(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率を向上させる。【解決手段】本発明は、反応ガスを膜電極接合体に供給して発電する燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータ５０であって、端部に形成された第１ガス入口孔２１と、膜電極接合体との対向面に先端が閉塞されて形成され、第１ガス入口孔２１から供給された反応ガスが流れる溝状の第１反応ガス流路５１ａと、第１反応ガス流路５１ａの先端側に形成された第２ガス入口孔２２と、膜電極接合体との対向面に先端が閉塞されて形成され、第２ガス入口孔２２から供給された反応ガスが第１ガス入口孔２１へと向かって流れる溝状の第２反応ガス流路５１ｂと、を備え、第１反応ガス流路５１ａと第２反応ガス流路５１ｂとを交互に配置したことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを膜電極接合体に供給して発電する燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータであって、
端部に形成された第１ガス入口孔と、
前記膜電極接合体との対向面に先端が閉塞されて形成され、前記第１ガス入口孔から供給された反応ガスが流れる溝状の第１反応ガス流路と、
前記第１反応ガス流路の先端側に形成された第２ガス入口孔と、
前記膜電極接合体との対向面に先端が閉塞されて形成され、前記第２ガス入口孔から供給された反応ガスが前記第１ガス入口孔側へ向かって流れる溝状の第２反応ガス流路と、
を備え、
前記第１反応ガス流路と前記第２反応ガス流路とを交互に配置した
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータであって、
前記第１反応ガス流路の先端閉塞部に形成され、その第１反応ガス流路の断面積より小さく、前記第２ガス入口孔から供給される反応ガスをその第１反応ガス流路に導入する連通孔と、
前記第２反応ガス流路の先端閉塞部に形成され、その第２反応ガス流路の断面積より小さく、前記第１ガス入口孔から供給される反応ガスをその第２反応ガス流路に導入する連通孔と、
を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の反応ガス供給量制御装置であって、
前記セパレータの第１ガス入口孔側から第２ガス入口孔側へ向かって冷却水を流して前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段と、
冷却水流れの上流となる前記第１ガス入口孔から供給される反応ガスの流量と、冷却水流れの下流となる前記第２ガス入口孔から供給される反応ガスの流量との比率を可変とする流量比率可変手段と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段と、
を備え、
前記燃料電池の電圧が予め設定された電圧値よりも低いときは、前記第１ガス入口孔から供給される反応ガスの流量の比率を、前記第２ガス入口孔から供給される反応ガスの流量の比率よりも大きくする
ことを特徴とする反応ガス供給量制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の反応ガス供給量制御装置であって、
前記冷却水の流量を可変とする冷却水流量可変手段を備え、
前記第１ガス入口孔から供給される反応ガスの流量の比率を、前記第２ガス入口孔から供給される反応ガスの流量の比率よりも大きくしたときは、前記冷却水の流量を減少させる
ことを特徴とする反応ガス供給量制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータ及び燃料電池の反応ガス供給量制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池用セパレータは、ガス供給用流路とガス排出用流路とを分離して、ガス供給用流路の全ての反応ガスを、ガス拡散層や触媒層をくぐらせてからガス排出用流路へ排出していた（例えば、特許文献１参照）。これにより、電極反応面に均一に反応ガスを分配でき、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開平１１−１６５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前述した従来の燃料電池セパレータは、ガス供給用流路の全ての反応ガスを、ガス拡散層や触媒層をくぐらせていたので、圧力損失が高かった。そのため、反応ガスを圧送するコンプレッサ等の電力消費が増大し、燃料電池システム全体としての発電効率が低下するという問題点があった。
