JP4972939B2 - Method and apparatus for operating fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックの運転方法とその装置に関し、とくに安定した燃料電池スタックの発電を可能にする燃料電池スタックの運転方法とその装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for operating a fuel cell stack, and more particularly, to a method and apparatus for operating a fuel cell stack that enables stable power generation of the fuel cell stack.

燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly 、ＭＥＡ）をセパレータで挟んだものから構成される。少なくとも１つの単位燃料電池からモジュールを構成し、モジュールを複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックが構成される。
モジュールの一側のセパレータの中央部には燃料ガス流路が形成され、他側のセパレータの中央部には酸化ガス流路が形成される。セパレータの外周部には、入口側および出口側の燃料および酸化ガスマニホールドが形成される。入口側の燃料ガスマニホールドから供給された燃料ガス（水素）は燃料ガス流路に流入して一部が発電に消費され、残りは燃料ガス流路から出口側の燃料ガスマニホールドに流出する。同様に、入口側の酸化ガスマニホールドから供給された酸化ガス（酸素、通常、空気）は酸化ガス流路に流入して一部が発電に消費され、残りは酸化ガス流路から出口側の酸化ガスマニホールドに流出する。セルの中央部は発電領域であり、発電の際に、カソード側に水が生成し、水分の一部は電解質膜を湿潤させ、アノード側に移動する。カソード側で生成した水は、ガス流に乗って酸化ガスマニホールドに排出されるが、排出が不十分であると、セル内でフラッディングを生じ、酸化ガスのカソードへの供給が阻害されて発電出力、電位が低下する。
燃料電池スタックの発電運転において、セル積層方向に偏った水分量分布が発生する。この対策として、特開２００４−１７９０６１号公報は、水分の溜まりがちな部位のみに選択的に水はけのよいセルを配置することを提案している。また、特開２００４−１７９０６１号公報では、水はけのよいセルを配置する部位は、スタックのガス供給側と反対側の端部とその近傍のセルとしている。
特開２００４−１７９０６１号公報 2. Description of the Related Art A fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell is configured by sandwiching a membrane-electrode assembly (MEA) between separators. A module is composed of at least one unit fuel cell, and a plurality of modules are stacked (arbitrary stacking direction is arbitrary) to form a fuel cell stack.
A fuel gas channel is formed in the central part of the separator on one side of the module, and an oxidizing gas channel is formed in the central part of the separator on the other side. An inlet side and an outlet side fuel and oxidizing gas manifold are formed on the outer periphery of the separator. The fuel gas (hydrogen) supplied from the fuel gas manifold on the inlet side flows into the fuel gas flow path and is partially consumed for power generation, and the rest flows out from the fuel gas flow path to the fuel gas manifold on the outlet side. Similarly, the oxidizing gas (oxygen, usually air) supplied from the oxidizing gas manifold on the inlet side flows into the oxidizing gas channel and is partially consumed for power generation, and the rest is oxidized on the outlet side from the oxidizing gas channel. Outflow to gas manifold. The central portion of the cell is a power generation region. During power generation, water is generated on the cathode side, and a part of the water wets the electrolyte membrane and moves to the anode side. The water generated on the cathode side is discharged to the oxidizing gas manifold along with the gas flow. However, if the discharge is insufficient, flooding occurs in the cell and the supply of the oxidizing gas to the cathode is hindered, resulting in power generation output. , The potential drops.
In the power generation operation of the fuel cell stack, a moisture content distribution that is biased in the cell stacking direction occurs. As a countermeasure, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-179061 proposes to selectively dispose cells with good drainage only in a portion where water tends to accumulate. Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-179061, a portion where a well drained cell is arranged is the end of the stack opposite to the gas supply side and a cell in the vicinity thereof.
JP 2004-179061 A

しかし、従来の構成には、つぎの問題がある。
水分の溜まりがちな部位に選択的に水はけのよいセルを配置した場合、水分の溜まりを抑制することはできても、水分量分布を完全に平坦にするまでには至らず、水分量分布の平坦化には限界がある。
また、スタックのガス供給側端の反対側端が水分の溜まりがちな部位とは限らず、その場合には、スタックのガス供給側端の反対側端に水はけのよいセルを配置しても、水分量分布の平坦化にはほとんど効果がない。 However, the conventional configuration has the following problems.
When cells with good drainage are selectively placed in areas where water tends to accumulate, it is possible to suppress the accumulation of moisture, but the moisture distribution is not completely flattened. There is a limit to flattening.
In addition, the end opposite to the gas supply side end of the stack is not necessarily a part where moisture tends to accumulate, and in that case, even if a cell with good drainage is disposed at the opposite end of the gas supply side end of the stack, There is almost no effect in flattening the moisture distribution.

本発明の目的は、燃料電池スタックのセル積層方向の水分量分布を平坦化する（平坦に近づける）ことができ、安定した燃料電池スタックの発電を可能にする燃料電池スタックの運転方法とその装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell stack operating method and apparatus capable of flattening (making it closer to flat) the moisture content distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack and enabling stable power generation of the fuel cell stack. Is to provide.

上記目的を達成する本発明は、
燃料電池スタックのセル積層方向の両端のうち総極性がマイナス側の第１の端部とその近傍にある第１のセルに、燃料電池スタックの第１の端部と反対側の第２の端部とその近傍にある第２のセルおよび燃料電池スタックのセル積層方向中央部にある第３のセルより多い量の水分が溜まって、燃料電池スタックの第１のセルに水分量が偏ったことを検知する検知工程と、
燃料電池スタックの総マイナス側の第１のセルに水分量が偏ったことを検知した時に、第１のセルの水分量を減少させるとともに第２のセルの水分量を増大させ燃料電池スタックの第１、第２、第３のセルを含む全セルにわたってセル積層方向に水分量分布が平坦化するまで、燃料電池スタックの総極性を反転させる極性反転工程と、
を含む、燃料電池スタックの運転方法からなる。
望ましくは、燃料電池スタックの総極性の反転を、燃料電池スタックのセル積層方向の端部のうち水分が多い側の端部が総プラスになるように反転させる。
望ましくは、燃料電池スタックの総極性の反転を、アノードガスとカソードガスを入替えることにより行ってもよい。
望ましくは、アノードガスとカソードガスの入替え前にアノードガスの流路とカソードガスの流路をパージする。
望ましくは、イオン交換体を介して対向するガス流路の形状を同じにした。
望ましくは、燃料電池スタックの総極性の反転を、外部電源または回生電圧の印加により行ってもよい。
望ましくは、燃料電池スタックの総極性の反転処理を、非発電状態の下で行い、反転直前の発電時の極性を基準に反転する。
望ましくは、燃料電池スタックのセル積層方向端部と端部付近に、セル積層方向中央部より排水性の高いセルを配置し、極性とセル排水性との両方で、燃料電池スタックのセル積層方向端部の排水を促進させる。
上記目的を達成する本発明は、
燃料電池スタックのセル積層方向の両端のうち総極性がマイナス側の第１の端部とその近傍にある第１のセルに、燃料電池スタックの第１の端部と反対側の第２の端部とその近傍にある第２のセルおよび燃料電池スタックのセル積層方向中央部にある第３のセルより多い量の水分が溜まって、燃料電池スタックの第１のセルに水分量が偏ったことを検知する検知装置と、
検知装置が燃料電池スタックの総マイナス側の第１のセルに水分量が偏ったことを検知した時に、第１のセルの水分量を減少させるとともに第２のセルの水分量を増大させ燃料電池スタックの第１、第２、第３のセルを含む全セルにわたってセル積層方向に水分量分布が平坦化するまで、燃料電池スタックの総極性を反転させる極性反転極性反転装置と、
を備えた燃料電池スタックの運転装置からなる。
望ましくは、極性反転装置が、アノードガスとカソードガスのスタックへの供給を切替える装置からなる。
望ましくは、極性反転装置が、
燃料電池スタックとアノードガス供給源とを接続する第１の通路と、
燃料電池スタックとカソードガス供給源とを接続する第２の通路と、
第１の通路上に設けられた第１の切替弁と、
第２の通路上の設けられた第２の切替弁と、
第１の切替弁と第２の切替弁より下流側の第２の通路上の点とを連通する第１の切替通路と、
第２の切替弁と第１の切替弁より下流側の第１の通路上の点とを連通する第２の切替通路と、
第１の切替弁と第２の切替弁との切替えを指示する制御装置と、
を備えている。
望ましくは、極性反転装置が、アノードガスとカソードガスのスタックへの供給経路に接続されて該供給経路に不活性ガスのパージガスを供給するパージガス供給経路を備えている。
望ましくは、極性反転装置が、スタックに印加される極性を反転させる装置からなる。
望ましくは、極性反転装置が、
外部電源および該外部電源の第１の端子および第２の端子と、
燃料電池スタックのセル積層方向の一端の第１のターミナルおよび他端の第２のターミナルの前記外部電源の第１の端子との接続を切替える第１の切替スイッチと、
燃料電池スタックのセル積層方向の一端の第１のターミナルおよび他端の第２のターミナルの前記外部電源の第２の端子との接続を切替える第２の切替スイッチと、
第１の切替スイッチおよび第２の切替スイッチの切替えを指示する制御装置と、
を備えている。 The present invention for achieving the above object
Of the two ends of the fuel cell stack in the cell stacking direction, the first end of the negative polarity and the first cell in the vicinity thereof are connected to the second end opposite to the first end of the fuel cell stack. More water than the third cell in the cell stacking direction central portion of the cell and the second cell in the vicinity thereof and the fuel cell stack accumulated, and the amount of water was biased to the first cell of the fuel cell stack A detection process for detecting
When it is detected that the amount of water is biased toward the first cell on the total minus side of the fuel cell stack, the amount of water in the first cell is decreased and the amount of water in the second cell is increased. A polarity inversion step of inverting the total polarity of the fuel cell stack until the moisture distribution in the cell stacking direction is flattened across all cells including the first, second, and third cells;
And a method of operating the fuel cell stack.
Desirably, the reversal of the total polarity of the fuel cell stack is reversed so that the end of the fuel cell stack in the cell stacking direction has a moisture content on the end.
Desirably, the reversal of the total polarity of the fuel cell stack may be performed by switching the anode gas and the cathode gas.
Desirably, the anode gas channel and the cathode gas channel are purged before the anode gas and the cathode gas are switched.
Desirably, the shape of the gas channel which opposes via an ion exchanger was made the same.
Desirably, the reversal of the total polarity of the fuel cell stack may be performed by applying an external power source or a regenerative voltage.
Desirably, the inversion processing of the total polarity of the fuel cell stack is performed in a non-power generation state, and the inversion is performed based on the polarity at the time of power generation just before the inversion.
Desirably, cells having higher drainage than the center in the cell stacking direction are arranged at and near the end of the cell stack direction of the fuel cell stack, and the cell stacking direction of the fuel cell stack is both polar and cell drainable. Promotes drainage at the edges .
The present invention to achieve the above Symbol purpose,
Of the two ends of the fuel cell stack in the cell stacking direction, the first end of the negative polarity and the first cell in the vicinity thereof are connected to the second end opposite to the first end of the fuel cell stack. More water than the third cell in the cell stacking direction central portion of the cell and the second cell in the vicinity thereof and the fuel cell stack accumulated, and the amount of water was biased to the first cell of the fuel cell stack A detection device for detecting
When the detection device detects that the moisture content is biased toward the first negative cell of the fuel cell stack, the fuel cell reduces the moisture content of the first cell and increases the moisture content of the second cell. A polarity reversing polarity reversing device for reversing the total polarity of the fuel cell stack until the moisture distribution in the cell stacking direction is flattened across all cells including the first, second and third cells of the stack;
Comprising a fuel cell stack operating device.
Preferably, the polarity reversing device comprises a device for switching supply of anode gas and cathode gas to the stack.
Preferably, the polarity reversing device is
A first passage connecting the fuel cell stack and the anode gas supply source;
A second passage connecting the fuel cell stack and the cathode gas supply source;
A first switching valve provided on the first passage;
A second switching valve provided on the second passage;
A first switching passage communicating the first switching valve and a point on the second passage downstream from the second switching valve;
A second switching passage communicating the second switching valve and a point on the first passage downstream from the first switching valve;
A control device for instructing switching between the first switching valve and the second switching valve;
It has.
Preferably, the polarity inversion device includes a purge gas supply path connected to a supply path to the stack of the anode gas and the cathode gas and supplying a purge gas of an inert gas to the supply path.
Preferably, the polarity reversing device comprises a device that reverses the polarity applied to the stack.
Preferably, the polarity reversing device is
An external power supply and first and second terminals of the external power supply;
A first changeover switch for switching connection between the first terminal at one end in the cell stacking direction of the fuel cell stack and the first terminal of the external power supply at the second terminal at the other end;
A second changeover switch for switching the connection between the first terminal at one end in the cell stacking direction of the fuel cell stack and the second terminal of the external power supply at the second terminal at the other end;
A control device for instructing switching of the first changeover switch and the second changeover switch;
It has.

