(57)【要約】【課題】フラッディングの発生や高分子電解質膜の乾燥を解消し、低電流密度発電であっても高電流密度発電であっても安定な発電を可能とする。【解決手段】セパレータ５のガス供給マニフォールド８近傍にガス供給側セパレータ可動部１０を、ガス排出マニフォールド９近傍にガス排出側セパレータ可動部１１をセパレータ５の本体部分とは別部材としてそれぞれ配置する。そして、これらガス供給側セパレータ可動部１０及びガス排出側セパレータ可動部１１を平行流路部７と直交する方向にスライドすることにより、平行流路部７における反応ガスの入口部、あるいは出口部を選択的に塞ぎ、ガス流路の流路形状を平行流路形状と櫛形流路形状とで切り替える。低電流密度発電時やガスの湿度が低いとき等は平行流路形状を選択し、高電流密度時や反応ガスの湿度が高いとき等は櫛形流路形状を選択する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を有する複数の発電セルが、この発電セルに反応ガスを供給するためのガス流路が形成されたセパレータを介して積層されてなる固体高分子型燃料電池であって、
運転状態に応じて前記セパレータに形成されたガス流路の一部、またはガス流路全体の形状を変更する流路変更機構を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータには、前記ガス流路として、反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された複数の平行流路が形成されており、
前記流路変更機構は、前記平行流路における反応ガスの入口部のみ、あるいは出口部のみをそれぞれ選択的に開閉することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記流路変更機構による選択的な開閉動作により、前記セパレータのガス流路が、前記複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された平行流路形状と、入口部が閉塞された平行流路と出口部が閉塞された平行流路が互いに櫛歯状に配列された櫛形流路形状との何れかの流路形状とされることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記流路変更機構として、前記ガス流路が形成された前記セパレータの本体部分に対して相対移動可能な可動部材を有し、この可動部材の移動によって前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータには、前記ガス流路に反応ガスを供給するためのガス供給マニフォールド及び前記ガス流路から反応ガスを排出するためのガス排出マニフォールドが積層方向に沿って貫通形成されており、
前記流路変更機構として、前記ガス供給マニフォールドと前記ガス排出マニフォールドとの少なくとも何れか一方に移動可能に配設された可動部材を有し、この可動部材の移動によって前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記流路変更機構として、吸水により変形する変形部材を有し、この変形部材の変形により前記ガス流路の一部が閉塞されることによって前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
発電状態を検出する発電状態検出手段を有し、この発電状態検出手段により検出される発電状態に応じて前記流路変更機構が作動して、前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記ガス流路を通過するガスの湿度、あるいは前記ガス流路を通過する液体水分の量を検出する水分量検出手段を有し、この水分量検出手段により検出されるガス湿度、あるいは液体水分量に応じて前記流路変更機構が作動して、前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
発電停止時に反応ガスあるいはその他のガスを所定時間供給するパージ動作が行われると共に、当該パージ動作の際に、前記流路形状変更機構が作動して、前記ガス流路の流路形状が変更されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
発電停止時に反応ガスあるいはその他のガスを所定時間供給するパージ動作が行われると共に、当該パージ動作の際に、前記ガス流路の流路形状が前記櫛形流路形状とされることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
発電停止時に反応ガスあるいはその他のガスを所定時間供給するパージ動作が行われると共に、当該パージ動作開始時から第１の所定時間が経過するまでの間、前記ガス流路の流路形状が前記平行流路形状と前記櫛形流路形状との何れか一方の流路形状とされた状態で前記パージ動作が行われ、前記第１の所定時間が経過した時点で前記流路形状変更機構が作動して、前記ガス流路の流路形状が他方の流路形状に変更され、第２の所定時間が経過するまでの間、前記ガス流路の流路形状が他方の流路形状とされた状態で前記パージ動作が行われることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
発電開始前に前記発電セルの燃料極側に燃料ガスを所定時間供給する起動動作が行われると共に、当該起動動作の際に、前記ガス流路の流路形状が前記櫛形流路形状とされることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子型燃料電池に関するものであり、特に、運転状態に応じてセパレータのガス流路の形状を変更する流路変更機構を備えた新規な構造の固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。燃料電池は、排気がクリーンであること、高エネルギー効率であること等から、大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対処し得る技術として注目されている。
【０００３】
燃料電池の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【０００４】
