JP5194406B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、純水素を燃料ガスとした固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、出力当たりのシステム体積及び重量を小さくすることができることから、積極的に用いられている。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、電気化学反応によって生成された水分が、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動するとともに、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。これにより、固体高分子電解質膜の両側は、湿潤な状態に維持される。しかし、水分の量が多くなると、燃料極側において局所的に水素ガス流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまい、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化したりしてしまうことが知られている。

そこで、水素ガス流路を複数のブロックに分割し、隣接するブロックにおける水素ガスの流れの方向を互いに逆方向とすることによって、水分の滞留を防止して電流密度を均一化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３２３９０５号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、水素ガスの流れをセル内の温度分布に応じて制御していないので、セル内の温度の高い部位で水蒸気が凝縮して水分が滞留しやすくなってしまう。そして、水素ガス流路内に溜（た）まった水分の量が増加すると、燃料極の一部が水分によって覆われてしまい、燃料電池の性能が低下したり、燃料極が劣化したりしてしまうことがあった。また、滞留した水分は、排出されにくく残留してしまうので、特に、燃料電池の起動及び停止時に速やかなガス置換の妨げとなる。

通常、生成された水分は、水素ガス流路においては、水素ガス中へ水蒸気として放出される。そして、飽和水蒸気圧は温度が高いほど高くなるので、セル内の温度の高い部位では、水素ガス中の水蒸気の絶対量が多くなる。しかし、発電のための電気化学反応によって水素ガスが消費されると、水素ガスの分圧が低下するので、水素ガス中の水蒸気が過飽和の状態となって凝縮する。特に、セル内の温度の高い部位では、水素ガス中の水蒸気の絶対量が多いので、凝縮する水分の量も多くなる。そのため、セル内の温度の高い部位では、水蒸気が凝縮した水分の量が多いので、水分の滞留が発生しやすくなる。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、１つの燃料電池における燃料流路を並列な複数の小流路に分割し、各小流路に対応する流量制御弁によって各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御するようにして、燃料電池の各部における燃料極側の湿潤状態を均一にし、燃料流路内における水分の凝縮を防止し、燃料流路内の水分の滞留を抑制し、滞留した水分を速やかに排出することができ、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続された燃料電池集合体と、前記燃料流路に接続された燃料用管路系とを有する燃料電池システムであって、前記セパレータのそれぞれにおける燃料流路は、並列な複数の小流路に分割され、前記燃料用管路系は、各小流路に対応し、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御する流量制御弁を備え、前記複数の小流路のうちの選択された小流路に滞留する水分を排出する場合、前記選択された小流路以外の小流路に対応する流量制御弁は閉止される。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料流路は、燃料電池における温度勾（こう）配の方向に分割され、前記燃料ガスは、温度の高い部位に対応する小流路ほど分配比が高くなるように制御される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の各部位の温度に応じて制御される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の負荷に応じて制御される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガスは、滞留した水分が多い小流路ほど多く流れるように制御される。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池集合体は冷却媒体流路を備え、前記燃料流路は、冷却媒体流路における冷却媒体の流れの方向に分割される。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続された燃料電池集合体と、前記燃料流路に接続された燃料用管路系とを有する燃料電池システムであって、前記セパレータのそれぞれにおける燃料流路は、並列な複数の小流路に分割され、前記燃料用管路系は、各小流路に対応し、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御する流量制御弁を備え、前記複数の小流路のうちの選択された小流路に滞留する水分を排出する場合、前記選択された小流路以外の小流路に対応する流量制御弁は閉止される。

この場合、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御することができ、燃料流路内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、燃料電池の各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。そのため、燃料流路内における水分の凝縮を防止し、燃料流路内の水分の滞留を抑制することができ、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止することができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料流路は、燃料電池における温度勾配の方向に分割され、前記燃料ガスは、温度の高い部位に対応する小流路ほど分配比が高くなるように制御される。

この場合、温度の高い部位ほど燃料ガスの分配比が高くなるように制御することができるので、凝縮する水分の量を確実に平準化することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の各部位の温度に応じて制御される。

