JPH0927334A

JPH0927334A - 固体高分子電解質膜型燃料電池およびその制御方法

Info

Publication number: JPH0927334A
Application number: JP7173814A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Okamoto; 隆文岡本; Hideo Kato; 英男加藤; Takamasa Kawagoe; 敬正川越; Akio Yamamoto; 晃生山本; Ichiro Tanaka; 一郎田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1995-07-10
Publication date: 1997-01-28

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜を常に湿潤状態に保つとと
もに、再起動を迅速に行うことができる固体高分子電解
質膜型燃料電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】整流板８０を組み込んだマニホールド板４
２、面圧発生板４４、整流板７０、７２を組み込んだセ
パレータ本体４８、第２面圧発生板４６、整流板８２を
組み込んだマニホールド板５０、ガスケット３０、カソ
ード側電極板２４、固体高分子電解質膜２２、アノード
側電極板２６、ガスケット３２、…、整流板８２を組み
込んだ第２マニホールド板５０等エンドプレート８４と
エンドプレート８６との間で挟持する。マニホールド板
４２を介して燃料ガスを、マニホールド板５０を介して
酸化剤ガスを、燃料電池セル２０に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子電解質膜
型燃料電池およびその制御方法に関し、一層詳細には、
固体高分子電解質膜型燃料電池（以下、単に燃料電池と
もいう）の停止時に重力とは逆方向から加湿流体、例え
ば、水を該燃料電池に導入して、迅速且つ確実に燃料電
池自体を停止させ、この停止期間中にセパレータ、アノ
ード側電極板、電解質膜、カソード側電極板を湿潤状態
に維持し、起動時には燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料
電池に導入する際の圧力と不活性流体の重力による相互
作用を介して当該不活性流体を速やかに該燃料電池の外
部へと排出せしめ、これによって可及的迅速に燃料電池
の再起動を行うことを可能にした固体高分子電解質膜型
燃料電池およびその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質膜型燃料電池は、高分
子イオン交換膜からなる電解質と、この電解質の両側に
それぞれ配置される触媒電極および多孔質カーボン電極
とからなる単位セルを複数個積層して構成される。この
種の燃料電池において、アノード側に供給された水素
は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された
電解質を介してカソード側電極板へと移動する。その間
に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネ
ルギとして利用される。カソード側電極板には、酸化剤
ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されている
ために、このカソード側電極板において、前記水素イオ
ン、前記電子と酸素とが反応して水が生成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】その際、高分子イオン
交換膜からなる電解質は、イオン透過性を保持するため
に、充分に加湿させておく必要がある。この高分子イオ
ン交換膜に対する加湿は、一般的には、燃料電池の外部
に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃
料ガスとを加湿し、これらが水蒸気として燃料電池に送
られ高分子イオン交換膜が加湿される。そして、この種
の燃料電池が発電作用を終了すると、高分子イオン交換
膜からなる電解質に対しても加湿作用が施されなくなる
ため、当該高分子イオン交換膜は乾燥状態に戻ることに
なる。従って、この種の燃料電池を再起動する際には再
び高分子イオン交換膜を外部のガス加湿装置を用いて加
湿する必要がある。このため、燃料電池の立ち上がりに
極めて長い時間が必要とされる等の不都合が指摘されて
いた。

【０００４】一方、電解質として利用される高分子イオ
ン交換膜は完全に燃料ガスと酸化剤ガスを分離できる物
質ではなく、微量のガス透過性を有している。従って、
燃料ガスならびに酸化剤ガスがこの電解質を相互にリー
クして、例えば、触媒電極を介して触媒燃焼を起こす可
能性を有している。燃料電池作動時には、この種の高分
子イオン交換膜を利用した燃料電池の発電状態を監視す
るモニタ等が設置され、異常の有無を検知することが可
能であるが、一旦、該燃料電池が停止し、これを含むす
べてのシステムが停止状態に維持されると、モニタの監
視もなされなくなる。この結果、アノード側電極板とカ
ソード側電極板にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスの残留
した状態が維持される。しかしながら、該システムの停
止期間中の異常を検知することは困難である。

【０００５】さらにまた、固体高分子電解質膜型燃料電
池では、例えば、室温から１００℃の範囲で作動した
後、一旦停止する際、燃料電池自体を冷却するために相
当な長時間が必要とされる。この場合、燃料電池のイオ
ン導電成分の含水率が前記のごとき長期にわたる高温状
態によって低下することになる。結局、この燃料電池を
再起動する際に、低い含水率のためにイオン導電抵抗が
高くなり、再起動時から所定の出力に達するまでに相当
な長時間を要するという不都合が指摘されていた。

【０００６】本発明は、前記の種々の難点を克服するた
めになされたものであって、固体高分子電解質膜型燃料
電池が、たとえその停止時であっても異常状態に陥るこ
とのない、しかも再起動の際に極めて迅速に立ち上げる
ことが可能な固体高分子電解質膜型燃料電池およびその
制御方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極
板とカソード側電極板とで挟持して構成される燃料電池
において、少なくとも燃料ガス通路または酸化剤ガス通
路に固体高分子電解質膜用の加湿流体を供給排出する入
出口をそれぞれ設け、前記入出口をバルブ部材を介して
加湿流体供給源に接続することを特徴とする。