燃料極：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（１）
酸化剤極：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
燃料電池では、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極で（１）式に示す反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンは、電解質を透過（拡散）して酸化剤極に至る。このとき酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。この（１）式、（２）式に示す電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。
【０００５】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、低コストで小型化、軽量化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、例えば車両用電源としての用途が期待されている。
【０００６】
ただし、この固体高分子型燃料電池においては、水素イオンが電解質である固体高分子膜を移動するために、固体高分子膜が含水した状態であることが必要である。そこで、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して燃料電池に供給する等、電解質として用いる固体高分子膜を積極的に加湿することが広く行われているが、加湿水や反応生成水の量が固体高分子膜の保水量を上回ると、これらが凝縮してガス流路へ水が溢れ出すフラッディングという現象が生ずる。フラッディングは、反応生成水量が多い高電流密度発電時に起こりやすい現象であり、フラッディングが発生すると、電極の発電面を水が覆って反応を抑制し、供給ガス流路を閉塞してガス通流を阻害するといった現象を招き、発電を安定して継続することが困難になる。
【０００７】
以上のようなフラッディングを解消するための技術としては、セパレータに形成されるガス流路の流路形状を櫛形形状とすることが提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
【０００８】
これら特許文献１や特許文献２に記載される技術では、セパレータに形成されるガス流路において、これまで一般的な流路形状とされていた平行流路形状、すなわち複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された形状に代えて、供給側ガス流路と排出側ガス流路が直接連通しないように流路の分離を行った櫛形の流路形状を採用し、供給ガスを強制的にガス拡散層を通流させることによって、生成水を排出しやすくしている。これにより、これまで一般的に採用されていた平行流路形状ではフラッディングが生じていたような生成水量の多い高電流密度発電時においても、フラッディングの発生を有効に抑制して、安定した発電を行うことが可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【特許文献２】米国特許第５６４１５８６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、セパレータに形成されるガス流路を櫛形形状とした燃料電池では、水分の排出が過度に促進されることによって、電解質として用いられる固体高分子膜の含水量低下を招く場合もある。固体高分子膜の含水量が低下した状態では、電解質の電気抵抗が大きくなって、出力電圧の低下、出力電力の低下を招くことになる。さらに含水量が低下して乾燥状態になると、固体高分子膜が電解質として機能しなくなる場合もある。特に、反応生成水量の少ない低電流密度発電時は、そのような状態に陥りやすくなる。
【００１０】
以上のように、セパレータに形成されるガス流路の流路形状として、複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された平行流路形状を採用した場合には、電流密度が低く生成水量の少ない発電状態でも固体高分子膜が乾燥し難い反面、生成水量の多い高電流密度ではフラッディングが発生しやすくなるという問題点がある。一方、セパレータに形成されるガス流路の流路形状として、反応ガスの供給側流路と排出側流路が直接連通しないように流路が分離された櫛形流路形状を採用した場合には、生成水量の多い高電流密度でも安定して発電できる半面、電流密度が低く生成水量の少ない発電状態では固体高分子膜が乾燥しやすくなるという問題点がある。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の有する問題点を解消することを目的に提案されたものである。すなわち、本発明は、発電状態等の運転状態に応じて最適な流路形状を選択することができ、どのような運転状態であってもフラッディングの発生や高分子電解質膜の乾燥を有効に抑制して、安定して発電することが可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を有する複数の発電セルが、この発電セルにガスを供給するためのガス流路が形成されたセパレータを介して積層されてなるものである。このような構成の固体高分子型燃料電池において、本発明では、前記目的を達成するために、運転状態に応じて前記セパレータのガス流路の一部、またはガス流路全体の形状を変更する流路変更機構を有することを特徴としている。
【００１３】
