(57)【要約】【課題】  低負荷時における不安定な挙動を抑制するとともに、電解質膜の乾燥に起因する劣化や発電ロスを回避できるようにもする。【解決手段】  セルを積層してなる燃料電池において、前記セル内に、冷却水流路（第１の流体が流れる流路）と、酸化ガス流路（第２の流体が流れる流路）３１ａと、前記冷却水圧力に応じて酸化ガス流路３１ａの一部を開閉することで酸化ガス流路の形状を変化させる流路切替機構（流路切替手段）７５とを備えた。【選択図】      図６
2007042496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池において、
第１の流体を蓄える空間と、
燃料電池の発電に寄与する第２の流体の流れを規制するガイドであって、前記第１の流体の圧力に応じて移動するガイドと、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
セルを積層してなる燃料電池において、
前記セル内に、第１の流体が流れる流路と、第２の流体が流れる流路と、前記第１の流体圧力に応じて前記第２の流体の流路の形状を変化させる流路切替手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記第１の流体は熱交換媒体であり、前記第２の流体は反応ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
セルを積層してなる燃料電池において、
前記セル内に流体流路が設けられ、該流体流路は、複数のストレート流路形状と、これらストレート流路が組み合わされてなるサーペンタイン流路形状とに切替可能であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記サーペンタイン流路を形成する仕切壁として、前記ストレート流路を形成する仕切壁の少なくとも一部が共用されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記流体流路の形状切替は、前記流体流路に供給される流体の供給位置または該流体流路から流体が排出される排出位置の少なくともいずれか一方を変えることにより実現されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項７】
複数の仕切壁によって形成される流体流路への流体供給を受けて発電を行う燃料電池において、
前記流体流路が互いの仕切壁の一部を共用するサーペンタイン流路とストレート流路とに切替可能であることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
前記サーペンタイン流路とストレート流路とを切替える部材を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に酸化ガス等の流体流路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムに搭載されている燃料電池の一種である固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなる膜‐電極アッセンブリ（Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡと呼ぶ。）と、このＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成された単セルが積層されたセルスタック構造となっている。このような構造の燃料電池においては、各セパレータに形成されているガス流路を介して酸化ガスまたは燃料ガスが各電極に供給されることにより発電が行われる。さらに、各セパレータには冷却水流路も形成されていて、当該流路を流れる冷却水により、発電に伴う発熱を冷却するようになっている。
【０００３】
このような燃料電池においてはより優れた電池性能の実現が望まれており、これを実現するため、セル内でのガスの拡散性が阻害されるのを抑制したり、排水性が悪化するのを解消したりするための構造が提案されている。このような構造の具体例としては、連通する複数の区間によって流路を形成するとともに、各区間の流路幅が、供給ガスの下流側に位置するほど狭くなるようにしたものなどがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１４３７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば負荷変動、あるいは外気温等の環境変化といった種々の状況変化を受けた場合に、従来のごとき構造の流路をもつ燃料電池は、発電性能が十分に引き出されていない場合があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、発電に係る状況に応じて好適に発電をすることができる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】
