JP2007207725A - 燃料電池システム及び拡散層内のフラッディング試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高湿度条件下においてもフラッディングが生じにくい燃料電池システム、及び、拡散層内のフラッディング試験方法を提供すること。
【解決手段】膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に配置され、かつ、拡散層を含む電極にガスを供給するための複数のガス流路が形成されたセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池と、前記電極に前記ガスを供給・排出するためのガス供給・排出手段とを備え、前記ガス供給・排出手段は、前記複数のガス流路を、入口及び出口の双方が開口している貫通型、又は、出口が閉塞している少なくとも１つのガス流路Ａと入口が閉塞している少なくとも１つのガス流路Ｂとを含む閉塞型に切り替えるガス流路切替手段を備えている燃料電池システム、及び、これを用いて、前記複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替え、圧力損失の変化を測定する拡散層内のフラッディング試験方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及び拡散層内のフラッディング試験方法に関し、さらに詳しくは、燃料電池の運転状況に応じてガス流路を貫通型又は閉塞型に切り替える機能を有する燃料電池システム及び拡散層内のフラッディング試験方法に関する。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）を基本単位とする。また、固体高分子型燃料電池において、電極は、一般に、拡散層と触媒層の二層構造をとる。拡散層は、触媒層に反応ガス及び電子を供給するためのものであり、カーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。また、触媒層は、電極反応の反応場となる部分であり、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質（触媒層内電解質）との複合体からなる。

このようなＭＥＡを構成する電解質膜あるいは触媒層内電解質には、耐酸化性に優れた全炭化フッ素系電解質（高分子鎖内にＣ−Ｈ結合を含まない電解質。例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成（株）製）、フレミオン（登録商標、旭硝子（株）製）等。）を用いるのが一般的である。
また、全炭化フッ素系電解質は、耐酸化性に優れるが、一般に極めて高価である。そのため、固体高分子型燃料電池の低コスト化を図るために、炭化水素系電解質（高分子鎖内にＣ−Ｈ結合を含み、Ｃ−Ｆ結合を含まない電解質）、又は部分炭化フッ素系電解質（高分子鎖内にＣ−Ｈ結合とＣ−Ｆ結合の双方を含む電解質）の使用も検討されている。

しかしながら、固体高分子型燃料電池を車載用動力源等として実用化するためには、解決すべき課題が残されている。
例えば、従来の固体高分子電解質は、いずれもプロトン伝導性を発現させるためには水を必要とする。そのため、固体高分子型燃料電池においては、一般に、電極に供給される反応ガスを水蒸気発生装置、ミスト発生装置などの補機を用いて加湿し、加湿量を制御することによって固体高分子電解質膜の含水率の調節を行う方法が採られている。しかしながら、補機を用いて反応ガスを加湿する場合において、燃料電池の運転条件が高加湿条件になると、過剰の水が電極内に滞留する。また、燃料極から空気極に向かってプロトンが電解質膜内部を移動する際、プロトンに同伴して水も空気極側に移動する。さらに、空気極では、電極反応により水が生成する。この水を放置すると、触媒層や拡散層内の細孔が水で閉塞する、いわゆる「フラッディング」が発生する。フラッディングは、触媒層や拡散層のガス拡散性を低下させ、燃料電池の出力密度を低下させる原因となる。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。例えば、非特許文献１には、ガスの出口が閉塞しているガス流路と入口が閉塞しているガス流路とが交互に並んでいる固体高分子型燃料電池が開示されている。同文献には、
（１） ガス流路をこのような構成にすると、反応ガスが拡散層を通って強制的に排出されること、
（２） 反応ガスの触媒層への輸送又は生成ガスの触媒層からの輸送が拡散機構から対流機構に変化し、拡散層内におけるガスの拡散が生ずる層の厚さが薄くなること、
（３） 対流は拡散に比べて格段に速いので、触媒層における反応速度が著しく向上すること、及び、
（４） ガスフローのせん断力が電極の内部層に捕捉されている大半の液体水の除去を促進させ、これによってフラッディングの問題を著しく軽減できること、
が記載されている。

