燃料電池システム
【課題】低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池２０が積層された燃料電池スタック１２と、酸化剤ガス供給装置１４と、燃料ガス供給装置１６と、空気供給路５２と燃料オフガス路７２との間で水分を受け渡す第１加湿器５４と、前記空気供給路５２と酸化剤オフガス路６０との間で水分を受け渡す第２加湿器６２と、前記燃料電池スタック１２の負荷が所定値以下である際、前記第１加湿器５４のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御するコントローラ１８とを備える。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池２０が積層された燃料電池スタック１２と、酸化剤ガス供給装置１４と、燃料ガス供給装置１６と、空気供給路５２と燃料オフガス路７２との間で水分を受け渡す第１加湿器５４と、前記空気供給路５２と酸化剤オフガス路６０との間で水分を受け渡す第２加湿器６２と、前記燃料電池スタック１２の負荷が所定値以下である際、前記第１加湿器５４のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御するコントローラ１８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００３】
通常、複数の燃料電池を積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、定置用の他、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されて、車載用燃料電池システムを構成している。
【０００４】
この種の燃料電池では、電解質膜による良好なイオン伝導性を確保するために、前記電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。
【０００５】
その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。また、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路には、水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。
【０００６】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料循環式燃料電池システムが知られている。この特許文献１は、燃料及び酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路に合流させる循環流路とを備えた燃料循環式燃料電池システムに関するものである。
【０００７】
この燃料循環式燃料電池システムは、循環流路及び／又は合流後の燃料供給流路の内部流体と、酸化剤又は燃料電池から排出される酸化剤オフガスとの間で、水分を移動させることにより、前記内部流体を加湿又は除湿して該内部流体の湿度を所望に調整可能にする加湿機能と除湿機能とを有する水透過膜式湿度調整装置を、前記循環流路及び／又は前記合流後の燃料供給流路に備えることを特徴としている。
【０００８】
これにより、循環流路からパージ動作によって燃料を放出することがなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４０２８３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、燃料電池の低負荷発電時には、燃料ガスの消費量が少なくなるため、アノード側のガス循環系に新規に投入されるドライ水素（燃料ガス）に比較して、発電反応による生成水が、電解質膜を透過して前記アノード側に移動する水量が多くなる。このため、アノード側のガス循環系が過飽和になり易く、発電性能が低下するおそれがある。
【００１１】
一方、燃料電池の高負荷発電時には、電気浸透によりアノード側の水分がカソード側へ移動する量が増加し、且つ燃料ガスの供給量が増加されるため、アノード側のガス循環系に新規に投入されるドライ水素に比べて、前記アノード側に移動する水量が少なくなり易い。従って、燃料電池のガス入口付近が乾燥状態になるという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の燃料電池において、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時に電解質膜が乾燥するのを良好に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路及び該燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路を設ける酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び該燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路を設ける燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１４】
この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路と燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第１加湿器と、前記酸化剤ガス供給路と酸化剤オフガス路との間で水分を受け渡す第２加湿器と、燃料電池の負荷が所定値以下である際、前記第１加湿器のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御する制御部とを備えている。
【００１５】
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路は、第１加湿器を迂回し且つ第２加湿器を通る迂回供給路を有するとともに、前記迂回供給路を流通する酸化剤ガスの流量を制御する調整弁を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、燃料電池が低負荷発電される際、酸化剤ガス供給路と燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第１加湿器のみにより、酸化剤ガスが加湿されている。
【００１７】
従って、燃料電池から燃料オフガス路に排出される燃料オフガスは、酸化剤ガス供給路を流通するドライ空気（酸化剤ガス）に十分な水分を供給することができる。これにより、アノード側のガス循環系が過飽和になって発電性能が低下することがなく、しかも、燃料オフガスのパージ動作による排水回数を抑制することが可能になる。
【００１８】
一方、燃料電池が高負荷発電される際、第１加湿器及び第２加湿器を併用することができる。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が増加することによるガス入口付近の乾燥を良好に阻止することが可能になる。
【００１９】
これにより、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図５】前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される車載型燃料電池システムを構成する。