この場合、燃料ガスの分配比を正確に制御することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記流量制御弁は、燃料電池の負荷に応じて制御される。

この場合、燃料電池の各部位の温度を検出する必要がないので、構成を簡素化することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガスは、滞留した水分が多い小流路ほど多く流れるように制御される。

この場合、当該小流路に滞留した水分を速やかに、かつ、確実に排出することができるので、燃料極が水分によって覆われることがなく、燃料電池の性能低下及び燃料極の劣化を確実に防止することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池集合体は冷却媒体流路を備え、前記燃料流路は、冷却媒体流路における冷却媒体の流れの方向に分割される。

この場合、温度の高い部位ほど燃料ガスの分配比が高くなるように制御することができ、燃料流路内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、燃料電池の各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。

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。

図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの空気入口側に取り付けられた空気供給流路を示す図である。

図において、２０は複数の燃料電池セル（ＦＣ）から構成される燃料電池集合体としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック２０と、バッテリ、リチウムイオン電池などの２次電池、キャパシタ等から成る蓄電手段とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する後述される燃料流路１４を介し前記燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、該酸素極表面に接する酸化剤流路としての後述される空気流路１６を介し前記酸素極に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。なお、本実施の形態において、前記燃料電池スタック２０はいわゆる常圧型の燃料電池であり、前記空気流路１６には常圧の空気が流通する。ここで、常圧とは、大気圧から大気圧より１００〔ｍｍＡｑ〕程度高い圧力までの範囲である。

例えば、本実施の形態においては、一例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、例えば、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。

ここで、前記燃料貯蔵手段は、水素吸蔵合金を格納した容器であることが望ましいが、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等であってもよい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池セルの出力インピーダンスは極めて低く、０に近似させることが可能である。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール２１を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール２１は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される水素ガスが流通する燃料流路１４と酸化剤としての空気が流通する空気流路１６とを分離する後述されるセパレータ１５と、単位セル及びセパレータ１５を１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。セルモジュール２１は、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータ１５とが、多段に重ねられて積層されている。

単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極から構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

図２に示される燃料電池スタック２０においては、複数のセルモジュール２１が図における横方向に重ねられて積層され、左右両端から保持部材としてのエンドプレートによって挟まれている。また、図２に示される例においては、単位セル及びセパレータ１５のセットを１０個積層して１つのセルモジュール２１を形成し、該セルモジュール２１を１０個積層して１つの燃料電池スタック２０を形成している。なお、単位セルの両側には必ずセパレータ１５が配設されるようになっているので、１つのセルモジュール２１におけるセパレータ１５の数は１１枚である。

この場合、燃料電池スタック２０は、全体として扁（へん）平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図２における図面に垂直な方向としての重力方向であり、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、図２において矢印で示されるように、重力方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール２１毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。そして、一方のエンドプレートに水素ガスを供給する燃料用管路系としての燃料入口管路３３が接続され、他方のエンドプレートに水素ガスを排出する燃料用管路系としての燃料出口管路３１が接続されている。

本実施の形態において、燃料電池システムは、図３に示されるように、燃料電池スタック２０に酸化剤としての常圧の空気を供給するために、酸化剤供給源としての空気供給ファンユニット４５を有する。該空気供給ファンユニット４５は、一般的に、シロッコファンと称されるものであり、ファン駆動用モータ４６によって駆動される羽根車としての図示されない遠心式の多翼ファンを備える。該多翼ファンの回転軸は、鉛直方向（図３における上下方向）に延伸するように、すなわち、水平面内において回転するように配設される。この場合、前記空気供給ファンユニット４５は、回転する多翼ファンの中心に上方から空気を吸引し、前記多翼ファンの外周側に空気を排出し、該空気を前記多翼ファンの周囲に配設された概略渦巻状の昇圧ダクトを通過させて、空気供給ファンユニット４５の外部に常圧の空気を吐出する。

