(57)【要約】【課題】流体流路における流体の流れ方向を連続的に変更させることができ、前記流体の流れが停まることによる出力低下等を確実に阻止することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体２４と、一対の第１および第２セパレータ２６、２８とを備える。燃料電池１０には、積層方向に貫通して、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄ、第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄおよび第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄが形成される。第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄは、酸化剤ガス供給口または酸化剤ガス排出口として連続的に切り替えられることにより、酸化剤ガスの流れ方向が連続的に変更される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを積層する燃料電池であって、
少なくとも反応ガスまたは冷却媒体の一方の流体を積層方向に流すための複数の連通孔と、
前記連通孔に連通して前記流体を前記電極の面方向に沿って流動させる流体流路と、
前記連通孔を、少なくとも流体供給口または流体排出口として連続的に切り替えることにより、前記流体流路における前記流体の流れ方向を連続的に変更可能な連通孔切り替え機構と、
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、前記連通孔は、１または複数の流体供給口と１または複数の流体排出口とに選択的に切り替えられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、前記連通孔は、電極面の内方に設けられる１以上の内側連通孔を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流体流路は、前記セパレータに設けられたエンボス構造により形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、前記エンボス構造は、ガイド用リブを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流体流路は、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備え、
前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスとは、略対向流に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池において、前記流体流路は、冷却媒体流路を備え、
前記冷却媒体流路に供給される冷却媒体と、前記酸化剤ガスとは、略平行流に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体および前記セパレータの積層方向は、鉛直方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを積層する燃料電池の運転方法であって、
積層方向に設けられた連通孔に、少なくとも反応ガスまたは冷却媒体の一方の流体を流すことにより、前記連通孔に連通する流体流路を介して前記流体を前記電極の面方向に沿って流動させる工程と、
前記連通孔を、少なくとも流体供給口または流体排出口として連続的に切り替えることにより、前記流体流路における前記流体の流れ方向を連続的に変更させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池の運転方法において、前記連通孔は、１または複数の流体供給口と１または複数の流体排出口とに選択的に切り替えられることにより、前記流体流路の流れ方向が連続的に変更されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
請求項９または１０記載の燃料電池の運転方法において、前記連通孔を他の連通孔に切り替える際、前記連通孔に前記流体を流しながら、前記他の連通孔に該流体の一部を流した後、該他の連通孔にのみ前記流体を流すことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記連通孔の切り替え間隔は、低出力時に比べて高出力時の方が短く設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、それぞれ同時に使用される前記流体供給口および前記流体排出口の数は、低出力時に比べて高出力時の方が多数に設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記連通孔は、電極面の内方に設けられる内側連通孔を備え、この内側連通孔を前記流体供給口または前記流体排出口として使用することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の負荷状況に応じて、前記連通孔に対する前記流体の供給および排出の切り替え間隔を変更することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料電池の負荷状況に応じて、同時に使用される前記流体供給口および前記流体排出口の数を変更することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の燃料電池の運転方法において、前記流体流路である燃料ガス流路に供給される燃料ガスと、前記流体流路である酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスとは、略対向流に設定されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の燃料電池の運転方法において、前記流体流路である冷却媒体流路に供給される冷却媒体と、前記酸化剤ガスとは、略平行流に設定され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、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極接合体と、前記電解質・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを積層する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・電極接合体）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。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【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が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】
