(57)【要約】【課題】発電性能を向上させることが可能な燃料電池システムの運転方法、及び、当該運転方法を適用可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】膜電極構造体と、膜電極構造体の一方の側に配設される第１セパレータと、膜電極構造体の他方の側に配設される第２セパレータと、を備える燃料電池システムを運転する方法であって、第１セパレータ及び／又は第２セパレータの膜電極構造体側の面に、２系統以上のガス流路が備えられ、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂが、上記２系統以上のガス流路に含まれるとき、ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力とが異なる状態で運転される工程、を有する、燃料電池の運転方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極構造体と、前記膜電極構造体の一方の側に配設される第１セパレータと、前記膜電極構造体の他方の側に配設される第２セパレータと、を備える燃料電池を運転する方法であって、
前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータの前記膜電極構造体側の面に、２系統以上のガス流路が備えられ、
ガス流路Ａ及びガス流路Ｂが、前記２系統以上のガス流路に含まれるとき、
前記ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、前記ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力とが異なる状態で運転される工程、を有することを特徴とする、燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記ガス流路Ａ及び前記ガス流路Ｂの少なくとも一部が、平行であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記膜電極構造体と、前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータとの間に、ガス拡散層が備えられ、
前記ガス流路Ａと対向する前記ガス拡散層の部位を部位Ｘ、前記ガス流路Ｂと対向する前記ガス拡散層の部位を部位Ｙとし、前記ガス流路Ａを流れるガスは前記ガス流路Ｂを流れるガスよりも流速が大きい又は圧力が低いとき、
前記部位Ｘの通気性が前記部位Ｙの通気性よりも高いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項４】
膜電極構造体と、前記膜電極構造体の一方の側に配設される第１セパレータと、前記膜電極構造体の他方の側に配設される第２セパレータと、を備え、
前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータの前記膜電極構造体側の面に、２系統以上のガス流路が備えられ、
ガス流路Ａ及びガス流路Ｂが、前記２系統以上のガス流路に含まれるとき、
前記ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、前記ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力との間に差を設けることが可能な流速差発生手段及び／又は圧力差発生手段、が備えられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス流路Ａ及び前記ガス流路Ｂの少なくとも一部が、平行であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記膜電極構造体と、前記第１セパレータ及び／又は前記第２セパレータとの間に、ガス拡散層が備えられ、
前記ガス流路Ａと対向する前記ガス拡散層の部位を部位Ｘ、前記ガス流路Ｂと対向する前記ガス拡散層の部位を部位Ｙとし、前記ガス流路Ａを流れるガスが、前記ガス流路Ｂを流れるガスよりも流速が大きい又は圧力が低いとき、
前記部位Ｘの通気性が前記部位Ｙの通気性よりも高いことを特徴とする、請求項４又は５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、燃料電池の運転方法及び燃料電池システムに関し、特に、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法、及び、当該運転方法を適用可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述することがある。）は、電解質膜と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述することがある。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体（例えば、セパレータ）を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用されるＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣ（以下、「燃料電池」ということがある。）の運転時には、アノードに水素含有ガス（以下、「水素」という。）が、カソードに酸素含有ガス（以下、「酸素」という。）が、それぞれ供給されることにより、電力が発生する。また、カソードにおいて水が生成される。
