燃料電池の運転方法
【課題】発電性能の低下を防止することが可能な燃料電池１の運転方法を提供する。
【解決手段】燃料ガス通路５１に供給する燃料ガスの圧力および酸化剤ガス通路５２に供給する酸化剤ガスの圧力を、冷媒通路５３に供給する冷媒の圧力より高く設定し、燃料ガス通路５１に供給する燃料ガスの圧力を、酸化剤ガス通路５２に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定し、燃料ガスを減圧して燃料ガス通路５１に供給するレギュレータ１０５を備え、レギュレータ１０５は、酸化剤ガス通路５２に供給する酸化剤ガスの圧力を信号圧として導入し、燃料ガス通路５１に供給する燃料ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。
【解決手段】燃料ガス通路５１に供給する燃料ガスの圧力および酸化剤ガス通路５２に供給する酸化剤ガスの圧力を、冷媒通路５３に供給する冷媒の圧力より高く設定し、燃料ガス通路５１に供給する燃料ガスの圧力を、酸化剤ガス通路５２に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定し、燃料ガスを減圧して燃料ガス通路５１に供給するレギュレータ１０５を備え、レギュレータ１０５は、酸化剤ガス通路５２に供給する酸化剤ガスの圧力を信号圧として導入し、燃料ガス通路５１に供給する燃料ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお発電には発熱を伴うため、隣接する単位セルの間に冷媒を供給する。
【０００３】
特許文献１には、プレッシャーレギュレータを用いて、カソードガス（酸化剤ガス）の圧力と冷却液の圧力とをバランスさせる技術が記載されている。具体的には、圧力調整容器の内部を変形自在なベローズ、膜又はピストン構造物により２室に仕切ってプレッシャーレギュレータを構成し、このプレッシャーレギュレータの一方の部屋を燃料電池の酸化剤ガス通路に連通し、他方の部屋を循環通路（冷媒通路）に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、酸化剤ガス等の反応ガスの圧力と、冷媒の圧力が同等の場合には、セパレータと電極との間の反応ガス通路に冷媒が流入し、膜電極構造体がダメージを受けて、発電性能が低下するおそれがある。
そこで本発明は、発電性能の低下を防止することが可能な燃料電池の運転方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の第１の態様に係る燃料電池の運転方法は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜２１）の両側にアノード電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２）とカソード電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２３）を設けて膜電極構造体（例えば、実施形態における膜電極構造体２０）を構成し、複数の前記膜電極構造体をセパレータ（例えば、実施形態におけるアノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂ）を介して積層し、前記膜電極構造体と前記セパレータとの間に反応ガス通路（例えば、実施形態における燃料ガス通路５１および酸化剤ガス通路５２）を設けるとともに、前記セパレータの内部に冷媒通路（例えば、実施形態における冷媒通路５３）を設けた燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）の運転方法であって、前記反応ガス通路に供給する反応ガスの圧力を、前記冷媒通路に供給する冷媒の圧力より高く設定し、前記反応ガス通路として、前記アノード電極と前記セパレータとの間に燃料ガス通路（例えば、実施形態における燃料ガス通路５１）を設けるとともに、前記カソード電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス通路（例えば、実施形態における酸化剤ガス通路５２）を設け、前記燃料ガス通路に供給する燃料ガスの圧力を、前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定し、前記燃料電池は、前記燃料ガスを減圧して前記燃料ガス通路に供給するレギュレータ（例えば、実施形態におけるレギュレータ１０５）を備え、前記レギュレータは、前記酸化剤ガス通路に供給する前記酸化剤ガスの圧力を信号圧として導入し、前記燃料ガス通路に供給する前記燃料ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御することを特徴とする。
【０００７】
（２）前記（１）の燃料電池の運転方法において、前記反応ガスの圧力と前記冷媒の圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする。
【０００８】
（３）前記（１）または（２）の燃料電池の運転方法において、前記燃料ガスの圧力と前記酸化剤ガスの圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
（１）冷媒通路から反応ガス通路への冷媒の流入を防止することが可能になる。そのため、冷媒により膜電極構造体がダメージを受けて発電性能が低下するのを防止することができる。
また、燃料ガス通路に供給する燃料ガスの圧力を、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定するので、膜電極構造体を透過した燃料ガスの濃度を、使役後の酸化剤ガス中で正確に検出することが可能になり、燃料ガスの排出を規制することができる。
【００１０】
（２）反応ガスと冷媒との差圧を１０ｋＰａ以上とするので、冷媒により膜電極構造体がダメージを受けて発電性能が低下するのを確実に防止することができる。また反応ガスと冷媒との差圧を３０ｋＰａ以下とするので、セパレータと膜電極構造体との接触面圧を確保することが可能になり、接触抵抗の増加を抑制して発電性能を向上させることができる。
【００１１】
（３）燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧を１０ｋＰａ以上とするので、膜電極構造体を透過した燃料ガスの濃度を正確に検出できる。また燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧を３０ｋＰａ以下とするので、膜電極構造体に過大な応力が作用して発電能力が低下するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックにおけるセパレータ積層状態を示す斜視図である。
【図５】燃料電池のブロック図である。
【図６】レギュレータの断面図である。
【図７】電流と抵抗過電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池スタック）
