JP2003100320A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれが
ない。 【解決手段】 燃料電池のスタック内の第１マニホルド
６０に供給された燃料ガスは、第１ガス小経路８６に導
かれ、第２マニホルド６１に至る。この第２マニホルド
６１は分岐管１８に接続されているがバルブ１９は全閉
状態のため、第２マニホルド６１に至った燃料ガスは第
２ガス小経路８７に導かれ、第３マニホルド６２に至
る。この第３マニホルド６２は分岐管１４に接続されて
いるがバルブ１５は全閉状態のため、第３マニホルド６
２に至った燃料ガスは第３ガス小経路８８に導かれ、第
４マニホルド６３に至り、燃料ガス排出管１６へと導か
れる。この間、単セル内燃料ガス通路を通過している燃
料ガスはその途中でスタック１１の外側を経由すること
がないため、燃料ガスが高い露点を持っていたとして
も、冷却されて凝縮水が発生するといった事態は回避さ
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、複数の単セルが積
層されたスタックを有する燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数の単セルが積層されたスタッ
クを有する燃料電池が知られている。例えば特開２００
０−３０７３０には、このような燃料電池として、各単
セルに燃料ガスおよび酸化ガス（これらを総称して反応
ガスという）を行き渡らせるための単セル内ガス通路が
設けられ、燃料電池の運転状態に応じて単セル内ガス通
路のパターンを切り替え可能なものが開示されている。

【０００３】具体的には、図１０に示すように、スタッ
クを構成する各単セル１００の単セル内ガス通路は、各
単セルごとに設けられた４つのガス小経路１０１，１０
２，１０３，１０４の連通状態をバルブｂ１〜ｂ１９の
開閉で切り替えることにより、そのパターンが切り替え
られる。例えば、バルブｂ６，ｂ７，ｂ１０，ｂ１１，
ｂ１４，ｂ１５を開弁し、残りのバルブを閉弁すると、
単セル内ガス通路は反応ガスがガス小経路１０１，ガス
小経路１０２，ガス小経路１０３，ガス小経路１０４を
この順に通過する直列パターンとなる。また、バルブｂ
１〜ｂ３，ｂ５，ｂ７，ｂ９，ｂ１２，ｂ１４，ｂ１６
〜ｂ１９を開弁し、残りのバルブを閉弁すると、単セル
内ガス通路は反応ガスがガス小経路１０１，ガス小経路
１０２，ガス小経路１０３，ガス小経路１０４を一度に
通過する並列パターンとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報の直列パターンでは、各単セル１００のガス小経路１
０１を通過した反応ガスはスタックの外側に設けられた
外部マニホルド１１０を経由して再び各単セル１００の
ガス小経路１０２に分配され、その後も外部マニホルド
１１０を経由しながら各単セル１００に分配されるた
め、外部マニホルド１１０を経由する際に反応ガスが冷
却されて凝縮水が生成し、この凝縮水が外部マニホルド
１１０の閉塞を引き起こすおそれがある。すなわち、燃
料電池のアノードでは燃料である水素が水和した状態で
電解質膜を移動することから水分が不足気味となり、こ
の水分を補うべく燃料ガスは水分を含んだ状態でスタッ
クへ供給されること、また、カソードでは電気化学反応
により水が生成し気化することから酸化ガスはこの水分
を含んだ状態となること、更に、スタック内は電気化学
反応が発熱反応であることから高温状態となっているこ
と等から、反応ガスは高温化されて高い露点を持つこと
になり、少しの温度低下で凝縮水が発生しやすい状況と
なっている。これを防ぐには、外部マニホルド１１０や
バルブｂ１〜ｂ１９を断熱・保温したりする必要がある
が、コストが嵩むため好ましくない。

【０００５】本発明は、このような課題に鑑みなされた
ものであり、ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれ
のない燃料電池を提供することを目的の一つとする。ま
た、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことの
できる燃料電池を提供することを目的の一つとする。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成
するために以下の手段を採った。

【０００７】すなわち、本発明の第１の燃料電池は、複
数の単セルが積層されたスタックを有し、各単セル内に
反応ガスを行き渡らせるための単セル内ガス通路のパタ
ーンを変更可能な燃料電池であって、前記単セル内ガス
通路のパターンは、いずれも前記反応ガスが該単セル内
ガス通路を通過している途中に前記スタックの外側を経
由することがないように形成されていることを特徴とす
る。

【０００８】また、本発明の第２の燃料電池は、複数の
単セルが積層されたスタックと、前記単セルごとに設け
られた複数のガス小経路を連通して構成された単セル内
ガス通路と、前記複数のガス小経路の連通状態を切り替
えることにより前記単セル内ガス通路のパターンを切り
替える切替手段とを備え、前記単セル内ガス通路はどの
パターンかによらず該単セル内ガス通路を通過している
途中の反応ガスが前記スタックの外側を経由することの
ないように形成されていることを特徴とする。

【０００９】本発明の第１又は第２の燃料電池では、単
セル内ガス通路がいずれのパターンにおいても、高い露
点を持つ反応ガスが単セル内ガス通路を通過している途
中でスタックの外側を経由することがないため、冷却さ
れて凝縮水が発生する事態を回避できる。したがって、
この燃料電池によれば、ガス通路が凝縮水により閉塞さ
れるおそれがない。

【００１０】なお、「反応ガス」とは、起電力を発生さ
せるための電気化学反応に供される燃料ガスや酸化ガス
の総称である。

【００１１】本発明の第２の燃料電池において、前記切
替手段は、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた
複数のガス小経路を順次通過するよう前記複数のガス小
経路を直列的に連通させる直列パターンと、前記反応ガ
スが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を同
方向に一度に通過するよう前記複数のガス小経路を並列
的に連通させる並列パターンのいずれかの連通状態に切
り替えてもよい。こうすれば、ガス通路が凝縮水により
閉塞されることがないという効果に加えて、例えば流速
を大きくしたいときには直列パターンを採用し、圧力損
失を小さくしたいときには並列パターンを採用するとい
ったように、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出
すことが可能となる。

