JP5512387B2

JP5512387B2 - 燃料電池の運転方法

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Publication number: JP5512387B2
Application number: JP2010114713A
Authority: JP
Inventors: 靖塩野谷; 昌弘毛里; 広明太田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: JP2011243424A

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層される燃料電池の運転方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セル（発電ユニット）を備えている。複数の単位セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池では、固体高分子電解質膜を所望の湿潤状態に維持するために、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスや燃料ガスを予め加湿する一方、発電反応により水が生成されている。従って、生成水が凝縮して凝縮水が発生するおそれがある。これにより、反応ガス流路が閉塞されてしまい、燃料ガスや酸化剤ガスの流れが不均一になって（所謂、フラッディング）、所望の発電機能を有することができなくなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図８に示すように、固体高分子膜である電解質膜１の両側に、アノード２とカソード３とが配置されるとともに、その外側に集電体４が配置されている。これらは、一対のセパレータ５により挟まれて燃料電池セル６が構成されている。

セパレータ５には、ヒータ等の加熱手段（図示せず）が設けられている。電解質膜１の加湿用の水分が凝縮した場合に、スイッチ７がＯＮされることにより、電源８から加熱手段に電流が供給されて凝縮水を蒸発させている。このため、フラッディングを速やかに解消することができる、としている。

特開２００２−３２４５６３号公報

ところで、通常、燃料電池スタックでは、特に燃料電池が低負荷運転されている際、前記燃料電池の温度が比較的低温となっている。このため、燃料電池スタック内には、燃料電池の積層方向に沿って冷却媒体の温度が偏り易い。これにより、燃料電池スタック内の特定の燃料電池は、過度に冷却されてフラッディングが惹起されるおそれがある。

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタック内の特定の燃料電池セル６が冷やされ過ぎているか否かの検出を行うことができないという問題がある。

しかも、電源８から加熱手段（例えば、ヒータ）に電流を供給することにより、凝縮水を蒸発させている。従って、電力消費が大きくなるとともに、設備費が高騰してしまい、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、燃料電池内部における発電ユニットの冷やし過ぎを確実に阻止し、フラッディングを防止して良好な発電状態を確保することが可能な燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されるとともに、前記冷却媒体流路の入口側に連通し前記発電ユニットの積層方向に貫通する冷却媒体入口連通孔と、前記冷却媒体流路の出口側に連通し前記積層方向に貫通する冷却媒体出口連通孔とが形成される燃料電池の運転方法に関するものである。

この運転方法は、発電ユニットの積層方向に沿って冷却媒体の温度分布を計測する工程と、計測された前記温度分布の幅が、予め設定された閾値を超えるか否かを判断する工程と、前記温度分布の幅が前記閾値を超えていると判断された際、燃料電池の冷却媒体入口連通孔に流入する前記冷却媒体の流通量を減少させる工程とを有している。

また、この運転方法は、燃料電池が、設定負荷以下の発電状態である際、上記の各工程を行うことが好ましい。

さらに、この運転方法は、燃料電池の外部で冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とを連通し、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環路を有し、温度分布の幅が閾値を超えていると判断された際、前記冷却媒体循環路に配置されるバルブが開閉操作されることにより、前記冷却媒体の供給を停止又は間欠停止させることが好ましい。

さらにまた、この運転方法は、積層方向に沿って少なくとも２箇所で冷却媒体の温度を検出することが好ましい。

本発明によれば、発電ユニットの積層方向に沿って冷却媒体の温度分布が計測されるため、燃料電池内部の冷却媒体の温度の偏りを容易に検出することが可能になる。さらに、計測された温度分布の幅が、閾値を超えていると判断された際、冷却媒体の流通量が減少されている。

従って、燃料電池スタック内の特定の燃料電池は、過度に冷却されることがなく、フラッディングの発生を良好に阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的に、燃料電池内部における発電ユニットの冷やし過ぎを確実に阻止し、フラッディングを防止して良好な発電状態を確保することが可能になる。

