JP2004103452A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セル内での水分量の不均一性を解消する。
【解決手段】膜電極接合体２６を挟むカソード側セパレータ２８は、前記膜電極接合体２６に対面する表面部分とその裏面部分とにガス流路３３、３２を設け、表面部分と裏面部分とのガス流路３３、３２間で厚み方向に水移動可能に形成し、供給するカソードガスを裏面部分のガス流路３２を経由させて表面部分のガス流路３３に供給する。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、特に、セル内の水分量の不均一性を解消させる固体高分子燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から固体高分子型燃料電池のセル内の水分量の不均一性を解消するため、電解質膜をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体の過剰に湿潤しているガス下流部分でその余分の水分を吸取り、膜電極接合体の乾き気味となるガス上流部分に水分を供給するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、膜電極接合体へ夫々の側から反応ガスを供給するバイポーラプレートを多孔質体により形成し、さらにその外側に水分均一化構造体を配置した構成を備える。この水分均一化構造体は、多孔質体のバイポーラプレートを介して膜電極接合体の過剰な水分を吸取ることでフラッディングの発生を防止し、吸取った水分を構造体内部の毛細管現象によりより乾いた部分移動させ、膜電極接合体が乾き気味となる部位へ多孔質体のバイポーラプレートを介して水分を供給してドライアウトの発生を防止するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１３８６９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、湿潤部分から乾き気味部分への水分の移動が水分均一化構造体内での毛細管現象のみによるため、過剰な水分がある部分から乾き気味となる部分までの移動距離が長い場合には乾き気味となる部分への充分な加湿ができず、水分量の不均一性を確実には解消できないものであった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、セル内での水分量の不均一性を解消し、フラッディングやドライアウトの防止に好適な固体高分子型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】
本発明は、膜電極接合体を挟むセパレータの少なくとも何れか一方は、前記膜電極接合体に対面する表面部分とその裏面部分とにガス流路を備え、表面部分と裏面部分とのガス流路間で厚み方向に水移動可能に形成し、供給するガスを裏面部分のガス流路を経由させて表面部分のガス流路に供給することを特徴とする。加えて、裏面側ガス流路のガスを吸引して表面側ガス流路に送出す吸引送出手段を備えるようにしてもよい。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、セパレータは膜電極接合体に対面する表面部分とその裏面部分とにガス流路を備え、表面部分と裏面部分とのガス流路間で厚み方向に水移動可能に形成し、供給するガスを裏面部分のガス流路を経由させて表面部分のガス流路に供給するようにしている。このため、裏面側ガス流路を通過するガスは、表面側ガス流路のガスおよびスタックの熱によって加温され、表面側ガス流路の下流部でガス中に含むことができずにガス流路内で液化した水がセパレータ厚み方向へ移動することにより加湿され、この加温され加湿されたガスが表面側ガス流路に供給される。従って、表面側ガス流路の入口付近での温度上昇により電解質膜から水分を奪い取る、所謂ライアウト現象を防止する効果がある。
【０００９】
また、表面側ガス流路の下流部でガス中に含むことができずにガス流路内で液化した水がセパレータ厚み方向へ移動することにより、表面側流路では過剰となり液化した水がガス流路やガス拡散層を閉塞する、所謂フラッディング現象を防止する効果がある。
【００１０】
しかも、裏面側ガス流路のガスを吸引して表面側ガス流路に送出す吸引送出手段を設けることにより、裏側の流路を流れるガスは外気からブロワによって引っ張られて負圧となり、逆に表側の流路を流れるガスはブロワによって送り込まれて正圧となるため、裏と表の間に圧力差が生じ、セパレータの表面で液相の水が生じた場合に、反対側のセパレータ裏面に効果的に排出することができる。
【００１１】
その結果、反応ガスの供給が液相の水によって妨げられること（フラッディング現象）を防止でき、燃料電池の性能を改善できるという効果がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池を各実施形態に基づいて説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１〜３は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の第１実施形態を示し、図１は燃料電池システムのシステム構成図、図２は燃料電池単セルの断面図、図３はカソードプレートの流路形状を示す正面図である。
【００１４】
本実施例形態においては、ポーラスタイプのバイポーラプレート（以下、ＢＰＰという）を使用し、反応ガスをＢＰＰの背面を通して表面に流すことで、セル内部での水分量を均一化し、フラッディングの発生およびドライアウトの発生を防止することを特徴とする。
【００１５】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するアノードガス供給系統２と、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するカソードガス供給系統３と、燃料電池スタック１を冷却する冷却系統４とを備える。
【００１６】
前記アノードガス供給系統２は、アノードガス供給源５から供給されるアノードガスを圧力調整弁６を介して入口マニホールド７から燃料電池スタック１に導入し、燃料電池スタック１内を経由し、出口マニホールド８からのアノード排ガスは循環流路９および循環ポンプ１０により圧力調整弁６の上流に還流させる。アノード排ガス中に含まれる水蒸気も圧力調整弁６上流に循環されてリサイクルされる。パージ弁１１は、通常時は閉じてアノード排ガスは還流され、パージ作動時には、循環流路９中のアノード排ガスは循環されることなく外部へ排出する。
【００１７】
前記カソードガス供給系統３は、ブロア１５によりカソードガスとしての空気をフィルタ１６を介して燃料電池スタック１の入口マニホールド１７に供給し、燃料電池スタック１内を経由させ、出口マニホールド１８からは、ガス圧力を調整する圧力調整弁１９を経由して大気に放出させる。
【００１８】
前記冷却系統４は、燃料電池スタック１を最適な温度に保つため、燃料電池スタック１内に冷却液としてロングライフクーラント（以下、冷却液という）を流すものである。これは、クーラントタンク２０内の冷却液をポンプ２１で吸上げて燃料電池スタック１の入口マニホールド２２に供給し、燃料電池スタック１内を経由させた後、出口マニホールド２３から送出された冷却液をラジエータ２４により冷却してクーラントタンク２０に戻す。
