专利名称：燃料电池的运转方法及燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及层叠有电解质-电极结构体和平面为矩形形状的隔板的燃料电池的运转方法及燃料电池系统，其中，该电解质-电极结构体在电解质的两侧设有一对电极。
背景技术：
例如，固体高分子型燃料电池具备通过一对隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)而成的单元电池(发电单元)，该电解质膜-电极结构体(MEA)在由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜的两侧分别配设有阳极侧电极及阴极侧电极。单元电池通过层叠多个，而构成例如车载用燃料电池组。在上述的燃料电池中，在一方的隔板的面内设有与阳极侧电极对置而用于使燃料气体流动的燃料气体流路(反应气体流路)，并且在另一方的隔板的面内设有与阴极侧电 极对置而用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路(反应气体流路)。而且，在隔板之间沿着所述隔板的面方向设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。在燃料电池中，为了将固体高分子电解质膜维持成所希望的湿润状态，将向所述燃料电池供给的氧化剂气体或燃料气体预先加湿，另一方面，因发电反应而生成水。因此，在反应气体流路中，生成水可能冷凝而产生冷凝水。此时，在燃料气体流路中，在氧化剂气体流路侧产生的生成水容易透过薄膜状的固体高分子电解质膜而反向扩散。因此，因该结露水而电解质膜-电极结构体被闭塞，从而存在无法发电的部位，与该部位对应的氧化剂气体流路的下游侧的温度下降，有时会产生结露。而且，燃料气体流路的下游侧被水闭塞，氧化剂气体流路侧的生成水可能无法向所述燃料气体流路侧反向扩散。由此，存在氧化剂气体流路的下游侧也会产生滞留水的问题。另一方面，采用在多个单元电池中的每一个上形成冷却介质流路的所谓拉开间隔冷却结构。此时，在接近冷却介质流路一侧的单元电池上设置的燃料气体流路中，存在温度下降变得显著而冷凝水容易滞留的问题。由此，存在燃料气体流路被闭塞，燃料气体的流动变得不均匀(所谓，溢流)，无法具有所希望的发电功能这样的问题。并且，在氧化剂气体流路中也同样存在引起流路闭塞的问题。因此，例如已知有日本特开2004-185938号公报中公开的燃料电池系统。该燃料电池系统如图15所示，在燃料电池I的热介质排出口 Ia连结空气加湿器2，并且在该空气加湿器2上连结燃料加湿器3。在燃料加湿器3上连结热交换器4，在该热交换器4上连结燃料电池I的热介质供给口 lb，由此构成作为热介质的水的水循环路径5。在燃料电池I的氧化剂排出口 Ic连结全热交换器6，并且在该全热交换器6上连结空气加湿器2。在该空气加湿器2上连结燃料电池I的氧化剂供给口 ld，由此构成作为氧化剂的空气的空气供给路径7。在燃料加湿器3上连结燃料改性装置8，使用城市煤气等原燃料，通过所述燃料改性装置8生成氢主体的改性气体。该改性气体在由燃料加湿器3加湿之后，向燃料电池I的燃料供给口 Ie供给。因此，在反应气体的入口区域中，当反应气体的露点设定得比热介质(从燃料电池I排出的水)的温度低时，反应气体在入口区域会由所述热介质加热。由此，在入口区域能够防止加湿反应气体中的水蒸气发生冷凝，在所述入口区域，冷凝水不会附着于流路，从而反应气体顺畅地开始流动。然而，在上述的燃料电池系统中，在反应气体的出口区域中，反应气体的露点设定得比热介质的温度高。因此，反应气体在出口区域由热介质冷却，反应气体中的水蒸气有时会发生冷凝，但由于向各热介质流路均匀地施加压力而使水滴容易飞散，因此在短时间内能够将冷凝水向出口集管部排除。 然而，在反应气体的出口区域中，反应气体因反应而被消耗。因此，存在无法从反应气体的出口区域向出口集管部将冷凝水良好地排出这样的问题。尤其是在低负载发电时，反应气体的流量少，冷凝水的排除变得困难，并且由于温度下降而所述冷凝水容易大量地产生，存在引起滞留水的问题。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种能够可靠地阻止冷凝水滞留于反应气体流路，并能够确保良好的发电状态的燃料电池的运转方法及燃料电池系统。本发明涉及一种燃料电池的运转方法，所述燃料电池中层叠有电解质-电极结构体和平面为矩形形状的隔板，该电解质-电极结构体在电解质的两侧设有一对电极，在所述隔板的相互对置的一方的两边设有反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，所述反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔沿着层叠方向贯通，并与用于使反应气体沿着电极面流动的反应气体流路连通，在所述隔板的相互对置的另一方的两边设有一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔，所述一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动。该运转方法包括检测使反应气体即燃料气体流通的反应气体流路即燃料气体流路的至少一部分是否被水闭塞的工序；在判断为所述燃料气体流路的至少一部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质向与反应气体出口连通孔相邻的冷却介质出口连通孔的流通的工序。