(57)【要約】【課題】発電性能に寄与する膜電極接合体の保水状態を均一に保持させた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１を電極２、３で狭持することにより構成したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持し、かつ、ＭＥＡに対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。少なくとも一方のセパレータ、ここではカソードセパレータ５に形成したカソード流路７を、流通する酸化剤ガスの一部が酸化剤極３に拡散するように構成するカソード流路７ａと、流通する全ての酸化剤ガスが酸化剤極３に供給されるカソード流路７ｂ、７ｃと、から構成する。さらに、カソード流路７ａを流通した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソード流路７ｂ、７ｃに供給する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持し、かつ、前記膜電極接合体に対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備え、
少なくとも一方の前記セパレータに形成した前記反応ガス流路が、複数の異なる形態の反応ガス流路により形成され、
前記流路は、流通する反応ガスの一部が前記電極に拡散するように構成した形態である第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが前記電極に供給されるように構成した形態である第２反応ガス流路と、
の少なくとも２種のガス流路を含んで構成し、
前記第１反応ガス流路を流通後の反応ガスの少なくとも一部を前記第２反応ガス流路に供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記膜電極接合体と、前記セパレータにより構成されるセルを積層することにより燃料電池スタックを構成し、
前記各セルに反応ガスを分配する第１供給マニホールドおよび第２供給マニホールドと、
前記各セルから反応ガスを回収する第１排出マニホールドおよび第２排出マニホールドと、を備え、
前記第１反応ガス流路を、前記第１供給マニホールドと前記第１排出マニホールドとの間を連通する反応ガス流路から構成し、
前記第２反応ガス流路を、前記第２供給マニホールドと前記第２排出マニホールドの少なくとも一方と非連通とする反応ガス流路から構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記第２反応ガス流路を、前記第２供給マニホールドに連通する供給側反応ガス流路と、
前記第２排出マニホールドに連通し、かつ、前記供給側反応ガス流路と非連通の排出側反応ガス流路と、から構成する請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第１排出マニホールドを、前記第２供給マニホールドの上流側に連通させる請求項２、または３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記第１排出マニホールドと、前記第２供給マニホールドとを前記セパレータのセル面において連通させる請求項２から４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記第２供給マニホールドを、前記セパレータのセル面の鉛直方向上方に配置し、
第２排出マニホールドを、前記第２供給マニホールドに比較して、鉛直下方に配置する請求項２から５に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記第１排出マニホールドと前記第２供給マニホールドとを連通して形成し、前記セパレータのセル面の鉛直上方に配置するとともに、
前記第１供給マニホールドおよび前記第２排出マニホールドを、連通された前記第１排出マニホールドと前記第２供給マニホールドとに比較して、鉛直下方に配置する請求項６に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記第１反応ガス流路を備えた第１流路域と、前記第２反応ガス流路を設けた前記第２流路域と、を同一セパレータに形成する請求項１から７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記第１反応ガス流路を形成したセパレータと、前記第２反応ガス流路を形成したセパレータと、を積層して構成する請求項１から８のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記第１反応ガス流路を形成したセパレータを積層してなる積層体と、
前記第２反応ガス流路を形成したセパレータを積層してなる積層体と、から構成する請求項１から９のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。記載の固定高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記セパレータを、前記反応ガス流路として酸化剤ガス流路を設けたカソードセパレータとする請求項１から１０のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記カソードセパレータの前記酸化剤ガス流路を設けた面の反対側の面に冷媒流路を設け、
前記冷媒流路の導入部を、前記第１供給マニホールドの近傍に配置する請求項２から７のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
前記電極の、前記セパレータセル面内の前記第２反応ガス流路を形成した第２流路域に対峙する領域と比較して、前記第１反応ガス流路を形成した第１流路域に対峙する領域のほうが、親水性が強くなるように構成する請求項１から１２のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
前記電極の、前記セパレータセル面内の前記第２反応ガス流路を形成した第２流路域に対峙する領域と比較して、前記第１反応ガス流路を形成した第１流路域に対峙する領域のほうが、疎水性が強くなるように構成する請求項１から１２のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
前記電極の、前記セパレータセル面内の前記第２反応ガス流路を形成した第２流路域に対峙する領域と比較して、前記第１反応ガス流路を形成した第１流路域に対峙する領域を細孔が小さい部材により構成する請求項１から１２のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１６】
前記電極の、前記セパレータセル面内の前記第２反応ガス流路を形成した第２流路域に対峙する領域と比較して、前記第１反応ガス流路を形成した第１流路域に対峙する領域を細孔が大きい部材により構成する請求項１から１２のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１７】
固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持するセパレータと、
少なくとも一方の前記セパレータに備えた、流通する反応ガスの一部を電極に拡散させる第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスを電極に供給する第２反応ガス流路と、からなる反応ガス流路と、
前記第１反応ガス流路に反応ガスを供給する第１供給マニホールドと、
前記第１反応ガス流路からの反応ガスを回収する第１排出マニホールドと、
前記第２反応ガス流路に反応ガスを供給する第２供給マニホールドと、
前記第２反応ガス流路からの反応ガスを回収する第２排出マニホールドと、を備え、
前記第１排出マニホールドから排出される反応ガスの少なくとも一部を前記第２供給マニホールドに供給する固体高分子型燃料電池と、
前記第１供給マニホールドと前記第２供給マニホールドとに反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記第１供給マニホールドと前記第２供給マニホールドに供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