本発明の固体高分子型燃料電池では、流路変更機構を作動させることによりセパレータに形成されたガス流路の形状を変更することができ、例えば、複数の平行流路が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された平行流路形状としたり、反応ガスの供給側流路と排出側流路とを分離した櫛形流路形状とすることができる。したがって、低電流密度発電時には、ガス流路を平行流路形状とすることで、電流密度が低く生成水量の少ない発電状態でも高分子電解質膜の乾燥を抑制できると共に、高電流密度発電時には、ガス流路を櫛形流路形状とすることで、電流密度が高く生成水量の多い発電状態でもフラッディングの発生を抑制することができ、安定した発電が実現される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電状態等の運転状態に応じて流路変更機構を作動させることで、セパレータに形成されたガス流路の流路形状を運転状態に応じた最適な流路形状とすることができ、フラッディングの発生や高分子電解質膜の乾燥を有効に抑制することができる。したがって、低電流密度発電時や高電流密度発電時といったようなあらゆる運転状態に対応して、常に安定した発電を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した固体高分子型燃料電池について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、固体高分子型燃料電池の一単位である発電セルの構造を示す斜視図である。固体高分子型燃料電池は、この図１に示すような発電セルが多数積層されてなるものである。各発電セルは、固体高分子膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１を挟持するように電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３（アノードとカソード）と、これら電極２，３を覆うように配設されるガス拡散層４と、隣接セル間の隔壁をなすセパレータ５とにより構成される。
【００１７】
電解質膜１は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の固体高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１８】
この電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜１と接触するように形成されている。
【００１９】
これら電極２，３のうち、アノード（燃料極）では、水素ガスが供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜１を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード（酸化剤極）にそれぞれ移動する。カソード（酸化剤極）では、供給された空気中の酸素と電解質膜１を移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
【００２０】
ガス拡散層４は、ガス拡散効果によってアノードに水素ガス、カソードに空気をそれぞれ供給するものである。
【００２１】
セパレータ５は、セル間の隔壁をなすばかりでなく、集電体としての機能や反応ガス（水素ガスや空気）の流路としての機能も有し、例えばガス不透過である緻密性カーボン材で構成されている。そして、その片面または両面には、水素ガスや空気等の流路を確保するため、多数のリブが形成されている。水素ガスや空気は、セパレータ５にそれぞれ設けられたガス入口から供給され、前記リブによって形成されるガス流路を通ってガス出口から排出される。
【００２２】
図２は、前記セパレータ５の概略形状を示す斜視図である。セパレータ５には、複数のリブ６が所定の間隔で平行に配列形成されており、これらリブ６間の凹部が、ガス流路の平行流路部７として機能する。また、セパレータ５の両端部には、前記ガス流路の平行流路部７へのガスの給排を行うためのガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９が、セパレータ５の積層方向に貫通する貫通孔として形成されている。ガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９は、全ての平行流路部７と連通するように、各平行流路部７と直交する方向に細長い貫通孔として形成されている。
【００２３】
さらに、セパレータ５のガス供給マニフォールド８近傍には、ガス供給側セパレータ可動部１０が、ガス排出マニフォールド９近傍にはガス排出側セパレータ可動部１１が、セパレータ５の本体部分とは別部材としてそれぞれ配置されている。これらガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１は、前記リブ６や平行流路部７と同じ幅を持った突部１０ａ，１１ａを所定の間隔（ここでは、リブ６や平行流路部７に対して１つおきとなるような間隔）で有する。したがって、これらガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１を平行流路部７と直交する方向にセパレータ５面上をスライドさせることにより、前記平行流路部７における反応ガスの入口部、あるいは出口部を選択的に塞ぐことができる。
【００２４】
図３は、図２に示したセパレータ５の平面図であり、平行流路形状、すなわち複数の平行流路部７が反応ガスの入口部と出口部とにおいて互いに連通された形状のガス流路を形成している状態を示すものである。すなわち、ガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１は、前記突部１０ａ，１１ａがリブ６と一致する位置まで図３中下方にスライドされており、各平行流路部７は、ガス供給マニフォールド８からガス排出マニフォールド９まで直接連通され、平行流路形状のガス流路を構成している。
【００２５】
図３に示した平行流路形状のガス流路では、図４に示すように、反応ガスである水素ガスや空気は、ガス流路の各平行流路部７から、拡散効果により各電極２，３上に形成されたガス拡散層４へ流入し、さらに電解質膜１へ到達して発電反応に寄与する。このような平行流路形状のガス流路では、電解質膜１は乾燥し難いが、ガス拡散層４の空孔内に水滴が滞留しやすく、このような場合には、ガス拡散層４における反応ガスの拡散が阻害されてフラッディングが発生し、発電性能が著しく低下することも懸念される。
【００２６】
