JP2006253033A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電運転の安定性を更に高めるのに有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、膜電極接合体１５と、膜電極接合体１５に積層され燃料極１１で反応する燃料活物質を含む反応流体を燃料極１１に分配すると共に、酸化剤極１２で反応する酸化剤活物質を含む反応流体を酸化剤極１２に分配する配流板２とを具備する。配流板２は、その片面側において、反応流体を流す第１表面流路３１及び第２表面流路３２を少なくとも有している。第１表面流路３１における反応流体の流れ方向と、第２表面流路３２における反応流体の流れ方向とを変化させる反応流体供給系４が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は活物質を含む反応流体を膜電極接合体に供給する配流板を有する燃料電池システムに関する。

従来、電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体に積層され燃料活物質を含む反応流体を燃料極に分配すると共に、酸化剤活物質を含む反応流体を酸化剤極に分配する配流板とを備える燃料電池システムが提供されている。

上記した燃料電池システムにおいて、配流板の表面に形成されている表面流路の周囲に複数の第１開口及び第２開口を形成し、配流板の第１開口を入口とすると共に第２開口を出口とする形態と、配流板の第２開口を入口とすると共に第１開口を出口とする形態とを切り替えるものが知られている（特許文献１）。このように反応ガスの入口と出口とを切り替えるため、発電分布の過剰な偏りを抑制することができる。このものによれば、１枚の配流板の片面側に形成されている表面流路は、全体として連通しており、一体化されている。

上記した燃料電池システムにおいて、配流板の表面に形成されている表面流路の周囲に複数の開口を形成し、複数の開口を旋回方向に入口として順に切り替えると共に、複数の開口を旋回方向に出口として順に切り替えることにより、配流板の表面流路においてガスを旋回流動させるものが開示されている（特許文献２）。このものによれば、１枚の配流板の片面側に形成されている表面流路は、全体として連通しており、一体化されている。
特開２００４−２０７１５２号公報 特開２００４−７９４３５号公報

上記したように特許文献１によれば、反応ガスの入口と出口とを切り替えるため、生成水の偏りを抑制でき、燃料電池の内部における発電分布の偏りを低減させるのに有利であり、燃料電池の発電運転の安定性を高めるのに有利である。しかしながら、特許文献１によれば、１枚の配流板の片面側に形成されている酸化剤ガス流路は、１枚の配流板の片面側において全体として連通するように一体化されている。このため、ガスの流れを切り替えるとき、ガスの流れが瞬間的に制約される状態が発生するおそれがある。この場合、発電運転の安定性を更に高めるのには限界がある。

上記したように特許文献２によれば、配流板の表面流路においてガスを旋回流動させるため、配流板における反応ガスの流れが瞬間的に制約される状態を避けることができ、発電運転の安定性を高めるのに有利である。しかしながらガスを強制的に旋回流動させる機構が必要とされる。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、発電運転の安定性を更に高めるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟む２つの電極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体に積層され活物質を含む反応流体を膜電極接合体の電極に分配する配流板とを具備する燃料電池システムにおいて、配流板は、その片面側において、前記反応流体を流す表面流路を複数有しており、且つ、
一の表面流路における反応流体の流れ方向と、他の表面流路における反応流体の流れ方向とを時間をずらせて変化させる反応流体供給系が設けられていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムによれば、反応流体供給系は、一の表面流路における反応流体の流れ方向と、他の表面流路における反応流体の流れ方向とを時間をずらせて変化させる。よって反応流体供給系は、一の表面流路における反応流体の流れ方向と、他の表面流路における反応流体の流れ方向とを時間をずらせて切り替えることができる。このため反応流体供給系は、一の表面流路に対して反応流体の流れ方向を切り替えるタイミングと、他の表面流路に対して反応流体の流れを切り替えるタイミングとを時間的にずらして設定できる。従って、反応流体の流れ方向の切替に起因して、一の表面流路において反応流体の流れが瞬間的に制約されるようなことがあったとしても、配流板における他の表面流路（一の表面流路とは別の表面流路）において反応流体の流れの円滑性が確保される。故に、燃料電池における発電運転の安定性を高めるのに有利である。

本発明によれば、一の表面流路に対して反応流体の流れ方向を切り替えるタイミングと、他の表面流路に対して反応流体の流れを切り替えるタイミングとを時間的にずらして設定できる。このため、一の表面流路において反応流体の流れが瞬間的に制約されるようなことがあったとしても、別の表面流路において反応流体の流れの円滑性が確保される。故に、燃料電池における発電運転の安定性を更に高めるのに有利である。