另外，本发明涉及一种燃料电池的运转方法及燃料电池系统，所述燃料电池中层叠有电解质-电极结构体和平面为矩形形状的隔板，该电解质-电极结构体在电解质的两侧设有一对电极，在所述隔板的相互对置的一方的两边设有反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，所述反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔沿着层叠方向贯通，并与用于使反应气体沿着电极面流动的反应气体流路连通，在所述隔板的相互对置的另一方的两边沿着所述层叠方向贯通而设有至少一对冷却介质入口连通孔及至少一对冷却介质出口连通孔，所述至少一对冷却介质入口连通孔及至少一对冷却介质出口连通孔至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动。该运转方法包括检测反应气体流路的至少一部分是否被水闭塞的工序；在判断为所述反应气体流路的至少一部分被所述水闭塞时，至少将冷却介质分别向各冷却介质入口连通孔的供给量或所述冷却介质分别从各冷却介质出口连通孔的排出量中的任一方控制成不同的量的工序。而且，该燃料电池系统具备与隔板的另一方的两边中设置在第一边侧的冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔分别连接的第一供给路及第一排出路；与所述隔板的另一方的两边中设置在第二边侧的所述冷却介质入口连通孔及所述冷却介质出口连通孔分别连接的第二供给路及第二排出路；与所述第一供给路的中途和所述第一排出路的中途连接的第一分支路；与所述第二供给路的中途和所述第二排出路的中途连接的第二分支路；至少在所述第一分支路及所述第二分支路上分别配设的阀机构；判断所述反应气体流路的至少一部分是否被水闭塞的控制器。根据本发明，在判断为燃料气体流路的至少一部分被水闭塞时，限制冷却介质向与反应气体出口连通孔相邻的冷却介质出口连通孔流通。 因此，在发电面上，能够削减在反应气体出口连通孔的附近流通的冷却介质的流量，从而能够使所述反应气体出口连通孔的附近的温度上升。因此，滞留在反应气体出口连通孔的附近的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。由此，尤其是在低负载发电时，能够可靠地阻止冷凝水滞留在反应气体出口连通孔、例如燃料气体出口连通孔的附近的情况，从而能够确保良好的发电状态。另外，在本发明中，在判断为燃料气体流路的至少下游侧的一部分被所述水闭塞时，至少将冷却介质的分别向各冷却介质入口连通孔的供给量、或所述冷却介质的分别从各冷却介质出口连通孔的排出量中的任一方控制成不同的量。由此，在发电面内，能够根据冷凝水产生的部位来限制冷却介质的流动。因此，能够可靠地阻止冷凝水滞留于反应气体流路的情况，从而能够确保良好的发电状态。此外，根据本发明，在判断为反应气体流路的至少一部分被水闭塞时，经由阀机构例如将第一分支路及第二分支路打开。因此，冷却介质主要从第一供给路及第二供给路的中途向第一分支路及第二分支路旁通，而向第一排出路及第二排出路流通。因此，能够限制冷却介质在燃料电池内的冷却介质流路中流通。由此，能够使燃料电池的温度上升，使滞留于反应气体流路的冷凝水蒸发而将其从所述反应气体流路除去。因此，滞留在反应气体出口连通孔的附近的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。因此，尤其是在低负载发电时，能够可靠地阻止冷凝水滞留在反应气体出口连通孔的附近的情况，从而能够确保良好的发电状态。
图I是装入有适用了本发明的第一实施方式的运转方法的燃料电池组的燃料电池系统的简要说明图。图2是构成所述燃料电池组的发电单元的主要部分分解立体说明图。图3是所述燃料电池组的剖视说明图。图4是构成所述发电单元的第一隔板的主视说明图。图5是说明所述运转方法的冷却介质的流通状态说明图。
图6是说明所述运转方法的所述冷却介质的流通状态说明图。图7是在第一燃料气体流路的下游侧产生滞留水时的说明图。图8是说明所述运转方法的冷却介质的流通状态说明图。图9是说明所述运转方法的所述冷却介质的流通状态说明图。图10是装入有适用了本发明的第一及第二实施方式的运转方法的燃料电池组的燃料电池系统的简要说明图。图11是装入有适用了本发明的第三实施方式的运转方法的燃料电池组的燃料电池系统的简要说明图。图12是说明所述运转方法的冷却介质的流通状态说明图。·
图13是说明所述运转方法的所述冷却介质的流通状态说明图。图14是说明所述运转方法的所述冷却介质的流通状态说明图。图15是日本特开2004-185938号公报的燃料电池系统的说明图。
具体实施例方式如图I所示，适用了本发明的第一实施方式的运转方法的燃料电池组(燃料电池)10被装入燃料电池系统12中。该燃料电池系统12例如构成搭载于车辆(未图示)的车载用燃料电池系统。燃料电池系统12具备向燃料电池组10供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置(未图示)；向所述燃料电池组10供给燃料气体的燃料气体供给装置(未图示)；向所述燃料电池组10供给冷却介质的冷却介质供给装置14 ;对所述燃料电池系统12整体进行控制的控制器16。如图2及图3所示，燃料电池组10具备纵长形状的发电单元18，多个所述发电单元18沿着水平方向(箭头A方向)相互层叠。发电单元18设有第一隔板20、第一电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)(MEA) 22a、第二隔板24、第二电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)(MEA) 22b及第三隔板26。第一隔板20、第二隔板24及第三隔板26例如由金属隔板构成，但也可以通过碳隔板等构成。