(57)【要約】【課題】  燃料電池において、フラッディングと、電解質層のドライアップの双方を防止する。【解決手段】  単セル２０を複数積層したスタックを備える燃料電池において、各々の単セル２０は、湿潤状態でイオン伝導性を示すと共に表面に触媒層を備える電解質層２１と、電気化学反応に供される酸化ガスが通過する第１単セル内酸化ガス流路３０および第２単セル内酸化ガス流路３２を備える。燃料電池が備える反応ガス供給部は、スタック内部の温度が基準温度以下のときには、電解質層２１からの距離が短い第１単セル内酸化ガス流路３０に対して、電気化学反応に供される反応ガスを供給する。スタック内部の温度が基準温度を越えるときには、電解質層２１からの距離が長い第２単セル内酸化ガス流路３２に対して反応ガスを供給する。【選択図】  図３
2005302675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを複数積層したスタックを備える燃料電池であって、
各々の前記単セルに備えられ、湿潤状態でイオン伝導性を示すと共に、表面に触媒層を備える電解質層と、
各々の前記単セルに設けられ、電気化学反応に供される反応ガスが通過すると共に、前記電解質層からの距離が異なる複数の単セル内ガス流路と、
前記複数の単セル内ガス流路の各々に対して前記反応ガスを供給可能な反応ガス供給部と、
前記スタック内部の温度を検出するＦＣ温度検出部と、
前記反応ガス供給部を制御して、前記ＦＣ温度検出部が検出した前記温度が基準温度以下のときには、前記電解質層からの距離がより短い前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給させ、前記ＦＣ温度検出部が検出した前記温度が前記基準温度を越えるときには、前記電解質層からの距離がより長い前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給させる制御部と
を備える燃料電池。
【請求項２】
単セルを複数積層したスタックを備える燃料電池であって、
各々の前記単セルに設けられ、湿潤状態でイオン伝導性を示すと共に、表面に触媒層を備える電解質層と、
各々の前記単セルに設けられ、電気化学反応に供される反応ガスが通過すると共に、前記電解質層からの距離が異なる複数の単セル内ガス流路と、
前記複数の単セル内ガス流路の各々に対して前記反応ガスを供給可能であり、各々の前記単セル内ガス流路に供給する前記反応ガス量と共に、複数の前記単セル内ガス流路に前記反応ガスを供給する際の分配割合を調節可能な反応ガス供給部と、
前記スタック内部の温度を検出するＦＣ温度検出部と、
前記反応ガス供給部を制御して、前記ＦＣ温度検出部が検出した前記温度が低いときほど、前記電解質層からの距離が短い前記単セル内ガス流路において、前記反応ガスの分配割合および／または供給量を増加させ、前記温度が高いときほど、前記電解質層からの距離が長い前記単セル内ガス流路において、前記反応ガスの分配割合および／または供給量を増加させる制御部と
を備える燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、２つの前記単セル内ガス流路を備え、
前記電解質層に近い単セル内ガス流路では、鉛直方向下向きに前記反応ガスが流れ、
前記電解質層から遠い単セル内ガス流路では、鉛直方向上向きに前記反応ガスが流れる
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記反応ガスは、酸素を含有してカソードに供給される酸化ガスである
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池であって、
前記複数の単セル内ガス流路の間は、前記電解質層と平行に配設されたガス透過性を有する流路分割層によって区切られている
燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池であって、さらに、
前記電解質層と前記流路分割層との間に配設されると共に、導電性およびガス透過性を有し、一方の面において前記触媒層の表面と接する集電層を備える
燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池であって、
前記集電層は、該集電層の隣に配設された前記流路分割層に比べて、気孔率および／または細孔径が大きい
燃料電池。
【請求項８】
請求項５ないし７いずれか記載の燃料電池であって、
前記流路分割層は複数設けられており、
該複数の流路分割層は、前記触媒層により近い流路分割層が、より遠い流路分割層に比べて、気孔率および／または細孔径が大きい