【０００４】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、電極反応面に均一に反応ガスを分配でき、燃料電池システム全体としての発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、反応ガスを膜電極接合体（１１０）に供給して発電する燃料電池（１１）に用いられる燃料電池用セパレータ（５０）であって、端部に形成された第１ガス入口孔（２１）と、前記膜電極接合体（１１０）との対向面に先端が閉塞されて形成され、前記第１ガス入口孔（２１）から供給された反応ガスが流れる溝状の第１反応ガス流路（５１ａ）と、前記第１反応ガス流路（５１ａ）の先端側に形成された第２ガス入口孔（２２）と、前記膜電極接合体（１１０）との対向面に先端が閉塞されて形成され、前記第２ガス入口孔（２２）から供給された反応ガスが前記第１ガス入口孔（２１）へと向かって流れる溝状の第２反応ガス流路（５１ｂ）と、を備え、前記第１反応ガス流路（５１ａ）と前記第２反応ガス流路（５１ｂ）とを交互に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
セパレータのガス流路の先端を閉塞させたので、ガス流路の先端側ほどガス濃度が低くなる。つまり、第１反応ガス流路は第２ガス入口孔側のガス濃度が低く、第２反応ガス流路は第１ガス入口孔側のガス濃度が低くなる。そのため、隣接する第１反応ガス流路と第２反応ガス流路との間で、ガス濃度の高い部分と低い部分が逆になる。これにより、ガス濃度が高い部分から低い部分へとガスが拡散するので、電極反応面に均一に反応ガスを分配でき、燃料電池の発電効率を向上させ、燃料電池システム全体としての発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電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。
【００１０】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１１】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１のガス供給・排出系を示した概略構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給路２０と、カソードガス供給路３０と、カソードガス排出路４０とを備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の燃料電池（以下「単セル」という）１１と、一対の集電板１２ａ，１２ｂと、一対の絶縁板１３ａ，１３ｂと、一対のエンドプレート１４ａ，１４ｂを備える。
【００１５】
単セル１１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１１の構成の詳細については、図２を参照して後述する。
【００１６】
一対の集電板１２ａ，１２ｂは、積層された複数の単セル１１の外側にそれぞれ配置される。集電板１２ａ，１２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板１２ａ，１２ｂは、上辺の一部に出力端子１５を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子１５によって、各単セル１１で生じた電子ｅ-を取り出して出力する。
【００１７】
一対の絶縁板１３ａ，１３ｂは、集電板１２ａ，１２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板１３ａ，１３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。
【００１８】
一対のエンドプレート１４ａ，１４ｂは、絶縁板１３ａ，１３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート１４ａ，１４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
【００１９】
一対のエンドプレート１４ａ，１４ｂのうち、一方のエンドプレート１４ａには、アノードガス入口孔２１とカソードガス入口孔３１とが形成される。他方のエンドプレート４ｂには、アノードガス入口孔２２とカソードガス出口孔４１とが形成される。
【００２０】
アノードガス供給路２０は、途中で二手に分岐する。分岐した一方のアノードガス供給路２０ａは、アノードガス入口孔２１に接続する。分岐した他方のアノードガス供給路２０ｂは、アノードガス入口孔２２に接続する。
【００２１】
アノードガスは、燃料電池スタック１０の両端に形成されたアノードガス入口孔２１及び２２から発電に必要な量だけ供給される。