【０００４】
ここで、燃料電池の運転時に生成される水の量は、燃料電池の運転状態と相関があり、負荷以外の条件が同じであれば、一般に、高負荷運転時には低負荷運転時よりも多量の水が生成される。高負荷運転時に生成された水の一部は、上記電気化学反応に利用されなかった水素又は酸素とともに単セル外へと排出され得るが、単セル外へと排出可能な量以上の水が生成されると、余剰水が単セル内に留まり、単セル内が水浸しになるフラッディング状態となりやすい。フラッディング状態になると、ＭＥＡへの水素及び酸素の拡散が阻害されるため、燃料電池の発電性能が低下する。したがって、燃料電池の発電性能を向上させるには、排水性を向上させることが望ましい。
【０００５】
燃料電池の排水性を向上させること等を目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟んで配置した空気極および燃料極と、前記空気極に酸化剤ガスを供給排出し、前記燃料極に燃料ガスを供給排出するガス流路溝を形成した一対のセパレータ板を前記燃料極と前記空気極とを挟んで配置することで構成した高分子電解質型燃料電池において、前記燃料極、前記空気極または前記セパレータ板の少なくとも一ヵ所に、水除去用流路を配置する技術が開示されている。この技術によれば、ガス流路の閉塞を回避できるばかりでなく、発電量が多い場合にも効率的にガスを触媒層に供給でき、燃料電池の体積当たりの発電量を増大させることが出来る、としている。なお、特許文献１の高分子電解質型燃料電池は、上記ＰＥＦＣに相当する。
【特許文献１】特開２００１−１１０４３２号公報
【特許文献２】特開２００１−４３８７２号公報
【特許文献３】特開２００４−２４７２８９号公報
【特許文献４】特開２００６−４７０２号公報
【特許文献５】特開２００５−２５１６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術において、水除去用流路はガスの供給に寄与していないため、特許文献１に開示されている技術ではガスの供給効率が低く、燃料電池の発電性能を向上させることが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法、及び、当該運転方法を適用可能な燃料電池システム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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の本発明は、膜電極構造体と、膜電極構造体の一方の側に配設される第１セパレータと、膜電極構造体の他方の側に配設される第２セパレータと、を備える燃料電池を運転する方法であって、第１セパレータ及び／又は第２セパレータの膜電極構造体側の面に、２系統以上のガス流路が備えられ、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂが、上記２系統以上のガス流路に含まれるとき、ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力とが異なる状態で運転される工程、を有することを特徴とする、燃料電池の運転方法である。
【０００９】
請求項１に記載の本発明及び以下の本発明において、「第１セパレータ及び／又は第２セパレータの膜電極構造体側の面に、２系統以上のガス流路が備えられ」とは、第１セパレータの膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」という。）側の面にのみ２系統以上のガス流路が備えられる形態（以下、本段落において「第１形態」という。）、第２セパレータのＭＥＡ側の面にのみ２系統以上のガス流路が備えられる形態（以下、本段落において「第２形態」という。）、並びに、第１セパレータのＭＥＡ側の面及び第２セパレータのＭＥＡ側の面に２系統以上のガス流路が備えられる形態（以下、本段落において「第３形態」という。）、が想定されることを意味する。さらに、請求項１に記載の本発明及び以下の本発明において、「ガス流路Ａ及びガス流路Ｂが上記２系統以上のガス流路に含まれるとき」とは、第１形態では、第１セパレータにガス流路Ａ及びガス流路Ｂが備えられ、第２形態では、第２セパレータにガス流路Ａ及びガス流路Ｂが備えられることを意味する。そして、第３形態では、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂ（後述するガス流路２５ａ及びガス流路２５ｂに相当）が第１セパレータに備えられるとともに、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂ（後述するガス流路２６ａ及びガス流路２６ｂに相当）が第２セパレータに備えられることを意味する。すなわち、第３形態の場合には、一のセパレータに備えられる２系統以上のガス流路から抽出される一のガス流路（ガス流路Ａ）を流れるガスの流量及び／又は圧力と、当該一のセパレータに備えられる２系統以上のガス流路から抽出される他のガス流路（ガス流路Ｂ）を流れるガスの流量及び／又は圧力とが異なることを意味する。
