JP4815728B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単セルが積層されたスタックを有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の単セルが積層されたスタックを有する燃料電池が知られている。例えば特開２０００−３０７３０には、このような燃料電池として、各単セルに燃料ガスおよび酸化ガス（これらを総称して反応ガスという）を行き渡らせるための単セル内ガス通路が設けられ、燃料電池の運転状態に応じて単セル内ガス通路のパターンを切り替え可能なものが開示されている。
【０００３】
具体的には、図１０に示すように、スタックを構成する各単セル１００の単セル内ガス通路は、各単セルごとに設けられた４つのガス小経路１０１，１０２，１０３，１０４の連通状態をバルブｂ１〜ｂ１９の開閉で切り替えることにより、そのパターンが切り替えられる。例えば、バルブｂ６，ｂ７，ｂ１０，ｂ１１，ｂ１４，ｂ１５を開弁し、残りのバルブを閉弁すると、単セル内ガス通路は反応ガスがガス小経路１０１，ガス小経路１０２，ガス小経路１０３，ガス小経路１０４をこの順に通過する直列パターンとなる。また、バルブｂ１〜ｂ３，ｂ５，ｂ７，ｂ９，ｂ１２，ｂ１４，ｂ１６〜ｂ１９を開弁し、残りのバルブを閉弁すると、単セル内ガス通路は反応ガスがガス小経路１０１，ガス小経路１０２，ガス小経路１０３，ガス小経路１０４を一度に通過する並列パターンとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報の直列パターンでは、各単セル１００のガス小経路１０１を通過した反応ガスはスタックの外側に設けられた外部マニホルド１１０を経由して再び各単セル１００のガス小経路１０２に分配され、その後も外部マニホルド１１０を経由しながら各単セル１００に分配されるため、外部マニホルド１１０を経由する際に反応ガスが冷却されて凝縮水が生成し、この凝縮水が外部マニホルド１１０の閉塞を引き起こすおそれがある。すなわち、燃料電池のアノードでは燃料である水素が水和した状態で電解質膜を移動することから水分が不足気味となり、この水分を補うべく燃料ガスは水分を含んだ状態でスタックへ供給されること、また、カソードでは電気化学反応により水が生成し気化することから酸化ガスはこの水分を含んだ状態となること、更に、スタック内は電気化学反応が発熱反応であることから高温状態となっていること等から、反応ガスは高温化されて高い露点を持つことになり、少しの温度低下で凝縮水が発生しやすい状況となっている。これを防ぐには、外部マニホルド１１０やバルブｂ１〜ｂ１９を断熱・保温したりする必要があるが、コストが嵩むため好ましくない。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれのない燃料電池を提供することを目的の一つとする。また、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことのできる燃料電池を提供することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
すなわち、本発明の燃料電池は、複数の単セルが積層されたスタックと、前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を連通して構成された単セル内ガス通路と、前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターンを切り替える切替手段とを備え、前記単セル内ガス通路はどのパターンかによらず該単セル内ガス通路を通過している途中の反応ガスが前記スタックの外側を経由することのないように形成され、前記切替手段は、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を順次通過するよう前記複数のガス小経路を直列的に連通させる直列パターンと、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を同方向に一度に通過するよう前記複数のガス小経路を並列的に連通させる並列パターンのいずれかの連通状態に切り替えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池では、単セル内ガス通路がいずれのパターンにおいても、高い露点を持つ反応ガスが単セル内ガス通路を通過している途中でスタックの外側を経由することがないため、冷却されて凝縮水が発生する事態を回避できる。したがって、この燃料電池によれば、ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれがない。また、ガス通路が凝縮水により閉塞されることがないという効果に加えて、例えば流速を大きくしたいときには直列パターンを採用し、圧力損失を小さくしたいときには並列パターンを採用するといったように、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことが可能となる。
【００１０】
なお、「反応ガス」とは、起電力を発生させるための電気化学反応に供される燃料ガスや酸化ガスの総称である。
【００１２】
本発明の燃料電池は、前記スタック内にて単セル積層方向に沿って設けられ、前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路のうちの少なくとも一組の隣り合うガス小経路の片側の端部同士を連通する共有マニホルドを備え、前記切替手段は、前記共有マニホルドと前記スタックの外側に設けられたガス供給経路またはガス排出経路との連通・遮断を切り替えるようにしてもよい。このようにスタック内の共有マニホルドを利用することにより、本発明の燃料電池を比較的簡単に構成することができる。
【００１３】
具体的には、前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを遮断したときには、反応ガスが前記隣り合うガス小経路の一方のガス小経路を流れたあと前記共有マニホルドを介して方向転換してもう一方のガス小経路を逆方向へと流れ、前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを連通したときには、反応ガスが前記ガス供給経路から直接または前記ガス供給経路と連通した共有マニホルドを介して前記隣り合うガス小経路の各々に供給され、各ガス小経路を同方向に流れたあと直接または前記ガス排出経路と連通した共有マニホルドを介して前記ガス排出経路へと導かれるようにしてもよい。こうすれば、単セル内ガス通路のパターン変更を容易に行うことができる。例えば前出の直列パターンを採用するには切替手段により共有マニホルドとガス供給経路またはガス排出経路とを遮断すればよいし、並列パターンを採用するには切替手段により共有マニホルドとガス供給経路またはガス排出経路とを連通すればよい。
【００１４】
本発明の燃料電池が共有マニホルドを備えているときには、前記切替手段は前記共有マニホルド内に設けられていてもよい。こうすれば、反応ガスが単セル内ガス通路を通過している途中で切替手段を経由する際にもスタックの外側を経由しないことが確実になるため、反応ガスが冷却されて凝縮水が発生する事態を確実に回避できる。
【００１５】
本発明の燃料電池が共有マニホルドを備えているときには、前記切替手段は前記共有マニホルド外に設けられていてもよい。このとき、切替手段により共有マニホルドとガス排出経路またはガス供給経路とが遮断されているときには、共有マニホルドから切替手段までの区間はスタックの外側に位置することもあるが、そうであってもその区間は閉通路であり、一般に閉通路内の流体はほとんど流動せず滞留することから、単セル内ガス通路を通過している途中の反応ガスがこの区間に出入りすることはほとんどなく、このため単セル内ガス通路で凝縮水が発生することはほとんどない。
【００１６】
本発明の燃料電池は、運転状態に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行う切替制御手段を備えていてもよい。こうすれば、燃料電池の運転状態に応じて単セル内ガス通路のパターン変更を制御できるため、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００１７】
なお、「運転状態」とは、燃料電池の運転状態であり、例えば出力の高低、ガス流量の高低、単セルの一構成要素である電解質膜の含水率の高低などが挙げられる。
【００１８】
本発明の燃料電池が切替制御手段を備えているときには、更に反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段を備えていてもよく、前記切替制御手段は、前記ガス流量検出手段によって検出された反応ガスの流量に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行うようにしてもよい。こうすれば、ガス流量に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００１９】
ここで、「ガス流量検出手段」は、ガス流量を知ることができる手段であればよく、例えばガス流量を計量する手段であってもよいし、ガス流量を調量する手段であってもよい。
【００２０】
具体的には、前記切替制御手段は、前記反応ガスの流量が小さいときには前記単セル内ガス通路が直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記反応ガスの流量が大きいときには前記単セル内ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行うようにしてもよい。こうすれば、反応ガスの流量が小さいときには直列パターンを採用して流速を稼いで反応ガスの拡散を促進することができ、反応ガスの流量が大きいときには並列パターンを採用して圧力損失を抑えることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池が切替制御手段を備えているときには、更に、前記単セルの一構成要素である電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段を備えていてもよく、前記切替制御手段は、前記含水率検出手段によって検出された前記電解質膜の含水率に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行うようにしてもよい。こうすれば、電解質膜の含水率に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００２２】
具体的には、前記切替制御手段は、前記電解質膜の含水率が高いときには前記単セル内ガス通路が直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記電解質膜の含水率が低いときには前記単セル内ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行うようにしてもよい。こうすれば、電解質膜の含水率が高いときには直列パターンを採用して流速を稼ぐことにより反応ガスによる水分の持ち出しを促進でき、電解質膜の含水率が低いときには並列パターンを採用して流速を落とすことにより反応ガスによる水分の持ち出しを抑えることができる。
【００２３】
ここで、「含水率検出手段」は、単セルの出力電圧と含水率との関係を表す電圧変動プロファイルやマップを用いて現在の単セルの出力電圧に対応する含水率を求めてもよいし、単セルの電気抵抗と含水率との関係を表すマップを用いて現在の単セルの電気抵抗に対応する含水率を求めてもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池１０の概略構成を表す斜視図、図２は、燃料電池１０を構成するスタックの基本単位である単セル２０の構成を表す分解斜視図、図３は、本実施形態の燃料電池１０が備えるセパレータ３０の構成を表す平面図、図４は、本実施形態の電気的な接続を表す概略ブロック図である。なお、図２（ｂ）は図２（ａ）をＡ視（白抜き矢印）からみた分解斜視図である。