セル積層方向における、燃料電池スタックの水分の溜まりは、スタックのセル積層方向の一端部の１０枚程度のセル（顕著にあらわれるのは端部の５枚程度のセル）に見られ、スタックのセル積層方向の他端部とその近傍のセルはドライとなることが本発明者により確認された。
また、スタックの２つの端部のうちどちらの端部（とその近傍セル）に水が溜まるかは、スタックへのガスの供給方向と関係があるのではなく、スタックの総プラス、総マイナクと関係があり、スタックの総マイナス側の端部に水が溜まり、総プラスがわドライになることも、本発明者により発見された。 The accumulation of water in the fuel cell stack in the cell stacking direction is observed in about 10 cells at one end of the stack in the cell stacking direction (remarkably, about 5 cells at the end). The inventor has confirmed that the other end in the stacking direction and the cell in the vicinity thereof are dry.
Also, which of the two ends of the stack (and its neighboring cells) is not related to the direction of gas supply to the stack is the relationship between the total stack plus the total minor, It was also discovered by the inventor that water is collected at the end of the negative side of the stack and the positive side becomes dry.

上記確認と発見のもとに、上記の燃料電池スタックの運転方法、または上記の燃料電池スタックの運転装置によれば、燃料電池スタックのセル積層方向での水分量分布の偏りが検知された場合に、セル積層方向の燃料電池スタックの総極性を反転させるので、総極性の反転前に総マイナスであった側のスタック端部の数セルは、総極性の反転後に総プラスになり、極性反転前の総マイナス時に溜まった水分は、極性反転後の総プラスになった時に時間の経過とともにドライになっていく。逆に、総極性の反転前に総プラスであった側のスタック端部の数セルは、総極性の反転後に総マイナスになり、総プラス時にドライとなった部分は、極性反転後の総マイナスになった時に時間の経過とともにウエットになっていく。その結果、燃料電池スタックのセル積層方向の水分量分布が平坦化する（平坦に近づく）ことができ、フラッディングによる電圧低下が生じることなく、安定した燃料電池スタックの発電が可能になる。
また、燃料電池スタックの総極性の反転を、燃料電池スタックのセル積層方向の端部のうち水分が多い側の端部が総プラスになるように反転させた場合は、極性反転前に水分が多かった端部は、極性反転後にドライになっていき、水分量分布が平坦なスタック中央部の水分量に近づいていき、フラッディングによる電圧低下が生じることなく、安定した燃料電池スタックの発電が可能になる。 Based on the above confirmation and discovery, according to the operation method of the fuel cell stack or the operation device of the fuel cell stack, when the deviation of the moisture distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack is detected Since the total polarity of the fuel cell stack in the cell stacking direction is reversed, the number of cells at the stack edge on the side that was negative before the total polarity reversal becomes total positive after the reversal of the total polarity. Moisture collected at the time of the previous total minus becomes dry with the passage of time when it becomes the total plus after the polarity reversal. Conversely, the number of cells at the stack edge on the side that was positive before the total polarity was reversed became negative after the total polarity was reversed, and the portion that was dry during the total positive was the total minus after the polarity was reversed. It becomes wet as time passes. As a result, the moisture content distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack can be flattened (approached to be flat), and stable power generation of the fuel cell stack is possible without causing a voltage drop due to flooding.
In addition, if the reversal of the total polarity of the fuel cell stack is reversed so that the end of the fuel cell stack in the cell stacking direction has a higher moisture content, the moisture will be absorbed before the polarity reversal. The edges that were large become dry after polarity reversal, and the moisture distribution approaches the moisture content in the center of the stack where the distribution of flatness is flat, enabling stable power generation of the fuel cell stack without causing voltage drop due to flooding. become.

上記の燃料電池スタックの運転方法、または上記の燃料電池スタックの運転装置によれば、アノードガスとカソードガスの導入を反転させることにより、燃料電池スタックの総極性を反転させることができる。
アノードガスとカソードガスの入替え前にアノードガスの流路とカソードガスの流路をパージした場合は、アノードガスとカソードガスの混合と、該混合による膜の損傷を抑制することができる。
イオン交換体を介して対向するガス流路の形状を同じにした場合は、ガスの入替えの前後において、発電性能がほとんど変化せず、ガスの入替えにもかかわらず、安定した発電を継続することができる。
燃料電池スタックの総極性の反転を、外部電源または回生電圧の印加により行った場合は、外部電源電圧の印加の場合はガスの混合がないためガス流路のパージが必要でなく、回生電圧の印加の場合は回生電圧の有効利用をはかることができる。
燃料電池スタックの総極性の反転処理を、車の駆動停止時などの非発電状態の下で行った場合は、再始動時に備えることができる。また、非発電状態の下で行う場合は、極性がないので、反転直前の発電時の極性を基準にする。これによって、反転直前の発電において、水分過多となった方の端部近傍のセルの水分を低減させることができる。
燃料電池スタックのセル積層方向端部と端部付近に、セル積層方向中央部より排水性の高いセルを配置した場合は、極性反転による端部と端部近傍のセルの水分の低減と排水性が高いことによるセル排水性との両方で、燃料電池スタックのセル積層方向端部とその近傍のセルの排水を促進させることができる。 According to the operation method of the fuel cell stack or the operation device of the fuel cell stack, the total polarity of the fuel cell stack can be reversed by reversing the introduction of the anode gas and the cathode gas.
When the anode gas channel and the cathode gas channel are purged before the anode gas and the cathode gas are switched, mixing of the anode gas and the cathode gas and damage to the membrane due to the mixing can be suppressed.
If the shape of the gas flow path facing each other through the ion exchanger is the same, the power generation performance will hardly change before and after gas replacement, and stable power generation will continue despite gas replacement. Can do.
When reversing the total polarity of the fuel cell stack by applying an external power supply or regenerative voltage, there is no gas mixing in the case of external power supply voltage application, so there is no need to purge the gas flow path. In the case of application, the regenerative voltage can be effectively used.
When the reversal processing of the total polarity of the fuel cell stack is performed under a non-power generation state such as when the vehicle is stopped, it can be prepared at the time of restart. Moreover, since it has no polarity when performing under a non-power generation state, the polarity at the time of power generation immediately before inversion is used as a reference. As a result, in the power generation immediately before reversal, the moisture in the cell near the end that has become excessively moisture can be reduced.
When cells with higher drainage than the center in the cell stacking direction are placed in the cell stacking direction end and near the end of the fuel cell stack, the water content of the cells near the end and the end is reduced due to polarity reversal and drainage. The drainage of the cells in the cell stacking direction of the fuel cell stack and the cells in the vicinity thereof can be promoted both in terms of the cell drainage due to the high.

