JP2005149827A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの起動時間の短縮を図る。
【解決手段】固体高分子膜からなる電解質膜と、電解質膜の両面に担持された触媒金属からなる電極層とを備えた膜電極接合体１１ａと、前記膜電極接合体を挟持して設置され、一面に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路を前記膜電極接合体に対してそれぞれ開口するように形成したセパレータ２１、２２と、前記セパレータの一方に接して設けられ、ＬＬＣが流通するＬＬＣプレート２３と、からなる単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するセパレータの少なくとも一方は、気液透過性の多孔質材で構成され、前記多孔質材で構成されたセパレータの前記流路を形成した一面の背面に純水が流通する純水流路２７を形成し、この純水流路は、前記ガス流路の入口部近傍に対応する位置に形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池、特に固体高分子電解質型燃料電池に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、固体高分子膜からなる電解質層の両面に設けられた一対の電極のうちアノード極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の高分子膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（たとえば特許文献１参照）。

アノード極反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- （１）
カソード極反応：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ （１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （２）
ここで、アノード極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

こうした燃料電池においては電解質層の性能を引き出し、発電効率を向上されるためには、電解質層の水分状態を最適に保つ必要がある。このため通常、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。また、電解質層の水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給した場合には電解質層に不純物が蓄積し、燃料電池の性能が低下するためである。

燃料電池に導入するガスを加湿するためには、燃料電池の上流に加湿器、下流に水回収装置が必要となり、システムが複雑化するという問題があった。また前記システムでは、水回収装置で回収した水を加湿器に循環するために、純水配管、ポンプ等が必要となる。燃料電池システムが０℃以下の環境に曝露された場合には、純水が凍結するため、加湿装置および水回収装置の凍結対策、解凍装置が必要となり、更にシステムが複雑化するという問題があった。

燃料電池の性能を向上するためには、セル内の水分状態を均一に保つ必要がある。流路内で過剰に水が存在する領域がある場合には、液相の水が発生し、フラッディング（水づまり）が起こる。その結果、ガスの供給が妨げられ、セルの発電性能が低下する。そこで、燃料電池内の温度分布を制御し、フラッディングを防止する技術がある（特許文献２参照）。燃料電池稼動状態においては、反応によって水が生成される。このため、ガスが燃料電池の中を上流から下流に向かって流れるに連れ、水分量が増加する。このため燃料電池出口付近ではフラッディングが起き易い。特許文献２に記載の従来例では、ガスの流れとクーラントの流れをコフローとして、ガスの入口から出口に向かって、ガス温度を上昇させて、発生した水を水蒸気としてガスに取り込んで、フラッディングを防止している。

また、燃料電池を構成するバイポーラプレートを気水透過性の多孔質材で構成し、バイポーラプレート内に純水流路を形成し、燃料電池内に純水を循環させて燃料電池を内部加湿する技術がある（特許文献３参照）。特許文献３に記載の従来例では、燃料電池内で加湿が行われるため、加湿器、水回収装置が不要となり、システムがシンプルとなっている。
特開平８−１０６９１４号公報 特表平９−５１１３５６号公報 ＵＳＰａｔｅｎｔ６，２４８，４６２

しかしながら、特許文献２に記載の従来例においては、ガスの温度を昇温させているため、燃料電池から排出されるガス温度が高温化する。このため、燃料電池から外部に排出される水量が増加し、燃料電池内の水収支が成立しない。従って、燃料電池下流の水回収装置が必要となり、システムが複雑化するという問題があった。

また、特許文献３に記載の従来例では、燃料電池の水分管理を液体の水を使って行うため、燃料電池が０℃以下の環境条件に曝された場合に、純水を解凍してから燃料電池を起動する必要があった。このため、起動時間が長期化したり、起動エネルギが増加するといった問題がある。

以上の問題に鑑みて、本発明の目的は、気液透過性の多孔質材を活用した内部加湿型の燃料電池において、燃料電池の運転に必要な純水保有量を低減し、０℃以下条件における起動性を改善した燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、膜電極接合体と、一面に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路を形成したセパレータと、前記セパレータの一方に接して設けられるＬＬＣプレートと、からなる単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するセパレータの少なくとも一方は、気液透過性の多孔質材で構成され、前記多孔質材で構成されたセパレータの前記流路を形成した一面の背面に純水が流通する純水流路を形成し、この純水流路は、前記ガス流路の入口部近傍及び出口部近傍の少なくとも一方に対応した位置に形成される。

