(57)【要約】【課題】燃料電池の耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】燃料流路および酸化剤流路の関係を並行流形態と対向流形態とに切替可能とする切替手段８（バルブ８１〜８４）を有する。切替手段８は、発電量が相対的に大きい高発電領域では対向流形態で運転し、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では並行流形態で運転するように切替える。【選択図】  図５
2006318678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体と、酸化剤を前記酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を前記燃料極に流す燃料流路とを有する燃料電池を具備する燃料電池システムにおいて、
前記燃料流路を流れる燃料および前記酸化剤流路を流れる酸化剤の流れ方向の関係を第１形態と第２形態とに切替可能とする切替手段を具備しており、
前記切替手段は、
前記第１形態において、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを前記電解質膜を介して対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを前記電解質膜を介して対向させ、
前記第２形態において、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを前記電解質膜を介して対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを前記電解質膜を介して対向させ、且つ、
前記切替手段は、発電量が相対的に大きい高発電領域では第２形態で運転し、発電量が前記高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では第１形態で運転するように切替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記切替手段は、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の流れの向きを維持しつつ、前記燃料流路を流れる燃料の流れの向きを逆に切替えることにより、前記第１形態と前記第２形態とを切替可能とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記燃料流路は、燃料が供給される入口および燃料オフ流体が吐出される出口のうちの一方に切替可能な燃料用第１開口と、燃料が供給される入口および燃料オフ流体が吐出される出口のうちの他方に切替可能な燃料用第２開口とを備えており、
前記切替手段は、前記燃料用第１開口に繋がる燃料供給用の第１供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第１排出バルブと、前記燃料用第２開口に繋がる燃料供給用の第２供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第２排出バルブとを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２において、前記酸化剤流路は、酸化剤が供給される入口および酸化剤オフ流体が吐出される出口のうちの一方に切替可能な酸化剤用第１開口と、酸化剤が供給される入口および酸化剤オフ流体が吐出される出口のうちの他方に切替可能な酸化剤用第２開口とを備えており、
前記切替手段は、前記酸化剤用第１開口に繋がる酸化剤供給用の第１供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第１排出バルブと、前記酸化剤用第２開口に繋がる酸化剤供給用の第２供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第２排出バルブとを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
電解質膜を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体と、酸化剤を前記酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を前記燃料極に流す燃料流路とを有する燃料電池を用意すると共に、前記燃料流路における燃料の流れおよび前記酸化剤流路における酸化剤の流れの関係を切替可能とする切替手段とを用意する工程と、
前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させる形態で発電運転する工程とを実施する燃料電池シテスムの運転方法において、