以下に、本発明の燃料電池スタックの運転方法とその装置を、図１〜図１８を参照して説明する。
本発明の燃料電池セパレータが組み付けられる燃料電池１０は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
図１６〜図１８に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。 Hereinafter, a method and an apparatus for operating a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell 10 to which the fuel cell separator of the present invention is assembled is a low temperature fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
As shown in FIGS. 16 to 18, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18.
The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane. It consists of electrodes (cathode, air electrode) 17. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 are provided on the anode side and the cathode side, respectively.

セパレータ１８には、中央部に、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。
また、セパレータ１８には、外周部に、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。 The separator 18 has reaction gas channels 27 and 28 (fuel gas channel 27, oxidation gas) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidizing gas (oxygen, usually air) to the anode 14 and cathode 17 at the center. A gas flow path 28) and a refrigerant flow path 26 for flowing a refrigerant (usually cooling water) are formed on the back surface thereof.
The separator 18 has a fuel gas manifold 30 for supplying and discharging a fuel gas to a fuel gas channel 27 and an oxidizing gas manifold 31 for supplying and discharging an oxidizing gas to an oxidizing gas channel 28 at the outer periphery. A refrigerant manifold 29 for supplying and discharging the refrigerant to and from the refrigerant flow path 26 is formed.

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、セルを１つ以上積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、エンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）に、ボルト・ナット２５により固定し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、燃料電池スタック２３を構成する。   A unit fuel cell (also referred to as a “single cell”) 19 is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator 18, and one or more cells are stacked to form a cell stack, and terminals are connected to both ends of the cell stack in the cell stacking direction. 20, an insulator 21 and an end plate 22 are arranged, and the end plate 22 is fixed to a fastening member (for example, a tension plate 24) extending in the cell stacking direction outside the cell stack by bolts and nuts 25, and the cell stack is The fuel cell stack 23 is configured by tightening in the cell stacking direction.

流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１、３４をシールするために、ガス側のシール材３３および冷媒側のシール３２が設けられる。図示例では、ガス側シール材３３が接着剤からなり、冷媒側シール材３２がゴムガスケットからなる場合を示している。ただし、ガス側シール材３３も冷媒側シール材３２も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。   In order to seal the fluid flow paths 26, 27, 28, 29, 30, 31, 34, a gas-side sealing material 33 and a refrigerant-side seal 32 are provided. In the illustrated example, the gas side sealing material 33 is made of an adhesive, and the refrigerant side sealing material 32 is made of a rubber gasket. However, both the gas side sealing material 33 and the refrigerant side sealing material 32 may be composed of either an adhesive or a rubber gasket.

各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に電離する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ On the anode side 14 of each cell 19, an ionization reaction is performed to ionize hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions move to the cathode side through the electrolyte membrane 11, and oxygen and hydrogen ions on the cathode 17 side. And water (electrons generated at the anode of the adjacent MEA come through the separator, or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction come to the cathode of the other cell through an external circuit) This is how it generates electricity.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O

各セル１９では、水生成反応が起こるカソード側で水が溜まりやすく、酸化ガス流路２８の下流側で水が溜まりやすいが、一部の水が膜１１を透過するためアノード側でも水が溜まる。
図１、図２、図１１〜図１３に示すように、通常発電時には、時間の経過とともに、セル１９を積層したスタック２３では、セル積層方向に、水分量分布が不均一になり、スタック２３のセル積層方向一端側の複数セル（約５〜１０セル）には、他のセルより多くの水分が溜まり、水分過多状態（フラッディング）が生じやすい。スタック２３のセル積層方向一端側の複数セルはドライになりやすい。スタックのどちら側の端部にフラッディングが生じるかは、従来、スタックへのガスの供給側か排出側かと相関があるのではないかと考えられていたが、発明者等の試験では、スタックのどちら側の端部にフラッディングが生じるかは、スタックへのガスの供給側か排出側かとは無関係であることが判明している。すなわち、スタックのどちら側の端部にフラッディングが生じるかは、従来、わかっていなかったというのが実情である。
フラッディングが生じると反応ガスの触媒層電極への供給が阻害され、電圧低下が生じ、発電が阻害される。それを解消するため、燃料電池スタック２３における、セル積層方向の水分量分布を均一にする方法、装置の開発が臨まれている。 In each cell 19, water tends to accumulate on the cathode side where water generation reaction occurs, and water tends to accumulate on the downstream side of the oxidizing gas flow path 28, but since some water permeates the membrane 11, water also accumulates on the anode side. .
As shown in FIGS. 1, 2, and 11 to 13, during normal power generation, in the stack 23 in which the cells 19 are stacked with the passage of time, the moisture content distribution becomes non-uniform in the cell stacking direction. In a plurality of cells (about 5 to 10 cells) on one end side in the cell stacking direction, more moisture is accumulated than other cells, and an excessive moisture state (flooding) is likely to occur. A plurality of cells on one end side of the stack 23 in the cell stacking direction are likely to be dry. In the past, it was thought that the end of the stack where the flooding occurred had a correlation with the gas supply side or the discharge side of the stack. It has been found that whether flooding occurs at the end of the side is independent of whether the gas is supplied to or discharged from the stack. That is, the actual situation is that it has not been conventionally known which side of the stack is flooded.
When flooding occurs, supply of the reaction gas to the catalyst layer electrode is hindered, a voltage drop occurs, and power generation is hindered. In order to solve this problem, development of a method and an apparatus for making the moisture distribution in the cell stacking direction uniform in the fuel cell stack 23 is underway.

本発明者等は、スタックにおける水分量分布がスタックの総極性と相関があるという仮説を立て、その仮説が正しいか否かを試験で検討してみた。試験の結果は、その仮説は正しい、すなわち、スタックにおける水分量分布はスタックの総極性と相関があることを示した。   The present inventors made a hypothesis that the moisture distribution in the stack has a correlation with the total polarity of the stack, and examined whether or not the hypothesis was correct. The results of the test showed that the hypothesis was correct, ie the moisture distribution in the stack was correlated with the total polarity of the stack.

試験で判明したことを説明する。
まず、図１１に示すように、各スタックがｎセル（ｎは５０〜４５０までの適宜の数字、たとえば２００）を積層したスタックを２つ並列配置し、それを電気的に直列接続して、そこに各スタックの一端側から反応ガスを供給し、スタック他端でＵターンさせ、反応ガス供給側と同じ側のスタック端から反応ガスを排出させて、通常発電運転を行い、その時の水分量分布（図１２）とセルの電圧低下（図１３）を測定した。
図１２に示すように、各スタックともに、セル積層方向でマイナス側となる端部で水分量の増大が見られた。そして、図１３に示すように、水分量が増大しているセルで、電圧低下の急減が見られた。 Explain what was found in the test.
First, as shown in FIG. 11, each stack is arranged in parallel with two stacks in which n cells (n is an appropriate number from 50 to 450, for example, 200), and are electrically connected in series. The reaction gas is supplied from one end of each stack to the U-turn at the other end of the stack, the reaction gas is discharged from the stack end on the same side as the reaction gas supply side, and normal power generation operation is performed. Distribution (FIG. 12) and cell voltage drop (FIG. 13) were measured.
As shown in FIG. 12, in each of the stacks, an increase in moisture content was observed at the end portion on the minus side in the cell stacking direction. And as shown in FIG. 13, the rapid decrease of the voltage drop was seen by the cell with the moisture content increasing.

図６〜図９は単一スタックとその通常発電運転での水分量測定結果のデータを示している。
図６において、スタックの総マイナス側となる一端側から水素を導入し総プラス側である反対側端でＵターンさせて水素導入側と同じ側から未消費水素を排出した。スタックの水素導入側と同じ側の端部からエアを導入し反対側端でＵターンさせてエア導入側と同じ側から未消費エアを排出した。
スタックはＮセル（Ｎは４０〜３００までの適宜の数字、Ｎ＜ｎ）を積層したスタックで試験した。水分量分布は図７に示す通りである。スタック２３の総マイナス側端とその近傍セルで水分量が増大している。総プラス側はドライとなった。 6 to 9 show data of the moisture content measurement results in a single stack and its normal power generation operation.
In FIG. 6, hydrogen was introduced from one end side which is the total minus side of the stack and U-turned at the opposite end which is the total plus side to discharge unconsumed hydrogen from the same side as the hydrogen introduction side. Air was introduced from the end of the stack on the same side as the hydrogen introduction side, and a U-turn was made at the opposite end to discharge unconsumed air from the same side as the air introduction side.
The stack was tested with a stack of N cells (N is an appropriate number from 40 to 300, N <n). The moisture distribution is as shown in FIG. The amount of moisture is increasing at the total minus side end of the stack 23 and its neighboring cells. The total positive side was dry.

スタック２３の総極性を図６の場合と逆にして運転すると、図８に示すようになり、その時の水分量測定結果のデータを図９に示す。総極性を逆にするために、水素とエアの導入を図６の場合と逆転させた。その時の水分量分布は、図９に示すように、図８で総マイナス側となるスタック端部で水分量が増大し、総プラス側のスタック端部でドライになった。   When the stack 23 is operated with the total polarity reversed from that shown in FIG. 6, the result is as shown in FIG. In order to reverse the total polarity, the introduction of hydrogen and air was reversed from that in FIG. As shown in FIG. 9, the moisture content distribution at that time was such that the moisture content increased at the stack end portion on the total minus side in FIG. 8 and became dry at the stack end portion on the total plus side.

