JP2004079435A

JP2004079435A - 燃料電池およびその運転方法

Info

Publication number: JP2004079435A
Application number: JP2002240988A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Enjoji; 円城寺　直之; Yoshinori Wariishi; 割石　義典; Seiji Suzuki; 鈴木　征治; Yuichiro Kosaka; 小坂　祐一郎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: US6964824B2; JP3699070B2; DE10337233A1; CA2437536C; US20040038113A1; CA2437536A1; DE10337233B4

Abstract

【課題】簡単かつ小型な構成で、電極面内を均一な状態に維持することができ、出力の安定化を図って高出力を得ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体２４と、一対の第１および第２セパレータ２６、２８とを備える。燃料電池１０には、積層方向に貫通して、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄ、第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄおよび第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄが形成される。第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが、酸化剤ガス供給口または酸化剤ガス排出口として連続的に切り替えられることにより、酸化剤ガス流路４２で酸化剤ガスが電極面に沿って旋回流動する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、セパレータとを積層する燃料電池およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ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。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（流体流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（流体流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
ところで、電解質膜は、所望のイオン導電率を維持するとともに、乾燥による構造的な損傷を減少させるために、適度に保湿されていることが必要である。しかしながら、燃料電池に供給される反応ガスは低加湿状態であるため、反応ガス流路の入口側では電解質膜が乾燥し易いという問題がある。
【０００６】
一方、上記の発電（反応）時には生成水が生じており、この生成水は反応ガス流路の出口側に滞留し易くなる。このため、反応ガス流路の出口側では電解質膜が過剰に加湿される、所謂、フラッディングが惹起され、電極面に対して反応ガスの供給量が不十分になるおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、米国特許第５，９３５，７２６号公報（以下、従来技術１という）には、燃料電池におけるイオン交換膜への水分配方法および装置が開示されている。この従来技術１では、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向を周期的に反転させることによって、ガス入口付近の電解質膜の乾き過ぎと、ガス出口付近のフラッディングとを解消し、水分布を均一化することを目的としている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１では、酸化剤ガスの流れ方向を変更するためにスイッチング機構（電磁切り替え弁等）を用いるため、酸化剤ガス流路内で酸化剤ガスの流れが停止する状態が存在してしまう。これにより、酸化剤ガスの供給量が不安定となり、燃料電池の出力を安定して維持することができないという問題が指摘されている。
【０００９】
また、特開２００２−８６８２号公報（以下、従来技術２という）に開示されている固体電解質型燃料電池は、図２１に示すように、セパレータ１を備えている。このセパレータ１の燃料極側の円盤状表面１ａには、その中心位置に１個および該中心位置と同心状の円周上に等間隔に６個、合計７個の燃料ガス用凹部３が形成されている。凹部３は、セパレータ１内に配設された燃料ガス用配管４を介して一体的に連通するとともに、前記燃料ガス用配管４は、燃料ガス供給孔５に連通している。
【００１０】
表面１ａには、各凹部３を中心にして螺旋状に伸びる複数の燃料ガス用溝部６が形成される。各燃料ガス用溝部６の一端が凹部３内に開口するとともに、他端が前記凹部３と同軸的に配置された燃料ガス用円環状溝部７に連通している。
【００１１】
このような構成において、燃料ガスが燃料ガス供給孔５から燃料ガス用配管４に供給されると、この燃料ガスは前記燃料ガス用配管４を介して各凹部３に供給される。各凹部３に供給された燃料ガスは、螺旋状の燃料ガス用溝部６に分配され、それぞれ円環状溝部７に排出される。
【００１２】
これにより、セパレータ１に複数の凹部３が設けられ、各凹部３から螺旋状の燃料ガス用溝部６に沿って燃料ガスが供給されるため、発電面全面にわたって均一に燃料ガスを供給することができる、としている。
【００１３】
しかしながら、この従来技術２では、セパレータ１の内部に燃料ガス用配管４が配置されるとともに、表面１ａに７個の凹部３が形成され、さらに各凹部３を中心にして螺旋状の燃料ガス用溝部６が形成されている。このため、セパレータ１自体の構成が相当に複雑化してしまい、このセパレータ１の製造コストが高騰するという問題が指摘されている。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ小型な構成で、電極面内を均一な状態に維持することができ、出力の安定化を図って高出力を得ることが可能な燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１および１０に係る燃料電池およびその運転方法では、電極の外方に位置してセパレータの積層方向に設けられた連通孔の中、所定の連通孔に少なくとも反応ガスまたは冷却媒体の一方の流体が供給および排出されると、前記所定の連通孔に連通する流体流路を介して前記流体が電極の面方向に沿って旋回流動する。このため、簡単な構成で、電極面内での電流密度分布、生成水分布、湿度分布および温度分布等を均一化することが可能になる。これにより、発電特性が向上するとともに、発電分布および電解質・電極接合体の面内負荷分布が均一化し、前記電解質・電極接合体の耐久性が有効に向上する。
【００１６】
また、本発明の請求項２および１１に係る燃料電池およびその運転方法では、所定の連通孔が流体供給口および流体排出口として固定使用される。従って、流体流路構造が一挙に簡素化され、燃料電池全体の小型化を容易に図ることができる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３および１２に係る燃料電池およびその運転方法では、連通孔が、１または複数の流体供給口と１または複数の流体排出口として、それぞれ連続的に切り替えられることにより、流体流路の旋回流れが連続的に形成される。これにより、連通孔が切り替えられる際に流体の流れが停止することがなく、簡単な工程および構成で、安定した出力を確実に得ることが可能になる。
【００１８】
