JP2006331655A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力負荷の変動に応じて発電面積を調整でき、電流密度の不均一分布の抑制、燃料電池の耐久性の向上に有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池の燃料流路２および酸化剤流路３のうちの少なくとも一方は、イオン伝導膜１０の面方向において複数に分割され且つ互いに独立する複数の分割流路２１〜２７,３１〜３７とを有する。燃料流路２における燃料の流れ方向と酸化剤流路３における酸化剤の流れ方向との関係は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである並行流形態、または、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである対向流形態とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には、イオン伝導膜を挟む燃料極および酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極に燃料を供給する燃料流路と、膜電極接合体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤流路とを有する。

また、特許文献１には、図１８に示すように、燃料流路２００を２つの燃料分割流路２００ａ，２００ｂで形成すると共に、酸化剤流路３００を２つの酸化剤分割流路３００ａ，３００ｂで形成する燃料電池が開示されている。この燃料電池によれば、燃料分割流路２００ａ，２００ｂと酸化剤分割流路３００ａ，３００ｂとを互いに直交させる直交流形態が採用されている。

一方の燃料分割流路２００ａは幅Ｆ１をもち、他方の燃料分割流路２００ｂは幅Ｆ２をもつ。一方の酸化剤分割流路３００ａは幅Ａ１をもち、他方の酸化剤分割流路３００ｂは幅Ａ２をもつ。この燃料電池によれば、電力負荷が高いときには、２つの燃料分割流路ａ，ｂの双方に燃料を供給するとともに、２つの酸化剤分割流路３００ａ，３００ｂの双方に酸化剤ガスを供給する。この場合、電力負荷が高く燃料電池の発電出力が高いときには、膜電極接合体における発電面積は、基本的には（Ｆ１＋Ｆ２）×（Ａ１＋Ａ２）で規定される領域に相当する。

また、特許文献２には、水平に配置した膜電極接合体を有するセルを高さ方向に積層した燃料電池において、燃料ガスのマニホルド内を仕切る仕切板を設け、各仕切板で仕切られた各空間に接続したガス配管に燃料ガス流量制御弁を取り付け、燃料電池の積層高さ方向の電圧分布が均一となるように、燃料ガス流量制御弁の弁開度を制御する燃料電池制御方法が開示されている。
特開平４−５１４６７号公報 特許第２７７４４９６号公報（特開昭６３−２９１３６４号公報）の第４図

一般的な燃料電池によれば、膜電極接合体の発電面積が一定であれば、図１７に示すように電流密度が高くなるとセル電圧が低くなり、且つ、電流密度が低くなるとセル電圧が高くなる傾向が見られる。このようにセル電圧が高くなると、使用期間が長期にわたるとき、燃料電池の内部に使用されているイオン伝導体成分や触媒成分の性質が変化するおそれがある。

また、上記した特許文献１に係る燃料電池システムによれば、電力負荷が低いときには、２つの燃料分割流路２００ａ，２００ｂのうち一方の燃料分割流路２００ａに燃料を供給し、かつ、２つの酸化剤分割流路３００ａ，３００ｂのうちの一方の酸化剤分割流路３００ａに酸化剤ガスを供給し、膜電極接合体の発電面積を減少させている。このように電力負荷が低いときには、膜電極接合体の発電面積を減少させて燃料電池の発電出力を低下させているため、電流密度を低下させずともよい。この場合、セル電圧の過剰増加を抑制でき、燃料電池の内部に含まれているイオン伝導体成分や触媒成分の性質が変化することを抑えることができる利点が得られる。

上記した特許文献１に係る燃料電池システムによれば、電力負荷が低いとき、Ｆ１×Ａ１（ハッチングで示す領域）に燃料および酸化剤ガスが供給されるため、膜電極接合体における発電面積は本来的にはＦ１×Ａ１（ハッチングで示す領域）の領域である。しかしながら図１８に示すように、燃料分割流路２００ａ，２００ｂと酸化剤分割流路３００ａ，３００ｂとを互いに直交させる直交流形態が採用されている。このため、Ｆ１×Ａ１（ハッチングで示す領域）に燃料および酸化剤ガスを供給して発電させるとき、Ｆ１×Ａ２の領域（△印で示す領域）においては、酸化剤ガスの供給は抑えられているものの、燃料が供給され、燃料濃度が高くなる。また、Ｆ２×Ａ１の領域（○印で示す領域）においては、燃料の供給は抑えられているものの、酸化剤ガスが供給され、酸化剤の濃度が高くなる。この場合、燃料電池の内部に含まれているイオン伝導体成分や触媒成分の性質が変化することを抑えるには、好ましくない。更に、燃料や酸化剤ガスが対極に移行するクロスリークのおそれもある。

また特許文献１に係る燃料電池システムによれば、Ｆ１×Ａ１の領域ばかりか、これ以外の領域、つまり、Ｆ１×Ａ２の領域、Ｆ２×Ａ１の領域においても、電気化学的反応がかなり生じる可能性がある。この結果、膜電極接合体において発電面積形状の異形化（非対称化）が促進される。

ここで、Ｆ１×Ａ１の領域では電流密度が高い。しかしこれ以外の領域、つまり、Ｆ１×Ａ２の領域、Ｆ２×Ａ１の領域においては、Ｆ１×Ａ１の領域から遠くなるほど、電流密度が低くなってしまう。この結果、膜電極接合体の発電部分において電流密度の分布の不均一性の程度が激しくなり、燃料電池の更なる耐久性の向上には好ましくない。その理由としては、電流密度の分布の不均一性の程度が激しくなると、膜電極接合体の面方向において生成水の分布の不均一化が進み、膜電極接合体の面方向における含水率の不均一化、膨潤の不均一化が進むためと推察される。また、面方向における温度の不均一化が進むためと推察される。