【０００６】
かかる課題を解決するため本発明者は種々の検討を行った。例えば、状況に応じて発電性能を十分に引き出すという観点からは、一例としてセル毎のガス供給のオン・オフをガス圧を利用して実現することも考えられたが、さらに検討を重ねた結果、上記課題を解決するのに好適な技術を知見するに至った。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づくもので、請求項１に記載の発明は、電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池において、第１の流体を蓄える空間と、燃料電池の発電に寄与する第２の流体の流れを規制するガイドであって、前記第１の流体の圧力に応じて移動するガイドと、を有することを特徴とする。
【０００８】
この燃料電池においては、例えば負荷変動、あるいは外気温等の環境変化といった種々の状況変化を受け、出力を上下するなど運転条件が変化する。空間内に蓄えられている第１の流体は、当該燃料電池の運転条件に応じてその内部圧力を変化させる。ガイドは、この第１の流体の圧力に応じて移動し、第２の流体の流れの態様を変化させる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、セルを積層してなる燃料電池において、前記セル内に、第１の流体が流れる流路と、第２の流体が流れる流路と、前記第１の流体圧力に応じて前記第２の流体の流路の形状を変化させる流路切替手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
負荷や環境（外気温）等の状況の変化を受けて運転条件が変化した場合、これに伴い第１の流体の圧力も変化することがある。本発明においては、流路切替手段が、この第１の流体の圧力変化を受け、当該流路の形状を変化させる。形状が変化した当該流路は、変化した形状に沿って流れるように第２の流体をガイドする。この場合の第１の流体としては、従前から発電に用いられている流体、例えば燃料電池スタックの冷却水などが該当する。第２の流体の流路の形状は、例えば、当該第２の流体が流れる流路の一部を開閉することにより変化する。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池において、前記第１の流体は熱交換媒体であり、前記第２の流体は反応ガスであることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、熱交換媒体（例えば冷却水）の圧力に応じて、例えば流路切替手段が反応ガス流路の一部を開閉する。この場合、熱交換媒体の圧力の変化を受けた流路切替手段が作用することにより、反応ガス流路形状が切り替えられる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、セルを積層してなる燃料電池において、前記セル内に流体流路が設けられ、該流体流路は、複数のストレート流路形状と、これらストレート流路が組み合わされてなるサーペンタイン流路形状とに切替可能であることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、負荷や環境（外気温）等の発電に係る状況変化に応じて、流体流路がサーペンタイン流路形状とストレート流路形状とに適宜切り替えられる。例えば、流体として空気（酸化ガス）が流れている場合、高負荷時においては流路を複数のストレート流路とすることが好ましい。高負荷時においてはガス流量が多いため、ストレート流路としてもセルの出入り口間での差圧が十分に確保される。このため、発電反応に伴って生成される生成水が流路を閉塞するがことなく、安定した運転が可能である。
【００１５】
なお、この場合においては流路面積を大きく確保することができるため、供給側の圧力は過剰に高くなることはない。したがって補機による損失が少なく、高効率運転が可能となる。その一方で、低負荷時には流路をサーペンタイン流路とすることが好ましい。
【００１６】
