(57)【要約】端板からの放熱により、端部のセルとその他の部分のセルの温度に違いが生じ、出力低下が発生することがある。本発明は、端板に最も近いセルの電圧低下を、他のセルの出力電圧に影響を与えずに、回避することができる高分子電解質型燃料電池を提供する。本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜および前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードからなる単位セルを導電性セパレータ板を介して積層したセル積層体、前記セル積層体を挟持する一組の集電板および一組の端板、並びに一部の前記導電性セパレータ板の内部に設けられた、単位セルを冷却するためのクーラントの流路を具備し、少なくとも一方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板は、内部にクーラントの流路を有しない。
2002082573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜および前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードからなる単位セルを導電性セパレータ板を介して積層したセル積層体、前記セル積層体を挟持する一組の集電板および一組の端板、前記セル積層体のアノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出用マニホールド、一部の前記導電性セパレータ板の内部に設けられたクーラントの流路、並びに前記クーラントの流路にクーラントを循環させるための一組のクーラントの出入り口を具備し、少なくとも一方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板は、内部にクーラントの流路を有しないことを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池への酸化剤ガスの入り口から遠い方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板が内部にクーラントの流路を有しない請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
さらに、前記クーラントの入り口側の温度を調整するクーラント温度調整手段、前記クーラントの温度を測定する温度測定手段、および前記温度測定手段からの温度情報に基づいて前記クーラント温度調整手段を制御する温度制御手段を有する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
さらにセル積層体の温度を測定する第２の温度測定手段を具備し、前記温度制御手段が、前記温度制御手段および第２の温度測定手段からの温度情報に基づいて前記クーラント温度調整手段を制御する請求の範囲第３項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記酸化剤ガスの排気路に設けられた弁、および前記セルの出力電圧が所定値を下回ったとき前記弁を閉じ、所定時間後に弁を開く弁制御手段をさらに具備する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤ガスの排気路に設けられた弁、および前記セルの出力電圧が第１の所定値を下回ったとき前記弁を閉じ、前記セルの出力電圧が第１の所定値より低い第２の所定値を下回ったとき前記弁を開く弁制御手段をさらに具備する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記集電板に接する導電性セパレータ板の前記集電板と接する面に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドに連通するミスト排出用の溝が形成されている請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記ミスト排出用の溝の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドと連通する部分が、前記セル積層体が設置される重力方向に対して下側に偏在する請求の範囲第７項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記ミスト排出用の溝が、親水性処理を施されている請求の範囲第７項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記ミスト排出用の溝中に吸水材が配されている請求の範囲第８項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記集電板の導電性セパレータ板と接する面に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドに連通するミスト排出用の溝が形成されている請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記ミスト排出用の溝の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドと連通する部分が、前記積層体が設置される重力方向に対して下側に偏在する請求の範囲第１１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１３】
前記ミスト排出用の溝が、親水性処理を施されている請求の範囲第１１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１４】
前記ミスト排出用の溝中に吸水材が配されている請求の範囲第１１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１５】
請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池へ導入されるクーラントの温度を、燃料電池の発電量に応じて変化させることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
燃料電池の発電量が増えるに従い、前記クーラントの温度を連続的または段階的に低下させ、燃料電池の発電量が減るに従い、前記クーラントの温度を連続的または段階的に上昇させる請求の範囲第１５項記載の高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法であって、前記セパレータ板、集電板または端板の温度に応じて、燃料電池へ導入されるクーラントの温度を変化させる高分子電解質型燃料電池装置の運転方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法であって、前記セルの出力電圧が所定値を下回ったとき前記酸化剤ガスの排気路を閉開することにより、前記排気路の水分の排出を促進することを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用される高分子電解質型燃料電池及びその運転方法に関する。
背景技術
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることで、電力を発生させるものである。通常、燃料電池は、単位セルを数多く重ねた積層構造が採られる。燃料電池の運転時には、電力発生と共に発熱が起こる。従って、積層電池では、単位セルの数セル毎に冷却板を設け、電池温度を一定に保つ必要がある。これは以下の理由による。
高分子電解質型燃料電池に使用される固体高分子電解質膜は、水分を十分に含んだ状態で機能するため、燃料ガスおよび酸化剤ガスは加湿して供給する必要がある。その際、電池温度が高くなり過ぎると、飽和蒸気圧が上昇するため高分子電解質膜中の水分が減少し、電池性能が低下する。しかし同時に、電池反応によって、酸化剤ガス側においては水が発生するので、電池温度が低くなりすぎると水蒸気の結露により、酸化剤ガスが十分に行き渡らなくなり、電池性能が低下する。したがって、燃料電池の温度は最適な温度帯に保つことが必要である。
