JP2005026180A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポーラスセパレータの利点を活かしつつ、より安価な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜を含めた電極層（ＭＥＡ１５）と、電極層（ＭＥＡ１５）を狭持するセパレータを備えた燃料電池セルを少なくとも一つ含む発電領域を複数備える。発電領域のうち少なくとも最上流の発電領域を含む上流側発電領域（燃料電池１）を、セパレータのうち少なくとも一方を、多孔質体より構成し、反応ガス流路１４および加湿水流路１７を備えたポーラスセパレータ１６とした燃料電池セル１１により構成する。上流側発電領域(燃料電池１)の下流側に直列に接続した発電領域の少なくとも一部（燃料電池２）を、緻密質体より構成し、反応ガス流路２４を備えたソリッドセパレータ２６を用いた燃料電池セル２１により構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。特に水マネージメントを向上するための燃料電池システムの構成に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを、陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、次の電気化学反応を生じることにより発電を行う。

陽極反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
陰極反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素含有燃料を改質して生成した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。陰極に供給する酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。

このような燃料電池において、電解質膜のプロトン導電率を上げるためには、膜が常に水分を含有している必要がある。膜に水分を含有させる方法としては、直接膜に水を供給する技術も提案されているが、現状では、ガスを加湿して膜を加湿する方法が採られている。

また、陰極反応では水が生成されるので、特にガス下流域においては、液水によってガス拡散層やガス流路が閉塞してしまう、いわゆるフラッディングという現象が起こる。フラッディングが起こると、ガスが触媒層に拡散し難くなるため発電性能が著しく悪化してしまう。

そこで、従来技術として、固体高分子電解質膜を配した燃料電池において、陽極側に接触するガスセパレータ構成要素が導電性を有する撥水性多孔質体又は導電性を有する親水性多孔質体とすると共に、陰極側に接触するガスセパレータ構成要素が導電性緻密質体とする。また、ガスセパレータの内部に冷却水流路を形成し、多孔体が有する水の輸送特性（毛管作用）を利用して、陽極への水の供給を行うと共に、陰極からの水の排出を行っている（例えば、特許文献１、参照）。
特開平６−２７５２８４号公報

しかしながら、上記従来の技術においては、全てのセパレータにポーラス（多孔質）プレートを用いる必要があり、ソリッド（中実）プレートを用いた燃料電池と比較して高価になってしまうという欠点がある。これは、プレートの値段だけでなく、通常ポーラスプレートはソリッドプレートに比べて脆弱であるため、スタッキングにおけるシール構造、スタッキング部品などにおいてもより複雑で高価なものになるためである。

そこで、本発明は上記問題点を鑑みて、ポーラスセパレータの利点を活かしつつ、より安価な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜を含めた電極層と、前記電極層を狭持するセパレータを備えた燃料電池セルを少なくとも一つ含む発電領域を複数備える。前記発電領域のうち少なくとも最上流の発電領域を含む上流側発電領域を、前記セパレータのうち少なくとも一方を、多孔質体より構成し、反応ガス流路および加湿水流路を備えたポーラスセパレータとした上流側燃料電池セルにより構成する。前記上流側発電領域の下流側に直列に接続した発電領域の少なくとも一部を、緻密質体より構成し、反応ガス流路を備えたソリッドセパレータを用いた燃料電池セルにより構成する。

少なくとも最上流の発電領域を含む上流側発電領域を、セパレータのうち少なくとも一方を、多孔質体により構成し、反応ガス流路および加湿水流路を備えたポーラスセパレータとした上流側燃料電池セルにより構成する。上流側発電領域の下流側に直列に接続した発電領域の少なくとも一部を、忠実体より構成し、反応ガス流路を備えたソリッドセパレータを用いた燃料電池セルにより構成する。これにより、外部加湿器を用いることなく反応ガスの加湿を行うことができるとともに、使用するポーラスセパレータを低減することができるので、安価な燃料電池システムを提供することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１を用いて説明する。

複数の燃料電池スタックをシリーズに接続することにより燃料電池システムを構成する。ここでは、三つの燃料電池スタック（燃料電池１〜３）をシリーズに接続することにより燃料電池システムを構成する。