【００１９】
図２は前記燃料電池スタック１の単セルの構成を示す。単セルは、膜電極接合体２６（Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡと称す）を、アノードガスを供給するソリッドバイポーラプレート２７（以下、ソリッドＢＰＰと称す）と、カソードガスを供給するポーラスＢＰＰ２８および冷却液流路用溝２９を備えたソリッドＢＰＰ３０とにより挟持して構成する。
【００２０】
前記アノードガスを供給するソリッドＢＰＰ２７は、ＭＥＡ２６の一方の面にアノードガスを供給するガス流路３１を備える。ソリッドＢＰＰ２７は構成材内に微細孔が存在しないため、アノードガスを洩れなくガス流路３１によってＭＥＡ２６に案内する。
【００２１】
前記ポーラスＢＰＰ２８は、ＭＥＡ２６と離反する側の面と隣接するソリッドＢＰＰ３０の表面との間にカソードガスの裏面部分のガス流路としての上流側ガス流路３２を形成し、ＭＥＡ２６との間でカソードガスの表面部分のガス流路としての下流側ガス流路３３を形成する。上流側ガス流路３２の始端は入口マニホールド１７に連通し、下流側ガス流路３３の終端は出口マニホールド１８に連通し、上流側ガス流路３２の終端と下流側ガス流路３３の始端とは貫通孔３４により連通されている。ポーラスＢＰＰ２８は構成材内に無数の微細孔が存在するため、ガスや液体の透過を許容するが、構成材内に水等の液体が存在する場合にはその表面張力により構成素材内の微細孔が閉じられ、上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３との間のカソードガスの透過を阻止するよう機能する。
【００２２】
前記冷却液流路用溝２９を備えたソリッドＢＰＰ３０は、一方の面でカソードガスの上流側ガス流路３２の一部を構成し、他方の面に冷却液流路のための流路用溝２９を備える。他方の面は隣接する単セルのアノードガスを案内するソリッドＢＰＰ２７の背面に接触させて積層されるため、流路用溝２９は冷却液流路に形成される。このソリッドＢＰＰ３０においても構成材内に微細孔が存在しないため、上流側ガス流路３２からのカソードガスの洩れや冷却液流路２９からの冷却液の洩れを阻止する。
【００２３】
図３は、前記ポーラスＢＰＰ２８の正面図を示し、図中背面部にＭＥＡ２６に対面する下流側ガス流路３３（点線図示）が、始端を貫通孔３４に連通させ、終端を出口マニホールド１８に連通させて突堤３３Ａにより蛇行させて形成している。図中手前部分はＭＥＡ２６から離反した面を示し、上流側ガス流路３２が、始端を入口マニホールド１７に連通させ、終端を貫通孔３４に連通させて同じく突堤３２Ａにより蛇行させて形成している。上流側ガス流路３２は図中上方から下方にカソードガスを流通させ、下流側ガス流路３３は下方から上方にカソードガスを流通させる。なお、符号７、８はアノードガスの入口マニホールドおよび出口マニホールドを示し、符号２２、２３は冷却液の液入口マニホールドおよび液出口マニホールドを示す。
【００２４】
以上の構成の固体高分子燃料電池においては、入口マニホールド２２に冷却液を供給する一方、出口マニホールド２３から冷却液を排出する。また、入口マニホールド７にアノードガスを供給する一方、出口マニホールド８からアノード排ガスを排出する。そして、入口マニホールド１７にカソードガスを供給する一方、出口マニホールド１８からカソード排ガスを排出することにより、作動させることができる。
【００２５】
図２、３において、カソードガスは、入口マニホールド１７から、セル毎に図中手前の上流側ガス流路３２に分岐して流れ、突堤３２Ａにより蛇行した後に貫通孔３４に達し、貫通孔３４から図中裏面側の下流側ガス流路３３に流れる。下流側ガス流路３３を流れるカソードガスは突堤３３Ａにより蛇行されながらＭＥＡ２６面に供給され、終端の出口マニホールド１８から排気される。
【００２６】
上流側ガス流路３２（ポーラスＢＰＰ２８の裏面）には、ブロワ１５によって外気の冷たいカソードガスが供給されるため、特に上流側ガス流路３２の入口付近にポーラスＢＰＰ２８の断面方向で近接している下流側ガス流路３３（ポーラスＢＰＰの表面）のカソードガスは上流側ガス流路３２のカソードガスによって冷やされる。このため、下流側ガス流路３３を流れるカソードガスの飽和蒸気圧が下がり、その分カソードガスに持ちきれなくなった水蒸気が液化してくる。液化した水蒸気（水）は、ポーラスＢＰＰ２８の無数の微細孔に毛細管現象により吸取られ、乾燥しているポーラスＢＰＰ２８の（上流側ガス流路３２を構成する）裏面に移動する。
【００２７】
前記ポーラスＢＰＰ２８の裏面に移動した水は、下流側ガス流路３３のカソードガスによって温められて飽和蒸気圧が上昇し、下流側ガス流路３３のカソードガスによって気化され、上流側ガス流路３２のカソードガスを加湿する。そして、温度が燃料電池スタック１と同じに昇温され且つ十分に加湿された上流側ガス流路３２のカソードガスは、貫通孔３４を通ってＭＥＡ２６に接する下流側ガス流路３３に流れる。
【００２８】
従って、下流側ガス流路３３に流れるカソードガスは、前記のように加湿されているため、外気が乾燥している場合に下流側ガス流路３３のＭＥＡ２６反応面への入口付近でのドライアウト（乾燥状態）の発生を防止できる。また、下流側ガス流路３３の下流に移動するに連れて過剰となり液化した水は、前述のごとくポーラスＢＰＰ２８に速やかに吸取られるため、過剰となり液化した水がガス流路やガス拡散層を閉塞して生ずる所謂フラッディング現象を防止することができる。
【００２９】
前記ポーラスＢＰＰ２８は、ガスおよび液体の透過性があるため、図４に示すように、ポーラスＢＰＰ２８の周囲およびマニホールド等の貫通穴７、８、１７、１８、２２、２３、３４の壁面には、ガスおよび液体を不透過にするための処理（例えば、樹脂含浸）を施している。このようにすると、ガスまたは冷却水がポーラスプレート２８を透過しマニホールド等から進入してくるのを防止できる。
【００３０】
なお、上記実施形態において、アノード側は循環ポンプ１０によってリサイクルしてアノード排ガス中の水蒸気をリサイクルさせて加湿するものについて説明しているが、例えば、カソード側と同様にポーラスタイプのＢＰＰをアノード側に設け、アノードガスをＭＥＡ２６反応面と対面する表面の裏側を先ず通し次いで表面に折り返して流すようにすることによりセル内部での水分量を均一化するものであってもよい。なお、図４に図示しているカソードプレート２８は、上流側ガス流路の終端と下流側ガス流路の始端とが直接貫通孔３４によって連結されるのでなく、夫々終端マニホールド３６および始端マニホールド３７に纏められ、マニホールドを介して連通するようにしている。
【００３１】
本実施形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００３２】