前記第１反応ガス流路から前記第２反応ガス流路に供給する反応ガス流量を制御する流量制御手段と、を備える請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記流量制御手段をバルブにより構成する請求項１７または１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記固体高分子型燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による出力が所定値以上であるかどうかを判断する判断手段と、を備え、
前記固体高分子型燃料電池の起動時に、前記温度検出手段による出力が所定値以上の場合には、反応ガスを前記第１反応ガス流路に流通させてから、前記第２反応ガス流路に流通させる請求項１７から１９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記固体高分子型燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による出力が所定値以上であるかどうかを判断する判断手段と、を備え、
前記固体高分子型燃料電池の起動時に、前記温度検出手段による出力が所定値より低い場合には、前記第２反応ガス流路のみに反応ガスを供給する請求項１７から２０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記固体高分子型燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記固体高分子型燃料電池の発生電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、
前記運転状態検出手段により、前記固体高分子型燃料電池の定常運転または負荷応答運転を検出した際に、前記電圧検出手段により電圧低下を検出した場合には、
前記第１反応ガス流路に前記反応ガス供給手段から反応ガスを供給するとともに、前記第２反応ガス流路にも前記反応ガス供給手段から反応ガスを追加供給する請求項１７から２１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を狭持し、かつ、前記膜電極接合体に対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備え、
前記反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が前記電極に拡散するように構成した第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが前記電極に供給されるように構成した第２反応ガス流路と、から構成し、
前記第１反応ガス流路を流通した反応ガスの少なくとも一部を前記第２反応ガス流路に供給する手段を備える固体高分子型燃料電池システムを搭載したことを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池と、それを備えた固体高分子型燃料電池、さらにそのような固体高分子型燃料電池を搭載した移動体に関する。特に、発電性能に寄与する膜電極接合体の保水性を均一にできるように、反応ガスの通流方向、並びに通流部位の最適化手法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は水素等を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池が知られている。このような燃料電池では以下の反応により起電力を生じる。
【０００３】
【化１】
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【０００４】
燃料極に燃料ガスが供給されると、（１）の反応が進行してプロトンが生成される。このプロトンが水和状態で電解質、ここでは固体高分子電解質膜内を移動して酸化剤極に至る。酸化剤極には、酸化剤ガスが供給されて、（２）の反応が進行する。この（１）、（２）の電極反応が各極で進行することにより起電力を生じる。
【０００５】
ここで、プロトンが酸化剤極へ移動するには、電解質膜が含水している必要がある。この含水量が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって、出力電圧の低下、出力電力の低下を招く。さらに含水量が低下して乾燥状態になると、電解質として機能しなくなる。
【０００６】
通常、電極の発電領域においては、燃料ガス、酸化剤ガスの通流方向上流側と下流側では供給ガスの濃度、流量、水蒸気分圧が異なっている。特に、反応ガス通流方向上流側で電解質膜は乾燥しやすく、下流側の電解質膜は湿潤状態になりやすい。反応生成水の量が電解質膜の保水量を上回ると、反応ガス流路へ生成水が溢れ出すフラッディングを生じる。これにより、電極の発電面を生成水が覆って反応を抑制し、反応ガス流路を閉塞してガス通流を阻害する可能性が生じる。
【０００７】
そこで、従来、供給側の反応ガス流路と、排出側の反応ガス流路が直接連通しないように流路の分離を行い、反応ガスを強制的にガス拡散層へ通流させることにより、生成水の除去を促進してフラッディングを抑制している燃料電池が公知となっている（例えば、特許文献１、特許文献２、参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３２３１５９号公報
【特許文献２】
米国特許第５６４１５８６号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、上記従来技術においては、流路形状に主たる対策を施すことでセル内でのフラッディング発生を抑制したものであり、依然として供給ガス通流方向上流側に位置する電解質膜は乾燥しやすいという問題がある。
【００１０】
特に、移動体へ搭載して駆動力を生成する燃料電池においては、その重量軽減の要求から燃料電池へ供給するガスの加湿に関わる水を削減することが望まれている。そのため、移動体用の燃料電池としては、外部からの加湿を抑制した状態、あるいは、外部からの加湿を全く行わない状態が要求されている。このように湿度が抑制された反応ガスを使用する状況下で燃料電池を稼動させる場合、特に供給側における電解質膜の乾燥はより著しい。
【００１１】
そこで、本発明は、発電性能に寄与する膜電極接合体の保水状態を均一に保持させた燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持し、かつ、前記膜電極接合体に対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。少なくとも一方の前記セパレータに形成した前記反応ガス流路が、複数の異なる形態の反応ガス流路により形成され、前記流路は、流通する反応ガスの一部が前記電極に拡散するように構成した形態である第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが前記電極に供給されるように構成した形態である第２反応ガス流路と、の少なくとも２種のガス流路を含んで構成する。さらに、前記第１反応ガス流路を流通後の反応ガスの少なくとも一部を前記第２反応ガス流路に供給する。
【００１３】
または、燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持するセパレータと、少なくとも一方の前記セパレータに備えた、流通する反応ガスの一部を電極に拡散させる第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスを電極に供給する第２反応ガス流路と、からなる反応ガス流路と、前記第１反応ガス流路に反応ガスを供給する第１供給マニホールドと、前記第１反応ガス流路からの反応ガスを回収する第１排出マニホールドと、前記第２反応ガス流路に反応ガスを供給する第２供給マニホールドと、前記第２反応ガス流路からの反応ガスを回収する第２排出マニホールドと、を備え、前記第１排出マニホールドから排出される反応ガスの少なくとも一部を前記第２供給マニホールドに供給する固体高分子型燃料電池を備える。また、前記第１供給マニホールドと前記第２供給マニホールドとに反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記第１供給マニホールドと前記第２供給マニホールドに供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、を備える。
【００１４】