図１は燃料電池スタック１の概略斜視図である。燃料電池スタック１は、縦方向に細長い単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート９０Ａ，９０Ｂを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という。）１は、前記縦方向を鉛直方向に向けて車両等に配置される。以下、図中の矢印Ｘ，Ｙは水平方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。
【００１４】
図２に示すように、単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、図３に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２およびカソード電極２３を設けて構成されている。なお、各電極の外側に反応ガス拡散層を設けることが望ましい。その膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、金属プレートを所定にプレス成形して形成されている。単位セルを積層してなる燃料電池では、隣接する２つの単位セルにおいて、一方の単位セルのアノード側セパレータ３０Ａと、他方の単位セルのカソード側セパレータ３０Ｂとが密接している。なおセパレータ３０Ａ，３０Ｂの表面には、接触抵抗を低減するためのコーティングが施されている。
【００１５】
図２において、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。同様に、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左端部には、使役前の冷媒が流通する４つの冷媒供給口１５，１５・・・が縦列に並んで設けられ、対称位置である右端部には、使役後の冷媒が流通する４つの冷媒排出口１６，１６・・・が縦列に並んで設けられている。これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷媒供給口１５，１５・・・、冷媒排出口１６，１６・・・は、単位セル１０の積層方向に貫通して設けられている。
【００１６】
アノード側セパレータ３０Ａは、膜電極構造体２０に面接触する平坦部３６を備え、冷媒供給口１５，１５・・・と冷媒排出口１６，１６・・・の間に挟まれた矩形領域には、膜電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａが形成されている。突条３１Ａは、その長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向（Ｘ方向）等間隔に並行に配置されている。各突条３１Ａは、略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びている。図３に示すように、この突条３１Ａの断面形状は平坦な頂部３５を有する台形状をなし、隣り合う突条３１Ａ，３１Ａの端部同士は平坦部３６によって接続されている。
【００１７】
図２に戻り、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）等からなるシール部４３が設けられている。シール部４３は、燃料ガス供給口１１からアノードオフガス排出口１２まで突条３１Ａの外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、各冷媒供給口１５，１５・・・、各冷媒排出口１６，１６・・・をそれぞれ個別に囲繞している。
【００１８】
アノード側セパレータ３０Ａは、その平坦部３６およびシール部４３を膜電極構造体２０のアノード電極に密接させて取り付けられている。そして、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａと膜電極構造体２０との間に形成される空間が、燃料ガスが流通する燃料ガス通路５１となる。その結果、燃料ガス供給口１１を介して燃料ガス通路５１に導入された燃料ガスは、上部バッファ部３７、突条３１Ａ、下部バッファ部４０を順に流通して、アノードオフガス排出口１２に排出される。
【００１９】
カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａとほぼ同様の構成であり、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂと膜電極構造体２０との間に形成される空間が、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路５２となる。その結果、酸化剤ガス供給口１３を介して酸化剤ガス通路に導入された酸化剤ガスは、上部バッファ部３７、突条３１Ｂ、下部バッファ部４０を順に流通して、カソードオフガス排出口１４に排出される。
【００２０】
また図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）等からなるシール部４４が設けられている。シール部４４は、冷媒供給口１５，１５・・・から冷媒排出口１６，１６・・・まで突条３１Ｂの外側を１周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３およびカソードオフガス排出口１４をそれぞれ個別に囲繞している。このカソード側セパレータ３０Ｂと同様に、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、同様のシール部４４が設けられている。
【００２１】
単位セル１０を積層してなる燃料電池では、隣接する２つの単位セル１０，１０において、一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａのシール部４４と、他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂのシール部４４とを密接させる。これにより、両セパレータ３０Ａ，３０Ｂ間の空間に、冷媒通路５３が形成される。
【００２２】
図３、図４を参照して冷媒通路５３について詳述する。なお、図４は、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂをそれぞれ１本ずつ代表的に図示している。
前述したように、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂは互いに位相を異にしているので、突条３１Ａにおける第１の直線部３２の頂部３５と突条３１Ｂにおける第１の直線部３２の頂部３５とを密接させて重ねたときに、突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５と突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５は重なることなく、互いに水平方向に離間して位置し、この間に開口６０が形成される。
【００２３】
