JP2006331974A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】スタック内の燃料極の乾燥を抑制し、安定した出力を供給できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】単位セル１５の燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板３を有するセパレータ１３を、単位セル１５と交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュール１３０−１〜ｎを複数形成し、一方のモジュール１３０−１〜ｎの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続して燃料電池スタックを構成する。燃料ガスが導入される入口マニホールドを備える最初のモジュール１３０−１の固体電解質膜１５ａを、他のモジュール１３０−２〜ｎと比較して、低湿度下でプロトン伝導性が高いものを用いた。
【選択図】図６

Description

この発明は、燃料電池スタックに係り、詳しくは、乾燥に対する耐性がよい燃料電池スタックに関するものである。

一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。+
そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。

燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどか提案されている。
特開２００４−１３９９８４号。

ところで、燃料電池スタックの燃料極側では、次のような問題があった。
燃料電池スタックの燃料ガスの流入口付近では、乾燥した燃料ガスによって電解質膜が乾燥することにより膜抵抗が増大し、プロトンの移動が抑制され、燃料電池出力が低下するといった問題があった。

特に、特許文献１に記載されているようなサーペンタイン構造の燃料電池スタックにおいては、最初にガスが流入するモジュールでは、電解質膜の乾燥が集中的に発生するといった問題があった。

この発明は、スタック内の燃料極の乾燥が生じた場合にも、安定した出力を供給できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。

（１） 単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックであって、
上流側に位置する１又は２以上の特定モジュールにおいて、該モジュールの単位セルを構成する電解質膜が、他のモジュールの単位セルを構成する電解質膜よりも、低い湿度でのプロトン伝導性が高いことを特徴とする燃料電池スタック。

（２） 前記特定モジュールは、最初に燃料ガスが供給されるモジュールを含む上記（１）に記載の燃料電池スタック。

（３） 前記特定モジュールの単位セルを構成する電解質膜は、燃料ガス流路内の燃料ガスの湿度が０〜５０％の範囲内において、他のモジュールの単位セルを構成する電解質膜よりも、プロトン伝導性が高い上記（１）又は（２）に記載の燃料電池スタック。

請求項１に記載の発明によれば、上流側に位置する１又は２以上の特定モジュールの電解質膜を、他のモジュールの電解質膜よりも低湿度でプロトン伝導性が高いものを使用することにより、乾燥した燃料ガスの接触により、プロトン伝導性が低下せず、乾燥による効率の低下を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、乾燥した燃料ガスが最初に導入されるモジュールは、電解質膜の乾燥が特に集中的に発生するので、このモジュールの電解質膜をプロトン伝導性が高いものとすることにより、各モジュールの発電効率を均一なものに近づけることができ、燃料電池スタック全体としての発電効率を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、燃料ガス流路内の燃料ガスの湿度が０〜５０％の範囲内で、特定モジュールの電解質膜のプロトン伝導性を、他のモジュールにものに比較して高いものとすると、燃料ガスの湿度が通常の運転状態に比較して特に低い、燃料ガス供給の開始直後で、十分なプロトン伝導性を得ることができ、燃料電池スタックの、乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池スタック１００を用いたシステム１を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、燃料ボンベ１１を含む燃料供給系１０大略構成される。

この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。

集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。燃料極に接触する集電部材３は、図４に示されているように、矩形の金網材から成り、その表面には多数の孔３２０が形成されている。また、集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。尚、図４以外の図においては、図面の内容をわかり易くするために、集電部材３を板材として示しており、断面図等において、網材の孔３２０の表示は省略されている。

凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。

集電部材３の両端部には、流通流通孔３５が形成されている。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部（図示外）となっており、中空部の両端は、閉鎖されている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔４８は、水素供給路１７ａ、１７ｂの一部をなす。

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面と空気流路４０の裏側面が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５と孔８３とによって水素供給路１７ａ、１７ｂが構成される。

この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４ａ、８４ｂが設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。開口９４１は、空気流路４０の上方に位置し、集電部材４に沿った長辺を有する矩形状に形成されており、セパレータ１３の積層方向に沿って多数配列されている。この開口９４１に、空気マニホールドから空気が流入するとともに、空気マニホールド内でノズルから噴射された水が同時に流入する。開口９４１から流入した空気と水は、導入口４３から空気流路４０に流入し、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。

また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。

図５は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。

空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ₂）等が挙げられる。
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。

図６は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０−１〜ｎ（単位体）を複数個構成し、この複数のモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。隣接するモジュール１３０−ｍとモジュール１３０−ｍ＋１の間には、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。遮蔽板１６は、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は１６１ｂを備えている。この遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。