【０００８】また、本発明は、固体高分子電解質膜型燃
料電池の制御方法であって、前記燃料電池が停止する
際、少なくともアノード側とカソード側にそれぞれ設け
られる燃料ガス供給通路と、酸化剤ガス供給通路とに下
方から加湿流体を供給し、当該燃料電池の停止状態が維
持される間、前記加湿流体を前記燃料ガス供給通路の内
部と酸化剤ガス供給通路の内部に保持することを特徴と
する。

【０００９】燃料電池が停止されると、加湿流体、例え
ば、水を燃料ガス供給通路と酸化剤ガス供給通路とに供
給する。これによって、前記のそれぞれのガス供給通路
および電極の内部に残留する燃料ガス、例えば、水素ガ
スと酸化剤ガス、例えば、空気がそれぞれ通路から外部
へと導出され、前記それぞれの電極およびガス供給通路
に加湿流体が充分に満たされる。

【００１０】燃料電池が停止状態に維持されるとき、前
記のように、加湿流体はそのまま電極およびそれぞれの
ガス供給通路内部に留まり、当該電極とこれに接する固
体高分子電解質膜を湿潤状態に維持する。

【００１１】次に、停止状態を終了して当該燃料電池を
再起動しようとする際、その内部に滞留した加湿流体が
その重力によって燃料電池の外部へと排出される。その
際、例えば、アノード側に強制的に燃料ガスを供給する
と同時に、カソード側に強制的に酸化剤ガスを供給す
る。本来発電に供せられるこれらの燃料ガスと酸化剤ガ
スの圧力および加湿流体の重力によって、該加湿流体
は、外部に可及的速やかに排出される。

【００１２】この結果、燃料電池を再起動する際の時間
間隔が特に短くなる効果が得られるとともに、停止時に
触媒燃焼を惹起する不都合から回避される。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に係る固体高分子電解質膜
型燃料電池およびその制御方法について好適な実施の形
態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明す
る。

【００１４】図１および図２に示すように、本実施の形
態に係る固体高分子型燃料電池は、基本的には、燃料電
池セル２０を水平方向に多数積層して構成される。該燃
料電池セル２０は、固体高分子電解質膜２２を挟んでア
ノード側電極板２６とカソード側電極板２４とから構成
されるセル本体２８を含む。当該セル本体２８の構成に
ついては、例えば、国際公表公報Ｗ０９４−１５３７７
号に詳細な記載があり、本発明では、これを援用する。
この場合、図２に示すように、固体高分子電解質膜２２
とアノード側電極板２６とカソード側電極板２４とはそ
れぞれ分離構成されているが、これらを一体構成として
もよいことは言うまでもない。

【００１５】そこで、図３に示すように、前記電解質膜
２２の上部側には水素等の燃料ガスを１つの方向へと通
過させるための長円状の孔部２２ａと、冷却水を通過さ
せるための孔部２２ｂと、酸化剤ガス、例えば、酸素ガ
スを通過させるための孔部２２ｃとがその上部側に設け
られ、一方、前記電解質膜２２の下部側には燃料ガスを
通過させるための孔部２２ｄと、冷却水を通過させるた
めの孔部２２ｅと、さらに酸化剤ガスを通過させるため
の孔部２２ｆとが設けられている。なお、前記電解質膜
２２の側部に設けられている長円は該電解質膜２２の重
量を低減させるための孔部を示し、長円状の孔部はセル
スタックを組み立て固定するときのスタッド等を貫通さ
せる穴を示す。

【００１６】このように構成されるセル本体２８の両側
に第１ガスケット３０と第２ガスケット３２とが設けら
れる。第１ガスケット３０は、カソード側電極板２４を
収納するための大きな開口部３４を有し、一方、第２ガ
スケット３２にはアノード側電極板２６を収納するため
の開口部３６が画成されている。なお、第１ガスケット
３０、第２ガスケット３２にも、前記電解質膜２２と同
様に、燃料ガスを通過させるための孔部３０ａと３０
ｄ、冷却水を通過させるための孔部３０ｂと３０ｅ、酸
化剤ガスを通過させるための孔部３０ｃと３０ｆがそれ
ぞれ上部側と下部側に設けられており、第２ガスケット
３２においても同様である（図４参照）。なお、第１と
第２のガスケット３０、３２の側部に設けられている長
円は、当該ガスケット３０、３２の重量を低減させるた
めの孔部であり、真円状の孔部はセルスタックを組み立
て固定するときのスタッド等を貫通させる穴を示す。

【００１７】次に、図２を参照して、前記第１ガスケッ
ト３０、第２ガスケット３２が当接するとともに、その
一部にアノード側電極板２６、カソード側電極板２４を
収納する孔部が画成されたセパレータ４０について説明
する。

【００１８】セパレータ４０は、基本的に、第１マニホ
ールド板４２と、この第１マニホールド板４２に当接す
る第１面圧発生板４４と、前記第１面圧発生板４４と第
２面圧発生板４６との間で挟持されるセパレータ本体４
８と、前記第２面圧発生板４６に当接する第２マニホー
ルド板５０とから基本的に構成される。

