JP3596332B2

JP3596332B2 - 積層型燃料電池の運転方法、積層型燃料電池及び積層型燃料電池システム

Info

Publication number: JP3596332B2
Application number: JP4757799A
Authority: JP
Inventors: 賢彦朝岡; 博史青木; 孝志満津; 知寿若杉; 一崇 ▲廣▼嶋; 豊大矢
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000251913A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型燃料電池の運転方法、積層型燃料電池及び積層型燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、車載動力源、定置型小型発電器等として好適な積層型燃料電池の運転方法、積層型燃料電池及び積層型燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の供給と燃焼生成物の排出とを連続的に行い、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電池であり、発電効率が高いこと、大気汚染物質の放出量が少ないこと、騒音が少ないこと、規模を自由に選べること、等の特徴を有している。
【０００３】
燃料電池は、使用する電解質膜の種類により、固体高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。特に、電解質膜として固体高分子電解質を用いる固体高分子型燃料電池は、作動温度が低く、出力密度が高いことから、近年では、車載動力源、定置型の小型発電器等への応用が期待されているものである。
【０００４】
図３１に、固体高分子型燃料電池の基本構造の一例を示す。図３１において、固体高分子型燃料電池の発電単位となる単電池２は、電解質膜１２の両面に一対のガス拡散電極１４、１６を接合した電極・電解質接合体１０を、セパレータ１８、１８で挟んだ構造をとっている。
【０００５】
電解質膜１２には、一般に、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜に代表されるフッ素系電解質膜が用いられている。
【０００６】
また、ガス拡散電極１４、１６は、白金等の電極触媒を含む触媒層（図示せず）と、ガスが拡散可能な多孔質材料からなる拡散層（図示せず）の２層からなっている。
【０００７】
さらに、セパレータ１８、１８は、集電性能が高く、酸化水蒸気雰囲気下でも安定な緻密質のグラファイトが一般に用いられる。また、セパレータ１８、１８には、反応ガスや水などの物質を電解質膜１２に供給するためのガス流路１８ｂが設けられている。
【０００８】
このような構造を有する単電池２の一方のガス拡散電極１４（燃料極）側に改質ガス等の水素を含む燃料ガスを流し、他方のガス拡散電極１６（空気極）側に空気等の酸素を含む酸化剤ガスを流すと、電極反応が進行し、その際の自由エネルギー変化を、直接、電気エネルギーとして取り出すことができる。
【０００９】
しかしながら、図３１に示す単電池２の起電力は１Ｖ前後であり、そのままでは実用に供することができない。そのため、通常は、高出力を得るために、単電池２を直列に数百セル積層し、これに燃料、空気、冷却水の出入りを一括して行う装置を取り付けて容器内に納めた燃料電池の積層体（以下、これを「積層型燃料電池」という）として実用に供されている。
【００１０】
図３２に、積層型燃料電池の構造の一例を示す。図３２において、積層型燃料電池２０は、図３１に示す単電池２を数セル積層する毎に、各単電池２を最適温度に保持するための冷却板２２を配置し、さらに積層された単電池２の上下を締付板２４、２４で締結した構造をとっている。
【００１１】
この場合、積層された各単電池２は、一般に、同一のガス流路構造及び電極構造を備えている。また、積層型燃料電池２０の側面には、一対の燃料マニホールド３４、３４及び一対の空気マニホールド３６、３６が設けられ、各単電池２に、同一流量及び同一圧力の燃料ガス及び空気を配流させるようになっている。
【００１２】
さらに、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜１２を正常に機能させるためには、電解質膜１２の含水率を適切に管理する必要がある。そのため、反応ガスは、図示しない加湿器を用いて加湿されおり、その加湿量は、単電池２内で水分の過不足が生じないように、電池温度及び電流密度に応じて調整されている。この点は、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等においても同様であり、電解質膜を正常に機能させるために、適宜、反応ガスの加湿が行われている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単電池を数セル積層する毎に冷却板２２を配置した場合には、冷却板２２からの距離が長くなるほど単電池２の冷却効率が低下する。その結果、冷却板２２から遠い位置にあるガス拡散電極（以下、単に「電極」という）と、近い位置にある電極との間に温度差が発生する。しかも、その温度差は、積層型燃料電池２０の出力が大きくなるほど拡大する傾向にある。
【００１４】
一方、同一のガス流路構造及び電極構造を有する単電池２に対し、１対の燃料極マニホールド３４、３４、及び１対の空気マニホールド３６、３６を介して、流量、圧力及び加湿量の等しい反応ガスを供給する従来型の積層型燃料電池２０においては、温度環境の異なる全ての単電池２に対して、最適な加湿量及びガス流量を設定することができない。
【００１５】
そのため、電解質膜の水管理が必要な燃料電池において、反応ガスの加湿条件を低温の単電池２に合わせた場合には、高温の単電池２において、電解質膜の含水率が低下するドライアップが発生し、セル電圧が低下する。また、反応ガスの加湿条件を高温の単電池２に合わせた場合には、低温の単電池２において、排水能力が低下し、フラッディングによりセル電圧が低下する。その結果、積層型燃料電池全体のエネルギー効率が低下するという問題がある。
【００１６】
この問題を解決するために、すべての単電池２間に冷却板２２を設け、各単電池２を均一に冷却することも有効と考えられる。しかしながら、すべての単電池２間に冷却板２２を設けるのは、積層型燃料電池の体積を増加させ、単位体積当たりの出力を低下させるという問題がある。
【００１７】
さらに、加湿条件を高温の単電池２に合わせた場合には、低温の単電池２において、排水能力が低下し、ガス流路に液体水が滞留する場合がある。液体水が滞留したガス流路（この場合、低温の単電池２）では、ガス流通抵抗が高くなり、ガスの流入量が相対的に少なくなる。直列に積層された燃料電池では、各単電池２での反応量（＝電流値ｏｒ消費ガス量）は一定であるので、ガスの流入量の少なくなったセルでは、ガス量の不足による電圧低下が生じ、その結果、積層型燃料電池全体のエネルギー効率が低下するという問題がある。
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は、電解質膜の含水率の管理が必要な燃料電池において、単位体積当たりの出力を低下させることなく、各単電池の温度差に起因するセル電圧のばらつきを抑制することができ、これにより高いエネルギー効率が得られる積層型燃料電池の運転方法、積層型燃料電池及び積層型燃料電池システムを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る積層型燃料電池の運転方法は、電解質の片面に空気極、他面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池であって、前記各単電池に供給される水分量と、前記各単電池から排出される水分量とが前記各単電池毎に均衡するように、前記各単電池毎に異なるガス流路構造及び／又は電極構造を備えているものに、流量、圧力及び加湿量の等しい反応ガスを供給し、該反応ガスを前記各単電池に分配することを要旨とするものである。
【００２０】
上記構成を有する本発明に係る積層型燃料電池の運転方法によれば、積層された各単電池毎に、流量、圧力及び／又は加湿量の異なるガスが供給及び／又は排出されるので、水分量が不足した単電池に対してのみ、供給される水分量を増加させ、あるいは、排出される水分量を減少させることができる。同様に、水分量が過剰となった単電池に対してのみ、供給される水分量を減少させ、あるいは、排出される水分量を増加させることもできる。そのため、単電池の積層方向に向かって温度分布が発生した場合であっても、セル電圧のばらつきが小さくなり、積層型燃料電池全体のエネルギー効率が向上する。
【００２１】
また、本発明に係る積層型燃料電池は、電解質の片面に空気極、他面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備え、前記各単電池は、該各単電池に供給される水分量と前記各単電池から排出される水分量とが前記各単電池毎に均衡するように、前記各単電池毎に異なるガス流路構造及び／又は電極構造を備えていることを要旨とするものである。
【００２２】
この場合、前記ガス流路構造及び／又は前記電極構造は、高温単電池の空気流入量を小さくするものであることが望ましい。また、前記ガス流路構造及び／又は電極構造は、高温単電池の燃料ガス流入量を大きくするものであってもよい。あるいは、前記ガス流路構造及び／又は前記電極構造は、高温単電池の流路内圧を高くするものであってもよい。
【００２３】
また、電解質の片面に空気極、他面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池において、高温単電池からの水分の排出量を低下させる及び／又は低温単電池からの水分の排出量を増加させるよう、前記各単電池のガス流路構造及び／又は電極構造を変化させても良い。
【００２４】
この場合、高温単電池の空気極に含まれる空気極拡散層の通気性は、他の単電池の空気極に含まれる空気極拡散層の通気性より小さいことが望ましい。
【００２５】
上記構成を有する本発明に係る積層型燃料電池によれば、積層方向の温度分布に応じて、各単電池のガス流路構造及び／又は電極構造が異なっているので、１つの反応ガス供給系統を用いて各単電池に反応ガスを分配する場合であっても、各単電池の電極に供給される反応ガスの流量及び／又は圧力、あるいは、各単電池に供給・排出される水分量を個別に増減させることができる。
【００２６】
そのため、温度環境の異なる単電池毎又は単電池グループ毎に、ガス流路構造及び／又は電極構造を適切に設計すれば、単電池の積層方向に向かって温度分布が生じた場合であっても、各単電池へ供給される水分量と各単電池から排出される水分量とを、単電池毎に均衡させることができる。換言すれば、高温単電池から排出される水分量を低下させ、低温単電池から排出される水分量を増加させることができる。
【００２７】
その結果、各単電池のセル電圧のばらつきが小さくなり、積層型燃料電池全体のエネルギー効率を向上させることができる。しかも、冷却手段の数を増加させることなく積層型燃料電池のエネルギー効率を向上させることができるので、単位体積当たりの出力を低下させることもない。
【００２８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の両面に電極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池と、前記各単電池又は前記単電池のグループ毎に、その作動状態を検出する検出手段と、前記各単電池又は前記単電池のグループ毎に、流量、圧力及び／又は加湿量の異なる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、該検出手段により検出された作動状況に基づき、前記各単電池又は前記単電池のグループ毎に供給される反応ガスの流量、圧力及び／又は加湿量を個別に制御する制御手段とを備えていることを要旨とするものである。
【００２９】
上記構成を有する本発明に係る燃料電池システムによれば、積層された各単電池、又は各単電池グループの作動状況が検出手段により個別に検出され、検出された作動状況に基づき、制御手段により流量、圧力又は加湿量が個別に制御された反応ガスが、各単電池又は各単電池グループにそれぞれ配流される。
【００３０】
そのため、各単電池又は各単電池グループに供給される反応ガスの流量、圧力又は加湿量を適切に制御すれば、単電池の積層方向に向かって温度分布が生じた場合であっても、各単電池の電解質膜の水収支の不均一や、反応ガスの相対的な過不足を解消することができる。その結果、各単電池のセル電圧のばらつきが小さくなり、燃料電池システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。しかも、冷却手段の数を増加させることなく燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができるので、単位体積当たりの出力を低下させることもない。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本発明に係る積層型燃料電池は、複数個の単電池が積層された単位モジュールと、単位モジュール毎に設けられる冷却手段とを備えている。図１に、本発明の第１の実施の形態に係る積層型燃料電池４０の基本構造となる単位モジュール４２の断面図を示す。
【００３２】
図１（ａ）において、単位モジュール４２は、２個の単電池、すなわち単電池４４及び単電池４５が積層された構造になっている。単電池４４は、電解質膜４６の両面に、それぞれ燃料極４８及び空気極５０を接合した電極・電解質膜接合体（以下、これを単に「接合体」という）５２と、接合体５２を両面から挟持するためのセパレータ５４及びセパレータ５６からなっている。
【００３３】
また、単電池４５は、電解質膜６６の両面に、それぞれ燃料極６８及び空気極７０を接合した接合体７２と、接合体７２を両面から挟持するセパレータ５６及びセパレータ５８からなっており、単電池４４とは、セパレータ５６を共用した構造になっている。
【００３４】
セパレータ５４の一方の面には、接合体５２の空気極５０に空気を供給するためのガス流路（以下、これを「空気流路」という）５４ｃが設けられている。また、セパレータ５４の他方の面には、溝状の冷媒流路６０が設けられ、単位モジュール４２を積層したときに形成される空洞内に、水、不活性ガス等の冷媒を流せるようになっている。
【００３５】