さらにまた、本発明の請求項４および１４に係る燃料電池およびその運転方法では、連通孔が電極面の内方に設けられる内側連通孔を備えており、この内側連通孔が流体供給口または流体排出口として使用される。このため、電極面中央側で流体が滞留することを阻止することができ、電極面内全体を一層均一な状態に維持して性能の向上を図ることが可能になる。
【００１９】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、流体流路が、セパレータに設けられたエンボス構造により形成されている。従って、流体流路の流れ方向を円滑かつ確実に変更することができる。
【００２０】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、エンボス構造がガイド用リブを備えており、流体流路における流体の旋回流れが円滑かつ確実に行われ、電極面全面に流体を均一な条件で良好に分配することが可能になる。
【００２１】
さらにまた、本発明の請求項７および１８に係る燃料電池およびその運転方法では、流体流路である燃料ガス流路に供給される燃料ガスと、前記流体流路である酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスとが、略対向流に設定されている。これにより、電解質・電極接合体を挟んで燃料ガス流路と酸化剤ガス流路との間で水の移動が最適化され、低加湿運転または無加湿運転を遂行することができる。
【００２２】
また、本発明の請求項８および１９に係る燃料電池およびその運転方法では、流体流路である冷却媒体流路に供給される冷却媒体と、酸化剤ガスとが、略平行流に設定されている。このため、酸化剤ガス流路の供給側では、高加湿となるものの高温度化がなされて相対湿度が低下し、結露を有効に阻止することが可能になる。
【００２３】
さらに、本発明の請求項９に係る燃料電池では、電解質・電極接合体およびセパレータの積層方向が、鉛直方向に設定されている。従って、積層方向が水平方向に設定される構造のように結露水が下流側に滞留することがなく、前記結露水が円滑に移動して排水性を有効に向上させることができる。
【００２４】
さらにまた、本発明の請求項１３に係る燃料電池の運転方法では、それぞれ同時に使用される流体供給口および流体排出口の数は、低出力時に比べて高出力時の方が多数に設定される。このため、連通孔内部での圧損を低減することができ、流体の分配性が良好に向上する。
【００２５】
また、本発明の請求項１５および１６に係る燃料電池の運転方法では、燃料電池の負荷状況に応じて、連通孔に対する流体の供給および排出の切り替え間隔を変更したり、同時に使用される流体供給口および流体排出口の数を変更することにより、電極面内で流れの分配性を好適に維持して出力変化に備えることが可能になる。
【００２６】
さらに、本発明の請求項１７に係る燃料電池の運転方法では、流体が旋回流動することにより、流れの慣性を利用して流体供給口から前記流体が吸引される。これにより、流体供給用ポンプの能力以上の流量を流体流路に供給することができ、前記ポンプの小型化および省エネルギ化を図ることが可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。
【００２８】
複数の燃料電池１０が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されて燃料電池スタック１４が構成されている。この燃料電池スタック１４には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスを供給および排出するカソード側制御部１６と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給および排出するアノード側制御部１８と、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給および排出する冷却側制御部２０とが装着される。
【００２９】
図２に示すように、燃料電池１０は、略正方形状の電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する略正方形状の金属製第１および第２セパレータ２６、２８とを備える。なお、電解質膜・電極構造体２４と第１および第２セパレータ２６、２８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、図示しないシールが介装されている。
【００３０】
燃料電池１０の矢印Ｂ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、酸化剤ガスを流すための第１酸化剤ガス連通孔３０ａ、冷却媒体を流すための第１冷却媒体連通孔３２ａ、および燃料ガスを流すための第１燃料ガス連通孔３４ａが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。
【００３１】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第２燃料ガス連通孔３４ｂ、第２冷却媒体連通孔３２ｂおよび第２酸化剤ガス連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に順次設けられる。
【００３２】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃ、第３冷却媒体連通孔３２ｃおよび第３燃料ガス連通孔３４ｃが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。燃料電池１０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、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄ、第４冷却媒体連通孔３２ｄおよび第４燃料ガス連通孔３４ｄが、矢印Ｂ方向に順次設けられる。
【００３３】
図２および図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４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てなる固体高分子電解質膜（電解質）３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金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なる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３４】
第１セパレータ２６のカソード側電極４０に対向する面２６ａには、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂ、３０ｃおよび３０ｄに連通可能な酸化剤ガス流路（流体流路）４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、複数のエンボス（エンボス構造）４４により形成されており、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス流路４２に沿って旋回流動する。
【００３５】
図２および図４に示すように、第２セパレータ２８のアノード側電極３８に対向する面２８ａには、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂ、３４ｃおよび３４ｄに連通可能な燃料ガス流路（流体流路）４６が設けられる。この燃料ガス流路４６は、複数のエンボス（エンボス構造）４８により形成されるとともに、燃料ガスが前記燃料ガス流路４６に沿って旋回流動する。
【００３６】