最上流側に位置する燃料電池１を、後述するようなポーラスセパレータ（１６）を用いて構成する。燃料電池１に加湿機能を備える。ここでは、多孔質体により構成したポーラスセパレータ（１６）に接触して加湿水流路（１７）を構成することで、ポーラスセパレータ（１６）に加湿機能を備える。カソードガスおよびアノードガス(以下、反応ガス)は、まず最上流に位置する燃料電池１に供給される。反応ガスは、ポーラスプレートの加湿機能により加湿されると共に、自らの発電に伴う生成水によりさらなる加湿が行われる。

次に、燃料電池１から排出された反応ガスを、ソリッドセパレータ（２６）を用いた燃料電池２に導入する。ここで、図１に示すように、燃料電池１から排出された反応ガスは、燃料電池２に導入される時点で加湿が行われている。そのため、燃料電池２には加湿機能を備えずに、燃料電池１で加湿された反応ガスにより電解質膜の加湿を行うことができる。また、燃料電池２で生じる発電に伴い生成水により、さらなる加湿が行われる。この生成水により反応ガスの相対湿度は徐々に上昇し、高湿度状態で燃料電池２から排出される。なお、ここでは、反応ガスが透過するのを避けることができる緻密質体により構成したセパレータをソリッドセパレータ２６としている。

次に、燃料電池２から排出された高湿度の反応ガスを、後述するようにポーラスセパレータ（３６）により構成した燃料電池３に導入する。燃料電池３に除水機能を備える。ここでは、多孔質体より構成したポーラスセパレータ（３６）に接触して除水流路（３７）を構成することで、ポーラスセパレータ（３６）に除水機能を備える。そのため、反応ガスの湿度がさらに上昇して凝縮水が生じた場合にも、フラッディングを避けることができ、発電効率の低下を避けることができる。

なお、ここでは、通常運転時に、燃料電池２から排出された反応ガスの相対湿度が１００％より僅かに低くなるように、燃料電池２を構成する燃料電池セルの積層数を設定する。これにより、除水効果がなく、比較的安価なソリッドタイプのセパレータ（３６）を用いた燃料電池２をフラッディングの生じない範囲で大きく設定することができるので、効率がよく、かつ、安価な燃料電池システムを構成することができる。

次に、最上流に位置する燃料電池１およびその内部加湿機能について、図２を用いて説明する。図２（ａ）に燃料電池１の概略を、図２（ｂ）に燃料電池セル１１のＡ−Ａ方向の断面を示す。

図２（ａ）に示すように、燃料電池１を、燃料電池セル１１を複数積層することにより構成する。ここでは、通常運転時に燃料電池１から排出される反応ガスが、燃料電池２で発電を行うのに十分な湿度まで加湿されるように燃料電池セル１１の積層数を設定する。

燃料電池セル１１を積層方向に貫通する供給マニホールド１２、排出マニホールド１３を備える。供給マニホールド１２から各燃料電池セル１１に反応ガスを分配する。分配された反応ガスは、ガス流路１４をセル面に沿って流れ、排出マニホールド１３を通って排出される。ここでは、カソードガス流路１４ｃにカソードガスを、アノードガス流路１４ａにアノードガスを流通させることにより反応ガスを供給する。なお、図２（ａ）には、カソードガスを流通する供給マニホールド１２ｃ、排出マニホールド１３ｃを示すが、アノードガスについても同様に供給マニホールドおよび排出マニホールドを備える。また、図示しないマニホールドによって純水が各燃料電池セル１１に分配され、反応面に沿って形成された加湿水流路１７内を流通する。

燃料電池セル１１を図２（ｂ）に示すように構成する。つまり、電解質膜及び触媒層を含むガス拡散層からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１５を、ポーラスセパレータ１６により狭持することにより燃料電池セル１１を構成する。ポーラスセパレータ１６のＭＥＡ１５に対峙する面にガス流路１４を構成する。また、ポーラスセパレータ１６のＭＥＡ１５に対峙する面と反対側の面に加湿水流路１７を構成する。加湿水流路１７には純水を流通させる。ここでは、ガス流路１４の裏側に、純水の流通する加湿水流路１７を構成する。加湿水流路１７を流通する純水が、ポーラスセパレータ１６の多孔質体内部に毛細管現象により拡散し、ガス流路１４の表面に到達して蒸発することにより反応ガスを加湿する。なお、加湿水流路１７を流通する純水は、燃料電池１の温度を調整するための冷却水としての機能も兼ねている。