本発明によれば、電解質膜、燃料極及び酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体に積層され燃料活物質を含む反応流体を燃料極に分配すると共に、酸化剤活物質を含む反応流体を酸化剤極に分配する配流板とを備えている形態を採用することができる。燃料活物質を含む反応流体としては、水素含有ガス、水素ガスを採用できる。酸化剤活物質を含む反応流体としては、酸素含有ガス、酸素ガスを採用できる。

一枚の配流板の片面側に形成されている複数の表面流路は、互いに分割されており、互いに独立している形態を採用することができる。この場合、一の表面流路における反応流体の流れと、他の表面流路における反応流体の流れとを独立させることができる。

反応流体供給系としては、一の表面流路における反応流体の流れ方向と、他の表面流路における反応流体の流れ方向とを時間をずらして変化させる。よって反応流体供給系は、一の表面流路における反応流体の流れ方向と、他の表面流路における反応流体の流れ方向とを時間をずらして切り替えることができる。故に、反応流体の流れ方向の切り替えに起因して、他の表面流路において反応流体の流れが、万一、瞬間的に制約されるようなことがあったとしても、一の表面流路において反応流体の流れの円滑性が良好に確保される。故に、燃料電池の発電運転の安定性を高めるのに有利である。

反応流体配流板としては、配流板の表面に設けられた一の表面流路または他の表面流路に連通する第１開口及び第２開口を有している形態を例示することができる。この場合、反応流体供給系としては、配流板の第１開口を反応流体の入口とすると共に第２開口を反応流体の出口とする第１形態と、配流板の第２開口を反応流体の入口とすると共に第１開口を反応流体の出口とする第２形態とを切り替える形態を例示することができる。この場合、第１形態における反応流体の流れ方向と、第２形態における反応流体の流れ方向とを独立して変化させることができる。

以下、本発明の実施例１について図１〜図３を参照して説明する。図１は燃料電池システムの燃料電池１の内部を模式的に表す概念図を示す。燃料電池１は、固体高分子型の電解質膜１０を挟持する電極としての燃料極１１及び酸化剤極１２を有する膜電極接合体１５と、膜電極接合体１５に接着剤層１００を介して積層された配流板２（反応流体配流板）とを備えている。燃料極１１はガス拡散性及び集電性を有しており、触媒層１３を有する。酸化剤極１２はガス拡散性及び集電性を有しており、触媒層１４を有する。なお触媒層１３、触媒層１４は電解質膜１０に接合されていても良い。

図２は、配流板２の一方の片面側を示す。図２に示すように、一枚の配流板２の一方の片面側には、酸化剤ガスを流す第１表面流路３１及び第２表面流路３２が分割された状態で形成されている。図２に示すように、分割された第１表面流路３１及び第２表面流路３２は、１枚の配流板２において横に並設されている。第１表面流路３１は、縦方向の延びる仕切壁３８ａで仕切られた片側Ａ，Ｂを備えている。第２表面流路３２は、縦方向の延びる仕切壁３８ｂで仕切られた片側Ａ，Ｂを備えている。第１表面流路３１及び第２表面流路３２は、縦方向の延びる仕切壁３８ｃにより仕切られており、互いに独立している。配流板２の片面側においては、第１表面流路３１及び第２表面流路３２は、互いに連通していない構造とされている。

反応流体供給系として機能できる酸化剤ガス供給系４は、配流板２の片面側に形成されている第１表面流路３１及び第２表面流路３２に酸化剤ガス（酸素含有ガス、一般的には空気）を供給するものである。酸化剤ガス供給系４は、配流板２の第１表面流路３１に対して酸化剤ガスを供給すると共に、第１表面流路３１とは独立して配流板２の第２表面流路３２に対して酸化剤ガスを供給する。故に、酸化剤ガス供給系４は、第１表面流路３１における酸化剤ガスの流れと、第２表面流路３２における酸化剤ガスの流れとを独立して制御することができる。

図２に示すように、配流板２には、これの第１表面流路３１の一方の片側Ａに連通する第１開口６ｆが形成されている。第１表面流路３１の他方の片側Ｂに連通する第２開口７ｆが形成されている。第１開口６ｆ及び第２開口７ｆは互いに隣設されている。第１表面流路３１の片側Ａ，Ｂの上部にそれぞれ連通する中間開口８ｆが形成されている。また、配流板２には、これの第２表面流路３２の一方の片側Ａに連通する第１開口６ｓが形成されている。第２表面流路３２の他方の片側Ｂに連通する第２開口７ｓが形成されている。第１開口６ｓ及び第２開口７ｓは互いに隣設されている。第２表面流路３２の片側Ａ，Ｂの上部に連通する中間開口８ｓが形成されている。中間開口８ｆ及び８ｓは互いに隣設されている。