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池が発電する際には、電気化学反応の進行に伴って水が生じる。そのため、燃料電池においては、凝縮した生成水がガスの流通を妨げる問題（いわゆるフラッディング）を防止することが必要となる。また、固体高分子型燃料電池では、電解質層において充分なイオン伝導性を維持するために、電解質層の含水量を維持することが必要となる。このように、燃料電池においては、充分な性能を保つために、反応ガス流路および電解質層における水分量を適切な範囲内に維持することが重要となる。
【０００３】
特許文献１では、電解質層表面に設けた触媒層の外側に配設するガス拡散層を、緻密性のより高い内側層と、撥水性を高めた外側層とから成る２層構造とする構成が開示されている。このようにガス拡散層の外側層においてガス拡散性と撥水性とを向上させることで、例えば燃料電池の温度が低下したときにも、フラッディングを抑える働きを高めることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８２６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、電解質層の含水量を維持する効果、いわゆるドライアップを防止する効果を得ることはできない。すなわち、燃料電池の温度が上昇して水分蒸発量が増大したときに、電解質層の水分不足を防止することについては考慮されていない。燃料電池の性能を向上させるためには、水分過多によるフラッディングの防止と、電解質層の水分不足によるドライアップの防止とを両立し、燃料電池内部の水分量を適当な範囲に維持することが望まれている。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、フラッディングと、電解質層のドライアップの双方を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の燃料電池は、
単セルを複数積層したスタックを備える燃料電池であって、
各々の前記単セルに備えられ、湿潤状態でイオン伝導性を示すと共に、表面に触媒層を備える電解質層と、
各々の前記単セルに設けられ、電気化学反応に供される反応ガスが通過すると共に、前記電解質層からの距離が異なる複数の単セル内ガス流路と、
前記複数の単セル内ガス流路の各々に対して前記反応ガスを供給可能な反応ガス供給部と、
前記スタック内部の温度を検出するＦＣ温度検出部と、
前記反応ガス供給部を制御して、前記ＦＣ温度検出部が検出した前記温度が基準温度以下のときには、前記電解質層からの距離がより短い前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給させ、前記ＦＣ温度検出部が検出した前記温度が前記基準温度を越えるときには、前記電解質層からの距離がより長い前記単セル内ガス流路に対して前記反応ガスを供給させる制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池によれば、スタック内部の温度が所定値以下であれば、電解質層からの距離が短い単セル内ガス流路に対して反応ガスが供給されるため、スタック内部の温度が低いことに起因して生じるフラッディングを防止することができる。また、スタック内部の温度が所定値を越えるときには、電解質層からの距離が長い単セル内ガス流路に対して反応ガスが供給されるため、スタック内部の温度が高いときに生じやすい電解質層のドライアップを防止することができる。
【０００９】
本発明の第２の燃料電池は、
単セルを複数積層したスタックを備える燃料電池であって、
各々の前記単セルに設けられ、湿潤状態でイオン伝導性を示すと共に、表面に触媒層を備える電解質層と、
各々の前記単セルに設けられ、電気化学反応に供される反応ガスが通過すると共に、前記電解質層からの距離が異なる複数の単セル内ガス流路と、
前記複数の単セル内ガス流路の各々に対して前記反応ガスを供給可能であり、各々の前記単セル内ガス流路に供給する前記反応ガス量と共に、複数の前記単セル内ガス流路に前記反応ガスを供給する際の分配割合を調節可能な反応ガス供給部と、
前記スタック内部の温度を検出するＦＣ温度検出部と、
前記反応ガス供給部を制御して、前記ＦＣ温度検出部が検出した前記温度が低いときほど、前記電解質層からの距離が短い前記単セル内ガス流路において、前記反応ガスの分配割合および／または供給量を増加させ、前記温度が高いときほど、前記電解質層からの距離が長い前記単セル内ガス流路において、前記反応ガスの分配割合および／または供給量を増加させる制御部と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池によれば、スタック内部の温度が低いときほど、電解質層からの距離が短い単セル内ガス流路において反応ガスの分配割合および／または供給量が増加されるため、スタック内部の温度が低いことに起因して生じるフラッディングを防止することができる。また、スタック内部の温度が高いときほど、電解質層からの距離が長い単セル内ガス流路において反応ガスの分配割合および／または供給量が増加されるため、スタック内部の温度が高いときに生じやすい電解質層のドライアップを防止することができる。
【００１１】