図１０は、種々の負荷状態下での、ガスの種々の状態での運転における、ｍセル（ｍは１０〜４０までの適宜の数字、ｍ＜Ｎ）を含むスタックのセル積層方向含水量分布の試験結果を示している。図中、（１）は加湿ガスの場合、（２）は無加湿ガスの場合、（３Ａ、３Ｂ）は加湿ガスの場合で、負荷取り出しなし（オープンサーキット）の場合（３Ａは第１回目、３Ｂは第２回目）、（４）は燃料ガス流路と酸化ガス流路に窒素を流した場合、をそれぞれ示す。図１０からわかることは、ガスを流してだけで負荷の取り出しがなくても水分量の不均一分布が生じること、加湿ガスの場合にのみ水分量の不均一分布が生じること、窒素を流して発電しなくても水分量の不均一分布が生じること、等である。   FIG. 10 shows the moisture content distribution in the cell stacking direction of a stack including m cells (m is an appropriate number from 10 to 40, m <N) in operation in various states of gas under various load conditions. The test results are shown. In the figure, (1) is a humidified gas, (2) is a non-humidified gas, (3A, 3B) is a humidified gas, and there is no load removal (open circuit) (3A is the first time, 3B shows the second time), and (4) shows the case where nitrogen is passed through the fuel gas channel and the oxidizing gas channel. It can be seen from FIG. 10 that a non-uniform distribution of moisture content occurs even if the gas is flowed and no load is taken out, that a non-uniform distribution of moisture amount occurs only in the case of humidified gas, For example, a non-uniform distribution of water content occurs without power generation.

図６〜図１３により、水分量の増大、減少は、常に、スタックのセル積層方向端部とその近傍の複数セルで起こること、および、スタック端部の水分量の増大、減少はスタックの総マイナス、総プラスと相関があることが判明する。   6 to 13, the increase or decrease of the moisture amount always occurs in the cell stacking direction end portion of the stack and a plurality of cells in the vicinity thereof, and the increase or decrease of the moisture amount at the stack end portion is the total amount of the stack. It turns out that there is a correlation with minus and total plus.

上記から、スタックの総極性およびその反転と水分量分布との間には、図２〜図５に示す相関があることがわかる。
燃料電池スタック２３の通常運転時には、図２、図３に示すように、スタック２３の総マイナス側の端部セルとその近傍の複数セル（端部セルを含む複数セル）の含水量が、スタックの中央セルのほぼ均一含水量に比べて多く、かつ、端部セルに近づくほど含水量が多くなる。また、スタック２３の総プラス側の端部セルとその近傍の複数セル（端部セルを含む複数セル）の含水量は、スタックの中央セルのほぼ均一含水量に比べて少なく（ドライとなり）、かつ、端部セルに近づくほど含水量が少なくなる。 From the above, it can be seen that there is a correlation shown in FIGS. 2 to 5 between the total polarity of the stack and its inversion and the moisture content distribution.
During normal operation of the fuel cell stack 23, as shown in FIGS. 2 and 3, the moisture content of the end cell on the total minus side of the stack 23 and the plurality of cells in the vicinity (a plurality of cells including the end cells) Compared to the substantially uniform water content of the central cell, the water content increases as it approaches the end cell. In addition, the moisture content of the end cell on the total plus side of the stack 23 and a plurality of cells in the vicinity thereof (a plurality of cells including the end cell) is smaller than the almost uniform moisture content of the central cell of the stack (becomes dry), And the moisture content decreases as the end cell is approached.

燃料電池スタック２３の極性を、セル積層方向に、図４に示すように反転すると、その時の水分量分布は、図５に示すように、極性反転前の水分分布不均一が均一化して水分量分布がフラットになる。すなわち、図３で水分量が多いところと図５で水分量が少ないところが対応して水分量が相殺し、図３で水分量が少ないところと図５で水分量が多いところが対応して水分量が相殺し、その結果、水分量分布がセル積層方向にフラット化する（スタックのセル積層方向の中央セルとほぼ同じ水分量となる）。   When the polarity of the fuel cell stack 23 is reversed in the cell stacking direction as shown in FIG. 4, the moisture distribution at that time becomes uniform as shown in FIG. The distribution becomes flat. That is, in FIG. 3, the place where the amount of water is large and the place where the amount of water is low in FIG. 5 correspond to each other, and the place where the amount of water is small in FIG. As a result, the water content distribution is flattened in the cell stacking direction (the water content is almost the same as that of the central cell in the cell stacking direction of the stack).

本発明の燃料電池スタックの運転方法およびその装置は、上記知見に基づいてなされたものである。
まず、本発明の燃料電池スタックの運転方法を、図１〜図１３を参照して説明する。
本発明の燃料電池スタックの運転方法は、図１に示す制御ルーチンにしたがって実行される。図１の制御ルーチンは所定時間間隔で割り込まれる。本発明の燃料電池スタックの運転方法は、図１に示すように、燃料電池スタック２３のセル積層方向での水分量分布の偏りが検知された場合（ステップ１０２）に、セル積層方向の燃料電池スタック２３の総極性を反転させる方法（ステップ１０３）からなる。ただし、水分量分布の偏りの検知工程を経ずに、直接ステップ１０３を所定時間毎に行ってもよい。
本発明の燃料電池スタックの運転方法は、極性反転処理は、再始動時に備えて、車の停止後、停止中に、（ステップ１０１）に行うことが望ましい。ただし、ステップ１０１を経ずに直接、ステップ１０２またはステップ１０３にエンターしてもよい。たとえば、外部電源電圧の印加で極性反転を行う場合は、燃料電池の発電状態で行ってもよい。 The fuel cell stack operating method and apparatus of the present invention have been made based on the above findings.
First, the operation method of the fuel cell stack of the present invention will be described with reference to FIGS.
The operation method of the fuel cell stack of the present invention is executed according to the control routine shown in FIG. The control routine of FIG. 1 is interrupted at predetermined time intervals. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack operating method of the present invention is a fuel cell in the cell stacking direction when a deviation in moisture distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23 is detected (step 102). It consists of a method of reversing the total polarity of the stack 23 (step 103). However, step 103 may be directly performed every predetermined time without going through the process of detecting the deviation of moisture distribution.
In the fuel cell stack operation method of the present invention, it is desirable that the polarity reversal process is performed at (step 101) after the vehicle is stopped and during the stop in preparation for restart. However, you may enter step 102 or step 103 directly without going through step 101. For example, when polarity inversion is performed by applying an external power supply voltage, it may be performed in a power generation state of the fuel cell.

ステップ１０３の燃料電池スタック２３の総極性の反転処理は、「極性反転を一定時間だけ続ける処理」でもよいし、あるいは、「水分量分布が平坦化したか否かを判定し、平坦化したと判定されるまで極性反転を続ける処理」としてもよい。
スタック２３の総マイナス側に水分が溜まった時には、総マイナス側端の極性がプラスに反転され、水分量が平坦化されると元の総マイナスに戻され、続く運転中において再び水分が溜まると極性が再びプラスに反転され、水分量が平坦化されると元の総マイナスに戻されるので、スタック２３の端部の極性は、プラスとマイナスとが繰り返されることになる。 The process of reversing the total polarity of the fuel cell stack 23 in step 103 may be “a process of continuing the polarity reversal for a certain period of time” or “determining whether or not the moisture content distribution has been flattened and flattening. Processing that continues the polarity reversal until it is determined ”may be performed.
When moisture accumulates on the total minus side of the stack 23, the polarity at the end of the minus side is reversed to plus, and when the amount of moisture is flattened, it returns to the original minus value. When the polarity is reversed to positive again and the moisture content is flattened, the original total negative value is restored. Therefore, the polarity at the end of the stack 23 is repeated positive and negative.

燃料電池スタック２３の総極性の反転は、燃料電池スタック２３のセル積層方向の端部のうち水分が多い側の端部（反転前に、スタック２３の総マイナス側であった端部）が総プラスになるように反転させる。この反転においては、スタックの反対側の端部、すなわち、燃料電池スタック２３のセル積層方向の端部のうち水分が少ない側の端部（反転前に、スタック２３の総プラス側であった端部）が総マイナスになるように反転される。   The reversal of the total polarity of the fuel cell stack 23 is the sum of the end of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction on the side with much moisture (the end that was the total minus side of the stack 23 before the reversal). Invert to be positive. In this reversal, the end on the opposite side of the stack, that is, the end of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction, which has less moisture (the end that was the total plus side of the stack 23 before reversal). Part) is inverted so that the total is negative.

燃料電池運転の任意の時間において、スタック２３における総プラスから総マイナスに向かう方向と、その運転状態における各セル１９のプラスからマイナスに向かう方向とは対応する。したがって、スタック２３の総プラス、総マイナスが反転されると、各セル１９のプラス、マイナスも反転される。   At an arbitrary time during the fuel cell operation, the direction from the total plus to the total minus in the stack 23 corresponds to the direction from the plus to the minus of each cell 19 in the operating state. Therefore, when the total plus / minus of the stack 23 is inverted, the plus / minus of each cell 19 is also inverted.

