JP2014197481A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路出口のくし歯形状の流路に滞留する水による閉塞を抑制する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムでは、燃料電池の運転を停止する時に、第１の掃気ガス流量および第１の掃気時間で、掃気ガス供給部から掃気ガスを供給することにより、燃料電池セル内に滞留する水をガス流路の外部に排出する第１の掃気運転を実行する。第１の掃気運転を実行後に、第１の掃気ガス流量よりも低い第２の掃気ガス流量であって、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路の上流側に連結された上流側ガス流路に滞留する水を残した状態で、ガス導出流路に滞留する水をガス導出流路の外部に排出する第２の掃気ガス流量、および、第１の掃気時間よりも短い第２の掃気時間で、掃気ガス供給部から掃気ガスを供給する第２の掃気運転を実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池の運転停止時において、一般に、燃料電池内に残る滞留水を掃気ガスによって排出する処理（「掃気処理」あるいは「掃気運転」とも呼ばれる）が行われている。例えば、特許文献１には、燃料電池が起動停止した後、燃料電池が所定温度以下となった際に劣化対策掃気よりも大流量で掃気することによりアノード電極およびカソード電極内部の生成水を排出することが記載されている。また、特許文献２には、発電停止直後に燃料電池内を大流量で掃気し、その後に所定時間掃気を停止した後に、小流量の掃気を行うことが記載されている。また、特許文献３には、酸化剤ガス流路に発生した水滴を大流量の酸化剤ガスで短時間掃気した後、乾燥した小流量の酸化剤ガスで固体高分子電解質膜を起動性の良好な含水量とするために上記短時間掃気よりも長い時間掃気を行うことが記載されている。

特開２００９−２５２５９３号公報 特開２００７−０７３３２８号公報 特開２００７−１１５５８１号公報

ここで、セパレータに形成された溝状のガス流路の出口部分に、複数の細流路（以下、「くし歯流路」と呼ぶ）が形成された構造の流路が適用される場合がある。くし歯流路を有するガス流路において、上記掃気処理を適用した場合、以下の問題がある。

上記特許文献１の掃気処理を適用した場合、完全に滞留水を除去すれば問題はないが、滞留水を完全に除去するには大流量での長時間の掃気が必要となる。しかしながら、システム構成上、掃気処理のために設定可能な時間にはある程度制限が設けられる場合があり、設定された掃気時間による掃気処理によって滞留水を完全に除去できなかった場合、くし歯流路近くに残った水がくし歯流路内に移動して滞留する可能性がある。

上記特許文献２の掃気処理を適用した場合においても、滞留水を除去するには小流量での長時間の掃気が必要であり、設定された掃気時間による掃気処理によって滞留水を完全に除去できなかった場合、くし歯流路近くに残った水がくし歯流路内に移動して滞留する可能性がある。

上記特許文献３の掃気処理は、固体高分子電解質膜を起動良好な含水量とするために乾燥した小流量の酸化剤ガスで長時間掃気を行うものであり、燃料電池内の滞留水を完全に除去することは想定されていない。このため、上記特許文献１，２と同様に、くし歯流路近くに残った水がくし歯流路内に移動して滞留する可能性がある。

くし歯流路の滞留水は、凍結によって閉塞を引き起こし、氷点下での始動不可となる可能性がある。このため、ガス流路の出口にくし歯流路が形成されたガス流路に対して、すべての滞留水の除去のために長時間の掃気処理を行うことなく、くし歯流路の滞留水を除去することが望まれていた。そのほか、従来の燃料電池や燃料電池システムにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、溝状のガス流路が形成されたセパレータを含む燃料電池セルを有する燃料電池と；前記ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と；前記掃気ガス供給部による掃気運転を行う掃気制御部と；を備える。前記ガス流路は、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路、および、前記ガス導出流路の上流側に連結された上流側ガス流路を含む。前記掃気制御部は、前記燃料電池の運転を停止する時に、第１の掃気ガス流量および第１の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給することにより、前記燃料電池セル内に滞留する水を前記ガス流路の外部に排出する第１の掃気運転を実行する。前記第１の掃気運転を実行後に、前記第１の掃気ガス流量よりも低い第２の掃気ガス流量であって、前記上流側ガス流路に滞留する水を残した状態で前記ガス導出流路に滞留する水を前記ガス導出流路の外部に排出する第２の掃気ガス量、および、前記第１の掃気時間よりも短い第２の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給する第２の掃気運転を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、従来に比べて短時間かつ省エネルギーで、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路に滞留する水を排出できるため、滞留する水の凍結によるガス導出流路の閉塞を抑制することが可能となる。