本発明の第１または第２の燃料電池において、
前記反応ガス流路は、２つの前記単セル内ガス流路を備え、
前記電解質層に近い単セル内ガス流路では、鉛直方向下向きに前記反応ガスが流れ、
前記電解質層から遠い単セル内ガス流路では、鉛直方向上向きに前記反応ガスが流れることとしても良い。
【００１２】
スタック内部の温度が低いときに反応ガスが流れる流路において、反応ガスが鉛直方向下向き（重力方向）に流れることで、スタック内部の温度が低いときにおける単セル内ガス流路からの排水性を向上させ、フラッディング防止の効果を高めることができる。また、スタック内部の温度が高いときに反応ガスが流れる流路において、反応ガスが鉛直方向上向きに流れることで、スタック内部の温度が高いときにおける排水を抑え、電解質層のドライアップ防止の効果を高めることができる。
【００１３】
本発明の第１または第２の燃料電池において、前記反応ガスは、酸素を含有してカソードに供給される酸化ガスであることとしても良い。
【００１４】
カソードでは、電気化学反応の進行に伴って生成水が生じ、酸化ガスが流れる単セル内ガス流路ではフラッディングがより起こりやすいため、本発明における反応ガスを酸化ガスとすることで、フラッディング防止の効果をより顕著に得ることができる。
【００１５】
本発明の第１または第２の燃料電池において、前記複数の単セル内ガス流路の間は、前記電解質層と平行に配設されたガス透過性を有する流路分割層によって区切られていることとしても良い。このような場合には、電解質層と平行に流路分割層を配設するという簡素な構成により、電解質層からの距離が異なる単セル内ガス流路を容易に形成することができる。
【００１６】
このような本発明の第１または第２の燃料電池において、さらに、前記電解質層と前記流路分割層との間に配設されると共に、導電性およびガス透過性を有し、一方の面において前記触媒層の表面と接する集電層を備えることとしても良い。触媒層と接する集電層を設けることで、電気化学反応が進行する際の集電性を高めることができる。
【００１７】
このような本発明の第１または第２の燃料電池において、前記集電層は、該集電層の隣に配設された前記流路分割層に比べて、気孔率および／または細孔径が大きいこととしても良い。このような構成とすれば、低温時のフラッディング防止および高温時のドライアップ防止の効果をより高めることができる。
【００１８】
また、本発明の第１または第２の燃料電池において、前記流路分割層は複数設けられており、該複数の流路分割層は、前記触媒層により近い流路分割層が、より遠い流路分割層に比べて、気孔率および／または細孔径が大きいこととしても良い。これにより、高温時のドライアップ防止の効果をより高めることができる。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の運転方法などの形態で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】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．ガス流の制御：
Ｃ．変形例：
【００２１】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例の燃料電池１０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池１０は、発電の本体である燃料電池スタック１５と、燃料ガス供給部４０と、ブロワ４２と、冷却装置４５と、制御部４３と、を備えている。燃料電池スタック１５は、単セル２０を複数積層することによって形成されている。単セル２０の構成は、本発明の要部に対応するため、後に詳しく説明する。
【００２２】
燃料ガス供給部４０は、燃料電池スタック１５が備える各単セル２０のアノード側に水素含有ガスである燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給部４０は、水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベを備えることとして、純度の高い水素ガスを燃料ガスとして用いても良い。あるいは、燃料ガス供給部４０に改質器を設け、炭化水素系の燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いても良い。燃料ガス供給部４０から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給路５０を介して燃料電池スタック１５内の燃料ガス供給マニホールドに流入し、各単セル２０に分配される。
【００２３】
