JPH11204128A

JPH11204128A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH11204128A
Application number: JP10015112A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kawahara; 竜也川原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 1999-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の運転効率向上を図る上で、構成の
簡略化と装置の小型化並びにコスト低減を図る。【解決手段】積層された各単セル１１は、ガス拡散電
極１６（アノード）をその電極面に沿って通過する空気
（電極通過空気）の排出経路２６ａに、流量調整機構４
０を有する。この流量調整機構４０は、電極通過空気に
晒され当該空気の湿度に応じて伸縮するガス湿度感応材
４１と、このガス湿度感応材４１に支持され端部傾斜面
１２ｂに沿って移動可能なガス遮蔽材４２を有する。従
って、セル電極１４に空気が供給されると、ガス湿度感
応材４１はこの空気の湿度に応じて自発的に伸縮し、こ
の伸縮に伴って、ガス遮蔽材４２は端部傾斜面１２ｂに
沿って移動する。このため、ガス遮蔽材４２の遮蔽部４
４とセパレータ１２の端部下面１２ａとの間の間隙、即
ち排出経路２６ａの開口幅がＫａからＫｂ、Ｋｃのよう
に変化し、アノードを通過する空気の流量が調整され
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、電解質をガス拡散
電極で挟持した燃料電池並びに電解質をガス拡散電極で
挟持した単セルを複数積層して備える燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の燃料電池では、既存の高出力二
次電池やその他の駆動源機器との代替えを図る上で、燃
料電池全体の運転効率を高くすることが望まれている。
燃料電池の運転効率を高くするには、積層した単セル、
詳しくは電解質を挟持したガス拡散電極での電気化学反
応が効率良くかつ均等に行なわれる必要があり、種々の
提案がなされている。

【０００３】例えば、実開昭６１−５１６６６では、ガ
ス拡散電極の電極面に燃料ガスを供給するに当たり、当
該燃料ガスの供給用マニホールドに外部から可動可能な
板材を複数設け、この供給用マニホールドにおいて各単
セルへのガス供給量の均一化を図っている。このように
することで、積層方向におけるガス流速分布を均一化さ
せ、各単セルにおけるガス拡散電極での電気化学反応の
効率を高めていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電気化学反
応の効率の更なる向上を図るには、上記の板材を燃料電
池の運転状態に応じて可動制御する構成を採ることが好
ましい。そして、このような構成を採る場合には、燃料
電池の運転状態を検出して電気信号に変換するセンサや
板材駆動のためのアクチュエータおよびその制御装置が
別途必要となる。なお、燃料電池の運転状態にはガス拡
散電極の電極面に供給される燃料ガスやこの電極面に沿
って通過した燃料ガスの湿度や温度が反映することか
ら、この場合のセンサとしては、湿度センサや温度セン
サを挙げることかできる。

【０００５】従って、センサやアクチュエータが必要と
なりこれらを電気的に制御する分だけ、構成の複雑化を
招く。また、これら電気機器の組み込みスペースを必要
とする分だけ、装置の小型化が阻害される。更には、電
気機器点数の増加、その組み付け工数の増大によりコス
ト増となる。

【０００６】本発明は、上記問題点を解決するためにな
され、ガス拡散電極での電気化学反応の効率、延いては
燃料電池全体としての運転効率を向上することができる
と共に、構成の簡略化と装置の小型化並びにコスト低減
をもたらす新たな燃料電池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およびその作用・効果】か
かる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第
１の燃料電池は、電解質をガス拡散電極で挟持した燃料
電池であって、前記ガス拡散電極に燃料ガスを供給する
ための供給マニホールドと、前記ガス拡散電極の電極面
に亘るガス供給路を形成する供給路形成手段と、前記ガ
ス拡散電極からの燃料ガスを排出するための排出マニホ
ールドとを有し、前記供給マニホールドから前記ガス供
給路に前記燃料ガスを導くよう前記電極面に沿って開口
したガス入口と、前記ガス供給路から前記排出マニホー
ルドに前記燃料ガスを導くよう前記電極面に沿って開口
したガス出口の少なくとも一方に、燃料ガスの通過流量
を調整する流量調整手段を備え、該流量調整手段は、通
過する燃料ガスに晒され、該燃料ガスの性状の変化に応
じて自ら前記ガス入口又は前記ガス出口の開度を調整す
る調整機構を有することを特徴とする。

【０００８】上記構成を有する本発明の第１の燃料電池
では、電極面に沿って流れようとする燃料ガスの流量
を、ガス入口又はガス出口或いはその両方で、流量調整
手段により次のように調整する。燃料電池の運転状態が
その効率が高い定常状態にあると、換言すればガス拡散
電極での電気化学的反応がその効率が高い定常状態にあ
ると、供給マニホールドから供給される燃料ガス（以
下、単に供給ガスという）やガス拡散電極を電極面に沿
って通過する燃料ガス（以下、単に通過ガスという）
は、この定常状態に応じた性状を有する。今、供給ガス
の性状が何らかの原因で変化したり、電気化学的反応の
進行状況が何らかの原因で変化して通過ガスの性状が変
化したりすると、ガス入口又はガス出口の開度は、調整
機構により、このガス性状の変化に応じて調整される。
よって、燃料電池の運転状態がその効率が高い定常状態
から外れると、上記したようにガス入口又はガス出口或
いはその両方で燃料ガスの流量が調整され、燃料電池の
運転を定常状態から外れた非定常状態のまま継続するこ
とがない。この結果、本発明の第１の燃料電池によれ
ば、燃料電池を非定常状態のまま運転して置いた場合の
不具合、例えば電解質破損等を回避できる。