発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域に変化するとき、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と前記燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させると共に、前記酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と前記燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させる形態で発電運転するように切替えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）と、酸化剤ガスを酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を燃料極に流す燃料流路とを有する。特許文献１には、電解質膜を構成するリン酸成分が燃料電池の運転時間の経過により飛散消失して燃料電池の性能が低下すると共に、リン酸成分が廃棄物として発生することに着目し、計測手段により燃料電池の運転時間を計測し、運転時間が所定値になったとき、燃料流路および酸化剤流路の流れを切り替える技術が開示されている。このものによれば、飛散消失するリン酸成分の消失がガス流れ方向において均一化されると記載されている。また特許文献２には、水が流路を狭くするフラッディング現象が燃料電池に生じているかを検出し、フラッディング現象が発生していると、ガス流れ方向を切り替える技術が開示されている。
【特許文献１】特開平０６−０８９７２９号公報
【特許文献２】特開２００３−２４９２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
産業界では、燃料電池の耐久性を向上させることが要請されている。また、上記した技術によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域と、発電量が相対的に小さい低発電領域とで、ガス流れの向きを切り替えるものではない。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明者は、上記した課題のもとに燃料電池システムについて長年にわたり鋭意研究を進めている。そして本発明者は研究により次の事項（ａ）（ｂ）を発見し、かかる発見に基づいて本発明を完成させた。燃料の流れの基本的方向と酸化剤の基本的方向を対向させる対向流形態を採用するときには、燃料電池における発電分布の均一性が向上する利点が得られる。その理由としては次のように推察されている。対向流形態（図１参照）によれば、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域（酸化剤濃度が高い領域）と、燃料流路を流れる燃料の下流域（燃料濃度が低い領域）とが電解質膜を介して対向すると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域（酸化剤濃度が低い領域）と、燃料流路を流れる燃料の上流域（燃料濃度が高い領域）とが電解質膜を介して対向する。このため、酸化剤濃度が高い領域と燃料濃度が高い領域とが電解質膜を介して対向すると共に、酸化剤濃度が低い領域と燃料濃度が低い領域とが電解質膜を介して対向する形態に比較して、対向流形態を採用したときには流れ方向における発電分布の均一性が向上する利点が得られる。
【０００６】
（ａ）ところで、燃料電池の発電運転では、一般的には、発電反応で生成した水が、酸化剤流路を流れる酸化剤ガスと共に酸化剤流路の下流域に移行する影響で、酸化剤流路の下流域において水がガス流路を狭くすることが多い。このため、酸化剤流路の下流域では、発電反応が制約され易い。このため、酸化剤流路の下流域に電解質膜を介して対向する燃料流路の上流域では、発電反応が起こりにくい。結果として、前記した対向流形態を採用したときには、燃料流路の上流域では、燃料の消費が少なくなり、燃料濃度（燃料分圧）が高くなる。故に、燃料流路の上流域に存在する濃度が高い燃料成分（燃料がガス状の場合にはガス状態のまま）が、電解質膜を透過し、酸化剤極側に移行するおそれがある。
【０００７】
（ｂ）更に、本発明者は、上記した研究により、図３の特性線Ｗ１に示すように、燃料極側の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行する移行量（燃料がガス状の場合にはガス状態の移行量）は、発電量が相対的に大きい高発電領域（電流密度が相対的に高い領域）においては少ないものの、発電量が相対的に小さい低発電領域（電流密度が相対的に低い領域）においては、大きくなる傾向があることを、最近、新たに発見した。なお、この高発電領域および低発電領域は、燃料電池の電流密度−出力特性（ＩＶ特性）における電流密度の大きさによって区別される領域である。
【０００８】
そこで、発電量が相対的に大きい領域において対向流形態を採用してガス流れ方向における発電分布の均一性を高めつつ、発電量が相対的に小さい低発電領域においては並行流形態（図２参照）を採用すれば良いことを知見した。即ち、並行流形態は、燃料の流れの基本的方向と酸化剤の基本的方向と同じ向きとするものである。並行流形態によれば、図２から理解できるように、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域（酸化剤濃度が高い領域）と、燃料流路を流れる燃料の上流域（燃料濃度が高い領域）とが電解質膜を介して対向すると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域（酸化剤濃度が低い領域）と、燃料流路を流れる燃料の下流域（燃料濃度が低い領域）とが電解質膜を介して対向する。このような並行流形態によれば、燃料流路の上流域において燃料が発電反応に良好に消費されるので、燃料流路の上流域の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行することが抑制される。このように燃料極側の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行することが抑制されると、燃料電池を長期にわたり使用したときであっても、電解質膜の性質が変化することが良好に抑制され、電解質膜の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。かかる発見に基づいて本発明は開発されたものである。