【００２６】
本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、主として、単セル２０と、この単セル２０が複数積層されたスタック１１と、このスタック１１に燃料ガスを給排するための燃料ガス供給管１２および燃料ガス排出管１６と、スタック１１に酸化ガスを給排するための酸化ガス供給管２２および酸化ガス排出管２６と、単セル内ガス通路のパターンの切替制御を行う制御装置８０（図４参照）とを備えている。
【００２７】
単セル２０は、電解質膜３１を一対のガス拡散電極であるカソード３２およびアノード３３で挟み込んだ膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」という）３４と、このＭＥＡ３４を挟み込んだ一対のセパレータ３０，３０とから構成されている。電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン膜）であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電解質膜３１の両面には、触媒電極としての白金または白金と他の金属から成る合金が塗布されている。カソード３２およびアノード３３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極である。なお、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。セパレータ３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。
【００２８】
図２に示すように、セパレータ３０の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔部４０、４２が設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する２つの孔部４１、４３が設けられている。このうち、孔部４０の長径は孔部４２の長径の約半分であり、孔部４３の長径は孔部４１の長径の約半分である。また、前記一辺と直交する辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔部５０、５２が設けられており、この辺に対応する辺の近傍には、同じく隣接する２つの孔部５１、５３が設けられている。このうち、孔部５０の長径は孔部５２の長径の約半分であり、孔部５３の長径は孔部５１の長径の約半分である。
【００２９】
さらに、セパレータ３０は、両面に複数の凹溝を備えている。すなわち、セパレータ３０の一方の面には、孔部４０と孔部４１の略半分とを連通させる第１凹溝８１と、孔部４１の残り略半分と孔部４２の略半分とを連通させる第２凹溝８２と、孔部４２の残り略半分と孔部４３とを連通させる第３凹溝８３とが設けられている。セパレータ３０の他方の面には、孔部５０と孔部５１の略半分とを連通させる第１凹溝９１と、孔部５１の残り略半分と孔部５２の略半分とを連通させる第２凹溝９２と、孔部５２の残り略半分と孔部５３とを連通させる第３凹溝９３とが設けられている。
【００３０】
各凹溝は、隣接するガス拡散電極との間でガス小経路を形成する。すなわち、セパレータ３０の一方の面に設けられた第１〜第３凹溝８１〜８３は、隣接するアノード３３との間にそれぞれ第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を形成し、セパレータ３０の他方の面に設けられた第１〜第３凹溝９１〜９３は、隣接するカソード３２との間にそれぞれ第１〜第３酸化ガス小経路９６〜９８を形成する。各単セル２０は、燃料ガスを単セル２０内に行き渡らせるための単セル内燃料ガス通路と、酸化ガスを単セル２０内に行き渡らせるための単セル内酸化ガス通路とを有しているが、単セル内燃料ガス通路は第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を適宜連通して構成され、単セル内酸化ガス通路は第１〜第３酸化ガス小経路９６〜９８を適宜連通して構成される。
【００３１】
なお、一対のセパレータ３０，３０の間隙のうちＭＥＡ３４が介在していない部分には図示しないシール部材が配置されている。このシール部材は、この部分で燃料ガスと酸化ガスとが混合するのを防止したり、これらのガスが外部に漏れ出すのを防止したりする役割を果たすと共に、一対のセパレータ３０，３０の互いに対向する孔部同士をシール状態を保ったまま連通する役割も果たす。
【００３２】
スタック１１は、セパレータ３０、カソード３２、電解質膜３１、アノード３３、セパレータ３０の順序で順次重ね合わせていき、さらに、図１に示すように、その両端に集電板３６、３７、絶縁板３８、３９、エンドプレート３４、３５を順次配置して完成される。集電板３６、３７は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３８、３９はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート３４、３５は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３６、３７にはそれぞれ出力端子３６Ａ、３７Ａが設けられており、燃料電池１０で生じた起電力を出力可能となっている。また、エンドプレート３４、３５は、図示しない加圧装置によって複数の単セル２０をスタック積層方向に加圧して保持している。
【００３３】
単セル２０を積層してスタック１１を組み立てたとき、図３に示すように、各セパレータ３０に設けられた孔部４０は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第１マニホルド６０を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部４１は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第２マニホルド６１を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部４２は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第３マニホルド６２を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部４３は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第４マニホルド６３を形成する。
【００３４】
燃料ガス第１マニホルド６０は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１燃料ガス小経路８６の一端を連通する役割を果たし、燃料ガス第２マニホルド６１は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１燃料ガス小経路８６の他端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２燃料ガス小経路８７の他端を連通して第１および第２燃料ガス小経路８６、８７の他端同士を共有化する役割を果たし、燃料ガス第３マニホルド６２は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２燃料ガス小経路８７の一端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３燃料ガス小経路８８の一端を連通して第２および第３燃料ガス小経路８７、８８の一端同士を共有化する役割を果たし、燃料ガス第４マニホルド６３は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３燃料ガス小経路８８の他端を連通する役割を果たす。
【００３５】
また、同じく単セル２０を積層してスタック１１を組み立てたとき、各セパレータ３０に設けられた孔部５０は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第１マニホルド７０を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部５１は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第２マニホルド７１を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部５２は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第３マニホルド７２を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部５３は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第４マニホルド７３を形成する。
【００３６】
酸化ガス第１マニホルド７０は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１酸化ガス小経路９６の一端を連通する役割を果たし、酸化ガス第２マニホルド７１は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１酸化ガス小経路９６の他端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２酸化ガス小経路９７の他端を連通して第１および第２酸化ガス小経路９６、９７の他端同士を共有化する役割を果たし、酸化ガス第３マニホルド７２は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２酸化ガス小経路９７の一端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３酸化ガス小経路９８の一端を連通して第２および第３酸化ガス小経路９７、９８の一端同士を共有化する役割を果たし、酸化ガス第４マニホルド７３は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３酸化ガス小経路９８の他端を連通する役割を果たす。
【００３７】
燃料ガス供給管１２は、図示しない燃料ガス供給装置からスタック１１に燃料ガスを供給するための管であり、スタック１１の外側で分岐されて一方が燃料ガス供給分岐管１３として構成され、他方がバルブ付き燃料ガス供給分岐管１４として構成されている。燃料ガス供給分岐管１３は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第１マニホルド６０に連通している。バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第３マニホルド６２に連通しており、燃料ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管１３，１４の流量比率を調節可能な燃料ガス供給用開閉バルブ１５を備えている。
【００３８】
燃料ガス排出管１６は、スタック１１から図示しない燃料ガス排出装置へ燃料ガスを排出するための管であり、スタック１１の外側で燃料ガス排出分岐管１７とバルブ付き燃料ガス排出分岐管１８とが集合されている。燃料ガス排出分岐管１７は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第４マニホルド６３に連通している。バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第２マニホルド６１に連通しており、燃料ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管１７，１８の流量比率を調節可能な燃料ガス排出用開閉バルブ１９を備えている。
