JP2009140795A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転停止の際の掃気時間の短縮化を図る。
【解決手段】ガス流路形成部材３０は、貫通孔３０Ｈを多列に多段に備え、この貫通孔の並びをガス流路とし、ＭＧＥＡ２５とセパレータ４０の間に組み込まれる。それぞれの貫通孔３０Ｈにおけるボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓは、傾斜しており、通常運転時には供給された空気を、傾斜したボンド部３０Ｂとストランド部３０Ｓにてセパレータ４０の側に案内しつつ下流に流して、ガス拡散層２３ａを供給する。掃気時には、通常運転時とガスの流れを逆にして、供給された空気を、傾斜したボンド部３０Ｂとストランド部３０Ｓにてガス拡散層２３ａの側に案内しつつ下流に流して、ガス拡散層２３ａに入り込ませる。
【選択図】図７

Description

本発明は、電解質膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極接合体をセパレータを介在させて複数積層したスタック構造の燃料電池に関する。

こうした燃料電池は、発電のための通常運転時において、膜電極接合体における両ガス拡散電極に反応ガス、例えば水素ガスと酸素含有ガス（空気）との供給を受けて水素と酸素の電気化学反応を起こし、これにより発電する。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生成し、この生成水は、燃料電池の通常運転中は、継続して供給される空気により外部に排出されるものの、通常運転の停止後には、空気供給が停止することから、カソードに残存することがあり得る。このように生成水が残存したままであると、寒冷地等では外気温の低下に伴って残存生成水がガス拡散電極の側で凍結し、ガス拡散電極の細孔の閉塞を起こしかねない。よって、発電運転の停止後においても空気の供給を継続して残存生成水を外部に排出する掃気の手法が種々提案されている（特許文献１等）。

特開２００５−２０９６０９号公報

上記の特許文献では、掃気の際には、発電運転の際の空気の流れと逆の向きに空気を供給することが提案されている。しかしながら、この逆向きの空気は、膜電極接合体に接合したガス拡散電極とセパレータの間の流路を流れの向きが逆に流れているに過ぎないので、凍結によるガス拡散電極の細孔閉塞を短時間の内に完了するよう掃気の短縮化が望まれるに至った。

本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の運転停止の際の掃気時間の短縮化を図ることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用：燃料電池]
電解質膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極接合体をセパレータを介在させて複数積層したスタック構造の燃料電池であって、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に組み込まれ、前記ガス拡散電極の電極面に亘ってガスを供給するガス供給流路を形成する流路形成部材と、
発電のために燃料電池が運転する通常運転時にあっては、前記流路形成部材に対して前記電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた第１の流れ方向で前記ガスを導き、前記通常運転の停止の際、前記流路形成部材に対して前記第１の流れ方向と逆向きの第２の流れ方向で前記ガスを導くガス導入手段とを備え、
前記膜電極接合体の少なくとも一方の側における前記流路形成部材は、前記ガス供給流路においてガスを下流側に流し得るよう傾斜した傾斜部を多列に備え、
該傾斜部は、前記第２の流れ方向で導入されるガスを前記ガス拡散電極の側に案内しつつ前記第２の流れ方向に沿って下流に流す
ことを要旨とする。

上記構成の燃料電池では、通常運転の状況では、膜電極接合体とセパレータとの間の流路形成部材におけるガス供給流路に、電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた第１の流れ方向でガスが導かれる。このガスは、流路形成部材がガス供給流路において多列に備える傾斜部と干渉するが、この傾斜部は下流側に流し得るよう傾斜していることから、第１の流れ方向でガス供給流路を流れてガス拡散電極の電極面に亘って支障なく供給される。しかも、この傾斜部は、第２の流れ方向で導入されるガスをガス拡散電極の側に案内しつつ第２の流れ方向に沿って下流に流すので、第２の流れ方向とは逆の第１の流れ方向で導入されるガスについては、当該ガスをセパレータの側に案内しつつ第１の流れ方向に沿って下流に流す。よって、セパレータの側に貯まった水分は、第１の流れ方向で流れるガス（以下、第１の流れ方向ガス、と称する）に含有されて下流に流れるので、ガス拡散電極には、水分含有の状態で第１の流れ方向ガスが供給されるので、通常運転の状況下では、ガス拡散電極の不用意な乾燥を高い実効性で回避できる。

その一方、通常運転の停止の際には、ガス供給流路におけるガスの流れは第１の方向と逆の第２の方向となり、この第２の方向で流れるガス（以下、第２の流れ方向ガス、と称する）にあっても、ガス供給流路の多列の傾斜部と干渉しつつ下流側に流れる。ところが、この第２の流れ方向ガスは、傾斜部により、ガス拡散電極の側に案内されつつ第２の流れ方向に沿って下流に流れるので、ガス拡散電極と第２の流れ方向ガスの接触機会は、ガス拡散電極の側への案内がなされる分だけ増える。よって、第２の流れ方向ガスは、ガス拡散電極の側に貯まった水分を含んで当該水分を下流に流し出して掃気を図るので、通常運転の停止の際に第２の流れ方向ガスによりガス拡散電極をより確実かつ短時間の内に乾かすことができる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、通常運転の際には、既述したようにガス拡散電極を不用意に乾燥させないようにして電気化学反応の進行の円滑化、延いては発電性能の維持を図った上で、通常運転の停止の際には、ガス供給流路における傾斜部によって第２の流れ方向ガスによるガス拡散電極の乾燥を早めて掃気時間を短縮できる。