図２に示すように、第２セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂには、冷却媒体流路（流体流路）５０が設けられる。冷却媒体流路５０は、複数のエンボス（エンボス構造）５２により形成されるとともに、前記エンボス５２はエンボス４８よりも小径に設定される。冷却媒体は、冷却媒体流路５０に沿って旋回流動する。
【００３７】
図１に示すように、カソード側制御部１６は、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ（図示せず）を備え、このコンプレッサが供給管６２を介して第１スイッチング機構６４に連結される。この第１スイッチング機構６４は、例えば、ロータリ式であり、燃料電池スタック１４の供給側に装着されるとともに、供給管６２を第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄに選択的に連通させる。
【００３８】
具体的には、第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみに連通する位置と、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂに同時に連通する位置と、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂのみに連通する位置と、第２および第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃに同時に連通する位置と、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみに連通する位置と、第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄに同時に連通する位置と、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄのみに連通する位置とに切り替えられる。
【００３９】
なお、第１スイッチング機構６４をロータリ式に代替して、例えば、電磁切り替え弁（図示せず）を用い、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを上記のように供給管６２に選択的に連通させるように構成してもよい。
【００４０】
燃料電池スタック１４の排出側には、第２スイッチング機構６８が切り替え可能に装着される。第２スイッチング機構６８は、上記の第１スイッチング機構６４と同様に、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを排出管７２に選択的に連通可能である。
【００４１】
第１および第２スイッチング機構６４、６８の駆動により第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを、酸化剤ガス供給口（流体供給口）および／または酸化剤ガス排出口（流体排出口）として切り替える操作が行われる。具体的には、図５に示すように、８つの連通位置Ｐ１〜Ｐ８に、順次、切り替え操作される。このダイヤグラムが、図６に示されている。
【００４２】
第１連通位置Ｐ１では、第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみを酸化剤ガス供給口とする一方、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみを酸化剤ガス排出口とする。第２連通位置Ｐ２では、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂを一体的に酸化剤ガス供給口とするとともに、第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４３】
第３連通位置Ｐ３では、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂのみを酸化剤ガス供給口とし、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄのみを酸化剤ガス排出口とする。第４連通位置Ｐ４では、第２および第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃを一体的に酸化剤ガス供給口とし、第４および第１酸化剤ガス連通孔３０ｄ、３０ａを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４４】
第５連通位置Ｐ５では、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみを酸化剤ガス供給口とし、第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみを酸化剤ガス排出口とする。第６連通位置Ｐ６では、第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄを一体的に酸化剤ガス供給口とし、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４５】
第７連通位置Ｐ７では、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄのみを酸化剤ガス供給口とし、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂのみを酸化剤ガス排出口とする。第８連通位置Ｐ８では、第４および第１酸化剤ガス連通孔３０ｄ、３０ａを一体的に酸化剤ガス供給口とし、第２および第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４６】
図１に示すように、アノード側制御部１８は、上記のカソード側制御部１６と同様に構成されており、図示しない燃料ガスタンクに連結されて燃料電池スタック１４の供給側に装着される第１スイッチング機構８０と、前記燃料電池スタック１４の排出側に連結される第２スイッチング機構８２とを備えている。第１および第２スイッチング機構８０、８２を介して、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄは、図７に示すように、第１連通位置Ｐ１１〜第８連通位置Ｐ１８に、順次、切り替え制御される。
【００４７】
第１連通位置Ｐ１１では、第３燃料ガス連通孔３４ｃのみが燃料ガス供給口（流体供給口）に設定される一方、第１燃料ガス連通孔３４ａのみが燃料ガス排出口（流体排出口）に設定される。第２連通位置Ｐ１２では、第３および第４燃料ガス連通孔３４ｃ、３４ｄが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第１および第２燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００４８】
第３連通位置Ｐ１３では、第４燃料ガス連通孔３４ｄのみが燃料ガス供給口に設定される一方、第２燃料ガス連通孔３４ｂのみが燃料ガス排出口に設定される。第４連通位置Ｐ１４では、第４および第１燃料ガス連通孔３４ｄ、３４ａが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第２および第３燃料ガス連通孔３４ｂ、３４ｃが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００４９】
第５連通位置Ｐ１５では、第１燃料ガス連通孔３４ａのみが燃料ガス供給口に設定される一方、第３燃料ガス連通孔３４ｃのみが燃料ガス排出口に設定される。第６連通位置Ｐ１６では、第１および第２燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第３および第４燃料ガス連通孔３４ｃ、３４ｄが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００５０】