また、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５は、カソード側セパレータ３０Ｂの平坦部３６から離間して配置されており、同様に、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５は、アノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６から離間して配置されている。これにより、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの間に形成される冷媒通路５３は、突条３１Ａ，３１Ｂの第１の直線部３２，３２が突き合わさっている部分では水平方向を遮断されるが、突条３１Ａ，３１Ｂの第２の直線部３３，３３が存在する部分では水平方向に連通する。
【００２４】
その結果、冷媒供給口から冷媒通路５３に導入された冷媒は、突条３１Ａの第２の直線部３３と突条３１Ｂの第２の直線部３３との間を縫うようにして水平方向に流通し、対応する冷媒排出口へと流れる。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスが鉛直方向に流れるのに対し、冷媒はこれら反応ガスの流れ方向と直交する水平方向に流れる。
【００２５】
以上のように構成された燃料電池および単位セルでは、図３に示すアノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。この発電に伴う発熱により単位セルが所定の作動温度を越えないように、冷媒通路５３を流れる冷媒で熱を奪い冷却するようになっている。
【００２６】
（燃料電池の運転方法）
図５は、燃料電池の運転システムの構成を示すブロック図である。燃料電池１は、前記燃料ガス通路５１に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、前記酸化剤ガス通路５２に酸化剤ガスとしての空気が供給されて発電を行う。また、前記冷媒通路５３にエチレングリコール水溶液等の冷媒が供給されて、燃料電池１が冷却される。
【００２７】
空気はエアコンプレッサ１０２によって加圧され、カソード加湿器１０３で加湿されて燃料電池１の酸化剤ガス通路５２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出され、圧力制御弁１０４を介して大気に放出される。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、エアコンプレッサ１０２を駆動して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、圧力制御弁１０４を制御して酸化剤ガス通路５２への空気の供給圧力ＰＡを燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。
【００２８】
一方、高圧水素タンク１３０から放出された水素ガスは、レギュレータ１０５により減圧された後、エゼクタ１０６を通り、アノード加湿器１０７で加湿されて、燃料電池１の燃料ガス通路５１に供給される。この水素ガスは発電に供された後、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス回収路１１１を通ってエゼクタ１０６に吸引され、前記高圧水素タンク１３０から供給される水素ガスと合流し、再び燃料電池１に供給されて循環するようになっている。なおアノードオフガス回収路１１１は、電磁駆動式のパージ弁１０８を介して、アノードオフガス排出路１１２に接続されている。
【００２９】
冷媒タンク１５０に貯蔵された冷媒は、ポンプ１５２によって加圧され、燃料電池１の冷媒通路５３に供給される。燃料電池１の冷却に供された冷媒は、圧力制御弁１５６を介して熱交換器１５８に送られる。この熱交換器１５８において冷却された冷媒は、冷媒タンク１５０に戻される。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１の運転状態に応じてポンプ１５２を駆動し所定量の冷媒を燃料電池１に供給するとともに、圧力制御弁１５６を制御して冷媒通路５３への冷媒の供給圧を調整する。
【００３０】
本実施形態では、燃料電池１の反応ガス通路（燃料ガス通路５１および酸化剤ガス通路５２）に供給する反応ガス（水素ガスおよび空気）の圧力ＰＲ（ＰＨおよびＰＡ）を、冷媒通路５３に供給する冷媒の圧力ＰＭより高く設定する。反応ガス圧力ＰＲが冷媒圧力ＰＭより低い場合には、図３における冷媒通路５３から反応ガス通路５１，５２に冷媒が流入し、膜電極構造体（特に反応ガス拡散層）２０がダメージを受けて発電性能が低下するおそれがあるからである。なお反応ガス通路５１，５２と冷媒通路５３とを区画するセパレータ３０Ａ，３０Ｂは、金属プレート等の緻密質材料で構成されているので、反応ガス圧力ＰＲと冷媒圧力ＰＭとの間に差圧を設定することが可能である。
【００３１】
具体的には、反応ガス圧力ＰＲと冷媒圧力ＰＭとの差圧ＰＲ−ＰＭが、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下となるように設定する。この差圧が１０ｋＰａ未満の場合には、上記のように冷媒通路５３から反応ガス通路５１，５２に冷媒が流入しやすくなるからである。
【００３２】
一方、差圧ＰＲ−ＰＭが３０ｋＰａを超えると、図３における反応ガス通路５１，５２の圧力が、冷媒通路５３の圧力より過大になる。これに伴って、セパレータ３０Ａ，３０Ｂの平坦部３６と膜電極構造体２０との接触面圧が低下する。なお本実施形態のセパレータ３０Ａ，３０Ｂは、例えば厚さ１ｍｍ以下の金属プレートで構成されているので、表裏面の圧力差によって撓みやすく、接触面圧の低下が顕著に現れる。そのため、セパレータ３０Ａ，３０Ｂと膜電極構造体２０との接触部における電気抵抗（接触抵抗）が増加して、抵抗過電圧が増加する。これにより、単位セルで発生した電力の取出し効率が低下し、ひいては発電性能が低下することになる。これに対して、差圧を３０ｋＰａ以下に設定すれば、セパレータ３０Ａ，３０Ｂと膜電極構造体２０との接触面圧を確保することが可能になり、接触抵抗の増加を抑制して発電性能を向上させることができる。
【００３３】
図７は、燃料電池からの取り出し電流と抵抗過電圧との関係を示すグラフである。図７では、差圧ΔＰ（ＰＲ−ＰＭ）が１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下の場合を実線で示し、差圧ΔＰが３０ｋＰａを超える場合を破線で示している。図７によれば、同じ電流を得る場合における実線の抵抗過電圧が、破線の抵抗過電圧より低くなっている。すなわち、差圧を１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下とすることにより、電力の取出し効率を向上させることが可能になり、ひいては発電性能を向上させることができる。
【００３４】
また本実施形態では、図６に示すレギュレータ１０５により、燃料電池１の燃料ガス通路５１に供給する水素ガスの圧力を、酸化剤ガス通路５２に供給する空気の圧力より高く設定する。レギュレータ１０５は例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアコンプレッサ１０２の出口における空気の圧力を信号圧として導入し、レギュレータ１０５の出口における水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。
【００３５】