次に、燃料電池１の下流側に直列に接続される燃料電池２の構成を、図３に示す。図３（ａ）に燃料電池２の概略を、図３（ｂ）に燃料電池セル２１のＡ−Ａ方向の断面を示す。

燃料電池１と同様に、燃料電池セル２１に反応ガスを分配する供給マニホールド２２、反応ガスを回収する排出マニホールド２３、反応面に沿って反応ガスを流通させるガス流路２４を備える。燃料電池セル２１は、ＭＥＡ２５を、反応ガスおよび水を透過しないソリッドセパレータ２６で狭持することにより構成する。ガス流路２４はＭＥＡ２５とソリッドセパレータ２６の間に構成する。例えば、ソリッドセパレータ２６に溝を構成することによりガス流路２４を構成する。または、ソリッドセパレータ２６を成形することにより構成してもよい。

次に、最下流に位置する燃料電池３およびその除水機能について、図４を用いて説明する。なお、除水機能を持つ燃料電池３は最下流に限らず、反応ガスの相対湿度が１００％に達する燃料電池を対象とする。つまり、凝縮水または生成水による液水が存在する可能性がある燃料電池については、除水機能を備えたポーラスセパレータ３６を用いて構成する。

図４に示すように、燃料電池３の構成を燃料電池１と同様とする。ただし、加湿水流路１７の替わりに除水流路３７を構成する。つまり、ガス流路３４の裏側に除水流路３７を構成する。除水流路３７には純水を流通する。この純水により、燃料電池３の温度を調整すると共に、ガス流路３４で生じた凝縮水を燃料電池３の外部に排出する。ここでは、ガス流路３４と除水流路３７との間に圧力差（ガス流路３４内圧力−除水流路３７内圧力＞０）を設ける。これにより、ガス流路３４で凝縮した水をポーラスセパレータ３６に吸収してフラッディングを抑制する。

なお、燃料電池１は内部加湿機能をもつ燃料電池であればよく、上記の構成に限定するものではない。また、燃料電池３は、除水機能を持つ燃料電池であればよく、上記の構成に限定するものではない。

次に、本実施形態の効果について説明する。

電解質膜を含めた電極層（ＭＥＡ１５）と、電極層（ＭＥＡ１５）を狭持するセパレータを備えた燃料電池セルを少なくとも一つ含む発電領域を複数備える。発電領域のうち少なくとも最上流の発電領域を含む上流側発電領域（燃料電池１）を、セパレータのうち少なくとも一方に、多孔質体より構成し、反応ガス流路１４および加湿水流路１７を備えたポーラスセパレータ１６を用いた燃料電池セル１１により構成する。上流側発電領域(燃料電池１)の下流側に直列に接続した発電領域の少なくとも一部（燃料電池２）を、緻密質体より構成し、反応ガス流路２４を備えたソリッドセパレータ２６を用いた燃料電池セル２１により構成する。これにより、外部加湿器を備えることなく発電に用いる反応ガスの加湿ができるとともに、使用するポーラスセパレータ１６を低減することができるので、安価な燃料電池システムを構成することができる。なお、緻密質体は中実体でも構わない。

また、反応ガス中に凝縮水が生じる可能性がある、少なくとも最下流の発電領域を含む下流側発電領域（燃料電池３）を、セパレータのうち少なくとも一方に、多孔質体より構成し、反応ガス流路３４および除水流路３７を備えたポーラスセパレータ３６を用いた燃料電池セル３１により構成する。反応ガス流路３４および除水流路３７の間に圧力差を設定することにより反応ガス中の凝縮水を除去可能とする。これにより、ソリッドセパレータ２６を用いることにより反応ガスの湿度が飽和状態となった場合にも、除水機能を備えた燃料電池３に流通させることで安定した発電を行うことができる。つまり、ポーラスセパレータ１６、３６の替わりに、一部ソリッドセパレータ２６を用いた場合にも、ポーラスセパレータの利点を活かした燃料電池システムを構成することができる。

