JP4925078B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関し、特に燃料電池本体に供給する冷却水の一部を分流すると共に冷却水中に含まれている空気等のガスを排出するようにした固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池は、公知の如く固体高分子電解質膜の両面にアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを設け、これらの両側にガス流路を設けたセパレータを配設して電池セルを構成し、アノードに接合するセパレータのガス流路には燃料ガス（通常は、水素を主体とした改質ガス）を流通させると共に、カソードに接合するセパレータには酸化剤ガス（通常は、空気）を流通させ、前記固体高分子電解質膜を介して化学反応を起こし、これにより起電力を生成するものである。又、所要の起電力を得るために、前記電池セルを単位して多数積層し、その両端部に端板を添えてロッド等で適圧に締め付け一体化することにより燃料電池本体（スタック）が構成される。

上記固体高分子燃料電池は、前記化学反応が発熱反応であるため燃料電池本体に冷却水を供給して冷やし、最適な運転温度（約８０℃）に保持するようにしている。このため、燃料電池本体内に冷却水を流通させる複数の冷却水プレートを介在させ、或は前記いずれかのセパレータの背面側に冷却水流路を設け、且つこれらに冷却水を配分して供給するための供給用マニホールドと、流通後の冷却水を合流して外部に排出するための排出用マニホールドとを設けて冷却水流通経路を形成してある。

上記燃料電池本体に供給する冷却水は、通常冷却水タンクからポンプで汲み上げ、この汲み上げた冷却水を前記供給用マニホールドに供給して燃料電池本体を冷却し、冷却後に前記排出用マニホールドから排出した冷却水を冷却水タンクに戻すようにしている。しかしながら、起動時又は停止時等に冷却水流通経路内に空気が混入し、或は冷却水中に微細なガス気泡が含まれていることがあり、このように冷却水に空気やガスが存在していると燃料電池本体への冷却水の供給が阻害され、冷却水供給不足又は分配不均一が生じて電池内部の温度分布が大きくなり、その結果燃料電池本体の発電性能を低下させるという問題があった。

このような問題を解消するための手段として、従来例えば特許文献１のように燃料電池本体に供給する冷却水流通経路に空気排出手段（気水分離）を数箇所設け、冷却水中に空気等のガスが含まれていても空気排出手段により気水分離することで、燃料電池本体に空気等のガスが流入しないようにした技術が知られている。
特開２００３−１２３８０５号公報

しかしながら、上記従来技術では空気排出手段でのガス抜き効率を向上させるために配管径を大きくしなければならず、又空気排出手段が複数必要となって設置スペースを多く必要とすることから燃料電池システムの大型化を招いてしまう。又、ガス抜きを制御する水位検出センサ等を設置しているため、冷却水流通経路の複雑化やコストアップを引き起こすことになる。更に、従来の固体高分子形燃料電池においては、冷却水を燃料電池本体に供給して最適な運転温度に保持するものの、特に燃料電池本体の両端部は外気に近いため他の部分よりも温度が低下し、両端部近傍に位置する電池セルの発電性能が低下する問題があった。

本発明は、このような従来技術の諸問題を解決するためになされ、空気排出手段、配管径の大きな冷却水回路、及び水位検出センサ等を必要とせずに燃料電池システムの大型化を抑制でき、燃料電池本体に供給する冷却水の一部を分流して冷却水中に含まれている空気等のガスを排出する共に、燃料電池本体の両端部に冷却水を供給して温度低下を抑えるようにした固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の手段として、請求項１は、単位電池セルを面接合状態に多数積層し、上部に前記積層方向に貫通して設けられた冷却水供給口（第１マニホールド）と、上部に設けられ前記冷却水供給口（第１マニホールド）を流通する冷却水のうち大部分が流入する冷却水供給口（第２マニホールド）と、上部から下部にかけて設けられ前記冷却水供給口（第２マニホールド）からの冷却水が前記各単位セル中を上から下方向に流れる水流路と、下部に設けられ前記水流路からの冷却水が流れる冷却水排水口（第３マニホールド）と、下部に設けられ前記冷却水排水口（第３マニホールド）からの冷却水が流れる冷却水排水口（第４マニホールド）とを有する燃料電池本体を備え、
前記燃料電池本体よりも上側に冷却水供給路を備え、
前記冷却水供給口（第１マニホールド）の入口とは反対側の奥端部にて接続されて前記燃料電池本体より上方に延設され前記冷却水供給口（第１マニホールド）を流通する冷却水のうちの一部が分流する分流経路と、前記分流経路で分流された前記冷却水が二股に分岐する分岐路とを備え、
前記冷却水排水口（第４マニホールド）及び前記分岐路からの冷却水が流入する冷却水排出路を介して冷却水を冷却水タンクに戻すとともに、前記冷却水を冷却水タンクから前記冷却水供給路に向けて送り出すように構成した冷却水循環経路を備え、
前記冷却水供給路から供給される冷却水の流通方向に沿い前記冷却水供給口（第１マニホールド）の前記奥端部に向けて徐々に上向き傾斜した仕切板を、前記冷却水供給口（第１マニホールド）の内部に設け、
前記分流経路は、前記冷却水排出路より小径の細管で構成して前記冷却水排出路よりも圧力損失を大きく構成し、
分流経路で分流した分岐路の冷却水を燃料電池本体の両端部に供給して温度低下を抑えるように構成した固体高分子形燃料電池を特徴とする。

