(57)【要約】【課題】複数の燃料電池を有し、電解質膜の劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１ａ、１ｂを有する燃料電池システムにおいて、水素流路１８ａ、１８ｂまたは空気流路１９ａ、１９ｂを直列に連通させ、水素ボンベ４から最初に水素流路１８ｂに水素を供給し、コンプレッサ３から最初に空気流路１９ａに空気を供給する。【選択図】        図１
2006216293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を有する膜電極複合体と、前記膜電極複合体に水素または酸化剤を供給する水素流路または酸化剤流路を前記膜電極複合体を挟んで略平行に配設するセパレータとから構成する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
前記複数の燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記複数の燃料電池は、前記水素流路間、前記酸化剤流路間をそれぞれ直列に連通し、
前記複数の燃料電池の前記水素流路と前記酸化剤流路内で、前記水素供給手段から供給する前記水素の最上流部と前記酸化剤供給手段から供給する前記酸化剤の最上流部とが前記膜電極複合体を挟んで重なり合わず、かつ前記水素供給手段から供給する前記水素の最上流部と前記酸化剤供給手段から供給する前記酸化剤の最下流部とが前記膜電極複合体を挟んで重なり合わないように前記水素供給手段と前記酸化剤供給手段から前記水素と前記酸化剤を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記複数の燃料電池の各水素流路と各酸化剤流路を流れる前記水素と前記酸化剤の流れ方向が略同一であり、かつ前記水素供給手段から供給される前記水素が最初に流れる燃料電池と、前記酸化剤供給手段によって供給される前記酸化剤が最初に流れる燃料電池とが異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記膜電極複合体は、前記水素が供給されるアノードガス拡散層と、前記酸化剤が供給されるカソードガス拡散層を備え、
前記アノードガス拡散層と前記カソードガス拡散層は、前記複数の燃料電池の中で前記水素の流れ方向の上流側に位置する程、空孔率を低くし、かつ撥水性を高くすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記複数の燃料電池の各水素流路と各酸化剤流路を流れる前記水素と前記酸化剤の流れ方向が略反対方向であり、かつ前記水素供給手段から供給される前記水素が最初に流れる燃料電池と、前記酸化剤供給手段によって供給される前記酸化剤が最後に流れる燃料電池とが異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数の燃料電池は、
前記燃料電池を冷却する冷却水流路を備え、
前記冷却水流路間を直列に連通し、
前記複数の燃料電池に前記冷却水を供給する順番と前記複数の燃料電池に前記酸化剤を供給する順番とを同一の順番とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤供給手段と前記酸化剤の流れ方向の最上流に位置する前記燃料電池との間に配設し、前記酸化剤の流れ方向の最下流に位置する前記燃料電池から排出された前記酸化剤によって前記酸化剤供給手段によって供給する前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素供給手段と前記水素の流れ方向の最上流に位置する前記燃料電池との間に配設し、前記酸化剤の流れ方向の最下流に位置する前記燃料電池から排出された前記酸化剤によって前記水素供給手段によって供給する前記水素を加湿する水素加湿手段を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜とこれを挟持するように配置されたアノードおよびカソードとからなる単位セルを複数個積層することで構成される。そして、アノード側ガス流路には燃料としての水素を水素供給源として例えば高圧の水素ボンベから供給し、カソード側ガス流路には酸化剤としての空気を例えばコンプレッサーもしくはブロアを介して供給している。アノード、カソードにはそれぞれの極において反応を促進するためにＰｔ等の貴金属を主とした触媒層が形成されている。
【０００３】
アノードにおいては、
Ｈ2→ ２Ｈ+＋２ｅ-    式（１）
