(57)【要約】【課題】燃料電池スタックを全体に亘って略均一かつ迅速に運転温度まで上昇させる。【解決手段】燃料電池スタック４０は、第１単位セル５ａと第２単位セル５ｂとを有する。定常運転に先立ち、第１単位セル５ａと第２単位セル５ｂの各カソード側電極３ａ、３ｂに水素ガスと空気の混合ガスが供給される。この際、混合ガスは、第１単位セル５ａを構成する第１カソード側電極側セパレータ４８ａの第１酸素含有ガス流路５２ａにおいては、該第１カソード側電極側セパレータ４８ａの右端側に設けられた第２酸素含有ガス入口通路１８ｂから左端側に設けられた第２酸素含有ガス出口通路１９ｂに指向して流通し、一方、第２単位セル５ｂを構成する第２カソード側電極側セパレータ４８ｂの第２酸素含有ガス流路５２ｂにおいては、該第２カソード側電極側セパレータ４８ｂの左端側に設けられた第１酸素含有ガス入口通路１８ａから右端側に設けられた第１酸素含有ガス出口通路１９ａに指向して流通する。【選択図】図２
2004047175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第１カソード側電極側セパレータとを有する第１単位セルと、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第２カソード側電極側セパレータとを有する第２単位セルと、
前記第１単位セルと前記第２単位セルとを有する積層体と、
を具備し、
かつ前記第１カソード側電極側セパレータおよび前記第２カソード側電極側セパレータには、酸素含有ガスが流通される第１酸素含有ガス流路および第２酸素含有ガス流路がそれぞれ設けられ、
前記第１酸素含有ガス流路には、前記第２酸素含有ガス流路におけるガスの流通方向と反対方向にガスが流通する箇所が存在することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層体中では、前記第１単位セルと前記第２単位セルとが交互に隣接して積層されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１カソード側電極側セパレータの第１酸素含有ガス流路に連通するガス入口およびガス出口が該第１カソード側電極側セパレータの第１端部および第２端部の各近傍に設けられ、かつ前記第２カソード側電極側セパレータの第２酸素含有ガス流路に連通するガス出口およびガス入口が該第２カソード側電極側セパレータの第１端部および第２端部の各近傍に設けられ、
前記積層体中では、前記第１カソード側電極側セパレータと前記第２カソード側電極側セパレータとの前記第１端部同士および前記第２端部同士が、前記アノード側電極側セパレータおよび前記接合体を介して重なり合っていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
発電に先立ち燃料ガスおよび酸素含有ガスをカソード側電極に供給して、該カソード側電極で前記燃料ガス中の水素と前記酸素含有ガス中の酸素とを反応させることによって発生した反応熱で前記接合体を運転温度まで昇温させる燃料電池スタックの運転方法であって、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第１カソード側電極側セパレータとを有する第１単位セルを構成し、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第２カソード側電極側セパレータとを有する第２単位セルを構成し、
前記第１単位セルと前記第２単位セルとを有する積層体を構成して、
前記第１カソード側電極側セパレータおよび前記第２カソード側電極側セパレータに、酸素含有ガスを流通する第１酸素含有ガス流路および第２酸素含有ガス流路をそれぞれ設け、
前記第１酸素含有ガス流路および前記第２酸素含有ガス流路に燃料ガスおよび酸素含有ガスを同時に供給する際、該第１酸素含有ガス流路および該第２酸素含有ガス流路とで燃料ガスおよび酸素含有ガスの流通方向を互いに相違させることによって、前記第１単位セルの昇温開始箇所と前記第２単位セルの昇温開始箇所とを相違させることを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
【請求項５】