"A Gas Distributor Design for Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells", T.V.Nguyen, J.Electrochem.Soc., Vol.143, No.5, L103(1996)

流路の入口と出口が交互に閉塞しているタイプ（以下、これを「交互閉塞型」という）のガス流路は、フラッディングを緩和する目的に対して有効である。しかしながら、交互閉塞型のガス流路を用いると、ガスが拡散層の中を通るために圧力損失が大きくなる。圧力損失が大きくなると、ガス供給に必要なポンプ電力が大きくなり、燃料電池システム全体としての効率が低下する。
また、交互閉塞型のガス流路をフラッディングが起きない低湿度の条件で用いると、電極反応によって触媒層で生成した水が過剰に持ち去られる。そのため、電解質膜が乾燥してセル抵抗が増加し、電池性能は逆に悪化する。
さらに、ある条件下において、拡散層内にフラッディングが生じているかどうかを知ることは、燃料電池の効率を向上させるためには重要である。しかしながら、このような方法が提案された例は、従来にはない。

本発明が解決しようとする課題は、高湿度条件下においてもフラッディングが生じにくい燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、フラッディングが生じにくく、かつ、圧力損失が相対的に少ない燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、フラッディングが生じにくく、圧力損失が相対的に少なく、かつ、低湿度条件下においても電池性能の低下が少ない燃料電池システムを提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、拡散層内にフラッディングが生じたか否かを簡便に知るための拡散層内のフラッディング試験方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に配置され、かつ、拡散層を含む電極にガスを供給するための複数のガス流路が形成されたセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池と、前記電極に前記ガスを供給・排出するためのガス供給・排出手段とを備え、前記ガス供給・排出手段は、前記複数のガス流路を、入口及び出口の双方が開口している貫通型、又は、出口が閉塞している少なくとも１つのガス流路Ａと入口が閉塞している少なくとも１つのガス流路Ｂとを含む閉塞型に切り替えるガス流路切替手段を備えていることを要旨とする。
また、本発明に係る拡散層内のフラッディング試験方法は、本発明に係る燃料電池システムを用いて、前記複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替え、圧力損失の変化を測定することを要旨とする。

運転条件が高加湿条件になったときに、ガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えると、圧力損失は増大する。しかしながら、拡散層内の水が効率的に排出されるので、フラッディングを抑制することができる。また、触媒層における電極反応の反応速度が向上し、高い出力が得られる。一方、運転条件が低加湿条件になったときに、ガス流路を閉塞型から貫通型に切り替えると、常時閉塞型にしておく場合に比べて、圧力損失を大幅に軽減することができる。また、電解質膜の乾燥が抑制されるので、セル抵抗の増加及びこれによる出力低下を抑制することができる。
さらに、このような燃料電池システムを用いてガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えると、運転条件に応じて圧力損失が変化する。そのため、圧力損失の変化から、ある運転条件下においてフラッディングが生じるか否かを簡便に知ることができる。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池と、ガス供給・排出手段とを備えている。
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極（燃料極、空気極）が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両面を挟持するセパレータとを備えている。セパレータはＭＥＡの外側に配置され、セパレータのＭＥＡ側表面には、拡散層を含む電極に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給するための複数のガス流路が設けられている。固体高分子型燃料電池は、一般に、このようなＭＥＡとセパレータからなるユニットセルが複数個積層されたものからなる。

固体高分子電解質膜には、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマや、各種炭化水素系電解質が用いられる。電極は、固体高分子電解質膜の表面に接合された触媒層と、その外側に接合された拡散層の二層構造をとる。拡散層は、一般に、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなり、触媒層は、一般に、白金等の電極触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質（触媒層内電解質）との複合体からなる。触媒層内電解質は、一般に、固体高分子電解質膜と同一の材料が用いられるが、異なる材料を用いても良い。さらに、セパレータには、一般に、カーボンが用いられるが、Ｔｉ、ステンレス鋼、Ｓｎ合金等の金属材料の使用も検討されている。