一般に、単位セルを数多く重ねた燃料電池スタックと呼ばれる積層体は、膜・電極接合体と表面にガス流路を設けたセパレータ板とを交互に積層し、その両端に、発電された電力を取り出す集電板および絶縁板を配し、これらを端板によって挟持する構造がとられる。
各単位セルは、セパレータ板の内部を流れるクーラントによって冷却されて適温に保たれる。しかし、端板に近い単位セルにおいては、外気との温度差による放熱のため、他の単位セルと比較してセル温度が低くなりやすい。
燃料電池は、非発電時には電池反応によって発生する熱量が無いため、端板近くに位置する単位セルでは、特にセル温度が低下する。この状態で発電を開始すべく加湿された燃料ガスと酸化剤ガスを導入すると、ガス流路で結露が発生しやすい。特に、燃料電池への酸化剤ガスの入り口から遠い側の端板側のセルにおいてガス流路に結露が発生しやすい。結露が発生すると、各々のガスがセルへ行き渡りにくくなり、発電時の電圧が不安定になる現象が発生することがある。
また、燃料電池の発電量を定格出力よりも低く抑えている場合には、電池反応によって発生する熱量が低くなるため、同様に端板近くに位置する単位セルでは、ガス流路で結露が発生しやすい。セル積層体の中央部に位置するセルでも温度は低下し、端板近くに位置する単位セルほどではないにせよ、出力が不安定になる可能性はある。
このため、いかなる運転状態においても、あらゆる発電量において、端板近くの単位セルの出力が低下しないように温度を制御することが要請される。
クーラントを常時高い温度で循環させることによって、このような結露による端板近くに位置する単位セルの電圧不安定を解消することは可能である。しかし、この方法によれば、燃料電池の発電量が十分大きくて発熱量が大きい場合においてクーラントの温度が必要以上に高くなり、高分子電解質膜中の水分が減少してセルの発電能力が低下してしまう。すなわち、燃料電池の発電を開始する前段階、あるいは発電量が定格能力よりも低く設定されている状態において、前記の結露による出力不安定を回避すべく、クーラントの温度を高く設定した場合、その後発電量を増やすと、端板から十分離れた単位セルにおいては、電池反応による発熱のため電池温度が高くなりすぎ、前記の理由で当該セルの出力が低下してしまうという問題が新たに発生する。
本発明は、端板に最も近い端部のセルとセル積層体の中央のセルとの温度差による出力の不均衡を低減し、高効率で発電できる高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するために、端部のセルの過冷却を解消できる燃料電池およびその運転方法を提供する。
本発明は、また端部のセルの過冷却により発生する結露水あるいはそれによるガス流路の閉塞を解消する手段を提供する。
発明の開示
本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜および前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードからなる単位セルを導電性セパレータ板を介して積層したセル積層体、前記セル積層体を挟持する一組の集電板および一組の端板、前記セル積層体のアノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出用マニホールド、一部の前記導電性セパレータ板の内部に設けられたクーラントの流路、並びに前記クーラントの流路にクーラントを循環させるための一組のクーラントの出入り口を具備し、少なくとも一方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板は、内部にクーラントの流路を有しないものとする。
ここで、前記燃料電池への酸化剤ガスの入り口から遠い方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板が内部にクーラントの流路を有しないことが好ましい。内部にクーラントの流路を有しない導電性セパレータ板は、カソードに接する側のセパレータ板であることが好ましい。
本発明は、前記燃料電池へ導入されるクーラントの温度を、燃料電池の発電量に応じて変化させる高分子電解質型燃料電池の運転方法を提供する。
発明を実施するための最良の形態
本発明は、単位セルを導電性セパレータ板を介して積層したセル積層体において、少なくとも一方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間に、内部にクーラントの流路を有しない導電性セパレータ板を挿入することによって、端部セルの過冷却を防止する。これによって、端部セルの出力を安定させるとともに、端部以外のセルを十分に冷却することで高い効率で発電する高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の好ましい実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、さらに、前記クーラントの入り口側の温度を調整するクーラント温度調整手段、前記クーラントの温度を測定する温度測定手段、および前記温度測定手段からの温度情報に基づいて前記クーラント温度調整手段を制御する温度制御手段を有する。この実施の形態においては、さらに、セル積層体の温度を測定する第２の温度測定手段を具備し、前記温度制御手段が、前記温度制御手段および第２の温度測定手段からの温度情報に基づいて前記クーラント温度調整手段を制御するように構成されているのが好ましい。
本発明の好ましい他の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、さらに、前記酸化剤ガスの排気路に設けられた弁、および前記セルの出力電圧が所定値を下回ったとき前記弁を閉じ、所定時間後に弁を開く弁制御手段をさらに具備する。
本発明の好ましい他の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、前記酸化剤ガスの排気路に設けられた弁、および前記セルの出力電圧が第１の所定値を下回ったとき前記弁を閉じ、前記セルの出力電圧が第１の所定値より低い第２の所定値を下回ったとき前記弁を開く弁制御手段をさらに具備する。
本発明の好ましい他の実施の形態における高分子電解質型燃料電池は、前記集電板の導電性セパレータ板と接する面、または前記集電板に接する導電性セパレータ板の前記集電板と接する面に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドに連通するミスト排出用の溝を有する。
前記ミスト排出用の溝の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドと連通する部分が、前記セル積層体が設置される重力方向に対して下側に偏在するのが好ましい。
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池へ導入されるクーラントの温度を、燃料電池の発電量に応じて変化させることを特徴とする。そして、燃料電池の発電量を増やす場合は、クーラントの温度を連続的または段階的に低下させ、燃料電池の発電量を減らす場合は、クーラントの温度を連続的または段階的に上昇させる。
本発明は、燃料電池のセパレータ板、集電板または端板の温度に応じて、燃料電池へ導入されるクーラントの温度を変化させる高分子電解質型燃料電池の運転方法を提供する。
本発明は、さらに前記セルの出力電圧が所定値を下回ったとき前記酸化剤ガスの排気路を閉開することにより、前記排気路の水分の排出を促進する高分子電解質型燃料電池の運転方法を提供する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１
図１は、本実施の形態における高分子電解質型燃料電池を示す。
燃料電池スタック１０は、次のように構成されている。高分子電解質膜、およびこれを挟むアノードおよびカソードからなる単位セルを構成する膜・電極接合体１１と、内部にクーラントの流路２３を有する導電性セパレータ板１２とを交互に積層し、そのセル積層体の両側に、それぞれ上記と同様の膜・電極接合体３１、内部にクーラントの流路を有しない導電性セパレータ板３２を配し、その外側に各一組の集電板１３、絶縁板１４、および端板１５を配し、これらを図示しない締結具によって締結した構造をとっている。