（２）上記燃料電池システムにおいて、前記第２の掃気ガス流量は、前記上流側ガス流路に発生する差圧が前記上流側ガス流路内の水の移動に要する差圧よりも小さくなる流量としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、上流側ガス流路に滞留する水が動かないようにして、上流側ガス流路に滞留する水のガス導出流路への移動を抑制することが可能である。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス導出流路は、前記第２の掃気ガス流量によって前記ガス導出流路に発生する差圧が前記ガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくなる構造としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、上流側ガス流路に滞留する水を動かさずに、ガス導出流路に滞留する水をガス導出流路の外部へ排出することが可能となる。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記構造は、前記ガス導出流路に含まれる溝状の流路の総断面積が前記上流側ガス流路に含まれる溝状の流路の総断面積よりも小さい構造としてもよい。この構造によれば、第２の掃気ガス流量によってガス導出流路に発生する差圧をガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくすることが可能である。

（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記構造は、前記ガス導出流路の全体幅が前記上流側ガス流路の全体幅よりも小さい構造としてもよい。この構造によっても、第２の掃気ガス流量によってガス導出流路に発生する差圧をガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくすることが可能である。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法や燃料電池の掃気運転方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池セルのアノード側セパレータの概略構成を示す説明図である。 燃料電池システムの運転停止時において実行される滞留水除去のための掃気運転について示す説明図である。 第２の掃気運転における滞留水について示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０への燃料ガスの供給及び燃料電池１０からの燃料ガスの排出を担う燃料ガス系３０と、燃料電池１０への酸化ガスの供給及び燃料電池１０からの酸化ガスの排出を担う酸化ガス系５０と、燃料電池１０の冷却を担う冷却系６０と、燃料電池システム１００の全体を制御する制御ユニット７０とを備えている。なお、本実施形態では、燃料電池システム１００は、車両に搭載されている。

燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル１２が積層されたスタック構造を有している。燃料電池１０は、燃料ガスとしての水素ガス及び酸化ガスとしての空気が供給されると、電気化学反応による発電を行う。燃料電池セル１２は、膜電極接合体（不図示）と膜電極接合体のアノード（水素ガスが供給される極で「水素極」とも呼ばれる）およびカソード（酸化ガスが供給される極で「空気極」とも呼ばれる）の両側から挟持するセパレータ（不図示）で構成される。

図２は、燃料電池セルのアノード側セパレータの概略構成を示す説明図である。図２（ａ）は膜電極接合体側からアノード側セパレータ２０ａを見た概略平面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）の丸で囲まれた範囲を拡大して示している。図２（ａ）に示すように、アノード側セパレータ２０ａの膜電極接合体に当接される側の面には、水素ガス供給口２１と、水素ガス導入流路２２と、水素ガス流路２４と、アノードオフガス導出流路２６と、アノードオフガス排出口２７と、が形成されている。

水素ガス供給口２１は、アノード側セパレータ２０ａの厚さ方向に貫通する貫通孔である。水素ガス供給口２１は、燃料電池１０の外部から水素供給配管４１を介して供給された水素ガスを、燃料電池１０を構成する燃料電池セル１２の積層方向に流すための流路（以下、「水素供給マニホールド」とも呼ぶ）を形成する。また、アノードオフガス排出口２７は、アノード側セパレータ２０ａの厚さ方向に貫通する貫通孔である。アノードオフガス排出口２７は、燃料電池１０を構成する燃料電池セル１２のアノードから排出されたアノードオフガスを燃料電池セル１２の積層方向に流して燃料電池１０の外部に排出するための流路（以下、「水素排出マニホールド」とも呼ぶ）を形成する。