【００１２】本発明の第２の燃料電池は、前記スタック
内にて単セル積層方向に沿って設けられ、前記単セルご
とに設けられた複数のガス小経路のうちの少なくとも一
組の隣り合うガス小経路の片側の端部同士を連通する共
有マニホルドを備え、前記切替手段は、前記共有マニホ
ルドと前記スタックの外側に設けられたガス供給経路ま
たはガス排出経路との連通・遮断を切り替えるようにし
てもよい。このようにスタック内の共有マニホルドを利
用することにより、本発明の第２の燃料電池を比較的簡
単に構成することができる。

【００１３】具体的には、前記切替手段が前記共有マニ
ホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを
遮断したときには、反応ガスが前記隣り合うガス小経路
の一方のガス小経路を流れたあと前記共有マニホルドを
介して方向転換してもう一方のガス小経路を逆方向へと
流れ、前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供
給経路または前記ガス排出経路とを連通したときには、
反応ガスが前記ガス供給経路から直接または前記ガス供
給経路と連通した共有マニホルドを介して前記隣り合う
ガス小経路の各々に供給され、各ガス小経路を同方向に
流れたあと直接または前記ガス排出経路と連通した共有
マニホルドを介して前記ガス排出経路へと導かれるよう
にしてもよい。こうすれば、単セル内ガス通路のパター
ン変更を容易に行うことができる。例えば前出の直列パ
ターンを採用するには切替手段により共有マニホルドと
ガス供給経路またはガス排出経路とを遮断すればよい
し、並列パターンを採用するには切替手段により共有マ
ニホルドとガス供給経路またはガス排出経路とを連通す
ればよい。

【００１４】本発明の第２の燃料電池が共有マニホルド
を備えているときには、前記切替手段は前記共有マニホ
ルド内に設けられていてもよい。こうすれば、反応ガス
が単セル内ガス通路を通過している途中で切替手段を経
由する際にもスタックの外側を経由しないことが確実に
なるため、反応ガスが冷却されて凝縮水が発生する事態
を確実に回避できる。

【００１５】本発明の第２の燃料電池が共有マニホルド
を備えているときには、前記切替手段は前記共有マニホ
ルド外に設けられていてもよい。このとき、切替手段に
より共有マニホルドとガス排出経路またはガス供給経路
とが遮断されているときには、共有マニホルドから切替
手段までの区間はスタックの外側に位置することもある
が、そうであってもその区間は閉通路であり、一般に閉
通路内の流体はほとんど流動せず滞留することから、単
セル内ガス通路を通過している途中の反応ガスがこの区
間に出入りすることはほとんどなく、このため単セル内
ガス通路で凝縮水が発生することはほとんどない。

【００１６】本発明の第２の燃料電池は、運転状態に応
じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通
状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパ
ターン変更を行う切替制御手段を備えていてもよい。こ
うすれば、燃料電池の運転状態に応じて単セル内ガス通
路のパターン変更を制御できるため、運転状態に応じて
適切な電池性能を引き出すことができる。

【００１７】なお、「運転状態」とは、燃料電池の運転
状態であり、例えば出力の高低、ガス流量の高低、単セ
ルの一構成要素である電解質膜の含水率の高低などが挙
げられる。

【００１８】本発明の第２の燃料電池が切替制御手段を
備えているときには、更に反応ガスの流量を検出するガ
ス流量検出手段を備えていてもよく、前記切替制御手段
は、前記ガス流量検出手段によって検出された反応ガス
の流量に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小
経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガ
ス通路のパターン変更を行うようにしてもよい。こうす
れば、ガス流量に応じて適切な電池性能を引き出すこと
ができる。

【００１９】ここで、「ガス流量検出手段」は、ガス流
量を知ることができる手段であればよく、例えばガス流
量を計量する手段であってもよいし、ガス流量を調量す
る手段であってもよい。

【００２０】具体的には、前記切替制御手段は、前記反
応ガスの流量が小さいときには前記単セル内ガス通路が
直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行
い、前記反応ガスの流量が大きいときには前記単セル内
ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切
替制御を行うようにしてもよい。こうすれば、反応ガス
の流量が小さいときには直列パターンを採用して流速を
稼いで反応ガスの拡散を促進することができ、反応ガス
の流量が大きいときには並列パターンを採用して圧力損
失を抑えることができる。

【００２１】本発明の第２の燃料電池が切替制御手段を
備えているときには、更に、前記単セルの一構成要素で
ある電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段を備え
ていてもよく、前記切替制御手段は、前記含水率検出手
段によって検出された前記電解質膜の含水率に応じて前
記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を
切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン
変更を行うようにしてもよい。こうすれば、電解質膜の
含水率に応じて適切な電池性能を引き出すことができ
る。

【００２２】具体的には、前記切替制御手段は、前記電
解質膜の含水率が高いときには前記単セル内ガス通路が
直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行
い、前記電解質膜の含水率が低いときには前記単セル内
ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切
替制御を行うようにしてもよい。こうすれば、電解質膜
の含水率が高いときには直列パターンを採用して流速を
稼ぐことにより反応ガスによる水分の持ち出しを促進で
き、電解質膜の含水率が低いときには並列パターンを採
用して流速を落とすことにより反応ガスによる水分の持
ち出しを抑えることができる。

【００２３】ここで、「含水率検出手段」は、単セルの
出力電圧と含水率との関係を表す電圧変動プロファイル
やマップを用いて現在の単セルの出力電圧に対応する含
水率を求めてもよいし、単セルの電気抵抗と含水率との
関係を表すマップを用いて現在の単セルの電気抵抗に対
応する含水率を求めてもよい。

