JP2002141086A

JP2002141086A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2002141086A
Application number: JP2000336315A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sano; 誠治佐野; Shinichi Matsumoto; 信一松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】反応生成水を酸化ガス流れにより処理して、
一層のドライアップおよびフラッディングの発生抑制を
はかった燃料電池の提供。【解決手段】（１）酸化ガス流れ方向が燃料電池の運
転状態に応じて切り替え可能とされており、酸化ガス流
れ方向が、ドライ条件では反重力方向に、ウエット条件
では重力方向に、切り替えられる燃料電池１０。（２）
冷媒流れ方向も切替え可能とされており、冷媒流れ方向
が酸化ガス流れ方向と同期させて切り替えられる燃料電
池１０。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
とくに生成水排出を良好にした燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体
通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数の
セルを積層してモジュールとし、モジュールを積層して
モジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両
端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを
配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側
でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テ
ンションプレート）にて締め付け、固定したものからな
る。固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側で
は、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素
イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側
では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノ
ードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水
を生成する反応が行われる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ
間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒
体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃
料電池を冷却している。上記の反応が反応が行われるに
は、水素イオンが電解質膜中をカソード側に移動できる
ように電解質膜が湿潤していてドライアップ（乾燥）し
ていないことが必要であり、上記反応による生成水の水
滴で邪魔されずに酸化ガスが電極に供給されるようにと
くにカソード側（反応生成水が生じる側）で湿潤過多
（フラッディング）が起こらないことが必要である。ド
ライアップはセル内反応ガス通路の入口側で起こりやす
く、フラッディングはセル内反応ガス通路の出口側で起
こりやすので、それを抑制して、水分分布をセル面内方
向に均一化し、セル面内の全域で良好な発電反応が行わ
れるようにするために、米国特許第３５５３０２３号明
細書は、燃料電池の反応ガス（該米国特許では燃料ガ
ス）流れ方向を、燃料電池の運転状態により切り替え
て、ガス入口側での局部的なドライアップを抑制した燃
料電池を提案している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、米国特許第３
５５３０２３号明細書では、水分分布に大きな影響をも
つ反応生成水の処理について考慮されていないので、電
解質膜および電極部位でのセル面内方向における水分分
布の均一化と、それによるドライアップおよびフラッデ
ィングの発生抑制が不十分であるという問題がある。本
発明の目的は、カソード側で生成する反応生成水を酸化
ガス流れにより処理して、より一層のドライアップおよ
びフラッディングの発生抑制をはかった燃料電池を提供
することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）酸化ガス流れ方向が燃料電池の運転状態に応じ
て切り替え可能とされており、酸化ガス流れ方向が、ド
ライ条件では反重力方向に、ウエット条件では重力方向
に、切り替えられる燃料電池。（２）冷媒流れ方向も切替え可能とされており、冷媒
流れ方向が前記酸化ガス流れ方向と同期させて切り替え
られる（１）記載の燃料電池。（３）前記燃料電池が固体高分子型である（１）また
は（２）記載の燃料電池。

【０００５】上記（１）の燃料電池では、反応生成水の
処理に大きく影響する酸化ガス流れ方向を燃料電池の運
転状態に応じて切り替えるようにし、酸化ガス流れ方向
を、ドライ条件（たとえば、高温時）では反重力方向
に、ウエット条件（たとえば、低温時）では重力方向
に、切り替えるようにしたので、（イ）ドライ条件
（たとえば、高温時）では、生成水が発生する酸化ガス
流路において、酸化ガスの流れの方向と重力の方向が逆
になり、生成水が酸化ガスによって持ち去られにくくな
り、ドライアップしにくくなり、しかも、乾きやすい酸
化ガス入口部に生成水が重力により流れるため、電池内
部の湿度が均一化され、（ロ）ウエット条件（たとえ
ば、低温時）では、生成水が発生する酸化ガス流路にお
いて、酸化ガスの流れの方向と重力の方向が同じにな
り、排水性が向上し、フラッディングを起こしにくくな
る。上記（２）の燃料電池では、冷媒流れ方向が酸化ガ
ス流れ方向と同期させて切り替えられるので、冷媒流れ
方向を酸化ガス流れ方向に常に合わせることにより、
（イ）ドライ条件（たとえば、高温時）では酸化ガス
入口側を冷媒の入口側に対応させて効果的に冷やし、飽
和水蒸気圧を下げて乾燥しにくくし、ドライアップをよ
り一層抑制し、（ロ）ウエット条件（たとえば、低温
時）では酸化ガス出口側を冷媒出口側に対応させて飽和
水蒸気圧を上げて乾燥しやすくし、湿潤過多をより一層
抑制し、これによって、燃料電池の全運転状態におい
て、さらに水分分布が均一化されるようにする。上記
（３）の燃料電池では、燃料電池が固体高分子型である
場合にも、上記（１）、（２）の燃料電池の作用が成り
立つ。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を図１
〜図１０を参照して、説明する。図１〜図７は本発明の
何れの実施例にも適用可能であり、図８は本発明の実施
例１を示し、図９、図１０は本発明の実施例２を示す。
本発明の何れの実施例にも共通する部分には、本発明の
全実施例にわたって同じ符号を付してある。まず、本発
明の何れの実施例にも共通する部分を、たとえば、図１
〜図７を参照して、説明する。