セルを冷却するためのクーラントは、一方の端板に設けられた入り口２０から、絶縁板１４、集電板１３、膜・電極接合体１１、３１、およびセパレータ板１２、３２に互いに連通するように設けられた入り口側マニホールド２１から、セパレータ板１２の内部に設けられた流路２３をとおって近接するセルを冷却し、出口側マニホールド２２を経由して出口２４から燃料電池スタック１０外に排出される。セパレータ板１２の内部に設けられたクーラントの流路２３は、セパレータ板の表面に対してほぼ平行になっていて、ここを流れるクーラントによりセル温度が一定に保たれる。図示しないが、燃料電池スタック１０には、各単位セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための各々の入り口側および出口側マニホールド並びに前記マニホールドに連通してセパレータ板のアノードおよびカソードに接する面にそれぞれ設けられたガス流路を有する。酸化剤ガスの入り口４０および出口４１は、例えば図１右側の端板１５に設けられる。また、燃料ガスの入り口および出口は図左側の端板にそれぞれ設けられる。
この実施の形態においては、両側の端板と、これら端板に最も近接した膜・電極接合体３１との間に、内部にクーラントの流路を持たないセパレータ板３２が配置された好ましい例が示されている。この例では、セパレータ板１２は、すべてが内部にクーラントの流路を有しているが、一部のセパレータ板１２にのみクーラントの流路を有していてもよい。通常は、規則正しく、例えば２セル毎にクーラントの流路を有するセパレータ板が配置される。
実施の形態２
図２は、本実施の形態における高分子電解質型燃料電池を示す。この例では、一方の端板側、すなわち酸化剤ガスの入り口４０から遠い方の、図左側の端板に近接した２つの導電性セパレータ板３２は、いずれも内部にクーラントの流路を持たない。そして、右側の端板側では、内部にクーラントの流路を持たないセパレータ板はなくしている。セパレータ板３２に挟まれたセルはアノードおよびカソードいずれの側も直接にはクーラントにより冷却されず、セパレータ板３２と１２で挟まれたセルはカソード側は直接にクーラントにより冷却されない。
本発明の燃料電池のセル積層数やクーラントの流路を有するセパレータ板の配置数、配置周期などは、以上の実施の形態に限定されるものではなく、またクーラントの流路はセパレータ板の表面に対して厳密に平行である必要はない。端板と、その端板の最も近くに位置する、内部にクーラントを循環させるための流路を有しないセパレータ板の数は図２のように２つであっても、またはそれ以上であっても良い。ただし、その数は、クーラントの流量やクーラントの温度、スタック発電時の電流密度や端板からの放熱量などを考慮して、内部のセルと端板近くのセルの温度ができるだけ等しくなるように設定することが望ましい。
クーラントの導入方向についても、実施の形態に限定されるものではない。絶縁板は、端板の一部に絶縁性を付与することで、端板と一体化することが可能である。クーラントとしては、水やフロリナート（米国３Ｍ社）などの絶縁媒体やエチレングリコールなどの不凍液を混溶した液体などを用いることができる。
比較例１
図３は、従来の高分子電解質型燃料電池の構造を示す。
この燃料電池スタック１０は、高分子電解質膜、およびこれを挟むアノードおよびカソードからなる単位セルを構成する膜・電極接合体１１と、内部にクーラントの流路２３を有するセパレータ板１２とを交互に積層し、その積層体の両側に、各一組の集電板１３、絶縁板１４、および端板１５を配置している。
図６は、比較例の高分子電解質型燃料電池の発電時のセル温度の測定結果の一例を示す。セル積層体は、８１枚のセパレータ板と８０セルからなり、セパレータ板はすべてがクーラントの流路を有するものである。ここで、セル温度は、該当セルに酸化剤ガスを供給するセパレータ板に熱電対を埋め込み測定した値である。Ｂ１は端板に最も近いセルの温度、Ｂ３は同じ側の端板から数えて３番目にあたるセルの温度の時間プロットである。Ｂ０はセルの温度目標値である。
図６によれば、端板に最も近いセルは、端板側からの放熱の影響により過冷却されて温度目標値よりも低くなっている。
図７は、図６で示した温度を測定した時の、比較例の高分子電解質型燃料電池スタック発電時の単位セルの出力電圧のプロット例である。図７において、Ｂ１は端板に最も近いセルの出力電圧の時間経過を、Ｂ３は同じ側の端板から数えて３番目にあたるセルの出力電圧の時間経過をそれぞれ示している。ここでＢ１に示すように、端板に最も近いセルでは電圧の変動及び低下が見られた。
次に、従来の高分子電解質型燃料電池スタックの発電時における挙動を他の例について説明する。
図８は、従来の高分子電解質型燃料電池の発電時のセル部の温度測定結果の他の一例である。ここでは、クーラントの温度を高く設定して端板に最も近いセルの温度を目標温度に近づけた。Ｃ１は端板に最も近いセルの温度、Ｃ３は同じ側の端板から数えて３番目にあたるセルの温度の時間プロットである。Ｃ０はセルの温度目標値である。
図９は、図８で示した温度を測定した時の、高分子電解質型燃料電池の発電時の単位セルの出力電圧のプロット例である。図９において、Ｃ１は端板に最も近いセルの出力電圧の時間経過を、Ｃ３は同じ側の端板から数えて３番目にあたるセルの出力電圧の時間経過をそれぞれ示している。Ｃ１に示すように、端板に最も近いセルの電圧の変動及び低下は解消されたが、Ｃ３に示すように、スタック内側に積層されたセルの出力電圧は低下した。
実施例１
次に、本発明による高分子電解質型燃料電池の発電時における挙動について説明する。ここに用いたセル積層体は、図１に示すように、両端の端板に最も近いセパレータ板のみクーラントの流路を有しない他は比較例のセル積層体と同じである。
図４は本発明による高分子電解質型燃料電池の発電時のセル温度の測定結果の例である。Ａ１は端板に最も近いセルの温度、Ａ３は同じ側の端板から数えて３番目にあたるセルの温度の時間プロットである。Ａ０はセルの温度目標値である。これによれば、端板に最も近いセルの温度は端板側からの放熱とセルの発電による発熱でバランスされ、温度目標値に近く保たれることがわかる。
図５は本発明による高分子電解質型燃料電池の発電時における単位セルの出力電圧の一例をプロットしたものである。図５において、Ａ１は端板に最も近いセルの出力電圧の時間経過を、Ａ３は同じ側の端板から数えて３番目にあたるセルの出力電圧の時間経過をそれぞれ示している。従来の高分子電解質型燃料電池スタックで見られた、端板に最も近いセルでの電圧の変動及び低下はここでは観察されなかった。
以上の例から明らかなように、本発明によるスタック構造により、他のセルの出力に影響を与えずに、端板に最も近いセルでの電圧低下を回避できることがわかる。
実施の形態３
実施の形態３および４では、燃料電池へ導入されるクーラントの温度を、燃料電池の発電量に応じて変化させる燃料電池装置の運転方法およびそのような運転方法を実施するに適した燃料電池装置を説明する。ここに用いられる燃料電池は、実施の形態１および２で説明した構成のセパレータ板、すなわちクーラントの流路の構成を有するものを用いるのが好ましい。しかし、そのような構成を有しない燃料電池にも適用することができる。
本実施の形態における燃料電池装置の構成を図１０に示す。燃料電池スタック１０は、先の実施の形態１と同様である。この燃料電池スタック１０は、右の端板側に酸化剤ガスの入り口４０および燃料ガスの入り口４５が設けられている。クーラントの入り口２０および出口２４にはそれぞれクーラント配管２６および２８が接続されている。クーラント配管２８は、２８ａと２８ｂに分岐している。配管２８ｂは熱交換器５６を有する。配管２８ａおよび２８ｂは、温度調整手段５０を介して配管２６に連結されている。配管２６には温度測定手段５２が接続されている。配管２８ｂは、熱交換器５６により、例えば給湯装置の水を加熱する。５７はそのような加熱するための水の入り口、５８は出口を表す。温度調整手段５０は、温度測定手段５２からの温度情報に基づいて温度制御手段５１から発せられる信号により、配管２６に流れるクーラントの温度を調整する。温度調整手段５０は、配管２８ａから来る加熱されたクーラントと、熱交換器５６で冷却されたクーラントとの混合割合を調整することにより、スタック１０の入り口２０に導入されるクーラントの温度を調整する。