第７連通位置Ｐ１７では、第２燃料ガス連通孔３４ｂのみが燃料ガス供給口に設定される一方、第４燃料ガス連通孔３４ｄのみが燃料ガス排出口に設定される。第８連通位置Ｐ１８では、第２および第３燃料ガス連通孔３４ｂ、３４ｃが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第４および第１燃料ガス連通孔３４ｄ、３４ａが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００５１】
図１に示すように、冷却側制御部２０は、上記のカソード側制御部１６およびアノード側制御部１８と同様に構成されており、図示しない冷却媒体タンクに連結されて燃料電池スタック１４の供給側に装着される第１スイッチング機構８４と、前記燃料電池スタック１４の排出側に連結される第２スイッチング機構８６とを備える。第１および第２スイッチング機構８４、８６を介して、第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄは、図８に示すように、第１連通位置Ｐ２１〜第８連通位置Ｐ２８に、順次、切り替え制御される。
【００５２】
第１連通位置Ｐ２１では、第１冷却媒体連通孔３２ａのみが冷却媒体供給口（流体供給口）に設定される一方、第３冷却媒体連通孔３２ｃのみが冷却媒体排出口（流体排出口）に設定される。第２連通位置Ｐ２２では、第１および第２冷却媒体連通孔３２ａ、３２ｂが一体的に冷却媒体供給口に設定されるとともに、第３および第４冷却媒体連通孔３２ｃ、３２ｄが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５３】
第３連通位置Ｐ２３では、第２冷却媒体連通孔３２ｂのみが冷却媒体供給口に設定される一方、第４冷却媒体連通孔３２ｄのみが冷却媒体排出口に設定される。第４連通位置Ｐ２４では、第２および第３冷却媒体連通孔３２ｂ、３２ｃが一体的に冷却媒体供給口に設定されるとともに、第４および第１冷却媒体連通孔３２ｄ、３２ａが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５４】
第５連通位置Ｐ２５では、第３冷却媒体連通孔３２ｃのみが冷却媒体供給口に設定されるとともに、第１冷却媒体連通孔３２ａのみが冷却媒体排出口に設定される。第６連通位置Ｐ２６では、第３および第４冷却媒体連通孔３２ｃ、３２ｄが一体的に冷却媒体供給口に設定される一方、第１および第２冷却媒体連通孔３２ａ、３２ｂが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５５】
第７連通位置Ｐ２７では、第４冷却媒体連通孔３２ｄのみが冷却媒体供給口に設定されるとともに、第２冷却媒体連通孔３２ｂのみが冷却媒体排出口に設定される。第８連通位置Ｐ２８では、第４および第１冷却媒体連通孔３２ｄ、３２ａが一体的に冷却媒体供給口に設定される一方、第２および第３冷却媒体連通孔３２ｂ、３２ｃが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５６】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、第１の実施形態に係る燃料電池の運転方法との関連で以下に説明する。
【００５７】
図２に示すように、まず、燃料電池１０では、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが第１連通位置Ｐ１に設定され、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄが第１連通位置Ｐ１１に設定され、さらに第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが第１連通位置Ｐ２１に設定されている。
【００５８】
ここで、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。矢印Ａ方向に連通している第１酸化剤ガス連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２６の酸化剤ガス流路４２に導入される。
【００５９】
この酸化剤ガス流路４２では、酸化剤ガスがエンボス４４を介して旋回流動し、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。酸化剤ガスは、旋回しながら一部を第３酸化剤ガス連通孔３０ｄに排出している。なお、燃料電池１０の運転開始直後では、酸化剤ガス流路４２において、酸化剤ガスが第１酸化剤ガス連通孔３０ａから第３酸化剤ガス連通孔３０ｄに向かって略直線状に移動し易い。
【００６０】
一方、燃料ガスは、図２および図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している第４燃料ガス連通孔３４ｄから第２セパレータ２８の燃料ガス流路４６に導入される。燃料ガス流路４６では、燃料ガスがエンボス４８を介して旋回流動し、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。燃料ガスは、旋回しながら一部を第２燃料ガス連通孔３４ｂに排出している。なお、燃料電池１０の運転開始直後では、燃料ガス流路４６において、燃料ガスが第４燃料ガス連通孔３４ｄから第２燃料ガス連通孔３４ｂに向かって略直線状に移動し易い。
【００６１】
従って、電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、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（図３参照）。
【００６２】
次いで、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃに排出される（図２および図５参照）。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、第２燃料ガス連通孔３４ｂに排出される（図２および図７参照）。
【００６３】
また、第１冷却媒体連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２８の冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体は、エンボス５２に沿って旋回流動し、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、第３冷却媒体連通孔３２ｃに排出される（図２および図８参照）。
【００６４】
この場合、第１の実施形態では、カソード側制御部１６、アノード側制御部１８および冷却側制御部２０が同期して駆動制御され、第１スイッチング機構６４、８０および８４と、第２スイッチング機構６８、８２および８６とを介して、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄ、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄおよび第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが切り替えられる。
【００６５】
具体的には、カソード側制御部１６では、図６に示すダイヤグラムに沿って第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが、第１連通位置Ｐ１から第８連通位置Ｐ８に、順次、連続的に切り替わっている（図５参照）。このため、酸化剤ガス流路４２では、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口が、順次、切り替わることにより、酸化剤ガスがカソード側電極４０の面方向に沿って円滑に旋回流動する。
【００６６】
