(57)【要約】【課題】  低負荷運転の際に、凝縮水や生成水によるガス流路閉塞によって電池性能の低下または不安定化がなく、信頼性の高い高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  セパレータ板の面内に複数の独立したガス流路を設け、低負荷運転を行う際には、ガス供給領域を限定することによって、ガス流速を確保する。本発明の燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、電極の一方に燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側セパレータ板、および他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側セパレータ板からなる単位セルを積層した燃料電池において、セパレータ板の少なくとも一方が、その面内に複数の独立したガス流路を有する。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、前記電極の一方に燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、および他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板からなる単位セルを積層した燃料電池であって、前記導電性セパレータ板の少なくとも一方が、その面内に複数の独立したガス流路を有し、かつ前記複数の独立したガス流路のなかの１つまたは複数にガスを供給するためのガス供給の切替制御装置を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記独立したガス流路の流路領域の面積が相互に異なる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流路に合わせて電極の触媒層またはガス拡散層が複数に分割されている請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード側セパレータ板が複数の独立した燃料ガス流路を有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソード側セパレータ板が複数の独立した酸化剤ガスの流路を有する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
アノード側導電性セパレータ板の背面とカソード側導電性セパレータ板の背面との間に冷却水の流路を有する組み合わせセパレータ板を具備し、前記冷却水の流路が、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路の分割に応じて複数に分割されている請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池の運転方法であって、前記ガス供給の切替制御装置により、分割されたガス流路のなかの特定のガス流路にガスを供給して低負荷運転を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項８】
前記の低負荷運転において、ガスを供給する特定のガス流路を経時的に変更する工程を有する請求項７に記載の燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池、特に高分子電解質膜を用いた燃料電池およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、および触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。これらのガスシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置される。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】
これらの溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管からセパレータの溝に直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで連絡し、この孔から直接ガス流路に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。
【０００５】
燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。冷却部をセパレータ板とセパレータ板との間に挿入する形式と、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする形式とがあり、後者が多く利用される。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ロッドで両端から固定するのが一般的な燃料電池の構造である。
【０００６】
この種の燃料電池の高分子電解質膜には、通常パーフルオロカーボンスルホン酸系の材料が使われている。この高分子電解質膜は、水分を含んだ状態でイオン伝導性を発現するため、通常は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する必要がある。一方、カソード側では、反応によって水が生成する。このため、電池の動作温度より高い露点をもつように加湿されたガスを供給すると、電池内部のガス流路や電極内部で結露が発生し、水詰まりなどによって電池性能が安定しないばかりか、性能が低下するという問題が生じる。通常、このような濡れすぎによる電池性能の低下や動作不安定が発現する現象をフラッディング現象と呼ぶ。
【０００７】
燃料電池を発電システムとする場合には、供給ガスの加湿などを含めたシステム化が必要である。システムの簡素化、およびシステム効率の向上のためには、供給ガスの加湿露点を少しでも低減することが好ましい。
以上のように、フラッディング現象の防止、システム効率の向上、およびシステムの簡素化などの観点から、供給ガスは、電池温度より少し低めの露点となるように加湿して供給するのが普通であった。
しかしながら、電池の高性能化のためには、高分子電解質膜のイオン伝導度を向上させる必要があり、そのためには供給ガスは、相対湿度が１００％に近い湿度、またはそれ以上の湿度を有するように加湿することが好ましい。また、本発明者らは、高分子電解質膜の耐久性の観点からも、供給ガスを高度に加湿することが好ましいことを見いだした。ガスを相対湿度１００％に近い湿度を有するように加湿して供給しようとすると、以下のような様々な問題がある。
【０００８】
第１は、前述のフラッディングの問題である。フラッディングを回避するためには、供給ガスの圧力損失を上げて、結露した水を吹き飛ばすようにする手法が一般的である。しかしながら、供給ガスの圧力損失の増加は、システム化した場合のガス供給ブロワ、またはコンプレッサ等の補機動力を極端に増加させることになるため、システム効率の悪化を招来する。
第２は、ガス拡散層や触媒層の担体カーボンの水に対する濡れ性（接触角）が経時的に変化することにより、結露水の排出効率が経時的に悪くなり、電池の耐久特性に影響を及ぼすことである。
【０００９】
第３は、ガス拡散層や触媒層の担体カーボンの水に対する濡れ性（接触角）が経時的に変化することにより、セパレータ板のガス流路を流れるガス流量と、ガス拡散層を流れるガス流量の比が経時的に変化することである。具体的には、ガス拡散層の濡れ性が経時的に増大し、ガス拡散層中への結露水の停滞量が増大する。これによって、局所的に電極へのガス供給が滞り、ガス供給が滞った部分では電流密度が低下するため、電池面内での電流密度分布が増大し、結果的に電池全体の特性が低下する。