（ア）膜電極接合体２６を挟むセパレータ２８は、前記膜電極接合体２６に対面する表面部分とその裏面部分とにガス流路３３、３２を備え、表面部分と裏面部分とのガス流路３２、３３間で厚み方向に水移動可能に形成し、供給するガスを裏面部分の上流側ガス流路３２を経由させて表面部分の下流側ガス流路３３に供給するようにしている。このため、下流側ガス流路３３を通過するガスは、下流側ガス流路３３のガスおよび燃料電池スタック１の熱によって加温され、下流側ガス流路３３の下流部でガス中に含むことができずにガス流路内で液化した水がセパレータ厚み方向へ移動することにより加湿され、この加温され加湿されたガスが下流側ガス流路３３に供給される。従って、下流側ガス流路３３の入口付近での温度上昇により電解質膜２６から水分を奪い取る、所謂ドライアウト現象を防止する効果がある。
【００３３】
また、下流側ガス流路３３の下流部でガス中に含むことができずにガス流路３３内で液化した水がセパレータ２８厚み方向へ移動することにより、下流側ガス流路３３では過剰となり液化した水がガス流路やガス拡散層を閉塞する、所謂フラッディング現象を防止する効果がある。
【００３４】
（イ）上流側ガス流路３２中の上流部と下流側ガス流路３３中の下流部とはセパレータ２８の厚み方向に水移動可能な部位を介して隣接させたので、下流側ガス流路３３の出口付近の高温のガスは上流側ガス流路３２の外気温度に近いガスによって冷却され、その結果、飽和水蒸気圧が下がりガス中の水蒸気が凝縮し液水となる。凝縮された液水はポーラスＢＰＰ２８の内部を移動し、上流側ガス流路３２へ運ばれるが、上流側ガス流路３２に流れているガスは下流側ガス流路３３の高温のガスによって加熱されているので、飽和蒸気圧が上がっており、上流側ガス流路３２に運ばれた液水は一気に水蒸気となり、上流側ガス流路３２のガスが加湿される。つまり、排気ガスからの水の回収と供給ガスの加湿を効果的に行うことができる。その結果、システムの水バランスを成立させるための水回収装置あるいは加湿装置が不要になり、システムをシンプル化することができるという効果がある。
【００３５】
しかも、発電による生成水と電気浸透水によってガスを飽和状態にする以上の水が最も生じやすい下流側ガス流路３３の出口付近と、もっともガス中の水分量の少ない上流側ガス流路３２の入口付近を断面方向に隣接させることによって、より効果的にフラッディング（水が過剰となった状態）防止と供給ガスの加湿が行える。
【００３６】
（ウ）ポーラスタイプのセパレータ２８の外周部と各マニホールドの壁面部分には、ガスおよび冷却液の不透過処理を施しているため、ポーラスプレート２８を透過して燃料ガスのスタック１外部への漏れ、マニホールドからポーラスプレート２８を透過してのアノードガスのカソード流路３２、３３への漏れやカソードガスのアノード流路３１への漏れに起因する、ガス利用率の低下を防止する効果がある。
【００３７】
（第２実施形態）
図５〜図８は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の第２実施形態を示し、カソードガスの上流側ガス流路３２の終端と下流側ガス流路３３の始端とに夫々マニホールド３６、３７を設け、カソードガスを流すブロア３８を終端マニホールド３６から吸い込み始端マニホールド３７へ吐出するよう配置したものである。図５は燃料電池システムのシステム構成図、図６はカソードプレート２８の流路形状を示す正面図、図７、８はセルの構成を示す縦断面図および横断面図である。
【００３８】
図５、６において、終端マニホールド３６は、夫々のセルの上流側ガス流路３２の終端が連結され、外部配管３９Ａを介してブロア３８に吸引されて入口マニホールド１７から上流側ガス流路３２を経由してカソードガスとしての空気が導入される。ブロア３８で吐き出されたカソードガスは外部配管３９Ｂを経由して始端マニホールド３７に導入され、下流側ガス流路３３を経由して出口マニホールド１８に送出される。
【００３９】
上流側ガス流路３２を流れるカソードガスは外気からブロワ３８によって引っ張られて負圧となり、逆に下流側ガス流路３３を流れるカソードガスはブロワ３８によって送出されているので正圧となっている。このため、上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３との間に圧力差が生じ、ポーラスＢＰＰ２８の下流側ガス流路３３で液相の水が生じた場合に、反対側のポーラスＢＰＰ２８の上流側ガス流路３２に効果的に排出することができる。その結果、反応ガスの供給が液相の水によって妨げられること（フラッディング現象）を防止でき、燃料電池スタック１の性能を改善でき、第１実施例の効果をより一層増大させる働きがある。
【００４０】
図７において、燃料電池スタック１のセルは、ＭＥＡ２６をアノードＢＰＰ２７とカソードＢＰＰ２８とで挟み、カソードＢＰＰ２８の背面に冷却液流路２９を備えたソリッドＢＰＰ３０を配置して構成している。カソードＢＰＰ２８はポーラスタイプのプレートであり、カソードＢＰＰ２８の両面には複数の上流側ガス流路３２および下流側ガス流路３３を構成するよう突起３２Ｂ、３３Ｂによりガス流路が分離されている。アノードＢＰＰ２７およびソリッドＢＰＰ３０はソリッドタイプのプレートであり、同様に複数の突起２７Ａ、３０Ａにより複数のアノードガス流路３１、冷却液流路２９が形成されている。
【００４１】
図８は、ポーラス（カソード）ＢＰＰ２８内の水の移動状態を示す断面図である。上流側ガス流路３２に外気を取り入れて下流側ガス流路３３の反応ガスを冷却し、凝縮させた水をポーラス（カソード）ＢＰＰ２８内に断面方向に移動させ、上流側ガス流路３２のカソードガスを加湿し、下流側ガス流路３３のドライアウトおよびフラッディングを防止する効果は、第１実施形態と同じである。
【００４２】
そして、この実施形態では、上流側ガス流路３２の終端マニホールド３６と下流側ガス流路３３の始端マニホールド３７の間にブロワ３８を設けてあるため、上流側ガス流路３２は負圧となり、下流側ガス流路３３は正圧になるので、両流路間で圧力差が生じ、下流側ガス流路３３から上流側ガス流路３２への水の移動をより効果的に実現することができる。
【００４３】
尚、上記の例では、カソードＢＰＰ２８のみをポーラスタイプとしているが、アノード側のみにポーラスタイプのプレートを用いてもよいし、アノード側およびカソード側の両方にポーラスタイプのプレートを用いてよい。
【００４４】
次に、ポーラスタイプのプレートであるカソードＢＰＰ２８における流路形状の他の実施形態について説明する。これは、下流側ガス流路３３の膜電極接合体２６へのカソードガスの分配をより均一化するための一つの方法である。
【００４５】
本実施形態では、図９に示すように、下流側ガス流路３３の出口マニホールド１８の幅を下流側ガス流路３３の幅と同等とし、上流側ガス流路３２の入口マニホールド１７をその分だけ小さく形成したものである。一方入口マニホールド１７が小さくなった上流側ガス流路３２は電池反応面ではないため、下流側ガス流路３３ほどガス分配の均一化を考慮する必要がなく、また、流路の深さや幅を調整することにより、上流側ガス流路３２の機能を十分満足できる構造とすることができる。
【００４６】
図１０は、図６に示すカソード流路形状をもつポーラスＢＰＰ２８に適用するアノード流路形状の一例を示すものである。これは、水過剰となり易いカソードガスの下流側ガス流路３３に生じた液水がカソードガスとアノードガスの水蒸気の濃度勾配によって、アノード側に電解質膜を通して移動する逆拡散を促進するものである。
【００４７】
