JP2004259535A

JP2004259535A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2004259535A
Application number: JP2003047707A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tamura; 義宏田村; Munehisa Horiguchi; 宗久堀口
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: JP4561035B2

Abstract

【課題】電極の劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１００を、単位セルとセパレータを積層させて構成したモジュール１３０を積層して構成し、モジュール１３０の間に、水素通路１７ａ、１７ｂを交互に遮断する遮蔽板１６を介挿する。燃料供給口１８２ａから燃料排出口１８１ｂへ燃料ガスが流通する際、燃料ガスは、各モジュール１３０単で流れる。燃料ガスは、燃料室内を一方の水素通路１７ａから他方の水素通路１７ｂへ流れ、次のモジュール１３０では、逆に他方の水素通路１７ｂから一方の水素通路１７ａへ流れる。
【選択図】図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、起動時に燃料ガスを短時間で大量に供給し得る燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものであるから、電解質膜を挟んで燃料ガスと酸化ガスが存在していれば、両者の電気化学的な反応が継続する。このため、従来では、燃料電池の運転を停止するために、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止し、かつ、燃料極側には、燃料ガスの変わりに空気や窒素等の置換ガスを送り込み、停止後に反応が起こらない構成を採用している。
そして、運転起動時には、燃料室に燃料ガスを送り込むことにより、置換ガスを外部に排出し反応を開始させる構成がとられている。
【０００３】
一方、特開平１１−２６００３号に記載されているように、燃料室内において、燃料ガスの濃度が他の領域より特に濃い領域と、酸化ガスの濃度が他の領域により特に濃い領域が併存する状態、即ち、同一の燃料室内で、燃料ガスと酸化ガスが偏在した状態が発生すると、燃料ガスが偏在した部分が局部電池を形成し、酸化ガスが偏在した部分に正常発電時と逆向きの電流を流すように働くため、特に酸素極を腐食させることなり、酸素極又は電解質膜の劣化が速くなるという問題がある。
燃料室の残留燃料ガスをパージする構成としては、例えば以下に示す文献が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０２−３３８６６号。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１においては、燃料極に供給されている反応ガスに代わって、不活性ガスが供給される構成となっているが、配置スペースの少ない車両等に燃料電池を搭載する場合を想定すると、停止時の燃料電池のために不活性ガス容器を搭載することは、好ましくない。
【０００６】
また、停止状態において燃料極のガスを空気に置換する構成とすると、起動時に燃料ガスを供給する際、燃料室内では瞬間的に燃料ガスと空気との偏在が発生する。この偏在によって、電気化学反応が生じ、これによって電極が劣化するという問題があった。
この発明は、電極の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）複数の単位セルと複数のセパレータとを交互に積層して構成され、各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流入通路と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流出通路とを備えた積層単位体を複数重ね合わせ、
各積層単位体は、燃料ガスの下流側に隣接する積層単位体の燃料流入通路に燃料流出通路が、燃料ガスの上流側に隣接する積層単位体の燃料流出通路に燃料流入通路がそれぞれ連通され、
燃料ガスの最も上流に位置している積層単位体の燃料流入通路には、燃料供給口が、最も下流に位置している積層単位体の燃料流出通路には、燃料排出口が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
【０００８】
（２）積層単位体の燃料保持部内における最小横断面積の総和面積と、燃料流出通路又は燃料流入通路の横断面積とが略同じである上記（１）に記載の燃料電池スタック。
【０００９】
（３）単位セルとセパレータを交互に積層することによって構成される燃料電池スタックであって、
各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、
該燃料保持部の配例方向に沿って設けられ、各燃料保持部にそれぞれ連通する２つの燃料流通路を有し
燃料流通路は、各単位セルとセパレータが積層された際に相互に重なり合う位置に形成された孔を積層することで形成され、