スタック２３は、図２、図４に示すように、単一のスタックから構成されてもよいし、図１１に示すように、複数のスタック２３（図１１では２個のスタック２３）を電気的に直列に接続したものでもよい。
たとえば、図２、図４の例では、スタック２３の一端から燃料ガス、酸化ガスがスタック２３に導入され、スタック２３の他端から燃料ガス、酸化ガスの未消費ガスがスタック２３から排出される。ただし、燃料ガス、酸化ガスは、スタック２３のガス導入側と反対側端でＵターンされて、スタック２３のガス導入側と同じ側の端部から排出されるようにしてもよい。
図１１はｎ個のセル（セル番号１〜ｎ）を積層した第１のスタックのマイナス側端を、別のｎ個のセル（セル番号ｎ＋１〜２ｎ）を積層した第２のスタックのプラス側端に銅板にて接続したものを示す。直列２スタックの総マイナス側端の電位を０ボルトとすると、１セルが１ボルトとした場合、直列２スタックの総プラス側端の電位は２ｎボルトとなる。図１１の例では、燃料ガス、酸化ガスは、第１、第２のスタックの同じ側の端部から供給され、スタックのガス導入側と反対側端でＵターンされて、スタックのガス導入側と同じ側の端部から排出されるようにした場合が示されている。 The stack 23 may be composed of a single stack as shown in FIGS. 2 and 4, or as shown in FIG. 11, a plurality of stacks 23 (two stacks 23 in FIG. 11) are electrically connected. May be connected in series.
For example, in the example of FIGS. 2 and 4, fuel gas and oxidizing gas are introduced into the stack 23 from one end of the stack 23, and unconsumed gas of fuel gas and oxidizing gas is discharged from the stack 23 from the other end of the stack 23. . However, the fuel gas and the oxidizing gas may be U-turned at the end opposite to the gas introduction side of the stack 23 and discharged from the end of the stack 23 on the same side as the gas introduction side.
FIG. 11 shows the negative side end of the first stack in which n cells (cell numbers 1 to n) are stacked, and the positive side of the second stack in which another n cells (cell numbers n + 1 to 2n) are stacked. The end is connected with a copper plate. Assuming that the potential of the total minus side end of the series 2 stack is 0 volt, when the potential of one cell is 1 volt, the potential of the total plus side end of the series 2 stack is 2 n volts. In the example of FIG. 11, the fuel gas and the oxidizing gas are supplied from the end portions on the same side of the first and second stacks, and are U-turned at the opposite end to the gas introduction side of the stack. The case where it is made to discharge | emit from the edge part of the same side is shown.

単一スタックの場合も、直列複数スタックの場合も、燃料電池スタック２３の総極性の反転は、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸化ガス）を入替えることにより行うか、または外部電源または回生電圧の印加により行うことができる。図２、図４、図６〜図９は、燃料電池スタック２３の総極性の反転を、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸化ガス）を入替えて導入することにより行う場合を示している。   In the case of a single stack or a plurality of serial stacks, the reversal of the total polarity of the fuel cell stack 23 is performed by switching the anode gas (fuel gas) and the cathode gas (oxidizing gas), or an external power source or This can be done by applying a regenerative voltage. 2, 4, and 6 to 9 illustrate a case where the reversal of the total polarity of the fuel cell stack 23 is performed by replacing the anode gas (fuel gas) and the cathode gas (oxidizing gas). .

燃料電池スタック２３の総極性の反転を、アノードガスとカソードガスを入替えることにより行う場合は、極性反転前は燃料ガスマニホールドであったマニホールドに極性反転後は酸化ガスを供給して酸化ガスマニホールドとして用い、極性反転前は酸化ガスマニホールドであったマニホールドに極性反転後は燃料ガスを供給して燃料ガスマニホールドとして用いる。これにより、極性反転前は燃料ガス流路であったセル内ガス流路に極性反転後は酸化ガスが流して酸化ガス流路として用い、極性反転前は酸化ガス流路であったセル内ガス流路に極性反転後は燃料ガスを流して燃料ガス流路として用いる。その結果、極性反転前の各セルのプラス、マイナスが反転し、極性反転前のスタック２３の総プラス、総マイナスが反転する。   When reversing the total polarity of the fuel cell stack 23 by exchanging the anode gas and the cathode gas, the oxidizing gas is supplied to the manifold that was the fuel gas manifold before the polarity reversal by supplying the oxidizing gas after the polarity reversal. After the polarity reversal, the fuel gas is supplied to the manifold that was the oxidizing gas manifold before the polarity reversal and used as the fuel gas manifold. As a result, the oxidant gas flows into the in-cell gas channel that was the fuel gas channel before polarity reversal and used as the oxidant gas channel after polarity reversal, and the in-cell gas that was the oxidant gas channel before polarity reversal. After the polarity is reversed in the flow path, the fuel gas is flowed and used as the fuel gas flow path. As a result, the plus and minus of each cell before polarity inversion is inverted, and the total plus and total minus of the stack 23 before polarity inversion are inverted.

極性反転時の、燃料ガスと酸化ガスとの混合を抑制するために、アノードガスとカソードガスの入替え前に、極性反転前にアノードガス（燃料ガス）が流れていた流路（セル内ガス流路、マニホールド、スタック外の流路を含む）と極性反転前にカソードガス（酸化ガス）が流れていた流路（セル内ガス流路、マニホールド、スタック外の流路を含む）をパージすることが望ましい。その理由は、燃料ガスと酸化ガスが混合すると、燃料ガスが化学燃焼して発熱し、膜１１を傷めるから、それを防止するためである。パージガスは窒素などの不活性ガスを用いる。   In order to suppress mixing of fuel gas and oxidant gas at the time of polarity reversal, the flow path of the anode gas (fuel gas) before the polarity reversal (gas flow in the cell) before switching of the anode gas and the cathode gas Purge the flow path (including the gas flow path inside the cell, the manifold, and the flow path outside the stack) where the cathode gas (oxidizing gas) was flowing before the polarity was reversed. Is desirable. The reason is that when the fuel gas and the oxidizing gas are mixed, the fuel gas chemically burns and generates heat and damages the membrane 11, which is prevented. An inert gas such as nitrogen is used as the purge gas.

各セルにおいてイオン交換体（電解質膜１１）を介して対向するガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）の形状は、通常は異なり、それぞれ、発電に最適な形状としてあるが、燃料ガスと酸化ガスを入替えても同じ発電性能が得られるようにするには、ガス流路（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）の形状は同じにすればよい。   In each cell, the shape of the gas flow channel (fuel gas flow channel 27, oxidant gas flow channel 28) facing each other through the ion exchanger (electrolyte membrane 11) is usually different, and each is optimal for power generation. In order to obtain the same power generation performance even if the fuel gas and the oxidizing gas are replaced, the shapes of the gas flow paths (the fuel gas flow path 27 and the oxidizing gas flow path 28) may be the same.

燃料電池スタック２３の総極性の反転を、外部電源または回生電圧の印加により行う場合は、極性反転前は総マイナスであったターミナル２０に外部電源（または回生電圧）からプラスの電位を印加して総プラスに極性を反転させ、極性反転前は総プラスであったターミナル２０に外部電源（または回生電圧）からマイナスの電位を印加して総マイナスに極性を反転させる。反応ガスの流れは反転させず、極性反転前のガスの流れのままを維持してもよい。これによって、反応ガスの流れを反転させることなく、燃料電池スタック２３の総極性を外部電源または回生電圧で反転させることにより、スタックの水分量分布を平坦化させることができる。   When reversing the total polarity of the fuel cell stack 23 by applying an external power supply or a regenerative voltage, a positive potential is applied from the external power supply (or the regenerative voltage) to the terminal 20 that was totally negative before the polarity reversal. The polarity is inverted to the total plus, and a negative potential is applied to the terminal 20 from the external power source (or the regenerative voltage) to the terminal 20 which was the total plus before the polarity inversion to invert the polarity to the total minus. The flow of the reaction gas may not be reversed, and the gas flow before the polarity reversal may be maintained. Thus, the water content distribution of the stack can be flattened by reversing the total polarity of the fuel cell stack 23 with the external power supply or the regenerative voltage without reversing the flow of the reaction gas.

燃料電池スタック２３の総極性の反転処理を非発電状態の下で行う場合には、反転直前の発電時の極性を基準に反転する。たとえば、燃料電池スタック２３の総極性の反転を導入ガスの入替えで行う場合、ガス流路のパージをするに際していったん反応ガスの供給を止めることになるが、その時は非発電状態かそれに近い状態となる。そして、非発電状態では、スタック２３の極性が無くなるので、総マイナスを総プラスにすると言った場合の総マイナスが何かということになるが、その場合には、反転直前の発電時の極性を基準にする、すなわち反転直前の発電時に総マイナスであった端部の極性を反転前の総マイナスとするということである。   When the reversal processing of the total polarity of the fuel cell stack 23 is performed under a non-power generation state, the fuel cell stack 23 is reversed based on the polarity at the time of power generation just before the reversal. For example, when the total polarity of the fuel cell stack 23 is reversed by replacing the introduced gas, the supply of the reaction gas is temporarily stopped when purging the gas flow path. Become. And in the non-power generation state, the polarity of the stack 23 is lost, so what is the total minus when the total minus is said to be the total plus? In that case, the polarity at the time of power generation just before the reversal is The reference, that is, the polarity of the end portion, which was totally negative at the time of power generation just before reversal, is regarded as the total negative before reversal.

燃料電池スタック２３のセル積層方向端部と端部付近に、セル積層方向中央部より排水性の高いセル１９（たとえば、拡散層やガス流路溝の撥水性を向上させたセル）を配置して、極性反転とセル排水性との両方で、燃料電池スタックのセル積層方向端部の排水を促進させてもよい。   A cell 19 (for example, a cell having improved water repellency of a diffusion layer or a gas flow channel) having a higher drainage than the central portion in the cell stacking direction is disposed at and near the end of the cell stack direction of the fuel cell stack 23. Thus, drainage at the end of the fuel cell stack in the cell stacking direction may be promoted by both polarity reversal and cell drainage.