本発明の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略説明図である。前記燃料電池スタックを構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。前記発電ユニットを構成する第１セパレータの正面説明図である。前記燃料電池スタックを構成する冷却媒体温度測定装置の説明図である。前記運転方法を説明するフローチャートである。前記燃料電池スタック内の積層方向の温度分布の説明図である。冷却媒体の流量を調整するコントロールバルブの間欠運転の説明図である。特許文献１の燃料電池システムの説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池スタック（燃料電池）１０は、燃料電池システム１１に組み込まれる。この燃料電池システム１１は、例えば、車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池スタック１０は、発電ユニット１２を備え、複数の前記発電ユニット１２が、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層される。発電ユニット１２は、図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａ、第２セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ｂ及び第３セパレータ２０を設ける。第１セパレータ１４、第２セパレータ１８及び第３セパレータ２０は、例えば、金属セパレータで構成されているが、カーボンセパレータ等により構成されてもよい。

図２に示すように、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。アノード側電極２４は、カソード側電極２６よりも小さな表面積を有する段差型ＭＥＡを構成している。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３２ａが設けられる。

発電ユニット１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。

発電ユニット１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の両端縁部上方には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａが設けられるとともに、前記発電ユニット１２の短辺方向の両端縁部下方には、前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂが設けられる。

各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口連通孔３２ｂにそれぞれ近接し、且つそれぞれ矢印Ｂ方向両側の各辺に振り分けられる。

冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂの間、好ましくは、後述する冷却媒体流路４４の幅方向の略中央部には、前記冷却媒体流路４４に連通し且つ積層方向に貫通して冷却媒体連通路３５が設けられる。冷却媒体連通路３５は、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び冷却媒体出口連通孔３４ｂとは個別に且つ前記冷却媒体出口連通孔３４ｂの下方に設けられるとともに、好ましくは、発電ユニット１２内の最高温度となる部位の近傍に設けられる。より具体的には、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂの近傍が好適である。

第１セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路３６が形成される。第１燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部３６ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路３６の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部３８及び出口バッファ部４０が設けられる。

図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４の一部である複数の流路溝部４４ａが形成される。流路溝部４４ａの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４８ａが設けられる。

第２セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第１酸化剤ガス流路５０が形成される。第１酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部５０ａを有する。第１酸化剤ガス流路５０の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部５２及び出口バッファ部５４が設けられる。

第２セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路５８が形成される。第２燃料ガス流路５８は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部５８ａを有するとともに、前記第２燃料ガス流路５８の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６０及び出口バッファ部６２が設けられる。

第３セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路６６が形成される。第２酸化剤ガス流路６６は、矢印Ｃ方向に延在する複数の流路溝部６６ａを有する。第２酸化剤ガス流路６６の入口近傍及び出口近傍には、入口バッファ部６８及び出口バッファ部７０が設けられる。

第３セパレータ２０の面２０ｂには、冷却媒体流路４４の一部である複数の流路溝部４４ｂが形成される。流路溝部４４ｂの入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数のエンボスを有する入口バッファ部４６ｂ及び出口バッファ部４８ｂが設けられる。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材７４が、個別に又は一体に設けられる。第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第２セパレータ１８の外周端縁部を周回して第２シール部材７６が、個別に又は一体に設けられるとともに、第３セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第３セパレータ２０の外周端縁部を周回して第３シール部材７８が、個別に又は一体に設けられる。

図３に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂでは、第１シール部材７４は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａを冷却媒体流路４４の入口側に連通する一方、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂ及び冷却媒体連通路３５を前記冷却媒体流路４４の出口側に連通する。

同様に、第３セパレータ２０の面２０ｂでは、図２に示すように、第３シール部材７８は、冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａを冷却媒体流路４４の入口側に連通する一方、冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂ及び冷却媒体連通路３５を前記冷却媒体流路４４の出口側に連通する。