従って、カソード側電極４０の電極面内において、電流密度分布、生成水分布、湿度分布および温度分布等を均一化することが可能になり、簡単な構成で、発電特性が有効に向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池１０の発電分布および電解質膜・電極構造体２４の面内負荷分布が均一化し、前記電解質膜・電極構造体２４の耐久性が有効に向上するという利点がある。
【００６７】
一方、アノード側制御部１８および冷却側制御部２０においても同様に、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄおよび第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが、第１連通位置Ｐ１１、Ｐ２１から第８連通位置Ｐ１８、Ｐ２８に、順次、連続的に切り替わっている（図７および図８参照）。これにより、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０において、燃料ガスおよび冷却媒体は、電極面方向に沿って円滑に旋回流動することができる。このため、電極面内の種々の条件を均一に維持することが可能になり、発電特性を良好に向上させることができる。
【００６８】
また、例えば、酸化剤ガス流路４２では、図５および図６に示すように、第１連通位置Ｐ１で第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみが酸化剤ガス供給口となるとともに、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみが酸化剤ガス排出口となっている。そして、酸化剤ガス流路４２の流れ方向を変更する際には、第２連通位置Ｐ２を介して第３連通位置Ｐ３に移行している。
【００６９】
従って、酸化剤ガス供給口は、第１酸化剤ガス連通孔３０ａから第２酸化剤ガス連通孔３０ｂに直接切り替えられるのではなく、一旦、第２連通位置Ｐ２において前記第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂが同時に前記酸化剤ガス供給口として設定されている。
【００７０】
同様に、第１連通位置Ｐ１で酸化剤ガス排出口に設定されていた第３酸化剤ガス連通孔３０ｃから第４酸化剤ガス連通孔３０ｄに切り替える際には、一旦、前記第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄが同時に（オーバーラップして）前記酸化剤ガス排出口に設定されている（第２連通位置Ｐ２参照）。
【００７１】
これにより、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口が変更される際に、酸化剤ガスの流れが停止する状態が惹起されることがなく、前記酸化剤ガスを、常時、電極面に供給することができる。一方、燃料ガス流路４６においても同様に、燃料ガス供給口および燃料ガス排出口が変更される際に、燃料ガスの流れが停止することがない。従って、燃料電池１０における安定した出力を確実に得ることが可能になるという効果がある。
【００７２】
さらにまた、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０は、それぞれ複数のエンボス４４、４８および５２により形成されている。従って、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０における旋回流動が、円滑かつ確実に遂行可能になる。
【００７３】
また、第１の実施形態では、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが第１連通位置Ｐ１から第８連通位置Ｐ８に、順次、切り替えられるのに同期して、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄおよび第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが、第１連通位置Ｐ１１、Ｐ２１から第８連通位置Ｐ１８、Ｐ２８に、順次、切り替え制御されている。
【００７４】
その際、酸化剤ガス流路４２に供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路４６に供給される燃料ガスとは、常に、略対向流に設定されている。例えば、図２に示す第１連通位置Ｐ１、Ｐ１１、図９に示す第２連通位置Ｐ２、Ｐ１２、図１０に示す第３連通位置Ｐ３、Ｐ１３および図１１に示す第４連通位置Ｐ４、Ｐ１４では、それぞれ酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが、略対向流に設定されている。
【００７５】
これにより、生成水の発生により高湿度となり易い酸化剤ガス流路４２の酸化剤ガス排出口側は、比較的低加湿の燃料ガスが導入される燃料ガス流路４６の燃料ガス供給口側に対向している。このため、電解質膜・電極構造体２４を挟んで酸化剤ガス出口側から燃料ガス入口側に水分が移動し、酸化剤ガス流路４２においての結露水の除去と、燃料ガス流路４６側においての低加湿運転または無加湿運転とを容易に遂行することが可能になる。
【００７６】
一方、冷却媒体流路５０では、酸化剤ガス流路４２が第１連通位置Ｐ１から第８連通位置Ｐ８に、順次、移行する際に、この酸化剤ガス流路４２に供給される酸化剤ガスと、前記冷却媒体流路５０に供給される冷却媒体とが、略平行流に設定されている（図５および図８参照）。この関係は、例えば、第１連通位置Ｐ１、Ｐ２１から第４連通位置Ｐ４、Ｐ２４では、図２、図９、図１０および図１１に明確に示されている。
【００７７】
ここで、酸化剤ガス流路４２の酸化剤ガス出口側は、電解質膜・電極構造体２４の冷却を行って高温となった冷却媒体を介して昇温されている。従って、酸化剤ガス出口側は、生成水によって高湿度となるものの、冷却媒体の昇温作用下に相対湿度が低下し、結露を有効に阻止することが可能になる。
【００７８】
さらに、第１の実施形態では、燃料電池１０が、図１に示すように、鉛直方向に積層されて燃料電池スタック１４を構成している。このため、燃料電池１０の積層方向が、例えば、略水平方向に設定される構造のように、結露水が立位姿勢の前記燃料電池１０の下流側に滞留することがなく、結露水が円滑に移動して排水性を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００７９】
さらにまた、反応による生成水を有効に利用することができ、燃料ガスや酸化剤ガスのストイキを減少させることも可能である。その上、加湿器や複雑な水回収装置を不要にすることもでき、コストを大幅に削減して経済的であるという利点がある。
【００８０】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と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。また、以下に説明する第３〜第４の実施形態においても、同様に省略する。
【００８１】
燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１０２と、前記電解質膜・電極構造体１０２を挟持する金属製第１および第２セパレータ１０４、１０６とを備えている。燃料電池１００の矢印Ｂ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、第１酸化剤ガス連通孔３０ａ、第１冷却媒体連通孔３２ａ、および第１燃料ガス連通孔３４ａが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。燃料電池１００の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第２燃料ガス連通孔３４ｂ、第２冷却媒体連通孔３２ｂおよび第２酸化剤ガス連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。
