JP4522097B2 - 燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の制御方法に関し、とくにセル面内の任意の位置の水分量を制御するようにした燃料電池の制御方法に関する。

燃料電池、とくに固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

セルで正常な発電が行われるには、電解質膜が適当に湿潤状態にあることが必要であり、反応ガスは加湿して供給される。しかし、加湿および電池反応での生成水により湿潤過多になると反応ガス流路が液滴で閉塞され、出力低下を招く。セル面内を各部位の要求に応じて最適に湿潤することが臨まれる。
特開平１１−２５０９２３号公報は、従来の固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの流路形状を開示している。これは、全体として折り返しながら流れる蛇行流路であって、折り返す毎に溝本数が減少し、下流に行くほど流速が速くなり、発生した液滴を吹き飛ばすことを狙っている。
特開平１１−２５０９２３号公報

しかし、従来技術には、つぎの問題がある。
複数本の流路があった場合、ガスは流れやすい流路を流れるため、液滴が存在している流路に必ずしもガスが流れ、液滴を吹き飛ばしてくれるとは限らない。また、燃料電池の電解質膜にとっては、十分に加湿されているほど発電効率がよいことから、液滴の存在がすべて悪いとは限らない。

本発明の目的は、セル面内の任意の位置の水分量を制御できる燃料電池の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セパレータの、燃料ガス流路、酸化ガス流路を含むガス流路に、所望の圧損特性をもたせるように、該ガス流路の流路幅を設計し、該ガス流路の圧損特性に基づいて酸化ガスあるいは燃料ガスである反応ガスの供給量、加湿量、圧力を制御し、セル面内の水分量の分布を制御する燃料電池の制御方法。
（２） 燃料電池に接続された酸化ガスの供給装置、加湿装置、圧力センサ、圧力制御弁と、
前記燃料電池に接続された燃料ガスの供給装置、加湿装置、圧力センサ、圧力制御弁と、
各単位電池および電池全体の作動を監視する電圧センサ、温度、電流センサを含む電池作動監視装置と、
前記各センサの信号を元に、供給装置、加湿装置、圧力制御弁の少なくとも１つを制御する制御装置と、
の少なくとも１つを用いて、セル面内の水分量の分布を制御する（１）記載の燃料電池の制御方法。
（３） 燃料電池の反応ガスの背圧を制御することにより、セル面内の水分量の分布を制御する（１）または（２）記載の燃料電池の制御方法。
（４） 燃料電池へ供給する反応ガス流量を制御することにより、セル面内の水分量の分布を制御する（１）または（２）記載の燃料電池の制御方法。
（５） 燃料電池へ供給する反応ガスの加湿量を制御することによりセル面内の水分量の分布を制御する（１）または（２）記載の燃料電池の制御方法。
（６） セル面内全域に液滴を存在させないようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（７） セル面内の任意の位置のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（８） セル面内の入口段のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（９） セル面内の中央段のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（１０） セル面内の出口段のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（１１） セル面内の入口段と中央段のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（１２） セル面内の入口段と出口段のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（１３） セル面内の中央段と出口段のみに液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（１４） セル面内全域に液滴を存在させるようにした（１）記載の燃料電池の制御方法。
（１５） 反応ガスの流れ方向を調整することにより、セル面内の液滴または水蒸気としての水分量の分布を制御する（１）乃至（１４）の何れか一に記載の燃料電池の制御方法。

上記（１）〜（１４）の燃料電池の制御方法では、セパレータの、燃料ガス流路、酸化ガス流路を含むガス流路に、所望の圧損特性をもたせるように、該ガス流路の流路幅を設計し、該ガス流路の圧損特性に基づいて酸化ガスあるいは燃料ガスである反応ガスの供給量、加湿量、圧力を制御し、セル面内の水分量の分布を制御するので、入口から供給された水分と発電中に生成された水分を、セル面内の任意の位置にて、液滴として存在させるか、あるいは水蒸気として存在させるかを、自在に操作できるようになる。
上記（１５）の燃料電池の制御方法では、反応ガスの流れ方向をも調整するようにしたので、セル面内の水分量の分布の制御の自由度が上がる。

以下に、本発明の燃料電池の制御方法を図１〜図２５および図２６〜図３４を参照して説明する。
まず、本発明の全実施例に共通する部分を図１〜図３、図２５を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１である。該燃料電池１は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

