JP2005116205A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガスが循環されない非循環型燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を図る。
【解決手段】制御回路５０は、切り換えバルブ部４１を高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通とする状態に切り換え、残りの切り換えバルブ部４０、４２、４３を本体２１内部と高圧水素タンク３０とを連通する状態に切り換える。この結果、燃料ガスは切り換えバルブ部４０、４２、４３から燃料電池２０内部に供給され、起電反応に供された後の不純物含有ガスは、連通孔２２近傍に滞留する。制御回路５０は切り換えバルブ部４１を燃料電池２０の内部と外部とを連通する状態に切り換え、不純物含有ガスを外部に排出する。以降、制御回路５０は、切り換えバルブ部４０〜４３の連通状態を順次切り換えて、不純物含有ガスが特定の連通孔近傍に滞留する事態を防ぐ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池に関する。

燃料電池に対する燃料ガス（水素リッチガス）の供給態様として、（１）燃料極（アノード極）に供給され、反応に用いられた燃料ガスを再度、燃料極に投入する循環型の供給態様、（２）燃料極に供給されたガスを燃料極に再投入しない非循環型の供給態様が知られている。

非循環型の燃料電池では、反応に用いられた燃料ガスを再度、燃料極に投入するための循環用配管、循環用ポンプが不要となり、燃料電池システムを小型化することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−７７５０６号公報

しかしながら、従来の非循環型の燃料電池では、燃料ガス入口、中央付近のセルでは十分な発電が行われるが、燃料ガス流路の末端付近のセルでは十分な発電が行われ難いことが判明した。この結果、本来であれば末端付近のセルによって発電されるべき電力が、燃料ガス入口、中央付近のセルによって補われることとなり、燃料ガス入口、中央付近のセルの燃料極（アノード極）および空気極（カソード極）におけるアノード極およびカソード極の熱的な劣化、および末端付近のセルの空気極（カソード極）におけるカソード極の触媒・担体の劣化が問題となる。

カソード極、アノード極の熱的な劣化は、発電を補填するセルにおける発電量が増えることにより反応（反応熱）が増加し、アノード極の材料が熱的に劣化（分解）することによって引き起こされる。この問題は、単セル時、積層時を問わずに発生する。

一方、カソード極の触媒・担体の劣化は、発電に寄与しない末端付近のセルにおけるカソード極の電位が上昇するため、電気化学的なダメージにより材料劣化が発生する。より詳細には、アノード極側の末端付近においてカソード極側から透過してきた窒素や水が対流し、結果として一種の内部電池が形成され、この結果、本来、アノード極側からカソード極側へと流れるはずの電子が、積層時にはカソード極側からアノード極側へと流れることとなる。また、単セルでも積層時でも、カソード極面内およびアノード極面内を電子が流れることとなる。これらの現象が起きるためには、カソード極側において電子が生成される必要がある。かかる電子は、炭素と水分とが反応することによって、あるいは、白金がイオン化することによって生成されるため、結局、カソード極上の担体であるカーボンと触媒である白金とが消費されることとなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料ガスが循環されない非循環型燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池を提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池は、複数のセルが積層されてなると共に内部に燃料ガスが流動する燃料ガス流路を有するスタック状の本体と、前記本体に備えられると共に前記本体内の前記燃料ガス流路と前記本体外部とを連通または非連通状態とする複数の連通機構と、所定条件時には前記複数の連通機構を選択的に連通状態に切り換える連通機構制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る燃料電池によれば、所定条件時には本体に備えられた複数の連通機構を選択的に連通状態に切り換えて、本体内の燃料ガス流路と本体外部とを連通するので、燃料ガス流路における燃料ガスの流れの向きを選択的に変更して本体内部における燃料ガスの拡散を促すことが可能となり、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を図ることができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池において、前記複数の連通機構の選択的な連通状態への切り換えは、前記燃料ガス流路の下流側に位置する１または複数の連通機構を連通状態とすることにより実行されても良い。かかる場合には、燃料ガス流路における燃料ガスの流れを活性化することが可能となると共に、燃料ガス流路の下流側に滞留する不純物の含有率の高い燃料ガスを本体外部に排出することができる。

本発明の第２の態様は、供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池は、複数のセルが積層されてなると共に内部に燃料ガスが流動する燃料ガス流路を有するスタック状の本体と、前記本体に備えられると共に、前記本体内の前記燃料ガス流路を前記本体外部および燃料ガス供給源のいずれかと連通、または前記本体内の前記燃料ガス流路を前記本体外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通とする複数の連通機構と、通常運転時には前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とすると共に、残りの連通機構を前記燃料供給源と連通状態とし、所定条件時には、前記燃料ガス流路と前記本体外部とが連通するように、前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている前記少なくとも１つの連通機構を切り換える連通機構制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る燃料電池によれば、所定条件時には本体に備えられた複数の連通機構のうち、本体外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている少なくとも１つの連通機構を、燃料ガス流路と本体外部とを連通するように切り換えるので、本体内における燃料ガスの流れを活性化することができる。したがって、本体外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている少なくとも１つの連通機構付近の本体に対して十分な燃料ガスを供給することが可能となり、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を図ることができる。