【０００９】また、供給ガスの供給量が変化した場合に
は、以下に説明するように、このガス供給量の変化は通
過ガスの性状変化として現れる。

【００１０】ガス拡散電極に供給された燃料ガスは、電
気化学反応に供されて何らかの生成物を生じる。一方の
ガス拡散電極に水素含有ガスを他方に酸素含有ガスを供
給する燃料電池にあっては、以下の電気化学反応により
酸素含有ガス供給側のガス拡散電極（酸素極）で水が生
成される。

【００１１】Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００１２】この水は、水素含有ガス側のガス拡散電極
（水素極）で得られた水素イオン（反応式１）が電解質
を酸素極の側に透過することで生成され、その生成量
は、反応式１、２への電子の関与状況、即ち燃料電池か
ら得られる電流値で定まる。このため、供給ガスが定常
の供給量で供給され、燃料電池の運転状態が上記の定常
状態にある場合には、生成水水量は定常の値となり、通
過ガスはこの生成水水量で規定される定常的な性状を有
する。更に、上記の反応は発熱反応であることから、そ
の発熱状況も電流値で定まり、上記の定常状態における
通過ガスは、この発熱状況で規定される定常的な性状を
有する。

【００１３】今、何らかの原因で供給ガスの供給量が変
化したとすると、上記の反応の進行状況は、定常状態の
場合から変化する。このため、生成水水量や発熱状況は
変化し、これに伴って通過ガスの性状も上記の定常的な
性状から変化する。よって、調整機構は、この通過ガス
の性状変化に応じてガス入口、ガス出口の開度調整を行
い、燃料ガスの流量を調整する。この結果、供給ガスの
供給量が変化して燃料電池の運転状態が定常状態から逸
脱して非定常状態に推移しようとしても、燃料電池を非
定常状態で運転させないようにできる。このことから
も、本発明の第１の燃料電池によれば、燃料電池を非定
常状態のまま運転して置いた場合の不具合を回避でき
る。

【００１４】このような流量調整を行うに当たってはセ
ンサ、アクチュエータ等の電気機器を一切必要としな
い。よって、本発明の第１の燃料電池によれば、構成の
簡略化と装置の小型化並びにコスト低減を図ることがで
きる。

【００１５】本発明の第２の燃料電池は、電解質をガス
拡散電極で挟持した単セルを複数積層して備える燃料電
池であって、前記単セルの積層方向に沿って設けられ、
前記単セルに燃料ガスを供給するためのガス供給マニホ
ールドと、前記単セルからの燃料ガスを排出するための
排出マニホールドとを有し、前記単セルは、前記ガス拡
散電極の電極面に亘るガス供給路を形成する供給路形成
手段と、前記供給マニホールドから前記ガス供給路に前
記燃料ガスを導くよう前記電極面に沿って開口したガス
入口と、前記ガス供給路から前記排出マニホールドに前
記燃料ガスを導くよう前記電極面に沿って開口したガス
出口の少なくとも一方に、燃料ガスの通過流量を調整す
る流量調整手段を備え、該流量調整手段は、通過する燃
料ガスに晒され、該燃料ガスの性状の変化に応じて自ら
前記ガス入口又は前記ガス出口の開度を調整する調整機
構を有することを特徴とする。

【００１６】上記構成を有する本発明の第２の燃料電池
では、積層されたそれぞれの単セルにおいて、上記の第
１の燃料電池のようにガス性状に応じたガス流量の調整
を行い、各単セルを非定常状態のままとして燃料電池を
運転した場合の不具合を回避できる。

【００１７】上記の構成を有する本発明の第１、第２の
燃料電池は、以下の態様を採ることもできる。第１の態
様は、本発明の第１、第２の燃料電池において、前記調
整機構は、通過する燃料ガスに晒され、該燃料ガスの性
状の変化に応じて自ら変形する性状応答変形部材と、該
性状応答変形部材と係合して配設され、前記通過する燃
料ガスの性状が変化した場合には変化以前の状態に是正
される側に前記性状応答変形部材の変形に伴って駆動し
て、前記ガス入口又は前記ガス出口の開度を調整する調
整部材とを有する。

【００１８】この第１の態様について、本発明の第１、
第２の燃料電池ごとに説明する。本発明の第１の燃料電
池が採った第１の態様では、燃料ガス流量をガス入口又
はガス出口或いはその両方で以下のように調整する。既
述したように、供給ガスや通過ガスの性状が燃料電池の
定常状態に応じた性状から何らかの原因で変化すると、
性状応答変形部材は、この燃料ガスに晒され当該ガスの
性状変化に応じて自発的に変形する。この性状応答変形
部材の自発的な変形は調整部材の駆動をもたらし、当該
調整部材により、ガス入口又はガス出口の開度は、通過
ガスの性状が変化以前の状態に是正される側に調整され
る。よって、燃料電池の運転状態がその効率が高い定常
状態から外れると、上記したようにガス入口又はガス出
口或いはその両方で通過ガスの流量が調整され、燃料電
池の運転状態を定常状態に復帰させることができる。こ
の結果、本発明の第１の燃料電池が採るこの第１の態様
によれば、ガス拡散電極での電気化学反応の効率、延い
ては燃料電池としての運転効率を向上することができ
る。