こうした場合、セル内の流路面積が変更（縮小）され、低流量の状態であっても流速が確保されるようになり、セルの出入り口間での差圧が確保されることとなる。したがって、水の凝集による流路閉塞を抑制し、安定した運転が可能となる。さらには、負荷に応じて空気供給量を減らしても安定した運転を継続することが可能なため、余分な空気供給が必要なく、効率を向上させることが可能である。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池において、前記サーペンタイン流路を形成する仕切壁として、前記ストレート流路をなす仕切壁の少なくとも一部が共用されることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、ストレート流路をなす仕切壁が、サーペンタイン流路の仕切壁として利用される。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の燃料電池において、前記流体流路の形状切替は、前記流体流路に供給される流体の供給位置または該流体流路から流体が排出される排出位置の少なくともいずれか一方を変えることにより実現されることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、流体の供給または排出位置を変えることで、流体の流路形状を変更する。例えば、一つのサーペンタイン流路とする場合には、流体供給位置及び排出位置をそれぞれ１個所とし、複数のストレート流路とする場合には、さらに供給位置と排出位置とを適宜増加し、各流体供給位置と排出位置とを対向させる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、複数の仕切壁によって形成される流体流路への流体供給を受けて発電を行う燃料電池において、前記流体流路が互いの仕切壁の一部を共用するサーペンタイン流路とストレート流路とに切替可能であることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、低負荷発電時などの流体流量の少ないときには流体流路をサーペンタイン流路とし、高負荷発電時などの流体流量の多いときには流体流路をストレート流路に切り替えることが可能になる。よって、流体流量が少ない場合には、流速が遅くなるため、燃料電池内で生成される生成水が排出されづらくなるところ、上記構成によれば、流体流路をサーペンタイン流路とすることにより、流速を上げて排水性を向上させることができる。
【００２３】
一方、流体流量が多い場合には、生成水の排水に十分な流速が得られるため、流体流路をストレート流路にすることにより、燃料電池内での圧損を低減してシステム効率の向上を図ることができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池において、前記サーペンタイン流路とストレート流路とを切替える部材（流路切替機構）を有することを特徴とする。
【００２５】
この部材は、流体の圧力変化に応じて動作するものに限定されない。例えば、含水量に応じて変形する部材や、バイメタルのように温度に応じて変形するものの採用も可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明においては以下の効果を得ることができる。すなわち、負荷や環境（外気温）等の発電に係る状況に変化が生じた場合、流路形状を切り替えることで十分な性能を引き出して好適に発電を行うことができる。また、低負荷時における不安定な挙動を抑制することができるし、電解質膜の乾燥に起因する劣化や発電ロスを回避することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
図１〜図１３に本発明の一実施形態を示す。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１は、複数の単セル２を積層したスタック本体３を有し、スタック本体３の両端に位置する単セル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８を各々配置して構成されている。燃料電池１は、例えば、両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられた図示されていないテンションプレートが各エンドプレート８，８に例えばボルトで固定されることで、単セル２の積層方向に所定の圧縮力がかけられた状態となっている。
【００２９】
図２に示すように、単セル２は、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、これらが積層された構造となっている。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状に形成されている。また、ＭＥＡ１１はその外形が各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。
【００３０】
さらに、ＭＥＡ１１とセパレータ１２との間にはそれぞれシール部材１３が設けられている。例えば図２においては、ＭＥＡ１１とセパレータ１２ａとの間に設けられるシール部材を符号１３ａ、ＭＥＡ１１とセパレータ１２ｂとの間に設けられるシール部材を符号１３ｂで示し、さらに、セパレータ１２ｂに関してシール部材１３ｂとは反対側に設けられるシール部材を符号１３ｃで示している。