需要说明的是，发电单元18由3张隔板和2张电解质膜-电极结构体构成，但并未限定于此。例如，也可以由4张隔板和3张电解质膜-电极结构体构成。如图2所示，在发电单元18的长边方向(箭头C方向)的上端缘部设有沿着箭头A方向相互连通的用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a及用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。在发电单元18的长边方向(箭头C方向)的下端缘部设有沿着箭头A方向相互连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。在发电单元18的短边方向(箭头B方向)的两端缘部上方设有沿着箭头A方向相互连通的用于供给冷却介质的至少一对冷却介质入口连通孔34a、34a，并且在所述发电单元18的短边方向的两端缘部下方设有用于排出所述冷却介质的至少一对冷却介质出口连通孔34b、34b。各冷却介质入口连通孔34a、34a与氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a接近，且分别向箭头B方向两侧的各边分开。各冷却介质出口连通孔34b、34b与氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b分别接近，且分别向箭头B方向两侧的各边分开。冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b可以分别设置3个以上。在第一隔板20的朝向第一电解质膜-电极结构体22a的面20a上形成有将燃料气体入口连通孔32a与燃料气体出口连通孔32b连通的第一燃料气体流路36。第一燃料气体流路36具有沿着箭头C方向延伸的多个流路槽部36a，并且在所述第一燃料气体流路36的入口附近及出口附近分别设有具有多个压花的入口缓冲部38及出口缓冲部40。如图4所示，在第一隔板20的面20b上形成有将冷却介质入口连通孔34a与冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路44的一部分即多个流路槽部44a。在流路槽部44a的入口附近及出口附近分别设有具有多个压花的入口缓冲部46a及出口缓冲部48a。如图2所示，在第二隔板24的朝向第一电解质膜-电极结构体22a的面24a上形 成有将氧化剂气体入口连通孔30a与氧化剂气体出口连通孔30b连通的第一氧化剂气体流路50。第一氧化剂气体流路50具有沿着箭头C方向延伸的多个流路槽部50a。在第一氧化剂气体流路50的入口附近及出口附近设有入口缓冲部52及出口缓冲部54。在第二隔板24的朝向第二电解质膜-电极结构体22b的面24b上形成有将燃料气体入口连通孔32a与燃料气体出口连通孔32b连通的第二燃料气体流路58。第二燃料气体流路58具有沿着箭头C方向延伸的多个流路槽部58a，并且在所述第二燃料气体流路58的入口附近及出口附近设有入口缓冲部60及出口缓冲部62。第一及第二燃料气体流路36,58使燃料气体沿着重力方向流通。在第三隔板26的朝向第二电解质膜-电极结构体22b的面26a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a与氧化剂气体出口连通孔30b连通的第二氧化剂气体流路66。第二氧化剂气体流路66具有沿着箭头C方向延伸的多个流路槽部66a。在第二氧化剂气体流路66的入口附近及出口附近设有入口缓冲部68及出口缓冲部70。第一及第二氧化剂气体流路50、66使氧化剂气体沿着重力方向流通。在第三隔板26的面26b上形成有冷却介质流路44的一部分即多个流路槽部44b。在流路槽部44b的入口附近及出口附近分别设有具有多个压花的入口缓冲部46b及出口缓冲部48b。在第一隔板20的面20a、20b上环绕该第一隔板20的外周端缘部而分别或一体地设有第一密封构件74。在第二隔板24的面24a、24b上环绕该第二隔板24的外周端缘部而分别或一体地设有第二密封构件76，并且在第三隔板26的面26a、26b上环绕该第三隔板26的外周端缘部而分别或一体地设有第三密封构件78。第一隔板20具有将燃料气体入口连通孔32a与第一燃料气体流路36连通的多个外侧供给孔部80a及内侧供给孔部80b ;将燃料气体出口连通孔32b与所述第一燃料气体流路36连通的多个外侧排出孔部82a及内侧排出孔部82b。第二隔板24具有将燃料气体入口连通孔32a与第二燃料气体流路58连通的多个供给孔部84 ;将燃料气体出口连通孔32b与所述第二燃料气体流路58连通的多个排出孔部86。通过将发电单元18彼此相互层叠，而在构成一方的发电单元18的第一隔板20与构成另一方的发电单元18的第三隔板26之间形成沿着箭头B方向延伸的冷却介质流路44。如图2所示，第一电解质膜-电极结构体22a设定成比第二电解质膜-电极结构体22b小的表面积。第一及第二电解质膜-电极结构体22a、22b例如具备水浸溃于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜(电解质)90、夹持所述固体高分子电解质膜90的阳极侧电极92及阴极侧电极94。构成阳极侧电极92具有比阴极侧电极94小的表面积的阶梯型MEA。阳极侧电极92及阴极侧电极94具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有钼合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜90的两面。如图I所示，冷却介质供给装置14具备冷却介质循环路100，并且在所述冷却介质循环路100上配设有循环泵102及散热器(具有罐功能)104。