上記の燃料電池には、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（流体流路）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（流体流路）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。ところが、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、米国特許第５，９３５，７２６号公報（以下、従来技術１という）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。この従来技術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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術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（電磁切り替え弁等）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。
【０００９】
また、特開２００２−１４１０８６号公報（以下、従来技術２という）には、酸化ガスの流れ方向が燃料電池の運転状態に応じて切り替え可能とされており、ドライ条件ではこの酸化ガスの流れ方向が反重力方向に、ウエット条件では前記酸化ガスの流れ方向が重力方向に切り替えられる燃料電池が開示されている。これにより、酸化ガスの流れで反応生成水を処理し、ドライアップおよびフラッディングの発生を抑制する、としている。
【００１０】
しかしながら、この従来技術２では、モータの駆動作用下に燃料電池スタック全体の姿勢を反転させる構造を採用しており、構成が相当に複雑化かつ大型化するという問題が指摘されている。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、流体を電極の面方向に沿って流す流体流路の流れ方向を連続的に変化させることにより、電極面内を均一な状態に維持し、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および９に係る燃料電池およびその運転方法では、電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に設けられた連通孔に、少なくとも反応ガスまたは冷却媒体の一方の流体が流されると、前記連通孔に連通する流体流路を介して前記流体が電極の面方向に沿って流動する。そして、連通孔を、少なくとも流体供給口または流体排出口として連続的に切り替えることにより、流体流路における流体の流れ方向が連続的に変更される。
【００１３】
このため、流体の流れ方向が変更される際に、この流体の流れが停止することがなく、安定した出力を得ることができる。しかも、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・電極接合体の面内負荷分布が均一化し、前記電解質・電極接合体の耐久性が有効に向上する。
【００１４】
また、本発明の請求項２および１０に係る燃料電池およびその運転方法では、連通孔が、１または複数の流体供給口と１または複数の流体排出口とに選択的に切り替えられることにより、流体流路の流れ方向が連続的に変更される。これにより、電極面の内方での反応ガスや冷却媒体の流れの分配性が向上する。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３および１４に係る燃料電池およびその運転方法では、連通孔が電極面の内方に設けられる内側連通孔を備えており、この内側連通孔が流体供給口または流体排出口として使用される。このため、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。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、流体流路が、セパレータに設けられたエンボス構造により形成されている。従って、流体流路の流れ方向を円滑かつ確実に変更することができる。
【００１７】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、エンボス構造がガイド用リブを備えており、流体流路の流れ方向が変更された際に、電極面内の流体の流れを一層均一に分配することが可能になる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項６および１７に係る燃料電池およびその運転方法では、流体流路である燃料ガス流路に供給される燃料ガスと、前記流体流路である酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスとが、略対向流に設定されている。これにより、電解質・電極接合体を挟んで燃料ガス流路と酸化剤ガス流路との間で水の移動が最適化され、低加湿運転または無加湿運転を遂行することができる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項７および１８に係る燃料電池およびその運転方法では、流体流路である冷却媒体流路に供給される冷却媒体と、酸化剤ガスとが、略平行流に設定されている。このため、酸化剤ガス流路の下流側では、高加湿となるものの高温度化がなされて相対湿度が低下し、結露を有効に阻止することが可能になる。
【００２０】
また、本発明の請求項８に係る燃料電池では、電解質・電極接合体およびセパレータの積層方向が、鉛直方向に設定されている。従って、積層方向が水平方向に設定される構造のように結露水が下流側に滞留することがなく、前記結露水が円滑に移動して排水性を有効に向上させることができる。
【００２１】
さらに、本発明の請求項１１に係る燃料電池の運転方法では、連通孔を他の連通孔に切り替える際、前記連通孔に流体を流しながら、前記他の連通孔に該流体の一部を流した後、該他の連通孔にのみ前記流体を流している。これにより、連通孔を切り替える際に、流体の流れが停止することがなく、前記流体を連続して確実に流すことができ、出力の安定化が容易に図られる。
【００２２】
さらにまた、本発明の請求項１２に係る燃料電池の運転方法では、連通孔の切り替え間隔が、低出力時に比べて高出力時の方が短く設定されることにより、電極面内を一層均一化することが可能になる。
【００２３】
また、本発明の請求項１３に係る燃料電池の運転方法では、それぞれ同時に使用される流体供給口および流体排出口の数は、低出力時に比べて高出力時の方が多数に設定される。このため、連通孔内部での圧損を低減することができ、流体の分配性が良好に向上する。
【００２４】
さらに、本発明の請求項１５および１６に係る燃料電池の運転方法では、燃料電池の負荷状況に応じて、連通孔に対する流体の供給および排出の切り替え間隔を変更したり、同時に使用される流体供給口および流体排出口の数を変更することにより、電極面内で流れの分配性を好適に維持して出力変化に備えることが可能になる。
【００２５】
【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を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。
【００２６】