または、移動体に、固体高分子電解質膜を電極で狭持することにより構成した膜電極接合体と、前記膜電極接合体を狭持し、かつ、前記膜電極接合体に対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備え、前記反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が前記電極に拡散するように構成した第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが前記電極に供給されるように構成した第２反応ガス流路と、から構成し、前記第１反応ガス流路を流通した反応ガスの少なくとも一部を前記第２反応ガス流路に供給する固体高分子型燃料電池システムを搭載する。
【００１５】
【作用及び効果】
反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が電極に拡散するように構成した形態である第１反応ガス流路と、流通する全ての反応ガスが電極に供給されるように構成した形態である第２反応ガス流路と、の少なくとも２種のガス流路を含んで構成し、第１反応ガス流路を流通後の反応ガスの少なくとも一部を第２反応ガス流路に供給する。このように構成することで、発電にともなう生成水を電極に保持しやすい第１反応ガス流路を、排水性能の優れた第２反応ガス流路の上流側に設けることができる。これにより、第１反応ガス流路を形成した領域の乾燥を抑制することができるとともに、湿潤された反応ガスが供給される第２反応ガス流路ではフラッディングを抑制することができる。これにより、電極全体の湿潤状態を均一化することができる。
【００１６】
また、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドとに反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、第１供給マニホールドと第２供給マニホールドに供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する流量制御手段と、を備える。これにより、第１反応ガス流路、第２反応ガス流路それぞれに供給する反応ガス流量を調整することができる。よって、運転状態に応じて変化する電極の湿潤状態を、各流路に供給する反応ガス流量を調整することで、適切に維持することができる。
【００１７】
さらに、上記のような固体高分子型燃料電池を備えた移動体では、固体高分子型電解質膜を湿潤するために燃料電池に供給する水を削減することができるので、コンパクト化・軽量化し、燃料電池システムの移動体への車載性を向上することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池５０の断面の概略を図１に示す。ここで、燃料電池５０として、移動体、例えば燃料電池車に搭載する固体高分子型燃料電池を用いる。
【００１９】
膜電極接合体（ＭＥＡ）を、固体高分子からなる電解質膜１と、これを狭持する燃料極２と酸化剤極３とから構成する。電解質膜１としては、フッ素系樹脂等を代表とする固体高分子材料により構成されるプロトン伝導性の膜を用いる。各電極２、３は、ガス拡散層と触媒層とから構成し、触媒の存在する面が電解質膜１と対峙するように配置する。触媒層は、個別に形成してもよいし、ガス拡散層に触媒を充填させたり、ガス拡散層のセル面に付着させて形成させたりしてもよい。ここでは、高分子電解質を含む触媒層と多孔質のガス拡散層を配置することにより構成する。例えば、白金、または白金とその他の金属からなる白金担持カーボン粒子を触媒として含有したカーボンクロス、または、カーボンペーパー等から構成する。
【００２０】
このようなＭＥＡを、さらにアノードセパレータ４とカソードセパレータ５により狭持する。セパレータ４、５を、ガス不透過である緻密カーボン材で構成する。各セパレータ４、５のセル面には流路を構成する多数のリブを有する。アノードセパレータ４の燃料極２に対峙するセル面にはアノード流路６を形成し、水素を含有する燃料ガスを流通させる。カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙するセル面にはカソード流路７を形成し、酸素を含んだ酸化剤ガスを流通させる。
【００２１】
アノード流路６の燃料ガスと、カソード流路７の酸化剤ガスを用いて、式（１）、（２）に示すような電気化学反応を生じる。このときプロトンが電解質膜１を燃料極２から酸化剤極３に向かって移動するためには、電解質膜１が湿潤している必要がある。電解質膜１の含水量が低下すると、電気抵抗が大きくなって出力電圧が低下する。
【００２２】
そこで、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する面と反対のセル面には、冷却水流路９を形成する。冷却水流路９には、外部より冷却水が供給され、燃料電池５０で発生する熱を除熱する。冷却水流路９は、必ずしもそれぞれのセル毎に設置されていなくとも良い。ただし、燃料電池５０の高出力を望む場合には、燃料電池５０で生じる熱量も大きくなるため、冷却水流路９をできるだけ多く配置するのが望ましい。
【００２３】
また、電極２、３の外周部の、セパレータ４、５と電解質膜１の間には、シールガスケット８によりシーリング領域を形成する。これにより、水素を含有する燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水をシールしている。
【００２４】
次に、カソードセパレータ５のカソード流路７を形成したセル面の構成について図２を用いて説明する。ここでは、各セルに酸化剤ガスを供給するマニホールドとして、セル面内部に配置される内部マニホールドを用いる。
【００２５】
セル積層方向に延びる第１供給マニホールド１０、第１排出マニホールド１２を備える。さらに第１供給マニホールド１０により各セルに分配された酸化剤ガスを、セル面に沿って流通させるカソード流路７ａを備える。カソード流路７ａは第１供給マニホールド１０と第１排出マニホールド１２の間の第１流路域１１に配置する。また、カソード流路７ａは、第１供給マニホールド１０と第１排出マニホールド１２とを連通する流路とする。ここではカソード流路７ａが第１流路域１１内を蛇行するように構成する。
【００２６】
また、セル積層方向に延びる第２供給マニホールド１３、第２排出マニホールド１５を備える。第２供給マニホールド１３に接続して後述するカソード流路７ｂに酸化剤ガスを分配するセル内分配マニホールド１６を構成する。また、第２排出マニホールド１５に接続して後述するカソード流路７ｃから酸化剤ガスを回収するセル内回収マニホールド１７を構成する。セル内分配マニホールド１６とセル内回収マニホールド１７との軸方向を平行に、且つ、内部を流れる酸化剤ガスの流通方向が同一方向となるように構成する。
【００２７】
さらに、セル内分配マニホールド１６とセル内回収マニホールド１７との間に第２流路域１４を構成する。ここでは、第１流路域１１を流れる酸化剤ガスの概略流れ方向と、第２流路域１４を流れる酸化剤ガスの概略流れ方向を平行、ここでは特に同一方向とする。
【００２８】
第２流路域１４には、セル内分配マニホールド１６に接続してカソード流路７ｂを形成する。ここで、カソード流路７ｂを、セル内分配マニホールド１６内の酸化剤ガスの流れ方向に垂直に構成した複数の流路により構成する。カソード流路７ｂの一端をセル内分配マニホールド１６に接続させ、他端を行き止まりとなるように構成する。
【００２９】
また、平行に配置した複数のカソード流路７ｂの間隔が、セル内分配マニホールド１６内の酸化剤ガス上流側では広く、下流側では狭くなるように構成しても良い。
【００３０】
また、セル内回収マニホールド１７に接続してカソード流路７ｃを形成する。ここで、カソード流路７ｃを、セル内回収マニホールド１７内の酸化剤ガスの流れ方向に垂直に構成した複数の流路により構成する。カソード流路７ｃを、カソード流路７ｂ間に配置する。つまり、カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとを交互に配置し、その流路の少なくとも一部が隣接するように構成する。ここで、カソード流路７ｃの一端はセル内分配マニホールド１７に接続させるが、他端は行き止まりとなるように構成する。また、平行に構成された複数のカソード流路７ｃ間の間隔が、セル内回収マニホールド１７内の酸化剤ガス上流側では広く、下流側では狭くなるように形成しても良い。
【００３１】
また、酸化剤極３において、第２流路域１４に対峙する部分に比べて、第１流路域１１に対峙する部分の親水性が高くなるように構成しても良い。これにより、第２流路域１４に比較して上流側にあり、電解質膜が乾燥しやすい第１の流路域１１における電解質膜１の湿潤性を向上することができる。