実施の形態４
本実施の形態における燃料電池装置の構成を図１１に示す。燃料電池スタック１０の右側の端部のセパレータ板１２に、スタック温度測定手段５４を組み込んでいる。温度制御手段５１は、温度測定手段５２により測定されたクーラント温度と温度測定手段５４により測定されたスタック温度を、あらかじめ規定した関数をもとにクーラント温度の制御目標を決定し、クーラント温度調整手段５０に向けて制御信号を送り出す。クーラント温度調整手段は、この制御情報をもとに、クーラント温度を調整する。これによって燃料電池スタック１０は、発電を行うに適当とされる温度に維持される。
以上の実施の形態３および４で説明した燃料電池装置は、本発明の一例を示したものであり、本発明の燃料電池スタックの積層数やクーラント流路を有するセパレータ板の配置数は、これらの実施の形態によって限定されるものではない。また、クーラント温度測定手段やクーラント温度調整手段の設置位置は、これらの実施の形態に限定されるものでない。クーラント温度調整手段をクーラント配管の燃料電池スタック出口側に設置することも可能である。クーラント温度調整手段は、単一である必要はなく、加熱手段と冷却手段を別に設置してもよい。また、絶縁板は端板の一部に絶縁性を付与することで、端板と一体化することが可能である。クーラントの温度を上げる動作は上の実施の形態にあるように一度に行う必要はなく、数度に分けてもよい。クーラントの温度を上昇させ始める時期は、実施の形態のように発電開始と全く同時である必要はなく、数分程度のずれがあってもよい。
比較例２
まず、比較例の燃料電池装置の発電能力を増加させる場合の温度およびセル電圧の変化について説明する。
セル積層体は、実施例１と同様とする。そして、燃料電池スタックに流入するクーラントの温度は７６．３℃となるように温度制御手段を設定する。
図１２は、比較例の燃料電池装置の発電能力増加前後における、燃料電池スタック１０中に組み込まれたセパレータ板の温度の時間経過の一例をプロットしたものである。
図１２において、Ｂ１０１は端板に最も近いセパレータ板の温度の時間経過を、Ｂ１１０は燃料電池スタックの中央部に積層されたセパレータ板の温度の時間経過を、Ｂ１００は燃料電池スタックに流入する箇所におけるクーラントの温度を、それぞれ示している。図１２によれば、燃料電池スタックの中央部に積層されたセパレータ板は、端板に最も近いセパレータ板と異なり、発電能力上昇に伴い、温度の上昇が著しい。一方、端板に最も近いセパレータ板は、温度が上がらない。
図１３は上記燃料電池スタック１０中に組み込まれた単位セルの出力電圧の一例をプロットしたものである。燃料電池スタックの中央部に積層された単位セルの出力電圧Ｂ１１０は発電能力上昇に伴う電流密度の増加によって、低下している。その後、セルの温度が上昇し、高分子電解質膜の含水率が減少したことで徐々に電圧が低下している。
実施例２
実施例１と同じセル積層体を組み込んだ図１０の構成に係る装置の運転方法を説明する。本実施例では、発電量の増加に際して、クーラントの燃料電池スタックへの導入箇所の温度を７６．３℃から７５．０℃に変更するように温度制御手段を設定した。
図１４は、燃料電池装置の発電能力上昇前後における、燃料電池スタック１０中に組み込まれたセパレータ板の温度の時間経過の一例をプロットしたものである。Ａ１０１は端板に最も近いセパレータ板の温度の時間経過を、Ａ１００は燃料電池スタックの中央部のセパレータ板の温度の時間経過を、Ａ１１０は燃料電池スタックに流入する箇所におけるクーラント温度を、それぞれ示している。図１４から、各セルの温度は、比較例２と異なり、発電能力上昇後のクーラント温度をより低くしたことによって、適温に保たれている。
図１５は燃料電池装置の起動中における非発電時から発電開始一定時間後における燃料電池スタック１０中に組み込まれた単位セルの出力電圧の一例をプロットしたものである。燃料電池スタックの中央部の単位セルの出力電圧Ａ１１０は、図１３のＢ１１０と比較して、電圧の低下量が少ない。これは、本発明の効果により、セルの温度上昇を抑えることができたためと考えられる。
比較例３
比較例２と同じ燃料電池装置の発電能力を低下させる場合の温度およびセル電圧の変化について説明する。燃料電池スタックに流入するクーラントの温度は７５．０℃となるように温度制御手段を設定する。
図１６は発電能力低下前後における、燃料電池スタック１０中に組み込まれたセパレータ板の温度の時間経過の一例をプロットしたものである。Ｂ２０１は端板に最も近いセパレータ板、Ｂ２１０は燃料電池スタックの中央部のセパレータ板、Ｂ２００は燃料電池スタックに流入する箇所におけるクーラントのそれぞれの温度を示している。図１６から、端板に最も近いセパレータ板は、燃料電池スタックの中央部のセパレータ板と異なり、発電能力低下に伴い、温度の低下が著しい。中央部に積層されたセパレータ板の温度も発電量の低下に伴い低下している。
図１７は発電能力低下前後における燃料電池スタック１０中に組み込まれた単位セルの出力電圧の一例をプロットしたものである。端板に最も近い単位セルの出力電圧Ｂ２０１は、発電能力低下に伴う温度の低下によって、酸化剤ガス流路が結露したために不安定である。
実施例３
実施例２と同じ燃料電池装置を用いる。燃料電池の発電量を低下させるに際して、クーラントの燃料電池スタックへの導入箇所の温度を７５．０℃から７６．３℃に変更するように温度制御手段を設定した。
図１８は、燃料電池装置の発電能力低下前後における、燃料電池スタック１０中に組み込まれたセパレータ板の温度の時間経過の一例をプロットしたものである。Ａ２０１は端板に最も近いセパレータ板、Ａ２１０は燃料電池スタックの中央部のセパレータ板、Ａ２００は燃料電池スタックに流入する箇所におけるクーラントのそれぞれの温度を示している。図１８によれば、各セルの温度は、比較例３と異なり、発電能力低下後のクーラント温度をより高くしたことによって、適温に保たれている。
図１９は燃料電池装置の起動中における非発電時から発電開始一定時間後における燃料電池スタック１０中に組み込まれた単位セルの出力電圧の一例をプロットしたものである。端板に最も近い単位セルの出力電圧Ａ２０１は、安定している。これは、本発明の効果により、端板に最も近い単位セルにおいても酸化剤ガス流路に結露が発生しなかったためと考えられる。中央の単位セルの電力出力Ａ２１０は、図１７のＢ２０１と比べわずかに低い値を示している。これはクーラント温度を上げたことで、当該セルにおける高分子電解質膜の含水率の低下が生じたことによるものである。しかし、これにより酸化剤ガス流路の結露による大きな出力低下を防止することができる。また、出力の低下幅は、発電能力低下時におけるクーラント温度の上昇分を適切に与えることで、十分低くすることが可能である。
発電能力を増加または低下させるに際してクーラントの温度を何度上げるかまたは何度下げるかについては、発電量やクーラントの流量、セルの面積など各々の装置の仕様によって異なるために一概に規定できない。端板に最も近い単位セルの温度が発電能力の変更前後で２℃以内、望ましくは１℃以内程度で等しくなるように設定すれば問題ない。
実施の形態５
実施の形態５、６及び７においては、セル積層体の内部に発生する水詰まりを簡便に、かつ確実に解消することのできる燃料電池およびその運転方法を説明する。ここに用いられる燃料電池は、実施の形態１および２で説明した構成のセパレータ板、すなわちクーラントの流路の構成を有するものを用いるのが好ましい。しかし、そのような構成を有しない燃料電池にも適用することができる。
本実施の形態の高分子電解質型燃料電池の構成を図２０に示す。
