JP4405097B2 - 燃料電池スタックおよびその運転方法 - Google Patents
燃料電池スタックおよびその運転方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4405097B2 JP4405097B2 JP2001061499A JP2001061499A JP4405097B2 JP 4405097 B2 JP4405097 B2 JP 4405097B2 JP 2001061499 A JP2001061499 A JP 2001061499A JP 2001061499 A JP2001061499 A JP 2001061499A JP 4405097 B2 JP4405097 B2 JP 4405097B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stack
- sub
- reaction
- gas
- supply
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
- H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
- H01M8/2495—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies of fuel cells of different types
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成される燃料電池スタックおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなり、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。このため、従来から種々の加湿方式が採用されている。例えば、燃料電池スタックの外部にバブラー等の加湿器を備えており、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）を加湿して接合体に水分を供給することによって、前記接合体を構成する電解質膜を加湿する外部加湿法や、加湿器（加湿構造）を単位セル内部に備えて前記電解質膜を加湿する内部加湿法や、該内部加湿法に属し該電解質膜の内部における電気化学反応の結果発生した生成水を利用して加湿する自己加湿法等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の外部加湿法では、燃料電池スタックの外部に付加装置として加湿器が設けられるため、燃料電池全体が大型化してしまい、占有スペースが拡大するという問題が指摘されている。しかも、特に燃料電池の負荷を急激に上昇させた際等に、加湿器の追従性が問題となる場合がある。
【０００６】
また、上記の内部加湿法は、電解質膜の内部に埋め込まれた吸水糸による加湿法や、アノード側から水透過板を通した加湿法や、電解質膜のアノード側に吸水糸を接触させる加湿法が一般的である。ところが、この種の方式では、何らかの原因で加湿が不十分になった際、適切な補修が困難であるという問題が指摘されている。
【０００７】
さらに、上記の自己加湿法は、例えば、電解質膜内に白金の微粒子を分散させ、アノード側電極およびカソード側電極から進入してくる水素ガスおよび酸素ガスの反応により前記電解質膜内部から水を生成させる方式や、電解質膜の厚さを非常に薄くしてカソード側電極側で生成される水を拡散させ、アノード側電極側に水を補給する方式が一般的である。しかしながら、この種の方式では、特別な電解質膜を製作しなければならず、コストが高騰するとともに、所望の特性を十分に備えた電解質膜を得ることが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得るとともに、効率的な発電が遂行可能な燃料電池スタックおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１および請求項１０に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各単位セルに反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給および排出する供給流路および排出流路を設ける第１および第２サブスタックとの少なくとも２個のサブスタックを備えており、一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置される前記第１サブスタックの前記排出流路が、一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される前記第２サブスタックの前記供給流路に直列的に連通されている。
【００１０】
そこで、供給流路を介して、第１サブスタックに、この第１サブスタックの運転に必要な量の一方の反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスが供給される。
【００１１】
このため、第１サブスタックで生成された生成水を利用し、低湿度の反応ガスを加湿して第２サブスタックに加湿した反応ガスを供給することができ、燃料電池スタック全体の加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。加湿水量自体が減少するため、外部加湿装置の小型化が図られる一方、内部加湿機構が不要化あるいは小型化されるからである。
【００１２】
また、第１サブスタックの排出流路と第２サブスタックの供給流路の接続部位に配置される中間プレートは、追加反応ガス供給流路を前記第２サブスタックの前記供給流路に連通させる連通部を設けている（請求項２）。従って、第１および第２サブスタック間の配管が簡素化され、燃料電池スタック全体の小型化を図るとともに、配管長が短尺化されて配管内での結露を防止することができる。
【００１３】
しかも、第２サブスタックの供給流路に、第１サブスタックに供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給され（請求項１１）、この第２サブスタックに低湿度の反応ガスを供給しても、前記第２サブスタック内の湿度を十分に維持することができる。このため、電流密度分布を均一に維持し、発電性能の向上および耐久性の向上が可能になる。
【００１４】
さらに、第２サブスタックを構成する各単位セルは、追加反応ガス供給流路をこの第２サブスタックの供給流路に連通させることにより、混合された反応ガスを各接合体に供給している（請求項３および請求項１２）。これにより、各単位セルの湿度を均一にして第２サブスタック内の湿度分布を均一化することができる。
【００１５】
ここで、第２サブスタックを構成する単位セルの個数は、第１サブスタックを構成する単位セルの個数よりも多い数に設定されている（請求項４および請求項１３）。従って、燃料電池スタック全体に供給される反応ガスに含まれる加湿水量が一層削減されるとともに、反応ガスの利用率を向上させることが可能になる。
【００１６】
さらにまた、単位セルの個数の少ない第１サブスタックに、この第１サブスタックの運転に必要な量の酸化剤ガスおよび水分が供給され、この第１サブスタックの排出流路から、セル個数の多い第２サブスタックの供給流路に排出されている（請求項１４）。その際、第１サブスタックでは、反応により生成水が生成され、第２サブスタックに供給される低湿度の酸化剤ガスが十分に加湿される。このため、燃料電池スタック全体に供給される加湿水量を有効に削減することができる。
【００１７】
また、第１サブスタックに、供給流路を介してこの第１サブスタックの運転に必要な量の燃料ガスおよび水分が供給され、この第１サブスタックの排出流路から、単位セルの個数が同数以下に設定された第２サブスタックの供給流路に排出されている（請求項１５）。その際、第１サブスタックに供給された燃料ガスに含まれる加湿水は、加湿水量が減少することなく第２サブスタックに供給されるため、燃料電池スタック全体の燃料ガスに含まれる加湿水量を削減するとともに、燃料ガスの使用量が削減可能になる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項５および請求項１６に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各接合体の反応面に反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する供給流路を設けている。
【００２０】
そこで、接合体の少なくとも一方の反応面を構成し、供給流路に連通する供給方向上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の前記反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、供給方向下流側の第２反応面に、前記第１反応面に供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給される。このため、第１反応面で生成された生成水を利用して、第２反応面を加湿することができ、加湿水量が有効に低減されて外部加湿装置や内部加湿機構を含む加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【００２１】
また、第１反応面から第２反応面にわたって蛇行形状の反応ガス流路が設けられるとともに、前記反応ガス流路の折り返し部位に追加反応ガス供給流路を連通させるための連通部が備えられている（請求項６）。その際、第２反応面の面積は、第１反応面の面積よりも大きく設定されている（請求項７および請求項１８）。従って、燃料電池スタック全体に供給される加湿水量が一層削減されるとともに、反応ガスの利用率を向上させることが可能になる。
【００２２】
さらに、本発明の請求項８に係る燃料電池スタックでは、供給流路を介して、第１サブスタックに、この第１サブスタックの運転に必要な量の反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給される。一方、接合体の少なくとも一方の反応面を構成し、供給流路に連通する供給方向上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の前記反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、供給方向下流側の少なくとも１つの第２反応面に前記第１反応面に供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給される。これにより、加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【００２３】
さらにまた、使用済みの反応ガスの一部を燃料電池スタックの反応ガス入口側に戻している（請求項９および請求項１９）。従って、使用済みの反応ガスに含まれている水分を循環させることで、燃料電池スタック全体の加湿を行うことができ、無加湿運転が容易に遂行可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解斜視説明図である。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、反応ガス、例えば、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に配列される第１サブスタック１２、第２サブスタック１４および第３サブスタック１６を備え、前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間には、中間プレート１８ａ、１８ｂが介装される。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、それぞれ所定組数のセルアセンブリ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃを矢印Ｘ方向に重ね合わせて構成される。なお、第１の実施形態では、燃料ガスの流れ方向は、酸化剤ガスの流れ方向とは反対方向に設定されているが、同一方向であってもよい。
【００２６】
図２に示すように、セルアセンブリ２０ａ、２０ｃは、第１単位セル２４と第２単位セル２６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル２４、２６は、第１および第２接合体２８、３０を備える。
【００２７】
第１および第２接合体２８、３０は、固体高分子電解質膜３２ａ、３２ｂと、前記電解質膜３２ａ、３２ｂを挟んで配設されるカソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂとを有する。カソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００２８】
図２および図３に示すように、第１接合体２８のカソード側電極３４ａ側に第１セパレータ３８が配設され、第２接合体３０のアノード側電極３６ｂ側に第２セパレータ４０が配設されるとともに、前記第１および第２接合体２８、３０間に中間セパレータ４２が配設される。第１および第２セパレータ３８、４０の外側の面側には、薄板状の壁板４４が設けられる。
【００２９】
図２に示すように、第１および第２接合体２８、３０、第１および第２セパレータ３８、４０並びに中間セパレータ４２の長辺側の一端縁部には、第１および第２単位セル２４、２６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス供給路（反応ガス供給流路）４６ａと、酸化剤ガス排出路（反応ガス排出流路）４６ｂと、前記酸化剤ガス供給路４６ａに供給される加湿された酸化剤ガスよりも低湿度の酸化剤ガス（以下、低加湿の酸化剤ガスという）を通過させるための低加湿酸化剤ガス供給路（追加反応ガス供給流路）４７と、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス中間連通孔４８とが設けられる。
【００３０】
第１および第２接合体２８、３０、第１および第２セパレータ３８、４０並びに中間セパレータ４２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連通孔５０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給路（反応ガス供給流路）５２ａと、燃料ガス排出路（反応ガス排出流路）５２ｂと、前記燃料ガス供給路５２ａに供給される加湿された燃料ガスよりも低湿度の燃料ガス（以下、低加湿の燃料ガスという）を通過させるための低加湿燃料ガス供給路（追加反応ガス供給流路）５３と、冷却媒体を通過させるための冷却媒体供給路５４ａと、冷却媒体排出路５４ｂとが設けられる。
【００３１】