ガス供給・排出手段は、主として、燃料電池の作動時に、電極（燃料極又は空気極）に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を供給するためのものである。反応ガス供給源から供給される反応ガスは、吸気マニホールドを介して各ＭＥＡの電極に分配され、各電極から排出されるガスは、排気マニホールドを介して燃料電池外に排出されるようになっている。
なお、燃料ガスとして純水素を用いる場合、排気系統から排出される余剰の燃料ガスは、そのまま大気に放出し又は燃焼させる構造（以下、これを「開放型」という）としても良く、あるいは、ポンプを用いて供給側に戻す構造（以下、これを「循環型」という）としても良い。
さらに、燃料ガスとして純水素を用いる場合において、燃料極側に後述するガス流路切替手段を設けないときには、ガス供給・排出手段に代えて、ガス供給手段のみを設け、ガス排出手段を省略しても良い。すなわち、すべてのガス流路の出口を閉塞させ、余剰の燃料ガスを燃料電池外に排出させない構造（以下、これを「全出口閉塞型」という）としても良い。
これらの点は、酸化剤ガスとして、純酸素を用いた場合も同様である。
また、ガス供給・排出手段は、反応ガス以外のガスを電極に供給するためにも用いられる。例えば、発電を終えた後の燃料極に空気を流して、水を強制的に排出させる場合などである。

本発明に係る燃料電池システムは、上述した構成に加えて、ガス供給・排出手段に、セパレータ内に形成された複数のガス流路を貫通型又は閉塞型に切り替えるガス流路切替手段を備えていることを特徴とする。
「貫通型のガス流路」とは、図１（ａ）に示すように、入口及び出口の双方が開口しているガス流路１２ａをいう。この場合、セパレータ１２に形成されたガス流路１２ａに反応ガスを流すと、反応ガスの一部は、拡散層１４内を拡散して触媒層１６に達し、そこで電極反応に消費される。電極反応に消費されなかった反応ガスの残りは、そのままガス流路１２ａを素通りし、出口側から排出される。
「閉塞型のガス流路」とは、図１（ｂ）に示すように、出口が閉塞している少なくとも１つのガス流路２２ａ（ガス流路Ａ）と、入口が閉塞している少なくとも１つのガス流路２２ｂ（ガス流路Ｂ）とを備えているものをいう。この場合、セパレータ２２に形成されたガス流路２２ａに反応ガスを流すと、反応ガスは、拡散層２４を通ってガス流路２２ｂに入り、ガス流路２２ｂの出口側から排出される。また、拡散層２４内に強制的に導入された反応ガスの一部は、拡散層２４内を移動して触媒層２６に達し、そこで電極反応に消費される。

なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、各ガス流路は、同一断面及び直線的な形状を有し、かつ、互いに平行になるように配置されているが、これは単なる例示であり、閉塞型に切り替えたときにガスがガス流路Ａから拡散層を通ってガス流路Ｂに流入させることが可能なものであれば良い。
例えば、各ガス流路は、必ずしも同一断面である必要はなく、互いに断面が異なっていても良い。また、ガス流路の形状は、必ずしも直線である必要はなく、渦巻き状、ジグザグ状等、直線以外の形状でも良い。あるいは、直線的なガス流路と、曲線を含むガス流路が混在していても良い。また、各ガス流路は、必ずしも互いに平行に配置されている必要はなく、互いに非平行となるように配置されていても良い。

また、各ガス流路は、通常、隔壁によって他のガス流路と完全に隔離され、隔壁を通って隣接するガス流路に直接、ガスが流入しないようになっているが、ガス流路を閉塞型に切り替えたときに、ガスが拡散層を通って隣接するガス流路に流入するのを妨げない程度の小孔が隔壁に存在していても良い。この場合、小孔は、セパレータの材質やガス流路の形状などに起因する不可避的に形成されるものでも良く、あるいは、ガス流路の形状や配置などに起因する人為的に形成されたものでも良い。拡散層を通って隣接するガス流路にガスが流入する際の圧力損失に比べて、小孔を通って隣接するガス流路にガスが流入する際の圧力損失が大きい場合には、拡散層にガスを強制的に流入させることができる。

