(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池におけるフラッディングの発生を防止する新たな技術を実現すること。【解決手段】アノードセパレータ５０は、ＭＥＡのアノード側に密着されるインナーセパレータ５１と、その外側に装着されるアウターセパレータ５５と、を有する。インナーセパレータ５１は、板金プレス加工されて作られた凸空間でＭＥＡとの間に、複数の第１枝流路５２２を有する第１流路を形成する。アウターセパレータ５５は、複数の第１枝流路５２２の間に形成された溝に蓋をして複数の第２枝流路５６４を形成するとともに、板金プレス加工されて作られた凸空間で作られた第２導入溜め部５６２と第２排出溜め部５６３で第２枝流路５６４へのガスの流入出路を確保する。なお、第２枝流路５６４の底には通気孔が形成されている。第１枝流路５２２と第２枝流路５６４へは、通流方向が互いに対向関係となるように水素ガスを流入させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用の気体を通流させる気体流路が形成された固体高分子形燃料電池のセパレータであって、
アウターセパレータと、
前記アウターセパレータと電解質膜との間に設けられ、第１気体流路と第２気体流路との隔壁を構成するインナーセパレータと、
を備え、前記アウターセパレータと前記インナーセパレータの外面間で前記第２気体流路が形成され、前記インナーセパレータの内面で前記第１気体流路が形成され、且つ、前記第１気体流路の通流方向と前記第２気体流路の通流方向とが対向関係をなして併走するように構成されたセパレータ。
【請求項２】
前記第１気体流路は、前記気体を複数の第１枝流路に導入するために一時的に溜める第１導入溜め部と、当該第１導入溜め部から分岐された前記複数の第１枝流路と、前記複数の第１枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第１排出溜め部と、を有し、
前記第２気体流路は、前記気体を複数の第２枝流路に導入するために一時的に溜める第２導入溜め部と、当該第２導入溜め部から分岐された前記複数の第２枝流路と、前記複数の第２枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第２排出溜め部と、を有し、
前記第１枝流路と前記第２枝流路とが、互いの通流方向が対向関係をなして併走するように交互に構成された、
請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記インナーセパレータは、前記第１枝流路と前記第２枝流路との併走を形成する部分の断面が蛇行状に構成され、且つ、当該蛇行状部分において、前記アウターセパレータとの間で形成される前記第２枝流路の部分には、前記電解質膜に通じる開口が設けられている、
請求項２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記インナーセパレータ及び前記アウターセパレータは、金属板をプレス加工して製造される、
請求項２又は３に記載のセパレータ。
【請求項５】
前記第１導入溜め部と前記第２排出溜め部とが、前記セパレータの一の辺縁部側に設けられ、
前記第１排出溜め部と前記第２導入溜め部とが、前記セパレータの他の辺縁部側に設けられた、
請求項２〜４の何れか一項に記載のセパレータ。
【請求項６】
請求項５に記載の２つのセパレータを、前記電解質膜を挟むようにして１つのセルを構成したセルスタック。
【請求項７】
請求項６に記載のセルスタックと、
前記一の辺縁部側となる前記セルスタックの第１領域における燃料反応度合いを計測する第１反応計測部と、
前記他の辺縁部側となる前記セルスタックの第２領域における燃料反応度合いを計測する第２反応計測部と、
前記第１導入溜め部への流量を調整する第１流量調整部と、
前記第２導入溜め部への流量を調整する第２流量調整部と、
前記第１及び第２反応計測部それぞれの計測結果に基づいて、前記第１及び第２流量調整部を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池のセパレータ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の１つとして固体高分子形燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell,）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