第１セパレータ３８は、金属薄板で構成されるとともに、第１接合体２８の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。第１セパレータ３８は、図４に示すように、第１接合体２８のカソード側電極３４ａに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス供給路４６ａと酸化剤ガス中間連通孔５０とに連通する。
【００３２】
図２および図３に示すように、第１セパレータ３８は、壁板４４の一方の面に対向する側に複数本の冷却媒体流路５８を設ける。冷却媒体流路５８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体供給路５４ａに連通するとともに、他端側が壁板４４に形成された、あるいは、別部材に形成された中間折り返し部である孔部６０を介して前記壁板４４の他方の面側から冷却媒体排出路５４ｂに連通する。
【００３３】
第２セパレータ４０は、上記の第１セパレータ３８と略同様に構成されており、第２接合体３０のアノード側電極３６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）６２を設けるとともに、前記燃料ガス流路６２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス中間連通孔４８と燃料ガス排出路５２ｂとに連通する。
【００３４】
中間セパレータ４２は、上記の第１および第２セパレータ３８、４０と略同様に構成されており、第１接合体２８のアノード側電極３６ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）６６を設けるとともに、前記燃料ガス流路６６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス排出路５２ｂと燃料ガス中間連通孔４８とに連通する。
【００３５】
図３に示すように、中間セパレータ４２は、第２接合体３０のカソード側電極３４ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）６８を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路６８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス中間連通孔５０と酸化剤ガス排出路４６ｂとに連通する。
【００３６】
図５に示すように、セルアセンブリ２０ｂは、上記のセルアセンブリ２０ａ、２０ｃと略同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
このセルアセンブリ２０ｂは、酸化剤ガス供給路（反応ガス供給流路）４６ｃおよび酸化剤ガス排出路（反応ガス排出流路）４６ｄを備えており、前記酸化剤ガス供給路４６ｃがセルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂに直列的に連通するとともに、前記酸化剤ガス排出路４６ｄがセルアセンブリ２０ｃの酸化剤ガス供給路４６ａに直列的に連通する。図６に示すように、低加湿の酸化剤ガスは、セルアセンブリ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃの低加湿酸化剤ガス供給路４７に供給されており、中間プレート１８ａの連結通路（連通部）７０を介してセルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに供給されるとともに、中間プレート１８ｂの連結通路（連通部）７４を介してセルアセンブリ２０ｃの酸化剤ガス供給路４６ａに供給される。
【００３８】
同様に、セルアセンブリ２０ｂは、燃料ガス供給路（反応ガス供給流路）５２ｃおよび燃料ガス排出路（反応ガス排出流路）５２ｄを備え、前記燃料ガス供給路５２ｃがセルアセンブリ２０ｃの燃料ガス排出路５２ｂに直列的に連通するとともに、前記燃料ガス排出路５２ｄがセルアセンブリ２０ａの燃料ガス供給路５２ａに直列的に連通する。
【００３９】
図７に示すように、中間プレート１８ａの長辺側一端縁部には、酸化剤ガス流路４６ｅ、４６ｆと低加湿酸化剤ガス供給路４７とが設けられ、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂおよびセルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに連通する前記酸化剤ガス流路４６ｅと、前記低加湿酸化剤ガス供給路４７とが、連結通路７０を介して連通する。
【００４０】
中間プレート１８ａの長辺側他端縁部には、冷却媒体供給路５４ａ、冷却媒体排出路５４ｂ、低加湿燃料ガス供給路５３および燃料ガス流路５２ｅ、５２ｆが設けられる。燃料ガス流路５２ｅは、セルアセンブリ２０ａの燃料ガス供給路５２ａに連通しており、この燃料ガス流路５２ｅと低加湿燃料ガス供給路５３とが、連結通路（連通部）７２を介して連通する。
【００４１】
図８に示すように、中間プレート１８ｂは、中間プレート１８ａと同様に構成されており、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス供給路４６ａに連通する酸化剤ガス流路４６ｆと低加湿酸化剤ガス供給路４７とが、連結通路７４を介して連通するとともに、セルアセンブリ２０ｂの燃料ガス供給路５２ｃに連通する燃料ガス流路５２ｆと低加湿燃料ガス供給路５３とが、連結通路（連通部）７６を介して連通する。
【００４２】
図９は、上記のように構成される燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム８０の概略構成図である。
【００４３】
この燃料電池システム８０は、大気を圧縮して燃料電池スタック１０に供給するためのコンプレッサ（圧縮器）８２を備え、このコンプレッサ８２の出口側には、主供給路８４と追加供給路８６とが連通する。主供給路８４は、加湿器８８を介して第１サブスタック１２の酸化剤ガス供給路４６ａに連通するとともに、追加供給路８６は、加湿器９０を介して低加湿酸化剤ガス供給路４７に連通する。なお、加湿器９０は、必要に応じて設ければよく、また、使用する際にも、比較的小さな加湿能力を有していればよい。
【００４４】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、本発明に係る運転方法との関連で以下に説明する。
【００４５】
図９に示すように、燃料電池システム８０を構成するコンプレッサ８２の作用下に、空気または酸素含有ガスである酸化剤ガスが、主供給路８４に圧送されて加湿器８８により所定の湿度に調整された後、燃料電池スタック１０に供給される一方、水素含有ガス等の燃料ガスが、所定の湿度に調整された後、図示しない供給機構を介して前記燃料電池スタック１０に、前記酸化剤ガスとは反対側から供給される。
【００４６】
燃料電池スタック１０内では、まず、第１サブスタック１２を構成するセルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス供給路４６ａに酸化剤ガスが供給されるとともに、第３サブスタック１６を構成するセルアセンブリ２０ｃの燃料ガス供給路５２ａに燃料ガスが供給される（図１参照）。さらに、冷却媒体供給路５４ａには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００４７】
このため、図３に示すように、第１および第２接合体２８、３０では、カソード側電極３４ａ、３４ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６ａ、３６ｂに供給される燃料ガスとが、触媒層内で触媒反応により消費され、発電が行われる。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、第１サブスタック１２に対して、この第１サブスタック１２の運転に必要な量の酸化剤ガスおよび水分（実際上、予め加湿された所定量の酸化剤ガス）が供給される。従って、第１サブスタック１２を構成する各セルアセンブリ２０ａでは、反応に必要な量の酸化剤ガスが加湿された状態で供給されるため、前記第１サブスタック１２内で所望の反応（発電）が有効に行われる。
【００４９】
各セルアセンブリ２０ａ内では、反応により生成水が得られ、この生成水が酸化剤ガス排出路４６ｂに沿って矢印Ｘ方向に移動し、第２サブスタック１４を構成するセルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに導入される。その際、第１および第２サブスタック１２、１４間には、中間プレート１８ａが介装されており、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂに連通する酸化剤ガス流路４６ｅが、連結通路７０を介して低加湿酸化剤ガス供給路４７に連通している。
【００５０】
これにより、酸化剤ガス流路４６ｅには、追加供給路８６を介して低湿度の酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスは、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂに沿って移動する生成水によって加湿された状態で、セルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに供給される。従って、第２サブスタック１４では、各セルアセンブリ２０ｂに加湿された酸化剤ガスが確実に供給され、所望の反応が遂行される。
【００５１】
さらに、各セルアセンブリ２０ｂでは、反応によって生成された生成水が酸化剤ガス排出路４６ｄに排出される。このため、中間プレート１８ｂで連結通路７６を介して低加湿酸化剤ガス供給路４７に連通する第３サブスタック１６の酸化剤ガス供給路４６ａには、低湿度で供給された酸化剤ガスが、生成水により十分に加湿された状態で供給される。
【００５２】
一方、第３サブスタック１６側から供給される燃料ガスは、上記の酸化剤ガスと同様に、この第３サブスタック１６に対して、この第３サブスタック１６の運転に必要な量の燃料ガスおよび水分（実際上、予め加湿された所定量の燃料ガス）が供給される。第１および第２接合体２８、３０では、燃料ガスに含まれている加湿水がそのまま燃料ガス排出路５２ｂに排出されるため、この加湿水が第２サブスタック１４に移動し、低加湿燃料ガス供給路５３から供給された低湿度の燃料ガスを加湿して第２サブスタック１４に供給する。
【００５３】
これにより、第１の実施形態では、酸化剤ガスに対して第１サブスタック１２を加湿するのに必要な加湿水のみを供給するだけでよく、燃料ガスに対して第３サブスタック１６を加湿するのに必要な加湿水のみを供給するだけでよい。実際上、第１の実施形態を使用すると、燃料ガスでは、従来の加湿水量に比べて６２％の削減が可能になった。この結果、燃料電池スタック１０全体に供給される加湿水量を大幅に削減することができ、加湿構造を大幅に小型化することが可能になるという効果が得られる。
【００５４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
燃料電池スタック１００は、第１サブスタック１０２と第２サブスタック１０４とを備え、それぞれ所定個数、例えば、７８個の単位セル１０６と１２２個の単位セル１０８を流れ方向（矢印Ｘ方向）に重ね合わせて構成される。第１および第２サブスタック１０２、１０４間には、低湿度の酸化剤ガスおよび燃料ガスを前記第２サブスタック１０４（または第１サブスタック１０２）に供給するために、図示しない低加湿反応ガス供給路が設けられるとともに、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路が直列的に接続されている。
【００５６】
図１１に示すように、単位セル１０６は、接合体１１０ａと、この接合体１１０ａを挟んで配置される第１および第２セパレータ１１２ａ、１１４ａとを備える。単位セル１０６の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４６ａ、冷却媒体供給路５４ａおよび燃料ガス排出路５２ｂが設けられるとともに、前記単位セル１０６の長辺方向他端縁部には、燃料ガス供給路５２ａ、冷却媒体排出路５４ｂおよび酸化剤ガス排出路４６ｂが設けられる。
【００５７】
第１セパレータ１１２ａは、カソード側電極３４ａ側の面に複数本の酸化剤ガス流路１１６ａを設ける。この酸化剤ガス流路１１６ａ、酸化剤ガス供給路４６ａに一端側が連通して長辺方向に折り返して蛇行した後、酸化剤ガス排出路４６ｂに連通する。第２セパレータ１１４ａのアノード側電極３６ａ側の面には、第１セパレータ１１２ａと同様に、両端を燃料ガス供給路５２ａと燃料ガス排出路５２ｂとに連通する蛇行形状の燃料ガス流路（図示せず）が設けられる。
【００５８】
図１２に示すように、単位セル１０８は、接合体１１０ｂと第１および第２セパレータ１１２ｂ、１１４ｂとを備えるとともに、酸化剤ガス供給路４６ａ、酸化剤ガス排出路４６ｂ、燃料ガス供給路５２ａおよび燃料ガス排出路５２ｂが、単位セル１０６とは反対の位置に設定されている。第１セパレータ１１２ｂに設けられる酸化剤ガス流路１１６ｂは、酸化剤ガス供給路４６ａから酸化剤ガス排出路４６ｂに向かって蛇行している。
【００５９】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。なお、酸化剤ガス側についてのみ説明する。
【００６０】
まず、第１サブスタック１０２の運転に必要な量（７８セル分）の酸化剤ガスが、加湿された状態で前記第１サブスタック１０２に供給される。第１サブスタック１０２では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が３６ｋＰａに設定される。
【００６１】
第１サブスタック１０２では、酸化剤ガスが第１セパレータ１１２ａの酸化剤ガス流路１１６ａに供給され、蛇行しながらカソード側電極３４ａにより消費されて発電が行われる。その際、反応によって生成水が生じ、この生成水が酸化剤ガス排出路４６ｂに排出される。生成水は、酸化剤ガス排出路４６ｂに連通する第２サブスタック１０４内の酸化剤ガス供給路４６ａに導入されるとともに、この酸化剤ガス供給路４６ａには、低加湿酸化剤ガス供給路４７から低湿度の酸化剤ガスが供給される。
【００６２】
ここで、低湿度の酸化剤ガスは、８５セル分の流量で、利用率が１／１．４に設定されており、生成水を介して加湿された状態で、第２サブスタック１０４内に供給される。第２サブスタック１０４では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が２６ｋＰａに設定される。
【００６３】