【００２２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷媒体を供給するための冷媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御部）１８とを備える。
【００２３】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、電解質膜・電極構造体２２が、第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６に挟持される。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池２０の矢印Ｃ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１、前記酸化剤ガスを供給するための第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２、及び前記燃料ガスを排出するための第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２が、矢印Ｂ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２５】
燃料電池２０の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１、酸化剤ガスを排出するための第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、前記燃料ガスを供給するための第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２、及び前記酸化剤ガスを排出するための第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２が、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２６】
燃料電池２０の矢印Ｂ方向の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷媒体を供給するための第１冷媒体入口連通孔３２ａ１、及び前記冷媒体を排出するための第１冷媒体出口連通孔３２ｂ１が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池２０の矢印Ｂ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷媒体を供給するための第２冷媒体入口連通孔３２ａ２、及び前記冷媒体を排出するための第２冷媒体出口連通孔３２ｂ２が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２８】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１と第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１とに連通する第１酸化剤ガス流路３４ａ、及び第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２と第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２とに連通する第２酸化剤ガス流路３４ｂが、個別に設けられる。第１酸化剤ガス流路３４ａ及び第２酸化剤ガス流路３４ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路溝により構成される。
【００２９】
図３に示すように、第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１と第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１とに連通する第１燃料ガス流路３６ａ、及び第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２と第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２とに連通する第２燃料ガス流路３６ｂが、個別に設けられる。第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に延在する複数本の燃料ガス流路溝により構成される。
【００３０】
第１酸化剤ガス流路３４ａ及び第２酸化剤ガス流路３４ｂの酸化剤ガス流れ方向と、第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂの燃料ガス流れ方向とは、互いに逆方向に、すなわち、対向流に構成される。
【００３１】
図２に示すように、互いに隣接する燃料電池２０を構成する第１セパレータ２４の面２４ｂと、第２セパレータ２６の面２６ｂとの間には、第１冷媒体流路３８ａ及び第２冷媒体流路３８ｂが、個別に設けられる。第１冷媒体流路３８ａは、第１冷媒体入口連通孔３２ａ１と第１冷媒体出口連通孔３２ｂ１とに連通し、第２冷媒体流路３８ｂは、第２冷媒体入口連通孔３２ａ２と第２冷媒体出口連通孔３２ｂ２とに連通する。第１冷媒体流路３８ａ及び第２冷媒体流路３８ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に延在する複数本の冷媒体流路溝により構成される。
【００３２】
第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６には、それぞれシール部材４０、４２が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４０、４２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３３】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４４と、前記固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４６及びアノード電極４８とを備える。
【００３４】
カソード電極４６及びアノード電極４８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４４の両面に形成される。
【００３５】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給路（酸化剤ガス供給路）５２に配設される。
【００３６】
空気供給路５２には、後述するように、供給酸化剤ガスと排出燃料ガス（以下、燃料オフガスという）との間で水分と熱を交換する第１加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給路５２は、燃料電池スタック１２の第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１及び第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２に連通する。第１加湿器５４は、例えば、イオン交換膜を用いた中空糸膜型加湿モジュールやイオン交換膜を用いた平膜型加湿モジュール等が使用される。このため、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに透過して混合することを阻止することができる。