上記請求項１の発明によれば、燃料電池本体に設けられた冷却水供給口から冷却水の一部を分流する分流経路を設けているため、この分流経路を利用して冷却水の一部を分流することにより冷却水中に含まれている空気等のガスを排出することができる。

また、上記請求項１の発明によれば、前記分流経路は冷却水循環経路より圧力損失が大きく形成されているため、燃料電池本体の冷却水供給口に供給される冷却水の大部分は冷却水プレートに流通し、冷却水の一部のみを分流経路に分流させることができる。

また、上記請求項１の発明によれば、前記分流経路の入口端部は、前記冷却水供給口の上方領域に設けられているため、冷却水供給口の上方領域に溜まりやすい空気等のガスを効率良く排出することができる。

また、上記請求項１の発明によれば、前記冷却水供給口に、冷却水流通方向に沿って徐々に上向きに傾斜した仕切板を設け、冷却水供給口の奥端部に分流経路を位置させているため、冷却水供給口の奥端部に空気等のガスを一層溜まり易くして効率良く排出することができる。

上記請求項１の発明によれば、前記分流経路を二股に分岐させ、一方の分岐路に分岐した冷却水は燃料電池スタックの一方の端板に流通させ、他方の分岐路に分岐した冷却水は燃料電池スタックの他方の端板に流通させるため、冷却水の持つ熱により燃料電池本体の両端部を温めることができ、これにより端部に位置する電池セルの温度低下を抑えることができる。

次に、本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
添付図面中、図１は本発明に係る固体高分子形燃料電池の基本的原理を説明するための参考例１を示す概略構成図である。図２はその参考例１に係る燃料電池本体の概略斜視図である。図３はその参考例１に係る燃料電池本体の冷却水流路を示す概略縦断側面図である。図４はその参考例１に係る燃料電池本体の冷却水流路などを示す概略縦断正面図である。図５は本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す概略構成図である。図６は本発明に係る固体高分子形燃料電池の変形例を示す概略構成図である。

［参考例１］
図１において、１は燃料電池本体であり、その構成要素の一部であるアノード２及びカソード３とその間に位置する冷却水プレート４とが模式的に示されている。燃料電池本体１は、従来と同様に実際は図３に略図で示すように固体高分子電解質膜５の両面にアノード２とカソード３を設け、これらの両側にガス流路（図略）を設けたセパレータ６、７を配設して単位電池セル８を構成し、この単位電池セル８を面接合状態に多数積層し、両端に端板９、１０を添えてロッド（図略）等により締め付け一体化することによりスタックとして構成される。

上記燃料電池本体１において、アノード２に接合するセパレータ６のガス流路には燃料ガス（通常は、水素を主体とした改質ガス）を流通させると共に、カソード３に接合するセパレータ７のガス流路には酸化剤ガス（通常は、空気）を流通させ、固体高分子電解質膜５を介して化学反応を生じさせることにより発電する。

前記冷却水プレート４は、単位電池セル８の間に複数枚組み込まれるのが通常であるが、セパレータ６又はセパレータ７の背面側に水流路を形成して冷却水プレート４に代えて構成する場合もある。冷却水プレート４への冷却水の供給は、例えば図２及び図３のように燃料電池本体１の上部に積層方向に貫通して設けられている冷却水供給口１１（以下、第１マニホールドと称する）と、この第１マニホールド１１に連通して冷却水プレート４の上部に設けられる凹部状の冷却水供給口４ａ（以下、第２マニホールドと称する）と、この第２マニホールド４ａに連通して冷却水プレート４の上下方向に並設される凹溝状の水流路４ｂとを介して行われる。即ち、冷却水タンク１４の冷却水は、ポンプ１５の作動により熱交換器１９を通って水温調整されてから第１マニホールド１１の入口１１ａ（図３）に供給され、この第１マニホールド１１内を流れながら各冷却水プレート４の第２マニホールド４ａ（図２）内に配分され、この第２マニホールド４ａから各水流路４ｂに供給される。