【００１０】
第４は、ガス拡散層や触媒層の担体カーボンの水に対する濡れ性（接触角）が経時的に変化することにより、セパレータ板のガス流路を流れるガス流量と、ガス拡散層を流れるガス流量の比が経時的に変化し、セパレータ板のガス流路の隣り合う流路間にガス拡散層を介してガスが流れる、いわゆる伏流する度合いが変化することである。具体的には、仮にガス拡散層が無ければ、供給したガスは必ずガス流路に沿って流れるが、実際にはガス流路に隣接してガス拡散層が存在するため、特にサーペンタイン型ガス流路の場合には、隣り合う流路間にガス拡散層を介してガスが流れ込む。例えば、単数の連続したサーペンタイン型流路の場合、ガス流路の直線部のある点での隣り合う二つのガス流路は、ガスが流れる方向が対向しているため、上流部のガス流路から下流部のガス流路にガス流路を通ってガスが流通する圧力損失と、隣り合うガス流路間でガス拡散層を介してガス流路間のリブ部分を越えて上流部から下流部に流れ込む圧力損失とが釣り合うような割合で、ガス拡散層を介したガスの伏流が発生しているはずである。
ところが、ガス拡散層の濡れ性が経時的に増大し、ガス拡散層中への結露水の停滞量が増大することで、ガス拡散層を介したガスの伏流が滞る現象が発生する。この現象は、当然隣り合うガス流路間の圧力損失が小さい場所ほど頻発する。従って、サーペンタイン型流路の場合には、ガス流路のターン部近辺でガス拡散層を介した伏流量が経時的に減少し、その結果、ガス供給が滞ったガス拡散層部分では電流密度が低下する。このため、セル内での電流密度分布が増大し、その結果、電池全体の特性が低下する。
【００１１】
さらに、以上のフラッディング現象がアノード側で発生すると、燃料ガスの欠乏を招き、これは電池にとって致命傷となってしまう。これは燃料ガスが不足している状態であり、負荷電流が強制的に取られると、燃料のない状態で電子とプロトンを作るために、アノードの触媒を担持しているカーボンが雰囲気中の水と反応してしまう。その結果、触媒層のカーボンの溶出により、アノードの触媒層が破壊されるのである。そのため、アノード側のフラッディングについては最善の注意を払わなくてはならない。
【００１２】
また、この積層電池を搭載したシステムでは、電池を定格出力条件で運転するだけではなく、電力需要に応じて出力を抑えた、低負荷運転ができることが望ましい。低負荷運転では、効率を維持するために、燃料ガスや酸化剤ガスの利用率を定格運転時と同じにして運転を行わなければならない。すなわち、例えば、負荷を定格運転時の１／２にした場合、燃料ガスや酸化剤ガスの流量も定格運転時の１／２程度に低減しなければ、余分な燃料ガスや酸化剤ガスを使用することになり、発電効率が低下する。しかし、ガスの利用率を一定にして低負荷運転を行うと、ガス流路内のガス流速が低下するから、凝縮水や生成水をセパレータ板外に排出できなくなる。このため、上述のようなフラッディング現象が発生し、電池性能が低下し、あるいは不安定になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、以上に鑑み、低負荷運転の際に、凝縮水や生成水によるガス流路閉塞によって電池性能の低下または不安定化がなく、信頼性の高い高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するために、セパレータ板の面内に複数の独立したガス流路を設け、低負荷運転を行う際には、ガス供給領域を限定することによって、ガス流速を確保できる信頼性の高い高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明の燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極、前記電極の一方に燃料ガスを供給・排出するガス流路を有するアノード側導電性セパレータ板、および他方の電極に酸化剤ガスを供給・排出するガス流路を有するカソード側導電性セパレータ板からなる単位セルを積層した燃料電池であって、前記導電性セパレータ板の少なくとも一方が、その面内に複数の独立したガス流路を有し、かつ前記複数の独立したガス流路のなかの１つまたは複数にガスを供給するためのガス供給の切替制御装置を具備することを特徴とする。
【００１５】
独立した各ガス流路が位置する領域の面積（大きさ）は、必要に応じて同じであっても異なっていても良い。その際、「面積」は、セパレータ板の同一面上での各流路の投影を意味する。異なる流路の断面積が概して同じであれば、投影面積が異なることは流路の長さが異なることを意味する。いずれの場合においても、各流路の総容積は同じであっても異なっていても良い。
独立したガス流路に合わせて電極の触媒層および／またはガス拡散層を複数に分割することが好ましい。
独立したガス流路は、アノード側セパレータ板にのみ、カソード側セパレータ板にのみ、または双方に設けることができる。
アノード側導電性セパレータ板の背面とカソード側導電性セパレータ板の背面との間に冷却水の流路を有する組み合わせセパレータ板を具備する燃料電池においては、前記冷却水の流路を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路の分割に応じて複数に分割することが好ましい。
【００１６】
本発明は、前記ガス供給の切替制御装置により、分割されたガス流路のなかの特定のガス流路にガスを供給して低負荷運転を行う燃料電池の運転方法をも提供する。
前記の低負荷運転においては、ガスを供給する特定のガス流路を経時的に変更する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低負荷運転時に水によるガス流路の閉塞を低減することができるから、低負荷運転時の電池性能の低下あるいは不安定現象を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の燃料電池は、セパレータ板の面内に複数の独立したガス流路を持つことを特徴としている。本発明の燃料電池は、低負荷運転を行う際には、ガス供給領域を限定することによって、ガス流速を確保することができる。
従来の燃料電池のセパレータ板は、燃料ガス及び酸化剤ガスの各々のガスは、一つの入り口側マニホールド孔からセパレータ板のガス流路に供給され、一つの出口側マニホールド孔から排出される構成であった。
燃料電池発電システムの商品性を高めるためには、電力需要に応じた燃料電池の負荷を、発電効率を低下させることなく変動できることが望ましい。そのためには、定格出力に対して負荷を増大させる場合には、それに見合うように燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を増大させ、定格出力に対して負荷を減少させる場合には、それに見合うように燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を減少させて運転できることが望まれる。
【００１９】
通常、導電性セパレータ板に設けられるガス流路は、定格出力において最も適したガス流速となるように設計されている。従って、電力負荷を増大させた場合には、ガス流量の増大に伴ってガス流路におけるガス流速が増大し、電力負荷を減少する場合には、ガス流量の減少に伴ってガス流路におけるガス流速が減少する。ガス流路におけるガス流速が増大した場合には、供給ガスの圧力損失が増大するため、補機動力の増大により発電効率が若干は低下するものの、ガス流速が増大するため、セパレータ板のガス流路内の結露水や生成水はむしろ効率よく除去可能となり、フラッディング現象が発生することはない。しかしながら、電力負荷を減少させる場合には、ガス流量の減少に伴ってガス流速も減少する。ガス流路におけるガス流速が減少した場合には、流速の減少度合いによって、セパレータ板のガス流路内の結露水や生成水を効率よく除去することが困難になり、フラッディング現象が発生する。このとき、電力負荷を減少したにもかかわらず、供給ガス流量を減少させなければ、発電出力に対する補機動力の割合が相対的に大きくなり、発電システム全体での発電効率が低下する。