前記ガス供給側セパレータ可動部１０とガス排出側セパレータ可動部１１は、例えば図３に示す位置から上方へと移動操作されることにより、図５に示す状態へと変位することができる。図５では、ガス供給側セパレータ可動部１０とガス排出側セパレータ可動部１１とが図中上方へと移動操作されたことにより、ガス供給側セパレータ可動部１０及びガス排出側セパレータ可動部１１の突部１０ａ，１１ａが、平行流路部７における反応ガスの入口部、出口部を交互に遮る形となっている。これにより、ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７と、ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７とが直接連通しないように、流路が分離された櫛形流路形状のガス流路が形成される。
【００２７】
図５に示した櫛形流路形状のガス流路では、図６に示すように、反応ガスである水素ガスや空気は、移流効果によりガス供給側平行流路部７ａ（ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７）からガス拡散層４へ流入し、ガス拡散層４からガス排出側平行流路部７ｂ（ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７）へと排出される。ガス拡散層４から電解質膜１へは、拡散効果により水素ガスや空気が到達する。このような櫛形流路形状のガス流路では、ガス供給側平行流路部７ａからガス拡散層４を通過しガス排出側平行流路部７ｂへと流れる一連のガス流は移流効果により推進され、この流れはガス拡散層４内に滞留した水滴をガス流と共にガス排出側へ排出する効果を有する。
【００２８】
以上のように、平行流路形状のガス流路は、保水性が良いことから低電流密度発電時に効率が良いが、高電流密度時にはフラッディングを起こしやすい。一方、櫛形流路形状のガス流路は、排水性が良いため低電流密度時には膜の乾燥を招きやすいが、高電流密度時にもフラッディングを起こし難く効率が良い。そこで、本実施形態では、例えば固体高分子型燃料電池の発電状態といった各種運転状態に応じて、前記ガス供給側セパレータ可動部１０やガス排出側セパレータ可動部１１を移動させ、ガス流路を運転状態に応じた最適な流路形状とする。
【００２９】
例えば、固体高分子型燃料電池に、その発電状態、具体的にはその電流密度を検出する発電状態検出手段を設置し、この発電状態検出手段による検出結果に応じて、低電流密度発電時には図３に示す平行流路形状を選択し、高電流密度発電時には図５に示す櫛形流路形状を選択する。これにより、低電流密度発電時及び高電流密度発電時の双方において、効率の向上を図ることができる。
【００３０】
あるいは、固体高分子型燃料電池に、ガス流路を通過する反応ガスの湿度、あるいはガス流路を通過する液体水分の量を検出する水分量検出手段を設置しておき、ガス流路の流路形状を選択する基準として、前記水分量検出手段による検出結果を用いるようにしてもよい。例えば、ガス流路を通過する反応ガスの湿度が高いときや、ガス流路内に多量の液体水分が含まれているときには、排水性の良い櫛形流路形状を選択し、逆に、ガス流路を通過する反応ガスの湿度が低いときや、ガス流路内に液体水分がほとんど含まれないときには、保水性の高い平行流路形状を選択する。これにより、ガス湿潤状態に応じて両流路形状の長所が生かされるように、これらの流路形状が選択的に使用され、高効率発電が可能となる。
【００３１】
以上の構成を有する本実施形態の固体高分子型燃料電池では、ガス流路の流路形状を変更する機構を有することで、その発電状態、内部状態といった運転状態に応じて最適な流路形状を選択することが可能である。具体的には、流路形状として図３に示す平行流路形状と図５に示す櫛形流路形状の何れかを運転状態に応じて選択的に採用することが可能となり、それぞれの特性に応じた流路形状での効率的な発電が可能となる。
【００３２】
また、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、その発電状態を検出する発電状態検出手段を設け、ガス流路の流路形状を選択する基準としてその検出結果を用いることで、発電状態に応じた最適な流路形状を的確に選択することが可能である。例えば、低電流密度時は生成水分量が少なく水分排出量を低減することが望ましいので、図３に示したような平行流路形状を選択し、高電流密度発電時は多量の生成水分量に対しフラッディングを起こさないよう水分排出量を増加させることが望ましいので、図５に示したような櫛形流路形状を選択する。これにより、双方の流路形状の長所を選択的に利用することができ、幅広い電流密度域での高効率発電が可能である。
【００３３】
また、本実施形態の固体高分子型燃料電池では、ガス流路を通過する反応ガスの湿度、あるいはガス流路を通過する液体水分の量を検出する水分量検出手段を設け、ガス流路の流路形状を選択する基準としてその検出結果を用いることで、内部状態に応じた最適な流路形状を的確に選択することが可能である。例えば、流路内反応ガスの湿度が高いときや多量の液体水分が含まれているときには排水性の良い櫛形流路形状を選択し、逆に流路内反応ガスの湿度の低いときや液体水分がほとんど含まれない時には保水性の高い平行流路形状を選択する。これにより、双方の流路形状の長所を選択的に利用することができ、やはり幅広い電流密度域での高効率発電が可能である。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、基本構成を上述した第１の実施形態の固体高分子型燃料電池と同様とし、ガス流路の流路形状を変更する機構が、上述した第１の実施形態とは若干異なるものである。以下、本実施形態において特徴的な部分についてのみ説明し、上述した第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３５】
図７は、本実施形態の固体高分子型燃料電池の要部を分かり易く示したものであり、本実施形態の固体高分子型燃料電池の内部構造を模式的に示す斜視図である。
【００３６】
各発電セルの隔壁となるセパレータ５には、上述したように、その積層方向に沿ってガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９が貫通形成されているが、本実施形態では、各セパレータ５のガス供給マニフォールド８に、各セパレータ５間に亘って一体の供給側マニフォールド可動部材２１が挿入され、また、各セパレータ５のガス排出マニフォールド９に、各セパレータ５間に亘って一体の排出側マニフォールド可動部材２２が挿入されている。これら可動部材２１，２２には、各セパレータと対応した位置にそれぞれ貫通孔２３，２４が設けられており、反応ガスは供給側マニフォールド可動部材２１に設けられた貫通孔２３を通過して平行流路部７へと導入され、排出側マニフォールド可動部材２２に設けられた貫通孔２４を通過してガス排出マニフォールド９へと排出されるようになっている。