【００２４】本発明の第２の燃料電池において、前記切
替手段は、開閉バルブであって前記複数のガス小経路の
連通状態を切り替え可能であると共に前記複数のガス小
経路へ分配する反応ガスの流量を調節可能であり、前記
切替制御手段は、運転状態に応じて前記切替手段を介し
て前記複数のガス小経路へ分配する反応ガスの流量を調
節してもよい。こうすれば、運転状態に応じて反応ガス
の流量も制御できるため、より適切な電池性能を引き出
すことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明を一層明らかにするため
に、本発明の一実施形態について図面を参照しながら以
下に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池１０の概
略構成を表す斜視図、図２は、燃料電池１０を構成する
スタックの基本単位である単セル２０の構成を表す分解
斜視図、図３は、本実施形態の燃料電池１０が備えるセ
パレータ３０の構成を表す平面図、図４は、本実施形態
の電気的な接続を表す概略ブロック図である。なお、図
２（ｂ）は図２（ａ）をＡ視（白抜き矢印）からみた分
解斜視図である。

【００２６】本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子
型燃料電池であって、主として、単セル２０と、この単
セル２０が複数積層されたスタック１１と、このスタッ
ク１１に燃料ガスを給排するための燃料ガス供給管１２
および燃料ガス排出管１６と、スタック１１に酸化ガス
を給排するための酸化ガス供給管２２および酸化ガス排
出管２６と、単セル内ガス通路のパターンの切替制御を
行う制御装置８０（図４参照）とを備えている。

【００２７】単セル２０は、電解質膜３１を一対のガス
拡散電極であるカソード３２およびアノード３３で挟み
込んだ膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」という）３４と、
このＭＥＡ３４を挟み込んだ一対のセパレータ３０，３
０とから構成されている。電解質膜３１は、固体高分子
材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導
電性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン
膜）であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。
電解質膜３１の両面には、触媒電極としての白金または
白金と他の金属から成る合金が塗布されている。カソー
ド３２およびアノード３３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たガス拡散電
極である。なお、カーボンクロスのほか、炭素繊維から
なるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって
形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有し
ていればよい。セパレータ３０は、ガス不透過の導電性
部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成
形カーボンにより形成されている。

【００２８】図２に示すように、セパレータ３０の一辺
の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔部４０、
４２が設けられており、この辺に対向する辺の近傍に
は、同じく隣接する２つの孔部４１、４３が設けられて
いる。このうち、孔部４０の長径は孔部４２の長径の約
半分であり、孔部４３の長径は孔部４１の長径の約半分
である。また、前記一辺と直交する辺の近傍には、この
辺に沿って隣接する２つの孔部５０、５２が設けられて
おり、この辺に対応する辺の近傍には、同じく隣接する
２つの孔部５１、５３が設けられている。このうち、孔
部５０の長径は孔部５２の長径の約半分であり、孔部５
３の長径は孔部５１の長径の約半分である。

【００２９】さらに、セパレータ３０は、両面に複数の
凹溝を備えている。すなわち、セパレータ３０の一方の
面には、孔部４０と孔部４１の略半分とを連通させる第
１凹溝８１と、孔部４１の残り略半分と孔部４２の略半
分とを連通させる第２凹溝８２と、孔部４２の残り略半
分と孔部４３とを連通させる第３凹溝８３とが設けられ
ている。セパレータ３０の他方の面には、孔部５０と孔
部５１の略半分とを連通させる第１凹溝９１と、孔部５
１の残り略半分と孔部５２の略半分とを連通させる第２
凹溝９２と、孔部５２の残り略半分と孔部５３とを連通
させる第３凹溝９３とが設けられている。

【００３０】各凹溝は、隣接するガス拡散電極との間で
ガス小経路を形成する。すなわち、セパレータ３０の一
方の面に設けられた第１〜第３凹溝８１〜８３は、隣接
するアノード３３との間にそれぞれ第１〜第３燃料ガス
小経路８６〜８８を形成し、セパレータ３０の他方の面
に設けられた第１〜第３凹溝９１〜９３は、隣接するカ
ソード３２との間にそれぞれ第１〜第３酸化ガス小経路
９６〜９８を形成する。各単セル２０は、燃料ガスを単
セル２０内に行き渡らせるための単セル内燃料ガス通路
と、酸化ガスを単セル２０内に行き渡らせるための単セ
ル内酸化ガス通路とを有しているが、単セル内燃料ガス
通路は第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を適宜連通
して構成され、単セル内酸化ガス通路は第１〜第３酸化
ガス小経路９６〜９８を適宜連通して構成される。

【００３１】なお、一対のセパレータ３０，３０の間隙
のうちＭＥＡ３４が介在していない部分には図示しない
シール部材が配置されている。このシール部材は、この
部分で燃料ガスと酸化ガスとが混合するのを防止した
り、これらのガスが外部に漏れ出すのを防止したりする
役割を果たすと共に、一対のセパレータ３０，３０の互
いに対向する孔部同士をシール状態を保ったまま連通す
る役割も果たす。

【００３２】スタック１１は、セパレータ３０、カソー
ド３２、電解質膜３１、アノード３３、セパレータ３０
の順序で順次重ね合わせていき、さらに、図１に示すよ
うに、その両端に集電板３６、３７、絶縁板３８、３
９、エンドプレート３４、３５を順次配置して完成され
る。集電板３６、３７は緻密質カーボンや銅板などガス
不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３８、３
９はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エン
ドプレート３４、３５は剛性を備えた鋼等の金属によっ
て形成されている。また、集電板３６、３７にはそれぞ
れ出力端子３６Ａ、３７Ａが設けられており、燃料電池
１０で生じた起電力を出力可能となっている。また、エ
ンドプレート３４、３５は、図示しない加圧装置によっ
て複数の単セル２０をスタック積層方向に加圧して保持
している。