これにより、第２の実施形態では、７８セル分の加湿水量を供給するだけで、燃料電池スタック１００全体（２００セル）の加湿が良好に遂行され、加湿構造の小型化が容易に図られるという効果が得られる。しかも、全体の利用率が１／１．６３で２００セルの運転が可能になり、利用率を有効に向上させることができる。
【００６４】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の概略構成図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
燃料電池スタック１２０は、第１サブスタック１０２と第２サブスタック１０４と第３サブスタック１２２とを備え、それぞれ所定個数、例えば、４１個の単位セル１０６と６５個の単位セル１０８と９４個の単位セル１０６とを矢印Ｘ方向に重ね合わせて構成される。第１乃至第３サブスタック１０２、１０４および１２２間には、低湿度の酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給流路に供給するための図示しない中間プレート等が介装されるとともに、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路が直列的に接続されている。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１２０では、第１サブスタック１０２の運転に必要な量（４１セル分）の酸化剤ガスが、加湿された状態で前記第１サブスタック１０２に供給される。第１サブスタック１０２では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が３６ｋＰａに設定される。
【００６７】
次いで、第２サブスタック１０４には、４６セル分の低湿度の酸化剤ガスが供給され（利用率が１／１．４）、前記酸化剤ガスが第１サブスタック１０２から排出される生成水により加湿されて前記第２サブスタック１０４内に導入される。さらに、第３サブスタック１２２には、６１セル分の低湿度の酸化剤ガスが供給される（利用率が１／１．３）。
【００６８】
その際、第２サブスタック１０４では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が２６ｋＰａに設定され、第３サブスタック１２２では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が２１ｋＰａに設定される。
【００６９】
これにより、第３の実施形態では、４１セル分の加湿水量を供給するだけで、燃料電池スタック１２０全体（２００セル）の加湿が良好に遂行されるとともに、全体の利用率が１／１．４７で２００セルの運転が可能になり、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する上流側の第１サブスタック１４０の要部分解斜視図であり、図１５は、前記燃料電池スタックを構成する下流側の第２サブスタック１４２の要部分解斜視図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７１】
図１４に示すように、第１サブスタック１４０は単位セル１４４を備え、この単位セル１４４の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４６ａ、冷却媒体供給路５４ａ、低加湿燃料ガス供給路５３および燃料ガス排出路５２ｂが設けられるとともに、前記単位セル１４４の長辺方向他端縁部には、燃料ガス供給路５２ａ、冷却媒体排出路５４ｂ、低加湿酸化剤ガス供給路４７および酸化剤ガス排出路４６ｂが設けられる。
【００７２】
図１５に示すように、第２サブスタック１４２は単位セル１４６を備えるとともに、酸化剤ガス供給路４６ａと低加湿酸化剤ガス供給路４７とが、連結通路（混合部）１４８を介して連通している。
【００７３】
このように構成される第４の実施形態では、第２サブスタック１４２を構成する各単位セル１４６毎に、低加湿酸化剤ガス供給路４７から連結通路１４８を介して、酸化剤ガス供給路４６ａに低湿度の酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、第１サブスタック１４０から排出された生成水により加湿されて酸化剤ガス流路１１６ｂに供給される。
【００７４】
これにより、第２サブスタック１４２では、各単位セル１４６毎に低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが供給されるため、燃料電池スタック全体の加湿水量が大幅に削減される等、第１乃至第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
ところで、第１乃至第４の実施形態では、サブスタック毎あるいは単位セル毎に低湿度の酸化剤ガスを供給するように構成されているが、反応面内を分割して低湿度の酸化剤ガスを供給することができる。すなわち、図１６は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セル１５０の要部分解斜視図である。なお、図１０に示す第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する単位セル１０６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７６】
単位セル１５０は、接合体１５２と、この接合体１５２を挟んで配置される第１および第２セパレータ１５４、１５６とを備える。単位セル１５０の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４６ａ、低加湿燃料ガス供給路（追加反応ガス供給流路）１５８、冷却媒体供給路５４ａおよび燃料ガス排出路５２ｂが設けられるとともに、前記単位セル１５０の長辺方向他端縁部には、燃料ガス供給路５２ａ、低加湿酸化剤ガス供給路（追加反応ガス供給流路）１６０、冷却媒体排出路５４ｂおよび酸化剤ガス排出路４６ｂが設けられる。
【００７７】
第１セパレータ１５４は、カソード側電極３４ａ側の酸化剤ガス供給面に複数本の酸化剤ガス流路１１６ａを設けるとともに、この酸化剤ガス流路１１６ａと低加湿酸化剤ガス供給路１６０とが連通部１６２を介して連通する。第１セパレータ１５４の酸化剤ガス供給面は、酸化剤ガス供給路４６ａから低加湿酸化剤ガス供給路１６０に連なる上流側の第１酸化剤ガス供給面１６４と、前記低加湿酸化剤ガス供給路１６０から酸化剤ガス排出路４６ｂに連なるとともに、前記第１酸化剤ガス供給面１６４よりも面積の大きな第２酸化剤ガス供給面１６６とを設けている。
【００７８】
図１７に示すように、第２セパレータ１５６のアノード側電極３６ａ側の燃料ガス供給面には、両端を燃料ガス供給路５２ａと燃料ガス排出路５２ｂとに連通する蛇行形状の燃料ガス流路１１６ｃが設けられ、この燃料ガス流路１１６ｃと低加湿燃料ガス供給路１５８とが連通部１６８を介して連通する。第２セパレータ１５６の燃料ガス供給面は、燃料ガス供給路５２ａから低加湿燃料ガス供給路１５８に連なる上流側の第１燃料ガス供給面１７０と、前記低加湿燃料ガス供給路１５８から燃料ガス排出路５２ｂに連なるとともに、前記第１燃料ガス供給面１７０よりも面積の大きな第２燃料ガス供給面１７２とを設けている。
【００７９】
このように構成される第５の実施形態では、第１酸化剤ガス供給面１６４の反応に必要とされる量の酸化剤ガスおよび加湿水を、前記第１酸化剤ガス供給面１６４に供給するだけで、反応による生成水の発生により以降の加湿水の供給が不要になる。このため、加湿水量を有効に削減することができ、加湿構造の小型化が容易に遂行されるという効果が得られる。なお、燃料ガスは、酸化剤ガスと同様に、第１燃料ガス供給面１７０の反応に必要とされる量の酸化剤ガスおよび加湿水だけを供給すればよく、加湿水量の削減が可能になる。
【００８０】
図１８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セル１８０の要部正面図である。
【００８１】
単位セル１８０は、例えば、カソード側電極に酸化剤ガスを供給するためのセパレータ１８２を備え、このセパレータ１８２の面内には、酸化剤ガスの供給方向上流側に配置され、酸化剤ガス供給路４６ａに連なる第１酸化剤ガス供給面１８４が設けられる。この第１酸化剤ガス供給面１８４は、単位セル１８０の積層方向に連通した第１低加湿酸化剤ガス供給路１８６を介して第２酸化剤ガス供給面１８８に連なるとともに、この第２酸化剤ガス供給面１８８は、前記第１低加湿酸化剤ガス供給路１８６および第２低加湿酸化剤ガス供給路１９０を介して第３酸化剤ガス供給面１９２に連なる。さらに、第３酸化剤ガス供給面１９２は、第２低加湿酸化剤ガス供給路１９０および第３低加湿酸化剤ガス供給路１９４から第４酸化剤ガス供給面１９６を介して酸化剤ガス排出路４６ｂに連なる。
【００８２】
第１酸化剤ガス供給面１８４は、最小面積に設定されており、第２乃至第４酸化剤ガス供給面１８８、１９２および１９６は、それぞれ面積が２倍ずつ増加している。
【００８３】
このように構成される第６の実施形態では、第１酸化剤ガス供給面１８４の反応に必要とされる量の酸化剤ガスおよび加湿水を、前記第１酸化剤ガス供給面１８４に供給するだけで、反応による生成水の発生により、第２乃至第４酸化剤ガス供給面１８８、１９２および１９６に対する加湿水の供給が不要になる。このため、加湿水量を一挙に削減することができ、加湿構造の小型化が容易に遂行されるという効果が得られる。
【００８４】
図１９は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック２００の概略説明図である。この燃料電池スタック２００は、複数個、例えば、２００個の単位セル２０２を備える。
【００８５】
燃料電池スタック２００の入口側および出口側には、酸化剤ガス供給路２０４および酸化剤ガス排出路２０６が設けられるとともに、前記酸化剤ガス排出路２０６から前記酸化剤ガス供給路２０４に生成水を戻すためのリターン流路２０８が設けられている。
【００８６】
これにより、使用済みの酸化剤ガスに含まれている生成水が、リターン流路２０８を介して酸化剤ガス供給路２０４に戻されるため、燃料電池スタック２００全体の加湿を良好に行うことができ、無加湿運転が容易に遂行可能になるという効果が得られる。なお、上記では、酸化剤ガス側についてのみ説明したが、燃料ガス側においても同様に適用することができる。
【００８７】
また、図１９において、酸化剤ガス排出路２０６に近接して湿度センサ２１０を設置しておき、燃料電池スタック２００の出口湿度が所定値以上になった際、酸化剤ガス供給路２０４から前記燃料電池スタック２００に供給される酸化剤ガスの加湿を停止することが可能になる。
【００８８】
なお、第１乃至第７の実施形態は、個別に構成しているが、これらを必要に応じて適宜組み合わせることも可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、第１サブスタックの排出流路が反応ガスの供給方向下流側に配置される第２サブスタックの供給流路に直列的に接続されており、前記第１サブスタックで生成された生成水を利用して、前記第２サブスタックを加湿することができ、燃料電池スタック全体の加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【００９０】
また、本発明では、接合体の少なくとも一方の反応面を構成する上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の前記反応ガスが供給されるとともに、下流側の第２反応面に無加湿の反応ガスが供給される。このため、第１反応面で生成された生成水を利用して、第２反応面を加湿することができ、加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成するセルアセンブリの分解斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する別のセルアセンブリの分解斜視図である。
【図６】前記燃料ガススタック内の酸化剤ガスの流れ説明図である。
【図７】一方の中間プレートの正面図である。
【図８】他方の中間プレートの正面図である。
【図９】前記燃料電池スタックが組み込まれる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１１】一方の単位セルの分解斜視図である。
【図１２】他方の単位セルの分解斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１サブスタックの要部分解斜視図である。
【図１５】前記燃料電池スタックを構成する第２サブスタックの要部分解斜視図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの要部分解斜視図である。
【図１７】前記単位セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの要部正面図である。
【図１９】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの概略説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１２０、２００…燃料電池スタック
１２、１４、１６、１０２、１０４、１２２、１４０、１４２…サブスタック
１８ａ、１８ｂ…中間プレート ２０ａ〜２０ｃ…セルアセンブリ
２４、２６、１０６、１０８、１４４、１４６、１５０、１８０、２０２…単位セル
２８、３０、１１０ａ、１１０ｂ、１５２…接合体
３８、４０、１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１５４、１５６、１８２…セパレータ
４６ａ、４６ｃ、２０４…酸化剤ガス供給路
４６ｂ、４６ｄ、２０６…酸化剤ガス排出路
４６ｅ、４６ｆ、５６、６８、１１６ａ、１１６ｂ…酸化剤ガス流路
４７、１６０、１８６、１９０、１９４…低加湿酸化剤ガス供給路
５２ａ、５２ｃ…燃料ガス供給路 ５２ｂ、５２ｄ…燃料ガス排出路
５３、１５８…低加湿燃料ガス供給路
６２、６６…燃料ガス流路 ８０…燃料電池システム
８８、９０…加湿器
１６４、１６６、１８４、１８８、１９２、１９６…酸化剤ガス供給面