【００３７】
図８は、本実施形態の固体高分子型燃料電池における一枚のセパレータ５を取り出して見た平面図である。供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２は、貫通孔２３，２４間の仕切部２５，２６がリブ６と一致する位置までスライドされ、各平行流路部７は、ガス供給マニフォールド８からガス排出マニフォールド９まで直接連通され、平行流路形状のガス流路を構成している。
【００３８】
前記供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２は、例えば、供給側マニフォールド可動部材２１が図８中上方へ移動操作され、排出側マニフォールド可動部材２２が図８中下方へ移動操作されることにより、図９に示された状態へと変位することができる。図９では、前記供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２がそれぞれ移動操作されたことにより、貫通孔２３，２４間の仕切部２５，２６が、平行流路部７における反応ガスの入口部、出口部を交互に遮る形となっている。これにより、ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７と、ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７とが直接連通しないように、流路が分離された櫛形流路形状のガス流路が形成される。
【００３９】
本実施形態によれば、各セパレータ５のガス供給マニフォールド８に挿入された供給側マニフォールド可動部材２１、ガス排出マニフォールド９に挿入された排出側マニフォールド可動部材２２をそれぞれ移動操作することによって、先の第１の実施形態と同様に、ガス流路の流路形状の変更を実現することができる。したがって、本実施形態の固体高分子型燃料電池においても、その発電状態や内部状態といった運転状態に応じて、ガス流路の流路形状として最適な形状を選択することが可能であり、それぞれの特性に応じた流路形状での効率的な発電が可能である。
【００４０】
また、本実施形態では、各セパレータ５間に亘って一体に挿入された供給側マニフォールド可動部材２１及び排出側マニフォールド可動部材２２を移動操作することで、各セパレータ５のガス流路の流路形状を一度に変更することができるので、構造の簡素化及び操作の簡便化を実現することができる。
【００４１】
なお、供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２は、必ずしも単一の部材で実現する必要はなく、各発電セル毎、或いは二つ以上の発電セルの集合体毎に各々個別の供給側マニフォールド可動部材２１や排出側マニフォールド可動部材２２を配設し、これら個別に配設された各供給側マニフォールド可動部材２１や各排出側マニフォールド可動部材２２をそれぞれ移動操作することで、それに対応するセパレータ５のガス流路の流路形状を変更するようにしてもよい。
【００４２】
（第３の実施形態）
本実施形態は、基本構成を上述した第１，第２の実施形態の固体高分子型燃料電池と同様とし、ガス流路の流路形状を変更する機構が、上述した第１，第２の実施形態とは若干異なるものである。以下、本実施形態において特徴的な部分についてのみ説明し、上述した第１，第２の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
図１０は、本実施形態の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータ５の平面図である。本実施形態においても、セパレータ５には、平行流路部７への反応ガスの給排を行うためのガス供給マニフォールド８及びガス排出マニフォールド９が貫通形成されている。そして、複数の平行流路部７のうち、１つおきに配置された平行流路部７の一方には、ガス供給マニフォールド８近傍に位置してガス供給側変形部材３１が配置され、他方には、ガス排出マニフォールド９近傍に位置してガス排出側変形部材３２が配置されている。
【００４４】
これらガス供給側変形部材３１及びガス排出側変形部材３２は、液体水分を吸収すると膨張変形する材料よりなり、非変形時には流路面が平滑となるように、平行流路部７の下方に埋設されている。すなわち、平行流路部７内を通過する反応ガスが液体水分を含まない場合には、図１１（ａ）に示すように、変形部材３１，３２は、その上面が平行流路部７の底面と同一面をなし、反応ガスの流れを阻害しない。したがって、この状態では平行流路形状のガス流路が形成されることになる。
【００４５】
一方、平行流路部７内を通過する反応ガスが液体水分を含む場合には、図１１（ｂ）に示すように、変形部材３１，３２がその液体水分を吸収して膨張変形し、平行流路部７が塞がれて反応ガスの流れが妨げられることとなる。なお、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）においては、ガス供給側変形部材３１についてのみ図示しているが、ガス排出側変形部材３２についても同様である。
【００４６】
以上のように変形部材３１，３２が液体水分を吸収して膨張変形する結果、平行流路部７は、反応ガスの入口部、出口部において交互に遮られ、櫛形流路形状のガス流路が形成されることとなる。なお、変形部材３１，３２には、液体水分ではなく反応ガスの湿度に応じて膨張変形する材料を用いてもよく、この場合にも上述した例と同様に、反応ガスの湿度に応じてガス流路の形状を変更することが可能となる。
【００４７】
本実施形態によれば、セパレータ５の平行流路部７に設けられる変形部材３１，３２によって、上述した第１，第２の実施形態と同様に、ガス流路の流路形状の変更を実現することができる。したがって、本実施形態の固体高分子型燃料電池においても、その発電状態や内部状態といった運転状態に応じて、ガス流路の流路形状として最適な形状を選択することが可能であり、それぞれの特性に応じた流路形状での効率的な発電が可能である。
【００４８】