本発明においては、膜電極接合体に水分を供給する純水量を低減することができ、氷点下時からの起動時に純水を凍結する熱量及び解凍時間を短縮し、起動時間の短縮と起動エネルギの低減を図ることができる。

図１は、本発明を適用する燃料電池システムの概略を示す構成図である。

燃料電池スタック１１は、図２に示すように単セル１００を複数枚、積層状に重ね合わせて形成される。スタック１１のアノード極には燃料ガス（例えば、水素）が供給され、カソード極には空気が供給される。

また、燃料電池システムには燃料電池スタック１１の温度を制御するための冷却システムが備えられており、冷却システムには、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）が循環するＬＬＣ循環流路１２が設置され、ＬＬＣ循環流路途中に、ＬＬＣを貯留するＬＬＣタンク１３、ＬＬＣを吐出するポンプ１４、ＬＬＣの熱を放熱するラジエータ１５、ＬＬＣがラジエータをバイパスするためのバイパス流路１６、バイパス流路１６へのＬＬＣの流れを制御するための制御弁１７およびＬＬＣの温度を検出するための温度センサ１８が設置される。なお、ＬＬＣとしては、エチレングリコールと水との混合液等が使用される。

さらに燃料電池スタック１１を加湿するための純水を供給する純水供給システムが形成される。この純水は、後述する燃料電池スタック１１を構成する単セルのバイポーラプレート（以下、ＢＰＰという。）を介して膜電極接合体（以下、ＭＥＡという。）１１ａの固体高分子膜からなる電解質層に供給され、電解質層を所定の湿潤状態に維持するためのものである。純水供給システムは、純水を燃料電池スタック１１に循環させる純水循環流路１９と、純水循環流路１９途中に設置される純水タンク２０、純水の流量を制御するポンプ１９ａ及び純水の流路内の圧力を検出する圧力センサ１９ｂとから構成される。

純水タンク２０にはＬＬＣが接して流通するように構成され、ＬＬＣの熱により純水タンク内の純水が解凍されるように構成されている。また、純水タンク２０は純水が凍結したときの体積膨張を許容するように構成されている。

図２は単セルの断面を示す図である。燃料電池スタック１１は単セル１００を積層に（図中左右方向に）複数枚積み重ねて構成される。単セル１００は、高分子膜電解質層と、その両面に触媒金属を担持した触媒層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１１ａと、このＭＥＡ１１ａを挟持するガス拡散層１１ｂと、ガス拡散層１１ｂの外側に配置されるセパレータとからなる。セパレータは、一方のガス拡散層１１ｂに面して燃料ガスが流通する燃料ガス（水素）流路３０が形成されたアノード側ＢＰＰ２１と、他方のガス拡散層１１ｂに面して空気が流通する酸化剤ガス（空気）流路２４が形成されたカソード側ＢＰＰ２２とで構成される。また、アノード側ＢＰＰ２１の外側には、燃料電池スタック１１を冷却するためのＬＬＣを流通する流路が形成されたＬＬＣプレート２３を設置する。ここで、カソード側ＢＰＰ２２は、気液透過性の多孔質材を用いる。

ＬＬＣプレート２３に面するカソード側ＢＰＰ２２の面２２ｂには、純水流路２７が形成され、カソード側ＢＰＰ２２内は純水が充満するが、その詳細は図３を用いて説明する。またＬＬＣプレート２３には積層したときにアノード側ＢＰＰ２１に接する面にＬＬＣ流路１２が形成され、流路１２にＬＬＣが流通することにより燃料電池スタック１１の温度が調整される。