【００８２】
第１セパレータ１０４には、酸化剤ガス流路（流体流路）１１０が設けられており、この酸化剤ガス流路１１０は、複数のエンボス４４と、所定のエンボス４４同士を一体的に連結した複数のガイド用リブ１１２とにより形成される。リブ１１２は、第１酸化剤ガス連通孔３０ａから酸化剤ガス流路１１０に供給される酸化剤ガスが、電極面に沿って円滑に旋回流動し得るとともに、使用後の酸化剤ガスを第２酸化剤ガス連通孔３０ｂから排出可能なように、それぞれの形状や設置位置が設定されている。
【００８３】
第２セパレータ１０６には、アノード側電極３８に対向して燃料ガス流路（流体流路）１１４が設けられている。この燃料ガス流路１１４は、図１３Ａに示すように、複数のエンボス４８と、所定のエンボス４８同士を一体的に連結したガイド用リブ１１６とにより形成される。リブ１１６は、第１燃料ガス連通孔３４ａから燃料ガス流路１１４に供給される燃料ガスが、電極面に沿って円滑に旋回流動し得るとともに、使用後の燃料ガスを第２燃料ガス連通孔３４ｂから排出可能なように、それぞれの形状や設置位置が設定されている。
【００８４】
第２セパレータ１０６は、燃料ガス流路１１４とは反対側に冷却媒体流路（流体流路）１１８を設ける。この冷却媒体流路１１８は、複数のエンボス５２と、所定のエンボス５２同士を一体的に連結したガイド用リブ１２０とにより形成される。リブ１２０は、第１冷却媒体連通孔３２ａから冷却媒体流路１１８に供給される冷却媒体が、電極面に沿って円滑に旋回流動し得るとともに、使用後の冷却媒体を第２冷却媒体連通孔３２ｂから排出可能なように、それぞれの形状や設置位置が設定されている。
【００８５】
このように構成される第２の実施形態では、第１酸化剤ガス連通孔３０ａから第１セパレータ１０４の酸化剤ガス流路１１０に酸化剤ガスが供給されると、この酸化剤ガス流路１１０を構成するエンボスおよびリブ１１２の案内作用下に、前記酸化剤ガスがカソード側電極４０の面方向に沿って旋回流動するとともに、該酸化剤ガスの一部が第２酸化剤ガス連通孔３０ｂから排出される。
【００８６】
これにより、第１酸化剤ガス連通孔３０ａを酸化剤ガス供給口に設定するだけで、酸化剤ガス流路１１０において酸化剤ガスの旋回流動が行われ、カソード側電極４０の電極面内の種々の状態を容易に均一化することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８７】
なお、図１３Ａに示すように、燃料ガス流路１１４においても同様に、第１燃料ガス連通孔３４ａから導入される燃料ガスが、エンボス４８およびリブ１１６の案内作用下にこの燃料ガス流路１１４で旋回流動し、その一部が第２燃料ガス連通孔３４ｂから排出される。
【００８８】
また、冷却媒体流路１１８においても同様に、第１冷却媒体連通孔３２ａを冷却媒体供給口とし、第２冷却媒体連通孔３２ｂを冷却媒体排出口とするだけで、冷却媒体は、エンボス５２とリブ１２０との案内作用下に前記冷却媒体流路１１８で旋回流動する。
【００８９】
特に、第２の実施形態では、第１酸化剤ガス連通孔３０ａを酸化剤ガス供給口とし、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂを酸化剤ガス排出口として固定使用することにより、この酸化剤ガス供給口およびこの酸化剤ガス排出口の切り替えが不要である。このため、酸化剤ガスの流路切り替えが不要になって、設備を一層簡素化かつ小型化することが可能になる。
【００９０】
なお、第２の実施形態では、例えば、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口を、それぞれ１つの連通孔である第１酸化剤ガス連通孔３０ａおよび第２酸化剤ガス連通孔３０ｂに設定しているが、２以上の複数の連通孔に設定してもよい。また、図１３Ａに示すリブ１１６に代替えして、図１３Ｂ〜図１３Ｄに示すリブ１１６ａ、１１６ｂおよび１１６ｃを使用しても、燃料ガスの旋回流動が行われる。これは、リブ１１２に代替えすることにより、酸化剤ガスでも同様に旋回流動が可能である。
【００９１】
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１６０の要部分解斜視図である。
【００９２】
燃料電池１６０は、略円盤状の電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１６２と、前記電解質膜・電極構造体１６２を挟持する略円盤状の金属製第１および第２セパレータ１６４、１６６とを備える。燃料電池１６０の外周縁部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の外方に位置して第１酸化剤ガス連通孔１６８ａ、第２酸化剤ガス連通孔１６８ｂ、第３酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄおよび第５酸化剤ガス連通孔１６８ｅが所定角度間隔ずつ離間して矢印Ａ方向に貫通形成される。
【００９３】
第１および第２酸化剤ガス連通孔１６８ａ、１６８ｂ間には、第１燃料ガス連通孔１７０ａと第１冷却媒体連通孔１７２ａとが形成される。第２および第３酸化剤ガス連通孔１６８ｂ、１６８ｃ間には、第２燃料ガス連通孔１７０ｂと第２冷却媒体連通孔１７２ｂとが設けられ、第３および第４酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、１６８ｄ間には、第３燃料ガス連通孔１７０ｃと第３冷却媒体連通孔１７２ｃとが形成される。
【００９４】
第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄと第５酸化剤ガス連通孔１６８ｅとの間には、第４燃料ガス連通孔１７０ｄおよび第４冷却媒体連通孔１７２ｄが設けられる。第５および第１酸化剤ガス連通孔１６８ｅ、１６８ａ間には、第５燃料ガス連通孔１７０ｅおよび第５冷却媒体連通孔１７２ｅが形成される。
【００９５】
図１５に示すように、酸化剤ガス流路４２では、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、１つを酸化剤ガス供給口とし、他の１つを酸化剤ガス排出口として選択するとともに、第１連通位置Ｐ３１、第２連通位置Ｐ３２、第３連通位置Ｐ３３、第４連通位置Ｐ３４および第５連通位置Ｐ３５に、順次、切り替えられる。
【００９６】
図１６に示すように、燃料ガス流路４６では、同様に、第１〜第５燃料ガス連通孔１７０ａ〜１７０ｅの中、１つを燃料ガス供給口とし、他の１つを燃料ガス排出口として選択するとともに、第１連通位置Ｐ４１、第２連通位置Ｐ４２、第３連通位置Ｐ４３、第４連通位置Ｐ４４および第５連通位置Ｐ４５に、順次、切り替えられる。
【００９７】
図１７に示すように、冷却媒体流路５０では、第１〜第５冷却媒体連通孔１７２ａ〜１７２ｅの中、１つを冷却媒体供給口とし、他の１つを冷却媒体排出口として選択するとともに、第１連通位置Ｐ５１、第２連通位置Ｐ５２、第３連通位置Ｐ５３、第４連通位置Ｐ５４および第５連通位置Ｐ５５に、順次、切り替えられる。
【００９８】
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０が、第１連通位置Ｐ３１、Ｐ４１およびＰ５１から第５連通位置Ｐ３５、Ｐ４５およびＰ５５に同期して、順次、切り替えられており、１つの入口から酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が導入されてそれぞれ１つの出口から排出されている。このため、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０において、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が良好に旋回流動することができる。