【００２０】
本発明は、セパレータ板の面内に複数の独立したガス流路を形成することで、特に低負荷運転時にもフラッディングが起こらない燃料電池を実現するものである。例えば、定格発電出力に対して、２倍から１／２まで負荷を変動させることが想定される場合、セパレータ板の面内のガス流路を４つに独立させて形成し、定格発電時には４つの内の２つのガス流路にガスを供給し、２倍の負荷時には４つ全てのガス流路にガスを供給し、１／２の低負荷運転時には４つの内の１つのガス流路にガスを供給する。これによって、負荷変動時にも全てのガス流路においてほぼ同一のガス流速を保つことができる。このとき、例えば２倍の負荷から定格の１倍負荷まで負荷を変動させる場合には、各ガス流路のガス流速をできる限り一定に保つよう、ガス流路の供給本数やガス流量を制御しながら負荷を変動させることが望ましい。
【００２１】
定格発電出力に対して、負荷を低下する方向にのみ変動させ、定格負荷から１／４まで負荷を変動させることが想定される場合、セパレータ板の面内のガス流路を４つに独立させて形成し、定格発電時には４つの内の全てのガス流路にガスを供給し、１／２倍の負荷時には４つの内の２つのガス流路にガスを供給し、１／４の低負荷運転時には４つの内の１つのガス流路にガスを供給する。これによって、負荷変動時にも全てのガス流路においてほぼ同一のガス流速を保つことができる。そのため負荷に見合う以上のガス流量を供給する必要がなくなり、最適な発電効率を維持したまま電力負荷を変動させることが可能となる。
【００２２】
上記の複数のガス流路から選択された、独立のガス流路にガスが供給され、電極反応が起こる電極の部位は、アノード側とカソード側で実質的に同部位で同面積であることが望ましい。さらに好ましくは、冷却水が供給される部位も電極反応が起こる部位と実質的に同部位、同面積となるように、冷却水流路も独立させることが望ましい。ガスを供給せず、電極反応が発生していない部位に接する冷却水流路に冷却水を供給すると、その部分では電極反応が起こらず発熱することがないため、冷却水の熱が消費され、冷却水をコージェネレーションシステムなどの熱源として用いる場合には、熱効率が低下する。
【００２３】
一方、ガスが供給されていない電極面では電極反応が起こらない。仮に、ガスが供給されていないガス流路に接する電極面に、ガスが供給されている独立のガス流路から、ガス拡散層などを介してガスがにじみ出た場合、電極は全面にわたって同一電位が保たれるから、にじみでたガス量に応じた電流密度分布が発生する。従って、ガスが供給されていない電極面に過剰に電流が流れることはなく、従って強制酸化や強制還元による電極劣化の問題も全くない。
【００２４】
さらに、ガスが供給されていない電極面では、電極反応が起こらず、ガスの流動もほとんど無い。このため、特定の独立したガス流路に長期間ガスを供給しない状態を維持したまま、発電を続けると、ガスを供給していないガス流路と、それに接するガス拡散層に水が停滞する。そのため、次にそのガス流路にガスを供給して発電を行う際、停滞している水を除去し、濡れた電極面をリフレッシュするのにしばらく時間を要する。そこで、特定の独立したガス流路に長期間ガスを供給しないまま発電を続けず、一定時間毎にガスを供給するガス流路を変更しながら運転することが望ましい。一定時間毎にガスを供給するガス流路を変更することによって、特定の独立したガス流路に面した電極面の濡れが充分に進行する前に電極面をリフレッシュすることで、特定の電極面だけの濡れを進行させることを抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２５】
《実施の形態１》
本実施の形態のセパレータ板を図１、図２および図３に示す。図１はセパレータ板のアノード側の正面図、図２はその背面図であり、カソード側の正面図である。図３は冷却部を構成するアノード側セパレータ板の背面図である。
このセパレータ板１０は、燃料ガスの入り口側マニホールド孔１１ａ、１１ｂおよび出口側マニホールド孔１３ａ、１３ｂ、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔１２ａ、１２ｂおよび出口側マニホールド孔１４ａ、１４ｂ、並びに冷却水の入り口側マニホールド孔１７ａ、１７ｂおよび出口側マニホールド孔１８ａ、１８ｂを有する。セパレータ板１０は、アノードと対向する面にそれぞれ入り口側マニホールド孔１１ａおよび１１ｂと出口側マニホールド孔１３ａおよび１３ｂを連絡する独立の燃料ガス流路１５ａおよび１５ｂを有する。セパレータ板１０は、カソードと対向する面にそれぞれ入り口側マニホールド孔１２ａおよび１２ｂと出口側マニホールド孔１４ａおよび１４ｂを連絡する独立の酸化剤ガス流路１６ａおよび１６ｂを有する。図の点線１Ｅで囲まれた部分に膜電極接合体（ＭＥＡ）の電極が接する。
【００２６】
この実施の形態では、セパレータ板１０の燃料ガス流路は１５ａと１５ｂとに２分割され、これに対応する酸化剤ガスの流路は１６ａと１６ｂとに２分割されている。
上記のセパレータ板１０は、アノード側導電性セパレータ板とカソード側導電性セパレータ板を兼ねている。
冷却部を構成するセパレータ板は、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板との組み合わせからなる。アノード側セパレータ板１０’は、アノード側が上記のセパレータ板１０と同じ構成で、背面には、図３に示すように、入り口側マニホールド孔１７ａおよび１７ｂと出口側マニホールド孔１８ａおよび１８ｂを連絡する２つの独立の冷却水流路１９ａおよび１９ｂを有する。カソード側セパレータ板は、カソード側が上記のセパレータ板１０と同じ構成で、背面に前記と同様に入り口側マニホールド孔と出口側マニホールド孔を連絡する２つの独立の冷却水流路を有する。これらアノード側セパレータ板１０’とカソード側セパレータ板とは、冷却水の流路を有する部分が向き合うように組み合わされる。
【００２７】
セルスタックを組み立てるには、例えばＭＥＡと、上記のアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねるセパレータ板とを交互に積層する。そして、２セル毎に、前記のセパレータ板の代わりに、冷却部を構成する上記の組み合わせたセパレータ板を挿入する。
上記のセルスタックを用いた燃料電池の各マニホールド孔に連結されるガス供給及び排出パイプは、電池への出入り口直近で２つに分岐し、分岐したパイプは相互に同じ径を有することで、各セルの２つのガス流路に均等にガスを分配できるようにする。また、出入り口共に分割したパイプの途中に電磁弁を設け、一方を閉じることで、独立したガス流路の一方だけにガスを供給・排出できる構造とする。そのため、２つに分岐したガスパイプの長さを等しくして２本のガスパイプの圧力損失を等しくすることが重要である。また、セパレータ板の２分割されたガス流路の長を等しくして、独立した２つのガス流路の圧力損失を等しくすることが、ガスの均等分配を行う上で重要である。
【００２８】