１７０、１７２…燃料ガス供給面 ２０８…リターン流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成される燃料電池スタックおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用しており、この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される接合体（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備えており、通常、この単位セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックでは、電解質膜が乾燥すると、高出力密度運転を維持することができなくなり、前記電解質膜を適切に加湿する必要がある。このため、従来から種々の加湿方式が採用されている。例えば、燃料電池スタックの外部にバブラー等の加湿器を備えており、反応ガス（燃料ガス／酸化剤ガス）を加湿して接合体に水分を供給することによって、前記接合体を構成する電解質膜を加湿する外部加湿法や、加湿器（加湿構造）を単位セル内部に備えて前記電解質膜を加湿する内部加湿法や、該内部加湿法に属し該電解質膜の内部における電気化学反応の結果発生した生成水を利用して加湿する自己加湿法等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の外部加湿法では、燃料電池スタックの外部に付加装置として加湿器が設けられるため、燃料電池全体が大型化してしまい、占有スペースが拡大するという問題が指摘されている。しかも、特に燃料電池の負荷を急激に上昇させた際等に、加湿器の追従性が問題となる場合がある。
【０００６】
また、上記の内部加湿法は、電解質膜の内部に埋め込まれた吸水糸による加湿法や、アノード側から水透過板を通した加湿法や、電解質膜のアノード側に吸水糸を接触させる加湿法が一般的である。ところが、この種の方式では、何らかの原因で加湿が不十分になった際、適切な補修が困難であるという問題が指摘されている。
【０００７】
さらに、上記の自己加湿法は、例えば、電解質膜内に白金の微粒子を分散させ、アノード側電極およびカソード側電極から進入してくる水素ガスおよび酸素ガスの反応により前記電解質膜内部から水を生成させる方式や、電解質膜の厚さを非常に薄くしてカソード側電極側で生成される水を拡散させ、アノード側電極側に水を補給する方式が一般的である。しかしながら、この種の方式では、特別な電解質膜を製作しなければならず、コストが高騰するとともに、所望の特性を十分に備えた電解質膜を得ることが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、特別な加湿装置を使用することがなく、所望の加湿状態を確実に得るとともに、効率的な発電が遂行可能な燃料電池スタックおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１および請求項１０に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各単位セルに反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給および排出する供給流路および排出流路を設ける第１および第２サブスタックとの少なくとも２個のサブスタックを備えており、一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置される前記第１サブスタックの前記排出流路が、一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される前記第２サブスタックの前記供給流路に直列的に連通されている。
【００１０】
そこで、供給流路を介して、第１サブスタックに、この第１サブスタックの運転に必要な量の一方の反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスが供給される。
【００１１】
このため、第１サブスタックで生成された生成水を利用し、低湿度の反応ガスを加湿して第２サブスタックに加湿した反応ガスを供給することができ、燃料電池スタック全体の加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。加湿水量自体が減少するため、外部加湿装置の小型化が図られる一方、内部加湿機構が不要化あるいは小型化されるからである。
【００１２】
また、第１サブスタックの排出流路と第２サブスタックの供給流路の接続部位に配置される中間プレートは、追加反応ガス供給流路を前記第２サブスタックの前記供給流路に連通させる連通部を設けている（請求項２）。従って、第１および第２サブスタック間の配管が簡素化され、燃料電池スタック全体の小型化を図るとともに、配管長が短尺化されて配管内での結露を防止することができる。
【００１３】
しかも、第２サブスタックの供給流路に、第１サブスタックに供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給され（請求項１１）、この第２サブスタックに低湿度の反応ガスを供給しても、前記第２サブスタック内の湿度を十分に維持することができる。このため、電流密度分布を均一に維持し、発電性能の向上および耐久性の向上が可能になる。
【００１４】
さらに、第２サブスタックを構成する各単位セルは、追加反応ガス供給流路をこの第２サブスタックの供給流路に連通させることにより、混合された反応ガスを各接合体に供給している（請求項３および請求項１２）。これにより、各単位セルの湿度を均一にして第２サブスタック内の湿度分布を均一化することができる。
【００１５】
ここで、第２サブスタックを構成する単位セルの個数は、第１サブスタックを構成する単位セルの個数よりも多い数に設定されている（請求項４および請求項１３）。従って、燃料電池スタック全体に供給される反応ガスに含まれる加湿水量が一層削減されるとともに、反応ガスの利用率を向上させることが可能になる。
【００１６】
さらにまた、単位セルの個数の少ない第１サブスタックに、この第１サブスタックの運転に必要な量の酸化剤ガスおよび水分が供給され、この第１サブスタックの排出流路から、セル個数の多い第２サブスタックの供給流路に排出されている（請求項１４）。その際、第１サブスタックでは、反応により生成水が生成され、第２サブスタックに供給される低湿度の酸化剤ガスが十分に加湿される。このため、燃料電池スタック全体に供給される加湿水量を有効に削減することができる。
【００１７】
また、第１サブスタックに、供給流路を介してこの第１サブスタックの運転に必要な量の燃料ガスおよび水分が供給され、この第１サブスタックの排出流路から、単位セルの個数が同数以下に設定された第２サブスタックの供給流路に排出されている（請求項１５）。その際、第１サブスタックに供給された燃料ガスに含まれる加湿水は、加湿水量が減少することなく第２サブスタックに供給されるため、燃料電池スタック全体の燃料ガスに含まれる加湿水量を削減するとともに、燃料ガスの使用量が削減可能になる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項５および請求項１６に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各接合体の反応面に反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する供給流路を設けている。
【００２０】
そこで、接合体の少なくとも一方の反応面を構成し、供給流路に連通する供給方向上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の前記反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、供給方向下流側の第２反応面に、前記第１反応面に供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給される。このため、第１反応面で生成された生成水を利用して、第２反応面を加湿することができ、加湿水量が有効に低減されて外部加湿装置や内部加湿機構を含む加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【００２１】
また、第１反応面から第２反応面にわたって蛇行形状の反応ガス流路が設けられるとともに、前記反応ガス流路の折り返し部位に追加反応ガス供給流路を連通させるための連通部が備えられている（請求項６）。その際、第２反応面の面積は、第１反応面の面積よりも大きく設定されている（請求項７および請求項１８）。従って、燃料電池スタック全体に供給される加湿水量が一層削減されるとともに、反応ガスの利用率を向上させることが可能になる。
【００２２】
さらに、本発明の請求項８に係る燃料電池スタックでは、供給流路を介して、第１サブスタックに、この第１サブスタックの運転に必要な量の反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給される。一方、接合体の少なくとも一方の反応面を構成し、供給流路に連通する供給方向上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の前記反応ガスが供給されるとともに、前記供給流路とは独立して、供給方向下流側の少なくとも１つの第２反応面に前記第１反応面に供給される反応ガスよりも低湿度の反応ガスが供給される。これにより、加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【００２３】
さらにまた、使用済みの反応ガスの一部を燃料電池スタックの反応ガス入口側に戻している（請求項９および請求項１９）。従って、使用済みの反応ガスに含まれている水分を循環させることで、燃料電池スタック全体の加湿を行うことができ、無加湿運転が容易に遂行可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解斜視説明図である。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、反応ガス、例えば、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に配列される第１サブスタック１２、第２サブスタック１４および第３サブスタック１６を備え、前記第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６間には、中間プレート１８ａ、１８ｂが介装される。第１乃至第３サブスタック１２、１４および１６は、それぞれ所定組数のセルアセンブリ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃを矢印Ｘ方向に重ね合わせて構成される。なお、第１の実施形態では、燃料ガスの流れ方向は、酸化剤ガスの流れ方向とは反対方向に設定されているが、同一方向であってもよい。
【００２６】
図２に示すように、セルアセンブリ２０ａ、２０ｃは、第１単位セル２４と第２単位セル２６とを重ね合わせて構成されており、前記第１および第２単位セル２４、２６は、第１および第２接合体２８、３０を備える。
【００２７】
第１および第２接合体２８、３０は、固体高分子電解質膜３２ａ、３２ｂと、前記電解質膜３２ａ、３２ｂを挟んで配設されるカソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂとを有する。カソード側電極３４ａ、３４ｂおよびアノード側電極３６ａ、３６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００２８】
図２および図３に示すように、第１接合体２８のカソード側電極３４ａ側に第１セパレータ３８が配設され、第２接合体３０のアノード側電極３６ｂ側に第２セパレータ４０が配設されるとともに、前記第１および第２接合体２８、３０間に中間セパレータ４２が配設される。第１および第２セパレータ３８、４０の外側の面側には、薄板状の壁板４４が設けられる。
【００２９】
図２に示すように、第１および第２接合体２８、３０、第１および第２セパレータ３８、４０並びに中間セパレータ４２の長辺側の一端縁部には、第１および第２単位セル２４、２６の重ね合わせ方向（矢印Ａ方向）に互いに連通して、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガス（反応ガス）を通過させるための酸化剤ガス供給路（反応ガス供給流路）４６ａと、酸化剤ガス排出路（反応ガス排出流路）４６ｂと、前記酸化剤ガス供給路４６ａに供給される加湿された酸化剤ガスよりも低湿度の酸化剤ガス（以下、低加湿の酸化剤ガスという）を通過させるための低加湿酸化剤ガス供給路（追加反応ガス供給流路）４７と、水素含有ガス等の燃料ガス（反応ガス）を通過させるための燃料ガス中間連通孔４８とが設けられる。
【００３０】
第１および第２接合体２８、３０、第１および第２セパレータ３８、４０並びに中間セパレータ４２の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス中間連通孔５０と、燃料ガスを通過させるための燃料ガス供給路（反応ガス供給流路）５２ａと、燃料ガス排出路（反応ガス排出流路）５２ｂと、前記燃料ガス供給路５２ａに供給される加湿された燃料ガスよりも低湿度の燃料ガス（以下、低加湿の燃料ガスという）を通過させるための低加湿燃料ガス供給路（追加反応ガス供給流路）５３と、冷却媒体を通過させるための冷却媒体供給路５４ａと、冷却媒体排出路５４ｂとが設けられる。
【００３１】
第１セパレータ３８は、金属薄板で構成されるとともに、第１接合体２８の反応面（発電面）に対応する部位が凹凸形状、例えば、波形状に設定される。第１セパレータ３８は、図４に示すように、第１接合体２８のカソード側電極３４ａに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）５６を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路５６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス供給路４６ａと酸化剤ガス中間連通孔５０とに連通する。
【００３２】
図２および図３に示すように、第１セパレータ３８は、壁板４４の一方の面に対向する側に複数本の冷却媒体流路５８を設ける。冷却媒体流路５８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在しており、一端が冷却媒体供給路５４ａに連通するとともに、他端側が壁板４４に形成された、あるいは、別部材に形成された中間折り返し部である孔部６０を介して前記壁板４４の他方の面側から冷却媒体排出路５４ｂに連通する。
【００３３】
第２セパレータ４０は、上記の第１セパレータ３８と略同様に構成されており、第２接合体３０のアノード側電極３６ｂに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）６２を設けるとともに、前記燃料ガス流路６２は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス中間連通孔４８と燃料ガス排出路５２ｂとに連通する。
【００３４】
中間セパレータ４２は、上記の第１および第２セパレータ３８、４０と略同様に構成されており、第１接合体２８のアノード側電極３６ａに対向する側に複数本の燃料ガス流路（反応ガス流路）６６を設けるとともに、前記燃料ガス流路６６は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が燃料ガス排出路５２ｂと燃料ガス中間連通孔４８とに連通する。