冷却介质循环路100在供给路IOOa侧设有分支供给路106，而在排出路IOOb侧设有分支排出路108。 供给路IOOa及排出路IOOb分别经由三通阀IlOaUlOb而与设置在一方的长边侧的冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b连接。分支供给路106及分支排出路108分别经由三通阀112a、112b而与设置在另一方的长边侧的冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b连接。在三通阀IlOaUlOb之间连接有分支路径114a，并且在三通阀112a、112b之间连接有分支路径114b。需要说明的是，也可以取代三通阀110a、110b、112a及112b，而使用能够进行开度调整的、即能够进行冷却介质流量调整的可变阀(未图示)。并且，可变阀可以分别设置在一对冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b中的任意的一个上。控制器16具有检测第一燃料气体流路36的至少一部分(例如，与燃料气体出口连通孔32b或氧化剂气体出口连通孔30b接近的下游侧端部)是否被水闭塞的功能。是否被水闭塞例如进行发电面的Q)D(currentdensity distribution)(电流密度分布)测定，在电流集中于所述发电面或该发电面的上部时，可以判断为在第一燃料气体流路36的至少一部分有水滞留。另外，也可以检测燃料电池组10内的电池电压，在检测到所述电池电压的下降时，判断为在第一燃料气体流路36的至少一部分有水滞留。而且，也可以在发电面内配设多个电位传感器，来测定阳极侧的电位。此时，在阳极侧的电位上升的部位可以判断为发生了氢不足，即，由水引起了闭塞。此外，也可以通过检测燃料气体的压力损失等，来判断水产生的闭塞的有无。或者还可以按各负载预先存储最佳流量分配(日语流配)，通过映射来判断水的滞留的有无。以下，对于这样构成的燃料电池组10的动作，与第一实施方式的运转方法相关联地进行说明。首先，如图2所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体入口连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。而且，向一对冷却介质入口连通孔34a,34a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。因此，氧化剂气体被从氧化剂气体入口连通孔30a向第二隔板24的第一氧化剂气体流路50及第三隔板26的第二氧化剂气体流路66导入。该氧化剂气体沿着第一氧化剂气体流路50向箭头C方向(重力方向)移动，向第一电解质膜-电极结构体22a的阴极侧电极94供给，并且沿着第二氧化剂气体流路66向箭头C方向移动，向第二电解质膜-电极结构体22b的阴极侧电极94供给。另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔32a通过外侧供给孔部80a而向第一隔板20的面20b侧移动。而且，燃料气体被从内侧供给孔部80b向面20a侧导入之后，沿着第一燃料气体流路36向重力方向(箭头C方向)移动，向第一电解质膜-电极结构体22a的阳极侧电极92供给。另外，燃料气体通过供给孔部84向第二隔板24的面24b侧移动。因此，燃料气体在面24b侧沿着第二燃料气体流路58向箭头C方向移动，向第二电解质膜-电极结构体22b的阳极侧电极92供给。因此，在第一及第二电解质膜-电极结构体22a、22b中，向阴极侧电极94供给的 氧化剂气体和向阳极侧电极92供给的燃料气体在电极催化剂层内因电化学反应被消耗而进行发电。接着，向第一及第二电解质膜-电极结构体22a、22b的各阴极侧电极94供给而被消耗了的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头A方向排出。向第一电解质膜-电极结构体22a的阳极侧电极92供给而被消耗了的燃料气体通过内侧排出孔部82b被向第一隔板20的面20b侧导出。被导出到面20b侧的燃料气体通过外侧排出孔部82a，再次向面20a侧移动，向燃料气体出口连通孔32b排出。另外，向第二电解质膜-电极结构体22b的阳极侧电极92供给而被消耗了的燃料气体通过排出孔部86向面24a侧移动。该燃料气体向燃料气体出口连通孔32b排出。此外，如图I所示，在冷却介质供给装置14中，操作三通阀110a、110b、112a及112b。因此，供给路IOOa及排出路IOOb与设置在一方的长边侧的冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b连通，并且分支供给路106及分支排出路108与设置在另一方的长边侧的冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b连通。因此，向燃料电池组10供给的冷却介质向左右一对的冷却介质入口连通孔34a、34a供给(参照图I及图2)。冷却介质被导入在构成一方的发电单元18的第一隔板20与构成另一方的发电单元18的第三隔板26之间形成的冷却介质流路44。如图4所示，一对冷却介质入口连通孔34a、34a在发电单元18的上部侧左右两端分开设置在与氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a接近的位置。因此，从各冷却介质入口连通孔34a、34a向冷却介质流路44供给的冷却介质向箭头B方向且相互接近的方向供给。并且，相互接近的冷却介质在冷却介质流路44的箭头B方向中央部侧发生碰撞而向重力方向(箭头C方向下方)移动，之后向分开设置在发电单元18的下部侧两侧部的各冷却介质出口连通孔34b、34b排出。