一方の燃料流通路に対応した位置に孔を有し、他方の燃料流通路に対応した位置に孔を有さない遮蔽板が、孔の位置を交互に変えて所定間隔で介挿されている燃料電池スタック。
【００１０】
（４）非運転状態における燃料保持部には、燃料ガスの代わりに空気が置換されている上記（１）〜（３）のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
【００１１】
（５）燃料電池始動時の燃料ガス供給圧力を、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力で燃料流入通路に供給する圧力調整手段を有する上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
【００１２】
（６）燃料排出口には、起動時専用の排出経路が接続されており、該排出経路は、通常運転時の排出経路と比較してガス流抵抗が少ない経路である上記（５）に記載の燃料電池スタック。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、空気供給系１２、水素供給手段としての高圧水素タンク１１を含む燃料供給系１０、水供給系５０から大略構成される。
【００１４】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。
【００１５】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。
集電部材３、４は金属板で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。さらに、集電部材３、４は、カーボンで構成されたものを使用することもできる。
【００１６】
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３は、矩形の板材から成り、その表面には、プレス加工によって、突出形成された複数の柱状凸部３２が形成されている。柱状凸部３２は、板材の短辺と長辺とに沿って縦横に等間隔で配列されている。柱状凸部３２の間には、長辺に沿って（図２における横方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０１が、短辺に沿って（図２における縦方向）配置された柱状凸部３２の間に形成された溝によって、水素流路３０２が形成されている。この柱状凸部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。また、柱状凸部３２の裏側は、穴３３となっている。集電部材３の両端部には、孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔３５によって水素供給路が構成される。
【００１７】
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部となっており、この中空部によって冷却流路４１が形成されている。空気流路４０と、冷却流路４１は、板材の端部まで達し、両端は、板材の端辺部で開口する開口部を備えている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合には、重ねられた孔４８によって水素供給路が構成される。
【００１８】
以上のような集電部材３、４は、各柱状凸部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、水素流路３０１、３０２の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、集電部材３、４を重ね合わせることによって、図４に示されているように、冷却流路４１が形成され、穴３３は冷却流路４１の一部を構成する。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。
【００１９】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、冷却流路４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と冷却流路４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。このため、導入口４３と流入開放口４５も交互に配置され、導出口４４と流出開放口４６も交互に配置される。また、空気と水は、側壁４７に沿って流れるため、側壁４７は、冷却フィンとしての作用も発揮する。空気流路４０と冷却流路４１が交互に、かつ平行に配置されることで、燃料電池の冷却効率が向上し、均一な冷却が可能となる。
【００２０】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、柱状凸部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の孔３５に合致する位置に孔８３ａ、８３ｂが形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４ａ、８４ｂが設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料保持部である燃料室３０が画成される。