固体高分子形燃料電池の問題の１つとして“フラッディング”と呼ばれる電池性能を低下させる現象が知られている。すなわち、図１８に示すように、固体高分子形燃料電池のセルスタックを構成するシングルセル内のセパレータ９０（水素セパレータ、燃料極側の気体拡散部を構成する集電板、バイポーラプレート）では、水素流入口９２のある一の辺縁部から未反応水素を排出する水素排出口９４のある反対側の辺縁部へ向けて水素流路９３が蛇行して設けられている。そして、水素流路９３の上流に当たる流入口付近ＡＨでは、水素濃度が高いため発電電流が多く高温になるが、下流に当たる排出口付近ＡＬでは水素濃度が低下するため発電電流が少なく相対的に低温となる。その為、流入口付近ＡＨで反応（アノード表面でのイオン化反応）に伴い生じた水が水蒸気となって下流側へ流れるが、排出口付近ＡＬでは結露し得る。これが進展した状態がフラッディングであり、結露した水で流路が狭くなり、場合によっては流路が閉鎖される場合もある。フラッディングが発生すると、セルスタックを構成するセル内の電極接合体（固体高分子膜（電解質）と電極の接合体：ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）は、滞留した水による導電物質の酸化腐食反応によって劣化が進み、やがて発電不能な状態となる。
【０００３】
フラッディング対策としては、例えば、各セルの電圧を計測して一定電圧以下となった場合にスタックへの水素の供給口と排出口とを切り替え、発電分布の偏りを低減する技術が知られるところである（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１７７５３号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２に開示された技術では、発電分布が偏った状態をできるだけ減らし、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）の劣化を抑制して寿命を延ばすことは可能であるが、根本的に発電分布の偏りを防止することはできなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、固体高分子形燃料電池におけるフラッディングの発生を防止する新たな技術を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための第１の発明は、発電用の気体を通流させる気体流路が形成された固体高分子形燃料電池のセパレータであって、アウターセパレータと、前記アウターセパレータと電解質膜との間に設けられ、第１気体流路と第２気体流路との隔壁を構成するインナーセパレータと、を備え、
前記アウターセパレータと前記インナーセパレータの外面間で前記第２気体流路が形成され、前記インナーセパレータの内面で前記第１気体流路が形成され、且つ、前記第１気体流路の通流方向と前記第２気体流路の通流方向とが対向関係をなして併走するように構成されたセパレータである。
【０００８】
第２の発明は、前記第１気体流路が、前記気体を複数の第１枝流路に導入するために一時的に溜める第１導入溜め部と、当該第１導入溜め部から分岐された前記複数の第１枝流路と、前記複数の第１枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第１排出溜め部と、を有し、前記第２気体流路は、前記気体を複数の第２枝流路に導入するために一時的に溜める第２導入溜め部と、当該第２導入溜め部から分岐された前記複数の第２枝流路と、前記複数の第２枝流路を通流した前記気体を一時的に溜めて排出する第２排出溜め部と、を有し、前記第１枝流路と前記第２枝流路とが、互いの通流方向が対向関係をなして併走するように交互に構成された、第１の発明のセパレータである。
【０００９】
第３の発明は、前記インナーセパレータが、前記第１枝流路と前記第２枝流路との併走を形成する部分の断面が蛇行状に構成され、且つ、当該蛇行状部分において、前記アウターセパレータとの間で形成される前記第２枝流路の部分には、前記電解質膜に通じる開口が設けられている、第２の発明のセパレータである。
【００１０】