ここで、第１開口６ｆ，６ｓ、第２開口７ｆ，７ｓ、中間開口８ｆ，８ｓは、配流板２の厚み方向に貫通するように形成されている。中間開口８ｆ，８ｓは配流板２の上部に形成されている。図２に示すように、第１開口６ｆ，６ｓ及び第２開口７ｆ，７ｓは配流板２の下部に形成されている。その理由としては、後述するように、第１開口６ｆ，６ｓ及び第２開口７ｆ，７ｓは酸化剤ガスを排出する出口として機能することがあるため、酸化剤ガスに含まれている水を重力を利用して排出し易くさせるためである。なお、燃料電池１を厚み方向に積層してスタックを形成したとき、中間開口８ｆ，８ｓは、スタックの積層方向に延びる連通通路を形成し、その連通通路は表面流路３１，３２のうち対応するものに連通するが、外部には連通されていない。

なお、酸化剤ガス供給系４は、開閉手段として機能する図略の開閉バルブを有しており、図２に示すように、第１開口６ｆ、第１開口６ｓ、第２開口７ｆ、第２開口７ｓに繋がり、これらの流路の切替を行う。

さて本実施例によれば、酸化剤ガスを配流板２の第１表面流路３１に供給するにあたり、第１形態及び第２形態を時間的に同時に行うのではなく、第１形態及び第２形態を所定の時間間隔で交互に切り替える。酸化剤ガス供給の第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｆを入口とすると共に、第２開口７ｆを出口とする。従って、第１形態によれば、酸化剤ガスは、図２の矢印Ｙ１方向にそって、配流板２の第１開口６ｆ→第１表面流路３１の片側Ａ→中間開口８ｆ→第１表面流路３１の片側Ｂ→第２開口７ｆを順に流れる。また酸化剤ガス供給の第２形態によれば、配流板２の第２開口７ｆを入口とすると共に、第１開口６ｆを出口とする。従って、第２形態によれば、酸化剤ガスは、図２の矢印Ｙ２方向にそって、配流板２の第２開口７ｆ→第１表面流路３１の片側Ｂ→中間開口８ｓ→第１表面流路３１の片側Ａ→第１開口６ｆを順に流れる。

このように酸化剤ガスを第１表面流路３１に供給する場合、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ１方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ２方向）とは、互いに逆向きである。上記したように酸化剤ガス供給系４は、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ１方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ２方向）とを時間的にずらして交互に切り替えることができる。

また、酸化剤ガスを配流板２の第２表面流路３２に供給するにあたり、第１表面流路３１の場合と同様に、第１形態及び第２形態を交互に切り替える。第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｓを入口とすると共に、第２開口７ｓを出口とする。従って、酸化剤ガス供給の第１形態によれば、酸化剤ガスは、図２の矢印Ｙ３方向にそって、配流板２の第１開口６ｓ→第２表面流路３２の片側Ａ→中間開口８ｓ→第２表面流路３２の片側Ｂ→第２開口７ｓを順に流れる。また酸化剤ガス供給の第２形態によれば、配流板２の第２開口７ｓを入口とすると共に、第１開口６ｓを出口とする。従って、第２形態によれば、酸化剤ガスは、図２の矢印Ｙ４方向にそって、配流板２の第２開口７ｓ→第２表面流路３２の片側Ｂ→中間開口８ｓ→第２表面流路３２の片側Ａ→第１開口６ｓを順に流れる。このように酸化剤ガスを第２表面流路３２に供給するにあたり、酸化剤ガス供給系４は、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ３方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ４方向）とを交互に切り替えることができる。

ところで、上記したような酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるときには、切替時に、酸化剤ガスの流れが瞬間的に制約される状態になることがある。この場合、酸化剤ガスの円滑な供給が制約されるおそれがあり、燃料電池１の発電性能の更なる向上を図るためには好ましくない。この点について本実施例によれば、図３に示すように、酸化剤ガス供給系４は、配流板２の第１表面流路３１に対して酸化剤ガスの流れを切り替えるタイミングＭ１と、配流板２の第２表面流路３２に対して酸化剤ガスの流れを切り替えるタイミングＭ２とを時間的にずらして実行するように設定されている。

従って、第１表面流路３１における酸化剤ガスの流れ方向の切り替えに起因して、配流板２の第１表面流路３１において酸化剤ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、一枚の配流板２のうち第１表面流路３１に隣設している第２表面流路３２において酸化剤ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第２表面流路３２における酸化剤ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、一枚の配流板２あたり発電出力が低下することが抑制され、燃料電池１の発電運転の安定性を高めるのに有利である。

同様に、第２表面流路３２における酸化剤ガスの流れ方向の切り替えに起因して、配流板２の第２表面流路３２において酸化剤ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、一枚の配流板２のうち第２表面流路３２に隣設する第１表面流路３１において酸化剤ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第１表面流路３１において酸化剤ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を高めるのに有利である。