【００３５】
図３に示すように、中間セパレータ４２は、第２接合体３０のカソード側電極３４ｂに対向する側に複数本の酸化剤ガス流路（反応ガス流路）６８を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路６８は、長辺方向（矢印Ｂ方向）に直線状に延在してそれぞれの両端が酸化剤ガス中間連通孔５０と酸化剤ガス排出路４６ｂとに連通する。
【００３６】
図５に示すように、セルアセンブリ２０ｂは、上記のセルアセンブリ２０ａ、２０ｃと略同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
このセルアセンブリ２０ｂは、酸化剤ガス供給路（反応ガス供給流路）４６ｃおよび酸化剤ガス排出路（反応ガス排出流路）４６ｄを備えており、前記酸化剤ガス供給路４６ｃがセルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂに直列的に連通するとともに、前記酸化剤ガス排出路４６ｄがセルアセンブリ２０ｃの酸化剤ガス供給路４６ａに直列的に連通する。図６に示すように、低加湿の酸化剤ガスは、セルアセンブリ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃの低加湿酸化剤ガス供給路４７に供給されており、中間プレート１８ａの連結通路（連通部）７０を介してセルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに供給されるとともに、中間プレート１８ｂの連結通路（連通部）７４を介してセルアセンブリ２０ｃの酸化剤ガス供給路４６ａに供給される。
【００３８】
同様に、セルアセンブリ２０ｂは、燃料ガス供給路（反応ガス供給流路）５２ｃおよび燃料ガス排出路（反応ガス排出流路）５２ｄを備え、前記燃料ガス供給路５２ｃがセルアセンブリ２０ｃの燃料ガス排出路５２ｂに直列的に連通するとともに、前記燃料ガス排出路５２ｄがセルアセンブリ２０ａの燃料ガス供給路５２ａに直列的に連通する。
【００３９】
図７に示すように、中間プレート１８ａの長辺側一端縁部には、酸化剤ガス流路４６ｅ、４６ｆと低加湿酸化剤ガス供給路４７とが設けられ、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂおよびセルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに連通する前記酸化剤ガス流路４６ｅと、前記低加湿酸化剤ガス供給路４７とが、連結通路７０を介して連通する。
【００４０】
中間プレート１８ａの長辺側他端縁部には、冷却媒体供給路５４ａ、冷却媒体排出路５４ｂ、低加湿燃料ガス供給路５３および燃料ガス流路５２ｅ、５２ｆが設けられる。燃料ガス流路５２ｅは、セルアセンブリ２０ａの燃料ガス供給路５２ａに連通しており、この燃料ガス流路５２ｅと低加湿燃料ガス供給路５３とが、連結通路（連通部）７２を介して連通する。
【００４１】
図８に示すように、中間プレート１８ｂは、中間プレート１８ａと同様に構成されており、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス供給路４６ａに連通する酸化剤ガス流路４６ｆと低加湿酸化剤ガス供給路４７とが、連結通路７４を介して連通するとともに、セルアセンブリ２０ｂの燃料ガス供給路５２ｃに連通する燃料ガス流路５２ｆと低加湿燃料ガス供給路５３とが、連結通路（連通部）７６を介して連通する。
【００４２】
図９は、上記のように構成される燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム８０の概略構成図である。
【００４３】
この燃料電池システム８０は、大気を圧縮して燃料電池スタック１０に供給するためのコンプレッサ（圧縮器）８２を備え、このコンプレッサ８２の出口側には、主供給路８４と追加供給路８６とが連通する。主供給路８４は、加湿器８８を介して第１サブスタック１２の酸化剤ガス供給路４６ａに連通するとともに、追加供給路８６は、加湿器９０を介して低加湿酸化剤ガス供給路４７に連通する。なお、加湿器９０は、必要に応じて設ければよく、また、使用する際にも、比較的小さな加湿能力を有していればよい。
【００４４】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、本発明に係る運転方法との関連で以下に説明する。
【００４５】
図９に示すように、燃料電池システム８０を構成するコンプレッサ８２の作用下に、空気または酸素含有ガスである酸化剤ガスが、主供給路８４に圧送されて加湿器８８により所定の湿度に調整された後、燃料電池スタック１０に供給される一方、水素含有ガス等の燃料ガスが、所定の湿度に調整された後、図示しない供給機構を介して前記燃料電池スタック１０に、前記酸化剤ガスとは反対側から供給される。
【００４６】
燃料電池スタック１０内では、まず、第１サブスタック１２を構成するセルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス供給路４６ａに酸化剤ガスが供給されるとともに、第３サブスタック１６を構成するセルアセンブリ２０ｃの燃料ガス供給路５２ａに燃料ガスが供給される（図１参照）。さらに、冷却媒体供給路５４ａには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００４７】
このため、図３に示すように、第１および第２接合体２８、３０では、カソード側電極３４ａ、３４ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６ａ、３６ｂに供給される燃料ガスとが、触媒層内で触媒反応により消費され、発電が行われる。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、第１サブスタック１２に対して、この第１サブスタック１２の運転に必要な量の酸化剤ガスおよび水分（実際上、予め加湿された所定量の酸化剤ガス）が供給される。従って、第１サブスタック１２を構成する各セルアセンブリ２０ａでは、反応に必要な量の酸化剤ガスが加湿された状態で供給されるため、前記第１サブスタック１２内で所望の反応（発電）が有効に行われる。
【００４９】
各セルアセンブリ２０ａ内では、反応により生成水が得られ、この生成水が酸化剤ガス排出路４６ｂに沿って矢印Ｘ方向に移動し、第２サブスタック１４を構成するセルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに導入される。その際、第１および第２サブスタック１２、１４間には、中間プレート１８ａが介装されており、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂに連通する酸化剤ガス流路４６ｅが、連結通路７０を介して低加湿酸化剤ガス供給路４７に連通している。
【００５０】
これにより、酸化剤ガス流路４６ｅには、追加供給路８６を介して低湿度の酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスは、セルアセンブリ２０ａの酸化剤ガス排出路４６ｂに沿って移動する生成水によって加湿された状態で、セルアセンブリ２０ｂの酸化剤ガス供給路４６ｃに供給される。従って、第２サブスタック１４では、各セルアセンブリ２０ｂに加湿された酸化剤ガスが確実に供給され、所望の反応が遂行される。
【００５１】
さらに、各セルアセンブリ２０ｂでは、反応によって生成された生成水が酸化剤ガス排出路４６ｄに排出される。このため、中間プレート１８ｂで連結通路７６を介して低加湿酸化剤ガス供給路４７に連通する第３サブスタック１６の酸化剤ガス供給路４６ａには、低湿度で供給された酸化剤ガスが、生成水により十分に加湿された状態で供給される。
【００５２】
一方、第３サブスタック１６側から供給される燃料ガスは、上記の酸化剤ガスと同様に、この第３サブスタック１６に対して、この第３サブスタック１６の運転に必要な量の燃料ガスおよび水分（実際上、予め加湿された所定量の燃料ガス）が供給される。第１および第２接合体２８、３０では、燃料ガスに含まれている加湿水がそのまま燃料ガス排出路５２ｂに排出されるため、この加湿水が第２サブスタック１４に移動し、低加湿燃料ガス供給路５３から供給された低湿度の燃料ガスを加湿して第２サブスタック１４に供給する。
【００５３】
これにより、第１の実施形態では、酸化剤ガスに対して第１サブスタック１２を加湿するのに必要な加湿水のみを供給するだけでよく、燃料ガスに対して第３サブスタック１６を加湿するのに必要な加湿水のみを供給するだけでよい。実際上、第１の実施形態を使用すると、燃料ガスでは、従来の加湿水量に比べて６２％の削減が可能になった。この結果、燃料電池スタック１０全体に供給される加湿水量を大幅に削減することができ、加湿構造を大幅に小型化することが可能になるという効果が得られる。
【００５４】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
燃料電池スタック１００は、第１サブスタック１０２と第２サブスタック１０４とを備え、それぞれ所定個数、例えば、７８個の単位セル１０６と１２２個の単位セル１０８を流れ方向（矢印Ｘ方向）に重ね合わせて構成される。第１および第２サブスタック１０２、１０４間には、低湿度の酸化剤ガスおよび燃料ガスを前記第２サブスタック１０４（または第１サブスタック１０２）に供給するために、図示しない低加湿反応ガス供給路が設けられるとともに、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路が直列的に接続されている。
【００５６】
図１１に示すように、単位セル１０６は、接合体１１０ａと、この接合体１１０ａを挟んで配置される第１および第２セパレータ１１２ａ、１１４ａとを備える。単位セル１０６の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４６ａ、冷却媒体供給路５４ａおよび燃料ガス排出路５２ｂが設けられるとともに、前記単位セル１０６の長辺方向他端縁部には、燃料ガス供給路５２ａ、冷却媒体排出路５４ｂおよび酸化剤ガス排出路４６ｂが設けられる。
【００５７】
第１セパレータ１１２ａは、カソード側電極３４ａ側の面に複数本の酸化剤ガス流路１１６ａを設ける。この酸化剤ガス流路１１６ａ、酸化剤ガス供給路４６ａに一端側が連通して長辺方向に折り返して蛇行した後、酸化剤ガス排出路４６ｂに連通する。第２セパレータ１１４ａのアノード側電極３６ａ側の面には、第１セパレータ１１２ａと同様に、両端を燃料ガス供給路５２ａと燃料ガス排出路５２ｂとに連通する蛇行形状の燃料ガス流路（図示せず）が設けられる。
【００５８】
図１２に示すように、単位セル１０８は、接合体１１０ｂと第１および第２セパレータ１１２ｂ、１１４ｂとを備えるとともに、酸化剤ガス供給路４６ａ、酸化剤ガス排出路４６ｂ、燃料ガス供給路５２ａおよび燃料ガス排出路５２ｂが、単位セル１０６とは反対の位置に設定されている。第１セパレータ１１２ｂに設けられる酸化剤ガス流路１１６ｂは、酸化剤ガス供給路４６ａから酸化剤ガス排出路４６ｂに向かって蛇行している。
【００５９】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。なお、酸化剤ガス側についてのみ説明する。
【００６０】
まず、第１サブスタック１０２の運転に必要な量（７８セル分）の酸化剤ガスが、加湿された状態で前記第１サブスタック１０２に供給される。第１サブスタック１０２では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が３６ｋＰａに設定される。
【００６１】
第１サブスタック１０２では、酸化剤ガスが第１セパレータ１１２ａの酸化剤ガス流路１１６ａに供給され、蛇行しながらカソード側電極３４ａにより消費されて発電が行われる。その際、反応によって生成水が生じ、この生成水が酸化剤ガス排出路４６ｂに排出される。生成水は、酸化剤ガス排出路４６ｂに連通する第２サブスタック１０４内の酸化剤ガス供給路４６ａに導入されるとともに、この酸化剤ガス供給路４６ａには、低加湿酸化剤ガス供給路４７から低湿度の酸化剤ガスが供給される。
【００６２】
ここで、低湿度の酸化剤ガスは、８５セル分の流量で、利用率が１／１．４に設定されており、生成水を介して加湿された状態で、第２サブスタック１０４内に供給される。第２サブスタック１０４では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が２６ｋＰａに設定される。
【００６３】
これにより、第２の実施形態では、７８セル分の加湿水量を供給するだけで、燃料電池スタック１００全体（２００セル）の加湿が良好に遂行され、加湿構造の小型化が容易に図られるという効果が得られる。しかも、全体の利用率が１／１．６３で２００セルの運転が可能になり、利用率を有効に向上させることができる。
【００６４】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の概略構成図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６５】
燃料電池スタック１２０は、第１サブスタック１０２と第２サブスタック１０４と第３サブスタック１２２とを備え、それぞれ所定個数、例えば、４１個の単位セル１０６と６５個の単位セル１０８と９４個の単位セル１０６とを矢印Ｘ方向に重ね合わせて構成される。第１乃至第３サブスタック１０２、１０４および１２２間には、低湿度の酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給流路に供給するための図示しない中間プレート等が介装されるとともに、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路が直列的に接続されている。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１２０では、第１サブスタック１０２の運転に必要な量（４１セル分）の酸化剤ガスが、加湿された状態で前記第１サブスタック１０２に供給される。第１サブスタック１０２では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が３６ｋＰａに設定される。
【００６７】
次いで、第２サブスタック１０４には、４６セル分の低湿度の酸化剤ガスが供給され（利用率が１／１．４）、前記酸化剤ガスが第１サブスタック１０２から排出される生成水により加湿されて前記第２サブスタック１０４内に導入される。さらに、第３サブスタック１２２には、６１セル分の低湿度の酸化剤ガスが供給される（利用率が１／１．３）。
【００６８】