【００１９】また、供給ガスの供給量変化は、既述した
ように通過ガスの性状変化として現れるので、この通過
ガスの性状変化は性状応答変形部材の変形として捕らえ
られる。このため、通過ガスの性状が変化以前の状態に
是正される側への調整部材による開度調整がなされ、燃
料ガスの流量は調整される。この結果、供給ガスの供給
量が変化して燃料電池の運転状態が定常状態から逸脱し
ても、その変化に応じた燃料ガスの流量調整により、燃
料電池の運転状態を定常状態に復帰させることができ
る。このことからも、本発明の第１の燃料電池が採る第
１の態様によれば、ガス拡散電極での電気化学反応の効
率、延いては燃料電池としての運転効率を向上すること
ができる。

【００２０】また、次のような利点がある。何らかの原
因で燃料電池の温度が変化すると、この温度変化に応じ
て電解質、ガス拡散電極近傍で相対湿度が変化する。こ
のような事態に至ると、電解質の不用意な乾燥や電解質
の過度の湿潤をきたすことがある。しかしながら、相対
湿度の点で通過ガスの性状が変化しこの変化に基づい
て、当該性状変化が是正される側に調整部材により開度
調整を行うので、燃料ガスの流量を、相対湿度が変化以
前の状態に戻るよう調整することができる。この結果、
本発明の第１の燃料電池によれば、電解質を適切な湿潤
状態に維持でき、この点からも、燃料電池の運転効率を
向上することができる。

【００２１】このような効率向上を図る上での流量調整
に当たり、性状応答変形部材の自発的な変形を利用して
いるに過ぎず、センサ、アクチュエータ等の電気機器を
一切必要としない。よって、本発明の第１の燃料電池が
採る第１の態様によれば、構成の簡略化と装置の小型化
並びにコスト低減を図ることができる。

【００２２】本発明の第２の燃料電池が採る第１の態様
では、積層されたそれぞれの単セルにおいて、上記の第
１の燃料電池が採る第１の態様のようにガス性状に応じ
たガス流量の調整を行い、各単セルのガス拡散電極での
電気化学反応の効率の向上と電解質の湿潤化を図る。ま
た、以下に説明するように、この電気化学反応の効率を
各単セルで均一にすることで燃料電池全体としての運転
効率を向上することができる。

【００２３】各単セルの酸素極で生成される生成水水量
や発熱状況は、上記したように燃料電池から得られる電
流値で定まる。その一方、単セルを積層した燃料電池に
あっては各単セルでこの電流値は同一であることから、
各単セルでの生成水水量や発熱状況は同じとなる。今、
供給マニホールドから各単セルに供給される燃料ガス
（以下、単にセル供給ガスという）の供給量がある単セ
ル（以下、このある単セルを単セルＡと呼ぶ）について
変化したとすると、この単セルＡでは、他の単セルと生
成水水量や発熱状況が同じであるに拘わらずセル供給ガ
スの供給量が変化した状態となる。よって、単セルＡの
ガス拡散電極を電極面に沿って通過する燃料ガス（以
下、単にセル通過ガスという）の性状は、他の単セルに
おけるセル通過ガスの性状と異なることになる。具体的
に説明すると、生成水は酸素極にて蒸発していることか
ら、単セルＡにおけるセル通過ガスの水蒸気分圧は、供
給量の変化に起因して他の単セルと異なることになる。
また、同じ発熱状況でありながらガス供給量が変化する
ので、セル通過ガスの温度も、単セルＡと他の単セルと
では異なることになる。

【００２４】このような単セルＡでのセル通過ガスの性
状変化は、この単セルＡにおける性状応答変形部材の自
発的な変形をもたらす。よって、単セルＡでは当該セル
の調整部材によるガス流量の調整が性状変化が是正され
る側になされ、単セルＡにおけるガス流量を他の単セル
におけるガス流量に等しくすることができる。この結
果、本発明の第２の燃料電池が採る第１の態様によれ
ば、積層した各単セルにおけるガス流量が均一となるよ
うに常時配流できるので、燃料電池全体としての運転効
率を向上することができる。

【００２５】また、このような効率向上を図る上での流
量調整に当たり、性状応答変形部材の自発的な変形を利
用しているに過ぎず、センサ、アクチュエータ等の電気
機器を一切必要とせず、電気的な信号処理も要しない。
よって、本発明の第２の燃料電池が採る第１の態様によ
っても、構成の簡略化と装置の小型化並びにコスト低減
を図ることができる。

【００２６】上記した第１の態様において、性状応答変
形部材としては、通過燃料ガスの湿度又は温度の変化に
応じて自ら変形する部材とすることができる。

【００２７】また、第２の態様は、上記の第１の態様に
おいて、前記調整機構は、前記ガス入口又は前記ガス出
口を前記開口の幅方向に沿って分割したそれぞれの分割
領域に配設され、それぞれの前記分割領域における調整
機構は、それぞれの前記分割領域を通過する燃料ガスの
性状が変化した場合には変化以前の状態に是正される側
に、それぞれの前記分割領域において通過燃料ガスの流
量を独立に調整する。

【００２８】この第２の態様では、それぞれの分割領域
に対応する電極面の領域ごとでも、ガス供給量の均一化
を図ることができる。このため、ガス拡散電極での電気
化学反応を電極面に亘ってより均一に進行させ、運転効
率をより一層高めることができ好ましい。また、電極面
積を拡張してもこの拡張した電極面において均一に電気
化学反応を進行させることができるので、いわゆる発電
プラントのような大規模な施設における燃料電池の運転
効率を向上させることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る燃料電池の実
施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施
例の燃料電池１０を構成する単セル１１の平面図、図２
は、この単セル１１を積層した様子を説明するため図１
の２−２線に沿って破断した断面図である。図３は、単
セル１１におけるセパレータ１２の要部斜視図であり、
図４は、単セル１１の有する流量調整機構４０の構成と
そのガス流量調整の様子を説明するための説明図であ
り、図５は、この流量調整機構４０の概略斜視図であ
る。