請求項４記載の運転方法において、前記第１単位セルと前記第２単位セルとを隣接させて前記積層体を構成した上で燃料ガスおよび酸素含有ガスをカソード側電極に供給することを特徴とする燃料電池スタックの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックおよびその運転方法に関し、一層詳細には、簡素な構成で定常運転温度まで略均一かつ迅速に昇温させることが可能な燃料電池スタックおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な燃料電池スタック１の概略全体斜視図を図７に示す。この燃料電池スタック１は、図示しない電解質層がアノード側電極２とカソード側電極３との間に介装されることにより構成された接合体４を有する単位セル５が所定数だけ矢印Ａ方向に積層されるとともに、互いに電気的に直列接続されることにより構成された積層体６を具備する。
【０００３】
接合体４は、額縁状シール部材７の開口部に収容保持されている。また、該接合体４を構成するアノード側電極２およびカソード側電極３は、ガスケット８、９の開口部にそれぞれ収容される。
【０００４】
単位セル５は、この接合体４と、該接合体４を挟持するアノード側電極側セパレータ１０およびカソード側電極側セパレータ１１とを有する。このうち、アノード側電極側セパレータ１０におけるアノード側電極２との当接面には、該アノード側電極２に水素含有ガスを供給・排出するための燃料ガス流路１２が設けられている。同様に、カソード側電極側セパレータ１１におけるカソード側電極３との当接面には、該カソード側電極３に酸素含有ガスを供給・排出するための酸素含有ガス流路１３が設けられている。これら燃料ガス流路１２および酸素含有ガス流路１３は、各セパレータ１０、１１に導入されてから排出されるまで該セパレータ１０、１１内を２往復半するように蛇行して形成されている。
【０００５】
積層体６内においては、単位セル５同士の間に冷却用プレート１４が介装されている。各冷却用プレート１４は、カソード側電極側セパレータ１１との当接面に設けられた冷却水流路１５を有する。
【０００６】
また、燃料電池スタック１の図７における左下端部には燃料ガスを供給するための燃料ガス入口通路１６が設けられており、かつその対角位置には、未反応の燃料ガスを排出するための燃料ガス出口通路１７が設けられている。同様に、右下端部には酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス入口通路１８が設けられており、その対角位置には、未反応の酸素含有ガスを排出するための酸素含有ガス出口通路１９が設けられている。勿論、燃料ガス入口通路１６および燃料ガス出口通路１７は燃料ガス流路１２に連通しており、酸素含有ガス入口通路１８および酸素含有ガス出口通路１９は酸素含有ガス流路１３に連通している。
【０００７】
そして、燃料ガス入口通路１６と酸素含有ガス出口通路１９との間には冷却水入口通路２０が形成されており、かつ酸素含有ガス入口通路１８と燃料ガス出口通路１７との間には冷却水出口通路２１が形成されている。これら冷却水入口通路２０および冷却水出口通路２１は、冷却水流路１５に連通している。
【０００８】
このように構成された単位セル５のうち、両端に位置する単位セルには、図７に示されるように集電用電極２２、２３がそれぞれ電気的に接続される。さらに、集電用電極２２、２３の外側に漏電防止用の絶縁シート（図示せず）を介してエンドプレート２４、２５が配置される。
【０００９】
一方のエンドプレート２４には、燃料ガス入口通路１６および燃料ガス出口通路１７にそれぞれ連通する燃料ガス導入口２６および燃料ガス排出口２７、酸素含有ガス入口通路１８および酸素含有ガス出口通路１９にそれぞれ連通する酸素含有ガス導入口２８および酸素含有ガス排出口２９、冷却水入口通路２０および冷却水出口通路２１にそれぞれ連通する冷却水導入口３０および冷却水排出口３１が設けられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように構成された燃料電池スタック１は、電解質が例えば炭化珪素多孔質体にリン酸が含浸されたものである場合、１４０℃〜１９０℃まで昇温された後に定常運転される。すなわち、まず、図示しないヒータ等の加熱手段によって１００℃を超える程度まで燃料電池スタック１の温度を上昇させる。その後、燃料ガスおよび酸化剤含有ガスをアノード側電極２およびカソード側電極３にそれぞれ供給し、アノード側電極２で水素の電離反応を起こさせる一方、カソード側電極３で酸素、水素イオンおよび電子の結合反応を起こさせ、この際の反応熱をも利用して燃料電池スタック１を１４０℃〜１９０℃まで昇温させるようにしている。