【００３３】単セル２０を積層してスタック１１を組み
立てたとき、図３に示すように、各セパレータ３０に設
けられた孔部４０は、スタック１１の内部をその積層方
向に貫通する燃料ガス第１マニホルド６０を形成し、同
じく各セパレータ３０に設けられた孔部４１は、スタッ
ク１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第２マ
ニホルド６１を形成し、同じく各セパレータ３０に設け
られた孔部４２は、スタック１１の内部をその積層方向
に貫通する燃料ガス第３マニホルド６２を形成し、同じ
く各セパレータ３０に設けられた孔部４３は、スタック
１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第４マニ
ホルド６３を形成する。

【００３４】燃料ガス第１マニホルド６０は、スタック
１１の積層方向に並ぶ複数の第１燃料ガス小経路８６の
一端を連通する役割を果たし、燃料ガス第２マニホルド
６１は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１燃料
ガス小経路８６の他端を連通すると共に同じくスタック
１１の積層方向に並ぶ複数の第２燃料ガス小経路８７の
他端を連通して第１および第２燃料ガス小経路８６、８
７の他端同士を共有化する役割を果たし、燃料ガス第３
マニホルド６２は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数
の第２燃料ガス小経路８７の一端を連通すると共に同じ
くスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３燃料ガス小
経路８８の一端を連通して第２および第３燃料ガス小経
路８７、８８の一端同士を共有化する役割を果たし、燃
料ガス第４マニホルド６３は、スタック１１の積層方向
に並ぶ複数の第３燃料ガス小経路８８の他端を連通する
役割を果たす。

【００３５】また、同じく単セル２０を積層してスタッ
ク１１を組み立てたとき、各セパレータ３０に設けられ
た孔部５０は、スタック１１の内部をその積層方向に貫
通する酸化ガス第１マニホルド７０を形成し、同じく各
セパレータ３０に設けられた孔部５１は、スタック１１
の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第２マニホル
ド７１を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた
孔部５２は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通
する酸化ガス第３マニホルド７２を形成し、同じく各セ
パレータ３０に設けられた孔部５３は、スタック１１の
内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第４マニホルド
７３を形成する。

【００３６】酸化ガス第１マニホルド７０は、スタック
１１の積層方向に並ぶ複数の第１酸化ガス小経路９６の
一端を連通する役割を果たし、酸化ガス第２マニホルド
７１は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１酸化
ガス小経路９６の他端を連通すると共に同じくスタック
１１の積層方向に並ぶ複数の第２酸化ガス小経路９７の
他端を連通して第１および第２酸化ガス小経路９６、９
７の他端同士を共有化する役割を果たし、酸化ガス第３
マニホルド７２は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数
の第２酸化ガス小経路９７の一端を連通すると共に同じ
くスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３酸化ガス小
経路９８の一端を連通して第２および第３酸化ガス小経
路９７、９８の一端同士を共有化する役割を果たし、酸
化ガス第４マニホルド７３は、スタック１１の積層方向
に並ぶ複数の第３酸化ガス小経路９８の他端を連通する
役割を果たす。

【００３７】燃料ガス供給管１２は、図示しない燃料ガ
ス供給装置からスタック１１に燃料ガスを供給するため
の管であり、スタック１１の外側で分岐されて一方が燃
料ガス供給分岐管１３として構成され、他方がバルブ付
き燃料ガス供給分岐管１４として構成されている。燃料
ガス供給分岐管１３は、エンドプレート３４に設けられ
た図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６およ
び絶縁板３８を介して燃料ガス第１マニホルド６０に連
通している。バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４は、エ
ンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口
に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料
ガス第３マニホルド６２に連通しており、燃料ガスがこ
の管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替え
ると共に開度によって両分岐管１３，１４の流量比率を
調節可能な燃料ガス供給用開閉バルブ１５を備えてい
る。

【００３８】燃料ガス排出管１６は、スタック１１から
図示しない燃料ガス排出装置へ燃料ガスを排出するため
の管であり、スタック１１の外側で燃料ガス排出分岐管
１７とバルブ付き燃料ガス排出分岐管１８とが集合され
ている。燃料ガス排出分岐管１７は、エンドプレート３
４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集
電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第４マニホ
ルド６３に連通している。バルブ付き燃料ガス排出分岐
管１８は、エンドプレート３４に設けられた図示しない
ガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８
を介して燃料ガス第２マニホルド６１に連通しており、
燃料ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止する
かを切り替えると共に開度によって両分岐管１７，１８
の流量比率を調節可能な燃料ガス排出用開閉バルブ１９
を備えている。

【００３９】酸化ガス供給管２２は、図示しない酸化ガ
ス供給装置からスタック１１に酸化ガスを供給するため
の管であり、スタック１１の外側で分岐されて一方が酸
化ガス供給分岐管２３として構成され、他方がバルブ付
き酸化ガス供給分岐管２４として構成されている。酸化
ガス供給分岐管２３は、エンドプレート３４に設けられ
た図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６およ
び絶縁板３８を介して酸化ガス第１マニホルド７０に連
通している。バルブ付き酸化ガス供給分岐管２４は、エ
ンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口
に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化
ガス第３マニホルド７２に連通しており、酸化ガスがこ
の管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替え
ると共に開度によって両分岐管２３，２４の流量比率を
調節可能な酸化ガス供給用開閉バルブ２５を備えてい
る。

【００４０】酸化ガス排出管２６は、スタック１１から
図示しない酸化ガス排出装置へ酸化ガスを排出するため
の管であり、スタック１１の外側で酸化ガス排出分岐管
２７とバルブ付き酸化ガス排出分岐管２８とが集合され
ている。酸化ガス排出分岐管２７は、エンドプレート３
４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集
電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第４マニホ
ルド７３に連通している。バルブ付き酸化ガス排出分岐
管２８は、エンドプレート３４に設けられた図示しない
ガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８
を介して酸化ガス第２マニホルド７１に連通しており、
酸化ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止する
かを切り替えると共に開度によって両分岐管２７，２８
の流量比率を調節可能な酸化ガス排出用開閉バルブ２９
を備えている。