【００２１】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３ａ、８３ｂに合致する位置に孔９３ｂ、９３ａが形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続されている。
【００２２】
上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４と冷却流路４１の流入開放口４５とに接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。
【００２３】
図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜１５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えている。固体高分子電解質膜１５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。
【００２４】
空気流路４０及び冷却流路４１の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等が挙げられる。
【００２５】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３と流入開放口４５が交互に開口し、この導入口４３と流入開放口４５に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、ノズル５５から噴射された水が同時に流入する。側壁４７は、空気の流通経路に配置され冷却フィンとしても作用する。
導入口４３と流入開放口４５から流入した空気と水は、冷却流路４１内で、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。
【００２６】
図９は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０（積層単位体）を構成し、このモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。モジュール１３０とモジュール１３０の間には、図１１に示されているように、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。図１２は、遮蔽板１６の全体平面図である。遮蔽板１６は、モジュール１３０の間に介挿された際に、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は孔１６１ｂを備えている。孔１６１ａ又は孔１６１ｂは、１枚の遮蔽板１６について、どちらか一方のみが形成されている。更には、図６に示されているセパレータ９を用いてもよい。この場合には、孔９３ａ又は孔９３ｂのいずれか一方を開孔しない事でも実現される。
なお、遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。
【００２７】
一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、連続して各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａ（燃料流入通路）から水素通路１７ｂ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂ（燃料流入通路）から水素通路１７ａ（燃料流出通路）へ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を連続して水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。このように、水素通路１７ａと水素通路１７ｂは、モジュール１３０の各燃料室３０に水素ガスを供給する燃料流入通路と、各燃料室３０から水素ガスが流出してくる燃料流入通路とに交互に入れ替わることとなる。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部１６２ｂ（又は１６２ａ）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。
【００２９】
このように、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０に分割し、モジュール毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各モジュール１３０の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、１つのモジュール１３０内においても、積層方向に配置された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずることを抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。１つのモジュール１３０が有する燃料室３０の総和の容積は、大量の水素が流通可能となる程度に確保されるので、水素の供給速度を上げても（水素の流量を上げても）、水素がモジュール１３０内の燃料室３０内に滞ることなく、短時間でジュール１３０外へ（即ち、燃料電池スタック１００の外へ）流れ出ることができる。これにより、置換速度が増大することとなり（即ち、置換ガスが水素に入れ替わるまでに要する時間が短くなり）、置換ガスと水素ガスが、燃料室３０内で偏在する時間を一層短縮することができ、電極の劣化を防止することができる。さらには、通常運転時においては、水素の流速が増大することで、生成水の排出を容易にし、燃料電池の水詰まりによる出力低下が防止できる。