【００１１】
しかしながら、上記のようにして昇温させると、運転温度に到達するまで長時間が必要であるという不具合がある。すなわち、安定した定常運転が可能となるまでに長時間を要してしまうので、燃料電池スタック１を発電させたいときに即座に発電させることができないという実使用上の問題がある。
【００１２】
これを解決する方策としては、発熱量が大きなヒータを使用することが想起される。しかしながら、このようなヒータは概して形状が大であり、したがって、燃料電池システム全体の大型化を引き起こし、体積および重量当たりのエネルギ効率を著しく低減させてしまうという不具合を招く。
【００１３】
そこで、特開昭６３−２２５４７７号公報および米国特許第６１０３４１０号公報に開示されているように、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極３に供給し、次の反応式（Ａ）に示される反応を起こさせ、この際の反応熱を利用して燃料電池スタック１を昇温させる手法を採用することも想起される。
【００１４】
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ　　　　…（Ａ）
しかしながら、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極３に供給した場合、反応式（Ａ）に示される反応は、両ガスがカソード側電極３に接触する酸素含有ガス流路１３の入口付近から活発に進行する。換言すれば、両ガスは、カソード側電極３に接触すると同時に消費され始める。したがって、酸素含有ガス流路１３の出口付近では、反応式（Ａ）に示される反応に関与するガス量が少なくなるので、発生熱量が小さくなってしまう。その結果、カソード側電極３、ひいては燃料電池スタック１の温度が、酸素含有ガス流路１３の入口側（図７における左端側近傍）で高くなり、かつ該酸素含有ガス流路１３の出口側（図７における右端側近傍）で低くなる。このため、燃料電池スタック１に温度分布が生じ、昇温速度が小さい右端側近傍が運転温度まで昇温するのに時間を要するという不具合が惹起される。
【００１５】
結局、従来技術にかかる燃料電池スタック１には、燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極３に供給した場合、温度分布が不均一なものとなり、運転温度までの昇温に長時間を要するという不具合がある。
【００１６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、全体に亘って均一かつ迅速に上昇させることが可能であり、しかも、設備を大型化させることもない燃料電池スタックおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第１カソード側電極側セパレータとを有する第１単位セルと、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第２カソード側電極側セパレータとを有する第２単位セルと、
前記第１単位セルと前記第２単位セルとを有する積層体と、
を具備し、
かつ前記第１カソード側電極側セパレータおよび前記第２カソード側電極側セパレータには、酸素含有ガスが流通される第１酸素含有ガス流路および第２酸素含有ガス流路がそれぞれ設けられ、
前記第１酸素含有ガス流路には、前記第２酸素含有ガス流路におけるガスの流通方向と反対方向にガスが流通する箇所が存在することを特徴とする。
【００１８】
このように構成することにより、定常運転に先立って燃料ガスと酸素含有ガスとを同時にカソード側電極に供給した際、例えば、第１単位セルでは右端部を、第２単位セルでは左端部を起点として昇温を開始させる等、第１単位セルにおける昇温開始箇所と第２単位セルにおける昇温開始箇所とを相違させることができる。この例の場合、燃料電池スタックの両端部から温度が上昇するので、該燃料電池スタックに温度分布が生じることを抑制することができる。すなわち、温度を略均一かつ迅速に上昇させることが可能となる。
【００１９】
しかも、この場合、大型ヒータ等の付加設備を特に必要とすることなく燃料電池スタックを昇温させることができ、システム全体を簡素な構成とすることができる。
【００２０】