【００１０】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の運転方法において、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂの少なくとも一部が、平行であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の運転方法において、膜電極構造体と、第１セパレータ及び／又は第２セパレータとの間に、ガス拡散層が備えられ、ガス流路Ａと対向するガス拡散層の部位を部位Ｘ、ガス流路Ｂと対向するガス拡散層の部位を部位Ｙとし、ガス流路Ａを流れるガスはガス流路Ｂを流れるガスよりも流速が大きい又は圧力が低いとき、部位Ｘの通気性が部位Ｙの通気性よりも高いことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の本発明及び以下の本発明において、「膜電極構造体と、第１セパレータ及び／又は第２セパレータとの間に、ガス拡散層が備えられ」とは、ＭＥＡと第１セパレータとの間にのみガス拡散層が備えられる形態、ＭＥＡと第２セパレータとの間にのみガス拡散層が備えられる形態、並びに、ＭＥＡと第１セパレータとの間、及び、ＭＥＡと第２セパレータとの間にガス拡散層が備えられる形態が想定されることを意味する。さらに、「ガス流路Ａと対向するガス拡散層の部位を部位Ｘ、ガス流路Ｂと対向するガス拡散層の部位を部位Ｙとし、ガス流路Ａを流れるガスはガス流路Ｂを流れるガスよりも流速が大きい又は圧力が低いとき、部位Ｘの通気性が部位Ｙの通気性よりも高い」とは、２系統以上のガス流路が一方の面又は両面に備えられるセパレータの、２系統以上のガス流路と対向するガス拡散層に、相対的に通気性の高い部位（部位Ｘ）と相対的に通気性の低い部位（部位Ｙ）が備えられ、当該ガス拡散層の部位Ｘが、相対的に高流速又は低圧力のガスが流通するガス流路Ａと対向し、当該ガス拡散層の部位Ｙが相対的に低流速又は高圧力のガスが流通するガス流路Ｂと対向することを意味する。ここで、ガス拡散層の通気性は、例えば、ＪＩＳ  Ｐ８１１７：１９９８「紙及び板紙−透気度試験方法−ガーレー試験機法」に規定される方法等により測定される透気度の値によって、評価することができる。
【００１３】
請求項３に記載の本発明及び以下の本発明において、部位Ｘと部位Ｙとの通気性（透気度）の差は、下記効果を奏する差であれば、特に限定されるものではない。ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力との差等にもよるが、透気度の差は、例えば、１．０μｍ／Ｐａ・ｓｅｃ程度とすることが好ましい。
【００１４】
請求項４に記載の本発明は、膜電極構造体と、膜電極構造体の一方の側に配設される第１セパレータと、膜電極構造体の他方の側に配設される第２セパレータと、を備え、第１セパレータ及び／又は第２セパレータの膜電極構造体側の面に、２系統以上のガス流路が備えられ、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂが、上記２系統以上のガス流路に含まれるとき、ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力との間に差を設けることが可能な流速差発生手段及び／又は圧力差発生手段、が備えられることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂの少なくとも一部が、平行であることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の本発明は、請求項４又は５に記載の燃料電池システムにおいて、膜電極構造体と、第１セパレータ及び／又は第２セパレータとの間に、ガス拡散層が備えられ、ガス流路Ａと対向するガス拡散層の部位を部位Ｘ、ガス流路Ｂと対向するガス拡散層の部位を部位Ｙとし、ガス流路Ａを流れるガスが、ガス流路Ｂを流れるガスよりも流速が大きい又は圧力が低いとき、部位Ｘの通気性が部位Ｙの通気性よりも高いことを特徴とする。
【００１７】
ここに、「部位Ｘの通気性が部位Ｙの通気性よりも高い」とは、２系統以上のガス流路を備えるセパレータの当該２系統以上のガス流路と対向するガス拡散層に、相対的に通気性の高い部位（部位Ｘ）と相対的に通気性の低い部位（部位Ｙ）が備えられること、すなわち、ガス拡散層に、部位Ｙよりも通気性の高い部位Ｘと、当該部位Ｘよりも通気性の低い部位Ｙが備えられることを意味する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の本発明によれば、ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力とが異なる状態で運転される時間帯が備えられる。かかる状態で運転されれば、ベルヌーイの定理により、ガス流路Ｂからガス流路Ａへと水を移動させる駆動力を発生させることができる。そのため、ＭＥＡから水が排出されやすい状態で運転することができるので、排水性を向上させることにより発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法を提供できる。