【００３１】
ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成され、これらが積層された構造となっている。電解質膜２１は、各電極２２ａ，２２ｂよりも僅かに大きく形成されている。
【００３２】
電極２２ａ，２２ｂは、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極２２ａ（カソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方の電極２２ｂ（アノード）には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、単セル２は起電力を得+る。
【００３３】
各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。
【００３４】
セパレータ１２ａには酸化ガスのガス流路（第２の流体が流れる流路、流体流路）３１ａが設けられ、セパレータ１２ｂには水素ガスのガス流路３１ｂが設けられている。また、セパレータ１２ａ，１２ｂには、それぞれ、熱交換媒体としての冷却水が流れる冷却水流路（第１の流体が流れる流路）３２が設けられている。より具体的には、セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面には、サーペンタイン状の酸化ガスのガス流路３１ａを備えた反応部７０が設けられている。
【００３５】
また、その反対側となる外側の面には前述の冷却水流路３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、水素ガスのガス流路３１ｂが形成された図示されていない反応部が設けられ、その反対側となる外側の面には、冷却水流路３２が複数形成されている。
【００３６】
セパレータ１２ａ，１２ｂの一方の片側付近には、酸化ガスの入口側の内部マニホールド４１、水素ガスの入口側の内部マニホールド４２、および冷却水の入口側の内部マニホールド４３が、各セパレータ１２ａ，１２ｂの表面を垂直に貫通するように形成されている。セパレータ１２ａ，１２ｂのこれらとは反対側の付近には、酸化ガスの出口側の内部マニホールド５１、水素ガスの出口側の内部マニホールド５２、および冷却水の出口側の内部マニホールド５３が、同じく各セパレータ１２ａ，１２ｂの表面を垂直に貫通するように形成されている。
【００３７】
セパレータ１２ａにおける酸化ガス用の内部マニホールド４１と内部マニホールド５１とは、当該セパレータ１２ａに溝状に形成された入口側のセル内マニホールド６３および出口側のセル内マニホールド６４を介して、酸化ガスのガス流路３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける水素ガス用の内部マニホールド４２と内部マニホールド５２とは、セパレータ１２ｂに溝状に形成された入口側の連絡流路６２および出口側の連絡流路６１を介して、水素ガスのガス流路３１ｂに連通している。
【００３８】
また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水の内部マニホールド４３と内部マニホールド５３とは、各セパレータ１２ａ，１２ｂに溝状に形成された入口側の連絡流路６５および出口側の連絡流路６６を介して、冷却水流路３２に連通している。このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、単セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。
【００３９】
例えば、酸化ガスは、セパレータ１２ａの内部マニホールド４１からセル内マニホールド６３を介してガス流路３１ａに導入され、ＭＥＡ１１の発電に供された後、セル内マニホールド６４を介して内部マニホールド５１に導出される。酸化ガスは、セパレータ１２ｂの内部マニホールド４１および内部マニホールド５１を流れるが、このセパレータ１２ｂの内方向には導入されない。
【００４０】
第１シール部材１３ａ，１３ｂは、ともに枠状に形成されている。一方の第１シール部材１３ａは、ＭＥＡ１１とセパレータ１２ａとの間に設けられ、これらの間をシールする。また、隣接する単セル２，２のセパレータ１２ａとセパレータ１２ｂとの間には、枠状の第２シール部材１３ｃが設けられている。
【００４１】
次にセパレータ１２ａが備える反応部７０について詳細に説明する。セパレータ１２ａにおいては、一つの空気用内部マニホールド４１から複数の（例えば３つの）セル内マニホールド６３に分岐する構造となっており（図２参照）、反応部７０に空気（酸化ガス、反応ガス）が供給される。反応部７０から排出される空気は、３つのセル内マニホールド６４を経て、その後に合流して内部マニホールド５１に排出される。単一である内部マニホールド４１から各セル内マニホールド６３へは、後述する流路切替機構（流路切替手段）７５により分配されるようになっている。