【００２２】
カソードガス供給路３０は、カソードガス入口孔３１に接続する。
【００２３】
カソードガス排出路４０は、カソードガス出口孔４１に接続する。
【００２４】
カソードガスは、カソードガス供給路３０を流れ、カソードガス入口孔３１から燃料電池スタック１０に供給される。そして、反応に利用されなかった余剰のカソードガスは、カソードガス出口孔４１からカソードガス排出路４０へと排出される。
【００２５】
このように、本実施形態による燃料電池システム１は、アノードガスの排出路を有さないいわゆるアノードガス閉塞系の燃料電池システムである。この他の燃料電池システムとしては、アノードガスの排出路を有し、電池スタックから排出したアノードガスを循環させて再び燃料電池スタック１０に供給するいわゆるアノードガス循環系の燃料電池システムがある。本実施形態のようなアノードガス閉塞系の燃料電池システムは、アノードガス循環系の燃料電池システムと比べてアノードガスを循環させるための部品が不要となるので、燃料電池システムの小型化が図れるという利点がある。
【００２６】
図２は、単セル１１の断面の一部を示す図である。
【００２７】
単セル１１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１０を、アノードセパレータ５０とカソードセパレータ６０とで挟持して構成する。
【００２８】
ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とを備える。
【００２９】
ＭＥＡ１１０は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
【００３０】
電解質膜１１１は、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である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００３１】
アノード電極１１２は、アノード触媒層１１２ａとアノードガス拡散層１１２ｂとを備える。
【００３２】
アノード触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。アノード触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００３３】
アノードガス拡散層１１２ｂは、アノードガス触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ５０と接する。アノードガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
【００３４】
カソード電極１１３は、カソード触媒層１１３ａとカソードガス拡散層１１３ｂとを備える。カソード触媒層１１３ａ及びカソードガス拡散層１１３ｂの構成は、アノード触媒層１１２ａ及びアノードガス拡散層１１２ｂと同様であり、ここでは説明を省略する。
【００３５】
アノードセパレータ５０は、アノード電極１１２のアノードガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ５０は、アノード電極１１２と接する側に、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数のガス流路５１を有する。
【００３６】
カソードセパレータ６０も同様に、カソード電極１１３のカソードガス拡散層１１３ｂと接する側に、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数のガス流路６１を有する。
【００３７】
なお、アノードセパレータ５０は、ガス流路５１を流れるアノードガスが、隣接するガス流路５１に透過しないように緻密性カーボン材等で構成される。カソードセパレータも同様に緻密性カーボン材等で構成される。
【００３８】
図３は、本発明の第１実施形態によるアノードセパレータ５０をアノード電極側から見た平面図である。
【００３９】
図３に示すように、アノードセパレータ５０は２つのアノードガス入口孔２１及び２２を有する。アノードガス入口孔２１は、アノードセパレータ５０の一方の端部（図中左側）に形成される。アノードガス入口孔２２は、アノードセパレータ５０の他方の端部（図中左側）に形成される。なお、発明の理解を容易にするため、カソードガス入口孔や冷却水入口孔などの記載は省略する。
【００４０】
アノードセパレータ５０の表面には、複数の溝状のガス流路５１が形成される。ガス流路５１は、ガス流路底面５２からアノード電極側へ突出してアノード電極１１２と接するリブ５３の間に形成される流路である。ガス流路の一端は、このリブ５３によって交互に閉塞されている。以下では、リブ５３によって閉塞されている側のガス流路５１の端部を「閉塞端」という。これに対して、リブ５３によって閉塞されていない側のガス流路５１の端部を「開放端」という。
