(57)【要約】【課題】広い範囲の出力での運転でエネルギー効率が高い燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池において、反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを構成する貫通孔ａ、ｂおよびｃと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを備えたセパレータを用いることと、前記反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを、外部ガス供給路または外部ガス排出路に接続することとを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを構成する貫通孔ａ、ｂおよびｃと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを備えたセパレータを用いることと、前記反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを、外部ガス供給路または外部ガス排出路に接続することとを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを構成する貫通孔ａ、ｂ、ｃおよびｄと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｃおよびｄに導通するガス流路ｃｄとを備え、前記貫通孔ａ、ｂおよび前記ガス流路ａｂで構成されるガス供給排出経路ＡＢと、前記貫通孔ｃ、ｄおよび前記ガス流路ｃｄで構成されるガス供給排出経路ＣＤとを備えたセパレータを用いることと、前記ガス供給排出経路ＡＢおよびＣＤが交点を備えないことと、前記反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを、同種のガス用の外部ガス供給路または外部ガス排出路に導通することとを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記外部ガス供給路、前記外部ガス排出路または前記反応ガスマニホールドに開閉手段を備えることと、この開閉手段を開けること、あるいは閉じることによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することとを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
複数の反応ガスマニホールドを開閉手段が備えられたガス流通路にそれぞれ導通することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えばアノードに水素のような燃料と、カソードに空気のような酸化剤とを供給して、電気化学反応を起こさせることによって電力を発生させる装置である。燃料電池の種類には、アルカリ形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池あるいは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等がある。本発明にはこれらの種類の燃料電池にも適用できるが、とくにＰＥＦＣに適用すると効果が顕著に表れる。したがって、この形の燃料電池を例にあげて以下に記載する。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ）と、ガス流路が形成されたセパレータとで構成される。ＭＥＡは、固体高分子膜の両面にガス拡散電極を接合したものである。大きな電力を発生させる場合には、単セルを複数積層した燃料電池スタックを用いる。
【０００４】
このスタックは、複数の単セルを積層したもので、通常はその両端からエンドプレートを用いて圧迫することによって構成される。スタックに用いるセパレータには貫通孔があり、この貫通孔が積層されることによってマニホールドが構成される。このマニホールドを通って、外部から導入した燃料ガスあるいは酸化剤ガスが各単セルに均等に分配される。このマニホールドをガス供給マニホールドという。
【０００５】
一方、それぞれの単セルから排出されたガスは、別のマニホールドを通ってスタックから排出される。このマニホールドをガス排出マニホールドという。本明細書では、これらのマニホールドを総称して反応ガスマニホールドと呼ぶ。このセパレータのガス拡散電極に接する面には、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとに導通するガス流路が設けられる。
【０００６】
これらの反応ガスマニホールドに用いる複数の貫通孔とこれらに導通するガス流路とを合わせてガス供給排出経路と称する。このガス流路から、酸化剤ガスあるいは燃料ガスがガス拡散電極に供給される。ガス流路は、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路の総称である。ガス流路は一般に、セパレータの表面に形成された複数の溝によって構成される。燃料電池システムは、１個以上の燃料電池と、例えばこの燃料電池にガスを供給するための配管、バルブ、ブロア、改質器、ボンベ等とが備えられたものである。
【０００７】
従来のＰＥＦＣ用セパレータの構造の一例を図９に示す。図９の９０１は反応ガスマニホールドに用いる第１の貫通孔、９０２は反応ガスマニホールドに用いる第２の貫通孔、９０３はこれらの貫通孔に導通するガス流路を示す。ガス供給排出経路は、第１の貫通孔９０１と、第２の貫通孔９０２と、第１の貫通孔９０１および第２の貫通孔９０２に導通するガス流路９０３とより構成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の出力の制御は、負荷の増減にあわせて燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量を増減することによっておこなわれる。したがって、負荷に応じて供給するガス流量を変化させなければならない。ガス流量を変えるとガス流路内のガス流速が大きく変わるので、燃料電池を低出力すなわち低い電流密度で運転する場合には、ガス流速が低下して、生成または凝集した水が排出されにくくなるというフラッディング現象が発生することがある。
【０００９】
このフラッディング現象が発生した部分には、電極へのガス供給が困難になるので、燃料電池の出力が低下するという問題があった。このフラッディング現象とは、燃料電池の反応によって生成した水、あるいは加湿によって供給された水が、ガス流速の低下等によりガス流路などに滞留することである。逆に、燃料電池を高出力すなわち高い電流密度で運転する場合には、ガス流量の増大にともなって圧力損失が増大するので燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下することが問題であった。言い換えると、圧力損失の増大によってブロア等で多くの電力が消費されることが問題であった。
【００１０】
上述のフラッディング現象の発生および圧力損失の増大という二つの問題によって、従来の燃料電池を高効率で運転できる出力の範囲は狭かった。したがって、求められる出力が異なる場合には、それぞれの出力に適合した燃料電池を設計する必要があった。とくにＰＥＦＣは、多種の燃料電池のなかでも、その作動温度が低いことなどからフラッディング現象が発生しやすかった。
【００１１】
溶融炭酸塩形燃料電池または固体電解質形燃料電池は、その作動温度が高いので、フラッディング現象が発生しにくいが、起動または停止の際に本発明を適用すると効果がある。
【００１２】
本発明は、燃料電池を高い出力で運転する場合に圧力損失を低くすること、および燃料電池を低い出力で運転する場合にガス流速を高くすることという、二律背反する条件を両立することによって、広い範囲の出力での運転でエネルギー効率が高い燃料電池を提供するものである。
【００１３】
【問題を解決するための手段】