【００３２】
また、同様の効果を奏する構成として、第１流路域１１に対峙する部分の細孔径を、第２流路域１４に対峙する部分の細孔径に比べて小さくする構成がある。この構成とすることでも湿潤性の向上を図ることができる。
【００３３】
これに対して、第２流路域１４に対峙する部分に比較して、フラッディングを起しやすいコンベンショナルな流路形状を有する第１流路域１１に対峙する部分において、フラッディングをより良く抑制したい場合には、第１流路域１１に対峙する領域における酸化剤極３の疎水性を、第２流路域１４に対峙する部分に比べて高くなるように構成すれば良い。この場合には、第２流路域１４に対峙する部分に比較して、フラッディングを起しやすいコンベンショナルな流路形状を有する第１流路域１１に対峙する部分において、フラッディングをより良く抑制することができる。
【００３４】
同様に、フラッディングを起しやすいコンベンショナルな流路形状を有する第１流路域１１に対峙する部分の細孔径を、第２流路域１４に対峙する部分の細孔径に比べて大きくした構成とすることでも湿潤性の向上を図ることができる。
【００３５】
また、これら親水性、もしくは、疎水性特性の分布と、細孔径特性の分布との組み合わせによって、セル全体での所望の水排出性能を実現しても良い。
【００３６】
次に、カソードセパレータ５における酸化剤ガスの流通状態を説明する。
【００３７】
酸化剤ガスを、第１供給マニホールド１０、第１流路域１１（カソード流路７ａ）、第１排出マニホールド１２、第２供給マニホールド１３、セル内分配マニホールド１６、第２流路域１４（カソード流路７ｂ、７ｃ）、セル内回収マニホールド１７、第２排出マニホールド１５の順番で流通させる。
【００３８】
第１供給マニホールド１０により、各セルに分配された酸化剤ガスは、第１流路域１１に形成したカソード流路７ａ内を流れる。このとき流通する酸化剤ガスの一部は、カソード流路７ａから酸化剤極３のガス拡散層電極に向かって拡散する。拡散した酸化剤ガスは式（２）の反応を生じて発電に用いられる。このとき、電解質膜１の湿潤を維持する必要があるが、発電に伴って酸化剤極３では生成水が生じるので、この生成水を加湿に用いることができる。酸化剤極３内に拡散しなかった酸化剤ガスは、カソード流路７ａに沿って流れて第１排出マニホールド１２に回収される。このとき、酸化剤ガス中には、酸化剤極３で生成された水の一部が蒸発しているので、加湿された酸化剤ガスとなる。
【００３９】
第１排出マニホールド１２に回収された酸化剤ガスは、後述する中間流路４３等により第２供給マニホールド１３に供給されて各セルに分配される。各セルでは、セル内分配マニホールド１６を通ってカソード流路７ｂに分配される。ここで、第２流路域１４に形成したカソード流路７ｂとカソード流路７ｃは連通流路が設けられていない。そのため酸化剤ガスは、カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとを分割するリブ部（カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとの間の部分）に対峙する酸化剤極３のガス拡散層内を通り、隣接するカソード流路７ｃに排出される。このとき酸化剤極３に供給される酸化剤ガス中には、第１流路域１１内で生成した生成水の一部が含まれるため、電解質膜１の乾燥を防ぐことができる。また、酸化剤ガスが酸化剤極３を介してカソード流路７ｂからカソード流路７ｃに通過するので、酸化剤極３内の水分、例えば第２流路域１４内での発電に伴う生成水は酸化剤ガスの流れに伴って除去することができる。このように、酸化剤極３を介してカソード流路７ｃに移動した酸化剤ガスは、セル内回収マニホールド１７を介して、第２排出マニホールド１５に回収される。
【００４０】
なお、ここでは、第２供給マニホールド１３および、第２排出マニホールド１５を外部マニホールドにより構成することもできる。
【００４１】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００４２】
電解質膜１を電極２、３で狭持することにより構成したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持し、かつ、ＭＥＡに対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備える。少なくとも一方のセパレータ、ここではカソードセパレータ５に形成したカソード流路７を、流通する酸化剤ガスの一部が酸化剤極３に拡散するように構成したカソード流路７ａと、流通する全ての酸化剤ガスが酸化剤極３に供給されるように構成したカソード流路７ｂ、７ｃと、から構成する。さらに、カソード流路７ａを流通した酸化剤ガスの少なくとも一部をカソード流路７ｂ、７ｃに供給する。ここでは、第１供給マニホールド１０から第１流路域１１を介して第１排出マニホールド１２を経て、さらに第２供給マニホールド１３、第２供給マニホールド１３から第２流路域１４へと続き、最終的に第２排出マニホールドマニフォールド１５を通じて、ガスの排出を行う。
【００４３】
電解質膜１を乾燥しやすい供給ガス通流方向上流部に第１流路域１１を配置する。ここで第１流路域１１は生成水を保持し易い形状であるため、電解質膜１が乾燥しやすい部分に配置することで、電解質膜１を湿潤化させることができる。一方、第２流路域１４のカソード流路７ｂ、７ｃでは、酸化剤ガスを酸化剤極３のガス拡散層へ強制的に通流させる。このためカソード流路７ａよりフラッディングを抑制できるが、供給する酸化剤ガスに含まれている水蒸気が不十分であると電解質膜１を乾燥させてしまう。ここでは、発電で湿潤した酸化剤ガスを第２流路域１４へ供給するので電解質膜１を湿潤化させることができ、結果としてセル面全体にわたる電解質膜１を湿潤状態とすることができる。これにより、電解質膜１の湿潤性がより向上し、セル電圧、スタック出力、発電効率などの更なる向上が達成できる。
【００４４】
ＭＥＡと、セパレータ４、５により構成されるセルを積層することにより燃料電池スタックを構成し、各セルに反応ガスを分配する第１供給マニホールド１０および第２の供給マニホールド１３と、各セルから排出ガスを回収する第１排出マニホールド１２および第２排出マニホールド１５と、を備える。カソード流路７ａを、第１供給マニホールド１０と第１排出マニホールド１２との間を連通する反応ガス流路から構成する。カソード流路７ｂ、７ｃを、第２供給マニホールド１３と第２排出マニホールド１５の少なくとも一方と非連通とする反応ガス流路から構成する。第１排出マニホールド１２を、第２供給マニホールド１３の上流側に連通させる。これにより、第１流路域１１を流通して加湿された酸化剤ガスを、第２供給マニホールド１３により各セルに分配して第２流路域１４に供給することができる。
【００４５】
ここで、第２流路域１４のカソード流路７として、第２供給マニホールド１３に連通するカソード流路７ｂと、第２排出マニホールド１５に連通し、かつ、カソード流路７ｂと非連通のカソード流路７ｃと、から構成する。このように、非連通とすることで、カソード流路７ｂに供給した全ての酸化剤ガスを酸化剤極３を介してカソード流路７ｃに供給することができる。ここでは、カソード流路７ｂとカソード流路７ｃとを交互に配置し、その一部が隣接するように構成した。隣接する一部分に対峙する酸化剤極３が酸化剤ガスの主なる拡散領域となるので、隣接する部分を大きくとることで、酸化剤極３の広い範囲に酸化剤ガスを拡散することができる。このように、全ての酸化剤ガスを酸化剤極３に強制的に供給してカソード流路７ｃに排出するように構成することで、フラッディングを抑制することができる。
【００４６】
第１反応ガス流路７ａを備えた第１流路域１１と、第２反応ガス流路７ｂ、７ｃを設けた前記第２流路域１４と、を同一セパレータに形成する。ここでは、カソードセパレータ５面内に、カソード流路７ａを備えた第１流路域１１と、カソード流路７ｂ、７ｃを設けた第２流路域１４と、を形成する。これにより、同一セル面内に第１流路域１１と第２流路域１４を構成して、セパレータセル面内の湿潤状態を均一化することができる。
【００４７】
また、セパレータを、反応ガス流路として酸化剤ガスのカソード流路７を設けたカソードセパレータ５とする。式（２）に示すように、カソード側では発電に伴って水が生成される。そのため、カソード流路７内の上流側と下流側のカソードガスの湿潤状態の差が大きく、電解質膜１の乾燥やフラッディングが生じやすい。そこで、第１流路域１１と第２流路域１４をカソード側に構成することで、電解質膜１の湿潤状態を均一化することができる。
【００４８】