上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記スタック構造とされた前記膜電極接合体と前記セパレータとの間のそれぞれの前記流路形成部材にガスが行き渡るよう、第１ガス流路を前記電極面の外側に形成し、前記それぞれの前記流路形成部材を通過したガスを外部に導くよう、前記第１ガス流路と前記電極面を挟んで第２ガス流路を前記電極面の外側に形成する。そして、ガス導入手段により、前記第１ガス流路から前記第１の流れ方向で前記ガスを前記第２ガス流路に導き、前記第２ガス流路から前記第２の流れ方向で前記ガスを前記第１ガス流路に導くようにする。こうすれば、スタック構造とされた膜電極接合体のそれぞれにおいて、第２の流れ方向ガスによる掃気の短縮化を図ることができる。

そして、ガスの供給源を備えた上で、当該供給源からのガス供給を図るに当たり、前記ガス導入手段により、前記供給源を前記第１ガス流路と前記第２ガス流路の一方に選択的に接続するようにできる。こうすれば、接続対象の流路選択という簡単な構成で、通常運転の際の発電性能維持と、通常運転の停止の際の掃気時間の短縮化を容易に両立できる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システム１０００の全体構成を概略的に示す説明図、図２は燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、高圧タンク或いは改質器等の水素ガス供給源２００と、酸化ガスとしての空気を供給するブロア３００と、燃料電池１００に冷却水を循環させて冷却を図るラジエータ４００と、システムの制御を統括する制御装置５００とを備える。燃料電池１００は、スタック構造とされ、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池である。なお、燃料電池１００の詳細な構成については後述する。

水素ガス供給源２００から燃料電池１００に掛けては、バルブユニット２１０を介在させて上流側供給管路２１２と下流側供給管路２１４とが配管され、燃料電池１００からは、上流側排気管路２１６と下流側排気管路２１８がバルブユニット２１０を介在させて配管されている。バルブユニット２１０は、内蔵するバルブにより上流側供給管路２１２の接続管路を下流側供給管路２１４と上流側排気管路２１６の一方に選択的に切り換え可能とされている。よって、バルブユニット２１０により、水素ガス供給源２００は、下流側供給管路２１４と上流側排気管路２１６の一方と選択的に接続し、このいずれかの管路を経て水素ガスを燃料電池１００に次のような経路で供給する。

燃料電池システム１０００の初期状態および燃料電池１００の運転状態では、バルブユニット２１０は、上流側供給管路２１２と下流側供給管路２１４とを連通させるバルブポジション（初期ポジション／通常運転ポジション）を取る。このバルブポジションにあるとき、水素ガス供給源２００からは、上流側供給管路２１２→バルブユニット２１０→下流側供給管路２１４→燃料電池１００→上流側排気管路２１６→バルブユニット２１０→下流側排気管路２１８の水素ガス通常経路ＮＬＨが形成される。よって、水素ガス供給源２００からの水素ガス（燃料ガス）は、バルブユニット２１０および下流側供給管路２１４を経て、燃料電池１００に供給されて燃料電池１００におけるそれぞれの燃料電池セル１０のアノードで消費される。そして、アノードオフガスは、上流側排気管路２１６とバルブユニット２１０および下流側排気管路２１８を経て、排気される。

後述する掃気処理の際、バルブユニット２１０は、上流側供給管路２１２と上流側排気管路２１６とを連通させるバルブポジション（掃気ポジション）を取る。このバルブポジションにあるとき、水素ガス供給源２００からは、上流側供給管路２１２→バルブユニット２１０→上流側排気管路２１６→燃料電池１００→下流側供給管路２１４→バルブユニット２１０→下流側排気管路２１８の水素ガス掃気経路ＳＬＨが形成される。つまり、掃気処理の際における燃料電池１００に対しての水素ガス供給源２００からの水素ガス供給は、上記した通常運転時の水素ガス通常経路ＮＬＨでのガス供給とは逆向きになされることになる。

燃料電池１００に対する空気の供給も同様であり、ブロア３００から燃料電池１００に掛けては、バルブユニット３１０を介在させて上流側供給管路３１２と下流側供給管路３１４とが配管され、燃料電池１００からは、上流側排気管路３１６と下流側排気管路３１８がバルブユニット３１０を介在させて配管されている。バルブユニット３１０にあっても、バルブユニット２１０と同様、内蔵するバルブにより上流側供給管路３１２の接続管路を下流側供給管路３１４と上流側排気管路３１６の一方に選択的に切り換える。よって、バルブユニット３１０により、ブロア３００は、下流側供給管路３１４と上流側排気管路３１６の一方と選択的に接続し、このいずれかの管路を経て空気を燃料電池１００に次のような経路で供給する。