【００４１】制御装置８０は、図４に示すように、周知
のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、クロック回路等を含んで構
成され、スタック１１へ供給する燃料ガスの流量に関す
る信号やスタック１１へ供給する酸化ガスの流量に関す
る信号を入力するように接続され、また、燃料ガス供給
用開閉バルブ１５、燃料ガス排出用開閉バルブ１９、酸
化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉
バルブ２９に制御信号を出力するように各バルブに電気
的に接続されている。なお、燃料ガスの流量に関する信
号は、燃料ガス供給管１２に流量センサを設けてこの流
量センサから入力してもよいし、図示しない燃料ガス供
給装置などで調量している場合にはその調量に関する信
号を入力してもよい。あるいは、これらの信号を制御装
置８０で生成する場合にはその信号を読み込むようにし
てもよい。酸化ガスの流量に関する信号についても同様
である。

【００４２】次に、単セル内燃料ガス通路および単セル
内酸化ガス通路について説明する。単セル内燃料ガス通
路は、各単セル２０ごとに設けられた第１〜第３燃料ガ
ス小経路８６〜８８の連通状態を切り替えることにより
２通りのパターンを採り得る。また、単セル内酸化ガス
通路は、各単セル２０ごとに設けられた第１〜第３酸化
ガス小経路９６〜９８の連通状態を切り替えることによ
り同じく２通りのパターンを採り得る。以下には、その
パターンについて燃料ガスを例にとって説明する。

【００４３】第１のパターンは、燃料ガス供給用開閉バ
ルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉し
たときのパターンである。この場合、燃料ガスは、燃料
ガス供給管１２から燃料ガス供給分岐管１３を介して燃
料ガス第１マニホルド６０のみに供給され、燃料ガス第
４マニホルド６３から燃料ガス排出分岐管１７を介して
燃料ガス排出管１６へと排出される。このときの様子を
図５に示す。図５（ａ）は第１のパターンにおける燃料
ガスの給排を表した概略説明図で、図５（ｂ）はそのと
きの単セル内燃料ガス通路を表した概略説明図である。

【００４４】具体的には、燃料ガス第１マニホルド６０
に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパ
レータ３０に設けられた孔部４０（つまり第１燃料ガス
小経路８６の一端）から第１燃料ガス小経路８６に導か
れ、孔部４１（つまり第１燃料ガス小経路８６の他端）
に向かって流れていき、この孔部４１と連通している燃
料ガス第２マニホルド６１に至る。この燃料ガス第２マ
ニホルド６１は、バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８に
接続されているが、燃料ガス排出用開閉バルブ１９は全
閉状態であり燃料ガスの通過が禁止されているため、燃
料ガス第２マニホルド６１に至った燃料ガスは、ここで
方向転換して孔部４１（つまり第２燃料ガス小経路８７
の他端）から第２燃料ガス小経路８７に導かれ、孔部４
２（つまり第２燃料ガス小経路８７の一端）に向かって
流れていき、この孔部４２と連通している燃料ガス第３
マニホルド６２に至る。この燃料ガス第３マニホルド６
２は、バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４に接続されて
いるが、燃料ガス供給用開閉バルブ１５は全閉状態であ
り燃料ガスの通過が禁止されているため、燃料ガス第３
マニホルド６２に至った燃料ガスは、ここで方向転換し
て孔部４２（つまり第３燃料ガス小経路８８の一端）か
ら第３燃料ガス小経路８８に導かれ、孔部４３（つまり
第３燃料ガス小経路８８の他端）に向かって流れてい
き、この孔部４３と連通している燃料ガス第４マニホル
ド６３に至る。そして、燃料ガス第４マニホルド６３に
至った燃料ガスは、燃料ガス排出分岐管１７を介して燃
料ガス排出管１６へと導かれる。

【００４５】このように、単セル内燃料ガス通路の第１
のパターンは、スタック１１に供給された燃料ガスが各
単セル２０内の第１燃料ガス小経路８６をその一端から
他端へと流れ、続いて第２燃料ガス小経路８７をその他
端から一端へと逆向きに流れ、続いて第３燃料ガス小経
路８８をその一端から他端へと流れることから、単セル
２０ごとに設けられた第１〜第３燃料ガス小経路８６〜
８８を順次通過する直列パターンである。このとき、単
セル内燃料ガス通路を通過している燃料ガスはその途中
でスタック１１の外側を経由することがないため、燃料
ガスが高い露点を持っていたとしても、冷却されて凝縮
水が発生するといった事態は回避される。なお、バルブ
付き燃料ガス供給分岐管１４における燃料ガス第３マニ
ホルド６２から燃料ガス供給用開閉バルブ１５までの区
間や、バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８における燃料
ガス第２マニホルド６１から燃料ガス排出用開閉バルブ
１９までの区間はスタック１１の外側に位置している
が、一般にこのような閉通路内の流体はほとんど流動せ
ず滞留することから、単セル内燃料ガス通路を通過して
いる途中の燃料ガスがこれらの区間に出入りすることは
ほとんどなく、このため単セル内燃料ガス通路内で凝縮
水が発生することはほとんどない。

【００４６】次に、第２のパターンは、燃料ガス供給用
開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を
全開したときのパターンである。この場合、燃料ガス
は、燃料ガス供給管１２から両分岐管１３，１４を介し
て燃料ガス第１マニホルド６０と燃料ガス第３マニホル
ド６２の両方に供給され、燃料ガス第２マニホルド６１
と燃料ガス第４マニホルド６３の両方から各分岐管１
７，１８を介して燃料ガス排出管１６へと排出される。
このときの様子を図６に示す。図６（ａ）は第２のパタ
ーンにおける燃料ガスの給排を表した概略説明図で、図
６（ｂ）はそのときの単セル内燃料ガス通路を表した概
略説明図である。