【００１９】図５に示すように、前記第１マニホールド
板４２は、基本的に矩形状の平板で構成される。その右
上隅角部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用凹
部４２ａが設けられ、それに隣接して冷却水を供給する
ための冷却水排出用孔部４２ｂが設けられている。さら
にまた、第１マニホールド板４２の左上隅角部には酸化
剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用孔部４２ｃが
設けられる。そして、この第１マニホールド板４２の左
下隅角部には燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用
凹部４２ｄが設けられ、また、この燃料ガス排出用凹部
４２ｄに隣接して冷却水供給用孔部４２ｅが設けられ
る。そして、右下隅角部には酸化剤ガス排出用孔部４２
ｆが設けられる。なお、この場合、前記燃料ガス供給用
凹部４２ａと燃料ガス排出用凹部４２ｄとは、後述する
燃料ガス用整流板８０を収納する開口部４５によって連
通状態にある。一方、前記第１マニホールド板４２の両
側部にあって垂直方向へ延在する長円状の孔部は該第１
マニホールド板４２の重量を軽減するためのものであ
り、真円状の孔部は燃料電池セル２０の積層時にスタッ
ド等を挿通するために用いられる。

【００２０】この場合、第１マニホールド板４２と第２
マニホールド板５０とは基本的に対称に構成されてお
り、これを図６に示す。従って、第２マニホールド板５
０についてはその詳細な説明を省略するが、ここで、参
照符号５０ａは燃料ガス供給用孔部を示し、参照符号５
０ｂは冷却水排出用孔部を示し、参照符号５０ｃは酸化
剤ガス供給用凹部を示す。さらに、参照符号５０ｄは燃
料ガス排出用孔部を示し、参照符号５０ｅは冷却水供給
用孔部を、そして、参照符号５０ｆは酸化剤ガス排出用
凹部を示す。前記酸化剤ガス供給用凹部５０ｃと酸化剤
ガス排出用凹部５０ｆとは、後述する酸化剤ガス用整流
板８２を収納する開口部５２によって連通状態にある。

【００２１】以上のように構成される第１マニホールド
板４２に当接する第１面圧発生板４４について図７を参
照しながら説明する。なお、第２面圧発生板４６はこの
第１面圧発生板４４と実質的に同一であることから、そ
の詳細な説明を省略する。

【００２２】図から容易に諒解される通り、この第１面
圧発生板４４は、電子導電材で構成された平板または後
述する燃料ガス用整流板８０と一体化されるか、または
同一材で加工形成されたものからなり、その右上隅角部
には第１マニホールド板４２の前記燃料ガス供給用凹部
４２ａと連通する燃料ガス供給用連通孔４４ａが設けら
れ、これに隣接して前記冷却水排出用孔部４２ｂと連通
する冷却水排出用連通孔４４ｂが画成されている。さら
に、この第１面圧発生板４４の左上隅角部には酸化剤ガ
ス供給用孔部４２ｃに連通する連通孔４４ｃが設けられ
ている。さらにまた、前記第１面圧発生板４４の左下隅
角部には第１マニホールド板４２の燃料ガス排出用凹部
４２ｄと連通する連通孔４４ｄが、そして、この連通孔
４４ｄに近接して冷却水供給用孔部４２ｅに連通する連
通孔４４ｅが、またさらに、右下隅角部には酸化剤ガス
排出用孔部４２ｆに連通する連通孔４４ｆが設けられて
いる。前記第１面圧発生板４４に画成されている残余の
長円状の孔部はその重量を軽減するためのものであり、
また、真円状の孔部は、燃料電池セル２０を積層緊締す
る際のスタッド挿通用として用いられる。

【００２３】図８に、後述するセパレータ板を介して前
記第１マニホールド板４２と第２マニホールド板５０と
の間に挟持される第３のマニホールド板、すなわち、セ
パレータ本体４８を示す。このセパレータ本体４８は、
冷却水を供給して、セル本体２８を冷却するためのもの
である。比較的厚めのセパレータ本体４８は、好ましく
は導電性緻密材（中実体）で構成され、第１マニホール
ド板４２の燃料ガス供給用凹部４２ａ、第１面圧発生板
４４の連通孔４４ａと連通して燃料ガスを供給するため
の孔部４８ａをその右上隅角部に有する。第１マニホー
ルド板４２の冷却水排出用孔部４２ｂ、第１面圧発生板
４４の連通孔４４ｂに連通する冷却水排出用凹部４８ｂ
が前記孔部４８ａに隣接し、かつこのセパレータ本体４
８の略中央上部に設けられるとともに、左上隅角部には
第１マニホールド板４２の酸化剤ガス供給用孔部４２
ｃ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｃに連通する酸化
剤ガス供給用孔部４８ｃが設けられる。そして、左下隅
角部には第１マニホールド板４２の燃料ガス排出用凹部
４２ｄ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｄに連通する
孔部４８ｄが設けられ、図において、冷却水排出用凹部
４８ｂの直下に冷却水供給用凹部４８ｅが設けられてい
る。さらに、右下隅角部には、酸化剤ガス排出用孔部４
８ｆが設けられる。なお、凹部４８ｂと凹部４８ｅは大
きく画成された開口部６２によって連通状態にある。