【０００７】本発明の燃料電池１０は固体高分子電解質
型燃料電池である。本発明の燃料電池１０は、たとえば
燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用
いられてもよい。固体高分子電解質型燃料電池１０は、
図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質
膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１
２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷媒
（冷却水）が流れる冷媒流路２６を形成するセパレータ
１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモ
ジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュー
ル群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料
電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレー
タ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を
構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２
３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２
４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５で固
定したものからなる。冷媒流路２６はセル毎に、または
複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎
に１つの冷媒流路２６が設けられる。

【０００８】セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを互い
に分離するとともに、隣り合うセルのアノードからカソ
ードに電子が流れる電気の通路を形成している。セパレ
ータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７
（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）を形成し
たもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある
金属板を複数枚重ね合わせたもの、または、導電製樹脂
板（たとえば、導電材粒子を混入して導電性をもたせた
樹脂板）に冷媒流路２６やガス流路２７を形成したも
の、の何れかからなる。ガス流路２７（燃料ガス流路２
７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）は、１本の溝状流路、また
は並行する複数本の溝状流路の群、または複数突起によ
り隔てられた一対の板間の面状流路、の何れであっても
よい。

【０００９】ガス流路２７には、ガスマニホールド２９
（燃料ガスマニホールド２９ａ、酸化ガスマニホールド
２９ｂ）からの反応ガスが流れ、冷媒流路２６には冷媒
マニホールド２８からの冷媒が流れる。図３、図４に示
すように、燃料ガスマニホールド２９ａはセパレータ１
８の平行２辺近傍に集中して設けられ、酸化ガスマニホ
ールド２９ｂは、マニホールド同士の位置の干渉を避け
るために、通常、燃料ガスマニホールド２９ａが設けら
れる平行２辺と直交する平行２辺近傍に集中して設けら
れる。そのため、燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２
７ｂとは、互いに直交する方向に設けられる。図５、図
６に示すように、冷媒マニホールド２８は、酸化ガスマ
ニホールド２９ｂが集中して設けられるセパレータ平行
２辺に集中して設けられている。また、冷媒流路２６は
酸化ガス流路２７ｂに並行して延びている。

【００１０】図３、図４に示すように、酸化ガス流れ方
向は燃料電池１０の運転状態に応じて切り替え可能とさ
れている。酸化ガス流れ方向は、ドライ条件では反重力
方向に、ウエット条件では重力方向に、切り替えられる
ようになっている。燃料電池１０のスタックは、セル積
層方向を水平にして配置されている。酸化ガス流路２７
ｂは、ドライ条件とウエット条件の何れにおいても、上
下方向に向けられている。しかし、酸化ガスの流れの方
向はドライ条件とウエット条件とで逆になっている。

【００１１】燃料電池１０の運転状態がドライ条件にあ
るか、ウエット条件にあるかは、主には燃料電池の運転
温度（冷媒温度で代表される）で決定され、副次的には
酸化ガスの圧力および流量も考慮されることが望まし
い。より詳しくは、ドライ条件とは、燃料電池１０の電
解質膜がドライ（乾燥）状態を起こす条件であり、燃料
電池の運転温度が高い程乾燥しやすいので、燃料電池の
運転温度が飽和水蒸気圧が急激に立ち上がる温度ｔ（約
７０℃）より高いという条件である。また、酸化ガスの
流量が大な程酸化ガスが持ち去る水蒸気量が多くなって
ドライになりやすいので、酸化ガス流量が発電反応に必
要な酸素を供給する理論流量より大の時は、切替え温度
ｔを７０℃より低くして乾燥をより一層抑制するように
することが望ましく、また、酸化ガスの圧力が低い方が
飽和水蒸気圧が下がって液化して持ち去られる水分が多
くなりドライになりやすいので、酸化ガスの圧力が酸化
ガス流量が発電反応に必要な酸素を供給する理論圧力よ
り低い時は、切替え温度ｔを７０℃より低くして乾燥を
より一層抑制するようにすることが望ましい。また、ウ
エット条件とは、燃料電池１０の電解質膜および電極が
湿潤過多を起こす可能性のある条件であり、上記のドラ
イ条件とは逆の関係にさる。すなわち、ウエット条件と
は、燃料電池の運転温度が飽和水蒸気圧が急激に立ち上
がる温度ｔ（約７０℃）より低いという条件であり、ｔ
は酸化ガスの流量が小、または酸化ガスの圧力が高い時
に、７０℃より高めに設定されることが望ましい。