【００３９】
酸化ガス供給管２２は、図示しない酸化ガス供給装置からスタック１１に酸化ガスを供給するための管であり、スタック１１の外側で分岐されて一方が酸化ガス供給分岐管２３として構成され、他方がバルブ付き酸化ガス供給分岐管２４として構成されている。酸化ガス供給分岐管２３は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第１マニホルド７０に連通している。バルブ付き酸化ガス供給分岐管２４は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第３マニホルド７２に連通しており、酸化ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管２３，２４の流量比率を調節可能な酸化ガス供給用開閉バルブ２５を備えている。
【００４０】
酸化ガス排出管２６は、スタック１１から図示しない酸化ガス排出装置へ酸化ガスを排出するための管であり、スタック１１の外側で酸化ガス排出分岐管２７とバルブ付き酸化ガス排出分岐管２８とが集合されている。酸化ガス排出分岐管２７は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第４マニホルド７３に連通している。バルブ付き酸化ガス排出分岐管２８は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第２マニホルド７１に連通しており、酸化ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管２７，２８の流量比率を調節可能な酸化ガス排出用開閉バルブ２９を備えている。
【００４１】
制御装置８０は、図４に示すように、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、クロック回路等を含んで構成され、スタック１１へ供給する燃料ガスの流量に関する信号やスタック１１へ供給する酸化ガスの流量に関する信号を入力するように接続され、また、燃料ガス供給用開閉バルブ１５、燃料ガス排出用開閉バルブ１９、酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９に制御信号を出力するように各バルブに電気的に接続されている。なお、燃料ガスの流量に関する信号は、燃料ガス供給管１２に流量センサを設けてこの流量センサから入力してもよいし、図示しない燃料ガス供給装置などで調量している場合にはその調量に関する信号を入力してもよい。あるいは、これらの信号を制御装置８０で生成する場合にはその信号を読み込むようにしてもよい。酸化ガスの流量に関する信号についても同様である。
【００４２】
次に、単セル内燃料ガス通路および単セル内酸化ガス通路について説明する。
単セル内燃料ガス通路は、各単セル２０ごとに設けられた第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８の連通状態を切り替えることにより２通りのパターンを採り得る。また、単セル内酸化ガス通路は、各単セル２０ごとに設けられた第１〜第３酸化ガス小経路９６〜９８の連通状態を切り替えることにより同じく２通りのパターンを採り得る。以下には、そのパターンについて燃料ガスを例にとって説明する。
【００４３】
第１のパターンは、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉したときのパターンである。この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給管１２から燃料ガス供給分岐管１３を介して燃料ガス第１マニホルド６０のみに供給され、燃料ガス第４マニホルド６３から燃料ガス排出分岐管１７を介して燃料ガス排出管１６へと排出される。このときの様子を図５に示す。図５（ａ）は第１のパターンにおける燃料ガスの給排を表した概略説明図で、図５（ｂ）はそのときの単セル内燃料ガス通路を表した概略説明図である。
【００４４】
具体的には、燃料ガス第１マニホルド６０に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部４０（つまり第１燃料ガス小経路８６の一端）から第１燃料ガス小経路８６に導かれ、孔部４１（つまり第１燃料ガス小経路８６の他端）に向かって流れていき、この孔部４１と連通している燃料ガス第２マニホルド６１に至る。この燃料ガス第２マニホルド６１は、バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８に接続されているが、燃料ガス排出用開閉バルブ１９は全閉状態であり燃料ガスの通過が禁止されているため、燃料ガス第２マニホルド６１に至った燃料ガスは、ここで方向転換して孔部４１（つまり第２燃料ガス小経路８７の他端）から第２燃料ガス小経路８７に導かれ、孔部４２（つまり第２燃料ガス小経路８７の一端）に向かって流れていき、この孔部４２と連通している燃料ガス第３マニホルド６２に至る。この燃料ガス第３マニホルド６２は、バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４に接続されているが、燃料ガス供給用開閉バルブ１５は全閉状態であり燃料ガスの通過が禁止されているため、燃料ガス第３マニホルド６２に至った燃料ガスは、ここで方向転換して孔部４２（つまり第３燃料ガス小経路８８の一端）から第３燃料ガス小経路８８に導かれ、孔部４３（つまり第３燃料ガス小経路８８の他端）に向かって流れていき、この孔部４３と連通している燃料ガス第４マニホルド６３に至る。そして、燃料ガス第４マニホルド６３に至った燃料ガスは、燃料ガス排出分岐管１７を介して燃料ガス排出管１６へと導かれる。
【００４５】
このように、単セル内燃料ガス通路の第１のパターンは、スタック１１に供給された燃料ガスが各単セル２０内の第１燃料ガス小経路８６をその一端から他端へと流れ、続いて第２燃料ガス小経路８７をその他端から一端へと逆向きに流れ、続いて第３燃料ガス小経路８８をその一端から他端へと流れることから、単セル２０ごとに設けられた第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を順次通過する直列パターンである。このとき、単セル内燃料ガス通路を通過している燃料ガスはその途中でスタック１１の外側を経由することがないため、燃料ガスが高い露点を持っていたとしても、冷却されて凝縮水が発生するといった事態は回避される。なお、バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４における燃料ガス第３マニホルド６２から燃料ガス供給用開閉バルブ１５までの区間や、バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８における燃料ガス第２マニホルド６１から燃料ガス排出用開閉バルブ１９までの区間はスタック１１の外側に位置しているが、一般にこのような閉通路内の流体はほとんど流動せず滞留することから、単セル内燃料ガス通路を通過している途中の燃料ガスがこれらの区間に出入りすることはほとんどなく、このため単セル内燃料ガス通路内で凝縮水が発生することはほとんどない。
【００４６】
次に、第２のパターンは、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全開したときのパターンである。この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給管１２から両分岐管１３，１４を介して燃料ガス第１マニホルド６０と燃料ガス第３マニホルド６２の両方に供給され、燃料ガス第２マニホルド６１と燃料ガス第４マニホルド６３の両方から各分岐管１７，１８を介して燃料ガス排出管１６へと排出される。このときの様子を図６に示す。図６（ａ）は第２のパターンにおける燃料ガスの給排を表した概略説明図で、図６（ｂ）はそのときの単セル内燃料ガス通路を表した概略説明図である。
【００４７】
具体的には、燃料ガス第１マニホルド６０に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部４０（つまり第１燃料ガス小経路８６の一端）から第１燃料ガス小経路８６に導かれ、孔部４１（つまり第１燃料ガス小経路８６の他端）に向かって流れていき、この孔部４１に至る。また、燃料ガス第３マニホルド６２に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部４１（つまり第２および第３燃料ガス小経路８７，８８の一端）から第２および第３燃料ガス小経路８７，８８に導かれ、第２燃料ガス小経路８７に導かれた燃料ガスは孔部４１（つまり第２燃料ガス小経路８７の他端）に向かって流れていき、この孔部４１に至り、一方、第３燃料ガス小経路８８に導かれた燃料ガスは孔部４３（つまり第３燃料ガス小経路８８の他端）に向かって流れていき、この孔部４３に至る。そして、孔部４１に至った燃料ガスは、燃料ガス第２マニホルド６１およびバルブ付き燃料ガス排出分岐管１８を介して燃料ガス排出管１６に導かれ、孔部４３に至った燃料ガスは、燃料ガス第４マニホルド６３および燃料ガス排出分岐管１７を介して燃料ガス排出管１６に導かれる。
【００４８】
このように、単セル内燃料ガス通路の第２のパターンは、スタック１１に供給された燃料ガスが各単セル２０内の第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を同方向に一度に通過する並列パターンである。このときも、単セル内燃料ガス通路を通過している燃料ガスはその途中でスタック１１の外側を経由することがないため、燃料ガスが高い露点を持っていたとしても、冷却されて凝縮水が発生するといった事態が回避される。
【００４９】
このように第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８の連通状態を切り替えることにより、第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を連通して構成される単セル内燃料ガス通路のパターンが変更される。なお、酸化ガスについても、燃料ガスと同様に直列パターンと並列パターンがあるが、燃料ガスと同様のためその詳細な説明は省略する。
【００５０】
次に、以上の構成を備えた燃料電池１０の具体的な動作について、図７のフローチャートに基づいて説明する。制御装置８０のＣＰＵは、所定タイミングごとに、ＲＯＭに記憶された複数の制御プログラムの中からガス通路最適化プログラムを読み出して、一時的にＲＡＭにデータを記憶しながらこれを実行する。
【００５１】
このガス通路最適化プログラムが開始されると、制御装置８０は、スタック１１に供給される燃料ガスの流量に関する信号を入力し（ステップＳ１００）、その流量が予め定められた所定量Ｃ１を越えるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、スタック１１に供給される燃料ガスの流量が所定量Ｃ１を超えないのとき（例えば低出力のとき）には、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉し、単セル内燃料ガス通路を直列パターンに設定する（ステップＳ１２０、図５参照）。この結果、単セル内燃料ガス通路の流路幅が狭められ、単セル内燃料ガス通路を流れる燃料ガスの流速が増大し、乱流が発生することにより触媒電極へのガス拡散が促進される。一方、スタック１１に供給される燃料ガスの流量が所定値Ｃ１を越えるとき（例えば高出力のとき）には、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全開し、単セル内燃料ガス通路を並列パターンに設定する（ステップＳ１３０、図６参照）。この結果、単セル内燃料ガス通路の流路幅が広がり、単セル内燃料ガス通路を流れる燃料ガスの圧力損失が抑えられる。