【００２４】ここで、セパレータ本体４８の開口部６２
に冷却水整流板７０、７２が嵌合固定される。冷却水整
流板７０、７２を合わせると前記セパレータ本体４８の
厚さと略同じ厚さになる。冷却水整流板７０は、図にお
いて、垂直方向へと延在する複数本の並列な溝７０ａを
有し、同様に、冷却水整流板７２も平行な溝７２ａを複
数本並設して有している。従って、これら冷却水整流板
７０、７２を合わせると、その溝７０ａ、７２ａはそれ
ぞれ大きな冷却水整流用通路を互いに画成することにな
り、それぞれの冷却水整流用通路は前記冷却水排出用凹
部４８ｂ、冷却水供給用凹部４８ｅと連通状態を確保す
る。

【００２５】図１、図２および図９から諒解されるよう
に、第１マニホールド板４２の開口部４５に、前記のよ
うに、燃料ガス用整流板８０が嵌合される。前記燃料ガ
ス用整流板８０の一面は平坦に構成され、他面には垂直
方向へと延在する複数本の平行な溝８０ａを画成してい
る。この平行な溝８０ａによって燃料ガス供給用凹部４
２ａと燃料ガス排出用凹部４２ｄとが連通する。一方、
第２マニホールド板５０の開口部５２に酸化剤ガス用整
流板８２が嵌合される。前記酸化剤ガス用整流板８２の
一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する
複数本の平行な溝８２ａを画成している。この平行な溝
８２ａによって酸化剤ガス供給用凹部５０ｃと酸化剤ガ
ス排出用凹部５０ｆとが連通する。なお、第１マニホー
ルド板４２と整流板８０、第２マニホールド板５０と整
流板８２の厚さは、実質的に同一である。

【００２６】このように構成されたセパレータ本体４８
を第１面圧発生板４４、第２面圧発生板４６で挟持し、
さらにこれらを第１マニホールド板４２、第２マニホー
ルド板５０で挟持する。第１マニホールド板４２には第
２ガスケット３２が当接し、第２マニホールド板５０に
は第１ガスケット３０が当接し、それぞれのガスケット
３０、３２の間に、前記のように、セル本体２８が挟持
される。

【００２７】図２の矢印方向に沿って説明すると、整流
板８０を組み込んだ第１マニホールド板４２、第２ガス
ケット３２、アノード側電極板２６、電解質膜２２、カ
ソード側電極板２４、第１ガスケット３０、整流板８２
を組み込んだ第２マニホールド板５０、第２面圧発生板
４６、整流板７２、７０を組み込んだセパレータ本体４
８、第１面圧発生板４４の如く、これらの組を多数積層
し、一方の積層端部を第１のエンドプレート８４に当接
し、他方の積層端部を第２のエンドプレート８６に当接
し、該第１と第２のエンドプレート８４、８６を図示し
ないスタッドボルトで緊締する。

【００２８】この場合、第１エンドプレート８４には第
１マニホールド板４２の冷却水排出用孔部４２ｂに対面
するように冷却水を導出するための貫通孔８４ｂが画成
されるとともに、これに隣接して酸化剤ガスを導入する
ための貫通孔８４ｃが画成される。さらに、前記第１エ
ンドプレート８４には第１マニホールド板４２の酸化剤
ガス排出用孔部４２ｆに連通するように貫通孔８４ｆが
画成されている。

【００２９】一方、第２エンドプレート８６には、第１
マニホールド板４２の燃料ガス供給用凹部４２ａに連通
するように燃料ガスを供給するための貫通孔８６ａが画
成される。

【００３０】なお、この第２エンドプレート８６には、
例えば、第１マニホールド板４２の冷却水供給用孔部４
２ｅに連通する貫通孔８６ｅが画成されるとともに燃料
ガス排出用孔部４２ｄに連通する貫通孔８６ｄが画成さ
れている。このようにそれぞれの連通孔、孔部および凹
部が連通するように積層して、本発明に係る燃料電池が
構成されるに至る。すなわち、セル本体２８を構成する
固体高分子電解質膜２２の孔部２２ａと第１ガスケット
３０の孔部３０ａ、第２ガスケット３２の孔部３２ａ、
第１マニホールド板４２の凹部４２ａ、セパレータ本体
４８の孔部４８ａおよび第２マニホールド板５０の孔部
５０ａは、それぞれ連通状態を確保し、以下、冷却水供
給用孔部、冷却水排出用孔部、酸化剤ガス供給用孔部、
酸化剤排出用孔部もそれぞれ同様に連通状態を確保す
る。