上記した特許文献２に係る燃料電池によれば、燃料を分流させるものの、燃料電池を構成する膜電極接合体の積層高さ方向に分流させるものであり、膜電極接合体の面方向において複数の分割流路を形成する方式ではない。このため膜電極接合体の面方向において電流密度の不均一化が生じるおそれがある。更に特許文献２に係る燃料電池によれば、燃料の流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とを互いに直交させる直交流形態が採用されている。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、発電出力の変動に応じて発電面積を調整させることができ、これによりセル電圧が高くなることを抑制でき、使用期間が長期にわたるときであっても、燃料電池の内部に使用されているイオン伝導体成分や触媒成分の性質が変化することを抑制でき、更に、発電出力を低下させるときであっても、膜電極接合体の発電部分の面方向における電流密度の不均一分布を抑制でき、燃料電池の耐久性を向上させ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。

本発明者は、上記した課題のもとに鋭意開発を進めている。そして、本発明者は、膜電極接合体の発電面積を変化させる構造を第１の手段として採用した。更に、燃料の流れ方向と酸化剤の流れ方向とを互いに対向させる対向流形態、あるいは、燃料の流れ方向と酸化剤の流れ方向とを互いに同じ向きとする並行流形態とする構造を第２の手段として採用した。このようにすれば、燃料電池の発電出力を小さくするために膜電極接合体の発電面積を低下させたときであっても、直交流形態の場合よりも発電面積部分における電流密度の不均一化を抑制できることを知見し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。

すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、イオン伝導膜を挟む燃料極および酸化剤極を有する膜電極接合体と、燃料極に対向して設けられ燃料極に燃料を供給する燃料流路と、酸化剤極に対向して設けられ酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを有する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
燃料流路は、膜電極接合体の面方向において複数に分割され且つ互いに独立する複数の燃料分割流路を有しており、酸化剤流路は、膜電極接合体の面方向において複数に分割され且つ互いに独立する複数の酸化剤分割流路を有しており、
燃料流路における燃料の流れ方向と酸化剤流路における酸化剤の流れ方向との関係は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである並行流形態、または、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである対向流形態で形成されており、
燃料電池の発電出力に応じて発電面積を変化させるように互いに対向する燃料分割流路および酸化剤分割流路にそれぞれ燃料および酸化剤を流すことを特徴とするものである。

本発明によれば、電力負荷が低く発電出力を減少させるとき、膜電極接合体の発電面積を低くなるように調整させることができる。このため、電流密度を過剰に低下させずともよく、ひいてはセル電圧が過剰に高くなることを抑制できる。

また、本発明によれば、燃料流路における燃料の流れ方向と酸化剤流路における酸化剤の流れ方向との関係は、並行流形態または対向流形態で形成されている。並行流形態は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである。または、対向流形態は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである対向流形態で形成されている。対向流形態および対向流形態によれば、燃料および酸化剤ガスが膜電極接合体の発電部分以外に流れることは抑制される。

本発明によれば、電力負荷が低く燃料電池の発電出力を減少させるとき、発電面積を低くなるように調整させることができるため、電流密度を過剰に低下させずともよく、ひいてはセル電圧が過剰に高くなることを抑制できる。このため、使用期間が長期にわたるときであっても、燃料電池の内部に使用されているイオン伝導体成分や触媒成分の性質が変化することを抑えることができ、燃料電池の耐久性を向上させ、信頼性を高めるのに有利である。

更に本発明によれば、対向流形態および対向流形態によれば、燃料および酸化剤ガスが膜電極接合体の発電部分以外に流れることは抑制される。したがって、燃料電池の発電出力を減少させるとき、図１８に示す特許文献１に係る技術に比較し、膜電極接合体において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制される。ひいては膜電極接合体の発電部分の面方向における温度の不均一化の抑制、歪みの不均一化の抑制、ひいては応力集中の抑制に効果的である。このため、燃料電池の耐久性を向上させ、信頼性を高めるのに有利である。

本発明によれば、燃料流路における燃料の流れ方向と酸化剤流路における酸化剤の流れ方向との関係は、並行流形態または対向流形態で形成されている。並行流形態は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである。または、対向流形態は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである。基本的流れ方向とは、膜電極接合体の発電面積部分を１００％としたとき、面積比で６０％以上を占める部分の流れ方向を意味する。

本発明によれば、膜電極接合体の発電面積を１００％とするとき、対向流形態または並行流形態が占める割合は、面積比で７０％以上が好ましく、殊に８０％以上、９０％以上が好ましく、更には実質的に１００％が好ましい。

本発明によれば、燃料流路は、発電面積を変化させるように複数に分割され且つ互いに独立する複数の燃料分割流路とを有している形態を例示することができる。また、酸化剤流路は、膜電極接合体を介して燃料分割流路に対向すると共に発電面積を変化させるように複数に分割され且つ互いに独立する複数の酸化剤分割流路とを有している形態を例示することができる。

本発明によれば、燃料電池の発電出力を減少させるとき、膜電極接合体において発電面積形状は、燃料流路および酸化剤流路流路の中心線を介して対称形状またはほぼ対称形状とする形態を例示することができる。この場合、膜電極接合体の面方向において発電部分の温度の不均一化の抑制、発電部分の歪みの不均一化の抑制、ひいては応力集中の抑制に効果的であり、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上に有利である。

本発明によれば、各燃料分割流路の上流はそれぞれ燃料供給手段に繋がり、各酸化剤分割流路の上流はそれぞれ酸化剤供給手段に繋がっている形態を例示することができる。燃料供給手段は燃料を供給する部位であり、燃料供給バルブを例示できる。酸化剤供給手段は酸化剤を供給する部位であり、酸化剤供給バルブを例示できる。