【０００９】
（２）即ち、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体と、酸化剤を酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を燃料極に流す燃料流路とを有する燃料電池を具備する燃料電池システムにおいて、燃料流路を流れる燃料および酸化剤流路を流れる酸化剤の流れ方向の関係を、第１形態と第２形態とに切替可能とする切替手段を具備しており、切替手段は、第１形態において、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを電解質膜を介して対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを電解質膜を介して対向させ、
第２形態において、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを電解質膜を介して対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを電解質膜を介して対向させ、且つ、切替手段は、発電量が相対的に大きい高発電領域では第２形態で運転し、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では第１形態で運転するように切替えることを特徴とするものである。
【００１０】
（３）本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、電解質膜を挟む燃料極および酸化剤極とを有する膜電極接合体と、酸化剤を酸化剤極に流す酸化剤流路と、燃料を燃料極に流す燃料流路とを有する燃料電池を用意すると共に、燃料流路における燃料の流れおよび酸化剤流路における酸化剤の流れの関係を切替可能とする切替手段とを用意する工程と、
酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させる形態で発電運転する工程とを実施する燃料電池シテスムの運転方法において、
発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域に変化するとき、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させる形態で発電運転するように切替えることを特徴とするものである。
【００１１】
（４）本発明によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域では、切替手段は、燃料と酸化剤との流れ方向の関係を第２形態に切り替える。第２形態（対向流形態に相当する）によれば、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させる。このため発電量が相対的に大きい高発電領域では、前述したように、流れ方向における発電分布の均一性が向上する。これに対して、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、切替手段は、燃料と酸化剤との流れを第１形態（並行流形態に相当する）に切り替える。第１形態によれば、酸化剤流路を流れる酸化剤の上流域と燃料流路を流れる燃料の上流域とを対向させると共に、酸化剤流路を流れる酸化剤の下流域と燃料流路を流れる燃料の下流域とを対向させる。この結果、燃料流路の上流域において燃料が発電反応に良好に消費される。故に、燃料流路の上流域の燃料が電解質膜を介して酸化剤極側に移行する移行量が抑制される。これにより電解質膜の性質の変化を抑制でき、電解質膜の長寿命化、耐久性の向上を図り得る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池の長寿命化、耐久性を向上させるのに有利な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によれば、切替手段は、発電量が相対的に大きい高発電領域では第２形態に切替えられ、発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では第１形態に切替えられる。本発明によれば、第１形態としては、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが同じ向きである並行流形態を採用できる。第２形態としては、燃料の基本的流れ方向と酸化剤の基本的流れ方向とが逆向きである対向流形態を採用できる。高発電領域における発電量および低発電領域における発電量は、相対的なものである。従って、高発電領域は、発電面積の単位面積当たりの発電量（電流密度）が低発電領域よりも相対的に大きい領域を意味する。高発電領域は一般的には燃料電池で作動される電力負荷が大きい領域となる。高発電領域は中発電領域を含むことができる。低発電領域は、発電面積の単位面積当たりの発電量（電流密度）が高発電領域よりも相対的に小さい領域を意味する。従って低発電領域は一般的には燃料電池で作動される電力負荷が小さい領域となる。