なお、積層体中では、前記第１単位セルと前記第２単位セルとを交互に隣接して積層することが好ましい。これにより熱伝達が効率よく営まれるようになるので、燃料電池スタックの温度分布が一層均一となるからである。
【００２１】
そして、第１単位セルと第２単位セルを上記したように異なる端部同士から昇温させるには、例えば、第１カソード側電極側セパレータの第１酸素含有ガス流路に連通するガス入口およびガス出口を該第１カソード側電極側セパレータの第１端部および第２端部の各近傍に設け、かつ第２カソード側電極側セパレータの第２酸素含有ガス流路に連通するガス出口およびガス入口を該第２カソード側電極側セパレータの第１端部および第２端部の各近傍に設け、積層体中で、第１カソード側電極側セパレータと第２カソード側電極側セパレータとの第１端部同士および第２端部同士を、アノード側電極側セパレータおよび接合体を介して重ね合わせるようにすればよい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池スタックの運転方法は、発電に先立ち燃料ガスおよび酸素含有ガスをカソード側電極に供給して、該カソード側電極で前記燃料ガス中の水素と前記酸素含有ガス中の酸素とを反応させることによって発生した反応熱で前記接合体を運転温度まで昇温させる燃料電池スタックの運転方法であって、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第１カソード側電極側セパレータとを有する第１単位セルを構成し、
電解質をアノード側電極およびカソード側電極で挟んで構成される接合体と、前記接合体のアノード側電極側に配設されたアノード側電極側セパレータと、前記接合体のカソード側電極側に配設された第２カソード側電極側セパレータとを有する第２単位セルを構成し、
前記第１単位セルと前記第２単位セルとを有する積層体を構成して、
前記第１カソード側電極側セパレータおよび前記第２カソード側電極側セパレータに、酸素含有ガスを流通する第１酸素含有ガス流路および第２酸素含有ガス流路をそれぞれ設け、
前記第１酸素含有ガス流路および前記第２酸素含有ガス流路に燃料ガスおよび酸素含有ガスを同時に供給する際、該第１酸素含有ガス流路および該第２酸素含有ガス流路とで燃料ガスおよび酸素含有ガスの流通方向を互いに相違させることによって、前記第１単位セルの昇温開始箇所と前記第２単位セルの昇温開始箇所とを相違させることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、カソード側電極に燃料ガスと空気とを同時に供給し、両ガスが反応することに伴って発生する熱で積層体を昇温させる際、第１単位セルの昇温開始箇所と第２単位セルの昇温開始箇所とが相違するので、積層体に温度分布が生じることを抑制することができ、燃料電池スタックを略均一かつ迅速に定常運転温度まで昇温することができる。
【００２４】
また、第１単位セルと第２単位セルとを隣接させて積層体を構成した上で燃料ガスおよび酸素含有ガスをカソード側電極に供給することが好ましい。これにより熱が効率的に伝達されるので、積層体に温度分布が生じることを一層抑制することができるからである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池スタックおよびその運転方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、図７に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、場合によっては、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図を図１に示す。この燃料電池スタック４０は、図２に示す第１単位セル５ａおよび第２単位セル５ｂが矢印Ａ方向に所定数だけ交互に積層されるとともに、互いに電気的に直列接続されることにより構成された積層体４２を有する。
【００２７】
第１単位セル５ａは、上記した従来技術に係る燃料電池スタック１における単位セル５と同様に構成されている。すなわち、燃料電池スタック４０を構成する積層体４２の要部拡大断面図である図３に示すように、第１単位セル５ａにおいては、電解質層４４ａがアノード側電極２ａとカソード側電極３ａとの間に介装されることにより構成された接合体４ａを備える。電解質層４４ａとしては、炭化珪素多孔質からなる母材（マトリックス）に濃厚リン酸を含浸させたものを例示することができるが、特にこれに限定されるものではなく、ポリベンズイミダゾール等の塩基性ポリマーに濃厚リン酸を含浸させたものであってもよいし、ポリテトラフルオロエチレンスルホン酸に水を含浸させたものであってもよい。