本発明によれば、各燃料分割流路は上下方向に沿って延設されていると共に、各酸化剤分割流路は上下方向に沿って延設されている形態を例示することができる。この場合、水を重力を利用して排出させるのに有利である。この場合、各燃料分割流路のうち燃料極に対向する流路部分が上下方向に沿って延設されていると共に、各酸化剤分割流路のうち酸化剤極に対向する流路部分が上下方向に沿って延設されている形態を例示することができる。並行流形態または対向流形態の占める面積を高めることができる。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極をこれの面に対して垂直方向に投影する投影部分において、分割流路のうち燃料が流れる流路と、酸化剤分割流路のうち酸化剤が流れる流路とが交差しないようにされていることが好ましい。この場合、並行流形態または対向流形態の占める面積を高めることができる。

本発明によれば、発電出力が低いときには、時間の経過につれて、順次異なる燃料分割流路を使用すると共に、順次異なる酸化剤分割流路を使用する形態を例示することができる。これにより使用する発電領域の使用頻度を平均化でき、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。

以下、本発明の実施例を図１〜図３を参照して具体的に説明する。図１は燃料電池の断面の概念を示す。図２は燃料電池に燃料を供給する燃料流路２および酸化剤ガスを供給する酸化剤流路３を模式的に示す。図３は発電出力が低いとき、燃料電池に燃料流路２に燃料が酸化剤流路３に酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す。図２は燃料電池に燃料および酸化剤ガスを供給する構造を模式的に示す。図３は発電出力が低いとき、燃料電池に燃料および酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す。図１に示すように、燃料電池の膜電極接合体１は、イオン伝導膜としての固体高分子型の電解質膜１０を挟む燃料極１１および酸化剤極１２を有する。燃料電池は、膜電極接合体１の燃料極１１にガス状の燃料（一般的には水素ガスまたは水素含有ガス）を供給する燃料流路２と、膜電極接合体の酸化剤極１２に酸化剤ガス（一般的には空気または酸素ガス）を供給する酸化剤流路３とを有する。燃料極１１は、燃料極用のガス透過性を有するガス拡散層１１ｅと、触媒金属および電解質成分を有する燃料極用の触媒層１３とを有する。酸化剤極１２は、酸化剤極用のガス透過性を有するガス拡散層１４ｅと、触媒金属および電解質成分を有する酸化剤極用の触媒層１４とを有する。従って燃料極１１および酸化剤極１２はガス透過性および導電性を有しており、互いに同一形状とされており、膜電極接合体１を介して互いに対向している。

燃料流路２および酸化剤流路３は各配流板８において表裏の関係で形成されており、膜電極接合体１を介して対向する。燃料流路２は、発電面積を変化させるように電解質膜１０の面方向において複数に分割されており、互いに独立するように並設された複数の燃料分割流路２１〜２７を有している。酸化剤流路３は、発電面積を変化させるように電解質膜１０の面方向において複数に分割されており、並設された複数の酸化剤分割流路３１〜３７を有している。燃料分割流路２１〜２７は壁状の仕切部２０ｘにより仕切られており、互いに独立されている。酸化剤分割流路３１〜３７は壁状の仕切部３０ｘにより仕切られており、互いに独立されている。各燃料分割流路２１〜２７は上下方向（鉛直方向）に沿って延設されていると共に、各酸化剤分割流路３１〜３７は上下方向（鉛直方向）に沿って延設されている。

ここで、図２から理解できるように、燃料分割流路２１および酸化剤分割流路３１は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。燃料分割流路２２および酸化剤分割流路３２は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。燃料分割流路２３および酸化剤分割流路３３は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。燃料分割流路２４および酸化剤分割流路３４は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。燃料分割流路２５および酸化剤分割流路３５は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。燃料分割流路２６および酸化剤分割流路３６は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。燃料分割流路２７および酸化剤分割流路３７は同一形状、同一面積であり、膜電極接合体１を介して対向している。

換言すると、本実施例によれば、燃料極１１および酸化剤極１２をこれの面に対して垂直方向に投影する投影部分において、燃料分割流路２１〜２７のうち燃料が流れる流路と、酸化剤分割流路３１〜３７のうち酸化剤ガスが流れる流路とが交差しないようにされている。これにより対向流形態の割合を高めることができる。この点、図１８に示す従来に係る直交形態とは異なる。

図２および図３に示すように、各燃料分割流路２１〜２７の上流はそれぞれ燃料供給手段としての燃料供給バルブ４１〜４７に繋がっている。具体的には、燃料分割流路２１は燃料供給バルブ４１に繋がっている。燃料分割流路２２は燃料供給バルブ４２に繋がっている。燃料分割流路２３は燃料供給バルブ４３に繋がっている。燃料分割流路２４は燃料供給バルブ４４に繋がっている。燃料分割流路２５は燃料供給バルブ４５に繋がっている。燃料分割流路２６は燃料供給バルブ４６に繋がっている。燃料分割流路２７は燃料供給バルブ４７に繋がっている。なお、各燃料分割流路２１〜２７の下流はそれぞれ燃料排出バルブ（図示せず）に繋がっている。