【００４１】
このように、アノードセパレータ５０の表面は、リブ５３によってアノードガス入口孔２１から供給されたアノードガスが流れる領域と、アノードガス入口孔２２から供給されたアノードガスが流れる領域との２つの領域に分割されている。以下では、必要に応じてアノードガス入口孔２１から供給されたアノードガスが流れるガス流路５１を「ガス流路５１ａ」という。アノードガス入口孔２２から供給されたアノードガスが流れるガス流路５１を「ガス流路５１ｂ」という。
【００４２】
図４は、本発明の第１実施形態によるアノードセパレータ５０の作用について説明する図である。以下では、図１及び図２も参照しつつアノードセパレータ５０の作用について説明する。
【００４３】
アノードガスは、アノードセパレータ５０の一端に形成されたアノードガス入口孔２１からガス流路５１ａへ流れ込む。また、アノードガスは、アノードセパレータ５０の他端に形成されたアノードガス入口孔２２からガス流路５１ｂへ流れ込む。
【００４４】
ガス流路５１ａ，５１ｂに流れ込んだアノードガスは、ガス流路５１ａ，５１ｂを流れながらアノード電極１１２と接する。これにより、アノード電極１１２では、上記した式（１）の反応が生じる。
【００４５】
一方、図１及び図２に示すように、カソードガスは、カソードガス入口孔３１からカソードセパレータ６０に形成されたガス流路６１に流れ込む。カソードガスはガス流路６１を流れながらカソード電極１１３と接する。カソード電極１１３では、カソードガスと、式（１）の反応で生じたプロトンＨ+、電子ｅ-とから、式（２）の反応が生じる。
【００４６】
式（２）のカソード反応で発生した水の一部は、アノード電極１１２とカソード電極１１３との水分濃度差によってＭＥＡ１１を通り、アノードセパレータ５０に形成されたガス流路５１ａ，５１ｂへと拡散移動していく。
【００４７】
ところで、本実施形態による燃料電池システム１は、アノードガス閉塞系の燃料電池システムなので、アノードセパレータ５０は、アノードガス排出路を有していない。そのため、式（２）のカソード反応で発生し、アノードセパレータ５０のガス流路５１ａ，５１ｂへと拡散移動した水は、ガス流路５１ａ，５１ｂに滞留することになる。つまり、式（１）（２）の電極反応が進行している発電中において、アノードセパレータ５０では、アノードガス入口孔２１，２２から新たに供給されるアノードガスが式（１）の反応によって消費される一方で、式（２）の反応によって生じた水の一部が滞留していくことになる。
【００４８】
その結果、図４に示すように、ガス流路５１ａ，５１ｂの閉塞端側に水が滞留することになる。これにより、ガス流路５１ａ，５１ｂのアノードガス濃度は、閉塞端側ほど低くなる。一方で水分濃度は、閉塞端側ほど高くなる。このように、ガス流路内でアノードガス濃度に差が生じると、アノード電極１１２の反応面における電流密度分布が不均一となり、単セル１１の性能が低下する。
【００４９】
しかし、本実施形態によるアノードセパレータ５０は、ガス流路５１の一端を交互に閉塞する構成とした。そのため、ガス流路５１ａは、ガス流路５１ａの開放端側（図中左側）にいくほどアノードガス濃度が高くなる。これに対してガス流路５１ｂは、ガス流路５１ａの開放端側（図中左側。つまりガス流路５１ｂの閉塞端側）にいくほどアノードガス濃度が低くなる。
【００５０】
これにより、アノードガス拡散層１１２ｂを介して、ガス濃度の高いガス流路５１ａの開放端側からガス濃度の低いガス流路５１ｂの閉塞端側へとアノードガスが拡散移動する。そうすると、アノードガスが拡散移動してくるガス流路５１ｂの閉塞端側で反応が起きる。そして、このときの反応熱によってガス流路５１ｂの閉塞端側に滞留していた水が蒸発する。水蒸気となった水は、アノードガスとは逆に、アノード拡散層１１２ｂを介して水分濃度が高いガス流路５１ｂの閉塞端側から水分濃度が低いガス流路５１ａの開放端側へと拡散移動する。
【００５１】
その結果、ガス流路内でのアノードガス濃度が均一になるので、アノード電極１１２の反応面における電流密度分布を均一にすることができる。
【００５２】
また、水蒸気となった水がガス流路５１ａ，５１ｂの開放端側に拡散するので、アノードガス入口孔２１，２２から供給されてガス流路５１ａ，５１ｂを流れるアノードガスを加湿することができる。これにより、ＭＥＡ１１０を加湿することができるので単セル１１の出力を向上させることができる。
【００５３】
図５は、本発明の第１実施形態によるアノードセパレータ５０の効果について説明する図である。
【００５４】