また、ガスを効率よく拡散層に強制流入させるためには、図１（ｂ）に示すように、閉塞型に切り替えたときに１個のガス流路Ａと１個のガス流路Ｂが交互に並んでいるものが好ましいが、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂは、必ずしも１個ずつ交互に並んでいる必要はなく、複数個のガス流路Ａと複数個のガス流路Ｂが交互に並んでいても良い。この場合、ガス流路Ａとガス流路Ｂは、それぞれ、同数ずつ交互に配置されていてもよく、あるいは、互いに異なる個数のガス流路Ａ及びガス流路Ｂが交互に配置されていても良い。また、１個又は複数個のガス流路Ａ及びガス流路Ｂが周期的に配列されている場合、その配列周期は、規則的であっても良く、あるいは、不規則であっても良い。

また、ガス流路切替手段は、電解質膜の全面に渡って設けられていても良く、あるいは、電解質膜の面内の一部に設けられていても良い。固体高分子型燃料電池において、発電条件によっては、電解質膜の面内方向に温度分布が発生する場合があることが知られている。すなわち、面内方向の位置によってフラッディングの程度が異なる場合がある。そのような場合には、電解質膜の全面にガス流路切替手段を設けることに代えて、フラッディングが起きやすい部分にのみ、ガス流路切替手段を設けても良い。
同様に、固体高分子型燃料電池がユニットセルの積層体からなる場合、ガス流路切替手段は、積層されたユニットセルのすべてに設けられていても良く、あるいは、一部のユニットセルのみに設けられていても良い。固体高分子型燃料電池において、発電条件によっては、ユニットセルの積層方向に温度分布が発生する場合があることが知られている。すなわち、積層方向の位置によってフラッディングの程度が異なる場合がある。そのような場合には、ユニットセルのすべてにガス流路切替手段を設けることに代えて、フラッディングが起きやすいユニットセルにのみ、ガス流路切替手段を設けても良い。
さらに、上述したガス流路あるいはガス流路切替手段に関する各構成は、それぞれ、単独で用いても良く、あるいは、２種以上を組み合わせて用いても良い。

このようなガス流路切替手段を備えたガス供給・排出手段は、燃料極側又は空気極側のいずれか一方にのみ設けられていても良く、あるいは、双方に設けられていても良い。特に、空気極側は、フラッディングが起きやすいので、少なくとも空気極側にガス流路切替手段を設けるのが好ましい。
また、燃料極側又は空気極側のいずれか一方にのみガス流路切替手段を備えたガス供給・排出手段を設けた場合、他方は、開放型、循環型、あるいは、全出口閉塞型のいずれであっても良い。

図２に、ガス流路切替手段を備えた燃料電池モジュールの一例を示す。図２において、燃料電池モジュール３０は、固体高分子型燃料電池３２と、ガス流路切替手段４０とを備えている。また、ガス流路切替手段４０は、吸気マニホールド４２と、排気マニホールド４４と、第１開閉弁４６と、第２開閉弁４８とを備えている。
図２において、固体高分子型燃料電池３２は、平行に配置された複数のガス流路３２ａ、３２ｂを有するセパレータで象徴的に描かれている。各ガス流路３２ａ、３２ｂの両端は開放しており、それぞれ、吸気マニホールド４２及び排気マニホールド４４に接続されている。固体高分子型燃料電池３２に関するその他の構成については、上述した通りであるので、説明を省略する。

吸気マニホールド４２は、図示しない反応ガス供給源から供給された反応ガスなどのガスを各ガス流路３２ａ、３２ｂに分配すると同時に、複数のガス流路３２ａ、３２ｂを、第１系統４２ａ（図２中、点線で表示）と、第２系統４２ｂ（図２中、実線で表示）に分割するためのものである。吸気マニホールド４２は、第１系統４２ａ及び第２系統４２ｂに分岐しており、第１系統４２ａ及び第２系統４２ｂは、それぞれ、ガス流路３２ａ及びガス流路３２ｂの数だけさらに分岐している。
同様に、排気マニホールド４４は、各ガス流路３２ａ、３２ｂから排出される未反応の反応ガスなどのガスを１つに集めて固体高分子型燃料電池３２から排出すると同時に、複数のガス流路３２ａ、３２ｂを、第１系統４４ａ（図２中、点線で表示）と、第２系統４４ｂ（図２中、実線で表示）に分割するためのものである。排気マニホールド４４は、第１系統４４ａ及び第２系統４４ｂに分岐しており、第１系統４４ａ及び第２系統４４ｂは、それぞれ、ガス流路３２ａ及びガス流路３ｂの数だけさらに分岐している。