また、燃料電池１の酸化剤極１２では発電反応により水が生成される。生成水は酸化剤ガスの流れに押し出されて下流側に移動する。故に、酸化剤ガスの流れの下流側つまり出口側に溜まり易い傾向がある。このため第１表面流路３１の流れの下流側では、水による濡れ現象が発生することがある。更に、第１表面流路３１の流れの上流側では乾き現象が発生することがある。第２表面流路３２についても同様の現象が存在する。この場合、一枚の配流板２あたり、発電分布の均一性を更に高めるのに限界となる。

この点について本実施例によれば、酸化剤ガス供給系４は前述したように第１表面流路３１の流れ方向を切り替える操作と、第２表面流路３２の流れ方向を切り替える操作とを時間をずらして交互に行う。このため、第１表面流路３１において第１形態における上流は第２形態における下流となり、第１形態における下流は第２形態における上流となる。同様に、第２表面流路３２において第１形態における上流は第２形態における下流となり、第１形態における下流は第２形態における上流となる。このように上流と下流とが切り替えられるため、第１表面流路３２及び第２表面流路３２における水の分布の偏在を抑制でき、燃料電池１における発電分布の均一性を更に高めるのに有利となる。殊に、酸化剤ガスの流れの下流側では、水が過剰に溜まり、フラッディング現象が発生するおそれがあるが、前述したように第１形態及び第２形態を交互に切替えれば、酸化剤ガスの下流と上流とが交互に入れ替わる。このためフラッディング現象が発生するおそれを低減できる。フラッディング現象とは、過剰の水がガス通路を塞ぐことをいう。

本実施例によれば、配流板２の他方の片面側には、燃料活物質としての水素を含む燃料ガスを流す燃料用の表面流路３９Ｆ（図１参照）が形成されている。そして、図２に示すように、燃料用の表面流路３９Ｆに連通する燃料用第１開口６Ｆ及び燃料用第２開口７Ｆが、配流板２の周縁部に互いに対向するように形成されている。そして、燃料ガスを配流板２の燃料用の表面流路３９Ｆに供給するにあたり、燃料用の第１形態及び第２形態を交互に繰り返すことにしている。燃料用の第１形態によれば、配流板２の燃料用第１開口６Ｆを入口とすると共に、燃料用の第２開口７Ｆを出口とする。従って、燃料用の第１形態によれば、燃料ガスは、配流板２の燃料用の第１開口６Ｆ→燃料用表面流路３９Ｆ→燃料用の第２開口７Ｆを順に流れる。また燃料用の第２形態によれば、配流板２の第２開口７Ｆを入口とすると共に、燃料用第１開口６Ｆを出口とする。従って、燃料用の第２形態によれば、燃料ガスは、配流板２の燃料用第２開口７Ｆ→燃料用の表面流路３９Ｆ→第１開口６Ｆを順に流れる。第１形態における燃料ガスの流れと、第２形態における燃料ガスの流れとは互いに逆方向である。

このように本実施例によれば、燃料ガスを配流板２の燃料用の表面流路Ｆに供給するにあたり、燃料ガスの流れの上流と下流とを第１形態と第２形態とで交互に切り替える。このため、酸化剤ガスの場合と同様に、燃料用の表面流路３９Ｆにおける水の分布の偏在を抑制でき、燃料ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を一層高めるのに有利である。従って燃料ガスについても、酸化剤ガスの場合と同様の作用効果が得られる。

但し本実施例によれば、燃料ガスについては、第１形態及び第２形態を交互に切り替えることなく、第１形態に維持したまま、あるいは、第２形態に維持したままに燃料電池１を運転しても良い。図２において、５０１は冷却水供給口、５０２は冷却水吐出口を示す。

以下、本発明の実施例２について図４及び図５を参照して説明する。本実施例は基本的には前記した実施例と同様の構成、同様の作用効果を有する。図４に示すように、配流板２の表面には、酸化剤ガスを流す第１表面流路３１、第２表面流路３２、第３表面流路３３、第４表面流路３４が横方向に分割された状態で並設されている。第１表面流路３１〜第４表面流路３４は、縦方向に延びる仕切壁３８ａ〜仕切壁３８ｃにより仕切られている。故に、第１表面流路３１、第２表面流路３２、第３表面流路３３、第４表面流路３４は、互いに独立しつつ分割されている。