図５（Ａ−１）（Ａ−２）は、本実施形態によるアノードセパレータ５０のガス流路反応面における電流密度分布を示した図である。図５（Ｂ−１）（Ｂ−２）は、本実施形態との比較例として、アノードガス入口孔が１つしかないセパレータのガス流路反応面における電流密度分布を示した図である。図５（Ｃ−１）（Ｃ−２）も同様に、本実施形態との比較例として、ガス流路に閉塞端がないセパレータのガス流路反応面における電流密度分布を示した図である。
【００５５】
図５（Ａ−１）に示すように、本実施形態によるアノードセパレータ５０によれば、ガス流路間でアノードガス濃度を均一にできる。そのため、図５（Ａ−２）に示すように、ガス流路反応面における電流密度分布を均一にすることができる。
【００５６】
一方で、図５（Ｂ−１）に示すように、アノードガス入口孔が１つしかないセパレータの場合、すべてのガス流路において、閉塞端側のアノードガス濃度が低くなり、隣接するガス流路間でのアノードガスの拡散も発生しない。そのため、図５（Ｂ−２）に示すように、ガス濃度が高い開放端側に比べてガス濃度が低い閉塞端側の電流密度分布が低下してしまい、ガス流路反応面における電流密度分布を均一にすることができない。
【００５７】
また、図５（Ｃ−１）に示すように、ガス流路に閉塞端がないセパレータの場合、すべてのガス流路において、ガス流路中央のアノードガス濃度が低くなり、隣接するガス流路間でのアノードガスの拡散も発生しない。そのため、図５（Ｃ−２）に示すように、ガス濃度が高い両端の開放端側に比べてガス濃度が低い流路中央部の電流密度分布が低下してしまい、ガス流路反応面における電流密度分布を均一にすることができない。
【００５８】
以上説明した本実施形態によれば、アノードセパレータ５０のガス流路の一端を交互に閉塞する構成とした。そのため、ガス流路５１ａは、ガス流路５１ａの開放端側ほどアノードガス濃度が高くなる。これに対してガス流路５１ｂは、ガス流路５１ａの開放端側（つまりガス流路５１ｂの閉塞端側）ほどアノードガス濃度が低くなる。
【００５９】
これにより、アノードガス拡散層１１２を介して、ガス濃度の高いガス流路５１ａの開放端側からガス濃度の低いガス流路５１ｂの閉塞端側へとアノードガスが拡散移動する。そうすると、アノードガスが拡散移動してくるガス流路５１ｂの閉塞端側で反応が起きる。そして、このときの反応熱によってガス流路５１ｂの閉塞端側に滞留していた水が蒸発する。水蒸気となった水は、アノードガスとは逆に、アノード拡散層１１２を介して水分濃度が高いガス流路５１ｂの閉塞端側から水分濃度が低いガス流路５１ａの開放端側へと拡散移動する。
【００６０】
その結果、ガス流路内でのアノードガス濃度が均一になるので、アノード電極１１２の反応面における電流密度分布を均一にすることができる。
【００６１】
また、水蒸気となった水がガス流路５１ａ，５１ｂの開放端側に拡散するので、アノードガス入口孔２１，２２から供給されてガス流路５１ａ，５１ｂを流れるアノードガスを加湿することができる。これにより、ＭＥＡ１１１を加湿することができるので単セル１１の出力を向上させることができる。
【００６２】
さらに、アノードガス閉塞系の燃料電池システムとしたので、アノードガス循環系の燃料電池システムと比べて、アノードガスを循環させる部品が不要となり、燃料電池システム１を小型化することができる。
【００６３】
（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態によるアノードセパレータ２５０について説明する。本実施形態は、ガス流路５１の閉塞端に連通孔２５４を形成した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００６４】
図６は、本発明の第２実施形態によるアノードセパレータ２５０をアノード電極側から見た平面図である。
【００６５】
本実施形態によるアノードセパレータ２５０は、ガス流路５１ａの閉塞端に形成され、ガス流路５１ａにアノードガス入口孔２２から供給されるアノードガスを導入する連通孔２５４ａを有する。また、ガス流路５１ｂの閉塞端に形成され、ガス流路５１ｂにアノードガス入口孔２１から供給されるアノードガスを導入する連通孔２５４ｂを有する。本実施形態では、連通孔２５４ａ，２５４ｂの断面積は同じである。これら連通孔２５４ａ，２５４ｂを有する点以外は第１実施形態によるアノードセパレータ５０と同様の構成である。
【００６６】
なお、閉塞端に形成される連通孔２５４ａ，２５４ｂの断面積は、ガス流路５１ａ，５１ｂの断面積よりも小さくなるように形成されているので、開放端側のほうが閉塞端側よりもガス濃度が高くなる。これにより、第１実施形態と同様に、アノードガス拡散層１１２ｂを介して、ガス濃度の高いガス流路５１ａの開放端側からガス濃度の低いガス流路５１ｂの閉塞端側へとアノードガス濃度が拡散移動する。
【００６７】