【００２８】
一方、アノード側電極２ａおよびカソード側電極３ａは、カーボンクロス等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に積層されてなる電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有し、電極触媒層同士が電解質層４４ａを介して対向するように該電解質層４４ａに接合されている。
【００２９】
接合体４ａ中、電解質層４４ａは、額縁状シール部材７の開口部に収容保持されている。また、アノード側電極２ａおよびカソード側電極３ａは、ガスケット８、９の開口部にそれぞれ収容される。
【００３０】
そして、アノード側電極２ａおよびカソード側電極３ａの外側には、多孔質カーボンまたは金属からなるアノード側電極側セパレータ４６ａおよび第１カソード側電極側セパレータ４８ａがそれぞれ配置されている。
【００３１】
これらアノード側電極側セパレータ４６ａまたは第１カソード側電極側セパレータ４８ａにおけるアノード側電極２ａまたはカソード側電極３ａとの当接面には、直線状の燃料ガス流路５０または第１酸素含有ガス流路５２ａがそれぞれ設けられている。
【００３２】
このように構成された第１単位セル５ａに隣接した第２単位セル５ｂは、上記と同様に構成された電解質層４４ｂがアノード側電極２ｂとカソード側電極３ｂとの間に介装されることにより構成された接合体４ｂを備える。なお、電解質層４４ｂ、アノード側電極２ｂおよびカソード側電極３ｂは、第１単位セル５ａにおける電解質層４４ａ、アノード側電極２ａおよびカソード側電極３ａと同一のものであるが、説明の便宜上、第２単位セル５ｂを構成する要素にはａに代替してｂを付す。
【００３３】
この第２単位セル５ｂにおいても、電解質層４４ｂ、アノード側電極２ｂおよびカソード側電極３ｂは、額縁状シール部材７、ガスケット８、９の開口部にそれぞれ収容保持されている。
【００３４】
そして、アノード側電極２ｂおよびカソード側電極３ｂの外側には、多孔質カーボンまたは金属からなるアノード側電極側セパレータ４６ｂおよび第２カソード側電極側セパレータ４８ｂがそれぞれ配置されている。
【００３５】
ここで、図２および図３から諒解されるように、第２単位セル５ｂのアノード側電極側セパレータ４６ｂは、第１単位セル５ａの第１カソード側電極側セパレータ４８ａを兼ねている。すなわち、このセパレータ４８ａ（４６ｂ）において、第１単位セル５ａのカソード側電極３ａとの当接面には第１酸素含有ガス流路５２ａが設けられており、かつ第２単位セル５ｂのアノード側電極２ｂとの当接面には燃料ガス流路５０が設けられている。
【００３６】
図２に示すように、積層体４２の左端部には、冷却水入口通路２０、燃料ガス入口通路１６、第１酸素含有ガス入口通路１８ａ、および第２酸素含有ガス出口通路１９ｂが設けられている。その一方で、該積層体４２の右端部には、第１酸素含有ガス出口通路１９ａ、第２酸素含有ガス入口通路１８ｂ、冷却水出口通路２１、および燃料ガス出口通路１７が設けられている。すなわち、この積層体４２においては、酸素含有ガスを流通させるための酸素含有ガス入口・出口通路が２箇所に存在する。
【００３７】
図２および図４から諒解されるように、第１酸素含有ガス入口通路１８ａおよび第１酸素含有ガス出口通路１９ａは、第２単位セル５ｂを構成する第２カソード側電極側セパレータ４８ｂにおける第２酸素含有ガス流路５２ｂにのみ連通している。すなわち、後述するように、第１酸素含有ガス入口通路１８ａを介して導入された酸素含有ガスは、第２カソード側電極側セパレータ４８ｂの第２酸素含有ガス流路５２ｂにのみ流通して第１酸素含有ガス出口通路１９ａから排出される。
【００３８】
図２および図５から同様に諒解されるように、第２酸素含有ガス入口通路１８ｂおよび第２酸素含有ガス出口通路１９ｂは、第１単位セル５ａを構成する第１カソード側電極側セパレータ４８ａにおける第１酸素含有ガス流路５２ａにのみ連通している。したがって、第２酸素含有ガス入口通路１８ｂを介して導入された酸素含有ガスは、第１カソード側電極側セパレータ４８ａの第１酸素含有ガス流路５２ａにのみ流通して第２酸素含有ガス出口通路１９ｂから排出される。