燃料電池スタック１０は、ＭＥＡ６１およびセパレータ板６２を交互に積層し、その両端を集電板６３および絶縁板６４を介して端板６５で挟み、図示しない締結具により所定の荷重で締め付けた構造をとっている。端板６５にはガス供給装置（図示せず）から酸化剤ガスおよび燃料ガスがそれぞれ供給される酸化剤ガス入口部８０および燃料ガス入口部８５、並びに酸化剤ガスおよび燃料ガスがそれぞれ排出される燃料ガス出口部８６および酸化剤ガス出口部８１が設けてある。
セパレータ板６２は、図２１に示すように、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔７０、出口側マニホールド孔７１、燃料ガスの入り口側マニホールド孔７５、出口側マニホールド孔７６、およびカソードに対向する面にはマニホールド孔７０と７１とを連絡するガス流路７４を有する。セパレータ板６２の他方の面には燃料ガスの流路が設けられる。クーラントの流路を有するセパレータ板は、例えば、一方の面に酸化剤ガスの流路を設け、他方の面にクーラントの流路を設けたカソード側セパレータ板と、一方の面に燃料ガスの流路を設け、他方の面にクーラントの流路を設けたアノード側セパレータ板とを、クーラントの流路を有する面を向き合わせて接合した複合セパレータ板が用いられる。図２１では、クーラントのマニホールド孔を省略している。
酸化剤ガス出口部８１には弁９１が設けられている。ここでは、弁９１を、酸化剤ガス出口部８１に設けているが、この酸化剤ガス出口部８１と繋がる排気管を有する場合、その排気管内に弁９１を設けてもよい。つまり、弁９１は出口側マニホールドから外部に排出される酸化剤ガスの排気路であればいずれの箇所に設けてもよい。また、本発明は、上述のようにマニホールド孔がセパレータ板内部に設けられる内部マニホールドタイプのみでなく、マニホールド孔がセパレータ板外部に設けられた外部マニホールドタイプにも適用できる。
この高分子電解質型燃料電池を長時間作動させると、酸化剤ガスの流路や拡散層に水詰まりが生じることによって電池電圧が次第に低下する。このとき弁９１を所定時間閉じ、再度弁を開くと、酸化剤ガスの出口側から高流速で酸化剤ガスとともに水を排出することができる。弁を閉じる所定の時間は、１〜２０秒が好ましい。
実施例４
まず、３０ｎｍの平均一次粒子径を持つ導電性カーボン粒子ケッチェンブラックＥＣ（オランダ国、ＡＫＺＯ  Ｃｈｅｍｉｅ社）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比５０：５０の割合で担持させてカソード用触媒とした。また、前記と同じケッチェンブラックＥＣに、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを重量比５０：２５：２５の割合で担持させてアノード用触媒とした。これらの触媒をそれぞれイソプロパノールに分散させ、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液と混合してペースト状にした。各々のペーストをスクリーン印刷法により、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に塗工して触媒層を形成した。こうして得たカソード触媒層およびアノード触媒層の触媒金属量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２とした。
次に、上記のアノードおよびカソードのそれぞれを、電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、触媒層と電解質膜とが十分に密着するようにホットプレスによって接合した。水素イオン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を薄膜化したもの（米国デュポン社製：ナフィオン１１２）を用いた。さらに、電極の外周部分にある電解質膜を両側から挟む形で、セパレータ板と同一の形状に打ち抜かれたガスケットをホットプレスによって接合し、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を作製した。
次に、本実施例の高分子電解質型燃料電池の動作について図２４を用いて説明する。実験の条件としては、模擬改質ガス（水素８０体積％、二酸化炭素２０体積％、一酸化炭素５０ｐｐｍ）を燃料ガス、空気を酸化剤ガスとして用いた。燃料ガスは露点が７５℃となるように加湿・加温し、空気は露点が５０℃となるように加湿・加温して燃料電池に供給した。水素利用率８０％、酸素利用率５０％、電池温度７５℃、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２で特性試験を行った。燃料電池スタックは、実施例１で説明したものと同様の構成を有する。
図２４は、上の条件のもとで燃料電池を運転し、弁９１を開閉したときの電池電圧およびカソード側の圧力損失の変化の様子をグラフに示したものである。弁９１を開いた状態から閉じると、通常予想されるように圧力損失が上昇し、酸化剤ガスの供給が困難になるため、電池電圧が徐々に低下した。ここで、弁９１を閉じてから約８秒経過後、再度弁９１を開くと、カソード側から高流速で酸化剤ガスが排出され、同時に電池内に溜まっている水分が排出された。この結果、電池電圧は一気に回復し、弁９１を閉じる以前の電圧値を上回ることが判った。これによって、酸化剤ガスの排気路に設けた弁を所定の時間閉じた後、再度弁を開放することで、水詰まりなどによって低下した電池電圧を短時間でかつ確実に回復できることがわかる。
弁を閉じる所定の時間は、１〜２０秒が好ましく、これより短いと電池電圧の回復効果が十分得られず、また長いと電池電圧の低下が大きくなる不具合が生じる。ここでモニターした電池電圧は、単位セルのものである。
実施の形態６
本実施の形態の電池構成を図２２に示す。弁９２を電磁弁で構成し、この電磁弁の開閉を制御する電磁弁開閉制御手段９３を設けた他は実施の形態５と同様である。電磁弁開閉制御手段９３は、コンピュータによる制御機能を備えたものを用いたが、その他にコンパレータなどを用いたアナログ回路による制御機能を備えているものでもよい。
この燃料電池は、電池電圧が低下しすぎることのないよう所定の時間電磁弁を閉じた後、再度電磁弁を開くという一連の動作を、定期的に自動でできるから、長時間連続運転時の性能低下を抑制することが可能となる。
実施の形態７
本実施の形態における電池の構成を図２３に示す。電池電圧を検出するための電圧検出手段９４を設け、この電圧検出手段で検知された電圧が所定のしきい値を下回ったとき、電磁弁開閉制御手段９３が弁９２を所定の時間閉じるように構成された他は、実施の形態６と同様である。電圧検出手段９４は、通常の電圧測定端子を用いたが、ＡＤ変換装置などを用いてもよい。
電磁弁開閉制御手段９３の動作に関しては、次の２つの方式がある。第１の方式では、セル電圧が弁閉塞しきい値を下回ったとき弁を閉じ、所定時間経過後弁を開くようにする。第２の方式では、セル電圧が弁閉塞しきい値を下回ったとき弁を閉じ、弁開放しきい値を下回ったとき弁を開く。弁閉塞しきい値は、０．５５〜０．６５Ｖ／セルの範囲が好ましい。弁開放しきい値は、０．３Ｖ〜０．５Ｖ／セルが好ましい。
実施例５
まず、第１の方式で、弁を動作させるしきい値を０．６Ｖ／セルとしたほかは実施例４の条件と同様にして燃料電池を運転したときの電池電圧の挙動を図２５に示す。時間の経過とともに徐々に電池内に水詰まりが生じ、電圧検出手段９４によって検出される電池電圧が低下した。そして、電池電圧が弁閉塞しきい値の０．６Ｖ／セル以下に達した時点で、電磁弁開閉制御手段９３の出力によって電磁弁９２が閉じられ、約１２秒経過後、再度電磁弁が開いた。この結果、電池内の不要な水分が排出され、電池電圧は電磁弁が閉じる前に比較して向上した。弁閉塞しきい値は、０．５５〜０．６５Ｖ／セルの範囲が好ましい。しきい値がこれより低いと水詰まりの十分な解消が困難であり、大きいと頻繁に電磁弁が開閉するため好ましくない。電磁弁を閉じる時間は、実施例４と同様に１〜２０秒が好ましい。
上述のように、電磁弁開閉制御手段９３は、電圧検出手段９４によりモニターされる電池電圧と、弁閉塞しきい値とを比較して電磁弁９１を閉じるタイミングを制御し、かつ電磁弁９２の閉塞後は、上記所定の時間を経て電磁弁を開放するよう制御する。従って、適切なタイミングで電磁弁を開閉することが自動ででき、長時間連続運転時にも安定した性能を確保することが可能となる。