这种情况下，在第一实施方式中，控制器16检测第一燃料气体流路36的至少一部分(尤其是接近燃料气体出口连通孔32b的下游侧端部)是否被水闭塞。这是由于在第一燃料气体流路36中，在第一氧化剂气体流路50侧产生的生成水容易透过薄膜状的固体高分子电解质膜90而反向扩散。而且，如图3所示，第一燃料气体流路36与冷却介质流路44相邻，尤其是在低负载发电时温度下降显著，冷凝水容易发生滞留。因此，在判断为第一燃料气体流路36的至少一部分被水闭塞时，控制器16操作三通阀IlOb而将排出路IOOb与冷却介质出口连通孔34b隔断(参照图5)。由此，在与燃料气体出口连通孔32b相邻的冷却介质出口连通孔34b中，能够限制冷却介质流通。因此，在发电面上，能够削减在燃料气体出口连通孔32b的附近流通的冷却介质的流量，能够使所述燃料气体出口连通孔32b的附近的温度上升。因此，滞留在燃料气体出口连通孔32b的附近的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。由此，尤其是在低负载发电时，能够可靠地阻止冷凝水滞留在燃料气体出口连通孔32b的附近的情况。因此，可以得到能够确保良好的发电状态这样的效果。另外，在第一实施方式中，在判断为第一燃料气体流路36的至少一部分被水闭塞时，如图6所示，也可以操作三通阀IlOa及IlOb0S卩，经由三通阀IlOa将供给路IOOa与冷却介质入口连通孔34a隔断，并经由三通 阀IlOb将排出路IOOb与冷却介质出口连通孔34b隔断。因此，供给路IOOa和排出路IOOb绕过冷却介质流路44而与分支路径114a连通。由此，冷却介质从供给路IOOa通过分支路径114a向排出路IOOb排出。因此，在发电面上，限制冷却介质向设有氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体出口连通孔32b的一方的长边侧流通。由此，在发电面上，冷却介质沿着设有燃料气体入口连通孔32a及氧化剂气体出口连通孔30b的另一方的长边侧流通，从而能够使燃料气体出口连通孔32b的附近的温度上升。因此，尤其是在低负载发电时，可得到能够可靠地阻止冷凝水滞留在燃料气体出口连通孔32b的附近，且能够确保良好的发电状态等与上述同样的效果。接下来，利用燃料电池组10，对本发明的第二实施方式的运转方法进行说明。在该第二实施方式中，控制器16检测第一燃料气体流路36的至少下游侧的一部分(尤其是接近氧化剂气体出口连通孔30b的下游侧端部)是否被水闭塞。如图7所示，在第一燃料气体流路36中，向燃料气体入口连通孔32a供给加湿后的燃料气体，因加湿量等而容易向所述第一燃料气体流路36导入结露水。该结露水向重力下方向流动而容易滞留在第一燃料气体流路36的下游侧的一部分，具体而言，容易滞留在氧化剂气体出口连通孔30b的附近(上方附近)。而且，如图3所示，第一燃料气体流路36与冷却介质流路44相邻，尤其在低负载发电时温度下降显著，冷凝水容易滞留。因此，在判断为第一燃料气体流路36的至少下游侧的一部分被水闭塞时，控制器16操作三通阀112b而将冷却介质出口连通孔34b与分支排出路108隔断(参照图8)。由此，在与氧化剂气体出口连通孔30b相邻的冷却介质出口连通孔34b中，能够限制冷却介质流通。因此，在发电面上，能够削减在氧化剂气体出口连通孔30b的附近流通的冷却介质的流量，从而使所述氧化剂气体出口连通孔30b的附近的温度上升。因此，在第一燃料气体流路36中，滞留在与氧化剂气体出口连通孔30b的附近相邻的部位的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。由此，尤其是在低负载发电时，在第一燃料气体流路36中，能够可靠地阻止冷凝水滞留在氧化剂气体出口连通孔30b的附近。因此，可得到能够确保良好的发电状态，且有效地抑制在第一氧化剂气体流路50的下游侧产生滞留水这样的效果。需要说明的是，在第二燃料气体流路58中也同样，因燃料气体的加湿量等而在氧化剂气体出口连通孔30b的附近容易产生滞留水。因此，在第二实施方式中，如上述那样，由于限制冷却介质在与氧化剂气体出口连通孔30b相邻的冷却介质出口连通孔34b中流通，因此滞留在第二燃料气体流路58的下游侧的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。另外，在第二实施方式中，在判断为第一燃料气体流路36的至少下游侧的一部分被水闭塞时，如图9所示，也可以操作三通阀112a及112b。S卩，经由三通阀112a将分支供给路106与冷却介质入口连通孔34a隔断，并经由三通阀112b将分支排出路108与冷却介质出口连通孔34b隔断。因此，分支供给路106和分支排出路108绕过冷却介质流路44而与分支路径114b连通。由此，冷却介质从分支供给路106通过分支路径114b而向分支排出路108排出。因此，在发电面上，可靠地限制冷却介质向设有燃料气体入口连通孔32a及氧化剂气体出口连通孔30b的另一方的长边侧流通的情况。