第１〜第３の何れかの発明によれば、第１気体流路と第２気体流路とでは発電用の気体の流れる方向が逆で且つ併走するので、一方の気体流路に係る低温部の近傍に、他方の気体流路に係る高温部が存在することになる。よって、水蒸気が結露するような低温部が生じ難く、フラッディングの発生を防止できる構造となる。
【００１１】
第４の発明は、前記インナーセパレータ及び前記アウターセパレータは、金属板をプレス加工して製造される、第２又は第３の発明のセパレータである。
【００１２】
第４の発明によれば、製造が比較的容易であり、製造コストを低減できる。
【００１３】
第２〜第４の何れかの発明のセパレータにおいては、第５の発明として、前記第１導入溜め部と前記第２排出溜め部とが、前記セパレータの一の辺縁部側に設けられ、前記第１排出溜め部と前記第２導入溜め部とが、前記セパレータの他の辺縁部側に設けられた、セパレータを構成することもできる。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明の２つのセパレータを、前記電解質膜を挟むようにして１つのセルを構成したセルスタックである。
【００１５】
第６の発明によれば、アノード側とカソード側の両方のセパレータを同一とすることで、セルスタックの製造コストを低減できる。
【００１６】
第７の発明は、第６の発明のセルスタックと、前記一の辺縁部側となる前記セルスタックの第１領域における燃料反応度合いを計測する第１反応計測部（例えば、図１７の第１反応センサ７１）と、前記他の辺縁部側となる前記セルスタックの第２領域における燃料反応度合いを計測する第２反応計測部（例えば、図１７の第２反応センサ７２）と、前記第１導入溜め部への流量を調整する第１流量調整部（例えば、図１７の第１の電動ポンプ１４６）と、前記第２導入溜め部への流量を調整する第２流量調整部（例えば、図１７の第２の電動ポンプ１４７）と、前記第１及び第２反応計測部それぞれの計測結果に基づいて、前記第１及び第２流量調整部を制御する制御部（例えば、図１７のＣＰＵ７４）と、を備えた燃料電池システムである。
【００１７】
第７の発明によれば、更に気体流路別に流量を調整して第１領域と第２領域とを領域別に発電量すなわち発熱量を調整することができる第６の発明のセルスタックを用いた燃料電池システムを実現できる。仮に何らかの理由で第１領域と第２領域とで反応度合いの差が生まれたとしてもこれを補正し、結露を生むような低温箇所の発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】固体高分子形燃料電池の構成例を示す（１）正面図、（２）側面図。
【図２】アノードセパレータの構成例を示す正面斜め下から見た斜視外観図。
【図３】アノードセパレータの構成例の分解図。
【図４】インナーセパレータの構成例を示す図であって、（１）上面図、（２）正面図、（３）下面図、（４）側面図。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図。
【図６】図４のＢ−Ｂ断面図。
【図７】図４のＣ−Ｃ断面図。
【図８】図４のＤ−Ｄ断面図。
【図９】アウターセパレータの構成例を示す図であって、（１）上面図、（２）正面図、（３）下面図。
【図１０】図９のＦ−Ｆ断面図。
【図１１】図９のＥ−Ｅ断面図。
【図１２】第１実施形態における燃料電池システムの燃料系並びに制御系に係るシステム構成を示す図。
【図１３】アノードセパレータにおける水素ガスの第１の通流方向を説明する為の正面図。
【図１４】図１３のＧ−Ｇ断面における水素ガスの第１の通流方向を説明する為の断面図。
【図１５】アノードセパレータにおける水素ガスの第２の通流方向を説明する為の正面図
【図１６】図１５のＨ−Ｈ断面における水素ガスの第２の通流方向を説明する為の断面図
【図１７】第２実施形態における燃料電池システムの燃料系並びに制御系に係るシステム構成を示す図。
【図１８】従来のアノードセパレータの構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態における固体高分子形燃料電池の構成例を示す（１）正面図、（２）側面図である。
固体高分子形燃料電池のセルスタック２は、高分子イオン交換膜を電解質として用い、発電用燃料として水素ガスと酸素ガス（又は大気）を用いるタイプの燃料電池である。セルスタック２は、複数のシングルセル５を積層し、その両端をマイナス電極６とプラス電極７とで挟み、更にそれらの両端を絶縁版８とエンドプレート９ａ，９ｂとで挟んで一体に連結している。
【００２０】