ここでは、発電領域を、複数の燃料電池セルを積層することにより構成した燃料電池スタック（燃料電池１、２、３）により構成する。これにより、燃料電池セル１１、２１、３１に用いるセパレータを構成する部材に応じて燃料電池スタックを構成することができ、それぞれの燃料電池セル１１、２１、３１の強度に合わせたスタッキング構成とすることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池の構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、ここでは一方の反応ガスの経路のみを示すが、他方の反応ガスに関しても同様の経路を備えるものとする。また、加湿水に関しても、第１の実施形態と同様に、積層方向に伸びるマニホールドおよび反応面に沿った流路を備える。

第１の実施形態に用いた燃料電池１〜３を、一つのスタックとして積層することにより燃料電池４０を構成する。ここでは、燃料電池４０を積層方向について三つに分割し、それぞれをエリア４１〜４３とする。積層方向一端部を含むエリア４１を、第１の実施形態における燃料電池１に相当する部分とし、最上流領域とする。つまり、エリア４１を、ポーラスセパレータ１６を用いることにより加湿機能を備えた燃料電池セル１１を積層することにより構成する。

また積層方向中央部のエリア４２を、第１の実施形態における燃料電池２に相当する部分とし、中流領域とする。つまり、エリア４２を、ソリッドセパレータ２６を用いた燃料電池セル２１を積層することにより構成する。この領域には特に加湿機能を備えず、エリア４１を流通する際に加湿された分と、発電に伴う生成水を用いて電解質膜の湿潤を行う。

さらに、積層方向エリア４１と反対側の端部に位置するエリア４３を、第１の実施形態における燃料電池３に相当する部分とし、最下流領域とする。つまり、エリア４３を、ポーラスセパレータ３６を用いることいより除水機能を備えた燃料電池セル３１を積層することにより構成する。

また、エリア４１を積層方向に貫通したマニホールド４４と、エリア４１、４２を連続して貫通するマニホールド４５と、エリア４２、４３を連続して貫通するマニホールド４６と、エリア４３を貫通するマニホールド４７を構成する。

外部から供給された反応ガスを、マニホールド４４からエリア４１を構成する燃料電池セル１１に分配する。ここで、発電に使用されるとともに、図示しない加湿水流路（１７）を流れる純水により加湿された後、マニホールド４５に回収される。マニホールド４５に回収された反応ガスを、エリア４２を構成する燃料電池セル２１に分配する。このとき反応ガスは既にエリア４１において加湿されているので、エリア４２に用いた燃料電池セル２１の電解質膜を乾燥させるのを避けることができる。燃料電池セル２１では、反応ガスは通常の発電に使用され、発電に伴う生成水により相対湿度がさらに高くなった状態でマニホールド４６に回収される。高湿度の反応ガスは、マニホールド４６を通ってエリア４２を構成する燃料電池セル３１に分配される。ここで生じた凝縮水は、ポーラスセパレータ３６に吸収され、さらに除水流路（３７）を通って燃料電池４０から排出される。反応ガスは、エリア４３で発電に用いられたあと、マニホールド４４に回収され、燃料電池４０から排出される。

つまり、ポーラスセパレータ１６を用いて構成したエリア４１を最上流に、その下流側にソリッドセパレータ２６を用いて構成したエリア４２を、最下流側にポーラスセパレータ３６を用いて構成したエリア４３を配置する。言い換えれば、最上流側に内部加湿機能を備えた燃料電池セル１１を、最下流側に除水機能を備えた燃料電池セル３１を配置する。加湿および除水を必要しない中流領域を、ソリッドセパレータ２６を用いた燃料電池セル２１により構成する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

発電領域（エリア４１、４２、４３）を、複数の燃料電池セルを積層することにより構成し、発電領域を積層することにより燃料電池スタック（燃料電池４０）を構成する。これにより、スタッキング部材を少なくすることができ、よりコンパクトで安価な燃料電池システムを構成することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池５０の構成を、図６を用いて説明する。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

第２の実施形態と同様に、燃料電池５０を、エリア４１〜４３から構成する。ただし、積層方向一端部に位置するエリア４１を二つの領域４１ａ、４１ｂから構成する。ここでは、セル面をガス流路１４を横断する方向に二つに分割し、一方を領域４１ａ、他方を領域４１ｂとする。言い換えれば、エリア４２、４３を構成する燃料電池セルに比べて面積が半分の燃料電池セル１１を積層することにより構成した領域４１ａ、４１ｂを並列に接続することによりエリア４１を構成する。