【００１２】運転状態がウエット条件（たとえば、低温
時）では、図３に示すように、酸化ガス入口マニホール
ドが上側にあり、酸化ガス出口マニホールドが下側にあ
り、カソード側で酸化ガスが上から下に流れる。この
時、アノード側では、燃料ガスが左から右に（あるいは
右から左に）流れる。これによって、生成水が発生する
酸化ガス流路２７ｂは、酸化ガスの流れの方向と重力の
方向が同じになり、排水性が向上し、フラッディングを
起こしにくくなる。

【００１３】一方、運転状態がドライ条件（たとえば、
高温時）では、酸化ガス流れ方向が図３に示す方向から
切り替えられ、図４に示すように、酸化ガス入口マニホ
ールドが下側にあり、酸化ガス出口マニホールドが上側
にあり、カソード側で酸化ガスが下から上に流れる。こ
の時、アノード側では、燃料ガスが、図３とは逆方向、
すなわち、右から左に（あるいは左から右に）流れる。
これによって、生成水が発生する酸化ガス流路２７ｂ
は、酸化ガスの流れの方向と重力の方向が逆になり、生
成水が酸化ガスによって持ち去られにくくなり、ドライ
アップしにくくなる。しかも、乾きやすい酸化ガス入口
部に生成水が重力により流れるため、電池内部の湿度が
均一化される。

【００１４】カソード側での酸化ガス流れの切替えにお
いて、ハンチングが起こらないようにするために、ドラ
イ条件とウエット条件との切替え点に対して、ある幅の
不感帯を設けておくことが望ましい。たとえば、図７に
示すように、ドライ条件とウエット条件を温度で分ける
場合、切替え点ｔ℃は飽和水蒸気圧が急激に立ち上がる
７０℃付近となるが、その両側にそれぞれΔｔ℃（たと
えば、Δｔ＝２．５〜５℃）の不感帯を設けるようにす
る。たとえば、図７に示すように、温度センサーにより
冷媒温度を検知し、その信号をＥＣＵ（電子制御装置）
３５に送り、図７のグラフを記憶したマップによってス
タック姿勢を反転させるモータ３４を駆動させるように
し、温度が低温側から上昇してもｔ＋Δｔまではスタッ
ク姿勢を反転させないようにし、温度が高温側から下降
してもｔ−Δｔまではスタック姿勢を反転させないよう
にする。これによって、ｔ近傍の温度変化に対して過敏
に反応しなくなってハンチングが防止され、酸化ガス流
れの切替えが安定する。

【００１５】図５、図６に示すように、冷媒流れ方向も
切替え可能とされており、冷媒流れ方向が、酸化ガス流
れ方向と同期させて、酸化ガス流れ方向と常に同じ方向
となるように、切り替えられる。これによって、冷媒流
れ方向を酸化ガス流れ方向に常に合わせることができ、
ドライ条件（たとえば、高温時）では酸化ガス入口側を
冷媒の入口側に対応させて効果的に冷やし、飽和水蒸気
圧を下げて乾燥しにくくし、ドライアップをより一層抑
制し、ウエット条件（たとえば、低温時）では酸化ガス
出口側を冷媒出口側に対応させて飽和水蒸気圧を上げて
乾燥しやすくし、湿潤過多をより一層抑制し、これによ
って、燃料電池の全運転状態において、さらに水分分布
が均一化されるようにする。

【００１６】つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を
説明する。本発明の実施例１では、図８に示すように、
セル積層方向を水平にして配置されたスタック２３を、
エンドプレート２２から外側に延びる軸３０を軸受３１
で回転自在に支持することにより、１８０°反転可能と
し、図３の状態と図４の状態を切替え可能に採りうるよ
うに支持する。ガス供給、排出ホースおよび冷媒供給、
排出ホースは、スタック２３の反転により１８０°分捩
じられるが、その捩じりを逃がすことができるように、
たるみを持たせておく。反転駆動は、軸３０に固定した
ウオームホイール３２をウオーム３３によって１８０°
回転させるようにし、ウオーム３３をモータ３４によっ
て回転駆動するようにする。モータ３４によるスタック
回転指示は、図７に示すようにＥＣＵ３５からの指示に
よる。この場合、外乱によりスタック２３が回転するの
を防止するため、減速ギヤはウオームなどのセルフロッ
クタイプが望ましい、ただし、図８の機構は、スタック
反転のための一例を示したに過ぎず、他の機構によって
もよい。