冷却水プレート４を重力方向に流下した冷却水は、図２のように各水流路４ｂに連通して冷却水プレート４の下部に設けられている凹部状の冷却水排出口４ｃ（以下、第３マニホールドと称する）に排出され、この第３マニホールド４ｃに連通して前記燃料電池本体１の下部に積層方向に貫通して設けられている冷却水排出口１２（以下、第４マニホールドと称する）に流入し、各冷却水プレート４から排出される冷却水が合流して第４マニホールド１２の出口１２ａ（図３）から外部に排出される。

本発明では、この参考例１のように、燃料電池本体１に供給される冷却水の一部を分流するための分流経路を、燃料電池本体１より高い位置に設ける。例えば図３に示す分流経路１３は、第１マニホールド１１の奥端部即ち入口１１ａとは反対側の端部（端板１０により閉塞されている）の上方領域に接続させて燃料電池本体１より上方に延設してある。この分流経路１３は、冷却水循環経路１６特に冷却水供給路１６ａより圧力損失を大きくするために、例えば冷却水供給路１６ａの管より小径の細管等から構成されている。冷却水が供給される第１マニホールド１１の奥端部の上方領域は、冷却水中に含まれている空気等のガスが溜まり易い箇所であり、そこに分流経路１３を接続することで冷却水の一部を吸い込んで分流すると同時に、溜まっている空気等のガスを吸い込んで排出することができる。この時、第１マニホールド１１に供給される冷却水の大部分を前記各冷却水プレート４の第２マニホールド４ａに流通させ、冷却水の一部（５％程度）のみを分流経路１３に分流させるために、上記のように分流経路１３の圧力損失を大きく設定してある。

又、図３に示すように、第１マニホールド１１の内部に冷却水流通方向に沿って徐々に上向き傾斜した仕切板２０を設けておくと、この仕切板２０によって第１マニホールド１１の奥端部の上方領域に空気等のガスが一層溜まり易くなる。これにより、冷却水中に含まれている空気等のガスを効率良く排出することができる。

上記分流経路１３は、図１に模式的に示すように途中で二股に分岐させて一方の分岐路１３ａは前記第４マニホールド１２の出口１２ａ近傍に接続し、他方の分岐路１３ｂは冷却水循環経路１６の冷却水排出路１６ｂに接続してある。これらの分岐路１３ａ、１３ｂは、らせん管を用いて全長が直管の場合より長く形成することで圧力損失を増大させてある。尚、この場合分流経路１３は二股に分岐させずに１本のらせん管で実施することも可能である。

分流経路１３は、前記のように燃料電池本体１における第１マニホールド１１の奥端部に接続する場合に限定されず、例えば図４に示すように冷却水プレート４における第２マニホールド４ａに接続するようにしてもよい。第２マニホールド４ａに分流経路１３を設ける場合においても、第２マニホールド４ａの奥端部即ち第１マニホールド１１とは反対側の端部の上方領域に接続させて燃料電池本体１より上方に延設する。この分流経路１３は、冷却水循環経路１６特に冷却水供給路１６ａより圧力損失を大きくするために、例えば冷却水供給路１６ａの管より小径の細管等から構成する。第１マニホールド１１から冷
却水が供給される第２マニホールド４ａの奥端部の上方領域は、冷却水中に混入している空気等のガスが溜まり易い箇所であり、そこに分流経路１３を接続することで冷却水の一部を吸い込んで分流すると同時に、溜まっている空気等のガスを吸い込んで排出することができる。この時、第２マニホールド４ａに供給される冷却水の大部分を前記冷却水プレート４の水流路４ｂに流通させ、冷却水の一部（５％程度）のみを分流経路１３に分流させるために、上記のように分流経路１３の圧力損失を大きく設定してある。又、第２マニホールド４ａの内部に冷却水流通方向（この場合は冷却水流入方向）に沿って上向きに傾斜した仕切板２１を設けておくと、この仕切板２１によって第２マニホールド４ａの奥端部の上方領域に空気等のガスが一層溜まり易くなる。これにより、冷却水中に含まれている空気等のガスを効率良く排出することができる。分流経路１３を第２マニホールド４ａに接続する場合には、各冷却水プレート４にそれぞれ設けることになるから、それらの分流経路１３を途中で合流させる合流手段（図略）が必要となる。