【００９９】
さらに、例えば、酸化剤ガス流路４２において、第１酸化剤ガス連通孔１６８ａが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第３酸化剤ガス連通孔１６８ｃが酸化剤ガス排出口に設定されている（第１連通位置Ｐ３１参照）。そして、第１連通位置Ｐ３１から第２連通位置Ｐ３２に切り替えられる際には、一旦、第１および第２酸化剤ガス連通孔１６８ａ、１６８ｂが酸化剤ガス供給口を一体的に構成した後、前記第２酸化剤ガス連通孔１６８ｂのみに切り替えられる。一方、第３および第４酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、１６８ｄが酸化剤ガス排出口を一体的に構成した後、前記第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄのみに切り替えられる。
【０１００】
このため、第３の実施形態では、第１連通位置Ｐ３１から第２連通位置Ｐ３２に切り替えられる際に、酸化剤ガスの流れが停止されることがなく、安定した出力を得ることができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０１】
さらにまた、第３の実施形態では、酸化剤ガス流路４２および燃料ガス流路４６において、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向が互いに同期して変更されるとともに、酸化剤ガスと燃料ガスとが、常に略対向流に設定されている。しかも、酸化剤ガス流路４２を流れる酸化剤ガスと、冷却媒体流路５０を流れる冷却媒体とは、常に略平行流に設定されている。これにより、反応生成水を有効に利用するとともに、発電性能の向上を図ることができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
また、第３の実施形態では、燃料電池１６０の出力の大小や出力低下の状況や電極面内の水分布や電流密度分布等に応じて、入口および出口の個数を変化させることにより、電極面内を均一な状態に維持することができる。
【０１０３】
例えば、燃料電池１６０が低出力時の際には、酸化剤ガス流量が少ないため、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、２つを酸化剤ガス供給口に設定し、１つを酸化剤ガス排出口に設定する。一方、燃料電池１６０が高出力時の際には、酸化剤ガス流量が多いため、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、３つを酸化剤ガス供給口に設定し、２つを酸化剤ガス排出口に設定する。このため、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口内部での圧損を低減することができ、酸化剤ガスの分配性が良好に向上する。
【０１０４】
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１８０の要部分解斜視図である。
【０１０５】
この燃料電池１８０では、電極面の内方に内側酸化剤ガス連通孔１８２と内側燃料ガス連通孔１８４とが、積層方向である矢印Ａ方向に貫通して形成される。内側酸化剤ガス連通孔１８２は、酸化剤ガス供給口と酸化剤ガス排出口とに選択的に切り替え自在であり、内側燃料ガス連通孔１８４は、燃料ガス供給口と燃料ガス排出口とに選択的に切り替え可能である。
【０１０６】
このような構成において、例えば、内側酸化剤ガス連通孔１８２を酸化剤ガス排出口として使用する際には、図１９に示すように、第１連通位置Ｐ１ａから第８連通位置Ｐ８ａに、順次、切り替え操作される。
【０１０７】
一方、内側酸化剤ガス連通孔１８２を酸化剤ガス供給口として使用する場合、図２０に示すように、第１連通位置Ｐ１ｂから第８連通位置Ｐ８ｂに、順次、切り替え操作が行われる。
【０１０８】
これにより、第４の実施形態では、電極面の略中央部に内側酸化剤ガス連通孔１８２が設けられ、この内側酸化剤ガス連通孔１８２を酸化剤ガス供給口または酸化剤ガス排出口として使用している。従って、電極面の略中央部で酸化剤ガスが滞留する（淀む）ことを有効に阻止することができ、前記電極面内の状態をより均一に維持して発電性能を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【０１０９】
さらに、燃料電池１８０が低出力の際には、内側酸化剤ガス連通孔１８２および内側燃料ガス連通孔１８４を使用しない一方、高出力の際には、前記内側酸化剤ガス連通孔１８２および前記内側燃料ガス連通孔１８４を使用する。すなわち、出力の大小と反応ガス消費の大小との直接的な関係を利用し、燃料電池１８０が低出力時には反応ガスの出入りを抑える一方、高出力時には反応ガスの出入りを多くすることにより、所望の出力を確実に得ることが可能になる。
【０１１０】
また、内側酸化剤ガス連通孔１８２および内側燃料ガス連通孔１８４をそれぞれ複数個設けておき、燃料電池１８０の負荷状況に応じて、使用される個数を切り替え制御することもできる。この場合も、上記の関係を用い、燃料電池１８０が低出力時には反応ガスの出入りを少なくする一方、高出力時には反応ガスの出入りを多くすることにより、所望の出力を確実に得ることができる。
【０１１１】
加えて、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口の切り替え間隔を、低出力時に比べて高出力時の方を短く設定してもよい。この場合、燃料電池１８０が高出力時には、反応ガスの消費が多いことから切り替え間隔を相対的に短くし、電極面内でのガス分布状態をより均一化しておくことにより、ガス供給を電極面全面で安定化させて一層安定的に出力を確保することができる。
【０１１２】
さらに、燃料電池１８０に対する負荷の状況に応じて、上述した反応ガスの供給および排出の切り替え間隔を変更したり、同時に使用されるガス供給口およびガス排出口の数を変更してもよい。すなわち、燃料電池１８０内の負荷の程度に対応してこれらを変更すれば、予め出力の変化に応じて好適な電極面内のガス分布状態を維持することができ、前記燃料電池１８０の出力変化の直後からより安定した出力を得ることが可能になる。
【０１１３】
なお、第１および第２セパレータ２６、２８等のセパレータは、金属で構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、カーボン部材で構成してもよい。
【０１１４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池およびその運転方法では、流体流路を介して電極の面方向に沿って流体が旋回流動するため、簡単な構成で、電極面内での電流密度分布、生成水分布、湿度分布および温度分布等を均一化することが可能になる。これにより、発電特性が向上するとともに、発電分布および電解質・電極接合体の面内負荷分布が均一化し、前記電解質・電極接合体の耐久性が有効に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】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５】酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図６】酸化剤ガスの供給および排出のダイヤグラムである。
【図７】燃料ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図８】冷却媒体流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図９】前記燃料電池の第２連通位置での分解斜視図である。