また、本実施形態では、可動部材を移動操作するといったような特別な操作を行うことなくガス流路の流路形状変更を実現できるので、操作性の観点から極めて有効である。
【００４９】
（第４の実施形態）
本実施形態は、発電停止時に実行されるパージ動作の際に、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路を最適な流路形状とすることで、パージ動作を効率良く行えるようにしたものである。
【００５０】
固体高分子型燃料電池の発電停止時には、通常、配管内や燃料電池内部に残留した水分等を排出する目的で、窒素等の不活性ガス或いは反応ガス（以下、パージガスという。）を所定時間供給するパージ動作が行われる。このようなパージ動作を行う際に、固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路が図３及び図４に示した平行流路形状とされていると、固体高分子型燃料電池に導入されるパージガスの殆どがガス供給マニフォールド８から平行流路部７を通ってガス排出マニフォールド９へとそのまま流れることになるため、特に、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に存在する液体水分の排出を水蒸気の拡散のみに頼ることとなり、排出に長時間を要し且つ効率が悪いという問題が生じる。
【００５１】
そこで、本実施形態では、発電停止時にパージ動作を実行する際に、固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている場合には、上述した各実施形態で説明した流路形状変更機構、すなわち、ガス供給側セパレータ可動部１０及びガス排出側セパレータ可動部１１、供給側マニフォールド可動部材２１及び排出側マニフォールド可動部材２２、ガス供給側変形部材３１及びガス排出側変形部材３２等を作動させることによって、各セパレータ５のガス流路を図５及び図６に示した櫛形流路形状に変更するようにしている。
【００５２】
これにより、固体高分子型燃料電池に導入されるパージガスがガス拡散層４へと流入することになり、このパージガスの流れで、ガス拡散層４に存在する液体水分を液体状態のまま効率良く排出することが可能となる。なお、電極２，３を構成するカーボン担体に存在している水分については、各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状とした場合であっても、水蒸気の拡散によって排出させる必要があるが、櫛形流路形状を選択した場合には、ガス拡散層４内をパージガスが対流によって流れていることから、平行流路形状を選択した場合に比べて、対流領域からカーボン担体までの距離が短く、その分、拡散による水分除去効率も向上することとなる。
【００５３】
以上のようなパージ効率向上の効果は、発電停止時に水分が凍結する環境に放置される可能性のある移動体用燃料電池システムの燃料電池として本発明の固体高分子型燃料電池を採用した場合に、特に有効である。すなわち、ガス拡散層４やカーボン担体といった多孔質体に水分が残留した状態で氷点下環境に放置されると、水分が凍結し、再始動時に反応ガスが電極（アノード及びカソード）２，３へ供給されなくなるといった問題が生じる可能性がある。また、最悪の場合には、凍結した水分が膨張して、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体を構造的に破壊してしまうことも考えられる。これを防ぐためには水分をなるべく効率よく除去する必要があるが、本実施形態のようにセパレータ５のガス流路を櫛形流路形状としてパージ動作を実行することにより、効率のよい水分の除去を実現することが可能となる。
【００５４】
（第５の実施形態）
本実施形態は、上述したパージ動作時におけるガス流路選択の他例であり、各セパレータ５のガス流路を上述した平行流路形状とした状態でのパージガス供給と、櫛形流路形状とした状態でのパージガス供給とを順次行うことによって、パージ動作による水分除去をさらに効率良く行えるようにしたものである。
【００５５】
一般に、ガス供給側平行流路部７ａ（ガス供給マニフォールド８につながる平行流路部７）とガス排出側平行流路部７ｂ（ガス排出マニフォールド９につながる平行流路部７）とが連通しない櫛形流路形状では、ガス供給側平行流路部７ａの行止り部に液体水分が滞留して、この滞留した液体水分が除去されにくくなるという傾向にある。そして、このようにガス供給側平行流路部７ａの行止り部に液体水分が滞留している場合、その領域には反応ガスが供給されにくいため、発電効率が著しく低下することになる。また、発電停止時のパージ動作においても、液体水分が滞留している領域近傍にはパージガスが供給されず、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留した水分が除去されにくい。このような状態で固体高分子型燃料電池が氷点下環境に放置されると、上述した第４の実施形態で説明したように、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に構造破壊が生じる可能性がある。そこで、本実施形態では、パージ動作の途中で流路形状変更機構を作動させ、平行流路形状でのパージガス供給と櫛形流路形状でのパージガス供給とを順次行うことにより、さらに効率的なパージ動作を行えるようにしている。
【００５６】
ここで、本実施形態におけるパージ動作の手順について、図１２のフローチャートを参照して簡単に説明する。なお、ここでは、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態で固体高分子型燃料電池の発電が停止された場合を例に挙げて説明する。
【００５７】
先ず、固体高分子型燃料電池の発電が停止すると（ステップＳ１）、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態で、パージガスの供給が開始される（ステップＳ２）。この平行流路形状でのパージガスの供給は第１の所定時間が経過するまで行われ、このパージ動作によって平行流路部７に滞留している水分が除去される。なお、第１の所定時間は、平行流路部７に滞留する水分量の傾向やパージガスの流量等に応じて、平行流路部７に滞留している水分を確実に除去できる時間を、実験等によって求めて予め設定しておくようにすればよい。