【００４７】具体的には、燃料ガス第１マニホルド６０
に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパ
レータ３０に設けられた孔部４０（つまり第１燃料ガス
小経路８６の一端）から第１燃料ガス小経路８６に導か
れ、孔部４１（つまり第１燃料ガス小経路８６の他端）
に向かって流れていき、この孔部４１に至る。また、燃
料ガス第３マニホルド６２に供給された燃料ガスは、各
単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部
４１（つまり第２および第３燃料ガス小経路８７，８８
の一端）から第２および第３燃料ガス小経路８７，８８
に導かれ、第２燃料ガス小経路８７に導かれた燃料ガス
は孔部４１（つまり第２燃料ガス小経路８７の他端）に
向かって流れていき、この孔部４１に至り、一方、第３
燃料ガス小経路８８に導かれた燃料ガスは孔部４３（つ
まり第３燃料ガス小経路８８の他端）に向かって流れて
いき、この孔部４３に至る。そして、孔部４１に至った
燃料ガスは、燃料ガス第２マニホルド６１およびバルブ
付き燃料ガス排出分岐管１８を介して燃料ガス排出管１
６に導かれ、孔部４３に至った燃料ガスは、燃料ガス第
４マニホルド６３および燃料ガス排出分岐管１７を介し
て燃料ガス排出管１６に導かれる。

【００４８】このように、単セル内燃料ガス通路の第２
のパターンは、スタック１１に供給された燃料ガスが各
単セル２０内の第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を
同方向に一度に通過する並列パターンである。このとき
も、単セル内燃料ガス通路を通過している燃料ガスはそ
の途中でスタック１１の外側を経由することがないた
め、燃料ガスが高い露点を持っていたとしても、冷却さ
れて凝縮水が発生するといった事態が回避される。

【００４９】このように第１〜第３燃料ガス小経路８６
〜８８の連通状態を切り替えることにより、第１〜第３
燃料ガス小経路８６〜８８を連通して構成される単セル
内燃料ガス通路のパターンが変更される。なお、酸化ガ
スについても、燃料ガスと同様に直列パターンと並列パ
ターンがあるが、燃料ガスと同様のためその詳細な説明
は省略する。

【００５０】次に、以上の構成を備えた燃料電池１０の
具体的な動作について、図７のフローチャートに基づい
て説明する。制御装置８０のＣＰＵは、所定タイミング
ごとに、ＲＯＭに記憶された複数の制御プログラムの中
からガス通路最適化プログラムを読み出して、一時的に
ＲＡＭにデータを記憶しながらこれを実行する。

【００５１】このガス通路最適化プログラムが開始され
ると、制御装置８０は、スタック１１に供給される燃料
ガスの流量に関する信号を入力し（ステップＳ１０
０）、その流量が予め定められた所定量Ｃ１を越えるか
否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、スタッ
ク１１に供給される燃料ガスの流量が所定量Ｃ１を超え
ないのとき（例えば低出力のとき）には、燃料ガス供給
用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９
を全閉し、単セル内燃料ガス通路を直列パターンに設定
する（ステップＳ１２０、図５参照）。この結果、単セ
ル内燃料ガス通路の流路幅が狭められ、単セル内燃料ガ
ス通路を流れる燃料ガスの流速が増大し、乱流が発生す
ることにより触媒電極へのガス拡散が促進される。一
方、スタック１１に供給される燃料ガスの流量が所定値
Ｃ１を越えるとき（例えば高出力のとき）には、燃料ガ
ス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バル
ブ１９を全開し、単セル内燃料ガス通路を並列パターン
に設定する（ステップＳ１３０、図６参照）。この結
果、単セル内燃料ガス通路の流路幅が広がり、単セル内
燃料ガス通路を流れる燃料ガスの圧力損失が抑えられ
る。

【００５２】続いて、スタック１１に供給される酸化ガ
スの流量に関する信号を入力し（ステップＳ１４０）、
その流量が予め定められた所定量Ｃ２を超えるか否かを
判断する（ステップＳ１５０）。そして、スタック１１
に供給される酸化ガスの流量が所定量Ｃ２を超えないと
き（例えば低出力のとき）には、酸化ガス供給用開閉バ
ルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９を全閉
し、単セル内酸化ガス通路を直列パターンに設定し（ス
テップＳ１６０）、このルーチンを終了する。この結
果、単セル内酸化ガス通路の流路幅が狭められ、単セル
内酸化ガス通路を流れる酸化ガスの流速が増大し、乱流
が発生することにより触媒電極へのガス拡散が促進され
る。一方、スタック１１に供給される酸化ガスの流量が
所定値Ｃ２を越えるとき（例えば高出力のとき）には、
酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開
閉バルブ２９を全開し、単セル内酸化ガス通路を並列パ
ターンに設定し（ステップＳ１７０）、このルーチンを
終了する。この結果、単セル内酸化ガス通路の流路幅が
広がり、単セル内酸化ガス通路を流れる酸化ガスの圧力
損失が抑えられる。

【００５３】以上詳述した本実施形態の燃料電池１０に
よれば、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路
がいずれのパターンにおいても、高い露点を持つ燃料ガ
スや酸化ガスが単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガ
ス通路を通過している途中でスタック１１の外側を経由
することがないため、冷却されて凝縮水が発生する事態
を回避でき、各ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそ
れがない。

【００５４】また、燃料ガス第２マニホルド６１や燃料
ガス第３マニホルド６２、あるいは、酸化ガス第２マニ
ホルド７１や酸化ガス第３マニホルド７２のように、隣
り合うガス小経路の端部同士を連通する共有マニホルド
を利用することにより、単セル内燃料ガス通路や単セル
内酸化ガス通路が比較的簡単な構成で上述の効果が得ら
れる。