ここで、「第１系統４２ａ、４４ａ」とは、両端が開放している１又は２以上のガス流路３２ａ…を、出口が閉塞している「ガス流路Ａ」に切り替えるための系統である。また、「第２系統４２ｂ、４４ｂ」とは、両端が開放している１又は２以上のガス流路３２ｂ…を、入口が閉塞している「ガス流路Ｂ」に切り替えるための系統である。
なお、図２においては、１個のガス流路３２ａ（ガス流路Ａ）と、１個のガス流路３２ｂ（ガス流路Ｂ）が交互に配置された例が示されているが、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂの配置はこれに限定されるものではない点は、上述した通りである。また、排気マニホールド４４の下流側は、開放型でも良く、あるいは、循環型でも良い。

第１開閉弁４６は、ガス流路３２ｂを「ガス流路Ｂ」に切り替えるためのものであり、吸気マニホールド４２の第２系統４２ｂに設けられている。第２開閉弁４８は、ガス流路３２ａを「ガス流路Ａ」に切り替えるためのものであり、排気マニホールド４４の第１系統４４ａに設けられている。

図２に例示される方法以外のガス流路の切り替え方法としては、具体的には、
（１） 個々のガス流路の入口又は出口にシャッターを設け、シャッターを開閉することによりガス流路を貫通型又は閉塞型に切り替える方法、
（２） 吸気マニホールド及び排気マニホールドを、それぞれ、ガス流路の数だけ分岐させると同時に各分岐路に開閉弁を設け、この開閉弁を開閉させる方法、
などがある。

ガス流路の切り替えは、手動で行うこともできるが、制御手段により切り替えを行わせても良い。「制御手段」とは、運転状況に応じて複数のガス流路を貫通型又は閉塞型に切り替える手段をいう。制御手段には、具体的には、以下のようなものがある。

制御手段の第１の具体例は、電流密度があるしきい値を超えたときに、複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えるものである。
燃料電池の運転時には、通常、電流密度がモニターされる。一般に、電流密度が大きくなるほど、電極反応により多量の水が生成し、フラッディングが起きやすくなる。そのため、電流密度があるしきい値を超えたときに、ガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えれば、フラッディングによる出力低下を抑制することができる。また、常時、閉塞型で運転する場合に比べて、圧力損失を低減することができる。
なお、電流密度があるしきい値を下回ったときには、ガス流路を閉塞型から貫通型に切り替える。この場合、貫通型から閉塞型へのしきい値と、閉塞型から貫通型へのしきい値は、同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。また、閉塞型から貫通型への切り替えを電流密度で制御することに代えて、ある一定時間経過後に貫通型に切り替える時間制御でも良い。

制御手段の第２の具体例は、拡散層内の圧力損失があるしきい値を超えたときに複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えるものである。この場合、拡散層内の圧力損失は、圧力損失計測手段を用いて計測するのが好ましい。
ここで、「拡散層内の圧力損失」とは、拡散層にガスを強制的に流したときに生ずる圧力損失をいう。また、「圧力損失計測手段」としては、固体高分子型燃料電池内のガス流路の一部を貫通型から閉塞型に切り替え、これによって生ずる拡散層内の圧力損失を計測するものが好ましい。
燃料電池システムに圧力損失計測手段をさらに設け、運転中に拡散層内の圧力損失を定期的にモニタすると、拡散層内におけるフラッディングの程度を直接、知ることができる。そのため、拡散層内の圧力損失があるしきい値を超えたときに、ガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えれば、フラッディングによる出力低下を抑制することができる。また、常時、閉塞型で運転する場合に比べて、圧力損失を低減することができる。
なお、拡散層内の圧力損失があるしきい値を下回ったときには、ガス流路を閉塞型から貫通型に切り替える。この場合、貫通型から閉塞型へのしきい値と、閉塞型から貫通型へのしきい値は、同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。また、閉塞型から貫通型への切り替えを圧力損失で制御することに代えて、ある一定時間経過後に貫通型に切り替える時間制御でも良い。