ブロワ４２は、燃料電池スタック１５が備える各単セル２０のカソード側に酸化ガスとして空気を供給する。ブロワ４２から供給される酸化ガスは、酸化ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１５内の酸化ガス供給マニホールドに流入し、各単セル２０に分配される。なお、酸化ガス供給路５２は、途中で２つの流路に分岐しており、燃料電池スタック１５には、上記分岐した２つの流路のそれぞれに対応する２系統の酸化ガスの流路が設けられている。酸化ガス供給路５２が２つに分岐する分岐部には、切り替え弁４４が設けられており、切り替え弁４４を切り替えることによって、ブロワ４２から供給される酸化ガスの流入する流路を、上記２系統の流路のいずれか一方に切り替えることができる。
【００２４】
冷却装置４５は、燃料電池スタック１５内部を通過するように形成された冷却水流路４７と、ラジエータ４６と、ポンプ４８とを備えている。ポンプ４８を駆動することで、冷却水流路４７内で冷却水を循環させることができる。燃料電池スタック１５では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池スタック１５内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ４６で冷却することによって、燃料電池スタック１５の動作温度を所定の範囲内に保つ。なお、冷却水流路４７において、燃料電池スタック１５との接続部近傍であって、燃料電池スタック１５内から冷却水が排出される側には、温度センサ４９が設けられている。図１では、冷却水流路４７内を冷却水が循環する方向を矢印で示している。
【００２５】
制御部４３は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部４３は、燃料電池１０が備える種々のセンサの検出情報など、燃料電池１０の運転状態に関する種々の情報を取得する。また、制御部４３は、取得した情報に基づいて、燃料ガス供給部４０やブロワ４２等、燃料電池１０の各部に駆動信号を出力する。
【００２６】
図２は、単セル２０の構造を表わす分解斜視図である。また、図３は、図２の３−３面における単セル２０の断面模式図である。単セル２０は、電極として働く触媒層を両方の表面に形成した電解質層２１と、電解質層２１の一方の面に隣接して設けられた第１ガス拡散層２２と、第１ガス拡散層２２に隣接して設けられた第２ガス拡散層２３と、第２ガス拡散層２３にさらに隣接して設けられたセパレータ２５と、を備えている。また、単セル２０は、さらに、電解質層２１の他方の面に隣接して設けられた第３ガス拡散層２４と、第３ガス拡散層２４にさらに隣接して設けられたセパレータ２６と、を備えている。
【００２７】
電解質層２１は、固体高分子電解質膜、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜を備えており、この固体高分子電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質層２１の両方の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を備える触媒層が形成されている。
【００２８】
第１ないし第３ガス拡散層は、導電性およびガス透過性を有する板状部材である。第１ないし第３ガス拡散層は、例えば、炭素繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパによって形成しても良く、あるいは、発泡金属などの金属部材によって形成しても良い。これらの第１ないし第３ガス拡散層は、いずれも、平坦な一方の面と、所定の凹凸形状が形成された他方の面とを有している。第１および第２ガス拡散層は、鉛直方向（図２中に示すＺ軸方向）にわたって形成される複数の平行な溝を備える凹凸形状を形成しており、第３ガス拡散層は、水平方向（図２中に示すＸ軸方向）にわたって形成される複数の平行な溝を備える凹凸形状を形成している（図２参照）。単セル２０を組み立てる際には、これらのガス拡散層は、電解質層２１側が上記平坦な面となり、セパレータ側が上記凹凸形状を有する面となるように配設される。これにより、電解質層２１に接する第１および第３ガス拡散層は、触媒上で進行する電気化学反応に関わる電子の授受に寄与する集電層としての機能を果たす。また、ガス拡散層のうち、電解質層２１の一方の面側に配設される第１および第２ガス拡散層では、電解質層２１寄りに配設される第１ガス拡散層２２のほうが第２ガス拡散層２３よりも、気孔率および細孔径（あるいは個々の細孔の大きさ）が大きく形成されている。なお、本実施例では、電極として働く触媒層を、電解質層２１上に形成しているが、第１ガス拡散層２２および第３ガス拡散層２４の平坦な面上に形成することとしても良い。
【００２９】
セパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンや、ステンレス鋼等を材料とする金属薄板などにより形成されている。なお、セパレータ２５，２６は、隣接して設けられるガス拡散層と同種の材料によって形成されることが望ましい。セパレータ２５，２６は、その外縁部に８個の孔である孔部６０〜６７を備えている。各セパレータは、互いに対応する位置に上記各孔部を有している。したがって、セパレータ２５，２６を含む部材を積層して燃料電池スタック１５を形成すると、各孔部は、燃料電池スタック１５を積層方向に貫通して所定の流体を各単セルに給排するマニホールドを形成する。すなわち、孔部６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７は、それぞれ、第１酸化ガス供給マニホールド，第２酸化ガス排出マニホールド，第２酸化ガス供給マニホールド，第１酸化ガス排出マニホールド，燃料ガス供給マニホールド，燃料ガス排出マニホールド，冷媒供給マニホールド，冷媒排出マニホールドを、形成する。
【００３０】
また、セパレータ２５，２６は、その両面に、所定の形状の凹部を備えている。セパレータ２６は、一方の面（電解質層２１側の面）に底面が平坦な凹部７０を備えている（図２参照）。凹部７０は、孔部６４および孔部６５と連通している。また、凹部７０は、第３ガス拡散層２４が丁度嵌り込む形状を有しており、第３ガス拡散層２４の厚みと略同一の深さに形成されている。凹部７０に第３ガス拡散層２４をはめ込むと共に、第３ガス拡散層２４が電解質層２１に接するように配設して形成される単セル２０においては、第３ガス拡散層２４が備える複数の溝とセパレータ２６とによって、単セル内燃料ガス流路３４が形成される（図３参照）。単セル内燃料ガス流路３４は、孔部６４が形成する燃料ガス供給マニホールドから燃料ガスを供給され、孔部６５が形成する燃料ガス排出マニホールドに燃料ガスを排出する。
【００３１】
セパレータ２５は、一方の面（電解質層２１側の面）に、凹部７０と同様に底面が平坦な凹部を備えている（図示せず）。この凹部は、孔部６０〜６３と連通している。また、この凹部は、第１ガス拡散層２２および第２ガス拡散層２３が丁度嵌り込む形状を有しており、第１および第２ガス拡散層を重ね合わせた厚みと略同一の深さに形成されている。この凹部に第１および第２ガス拡散層を重ねてはめ込むと共に、第１ガス拡散層２２が電解質層２１に接するように配設して形成される単セル２０においては、第１ガス拡散層２２が備える複数の溝と第２ガス拡散層２３の平坦面とによって、第１単セル内酸化ガス流路３０が形成される。また、第２ガス拡散層２３が備える複数の溝とセパレータ２５の凹部の底面とによって、第２単セル内酸化ガス流路３２が形成される（図３参照）。すなわち、第２ガス拡散層２３は、上記凹部が形成する空間を第１単セル内酸化ガス流路３０と第２単セル内酸化ガス流路３２とに区切る流路分割層として働いている。ここで、第１単セル内酸化ガス流路３０と第２単セル内酸化ガス流路３２とは、互いに平行に配設される薄板状部材である第１ガス拡散層２２，第２ガス拡散層２３およびセパレータ２５の間に形成されるため、第１単セル内酸化ガス流路３０と第２単セル内酸化ガス流路３２とは互いに平行になる。
【００３２】
第１単セル内酸化ガス流路３０は、孔部６０が形成する第１酸化ガス供給マニホールドから、セパレータ２５の孔部６０に形成された切り欠き部６０ｗを介して酸化ガスを供給される。また、第１単セル内酸化ガス流路３０は、孔部６３が形成する第１酸化ガス排出マニホールドに対して、セパレータ２５の孔部６３に形成された切り欠き部（図示せず。図２に示す孔部６０ｗに対応する形状を有する）を介して酸化ガスを排出する。第２単セル内酸化ガス流路３２は、孔部６２が形成する第２酸化ガス供給マニホールドから、セパレータ２５の孔部６２に形成された貫通孔（図示せず。図２に示す孔部６１に形成された貫通孔６１ｗに対応する形状を有する）を介して酸化ガスを供給される。また、第２単セル内酸化ガス流路３２は、孔部６１が形成する第２酸化ガス排出マニホールドに対して、セパレータ２５の孔部６１に形成された貫通孔６１ｗを介して酸化ガスを排出する。図３に示すように本実施例の燃料電池では、第１単セル内酸化ガス流路３０では鉛直方向下向き（図２に示す−ｚ方向）に酸化ガスが流れ、第２単セル内酸化ガス流路３２では、鉛直方向上向き（図２に示す＋ｚ方向）に酸化ガスが流れる。このような本実施例の燃料電池では、図１に示した既述した切り替え弁４４を切り替えることによって、ブロワ４２から供給される酸化ガスの流入する流路を、第１酸化ガス供給マニホールドと第２酸化ガス供給マニホールドとの間で切り替えることができる。
【００３３】
また、セパレータ２５の他方の面には、孔部６６，６７と連通する凹部７２が形成されている（図２参照）。さらに、セパレータ２６の他方の面には、孔部６６，６７と連通すると共に、凹部７２と重なり合う形状の凹部が形成されている（図示せず）。セパレータ２５の凹部７２は、隣り合って配設されるセパレータ２６の凹部と共に、セル間冷媒流路３６を形成する（図３参照）。セル間冷媒流路３６は、孔部６６が形成する冷媒供給マニホールドから冷媒を供給され、孔部６７が形成する冷媒排出マニホールドに冷媒を排出する。
【００３４】
燃料電池スタック１５を組み立てるときには、各流体流路のシール性を確保しつつ、図２に示した順で各部材を繰り返し積層する。なお、冷媒流路は、図２に示したようにすべての単セル間に設けるのではなく、所定数の単セル２０を積層する毎に設けることとしても良い。