【００４２】
図３は、反応部７０に対する空気の分配について模式的に示した図である。実際には積層状態にある各セパレータ１２ａの反応部７０をこの図３においては便宜的に並べて示している。ここで、反応部７０においては、その内部に設けられた２つの仕切壁７９によってＳ字状のサーペンタイン流路７１が形成され、流路が途中で２回折り返す構造となっている。このようなＳ字状のサーペンタイン流路７１においては、酸化ガスとしての空気が、その一端である入口７１ａに対して内部マニホールド４１から供給され、他端である出口７１ｂから内部マニホールド５１へと排出される。
【００４３】
入口７１ａと隣り合った折返し部分には、さらに空気入口７２ａ、７３ａが設けられている（図３参照）。また、出口７１ｂに隣り合った折返し部には、入口７１ａに対向する位置に出口７３ｂが設けられ、入口７２ａと対向する位置に出口７２ｂが設けられている。各入口７１ａ，７２ａ，７３ａが空気の供給位置となり、各出口７１ｂ，７２ｂ，７３ｂが空気の排出位置となる。
【００４４】
また、入口７２ａ，７３ａ及び出口７３ｂ，７２ｂには、開閉することによって空気の流路を切り替えるための流路切替機構７５が設けられている。この流路切替機構７５を開とすると、図４に示すように入口７１ａ、７２ａ、７３ａがそれぞれ出口７３ｂ、７２ｂ、７１ｂと対応する３つのストレート流路７６が形成された状態となる。一方で、流路切替機構７５を閉とすると、図５に示すようにこれら３つのストレート流路７６がＳ字状につながって一つのサーペンタイン流路７１が形成された状態となる。
【００４５】
サーペンタイン流路７１が形成された状態のときは、図５に示したように入口７１ａと出口７１ｂのみが１組の空気出入り口として機能する。仕切壁７９は、サーペンタイン流路７１を形成する壁、およびストレート流路７６を形成する壁として共用される。
【００４６】
図６及び図７は、それぞれ反応部７０の構成を更に詳細に示した図である。図６はガス流路として金属、カーボン等の導電性多孔体８０を用いた場合である。この例では、基材の多孔体８０内に樹脂を含浸させる等により、ガス透過を抑止する構造体（仕切壁）８１を形成している。図示するように構造体８１を二つ並べて設けることで、３本のストレート流路７６が形成されるようにしている。
【００４７】
さらに構造体８１のそれぞれ斜向いの端部を多孔体８０の縁部から離すように切り欠いた形状とすることで、構造体８１により二つの折返し部が形成されたサーペンタイン流路７１が形成されるようにしている。
【００４８】
図７はガス流路として溝を用いた場合である。反応部７０は両端に内部マニホールド（空間または多孔体）８４を備える。集電体としてのランド部（仕切壁）８５が間隔を隔てて複数設けられ、ランド部８５の間に溝８６が形成されるようにしている。例えば本実施形態の場合、溝８６は３列設けられ、両端がそれぞれ内部マニホールド８４に連通したストレート流路７６となっている。さらに、内部マニホールド８４に仕切壁８８が設けられていることにより、３列の溝８６の端部が互いに連続し、サーペンタイン流路７１となる。
【００４９】
上記の各溝８６に対しては、以下に示す流路切替機構７５により流路を切り替えることができるようになっている。以下においては入口側のセル内マニホールド６３に設けられた流路切替機構７５について説明するが、出口側のセル内マニホールド６４についても同様の機構を備える。
【００５０】
図８と図９に、外部アクチュエータを用いて流路を切り替えるようにした場合の一例を示す。これらの図は内部マニホールド４１の一部を中心に拡大して表すものであり、図８は流路が開いた状態、図９は逆に閉じた状態を示している。図にも示しているように、本実施形態の燃料電池１においては、内部マニホールド４１から３本のセル内マニホールド６３が分岐した構造となっている。ここで、この内部マニホールド４１には外部アクチュエータによってスライド自在な２個の弁９０が設けられている。
【００５１】
図８に示す開状態のとき、これら弁９０はセル内マニホールド６３の開口６３ａを避けて位置しており、この位置からスライドさせると２個の弁９０により、３つの開口６３ａのうちの２つをセル内マニホールド６３の開口６３ａを覆うようになっている（図９参照）。このように構成されていることにより、図４および図５に示したようにストレート流路７６とサーペンタイン流路７１とを切り替えることができるようになっている。
【００５２】