【００１４】
本発明によれば、第１形態（並行流形態に相当する）は、燃料電池の発電面積において、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが同じ向きとなる割合が、第２形態（対向流形態に相当する）よりも高い形態を意味する。第２形態（対向流形態に相当する）は、燃料電池の発電面積において、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが逆となる割合が、第１形態（並行流形態に相当する）よりも高い形態を意味する。従って、第１形態（並行流形態に相当する）は、発電領域を１００％としたとき、面積比で、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが同じ向きとなる発電面積を５５％以上または６０％以上（または７０％以上）占めることができる。また、第２形態（対向流形態に相当する）は、燃料電池の発電面積を１００％としたとき、面積比で、酸化剤の基本的流れ方向と燃料の基本的流れ方向とが逆の向きとなる発電面積を５５％以上または６０％以上（または７０％以上）占めることができる。
【００１５】
本発明によれば、切替手段は、酸化剤流路を流れる酸化剤の流れの向きを維持しつつ、燃料流路を流れる燃料の流れの向きを逆に切替えることにより、第１形態と第２形態とを切替可能とする形態を例示することができる。酸化剤流路を流れる酸化剤の流れの基本的な向きとしては、下向きに維持しておくことが好ましい。酸化剤極では発電反応により水が生成するため、酸化剤流路における水を重力を利用して排出させるためである。本発明によれば、燃料流路は、燃料が供給される入口および燃料オフ流体が吐出される出口のうちの一方に切替可能な燃料用第１開口と、燃料が供給される入口および燃料オフ流体が吐出される出口のうちの他方に切替可能な燃料用第２開口とを備えている形態を例示することができる。この場合、切替手段は、好ましくは、燃料用第１開口に繋がる燃料供給用の第１供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第１排出バルブと、燃料用第２開口に繋がる燃料供給用の第２供給バルブおよび燃料オフ流体排出用の第２排出バルブとを備えている。上記した各バルブとしては、オンオフ式の開閉弁でも良いし、開口面積可変型の開閉弁でも良いし、三方弁でも良いし、公知のバルブを採用できる。
【００１６】
また本発明によれば、酸化剤流路は、酸化剤が供給される入口および酸化剤オフ流体が吐出される出口のうちの一方に切替可能な酸化剤用第１開口と、酸化剤が供給される入口および酸化剤オフ流体が吐出される出口のうちの他方に切替可能な酸化剤用第２開口とを備えている形態を例示することができる。この場合、切替手段は、好ましくは、酸化剤用第１開口に繋がる酸化剤供給用の第１供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第１排出バルブと、酸化剤用第２開口に繋がる酸化剤供給用の第２供給バルブおよび酸化剤オフ流体排出用の第２排出バルブとを備えている。
【００１７】
本発明によれば、高発電領域と低発電領域とを仕切る境界値としては、つまり、第１形態（並行流形態に相当する）と第２形態（対向流形態に相当する）とを切り替える境界値としては、燃料電池システムの種類、燃料電池システムの用途（例えば定置用、車両用、携帯用、電気機器用、電子機器用等）、発電最大出力値、燃料の種類、酸化剤の種類等の要因に応じて定まるものである。この境界値としては、高発電領域と低発電領域とを仕切る相対値であるため、一義的に決定できるものではない。定格運転時における燃料電池の電流密度をＩmaxとすると、この境界値としては、Ｉmaxの例えば３％〜８０％の範囲内（例えば３％、１０％、２０％、４０％、５０％、６０％、８０％）、５％〜７０％の範囲内、１０％〜６０％の範囲内で適宜選択できる。なお、一般的には定格運転時の電流密度は最大電流密度に対応する。燃料電池の仕様によっては、定格運転時の電流密度より大きな最大電流密度を設定する場合があるので、この場合にはＩmaxは最大電流密度としても良い。この境界値としては、燃料電池システムが定置用の場合には、例えば、０．０１〜０．５アンペア／ｃｍ2の範囲内（例えば０．０１アンペア／ｃｍ2，０．１アンペア／ｃｍ2，０．２アンペア／ｃｍ2，０．３アンペア／ｃｍ2，０．４アンペア／ｃｍ2，０．５アンペア／ｃｍ2）で適宜選択することができるが、これに限定されるものではない。また、燃料電池システムが車両用の場合には、例えば、０．０２〜１．５アンペア／ｃｍ2の範囲内で適宜選択することができるが、これに限定されるものではない。また、燃料電池システムが電子機器用、電気機器用の場合には、例えば、０．００５〜２．５アンペア／ｃｍ2の範囲内で適宜選択することができるが、これに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図１〜図５を参照して説明する。