図４に示すように、配流板２には、これの第１表面流路３１の下部に連通する第１開口６ｆが形成されている。第１表面流路３１の上部に連通する第２開口７ｆが形成されている。配流板２には、第２表面流路３２の下部に連通する第１開口６ｓが形成されている。第２表面流路３２の上部部に連通する第２開口７ｓが形成されている。更に、第３表面流路３３の下部に連通する第１開口６ｔが形成されている。第３表面流路３３の上部に連通する第２開口７ｔが形成されている。第４表面流路３４の下部に連通する第１開口６ｕが形成されている。第４表面流路３４の上部に連通する第２開口７ｕが形成されている。第１開口６ｆ，６ｓ，６ｔ，６ｕ、第２開口７ｆ，７ｓ，７ｔ，７ｕは、配流板２の厚み方向に貫通するように形成されている。

図４に示すように、酸化剤ガス供給系４は図略の開閉バルブを有しており、第１開口６ｆ、第１開口６ｓ、第２開口７ｆ、第２開口７ｓに繋がり、これらの流路を切り替える。

本実施例では、酸化剤ガスを配流板２の第１表面流路３１に供給するにあたり、第１形態及び第２形態を交互に切り替える。第１表面流路３１の第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｆを入口とすると共に、第２開口７ｆを出口とする。従って、第１表面流路３１の第１形態によれば、酸化剤ガスは、図４の矢印Ｙ６方向（上方向）にそって、配流板２の第１開口６ｆ→第１表面流路３１→第２開口７ｆを順に流れる。また第１表面流路３１の第２形態によれば、第１表面流路３１の配流板２の第２開口７ｆを入口とすると共に、第１開口６ｆを出口とする。従って、第１表面流路３１の第２形態によれば、酸化剤ガスは、図４の矢印Ｙ７方向（下方向）にそって、配流板２の第２開口７ｆ→第１表面流路３１→第１開口６ｆを順に流れる。このように酸化剤ガスを第１表面流路３１に供給する場合、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ６方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ７方向）とを酸化剤ガス供給系４は交互に切り替えることができる。

また酸化剤ガスを配流板２の第２表面流路３２に供給するにあたり、第１形態及び第２形態を交互に切り替える。第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｓを入口とすると共に、第２開口７ｓを出口とする。従って、第２表面流路３２の第１形態によれば、酸化剤ガスは、図４の矢印Ｙ８方向（上方向）にそって、配流板２の第１開口６ｓ→第２表面流路３２→第２開口７ｓを順に流れる。また第２表面流路３２の第２形態によれば、配流板２の第２開口７ｓを入口とすると共に、第１開口６ｓを出口とする。従って、第２形態によれば、酸化剤ガスは、図４の矢印Ｙ９方向（下方向）にそって、配流板２の第２開口７ｓ→第２表面流路３２→第１開口６ｓを順に流れる。このように酸化剤ガスを第２表面流路３２に供給する場合、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ８方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ９方向）とを酸化剤ガス供給系４は交互に切り替えることができる。

更に、酸化剤ガスを配流板２の第３表面流路３３に供給するにあたり、第１形態及び第２形態を交互に切り替える。第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｔを入口とすると共に、第２開口７ｔを出口とする。従って、第３表面流路３３の第１形態によれば、酸化剤ガスは、図４の矢印Ｙ１０方向（上方向）にそって、配流板２の第１開口６ｔ→第３表面流路３３→第２開口７ｔを順に流れる。また第３表面流路３３の第２形態によれば、配流板２の第３表面流路３３の第２開口７ｔを入口とすると共に、第１開口６ｔを出口とする。従って、第２形態によれば、酸化剤ガスは、図４の矢印Ｙ１１方向（下方向）にそって、配流板２の第２開口７ｔ→第３表面流路３３→第１開口６ｔを順に流れる。このように酸化剤ガスを第３表面流路３３に供給する場合、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ１０方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｙ１１方向）とを酸化剤ガス供給系４は交互に切り替えることができる。第４表面流路３４についても同様に、図４の矢印Ｙ１２方向（上方向），矢印Ｙ１３方向（下方向）に切り替えることができる。

なお、前述したように第１開口６ｆ，６ｓ，６ｔ，６ｕは酸化剤ガスを排出する出口として機能することがあるため、配流板２の下部に形成されており、従って、酸化剤ガスに含まれている水を重力を利用して排出させる排出性を高めることができる。

本実施例によれば、図５に示すように、酸化剤ガス供給系４は、配流板２の第１表面流路３１に対して酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ１と、配流板２の第２表面流路３２に対して酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ２と、配流板２の第３表面流路３３に対して酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ３と、配流板２の第４表面流路３４に対して酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ４とを時間的にずらして別に設定している。従って、第１表面流路３１〜第４表面流路３４のいずれかにおける酸化剤ガスの流れ方向の切り替えに起因して、配流板２の第１表面流路３１〜第４表面流路３４のいずれかにおいて酸化剤ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、第１表面流路３１〜第４表面流路３４のうちの他の表面流路において酸化剤ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第２表面流路３２において酸化剤ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を高めるのに有利である。

