３】
また、図７は、酸化剤ガス排出口２０の設置部付近の鉛直断面を示したものであり、酸化剤ガス排出口２０は、締付板５ｂ、絶縁板４ｂ、集電板３ｂ、複数の単電池２，２・・（単電池群２４ｂ）に形成された水平状の連通孔２３と連通した状態になっている。さらに、締付板５ｂ、絶縁板４ｂ、集電板３ｂの連通孔２３の外周部分には、連通孔２３を流れる燃料ガスの外部への漏洩を防止するためにシール部材１８が配設されている。そして、単電池２，２・・（単電池群２４ｂ）を通過した燃料ガスが、連通孔２３を通って酸化剤ガス排出口２０から外部へ排出されるようになっている。なお、燃料ガス排出口１９の設置部付近の構造も、上記した酸化剤ガス排出口２０の設置部付近の構造と同様であり、単電池２，２・・（単電池群２４ｂ）を通過した酸化剤ガスが、連通孔２３を通って燃料ガス排出口１９から外部へ排出されるようになっている。
【００２４】
さらに、冷却板２１の上部には、左側の単電池群２４ａに冷却水を導入するための冷却水導入口２５ａ、および、右側の単電池群２４ｂに冷却水を導入するための冷却水導入口２５ｂが設けられている。冷却水導入口２５ａから左側の単電池群２４ａ内へ導入された冷却水は、冷却水通路２６ａ内を通って左側の単電池群２４ａの左端に設けられた冷却水排出口３３ａから外部に排出されるようになっている。また、冷却水導入口２５ｂから右側の単電池群２４ｂ内へ導入された冷却水は、冷却水通路２６ｂ内を通って右側の単電池群２４ｂの左端に設けられた冷却水排出口３３ｂから外部に排出されるようになっている。冷却水導入口２５ａ、冷却水導入口２５ｂは、それぞれ、配管を介してポンプ２８ａ、ポンプ２８ｂと接続されており、後述する制御装置を介してポンプ２８ａ，２８ｂの作動を制御することにより、冷却水導入口２５ａ、冷却水導入口２５ｂに導入される冷却水の流量を調整することができるようになっている。
【００２５】
図８は、燃料電池１の温度を制御するための制御システムを示すブロック図である。ＣＰＵ３１、記憶手段３２を内蔵した制御装置２９には、インターフェイス３０を介して、温度センサ２７ａ，２７ｂ，２７ｃ、ポンプ２８ａ，２８ｂ等が接続されている。
【００２６】
上記の如く構成された燃料電池１においては、左側の締付板５ａに設けられた燃料ガス導入口１５から導かれた燃料ガス（水素）が、連通孔１７を介して積層された単電池２，２・・へと送られ、重力によって各単電池２，２・・の内部の燃料ガス通路１１を流下する（すなわち、燃料ガスは次第に左下方向へと流下する）。そして、その流下に伴い酸化剤ガスと電気化学的に反応することによって発電する。また、反応に寄与しなかった残りの燃料ガスは、連通孔２３を通って、右側の締付板５ｂに設けられた燃料ガス排出口１９から外部へ排出される。一方、左側の締付板５ａに設けられた酸化剤ガス導入口１６から導かれた酸化剤ガス（空気）は、連通孔１７を介して積層された単電池２，２・・へと送られ、重力によって各単電池２，２・・の内部の酸化剤ガス通路１２を流下する（すなわち、酸化剤ガスは次第に右下方向へと流下する）。そして、その流下に伴い燃料ガスと電気化学的に反応することによって発電する。また、反応に寄与しなかった残りの酸化剤ガスは、連通孔２３を通って、右側の締付板５ｂに設けられた酸化剤ガス排出口２０から外部へ排出される。
【００２７】
また、燃料電池１の作動中には、温度センサ２７ａが単電池群２４ａの左端縁際の温度を検知し、温度センサ２７ｂが単電池群２４ｂの右端縁際の温度を検知し、温度センサ２７ｃが冷却板２１の温度を検知する。そして、温度センサ２７ａが検知した単電池群２４ａの左端縁際の温度、および、温度センサ２７ｃが検知した冷却板２１の温度に基づいて、制御装置２９が、ポンプ２８ａの流量を調整することによって、単電池群２４ａの左端縁際の温度と冷却板２１の温度との差が小さくなるように制御される。また、温度センサ２７ｂが検知した単電池群２４ｂの右端縁際の温度、および、温度センサ２７ｃが検知した冷却板２１の温度に基づいて、制御装置２９が、ポンプ２８ｂの流量を調整することによって、単電池群２４ｂの右端縁際の温度と冷却板２１の温度との差が小さくなるように制御される。
【００２８】