セパレータ５６の一方の面には、接合体５２に燃料ガスを供給するためのガス流路（以下、これを「燃料流路」という）５６ａが設けられている。また、セパレータ５６の他方の面には、接合体７２に空気を供給するための空気流路５６ｃが設けられている。さらに、セパレータ５８には、接合体７２に燃料ガスを供給するための燃料流路５８ａが設けられている。
【００３６】
ここで、図１（ｂ）に示すように、空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２は、空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１より小さくなっており、空気流路５６ｃの断面積の方が小さくなっている。この点、積層された各単電池の空気流路の構造をすべて同一とする、従来型の積層型燃料電池とは異なっている。
【００３７】
なお、本実施の形態の場合、燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１は、燃料流路５８ａの溝の深さＤ_Ａ２と同一になっている。また、接合体７２の燃料極６８及び空気極７０の電極構造は、それぞれ、接合体５２の燃料極４８及び空気極５０の電極構造と同一になっている。
【００３８】
そして、このような構造を有する単位モジュール４２を積層し、さらに、各単電池４４、４５に、それぞれ、空気及び燃料ガスを供給するための一対の空気マニホールド及び一対の燃料マニホールド（いずれも図示せず）を取り付ければ、積層型燃料電池４０となる。
【００３９】
なお、本発明は、電解質膜４６、６６の含水率の管理が必要な燃料電池に対して適用される。具体的には、電解質膜４６、６６として、固体高分子電解質、濃厚リン酸又はアルカリ溶液を用いる固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池又はアルカリ型燃料電池が好適な一例として挙げられる。
【００４０】
特に、固体高分子型燃料電池に対して本発明を適用した場合には、単位体積当たりの出力を低下させることなく、電解質膜４６、６６のドライアップ又はフラッディングに起因する出力低下が軽減されるので、車載動力源に適した積層型燃料電池が得られるという利点がある。
【００４１】
また、図１に例示する単位モジュール４２においては、反応ガスを反対方向に流す、いわゆるカウンターフロー方式が採用されているが、反応ガスの流し方はこれに限定されるものではない。例えば、反応ガスを同一方向に流すコフロー方式でも良く、あるいは、直角方向に流すクロスフロー方式でも良い。
【００４２】
さらに、冷却手段も、図１に例示する構造に限定されるものではない。例えば、内部に冷媒流路を備えた平板状の冷却板を単位モジュール４２に隣接して設けてもよい。あるいは、単位モジュール４２の両端に配したセパレータ５４、５８の内部に冷媒流路を設け、セパレータを直接、冷却するようにしても良い。
【００４３】
次に、本発明に第１の実施の形態に係る積層型燃料電池４０の作用について説明する。図７は、単電池４４（４５）内の水の流れを模式的に示したものである。単電池４４（４５）内における水の収支は、以下のような形で行われる。
【００４４】
すなわち、図７に示すように、加湿された燃料ガスが燃料極４８（６８）側に供給されると、燃料ガスから燃料極４８（６８）に水が供給される。燃料極４８（６８）に供給された水は、電気浸透により、水素イオンと共に電解質膜４６（６６）を通って空気極５０（７０）側へ移動する。
【００４５】
一方、空気極５０（７０）側では、電極反応により水が生成する。また、電極反応により生成した水、及び電気浸透により燃料極４８（６８）側から空気極５０（７０）側へ移動した水の一部は、拡散により燃料極４８（６８）側に移動し、他の一部は、空気極５０（７０）側から燃料電池外へ排出される。従って、安定した発電特性を維持するためには、これらの収支がバランスすることが重要である。
【００４６】
ここで、単電池４４、４５への水の供給、及び単電池４４、４５からの水の排出が、全て水蒸気の形で行われるものと仮定し、空気極５０、７０側から出ガス流と共に水蒸気として排出することができる最大の水分量（以下、これを「最大排水量」という）をＷ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}とおくと、Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}は、次の数１の式で表すことができる。
【００４７】
【数１】

【００４８】
また、空気極５０、７０側へ持ち込まれる水の量（以下、これを「総水供給量」という）をＷ_{Ｃｉｎ−ｔｏｔａｌ}とおくと、Ｗ_{Ｃｉｎ−ｔｏｔａｌ}は、次の数２の式で表すことができる。
【００４９】
【数２】

【００５０】
ここで、空気極５０、７０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}が、総水供給量Ｗ_{Ｃｉｎ−ｔｏｔａｌ}より少ない場合には、雰囲気中の水分は余剰気味となる。そのため、余分の水が空気極５０、７０の細孔を閉塞してガスの供給を阻害する「フラッディング」が発生し、セル電圧が低下する。逆に、空気極５０、７０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}が総水供給量Ｗ_{Ｃｉｎ−ｔｏｔａｌ}より多い場合には、雰囲気は乾燥気味となる。そのため、電解質膜４６、６６の含水率が低下して膜抵抗が増大する「ドライアップ」が発生し、セル電圧が低下する。
【００５１】
従って、安定した発電性能を維持するためには、これらの収支をバランスさせ、空気極５０、７０側における電解質膜４６、６６の含水率を適正に維持することが重要である。
【００５２】
ところで、数１の式における飽和水蒸気圧ｐ_{Ｗｃ−ｓａｔ}は、空気極側の温度のみで決まるパラメータであり、温度が高いほど大きくなる傾向にある。従って、すべての単電池の構造を同一とし、全ての単電池に対して同一流量の反応ガスを供給する場合であっても、各単電池の温度が均一である時には、飽和水蒸気圧ｐ_{Ｗｃ−ｓａｔ}はすべての単電池で同一となるので、すべての単電池において水収支がバランスし、セル電圧にばらつきが生ずることはない。
【００５３】
しかしながら、例えば図８（ｂ）に示すように、電解質膜１２として固体高分子電解質膜を用い、同一のガス流路構造及び電極構造を有する２個の単電池２を積層する毎に冷媒流路２２ａを設けて積層型燃料電池３８とした場合には、各単電池２の冷却効率に差が生じる。
【００５４】
その結果、各燃料極１４ａ、１４ｂの温度（以下、これを「アノード温」という）及び空気極１６ａ、１６ｂの温度（以下、これを「カソード温」という）には、冷媒流路２２ａからの距離に応じた差が発生する。この温度差は、図８（ａ）に示すように、積層型燃料電池３８の電流密度が大きくなるほど拡大する傾向にある。
【００５５】
このような積層型燃料電池３８に流量及び加湿量が同一である空気を均一に供給した場合には、空気極１６ａ側と空気極１６ｂ側では飽和水蒸気圧ｐ_{Ｗｃ−ｓａｔ}が異なるために、空気極１６ａ、１６ｂ側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}にばらつきが生じ、一部の電解質膜１２において、水収支に過不足が生じる。
【００５６】
そのため、例えば、空気極１６ａ、１６ｂ側の加湿量をカソード温の低い空気極１６ａに合わせて設定した場合において、低電流密度の時には、図９（ａ）に示すように、セル電圧に大きなばらつきは生じないが、図９（ｂ）に示すように、高電流密度の時には、カソード温の高い空気極１６ｂのセル電圧がドライアップにより低下し、積層型燃料電池３８全体の出力が低下する。
【００５７】
また、図１０（ｂ）に示すように、電解質膜１２として固体高分子電解質膜を用い、同一のガス流路構造及び電極構造を有する３個の単電池２を積層する毎に冷媒流路２２ａを設けて積層型燃料電池３９とした場合も同様であり、カソード温及びアノード温には、図１０（ａ）に示すように、冷媒流路２２ａからの距離に応じた温度差が発生する。
【００５８】
そのため、例えば、空気極１６ａ、１６ｂ、１６ｃ側の加湿量をカソード温の最も低い空気極１６ａに合わせて設定した場合には、図１１に示すように、カソード温が高くなるほど、ドライアップによりセル電圧が低下し、積層型燃料電池３９全体の出力が低下する。
【００５９】
これに対し、図１に示す積層型燃料電池４０においては、カソード温の高い空気極（以下、これを「高温空気極」という）７０側の空気流路５６ｃの断面積が、カソード温の低い空気極（以下、これを「低温空気極」という）５０側の空気流路５４ｃの断面積より小さくなっている。
【００６０】
そのため、入り空気中に含まれる水の量（以下、これを「空気加湿量」という）Ｗ_Ｃｉｎを低温空気極５０に合わせて小さく設定した場合であっても、高温空気極７０側では、数１の式に示す空気極入り空気流量（以下、これを単に「空気流量」という）ｆ_{Ａｉｒｉｎ}が小さくなるので、高温空気極７０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}を小さくすることができる。その結果、高温空気極７０側のドライアップに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池４０全体の出力を向上させることができる。
【００６１】
同様に、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを高温空気極７０に合わせて大きく設定した場合であっても、低温空気極５０では、数１の式に示す空気流量ｆ_{Ａｉｒｉｎ}が大きくなるので、低温空気極５０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}を大きくすることができる。その結果、低温空気極５０側のフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池４０全体の出力を向上させることができる。
【００６２】
単位モジュール４２を構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、カソード温が高くなるほど空気流量が小さくなるように、各単電池の空気流路の構造、すなわち、溝の深さ、断面積等を変化させれば、空気極のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００６３】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る積層型燃料電池について説明する。図２に、本発明の第２の実施の形態に係る積層型燃料電池７４の基本構造となる単位モジュール７６の断面図を示す。
【００６４】
図２において、単位モジュール７６は、高温空気極７０側の空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２を、低温空気極５０側の空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１と同一とし、空気流路５６ｃの入口側に、多孔体７８を設けた以外は、図１に示す単位モジュール４２と同様の構成を有している。
【００６５】
このような構成を有する単位モジュール７６が積層された積層型燃料電池７４によれば、高温空気極７０側の空気流路５６ｃの流路抵抗は、低温空気極５０側の空気流路５４ｃより大きいので、これに圧力及び加湿量の等しい空気を供給した場合には、高温空気極７０側の空気流量を小さくすることができる。
【００６６】
そのため、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを低温空気極５０に合わせて小さく設定した場合であっても、高温空気極７０側のドライアップに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。同様に、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを高温空気極７０に合わせて大きく設定した場合であっても、低温空気極５０側のフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００６７】
単位モジュール７６を構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、カソード温が高くなるほど空気流量が小さくなるように、各単電池の空気流路の構造、すなわち、多孔体の断面積、大きさ、気孔径、気孔率等を変化させれば、空気極のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００６８】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る積層型燃料電池について説明する。図３に、本発明の第３の実施の形態に係る積層型燃料電池８０の基本構造となる単位モジュール８２の断面図を示す。
【００６９】
図３において、単位モジュール８２は、高温空気極７０側の空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２を、低温空気極５０側の空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１と同一とし、空気流路５６ｃの入口側に、障害板８４を設けた以外は、図１に示す単位モジュール４２と同様の構成を有している。
【００７０】
このような構成を有する単位モジュール８２が積層された積層型燃料電池８０によれば、図２に示す単位モジュール７６と同様、空気流路５６ｃの流路抵抗が大きくなるので、空気流路５６ｃの空気流量を小さくすることができる。これにより、積層方向の温度分布に起因するドライアップ及びフラッディングが抑制され、積層型燃料電池８０全体の出力を向上させることができる。
【００７１】
単位モジュール８２を構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、カソード温が高くなるほど空気流量が小さくなるように、各単電池の空気流路の構造、すなわち、障害板の面積、取付角度、形状等を変化させれば、空気極のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００７２】
次に、本発明の第４の実施の形態に係る積層型燃料電池について説明する。図４に、本発明の第４の実施の形態に係る積層型燃料電池８６の基本構造となる単位モジュール８８の断面図を示す。