燃料電池システム１０００の初期状態および燃料電池１００の運転状態では、バルブユニット３１０は、上流側供給管路３１２と下流側供給管路３１４とを連通させるバルブポジション（初期ポジション／通常運転ポジション）を取る。このバルブポジションにあるとき、ブロア３００からは、上流側供給管路３１２→バルブユニット３１０→下流側供給管路３１４→燃料電池１００→上流側排気管路３１６→バルブユニット３１０→下流側排気管路３１８の空気通常経路ＮＬＯが形成される。よって、ブロア３００からの空気（酸化ガス）は、バルブユニット３１０および下流側供給管路３１４を経て、燃料電池１００に供給されて燃料電池１００におけるそれぞれの燃料電池セル１０のカソードで消費される。そして、カソードオフガスは、上流側排気管路３１６とバルブユニット３１０および下流側排気管路３１８を経て、排気される。

掃気処理の際では、バルブユニット３１０は、上流側供給管路３１２と上流側排気管路３１６とを連通させるバルブポジション（掃気ポジション）を取る。このバルブポジションにあるとき、ブロア３００からは、上流側供給管路３１２→バルブユニット３１０→上流側排気管路３１６→燃料電池１００→下流側供給管路３１４→バルブユニット３１０→下流側排気管路３１８の空気掃気経路ＳＬＯが形成される。つまり、掃気処理の際における燃料電池１００に対してのブロア３００からの空気供給は、上記した通常運転時の空気通常経路ＮＬＯでのガス供給とは逆向きになされることになる。

制御装置５００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータで構成され、イグニッションスイッチ５１０や、要求負荷の検出等のためのセンサ群５１２からの信号を受け、燃料電池システム１０００の運転制御を司る。簡便に説明すると、制御装置５００は、要求される負荷を賄うために必要な発電量、即ち燃料ガス・酸化ガ（水素ガス・空気）の供給量を演算し、その演算量でのガス供給が達成できるよう上流側供給管路２１２や上流側供給管路３１２の図示しない流量調整弁を制御する。また、イグニッションスイッチ５１０からの信号に基づいてバルブユニット２１０、３１０を駆動制御し、バルブポジションを通常運転ポジションと掃気ポジションのいずれかに切り換える。

次に、燃料電池１００について説明する。図２に示すように、燃料電池１００は、燃料電池セル１０を複数積層したスタック構造とされ、両端のエンドプレート８５，８６にてスタック構造の燃料電池セル１０を狭持する。本実施例の１００は、空気および水素をエンドプレート８５からそれぞれの燃料電池セル１０に供給しつつ、その余剰分とアノードオフガスおよびカソードオフガスを他方のエンドプレート８６の側の燃料電池セル１０にて（詳しくは当該セルのパレータにて）折り返してエンドプレート８５の側に戻す、いわゆるデッドエンドタイプの燃料電池である。冷却水についても、エンドプレート８５からそれぞれの燃料電池セル１０に供給されて折り返され、エンドプレート８５に戻る。このため、エンドプレート８５は、アノードガス（水素ガス）を供給するための貫通孔８５ａと、カソードガス（空気）を供給するための貫通孔８５ｂと、アノードオフガスを排出するための貫通孔８５ｃと、カソードオフガスを排出するための貫通孔８５ｄと、冷却水を供給するための貫通孔８５ｅ、および冷却水を排出するための貫通孔８５ｆを備える。そして、既述した下流側供給管路２１４は貫通孔８５ａと、上流側排気管路２１６は貫通孔８５ｃと、下流側供給管路３１４は貫通孔８５ｂと、上流側排気管路３１６は貫通孔８５ｄとそれぞれ接続され、ラジエータ４００からの冷却配管は貫通孔８５ｅと貫通孔８５ｆに接続されている。よって、水素ガス供給源２００からの水素ガスは、エンドプレート８５の貫通孔８５ａを介して燃料電池１００内部に供給され、ブロア３００からの空気は、貫通孔８５ｂを介して燃料電池１００内部に供給される。冷却水は、ラジエータ４００で冷却され貫通孔８５ｅを介して燃料電池１００に供給される。

燃料電池セル１０は、電解質膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極接合体としてのＭＥＡ２４（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備え、このＭＥＡ２４は、その両側にガス拡散層２３ａ、２３ｂが接合した形態のＭＥＧＡ２５とされている。そして、燃料電池セル１０は、このＭＧＡ２５をシールガスケット２６と一体に形成して備え、ＭＧＡ２５に重なるように、ガス流路形成部材３０、３１をＭＥＡ２４とセパレータ４０の間に組み込んで備える。このガス流路形成部材３０、３１は、後述するように多列の貫通孔およびその形成壁を傾斜させてガス流路を形成し、ＭＥＧＡ２５のガス拡散層２３ａ、２３ｂ延いてはＭＥＡ２４の電極面に亘ってガスを供給する。

ＭＥＡ２４は、電解質膜２１の表面上に、ガス拡散電極としてのカソード電極触媒層２２ａとアノード電極触媒層２２ｂを備える。電解質膜２１は、プロトン伝導性を備え、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料の薄膜であり、セパレータ４０の外形よりも小さくガス流路形成部材３０、３１の外形よりも大きい長方形に形成されている。電解質膜２１は、例えば、ナフィオン膜（ナフィオンは登録商標）である。電解質膜２１の表面上に形成されたカソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金を担持した触媒層とされている。

ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、気孔率が約２０％程度のカーボン製の多孔体であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパによって形成されている。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、ホットプレス等の接合手法によりＭＥＡ２４と一体化されてＭＥＧＡ２５となる。なお、ガス拡散層２３ａはＭＥＡ２４のカソード側に、ガス拡散層２３ｂはアノード側に、それぞれ配置される。ガス拡散層２３ａは、カソードガスをその厚み方向に拡散して、カソード電極触媒層２２ａの全面に供給する。ガス拡散層２３ｂは、アノードガスをその厚み方向に拡散して、アノード電極触媒層２２ｂの全面に供給する。ガス拡散層２３ａ，２３ｂは、厚み方向へのガスの拡散を主目的とするため、比較的小さい気孔率を有する。

ガス流路形成部材３０、３１は、エキスパンドメタルと称される金属製の部材であり、同一形状の貫通孔が規則的に多列に配列されている薄肉の金属プレートである。ガス流路形成部材３０、３１は、導電性のある金属、例えば、ステンレス鋼やチタン，チタン合金により後述するように形成され、その外形はＭＥＧＡ２５より若干小さい略長方形とされている。

ガス流路形成部材３０は、ＭＥＧＡ２５のカソード側（ＭＥＡ２４のカソード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された空気（酸化ガス）を、図２に矢印で示すようにＭＥＡ２４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、空気をＭＥＧＡ２５のカソード側に供給する。ガス流路形成部材３１は、ＭＥＧＡ２５のアノード側（ＭＥＡ２４のアノード側）とセパレータ４０との間に配置され、セパレータ４０を介して供給された水素ガス（燃料ガス）を、図２に矢印で示すようにＭＥＡ２４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、水素ガスをＭＥＧＡ２５のアノード側に供給する。

ガス流路形成部材３０、３１を流れる反応ガスは、流れの過程でＭＥＧＡ２５に供給され、ＭＥＧＡ２５のガス拡散層２３ａ，２３ｂにより、カソード電極触媒層２２ａ，アノード電極触媒層２２ｂに拡散され、電気化学反応に供される。なお、この電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池１００を所定温度範囲で運転するため、燃料電池１００内には冷却水が供給されている。

シールガスケット２６は、シリコンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴムなど、弾性を有するゴム製の絶縁性樹脂材料からなり、ＭＥＧＡ２５の両面にガス流路形成部材３０、３１を重ねた上でその外周に樹脂を射出成形することでＭＥＧＡ２５およびガス流路形成部材３０、３１と一体的に形成されている。

シールガスケット２６は、セパレータ４０と同様の大きさの略長方形に形成されている。図２に示すように、シールガスケット２６の４辺に沿って、連通孔２０ａ〜２０ｆを有する。各連通孔２０ａ〜２０ｆは、エンドプレート８５の上記した貫通孔８５ａ等と連通し、燃料電池１００内部の流体（燃料ガス，酸化ガス，冷却水）のマニホールドの一部を構成している。連通孔２０ａはアノードガスマニホールドの一部を構成しており、連通孔２０ｂはカソードガスマニホールドの一部を構成している。また、連通孔２０ｃはアノードオフガスマニホールドの一部を構成し、連通孔２０ｄはカソードオフガスマニホールドの一部を構成し、連通孔２０ｅは冷却水供給用マニホールドの一部を構成し、連通孔２０ｆは、冷却水排出用マニホールドの一部を構成する。

シールガスケット２６には、厚み方向に、各連通孔を囲む凸状の部位２６ａが形成されている。この凸状の部位２６ａは、シールガスケット２６の上下のセパレータ４０の間に挟まれ、積層方向の締結力を受けて、積層方向に潰れて変形する。その結果、凸状の部位２６ａは、マニホールド内からの流体（燃料ガス，酸化ガス，冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。

セパレータ４０は、三つの金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。具体的には、酸化ガスの流路であるガス流路形成部材３０と接触するカソードプレート４１と、隣の燃料電池セル１０における燃料ガスの流路であるガス流路形成部材３１と接触するアノードプレート４３と、両プレートの中間に挟まれ、主に冷却水の流路となる中間プレート４２とから構成されている。

三つのプレートは、その厚み方向に、流路用の凹凸形状のない平坦な表面を有し（つまり、ガス流路形成部材３０、３１との接触面が平坦であり）、ステンレス鋼やチタン，チタン合金など、導電性の金属材料から構成されている。

三つのプレートには、上述の各種マニホールドを構成する貫通孔が設けられている。具体的には、図２に示すように、略長方形形状のセパレータ４０の長辺に酸化ガス供給用の貫通孔４１ａ、酸化ガス排出用の貫通孔４１ｂが設けられている。また、セパレータ４０の短辺に、燃料ガス供給用の貫通孔４１ｃ、燃料ガス排出用の貫通孔４１ｄが設けられている。セパレータ４０の短辺には、また、冷却水供給用の貫通孔４１ｅおよび冷却水排出用の貫通孔４１ｆが、それぞれ設けられている。