【００３７】
空気供給路５２には、第１加湿器５４を迂回する迂回供給路５６が設けられるとともに、前記迂回供給路５６には、該迂回供給路５６を流通する酸化剤ガスの流量を制御する調整弁５８が配置される。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１４は、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２に連通する酸化剤オフガス路６０を備える。酸化剤オフガス路６０には、第２加湿器６２が配置されるとともに、前記第２加湿器６２には、迂回供給路５６が接続される。第２加湿器６２は、第１加湿器５４と同様に構成されており、例えば、多孔質膜を用いた中空糸膜型加湿モジュールやイオン交換膜を用いた平膜型加湿モジュール等が使用される。第２加湿器６２は、空気供給路５２と酸化剤オフガス路６０との間で水分を受け渡す。酸化剤オフガス路６０には、第２加湿器６２の下流に位置して希釈ボックス６４が配置される。
【００３９】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ２タンク）６６を備える。水素タンク６６は、水素供給路（燃料ガス供給路）６８を介して燃料電池スタック１２の第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１及び第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２に連通する。この水素供給路６８には、エゼクタ７０が設けられる。エゼクタ７０は、燃料ガスのオフガスを吸引して水素供給路６８に供給する。
【００４０】
燃料電池スタック１２の第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２には、燃料オフガス路７２が連通する。燃料オフガス路７２の途上には、第１加湿器５４が配置され、空気供給路５２と前記燃料オフガス路７２との間で水分を受け渡す。
【００４１】
燃料オフガス路７２は、エゼクタ７０の吸引口側に連通して水素循環路を構成する。この燃料オフガス路７２には、ドレイン路７４が接続されるとともに、前記ドレイン路７４は、パージバルブ７６を介装して希釈ボックス６４に接続される。
【００４２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図示しない燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチ等により燃料電池システム１０が起動されると、燃料電池スタック１２による発電が開始される。
【００４４】
通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給路５２に空気が送られる。この空気は、第１加湿器５４又は第２加湿器６２の少なくとも一方を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１及び第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク６６から水素供給路６８に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給路６８を通って燃料電池スタック１２の第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１及び第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２に供給される。
【００４６】
図２に示すように、空気は、第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１と第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２とから、それぞれ第１セパレータ２４の第１酸化剤ガス流路３４ａと第２酸化剤ガス流路３４ｂとに導入される。空気は、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード電極４６に供給される。
【００４７】
一方、水素ガスは、図２及び図３に示すように、第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１と第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２とから、それぞれ第２セパレータ２６の第１燃料ガス流路３６ａと第２燃料ガス流路３６ｂとに導入される。この水素ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード電極４８に供給される。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極４６に供給される空気と、アノード電極４８に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４９】
また、燃料電池スタック１２に供給された冷媒体は、第１冷媒体入口連通孔３２ａ１と第２冷媒体入口連通孔３２ａ２とに導入される。この冷媒体は、第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６間の第１冷媒体流路３８ａと第２冷媒体流路３８ｂとに導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、第１冷媒体出口連通孔３２ｂ１と第２冷媒体出口連通孔３２ｂ２とから排出される。
【００５０】
次いで、カソード電極４６に供給されて少なくとも一部が消費された空気は、酸化剤オフガスとして第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１と第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２とに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極４８に供給されて少なくとも一部が消費された水素ガスは、燃料オフガスとして第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１と第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２とに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５１】
図１に示すように、酸化剤オフガスは、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１と第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２とから酸化剤オフガス路６０に排出される。この酸化剤オフガスは、第２加湿器６２に送られることによって、新たに供給される空気を加湿した後、希釈ボックス６４に排出される。希釈ボックス６４には、燃料オフガス路７２からドレイン路７４に排出された燃料ガスが供給され、この燃料ガスが空気と混在して希釈された後、外部に排出される。