各酸化剤分割流路３１〜３７の上流はそれぞれ酸化剤供給手段としての酸化剤供給バルブ５１〜５７に繋がっている。具体的には、酸化剤分割流路３１は酸化剤供給バルブ５１に繋がっている。酸化剤分割流路３２は酸化剤供給バルブ５２に繋がっている。酸化剤分割流路３３は酸化剤供給バルブ５３に繋がっている。酸化剤分割流路３４は酸化剤供給バルブ５４に繋がっている。酸化剤分割流路３５は酸化剤供給バルブ５５に繋がっている。酸化剤分割流路３６は酸化剤供給バルブ５６に繋がっている。酸化剤分割流路３７は酸化剤供給バルブ５７に繋がっている。なお、各酸化剤分割流路３１〜３７の下流はそれぞれ酸化剤排出バルブ（図示せず）に繋がっている。

図２に示すように、酸化剤分割流路３１〜３７は酸化剤ガスを下向き（矢印Ｙ１方向）に流すようになっている。これに対して、燃料分割流路２１〜２７は燃料を上向き（矢印Ｙ２方向）に流すようになっている。従って、燃料流路２における燃料の流れ方向と酸化剤流路３における酸化剤ガスの流れ方向との関係は、互いに逆向きの対向流形態とされている。ここで、膜電極接合体１の発電面積を１００％とするとき、対向流形態が占める割合は面積比で実質的に１００％とされている。流れ方向とは、膜電極接合体１の垂直方向からみたときの流れ方向の意味である。

本実施例によれば、電力負荷が高く、燃料電池の発電出力を増加させるときには、全ての燃料供給バルブ４１〜４７が開放して燃料が全ての燃料分割流路２１〜２７に供給されると共に、全ての酸化剤供給バルブ５１〜５７が開放して酸化剤ガスが全ての酸化剤分割流路３１〜３７に供給される。これにより膜電極接合体１における発電面積が大きくなる。

これに対して電力負荷が低く、燃料電池の発電出力を減少させるときには、図３に例示して示すように、燃料供給バルブ４３，４４，４５が開放し、燃料分割流路２１〜２７のうち燃料分割流路２３，２４，２５に燃料が供給される。更に、酸化剤供給バルブ５３，５４，５５が開放し、酸化剤分割流路３１〜３７のうち酸化剤分割流路３３，３４，３５に酸化剤ガスが供給される。これにより膜電極接合体１における発電面積が減少する。この場合、図３から理解できるように、燃料分割流路２１〜２７のうち中央領域に燃料を供給すると共に、酸化剤分割流路３１〜３７のうち中央領域に酸化剤ガスを供給する。この場合、燃料供給バルブ４１，４２，４６，４７が閉鎖し、燃料分割流路２１〜２７のうち燃料分割流路２１，２２，２６，２７に燃料が供給されることが抑制される。酸化剤供給バルブ５１，５２，５６，５７が閉鎖し、酸化剤分割流路３１〜３７のうち酸化剤分割流路３１，３２，３６，３７に酸化剤ガスが供給されることが抑制される。

本実施例によれば、上記したように燃料電池の発電出力を減少させるとき、膜電極接合体１の発電面積を小さくすることができるため、燃料電池の発電出力を確保しつつ、電流密度が低くなることを抑制できる。ひいては図１７の特性線に基づけば、セル電圧が過剰に増加することを抑制することができる。このため、使用期間が長期にわたるときであっても、燃料電池に使用されているイオン伝導体成分や触媒成分の性質の変化を抑えることができ、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。

更に本実施例によれば、電力負荷が低く燃料電池の発電出力を減少させるとき、燃料の流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とを対向させる対向流形態を採用している。このため、図１８に示す特許文献１の場合とは異なり、膜電極接合体１において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制される。ひいては膜電極接合体１の面方向において発電部分の電流密度の不均一化が抑制される。

更に、燃料電池の発電出力を減少させるとき、膜電極接合体１において発電面積形状は、図３に示すように、燃料流路２および酸化剤流路３の中心線を介して対称形状またはほぼ対称形状とされている。故に、膜電極接合体１の面方向において発電部分の温度の不均一化の抑制、歪みの不均一化の抑制、ひいては応力集中の抑制に有利であり、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。

なお、燃料電池の発電出力を減少させるときには、燃料供給バルブ４４，４５を開放させて燃料を燃料分割流路２４，２５に供給すると共に、酸化剤供給バルブ５４，５５を開放して酸化剤ガスを酸化剤分割流路３４，３５に供給することにしても良い。あるいは、燃料電池の発電出力を減少させるときには、燃料供給バルブ４３，４４を開放させて燃料を燃料分割流路２３，２４に供給すると共に、酸化剤供給バルブ５３，５４を開放して酸化剤ガスを酸化剤分割流路３３，３４に供給することにしても良い。

また燃料電池の発電出力を最も減少させるときには、燃料供給バルブ４４を開放させて燃料を燃料分割流路２４に供給すると共に、酸化剤供給バルブ５４を開放して酸化剤ガスを酸化剤分割流路３４に供給することにしても良い。このように発電出力が低いときには、発電時間の経過につれて、燃料分割流路２１〜２７のうち順次異なるものを使用すると共に、酸化剤分割流路３１〜３７のうち順次異なるものを使用することができる。これにより使用する発電領域の使用頻度を平均化でき、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。

図４および図５は実施例２を示す。図４は燃料電池に燃料および酸化剤ガスを供給する構造を模式的に示す。図５は発電出力が低いとき、燃料電池に燃料および酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。酸化剤分割流路３１〜３７は酸化剤ガスを下向き（矢印Ｙ１方向）に流すようになっている。これに対して、燃料分割流路２１〜２７は燃料を上向き（矢印Ｙ２方向）に流すようになっている。従って、燃料流路２における燃料の流れ方向と酸化剤流路３における酸化剤ガスの流れ方向との関係は、互いに逆向きの対向流形態とされている。