更に本実施例によれば、前述したように第１表面流路３１〜第４表面流路３４の酸化剤ガスの流れ方向を切り替える操作を時間をずらして交互に行う。このため、第１表面流路３１〜第４表面流路３４において、酸化剤ガスの流れの上流と下流とが交互に切り替える。故に、水の分布の偏在を抑制でき、燃料電池１における発電分布の均一性を更に高めるのに有利となる。殊に、酸化剤ガスの流れの下流側では、生成水が過剰に溜まり、フラッディング現象が発生するおそれがあるが、前述したように第１形態及び第２形態を時間的にずらして交互に繰り返せば、下流と上流とが交互に入れ替わるため、フラッディング現象が発生するおそれを低減できる。

なお本実施例では、タイミングＭ１〜Ｍ４をそれぞれ時間的にずらして別に設定しているが、これに限らず、タイミングＭ１、Ｍ２を時刻ｔ１で時間的に同時に行い、タイミングＭ１、Ｍ２に対して時間的にずれるように時刻ｔ２でタイミングＭ３、Ｍ４を同時におこなっても良い。また、タイミングＭ１、Ｍ２、Ｍ３を時刻ｔ１で時間的に同時に行い、タイミングＭ４を時間的にずらして時刻ｔ２で行っても良い。またタイミングＭ２、Ｍ３、Ｍ４を時刻ｔ１で時間的に同時に行い、タイミングＭ１を時間的にずらして時刻ｔ２で行っても良い。要するに、タイミングＭ１〜Ｍ４のうち少なくとも一つのタイミングがずれていれば良いものである。換言すると、タイミングＭ１〜Ｍ４のタイミングが時間的に同時にならなければ良いものである。

以下、本発明の実施例３について図６〜図８を参照して説明する。本実施例は基本的には前記した実施例と同様の構成、同様の作用効果を有する。図６に示すように、一枚の配流板２の片側の表面には、酸化剤ガスを流す第１表面流路３１及び第２表面流路３２が横方向に並設されている。第１表面流路３１は、縦方向に延びる仕切壁３８ｘを介して互いに隣設する片側Ａと片側Ｂとを有する。第２表面流路３２は、第１表面流路３１の外側となるように、第１表面流路３１の片側Ａ及び片側Ｂを隔てて配置された片側Ａと片側Ｂとを有する。第１表面流路３１及び第２表面流路３２は仕切壁３８ｅ，３８ｆにより仕切られている。故に第１表面流路３１及び第２表面流路３２は、一枚の配流板２の片側の表面において互いに独立しており、一枚の配流板２の片側の表面において互いに連通しないようにされている。

図６に示すように、配流板２の第１表面流路３１の片側Ａに連通する第１開口６ｆ、第１表面流路３１の片側Ｂに連通する第２開口７ｆが形成されている。第１表面流路３１の片側Ａ，Ｂに連通する中間開口８ｆが形成されている。また、配流板２の第２表面流路３２の片側Ａに連通する第１開口６ｓ、第２表面流路３２の片側Ｂに連通する第２開口７ｓが形成されている。第２表面流路３２の片側Ａ，Ｂに連通する中間開口８ｓが形成されている。中間開口８ｆ，８ｓは仕切壁３８ｋにより仕切られている。

なお、燃料電池１を厚み方向に積層してスタックを形成したとき、中間開口８ｆ，８ｓは、スタックの積層方向に延びる連通通路を形成し、その連通通路は表面流路３１，３２のうち対応するものに連通するが、外部には連通されていない。

さて、酸化剤ガスを配流板２の第１表面流路３１に供給するにあたり、第１形態及び第２形態を交互に繰り返す。第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｆを酸化剤ガスの入口とすると共に、第２開口７ｆを酸化剤ガスの出口とする。従って、第１形態によれば、酸化剤ガスは、図６の矢印Ｙ１１方向にそって、配流板２の第１開口６ｆ→第１表面流路３１の片側Ａ→中間開口８ｆ→第１表面流路３１の片側Ｂ→第２開口７ｆを順に流れる。また第２形態によれば、配流板２の第２開口７ｆを酸化剤ガスの入口とすると共に第１開口６ｆを酸化剤ガスの出口とする。従って、第２形態によれば、酸化剤ガスは、図６の矢印Ｙ１２方向にそって、配流板２の第２開口７ｆ→第１表面流路３１の片側Ｂ→中間開口８ｆ→第１表面流路３１の片側Ａ→第１開口６ｆを順に流れる。このように酸化剤ガスを第１表面流路３１に供給する場合、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（図６の矢印Ｙ１１方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（図６の矢印Ｙ１２方向）とを交互に切り替えることができる。

