(57)【要約】本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、単電池１０と、積層体１００と、温度調整装置（１６０，１４０、４０，４１）と、アノードガス供給装置１１０と、カソードガス供給装置１２０と、制御装置３００と、を有し、制御装置３００は、積層体１００の発電出力を下げる際に、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御してアノードガス及びカソードガスの供給流量を下げるとともに、アノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び温度調整装置１４０Ａのうち少なくともいずれか１つを制御して、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が積層体１００の温度に対して相対的に高くなるようにする。
2008047822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス流路溝が形成されたアノードセパレータ板、カソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ板及びこれらに挟まれたＭＥＡを有する、単電池と、
前記単電池が積層された、積層体と、
積層体の温度を調整する温度調整装置と、
前記アノードガス流路溝に水蒸気分圧を有するアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、
前記カソードガス流路溝に水蒸気分圧を有するカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、
前記温度調整装置、前記アノードガス供給装置、及び前記カソードガス供給装置を制御する制御装置と、を有する高分子電解質型燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置を制御して前記アノードガス及び前記カソードガスの供給流量を下げるとともに、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くする、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面の接触角が９０°以下である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノードセパレータ板及びカソードセパレータ板の少なくともいずれかは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成される圧縮成型セパレータ板であって、
前記圧縮成形セパレータ板に形成されている前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面には親水性改善処理が施されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項４】
前記親水性改善処理は酸素プラズマ処理である、請求項３に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記温度調整装置を制御して前記積層体の温度を下げる、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項６】
前記積層体は、前記積層された単電池同士の積層面間に形成される伝熱媒体流路を有し、
前記温度調整装置が、前記伝熱媒体供給路に前記伝熱媒体を供給し、かつ前記伝熱媒体の温度及び流量のうちの少なくともいずれか１つを調整対象として調整可能に構成されている伝熱媒体供給装置であって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記調整対象を調整することによって、前記積層体の温度を下げる、請求項５に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項７】
前記伝熱媒体供給装置は、前記伝熱媒体の温度を調整可能に構成されていて、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記伝熱媒体の温度を下げることによって、前記積層体の温度を下げる、請求項６に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記積層体の発電出力と、該発電出力において前記積層体の発電出力の不安定化現象が発現しない前記調整対象の設定値とを関連づけたデータが記憶されている記憶部と、
前記データに基づいて前記調整対象が前記設定値となるように前記伝熱媒体供給装置を制御する制御装置と、を有する、請求項６に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソードガス流路溝は、入口から出口にかけて複数の流路溝が並行して蛇行し、かつ、前記入口から前記出口に行くにしたがって、前記並行する流路溝の本数が減少して形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置の少なくともいずれかを制御して、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの加湿量を増やすことによって、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの露点温度を上げる、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記積層体の発電出力を下げる前において、前記アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給される前記ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して高くなるようにしていて、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記ガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くする、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質型燃料電池を利用する高分子電解質型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高分子電解質型燃料電池システム（以下、ＰＥＦＣシステムと略称する）は、アノードガス流路溝が形成されたアノードセパレータ板、カソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ板及びこれらに挟まれたＭＥＡを有する、単電池と、前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、積層体と、前記積層体の温度を調整する温度調整装置と、前記積層体に前記アノードガスを供給するアノードガス供給装置と、前記積層体に前記カソードガスを供給するカソードガス供給装置と、前記温度調整装置、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置の動作状態を制御する制御装置と、を有して構成されている。【０００３】
ここで、ＰＥＦＣシステムの電気化学反応においては、特許文献１及び２に例示されるように高分子電解質膜を充分に湿潤させる必要がある。【０００４】
特に、特許文献１では、ＭＥＡの全領域をより確実に水分飽和状態に保つことができるように、露点温度がＭＥＡの温度よりも２℃程度高温であるアノードガス及びカソードをＭＥＡに供給することができるＰＥＦＣシステムが開示されている。【０００５】
一方で、ＰＥＦＣシステムにおいては単電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し水詰まりなどによって発電出力が不安定化する、または性能が低下する現象、いわゆるフラッディング（flooding）現象が問題となっている。特に、積層体の発電出力が低出力の状態（以下、低出力時と略称する）においては、フラッディング現象が起こりやすい傾向にある。つまり、低出力時においては、積層体におけるアノードガス及びカソードガスの消費量が減少することから、アノードガス供給装置及びカソードガス供給装置はこれらガスの供給量を減少する。このため、単電池のアノードガス流路溝及びカソードガス流路溝におけるこれらガスの流速及び供給圧が低下して、これらガスの圧力による結露水の排出能力が低下してしまう。【０００６】
かかる問題の抑制のため、単電池内部の結露水の発生を抑制したり、単電池内部の結露水の除去を促したりする種々のＰＥＦＣシステムが提案されている。【０００７】
特許文献３には、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の構成を工夫してアノードガス及びカソードガスの時間当たりの移動量を大きくすることで、単電池内部の水分排除を促す方法が開示されている。【０００８】
特許文献４には、発電出力が不安定化すると、単電池の温度を高めたり、アノードガス及びカソードガスの少なくとも何れかの加湿量を下げたりすることで、単電池内部の結露水の発生を抑制する方法が開示されている。また、特許文献４には、発電出力が不安定化すると、アノードガス及びカソードガスの少なくとも何れかの供給量を上げることで、単電池内部の結露水の除去を促す運転方法が開示されている。【０００９】
特許文献５には、フラッディング現象発生時において、単電池におけるアノードガス及びカソードガスの流通方向を上下方向に切り換えるというＰＥＦＣシステムの運転方法が開示されている。つまり、特許文献５は重力を利用して単電池内部の結露水の排出を促そうとする技術である。【００１０】
特許文献６には、低出力時において積層体の締結力を上げるというＰＥＦＣシステムの運転方法が開示されている。締結力を上げることによって、単電池内部のアノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の流路断面積が小さくなり、ひいては、これら流路におけるガスの流速が高まる。これによって単電池内部の結露水の排出が促されるとしている。【００１１】
また、特許文献７では、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の表面性状を調整する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２０３３６１号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４０６９号公報
【特許文献３】特開２００３−２７２６７６号公報
【特許文献４】特開２００１−１４８２５３号公報
【特許文献５】特開２００３−１４２１３３号公報
【特許文献６】特開２００４−２５３２６９号公報
【特許文献７】特許３７３９３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１のＰＥＦＣシステムは、アノードガス及びカソードガスの露点温度を調整する制御装置を有している。これによって、ＭＥＡの全領域をより確実に水分飽和状態に保つことができるので、低出力時における高分子電解質膜の乾燥も防止されるとしている。しかしながら、上記制御装置においては、燃料ガス流路入口の温度（Ｔ３）に対して燃料ガスの露点温度（Ｔ２）が一定値高くなるように制御されることによってフラッディングが防止されるとしている。つまり、発電出力の高低にかかわらず積層体の温度と燃料ガスの露点温度との温度差を一定範囲内に納めることで発電出力の不安定化を防止することができるとしている。したがって、特許文献１には、発電出力の低下に応じて燃料ガスをより水分過飽和状態とする技術は何ら示唆も開示もされていない（特許文献１段落［００９９］乃至［０１１２］参照）。【００１３】
特許文献３及び５に例示されているような特殊な単電池の構造は、単電池の構造を複雑化させてしまう。【００１４】
また、特許文献４に例示されているようなアノードガス及びカソードガスの加湿量を低下させたり、単電池の温度を高めたりする運転方法は、高分子電解質膜の湿潤不足を招き、高分子電解質膜を損傷させるおそれがある。【００１５】
さらに特許文献６の技術は、ＰＥＦＣシステムの発電出力の変動の度に締結力を調整せねばならず、積層体の締結構造の劣化を早め、ひいては積層体の寿命を縮めるおそれがある。【００１６】
特許文献７は、排水性能に優れたＰＥＦＣ用セパレータ板を開示しているが、ＰＥＦＣシステムの低出力時における発電出力の安定化を図る技術については何ら示唆も開示も行われていない。【００１７】
こうしたことから、低出力時において発電出力をより安定化させるＰＥＦＣシステムについては、改善の余地があった。【００１８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることが可能なＰＥＦＣシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を新たに見出して、本発明に到達した。【００２０】
すなわち、当業者の間では、特許文献３乃至６に例示されるように、低出力状態においてガスの供給量が減少すると、ガスによる結露水の排出効果も弱まるので、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝において結露水が滞留しやすくなり、積層体の発電出力が不安定化するという考え方が一般的である。【００２１】
しかしながら、発明者らは、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝において結露水の発生量を増やすことによって、却って結露水の排水が促進される現象を見出した。すなわち、低出力状態においてガスの供給量が減少する場合には、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝において結露水がより発生しやすい状態にすると却って発電出力が安定することを見出した。このような現象が生じる理由は判明していないが、発明者らはこれら流路溝表面に形成される水膜に結露水が取り込まれて、結露水が容易に押し流されるようになるからだと推察している。【００２２】
この新たな知見に基づいて、第１の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、アノードガス流路溝が形成されたアノードセパレータ板、カソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ板及びこれらに挟まれたＭＥＡを有する、単電池と、
前記単電池が積層された、積層体と、
積層体の温度を調整する温度調整装置と、
前記アノードガス流路溝に水蒸気分圧を有するアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、
前記カソードガス流路溝に水蒸気分圧を有するカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、
前記温度調整装置、前記アノードガス供給装置、及び前記カソードガス供給装置を制御する制御装置と、を有する高分子電解質型燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置を制御して前記アノードガス及び前記カソードガスの供給流量を下げるとともに、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くする。【００２３】
このように構成すると、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることができる。【００２４】