【００５５】更に、共有マニホルド６１，６２，７１，
７２から各開閉バルブ１５，１９，２５，２９までの区
間はスタック１１の外側に位置しているが、これらの区
間は閉通路であるので燃料ガスや酸化ガスが出入りする
ことはほとんどなく、このため単セル内燃料ガス通路や
単セル内酸化ガス通路で凝縮水が発生することはほとん
どない。

【００５６】更にまた、切替制御手段としての制御装置
８０は、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路
につき、ガス流量が小さいときには直列パターンに設定
することにより流速を大きくして触媒電極へのガス拡散
を促進することができ、ガス流量が大きいときには並列
パターンに設定することにより圧力損失を小さく抑える
ことができる。この結果、運転状態に応じて適切な電池
性能を引き出すことができ、燃料電池１０の出力域（ダ
イナミックレンジ）を広げることができる。

【００５７】なお、本発明は上記実施形態に何等限定さ
れるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、
種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【００５８】例えば、上記実施形態では燃料ガスや酸化
ガスの流量に関する信号に応じて単セル内燃料ガス通路
や単セル内酸化ガス通路のパターンを切り替えたが、単
セル２０の出力電圧と電解質膜３１の含水率との関係を
表す電圧変動プロファイルを制御装置８０のＲＯＭに記
憶しておき、この電圧変動プロファイルに基づき現在の
出力電圧から電解質膜３１の含水率を求め、この含水率
に応じて単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路
のパターンを切り替えてもよい。具体的には、含水率が
高いときには直列パターンを採用して流速を稼ぐことに
よりガスによる水分の持ち出しを促進し、含水率が低い
ときには並列パターンを採用して流速を落とすことによ
りガスによる水分の持ち出しを抑えるようにしてもよ
い。こうすれば、電解質膜３１の含水率に応じて適切な
電池性能を引き出すことができる。

【００５９】また、上記実施形態では、燃料ガスについ
ていえば燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス
排出用開閉バルブ１９の両方を全閉するか全開するかの
いずれかに制御したが、各バルブ１５，１９を独立に制
御したり開度を制御したりしてもよい。こうすれば、並
列パターンと直列パターンとを組み合わせた流れを実現
できる。例えば、図８に示すように燃料ガス排出用開閉
バルブ１９を全閉にし燃料ガス供給用開閉バルブ１５を
少し開けることにより、第１燃料ガス小経路８６のガス
流量を直列パターンのときよりも減らしてこの第１燃料
ガス小経路８６内の電解質膜３１の乾燥を防ぐと同時
に、燃料ガス第３マニホルド６２を介して第３燃料ガス
小経路８８に燃料ガスを継ぎ足すことにより第３燃料ガ
ス小経路８８でのガス濃度の低下を防ぐことができる。
なお、酸化ガスについても同様である。

【００６０】更に、上記実施形態では、燃料ガスについ
ていえば燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス
排出用開閉バルブ１９をそれぞれ燃料ガス第３マニホル
ド６２および燃料ガス第２マニホルド６１の外側つまり
スタック１１の外側に設けたが、これらのバルブ１５，
１９をスタック１１の内部に設けてもよい。すなわち、
図９に示すように、燃料ガス第１マニホルド６０と燃料
ガス第３マニホルド６２とを連通させて併合マニホルド
１６０とし、この併合マニホルド１６０に燃料ガス供給
管１２を接続し、この第１併合マニホルド１６０内にお
いて第１燃料ガス小流路８６と第２燃料ガス小流路８７
との境界位置に開閉バルブ１１４を設ける。それと共
に、燃料ガス第２マニホルド６１と燃料ガス第４マニホ
ルド６３とを連通させて併合マニホルド１６１とし、こ
の併合マニホルド１６１に燃料ガス排出管１６を接続
し、この併合マニホルド１６１内において第２燃料ガス
小経路８７と第３燃料ガス小経路８８との境界位置に開
閉バルブ１１９を設ける。そして、単セル内燃料ガス通
路を直列パターンに設定する場合には両バルブ１１４，
１１９を全閉し（図９（ｂ）参照）、並列パターンに設
定する場合には両バルブ１１４，１１９を全開する（図
９（ｃ）参照）。こうすれば、燃料ガスが単セル内燃料
ガス通路を通過している途中でバルブ１１４，１１９を
経由する際にもスタック１１の外側を経由しないことが
確実になるため、燃料ガスが冷却されて凝縮水が発生す
る事態を確実に回避できる。なお、酸化ガスについても
同様である。

【００６１】更にまた、上記実施形態では、高出力時に
おいては基本的には並列パターンを採用したが、単セル
２０の電圧やガス供給圧力等をモニタリングすることに
よりフラッディング現象の発生が認められた場合には、
一時的に直列パターンとしてガス流速を上げ、水分を強
制排出することによりフラッディング現象を解消するよ
うにしてもよい。

【００６２】そしてまた、上記実施形態では、単セル内
燃料ガス通路と単セル内酸化ガス通路の両方についてパ
ターンの切替を行ったが、どちらか一方のみについてパ
ターンの切替を行ってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図
である。

【図２】燃料電池を構成するスタックの基本単位である
単セルの構成を表す分解斜視図である。

【図３】燃料電池が備えるセパレータの構成を表す平面
図である。

【図４】本実施形態の電気的な接続を表す概略ブロック
図である。

【図５】第１のパターン（直列パターン）における燃料
ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図で
ある。

【図６】第２のパターン（並列パターン）における燃料
ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図で
ある。

【図７】ガス通路最適化プログラムのフローチャートで
ある。

【図８】本実施形態の変形例における燃料ガスの給排お
よび単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。

【図９】本実施形態の変形例における燃料ガスの給排お
よび単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。