【００３１】そこで、本発明では、第１マニホールド板
４２の凹部４２ａに第２エンドプレート８６の貫通孔８
６ａを介して燃料ガス、例えば、水素ガスを供給するた
めの供給管路１００を接続し、当該第１マニホールド板
４２の凹部４２ｄに該第２エンドプレート８６の貫通孔
８６ｄを介して燃料ガスを排出するための排出管路１０
２を接続する。前記燃料ガス供給管路１００に第１の開
閉弁１０４を介装し、燃料ガス排出管路１０２に第２の
開閉弁１０６を介装する。前記燃料ガス供給管路１００
と燃料ガス排出管路１０２との間を第１のバイパス管路
１０８で接続するとともに、この第１バイパス管路１０
８に第３の開閉弁１１０を介装する。前記燃料ガス排出
管路１０２と第１バイパス管路１０８とが第２開閉弁１
０６、第３開閉弁１１０の下流側で連結され、水凝縮器
１１２、第１の気水分離器１１４を経て、管路１１６に
よりリザーバ１１８に連通している。

【００３２】一方、酸化剤ガス供給管路１２０が第１エ
ンドプレート８４の貫通孔８４ｃを介して前記第２マニ
ホールド板５０の凹部５０ｃに接続され、当該第２マニ
ホールド板５０の凹部５０ｆには、第１エンドプレート
８４の貫通孔８４ｆを介して酸化剤ガス排出管路１２２
が接続されている。酸化剤ガス供給管路１２０には第４
開閉弁１２４が介装されるとともに、該酸化剤ガス排出
管路１２２には、第５開閉弁１２６が介装される。酸化
剤ガス供給管路１２０と酸化剤ガス排出管路１２２との
間は、第２のバイパス管路１２８により連通され、この
第２バイパス管路１２８に第６の開閉弁１３０が介装さ
れる。酸化剤ガス排出管路１２２と第２バイパス管路１
２８とがその下流側で管路１３２に接続され、この管路
１３２には、第２の水凝縮器１３４、第２の気水分離器
１３６が介装されてリザーバ１１８に連通されている。
前記リザーバ１１８には管路１３８が連通し、この管路
１３８にポンプ１４０が介装されている。管路１３８に
は分岐した管路１４２、１４４および１４６が連通し、
管路１４２には第７の開閉弁１４８が介装されるととも
に、燃料ガス排出管路１０２に接続されている。管路１
４４には第８の開閉弁１５０が介装されるとともに、こ
の管路１４４は第２エンドプレート８６の貫通孔８６ｅ
を介して冷却水用供給用凹部４８ｅに連通している。一
方、管路１４６には、第９の開閉弁１５２が介装される
とともに、この管路１４６は酸化剤ガス排出管路１２２
に接続されている。セパレータ本体４８の凹部４８ｂは
第１エンドプレートの貫通孔８４ｂ、管路１５４を介し
てリザーバ１１８に連通し、且つ、この管路１５４にラ
ジエータ１５６および第１０の開閉弁１５８が介装され
ている。このラジエータ１５６には、強制冷却用のファ
ン１６０が臨む。

【００３３】本実施の形態に係る燃料電池の制御システ
ムは、基本的には以上のように構成されるものであり、
次にその作用を図１０〜図１２を参照しながら説明す
る。

【００３４】図１０は、燃料電池が作動中の状態を示し
ている。この場合、燃料ガス供給管路１００には外部の
加湿装置によって加湿された燃料ガスとしての水素ガス
Ｈ₂が供給され、従って、第１開閉弁１０４は開状態で
あるとともに、第２開閉弁１０６も開状態である。

【００３５】一方、第１バイパス管路１０８の第３開閉
弁１１０は、閉状態を維持する。酸化剤ガス供給側で
は、第４開閉弁１２４が開状態であり、第５開閉弁１２
６も開状態である。そして、第２バイパス管路１２８に
介装された第６開閉弁１３０は、閉状態を維持する。な
お、開閉弁１４８、１５２は閉状態、開閉弁１５０、１
５８は開状態を維持する。この場合、駆動中のポンプ１
４０によりリザーバ１１８から供給される水はセパレー
タ本体４８を通り、燃料電池内の熱を除去して冷却部
（ラジエータ１５６、ファン１６０で構成されている）
で冷やされ、リザーバ１１８に戻る。このように供給さ
れる水は、イオン導電成分をほとんど含有しない、比抵
抗が１４ｍΩ・ｃｍ以上であるのが好ましい。この結
果、燃料ガス供給管路１００から供給された水素ガスＨ
₂は燃料電池セル２０を通り発電作用に供された後、該
燃料ガスの流路の最下流側の第１エンドプレート８４に
よって閉塞された第１マニホールド板４２の燃料ガス供
給用凹部４２ａ、整流板８０の溝８０ａ、燃料ガス排出
用凹部４２ｄを経て逆方向へと戻り、燃料ガス排出管路
１０２に至る。そして、第２開閉弁１０６を通り、水凝
縮器１１２で冷やされるとともに、気水分離器１１４で
未反応水素と液体、すなわち、水とに分離される。この
ように分離された水は管路１１６を通りリザーバ１１８
ヘ戻る。同様に、外部加湿装置で加湿された酸化剤ガス
Ｏ₂は酸化剤ガス供給管路１２０、第４開閉弁１２４、
第１エンドプレート８４の貫通孔８４ｃを経て第２マニ
ホールド板５０の酸化剤ガス供給用凹部５０ｃに至り、
整流板８２の溝８２ａを通って酸化剤ガス排出用凹部５
０ｆに到達する。