第２の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面の接触角が９０°以下であるとよい。【００２５】
このように構成すると、これら流路の表面は撥水性よりも親水性に富んだ性状を有しているので、第１の本発明の効果をより効果的に得ることができる。【００２６】
ここで、「接触角」とは、水滴の自由表面が流路溝表面に接する場所で液面と流路溝表面とのなす角（水滴の内部にある角）をいう。（「岩波  理化学辞典，第４版」６９０頁に記載参照）。より具体的には、流路溝表面が水平になるように配置し、その表面に一定量の水滴を載せて静止させた場合に、上記流路溝表面と水滴の液面とのなす角度をいう。【００２７】
第３の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記アノードセパレータ板及びカソードセパレータ板の少なくともいずれかは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成される圧縮成型セパレータ板であって、
前記圧縮成形セパレータ板に形成されている前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面には親水性改善処理が施されているとよい。【００２８】
圧縮成型セパレータ板の表面の親水性が改善されるので、第１の本発明の効果をより効果的に得ることができる。【００２９】
ここで、「親水性改善処理」とは、流路溝表面の微細な凹凸（すなわち比表面積）あるいは極性を増やすことによって、流路溝表面が親水性を有するようにする処理をいう。親水性改善処理の技術としては、エッチング加工、ブラスト加工、研磨加工、グロー放電加工、酸素プラズマ加工が例示される。【００３０】
第４の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記親水性改善処理は酸素プラズマ処理であるとよい。【００３１】
このように構成すると、親水性改善処理を的確に行うことができるので、第３の本発明の効果を的確に得ることができる。【００３２】
第５の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記温度調整装置を制御して前記積層体の温度を下げるとよい。【００３３】
このように構成すると、アノードガス供給装置及びカソードガス供給装置におけるアノードガス及びカソードガスの露点温度の調整は不要となる。したがって、アノードガス供給装置及びカソードガス供給装置の供給流量以外の調整を簡素化することができる。より容易に本発明を実施することができる。【００３４】
第６の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記積層体は、前記積層された単電池同士の積層面間に形成される伝熱媒体流路を有し、
前記温度調整装置が、前記伝熱媒体供給路に前記伝熱媒体を供給し、かつ前記伝熱媒体の温度及び流量のうちの少なくともいずれか１つを調整対象として調整可能に構成されている伝熱媒体供給装置であって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記調整対象を調整することによって、前記積層体の温度を下げるとよい。【００３５】
このように構成すると、高分子電解質型燃料電池システムは伝熱媒体の熱利用が可能となると共に、伝熱媒体供給装置が温度調整装置となるので、高分子電解質型燃料電池システムの構造を合理的に構成することができる。【００３６】
第７の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記伝熱媒体供給装置は、前記伝熱媒体の温度を調整可能に構成されていて、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記伝熱媒体の温度を下げることによって、前記積層体の温度を下げるとよい。【００３７】
特許文献４に例示されるようなガスの供給量や単電池の温度を高める運転方法は増量及び昇温にエネルギーを消費する、あるいは伝熱媒体からの回収エネルギー量が減少するので、高分子電解質型燃料電池システムのエネルギー効率を低下させる。しかし、このように構成すると、積層体に供給される伝熱媒体の温度を下げることができるので、高分子電解質型燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。【００３８】
第８の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記制御装置は、前記積層体の発電出力と、該発電出力において前記積層体の発電出力の不安定化現象が発現しない前記調整対象の設定値とを関連づけたデータが記憶されている記憶部と、
前記データに基づいて前記調整対象が前記設定値となるように前記伝熱媒体供給装置を制御する制御装置と、を有するとよい。【００３９】
このように構成すると、発電出力を低下させる場合に、積層体の温度をより的確に降温させることができる。  【００４０】
第９の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記カソードガス流路溝は、入口から出口にかけて複数の流路溝が並行して蛇行し、かつ、前記入口から前記出口に行くにしたがって、前記並行する流路溝の本数が減少して形成されているとよい。【００４１】
アノードガス及びカソードガスは、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝を流通しながら電気化学反応を起こすので、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝においてアノードガス及びカソードガスは減量する。したがって、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の下流においては、アノードガス及びカソードガスの流速は低下することとなる。しかし、このように構成すると、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝は下流側においてに流路断面積が減少するので、アノードガス及びカソードガスの流速の低下を抑制することができる。すなわち、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝における結露水の排出を促すことができる。【００４２】
第１０の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置の少なくともいずれかを制御して、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの加湿量を増やすことによって、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの露点温度を上げるとよい。このように構成すると積層体の温度の調整を要さずに、あるいは積層体の温度調整を待たずに、本発明を実施することができる。【００４３】
第１１の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記積層体の発電出力を下げる前において、前記アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給される前記ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して高くなるようにしていて、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記ガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くするとよい。
【発明の効果】
【００４４】
以上のように、本発明のＰＥＦＣシステムは、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図。
【図２】図２は、図１の積層体の中央部の積層構造を示す部分分解斜視図。
【図３】図３は、本実施形態で用いられたアノードセパレータ板の内面を示す平面図。
【図４】図４は、本実施形態で用いられたカソードセパレータ板の内面を示す平面図。
【図５】図５は、図２の単電池の構造を示す要部断面図。
【図６】図６は、図１の積層体の端部の積層構造を示す部分分解斜視図。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態におけるＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００４６】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層  
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６  ガスケット
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ板
９Ｃ  カソードセパレータ板
１０  単電池
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  アノードガス供給マニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  カソードガス供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  アノードガス排出マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  カソードガス排出マニホールド孔
１５  ボルト孔
２１  アノードガス流路溝
３１  カソードガス流路溝
３１Ａ  溝路
３１Ｂ  屈曲部
３１Ｃ  凸部
４０，４１  電熱板
４０Ａ，４１Ａ  端子
５０、５１  集電板
５０Ａ、５１Ａ  端子部
６０、６１  絶縁板
７０、７１  端板
４２Ｉ、５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  アノードガス供給孔
４２Ｅ、５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  アノードガス排出孔
４３Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  カソードガス供給孔
４３Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  カソードガス排出孔
７４Ｉ  伝熱媒体供給孔
７４Ｅ  伝熱媒体排出孔
８２  締結具
８２Ｂ  ボルト
８２Ｗ  座金
８２Ｎ  ナット
９２Ｉ  アノードガス供給マニホールド
９２Ｅ  アノードガス排出マニホールド
９３Ｉ  カソードガス供給マニホールド
９３Ｅ  カソードガス排出マニホールド
１００、２００  積層体
１１０  アノードガス供給装置
１２０  カソードガス供給装置
１３０  電気出力系統
１４０  加熱用電気回路
１４０Ａ  可変抵抗
１５０  伝熱媒体供給装置
１６０  温度計測器
１７０  電流計
３００  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  演算部
３０４  制御部
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。【００４８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図である。【００４９】
図１に示すように、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、アノードセパレータ板９Ａ、カソードセパレータ板９Ｃ及びこれらに挟まれたＭＥＡ部材７を有する、単電池１０と、記単電池が積層された積層体１００と、積層体１００の温度を調整する電熱板４０，４１と、電熱板４０，４１を加熱する加熱用電気回路１４０と、アノードガス供給装置１１０と、カソードガス供給装置１２０と、加熱用電気回路１４０、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御する制御装置３００と、を有する。【００５０】
ここで、温度計測器１６０、電熱板４０，４１及び加熱用電気回路１４０が積層体１００の温度を調整する温度調整装置を構成している。加熱用電気回路１４０は電熱板４０，４１の加熱量を調整できるように構成されている。本実施形態では、加熱用電気回路１４０は交流電源と可変抵抗１４０Ａとを有し、可変抵抗１４０Ａによって電熱板４０，４１の発熱量を調整することができる。また、温度計測器１６０は積層体１００の内部の温度を的確に検出できるように構成されている。本実施形態では、アノードセパレータ板９Ａに形成された孔部に熱電対が挿入されて構成されている。【００５１】
アノードガス供給装置１１０は、積層体１００に水蒸気分圧を有するアノードガスを供給するように構成されている。具体的には、図示しないが、アノードガス供給装置１１０は、水素ボンベ及び加湿器を有して構成されている。水素ボンベの水素ガスが加湿器を経由して積層体１００のアノードガス供給孔７２Ｉに供給される。あるいは、アノードガス供給装置１１０は、改質器を有する改質装置が積層体１００のアノードガス供給孔７２Ｉに接続されるように構成されている。改質器は、天然ガス、ＧＴＬ（Gas To liquid）燃料、ＤＭＥ（Dimethyl Ethel）に例示されるような炭化水素を水蒸気改質反応により水素含有ガスに改質する装置をいう。さらに、改質装置には水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を変成反応により軽減する変成器や水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を選択酸化反応により軽減する選択酸化器が連結されている。【００５２】
カソードガス供給装置１２０は、積層体１００に水蒸気分圧を有するカソードガスを供給するように構成されている。具体的には、図示しないが、カソードガス供給装置１２０は、シロッコファンに例示されるような送風器からの空気が加湿器を経由して積層体１００のカソードガス供給孔７３Ｉに供給されるように構成されている。【００５３】
集電板５０，５１には端子部５０Ａ，５１Ａが構成されていて、端子部５０Ａ、５１Ａには電気出力系統１３０が接続されている。電気出力系統１３０には電流計１７０が挿入されている。電流計１７０によって積層体１３０の電気出力を検出することができる。【００５４】
電流計１７０の出力信号は制御装置３００に送信される。【００５５】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びモニター装置、プリンター等によって構成されている出力部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、電流計１７０の信号を取得して、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御するように構成されている。つまり、積層体１００の電気出力に応じてアノードガス及びカソードガスの供給量を調整するように構成されている。また、制御装置３００は、温度計測器１６０によって計測される温度情報を取得して、積層体１６０の温度が所定の温度となるように、加熱用電気回路１４０の可変抵抗１４０Ａを制御する。【００５６】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働してアノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び可変抵抗１４０Ａを制御するように構成されていてもよい。例えば、出力部３０３は、情報端末によって送信されてモバイル機器に表示されるように構成することもできる。また、制御部３０４をアノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０それぞれに分散させて設けることもできる。【００５７】