このレギュレータ１０５の構造につき、図６の概略断面図を参照して説明する。
レギュレータ１０５のボディ１２１の内部空間は、調圧ダイヤフラム１２２ａ、１２２ｂ（１２２）によって上下に仕切られている。ダイヤフラム１２２ａよりも上側の空間は信号圧室１２３になっている。この信号圧室１２３は密閉空間になっていて、コンプレッサで加圧された空気が空気信号導入路１１５を介して空気導入孔１２５から信号圧室１２３に導入される。また信号圧室１２３には、ダイヤフラム１２２ａを下側に付勢するバイアス設定用スプリング（弾性体）１２９が設けられている。
【００３６】
一方、ダイヤフラム１２２ｂよりも下側の空間は水素ガス通路１２４になっている。その水素ガス通路１２４は、水平配置されたバルブシート部１２８によって区画され、その下側が第１水素ガス通路１２４ａとなり、上側が第２水素ガス通路１２４ｂとなっている。水素ガスは、水素供給管１１３から水素ガス入口１３１を通って第１水素ガス通路１２４ａに流入し、バルブシート部１２８に穿設された流通孔１３３を通過した後、第２水素ガス通路１２４ｂから水素ガス出口１３２を通って水素供給管１１３に流出する。また、ダイヤフラム１２２ｂの下面にはステム１２６が取り付けられている。このステム１２６には、バルブシート部１２８の流通孔１３３に対して下側から着座離反可能な弁体１２７が設けられている。
【００３７】
このように構成されたレギュレータ１０５において、ダイヤフラム１２２に対して下向きに作用する第１の推力が上向きに作用する第２の推力よりも大きいときには、ダイヤフラム１２２に下向きの力が作用し、弁体１２７をバルブシート部１２８から離間させる方向（すなわち、開弁方向）へ押動する。これにより、バルブシート部１２８に形成された流通孔１３３が弁体１２７から開放されるため、水素ガスが第１水素ガス通路１２４ａから流通孔１３３を通って第２水素ガス通路１２４ｂに流入する。
【００３８】
その後、第２水素ガス通路１２４ｂの圧力が上昇すると、第２の推力が第１の推力より大きくなってダイヤフラム１２２に上向きの力が作用し、弁体１２７をバルブシート部１２８に接近する方向（すなわち、閉弁方向）へ押動する。これにより、バルブシート部１２８に形成された流通孔１３３が弁体１２７により閉塞される。以上の動作を繰り返して、第１の推力と第２の推力とがつり合うようになる。
【００３９】
ダイヤフラム１２２に対して下向きに作用する第１の推力は、コンプレッサで加圧された空気の圧力Ｐ１と、バイアス設定用スプリング１２９による押圧力ＰＣとの和である。
また上向きに作用する第２の推力は、レギュレータ１０５の出口における水素ガスの圧力Ｐ２である。この第１の推力と第２の推力とがつり合うことにより、水素ガス圧力Ｐ２を空気圧力Ｐ１より高く設定することができる。また、バイアス設定用スプリング１２９による押圧力ＰＣは一定であるから、レギュレータ１０５により水素ガス圧力Ｐ２と空気圧力Ｐ１との差を一定に保持することができる。
【００４０】
なお、図５に示すコンプレッサ１０２の出口における空気の圧力Ｐ１と、酸化剤ガス通路５２への空気の供給圧力ＰＡとは相互に異なっている。またレギュレータ１０５の出口における水素ガスの圧力Ｐ２と、燃料ガス通路５１への空気の供給圧力ＰＨとは相互に異なっている。しかしながら、上述したＥＣＵ１１０は、圧力制御弁１０４を制御して、酸化剤ガス通路５２への空気の供給圧力ＰＡを所定値に設定する。さらに、この場合の空気圧力Ｐ１と水素ガス圧力Ｐ２との差圧をレギュレータ１０５のバイアス設定用スプリングにより適当に設定すれば、燃料電池１への水素ガスの供給圧力ＰＨと空気の供給圧力ＰＡとの差圧を所定値に設定することができる。
【００４１】
本実施形態では、燃料電池１の燃料ガス通路５１に供給する水素ガスの圧力ＰＨを、酸化剤ガス通路５２に供給する空気の圧力ＰＡより高く設定する。
水素ガスは分子量が小さいため、燃料ガス通路５１に供給された水素ガスの一部が不可避的に膜電極構造体を透過する。この水素ガスの透過を監視するため、酸化剤ガス通路５２の出口において水素ガスの濃度を検出している。ここで、水素ガスの供給圧力ＰＨを空気の供給圧力ＰＡより高くすることにより、水素ガスの濃度を正確に検出することが可能になる。これにより、水素ガスの排出を規制することができる。
【００４２】
さらに本実施形態では、水素ガス圧力ＰＨと空気圧力ＰＡとの差圧ＰＨ−ＰＡが、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下となるように設定する。この差圧が１０ｋＰａ未満の場合には、図２に示す膜電極構造体２０を透過した水素ガスの濃度を、正確に検出できないからである。
一方、差圧が３０ｋＰａを超えると、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂとの間に挟まれた膜電極構造体２０に過大な応力が作用して、発電能力が低下するからである。
【００４３】
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、隣接する２つの単位セル間に総て冷媒通路を設けたが、冷媒通路を総ての単位セル間設けることなく、間引きして設けてもよい。この場合に、冷媒通路を間引いた部位では、隣接する２つの単位セルが１つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。
また、実施例では、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とが交差した波形の突条を有するセパレータを積層する構造を採用したが、この構造に限定されるものではなく、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向はいかなるものでもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池 ２０…膜電極構造体 ２１…固体高分子電解質膜 ２２…アノード電極 ２３…カソード電極 ３０Ａ…アノード側セパレータ ３０Ｂ…カソード側セパレータ ５１…燃料ガス通路 ５２…酸化剤ガス通路 ５３…冷媒通路 １０５…レギュレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお発電には発熱を伴うため、隣接する単位セルの間に冷媒を供給する。
【０００３】
特許文献１には、プレッシャーレギュレータを用いて、カソードガス（酸化剤ガス）の圧力と冷却液の圧力とをバランスさせる技術が記載されている。具体的には、圧力調整容器の内部を変形自在なベローズ、膜又はピストン構造物により２室に仕切ってプレッシャーレギュレータを構成し、このプレッシャーレギュレータの一方の部屋を燃料電池の酸化剤ガス通路に連通し、他方の部屋を循環通路（冷媒通路）に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、酸化剤ガス等の反応ガスの圧力と、冷媒の圧力が同等の場合には、セパレータと電極との間の反応ガス通路に冷媒が流入し、膜電極構造体がダメージを受けて、発電性能が低下するおそれがある。