カソードプレート４１には、こうしたマニホールド用の貫通孔に加え、ガス流路形成部材３０への酸化ガスの出入口となる孔部４５，４６が複数形成されている。同様に、アノードプレート４３には、マニホールド用の貫通孔に加え、ガス流路形成部材３１への燃料ガスの出入口となる孔部（図示なし）が複数形成されている。

中間プレート４２に設けられた複数のマニホールド用の貫通孔のうち、酸化ガスの流れるマニホールド用の貫通孔４２ａは、カソードプレート４１の孔部４５と連通するように形成されている。また、燃料ガスの流れるマニホールド用の貫通孔４２ｂは、アノードプレート４３の孔部（図示なし）と連通するように形成されている。

なお、中間プレート４２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水の流れるマニホールド用の貫通孔と連通している。

こうした平坦なプレートを積層して構成されたセパレータ４０を、ガス流路形成部材３０、３１と併せて用いることで、セパレータ４０にエッチング等の複雑な製造方法による流路用の溝を形成する必要がない。

次に、ガス流路形成部材３０、３１について説明する。図３はガス流路形成部材３０の概略斜視図、図４はガス流路形成部材３０の製造手法を示す説明図、図５はガス流路形成部材３０を製造過程の様子を斜視にて概略的に示す説明図、図６はガス流路形成部材３０の側面視と正面視および斜め上方からの矢視とを並記した説明図、図７はＭＧＥＡ２５とセパレータ４０との間にガス流路形成部材３０を組み込んだ様子を概略的に示す説明図である。

これの図に示すように、ガス流路形成部材３０、３１は、本実施例では正方形状の貫通孔３０Ｈを有するエキスパンドメタルであり、貫通孔３０Ｈの形成壁部であるストランド部３０Ｓをボンド部３０Ｂにて連結することで、貫通孔３０Ｈを縦横に多列に並べて千鳥状に備える。このように貫通孔３０Ｈが多列に並んだガス流路形成部材３０を形成するに当たっては、図４に示すように、ステンレス鋼等の薄板（例えば、厚み約０．１ｍｍ）を素材として送りローラで図５の加工装置Ｍに送り込み、加工装置Ｍの上刃ＵＢと下刃ＤＢによる剪断加工に処する。

上刃ＵＢと下刃ＤＢは、正方形状の貫通孔３０Ｈを形成すべく三角波形状のプレス刃を備え、上刃ＵＢは、素材のピッチ送りの都度に下刃ＤＢの側に下降する。この上刃ＵＢの下降により、上刃ＵＢおよび下刃ＤＢの両刃の重なり範囲において素材がスリット状に剪断されると共に、その剪断箇所において、上刃ＵＢと下刃ＤＢに倣って正方形状の貫通孔３０Ｈが形成される。この場合、上刃ＵＢは、素材のピッチ送りごとの降下に際し、自身の三角波形状のプレス刃の半ピッチ分だけ左右方向にずれるので、貫通孔３０Ｈは、素材のプレート面からの正面視にあっては縦横に多列に並んで千鳥状に形成され、プレート側面視では階段状に多列に形成される。なお、こうして貫通孔３０Ｈを多列に有するエキスパンドメタルを、所定寸法に切断することでガス流路形成部材３０、ガス流路形成部材３１が形成される。或いは、所定寸法に切断済みの薄板に上記の加工装置Ｍにて貫通孔３０Ｈを多列に形成して、ガス流路形成部材３０、３１とすることもできる。なお、上刃ＵＢと下刃ＤＢのプレス刃の形状を変えることで、円形形状の貫通孔３０Ｈや六角形状の貫通孔３０Ｈを多列に備えるガス流路形成部材とすることができる。

こうして得られたガス流路形成部材３０、３１で形成される流路とガスの流れについて説明する。図６に示すように、貫通孔３０Ｈを階段状に多列に有するガス流路形成部材３０、３１は、それぞれの貫通孔３０Ｈが斜めの状態、即ちストランド部３０Ｓおよびボンド部３０Ｂが傾斜した状態となるよう使用される。具体的には、図中に流路形成領域と記した範囲において、ストランド部３０Ｓおよびボンド部３０Ｂが傾斜し、この流路形成領域の一方境界（図中の下端側境界）でセパレータ４０がガス流路形成部材３０、３１と接触し、他方の境界（図中の上端側境界）でＭＧＥＡ２５のガス拡散層２３ａ、２３Ｂがガス流路形成部材３０、３１と接触することになる。

このようなガス流路形成部材３０、３１に図６における右方からガスが流れ込むと、このガスは、上流側の貫通孔３０Ｈの傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓで図中の下端側境界の側に案内されつつその貫通孔３０Ｈを通過し、下流側の貫通孔３０Ｈのストランド部３０Ｓを回り込んで当該下流側の貫通孔３０Ｈを上記したように通過する。つまり、右方からガス流路形成部材３０、３１に流れ込んだガスは、上記した貫通孔通過を繰り返しながら、図中にＧＦ１と記す経路に沿って下流側に流れる。