水素ガス供給口２１と水素ガス流路２４とは、水素ガス導入流路２２を介して連通している。水素ガス導入流路２２は、複数の溝状の区分導入流路２２ｐが図示した重力方向に等間隔に配列されている。

燃料電池１０の外部から供給された水素ガスは、水素ガス供給口２１から水素ガス導入流路２２を通じて水素ガス流路２４に流入する。

水素ガス流路２４は、いわゆるサーペンタイン流路であり、アノード側セパレータ２０ａの表面に複数の溝状の区分流路２４ｐが蛇行するように形成されている。複数の溝状の区分流路２４ｐは、等間隔で配置されている。そして、水素ガス流路２４は、水素およびアノードオフガスが、蛇行しながら、アノード側セパレータ２０ａの図示した上方から下方（重力方向）に流れるように形成されている。

水素ガス流路２４とアノードオフガス排出口２７とは、アノードオフガス導出流路２６を介して連通している。アノードオフガス導出流路２６は、複数の溝状の区分導出流路２６ｐが図示した重力方向に等間隔に配置されたくし歯形状の流路（くし歯流路）の構造を有している。

ここで、アノードオフガス導出流路２６の全体幅Ｗ２は水素ガス流路２４の全体幅Ｗ１よりも小さく設定されている。また、アノードオフガス導出流路２６の複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２は、水素ガス流路２４の複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１よりも小さく設定されている。単純には、流路の本数が同じ状態で、アノードオフガス導出流路２６の幅を小さくすれば、区分導出流路２６ｐの幅Ｗｐ２および深Ｌｐ２さで決まる区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２は、区分流路２４ｐの幅Ｗｐ１および深さＬｐ１で決まる区分流路２４ｐの断面積Ｓｐ１よりも小さくすることになり、複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２は、複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１よりも小さく設定される。また、区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２が区分流路２４ｐの断面積Ｓｐ１よりも小さくなるように、区分導出流路２６ｐの幅Ｗｐ２または深Ｌｐ２を小さく設定することにより、積極的に、アノードオフガス導出流路２６の複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２が、水素ガス流路２４の複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１よりも小さく設定されるようにしてもよい。ただし、流路間のリブは流路構造の強度を確保できる幅に設定されている。

本例では、区分導出流路２６ｐの本数ｎを区分流路２４ｐの本数ｍ（本例ではｍ＝７）よりも小さくする（本例ではｎ＝７）とともに、区分導出流路２６ｐの幅Ｗｐ２および深さＬｐ２を区分流路２４ｐの幅Ｗｐ１および深さＬｐ１よりも小さくして、区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２を区分流路２４ｐの断面積Ｓｐ１よりも小さくすることにより、アノードオフガス導出流路２６の全体幅Ｗ２および複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２が、水素ガス流路２４の全体幅Ｗ１および複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１よりも小さく設定されている。これにより、アノードオフガス導出流路２６を流れるアノードオフガスの流速を、水素ガス流路２４を流れる水素ガスおよびアノードオフガスの流速よりも速くすることができる。また、アノードオフガス導出流路２６上を通るシール線（不図示）の圧力に対して負けない強度の流路構造を確保することができる。

なお、アノードオフガス導出流路２６および水素ガス流路２４が本実施形態における本発明のガス導出流路および上流側流路に相当する。また、アノードオフガス導出流路２６の複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２が本実施形態における本発明のガス導出流路に含まれる溝状の流路の総断面積に相当し、水素ガス流路２４の複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１が本実施形態における本発明の上流側流路に含まれる溝状の流路の総断面積に相当する。

水素ガス流路２４の終端から排出されたアノードオフガスおよび水（例えば、発電によって生成された生成水）は、アノードオフガス導出流路２６を通じてアノードオフガス排出口２７に導出される。