［実施形態］
図５は、本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示すもので、上記の参考例１と同じ構成部材は同一の符号を付けてそれらの詳しい説明は省略する。本実施形態では、分流経路１３により分流した冷却水を、燃料電池本体１における両側の端板９、１０に流通させることにより、燃料電池本体１の両端部に位置する単位電池セルの温度低下を抑えるようにしたものである。

図５において、前記分流経路１３を分岐した一方の分岐路１３ａは燃料電池本体１における一方の端板９に冷却水を供給して流通させると共に、前記第４マニホールド１２の出口１２ａ近傍に接続し、他方の分岐路１３ｂは燃料電池本体１における他方の端板１０に冷却水を供給して流通させると共に、冷却水循環経路１６の冷却水排出路１６ｂに接続してある。端板９、１０にはそれぞれ冷却水を流通するための複数の孔状水流路（図略）を内部に並列させて設けるか、又は内面側に凹溝状水流路（図略）を並列させて設け、且つ上部には各水流路の入口に連通する供給口（図略）を設け、下部には各水流路の出口に連通する排出口（図略）を設ける。

燃料電池本体１の第４マニホールド１２から排出される冷却水は、燃料電池本体１の適正な運転温度（約８０℃）に近い温度となっており、この冷却水が冷却水循環経路１６の冷却水排出路１６ｂを経て冷却水タンク１４に戻る。冷却水タンク１４内の冷却水は徐々に昇温し、この昇温冷却水がポンプ１５の作動により熱交換器１９を通って温度調整され、冷却水循環経路１６の冷却水供給路１６ａを経て燃料電池本体１の第１マニホールド１１に供給される。第１マニホールド１１に供給される冷却水は、各冷却水プレート４の第２マニホールド４ａから水流路４ｂを流通し、隣接するセパレータ６又はセパレータ７と熱交換する。これにより、燃料電池本体１の内部は冷やされて適正な運転温度（約８０℃）に保持され、第４マニホールド１２から排出される冷却水は温められて約８０℃になる。

分流経路１３は、前記のように第１マニホールド１１に供給される冷却水の一部を分流し、同時に冷却水中に含まれている空気等のガスを排出することができる。そして、分流経路１３から分岐路１３ａ、１３ｂにそれぞれ流入した冷却水は、前記のように燃料電池本体１の両端に位置する端板９、１０に供給されて流通するため、これらの端板９、１０を温めることができる。これにより、端板９、１０に隣接する単位電池セルの温度低下を抑えてほぼ適正温度８０℃に保持することが可能となり、端部に位置する単位電池セルでの発電性能の低下を抑えることができる。

前記実施形態では、分流経路１３を二股に分岐させた例で説明したが、前記第１マニホールド１１に第１の分流経路（図略）を、第２マニホールド４ａに第２の分流経路（図略）をそれぞれ設けて２つの分流経路を併用する構成にしてもよい。前記第２実施形態では、燃料電池本体１の端板９、１０に分流経路１３による冷却水をほぼ均一に供給することが望ましく、このため分流経路１３を二股に分岐させる構成とするのが好ましい。

［参考例２］
図６は、本発明に係る固体高分子形燃料電池の変形例（以下、これを「参考例２」とよぶ）を示すもので、参考例１又は上記実施形態と同じ構成部材は同一の符号を付けてそれらの詳しい説明は省略する。本参考例２では、分流経路１３により分流した冷却水を空気加湿器１７に流通させて、燃料電池本体１に供給する酸化剤ガス（空気）を加湿するようにしたものである。

図６において、１７は内部に水分透過膜（図略）が配置された空気加湿器であり、外部から取り込んだ空気を加湿して空気流通経路１８の空気供給路１８ａにより燃料電池本体１のカソード３に供給し、このカソード３で発電反応に使われなかった残余の未反応空気は空気排出路１８ｂにより空気加湿器１７に戻され、この空気加湿器１７から外部に排出される。空気加湿器１７内では、外部から取り込んだ空気が流通する領域と、空気排出路１８ｂから戻される未反応空気が流通する領域とは前記水分透過膜により仕切られている。

分流経路１３の分岐路１３ａ、１３ｂは、それぞれ前記空気流通経路１８の空気排出路１８ｂに接続されている。尚、分流経路１３を二股に分岐させずに１本のらせん管で実施することも可能である。

分流経路１３は、燃料電池本体１の第１マニホールド１１に供給される冷却水の一部を分流し、同時に冷却水中に含まれている空気等のガスを排出することができる。そして、分流経路１３から分岐路１３ａ、１３ｂにそれぞれ流入した冷却水は、前記空気流通経路１８の空気排出路１８ｃ内に供給されるため、燃料電池本体１のカソード３から排出されて空気排出路１８ｂ内を流れる未反応空気と混合する。この気液混合状態の未反応空気は、前記空気加湿器１７内を流通するが、その時水分透過膜により水分が吸収される。