図４は、燃料電池の燃料ガスの流れを立体的に表す模式図である。燃料ガスの入り口パイプ１は、燃料ガスを切り替える切替部４でパイプ１Ａと１Ｂの２つに分岐している。パイプ１Ａはセパレータ板１０の入り口側マニホールド孔１１ａに、またパイプ１Ｂはセパレータ板１０の入り口側マニホールド孔１１ｂにそれぞれ連絡している。従って、パイプ１Ａに供給される燃料ガスは、図の矢印Ａ１のようにパイプ１Ａに連なる入口側マニホールドを、またパイプ１Ｂに供給された燃料ガスは、図の矢印Ｂ１のようにパイプ１Ｂに連なるマニホールドをそれぞれ流れる。そして、燃料ガスは、矢印Ａ１で示される流路からセルのセパレータ板１０のガス流路１５ａを流れる。未反応のガスおよび生成物は、矢印Ａ２で示されるように、出口側マニホールドを流れ、出口パイプ３Ａより排出される。同様に、燃料ガスは、矢印Ｂ１で示される流路からセルのセパレータ板１０のガス流路１５ｂを流れ、未反応のガスおよび生成物は出口側マニホールドを矢印Ｂ２のように流れ、出口パイプ（図示しない）より排出される。
【００２９】
出口側マニホールドに連絡する２つのパイプは、入り口パイプの場合と同様に切替部で１本の出口パイプにつながっている。入り口パイプの切替部４および出口パイプの切替部は、制御装置５により切り替えが制御されて、燃料ガスは矢印Ａ１およびＡ２で示される流路の一方または双方に供給され、その切り替えに応じて出口パイプより排出される。セパレータ板の１つの面に３つあるいはそれ以上のガス流路が設けられている場合は、ガス供給パイプは、その切替部では、セパレータ板のガス流路の数に応じた数に分岐する。
図４には、燃料ガスの流れのみを示したが、酸化剤ガスおよび冷却水の流れも上記燃料ガスの場合と同様に制御される。
【００３０】
《実施の形態２》
本実施の形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの各流路をガス流路の流路領域の面積比が２：１の割合となるように分割した例を示す。独立した各ガス流路が位置する流路領域の面積（大きさ）は、必要に応じて同じであっても異なっていても良い。本明細書において使用している「流路領域」という用語は、各流路が位置するセパレータ板の領域を意味する。面積比は、セパレータ板の同一面上に投影された流路の面積に基づく。異なる流路の断面積は同じであっても異なっていても良い。断面積が同じであれば、面積比が２：１であることは長さの比も約２：１であることを意味する。いずれの場合においても、各流路の総容積は同じであっても異なっていても良く、流路の断面積または長さを変えることにより、総容積を同じにしたり異ならせたりすることができる。
【００３１】
本実施の形態のセパレータ板１０Ａのアノード側の正面図を図５に、その背面図を図６に示す。図１および図２と同じ番号は同じ構成要素を示すものとし、説明は省略する（以下においても同様とする。）。
ガス流路１５ｂおよび１６ｂは、それぞれガス流路１５ａおよび１６ａの２倍のガス流量となるように設計されている。従って、各マニホールド孔に連結されたガス供給及び排出パイプは、電池への出入り口直近で２つに分岐し、分岐したパイプは、ガス流路の流路領域の面積の比に応じて断面積が２：１となるようにする。また、出入り口共に分岐したパイプの途中に電磁弁を設け、一方を閉じることで、独立したガス流路の一方だけにガスを供給・排出できる構造とする。なお、冷却水の流路は、２つに分割しない例を図示しているが、当業者には、必要に応じて、ガス流路と同様に分割することができることは容易に理解できよう。
【００３２】
《実施の形態３》
本実施の形態のセパレータ板を図７および図８に示す。
図７および８は、本実施の形態のセパレータ板を示す。これは、２つに分割されたガス流路にあわせてＭＥＡの電極を物理的に異なる２つの部分に分割した例である。電極を２つの部分に物理的に分離することにより、水および反応ガスが一方の電極部分から他方の電極部分へ移動することが防止または削減される。電極部分の間に、空気の間隙を設けたり、水および反応ガスを透過しない物質を介在させたりすることにより、物理的な分離を行うことができる。
燃料ガスの流路１５ａおよび酸化剤ガスの流路１６ａに対応してＭＥＡの電極部１Ｅａが、また燃料ガスの流路１５ｂおよび酸化剤ガスの流路１６ｂに対応してＭＥＡの電極部１Ｅｂがそれぞれ設けられる。この他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３３】
《実施の形態４》
本実施の形態のセパレータ板１０Ｂを図９および図１０に示す。燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路は、実施の形態１と同様にそれぞれ２つに分割されている。ただし、燃料ガスの出口側マニホールド孔１３は、ガス流路１５ａと１５ｂに共通である。
【００３４】
《実施の形態５》
本実施の形態のセパレータ板１０Ｃを図１１および図１２に示す。燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路は、実施の形態１と同様にそれぞれ２つに分割されている。ただし、燃料ガスの入り口側マニホールド孔１１は、ガス流路１５ａと１５ｂに共通である。
【００３５】
《実施の形態６》
本実施の形態のセパレータ板１０Ｄを図１３および図１４に示す。燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路は、実施の形態１と同様にそれぞれ２つに分割されている。ただし、燃料ガスの流路１５ａ、１５ｂと酸化剤ガスの流路１６ａ、１６ｂがそれぞれ直交するように構成されている。
【００３６】
《実施の形態７》
以上の実施の形態では、サーペンタイン型のガス流路を有するセパレータ板を示したが、本実施の形態ではストレートのガス流路を有するセパレータ板を示す。本実施の形態のセパレータ板を図１５および図１６に示す。
セパレータ板３０は、アノードと対向する面に、燃料ガスの入り口側マニホールド孔３１ａおよび３１ｂと出口側マニホールド孔３３ａおよび３３ｂをそれぞれ連絡する７本の並行するガス流路３５ａおよび３５ｂを有する。セパレータ板３０は、カソードと対向する面に、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔３２ａおよび３２ｂと出口側マニホールド孔３４ａおよび３４ｂをそれぞれ連絡するガス流路３６ａおよび３６ｂを有する。ガス流路３６ａおよび３６ｂは、マニホールド孔から直線状に伸びる凹部４２、および、リブ４８によって区画され、凹部４２間を連絡する直線状の溝部４６からなる。凹部４２にはリブ４４が設けられている。３７は冷却水の入口側マニホールド孔、３８は出口側マニホールド孔を表す。点線３Ｅで囲まれた部分に電極が接する。
いずれのガス流路も実質的に直線状であるため、ガス流路の総長が短くなる。そのため、定格運転時のガス供給圧損、およびガス流速が小さくなる。ガス流速を上げるには、サーペンタイ型流路に比べてガス流路の溝幅を狭くする必要がある。
【００３７】
《実施の形態８》
本実施の形態では、セパレータ板のガス流路を均等面積となるように３分割した例を示す。このセパレータ板１０Ｅは、図１７および図１８に示すように、燃料ガスのマニホールド孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃおよび１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、並びに酸化剤ガスのマニホールド孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１４ａ、１４ｂ、１４ｃの３組を有する。従って、各マニホールド孔に連結されたガス供給及び排出パイプは、電池への出入り口直近で３つに分岐し、分岐したパイプは同じ径を有することで、分割したパイプに均等にガスが分配できる構造とする。また、出入り口共に分岐したパイプの途中に電磁弁を設け、一カ所または二カ所を閉じることで、３分割したガス流路の二分割分または一分割分にだけガスを供給・排出できる構造とする。そのため、３つに分岐したガスパイプの長さを等しくして３本のガスパイプの圧力損失を等しくすることが重要である。また、３分割されたガス流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの長さを等しくするとともに、ガス流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃの長さを等しくして、各々独立した３つのガス流路の圧力損失を等しくすることが、ガスの均等分配を行う上で重要である。