【００７３】
図４において、単位モジュール８８は、高温空気極７０側の空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２と、低温空気極５０側の空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１を同一とし、空気流路５６ｃの出口側、及び空気流路５４ｃの入口側に、それぞれ、突起５６ｄ及び５４ｄを設けた以外は、図１に示す単位モジュール４２と同様の構成を有している。
【００７４】
このような構造を有する単位モジュール８８が積層された積層型燃料電池８６によれば、高温空気極７０側の空気流路５６ｃには、出口側に突起５６ｄが設けられているので、出口側の流路抵抗が増大する。一方、低温空気極５０側の空気流路５４ｃには、入口側に突起５４ｄが設けられているので、入口側の流路抵抗が増大する。その結果、空気流路５６ｃ内の内圧は、空気流路５４ｃ内の内圧より高くなる。
【００７５】
そのため、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを低温空気極５０に合わせて小さく設定した場合であっても、高温空気極７０では、数１の式に示すカソード側のセル内圧Ｐ_Ｃが大きくなるので、高温空気極７０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}を小さくすることができる。その結果、高温空気極７０のドライアップに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池８６全体の出力を向上させることができる。
【００７６】
同様に、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを高温空気極７０に合わせて大きく設定した場合であっても、低温空気極５０では、数１の式に示すカソード側のセル内圧Ｐ_Ｃが小さくなるので、低温空気極５０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}を大きくすることができる。その結果、低温空気極５０のフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池８６全体の出力を向上させることができる。
【００７７】
単位モジュール８８を構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、カソード温が高くなるほど空気流路の内圧が高くなるように、各単電池の空気流路の構造、すなわち、突起の大きさ、取付位置等を変化させれば、空気極側のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００７８】
次に、本発明の第５の実施の形態に係る積層型燃料電池について説明する。本発明の第５の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールは、図示はしないが、高温空気極７０側の空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２と、低温空気極５０側の空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１を同一とし、高温空気極７０の通気性を、低温空気極５０の通気性より小さくした点以外は、図１に示す単位モジュール４２と同様の構成を有している。
【００７９】
このような電極構造の異なる単電池が積層された積層型燃料電池によれば、高温空気極７０の通気性が小さいために、数２の式に示す電極反応で生成した水Ｗ_ｇｅｎと、高温空気極７０側に移動する水Ｗ_ｄｒａｇが高温空気極７０を通って空気流路５６ｃ側に排出されにくくなる。
【００８０】
そのため、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを低温空気極５０に合わせて小さく設定した場合には、高温空気極７０側の最大排水量Ｗ_{Ｃｏｕｔ−ＭＡＸ}は、計算上、総水供給量Ｗ_{Ｃｉｎ−ｔｏｔａｌ}より大きくなるが、実際に排出される水分量は、Ｗ_{Ｃｉｎ−ｔｏｔａｌ}より小さくなる。その結果、高温空気極７０側のドライアップに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池全体の出力を向上させることができる。
【００８１】
同様に、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎを高温空気極７０に合わせて大きく設定した場合であっても、低温空気極５０の通気性が大きいために、低温空気極５０からの水の排出が促進される。その結果、低温空気極５０のフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池全体の出力を向上させることができる。
【００８２】
単位モジュールを構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、カソード温が高くなるほど空気極の通気性が小さくなるように、各単電池の空気極の電極構造、すなわち、拡散層の厚さ、気孔径、気孔率等を変化させれば、空気極側のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００８３】
以上のように、積層型燃料電池に備えられる各単電池の温度ばらつきに起因する空気極側のドライアップ及びフラッディングを抑制するためには、空気極側の水収支をバランスさせ、電解質膜の含水状態の不均一を解消することが有効である。この点は、燃料極側も同様である。以下に、燃料極側の水収支をバランスさせるための具体的方法について説明する。
【００８４】
図５に、本発明の第６の実施の形態に係る積層型燃料電池９０の基本構造となる単位モジュール９２の断面図を示す。図５において、単位モジュール９２は、アノード温の高い燃料極（以下、これを「高温燃料極」という）４８側の燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１が、アノード温の低い燃料極（以下、これを「低温燃料極」という）６８側の燃料流路５８ａの溝の深さＤ_Ａ２より大きくなっている。
【００８５】
なお、本実施の形態の場合、高温空気極７０側の空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２は、低温空気極５０側の空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１と同一になっている。また、その他の点は、図１に示す単位モジュール４２と同様の構成を有している。
【００８６】
次に、本発明の第６の実施の形態に係る積層型燃料電池９０の作用について説明する。単電池４４、４５への水の供給、及び単電池４４、４５からの水の排出が、すべて水蒸気の形で行われるものと仮定すると、燃料極４８、６８側に供給される水の供給量は、燃料入りガス中に含まれる水分量（以下、これを「燃料加湿量」という）に等しい。そこで、燃料加湿量をＷ_Ａｉｎとおくと、Ｗ_Ａｉｎは、次の数３の式で表すことができる。
【００８７】
【数３】

【００８８】
また、燃料極出ガスと共に燃料電池外へ排出される水の量（以下、これを「総排水量」という）をＷ_Ａｏｕｔとおくと、総排水量Ｗ_Ａｏｕｔは、次の数４の式で表すことができる。
【００８９】
【数４】

【００９０】
さらに、燃料極４８、６８側から電解質膜４６、６６に補給される水の量（以下、これを「補給水量」という）をＷ_{Ａｇａｉｎ}とおくと、補給水量Ｗ_{Ａｇａｉｎ}は、数３の式及び数４の式より、次の数５の式で表すことができる。
【００９１】
【数５】

【００９２】
ここで、燃料極４８、６８側の総排水量Ｗ_Ａｏｕｔが、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎより少ない場合には、燃料極４８、６８側の水分は、余剰気味となる。逆に、Ｗ_ＡｏｕｔがＷ_Ａｉｎより多い場合には、雰囲気は乾燥気味となる。従って、安定した発電性能を維持するためには、これらの収支をバランスさせ、燃料極４８、６８側における電解質膜４６、６６の含水率を適正に維持することが重要である。
【００９３】
ところで、数４の式における飽和水蒸気圧ｐ_{ＷＡ−ｓａｔ}は、アノード温のみで決まるパラメータであり、温度が高いほど大きくなる。従って、すべての単電池の燃料流路の構造及び電極構造が同一である積層型燃料電池に対し、加湿量が同一である燃料ガスを均一に供給した場合において、アノード温に差が発生した時には、各燃料極側の飽和水蒸気圧ｐ_{ＷＡ−ｓａｔ}が異なるために、燃料極側の総排水量Ｗ_Ａｏｕｔにばらつきが生じ、一部の電解質膜において、水収支に過不足が生じる。その結果、ドライアップ又はフラッディングにより、セル電圧にばらつきが発生する。
【００９４】
これに対し、図５に示す積層型燃料電池９０によれば、高温燃料極４８側の燃料流路５６ａの断面積が、低温燃料極６８の燃料流路５８ａの断面積より大きくなっているので、高温燃料極４８側の燃料極入り燃料流量（以下、これを単に「燃料流量」という）ｆ_Ｈｉｎを大きくすることができる。
【００９５】
そのため、入り燃料ガス中の水のモル分率（以下、これを「入水モル分率」という）ｘを低温燃料極６８に合わせて小さく設定した場合であっても、高温燃料極４８では、数３の式に示す燃料流量ｆ_Ｈｉｎが大きくなるので、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ、すなわち補給水量Ｗ_{Ａｇａｉｎ}を大きくすることができる。
【００９６】
これは、通常、積層型燃料電池においては、反応で消費された水素の量Ｃ_Ｈ２が一定で、かつ入水モル分率ｘが出ガス中の水のモル分率Ｘより大きくなるように制御されているためである。その結果、高温燃料極４８のドライアップに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池９０全体の出力を向上させることができる。
【００９７】
同様に、入水モル分率ｘを高温燃料極４８に合わせて大きく設定した場合であっても、低温空気極５０では、数３の式に示す燃料流量ｆ_Ｈｉｎが小さくなるので、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ、すなわち補給水量Ｗ_{Ａｇａｉｎ}を小さくすることができる。その結果、低温燃料極６８のフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池９０全体の出力を向上させることができる。
【００９８】
単位モジュール９２を構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、アノード温が高くなるほど燃料流量が大きくなるように、各単電池の燃料流路の構造、すなわち、溝の深さ、断面積等を変化させれば、燃料極側のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００９９】
次に、本発明の第７の実施の形態に係る積層型燃料電池について説明する。図６に、本発明の第７の実施の形態に係る積層型燃料電池９４の基本構造となる単位モジュール９６の断面図を示す。
【０１００】
図６において、単位モジュール９６は、高温燃料極４８側の燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１と、低温燃料極６８側の燃料流路５８ａの溝の深さＤ_ＣＡ２を同一とし、燃料流路５６ａの出口側、及び燃料流路５８ａの入口側に、それぞれ、突起５６ｆ及び５８ｆを設けた以外は、図５に示す単位モジュール９２と同様の構成を有している。
【０１０１】
このような構造を有する単位モジュール９６が積層された積層型燃料電池９４によれば、高温燃料極４８側の燃料流路５６ａには、出口側に突起５６ｆが設けられているので、出口側の流路抵抗が増大する。一方、低温燃料極６８側の燃料流路５８ａには、入口側に突起５８ｆが設けられているので、入口側の流路抵抗が増大する。その結果、燃料流路５６ａ内の内圧は、燃料流路５８ａ内の内圧より高くなる。
【０１０２】
そのため、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎを低温燃料極６８に合わせて小さく設定した場合であっても、高温燃料極４８側では、数４の式に示すアノード側のセル内圧Ｐ_Ａが大きくなるので、高温燃料極４８側の総排水量Ｗ_Ａｏｕｔを小さくすることができる。その結果、高温燃料極４８のドライアップに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池９４全体の出力が向上する。
【００１０３】
同様に、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎを高温燃料極４８に合わせて大きく設定した場合であっても、低温燃料極６８側では、数４の式に示すアノード側のセル内圧Ｐ_Ａが小さくなるので、低温燃料極６８側の総排水量Ｗ_Ａｏｕｔを大きくすることができる。その結果、低温燃料極６８のフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池９４全体の出力が向上する。
【０１０４】
単位モジュール９６を構成する単電池の積層数を３個以上とする場合も同様であり、アノード温が高くなるほど燃料流路の内圧が大きくなるように、各単電池の燃料流路の構造、すなわち、突起の大きさ、取付位置等を変化させれば、燃料極側のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【０１０５】
以上のように、積層型燃料電池において発生する各単電池の温度ばらつきに起因するドライアップ及びフラッディングを抑制するためには、燃料極側の水収支をバランスさせ、各電解質膜の含水状態の不均一を解消する必要がある。そのためには、各単電池の燃料流路の構造又は燃料極の電極構造を、温度環境に応じて変化させることが有効である。
【０１０６】
次に、本発明に係る燃料電池システムについて説明する。図１２に、本発明に係る燃料電池システムのブロック構成図を示す。図１２において、燃料電池システム１００は、積層型燃料電池１０２と、反応ガス供給装置１０４と、加湿量制御装置１０６と、反応ガス供給制御装置１０８と、電池作動状況検出装置１１０とを備えている。
【０１０７】