固体高分子電解質型燃料電池１は、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１５、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１６および電解質膜１５の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、通常、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単セルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。

セパレータ１８には、電解質膜１５に対向する面に、アノード１６に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。燃料ガス流路、酸化ガス流路は、リブ２５、２６によって形成されており、大蛇行流路に形成されている。大蛇行流路部分には、複数の凸部２７によって格子状の溝からなる流路が形成されている。また、セパレータ１８には燃料ガス流路、酸化ガス流路と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。冷媒流路はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
セパレータ１８には、燃料ガス導入穴１９、燃料ガス排出穴２０、酸化ガス導入穴２１、酸化ガス排出穴２２、冷却水流路穴２３、２４が形成されている。燃料ガスは燃料ガス導入穴１９からセル面内燃料ガス流路に入り、セル面内燃料ガス流路から燃料ガス排出穴２０に出ていく。酸化ガスは酸化ガス導入穴２１からセル面内酸化ガス流路に入り、セル面内酸化ガス流路から酸化ガス排出穴２２に出ていく。

図１は、単セルを積層した燃料電池スタックとそれに接続される反応ガス供給、排出の制御システムを示している。本システムは、燃料電池１と、燃料電池１のアノード側に水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２と、その燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器４と、燃料電池１のカソード側に酸素を含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置３と、その酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿器５と、燃料電池１のアノード側から排出される燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力調整弁６およびその圧力を検出する燃料ガス圧力センサ８と、燃料電池１のカソード側から排出される酸化ガスの圧力を制御する酸化ガス圧力調整弁７およびその圧力を検出する酸化ガス圧力センサ９と、燃料電池１の作動状態を監視する電池作動監視装置１０と、燃料電池１の作動状態を制御する制御装置１１と、を備えている。電池作動監視装置１０は、電圧、電流、温度を検出するセンサ１２、１３、１４からなる。

本発明の燃料電池の制御方法は、上記の燃料電池システムを用いて、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の圧力、湿度、温度、流量、流路形状による圧損特性（圧力降下特性）のうち、流路形状による圧損特性を含む少なくとも１つを調整して、セル面内の液滴または水蒸気としての水分量の分布を制御する方法からなる。

さらに詳しくは、本発明の燃料電池の制御方法は、燃料電池１に接続された酸素含有ガスの供給装置３、加湿装置５、圧力センサ９、圧力制御弁（背圧調整弁）７と、燃料電池１に接続された水素含有ガスの供給装置２、加湿装置４、圧力センサ８、圧力制御弁（背圧調整弁）６と、各単位電池および電池全体の作動を監視する、電圧センサ１２、温度１４、電流センサ１３を含む電池作動監視装置１０と、各センサ１２、１３、１４の信号を元に、供給装置２、３、加湿装置４、５、圧力制御弁６、７の少なくとも１つを制御する制御装置１１と、の少なくとも１つを用いて、セル面内の水分量の分布を制御する方法からなる。

本発明の燃料電池の制御方法では、セパレータ１８の、燃料ガス流路、酸化ガス流路を含むガス流路に、該ガス流路の流路幅を調整することによって所望の圧損特性をもたせ、該ガス流路の圧損特性に基づいてガス供給量、加湿量、圧力を制御し、セル面内の水分量の分布を制御することが望ましい。

本発明の燃料電池の制御方法では、温度、ガス量、圧力の少なくとも１つによる飽和水蒸気量の変化、および／またはセパレータのガス流路形状による圧力降下特性を制御することにより、入口から供給された水分と発電中に生成された水分を、セル面内の任意の位置にて、液滴として存在させるか、あるいは水蒸気として存在させるかを、自在に操作できるようになる。