実施例６
次に、第２の方式における電池電圧の挙動を図２６に示す。実験の条件は実施例４と同様とした。長時間、電池運転を継続すると徐々に電池内に水詰まりが生じ、電池電圧が低下し、電圧検出手段９４によって検出される電池電圧が弁閉塞しきい値の０．６Ｖ／セル以下に達した時点で、電磁弁開閉制御手段９３の出力により電磁弁９２が閉じられ、電池電圧が弁開放しきい値の０．５Ｖ／セル以下に達した時点で、電磁弁開閉制御手段９３の出力により再度電磁弁９２が開いた。この結果、電池内の不要な水分が排出され、電池電圧は電磁弁９２が閉じる前に比較して向上した。弁閉塞しきい値は、上述のように０．５５〜０．６５Ｖ／セルの範囲が好ましい。弁開放しきい値は、０．３〜０．５Ｖ／セルが好ましい。弁解放しきい値がこれより大きいと水詰まりの解消が不十分となり電池電圧の回復の効果が十分得られず、また小さいと電池電圧の低下が大きくなる。
上述のように、電磁弁開閉制御手段９３は、電圧検出手段９４によりモニターされる電池電圧と、弁閉塞しきい値とを比較して電磁弁９２を閉じるタイミングを制御するだけでなく、電圧検出手段９４によりモニターされる電池電圧と、弁開放しきい値とを比較して電磁弁９２の閉塞後の、電磁弁を開放するタイミングを制御する。従って、前記第１の方式と比較して、電磁弁を閉じている間に極端に電池電圧が低下することを防止できるため、より適切なタイミングで電磁弁を開閉することが自動ででき、長時間連続運転時にもより安定した性能を確保することができる。
実施例５および６では、電磁弁開閉制御手段９３は、弁閉塞しきい値以下の電池電圧が検出された時点で、電磁弁９２を閉じるよう制御したが、電池電圧が弁閉塞しきい値に達すると予想される時間毎に、電磁弁９２を閉塞するよう制御してもよい。電圧検出手段９４は、単位セルの電圧値をモニターしたが、セルスタックの電圧や４セル毎の電圧など複数個の単位セルの合計電圧値をモニターするようにしてもよい。
実施の形態８
実施の形態８〜１２は、結露によるミストを効率良く排出するようにして、ミストによる各セルへのガス分配の不均一化が生じないようにした燃料電池について説明する。燃料電池を長時間運転すると、端板に近い部分に結露を生じる。その結露により生じたミストがガス供給路に入って閉塞を引き起こす。そうすると、ガス供給路が閉塞されたセルとそうでないセルとの間でガス分配が不均一となる。ここでは、そのような不都合を解消するための手段を詳しく説明する。ここに用いられる燃料電池は、実施の形態１および２で説明した構成のセパレータ板、すなわちクーラントの流路の構成を有するものを用いるのが好ましい。しかし、そのような構成を有しない燃料電池にも適用することができる。
図２７は本実施の形態の燃料電池の平面図、図２８は同正面図、図２９は図２７のＸ−Ｘ線断面図である。
１１０は電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を表す。このＭＥＡ１１０は、高分子電解質膜１０１、これを挟む図示しない一対の電極およびこれら電極の周縁部に配されて電解質膜を挟むガスケット１０２、１０３から構成されている。このＭＥＡ１１０が導電性セパレータ板１１１を介して複数積層されて単位セルの積層体を構成している。セパレータ板１１１は、一方の面にカソードに酸化剤ガスを供給するためのガス流路１１４を有し、他方の面にアノードに燃料ガスを供給するためのガス流路１１５を有する。ここに用いたセパレータ板１１１は、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板とを兼ねている。この例では、セル積層体の端部にセパレータ板１２１ａおよび１２１ｂを追加し、その外側に集電板１２８ａ、１２８ｂ、絶縁板１２７ａ、１２７ｂ、および端板１２９ａ、１２９ｂを配している。端板１２９ａと１２９ｂとは、複数のボルト１３３、それらの端部に螺合するナット１３４およびばね１３５からなる締結手段により締結されてセル積層体を締め付けている。この電池は、その外側が図示しない断熱材により覆われる。
セパレータ板１１１および１２１ａ、１２１ｂには、それぞれ酸化剤ガスのマニホールド穴１１２および１２２、並びに燃料ガスのマニホールド穴１１３および１２３が設けられている。ＭＥＡ１１０、集電板１２８ａ、絶縁板１２７ａおよび端板１２９ａには、前記の各マニホールド穴に連通するマニホールド穴を有する。そして、これらのマニホールド穴には、端板１２９ａに設けた酸化剤ガスの導入管１３０ａから酸化剤ガスが導入され、セパレータ板１１１のガス流路１１４からカソードに供給され、図示しない出口側マニホールド穴を経由して酸化剤ガスの排出管１３０ｂより外部へ排出される。同様に、端板１２９ａに設けた燃料ガスの導入管１３１ａから燃料ガスがマニホールド穴１１３、１２３に導入され、セパレータ板１１１のガス流路１１５からアノードに供給され、図示しない出口側マニホールド穴を経由して燃料ガスの排出管１３１ｂより外部へ排出される。
また、セパレータ板１１１および１２１ａ、１２１ｂには、冷却水のマニホールド穴１１６および１２６が設けられている。ＭＥＡ１１０、集電板１２８ａ、絶縁板１２７ａおよび端板１２９ａには、前記のマニホールド穴に連通するマニホールド穴を有する。そして、これらのマニホールド穴には、端板１２９ａに設けられた冷却水の導入管１３２ａより冷却水が導入され、特定の単位セルを冷却するための冷却部を流れ、出口側のマニホールド穴を経由して排出管１３２ｂより外部へ排出される。図示の例では、冷却部は省略してある。
さて、セパレータ板１２１ａは、セル積層体の端部のセパレータ板１１１と集電板１２８ａとの間にあり、集電板１２８ａと接する面には、酸化剤ガスのマニホールド穴１２２と連通するミスト排出用の溝１２４を有する。同様に、セル積層体の端部のセパレータ板１１１と集電板１２８ｂとの間にあるセパレータ板１２１ｂは、集電板１２８ｂと接する面には、燃料ガスのマニホールド穴１２３と連通するミスト排出用の溝１２５を有する。
図３０および３１はそれぞれセパレータ板をカソード側およびアノード側から見た正面図である。カソード側の面には、一対のマニホールド穴１１２を連絡するガス流路１１４を有し、アノード側の面には、一対のマニホールド穴１１３を連絡するガス流路１１５を有する。セパレータ板１２１ａのミスト排出用の溝１２４は、前記の酸化剤ガスの流路１１４と同様に、酸化剤ガスの一対のマニホールド穴１２２を連絡するように設けられ、セパレータ板１２１ｂのミスト排出用の溝１２５は、前記の燃料ガスの流路１１５と同様に、燃料ガスの一対のマニホールド穴１２３を連絡するように設けられる。これらの溝１２４および１２５のパターンは一例を示すにすぎず、図示のものに限定されるものではない。
上記のように本実施の形態においては、セル積層体の端部に、追加セパレータ板１２１ａおよび１２１ｂを設け、それらの集電板と接する面に、セパレータ板１２１ａには酸化剤ガスの供給路に連通するミスト排出用の溝１２４を、またセパレータ板１２１ｂには燃料ガスの供給路に連通するミスト排出用の溝１２５をそれぞれ設けている。
このように構成した燃料電池では、端板１２９ａおよび１２９ｂからの放熱により酸化剤ガスおよび燃料ガス中に含まれる水分が集電板１２８ａ、１２８ｂおよび集電板に接するセパレータ板１２１ａ、１２１ｂに結露し、ミストとなることがある。しかし、そのようなミストは、セパレータ板１２１ａおよび１２１ｂの集電板との界面に形成されたミスト排出用の溝１２４および１２５からそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスの排出通路を経由して外部へ排出される。従って、その近辺に位置するガス流路１１４や１１５にミストが浸入してガス流路を閉塞することがなくなり、安定したガス分配が可能になる。このように本発明によれば、電池の安定した運転が可能になり、かつ過剰な断熱構造を不要とすることができる。
実施例７