一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０−１〜ｎ毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂから水素通路１７ａへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。

即ち、燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部（遮蔽板１６）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。

各モジュール１３０−１〜ｎは、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。

このように、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０−１〜ｎに分割し、モジュール毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各モジュール１３０の間で水素ガス流量に差が生じることを抑制できる。また、単位のモジュール１３０−１〜ｎ内においても、積層されたセパレータ１３と単位セル１５とで構成された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０−１〜ｎ内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。

ここで、特定モジュールである最初に燃料ガスが供給されるモジュール１３０−１は、他のモジュール１３０−２〜ｎと異なる構成となっている。モジュール１３０−１を構成する単位セル１５の固体高分子電解質膜１５ａは、他のモジュール１３０−２〜ｎを構成する単位セル１５の固体高分子電解質膜１５ａよりも、雰囲気が低湿度である場合において、プロトン伝導性が高い固体高分子電解質膜となっている。

具体的には、モジュール１３０−１を構成する単位セル１５の固体高分子電解質膜１５ａは、含フッ素系膜、炭化水素系膜、それらの合成膜などのカチオン交換膜で、低湿度で高いプロトン導電性を示す特性の構造を持つもので構成される。例えば、他のモジュールの固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものを用いれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質を用いれば良い。

最初のモジュール１３０−１を構成する単位セル１５の固体高分子電解質膜１５ａの特性は、例えば、温度が摂氏５０〜１４０度の範囲内で、湿度が０〜５０％の雰囲気下において、他のモジュールに使用される固体高分子電解質膜よりもプロトン伝導性が良好なものが用いられ、例えば、特に摂氏１２０度、湿度２０％の雰囲気下において、プロトン伝導性が０．１Ｓ／ｃｍ以上であるものが好ましい。

一方、他のモジュール１３０−２〜ｎの単位セルに用いられる固体高分子電解質膜は、含フッ素系膜、炭化水素系膜、それらの合成膜などのカチオン交換膜で、高湿度で高いプロトン導電性を示す特性の構造を持つもので構成される。これらの膜は、雰囲気が高湿度（例えば、５０％以上）である場合、最初のモジュール１３０−１に用いられる固体高分子電解質膜に比較して、プロトン伝導性が高いものである。

最初のモジュール１３０−１から順に次のモジュールへ燃料ガスが進行するにつれて、発電反応により生成された水により、固体高分子電解質膜は湿潤されていき、生成水は、下流へ向けて押し流されるので、下流側のモジュール程生成水が溜まっていく。このため、低湿度下において、高いプロトン伝導性を有する膜は、燃料ガスの上流側、（特に最初のモジュール１３０−１）に用いられていることが好ましく、その他のモジュールでは、逆に低湿度下以外の状態において、高いプロトン伝導性を有する膜を用いることが好ましい。

水素通路１７ａの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路１８ａが設けられている。この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、燃料ガス供給流路２０１と同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導出口１８２ａが燃料供給口１７１ａに接続されている。

燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。この導出案内路１８ｂは、ガス導入口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導入口１８１ｂが燃料排出口１７１ｂに接続されている。

以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。

次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。
燃料供給系１０は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１と、燃料ガス供給流路２０１と、燃料ガス供給流路２０１に設けられたガス供給弁Ｖ１とを備えている。燃料ガス供給流路２０１の一端は、高圧水素タンク１１に接続され、他端は、導入案内路１８ａを介して、燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａに接続されている。

燃料ガス供給流路２０１は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａへ送る。燃料ガス供給流路２０１には、水素一次圧調圧弁ＬＶが高圧水素タンク１１の下流に設けられている。そして、水素圧調圧弁ＬＶの下流には、ガス供給弁Ｖ１が設けられる。水素圧調圧弁ＬＶによって、燃料電池スタック１００へ供給するために適した圧力に調整される。

燃料ガス供給流路２０１には、ガス供給弁Ｖ１の下流側には、空気導入路２０２が接続されおり、空気導入路２０２には、空気供給弁Ｖ４が設けられ、その上流側には、フィルタ２７が設けられている。
燃料電池スタック１００では、水素通路１７ａから水素ガスが水素流通経路８４ａへ流入し、さらに、水素流通経路８４ａから水素流路３０１、３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂから水素通路１７ｂへ流入する。

燃料電池スタック１００の燃料排出側には、燃料ガス循環流路２０３が接続されている。燃料ガス循環流路２０３の一端は、導出案内路１８ｂを介して、燃料電池スタック１００の燃料排出口１７１ｂに接続され、他端は、燃料ガス供給流路２０１に接続され、燃料ガス循環流路２０３と燃料ガス供給流路２０１とによって、燃料ガスの循環回路が形成される。また、燃料ガス循環流路２０３には、燃料ガス排出流路２０４の一端が接続され、燃料ガス排出流路２０４の他端は外部に開放された排出口２６となっている。