複数の燃料電池１０が鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されて燃料電池スタック１４が構成されている。この燃料電池スタック１４には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスを供給および排出するカソード側制御部１６と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給および排出するアノード側制御部１８と、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給および排出する冷却側制御部２０とが装着される。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池１０は、略正方形状の電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する略正方形状の金属製第１および第２セパレータ２６、２８とを備える。なお、電解質膜・電極構造体２４と第１および第２セパレータ２６、２８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、図示しないシールが介装されている。
【００２８】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸素含有ガスを流すための第１酸化剤ガス連通孔３０ａ、冷却媒体を流すための第１冷却媒体連通孔３２ａ、および水素含有ガスを流すための第１燃料ガス連通孔３４ａが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。
【００２９】
燃料電池１０の矢印Ｃ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第２燃料ガス連通孔３４ｂ、第２冷却媒体連通孔３２ｂおよび第２酸化剤ガス連通孔３０ｂが、矢印Ｂ方向に順次設けられる。
【００３０】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃ、第３冷却媒体連通孔３２ｃおよび第３燃料ガス連通孔３４ｃが、矢印Ｃ方向に順次設けられる。燃料電池１０の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄ、第４冷却媒体連通孔３２ｄおよび第４燃料ガス連通孔３４ｄが、矢印Ｂ方向に順次設けられる。
【００３１】
図２および図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４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てなる固体高分子電解質膜（電解質）３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３２】
第１セパレータ２６のカソード側電極４０に対向する面２６ａには、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂ、３０ｃおよび３０ｄに連通可能な酸化剤ガス流路（流体流路）４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、複数のエンボス（エンボス構造）４４により形成される。
【００３３】
図２および図４に示すように、第２セパレータ２８のアノード側電極３８に対向する面２８ａには、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂ、３４ｃおよび３４ｄに連通可能な燃料ガス流路（流体流路）４６が設けられる。この燃料ガス流路４６は、複数のエンボス（エンボス構造）４８により形成される。
【００３４】
図２に示すように、第２セパレータ２８の面２８ａとは反対の面２８ｂには、冷却媒体流路（流体流路）５０が設けられる。冷却媒体流路５０は、複数のエンボス（エンボス構造）５２により形成されるとともに、前記エンボス５２はエンボス４８よりも小径に設定される。
【００３５】
図５に示すように、カソード側制御部１６は、酸化剤ガスとして、例えば、空気を供給するためのコンプレッサ６０を備え、このコンプレッサ６０が供給管６２を介して第１スイッチング機構６４に連結される。この第１スイッチング機構６４は、例えば、ロータリ式であり、燃料電池スタック１４の供給側に装着されるとともに、第１アクチュエータ６６を介して切り替えられる。
【００３６】
第１アクチュエータ６６には、機械式、電気式、電磁石式、空気圧式または油圧式等を用いることができ、この第１アクチュエータ６６を介して第１スイッチング機構６４が切り替え制御されることにより、供給管６２が第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄに選択的に連通する。
【００３７】
具体的には、第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみに連通する位置と、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂに同時に連通する位置と、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂのみに連通する位置と、第２および第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃに同時に連通する位置と、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみに連通する位置と、第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄに同時に連通する位置と、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄのみに連通する位置とに切り替えられる。
【００３８】
なお、第１スイッチング機構６４をロータリ式に代替して、例えば、電磁切り替え弁（図示せず）を用い、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを上記のように供給管６２に選択的に連通させるように構成してもよい。
【００３９】
燃料電池スタック１４の排出側には、第２スイッチング機構６８が第２アクチュエータ７０を介して切り替え可能に装着される。第２スイッチング機構６８は、上記の第１スイッチング機構６４と同様に、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを排出管７２に選択的に連通可能である。
【００４０】
第１および第２アクチュエータ６６、７０は、コンピュータ７４を介してコントローラ７６により駆動制御されるとともに、このコンピュータ７４には、燃料電池スタック１４に装着されたセンサ７８からの検出信号が入力される。このセンサ７８としては、例えば、酸化剤ガスである空気の入口側または出口側の湿度検出センサまたは温度検出センサの他、電極面内の生成水量検出センサや、電流密度検出センサ等が用いられる。また、センサ７８に代替して、タイマにより定期的な間隔で切り替え制御を行うこともできる。
【００４１】
第１および第２スイッチング機構６４、６８の駆動により第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄを、酸化剤ガス供給口（流体供給口）および／または酸化剤ガス排出口（流体排出口）として切り替える操作が行われる。具体的には、図６に示すように、８つの連通位置Ｐ１〜Ｐ８に、順次、切り替え操作される。このダイヤグラムが、図７に示されている。
【００４２】