【００３６】図１および図２に示すように、第２エンド
プレート８６に第２マニホールド板５０およびこれに嵌
合する整流板８２が接しており、従って、該整流板８２
の溝８２ａは平坦な第２エンドプレート８６によって閉
塞された状態にある。従って、酸化剤ガス（空気）が最
下流側の第２マニホールド板５０の酸化剤ガス供給用凹
部５０ｃに到達すると、この酸化剤ガスは該凹部５０ｃ
から前記溝８２ａを通り、該第２マニホールド板５０の
酸化剤ガス排出用凹部５０ｆに至る。そして、セパレー
タ本体４８の孔部４８ｆ、第１マニホールド板４２の孔
部４２ｆ等を通って、第１エンドプレート８４の貫通孔
８４ｆから管路１２２側へと導出される。

【００３７】なお、冷却水は管路１４４から第２エンド
プレート８６の貫通孔８６ｅを通り、第２マニホールド
板５０の孔部５０ｅを経てセパレータ本体４８の凹部４
８ｅから整流板７０の溝７０ａ、整流板７２の溝７２ａ
によって画成される通路を通り、該セパレータ本体４８
の凹部４８ｂに到達する。そして、最終的には第１エン
ドプレート８４の貫通孔８４ｂを通り抜け、管路１５４
からリザーバ１１８に還流される。従って、燃料電池セ
ル２０から、この間に、公表公報ＷＯ９４／１５３７７
号に示されるようなプロセスを経て、直流電流が取り出
されることになる。

【００３８】次に、前記燃料電池が停止される際の操作
について、図１１を参照して以下に説明する。

【００３９】まず、燃料ガス側では第１開閉弁１０４、
第２開閉弁１０６が閉じられるとともに、第３開閉弁１
１０が開かれる。一方、酸化剤ガス側では、第４開閉弁
１２４、第５開閉弁１２６が閉じられるとともに、第６
開閉弁１３０が開かれる。これによって、燃料ガスなら
びに酸化剤ガスはそれぞれその供給が停止される。その
際、管路１００内に残留する燃料ガスは第１バイパス管
路１０８を通って第１気水分離器１１４側へと導出され
る。一方、管路１２０内に残留する酸化剤ガスは第２バ
イパス管路１２８を通って第２気水分離器１３６側へと
導出される。

【００４０】次に、第７開閉弁１４８、第９開閉弁１５
２が開となり、開閉弁１５０、１５８は閉となる。駆動
中のポンプ１４０によりリザーバ１１８から供給される
水は、管路１４２および１４６を通って第２エンドプレ
ート８６、第１マニホールド板４２、および第１エンド
プレート８４、第２マニホールド板５０側へと導入され
る。このとき、水は、それぞれ、第１マニホールド板４
２および第２マニホールド板５０の下方から上方へと徐
々に満たされる。

【００４１】この結果、燃料ガス供給管路１００に存在
している燃料ガスが第２エンドプレート８６、第１バイ
パス管路１０８、第３開閉弁１１０を通り、水凝縮器１
１２を介して第１気水分離器１１４に到達する。この第
１気水分離器１１４で分離された水はリザーバ１１８に
導入され、燃料ガスは外部へ導出される。一方、酸化剤
ガス供給側では、第２バイバス管路１２８、第６開閉弁
１３０を通り、管路１３２から第２水凝縮器１３４を経
て第２気水分離器１３６に到達する。この第２気水分離
器１３６で分離された水はリザーバ１１８に導入され、
酸化剤ガスは外部へと導出される。

【００４２】このようにアノード側電極板２６およびカ
ソード側電極板２４と各々のガス供給通路内に水が満た
され、それが検出手段によって検知されると、ポンプ１
４０はその付勢を停止され、停止状態が維持される。こ
の間に第１マニホールド板４２、第２マニホールド板５
０の間に挟持されている固体高分子電解質膜２２は、電
極板２４、２６とともに湿潤状態をそのまま維持される
ことになる。そして、水が満たされると、第３開閉弁１
１０、第６開閉弁１３０、第７開閉弁１４８、第９開閉
弁１５２が閉じられる。

【００４３】次に、以上のようにして停止状態が維持さ
れる燃料電池をさらに再起動する場合について説明す
る。

【００４４】この状態では、すでに述べた通り、第１開
閉弁１０４乃至第１０開閉弁１５８が閉じられた状態に
ある。そこで、図１２を参照して第２開閉弁１０６およ
び第５開閉弁１２６が開かれる。この結果、第１マニホ
ールド板４２、セパレータ本体４８、第２マニホールド
板５０等に満たされた水が、管路１１６、管路１３２を
介して排出され気水分離器１１４、１３６を介してリザ
ーバ１１８に至る。

【００４５】次いで、第１開閉弁１０４、第４開閉弁１
２４が開かれる。この結果、燃料ガスが管路１００を介
して導入されるとともに、酸化剤ガスが管路１２０に供
給される。従って、第２開閉弁１０６、第５開閉弁１２
６を介して排出される水は、それぞれ燃料ガスならびに
酸化剤ガスの圧力下に急速にリザーバ１１８に導出され
ることになる。さらに、開閉弁１５０、１５８が開とな
り、ポンプ１４０、ラジエータ、ファン１６０が駆動し
燃料電池冷却システムが再起動状態に至る。