【００３９】
第２カソード側電極側セパレータ４８ｂにおける平滑面には、冷却用プレート５４が当接している（図２および図３参照）。この冷却用プレート５４には冷却水流路５６が設けられており、勿論、該冷却水流路５６は、冷却水入口通路２０および冷却水出口通路２１に連通している（図２参照）。なお、第２カソード側電極側セパレータ４８ｂと冷却用プレート５４との間には、シール部材５８が介装されている。
【００４０】
積層体４２は、上記した第１単位セル５ａ、第２単位セル５ｂ、冷却用プレート５４がこの順序で繰り返し積層されることによって構成されている。そして、積層体４２の両端に集電用電極２２、２３がそれぞれ電気的に接続されるとともに、該集電用電極２２、２３の外側に漏電防止用の絶縁シート（図示せず）を介してエンドプレート６０、２５が配置される。
【００４１】
一方のエンドプレート６０の左端部には、冷却水導入口３０、燃料ガス導入口２６、第１酸素含有ガス導入口２８ａおよび第２酸素含有ガス排出口２９ｂが下方からこの順序で設けられている。一方、右端部には、第１酸素含有ガス排出口２９ａ、第２酸素含有ガス導入口２８ｂ、冷却水排出口３１および燃料ガス排出口２７が下方からこの順序で設けられている。勿論、冷却水導入口３０、燃料ガス導入口２６、第１酸素含有ガス導入口２８ａ、第２酸素含有ガス排出口２９ｂ、第１酸素含有ガス排出口２９ａ、第２酸素含有ガス導入口２８ｂ、冷却水排出口３１および燃料ガス排出口２７は、冷却水入口通路２０、燃料ガス入口通路１６、第１酸素含有ガス入口通路１８ａ、第２酸素含有ガス出口通路１９ｂ、第１酸素含有ガス出口通路１９ａ、第２酸素含有ガス入口通路１８ｂ、冷却水出口通路２１および燃料ガス出口通路１７にそれぞれ連通する。
【００４２】
そして、燃料電池スタック４０においては、一方のエンドプレート６０から積層体４２を貫いて他方のエンドプレート２５まで至る貫通孔６２に通された図示しないタイロッドと、積層体４２の上端面および下端面の凹部６４に挿入された別のタイロッド（図示せず）とによって、エンドプレート６０、２５や積層体４２等が矢印Ａ方向に締め付け保持されている。
【００４３】
図６に、上記したような構成の燃料電池スタック４０が組み込まれた燃料電池システム７０の概略構成図を示す。この図６に示すように、燃料電池スタック４０には、燃料ガスとしての水素ガスを供給・排出するための水素ガス供給経路７２および水素ガス排出経路７４と、酸素含有ガスとしての空気を供給・排出するための空気供給経路７６および主空気排出経路７８・分岐空気排出経路８０とが接続される。また、燃料電池スタック４０を構成する前記集電用電極２２、２３には、図示しないモータ等の負荷が接続されている。
【００４４】
水素ガス供給経路７２には、水素ガスを高圧で供給するための高圧水素貯蔵源８２と、電磁弁８４ａと、減圧弁８６ａと、水素ガス流量制御器８８ａと、遮断弁９０ａと、逆止弁９２ａと、三方弁９４ａとが上流側からこの順序で配置されている。一方の空気供給経路７６は、空気を供給するためのコンプレッサ９５を有すること、ガス混合器９６、逆火防止器９８ａが介装されていること、該供給経路７６が第１供給経路７６ａと第２供給経路７６ｂに分岐されていることを除いて水素ガス供給経路７２と同様に構成されており、したがって、同一の構成要素には同一の参照数字を付し、かつａに代替してｂを添え、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
なお、三方弁９４ａと三方弁９４ｂとを橋架する送気管１００には、遮断弁１０２および逆止弁１０４が設置されている。そして、該逆止弁１０４と三方弁９４ｂとの間にも逆火防止器９８ｂが介装されている。
【００４６】
このように構成された燃料電池システム７０は、以下のように運転される。
【００４７】
まず、水素ガスおよび空気がカソード側電極３ａ、３ｂのみに導入されるように三方弁９４ａ、９４ｂを操作し、この状態で、所定流量の水素ガスおよび空気の供給を開始する。この際、安全のために水素ガスの割合を爆発範囲外とするべく、空気が過剰に供給される。
【００４８】
供給された水素ガスおよび空気は、ガス混合器９６にて混合されて混合ガスとなり、第１供給経路７６ａ、第２供給経路７６ｂに略均等に分岐される。
【００４９】