また、本実施形態では、アノード側セパレータ２０ａにおいて、アノードオフガス導出流路２６の複数の区分導出流路２６ｐは、アノードオフガスがアノードオフガス排出口２７へ向けて水平方向に流れるように形成されている。したがって、アノード側セパレータ２０ａにおいて、アノードオフガス導出流路２６の先頭端からアノードオフガス排出口２７にかけて、アノードオフガスおよび水の流れ方向は、水平方向となる。

アノード側セパレータ２０ａの水素ガス流路２４が形成されている面とは反対側の面には、図示しない冷却水流路が形成されている。

なお、図示は省略するが、カソード側セパレータの膜電極接合体に当接される側の面には、アノード側セパレータ２０ａと同様に、膜電極接合体のカソードに酸化ガスとしての空気を供給するための溝状の流路が形成されている。ただし、酸化ガスを供給する流路については、多孔体流路であってもよく、特に限定はない。

図１の燃料ガス系３０は、水素タンク３１と、シャットバルブ３２と、レギュレーター３３と、インジェクター３４と、気液分離器３５と、循環ポンプ３６と、排気弁３７と、排水弁３８と、配管４１，４２，４３，４４，４５と、を備えている。

水素タンク３１に貯蔵された水素ガスは、配管（以下、「水素供給配管」とも呼ぶ）４１を介して燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして供給される。シャットバルブ３２、レギュレーター３３及びインジェクター３４は、水素ガスの圧力及び水素ガスの燃料電池１０への供給量を調整する。

アノードからの排ガス（以下、「アノードオフガス」とも呼ぶ。）は、配管（以下、「アノードオフガス配管」とも呼ぶ）４２を介して気液分離器３５に導かれる。気液分離器３５は、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった水素ガスとを分離する。気液分離器３５によって分離された水素ガスは、配管（以下、「水素循環配管」とも呼ぶ）４３、循環ポンプ３６及び水素供給配管４１を介して、燃料電池１０に循環する。

気液分離器３５と循環ポンプ３６との間からは、配管（以下、「アノードオフガス排気配管」とも呼ぶ）４４が設けられており、このアノードオフガス排気配管４４には、排気弁３７が設けられている。排気弁３７は、通常時には閉じられており、上述のアノードオフガスは、燃料電池１０に循環する。ただし、アノードオフガスに含まれる窒素ガスや水蒸気などの不純物濃度が上昇すると、排気弁３７が所定のタイミングで開弁し、アノードオフガスは、アノードオフガス排気配管４４を介して希釈器５５に導かれるとともに、燃料電池システム１００の外部に排出される。この結果、窒素ガスや水蒸気などの不純物がアノード側から取り除かれ、アノード側の不純物濃度の上昇が抑制される。

気液分離器３５には、貯留された水を排出するための配管（以下、「排水配管」とも呼ぶ）４５が設けられており、この排水配管４５には、排水弁３８が設けられている。排水弁３８は、通常時には閉じられており、気液分離器３５の貯水量に応じて開弁されて、排水配管を介して希釈器５５に導かれるとともに、燃料電池システム１００の外部に排水される。また、燃料電池１０内に滞留する水を排出するための掃気運転が終了したときにも、排水弁３８が開弁されて排水が行われる。

酸化ガス系５０は、エアクリーナ５１と、エアコンプレッサ５２と、希釈器５５と、配管５３，５４，５６と、を備えている。エアクリーナ５１から吸入された空気は、エアコンプレッサ５２によって圧縮され、配管５３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、「カソードオフガス」とも呼ぶ。）は、配管５４を介して希釈器５５に導かれる。

希釈器５５は、上述の所定のタイミングで希釈器５５に導入されるアノードオフガスに、カソードオフガスを混合する。すなわち、カソードオフガスによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度は、希釈される。希釈器５５から排出された排出ガスは、配管５６を介して、燃料電池システム１００の系外へ排出される。また、気液分離器３５から排水配管４５を介して希釈器５５に排出された水は、配管５６を介して排出ガスとともに排出される。