という反応を起し、燃料としての水素が水素イオンと電子に分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を拡散しカソードに到達し、電子は外部回路を流れ燃料電池スタックの出力として取り出される。
【０００４】
カソードにおいては、アノードから固体高分子電解質膜中を拡散してきた水素イオン、アノードから外部回路を通じて移動してきた電子、および空気中の酸素がカソードの触媒層中に形成されている三相界面上で、
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→ Ｈ2Ｏ    式（２）
の反応により水が生成される。
【０００５】
燃料電池スタックにおいて、これらの化学反応を安定的に発生させるためには、固体高分子電解質膜が十分湿潤していること、カソードにて式（２）の反応により生成した水を固体高分子電解質膜の湿潤状態を維持するために利用し、かつ余剰な水分は速やかに外部へ放出することが必要となる。燃料電池スタックの一般的な構成においては、ガス流れに対して連続的にこの化学反応が発生するため、部位ごとに湿潤状態が変わってゆくことが知られており、その湿潤状態の変化が固体高分子電解質膜に与える影響を最小に抑えるための種々の工夫がなされてきた。
【０００６】
従来、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムでは、複数の燃料電池スタックを直列に連通する流路を備え、単位セル内部の燃料と酸化剤の流れは、反対方向から供給、つまり互いに対向流となるように燃料と酸化剤を供給する燃料電池システムが特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池スタックの下流まで燃料、または酸化剤を供給するためには燃料、または酸化剤の流量、つまり燃料、または酸化剤を供給する圧力を高くしなければならない。
【０００８】
しかし、上記の発明では、単位セル内部において燃料と酸化剤の流れが互いに対向流となるために、例えば燃料の上流側と酸化剤の下流側の差圧が大きくなり、固体高分子電解質膜を劣化させ、寿命を短くする、といった問題点がある。
【０００９】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、アノードとカソード間の差圧を小さくし、固体高分子電解質膜の乾燥を抑制し、燃料電池スタックの劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、電解質膜を有する膜電極複合体と、膜電極複合体に水素または酸化剤ガスを供給する水素流路または酸化剤流路を膜電極複合体を挟んで略平行に配設するセパレータとから構成する複数の燃料電池と、複数の燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、複数の燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池は、水素流路間または酸化剤ガス流路間をそれぞれ直列に連通し、複数の燃料電池の水素流路と酸化剤流路内で、水素供給手段から供給する水素の最上流部と酸化剤供給手段から供給する酸化剤の最上流部とが膜電極複合体を挟んで重なり合わず、かつ水素供給手段から供給する水素の最上流部と酸化剤供給手段から供給する酸化剤の最下流部とが膜電極複合体を挟んで重なり合わないように水素供給手段と酸化剤供給手段から水素と酸化剤を供給する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、水素の流れの最上流部と酸化剤の流れの最上流部が膜電極複合体を介して向かい合わず、かつ水素の流れの最上流部と酸化剤の流れの最下流部が膜電極複合体を介して向かい合わないように水素と酸化剤を供給するので、水素流路と酸化剤流路間の圧力差、つまりアノードとカソードとの圧力差を小さくし、電解質膜の乾燥を抑制し、燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施形態の構成を図１の概略構成図を用いて説明する。この実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック（燃料電池）１ａと、燃料電池スタック（燃料電池）１ｂと、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂに空気を供給するコンプレッサ（酸化剤供給手段）３と、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂに水素を供給する水素ボンベ（水素供給手段）４と、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂ間で水素を循環させる循環ポンプ５と、燃料電池スタック１ａ、１ｂに供給する空気を加湿する加湿装置６を備える。なお、図１の燃料電池スタック１ａ、燃料電池スタック１ｂは説明のため後述する水素流路１８ａ、１８ｂ、空気流路（酸化剤流路）１９ａ、１９ｂ、冷却水流路２１ａ、２１ｂのみを図示する。