この水分透過膜により仕切られている他方の領域内は、外部から取り込んだ空気が流通するため、水分透過膜から蒸発する水分によって空気が加湿される。即ち、水分透過膜を挟んで接する前記気液混合状態の未反応空気と、外部から取り込んだ空気との間で水分交換が行われる。空気加湿器１７で加湿された空気は、前記空気供給路１８ａから燃料電池本体１のカソード３に酸化剤ガスとして供給され、除湿された未反応空気は空気加湿器１７から外部に排出される。これにより、従来使用していた加湿用のバブリング手段等が不要になる。

前記実施形態及び前記変形例では、分流経路１３を二股に分岐させた例で説明したが、前記第１マニホールド１１に第１の分流経路（図略）を、第２マニホールド４ａに第２の分流経路（図略）をそれぞれ設けて２つの分流経路を併用する構成にしてもよい。前記実施形態では、燃料電池本体１の端板９、１０に分流経路１３による冷却水をほぼ均一に供給することが望ましく、このため分流経路１３を二股に分岐させる構成とするのが好ましい。

本発明に係る固体高分子形燃料電池は、定置型の燃料電池発電システムや熱電併給のコージェネレーションシステム、その他の装置や機器等に発電手段として組み込んで適用することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池の基本的原理を説明するための参考例１を示す概略構成図である。 その参考例１に係る燃料電池本体の概略斜視図である。 その参考例１に係る燃料電池本体の冷却水流路を示す概略縦断側面図である。 その参考例１に係る燃料電池本体の実施形態を示す概略縦断正面図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池の変形例である参考例２を示す概略構成図である。

１ 燃料電池本体
２ アノード
３ カソード
４ 冷却水プレート
４ａ 冷却水供給口（第２マニホールド）
４ｂ 水流路
４ｃ 冷却水排出口（第３マニホールド）
５ 固体高分子電解質膜
６、７ セパレータ
８ 単位電池セル
９、１０ 端板
１１ 冷却水供給口（第１マニホールド）
１１ａ 仕切板
１２ 冷却水排出口（第４マニホールド）
１３ 分流経路
１３ａ、１３ｂ 分岐路
１４ 冷却水タンク
１５ ポンプ
１６ 冷却水循環経路
１６ａ 冷却水供給路
１６ｂ 冷却水排出路
１７ 空気加湿器
１８ 空気流通経路
１８ａ 空気供給路
１８ｂ 空気排出路
１９ 熱交換器
２０、２１ 仕切板

Claims (1)

1. 単位電池セルを面接合状態に多数積層し、上部に前記積層方向に貫通して設けられた冷却水供給口（第１マニホールド）と、上部に設けられ前記冷却水供給口（第１マニホールド）を流通する冷却水のうち大部分が流入する冷却水供給口（第２マニホールド）と、上部から下部にかけて設けられ前記冷却水供給口（第２マニホールド）からの冷却水が前記各単位セル中を上から下方向に流れる水流路と、下部に設けられ前記水流路からの冷却水が流れる冷却水排水口（第３マニホールド）と、下部に設けられ前記冷却水排水口（第３マニホールド）からの冷却水が流れる冷却水排水口（第４マニホールド）とを有する燃料電池本体を備え、
   前記燃料電池本体よりも上側に冷却水供給路を備え、
   前記冷却水供給口（第１マニホールド）の入口とは反対側の奥端部にて接続されて前記燃料電池本体より上方に延設され前記冷却水供給口（第１マニホールド）を流通する冷却水のうちの一部が分流する分流経路と、前記分流経路で分流された前記冷却水が二股に分岐する分岐路とを備え、
   前記冷却水排水口（第４マニホールド）及び前記分岐路からの冷却水が流入する冷却水排出路を介して冷却水を冷却水タンクに戻すとともに、前記冷却水を冷却水タンクから前記冷却水供給路に向けて送り出すように構成した冷却水循環経路を備え、
   前記冷却水供給路から供給される冷却水の流通方向に沿い前記冷却水供給口（第１マニホールド）の前記奥端部に向けて徐々に上向き傾斜した仕切板を、前記冷却水供給口（第１マニホールド）の内部に設け、
   前記分流経路は、前記冷却水排出路より小径の細管で構成して前記冷却水排出路よりも圧力損失を大きく構成し、
   分流経路で分流した分岐路の冷却水を燃料電池本体の両端部に供給して温度低下を抑えるように構成した
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。

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