燃料電池１は、上記の如く、燃料ガスおよび酸化剤ガスが片側の締付板５ａから単電池群（スタック）２４ａ，２４ｂの内部に導入されて反対側の締付板５ｂから外部に排出されるとともに、単電池群２４ａ，２４ｂの略中央に冷却板２１が組み込まれて単電池群２４ａ，２４ｂが左右に分割されており、冷却板２１に導かれた冷却水が、左側の単電池群２４ａの左端縁および右側の単電池群２４ｂの右端縁から外部に排出されるため、スタック内の温度差が小さくなるように容易に調整することができる。したがって、燃料電池１によれば、スタック内の温度差が低減されるため（図９参照）、スタックの電圧低下を防止し、効率良く発電することが可能となる。また、締付板５ａ，５ｂの外側と内側（スタック側）との温度差が少なくなるため、燃料ガス導入口１５、酸化剤ガス導入口１６におけるガスの結露が非常に効率的に防止されるので、所謂フレッティング現象が発生せず、発電電圧を安定させることが可能となる。
【００２９】
また、燃料電池１は、冷却板２１に、左側の単電池群２４ａを流れる冷却水路２６ａと、右側の単電池群２４ｂを流れる冷却水路２６ｂとが別々に設けられているため、スタックの左右（すなわち、単電池群２４ａ，２４ｂ）において温度差が小さくなるように非常に容易に調整することができるので、非常に効率良く発電することができ、発電電圧の安定性が高い。
【００３０】
さらに、燃料電池１は、冷却板２１、左側の単電池群２４ａの左端縁際、および、右側の単電池群２４ｂの右端縁際に、それぞれ、温度センサ２７ｃ，２７ａ，２７ｂが設置されているため、それらの温度センサ２７ｃ，２７ａ，２７ｂを制御装置２９に接続することによって、スタックの中央、左側、右側の温度差が小さくなるようにきわめて容易に制御することができる。したがって、燃料電池１によれば、きわめて効率良く発電することができ、発電電圧の安定性を飛躍的に向上させることができる。
【００３１】
なお、本発明に係る燃料電池の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、単電池、集電板、絶縁板、締付板、燃料ガス導入口、酸化剤ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、冷却板、冷却水導入口、冷却水排出口等の形状、構造、材質等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更できる。
【００３２】
たとえば、燃料電池に設ける燃料ガス導入口、酸化剤ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口は、金属製のものに限定されず、合成樹脂製のものやセラミックス製のものに変更することも可能である。また、燃料電池は、上記実施形態の如く、単電池、集電板、絶縁板、冷却板からなる積層体を左右一対の締付板で狭持したものに限定されず、単電池、集電板、絶縁板からなる積層体を直方体状等のハウジングで覆ったもの等に変更することも可能である。
【００３３】
また、燃料電池は、冷却板、左側の単電池群の左端縁際、および、右側の単電池群の右端縁際に、それぞれ、温度センサを設けたものに限定されず、左側の単電池群の左右の端縁際、および、右側の単電池群の左右の端縁際に、それぞれ、温度センサを設けたもの等に変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の燃料電池は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池の正面図である。
【図２】燃料電池の平面図である。
【図３】燃料電池の背面図である。
【図４】燃料電池の左側面図である。
【図５】単電池の鉛直断面を示す説明図である。
【図６】酸化剤ガス導入口の設置部付近の鉛直断面を示す説明図である。
【図７】酸化剤ガス排出口の設置部付近の鉛直断面を示す説明図である。
【図８】燃料電池の温度を制御するための制御システムを示すブロック図である。
【図９】スタック内部の位置と温度との関係を示す説明図である（Ａの実線は、冷却水の温度を示したものであり、Ｂの実線は、非冷却時の燃料電池の温度を示したものであり、波線は、冷却時の燃料電池の温度を示したものものである）。
【符号の説明】
【００３６】
１・・燃料電池（固体高分子型燃料電池）
２・・単電池
３ａ，３ｂ・・集電板
４ａ，４ｂ・・絶縁板
５ａ，５ｂ・・締付板
１５・・燃料ガス導入口
１６・・酸化剤ガス導入口
１９・・燃料ガス排出口
２０・・酸化剤ガス排出口
２１・・冷却板
２４ａ，ｂ・・単電池群
２５ａ，ｂ・・冷却水導入口
２７ａ，ｂ・・温度センサ
３３ａ，ｂ・・冷却水排出口
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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