由此，在发电面上，能够使氧化剂气体出口连通孔30b的附近的温度更迅速地上升，并能够使与所述氧化剂气体出口连通孔30b的附近相邻的第一燃料气体流路36的下游侧的温度上升。因此，尤其是在低负载发电时，可得到能够可靠地阻止冷凝水滞留在第一燃料气体流路36的下游侧，且能够确保良好的发电状态等与上述同样的效果。图10是装入有适用了本发明的第一及第二实施方式的运转方法的燃料电池组(燃料电池)120的燃料电池系统122的简要说明图。需要说明的是，对于与第一实施方式的燃料电池系统12相同的构成要素,标注同一参照符号，并省略其详细的说明。而且，在以下说明的第三实施方式中，也同样省略其详细的说明。燃料电池120具有横长形状，并且燃料气体及氧化剂气体沿着与铅垂方向正交的方向(水平方向)流通。这种情况下，当燃料电池120在低负载状态下长时间发电时，在MEA上部侧容易积存水。因此，通过操作三通阀IlOa及110b，缩减在流路的上部侧流通的冷却介质，从而能够提高MEA上部侧的排水性。另一方面，在发电的过渡期，由于水的飞入等而在MEA下部侧的流路容易积存水。因此，在过度发电后，通过操作三通阀112a及112b，能够提高MEA下部侧的排水性。图11是适用了本发明的第三实施方式的运转方法的燃料电池系统130的简要说明图。需要说明的是，燃料电池系统130使用燃料电池10，但并未限定于此，例如，也可以使用燃料电池120。在构成燃料电池系统130的冷却介质循环路100上，在第一供给路106a侧分支而设有第二供给路106b，而在第一排出路108a侧分支而设有第二排出路108b。第一供给路106a及第一排出路108a分别经由可变节流阀(阀机构)132a、132b而与设置在一方的长边(第一边)侧的冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b连接。第二供给路106b及第二排出路108b分别经由可变节流阀(阀机构)132c、132d而与设置在另一方的长边(第二边)侧的冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b连接。在第一供给路106a的中途和第一排出路108a的中途连接第一分支路134a，而在第二供给路106b的中途和第二排出路108b的中途连接第二分支路134b。在第一分支路134a连接有可变节流阀(阀机构)132e，并且在第二分支路134b连接有可变节流阀(阀机构)132f0需要说明的是，在第三实施方式中，使用了可变节流阀132a 132f，但根据需要可以进行阀个数的增减。例如，可以仅使用可变节流阀132a、132b。控制器16具有检测第一燃料气体流路36的至少一部分(例如，与燃料气体出口连通孔32b接近的下游侧端部) 或第一氧化剂气体流路50的至少一部分(例如，与氧化剂气体出口连通孔30b接近的下游侧端部)等是否被水闭塞的功能。以下，对于这样构成的燃料电池系统130的动作，与本发明的第三实施方式的运转方法相关联地进行说明。控制器16检测例如第一燃料气体流路36 (参照图2等)的至少一部分(与燃料气体出口连通孔32b接近的下游侧端部及/或与氧化剂气体出口连通孔30b接近的下游侧立而部)是否被水闭塞。并且，在判断为第一燃料气体流路36的与燃料气体出口连通孔32b接近的下游侧端部被水闭塞时，控制器16首先将可变节流阀132e闭塞，另一方面缩减可变节流阀132b的开度。因此，能够限制冷却介质向与燃料气体出口连通孔32b相邻的冷却介质出口连通孔34b的排出，从而使所述燃料气体出口连通孔32b的附近的温度上升。即使通过上述的处理，也未除去在燃料气体出口连通孔32b的附近滞留的冷凝水时，如图12所示，控制器16将可变节流阀132e打开而通过第一分支路134a将第一供给路106a与第一排出路108a连通。另一方面,缩减可变节流阀132b的开度。由此，冷却介质容易沿着比燃料电池组10内的压力损失小的第一分支路134a流通，在与燃料气体出口连通孔32b相邻的冷却介质出口连通孔34b中，能够限制所述冷却介质流通。因此，在发电面上，能够削减在燃料气体出口连通孔32b的附近流通的冷却介质的流量，从而使所述燃料气体出口连通孔32b的附近的温度上升。因此，滞留在燃料气体出口连通孔32b的附近的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。由此，尤其是在低负载发电时，能够可靠地阻止冷凝水滞留在燃料气体出口连通孔32b的附近的情况。因此，可得到能够确保良好的发电状态这样的效果。需要说明的是，在第二燃料气体流路58中，也能得到与上述的第一燃料气体流路36同样的效果。另外，在第三实施方式中，在判断为第一燃料气体流路36的与燃料气体出口连通孔32b接近的下游侧端部被水闭塞时，如图13所示，也可以将可变节流阀132a、132b闭塞。因此，冷却介质从第一供给路106a通过第一分支路134a向第一排出路108a排出，从而限制所述冷却介质在设有氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体出口连通孔32b的一方的长边侧流通。由此，在发电面上，冷却介质沿着设有燃料气体入口连通孔32a及氧化剂气体出口连通孔30b的另一方的长边侧流通，从而能够使燃料气体出口连通孔32b的附近的温度上升。因此，尤其是在低负载发电时，可得到能够可靠地阻止冷凝水滞留在燃料气体出口连通孔32b的附近，且能够确保良好的发电状态等与上述同样的效果。此外，在第一燃料气体流路36中，向燃料气体入口连通孔32a供给加湿后的燃料气体，因加湿量等而容易向所述第一燃料气体流路36导入结露水。该结露水向重力下方向流动而容易滞留在第一燃料气体流路36的下游侧的一部分，具体而言，容易滞留在氧化剂气体出口连通孔30b的附近(上方附近)。因此，在判断为第一燃料气体流路36的与氧化剂气体出口连通孔30b对应的下游侧端部被水闭塞时，如图14所示，控制器16将可变节流阀132f打开而通过第二分支路134b将第二供给路106b与第二排出路108b连通。此外，缩减可变节流阀132d的开度。由此，冷却介质容易沿着压力损失比较小的第二分支路134b流通，在与氧化剂气体出口连通孔30b相邻的冷却介质出口连通孔34b中，能够限制所述冷却介质流通。因此，在发电面上，能够削减在氧化剂气体出口连通孔30b的附近流通的冷却介质的流量，从而使所述氧化剂气体出口连通孔30b的附近的温度上升。