第１連通位置Ｐ１では、第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみを酸化剤ガス供給口とする一方、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみを酸化剤ガス排出口とする。第２連通位置Ｐ２では、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂを一体的に酸化剤ガス供給口とするとともに、第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４３】
第３連通位置Ｐ３では、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂのみを酸化剤ガス供給口とし、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄのみを酸化剤ガス排出口とする。第４連通位置Ｐ４では、第２および第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃを一体的に酸化剤ガス供給口とし、第４および第１酸化剤ガス連通孔３０ｄ、３０ａを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４４】
第５連通位置Ｐ５では、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみを酸化剤ガス供給口とし、第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみを酸化剤ガス排出口とする。第６連通位置Ｐ６では、第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄを一体的に酸化剤ガス供給口とし、第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４５】
第７連通位置Ｐ７では、第４酸化剤ガス連通孔３０ｄのみを酸化剤ガス供給口とし、第２酸化剤ガス連通孔３０ｂのみを酸化剤ガス排出口とする。第８連通位置Ｐ８では、第４および第１酸化剤ガス連通孔３０ｄ、３０ａを一体的に酸化剤ガス供給口とし、第２および第３酸化剤ガス連通孔３０ｂ、３０ｃを一体的に酸化剤ガス排出口とする。
【００４６】
図１に示すように、アノード側制御部１８は、上記のカソード側制御部１６と同様に構成されており、図示しない燃料ガスタンクに連結されて燃料電池スタック１４の供給側に装着される第１スイッチング機構８０と、前記燃料電池スタック１４の排出側に連結される第２スイッチング機構８２とを備えている。第１および第２スイッチング機構８０、８２を介して、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄは、図８に示すように、第１連通位置Ｐ１１〜第８連通位置Ｐ１８に、順次、切り替え制御される。
【００４７】
第１連通位置Ｐ１１では、第４燃料ガス連通孔３４ｄのみが燃料ガス供給口（流体供給口）に設定される一方、第２燃料ガス連通孔３４ｂのみが燃料ガス排出口（流体排出口）に設定される。第２連通位置Ｐ１２では、第４および第１燃料ガス連通孔３４ｄ、３４ａが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第２および第３燃料ガス連通孔３４ｂ、３４ｃが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００４８】
第３連通位置Ｐ１３では、第１燃料ガス連通孔３４ａのみが燃料ガス供給口に設定される一方、第３燃料ガス連通孔３４ｃのみが燃料ガス排出口に設定される。第４連通位置Ｐ１４では、第１および第２燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第３および第４燃料ガス連通孔３４ｃ、３４ｄが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００４９】
第５連通位置Ｐ１５では、第２燃料ガス連通孔３４ｂのみが燃料ガス供給口に設定される一方、第３燃料ガス連通孔３４ｄのみが燃料ガス排出口に設定される。第６連通位置Ｐ１６では、第２および第３燃料ガス連通孔３４ｂ、３４ｃが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第４および第１燃料ガス連通孔３４ｄ、３４ａが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００５０】
第７連通位置Ｐ１７では、第３燃料ガス連通孔３４ｃのみが燃料ガス供給口に設定される一方、第１燃料ガス連通孔３４ａのみが燃料ガス排出口に設定される。第８連通位置Ｐ１８では、第３および第４燃料ガス連通孔３４ｃ、３４ｄが一体的に燃料ガス供給口に設定されるとともに、第１および第２燃料ガス連通孔３４ａ、３４ｂが一体的に燃料ガス排出口に設定される。
【００５１】
図１に示すように、冷却側制御部２０は、上記のカソード側制御部１６およびアノード側制御部１８と同様に構成されており、図示しない冷却媒体タンクに連結されて燃料電池スタック１４の供給側に装着される第１スイッチング機構８４と、前記燃料電池スタック１４の排出側に連結される第２スイッチング機構８６とを備える。第１および第２スイッチング機構８４、８６を介して、第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄは、図９に示すように、第１連通位置Ｐ２１〜第８連通位置Ｐ２８に、順次、切り替え制御される。
【００５２】
第１連通位置Ｐ２１では、第１冷却媒体連通孔３２ａのみが冷却媒体供給口（流体供給口）に設定される一方、第３冷却媒体連通孔３２ｃのみが冷却媒体排出口（流体排出口）に設定される。第２連通位置Ｐ２２では、第１および第２冷却媒体連通孔３２ａ、３２ｂが一体的に冷却媒体供給口に設定されるとともに、第３および第４冷却媒体連通孔３２ｃ、３２ｄが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５３】
第３連通位置Ｐ２３では、第２冷却媒体連通孔３２ｂのみが冷却媒体供給口に設定される一方、第４冷却媒体連通孔３２ｄのみが冷却媒体排出口に設定される。第４連通位置Ｐ２４では、第２および第３冷却媒体連通孔３２ｂ、３２ｃが一体的に冷却媒体供給口に設定されるとともに、第４および第１冷却媒体連通孔３２ｄ、３２ａが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５４】
第５連通位置Ｐ２５では、第３冷却媒体連通孔３２ｃのみが冷却媒体供給口に設定されるとともに、第１冷却媒体連通孔３２ａのみが冷却媒体排出口に設定される。第６連通位置Ｐ２６では、第３および第４冷却媒体連通孔３２ｃ、３２ｄが一体的に冷却媒体供給口に設定される一方、第１および第２冷却媒体連通孔３２ａ、３２ｂが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５５】
第７連通位置Ｐ２７では、第４冷却媒体連通孔３２ｄのみが冷却媒体供給口に設定されるとともに、第２冷却媒体連通孔３２ｂのみが冷却媒体排出口に設定される。第８連通位置Ｐ２８では、第４および第１冷却媒体連通孔３２ｄ、３２ａが一体的に冷却媒体供給口に設定される一方、第２および第３冷却媒体連通孔３２ｂ、３２ｃが一体的に冷却媒体排出口に設定される。
【００５６】
このように構成される燃料電池システム１２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。
【００５７】