【００５８】
第１の所定時間が経過すると（ステップＳ３）、次に、流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を平行流路形状から櫛形流路形状へと変更する（ステップＳ４）。そして、各セパレータ５のガス流路が櫛形流路形状とされている状態でパージガスを供給する（ステップＳ５）。この櫛形流路形状でのパージガスの供給は第２の所定時間が経過するまで行われ、このパージ動作によってガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に強制的にパージガスを流すことで、これらガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留した水分が除去される。なお、第２の所定時間は、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留する水分量の傾向やパージガスの流量等に応じて、ガス拡散層４や電極２，３を構成するカーボン担体に残留した水分を確実に除去できる時間を、実験等によって求めて予め設定しておくようにすればよい。
【００５９】
そして、第２の所定時間が経過した段階で（ステップＳ６）、パージガスの供給が停止され、一連のパージ動作が終了する。以上のように、平行流路形状でのパージ動作と櫛形流路形状でのパージ動作とを順次行うことにより、効率的に短時間で水分除去を行うことができる。
【００６０】
なお、以上は、平行流路形状でのパージ動作を行った後に櫛形流路形状でのパージ動作を行うようにした例について説明したが、これとは逆に、櫛形流路形状でのパージ動作を行った後に平行流路形状でのパージ動作を行うようにしてもよく、また、流路形状の変更を複数回行って、平行流路形状でのパージ動作と櫛形流路形状でのパージ動作とを交互に繰り返し行うようにしてもよい。
【００６１】
（第６の実施形態）
本実施形態は、櫛形流路形状での発電中に、各セパレータ５のガス流路の流路形状を所定のタイミング（間隔）で櫛形流路形状から平行流路形状に変更して、滞留水分を除去するようにしたものである。
【００６２】
すなわち、第５の実施形態で説明したように、櫛形流路形状ではガス供給側平行流路部７ａの行止り部に液体水分が滞留する傾向にあり、このような問題は、発電停止時にパージ動作を行う場合に限らず、固体高分子型燃料電池の発電時においても考慮することが望ましい。
【００６３】
そこで、本実施形態では、各セパレータ５のガス流路が櫛形流路形状とされた状態で固体高分子型燃料電池の発電が行われているときに、所定のタイミング（間隔）で流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状から平行流路形状へと変更するようにしている。これにより、平行流路部７に滞留している水分を効果的に除去することができ、発電効率の低下を抑制して安定的な発電を行うことが可能となる。なお、流路形状変更機構を作動させるタイミングは、予め実験等によって、櫛形流路形状での発電時における水分滞留の影響が現れるまでの時間を求めておき、そのような影響が現れる以前の時間に設定すればよい。
【００６４】
（第７の実施形態）
本実施形態は、発電開始前に実行される起動動作の際に、本発明を適用した固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状とすることで、カソード側の電極を構成するカーボン担体の腐食を効果的に抑制できるようにしたものである。
【００６５】
本発明の固体高分子型燃料電池を例えば自動車等の移動体の動力源として活用する場合には、起動や停止が頻繁に繰り返し行われることになる。燃料電池の停止中においては、当然のことながら燃料極（アノード）、酸化剤極（カソード）ともに、供給すべき反応ガス（水素ガス及び空気）の供給を停止した状態で放置されることになる。また、発電停止時においては、上述したようなパージ動作で燃料極に残留する水素ガスを強制的に排気したり、反応ガスの供給を停止した状態で残留ガスを反応させて消費するなどの対応が図られるが、何れの場合においても長時間の停止中には燃料極にも大気が侵入し、燃料極中に酸素（空気）がある状態で放置されている。
【００６６】
この状態、すなわち、燃料極、酸化剤極ともに空気が混入した状態から燃料電池システムを起動させる場合において、燃料極側のガス流路に水素ガスを供給し始めた初期の期間においては、燃料極側ガス流路、酸化剤極側ガス流路は一般的に図１３に示すような状態にさらされることになる。なお、図１３は、反応ガスの供給開始直後における発電セル内の様子を模式的に示す図であり、反応ガスの供給方向と直交する方向から見た発電セルの断面図である。
【００６７】
この図１３に示すような状態では、燃料極側に水素ガスが供給されている領域においては通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極で水が生成されるが、燃料極側の水素ガスと空気との界面（以下、水素／空気フロントと呼ぶ。）を境に燃料極側の空気存在領域に対向する酸化剤極においては、下記式（３）で示す反応が起こることで、酸化剤極である電極３を構成するカーボン担体の腐食が起こる。そして、このような腐食により電極３が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。
【００６８】
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（３）
以上のような現象に起因する酸化剤極の劣化を防止するためには、発電開始前に燃料極側に水素ガスを所定時間供給する起動動作を行って、燃料極側の水素／空気フロントを短時間（例えば１秒以下）でガス流路中を通過させることが有効である。
【００６９】
しかしながら、以上のような起動動作を行って燃料極側に水素ガスを供給し、燃料極側のガス流路を水素ガスで充満させた場合であっても、図１４に示すように燃料極側に隣接するガス拡散層４に未だ空気が残存した状態であると、この残存空気が拡散によって除去されるまで、上述したカーボン腐食メカニズムが発生して、酸化剤極である電極３の劣化を招くことになる。なお、図１４は、起動動作を行った直後における発電セル内の様子を模式的に示す図であり、反応ガスの供給方向に沿った方向から見た発電セルの断面図である。