つぎに、本発明の燃料電池スタックの運転装置を、図１４、図１５を参照して説明する。
本発明の燃料電池スタックの運転装置は、燃料電池スタック２３のセル積層方向での水分量分布の偏りを検知する検知装置４０と、検知装置４０により燃料電池スタック２３のセル積層方向での水分量分布の偏りが検知された場合に、セル積層方向の燃料電池スタック２３の総極性（総プラス、総マイナス）を反転させる極性反転装置５０と、を備えている。 Next, the fuel cell stack operating device of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell stack operating device of the present invention includes a detection device 40 that detects a deviation in moisture distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23, and a moisture content in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23 by the detection device 40. A polarity reversing device 50 for reversing the total polarity (total plus, total minus) of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction when a distribution bias is detected.

燃料電池スタック２３のセル積層方向での水分量分布の偏りを検知する検知方法は、つぎの（イ）、（ロ）、（ハ）の何れかによることができる。
（イ）スタック２３の各セル１９には通常その電圧を計測するセルモニターが取り付けられているが、そのセルモニターを利用してスタック端部またはその近傍のセルの電圧を測定し、スタック端部またはその近傍のセルに電圧低下があった場合に水分の偏りが発生したとする方法。この場合は、セルモニターが検知装置４０となる。図１１〜図１３では、セル電圧が、セル番号ｎ、２ｎのセルとその近傍（各スタック２３の総マイナス側の端部）で急低下していることを示している。
（ロ）セルのインピーダンスを検出し、水分の多いセルは抵抗が低くなるので、インピーダンスが低くなったことを計測して、水分の偏りが発生したとする方法。
（ハ）水分が溜まってくると、スタック２３全体の質量（重量）が増大するため、スタック２３全体の質量を測定して、所定値以上になると、端部セルまたはその近傍に水分の偏りが発生したと推定する方法。 The detection method for detecting the deviation of the moisture distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23 can be any one of the following (A), (B), and (C).
(A) Each cell 19 of the stack 23 is usually provided with a cell monitor for measuring the voltage. The cell monitor is used to measure the voltage at the stack edge or its neighboring cells, and the stack edge Or, a method in which an unevenness of moisture occurs when there is a voltage drop in a nearby cell. In this case, the cell monitor becomes the detection device 40. 11 to 13 show that the cell voltage suddenly decreases in the cells of cell numbers n and 2n and in the vicinity thereof (total minus side end of each stack 23).
(B) A method in which the impedance of the cell is detected, and the resistance of a cell with a lot of moisture is low, so that the impedance is low, and the moisture is biased.
(C) When moisture accumulates, the mass (weight) of the entire stack 23 increases. Therefore, when the mass of the entire stack 23 is measured and becomes equal to or greater than a predetermined value, there is a deviation of moisture in the end cell or in the vicinity thereof. How to estimate that it occurred.

燃料電池スタック２３の総極性の反転は、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸化ガス）を入替えることにより行うか、または外部電源または回生電圧の印加により行うことができる。   The reversal of the total polarity of the fuel cell stack 23 can be performed by switching the anode gas (fuel gas) and the cathode gas (oxidizing gas), or by applying an external power source or a regenerative voltage.

燃料電池スタック２３の総極性の反転を、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸化ガス）を入替えることにより行う場合は、極性反転装置５０は、アノードガスとカソードガスのスタックへの供給を切替える装置からなる。
たとえば、極性反転装置５０は、燃料電池スタック２３とアノードガス供給源５１とを接続する第１の通路５３と、燃料電池スタック２３とカソードガス供給源５２とを接続する第２の通路５４と、第１の通路５３上に設けられた第１の切替弁５５と、第２の通路５４上の設けられた第２の切替弁５６と、第１の切替弁５５と第２の切替弁５６より下流側の第２の通路５４上の点とを連通する第１の切替通路５７と、第２の切替弁５６と第１の切替弁５５より下流側の第１の通路５３上の点とを連通する第２の切替通路５８と、第１の切替弁５５と第２の切替弁５６との切替えを指示する制御装置５９（図１の制御フローを実行するルーチンを格納したコンピュータ）と、を備えている。
制御装置５９は図１の制御ルーチンにしたがって第１の切替弁５５と第２の切替弁５６の切替えを指示する。 When reversing the total polarity of the fuel cell stack 23 by switching the anode gas (fuel gas) and the cathode gas (oxidizing gas), the polarity reversing device 50 supplies the anode gas and the cathode gas to the stack. It consists of a switching device.
For example, the polarity reversing device 50 includes a first passage 53 that connects the fuel cell stack 23 and the anode gas supply source 51, a second passage 54 that connects the fuel cell stack 23 and the cathode gas supply source 52, and From the first switching valve 55 provided on the first passage 53, the second switching valve 56 provided on the second passage 54, the first switching valve 55 and the second switching valve 56. A first switching passage 57 that communicates with a point on the second passage 54 on the downstream side, and a point on the first passage 53 that is on the downstream side of the second switching valve 56 and the first switching valve 55. A second switching passage 58 that communicates, and a control device 59 (a computer that stores a routine for executing the control flow in FIG. 1) that instructs switching between the first switching valve 55 and the second switching valve 56. I have.
The control device 59 instructs the switching of the first switching valve 55 and the second switching valve 56 according to the control routine of FIG.

極性反転時（直前）に反応ガスをパージする場合は、極性反転装置５０は、アノードガスとカソードガスのスタックへの供給経路（第１の通路、第２の通路）５１、５２に接続されて供給経路５１、５２に不活性ガス（たとえば、窒素）のパージガスを供給するパージガス供給経路６０と、パージガス供給源６１と、パージガス供給経路６０上に設けられパージ時に開となるバルブ６２を備えている。   When purging the reaction gas at the time of polarity reversal (immediately before), the polarity reversing device 50 is connected to supply paths (first passage, second passage) 51 and 52 to the stack of anode gas and cathode gas. A purge gas supply path 60 for supplying a purge gas of an inert gas (for example, nitrogen) to the supply paths 51 and 52, a purge gas supply source 61, and a valve 62 provided on the purge gas supply path 60 and opened at the time of purging are provided. .

極性反転装置５０が、スタック２３に印加される極性を反転させる装置から構成される場合は、極性反転装置５０は、たとえば、外部電源７０および外部電源７０の第１の端子７１および第２の端子７２と、燃料電池スタック２３のセル積層方向の一端の第１のターミナル２０Ａおよび他端の第２のターミナル２０Ｂの、外部電源７０の第１の端子７１との接続を切替える第１の切替スイッチ７３と、燃料電池スタック２３のセル積層方向の一端の第１のターミナル２０Ａおよび他端の第２のターミナル２０Ｂの、外部電源７０の第２の端子７２との接続を切替える第２の切替スイッチ７４と、第１の切替スイッチ７３および第２の切替スイッチ７４の切替えを指示する制御装置５９（図１の制御フローを実行するルーチンを格納したコンピュータ）と、を備えている。   When the polarity reversing device 50 is configured by a device that reverses the polarity applied to the stack 23, the polarity reversing device 50 includes, for example, the external power supply 70 and the first terminal 71 and the second terminal of the external power supply 70. 72 and a first change-over switch 73 for switching the connection between the first terminal 20A at one end and the second terminal 20B at the other end of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction. And a second changeover switch 74 for switching the connection of the first terminal 20A at one end and the second terminal 20B at the other end of the fuel cell stack 23 to the second terminal 72 of the external power source 70. , A control device 59 for instructing switching of the first changeover switch 73 and the second changeover switch 74 (a computer storing a routine for executing the control flow of FIG. 1). Is provided with a chromatography data), the.

つぎに、本発明の燃料電池スタックの運転方法とその装置の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池スタックの運転方法とその装置では、燃料電池スタック２３のセル積層方向での水分量分布の偏りが検知された場合（ステップ１０２）に、セル積層方向の燃料電池スタック２３の総極性を反転させる（ステップ１０３）ので、総極性の反転前に総マイナスであった側のスタック端部セルとその近傍の数セル（端部セルを含み複数セル）は、総極性の反転後に総プラスになり、極性反転前の総マイナス時に溜まった水分は、極性反転後の総プラスになった時に時間の経過とともに平坦に近づいていき平坦を通り過ぎるとドライになっていく。逆に、総極性の反転前に総プラスであった側のスタック端部の数セル（端部セルを含み複数セル）は、総極性の反転後に総マイナスになり、総プラス時にドライとなった部分は、極性反転後の総マイナスになった時に時間の経過とともにウエットになっていく。その結果、燃料電池スタックのセル積層方向の水分量分布が平坦化し（図３の水分量分布が図５の水分量分布に近づく、したがって、平坦に近づく）、フラッディングによる電圧低下が生じることなく、安定した燃料電池スタックの発電が可能になる。 Next, the operation method of the fuel cell stack of the present invention and the operation and effect of the apparatus will be described.
In the method and apparatus for operating a fuel cell stack according to the present invention, when a deviation in the moisture distribution in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23 is detected (step 102), the total fuel cell stack 23 in the cell stacking direction is detected. Since the polarity is inverted (step 103), the stack end cell on the side that was negative before the total polarity inversion and several neighboring cells (a plurality of cells including the end cells) Moisture collected at the time of total minus before polarity reversal becomes positive over time when it becomes total plus after polarity reversal, and becomes dry when passing through the flatness. Conversely, several cells at the stack edge on the side that had been positive before the reversal of the total polarity (multiple cells including the end cell) became a total negative after the reversal of the total polarity and became dry when the total polarity was positive The portion becomes wet with the passage of time when it becomes negative after the polarity reversal. As a result, the water content distribution in the cell stack direction of the fuel cell stack is flattened (the water content distribution in FIG. 3 approaches the water content distribution in FIG. 5, and thus closes flat), and voltage reduction due to flooding does not occur. Stable fuel cell stack power generation becomes possible.