図２は、図１の積層体の中央部の積層構造を示す部分分解斜視図である。説明の都合上、ボルト８０等締結具は省略されている。【００５８】
図２に示すように、積層体１００は直方体状であって、中央部には単電池１００が構成されている。【００５９】
単電池１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ板９Ａ及びカソードセパレータ板９Ｃ（両者をセパレータ板と総称する）で挟んで構成されている。【００６０】
セパレータ板９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅが、その厚み方向に貫通して形成されている。アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、およびアノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは、それぞれ積層体１００において連なって、アノードガス供給マニホールド９２Ｉおよびアノードガス排出マニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、およびカソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれ積層体１００において連なって、カソードガス供給マニホールド９３Ｉおよびカソードガス排出マニホールド９３Ｅを形成する。【００６１】
ＭＥＡ部材７はセパレータ板９Ａ、９Ｃ内面に挟まれていて、セパレータ板９Ａ、９Ｃ内面中央部はＭＥＡ５に接触している。そして、セパレータ板９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。ここでは、セパレータ板９Ａ，９Ｃは、いずれも電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成される圧縮成型セパレータ板からなる。このような構成によって、単電池１０においては、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ板９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。【００６２】
図３は、本実施形態で用いられたアノードセパレータ板の内面を示す平面図である。【００６３】
図３に示すように、アノードセパレータ板９Ａの内面にはＭＥＡ部材７のＭＥＡ５に当接する領域全面に亘って蛇行しながら、アノードガス供給マニホールド孔２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、３本の溝路が並行して形成されている。【００６４】
図４は、本実施形態で用いられたカソードセパレータ板の内面を示す平面図である。【００６５】
図４に示すように、カソードセパレータ板９Ｃの内面にはＭＥＡ５の他方の主面に当接する領域全面に亘って蛇行しながら、カソードガス供給マニホールド孔（入口）３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔（出口）３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、１１本の溝路３１Ａが並行して蛇行し、かつ、カソードガス供給マニホールド孔（入口）３３Ｉからカソードガス排出マニホールド孔（出口）３３Ｅに進むに従って、並行する溝路３１Ａの本数が減少して形成されている。本実施形態では、カソードガス流路溝３１が進行方向を反転する屈曲部３１Ｂが複数形成されている。そして、一部の屈曲部３１Ｂが略三角形の凹部で構成され、この凹部に多数の凸部３１Ｃがマトリクス状に点在するように形成されている。この凹部の上流に位置する溝路３１Ａはその下流端がこの凹部に連通し、この凹部の下流に位置する溝路３１Ａはその上流端がこの凹部に連通している。つまり、屈曲部３１Ｂにおいては、カソードガスは複数の凸部３１Ｃの周囲を縫うように進むこととなる。この屈曲部３１Ｂによって、カソードガスは攪拌される。また、凸部３１ＣはＭＥＡ５を支持する。そして、カソードガスの進行方向において屈曲部３１Ｂの下流側には再び溝路３１Ａが形成されている。しかし、溝路３１Ａは、１本減って１０本形成されている。したがって、屈曲部３１Ｂの前後において、カソードガス流路溝３１の流路断面積は減少する。一方で、溝路３１Ａを流れるカソードガスも電気化学反応によって消費されて減量する。これによって、溝路３１Ａにおけるカソードガスの流速の低下が抑制されるので、溝路３１Ａにおける結露水の排出を促すことができる。【００６６】
また、複数の屈曲部３１Ｂの前後において、カソードガス流路溝３１の流路断面積が減少するように構成されているので、カソードガス流路溝３１を流通するカソードガスの減少に伴ってカソードガス流路溝３１の流路断面積が段階的に減少している。これによって、カソードガス供給マニホールド孔（入口）３３Ｉからカソードガス排出マニホールド孔（出口）３３Ｅにかけて、カソードガスの流速をより安定化させることができるので、カソードガス流路溝３１における結露水の排出をより促すことができる。【００６７】
ここで、アノードセパレータ流路溝２１及びカソードセパレータ流路溝３１（以下、両者を「流路溝２１，３１」と総称する）の表面性状について説明する。【００６８】
流路溝２１、３１の表面は撥水性よりも親水性に富んだ性状を有している。具体的には、表面の親水性は、表面の接触角が９０°以下が好適である。「接触角」とは、水滴の自由表面が流路溝表面に接する場所で液面と流路溝表面とのなす角（水滴の内部にある角）をいう。（「岩波  理化学辞典，第４版」６９０頁の記載参照）。より具体的には、流路溝表面が水平になるように配置し、その表面に一定量の水滴を載せて静止させた場合に、上記流路溝表面と水滴の液面とのなす角度をいう。【００６９】
本実施形態の流路溝２１、３１は、表面に親水性改善処理が施されている。親水性改善処理は、流路溝表面の微細な凹凸（すなわち比表面積）あるいは極性を増やすことによって、流路溝表面が親水性を有するようにする処理をいう。公知の親水性改善処理の技術としては、エッチング加工、ブラスト加工、研磨加工、グロー放電加工、酸素プラズマ加工が例示される。【００７０】
本実施形態では、流路溝２１、３１の表面に酸素プラズマ処理を施している。具体的には、プラズマ洗浄装置（株式会社サムコ社製ＰＣ−１０００）によって酸素プラズマ処理が行われている。発明者らの推察では、酸素プラズマ処理によって流路溝２１，３１表面に親水性官能基が増えて極性が大きくなったことで、流路溝２１，３１表面が親水性になるものと推察される。したがって、グロー放電加工のように流路溝２１，３１表面に親水性官能基を化学的に結合させる方法であれば、流路溝２１，３１表面の接触角を改善させることができることは容易に推察される。また、エッチング加工、ブラスト加工、研磨加工によって、流路溝２１，３１表面に多数の微細な凹凸が形成されて比表面積が大きくなるので、流路溝２１，３１の親水性が改善される。【００７１】
図５は、図２の単電池の構造を示す要部断面図である。【００７２】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層２Ａ及びカソード側触媒層２Ｃと、この一対の触媒層２Ａ、２Ｃの外面に配設された一対のアノード側ガス拡散層４Ａ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。これら触媒層２Ａ、２Ｃとガス拡散層４Ａ、４Ｃとが電極を構成する。すなわち、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１と、その両主面の中央部に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡ５の両主面には電極面が構成されている。【００７３】
ここで、高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、このようにして製造されたＭＥＡ５の市販品を利用することもできる。一般的には、触媒層２Ａ、２Ｃは１０〜２０μｍ程度の厚さに成形される。ガス拡散層４Ａ、４Ｃは、カーボン織布が基材とされて、この基材に塗料が塗工されて製作される。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。そして、ガス拡散層４Ａ、４Ｃと触媒層２Ａ、２Ｃとが、高分子電解質膜１の中央部の両面にホットプレスにより接合されて、ＭＥＡ５が作製される。【００７４】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜１が一対のガスケット６で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット６の中央開口部の両面にはＭＥＡ５が露出している。ガスケット６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、例示としては、フッ素系ゴムが好適である。また、ＭＥＡ部材７の周縁部には、ガスケット６を貫通してアノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅが形成されている。【００７５】
また、ＭＥＡ部材７のＭＥＡ５がアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の溝蓋となる。すなわち、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、アノードガス流路溝２１内を流通するアノードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、カソードガス流路溝３１内を流通するカソードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。【００７６】
図６は、図１の積層体の端部の積層構造を示す部分分解斜視図である。【００７７】
積層体１００は、単電池１０の両側に一対の端部材が積層されて構成されている。すなわち、単電池１０の両側には、セパレータ板９Ａ、９Ｃと同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，電熱板４０，４１、端板７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，電熱板４０，４１、端板７０，７１の４隅には単電池１０のボルト孔１５に連通するようにボルト孔１５が形成されている。【００７８】
集電板５０，５１は銅金属等導電性材料からなる。【００７９】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。【００８０】
電熱板４０，４１はそれぞれ内部に電気抵抗によって発熱する発熱体と、発熱体に導通している一対の端子４０Ａ、４１Ａと、を有している。【００８１】
そして、一方の集電板５０、絶縁板６０，電熱板４０及び端板７０には、それぞれを厚み方向に貫通し、かつ連通する貫通孔が複数形成されている。具体的には、アノードガス供給マニホールド９２Ｉに連通するアノードガス供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、４２Ｉ、７２Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅに連通するアノードガス排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、４２Ｅ、７２Ｅ、カソードガス供給マニホールド９３Ｉに連通するカソードガス供給孔５３Ｉ、６３Ｉ、４３Ｉ、７３Ｉ、及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅに連通するカソードガス排出孔５３Ｅ、６３Ｅ、４３Ｅ、７３Ｅが形成されている。【００８２】
なお、端板７０外面側のアノードガス供給孔７２Ｉ、アノードガス排出孔７２Ｅ、カソードガス供給孔７３Ｉ、及びカソードガス排出孔７３Ｅは、それぞれノズルが装着されて構成されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。【００８３】
また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，電熱板４１及び端板７１はこれら貫通孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，電熱板４０及び端板７０と同じ構成である。これによって、積層体１００内のアノードガスの流路は、アノードガス供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ及びアノードガス供給マニホールド９２Ｉを経て、アノードガス流路溝２１に分岐して、アノードガス排出マニホールド９２Ｅで集合して、アノードガス排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅに至るように形成される。積層体１００内のカソードガスの流路は、カソードガス供給孔５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ及びカソードガス供給マニホールド９３Ｉを経て、カソードガス流路溝３１に分岐して、カソードガス排出マニホールド９３Ｅで集合して、カソードガス排出孔５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅに至るように形成される。【００８４】
そして、締結部材８２によって、一対の端板７０，７１間が締結されている。ここでは、ボルト８２Ｂが、ボルト孔１５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。そして、ボルト８２Ｂの両端に座金８２Ｗとナット８２Ｎが装着されて、一対の端板７０，７１間が締結されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の力で締結されている。【００８５】
次に、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転動作を図１を参照しながら説明する。【００８６】
当該運転動作は制御装置３００によって制御されることによって遂行される。【００８７】
安定的な発電出力が得られる定格出力の状態（以下、「定格出力時」という）において、アノードガス供給装置１１０はアノードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、アノードガスは水分飽和状態で積層体１００に供給される。【００８８】
また、同様にして、カソードガス供給装置１２０はカソードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、カソードガスは水分飽和状態で積層体１００に供給される。【００８９】
さらに、加熱用電気回路１４０の可変抵抗１４０Ａは、温度計測器１６０の計測温度が約７０℃となるように調整される。つまり、ＰＥＦＣシステムは、積層体１００内においてアノードガス及びカソードガスがほぼ水分飽和状態となるようにして運転される。なお、特許文献１に開示されているように温度計測器１６０の計測温度が露点温度よりも１℃乃至３℃程度低い温度となるように調整されてもよい。これによって、ＭＥＡ５の全領域をより確実に水分飽和に保つことができる。【００９０】