【図１０】前記燃料電池の第３連通位置での分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池の第４連通位置での分解斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１３】図１３Ａは、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り、図１３Ｂ〜図１３Ｄは、他のリブ形状の正面説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１５】前記燃料電池において、酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図１６】前記燃料電池において、燃料ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図１７】前記燃料電池において、冷却媒体流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１９】前記燃料電池において、内側酸化剤ガス連通孔を酸化剤ガス排出口として使用する際の操作説明図である。
【図２０】前記燃料電池において、前記内側酸化剤ガス連通孔を酸化剤ガス供給口として使用する際の操作説明図である。
【図２１】従来技術に係る燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１６０、１８０…燃料電池
１２…燃料電池システム　　　　　　１４…燃料電池スタック
１６…カソード側制御部　　　　　　１８…アノード側制御部
２０…冷却側制御部
２４、１０２、１６２…電解質膜・電極構造体
２６、２８、１０４、１０６、１６４、１６６…セパレータ
３０ａ〜３０ｄ、１６８ａ〜１６８ｅ…酸化剤ガス連通孔
３２ａ〜３２ｄ、１７２ａ〜１７２ｅ…冷却媒体連通孔
３４ａ〜３４ｄ、１７０ａ〜１７０ｅ…燃料ガス連通孔
３６…固体高分子電解質膜　　　　　３８…アノード側電極
４０…カソード側電極　　　　　　　４２、１１０…酸化剤ガス流路
４４、４８、５２…エンボス　　　　４６、１１４…燃料ガス流路
５０、１１８…冷却媒体流路
６４、６８、８０、８２、８４、８６…スイッチング機構
１１２、１１６、１１６ａ〜１１６ｃ、１２０…リブ
１８２…内側酸化剤ガス連通孔　　　１８４…内側燃料ガス連通孔

Claims

電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、セパレータとを積層する燃料電池であって、
前記電極の外方に位置して前記セパレータの積層方向に貫通形成されるとともに、少なくとも反応ガスまたは冷却媒体の一方の流体を積層方向に流すための複数の連通孔と、
流体供給口に設定される連通孔と流体排出口に設定される連通孔とに連通し、前記流体を前記電極の面方向に沿って旋回流動させる流体流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、所定の連通孔が前記流体供給口および前記流体排出口として固定使用されることにより、前記流体の旋回流れを形成することを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記連通孔は、１または複数の流体供給口と１または複数の流体排出口として、それぞれ連続的に切り替えられることにより、前記流体の旋回流れを連続的に形成することを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記連通孔は、電極面の内方に設けられる１以上の内側連通孔を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流体流路は、前記セパレータに設けられたエンボス構造により形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項５記載の燃料電池において、前記エンボス構造は、ガイド用リブを備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流体流路は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備え、
前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスとは、略対向流に設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項７記載の燃料電池において、前記流体流路は、冷却媒体流路を備え、
前記冷却媒体流路に供給される冷却媒体と、前記酸化剤ガスとは、略平行流に設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向は、鉛直方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、セパレータとを積層する燃料電池の運転方法であって、
前記電極の外方に位置して前記セパレータの積層方向に設けられた連通孔の中、所定の連通孔に少なくとも反応ガスまたは冷却媒体の一方の流体を供給および排出することにより、流体供給口に設定される連通孔と流体排出口に設定される連通孔とに連通する流体流路を介し、前記流体を前記電極の面方向に沿って旋回流動させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０記載の燃料電池の運転方法において、所定の連通孔が前記流体供給口および前記流体排出口として固定使用されることにより、前記流体流路で前記流体を旋回流動させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０記載の燃料電池の運転方法において、前記連通孔は、１または複数の流体供給口と１または複数の流体排出口として、それぞれ連続的に切り替えられることにより、前記流体流路で前記流体を連続的に旋回流動させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、それぞれ同時に使用される前記流体供給口および前記流体排出口の数は、低出力時に比べて高出力時の方が多数に設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記連通孔は、電極面の内方に設けられる内側連通孔を備え、この内側連通孔を前記流体供給口または前記流体排出口として使用することを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の負荷状況に応じて、前記連通孔に対する前記流体の供給および排出の切り替え間隔を変更することを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の負荷状況に応じて、同時に使用される前記流体供給口および前記流体排出口の数を変更することを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記流体が旋回流動することにより、前記流体供給口から前記流体を吸引することを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記流体流路である燃料ガス流路に供給される燃料ガスと、前記流体流路である酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスとは、略対向流に設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１８記載の燃料電池の運転方法において、前記流体流路である冷却媒体流路に供給される冷却媒体と、前記酸化剤ガスとは、略平行流に設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。