そこで本発明は、発電性能の低下を防止することが可能な燃料電池の運転方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の第１の態様に係る燃料電池の運転方法は、固体高分子電解質膜（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜２１）の両側にアノード電極（例えば、実施形態におけるアノード電極２２）とカソード電極（例えば、実施形態におけるカソード電極２３）を設けて膜電極構造体（例えば、実施形態における膜電極構造体２０）を構成し、複数の前記膜電極構造体をセパレータ（例えば、実施形態におけるアノード側セパレータ３０Ａおよびカソード側セパレータ３０Ｂ）を介して積層し、前記膜電極構造体と前記セパレータとの間に反応ガス通路（例えば、実施形態における燃料ガス通路５１および酸化剤ガス通路５２）を設けるとともに、前記セパレータの内部に冷媒通路（例えば、実施形態における冷媒通路５３）を設けた燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）の運転方法であって、前記反応ガス通路に供給する反応ガスの圧力を、前記冷媒通路に供給する冷媒の圧力より高く設定し、前記反応ガス通路として、前記アノード電極と前記セパレータとの間に燃料ガス通路（例えば、実施形態における燃料ガス通路５１）を設けるとともに、前記カソード電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス通路（例えば、実施形態における酸化剤ガス通路５２）を設け、前記燃料ガス通路に供給する燃料ガスの圧力を、前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定し、前記燃料電池は、前記燃料ガスを減圧して前記燃料ガス通路に供給するレギュレータ（例えば、実施形態におけるレギュレータ１０５）を備え、前記レギュレータは、前記酸化剤ガス通路に供給する前記酸化剤ガスの圧力を信号圧として導入し、前記燃料ガス通路に供給する前記燃料ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御することを特徴とする。
【０００７】
（２）前記（１）の燃料電池の運転方法において、前記反応ガスの圧力と前記冷媒の圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする。
【０００８】
（３）前記（１）または（２）の燃料電池の運転方法において、前記燃料ガスの圧力と前記酸化剤ガスの圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
（１）冷媒通路から反応ガス通路への冷媒の流入を防止することが可能になる。そのため、冷媒により膜電極構造体がダメージを受けて発電性能が低下するのを防止することができる。
また、燃料ガス通路に供給する燃料ガスの圧力を、酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定するので、膜電極構造体を透過した燃料ガスの濃度を、使役後の酸化剤ガス中で正確に検出することが可能になり、燃料ガスの排出を規制することができる。
【００１０】
（２）反応ガスと冷媒との差圧を１０ｋＰａ以上とするので、冷媒により膜電極構造体がダメージを受けて発電性能が低下するのを確実に防止することができる。また反応ガスと冷媒との差圧を３０ｋＰａ以下とするので、セパレータと膜電極構造体との接触面圧を確保することが可能になり、接触抵抗の増加を抑制して発電性能を向上させることができる。
【００１１】
（３）燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧を１０ｋＰａ以上とするので、膜電極構造体を透過した燃料ガスの濃度を正確に検出できる。また燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧を３０ｋＰａ以下とするので、膜電極構造体に過大な応力が作用して発電能力が低下するのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の分解図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面図である。
【図４】前記燃料電池スタックにおけるセパレータ積層状態を示す斜視図である。
【図５】燃料電池のブロック図である。
【図６】レギュレータの断面図である。
【図７】電流と抵抗過電圧との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池スタック）
図１は燃料電池スタック１の概略斜視図である。燃料電池スタック１は、縦方向に細長い単位燃料電池（以下、単位セルと称す）１０を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレート９０Ａ，９０Ｂを配置し、図示しないタイロッドによって締結して構成されている。この実施例の燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という。）１は、前記縦方向を鉛直方向に向けて車両等に配置される。以下、図中の矢印Ｘ，Ｙは水平方向を示し、矢印Ｚは鉛直方向を示す。
【００１４】
図２に示すように、単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、図３に示すように、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２およびカソード電極２３を設けて構成されている。なお、各電極の外側に反応ガス拡散層を設けることが望ましい。その膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、金属プレートを所定にプレス成形して形成されている。単位セルを積層してなる燃料電池では、隣接する２つの単位セルにおいて、一方の単位セルのアノード側セパレータ３０Ａと、他方の単位セルのカソード側セパレータ３０Ｂとが密接している。なおセパレータ３０Ａ，３０Ｂの表面には、接触抵抗を低減するためのコーティングが施されている。
【００１５】
図２において、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスという）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。同様に、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左端部には、使役前の冷媒が流通する４つの冷媒供給口１５，１５・・・が縦列に並んで設けられ、対称位置である右端部には、使役後の冷媒が流通する４つの冷媒排出口１６，１６・・・が縦列に並んで設けられている。これら燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷媒供給口１５，１５・・・、冷媒排出口１６，１６・・・は、単位セル１０の積層方向に貫通して設けられている。
【００１６】