アノードガスのガス流路３１は、カソード側の下流側ガス流路３３の下流側に近接して、入口マニホールド７と入口マニホールド７から延びるガス流路３１の上流側とを配置している。また、カソード側の下流側ガス流路３３の上流側に近接して、アノードガスの出口マニホールド８および出口マニホールド８へ連なるガス流路３１を配置している。
【００４８】
このように構成すると、水過剰となり易いカソードガスの下流側ガス流路３３に生じた液水がカソードガスとアノードガスの水蒸気の濃度勾配によって、アノード側に膜電極接合体２６を通して移動する逆拡散を促進する。
【００４９】
また、下流側ガス流路３３のカソードガスを、供給されたアノードガスによって冷やすことにより、カソードガス中の水蒸気を凝縮させ、カソードＢＰＰ２８を通して効率よく水を上流側ガス流路３２を通過するカソードガスへ回収拡散することができる。
【００５０】
また、冷却液の入口マニホールド２２およびそれに連なる冷却液流路２９は、カソード側の下流側ガス流路３３の出口マニホールド１８にできるだけ近づけて配置することが望ましい。即ち、カソード側の出口マニホールド１８付近のカソードガスをより一層冷やすことができ、カソードガス中の水を凝縮させ、水の燃料電池スタック１の外部への持ち出し量を少なくし、燃料電池スタック１の水の収支バランスをよりよく成立させることができる。その結果、外部に加湿器を備える必要がなくなり、燃料電池システムを簡略化できる。
【００５１】
図１１は、図６に示すカソード流路形状をもつポーラスＢＰＰ２８に適用する冷却液流路形状の一例を示すものである。冷却液流路２９はサーペンタイン式（蛇行式）となっている。即ち、スタック１内部に流入した冷却液は入口マニホールド２２から冷却液流路２９に分岐して流れ、折り返されて冷却液流路２９から出口マニホールド２３で合流してスタック１外部に排出される。冷却液はスタック１で発生した熱を吸収するため、入口マニホールド２２から出口マニホールド２３に移動するにつれて温度が上昇する。冷却液流路２９の温度変化はカソードガスのガス流路３２、３３に対して、上流側ガス流路３２を流れるカソードガスは入口マニホールド１７から終端マニホールド３６に向かって温度を上昇させつつ流動し、下流側ガス流路３３を流れるカソードガスは始端マニホールド３７から出口マニホールド１８に向かって温度を低下されつつ流動するよう作用する。
【００５２】
図１２は温度変化に対する飽和蒸気圧の変化を示す。温度が高くなるに連れて、急激に飽和蒸気圧が大きくなる。これはガスの温度が上がれば、その分だけガスが水分を気相状態で保持できることを示している。
【００５３】
図１３は従来技術におけるセル内のカソードガス流路の流動位置に対する温度と相対湿度を示す。通常は図示するように、カソードガスはスタックに流入すると温度が上昇し、出口付近で最も温度が高くなり、排出される。このため、図１２に示すように排気ガス中に含まれる水蒸気量が多く、スタック外への水の持ち出しが多くなり、水バランスが成立しなくなる。また、外部加湿器が無い場合にはセル入口付近では、図１２に示すようにガス中に含まれる水蒸気量が少なく、ドライアウトが生じてしまう。
【００５４】
図１４は、図１１に示す実施例のカソードガスのガス流路３２、３３中の位置における温度と相対湿度を示す。前述したように、カソードガスの上流側ガス流路３２の入口マニホールド１７から終端マニホールド３６に向かって温度が上昇し、ガス中に含ませることができる水蒸気量が多くなる。これは、上流側ガス流路３２のカソードガスの相対湿度が１００％となるまでポーラスＢＰＰ２８を透過させて下流側ガス流路３３で発生する液水の蒸発を許容し、上流側ガス流路３２のガスを効果的に加湿し、下流側ガス通路３３の上流部分に生ずるドライアウトを防止することができる。
【００５５】
他方、ＭＥＡ２６面と対面するポーラスＢＰＰ２８の表側（反応面）では、カソードガスが始端マニホールド３７から出口マニホールド１８に向かうにつれて温度が低下する。このため、ガス中に含むことができる水蒸気量が少なくなり、相対湿度は常に１００％以上となり、過飽和分の水はポーラスＢＰＰ２８の表側で凝縮する。この液化した水はポーラスＢＰＰ２８内を透過して上流側ガス流路３２に移動し、上流側ガス流路３２を流れているカソードガスの加湿に使われる。従って、下流側ガス流路３３側でのフラッディングが発生することがない。
【００５６】
このように、上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３のガス流路の流れ方向に温度勾配が生じるので、下流側ガス流路３３の上流側のドライアウトや下流側のフラッディングを効果的に防止しつつ、下流側ガス流路３３の出口マニホールド１８付近のガス温度を低くして、スタック１外への水の持ち出しを少なくすることができる。
【００５７】
ブロア３８に終端マニホールド３６および始端マニホールド３７を連結する外部配管３９Ａ、３９Ｂとブロア３８とは、少なくともいずれか一方は断熱材により覆うようにしており、内部を流通するカソードガスの温度変化を抑制している。
【００５８】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ウ）に加えて、下記に記載する効果を奏することができる。
【００５９】
（エ）上流側ガス流路３２をセパレータ２８に形成した溝若しくは突起３２Ｂにより構成しているため、当該ガス流路３２を他のガス流路３１や冷却液流路２９と確実に分離でき、ポーラスＢＰＰ２８およびソリッドＢＰＰ２７、３０の構造を簡単化できる。
【００６０】
（オ）下流側ガス流路３３の圧力を上流側ガス流路３２の圧力より高くして両流路間に圧力差があるため、下流側ガス流路３３から上流側ガス流路３２への水の移動をより効果的に実現することができる。その結果、下流側ガス流路３３内でのフラッディング現象を防止でき、燃料電池スタック１の性能を改善できるという効果がある。
【００６１】
（カ）しかも、吸引送出手段としてのブロワ３８により上流側ガス流路３２のガスを吸い込み下流側ガス流路３３に送出す等により、上流側ガス流路３２を負圧とする一方、下流側ガス流路３３を正圧としているため、下流側ガス流路３３から上流側ガス流路３２への水の移動をより一層効果的に実現することができる。その結果、下流側ガス流路３３内でのフラッディング現象を確実に防止でき、燃料電池スタック１の性能を一層改善できるという効果がある。
【００６２】
（キ）ブロワ３８および外部配管３９Ａ、３９Ｂは、少なくともいずれかが断熱材により覆われているため、上流側ガス流路３２から下流側ガス流路３３へ流れるガスの温度低下を防止でき、それが含んでいる水蒸気量を変化させることなく下流側ガス流路３３へ送出すことができる。
【００６３】
（ク）図１１〜図１４に示す具体例では、冷却液流路２９を上流側を前記下流側ガス流路３３の下流側に隣接させ、冷却液流路２９の下流側を前記下流側ガス通路３３の上流側に隣接させて備え、下流側ガス流路３３中を流れるガスは、ガス流路３３中の上流から下流に移動するに連れて温度が降下される。このため、上流側ガス流路３２においては相対湿度が１００％となるまでポーラスＢＰＰ２８を透過させて下流側ガス流路３３で発生する液水の蒸発を許容し、上流側ガス流路３２のガスを効果的に加湿し、下流側ガス流路３３においてはガス中に含むことができる水蒸気量が少なくなり、過飽和分の水はポーラスＢＰＰ２８の表側で凝縮し、ポーラスＢＰＰ２８内を透過して上流側ガス流路３２に移動して上流側ガス流路３２のカソードガスを加湿する。従って、下流側ガス流路３３の上流側のドライアウトや下流側のフラッディングを効果的に防止しつつ、下流側ガス流路３３の出口マニホールド１８付近のガス温度を低くして、スタック１外への水の持ち出しを少なくすることができる。