【００３０】
モジュール１３０を構成する燃料電池セパレータ１３の枚数は、各セパレータ１３における水素流路３０２の断面積（燃料室内を流れる水素ガスの流線に対して、垂直な面の面積が、最も小さくなる位置の面積：図１０におけるａ部分の面積の総和（モジュール１３０を構成するセパレータ１３の、前記水素流路３０２断面積の総和）、又は、水素流通経路８４の横断面積の総和（図１１の太実線で囲まれたｂ部分の面積））が、水素通路１７ａ、１７ｂの横断面積とほぼ同じとなる枚数に決められる。このような構成とすると、燃料電池スタック１００内を流れる水素ガスの流通経路の横断面積が、燃料電池スタック１００にガスが流入してから流出するまで、大きく変動せず、モジュール１３０を構成する各セパレータ１３の燃料室３０に、ガス流をより均一に分配することができる。さらに、燃料室３０内にガス滞留部が起きることが抑制される。
【００３１】
このため、始動時のガス供給の際にも、始動時に充填されているガス（空気）を効率よく排出し、一層均一かつ迅速に水素ガスに置換することが可能となる。
【００３２】
図９に示されているように、燃料電池スタック１００の両端には、端部セパレータの外側に電極板１９１ａ、１９１ｂが積層され、さらに外側には、絶縁部材１９２ａ、１９２ｂ、エンドプレート１９ａ、１９ｂの順に積層されている。
【００３３】
図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。エンドプレート１９ａの外側面には凹部１９３ａが形成されている。この凹部１９３ａの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料供給口１８２ａが開口している。凹部１９３ａには、カバー１９４ａが、全体に覆い被せられている。凹部１９３ａは、水素通路１７ａへ向けて幅広となる形状に形成されている。カバー１９４ａは、凹部１９３ａの形状に沿った形状に形成され、水素通路１７ａに対して反対側の端に、ガス導入口１８１ａが形成されている。カバー１９４ａと凹部１９３ａで画成された空間によって、整流手段としての導入案内路１８ａが構成されている。この整流手段は、水素導入路２０２から送られてくる水素ガスを水素通路１７ａへ滑らかに導く作用を有し、流通経路の断面形状や流通方向が急激に変化することによって生じる抵抗や乱流の発生を抑制し、その結果、燃料電池スタック１００内の各燃料室に均一に水素ガスが供給されるように構成されている。
【００３４】
この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、水素導入路２０２と同じ断面形状を有し、燃料供給口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａから燃料供給口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。また、流路１８３ａには、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する整流板１８４ａが設けられている。
【００３５】
図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。導出案内路１８ｂは、エンドプレート１９ｂの外側面に形成された凹部１９３ｂと、この凹部１９３ｂに被せられたカバー１９４ｂとによって画成された空間によって構成される。凹部１９３ｂの端部には、水素通路１７ａに連通する燃料排出口１８１ｂが開口している。
【００３６】
この導出案内路１８ｂは、燃料排出口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、燃料排出口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。
【００３７】
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。なお、ガス導出口１８２ｂは、燃料排出口１８１ｂの下端部の位置よりも、鉛直方向において、同じ高さ、又は下方に位置している。このような位置にガス導出口１８２ｂを設けることによって、燃料電池スタック１００から、水素通路１７ａを通って排出される水を、水素導出路２０３へ排出することが容易となる。
【００３８】
次に、図１に示されている他の構成について説明する。空気供給系１２は大気から空気を燃料電池スタック１００の開口９４１を介して空気流路４０と冷却流路４１に供給し、燃料電池スタック１００から排出された空気を水凝縮器５１を通過させて排気する。空気供給路１２３には、吸気手段としての空気ファン１２２が備えられ、フィルタ１２１を介して、大気から空気を空気マニホールド５４へ送る。空気はマニホールド５４から燃料電池スタック１００の空気流路４０へ流入して空気極３へ酸素を供給する。燃料電池スタック１００から排出された空気は、空気排気マニホールドを経て、水凝縮器５１で排気空気中の水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。燃料電池スタック１００から排出される温度は排気温度センサＳ１によりモニタされている。また、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を構成する単位セル毎に電極の局部電位を測定する電位検出センサＳ２が設けられている。