つぎに、本発明の各実施例の特有な部分を、説明する。
（１）実施例１……図４、図５
〔構成〕
本発明の実施例１では、図４に示すように、大蛇行流路の流路幅を、たとえば、酸化ガス流路の入口段２８と中央段２９と出口段３０の流路幅を、ほぼ均等にする。
また、酸化ガス流路の出口段３０のみに液滴として水分を存在させる（図４の色付け部分）。
〔作用〕
本発明の実施例１の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の出口段３０に液滴の水分を存在させて、水素側入口部の加湿不足を補いたい時に有効である。
酸化ガス導入穴２１から流れ込んだ酸化ガスは全体的には大蛇行流路を流れて、酸化ガス排出穴２２から排出される。図４に示すように、大蛇行流路の流路幅をほぼ均等にすることで、図５の線Ａに示すように、入口から出口に向かってほぼ直線的減少する圧損特性を得ることができる。供給ガスの流量、背圧（図５の点Ｌ）を決めることで、ガス流路内全域の飽和水分量が図５の線Ｂのように決まる。一方、ガス流路全域内の水分量は供給するガスの加湿量（図５の点Ｍ）を決めることで、発電により生成される水分量と合わせて図５の線Ｃのように決まる。ただし、発電による生成水は面内で均一であり、水分はすべて後方へ流れていくものと仮定している。点Ｌと点Ｍを調整し、線Ｂと線Ｃの交点（図５の点Ｎ）を中央段２９と出口段３０の境にもってくることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図５の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内の出口段３０のみに液体としての水を存在させる。
点Ｌに示す背圧値は、酸化ガス背圧センサ９を観察し、酸化ガス背圧調整弁７によって調整する。
点Ｍに示す加湿量は酸化ガス加湿器５によって調整する。
なお、温度は一定として説明している（以下の実施例も同様）。温度が変われば、線Ｂが変化するが、その温度に合わせて点Ｍを設定し、線Ｃを動かして点Ｎを合わせることになる。燃料電池では、冷却水により温度を一定に制御しているため省略しているが、温度を変化させて調整してもよい。

（２）実施例２……図６、図７
〔構成〕
本発明の実施例２では、図６に示すように、出口段３０での流路幅を入口段２８、中央段２９に比べて狭くしてある。実施例１に対して、実施例２は出口部分で流速を上げて液滴を排出しやすいようにしたものである。
また、酸化ガス流路の出口段３０のみに液滴として水分を存在させる（図６の色付け部分）。その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例２の燃料電池の制御方法は、実施例１と同様、酸化ガス流路の出口段３０に液滴の水分を存在させて、水素側入口部の加湿不足を補いたい時に有効である。
本発明の実施例２の圧損特性は、図７の線Ａに示すように、出口段３０で圧力降下が大きくなる。供給ガスの流量、背圧（図７の点Ｌ）を決めることで、ガス流路全域内の飽和水分量が図７の線Ｂのように決まる。この場合にも、実施例１と同様に、背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内の出口段３０のみに液体としての水を存在させる。その他は実施例１に準じる。

（３）実施例３……図８、図９、図１０
〔構成〕
本発明の実施例３では、図８に示すように、酸化ガス流路の中央段２９と出口段３０のみに液滴として水分を存在させる（図８の色付け部分）。その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例３の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の中央段２９、出口段３０に液滴の水分を存在させて、水素側入口部の加湿不足を補いたい時に有効である。
本発明の実施例３では、実施例１に対して、加湿量（図９の点Ｍ）を調整することで、線Ｂと線Ｃの交点（図９の点Ｎ）を入口段２８と中央段２９の境にもってくることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図９の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内のうち中央段２９と出口段３０に液体としての水を存在させる。
もう一つの方法として、図１０に示すように、実施例１に対して、背圧（図１０の点Ｌ）を調整することで、線Ｂと線Ｃの交点（図１０の点Ｎ）を入口段２８と中央段２９の境にもってくることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図１０の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内のうち中央段２９と出口段３０に液体としての水を存在させる。

（４）実施例４……図１１、図１２
〔構成〕
本発明の実施例４では、図１１に示すように、セル面内全域の酸化ガス流路に液滴として水分を存在させる（図１１の色付け部分）。
その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例４の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の全域（入口段２８、中央段２９、出口段３０）に液滴の水分を存在させて、電解質膜の湿潤を十分に保つのに有効である。
本発明の実施例４では、実施例１に対して、加湿量（図１２の点Ｍ）を調整することで、線Ｂと線Ｃの交点（図１２の点Ｎ）を酸化ガス流路入口にもってくることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図１２の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域（入口段２８、中央段２９、出口段３０）に液体としての水を存在させる。