請求項１の発明の燃料電池は、反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを構成する貫通孔ａ、ｂおよびｃと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを備えたセパレータを用いることと、前記反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを、外部ガス供給路または外部ガス排出路に接続することとを特徴とする。
【００１４】
この燃料電池は、反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを構成する貫通孔ａ、ｂおよびｃと、ガス流路ａｂおよびｂｃとを備えたセパレータを用いる。前記反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを、同種のガス用の外部ガス供給路または外部ガス排出路に接続する。反応ガスマニホールドＡ、ＢあるいはＣのうちのいくつかまたはすべてを外部ガス供給路または外部ガス排出路へ導通させることによって、ガス供給排出経路ＡＢとＢＣとを直列または並列に導通させることができる。したがって、高出力および低出力用途にも適合する燃料電池スタックを提供することができる。さらに、貫通孔ｂが、複数のガス供給排出経路によって共有されるので、シンプルな構造でコンパクトな燃料電池となる。
【００１５】
請求項２の発明の燃料電池は、反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを構成する貫通孔ａ、ｂ、ｃおよびｄと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｃおよびｄに導通するガス流路ｃｄとを備え、前記貫通孔ａ、ｂおよび前記ガス流路ａｂで構成されるガス供給排出経路ＡＢと、前記貫通孔ｃ、ｄおよび前記ガス流路ｃｄで構成されるガス供給排出経路ＣＤとを備えたセパレータを用いることと、前記ガス供給排出経路ＡＢおよびＣＤが交点を備えないことと、前記反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを、同種のガス用の外部ガス供給路または外部ガス排出路に導通することとを特徴とする。
【００１６】
この燃料電池は、ガス供給排出経路ＡＢと、ＣＤとを設けたセパレータを用いる。反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを、同種のガス用の外部ガス供給路または外部ガス排出路にそれぞれ導通する。反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣまたはＤを、外部ガス供給路または外部ガス排出路に導通させること、あるいはこれらの反応ガスマニホールドのうち２個以上を互いにガス流通路で導通することによって、ガス供給排出経路ＡＢとガス供給排出経路ＣＤとを直列または並列に導通させることができる。したがって、高出力および低出力用途にも適合する燃料電池スタックを、提供することができる。さらに、ガス流路に流れるガスの方向を任意に設定することができるので、種種の出力が必要な用途に用いてもガス流路のガスが流れる方向を一定にすることができる。このことによる利点はガス流路内のガスを常に重力と一致した方向に流すことが可能となるので、フラッディング現象を抑制することができることである。
【００１７】
請求項３の発明の燃料電池システムは、前記外部ガス供給路、前記外部ガス排出路または前記反応ガスマニホールドに開閉手段を備えることと、この開閉手段を開けること、あるいは閉じることによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することとを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明によれば、複数のガス流路を直列または並列に用いてガスを流すことができるので、ガス流量に応じてガス流路内のガス流速および圧力損失を制御することが可能となる。したがって、燃料電池のエネルギー効率を広い範囲の出力での運転で高くすることができる。
【００１９】
請求項４の発明の燃料電池システムは、請求項３記載の燃料電池システムに関するものであって、複数の反応ガスマニホールドを開閉手段が備えられたガス流通路にそれぞれ導通することを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明によれば、ガス流通路に備えられた開閉手段を開けること、あるいは閉じることことによって、ガス流路のガスが流れる方向を変えずに、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることができる。
【００２１】
このことによる利点は、ガス供給排出経路の導通方法が変化した場合でも、ガス流路内のガスを常に重力と一致した方向に流すことが可能となるので、フラッディング現象を抑制できることである。さらに、燃料電池スタックを複数もちいた燃料電池システムでも請求項３記載の燃料電池システムと同様の効果が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
はじめに、本明細書に記載の外部ガス供給路、外部ガス排出路の意味を以下に示す。
【００２３】
外部ガス供給路：燃料電池外部から反応ガスマニホールドへ燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための配管。例えば水素を含有するガスの供給源としての改質器、水素ボンベ、水素貯蔵合金，あるいは空気の供給源としてのブロア、コンプレッサ、あるいは酸素ボンベ等に導通する配管等を指す。
【００２４】
外部ガス排出路：反応ガスマニホールドから燃料電池外部へガスを排出するための配管。反応ガスマニホールドから燃料電池外部へガスを排出するための配管を指す。外部ガス排出路は、ガスを排出するための配管であれば、ガス排出ポンプ、ファン等の装置、部品などの内部に位置してもよい。
【００２５】
つぎに、本明細書に記載の接続、導通、ガス流通路、開閉手段および同種のガスの意味を以下に示す。
【００２６】
接続：対象となる両者が接している状態、またはその両者が開閉手段あるいは配管を介して接している状態であること。
【００２７】
導通：対象となる両者が接続している状態、かつその両者の間でガスが流れる状態であること。
【００２８】
ガス流通路：複数の反応ガスマニホールドの間でガスを流すための配管。
【００２９】
開閉手段：ガスの流量を制御するもの、またはガスの流れを遮断できるもの。
【００３０】
同種のガス：燃料ガスあるいは酸化剤ガスのどちらか一方のこと。例えば、酸素と空気とを同種のガス、水素と改質ガスとを同種のガスとする。
【００３１】
ガス流通路には、配管、あるいはスタック内部に形成した溝等をもちいることができる。ガス流通路は、その一部が外部ガス供給路または外部ガス排出路と共用されていてもよい。開閉手段は、外部ガス供給路、反応ガスマニホールド、外部ガス排出路、ガス流通路のいずれかの部位、またはこれらの接点に設置することが好ましい。この開閉手段には、例えばバルブや電磁弁等を備えた配管を用いることができる。本発明の燃料電池および燃料電池システムに備えられたガス流路、反応ガスマニホールド、ガス流通路、外部ガス供給路および外部ガス排出路は、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合するものではない。
【００３２】
以下に、本発明の燃料電池および燃料電池システムの実施形態の一例を具体的に説明する。本発明の燃料電池は、単セルおよび燃料電池スタックを含む。本発明の燃料電池システムは、燃料電池とガス流通路と開閉手段とを含む。
【００３３】
本発明の請求項１記載の燃料電池に用いたセパレータの構造の一例を図２または図３に示す。図２または図３では、２０１、２０２および２０３が第１、第２および第３の反応ガスマニホールドを構成する第１、第２および第３の貫通孔、２０４および２０５が第１および第２のガス流路を示す。
【００３４】
第１のガス供給排出経路は、第１の貫通孔２０１と、第２の貫通孔２０２と、第１の貫通孔２０１および第２の貫通孔２０２に導通するガス流路２０４とより、第２のガス供給排出経路は、第２の貫通孔２０２と、第３の貫通孔２０３と、第２の貫通孔２０２および第３の貫通孔２０３に導通するガス流路２０５とよりそれぞれ構成される。