また酸化剤ガスを配流板２の第２表面流路３２に供給するについても同様に、第１形態及び第２形態を交互に切り替える。第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｓを酸化剤ガスの入口とすると共に第２開口７ｓを酸化剤ガスの出口とする。従って、第１形態によれば、酸化剤ガスは、図６の矢印Ｙ１３方向にそって、配流板２の第１開口６ｓ→第２表面流路３２の片側Ａ→中間開口８ｓ→第２表面流路３２の片側Ｂ→第２開口７ｓを順に流れる。また第２形態によれば、配流板２の第２開口７ｓを酸化剤ガスの入口とすると共に、第１開口６ｓを酸化剤ガスの出口とする。従って、第２形態によれば、酸化剤ガスは、矢印Ｙ１４方向にそって、配流板２の第２開口７ｓ→第２表面流路３２の片側Ｂ→中間開口８ｓ→第２表面流路３２の片側Ａ→第１開口６ｓを順に流れる。このように酸化剤ガスを第２表面流路３２に供給する場合、第１形態における酸化剤ガスの流れ方向（図６の矢印Ｙ１３方向）と、第２形態における酸化剤ガスの流れ方向（図６の矢印Ｙ１４方向）とを切り替えることができる。

本実施例においても、図７に示すように、配流板２の第１表面流路３１に対して酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ１と、配流板２の第２表面流路３２に対して酸化剤ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ２とを時間的にずらして設定している。従って、第１表面流路３１における酸化剤ガスの流れ方向の切り替えに起因して、配流板２の第１表面流路３１において酸化剤ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、配流板２の第２表面流路３２において酸化剤ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第２表面流路３２において酸化剤ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を高めるのに有利である。

また第２表面流路３２における酸化剤ガスの流れ方向の切り替えに起因して、配流板２の第２表面流路３２において酸化剤ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、配流板２の第１表面流路３１において酸化剤ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第１表面流路３１において酸化剤ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を高めるのに有利である。

また本実施例によれば、前述したように、第１表面流路３１の流れ方向を切り替える操作と、第２表面流路３２の酸化剤ガスの流れ方向を切り替える操作とを時間をずらして交互に行う。このため、第１表面流路３１において酸化剤ガスの上流と下流とを入れ替えることができる。同様に第２表面流路３２においても酸化剤ガスの上流と下流とを入れ替えることができる。故に、第１表面流路３１及び第２表面流路３２における水の分布の偏在を抑制でき、燃料電池１における発電分布の均一性を更に高めるのに有利となる。

殊に、酸化剤ガスの流れの下流側ではフラッディング現象が発生するおそれがあるが、前述したように第１形態及び第２形態を交互に繰り返せば、酸化剤ガスの下流と上流とが交互に入れ替わるため、フラッディング現象が発生するおそれを低減できる。

図８は、配流板２の他方の片面側を示す。図８に示すように、配流板２の他方の片面側には、燃料ガスを流す燃料用の第１表面流路３１Ｈ及び燃料用の第２表面流路３２Ｋが縦に並設されている。第１表面流路３１Ｈ及び第２表面流路３２Ｋは、仕切壁３８ｍにより仕切られており、互いに独立している。

図８に示すように、配流板２の燃料用の第１表面流路３１Ｈに連通する第１開口６ｈ、第２開口７ｈが形成されている。また、燃料配流板２の燃料用の第２表面流路３２Ｋに連通する第１開口６ｋ、第２開口７ｋが形成されている。燃料ガス供給系５は、第１開口６ｈ、第２開口７ｈ、第１開口６ｋ、第２開口７ｋに繋がり、これらの流路を切替える。

さて、燃料ガスを燃料用の第１表面流路３１Ｈに供給するにあたり、第１形態及び第２形態を交互に繰り返す。第１形態によれば、配流板２の第１開口６ｈを燃料ガスの入口とすると共に第２開口７ｈを燃料ガスの出口とする。従って、第１形態によれば、燃料ガスは、矢印Ｙ２１方向にそって、配流板２の第１開口６ｈ→第１表面流路３１Ｈ→第２開口７ｈを順に流れる。また第２形態によれば、配流板２の第２開口７ｈを入口とすると共に第１開口６ｈを出口とする。従って、第２形態によれば、燃料ガスは、矢印Ｙ２２方向にそって、燃料用の第２開口７ｈ→第１表面流路３１Ｈ→第１開口６ｈを順に流れる。このように燃料ガスを第１表面流路３１Ｈに供給する場合、第１形態における燃料ガスの流れ方向（矢印Ｙ２１方向）と、第２形態における燃料ガスの流れ方向（矢印Ｙ２２方向）とを交互に切り替えることができる。