図２に示すように、まず、燃料電池１０では、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが第１連通位置Ｐ１に設定され、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄが第１連通位置Ｐ１１に設定され、さらに第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが第１連通位置Ｐ２１に設定されている。
【００５８】
ここで、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。矢印Ａ方向に連通している第１酸化剤ガス連通孔３０ａに供給された酸化剤ガスは、第１セパレータ２６の酸化剤ガス流路４２に導入される。この酸化剤ガス流路４２では、酸化剤ガスがエンボス４４を介して第３酸化剤ガス連通孔３０ｃに向かって矢印Ｄ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。
【００５９】
一方、燃料ガスは、図２および図４に示すように、矢印Ａ方向に連通している第４燃料ガス連通孔３４ｄから第２セパレータ２８の燃料ガス流路４６に導入される。燃料ガス流路４６では、燃料ガスがエンボス４８を介して第２燃料ガス連通孔３４ｂに向かって矢印Ｅ方向に移動する。このため、燃料ガスは、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００６０】
従って、電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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（図３参照）。
【００６１】
次いで、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃに排出される（図２および図６参照）。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、第２燃料ガス連通孔３４ｂに排出される（図２および図８参照）。
【００６２】
また、第１冷却媒体連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２８の冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体は、エンボス５２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、第３冷却媒体連通孔３２ｃに排出される（図２および図９参照）。
【００６３】
この場合、第１の実施形態では、カソード側制御部１６、アノード側制御部１８および冷却側制御部２０が同期して駆動制御され、第１スイッチング機構６４、８０および８４と、第２スイッチング機構６８、８２および８６とを介して、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄ、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄおよび第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが切り替えられる。
【００６４】
具体的には、カソード側制御部１６では、図７に示すダイヤグラムに沿って第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが、第１連通位置Ｐ１から第８連通位置Ｐ８に、順次、連続的に切り替わっている（図６参照）。一方、アノード側制御部１８および冷却側制御部２０においても同様に、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄおよび第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが、第１連通位置Ｐ１１、Ｐ２１から第８連通位置Ｐ１８、Ｐ２８に、順次、連続的に切り替わっている（図８および図９参照）。
【００６５】
この際、例えば、酸化剤ガス流路４２では、図６および図７に示すように、第１連通位置Ｐ１で第１酸化剤ガス連通孔３０ａのみが酸化剤ガス供給口となるとともに、第３酸化剤ガス連通孔３０ｃのみが酸化剤ガス排出口となっている。そして、酸化剤ガス流路４２の流れ方向を変更する際には、第２連通位置Ｐ２を介して第３連通位置Ｐ３に移行している。
【００６６】
このため、酸化剤ガス供給口は、第１酸化剤ガス連通孔３０ａから第２酸化剤ガス連通孔３０ｂに直接切り替えられるのではなく、一旦、第２連通位置Ｐ２において前記第１および第２酸化剤ガス連通孔３０ａ、３０ｂが同時に前記酸化剤ガス供給口として設定されている。
【００６７】
同様に、第１連通位置Ｐ１で酸化剤ガス排出口に設定されていた第３酸化剤ガス連通孔３０ｃから第４酸化剤ガス連通孔３０ｄに切り替える際には、一旦、前記第３および第４酸化剤ガス連通孔３０ｃ、３０ｄが同時に（オーバーラップして）前記酸化剤ガス排出口に設定されている（第２連通位置Ｐ２参照）。
【００６８】
これにより、酸化剤ガス流路４２で酸化剤ガスの流れ方向を変更する際に、この酸化剤ガスの流れが停止する状態が惹起されることがなく、前記酸化剤ガスを、常時、電極面に供給することができる。一方、燃料ガス流路４６においても同様に、燃料ガスの流れ方向を変更する際に、この燃料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という効果がある。
【００６９】
さらに、電解質膜・電極構造体２４では、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向が連続的に変更するため、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、発電性能が有効に向上する。しかも、電解質膜・電極構造体２４の面内負荷分布および発電分布が均一化し、前記電解質膜・電極構造体２４の耐久性が向上するという利点が得られる。
【００７０】
さらにまた、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０は、それぞれ複数のエンボス４４、４８および５２により形成されている。従って、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０における流れ方向の変更が、円滑かつ確実に遂行可能になる。
【００７１】
また、第１の実施形態では、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが第１連通位置Ｐ１から第８連通位置Ｐ８に、順次、切り替えられるのに同期して、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄおよび第１〜第４冷却媒体連通孔３２ａ〜３２ｄが、第１連通位置Ｐ１１、Ｐ２１から第８連通位置Ｐ１８、Ｐ２８に、順次、切り替え制御されている。
【００７２】
その際、酸化剤ガス流路４２に供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路４６に供給される燃料ガスとは、常に、略対向流に設定されている。例えば、図２に示す第１連通位置Ｐ１、Ｐ１１、図１０に示す第２連通位置Ｐ２、Ｐ１２、図１１に示す第３連通位置Ｐ３、Ｐ１３および図１２に示す第４連通位置Ｐ４、Ｐ１４では、それぞれ酸化剤ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とが、略対向流に設定されている。