【００５２】
続いて、スタック１１に供給される酸化ガスの流量に関する信号を入力し（ステップＳ１４０）、その流量が予め定められた所定量Ｃ２を超えるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。そして、スタック１１に供給される酸化ガスの流量が所定量Ｃ２を超えないとき（例えば低出力のとき）には、酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９を全閉し、単セル内酸化ガス通路を直列パターンに設定し（ステップＳ１６０）、このルーチンを終了する。この結果、単セル内酸化ガス通路の流路幅が狭められ、単セル内酸化ガス通路を流れる酸化ガスの流速が増大し、乱流が発生することにより触媒電極へのガス拡散が促進される。一方、スタック１１に供給される酸化ガスの流量が所定値Ｃ２を越えるとき（例えば高出力のとき）には、酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９を全開し、単セル内酸化ガス通路を並列パターンに設定し（ステップＳ１７０）、このルーチンを終了する。この結果、単セル内酸化ガス通路の流路幅が広がり、単セル内酸化ガス通路を流れる酸化ガスの圧力損失が抑えられる。
【００５３】
以上詳述した本実施形態の燃料電池１０によれば、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路がいずれのパターンにおいても、高い露点を持つ燃料ガスや酸化ガスが単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路を通過している途中でスタック１１の外側を経由することがないため、冷却されて凝縮水が発生する事態を回避でき、各ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれがない。
【００５４】
また、燃料ガス第２マニホルド６１や燃料ガス第３マニホルド６２、あるいは、酸化ガス第２マニホルド７１や酸化ガス第３マニホルド７２のように、隣り合うガス小経路の端部同士を連通する共有マニホルドを利用することにより、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路が比較的簡単な構成で上述の効果が得られる。
【００５５】
更に、共有マニホルド６１，６２，７１，７２から各開閉バルブ１５，１９，２５，２９までの区間はスタック１１の外側に位置しているが、これらの区間は閉通路であるので燃料ガスや酸化ガスが出入りすることはほとんどなく、このため単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路で凝縮水が発生することはほとんどない。
【００５６】
更にまた、切替制御手段としての制御装置８０は、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路につき、ガス流量が小さいときには直列パターンに設定することにより流速を大きくして触媒電極へのガス拡散を促進することができ、ガス流量が大きいときには並列パターンに設定することにより圧力損失を小さく抑えることができる。この結果、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことができ、燃料電池１０の出力域（ダイナミックレンジ）を広げることができる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００５８】
例えば、上記実施形態では燃料ガスや酸化ガスの流量に関する信号に応じて単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路のパターンを切り替えたが、単セル２０の出力電圧と電解質膜３１の含水率との関係を表す電圧変動プロファイルを制御装置８０のＲＯＭに記憶しておき、この電圧変動プロファイルに基づき現在の出力電圧から電解質膜３１の含水率を求め、この含水率に応じて単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路のパターンを切り替えてもよい。具体的には、含水率が高いときには直列パターンを採用して流速を稼ぐことによりガスによる水分の持ち出しを促進し、含水率が低いときには並列パターンを採用して流速を落とすことによりガスによる水分の持ち出しを抑えるようにしてもよい。こうすれば、電解質膜３１の含水率に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００５９】
また、上記実施形態では、燃料ガスについていえば燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９の両方を全閉するか全開するかのいずれかに制御したが、各バルブ１５，１９を独立に制御したり開度を制御したりしてもよい。こうすれば、並列パターンと直列パターンとを組み合わせた流れを実現できる。例えば、図８に示すように燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉にし燃料ガス供給用開閉バルブ１５を少し開けることにより、第１燃料ガス小経路８６のガス流量を直列パターンのときよりも減らしてこの第１燃料ガス小経路８６内の電解質膜３１の乾燥を防ぐと同時に、燃料ガス第３マニホルド６２を介して第３燃料ガス小経路８８に燃料ガスを継ぎ足すことにより第３燃料ガス小経路８８でのガス濃度の低下を防ぐことができる。なお、酸化ガスについても同様である。
【００６０】
更に、上記実施形態では、燃料ガスについていえば燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９をそれぞれ燃料ガス第３マニホルド６２および燃料ガス第２マニホルド６１の外側つまりスタック１１の外側に設けたが、これらのバルブ１５，１９をスタック１１の内部に設けてもよい。すなわち、図９に示すように、燃料ガス第１マニホルド６０と燃料ガス第３マニホルド６２とを連通させて併合マニホルド１６０とし、この併合マニホルド１６０に燃料ガス供給管１２を接続し、この第１併合マニホルド１６０内において第１燃料ガス小流路８６と第２燃料ガス小流路８７との境界位置に開閉バルブ１１４を設ける。それと共に、燃料ガス第２マニホルド６１と燃料ガス第４マニホルド６３とを連通させて併合マニホルド１６１とし、この併合マニホルド１６１に燃料ガス排出管１６を接続し、この併合マニホルド１６１内において第２燃料ガス小経路８７と第３燃料ガス小経路８８との境界位置に開閉バルブ１１９を設ける。そして、単セル内燃料ガス通路を直列パターンに設定する場合には両バルブ１１４，１１９を全閉し（図９（ｂ）参照）、並列パターンに設定する場合には両バルブ１１４，１１９を全開する（図９（ｃ）参照）。こうすれば、燃料ガスが単セル内燃料ガス通路を通過している途中でバルブ１１４，１１９を経由する際にもスタック１１の外側を経由しないことが確実になるため、燃料ガスが冷却されて凝縮水が発生する事態を確実に回避できる。なお、酸化ガスについても同様である。
【００６１】
更にまた、上記実施形態では、高出力時においては基本的には並列パターンを採用したが、単セル２０の電圧やガス供給圧力等をモニタリングすることによりフラッディング現象の発生が認められた場合には、一時的に直列パターンとしてガス流速を上げ、水分を強制排出することによりフラッディング現象を解消するようにしてもよい。
【００６２】
そしてまた、上記実施形態では、単セル内燃料ガス通路と単セル内酸化ガス通路の両方についてパターンの切替を行ったが、どちらか一方のみについてパターンの切替を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図である。
【図２】燃料電池を構成するスタックの基本単位である単セルの構成を表す分解斜視図である。
【図３】燃料電池が備えるセパレータの構成を表す平面図である。
【図４】本実施形態の電気的な接続を表す概略ブロック図である。
【図５】第１のパターン（直列パターン）における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図６】第２のパターン（並列パターン）における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図７】ガス通路最適化プログラムのフローチャートである。
【図８】本実施形態の変形例における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図９】本実施形態の変形例における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図１０】従来例の概略説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１１…スタック、１２…燃料ガス供給管、１３…燃料ガス供給分岐管、１４…バルブ付き燃料ガス供給分岐管、１５…燃料ガス供給用開閉バルブ、１６…燃料ガス排出管、１７…燃料ガス排出分岐管、１８…バルブ付き燃料ガス排出分岐管、１９…燃料ガス排出用開閉バルブ、２０…単セル、２２…酸化ガス供給管、２３…酸化ガス供給分岐管、２４…バルブ付き酸化ガス供給分岐管、２５…酸化ガス供給用開閉バルブ、２６…酸化ガス排出管、２７…酸化ガス排出分岐管、２８…バルブ付き酸化ガス排出分岐管、２９…酸化ガス排出用開閉バルブ、３０…セパレータ、３１…電解質膜、３２…カソード、３３…アノード、３４…ＭＥＡ、４０〜４３，５０〜５３…孔部、６０〜６３…燃料ガス第１〜第４マニホルド、７０〜７３…酸化ガス第１〜第４マニホルド、８０…制御装置、８１〜８３…第１〜第３凹溝、８６〜８８…第１〜第３燃料ガス小経路、９１〜９３…第１〜第３凹溝、９６〜９８…第１〜第３酸化ガス小経路、
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単セルが積層されたスタックを有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数の単セルが積層されたスタックを有する燃料電池が知られている。例えば特開２０００−３０７３０には、このような燃料電池として、各単セルに燃料ガスおよび酸化ガス（これらを総称して反応ガスという）を行き渡らせるための単セル内ガス通路が設けられ、燃料電池の運転状態に応じて単セル内ガス通路のパターンを切り替え可能なものが開示されている。
【０００３】