実施例１の場合と同様に、電力負荷が大きく燃料電池の発電出力を増加させるときには、全ての燃料供給バルブ４１〜４７が開放して燃料が全ての燃料分割流路２１〜２７に供給されると共に、全ての酸化剤供給バルブ５１〜５７が開放して酸化剤ガスが全ての酸化剤分割流路３１〜３７に供給される。

これに対して電力負荷が低く発電出力を減少させるときには、図５に例示するように、燃料供給バルブ４１，４２，４３が開放して燃料が燃料分割流路２１，２２，２３に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５１，５２，５３が開放して酸化剤が酸化剤分割流路３１，３２，３３に供給される。これにより膜電極接合体１の発電面積が減少する。この場合、図５から理解できるように、燃料分割流路２１〜２７のうち片側領域に燃料を供給すると共に、酸化剤分割流路３１〜３７のうち片側領域に酸化剤ガスを供給する。

本実施例においても、燃料電池の発電出力を減少させるとき、図１８に示すような直交形態を採用していた従来技術に比較し、膜電極接合体１において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制される。ひいては膜電極接合体１において電流密度の不均一化が抑制される。更に、電解質膜１０に膨潤や乾燥が生じたとしても、発電面積形状は燃料流路２および酸化剤流路３の中心線を介して対称形状またはほぼ対称形状とされており、膜電極接合体１の面方向において温度の不均一化の抑制、歪みの不均一化の抑制、ひいては応力集中の抑制に効果的であり、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。

図６及び図７は実施例３を示す。図６は燃料電池に燃料および酸化剤ガスを供給する構造を模式的に示す。図７は発電出力が低いとき、燃料電池に燃料および酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す。図６および図７は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。酸化剤分割流路３１〜３７は酸化剤ガスを下向き（矢印Ｙ１方向）に流すようになっている。燃料分割流路２１〜２７は燃料を下向き（矢印Ｙ１方向）に流すようになっている。したがって並行流形態とされている。

電力負荷が大きく燃料電池の発電出力を増加させるときには、全ての燃料供給バルブ４１〜４７が開放して燃料が全ての燃料分割流路２１〜２７に供給されると共に、全ての酸化剤供給バルブ５１〜５７が開放して酸化剤ガスが全ての酸化剤分割流路３１〜３７に供給される。この場合、発電面積が大きい。

これに対して電力負荷が低く燃料電池の発電出力を減少させるときには、図７に示すように、燃料供給バルブ４３，４４，４５が開放して燃料が燃料分割流路２３，２４，２５に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５３，５４，５５が開放して酸化剤ガスが酸化剤分割流路３３，３４，３５に供給される。これにより膜電極接合体１の発電面積が減少する。この場合、図７から理解できるように、燃料分割流路２１〜２７のうち中央領域のみに燃料を供給すると共に、酸化剤分割流路３１〜３７のうち中央領域に酸化剤ガスを供給する。この場合、図１８に示すような直交形態を採用していた従来技術に比較し、膜電極接合体１において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制される。ひいては膜電極接合体１において電流密度の不均一化が抑制される。更に、電解質膜１０に膨潤や乾燥が生じたとしても、発電面積形状は燃料流路２および酸化剤流路３の中心線を介して対称形状またはほぼ対称形状とされており、膜電極接合体１の面方向において発電部分の温度の不均一化の抑制、発電部分の歪みの不均一化の抑制、ひいては応力集中の抑制に効果的であり、燃料電池の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。

図８〜図１２は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図８は燃料電池の断面の概念を示す。図８に示すように、燃料電池の膜電極接合体１は、イオン伝導膜としての高分子型の電解質膜１０を挟む燃料極１１および酸化剤極１２を有する。燃料電池は、膜電極接合体１の燃料極１１に燃料を供給する燃料流路２と、膜電極接合体１の酸化剤極１２に酸化剤を供給する酸化剤流路３とを有する。燃料流路２および酸化剤流路３は膜電極接合体１を介して対向する。

図９は、配流板の一方の片面に形成されている燃料流路２を模式的に示す側面図である。図１０は配流板の他方の片面に形成されている酸化剤流路３を模式的に示す側面図である。図１１は配流板の一方の片面に形成されている燃料流路２を示す側面図である。図１２は配流板の他方の片面に形成されて酸化剤流路３を示す側面図である。

図９に示すように配流板８の一方の表面には燃料流路２が形成されている、図１１は配流板８の燃料流路２の詳細を示す。図１０に示すように、配流板８の他方の表面には酸化剤流路３が形成されている。図１２は配流板８の酸化剤流路３の詳細を示す。配流板８は上辺部８ｕと下辺部８ｄと側辺部８ｓとを有する。

図９において、燃料流路２は、互いに独立するように接近状態に並設された２つの第１燃料分割流路２１と第２燃料分割流路２２とで形成されている。第１燃料分割流路２１と第２燃料分割流路２２は、発電面積を変化させるように、電解質膜１０の面方向において複数に分割状態に仕切部２０ｘにより仕切られている。第１燃料分割流路２１の上流は第１燃料供給バルブ４１に繋がる。第２燃料分割流路２２の上流は第２燃料供給バルブ４２に繋がる。

図９に示すように、第１燃料分割流路２１は全体としてクランク形状に曲成されており、第１燃料入口６１ｆから横方向（矢印Ｘ１方向）に延設された第１端流路２１ａと、第１端流路２１ａの端部から縦方向に延設された第１中央流路２１ｂと、第１中央流路２１ｂの端から第１燃料出口６３ｆに向かうように横方向（矢印Ｘ１方向）延設された第１端流路２１ｃとを備えている。更に、図９に示すように、第２燃料分割流路２２は全体としてクランク形状に曲成されており、第２燃料入口６１ｓから横方向（矢印Ｘ１方向）に延設された第２端流路２２ａと、第２端流路２２ａの端部から縦方向に延設された第２中央流路２２ｂと、第２中央流路２２ｂの端から第２燃料出口６３ｓに向かうように横方向（矢印Ｘ１方向）延設された第２端流路２２ｃとを備えている。