【００４６】この結果、燃料電池は発電可能状態とな
り、所望の電圧が燃料電池セル２０から外部へ取り出さ
れ、該燃料電池の再起動が完全に達成されることにな
る。

【００４７】本発明の実施の形態では、以上のように燃
料電池が一旦停止した後、アノード側とカソード側の双
方に強制的に水を供給し、再起動時に至るまで燃料電池
内で水の満杯状態を保つ。

【００４８】従って、燃料電池内に残留する作動用ガス
が電解質膜をクロスリークして、触媒燃焼するおそれは
全くない。この結果、燃料電池セルの破損を防止するこ
とができる。

【００４９】さらにまた、電解質膜の如きイオン導電成
分が燃料電池の停止中であっても高含水率状態に維持さ
れるために、乾燥されることがないことに起因して、低
いイオン導電抵抗に保たれ、極めて簡単にしかも短時間
に再起動を達成できるという効果が得られる。

【００５０】なお、前記した実施の形態において、燃料
電池停止時で満水状態に至ったことを検出するために検
出手段を用いているが、その具体的構成例を図１３に示
す。

【００５１】この図１３の構成例では、例えば、セパレ
ータ本体４８の燃料ガス供給用凹部４８ａを中心に、上
流側から下流側にかけて、第２マニホールド板５０の孔
部５０ａ、第２面圧発生板４６の連通孔４６ａ、…、第
１マニホールド板４２の凹部４２ａに至る間に画成され
る連通路２００に第１の検出対３００と第２の検出対４
００とを設けておく。それぞれの検出対３００と４００
は好ましくは発光素子３００ａ、４００ａと、受光素子
３００ｂ、４００ｂとからなる。この場合、それぞれの
検出対３００、４００は互いに垂直方向に傾斜させてお
くとよい。

【００５２】以上のような構成において、停止時に、前
記のように水が下方から上方へと上昇し、遂には連通路
２００に到達すると、発光素子３００ａまたは４００ａ
から射出される光が受光素子３００ｂまたは４００ｂに
到達しなくなり、満水状態が確認される。

【００５３】なお、前記のように、第１と第２の検出対
３００、４００を光路が交叉するように傾斜させたの
は、当該燃料電池が車両等に組み込まれ、動力源として
用いられるとき、該車両が傾斜した状態で停止したとし
ても、満水を確実に検出できるようにするためである。

【００５４】図１４に本発明の別の実施の形態を示す。
この実施の形態では、第２マニホールド板５０の別の態
様を示しているが、第１マニホールド板４２、セパレー
タ本体４８にも採用可能であることは勿論である。

【００５５】図から諒解されるように、このマニホール
ド板５００は酸化剤ガス供給用孔部５００ｃと酸化剤ガ
ス排出用孔部５００ｆとをラビリンス状の通路５０２に
よって連通している。なお、図中、参照符号５００ａは
燃料ガス供給用孔部を示し、一方、参照符号５００ｄは
燃料ガス排出用孔部を示す。そして、参照符号５００ｂ
は冷却水排出用孔部を示すとともに、参照符号５００ｅ
は冷却水供給用孔部を示す。

【００５６】この構成では、酸化剤ガスは一本のラビリ
ンス状の通路５０２を通過するために、平行な溝を画成
している整流板８２とは異なり、酸化剤ガスを万遍なく
カソード側電極板２４に行き渡らせることができ、しか
も、整流板８２が不要となるために、部品点数も減少さ
せることができる。

【００５７】図１５は、図２に示すマニホールド板のさ
らに別の実施の形態を示す図であって、ラビリンス状の
通路内を平行に分割した流路を有するマニホールド板の
正面図であり、図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線断
面図である。このように通路を平行に分割する結果、通
路内のガス圧が均等となる効果が得られる。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、固体高
分子電解質膜型燃料電池において、停止状態にあって
は、少なくとも、セパレータの内部に画成された燃料ガ
ス供給用通路および酸化剤ガス供給用通路に加湿流体、
例えば、水を満たしておき、この結果、電解質膜等のイ
オン交換成分を停止状態において常に湿潤状態に維持す
る。そして、再起動時においては、燃料ガス、酸化剤ガ
スを強制的に前記加湿流体が満たされた通路に送り込
み、この結果、前記加湿流体の重力方向に、さらに燃料
ガスと酸化剤ガスの供給圧力が加わるために、強制的且
つ迅速に当該加湿流体を外部へと排出することができ
る。

【００５９】従って、電解質膜が乾燥状態に陥ることな
く常に湿潤状態にあるために、当該燃料電池を迅速に再
起動させることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池と配管系の接続関係を示す概
略図である。