第１セパレータ１４は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側供給孔部８０ａ及び内側供給孔部８０ｂと、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第１燃料ガス流路３６とを連通する複数の外側排出孔部８２ａ及び内側排出孔部８２ｂとを有する。

第２セパレータ１８は、燃料ガス入口連通孔３２ａと第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の供給孔部８４と、燃料ガス出口連通孔３２ｂと前記第２燃料ガス流路５８とを連通する複数の排出孔部８６とを有する。

発電ユニット１２同士が互いに積層されることにより、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間には、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路４４が形成される。

図１に示すように、複数の発電ユニット１２の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート９０ａ、絶縁プレート９２ａ及びエンドプレート９４ａが配設される。発電ユニット１２の積層方向の他端には、ターミナルプレート９０ｂ、絶縁プレート９２ｂ及びエンドプレート９４ｂが配設される。

エンドプレート９４ａには、図示しないが、燃料ガスの供給を行う燃料ガス供給マニホールド、前記燃料ガスの排出を行う燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガスの供給を行う酸化剤ガス供給マニホールド、前記酸化剤ガスの排出を行う酸化剤ガス排出マニホールドが設けられる。

エンドプレート９４ａには、さらに冷却媒体の供給を行う冷却媒体供給マニホールド９６ａ及び前記冷却媒体の排出を行う冷却媒体排出マニホールド９６ｂが設けられるとともに、前記冷却媒体供給マニホールド９６ａ及び前記冷却媒体排出マニホールド９６ｂには、冷却媒体循環供給装置９８を構成する冷却媒体循環路１００が接続される。

冷却媒体循環路１００には、循環ポンプ１０２、コントロールバルブ１０３及びラジエータ（タンク機能を有する）１０４が配設される。コントロールバルブ１０３は、開閉自在又は開度調整自在に構成される。ラジエータ１０４には、冷却媒体排出路１０５を介して冷却媒体連通路３５が連通する。

燃料電池スタック１０は、冷却媒体連通路３５内に挿入されるとともに、発電ユニット１２から前記冷却媒体連通路３５に排出される冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度測定装置１０６を備える。

図４に示すように、冷却媒体温度測定装置１０６は、積層方向に長尺な絶縁性ケーシング部材１０８を備え、前記ケーシング部材１０８内には、２つ以上、例えば、３つの熱電対（温度計測部）１１０、１１１、１１２が配置される。少なくとも熱電対１１０、１１２の各測定点１１０ａ、１１２ａは、燃料電池スタック１０の積層方向両端部近傍に配置される発電ユニット１２に対応して設けられる一方、熱電対１１１の測定点１１１ａは、前記燃料電池スタック１０の積層方向中央部に配置される。なお、温度計測部は、熱電対１１０、１１２に限定されるものではなく、例えば、サーミスタ等の種々の温度センサが使用される。

図１に示すように、各測定点１１０ａ、１１１ａ及び１１２ａは、燃料電池スタック１０の積層方向の最低温度位置、中間温度位置及び最高温度位置に対応して配置される。なお、最低温度位置及び最高温度位置に対応して、２つの熱電対のみを配置してもよい。

ケーシング部材１０８は、図４に示すように、絶縁性保持部材１１４を介して冷却媒体連通路３５内に保持される。保持部材１１４は、複数設けられるとともに、前記保持部材１１４の外周部には、冷却媒体を冷却媒体連通路３５内で積層方向に流通させるための複数の通路部１１６が、軸方向に貫通して設けられる。保持部材１１４は、少なくとも温度測定が行われる発電ユニット１２の冷却媒体流路４４を閉塞しない位置に配置される。