【００１７】本発明の実施例２では、図９、図１０に示
すように、セル積層方向を水平にして配置されたスタッ
ク２３を、固定式とし、ガス供給、排出経路、および冷
媒供給、排出経路に方向切替え弁３６を設けておき、こ
の切替え弁３６によりガス流れおよび冷媒流れを切り替
えて、図３の状態と図４の状態を切替え可能に採りうる
ようにする。図９では、カソード側で酸化ガスが上から
下に流れて図３の状態を取り、図１０では、カソード側
で酸化ガスが下から上に流れて図４の状態を取る。切替
え弁３６の切替えは、図７のＥＣＵ３５からの指示によ
る。

【００１８】

【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、酸化ガス
流れ方向を燃料電池の運転状態に応じて切り替えるよう
にし、酸化ガス流れ方向を、ドライ条件では反重力方向
に、ウエット条件では重力方向に、切り替えるようにし
たので、（イ）ドライ条件では、生成水が発生する酸
化ガス流路において、酸化ガスの流れの方向と重力の方
向が逆になり、生成水が酸化ガスによって持ち去られに
くくなり、ドライアップしにくくなり、しかも、乾きや
すい酸化ガス入口部に生成水が重力により流れるため、
電池内部の湿度が均一化され、（ロ）ウエット条件で
は、生成水が発生する酸化ガス流路において、酸化ガス
の流れの方向と重力の方向が同じになり、排水性が向上
し、フラッディングを起こしにくくなる。請求項２の燃
料電池によれば、冷媒流れ方向が酸化ガス流れ方向と同
期させて切り替えられるので、冷媒流れ方向を酸化ガス
流れ方向に常に合わせることにより、（イ）ドライ条
件では酸化ガス入口側を冷媒の入口側に対応させて効果
的に冷やし、飽和水蒸気圧を下げて乾燥しにくくし、ド
ライアップをより一層抑制でき、（ロ）ウエット条件
では酸化ガス出口側を冷媒出口側に対応させて飽和水蒸
気圧を上げて乾燥しやすくし、湿潤過多をより一層抑制
し、これによって、燃料電池の全運転状態において、さ
らに水分分布が均一化される。請求項３の燃料電池によ
れば、燃料電池が固体高分子型である場合にも、上記請
求項１、２の燃料電池の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の全体概略図である。

【図２】本発明の燃料電池の一部分の拡大断面図であ
る。

【図３】本発明の燃料電池の、ウエット条件（たとえ
ば、低温時）でのガス流路（カソード側の酸化ガス流路
およびアノード側の燃料ガス流路）の正面図である。

【図４】本発明の燃料電池の、ドライ条件（たとえば、
高温時）でのガス流路（カソード側の酸化ガス流路およ
びアノード側の燃料ガス流路）の正面図である。

【図５】本発明の燃料電池の、ウエット条件（たとえ
ば、低温時）での冷媒流路の正面図である。

【図６】本発明の燃料電池の、ドライ条件（たとえば、
高温時）での冷媒流路の正面図である。

【図７】本発明の燃料電池の、ドライ条件とドライ条件
での酸化ガス流れの重力方向、反重力方向の切替えに不
感帯を設けた場合の、温度と酸化ガス流れ方向との関係
を示す制御マップと制御フローチャートである。

【図８】本発明の実施例１の燃料電池とその反転装置の
側面図である。

【図９】本発明の実施例２の燃料電池とその酸化ガス反
転装置の、ウエット条件（たとえば、低温時）での系統
図である。

【図１０】本発明の実施例２の燃料電池とその酸化ガス
反転装置の、ドライ条件（たとえば、高温時）での系統
図である。

【符号の説明】

１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード、燃料極）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード、空気極）１８セパレータ１９モジュール２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４テンションプレート２５ボルト２６冷媒流路２７ガス流路２７ａ燃料ガス流路２７ｂ酸化ガス流路２８冷媒マニホールド２９ガスマニホールド２９ａ燃料ガスマニホールド２９ｂ酸化ガスマニホールド３０軸３１軸受３２ウオームホイール３３ウオーム３４モータ３５ＥＣＵ３６切替え弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化ガス流れ方向が燃料電池の運転状態
に応じて切り替え可能とされており、酸化ガス流れ方向
が、ドライ条件では反重力方向に、ウエット条件では重
力方向に、切り替えられる燃料電池。
【請求項２】冷媒流れ方向も切替え可能とされてお
り、冷媒流れ方向が前記酸化ガス流れ方向と同期させて
切り替えられる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記燃料電池が固体高分子型である請求
項１または請求項２記載の燃料電池。