また、前記空気供給ファンユニット４５の上面には、エアフィルタ４７が配設され、前記空気供給ファンユニット４５に吸引される空気中の塵埃（じんあい）、汚染物質、有害成分等を除去するようになっている。そして、前記空気供給ファンユニット４５から吐出された空気は、前記空気供給ファンユニット４５の空気吹出口に接続された空気導入ダクト４２を通って、燃料電池スタック２０の上側、すなわち、酸化剤入口側としての空気入口側に取り付けられた空気供給室４４内に供給される。なお、前記空気導入ダクト４２は、前記空気供給ファンユニット４５の昇圧ダクトと一体的に形成されたものであってもよいし、別個に形成されて接続されたものであってもよい。また、燃料電池スタック２０の下側、すなわち、酸化剤出口側としての空気出口側には、酸化剤排出流路としての空気排出室４３が接続されている。

そして、前記空気導入ダクト４２と空気供給室４４との境界部、すなわち、空気供給室４４の入口には、水をスプレーするための水供給ノズル５１が複数個配設されている。該水供給ノズル５１には図示されない水供給管路が接続されており、図示されない水タンクに貯留された水が、水ポンプによって圧送され、前記水供給管路を介して水供給ノズル５１に供給される。これにより、空気流路１６を介して酸素極の表面に水を供給して、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持することができる。また、空気流路１６を流れる空気は、水を含むことによって熱容量が大きくなるので、単位セルを冷却する冷却媒体としての機能が増大する。

なお、前記空気排出室４３内又はその下流側には、図示されない凝縮器ユニットが配設されている。該凝縮器ユニットは、燃料電池スタック２０から排出された空気に含まれる水分を凝縮して分離するためのものであり、前記燃料電池スタック２０から排出された空気を冷却して、水分を凝縮するようになっている。これにより、燃料電池スタック２０から空気排出室４３内に排出された空気は、凝縮器ユニット内に導入される。そして、前記空気は、凝縮器ユニット内を通過する間に冷却され、凝縮した水分を分離して、凝縮器ユニットの排気口から大気中に放出される。なお、分離された水は、図示されない配水管を通って、水タンクに回収されるようになっていることが望ましい。

本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御装置を有する。該制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ、その他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファンユニット４５、後述される水素排気電磁弁３７、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃ等の動作を制御する。さらに、前記制御装置は、他の制御装置と連携して、燃料電池システムの動作を統括的に制御する。なお、前記制御装置は、他の制御装置と一体的に構成されてもよい。

次に、燃料電池システムにおける水素ガスの流路について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの流路を示す模式図、図４は本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。なお、図４において、（ａ）は（ｂ）のＤ−Ｄ矢視断面図、（ｂ）は平面図である。また、図５において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ矢視断面図である。

図１に示されるように、水素ガスは、図示されない燃料貯蔵手段から、燃料供給管路２２及び該燃料供給管路２２に接続された燃料入口管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料流路１４に供給される。そして、燃料電池スタック２０の燃料流路１４から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料出口管路３１を通って燃料電池スタック２０外に排出される。前記燃料出口管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク３４が接続されている。

そして、該水回収ドレインタンク３４には水と分離された水素ガスを排出する燃料循環管路３０が接続され、該燃料循環管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料循環管路３０における水回収ドレインタンク３４と反対側の端部は、燃料入口管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料流路１４に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク３４には、燃料排出管路３８が接続され、該燃料排出管路３８には水素排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に該燃料電池スタック２０から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、燃料排出管路３８の出口端は空気排出室４３に接続され、排出された水素を空気で希釈させるようになっていることが望ましい。

本実施の形態において、各単位セルにおける燃料流路１４は、並列な複数の小流路、例えば、第１小流路１４ａ〜第３小流路１４ｃに分割されている。なお、燃料流路１４の分割数は、任意に決定することができ、例えば、２つに分割してもよいし、４つ以上に分割してもよいが、構成の複雑化等を考慮すると、２〜５程度が適切な分割数である。また、燃料流路１４の分割形態は、単位セルにおける温度勾配の方向である。すなわち、燃料流路１４は、温度の変化する方向に沿って複数に分割される。