燃料ガス循環流路２０３には、水回収タンク２１が接続され、その下流側には、循環ポンプ２５が接続され、その下流側に燃料ガス排出流路２０４が接続されている。循環回路において、燃料ガス排出流路２０４の接続部と、燃料ガス供給流路２０１の間には、水素循環切替弁Ｖ２が設けられている。
燃料ガス排出流路２０４には、ガス排出弁Ｖ３が設けられている。

ポンプ２５は、燃料電池スタック１００と循環回路とで構成される流路に燃料ガスを循環させる際に駆動し、また、燃料ガスを燃料電池スタック１００から排出する際にも駆動する。
また、燃料ガス供給流路２０１には、圧力センサＳ１が接続され、燃料電池スタック１００の燃料極に供給されるガス圧がモニタされている。燃料電池スタック１００には、出力電圧を検出するセンサＳ２が設けられている。燃料供給系１０において、燃料電池スタック１００の水素通路１７ｂから排出される水素ガスは、導出案内路１８ｂを介して、燃料ガス循環流路２０３へ排出される。

各弁Ｖ１〜Ｖ４は、例えば電磁弁で構成され、電気的に開閉制御可能に構成されている。なお、水回収タンク２１は、燃料電池スタック１００から、燃料ガスとともに排出された生成水を溜める貯留タンクとして機能する。

さらに、燃料電池システム１には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ＯＮ／ＯＦＦスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。

以上のような構成において、燃料電池システム１により電力出力される通常運転状態では、空気ファン等によって、燃料電池スタック１００に空気が供給され、同時に、燃料供給系１０からは水素ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そして、燃料電池スタック１００内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを供給することにより維持される。本発明では、通常運転状態（通常発電状態）とは、燃料電池システム１が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。また、燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され（イグニッションキーがオンされ）、燃料電池システム１が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。

上記説明した燃料電池システム１は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサＳ１、Ｓ２の検出値は、制御部に供給される。制御部は、ガス供給弁Ｖ１、水素循環切替弁Ｖ２、ガス排出弁Ｖ３、空気供給弁Ｖ４の開閉、水素二次圧可変調圧弁（可変レギュレータ）が設けられている場合には、その設定圧の調整制御がなされる。

以上のような構成を有する燃料電池システム１は、起動時において、以下のような動作を行う。図７は、燃料電池システム１の起動する際の制御動作を示すフローチャートである。以下の制御動作は、図示しない制御部における制御動作として実行される。この制御部は、ＣＰＵなどの集積回路により構成され、リレー回路等を介して、電磁弁の開閉を制御し、センサＳ１からは、その検出値が供給される。

イグニッションＯＮなど、起動を始める動作が確認される（ステップＳ１０１）と、ポンプ２５が起動され（ステップＳ１０３）、水素循環切替弁Ｖ２が閉じられる（ステップＳ１０５）。これにより、循環回路は閉じられ、燃料ガス供給流路２０１から循環回路への燃料ガスの逆流が防止される。

ガス排出弁Ｖ３が開放される（ステップＳ１０７）。これにより、ポンプ２５で吸引された燃料電池スタック１００内の置換ガスを排出口２６から外部に排出する経路が構成される。そして、ガス供給弁Ｖ１を開放する（ステップＳ１０９）。ガス供給弁Ｖ１の開放によって、燃料ガスが燃料電池スタック１００内に流入し、燃料電池スタック１００内の置換ガスは、供給される燃料ガスによって押し出され、排出口２６から排出される。

所定時間が経過したか判断し（ステップＳ１１１）、経過していない場合には、ステップＳ１０９までの状態を維持する。経過した場合には、燃料電池スタック１００内に燃料ガスが充填されたものと判断し、ガス排出弁Ｖ３を閉じる（ステップＳ１１３）。ステップＳ１１１で判断する所定の経過時間は、供給されるガス圧、燃料電池スタック１００の燃料室の総容積に基づいて決定され、供給されたガス量が、燃料ガス供給流路２０１の容積と燃料電池スタック１００の燃料室の総容積との和に達するために要する時間として計算される。

水素循環切替弁Ｖ２を開放し（ステップＳ１１５）、循環回路の燃料ガスの循環を開始する。以上のように起動時処理が完了し、通常運転時の制御に以降する。通常運転状態においては、上記ステップＳ１０５〜Ｓ１１５の処理を繰り返すことによって、適宜燃料ガスが補充される。