【００１３】
燃料電池スタック１ａは、単位セル１０ａを例えば１００枚積層して構成される。ここで単位セル１０ａについて図２の概略構成図を用いて説明する。
【００１４】
単位セル１０ａは、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１１ａと、電解質膜１１ａを挟持するアノード触媒層１２ａとカソード触媒層１３ａと、アノード触媒層１２ａとカソード触媒層１３ａの外側に設けたアノードガス拡散層１４ａとカソードガス拡散層１５ａを備える。また、アノードガス拡散層１４ａの外側に設けられたアノードセパレータ（セパレータ）１６ａと、カソードガス拡散層１５ａの外側に設けられたカソードセパレータ（セパレータ）１７ａを備える。さらに水素または空気が単位セル１０ａからリークしないようにエッジシール２０ａを備える。なお、電解質膜１１ａとアノード触媒層１２ａとカソード触媒層１３ａとアノードガス拡散層１４ａとカソード触媒層１５ａを膜電極複合体２２ａとする。
【００１５】
アノードガス拡散層１４ａ、カソードガス拡散層１５ａは例えばカーボンペーパによって構成され、カーボンペーパの空孔を水素または空気が通り、水素または空気が拡散する。なお、カーボンペーパの空孔率を変更し、カーボンペーパに親水性、または撥水性の塗料を塗布することで、アノードガス拡散層１４ａ、カソードガス拡散層１５ａの含水性能を変更することができる。
【００１６】
アノードセパレータ１６ａ、またはカソードセパレータ１７ａは、コンプレッサ３から供給された空気が流れる空気流路１９ａ、または水素ボンベ４から供給された水素が流れる水素流路１８ａと、図示しない冷却水タンクなどから供給された冷却水流路２１ａを備える。
【００１７】
空気流路１９ａと水素流路１８ａは直線形状の流路であり、電解質膜１１ａを挟んで平行となるように配設される。なお、空気流路１９ａと水素流路１８ａの形状は直線形状に限られず、直線部と折り返し部とからなるサーペンタイン形状などでもよい。
【００１８】
冷却水流路２１ａは直線形状の流路であり、空気流路１９ａと水素流路１８ａと平行に配設される。
【００１９】
燃料電池スタック１ｂは燃料電池スタック１ａと同様の構成であるので、詳しい説明は省略する。以下において燃料電池スタック１ｂの構成については図２に示す燃料電池スタック１ａと同じ番号で添え字ｂを付して説明する。
【００２０】
燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂは空気の流れに対して、燃料電池スタック１ａを上流側、燃料電池スタック１ｂを下流側となるように配置する。つまり燃料電池スタック１ａから排出された空気が燃料電池スタック１ｂに供給されるように配置する。
【００２１】
加湿装置６はコンプレッサ３と燃料電池スタック１ａとの間に配設する。また、燃料電池スタック１ｂから排出された排出空気が導入され、燃料電池スタック１ａ、１ｂの発電反応で生成された生成水を含んだ排出空気によってコンプレッサ３によって導入され空気を加湿する。なお、燃料電池スタック１ａ、１ｂによって生成された生成水以外の方法によって空気を加湿しても良い。
【００２２】
コンプレッサ３から導入された空気は、加湿装置６、燃料電池スタック１ａ、燃料電池スタック１ｂ、加湿装置６の順番に流れる。燃料電池スタック１ｂから排出された空気は加湿装置６においてコンプレッサ３から導入された空気を加湿し、その後燃料電池システムの外部へ排出される。
【００２３】
一方、水素ボンベ４から供給された水素は、燃料電池スタック１ｂ、燃料電池スタック１ａ、循環ポンプの順番に流れる。なお、燃料電池スタック１ａから排出された水素は、再び燃料電池スタック１ｂに供給される。つまりこの実施形態では、水素ボンベ４によって供給された水素は循環ポンプ５によって燃料電池スタック１ｂ、１ａ間を環流し、次第に消費される。なお、水素流路１８ａ、１８ｂに例えば窒素などの不純物が混入し、水素濃度が低くなった場合には燃料電池スタック１ａから排出された水素を燃料電池システムから排出する構成としても良い。
【００２４】
この実施形態ではコンプレッサ３から供給される空気をまず燃料電池スタック１ａに供給し、水素ボンベ４から供給される水素をまず燃料電池スタック１ｂに供給する。つまり空気流路１９ａ、１９ｂと水素流路１８ａ、１８ｂにおいて空気の流れの最上流部と水素の流れの最上流部とが異なる燃料電池スタック１ａ、１ｂとなるように水素と空気を供給する。