積層型燃料電池１０２は、複数個の単電池を積層した単位モジュールと、この単位モジュールを積層する毎に設けられる冷却手段とを備えている。図１３に積層型燃料電池１０２の断面図を示す。図１３に例示する積層型燃料電池１０２において、単位モジュール１０２ｃは、２個の単電池１０２ａ及び１０２ｂが積層されたものからなり、単位モジュール１０２ｃ間には、冷却装置１０２ｄが配置されている。
【０１０８】
単位モジュール１０２ｃに備えられる単電池１０２ａ及び１０２ｂは、それぞれ温度環境が異なるので、これらを単電池１０２ａのグループ（以下、これを「グループ１」という）と単電池１０２ｂのグループ（以下、これを「グループ２」という）に分け、分岐された空気マニホールド及び燃料マニホールド（図１３中、実線及び点線で表示）を介して、空気及び燃料ガスを分配するようになっている。
【０１０９】
図１４に、積層型燃料電池１０２の斜視図を示す。図１４において、積層型燃料電池１０２には、２つの空気導入口１０２ｆ、１０２ｇと、２つの空気排出口１０２ｈ、１０２ｉが設けられている。この内、空気導入口１０２ｆと空気排出口１０２ｈは、ともにグループ１に属する各単電池１０２ａの空気流路につながっており、分岐された空気マニホールドの一方から供給される空気を、空気導入口１０２ｆから各単電池１０２ａに配流し、各単電池１０２ａから排出されるガスを集めて、空気排出口１０２ｈから排出するようになっている。
【０１１０】
同様に、空気導入口１０２ｇと空気排出口１０２ｉは、ともにグループ２に属する各単電池１０２ｂの空気流路につながっており、分岐された空気マニホールドの他方から供給される空気を、空気導入口１０２ｇから各単電池１０２ｂに配流し、各単電池１０２ｂから排出されるガスを集めて、空気排出口１０２ｉから排出するようになっている。
【０１１１】
また、積層型燃料電池１０２には、２つの燃料導入口１０２ｊ、１０２ｋと、２つの燃料排出口１０２ｌ、１０２ｍが設けられている。この内、燃料導入口１０２ｊと燃料排出口１０２ｌは、ともにグループ１に属する各単電池１０２ａの燃料流路につながっており、分岐された燃料マニホールドの一方から供給される改質ガスを、燃料導入口１０２ｊから各単電池１０２ａに配流し、各単電池１０２ａから排出されるガスを集めて、燃料排出口１０２ｌから排出するようになっている。
【０１１２】
同様に、燃料導入口１０２ｋと燃料排出口１０２ｍは、ともにグループ２に属する各単電池１０２ｂの燃料流路につながっており、分岐された燃料マニホールドの他方から供給される改質ガスを、燃料導入口１０２ｋから各単電池１０２ｂに配流し、各単電池１０２ｂから排出されるガスを集めて、燃料排出口１０２ｍから排出するようになっている。
【０１１３】
なお、本発明に係る燃料電池システム１００において、単位モジュール１０２ｃを構成する単電池１０２ａ、１０２ｂのガス流路構造及び電極構造は、同一であっても良く、あるいは、その温度に応じて、異なる構造を有していても良い。また、分岐されたマニホールドから供給される反応ガスを各単電池グループに分配するための具体的構造は、図１４に例示する構造に限定されるものではなく、また、冷却装置１０２ｄについても、図１３に例示する構造に限定されるものではない。
【０１１４】
さらに、本発明は、電解質膜の含水率の管理が必要な燃料電池、具体的には、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池又はアルカリ型燃料電池に対して適用するのが好ましい。特に、固体高分子型燃料電池に対して本発明を適用した場合には、単位体積当たりの出力を低下させることなく、電解質膜の水収支の不均一あるいは反応ガスの相対的な過不足に起因する出力低下が軽減されるので、車載動力源に適した燃料電池システムが得られるという利点がある。
【０１１５】
反応ガス供給装置１０４は、各単電池の燃料極に所定量の改質ガスを供給するための燃料改質器１０４ａ、燃料供給装置１０４ｂ及び水供給装置１０４ｃと、積層型燃料電池１０２の空気極に所定量の空気を供給するための空気供給装置１０４ｄと、電池作動状況検出装置１１０により検出された積層型燃料電池１０２の作動状況に基づき、改質ガス及び空気の総供給量を制御する発電量制御装置１０４ｅからなっている。
【０１１６】
燃料改質器１０４ａは、周知のように、メタノール等からなる燃料蒸気と水蒸気とを触媒存在下で改質反応させることにより、水素を主成分とする改質ガスを発生させる装置であり、改質反応に必要な燃料蒸気と水蒸気は、それぞれ、燃料供給装置１０４ｂ及び水供給装置１０４ｃから供給されるようになっている。
【０１１７】
加湿量制御装置１０６は、積層型燃料電池１０２に供給される改質ガス及び空気に所定量の水分を添加して加湿すると共に、温度環境の異なる単電池グループ毎に、その加湿量を個別に制御するための装置である。そのため、加湿量制御装置１０６は、２つの燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂと、２つの空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄからなっている。
【０１１８】
燃料改質器１０４ａと燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂとは、分岐された燃料マニホールドを介して接続されており、燃料改質器１０４ａで発生させた改質ガスを、燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂに分配するようになっている。また、燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂは、それぞれ、図１４に示すグループ１の燃料導入口１０２ｊ及びグループ２の燃料導入口１０２ｋに接続されいる。
【０１１９】
同様に、空気供給装置１０４ｄと空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄは、分岐された空気マニホールドを介して接続されており、空気供給装置１０４ｄにより供給される空気を、空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄに分配するようになっている。また、空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄは、それぞれ、図１４に示すグループ１の空気導入口１０２ｆ及びグループ２の空気導入口１０２ｇに接続されている。
【０１２０】
なお、燃料加湿量制御装置１０６ａ、１０６ｂ、及び空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄに備えられる加湿器の構造については特に限定されるものではない。すなわち、水蒸気を用いて加湿する加湿器でも良く、あるいは、ミストを用いて加湿する加湿器でも良い。
【０１２１】
反応ガス供給制御装置１０８は、温度環境の異なる単電池グループ毎に、反応ガスの流量及び／又は圧力を個別に制御するための装置である。そのため、反応ガス供給制御装置１０８は、２つの燃料ガス供給制御装置１０８ａ及び１０８ｂと、２つの空気供給制御装置１０８ｃ及び１０８ｄからなっている。
【０１２２】
燃料ガス供給制御装置１０８ａ及び１０８ｂは、それぞれ、図１４に示すグループ１の燃料排出口１０２ｌ及びグループ２の燃料排出口１０２ｍに接続されいる。また、空気供給制御装置１０８ｃ及び１０８ｄは、それぞれ、図１４に示すグループ１の空気排出口１０２ｈ及びグループ２の空気排出口１０２ｉに接続されている。
【０１２３】
なお、各単電池に供給される反応ガスの流量及び圧力を個別に制御する方法としては、種々の方法が考えられる。具体的には、反応ガス供給装置１０４に備えられるポンプ回転数等を調節することにより、燃料ガス及び空気の総供給量を制御すると共に、反応ガス供給制御装置１０８に備えられるバルブ開度等を調節することにより、各反応ガス流路の流路抵抗を個別に制御すれば良い。
【０１２４】
また、図１２において、反応ガス供給制御装置１０８（燃料ガス供給制御装置１０８ａ、１０８ｂ、及び空気供給制御装置１０８ｃ、１０８ｄ）は、いずれも、積層型燃料電池１０２の排出口側に設けられているが、反応ガス供給制御装置１０８を導入口側、すなわち、燃料加湿量制御装置１０６ａ、１０６ｂと積層型燃料電池１０２の間、及び空気加湿量制御装置１０６ｃ、１０６ｄと積層型燃料電池１０２の間にそれぞれ設け、これによって反応ガスの流量及び圧力を個別に制御するようにしてもよい。
【０１２５】
あるいは、反応ガス供給制御装置１０８を積層型燃料電池１０２の導入口側及び排出口側の双方に設け、これらを用いて反応ガスの流量及び圧力を個別に制御するようにしてもよい。
【０１２６】
電池作動状況検出装置１１０は、積層型燃料電池１０２の作動状況を検出する機能と、測定された作動状況に基づき、各単電池のセル電圧のばらつきを小さくするために必要なガス流量、圧力、及び加湿量を算出する機能とを備えている。
【０１２７】
ここで、「作動状況」とは、具体的には、セル電圧、電解質膜の抵抗値、セル温度、セル内圧、並びに排出ガス中に含まれる水素濃度及び酸素濃度をいう。また、これらの作動状況は、グループ１に属する単電池１０２ａ及びグループ２に属する単電池１０２ｂについて、それぞれ個別に検出されるようになっている。
【０１２８】
さらに、電池作動状況検出装置１１０で算出されたガス流量等の制御パラメータは、発電量制御装置１０４ｅ、燃料加湿量制御装置１０６ａ、１０６ｂ、空気加湿量制御装置１０６ｃ、１０６ｄ、燃料ガス供給制御装置１０８ａ、１０８ｂ、及び空気供給制御装置１０８ｃ、１０８ｄに出力されるようになっている。
【０１２９】
なお、電池作動状況検出装置１１０による作動状況の検出は、積層された全ての単電池について行っても良く、あるいは、図１３に示すように、各グループの中から選ばれる代表的な１又は２以上の単電池について行っても良い。
【０１３０】
次に、図１２に示す燃料電池システム１００の一般的動作について説明する。まず、電池作動状況検出装置１１０により積層型燃料電池１０２の作動状況を監視する。そして、グループ１に属する単電池１０２ａと、グループ２に属する単電池１０２ｂのセル電圧の間に差が生じた場合には、電池作動状況検出装置１１０において、セル電圧の差を小さくするために必要な改質ガス及び空気の流量及び圧力、並びに改質ガス及び空気への加湿量が算出される。
【０１３１】
次いで、算出された改質ガス及び空気の流量及び圧力が、発電量制御装置１０２ｅ並びに燃料ガス供給制御装置１０８ａ、１０８ｂ及び空気供給制御装置１０８ｃ、１０８ｄに、また、算出された加湿量が燃料加湿量制御装置１０６ａ、１０６ｂ、及び空気加湿量制御装置１０６ｃ、１０６ｄにそれぞれ出力される。
【０１３２】
発電量制御装置１０４ｅでは、算出された改質ガスの流量及び圧力に基づき、燃料供給装置１０４ｂ及び水供給装置１０４ｃに制御信号を出力し、それぞれ、所定量の改質ガスを発生させるに必要な燃料蒸気及び水蒸気を燃料改質器１０４ａに供給させる。
【０１３３】
燃料改質器１０４ａでは、供給された燃料蒸気及び水蒸気から、改質反応により、改質ガスが発生する。発生した改質ガスは、分岐された燃料マニホールドを介して、それぞれ燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂに分配される。この時、燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂに分配される改質ガスの比率及び圧力は、積層型燃料電池１０２の排気側に設けられる燃料ガス供給制御装置１０８ａ、１０８ｂにより、個別に制御される。
【０１３４】
燃料加湿量制御装置１０６ａ及び１０６ｂに改質ガスが分配されると、電池作動状況検出装置１１０で算出された加湿量に基づき、所定量の水分がそれぞれ添加される。そして、加湿量が個別に制御された改質ガスは、それぞれ、グループ１に属する各単電池１０２ａの燃料極及びグループ２に属する各単電池１０２ｂの燃料極に供給される。
【０１３５】
同様に、空気供給装置１０４ｄでは、電池作動状況検出装置１１０で算出された空気の流量及び圧力に基づき、所定量の空気を積層型燃料電池１０２に供給する。供給された空気は、分岐された空気マニホールドを介して、それぞれ空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄに分配される。この時、空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄに分配される空気の比率及び圧力は、積層型燃料電池１０２の排気側に設けられる空気供給制御装置１０８ｃ、１０８ｄにより、個別に制御される。
【０１３６】
空気加湿量制御装置１０６ｃ及び１０６ｄに空気が分配されると、電池作動状況検出装置１１０で算出された加湿量に基づき、所定量の水分がそれぞれ添加される。そして、加湿量が個別に制御された空気は、それぞれ、グループ１に属する各単電池１０２ａの空気極及びグループ２に属する各単電池１０２ｂの空気極に供給される。
【０１３７】
積層型燃料電池１０２のグループ１に属する各単電池１０２ａ、及びグループ２に属する各単電池１０２ｂに、それぞれ流量、圧力及び加湿量が個別に制御された改質ガス及び空気が供給されると、グループ１に属する単電池１０２ａのセル電圧及び／又はグループ２に属する単電池１０２ｂのセル電圧が変化する。そこで、電池作動状況検出装置１１０により、変化した各単電池のセル電圧を再度検出し、これらを対比する。そして、単電池１０２ａと単電池１０２ｂのセル電圧の差が所定の値以下となるまで、上述した制御が繰り返される。
【０１３８】
次に、温度環境の異なる各単電池のセル電圧の差を小さくするための具体的な運転方法について説明する。図１５に、その制御フローチャートの一例を示す。初めに、図１５に示すステップ１（以下、単に「Ｓ１」という）において、グループ１に属する単電池１０２ａのセル電圧Ｖ_１と、グループ２に属する単電池１０２ｂのセル電圧Ｖ_２が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１３９】
次いで、Ｓ２において、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しいか否かが判断される。セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しい場合（Ｓ２：ＹＥＳ）には、Ｓ１に戻り、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２の変動が生じるまで上述のＳ１〜Ｓ２の各ステップが繰り返される。一方、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しくない場合（Ｓ２：ＮＯ）には、各単電池の反応ガス供給量に相対的な過不足が生じていることを示しているので、次にＳ３に進む。