極性反転においては、燃料電池スタック２３の総極性の反転を、燃料電池スタック２３のセル積層方向の端部のうち水分が多い側の端部が総プラスになるように反転させるので、極性反転前に水分が多かった端部は、極性反転後にドライになっていき、水分量分布が平坦なスタック中央部の水分量に近づいていき、フラッディングによる電圧低下が生じることなく、安定した燃料電池スタックの発電が可能になる。   In the polarity reversal, the reversal of the total polarity of the fuel cell stack 23 is reversed so that the end of the fuel cell stack 23 in the cell stacking direction has a high moisture content, so that The edge where the moisture content was high became dry after polarity reversal, the moisture content distribution approached the moisture content at the center of the flat stack, and the voltage drop due to flooding did not occur. Power generation becomes possible.

スタック２３の端部の極性の反転は、燃料電池の外部回路に負荷がかかっている状態で行ってもよいし、あるいは燃料電池の外部回路に負荷がかかっていない（オープンサーキット）状態で行ってもよく、何れの場合も水分量分布はフラット化する。
また、供給ガスが加湿ガスである場合は、本発明の水分量分布のフラット化が顕著に見られる。
水分量分布のフラット化は、スタックの総極性に相関しており、ガスの流れ方向とは相関しない。 The polarity reversal at the end of the stack 23 may be performed in a state where a load is applied to the external circuit of the fuel cell, or may be performed in a state where the load is not applied to the external circuit of the fuel cell (open circuit). In any case, the water content distribution is flattened.
Further, when the supply gas is a humidified gas, the water content distribution of the present invention is remarkably flattened.
The flattening of the moisture distribution correlates with the total polarity of the stack, and does not correlate with the gas flow direction.

燃料電池スタックの総極性の反転は、アノードガスとカソードガスの導入を反転させる（アノードガスが導入されていたところにカソードガスを導入し、カソードガスが導入されていたところにアノードガスを導入する）ことにより行うことができる。
燃料電池スタックの総極性の反転は、外部電源または回生電圧の印加により行うこともできる。 Reversing the total polarity of the fuel cell stack reverses the introduction of anode gas and cathode gas (introducing cathode gas where anode gas was introduced and introducing anode gas where cathode gas was introduced) ).
The reversal of the total polarity of the fuel cell stack can also be performed by applying an external power supply or a regenerative voltage.

アノードガスとカソードガスの入替え前にアノードガスの流路とカソードガスの流路をパージする場合は、アノードガスとカソードガスの混合と、該混合による膜１１の損傷を抑制することができる。   When purging the anode gas channel and the cathode gas channel before switching the anode gas and the cathode gas, mixing of the anode gas and the cathode gas and damage to the membrane 11 due to the mixing can be suppressed.

イオン交換体（電解質膜１１）を介して対向するガス流路の形状を同じにした場合は、ガスの入替えの前後において、発電性能がほとんど変化せず、ガスの入替えにもかかわらず、安定した発電を継続することができる。   When the shape of the gas flow path facing each other through the ion exchanger (electrolyte membrane 11) is made the same, the power generation performance hardly changes before and after the gas replacement, and it is stable despite the gas replacement. Power generation can be continued.

燃料電池スタック２３の総極性の反転を、外部電源７０または回生電圧の印加により行う場合は、燃料ガスと酸化ガスの混合がないためガス流路の窒素等によるパージが必要でない。また、回生電圧の印加の場合は回生電圧の有効利用をはかることができる。   When reversing the total polarity of the fuel cell stack 23 by applying an external power source 70 or a regenerative voltage, there is no mixing of the fuel gas and the oxidizing gas, so that purging with nitrogen or the like in the gas flow path is not necessary. Further, in the case of applying the regenerative voltage, the regenerative voltage can be effectively used.

燃料電池スタック２３のセル積層方向端部と端部付近に、セル積層方向中央部より排水性の高いセル（拡散層やガス流路溝の撥水性を良好にしたセル）を配置すれば、極性反転による端部と端部近傍のセルの水分の低減と、排水性が高いことによるセル排水性との両方で、燃料電池スタック２３のセル積層方向端部とその近傍のセル１９の排水を促進させる。   If cells with higher drainage (cells with better water repellency of diffusion layers and gas flow channel grooves) than the central part in the cell stacking direction are arranged near the ends in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23, the polarities Facilitating drainage of the cell stack direction end of the fuel cell stack 23 and the cell 19 in the vicinity thereof by both the reduction of the moisture of the cell at the end and in the vicinity of the end by reversal and the drainage of the cell by high drainage Let

本発明の燃料電池スタックの運転方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a method for operating a fuel cell stack according to the present invention. 本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの通常発電時（極性反転前）の概略側面図である。It is a schematic side view at the time of normal power generation (before polarity inversion) of the fuel cell stack in which the operation method of the fuel cell stack of the present invention is implemented. 本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの通常発電時（極性反転前）の水分量分布図（含水量対セル番号）である。It is a moisture content distribution map (water content vs. cell number) at the time of normal power generation (before polarity reversal) of the fuel cell stack in which the operation method of the fuel cell stack of the present invention is implemented. 本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの極性反転後の概略側面図である。It is a schematic side view after polarity reversal of the fuel cell stack in which the operation method of the fuel cell stack of the present invention is implemented. 本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの極性反転後の水分量分布図（含水量対セル番号）である。It is a moisture content distribution map (moisture content vs. cell number) after polarity inversion of the fuel cell stack in which the operation method of the fuel cell stack of the present invention is implemented. 試験で用いた、本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの通常発電時（極性反転前）の概略斜視図である。It is a schematic perspective view at the time of normal power generation (before polarity reversal) of the fuel cell stack in which the operation method of the fuel cell stack of the present invention used in the test is carried out. 試験で用いた、本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの通常発電時（極性反転前）の水分量分布図（含水量対セル番号）である。It is a moisture content distribution map (water content vs. cell number) at the time of normal power generation (before polarity inversion) of the fuel cell stack in which the operation method of the fuel cell stack of the present invention used in the test is carried out. 試験で用いた、本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの極性反転後の概略斜視図である。It is the schematic perspective view after the polarity reversal of the fuel cell stack in which the driving | running method of the fuel cell stack of this invention used by the test is implemented. 試験で用いた、本発明の燃料電池スタックの運転方法が実施される燃料電池スタックの極性反転後の水分量分布図（含水量対セル番号）である。It is the moisture content distribution map (water content vs. cell number) after polarity reversal of the fuel cell stack used in the test, in which the fuel cell stack operating method of the present invention is implemented. ｍセルスタックのセル積層方向の水分量分布図（含水量対セル番号）である。It is a moisture content distribution map (water content vs. cell number) of the cell stacking direction of an m cell stack. 試験で用いた、ｎセルスタックを２スタック並列配置して電気的に直列接続した場合の概略側面図である。It is a schematic side view at the time of arrange | positioning two n cell stacks parallelly used in a test, and electrically connecting in series. 図１１の２スタック装置の水分量分布図（含水量対セル番号）である。FIG. 12 is a moisture distribution diagram (water content versus cell number) of the two-stack apparatus of FIG. 11. 図１１の２スタック装置のセル電圧分布図（セル電圧対セル番号）である。FIG. 12 is a cell voltage distribution diagram (cell voltage versus cell number) of the two-stack device of FIG. 11. 本発明の燃料電池スタックの運転装置で極性反転を導入ガスの反転で行う場合の系統図である。It is a systematic diagram in the case of performing polarity reversal by reversal of introduced gas in the fuel cell stack operating device of the present invention. 本発明の燃料電池スタックの運転装置で極性反転を外部電源電圧の印加で行う場合の系統図である。It is a systematic diagram in the case of performing polarity reversal by applying an external power supply voltage in the fuel cell stack operating device of the present invention. 本発明の燃料電池スタックの概略側面図である。It is a schematic side view of the fuel cell stack of the present invention. 本発明の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the fuel cell stack of this invention. 本発明の燃料電池スタックのセルの概略正面図である。It is a schematic front view of the cell of the fuel cell stack of this invention.