次に、本発明に係る燃料電池システムの作用について説明する。
例えば、図２に例示する燃料電池モジュール３０を備えた燃料電池システムにおいて、第１開閉弁４６及び第２開閉弁４８の双方を開くと、ガス流路３２ａ、３２ｂは、貫通型となる。そのため、燃料電池の運転時において、図示しない反応ガス供給源から供給された反応ガスは、吸気マニホールド４２により第１系統４２ａ及び第２系統４２ｂに分配され、分配された反応ガスは、さらに、各ガス流路３２ａ、３２ｂに分配される。
また、各ガス流路３２ａ、３２ｂから排出された未反応の反応ガスは、それぞれ、第１系統４４ａ及び第２系統４４ｂに集められ、さらに、これらが１つに合流し、排気マニホールド４４から固体高分子型燃料電池３２外に排出される。

一方、第１開閉弁４４及び第２開閉弁４８の双方を閉じると、反応ガスは、吸気マニホールド４２の第１系統４２ａ（すなわち、ガス流路３２ａ、３２ａ…）にのみ供給される。ガス流路３２ａの出口は、第２開閉弁４８によって閉塞しているので、反応ガスは、拡散層を通って隣接するガス流路３２ｂ、３２ｂ…に流れ込む。ガス流路３２ｂ、３２ｂ…の入口は、第１開閉弁４６によって閉塞しているので、反応ガスは、排気マニホールド４４の第２系統４４ｂを通って固体高分子型燃料電池３２外に排出される。

固体高分子型燃料電池に使われるガス流路の形態としては、入口と出口の双方が開口している貫通型が一般的である。貫通型のガス流路は、圧力損失が小さいため、反応ガスを供給するポンプの電力が少ないというメリットがある。貫通型の場合、ガス流路を流れている反応ガスは、拡散機構によって拡散層内を移動し、触媒層に供給される。また、電極反応によって触媒層で生成した水は、水蒸気であれば拡散機構によって、液体水であれば毛管現象によって、反応ガスの流れとは逆方向に拡散層内を移動し、ガス流路に排出される。セル内の雰囲気が低湿度の状態では、反応に必要なガスは拡散機構によって触媒層まで十分に供給されるため、貫通型の流路でも問題なく発電できる。むしろ、電極反応によって触媒層で生成した水が電解質膜を加湿する効果によってセル抵抗が下がり、高い発電効率が得られる。
しかし、セル内の雰囲気が水の飽和点を超えるような高湿度の状態では、水が凝縮して液体水となり、拡散層の細孔内に溜まる。拡散層内の水は、反応ガスの拡散を阻害し、高電流まで発電できなくなる問題が生じる。これがフラッディング現象である。

一方、閉塞型のガス流路では、反応ガスは、出口が閉じられたガス流路Ａから、拡散層の中を通って、隣接する入口が閉じたガス流路Ｂへと流れる。このガスの流れに乗って、拡散層内に溜まった水が排出されるため、フラッディングが緩和される。
しかし、閉塞型のガス流路は、拡散層内を反応ガスが流れるために圧力損失が増加し、ガス供給に必要なポンプの電力が大きくなる。また、セル内の雰囲気が低湿度の状態では、電極反応によって生成した水が過剰に持ち去られるために電解質膜が乾燥する。その結果、セル抵抗が上がり、発電効率が低下する。