具体的には、図１０に示すように、スタックを構成する各単セル１００の単セル内ガス通路は、各単セルごとに設けられた４つのガス小経路１０１，１０２，１０３，１０４の連通状態をバルブｂ１〜ｂ１９の開閉で切り替えることにより、そのパターンが切り替えられる。例えば、バルブｂ６，ｂ７，ｂ１０，ｂ１１，ｂ１４，ｂ１５を開弁し、残りのバルブを閉弁すると、単セル内ガス通路は反応ガスがガス小経路１０１，ガス小経路１０２，ガス小経路１０３，ガス小経路１０４をこの順に通過する直列パターンとなる。また、バルブｂ１〜ｂ３，ｂ５，ｂ７，ｂ９，ｂ１２，ｂ１４，ｂ１６〜ｂ１９を開弁し、残りのバルブを閉弁すると、単セル内ガス通路は反応ガスがガス小経路１０１，ガス小経路１０２，ガス小経路１０３，ガス小経路１０４を一度に通過する並列パターンとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報の直列パターンでは、各単セル１００のガス小経路１０１を通過した反応ガスはスタックの外側に設けられた外部マニホルド１１０を経由して再び各単セル１００のガス小経路１０２に分配され、その後も外部マニホルド１１０を経由しながら各単セル１００に分配されるため、外部マニホルド１１０を経由する際に反応ガスが冷却されて凝縮水が生成し、この凝縮水が外部マニホルド１１０の閉塞を引き起こすおそれがある。すなわち、燃料電池のアノードでは燃料である水素が水和した状態で電解質膜を移動することから水分が不足気味となり、この水分を補うべく燃料ガスは水分を含んだ状態でスタックへ供給されること、また、カソードでは電気化学反応により水が生成し気化することから酸化ガスはこの水分を含んだ状態となること、更に、スタック内は電気化学反応が発熱反応であることから高温状態となっていること等から、反応ガスは高温化されて高い露点を持つことになり、少しの温度低下で凝縮水が発生しやすい状況となっている。これを防ぐには、外部マニホルド１１０やバルブｂ１〜ｂ１９を断熱・保温したりする必要があるが、コストが嵩むため好ましくない。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれのない燃料電池を提供することを目的の一つとする。また、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことのできる燃料電池を提供することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
すなわち、本発明の燃料電池は、複数の単セルが積層されたスタックと、前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を連通して構成された単セル内ガス通路と、前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターンを切り替える切替手段とを備え、前記単セル内ガス通路はどのパターンかによらず該単セル内ガス通路を通過している途中の反応ガスが前記スタックの外側を経由することのないように形成され、前記切替手段は、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を順次通過するよう前記複数のガス小経路を直列的に連通させる直列パターンと、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を同方向に一度に通過するよう前記複数のガス小経路を並列的に連通させる並列パターンのいずれかの連通状態に切り替えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池では、単セル内ガス通路がいずれのパターンにおいても、高い露点を持つ反応ガスが単セル内ガス通路を通過している途中でスタックの外側を経由することがないため、冷却されて凝縮水が発生する事態を回避できる。したがって、この燃料電池によれば、ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれがない。また、ガス通路が凝縮水により閉塞されることがないという効果に加えて、例えば流速を大きくしたいときには直列パターンを採用し、圧力損失を小さくしたいときには並列パターンを採用するといったように、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことが可能となる。
【００１０】
なお、「反応ガス」とは、起電力を発生させるための電気化学反応に供される燃料ガスや酸化ガスの総称である。
【００１２】
本発明の燃料電池は、前記スタック内にて単セル積層方向に沿って設けられ、前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路のうちの少なくとも一組の隣り合うガス小経路の片側の端部同士を連通する共有マニホルドを備え、前記切替手段は、前記共有マニホルドと前記スタックの外側に設けられたガス供給経路またはガス排出経路との連通・遮断を切り替えるようにしてもよい。このようにスタック内の共有マニホルドを利用することにより、本発明の燃料電池を比較的簡単に構成することができる。
【００１３】
具体的には、前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを遮断したときには、反応ガスが前記隣り合うガス小経路の一方のガス小経路を流れたあと前記共有マニホルドを介して方向転換してもう一方のガス小経路を逆方向へと流れ、前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを連通したときには、反応ガスが前記ガス供給経路から直接または前記ガス供給経路と連通した共有マニホルドを介して前記隣り合うガス小経路の各々に供給され、各ガス小経路を同方向に流れたあと直接または前記ガス排出経路と連通した共有マニホルドを介して前記ガス排出経路へと導かれるようにしてもよい。こうすれば、単セル内ガス通路のパターン変更を容易に行うことができる。例えば前出の直列パターンを採用するには切替手段により共有マニホルドとガス供給経路またはガス排出経路とを遮断すればよいし、並列パターンを採用するには切替手段により共有マニホルドとガス供給経路またはガス排出経路とを連通すればよい。
【００１４】
本発明の燃料電池が共有マニホルドを備えているときには、前記切替手段は前記共有マニホルド内に設けられていてもよい。こうすれば、反応ガスが単セル内ガス通路を通過している途中で切替手段を経由する際にもスタックの外側を経由しないことが確実になるため、反応ガスが冷却されて凝縮水が発生する事態を確実に回避できる。
【００１５】
本発明の燃料電池が共有マニホルドを備えているときには、前記切替手段は前記共有マニホルド外に設けられていてもよい。このとき、切替手段により共有マニホルドとガス排出経路またはガス供給経路とが遮断されているときには、共有マニホルドから切替手段までの区間はスタックの外側に位置することもあるが、そうであってもその区間は閉通路であり、一般に閉通路内の流体はほとんど流動せず滞留することから、単セル内ガス通路を通過している途中の反応ガスがこの区間に出入りすることはほとんどなく、このため単セル内ガス通路で凝縮水が発生することはほとんどない。
【００１６】
本発明の燃料電池は、運転状態に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行う切替制御手段を備えていてもよい。こうすれば、燃料電池の運転状態に応じて単セル内ガス通路のパターン変更を制御できるため、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００１７】
なお、「運転状態」とは、燃料電池の運転状態であり、例えば出力の高低、ガス流量の高低、単セルの一構成要素である電解質膜の含水率の高低などが挙げられる。
【００１８】
本発明の燃料電池が切替制御手段を備えているときには、更に反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段を備えていてもよく、前記切替制御手段は、前記ガス流量検出手段によって検出された反応ガスの流量に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行うようにしてもよい。こうすれば、ガス流量に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００１９】
ここで、「ガス流量検出手段」は、ガス流量を知ることができる手段であればよく、例えばガス流量を計量する手段であってもよいし、ガス流量を調量する手段であってもよい。
【００２０】
具体的には、前記切替制御手段は、前記反応ガスの流量が小さいときには前記単セル内ガス通路が直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記反応ガスの流量が大きいときには前記単セル内ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行うようにしてもよい。こうすれば、反応ガスの流量が小さいときには直列パターンを採用して流速を稼いで反応ガスの拡散を促進することができ、反応ガスの流量が大きいときには並列パターンを採用して圧力損失を抑えることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池が切替制御手段を備えているときには、更に、前記単セルの一構成要素である電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段を備えていてもよく、前記切替制御手段は、前記含水率検出手段によって検出された前記電解質膜の含水率に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行うようにしてもよい。こうすれば、電解質膜の含水率に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００２２】
具体的には、前記切替制御手段は、前記電解質膜の含水率が高いときには前記単セル内ガス通路が直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記電解質膜の含水率が低いときには前記単セル内ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行うようにしてもよい。こうすれば、電解質膜の含水率が高いときには直列パターンを採用して流速を稼ぐことにより反応ガスによる水分の持ち出しを促進でき、電解質膜の含水率が低いときには並列パターンを採用して流速を落とすことにより反応ガスによる水分の持ち出しを抑えることができる。
【００２３】
ここで、「含水率検出手段」は、単セルの出力電圧と含水率との関係を表す電圧変動プロファイルやマップを用いて現在の単セルの出力電圧に対応する含水率を求めてもよいし、単セルの電気抵抗と含水率との関係を表すマップを用いて現在の単セルの電気抵抗に対応する含水率を求めてもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池１０の概略構成を表す斜視図、図２は、燃料電池１０を構成するスタックの基本単位である単セル２０の構成を表す分解斜視図、図３は、本実施形態の燃料電池１０が備えるセパレータ３０の構成を表す平面図、図４は、本実施形態の電気的な接続を表す概略ブロック図である。なお、図２（ｂ）は図２（ａ）をＡ視（白抜き矢印）からみた分解斜視図である。
【００２６】
本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であって、主として、単セル２０と、この単セル２０が複数積層されたスタック１１と、このスタック１１に燃料ガスを給排するための燃料ガス供給管１２および燃料ガス排出管１６と、スタック１１に酸化ガスを給排するための酸化ガス供給管２２および酸化ガス排出管２６と、単セル内ガス通路のパターンの切替制御を行う制御装置８０（図４参照）とを備えている。
【００２７】
単セル２０は、電解質膜３１を一対のガス拡散電極であるカソード３２およびアノード３３で挟み込んだ膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」という）３４と、このＭＥＡ３４を挟み込んだ一対のセパレータ３０，３０とから構成されている。電解質膜３１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン膜）であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電解質膜３１の両面には、触媒電極としての白金または白金と他の金属から成る合金が塗布されている。カソード３２およびアノード３３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極である。なお、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。セパレータ３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。