冷却系６０は、ラジエータ６１と、循環ポンプ６２と、配管６３，６４とを備えている。配管６３，６４は、燃料電池１０とラジエータ６１とに接続されている。配管６３，６４の内部を流れる冷却水は、循環ポンプ６２の圧力によって、燃料電池１０とラジエータ６１とを循環する。このため、燃料電池１０の電気化学反応に伴って生じる熱は、循環する冷却水によって吸収され、この冷却水によって吸収された熱が、ラジエータ６１によって放熱される。この結果、燃料電池１０の温度は、適切な温度に保たれる。

制御ユニット７０は、内部にＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、燃料電池システム１００の動作を制御する制御部として動作する。そして、制御ユニット７０は、車両からの出力要求や各種センサーによる検出状態（不図示）に基づいて、シャットバルブ３２やレギュレーター３３、インジェクター３４、循環ポンプ３６、エアコンプレッサ５２、排気弁３７、排水弁３８等に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム１００の運転動作や運転終了時における掃気動作を制御する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、以下で説明するように、運転停止時において、各燃料電池セル１２のアノード内、具体的には、膜電極接合体、および、アノード側セパレータ２０ａに形成されている溝状の流路（水素ガス導入流路２２、水素ガス流路２４、及びアノードオフガス導出流路２６）、に残る滞留水を除去する掃気運転に特徴を有している。なお、通常の運転動作については従来の燃料電池システムと同様であるので説明を省略する。

図３は、燃料電池システムの運転停止時において実行される滞留水除去のための掃気運転について示す説明図である。燃料電池システム１００において、運転停止する際には、制御ユニット７０が、燃料ガス系３０（シャットバルブ３２、レギュレーター３３、インジェクター３４、および循環ポンプ３６等）を制御して、水素ガスを掃気ガスとして掃気運転を以下の手順で実行する。なお、燃料ガス供給系３０および制御ユニット７０が本実施形態における掃気ガス供給部および掃気制御部に相当する。

まず、第１の掃気運転として、第１の掃気ガス流量Ｖｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］および第１の掃気時間ｔｓ［ｓｅｃ］で各燃料電池セル１２のアノード内に全体的に残る滞留水の排出を行う掃気（以下、「全体掃気」とも呼ぶ）を実行する（ステップＳ１０）。掃気ガスは燃料ガスとしての水素ガスである。

第１の掃気ガス流量Ｖｓとしては、発電時における通常のガス流量よりも大きいガス流量が、以下のように設定される。まず、アノード内に残る滞留水を移動させるために要する水移動可能差圧ΔＰｍが滞留水の大きさおよび質量等から計算により求められる。そして、水素ガスが通過するアノード内の各場所、特に、水素ガス流路２４の構造に基づいて、水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きい差圧ΔＰを発生させることが可能な流量が計算により求められ、第１の掃気ガス流量Ｖｓが設定される。

第１の掃気時間ｔｓは、各燃料電池セル１２のアノードセパレータ２０ａの水素ガスの流路の入口に残る滞留水が流路内を移動して、水素排出マニホールドを介して燃料電池１０の外部へ排出されるように、水素ガス導入流路２２、水素ガス流路２４、アノードオフガス導出流路２６の各流路における流路長および流速に基づいて計算により求められ、設定される。

第１の掃気ガス流量Ｖｓとしては、例えば、０．５［ＮＬ／ｍｉｎ］〜１．５［ＮＬ／ｍｉｎ］程度に設定され、第１の掃気時間ｔｓとしては、例えば、１０［ｓｅｃ］〜６０［ｓｅｃ］程度に設定される。

第１の掃気運転によって、燃料電池１０の各燃料電池セル１０のアノード内に残る滞留水の大部分は燃料電池１０の外部へ排出される。排出されきれずに残った滞留水のうち、アノードオフガス導出流路２６近傍の滞留水は、アノードオフガス導出流路２６を構成する各区分導出流路２６ｐに引き寄せされて移動し、アノードオフガス導出流路２６の各区分導出流路２６ｐの滞留水となる。