【０１４０】
Ｓ３では、セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きいか否かが判断される。セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きい場合（Ｓ３：ＹＥＳ）には、Ｓ４に進み、グループ１に属する単電池１０２ａの空気極から排出されるガス中の酸素濃度（以下、これを「酸素濃度Ｘ_０１」という）と、グループ２に属する単電池１０２ｂの空気極から排出されるガス中の酸素濃度（以下、これを「酸素濃度Ｘ_Ｏ２」という）が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１４１】
次いで、Ｓ５において、酸素濃度Ｘ_０２が酸素濃度Ｘ_Ｏ１以上であるか否かが判断される。酸素濃度Ｘ_０２が酸素濃度Ｘ_Ｏ１以上でない場合（Ｓ５：ＮＯ）には、単電池１０２ｂに供給される空気が相対的に不足したためにセル電圧Ｖ_２が低下したことを示している。そこで、この場合にはＳ６へ進み、空気供給制御装置１０８ｄを用いて、単電池１０２ｂに供給される空気流量（以下、これを「空気流量ｆ_{Ａｉｒｉｎ}（２）」という）を増加させる。
【０１４２】
一方、酸素濃度Ｘ_０２が酸素濃度Ｘ_Ｏ１以上である場合（Ｓ５：ＹＥＳ）には、電圧Ｖ_２の低下が単電池１０２ｂに供給される空気量の相対的な不足によるものではないことを示しているので、そのままＳ７に進む。
【０１４３】
Ｓ７では、グループ１に属する単電池１０２ａの燃料極から排出されるガス中の水素濃度（以下、これを「水素濃度Ｘ_Ｈ１」という）と、グループ２に属する単電池１０２ｂの燃料極から排出されるガス中の水素濃度（以下、これを「水素濃度Ｘ_Ｈ２」という）が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１４４】
次いで、Ｓ８では、水素濃度Ｘ_Ｈ２が水素濃度Ｘ_Ｈ１以上であるか否かが判断される。水素濃度Ｘ_Ｈ２が水素濃度Ｘ_Ｈ１以上でない場合（Ｓ８：ＮＯ）には、単電池１０２ｂに供給される燃料が相対的に不足したためにセル電圧Ｖ_２が低下したことを示している。そこで、この場合にはＳ９へ進み、燃料ガス供給制御装置１０８ｂを用いて、単電池１０２ｂに供給される燃料流量（以下、これを「燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）」という）を増加させる。
【０１４５】
一方、電圧Ｖ_２の低下が空気流量の不均一にのみ起因する場合には、Ｓ８において、水素濃度Ｘ_Ｈ２が水素濃度Ｘ_Ｈ１以上であると判断される（Ｓ８：ＹＥＳ）ので、この場合には、Ｓ１に戻る。そして、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が一致するまで、上述したＳ１〜Ｓ９の各ステップが繰り返されることになる。
【０１４６】
また、Ｓ３において、セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きくないと判断された場合（Ｓ３：ＮＯ）には、Ｓ１０へ進み、そこで、酸素濃度Ｘ_０１と酸素濃度Ｘ_Ｏ２が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１４７】
次いで、Ｓ１１において、酸素濃度Ｘ_０１が酸素濃度Ｘ_Ｏ２以上であるか否かが判断される。酸素濃度Ｘ_０１が酸素濃度Ｘ_Ｏ２以上でない場合（Ｓ１１：ＮＯ）には、単電池１０２ａに供給される空気が相対的に不足したためにセル電圧Ｖ_１が低下したことを示している。そこで、この場合にはＳ１２へ進み、空気供給制御装置１０８ｃを用いて、単電池１０２ａに供給される空気流量（以下、これを「空気流量ｆ_{Ａｉｒｉｎ}（１）」という）を増加させる。
【０１４８】
一方、酸素濃度Ｘ_０１が酸素濃度Ｘ_Ｏ２以上である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）には、セル電圧Ｖ_１の低下が単電池１０２ａに供給される空気量の相対的に不足によるものではないことを示しているので、そのままＳ１３に進む。Ｓ１３では、水素濃度Ｘ_Ｈ１と水素濃度Ｘ_Ｈ２が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１４９】
次いで、Ｓ１４では、水素濃度Ｘ_Ｈ１が水素濃度Ｘ_Ｈ２以上であるか否かが判断される。水素濃度Ｘ_Ｈ１が水素濃度Ｘ_Ｈ２以上でない場合（Ｓ１４：ＮＯ）には、単電池１０２ａに供給される燃料ガスが相対的に不足したためにセル電圧Ｖ_１が低下したことを示している。そこで、この場合にはＳ１５へ進み、燃料ガス供給制御装置１０８ａを用いて、単電池１０２ａに供給される燃料流量（以下、これを「燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（１）」という）を増加させる。
【０１５０】
一方、セル電圧Ｖ_１の低下が空気流量の不均一にのみ起因する場合には、Ｓ１４において、水素濃度Ｘ_Ｈ１が水素濃度Ｘ_Ｈ２以上であると判断される（Ｓ１４：ＹＥＳ）ので、この場合には、Ｓ１に戻る。そして、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が一致するまで、上述したＳ１〜Ｓ３及びＳ１０〜Ｓ１５の各ステップが繰り返される。
【０１５１】
以上のように、図１５に示した積層型燃料電池の運転方法によれば、温度環境の異なる単電池グループ毎に検出された酸素濃度及び水素濃度に応じて、空気流量及び燃料流量を個別に制御しているので、積層型燃料電池に備えられる各単電池のガス流路構造及び電極構造を同一とした場合であっても、ガス流量の相対的な過不足に起因するセル電圧の低下を抑制することができる。また、これによって、積層型燃料電池１０２のエネルギー効率を向上させることができる。
【０１５２】
次に、温度環境の異なる各単電池のセル電圧の差が小さくなるように、ガス流量及び加湿量の双方を増減させる具体的な運転方法について説明する。図１６に、その制御フローチャートの一例を示す。初めに、図１６に示すＳ２１において、グループ１に属する単電池１０２ａのセル電圧Ｖ_１と、グループ２に属する単電池１０２ｂのセル電圧Ｖ_２が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１５３】
次いで、Ｓ２２において、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しいか否かが判断される。セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しい場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）には、Ｓ２１に戻り、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２の変動が生じるまで上述のＳ２１〜Ｓ２２の各ステップが繰り返される。一方、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しくない場合（Ｓ２２：ＮＯ）には、各単電池の反応ガス供給量及び／又は加湿量に相対的な過不足が発生したことを示しているので、Ｓ２３に進む。
【０１５４】
Ｓ２３では、セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きいか否かが判断される。セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きい場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）には、Ｓ２４に進み、そこで、単電池１０２ａの電解質膜の膜抵抗Ｒ_１と、単電池１０２ｂの電解質膜の膜抵抗Ｒ_２が電池作動状況検出装置１１０により検出される。さらに、Ｓ２５において、膜抵抗Ｒ_１が膜抵抗Ｒ_２以上であるか否かが判断される。
【０１５５】
膜抵抗Ｒ_１が膜抵抗Ｒ_２以上でない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、すなわち膜抵抗Ｒ_２の方が大きい場合には、単電池１０２ｂに供給される水分量よりも単電池１０２ｂから排出される水分量の方が多くなったために、単電池１０２ｂにおいてドライアップが発生し、これによってセル電圧Ｖ_２が低下したことを示している。そこで、この場合には、Ｓ２６に進む。
【０１５６】
Ｓ２６では、単電池１０２ｂにおける水分量の不足を解消するための手段が実行される。例えば、セル電圧Ｖ_２の低下が、単電池１０２ｂの空気極側における水分量の不足に起因する場合には、空気供給制御装置１０８ｄを用いて、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を減少させればよい。これにより、単電池１０２ｂの空気極側から排出される水分量を少なくすることができる。あるいは、空気加湿量制御装置１０６ｄを用いて、単電池１０２ｂの空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（２）を増加させてもよい。これにより、単電池１０２ｂの空気極側に供給される水分量を増加させることができる。
【０１５７】
また、セル電圧Ｖ_２の低下が、単電池１０２ｂの燃料極側における水分量の不足に起因する場合には、燃料加湿量制御装置１０６ｂを用いて、単電池１０２ｂの燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（２）を増加させ、これによって燃料極側に供給される水分量を増加させてもよい。
【０１５８】
さらに、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（２）及び燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（２）から選ばれる少なくとも１以上の制御パラメータを組み合わせ、単電池１０２ｂの水収支の均衡が保たれるように、これらを同時に制御してもよい。
【０１５９】
一方、膜抵抗Ｒ_１が膜抵抗Ｒ_２以上である場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、すなわち膜抵抗Ｒ_２の方が小さい場合には、単電池１０２ｂから排出される水分量よりも単電池１０２ｂに供給される水分量の方が多くなったために、単電池１０２ｂにおいてフラッディングが発生し、これによってセル電圧Ｖ_２が低下したことを示している。そこで、この場合には、Ｓ２７に進む。
【０１６０】
Ｓ２７では、単電池１０２ｂにおける過剰水分を排除するための手段が実行される。例えば、セル電圧Ｖ_２の低下が、単電池１０２ｂの空気極側における過剰水分に起因する場合には、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を増加させ、空気極側から排出される水分量を増加さればよい。あるいは、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（２）を減少させ、空気極側に供給される水分量を減少させてもよい。
【０１６１】
また、セル電圧Ｖ_２の低下が、単電池１０２ｂの燃料極側における過剰水分に起因する場合には、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（２）を減少させ、燃料極側に供給される水分量を減少させてもよい。さらに、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（２）及び燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（２）から選ばれる少なくとも１以上の制御パラメータを組み合わせ、単電池１０２ｂの水収支の均衡が保たれるように、これらを同時に制御してもよい。
【０１６２】
Ｓ２６あるいはＳ２７において、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（２）及び燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（２）から選ばれる少なくとも１以上が制御された後、Ｓ２１に戻る。そして、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が一致するまで、上述したＳ２１〜Ｓ２７の各ステップが繰り返される。
【０１６３】
これに対しＳ２３において、セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きくないと判断された場合（Ｓ２３：ＮＯ）には、Ｓ２８に進み、そこで、膜抵抗Ｒ_１と膜抵抗Ｒ_２が検出される。さらに、Ｓ２９において、膜抵抗Ｒ_１が膜抵抗Ｒ_２以下であるか否かが判断される。
【０１６４】
膜抵抗Ｒ_１が膜抵抗Ｒ_２以下でない場合（Ｓ２９：ＮＯ）、すなわち膜抵抗Ｒ_１の方が大きい場合には、単電池１０２ａにおいて水分量が不足し、これによってセル電圧Ｖ_１が低下したことを示している。そこで、この場合には、Ｓ３０に進み、単電池１０２ａにおける水分量の不足を解消するための手段が実行される。
【０１６５】
例えば、セル電圧Ｖ_１の低下が、単電池１０２ａの空気極側における水分量の不足に起因する場合には、空気供給制御装置１０８ｃを用いて空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（１）を減少させるか、あるいは、空気加湿量制御装置１０６ｃを用いて空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（１）を増加させればよい。
【０１６６】
また、セル電圧Ｖ_１の低下が、単電池１０２ａの燃料極側における水分量の不足に起因する場合には、燃料加湿量制御装置１０６ａを用いて燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（１）を増加させればよい。さらに、これらの中から選ばれる１以上の制御パラメータを組み合わせ、単電池１０２ａの水収支の均衡が保たれるように、これらを同時に制御してもよい。
【０１６７】
一方、膜抵抗Ｒ_１が膜抵抗Ｒ_２以下である場合（Ｓ２９：ＹＥＳ）、すなわち膜抵抗Ｒ_１の方が小さい場合には、単電池１０２ａにおいて水分量が過剰となり、これによってセル電圧Ｖ_１が低下したことを示している。