【図２】図１に示す燃料電池の一部省略分解斜視図であ
る。

【図３】図２に示す固体高分子電解質膜と電極の正面図
である。

【図４】図２に示すガスケットの正面図である。

【図５】図２に示す第１マニホールド板の正面図であ
る。

【図６】図２に示す第２マニホールド板の正面図であ
る。

【図７】図２に示す面圧発生板の正面図である。

【図８】図２に示すセパレータ本体の正面図である。

【図９】図２に示す整流板の斜視図である。

【図１０】本発明の燃料電池の冷却通路に介装された作
動中の弁の開閉状態を示す図である。

【図１１】本発明の燃料電池の冷却通路に介装された停
止中の弁の開閉状態を示す図である。

【図１２】本発明の燃料電池の冷却通路に介装された再
起動時の弁の開閉状態を示す図である。

【図１３】本発明の燃料電池において、満水状態検出手
段の配置状態を示す模式図である。

【図１４】図２に示すマニホールド板の別の実施の形態
を示す正面図である。

【図１５】図２に示すマニホールド板のさらに別の実施
の形態を示す図であって、ラビリンス状の通路内を平行
分割した流路を有するマニホールド板の正面図である。

【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。

【符号の説明】

２０…燃料電池セル２２…固体高分子
電解質膜２４…カソード側電極板２６…アノード側
電極板２８…セル本体３０、３２…ガス
ケット４０…セパレータ４２、５０…マニ
ホールド板４４、４６…面圧発生板４８…セパレータ
本体７０、７２…冷却水整流板８０…燃料ガス用
整流板８２…酸化剤ガス用整流板８４、８６…エン
ドプレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山本晃生埼玉県和光市中央１−４−１株式会社本田技術研究所内 (72)発明者田中一郎埼玉県和光市中央１−４−１株式会社本田技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜をアノード側電極板と
カソード側電極板とで挟持して構成される燃料電池にお
いて、少なくとも燃料ガス通路または酸化剤ガス通路に
固体高分子電解質膜用の加湿流体を供給排出する入出口
をそれぞれ設け、前記入出口をバルブ部材を介して加湿
流体供給源に接続することを特徴とする固体高分子電解
質膜型燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、少なく
ともアノード側燃料ガス通路またはカソード側酸化剤ガ
ス通路に加湿流体の満水状態の検知を行う検出手段を設
けることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
【請求項３】請求項２記載の燃料電池において、検出手
段は発光素子と受光素子とを用いた光検出手段であるこ
とを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
【請求項４】請求項２または３記載の燃料電池におい
て、前記検出手段は加湿流体用通路に二対設けられ、前
記それぞれの検出手段は水平方向において、互いに傾斜
配置されていることを特徴とする固体高分子電解質膜型
燃料電池。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電
池において、アノード側燃料ガス通路に燃料ガスを供給
する第１の通路と、この第１通路に介装される第１の開
閉弁と、前記アノード側燃料ガス通路から燃料ガスを排
出する第２の通路と、この第２通路に介装される第２の
開閉弁と、前記第１と第２の通路とをバイパス接続する
第３の通路と、前記第３通路に介装される第３の開閉弁
と、カソード側酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給する
第４の通路と、この第４通路に介装される第４の開閉弁
と、前記カソード側酸化剤ガス通路から酸化剤ガスを排
出する第５の通路と、この第５通路に介装される第５の
開閉弁と、前記第４と第５の通路とをバイパス接続する
第６の通路と、前記第６通路に介装される第６の開閉弁
とを備えることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料
電池。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電
池において、セパレータには燃料ガス供給用、酸化剤ガ
ス供給用、または加湿流体供給用にラビリンス形状の通
路が画成されていることを特徴とする固体高分子電解質
膜型燃料電池。
【請求項７】請求項６記載の燃料電池において、ラビリ
ンス形状の通路がさらに小幅の複数の通路に区分されて
いることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電
池において、加湿流体は脱イオン水であることを特徴と
する固体高分子電解質膜型燃料電池。
【請求項９】固体高分子電解質膜型燃料電池の制御方法
であって、前記燃料電池が停止する際、少なくともアノ
ード側とカソード側にそれぞれ設けられる燃料ガス供給
通路と、酸化剤ガス供給通路とに下方から加湿流体を供
給し、当該燃料電池の停止状態が維持される間、前記加
湿流体を前記燃料ガス供給通路の内部と酸化剤ガス供給
通路の内部に保持することを特徴とする固体高分子電解
質膜型燃料電池の制御方法。
【請求項１０】請求項９記載の方法において、前記加湿
流体を燃料ガス供給通路と酸化剤ガス供給通路とに供給
する際、前記燃料ガス供給通路と酸化剤ガス供給通路と
に残留する燃料ガスと酸化剤ガスとを、前記加湿流体に
よって燃料電池の外部に強制的に排出することを特徴と
する固体高分子電解質膜型燃料電池の制御方法。
【請求項１１】請求項９または１０記載の方法におい
て、燃料電池の停止状態が終了して当該燃料電池を再起
動する際に、アノード側の燃料ガス供給通路とカソード
側の酸化剤ガス供給通路に保持された加湿流体をそれぞ
れ燃料ガスと酸化剤ガスとによって強制的に燃料電池の
外部に排出することを特徴とする固体高分子電解質膜型
燃料電池の制御方法。
【請求項１２】請求項９乃至１１のいずれかに記載の方
法において、加湿流体は脱イオン水であることを特徴と
する固体高分子電解質膜型燃料電池の制御方法。