また、領域４１ａ、４１ｂの燃料電池セル１１それぞれに反応ガスを供給するマニホールド４４ａ、４４ｂを備える。また、燃料電池セル１１から反応ガスを回収するマニホールド４５ａ、４５ｂを備える。マニホールド４５ａ、４５ｂは、エリア４２またはその付近で合流し、エリア４２を構成する燃料電池セル２１を積層方向に貫通するマニホールド４５に連通する。

燃料電池５０に供給された反応ガスは、マニホールド４４ａ、４４ｂからそれぞれ領域４１ａ、４１ｂに供給され、ポーラスセパレータ１６を備えた燃料電池セル１１に分配される。エリア４１のセル面に沿って流れるガス流路１４ａ、１４ｂは、エリア４２、４３を構成する燃料電池セルのガス流路２４、３４に比べて半分の長さとなる。つまり、エリア４１においては、エリア４２、４３に比べて反応ガスの流速を小さく、また、流れる距離が短くなるように構成することができる。ガス流路１４ａ、１４ｂを反応面に沿って流通した反応ガスはマニホールド４５ａ、４５ｂに回収され、さらにマニホールド４５を通ってエリア４２を構成する燃料電池セル２１に分配される。エリア４２、４３の構成は、第２実施形態と同様とする。

なお、ここでは領域４１ａ、４１ｂを構成するポーラスセパレータ１６を分割して構成しているが、この限りではない。第２実施形態と同様に、エリア４２、４３と同じセル面積を有するポーラスセパレータ１６を用いて構成し、マニホールド４４、４５およびガス流路１４のみを領域４１ａ、４１ｂに分割してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。

燃料電池セル１１に用いるポーラスセパレータ１６に形成した反応ガス流路１４の流路長が、ソリッドセパレータ２６に形成した反応ガス流路２４の流路長より短くなるように構成する。これにより、燃料電池１を流通する際の圧力損失を小さくすることができる。

特に、複数の燃料電池セル１１を用いた発電領域（領域４１ａ、４１ｂ）を並列に接続することにより最上流発電領域（エリア４１）を構成する。これにより、ポーラスセパレータ１６を用いた燃料電池セル１１内のガス流速を遅くし、ガスが十分に加湿されるまでの流路長さを短くすることができ、最上流のエリア４１での発電を安定して行うことができる。また、少ないセル枚数で十分に反応ガスを加湿することができ、ポーラスプレートの使用量を抑制することができると共に、流路圧損を抑制することができる。

次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を、図７を用いて説明する。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、第３の実施形態に用いた燃料電池５０の領域４１ａ、４１ｂおよび各エリア４２、４３を、個々の燃料電池６１ａ、６１ｂ、６２、６３により構成し、それぞれの間を配管を用いて接続することにより構成する。ポーラスセパレータ（１６）を用いることにより加湿機能を備えた燃料電池６１ａ、６１ｂと、ソリッドセパレータ（２１）を用いた燃料電池６２、ポーラスセパレータ（３６）を用いることにより除水機能を備えた燃料電池６３を備える。燃料電池６１ａ、６１ｂを並列に接続し、燃料電池６１、６２、６３を直列に接続する。燃料電池６１ａ、６１ｂは、それぞれ反応ガスの供給口および排出口を供え、ガス流路（１４）の長さが他の燃料電池６２、６３のガス流路（２４、３４）の長さの半分となるように構成する。

また、発電後の排気ガスから水分を分離するガス水セパレータ６４、加湿水タンク６５、加湿水を燃料電池６１ａ、６１ｂに送るための加湿水ポンプ６７を備える。また、冷却液タンク６６、冷却液を燃料電池６２に送るための冷却液ポンプ６９を備える。さらに、ガス供給手段、ここでは空気の供給手段であるコンプレッサ６８を備える。