次に、第２の掃気運転として、第１の掃気ガス流量Ｖｓよりも低流量の掃気ガス流量Ｖｓｍ［ＮＬ／ｍｉｎ］および第１の掃気時間よちも短い第２の掃気時間ｔｓｍ［ｓｅｃ］で各燃料電池セル１２の水素ガス流路２４の滞留水を残した状態で、アノードオフガス導出流路２６に残る滞留水のアノードオフガス導出流路２６から外への排出を行う掃気（以下、「導出流路掃気」とも呼ぶ）を実行する（ステップＳ２０）。掃気ガスは第１の掃気運転と同様に水素ガスである。

第２の掃気ガス流量Ｖｓｍは、以下のように設定される。すなわち、各燃料電池セル１２の水素ガス流路２４の各区分流路２４ｐ（図２参照）における差圧ΔＰ１が水移動可能差圧ΔＰｍよりも小さくなる流量であって、かつ、アノードオフガス導出流路２６の各区分導出流路２６ｐ（図２参照）における差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなる流量が、水素ガス流路２４およびアノードオフガス導出流路２６の構造に基づいて計算により求められ、第２の掃気ガス流量Ｖｓｍが設定される。なお、同じ掃気ガス流量Ｖｓｍで、アノードオフガス導出流路２６における差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなる点については後述する。

第２の掃気時間ｔｓｍは、各燃料電池セル１２のアノードオフガス導出流路２６の入口に残る滞留水が流路内を移動してアノードオフガス導出慮２６から排出され、燃料電池１０から外部へ排出されるように、アノードオフガス導出流路２６の流路長および流速に基づいて計算により求められ、設定される。

第２の掃気ガス流量Ｖｓｍとしては、例えば、０．１［ＮＬ／ｍｉｎ］〜０．２５［ＮＬ／ｍｉｎ］程度に設定され、第２の掃気時間ｔｓｍとしては、例えば、３［ｓｅｃ］〜８［ｓｅｃ］程度に設定される。

図４は、第２の掃気運転における滞留水について示す説明図である。水素ガス流路２４の各区分流路２４ｐに流れる区分流路掃気ガス流量Ｖｓｍ１は、理想的には設定した第２の掃気ガス流量Ｖｓｍを流路の本数ｍ（図２（ｂ）参照）で割った（Ｖｓｍ／ｍ）となる。第２の掃気ガス流量Ｖｓｍ、より具体的には、区分流路掃気ガス流量Ｖｓｍ１は、上記したように、区分流路２４ｐに残る滞留水が移動しないように、区分流路２４ｐにおける差圧ΔＰ１が水移動可能差圧ΔＰｍよりも小さくなるように設定されている。従って、図４（ａ）に示すように、水素ガス流路２４の各区分流路２４ｐに残る滞留水は移動しない。

これに対して、アノードオフガス導出流路２６の各区分導出流路２６ｐに流れる区分導出流路掃気ガス流量Ｖｓｍ２は、区分導出流路２６ｐの本数が水素ガス流路２４の区分流路２４ｐの本数ｍ（本例ではｍ＝７）よりも小さい本数ｎ（本例ではｎ）に設定されている（図２参照）ので、理想的には、区分流路掃気ガス流量Ｖｓｍ１よりも大きい（Ｖｓｍ１・ｍ／ｎ）となる。これにより、区分導出流路２６ｐにおける掃気ガスの流速が区分流路２４ｐにおける流速よりも速くなり、区分導出流路２６ｐにおける差圧ΔＰ２は区分流路２４ｐにおける差圧ΔＰ１よりも大きくなる。また、区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２は区分流路の断面積Ｓｐ１よりも小さい断面積に設定されている（図２参照）ので、同じガス流量であっても区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２は区分流路２４ｐの差圧ΔＰ１よりも大きくなる。従って、図４（ｂ）に示すように、区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２はΔＰｍよりも大きく設定されることになり、区分導出流路２６ｐに残る滞留水は移動する。