【００３５】
すなわち、第１の貫通孔２０１が貫通孔ａに、第２の貫通孔２０２が貫通孔ｂに、第３の貫通孔２０３が貫通孔ｃに、第１のガス流路２０４がガス流路ａｂに、そして第２のガス流路２０５がガス流路ｂｃにそれぞれ相当する。例えば図中では、第２の貫通孔２０２が複数のガス供給排出経路によって共有するものである。
【００３６】
セパレータに形成されたガス流路は、図２に示すような全てのガス流路が貫通孔に接する構造であってもよいし、図３に示すようなガス流路の途中で分岐して導通する構造であってもよい。ここで、図３の２０１、２０２、２０３、２０４および２０５は、図２の２０１、２０２、２０３、２０４、２０５とそれぞれ同じものを示す。
【００３７】
本発明の燃料電池に用いるセパレータは、複数の貫通孔とこれらに導通する複数のガス流路を備える。そのため、ガス流量の増減に応じて、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることによって、ガス流路内のガス流速および圧力損失を制御することができる。以下に、高出力または低出力の２通りの条件で本発明の請求項１記載の燃料電池を運転する場合の導通方法をそれぞれ例にあげて示す。
【００３８】
はじめに、本発明の請求項１記載の燃料電池を高出力で運転する場合の導通方法を示す。図４に示すように、第１の貫通孔２０１および第３の貫通孔２０３を外部ガス供給路に、第２の貫通孔２０２を外部ガス排出路にそれぞれ導通する。ここで、２０１、２０２および２０３は、図２の２０１、２０２および２０３とそれぞれ同じものを示す。
【００３９】
この場合、図４に示すような２組のガス供給排出経路を並列に用いてガスを流す。この図において、４０１および４０３は外部ガス供給路、４０２は外部ガス排出路をそれぞれ示す。この場合、並列に用いるガス供給排出経路の数は２となるので、多くのガス流量が必要となる高出力で燃料電池を運転した場合でもガスの圧力損失を低く抑えることが可能となる。
【００４０】
つぎに、本発明の請求項１記載の燃料電池を低出力で運転する場合の導通方法を示す。図５に示すように、第１の貫通孔２０１を外部ガス供給路に、第３の貫通孔２０３を外部ガス排出路にそれぞれ導通する。ここで、２０１、２０２および２０３は、図２の２０１、２０２および２０３と同じものを示す。
【００４１】
この場合、図５に示すような２組のガス供給排出経路を直列に用いてガスを流す。図５において、５０１は外部ガス供給路、５０３は外部ガス排出路をそれぞれ示す。この場合、並列に用いるガス供給排出経路の数は１となるので、低出力で運転してもガス流路内のガス流速が高まるのでフラッディング現象を防止できる。
【００４２】
本発明の請求項１記載の燃料電池は、ガス供給排出経路を並列または直列に導通することができる。したがって、ガス流量を変化させてもガス流路内のガス流速を一定値以上に、かつ圧力損失を一定値以下に保つことが可能となるので、広い範囲の出力での運転において出力およびエネルギー効率を高くすることができる。貫通孔が複数のガス供給排出経路によって共有することにより、反応ガスマニホールドの数が少ないコンパクトな燃料電池とすることが可能である。
【００４３】
本発明の燃料電池に使用するセパレータは、アノードと接する面およびカソードと接する面のガス供給排出経路が、請求項１記載の構造であることが好ましいが、その少なくとも一方が請求項１記載の構造であればよい。さらに、本発明の請求項１記載の燃料電池には、反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを構成する貫通孔ａ、ｂおよびｃと、前記貫通孔ａおよびｂに導通する前記ガス流路ａｂと、前記貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを複数組備えたセパレータを用いてもよい。
【００４４】
そのセパレータの構造の一例を図２５に示す。図２５では、２０１Ａ、２０２Ａ、２０３Ａ，２０４Ａおよび２０５Ａが第１、第２、第３、第４および第５の反応ガスマニホールドを構成する第１、第２、第３、第４および第５の貫通孔、２０６Ａ、２０７Ａ，２０８Ａおよび２０９Ａが第１、第２、第３および第４のガス流路を示す。
【００４５】
第１のガス供給排出経路は、第１の貫通孔２０１Ａと、第２の貫通孔２０２Ａと、第１の貫通孔２０１Ａおよび第２の貫通孔２０２Ａに導通するガス流路２０６Ａとより、第２のガス供給排出経路は、第２の貫通孔２０２Ａと、第３の貫通孔２０３Ａと、第２の貫通孔２０２Ａおよび第３の貫通孔２０３Ａに導通するガス流路２０７Ａとより、第３のガス供給排出経路は、第３の貫通孔２０３Ａと、第４の貫通孔２０４Ａと、第３の貫通孔２０３Ａおよび第４の貫通孔２０４Ａに導通するガス流路２０８Ａとより、第４のガス供給排出経路は、第４の貫通孔２０４Ａと、第５の貫通孔２０５Ａと、第４の貫通孔２０４Ａおよび第５の貫通孔２０５Ａに導通するガス流路２０９Ａとよりそれぞれ構成される。
【００４６】
図２５に示したセパレータを用いる場合、ガス流量の増減に応じて、４組のガス供給排出経路を直列または並列に導通することによって、高出力、中出力および低出力の３通りの条件でガス流路内のガス流速および圧力損失をより細かく制御することができる。
【００４７】
本発明の請求項２記載の燃料電池に用いたセパレータの構造の一例を図６に示す。図６では、６０１、６０２、６０３、６０４が第１、第２、第３および第４の反応ガスマニホールドを構成する第１、第２、第３および第４の貫通孔、６０５および６０６が第１および第２のガス流路を示す。
【００４８】
第１のガス供給排出経路は、第１の貫通孔６０１と、第２の貫通孔６０２と、第１の貫通孔６０１および第２の貫通孔６０２に導通するガス流路６０５とより、第２のガス供給排出経路は、第３の貫通孔６０３と、第４の貫通孔６０４と、第３の貫通孔６０３および第４の貫通孔６０４に導通するガス流路６０６とよりそれぞれ構成される。すなわち、第１の貫通孔６０１が貫通孔ａに、第２の貫通孔６０２が貫通孔ｂに、第３の貫通孔６０３が貫通孔ｃに、第４の貫通孔６０４が貫通孔ｄに、第１のガス流路６０５がガス流路ａｂに、第２のガス流路６０６がガス流路ｃｄにそれぞれ相当する。
【００４９】
図に示すように、本発明の燃料電池に用いるセパレータは、貫通孔ａと、ｂと、ｃと、ｄと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｃおよびｄに導通するガス流路ｃｄとを備える。さらに、本発明の請求項２記載の燃料電池は、前記貫通孔ｂおよび前記ガス流路ａｂとで構成されるガス供給排出経路ＡＢと、前記貫通孔ｃ、ｄおよび前記ガス流路ｃｄとで構成されるガス供給排出経路ＣＤとの交点を備えない。前記ガス供給排出経路ＡＢおよびＣＤを同種のガスに用いる。さらに、前記反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを、それぞれ外部ガス供給路または外部ガス排出路に導通する。
【００５０】
ここで、ガス供給排出経路の交点を備えないとは、このセパレータに形成された複数のガス供給排出経路でガスを流すための経路が、このセパレータに備えられないこと、またはこれらのガス供給排出経路に備えられた貫通孔およびガス流路が互いのガス供給排出経路で共有されないことを言う。以下に、高出力および低出力の２通りの条件でそれぞれ本発明の請求項２記載の燃料電池を運転する場合の導通方法をそれぞれ例にあげて示す。
【００５１】
はじめに、本発明の請求項２記載の燃料電池を高出力で運転する場合の導通方法を示す。図７に示すように、第１の貫通孔６０１、第３の貫通孔６０３、を外部ガス供給路に、第２の貫通孔６０２を外部ガス排出路にそれぞれ導通する。ここで、６０１、６０２、６０３および６０４は、図６の６０１、６０２、６０３および６０４と同じものを示す。
【００５２】
この場合、図７に示すような２組のガス流路を並列に導通する。この図において、７０１および７０３は外部ガス供給路、７０２および７０４は外部ガス排出路をそれぞれ示す。この場合、並列に用いるガス供給排出経路の数は増大するので、多くのガス流量が必要となる高出力で燃料電池を運転した場合でもガスの圧力損失を低く抑えることが可能となる。