【００５２】
燃料オフガスは、第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１と第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２とから燃料オフガス路７２を介して第１加湿器５４に送られる。この燃料オフガスは、第１加湿器５４を流通することにより、新たに供給される空気を加湿した後、エゼクタ７０に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。
【００５３】
この場合、コントローラ１８では、負荷印加が開始された後、燃料電池スタック１２の電流値を検出している。そして、検出された電流値が、所定電流値（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２）以下であると判断されると、すなわち、燃料電池スタック１２が低負荷発電であると判断されると、調整弁５８が閉塞される。このため、エアポンプ５０により供給される新たな空気は、第１加湿器５４のみに供給され、第２加湿器６２への供給が停止される。
【００５４】
従って、燃料電池スタック１２から燃料オフガス路７２に排出される燃料オフガスは、空気供給路５２を流通するドライ空気（酸化剤ガス）に十分な水分を供給することができる。これにより、アノード側のガス循環系（水素供給路６８、燃料電池スタック１２内のアノード側及び燃料オフガス路７２等により形成される系）が、水分の過飽和状態になって発電性能が低下することがない。しかも、燃料オフガス中の水分が良好に除去されるため、前記燃料オフガスのパージ動作による排水回数を抑制することが可能になる。
【００５５】
一方、コントローラ１８では、検出された電流値が、所定電流値（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２）を超えると判断されると、すなわち、燃料電池スタック１２が高負荷発電であると判断されると、調整弁５８が開放制御される。このため、第１加湿器５４及び第２加湿器６２を併用することができ、燃料ガスの供給量及び酸化剤ガスの供給量が増加することによるガス入口付近の乾燥を良好に阻止することが可能になる。
【００５６】
これにより、第１の実施形態では、低負荷発電時（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２以下程度）の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時に固体高分子電解質膜４４が乾燥するのを良好に抑制することができるという効果が得られる。なお、低負荷発電時は、車両のアイドリング停止時も含む。
【００５７】
さらに、第１酸化剤ガス流路３４ａ及び第２酸化剤ガス流路３４ｂの酸化剤ガス流れ方向と、第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂの燃料ガス流れ方向とは、対向流に構成されている。このため、電解質膜・電極構造体２２の両面の水分量を自己拡散により均一化させることが可能になる。
【００５８】
しかも、酸化剤ガス流路は、第１酸化剤ガス流路３４ａと第２酸化剤ガス流路３４ｂとに分割される一方、燃料ガス流路は、第１燃料ガス流路３６ａと第２燃料ガス流路３６ｂとに分割されている。従って、面内における水分量が一層均一化され、結露発生領域が低減されるとともに、低加湿運転での耐久性が向上するという利点がある。なお、酸化剤ガス流路は、２分割に限定されるものではなく、例えば、３分割以上でもよい。
【００５９】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成説明図である。燃料電池システム８０は、燃料電池８２を備える他、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
燃料電池８２は、図４及び図５に示すように、電解質膜・電極構造体８４が、第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８に挟持される。第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
【００６１】
図５に示すように、燃料電池８２の矢印Ｃ方向（図５中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００６２】
燃料電池８２の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００６３】
第１セパレータ８６の電解質膜・電極構造体８４に向かう面８６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する酸化剤ガス流路３４が設けられる。
【００６４】
第２セパレータ８８の電解質膜・電極構造体８４に向かう面８８ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３６が設けられる。
【００６５】
互いに隣接する燃料電池８２を構成する第１セパレータ８６の面８６ｂと、第２セパレータ８８の面８８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路３８が設けられる。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６７】
１０、８０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ ２０、８２…燃料電池
２２、８４…電解質膜・電極構造体 ２４、２６、８６、８８…セパレータ
３４、３４ａ、３４ｂ…酸化剤ガス流路 ３６、３６ａ、３６ｂ…燃料ガス流路
３８、３８ａ、３８ｂ…冷媒体流路 ４４…固体高分子電解質膜
４６…カソード電極 ４８…アノード電極
５０…エアポンプ ５２…空気供給路
５４、６２…加湿器 ５６…迂回供給路
５８…調整弁 ６０…酸化剤オフガス路
６６…水素タンク ６８…水素供給路
７０…エゼクタ ７２…燃料オフガス路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００３】
通常、複数の燃料電池を積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、定置用の他、例えば、燃料電池電気自動車に搭載されて、車載用燃料電池システムを構成している。
【０００４】
この種の燃料電池では、電解質膜による良好なイオン伝導性を確保するために、前記電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。
【０００５】
その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。また、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路には、水分が凝縮して滞留し易く、凝縮水によるフラッディングが惹起するおそれがある。