図１に示すように、燃料電池スタック１０の外部には、熱電対１１０、１１１及び１１２に接続される測定器１１８が配設される。測定器１１８は、熱電対１１０、１１１及び１１２を介してそれぞれ積層方向の各位置の発電ユニット１２から排出される冷却媒体の温度を検出する。燃料電池システム１１は、前記燃料電池システム１１全体の制御を行うためのコントローラ１２０を備える。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、本実施形態に係る運転方法との関連で、図５に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、燃料電池スタック１０が、車両のアイドリング状態に相当するニュートラルレンジ又は低電流領域（低負荷発電領域）で運転されているか否かが、予め設定された閾値で判断される（ステップＳ１）。燃料電池スタック１０が低負荷発電領域で運転されていると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ここで、燃料電池スタック１０の低負荷発電領域とは、定格出力の約１０％以下である場合をいう。

ステップＳ２では、燃料電池スタック１０の積層方向の温度差（温度分布の幅）ΔＴが、予め設定された閾値（負荷に応じて変更してもよい）を超えるか否かが判断される。ここで、閾値は、例えば、５℃に設定される。積層方向の温度差ΔＴが５℃を超えると、固体高分子電解質膜２２の劣化が前記積層方向で拡大するからである。

図６に示すように、燃料電池スタック１０の内部温度が、熱電対１１０、１１１及び１１２により積層方向に検出されることにより、前記積層方向に沿って冷却媒体の温度分布が計測される。

本実施形態では、熱電対１１０が積層方向の最低温度を検出する一方、熱電対１１２が前記積層方向の最高温度を検出する（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）。そして、最高温度Ｔ３（熱電対１１２）と最低温度Ｔ１（熱電対１１０）との温度差ΔＴ（Ｔ３−Ｔ１）が閾値を超えるか否かが判断される。

なお、熱電対１１１が積層方向の最高温度を検出する一方、熱電対１１０（及び１１２）が前記積層方向の最低温度を検出する場合もある（図６中、二点鎖線参照）。その際、最高温度Ｔ２（熱電対１１１）と最低温度Ｔ１（熱電対１１０）との温度差ΔＴ（Ｔ２−Ｔ１）が閾値を超えるか否かが判断される。

積層方向の温度差ΔＴが閾値（５℃）を超えると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、コントロールバルブ１０３が間欠運転される。

図７に示すように、コントロールバルブ１０３がオン（ＯＮ）されると、冷却媒体供給マニホールド９６ａに供給される冷却媒体の流量が減少（又は冷却媒体の供給が停止）される。このため、燃料電池スタック１０のエンドプレート９４ｂ側の端部に配置されている発電ユニット１２は、冷却媒体の流通量が削減されることにより、冷やされ過ぎが解消され、積層方向の温度差ΔＴが小さくなる。なお、コントロールバルブ１０３は、開閉操作を繰り返し行うことができる他、開度を調整可能に構成してもよい。

そして、温度差ΔＴが閾値以下であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、通常運転に移行する。この通常運転では、コントロールバルブ１０３がオフ（ＯＦＦ）されている。

また、ステップＳ１において、燃料電池スタック１０が低負荷発電領域で運転されていないと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ５に進んで、通常運転が行われる。

通常運転では、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ１８の第１酸化剤ガス流路５０及び第３セパレータ２０の第２酸化剤ガス流路６６に導入される。この酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２６に供給されるとともに、第２酸化剤ガス流路６６に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから外側供給孔部８０ａを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に移動する。さらに、燃料ガスは、内側供給孔部８０ｂから面１４ａ側に導入された後、第１燃料ガス流路３６に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給される。

また、燃料ガスは、供給孔部８４を通って第２セパレータ１８の面１８ｂ側に移動する。このため、燃料ガスは、面１８ｂ側で第２燃料ガス流路５８に沿って矢印Ｃ方向に移動し、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給される。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、カソード側電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、内側排出孔部８２ｂを通って第１セパレータ１４の面１４ｂ側に導出される。面１４ｂ側に導出された燃料ガスは、外側排出孔部８２ａを通って、再度、面１４ａ側に移動し、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

また、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極２４に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部８６を通って面１８ａ側に移動する。この燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出される。