【００３８】
《実施の形態９》
本実施の形態では、セパレータ板のガス流路を均等面積となるように４分割した例を示す。このセパレータ板１０Ｆは、図１９および図２０に示すように、燃料ガスのマニホールド孔１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄおよび１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ並びに酸化剤ガスのマニホールド孔１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよび１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの各４組を有する。実施の形態８と同様にして各マニホールド孔に連結されたガス供給及び排出パイプは、電池への出入り口直近で４つに分岐し、分岐したパイプは同じ径を有することで、分割したパイプに均等にガスが分配できる構造とする。また、出入り口共に分岐したパイプの途中に電磁弁を設け、一カ所、二カ所または三カ所を閉じることで、４分割したガス流路の三分割分、二分割分または一分割分にだけガスを供給・排出できる構造とする。また、独立した４つのガス流路に、ガスが均等に分配されるようにするのは実施の形態８と同様である。
【００３９】
《実施の形態１０》
本実施の形態のセパレータ板を図２１および図２２に示す。このセパレータ板５０は、アノードに対向する面に、燃料ガスの入り口側マニホールド孔５１ａと出口側マニホールド孔５３ａを連絡するガス流路５５ａ、および入り口側マニホールド孔５１ｂと出口側マニホールド孔５３ｂを連絡するガス流路５５ｂを有する。セパレータ板５０は、カソードに対向する面に、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔５２ａと出口側マニホールド孔５４ａを連絡するガス流路５６ａ、および入り口側マニホールド孔５２ｂと出口側マニホールド孔５４ｂを連絡するガス流路５６ｂを有する。ガス流路５５ａおよび５５ｂは、凹部６１に多数のリブ６３を設けた構成を有する。同様に、ガス流路５６ａおよび５６ｂは、凹部６２に多数のリブ６４を設けた構成を有する。５７は冷却水の入り口側マニホールド孔、５８は出口側マニホールド孔を表す。点線５Ｅで囲まれた部分に電極が接する。
燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路は、凹部内にリブを多数有する構成であるため、ガス流路の総長が短くなる。従って、定格運転時のガス供給圧損、およびガス流速が小さくなる。そこで、セパレータ板のガス流路部にリブ６３および６４を設けて、ガス流速が実施の形態１と同様となるようにするのがよい。
【００４０】
《実施の形態１１》
本実施の形態のセパレータ板を図２３および図２４に示す。このセパレータ板７０は、アノードに対向する面に、燃料ガスの入り口側マニホールド孔７１ａと出口側マニホールド孔７３ａを連絡するガス流路７５ａ、および入り口側マニホールド孔７１ｂと出口側マニホールド孔７３ｂを連絡するガス流路７５ｂを有する。セパレータ板７０は、カソードに対向する面に、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔７２ａと出口側マニホールド孔７４ａを連絡するガス流路７６ａ、および入り口側マニホールド孔７２ｂと出口側マニホールド孔７４ｂを連絡するガス流路７６ｂを有する。ガス流路７５ａと７５ｂ、並びにガス流路７６ａと７６ｂは、それぞれ並行するサーペンタイン型である。すなわち、セパレータ板の電極と接する部位の面積を２分割するという構成ではなく、隣り合う流路同士を独立させる構成である。７７は冷却水の入り口側マニホールド孔、７８は出口側マニホールド孔を表す。点線７Ｅで囲まれた部分に電極が接する。
【実施例】
【００４１】
以下本発明の実施例を説明する。
《実施例１》
アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持した。これをカソード側触媒とした。また、アセチレンブラック系カ−ボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金−ルテニウム合金粒子を２５重量％担持した。これをアノード側触媒とした。これらの触媒粉末のイソプロパノ−ル分散液に、パーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、ペースト状のインクを得た。これらのインクをスクリ−ン印刷法により、それぞれ厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に塗工してカソード側触媒層およびアノード側触媒層を形成した。触媒層に含まれる触媒金属量は０．３ｍｇ／ｃ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるようにした。
【００４２】
これらの触媒層を有するカーボン不織布からなる一対の電極を、電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合した。電解質膜の周縁部の露出部には、厚さ２５０μｍのフッ素ゴムシートを所定の大きさに切断したガスケットを重ね合わせ、ホットプレスによって接合させ、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を３０μｍの厚みに薄膜化したものを用いた。
【００４３】
導電性セパレータ板には実施の形態１にかかるものを用いた。この導電性セパレータ板は、厚さ３ｍｍの等方性黒鉛材に機械加工によってガス流路及びマニホールド孔を形成したものである。ガス流路の溝幅は２ｍｍ、深さは１ｍｍ、溝間のリブ幅は１ｍｍとした。
上記のＭＥＡとセパレータ板とを交互に積層して５０セル積層されたセルスタックを組み立てた。実施の形態１で説明したように、２セル毎に冷却部を有する組み合わせセパレータ板が挿入されている。セルスタックは、金メッキした銅板からなる集電板とポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）製の絶縁板を介して、ステンレス鋼製の端板で挟み、端板同士を締結ロッドで締結した。締結圧は電極の面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。このように構成した燃料電池を、セパレータ板が垂直方向となるように設置した。
【００４４】
上記の燃料電池を７０℃に保持し、アノードに７０℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガスを、カソードに７０℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。燃料ガスは、水素ガス８０％、二酸化炭素２０％、および一酸化炭素１０ｐｐｍからなる。この電池の定格運転条件は、燃料利用率７５％、酸素利用率４０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2である。