【００３９】
この実施形態では、空気マニホールド５４にノズル５５が配設されており、これより吸気中に水が液体の状態で噴射され、空気に混合される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま、燃料電池スタック１００の下側に設けられた、容器内に回収され、水回収ポンプ６２により水タンク５３に送られる。
【００４０】
燃料供給系１０は、水素導通路２０１、水素導入路２０２を介して、高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の水素通路１７ａへ送る。水素導通路２０１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池スタック１００側へ向けて、水素元弁２２、水素一次圧センサＳ３、水素一次圧調圧弁２１、水素二次圧可変調圧弁７２ａ、水素供給電磁弁２４、水素二次圧センサＳ４が、この順に設けられている。水素一次圧センサＳ３によって高圧水素タンク１１側の水素圧がモニタされている。
【００４１】
水素二次圧調圧弁７２ａには、これに並列に回路が設けられている。その回路は、両端が水素二次圧調圧弁７２ａの上流側と下流側とに接続された流路７１と、流路７１において起動時水素供給電磁弁７３を備えている。二次圧調圧弁７２ａの設定値は、約０．１ＭＰａとなっている。即ち、二次圧調圧弁７２ａの設定値は、通常運転時の水素供給圧である。起動時においては、起動時水素供給電磁弁７３が開放される。
【００４２】
水素調圧弁２１によって、燃料電池スタック１００へ供給するために適した圧力に調整される。また水素供給電磁弁２２の開閉によって、水素の燃料電池スタック１００への供給が電気的に制御され、水素ガスの供給を行わない場合には、この電磁弁２２が閉じられ、水素ガスの供給が止められる。また、水素二次圧センサＳ４によって、燃料電池スタック１００に供給される直前の水素ガス圧がモニタされる。
【００４３】
水素導通路２０１には、水素導入路２０２の一端が接続され、水素導入路２０２の他端は燃料電池スタック１００の水素通路１７ａに接続されている。また、水素導入路２０２には、安全弁が設けられており、導入路内のガス圧が所定の値以上となった場合には、この安全弁が開放され、導入路２０２内（ひいては、燃料電池スタック１００内）の圧力が下げられる。
【００４４】
燃料電池スタック１００では、各モジュール１３０単位で水素ガスが流通し、図３に示されているように、一方の水素通路１７ａ（又は１７ｂ）から水素ガスが水素流通経路８４ａ（又は８４ｂ）へ流入し、さらに、水素流通経路８４ａ（又は８４ｂ）から水素流路３０１、３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂ（又は８４ａ）から水素通路１７ｂ（又は１７ａ）へ流入する。
【００４５】
燃料供給系１０において、燃料電池スタック１００の水素通路１７ａから排出される水素ガスは水素導出路２０３へ排出される。水素導出路２０３には、酸素濃度センサＳ５と、水素濃度センサＳ６と、ポンプ２５が設けられ、ポンプ２５は、燃料電池スタック１００から水素ガスを吸引する方向に駆動する。ポンプ２５の下流側には、水素返還路２０５の一端が接続されている。水素返還路２０５には、電磁弁２９が設けられ、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスが、直接排出側に流出しない構成となっている。
【００４６】
水素返還路２０５の他端は、水素導入路２０２に接続され、水素導入路２０２、水素導出路２０３、水素返還路２０５によって、水素循環路が形成されている。電磁弁２９とポンプ２５の間には、水素排出路２０４の一端が水回収トラップ２３を介して接続されている。水素排出路２０４には、逆止弁２６、水素排出電磁弁２７ａ、消音器２８ａが、この順で設けられている。
【００４７】
酸素濃度センサＳ５は、燃料電池スタック１００から排出されたガスの酸素濃度を検出し、水素濃度センサＳ６は、燃料電池スタック１００から排出されたガスの水素濃度を検出する。起動時排出回路２０５は、一端がポンプ２５の上流側に、他端が水素排出路２０４の逆止弁２６の上流側に接続されている。この起動時排出回路２０５には、起動専用排気弁７４が設けられている。起動時には、起動専用排気弁７４が開放され、ポンプ２５を経ずに、ガスが直接水素排出路２０４へ導かれる。起動の際のガス充填時に、排出口でのガス流抵抗を抑え、起動時の水素流入速度を増大させ、水素ガスへの置換速度を増大（置換時間を短縮）すさせるためである。
【００４８】