【０１６８】
そこで、この場合にはＳ３１に進み、前述とは逆に、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（１）の増加及び／又は空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（１）の減少、あるいは、燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（１）の減少により、空気極側あるいは燃料極側から過剰水分を排除すればよい。さらに、これらの中から選ばれる１以上の制御パラメータを組み合わせ、単電池１０２ａの水収支の均衡が保たれるように、これらを同時に制御してもよい。
【０１６９】
Ｓ３０あるいはＳ３１において、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（１）、空気加湿量Ｗ_Ｃｉｎ（１）及び燃料加湿量Ｗ_Ａｉｎ（１）から選ばれる少なくとも１以上が制御された後、Ｓ２１に戻る。そして、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が一致するまで、上述したＳ２１〜Ｓ２３、及びＳ２８〜Ｓ３１の各ステップが繰り返される。
【０１７０】
以上のように、図１６に示す積層型燃料電池の運転方法によれば、温度環境の異なる単電池グループ毎に検出された膜抵抗を用いて、反応ガスの流量及び加湿量を個別に制御しているので、各単電池のガス流路構造及び電極構造を同一とした場合であっても、電解質膜の含水率の不均一や、反応ガス供給量の相対的な過不足を抑制することができる。また、これによってセル電圧のばらつきを解消することができ、積層型燃料電池全体の出力を向上させることができる。
【０１７１】
次に、温度環境の異なる各単電池のセル電圧の差を小さくするための他の運転方法について説明する。図１７〜図１９に、制御フローチャートの一例を示す。初めに、図１７に示すＳ４１において、グループ１に属する単電池１０２ａのセル電圧Ｖ_１と、グループ２に属する単電池１０２ｂのセル電圧Ｖ_２が電池作動状況検出装置１１０により検出される。
【０１７２】
次いで、Ｓ４２において、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しいか否かが判断される。セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しい場合（Ｓ４２：ＹＥＳ）には、Ｓ４１に戻り、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２の変動が生じるまで上述のＳ４１〜Ｓ４２の各ステップが繰り返される。一方、セル電圧Ｖ_１とセル電圧Ｖ_２が等しくない場合（Ｓ４２：ＮＯ）には、各単電池の反応ガス供給量に相対的な過不足が発生したことを示しているので、Ｓ４３に進む。
【０１７３】
Ｓ４３では、セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きいか否かが判断される。セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きい場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）には、図１８に示すＳ５１に進む。Ｓ５１では、セル電圧Ｖ_２の現在値をＶ_Ｐとして記憶させ、次いで、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を増加させる。そして、所定時間経過後、Ｓ５２において、セル電圧Ｖ_２を再度検出し、さらに、Ｓ５３において、記憶された現在値Ｖ_Ｐと新たに検出されたセル電圧Ｖ_２との対比が行われる。
【０１７４】
現在値Ｖ_Ｐがセル電圧Ｖ_２より小さい場合（Ｓ５３：ＹＥＳ）には、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）が相対的に不足し、これによってセル電圧Ｖ_２が低下したことを示している。そこで、この場合にはＳ５４へ進み、セル電圧Ｖ_２の現在値をＶ_Ｐとして記憶させ、次いで、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を増加させる操作が実行される。所定時間経過後、Ｓ５５において、セル電圧Ｖ_２を再度検出し、Ｓ５６において、記憶された現在値Ｖ_Ｐと新たに検出されたセル電圧Ｖ_２との対比が行われる。
【０１７５】
そして、Ｓ５６において、現在値Ｖ_Ｐがセル電圧Ｖ_２より小さいと判断された場合（Ｓ５６：ＹＥＳ）には、単電池１０２ｂの空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）の相対的な不足が未だ解消されていないことを示しているので、Ｓ５４に戻り、上述したＳ５４〜Ｓ５６の各ステップが繰り返される。一方、現在値Ｖ_Ｐがセル電圧Ｖ_２より小さくない（Ｓ５６：ＮＯ）場合、すなわち、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を増加させてもセル電圧Ｖ_２がもはや増加しなくなった場合は、Ｓ４１へ戻る。
【０１７６】
これに対し、Ｓ５３において、現在値Ｖ_Ｐがセル電圧Ｖ_２より小さくないと判断された場合（Ｓ５３：ＮＯ）には、セル電圧Ｖ_２の低下が空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）の相対的な不足に起因するものではないことを示している。そこで、この場合にはＳ５７に進み、上述と同様の手順に従い、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を減少させることにより、セル電圧Ｖ_２が増加するか否かが判断される（Ｓ５７〜Ｓ５９）。
【０１７７】
記憶された現在値Ｖ_Ｐが新たに検出されたセル電圧Ｖ_２より小さい場合（Ｓ５９：ＹＥＳ）には、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）が相対的に過剰となり、これによってセル電圧Ｖ_２が低下したことを示している。そこで、この場合にはＳ６０に進み、セル電圧Ｖ_２が増加しなくなるまで、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を減少さる（Ｓ６０〜Ｓ６２）。そして、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（２）を増加させてもセル電圧Ｖ_２がもはや増加しなくなったところで（Ｓ６２：ＮＯ）、Ｓ４１へ戻る。
【０１７８】
また、Ｓ５９において、現在値Ｖ_Ｐがセル電圧Ｖ_２より小さくないと判断された場合（Ｓ５９：ＮＯ）には、セル電圧Ｖ_２の低下が空気流量の相対的な過不足に起因するものではないことを示している。そこで、この場合にはＳ６３へ進み、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）の増加によってセル電圧Ｖ_２が増加するか否かが判断される（Ｓ６３〜Ｓ６５）。
【０１７９】
燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）の増加によってセル電圧Ｖ_２が増加した場合（Ｓ６５：ＹＥＳ）には、Ｓ６６へ進み、セル電圧Ｖ_２が増加しなくなるまで、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）を増加さる（Ｓ６６〜Ｓ６８）。そして、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）を増加させてもセル電圧Ｖ_２がもはや増加しなくなったところで（Ｓ６８：ＮＯ）、Ｓ４１へ戻る。
【０１８０】
一方、Ｓ６５において、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）の増加によってセル電圧Ｖ_２が増加しなかった場合（Ｓ６５：ＮＯ）は、Ｓ６９に進み、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）を減少させることにより、セル電圧Ｖ_２が増加するか否かが判断される（Ｓ６９〜Ｓ７１）。
【０１８１】
燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）の減少によってセル電圧Ｖ_２が増加した場合（Ｓ７１：ＹＥＳ）には、Ｓ７２へ進み、セル電圧Ｖ_２が増加しなくなるまで、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）を減少さる（Ｓ７２〜Ｓ７４）。そして、燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（２）を増加させてもセル電圧Ｖ_２がもはや増加しなくなったところで（Ｓ７１：ＮＯ、又はＳ７４：ＮＯ）、Ｓ４１へ戻る。
【０１８２】
同様に、Ｓ４３において、セル電圧Ｖ_１がセル電圧Ｖ_２より大きくないと判断された場合（Ｓ４３：ＮＯ）には、図１９に示すＳ８１に進む。そして、上述と同様の手順に従い、空気流量ｆ_{ａｉｒｉｎ}（１）の増加（Ｓ８１〜Ｓ８６）及び減少（Ｓ８７〜Ｓ９２）、並びに燃料流量ｆ_Ｈｉｎ（１）の増加（Ｓ９３〜Ｓ９８）及び減少（Ｓ９９〜Ｓ１０４）が順次、試行錯誤的に実行され、セル電圧Ｖ_１を低下させた原因が解消されるまで、反応ガス流量の個別制御が行われる。
【０１８３】
以上のように、図１７〜図１９に示す積層型燃料電池の運転方法によれば、温度環境の異なる単電池グループ毎に、反応ガスの流量を個別に制御しているので、各単電池のガス流路構造及び電極構造を同一とした場合であっても、反応ガス供給量の相対的な過不足に起因するセル電圧のばらつきを解消することができ、これによって、積層型燃料電池全体の出力を向上させることができる。
【０１８４】
また、図１７〜図１９に示す運転方法によれば、図１５及び図１６に示す運転方法と異なり、酸素濃度や水素濃度を検出するための装置、あるいは、電解質膜の膜抵抗を検出するための装置を用いることなく、セル電圧のばらつきを解消できるので、積層型燃料電池システムの低コスト化が図れるという利点がある。
【０１８５】
【実施例】
（実施例１）
図１に示す構造を有する積層型燃料電池４０を作製し、放電特性を調べた。すなわち、空気流路の溝の深さが異なる単電池を２個積層して単位モジュール４２とし、これを２５個積層して積層型燃料電池４０（単電池の積層数＝５０セル）とした。
【０１８６】
ここで、冷媒流路６０により直接冷却される低温空気極５０側の空気流路（以下、これを「冷却空気流路」という）５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１は０．６ｍｍとし、冷媒流路６０により直接冷却されない高温空気極７０側の空気流路（以下、これを「非冷却空気流路」という）５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２は０．３ｍｍとした。
【０１８７】
また、冷媒流路６０により直接冷却されない高温燃料極４８側の燃料流路（以下、これを「非冷却燃料流路」という）５６ａの溝の深さＤ_Ａ１、及び冷媒流路６０により直接冷却される低温燃料極６８側の燃料流路（以下、これを「冷却燃料流路」という）５８ａの溝の深さＤ_Ａ２は、いずれも０．５ｍｍとした。さらに、電極面積を２００ｃｍ^２とし、電解質膜４６、６６には、パーフルオロ系の固体高分子電解質膜を用いた。
【０１８８】
得られた積層型燃料電池４０の燃料極側には、露点９０℃の水蒸気を含む水素ガスを、圧力０．２ＭＰａ、水素利用率８０％相当の流量で供給した。また、空気極側には、露点８０℃の水蒸気を含む空気を、圧力０．２ＭＰａ、酸素利用率２０％相当の流量で供給した。さらに、１セルおきに設けられる冷媒流路６０には、水温８０℃の冷却水を供給した。次いで、この積層型燃料電池４０を、１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度一定の条件下で放電させ、各単電池のカソード温とセル電圧を測定した。
【０１８９】
（比較例１）
冷却空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１、及び非冷却空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２を、いずれも０．４５ｍｍとした以外は、実施例１と同一の構造を有する積層型燃料電池を作製し、実施例１と同一条件下で放電特性を調べた。
【０１９０】
実施例１及び比較例２で得られた結果を、それぞれ、図２０及び図２１に示す。冷却空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１及び非冷却空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２をいずれも０．４５ｍｍとした比較例１では、図２１に示すように、カソード温は、冷却空気流路５４ｃに隣接する低温空気極５０で８２℃、非冷却空気流路５６ｃに隣接する高温空気極７０で９８℃となり、冷媒流路６０からの距離に応じて、カソード温に１６℃の温度差が発生した。
【０１９１】
また、カソード温の低い単電池４４のセル電圧は０．６０Ｖであるのに対し、カソード温の高い単電池４５のセル電圧は０．４０Ｖに低下した。これは、カソード温の異なるすべての単電池に対し、露点８０℃の水蒸気を含むドライ気味の空気を均等に送り込んでいるために、単電池４５においてドライアップが生じたためである。
【０１９２】
これに対し、非冷却空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２を冷却空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１の半分とした実施例１では、図２０に示すように、温度分布は比較例１とほとんど違いがないが、カソード温の高い単電池４５のセル電圧が０．５８Ｖに向上し、その結果、積層型燃料電池全体の総電圧が向上した。これは、非冷却空気流路５６ｃの断面積が小さいために、非冷却空気流路５６ｃの空気流量が少なくなり、単電池４５のドライアップが抑制されたためである。
【０１９３】
（実施例２）
図２に示す構造を有する積層型燃料電池７４を作製し、放電特性を調べた。すなわち、非冷却空気流路５６ｃの入り口にガス流通の障害となる多孔体７８を設けて単位モジュール７６とし、これを２５個積層して積層型燃料電池７４（単電池の積層数＝５０セル）とした。