マイナス電極側のエンドプレート９ａの一の辺縁部には、（正面向かって左上から右方へ順に）第１水素流入ポート１１と、第２水素流出ポート１４と、第２酸素流出ポート１８と、第１酸素流入ポート１５とが設けられている。
プラス電極側のエンドプレート９ｂの反対側の辺縁部には、（正面向かって右下から左方へ順に）第１水素流出ポート１２と、第２水素流入ポート１３と、第２酸素流入ポート１７と、第１酸素流出ポート１６とが設けられている。
【００２１】
セルスタック２の内部には、第１水素流入ポート１１から各シングルセル５を巡って第１水素流出ポート１２に至る系と、第２水素流入ポート１３から各シングルセル５を巡って第２水素流出ポート１４に至る系との２系統の水素ガスの流路が設けられている。同様に、第１酸素流入ポート１５から各シングルセル５を巡って第１酸素流出ポート１６に至る系と、第２酸素流入ポート１７から各シングルセル５を巡って第２酸素流出ポート１８に至る系との２系統の酸素ガス（或いは大気）の流路が設けられている。
【００２２】
シングルセル５は、公知のＰＥＦＣのそれと同様に、アノードセパレータ５０（水素セパレータ）と、カソードセパレータ６０（酸素セパレータ）とでＭＥＡ３０を挟むようにして積層一体化されたユニットである。１つのセルスタック２に含まれるシングルセル５の数は適宜設定可能である。
【００２３】
なお、本実施形態では、アノードセパレータ５０と、カソードセパレータ６０とは同じ構造を有しているので、以降ではアノードセパレータ５０についてのみ説明することとする。
【００２４】
〔セパレータの説明〕
図２は、本実施形態のアノードセパレータ５０の構成例を示す正面斜め下から見た斜視外観図である。図３は、アノードセパレータ５０の分解図である。
本実施形態のアノードセパレータ５０は、ＭＥＡ３０と接触するインナーセパレータ５１と、当該インナーセパレータ５１の正面側に組み付けられるアウターセパレータ５５と、当該アウターセパレータ５５を取り囲む様にしてインナーセパレータ５１の正面側の周縁部に組み付けられるガスケット５７と、を備える。
ＭＥＡ３０の側を内面と呼べば、アノードセパレータ５０は、インナーセパレータ５１の外面側にアウターセパレータ５５を装着し、インナーセパレータ５１の外面側にアウターセパレータ５５を囲うようにしてガスケット５７を装着して組み立てられる。
【００２５】
図４は、インナーセパレータ５１の構成例を示す図であって、（１）上面図、（２）正面図、（３）下面図、（４）側面図である。
インナーセパレータ５１は、水素ガスを通流される第１気体流路と第２気体流路との隔壁を構成する部品であって、ＭＥＡ３０に水素を供給する流路の第１階層を構成する。インナーセパレータ５１は、例えば、導電性の金属薄板をプレス加工により作成される。
【００２６】
図２〜図４に示すように、インナーセパレータ５１は、正面向かって上方の辺縁部（図４における上側の辺縁部）には、第１水素流入ポート１１から繋がる第１水素流入孔５１１と、第２水素流出ポート１４へ繋がる第２水素流出孔５１４と、第２酸素流出ポート１８へ繋がる第２酸素流出孔５１８と、第１酸素流入ポート１５から繋がる第１酸素流入孔５１５と、が設けられている。
【００２７】
正面向かって下方の右辺縁部（図４における下側の辺縁部）には、第１水素流出ポート１２へ繋がる第１水素流出孔５１２と、第２水素流入ポート１３から繋がる第２水素流入孔５１３と、第２酸素流入ポート１７から繋がる第２酸素流入孔５１７と、第１酸素流出ポート１６へ繋がる第１酸素流出孔５１６と、が設けられている。
【００２８】
そして、インナーセパレータ５１の裏面側（ＭＥＡ３０側；内面側）から正面側（外面側）へ張り出すように第１流路５２が成型されており、裏面側に開口する空間が形成されている。インナーセパレータ５１の裏面側（内面側）にＭＥＡ３０を密着させることで、気体を通流させる空間が形成される。
【００２９】
具体的には、第１流路５２は、第１水素流入孔５１１から流入した気体を左右に拡散・分配する第１導入溜め部５２１と、当該第１導入溜め部５２１より分岐した複数の第１枝流路５２２と、当該複数の第１枝流路５２２を抜けた気体を合流させ第１水素流出孔５１２へ導く第１排出溜め部５２３と、を有する。なお、第１枝流路５２２の設置本数は適宜設定可能である。
【００３０】
図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。図６は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図７は、図４のＣ−Ｃ断面図である。図８は、図４のＤ−Ｄ断面図である。