因此，在第一燃料气 体流路36 (及第二燃料气体流路58)中，在与氧化剂气体出口连通孔30b的附近相邻的部位滞留的冷凝水能够简单且良好地排出，从而能够将滞留水排除。需要说明的是，根据需要，也可以将可变节流阀132c、132d闭塞。并且，在第三实施方式中，可以适当控制可变节流阀132a 132f的开度。由此，例如，在低负载发电时而电压变得不稳定之际，通过将可变节流阀132e、132f打开，能够使燃料电池组10的温度变化，从而抑制结露或溢流。此外，在第三实施方式中，冷却介质供给装置14设置在燃料电池组10的层叠方向一端侧。因此，有时无法向燃料电池组10的层叠方向另一端侧的发电单元18充分供给冷却介质。因此，在第三实施方式中，通过控制器16进行使可变节流阀132e、132f闭塞并缩减可变节流阀132b、132d的开度的处理。因此，在各冷却介质流路44中，一对冷却介质出口连通孔34b中的压力损失升高，从而向设置在燃料电池组10的层叠方向另一端侧的所述冷却介质流路44也能够充分供给冷却介质。由此，例如在高负载发电时，燃料电池组10的层叠方向另一端侧的发电单元18不会引起冷却不足导致的发电性能的下降。并且，能够有效地抑制氧化剂气体出口连通孔30b的附近的温度上升。
权利要求
1.一种燃料电池的运转方法，所述燃料电池中层叠有电解质-电极结构体(22a)和平面为矩形形状的隔板(20)，该电解质-电极结构体(22a)在电解质(90)的两侧设有一对电极(92、94)，在所述隔板(20)的相互对置的一方的两边设有反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，所述反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔沿着层叠方向贯通，并与用于使反应气体沿着电极面流动的反应气体流路连通，在所述隔板(20)的相互对置的另一方的两边设有一对冷却介质入口连通孔(34a)及一对冷却介质出口连通孔(34b)，所述一对冷却介质入口连通孔(34a)及一对冷却介质出口连通孔(34b)至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动，所述燃料电池的运转方法的特征在于，包括 检测使所述反应气体即燃料气体流通的所述反应气体流路即燃料气体流路(36)的至少一部分是否被水闭塞的工序； 在判断为所述燃料气体流路(36)的至少一部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质向与所述反应气体出口连通孔相邻的所述冷却介质出口连通孔(34b)的流通的工序。
2.根据权利要求I所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 所述反应气体出口连通孔为燃料气体出口连通孔(32b)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 在判断为所述燃料气体流路(36)的至少一部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质从设置在与和所述燃料气体出口连通孔(32b)相邻的所述冷却介质出口连通孔(34b)同一边上的所述冷却介质入口连通孔(34a)的流通。
4.根据权利要求2所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 所述燃料电池具有将所述电解质-电极结构体(22a)和所述隔板(20)交替层叠两次以上而得到的发电单元(18)， 在所述发电单元(18)之间形成有冷却介质流路(44)。
5.根据权利要求I所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 在所述隔板(20)的所述一方的两边，燃料气体入口连通孔(32a)及氧化剂气体入口连通孔(30a)、燃料气体出口连通孔(32b)及氧化剂气体出口连通孔(30b)分别沿着层叠方向贯通而设置于各边， 所述燃料电池的运转方法包括在判断为所述燃料气体流路(36)的至少下游侧的一部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质向与所述氧化剂气体出口连通孔(30b)相邻的冷却介质出口连通孔(34b)的流通的工序。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 在判断为所述燃料气体流路(36)的下游侧且比所述燃料气体出口连通孔(32b)接近所述氧化剂气体出口连通孔(30b)的部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质向与所述氧化剂气体出口连通孔(30b)相邻的所述冷却介质出口连通孔(34b)的流通。
7.根据权利要求5所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 所述燃料电池具有将所述电解质-电极结构体(22a)和所述隔板(20)交替地层叠两次以上而得到的发电单元(18)， 在所述发电单元(18)之间形成有使所述冷却介质沿着所述电极面的面方向流通的冷却介质流路(44)。