【００６４】
（ケ）図９に示す例では、下流側ガス流路３３および上流側ガス流路３２に連通して厚み方向に貫通するマニホールドの断面積は、下流側ガス流路３３に連通するマニホールド１８、３７が上流側ガス流路３２に連通するマニホールド１７、３６より大きく形成したため、下流側ガス流路３３の膜電極接合体２６へのカソードガスの分配をより均一化することができる。
【００６５】
（第３実施形態）
図１５、１６は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の第３実施形態を示し、第２実施形態に加えてカソードガスの下流側ガス流路３３から上流側ガス流路３２への水の排出効果をさらに一層向上させるものである。図１５は燃料電池システムのシステム構成図であり、図１６は制御システム図である。
【００６６】
図１５において、圧力調整弁４０をカソードガスの入口マニホールド１７へのガス供給配管に設け、圧力調整弁４０の開度を調整することでカソードガスの上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３の圧力差を調整するものである。上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３との圧力差は、ポーラスＢＰＰ２８を透過させての下流側ガス流路３３から上流側ガス流路３２への水移動を補助する。この圧力差は、それが小さい場合には前記した第２実施形態での水移動に留まるものであるが、それが所定値以上ある場合には前記水移動が円滑且つ確実に行われる。
【００６７】
前記圧力差は、図１７に示すように、カソードガスの流量、即ち、燃料電池スタック１の運転負荷に応じて運転されるブロア３８の運転速度により決定される流量に応じ、流量が増加するほど大きくなり、流量が減少するほど小さくなるよう変化する。従って、流量が少ない時には圧力差も小さく、下流側ガス流路３３からポーラスＢＰＰ２８を透過して上流側ガス流路３２への水の排水効果が小さくなる。
【００６８】
前記圧力差を流量が少ない場合にも確保するために、圧力調整弁１９の調整に加えて圧力調整弁４０も調整することにより、前記差圧を制御している。
【００６９】
図１６は、圧力制御弁１９、４０およびブロア３８の制御システムを示し、燃料電池スタック１の負荷信号をコントローラ４１に入力し、コントローラ４１により負荷信号に応じてブロア３８および各圧力制御弁１９、４０を制御するようにしている。燃料電池スタック１の負荷信号と各圧力調整弁１９、４０の開度とは、図１８に示すように、制御する。
【００７０】
即ち、負荷が小さい場合には、圧力調整弁４０を絞ることにより上流側ガス流路３２の圧力が下がり、加えて、圧力調整弁１９を絞ることにより下流側ガス流路３３の圧力を上げることができる。その結果、流量が変化した場合においても、差圧（Ｐ３０−Ｐ３３）を一定に保持することができる。
【００７１】
以上のように、本実施形態では、流量変化に影響されずに、上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３との間のガス圧力の差圧（Ｐ３０−Ｐ３３）を一定に保つことができ、常にフラッディングの発生を防止し且つ、上流側ガス流路３２の加湿に必要な液水を効果的にポーラスＢＰＰ２８を透過させて移動させることができる。
【００７２】
次に、セルの積層構造の具体例について説明する。
【００７３】
図１９に示す具体例では、カソード側の上流側ガス流路３２を、第２実施形態の図７では下流側流路３３を構成するポーラスＢＰＰ２８により構成するものについて説明したが、本例の積層構造では冷却液流路２９を構成するソリッドＢＰＰ３０により構成したものである。このソリッドＢＰＰ３０はアノード側のガス流路３１を形成するソリッドＢＰＰ２７と別体に構成しているが、両者を一体のソリッドＢＰＰとして形成してもよい。
【００７４】
図１９に示す具体例では、冷却液流路２９を構成するソリッドＢＰＰ３０と一体にしているため、ポーラスプレートの使用量を低減でき、機械的強度が弱く加工が比較的困難であるポーラスタイプの両側に流路を形成する必要も無く、片面のみに流路を形成すればよいので製造コストを低減できる。
【００７５】
また、ポーラスプレートの使用量を少なくすることにより、燃料電池の発電停止時に残留している微細孔中の水分量を減らすことができ、外気温が摂氏０℃以下から起動する場合において解凍しなければならない氷の量を減らし、起動時間を速めることができるとともに、解凍するためのエネルギーを節約することもできる。
【００７６】
次に、セル積層構造の他の具体例を図２０により説明する。この具体例では、アノードＢＰＰ２７のアノードガスを流すガス流路３１の裏側に冷却液流路２９を設け、冷却液流路２９とポーラスＢＰＰ２８で形成したカソードの上流側ガス流路３２との間にセパレータ４３を配置している。このセパレータ４３の材質は、導電性があり冷却液とカソードガスとを遮断するものであればよい。
【００７７】
なお、冷却液流路２９を備えたソリッドＢＰＰ３０を図７に示すように、カソードガスのガス流路３１を形成するソリッドＢＰＰ２７を個別に設けることによって、図２０に示すセパレータ４３も必要がなくなる。
【００７８】
図２１に示すものは、カソード側の上流側ガス流路３２を冷却液流路２９と同一平面上として冷却液流路２９を構成するソリッドＢＰＰ２７に配置した具体例である。このソリッドＢＰＰ２７には、入口マニホールド１７と終端マニホールド３６に連なる図中の上方に配置した上流側ガス流路３２と入口マニホールド２２と出口マニホールド２３に連なる図中下方に配置した冷却液流路２９とを備え、これらの流路２９、３２は下流側流路３３を備えるポーラスＢＰＰ２８の背面に臨ませて配置している。また、上流側ガス流路３２の入口マニホールド１７付近を下流側ガス流路３３の出口マニホールド１８付近と断面方向で隣接するように設けている。
【００７９】
以上の構成により、最もフラッディングが起こりやすい下流側ガス流路３３の出口マニホールド１８付近の液水を、最もドライな上流側ガス流路３２の入口マニホールド１７付近のカソードガスにポーラスＢＰＰ２８を透過させて供給するという効果を維持したまま、この上流側ガス流路３２が冷却液流路２９と同一平面状に配置されることによってセルを薄く形成でき、結果として出力密度を向上させる効果がある。
【００８０】
図２２は、図２１の流路形状を具体化するスタック断面の一例を示したものである。図２２において、カソードガスの上流側ガス流路３２は断面方向に見て下流側ガス流路３３の下流側と隣接している。また、カソードガスの下流側ガス流路３３の上流側は、液水が生じにくく、上流側ガス流路３２に水を透過しなくてもフラッディングは起きないので、この部分には上流側ガス流路３２を設けずに、冷却液流路２９を隣接させるように設ける。そして、裏側に冷却液流路２９が断面方向に隣接した位置に設けられるポーラスＢＰＰ２８部分には、ガスおよび冷却液が不透過となる、例えば、樹脂含浸のようなクーラント・ガス不透過処理４４を施して、冷却液がポーラス内部に浸透し、さらに、ガス流路に侵入することによる膜電極接合体２６が汚染されるのを防止している。逆に、反応ガスがポーラス内部を通過し冷却液流路２９に進入することによりガスの利用率が低下するのも防止している。