ここで図９から理解できるように、第１燃料入口６１ｆから第１燃料流路２１に導入された燃料は、第１燃料流路２１の第１端流路２１ａを矢印Ｘ１方向に流れ、第１中央流路２１ｂを矢印Ｙ２方向（上向き）に流れ、第２端流路２１ｃを矢印Ｘ１方向に流れ、第１燃料出口６３ｆから導出される。また図９から理解できるように、第２燃料入口６１ｓから第２燃料流路２２に導入された燃料は、第２燃料流路２２の第２端流路２２ａを矢印Ｘ１方向に流れ、第２中央流路２２ｂを矢印Ｙ２方向（上向き）に流れ、第２端流路２２ｃを矢印Ｘ１方向に流れ、第２燃料出口６３ｓから導出される。

更に、図１０において、酸化剤流路３は、互いに独立するように接近状態に並設された２つの第１酸化剤分割流路３１と第２酸化剤分割流路３２とで形成されている。第１酸化剤分割流路３１と第２酸化剤分割流路３２とは、発電面積を変化させるように、電解質膜１０の面方向において複数に分割状態に仕切部３０ｘにより仕切られている。第１酸化剤分割流路３１の上流は第１酸化剤供給バルブ５１に繋がる。第２酸化剤分割流路３２の上流は第２酸化剤供給バルブ５２に繋がる。第１酸化剤分割流路３１は全体としてクランク形状に曲成されており、第１酸化剤入口７１ｆから横方向（矢印Ｘ２方向）に延設された第１端流路３１ａと、第１端流路３１ａの端部から縦方向に延設された第１中央流路３１ｂと、第１中央流路３１ｂの端から第１酸化剤出口７３ｆに向かうように横方向（矢印Ｘ２方向）延設された第１端流路３１ｃとを備えている。

図１０に示すように、第２酸化剤分割流路３２は全体としてクランク形状に曲成されており、第２酸化剤入口７１ｓから横方向（矢印Ｘ２方向）に延設された第２端流路３２ａと、第２端流路３２ａの端部から縦方向に延設された第２中央流路３２ｂと、第２中央流路３２ｂの端から第２酸化剤出口７３に向かうように横方向（矢印Ｘ２方向）延設された第２端流路３２ｃとを備えている。ここで、燃料流路２および酸化剤流路３は配流板８の表裏の関係とされているため、図１０および図１１において、矢印Ｘ１方向および矢印Ｘ２方向は、燃料電池として組み付けた状態では互いに同じ向きとされている。

本実施例によれば、第１燃料分割流路２１の第１中央流路２１ｂと第１酸化剤分割流路３１の第１中央流路３１ｂとは、膜電極接合体１を介して互いに対向している。また、第２燃料分割流路２２の第２中央流路２２ｂと第２酸化剤分割流路３２の第２中央流路３２ｂとは、膜電極接合体１を介して互いに対向している。

ここで、図１０および図１２において、第１酸化剤供給バルブ５１が開放されると、第１酸化剤入口７１ｆから第１酸化剤流路３１に導入された酸化剤ガスは、第１酸化剤流路３１の第１端流路３１ａを矢印Ｘ２方向に流れ、第１中央流路３１ｂを矢印Ｙ１方向（下向き）に流れ、第２端流路３１ｃを矢印Ｘ２方向に流れ、第１酸化剤出口７３ｆから導出される。また、第２酸化剤供給バルブ５２が開放すると、第２酸化剤入口７１ｓから第２酸化剤流路３２に導入された酸化剤ガスは、第２酸化剤流路３２の第２端流路３２ａを矢印Ｘ２方向に流れ、第２中央流路３２ｂを矢印Ｙ１方向（下向き）に流れ、第２端流路３２ｃを矢印Ｘ２方向に流れ、第２酸化剤出口７３ｓから導出される。このように酸化剤ガスの基本流れ方向を下向き（矢印Ｙ１方向）にするのは、発電反応で生成した水を重力を利用して排出させるためである。

このように本実施例によれば、酸化剤ガスの基本流れ方向を下向き（矢印Ｙ１方向）にすると共に、燃料の基本的流れを上向き（矢印Ｙ２方向）にしている。このため、燃料の基本的流れ方向と酸化剤ガスの基本的流れ方向との関係は、対向流形態とされている。

図１１および図１２において、燃料極１１、酸化剤極１２、膜電極接合体１の高さサイズは、寸法ＬＡとされており、燃料流路２の上下方向に延びる中央流路２１ｂ，２２ｂに投影されると共に，酸化剤流路３の上下方向に延びる中央流路３１ｂ，３２ｂに投影されるように設定されている。この結果、並行流形態が占める面積を高めることができる。具体的には、図１１〜図１２において寸法ＬＡの領域のみに膜電極接合体１が配置されており、膜電極接合体１の発電面積を１００％とするとき、対向流形態が占める割合は面積比で実質的に１００％とされている。

図１１に示すように燃料流路２は、互いに平行に並走する複数の流路壁２ｘにより仕切られている。更に、通路幅Ｄ１とするように、上下方向にのびる複数の中間壁２９が、隣接する流路壁２ｘ間に並設されている。各中間壁２９の上部２９ｕは仮想的な斜辺Ｒ１に沿って配置されている。各中間壁２９の下部２９ｄは仮想的な斜辺Ｒ２に沿って配置されている。なお、斜辺Ｒ１および斜辺Ｒ２は互いに平行またはぼ平行に配置されている。