（５）実施例５……図１３、図１４、図１５、図１６
〔構成〕
本発明の実施例５では、図１３に示すように、セル面内全域の酸化ガス流路に液滴としての水分を存在させないようにする。その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例５の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の全域（入口段２８、中央段２９、出口段３０）に液滴の水分を存在させないようにして、水によるガス流路の閉塞を確実に防止する。
本発明の実施例５では、実施例１に対して、加湿量（図１４の点Ｍ）を調整することで、線Ｂと線Ｃの交点が出ないようにすることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水はなくなり、図１４の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域（入口段２８、中央段２９、出口段３０）に液体としての水を存在させない。
もう一つの方法として、図１５に示すように、実施例１に対して、背圧（図１５の点Ｌ）を調整することで、線Ｂと線Ｃの交点が出ないようにすることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水はなくなり、図１５の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域（入口段２８、中央段２９、出口段３０）に液体としての水を存在させない。
もう一つの方法として、図１６に示すように、実施例１に対して、流量を調整することで、飽和水分量を増やし（図１６の線Ｂが全体に上にシフト）、線Ｂと線Ｃの交点が出ないようにすることにより、ガス流路全域内にて液体として存在する水はなくなり、図１６の線Ｄのようになる。このように、流路形状と、流量、背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域（入口段２８、中央段２９、出口段３０）に液体としての水を存在させない。

（６）実施例６……図１７、図１８
〔構成〕
本発明の実施例６では、図１７に示すように、入口段２８での流路幅を中央段２９、出口段３０に比べて狭くしてある。中央段２９、出口段３０は均一幅である。
また、酸化ガス流路の入口段２８のみに液滴として水分を存在させる（図１７の色付け部分）。その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例６の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の入口段２８に液滴の水分を存在させて、水素側出口部の加湿不足を補いたい時に有効である。
本発明の実施例６の圧損特性は、図１８の線Ａに示すように、入口段２８で圧力降下が大きくなる。供給ガスの流量、背圧（図１８の点Ｌ）を決めることで、ガス流路全域内の飽和水分量が図１８の線Ｂのように決まる。さらに加湿量を１００％近くに調整することで、ガス流路全域内の入口段２８のみに液体としての水を存在させる。その他は実施例１に準じる。

（７）実施例７……図１９、図２０
〔構成〕
本発明の実施例７では、図１９に示すように、中央段２９と出口段３０の間のターン部分の幅を狭くした絞り３１を設けた流路形状とする。
入口段２８から中央段２９にかけては均等幅の流路形状であり、出口段３０は入口段２８および中央段２９より幅を狭くした流路形状とする。
その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例７の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の中央段２９のみに液滴の水分を存在させて、入口段２８、出口段３０は液滴を存在させないことで、供給および排出管内でのガス流れをスムーズにすることと、内部での湿潤を確保することの両立をはかる時に有効である。
本発明の実施例７の圧損特性は、図２０の線Ａに示すように、入口段２８から中央段２９にかけてほとんど圧力降下がなく、中央段２９と出口段３０の間で大きく圧力降下し、出口段３０での圧力降下は緩やかである。供給ガスの流量、背圧（図２０の点Ｌ）を決めることで、ガス流路全域内の飽和水分量が図２０の線Ｂのように決まる。さらに加湿量を調整することで、線Ｂと線Ｃの交点（図２０の点Ｎ）を入口段２８と中央段２９の境にもってくると同時に、線Ｂと線Ｃの２つ目の交点（図２０の点Ｏ）を中央段２９と出口段３０の境にもってくることで、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図２０の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内の中央段２９のみに液体としての水を存在させる。

（８）実施例８……図２１、図２２
〔構成〕
本発明の実施例８では、図２１に示すように、中央段２９の幅を狭くした流路形状とする。
入口段２８、出口段３０は中央段２９より幅が広く均一幅である。
その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例８の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の入口段２８と中央段２９のみに液滴の水分を存在させて、水素側出口部の加湿不足を補いたい時に有効である。
本発明の実施例８の圧損特性は、図２２の線Ａに示すように、入口段２８ではほとんど圧力降下がなく、中央段２９で大きく圧力降下し、出口段３０ではほとんど圧力降下がない。供給ガスの流量、背圧（図２２の点Ｌ）を決めることで、ガス流路全域内の飽和水分量が図２２の線Ｂのように決まる。さらに加湿量を１００％近くに調整し、線Ｂと線Ｃの交点（図２２の点Ｎ）を中央段２９と出口段３０の境にもってくることで、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図２２の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内のうち入口段２８と中央段２９のみに液体としての水を存在させる。