その際、第２サブスタック１０４では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が２６ｋＰａに設定され、第３サブスタック１２２では、酸化剤ガスの入口湿度が６５％、利用率が０．５、酸素分圧が２１ｋＰａに設定される。
【００６９】
これにより、第３の実施形態では、４１セル分の加湿水量を供給するだけで、燃料電池スタック１２０全体（２００セル）の加湿が良好に遂行されるとともに、全体の利用率が１／１．４７で２００セルの運転が可能になり、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７０】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する上流側の第１サブスタック１４０の要部分解斜視図であり、図１５は、前記燃料電池スタックを構成する下流側の第２サブスタック１４２の要部分解斜視図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７１】
図１４に示すように、第１サブスタック１４０は単位セル１４４を備え、この単位セル１４４の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４６ａ、冷却媒体供給路５４ａ、低加湿燃料ガス供給路５３および燃料ガス排出路５２ｂが設けられるとともに、前記単位セル１４４の長辺方向他端縁部には、燃料ガス供給路５２ａ、冷却媒体排出路５４ｂ、低加湿酸化剤ガス供給路４７および酸化剤ガス排出路４６ｂが設けられる。
【００７２】
図１５に示すように、第２サブスタック１４２は単位セル１４６を備えるとともに、酸化剤ガス供給路４６ａと低加湿酸化剤ガス供給路４７とが、連結通路（混合部）１４８を介して連通している。
【００７３】
このように構成される第４の実施形態では、第２サブスタック１４２を構成する各単位セル１４６毎に、低加湿酸化剤ガス供給路４７から連結通路１４８を介して、酸化剤ガス供給路４６ａに低湿度の酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、第１サブスタック１４０から排出された生成水により加湿されて酸化剤ガス流路１１６ｂに供給される。
【００７４】
これにより、第２サブスタック１４２では、各単位セル１４６毎に低加湿乃至無加湿の酸化剤ガスが供給されるため、燃料電池スタック全体の加湿水量が大幅に削減される等、第１乃至第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
ところで、第１乃至第４の実施形態では、サブスタック毎あるいは単位セル毎に低湿度の酸化剤ガスを供給するように構成されているが、反応面内を分割して低湿度の酸化剤ガスを供給することができる。すなわち、図１６は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セル１５０の要部分解斜視図である。なお、図１０に示す第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する単位セル１０６と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７６】
単位セル１５０は、接合体１５２と、この接合体１５２を挟んで配置される第１および第２セパレータ１５４、１５６とを備える。単位セル１５０の長辺方向（矢印Ｂ方向）一端縁部には、酸化剤ガス供給路４６ａ、低加湿燃料ガス供給路（追加反応ガス供給流路）１５８、冷却媒体供給路５４ａおよび燃料ガス排出路５２ｂが設けられるとともに、前記単位セル１５０の長辺方向他端縁部には、燃料ガス供給路５２ａ、低加湿酸化剤ガス供給路（追加反応ガス供給流路）１６０、冷却媒体排出路５４ｂおよび酸化剤ガス排出路４６ｂが設けられる。
【００７７】
第１セパレータ１５４は、カソード側電極３４ａ側の酸化剤ガス供給面に複数本の酸化剤ガス流路１１６ａを設けるとともに、この酸化剤ガス流路１１６ａと低加湿酸化剤ガス供給路１６０とが連通部１６２を介して連通する。第１セパレータ１５４の酸化剤ガス供給面は、酸化剤ガス供給路４６ａから低加湿酸化剤ガス供給路１６０に連なる上流側の第１酸化剤ガス供給面１６４と、前記低加湿酸化剤ガス供給路１６０から酸化剤ガス排出路４６ｂに連なるとともに、前記第１酸化剤ガス供給面１６４よりも面積の大きな第２酸化剤ガス供給面１６６とを設けている。
【００７８】
図１７に示すように、第２セパレータ１５６のアノード側電極３６ａ側の燃料ガス供給面には、両端を燃料ガス供給路５２ａと燃料ガス排出路５２ｂとに連通する蛇行形状の燃料ガス流路１１６ｃが設けられ、この燃料ガス流路１１６ｃと低加湿燃料ガス供給路１５８とが連通部１６８を介して連通する。第２セパレータ１５６の燃料ガス供給面は、燃料ガス供給路５２ａから低加湿燃料ガス供給路１５８に連なる上流側の第１燃料ガス供給面１７０と、前記低加湿燃料ガス供給路１５８から燃料ガス排出路５２ｂに連なるとともに、前記第１燃料ガス供給面１７０よりも面積の大きな第２燃料ガス供給面１７２とを設けている。
【００７９】
このように構成される第５の実施形態では、第１酸化剤ガス供給面１６４の反応に必要とされる量の酸化剤ガスおよび加湿水を、前記第１酸化剤ガス供給面１６４に供給するだけで、反応による生成水の発生により以降の加湿水の供給が不要になる。このため、加湿水量を有効に削減することができ、加湿構造の小型化が容易に遂行されるという効果が得られる。なお、燃料ガスは、酸化剤ガスと同様に、第１燃料ガス供給面１７０の反応に必要とされる量の酸化剤ガスおよび加湿水だけを供給すればよく、加湿水量の削減が可能になる。
【００８０】
図１８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セル１８０の要部正面図である。
【００８１】
単位セル１８０は、例えば、カソード側電極に酸化剤ガスを供給するためのセパレータ１８２を備え、このセパレータ１８２の面内には、酸化剤ガスの供給方向上流側に配置され、酸化剤ガス供給路４６ａに連なる第１酸化剤ガス供給面１８４が設けられる。この第１酸化剤ガス供給面１８４は、単位セル１８０の積層方向に連通した第１低加湿酸化剤ガス供給路１８６を介して第２酸化剤ガス供給面１８８に連なるとともに、この第２酸化剤ガス供給面１８８は、前記第１低加湿酸化剤ガス供給路１８６および第２低加湿酸化剤ガス供給路１９０を介して第３酸化剤ガス供給面１９２に連なる。さらに、第３酸化剤ガス供給面１９２は、第２低加湿酸化剤ガス供給路１９０および第３低加湿酸化剤ガス供給路１９４から第４酸化剤ガス供給面１９６を介して酸化剤ガス排出路４６ｂに連なる。
【００８２】
第１酸化剤ガス供給面１８４は、最小面積に設定されており、第２乃至第４酸化剤ガス供給面１８８、１９２および１９６は、それぞれ面積が２倍ずつ増加している。
【００８３】
このように構成される第６の実施形態では、第１酸化剤ガス供給面１８４の反応に必要とされる量の酸化剤ガスおよび加湿水を、前記第１酸化剤ガス供給面１８４に供給するだけで、反応による生成水の発生により、第２乃至第４酸化剤ガス供給面１８８、１９２および１９６に対する加湿水の供給が不要になる。このため、加湿水量を一挙に削減することができ、加湿構造の小型化が容易に遂行されるという効果が得られる。
【００８４】
図１９は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック２００の概略説明図である。この燃料電池スタック２００は、複数個、例えば、２００個の単位セル２０２を備える。
【００８５】
燃料電池スタック２００の入口側および出口側には、酸化剤ガス供給路２０４および酸化剤ガス排出路２０６が設けられるとともに、前記酸化剤ガス排出路２０６から前記酸化剤ガス供給路２０４に生成水を戻すためのリターン流路２０８が設けられている。
【００８６】
これにより、使用済みの酸化剤ガスに含まれている生成水が、リターン流路２０８を介して酸化剤ガス供給路２０４に戻されるため、燃料電池スタック２００全体の加湿を良好に行うことができ、無加湿運転が容易に遂行可能になるという効果が得られる。なお、上記では、酸化剤ガス側についてのみ説明したが、燃料ガス側においても同様に適用することができる。
【００８７】
また、図１９において、酸化剤ガス排出路２０６に近接して湿度センサ２１０を設置しておき、燃料電池スタック２００の出口湿度が所定値以上になった際、酸化剤ガス供給路２０４から前記燃料電池スタック２００に供給される酸化剤ガスの加湿を停止することが可能になる。
【００８８】
なお、第１乃至第７の実施形態は、個別に構成しているが、これらを必要に応じて適宜組み合わせることも可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックおよびその運転方法では、第１サブスタックの排出流路が反応ガスの供給方向下流側に配置される第２サブスタックの供給流路に直列的に接続されており、前記第１サブスタックで生成された生成水を利用して、前記第２サブスタックを加湿することができ、燃料電池スタック全体の加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【００９０】
また、本発明では、接合体の少なくとも一方の反応面を構成する上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の前記反応ガスが供給されるとともに、下流側の第２反応面に無加湿の反応ガスが供給される。このため、第１反応面で生成された生成水を利用して、第２反応面を加湿することができ、加湿水量が有効に低減されて加湿構造の小型化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成するセルアセンブリの分解斜視図である。
【図３】前記セルアセンブリ内の流れ図である。
【図４】前記セルアセンブリを構成する第１セパレータの正面図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する別のセルアセンブリの分解斜視図である。
【図６】前記燃料ガススタック内の酸化剤ガスの流れ説明図である。
【図７】一方の中間プレートの正面図である。
【図８】他方の中間プレートの正面図である。
【図９】前記燃料電池スタックが組み込まれる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１１】一方の単位セルの分解斜視図である。
【図１２】他方の単位セルの分解斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する第１サブスタックの要部分解斜視図である。
【図１５】前記燃料電池スタックを構成する第２サブスタックの要部分解斜視図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの要部分解斜視図である。
【図１７】前記単位セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの要部正面図である。
【図１９】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの概略説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１２０、２００…燃料電池スタック
１２、１４、１６、１０２、１０４、１２２、１４０、１４２…サブスタック
１８ａ、１８ｂ…中間プレート ２０ａ〜２０ｃ…セルアセンブリ
２４、２６、１０６、１０８、１４４、１４６、１５０、１８０、２０２…単位セル
２８、３０、１１０ａ、１１０ｂ、１５２…接合体
３８、４０、１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１５４、１５６、１８２…セパレータ
４６ａ、４６ｃ、２０４…酸化剤ガス供給路
４６ｂ、４６ｄ、２０６…酸化剤ガス排出路
４６ｅ、４６ｆ、５６、６８、１１６ａ、１１６ｂ…酸化剤ガス流路
４７、１６０、１８６、１９０、１９４…低加湿酸化剤ガス供給路
５２ａ、５２ｃ…燃料ガス供給路 ５２ｂ、５２ｄ…燃料ガス排出路
５３、１５８…低加湿燃料ガス供給路
６２、６６…燃料ガス流路 ８０…燃料電池システム
８８、９０…加湿器
１６４、１６６、１８４、１８８、１９２、１９６…酸化剤ガス供給面
１７０、１７２…燃料ガス供給面 ２０８…リターン流路
Claims (19)
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各単位セルに反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給および排出する供給流路および排出流路を設ける燃料電池スタックであって、
所定数の前記単位セルを重ね合わせて一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置される第１サブスタックと、
所定数の前記単位セルを重ね合わせて一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される第２サブスタックと、
の少なくとも２個のサブスタックを備え、
前記第１サブスタックの前記排出流路が、前記第２サブスタックの前記供給流路に直列的に連通されるとともに、
前記供給流路とは独立して、前記第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給するための追加反応ガス供給流路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１サブスタックの前記排出流路と前記第２サブスタックの前記供給流路の接続部位に配置される中間プレートを備え、
前記中間プレートは、前記追加反応ガス供給流路を前記第２サブスタックの前記供給流路に連通させる連通部を設けることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２サブスタックを構成する各単位セルは、前記追加反応ガス供給流路を該第２サブスタックの前記供給流路に連通させることにより、混合された一方の前記反応ガスを各接合体に供給するための混合部を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、一方の前記反応ガスは酸化剤ガスであり、
前記第２サブスタックを構成する前記単位セルの個数は、前記第１サブスタックを構成する前記単位セルの個数よりも多い数に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各接合体の反応面に反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する供給流路を設ける燃料電池スタックであって、
前記接合体の少なくとも一方の反応面は、一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置され、前記供給流路に連通する第１反応面と、