また、コンプレッサ６８により送られた空気を燃料電池６１ａ、６１ｂに供給するか否かを選択するバルブ７０、コンプレッサ６８により送られた空気を燃料電池６２に供給するか否かを選択するバルブ７１を備える。また、燃料電池６１ａと燃料電池６２との間を遮断するか否かを選択するバルブ７２、燃料電池６１ｂと燃料電池２との間を遮断するか否かを選択するバルブ７３を備える。さらに、燃料電池６２から排出された空気を燃料電池６３に供給するか否かを選択するバルブ７４、燃料電池６２から排出された空気を外部に排出するか否かを選択するバルブ７５を備える。

つまり、最上流側にポーラスセパレータ（１６）を用いた燃料電池６１を、その下流側にソリッドセパレータ（２６）を備えた燃料電池６２を、さらにその下流側にポーラスセパレータ（３６）を備えた燃料電池６３を備える。また、バルブ７０〜７５の開閉により、反応ガスとしての空気を燃料電池６１、６２、６３の順番で流通させるか、燃料電池６２のみに流通させるかを選択可能に構成している。つまり、ポーラスセパレータ（１６、３６）を備えた燃料電池６１、６３を含む全体に反応ガスを流通させるか、ソリッドセパレータ（２６）を用いた燃料電池６２のみに反応ガスを流通させるかを選択可能に構成する。

燃料電池６２においては、低温起動時には燃料電池６２における発電に伴う生成水のみによって反応ガスの加湿を賄うことができる。よって、燃料電池６２に供給する前に加湿する必要はなく、燃料電池６１をバイパスしても加湿不足の問題は生じない。

低温起動時、例えば環境温度が氷点下の場合に起動を行う際には、燃料電池６１、６３のポーラスセパレータ（１６、３６）に含有された水分が凍結している可能性がある。または、加湿水流路１７に流通させる純水が凍結している可能性がある。このような場合には、燃料電池６１、６３の起動前にポーラスセパレータ（１６、３６）に付着した氷または純水タンク６５に貯蓄された純水を解凍する必要があり、この際にエネルギが消費されるため燃料効率が低下する。そのため、ポーラスセパレータ（１６、３６）を用いた燃料電池６１、６３を低温時から起動するのは好ましくない。そこで、本実施形態においては、まずソリッドセパレータ（２６）を用いた燃料電池６２を起動する。ここでは、バルブ７０、７２、７３、７４を閉として、バルブ７１、７５を開とする。これにより、コンプレッサ６８により供給される反応ガス、ここでは空気を燃料電池６２のみに供給する。

また、燃料電池６２の発電により生じる排熱によってポーラスセパレータ（１６、３６）内の氷の解凍を行う。例えば図６のように、燃料電池６２の近傍に燃料電池６１、６３を配置することにより、排熱を利用する。または、ここには図示しないが、燃料電池６２を循環して高温となった冷却液を用いて燃料電池６１、６３内の氷を解凍してもよい。これにより燃料効率の低下を抑制しつつ、燃料電池６１、６３の解凍を行うことができる。

燃料電池６１、６３が所定温度に達したら、つまり燃料電池６１、６３の解凍が終了したことを検知したら、通常運転に移行する。または、燃料電池６２に加湿不足が生じる可能性があると判断されたら通常運転に移行してもよい。つまり、バルブ７１、７５を閉として、バルブ７０、７２、７３、７４を開とすることにより、反応ガスを燃料電池６１、６２、６３の順番に流通させる。

なお、ここでは反応ガスとしてカソードガスの供給について説明したが、アノードガスについても同様に供給する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

低温起動時には、ポーラスセパレータ（１６、３６）を用いた発電領域（燃料電池６１、６３）をバイパスし、ソリッドセパレータ（２６）を用いた発電領域（燃料電池２）のみに反応ガスを流通させる。これにより、ポーラスセパレータ（１６、３６）内の水が凍っている時や、燃料電池６１への加湿水である純水が凍っている場合にも、燃料電池６２により発電を開始することができる。

また、低温起動時には、ソリッドセパレータ（２６）を用いた発電領域（燃料電池６２）からの排熱により、ポーラスセパレータ（１６、３６）を用いた発電領域（燃料電池６１、６３）を暖機する。ポーラスセパレータ（１６、３６）を用いた発電領域（燃料電池６１、６３）が所定温度に達したら、ポーラスセパレータ（１６、３６）を用いた発電領域（燃料電池６１、６３）に反応ガスを供給する。このように、ポーラスセパレータ（１６、３６）内の氷の解凍を行うのに燃料電池６２の排熱を用いるので、エネルギ効率を向上することができる。