さらに、図１に示すように、冷却媒体循環供給装置９８を構成する冷却媒体循環路１００から燃料電池スタック１０に供給された冷却媒体は、左右一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａに供給される（図２参照）。冷却媒体は、一方の発電ユニット１２を構成する第１セパレータ１４と、他方の発電ユニット１２を構成する第３セパレータ２０との間に形成された冷却媒体流路４４に導入される。

図３に示すように、一対の冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａは、発電ユニット１２の上部側左右両端に酸化剤ガス入口連通孔３０ａ及び燃料ガス入口連通孔３２ａに近接する位置に振り分けて設けられている。

このため、各冷却媒体入口連通孔３４ａ、３４ａから冷却媒体流路４４に供給される冷却媒体は、矢印Ｂ方向に且つ互いに近接する方向に供給される。そして、互いに近接する冷却媒体は、冷却媒体流路４４の矢印Ｂ方向中央部側で衝突して重力方向（矢印Ｃ方向下方）に移動した後、発電ユニット１２の下部側両側部に振り分けて設けられている各冷却媒体出口連通孔３４ｂ、３４ｂに排出される。また、冷却媒体流路４４の下流に流動した冷却媒体の一部は、冷却媒体連通路３５に向かって重力方向に排出されている。

この場合、本実施形態では、発電ユニット１２の積層方向に沿って配置されている熱電対１１０、１１１及び１１２により、冷却媒体の温度分布が計測される。このため、燃料電池スタック１０の内部の冷却媒体温度の偏りを容易に検出することが可能になる。

さらに、計測された温度分布の幅（温度差ΔＴ）が、閾値を超えていると判断された際、コントロールバルブ１０３が間欠運転されて、冷却媒体の流通量が減少（又は供給停止）されている。

従って、燃料電池スタック１０内の特定の発電ユニット１２は、過度に冷却されることがなく、フラッディングの発生を良好に阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的に、燃料電池スタック１０の内部における発電ユニット１２の冷やし過ぎを確実に阻止し、フラッディングを防止して良好な発電状態を確保することが可能になるという効果が得られる。

１０…燃料電池スタック１２…発電ユニット
１４、１８、２０…セパレータ１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜２４…アノード側電極
２６…カソード側電極３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔３５…冷却媒体連通路
３６、５８…燃料ガス流路４４…冷却媒体流路
５０、６６…酸化剤ガス流路７４、７６、７８…シール部材
９８…冷却媒体循環供給装置１００…冷却媒体循環路
１０２…循環ポンプ１０４…ラジエータ
１０６…冷却媒体温度測定装置１０８…ケーシング部材
１１０、１１１、１１２…熱電対１１０ａ、１１１ａ、１１２ａ…測定点
１１４…保持部材１１６…通路部
１１８…測定器

Claims

電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層される発電ユニットを備え、前記発電ユニット間に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を形成して該発電ユニットが互いに積層されるとともに、前記冷却媒体流路の入口側に連通し前記発電ユニットの積層方向に貫通する冷却媒体入口連通孔と、前記冷却媒体流路の出口側に連通し前記積層方向に貫通する冷却媒体出口連通孔とが形成される燃料電池の運転方法であって、
前記発電ユニットの積層方向に沿って前記冷却媒体の温度分布を計測する工程と、
計測された前記温度分布の幅が、予め設定された閾値を超えるか否かを判断する工程と、
前記温度分布の幅が前記閾値を超えていると判断された際、前記燃料電池の前記冷却媒体入口連通孔に流入する前記冷却媒体の流通量を減少させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１記載の運転方法において、前記燃料電池が、設定負荷以下の発電状態である際、上記の各工程を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１又は２記載の運転方法において、前記燃料電池の外部で前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とを連通し、前記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環路を有し、前記温度分布の幅が前記閾値を超えていると判断された際、前記冷却媒体循環路に配置されるバルブが開閉操作されることにより、前記冷却媒体の供給を停止又は間欠停止させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転方法において、前記積層方向に沿って少なくとも２箇所で前記冷却媒体の温度を検出することを特徴とする燃料電池の運転方法。