【００３０】図１に示すように、単セル１１は、正方形
の外形を有するセパレータ１２を有する。セパレータ１
２は、外形の各辺に長方形状の２ヶの貫通孔を有すると
共に、各コーナー部には円形形状の貫通孔を有し、これ
ら貫通孔を後述する用途に用いている。また、単セル１
１は、貫通孔で囲まれたセパレータ１２の中央領域にセ
ル電極１４を有する。そして、この単セル１１は、図２
に示すように、セル電極１４の外縁領域にシール部材１
３を介在させて気密に積層されている。

【００３１】セル電極１４は、電解質膜１５を２つのガ
ス拡散電極１６，１７で挟持したサンドイッチ構造を有
する。電解質膜１５は、高分子材料、例えば、フッ素系
樹脂（パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂）により
形成された厚さ１００μｍないし２００μｍのイオン交
換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。ガス
拡散電極１６，１７は、共に炭素繊維からなる糸で織成
したカーボンクロスにより形成されている。このカーボ
ンクロスの電解質膜１５側の表面および隙間には、触媒
としての白金または白金と他の金属からなる合金等を担
持したカーボン粉が練り込まれている。なお、セル電極
１４の製造には、所定温度で圧力を加えて電解質膜１５
とガス拡散電極１６，１７を接合するホットプレス法を
用いた。

【００３２】セパレータ１２は、カーボンを圧縮して緻
密化しガス不透過とした緻密質カーボンを用いて形成さ
れている。そして、セパレータ１２は、セル電極１４の
ガス拡散電極１６，１７と接触してセル電極１４からの
集電を図る集電極としても機能する。

【００３３】セパレータ１２において各コーナー部の貫
通孔は、冷却水孔２２とされている。従って、単セル１
１を積層して構成された燃料電池では、この冷却水孔２
２により、単セル１１の積層方向に沿って冷却水流路が
形成される。そして、当該流路に冷却水を循環すること
で、単セル１１、延いては燃料電池全体を冷却すること
ができる。

【００３４】図１に示すセパレータ１２の上辺に位置す
る貫通孔は、セル電極１４に酸素を含有する燃料ガス
（例えば、空気）の供給マニホールド（空気供給マニホ
ールド）２５とされている。この空気供給マニホールド
２５は、図中に実線の矢印で示すように、セル電極１４
の電極面に沿って燃料ガス（以下、空気と呼ぶ）を流し
出す。そして、この空気供給マニホールド２５と対向す
る位置の貫通孔は、セル電極１４の電極面から空気を排
出するための空気排出マニホールド２６とされている。
また、セパレータ１２の表裏面には、図３に示すよう
に、セル電極１４の配設領域に亘って、集電突条１８が
多列に形成されている。これら集電突条１８は、ガス拡
散電極に頂上部を接触させて集電機能を果たし、隣接す
る突条の間の間隙をガス流路とする。この場合、集電突
条１８に替えて、円柱状或いは角柱状の集電突起を多列
に形成したり、このような集電突起をいわゆる千鳥配列
して、この集電突起で集電と流路形成を行うようにする
こともできる。そして、図２に示すように、空気供給マ
ニホールド２５からこの集電突条１８の形成領域にかけ
て、空気の導入経路２５ａがセル電極１４の電極面に沿
って形成されている。空気排出マニホールド２６の側に
ついても、空気の排出経路２６ａがセル電極１４の電極
面に沿って形成されている。

【００３５】従って、空気供給マニホールド２５から流
れ出た空気は、導入経路２５ａを経て集電突条１８の形
成領域に流れ込み、図３に実線で示すように、セパレー
タ１２の上面側の集電突条１８の間隙を通過しつつセル
電極１４の電極面に沿って流れ、その間にセル電極１４
のガス拡散電極に供給される。この場合、空気供給マニ
ホールド２５から流れ出た空気は、図２におけるセパレ
ータ１２の上面側に沿って流れ、このセパレータ１２の
上側に位置する単セル１１に属するセル電極１４のガス
拡散電極１６（アノード）に供給される。また、供給さ
れた空気のうちその余剰分が排出経路２６ａを経て空気
排出マニホールド２６から外部に排出される。

【００３６】また、図１に示すセパレータ１２の左辺に
位置する貫通孔は、セル電極１４に水素を含有する燃料
ガス（以下、便宜上、この燃料ガスを単に水素ガスと呼
ぶ）の供給マニホールド（水素供給マニホールド）２８
とされている。この水素供給マニホールド２８にあって
も、図中に点線の矢印で示すように、セル電極１４の電
極面に沿って水素ガスを流し出す。そして、この水素供
給マニホールド２８と対向する位置の貫通孔は、セル電
極１４の電極面から水素ガスを排出するための水素排出
マニホールド３０とされている。この水素供給マニホー
ルド２８についても、空気供給マニホールド２５と同様
に、集電突条１８の形成領域にかけて水素ガスの導入経
路を有する。水素排出マニホールド３０の側について
も、水素ガスの排出経路を有する。従って、水素供給マ
ニホールド２８から流れ出た水素ガスは、導入経路を経
て集電突条１８の形成領域に流れ込み、図３に点線で示
すようにセパレータ１２の下面側の集電突条１８の間隙
を通過しつつセル電極１４の電極面に沿って流れ、その
間にセル電極１４のガス拡散電極に供給される。この場
合、水素供給マニホールド２８から流れ出た水素ガス
は、図２におけるセパレータ１２の下面側に沿って流
れ、このセパレータ１２の属する単セル１１におけるセ
ル電極１４のガス拡散電極１７（カソード）に供給され
る。また、供給された水素ガスのうちその余剰分が水素
排出マニホールド３０から外部に排出される。