タンク５３の水は水供給ポンプ６１により、水供給路５６を介して、空気マニホールド５４内に配設されたノズル５５へ圧送され、ここから空気マニホールド５４内で連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック１００の開口９４１を介して空気流路４０と冷却流路４１に送られる。ここにおいて優先的に水分から潜熱を奪うので、酸素極１５ｂ側の電解質膜１５ａからの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜１５ａはその酸素極１５ｂ側で乾燥することなく、生成水により常に均一な湿潤状態を維持する。また、酸素極１５ｂの表面に供給された水は酸素極１５ｂ自体からも熱を奪いこれを冷却し、さらに冷却流路４１に流入した水も熱を奪う。これにより燃料電池スタック１００の温度を制御できる。
【００４９】
即ち、燃料電池スタック１００へ特に冷却水系を付加しなくても当該燃料電池スタック１００を充分に冷却することができる。なお、排気温度センサＳ１で検出された排出空気の温度に対応して水供給ポンプ６１の出力を制御し、燃料電池スタック１００の温度を所望の温度に維持することもできる。
タンク５３の水は、空気マニホールド５４内に配設されたノズル５５から酸素極１５ｂの表面に供給され、この水は、水凝縮器５１で回収され、容器にためられた水とともに、水回収ポンプ６２により、タンク５３に回収される。ポンプ６２とタンク５３の間には、タンク５３から水回収ポンプ６２への水の逆流を防止するため、逆止弁５２が設けられている。タンク５３の水量は、水位センサＳ７によって検出される。
【００５０】
以上のような構成において、燃料電池システム１により電力出力される通常運転状態では、空気ファン１２２から燃料電池スタック１００に空気が供給され、同時に、燃料供給系１０からは水素ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そして、燃料電池スタック１００内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを継続して供給することにより維持される。このような通常運転時においては、水素ガスの消費効率を考慮して、単位セル１５において反応が可能な充分の濃度の水素ガスが供給され、通常運転時の供給圧力は、充分な反応が維持でき、無駄が生じない範囲で設定されている。通常運転時の供給圧力が必要以上に高いと、供給過剰となり、反応していない多くの水素が排出され、燃料ガスの無駄が発生する。さらに、あまり供給圧力を上げ過ぎると固体電解質膜の破損につながる。このような観点から、通常運転時の水素ガスの供給ガス圧は、例えば、０．１メガパスカルに設定されている。一方起動時に水素ガスを供給する場合の供給ガス圧は、置換ガスの排出と、ガス偏在抑制を目的とするため、上記通常運転時のガス圧に比べて高い、つまり１次水素調圧弁２１で調整された圧力で供給される。またこの際、供給時間は微小時間に設定され、固体電解質膜がガス圧によって破損されない程度の時間であり、かつガスの偏在が十分抑制される時間となっている。
【００５１】
上記説明した燃料電池システム１は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサＳ１〜Ｓ７の検出値は、制御部に供給される。具体的には、制御部によって、水供給ポンプ６１による供給量が制御され、水回収ポンプ６２のオン・オフと、空気ファン１２２のオン・オフ、水素ポンプ２５のオン・オフが制御される。さらに、制御部によって、水素元弁２２の開閉、水素供給電磁弁２４の開閉、水素排出電磁弁２７ａの開閉、電磁弁２９開閉について制御される。
【００５２】
以上のような構成を有する燃料電池システム１は、起動時において、以下のような動作を行う。図１５及び図１６は、第１実施形態における燃料電池システム１の起動時における燃料供給系１０の制御動作を示すフローチャートである。
【００５３】
水素元弁２２は開放されていることを前提とし、イグニッションＯＮなど、起動を始める動作が確認される（ステップＳ１０１）。次に、センサ類やポンプなどの補機類の動作をチェックする（ステップＳ１０３）。このような動作チェックによって、システム各部の検出値を取得することが可能となる。さらに、空気供給系１２、水供給系５０の作動を開始する（ステップＳ１０５）。つまり、空気ファン１２２を駆動させ、ポンプ６１を駆動させる。水素一次圧センサＳ３から供給された検出値に基づいて、水素一次圧が極端に低くないか確認する（ステップＳ１０７）。圧力が低いと、ガス供給時に十分な流速が得られず、置換ガス（例えば、空気）を、パージすることができないからである。
【００５４】
次に、水素ガスを導入して、置換ガスを排出する動作を開始する。排気側のガス流路を閉じたまま、高圧のガスを供給すると、燃料電池スタック１００が損傷する恐れがあるので、最初に排気弁２７ａを開放し（ステップＳ１０９）、次に起動専用排気弁７４を開放する（ステップＳ１１１）。
【００５５】
そして、起動用水素供給弁１１３を開放し（ステップＳ１１３）、さらに水素供給弁２４を開放する（ステップＳ１１５）。これにより、１次水素調圧弁２１で調圧された水素ガスが、起動用水素供給回路を経て、２次水素調圧弁７２ａで調圧されずに、直接燃料電池スタック１００へ供給される。
【００５６】
燃料電池スタック１００から排出されたガスを水素濃度センサＳ６で検出した検出値に基づき、排出ガスの水素濃度が９５％以上であるか判断する（ステップＳ１１７）。水素濃度が９５％に達しない場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させる（ステップＳ１２３）。排出ガスの水素濃度が９５％以上であれば、燃料室３０内は、ほぼ水素ガスで満たされ、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。