（９）実施例９……図２３、図２４
〔構成〕
本発明の実施例９では、図２３に示すように、入口段２８と中央段２９の間のターン部分の幅を狭くした絞り３２を設けた流路形状とする。
入口段２８と中央段２９から出口段３０にかけては均等幅の流路形状である。
その他は本発明の実施例１と同じである。
〔作用〕
本発明の実施例９の燃料電池の制御方法は、酸化ガス流路の入口段２８と出口段３０のみに液滴の水分を存在させて、水素側入口部と出口部の双方の加湿不足を補いたい時に有効である。
本発明の実施例９の圧損特性は、図２４の線Ａに示すように、入口段２８ではほとんど圧力降下がなく、入口段２８と中央段２９の間で大きく圧力降下し、中央段２９から出口段３０にかけてはほとんど圧力降下がない。供給ガスの流量、背圧（図２４の点Ｌ）を決めることで、ガス流路全域内の飽和水分量が図２４の線Ｂのように決まる。さらに加湿量を１００％近くに調整し、線Ｂと線Ｃの交点（図２４の点Ｎ）を入口段２８と中央段２９の境にもってくると同時に、線Ｂと線Ｃの２つ目の交点（図２０の点Ｏ）を中央段２９と出口段３０の境にもってくることで、ガス流路全域内にて液体として存在する水は図２４の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、ガス流路全域内の入口段２８と出口段３０のみに液体としての水を存在させる。

（１０）実施例１０……図２６〜図３４
〔構成〕
本発明の実施例１０では、図２６、図２７に示すように、酸化ガス加湿器５と燃料電池１との間に燃料電池１への空気供給方向を切り替える入口側切替弁２００と、燃料電池１と酸化ガス背圧調整弁７との間に燃料電池１からの空気排出方向を切り替える出口側切替弁２０１が設置されている。入口側切替弁２００と出口側切替弁２０１は互いに連動して作動し、その作動は制御装置１１によって制御される。空気の流れ方向が切替え可能である点で、本発明の他の実施例と異なる。実施例１〜９にて酸化ガス導入穴２１であったものは酸化ガスの流れ方向を切り替えると酸化ガス排出穴となるので、実施例１０では、２１は酸化ガス導入排出穴Ａと呼ぶことにする。同様に、実施例１〜９にて酸化ガス排出穴２１であったものは酸化ガスの流れ方向を切り替えると酸化ガス導入穴となるので、実施例１０では、２２は酸化ガス導入排出穴Ｂと呼ぶことにする。
図２８のセパレータ流路では、入口段２８、中央段２９、出口段３０の順に、酸化ガスの蛇行流路の流路幅が狭くなっている。
その他は本発明の実施例１と同じである。

〔作用〕
本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法では、酸化ガスの導入・排出方向を切替え、加湿量を変化させることにより、酸化ガス流路中の任意の位置に液体としての水を存在させるように制御する。図２８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に、液体としての水を存在させる位置を互いに変えた６種類のパターンを示す。液体の水が存在するとこを色付けで表示した。

図２９は、図２８のパターン（ａ）の場合の水分布制御の概要を表したグラフである。入口側切替弁２００と出口側切替弁２０１を切り替えて、酸化ガス導入排出穴Ａ２１から流れ込んだ酸化ガスが全体的に大蛇行流路を流れて、酸化ガス導入排出穴Ｂ２２から排出されるようにする。
下段３０の幅を小さくしてあるため、図２９の線Ａに示すように、圧力は、上段、中段では徐々に減少し、下段で大きく低下する圧損特性を得ることができる。供給ガスの流量、背圧（図２９の点Ｌ）を決めることで全体ガス流路内の飽和水分量が図２９の線Ｂのように決まる。一方、全体ガス流路内の水分量は供給するガスの加湿量（図２９の点Ｍ）を決めることで、発電により生成される水分量と合わせて図２９の線Ｃのように決まる。ただし、発電による生成水は面内で均一であり、水分はすべて後方へ流れていくものと仮定している。点Ｌと点Ｍを調整し、線Ｂと線Ｃの交点（図２９の点Ｎ）を中央段と下段の境にもってくることにより、全体ガス流路内にて液体として存在する水は図２９の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、全体ガス流路内の下段３０のみに液体としての水を存在させる。
点Ｌに示す背圧値は酸化ガス背圧用圧力センサ９を観察し、酸化ガス背圧調整弁７によって調整する。
点Ｍに示す加湿量は酸化ガス加湿器５によって調整する。