この電池を定格の５０％の低負荷となる電流密度０．１５Ａ／ｃｍ2で耐久試験を行った。ただし、利用率は定格条件と同等とした。また、本実施例では、ガスの入り口側および出口側の２つに分岐したパイプに設置された電磁弁を操作することにより、２分割されたガス流路の片方のみに所定の流量でガスを供給し、燃料ガス及び酸化剤ガス共に分割された同じ側の流路にガスを供給した。そして、１時間毎に供給するガス流路を切替え、長期間同一のガス流路にガスを供給しない状態を回避した。本実施例の電池の平均セル電圧の経時変化を図２７に示す。セル電圧は初期の値を１００％として表している。
【００４５】
本実施例の電池では、３０００時間経過しても初期と変わらず安定した電池性能を維持していた。この結果より、電池の低負荷運転時において、ガスが供給されず発電にほとんど寄与しない電極部分は、発電を行っている領域と同電位に保たれるため、劣化はまったく起こらないことが確認された。また、本実施例の電池は、低負荷運転時に、ガス拡散層の内部を伏流することによって、ガス供給がなされていない領域にもガスが微量ではあるが供給され、発電が若干行われることが確認された。
【００４６】
そこで、３０００時間経過後においては、分割されたガス流路の片方のみに所定の流量でガスを供給し続け、さらに１０００時間の発電試験を行った。その間、電池性能は変わらず維持されていた。その後、負荷を定格条件（０．３Ａ／ｃｍ2）に戻し、分割されたガス流路の両方にガスを供給した。この場合、電池性能は一旦低下し、徐々に回復して、全く初期の定格発電性能を発揮するまでに約１日間を要した。つまり、長期間一方のガス流路にガスを供給しない状態を続けたため、ガスを流していないガス流路が結露水によって閉塞してしまっており、再度ガスを供給しても、完全に元の状態まで復帰するのに約１日費やした。低負荷運転から定格運転に切り替えたときに、ガス流路がその結露水によって閉塞した領域では、ガス供給が瞬時にできず、発電を行うことができない状態であった。
この結果から、定期的にガス供給領域を交互に切り替え、ガス流路に停滞する結露水の排出を交互に行うことで、ガス流路の切替え時の負荷変動をスムーズに行うことが可能となることがわかる。
【００４７】
図２８は上述の燃料電池の運転方法を示している。この方法では、工程Ｓ２８０１において、燃料電池において使用されているセパレータ板の一方の面に形成された複数の独立した流体流路群の第１の組に流体を供給する。実際には、この方法は、燃料電池スタック内の単セルのカソードおよびアノードの双方または一方のみに適用することができる。更に、この流体は、セパレータ板に供給される冷却水、燃料ガスまたは酸化剤ガスであってもよい。工程Ｓ２８０３において第１の時間が経過後、流体流路群の第１の組への流体の供給を中止し、代わりに工程Ｓ２８０５において流体流路群の第２の組へ流体を供給する。同様に、工程Ｓ２８０７において第２の時間が経過後、流体流路群の第２の組への流体の供給を中止し、工程Ｓ２８０１において独立した流体流路群の第１の組へ流体を供給する。この方法は、第１および第２の時間にとって望ましい回数だけ何回でも繰り返すことができる。第１および第２の時間は、同じであっても異なっていてもよく、時間の経過とともに変化させてもよい。
【００４８】
《比較例》
比較例の電池の導電性セパレータ板を図２５および図２６に示す。このセパレータ板２０は、アノードと対向する面に、燃料ガスの入り口側マニホールド孔２１と出口側マニホールド孔２３を連絡する２本の並行するガス流路２５を有し、カソードと対向する面に、酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔２２と出口側マニホールド孔２４を連絡する２本の並行するガス流路２６を有する。２７は冷却水の入り口側マニホールド孔、２８は出口側マニホールド孔を表す。点線２Ｅで囲まれた部分に電極が接する。ガス流路の溝幅は２ｍｍ、深さは１ｍｍ、ガス流路間のリブ幅は１ｍｍとした。また、冷却部を構成するセパレータ板の冷却水の流路は、ガス流路同様に分割されていない。上記以外は実施例１と同じ燃料電池を組み立てた。
【００４９】
この比較例の燃料電池を、７０℃に保持し、実施例１と同じ条件で燃料ガスおよび空気を供給した。この電池を定格の５０％の低負荷となる電流密度０．１５Ａ／ｃｍ2で耐久試験を行った。ただし、利用率は定格条件と同等とし、ガス流量は半分とした。この電池の平均セル電圧の経時変化を図２７に示す。
実施例１では、３０００時間経過しても初期と変わらず安定した電池性能を維持していたが、比較例の電池は５００時間を経過した時点で突然、電池電圧が低下して出力の取れない状態に陥ってしまった。
【００５０】
この理由を以下に説明する。実施例１では、５０％の低負荷運転において、利用率を定格と同条件にしても、ガス供給範囲を定格運転時の半分にすることによって、ガス流路内のガス流速を一定に保ち、ガス供給ができた。これに対し、比較例の電池では、５０％の低負荷運転においても定格運転時と同じガス流路を利用するため、利用率一定の運転では、ガス流路内でのガス流速が半減してしまった。その結果、比較例のように供給ガスの相対湿度が１００％となっているような高加湿下での運転条件では、凝縮水や生成水の排出が困難となり、ガス流路やガス拡散層に徐々に滞留した水によって、ガスの反応部位への供給が遮断され、電池性能が急激に低下したのである。
次に、上記の耐久試験後の電池を定格条件で運転したところ、比較例の電池は電池電圧が初期値の８０％以下まで低下してしまっていた。一方、実施例１の電池は、初期と同等の電池性能を３０００時間後でも維持していた。
【００５１】
《実施例２》
実施の形態２に示すセパレータ板を用いた他は実施例１と同様の燃料電池を作製した。
この電池を、実施例１と同じ条件での定格運転と、定格に対して３３％および６６％の低負荷運転とを行った。定格運転を行う際には、セパレータ板の分割された両方のガス流路にガスが供給されるようにし、定格流量のガスを供給して、１万時間の耐久試験を行った。３３％の低負荷運転を行う際には、分割比の小さい側のガス流路１５ａおよび１６ａにのみガスが供給されるようにし、定格時の３３％相当の流量のガスを供給して、１万時間の耐久試験を行った。また、６６％の低負荷運転を行う際には、分割比の大きい側のガス流路１５ｂおよび１６ｂにのみガスが供給されるようにし、定格時の６６％相当の流量のガスを供給して、１万時間の耐久試験を行った。その結果、各条件ともに初期電圧に対する１万時間後の電圧劣化割合が約２％であり、安定した電池性能を維持できることが確認された。したがって、ガス流路の面積比を任意に変えて、運転の負荷割合に応じてガス供給領域を組み合わせることによって、様々な運転条件に対応することが可能であることがわかる。
【００５２】
《実施例３》
本実施例では、実施の形態３のように、分割されたガス流路領域に合わせて、触媒層およびガス拡散層も分割したＭＥＡを用いた電池を作製した。その他の構成は実施例１と同様である。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、同様にガス供給領域を限定して、５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と全く同一の結果が得られた。実施例１の電池では、ガスを供給していないガス流路にガス拡散層を経由して反応ガスが分配され、それに含まれている水分が凝縮してガス流路の閉塞が発生していた。しかし、本実施例のＭＥＡを使用した電池では、ガス拡散層が分離されているため、そのようなガス拡散層内の伏流が起こらず、耐久試験を行った後も、ガス供給を行っていないガス流路の閉塞は確認できず、負荷変更時においてもスムーズな変更が可能であった。したがって、ガス閉塞を解消するためにガス供給領域を交互に切り替えて運転を行う必要がなく、電池を載せたシステムでの運転アルゴリズムの簡素化に有効である。
【００５３】
《実施例４》