本発明の第２の態様に係る燃料電池において、前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされる前記少なくとも１つの連通機構は、前記本体外部と連通される毎に順次異なるように、前記連通機構制御手段によって選択されても良い。かかる場合には、本体外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされる少なくとも１つの連通機構が、本体外部と連通される毎に順次異なるように選択されるので、燃料ガス流路における燃料ガスの流れの向きを選択的に変更することが可能となり、本体内部における燃料ガスの拡散を促して、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を図ることができる。

本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池はさらに、出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記所定条件時は、前記検出された電圧値が所定電圧値未満となった時であっても良い。かかる場合には、各セル間における発電量のばらつきの拡大を予測することが可能となり、かかる予測を介して、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を図ることができる。

本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池はさらに、前記本体内の空気流路と前記本体外部とを連通する複数の連通孔と、前記複数の連通機構および前記複数の連通孔の近傍にそれぞれ配置された複数の参照電極と、前記参照電極によって検出される電位の上昇率を判定する判定手段とを備え、前記所定条件時は、前記各参照電極の少なくとも一つによって、前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている前記少なくとも１つの連通機構近傍における電位の上昇率が、所定値以上であると前記判定手段によって判定された時であっても良い。かかる場合には、カソード極の電位上昇を予測することが可能となり、かかる予測を介して、燃料電池性能の低下の抑制、耐久性の向上を図ることができる。

本発明の第１または第２の態様に係る燃料電池において、前記所定条件時は、前記少なくとも１つの連通機構が前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされてから所定時間経過時であっても良い。かかる場合には、定期的に本体内部における燃料ガスの流れを変動させて、本体内における燃料ガスを十分に拡散することができる。

本発明の第３の態様は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に膜電極接合体が挟持されてなると共に、供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池を提供する。本発明の第３の態様に係る燃料電池は、前記アノード側セパレータと膜電極接合体とによって形成される燃料ガス流路と、前記アノード側セパレータに備えられると共に前記燃料ガス流路と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする複数の連通機構と、所定条件時には前記複数の連通機構を選択的に連通状態に切り換える連通機構制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第３の態様に係る燃料電池は、本発明の第１の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。

本発明の第４の態様は、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に膜電極接合体が挟持されてなると共に、供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池を提供する。本発明の第４の態様に係る燃料電池は、前記アノード側セパレータと膜電極接合体とによって形成される燃料ガス流路と、前記アノード側セパレータに備えられると共に、前記燃料ガス流路を前記燃料電池外部および燃料ガス供給源のいずれかと連通、または前記燃料ガス流路を前記燃料電池外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通とする複数の連通機構と、通常運転時には前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を前記燃料電池外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とすると共に、残りの連通機構を前記燃料供給源と連通状態とし、所定条件時には、前記燃料ガス流路と前記本体外部とが連通するように、前記燃料電池外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている前記少なくとも１つの連通機構を切り換える連通機構制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の第４の態様に係る燃料電池によれば、本発明の第２の態様に係る燃料電池と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第４の態様に係る燃料電池は、本発明の第２の態様に係る燃料電池と同様にして種々の態様にて実現され得る。

以下、本発明に係る燃料電池について図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

・第１の実施例：
図１および図２を参照して第１の実施例に係る燃料電池を含む燃料電池システムについて説明する。図１は第１の実施例に係る燃料電池を含む燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係る燃料電池の内部構成を模式的に示す説明図である。

第１の実施例における燃料電池システム１０は、複数の単セルが積層されてなる燃料電池２０と、燃料電池２０に対して燃料ガスとして供給するための水素ガスを貯える高圧水素タンク３０と、燃料電池２０に備えられた各切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３を制御する制御回路５０を備えている。

燃料電池２０は、最小構成単位となる単セル２１０が複数個積層されてなるスタック状の本体２１、本体２１内部と本体２１の外部とを連通する連通部２２、２３、２４、２５を備えている。単セル２１０は、例えば、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体をアノード側セパレータとカソード側セパレータとによって挟持されて形成される。本体２１の内部には、図２に示すように、燃料ガスが流動する燃料ガス流路２１１、２１２、２１３が形成されている。燃料ガス流路２１１、２１２の端部は、それぞれ連通部２２、２３、２４、２５と連通されている。