図３はカソード側ＢＰＰ２２の詳細流路形状を説明するための図である。カソード側ＢＰＰ２２のＭＥＡ側の面２２ａには空気が流通する空気流路２４が形成される。空気入口マニホールド２５から平行に形成された複数の空気流路２４に空気が供給されて、化学反応を生じて反応後のガスが空気出口マニホールド２６から排出される。空気流路２４は、図示されるように空気流路を形成した面２２ａ内をできるだけ空気が流通するように形成される。図では空気流路２４が上下方向に形成され、空気入口マニホールド２５から流入した空気が上方に流れ、中間マニホールド２４ａを通過した後に折り返されて空気出口マニホールド２６から排出されるＵターンフローとなる流路で形成される。

一方、カソード側ＢＰＰ２２のＬＬＣプレート２３に面する背面２２ｂには前述の純水供給システムからの純水が流通する純水流路２７が形成される。純水入口マニホールド２８から供給された純水は、前述の空気流路と交差するように形成された純水流路２７を通過して純水出口マニホールド２９から排出される。ここで、純水流路２７は、空気入口マニホールド２５及び空気出口マニホールド２６近傍の空気流路２４に対する位置に構成されている。

このように構成することにより、気液透過性のカソード側ＢＰＰ２２では、空気入口マニホールドから空気流路２４に流入した湿度の低い空気が、背面２２ｂに形成された純水流路２７からの純水により加湿されて、加湿された空気によりＭＥＡ１１ａに水分を補給することができる。また、空気流路２４の下流側では、燃料電池内での電気化学反応により生成された生成水が凝縮した場合においても、凝縮水は多孔質材を通して、純水流路に吸引されて、純水出口マニホールドから排出される。

図４は、カソード側ＢＰＰ２２内の水の移動を説明する図である。図４−ａは純水による空気の加湿状態を説明し、図４−ｂは電気化学反応により空気流路２４内に生成された生成水の純水流路２７への移動を説明する図である。前述のようにカソード側ＢＰＰ２２は気液透過性の多孔質材料で構成されており、プレート内を水が移動することが可能である。

図４−ａでは、純水流路２７を流通する純水がカソード側ＢＰＰ２２を透過して空気流路２４側に移動する。水が移動するドライビングフォースは毛細管力であるため、純水は余剰部分から不足部分へと自然に移動して行く。特に、空気流路２４上流側では、水分の不足した空気が供給されるため、ＢＰＰ２２が乾燥した状態となり、純水流路２７から純水がカソード側ＢＰＰ２２を通過して空気を加湿する。したがって、空気に十分な水分を含有させて、ＭＥＡ１１ａに十分な水分を供給することができる。

一方、図４−ｂに示す下流側の空気流路２４には、電気化学反応により生じた生成水がＭＥＡ１１ａ側より移動する。ここで、空気流路２４内の圧力を純水流路２７内の圧力より高く維持することで、空気流路２４内の生成水が純水流路２７側に移動し、空気流路２４内が生成水により詰まる、いわゆるフラッディングを防止することができる。

この実施例では、空気の出入口マニホールド近傍の背面２２ｂ側のみに純水流路２７を形成するため、純水流路２７に流通される純水量を抑制することができ、燃料電池システム停止時に純水タンク２０に回収する純水量を低減する。このため、純水凍結時からの起動時に必要な熱量を少なくでき、起動時間の短縮及び起動時の必要エネルギを抑制できる。

図５に示す第２の実施形態は、空気流路２４の空気入口マニホールド２５近傍の上流部にのみ対応した位置に純水流路２７を形成した形態であり、下流側に純水流路２７を形成していない点で第１の実施形態と異なる。

前述のように空気流路２４の上流部において純水の純水流路２７から空気流路２４への移動が最も活発であり、この領域にのみ純水を供給するようにすることでＭＥＡ１１ａへの水分供給が達成される。また、純水流路２７を下流側に設置していなくとも空気流路２４内の圧力を純水流路２７の圧力より高く維持することにより、空気流路内に凝縮した水が純水流路２７へと移動するため、フラッディングを防止できる。

またこの実施形態では、純水流路２７の長さを第１の実施形態より短く設定できるため、流路内の純水量を少なくでき、純水タンク２０への純水排出量を削減し、純水凍結時からの起動に必要な時間やエネルギを低減することができる。

なお、供給される空気が十分に水分を含有している場合には、純水流路２７を空気流路２４の下流に対応する位置に設定するようにして、生成水の排出能力を上げるように設定しても良い。