【０００６】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料循環式燃料電池システムが知られている。この特許文献１は、燃料及び酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路に合流させる循環流路とを備えた燃料循環式燃料電池システムに関するものである。
【０００７】
この燃料循環式燃料電池システムは、循環流路及び／又は合流後の燃料供給流路の内部流体と、酸化剤又は燃料電池から排出される酸化剤オフガスとの間で、水分を移動させることにより、前記内部流体を加湿又は除湿して該内部流体の湿度を所望に調整可能にする加湿機能と除湿機能とを有する水透過膜式湿度調整装置を、前記循環流路及び／又は前記合流後の燃料供給流路に備えることを特徴としている。
【０００８】
これにより、循環流路からパージ動作によって燃料を放出することがなく燃料オフガスの湿度を所望に調整することができ、その結果、燃料電池に供給される燃料の湿度を所望に調整することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４０２８３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、燃料電池の低負荷発電時には、燃料ガスの消費量が少なくなるため、アノード側のガス循環系に新規に投入されるドライ水素（燃料ガス）に比較して、発電反応による生成水が、電解質膜を透過して前記アノード側に移動する水量が多くなる。このため、アノード側のガス循環系が過飽和になり易く、発電性能が低下するおそれがある。
【００１１】
一方、燃料電池の高負荷発電時には、電気浸透によりアノード側の水分がカソード側へ移動する量が増加し、且つ燃料ガスの供給量が増加されるため、アノード側のガス循環系に新規に投入されるドライ水素に比べて、前記アノード側に移動する水量が少なくなり易い。従って、燃料電池のガス入口付近が乾燥状態になるという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の燃料電池において、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時に電解質膜が乾燥するのを良好に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路及び該燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路を設ける酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び該燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路を設ける燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１４】
この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路と燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第１加湿器と、前記酸化剤ガス供給路と酸化剤オフガス路との間で水分を受け渡す第２加湿器と、燃料電池の負荷が所定値以下である際、前記第１加湿器のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御する制御部とを備えている。
【００１５】
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路は、第１加湿器を迂回し且つ第２加湿器を通る迂回供給路を有するとともに、前記迂回供給路を流通する酸化剤ガスの流量を制御する調整弁を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、燃料電池が低負荷発電される際、酸化剤ガス供給路と燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第１加湿器のみにより、酸化剤ガスが加湿されている。
【００１７】
従って、燃料電池から燃料オフガス路に排出される燃料オフガスは、酸化剤ガス供給路を流通するドライ空気（酸化剤ガス）に十分な水分を供給することができる。これにより、アノード側のガス循環系が過飽和になって発電性能が低下することがなく、しかも、燃料オフガスのパージ動作による排水回数を抑制することが可能になる。
【００１８】
一方、燃料電池が高負荷発電される際、第１加湿器及び第２加湿器を併用することができる。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が増加することによるガス入口付近の乾燥を良好に阻止することが可能になる。
【００１９】
これにより、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図５】前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される車載型燃料電池システムを構成する。
【００２２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷媒体を供給するための冷媒体供給装置（図示せず）と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御部）１８とを備える。
【００２３】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、電解質膜・電極構造体２２が、第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６に挟持される。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池２０の矢印Ｃ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１、前記酸化剤ガスを供給するための第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２、及び前記燃料ガスを排出するための第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２が、矢印Ｂ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２５】
燃料電池２０の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１、酸化剤ガスを排出するための第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１、前記燃料ガスを供給するための第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２、及び前記酸化剤ガスを排出するための第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２が、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００２６】