【００７３】
これにより、生成水の発生により高湿度となり易い酸化剤ガス流路４２の下流側は、比較的低加湿の燃料ガスが導入される燃料ガス流路４６の上流側に対向している。このため、電解質膜・電極構造体２４を挟んで酸化剤ガス流路４２の下流側から燃料ガス流路４６の上流側に水分が移動し、前記酸化剤ガス流路４２においての結露水の除去と、前記燃料ガス流路４６側においての低加湿運転または無加湿運転とを容易に遂行することが可能になる。
【００７４】
一方、冷却媒体流路５０では、酸化剤ガス流路４２が第１連通位置Ｐ１から第８連通位置Ｐ８に、順次、移行する際に、この酸化剤ガス流路４２に供給される酸化剤ガスと、前記冷却媒体流路５０に供給される冷却媒体とが、略平行流に設定されている（図６および図９参照）。この関係は、例えば、第１連通位置Ｐ１、Ｐ２１から第４連通位置Ｐ４、Ｐ２４では、図２、図１０、図１１および図１２に明確に示されている。
【００７５】
ここで、酸化剤ガス流路４２の下流側は、電解質膜・電極構造体２４の冷却を行って高温となった冷却媒体を介して昇温されている。従って、酸化剤ガス流路４２の下流側は、生成水によって高湿度となるものの、冷却媒体の昇温作用下に相対湿度が低下し、結露を有効に阻止することが可能になる。
【００７６】
さらに、第１の実施形態では、燃料電池１０が、図１に示すように、鉛直方向に積層されて燃料電池スタック１４を構成している。このため、燃料電池１０の積層方向が、例えば、略水平方向に設定される構造のように、結露水が立位姿勢の前記燃料電池１０の下流側に滞留することがなく、結露水が円滑に移動して排水性を有効に向上させることができるという効果が得られる。
【００７７】
さらにまた、反応による生成水を有効に利用することができ、燃料ガスや酸化剤ガスのストイキを減少させることも可能である。その上、加湿器や複雑な水回収装置を不要にすることもでき、コストが大幅に削減されるため経済的であるという利点もある。
【００７８】
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視図である。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。また、以下に説明する第３〜第６の実施形態においても、同様に省略する。
【００７９】
燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体２４を挟持する略正方形状の金属製第１および第２セパレータ１０２、１０４を備えている。第１セパレータ１０２は、酸化剤ガス流路（流体流路）１０６を設けており、この酸化剤ガス流路１０６は、複数のエンボス４４と、所定のエンボス４４同士を一体的に連結したガイド用リブ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃおよび１０８ｄとにより形成される。リブ１０８ａ〜１０８ｄは、電極面中心を中心にして等角度間隔ずつ離間し、かつ第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄに対応して略くの字状に屈曲形成されている。
【００８０】
第２セパレータ１０４には、アノード側電極３８に対向して燃料ガス流路（流体流路）１１０が設けられている。この燃料ガス流路１１０は、図１４に示すように、複数のエンボス４８と、所定のエンボス４８同士を一体的に連結したガイド用リブ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃおよび１１２ｄとにより形成される。リブ１１２ａ〜１１２ｄは、電極面中心を中心にし、かつ、第１〜第４燃料ガス連通孔３４ａ〜３４ｄに対応して略くの字状に屈曲形成される。
【００８１】
図１５に示すように、第１セパレータ１０２の酸化剤ガス流路１０６は、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０ｄが第１連通位置Ｐ１ａ、第２連通位置Ｐ２ａ、第３連通位置Ｐ３ａ、第４連通位置Ｐ４ａ、第５連通位置Ｐ５ａ、第６連通位置Ｐ６ａ、第７連通位置Ｐ７ａおよび第８連通位置Ｐ８ａに、順次、切り替えられることによって、酸化剤ガスの流れ方向が連続的に変更される。
【００８２】
このように構成される第２の実施形態では、図１５に示すように、第１〜第４酸化剤ガス連通孔３０ａ〜３０が第１連通位置Ｐ１ａから第８連通位置Ｐ８ａに、順次、切り替わる際、変更前後で一旦オーバーラップしている。このため、酸化剤ガスの流れが停止することなく、前記酸化剤ガスの流れ方向が連続的に変更される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８３】
しかも、酸化剤ガス流路１０６がエンボス４４とリブ１０８ａ〜１０８ｄとにより形成されている。従って、リブ１０８ａ〜１０８ｄの案内作用下に、酸化剤ガスの流れを電極面全面にわたって略均一に分配させることができ、効率的かつ良好な発電性能を確実に維持することができるという利点がある。
【００８４】
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１２０の正面説明図であり、図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータ１３０の正面説明図である。
【００８５】
第１セパレータ１２０は、図１６に示すように、酸化剤ガス流路１２２を備えており、この酸化剤ガス流路１２２は、複数のエンボス４４と、所定のエンボス４４同士を直線状に連結したガイド用リブ１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃおよび１２４ｄとにより構成される。
【００８６】
第１セパレータ１３０は、図１７に示すように、酸化剤ガス流路１３２を備え、この酸化剤ガス流路１３２は、複数のエンボス４４と、所定のエンボス４４同士を円弧状に連結したガイド用リブ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、１３４ｄ、１３４ｅ、１３４ｆ、１３４ｇおよび１３４ｈとにより形成される。
【００８７】
このように構成される第３および第４の実施形態では、酸化剤ガス流路１２２、１３２を形成するリブ１２４ａ〜１２４ｄおよび１３４ａ〜１３４ｈを備えている。このため、酸化剤ガスの流れ方向が変更される際に、リブ１２４ａ〜１２４ｄおよび１３４ａ〜１３４ｈの案内作用下に、酸化剤ガスを電極面内に略均一に分配させることができ、発電性能を有効に維持することが可能になる等、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８８】
図１８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１４０の要部分解斜視図である。
【００８９】
この燃料電池１４０では、電極面の内方に内側酸化剤ガス連通孔１４２と内側燃料ガス連通孔１４４とが、積層方向である矢印Ａ方向に貫通して形成される。内側酸化剤ガス連通孔１４２は、酸化剤ガス供給口と酸化剤ガス排出口とに選択的に切り替え自在であり、内側燃料ガス連通孔１４４は、燃料ガス供給口と燃料ガス排出口とに選択的に切り替え可能である。
【００９０】
このような構成において、例えば、内側酸化剤ガス連通孔１４２を酸化剤ガス排出口として使用する際には、図１９に示すように、第１連通位置Ｐ１ｂから第８連通位置Ｐ８ｂに、順次、切り替え操作される。
【００９１】