発電出力が低下して、定格出力の約３０％相当である低出力時となると、アノードガス供給装置１１０は、アノードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、アノードガスは、定格出力時と同様、水分飽和状態で積層体１００に供給される。ただし、アノードガス供給装置１１０は、酸素利用率が定格出力時とほぼ同等となるようにアノードガス供給量を減少させる。【００９１】
また、同様にして、カソードガス供給装置１２０は、低出力時において、カソードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、カソードガスは、定格出力時と同様、水分飽和状態で積層体１００に供給される。ただし、カソードガス供給装置１２０は、酸素利用率が定格出力時とほぼ同等となるようにカソードガス供給量を減少させる。【００９２】
さらに、低出力時において、加熱用電気回路１４０の可変抵抗１４０Ａは、温度計測器１６０の計測温度が定格出力時よりも低い温度となるように調整される。つまり、可変抵抗１４０Ａは、積層体１００の温度に対して流路溝２１，３１に供給されるガスの露点温度が相対的に高くなるように調整される。具体的には、定格出力時よりも５℃乃至１０℃程度低くすると好適である。つまり、ＰＥＦＣシステムは、発電出力を下げる際には、アノードガス及びカソードガスの供給流量を下げるとともに、流路溝２１，３１に供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、流路溝２１，３１に供給されるガスの露点温度が積層体１００の温度に対して相対的に高くされている。これによって、低出力時での発電出力を安定させることができる。【００９３】
本実施形態の具体的実施例を説明する。【００９４】
［実施例１］
本発明の第１実施形態のＰＥＦＣシステムにおいて、セパレータ板９Ａ，９Ｃは、いずれもフェノール樹脂を含浸させた黒鉛板を用いた。セパレータ板９Ａ，９Ｃの形状は平面形状１５０ｍｍ角程度、厚さ３ｍｍ程度とした。【００９５】
アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１は切削加工により形成した。また、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の表面には酸素プラズマ処理を施し、水の接触角が１０°となるようにした。【００９６】
ＭＥＡ５には、市販品の株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」を用いた。【００９７】
ＰＥＦＣシステムは一定電圧で運転され、定格出力時の発電電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２であり、低出力時（３０％出力時）の発電電流密度は０．０６Ａ／ｃｍ２であった。【００９８】
アノードガス供給装置１１０は、定格出力時及び低出力時において、酸素利用率が約７５％となるようにアノードガス流量を調整した。【００９９】
カソードガス供給装置１２０は、定格出力時及び低出力時において、燃料利用率が約９５％となるようにカソードガス流量を調整した。【０１００】
また、アノードガス及びカソードガスは露点温度が６６℃となるように加湿及び加熱されて、積層体１００に供給された。【０１０１】
定格出力時においては、積層体１００の温度は電熱板４０，４１によって６６℃となるように加熱された。【０１０２】
また、低出力時においては、積層体１００の温度は電熱板４０，４１によって５８℃となるように加熱された。【０１０３】
本実施例では、定格出力時及び低出力時において、ＰＥＦＣシステムの発電出力を安定して継続させることができた。【０１０４】
［比較例１］
実施例１の比較例として、実施例１で用いたＰＥＦＣシステムを用いて、低出力時の積層体１００の温度を６６℃、すなわち積層体１００内においてアノードガス及びカソードガスが水分飽和状態となるようにして運転した。しかし、ＰＥＦＣシステムの発電電圧は０ｍＶ（測定限界未満）に低下して、発電不能であった。【０１０５】
この実施例１及び比較例１の事象に対しては、以下のような流路溝２１，３１の排水構造が推察される。すなわち、定格出力時では流路溝２１，３１におけるアノードガス及びカソードガスの流速が十分であるため、積層体１００内においてアノードガス及びカソードガスが水分飽和状態であっても水分過飽和状態であっても安定して運転することができた。しかし、低出力時にはアノードガス及びカソードガスの流速が低下してしまうため、流路溝２１，３１表面の結露水は水滴のまま滞留することとなる。排水能力が低下することによって、発電出力が不安定となり、深刻な場合には発電不能状態に陥る。ここで、積層体１００の温度を５８℃とすることによって、アノードガス及びカソードガスが流路溝２１，３１においてより一層水分過飽和状態となる。これによって、流路溝２１，３１表面には水膜が供給マニホールド孔（入口）２２Ｉ、３３Ｉから排出マニホールド孔（出口）２２Ｅ、３３Ｅにかけてほぼ連続するように形成される。そして、流路溝２１，３１表面の結露水は水膜に取り込まれ、水膜の上を流れるようにして出口まで容易に押し流される。このような排水構造によって、低出力時における流路溝２１，３１の排水能力が向上し、結露水による流路溝２１，３１の閉塞は抑制され、ＰＥＦＣシステムの発電出力が安定する。【０１０６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の積層体２００には単電池１０が複数積層されている。また、ＰＥＦＣシステムの温度調整装置の構造が第１実施形態と相違する。すなわち、第１実施形態の電熱板４０，４１及び加熱用電気回路１４０が省略され、伝熱媒体供給装置１５０が構成されている。したがって、ＰＥＦＣシステムの構造の相違部分を説明し、その他の部分は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。【０１０７】
図７は、本発明の第２実施形態におけるＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図である。【０１０８】
図７に示すように、第２実施形態においては、第１実施形態の電熱板４０，４１及び加熱用電気回路１４０が省略され、伝熱媒体供給装置１５０が構成されている。【０１０９】
伝熱媒体供給装置１５０は、積層体２００に伝熱媒体を供給し、かつ伝熱媒体の温度を調整対象として調整可能に構成されている。本実施形態では、伝熱媒体供給装置１５０から積層体の伝熱媒体供給孔７４Ｉにまでの延びる流路、すなわち伝熱媒体の出口側の流路、に温度計測器１６０が配設されている。あるいは、温度計測器１６０は、伝熱媒体の出口側の流路、すなわち伝熱媒体排出孔７４Ｅから先に延びる流路に配設されていても良い。これによって、伝熱媒体の温度によって積層体２００の温度を調整することができる。【０１１０】
一般的には、伝熱媒体供給装置１５０は、伝熱媒体を駆動するポンプと伝熱媒体を加熱及び冷却可能な熱交換器を有する。【０１１１】
伝熱媒体は、一般的には水が用いられる。ただし、伝熱媒体は化学的安定性、流動性および伝熱特性に優れていればよいので、水に限られない。例えばシリコンオイルであってもよい。【０１１２】
なお、伝熱媒体供給装置１５０は積層体２００の温度を調整可能に構成されていればよい。したがって、伝熱媒体の流量を調整可能に構成されていてもよい。この場合、温度計測器１６０は、第１実施形態と同様に積層体２００に挿入されて配設されているとよい。あるいは、温度計測器１６０は、伝熱媒体の出口側の流路、すなわち伝熱媒体排出孔７４Ｅから先に延びる流路に配設されていても良い。【０１１３】
ここで、図示しないが、積層体２００内には伝熱媒体供給マニホールドと、伝熱媒体排出マニホールドと、伝熱媒体流路とが形成されている。伝熱媒体流路は、積層された単電池１０同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びている。また、伝熱媒体供給マニホールド及び伝熱媒体排出マニホールドは単電池１０を積層方向に貫通して形成されている。これらの構造は、例えば、特許文献３の図２、特許文献５の図１４に例示されている。【０１１４】
そして、積層体２００の一方側の端板７０，絶縁板６０及び集電板５０には、相互に連通する伝熱媒体供給孔７４Ｉ及び伝熱媒体排出孔７４Ｅが形成されている。すなわち、伝熱媒体供給装置１５０から伝熱媒体供給孔７４Ｉに供給された冷却媒体は、伝熱媒体供給マニホールドを経由して単電池１０間の伝熱媒体流路に分岐して流通する。伝熱媒体流路を流通した伝熱媒体は伝熱媒体排出マニホールドに集合して、伝熱媒体排出孔７４Ｅから外部に排出される。【０１１５】
このような構成により、温度計測器１６０が計測する温度に基づいて、伝熱媒体供給装置１５０から供給される伝熱媒体の温度を制御することによって、積層体２００の温度を調整することができる。【０１１６】
具体的には、伝熱媒体は６６℃で供給され、積層体２００からは７１℃で排出される。また、アノードガス及びカソードガスは温度７１℃及び露点温度７１℃に加湿及び加熱されて積層体２００に供給される。そして、低出力時において、伝熱媒体供給装置１５０は、温度計測器１６０の計測温度が定格出力時よりも低い温度となるように調整される。具体的には、定格出力時よりも５℃乃至１０℃程度低くすると好適である。他方で、アノードガス及びカソードガスは定格出力時の露点温度のまま加湿及び加熱されて積層体２００に供給される。つまり、低出力時において、ＰＥＦＣシステムは、アノードガス及びカソードガスを流路溝２１，３１においてより一層水分過飽和状態とする。これによって、第１実施形態と同様、低出力時での発電出力を安定させることができる。【０１１７】
また、発電出力の低下に応じたアノードガス供給量及びカソードガス供給量並びに積層体１００の温度の設定を略自動的に行うようにＰＥＦＣシステムを構成することもできる。複数の発電出力において、アノードガス供給量及びカソードガス供給量とともに、発電出力の不安定化現象が発現しない伝熱媒体温度（調整対象）を予め運転試験により取得しておく。そして、当該アノードガス供給量、カソードガス供給量、当該設定値、及び発電出力の設定値からなるデータベースを入力部３０１から入力して記憶部３０２に記憶させておく。そして、制御装置３００は、発電出力の低下に応じて当該データベースに基づいてアノードガス供給量、カソードガス供給量及び伝熱媒体温度が設定値となるようにアノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び伝熱媒体供給装置１５０を制御するとよい。このように構成すると発電出力の低下に応じて積層体２００の温度をより的確に降温させることができる。【０１１８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。【０１１９】
上記実施形態では、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の表面に親水性改善処理を施している。しかし、これら流路溝に親水性処理を施していない場合でも本発明の効果を得ることができる。つまり、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の表面が親水性に富んでいる性状である必要はない。【０１２０】
また、上記実施形態では、低出力時に、アノードガス及びカソードガスの双方の流路溝に供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、それらに供給されるガスの露点温度が、積層体１００、２００の温度に対して相対的に高くなるようにしている。しかし、低出力時に、アノードガス及びカソードガスの双方の流路溝に供給されるガスがより水分過飽和状態となるようにする必要はない。つまり、アノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流路溝に供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、それら少なくともいずれかに供給されるガスの露点温度が、積層体１００、２００の温度に対して相対的に高くなるようにすればよい。【０１２１】
また、本発明は、アノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び温度調整装置（第１実施形態の可変抵抗１４０Ａ、第２実施形態の伝熱媒体供給装置１５０）のうち少なくともいずれか１つを制御して実施することができる。例えば、低出力時には、アノードガス及びカソードガスの供給流量を定格出力時に比べて減量するとともに、アノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び温度調整装置（第１実施形態の可変抵抗１４０Ａ、第２実施形態の伝熱媒体供給装置１５０）のうち少なくともいずれか１つを制御して、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１に供給されるガスの露点温度が積層体１００の温度に対して相対的に高くなるようにすればよい。【０１２２】
例えば、低出力時にはアノードガス供給装置１１０において加湿量を増やして、アノードガスの露点温度を高めてアノードガスを積層体１００、２００に供給してもよい。これによって、積層体１００，２００の温度の調整を要さずに、あるいは積層体１００，２００の温度調整を待たずに、本発明を実施することができる。【０１２３】
この場合、アノードガスの露点温度は積層体１００、２００の温度に対して相対的に高くなるので、アノードガス流路溝２１においてアノードガスはより一層水分過飽和状態となる。具体的には、第２実施形態において、アノードガス供給装置１１０には、水分透過膜を用いた伝熱交換型加湿装置が用いられる。当該伝熱交換型加湿装置は、アノードガスを飽和状態において加熱するので、アノードガスは飽和状態、すなわち供給温度がほぼ露点温度と同温度の状態で積層体２００に供給される。そして、定格出力時においてアノードガスの供給温度が６６℃、すなわち露点温度６６℃、であって、伝熱媒体が７１℃で排出される場合、低出力時において、アノードガスの供給温度を７１℃、すなわち露点温度７１℃まで上昇させると良い。これによって、アノードガスの加湿量を増やすことができる。【０１２４】
ところで、発明者らは、本発明の当初、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御してアノードガス及びカソードガスの加湿量を増やす方法を見出した。【０１２５】
しかし、このように構成する場合、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０におけるアノードガス及びカソードガスの露点温度の調整を要し、ＰＥＦＣシステムの制御が少し複雑化してしまい、本発明の経済性に影響を与えると考えた。【０１２６】
そこで、発明者らは、より経済的に本発明を実施する方法を鋭意検討し、第１実施形態及び第２実施形態に想到している。つまり、積層体１００、２００の温度を下げることによってアノードガス及びカソードガスをより水分過飽和状態とすることができることを見出した。このような創作結果によって、本発明においてアノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０におけるアノードガス及びカソードガスの露点温度の調整は不要とすることができる。換言すれば、本発明においてアノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０の供給流量以外の調整を省略することができる。したがって、より容易に本発明を実施することができるようになった。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることが可能なＰＥＦＣシステムとして有用である。