一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される第２反応面と、
の少なくとも２つの反応面を備え、
前記単位セルは、前記供給流路とは独立して、前記第２反応面に、前記第１反応面に供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給するための追加反応ガス供給流路を設けることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項５記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応面から前記第２反応面にわたって蛇行形状の反応ガス流路が設けられるとともに、
前記反応ガス流路の折り返し部位に前記追加反応ガス供給流路を連通させるための連通部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項５または６記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２反応面の面積は、前記第１反応面の面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各単位セルに反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給および排出する供給流路および排出流路を設ける燃料電池スタックであって、
所定数の前記単位セルを重ね合わせて一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置される第１サブスタックと、
所定数の前記単位セルを重ね合わせて一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される第２サブスタックと、
の少なくとも２個のサブスタックを備え、
前記第１サブスタックの前記排出流路が、前記第２サブスタックの前記供給流路に直列的に連通されるとともに、
前記供給流路とは独立して、前記第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給するための追加反応ガス供給流路が設けられる一方、
前記接合体の少なくとも一方の反応面は、一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置され、前記供給流路に連通する第１反応面と、
一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される第２反応面と、
を備え、
前記単位セルは、前記供給流路とは独立して、前記第２反応面に、前記第１反応面に供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給するための追加反応ガス供給流路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１、５または８記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの反応ガス出口側から反応ガス入口側に使用済みの一方の前記反応ガスの一部を戻すためのリターン流路を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
- 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各単位セルに反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給および排出する供給流路および排出流路を設ける第１および第２サブスタックの少なくとも２個のサブスタックを備えており、一方の前記反応ガスの供給方向上流側に配置される前記第１サブスタックの前記排出流路が、一方の前記反応ガスの供給方向下流側に配置される前記第２サブスタックの前記供給流路に直列的に連通される燃料電池スタックの運転方法であって、
前記第１サブスタックに、前記供給流路を介して該第１サブスタックの運転に必要な量の一方の前記反応ガスを供給し、前記排出流路から排出するとともに、
前記排出流路に連通する前記第２サブスタックの前記供給流路とは独立して、該第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。 - 請求項１０記載の運転方法において、前記第１サブスタックの前記排出流路と前記第２サブスタックの前記供給流路の接続部位から該供給流路に、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
- 請求項１０記載の運転方法において、前記第２サブスタックを構成する各単位セルに、前記第１サブスタックに供給される一方の前記反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給することにより、混合された一方の前記反応ガスを各接合体に供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
- 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の運転方法において、一方の前記反応ガスは前記酸化剤ガスであり、
前記第２サブスタックを構成する前記単位セルの個数は、前記第１サブスタックを構成する前記単位セルの個数よりも多い数に設定されることを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。 - 請求項１３記載の運転方法において、前記第１サブスタックに、前記供給流路を介して該第１サブスタックの運転に必要な量の前記酸化剤ガスおよび水分を供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
- 請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の運転方法において、一方の前記反応ガスは前記燃料ガスであり、
前記第１サブスタックを構成する前記単位セルの個数が、前記第２サブスタックを構成する前記単位セルの個数と同等以上に設定され、
前記第１サブスタックに、前記供給流路を介して該第１サブスタックの運転に必要な量の前記燃料ガスおよび水分を供給し、前記排出流路から排出するとともに、
前記排出流路に連通する前記第２サブスタックの前記供給流路とは独立して、該第２サブスタックに、前記第１サブスタックに供給される前記燃料ガスよりも低湿度の前記燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。 - 固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する単位セルを備え、複数個の前記単位セルを重ね合わせて構成されるとともに、各接合体の反応面に反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する供給流路を設ける燃料電池スタックの運転方法であって、
前記接合体の少なくとも一方の反応面を構成し、前記供給流路に連通する供給方向上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の一方の前記反応ガスを供給するとともに、
前記供給流路とは独立して、供給方向下流側の少なくとも１つの第２反応面に、前記第１反応面に供給される一方の反応ガスよりも低湿度の一方の反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。 - 請求項１６記載の運転方法において、前記供給流路に連通する供給方向上流側の第１反応面に、前記第１反応面の反応に必要な量の一方の前記反応ガスおよび水分を供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
- 請求項１６または１７記載の運転方法において、前記第２反応面の面積は、前記第１反応面の面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
- 請求項１０または１６のいずれか１項に記載の運転方法において、使用済みの一方の前記反応ガスの一部を前記燃料電池スタックの反応ガス入口側に戻すことを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
Priority Applications (10)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001061499A JP4405097B2 (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 燃料電池スタックおよびその運転方法 |
| TW091104014A TW543233B (en) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Fuel cell stack and operating method thereof |
| AT02702729T ATE308805T1 (de) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymerelektrolyt-brennstoffzellenstapel und zugehöriges betriebsverfahren |
| US10/469,878 US7459231B2 (en) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymer electrolyte fuel cell stack and operating method thereof |
| DE60207050T DE60207050T2 (de) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymerelektrolyt-brennstoffzellenstapel und zugehöriges betriebsverfahren |
| EP02702729A EP1366536B1 (en) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymer electrolyte fuel cell stack and operating method thereof |
| PCT/JP2002/002011 WO2002071525A2 (en) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymer electrolyte fuel cell stack and operating method thereof |
| CA002439967A CA2439967C (en) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymer electrolyte fuel cell stack and operating method thereof |
| MYPI20020772A MY127979A (en) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | Polymer electrolyte fuel cell stack and operating method thereof |
| CNB028083385A CN1277327C (zh) | 2001-03-06 | 2002-03-05 | 燃料电池堆及其工作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001061499A JP4405097B2 (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 燃料電池スタックおよびその運転方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002260695A JP2002260695A (ja) | 2002-09-13 |
| JP4405097B2 true JP4405097B2 (ja) | 2010-01-27 |
Family
ID=18920785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001061499A Expired - Fee Related JP4405097B2 (ja) | 2001-03-06 | 2001-03-06 | 燃料電池スタックおよびその運転方法 |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7459231B2 (ja) |
| EP (1) | EP1366536B1 (ja) |
| JP (1) | JP4405097B2 (ja) |
| CN (1) | CN1277327C (ja) |
| AT (1) | ATE308805T1 (ja) |
| CA (1) | CA2439967C (ja) |
| DE (1) | DE60207050T2 (ja) |
| MY (1) | MY127979A (ja) |
| TW (1) | TW543233B (ja) |
| WO (1) | WO2002071525A2 (ja) |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4516229B2 (ja) * | 2001-03-06 | 2010-08-04 | 本田技研工業株式会社 | 固体高分子型セルアセンブリ |
| JP4250877B2 (ja) * | 2001-08-07 | 2009-04-08 | ソニー株式会社 | 電源装置 |
| JP4612977B2 (ja) | 2001-09-14 | 2011-01-12 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタックおよびその反応ガス供給方法 |
| JP4064135B2 (ja) * | 2002-03-26 | 2008-03-19 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP3699063B2 (ja) * | 2002-06-26 | 2005-09-28 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池およびその制御方法 |
| EP1496558A1 (en) * | 2003-07-11 | 2005-01-12 | Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. | Water draining structure for gas reaction plate of fuel cell stack |