第１枝流路５２２は、その成形法により、インナーセパレータ５１の背面側（ＭＥＡ側）から見ると、インナーセパレータ５１の上下方向に長く且つＭＥＡ３０側へ開口する溝になっている。つまり、第１枝流路５２２へ流れ込んだ気体は、溝の開口部からＭＥＡ３０へ供給されることになる。
【００３１】
Ｃ−Ｃ断面（図７参照）で見ると、インナーセパレータ５１の左右方向断面は、蛇行状を成しており、隣り合う第１枝流路５２２の間はインナーセパレータ５１の上下方向に長く且つ正面側へ開口する溝を形成し隣り合う第１枝流路５２２の隔壁として機能する。
【００３２】
インナーセパレータ５１の正面（外面）にアウターセパレータ５５を装着すると、この隣り合う第１枝流路５２２の間の溝の正面側には隔壁が作られる。そして、第２水素流入孔５１３から供給される水素が通る空間を形成し、隣り合う第１枝流路５２２の間の溝は第２枝流路５６４として機能する。具体的には、第２枝流路５６４の底（ＭＥＡ側）には通気孔５６５が設けられており、第２枝流路５６４に流れ込んだ気体は当該通気孔５６５を通ってＭＥＡ３０へ供給される。
【００３３】
図９は、アウターセパレータ５５の構成例を示す図であって、（１）上面図、（２）正面図、（３）下面図である。図１０は、図９のＦ−Ｆ断面図である。図１１は、図９のＥ−Ｅ断面図である。なお、図９では、アウターセパレータ５５をインナーセパレータ５１に組み付けた時の相対位置関係がわかり易いように、正面図においてインナーセパレータ５１の第２枝流路５６４となる溝部を細破線で記載している。
【００３４】
アウターセパレータ５５は、導電性の金属薄板をプレス加工することで作成され、ＭＥＡ３０に水素を供給する流路の第２階層を構成する。アウターセパレータ５５は、第２流路５６と、嵌着片５５１と、を有する。
【００３５】
第２流路５６は、上蓋部５６１と、第２導入溜め部５６２と、第２排出溜め部５６３と、を有する。
上蓋部５６１は、インナーセパレータ５１の第１流路５２（図４参照）の正面側（外面側）に密着して覆う板状部である。より具体的には、上蓋部５６１の四辺の寸法は第１流路５２を丁度覆うように設定されており、上蓋部５６１が第１流路５２の正面側を覆うことで、隣り合う第１枝流路５２２の間に形成された溝（底に通気孔５６５の有る溝；図４参照）の天井が形成されて第２枝流路５６４として機能するようになる。
【００３６】
そして、上蓋部５６１のうち、第２枝流路５６４の上端部を覆う部分と、第２枝流路５６４の下端部を覆う部分とが、それぞれ正面側に張り出すように成型されて、第２導入溜め部５６２と第２排出溜め部５６３とを成している。
【００３７】
第２導入溜め部５６２は、下端がインナーセパレータ５１の第２水素流入孔５１３の上方に面して開口して左右に広がり、第２水素流入ポート１３（図１参照）から流れ込む水素を拡散・分配して第２枝流路５６４へ導く。
第２排出溜め部５６３は、上端がインナーセパレータ５１の第２水素流出孔５１４の正面側に面して開口しており、第２枝流路５６４を抜けた気体を合流させ第２水素流出孔５１４の正面側へ排気する。
【００３８】
嵌着片５５１は、アウターセパレータ５５をインナーセパレータ５１の正面側に被せたときに、両者の位置関係と密着とを適切に保持するための連結構造である。本実施形態では第２流路５６の４辺の外周より延設されている。
【００３９】
次に、ガスケット５７について説明する。
図３に示すように、ガスケット５７は、上端部（図３で言う所の右斜め上側）の辺縁部に、第１水素流入ポート１１から繋がる第１水素流入管部５７１と、第２水素流出ポート１４へ繋がる第２水素流出管部５７４と、第２酸素流出ポート１８へ繋がる第２酸素流出管部５７８と、第１酸素流入ポート１５から繋がる第１酸素流入管部５７５とを有する。また、下端部（図３で言う所の左斜め下側）の辺縁部には、第１水素流出ポート１２へ繋がる第１水素流出管部５７２と、第２水素流入ポート１３から繋がる第２水素流入管部５７３と、第２酸素流入ポート１７から繋がる第２酸素流入管部５７７と、第１酸素流出ポート１６へ繋がる第１酸素流出管部５７６とを有する。
そして、ガスケット５７の中央部には、インナーセパレータ５１に嵌着させたアウターセパレータ５５を収容する収容空間５８０が設けられている。
【００４０】