【００２８】
図２に示すように、セパレータ３０の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔部４０、４２が設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する２つの孔部４１、４３が設けられている。このうち、孔部４０の長径は孔部４２の長径の約半分であり、孔部４３の長径は孔部４１の長径の約半分である。また、前記一辺と直交する辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔部５０、５２が設けられており、この辺に対応する辺の近傍には、同じく隣接する２つの孔部５１、５３が設けられている。このうち、孔部５０の長径は孔部５２の長径の約半分であり、孔部５３の長径は孔部５１の長径の約半分である。
【００２９】
さらに、セパレータ３０は、両面に複数の凹溝を備えている。すなわち、セパレータ３０の一方の面には、孔部４０と孔部４１の略半分とを連通させる第１凹溝８１と、孔部４１の残り略半分と孔部４２の略半分とを連通させる第２凹溝８２と、孔部４２の残り略半分と孔部４３とを連通させる第３凹溝８３とが設けられている。セパレータ３０の他方の面には、孔部５０と孔部５１の略半分とを連通させる第１凹溝９１と、孔部５１の残り略半分と孔部５２の略半分とを連通させる第２凹溝９２と、孔部５２の残り略半分と孔部５３とを連通させる第３凹溝９３とが設けられている。
【００３０】
各凹溝は、隣接するガス拡散電極との間でガス小経路を形成する。すなわち、セパレータ３０の一方の面に設けられた第１〜第３凹溝８１〜８３は、隣接するアノード３３との間にそれぞれ第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を形成し、セパレータ３０の他方の面に設けられた第１〜第３凹溝９１〜９３は、隣接するカソード３２との間にそれぞれ第１〜第３酸化ガス小経路９６〜９８を形成する。各単セル２０は、燃料ガスを単セル２０内に行き渡らせるための単セル内燃料ガス通路と、酸化ガスを単セル２０内に行き渡らせるための単セル内酸化ガス通路とを有しているが、単セル内燃料ガス通路は第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を適宜連通して構成され、単セル内酸化ガス通路は第１〜第３酸化ガス小経路９６〜９８を適宜連通して構成される。
【００３１】
なお、一対のセパレータ３０，３０の間隙のうちＭＥＡ３４が介在していない部分には図示しないシール部材が配置されている。このシール部材は、この部分で燃料ガスと酸化ガスとが混合するのを防止したり、これらのガスが外部に漏れ出すのを防止したりする役割を果たすと共に、一対のセパレータ３０，３０の互いに対向する孔部同士をシール状態を保ったまま連通する役割も果たす。
【００３２】
スタック１１は、セパレータ３０、カソード３２、電解質膜３１、アノード３３、セパレータ３０の順序で順次重ね合わせていき、さらに、図１に示すように、その両端に集電板３６、３７、絶縁板３８、３９、エンドプレート３４、３５を順次配置して完成される。集電板３６、３７は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板３８、３９はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート３４、３５は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板３６、３７にはそれぞれ出力端子３６Ａ、３７Ａが設けられており、燃料電池１０で生じた起電力を出力可能となっている。また、エンドプレート３４、３５は、図示しない加圧装置によって複数の単セル２０をスタック積層方向に加圧して保持している。
【００３３】
単セル２０を積層してスタック１１を組み立てたとき、図３に示すように、各セパレータ３０に設けられた孔部４０は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第１マニホルド６０を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部４１は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第２マニホルド６１を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部４２は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第３マニホルド６２を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部４３は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する燃料ガス第４マニホルド６３を形成する。
【００３４】
燃料ガス第１マニホルド６０は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１燃料ガス小経路８６の一端を連通する役割を果たし、燃料ガス第２マニホルド６１は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１燃料ガス小経路８６の他端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２燃料ガス小経路８７の他端を連通して第１および第２燃料ガス小経路８６、８７の他端同士を共有化する役割を果たし、燃料ガス第３マニホルド６２は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２燃料ガス小経路８７の一端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３燃料ガス小経路８８の一端を連通して第２および第３燃料ガス小経路８７、８８の一端同士を共有化する役割を果たし、燃料ガス第４マニホルド６３は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３燃料ガス小経路８８の他端を連通する役割を果たす。
【００３５】
また、同じく単セル２０を積層してスタック１１を組み立てたとき、各セパレータ３０に設けられた孔部５０は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第１マニホルド７０を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部５１は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第２マニホルド７１を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部５２は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第３マニホルド７２を形成し、同じく各セパレータ３０に設けられた孔部５３は、スタック１１の内部をその積層方向に貫通する酸化ガス第４マニホルド７３を形成する。
【００３６】
酸化ガス第１マニホルド７０は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１酸化ガス小経路９６の一端を連通する役割を果たし、酸化ガス第２マニホルド７１は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第１酸化ガス小経路９６の他端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２酸化ガス小経路９７の他端を連通して第１および第２酸化ガス小経路９６、９７の他端同士を共有化する役割を果たし、酸化ガス第３マニホルド７２は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第２酸化ガス小経路９７の一端を連通すると共に同じくスタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３酸化ガス小経路９８の一端を連通して第２および第３酸化ガス小経路９７、９８の一端同士を共有化する役割を果たし、酸化ガス第４マニホルド７３は、スタック１１の積層方向に並ぶ複数の第３酸化ガス小経路９８の他端を連通する役割を果たす。
【００３７】
燃料ガス供給管１２は、図示しない燃料ガス供給装置からスタック１１に燃料ガスを供給するための管であり、スタック１１の外側で分岐されて一方が燃料ガス供給分岐管１３として構成され、他方がバルブ付き燃料ガス供給分岐管１４として構成されている。燃料ガス供給分岐管１３は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第１マニホルド６０に連通している。バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第３マニホルド６２に連通しており、燃料ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管１３，１４の流量比率を調節可能な燃料ガス供給用開閉バルブ１５を備えている。
【００３８】
燃料ガス排出管１６は、スタック１１から図示しない燃料ガス排出装置へ燃料ガスを排出するための管であり、スタック１１の外側で燃料ガス排出分岐管１７とバルブ付き燃料ガス排出分岐管１８とが集合されている。燃料ガス排出分岐管１７は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第４マニホルド６３に連通している。バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して燃料ガス第２マニホルド６１に連通しており、燃料ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管１７，１８の流量比率を調節可能な燃料ガス排出用開閉バルブ１９を備えている。
【００３９】
酸化ガス供給管２２は、図示しない酸化ガス供給装置からスタック１１に酸化ガスを供給するための管であり、スタック１１の外側で分岐されて一方が酸化ガス供給分岐管２３として構成され、他方がバルブ付き酸化ガス供給分岐管２４として構成されている。酸化ガス供給分岐管２３は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第１マニホルド７０に連通している。バルブ付き酸化ガス供給分岐管２４は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第３マニホルド７２に連通しており、酸化ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管２３，２４の流量比率を調節可能な酸化ガス供給用開閉バルブ２５を備えている。
【００４０】
酸化ガス排出管２６は、スタック１１から図示しない酸化ガス排出装置へ酸化ガスを排出するための管であり、スタック１１の外側で酸化ガス排出分岐管２７とバルブ付き酸化ガス排出分岐管２８とが集合されている。酸化ガス排出分岐管２７は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第４マニホルド７３に連通している。バルブ付き酸化ガス排出分岐管２８は、エンドプレート３４に設けられた図示しないガス管取付口に接続され、集電板３６および絶縁板３８を介して酸化ガス第２マニホルド７１に連通しており、酸化ガスがこの管内を通過するのを許容するか禁止するかを切り替えると共に開度によって両分岐管２７，２８の流量比率を調節可能な酸化ガス排出用開閉バルブ２９を備えている。
【００４１】