酸化剤極３の、カソードセパレータ５のセル面内のカソード流路７ｂ、７ｃを形成した第２流路域１４に対峙する領域と比較して、カソード流路７ａを形成した第１流路域１１に対峙する領域のほうが、親水性が強くなるように構成する。これにより、電解質膜１が乾燥しやすい酸化剤ガス通流方向上流部における電解質膜１の湿潤性を向上させることができる。
【００４９】
また、逆に、酸化剤極３の、第２流路域１４に対峙する領域と比較して、第１流路域１１に対峙する領域のほうが、疎水性が強くなるように構成する。これにより、上流側に配置する第１流路域１１がフラッディングを発生しやすい場合にはフラッディング発生を抑制することができる。
【００５０】
さらに、酸化剤極３の、第２流路域１４に対峙する領域と比較して、第１流路域１１に対峙する領域を細孔が小さい部材で構成する。これにより、電解質膜１が乾燥しやすい上流部に相当する酸化剤極３のガス拡散層における水分の保持能力を向上し、電解質膜１の湿潤性を向上させることができる。
【００５１】
一方、酸化剤３の、第２流路域１４に対峙する領域と比較して、第１流路域１１に対峙する領域を細孔の大きい部材で構成する。これにより、第１流路域１１に相当する酸化剤極３のガス拡散層において、供給される酸化剤ガスにより過剰な水分を除去し易くすることができるので、フラッディングを低減することができる。
【００５２】
さらに、電解質膜１を電極２、３で狭持したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持し、かつ、ＭＥＡに対峙する面に反応ガス流路を有するセパレータと、を備え、反応ガス流路を、流通する反応ガスの一部が電極（酸化剤極３）に拡散するように構成する第１反応ガス流路（カソード流路７ａ）と、流通する全ての反応ガスが電極（酸化剤極３）に供給される第２反応ガス流路（カソード流路７ｂ、７ｃ）と、から構成する。第１反応ガス流路（カソード流路７ａ）を流通した反応ガスの少なくとも一部を第２反応ガス流路（カソード流路７ｂ、７ｃ）に供給する。このような固体高分子型燃料電池システムを移動体に搭載することで、電解質膜１を加湿するために燃料電池５０に供給する水を低減もしくは省略することができる。これにより、移動体の動力源として用いる燃料電池システムをコンパクト化・軽量化することができるので、効率のよい運転を行うことができる。
【００５３】
上述したように、ここでは湿潤の不足が生じ易い上流側の流路を、酸化剤ガスがカソード流路７ａから酸化剤極３に向かって流れるように構成する。これにより、カソード流路７の上流側の乾燥を発電に伴う生成水により防ぎ、湿潤化を促進することができる。また、フラッディングの生じ易い下流側の流路を、酸化剤ガスが、酸化剤極３を介してカソード流路７ｂからカソード流路７ｃに拡散するように構成する。これにより、カソード流路７の下流側で発電に伴う生成水の蒸気を大量に含んだ酸化剤ガスを流通させても、フラッディングを抑制することができる。このように構成することで、発電性能に寄与するＭＥＡの保水状態を均一に保持させた燃料電池５０を提供することができる。
【００５４】
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池５０の概略は第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５のカソード流路７の構成を図３に示す。
【００５５】
セル内分配マニホールド１６を省略し、第２供給マニホールド１３に直接カソード流路７ｂを接続させた。つまり、第２供給マニホールド１３を、セル積層方向に延び、かつ、カソード流路７ｂが並列する方向に広がった形状とする。また、セル内回収マニホールド１７を省略し、第２回収マニホールド１５に直接カソード流路７ｃを接続させた。つまり、第２回収マニホールド１５をセル積層方向に延び、かつ、カソード流路７ｃが並列する方向に広がった形状とする。
【００５６】
このように、酸化剤ガスを各セルに分配する第２供給マニホールド１３とセル面内のカソード流路７ｂを直接接続させる。これにより、それぞれのガス流路７ｂへのガス分配性の改善を図ることができる。また、各セルから酸化剤ガスを回収する第２排出マニホールド１５と各セル面内のカソード流路７ｃとを直接接続させる。これにより、それぞれのガス流路７ｃからのガス回収性の改善を図ることができる。ガス分配性、ガス回収性を向上することで、ガス流路７ｂ、７ｃを流れる酸化剤ガスの流量を均一化することができる。なお、ここでは、第２流路領域１４に形成するカソード流路７ｂ、７ｃの間隔を均一に構成する。
【００５７】
ここではカソード流路７を例としているが、アノード流路６についても同様に構成することができる。その際、カソード側の第１流路域１１に電解質膜１を介して対峙するアノードセパレータ４の面にも、第２流路域１４に構成した形状の流路を構成することが好ましい。
【００５８】
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池５０の概略構成を第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する平面を図４のように構成する。
【００５９】
ここでは、第２実施形態において、第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とを連通させて、中間マニホールド１８とした。このように構成することで、第１流路域１１の排出側と第２流路域１４の供給側が同一側となる。そこで、ここでは第１流路域１１内と第２流路域１４との酸化剤ガスの概略流れ方向を平行に且つ逆方向とする。ここでは、カソード流路７ｂ、７ｃの間隔を、一定間隔とした。ただし、供給される酸化剤ガス流量が小さく、中間マニホールド１８内での流量勾配が大きい場合には、その流量勾配に合わせてこのカソード流路７ｂ、７ｃの間隔を変化させてもよい。
【００６０】
このように第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とをセパレータセル面内で連通させることで、マニホールド数を量略することができ、セル面積を小さくすることができる。特に移動体搭載を考慮した燃料電池５０では、そのサイズが小さくなるほど好ましい。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池５０の概略構成を第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する平面を図５のように構成する。
【００６２】
ここでは、カソードセパレータ５の平面を第３の実施形態と略同様の構成とする。ただし、セル面が垂直になるようにセルを積層した際に、中間マニホールド１８をセルの発電面の鉛直上方に配置する。
【００６３】
以下、本実施形態の効果を説明する。
【００６４】
第２供給マニホールド１３を、セパレータセル面の鉛直方向上方に配置し、第２排出マニホールド１５を、第２供給マニホールド１３に比較して、鉛直下方に配置する。ここでは、第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とを連通して形成し、セパレータセル面の鉛直上方に配置するとともに、第１供給マニホールド１０および第２排出マニホールド１５を、連通された第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３とに比較して、鉛直下方に配置する。これにより、中間マニホールド１８内で凝縮する水を、ガスの通流する流れを利用して第２流路域１４に導入することができる。その結果、中間マニホールド１８内の凝縮水を有効に電解質膜１の湿潤に用いることができるとともに、過剰な生成水の除去性能を向上することができる。
【００６５】
次に、第５の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池５０の概略構成を第１の実施形態と同様とし、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する平面の構成を第１から４の実施形態のいずれか一つとする。また、カソードセパレータ５のカソード流路７を構成したのと反対側の冷却水流路９を構成した面の形状を図６に示す。
【００６６】
ここでは、セル積層方向に延びる冷却水供給マニホールド１９、冷却水流路域２０に形成した冷却水流路９、セル積層方向に延びる冷却水排出マニホールド２１を備える。外部から供給された冷却水は、冷却水供給マニホールド１９を流れる際に各セルに分配される。セルに分配された冷却水は、冷却水流路９を流れる際に、燃料電池５０の発電に伴う熱を回収するとともに、その一部をアノ−ド流路４を流れる燃料ガスに供給する。ここでは、冷却水流路９を冷却水流路域２０を覆うように蛇行して構成する。冷却水流路９を流通した冷却水は冷却水排出マニホールド２１を介して排出される。