アノード側セパレータ３０Ａは、膜電極構造体２０に面接触する平坦部３６を備え、冷媒供給口１５，１５・・・と冷媒排出口１６，１６・・・の間に挟まれた矩形領域には、膜電極構造体２０から離間する方向に突出する突条３１Ａが形成されている。突条３１Ａは、その長手方向を鉛直方向に向けて多数形成され、水平方向（Ｘ方向）等間隔に並行に配置されている。各突条３１Ａは、略台形波状に左右に蛇行しながら鉛直方向に延びている。図３に示すように、この突条３１Ａの断面形状は平坦な頂部３５を有する台形状をなし、隣り合う突条３１Ａ，３１Ａの端部同士は平坦部３６によって接続されている。
【００１７】
図２に戻り、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面には、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）等からなるシール部４３が設けられている。シール部４３は、燃料ガス供給口１１からアノードオフガス排出口１２まで突条３１Ａの外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、各冷媒供給口１５，１５・・・、各冷媒排出口１６，１６・・・をそれぞれ個別に囲繞している。
【００１８】
アノード側セパレータ３０Ａは、その平坦部３６およびシール部４３を膜電極構造体２０のアノード電極に密接させて取り付けられている。そして、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａと膜電極構造体２０との間に形成される空間が、燃料ガスが流通する燃料ガス通路５１となる。その結果、燃料ガス供給口１１を介して燃料ガス通路５１に導入された燃料ガスは、上部バッファ部３７、突条３１Ａ、下部バッファ部４０を順に流通して、アノードオフガス排出口１２に排出される。
【００１９】
カソード側セパレータ３０Ｂもアノード側セパレータ３０Ａとほぼ同様の構成であり、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂと膜電極構造体２０との間に形成される空間が、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路５２となる。その結果、酸化剤ガス供給口１３を介して酸化剤ガス通路に導入された酸化剤ガスは、上部バッファ部３７、突条３１Ｂ、下部バッファ部４０を順に流通して、カソードオフガス排出口１４に排出される。
【００２０】
また図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、絶縁樹脂（例えば、シリコン樹脂）等からなるシール部４４が設けられている。シール部４４は、冷媒供給口１５，１５・・・から冷媒排出口１６，１６・・・まで突条３１Ｂの外側を１周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３およびカソードオフガス排出口１４をそれぞれ個別に囲繞している。このカソード側セパレータ３０Ｂと同様に、アノード側セパレータ３０Ａにおいて膜電極構造体２０に密接する面の裏面にも、同様のシール部４４が設けられている。
【００２１】
単位セル１０を積層してなる燃料電池では、隣接する２つの単位セル１０，１０において、一方の単位セル１０のアノード側セパレータ３０Ａのシール部４４と、他方の単位セル１０のカソード側セパレータ３０Ｂのシール部４４とを密接させる。これにより、両セパレータ３０Ａ，３０Ｂ間の空間に、冷媒通路５３が形成される。
【００２２】
図３、図４を参照して冷媒通路５３について詳述する。なお、図４は、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂをそれぞれ１本ずつ代表的に図示している。
前述したように、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂは互いに位相を異にしているので、突条３１Ａにおける第１の直線部３２の頂部３５と突条３１Ｂにおける第１の直線部３２の頂部３５とを密接させて重ねたときに、突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５と突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５は重なることなく、互いに水平方向に離間して位置し、この間に開口６０が形成される。
【００２３】
また、アノード側セパレータ３０Ａの突条３１Ａにおける第２の直線部３３の頂部３５は、カソード側セパレータ３０Ｂの平坦部３６から離間して配置されており、同様に、カソード側セパレータ３０Ｂの突条３１Ｂにおける第２の直線部３３の頂部３５は、アノード側セパレータ３０Ａの平坦部３６から離間して配置されている。これにより、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂの間に形成される冷媒通路５３は、突条３１Ａ，３１Ｂの第１の直線部３２，３２が突き合わさっている部分では水平方向を遮断されるが、突条３１Ａ，３１Ｂの第２の直線部３３，３３が存在する部分では水平方向に連通する。
【００２４】
その結果、冷媒供給口から冷媒通路５３に導入された冷媒は、突条３１Ａの第２の直線部３３と突条３１Ｂの第２の直線部３３との間を縫うようにして水平方向に流通し、対応する冷媒排出口へと流れる。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスが鉛直方向に流れるのに対し、冷媒はこれら反応ガスの流れ方向と直交する水平方向に流れる。
【００２５】
以上のように構成された燃料電池および単位セルでは、図３に示すアノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を透過してカソード電極２３まで移動し、カソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。この発電に伴う発熱により単位セルが所定の作動温度を越えないように、冷媒通路５３を流れる冷媒で熱を奪い冷却するようになっている。
【００２６】
（燃料電池の運転方法）
図５は、燃料電池の運転システムの構成を示すブロック図である。燃料電池１は、前記燃料ガス通路５１に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、前記酸化剤ガス通路５２に酸化剤ガスとしての空気が供給されて発電を行う。また、前記冷媒通路５３にエチレングリコール水溶液等の冷媒が供給されて、燃料電池１が冷却される。
【００２７】
空気はエアコンプレッサ１０２によって加圧され、カソード加湿器１０３で加湿されて燃料電池１の酸化剤ガス通路５２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出され、圧力制御弁１０４を介して大気に放出される。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、エアコンプレッサ１０２を駆動して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、圧力制御弁１０４を制御して酸化剤ガス通路５２への空気の供給圧力ＰＡを燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。
【００２８】