その一方、ガス流路形成部材３０、３１に図６における左方からガスが流れ込むと、このガスは、上流側の貫通孔３０Ｈの傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓで図中の上端側境界の側に案内されつつその貫通孔３０Ｈを通過し、下流側の貫通孔３０Ｈのストランド部３０Ｓを回り込んで当該下流側の貫通孔３０Ｈを上記したように通過する。つまり、左方からガス流路形成部材３０、３１に流れ込んだガスは、上記した貫通孔通過を繰り返しながら、図中にＧＦ２と記す経路に沿って下流側に流れる。

この図６におけるガスの流れを、ＭＧＥＡ２５とセパレータ４０の間に組み込んだカソード側のガス流路形成部材３０で説明すると、図７のようになる。今、図中黒塗りの矢印のように右方からのガス供給を燃料電池１００の通常運転時のガス供給とすると、この供給されたガス（空気）は、本発明の第１の流れ方向ガスに相当し、ガス流路形成部材３０が有するそれぞれの貫通孔３０Ｈの傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓでセパレータ４０の側に案内されつつ貫通孔３０Ｈを通過して下流側に流れる。一方、これとは逆に、図中白塗りの矢印のように左方からガス（空気）を供給すると、この供給されたガス（空気）は、本発明の第２の流れ方向ガスに相当し、ガス流路形成部材３０が有するそれぞれの貫通孔３０Ｈの傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０ＳでＭＧＥＡ２５のガス拡散層２３ａの側に案内されつつ貫通孔３０Ｈを通過して下流側に流れる。

次に、上記した構成を有する燃料電池システム１０００での運転制御について説明する。図８は制御装置５００にて実行される燃料電池１００の運転制御を示すフローチャートである。この運転制御は、イグニッションスイッチ５１０がオンとなってから繰り返し実行され、まず、制御装置５００は、バルブユニット２１０とバルブユニット３１０を駆動制御して、そのバルブポジションを初期化する（ステップＳ１００）。これらバルブユニットの初期ポジションは、既述したように、バルブユニット２１０にあっては、水素ガス供給源２００からの水素ガスを図１における水素ガス通常経路ＮＬＨに沿って燃料電池１００に供給する通常運転ポジションであり、バルブユニット３１０にあっては、ブロア３００からの空気を空気通常経路ＮＬＯに沿って燃料電池１００に供給する通常運転ポジションである。これら経路に沿って流れる水素ガス・空気の流れを正流とし、この流れでのガス供給は、カソードの側では図７に示した黒塗り矢印での供給となる。アノードの側でも、同様である。なお、ステップＳ１００のバルブポジションの初期化は、図８の運転制御の最初にて実行すれば足り、この運転制御が一旦開始された以降においては、その実行を省略することができる。

次いで、制御装置５００は、センサ群５１２からのセンサ信号に基づいて要求負荷を読み込み（ステップＳ１１０）、その要求負荷に応じた発電電力を得るべく水素ガスおよび空気の供給量を演算して燃料電池１００に供給する（ステップＳ１２０）。これにより、燃料電池１００は、発電を継続し、その発電電力を外部に出力する。

この発電のための通常運転の状態では、上記したようにカソードの側では、図７に示した黒塗り矢印での空気供給となり、空気はガス流路形成部材３０を下流側に流れてＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａに供給される。つまり、この通常運転の状態では、供給された空気は、ガス流路形成部材３０が有するそれぞれの貫通孔３０Ｈの傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓでセパレータ４０の側に案内されつつ貫通孔３０Ｈを通過して下流側に流れて、ＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａに供給される。この場合、空気は、傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓと干渉するものの、これらは貫通孔３０Ｈと共に傾斜して多段状であるため（図６参照）、下流側に向けてガス流路形成部材３０を流れてＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａにその電極面に亘って支障なく供給される。アノードの側でも、水素ガスがＭＧＥＡ２５のガス拡散層２３ｂに支障なく供給される。よって、燃料電池１００は、その有する発電能力を発揮できる。

しかも、この傾斜したボンド部３０Ｂやストランド部３０Ｓは、図７における右方から導入される空気をセパレータ４０の側に案内しつつ下流側に流すので、セパレータ４０の側に貯まった水分Ｈを、下流側に流れる空気に含有させて下流に流すようにできる。よって、ＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａには、水分含有の状態で空気が供給されるので、通常運転の状況下では、ＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａ、延いてはＭＥＡ２４の電解質膜２１を不用意な乾燥状態にしないようにできる。アノードの側でも同様である。このように乾燥状態を回避することは、それぞれの燃料電池セル１０での電気化学反応の進行の円滑化、燃料電池１００の発電能力の維持に有益である。

制御装置５００は、ステップＳ１２０に続き、イグニッションスイッチ５１０がオフとされたか否かを判定し（ステップＳ１３０）、否定判定すれば、通常の運転制御を継続するとして一旦処理を終了し、上記したステップの処理を繰り返す。その一方、ステップＳ１２０にて肯定判定すると、制御装置５００は、バルブユニット２１０とバルブユニット３１０を駆動制御して、そのバルブポジションを通常運転ポジションから掃気ポジションに変更する（ステップＳ１４０）。これらバルブユニットの掃気ポジションは、既述したように、バルブユニット２１０にあっては、水素ガス供給源２００からの水素ガスを図１における水素ガス掃気経路ＳＬＨに沿って燃料電池１００に供給するポジションであり、バルブユニット３１０にあっては、ブロア３００からの空気を空気掃気経路ＳＬＯに沿って燃料電池１００に供給するポジションである。これら経路に沿った水素ガス・空気の流れは、ステップＳ１００での流れと逆の逆流となる。アノードの側でも、同様である。