これに対し、本発明に係る燃料電池システムは、ガス流路切替手段を備えているので、フラッディングが起きない中・低湿度の運転状態の時にはガス流路を貫通型に切り替え、かつ、フラッディングが起きる高湿度の運転状態の時にはガス流路を閉塞型に切り替えることができる。特に、図２に示すように、開閉弁を用いたガス流路切替手段においては、弁の開閉操作だけで、ガス流路の形態を簡単に切り替えることができる。
そのため、中・低湿度の運転状態の時には、電解質膜から水が過剰に持ち出されることがなく、むしろ、電極反応により生成した水により電解質膜が適度に加湿されるので、セル抵抗の増加を抑制することができる。一方、高湿度の運転状態の時には、フラッディングが抑制されるので、高い出力が得られる。
さらに、運転状態に応じてガス流路を貫通型又は閉塞型に切り替えると、常時、閉塞型のガス流路を用いた場合に比べて、反応ガス供給に必要なポンプの消費電力を低減することができる。そのため、システム全体の効率を高めることができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システムは、拡散層内のフラッディング状態を評価する試験装置としても使用することができる。すなわち、複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えると、拡散層内に溜まった水の量に応じて、圧力損失が変化する。従って、圧力損失の変化から、ある運転条件におけるフラッディングの程度を直接、知ることができる。
また、燃料電池内の一部のガス流路を拡散層内の圧力損失を計測するための圧力損失計測手段として使用すると、実際の運転条件下で生ずるフラッディング状態を直接、知ることができる。そのため、これを燃料電池システムの制御に利用すれば、システム全体の効率が最も高くなるように、ガス流路の切替を適切に行うことができる。

（実施例１）
［１． 燃料電池モジュールの作製］
図２に示す燃料電池モジュールを以下の手順により作製した。すなわち、電解質膜（ナフィオン（登録商標）１１２）の両側にＰｔ／Ｃを含む触媒層をホットプレスし、その触媒層の外側にカーボンペーパーからなる拡散層を配置した。このＭＥＡの両側をガス流路が形成されたカーボン板で挟み、さらに、その外側をステンレス製のプレートで抑えることにより燃料電池を構成した。得られた燃料電池の空気極側にのみ、ガス流路切替手段（即ち、第１開閉弁を備えた吸気マニホールド及び第２開閉弁を備えた排気マニホールド）を設けた。燃料極側は、貫通型のガス流路とした。

［２． 評価］
燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用い、電池温度８０℃、ガス圧２ａｔｍ ａｂｓ．の条件で電流掃引法により電池性能（電流−電圧特性）を調べた。
図３に、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿温度を７８℃とした場合の電池性能を示す。このような高加湿の条件では、ガス流路として閉塞型を用いた方が貫通側を用いた場合より高電流まで発電できることがわかる。これは、ガス流路を閉塞型にすることによって、拡散層内の水が強制的に排出され、フラッディングが緩和されたためである。
図４に、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿温度を６０℃とした場合の電池性能を示す。このような低加湿の条件では、実用的な電圧範囲（例えば０．４Ｖ以上）における電池性能は、貫通型を用いた方が閉塞型を用いた場合よりも高いことがわかる。これは、ガス流路を貫通型にすることによって、電解質膜が適度に加湿されるためである。
さらに、図５に、ガス流路と圧力損失との関係を示す。加湿条件によらず、閉塞型のガス流路は、貫通型に比べて圧力損失が非常に大きくなることがわかる。圧力損失が大きいと、ガス供給に必要な電力が大きくなるため、燃料電池システム全体の効率が低下する。従って、閉塞型のガス流路は、フラッディングが起きるような運転状態の時だけに使用するのが好ましい。本発明に係る燃料電池システムは、ガス流路切替手段を備えているので、運転状態に応じて、最適なガス流路を選ぶことができる。

（実施例２）
実施例１で作製した燃料電池モジュールを用いて、拡散層内のフラッディング評価試験を行った。実験条件は、電池温度８０℃、ガス圧２ａｔｍ ａｂｓ．、ガス加湿温度７８℃とした。実験は、貫通型の状態で電流掃引法により発電を行い、所定の電流に達したら発電を停止し、すぐに閉塞型に切り替える手順で行った。この一連の操作を行ったときのセル入口と出口の圧力損失を差圧計を用いて測定した。