【００３７】このように空気および水素ガスを供給する
よう構成されたそれぞれの単セル１１は、図２および図
４、図５に示すように、これらガスの供給量を調整する
ための流量調整機構４０を、排出経路２６ａに有する。
排出経路２６ａは、積層されたセパレータ１２の一方の
セパレータ１２の平坦な端部下面１２ａと他方のセパレ
ータ１２の端部傾斜面１２ｂとで形成されている。そし
て、この端部傾斜面１２ｂに流量調整機構４０は設置さ
れている。

【００３８】流量調整機構４０は、端部傾斜面１２ｂの
上流側からその斜面途中まで延びたガス湿度感応材４１
と、屈曲形成されたガス遮蔽材４２と、このガス遮蔽材
４２を端部傾斜面１２ｂに沿って案内するためのガイド
材４５とを有する。ガス湿度感応材４１は、当該部材が
置かれた環境の湿度に応じて伸縮する材料、例えば、パ
ーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等のフッ素系樹脂
を用いて形成された薄板材であり、端部傾斜面１２ｂの
上流側でセパレータ１２に接着・固定されている。ガス
遮蔽材４２は、ガス湿度感応材４１のように湿度に応じ
た変形を起こさない耐熱性材料を用いて形成された薄板
材であり、ガス湿度感応材４１の自由端に接着・固定さ
れた基部４３と遮蔽部４４とを有する。そして、このガ
ス遮蔽材４２は、図示するように、二つのガス湿度感応
材４１で端部傾斜面１２ｂに沿って移動できるよう支持
されている。ガイド材４５は、ガス遮蔽材４２と同様、
耐熱性材料を用いて形成されており、端部傾斜面１２ｂ
に接着・固定されている。

【００３９】従って、空気排出マニホールド２６からセ
ル電極１４に空気が供給されると、ガス湿度感応材４１
は、ガス拡散電極１６（アノード）をその電極面に沿っ
て通過する空気に晒される。よって、ガス遮蔽材４２
は、この空気の湿度に応じて自発的に伸縮する。この場
合、ガス湿度感応材４１は、湿度が高くなると伸長し、
湿度が低くなると収縮する。図をもって説明すると、図
４に示すように、湿度が所定値にある場合には、ガス湿
度感応材４１はＬａで示される長さにあり、湿度がこの
所定値を越えるとガス湿度感応材４１はＬｃに伸長し、
湿度が所定値を下回るとＬｂに収縮する。そして、この
ようなガス湿度感応材４１の伸縮により、ガス遮蔽材４
２は端部傾斜面１２ｂに沿って移動し、遮蔽部４４とセ
パレータ１２の端部下面１２ａとの間の間隙、即ち排出
経路２６ａの開口幅がＫａからＫｂ、Ｋｃのように変化
する。このため、排出経路２６ａを通過する空気、即ち
ガス拡散電極１６（アノード）を通過する空気の流量が
調整される。

【００４０】このように製造された燃料電池１０におけ
る単セル１１のガス拡散電極１６，１７に、空気と水素
ガスを該当するマニホールドからそれぞれ供給すると、
ガス拡散電極１６，１７において上記した（１）〜
（３）の電気化学反応が進行し、各単セル１１のセパレ
ータ１２を経て起電力を得ることができる。

【００４１】ここで、上記した流量調整機構４０による
空気の流量調整の様子について説明する。まず、一つの
単セル１１に着目して説明する。

【００４２】この単セル１１への空気および水素ガスの
供給が理想的に行われ、上記の（１）〜（３）の電気化
学反応が理想的に進行しているとすると、この単セル１
１における電気化学的反応は、その効率が高い定常状態
にあるといえる。この際、ガス湿度感応材４１は、この
ような定常状態においてガス拡散電極１６（アノード）
をその電極面に沿って通過する空気（以下、この空気を
電極通過空気と呼ぶ）に晒され、図４に示す長さＬａに
あり、排出経路２６ａの開口幅は、Ｋａである。この状
態が継続する限りにおいては、排出経路２６ａの開口幅
はＫａのままとなり、単セル１１において流量調整機構
４０により空気の流量が調整されることはない。今、供
給される空気の湿度が何らかの原因で変化すると、例え
ば外気の湿度が降雨等の影響で高くなりこの供給される
空気の湿度が高くなったとすると、電極通過空気の湿度
も高くなる。また、供給される空気の湿度に変化は無い
ものの、何らかの原因（例えば、水素ガス供給量の変
動、水素ガス中の水素含有量の変動、空気供給量の変動
等）で上記の（１）〜（３）の電気化学反応の進行状況
が変化すると、ガス拡散電極１６（アノード）での生成
水水量が変化するため、電極通過空気の湿度も変化し、
場合によっては、この電極通過空気の湿度が高くなる。

【００４３】このような事態に至ると、ガス湿度感応材
４１は、高い湿度の電極通過空気に晒されることになる
ので、長さＬａから長さＬｃの側に自発的に伸長する。
そして、この伸長に伴って、ガス遮蔽材４２は端部傾斜
面１２ｂに沿って上方に移動し、排出経路２６ａの開口
幅は、ＫａからＫｃの側に拡張される。このため、電極
通過空気の流量は増大調整され、このような流量増によ
り、電極通過空気の湿度は上記の定常状態の場合の湿度
に復帰する。また、電極通過空気の湿度が低くなると、
ガス湿度感応材４１は、この低くなった湿度の電極通過
空気に晒されて長さＬｂの側に自発的に収縮し、この収
縮に伴って、排出経路２６ａの開口幅は、Ｋｂの側に狭
小化される。このため、電極通過空気の流量は減少調整
され、このような流量減により、電極通過空気の湿度は
上記の定常状態の場合の湿度に復帰する。