【図１】
2008047822.tif 000003
【図２】
2008047822.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年11月28日(2008.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス流路溝が形成されたアノードセパレータ板、カソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ板及びこれらに挟まれたＭＥＡを有する、単電池と、
前記単電池が積層された、積層体と、
積層体の温度を調整する温度調整装置と、
前記アノードガス流路溝に水蒸気分圧を有するアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、
前記カソードガス流路溝に水蒸気分圧を有するカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、
前記温度調整装置、前記アノードガス供給装置、及び前記カソードガス供給装置を制御する制御装置と、を有する高分子電解質型燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置を制御して前記アノードガス及び前記カソードガスの供給流量を下げるとともに、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くする、高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面の接触角が９０°以下である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノードセパレータ板及びカソードセパレータ板の少なくともいずれかは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成される圧縮成型セパレータ板であって、
前記圧縮成形セパレータ板に形成されている前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面には親水性改善処理が施されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項４】
前記親水性改善処理は酸素プラズマ処理である、請求項３に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記温度調整装置を制御して前記積層体の温度を下げる、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項６】
前記積層体は、前記積層された単電池同士の積層面間に形成される伝熱媒体流路を有し、
前記温度調整装置が、前記伝熱媒体供給路に前記伝熱媒体を供給し、かつ前記伝熱媒体の温度及び流量のうちの少なくともいずれか１つを調整対象として調整可能に構成されている伝熱媒体供給装置であって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記調整対象を調整することによって、前記積層体の温度を下げる、請求項５に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項７】
前記伝熱媒体供給装置は、前記伝熱媒体の温度を調整可能に構成されていて、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記伝熱媒体の温度を下げることによって、前記積層体の温度を下げる、請求項６に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記積層体の発電出力と、該発電出力において前記積層体の発電出力の不安定化現象が発現しない前記調整対象の設定値とを関連づけたデータが記憶されている記憶部と、
前記データに基づいて前記調整対象が前記設定値となるように前記伝熱媒体供給装置を制御する制御装置と、を有する、請求項６に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソードガス流路溝は、入口から出口にかけて複数の流路溝が並行して蛇行し、かつ、前記入口から前記出口に行くにしたがって、前記並行する流路溝の本数が減少して形成されている、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置の少なくともいずれかを制御して、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの加湿量を増やすことによって、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの露点温度を上げる、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記積層体の発電出力を下げる前において、前記アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給される前記ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して高くなるようにしていて、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記ガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くする、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】高分子電解質型燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質型燃料電池を利用する高分子電解質型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高分子電解質型燃料電池システム（以下、ＰＥＦＣシステムと略称する）は、アノードガス流路溝が形成されたアノードセパレータ板、カソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ板及びこれらに挟まれたＭＥＡを有する、単電池と、前記単電池が積層され、かつ、前記積層された単電池同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びる伝熱媒体流路が構成された、積層体と、前記積層体の温度を調整する温度調整装置と、前記積層体に前記アノードガスを供給するアノードガス供給装置と、前記積層体に前記カソードガスを供給するカソードガス供給装置と、前記温度調整装置、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置の動作状態を制御する制御装置と、を有して構成されている。
【０００３】
ここで、ＰＥＦＣシステムの電気化学反応においては、特許文献１及び２に例示されるように高分子電解質膜を充分に湿潤させる必要がある。
【０００４】
特に、特許文献１では、ＭＥＡの全領域をより確実に水分飽和状態に保つことができるように、露点温度がＭＥＡの温度よりも２℃程度高温であるアノードガス及びカソードをＭＥＡに供給することができるＰＥＦＣシステムが開示されている。
【０００５】
一方で、ＰＥＦＣシステムにおいては単電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し水詰まりなどによって発電出力が不安定化する、または性能が低下する現象、いわゆるフラッディング（flooding）現象が問題となっている。特に、積層体の発電出力が低出力の状態（以下、低出力時と略称する）においては、フラッディング現象が起こりやすい傾向にある。つまり、低出力時においては、積層体におけるアノードガス及びカソードガスの消費量が減少することから、アノードガス供給装置及びカソードガス供給装置はこれらガスの供給量を減少する。このため、単電池のアノードガス流路溝及びカソードガス流路溝におけるこれらガスの流速及び供給圧が低下して、これらガスの圧力による結露水の排出能力が低下してしまう。
【０００６】
かかる問題の抑制のため、単電池内部の結露水の発生を抑制したり、単電池内部の結露水の除去を促したりする種々のＰＥＦＣシステムが提案されている。
【０００７】
特許文献３には、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の構成を工夫してアノードガス及びカソードガスの時間当たりの移動量を大きくすることで、単電池内部の水分排除を促す方法が開示されている。
【０００８】
特許文献４には、発電出力が不安定化すると、単電池の温度を高めたり、アノードガス及びカソードガスの少なくとも何れかの加湿量を下げたりすることで、単電池内部の結露水の発生を抑制する方法が開示されている。また、特許文献４には、発電出力が不安定化すると、アノードガス及びカソードガスの少なくとも何れかの供給量を上げることで、単電池内部の結露水の除去を促す運転方法が開示されている。
【０００９】
特許文献５には、フラッディング現象発生時において、単電池におけるアノードガス及びカソードガスの流通方向を上下方向に切り換えるというＰＥＦＣシステムの運転方法が開示されている。つまり、特許文献５は重力を利用して単電池内部の結露水の排出を促そうとする技術である。
【００１０】
特許文献６には、低出力時において積層体の締結力を上げるというＰＥＦＣシステムの運転方法が開示されている。締結力を上げることによって、単電池内部のアノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の流路断面積が小さくなり、ひいては、これら流路におけるガスの流速が高まる。これによって単電池内部の結露水の排出が促されるとしている。
【００１１】
また、特許文献７では、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の表面性状を調整する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２０３３６１号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４０６９号公報
【特許文献３】特開２００３−２７２６７６号公報
【特許文献４】特開２００１−１４８２５３号公報
【特許文献５】特開２００３−１４２１３３号公報
【特許文献６】特開２００４−２５３２６９号公報
【特許文献７】特許３７３９３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１のＰＥＦＣシステムは、アノードガス及びカソードガスの露点温度を調整する制御装置を有している。これによって、ＭＥＡの全領域をより確実に水分飽和状態に保つことができるので、低出力時における高分子電解質膜の乾燥も防止されるとしている。しかしながら、上記制御装置においては、燃料ガス流路入口の温度（Ｔ３）に対して燃料ガスの露点温度（Ｔ２）が一定値高くなるように制御されることによってフラッディングが防止されるとしている。つまり、発電出力の高低にかかわらず積層体の温度と燃料ガスの露点温度との温度差を一定範囲内に納めることで発電出力の不安定化を防止することができるとしている。したがって、特許文献１には、発電出力の低下に応じて燃料ガスをより水分過飽和状態とする技術は何ら示唆も開示もされていない（特許文献１段落【００９９】乃至【０１１２】参照）。
【００１３】
特許文献３及び５に例示されているような特殊な単電池の構造は、単電池の構造を複雑化させてしまう。
【００１４】
また、特許文献４に例示されているようなアノードガス及びカソードガスの加湿量を低下させたり、単電池の温度を高めたりする運転方法は、高分子電解質膜の湿潤不足を招き、高分子電解質膜を損傷させるおそれがある。
【００１５】
さらに特許文献６の技術は、ＰＥＦＣシステムの発電出力の変動の度に締結力を調整せねばならず、積層体の締結構造の劣化を早め、ひいては積層体の寿命を縮めるおそれがある。
【００１６】
特許文献７は、排水性能に優れたＰＥＦＣ用セパレータ板を開示しているが、ＰＥＦＣシステムの低出力時における発電出力の安定化を図る技術については何ら示唆も開示も行われていない。
【００１７】
こうしたことから、低出力時において発電出力をより安定化させるＰＥＦＣシステムについては、改善の余地があった。
【００１８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることが可能なＰＥＦＣシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決すべく、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を新たに見出して、本発明に到達した。
【００２０】
すなわち、当業者の間では、特許文献３乃至６に例示されるように、低出力状態においてガスの供給量が減少すると、ガスによる結露水の排出効果も弱まるので、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝において結露水が滞留しやすくなり、積層体の発電出力が不安定化するという考え方が一般的である。
【００２１】
しかしながら、発明者らは、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝において結露水の発生量を増やすことによって、却って結露水の排水が促進される現象を見出した。すなわち、低出力状態においてガスの供給量が減少する場合には、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝において結露水がより発生しやすい状態にすると却って発電出力が安定することを見出した。このような現象が生じる理由は判明していないが、発明者らはこれら流路溝表面に形成される水膜に結露水が取り込まれて、結露水が容易に押し流されるようになるからだと推察している。
【００２２】
この新たな知見に基づいて、第１の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、アノードガス流路溝が形成されたアノードセパレータ板、カソードガス流路溝が形成されたカソードセパレータ板及びこれらに挟まれたＭＥＡを有する、単電池と、
前記単電池が積層された、積層体と、
積層体の温度を調整する温度調整装置と、
前記アノードガス流路溝に水蒸気分圧を有するアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、
前記カソードガス流路溝に水蒸気分圧を有するカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、
前記温度調整装置、前記アノードガス供給装置、及び前記カソードガス供給装置を制御する制御装置と、を有する高分子電解質型燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置を制御して前記アノードガス及び前記カソードガスの供給流量を下げるとともに、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くする。
【００２３】
このように構成すると、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることができる。
【００２４】
第２の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面の接触角が９０°以下であるとよい。
【００２５】