燃料電池２０の矢印Ｂ方向の一端縁部（上端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷媒体を供給するための第１冷媒体入口連通孔３２ａ１、及び前記冷媒体を排出するための第１冷媒体出口連通孔３２ｂ１が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２７】
燃料電池２０の矢印Ｂ方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷媒体を供給するための第２冷媒体入口連通孔３２ａ２、及び前記冷媒体を排出するための第２冷媒体出口連通孔３２ｂ２が、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２８】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１と第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１とに連通する第１酸化剤ガス流路３４ａ、及び第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２と第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２とに連通する第２酸化剤ガス流路３４ｂが、個別に設けられる。第１酸化剤ガス流路３４ａ及び第２酸化剤ガス流路３４ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路溝により構成される。
【００２９】
図３に示すように、第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１と第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１とに連通する第１燃料ガス流路３６ａ、及び第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２と第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２とに連通する第２燃料ガス流路３６ｂが、個別に設けられる。第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に延在する複数本の燃料ガス流路溝により構成される。
【００３０】
第１酸化剤ガス流路３４ａ及び第２酸化剤ガス流路３４ｂの酸化剤ガス流れ方向と、第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂの燃料ガス流れ方向とは、互いに逆方向に、すなわち、対向流に構成される。
【００３１】
図２に示すように、互いに隣接する燃料電池２０を構成する第１セパレータ２４の面２４ｂと、第２セパレータ２６の面２６ｂとの間には、第１冷媒体流路３８ａ及び第２冷媒体流路３８ｂが、個別に設けられる。第１冷媒体流路３８ａは、第１冷媒体入口連通孔３２ａ１と第１冷媒体出口連通孔３２ｂ１とに連通し、第２冷媒体流路３８ｂは、第２冷媒体入口連通孔３２ａ２と第２冷媒体出口連通孔３２ｂ２とに連通する。第１冷媒体流路３８ａ及び第２冷媒体流路３８ｂは、それぞれ矢印Ｃ方向に延在する複数本の冷媒体流路溝により構成される。
【００３２】
第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６には、それぞれシール部材４０、４２が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４０、４２は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００３３】
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４４と、前記固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４６及びアノード電極４８とを備える。
【００３４】
カソード電極４６及びアノード電極４８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４４の両面に形成される。
【００３５】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給路（酸化剤ガス供給路）５２に配設される。
【００３６】
空気供給路５２には、後述するように、供給酸化剤ガスと排出燃料ガス（以下、燃料オフガスという）との間で水分と熱を交換する第１加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給路５２は、燃料電池スタック１２の第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１及び第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２に連通する。第１加湿器５４は、例えば、イオン交換膜を用いた中空糸膜型加湿モジュールやイオン交換膜を用いた平膜型加湿モジュール等が使用される。このため、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに透過して混合することを阻止することができる。
【００３７】
空気供給路５２には、第１加湿器５４を迂回する迂回供給路５６が設けられるとともに、前記迂回供給路５６には、該迂回供給路５６を流通する酸化剤ガスの流量を制御する調整弁５８が配置される。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１４は、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１及び第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２に連通する酸化剤オフガス路６０を備える。酸化剤オフガス路６０には、第２加湿器６２が配置されるとともに、前記第２加湿器６２には、迂回供給路５６が接続される。第２加湿器６２は、第１加湿器５４と同様に構成されており、例えば、多孔質膜を用いた中空糸膜型加湿モジュールやイオン交換膜を用いた平膜型加湿モジュール等が使用される。第２加湿器６２は、空気供給路５２と酸化剤オフガス路６０との間で水分を受け渡す。酸化剤オフガス路６０には、第２加湿器６２の下流に位置して希釈ボックス６４が配置される。
【００３９】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ２タンク）６６を備える。水素タンク６６は、水素供給路（燃料ガス供給路）６８を介して燃料電池スタック１２の第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１及び第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２に連通する。この水素供給路６８には、エゼクタ７０が設けられる。エゼクタ７０は、燃料ガスのオフガスを吸引して水素供給路６８に供給する。