この掃気ポジジョンでのガス供給は、上記したようにカソードの側では、図７に示した白塗り矢印での空気供給となり、空気はガス流路形成部材３０を下流側に流れてＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａに供給される。つまり、この掃気ポジジョンで供給された空気は、ガス流路形成部材３０が有するそれぞれの貫通孔３０Ｈの傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０ＳでＭＧＥＡ２５のガス拡散層２３ａの側に案内されつつ貫通孔３０Ｈを通過して下流側に流れて、ＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａに入り込む。この場合、空気は傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓと干渉するものの、これらは貫通孔３０Ｈと共に傾斜して多段状であるため（図６参照）、下流側に向けてガス流路形成部材３０を流れてＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａに亘って支障なく入り込む。そして、図７に示した白塗り矢印で通常運転時と逆向きに供給された空気とガス拡散層２３ａの接触機会は、ガス拡散層２３ａの側への案内がなされる分だけ増える。よって、掃気ポジションで供給された空気は、ガス拡散層２３ａの側に貯まった水分Ｈを含んで当該水分を下流に流し出して掃気を図りつつ、ガス拡散層２３ａを通過する際には当該拡散層に含まれている水分をも持ち去る。このため、イグニッションスイッチ５１０がオフとされた運転停止の際には、通常運転時と逆向きの流れの空気によりガス拡散層２３ａをより確実かつ短時間の内に乾かすことができる。アノードの側でも同様である。

制御装置５００は、上記したステップＳ１４０でのバルブポジション変更を所定時間に亘って継続し（ステップＳ１５０）、その後、一旦処理を終了し、上記したステップの処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の運転制御を行うに当たり、要求された負荷に応じた発電を行う通常運転が停止されると、この通常運転の状態で供給していたガスの流れとは逆向きに、カソード側およびアノード側に空気・水素ガスを供給する。こうした逆向きでのガス供給に際しては、この供給された空気・水素ガスを、傾斜したボンド部３０Ｂおよびストランド部３０Ｓによりガス拡散層２３ａ、２３ｂの側に案内して接触機会を増加させる。このため、本実施例によれば、既述したようにガス拡散層２３ａ、２３ｂをより確実かつ短時間の内に乾かすことができるので、掃気時間の短縮化を図ることができる。

また、本実施例では、水素ガス供給源２００からの水素ガス供給とブロア３００からの空気供給を、通常運転時と掃気時とでその向きを変更するに当たり、バルブユニット２１０とバルブユニット３１０のポジション変更にて、管路の接続状態を選択的に切り換えるに過ぎない。よって、バルブポジションの変更という簡単な構成で、通常運転の際の発電性能維持と、通常運転の停止の際の掃気時間の短縮化を容易に両立できる。

次に、ガス流路形成部材の変形例を説明する。図９は変形例のガス流路形成部材３０Ａの概略構成を斜視にて示す説明図、図１０は図７の相当図であり変形例のガス流路形成部材３０ＡをＭＧＥＡ２５とセパレータ４０との間に組み込んだ様子を概略的に示す説明図である。

図示するように、変形例のガス流路形成部材３０Ａは、ガス流路形成部材３０と同様にステンレス鋼等の薄板（例えば、厚み約０．１ｍｍ）を用いて形成され、プレス成形により傾斜した突出片３０ＡＰを多列に有する。この傾斜した突出片３０ＡＰを針状に形成することもできる。このガス流路形成部材３０Ａは、ＭＧＥＡ２５とセパレータ４０との間に組み込まれた状態で、突出片３０ＡＰの先端をＭＧＥＡ２５のガス拡散層２３ａに接触させてガス流路を形成する。このガス流路形成部材３０Ａを有する燃料電池１００にあっても、通常運転時には図における黒塗り矢印での空気供給となり、供給された空気は、ガス流路形成部材３０Ａのそれぞれの突出片３０ＡＰでセパレータ４０の側に案内されつつ下流側に流れて、ＭＧＥＡ２３のガス拡散層２３ａに供給される。また、掃気の際には、空気供給の向きを逆にして、図中の白塗り矢印での空気供給とし、供給された空気は、ガス流路形成部材３０Ａのそれぞれの突出片３０ＡＰでＭＧＥＡ２５のガス拡散層２３ａの側に案内されつつ下流側に流れて、ガス拡散層２３ａに入り込む。よって、変形例のガス流路形成部材３０Ａを有する燃料電池１００にあっても、既述した効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の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て実施することが可能である。例えば、上記した実施例では、ガスおよび冷却水が折り返すデッドエンドタイプの燃料電池１００について説明したが、ガスおよび冷却水がスタック構造の一方側から他方側に通過するタイプの燃料電池にも適用できる。