図４は燃料電池の概念を示す。図４に示すように、燃料電池の膜電極接合体１は、イオン伝導体（プロトン伝導体）である高分子型の電解質膜１０を挟む燃料極１１および酸化剤極１２とを有する。燃料電池は、酸化剤ガス（一般的には空気または酸素ガス）を酸化剤極１２に流す酸化剤流路３２と、ガス状の燃料（一般的には水素ガスまたは水素含有ガス）を燃料極１１に流す燃料流路４２とを有する。酸化剤流路３２および燃料流路４２は配流板２により形成される。燃料極１１は、集電性およびガス拡散性を有するように炭素系の多孔質体（例えば炭素繊維の集合体）で形成されたガス拡散層１１ｅを有する。酸化剤極１２は、集電性およびガス拡散性を有するように炭素系の多孔質体（例えば炭素繊維の集合体）で形成されたガス拡散層１２ｅを有する。図４に示すように、燃料極１１は、ガス拡散層１１ｅと発電反応を促進させるための燃料用の触媒層１３とをもつ。酸化剤極１２は、ガス拡散層１２ｅと発電反応を促進させるための酸化剤用の触媒層１４とをもつ。
【００１９】
図５に示すように、燃料電池の酸化剤流路３２は、発電反応前の酸化剤ガスが供給される入口となる酸化剤用第１開口１７１と、発電反応後の酸化剤オフガスが吐出される出口となる酸化剤用第２開口１７２とを備えている。酸化剤用第１開口１７１は酸化剤供給主流路１９１に繋がる。酸化剤供給主流路１９１には酸化剤供給バルブ１８１および加湿器１８３が設けられている。酸化剤用第２開口１７２は酸化剤排出主流路１９２に繋がる。酸化剤排出主流路１９２には酸化剤排出バルブ１８２が設けられている。図５に示すように、燃料電池の燃料流路４２は、燃料用第１開口７１と、燃料用第２開口７２とを備えている。燃料用第１開口７１は、発電反応前の燃料が供給される入口および発電反応後の燃料オフガスが吐出される出口のうちの一方になる。燃料用第２開口７２は、発電反応前の燃料が供給される入口および発電反応後の燃料オフガスが吐出される出口のうちの他方になる。
【００２０】
図５に示す切替手段８は、燃料電池における燃料流路４２および酸化剤流路３２のガス流れの関係を並行流形態と対向流形態とに切替可能とするものである。本実施例では、燃料電池の内部における酸化剤ガスの流れの向きを下向きに維持しつつ、燃料電池の内部における燃料の流れの向きを上向きまたは下向きに変えるものである。図５に示すように、切替手段８は、燃料用第１開口７１に繋がる燃料供給用の第１供給バルブ８１と、燃料用第１開口７１に繋がる燃料オフガス排出用の第１排出バルブ８３と、燃料用第２開口７２に繋がる燃料供給用の第２供給バルブ８２と、燃料用第２開口７２に繋がる燃料オフガス排出用の第２排出バルブ８４とを備えている。第１供給バルブ８１および第２供給バルブ８２は燃料供給主流路９１を介して燃料源９５に繋がる。第１排出バルブ８３および第２排出バルブ８４は燃料オフガス排出主流路９２を介して燃料排出部に繋がる。本実施例によれば、電力負荷が大きく発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置２００は、対向流形態で燃料電池を運転するように切替手段８を切り替える。また、電力負荷が小さく発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、制御装置２００は、並行流形態で燃料電池を運転するように切替手段８を切替える。以下、更に説明を加える。
【００２１】
燃料電池の発電運転時には、バルブ１８１および１８２が開放するので、加湿器１８３で加湿された酸化剤ガスは、燃料電池の酸化剤用第１開口１７１から燃料電池の酸化剤流路３２に供給され、酸化剤流路３２を下向きに流れ、発電反応に使用される。燃料電池の内部で発電反応を経た後の酸化剤オフガスは、出口となる酸化剤用第２開口１７２から酸化剤排出主流路１９２に排出される。燃料電池の発電運転時には、発電量が相対的に大きい高発電領域（発電量が相対的に中間の中発電領域を含む）では、制御装置２００は、燃料電池の内部における燃料と酸化剤とのガス流れの関係が対向流となる対向流形態で運転されるように切替手段８を制御する。このような対向流形態によれば、図１に模式的に示すように、酸化剤流路３２を流れる酸化剤の上流域と燃料流路４２を流れる燃料の下流域とを対向させると共に、酸化剤流路３２を流れる酸化剤の下流域と燃料流路４２を流れる燃料の上流域とを対向させる。
【００２２】
この対向流形態によれば、具体的には、図５において、第１供給バルブ８１を開放すると共に第１排出バルブ８３を閉鎖する。更に、第２排出バルブ８４を開放すると共に第２供給バルブ８２を閉鎖する。この結果、ガス状の燃料は、燃料供給主流路９１→第１供給バルブ８１→第１分岐部１０１→燃料用第１開口７１→燃料電池内部の燃料流路４２を矢印Ｙ２方向（上向き）に流れる→燃料用第２開口７２→第２排出バルブ８４→燃料オフガス排出主流路９２に排出される。
【００２３】