平均粒径が３０ｎｍのカーボンの微粉末（電気化学工業（株）製デンカブラック）に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比７５：２５の割合で担持したものをカソードの触媒とし、同上のカーボン微粉末に白金−ルテニウム（白金とルテニウムの重量比５０：５０）粒子を重量比５０：５０の割合で担持したものをアノードの触媒とした。これらの触媒粉末をイソプロパノールに分散させた液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、ペースト状にした。これらのカソード触媒およびアノード触媒を含むペーストを原料としてスクリーン印刷法により、それぞれ厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に触媒層を形成してカソードおよびアノードを作製した。このようにして得たカソードおよびアノードに含まれる触媒金属量は０．５ｍｇ／ｃｍ２、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ２となるようにした。
これらのカソードおよびアノードを、これらの電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が電解質膜に接するように、ホットプレスによって接合した。ここでは、水素イオン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚みに薄膜化したもの（米国デュポン社製ナフィオン１１２）を用いた。さらに、電極の外周には、電解質膜を挟んで両側に、外形がセパレータ板と同一の形状に打ち抜かれたガスケットをホットプレスによって接合し、電解質膜・電極接合体を作製した。
このＭＥＡを１００個用いて図２７〜２９に示すような燃料電池を組み立てた。また、比較例として、セパレータ板１２１ａの溝１２４およびセパレータ板１２１ｂの溝１２５をなくした電池を組み立てた。
これらの電池を温度７５℃に保持し、アノードに露点が７５℃となるように加温・加湿した模擬改質ガス（水素８０体積％、二酸化炭素２０体積％、一酸化炭素５０ｐｐｍ）、カソードに露点が５０℃となるように加温・加湿した空気をそれぞれ供給し、水素利用率８０％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ２で運転した。中央部のセルおよび端に位置するセルの電池電圧の経時変化を調べた。本実施例の電池の特性を図３４に、比較例の電池の特性を図３５にそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、比較例の積層電池では、端に位置するセルの電圧がある時間すぎたところで急激に低下するのに対して、本実施例の電池では、電圧低下を発生せず、ミスト排出用の溝の効果が現れた。
実施の形態９
図３２は本実施の形態の燃料電池を図２７のＸ−Ｘ線に相当する部分で切った断面図である。この燃料電池の基本構成は実施の形態８と同様であり、同じ番号は同一の構成要素を表す。
本実施の形態においては、セル積層体の端部のセパレータ板１１１ａおよび１１１ｂは、それぞれカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板としてのみ働く。そして、これらのセパレータ板に接する集電板１２８ａおよび１２８ｂには、図で上側の面に酸化剤ガスのマニホールド穴に連通するミスト排出用の溝１２４を、下側の面に燃料ガスのマニホールド穴に連通するミスト排出用の溝１２５をそれぞれ設けている。
この燃料電池においては、セパレータ板１１１ａと集電板１２８ａとの間およびセパレータ板１２８ｂと絶縁板１２７ｂとの間に生じる水分のミストは、それぞれ集電板１２８ａおよび１２８ｂの溝１２５から燃料ガスの排出路を通じて外部へ排出される。また、集電板１２８ａと絶縁板１２７ａとの間およびセパレータ板１１１ｂと集電板１２８ｂとの間に生じる水分のミストは、集電板１２８ａおよび１２８ｂの溝１２４から酸化剤ガスの排出路を通じて外部へ排出される。
実施の形態１０
図３３は本実施の形態の燃料電池を図２７のＸ−Ｘ線に相当する部分で切った断面図である。この燃料電池の基本構成は実施の形態８と同様であり、同じ番号は同一の構成要素を表す。
本実施の形態では、ミスト排出用の溝は、そのマニホールド穴に連通する部分が、電池の設置位置において重力方向に対してマニホールド穴の下方側に偏在するように構成されている。すなわち、燃料ガスの排出路に連なるセパレータ板１１１ａの右側の面の溝１１５ａおよびセパレータ板１２１ｂの左側の面の溝１２５ｂは、それらのマニホールド穴に連通する部分が重力方向に対してマニホールド穴の下方側に偏在するようにしている。図３１のセパレータ板１１１における燃料ガスの流路１１５は、マニホールド穴１１３に連通する部分は、マニホールド穴の上下にほぼ均等に配列されている。この流路に相当する溝１１５ａおよび１２５ｂをマニホールド穴の下方側に偏在するようにしたのである。また、酸化剤ガスの排出路に連なるセパレータ板１２１ａの右側の面の溝１２４ａおよびセパレータ板１１１ｂの左側の面の溝１１４ｂについても、それらのマニホールド穴に連通する部分が重力方向に対してマニホールド穴の下側に偏在するようにされている。
このような構成によると、端板からの放熱によりガス中に含まれる水分が集電板及び集電板に接するセパレータ板に結露しミストとなっても、重力方向下向きに配置されたミスト排出用の溝から重力により集められたミストが効率よく排出される。
実施の形態１１
本実施の形態では、上記のような構成の電池において、ミスト排出用の溝に、あらかじめポリウレタン系樹脂（東亜合成化学（株）製、商品名Ｍ１２１０）からなる親水性塗膜を光重合法により設ける。結露水のミストは、この親水性塗膜表面を伝って、ミスト排出用の溝に留まることなく、効率よく排出される。
ミスト排出用の溝を親水性処理するには、他にポリビニルアルコール、ポリエステル系樹脂（日本化薬（株）製）、２−ヒドロキシルアクリレート樹脂、牛血清アルブミン（ＢＳＡ）、ポリグルタミン酸、シリカゲルなどを用いることもできる。導電性セパレータ板がカーボン系材料からなる場合は、サンドブラスト処理によりミスト排出用の溝の内面を粗面化処理したもの、集電板に形成されたミスト排出用の溝の内面にチタンをコーティングし、酸素雰囲気下４００℃で１時間加熱処理して表面に酸化チタン被膜を形成したものなども同様の効果が得られた。
実施の形態１２
本実施の形態では、上記のような構成の電池において、ミスト排出用の溝に、ポリエステルの織布を吸水材として挿入する。結露により発生したミストは、ミスト排出用の溝の吸水材に吸水されるので、効率よく溝に集められ、酸化剤ガスまたは燃料ガスの圧力により排出される。
吸水材には、ポリエチレンテレフタレート、レーヨン、ナイロン、それらの混紡繊維を主成分とするものなどを用いることもできる。
また、カーボン、ステンレス鋼、またはチタンの繊維または多孔体を吸水材に用いると、前記のような吸水材の効果に加え、集電板とセパレータ板との接触抵抗が低減されるため、電池性能が向上する効果も得られる。
産業上の利用の可能性
以上のように本発明によれば、端板に最も近いセルと他のセルとの出力の差を少なくし、安定した性能を示す高分子電解質型燃料電池を提供することができる。また、セル積層体内にミストを生じたり結露により水詰まりが生じても容易にそれらを除き、性能を回復することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施の形態における高分子電解質型燃料電池スタックを示す正面図である。
図２は本発明の他の実施の形態における高分子電解質型燃料電池スタックを示す正面図である。
図３は従来の高分子電解質型燃料電池スタックの正面図である。
図４は本発明による高分子電解質型燃料電池スタックのセルの温度特性図である。
図５は同燃料電池スタックのセルの電圧特性図である。
図６は従来の高分子電解質型燃料電池スタックのセルの温度特性図である。
図７は同燃料電池スタックのセルの電圧特性図である。
図８は別の従来の高分子電解質型燃料電池スタックのセルの温度特性図である。
図９は同燃料電池スタックのセルの温度特性図である。
図１０は本発明の実施の形態３の燃料電池装置の構成を示す図である。