【００１９】
請求項２に記載の本発明によれば、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂの少なくとも一部が平行なので、ガス流路Ｂからガス流路Ａへと水が移動しやすい。したがって、かかる構成とすることで、排水性を向上させることが容易になる。
【００２０】
請求項３に記載の本発明によれば、ガス流路Ａと対向するガス拡散層部位Ｘの通気性が、ガス流路Ｂと対向するガス拡散層部位Ｙの通気性よりも高いので、ガス拡散層内の水は、部位Ｙから部位Ｘへと移動しやすい。したがって、かかる構成とすることで、排水性をより一層向上させることが可能になる。
【００２１】
請求項４に記載の本発明によれば、流速差発生手段及び／又は圧力差発生手段が備えられている。それゆえ、ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力とが異なる状態で運転することができる。したがって、ＭＥＡから水が排出されやすい状態で運転することができるので、排水性を向上させることにより発電性能を向上させることが可能な燃料電池システムを提供できる。
【００２２】
請求項５に記載の本発明によれば、ガス流路Ａ及びガス流路Ｂの少なくとも一部が平行なので、ガス流路Ｂからガス流路Ａへと水が移動しやすい。したがって、かかる構成とすることで、排水性を向上させることが容易になる。
【００２３】
請求項６に記載の本発明によれば、同一ガス拡散層内の部位Ｙよりも通気性の高い部位Ｘと当該部位Ｘよりも通気性の低い部位Ｙとを有するガス拡散層が、セパレータの２系統以上のガス流路と対向するように備えられる。そのため、ガス拡散層内の水は、部位Ｙから部位Ｘへと移動しやすく、排水性をより一層向上させることが可能になる。また、かかる形態のガス拡散層は、流速差発生手段として機能させることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
燃料電池の運転時にカソードで生成された水は、セパレータのガス流路内を流れる水素又は酸素（以下、これらをまとめて「反応ガス」ということがある。）とともに、単セル外へと排出され得る。それゆえ、燃料電池の排水性を向上させることによって発電性能を向上させるには、ＭＥＡからガス流路へと水が移動しやすい状態で燃料電池を運転することが重要であり、ＭＥＡからガス流路へと水が移動しやすい構造の燃料電池システムとすることが重要である。燃料電池の排水性向上を目的とした技術として、これまでに、燃料極、空気極、セパレータ板の少なくとも一ヵ所に水除去用流路を配置する技術や、隣り合う流体通路の流れ方向を逆にする技術のほか、同一系統の流路内で反応ガスの流速を変化させる技術等が提案されている。ところが、水除去用流路を配置すると、当該流路は反応ガスをＭＥＡへと供給する際には機能しないため、多量の反応ガスが必要とされる高負荷運転時等に、燃料電池の発電性能が低下しやすい。また、流れ方向を逆にする技術や同一系統の流路内で反応ガスの流速を変化させる技術によれば、ＭＥＡ内に均一に水を含ませること等が可能になると考えられるが、ＭＥＡからガス流路への水の移動を容易にする効果は得られ難い。したがって、これまでの技術によって、燃料電池の発電性能を向上させることは困難であった。
【００２５】
本発明はかかる観点からなされたものであり、ＭＥＡからガス流路へと水が移動しやすい形態で運転することで、燃料電池の排水性を向上させ、発電性能を向上させることが可能な燃料電池の運転方法を提供することを第１の要旨とする。さらに、当該運転方法を適用することが可能な燃料電池システムを提供することを第２の要旨とする。
【００２６】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の運転方法、及び、燃料電池システムの実施形態について、具体的に説明する。
【００２７】
１．燃料電池の運転方法
図１は、本発明の燃料電池の運転方法（以下、「本発明の運転方法」という。）の形態例を示す概念図であり、縦軸が負荷率、横軸が運転時間（ｈ）である。図１では、運転を開始された燃料電池が、始動直後から負荷を単調に増加させ、低負荷運転状態から高負荷運転状態へと移行し、負荷が最大となる状態で運転された後、負荷を単調に減少させ、高負荷運転状態から低負荷運転状態へと移行した後、運転が停止される、簡略化した運転状態を想定している。ここで、負荷率とは、運転時の負荷を、最大負荷で除すことにより得られる値であり、負荷率０．８以上が高負荷運転状態と仮定している。一方、図２は、本発明の運転方法が適用される燃料電池システムに備えられる単セルの形態例を示す断面図であり、互いに平行な２系統のガス流路を備える第１セパレータ及び第２セパレータ、を有する単セルの一部のみを拡大して示している。図３は、図２に点線で示される部位の拡大図である。以下、図１〜図３を適宜参照しつつ、本発明の運転方法について説明する。
【００２８】