本実施例では、セパレータ板のアノード側のみにおいて実施の形態１に示すような２つの独立したガス流路を有する電池を作製した。セパレータ板のカソード側は、図２６に示すように、分割されないガス流路を有するものとした。そして、低負荷運転時に、凝縮水や生成水によってガス流路の閉塞が起こすのを防止するに十分なガス流速を保持できるように、カソード側のガス流路の溝幅を１ｍｍに変更し、比較例で用いたカソード側セパレータ板と比較すると、定格運転時のガス流速が２倍となるよう設計した。その他の構成は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。カソード側セパレータ板のガス流路は分割していないため、カソードに供給するガスパイプは１本で構成した。
【００５４】
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転した。燃料ガスに関しては、実施例１と同様にガス供給領域を限定して定格時の１／２の流量のガスを供給し、空気は全領域のガス流路に供給したが、ガス供給量は定格運転時の１／２に絞って供給した。こうして定格の５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。しかしながら、その後定格負荷の運転状態に戻したところ、電池特性は実施例１と同等の性能が得られたが、空気の流速が２倍となるようセパレータ板を設計したため、実施例１と比較するとカソード側の圧力損失が２倍以上に大きくなった。
次に、同様にカソード側のガス流路のみを分割し、アノード側のガス流路を分割しない電池について、低負荷運転特性を調べた。その結果、特性、耐久性共に同様の結果が得られたが、今度は逆にアノード側の定格負荷運転時の圧力損失が大きくなった。
【００５５】
《実施例５》
実施の形態４のセパレータ板を用いて電池を構成した。燃料ガスの出口側マニホールド孔は１つであるため、出口の燃料ガスパイプは１本で構成した。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して定格時の１／２の流量でガスを供給し、５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。次に、同様に酸化剤ガスの出口側マニホールド孔を共通としたセパレータ板を用いて同様に電池を構成した。その結果についても、同様の結果が得られた。
【００５６】
《実施例６》
実施の形態５のセパレータ板を用いて電池を構成した。燃料ガスの入り口側マニホールド孔は１つであるため、入り口側の燃料ガスパイプは１本で構成した。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して定格時の１／２の流量でガスを供給し、５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。同様に酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔を共通としたセパレータ板を用いた電池についても同様の結果が得られた。
【００５７】
《実施例７》
実施の形態６のセパレータ板を用いて電池を構成した。その他の構成は実施例１と同じである。
本実施例の燃料電池を７０℃に保持し、アノード側に６５℃の露点となるよう加湿・加温した燃料ガス（８０％水素ガス／２０％二酸化炭素／１０ｐｐｍ一酸化炭素）を、カソード側に６５℃の露点となるように加湿・加温した空気をそれぞれ供給した。電池の定格運転条件は、燃料利用率８０％、酸素利用率５０％、電流密度０．３Ａ／ｃｍ2とした。この電池を定格の５０％の低負荷となる電流密度０．１５Ａ／ｃｍ2で耐久試験を行った。ただし、利用率は定格条件と同等とした。
【００５８】
本実施例の電池では、分割されたガス流路の片方のみに所定の流量でガスを供給し、燃料ガス及び酸化剤ガス共に分割された同じ側にガスを供給し、耐久試験を実施した。その結果、この電池は、１万時間後に初期の９８％と高い電圧を示し、耐久性に優れていることが確認された。電池の作動温度に対して、少し低い露点のガスを供給する運転条件の場合、アノード側とカソード側のガス流路が直交している方が、面内の均質加湿の観点から有効である。
次に、同様にして、燃料利用率７５％、酸素利用率４０％、電流密度０．０７５Ａ／ｃｍ2において耐久試験を行った。このときの負荷は定格に対して約２５％である。定格運転条件のガス利用率をやや高めに設定したため、定格の２５％の負荷の場合にも、それほどガス利用率を低下させることなく安定運転が可能であった。その結果、電池は、１万時間後に初期の９７％と高い電圧を示した。
【００５９】
《実施例８》
本実施例では、実施の形態７に示すセパレータ板を用いた電池を作製した。ガス流速が実施例１のセパレータ板と同一となるよう、ガス流路の溝幅を０．５ｍｍ、深さを０．５ｍｍとした。その他の構成は実施例１と同じとした。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して定格時の１／２の流量でガスを供給し、５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様の結果が得られた。
【００６０】
《実施例９》
本実施例では、実施の形態８のセパレータ板を用いて電池を作製した。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して、３分割したガス流路の二分割分にだけガスを供給し、定格時の２／３の流量でガスを供給し、定格の６６％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様に優れた耐久性を示した。
次に、この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して、３分割したガス流路の一分割分にだけガスを供給し、定格時の１／３の流量でガスを供給し、定格の３３％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、電池の耐久性は、実施例１同様優れた結果が得られた。
【００６１】
図２９は上述の燃料電池の運転方法を示している。この方法では、工程Ｓ２９０１において燃料電池の出力電力を確認する。その後、工程Ｓ２９０３において、反応ガスを供給するために、複数の独立したガス流路群の１つの組を選択する。前述したように、ガス流路群の組は、すべてのガス流路の大きさ（容積など）の合計に対するその組の独立した各ガス流路の大きさの合計の比が、燃料電池の最大出力電力に対する確認された出力電力の比にほぼ等しくなるように選択することができる。ガス流路の組を選択すると、工程Ｓ２９０５において選択した流路にガスを供給し、確認した量の出力電力を発電する。実際には、この方法は、燃料電池スタック内の単セルのカソードおよびアノードの双方または一方のみに適用することができる。更に、このガスは、ガスが供給されるその電極に応じて、燃料ガスまたは酸化剤ガスであってもよい。
【００６２】
《実施例１０》
本実施例では、実施の形態９のセパレータ板を用いて電池を作製した。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して、４分割したガス流路の３分割分にだけガスを供給し、定格時の３／４の流量でガスを供給し、定格の７５％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、電池の耐久性は、実施例１と同様優れた結果が得られた。
次に、この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して、４分割したガス流路の２分割分にだけガスを供給し、定格時の１／２の流量でガスを供給し、定格の５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様優れた耐久性を示した。