【００５３】
つぎに、本発明の請求項２記載の燃料電池を低出力で運転する場合の導通方法を示す。図８に示すように、第１の貫通孔６０１を外部ガス供給路に、第４の貫通孔６０４を外部ガス排出路にそれぞれ導通させる。第２の貫通孔６０２と第３の貫通孔６０３とをそれぞれガス流通路で導通させる。ここで、６０１、６０２、６０３および６０４は、図６の６０１、６０２、６０３および６０４と同じものを示す。
【００５４】
この場合、図８に示すような２組のガス供給排出経路を直列に用いてガスを流す。この図において、８０１は外部ガス供給路、８０２は第２の貫通孔６０２と第３の貫通孔６０３とに導通するガス流通路、８０２は第４の貫通孔７０４と第５の貫通孔７０５とに導通する第２のガス流通路、８０３は外部ガス排出路をそれぞれ示す。この場合、並列に用いるガス供給排出経路の数は減少して１となるので、低出力で運転してもガス流路内のフラッディング現象を防止できる。
【００５５】
本発明の請求項２記載の燃料電池は、ガスの流量の増減にしたがってガス流速および圧力損失を制御することが可能となる。したがって、広い範囲の出力での運転において出力およびエネルギー効率を高くすることができる。
【００５６】
さらに、本発明の請求項２記載の燃料電池は、セパレータに形成された複数の前記ガス供給排出経路が互いに交わらないので、ガス供給排出経路に流れるガスの方向を任意に設定することが可能である。
【００５７】
このことによる利点は、ガス流路の導通方法を変える前後の両方で重力と一致した方向にガス流路内のガスを流すことが可能となるので、フラッディング現象の発生をさらに抑制できることである。
【００５８】
図４、図５、図７および図８では、本発明の燃料電池の構造および機能をわかりやすく説明するために、ガス流通路が貫通孔に導通するように記載している。
【００５９】
しかしながら、実際の燃料電池では、貫通孔によって形成されたそれぞれの反応ガスマニホールドにガス流通路に導通するものである。
【００６０】
さらに、本発明の請求項２記載の燃料電池には、前記貫通孔ａ、ｂおよび前記ガス流路ａｂとで構成されるガス供給排出経路ＡＢと、前記貫通孔ｃ、ｄおよび前記ガス流路ｃｄとで構成されるガス供給排出経路ＣＤとを備え、かつ少なくともこれらのどちらか一方を複数組備えたセパレータを用いてもよい。
【００６１】
このセパレータの構造の一例を図２６に示す。図２６では、６０１Ａ、６０２Ａ、６０３Ａ、６０４Ａ、６０５Ａ、６０６Ａ、６０７Ａおよび６０８Ａが第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７および第８の反応ガスマニホールドを構成する第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７および第８の貫通孔、６０９Ａ、６１０Ａ、６１１Ａおよび６１２Ａが第１、第２、第３および第４のガス流路をそれぞれ示す。
【００６２】
第１のガス供給排出経路は、第１の貫通孔６０１Ａと、第２の貫通孔６０２Ａと、第１の貫通孔６０１Ａおよび第２の貫通孔６０２Ａに導通するガス流路６０９Ａとより、第２のガス供給排出経路は、第３の貫通孔６０３Ａと、第４の貫通孔６０４Ａと、第３の貫通孔６０３Ａおよび第４の貫通孔６０４Ａに導通するガス流路６１０Ａとより、第３のガス供給排出経路は、第５の貫通孔６０５Ａと、第６の貫通孔６０６Ａと、第５の貫通孔６０５Ａおよび第６の貫通孔６０６Ａに貫通するガス流路６０１１Ａとより、第４のガス供給排出経路は、第７の貫通孔６０７Ａと、第８の貫通孔６０８Ａと、第７の貫通孔６０７Ａおよび第８の貫通孔６０８Ａに導通するガス流路６１２Ａとよりそれぞれ構成される。
【００６３】
図２６に示したセパレータを用いる場合、ガス流量の増減に応じて、４組のガス供給排出経路を直列または並列に導通することによって、高出力、中出力および低出力の３通りの条件でガス流路内のガス流速および圧力損失をより細かく制御することができる。
【００６４】
本発明の請求項１および２の燃料電池にもちいる、貫通孔とガス流路とを備えたセパレータは、例えば、機械加工、プレス加工あるいは射出成形によって製造することができる。本発明による燃料電池にもちいるセパレータの材質には、電子伝導性が高いので、例えばカーボン材料や金属材料などを用いることが好ましい。
【００６５】
この材料には耐食性が必要であるので、カーボン材料、カーボンと樹脂のコンポジット材料、ステンレス、チタン、またはこれらの表面を他の材料でコートしたものが好ましい。とくに、カーボン材料は、電子伝導性と耐食性とを併せ持つことから好ましい。このカーボン材料は、例えば、グラファイトと樹脂の混合物を圧縮成形または焼結したものなどがあげられる。
【００６６】
図１、図１２、図１５および図１８は、本発明の燃料電池を用いた燃料電池システムの一例をそれぞれ示すものである。これらの図は、一例として燃料電池システムの断面図を用いてカソード側の空気の供給または排出を示すものである。
【００６７】
図１は、請求項３記載の燃料電池システムの一例として、空気の供給または排出をおこなうための反応ガスマニホールドを３個設けた燃料電池スタックを１個備えた燃料電池システムを示す。
【００６８】
図１において、１０１は酸化剤ガス流路、１０２は燃料ガス流路、１０３はＭＥＡ、１０４はセパレータ、１０５、１０６および１０７は第１、第２および第３の反応ガスマニホールド、１０８および１１０は外部ガス供給路、１０９および１１１は外部ガス排出路、１１２、１１３および１１４は開閉手段をそれぞれ示す。
【００６９】
このシステムでは、第１の反応ガスマニホールド１０５を外部ガス供給路１０８に、第２の反応ガスマニホールド１０６を外部ガス排出路１０９に、第３の反応ガスマニホールド１０７を外部ガス供給路１１０および外部ガス排出路１１１にそれぞれ導通し、外部ガス排出路１０９に開閉手段１１２を、外部ガス供給路１１０に開閉手段１１３を、外部ガス排出路１１１に開閉手段１１４をそれぞれ備える。これらの開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することができる。
【００７０】
図１０に示すように、例えば、開閉手段１１２および１１３を閉じ、開閉手段１１４を開いた場合、反応ガスマニホールド１０５が外部ガス供給路１０８に、反応ガスマニホールド１０７が外部ガス排出路１１１にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路が直列に導通する。
【００７１】
図１１に示すように、例えば、開閉手段１１２および１１３を開き、開閉手段１１４を閉じた場合、反応ガスマニホールド１０５および１０７を外部ガス供給路１０８および１１０に、反応ガスマニホールド１０６を外部ガス排出路１０９にそれぞれ導通する。この場合では、２個の反応ガスマニホールドを外部ガス供給路に、１個の反応ガスマニホールドを外部ガス排出路にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路を並列に導通する。
【００７２】
ここで、図１０および図１１中の１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３および１１４は、図１の１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３および１１４と同じものを示す。
【００７３】
図１２は、請求項２記載の燃料電池を用いた請求項３および請求項４記載の燃料電池システムの一例として、空気の供給または排出をおこなうための反応ガスマニホールドを４個備えた燃料電池スタックを１個備えた燃料電池システムを示す。
【００７４】
図１２において、１２０１は酸化剤ガス流路、１２０２は燃料ガス流路、１２０３はＭＥＡ、１２０４はセパレータ、１２０５は第１の反応ガスマニホールド、１２０６は第２の反応ガスマニホールド、１２０７は第３の反応ガスマニホールド、１２０８は第４の反応ガスマニホールド、１２０９および１２１１は外部ガス供給路、１２１０および１２１２は外部ガス排出路、１２１３はガス流通路、１２１４、１２１５および１２１６は開閉手段をそれぞれ示す。