さらに、本実施形態では、連通孔２５４ｂを介して、アノードガス入口孔２１から供給されるアノードガスがガス濃度の低いガス流路５１ｂの閉塞端側へと導入される。
【００６８】
そうすると、ガス流路５１ａから拡散移動してきたアノードガスと連通孔２５４ｂから導入されるアノードガスとによって、ガス濃度が低かったガス流路５１ｂの閉塞端側のガス濃度が高まり反応が起きる。そして、このときの反応熱によってガス流路５１ｂの閉塞端側に滞留していた水が蒸発する。水蒸気となった水は、アノードガスとは逆に、アノード拡散層１１２を介して水分濃度が高いガス流路５１ｂの閉塞端側から水分濃度が低いガス流路５１ａの開放端側へと拡散移動する。
【００６９】
その結果、図７に示すように、ガス流路５１のアノードガス濃度と水分濃度とを均一にすることができる。したがって、アノード電極１１２の反応面における電流密度分布を均一にすることができる。
【００７０】
図８は、本実施形態によるアノードセパレータ２５０を使用した燃料電池システム１の概略構成図である。
【００７１】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給機構２と、カソードガス供給・排出機構３と、冷却水循環機構７と、コントローラ８とを備える。
【００７２】
アノードガス供給機構２は、燃料タンク２３と、アノードガス供給路２０とを備える。
【００７３】
燃料タンク２３は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスを貯蔵する。
【００７４】
アノードガス供給路２０ａには、圧力制御弁２４が設けられる。アノードガス供給路２０ｂにも同様に、圧力制御弁２５が設けられる。燃料電池システム１は、コントローラ８によって圧力制御弁２４，２５の開度を調節することで、アノードガス入口孔２１から供給するアノードガス量と、アノードガス入口孔２２から供給するアノードガス量とを自在に調節することができる。
【００７５】
カソードガス供給・排出機構３は、コンプレッサ３２と、カソードガス供給路３０と、カソードガス排出路４０とを備える。
【００７６】
コンプレッサ３２は、加圧した空気を、カソードガス供給路３０を介して燃料電池スタック１０に供給する。
【００７７】
冷却水循環機構７は、冷却水循環路７０と、ラジエータ７３と、冷却水循環ポンプ７４とを備える。
【００７８】
冷却水循環路７０は、燃料電池スタック１０のエンドプレート４ａに形成された冷却水入口孔７１と、エンドプレート４ｂに形成された冷却水出口孔７２とに接続される。
【００７９】
ラジエータ７３は、燃料電池スタック１０から排出された高温の冷却水を冷却する。
【００８０】
冷却水循環ポンプ７４は、冷却水循環路７０の冷却水を循環させる。冷却水循環ポンプ７４は、吐出流量を変更することができる。
【００８１】
燃料電池スタック１０は、電圧センサ１６を備える。
【００８２】
電圧センサ１６は、燃料電池スタック１０の両端に設けられた単セルのうち、冷却水出口孔７２が形成されたエンドプレート４ｂ側の単セル（以下「端部セル」という）の電圧を検出する。
【００８３】
コントローラ８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等からなり、上述した圧力制御弁２４，２５の開度及び冷却水循環ポンプ７４の吐出量を運転条件に応じて制御する。
以下では、この圧力制御弁２４，２５の開度及び冷却水循環ポンプ７４の吐出量の制御について説明する。
【００８４】
図９は、圧力制御弁２４，２５の開度及び冷却水循環ポンプ７４の吐出量の制御を説明するフローチャートである。コントローラ８は、このルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。
【００８５】
ステップＳ１において、コントローラ８は、燃料電池スタック１０の出力が所定以上あるか否かを判定する。具体的には、電圧センサ１６で検出した端部セルの電圧Ｖendと所定電圧Ｖ1とを比較する。一般に、積層された単位セル１１のうち、端部セルの電圧低下が最も著しく、端部セルの電圧Ｖendが所定電圧Ｖ1より高ければ、燃料電池スタック１０の出力が所定以上と判断できるからである。コントローラ８は、端部セルの電圧Ｖendが所定電圧Ｖ1より低ければステップＳ２に処理を移行する。一方で、端部セルの電圧Ｖendが所定電圧Ｖ1より高ければステップＳ３に処理を移行する。
【００８６】
ステップＳ２において、コントローラ８は、ガス量調節運転時処理を実行する。具体的な内容は図１０を参照して後述する。
【００８７】
ステップＳ３において、コントローラ８は、通常運転時処理を実行する。具体的な内容は図１１を参照して後述する。
【００８８】
図１０は、ガス量調節運転時処理を示すフローチャートである。
【００８９】