このように構成すると、これら流路の表面は撥水性よりも親水性に富んだ性状を有しているので、第１の本発明の効果をより効果的に得ることができる。
【００２６】
ここで、「接触角」とは、水滴の自由表面が流路溝表面に接する場所で液面と流路溝表面とのなす角（水滴の内部にある角）をいう。（「岩波  理化学辞典，第４版」６９０頁に記載参照）。より具体的には、流路溝表面が水平になるように配置し、その表面に一定量の水滴を載せて静止させた場合に、上記流路溝表面と水滴の液面とのなす角度をいう。
【００２７】
第３の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記アノードセパレータ板及びカソードセパレータ板の少なくともいずれかは、電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成される圧縮成型セパレータ板であって、
前記圧縮成形セパレータ板に形成されている前記アノードガス流路溝及び前記カソードガス流路溝の少なくともいずれかは、表面には親水性改善処理が施されているとよい。
【００２８】
圧縮成型セパレータ板の表面の親水性が改善されるので、第１の本発明の効果をより効果的に得ることができる。
【００２９】
ここで、「親水性改善処理」とは、流路溝表面の微細な凹凸（すなわち比表面積）あるいは極性を増やすことによって、流路溝表面が親水性を有するようにする処理をいう。親水性改善処理の技術としては、エッチング加工、ブラスト加工、研磨加工、グロー放電加工、酸素プラズマ加工が例示される。
【００３０】
第４の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記親水性改善処理は酸素プラズマ処理であるとよい。
【００３１】
このように構成すると、親水性改善処理を的確に行うことができるので、第３の本発明の効果を的確に得ることができる。
【００３２】
第５の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記温度調整装置を制御して前記積層体の温度を下げるとよい。
【００３３】
このように構成すると、アノードガス供給装置及びカソードガス供給装置におけるアノードガス及びカソードガスの露点温度の調整は不要となる。したがって、アノードガス供給装置及びカソードガス供給装置の供給流量以外の調整を簡素化することができる。より容易に本発明を実施することができる。
【００３４】
第６の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記積層体は、前記積層された単電池同士の積層面間に形成される伝熱媒体流路を有し、
前記温度調整装置が、前記伝熱媒体供給路に前記伝熱媒体を供給し、かつ前記伝熱媒体の温度及び流量のうちの少なくともいずれか１つを調整対象として調整可能に構成されている伝熱媒体供給装置であって、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記調整対象を調整することによって、前記積層体の温度を下げるとよい。
【００３５】
このように構成すると、高分子電解質型燃料電池システムは伝熱媒体の熱利用が可能となると共に、伝熱媒体供給装置が温度調整装置となるので、高分子電解質型燃料電池システムの構造を合理的に構成することができる。
【００３６】
第７の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記伝熱媒体供給装置は、前記伝熱媒体の温度を調整可能に構成されていて、
前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記伝熱媒体の温度を下げることによって、前記積層体の温度を下げるとよい。
【００３７】
特許文献４に例示されるようなガスの供給量や単電池の温度を高める運転方法は増量及び昇温にエネルギーを消費する、あるいは伝熱媒体からの回収エネルギー量が減少するので、高分子電解質型燃料電池システムのエネルギー効率を低下させる。しかし、このように構成すると、積層体に供給される伝熱媒体の温度を下げることができるので、高分子電解質型燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。
【００３８】
第８の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記制御装置は、前記積層体の発電出力と、該発電出力において前記積層体の発電出力の不安定化現象が発現しない前記調整対象の設定値とを関連づけたデータが記憶されている記憶部と、
前記データに基づいて前記調整対象が前記設定値となるように前記伝熱媒体供給装置を制御する制御装置と、を有するとよい。
【００３９】
このように構成すると、発電出力を低下させる場合に、積層体の温度をより的確に降温させることができる。
【００４０】
第９の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記カソードガス流路溝は、入口から出口にかけて複数の流路溝が並行して蛇行し、かつ、前記入口から前記出口に行くにしたがって、前記並行する流路溝の本数が減少して形成されているとよい。
【００４１】
アノードガス及びカソードガスは、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝を流通しながら電気化学反応を起こすので、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝においてアノードガス及びカソードガスは減量する。したがって、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の下流においては、アノードガス及びカソードガスの流速は低下することとなる。しかし、このように構成すると、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝は下流側においてに流路断面積が減少するので、アノードガス及びカソードガスの流速の低下を抑制することができる。すなわち、アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝における結露水の排出を促すことができる。
【００４２】
第１０の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記制御装置は、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記アノードガス供給装置及び前記カソードガス供給装置の少なくともいずれかを制御して、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの加湿量を増やすことによって、前記アノードガス及び前記カソードガスの少なくともいずれかの露点温度を上げるとよい。このように構成すると積層体の温度の調整を要さずに、あるいは積層体の温度調整を待たずに、本発明を実施することができる。
【００４３】
第１１の本発明の高分子電解質型燃料電池システムは、前記アノードガス供給装置、前記カソードガス供給装置及び前記温度調整装置のうち少なくともいずれか１つを制御して、前記積層体の発電出力を下げる前において、前記アノードガス流路溝及びカソードガス流路溝の少なくともいずれかに供給される前記ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して高くなるようにしていて、前記積層体の発電出力を下げる際に、前記ガスがより水分過飽和状態となるように、当該ガスの露点温度が前記積層体の温度に対して相対的に高くするとよい。
【発明の効果】
【００４４】
以上のように、本発明のＰＥＦＣシステムは、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図である。
【００４７】
図１に示すように、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、アノードセパレータ板９Ａ、カソードセパレータ板９Ｃ及びこれらに挟まれたＭＥＡ部材７を有する、単電池１０と、記単電池が積層された積層体１００と、積層体１００の温度を調整する電熱板４０，４１と、電熱板４０，４１を加熱する加熱用電気回路１４０と、アノードガス供給装置１１０と、カソードガス供給装置１２０と、加熱用電気回路１４０、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御する制御装置３００と、を有する。
【００４８】
ここで、温度計測器１６０、電熱板４０，４１及び加熱用電気回路１４０が積層体１００の温度を調整する温度調整装置を構成している。加熱用電気回路１４０は電熱板４０，４１の加熱量を調整できるように構成されている。本実施形態では、加熱用電気回路１４０は交流電源と可変抵抗１４０Ａとを有し、可変抵抗１４０Ａによって電熱板４０，４１の発熱量を調整することができる。また、温度計測器１６０は積層体１００の内部の温度を的確に検出できるように構成されている。本実施形態では、アノードセパレータ板９Ａに形成された孔部に熱電対が挿入されて構成されている。
【００４９】
アノードガス供給装置１１０は、積層体１００に水蒸気分圧を有するアノードガスを供給するように構成されている。具体的には、図示しないが、アノードガス供給装置１１０は、水素ボンベ及び加湿器を有して構成されている。水素ボンベの水素ガスが加湿器を経由して積層体１００のアノードガス供給孔７２Ｉに供給される。あるいは、アノードガス供給装置１１０は、改質器を有する改質装置が積層体１００のアノードガス供給孔７２Ｉに接続されるように構成されている。改質器は、天然ガス、ＧＴＬ（Gas To liquid）燃料、ＤＭＥ（Dimethyl Ethel）に例示されるような炭化水素を水蒸気改質反応により水素含有ガスに改質する装置をいう。さらに、改質装置には水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を変成反応により軽減する変成器や水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を選択酸化反応により軽減する選択酸化器が連結されている。
【００５０】
カソードガス供給装置１２０は、積層体１００に水蒸気分圧を有するカソードガスを供給するように構成されている。具体的には、図示しないが、カソードガス供給装置１２０は、シロッコファンに例示されるような送風器からの空気が加湿器を経由して積層体１００のカソードガス供給孔７３Ｉに供給されるように構成されている。
【００５１】
集電板５０，５１には端子部５０Ａ，５１Ａが構成されていて、端子部５０Ａ、５１Ａには電気出力系統１３０が接続されている。電気出力系統１３０には電流計１７０が挿入されている。電流計１７０によって積層体１３０の電気出力を検出することができる。
【００５２】
電流計１７０の出力信号は制御装置３００に送信される。
【００５３】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びモニター装置、プリンター等によって構成されている出力部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、電流計１７０の信号を取得して、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御するように構成されている。つまり、積層体１００の電気出力に応じてアノードガス及びカソードガスの供給量を調整するように構成されている。また、制御装置３００は、温度計測器１６０によって計測される温度情報を取得して、積層体１６０の温度が所定の温度となるように、加熱用電気回路１４０の可変抵抗１４０Ａを制御する。
【００５４】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働してアノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び可変抵抗１４０Ａを制御するように構成されていてもよい。例えば、出力部３０３は、情報端末によって送信されてモバイル機器に表示されるように構成することもできる。また、制御部３０４をアノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０それぞれに分散させて設けることもできる。
【００５５】
図２は、図１の積層体の中央部の積層構造を示す部分分解斜視図である。説明の都合上、ボルト８０等締結具は省略されている。
【００５６】
図２に示すように、積層体１００は直方体状であって、中央部には単電池１００が構成されている。
【００５７】
単電池１０は、ＭＥＡ部材７を一対の平板状のアノードセパレータ板９Ａ及びカソードセパレータ板９Ｃ（両者をセパレータ板と総称する）で挟んで構成されている。
【００５８】
セパレータ板９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅが、その厚み方向に貫通して形成されている。アノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、およびアノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅは、それぞれ積層体１００において連なって、アノードガス供給マニホールド９２Ｉおよびアノードガス排出マニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、およびカソードガス排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれ積層体１００において連なって、カソードガス供給マニホールド９３Ｉおよびカソードガス排出マニホールド９３Ｅを形成する。
【００５９】
ＭＥＡ部材７はセパレータ板９Ａ、９Ｃ内面に挟まれていて、セパレータ板９Ａ、９Ｃ内面中央部はＭＥＡ５に接触している。そして、セパレータ板９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。ここでは、セパレータ板９Ａ，９Ｃは、いずれも電導性炭素とバインダーとを含有する混合物を圧縮成型することにより形成される圧縮成型セパレータ板からなる。このような構成によって、単電池１０においては、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ板９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。
【００６０】
図３は、本実施形態で用いられたアノードセパレータ板の内面を示す平面図である。
【００６１】
図３に示すように、アノードセパレータ板９Ａの内面にはＭＥＡ部材７のＭＥＡ５に当接する領域全面に亘って蛇行しながら、アノードガス供給マニホールド孔２２Ｉとアノードガス排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにしてアノードガス流路溝２１が形成されている。アノードガス流路溝２１は、３本の溝路が並行して形成されている。
【００６２】
図４は、本実施形態で用いられたカソードセパレータ板の内面を示す平面図である。
【００６３】