また図１２に示すように酸化剤流路３は、互いに平行に並走する複数の流路壁３ｘにより仕切られている。更に、通路幅Ｄ１とするように、上下方向にのびる複数の中間壁３９が、隣接する流路壁３ｘ間に並設されている。各中間壁３９の上部３９ｕは仮想的な斜辺Ｒ１０に沿って配置されている。各中間壁３９の下部３９ｄは仮想的な斜辺Ｒ２０に沿って配置されている。なお、斜辺Ｒ１０および斜辺Ｒ２０は互いに平行またはぼ平行に配置されている。

本実施例によれば、電力負荷が大きく燃料電池の発電出力を増加させるときには、燃料供給バルブ４１,４２の双方が開放して燃料が第１燃料分割流路２１,第２燃料分割流路２２の双方に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５１,５２の双方が開放して酸化剤ガスが第１酸化剤分割流路３１,第２酸化剤分割流路３２の双方に供給される。

これに対して電力負荷が低くて燃料電池の発電出力を低減させるときには、形態Ａまたは形態Ｂのいずれかを採用する。形態Ａによれば、燃料供給バルブ４１が開放して燃料が第１燃料分割流路２１に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５１が開放して酸化剤ガスが第１酸化剤分割流路３１に供給される。形態Ａによれば、燃料は第２燃料分割流路２２に供給されず、酸化剤ガスが第２酸化剤分割流路３２に供給されない。

また形態Ｂによれば、燃料供給バルブ４２が開放して燃料が第２燃料分割流路２２に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５２が開放して酸化剤ガスが第２酸化剤分割流路３２に供給される。形態Ｂによれば、燃料は第１燃料分割流路２１に供給されず、酸化剤ガスが第１酸化剤分割流路３１に供給されない。これにより発電面積が減少する。

このように燃料電池の発電出力を低減させるとき、形態Ａあるいは形態Ｂのいずれかに切り替え、形態Ａあるいは形態Ｂは対向流形態とされている。このため、膜電極接合体１において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制される。この点、燃料の流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とを直交させる直交形態を採用する特許文献１（図１８参照）の場合とは異なる。この結果本実施例によれば、膜電極接合体１の発電面積形状における電流密度の不均一化が抑制される。更に、発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制されるため、電解質膜１０に膨潤や乾燥が生じたとしても、膜電極接合体１の面方向において、発電部分の温度の不均一化の抑制、歪みの不均一化の抑制が図られ、ひいては応力集中の抑制に効果的である。

図１３および図１４は実施例５を示す。本実施例は実施例４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例４と相違する部分を中心として説明する。本実施例によれば、酸化剤ガスの基本流れ方向を下向き（矢印Ｙ１方向）にすると共に、燃料の基本的流れを下向き（矢印Ｙ１方向）にしている。このため、燃料の流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向との関係は、並行流形態とされている。

本実施例によれば、図１３に示すように、第１燃料入口６１ｆおよび第２燃料入口６１ｓは配流板８の上側に形成され、第１燃料出口６３ｆおよび第２燃料出口６３ｓは配流板８の下側に形成されている。また図１４に示すように、第１酸化剤入口７１ｆおよび第２酸化剤入口７１ｓは配流板８の上側に形成され、第１酸化剤出口７３ｆおよび第２酸化剤出口７３ｓは配流板８の下側に形成されている。

図１３および図１４において、膜電極接合体１、燃料極１１および酸化剤極１２の高さサイズは寸法ＬＡとされており、寸法ＬＡの領域のみに膜電極接合体１が配置されており、このため、膜電極接合体１の発電面積を１００％とするとき、対向流形態が占める割合は面積比で実質的に１００％とされている。

本実施例においても、電力負荷が低くて発電出力を低減させるとき形態Ａまたは形態Ｂのいずれかを採用する。この場合、実施例４の場合と同様に、膜電極接合体１において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制され、ひいては電流密度の不均一化が抑制される。更に、電解質膜１０に膨潤や乾燥が生じたとしても、膜電極接合体１の面方向において、発電部分の温度の不均一化の抑制、歪みの不均一化の抑制が図られ、ひいては応力集中の抑制に効果的である。

図１５および図１６は実施例６を示す。本実施例は実施例４と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図１５に示すように、配流板８の一方の表面には燃料流路２が形成されている。燃料流路２は実施例４と同様な構成とされている。また図１６に示すように、配流板８の他方の表面には酸化剤流路３が形成されている。図１６に示すように、酸化剤流路３は、互いに独立するように並設された上下方向に沿って直線状に延設された２つの第１酸化剤分割流路３１と第２酸化剤分割流路３２とで形成されている。第１酸化剤分割流路３１と第２酸化剤分割流路３２は仕切部３０ｘにより仕切られている。

第１酸化剤分割流路３１は、切欠部３ｍを備えた壁状をなす流路壁３ｘを有しており、第１酸化剤入口７１ｆから縦方向に沿って第１酸化剤出口７３ｆに向けて直線状に延設されている。第２酸化剤分割流路３２は、第２酸化剤入口７１ｓから縦方向に沿って第２酸化剤出口７３ｓに向けて直線状に延設されている。

本実施例によれば、酸化剤ガスの基本流れ方向を下向き（矢印Ｙ１方向）にすると共に、燃料の基本的流れを上向き（矢印Ｙ２方向）にしている。このため燃料の流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向との関係は、対向流形態とされている。図１５および図１６において、燃料極１１および酸化剤極１２を有する膜電極接合体１の形状は、仮想的な斜辺Ｒ１，Ｒ２に沿った輪郭を有する平行四辺形または疑似平行四辺形とされている。斜辺Ｒ１，Ｒ２に沿った輪郭を有する平行四辺形または疑似平行四辺形とされている部分に、膜電極接合体１が配置されている。このため、膜電極接合体１の発電面積を１００％とするとき、対向流形態が占める割合は面積比で実質的に１００％とされている。