【００５７】
酸素濃度センサＳ５の検出値に基づき、排出ガスの酸素濃度が１％以下であるか判断する（ステップＳ１１９）。酸素濃度が１％以下でない場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させる（ステップＳ１２３）。排出ガスの酸素濃度が１％以下であれば、燃料室３０内は、酸素ガスがほとんど残っておらず、ガスの偏在が発生していない、或いは局部電流か発生するほど酸素ガスが残っていないと推測することができる。
【００５８】
酸素濃度が１％以下である場合には、電位検出センサＳ２の検出値に基づき、全ての単位セル電極の局部電位が１．１Ｖ以下であるか判断する（ステップＳ１２１）。１つの単位セルであっても、局部電位が１．１Ｖより大きいものがある場合には、電極が劣化する恐れがあるので、警告灯を点灯させる（ステップＳ１２３）。排出ガスの水素ガス濃度を検出するだけでは、各燃料室毎のガス偏在の程度は判明しないので、各燃料室毎の局部電位を検出することで、ガス偏在の可能性を判定する。
【００５９】
ステップＳ１２１において、電極の局部電位が１．１Ｖ以下であると判断された場合には、排出ガスの水素濃度が９５％以上であり、かつ排出ガスの酸素濃度が１％以下であり、かつ全ての電極の局部電位が１．１Ｖ以下であることを意味する。この場合には、各燃料室３０内がほぼ均一に水素ガスに置換されたことを意味するので、起動時水素供給電磁弁７３を閉じる（ステップＳ１２５）。これにより、二次圧調圧弁７２ａに水素ガスが供給され、燃料電池スタック１００へは、通常運転時の圧力に調整された水素ガスが供給される。
【００６０】
起動用水素排気弁７４を閉じる（ステップＳ１２７）。供給されるガス圧が通常運転時のガス圧となった為、通常運転状態に回路の各部が切り換えられる。
【００６１】
排気弁２７ａが閉じられる（ステップＳ１２９）。これにより、通常運転状態に移行する（ステップＳ１３１）。排気弁２７ａは、通常運転時においては、水素濃度を一定値以上に維持するために、適宜開閉される。以上のような動作によって、置換ガスは、短時間で、かつ確実に排出され、水素ガスに交換される。
【００６２】
ステップＳ１２３で警告灯を点灯させた後、電極が劣化を防止するため、非常停止動作を実行する（ステップＳ１２４）。即ち、排気弁２７ａを閉じ、起動専用排気弁７４を閉じ、起動用水素供給弁１１３を閉じ、水素供給弁２４を閉じる。更に、次に、ステップＳ１０３でチェックした補機類を停止し（ステップＳ１２６）、イグニッションオフにより（ステップＳ１２８）、車両システムを停止する（ステップＳ１３０）。
【００６３】
上記実施形態の他、燃料電池スタック１００を構成する各モジュール１３０の燃料室容積の総和を、燃料ガスが流れる方向に沿って、順に変化する構成することができる。例えば、燃料ガスが流入する側のモジュール１３０の燃料室容積が最小で、ガスが流出側のモジュール１３０の燃料室容積が最大となり、その間に配置されている各モジュール１３０の燃料室容積の総和は、燃料ガスが流れる方向に沿って順に大きくなる構成とすることができる。燃料室には、酸素極から固体電解質膜を通じて逆拡散により生成される生成水が溜まるため、燃料電池スタック１００内を燃料ガスが流れると、ガス流によって生成水が押し流され、下流側のモジュール１３０の燃料室へ向けて生成水が増えて行き、下流側の燃料室内により多くの水が溜まることとなる。これによって、燃料ガスと燃料極との接触が妨げられるため、反応が抑制される恐れがある。しかし、下流側の燃料室の容積を大きく取れば、水によって損なわれた容積を確保することができ、反応を確実に確保することができる。
【００６４】
一方、逆に燃料ガスが流入する側のモジュール１３０の燃料室容積が最大で、ガスが流出側のモジュール１３０の燃料室容積が最小となり、その間に配置されている各モジュール１３０の燃料室容積の総和は、燃料ガスが流れる方向に沿って順に小さくなる構成とすることができる。この場合には、容積が順に狭くなることによって、ガス流の流速が増し、生成水が溜まる下流側のモジュール１３０で特にガス流速が大きくなる。このため、燃料室内に溜まった水は、ガス流により吹き飛ばされ、水の排出が容易となる。
【００６５】
このように、積層単位体の燃料室容積の総和を変化させるには、例えば、モジュール１３０を構成する、単位セル１５とセパレータ１３の枚数を変えることにより実現できる。つまり、燃料室容積の総和を増やすには、積層される単位セル１５とセパレータ１３の枚数を増やし、燃料室容積の総和を減らすには、積層される単位セル１５とセパレータ１３の枚数を減らせばよい。また、水の排出を容易とするために、燃料電池スタック１００の設置姿勢を、鉛直方向において、ガス排出側（エンドプレート１９ｂ側）を低く、ガス供給側（エンドプレート１９ａ側）を高く設定することができる。
【００６６】