図４に示すように、カソードセパレータ板９Ｃの内面にはＭＥＡ５の他方の主面に当接する領域全面に亘って蛇行しながら、カソードガス供給マニホールド孔（入口）３３Ｉとカソードガス排出マニホールド孔（出口）３３Ｅとの間を結ぶようにしてカソードガス流路溝３１が形成されている。カソードガス流路溝３１は、１１本の溝路３１Ａが並行して蛇行し、かつ、カソードガス供給マニホールド孔（入口）３３Ｉからカソードガス排出マニホールド孔（出口）３３Ｅに進むに従って、並行する溝路３１Ａの本数が減少して形成されている。本実施形態では、カソードガス流路溝３１が進行方向を反転する屈曲部３１Ｂが複数形成されている。そして、一部の屈曲部３１Ｂが略三角形の凹部で構成され、この凹部に多数の凸部３１Ｃがマトリクス状に点在するように形成されている。この凹部の上流に位置する溝路３１Ａはその下流端がこの凹部に連通し、この凹部の下流に位置する溝路３１Ａはその上流端がこの凹部に連通している。つまり、屈曲部３１Ｂにおいては、カソードガスは複数の凸部３１Ｃの周囲を縫うように進むこととなる。この屈曲部３１Ｂによって、カソードガスは攪拌される。また、凸部３１ＣはＭＥＡ５を支持する。そして、カソードガスの進行方向において屈曲部３１Ｂの下流側には再び溝路３１Ａが形成されている。しかし、溝路３１Ａは、１本減って１０本形成されている。したがって、屈曲部３１Ｂの前後において、カソードガス流路溝３１の流路断面積は減少する。一方で、溝路３１Ａを流れるカソードガスも電気化学反応によって消費されて減量する。これによって、溝路３１Ａにおけるカソードガスの流速の低下が抑制されるので、溝路３１Ａにおける結露水の排出を促すことができる。
【００６４】
また、複数の屈曲部３１Ｂの前後において、カソードガス流路溝３１の流路断面積が減少するように構成されているので、カソードガス流路溝３１を流通するカソードガスの減少に伴ってカソードガス流路溝３１の流路断面積が段階的に減少している。これによって、カソードガス供給マニホールド孔（入口）３３Ｉからカソードガス排出マニホールド孔（出口）３３Ｅにかけて、カソードガスの流速をより安定化させることができるので、カソードガス流路溝３１における結露水の排出をより促すことができる。
【００６５】
ここで、アノードセパレータ流路溝２１及びカソードセパレータ流路溝３１（以下、両者を「流路溝２１，３１」と総称する）の表面性状について説明する。
【００６６】
流路溝２１、３１の表面は撥水性よりも親水性に富んだ性状を有している。具体的には、表面の親水性は、表面の接触角が９０°以下が好適である。「接触角」とは、水滴の自由表面が流路溝表面に接する場所で液面と流路溝表面とのなす角（水滴の内部にある角）をいう。（「岩波  理化学辞典，第４版」６９０頁の記載参照）。より具体的には、流路溝表面が水平になるように配置し、その表面に一定量の水滴を載せて静止させた場合に、上記流路溝表面と水滴の液面とのなす角度をいう。
【００６７】
本実施形態の流路溝２１、３１は、表面に親水性改善処理が施されている。親水性改善処理は、流路溝表面の微細な凹凸（すなわち比表面積）あるいは極性を増やすことによって、流路溝表面が親水性を有するようにする処理をいう。公知の親水性改善処理の技術としては、エッチング加工、ブラスト加工、研磨加工、グロー放電加工、酸素プラズマ加工が例示される。
【００６８】
本実施形態では、流路溝２１、３１の表面に酸素プラズマ処理を施している。具体的には、プラズマ洗浄装置（株式会社サムコ社製ＰＣ−１０００）によって酸素プラズマ処理が行われている。発明者らの推察では、酸素プラズマ処理によって流路溝２１，３１表面に親水性官能基が増えて極性が大きくなったことで、流路溝２１，３１表面が親水性になるものと推察される。したがって、グロー放電加工のように流路溝２１，３１表面に親水性官能基を化学的に結合させる方法であれば、流路溝２１，３１表面の接触角を改善させることができることは容易に推察される。また、エッチング加工、ブラスト加工、研磨加工によって、流路溝２１，３１表面に多数の微細な凹凸が形成されて比表面積が大きくなるので、流路溝２１，３１の親水性が改善される。
【００６９】
図５は、図２の単電池の構造を示す要部断面図である。
【００７０】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過するイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜を挟むように形成された、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする一対のアノード側触媒層２Ａ及びカソード側触媒層２Ｃと、この一対の触媒層２Ａ、２Ｃの外面に配設された一対のアノード側ガス拡散層４Ａ及びカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。これら触媒層２Ａ、２Ｃとガス拡散層４Ａ、４Ｃとが電極を構成する。すなわち、ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１と、その両主面の中央部に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、ＭＥＡ５の両主面には電極面が構成されている。
【００７１】
ここで、高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、このようにして製造されたＭＥＡ５の市販品を利用することもできる。一般的には、触媒層２Ａ、２Ｃは１０〜２０μｍ程度の厚さに成形される。ガス拡散層４Ａ、４Ｃは、カーボン織布が基材とされて、この基材に塗料が塗工されて製作される。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。そして、ガス拡散層４Ａ、４Ｃと触媒層２Ａ、２Ｃとが、高分子電解質膜１の中央部の両面にホットプレスにより接合されて、ＭＥＡ５が作製される。
【００７２】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜１が一対のガスケット６で挟まれて構成されている。したがって、ガスケット６の中央開口部の両面にはＭＥＡ５が露出している。ガスケット６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、例示としては、フッ素系ゴムが好適である。また、ＭＥＡ部材７の周縁部には、ガスケット６を貫通してアノードガス供給マニホールド孔１２Ｉ、アノードガス排出マニホールド孔１２Ｅ、カソードガス供給マニホールド孔１３Ｉ、カソードガス排出マニホールド孔１３Ｅが形成されている。
【００７３】
また、ＭＥＡ部材７のＭＥＡ５がアノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の溝蓋となる。すなわち、アノードセパレータ９Ａのアノードガス流路溝２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、アノードガス流路溝２１内を流通するアノードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、カソードセパレータ９Ｃのカソードガス流路溝３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、カソードガス流路溝３１内を流通するカソードガスは、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。
【００７４】
図６は、図１の積層体の端部の積層構造を示す部分分解斜視図である。
【００７５】
積層体１００は、単電池１０の両側に一対の端部材が積層されて構成されている。すなわち、単電池１０の両側には、セパレータ板９Ａ、９Ｃと同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，電熱板４０，４１、端板７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，電熱板４０，４１、端板７０，７１の４隅には単電池１０のボルト孔１５に連通するようにボルト孔１５が形成されている。
【００７６】
集電板５０，５１は銅金属等導電性材料からなる。
【００７７】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。
【００７８】
電熱板４０，４１はそれぞれ内部に電気抵抗によって発熱する発熱体と、発熱体に導通している一対の端子４０Ａ、４１Ａと、を有している。
【００７９】
そして、一方の集電板５０、絶縁板６０，電熱板４０及び端板７０には、それぞれを厚み方向に貫通し、かつ連通する貫通孔が複数形成されている。具体的には、アノードガス供給マニホールド９２Ｉに連通するアノードガス供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、４２Ｉ、７２Ｉ、アノードガス排出マニホールド９２Ｅに連通するアノードガス排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、４２Ｅ、７２Ｅ、カソードガス供給マニホールド９３Ｉに連通するカソードガス供給孔５３Ｉ、６３Ｉ、４３Ｉ、７３Ｉ、及びカソードガス排出マニホールド９３Ｅに連通するカソードガス排出孔５３Ｅ、６３Ｅ、４３Ｅ、７３Ｅが形成されている。
【００８０】
なお、端板７０外面側のアノードガス供給孔７２Ｉ、アノードガス排出孔７２Ｅ、カソードガス供給孔７３Ｉ、及びカソードガス排出孔７３Ｅは、それぞれノズルが装着されて構成されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。
【００８１】
また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，電熱板４１及び端板７１はこれら貫通孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，電熱板４０及び端板７０と同じ構成である。これによって、積層体１００内のアノードガスの流路は、アノードガス供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ及びアノードガス供給マニホールド９２Ｉを経て、アノードガス流路溝２１に分岐して、アノードガス排出マニホールド９２Ｅで集合して、アノードガス排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅに至るように形成される。積層体１００内のカソードガスの流路は、カソードガス供給孔５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ及びカソードガス供給マニホールド９３Ｉを経て、カソードガス流路溝３１に分岐して、カソードガス排出マニホールド９３Ｅで集合して、カソードガス排出孔５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅに至るように形成される。
【００８２】
そして、締結部材８２によって、一対の端板７０，７１間が締結されている。ここでは、ボルト８２Ｂが、ボルト孔１５に挿通されて、スタック１００の両端間を貫通している。そして、ボルト８２Ｂの両端に座金８２Ｗとナット８２Ｎが装着されて、一対の端板７０，７１間が締結されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の力で締結されている。
【００８３】
次に、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転動作を図１を参照しながら説明する。
【００８４】
当該運転動作は制御装置３００によって制御されることによって遂行される。
【００８５】
安定的な発電出力が得られる定格出力の状態（以下、「定格出力時」という）において、アノードガス供給装置１１０はアノードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、アノードガスは水分飽和状態で積層体１００に供給される。
【００８６】
また、同様にして、カソードガス供給装置１２０はカソードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、カソードガスは水分飽和状態で積層体１００に供給される。
【００８７】
さらに、加熱用電気回路１４０の可変抵抗１４０Ａは、温度計測器１６０の計測温度が約７０℃となるように調整される。つまり、ＰＥＦＣシステムは、積層体１００内においてアノードガス及びカソードガスがほぼ水分飽和状態となるようにして運転される。なお、特許文献１に開示されているように温度計測器１６０の計測温度が露点温度よりも１℃乃至３℃程度低い温度となるように調整されてもよい。これによって、ＭＥＡ５の全領域をより確実に水分飽和に保つことができる。
【００８８】
発電出力が低下して、定格出力の約３０％相当である低出力時となると、アノードガス供給装置１１０は、アノードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、アノードガスは、定格出力時と同様、水分飽和状態で積層体１００に供給される。ただし、アノードガス供給装置１１０は、酸素利用率が定格出力時とほぼ同等となるようにアノードガス供給量を減少させる。
【００８９】
また、同様にして、カソードガス供給装置１２０は、低出力時において、カソードガスを露点７０℃に加湿して、約７０℃の状態で積層体１００に供給する。つまり、カソードガスは、定格出力時と同様、水分飽和状態で積層体１００に供給される。ただし、カソードガス供給装置１２０は、酸素利用率が定格出力時とほぼ同等となるようにカソードガス供給量を減少させる。
【００９０】
さらに、低出力時において、加熱用電気回路１４０の可変抵抗１４０Ａは、温度計測器１６０の計測温度が定格出力時よりも低い温度となるように調整される。つまり、可変抵抗１４０Ａは、積層体１００の温度に対して流路溝２１，３１に供給されるガスの露点温度が相対的に高くなるように調整される。具体的には、定格出力時よりも５℃乃至１０℃程度低くすると好適である。つまり、ＰＥＦＣシステムは、発電出力を下げる際には、アノードガス及びカソードガスの供給流量を下げるとともに、流路溝２１，３１に供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、流路溝２１，３１に供給されるガスの露点温度が積層体１００の温度に対して相対的に高くされている。これによって、低出力時での発電出力を安定させることができる。
【００９１】
本実施形態の具体的実施例を説明する。
【００９２】
［実施例１］
本発明の第１実施形態のＰＥＦＣシステムにおいて、セパレータ板９Ａ，９Ｃは、いずれもフェノール樹脂を含浸させた黒鉛板を用いた。セパレータ板９Ａ，９Ｃの形状は平面形状１５０ｍｍ角程度、厚さ３ｍｍ程度とした。
【００９３】
アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１は切削加工により形成した。また、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の表面には酸素プラズマ処理を施し、水の接触角が１０°となるようにした。
【００９４】
ＭＥＡ５には、市販品の株式会社ジャパンゴアテックス製の「ＰＲＩＭＥＡ（商品名）」を用いた。
【００９５】
ＰＥＦＣシステムは一定電圧で運転され、定格出力時の発電電流密度は０．２Ａ／ｃｍ２であり、低出力時（３０％出力時）の発電電流密度は０．０６Ａ／ｃｍ２であった。
【００９６】
アノードガス供給装置１１０は、定格出力時及び低出力時において、酸素利用率が約７５％となるようにアノードガス流量を調整した。
【００９７】
カソードガス供給装置１２０は、定格出力時及び低出力時において、燃料利用率が約９５％となるようにカソードガス流量を調整した。
【００９８】
また、アノードガス及びカソードガスは露点温度が６６℃となるように加湿及び加熱されて、積層体１００に供給された。
【００９９】
定格出力時においては、積層体１００の温度は電熱板４０，４１によって６６℃となるように加熱された。
【０１００】
また、低出力時においては、積層体１００の温度は電熱板４０，４１によって５８℃となるように加熱された。
