(57)【要約】【課題】電極面全体の発電分布の偏りを可及的に低減して、イオン交換膜の耐久性を向上させるとともに、安定した高出力を得ることを可能にする。【解決手段】第１および第２単位セル１２、１４は、それぞれの電極面が互いに平行になるように並列されており、燃料電池１０内の第１および第２酸化剤ガス流路４０、４２が設けられる。第１および第２酸化剤ガス流路４０、４２には、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４が連通するとともに、各電極面の間に酸化剤ガス中間連通孔３８が設けられる。第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４は、出口連通孔と入口連通孔とに切り換えられる一方、酸化剤ガス中間連通孔３８は、閉塞位置、出口連通孔および入口連通孔に切り換えられる。【選択図】図２
2004207152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有する単位セルを備え、複数の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させた燃料電池であって、
各電極面に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流すために、各単位セルにわたって直列的に連通する反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に対して前記反応ガスの供給および排出を行う複数の反応ガス連通孔と、
各電極面の間に設けられ、前記反応ガス流路の途上に連通する中間連通孔と、各反応ガス連通孔および前記中間連通孔を、前記反応ガス流路から前記反応ガスを排出するための出口連通孔と、前記反応ガス流路に新たな反応ガスを供給するための入口連通孔とに選択的に切り換えるとともに、前記中間連通孔を閉塞可能な切り換え機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記切り換え機構は、前記反応ガス流路を流れる前記反応ガスの流れ方向を連続的に変更可能に構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有する単位セルを備え、複数の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させるとともに、各電極面に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを流すために、各単位セルにわたって直列的に連通する反応ガス流路を設けた燃料電池の運転方法であって、
各電極面の間に位置して前記反応ガス流路の途上に設けられた中間連通孔を閉塞した状態で、前記反応ガスを前記反応ガス流路に流すことにより、前記反応ガスを並列された各単位セルに沿って直列的に供給する工程と、
前記中間連通孔を出口連通孔に切り換えて、前記反応ガス流路から前記中間連通孔に前記反応ガスを排出する工程と、
前記中間連通孔を入口連通孔に切り換えて、前記中間連通孔から前記反応ガス流路に新たな反応ガスを供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項４】
請求項３記載の運転方法において、前記各工程を切り換える際に前記反応ガス流路を流れる前記反応ガスの流れ方向を連続的に変更することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される電解質・電極構造体を有する単位セルを備え、複数の前記単位セルをそれぞれの電極面が互いに平行となるように並列させた燃料電池およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００５】
ところで、電解質膜は、所望のイオン導電率を維持するとともに、乾燥による構造的な損傷を減少させるために、適度に保湿されていることが必要である。しかしながら、燃料電池に供給される反応ガスは低加湿状態であるため、反応ガス流路の入口側では電解質膜が乾燥し易いという問題がある。
【０００６】
一方、上記の発電（反応）時には生成水が生じており、この生成水は反応ガス流路の出口側に滞留し易くなる。このため、反応ガス流路の出口側では電解質膜が過剰に加湿される、所謂、フラッディングが惹起され、電極面に対して反応ガスの供給量が不十分になるおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１には、燃料電池におけるイオン交換膜への水分配方法および装置が開示されている。この特許文献１では、酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの流れ方向を周期的に反転させることによって、ガス入口付近の電解質膜の乾き過ぎと、ガス出口付近のフラッディングとを解消し、水分布を均一化することを目的としている。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第５，９３５，７２６号公報（図２ａ、図２ｂ）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、酸化剤ガスの流れ方向を変更するためにスイッチング機構（電磁切り換え弁等）を用いるため、酸化剤ガス流路内で酸化剤ガスの流れが停止する状態が存在してしまう。これにより、酸化剤ガスの供給量が不安定となり、燃料電池の出力を安定して維持することができないという問題が指摘されている。