これに対して、発電量が相対的に小さい低発電領域では、制御装置２００は、燃料電池の内部における燃料と酸化剤との流れの関係が並行流となる並行流形態で運転されるように切替手段８を制御する。このような並行流形態によれば、図２に模式的に示すように、燃料電池の酸化剤流路３２を流れる酸化剤の上流域と燃料電池の燃料流路４２を流れる燃料の上流域とを電解質膜１０を介して対向させると共に、燃料電池の酸化剤流路３２を流れる酸化剤の下流域と燃料電池の燃料流路４２を流れる燃料の下流域とを電解質膜１０を介して対向させる。この並行流形態によれば、具体的には、図５において、第２供給バルブ８２を開放すると共に第２排出バルブ８４を閉鎖する。更に、第１排出バルブ８３を開放すると共に第１供給バルブ８１を閉鎖する。この結果、ガス状の燃料は、燃料供給主流路９１→第２供給バルブ８２→第２分岐部１０２→燃料用第２開口７２→燃料電池内部の燃料流路４２を矢印Ｙ１方向に流れる→燃料用第１開口７１→第１分岐部１０１→第１排出バルブ８３→燃料オフガス排出主流路９２に排出される。
【００２４】
以上説明したように本実施例によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置２００は、対向流形態で運転するように切替手段８を切替える。これにより高発電量を確保しつつ、燃料電池の内部における発電分布の均一化を図り得る。これに対して発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、制御装置２００は、並行流形態で運転するように切替手段８を切替える。この結果、低発電領域において、燃料電池の燃料極１１側の燃料が燃料電池の酸化剤極１２に移行することが抑制される。この結果、電解質膜１０の性質の変化が抑制され、電解質膜１０の長寿命化および耐久性の向上を図り得、燃料電池の耐久性を向上させるのに有利である。
【実施例２】
【００２５】
図６は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。但し、燃料の流れの向きを上向きに維持しつつ、酸化剤ガスの流れの向きを下向きまたは上向きに変えるものである。図６に示すように、燃料電池の燃料流路４２は、燃料供給バルブ１８１ｘに繋がる燃料用第１開口１７１ｘと、燃料排出バルブ１８２ｘに繋がる燃料用第２開口１７２ｘとを備えている。燃料電池の酸化剤流路３２は、酸化剤用第１開口７１ｘと、酸化剤用第２開口７２ｘとを備えている。酸化剤用第１開口７１ｘは、発電反応前の酸化剤ガスが供給される入口および発電反応後の酸化剤オフガスが吐出される出口のうちの一方になる。また、酸化剤用第２開口７２ｘは、発電反応前の酸化剤ガスが供給される入口および発電反応後の酸化剤オフガスが吐出される出口のうちの他方になる。
【００２６】
図６に示すように、切替手段８ｘは、酸化剤用第１開口７１ｘに繋がる酸化剤供給用の第１供給バルブ８１ｘと、酸化剤用第１開口７１ｘに繋がる酸化剤オフガス排出用の第１排出バルブ８３ｘと、酸化剤用第２開口７２ｘに繋がる酸化剤供給用の第２供給バルブ８２ｘと、酸化剤用第２開口７２ｘに繋がる酸化剤オフガス排出用の第２排出バルブ８４ｘとを備えている。第１供給バルブ８１ｘおよび第２供給バルブ８２ｘは、酸化剤供給主流路９１ｘおよび加湿器１８３を介して酸化剤搬送源９５ｘ（例えばブロア、ファン等）に繋がる。第１排出バルブ８３ｘおよび第２排出バルブ８４ｘは酸化剤オフガス排出主流路９２ｘを介して酸化剤排出部（外気など）に繋がる。本実施例においても、電力負荷が大きく発電量が相対的に大きい高発電領域では、対向流形態で燃料電池を運転するように切替手段８ｘを切り替える。また、電力負荷が小さく発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、並行流形態で燃料電池を運転するように切替手段８ｘを切替える。
【００２７】
以下、更に説明を加える。発電運転時には、燃料供給バルブ１８１ｘおよび燃料排出バルブ１８２ｘが開放される。すると、燃料供給主流路９１の燃料は、燃料電池の燃料用第１開口１７１ｘから燃料電池の燃料流路４２に供給され、燃料流路４２を上向きに流れ、発電反応に使用される。燃料電池の内部で発電反応を経た後の燃料オフガスは、出口となる燃料用第２開口１７２ｘから燃料オフガス排出主流路９２に排出される。
【００２８】
さて、発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置２００は、燃料と酸化剤ガスとの流れの関係が対向流となる対向流形態で運転されるように切替手段８ｘを制御する。具体的には、図６において、第２供給バルブ８２ｘを開放すると共に第２排出バルブ８４ｘを閉鎖する。更に、第１排出バルブ８３ｘを開放すると共に第１供給バルブ８１ｘを閉鎖する。従って、酸化剤ガスは、酸化剤供給主流路９１ｘ→第２供給バルブ８２ｘ→第２分岐部１０２→酸化剤用第２開口７２ｘ→燃料電池の内部の酸化剤流路３２を矢印Ｙ１方向（下向き）に流れる→酸化剤用第１開口７１ｘ→第１分岐部１０１→第１排出バルブ８３ｘ→酸化剤オフガス排出主流路９２ｘに排出される。これに対して、発電量が相対的に小さい低発電領域では、制御装置２００は、燃料と酸化剤ガスとの流れの関係が並行流となる並行流形態で運転されるように切替手段８ｘを制御する。このような並行流形態によれば、具体的には、図６において、第１供給バルブ８１ｘを開放すると共に第１排出バルブ８３ｘを閉鎖する。更に、第２排出バルブ８４ｘを開放すると共に第２供給バルブ８２ｘを閉鎖する。この結果、酸化剤ガスは、酸化剤供給主流路９１ｘ→第１供給バルブ８１ｘ→第１分岐部１０１→酸化剤用第１開口７１ｘ→燃料電池内部の酸化剤流路３２を矢印Ｙ２方向（上向き）に流れる→酸化剤用第２開口７２ｘ→第２排出バルブ８４ｘ→酸化剤オフガス排出主流路９２ｘに排出される。