さらに、遮蔽板１６によって、水素流路１７ａ、１７ｂを塞ぎ、モジュール１３０毎にガスが通過する構成としたが、２つの枠体８、９の少なくとも一方において、水素流路１７ａ、１７ｂを構成するためにそれぞれ設けられた一対の孔８２ａ８２ｂ及び孔９３ａ９３ｂについて、一方の孔を塞いだ枠体８、９を、遮蔽板１６に代えて設けることによって、作用を備えたモジュールを構成することができる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックを構成する積層単位体毎に、起動時ガスが流通するので、置換ガスとの間でガス偏在が発生することが抑制される。また、置換ガスを燃料ガスに代えまでの供給時間が短縮され、この燃料電池スタックを備えたシステム始動までの時間が短縮される。
【００６８】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタック内でのガス流路の断面積の変化が少ないため、ガス流通時の圧損や、滞留が抑制され、一層容易に燃料保持部内のガスを燃料ガスに置換することができる。
【００６９】
請求項３に記載の発明によれば、積層される孔によって燃料流通路を構成し、遮蔽板により燃料ガスの流通を規制する構成としたので、製造が容易である。
請求項４に記載の発明によれば、置換ガスが酸素を含む場合には、燃料ガスへの置換が均一に、かつ短時間で可能となるため、局部電流の発生による電極の劣化が抑制される。
【００７０】
請求項５に記載の発明によれば、起動時に特に高い圧力で燃料ガスを供給することによって、燃料保持部内に残留している置換ガスをより効率よく燃料ガスに置換することができる。
請求項６に記載の発明によれば、排出側にガス流抵抗の少ない起動時専用の排出経路を設けることで、モジュール毎に加わるガス圧を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）でである。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。
【図６】燃料電池用セパレータの全体背面図である。
【図７】単位セルの断面図である。
【図８】燃料電池スタックの部分平面図である。
【図９】燃料電池スタックの全体平面図である。
【図１０】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図１１】水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ−Ｄ断面図）である。
【図１２】遮蔽板の全体平面図である。
【図１３】燃料電池スタックの全体正面図である。
【図１４】燃料電池スタックの全体背面図である。
【図１５】第１実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。
【図１６】第１実施形態における起動時制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池システム
１００燃料電池スタック
１３燃料電池セパレータ
１３０モジュール
１５単位セル
１７ａ、１７ｂ水素通路
３集電部材
３０燃料室
３２柱状凸部
３０１水素流路
３０２水素流路
４集電部材
４０空気流路
４１冷却流路
４２凸状部
４３導入口
４４導出口
４５流入開放口
４６流出開放口
８枠体
９枠体

Claims

複数の単位セルと複数のセパレータとを交互に積層して構成され、各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流入通路と、各燃料保持部にそれぞれ連通する燃料流出通路とを備えた積層単位体を複数重ね合わせ、
各積層単位体は、燃料ガスの下流側に隣接する積層単位体の燃料流入通路に燃料流出通路が、燃料ガスの上流側に隣接する積層単位体の燃料流出通路に燃料流入通路がそれぞれ連通され、
燃料ガスの最も上流に位置している積層単位体の燃料流入通路には、燃料供給口が、最も下流に位置している積層単位体の燃料流出通路には、燃料排出口が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
積層単位体の燃料保持部内における最小横断面積の総和面積と、燃料流出通路又は燃料流入通路の横断面積とが略同じである請求項１に記載の燃料電池スタック。
単位セルとセパレータを交互に積層することによって構成される燃料電池スタックであって、
各単位セルの燃料極とセパレータとの間に形成された燃料保持部と、
該燃料保持部の配例方向に沿って設けられ、各燃料保持部にそれぞれ連通する２つの燃料流通路を有し
燃料流通路は、各単位セルとセパレータが積層された際に相互に重なり合う位置に形成された孔を積層することで形成され、
一方の燃料流通路に対応した位置に孔を有し、他方の燃料流通路に対応した位置に孔を有さない遮蔽板が、孔の位置を交互に変えて所定間隔で介挿されている燃料電池スタック。
非運転状態における燃料保持部には、燃料ガスの代わりに空気が置換されている請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
燃料電池始動時の燃料ガス供給圧力を、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力で燃料流入通路に供給する圧力調整手段を有する請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料電池スタック。
燃料排出口には、起動時専用の排出経路が接続されており、該排出経路は、通常運転時の排出経路と比較してガス流抵抗が少ない経路である請求項５に記載の燃料電池スタック。