【００６７】
このような冷却水の流路を構成する際に、第１供給マニホールド１０の近くに冷却水のセル面への導入部である冷却水供給マニホールド１９を配置する。また、冷却水流路９の上流側の一部を、第１流路域１１に沿うように構成する。ここでは、冷却水流路９の上流端からの一部分を、カソード流路７ａの酸化剤ガスの概略流れ方向に沿って冷却水が流れるように形成する。また、冷却水流路９の下流側は第２流路域１４に沿って構成する。冷却水マニホールド２１は、第２流路域１４に相当する部分に配置する。
【００６８】
このように、カソードセパレータ５のカソード流路７を設けた面の反対側の面に冷却水流路９を設け、冷却水流路９の導入部である冷却水供給マニホールド１９を、第１供給マニホールド１０の近傍に配置する。これにより、電解質膜１が乾燥しやすい酸化剤ガス上流部に当たる第１供給マニホールド１０付近で、蒸発によりガス拡散層から酸化剤ガスへ移動する水の量を抑制することができる。
【００６９】
次に、第６の実施形態について説明する。酸化剤極３に対峙する面が第１または２の実施形態に示すような構成のカソードセパレータ５を用いて、図７に示すような燃料電池システムを構成する。また、冷却水流路９を第６の実施形態に示したような構成としてもよい。
【００７０】
酸化剤ガスを燃料電池５０に圧送するコンプレッサ３０を備える。また、コンプレッサ３０で圧送した酸化剤ガスを第１供給マニホールド１０に供給する第１供給流路３８を備える。第１供給流路３８には、酸化剤ガスを供給するかどうかを選択する第１供給バルブ３１、第１供給流路３８を流通する流量を検出し、その流量が設定する値となるように第１供給バルブの開度を調整する第１マスフローコントローラ３２を備える。さらに、コンプレッサ３０で圧送した酸化剤ガスの一部を第２供給マニホールド１３に供給する第２供給流路３９を備える。第２供給流路３９には、酸化剤ガスを供給するかどうかを選択する第２供給バルブ３３、第２供給流路３９を流通する流量を検出し、その流量が設定する値になるように第２に供給バルブ３９を調整するマスフローコントローラ３４を備える。
【００７１】
また、第１排出マニホールド１２から排出された酸化剤ガスを排出する第１排出流路４１と、酸化剤ガスを排出するかどうかを選択する第１排出バルブ３６を備える。さらに第２排出マニホールド１５から排出された酸化剤ガスを排出する第２排出流路４２を備える。
【００７２】
さらに、第１排出マニホールド１２と第２供給マニホールド１３を結ぶ中間流路４３を備える。中間流路４３を、第１排出流路４１と第２供給流路３９とを連通する流路とする。ここでは、第２マスフローコントローラ３４と第２供給マニホールド１３の燃料電池５０への入口部分との間に接続させる。中間流路４３には、第１流路域１１から排出された酸化剤ガスを第２流路域１４に供給するかどうかを選択する中間バルブ３５を備える。また、逆止弁３７を備え、中間流路４３に供給された酸化剤ガスが逆流するのを防ぐ。
【００７３】
このような構成の燃料電池システムの酸化剤ガスの供給系を制御するために、コントローラ４０を備える。ここでは、コントローラ４０により、各バルブ３１、３３、３５、３６の開度を制御する。また、燃料電池５０には温度センサ２５を備え、燃料電池５０の温度状態を検出可能とする。
【００７４】
次に、このような燃料電池システムにおける酸化剤ガスの流れを説明する。
【００７５】
通常時、並びに、常温以上である起動時には、図７の太線で示すように酸化剤ガスを流通させる。
【００７６】
第１供給バルブ３１を開、第２バルブ３３を閉とする。これにより、コンプレッサ３０から圧送される酸化剤ガスを第１流路域１１のみに供給する。さらに、第１排出バルブ３６を閉、中間バルブ３５を開とする。これにより、第１流路域１１を通過した酸化剤ガスを第２流路域１４に供給する。
【００７７】
つまり、コンプレッサ３０により圧送した酸化剤ガスは、第１供給流路３８を通って燃料電池５０に供給される。燃料電池５０では、第１供給マニホールド１０から第１流路域１１を通って、第１排出マニホールド１２に排出される。排出された酸化剤ガスは中間流路４３を通って、再び燃料電池５０に供給される。ここでは、第２供給マニホールド１３から第２流路域１４を通って、第２排出マニホールド１５から排出される。さらに第２排出流路４２を通って、システム外部や図示しない燃焼器等に排出される。
【００７８】
なお、中間流路４３を通って第２流路域１４に供給される酸化剤ガスの流量が小さい場合には、第１供給バルブを開いて酸化剤ガスを追加してもよい。また、要求される発電量に対して、第１流路域１１から排出される酸化剤ガスの流量が大きすぎる場合等には、第１排出バルブ３６を開くことで、第２流路域１４に供給する酸化剤ガスの流量を低減することもできる。
【００７９】
次に、常温以下、特に氷点下で燃料電池５０が保管されている時の燃料電池起動状態におけるガス通流を図８を用いて説明する。
【００８０】
燃料電池５０を移動体に搭載する場合には低温地域での使用が想定され、環境温度が低い状態からの燃料電池５０の起動が要求される。低温環境、とりわけ氷点下保管された燃料電池５０の起動の際、稼動に必要となる水の凍結が懸念される。そこで、ここでは流路の持つ特性を有効に活用した氷点下からの燃料電池５０の起動方法を説明する。
【００８１】
第１供給バルブ３１を閉、第２供給バルブ３３を開とする。これにより、コンプレッサ３０から圧送される酸化剤ガスを第２流路域１４のみに供給する。つまり、コンプレッサ３０により圧送した酸化剤ガスは、第２供給流路３９を通って燃料電池５０に供給される。燃料電池５０では、第２供給マニホールド１３から第２流路域１４を通って、第２排出マニホールド１５に排出される。排出された酸化剤ガスは第２排出流路４２を通って、システム外部や図示しない燃焼器等に排出される。
【００８２】
低温から燃料電池５０を起動する際には、発電に伴って発生する流路内凝縮水およびガス拡散層内での凝縮水が、酸化剤ガスの通流を阻害する。これを回避するため、反応ガスを強制的にガス拡散層内に通流させる第２流路域１４のみで発電することが好ましい。
【００８３】
次に、上述した燃料電池システムの起動制御を図９のフローチャートを用いて説明する。燃料電池５０の起動の信号を検知したら以下の制御を開始する。
【００８４】
ステップＳ１において、温度センサ２５により燃料電池５０の温度が所定温度より低いかどうかを判断する。ここで、所定温度を常温として予め設定しておく。または、所定温度を氷点とすることもできる。所定温度より低い場合には、ステップＳ２に進み、第１供給バルブ３１を閉じて、第１供給マニホールド１０への酸化剤ガスの流路を遮断する。これにより、第１流路域１１へ酸化剤ガスは供給されないので、ステップＳ３において中間バルブ３５を閉じる。
【００８５】
次にステップＳ４に進み、第２供給バルブ３３を開く。これにより、コンプレッサ３０と第２供給マニホールド１３を連通させる。ステップＳ５において、コンプレッサ３０を駆動することにより、酸化剤ガスを第２流路域１４に供給する。
【００８６】
ステップＳ６において、燃料電池５０の温度を再び検出する。燃料電池５０の温度が所定の温度に達していなければ、所定の温度に達するまでその状態を維持する。燃料電池５０の温度が所定の温度に達したら、ステップＳ７に進む。ここでは、この所定温度を常温とする。
【００８７】
ステップＳ７では、第１供給バルブ３１を開いて、第１流路域１１に酸化剤ガスを供給する。このとき、第１排出バルブ３６を開き、中間バルブ３５を閉じることで、第１流路域１１のカソード流路７ａ内の凝縮水をパージする。このパージを行っている間も、第２流路域１４には酸化剤ガスを供給して発電を継続する。
【００８８】
ステップＳ８において、パージが終了したかどうかを判断する。ここでは、予め実験等で必要なパージ時間を求めておき、そのパージ時間が経過したかどうかで判断する。パージが終了するまでこの状態を維持し、パージが終了したと判断されたらステップＳ９に進む。
【００８９】
ステップＳ９では、中間バルブ３５を開くと同時に、第１排出バルブ３６を閉じる。これにより、第１供給流路３８を介して第１流路域１１に供給された酸化剤ガスは、中間流路４３を介して第２流路域１４に供給される。また、第２供給バルブ３３を閉じて、第２流路域１４への酸化剤ガスの供給を停止する。また、コンプレッサ３０を、要求される電力に応じた出力、または所定の出力に設定する。このとき、コンプレッサ３０は第１流路域１１のみに供給する。