【００３５】
Ｂ．ガス流の制御：
図４は、本発明の燃料電池１０において、燃料電池スタック１５による発電が開始されてから停止されるまでの間、制御部４３において繰り返し実行される酸化ガス流路切り替え処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【００３６】
本ルーチンが実行されると、制御部４３は、まず、燃料電池スタック１５の温度（ＦＣ温度）を取得する（ステップＳ１００）。本実施例では、制御部４３は、ＦＣ温度として、温度センサ４９の検出信号を取得している。次に制御部４３は、ステップＳ１００で取得したＦＣ温度に基づいて、ＦＣ温度が所定の基準温度以下か否かを判断する（ステップＳ１１０）。この基準温度とは、酸化ガス流路の切り替えを行なう際の判断に用いる値として、予め設定して制御部４３に記憶しておいた値であり、例えば、６０℃とすることができる。燃料電池スタック１５内で、フラッディングを防止すると共に、電解質層２１のドライアップを防止可能となるように、基準温度は任意に設定可能である。
【００３７】
ステップＳ１１０で、ＦＣ温度が基準温度以下であると判断されると、制御部４３は、酸化ガスを供給すべき流路として第１酸化ガス供給マニホールドを選択する（ステップＳ１２０）。すなわち、ブロワ４２から供給される酸化ガスが第１酸化ガス供給マニホールドに流入するように、切り替え弁４４に駆動信号を出力して、本ルーチンを終了する。それまでに酸化ガスが第１酸化ガス供給マニホールドに流入していたときには、切り替え弁４４の状態は維持され、それまでに酸化ガスが第２ガスマニホールドに流入していたときには、切り替え弁４４における流路の切り替えが行なわれる。第１酸化ガス供給マニホールドに酸化ガスが供給されることにより、各単セル２０では、第１単セル内酸化ガス流路３０内を酸化ガスが流通する。
【００３８】
ステップＳ１１０で、ＦＣ温度が基準温度を越えると判断されると、制御部４３は、酸化ガスを供給すべき流路として第２酸化ガス供給マニホールドを選択する（ステップＳ１３０）。すなわち、ブロワ４２から供給される酸化ガスが第２酸化ガス供給マニホールドに流入するように、切り替え弁４４に駆動信号を出力して、本ルーチンを終了する。それまでに酸化ガスが第２酸化ガス供給マニホールドに流入していたときには、切り替え弁４４の状態は維持され、それまでに酸化ガスが第１ガスマニホールドに流入していたときには、切り替え弁４４における流路の切り替えが行なわれる。第２酸化ガス供給マニホールドに酸化ガスが供給されることにより、各単セル２０では、第２単セル内酸化ガス流路３２内を酸化ガスが流通する。
【００３９】
以上のように構成された本実施例の燃料電池１０によれば、燃料電池スタック１５の内部温度が基準温度以下のときには、電解質層２１により近い第１単セル内酸化ガス流路３０を酸化ガスが通過するため、生成水の排水性が向上する。これは、電解質層２１上の生成水は、電解質層２１上で水蒸気分圧の勾配が大きいほど拡散効率が高くなって蒸発速度が速くなることによる。電解質層２１により近い第１単セル内酸化ガス流路３０内を、水蒸気濃度の低い酸化ガスが通過することで、電解質層２１上では水蒸気分圧の勾配が大きくなり、電解質層２１上の生成水（あるいは電解質層２１との接触面に近い第１ガス拡散層２２中の生成水）は速やかに気化して酸化ガスの流れによってスタック外部に排出される。したがって、燃料電池スタック１５の温度が基準温度以下のとき（低温時）に、単セル内の酸化ガスの流路におけるフラッディングの発生を防止することができる。
【００４０】
また、燃料電池スタック１５の内部温度が基準温度を越える場合には、電解質層２１からより遠い第２単セル内酸化ガス流路３２を酸化ガスが通過するため、生成水の排水が抑えられる。これは、酸化ガスが通過する流路と電解質層２１との距離が長くなることによって、電解質層２１上で水素分圧の勾配がより小さくなり、生成水の蒸発速度が遅くなることによる。したがって、燃料電池スタック１５の温度が基準温度を越えるとき（高温時）に、電解質層２１では水分が保持されやすくなり、電解質層２１のドライアップに起因する電池性能の低下を防止することができる。なお、高温時であって、第２単セル内酸化ガス流路３２に酸化ガスが供給されるときには、第１ガス拡散層２２および第２ガス拡散層２３は、内部のガスの通り道が凝縮した生成水によって塞がれることがほとんど無いと考えられる。したがって、高温時には、電解質層２１上の生成水は、緩やかに気化して、第１ガス拡散層２２、第１単セル内酸化ガス流路３０および第２ガス拡散層２３を通過して第２単セル内酸化ガス流路３２に向かって徐々に拡散する。
【００４１】