【００４４】また、各単セル１１に供給される空気の供
給量がある単セル（以下、このある単セルを単セル１１
Ａと呼ぶ）について変化した場合には、この単セル１１
Ａで以下のようにして空気の流量調整がなされる。

【００４５】今、空気供給マニホールド２５から空気の
供給量が単セル１１Ａについて変化すると、この単セル
１１Ａでは、既述したように他の単セルと生成水水量や
発熱状況が同じであるに拘わらず空気の供給量が変化し
た状態となる。よって、単セル１１Ａにおける電極通過
空気の湿度は、空気供給量が変化した分、他の単セル１
１における電極通過空気の湿度と異なる。このため、単
セル１１Ａでは、このような湿度変化に応じてガス湿度
感応材４１が伸縮し、この伸縮に伴ってガス遮蔽材４２
による空気の流量の調整がなされる。よって、単セル１
１Ａにおける空気の流量は、他の単セル１１における空
気の流量と等しくなる。

【００４６】次に、本実施例の性能評価について説明す
る。性能評価に当たっては、上記の単セル１１を５０個
積層したスタックの燃料電池１０におけるセル平均電圧
／空気供給ストイキ比の関係を調べた。対比する燃料電
池（対比燃料電池）は、本実施例における単セル１１か
ら流量調整機構４０を取り外した単セルを５０個積層し
たスタックの燃料電池であり、従来品に相当する。この
両燃料電池について、セル平均電圧／空気供給ストイキ
比の関係を調べた。その結果を図６に示す。この場合、
セル平均電圧は、次のようにして測定した。

【００４７】まず、燃料電池１０への空気供量は、以下
のようにした。上記した電気化学反応（１）〜（３）が
理想的に進行し、０．５Ａ／ｃｍ²の電流密度が得られ
ると仮定した場合に必要とされる空気量を基準とし、こ
の空気量を基準とした種々のストイキ比の供給量で、燃
料電池１０に空気を供給した。なお、水素ガスは、空気
の場合と同様に定めた水素供給ストイキ比が１．５とな
るよう、定量で供給した。また、水素ガス並びに空気の
供給圧力は、０．２ＭＰａとした。このようにして空気
および水素ガスを燃料電池１０に供給して燃料電池１０
を発電させてセル平均電圧を測定し、空気供給ストイキ
比に対してプロットした。

【００４８】図６に示すように、対比燃料電池では、空
気供給ストイキ比「２．０」を境に、その電圧特性が異
なり、当該ストイキ比以上であれば、ほぼ０．５Ｖの電
圧（セル平均電圧）が得らる。しかし、２．０を下回る
空気供給ストイキ比では、セル平均電圧が著しく低下す
る。既述したように、各単セル１１への空気供給量に差
があると燃料電池全体としても運転効率が低下し、得ら
れる電圧（セル平均電圧）は低下するので、２．０を下
回る空気供給ストイキ比の領域においては、対比燃料電
池の各単セルへの空気供給量が相違するといえる。な
お、２．０以上の空気供給ストイキ比の領域でほぼ０．
５Ｖのセル平均電圧が得らるのは、次のように説明でき
る。２．０以上の空気供給ストイキ比の領域であっても
各単セルでは空気供給量が相違するものの、過剰な供給
量で空気が供給されるために、空気供給量に対するこの
相違量は小さくなる。よって、２．０以上の空気供給ス
トイキ比の領域では、空気供給量の相違に起因するセル
ごとの電圧差が小さくなり、燃料電池全体としては電圧
低下がそれほど現れないことになる。

【００４９】対比燃料電池は、上記した特性を有するこ
とから、安定した電圧を得るために２．０以上の高い空
気供給ストイキ比で空気を供給しなければならないとい
える。燃料電池への空気供給は大気の送気装置でなされ
ていることから、対比燃料電池への空気供給には高能力
の送気装置が必要となり、この送気装置を駆動する分、
電力ロスとなる。

【００５０】これに対して、燃料電池１０では、各単セ
ル１１において流量調整機構４０により電極通過空気の
流量調整を行うことから、空気供給ストイキ比の高低に
拘わらず各単セル１１への空気供給量を均一化し、測定
範囲の総ての空気供給ストイキ比に亘って安定した高い
セル平均電圧を得ることができた。しかも、燃料電池１
０では、総ての空気供給ストイキ比に亘って、対比燃料
電池よりも優れた特性を発揮することができた。特に、
燃料電池１０では、空気供給ストイキ比が２．０以下の
領域での電圧低下がほとんど見られず安定した電圧を得
ることができるので、送気装置を低能力で小型のものと
することができ、送気装置の駆動に伴う電力ロスを低減
することができる。

【００５１】以上説明したように、この実施例の燃料電
池１０によれば、供給される空気の湿度が変化したり、
空気および水素ガスの供給量の変化により電気化学反応
の進行状況が変化して、各単セル１１における電気化学
的反応効率が定常状態から外れても、この変化に追従し
た空気の流量調整により、この電気化学的反応効率を定
常状態に復帰させることができ、一の単セル１１のみな
らず燃料電池１０全体としての運転効率の向上を図るこ
とができる。

【００５２】また、各単セル１１で独立に空気の流量調
整を行うので、一部の単セル１１で空気の供給量が変化
しても、この一部の単セル１１での流量調整を経て、各
単セル１１における空気の流量が均一となるように常時
配流できる。このことからも、燃料電池１０全体として
の運転効率を向上することができる。