なお、これまで空気流路２４の空気入口マニホールド２５近傍の上流側または空気出口マニホールド２６近傍の下流側に対応する位置に純水流路２７を設定することを説明してきたが、この上流側または下流側に対するようにのみ設定すればよい理由を以下に詳しく説明する。以下、流通するガスを空気として説明するが、空気に代えて燃料ガス（例えば水素）としても良い。

図６に示すように熱マネージメントのためのＬＬＣは空気出入口マニホールドから中間マニホールド２４ａ（図３参照）に向かって流れる。よって空気が流れる方向（流路長）に対する空気の温度変化は図７のようになる。すなわち、入口マニホールドから空気流路に入った空気は反応の生成熱によって温度が上昇する。中間マニホールド２４ａから下流側については、生成熱による温度上昇はあるが、ＬＬＣに奪われる熱量の方が大きいため温度は低下する傾向になる。

図８にはＭＥＡの高分子膜がドライアウトすることを防止するために必要な相対湿度ＲＨの変化を示す。高分子膜からの水分の蒸発を防止するため、十分な水分を含まない状態でセル内に流入した空気は、入口マニホールド２５から近傍で加湿して相対湿度ＲＨを上昇される必要がある。相対湿度ＲＨが低い状態が長く続くと高分子膜からの水分蒸発量が増えて、ドライアウトする恐れが生じるためである。

図９には図８に示すような相対湿度特性となるために必要な加湿のための要求水量示している。空気入口マニホールド２５近傍で、相対湿度ＲＨを上昇させるため入口マニホールド近傍で要求される水分量が多くなる。温度が低下する空気流路２４の下流においても加湿が要求されるには圧力損失による空気圧力の低下によって、空気が保持できる水分量が増加するためである。

図１０には反応による生成水の量を示している。反応による生成水を使って空気を加湿できるので、生成水量はすなわち生成水による空気加湿量となる。

図１１には図９と図１０の差を示している。すなわち生成水による加湿では補えない水分量となり、これがＢＰＰに要求されるＢＰＰからの加湿量となる。図からわかるようにＢＰＰに要求されるＢＰＰからの加湿はＲＨの急激に変化を要求される入口マニホールド近傍のみとなる。

図１２には、これまで説明してきた水移動量をまとめて示している。ＢＰＰからの加湿が必要な領域は入口マニホールド２５の近傍となる。これまで行ってきた実験、計算の結果からＢＰＰの加湿が要求される領域はガスが供給される入口から約２０〜５０ｍｍとなっている。よって、この領域には加湿を補うだけの十分な水を供給する必要があり、流路溝作成による水の供給が必要となる。条件によっては、入口マニホールド近傍より下流についても、若干の加湿が要求される場合があるが、この場合にはＢＰＰの孔を移動する水の移動速度で十分にまかなうことができる。

本説明ではカソード側の加湿について、生成水による加湿能力から差からＢＰＰに要求される加湿能力を求めている。反応部では水が生成されないアノードについても膜を介したカソードからアノードへも逆拡散があるため、逆拡散による水の供給と加湿のため要求水量との差からＢＰＰに要求される加湿能力が求まり、同様なことが言える。

図１２には合わせて、凝縮した水をＢＰＰ内に吸収する必要がある領域を示している。流路後半近傍では生成水量が空気を加湿するのに使われる水量よりも、多くなり、生成水が凝縮する。この凝縮水が反応部をブロックすると空気の供給が不十分となりフラッディングが発生する。よって凝縮水は速やかに除去する必要がある。よって、空気の出口近傍では流路溝作成による水の除去が必要になる。流路による水の除去が必要な領域は温度プロファイルに依存するが加湿領域とほぼ同じ大きさとなり、出口から上流に向かい約２０〜５０ｍｍの領域となる。出口近傍より上流についても、若干の凝縮水除去が要求される場合があるが、この場合にはＢＰＰの孔を移動する水の移動速度で十分にまかなうことができる。