【００１０】
しかも、電極面（発電面）では、特に酸化剤ガス流路の入口側で発電され易い。従って、上記のようにスイッチングを行っても、電極面の中間部領域と酸化剤ガス出入口領域とにおいて、発電状態が異なってしまう。このため、電極面内の発電分布に偏りが発生し、電極面全体の発電性能が低下するという問題がある。
さらに、発電分布の偏りによって、酸化剤ガス出入口領域の高分子イオン交換膜に耐久劣化が惹起するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電極面全体の発電分布の偏りを可及的に低減し、イオン交換膜の耐久性を向上させるとともに、出力の安定化を図って高出力を得ることが可能な燃料電池およびその運転方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池および請求項３に係る燃料電池の運転方法では、複数の単位セルがそれぞれの電極面を平行にして並列されており、燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを反応ガス流路に流すと、前記反応ガスは並列された各単位セルの各電極面に沿って直列的に供給される。
【００１３】
その際、各電極面の間に位置して反応ガス流路の途上に連通する中間連通孔が設けられており、前記中間連通孔は、切り換え機構を介して閉塞位置と出口連通孔と入口連通孔とに選択的に切り換え可能である。
【００１４】
このため、中間連通孔が閉塞位置に切り換えられると、反応ガスは、反応ガス流路を介して並列された各単位セルの各電極面に沿って直列的に流れる。さらに、中間連通孔が出口連通孔に切り換えられると、反応ガス流路から前記中間連通孔に反応ガスが排出される。一方、中間連通孔が入口連通孔に切り換えられると、前記中間連通孔から反応ガス流路に新たな反応ガスが供給される。
【００１５】
従って、中間連通孔は、閉塞位置、出口連通孔および入口連通孔に切り換えられることにより、反応ガス流路を流れる反応ガスの流れ方向が種々変更され、電極面内に発電し易い部分や生成水が発生し易い部分が集中することを阻止することができる。このため、電極面内での電流密度分布、生成水分布、湿度分布および温度分布等を均一化することが可能になり、発電特性が向上するとともに、発電分布および電解質・電極構造体の面内負荷分布が均一化し、前記電解質・電極構造体の耐久性が有効に向上する。しかも、水分が電極面内を移動するため、この水分を加湿水として有効に利用することができ、低加湿運転が可能になって前記水分の排出処理（所謂、パージ）が削減される。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池および請求項４に係る燃料電池の運転方法では、反応ガス流路を流れる反応ガスの流れ方向が連続的に変更される。これにより、電極面内での反応ガスの流れの分配性が向上するとともに、前記反応ガスの流れが停止することがなく、電極面内全体を一層均一な状態に維持することができ、性能の向上を図ることが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の平面説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の概略構成を示す断面説明図である。
【００１８】
燃料電池１０は、複数の単位セル、例えば、第１単位セル１２と第２単位セル１４とを、それぞれの電極面が互いに平行となるように並列して構成される。図２に示すように、第１および第２単位セル１２、１４は、第１および第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６、１８と、前記第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８を一体的に挟持する長方形状の第１および第２セパレータ２０、２２とを備える。
【００１９】
第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４ａ、２４ｂと、前記固体高分子電解質膜２４ａ、２４ｂを挟んで配設されるカソード側電極２６ａ、２６ｂおよびアノード側電極２８ａ、２８ｂとを有する。固体高分子電解質膜２４ａは相対的に低温型電解質膜である一方、固体高分子電解質膜２４ｂは高温型電解質膜であり、前記固体高分子電解質膜２４ａは、前記固体高分子電解質膜２４ｂよりも低温で該固体高分子電解質膜２４ｂと同等の発電性能を発揮する。
【００２０】
カソード側電極２６ａ、２６ｂおよびアノード側電極２８ａ、２８ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合しており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなるガス拡散層が配設されている。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池１０の長辺方向（矢印Ａ方向）一端部、すなわち、第１単位セル１２側の端部には、積層方向（図２中、矢印Ｂ方向）に貫通して反応ガスである酸化剤ガスを供給および排出するための第１酸化剤ガス連通孔（反応ガス連通孔）３０と、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂとが形成される。燃料電池１０の長辺方向他端部、すなわち、第２単位セル１４側の端部には、積層方向に貫通して酸化剤ガスを供給および排出するための第２酸化剤ガス連通孔（反応ガス連通孔）３４と、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａとが形成される。