第１供給経路７６ａの混合ガスは、燃料電池スタック４０の第１酸素含有ガス導入口２８ａ（図１参照）を経由した後、第１酸素含有ガス入口通路１８ａ（図２参照）を介して第２単位セル５ｂの第２カソード側電極側セパレータ４８ｂにおける第２酸素含有ガス流路５２ｂに到達する。そして、第２単位セル５ｂのカソード側電極３ｂにおける電極触媒層と接触した混合ガス中の水素ガスと空気は、上記反応式（Ａ）に示される反応を起こす。これに伴って発生する熱により、カソード側電極３ｂ、ひいては第２単位セル５ｂの温度が第１酸素含有ガス入口通路１８ａ側（図１および図２における左端側）から上昇する。一方、第１酸素含有ガス流路５２ａの出口付近（右端側）では、反応式（Ａ）に示される反応に関与するガス量が少なくなるので、発生熱量が小さくなる。すなわち、第２単位セル５ｂの右端側では昇温速度が小さい。
【００５０】
これに対し、第２供給経路７６ｂの混合ガスは、第２酸素含有ガス導入口２８ｂ（図１参照）および第２酸素含有ガス入口通路１８ｂ（図２参照）を経由した後、第１単位セル５ａを構成する第１カソード側電極側セパレータ４８ａの第１酸素含有ガス流路５２ａに到達する。そして、第１単位セル５ａのカソード側電極３ａにおける電極触媒層と接触した混合ガス中の水素ガスと空気も、上記と同様に、反応式（Ａ）に示されるように反応する。その結果、カソード側電極３ａ、ひいては第１単位セル５ａの温度が第２酸素含有ガス入口通路１８ｂ側（図１および図２における右端側）から上昇する。一方、第２酸素含有ガス流路５２ｂの出口付近（左端側）では、発生熱量が小さいので昇温速度も小さい。
【００５１】
すなわち、本実施の形態においては、第１単位セル５ａでは右端側から昇温が始まり、混合ガスの流通方向である左端側に指向して温度が下降する。また、第２単位セル５ｂでは左端側から昇温が始まり、混合ガスの流通方向である右端側に指向して温度が下降する。
【００５２】
そして、第１単位セル５ａの高温部である右端側と第２単位セル５ｂの低温部である左端側とが積層されるとともに、第１単位セル５ａの低温部である左端側と第２単位セル５ｂの高温部である右端側とが積層されている。このため、積層体４２としては、両端の各昇温速度が略同等となる。換言すれば、第１単位セル５ａの昇温開始箇所と第２単位セル５ｂの昇温開始箇所とを互いに相違させ、かつ昇温開始箇所同士が重なり合わないようにすることにより、積層体４２を全体に亘って略均一かつ迅速に昇温させることができる。
【００５３】
しかも、この場合、第１単位セル５ａと第２単位セル５ｂとが互いに隣接するように交互に積層しているので、熱が効率よく伝達される。したがって、積層体４２に温度分布が生じることを一層抑制することができる。
【００５４】
また、水素ガスと空気との反応熱を利用して積層体４２を昇温させるので、大型のヒータ等を特に必要としない。このため、簡素かつ経済的な構成で燃料電池システム７０を運転温度まで昇温させることができる。
【００５５】
なお、第１単位セル５ａのカソード側電極３ａにて生成したＨ２Ｏは、分岐空気排出経路８０を経由した後、主空気排出経路７８で第２単位セル５ｂのカソード側電極３ｂにて生成したＨ２Ｏと合流して系外へと排出される。
【００５６】
以上のようにして接合体４ａ、４ｂが所定の温度（リン酸型燃料電池の場合は約１４０〜約１９０℃）まで昇温した後は、三方弁９４ａ、９４ｂを操作しかつ遮断弁１０２を閉止して両カソード側電極３ａ、３ｂへの水素ガスの供給を停止するとともに、両アノード側電極側セパレータ４６ａ、４６ｂの燃料ガス流路５０に水素ガスが供給されるように設定する。その一方で、第１酸素含有ガス流路５２ａ、第２酸素含有ガス流路５２ｂに空気の供給を続行する。
【００５７】
これに伴い、アノード側電極２ａ、２ｂでは、下記反応式（Ｂ）に示される反応によって電子が生じる。
【００５８】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ　　　　…（Ｂ）
この電子（ｅ）は、集電用電極２２、２３に電気的に接続されたモータ等の負荷を付勢する電気エネルギとして機能した後、カソード側電極３ａ、３ｂに到達して、下記反応式（Ｃ）に示される反応に関与する。
【００５９】
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ→２Ｈ２Ｏ　　　　…（Ｃ）
燃料電池システム７０がこのように発電することに追従して、負荷が付勢されるに至る。
【００６０】
定常運転時には、冷却用プレート５４の冷却水流路５６に流通される冷却水により、燃料電池スタック４０が冷却される。