また、これまでの実施形態では、ＬＬＣを用いた冷却システムとして説明したが、純水を用いて冷却しても良い。しかしながら熱マネージメントが厳しくなる定格条件を考えた場合に、冷却に要求される流量は加湿あるいは凝縮水除去から要求される純水流量よりもはるかに多くなる。よって、純水を使って、冷却することを考えた場合には、ＬＬＣの循環をなくすことはできるが、システムとして大量の純水を保持することとなる。このようなシステムでは、０℃以下のからの起動を考えた場合に、大量の純水を解凍する必要があり、０℃以下のからの起動に膨大なエネルギと起動時間が必要となる。このため、熱マネージメントの機能と加湿の機能を分離し、熱マネージメントはＬＬＣで加湿は純水で行うことが有利となる。

図１３と図１４に示す第３の実施形態は、燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同様であるが、アノードＢＰＰ２１を気液透過性の多孔質材とした実施形態であり、純水流路を燃料ガスである水素の出入口マニホールド近傍に設定したものである。この実施形態においては、カソード側ＢＰＰ２２は気液透過性を有さないソリッドタイプのプレートで構成する。

アノードＢＰＰ２１にはガス拡散層１１ｂに面する面２１ａに燃料ガスとしての水素が流通する水素流路３０が形成され、ＬＬＣプレート２３に面する面２１ｂに純水が流通する純水流路３１が形成される。アノードＢＰＰ２１に純水が流通することで、気液透過性のアノードＢＰＰ２１には純水が充満する。

図１４は本実施形態のアノードＢＰＰ２１の流路形状を示す図であり、アノード側ＢＰＰ２１のＭＥＡ側の面２１ａには水素が流通する水素流路３０が形成される。水素入口マニホールド３２から平行に形成された複数の水素流路３０に水素が供給されて、空気出口マニホールド３３から排出される。水素流路３０は、図示されるように面２１ａ内をできるだけ空気が流通するように形成される。図では水素流路３０が上下方向に形成され、水素入口マニホールド３２から流入した空気が下方に流れ、中間マニホールド３０ａを通過した後に折り返されて上方に流れて水素出口マニホールド３３から排出され、水素入口マニホールド３２と水素出口マニホールド３３が同じ面に位置するリターンタイプの流路形状となっている。

一方、ＬＬＣプレート２３に面する背面２１ｂには前述の純水供給システムからの純水が流通する純水流路３１が形成される。純水入口マニホールド３４から供給された純水は、前述の空気流路と交差するように形成された純水流路３１を通過して純水出口マニホールド３５から排出される。ここで、純水流路３１は、水素入口マニホールド３２及び水素出口マニホールド３３近傍の水素流路３０に対する位置に構成されている。

このように構成することにより、気液透過性のアノード側ＢＰＰ２１では、水素入口マニホールド３２から水素流路３０に流入した湿度の低い水素が、背面２１ｂに形成された純水流路３１からの純水により入口マニホールド３２近傍で加湿されて、加湿された空気によりＭＥＡ１１ａに水分を補給することができる。また、水素流路３０の下流側では、燃料電池内での電気化学反応により水素量が減少して生成された余剰な生成水が凝縮した場合においても、凝縮水は多孔質材を通して、純水流路に吸引されて、純水出口マニホールドから排出される。

この実施例では、水素の出入口マニホールド近傍にのみ純水流路３１を形成するため、純水流路３１に維持される純水量を抑制することができ、燃料電池システム停止時に純水タンク２０に回収する純水量を低減する。このため、純水凍結時からの起動時に必要な熱量を少なくし、起動時間の短縮及び起動時の必要エネルギを抑制できる。

図１５に第４の実施形態の構成を示す。この実施形態は、第２の実施形態を第３の実施形態に適用したものである。

つまり、水素流路３０の水素入口マニホールド３２近傍の上流部に対してのみ純水流路３６を形成した形態であり、下流側に純水流路を形成していない点で第３の実施形態と異なる。

前述のように水素流路３０の上流部において純水の純水流路３６から水素流路３０への移動が最も活発であり、この領域にのみ純水を供給するようにすることでＭＥＡ１１ａへの水分供給が達成される。また、純水流路３６を下流側に設置していなくとも水素流路内の圧力を純水流路３６の圧力より高く維持することにより、水素流路内に凝縮した水が純水流路３６へと移動するため、フラッディングを防止できる。

またこの実施形態では、純水流路３６の長さを第３の実施形態より短く設定できるため、流路内の純水量を少なくでき、純水タンク２０への純水排出量を削減し、純水凍結時からの起動に必要な時間やエネルギを低減することができる。

図１６から図１８は第５の実施形態の構成を説明する図である。この実施形態は、アノードＢＰＰ２１とカソードＢＰＰ２２双方を多孔質材で形成した実施形態である。図１６は本実施形態の単セルの断面形状を示し、アノードＢＰＰ２１のＬＬＣプレート２３に面する面２１ｂに純水流路３１が、またカソードＢＰＰ２２のＬＬＣプレート２３に面する面２２ｂにも純水流路２７が形成される。これら純水流路の形成位置は、これまで説明してきたように水素流路の上流側及び空気流路の上流側に対する位置に形成される。

図１７は、カソードＢＰＰ２２に形成される流路形状を説明する図である。本実施形態では、空気出入口マニホールド及び中間マニホールドは外部に設置されており、カソードＢＰＰ２２には空気流路３７のみが形成される。図のＭＥＡ１１ａに面する面２２ａに形成された空気流路３７では、右下の入口部３７ａから空気が入口マニホールドより供給されて、上方に流れて中間マニホールドに入り、下方に向けての流れとなって出口部３７ｂから出口マニホールドに排出される。

一方、ＬＬＣプレート２３に面する背面２２ｂに形成された純水流路３８は、前述の純水供給システムからの純水が流通する。本実施形態では、純水の出入口マニホールドが外部に設置される。純水入口マニホールドから供給された純水は、前述の空気流路３７と交差するように形成された純水流路３８を通過して純水出口マニホールドに排出される。ここで、純水流路３８は、空気入口部３７ａ及び空気出口部３７ｂ近傍の空気流路３７に対する位置に形成されている。

このように構成することにより、気液透過性のカソード側ＢＰＰ２２では、空気入口マニホールドから空気流路３７に流入した湿度の低い空気が、背面２２ｂに形成された純水流路３８からの純水により加湿されて、加湿された空気によりＭＥＡ１１ａに水分を補給することができる。また、空気流路３７の下流側では、燃料電池内での電気化学反応により生成された生成水が凝縮した場合においても、凝縮水は多孔質材を通して、純水流路に吸引されて純水出口マニホールドから排出される。したがって、本発明は、純水の移動の活発な領域に純水流路を設けることを特徴とする。

図１８は、アノードＢＰＰ２１に形成される流路形状を説明する図である。本実施形態では、水素出入口マニホールド及び中間マニホールドは外部に設置されており、アノードＢＰＰ２１には水素流路３９のみが形成される。図のＭＥＡ１１ａに面する面２１ａに形成された水素流路３９では、右下の入口部３９ａから水素が入口マニホールドより供給されて、左方に流れて中間マニホールドに入り、右方に向けての流れとなって出口部３９ｂから出口マニホールドに排出される。

一方、ＬＬＣプレート２３に面する背面２１ｂに形成された純水流路４０は、前述の純水供給システムからの純水が流通する。本実施形態では、純水の出入口マニホールドが外部に設置される。純水入口マニホールドから供給された純水は、前述の水素流路３９と交差するように形成された純水流路４０を通過して純水出口マニホールドに排出される。ここで、純水流路４０は、水素入口部３９ａ及び水素出口部３９ｂ近傍の水素流路３９に対する位置に形成されている。

このように構成することにより、気液透過性のアノード側ＢＰＰ２１では、水素入口マニホールドから水素流路３９に流入した湿度の低い水素が、背面２１ｂに形成された純水流路４０からの純水により加湿されて、加湿された空気によりＭＥＡ１１ａに水分を補給することができる。また、水素流路３９の下流側では、燃料電池内での電気化学反応により生成された生成水が凝縮した場合においても、凝縮水は多孔質材を通して、純水流路に吸引されて、純水出口マニホールドから排出される。

図１９と図２０は、第６の実施形態のＢＰＰの流路形状を示し、この流路形状は第５の実施形態の流路形状に図５に示す第２の実施形態の思想を加えた実施形態である。

具体的には、図１９においては、ＭＥＡ１１ａに面するカソードＢＰＰ２１の面２１ａに形成した空気流路３７は第５の実施形態と同様である。一方、カソードＢＰＰ２２の背面２２ｂに形成する純水流路４１は、空気流路３７の入口部３７ａにのみ対応して形成されており、出口部３７ｂに対応していない点が第５の実施形態と異なる。このような構成により、純水は入口部３７ａ近傍の空気流路３７に移動してＭＥＡ１１ａを加湿する。一方、出口部３７ｂ近傍の空気流路３７では、空気流路３７の圧力を純水流路４１の圧力より高く維持し、空気流路３７内に凝縮した水分を純水流路に移動させ、空気流路３７内のフラッディングを防止する。

図２０はアノードＢＰＰ２１の流路形状を示すが、図１９のカソードＢＰＰと同様であり、水路流路３９の入口部３９ａ近傍にのみ純水流路４２を形成する。

図２１、図２２と図２３は第７の実施形態の構成を説明する図であり、この実施形態は、単セルの構成に特徴を有し、膜電極接合体と２つのＢＰＰ２１、２２の組み合わせを２つ積層して、これに１つのＬＬＣプレート２３で１個の単セルを構成するものである。純水は純水還流による温度コントロールの機能に加えて、ガス加湿による気化冷却の働きも持っているので、加湿によって冷却が期待できるところは、ＬＬＣの循環を省くことができる。よって本実施例は、ＬＬＣ流路に特徴を有している。

図２１を用いて単セルの構成を説明すると、単セルは、高分子膜電解質層と、その両面に触媒金属を担持した触媒層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１１ａと、このＭＥＡ１１ａを挟持するガス拡散層１１ｂを、両側からアノードＢＰＰ２１とカソードＢＰＰ２２が挟持する。この組み合わせを２つ積み重ね、アノードＢＰＰ２１の背面２１ｂ側にＬＬＣプレート２３を設置する。各ＢＰＰ２１、２２にはそれぞれ水素流路と空気流路とが形成され、ＬＬＣプレート２３にはＬＬＣ流路が形成される。さらにカソードＢＰＰ２２には純水流路が形成される。

前述のようにカソードＢＰＰ２２の背面２２ｂに純水流路４３が形成され、その形状は図２２に示すように、図１７に示す第５の実施形態の形状と同様である。カソードＢＰＰ２２の背面２２ｂに純水流路４３を形成することでカソードＢＰＰ２２とアノードＢＰＰ２１とが面するように単セルを構成したため、流路４３の純水流路を流通する純水によりカソードＢＰＰ２２とアノードＢＰＰ２１の両方に純水を供給することができる。したがって、空気と水素の両方を加湿することができる。

図２３は、ＬＬＣプレート２３に形成されたＬＬＣ流路４４の形状を示しており、ここで、ＬＬＣプレート２３は、アノードＢＰＰ２１に面して設置される。このＬＬＣ流路４４はアノードＢＰＰ２１の中間マニホールド側に形成されており、ＬＬＣ流路４４は純水流路の形成されていない領域に形成される。これは、純水流路近傍は、純水の流通により温度制御が可能であり、温度制御のためのＬＬＣの流通を必要しないためである。加えて、純水流路近傍、つまりガス入口近傍ではガスの加湿による気化潜熱によりＢＰＰが冷却され、ＬＬＣによる冷却を必要としない。このように純水流路のない領域にのみＬＬＣ流路を形成することにより、ＬＬＣ流路の長さを短縮することができ、ＬＬＣ流路の圧力損失を低減し、ＬＬＣを圧送するための補機の負荷を低減し、システムの効率を向上できる。

図２４と図２５は第８の実施形態の構成を示し、この実施形態は、第７の実施形態に対してアノードＢＰＰ２１を気液透過性を有さないソリッドタイプの材料で形成し、かつＬＬＣプレート２３に形成するＬＬＣ流路４５を、ガス入口部の近傍、つまり純水入口部近傍を除いて、アノードＢＰＰ２１と接するＬＬＣプレート２３の面２３ａの全域に形成したことを特徴とする。これは、純水流路近傍は、純水の流通により温度制御が可能であり、温度制御のためのＬＬＣの流通を必要しないためである。このように形成することで、ＬＬＣ流路の長さを短縮することができ、ＬＬＣ流路の圧力損失を低減し、ＬＬＣを圧送する補機の負荷を低減し、システムの効率を向上できる。

本発明は、燃料電池システムの小型化と起動時間の短縮が可能であり、燃料電池車両に有用である。

本発明の燃料電池システムの構成図である。 本発明の単セルの断面図である。 カソード側バイポーラプレートの流路形状を説明する図である。 バイポーラポレート内の水の移動を説明する図である 第２の実施形態の流路形状を示す図である。 ＬＬＣ流路形状を示す図である。 流路を流れるガスの温度変化を示す図である。 ガスの湿度特性を示す図である。 加湿のための要求水量を示す図である。 化学反応により生じる生成水のガスの加湿量を示す図である。 ＢＰＰからの加湿量を示す図である。 バイポーラプレートの加湿領域および水吸引領域を示す図である。 第３実施形態の単セル断面図である。 同じくアノードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 第４実施形態のカソードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 第５実施形態の単セル断面図である。 同じくカソードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 同じくアノードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 第６実施形態のカソードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 同じくアノードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 第７実施形態の単セル断面図である。 同じくカソードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 同じくアノードバイポーラプレートの流路形状を示す図である。 第７実施形態の単セル断面図である。 同じくＬＬＣプレートの流路形状を示す図である。

符号の説明

１１…燃料電池スタック
１１ａ…膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１ｂ…ガス拡散層
１２…ＬＬＣ循環流路
１３…ＬＬＣタンク
１４…ポンプ
１５…ラジエータ
１６…バイパス流路
１７…制御弁
１８…温度センサ
１９…純水循環流路
１９ａ…ポンプ
１９ｂ…ポンプ圧力センサ
２０…純水タンク
２１…アノード側バイポーラプレート
２１ａ…アノード側バイポーラプレートＭＥＡ側面
２１ｂ…アノード側バイポーラプレートＬＬＣプレート面
２２…カソード側バイポーラプレート
２２ａ…カソード側バイポーラプレートＭＥＡ側面
２２ｂ…カソード側バイポーラプレートＬＬＣプレート面
２３…ＬＬＣプレート
２３ａ…ＬＬＣプレートカソード側バイポーラプレート側面
２４…空気流路
２４ａ…中間マニホールド
２５…空気入口マニホールド
２６…空気出口マニホールド
２７…純水流路
２８…純水入口マニホールド
２９…純水出口マニホールド
３０…水素流路
３０ａ…中間マニホールド
３１…純水流路
３２…水素入口マニホールド
３３…水素出口マニホールド
３４…純水入口マニホールド
３５…純水出口マニホールド
３６…純水流路
３７…空気流路
３７ａ…空気入口部
３７ｂ…空気出口部
３８…純水流路
３９…水素流路
３９ａ…水素入口部
３９ｂ…水素出口部
４０…純水流路
４１…純水流路
４２…純水流路
４３…純水流路
４４…ＬＬＣ流路
４５…ＬＬＣ流路
１００…単セル

Claims (5)

1. 固体高分子膜からなる電解質膜と、電解質膜の両面に担持された触媒金属からなる電極層とを備えた膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持して設置され、一面に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路を前記膜電極接合体に対してそれぞれ開口するように形成したセパレータと、
   前記セパレータの少なくとも一方に接して設けられ、ＬＬＣが流通するＬＬＣプレートと、
   からなる単セルを積層して形成される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通するセパレータの少なくとも一方は、気液透過性の多孔質材で構成され、前記多孔質材で構成されたセパレータの前記流路を形成した一面の背面に純水が流通する純水流路を形成し、
   この純水流路は、前記ガス流路の入口部近傍及び出口部近傍の少なくとも一方に対応した位置に形成されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記多項質材で構成されたセパレータは、燃料ガスの流路を形成したセパレータであ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。
3. 前記多項質材で構成されたセパレータは、酸化剤ガスの流路を形成したセパレータであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路の入口部と出口部とを隣接して設け、
   前記純水流路は、前記ガス流路の入口部近傍及び出口部近傍に渡り形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記ＬＬＣ流路は、前記セパレータの純水流路に対応する位置を避けて設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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