収容空間５８０の上側において、収容空間５８０と第１水素流入管部５７１とを隔てる壁部には、インナーセパレータ５１の第１導入溜め部５２１（図４参照）が嵌着される第１導入溜め部嵌着溝５８１が設けられている。また、収容空間５８０と第２水素流出管部５７４とを隔てる壁部には、アウターセパレータ５５の第２排出溜め部５６３（図９参照）が嵌着される第２排出溜め部嵌着溝５８４が設けられている。
同様に、収容空間５８０の下側において、収容空間５８０と第１水素流出管部５７２とを隔てる壁部には、インナーセパレータ５１の第１排出溜め部５２３（図４参照）が嵌着される第１排出溜め部嵌着溝５８２が設けられている。また、収容空間５８０と第２水素流入管部５７３とを隔てる壁部には、アウターセパレータ５５の第２導入溜め部５６２（図９参照）が嵌着される第２導入溜め部嵌着溝５８３が設けられている。
そして、収容空間５８０の左右壁部には、複数の通風口５８５が設けられている。
【００４１】
［システム構成の説明］
図１２は、本実施形態の燃料電池システム１００の燃料系並びに制御系に係るシステム構成を示す図である。なお、酸素系や冷却系、加湿系などその他のシステム構成要素については公知の構成を適用することができるため、ここでの図示及び説明は省略する。
【００４２】
燃料電池システム１００は、水素供給源１４０から提供される水素ガスをレギュレータ１４２にて所定気圧に調整して第１水素供給配管１１０と第２水素供給配管１２０へ並列的に供給する。第１水素供給配管１１０はセルスタック２の第１水素流入ポート１１へ接続され、第２水素供給配管１２０は第２水素流入ポート１３に接続される。これにより、第１流路５２における水素ガスの通流方向と、第２流路５６における水素ガスの通流方向とが互いに逆向き、つまり対向関係を成すことになる。
【００４３】
セルスタック２の第１水素流出ポート１２には第１水素回収配管１１２が接続され、第２水素流出ポート１４には第２水素回収配管１２２が接続される。そして、両回収配管は気液分離器１４４に導かれる。
【００４４】
気液分離器１４４は、公知の気液分離器や凝集装置などにより実現される。
気液分離器１４４には電動ポンプ１４６が接続されており、電動ポンプ１４６は、液体が分離された未反応水素ガスを気液分離器１４４から吸い出し、第１帰還配管１１７及び第２帰還配管１２７を通じてそれぞれ第１水素供給配管１１０、第２水素供給配管１２０へ圧送する。
【００４５】
［セパレータ内の気体の流れの説明］
上述のような構造を有するアノードセパレータ５０とカソードセパレータ６０とでＭＥＡ３０を挟んで１つのシングルセル５を構成し、更に上述のような配管構成の燃料電池システム１００を構成することで、アノードセパレータ５０及びカソードセパレータ６０がそれぞれ有する２つのガス流路では、互いのガスの通流方向が対向関係をなすこととなる。
【００４６】
図１３は、アノードセパレータ５０における水素ガスの第１の通流方向を説明する為の正面図である。なお、理解を容易にするためにアウターセパレータ５５を図示省略している。図１４は、図１３のＧ−Ｇ断面における水素ガスの第１の通流方向を説明する為の断面図である。
【００４７】
図１３に示すように、インナーセパレータ５１が形成する第１流路５２では、ガスケット５７の第１水素流入管部５７１を通ってきた水素ガスは、第１導入溜め部５２１へ導かれそこで複数の第１枝流路５２２に分配される。すると、図１４に示すように、第１枝流路５２２に流れ込んだ水素ガスは、第１枝流路５２２の開口部からＭＥＡ３０へ供給され反応に供される。反応しきれずに残った水素ガスは、第１枝流路５２２をアノードセパレータ５０の下方へ流れ、第１排出溜め部５２３で集められてガスケット５７の第１水素流出管部５７２へ排出される。
【００４８】
ＭＥＡ３０の背面側には、カソードセパレータ６０が表裏反転した姿勢で密着されている。カソードセパレータ６０は、アノードセパレータ５０と同じ構成を有しているので、カソードセパレータ６０の第１流路５２には酸素ガスが流れる。その通流形態は、カソードセパレータ６０の第１流路５２における水素ガスと、ＭＥＡ３０を挟んで表裏反転した格好になる。
【００４９】
ここで、カソードセパレータ６０の第１流路５２における水素濃度に着目すると、上流部ほど濃度が高く、下流へ向かうにつれて濃度が低下する。水素ガスの濃度が高いほど発電量が増えて発熱量が高くなる。よって、カソードセパレータ６０の第１流路５２では、アノードセパレータ５０の上方ほど発熱量が高く下方ほど発熱量が低く、アノードセパレータ５０の上部よりも下部は結露し易いことになる。
【００５０】