図６に、貫通型のガス流路を用いて測定した電池性能と、電流掃引を途中で停止したポイントを示す。図７に、各ポイントまで電流掃引したときの圧力損失測定結果を示す。図７では、時間軸ゼロのところでガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えたことを示している。
開回路状態（１）及び低電流密度で発電を停止した場合（２）には、ガス流路を閉塞型に切り替えた後に圧力損失は増加するが、その値は時間が経過しても変化しない。この圧力損失の変化は、ガス流路を流れていたガスが多孔体である拡散層の中を流れるようになったために生じるものである。その圧力損失値は、拡散層の細孔構造を反映している。
他方、より高電流密度まで発電した場合（３〜６）は、ガス流路を切り替えた直後に圧力損失のピークが現れ、そのピークは、高い電流密度まで発電した場合ほど大きくなっている。この圧力損失ピークは、拡散層内に溜まった水によりガスの流れが阻害されるために生じるものである。そのピークの大きさは、拡散層内の水の量、すなわちフラッディング状態を反映している。従って、このピークの大きさを測定することで、拡散層内のフラッディング状態を定量的に評価することができる。
なお、圧力損失ピークが数分後に消失する理由は、拡散層内をガスが流れることによって、内部に溜まった水が持ち去られ、水がない状態に戻るためである。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る燃料電池システムは、車載動力源、定置型小型発電器、コジェネレーションシステムなどに使用することができる。
また、本発明に係る拡散層内のフラッディング試験方法は、運転条件とフラッディングとの関係を調べるための評価試験、ガス流路を切り替えるタイミングを知るためのフラッディング検出方法などに使用することができる。

図１（ａ）は、貫通型のガス流路を示す模式図、図１（ｂ）は、閉塞型のガス流路を示す模式図である。 ガス流路切替手段を備えた燃料電池モジュールを示す概略構成図である。 高加湿条件下における電流密度と電圧との関係を示す図である。 低加湿条件下における電流密度と電圧との関係を示す図である。 ガス流路の構造の圧力損失との関係を示す図である。 電流密度と電圧との関係を示す図である。図中、○印は、電流掃引を途中で停止したポイントを示す。 図６に示す電流掃引を停止した各ポイントにおける圧力損失の経時変化を示す図である。

符号の説明

３０ 燃料電池モジュール
３２ 固体高分子型燃料電池
３２ａ ガス流路（ガス流路Ａ）
３２ｂ ガス流路（ガス流路Ｂ）
４０ ガス流路切替手段
４２ 吸気マニホールド
４２ａ 第１系統
４２ｂ 第２系統
４４ 排気マニホールド
４４ａ 第１系統
４４ｂ 第２系統
４６ 第１開閉弁
４８ 第２開閉弁

Claims (8)

1. 膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に配置され、かつ、拡散層を含む電極にガスを供給するための複数のガス流路が形成されたセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池と、
   前記電極に前記ガスを供給・排出するためのガス供給・排出手段とを備え、
   前記ガス供給・排出手段は、前記複数のガス流路を、入口及び出口の双方が開口している貫通型、又は、出口が閉塞している少なくとも１つのガス流路Ａと入口が閉塞している少なくとも１つのガス流路Ｂとを含む閉塞型に切り替えるガス流路切替手段を備えた燃料電池システム。
2. 前記ガスは、酸化剤ガスである請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガスは、燃料ガスである請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス流路切替手段は、
   前記複数のガス流路を第１系統及び第２系統に分割するための吸気マニホールド及び排気マニホールドと、
   前記第２系統側の吸気マニホールドに設けられた第１開閉弁と、
   前記第１系統側の排気マニホールドに設けられた第２開閉弁と
   を備えている請求項１から３までのいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス流路切替手段は、運転状況に応じて前記複数のガス流路を貫通型又は閉塞型に切り替える制御手段をさらに備えている請求項１から４までのいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、電流密度があるしきい値を超えたときに、前記複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えるものである請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記ガス流路切替手段は、前記複数のガス流路の一部を前記貫通型から前記閉塞型に切り替えることにより、拡散層内の圧力損失を計測する圧力損失計測手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記拡散層内の圧力損失があるしきい値を超えたときに前記複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替えるものである請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 請求項１から７までのいずれかに記載の燃料電池システムを用いて、前記複数のガス流路を貫通型から閉塞型に切り替え、圧力損失の変化を測定する拡散層内のフラッディング試験方法。
   

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