図５において矢印Ｅで示されるように、本実施の形態において、冷却媒体として機能する水を含んだ空気は、重力方向、すなわち、図における上下方向に空気流路１６内を流れる。そのため、単位セルは、空気流路１６における空気の入口側の部位が最も冷却されて温度が低くなり、空気流路１６における空気の出口側の部位が最も温度が高くなる。したがって、単位セルにおいては、下側ほど温度が高くなるような温度勾配が発生する。そこで、前記燃料流路１４は、温度勾配の方向に、上から順に、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃとなるように分割されている。なお、温度勾配は冷却媒体の流れの方向に生じるのであるから、前記燃料流路１４は、冷却媒体の流れの方向に分割されているとも言える。

この場合、セパレータ１５の側部に形成される燃料用貫通孔（こう）１３も第１燃料用貫通孔１３ａ〜第３燃料用貫通孔１３ｃに分割される。そして、水素ガスは、図４において矢印Ｃで示されるように、セパレータ１５の一方（図４に示される例においては左方）の側部の第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃから、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを通って、セパレータ１５の他方（図４に示される例においては右方）の側部の第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃに流れる。

また、燃料入口管路３３も、下流側の部位は第１燃料入口管路３３ａ、第２燃料入口管路３３ｂ及び第３燃料入口管路３３ｃに分岐し、第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃに、各々接続される。さらに、燃料出口管路３１も、上流側の部位は第１燃料出口管路３１ａ、第２燃料出口管路３１ｂ及び第３燃料出口管路３１ｃに分岐し、第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃに、各々接続される。

なお、第１燃料出口管路３１ａ、第２燃料出口管路３１ｂ及び第３燃料出口管路３１ｃには、流量制御弁として、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃが、各々配設される。前記第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃは、各々独立に動作可能であり、前記制御装置に制御され、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを流れる水素ガスの流量を独立に制御する。なお、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃは、第１燃料入口管路３３ａ、第２燃料入口管路３３ｂ及び第３燃料入口管路３３ｃに配設することもできるが、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃ内に水素ガスを充満させるために、第１燃料出口管路３１ａ、第２燃料出口管路３１ｂ及び第３燃料出口管路３１ｃに配設することが望ましい。また、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃを統合的に説明する場合には、流量制御弁３５として説明する。

次に、前記構成の燃料電池システムにおける第１小流路１４ａ〜第３小流路１４ｃへの水素ガスの分配比を制御する動作について説明する。

図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの分配比を制御する動作を示す図、図７は本発明の第１の実施の形態における単位セル内の温度差と流量制御弁の開度との関係を示すグラフ、図８は本発明の第１の実施の形態における単位セル内の温度差と水素ガスの分配比との関係を示すグラフである。

図６に示されるように、燃料電池スタック２０には、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃに対応する部位の温度を検出する第１温度検出器５６ａ、第２温度検出器５６ｂ及び第３温度検出器５６ｃをそれぞれ配設する。なお、必ずしも燃料電池スタック２０におけるすべての燃料流路１４に対応する部位の温度を検出する必要はなく、例えば、空気流路１６における空気の入口側及び出口側に対応する部位の温度のみを検出するようにしてもよい。すなわち、燃料電池スタック２０において最も低温になる部位と最も高温になる部位の温度のみを検出するようにしてもよい。なお、図６において、太い矢印Ａは冷却媒体としての水を含む空気の流れを示し、細い矢印Ｂは水素ガスの流れを示している。

そして、制御装置は、前記第１温度検出器５６ａ、第２温度検出器５６ｂ及び第３温度検出器５６ｃが検出した燃料電池スタック２０における各部の温度に基づいて、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度を制御し、これにより、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを流れる水素ガスの流量を制御する。すなわち、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃの各々への水素ガスの分配比を制御する。