【００２５】
また、図示しない冷却水タンクなどから供給される冷却水は燃料電池スタック１ａ、燃料電池スタック１ｂの順番に流れ、図示しないラジエータなどによって冷却水の温度は制御される。これによってフラッディングの生じ易い燃料電池スタック１ａ、１ｂの下流側の温度を高くすることができる。
【００２６】
この実施形態においては、アノードガス拡散層１４ａを高空孔率で、かつ親水性を有するのように構成し、カソードガス拡散層１５ａを低空孔率で、かつ撥水性を有するように構成する。また、アノードガス拡散層１４ｂを低空効率で、かつ撥水性を有するように構成し、カソードガス拡散層１５ｂを高空孔率で、かつ親水性を有するように構成する。すなわちアノードガス拡散層１４ａ、１４ｂにおいては、アノードガス拡散層１４ａの方がアノードガス拡散層１４ｂよりも空孔率を高く、撥水性を低くし、カソードガス拡散層１５ａ、１５ｂにおいては、カソードガス拡散層１５ａの方がカソードガス拡散層１５ｂよりも空孔率を低くし、撥水性を高くする。
【００２７】
これにより、比較的水分を多く含む水素が供給される水素流路１８ａと向かい合う電解質膜１１ａには水が多く供給されるようにし、アノードガス拡散層１４ａ側から電解質膜１１ａ内部の水移動によりカソードガス拡散層１５ａ側の電解質膜１１ａを加湿する。また、比較的乾燥した空気が供給される空気流路１９ａと対峙する電解質膜１１ａでは水素と酸素の反応により生成された水によって電解質膜１１ａを保湿する。
【００２８】
また、比較的水分を多く含む空気が供給される空気流路１９ｂと対峙する電解質膜１１ｂには水分が多く供給されるようにし、カソードガス拡散層１５ｂ側から電解質膜１１ｂ内部の水移動によりアノードガス拡散層１４ｂ側の電解質膜１１ｂを加湿する。また、比較的乾燥した水素が供給される水素流路１８ｂと対峙する電解質膜１１ｂの乾燥を抑制する。
【００２９】
以上の構成により、電解質膜１１ａ、１１ｂの乾燥を抑制し、電解質膜１１ａ、１１ｂの劣化を抑制することができる。なお、アノードガス拡散層１４ａ、１４ｂ、カソードガス拡散層１５ａ、１５ｂの空孔率、含水性能はアノードガス拡散層１４ａ、１４ｂ、カソードガス拡散層１５ａ、１５ｂの一部にのみ設けても良い。
【００３０】
次にこの実施形態の燃料電池スタック１ａ、１ｂにおける圧力の変化について図３を用いて説明する。
【００３１】
燃料電池スタック１ａ、１ｂに水素、または空気が供給されると、燃料電池スタック１ａ、１ｂにおける発電反応によって水素、または空気中の酸素が消費される。そのため水素、空気の流れに対して上流側よりも下流側の方が圧力が低くなる。この実施形態では燃料電池スタック１ａはコンプレッサ３から空気と、燃料電池スタック１ｂから排出された水素とが供給される。つまり圧力が一番高い状態の空気と、燃料電池スタック１ｂの発電反応により水素が消費され、圧力が低くなった水素が供給される。また、燃料電池スタック１ｂでは、燃料電池スタック１ｂから排出された空気と、水素ボンベ４から供給された水素と環流する水素が混ざった水素とが供給される。つまり、燃料電池スタック１ａの発電反応によって酸素が消費され、圧力が低くなった空気と、圧力が一番高い状態の水素が供給される。
【００３２】
以上により、燃料電池スタック１ａ、１ｂの水素流路１８ａ、１８ｂ、空気流路１９ａ、１９ｂでの圧力差は燃料電池スタック１ｂの下流において最大となるが、その圧力差を比較的小さくすることができる。ここで燃料電池スタック１ａ、１ｂにおける電解質膜１１ａ、１１ｂを挟んだ水素流路１８ａ、１８ｂと空気流路１９ａ、１９ｂ間の圧力差と燃料電池スタック１ａ、１ｂの寿命との関係を図４に示す。燃料電池スタック１ａ、１ｂの寿命は水素流路１８ａ、１８ｂと空気流路１９ａ、１９ｂ間の圧力差が小さい程長くなる。
【００３３】
次にこの実施形態の燃料電池スタック１ａ、１ｂにおける温度と湿度の変化について図５を用いて説明する。
【００３４】
冷却水を空気の流れと同じ方向で流すことにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度は、冷却水の流れ方向の上流から下流となるに従って、つまり空気の流れ方向に従って温度が高くなる。
【００３５】
また、燃料電池スタック１ａの空気流路１９ａを流れる空気の相対湿度は、燃料電池スタック１ａの空気の流れの上流から下流となるに従って高くなる。これは燃料電池スタック１ａの発電反応において、カソードで水が生成され、燃料電池スタック１ａの下流となるに従って空気が加湿されるためである。そのため加湿装置６での空気の加湿量は、燃料電池スタック１ａの出力、温度などによって制御し、燃料電池スタック１ａの上流において電解質膜１１ａが乾燥しない加湿量とすることが望ましい。