続いて、セル内マニホールド６３に冷却水の圧力により作動するマイクロシャット弁を設置し、これにより流路を切り替える場合について例を挙げて説明する（図１０、図１１参照）。図１０は流路が開いた状態、図１１は逆に閉じた状態を示している。本実施形態の場合、図示しているように、セパレータ１２ａには３つのセル内マニホールド６３が設けられており、これらのうち２つのセル内マニホールド６３は覆われてなく、冷却水流路３２に対して開口した状態（連通した状態）となっている。
【００５３】
また、冷却水流路３２には、これら２つのセル内マニホールド６３の開口部を覆うように例えば弾性体によって形成された弁１００が設けられている。この弁１００は、冷却水流路３２の圧力が低い場合には図１０に示すようにセル内マニホールド６３の流路を確保し、一方、この圧力が上昇すると図１１に示すようにセル内マニホールド６３側に膨出し、これらセル内マニホールド６３を閉止するようになっている。
【００５４】
以上のように構成されていることにより、図４および図５に示したようにストレート流路７６とサーペンタイン流路７１とを切り替えることができるようになっている。
【００５５】
さらに続いて、セル内マニホールド６３に冷却水の圧力により作動するマイクロシャット弁を設置し、これにより流路を切り替える場合について例を挙げて説明する（図１２、図１３参照）。図１２は流路が閉じた状態、図１３は逆に開いた状態を示す。各図は一つのセル内マニホールド６３が反応部７０の酸化ガス流路３１ａに対して合流する位置について示したものであり、これらの図に示す機構は、３つのセル内マニホールド６３のうち２つに対して設けられている。
【００５６】
冷却水流路３２には冷却水の圧力で作動する弁体駆動部１０１が設けられている（図１２、図１３参照）。この弁体駆動部１０１は、冷却水流路３２側で圧力を受ける受圧面１０１ａを備えていると共に、セパレータ１２ｂに設けられた孔１０２を経てＭＥＡ１１側の面に突出する作用部１０１ｂを備えている。この作用部１０１ｂの先端は、弁１０３に当接している。この弁１０３は支点１０３ａを中心として回動自在に支持されていて、符号１０３ｂで示す一端部に上述の作用部１０１ｂが固定されている。図１２に示す状態では、弁１０３の符号１０３ｃで示す他端部はセル内マニホールド６３のＭＥＡ１１側開口６３ｂを閉塞している（図１２参照）。
【００５７】
ここで、冷却水流路３２の内部の冷却水圧力が上昇すると、受圧面１０１ａに圧力を受けた弁体駆動部１０１が変形し、ＭＥＡ１１側に膨出し、作用部１０１ｂで弁１０３の一端部１０３ｂを押す（図１３参照）。これにより、弁１０３は支点１０３ａを中心として回動し、セル内マニホールド６３の開口６３ｂを閉塞していた他端部１０３ｃを当該開口６３ｂから離間させる。こうした場合、セル内マニホールド６３を経て空気が酸化ガス流路３１ａに供給されることとなる。
【００５８】
以上のように構成されている本実施形態の燃料電池１は、以下のような作用を奏する。すなわち、まず高負荷時においては流路切替機構７５を開とし、空気の流路を複数のストレート流路７６とする。高負荷時においてはガス流量が多いため、流路を複数としてもセルの出入り口間での差圧が十分に確保される。このため発電反応によって生じた生成水が流路を閉塞することなく安定した運転を行うことが可能である。また、このとき流路面積を大きく確保することができるため、供給側の圧力が過剰に高くなるようなことがない。したがって補機による損失が少なく、高効率運転が可能となる。
【００５９】
一方、低負荷時においては空気側のガス流量が少ない。この場合、高負荷時のように流路を複数のストレート流路７６とすると、流速が低下し、セルの出入り口間での差圧が十分に確保できなくなり、この結果、セル間での配流が極めて不安定になり、空気流量不足のセルが発生し、直列接続されたスタックとしての出力が不安定になるおそれがある。これに対し、本実施形態においては、低負荷時においては流路切替機構７５を閉としてセル内マニホールド６３の一部を閉止することにより、セル内の流路をサーペンタイン流路７１に切り替えることとしている。
【００６０】
このように切り替えることによってセル内の流路面積が変更され、低流量条件の場合にも流速が確保され、セルの出入り口間での差圧が十分確保されて水の凝集による流路閉塞を抑制できるようになる。したがって、低負荷運転時において安定した運転を実施することが可能となる。更に、負荷に応じ空気供給量を減らしても安定した運転を継続することも可能であるため、余分な空気の供給が必要なく、効率を向上させることができるという利点もある。
【００６１】
上記のように、本実施形態の燃料電池１によれば、負荷に応じて流路形状を切り替えることで、負荷変動が生じた場合にも安定した対応を行うことが可能となる。さらに、負荷状態に関係なくセル面内の全ての部位を常に利用した発電が可能であることから、膜の加湿条件が一定となり、フル負荷運転が必要になったときに速やかに負荷変動に対応することができる。したがって、信頼性、耐久性を確保することができるという利点も得られる。