制御装置８０は、図４に示すように、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、クロック回路等を含んで構成され、スタック１１へ供給する燃料ガスの流量に関する信号やスタック１１へ供給する酸化ガスの流量に関する信号を入力するように接続され、また、燃料ガス供給用開閉バルブ１５、燃料ガス排出用開閉バルブ１９、酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９に制御信号を出力するように各バルブに電気的に接続されている。なお、燃料ガスの流量に関する信号は、燃料ガス供給管１２に流量センサを設けてこの流量センサから入力してもよいし、図示しない燃料ガス供給装置などで調量している場合にはその調量に関する信号を入力してもよい。あるいは、これらの信号を制御装置８０で生成する場合にはその信号を読み込むようにしてもよい。酸化ガスの流量に関する信号についても同様である。
【００４２】
次に、単セル内燃料ガス通路および単セル内酸化ガス通路について説明する。
単セル内燃料ガス通路は、各単セル２０ごとに設けられた第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８の連通状態を切り替えることにより２通りのパターンを採り得る。また、単セル内酸化ガス通路は、各単セル２０ごとに設けられた第１〜第３酸化ガス小経路９６〜９８の連通状態を切り替えることにより同じく２通りのパターンを採り得る。以下には、そのパターンについて燃料ガスを例にとって説明する。
【００４３】
第１のパターンは、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉したときのパターンである。この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給管１２から燃料ガス供給分岐管１３を介して燃料ガス第１マニホルド６０のみに供給され、燃料ガス第４マニホルド６３から燃料ガス排出分岐管１７を介して燃料ガス排出管１６へと排出される。このときの様子を図５に示す。図５（ａ）は第１のパターンにおける燃料ガスの給排を表した概略説明図で、図５（ｂ）はそのときの単セル内燃料ガス通路を表した概略説明図である。
【００４４】
具体的には、燃料ガス第１マニホルド６０に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部４０（つまり第１燃料ガス小経路８６の一端）から第１燃料ガス小経路８６に導かれ、孔部４１（つまり第１燃料ガス小経路８６の他端）に向かって流れていき、この孔部４１と連通している燃料ガス第２マニホルド６１に至る。この燃料ガス第２マニホルド６１は、バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８に接続されているが、燃料ガス排出用開閉バルブ１９は全閉状態であり燃料ガスの通過が禁止されているため、燃料ガス第２マニホルド６１に至った燃料ガスは、ここで方向転換して孔部４１（つまり第２燃料ガス小経路８７の他端）から第２燃料ガス小経路８７に導かれ、孔部４２（つまり第２燃料ガス小経路８７の一端）に向かって流れていき、この孔部４２と連通している燃料ガス第３マニホルド６２に至る。この燃料ガス第３マニホルド６２は、バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４に接続されているが、燃料ガス供給用開閉バルブ１５は全閉状態であり燃料ガスの通過が禁止されているため、燃料ガス第３マニホルド６２に至った燃料ガスは、ここで方向転換して孔部４２（つまり第３燃料ガス小経路８８の一端）から第３燃料ガス小経路８８に導かれ、孔部４３（つまり第３燃料ガス小経路８８の他端）に向かって流れていき、この孔部４３と連通している燃料ガス第４マニホルド６３に至る。そして、燃料ガス第４マニホルド６３に至った燃料ガスは、燃料ガス排出分岐管１７を介して燃料ガス排出管１６へと導かれる。
【００４５】
このように、単セル内燃料ガス通路の第１のパターンは、スタック１１に供給された燃料ガスが各単セル２０内の第１燃料ガス小経路８６をその一端から他端へと流れ、続いて第２燃料ガス小経路８７をその他端から一端へと逆向きに流れ、続いて第３燃料ガス小経路８８をその一端から他端へと流れることから、単セル２０ごとに設けられた第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を順次通過する直列パターンである。このとき、単セル内燃料ガス通路を通過している燃料ガスはその途中でスタック１１の外側を経由することがないため、燃料ガスが高い露点を持っていたとしても、冷却されて凝縮水が発生するといった事態は回避される。なお、バルブ付き燃料ガス供給分岐管１４における燃料ガス第３マニホルド６２から燃料ガス供給用開閉バルブ１５までの区間や、バルブ付き燃料ガス排出分岐管１８における燃料ガス第２マニホルド６１から燃料ガス排出用開閉バルブ１９までの区間はスタック１１の外側に位置しているが、一般にこのような閉通路内の流体はほとんど流動せず滞留することから、単セル内燃料ガス通路を通過している途中の燃料ガスがこれらの区間に出入りすることはほとんどなく、このため単セル内燃料ガス通路内で凝縮水が発生することはほとんどない。
【００４６】
次に、第２のパターンは、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全開したときのパターンである。この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給管１２から両分岐管１３，１４を介して燃料ガス第１マニホルド６０と燃料ガス第３マニホルド６２の両方に供給され、燃料ガス第２マニホルド６１と燃料ガス第４マニホルド６３の両方から各分岐管１７，１８を介して燃料ガス排出管１６へと排出される。このときの様子を図６に示す。図６（ａ）は第２のパターンにおける燃料ガスの給排を表した概略説明図で、図６（ｂ）はそのときの単セル内燃料ガス通路を表した概略説明図である。
【００４７】
具体的には、燃料ガス第１マニホルド６０に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部４０（つまり第１燃料ガス小経路８６の一端）から第１燃料ガス小経路８６に導かれ、孔部４１（つまり第１燃料ガス小経路８６の他端）に向かって流れていき、この孔部４１に至る。また、燃料ガス第３マニホルド６２に供給された燃料ガスは、各単セル２０を構成するセパレータ３０に設けられた孔部４１（つまり第２および第３燃料ガス小経路８７，８８の一端）から第２および第３燃料ガス小経路８７，８８に導かれ、第２燃料ガス小経路８７に導かれた燃料ガスは孔部４１（つまり第２燃料ガス小経路８７の他端）に向かって流れていき、この孔部４１に至り、一方、第３燃料ガス小経路８８に導かれた燃料ガスは孔部４３（つまり第３燃料ガス小経路８８の他端）に向かって流れていき、この孔部４３に至る。そして、孔部４１に至った燃料ガスは、燃料ガス第２マニホルド６１およびバルブ付き燃料ガス排出分岐管１８を介して燃料ガス排出管１６に導かれ、孔部４３に至った燃料ガスは、燃料ガス第４マニホルド６３および燃料ガス排出分岐管１７を介して燃料ガス排出管１６に導かれる。
【００４８】
このように、単セル内燃料ガス通路の第２のパターンは、スタック１１に供給された燃料ガスが各単セル２０内の第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を同方向に一度に通過する並列パターンである。このときも、単セル内燃料ガス通路を通過している燃料ガスはその途中でスタック１１の外側を経由することがないため、燃料ガスが高い露点を持っていたとしても、冷却されて凝縮水が発生するといった事態が回避される。
【００４９】
このように第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８の連通状態を切り替えることにより、第１〜第３燃料ガス小経路８６〜８８を連通して構成される単セル内燃料ガス通路のパターンが変更される。なお、酸化ガスについても、燃料ガスと同様に直列パターンと並列パターンがあるが、燃料ガスと同様のためその詳細な説明は省略する。
【００５０】
次に、以上の構成を備えた燃料電池１０の具体的な動作について、図７のフローチャートに基づいて説明する。制御装置８０のＣＰＵは、所定タイミングごとに、ＲＯＭに記憶された複数の制御プログラムの中からガス通路最適化プログラムを読み出して、一時的にＲＡＭにデータを記憶しながらこれを実行する。
【００５１】
このガス通路最適化プログラムが開始されると、制御装置８０は、スタック１１に供給される燃料ガスの流量に関する信号を入力し（ステップＳ１００）、その流量が予め定められた所定量Ｃ１を越えるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。そして、スタック１１に供給される燃料ガスの流量が所定量Ｃ１を超えないのとき（例えば低出力のとき）には、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉し、単セル内燃料ガス通路を直列パターンに設定する（ステップＳ１２０、図５参照）。この結果、単セル内燃料ガス通路の流路幅が狭められ、単セル内燃料ガス通路を流れる燃料ガスの流速が増大し、乱流が発生することにより触媒電極へのガス拡散が促進される。一方、スタック１１に供給される燃料ガスの流量が所定値Ｃ１を越えるとき（例えば高出力のとき）には、燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全開し、単セル内燃料ガス通路を並列パターンに設定する（ステップＳ１３０、図６参照）。この結果、単セル内燃料ガス通路の流路幅が広がり、単セル内燃料ガス通路を流れる燃料ガスの圧力損失が抑えられる。
【００５２】
続いて、スタック１１に供給される酸化ガスの流量に関する信号を入力し（ステップＳ１４０）、その流量が予め定められた所定量Ｃ２を超えるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。そして、スタック１１に供給される酸化ガスの流量が所定量Ｃ２を超えないとき（例えば低出力のとき）には、酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９を全閉し、単セル内酸化ガス通路を直列パターンに設定し（ステップＳ１６０）、このルーチンを終了する。この結果、単セル内酸化ガス通路の流路幅が狭められ、単セル内酸化ガス通路を流れる酸化ガスの流速が増大し、乱流が発生することにより触媒電極へのガス拡散が促進される。一方、スタック１１に供給される酸化ガスの流量が所定値Ｃ２を越えるとき（例えば高出力のとき）には、酸化ガス供給用開閉バルブ２５および酸化ガス排出用開閉バルブ２９を全開し、単セル内酸化ガス通路を並列パターンに設定し（ステップＳ１７０）、このルーチンを終了する。この結果、単セル内酸化ガス通路の流路幅が広がり、単セル内酸化ガス通路を流れる酸化ガスの圧力損失が抑えられる。
【００５３】
以上詳述した本実施形態の燃料電池１０によれば、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路がいずれのパターンにおいても、高い露点を持つ燃料ガスや酸化ガスが単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路を通過している途中でスタック１１の外側を経由することがないため、冷却されて凝縮水が発生する事態を回避でき、各ガス通路が凝縮水により閉塞されるおそれがない。
【００５４】
また、燃料ガス第２マニホルド６１や燃料ガス第３マニホルド６２、あるいは、酸化ガス第２マニホルド７１や酸化ガス第３マニホルド７２のように、隣り合うガス小経路の端部同士を連通する共有マニホルドを利用することにより、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路が比較的簡単な構成で上述の効果が得られる。