【００４０】
燃料電池スタック１２の第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１及び第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２には、燃料オフガス路７２が連通する。燃料オフガス路７２の途上には、第１加湿器５４が配置され、空気供給路５２と前記燃料オフガス路７２との間で水分を受け渡す。
【００４１】
燃料オフガス路７２は、エゼクタ７０の吸引口側に連通して水素循環路を構成する。この燃料オフガス路７２には、ドレイン路７４が接続されるとともに、前記ドレイン路７４は、パージバルブ７６を介装して希釈ボックス６４に接続される。
【００４２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図示しない燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチ等により燃料電池システム１０が起動されると、燃料電池スタック１２による発電が開始される。
【００４４】
通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給路５２に空気が送られる。この空気は、第１加湿器５４又は第２加湿器６２の少なくとも一方を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１及び第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク６６から水素供給路６８に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給路６８を通って燃料電池スタック１２の第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１及び第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２に供給される。
【００４６】
図２に示すように、空気は、第１酸化剤ガス入口連通孔２８ａ１と第２酸化剤ガス入口連通孔２８ａ２とから、それぞれ第１セパレータ２４の第１酸化剤ガス流路３４ａと第２酸化剤ガス流路３４ｂとに導入される。空気は、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード電極４６に供給される。
【００４７】
一方、水素ガスは、図２及び図３に示すように、第１燃料ガス入口連通孔３０ａ１と第２燃料ガス入口連通孔３０ａ２とから、それぞれ第２セパレータ２６の第１燃料ガス流路３６ａと第２燃料ガス流路３６ｂとに導入される。この水素ガスは、矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード電極４８に供給される。
【００４８】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極４６に供給される空気と、アノード電極４８に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４９】
また、燃料電池スタック１２に供給された冷媒体は、第１冷媒体入口連通孔３２ａ１と第２冷媒体入口連通孔３２ａ２とに導入される。この冷媒体は、第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６間の第１冷媒体流路３８ａと第２冷媒体流路３８ｂとに導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、第１冷媒体出口連通孔３２ｂ１と第２冷媒体出口連通孔３２ｂ２とから排出される。
【００５０】
次いで、カソード電極４６に供給されて少なくとも一部が消費された空気は、酸化剤オフガスとして第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１と第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２とに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極４８に供給されて少なくとも一部が消費された水素ガスは、燃料オフガスとして第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１と第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２とに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００５１】
図１に示すように、酸化剤オフガスは、第１酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ１と第２酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ２とから酸化剤オフガス路６０に排出される。この酸化剤オフガスは、第２加湿器６２に送られることによって、新たに供給される空気を加湿した後、希釈ボックス６４に排出される。希釈ボックス６４には、燃料オフガス路７２からドレイン路７４に排出された燃料ガスが供給され、この燃料ガスが空気と混在して希釈された後、外部に排出される。
【００５２】
燃料オフガスは、第１燃料ガス出口連通孔３０ｂ１と第２燃料ガス出口連通孔３０ｂ２とから燃料オフガス路７２を介して第１加湿器５４に送られる。この燃料オフガスは、第１加湿器５４を流通することにより、新たに供給される空気を加湿した後、エゼクタ７０に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。
【００５３】
この場合、コントローラ１８では、負荷印加が開始された後、燃料電池スタック１２の電流値を検出している。そして、検出された電流値が、所定電流値（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２）以下であると判断されると、すなわち、燃料電池スタック１２が低負荷発電であると判断されると、調整弁５８が閉塞される。このため、エアポンプ５０により供給される新たな空気は、第１加湿器５４のみに供給され、第２加湿器６２への供給が停止される。
【００５４】
従って、燃料電池スタック１２から燃料オフガス路７２に排出される燃料オフガスは、空気供給路５２を流通するドライ空気（酸化剤ガス）に十分な水分を供給することができる。これにより、アノード側のガス循環系（水素供給路６８、燃料電池スタック１２内のアノード側及び燃料オフガス路７２等により形成される系）が、水分の過飽和状態になって発電性能が低下することがない。しかも、燃料オフガス中の水分が良好に除去されるため、前記燃料オフガスのパージ動作による排水回数を抑制することが可能になる。
【００５５】
一方、コントローラ１８では、検出された電流値が、所定電流値（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２）を超えると判断されると、すなわち、燃料電池スタック１２が高負荷発電であると判断されると、調整弁５８が開放制御される。このため、第１加湿器５４及び第２加湿器６２を併用することができ、燃料ガスの供給量及び酸化剤ガスの供給量が増加することによるガス入口付近の乾燥を良好に阻止することが可能になる。