【００５３】加えて、流量調整のためのガス遮蔽材４２
を移動させるに当たり、図５に示すように、セパレータ
１２の幅方向に離間配設された二つのガス湿度感応材４
１の伸縮を利用している。よって、それぞれのガス湿度
感応材４１が晒される電極通過空気の湿度がセパレータ
１２の幅方向で異なる場合、即ち単セル１１においてセ
パレータ１２の幅方向で電極通過空気の湿度が異なった
り、その通過流量が異なった場合には、それぞれのガス
湿度感応材４１の伸縮程度が異なる。このため、ガス遮
蔽材４２は端部傾斜面１２ｂに沿って斜めに移動するの
で、遮蔽部４４の位置で定まる排出経路２６ａの開口幅
は、セパレータ１２の幅方向に沿って徐々に変化する。
このため、電極通過空気の流量は、セパレータ１２の幅
方向に沿って均等となるよう調整される。よって、単セ
ル１１における電気化学反応を電極面に亘って均一に進
行させることができ、燃料電池１０全体としての運転効
率を向上することができる。しかも、各単セル１１にお
ける電極面積を拡張してもこの拡張した電極面において
均一に電気化学反応を進行させることができるので、い
わゆる発電プラントのような大規模な施設における燃料
電池にあっても、その運転効率を向上させることができ
る。

【００５４】更に、このような効率向上を図るために流
量調整を行うに当たり、ガス湿度感応材４１の自発的な
変形を利用しているに過ぎず、センサ、アクチュエータ
等の電気機器を一切必要とせず、電気的な信号処理も要
しない。よって、構成の簡略化と装置の小型化並びにコ
スト低減を図ることができる。

【００５５】また、次のような利点がある。何らかの原
因で各単セル１１における温度が変化すると、この温度
変化に応じてガス拡散電極１６，１７の近傍で相対湿度
が変化する。このような温度変化に起因する湿度変化も
ガス拡散電極１６の側においてガス湿度感応材４１の伸
縮をもたらす。よって、ガス遮蔽材４２による空気の流
量調整により、電極通過空気の流量を、相対湿度が温度
変化に起因して変化する以前の状態に戻るよう調整する
ことができる。具体的には、温度が低下して相対湿度が
高まれば、電極通過空気の流量が増すよう流量調整を行
い、温度が上昇して相対湿度が低下すれば、電極通過空
気の流量が低減するよう流量調整を行う。このため、ガ
ス拡散電極１６，１７で挟持された電解質膜１５の不用
意な乾燥や過度の湿潤をきたすことがなく、電解質膜１
５を適切な湿潤状態に維持でき、この点からも、各単セ
ル１１での電気化学的反応効率の向上、燃料電池１０全
体としての運転効率の向上を図ることができる。

【００５６】次に、第２実施例について説明する。図７
は、第２実施例の単セルにおける流量調整機構４０の概
略斜視図である。なお、この第２実施例にあっても、単
セルは図２に示すように気密に積層されて燃料電池を構
成する。また、同一の部材については、第１実施例で用
いた符号を用いその詳細な説明は省略することとする。

【００５７】この第２実施例は、各単セル１１における
電極通過空気の流量をセパレータ１２の幅方向に沿って
より均等とすることを目的とするものであり、図７に示
すように、流量調整機構４０を複数備える。この場合、
それぞれの流量調整機構４０は、単一のガス湿度感応材
４１でガス遮蔽材４２を端部傾斜面１２ｂに沿って移動
できるよう支持し、単一のガイド材４５でこのガス遮蔽
材４２を案内する。そして、それぞれの流量調整機構４
０は、排出経路２６ａをその幅方向に沿って３分割する
ように端部傾斜面１２ｂに配設されており、独立して上
記したように電極通過空気の流量調整を行う。このた
め、それぞれの流量調整機構４０に対応するセル電極１
４の電極面の各領域（図中にＸ、Ｙ、Ｚで示す各領域）
ごとに、当該領域を通過する電極通過空気の湿度に応じ
て流量調整がなされる。よって、この第２実施例によれ
ば、単セル１１における電気化学反応を電極面に亘って
より一層均一に進行させることができ、燃料電池１０全
体としての運転効率をより向上することができる。そし
て、この第２実施例の燃料電池を電極面積が拡張された
発電プラントのような大規模な施設の燃料電池に適用す
れば、その運転効率をより確実に向上させることができ
る。

【００５８】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明は上記の実施例や実施形態になんら限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種
々なる態様で実施し得ることは勿論である。

【００５９】例えば、上記の各実施例では、電極通過空
気の湿度に応じて伸縮変形するガス湿度感応材４１を用
いたが、このガス湿度感応材４１を電極通過空気の湿度
に応じて湾曲変形するよう形成し、ガス遮蔽材４２をこ
の湾曲の程度に伴って排出経路２６ａの開口幅を調整す
るよう構成することもできる。具体的には、湿度に応じ
た伸縮変形の程度が異なる二枚の薄板材を張り合わせ、
この張り合わせた板材をガス湿度感応材４１として用い
ればよい。また、電極通過空気の湿度に応じて伸縮変形
するガス湿度感応材４１に替えて、電極通過空気の温度
に応じて伸縮変形或いは湾曲変形する性質の感応材を用
いることもできる。