【００８１】
図２３は、図２１の流路形状を具体化するスタック断面の他の具体例である。図２３においては、冷却液流路２９に断面方向で隣接している下流側ガス流路３３の部分にはソリッドタイプのＢＰＰ４５を用い、上流側ガス流路３２に隣接している部分にはポーラスタイプのＢＰＰ２８を用いている。このため、冷却液を不透過にするためのクーラント・ガス不透過処理を施す必要が無く、製造コストを安くする効果がある。
【００８２】
さらに、ポーラスタイプのＢＰＰ２８の使用量を少なくでき、燃料電池スタック１の起動停止時に残留している微細孔中の水分量を減らすことができ、外気温が摂氏０℃以下から起動する場合に解凍しなければならない氷の量を減らし、起動時間を速めることができるとともに、解凍するためのエネルギーを節約するという効果もある。
【００８３】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ウ）および第２実施形態の効果（エ）、（キ）、（ク）に加えて、以下に記載した効果を奏することができる。
【００８４】
（コ）図１９、２２、２３においては、裏面部分の上流側ガス流路３２は、セパレータとしてのポーラスＢＰＰ２８に背面から接する部材の接触表面に形成した溝により構成したため、機械的強度が弱くまた、加工が比較的困難であるポーラスタイプの両側に流路を形成する必要が無く、片面のみに流路を形成すればよいので生産コストを安くできる。また、ポーラスプレートの使用量を少なくすることにより、燃料電池の発電停止時に残留している微細孔中の水分量を減らすことができ、外気温が摂氏０℃以下から起動する場合に解凍しなければならない氷の量を減らし、起動時間を速めることができるとともに、解凍するためのエネルギーを節約することもできる。
【００８５】
（サ）図２１〜２３では、セパレータとしてのポーラスＢＰＰ２８の裏面には、裏面部分の上流側ガス流路３２部分を除いて冷却液を流通させる冷却液流路２９が形成されているため、最もフラッディングが起こりやすい下流側ガス流路３３の出口付近の液水を、最もドライな上流側ガス流路３２の入口付近のガスに供給するという効果を維持したまま、この上流側ガス流路３２が冷却液流路２９と同一平面状にあることによってセルの厚みを削減することができ、結果として燃料電池の出力密度を向上できる効果がある。
【００８６】
（シ）図２２に示す例では、セパレータとしてのポーラスタイプのＢＰＰ２８は、冷却液流路２９と隣接する部分に、ガスおよび冷却液を不透過とする処理４４を施しているため、冷却液がポーラス内部、さらには、ガス流路に侵入してくることによって膜電極接合体２６が汚染されてしまうのを防止する一方、反応ガスがポーラス内部を通過して冷却液流路２９に進入してくることによってガスの利用率の低下を防止する効果がある。
【００８７】
（ス）図２３に示す例では、セパレータとしてのポーラスＢＰＰ２８の冷却液流路２９と隣接する部分には、ガスおよび冷却液を不透過とする部材４５により構成されている、即ち、冷却液流路２９に断面方向で隣接しているガス流路の部分にはソリッドタイプのＢＰＰ４５を用い、上流側ガス流路３２に隣接している部分にはポーラスタイプのＢＰＰ２８を用いているため、冷却液を不透過にするための樹脂含浸などの処理を施す必要が無く、生産コストを安くする効果がある。
【００８８】
さらに、ポーラスプレートの使用量を少なくすることにより、燃料電池の起動停止時に残留している微細孔中の水分量を減らすことができ、低温から起動する場合に解凍しなければならない氷の量を減らし、起動時間を速めることができるとともに、解凍するためのエネルギーを節約するという効果もある。
【００８９】
（セ）上流側ガス流路３２へのガス導入部分に上流側ガス流路３２の圧力を調整する圧力調整手段としての圧力調整弁４０を設けたため、上流側ガス流路３２と下流側ガス流路３３の圧力差を制御することができ、下流側ガス流路３３と上流側ガス流路３２の水分のやりとりを最適に制御することができる。よって、下流側ガス流路３３の下流側でのフラッディングの発生や供給ガスの加湿不足によるドライアウトの発生を効果的に防止することができるという効果がある。
【００９０】
（ソ）圧力調整手段としての圧力調整弁４０は、燃料電池の負荷に基づいて調整度合いを変えることとしため、燃料電池の各負荷条件に合致させて最適に下流側ガス流路３３と上流側ガス流路３２との圧力差、即ち、両流路間の水分のやりとりを最適に制御でき、よって、下流側ガス流路３３の下流側でのフラッディングの発生や下流側ガス流路３３の上流側でのガス加湿不足によるドライアウトの発生を効果的に防止することができるという効果がある。
【００９１】
（第４実施形態）
図２４、２５は、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の第４実施形態を示し、発電停止時にスタック内部の液水をスタック外部に排出するようにしたものである。図２４は燃料電池システムのシステム図であり、図２５は図示しないコントローラにより定時的に作動される制御フローチャートである。
【００９２】
図２４に示すものは、図１５に示す第３実施形態の燃料電池システムに対して、ブロワ３８からのカソードガスが燃料電池スタック１に供給されるのを遮断する第１遮断弁と、ブロワ３８からのカソードガスを排気する排気配管４８と、この排気配管４８中に配置され前記第１遮断弁４７の作動時に開放する第２遮断弁４９と、ブロア３８の吸気側配管に配置された液水トラップ５０とを追加して備える。
【００９３】
前記燃料電池システムのカソードガス供給系統３の動作を図２５の制御フローチャートにより説明する。なお、アノードガス供給系統２および冷却系統４については、ここでは説明しないが、夫々の運転モードに対応して図示しないコントローラにより制御されるものである。
【００９４】
先ず、ステップ１において、燃料電池の運転モードが起動モードであるか否かが判断される。起動モードである場合にはステップ２へ進み、起動モードでない場合にはステップ６へ進む。
【００９５】
ステップ２では、燃料電池の雰囲気温度Ｔが読込まれてステップ３へ進む。
【００９６】
ステップ３では、雰囲気温度Ｔが摂氏０℃を超えているか否かが判断され、摂氏０℃以下の場合にはステップ４へ進み、摂氏０℃を超えている場合にはステップ５へ進む。
【００９７】
ステップ４は燃料電池の起動モードの処理である。コントローラは、カソード入口圧力制御弁４０を閉じて上流側ガス流路３２へのカソードガスの供給を遮断し、第２遮断弁４９を閉じカソード出口圧力制御弁１９および第１遮断弁４７を開いてカソードガスの下流側ガス流路３３への供給を可能としてブロア３８をオン作動させる。そして、カウンタをゼロ（Ｉ＝０）にセットする。
【００９８】