【００５６】
これにより、第１の実施形態では、低負荷発電時（例えば、０．２Ａ／ｃｍ２以下程度）の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時に固体高分子電解質膜４４が乾燥するのを良好に抑制することができるという効果が得られる。なお、低負荷発電時は、車両のアイドリング停止時も含む。
【００５７】
さらに、第１酸化剤ガス流路３４ａ及び第２酸化剤ガス流路３４ｂの酸化剤ガス流れ方向と、第１燃料ガス流路３６ａ及び第２燃料ガス流路３６ｂの燃料ガス流れ方向とは、対向流に構成されている。このため、電解質膜・電極構造体２２の両面の水分量を自己拡散により均一化させることが可能になる。
【００５８】
しかも、酸化剤ガス流路は、第１酸化剤ガス流路３４ａと第２酸化剤ガス流路３４ｂとに分割される一方、燃料ガス流路は、第１燃料ガス流路３６ａと第２燃料ガス流路３６ｂとに分割されている。従って、面内における水分量が一層均一化され、結露発生領域が低減されるとともに、低加湿運転での耐久性が向上するという利点がある。なお、酸化剤ガス流路は、２分割に限定されるものではなく、例えば、３分割以上でもよい。
【００５９】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成説明図である。燃料電池システム８０は、燃料電池８２を備える他、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
燃料電池８２は、図４及び図５に示すように、電解質膜・電極構造体８４が、第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８に挟持される。第１セパレータ８６及び第２セパレータ８８は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。
【００６１】
図５に示すように、燃料電池８２の矢印Ｃ方向（図５中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００６２】
燃料電池８２の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。
【００６３】
第１セパレータ８６の電解質膜・電極構造体８４に向かう面８６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する酸化剤ガス流路３４が設けられる。
【００６４】
第２セパレータ８８の電解質膜・電極構造体８４に向かう面８８ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３６が設けられる。
【００６５】
互いに隣接する燃料電池８２を構成する第１セパレータ８６の面８６ｂと、第２セパレータ８８の面８８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとを連通する冷却媒体流路３８が設けられる。
【００６６】
このように構成される第２の実施形態では、低負荷発電時の安定性確保とパージ頻度の低減を図るとともに、高負荷発電時の乾燥を良好に抑制することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６７】
１０、８０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ ２０、８２…燃料電池
２２、８４…電解質膜・電極構造体 ２４、２６、８６、８８…セパレータ
３４、３４ａ、３４ｂ…酸化剤ガス流路 ３６、３６ａ、３６ｂ…燃料ガス流路
３８、３８ａ、３８ｂ…冷媒体流路 ４４…固体高分子電解質膜
４６…カソード電極 ４８…アノード電極
５０…エアポンプ ５２…空気供給路
５４、６２…加湿器 ５６…迂回供給路
５８…調整弁 ６０…酸化剤オフガス路
６６…水素タンク ６８…水素供給路
７０…エゼクタ ７２…燃料オフガス路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路及び該燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路を設ける酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び該燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路を設ける燃料ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給路と前記燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第１加湿器と、
前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤オフガス路との間で水分を受け渡す第２加湿器と、
前記燃料電池の負荷が所定値以下である際、前記第１加湿器のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給路は、前記第１加湿器を迂回し且つ前記第２加湿器を通る迂回供給路を有するとともに、
前記迂回供給路を流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する調整弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路及び該燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス路を設ける酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び該燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス路を設ける燃料ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給路と前記燃料オフガス路との間で水分を受け渡す第１加湿器と、
前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤オフガス路との間で水分を受け渡す第２加湿器と、
前記燃料電池の負荷が所定値以下である際、前記第１加湿器のみにより前記酸化剤ガスを加湿するように制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給路は、前記第１加湿器を迂回し且つ前記第２加湿器を通る迂回供給路を有するとともに、
前記迂回供給路を流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する調整弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６９５３６（Ｐ２０１３−６９５３６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７１３９（Ｐ２０１１−２０７１３９）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]