【０１９４】
なお、冷却空気流路５４ｃの溝の深さＤ_Ｃ１及び非冷却空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２は、いずれも０．４５ｍｍとした。また、単位モジュール７４の構造に関するその他の点については、実施例１と同一とした。得られた積層型燃料電池７４について、実施例１と同一条件下で放電特性を調べた。結果を図２２に示す。
【０１９５】
非冷却空気流路５６ｃに多孔体７８を設けた実施例２では、カソード温の分布は比較例１とほとんど違いがないが、セル電圧は、カソード温の低い単電池４４で０．６０Ｖ、カソード温の高い単電池４５で０．５８Ｖとなり、比較例１に比して、単電池４５のセル電圧が向上した。これは、多孔体７８により非冷却空気流路５６ｃの流路抵抗が高くなったために、非冷却空気流路５６ｃの空気流量が少なくなり、単電池４５のドライアップが抑制されたためである。
【０１９６】
（実施例３）
図３に示す構造を有する積層型燃料電池８０を作製し、放電特性を調べた。すなわち、非冷却空気流路５６ｃの入口にガス流通の障害となるような障害板８４を設けて単位モジュール８２とし、これを２５個積層して積層型燃料電池８０（単電池の積層数＝５０セル）とした。なお、単位モジュール８２の構造に関するその他の点については、実施例２と同一とした。
【０１９７】
得られた積層型燃料電池８０の燃料極側には、露点９０℃の水蒸気を含む水素ガスを、圧力０．２ＭＰａ、水素利用率８０％相当の流量で供給した。また、空気極側には、露点９０℃の水蒸気を含む空気を、圧力０．２ＭＰａ、酸素利用率２０％相当の流量で供給した。さらに、１セルおきに設けられる冷媒流路６０には、水温８０℃の冷却水を供給した。次いで、積層型燃料電池８０を、１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度一定の条件下で放電させ、各単電池のカソード温とセル電圧を測定した。
【０１９８】
（比較例２）
比較例１と同一の構造を有する積層型燃料電池を用い、実施例３と同一条件下で放電特性を調べた。
【０１９９】
実施例３及び比較例２で得られた結果を、それぞれ、図２３及び図２４に示す。空気流路の溝の深さを同一とし、露点９０℃の水蒸気を含むウェット気味の空気を空気流路に供給した比較例２では、図２４に示すように、カソード温は、低温空気極５０で８２℃、高温空気極７０で９８℃となった。
【０２００】
また、カソード温の高い単電池４５のセル電圧は０．６０Ｖであるのに対し、カソード温の低い単電池４４のセル電圧は０．２０Ｖまで低下した。これは、カソード温の異なるすべての単電池に対し、露点９０℃の水蒸気を含むウェット気味の空気を均等に送り込んでいるために、単電池４４においてフラッディングが生じたためである。
【０２０１】
これに対し、非冷却空気流路５６ｃに障害板８４を設けた実施例３では、図２３に示すように、カソード温の分布は比較例２とほとんど違いがないが、カソード温の低い単電池４４のセル電圧が０．５８Ｖまで向上した。これは、入り口側に設けられた障害板８４により、非冷却空気流路５６ｃの流路抵抗が高くなったために、冷却空気流路５４ｃの空気流量が多くなり、単電池４４のフラッディングが抑制されたためである。
【０２０２】
（実施例４）
図４に示す構造を有する積層型燃料電池８６を作製し、放電特性を調べた。すなわち、非冷却空気流路５６ｃの出口に突起５６ｄを設けると共に、冷却空気流路５４ｃの入口に突起５４ｄを設けて単位モジュール８８とし、これを２５個積層して積層型燃料電池８６（単電池の積層数＝５０セル）とした。なお、単位モジュール８８の構造に関するその他の点については、実施例２と同一とした。
【０２０３】
得られた積層型燃料電池８６の燃料極側には、露点９０℃の水蒸気を含む水素ガスを、圧力０．２ＭＰａ、水素利用率８０％相当の流量で供給した。また、空気極側には、露点９０℃の水蒸気を含む空気を、酸素利用率２０％相当の流量で供給した。さらに、１セルおきに設けられる冷媒流路６０には、水温８０℃の冷却水を供給した。次いで、この積層型燃料電池８６を、１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度一定の条件下で放電させ、各単電池のカソード温とセル電圧を測定した。結果を図２５に示す。
【０２０４】
空気極の出ガス圧力を０．１３ＭＰａに調整したところ、セル内空気圧力は、高温空気極７０側で０．２ＭＰａ、低温空気極５０側で０．１３ＭＰａとなった。これは、空気流路の出口及び入口に設けた突起５４ｄ、５６ｄ部分で約０．０７ＭＰａの圧力損失が生じたためである。また、低温空気極５０側のカソード温は８２℃、高温空気極７０側のカソード温は９８℃であり、温度分布は、比較例２とほぼ同様であった。
【０２０５】
しかしながら、セル電圧は、カソード温の高い単電池４５で０．５４Ｖ、カソード温の低い単電池４４で０．５２Ｖとなり、比較例２に比して、セル電圧のばらつきが小さくなり、積層型燃料電池８６全体の出力が向上した。これは、冷却空気流路５４ｃの内圧が比較例２に比して低いために、単電池４４でのフラッディングが抑制されたためである。
【０２０６】
（実施例５）
電極構造の異なる単電池が積層された積層型燃料電池を作製し、放電特性を調べた。すなわち、２個の単電池を積層して単位モジュールとし、これを２５個積層して積層型燃料電池（単電池の積層数＝５０セル）とした。また、高温空気極の拡散層の平均孔径は約０．１μｍとし、低温空気極の拡散層の平均孔径は約１μｍとした。
【０２０７】
なお、単位モジュールの構造に関するその他の点については、実施例２と同一とした。また、得られた積層型燃料電池について、実施例１と同一条件下で放電特性を調べた。
【０２０８】
（比較例３）
すべての空気極の拡散層の平均孔径を約１μｍとした以外は、実施例５と同一の構造を有する積層型燃料電池を作製し、実施例５と同一条件下で放電特性を調べた。
【０２０９】
実施例５及び比較例３で得られた結果を図２６及び図２７に示す。すべての空気極の拡散層の平均孔径を１μｍとした比較例３では、図２７に示すように、カソード温は、冷却空気極５４ｃ側で８２℃、非冷却空気極５６ｃ側で９８℃であった。また、セル電圧は、カソード温の低い単電池で０．６０Ｖ、カソード温の高い単電池で０．４０Ｖとなった。これは、拡散層の平均孔径が等しい空気極に対し、露点８０℃の水蒸気を含む空気を均等に配流したために、カソード温の高い単電池においてドライアップが生じたためである。
【０２１０】
これに対し、高温空気極の拡散層の平均孔径を０．１μｍとした実施例５では、図２６に示すように、カソード温の分布は比較例３と同等であったが、カソード温の高い単電池のセル電圧が０．５２Ｖまで向上した。これは、高温空気極の拡散層の平均孔径を小さくしたために、電解質膜からの水の持ち出しが少なくなり、ドライアップが抑制されたためである。
【０２１１】
（実施例６）
図５に示す構造を有する積層型燃料電池９０を作製し、放電特性を調べた。すなわち、燃料流路の溝の深さが異なる単電池を２個積層して単位モジュール９２とし、これを２５個積層して積層型燃料電池９０（単電池の積層数＝５０セル）とした。
【０２１２】
ここで、冷却燃料流路５８ａの溝の深さＤ_Ａ２は０．５ｍｍとし、非冷却燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１は０．４ｍｍとした。また、冷却空気流路５４ａの溝の深さＤ_Ｃ１及び非冷却空気流路５６ｃの溝の深さＤ_Ｃ２は、いずれも０．５ｍｍとした。さらに、電極面積を２００ｃｍ^２とし、電解質膜４６、６６には、パーフルオロ系の固体高分子電解質膜を用いた。
【０２１３】
得られた積層型燃料電池９０の燃料極側には、露点８５℃の水蒸気を含む水素ガスを、圧力０．２ＭＰａ、水素利用率８０％相当の流量で供給した。また、空気極側には、露点８５℃の水蒸気を含む空気を、圧力０．２ＭＰａ、酸素利用率２０％相当の流量で供給した。さらに、１セルおきに設けられる冷媒流路６０には、水温８０℃の冷却水を供給した。次いで、この積層型燃料電池９０を、１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度一定の条件下で放電させ、アノード温及びセル電圧を測定した。
【０２１４】
（比較例４）
非冷却燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１、及び冷却燃料流路５８ａの溝の深さＤ_Ａ２を、いずれも０．４５ｍｍとした以外は、実施例６と同一の構造を有する積層型燃料電池を作製し、実施例６と同一の条件下で、放電特性を調べた。
【０２１５】
実施例６及び比較例４で得られた結果を、それぞれ図２８及び図２９に示す。燃料流路の溝の深さを同一とし、露点８５℃の水蒸気を含む水素ガスを各燃料流路に均等に配流した比較例４では、図２９に示すように、アノード温は、低温燃料極６８側で８１℃、高温燃料極４８側で９５℃となった。また、セル電圧は、アノード温の低い単電池４５で０．６２Ｖ、アノード温の高い単電池４４で０．４０Ｖとなった。これは、アノード温の異なるすべての燃料極に対し、露点８５℃の水蒸気を含む水素ガスを均等に配流しているために、単電池４４においてドライアップが生じたためである。
【０２１６】
これに対し、非冷却燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１を大きくした実施例６では、図２８に示すように、温度分布は比較例４とほとんど違いがないが、アノード温の高い単電池４４のセル電圧が０．５５Ｖまで向上した。これは、非冷却燃料流路５６ａの断面積が大きいために、高温燃料極４８側の燃料流量が多くなり、単電池４４のドライアップが抑制されたためである。
【０２１７】
（実施例７）
図６に示す構造を有する積層型燃料電池９４を作製し、放電特性を調べた。すなわち、非冷却燃料流路５６ａの出口に突起５６ｆを設けると共に、冷却燃料流路５８ａの入口に突起５８ｆを設けて単位モジュール９６とし、これを２５個積層して積層型燃料電池９４（単電池の積層数＝５０セル）とした。
【０２１８】
なお、非冷却燃料流路５６ａの溝の深さＤ_Ａ１、及び、冷却燃料流路５８ａの溝の深さＤ_Ａ２は、いずれも０．４５ｍｍとし、単位モジュール９６の構造に関するその他の点については、実施例６と同一とした。
【０２１９】
得られた積層型燃料電池９４の燃料極側には、露点９０℃の水蒸気を含む水素ガスを、水素利用率８０％相当の流量で供給した。また、空気極側には、露点８０℃の水蒸気を含む空気を、圧力０．２ＭＰａ、酸素利用率２０％相当の流量で供給した。さらに、１セルおきに設けられる冷媒流路には、水温８０℃の冷却水を供給した。次いで、この積層型燃料電池９４を、１．０Ａ／ｃｍ^２の電流密度一定の条件下で放電させ、アノード温及びセル電圧を測定した。結果を図３０に示す。
【０２２０】
燃料極出ガス圧力を０．２０ＭＰａに調整したところ、セル内燃料ガス圧力が、高温燃料極４８側で０．２５ＭＰａ、低温燃料極６８側で０．２ＭＰａとなった。これは、燃料流路の出口及び入口に設けた突起５６ｆ及び５８ｆ部分で、約０．０５ＭＰａの圧力損失が生じたためである。また、低温燃料極６８側のカソード温は８１℃、高温燃料極４８側のカソード温は９５℃であり、温度分布は、比較例４とほぼ同様であった。
【０２２１】
しかしながら、セル電圧は、アノード温の低い単電池４５で０．６２Ｖ、アノード温の高い単電池４４で０．５８Ｖとなり、比較例４に比して、アノード温の高い単電池４４のセル電圧が向上した。これは、非冷却燃料流路５６ａの内圧が増加したために、電解質膜からの水の持ち出しが少なくなり、単電池４４におけるドライアップが抑制されたためである。
【０２２２】
以上の結果から、単電池を数セル積層する毎に冷媒流路を設けた積層型燃料電池において、各単電池の温度環境に応じて、ガス流路構造又は電極構造を変化させれば、１つの反応ガス供給系統を用いて、燃料ガス及び空気を分配する場合であっても、電解質膜のドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制され、積層型燃料電池の総電圧が向上することがわかった。
【０２２３】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しないで種々の改変が可能である。
【０２２４】
例えば、上記実施例においては、空気極側又は燃料極側のいずれか一方のガス流路構造又は電極構造を、温度環境に合わせて変化させているが、上述した各種実施例を相互に組み合わせ、空気極側及び燃料極側の双方のガス流路構造及び電極構造を、温度環境に合わせて変化させても良い。
【０２２５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいては、温度環境の異なる単電池グループ毎に、反応ガスの流量、圧力、及び加湿量を個別に制御するので、各単電池のガス流路構造及び電極構造は同一であってもよいが、温度環境に合わせてガス流路構造及び／又は電極構造を変化させた積層型燃料電池を用いても良い。
【０２２６】
このような積層型燃料電池を本発明に係る燃料電池システムに組み込めば、加湿量制御装置１０６及び反応ガス供給制御装置１０８における負荷が軽減されるので、反応ガスの流量等の制御をさらに容易化することができる。
【０２２７】
さらに、上記実施の形態において説明した燃料電池システムでは、単電池を２個積層する毎に冷却手段を設けた積層型燃料電池が用いられているが、３個以上の単電池を積層する毎に冷却手段を設けた積層型燃料電池を用いても良い。
【０２２８】
この場合、燃料電池システムに、燃料加湿量制御装置、空気加湿量制御装置、燃料ガス供給制御装置及び空気供給制御装置を、それぞれ３個以上設けるようにすれば、温度環境の異なる単電池グループ毎に、反応ガスの流量、圧力及び加湿量を最適化することが可能となり、これにより上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０２２９】
【発明の効果】
本発明に係る積層型燃料電池の運転方法は、各単電池へ供給される及び／又は各単電池から排出される反応ガスの流量、圧力及び／又は加湿量を単電池毎に変化させているので、単電池の積層方向に向かって温度分布が生じた場合であっても、ドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧のばらつきを小さくすることができるという効果がある。また、これにより、積層型燃料電池全体の出力が向上するという効果がある。
【０２３０】