ステップ５は、ステップ３での雰囲気温度Ｔの判定が摂氏０℃を超えている場合（燃料電池の起動モードによる運転により雰囲気温度が摂氏０℃を超える場合も含む）に、通常運転モードで燃料電池を運転する。ステップ５においては、起動モードでの運転に対して入口圧力制御弁４０が追加的に開放され、カソードガスが上流側ガス流路３２にも供給され、次いで、ブロア３８を介して下流側ガス流路３３に供給される。このステップでも、カウンタをゼロ（Ｉ＝０）にセットする。
【００９９】
ステップ６では、停止モードか否かが判断され、停止モードでない場合にはステップ５での通常運転モードで燃料電池が運転され、停止モードである場合にはステップ７へ進む。
【０１００】
ステップ７では、ステップ７での停止モード継続のカウンタ（Ｉ）が所定回数Ｎ以上か否かが判定される。この所定回数Ｎはステップ８での停止モードのブロワ３８の動作時間であり、スタックの大きさや流路の形状などから求められ、実験的に設定する数値である。カウンタ（Ｉ）が設定値Ｎを超えていない場合にはステップ８へ進んで停止モードで運転し、超えている場合にはステップ９へ進んで燃料電池の運転を停止する。
【０１０１】
ステップ８での停止モードにおいては、ブロワ３８の運転は継続されるも、入口圧力調整弁４０および出口圧力調整弁１９を閉じ、第１遮断弁４７を閉じるも第２遮断弁４９を開放する。カソードガスの下流側ガス流路３３へのカソードガスの出入は遮断され、上流側ガス流路３２はブロア３８に吸引されることで負圧となり、存在したカソードガスはブロア３８から第２遮断弁４９を経由して外気に放出される。ポーラスＢＰＰ２８の上流側ガス流路３２が真空状態に近くなり、上流側ガス流路３２、下流側ガス流路３３、および、ポーラスＢＰＰ２８の内部に存在していた液水は上流側ガス流路３２に移動してスタックの外部に排出され、液水トラップ５０に溜められる。これにより、セルの流路には液水が存在しない状態を作り出すことができる。カウンタ（Ｉ）は定時的にインクレメントされ、所定時間（所定値Ｎ）を超えるとステップ９へ進む。
【０１０２】
ステップ９では、ブロア３８が停止され、第２遮断弁４９が閉じ、カウンタ（Ｉ）をゼロにリセットして、燃料電池の運転が停止される。
【０１０３】
以上の作動により、雰囲気温度Ｔが摂氏０℃以下からの起動時には、前述の運転停止フロー、特に、ステップ８の停止モードでの運転を実行した効果により、カソードガスの上流側ガス流路３２および下流側ガス流路３３には氷が存在することがなく、流路の閉塞を考慮することなくカソードガスを供給することができる。
【０１０４】
図２６は、上記した第４実施形態の変形例を示す固体高分子型燃料電池システムのシステム図であり、燃料電池の起動性をより一層向上させたものである。
【０１０５】
図２６に示す燃料電池システムにおいては、図２４に示す燃料電池システムに対して、入口圧力制御弁４０を含む上流側ガス流路３２、入口・終端マニホールド１７、３９、および、液水トラップ５０をバイパスしたバイパス通路５２とバイパス通路５２に配置された第３遮断弁５３を追加したものである。
【０１０６】
この変形例では、起動時に、第３遮断弁５３が開き入口圧力調整弁４０が全閉となることによって、供給ガスはバイパス通路５２を通りブロワ３８に供給され、セルの下流側ガス流路３３に直接供給させる。
【０１０７】
起動時に上流側ガス流路３２をバイパスさせるので、図２５での停止モードで上流側ガス流路３２および上流側ガス流路３２に連通する前後のマニホールド１７、３６の液水までも、すべてスタック外に排出する必要が無く、停止時のエネルギーを節約できる。
【０１０８】
即ち、この時、すくなくとも下流側ガス流路３３には氷が存在していないため、氷点下時においても流路が閉塞することなく燃料電池の起動が行える。
【０１０９】
その後、燃料電池の反応熱により、上流側ガス流路３２に存在していた氷が溶け、第３遮断弁５３を閉じ、入口圧力調整弁４０を開くことによって、通常の上流側ガス流路３２を使ったガスの供給に切り替えることができる。なお、上流側ガス流路３２の氷が溶けたかどうかは、燃料電池内部に設けられた図示していない温度センサーにより判断することができる。
【０１１０】
本実施形態のおいては、第１実施形態の効果（ア）〜（ウ）、第２実施形態の効果（エ）、（キ）、（ク）および第３実施形態の効果（コ）、（セ）、（ソ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１１１】
（タ）図２４、２５に示す実施形態においては、上流側ガス流路３２の上流に設けた入口弁４０と、前記下流側ガス流路３３の下流に設けた出口弁１９と、前記吸引送出手段としてのブロア３８の下流でかつ前記下流側ガス流路３３の上流に設けた第１の遮断弁４７と、前記ブロア３８と前記第１の遮断弁４７との間から分岐した排気管４８に設けた第２の遮断弁４９とを設け、燃料電池停止時に、入口弁４０、出口弁１９、および、第１の遮断弁４７を閉成し且つ第２の遮断弁４９を開成するようにしている。このため、発電停止時のスタック内部の水を排出することができ、外気温が摂氏０℃以下からの起動時に解凍しなければならない氷の量を減らすことができ、起動時間を短縮する効果があるとともに、起動するためのエネルギーも節約することができるという効果がある。
【０１１２】
（チ）図２６に示す実施形態においては、前記入口弁４０および上流側ガス流路３２をバイパスするバイパス通路５２と、バイパス通路５２に設けられた第３の遮断弁５３を設けて、燃料電池起動時に、第３の遮断弁５３を開成するため、外気温が摂氏０℃以下からの起動時には上流側ガス流路３２をバイパスさせて直接下流側ガス流路３３にガスを供給することができ、発電停止時には下流側ガス流路３３の液水のみ排出できればよく、上流側ガス流路３２やこれに連なるマニホールドの液水は排出する必要が無くなり、停止時のエネルギーを節約することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す固体高分子燃料電池のシステムの構成図。
【図２】燃料電池の単セルの断面図。
【図３】図１のポーラスタイプのカソードプレートの流路形状を示す正面図。
【図４】図１のポーラスタイプのカソードプレートのガス不透過処理を施す部位を示す正面図。
【図５】本発明の第２実施形態の固体高分子燃料電池のシステムの構成図。
【図６】図５のポーラスタイプのカソードプレートの流路形状を示す正面図。
【図７】図５の単セルの縦断面図。
【図８】図５の単セルの横断面図。
【図９】ポーラスタイプのカソードプレートの流路形状の変形例を示す正面図。
【図１０】アノードガスのガス流路を説明する図。
【図１１】冷却液流路を説明する図。
【図１２】温度に対する飽和蒸気圧を説明するグラフ。
【図１３】従来技術における流路位置に対するガス温度と相対湿度を表したグラフ。
【図１４】図１１における流路位置に対する温度と相対湿度を表したグラフ。
【図１５】本発明の第３実施形態の固体高分子燃料電池のシステムの構成図。
【図１６】図１５の制御システムを示すシステム構成図。
【図１７】ガス流量と上流側ガス流路と下流側ガス流路の圧力差を示したグラフ。
【図１８】燃料電池の負荷と圧力調整弁の開度の関係を示した図。
【図１９】燃料電池単セルの積層構造の具体例を示す断面図。
【図２０】燃料電池単セルの積層構造の別の具体例を示す断面図。
【図２１】上流側ガス流路と冷却液流路とを同一平面上に配置する例を示す正面図。