本実施形態では、低温起動時には、まず、ソリッドセパレータ（２６）を用いた燃料電池６２から発電を開始し、燃料電池６２の排熱を用いてポーラスセパレータ（１６、３６）を用いた燃料電池６１、６３の解凍を行う。これにより、ポーラスセパレータ（１６、３６）を備えた燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動をスムーズに行うことができる。

次に、第５の実施形態について説明する。燃料電池８０の構成を図８に示す。以下、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

燃料電池８０をエリア８１、８２から構成する。ここでは燃料電池８０の積層方向一端を含むエリア８１と、他端を含むエリア８２から構成する。エリア８１をポーラスセパレータ１６または３６を用いた燃料電池セル１１または３１から構成し、エリア８２をソリッドセパレータ２６を用いた燃料電池セル２１から構成する。

また、エリア８１を、エリア８２の半分の面積より成る領域８１ａ、８１ｂより構成する。ここでは、エリア８１のガス流路１４、３４の長さが、エリア８２のガス流路２４の半分となるように構成する。領域８１ａを、ポーラスセパレータ１６を用いた燃料電池セル１１を積層することにより構成する。領域８１ｂを、ポーラスセパレータ３６を用いた燃料電池セル３１を積層することにより構成する。つまり、エリア８１の領域８１ａを第１の実施形態における燃料電池１に相当する部分、エリア８２を燃料電池２に相当する部分、エリア８１の領域８１ｂを燃料電池３に相当する部分とする。

また、領域８１ａに反応ガスを導入し分配するマニホールド８３、領域８１ａの反応ガスを回収し、エリア８２を構成する燃料電池セル２１に分配するマニホールド８４を備える。さらに、エリア８２の反応ガスを回収し、領域８１ｂを構成する燃料電池セル３１に分配するマニホールド８５、領域８１ｂの反応ガスを回収し排出するマニホールド８６を備える。

外部より供給された反応ガスは、マニホールド８３を介して領域８１ａを構成する燃料電池セル１１に分配される。このとき、燃料電池セル１１は加湿機能を備えるので、反応ガスは発電に用いられると共に加湿水流路（１７）を流通する加湿水により加湿される。また、発電に伴って生成水が生じ、この生成水によりさらに加湿される。その後、反応ガスはマニホールド８４に回収され、エリア８２を構成する燃料電池セル２１に分配される。

エリア８２においては、供給された反応ガスは既に加湿されているので、特に加湿することなく発電に用いることができる。反応ガスは、マニホールド８４からガス流路２４に分配され、発電に利用される。エリア８２の反応ガスは、マニホールド８５に回収され、領域８１ｂを構成する燃料電池セル３１に分配される。燃料電池セル３１は除水機能を備える、つまり、ガス流路３４を流通する反応ガス中に生じた凝縮水はポーラスセパレータ３６に吸収される。そのため、フラッディングによる発電効率の低下を抑制することができる。領域８１ｂの発電に用いられた反応ガスは、マニホールド８６を通って領域８１ｂから回収され、燃料電池８０から排出される。

なお、ここではエリア８１におけるポーラスセパレータ１６、３６を領域８１ａ、８１ｂに沿って分割して構成しているが、この限りではない。ポーラスセパレータ１６、３６を連続して構成し、ガス流路１４、３４のみを分割して構成してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。

複数の前記発電領域（エリア８１、８２）を積層することにより燃料電池８０を構成する。燃料電池８０の一端を含むエリア８１を、ポーラスセパレータ１６を用いた領域８１ａと、領域８１ｂとから構成する。ここで、領域８１ａには加湿機能を備え、領域８１ｂには除水機能を備える。燃料電池８０の他端を含む残りのエリア８２第二領域を、ソリッドセパレータ２６を用いた燃料電池セル２１を積層することにより構成する。反応ガスを、領域８１ａ、エリア８２、領域８１ｂの順番で流通させる。これにより、ポーラスセパレータ１６、３６を用いる発電領域を一箇所にまとめることができる。これにより燃料電池８０を組み立てる際の積層構造を簡易化することができる。