【００５５】
更に、共有マニホルド６１，６２，７１，７２から各開閉バルブ１５，１９，２５，２９までの区間はスタック１１の外側に位置しているが、これらの区間は閉通路であるので燃料ガスや酸化ガスが出入りすることはほとんどなく、このため単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路で凝縮水が発生することはほとんどない。
【００５６】
更にまた、切替制御手段としての制御装置８０は、単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路につき、ガス流量が小さいときには直列パターンに設定することにより流速を大きくして触媒電極へのガス拡散を促進することができ、ガス流量が大きいときには並列パターンに設定することにより圧力損失を小さく抑えることができる。この結果、運転状態に応じて適切な電池性能を引き出すことができ、燃料電池１０の出力域（ダイナミックレンジ）を広げることができる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【００５８】
例えば、上記実施形態では燃料ガスや酸化ガスの流量に関する信号に応じて単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路のパターンを切り替えたが、単セル２０の出力電圧と電解質膜３１の含水率との関係を表す電圧変動プロファイルを制御装置８０のＲＯＭに記憶しておき、この電圧変動プロファイルに基づき現在の出力電圧から電解質膜３１の含水率を求め、この含水率に応じて単セル内燃料ガス通路や単セル内酸化ガス通路のパターンを切り替えてもよい。具体的には、含水率が高いときには直列パターンを採用して流速を稼ぐことによりガスによる水分の持ち出しを促進し、含水率が低いときには並列パターンを採用して流速を落とすことによりガスによる水分の持ち出しを抑えるようにしてもよい。こうすれば、電解質膜３１の含水率に応じて適切な電池性能を引き出すことができる。
【００５９】
また、上記実施形態では、燃料ガスについていえば燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９の両方を全閉するか全開するかのいずれかに制御したが、各バルブ１５，１９を独立に制御したり開度を制御したりしてもよい。こうすれば、並列パターンと直列パターンとを組み合わせた流れを実現できる。例えば、図８に示すように燃料ガス排出用開閉バルブ１９を全閉にし燃料ガス供給用開閉バルブ１５を少し開けることにより、第１燃料ガス小経路８６のガス流量を直列パターンのときよりも減らしてこの第１燃料ガス小経路８６内の電解質膜３１の乾燥を防ぐと同時に、燃料ガス第３マニホルド６２を介して第３燃料ガス小経路８８に燃料ガスを継ぎ足すことにより第３燃料ガス小経路８８でのガス濃度の低下を防ぐことができる。なお、酸化ガスについても同様である。
【００６０】
更に、上記実施形態では、燃料ガスについていえば燃料ガス供給用開閉バルブ１５および燃料ガス排出用開閉バルブ１９をそれぞれ燃料ガス第３マニホルド６２および燃料ガス第２マニホルド６１の外側つまりスタック１１の外側に設けたが、これらのバルブ１５，１９をスタック１１の内部に設けてもよい。すなわち、図９に示すように、燃料ガス第１マニホルド６０と燃料ガス第３マニホルド６２とを連通させて併合マニホルド１６０とし、この併合マニホルド１６０に燃料ガス供給管１２を接続し、この第１併合マニホルド１６０内において第１燃料ガス小流路８６と第２燃料ガス小流路８７との境界位置に開閉バルブ１１４を設ける。それと共に、燃料ガス第２マニホルド６１と燃料ガス第４マニホルド６３とを連通させて併合マニホルド１６１とし、この併合マニホルド１６１に燃料ガス排出管１６を接続し、この併合マニホルド１６１内において第２燃料ガス小経路８７と第３燃料ガス小経路８８との境界位置に開閉バルブ１１９を設ける。そして、単セル内燃料ガス通路を直列パターンに設定する場合には両バルブ１１４，１１９を全閉し（図９（ｂ）参照）、並列パターンに設定する場合には両バルブ１１４，１１９を全開する（図９（ｃ）参照）。こうすれば、燃料ガスが単セル内燃料ガス通路を通過している途中でバルブ１１４，１１９を経由する際にもスタック１１の外側を経由しないことが確実になるため、燃料ガスが冷却されて凝縮水が発生する事態を確実に回避できる。なお、酸化ガスについても同様である。
【００６１】
更にまた、上記実施形態では、高出力時においては基本的には並列パターンを採用したが、単セル２０の電圧やガス供給圧力等をモニタリングすることによりフラッディング現象の発生が認められた場合には、一時的に直列パターンとしてガス流速を上げ、水分を強制排出することによりフラッディング現象を解消するようにしてもよい。
【００６２】
そしてまた、上記実施形態では、単セル内燃料ガス通路と単セル内酸化ガス通路の両方についてパターンの切替を行ったが、どちらか一方のみについてパターンの切替を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池の概略構成を表す斜視図である。
【図２】燃料電池を構成するスタックの基本単位である単セルの構成を表す分解斜視図である。
【図３】燃料電池が備えるセパレータの構成を表す平面図である。
【図４】本実施形態の電気的な接続を表す概略ブロック図である。
【図５】第１のパターン（直列パターン）における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図６】第２のパターン（並列パターン）における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図７】ガス通路最適化プログラムのフローチャートである。
【図８】本実施形態の変形例における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図９】本実施形態の変形例における燃料ガスの給排および単セル内燃料ガス通路の概略説明図である。
【図１０】従来例の概略説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１１…スタック、１２…燃料ガス供給管、１３…燃料ガス供給分岐管、１４…バルブ付き燃料ガス供給分岐管、１５…燃料ガス供給用開閉バルブ、１６…燃料ガス排出管、１７…燃料ガス排出分岐管、１８…バルブ付き燃料ガス排出分岐管、１９…燃料ガス排出用開閉バルブ、２０…単セル、２２…酸化ガス供給管、２３…酸化ガス供給分岐管、２４…バルブ付き酸化ガス供給分岐管、２５…酸化ガス供給用開閉バルブ、２６…酸化ガス排出管、２７…酸化ガス排出分岐管、２８…バルブ付き酸化ガス排出分岐管、２９…酸化ガス排出用開閉バルブ、３０…セパレータ、３１…電解質膜、３２…カソード、３３…アノード、３４…ＭＥＡ、４０〜４３，５０〜５３…孔部、６０〜６３…燃料ガス第１〜第４マニホルド、７０〜７３…酸化ガス第１〜第４マニホルド、８０…制御装置、８１〜８３…第１〜第３凹溝、８６〜８８…第１〜第３燃料ガス小経路、９１〜９３…第１〜第３凹溝、９６〜９８…第１〜第３酸化ガス小経路、
Claims (7)
- 複数の単セルが積層されたスタックと、
前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を連通して構成された単セル内ガス通路と、
前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターンを切り替える切替手段と
を備え、
前記単セル内ガス通路はどのパターンかによらず該単セル内ガス通路を通過している途中の反応ガスが前記スタックの外側を経由することのないように形成され、
前記切替手段は、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を順次通過するよう前記複数のガス小経路を直列的に連通させる直列パターンと、前記反応ガスが前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路を同方向に一度に通過するよう前記複数のガス小経路を並列的に連通させる並列パターンのいずれかの連通状態に切り替える
ことを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池であって、
前記スタック内にて単セル積層方向に沿って設けられ、前記単セルごとに設けられた複数のガス小経路のうちの少なくとも一組の隣り合うガス小経路の片側の端部同士を連通する共有マニホルド
を備え、
前記切替手段は、前記共有マニホルドと前記スタックの外側に設けられたガス供給経路またはガス排出経路との連通・遮断を切り替える
燃料電池。 - 前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを遮断したときには、反応ガスが前記隣り合うガス小経路の一方のガス小経路を流れたあと前記共有マニホルドを介して方向転換してもう一方のガス小経路を逆方向へと流れ、
前記切替手段が前記共有マニホルドと前記ガス供給経路または前記ガス排出経路とを連通したときには、反応ガスが前記ガス供給経路から直接または前記ガス供給経路と連通した共有マニホルドを介して前記隣り合うガス小経路の各々に供給され、各ガス小経路を同方向に流れたあと直接または前記ガス排出経路と連通した共有マニホルドを介して前記ガス排出経路へと導かれる
請求項２記載の燃料電池。 - 前記切替手段は、前記共有マニホルド内に設けられている
請求項２又は３に記載の燃料電池。 - 前記切替手段は、前記共有マニホルド外に設けられている
請求項２又は３に記載の燃料電池。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池であって、
運転状態に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行う切替制御手段と、
反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段と
を備え、
前記切替制御手段は、前記ガス流量検出手段によって検出された反応ガスの流量に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行うものであり、前記反応ガスの流量が小さいときには前記単セル内ガス通路が直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記反応ガスの流量が大きいときには前記単セル内ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行う
燃料電池。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池であって、
運転状態に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行う切替制御手段と、
前記単セルの一構成要素である電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段
を備え、
前記切替制御手段は、前記含水率検出手段によって検出された前記電解質膜の含水率に応じて前記切替手段を介して前記複数のガス小経路の連通状態を切り替えることにより前記単セル内ガス通路のパターン変更を行うものであり、前記電解質膜の含水率が高いときには前記単セル内ガス通路が直列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行い、前記電解質膜の含水率が低いときには前記単セル内ガス通路が並列パターンになるように前記切替手段の切替制御を行う
燃料電池。
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