また、本発明に係る積層型燃料電池は、各単電池に供給される水分量と、各単電池から排出される水分量が単電池毎に均衡するように、各単電池のガス流路構造及び／又は電極構造を変化させているので、１つの燃料マニホールド及び空気マニホールドを介して、各単電池に燃料ガス及び空気を配流する場合であっても、各単電池毎にガス流量、圧力、あるいは、単電池から排出される水蒸気量を個別に制御することができるという効果がある。
【０２３１】
また、これによって、ドライアップ又はフラッディングに起因するセル電圧のばらつきを小さくすることができ、積層型燃料電池全体の出力が向上するという効果がある。しかも、冷却手段の数を増加させることなく積層型燃料電池のエネルギー効率を向上させることができるので、単位体積当たりの出力を低下させることもない。
【０２３２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、積層型燃料電池に備えられる単電池又は単電池グループ毎に作動状況を個別に検出する検出手段と、検出手段により検出された作動状況に基づき、各単電池又は各単電池グループに供給される反応ガスの流量、圧力又は加湿量を個別に制御する制御手段とを備えているので、単電池の積層方向に向かって温度分布が発生した場合であっても、各単電池の電解質膜の水収支の不均一や、反応ガス流量の相対的な過不足を解消することができる。
【０２３３】
そのため、各単電池のセル電圧のばらつきを小さくすることができ、燃料電池システム全体の出力が向上するという効果がある。しかも、冷却手段の数を増加させることなく燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができるので、単位体積当たりの出力を低下させることもない。
【０２３４】
以上のように、本発明によれば、燃料電池の高出力化及び高エネルギー効率化を図ることができる同時に、燃料電池のコンパクト化を図ることができるので、これを例えば車載用の燃料電池システムに応用すれば、自動車の高出力化、軽量化等に寄与するものであり、産業上その効果の極めて大きい発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールのガス流方向から見た断面図であり、図１（ｂ）は、そのＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールのガス流方向と垂直な方向から見た断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールのガス流方向と垂直な方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールのガス流方向と垂直な方向から見た断面図である。
【図５】本発明の第６の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールのガス流方向と垂直な方向から見た断面図である。
【図６】本発明の第７の実施の形態に係る積層型燃料電池の基本構造となる単位モジュールのガス流方向と垂直な方向から見た断面図である。
【図７】単電池内の水の流れを説明する図である。
【図８】図８（ａ）は、単電池を２セル積層する毎に冷媒流路を設けた従来一般に用いられる積層型燃料電池に発生する積層方向の温度分布を示す図であり、図８（ｂ）は、単電池を２セル積層する毎に冷媒流路を設けた積層型燃料電池のガス流方向から見た断面図である。
【図９】図９（ａ）は、図８（ｂ）に示す構造を有する積層型燃料電池を電流密度０．２Ａ／ｃｍ^２の条件下で放電させたときのアノード温、カソード温及びセル電圧を示す図であり、図９（ｂ）は、電流密度１．０Ａ／ｃｍ^２の条件下で放電させたときのアノード温、カソード温及びセル電圧を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、単電池を３セル積層する毎に冷媒流路を設けた従来一般に用いられる積層型燃料電池に発生する積層方向の温度分布を示す図であり、図１０（ｂ）は、単電池を３セル積層する毎に冷媒流路を設けた積層型燃料電池のガス流方向から見た断面図である。
【図１１】図１０（ｂ）に示す構造を有する積層型燃料電池を電流密度１．０Ａ／ｃｍ^２の条件下で放電させたときのアノード温、カソード温及びセル電圧を示す図である。
【図１２】本発明に係る燃料電池システムを示すブロック構成図である。
【図１３】図１２に示す燃料電池システムに用いられる積層型燃料電池の一例を示す概略構成図である。
【図１４】図１２に示す燃料電池システムに用いられる積層型燃料電池の一例を示す斜視図である。
【図１５】図１２に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【図１６】同じく、図１２に示す燃料電池システムの運転方法の他の一例を示すフローチャートである。
【図１７】同じく、図１２に示す燃料電池システムの運転方法の他の一例を示すフローチャートである。
【図１８】図１７に示すフローチャートの続きである。
【図１９】同じく、図１７に示すフローチャートの続きである。
【図２０】空気流路の断面積が異なる単電池が積層された積層型燃料電池（実施例１）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２１】空気流路の断面積が等しい単電池が積層された積層型燃料電池にドライ気味の空気を供給した場合（比較例１）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２２】非冷却空気流路の入口に多孔体を設けた積層型燃料電池（実施例２）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２３】非冷却空気流路の入口に障害板を設けた積層型燃料電池（実施例３）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２４】空気流路の断面積が等しい単電池が積層された積層型燃料電池にウェット気味の空気を供給した場合（比較例２）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２５】非冷却空気流路の出口及び冷却空気流路の入口に突起を設けた積層型燃料電池（実施例４）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２６】空気極の拡散層の平均孔径が異なる単電池が積層された積層型燃料電池（実施例５）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２７】空気極の拡散層の平均孔径が等しい単電池が積層された積層型燃料電池（比較例３）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２８】燃料流路の異なる単電池が積層された積層型燃料電池（実施例６）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図２９】燃料流路の等しい単電池が積層された積層型燃料電池にドライ気味の燃料ガスを供給した場合（比較例４）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図３０】非冷却燃料流路の入口及び冷却燃料流路の出口に突起を設けた積層型燃料電池（実施例７）のカソード温とセル電圧の関係を示す図である。
【図３１】燃料電池の基本構造となる単電池を示す分解斜視図である。
【図３２】従来一般に用いられる積層型燃料電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
４０、７４、８０、８６、９０、９４積層型燃料電池
４２、７６、８２、８８、９２、９６単位モジュール
４４、４５単電池
５４ｃ空気流路（冷却空気流路）
５４ｄ突起
５６ｃ空気流路（非冷却空気流路）
５６ｄ、５６ｆ突起
５６ａ燃料流路（非冷却燃料流路）
５８ａ燃料流路（冷却燃料流路）
５８ｆ突起
６０冷媒流路
７８多孔体
８４障害板
１００燃料電池システム
１０２積層型燃料電池
１０４反応ガス供給装置
１０６加湿量制御装置
１０８反応ガス供給制御装置
１１０電池作動状況検出装置

Claims

電解質の片面に空気極、他面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池であって、前記各単電池に供給される水分量と、前記各単電池から排出される水分量とが前記各単電池毎に均衡するように、前記各単電池毎に異なるガス流路構造及び／又は電極構造を備えているものに、
流量、圧力及び加湿量の等しい反応ガスを供給し、
該反応ガスを前記各単電池に分配する積層型燃料電池の運転方法。
電解質の片面に空気極、他面に燃料極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、
該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備え、
前記各単電池は、該各単電池に供給される水分量と前記各単電池から排出される水分量とが前記各単電池毎に均衡するように、前記各単電池毎に異なるガス流路構造及び／又は電極構造を備えた積層型燃料電池。
前記ガス流路構造は、高温空気極側の空気流量が低温空気極側の空気流量より少なくなるように、
前記高温空気極側の空気流路の断面積を前記低温空気極側の空気流路の断面積より小さくし、
前記高温空気極側の空気流路の入口に多孔体を設け、及び／又は、
前記高温空気極側の空気流路の入口に障害板を設けたことを特徴とする請求項２に記載の積層型燃料電池。
前記ガス流路構造は、高温燃料極側の燃料ガス流量が低温燃料極側の燃料ガス流量より多くなるように、前記高温燃料極側の燃料ガス流路の断面積を前記低温燃料極側の燃料流路の断面積より大きくしたことを特徴とする請求項２に記載の積層型燃料電池。
前記ガス流路構造は、高温空気極側の圧力が低温空気極側の圧力より高くなるように、前記高温空気極側の空気流路の出口側の断面積を小さくし、かつ前記低温空気極側の空気流路の入口側の断面積を小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の積層型燃料電池。
前記ガス流路構造は、高温燃料極側の圧力が低温燃料極側の圧力より高くなるように、前記高温燃料極側の燃料ガス流路の出口側の断面積を小さくし、かつ低温燃料極側の燃料ガス流路の入口側の断面積を小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の積層型燃料電池。
前記電極構造は、高温空気極の通気性が低温空気極の通気性より小さくなるように、
前記高温空気極側の拡散層の平均孔径を前記低温空気極側の拡散層の平均孔径より小さくし、
前記高温空気極側の拡散層の厚さを前記低温空気極側の拡散層の厚さより厚くし、及び／又は
前記高温空気極側の拡散層の気孔率を前記低温空気極側の拡散層の気孔率より小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の積層型燃料電池。
電解質膜の両面に電極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池と、
前記各単電池毎又は前記単電池のグループ毎に、電圧、空気流路から排出されるガス中の酸素濃度及び燃料流路から排出されるガス中の水素濃度を検出する検出手段と、
前記各単電池毎又は前記単電池のグループ毎に、流量、圧力及び／又は加湿量の異なる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
電圧の低い単電池又は単電池のグループの酸素濃度が、電圧の高い単電池又は単電池のグループの酸素濃度より低いときには、前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの空気流量を増加させ、
前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの水素濃度が、前記電圧の高い単電池又は単電池のグループの水素濃度より低いときには、前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの燃料流量を増加させる制御手段とを備えている積層型燃料電池システム。
電解質膜の両面に電極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池と、
前記各単電池毎又は前記単電池のグループ毎に、電圧、及び膜抵抗を検出する検出手段と、
前記各単電池毎又は前記単電池のグループ毎に、流量、圧力及び／又は加湿量の異なる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
電圧の低い単電池又は単電池のグループの膜抵抗が、電圧の高い単電池又は単電池のグループの膜抵抗より小さいときには、前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの空気流量を増加させ、空気加湿量を減少させ、及び／又は燃料加湿量を減少させ、
前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの膜抵抗が、前記電圧の高い単電池又は単電池のグループの膜抵抗より大きいときには、前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの空気流量を減少させ、空気加湿量を増加させ、及び／又は燃料加湿量を増加させる制御手段とを備えた積層型燃料電池システム。
電解質膜の両面に電極を接合し、これをガス流路を備えたセパレータで挟持した単電池が複数個積層された単位モジュールと、該単位モジュール間に配置された冷却手段とを備えた積層型燃料電池と、
前記各単電池毎又は前記単電池のグループ毎に、電圧を検出する検出手段と、前記各単電池毎又は前記単電池のグループ毎に、流量、圧力及び／又は加湿量の異なる反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
電圧の低い単電池又は単電池グループの空気流量又は燃料流量を一時的に増減させ、一時的な増減によって前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの電圧が上昇したときには、前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの電圧が上昇しなくなるまで、前記電圧の低い単電池又は単電池のグループの空気流量又は燃料流量を増減させる制御手段とを備えた積層型燃料電池システム。