【００３６】
燃料電池スタック１ａの水素流路１８ａを流れる水素は燃料電池スタック１ｂから排出された水素であり、詳しくは後述するが、比較的水分を多く含んだ水素が供給され、かつ燃料電池スタック１ａの上流の温度が低いので、水素流路１８ａの上流を流れる水素の相対湿度は高くなる。
【００３７】
燃料電池スタック１ａの上流では空気流路１９ａを流れる空気は水分を多く含んでいないが、水素流路１８ａを流れる水素は水分を比較的多く含んでいるので、電解質膜１１ａの内部による水移動により、燃料電池スタック１ａの上流側における電解質膜１１ａの水分布、特に空気流路１９ａの上流側の電解質膜１１ａの乾燥を抑制することができ、電解質膜１１ａの劣化を抑制することができる。
【００３８】
また、電解質膜１１ａの上流側の乾燥を抑制するために加湿装置６における加湿量を多くすると燃料電池スタック１ａの下流においてフラッディングを生じる可能性があるが、この実施形態では燃料電池スタック１ａの上流において水素流路１８ａの水を電解質膜１１ａの内部で移動させることにより、加湿装置６における加湿量を少なくし、燃料電池スタック１ａの下流でのフラッディングを抑制することができる。
【００３９】
一方、燃料電池スタック１ｂの空気流路１９ｂを流れる空気の相対湿度は、燃料電池スタック１ｂの上流から下流となるに従って高くなる。
【００４０】
燃料電池スタック１ｂの水素流路１８ｂを流れる水素の相対湿度は、燃料電池スタック１ｂの上流から下流となるに従って高くなる。これは空気流路１９ｂを流れる空気中に含まれる水分が多くなので、電解質膜１１ｂの内部による水移動により、水素流路１８ｂの水分が多くなるためである。なお、燃料電池スタック１ｂでは、水素タンク４から相対湿度の低い水素が供給されるので、燃料電池スタック１ｂの入口付近においては相対湿度が低くなる。
【００４１】
燃料電池スタック１ｂの上流では水素流路１８ｂを流れる水素の相対湿度が低いが、空気流路１９ｂには燃料電池スタック１ａから排出された空気が供給されるので、空気流路１９ｂを流れる空気中には水分が多く含まれるので、電解質膜１１ｂの内部による水移動により加湿することができ、水素流路１８ｂの上流側の電解質膜１１ｂの乾燥を抑制することができ、電解質膜１１ｂの劣化を抑制することができる。
【００４２】
なお、この実施形態ではコンプレッサ３から供給する空気のみを加湿したが、図６に示すように水素ボンベ４から供給する水素を加湿装置７によって加湿しても良い。なお、加湿装置７による水素の加湿は、燃料電池スタック１ｂから排出される空気中の水分によって加湿する。
【００４３】
この実施形態では水素と空気の流れを同一方向としたが、水素と空気の流れ方向を反対方向、すなわち対向流としても良い。この場合には、例えば水素をまず燃料電池スタック１ａに供給し、その後燃料電池スタック１ｂに供給する。また、空気をまず燃料電池スタック１ａに供給し、その後燃料電池スタック１ｂに供給する。つまり、水素の流れの最上流部と空気の流れの最下流部とが、同一の燃料電池スタックとならないように水素と空気を供給する。
【００４４】
この実施形態では２つの燃料電池スタック１ａ、１ｂを有するが、これに限られることはなく、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムに使用することができる。
【００４５】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【００４６】
ここで水素と空気を異なる方向から供給する場合、つまり電解質膜を挟んで水素と空気が反対方向に流れ対向流とした場合の圧力、湿度の変化について図７、８を用いて説明する。図７は燃料電池スタックの湿度の変化を示す図であり、図８は燃料電池スタックの圧力の変化を示す図である。
【００４７】
例えば燃料電池スタック１ｂから燃料電池スタック１ａへ水素を流し、燃料電池スタック１ａから燃料電池スタック１ｂへ空気を流した場合には、燃料電池スタック１ａ、１ｂの湿度の変化においては、水素ボンベなどから最初に水素が供給され、乾燥しやすい水素流路１８ｂの上流と燃料電池スタック１ａ、１ｂを通り水分を多く含んだ空気が流れる空気流路１９ｂの下流が電解質膜１１ｂを挟んで向かい合い、比較的水分を多く含んだ水素流路１８ａの下流とコンプレッサなどから最初に空気が供給される空気流路１９ａの上流が電解質膜１１ａを挟んで向かい合う。電解質膜１１ａ、１１ｂの内部による水移動により、電解質膜１１ａ、１１ｂにおいて乾燥を抑制し、電解質膜１１ａ、１１ｂの乾燥による劣化は抑制することができる。