第２の掃気運転では、水素ガス流路２４に残る滞留水を移動させないように残した状態で、アノードオフガス導出流路２６に残る滞留水を移動させてアノードオフガス導出流路２６から外へ排出することができるので、くし歯流路であるアノードオフガス導出流路２６に残った滞留水の凍結による閉塞を防止することが可能となる。

以上のように本実施形態の掃気運転では、第１の掃気運転で、燃料電池１０の各燃料電池セル１２のアノードに残る滞留水の多くをアノード内のガス流路から外部へ排出する。そして、第２の掃気運転で、第１の掃気運転終了時に、くし歯流路であるアノードオフガス導出流路２６に残る滞留水、およびアノードオフガス導出流路２６の近傍からアノードオフガス導出流路２６へ移動した滞留水を、水素ガス流路２４に残る滞留水を移動させないように残した状態で、アノードオフガス導出流路２６に残る滞留水を移動させてアノードオフガス導出流路２６の外部へ排出する。これにより、第１の掃気運転に対応する通常の掃気運転のみで、燃料電池１０の各燃料電池セル１２のアノードに残る滞留水を排出することにより、アノードオフガス導出流路２６に残る滞留水を排出するために要する時間よりも短時間で、アノードオフガス導出流路２６に残る滞留水を排出することができ、アノードオフガス導出流路２６の凍結による閉塞を防止することができる。また、第２の掃気運転は低流量の掃気ガス流量で実行されるので、第１の掃気運転に対応する通常の掃気運転のみの場合に比べて省エネルギー化が可能である。

なお、第２の掃気運転において、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐにおける差圧を上昇させて区分導出流路２６ｐに残る滞留水のみを排出させる点に着目すると、アノード側セパレータ２０ａのアノードオフガス導出流路２６は、全体幅Ｗ２が、水素ガス流路２４の全体幅Ｗ２よりも小さく複数の区分導出流路２６ｐを有するくし歯流路であることを前提として、以下の構造とする、と言える。水素ガス流路２４の区分流路２４ｐに残る滞留水が移動しない第２の掃気ガス流量Ｖｓｍとした場合において、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように区分流路２４ｐの本数ｍに対する区分導出流路２６ｐの本数ｎに設定された構造とする。また、水素ガス流路２４の区分流路２４ｐに残る滞留水が移動しない第２の掃気ガス流量Ｖｓｍとした場合において、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように区分流路２４ｐの断面積Ｓｐ１に対する区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２が設定された構造とする。また、水素ガス流路２４の区分流路２４ｐに残る滞留水が移動しない第２の掃気ガス流量Ｖｓｍとした場合において、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように、複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１に対する複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２に設定された構造とする。

Ｂ．変形例：
上記実施形態では、掃気ガスとして、燃料ガスである水素ガスを利用した場合を例に説明したが、燃料電池システムの運転停止時において、燃料電池セルを構成する膜電極接合体の劣化を防止するために用いられる種々の掃気ガス、例えば、空気や種々の不活性ガス等を利用するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、水素ガス流路２４がサーペンタイン流路である場合を例に説明したが、ストレート流路であってもよい。ただし、ストレート流路の場合には、ストレート流路を構成する各区分流路をまとめてアノードオフガス導出流路２６に繋げるための水平流路の断面積および総断面積よりもアノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの断面積および複数の区分導出流路２６ｐの総断面積が小さく設定される。

また、上記実施形態では、水素ガス流路２４の全体幅Ｗ１よりもアノードオフガス導出流路２６の全体幅Ｗ２が小さいことを前提として、水素ガス流路２４の区分流路２４ｐの本数ｍよりもアノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの本数ｎが小さく、かつ、区分流路２４ｐの断面積Ｓｐ１よりも区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２が小さく、かつ、複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１よりも複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２が小さく設定されている構造を例に説明した。しかしながら、これに限定するものではなく、以下のような種々の構造が可能である。

水素ガス流路２４の区分流路２４ｐに残る滞留水が移動しない掃気ガス流量Ｖｓｍとした場合において、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように、水素ガス流路２４の全体幅Ｗ１よりもアノードオフガス導出流路２６の全体幅Ｗ２が小さく設定された構造としてもよい。