この場合、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなるように制御する。「発明が解決しようとする課題」で説明したように、燃料流路１４内の温度の高い部位では、水素ガスが消費されて水素ガスの分圧が低下すると、凝縮する水分の量が多くなる。そこで、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなるように制御することによって、温度の高い部位に多くの水素ガスを供給して水素ガスの分圧の低下を防止して、凝縮する水分の量を低減することができる。これにより、燃料流路１４内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、単位セルの各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。そのため、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セルの性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。

そこで、制御装置は、例えば、図７に示されるように、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度を制御する。ここでは、説明の都合上、制御装置は、第１温度検出器５６ａが検出した第１小流路１４ａに対応する部位、すなわち、最も低温になる部位の温度Ｔ１と、第３温度検出器５６ｃが検出した第３小流路１４ｃに対応する部位、すなわち、最も高温になる部位の温度Ｔ３との差分ΔＴに基づいて、流量制御弁３５の各々の開度を制御するものとする。

ここで、ΔＴ＝Ｔ３−Ｔ１である。また、図７における線３５ａ、３５ｂ及び３５ｃは、各々、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度を示している。なお、図７の縦軸は流量制御弁３５の開度〔％〕を示し、横軸はΔＴを示している。

この場合、最も高温になる部位に対応する第３流量制御弁３５ｃの開度は、ΔＴにかかわらず一定、すなわち、１００〔％〕に維持され、ΔＴが増加するに従って、第１流量制御弁３５ａ及び第２流量制御弁３５ｂの開度が順次減少するように制御されていることが分かる。

そして、図８には、図７に対応する水素ガスの分配比の変化が示されている。図８における線１４ａ、１４ｂ及び１４ｃは、各々、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを流れる水素ガスの分配比を示している。なお、分配比の合計は１００〔％〕である。また、図８の縦軸は水素ガスの分配比を示し、横軸はΔＴを示している。

これにより、図７に示されるように、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度を制御することによって、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなることが分かる。

なお、前記制御装置は、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃに対応する部位の温度に代えて、燃料電池スタック２０の負荷、すなわち、発生する電流に基づいて第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度を制御することもできる。これは、燃料電池スタック２０の発生する電流が増加すると水素ガスの消費量が増加するので、燃料流路１４内の温度の高い部位では凝縮する水分の量が増加するためである。この場合、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度、並びに、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを流れる水素ガスの分配比は、図７及び８の横軸を電流に代えることによって表すことができる。

さらに、前記制御装置は、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開度に代えて、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃの開時間の長さを制御することもできる。すなわち、各流量制御弁３５の開時間の比を変化させることによって、水素ガスの分配比を制御してもよい。

次に、前記構成の燃料電池システムにおける第１小流路１４ａ〜第３小流路１４ｃに滞留した水分を排出する動作について説明する。

図９は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの流路に滞留した水分を排出する動作を示す図である。なお、図９において、（ａ）は通常運転の状態を示し、（ｂ）〜（ｃ）は第１小流路〜第３小流路から水分を排出する状態を示している。また、白抜きの弁は開放されていることを示し、黒塗りの弁は閉止されていることを示している。

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、燃料貯蔵手段から燃料電池スタック２０に供給される水素ガスの圧力は、あらかじめ設定した一定の圧力に調整されて保持される。また、空気供給ファンユニット４５は、燃料電池スタック２０の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。なお、図９においては、図６と同様に、太い矢印Ａは冷却媒体としての水を含む空気の流れを示し、細い矢印Ｂは水素ガスの流れを示している。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料流路１４にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料流路１４に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料流路１４にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、図９（ａ）に示されるように、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料出口管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。この場合、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃのいずれもが開放されているので、気液混合物となった水素ガスは、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃから第１燃料出口管路３１ａ、第２燃料出口管路３１ｂ及び第３燃料出口管路３１ｃを通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。

そして、前記気液混合物は、燃料出口管路３１を通過して水回収ドレインタンク３４内に導入される。ここで、前記気液混合物が比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク３４内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、水回収ドレインタンク３４外に排出され、燃料循環管路３０に流入する。そして、定常運転時においては、前記燃料循環管路３０に流入した水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって循環され、燃料入口管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料流路１４に供給されて再利用される。また、水素排気電磁弁３７を閉止しているので、水素ガスは燃料排出管路３８からは排出されないようになっている。