【００７５】
このシステムでは、第１の反応ガスマニホールド１２０５を外部ガス供給路１２０９に、第２の反応ガスマニホールド１２０６を外部ガス排出路１２１０に、第３の反応ガスマニホールド１２０７を外部ガス供給路１２１１に、第４の反応ガスマニホールド１２０８を外部ガス排出路１２１２にそれぞれ導通する。外部ガス排出路１２１０に開閉手段１２１４を、外部ガス供給路１２１１に開閉手段１２１５を、ガス流通路１２１３に開閉手段１２１６をそれぞれ備える。
【００７６】
この場合、反応ガスマニホールド１２０５および１２０７をガス供給マニホールドとして、反応ガスマニホールド１２０６および１２０８をガス排出マニホールドとしてそれぞれ用いる。これらの開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることができる。
【００７７】
図１３に示すように、例えば、開閉手段１２１４および１２１５を閉じ、開閉手段１２１６を開いた場合、反応ガスマニホールド１２０５が外部ガス供給路１２０９に、反応ガスマニホールド１２０８が外部ガス排出路１２１２に、反応ガスマニホールド１２０６がガス流通路１２１３を介して反応ガスマニホールド１２０７にそれぞれ導通する。
【００７８】
この場合では、２つのガス供給排出経路が直列に導通する。図１４に示すように、例えば、開閉手段１２１４および開閉手段１２１５を開き、開閉手段１２１６を閉じた場合、反応ガスマニホールド１２０５および１２０７が外部ガス供給路１２０９および１２１１に、反応ガスマニホールド１２０６および１２０８が外部ガス排出路１２１０および外部ガス排出路１２１２にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路が並列に導通する。
【００７９】
ここで、図１３および図１４中の１２０１、１２０２、１２０３、１２０４、１２０５、１２０６、１２０７、１２０８、１２０９、１２１０、１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、１２１５および１２１６は、図１２の１２０１、１２０２、１２０３、１２０４、１２０５、１２０６、１２０７、１２０８、１２０９、１２１０、１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、１２１５および１２１６と同じものを示す。
【００８０】
図１５は、請求項２記載の燃料電池を用いた請求項３および４記載の燃料電池システムの一例として、空気の供給または排出をおこなうための反応ガスマニホールドが４個ある燃料電池スタックを１個備えた燃料電池システムを示す。
【００８１】
図１５において、１５０１は酸化剤ガス流路、１５０２は燃料ガス流路、１５０３はＭＥＡ、１５０４はセパレータ、１５０５は第１の反応ガスマニホールド、１５０６は第２の反応ガスマニホールド、１５０７は第３の反応ガスマニホールド、１５０８は第４の反応ガスマニホールド、１５０９および１５１１は外部ガス供給路、１５１０および１５１２は外部ガス排出路、１５１３はガス流通路、１５１４、１５１５および１５１６は開閉手段をそれぞれ示す。
【００８２】
このシステムでは、第１の反応ガスマニホールド１５０５を外部ガス供給路１５０９に、第２の反応ガスマニホールド１５０６を外部ガス排出路１５１０に、第３の反応ガスマニホールド１５０７を外部ガス供給路１５１１に、第４の反応ガスマニホールド１５０８を外部ガス排出路１５１２にそれぞれ導通する。開閉手段１５１４を外部ガス排出路１５１０に、開閉手段１５１５を外部ガス供給路１５１１に、開閉手段１５１６をガス流通路１５１３にそれぞれ備える。
【００８３】
この場合、反応ガスマニホールド１５０５および１５０７はガス供給マニホールドとして、反応ガスマニホールド１５０６および１５０８をガス排出マニホールドとしてそれぞれもちいる。これらの開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することができる。
【００８４】
図１６に示すように、開閉手段１５１４および１５１５を閉じ、開閉手段１５１６を開いた場合には、反応ガスマニホールド１５０５を外部ガス供給路１５０９に、反応ガスマニホールド１５０８を外部ガス排出路１５１２に、ガス流通路１５１３を介して反応ガスマニホールド１５０６を反応ガスマニホールド１５０７にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路が直列に導通する。
【００８５】
図１７に示すように、開閉手段１５１４および１５１５を開き、開閉手段１５１６を閉じた場合には、反応ガスマニホールド１５０５および１５０７を外部ガス供給路１５０９および１５１１に、反応ガスマニホールド１５０６および１５０８を外部ガス排出路１５１０および１５１２にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路が並列に導通する。
【００８６】
ここで、図１６および１７中の１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６、１５０７、１５０８、１５０９、１５１０、１５１１、１５１２、１５１３、１５１４、１５１５および１５１６は、図１５の１５０１、１５０２、１５０３、１５０４、１５０５、１５０６、１５０７、１５０８、１５０９、１５１０、１５１１、１５１２、１５１３、１５１４、１５１５および１５１６とそれぞれ同じものを示す。
【００８７】
図１８は、請求項３および請求項４記載の燃料電池システムの一例として、空気の供給または排出をおこなうための反応ガスマニホールドを２個設けた燃料電池スタックを２個備え、これらの燃料電池スタックがガス流通路で導通された燃料電池システムを示す。
【００８８】
図１８において、１８０１は酸化剤ガス流路、１８０２は燃料ガス流路、１８０３はＭＥＡ、１８０４はセパレータ、１８０５は第１の反応ガスマニホールド、１８０６は第２の反応ガスマニホールド、１８０７は第３の反応ガスマニホールド、１８０８は第４の反応ガスマニホールド、１８０９および１８１１は外部ガス供給路、１８１０および１８１２は外部ガス排出路、１８１３はガス流通路、１８１４、１８１５および１８１６は開閉手段をそれぞれ示す。
【００８９】
このシステムでは、第１の反応ガスマニホールド１８０５を外部ガス供給路１８０９に、第２の反応ガスマニホールド１８０６を外部ガス排出路１８１０に、第３の反応ガスマニホールド１８０７を外部ガス供給路１８１１に、第４の反応ガスマニホールド１８０８を外部ガス排出路１８１２にそれぞれ導通する。開閉手段１８１４を外部ガス排出路に、開閉手段１８１５を外部ガス供給路１８１１に、開閉手段１８１６をガス流通路１８１３にそれぞれ備える。
【００９０】
この場合、反応ガスマニホールド１８０５および１８０７はガス供給マニホールドとして、反応ガスマニホールド１８０６および１８０８はガス排出マニホールドとしてもちいる。これらの開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることができる。
【００９１】
図１９に示すように、例えば、開閉手段１８１４および１８１５を閉じ、開閉手段１８１６を開いた場合には、反応ガスマニホールド１８０５を外部ガス供給路１８０９に、反応ガスマニホールド１８０８を外部ガス排出路１８１２に、ガス流通路１８１３を介して反応ガスマニホールド１８０６を反応ガスマニホールド１８０７にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路が直列に導通する。
【００９２】
図２０に示すように、例えば、開閉手段１８１４および１８１５を開き、開閉手段１８１６を閉じた場合、外部ガス供給路１８０９を反応ガスマニホールド１８０５に、外部ガス排出路１８１０を反応ガスマニホールド１８０６に、外部ガス供給路１８１１を反応ガスマニホールド１８０７に、外部ガス排出路１８１２を反応ガスマニホールド１８０８にそれぞれ導通する。この場合では、２つのガス供給排出経路が並列に導通する。
【００９３】