一方、高圧水素タンク１３０から放出された水素ガスは、レギュレータ１０５により減圧された後、エゼクタ１０６を通り、アノード加湿器１０７で加湿されて、燃料電池１の燃料ガス通路５１に供給される。この水素ガスは発電に供された後、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス回収路１１１を通ってエゼクタ１０６に吸引され、前記高圧水素タンク１３０から供給される水素ガスと合流し、再び燃料電池１に供給されて循環するようになっている。なおアノードオフガス回収路１１１は、電磁駆動式のパージ弁１０８を介して、アノードオフガス排出路１１２に接続されている。
【００２９】
冷媒タンク１５０に貯蔵された冷媒は、ポンプ１５２によって加圧され、燃料電池１の冷媒通路５３に供給される。燃料電池１の冷却に供された冷媒は、圧力制御弁１５６を介して熱交換器１５８に送られる。この熱交換器１５８において冷却された冷媒は、冷媒タンク１５０に戻される。ＥＣＵ１１０は、燃料電池１の運転状態に応じてポンプ１５２を駆動し所定量の冷媒を燃料電池１に供給するとともに、圧力制御弁１５６を制御して冷媒通路５３への冷媒の供給圧を調整する。
【００３０】
本実施形態では、燃料電池１の反応ガス通路（燃料ガス通路５１および酸化剤ガス通路５２）に供給する反応ガス（水素ガスおよび空気）の圧力ＰＲ（ＰＨおよびＰＡ）を、冷媒通路５３に供給する冷媒の圧力ＰＭより高く設定する。反応ガス圧力ＰＲが冷媒圧力ＰＭより低い場合には、図３における冷媒通路５３から反応ガス通路５１，５２に冷媒が流入し、膜電極構造体（特に反応ガス拡散層）２０がダメージを受けて発電性能が低下するおそれがあるからである。なお反応ガス通路５１，５２と冷媒通路５３とを区画するセパレータ３０Ａ，３０Ｂは、金属プレート等の緻密質材料で構成されているので、反応ガス圧力ＰＲと冷媒圧力ＰＭとの間に差圧を設定することが可能である。
【００３１】
具体的には、反応ガス圧力ＰＲと冷媒圧力ＰＭとの差圧ＰＲ−ＰＭが、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下となるように設定する。この差圧が１０ｋＰａ未満の場合には、上記のように冷媒通路５３から反応ガス通路５１，５２に冷媒が流入しやすくなるからである。
【００３２】
一方、差圧ＰＲ−ＰＭが３０ｋＰａを超えると、図３における反応ガス通路５１，５２の圧力が、冷媒通路５３の圧力より過大になる。これに伴って、セパレータ３０Ａ，３０Ｂの平坦部３６と膜電極構造体２０との接触面圧が低下する。なお本実施形態のセパレータ３０Ａ，３０Ｂは、例えば厚さ１ｍｍ以下の金属プレートで構成されているので、表裏面の圧力差によって撓みやすく、接触面圧の低下が顕著に現れる。そのため、セパレータ３０Ａ，３０Ｂと膜電極構造体２０との接触部における電気抵抗（接触抵抗）が増加して、抵抗過電圧が増加する。これにより、単位セルで発生した電力の取出し効率が低下し、ひいては発電性能が低下することになる。これに対して、差圧を３０ｋＰａ以下に設定すれば、セパレータ３０Ａ，３０Ｂと膜電極構造体２０との接触面圧を確保することが可能になり、接触抵抗の増加を抑制して発電性能を向上させることができる。
【００３３】
図７は、燃料電池からの取り出し電流と抵抗過電圧との関係を示すグラフである。図７では、差圧ΔＰ（ＰＲ−ＰＭ）が１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下の場合を実線で示し、差圧ΔＰが３０ｋＰａを超える場合を破線で示している。図７によれば、同じ電流を得る場合における実線の抵抗過電圧が、破線の抵抗過電圧より低くなっている。すなわち、差圧を１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下とすることにより、電力の取出し効率を向上させることが可能になり、ひいては発電性能を向上させることができる。
【００３４】
また本実施形態では、図６に示すレギュレータ１０５により、燃料電池１の燃料ガス通路５１に供給する水素ガスの圧力を、酸化剤ガス通路５２に供給する空気の圧力より高く設定する。レギュレータ１０５は例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアコンプレッサ１０２の出口における空気の圧力を信号圧として導入し、レギュレータ１０５の出口における水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。
【００３５】
このレギュレータ１０５の構造につき、図６の概略断面図を参照して説明する。
レギュレータ１０５のボディ１２１の内部空間は、調圧ダイヤフラム１２２ａ、１２２ｂ（１２２）によって上下に仕切られている。ダイヤフラム１２２ａよりも上側の空間は信号圧室１２３になっている。この信号圧室１２３は密閉空間になっていて、コンプレッサで加圧された空気が空気信号導入路１１５を介して空気導入孔１２５から信号圧室１２３に導入される。また信号圧室１２３には、ダイヤフラム１２２ａを下側に付勢するバイアス設定用スプリング（弾性体）１２９が設けられている。
【００３６】
一方、ダイヤフラム１２２ｂよりも下側の空間は水素ガス通路１２４になっている。その水素ガス通路１２４は、水平配置されたバルブシート部１２８によって区画され、その下側が第１水素ガス通路１２４ａとなり、上側が第２水素ガス通路１２４ｂとなっている。水素ガスは、水素供給管１１３から水素ガス入口１３１を通って第１水素ガス通路１２４ａに流入し、バルブシート部１２８に穿設された流通孔１３３を通過した後、第２水素ガス通路１２４ｂから水素ガス出口１３２を通って水素供給管１１３に流出する。また、ダイヤフラム１２２ｂの下面にはステム１２６が取り付けられている。このステム１２６には、バルブシート部１２８の流通孔１３３に対して下側から着座離反可能な弁体１２７が設けられている。
【００３７】
このように構成されたレギュレータ１０５において、ダイヤフラム１２２に対して下向きに作用する第１の推力が上向きに作用する第２の推力よりも大きいときには、ダイヤフラム１２２に下向きの力が作用し、弁体１２７をバルブシート部１２８から離間させる方向（すなわち、開弁方向）へ押動する。これにより、バルブシート部１２８に形成された流通孔１３３が弁体１２７から開放されるため、水素ガスが第１水素ガス通路１２４ａから流通孔１３３を通って第２水素ガス通路１２４ｂに流入する。
【００３８】
その後、第２水素ガス通路１２４ｂの圧力が上昇すると、第２の推力が第１の推力より大きくなってダイヤフラム１２２に上向きの力が作用し、弁体１２７をバルブシート部１２８に接近する方向（すなわち、閉弁方向）へ押動する。これにより、バルブシート部１２８に形成された流通孔１３３が弁体１２７により閉塞される。以上の動作を繰り返して、第１の推力と第２の推力とがつり合うようになる。
【００３９】
ダイヤフラム１２２に対して下向きに作用する第１の推力は、コンプレッサで加圧された空気の圧力Ｐ１と、バイアス設定用スプリング１２９による押圧力ＰＣとの和である。
また上向きに作用する第２の推力は、レギュレータ１０５の出口における水素ガスの圧力Ｐ２である。この第１の推力と第２の推力とがつり合うことにより、水素ガス圧力Ｐ２を空気圧力Ｐ１より高く設定することができる。また、バイアス設定用スプリング１２９による押圧力ＰＣは一定であるから、レギュレータ１０５により水素ガス圧力Ｐ２と空気圧力Ｐ１との差を一定に保持することができる。