さらに、本実施例の燃料電池１０によれば、低温時に酸化ガスが流入する第１単セル内酸化ガス流路３０では、酸化ガスが鉛直方向下向きに流れるため、凝縮した生成水が重力に従って流路から排出されやすくなり、低温時の排水性が向上するという効果が得られる。また、高温時に酸化ガスが流入する第２単セル内酸化ガス流路３２では、酸化ガスが鉛直方向上向きに流れるため、生成水が流路内に留まりやすくなり（ガス流れの向きと重力の向きとが対向するため排水され難くなり）、高温時のドライアップを防止する効果を高めることができる。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池１０によれば、電解質層２１寄りに配設される第１ガス拡散層２２の方が第２ガス拡散層２３よりも気孔率および細孔径が大きく形成されているため、低温時のフラッディング防止と高温時のドライアップ防止の効果をより高めることができる。すなわち、電解質層２１に接して設けられる第１ガス拡散層２２の気孔率および細孔径を大きく確保することで、低温時に生成水が凝縮しても、凝縮水による第１ガス拡散層２２内のガス流路の閉塞を抑えることができる。また、第２ガス拡散層２３の気孔率および細孔径をより小さくすることで、高温時に第２単セル内酸化ガス流路３２内を酸化ガスが通過する際に、第２ガス拡散層２３を介した第２単セル内酸化ガス流路３２への生成水の到達を抑制し、ドライアップ防止の効果を高めることができる。なお、第１ガス拡散層２２と第２ガス拡散層２３とは、気孔率および細孔径の少なくとも一方において上記した差異を設けることで、低温時のフラッディング防止および高温時のドライアップ防止の効果を得ることが可能となる。
【００４３】
本実施例では、図４において単一の基準温度に基づいて切り替え弁の切り替え制御を行なっているが、第１単セル内酸化ガス流路３０から第２単セル内酸化ガス流路３２への切り替え時と、逆の切り替え時とでは、基準温度を異ならせることとしても良い。これにより、流路の切り替え動作をより安定化することができる。また、切り替え弁の切り替え制御に用いる基準温度は、常に一定でなくても良い。単セル内酸化ガス流路におけるフラッディングのし易さは、温度以外の影響も受ける。例えば、発電量が多いときには、生成水量が増加するためフラッディングが起こり易くなる。また、単セル内酸化ガス流路に供給される酸化ガスの流量によってもフラッディングのし易さは変化する。したがって、このような燃料電池の運転条件に応じて、ステップＳ１１０で用いる基準温度を変化させることとしても良い。
【００４４】
また、図４のステップＳ１００で取得するＦＣ温度に関する情報は、燃料電池スタック１５から排出された冷媒温度以外の値を用いることとしても良い。例えば、燃料電池スタック１５に流入する冷媒温度や、燃料電池スタック１５から排出されるアノードオフガス温度あるいはカソードオフガス温度を用いても良く、燃料電池スタック１５の温度を直接検出することとしても良い。燃料電池スタック１５の内部温度を反映する情報であれば、酸化ガス流路の切り替えの判断のために同様に用いることができる。
【００４５】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４６】
Ｃ１．変形例１：
実施例では、第１および第２ガス拡散層という２種類のガス拡散層を用いたが、単一のガス拡散層によって、電解質層２１からの距離が異なる２系統の単セル内酸化ガス流路を形成することとしても良い。このような構成の単セル１２０の断面模式図を図５に示す。単セル１２０は、酸化ガス流路側のガス拡散層以外の構成は単セル２０と同様であるため、共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略する。単セル１２０は、第１ガス拡散層２２および第２ガス拡散層２３に代えて、ガス拡散層１２２を備えている。ガス拡散層１２２は、第１あるいは第２ガス拡散層のセパレータ側の面に形成されている凹凸形状と同様の凹凸形状を、両面に備えている。このようなガス拡散層１２２を、電解質層２１とセパレータ２５との間に配設することで、ガス拡散層１２２の両面のそれぞれに、第１単セル内酸化ガス流路３０あるいは第２単セル内酸化ガス流路が形成される。図５は、単一のガス拡散層１２２が２系統の単セル内酸化ガス流路を形成する様子を分かり易く示すために、図３に示した断面に垂直な面に対応する断面の様子を表わしている。このような構成としても、燃料電池スタックの温度に応じて、酸化ガスを供給する単セル内酸化ガス流路を切り替えることで、実施例と同様の効果が得られる。実施例のように電解質層２１の表面を第１ガス拡散層２２の平坦面で覆う構成は、集電性を充分に確保できて好ましいが、集電性が許容範囲であれば、図５のように、単一のガス拡散層を用いて構造を簡素化することが可能である。
【００４７】
Ｃ２．変形例２：