また燃料ガスを燃料用の第２表面流路３２Ｋに供給するにあたり、第１形態及び第２形態を交互に切り替える。第１形態によれば、燃料用の第１開口６ｋを燃料ガスの入口とすると共に第２開口７ｋを燃料ガスの出口とする。従って、第１形態によれば、燃料ガスは、矢印Ｙ２３方向にそって、配流板２の第１開口６ｋ→第２表面流路３２Ｋ→第２開口７ｋを順に流れる。また第２形態によれば、第２開口７ｋを燃料ガスの入口とすると共に、第１開口６ｋを燃料ガスの出口とする。従って、第２形態によれば、燃料ガスは、矢印Ｙ２４方向にそって、燃料用の第２開口７ｋ→第２表面流路３２Ｋ→第１開口６ｋを順に流れる。このように燃料ガスを第２表面流路３２Ｋに供給する場合、第１形態における燃料ガスの流れ方向（矢印Ｙ２３方向）と、第２形態における燃料ガスの流れ方向（矢印Ｙ２４方向）とを交互に切り替えることができる。

本実施例においても、燃料ガス供給系５は、燃料用の第１表面流路３１Ｈに対して燃料ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ１１と、燃料用の第２表面流路３２Ｋに対して燃料ガスの流れ方向を切り替えるタイミングＭ１２とを時間的にずらして設定している。従って、第１表面流路３１Ｈにおける燃料ガスの流れの切り替えに起因して、燃料用の第１表面流路３１Ｈにおいて燃料ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、一枚の配流板２のうち第１表面流路３１Ｈに隣設する第２表面流路３２Ｋにおいて、燃料ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第２表面流路３２Ｋにおいて燃料ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を高めるのに有利である。

また第２表面流路３２Ｋにおける燃料ガスの流れの切り替えに起因して、燃料用の第２表面流路３２Ｋにおいて燃料ガスの流れが瞬間的に制約されるようなことが万一あったとしても、一枚の配流板２のうち第２表面流路３２Ｋに隣設する第１表面流路３１Ｈにおいて燃料ガスの流れ方向は切り替わっていないため、第１表面流路３１Ｈにおいて燃料ガスの流れの円滑性は良好に確保される。故に、燃料電池１の発電出力が低下することが抑制され、発電運転の安定性を高めるのに有利である。

（他の例）その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用などの燃料電池システムに利用することができる。

実施例１に係り、燃料電池の要部の断面図（図２のＸ−Ｘ線に沿った断面図）である。 配流板に形成されている酸化剤ガスを流す第１表面流路及び第２表面流路を示す平面図である。 酸化剤ガスの流れ方向の切替タイミングを示す図である。 実施例２に係り、配流板に形成されている酸化剤ガスを流す第１表面流路〜第４表面流路を示す平面図である。 実施例２に係り、酸化剤ガスの流れ方向の切替タイミングを示す図である。 実施例３に係り、配流板に形成されている酸化剤ガスを流す第１表面流路〜第４表面流路を示す平面図である。 実施例３に係り、酸化剤ガスの流れ方向の切替タイミングを示す図である。 実施例３に係り、配流板に形成されている燃料ガスを流す燃料用の第１表面流路及び燃料用の第２表面流路を示す平面図である。

符号の説明

図中、１は燃料電池、１０は電解質膜、１１は燃料極、１２は酸化剤極、１５は膜電極接合体、２は配流板、３１は第１表面流路、３２は第２表面流路、３３は第３表面流路、３４は第４表面流路、４は酸化剤ガス供給系（反応ガス供給系）、５は燃料ガス供給系（反応ガス供給系）、６ｆ，６ｓは第１開口、開口７ｆ，７ｓは第２開口を示す。

Claims (3)

1. 電解質膜を挟む２つの電極を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に積層され活物質を含む反応流体を前記膜電極接合体の電極に分配する配流板とを具備する燃料電池システムにおいて、
   前記配流板は、その片面側において、前記反応流体を流す表面流路を複数有しており、且つ、
   一の前記表面流路における反応流体の流れ方向と、他の前記表面流路における反応流体の流れ方向とを時間をずらせて変化させる反応流体供給系が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記配流板の片面側に形成されている複数の前記表面流路は、互いに独立していることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記配流板は、前記配流板の表面に設けられた前記一の表面流路または前記他の表面流路に連通する第１開口及び第２開口を有しており、
   前記反応流体供給系は、前記配流板の前記第１開口を反応流体の入口とすると共に前記第２開口を反応流体の出口とする第１形態と、前記配流板の前記第２開口を反応流体の入口とすると共に前記第１開口を反応流体の出口とする第２形態とを切り替えることを特徴とする燃料電池システム。

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