【００６０】更に、上記の各実施例では、空気排出のた
めの排出経路２６ａの側で流量調整機構４０による流量
調整を行うよう構成したが、空気供給のための導入経路
２５ａの側で流量調整機構４０による流量調整を行うよ
う構成することもできる。この場合には、ガス湿度感応
材４１を排出経路２６ａの近傍に配設し、このガス湿度
感応材４１の伸縮によりガス遮蔽材４２が導入経路２５
ａの開口幅を調整するように設置すればよい。

【００６１】また、第２実施例のそれぞれの流量調整機
構４０を、そのガス遮蔽材４２を第１実施例のように二
つのガス湿度感応材４１で支持することもできる。この
ように構成すれば、それぞれの流量調整機構４０におい
て、セパレータ１２の幅方向で電極通過空気の湿度が異
なったり、その通過流量が異なった場合には、それぞれ
のガス湿度感応材４１の伸縮程度が異なっても、第１実
施例で説明したように、それぞれの流量調整機構４０に
おいて排出経路２６ａの開口幅がセパレータ１２の幅方
向に沿って調整され、電極通過空気の流量は、それぞれ
の流量調整機構４０の幅方向に沿って均等となる。よっ
て、単セル１１におけるセパレータ１２の幅方向におい
ては電極通過空気の流量がより一層均等となり、燃料電
池１０全体としての運転効率をより一層向上することが
できる。更には、セパレータ１２幅方向に沿った流量調
整機構４０の設置個数は、２個、或いは４個以上とする
ことができることは勿論である。そして、電極面積が大
きな燃料電池にあっては、流量調整機構４０をセパレー
タ１２の幅方向により多く設置することで、運転効率の
向上をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の燃料電池１０を構成する単セル１
１の平面図である。

【図２】この単セル１１を積層した様子を説明するため
図１の２−２線に沿って破断した断面図である。

【図３】単セル１１におけるセパレータ１２の要部斜視
図である。

【図４】単セル１１の有する流量調整機構４０の構成と
そのガス流量調整の様子を説明するための説明図であ
る。

【図５】この流量調整機構４０の概略斜視図である。

【図６】第１実施例の燃料電池１０と対比燃料電池の特
性を表したものであり、両燃料電池についてのセル平均
電圧／空気供給ストイキ比の関係を示すグラフである。

【図７】第２実施例の単セルにおける流量調整機構４０
の概略斜視図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池１１…単セル１２…セパレータ１２ａ…端部下面１２ｂ…端部傾斜面１３…シール部材１４…セル電極１５…電解質膜１６，１７…ガス拡散電極１８…集電突条２２…冷却水孔２５…空気供給マニホールド２５ａ…導入経路２６…空気排出マニホールド２６ａ…排出経路２８…水素供給マニホールド３０…水素排出マニホールド４０…流量調整機構４１…ガス湿度感応材４２…ガス遮蔽材４３…基部４４…遮蔽部４５…ガイド材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質をガス拡散電極で挟持した燃料電
池であって、前記ガス拡散電極に燃料ガスを供給するための供給マニ
ホールドと、前記ガス拡散電極の電極面に亘るガス供給路を形成する
供給路形成手段と、前記ガス拡散電極からの燃料ガスを排出するための排出
マニホールドとを有し、前記供給マニホールドから前記ガス供給路に前記燃料ガ
スを導くよう前記電極面に沿って開口したガス入口と、
前記ガス供給路から前記排出マニホールドに前記燃料ガ
スを導くよう前記電極面に沿って開口したガス出口の少
なくとも一方に、燃料ガスの通過流量を調整する流量調
整手段を備え、該流量調整手段は、通過する燃料ガスに晒され、該燃料ガスの性状の変化に
応じて自ら前記ガス入口又は前記ガス出口の開度を調整
する調整機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】電解質をガス拡散電極で挟持した単セル
を複数積層して備える燃料電池であって、前記単セルの積層方向に沿って設けられ、前記単セルに
燃料ガスを供給するためのガス供給マニホールドと、前記単セルからの燃料ガスを排出するための排出マニホ
ールドとを有し、前記単セルは、前記ガス拡散電極の電極面に亘るガス供給路を形成する
供給路形成手段と、前記供給マニホールドから前記ガス供給路に前記燃料ガ
スを導くよう前記電極面に沿って開口したガス入口と、
前記ガス供給路から前記排出マニホールドに前記燃料ガ
スを導くよう前記電極面に沿って開口したガス出口の少
なくとも一方に、燃料ガスの通過流量を調整する流量調
整手段を備え、該流量調整手段は、通過する燃料ガスに晒され、該燃料ガスの性状の変化に
応じて自ら前記ガス入口又は前記ガス出口の開度を調整
する調整機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の燃料電池で
あって、前記調整機構は、通過する燃料ガスに晒され、該燃料ガスの性状の変化に
応じて自ら変形する性状応答変形部材と、該性状応答変形部材と係合して配設され、前記通過する
燃料ガスの性状が変化した場合には変化以前の状態に是
正される側に前記性状応答変形部材の変形に伴って駆動
して、前記ガス入口又は前記ガス出口の開度を調整する
調整部材とを有する燃料電池。
【請求項４】請求項３記載の燃料電池であって、前記性状応答変形部材は、前記通過燃料ガスの湿度又は
温度の変化に応じて自ら変形する部材である燃料電池。
【請求項５】請求項３記載の燃料電池であって、前記調整機構は、前記ガス入口又は前記ガス出口を前記
開口の幅方向に沿って分割したそれぞれの分割領域に配
設され、それぞれの前記分割領域における調整機構は、それぞれ
の前記分割領域を通過する燃料ガスの性状が変化した場
合には変化以前の状態に是正される側に、それぞれの前
記分割領域において通過燃料ガスの流量を独立に調整す
る燃料電池。