【図２２】図２１を実現する一例のセル積層方向の断面図。
【図２３】図２１を実現する別例のセル積層方向の断面図。
【図２４】本発明の第４実施形態の固体高分子燃料電池のシステムの構成図。
【図２５】図２４の制御を説明するフローチャート。
【図２６】図２４の固体高分子燃料電池の変形例のシステムの構成図。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　アノードガス供給系統
３　カソードガス供給系統
４　冷却系統
１５、３８　吸引送出手段としてのブロア
１７　入口マニホールド
１８　出口マニホールド
１９　出口圧力調整弁（出口弁）
２６　膜電極接合体（ＭＥＡ）
２７、３０、４５　ソリッドＢＰＰ
２８　ポーラスＢＰＰ（セパレータ）
２９　冷却液流路
３１　アノードガスのガス流路
３２　カソードガスの上流側ガス流路（裏面部分のガス流路）
３３　カソードガスの下流側ガス流路（表面部分のガス流路）
３４　貫通孔
３６　終端マニホールド
３７　始端マニホールド
４０　入口圧力調整弁（入口弁）
４１　コントローラ
４４　ガスおよび冷却液を不透過とする処理
４７　第１の遮断弁
４９　第２の遮断弁
５０　液水トラップ
５２　バイパス通路
５３　第３の遮断弁

Claims (19)

1. 固体高分子膜からなる電解質膜を電極層により挟んで形成した膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の面に燃料ガスを供給するガス流路を備えたセパレータと、膜電極接合体の他方の面に酸化ガスを供給するガス流路を備えたセパレータと、から構成した固体高分子型燃料電池において、
   前記セパレータの少なくとも何れか一方は、前記膜電極接合体に対面する表面部分とその裏面部分とにガス流路を備え、表面部分と裏面部分とのガス流路間で厚み方向に水移動可能に形成し、供給するガスを裏面部分のガス流路を経由させて表面部分のガス流路に供給するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 前記裏面部分のガス流路は、セパレータに形成した溝により構成したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
3. 前記裏面部分のガス流路は、セパレータに背面から接する部材の接触表面に形成した溝により構成したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
4. 前記裏面部分のガス流路中の上流部と前記表面部分のガス流路中の下流部とはセパレータの厚み方向に水移動可能な部位を介して近接させたことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
5. 前記固体高分子型燃料電池は、上流側が前記表面部分のガス流路の下流側に近接し且つ下流側が前記表面部分のガス通路の上流側に近接する冷却液流路を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
6. 前記固体高分子型燃料電池は、表面部分のガス流路中を流れるガスは、ガス流路中の上流から下流に移動するに連れて温度が降下されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
7. 前記セパレータの裏面には、裏面部分のガス流路部分を除いて冷却液を流通させる流路が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体高分子型燃料電池。
8. 前記セパレータの冷却液流路と隣接する部分には、ガスおよび冷却液を不透過とする処理が施されていることを特徴とする請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
9. 前記セパレータの冷却液流路と隣接する部分には、ガスおよび冷却液を不透過とする部材により構成されていることを特徴とする請求項７に記載の固体高分子型燃料電池。
10. 前記セパレータは、表面部分のガス流路および裏面部分のガス流路に連通して厚み方向に貫通するマニホールドを備え、表面部分のガス流路に連通するマニホールドの断面積は、裏面部分のガス流路に連通するマニホールドの断面積より大きく形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
11. 前記セパレータは、反応ガスおよび冷却液が通過するマニホールドを形成する壁面部分とセパレータの外周部分とにガスおよび冷却液の不透過処理を施していることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
12. 前記表面部分のガス流路の圧力を前記裏面部分のガス流路の圧力より高くしたことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
13. 前記固体高分子燃料電池は、裏面部分のガス流路のガスを吸引して表面部分のガス流路に送出する吸引送出手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
14. 前記吸引送出手段は、外部配管を介して燃料電池に接続され、少なくとも前記吸引送出手段または外部配管のいずれかが断熱材により覆われている請求項１３に記載の固体高分子型燃料電池。
15. 前記固体高分子燃料電池は、裏面部分のガス流路へのガス導入部分に裏面部分のガス流路の圧力を調整する圧力調整手段を備えることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の固体高分子型燃料電池。
16. 前記圧力調整手段は、燃料電池の負荷に基づいて調整度合いを制御することを特徴とする請求項１５に記載の固体高分子型燃料電池。
17. 前記固体高分子型燃料電池は、前記裏面部分のガス流路の上流に設けた入口弁と、前記表面部分のガス流路の下流に設けた出口弁と、前記吸引送出手段下流でかつ前記表面部分のガス流路の上流に設けた第１の遮断弁と、前記吸引送出手段と前記第１の遮断弁との間から分岐した排気管に設けた第２の遮断弁とを備え、
    燃料電池停止時に、入口弁、出口弁および第１の遮断弁を閉じ且つ第２の遮断弁を開くことを特徴とする請求項１３ないし請求項１６のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
18. 前記固体高分子型燃料電池は、前記入口弁および裏面部分のガス流路をバイパスするバイパス通路と、バイパス通路に設けられた第３の遮断弁を備え、
    燃料電池起動時に、第３の遮断弁を開くことを特徴とする請求項１７に記載の固体高分子型燃料電池。
19. 前記固体高分子型燃料電池は、前記裏面部分のガス流路の入口と前記表面部分のガス流路　上流とを連通して、裏面部分のガス流路をバイパスする連通通路と、連通通路に設けられた連通遮断弁を備え、
    燃料電池起動時に、上記連通遮断弁を開くことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。

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