【００４０】
なお、図５に示すコンプレッサ１０２の出口における空気の圧力Ｐ１と、酸化剤ガス通路５２への空気の供給圧力ＰＡとは相互に異なっている。またレギュレータ１０５の出口における水素ガスの圧力Ｐ２と、燃料ガス通路５１への空気の供給圧力ＰＨとは相互に異なっている。しかしながら、上述したＥＣＵ１１０は、圧力制御弁１０４を制御して、酸化剤ガス通路５２への空気の供給圧力ＰＡを所定値に設定する。さらに、この場合の空気圧力Ｐ１と水素ガス圧力Ｐ２との差圧をレギュレータ１０５のバイアス設定用スプリングにより適当に設定すれば、燃料電池１への水素ガスの供給圧力ＰＨと空気の供給圧力ＰＡとの差圧を所定値に設定することができる。
【００４１】
本実施形態では、燃料電池１の燃料ガス通路５１に供給する水素ガスの圧力ＰＨを、酸化剤ガス通路５２に供給する空気の圧力ＰＡより高く設定する。
水素ガスは分子量が小さいため、燃料ガス通路５１に供給された水素ガスの一部が不可避的に膜電極構造体を透過する。この水素ガスの透過を監視するため、酸化剤ガス通路５２の出口において水素ガスの濃度を検出している。ここで、水素ガスの供給圧力ＰＨを空気の供給圧力ＰＡより高くすることにより、水素ガスの濃度を正確に検出することが可能になる。これにより、水素ガスの排出を規制することができる。
【００４２】
さらに本実施形態では、水素ガス圧力ＰＨと空気圧力ＰＡとの差圧ＰＨ−ＰＡが、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下となるように設定する。この差圧が１０ｋＰａ未満の場合には、図２に示す膜電極構造体２０を透過した水素ガスの濃度を、正確に検出できないからである。
一方、差圧が３０ｋＰａを超えると、アノード側セパレータ３０Ａとカソード側セパレータ３０Ｂとの間に挟まれた膜電極構造体２０に過大な応力が作用して、発電能力が低下するからである。
【００４３】
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、隣接する２つの単位セル間に総て冷媒通路を設けたが、冷媒通路を総ての単位セル間設けることなく、間引きして設けてもよい。この場合に、冷媒通路を間引いた部位では、隣接する２つの単位セルが１つのセパレータを共有し、該セパレータが一方の単位セルではアノード側セパレータとして機能し、他方の単位セルではカソード側セパレータとして機能する。
また、実施例では、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向とが交差した波形の突条を有するセパレータを積層する構造を採用したが、この構造に限定されるものではなく、反応ガスの流れ方向と冷媒の流れ方向はいかなるものでもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池 ２０…膜電極構造体 ２１…固体高分子電解質膜 ２２…アノード電極 ２３…カソード電極 ３０Ａ…アノード側セパレータ ３０Ｂ…カソード側セパレータ ５１…燃料ガス通路 ５２…酸化剤ガス通路 ５３…冷媒通路 １０５…レギュレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、複数の前記膜電極構造体をセパレータを介して積層し、前記膜電極構造体と前記セパレータとの間に反応ガス通路を設けるとともに、前記セパレータの内部に冷媒通路を設けた燃料電池の運転方法であって、
前記反応ガス通路に供給する反応ガスの圧力を、前記冷媒通路に供給する冷媒の圧力より高く設定し、
前記反応ガス通路として、前記アノード電極と前記セパレータとの間に燃料ガス通路を設けるとともに、前記カソード電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス通路を設け、
前記燃料ガス通路に供給する燃料ガスの圧力を、前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定し、
前記燃料電池は、前記燃料ガスを減圧して前記燃料ガス通路に供給するレギュレータを備え、
前記レギュレータは、前記酸化剤ガス通路に供給する前記酸化剤ガスの圧力を信号圧として導入し、前記燃料ガス通路に供給する前記燃料ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記反応ガスの圧力と前記冷媒の圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記燃料ガスの圧力と前記酸化剤ガスの圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極を設けて膜電極構造体を構成し、複数の前記膜電極構造体をセパレータを介して積層し、前記膜電極構造体と前記セパレータとの間に反応ガス通路を設けるとともに、前記セパレータの内部に冷媒通路を設けた燃料電池の運転方法であって、
前記反応ガス通路に供給する反応ガスの圧力を、前記冷媒通路に供給する冷媒の圧力より高く設定し、
前記反応ガス通路として、前記アノード電極と前記セパレータとの間に燃料ガス通路を設けるとともに、前記カソード電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガス通路を設け、
前記燃料ガス通路に供給する燃料ガスの圧力を、前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガスの圧力より高く設定し、
前記燃料電池は、前記燃料ガスを減圧して前記燃料ガス通路に供給するレギュレータを備え、
前記レギュレータは、前記酸化剤ガス通路に供給する前記酸化剤ガスの圧力を信号圧として導入し、前記燃料ガス通路に供給する前記燃料ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記反応ガスの圧力と前記冷媒の圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記燃料ガスの圧力と前記酸化剤ガスの圧力との差は、１０ｋＰａ以上３０ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−６５５６７（Ｐ２０１３−６５５６７Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５７３３８（Ｐ２０１２−２５７３３８）
【出願日】平成２４年１１月２６日（２０１２．１１．２６）
【分割の表示】特願２００６−１７９７３７（Ｐ２００６−１７９７３７）の分割
【原出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２６日（２０１２．１１．２６）
【分割の表示】特願２００６−１７９７３７（Ｐ２００６−１７９７３７）の分割
【原出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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