【０１０１】
本実施例では、定格出力時及び低出力時において、ＰＥＦＣシステムの発電出力を安定して継続させることができた。
【０１０２】
［比較例１］
実施例１の比較例として、実施例１で用いたＰＥＦＣシステムを用いて、低出力時の積層体１００の温度を６６℃、すなわち積層体１００内においてアノードガス及びカソードガスが水分飽和状態となるようにして運転した。しかし、ＰＥＦＣシステムの発電電圧は０ｍＶ（測定限界未満）に低下して、発電不能であった。
【０１０３】
この実施例１及び比較例１の事象に対しては、以下のような流路溝２１，３１の排水構造が推察される。すなわち、定格出力時では流路溝２１，３１におけるアノードガス及びカソードガスの流速が十分であるため、積層体１００内においてアノードガス及びカソードガスが水分飽和状態であっても水分過飽和状態であっても安定して運転することができた。しかし、低出力時にはアノードガス及びカソードガスの流速が低下してしまうため、流路溝２１，３１表面の結露水は水滴のまま滞留することとなる。排水能力が低下することによって、発電出力が不安定となり、深刻な場合には発電不能状態に陥る。ここで、積層体１００の温度を５８℃とすることによって、アノードガス及びカソードガスが流路溝２１，３１においてより一層水分過飽和状態となる。これによって、流路溝２１，３１表面には水膜が供給マニホールド孔（入口）２２Ｉ、３３Ｉから排出マニホールド孔（出口）２２Ｅ、３３Ｅにかけてほぼ連続するように形成される。そして、流路溝２１，３１表面の結露水は水膜に取り込まれ、水膜の上を流れるようにして出口まで容易に押し流される。このような排水構造によって、低出力時における流路溝２１，３１の排水能力が向上し、結露水による流路溝２１，３１の閉塞は抑制され、ＰＥＦＣシステムの発電出力が安定する。
【０１０４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の積層体２００には単電池１０が複数積層されている。また、ＰＥＦＣシステムの温度調整装置の構造が第１実施形態と相違する。すなわち、第１実施形態の電熱板４０，４１及び加熱用電気回路１４０が省略され、伝熱媒体供給装置１５０が構成されている。したがって、ＰＥＦＣシステムの構造の相違部分を説明し、その他の部分は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１０５】
図７は、本発明の第２実施形態におけるＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図である。
【０１０６】
図７に示すように、第２実施形態においては、第１実施形態の電熱板４０，４１及び加熱用電気回路１４０が省略され、伝熱媒体供給装置１５０が構成されている。
【０１０７】
伝熱媒体供給装置１５０は、積層体２００に伝熱媒体を供給し、かつ伝熱媒体の温度を調整対象として調整可能に構成されている。本実施形態では、伝熱媒体供給装置１５０から積層体の伝熱媒体供給孔７４Ｉにまでの延びる流路、すなわち伝熱媒体の出口側の流路、に温度計測器１６０が配設されている。あるいは、温度計測器１６０は、伝熱媒体の出口側の流路、すなわち伝熱媒体排出孔７４Ｅから先に延びる流路に配設されていても良い。これによって、伝熱媒体の温度によって積層体２００の温度を調整することができる。
【０１０８】
一般的には、伝熱媒体供給装置１５０は、伝熱媒体を駆動するポンプと伝熱媒体を加熱及び冷却可能な熱交換器を有する。
【０１０９】
伝熱媒体は、一般的には水が用いられる。ただし、伝熱媒体は化学的安定性、流動性および伝熱特性に優れていればよいので、水に限られない。例えばシリコンオイルであってもよい。
【０１１０】
なお、伝熱媒体供給装置１５０は積層体２００の温度を調整可能に構成されていればよい。したがって、伝熱媒体の流量を調整可能に構成されていてもよい。この場合、温度計測器１６０は、第１実施形態と同様に積層体２００に挿入されて配設されているとよい。あるいは、温度計測器１６０は、伝熱媒体の出口側の流路、すなわち伝熱媒体排出孔７４Ｅから先に延びる流路に配設されていても良い。
【０１１１】
ここで、図示しないが、積層体２００内には伝熱媒体供給マニホールドと、伝熱媒体排出マニホールドと、伝熱媒体流路とが形成されている。伝熱媒体流路は、積層された単電池１０同士の積層面間に伝熱媒体の入口と出口とを結んで延びている。また、伝熱媒体供給マニホールド及び伝熱媒体排出マニホールドは単電池１０を積層方向に貫通して形成されている。これらの構造は、例えば、特許文献３の図２、特許文献５の図１４に例示されている。
【０１１２】
そして、積層体２００の一方側の端板７０，絶縁板６０及び集電板５０には、相互に連通する伝熱媒体供給孔７４Ｉ及び伝熱媒体排出孔７４Ｅが形成されている。すなわち、伝熱媒体供給装置１５０から伝熱媒体供給孔７４Ｉに供給された冷却媒体は、伝熱媒体供給マニホールドを経由して単電池１０間の伝熱媒体流路に分岐して流通する。伝熱媒体流路を流通した伝熱媒体は伝熱媒体排出マニホールドに集合して、伝熱媒体排出孔７４Ｅから外部に排出される。
【０１１３】
このような構成により、温度計測器１６０が計測する温度に基づいて、伝熱媒体供給装置１５０から供給される伝熱媒体の温度を制御することによって、積層体２００の温度を調整することができる。
【０１１４】
具体的には、伝熱媒体は６６℃で供給され、積層体２００からは７１℃で排出される。また、アノードガス及びカソードガスは温度７１℃及び露点温度７１℃に加湿及び加熱されて積層体２００に供給される。そして、低出力時において、伝熱媒体供給装置１５０は、温度計測器１６０の計測温度が定格出力時よりも低い温度となるように調整される。具体的には、定格出力時よりも５℃乃至１０℃程度低くすると好適である。他方で、アノードガス及びカソードガスは定格出力時の露点温度のまま加湿及び加熱されて積層体２００に供給される。つまり、低出力時において、ＰＥＦＣシステムは、アノードガス及びカソードガスを流路溝２１，３１においてより一層水分過飽和状態とする。これによって、第１実施形態と同様、低出力時での発電出力を安定させることができる。
【０１１５】
また、発電出力の低下に応じたアノードガス供給量及びカソードガス供給量並びに積層体１００の温度の設定を略自動的に行うようにＰＥＦＣシステムを構成することもできる。複数の発電出力において、アノードガス供給量及びカソードガス供給量とともに、発電出力の不安定化現象が発現しない伝熱媒体温度（調整対象）を予め運転試験により取得しておく。そして、当該アノードガス供給量、カソードガス供給量、当該設定値、及び発電出力の設定値からなるデータベースを入力部３０１から入力して記憶部３０２に記憶させておく。そして、制御装置３００は、発電出力の低下に応じて当該データベースに基づいてアノードガス供給量、カソードガス供給量及び伝熱媒体温度が設定値となるようにアノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び伝熱媒体供給装置１５０を制御するとよい。このように構成すると発電出力の低下に応じて積層体２００の温度をより的確に降温させることができる。
【０１１６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【０１１７】
上記実施形態では、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の表面に親水性改善処理を施している。しかし、これら流路溝に親水性処理を施していない場合でも本発明の効果を得ることができる。つまり、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１の表面が親水性に富んでいる性状である必要はない。
【０１１８】
また、上記実施形態では、低出力時に、アノードガス及びカソードガスの双方の流路溝に供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、それらに供給されるガスの露点温度が、積層体１００、２００の温度に対して相対的に高くなるようにしている。しかし、低出力時に、アノードガス及びカソードガスの双方の流路溝に供給されるガスがより水分過飽和状態となるようにする必要はない。つまり、アノードガス及びカソードガスの少なくともいずれかの流路溝に供給されるガスがより水分過飽和状態となるように、それら少なくともいずれかに供給されるガスの露点温度が、積層体１００、２００の温度に対して相対的に高くなるようにすればよい。
【０１１９】
また、本発明は、アノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び温度調整装置（第１実施形態の可変抵抗１４０Ａ、第２実施形態の伝熱媒体供給装置１５０）のうち少なくともいずれか１つを制御して実施することができる。例えば、低出力時には、アノードガス及びカソードガスの供給流量を定格出力時に比べて減量するとともに、アノードガス供給装置１１０、カソードガス供給装置１２０及び温度調整装置（第１実施形態の可変抵抗１４０Ａ、第２実施形態の伝熱媒体供給装置１５０）のうち少なくともいずれか１つを制御して、アノードガス流路溝２１及びカソードガス流路溝３１に供給されるガスの露点温度が積層体１００の温度に対して相対的に高くなるようにすればよい。
【０１２０】
例えば、低出力時にはアノードガス供給装置１１０において加湿量を増やして、アノードガスの露点温度を高めてアノードガスを積層体１００、２００に供給してもよい。これによって、積層体１００，２００の温度の調整を要さずに、あるいは積層体１００，２００の温度調整を待たずに、本発明を実施することができる。
【０１２１】
この場合、アノードガスの露点温度は積層体１００、２００の温度に対して相対的に高くなるので、アノードガス流路溝２１においてアノードガスはより一層水分過飽和状態となる。具体的には、第２実施形態において、アノードガス供給装置１１０には、水分透過膜を用いた伝熱交換型加湿装置が用いられる。当該伝熱交換型加湿装置は、アノードガスを飽和状態において加熱するので、アノードガスは飽和状態、すなわち供給温度がほぼ露点温度と同温度の状態で積層体２００に供給される。そして、定格出力時においてアノードガスの供給温度が６６℃、すなわち露点温度６６℃、であって、伝熱媒体が７１℃で排出される場合、低出力時において、アノードガスの供給温度を７１℃、すなわち露点温度７１℃まで上昇させると良い。これによって、アノードガスの加湿量を増やすことができる。
【０１２２】
ところで、発明者らは、本発明の当初、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０を制御してアノードガス及びカソードガスの加湿量を増やす方法を見出した。
【０１２３】
しかし、このように構成する場合、アノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０におけるアノードガス及びカソードガスの露点温度の調整を要し、ＰＥＦＣシステムの制御が少し複雑化してしまい、本発明の経済性に影響を与えると考えた。
【０１２４】
そこで、発明者らは、より経済的に本発明を実施する方法を鋭意検討し、第１実施形態及び第２実施形態に想到している。つまり、積層体１００、２００の温度を下げることによってアノードガス及びカソードガスをより水分過飽和状態とすることができることを見出した。このような創作結果によって、本発明においてアノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０におけるアノードガス及びカソードガスの露点温度の調整は不要とすることができる。換言すれば、本発明においてアノードガス供給装置１１０及びカソードガス供給装置１２０の供給流量以外の調整を省略することができる。したがって、より容易に本発明を実施することができるようになった。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明は、ＰＥＦＣシステムの構造を複雑化させることなく、かつ高分子電解質膜の湿潤不足のおそれを招くことなく、低出力状態においても発電出力をより安定させることが可能なＰＥＦＣシステムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図。
【図２】図２は、図１の積層体の中央部の積層構造を示す部分分解斜視図。
【図３】図３は、本実施形態で用いられたアノードセパレータ板の内面を示す平面図。
【図４】図４は、本実施形態で用いられたカソードセパレータ板の内面を示す平面図。
【図５】図５は、図２の単電池の構造を示す要部断面図。
【図６】図６は、図１の積層体の端部の積層構造を示す部分分解斜視図。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態におけるＰＥＦＣシステムの構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
【０１２７】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  膜−電極接合体（ＭＥＡ）
６  ガスケット
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ板
９Ｃ  カソードセパレータ板
１０  単電池
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  アノードガス供給マニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  カソードガス供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  アノードガス排出マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  カソードガス排出マニホールド孔
１５  ボルト孔
２１  アノードガス流路溝
３１  カソードガス流路溝
３１Ａ  溝路
３１Ｂ  屈曲部
３１Ｃ  凸部
４０，４１  電熱板
４０Ａ，４１Ａ  端子
５０、５１  集電板
５０Ａ、５１Ａ  端子部
６０、６１  絶縁板
７０、７１  端板
４２Ｉ、５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  アノードガス供給孔
４２Ｅ、５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  アノードガス排出孔
４３Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  カソードガス供給孔
４３Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  カソードガス排出孔
７４Ｉ  伝熱媒体供給孔
７４Ｅ  伝熱媒体排出孔
８２  締結具
８２Ｂ  ボルト
８２Ｗ  座金
８２Ｎ  ナット
９２Ｉ  アノードガス供給マニホールド
９２Ｅ  アノードガス排出マニホールド
９３Ｉ  カソードガス供給マニホールド
９３Ｅ  カソードガス排出マニホールド
１００、２００  積層体
１１０  アノードガス供給装置
１２０  カソードガス供給装置
１３０  電気出力系統
１４０  加熱用電気回路
１４０Ａ  可変抵抗
１５０  伝熱媒体供給装置
１６０  温度計測器
１７０  電流計
３００  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  演算部
３０４  制御部
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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