１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ 燃料電池セパレータ
１９ 単セル
２０、２０Ａ、２０Ｂ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 冷媒側シール材（たとえば、ゴムガスケット）
３３ ガス側シール材（たとえば、接着剤）
４０ 検知装置
５０ 極性反転装置
５１ 燃料ガス（アノードガス）供給源
５２ 酸化ガス（カソードガス）供給源
５３ 第１の通路
５４ 第２の通路
５５ 第１の切替弁
５６ 第２の切替弁
５７ 第１の切替通路
５８ 第２の切替通路
５９ 制御装置
６０ パージガス供給通路
６１ パージガス供給源
６２ バルブ
７０ 外部電源
７１ 第１の端子
７２ 第２の端子
７３ 第１の切替スイッチ
７４ 第２の切替スイッチ 10 Fuel Cell 11 Electrolyte Membrane 13 Diffusion Layer 14 Electrode (Anode, Fuel Electrode)
16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Fuel cell separator 19 Single cell 20, 20A, 20B Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt 26 Refrigerant flow path 27 Fuel gas flow path 28 Oxidizing gas flow path 29 Refrigerant manifold 30 Fuel gas manifold 31 Oxidizing gas manifold 32 Refrigerant side sealing material (for example, rubber gasket)
33 Gas side sealing material (for example, adhesive)
40 Detection Device 50 Polarity Reversing Device 51 Fuel Gas (Anode Gas) Supply Source 52 Oxidation Gas (Cathode Gas) Supply Source 53 First Passage 54 Second Passage 55 First Switching Valve 56 Second Switching Valve 57 First Switching passage 58 second switching passage 59 controller 60 purge gas supply passage 61 purge gas supply source 62 valve 70 external power supply 71 first terminal 72 second terminal 73 first changeover switch 74 second changeover switch

Claims (14)

燃料電池スタックのセル積層方向の両端のうち総極性がマイナス側の第１の端部とその近傍にある第１のセルに、燃料電池スタックの前記第１の端部と反対側の第２の端部とその近傍にある第２のセルおよび燃料電池スタックのセル積層方向中央部にある第３のセルより多い量の水分が溜まって、燃料電池スタックの前記第１のセルに水分量が偏ったことを検知する検知工程と、
前記燃料電池スタックの総マイナス側の前記第１のセルに水分量が偏ったことを検知した時に、前記第１のセルの水分量を減少させるとともに前記第２のセルの水分量を増大させ燃料電池スタックの前記第１、第２、第３のセルを含む全セルにわたってセル積層方向に水分量分布が平坦化するまで、前記燃料電池スタックの総極性を反転させる極性反転工程と、
を含む、燃料電池スタックの運転方法。 Of the two ends of the fuel cell stack in the cell stacking direction, the first end of the negative polarity and the first cell in the vicinity thereof are connected to the second cell opposite to the first end of the fuel cell stack. More water than the third cell in the cell stacking direction central portion of the second cell and the fuel cell stack in the vicinity thereof is accumulated in the end portion, and the water amount is unevenly distributed in the first cell of the fuel cell stack. A detection process for detecting
When it is detected that the amount of water is biased toward the first cells on the total minus side of the fuel cell stack, the amount of water in the first cells is decreased and the amount of water in the second cells is increased. A polarity reversal step of reversing the total polarity of the fuel cell stack until the moisture distribution in the cell stacking direction is flattened across all cells including the first, second, and third cells of the battery stack ;
A method for operating a fuel cell stack , including: 前記燃料電池スタックの総極性の反転を、燃料電池スタックのセル積層方向の端部のうち水分が多い側の端部が総プラスになるように反転させる請求項１記載の燃料電池スタックの運転方法。   2. The method of operating a fuel cell stack according to claim 1, wherein the reversal of the total polarity of the fuel cell stack is reversed such that the end of the fuel cell stack in the cell stacking direction has a higher moisture content. . 前記燃料電池スタックの総極性の反転を、アノードガスとカソードガスを入替えることにより行う請求項１または請求項２記載の燃料電池スタックの運転方法。   The method of operating a fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein reversal of the total polarity of the fuel cell stack is performed by switching anode gas and cathode gas. 前記アノードガスとカソードガスの入替え前にアノードガスの流路とカソードガスの流路をパージする請求項３記載の燃料電池スタックの運転方法。   The method of operating a fuel cell stack according to claim 3, wherein the anode gas channel and the cathode gas channel are purged before the anode gas and the cathode gas are switched. イオン交換体を介して対向するガス流路の形状を同じにした請求項３または請求項４記載の燃料電池スタックの運転方法。   The method of operating a fuel cell stack according to claim 3 or 4, wherein the shapes of the gas flow paths facing each other through the ion exchanger are the same. 前記燃料電池スタックの総極性の反転を、外部電源または回生電圧の印加により行う請求項１または請求項２記載の燃料電池スタックの運転方法。   The method of operating a fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the reversal of the total polarity of the fuel cell stack is performed by applying an external power source or a regenerative voltage. 前記燃料電池スタックの総極性の反転処理を、非発電状態の下で行い、反転直前の発電時の極性を基準に反転する請求項１〜請求項６の何れか一項記載の燃料電池スタックの運転方法。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6, wherein the reversal processing of the total polarity of the fuel cell stack is performed under a non-power generation state, and the fuel cell stack is reversed based on the polarity at the time of power generation immediately before the reversal. how to drive. 前記燃料電池スタックのセル積層方向端部と端部付近に、セル積層方向中央部より排水性の高いセルを配置し、極性とセル排水性との両方で、燃料電池スタックのセル積層方向端部の排水を促進させる請求項１〜請求項７の何れか一項記載の燃料電池スタックの運転方法。   A cell having higher drainage than the center in the cell stacking direction is disposed near and in the cell stacking direction end of the fuel cell stack, and the cell stacking direction end of the fuel cell stack has both polarity and cell drainage. The operation method of the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 7, wherein drainage of the fuel cell is promoted. 燃料電池スタックのセル積層方向の両端のうち総極性がマイナス側の第１の端部とその近傍にある第１のセルに、燃料電池スタックの前記第１の端部と反対側の第２の端部とその近傍にある第２のセルおよび燃料電池スタックのセル積層方向中央部にある第３のセルより多い量の水分が溜まって、燃料電池スタックの前記第１のセルに水分量が偏ったことを検知する検知装置と、
前記検知装置が前記燃料電池スタックの総マイナス側の前記第１のセルに水分量が偏ったことを検知した時に、前記第１のセルの水分量を減少させるとともに前記第２のセルの水分量を増大させ燃料電池スタックの前記第１、第２、第３のセルを含む全セルにわたってセル積層方向に水分量分布が平坦化するまで、前記燃料電池スタックの総極性を反転させる極性反転極性反転装置と、
を備えた燃料電池スタックの運転装置。 Of the two ends of the fuel cell stack in the cell stacking direction, the first end of the negative polarity and the first cell in the vicinity thereof are connected to the second cell opposite to the first end of the fuel cell stack. More water than the third cell in the cell stacking direction central portion of the second cell and the fuel cell stack in the vicinity thereof is accumulated in the end portion, and the water amount is unevenly distributed in the first cell of the fuel cell stack. A detection device for detecting
When the detection device detects that the amount of water is biased toward the first cell on the total minus side of the fuel cell stack, the amount of water in the second cell is reduced while the amount of water in the first cell is decreased. The polarity inversion polarity inversion reverses the total polarity of the fuel cell stack until the water content distribution is flattened in the cell stacking direction over all cells including the first, second, and third cells of the fuel cell stack. Equipment,
A fuel cell stack operating device. 前記極性反転装置が、アノードガスとカソードガスのスタックへの供給を切替える装置からなる請求項９記載の燃料電池スタックの運転装置。   10. The fuel cell stack operating device according to claim 9, wherein the polarity reversing device comprises a device for switching supply of anode gas and cathode gas to the stack. 前記極性反転装置が、
燃料電池スタックとアノードガス供給源とを接続する第１の通路と、
燃料電池スタックとカソードガス供給源とを接続する第２の通路と、
第１の通路上に設けられた第１の切替弁と、
第２の通路上の設けられた第２の切替弁と、
第１の切替弁と第２の切替弁より下流側の第２の通路上の点とを連通する第１の切替通路と、
第２の切替弁と第１の切替弁より下流側の第１の通路上の点とを連通する第２の切替通路と、
第１の切替弁と第２の切替弁との切替えを指示する制御装置と、
を備えている請求項９記載の燃料電池スタックの運転装置。 The polarity reversing device is
A first passage connecting the fuel cell stack and the anode gas supply source;
A second passage connecting the fuel cell stack and the cathode gas supply source;
A first switching valve provided on the first passage;
A second switching valve provided on the second passage;
A first switching passage communicating the first switching valve and a point on the second passage downstream from the second switching valve;
A second switching passage communicating the second switching valve and a point on the first passage downstream from the first switching valve;
A control device for instructing switching between the first switching valve and the second switching valve;
10. The fuel cell stack operating device according to claim 9, further comprising: 前記極性反転装置が、アノードガスとカソードガスのスタックへの供給経路に接続されて該供給経路に不活性ガスのパージガスを供給するパージガス供給経路を備えている請求項９記載の燃料電池スタックの運転装置。   10. The operation of a fuel cell stack according to claim 9, wherein the polarity reversing device includes a purge gas supply path that is connected to a supply path to the stack of anode gas and cathode gas and supplies a purge gas of an inert gas to the supply path. apparatus. 前記極性反転装置が、スタックに印加される極性を反転させる装置からなる請求項９記載の燃料電池スタックの運転装置。   10. The fuel cell stack operating device according to claim 9, wherein the polarity reversing device comprises a device for reversing the polarity applied to the stack. 前記極性反転装置が、
外部電源および該外部電源の第１の端子および第２の端子と、
燃料電池スタックのセル積層方向の一端の第１のターミナルおよび他端の第２のターミナルの前記外部電源の第１の端子との接続を切替える第１の切替スイッチと、
燃料電池スタックのセル積層方向の一端の第１のターミナルおよび他端の第２のターミナルの前記外部電源の第２の端子との接続を切替える第２の切替スイッチと、
第１の切替スイッチおよび第２の切替スイッチの切替えを指示する制御装置と、
を備えている請求項９記載の燃料電池スタックの運転装置。 The polarity reversing device is
An external power supply and first and second terminals of the external power supply;
A first changeover switch for switching connection between the first terminal at one end in the cell stacking direction of the fuel cell stack and the first terminal of the external power supply at the second terminal at the other end;
A second changeover switch for switching the connection between the first terminal at one end in the cell stacking direction of the fuel cell stack and the second terminal of the external power supply at the second terminal at the other end;
A control device for instructing switching of the first changeover switch and the second changeover switch;
10. The fuel cell stack operating device according to claim 9, further comprising:
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