なお、本実施形態においては、上流側および下流側において、アノード側およびカソード側のセパレータの両方をポーラスセパレータとしているが、一方のみをポーラスセパレータとした燃料電池に対しても適用することができる。また、各ガス流路および加湿水流路は上記の構成に限定するわけではない。さらに、凝縮水が生じる可能性がない場合には、最下流までソリッドセパレータを用いた燃料電池セルを積層することにより構成してもよい。

このように、本発明は、上記形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。

電解質膜を用いた燃料電池により構成した燃料電池システムに適用することができる。例えば、移動体の動力源等の、小型化や起動性の向上が求められる燃料電池システムに適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池１の概略構成図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池２の概略構成図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池３の概略構成図である。 第２の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。 第３の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。 第４の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第５の実施形態に用いる燃料電池の概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池(上流側発電領域)
２ 燃料電池(下流側に直列に接続した発電領域のすくなくとも一部)
３ 燃料電池(下流側発電領域)
１１、２１、３１ 燃料電池セル
１４、２４、３４ ガス流路（反応ガス流路）
１５、２５、３６ ＭＥＡ（電極層）
１６、３６ ポーラスセパレータ
２６ ソリッドセパレータ
１７ 加湿水流路
３７ 除水流路
４１ エリア(上流側発電領域)
４１ａ 領域(上流側発電領域)
４１ｂ 領域(上流側発電領域)
４２ エリア(下流側に直列に接続した発電領域のすくなくとも一部)
４３ エリア(下流側発電領域)
８１ａ 領域(上流側発電領域)
８１ｂ 領域(下流側発電領域)
８２ エリア(下流側に直列に接続した発電領域のすくなくとも一部、第二領域)

Claims (9)

1. 電解質膜を含めた電極層と、前記電極層を狭持するセパレータを備えた燃料電池セルを少なくとも一つ含む発電領域を複数備え、
   前記発電領域のうち少なくとも最上流の発電領域を含む上流側発電領域を、
   前記セパレータのうち少なくとも一方に、多孔質体より構成し、反応ガス流路および加湿水流路を備えたポーラスセパレータを用いた上流側燃料電池セルにより構成し、
   前記上流側発電領域の下流側に直列に接続した発電領域の少なくとも一部を、
   緻密質体より構成し、反応ガス流路を備えたソリッドセパレータを用いた燃料電池セルにより構成したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 少なくとも最下流の発電領域を含む下流側発電領域を、
   前記セパレータのうち少なくとも一方に、多孔質体により構成し、反応ガス流路および除水流路を備えたポーラスセパレータを用いた下流側燃料電池セルにより構成し、
   前記反応ガス流路および除水流路の間に圧力差を設定することにより反応ガス中の凝縮水を除去可能とした請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記上流側燃料電池セルに用いるポーラスセパレータに形成した反応ガス流路の流路長が、前記ソリッドセパレータに形成した反応ガス流路の流路長より短くなるように構成する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 複数の前記上流側燃料電池セルを用いた発電領域を並列に接続することにより最上流発電領域を構成する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 低温起動時には、前記ポーラスセパレータを用いた発電領域をバイパスし、前記ソリッドセパレータを用いた発電領域のみに反応ガスを流通させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
6. 低温起動時には、前記ポーラスセパレータを用いた発電領域からの排熱により、前記ポーラスセパレータを用いた発電領域を暖機し、前記ポーラスセパレータを用いた発電領域が所定温度に達したら、前記ポーラスセパレータを用いた発電領域に反応ガスを供給する請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記発電領域を、複数の燃料電池セルを積層することにより構成した燃料電池スタックにより構成する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
8. 前記発電領域を、複数の燃料電池セルを積層することにより構成し、
   前記発電領域を積層することにより燃料電池スタックを構成する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
9. 複数の前記発電領域を積層することにより燃料電池スタックを構成し、
   前記燃料電池スタックの一端を含む第一領域を、前記ポーラスセパレータを用いた前記上流側発電領域と前記下流側発電領域とから構成し、
   前記燃料電池スタックの他端を含む残りの第二領域を、前記ソリッドセパレータを用いた燃料電池セルを積層することにより構成し、
   反応ガスを、前記上流側発電領域、前記第二領域、前記下流側発電領域の順番で流通させる請求項２に記載の燃料電池システム。