ステップＳ２１において、コントローラ８は、冷却水入口孔７１が形成されている側から供給されるアノードガスの流量を、冷却水出口孔７２が形成されている側から供給されるアノードガスの流量よりも多くする。つまり、アノードガス入口孔２１から供給されるアノードガス量を、アノードガス入口孔２２から供給されるアノードガス量よりも多くする。具体的には、圧力制御弁２４の開度を圧力制御弁２５の開度より大きくする。
【００９０】
ステップＳ２２において、コントローラ８は、燃料電池スタック１０を流れる冷却水の流量を低減させる。具体的には、コントローラ８は、冷却水循環ポンプ７４の吐出流量を通常運転時よりも低減させる。
【００９１】
図１１は、通常運転時処理を示すフローチャートである。
【００９２】
ステップＳ３１において、コントローラ８は、アノードガス入口孔２１から導入されるアノードガス量と、アノードガス入口孔２２から導入されるアノードガス量とを等しくする。具体的には、圧力制御弁２４の開度と圧力制御弁２５の開度とを同じにする。
【００９３】
ステップＳ３２において、コントローラ８は、ガス量調節運転時に低減させていた冷却水循環ポンプ７４の吐出流量を元に戻し、燃料電池スタック１０を流れる冷却水の流量を元に戻す。
【００９４】
図１２は、ガス量調節運転時におけるアノードセパレータ２５０のアノードガスのガス濃度の分布を示した図である。
【００９５】
ガス量調節運転時は、アノードガス入口孔２２から導入されるアノードガス量に比べて、アノードガス入口孔２１から導入されるアノードガス量が多い。
【００９６】
したがって、ガス流路５１ａにおいては、アノードガスが開放端からガス流路５１ａに導入されるので、閉塞端側に水が多く存在することになる。
【００９７】
これに対して、ガス流路５１ｂにおいては、アノードガス入口孔２２から導入される多量のアノードガスが連通孔２５４ｂを介して導入される一方で、アノードガス入口孔２１から導入されるアノードガスは少量なので、開放端側に水が多く存在することになる。
【００９８】
このように、ガス量調節運転時は、いずれのガス流路５１ａ，５１ｂにおいても、多量のアノードガスが導入されているアノードガス入口孔２１側のアノードガス濃度が高くなる。つまり、ガス流路５１ａでは開放端側のガス濃度が高くなり、ガス流路５１ｂでは閉塞端側のガス濃度が高くなる。
【００９９】
図１３は、通常運転時におけるアノードセパレータ２５０のガス流路反応面における温度分布と水分濃度分布とを示した図である。
【０１００】
通常運転時は、アノードガス入口孔２１から導入されるアノードガス量と、アノードガス入口孔２２から導入されるアノードガス量とは等しい。そのため、図６及び図７を参照して説明したように、ガス流路５１のアノードガス濃度と水分濃度とを均一にすることができる。
【０１０１】
したがって、図１３（Ｂ）に示すように、ガス流路反応面における水分濃度分布は均一となる。
【０１０２】
また、冷却水は、図中左から右へと流れている。したがって、図１３（Ａ）に示すように、ガス流路反応面における温度分布は、アノードガス入口孔２２に近づくほど高くなる。
【０１０３】
図１４は、ガス量調節運転時におけるアノードセパレータ２５０のガス流路反応面における温度分布と水分濃度分布とを示した図である。
【０１０４】
ガス量調節運転時は、アノードガス入口孔２２から導入されるアノードガス量に比べて、アノードガス入口孔２１から導入されるアノードガス量が多い。
【０１０５】
したがって、ガス流路５１ａにおいては、アノードガスが開放端からガス流路５１ａに導入されるので、閉塞端側に水が多く存在することになる。
【０１０６】
これに対して、ガス流路５１ｂにおいては、アノードガス入口孔２２から導入される多量のアノードガスが連通孔２５４ｂを介して導入される一方で、アノードガス入口孔２１から導入されるアノードガスは少量なので、開放端側に水が多く存在することになる。
【０１０７】
このように、ガス量調節運転時は、いずれのガス流路５１ａ，５１ｂにおいても、アノードガス入口孔２２側に水が滞留することになる。つまり、ガス流路５１ａでは閉塞端側の水分濃度が高くなり、ガス流路５１ｂでは開放端側の水分濃度が高くなる。
【０１０８】
したがって、図１４（Ｂ）に示すように、ガス流路反応面における水分濃度分布は、アノードガス入口孔２１側に比べて、アノードガス入口孔２２側のほうが高くなる。
【０１０９】
また、ガス量調節運転時は、燃料電池スタック１０内を流れる冷却水の流量が抑えられている。そのため、図１４（Ａ）に示すように、通常運転時と比べて、ガス流路反応面における温度上昇が大きくなる。
【０１１０】