上述のように、高負荷運転時にはカソードで大量の水が生成されるため、カソード側でフラッディング状態となりやすい。それゆえ、本発明では、高負荷運転時（図１でβで表される時間帯に相当）に、例えば、セパレータに備えられる２系統のガス流路の、一方のガス流路を流れるガスの流速を、他方のガス流路を流れるガスの流速よりも大きくする。
【００２９】
一方、燃料電池の運転時に、プロトンをＭＥＡ内で移動させるためには、ＭＥＡに含有される電解質成分を含水状態に維持する必要がある。ここで、例えば氷点下等の低温環境で始動される燃料電池の運転終了後に、単セルやガス流路に水が残存すると、当該残存した水が凍結して、燃料電池の始動性が低下する虞がある。そのため、燃料電池は、通常、ガス流路を介して乾燥ガスをＭＥＡへと供給することにより単セルを掃気し、ＭＥＡやガス流路等に残った水を外部へ排出した後、運転が停止される。それゆえ、燃料電池の始動時には、ＭＥＡが乾燥しており、かかる乾燥したＭＥＡを加湿するため、燃料電池の始動時には、ＭＥＡの乾燥を抑制する（加湿する）必要がある。上述のように、例えば、ガス流路Ａを流れるガスの流速を、ガス流路Ｂを流れるガスの流速よりも大きくすると、ＭＥＡ内の水がガス流路へと移動しやすくなるため、ＭＥＡが乾燥しやすくなる。したがって、燃料電池の始動時及び始動直後には、ガス流路Ａを流れるガスとガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力を略同一とし、ＭＥＡの乾燥を抑制することが好ましい。
【００３０】
加えて、低負荷運転時には、高負荷運転時と比較して、生成される水の量が少ない。そのため、高負荷運転時と比較して、低負荷運転時には、ＭＥＡが乾燥しやすい。したがって、燃料電池の始動時及び始動直後と同様に、低負荷運転時にも、ガス流路Ａを流れるガスとガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力を略同一とし、ＭＥＡの乾燥を抑制することが好ましい。かかる観点から、本発明の運転方法では、図１にβで表される高負荷運転時にのみ、ガス流路Ａを流れるガスの流速を、ガス流路Ｂを流れるガスの流速よりも大きくし、負荷率が０．８未満の低負荷運転時（図１でα又はγで表される時間帯に相当）には、ガス流路Ａを流れるガスの流速及び／又は圧力と、ガス流路Ｂを流れるガスの流速及び／又は圧力を、略同一とする。このようにすれば、生成水を積極的に単セル外へと排出することが望まれる高負荷運転時にのみ排水性を向上させ、ＭＥＡを加湿することが望まれる低負荷運転時にはＭＥＡの乾燥を抑制することができる。したがって、本発明の運転方法によれば、ＭＥＡの含水状態を適切に制御することができ、燃料電池の発電性能を向上させることが可能になる。
【００３１】
図２に示すように、本発明の運転方法を適用可能な単セル２０は、電解質膜２１と、該電解質膜２１の一方の側に備えられるアノード２２及び他方の側に備えられるカソード２３と、アノード２２側に備えられる第１セパレータ２５及びカソード２３側に備えられる第２セパレータ２６と、を備えている。アノード２２には、アノード触媒層２２ａ及びアノードガス拡散層２２ｂが備えられるとともに、カソード２３には、カソード触媒層２３ａ及びカソードガス拡散層２３ｂが備えられ、ＭＥＡ２４には、電解質膜２１と、アノード触媒層２２ａ及びカソード触媒層２３ａと、が備えられている。単セル２０の第１セパレータ２５には、互いに平行なガス流路２５ａ、２５ａ、…、及び、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…が備えられ、第２セパレータ２６には、互いに平行なガス流路２６ａ、２６ａ、…、及び、ガス流路２６ｂ、２６ｂ、…が備えられている。そして、アノードガス拡散層２２ｂは、ガス流路２５ａ、２５ａ、…と対向する部位Ｘ、Ｘ、…の通気性が、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…と対向する部位Ｙ、Ｙ、…の通気性よりも高くなるように構成され、カソードガス拡散層２３ｂは、ガス流路２６ａ、２６ａ、…と対向する部位Ｘ、Ｘ、…の通気性が、ガス流路２６ｂ、２６ｂ、…と対向する部位Ｙ、Ｙ、…の通気性よりも高くなるように構成されている（図２及び図３参照）。
【００３２】
単セル２０において、電解質膜２１、アノード触媒層２２ａ、及び、カソード触媒層２３ａには、例えば、パーフルオロスルホン酸系のポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ等。「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。以下、単に「Ｎａｆｉｏｎ」ということがある。）が含有されている。アノード触媒層２２ａ及びカソード触媒層２３ａには、さらに、触媒（例えば、白金等）が含有されている。そして、アノードガス拡散層２２ｂ及びカソードガス拡散層２３ｂは、例えば、カーボンペーパー等により構成され、部位Ｙ、Ｙ、…にカーボンナノチューブ、カーボンファイバー、黒鉛粒子（グラファイト）、アモルファスカーボン等の炭素系材料を含浸させる等の方法により、部位Ｙ、Ｙ、…の通気性（透気度）が部位Ｘ、Ｘ、…の通気性（透気度）よりも低くなるように構成されている。さらに、第１セパレータ２５及び第２セパレータ２６は、例えば、炭素材料等により構成されている。そして、単セル２０の高負荷運転時には、例えば、ガス流路２５ａ、２５ａ、…に、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…を介して供給される水素よりも高流速の水素が供給されるとともに、ガス流路２６ａ、２６ａ、…に、ガス流路２６ｂ、２６ｂ、…を介して供給される酸素よりも高流速の酸素が供給される。なお、アノードガス拡散層２２ｂ及び／又はカソードガス拡散層２３ｂは、ペーパーの目付けを変える（部位Ｙ、Ｙ、…を部位Ｘ、Ｘ、…よりも緻密にする）ことにより、部位Ｙ、Ｙ、…の通気性が、部位Ｘ、Ｘ、…の通気性よりも低くなるように構成することも可能である。
【００３３】
ガス流路２５ａ、２５ａ、…へ相対的に高流速の水素が、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…へ相対的に低流速の水素が、それぞれ供給されると、ベルヌーイの定理により、ガス流路２５ａ、２５ａ、…内の圧力は、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…内の圧力よりも低くなる。そのため、互いに隣接するガス流路２５ａ、２５ａ、…とガス流路２５ｂ、２５ｂ、…との間には、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…からガス流路２５ａ、２５ａ、…へと向かう力が生じる。同様に、ガス流路２６ａ、２６ａ、…へ相対的に高流速の酸素が、ガス流路２６ｂ、２６ｂ、…へ相対的に低流速の酸素が、それぞれ供給されると、ベルヌーイの定理により、ガス流路２６ｂ、２６ｂ、…からガス流路２６ａ、２６ａ、…へと向かう力が生じる。それゆえ、ガス流路２５ａ、２５ａ、…を流れるガスの流速を、ガス流路２５ｂ、２５ｂ、…を流れるガスの流速よりも大きくすると、アノードガス拡散層２２ｂに存在する水がガス流路２５ａ、２５ａ、…へと移動しやすくなり、ＭＥＡ２４に含まれる水もガス流路２５ａ、２５ａ、…へと移動しやすくなる。同様に、ガス流路２６ａ、２６ａ、…を流れるガスの流速を、ガス流路２６ｂ、２６ｂ、…を流れるガスの流速よりも大きくすると、カソードガス拡散層２３ｂに存在する水がガス流路２６ａ、２６ａ、…へと移動しやすくなり、ＭＥＡ２４に含まれる水もガス流路２６ａ、２６ａ、…へと移動しやすくなる。したがって、かかる形態で運転すれば、ＭＥＡ２４に含まれる水が、ガス流路２５ａ、２５ａ、…、及び、ガス流路２６ａ、２６ａ、…から排出されやすくなるので、排水性を向上させることが可能になる。
【００３４】
さらに、単セル２０に備えられるアノードガス拡散層２２ｂ及びカソードガス拡散層２３ｂには、相対的に通気性の高い部位Ｘ、Ｘ、…と、相対的に通気性の低い部位Ｙ、Ｙ、…が備えられている。このように、通気性の異なる部位が備えられると、アノードガス拡散層２２ｂ及びカソードガス拡散層２３ｂに存在する水は、通気性の低い部位Ｙ、Ｙ、…から通気性の高い部位Ｘ、Ｘ、…の方へと移動しやすい。したがって、隣り合うガス流路内を流れるガスの流速に差をつけるとともに、ガス拡散層内の通気性に差をつけることで、高負荷運転時に、単セル２０内の余分な水を、ガス流路２５ａ、２５ａ、…、及び、ガス流路２６ａ、２６ａ、…から効率良く排出することができる。
【００３５】
２．燃料電池システム
図４及び図５は、本発明の燃料電池システムに備えられるセパレータの形態例を概略的に示す正面図である。図６は、本発明の燃料電池システムの形態例を示す概略図であり、本発明の燃料電池システムの一部のみを示している。図４又は図６において、図２に示す部材と同様の構成を採るものには、図２で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図２〜図６を適宜参照しつつ、本発明の燃料電池システムについて説明する。
【００３６】
図４は、略同一の流路断面積を有するとともに、少なくとも一部が平行なガス流路２５ａ及びガス流路２５ｂが備えられる形態のセパレータ２５を示しており、一方のガス流路の入口と他方のガス流路の出口が隣接するとともに、一方のガス流路の出口と他方のガス流路の入口が隣接する形態のガス流路２５ａ及びガス流路２５ｂが、備えられている。セパレータ２５のように、２系統のガス流路の流路断面積が略同一である場合には、例えば、単セルの外に備えられる流路差発生手段（図４では不図示）によって異なる流速に制御された反応ガスを、ガス流路２５ａ及びガス流路２５ｂへ供給することにより、高負荷運転時における排水性を向上させ、これにより、燃料電池システムの発電性能を向上させることが可能になる。
【００３７】
一方、図５は、流路断面積がガス流路５２よりも大きいガス流路５１及び流路断面積がガス流路５１よりも小さいガス流路５２が、ガス流路の全長に亘って平行に備えられる形態のセパレータ５０を示しており、ガス流路５１及びガス流路５２の入口と、ガス流路５１及びガス流路５２の出口は、それぞれ共通の入口及び出口となるように構成されている。このように流路断面積が異なる形態のガス流路が備えられている場合には、共通の入口から供給されたガスのうち、ガス流路５１を流れるガスの流速は相対的に小さく、ガス流路５２を流れるガスの流速は相対的に大きくなり、ベルヌーイの定理により、ガス流路５１の圧力がガス流路５２の圧力よりも高くなる。そのため、かかる形態であっても、断面積の大きいガス流路５１から断面積の小さいガス流路５２へと向かう力を生じさせることができるので、セパレータ５０が備えられる形態とすれば排水性を向上させることが可能になり、これにより、燃料電池システムの発電性能を向上させることが可能になる。
【００３８】
図６に示すように、本発明の燃料電池システム１００は、複数の単セル２０、２０、…を備えるセルスタック６０と、水素供給ライン６１及び水素排出ライン６２と、酸素供給ライン６３及び酸素排出ライン６４と、セパレータに備えられる複数のガス流路内を流れる水素又は酸素の流速に差を設けることが可能な流速差発生手段６５、６６と、流速差発生手段６５、６６の動作を制御可能な制御装置７０と、を備えている。水素供給ライン６１は、ガス流路２５ａ及びガス流路２５ｂを介してＭＥＡ２４へと供給される水素が流通可能であり、水素排出ライン６２は、ＭＥＡ２４で使用されなかった水素等が流通可能である。また、酸素供給ライン６３は、ガス流路２６ａ及びガス流路２６ｂを介してＭＥＡ２４へと供給される酸素が流通可能であり、酸素排出ライン６４は、ＭＥＡ２４で使用されなかった酸素等が流通可能である。そして、流速差発生手段６５、６６は、例えば、バルブ等により構成される。なお、以下において、水素供給ライン６１、水素排出ライン６２、酸素供給ライン６３、及び、酸素排出ライン６４をまとめて、「ライン」と表記することがある。
【００３９】
流速差発生手段６５、６６の動作を始めとする、燃料電池システム１００の動作は、制御装置７０によって制御される。制御装置７０には、燃料電池システム１００各部の動作制御を実行するＣＰＵ７１と、そのＣＰＵ７１に対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ７１は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ７１に対する記憶装置は、例えば、燃料電池システム１００の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ７２と、ＣＰＵ７１の作業領域として機能するＲＡＭ７３等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ７１が、ＲＯＭ７２に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の燃料電池システム１００における制御装置７０が機能する。
【００４０】
セルスタック６０の運転状態に関する信号は、入力ポート７５を介して、入力信号としてＣＰＵ７１へと達する。一方で、タイマ７４より発せられた時間に関する信号（例えば、セルスタック６０の動作停止後に単セル２０、２０、…やラインを掃気するために必要とされるガスを流通させる時間等に関する信号）も、ＣＰＵ７１へと到達する。ＣＰＵ７１は、上記各信号、及び、ＲＯＭ７２に記憶されたプログラムに基いて、出力ポート７６を介して、流速差発生手段６５、６６に対する動作指令を制御する。流速差発生手段６５、６６は、ＣＰＵ７１から与えられた動作指令に応じて、水素供給ライン６１、酸素供給ライン６３を流通する水素、酸素の流速を制御する。
【００４１】
本発明の燃料電池システム１００は、単セル２０、２０、…、及び、流速差発生手段６５、６６、及び、制御装置７０を備えている。そのため、高負荷運転時等に、流速差発生手段６５によって大きな流速とされた水素をガス流路２５ａへ、小さな流速とされた水素をガス流路２５ｂへそれぞれ供給するとともに、流速差発生手段６６によって大きな流速とされた酸素をガス流路２６ａへ、小さな流速とされた酸素をガス流路２６ｂへそれぞれ供給することができる。したがって、燃料電池システム１００によれば、高負荷運転時等にＭＥＡ２４で生成された多量の水を効率良く単セル２０、２０、…の外へ排出することができ、これにより、発電性能を向上させることができる。
【００４２】
本発明の燃料電池の運転方法、及び、本発明の燃料電池システム（以下、これらをまとめて単に「本発明」という。）に関する上記説明では、ガス流路内を流れるガスの流速を制御することで、排水性向上効果が得られる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。流速を制御すれば、ベルヌーイの定理により、ガス流路間で圧力差が生じ、当該圧力差によって、ＭＥＡ内の水を容易に排出することが可能になるところ、ガス流路内を流れる反応ガスの圧力を制御することによっても、同様の効果を得ることができる。セパレータに２系統以上のガス流路が備えられる場合であって、一方のガス流路を流れる反応ガスの圧力を他方のガス流路を流れる反応ガスの圧力よりも低くすると、高圧力の反応ガスが流れるガス流路から低圧力の反応ガスが流れるガス流路へと向かう力が生じるので、低圧力の反応ガスが流れるガス流路を介して、水を効率良く排出することが可能になる。
【００４３】
本発明において、一方のガス流路を流れるガスの流速と、他方のガス流路を流れるガスの流速との差は、本発明の上記効果が得られる差であれば特に限定されるものではない。ガス流路の形状やストイキ比のほか、燃料電池のガス拡散層が備えられる場合にはガス拡散層の透水性、ガス拡散層が備えられない場合にはＭＥＡの透水性等にもよるが、例えば、２００ｍｌ／ｍｉｎ程度の流速差をつけることが好ましい。さらに、一方のガス流路を流れるガスの圧力と、他方のガス流路を流れるガスの圧力との差も、本発明の上記効果が得られる差であれば特に限定されるものではない。燃料電池のガス拡散層が備えられる場合にはガス拡散層の透水性、ガス拡散層が備えられない場合にはＭＥＡの透水性等にもよるが、例えば、１００ｋＰａ程度の圧力差をつけることが好ましい。
【００４４】
また、本発明に関する上記説明では、流速差発生手段の形態として、バルブが備えられる形態やガス流路の断面積に差を設ける形態等を例示したが、本発明にかかる流速差発生手段はこれらに限定されるものではない。本発明が適用される単セルに、ガス拡散層が備えられる場合には、通気性の異なる部位を有するガス拡散層（図２及び図３参照）を流速差発生手段として機能させることもできる。当該形態のガス拡散層を備える燃料電池へ反応ガスを供給すると、ガス拡散層の通気性の低い部位から通気性の高い部位へと向かう力が生じるので、当該ガス拡散層と対向するガス流路内を流れる反応ガスの流速に差を設けることができる。
【００４５】
さらに、本発明に関する上記説明では、セパレータに、少なくとも一部が平行であるガス流路が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。ただし、平行である部分が多くなるほど、排水性向上効果が大きくなると考えられるため、少なくとも一部が平行であるガス流路が備えられる形態とすることが好ましい。
【００４６】
加えて、本発明に関する上記説明では、セパレータに２系統のガス流路が備えられる形態を例示したが、本発明が適用される単セルのセパレータに備えられるガス流路は、２系統に限定されず、３系統以上のガス流路が備えられていても良い。セパレータに３系統以上のガス流路が備えられる場合には、互いに隣接するガス流路内を流れる反応ガスの流速及び／又は圧力が異なるような形態で、ガス流路が備えられることが好ましい。３系統以上のガス流路をこのように配置することで、排水性向上効果を向上させることが可能になる。
【００４７】
また、本発明に関する上記説明では、単セルにアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が備えられる形態を例示したが、本発明が適用される単セルは、当該形態に限定されるものではない。アノードガス拡散層及び／又はカソードガス拡散層が備えられていなくても良好な発電性能が得られる場合には、アノードガス拡散層及び／又はカソードガス拡散層が備えられない形態とすることも可能である。アノード側及び／又はカソード側にガス拡散層が備えられない場合には、セパレータからアノード触媒層及び／又はカソード触媒層へ反応ガスが直接供給される形態とすることができる。ただし、ガス拡散層の通気性を制御することにより排水性向上効果が得られやすい構成とする等の観点からは、アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００４８】
なお、本発明に関する上記説明では、電解質膜にパーフルオロスルホン酸系ポリマーが備えられる形態を例示したが、本発明が適用される単セルに備えられる電解質膜は当該形態に限定されず、パーフルオロスルホン酸系ポリマーに代えて炭化水素系ポリマーが備えられる形態とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の運転方法の形態例を示す概念図である。
【図２】単セルの形態例を示す断面図である。
【図３】図２に点線で示される部位の拡大図である。
【図４】セパレータの形態例を概略的に示す正面図である。
【図５】セパレータの他の形態例を概略的に示す正面図である。
【図６】本発明の燃料電池システムの形態例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
２０  単セル
２１  電解質膜
２２  アノード
２２ａ  アノード触媒層
２２ｂ  アノード拡散層
２３  カソード
２３ａ  カソード触媒層
２３ｂ  カソード拡散層
２４  ＭＥＡ（膜電極構造体）
２５  第１セパレータ
２５ａ、２５ｂ  ガス流路
２６  第２セパレータ
２６ａ、２６ｂ  ガス流路
５０  セパレータ
５１、５２  ガス流路
６０  セルスタック
６１  水素供給ライン
６２  水素排出ライン
６３  酸素供給ライン
６４  酸素排出ライン
６５、６６  流速差発生手段
７０  制御装置
７１  ＣＰＵ
７２  ＲＯＭ
７３  ＲＡＭ
７４  タイマ
７５  入力ポート
７６  出力ポート
１００  燃料電池システム
【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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