また、燃料電池システムは、随時、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃに滞留した水分を排出する。

まず、第１小流路１４ａに滞留した水分を排出する場合、図９（ｂ）に示されるように、第１流量制御弁３５ａを開放し、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃを閉止する。そして、この状態で、水素排気電磁弁３７を所定時間（例えば、０．３〔秒〕）だけ開放する。これにより、燃料入口管路３３を通って燃料電池スタック２０に供給された水素ガスは、第１小流路１４ａだけを流れるので、通常運転の状態よりも流路断面積が小さく、流速が高くなる。そのため、第１小流路１４ａに滞留した水分を確実に排出することができる。そして、第１小流路１４ａから排出された水分は、水回収ドレインタンク３４内で水素ガスから分離された後に、燃料排出管路３８を通って外部に排出される。

また、第２小流路１４ｂに滞留した水分を排出する場合、図９（ｃ）に示されるように、第２流量制御弁３５ｂを開放し、第１流量制御弁３５ａ及び第３流量制御弁３５ｃを閉止する。そして、この状態で、水素排気電磁弁３７を所定時間だけ開放する。これにより、燃料入口管路３３を通って燃料電池スタック２０に供給された水素ガスは、第２小流路１４ｂだけを流れるので、通常運転の状態よりも流路断面積が小さく、流速が高くなる。そのため、第２小流路１４ｂに滞留した水分を確実に排出することができる。そして、第２小流路１４ｂから排出された水分は、水回収ドレインタンク３４内で水素ガスから分離された後に、燃料排出管路３８を通って外部に排出される。

さらに、第３小流路１４ｃに滞留した水分を排出する場合、図９（ｄ）に示されるように、第３流量制御弁３５ｃを開放し、第１流量制御弁３５ａ及び第２流量制御弁３５ｂを閉止する。そして、この状態で、水素排気電磁弁３７を所定時間だけ開放する。これにより、燃料入口管路３３を通って燃料電池スタック２０に供給された水素ガスは、第３小流路１４ｃだけを流れるので、通常運転の状態よりも流路断面積が小さく、流速が高くなる。そのため、第３小流路１４ｃに滞留した水分を確実に排出することができる。そして、第３小流路１４ｃから排出された水分は、水回収ドレインタンク３４内で水素ガスから分離された後に、燃料排出管路３８を通って外部に排出される。

このように、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃ並びに水素排気電磁弁３７の動作を制御し、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃの１つだけに水素ガスを流すことによって当該小流路に滞留する水分を排出する。そのため、水素ガスの流路断面積が小さくなり、局所的に水素ガスの流量を高めることができるので、滞留した水分を吹き飛ばすことができる。通常運転の状態では、流路断面積が大きいので、水素ガスが水分のない部分を通過してしまうので、滞留している水分を吹き飛ばすことは困難である。

ここでは、１つの小流路だけに水素ガスを流す場合について説明したが、燃料流路１４の分割数が多い場合には、複数、例えば、２つの小流路だけに水素ガスを流すようにすることもできる。すなわち、複数の小流路の内の選択されたいくつかの小流路だけに水素ガスを流すようにして、通常運転の状態よりも流路断面積を小さくして、水素ガスの流速を高めるようにすれば、滞留した水分を確実に排出することができる。

なお、図９（ｂ）〜（ｄ）に示されるような水分を排出する動作は、所定の周期で行うようにしてもよいし、燃料流路１４に滞留した水分の量が所定値に達したときに行うようにしてもよい。水分を排出する動作を所定の周期で行う場合には、温度が高い部位ほど前記動作の頻度が高くなるようにすることが望ましい。また、燃料流路１４に滞留した水分の量は、直接測定しなくても、燃料電池スタック２０の発生する電流の値と温度とから求めることができる。