【００２９】
以上説明したように本実施例によれば、発電量が相対的に大きい高発電領域では、制御装置２００は、対向流形態で運転するように切替手段８ｘを切替える。これにより高発電量を確保しつつ、燃料電池の内部における発電分布の均一化を図り得る。これに対して発電量が高発電領域よりも相対的に小さい低発電領域では、制御装置２００は、並行流形態で運転するように切替手段８ｘを切替える。この結果、低発電領域において、燃料電池の燃料極１１側の燃料が燃料電池の酸化剤極１２に移行することが抑制される。この結果、電解質膜１０の長寿命化、耐久性の向上を図り得、燃料電池の耐久性を向上させるのに有利である。
【実施例３】
【００３０】
実施例３は、本発明の実施例１を適用したものである。この例について図７および図８を参照しつつ説明する。配流板２は導電性を有する材料、例えばカーボン材料または耐食性が良好な金属材料で形成されており、セパレータとも呼ばれる。配流板２は、一面側に酸化剤流路３２をもち、他面側に燃料流路４２をもつ。図７に示すように、配流板２は、縦長の四角形状をなしており、互いに対向する上辺部２０及び下辺部２１と、互いに対向する２つの側辺部２２,２３とを有する。配流板２は突起２７を有する。配流板２の突起２７は燃料極１１や酸化剤極１２に接触して電子伝導性を確保するものであり、発電反応で生成した電子を配流板２と酸化剤極１２との間で伝導させることができる。
【００３１】
図７に示すように、酸化剤入口３０は、酸化剤ガス（一般的には空気あるいは酸素ガス）を流すものであり、配流板２の上辺部２０側に横長形状に設けられている。酸化剤出口３１（酸化剤出口）は配流板２の下辺部２１側に横長形状に設けられている。酸化剤流路３２は、酸化剤入口３０から酸化剤出口３１にかけて断続的に直状に延設された多数の仕切用の突起２７により形成された直状とされている。従って、配流板２において、酸化剤ガスは、酸化剤入口３０、酸化剤流路３２、酸化剤出口３１の順に、上から下に向けて下向き（矢印Ｙ１方向）に流れる。よって、配流板２を流れる酸化剤ガスは、配流板２の一面側において上から下に向けて、基本的には下向きに流れる。
【００３２】
また、上記したように酸化剤流路３２は直状に延設されており、しかも酸化剤出口３１は配流板２の下辺部２１側に設けられているため、酸化剤流路３２に生成水が存在するときであっても、重力を利用してその生成水を下方に排出させる排出性を高めることができる。図７に示すように、突起２７は切欠部２８を介して長さ方向に断続されており、上下方向に配置されている。切欠部２８が形成されているため、仮に、生成水の詰まりが酸化剤流路３２に生じたとしても、生成水が詰まった部分を避けるように、酸化剤ガスは切欠部２８を介して生成水の詰まり部分を迂回することができ、酸化剤ガスの流れ性が確保されている。
【００３３】
次に燃料の流れについて説明を加える。図８に示すように、一方の燃料出入口４０は燃料（一般的には水素ガス、水素ガス）を流すものであり、配流板２の一方の側辺部２２の下側に縦長に設けられている。他方の燃料出入口４１は、配流板２の他方の側辺部２２の上側に縦長に設けられている。燃料流路４２は、酸化剤流路３２と表裏の関係となるように酸化剤流路３２に対向するように、配流板２の他面側に設けられている。燃料流路４２は、燃料出入口４０から燃料出入口４１に向けて複数本並行に延設されている。
【００３４】
上記した対向流形態によれば、燃料の流れは、酸化剤ガスの流れ方向と逆であり、基本的には上向き（矢印Ｙ２方向）であるため、燃料流路４２の下部（上流）側に存在する生成水を上向きに運び、燃料流路４２の上部（下流）に移送させることができる。そして、生成水は電解質膜１０を透過して酸化剤極１２及び燃料極１１との間で往来するため、燃料電池を構成する酸化剤極１２及び燃料極１１について、上部と下部との間における湿分ムラが低減され、ひいては配流板２の上部と下部との間における発電ムラが低減され易い。このように発電ムラを低減させるためには、燃料流路４２の上下方向に沿った縦流路（後述する第２流路４２ｂ）の長さを長く設定することが好ましい。以下述べるように本実施例はこのような構造に設定されている。
【００３５】
図８に示すように、燃料流路４２は、燃料出入口４０から横方向に沿って（つまり下辺部２１に沿って）延設された第１流路４２ａと、第１流路４２ａの終部に連通すると共に縦方向に沿って（つまり側辺部２２,２３に沿って）延設された第２流路４２ｂと、第２流路４２ｂの上部に連通すると共に横方向に沿って（つまり上辺部２０に沿って）延設された第３流路４２ｃとを有する。図８に示すように第１流路４２ａと第２流路４２ｂとはＬ字形状とされている。第２流路４２ｂと第３流路４２ｃとはＬ字形状とされている。第１流路４２ａ、第２流路４２ｂ、第３流路４２ｃは、突起２７ｘにより延設されている。ここで、対向流形態によれば、配流板２において、燃料は、燃料出入口４０、第１流路４２ａ、第２流路４２ｂ、第３流路４２ｃ、燃料出入口４１の順に上向き（矢印Ｙ２方向）に流れる。図８に示すように、各第２流路４２ｂは、電子伝導性を確保する突起としても機能できる分岐壁４７により複数に分岐されている。直状をなす分岐壁４７は上端４７ｕ及び下端４７ｄをもつ。
【００３６】