図３０は、図２８のパターン（ｂ）の場合の水分布制御の概要を表したグラフである。パターン（ａ）との違いは、加湿量を変えた点で、それにより、点Ｍ、線Ｃ、点Ｎが変化し、線Ｄすなわち液体として存在する水が中段２９、下段３０部分となる。

図３１は、図２８のパターン（ｃ）の場合の水分布制御の概要を表したグラフである。パターン（ａ）との違いは、加湿量を変えた点で、それにより、点Ｍ、線Ｃ、点Ｎが変化し、線Ｄすなわち液体として存在する水が上段２８、中段２９、下段３０部分となる。

図３２は、図２８のパターン（ｄ）の場合の水分布制御の概要を表したグラフである。入口側切替弁２００と出口側切替弁２０１を切り替えて、酸化ガス導入排出穴Ｂ２２から流れ込んだ酸化ガスが全体的に大蛇行流路を流れて、酸化ガス導入排出穴Ａ２１から排出されるようにする。
下段３０の幅を小さくしてあるため、図３２の線Ａに示すように圧力は下段で大きく低下し、中段、上段では徐々に減少しする圧損特性を得ることができる。供給ガスの流量、背圧（図３２の点Ｌ）を決めることで全体ガス流路内の飽和水分量が図３２の線Ｂのように決まる。一方、全体ガス流路内の水分量は供給するガスの加湿量（図３２の点Ｍ）を決めることで、発電により生成される水分量と合わせて図３２の線Ｃのように決まる。ただし、発電による生成水は面内で均一であり、水分はすべて後方へ流れていくものと仮定している。点Ｌと点Ｍを調整し、線Ｂと線Ｃの交点（図２９の点Ｎ）を上段と中段と下段の境にもってくることにより、全体ガス流路内にて液体として存在する水は図３２の線Ｄのようになる。このように、流路形状と背圧、加湿量を調整した設計をすることにより、全体ガス流路内の上段２８、中段２９、および下段３０のガス導入側に液体としての水を存在させる。
点Ｌに示す背圧値は酸化ガス背圧用圧力センサ９を観察し、酸化ガス背圧調整弁７によって調整する。
点Ｍに示す加湿量は酸化ガス加湿器５によって調整する。

図３３は、図２８のパターン（ｅ）の場合の水分布制御の概要を表したグラフである。パターン（ｄ）との違いは、加湿量を変えた点で、それにより、点Ｍ、線Ｃ、点Ｎが変化し、線Ｄすなわち液体として存在する水が上段２８のガス排出側のみとなる。

図３４は、図２８のパターン（ｆ）の場合の水分布制御の概要を表したグラフである。パターン（ｄ）との違いは、加湿量を変えた点で、それにより、点Ｍ、線Ｃ、点Ｎが変化し、線Ｄすなわち液体として存在する水がなくなる。

実施例１〜１０の各実施例において、流路は図３に示したような流路内に多数の凸部を持つ流路に限定されるものではなく、図２５に示すように複数の溝をもつ流路であってもよい。また、実施例１〜１０の各実施例において、流路は３段に限定するものではない。１段の場合でも上流から下流にかけて流路を分割して考えても同様である。
また、上記説明では、ガス流路は酸化ガス流路を例にとって説明したが、燃料ガス流路でも同様のことが成立し、本発明は酸化ガス流路だけでなく、燃料ガス流路の場合も含むものとする。