このように、本実施の形態においては、燃料流路１４を並列な複数の小流路、すなわち、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃに分割し、第１流量制御弁３５ａ、第２流量制御弁３５ｂ及び第３流量制御弁３５ｃによって各小流路を流れる水素ガスの流量を制御するようになっている。これにより、温度の高い部位ほど水素ガスの分配比が高くなるように制御することができるので、燃料流路１４内の各部において凝縮する水分の量を平準化することができ、単位セルの各部における燃料極側の湿潤状態を均一にすることができる。

また、選択された小流路だけに水素ガスを流すようにして、滞留した水分が多い小流路ほど多くの水素ガスが流れるようになっているので、当該小流路に滞留した水分を速やかに、かつ、確実に排出することができる。そのため、燃料極が水分によって覆われることがなく、単位セルの性能の低下や、燃料極の劣化を防止することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１０は本発明の第２の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図、図１１は本発明の第２の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図、図１２は本発明の第２の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。

前記第１の実施の形態においては、空気流路１６を流れる空気を燃料電池スタック２０を冷却するための冷却媒体とする燃料電池システムについて説明したが、本実施の形態においては、独立した冷却系を有し、空気流路１６を流れる空気以外の媒体、例えば、冷却水等の媒体を冷却媒体として使用する燃料電池システムについて説明する。

図１０に示されるように、本実施の形態において、各単位セルにおける燃料流路１４は、並列な第１小流路１４ａ〜第３小流路１４ｃに分割されている。この場合、セパレータ１５の側部には、第１燃料用貫通孔１３ａ〜第３燃料用貫通孔１３ｃに加えて、冷却媒体用貫通孔１８及び空気用貫通孔１９が形成される。そして、水素ガスは、前記第１の実施の形態と同様に、図１０において矢印Ｃで示されるように、重力方向に対して直交する方向、すなわち、水平方向に流れる。具体的には、セパレータ１５の一方（図１０に示される例においては左方）の側部の第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃから、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを通って、セパレータ１５の他方（図１０に示される例においては右方）の側部の第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃに流れる。

また、冷却媒体は、図１１において矢印Ｇで示されるように、重力方向、すなわち、図における上下方向に蛇行して冷却媒体流路１７内を流れる。具体的には、該冷却媒体流路１７は、各々が水平方向に延在する第１冷却媒体流路１７ａ〜第３冷却媒体流路１７ｃを直列に接続することによって形成されている。そのため、単位セルは、冷却媒体流路１７における冷却媒体の入口側の部位が最も冷却されて温度が低くなり、冷却媒体流路１７における冷却媒体の出口側の部位が最も温度が高くなる。したがって、単位セルにおいては、上側ほど温度が高くなるような温度勾配が発生する。そこで、前記燃料流路１４は、温度勾配の方向に、すなわち、冷却媒体の流れの方向に分割されている。なお、本実施の形態においては、前記第１の実施の形態とは異なり、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃの順で温度が低くなる部位に対応する。

さらに、空気は、図１２において矢印Ｅで示されるように、重力方向、すなわち、図における上下方向に蛇行して空気流路１６内を流れる。具体的には、該空気流路１６は、各々が水平方向に延在する第１空気流路１６ａ〜第３空気流路１６ｃを直列に接続することによって形成されている。なお、セパレータ１５の面は、図１１と１２とにおいて、左右が逆になるように互いに反転したように示されている。

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１３は本発明の第３の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図、図１４は本発明の第３の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。

本実施の形態においても、前記第２の実施の形態と同様に、独立した冷却系を有し、空気流路１６を流れる空気以外の媒体、例えば、冷却水等の媒体を冷却媒体として使用する燃料電池システムについて説明する。

図１３に示されるように、本実施の形態において、冷却媒体は、矢印Ｇで示されるように、重力方向に対して直交する方向、すなわち、水平方向に冷却媒体流路１７内を流れる。また、空気も、点線の矢印Ｅで示されるように、水平方向に、図１３には示されていない空気流路１６内を流れる。この場合、セパレータ１５の側部には、冷却媒体用貫通孔１８及び空気用貫通孔１９が形成される。