ここで、図１９および図２０中の１８０１、１８０２、１８０３、１８０４、１８０５、１８０６、１８０７、１８０８、１８０９、１８１０、１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、１８１５および１８１６は、図１８の１８０１、１８０２、１８０３、１８０４、１８０５、１８０６、１８０７、１８０８、１８０９、１８１０、１８１１、１８１２、１８１３、１８１４、１８１５および１８１６とそれぞれ同じものを示す。
【００９４】
本発明の燃料電池システムでは、開閉手段を開閉することによって反応ガスマニホールドと外部ガス供給路または外部ガス排出路との間の導通を制御することができる。言い換えると、この開閉手段を開閉することによって、ガスの流量の増減にしたがって燃料電池システムの運転にもちいる複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることができる。すなわち、導通方法を制御することによって、ガス流路のガス流速および、外部ガス供給路と外部ガス排出路との間の圧力損失を制御することが可能となる。
【００９５】
ガス流通路は、図１２に示すようにその一部が外部ガス供給路または外部ガス排出路と共用されてもよいし、図１５に示すようにマニホールドに直接導通されてもよい。
【００９６】
本明細書に記載の開閉することとは、開閉手段を開けることまたは閉めることを意味する。本発明の燃料電池システムは、図１、図１２または図１３に示すように、１個の燃料電池スタックをもちいたものであってもよいし、図１８に示すように、複数の燃料電池スタックを組み合わせてもちいたものであってもよい。この燃料電池は、複数の燃料電池スタックを横に並べたものでもよいし、積層したものでもよい。さらに、反応ガスマニホールドが積層方向に複数分離して備えられたものでもよい。
【００９７】
図１２、図１５または図１８に示す構造の燃料電池システムを用いた場合、開閉手段を開閉することによって、ガスの流れる方向を変えずに、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることができる。このことによる利点は、ガス流路の導通方法を直列から並列にまたは並列から直列に切り替える前後の両方で同一の方向にガスを流せることである。例えば、ガス流路の導通方法を変える前後の両方で重力と一致した方向にガス流路内のガスを流すことが可能となるので、フラッディング現象をさらに抑制できる。
【００９８】
以上述べたように、本発明の燃料電池システムでは、所定の開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列に導通させた場合には、ガスの流量が少ない作動条件でガス流速の低下にともなうフラッディング現象の発生が抑えられるので、出力を高くすることができる。
【００９９】
所定の開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を並列に導通させると、ガスの流量が多い条件で燃料電池システムを運転する場合の圧力損失が低減されるので、エネルギー効率の高い燃料電池システムが得られる。
【０１００】
つまり、ガス流量の少ない条件で燃料電池システムを運転する場合には、模式図として図１５、図１７、図１９または図２１に示すように、複数のガス供給排出経路を直列に導通させてガスを供給または排出する。この場合、本システムではフラッディング現象の発生にともなう出力の低下が抑えられる。
【０１０１】
その一方で、ガス流量の多い条件で燃料電池システムを運転する場合には模式図として図１６、図１８、図２０または図２２に示すように、複数のガス供給排出経路を並列に導通させてガスを供給または排出する。
【０１０２】
この場合、本システムではガスの圧力損失の増大にともなうエネルギー効率の低下が抑えられる。言い換えると、本発明の燃料電池システムでは、ガスの流量の増減にしたがって開閉手段を操作することによって、ガス流速および圧力損失を制御することが可能となる。したがって、広い範囲の出力での運転でエネルギー効率が高い燃料電池を提供するものである。
【０１０３】
本発明の燃料電池システムには、ガス流量値、ガス流速値、ガス圧力値等を測定するための装置を備えることができる。これらの値を使用して、開閉手段を開閉することによって、燃料電池システムの効率をより高くすることができる。例えば、空気を供給するためのブロアのあるいは改質器の出力値を使用することによって、開閉手段を開閉することができる。さらに、設定したプログラムに沿って開閉手段を開閉するものであってもよい。
【０１０４】
本発明の燃料電池および燃料電池システムの特徴は、つぎのとおりである。
第１に、本発明の燃料電池は、反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを構成する貫通孔ａ、ｂおよびｃと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを備えたセパレータを用いることと、前記反応ガスマニホールドＡ、ＢおよびＣを、外部ガス供給路または外部ガス排出路に接続することとを特徴とする。
【０１０５】
第２に、反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを構成する貫通孔ａ、ｂ、ｃおよびｄと、前記貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、前記貫通孔ｃおよびｄに導通するガス流路ｃｄとを備え、前記貫通孔ａ、ｂおよび前記ガス流路ａｂで構成されるガス供給排出経路ＡＢと、前記貫通孔ｃ、ｄおよび前記ガス流路ｃｄで構成されるガス供給排出経路ＣＤとを備えたセパレータを用いることと、前記ガス供給排出経路ＡＢおよびＣＤが交点を備えないことと、前記反応ガスマニホールドＡ、Ｂ、ＣおよびＤを、同種のガス用の外部ガス供給路または外部ガス排出路に導通することとを特徴とする。
【０１０６】
第３に、本発明の燃料電池システムは、前記外部ガス供給路、前記外部ガス排出路または前記反応ガスマニホールドに開閉手段を備えることと、この開閉手段を開けること、あるいは閉じることによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することとを特徴とする。
【０１０７】
第４に、本発明の燃料電池システムは、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、複数の反応ガスマニホールドを開閉手段が備えられたガス流通路にそれぞれ導通することを特徴とする。
【０１０８】
第５に、本発明の燃料電池は、反応ガスマニホールドを構成する貫通孔ａと、ｂと、ｃと、貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを備えることと、前記貫通孔ｂがアノードおよびカソードの周縁部に設けられたセパレータを用いることとを特徴とする。
【０１０９】
第６に、本発明の燃料電池および燃料電池スタックは、カソードの供給または排出、アノードのガスの供給または排出の両方に、複数の反応ガスマニホールドと、前記反応ガスマニホールドに導通された外部ガス供給路および外部ガス排出路とをそれぞれ備え、前記外部ガス供給路、前記外部ガス排出路または／および前記反応ガスマニホールドに開閉手段がそれぞれ設けられ、この開閉手段をそれぞれ開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通させることを特徴とする。
【０１１０】
第７に、本発明の燃料電池システムは、外部ガス供給路から外部ガス排出路までのガスが流れる部分の少なくとも１箇所のガス流速値、ガス流量値または／およびガス圧力値を測定する手段を備えることを特徴とする。
【０１１１】
第８に、本発明の燃料電池システムは、外部ガス供給路、反応ガスマニホールド、ガス流路または外部ガス排出路の部分のいずれかに、少なくとも１個のガス流速値、ガス流量値または／およびガス圧力値を測定する手段を備えることを特徴とする。
【０１１２】
第９に、本発明の燃料電池システムは、それに設けられた開閉手段が、前記のガス流速値、ガス流量値または／およびガス圧力値を測定する手段をもちいて測定されたガス流速値または圧力値にしたがって開閉するものであること、または設定したプログラムに沿って開閉するものであることを特徴とする。