【００７０】
そこで、本実施形態では、発電開始前の起動動作を行う際に、固体高分子型燃料電池の各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている場合には、流路形状変更機構を作動させて各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状に変更し、櫛形流路形状で起動動作を行ってガス拡散層４内に水素ガスを積極的に流入させることで、この水素ガスの流れでガス拡散層４内に残存する空気を早急に除去して、上述したようなカーボン担体の腐食を抑制するようにしている。
【００７１】
ここで、本実施形態における起動動作の手順について、図１５のフローチャートを参照して簡単に説明する。なお、ここでは、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態で固体高分子型燃料電池の発電が停止された場合を例に挙げて説明する。
【００７２】
起動動作を行う際には、先ず、各セパレータ５のガス流路が平行流路形状とされている状態であれば、流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を平行流路形状から櫛形流路形状へと変更する（ステップＳ１１）。そして、各セパレータ５のガス流路が櫛形流路形状とされている状態で、燃料極側への水素ガス（燃料ガス）の供給が開始される（ステップＳ１２）。この燃料極側への水素ガスの供給は予め設定された所定時間が経過するまで行われ、この櫛形流路形状での水素ガスの供給によって、燃料極側のガス拡散層４内に残存した空気が効果的に除去されることになる。
【００７３】
水素ガスの供給開始から所定時間が経過すると（ステップＳ１３）、水素ガスの供給が一時停止され（ステップＳ１４）、その後、実際に発電を行う際の運転条件に応じて、平行流路形状と櫛形流路形状のどちらの流路形状が最適であるかが判定される（ステップＳ１５）。このとき、各セパレータのガス流路は櫛形流路形状とされているので、平行流路形状が最適であると判定された場合には（ステップＳ１６）、流路形状変更機構を作動させて、各セパレータ５のガス流路を櫛形流路形状から平行流路形状へと変更した上で（ステップＳ１７）、固体高分子型燃料電池での発電を開始させる（ステップＳ１８）。一方、櫛形流路形状が最適であると判定された場合には、流路形状を変更させることなく発電開始に移行する。
【００７４】
以上のように、本実施形態では、発電開始前の起動動作を行う際に、各セパレータのガス流路を櫛形流路形状とした状態で燃料極側に水素ガスを供給するようにしているので、燃料極側のガス拡散層４内の残存空気を強制的な対流過程によって素速く排出することができる。したがって、残存空気によるカーボン担体の腐食を効果的に抑制して、固体高分子型燃料電池の耐久性向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】固体高分子型燃料電池における発電セルの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの平面図である。
【図３】前記セパレータにおいてガス流路の流路形状を平行流路形状とした状態を示す平面図である。
【図４】ガス流路の流路形状を平行流路形状とした場合のガス流通状態を示す断面図である。
【図５】前記セパレータにおいてガス流路の流路形状を櫛形流路形状とした状態を示す平面図である。
【図６】ガス流路の流路形状を櫛形流路形状とした場合のガス流通状態を示す断面図である。
【図７】第２の実施形態の固体高分子型燃料電池の内部構造を模式的に示す斜視図である。
【図８】第２の実施形態の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータにおいてガス流路の流路形状を平行流路形状とした状態を示す平面図である。
【図９】前記セパレータにおいてガス流路の流路形状を櫛形流路形状とした状態を示す平面図である。
【図１０】第３の実施形態の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの平面図である。
【図１１】前記セパレータにおける変形部材の変形状態を示す断面図であり、（ａ）は変形部材が収縮している状態を示し、（ｂ）は変形部材が膨張変形した状態を示す。
【図１２】第５の実施形態におけるパージ動作の手順を示すフローチャートである。
【図１３】反応ガスの供給開始直後における発電セル内の様子を模式的に示す図であり、反応ガスの供給方向と直交する方向から見た発電セルの断面図である。
【図１４】起動動作を行った直後における発電セル内の様子を模式的に示す図であり、反応ガスの供給方向に沿った方向から見た発電セルの断面図である。
【図１５】第７の実施形態における起動動作の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１  電解質膜
２，３ 電極
４  ガス拡散層
５  セパレータ
７  ガス流路
８  ガス供給マニフォールド
９  ガス排出マニフォールド
１０  ガス供給側セパレータ可動部
１１  ガス排出側セパレータ可動部
２１  供給側マニフォールド可動部材
２２  排出側マニフォールド可動部材
３１，３２  変形部材
【図１】
2004253366.tif 000003
【図２】
2004253366.tif 000004
【図３】
2004253366.tif 000005
【図４】
2004253366.tif 000006
【図５】
2004253366.tif 000007
【図６】
2004253366.tif 000008
【図７】
2004253366.tif 000009
【図８】
2004253366.tif 000010
【図９】
2004253366.tif 000011
【図１０】
2004253366.tif 000012
【図１１】
2004253366.tif 000013
【図１２】
2004253366.tif 000014
【図１３】
2004253366.tif 000015
【図１４】
2004253366.tif 000016
【図１５】
2004253366.tif 000017