また、実施例では、燃料電池スタックの温度が基準温度以下であるか否かに応じて、２系統の単セル内酸化ガス流路の一方を選択することとしたが、燃料電池スタックの温度に応じて、２系統の単セル内酸化ガス流路のそれぞれに供給する酸化ガス量の分配割合および／または供給量を変更することとしても良い。すなわち、燃料電池スタックの温度が低いほど、電解質層２１に近い第１単セル内酸化ガス流路３０に供給する酸化ガス量の分配割合および／または供給量を多くし、高温時ほど、第１単セル内酸化ガス流路３０への分配割合および／または供給量を少なくすることとしても良い。このような場合にも、実施例と同様に、低温時のフラッディング防止および高温時のドライアップ防止の効果が得られる。なお、２系統の単セル内酸化ガス流路に供給する酸化ガス量の分配割合および／または供給量を変更し、双方の単セル内酸化ガス流路に酸化ガスを同時に供給する場合には、双方の単セル内酸化ガス流路において、酸化ガスの流れる向きを同じにすることが好ましい。
【００４８】
Ｃ３．変形例３：
実施例では、単セル内酸化ガス流路の形状を、複数の平行な溝状流路としたが、異なる形状としても良い。各系統毎に単セル内酸化ガス流路が１本に連続して形成されるサーペンタイン型や、全体が格子状に形成される流路など、種々の形状が選択可能であり、電解質層２１からの距離が異なる単セル内酸化ガス流路を切り替えることで、同様の効果が得られる。
【００４９】
Ｃ４．変形例４：
また、電解質層２１からの距離が異なる単セル内酸化ガス流路は、３系統以上設けることとしても良い。燃料電池スタックの温度が低いほど電解質層２１により近い単セル内酸化ガス流路を選択することで、あるいは、燃料電池スタックの温度が低いほど電解質層２１により近い単セル内酸化ガス流路に供給する酸化ガスの分配割合および／または供給量を多くすることで、実施例と同様の効果が得られる。
【００５０】
単セル内酸化ガス流路を３系統以上設ける燃料電池において、実施例の第２ガス拡散層２３のように単セル内酸化ガス流路間を区切る流路分割層として働くガス拡散層を、複数設ける場合には、電解質層２１により近いガス拡散層ほど、気孔率および／または細孔径を大きくしても良い。このような構成とすれば、燃料電池スタックの温度が高く、電解質層２１からより遠い単セル内酸化ガス流路が選択されるときに、あるいは、電解質層２１からより遠い単セル内酸化ガス流路に多くの酸化ガスが流れるときに、電解質層２１からガスが流れる単セル内酸化ガス流路までの通気抵抗がさらに増加する。したがって、電解質層２１からの水分の蒸発速度を抑え、高温時に電解質層２１のドライアップを防止する効果を高めることができる。
【００５１】
Ｃ５．変形例５：
実施例では、電解質層２１からの距離が異なる複数系統の単セル内酸化ガス流路を設けているが、単セル内酸化ガス流路に代えて、あるいは単セル内酸化ガス流路に加えて、単セル内燃料ガス流路において、電解質層２１からの距離が異なる複数系統の流路を設けることとしても良い。燃料ガスが供給されるアノード側では生成水は生じないが、燃料電池スタックに供給される燃料ガスが水蒸気を含有する場合には、低温時にフラッディングが生じる可能性がある。また、高温時には、カソード側と同様に電解質層２１においてドライアップが生じる可能性がある。単セル内燃料ガス流路に本発明を適用することで、低温時には単セル内燃料ガス流路におけるフラッディングを防止し、高温時には電解質層２１のドライアップを防止する同様の効果が得られる。
【００５２】
Ｃ６．変形例６：
実施例では、電解質層２１は、フッ素系樹脂である固体高分子膜としたが、他種の電解質を用いても良い。湿潤状態で良好なイオン伝導性を示す電解質を用いるならば、本発明を適用することで、低温時のフラッディング防止と、高温時の電解質のドライアップ防止とを、両立して実現できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】燃料電池１０の概略構成を示すブロック図である。
【図２】単セル２０の構造を表わす分解斜視図である。
【図３】単セル２０の断面模式図である。
【図４】酸化ガス流路切り替え処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】単セル１２０の断面模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池
１５…燃料電池スタック
２０，１２０…単セル
２１…電解質層
２２…第１ガス拡散層
２３…第２ガス拡散層
２４…第３ガス拡散層
２５，２６…セパレータ
３０…第１単セル内酸化ガス流路
３２…第２単セル内酸化ガス流路
３４…単セル内燃料ガス流路
３６…セル間冷媒流路
４０…燃料ガス供給部
４２…ブロワ
４３…制御部
４４…切り替え弁
４５…冷却装置
４６…ラジエータ
４７…冷却水流路
４８…ポンプ
４９…温度センサ
５０…燃料ガス供給路
５２…酸化ガス供給路
６０〜６７…孔部
６０ｗ…切り欠き部
６１ｗ…貫通孔
７０，７２…凹部
１２２…ガス拡散層
【図１】
2005302675.tif 000003
【図２】
2005302675.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005302675.tif 000006
【図５】
2005302675.tif 000007