複数の分岐壁４７についてみると、分岐壁４７の下端４７ｄは、図８に示すように、燃料出入口４０から遠ざかるにつれて下降するように傾斜する仮想傾斜線Ｒ１に沿って次第に下降傾斜している。また、分岐壁４７の上端４７ｕは、燃料出入口４１から遠ざかるにつれて上昇するように傾斜する仮想傾斜線Ｒ２に沿って次第に上昇傾斜している。図８に示すように、仮想傾斜線Ｒ１と仮想傾斜線Ｒ２とは互いに平行、あるいは、ほぼ平行とすることができる。なお、仮想傾斜線Ｒ１と仮想傾斜線Ｒ２とで区画される領域は、平行四辺形またはほぼ平行四辺形とされている。
【００３７】
図８に示すように、第１流路４２ａと第２流路４２ｂとの連結部分、第２流路４２ｂと第３流路４２ｃとの連結部分は、燃料が流れる燃料流路４２が屈曲する屈曲流路４９（４９ｄ，４９ｕ）を構成する。即ち、仮想傾斜線Ｒ１及び仮想傾斜線Ｒ２に対応する部分は、燃料が流れる燃料流路４２が屈曲する屈曲流路４９を構成する。このように燃料流路４２は屈曲流路４９を有している。図８に示すように、１本の第１流路４２ａの流路幅をＤ１とし、１本の第２流路４２ｂの流路幅をＤ２、１本の第３流路４２ｃの流路幅をＤ３として示す。Ｄ１＞Ｄ２の関係、Ｄ３＞Ｄ２の関係、Ｄ１≒Ｄ３（Ｄ１=Ｄ３）の関係とされている。但しこれに限定されるものではない。
【００３８】
図８に示すように、各燃料流路４２を構成する第１流路４２ａで形成された第１流路群の全体幅（ガス流れを横断する方向の全体幅）をＬＡとし、各燃料流路４２を構成する第２流路４２ｂで形成された第２流路群の全体幅（ガス流れを横断する方向の全体幅）をＬＢとするとき、ＬＡ＜ＬＢの関係に設定されている。また、各燃料流路４２を構成する第３流路４２ｃで形成された第３流路群の全体幅をＬＣとするとき、ＬＣ＜ＬＢの関係に設定されている。ここで、ＬＡ=ＬＣ、ＬＡ≒ＬＣとされている。上記したような本例によれば、燃料流路４２のうち上下方向に延設された第２流路４２ｂの長さＭ１，Ｍ２（図８参照）を増加させることができる。ひいては、燃料流路４２の第２流路４２ｂの占める領域ＳＡの面積を増加させることができる。この結果、酸化剤ガスと燃料とが逆向きで流れる対向流形態の面積を増加させることができる。このため対向流形態の利点を生かのに有利となる。なお図７,図８に示すように、配流板２には、燃料電池を冷却させるための冷却水を流入させる冷却水入口５０が形成されていると共に、冷却水を流出させる冷却水出口５１が形成されている。冷却水入口５０及び冷却水出口５１に連通する冷却水流路は図略の配流板に形成されている。図７および図８に示す本実施例によれば、高発電領域において、下側の燃料出入口４０を燃料供給用として使用し、上側の燃料出入口４１を燃料排出用として使用すれば、燃料流路４２における燃料の基本的流れは上向き（矢印Ｙ２方向）となるため、対向流形態に切替えることができる。これに対して、低発電領域において、前記した下側の燃料出入口４０を燃料排出用として使用し、前記した上側の燃料出入口４１を燃料供給用として使用すれば、燃料流路４２における燃料の基本的流れは下向き（矢印Ｙ２方向と反対方向）となるため、並行流形態に切替えることができる。
【００３９】
（その他）
図７および図８はあくまでも酸化剤流路３２および燃料流路４２の一例を示すものであり、酸化剤流路３２の形状は図７に示す構造に限定されるものではなく、適宜変更できるものであり、燃料流路４２の形状は図８に示す構造に限定されるものではなく、適宜変更できるものである。上記した実施例によれば、バルブ８３，８４、バルブ８３ｘ，８４ｘによって切り替えているが、分岐点１０１，１０２に切替弁（例えば三方弁）を設けて切り替えても良い。本発明は上記しかつ図面に示した実施例のみに限定されるものでなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は例えば定置用、車両用、携帯用、電気機器用、電子機器用等の燃料電池発電システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】燃料電池の燃料流路を流れる燃料の流れと酸化剤流路を流れる酸化剤ガスの流れとを対向流形態としているときにおける概念図である。
【図２】燃料電池の燃料流路を流れる燃料の流れと酸化剤流路を流れる酸化剤ガスの流れとを並行流形態としているときにおける概念図である。
【図３】燃料極から酸化剤極に移行する燃料の移行量と電流密度との関係を模式的に示すグラフである。
【図４】燃料電池の内部を示す概念図である。
【図５】実施例１に係り、燃料電池に繋がるバルブを有するレイアウト図である。
【図６】実施例２に係り、燃料電池に繋がるバルブを有するレイアウト図である。
【図７】配流板の酸化剤流路側を模式的に示す正面図である。
【図８】配流板の燃料流路側を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
【００４２】
図中、１は膜電極接合体、１０は電解質膜、１１は燃料極、１２は酸化剤極、３２は酸化剤流路、４２は燃料流路、７１は第１開口、７２は第２開口、８は切替手段、８１は第１供給バルブ、８２は第２供給バルブ、８３は第１排出バルブ、８４は第２排出バルブを示す。
【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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【図８】
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