また、水素ガスは、図１４において矢印Ｃで示されるように、重力方向、すなわち、図における上下方向に流れる。各単位セルにおける燃料流路１４は、並列な上下方向に延在する第１小流路１４ａ〜第３小流路１４ｃに分割されている。この場合、セパレータ１５の上端部及び下端部には、第１燃料用貫通孔１３ａ〜第３燃料用貫通孔１３ｃが形成されている。具体的には、セパレータ１５の上端部の第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃから、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃを通って、セパレータ１５の下端部の第１燃料用貫通孔１３ａ、第２燃料用貫通孔１３ｂ及び第３燃料用貫通孔１３ｃに流れる。

図１４において点線の矢印Ｇで示されるように、冷却媒体が水平方向に流れるので、単位セルは、冷却媒体流路１７における冷却媒体の入口側の部位が最も冷却されて温度が低くなり、冷却媒体流路１７における冷却媒体の出口側の部位が最も温度が高くなる。そのため、単位セルにおいては、図における右側ほど温度が高くなるような温度勾配が発生する。そこで、前記燃料流路１４は、温度勾配の方向に、すなわち、冷却媒体の流れの方向に、図における左から右へ、順に、第１小流路１４ａ、第２小流路１４ｂ及び第３小流路１４ｃとなるように分割されている。

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

さらに、本実施の形態では、燃料電池集合体として、燃料電池がセパレータを挟んで複数積層された燃料電池スタックを用いた場合について説明したが、チューブ状の燃料電池を複数束ねた燃料電池モジュールを用いてもよい。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの流路を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの空気入口側に取り付けられた空気供給流路を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの水素ガスの分配比を制御する動作を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における単位セル内の温度差と流量制御弁の開度との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態における単位セル内の温度差と水素ガスの分配比との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの流路に滞留した水分を排出する動作を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるセパレータの空気極側の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態におけるセパレータの冷却媒体側の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態におけるセパレータの燃料極側の構成を示す図である。

符号の説明

１４ 燃料流路
１４ａ 第１小流路
１４ｂ 第２小流路
１４ｃ 第３小流路
１５ セパレータ
１６ 空気流路
１６ａ 第１空気流路
１６ｂ 第２空気流路
１６ｃ 第３空気流路
１７ 冷却媒体流路
１７ａ 第１冷却媒体流路
１７ｂ 第２冷却媒体流路
１７ｃ 第３冷却媒体流路
２０ 燃料電池スタック
３１ 燃料出口管路
３１ａ 第１燃料出口管路
３１ｂ 第２燃料出口管路
３１ｃ 第３燃料出口管路
３３ 燃料入口管路
３３ａ 第１燃料入口管路
３３ｂ 第２燃料入口管路
３３ｃ 第３燃料入口管路
３５ａ 第１流量制御弁
３５ｂ 第２流量制御弁
３５ｃ 第３流量制御弁

Claims (6)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続された燃料電池集合体と、
   前記燃料流路に接続された燃料用管路系とを有する燃料電池システムであって、
   前記セパレータのそれぞれにおける燃料流路は、並列な複数の小流路に分割され、
   前記燃料用管路系は、各小流路に対応し、各小流路を流れる燃料ガスの流量を制御する流量制御弁を備え、
   前記複数の小流路のうちの選択された小流路に滞留する水分を排出する場合、前記選択された小流路以外の小流路に対応する流量制御弁は閉止されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料流路は、燃料電池における温度勾配の方向に分割され、
   前記燃料ガスは、温度の高い部位に対応する小流路ほど分配比が高くなるように制御される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記流量制御弁は、燃料電池の各部位の温度に応じて制御される請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流量制御弁は、燃料電池の負荷に応じて制御される請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料ガスは、滞留した水分が多い小流路ほど多く流れるように制御される請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池集合体は冷却媒体流路を備え、
   前記燃料流路は、冷却媒体流路における冷却媒体の流れの方向に分割される請求項１に記載の燃料電池システム。

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