【００２２】
燃料電池１０の長辺方向中央部、すなわち、第１および第２単位セル１２、１４の間には、燃料ガスを新たに供給可能な燃料ガス中間連通孔３６と、酸化剤ガス中間連通孔３８とが設けられる。酸化剤ガス中間連通孔３８は、後述するように、酸化剤ガスを新たに供給する酸化剤ガス入口連通孔と、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔と、該酸化剤ガスの供給および排出を行わない閉塞位置とに選択的に切り換えられる。燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｃ方向）両端部には、冷却媒体を供給する２つの冷却媒体供給連通孔３９ａと、前記冷却媒体を排出する２つの冷却媒体排出連通孔３９ｂとが、それぞれ対角位置に設けられる。
【００２３】
図２に示すように、第１セパレータ２０のカソード側電極２６ａ、２６ｂに対向する面には、第１酸化剤ガス連通孔３０と酸化剤ガス中間連通孔３８とに連通可能な第１酸化剤ガス流路４０と、前記酸化剤ガス中間連通孔３８と第２酸化剤ガス連通孔３４とに連通可能な第２酸化剤ガス流路４２とが設けられる。この第１および第２酸化剤ガス流路４０、４２により反応ガス流路が構成される。
【００２４】
第２セパレータ２２のアノード側電極２８ａ、２８ｂに対向する面には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、燃料ガス中間連通孔３６および燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する反応ガス流路である燃料ガス流路４４が設けられる。この第２セパレータ２２の反対の面には、冷却媒体供給連通孔３９ａと冷却媒体排出連通孔３９ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。
【００２５】
第１酸化剤ガス連通孔３０、第２酸化剤ガス連通孔３４および酸化剤ガス中間連通孔３８は、切り換え機構５０を介して酸化剤ガス供給部を構成するスーパーチャージャ（コンプレッサ）５２と排出管路５４とに選択的に接続される。切り換え機構５０は、矢印Ｄ方向に移動可能な切り換え弁機構を構成しており、８つの停止位置には、第１〜第８接続部５６ａ〜５６ｈが設定される。
【００２６】
第１接続部５６ａは、第１酸化剤ガス連通孔３０をスーパーチャージャ５２に接続するとともに、第２酸化剤ガス連通孔３４を排出管路５４に接続し、さらに、酸化剤ガス中間連通孔３８を閉塞する（図２参照）。第２接続部５６ｂは、図３に示すように、第１酸化剤ガス連通孔３０をスーパーチャージャ５２に接続する一方、第２酸化剤ガス連通孔３４および酸化剤ガス中間連通孔３８を排出管路５４に接続する。
【００２７】
図４に示すように、第３接続部５６ｃは、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４をスーパーチャージャ５２に接続するとともに、酸化剤ガス中間連通孔３８を排出管路５４に接続する。図５に示すように、第４接続部５６ｄは、第２酸化剤ガス連通孔３４をスーパーチャージャ５２に接続する一方、第１酸化剤ガス連通孔３０および酸化剤ガス中間連通孔３８を排出管路５４に接続する。図６に示すように、第５接続部５６ｅは、第１酸化剤ガス連通孔３０を排出管路５４に接続し、第２酸化剤ガス連通孔３４をスーパーチャージャ５２に接続し、さらに酸化剤ガス中間連通孔３８を閉塞する。
【００２８】
図７に示すように、第６接続部５６ｆは、第１酸化剤ガス連通孔３０を排出管路５４に接続する一方、第２酸化剤ガス連通孔３４および酸化剤ガス中間連通孔３８をスーパーチャージャ５２に接続する。図８に示すように、第７接続部５６ｇは、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４を排出管路５４に接続し、酸化剤ガス中間連通孔３８をスーパーチャージャ５２に接続する。図９に示すように、第８接続部５６ｈは、第１酸化剤ガス連通孔３０および酸化剤ガス中間連通孔３８をスーパーチャージャ５２に接続し、第２酸化剤ガス連通孔３４を排出管路５４に接続する。
【００２９】
このように構成される燃料電池１０の動作について、第１の実施形態に係る燃料電池の運転方法との関連で以下に説明する。
【００３０】
図２に示すように、まず、切り換え機構５０の第１接続部５６ａが燃料電池１０に接続される。この燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３２ａに供給され、この燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ２２の燃料ガス流路４４に導入される（図２参照）。
【００３１】