【０１１３】
【実施例】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【０１１４】
［実施例１］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさおよび白金量は、それぞれ１００ｃｍ２および０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。
【０１１５】
つづいて図１に示すように、セパレータ１０４とＭＥＡ１０３とが交互に３枚ずつ積層された燃料電池スタックＡを製作した。セパレータは、図２に示すような、カソード面に貫通孔ａと、ｂと、ｃと、貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、貫通孔ｂおよびｃに導通するガス流路ｂｃとを備えたものを用いた。
【０１１６】
これらのガス流路の溝幅および溝深さを、それぞれ１ｍｍおよび０．５ｍｍとした。この燃料電池スタックＡには、貫通孔ａ、ｂおよびｃがそれぞれ積層されることによって第１の反応ガスマニホールド１０５、第２の反応ガスマニホールド１０６および第３の反応ガスマニホールド１０７がそれぞれ形成される。第１および第２の反応ガスマニホールドと、これらの反応ガスマニホールドに導通するガス流路とが第１のガス供給排出経路を、第２および第３の反応ガスマニホールドと、これらの反応ガスマニホールドに導通するガス流路とが第２のガス供給排出経路をそれぞれ形成する。
【０１１７】
すなわち、この燃料電池スタックＡは、カソードと接する面に２個のガス供給排出経路が備えられた構造のセパレータを用いたものである。
【０１１８】
この燃料電池スタックＡに備えられた第１の反応ガスマニホールド１０５を外部ガス供給路１０８に、第２の反応ガスマニホールド１０６を外部ガス排出路１０９に、第３の反応ガスマニホールド１０７を外部ガス供給路１１０および外部ガス排出路１１１にそれぞれ導通した。この燃料電池システムＡには、外部ガス排出路１０９に開閉手段１１２が、外部ガス供給路１１０に開閉手段１１３が、外部ガス排出路１１１に開閉手段１１４がそれぞれ備えられる。
【０１１９】
［実施例２］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさおよび白金量は、それぞれ１００ｃｍ２および０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。つづいて図１２に示すように、セパレータ１２０４と、ＭＥＡ１２０３とが交互に３枚ずつ積層された燃料電池スタックＢを製作した。
【０１２０】
セパレータは、図６に示すような、カソード面に貫通孔ａ、ｂ、ｃおよびｄと、貫通孔ａおよびｂに導通するガス流路ａｂと、貫通孔ｃおよびｄに導通するガス流路ｃｄとを備え、貫通孔ａ、ｂおよびガス流路ａｂとで構成されるガス供給排出経路ＡＢと、貫通孔ｃ、ｄおよびガス流路ｃｄとで構成されるガス供給排出経路ＣＤとが互いに交わらないものを用いた。
【０１２１】
これらのガス流路の溝幅および溝深さを、それぞれ１ｍｍおよび０．５ｍｍとした。さらにこの燃料電池スタックＢには、貫通孔ａ、ｂ、ｃおよびｄがそれぞれ積層されることによって第１の反応ガスマニホールド１２０５、第２の反応ガスマニホールド１２０６、第３の反応ガスマニホールド１２０７および第４の反応ガスマニホールド１２０８がそれぞれ形成される。
【０１２２】
第１の反応ガスマニホールド、第２の反応ガスマニホールド、およびこれらの反応ガスマニホールドに導通するガス流路が第１のガス供給排出経路を、第３の反応ガスマニホールド、第４の反応ガスマニホールド、およびこれらの反応ガスマニホールドに導通するガス流路が第２のガス供給排出経路をそれぞれ形成する。すなわち、この燃料電池スタックＢは、カソードと接する面に２個のガス供給排出経路が備えられた構造のセパレータを用いたものである。
【０１２３】
この燃料電池スタックＢに備えられた第１の反応ガスマニホールド１２０５を外部ガス供給路１２０９に、第２の反応ガスマニホールド１２０６を外部ガス排出路１２１０に、第３の反応ガスマニホールド１２０７を外部ガス供給路１２１１に、第４の反応ガスマニホールド１２０８を外部ガス排出路１２１２にそれぞれ導通して燃料電池システムＢとした。この燃料電池システムＢには、外部ガス排出路１２１０に開閉手段１２１４が、外部ガス供給路１２１１に開閉手段１２１５が、ガス流通路１２１３に開閉手段１２１６がそれぞれ備えられる。
【０１２４】
［比較例１］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさおよび白金量は、それぞれ１００ｃｍ２および０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。
【０１２５】
つづいて図２１に示すように、セパレータ２１０４とＭＥＡ２１０３とが交互に３枚ずつ積層された燃料電池スタックＣを製作した。これらのガス流路の溝幅および溝深さを、それぞれ１ｍｍおよび０．５ｍｍとした。
【０１２６】
このセパレータのカソード面には、空気を供給するための反応ガスマニホールドを構成する第１および第２の貫通孔と、これらに導通する第１のガス流路とで構成されるガス供給排出経路が１個設けられる。この燃料電池スタックＣには、それぞれの貫通孔が積層されて形成された第１および第２の反応ガスマニホールドが備えられる。
【０１２７】
この燃料電池スタックＣを備えた燃料電池システムＣには、燃料電池スタックＣの第１の反応ガスマニホールドと外部ガス供給路とに導通するガス流通路および、第２の反応ガスマニホールドと外部ガス供給路とに導通するガス流通路がそれぞれ備えられる。図２１に示すように、この燃料電池システムＣは、第１の反応ガスマニホールド２１０５を外部ガス供給路２１０７に、第２の反応ガスマニホールド２１０６を外部ガス排出路２１０８にそれぞれ導通する。
【０１２８】
［比較例２］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさおよび白金量は、それぞれ１００ｃｍ２および０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。
【０１２９】
つづいて図２２に示すように、セパレータ２２０４とＭＥＡ２２０３とが交互に３枚ずつ積層された燃料電池スタックＤを製作した。これらのガス流路に用いる溝幅および溝深さを、それぞれ１ｍｍおよび０．５ｍｍとした。このセパレータのカソード面には、空気を供給するための反応ガスマニホールドを構成する第１および第２の貫通孔と、これらに導通する第１のガス流路とで構成されるガス供給排出経路が１つ設けられる。
【０１３０】
さらにこの燃料電池スタックＤには、第１の反応ガスマニホールド２２０５、第２の反応ガスマニホールド２２０６、第３の反応ガスマニホールド２２０７、第４の反応ガスマニホールド２２０８とがそれぞれ備えられる。第１の反応ガスマニホールド、第２の反応ガスマニホールド、およびこれらの反応ガスマニホールドに導通するガス流路が第１のガス供給排出経路を、第３の反応ガスマニホールド、第４の反応ガスマニホールド、およびこれらの反応ガスマニホールドに導通するガス流路が第２のガス供給排出経路をそれぞれ形成する。
【０１３１】
すなわち、この燃料電池スタックＤは、カソードと接する面に２個のガス供給排出経路が備えられた構造のセパレータを用いたものである。この燃料電池スタックＤを備えた燃料電池システムＤには、燃料電池スタックＤの第１の反応ガスマニホールドと外部ガス供給路とに導通するガス流通路および、第２の反応ガスマニホールドと外部ガス供給路とに導通するガス流通路がそれぞれ備えられる。
【０１３２】
この燃料電池スタックＤは、第１の反応ガスマニホールド２２０５を外部ガス供給路２２０９に、第２の反応ガスマニホールド２２０６を外部ガス排出路２２１０に、第３の反応ガスマニホールド２２０７を外部ガス供給路２２１１に、第４の反応ガスマニホールド２２０８を外部ガス排出路２２１２にそれぞれ導通する。
【０１３３】
［効果を実証する試験例］
燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用いた燃料電池システムＡ、Ｂ、ＣおよびＤの電流―電圧特性を図２５に、そのときの空気の圧力損失を図２６に示す。
【０１３４】
図２５および図２６において、記号（○）は本発明による実施例の燃料電池システムＡの特性、記号（△）は本発明による実施例の燃料電池システムＢの特性、記号（□）は比較例の燃料電池システムＣの特性、記号（◇）は比較例の燃料電池システムＤの特性を示す。
【０１３５】
これらの燃料電池システムでは、８０℃の密閉水槽中でバブリングすることによって加湿した水素と空気とをアノードとカソードとにそれぞれ供給した。この燃料電池スタックの運転温度は８０℃とした。開回路状態を除き、それぞれの電流密度でのガス流量を、水素の利用率が６０％、空気の利用率が４０％となるように変化させた。
【０１３６】
本発明の燃料電池システムＡおよびＢに設けられた開閉手段は、開回路状態から電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２までの領域ではそれぞれ図１５および図１７に示す状態に、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２以上の領域ではそれぞれ図１６および図１８に示す状態に導通した。
【０１３７】
すなわち、電流密度が前者の領域ではガス供給排出経路が直列に、後者の領域ではガス供給排出経路を並列にそれぞれ導通する。図２５より、本発明による実施例の燃料電池システムＡおよびＢのセル電圧の値は、低電流密度領域で、比較例の燃料電池システムＣおよびＤの値よりも高いことがわかる。
【０１３８】
さらに、図２６より、燃料電池システムＡおよびＢの圧力損失の値が、高電流密度領域で、比較例の燃料電池システムＣおよびＤの値よりも低いことがわかる。これらの結果から、本発明の燃料電池システムＡおよびＢでは、低い電流密度領域でガス流速を高くすることと、高い電流密度領域で圧力損失を低くすることとを両立できることが確認された。つまり、本発明の燃料電池システムは、広い範囲の出力での運転で、エネルギー効率が高いものであるといえる。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明の請求項１および３の発明によれば、ガス流量の増減にしたがって、複数のガス流路を直列または並列に導通することによって、フラッディング現象の発生と圧力損失の増大とを防ぐことができる。したがって、広い範囲の出力でエネルギー効率の高い運転が可能である。
【０１４０】
本発明の請求項２および４の発明によれば、ガス流量の増減にしたがって、ガス流速と圧力損失とを制御できることに加えて、ガス流路のガスの流れる方向を一定に保つことができる。つまり、ガスを常に重力と一致した方向に保つことができるので、フラッディング現象の抑制が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図２】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータの構造を示す模式図。
【図３】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータの構造を示す模式図。
【図４】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータのガスの流れを示す模式図。
【図５】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータのガスの流れを示す模式図。
【図６】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータの構造を示す模式図。
【図７】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータのガスの流れを示す模式図。
【図８】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータのガスの流れを示す模式図。
【図９】従来の燃料電池に用いるセパレータの構造を示す模式図。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図１２】本発明に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図１３】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図１４】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図１５】本発明に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図１６】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図１７】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図１８】本発明に係る燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図１９】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図２０】本発明に係る燃料電池システムのガスの流れを示す模式図。
【図２１】従来の燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図２２】従来の燃料電池システムの構造を示す模式図。
【図２３】燃料ガスに水素を、酸化剤ガスに空気を用いた場合の燃料電池スタックの電流−平均セル電圧特性を示す図。
【図２４】ガスの圧力損失を示す図。
【図２５】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータの構造を示す模式図。
【図２６】本発明に係る燃料電池に用いるセパレータの構造を示す模式図。
【符号の説明】
１０１、２０１、２０１Ａ、６０１、６０１Ａ　第１の貫通孔
１０２、２０２、２０２Ａ、６０２、６０２Ａ　第２の貫通孔
１０３　ガス流路
２０３、２０３Ａ、６０３、６０３Ａ　第３の貫通孔
２０４、２０６Ａ、６０５、６０９Ａ　第１のガス流路
２０５、２０７Ａ。６０６、６１０Ａ　第２のガス流路
２０８Ａ。６１１Ａ　第３のガス流路
２０９Ａ。６１２Ａ　第３のガス流路
４０１、４０３、５０１、７０１、７０３、８０１　外部ガス供給路
４０２、５０３、７０２、７０４、８０３　外部ガス排出路
２０４Ａ、６０４、６０４Ａ　第４の貫通孔
２０５Ａ、６０５Ａ　第５の貫通孔
６０６Ａ　第６の貫通孔
６０７Ａ　第７の貫通孔
６０８Ａ　第８の貫通孔
１０１、１２０１、１５０１、１８０１、２１０１、２２０１　酸化剤ガス流路
１０２、１２０２、１５０２、１８０２、２１０２、２２０２　燃料ガス流路
１０３、１２０３、１５０３、１８０３、２１０３、２２０３　ＭＥＡ
１０４、１２０４、１５０４、１８０４、２１０４、２２０４　セパレータ
１０５、１２０５、１５０５、１８０５、２１０５、２２０５　第１の反応ガスマニホールド
１０６、１２０６、１５０６、１８０６、２１０６、２２０６　第２の反応ガスマニホールド
１０７、１２０７、１５０７、１８０７、２２０７　第３の反応ガスマニホールド
１２０８、１５０８、１８０８、２２０８　第４の反応ガスマニホールド
１０８、１１０、１２０９、１２１１、１５０９、１５１１、１８０９、１８１１、２１０７、２２０９、２２１１　外部ガス供給路
１０９、１１１、１２１０、１２１２、１５１０、１５１２、１８１０、１８１２、２１０８、２２１０、２２１２　外部ガス排出路
１２１３、１５１３　ガス流通路
１１２、１１３、１１４、１２１４、１２１５、１２１６、１５１４、１５１５、１５１６、１８１４、１８１５、１８１６　開閉手段
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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