8.一种燃料电池的运转方法，所述燃料电池中层叠有电解质-电极结构体(22a)和平面为矩形形状的隔板(20)，该电解质-电极结构体(22a)在电解质(90)的两侧设有一对电极(92、94)，在所述隔板(20)的相互对置的一方的两边设有反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，所述反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔沿着层叠方向贯通，并与用于使反应气体沿着电极面流动的反应气体流路连通，在所述隔板(20)的相互对置的另一方的两边沿着所述层叠方向贯通而设有至少一对冷却介质入口连通孔(34a)及至少一对冷却介质出口连通孔(34b),所述至少一对冷却介质入口连通孔(34a)及至少一对冷却介质出口连通孔(34b)至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动，所述燃料电池的运转方法的特征在于，包括 检测所述反应气体流路的至少一部分是否被水闭塞的工序； 在判断为所述反应气体流路的至少一部分被所述水闭塞时，至少将所述冷却介质分别向各冷却介质入口连通孔(34a)的供给量或所述冷却介质分别从各冷却介质出口连通孔(34b)的排出量中的任一方控制成不同的量的工序。
9.根据权利要求8所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 在判断为所述反应气体流路的至少一部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质向与所述反应气体出口连通孔即燃料气体出口连通孔(32b)相邻的所述冷却介质出口连通孔(34b)或与所述反应气体出口连通孔即氧化剂气体出口连通孔(30b)相邻的所述冷却介质出口连通孔(34b)的流通，并且， 限制所述冷却介质从设置在与限制了所述冷却介质的流通的所述冷却介质出口连通孔(34b)同一边上的所述冷却介质入口连通孔(34a)的流通。
10.根据权利要求8所述的燃料电池的运转方法，其特征在于， 所述燃料电池具有将所述电解质-电极结构体(22a)和所述隔板(20)交替地层叠两次以上而得到的发电单元(18)， 在所述发电单元(18)之间形成有冷却介质流路(44)。
11.一种燃料电池系统，其具备燃料电池，所述燃料电池中层叠有电解质-电极结构体(22a)和平面为矩形形状的隔板(20)，该电解质-电极结构体(22a)在电解质(90)的两侧设有一对电极(92、94)，在所述隔板(20)的相互对置的一方的两边设有反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，所述反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔沿着层叠方向贯通，并与用于使反应气体沿着电极面流动的反应气体流路连通，在所述隔板(20)的相互对置的另一方的两边沿着所述层叠方向贯通而设有至少一对冷却介质入口连通孔(34a)及至少一对冷却介质出口连通孔(34b)，所述至少一对冷却介质入口连通孔(34a)及至少一对冷却介质出口连通孔(34b)至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动，所述燃料电池系统的特征在于，具备 与所述隔板(20)的另一方的两边中设置在第一边侧的所述冷却介质入口连通孔(34a)及所述冷却介质出口连通孔(34b)分别连接的第一供给路(106a)及第一排出路(108a)； 与所述隔板(20)的另一方的两边中设置在第二边侧的所述冷却介质入口连通孔(34a)及所述冷却介质出口连通孔(34b)分别连接的第二供给路(106b)及第二排出路(108b)；与所述第一供给路(106a)的中途和所述第一排出路(108a)的中途连接的第一分支路(134a)； 与所述第二供给路(106b)的中途和所述第二排出路(108b)的中途连接的第二分支路(134b)； 至少在所述第一分支路(134a)及所述第二分支路(134b)上分别配设的阀机构(132e、132f)； 判断所述反应气体流路的至少一部分是否被水闭塞的控制器(16)。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于， 至少在所述第一供给路(106a)及所述第二供给路(106b)或所述第一排出路(108a)及所述第二排出路(108b)中的任一方上配设阀机构。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述阀机构具备可变节流阀(132a 132d)。
14.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述阀机构具备三通阀(110a、110b、112a、112b)。
15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述燃料电池具备将所述电解质-电极结构体(22a)和所述隔板(20)交替地层叠两次以上而得到的发电单元(18)， 并且，在所述发电单元(18)之间形成有冷却介质流路(44)。
全文摘要
燃料电池组(10)具备各一对的冷却介质入口连通孔(34a)及冷却介质出口连通孔(34b)。各冷却介质入口连通孔(34a、34a)接近氧化剂气体入口连通孔(30a)及燃料气体入口连通孔(32a)，且分别向各边分开。各冷却介质出口连通孔(34b、34b)分别接近氧化剂气体出口连通孔(30b)及燃料气体出口连通孔(32b)，且分别向各边分开。其运转方法包括如下工序检测燃料气体流路的至少一部分是否被水闭塞的工序；在判断为所述燃料气体流路的至少一部分被所述水闭塞时，限制所述冷却介质向与燃料气体出口连通孔(32b)相邻的冷却介质出口连通孔(34b)流通。
文档编号H01M8/10GK102918695SQ20118002599
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年6月7日
发明者千叶裕人, 岩泽力, 毛里昌弘, 大神统, 上原顺司, 山崎惠子 申请人:本田技研工业株式会社