【００４８】
しかし、対向流で水素、空気を供給した場合には、水素流路１８ｂの上流と空気流路１９ｂの下流の圧力差が大きくなる。これにより圧力差が大きくなる箇所の電解質膜１１ｂの劣化が生じ易くなる。
【００４９】
この実施形態では、複数の燃料電池、例えば２つの燃料電池１ａ、１ｂの水素流路１８ａ、１８ｂ、または空気流路１９ａ、１９ｂを直列に連通させ、水素と空気の流れを同一方向とする場合に、水素ボンベ４から水素をまず水素流路１８ｂに供給し、その後水素流路１８ｂから排出する水素を水素流路１８ａに供給する。またコンプレッサ３から空気をまず空気流路１９ａに供給し、その後空気流路１９ａから排出された空気を空気流路１９ｂに供給する。これにより、水素流路１８ａと空気流路１９ａ、または水素流路１８ｂと空気流路１９ｂ間の圧力差を小さくすることができ、電解質膜１１ａ、１１ｂの劣化を抑制することができる。
【００５０】
また、燃料電池スタック１ａ、１ｂの水素流路１８ａ、１８ｂ、または空気流路１９ａ、１９ｂを直列に連通させ、水素と空気の流れを同一方向とする場合には、水素と空気を例えば燃料電池スタック１ａに最初に供給すると、燃料電池スタック１ａの上流側において電解質膜１１ａが乾燥し易くなり、これを防ぐために水素と空気の加湿量を多くすると、燃料電池スタック１ｂの下流側、特に空気流路１９ｂの下流側においてフラッディングを生じ易くなる。しかし、この実施形態では水素を水素流路１８ｂに供給した後に水素流路１８ａに供給し、空気を空気流路１９ａに供給した後に空気流路１９ｂに供給する。そのため、燃料電池スタック１ａでは水素流路１８ｂから排出され水分を多く含んだ水素と、コンプレッサ３から供給される空気が供給され、燃料電池スタック１ｂでは水素ボンベ４から供給される水素と、空気流路１９ａから排出され水分を多く含んだ空気が供給されるので、電解質膜１１ａ、１１ｂの乾燥を抑制することができる。
【００５１】
燃料電池スタック１ｂのアノードガス拡散層１４ｂの空孔率を燃料電池スタック１ａのアノードガス拡散層１４ａよりも低くし、撥水性を高くする。また、燃料電池スタック１ａのカソードガス拡散層１５ａの空孔率を燃料電池スタック１ｂのカソードガス拡散層１５ｂよりも低くし、撥水性を高くする。これによって乾燥が生じ易いカソードガス拡散層１５ａ側の電解質膜１１ａ、またはアノードガス拡散層１４ｂ側の電解質膜１１ｂの乾燥を更に抑制することができる。特に相対湿度が低い水素が供給される燃料電池スタック１ｂの水素流路１８ｂ上流側の電解質膜１１ｂと、相対湿度が低い空気が供給される燃料電池スタック１ａの空気流路１９ａ上流側の電解質膜１１ａの乾燥を抑制することができる。
【００５２】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の単位セルの概略構成図である。
【図３】本発明の燃料電池スタックの圧力変化を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの圧力差と寿命の関係を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池スタックの温度と湿度の変化を示す図である。
【図６】本発明の燃料電池システムの変更例を示す概略構成図である。
【図７】本発明を用いない場合の燃料電池スタックの湿度の変化を示す図である。
【図８】本発明を用いない場合の燃料電池スタックの圧力の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ、１ｂ    燃料電池スタック（燃料電池）
３    コンプレッサ（酸化剤供給手段）
４    水素ボンベ（水素供給手段）
６    加湿装置（酸化剤加湿手段）
７    加湿装置（水素加湿手段）
１０ａ、１０ｂ    単位セル
１１ａ、１１ｂ    固体高分子電解質膜（電解質膜）
１４ａ、１４ｂ    アノードガス拡散層
１５ａ、１５ｂ    カソードガス拡散層
１６ａ、１６ｂ    アノードセパレータ（セパレータ）
１７ａ、１７ｂ    カソードセパレータ（セパレータ）
１８ａ、１８ｂ    水素流路
１９ａ、１９ｂ    空気流路（酸化剤流路）
２１ａ、２１ｂ    冷却水流路
２２ａ、２２ｂ    膜電極複合体
【図１】
2006216293.tif 000003
【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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【図８】
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