また、ガス流路形成部材３０、３１を有する燃料電池１００において、掃気の際に通常運転時と逆向きにガス供給を行うほか、この逆向きのガス供給を高負荷運転が継続するような状況において、行うようにすることもできる。高負荷運転の際は、電気化学反応は活発に進行するため、生成水量は多くなり、ＭＥＡ２４が湿潤過多となる傾向にある。よって、高負荷運転の際に図７において図中白抜き矢印のように通常運転時と逆向きに空気を供給すれば、傾斜したボンド部３０Ｂとストランド部３０Ｓにより空気はＭＧＥＡ２５の側に案内されるので、このＭＧＥＡ２５におけるガス拡散層２３ａからの水分持ち出しは盛んとなる。このため、ＭＥＡ２４の湿潤過多を抑制できる。

また、上記の実施例では、アノード側とカソード側の両極側に、傾斜したボンド部３０Ｂとストランド部３０Ｓを有するガス流路形成部材３０、３１を配設したが、アノード・カソードの両極の一方の側にのみガス流路形成部材を配設するようにすることもできる。

本発明の実施例としての燃料電池システム１０００の全体構成を概略的に示す説明図である。 燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。 ガス流路形成部材３０の概略斜視図である。 ガス流路形成部材３０の製造手法を示す説明図である。 ガス流路形成部材３０を製造過程の様子を斜視にて概略的に示す説明図である。 ガス流路形成部材３０の側面視と正面視および斜め上方からの矢視とを並記した説明図である。 ＭＧＥＡ２５とセパレータ４０との間にガス流路形成部材３０を組み込んだ様子を概略的に示す説明図である。 制御装置５００にて実行される燃料電池１００の運転制御を示すフローチャートである。 変形例のガス流路形成部材３０Ａの概略構成を斜視にて示す説明図である。 図７の相当図であり変形例のガス流路形成部材３０ＡをＭＧＥＡ２５とセパレータ４０との間に組み込んだ様子を概略的に示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池セル
２０ａ〜２０ｆ…連通孔
２１…電解質膜
２２ａ…カソード電極触媒層
２２ｂ…アノード電極触媒層
２３ａ…ガス拡散層
２３ｂ…ガス拡散層
２６…シールガスケット
２６ａ…凸状部位
３０、３１…ガス流路形成部材
３０Ａ…ガス流路形成部材
３０Ｂ…ボンド部
３０Ｈ…貫通孔
３０Ｓ…ストランド部
３０ＡＰ…突出片
４０…セパレータ
４１…カソードプレート
４１ａ〜４１ｆ…貫通孔
４２…中間プレート
４２ａ…貫通孔
４２ｂ…貫通孔
４３…アノードプレート
４５…孔部
８５、８６…エンドプレート
８５ａ〜８５ｆ…貫通孔
１００…燃料電池
２００…水素ガス供給源
２１０…バルブユニット
２１２…上流側供給管路
２１４…下流側供給管路
２１６…上流側排気管路
２１８…下流側排気管路
３００…ブロア
３１０…バルブユニット
３１２…上流側供給管路
３１４…下流側供給管路
３１６…上流側排気管路
３１８…下流側排気管路
４００…ラジエータ
５００…制御装置
５１０…イグニッションスイッチ
５１２…センサ群
１０００…燃料電池システム
ＮＬＨ…水素ガス通常経路
ＳＬＨ…水素ガス掃気経路
ＮＬＯ…空気通常経路
ＳＬＯ…空気掃気経路
Ｍ…加工装置
ＵＢ…上刃
ＤＢ…下刃

Claims (3)

1. 電解質膜の両面にガス拡散電極を接合した膜電極接合体をセパレータを介在させて複数積層したスタック構造の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に組み込まれ、前記ガス拡散電極の電極面に亘ってガスを供給するガス供給流路を形成する流路形成部材と、
   発電のために燃料電池が運転する通常運転時にあっては、前記流路形成部材に対して前記電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた第１の流れ方向で前記ガスを導き、前記通常運転の停止の際、前記流路形成部材に対して前記第１の流れ方向と逆向きの第２の流れ方向で前記ガスを導くガス導入手段とを備え、
   前記膜電極接合体の少なくとも一方の側における前記流路形成部材は、前記ガス供給流路においてガスを下流側に流し得るよう傾斜した傾斜部を多列に備え、
   該傾斜部は、前記第２の流れ方向で導入されるガスを前記ガス拡散電極の側に案内しつつ前記第２の流れ方向に沿って下流に流す
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記スタック構造とされた前記膜電極接合体と前記セパレータとの間のそれぞれの前記流路形成部材にガスが行き渡るよう、前記電極面の外側に形成された第１ガス流路と、
   前記それぞれの前記流路形成部材を通過したガスを外部に導くよう、前記第１ガス流路と前記電極面を挟んで前記電極面の外側に形成された第２ガス流路とを備え、
   前記ガス導入手段は、前記第１ガス流路から前記第１の流れ方向で前記ガスを前記第２ガス流路に導き、前記第２ガス流路から前記第２の流れ方向で前記ガスを前記第１ガス流路に導く
   燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   ガスの供給源を備え、
   前記ガス導入手段は、前記供給源を前記第１ガス流路と前記第２ガス流路の一方に選択的に接続する
   燃料電池。

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