本実施例においても、燃料電池の発電出力を増加させるとき、燃料供給バルブ４１,４２が開放して燃料が第１燃料分割流路２１,第２燃料分割流路２２の双方に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５１,５２が開放して酸化剤ガスが第１酸化剤分割流路３１,第２酸化剤分割流路３２の双方に供給される。

これに対して燃料電池の発電出力を低減させるときには、形態Ａまたは形態Ｂのいずれかを採用する。形態Ａによれば、燃料供給バルブ４１が開放して燃料が第１燃料分割流路２１に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５２が開放して酸化剤ガスが第１酸化剤分割流路３１に供給される。また形態Ｂによれば、燃料供給バルブ４２が開放して燃料が第２燃料分割流路２２に供給されると共に、酸化剤供給バルブ５１が開放して酸化剤ガスが第２酸化剤分割流路３２に供給される。

本実施例によれば、図１８に示す特許文献１のように燃料の流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向とを全体的に直交させる直交形態を採用していないため、実施例４の場合と同様に、膜電極接合体１において発電面積形状の異形化（非対称化）が抑制され、ひいては発電面積形状における電流密度の過剰な不均一化が抑制される。更に、電解質膜１０に膨潤や乾燥が生じたとしても、膜電極接合体１の面方向において、発電部分の温度の不均一化の抑制、発電部分の歪みの過剰の不均一化の抑制が図られ、ひいては応力集中の抑制に効果的である。なお、燃料を下向きに流して並行流形態としても良い。この場合、図１５に記載されている第１燃料入口６１ｆおよび第２燃料入口６１ｓを配流板８の上側に形成し、第１燃料出口６３ｆおよび第２燃料出口６３ｓを配流板８の下側に形成する。

（他の実施例）
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。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用等の燃料電池シテスムに利用することができる。

実施例１に係り、燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 実施例１に係り、燃料電池に燃料を供給する燃料流路および酸化剤ガスを供給する酸化剤流路を模式的に示す構成図である。 実施例１に係り、発電出力が低いとき、燃料電池に燃料流路に燃料が酸化剤流路に酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す構成図である。 実施例２に係り、燃料電池に燃料および酸化剤ガスを供給する構造を模式的に示す構成図である。 実施例２に係り、発電出力が低いとき、燃料電池に燃料および酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す構成図である。 実施例３に係り、燃料電池に燃料および酸化剤ガスを供給する構造を模式的に示す構成図である。 実施例３に係り、発電出力が低いとき、燃料電池に燃料および酸化剤ガスが供給されている状態を模式的に示す構成図である。 実施例４に係り、燃料電池の概念を模式的に示す断面図である。 実施例４に係り、配流板の一方の片面に形成されている燃料流路を模式的に示す側面図である。 実施例４に係り、配流板の他方の片面に形成されている酸化剤流路を模式的に示す側面図である。 実施例４に係り、配流板の一方の片面に形成されている燃料流路を示す側面図である。 実施例４に係り、配流板の他方の片面に形成されている酸化剤流路を示す側面図である。 実施例５に係り、配流板の一方の片面に形成されている燃料流路を示す側面図である。 実施例５に係り、配流板の他方の片面に形成されている酸化剤流路を示す側面図である。 実施例６に係り、配流板の一方の片面に形成されている燃料流路を示す側面図である。 実施例６に係り、配流板の他方の片面に形成されている酸化剤流路を示す側面図である。 燃料電池における電流密度とセル電圧との関係を模式的に示すグラフである。 特許文献１に係る燃料電池において、燃料と酸化剤ガスとの流れ方向を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１は膜電極接合体、１０は電解質膜（イオン伝導膜）、１１は燃料極、１２は酸化剤極、２は燃料流路、２１〜２７は燃料分割流路、３は酸化剤流路、３１〜３７は酸化剤分割流路、４１〜４７は燃料供給バルブ（燃料供給手段）、５１〜５７は酸化剤供給バルブ（酸化剤供給手段）を示す。

Claims (4)

1. イオン伝導膜を挟む燃料極および酸化剤極を有する膜電極接合体と、前記燃料極に対向して設けられ前記燃料極に燃料を供給する燃料流路と、前記酸化剤極に対向して設けられ前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤流路とを有する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料流路は、前記膜電極接合体の面方向において複数に分割され且つ互いに独立する複数の燃料分割流路を有しており、前記酸化剤流路は、前記膜電極接合体の面方向において複数に分割され且つ互いに独立する複数の酸化剤分割流路を有しており、
   前記燃料流路における燃料の流れ方向と前記酸化剤流路における酸化剤の流れ方向との関係は、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである並行流形態、または、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである対向流形態で形成されており、
   前記燃料電池の発電出力に応じて発電面積を変化させるように互いに対向する前記燃料分割流路および前記酸化剤分割流路にそれぞれ燃料および酸化剤を流す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、各前記燃料分割流路の上流はそれぞれ燃料供給手段に繋がり、各前記酸化剤分割流路の上流はそれぞれ酸化剤供給手段に繋がっていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、各前記燃料分割流路は上下方向に沿って延設されていると共に、各前記酸化剤分割流路は上下方向に沿って延設されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、発電出力が低いときには、時間の経過につれて、順次異なる前記燃料分割流路を使用すると共に、順次異なる前記酸化剤分割流路を使用することを特徴とする燃料電池システム。

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