このため、燃料ガスは、燃料ガス流路４４に沿って移動しながら第２単位セル１４のアノード側電極２８ｂに供給された後、燃料ガス中間連通孔３６から第１単位セル１２に送られる。この第１単位セル１２では、燃料ガス流路４４に沿って燃料ガスが移動することにより、前記燃料ガスがアノード側電極２８ａに供給され、残余の燃料ガスが燃料ガス排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３２】
冷却媒体は、各冷却媒体供給連通孔３９ａから第２セパレータ２２の冷却媒体流路４６に供給され、第１および第２単位セル１２、１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３９ｂから排出される。なお、以下に示す切り換え機構５０の切り換え動作が行われる際、燃料ガスおよび冷却媒体は、上記と同様に供給されるものであり、以下、酸化剤ガスのみの説明を行う。
【００３３】
図２に示すように、第１接続部５６ａにおいて、酸化剤ガスは、スーパーチャージャ５２を介して第１酸化剤ガス連通孔３０に供給される。この酸化剤ガスは、第１セパレータ２０の第１酸化剤ガス流路４０に供給され、第１単位セル１２のカソード側電極２６ａに沿って酸化剤ガス中間連通孔３８に移動する。この酸化剤ガス中間連通孔３８は、第１接続部５６ａによって閉塞されており、酸化剤ガスは前記酸化剤ガス中間連通孔３８を通過して第２酸化剤ガス流路４２に送られる。第２酸化剤ガス流路４２では、酸化剤ガスが第２単位セル１４のカソード側電極２６ｂに沿って移動し、第２酸化剤ガス連通孔３４から排出管路５４に排出される。
【００３４】
従って、第１および第２単位セル１２、１４では、カソード側電極２６ａ、２６ｂに供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８ａ、２８ｂに供給される燃料ガスとが電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３５】
上記のように、燃料電池１０による発電が行われると、酸化剤ガスの入口側である第１酸化剤ガス連通孔３０から第１酸化剤ガス流路４０に連なる部分で発電が良好に行われる一方、酸化剤ガスの出口側である第２酸化剤ガス流路４２の第２酸化剤ガス連通孔３４近傍に反応生成水による結露水Ｗが発生し易い。
【００３６】
そこで、所定時間経過後に、切り換え機構５０が操作されて第２接続部５６ｂが燃料電池１０に接続される（図３参照）。
【００３７】
第２接続部５６ｂでは、第１酸化剤ガス連通孔３０にスーパーチャージャ５２を介して酸化剤ガスが供給される一方、第２酸化剤ガス連通孔３４および酸化剤ガス中間連通孔３８が排出管路５４に接続される。このため、第１酸化剤ガス流路４０から酸化剤ガス中間連通孔３８に導入される酸化剤ガスの一部が、この酸化剤ガス中間連通孔３８を介して排出管路５４に排出される。
【００３８】
次いで、切り換え機構５０の操作によって、第３接続部５６ｃが燃料電池１０に接続される（図４参照）。これにより、第２酸化剤ガス連通孔３４が酸化剤ガス出口連通孔から酸化剤ガス入口連通孔に切り換えられ、スーパーチャージャ５２から第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４に酸化剤ガスが供給される。
従って、第２酸化剤ガス流路４２では、酸化剤ガスの流れ方向が逆転し、第２酸化剤ガス連通孔３４の近傍に滞留し易い結露水Ｗは、前記酸化剤ガスの流れによって酸化剤ガス中間連通孔３８側に移動するとともに、一部がこの酸化剤ガス中間連通孔３８から排出される。
【００３９】
さらに、所定時間経過した後、切り換え機構５０が操作されて第４接続部５６ｄが燃料電池１０に接続される（図５参照）。このため、スーパーチャージャ５２から第２酸化剤ガス連通孔３４に供給される酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路４２に導入された後、第１酸化剤ガス流路４０に供給される。その際、酸化剤ガス中間連通孔３８および第１酸化剤ガス連通孔３０が排出管路５４に接続されており、前記酸化剤ガス中間連通孔３８および第１酸化剤ガス連通孔３０から酸化剤ガスが排出される。従って、酸化剤ガス中間連通孔３８近傍に存在し易い結露水Ｗは、酸化剤ガスの流れに沿って第１酸化剤ガス流路４０側に移動する。
【００４０】
そして、切り換え機構５０が操作され、第５接続部５６ｅが燃料電池１０に接続される（図６参照）。これにより、酸化剤ガス中間連通孔３８が閉塞され、スーパーチャージャ５２から供給される酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス連通孔３４から第２酸化剤ガス流路４２に供給され、さらに第１酸化剤ガス流路４０を通って第１酸化剤ガス連通孔３０から排出される。
【００４１】
次に、切り換え機構５０を介して第６接続部５６ｆが燃料電池１０に接続され、第２酸化剤ガス連通孔３４および酸化剤ガス中間連通孔３８が酸化剤ガス入口連通孔に設定される（図７参照）。従って、第２酸化剤ガス連通孔３４から第２酸化剤ガス流路４２に酸化剤ガスが供給される一方、酸化剤ガス中間連通孔３８から第１酸化剤ガス流路４０に新たな酸化剤ガスが供給され、使用後の酸化剤ガスが第１酸化剤ガス連通孔３０から排出される。
【００４２】
ここで、酸化剤ガスは、第２酸化剤ガス流路４２から第１酸化剤ガス流路４０に向かって流れるため、この第１酸化剤ガス流路４０と第１酸化剤ガス連通孔３０との境界部位近傍に結露水Ｗが移動し易い。