図１１は実施の形態４の燃料電池装置の構成を示す図である。
図１２は比較例２の燃料電池装置のセル温度特性図である。
図１３は同燃料電池装置のセル電圧特性図である。
図１４は実施例２の燃料電池装置のセル温度特性図である。
図１５は同燃料電池装置のセル電圧特性図である。
図１６は比較例３の燃料電池装置のセル温度特性図である。
図１７は同燃料電池装置のセル電圧特性図である。
図１８は実施例４の燃料電池装置のセル温度特性図である。
図１９は同燃料電池装置のセル電圧特性図である。
図２０は実施の形態５の燃料電池装置の構成を示す図である。
図２１は同燃料電池のセパレータ板のカソード側の正面図である。
図２２は実施の形態６の燃料電池装置の構成を示す図である。
図２３は実施の形態７の燃料電池装置の構成を示す図である。
図２４は実施例４の燃料電池装置の電圧挙動および圧力損失の挙動を示す図である。
図２５は実施例５の燃料電池装置の電圧挙動および圧力損失の挙動を示す図である。
図２６は実施例６の燃料電池装置の電圧挙動および圧力損失の挙動を示す図である。
図２７は実施の形態８の燃料電池の平面図である。
図２８は同電池の正面図である。
図２９は図２７のＸ−Ｘ線断面図である。
図３０は同電池のセパレータ板のカソード側の正面図である。
図３１は同セパレータ板のアノード側の正面図である。
図３２は実施の形態９の燃料電池の縦断面図である。
図３３は実施の形態１０の燃料電池の縦断面図である。
図３４は実施の形態１１の電池の特定セルの電圧の経時変化を示す図である。
図３５は比較例の電池の特定セルの電圧の経時変化を示す図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年8月9日(2002.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補正後）高分子電解質膜および前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードからなる単位セルを導電性セパレータ板を介して積層したセル積層体、前記セル積層体を挟持する一組の集電板および一組の端板、前記セル積層体のアノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出する燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出用マニホールド、一部の前記導電性セパレータ板の内部に設けられたクーラントの流路、前記クーラントの流路にクーラントを循環させるための一組のクーラントの出入り口、並びに前記クーラントの入り口側の温度を調整するクーラント温度調整手段、前記クーラントの温度を測定する温度測定手段、および前記温度測定手段からの温度情報に基づいて前記クーラント温度調整手段を制御する温度制御手段を具備し、少なくとも一方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板は、内部にクーラントの流路を有しないことを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池への酸化剤ガスの入り口から遠い方の端板と、その端板の最も近くに位置する単位セルとの間の導電性セパレータ板が内部にクーラントの流路を有しない請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
削除
【請求項４】
（補正後）さらにセル積層体の温度を測定する第２の温度測定手段を具備し、前記温度制御手段が、前記温度制御手段および第２の温度測定手段からの温度情報に基づいて前記クーラント温度調整手段を制御する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記酸化剤ガスの排気路に設けられた弁、および前記セルの出力電圧が所定値を下回ったとき前記弁を閉じ、所定時間後に弁を開く弁制御手段をさらに具備する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤ガスの排気路に設けられた弁、および前記セルの出力電圧が第１の所定値を下回ったとき前記弁を閉じ、前記セルの出力電圧が第１の所定値より低い第２の所定値を下回ったとき前記弁を開く弁制御手段をさらに具備する請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記集電板に接する導電性セパレータ板の前記集電板と接する面に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドに連通するミスト排出用の溝が形成されている請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記ミスト排出用の溝の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドと連通する部分が、前記セル積層体が設置される重力方向に対して下側に偏在する請求の範囲第７項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記ミスト排出用の溝が、親水性処理を施されている請求の範囲第７項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記ミスト排出用の溝中に吸水材が配されている請求の範囲第８項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１１】
前記集電板の導電性セパレータ板と接する面に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドに連通するミスト排出用の溝が形成されている請求の範囲第１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１２】
前記ミスト排出用の溝の前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給・排出用マニホールドと連通する部分が、前記積層体が設置される重力方向に対して下側に偏在する請求の範囲第１１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１３】
前記ミスト排出用の溝が、親水性処理を施されている請求の範囲第１１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１４】
前記ミスト排出用の溝中に吸水材が配されている請求の範囲第１１項記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項１５】
請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池へ導入されるクーラントの温度を、燃料電池の発電量に応じて変化させることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
燃料電池の発電量が増えるに従い、前記クーラントの温度を連続的または段階的に低下させ、燃料電池の発電量が減るに従い、前記クーラントの温度を連続的または段階的に上昇させる請求の範囲第１５項記載の高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法であって、前記セパレータ板、集電板または端板の温度に応じて、燃料電池へ導入されるクーラントの温度を変化させる高分子電解質型燃料電池装置の運転方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１項記載の燃料電池の運転方法であって、前記セルの出力電圧が所定値を下回ったとき前記酸化剤ガスの排気路を閉開することにより、前記排気路の水分の排出を促進することを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転方法。
【国際調査報告】
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