一方、内側酸化剤ガス連通孔１４２を酸化剤ガス供給口として使用する場合、図２０に示すように、第１連通位置Ｐ１ｃから第８連通位置Ｐ８ｃに、順次、切り替え操作が行われる。
【００９２】
これにより、第５の実施形態では、電極面の略中央部に内側酸化剤ガス連通孔１４２が設けられ、この内側酸化剤ガス連通孔１４２を酸化剤ガス供給口または酸化剤ガス排出口として使用している。従って、電極面内の状態をより均一に維持することができ、発電性能を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００９３】
さらに、燃料電池１４０が低出力の際には、内側酸化剤ガス連通孔１４２および内側燃料ガス連通孔１４４を使用しない一方、高出力の際には、前記内側酸化剤ガス連通孔１４２および前記内側燃料ガス連通孔１４４を使用する。すなわち、出力の大小と反応ガス消費の大小との直接的な関係を利用し、燃料電池１４０が低出力時には反応ガスの出入りを抑える一方、高出力時には反応ガスの出入りを多くすることにより、所望の出力を確実に得ることが可能になる。
【００９４】
また、内側酸化剤ガス連通孔１４２および内側燃料ガス連通孔１４４をそれぞれ複数個設けておき、燃料電池１４０の負荷状況に応じて、使用される個数を切り替え制御することもできる。この場合も、上記の関係を用い、燃料電池１４０が低出力時には反応ガスの出入りを少なくする一方、高出力時には反応ガスの出入りを多くすることにより、所望の出力を確実に得ることができる。
【００９５】
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１６０の要部分解斜視図である。
【００９６】
燃料電池１６０は、略円盤状の電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１６２と、前記電解質膜・電極構造体１６２を挟持する略円盤状の金属製第１および第２セパレータ１６４、１６６とを備える。燃料電池１６０の外周縁部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０の外方に位置して第１酸化剤ガス連通孔１６８ａ、第２酸化剤ガス連通孔１６８ｂ、第３酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄおよび第５酸化剤ガス連通孔１６８ｅが所定角度間隔ずつ離間して矢印Ａ方向に貫通形成される。
【００９７】
第１および第２酸化剤ガス連通孔１６８ａ、１６８ｂ間には、第１燃料ガス連通孔１７０ａと第１冷却媒体連通孔１７２ａとが形成される。第２および第３酸化剤ガス連通孔１６８ｂ、１６８ｃ間には、第２燃料ガス連通孔１７０ｂと第２冷却媒体連通孔１７２ｂとが設けられ、第３および第４酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、１６８ｄ間には、第３燃料ガス連通孔１７０ｃと第３冷却媒体連通孔１７２ｃとが形成される。
【００９８】
第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄと第５酸化剤ガス連通孔１６８ｅとの間には、第４燃料ガス連通孔１７０ｄおよび第４冷却媒体連通孔１７２ｄが設けられる。第５および第１酸化剤ガス連通孔１６８ｅ、１６８ａ間には、第５燃料ガス連通孔１７０ｅおよび第５冷却媒体連通孔１７２ｅが形成される。
【００９９】
図２２に示すように、酸化剤ガス流路４２では、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、１つを酸化剤ガス供給口とし、２つを酸化剤ガス排出口として選択するとともに、第１連通位置Ｐ３１、第２連通位置Ｐ３２、第３連通位置Ｐ３３、第４連通位置Ｐ３４および第５連通位置Ｐ３５に、順次、切り替えられる。
【０１００】
図２３に示すように、燃料ガス流路４６では、同様に、第１〜第５燃料ガス連通孔１７０ａ〜１７０ｅの中、１つを燃料ガス供給口とし、２つを燃料ガス排出口として選択するとともに、第１連通位置Ｐ４１、第２連通位置Ｐ４２、第３連通位置Ｐ４３、第４連通位置Ｐ４４および第５連通位置Ｐ４５に、順次、切り替えられる。
【０１０１】
図２４に示すように、冷却媒体流路５０では、第１〜第５冷却媒体連通孔１７２ａ〜１７２ｅの中、１つを冷却媒体供給口とし、２つを冷却媒体排出口として選択するとともに、第１連通位置Ｐ５１、第２連通位置Ｐ５２、第３連通位置Ｐ５３、第４連通位置Ｐ５４および第５連通位置Ｐ５５に、順次、切り替えられる。
【０１０２】
このように構成される第６の実施形態では、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０が、第１連通位置Ｐ３１、Ｐ４１およびＰ５１から第５連通位置Ｐ３５、Ｐ４５およびＰ５５に同期して、順次、切り替えられており、１つの入口から酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体が導入されてそれぞれ２つの出口から排出されている。このため、酸化剤ガス流路４２、燃料ガス流路４６および冷却媒体流路５０における酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却媒体の流れを良好に分配することができる。
【０１０３】
さらに、例えば、酸化剤ガス流路４２において、第１酸化剤ガス連通孔１６８ａが酸化剤ガス供給口に設定される一方、第３および第４酸化剤ガス連通孔１６８ｃ、１６８ｄが酸化剤ガス排出口に設定されている（第１連通位置Ｐ３１参照）。そして、第１連通位置Ｐ３１から第２連通位置Ｐ３２に切り替えられる際には、一旦、第１および第２酸化剤ガス連通孔１６８ａ、１６８ｂが酸化剤ガス供給口を一体的に構成した後、前記第２酸化剤ガス連通孔１６８ｂのみに切り替えられる。一方、第４酸化剤ガス連通孔１６８ｄは、第１連通位置Ｐ３１と第２連通位置Ｐ３２とで酸化剤ガス排出口を連続して構成している。
【０１０４】
このため、第６の実施形態では、第１連通位置Ｐ３１から第２連通位置Ｐ３２に切り替えられる際に、酸化剤ガスの流れが停止されることがなく、安定した出力を得ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０５】
さらにまた、第６の実施形態では、酸化剤ガス流路４２および燃料ガス流路４６において、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流れ方向が互いに同期して変更されるとともに、酸化剤ガスと燃料ガスとが、常に略対向流に設定されている。しかも、酸化剤ガス流路４２を流れる酸化剤ガスと、冷却媒体流路５０を流れる冷却媒体とは、常に略平行流に設定されている。これにより、反応生成水を有効に利用するとともに、発電性能の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０６】
また、第６の実施形態では、燃料電池１６０の出力の大小や出力低下の状況や電極面内の水分布や電流密度分布等に応じて、入口および出口の個数を変化させることにより、電極面内を均一な状態に維持することができる。
【０１０７】
例えば、酸化剤ガス流路４２を用いて説明すると、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、酸化剤ガス供給口を１つに設定し、酸化剤ガス排出口を１つ、２つ、３つまたは４つに設定する場合、前記酸化剤ガス供給口を２つに設定し、前記酸化剤ガス排出口を１つ、２つまたは３つに設定する場合、前記酸化剤ガス供給口を３つに設定し、前記酸化剤ガス排出口を１つまたは２つに設定する場合、および、前記酸化剤ガス供給口を４つに設定し、前記酸化剤ガス排出口を１つに設定する場合がある。