【００４３】
次いで、切り換え機構５０を介して第７接続部５６ｇが燃料電池１０に接続される（図８参照）。このため、酸化剤ガス中間連通孔３８が酸化剤ガス入口連通孔となる一方、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４が酸化剤ガス出口連通孔となり、前記第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４近傍に結露水Ｗが発生し易い。
【００４４】
所定の時間が経過した後、切り換え機構５０の作用下に第８接続部５６ｈが燃料電池１０に接続される（図９参照）。この状態では、第１酸化剤ガス連通孔３０および酸化剤ガス中間連通孔３８が酸化剤ガス入口連通孔となり、酸化剤ガスは第２酸化剤ガス連通孔３４に向かって流れる。そして、切り換え機構５０が操作され、上記のように、第１接続部５６ａ〜第８接続部５６ｈが、順次、前記燃料電池１０に接続される。
【００４５】
この場合、第１の実施形態では、切り換え機構５０が操作されて、第１〜第８接続部５６ａ〜５６ｈが燃料電池１０に、順次、接続される。これにより、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４は、酸化剤ガス入口連通孔および酸化剤ガス出口連通孔に切り換えられる一方、酸化剤ガス中間連通孔３８は、閉塞位置、酸化剤ガス出口連通孔および酸化剤ガス入口連通孔に切り換えられる。
【００４６】
このため、第１および第２単位セル１２、１４では、カソード側電極２６ａ、２６ｂの面方向に沿って酸化剤ガスの流れ方向が連続的に切り換えられ、第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８の各発電面内における電流密度分布、生成水分布、湿度分布および温度分布等が均一化され、発電性能が有効に向上する。
【００４７】
しかも、第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８の面内負荷分布および発電分布が均一化し、前記第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８の耐久性が有効に向上するという効果が得られる。さらに、酸化剤ガスの流れ方向が変更する際に、この酸化剤ガスの流れが停止することがない。従って、燃料電池１０における安定した出力を確実に得ることが可能になる。
【００４８】
さらにまた、第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８の面内で水分（結露水Ｗ）が種々の方向に移動する。このため、この水分を加湿水として有効に利用することができ、低加湿運転が容易に遂行可能になるとともに、燃料ガスと共に前記水分を排出する、所謂、パージの頻度が良好に減少するという利点がある。
【００４９】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の概略構成を示す断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
この燃料電池８０は、切り換え機構８２を備えており、前記切り換え機構８２は、第１〜第４接続部８４ａ〜８４ｄを設けている。第１接続部８４ａは、第１酸化剤ガス連通孔３０をスーパーチャージャ５２に接続し、第２酸化剤ガス連通孔３４を排出管路５４に接続し、さらに酸化剤ガス中間連通孔３８を閉塞する。
【００５１】
第２接続部８４ｂは、図１１に示すように、第１酸化剤ガス連通孔３０を排出管路５４に連通する一方、第２酸化剤ガス連通孔３４をスーパーチャージャ５２に連通し、酸化剤ガス中間連通孔３８を閉塞する。
【００５２】
第３接続部８４ｃは、図１２に示すように、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４をスーパーチャージャ５２に連通するとともに、酸化剤ガス中間連通孔３８を排出管路５４に接続する。第４接続部８４ｄは、図１３に示すように、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４を排出管路５４に接続する一方、酸化剤ガス中間連通孔３８をスーパーチャージャ５２に接続する。
【００５３】
このように構成される第２の実施形態では、まず、切り換え機構８２の第１接続部８４ａが燃料電池８０に接続される（図１０参照）。このため、酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス流路４０から第２酸化剤ガス流路４２に向かって供給される。そして、所定時間経過後に、切り換え機構８２の操作によって第２接続部８４ｂが燃料電池８０に接続される（図１１参照）。従って、酸化剤ガスは、流れ方向が逆転されて第２酸化剤ガス流路４２から第１酸化剤ガス流路４０に向かって供給される。
【００５４】
次に、切り換え機構８２の第３接続部８４ｃが燃料電池８０に接続される（図１２参照）。このため、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４が酸化剤ガス入口連通孔になる一方、酸化剤ガス中間連通孔３８が酸化剤ガス出口連通孔となって、酸化剤ガスの流れ方向が変更される。
【００５５】
さらに、切り換え機構８２の第４接続部８４ｄが燃料電池８０に接続される（図１３参照）。従って、酸化剤ガス中間連通孔３８が酸化剤ガス入口連通孔となる一方、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４が酸化剤ガス出口連通孔となる。
【００５６】
このように、第２の実施形態では、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０、３４が、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とに選択的に切り換えられるとともに、酸化剤ガス中間連通孔３８が、閉塞位置、酸化剤ガス出口連通孔および酸化剤ガス入口連通孔に切り換えられる。これにより、第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８の電極面内に発電し易い部分や生成水が発生し易い部分が集中することを阻止できる。従って、発電特性が向上するとともに、第１および第２電解質膜・電極構造体１６、１８の耐久性を維持し得る等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
なお、第１および第２の実施形態では、酸化剤ガスの流れ方向を変更する場合について説明したが、燃料ガスの流れ方向を変更することもできる。また、２つの単位セルである第１および第２単位セル１２、１４を並列した燃料電池１０、８０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、３つ以上の単位セルを並列してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池およびその運転方法では、中間連通孔が、閉塞位置、出口連通孔および入口連通孔に切り換えられることにより、反応ガス流路を流れる反応ガスの流れ方向が種々変更され、電極面内に発電し易い部分や生成水が発生し易い部分が集中することを阻止することができる。このため、電極面内での電流密度分布、生成水分布、湿度分布および温度分布等を均一化することが可能になり、発電特性が向上するとともに、発電分布および電解質・電極構造体の面内負荷分布が均一化し、前記電解質・電極構造体の耐久性が有効に向上する。しかも、水分が電極面内を移動するため、この水分を加湿水として有効に利用することができ、低加湿運転が可能になって前記水分の排出処理（所謂、パージ）の頻度が削減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の平面説明図である。
【図２】前記燃料電池の概略構成を示す断面説明図である。
【図３】第２接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図４】第３接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図５】第４接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図６】第５接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図７】第６接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図８】第７接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図９】第８接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す断面説明図である。
【図１１】第２接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図１２】第３接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【図１３】第４接続部に切り換えられた際の前記燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池                １２、１４…単位セル
１６、１８…電解質膜・電極構造体    ２０、２２…セパレータ
２４ａ、２４ｂ…固体高分子電解質膜  ２６ａ、２６ｂ…カソード側電極
２８ａ、２８ｂ…アノード側電極      ３０、３４…酸化剤ガス連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔          ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３９ａ…冷却媒体供給連通孔          ３９ｂ…冷却媒体排出連通孔
４０、４２…酸化剤ガス流路          ４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路                  ５０、８２…切り換え機構
５２…スーパーチャージャ            ５４…排出管路
５６ａ〜５６ｈ、８４ａ〜８４ｄ…接続部
【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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