本発明の燃料電池の制御方法を実行する燃料電池システム図である。 固体高分子型燃料電池の単セルの一部分の断面図である。 本発明の燃料電池の制御方法が適用される燃料電池のセパレータの正面図である。 本発明の実施例１の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例１の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例２の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例２の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例３の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例３の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例３のもう一つの方法に係る燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例４の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例４の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例５の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例５の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例５のもう一つの方法に係る燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例５のさらにもう一つの方法に係る燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例６の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例６の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例７の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例７の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例８の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例８の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の実施例９の燃料電池の制御方法が実行されるセパレータの正面図である。 本発明の実施例９の燃料電池の制御方法の、水分分布制御グラフである。 本発明の何れの実施例の方法にも適用可能な、燃料電池のセパレータの正面図である。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法を実行する燃料電池システム図である。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法が適用される燃料電池のセパレータの正面図である。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法が適用される燃料電池のセパレータの、各パターン（ａ）〜（ｆ）の水分布概略図である。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法の、パターン（ａ）の水分布制御概要グラフである。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法の、パターン（ｂ）の水分布制御概要グラフである。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法の、パターン（ｃ）の水分布制御概要グラフである。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法の、パターン（ｄ）の水分布制御概要グラフである。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法の、パターン（ｅ）の水分布制御概要グラフである。 本発明の実施例１０の燃料電池の制御方法の、パターン（ｆ）の水分布制御概要グラフである。

符号の説明

１ （固体高分子電解質型）燃料電池
２ 燃料ガス供給装置
３ 酸化ガス供給装置
４ 燃料ガス加湿器
５ 酸化ガス加湿器
６ 燃料ガス圧力調整弁（燃料ガス背圧調整弁）
７ 酸化ガス圧力調整弁（酸化ガス背圧調整弁）
８ 燃料ガス圧力センサ（燃料ガス背圧用圧力センサ）
９ 酸化ガス圧力センサ（酸化ガス背圧用圧力センサ）
１０ 電池作動監視装置
１１ 制御装置
１２ 電圧センサ
１２ 電流センサ
１３ 温度センサ
１５ 固定電解質膜
１６ 燃料ガス側電極（アノード）
１７ 酸化ガス側電極（カソード）
１８ セパレータ
１９ 燃料ガス導入穴
２０ 燃料ガス排出穴
２１ 酸化ガス導入穴
２２ 酸化ガス排出穴
２３、２４ 冷却水流路穴
２５、２６ 流路形成リブ
２７ 凸部
２８ （酸化ガス流路の）入口段、上段
２９ （酸化ガス流路の）中央段、中段
３０ （酸化ガス流路の）出口段、下段
３１、３２ 絞り
２００ 入口側切替弁
２０１ 出口側切替弁

Claims (15)

1. セパレータの、燃料ガス流路、酸化ガス流路を含むガス流路に、所望の圧損特性をもたせるように、該ガス流路の流路幅を設計し、該ガス流路の圧損特性に基づいて酸化ガスあるいは燃料ガスである反応ガスの供給量、加湿量、圧力を制御し、セル面内の水分量の分布を制御する燃料電池の制御方法。
2. 燃料電池に接続された酸化ガスの供給装置、加湿装置、圧力センサ、圧力制御弁と、
   前記燃料電池に接続された燃料ガスの供給装置、加湿装置、圧力センサ、圧力制御弁と、
   各単位電池および電池全体の作動を監視する電圧センサ、温度、電流センサを含む電池作動監視装置と、
   前記各センサの信号を元に、供給装置、加湿装置、圧力制御弁の少なくとも１つを制御する制御装置と、
   の少なくとも１つを用いて、セル面内の水分量の分布を制御する請求項１記載の燃料電池の制御方法。
3. 燃料電池の反応ガスの背圧を制御することにより、セル面内の水分量の分布を制御する請求項１または請求項２記載の燃料電池の制御方法。
4. 燃料電池へ供給する反応ガス流量を制御することにより、セル面内の水分量の分布を制御する請求項１または請求項２記載の燃料電池の制御方法。
5. 燃料電池へ供給する反応ガスの加湿量を制御することによりセル面内の水分量の分布を制御する請求項１または請求項２記載の燃料電池の制御方法。
6. セル面内全域に液滴を存在させないようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
7. セル面内の任意の位置のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
8. セル面内の入口段のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
9. セル面内の中央段のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
10. セル面内の出口段のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
11. セル面内の入口段と中央段のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
12. セル面内の入口段と出口段のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
13. セル面内の中央段と出口段のみに液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
14. セル面内全域に液滴を存在させるようにした請求項１記載の燃料電池の制御方法。
15. 反応ガスの流れ方向を調整することにより、セル面内の液滴または水蒸気としての水分量の分布を制御する請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載の燃料電池の制御方法。

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