| EP1683225A1 (en) * | 2003-10-21 | 2006-07-26 | Alberta Research Council, Inc. | Controlling solid oxide fuel cell operation |
| JP2006164606A (ja) * | 2004-12-03 | 2006-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック |
| JP4507971B2 (ja) * | 2005-04-27 | 2010-07-21 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池装置 |
| US20060246331A1 (en) * | 2005-04-29 | 2006-11-02 | Steinbroner Matthew P | Partitioned fuel cell stacks and fuel cell systems including the same |
| US20070077474A1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-05 | Goebel Steven G | Fuel cell system water mass balancing scheme |
| JP4572252B2 (ja) * | 2008-10-30 | 2010-11-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| KR20120094464A (ko) | 2009-07-06 | 2012-08-24 | 토프쉐 푸엘 셀 에이/에스 | 연료 전지 스택 또는 전기분해 전지 스택에서의 조합된 흐름 패턴 |
| KR101091662B1 (ko) | 2010-02-01 | 2011-12-08 | 기아자동차주식회사 | 가습성능이 향상되는 연료전지 시스템 |
| JP4516630B2 (ja) * | 2010-03-25 | 2010-08-04 | 本田技研工業株式会社 | 固体高分子型セルアセンブリ |
| FR2960704B1 (fr) * | 2010-05-27 | 2012-07-27 | Air Liquide | Plaque de pile a combustible, pile comportant une telle plaque et son utilisation |
| JP5404594B2 (ja) * | 2010-12-27 | 2014-02-05 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| US10418649B2 (en) * | 2012-03-09 | 2019-09-17 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack and seal plate used for the same |
| JP5839307B2 (ja) * | 2012-11-22 | 2016-01-06 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池スタック |
| DE102015220950A1 (de) * | 2015-10-27 | 2017-04-27 | Volkswagen Ag | Kathodenversorgung für eine Mehrfach-Brennstoffzelle sowie Verfahren zum Versorgen von Teilbrennstoffzellen mit einem Kathoden-Betriebsmedium |
| DE102020127689A1 (de) | 2020-10-21 | 2022-04-21 | Audi Aktiengesellschaft | Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE59306256D1 (de) | 1992-11-05 | 1997-05-28 | Siemens Ag | Verfahren und Einrichtung zur Wasser- und/oder Inertgasentsorgung eines Brennstoffzellenblocks |
| JP3555178B2 (ja) * | 1994-05-24 | 2004-08-18 | トヨタ自動車株式会社 | 固体高分子型燃料電池 |
| US6479177B1 (en) * | 1996-06-07 | 2002-11-12 | Ballard Power Systems Inc. | Method for improving the cold starting capability of an electrochemical fuel cell |
| US5776625A (en) * | 1997-06-18 | 1998-07-07 | H Power Corporation | Hydrogen-air fuel cell |
| DE19732305A1 (de) * | 1997-07-26 | 1999-01-28 | Volkswagen Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Brennstoffzellenstacks |
| US5935726A (en) | 1997-12-01 | 1999-08-10 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for distributing water to an ion-exchange membrane in a fuel cell |
| US6033794A (en) * | 1997-12-10 | 2000-03-07 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Multi-stage fuel cell system method and apparatus |
| US6015634A (en) | 1998-05-19 | 2000-01-18 | International Fuel Cells | System and method of water management in the operation of a fuel cell |
| US6251534B1 (en) * | 1999-09-23 | 2001-06-26 | Plug Power Inc. | Fuel cell cascade flow system |
| US6569298B2 (en) * | 2000-06-05 | 2003-05-27 | Walter Roberto Merida-Donis | Apparatus for integrated water deionization, electrolytic hydrogen production, and electrochemical power generation |
| CA2403342C (en) * | 2001-09-17 | 2007-07-31 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack |
| JP4064135B2 (ja) * | 2002-03-26 | 2008-03-19 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
-
2001
- 2001-03-06 JP JP2001061499A patent/JP4405097B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-03-05 US US10/469,878 patent/US7459231B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-03-05 EP EP02702729A patent/EP1366536B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-03-05 CA CA002439967A patent/CA2439967C/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-03-05 TW TW091104014A patent/TW543233B/zh not_active IP Right Cessation
- 2002-03-05 MY MYPI20020772A patent/MY127979A/en unknown
- 2002-03-05 CN CNB028083385A patent/CN1277327C/zh not_active Expired - Fee Related
- 2002-03-05 DE DE60207050T patent/DE60207050T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2002-03-05 WO PCT/JP2002/002011 patent/WO2002071525A2/en active IP Right Grant
- 2002-03-05 AT AT02702729T patent/ATE308805T1/de not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2439967A1 (en) | 2002-09-12 |
| EP1366536B1 (en) | 2005-11-02 |
| DE60207050D1 (de) | 2005-12-08 |
| TW543233B (en) | 2003-07-21 |
| ATE308805T1 (de) | 2005-11-15 |
| CN1277327C (zh) | 2006-09-27 |
| US20040161649A1 (en) | 2004-08-19 |
| WO2002071525A8 (en) | 2003-04-10 |
| JP2002260695A (ja) | 2002-09-13 |
| DE60207050T2 (de) | 2006-07-13 |
| US7459231B2 (en) | 2008-12-02 |
| EP1366536A2 (en) | 2003-12-03 |
| MY127979A (en) | 2007-01-31 |
| CN1503999A (zh) | 2004-06-09 |
| CA2439967C (en) | 2008-10-14 |
| WO2002071525A2 (en) | 2002-09-12 |
| WO2002071525A3 (en) | 2002-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4405097B2 (ja) | 燃料電池スタックおよびその運転方法 | |
| JP4037698B2 (ja) | 固体高分子型セルアセンブリ | |
| JP4344484B2 (ja) | 固体高分子型セルアセンブリ | |
| JP3971969B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| US7201990B2 (en) | Fuel cell stack | |
| JP4064135B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2003203669A (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4612977B2 (ja) | 燃料電池スタックおよびその反応ガス供給方法 | |
| JP4185734B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4031952B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4886128B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3963716B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3914418B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4908699B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3615508B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2003157865A (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP3829116B2 (ja) | 燃料電池およびその運転方法 | |
| JP2005228542A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2007095352A (ja) | 燃料電池システム | |
| AU2002236214A1 (en) | Polymer electrolyte fuel cell stack and operating method thereof | |
| JP2007095463A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041129 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080902 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081028 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20091027 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20091104 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121113 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131113 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |