(57)【要約】【課題】滞留水を有効に除去するとともに、出力の安定化を図って高出力を得ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂを備え、前記第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂに第１および第２単位セル２４、２６が設けられるとともに、冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂと冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂとが形成される。冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂは、隣り合う第１および第２単位セル２４、２６にわたって直列的に冷却媒体を供給可能である一方、冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂおよび前記冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂを、それぞれ出口連通孔または入口連通孔に選択的に切り換えることにより、前記冷却媒体の流れ方向を変更させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有する単位セルを備え、複数の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させた燃料電池であって、
各単位セルに設けられ、前記電極面に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路と、
前記冷却媒体流路に対して前記冷却媒体の供給および排出を行う複数の冷却媒体連通孔と、
隣り合う単位セルの間に設けられ、隣り合う冷却媒体流路同士を連通して前記隣り合う単位セルにわたって直列的に冷却媒体を供給可能な中間連通孔と、
各冷却媒体連通孔および前記中間連通孔を、それぞれ前記冷却媒体流路から前記冷却媒体を排出するための出口連通孔と、前記冷却媒体流路に新たな冷却媒体を供給するための入口連通孔とに選択的に切り換え可能な切り換え機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成するとともに、
前記燃料電池スタックの積層方向両端には、前記切り換え機構を構成する第１および第２切り換え弁ユニットが配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有する単位セルを備え、複数の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させるとともに、各電極面に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路を設けた燃料電池の運転方法であって、
隣り合う単位セルの間に設けられ、隣り合う冷却媒体流路同士を連通して前記隣り合う単位セルにわたって直列的に冷却媒体を供給可能な中間連通孔、および前記冷却媒体流路に対して前記冷却媒体の供給および排出を行う複数の冷却媒体連通孔を有し、
前記冷却媒体連通孔および前記中間連通孔を、それぞれ前記冷却媒体流路から前記冷却媒体を排出するための出口連通孔、または前記冷却媒体流路に新たな冷却媒体を供給するための入口連通孔に選択的に切り換えることにより、前記電極面に沿って流れる前記冷却媒体の流れ方向を変更させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有する単位セルを備え、複数の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させた燃料電池およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持している。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
ところで、比較的幅広な電極面（発電面）に対し幅方向に沿って冷却媒体を供給する場合や、複数の電極面に沿って前記冷却媒体を直列的に供給する場合がある。例えば、図１３に概略的に示すように、燃料電池１は、矢印Ｘ方向に幅広な電極面２を備えており、この電極面２の短辺方向（矢印Ｙ方向）両端には、燃料ガス入口３ａおよび酸化剤ガス出口４ｂと、燃料ガス出口３ｂおよび酸化剤ガス入口４ａとが設けられている。電極面２の長辺方向（矢印Ｘ方向）両端には、冷却媒体入口５ａと冷却媒体出口５ｂとが設けられている。
【０００６】
このように構成される燃料電池１では、冷却媒体が矢印Ｘ１方向に流れるため、この冷却媒体の流れ方向上流側では、燃料ガス出口３ｂ付近で比較的温度が低くなり、特に低負荷運転時に結露水が滞留するおそれがある。従って、滞留水を除去するために、例えば、燃料ガスを外部に排出する、所謂、パージを頻繁に行う必要があり、前記燃料ガスの使用量が増大するという問題がある。
【０００７】
一方、冷却媒体の流れ方向下流側では、酸化剤ガス入口４ａ付近で比較的温度が高くなり、酸化剤ガスの相対湿度が低下する。特に、低負荷時の低加湿状態では、抵抗過電圧が上昇して発電性能が低下するという問題がある。さらに、起動時や低温始動時には、電極面２全体の温度上昇に偏りが発生し、温度分布に起因して発電性能が下がるという不具合がある。
【０００８】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池におけるイオン交換膜への水分配方法および装置が開示されている。この特許文献１では、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向を周期的に反転させることによって、ガス入口付近の電解質膜の乾き過ぎと、ガス出口付近のフラッディングとを解消し、水分布を均一化することを目的としている。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５，９３５，７２６号公報（図２ａ、図２ｂ）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極面（発電面）では、特に酸化剤ガス流路の入口側で発電され易い。従って、上記のようにスイッチングを行っても、電極面の中間部領域と酸化剤ガス出入口領域とにおいて、発電状態が異なってしまう。このため、電極面内の発電分布に偏りが発生し、電極面全体の発電性能が低下するという問題がある。特に幅広な電極面では、温度分布が発生し易く、上記の問題を解決することができない。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、滞留水を有効に除去するとともに、出力の安定化を図って高出力を得ることが可能な燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池および請求項３に係る燃料電池の運転方法では、電極面に沿って冷却媒体を流すための冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に対して前記冷却媒体の供給および排出を行う複数の冷却媒体連通孔とを備えている。その際、隣り合う単位セルの間には、隣り合う冷却媒体流路同士を連通して前記隣り合う単位セルにわたって直列的に冷却媒体を供給可能な中間連通孔が設けられている。
【００１３】
そこで、冷却媒体連通孔および中間連通孔を、それぞれ冷却媒体流路から冷却媒体を排出するための出口連通孔、または前記冷却媒体流路に新たな冷却媒体を供給するための入口連通孔に選択的に切り換えることにより、電極面に沿って流れる前記冷却媒体の流れ方向を変更させる。
【００１４】
具体的には、例えば、低温始動時や低負荷時には、中間連通孔が出口連通孔または入口連通孔に切り換えられる。このため、冷却媒体は、冷却媒体連通孔から冷却媒体流路に供給されて中間連通孔に排出され、あるいは、前記中間連通孔から前記冷却媒体流路に供給されて前記冷却媒体連通孔から排出される。
【００１５】
これにより、冷却媒体は、並列された各単位セルの各電極面毎に供給および排出されるため、結露水の滞留を阻止するとともに、反応ガスの相対湿度の低下を抑制することができる。従って、起動時や低温始動時にパージ頻度が上昇することがなく、しかも低負荷時に抵抗過電圧が上昇することを阻止し、所望の発電性能を維持することが可能になる。
【００１６】
一方、通常の運転時には、中間連通孔を介して隣り合う冷却媒体流路同士を連通させることにより、隣り合う単位セルにわたって直列的に冷却媒体を供給可能な状態に切り換えられる。このため、供給用の冷却媒体連通孔に導入される冷却媒体は、冷却媒体流路を通って並列された各単位セルの各電極面に沿って直列的に供給された後、排出用の冷却媒体連通孔から排出される。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、燃料電池を積層して燃料電池スタックを構成するとともに、前記燃料電池スタックの積層方向両端には、切り換え機構を構成する第１および第２切り換え弁ユニットが配設される。これにより、複数の燃料電池に対して冷却媒体の流れ方向を容易かつ確実に変更することができ、簡単な構成で、燃料電池全体の発電性能を良好に向上させることが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０を組み込む燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の平面説明図である。
【００１９】
図１に示すように、複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されており、その積層方向両端には、第１および第２エンドプレート１４ａ、１４ｂが配置される。この第１および第２エンドプレート１４ａ、１４ｂは、互いに近接する方向に締め付け保持される。第１エンドプレート１４ａには、切り換え機構１６を構成する第１切り換え弁ユニット１８ａ、１８ｂが装着されるとともに、第２エンドプレート１４ｂには、前記切り換え機構１６を構成する第２切り換え弁ユニット２０ａ、２０ｂが装着される。
【００２０】
燃料電池１０は、第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂを備える。なお、第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂは、同様に構成されており、以下に第１セルアセンブリ２２ａについて詳細に説明し、第２セルアセンブリ２２ｂには、前記第１セルアセンブリ２２ａと同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
図２に示すように、第１セルアセンブリ２２ａは、複数の単位セル、例えば、第１単位セル２４と第２単位セル２６とを、それぞれの電極面が互いに平行となるように並列して構成される。図３に示すように、第１および第２単位セル２４、２６は、第１および第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２８、３０と、前記第１および第２電解質膜・電極構造体２８、３０を一体的に挟持する長方形状の第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。
【００２２】
第１および第２電解質膜・電極構造体２８、３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６ａ、３６ｂと、前記固体高分子電解質膜３６ａ、３６ｂを挟んで配設されるカソード側電極３８ａ、３８ｂおよびアノード側電極４０ａ、４０ｂとを有する。カソード側電極３８ａ、３８ｂおよびアノード側電極４０ａ、４０ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合しており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００２３】
第１電解質膜・電極構造体２８では、カソード側電極３８ａが下向き（矢印Ａ２方向）に配置されるとともに、アノード側電極４０ａが上向き（矢印Ａ１方向）に配置される。第２電解質膜・電極構造体３０では、アノード側電極４０ｂが下向き（矢印Ａ２方向）に配置されるとともに、カソード側電極３８ｂが上向き（矢印Ａ１方向）に配置される。
【００２４】
図２に示すように、第１セルアセンブリ２２ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）一端部、すなわち、第１単位セル２４側の端部には、積層方向（図１中、矢印Ａ方向）に貫通して反応ガスである燃料ガスを供給するための燃料ガス入口４２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口４４ｂとが形成される。第１セルアセンブリ２２ａの長辺方向他端部、すなわち、第２単位セル２６側の端部には、積層方向に貫通して酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口４４ａと、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口４２ｂとが形成される。
【００２５】
第１セルアセンブリ２２ａの長辺方向中央部、すなわち、第１および第２単位セル２４、２６の間には、燃料ガス中間連通孔４６および酸化剤ガス中間連通孔４８が設けられる。第１セルアセンブリ２２ａの短辺方向（矢印Ｃ方向）一端部には、冷却媒体を供給または排出する冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂが設けられる。第１セルアセンブリ２２ａの短辺方向他端部（第２セルアセンブリ２２ｂに近接する端部）には、後述するように、冷却媒体を新たに供給する冷却媒体入口連通孔と、前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔とに選択的に切り換えられる冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂが設けられる。
【００２６】
図３に示すように、第１単位セル２４は、第１電解質膜・電極構造体２８のアノード側電極４０ａと第１セパレータ３２との間に矢印Ｂ方向に延在する第１燃料ガス流路５４を備える。この第１燃料ガス流路５４は、燃料ガス中間連通孔４６に連通し、さらに第２単位セル２６を構成する第２電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４０ｂと第２セパレータ３４との間に形成される第２燃料ガス流路５６に連通する。第１燃料ガス流路５４は、燃料ガス入口４２ａに連通するとともに、第２燃料ガス流路５６は、燃料ガス出口４２ｂに連通する。
【００２７】
第２単位セル２６は、カソード側電極３８ｂと第１セパレータ３２との間に矢印Ｂ方向に延在する第１酸化剤ガス流路５８を備える。この第１酸化剤ガス流路５８は、酸化剤ガス中間連通孔４８に連通し、さらに第１単位セル２４のカソード側電極３８ａと第２セパレータ３４との間に形成される第２酸化剤ガス流路６０に連通する。第１酸化剤ガス流路５８は、酸化剤ガス入口４４ａに連通する一方、第２酸化剤ガス流路６０は、酸化剤ガス出口４４ｂに連通する。
【００２８】
第１および第２燃料ガス流路５４、５６は、第２および第１酸化剤ガス流路６０、５８に対して第１および第２電解質膜・電極構造体２８、３０の両面に沿って互いに対向流に設定される。
【００２９】
第２セパレータ３４には、第１単位セル２４に対応して矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部からなる冷却媒体流路６２ａが形成されるとともに、第２単位セル２６に対応して、同様に矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部からなる冷却媒体流路６２ｂが形成される。冷却媒体流路６２ａは、冷却媒体連通孔５０ａと冷却媒体中間連通孔５２ａとに連通し、冷却媒体流路６２ｂは、同様に冷却媒体連通孔５０ｂと冷却媒体中間連通孔５２ｂとに連通する。
【００３０】
図４および図５に示すように、第１切り換え弁ユニット１８ａは、矢印Ｃ方向に延在するマニホールドブロック６４を備える。マニホールドブロック６４は、互いに並設される第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂの第１単位セル２４から第２単位セル２６にわたって延在しており、一端部に冷却媒体供給管６６が設けられる。マニホールドブロック６４内には、矢印Ｃ方向に長尺な供給通路６８が形成され、この供給通路６８は、第２セルアセンブリ２２ｂの冷却媒体連通孔５０ｂおよび冷却媒体中間連通孔５２ｂに連通する孔部７０、７２と、第１セルアセンブリ２２ａの冷却媒体中間連通孔５２ａおよび冷却媒体連通孔５０ａに連通する孔部７４、７６とに連通する。
【００３１】
孔部７０〜７６には、それぞれ開閉弁７８ａ〜７８ｄが設けられる。供給通路６８には、孔部７０、７２間に対応して開閉弁８０ａが設けられ、孔部７２、７４間に対応して開閉弁８０ｂが設けられ、さらに、孔部７４、７６間に対応して開閉弁８０ｃが設けられる。
【００３２】
第２切り換え弁ユニット２０ａは、第１切り換え弁ユニット１８ａと同様に、矢印Ｃ方向に延在するマニホールドブロック８２を備え、このマニホールドブロック８２の端部に冷却媒体排出管８４が接続される。マニホールドブロック８２内には排出通路８６が形成され、この排出通路８６は、孔部８８、９０、９２および９４に連通する。
【００３３】
孔部８８、９０は、第２セルアセンブリ２２ｂの冷却媒体連通孔５０ｂと冷却媒体中間連通孔５２ｂとに連通し、孔部９２、９４は、第１セルアセンブリ２２ａの冷却媒体中間連通孔５２ａと冷却媒体連通孔５０ａとに連通する。孔部８８〜９４には、それぞれ開閉弁９６ａ〜９６ｄが設けられるとともに、排出通路８６には、開閉弁９６ａ、９６ｂ間、開閉弁９６ｂ、９６ｃ間および開閉弁９６ｃ、９６ｄ間に対応して開閉弁９８ａ、９８ｂおよび９８ｃが設けられる。
【００３４】
なお、第１および第２切り換え弁ユニット１８ｂ、２０ｂは、上記の第１および第２切り換え弁ユニット１８ａ、２０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１２において、各酸化剤ガス入口４４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、各燃料ガス入口４２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
【００３７】
各燃料電池１０の第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂでは、図３に示すように、酸化剤ガスが第２単位セル２６を構成する第１酸化剤ガス流路５８に導入され、第２電解質膜・電極構造体３０を構成するカソード側電極３８ｂに沿って矢印Ｂ１方向に移動する。酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路５８の出口から酸化剤ガス中間連通孔４８に供給され、重力方向（矢印Ａ２方向）に移動した後、第１単位セル２４に設けられた第２酸化剤ガス流路６０に導入される。このため、酸化剤ガスは、第１単位セル２４の第１電解質膜・電極構造体２８を構成するカソード側電極３８ａに沿って矢印Ｂ１方向に移動した後、酸化剤ガス出口４４ｂから排出される。
【００３８】
燃料ガスは、第１単位セル２４に設けられた第１燃料ガス流路５４に導入され、第１電解質膜・電極構造体２８を構成するアノード側電極４０ａに沿って矢印Ｂ２方向に移動する。燃料ガスは、第１燃料ガス流路５４の出口から燃料ガス中間連通孔４６を介して重力方向（矢印Ａ２方向）に移動した後、第２単位セル２６に形成された第２燃料ガス流路５６に導入される。この燃料ガスは、第２単位セル２６の第２電解質膜・電極構造体３０を構成するアノード側電極４０ｂに沿って矢印Ｂ２方向に移動し、燃料ガス出口４２ｂから排出される。
【００３９】
従って、第１および第２電解質膜・電極構造体２８、３０では、カソード側電極３８ａ、３８ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０ａ、４０ｂに供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４０】
ところで、各燃料電池１０内の冷却媒体流路６２ａ、６２ｂには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が、切り換え機構１６を介し所望の流れ方向に選択して供給される。
【００４１】
具体的には、通常運転時では、図６に示すように、第２セルアセンブリ２２ｂの第２単位セル２６から第１セルアセンブリ２２ａの第１単位セル２４に向かって矢印Ｃ１方向に冷却媒体が供給されるとともに、前記第１セルアセンブリ２２ａの第２単位セル２６から前記第２セルアセンブリ２２ｂの第１単位セル２４に向かって矢印Ｃ２方向に冷却媒体が供給される。
【００４２】
冷却媒体を上記の流れ方向に設定するために、切り換え機構１６では、図７および図８に示す切り換え操作が行われる。図７に示すように、第１切り換え弁ユニット１８ａにおいて、開閉弁７８ａ、７８ｂ、７８ｃおよび８０ｂが開放される一方、開閉弁７８ｄ、８０ａおよび８０ｃが閉塞される。第２切り換え弁ユニット２０ａにおいて、開閉弁９６ａ〜９６ｃが閉塞される一方、開閉弁９６ｄおよび９８ａ〜９８ｃが開放される。
【００４３】
従って、冷却媒体供給管６６からマニホールドブロック６４の供給通路６８に供給される冷却媒体は、孔部７０を通って第２セルアセンブリ２２ｂの冷却媒体連通孔５０ｂに導入される。この冷却媒体連通孔５０ｂが冷却媒体入口連通孔となり、冷却媒体は、第２単位セル２６の冷却媒体流路６２ｂに沿って矢印Ｃ１方向に供給される。
【００４４】
この冷却媒体流路６２ｂを流れた冷却媒体は、冷却媒体中間連通孔５２ｂに一旦排出され、孔部７２から供給通路６８を介して孔部７４に導入された後、第１セルアセンブリ２２ａの冷却媒体中間連通孔５２ａに送られる。このため、冷却媒体は、第１単位セル２４の冷却媒体流路６２ａに沿って矢印Ｃ１方向に流動し、冷却媒体連通孔５０ａに排出される。さらに、冷却媒体は、孔部９４から排出通路８６に導入され、この排出通路８６を通って冷却媒体排出管８４に排出される。
【００４５】
図８に示すように、第１切り換え弁ユニット１８ｂにおいて、開閉弁７８ａ〜７８ｃが閉塞されるとともに、開閉弁７８ｄおよび８０ａ〜８０ｃが開放される。第２切り換え弁ユニット２０ｂにおいて、開閉弁９６ｄ、９８ａおよび９８ｃが閉塞されるとともに、開閉弁９６ａ〜９６ｃおよび９８ｂが開放される。これにより、冷却媒体供給管６６から供給通路６８に導入される冷却媒体は、孔部７６から第１セルアセンブリ２２ａの冷却媒体連通孔５０ｂに供給される。
【００４６】
冷却媒体は、この冷却媒体連通孔５０ｂを冷却媒体入口連通孔として、第２単位セル２６の冷却媒体流路６２ｂに沿って矢印Ｃ２方向に流れた後、冷却媒体中間連通孔５２ｂに排出される。この冷却媒体中間連通孔５２ｂは、孔部９２、排出通路８６および孔部９０を介して第２セルアセンブリ２２ｂの冷却媒体中間連通孔５２ａに連通しており、この冷却媒体中間連通孔５２ａに冷却媒体が導入される。
【００４７】
さらに、冷却媒体は、第２セルアセンブリ２２ｂの第１単位セル２４に沿って冷却媒体流路６２ａを矢印Ｃ２方向に移動した後、冷却媒体連通孔５０ａに導入される。この冷却媒体は、冷却媒体連通孔５０ａを冷却媒体出口連通孔として孔部８８から排出通路８６を介して冷却媒体排出管８４に排出される。これにより、各燃料電池１０内では、図６に示すように、冷却媒体の流れ方向の制御が行われる。
【００４８】
また、燃料電池スタック１２の起動時や低温始動時には、図９に示す冷却媒体の流れ方向が設定される。すなわち、第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂの各冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂが冷却媒体入口連通孔に設定される一方、冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂが冷却媒体出口連通孔に設定される。
【００４９】
具体的には、図１０に示すように、第１切り換え弁ユニット１８ａ、１８ｂにおいて、開閉弁７８ｂ、７８ｃが閉塞されるとともに、開閉弁７８ａ、７８ｄおよび８０ａ〜８０ｃが開放される。第２切り換え弁ユニット２０ａ、２０ｂにおいて、開閉弁９６ａ、９６ｄおよび９８ｃが閉塞されるとともに、開閉弁９６ｂ、９６ｃ、９８ａおよび９８ｂが開放される。これにより、各燃料電池１０内では、図９に示すように、第１単位セル２４毎、および第２単位セル２６毎に冷却媒体が供給される。
【００５０】
さらにまた、低負荷運転時には、各燃料電池１０では、図１１に示す冷却媒体の流れ方向に設定される。すなわち、第１セルアセンブリ２２ａの第２単位セル２６と、第２セルアセンブリ２２ｂの第１単位セル２４は、図９に示す流れ方向と同一であり、第１および第２切り換え弁ユニット１８ｂ、２０ｂは、図１０に示す切り換え操作が行われる。
【００５１】
一方、第１セルアセンブリ２２ａの第１単位セル２４と、第２セルアセンブリ２２ｂの第２単位セル２６とは、それぞれ冷却媒体の流れ方向が離間する方向に設定される。すなわち、第１および第２切り換え弁ユニット１８ａ、２０ａは、図１２に示す切り換え操作が行われる。
【００５２】
第１切り換え弁ユニット１８ａにおいて、開閉弁７８ａ、７８ｄおよび８０ｃが閉塞されるとともに、開閉弁７８ｂ、７８ｃ、８０ａおよび８０ｂが開放される。第２切り換え弁ユニット２０ａにおいて、開閉弁９６ｂ、９６ｃが閉塞されるとともに、開閉弁９６ａ、９６ｄおよび９８ａ〜９８ｃが開放される。このため、各燃料電池１０では、冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂが冷却媒体入口連通孔に設定される一方、冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂが冷却媒体出口連通孔に設定され、図１１に示す冷却媒体の流れ方向が得られる。
【００５３】
この場合、本実施形態では、通常運転時には、冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂが第１および第２単位セル２４、２６の冷却媒体流路６２ａ、６２ｂ同士を連通する。このため、各燃料電池１０内では、第１および第２セルアセンブリ２２ａ、２２ｂの隣り合う第１および第２単位セル２４、２６にわたって直列的に冷却媒体が供給される（図６〜図８参照）。
【００５４】
また、起動時や低温始動時には、図９および図１０に示すように、冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂが冷却媒体出口連通孔として排出通路８６に連通するとともに、各冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂが冷却媒体入口連通孔として供給通路６８に連通する。従って、第１および第２単位セル２４、２６では、冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂから冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂに向かって冷却媒体が供給され、第１および第２単位セル２４、２６毎に冷却が行われる。
【００５５】
さらにまた、低負荷運転時には、図１１および図１２に示すように、第１および第２単位セル２４、２６毎に冷却媒体を流すとともに、第１セルアセンブリ２２ａの第１単位セル２４と第２セルアセンブリ２２ｂの第２単位セル２６との流れ方向が、冷却媒体中間連通孔５２ａ、５２ｂから冷却媒体連通孔５０ａ、５０ｂに向かって設定される。
【００５６】
これにより、起動時や低温始動時に、第１および第２単位セル２４、２６内に温度上昇の偏りが発生することがなく、前記第１および第２単位セル２４、２６に性能差が生じることを阻止することができ、燃料電池１０全体として所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
さらに、低負荷運転時に、燃料電池１０内に結露水が滞留することを有効に阻止することができる。従って、滞留水を除去するために、燃料ガスを外部に排出する、所謂、パージの頻度が減少し、前記燃料ガスの使用量が有効に削減されて経済的であるという利点がある。
【００５８】
しかも、酸化剤ガス入口４４ａ付近で温度が高くなることがなく、酸化剤ガスの相対湿度の低下を阻止することが可能になる。従って、特に、低負荷時の低加湿状態でも、抵抗過電圧の上昇がなく、燃料電池１０全体の発電性能を確実に維持し得るという効果がある。
【００５９】
さらにまた、切り換え機構１６は、第１および第２エンドプレート１４ａ、１４ｂに装着される第１切り換え弁ユニット１８ａ、１８ｂおよび第２切り換え弁ユニット２０ａ、２０ｂを備えている。これにより、切り換え機構１６の構成が有効に簡素化され、燃料電池スタック１２全体を経済的に構成することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池およびその運転方法では、特に低温始動時や低負荷時には、中間連通孔が出口連通孔または入口連通孔に切り換えられるため、冷却媒体は、並列された各単位セルの各電極面毎に供給および排出される。従って、結露水の滞留を阻止するとともに、反応ガスの相対湿度の低下を抑制することができる。これにより、起動時や低温始動時にパージ頻度が上昇することがなく、しかも低負荷時に抵抗過電圧が上昇することを阻止し、所望の発電性能を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の平面説明図である。
【図３】前記燃料電池の断面説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックに組み込まれる切り換え機構の要部斜視説明図である。
【図５】前記切り換え機構を含む燃料電池スタックの断面説明図である。
【図６】通常運転状態において、冷却媒体の流れ方向を示す平面説明図である。
【図７】図６の冷却媒体の一方の流れ方向を設定するための前記切り換え機構の操作説明図である。
【図８】図６の冷却媒体の他方の流れ方向を設定するための前記切り換え機構の操作説明図である。
【図９】低温始動時の冷却媒体の流れ方向を示す平面説明図である。
【図１０】図９の冷却媒体の流れ方向を設定するための前記切り換え機構の操作説明図である。
【図１１】低負荷運転時の冷却媒体の流れ方向を示す平面説明図である。
【図１２】図１１の冷却媒体の流れ方向を設定するための前記切り換え機構の操作説明図である。
【図１３】幅広な電極面を有する燃料電池の冷却媒体の流れ方向を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池                      １２…燃料電池スタック
１４ａ、１４ｂ…エンドプレート      １６…切り換え機構
１８ａ、１８ｂ、２０ａ、２０ｂ…切り換え弁ユニット
２２ａ、２２ｂ…セルアセンブリ      ２４、２６…単位セル
２８、３０…電解質膜・電極構造体    ３２、３４…セパレータ
３６ａ、３６ｂ…固体高分子電解質膜  ３８ａ、３８ｂ…カソード側電極
４０ａ、４０ｂ…アノード側電極      ５０ａ、５０ｂ…冷却媒体連通孔
５２ａ、５２ｂ…冷却媒体中間連通孔  ５４、５６…燃料ガス流路
５８、６０…酸化剤ガス流路          ６２ａ、６２ｂ…冷却媒体流路
６４、８２…マニホールドブロック    ６８…供給通路
７０、７２、７４、７６、８８、９０、９２、９４…孔部
７８ａ〜７８ｄ、８０ａ〜８０ｃ、９６ａ〜９６ｄ、９８ａ〜９８ｃ…開閉弁
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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