図１５は、アノードセパレータ５０における水素ガスの第２の通流方向を説明する為の正面図である。なお、理解を容易にするためにアウターセパレータ５５を図示省略している。図１６は、図１５のＨ−Ｈ断面における水素ガスの第２の通流方向を説明する為の断面図である。
【００５１】
図１５に示すように、インナーセパレータ５１及びアウターセパレータ５５で形成する第２流路５６では、ガスケット５７の第２水素流入管部５７３を通ってきた水素ガスは、第２導入溜め部５６２へ導かれそこで複数の第２枝流路５６４に分配される。すると、図１６に示すように、第２枝流路５６４に流れ込んだ水素ガスは、通気孔５６５からＭＥＡ３０へ供給され反応に供される。反応しきれずに残った水素ガスは、第２枝流路５６４を上方へ流れ、第２排出溜め部５６３で集められてガスケット５７の第２水素流出管部５７４へ排出される。
【００５２】
ＭＥＡ３０の背面側には、カソードセパレータ６０が表裏反転した姿勢で密着されている。カソードセパレータ６０は、アノードセパレータ５０と同じ構成を有しているので、カソードセパレータ６０の第２流路５６には酸素ガスが流れる。その通流形態は、カソードセパレータ６０の第２流路５６における水素ガスと、ＭＥＡ３０を挟んで表裏反転した格好になる。
【００５３】
ここで、アウターセパレータ５５の第２流路５６における水素濃度に着目すると、上流部ほど濃度が高く下流へ向かうにつれて濃度が低下する。水素ガスの濃度が高いほど発電量が増えて発熱量が高くなる。よって、第２流路５６では、アノードセパレータ５０の下方ほど発熱量が高く上方ほど発熱量が低く、下部よりも上部は結露し易いことになる。
【００５４】
更に、ここで第１流路５２における発熱量の分布傾向（図１６中のグラフにおける破線）と、第２流路５６における発熱量の分布傾向（図１６中のグラフにおける実線）とを見比べると分布傾向が丁度逆転している。よって、互いにとって発熱量が低い範囲を発熱量が高い範囲でカバーすることができるので、アノードセパレータ５０全体でみると発熱量の分布は従来よりも均され結露が起こり難くなる。
【００５５】
冒頭で述べた通り、カソードセパレータ６０は、アノードセパレータ５０と同じ構造を有しており、２つの流路部における酸素ガスの通流方向はやはり対向関係をなす。よって、カソードセパレータ６０における発熱量分布もアノードセパレータ５０におけるそれと同様となり、カソードセパレータ６０全体でみると発熱量の分布は従来よりも均され結露が起こり難くなる。
【００５６】
よって、本実施形態によれば、固体高分子形燃料電池におけるフラッディングの発生を防止する新たな技術を実現することができる。
【００５７】
〔第２実施形態〕
次に、本発明を適用した第２実施形態について説明する。なお、以降では第１実施形態との差異についてのみ述べることとし、同様の構成要素については同じ符号を付与し重複する説明は省略する。
【００５８】
図１７は、本実施形態における燃料電池システム１００Ｂの構成例を示す図であって、燃料系並びに制御系に係るシステム構成を示す図である。
燃料電池システム１００Ｂでは、第１実施形態の構成に加えて、第２水素回収配管１２２と第２帰還配管１２７との間に独立して第２の気液分離器１４５及び第２の電動ポンプ１４７を設けている。セルスタック２における第１流路５２と第２流路５６とに関する構成は第１実施形態と同様である。
【００５９】
また、セルスタック２には、アノードセパレータ５０の上半分の第１領域と下半分の第２領域（図４参照）とに、それぞれの領域における反応度合い（発電度合い）を計測するための第１反応センサ７１及び第２反応センサ７２が設けられている。
第１反応センサ７１及び第２反応センサ７２は、例えば、発電された電流により生じる磁気変化を検出する磁気センサや発熱量を知るための温度センサなどをアノードセパレータ５０の発電面の裏面に取り付けることにより実現される。
そして、これらのセンサからの出力信号はセンサの種類に応じた入力インタフェース装置７３を経てデジタル信号に変換されてコンピュータ７４に入力される。
【００６０】
コンピュータ７４は、所定のプログラムを実行することにより、入力された第１反応センサ７１及び第２反応センサ７２による計測結果に基づいて、第１領域と第２領域の発電分布の差が生じないように第１の電動ポンプ１４６及び第２の電動ポンプ１４７を駆動制御する。これによりフラッディングの発生を防止する。
【００６１】
具体的には、第１反応センサ７１及び第２反応センサ７２の計測値の差から第１領域と第２領域との発電分布の差を判定する。