【００６２】
加えて、冷媒の圧力変化を利用して流路の変更を行うために、機構を簡素化することができる。また、冷媒流路はセル面内の全域に設けられるのが一般であるため、面内全域における流路の変更にも容易に対応できるという利点もある。
【００６３】
さらに付け加えると、燃料電池の課題の一つとして、低負荷時の不安定な挙動を抑制するというものがあり、従来、このような課題の解決を図るため、例えばセル面内に独立した流路を設け、外部マニホールドの開閉を行うことにより、当該低負荷時にセル内の一部のみを利用するようにし、これによって性能の確保を行うというものがある。例えば、セル内を２つの領域に完全に分けた構造とし、低負荷時には特定の領域のみにガスを供給するというような、いわばセル毎のガス供給のオン・オフをガス圧によって実現しようとするものが一例であるが、この場合、同一セル内において、低負荷時に発電が行われる部位と行われない部位とが存在することになる。
【００６４】
そうすると、例えば空気極側のみガス供給が制御された場合であれば、空気（酸化ガス）の供給されない部位において水素側からのクロスリークが生じ、発電のロス、さらには電解質膜が乾燥することによる当該膜の劣化が生じるおそれがあったのに対し、本実施形態においては、セル面内における流路の形状や形態を変更して負荷や環境等の状況の変化に対応するという点が特徴的である。そして、かかる特徴的な構成により、低負荷時における不安定な挙動を抑制することが可能であるし、電解質膜の乾燥に起因する劣化や発電ロスを回避することもできる。
【００６５】
また、空気極側およびこれに対応する燃料極側の両方においてガス供給が制御された場合であっても、低負荷時、セル面内において全く発電が行われていない部位が定常的に存在することがある。この場合、当該部位を含む領域における電解質膜の加湿条件が一定でなく、例えばフル負荷での運転が必要になったとしても、このような負荷変動にタイムラグ無しに迅速に対応することができないことがある。
【００６６】
これに対し、本実施形態のごとき構造の燃料電池１によれば、低負荷時における不安定な挙動を抑制するとともに、電解質膜の乾燥に起因する劣化や発電ロスを回避し、さらには加湿条件をより一定なものとして、負荷変動に対する迅速な対応を図ることも可能となる。
【００６７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、流路切替機構７５は、流体の圧力変化に応じて動作するものに限定されず、例えば、含水量に応じて変形する部材や、バイメタルのように温度に応じて変形する部材、あるいはこれらの部材を備えてなる切替機構によっても実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】同実施形態に係る燃料電池の単セルを分解して示す分解斜視図である。
【図３】反応部に対する空気の分配について模式的に示した図である。
【図４】反応部に対する空気の分配について模式的に示した図であり、高負荷時の流路を示した図である。
【図５】反応部に対する空気の分配について模式的に示した図であり、低負荷時の流路を示した図である。
【図６】反応部の構成を示した斜視図である。
【図７】反応部の構成を示した斜視図である。
【図８】流路切替機構の一例について示した斜視図であり、流路切替機構が開状態を示した図である。
【図９】同流路切替機構が閉状態を示した斜視図である。
【図１０】流路切替機構の他の例について示した断面図であり、流路切替機構が開状態を示した図である。
【図１１】同流路切替機構が閉状態を示した断面図である。
【図１２】流路切替機構の他の例について示した断面図であり、流路切替機構が閉状態を示した図である。
【図１３】同流路切替機構が開状態を示した断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…燃料電池、２…単セル、３…スタック本体、１１…ＭＥＡ、１２ａ，１２ｂ…セパレータ、３１ａ…酸化ガス流路（第２の流体が流れる流路、流体流路）、３２…冷却水流路（第１の流体が流れる流路）、４１，５１…内部マニホールド、６３，６４…セル内マニホールド、７０…反応部、７１…サーペンタイン流路、７１ａ，７２ａ，７３ａ…入口（空気の供給位置）、７１ｂ，７２ｂ，７３ｂ…出口（空気の排出位置）、７５…流路切替機構（流路切替手段）、７６…ストレート流路、７９…仕切壁、８１…構造体（仕切壁）、８５…ランド部（仕切壁）、８８…仕切壁、９０…弁、１００…弁、１０１…弁体駆動部、１０３…弁
【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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