【００６１】
なお、上記した実施の形態においては、燃料ガスとして水素ガスを用いているが、特にこれに限定されるものではなく、水素を含有するガスであればどのようなガスであってもよい。同様に、酸素含有ガスとして空気を用いているが、酸素を含有するガスであればよく、酸素自体であってもよい。
【００６２】
また、この実施の形態では、積層体４２中に冷却用プレート５４を挿入するようにしているが、冷却用プレート５４を挿入することなく積層体を構成するようにしてもよい。この場合、第１単位セル５ａを構成するアノード側電極側セパレータ４６ａにおける燃料ガス流路５０が設けられた面とは逆の面に酸素含有ガス流路を設け、かつ第２単位セル５ｂを構成する第２カソード側電極側セパレータ４８ｂにおける第２酸素含有ガス流路５２ｂが設けられた面とは逆の面に燃料ガス流路を設ければよい。すなわち、第１単位セル５ａを構成するアノード側電極側セパレータ４６ａおよび第２単位セル５ｂを構成する第２カソード側電極側セパレータ４８ｂを、第２単位セル５ｂを構成するアノード側電極側セパレータ４６ｂと同様の構成とすればよい。
【００６３】
さらに、第１カソード側電極側セパレータ４８ａにおける第１酸素含有ガス流路５２ａ、第２カソード側電極側セパレータ４８ｂにおける第２酸素含有ガス流路５２ｂの流路をともに直線状としているが、燃料電池スタック１におけるカソード側電極側セパレータ１１の酸素含有ガス流路１３のように蛇行させるようにしてもよい。この場合においても、第１酸素含有ガス流路５２ａと第２酸素含有ガス流路５２ｂとで混合ガスの流通方向が反対方向となる箇所が存在するので、積層体に温度分布が生じることを抑制することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１単位セルおよび第２単位セルにおける酸素含有ガス流路において、互いに反対方向となる箇所が存在するようにガスを流通させるようにしている。このため、カソード側電極に燃料ガスと空気とを同時に供給し、両ガスが反応することに伴って発生する熱で積層体を昇温させる際、第１単位セルの昇温開始箇所と第２単位セルの昇温開始箇所とが相違するので、積層体に温度分布が生じることを抑制することができる。このため、燃料電池スタックを略均一かつ迅速に定常運転温度まで昇温することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックを構成する積層体の概略斜視図である。
【図３】図１の燃料電池スタックを構成する積層体の要部拡大断面図である。
【図４】第２カソード側電極側セパレータの概略全体正面図である。
【図５】第１カソード側電極側セパレータの概略全体正面図である。
【図６】図１に示す燃料電池スタックが組み込まれた燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】従来技術に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。
【符号の説明】
１、４０…燃料電池スタック　　　２、２ａ、２ｂ…アノード側電極
３、３ａ、３ｂ…カソード側電極　４、４ａ、４ｂ…接合体
５、５ａ、５ｂ…単位セル　　　　６、４２…積層体
１０、４６ａ、４６ｂ…アノード側電極側セパレータ
１１、４８ａ、４８ｂ…カソード側電極側セパレータ
１２、５０…燃料ガス流路　　　　１３、５２ａ、５２ｂ…酸素含有ガス流路
１４、５４…冷却用プレート　　　１５、５６…冷却水流路
１６…燃料ガス入口通路　　　　　１７…燃料ガス出口通路
１８、１８ａ、１８ｂ…酸素含有ガス入口通路
１９、１９ａ、１９ｂ…酸素含有ガス出口通路
２０…冷却水入口通路　　　　　　２１…冷却水出口通路
２６…燃料ガス導入口　　　　　　２７…燃料ガス排出口
２８、２８ａ、２８ｂ…酸素含有ガス導入口
２９、２９ａ、２９ｂ…酸素含有ガス排出口
４４ａ、４４ｂ…電解質層　　　　７０…燃料電池システム
７２…水素ガス供給経路　　　　　７４…水素ガス排出経路
７６、７６ａ、７６ｂ…空気供給経路
７８…主空気排出経路　　　　　　８０…分岐空気排出経路
８２…高圧水素貯蔵源　　　　　　９５…コンプレッサ
１００…送気管
【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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