もし、第１反応センサ７１の計測値が第２反応センサ７２の計測値を所与の基準値以上に上回る場合には、第２領域の発電量が低下していると判断して、第２の電動ポンプ１４７の駆動力を上げる制御信号を出力インタフェース装置７５から出力する。つまり、第２流路５６への流量を上げて発電量を増加させる制御を行う。
反対に、第２反応センサ７２の計測値が第１反応センサ７１の計測値を所与の基準値以上に上回る場合には、第１領域の発電量が低下していると判断して、第１の電動ポンプ１４６の駆動力を上げる制御信号を出力インタフェース装置７５から出力する。つまり、第１流路５２への流量を上げて発電量を増加させる。
【００６２】
本実施形態によれば、基本的には第１実施形態と同様にフラッディングを抑制できる。更には、仮に第１流路５２と第２流路５６とで圧力損失に差が生じて発電量に差が生じたとしても、フラッディングが生じる前にこれを補正して防止することができる。
【００６３】
〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明の実施形態がこれらに限定されるものではなく、適宜構成要素の追加・省略・変更を施すことができる。
【００６４】
例えば、上記実施形態におけるインナーセパレータ５１やアウターセパレータ５５における姿勢すなわち上下左右の関係は適宜変更可能である。
【００６５】
また、アノードセパレータ５０には、水素の流入位置と排出位置とを、セパレータの中心を挟んで対向１８０°の位置関係で設けているが、９０°や２７０°の位置関係に設定することも可能である。この場合、第１枝流路５２２や第２枝流路５６４は、上記実施形態のように直線状ではなく、アルファベットのＬ字状に屈曲させることになる。なお、同様のことは、カソードセパレータ６０についても言える。
【００６６】
また、第２実施形態については、未反応水素の回収・帰還の配管構成は適宜変更可能である。例えば、第１水素回収配管１１２の未反応水素を、気液分離器１４４及び電動ポンプ１４６を介して第２水素供給配管１２０へ帰還させ、第２水素回収配管１２２の未反応水素を第２の気液分離器１４５及び第２の電動ポンプ１４７を介して第１水素供給配管１１０へ帰還させる構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
２…セルスタック
５…シングルセル
５０…アノードセパレータ
５１…インナーセパレータ
５１１…第１水素流入孔
５１２…第１水素流出孔
５１３…第２水素流入孔
５１４…第２水素流出孔
５１５…第１酸素流入孔
５１６…第１酸素流出孔
５１７…第２酸素流入孔
５１８…第２酸素流出孔
５２…第１流路
５２１…第１導入溜め部
５２２…第１枝流路
５２３…第１排出溜め部
５５…アウターセパレータ
５５１…嵌着片
５６…第２流路
５６１…上蓋部
５６２…第２導入溜め部
５６３…第２排出溜め部
５６４…第２枝流路
５６５…通気孔
５７…ガスケット
５７１…第１水素流入管部
５７２…第１水素流出管部
５７３…第２水素流入管部
５７４…第２水素流出管部
５７５…第１酸素流入管部
５７６…第１酸素流出管部
５７７…第２酸素流入管部
５７８…第２酸素流出管部
５８０…収容空間
５８１…第１導入溜め部嵌着溝
５８２…第１排出溜め部嵌着溝
５８３…第２導入溜め部嵌着溝
５８４…第２排出溜め部嵌着溝
５８５…通風口
６…マイナス電極
７…プラス電極
８…絶縁版
９ａ，９ｂ…エンドプレート
１１…第１水素流入ポート
１２…第１水素流出ポート
１３…第２水素流入ポート
１４…第２水素流出ポート
１５…第１酸素流入ポート
１６…第１酸素流出ポート
１７…第２酸素流入ポート
１８…第２酸素流出ポート
３０…ＭＥＡ
６０…カソードセパレータ
７１…第１反応センサ
７２…第２反応センサ
７３…入力インタフェース装置
７４…コンピュータ
７５…出力インタフェース装置
１００…燃料電池システム
１１０…第１水素供給配管
１１２…第１水素回収配管
１１７…第１帰還配管
１２０…第２水素供給配管
１２２…第２水素回収配管
１２７…第２帰還配管
１４０…水素供給源
１４２…レギュレータ
１４４…気液分離器
１４５…第２の気液分離器
１４６…電動ポンプ
１４７…第２の電動ポンプ
【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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