【０１０８】
そこで、燃料電池１６０が低出力時の場合の切り替え操作について、図２５に示す一方、前記燃料電池１６０が高出力時の場合の切り替え操作について、図２６に示す。
【０１０９】
燃料電池１６０が低出力時の際には、酸化剤ガス流量が少なくてよいため、図２５に示すように、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、２つを酸化剤ガス供給口に設定し、１つを酸化剤ガス排出口に設定する。そして、第１連通位置Ｐ６１、第２連通位置Ｐ６２、第３連通位置Ｐ６３、第４連通位置Ｐ６４および第５連通位置Ｐ６５に、順次、切り替え操作が行われる。
【０１１０】
燃料電池１６０が高出力時の際には、酸化剤ガス流量が多く必要であるため、図２６に示すように、第１〜第５酸化剤ガス連通孔１６８ａ〜１６８ｅの中、３つを酸化剤ガス供給口に設定し、２つを酸化剤ガス排出口に設定するとともに、第１連通位置Ｐ７１、第２連通位置Ｐ７２、第３連通位置Ｐ７３、第４連通位置Ｐ７４および第５連通位置Ｐ７５に、順次、切り替えられる。なお、低出力時および高出力時において、燃料ガスは、常に酸化剤ガスと略対向流に設定される一方、冷却媒体は前記酸化剤ガスと略平行流に設定されている。
【０１１１】
このため、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口内部での圧損を低減することができ、酸化剤ガスの分配性が良好に向上する。
【０１１２】
また、酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口の切り替え間隔を、低出力時に比べて高出力時の方を短く設定してもよい。この場合、燃料電池１６０が高出力時には、反応ガスの消費が多いことから切り替え間隔を相対的に短くし、電極面内でのガス分布状態をより均一化しておくことにより、ガス供給を電極面全面で安定化させて一層安定的に出力を確保することができる。
【０１１３】
さらに、燃料電池１６０に対する負荷の状況に応じて、上述した反応ガスの供給および排出の切り替え間隔を変更したり、同時に使用されるガス供給口およびガス排出口の数を変更してもよい。すなわち、燃料電池１６０内の負荷の程度に対応してこれらを変更すれば、予め出力の変化に応じて好適な電極面内のガス分布状態を維持することができ、前記燃料電池１６０の出力変化の直後からより安定した出力を得ることが可能になる。
【０１１４】
なお、第１および第２セパレータ２６、２８等のセパレータは、金属で構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、カーボン部材で構成してもよい。
【０１１５】
【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、流体流路を介して電極の面方向に沿って流体が流動するとともに、この流体の流れ方向が連続的に変更される。このため、流体の流れ方向が変更される際に、この流体の流れが停止することがなく、安定した出力を確実に得ることができる。
【０１１６】
しかも、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・電極接合体の面内負荷分布が均一化し、前記電解質・電極接合体の耐久性が向上する。
【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を組み込む燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】前記燃料電池システムを構成するカソード側制御部の説明図である。
【図６】酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図７】酸化剤ガスの供給および排出のダイヤグラムである。
【図８】燃料ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図９】冷却媒体流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図１０】前記燃料電池の第２連通位置での分解斜視図である。
【図１１】前記燃料電池の第３連通位置での分解斜視図である。
【図１２】前記燃料電池の第４連通位置での分解斜視図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１４】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図１５】前記燃料電池における酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成する第１セパレータの正面説明図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図１９】前記燃料電池において、内側酸化剤ガス連通孔を酸化剤ガス排出口として使用する際の操作説明図である。
【図２０】前記燃料電池において、前記内側酸化剤ガス連通孔を酸化剤ガス供給口として使用する際の操作説明図である。
【図２１】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２２】前記燃料電池において、酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図２３】前記燃料電池において、燃料ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図２４】前記燃料電池において、冷却媒体流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図２５】前記燃料電池が低出力時において、前記酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【図２６】前記燃料電池が高出力時において、前記酸化剤ガス流路の流れ方向を変更する際の操作説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１４０、１６０…燃料電池
１２…燃料電池システム　　　　　　１４…燃料電池スタック
１６…カソード側制御部　　　　　　１８…アノード側制御部
２０…冷却側制御部
２４、１６２…電解質膜・電極構造体
２６、２８、１０２、１０４、１２０、１３０、１６４、１６６…セパレータ
３０ａ〜３０ｄ、１６８ａ〜１６８ｅ…酸化剤ガス連通孔
３２ａ〜３２ｄ、１７２ａ〜１７２ｅ…冷却媒体連通孔
３４ａ〜３４ｄ、１７０ａ〜１７０ｅ…燃料ガス連通孔
３６…固体高分子電解質膜　　　　　３８…アノード側電極
４０…カソード側電極
４２、１０６、１２２、１３２…酸化剤ガス流路
４４、４８、５２…エンボス　　　　４６、１１０…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路　　　　　　　　６０…コンプレッサ
６４、６８、８０、８２、８４、８６…スイッチング機構
１０８ａ〜１０８ｄ、１１２ａ〜１１２ｄ、１２４ａ〜１２４ｄ、１３４ａ〜１３４ｈ…リブ
１４２…内側酸化剤ガス連通孔　　　１４４…内側燃料ガス連通孔
【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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