次に、この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して、４分割したガス流路の１分割分にだけガスを供給し、定格時の１／４の流量でガスを供給し、定格の２５％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、上と同様に優れた耐久性を示した。
【００６３】
《実施例１１》
本実施例では、実施の形態１０のセパレータ板を用いて電池を作製した。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して定格時の１／２の流量でガスを供給し、定格の５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様に優れた耐久性を示した。
【００６４】
《実施例１２》
本実施例では、実施の形態１１のセパレータ板を用いて電池を作製した。
この電池を実施例１と同じ運転条件で運転し、アノード側及びカソード側共に同様にガス供給領域を限定して定格時の１／２の流量でガスを供給し、定格の５０％の低負荷運転による耐久試験を行った。その結果、実施例１と同様に優れた耐久性を示した。
本実施例の電池においては、低負荷運転時に、ガス拡散層の内部をガスが伏流することによって、ガス供給がなされていない領域にもガスが微量ではあるが供給され、発電が若干行われることが確認された。そこで、３０００時間経過後から、独立したガス流路の片方のみに所定の流量でガスを供給し続け、さらに１０００時間の発電試験を行った。その間、電池性能は変わらず維持していた。その後、負荷を定格条件（０．３Ａ／ｃｍ2）に戻し、分割されたガス流路の両方にガスを供給した。
このとき、実施例１では電池性能は一旦低下し、徐々に回復して、初期の定格発電性能を発揮するまでに約１日間を要した。つまり、長期間一方のガス流路にガスを供給しない状態を続けたため、ガスを流していないガス流路が結露水によって閉塞してしまっており、再度ガスを供給しても、完全に元の状態に復帰するのに約１日を費やした。
しかしながら、本実施例では、独立したガス流路が近接しているため、実施例１の場合よりもガス拡散層内部の伏流ガス量が多く、従ってガス供給を行っていない領域にもガスが供給され、ガスを流していないガス流路が結露水によって充満しても、伏流したガスによって結露水が除去される結果となった。
【００６５】
《実施例１３》
実施例１で使用した電池を実施例１と同じ運転条件で定格の５０％の低負荷運転を行った。本実施例では、ガス供給の切り替えを供給側の電磁弁の開閉のみで制御した。つまり、排出側は両方共に開状態である。この制御方法によっても、ガス供給の切り替えが良好に行えることが確認された。そして、実施例１と同様に優れた耐久性を示した。
また、ガス供給側は開状態にし、ガス排出側の電磁弁によってガスの切り替えを制御する方法によってもガス切り替えが良好に行えることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の燃料電池は、家庭内コージェネレーションシステム等として有用である。また、ポータブル電源、電気自動車用電源等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図２】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の燃料電池のアノード側導電性セパレータ板の背面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の燃料電池の燃料ガスの流れを立体的に表す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図６】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図７】本発明の実施の形態３の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図８】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図９】本発明の実施の形態４の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【００６８】
【図１０】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図１２】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図１３】本発明の実施の形態６の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図１４】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図１５】本発明の実施の形態７の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図１６】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図１７】本発明の実施の形態８の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図１８】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【００６９】
【図１９】本発明の実施の形態９の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図２０】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図２１】本発明の実施の形態１０の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図２２】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図２３】本発明の実施の形態１１の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図２４】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図２５】比較例の燃料電池の導電性セパレータ板のアノード側の正面図である。
【図２６】同セパレータ板のカソード側の正面図である。
【図２７】実施例１および比較例の燃料電池の平均セル電圧の経時変化を示す図である。
【図２８】本発明による燃料電池の運転方法を示すフローチャートである。
【図２９】本発明による燃料電池の他の運転方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１０  セパレータ板
１１ａ、１１ｂ  燃料ガスの入り口側マニホールド孔
１２ａ、１２ｂ  酸化剤ガスの入り口側マニホールド孔
１３ａ、１３ｂ  燃料ガスの出口側マニホールド孔
１４ａ、１４ｂ  酸化剤ガスの出口側マニホールド孔
１５ａ、１５ｂ  燃料ガスの流路
１６ａ、１６ｂ  酸化剤ガスの流路
１７  冷却水の入り口側マニホールド孔
１８  冷却水の出口側マニホールド孔
１Ｅ  ＭＥＡの電極の接する領域
【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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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