【００９０】
一方、ステップＳ１において、燃料電池５０の温度が常温より高い場合には、ステップＳ１０に進み、通常の起動を行う。例えば、第１流路域１４のパージを行う。その後、酸化剤ガスを第１流路域１１に供給してから第２流路域１４に供給するように各バルブを制御する。
【００９１】
次に、本実施形態の効果を説明する。第１の実施形態に加えて以下のような効果を得ることができる。
【００９２】
電解質膜１を電極２、３で狭持することにより構成したＭＥＡと、ＭＥＡを狭持するセパレータ４、５と、少なくとも一方のセパレータ、ここではカソードセパレータ５に備えた、流通する酸化剤ガスの一部を酸化剤極３に拡散させるカソード流路７ａと、流通する全ての酸化剤ガスを酸化剤極３に供給するカソード流路７ｂ、７ｃと、からなる反応ガス流路とを備える。また、カソード流路７ａに酸化剤ガスを供給する第１供給マニホールド１０と、カソード流路７ａからの酸化剤ガスを回収する第１排出マニホールド１２と、カソード流路７ｂ、７ｃに酸化剤ガスを供給する第２供給マニホールド１３と、カソード流路７ｂ、７ｃからの酸化剤ガスを回収する第２排出マニホールド１５と、を備える。このような構成であり、第１排出マニホールド１２に回収した反応ガスの少なくとも一部を第２供給マニホールド１３に供給する固体高分子型燃料電池と、第１供給マニホールド１０と第２供給マニホールド１３とに反応ガスを供給するコンプレッサ３０と、第１供給マニホールド１０と第２供給マニホールド１３に供給する反応ガスの流量をそれぞれ制御する第１供給バルブ３１、第２供給バルブ３３と、を備える。これにより、第１流路域１１に供給する酸化剤ガス流量および第２流路域１４に供給する酸化剤流量を調整することができる。これにより、運転状況等に応じて、発電を行う領域を調整できるので、電解質膜１の湿潤を保持するように調整することができる。
【００９３】
カソード流路７ａから排出される酸化剤ガスを排出する第１排出流路４１と、第１排出流路４１を流通する酸化剤ガス流量を制御する第１排出バルブ３６と、カソード流路７ａからカソード流路７ｂ、７ｃに供給する反応ガス流量を制御する中間バルブ３５と、を備える。これにより、第１流路域１１を流通した酸化剤ガスを選択的に第２流路域１４に供給することができる。
【００９４】
ここで、酸化剤ガス流量を制御する手段（流量制御手段）をバルブ３１、３３、３５、３６により構成する。これにより、簡単な構成で酸化剤ガスの流路を設定することができるとともに、簡単に流路を切り替えることができる。
【００９５】
また、燃料電池５０の温度を検出する温度センサ２５と、温度センサ２５による出力が所定値以上であるかどうかを判断する判断手段（Ｓ１）と、を備える。燃料電池５０の起動時に、温度センサ２５による出力が所定値以上の場合には、酸化剤ガスをカソード流路７ａに流通させてから、カソード流路７ｂ、７ｃに流通させる。これにより、ＭＥＡの保水状態を均一化することができ、電解質膜１の乾燥およびフラッディングを抑制することができる。
【００９６】
さらに、燃料電池５０の起動時に、温度センサ２５による出力が所定値より低い場合には、カソード流路７ｂ、７ｃのみに反応ガスを供給する。ここで、発電に伴って発生する流路内凝縮水およびガス拡散層内での凝縮水は低温時に生じやすく、反応ガス、ここでは酸化剤ガスの通流を阻害する。また、低温時には、この凝縮水が凍結している可能性があり、このような場合には第１流路域１１に構成したカソード流路７ａでは、酸化剤極３に酸化剤ガスを拡散するのが困難である。これを回避するため、酸化剤ガスを強制的にガス拡散層内に通流させる第２流路域１４のみで発電する。これにより、低温時でも速やかに起動することができる。
【００９７】
次に、第７の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムを、第６の実施形態と同様とする。また、起動時や通常時の制御も、第６の実施形態と同様とする。ただし、燃料電池１０の出力電圧が低下した場合、例えば負荷応答や流路閉塞が生じた場合のガス通流状態を図１０に示すように制御する。
【００９８】
急激な負荷変動や、突然の凝縮水の供給ガス流路閉塞などの要因によって、発電状態に変化が見られた場合、所定の電力が得られるように、第１供給マニホールド１０と第２供給マニホールド１３へガス供給を同時に行う。また、第２供給マニホールド１３へは、第１流路域１１から供給される酸化剤ガスとコンプレッサ３０から供給される酸化剤ガスの両方を供給することで、第２流路域１４におけるガス流路の閉塞を解消する。
【００９９】
ここでは、第１供給バルブ３１、第２供給バルブ３３を開くことで、コンプレッサ３０から圧送される酸化剤ガスを、第１流路域１１および第２流路域１４に供給する。また、第１排出バルブ３６、中間バルブ３５を開き、第１流路域１１から排出された酸化剤ガスの一部を第２流路域１４に循環させる。
【０１００】
なお、ここでは燃料電池５０の状態を燃料電池５０の電圧を検出する電圧センサ２６により検出する。また、燃料電池５０の定常運転または負荷応答運転を検出する運転状態検出手段２７を備え、この出力をコントローラ４０に送る。
【０１０１】
このような制御を行うためのフローを図１１のフローチャートを用いて説明する。本フローチャートは、運転状態検出手段２７により、急激な負荷変動や、突然の凝縮水の供給ガス流路閉塞などの要因によって、発電状態に変化が見られると判断された場合に送られる信号を、コントローラ４０において検出した場合に開始する。
【０１０２】
ステップＳ２１において、電圧センサ２６から燃料電池５０の出力が低下しているかどうかを判断する。低下していないと判断された場合には、そのままの状態を維持して本制御を終了する。一方、燃料電池５０の出力が低下していると判断されたら、ステップＳ２２に進み、第２供給バルブ３３を開く。次に、ステップＳ２３において、コンプレッサ３０を調整して第１流路域１１および第２流路域１４に所定流量の酸化剤ガスを供給する。これにより、第２流路域１４に第１流路域１１から供給される酸化剤ガスとコンプレッサ３０から供給される酸化剤ガスをあわせて導入する。ここで、コンプレッサ３０から第２流路域１４に供給する酸化剤ガスの流量は、燃料電池５０の出力低下の程度に応じて設定してもよいし、予め設定した所定量としてもよい。
【０１０３】
次に、ステップＳ２４において、燃料電池５０の出力安定を電圧センサ２６により検知する。燃料電池５０の出力が再び安定するまでこの状態を維持し、燃料電池５０の出力が安定したと判断されたら、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、コンプレッサ３０から第２流路域１４への酸化剤ガスの供給を停止する。次にステップＳ２６に進み、第２供給バルブ３３を閉じて、第２供給流路３９を閉塞する。
【０１０４】
このように、燃料電池５０の運転状態を検出する運転状態検出手段２７と、燃料電池５０の発生電圧を検出する電圧センサと、を備える。運転状態検出手段２７により、燃料電池５０の定常運転または負荷応答運転を検出した際に、電圧センサ２６により電圧低下を検出した場合には、カソード流路７ａにコンプレッサ３０から反応ガスを供給するとともに、カソード流路７ｂ、７ｃにもコンプレッサ３０から反応ガスを追加供給する。このようなガス通流状態とすることで、第２流路域１４の燃料利用率を制御することができ、それによって、所定の発電量を補うことができる。また、第２流路域１４には、第１流路域１１から排出された酸化剤ガスの一部とコンプレッサ３０からの酸化剤ガスとを供給することができるので、第２流路域１４のフラッディングを解消でき、電圧を回復することができる。
【０１０５】
次に、第８の実施形態について説明する。本実施形態で用いるカソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙するセル平面の構成を図１２に示す。
【０１０６】
第１流路域１１を必要に応じて複数箇所設ける。ここでは、第１流路域１１ａ、１１ｂにより、第２流路域１４を挟む構成とする。酸化剤ガスは第１供給マニホールド１０ａ、１０ｂよりそれぞれの第１流路域１１ａ、１１ｂに供給され、それぞれの第１排出マニホールド１２ａ、１２ｂに回収される。回収された酸化剤ガスは、それぞれ第２供給マニホールド１３に供給され、第２流路域１３における発電に用いられる。
【０１０７】
第１〜第７実施形態においては、第１流路域１１と第２流路域１４を一列につなげたが、図１２に示すように、第２流路域１４の両側を二つの第１流路域１１で挟まれた構造でもかまわない。