また、上記した掃気ガス流量Ｖｓｍにおいて、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように、水素ガス流路２４の区分流路２４ｐの本数ｍよりもアノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの本数ｎが小さく設定された構造としてもよい。また、上記した掃気ガス流量Ｖｓｍにおいて、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように、水素ガス流路２４の区分流路２４ｐの断面積Ｓｐ１よりもアノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの断面積Ｓｐ２が小さく設定された構造としてもよい。また、上記した掃気ガス流量Ｖｓｍにおいて、アノードオフガス導出流路２６の区分導出流路２６ｐの差圧ΔＰ２が水移動可能差圧ΔＰｍよりも大きくなるように、複数の区分流路２４ｐの総断面積ΣＳｐ１に対する複数の区分導出流路２６ｐの総断面積ΣＳｐ２に設定された構造としてもよい。

上記実施形態では、燃料電池１０の各燃料電池セル１２のアノードに残る滞留水を排出する場合を例に説明したが、燃料電池１０の各燃料電池セル１２のカソードに残る滞留水を排出する場合にも、酸化ガスである空気を掃気ガスとして同様に実行することが可能である。また、燃料電池１０の各燃料電池セル１２のアノードおよびカソードの両方の滞留水を排出する場合に、それぞれにおいて適用可能である。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池
１２…燃料電池セル
２０ａ…アノード側セパレータ
２１…水素ガス供給口
２２…水素ガス導入流路
２２ｐ…区分導入流路
２４…水素ガス流路
２４ｐ…区分流路
２６…アノードオフガス導出流路
２６ｐ…区分導出流路
２７…アノードオフガス排出口
３０…燃料ガス系
３１…水素タンク
３２…シャットバルブ
３３…レギュレーター
３４…インジェクター
３５…気液分離器
３６…循環ポンプ
３７…排気弁
３８…排水弁
４１…水素供給配管
４２…アノードオフガス配管
４３…水素循環配管
４４…アノードオフガス排気配管
４５…排水配管
５０…酸化ガス系
５１…エアクリーナ
５２…エアコンプレッサ
５３…配管
５４…配管
５５…希釈器
５６…配管
６０…冷却系
６１…ラジエータ
６２…循環ポンプ
６３…配管
７０…制御ユニット
１００…燃料電池システム

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   溝状のガス流路が形成されたセパレータを含む燃料電池セルを有する燃料電池と、
   前記ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給部と、
   前記掃気ガス供給部による掃気運転を行う掃気制御部と、
   を備え、
   前記ガス流路は、ガス流路出口に連結されたくし歯形状の流路を有するガス導出流路、および、前記ガス導出流路の上流側に連結された上流側ガス流路を含み、
   前記掃気制御部は、
   前記燃料電池の運転を停止する時に、第１の掃気ガス流量および第１の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給することにより、前記燃料電池セル内に滞留する水を前記ガス流路の外部に排出する第１の掃気運転を実行し、
   前記第１の掃気運転を実行後に、前記第１の掃気ガス流量よりも低い第２の掃気ガス流量であって、前記上流側ガス流路に滞留する水を残した状態で前記ガス導出流路に滞留する水を前記ガス導出流路の外部に排出する第２の掃気ガス流量、および、前記第１の掃気時間よりも短い第２の掃気時間で、前記掃気ガス供給部から前記掃気ガスを供給する第２の掃気運転を実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２の掃気ガス流量は、前記上流側ガス流路に発生する差圧が前記上流側ガス流路内の水の移動に要する差圧よりも小さくなる流量であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス導出流路は、前記第２の掃気ガス流量によって前記ガス導出流路に発生する差圧が前記ガス導出流路内の水の移動に要する差圧よりも大きくなる構造を有する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記構造は、前記ガス導出流路に含まれる溝状の流路の総断面積が前記上流側ガス流路に含まれる溝状の流路の総断面積よりも小さい
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記構造は、前記ガス導出流路の全体幅が前記上流側ガス流路の全体幅よりも小さい
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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