次に、燃料電池システム１を停止させる場合の処理を説明する。図８は、停止処理を示すフローチャートである。定常運転状態において（ステップＳ２０１）、イグニッションＯＦＦが検出されると（ステップＳ２０３）、システムを停止する操作であるため、発電を停止させる処理が開始される。

最初に、水素循環切替弁Ｖ２が閉じられる（ステップＳ２０５）。これにより、循環回路が遮断され、燃料ガス供給流路２０１から燃料ガス排出流路２０４への燃料ガスの流出が遮断される。ガス供給弁Ｖ１を閉じ（ステップＳ２０７）、燃料ガスの供給を停止する。次に、ガス排出弁Ｖ３が開放される（ステップＳ２０９）。この状態で、ポンプ２５は駆動しており、燃料電池スタック１００の燃料室の圧力が減圧される。圧力センサＳ１の検出値をモニターし、所定の圧力値以下に到達したか判断する（ステップＳ２１１）。到達するまで減圧を継続し、送達した場合には、空気供給弁Ｖ４が開放される（ステップＳ２１３）。これにより、外気（空気）が、空気導入路２０２から燃料電池スタック１００内に流入する。この状態でポンプ２５の駆動は継続しており、燃料電池スタック１００の燃料室内の燃料ガスは、排出され、空気に置換される。燃料ガスを空気に置換することによって、燃料電池スタック１００からの出力が低下していく。燃料ガスから空気への置換の度合いを測るため、センサＳ２により、燃料電池スタック１００の出力電圧をモニターし、電圧が略０Ｖに到達したか判断する（ステップＳ２１５）。

到達しない場合には、ポンプ２５の駆動を継続し、空気への置換を続行する。到達した場合には、燃料ガスから空気への置換が完了したものと判断し、全ての補機を停止し（ステップＳ２１７）、運転終了となる（ステップＳ２１９）。

以上のような構成において、本実施形態では、各モジュール１３０−１〜ｎを構成するセパレータ１３と単位セル１５の積層数は同じである。そして、低湿度下でプロトン伝導性が特に高い固体高分子電解質膜がモジュール１３０−１を構成するセパレータ１３と単位セル１５の積層数は、燃料電池スタック１００全体の構成に対する割合が、５％以上１０％以下の範囲であるとよい。（例えば、この実施形態の場合では、モジュール１３０の数ｎは、１０〜２０の範囲であるとよい。）この範囲より少ないと、モジュール１３０−１に隣接するモジュール１３０−２の燃料極も低湿度の燃料が供給される恐れがあり、低い湿度における高湿度用の固体高分子電解質伝導性の低下を起こす。また、この範囲よりも多いと、高い湿度における低湿度用の固体高分子電解質膜伝導性の低下による、燃料電池スタック全体の効率低下を起こし、発電効率が低下する。即ち、この範囲内であれば、発電効率を高く維持しつつ、最も良好に燃料極の乾燥を抑制することができる。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池用セパレータの全体背面図である。 燃料極側の集電部材の部分拡大斜視図である。 単位セルの断面図である。 燃料電池スタックの全体平面図である。 起動時における制御動作を示すフローチャートである。 停止時の制御動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１００ 燃料電池スタック
１３ 燃料電池セパレータ
１３０−１〜ｎ モジュール
１５ 単位セル
１７ａ、１７ｂ 水素通路
３ 集電部材
３０ 燃料室
３２ 凸状部
３０１ 水素流路
３０２ 水素流路
４ 集電部材
４０ 空気流路
４２ 凸状部
４３ 導入口
４４ 導出口
８ 枠体
９ 枠体
１７１ａ 燃料供給口
１７１ｂ 燃料排出口
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 燃料ガス排出流路
Ｓ１ 圧力センサ
Ｓ２ 電圧センサ
Ｖ１ ガス供給弁
Ｖ２ 水素循環切替弁
Ｖ３ ガス排出弁
Ｖ４ 空気供給弁

Claims (3)

1. 単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックであって、
   上流側に位置する１又は２以上の特定モジュールにおいて、該モジュールの単位セルを構成する電解質膜が、他のモジュールの単位セルを構成する電解質膜よりも、低い湿度でのプロトン伝導性が高いことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記特定モジュールは、最初に燃料ガスが供給されるモジュールを含む請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記特定モジュールの単位セルを構成する電解質膜は、燃料ガス流路内の燃料ガスの湿度が０〜５０％の範囲内において、他のモジュールの単位セルを構成する電解質膜よりも、プロトン伝導性が高い請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。

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