【０１０８】
第１流路域１１と第２流路域１４のそれぞれの面積割合は、燃料電池５０の運転状況、環境によって適宜設定される。しかし、第１流路域１１が第２流路域１４より大きくなると、燃料電池５０全体の出力が十分得られない。また、第１流路域１１が第２流路域１４の１／３より小さくなると、第１流路域１１に配置するカソード流路７ａによる生成水の保持の効果を十分に発揮することができない。
【０１０９】
このように、燃料電池５０の条件に応じて、カソードセパレータ５の酸化剤極３に対峙する面の構成を設定することができる。要求される運転状況、環境に応じて第１流路域１１、第２流路域１４の面積割合を変更することで、要求される出力を得ることができる。このとき、第１流路域１１と第２流路域１４との配置が線対称または点対称となるように構成する。例えば、第１流路域１１を広く形成する場合等には、第２流路域１４を挟むように構成する。これにより、セル面全体の酸化剤ガス拡散性能を均一化することができ、燃料電池５０の発電効率をセル面で均一化することができる。また、第１流路域１１を広く構成したい場合にも、第１流路域１１を分割して酸化剤ガスをそれぞれに平行して供給することで、通流する酸化剤ガスの湿度が過剰になるのを抑制することができる。その結果、酸化剤極３のガス拡散層内で生じるフラッディングを低減することができる。
【０１１０】
次に、第９の実施形態について説明する。ここに用いるカソードセパレータ５の酸化剤極３の構成を図１３に、燃料電池５０の積層体構造を図１４に示す。
【０１１１】
本実施形態では、図１３（ａ）に示すように第１流路域１１を構成したカソードセパレータ５ａと、図１３（ｂ）に示すように第２流路域１４を構成したカソードセパレータ５ｂとを用いる。つまり、カソードセパレータ５ａにおいては、カソード流路７ａに供給された酸化剤ガスは、カソード流路７ａから酸化剤極３に向かって拡散する。そのため、生成水を加湿に用いることができ、電解質膜１を十分に湿潤することができる。一方、カソードセパレータ５ｂにおいては、カソード流路７ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤極３のガス拡散層を通ってカソード流路７ｃに回収される。そのため、湿潤の過剰な部分のガス拡散層におけるフラッディングを抑制することができる。
【０１１２】
そこで、図１４に示すように、カソードセパレータ５ａを積層することにより形成した第１積層体４５を上流側に、カソードセパレータ５ｂを積層することにより形成した第２積層体４６を下流側に配置して燃料電池５０を構成する。このように構成することで、比較的乾燥した酸化剤ガスが供給される上流側の第１積層体４５では、生成水を用いた電解質膜１の加湿が促進される。一方、第１積層体４５内で湿潤された酸化剤ガスが供給される下流側の第２積層体４６では、フラッディングが抑制される。これにより、燃料電池５０全体の効率を向上すると共に、燃料電池５０の出力低下を抑制する。
【０１１３】
このように、カソード流路７ａを形成したカソードセパレータ５ａと、カソード流路７ｂ、７ｃを形成したカソードセパレータ５ｂと、を積層して構成する。これにより、例えばスタック内での温度勾配等により、スタック全体でのフラッディングの発生しやすいところとそうでないところがある場合にセパレータを使い分けることで燃料電池全体での湿潤度合を平均化できる。
【０１１４】
また、カソード流路７ａを形成したカソードセパレータ５ａを積層してなる積層体４５と、カソード流路７ｂ、７ｃを形成したカソードセパレータ５ｂを積層してなる積層体４６と、から構成する。このような積層体４５、４６を組み合わせることで、湿潤状態を均一化した燃料電池５０を容易に構成することができる。
【０１１５】
次に、第１０の実施形態の説明をする。本実施形態で用いるカソードセパレータ５の構成を第９の実施形態と同様とし、燃料電池５０の構成を図１５に示す。
【０１１６】
第２流路域１４を有するカソードセパレータ５ｂを積層した第２積層体４６の両端に、第１流路域１１を有するカソードセパレータ５ａを積層した第１積層体４５ａ、４５ｂを備える。外部より酸化剤ガスが積層体４５ａ、４５ｂにそれぞれ供給される。その後、積層体４５ａ、４５ｂから排出された酸化剤ガスは第２積層体４６に供給される。
【０１１７】
このように構成することで、第１流路域１１を広く構成したい場合にも、第１流路域１１を分割して酸化剤ガスをそれぞれに平行して供給することで、通流する酸化剤ガスの湿度が過剰になるのを抑制することができる。その結果、酸化剤極３のガス拡散層内でフラッディングが生じるのを低減することができる。
【０１１８】
次に、第１１の実施形態の説明をする。本実施形態で用いるカソードセパレータ５の構成を第９の実施形態と同様とし、燃料電池５０の構成を図１６に示す。なお、本実施形態は、第１０の実施形態にも適用することができる。
【０１１９】
ここでは、第９の実施形態において、第１積層体４５と第２積層体４６を分割して構成し、第１積層体４５で用いた酸化剤ガスを流路等により第２積層体４６に供給する。このように構成することにより、例えば燃料電池５０を移動体に搭載する際などに、配置される領域に対する条件を低減することができるので、設計を容易にすることができる。
【０１２０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定するわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で、様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の積層構造の一部を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図３】第２の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図４】第３の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図５】第４の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図６】第５の実施形態に用いる冷却水流路を構成したセパレータの平面図である。
【図７】第６の実施形態に用いる燃料電池の通常時のガス状態を示す図である。
【図８】第６の実施形態に用いる燃料電池の起動時のガス状態を示す図である。
【図９】第６の実施形態における起動時の制御方法を示したフローチャートである。
【図１０】第７の実施形態に用いる燃料電池の電圧変化時のガス状態を示す図である。
【図１１】第７の実施形態における出力低下時の制御方法を示したフローチャートである。
【図１２】第８の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図１３】第９の実施形態に用いるセパレータの平面図である。
【図１４】第９の実施形態に用いる燃料電池の構成を示した概略図である。
【図１５】第１０の実施形態に用いる燃料電池の構成を示した概略図である。
【図１６】第１１の実施形態に用いる燃料電池の構成を示した概略図である。
【符号の説明】
１    電解質膜（固体高分子電解質膜）
２    燃料極（電極）
３    酸化剤極（電極）
４    アノードセパレータ（セパレータ）
５    カソードセパレータ（セパレータ）
６    アノード流路（反応ガス流路）
７    カソード流路（反応ガス流路）
７ａ  カソード流路（第１反応ガス流路）
７ｂ  カソード流路（第２反応ガス流路、供給側反応ガス流路）
７ｃ  カソード流路（第２反応ガス流路、排出側反応ガス流路）
９    冷却水流路
１０  第１供給マニホールド
１１  第１流路域
１２  第１排出マニホールド
１３  第２供給マニホールド
１４  第２流路域
１５  第２排出マニホールド
１８  中間マニホールド
１９  冷却水供給マニホールド（冷却水の導入部）
２５  温度センサ（温度検出手段）
２６  電圧センサ（電圧検出手段）
２７  運転状態検出手段
３０  コンプレッサ（反応ガス供給手段）
３１  第１供給バルブ（流量制御手段）
３３  第２供給バルブ（流量制御手段）
３５  中間バルブ（流量制御手段）
３６  排出バルブ（流量制御手段）
４１  第１排出流路
４３  中間流路
４５  第１積層体
４６  第２積層体
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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