このように、ガス流路反応面において、温度が高い部分と、水分濃度が高い部分を一致させることで、ガス流路５１ａ，５１ｂに滞留する水を積極的に蒸発させることができる。これにより、ガス流路５１ａ，５１ｂのガス濃度の分布を均一にでき、アノード電極１１２の反応面における電流密度分布を均一にすることができる。また、ガス濃度も高くなるので、単セル１１の出力を向上させることができる。
【０１１１】
以上説明した本実施形態によれば、ガス流路５１ａ，５１ｂの閉塞端に、連通孔２５４ａ，２５４ｂを設けた。閉塞端に形成される連通孔２５４ａ，２５４ｂの断面積は、ガス流路５１ａ，５１ｂの断面積よりも小さくなるように形成されている。
【０１１２】
したがって、アノードガス入口孔２１及び２２から導入されるアノードガス量が同じ場合には、各ガス流路５１ａ，５１ｂ開放端側のほうが閉塞端側よりもガス濃度が高くなる。これにより、第１実施形態と同様に、アノードガス拡散層１１２ｂを介して、ガス濃度の高いガス流路５１ａの開放端側からガス濃度の低いガス流路５１ｂの閉塞端側へとアノードガス濃度を拡散移動させることができる。
【０１１３】
さらに本実施形態では、連通孔２５４ｂからもガス流路５１ｂの閉塞端側にアノードガスを導入することができるため、第１実施形態よりもガス流路５１ａ，５１ｂのガス濃度を均一にすることができる。
【０１１４】
一方で、アノードガス入口孔２１及び２２から導入されるアノードガス量が異なる場合には、アノードガスが多量に導入されている入口孔側のガス濃度が高くなり、その反対側は水分濃度が高くなる。
【０１１５】
したがって、冷却水の流れ方向と一致する方向に流れるアノードガス量を多くすることで、反応面の温度が高くなる冷却水下流側のガス流路流の水分濃度を高くすることができる。これにより、水分濃度が高い部分と、反応面の温度が高い部分とを一致させることができるので、水分の蒸発を促進することができる。その結果、ガス流路５１ａ，５１ｂのガス濃度の分布を均一にでき、アノード電極１１２の反応面における電流密度分布を均一にすることができる。また、ガス濃度も高くなるので、単セル１１の出力を向上させることができる。
【０１１６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１１７】
例えば、第２実施形態では、ガス量調節運転時に冷却水流量を減少させたが、冷却水流量を減少させなくても、冷却水下流側の反応面の温度は上昇するので、水分の蒸発を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】燃料電池システムのガス供給・排出系を示した概略構成図である。
【図２】単セルの断面の一部を示す図である。
【図３】第１実施形態によるアノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。
【図４】第１実施形態によるアノードセパレータの作用について説明する図である。
【図５】第１実施形態によるアノードセパレータの効果について説明する図である。
【図６】第２実施形態によるアノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。
【図７】第２実施形態によるアノードセパレータの効果について説明する図である。
【図８】第２実施形態によるアノードセパレータを使用した燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】圧力制御弁の開度及び冷却水循環ポンプの吐出量の制御を説明するフローチャートである。
【図１０】ガス量調節運転時処理を示すフローチャートである。
【図１１】通常運転時処理を示すフローチャートである。
【図１２】ガス量調節運転時におけるアノードセパレータのアノードガスのガス濃度の分布を示した図である。
【図１３】通常運転時におけるアノードセパレータのガス流路反応面における温度分布と水分濃度分布とを示した図である。
【図１４】ガス量調節運転時におけるアノードセパレータのガス流路反応面における温度分布と水分濃度分布とを示した図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１１    燃料電池
２１    アノードガス入口孔（第１ガス入口孔）
２２    アノードガス入口孔（第２ガス入口孔）
５０    アノードセパレータ（燃料電池用セパレータ）
５１ａ  ガス流路（第１反応ガス流路）
５１ｂ  ガス流路（第２反応ガス流路）
５３    リブ（先端閉塞部）
１１０    膜電極接合体
２５４ａ  連通孔
２５４ｂ  連通孔
Ｓ２１    比率可変手段
Ｓ２２    冷却水量可変手段
Ｓ３１    比率可変手段
Ｓ３２    冷却水量可変手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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