【図１０】従来例の概略説明図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池、１１…スタック、１２…燃料ガス供給
管、１３…燃料ガス供給分岐管、１４…バルブ付き燃料
ガス供給分岐管、１５…燃料ガス供給用開閉バルブ、１
６…燃料ガス排出管、１７…燃料ガス排出分岐管、１８
…バルブ付き燃料ガス排出分岐管、１９…燃料ガス排出
用開閉バルブ、２０…単セル、２２…酸化ガス供給管、
２３…酸化ガス供給分岐管、２４…バルブ付き酸化ガス
供給分岐管、２５…酸化ガス供給用開閉バルブ、２６…
酸化ガス排出管、２７…酸化ガス排出分岐管、２８…バ
ルブ付き酸化ガス排出分岐管、２９…酸化ガス排出用開
閉バルブ、３０…セパレータ、３１…電解質膜、３２…
カソード、３３…アノード、３４…ＭＥＡ、４０〜４
３，５０〜５３…孔部、６０〜６３…燃料ガス第１〜第
４マニホルド、７０〜７３…酸化ガス第１〜第４マニホ
ルド、８０…制御装置、８１〜８３…第１〜第３凹溝、
８６〜８８…第１〜第３燃料ガス小経路、９１〜９３…
第１〜第３凹溝、９６〜９８…第１〜第３酸化ガス小経
路、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 信一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA01 AA06 CC03 CC08 5H027 AA06 KK21 MM01 MM03 MM08

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の単セルが積層されたスタックを有
   し、各単セル内に反応ガスを行き渡らせるための単セル
   内ガス通路のパターンを変更可能な燃料電池であって、 前記単セル内ガス通路のパターンは、いずれも前記反応
   ガスが該単セル内ガス通路を通過している途中に前記ス
   タックの外側を経由することがないように形成されてい
   ることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 複数の単セルが積層されたスタックと、 前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を連通し
   て構成された単セル内ガス通路と、 前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることによ
   り前記単セル内ガス通路のパターンを切り替える切替手
   段とを備え、 前記単セル内ガス通路はどのパターンかによらず該単セ
   ル内ガス通路を通過している途中の反応ガスが前記スタ
   ックの外側を経由することのないように形成されている
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 【請求項３】 前記切替手段は、前記反応ガスが前記単
   セルごとに設けられた複数のガス小経路を順次通過する
   よう前記複数のガス小経路を直列的に連通させる直列パ
   ターンと、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた
   複数のガス小経路を同方向に一度に通過するよう前記複
   数のガス小経路を並列的に連通させる並列パターンのい
   ずれかの連通状態に切り替える請求項２記載の燃料電
   池。
4. 【請求項４】 請求項２又は３記載の燃料電池であっ
   て、 前記スタック内にて単セル積層方向に沿って設けられ、
   前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路のうちの
   少なくとも一組の隣り合うガス小経路の片側の端部同士
   を連通する共有マニホルドを備え、 前記切替手段は、前記共有マニホルドと前記スタックの
   外側に設けられたガス供給経路またはガス排出経路との
   連通・遮断を切り替える燃料電池。
5. 【請求項５】 前記切替手段が前記共有マニホルドと前
   記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを遮断したと
   きには、反応ガスが前記隣り合うガス小経路の一方のガ
   ス小経路を流れたあと前記共有マニホルドを介して方向
   転換してもう一方のガス小経路を逆方向へと流れ、 前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路
   または前記ガス排出経路とを連通したときには、反応ガ
   スが前記ガス供給経路から直接または前記ガス供給経路
   と連通した共有マニホルドを介して前記隣り合うガス小
   経路の各々に供給され、各ガス小経路を同方向に流れた
   あと直接または前記ガス排出経路と連通した共有マニホ
   ルドを介して前記ガス排出経路へと導かれる請求項４記
   載の燃料電池。
6. 【請求項６】 前記切替手段は、前記共有マニホルド内
   に設けられている請求項４又は５のいずれかに記載の燃
   料電池。
7. 【請求項７】 前記切替手段は、前記共有マニホルド外
   に設けられている請求項４又は５のいずれかに記載の燃
   料電池。
8. 【請求項８】 請求項２〜７のいずれかに記載の燃料電
   池であって、 運転状態に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス
   小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内
   ガス通路のパターン変更を行う切替制御手段を備えた燃
   料電池。
9. 【請求項９】 請求項８記載の燃料電池であって、 反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段を備え、 前記切替制御手段は、前記ガス流量検出手段によって検
   出された反応ガスの流量に応じて前記切替手段を介して
   前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることによ
   り前記単セル内ガス通路のパターン変更を行う燃料電
   池。
10. 【請求項１０】 前記切替制御手段は、前記反応ガスの
    流量が小さいときには前記単セル内ガス通路が直列パタ
    ーンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記
    反応ガスの流量が大きいときには前記単セル内ガス通路
    が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を
    行う請求項９記載の燃料電池。
11. 【請求項１１】 請求項８〜１０のいずれかに記載の燃
    料電池であって、 前記単セルの一構成要素である電解質膜の含水率を検出
    する含水率検出手段を備え、 前記切替制御手段は、前記含水率検出手段によって検出
    された前記電解質膜の含水率に応じて前記切替手段を介
    して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えること
    により前記単セル内ガス通路のパターン変更を行う燃料
    電池。
12. 【請求項１２】 前記切替制御手段は、前記電解質膜の
    含水率が高いときには前記単セル内ガス通路が直列パタ
    ーンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記
    電解質膜の含水率が低いときには前記単セル内ガス通路
    が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を
    行う請求項１１記載の燃料電池。
13. 【請求項１３】 請求項２〜１２のいずれかに記載の燃
    料電池であって、 前記切替手段は、開閉バルブであって前記複数のガス小
    経路の連通状態を切り替え可能であると共に前記複数の
    ガス小経路へ分配する反応ガスの流量を調節可能であ
    り、 前記切替制御手段は、運転状態に応じて前記切替手段を
    介して前記複数のガス小経路へ分配する反応ガスの流量
    を調節する燃料電池。