燃料電池２０は、燃料ガス流路２１１、２１２、２１３を流動して起電反応に供された後、燃料電池２０の外部に排出された燃料ガスが、再度、燃料ガス流路２１１、２１２、２１３（燃料電池２０）に供給されない非循環型の燃料電池である。燃料電池２０には、例えば、図１に示すように負荷５５が接続されており、燃料電池２０と負荷５５とを接続する給電線５５１上には、燃料電池２０の出力電圧を検出するための電圧センサ５１が配置されている。

各燃料ガス流路２１１、２１２、２１３は、各単セル２１０が備えるセル内燃料ガス流路２１４と連通されており、各燃料ガス流路２１１、２１２、２１３を流れる燃料ガスは、セル内燃料ガス流路２１４によって各単セル２１０内に導かれる。

燃料電池２０の各連通部２１１、２１２、２１３、２１４には、切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３が接続されている。本実施例では、各切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３は、電磁的に連通・非連通状態の切り換えが可能な三方弁Ｖ３および二方弁Ｖ２とから構成されている。切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３は、本体２１の燃料ガス流路２１１、２１２と、燃料ガス供給源である高圧水素タンク３０および本体２１の外部とを選択的に連通する、あるいは、高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通とする、切り換え態様を取り得る。通常運転時には、切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３の１つが、高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通状態とされ、燃料電池２０は非循環型の燃料電池として作動する。各切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３の切り換え態様は、燃料電池システム１０の運転状態によって決定される。

制御回路５０は、いずれも図示しない、各種演算を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）、切り換えバルブ部の切り換えプログラムを始めとする各種処理プログラムを記憶するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵによる演算結果、各種検出データを一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備え、燃料電池システム１０の運転状態を制御する。制御回路５０には、各切り換えバルブ部４０、４１、４２、４３のアクチュエータ部（電磁作動部）、電圧センサ５１が接続されている。

図２を参照して、燃料電池２０の本体２１内における燃料ガスの流動状態について説明する。燃料電池２０を非循環型の燃料電池として作動させるため、連通孔２２が塞がれている（切り換えバルブ部４１が高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通となっている）場合について説明する。

高圧水素タンク３０から供給された燃料ガスは、連通孔２３、２４、２５を介して燃料ガス流路２１１、２１２に供給される。燃料ガス流路２１１、２１２に供給された燃料ガスは、セル内燃料ガス流路２１４を経由して燃料ガス流路２１３へと流動する。この結果、単セル２１に対して燃料ガスが均一に供給される。

燃料ガス流路２１１、２１２に供給され、セル内燃料ガス流路２１４へと流動しなかった燃料ガス、および燃料ガス流路２１３に流れ込んだ燃料ガスは、最後に塞がれている連通孔２２近傍に到達する。連通孔２２近傍に滞留する燃料ガスは、水素濃度が低く、また、窒素等の不純物が多く含まれている傾向にある。

図３〜図１４を参照して、第１の実施例における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの流れの態様、切り替えバルブ部４０、４１、４２、４３の作動状態について説明する。図３は通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第１の流れの態様を示す説明図である。図４は不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第１の流れの態様を示す説明図である。図５は通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第２の流れの態様を示す説明図である。図６は不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第２の流れの態様を示す説明図である。図７は通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第３の流れの態様を示す説明図である。図８は不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第３の流れの態様を示す説明図である。図９は通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第４の流れの態様を示す説明図である。図１０は不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第４の流れの態様を示す説明図である。図１１は通常運転時および不純物含有ガス排出時における、燃料ガスを供給する切り替えバルブ部の第１の作動状態を示す説明図である。図１２は通常運転時における、不純物含有ガスを排出する切り替えバルブ部の第２の作動状態を示す説明図である。図１３は不純物含有ガス排出時における、不純物含有ガスを排出する切り替えバルブ部の第３の作動状態を示す説明図である。図１４は従来の燃料電池における発電に寄与する単セルのばらつきを示す説明図である。

通常運転開始時には、制御回路５０は、切り換えバルブ部４１を、高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通とする、第２の作動状態とし（図１２参照）、残りの切り換えバルブ部４０、４２、４３を、本体２１の燃料ガス流路２１１、２１２と高圧水素タンク３０とを連通する、第１の作動状態（図１１参照）とする。この結果、燃料電池２０における燃料ガスの流れは図３に示す第１の流れの態様を示し、燃料ガスは切り換えバルブ部４０、４２、４３から供給され、起電反応に供された燃料ガスは、連通孔２２近傍（切り換えバルブ部４１）に滞留する。連通孔２２近傍における燃料ガス中の水素濃度は低く、また、窒素、水分等の不純物を多く含む。

制御回路５０は、電圧センサ５１によって検出された燃料電池２０の出力電圧値が所定値未満となると、不純物含有ガスの排出が必要であると判断して、図１３に示すように、切り換えバルブ部４１を、本体２１の燃料ガス流路２１１と本体２１の外部とを連通する、第３の作動状態とする。すなわち、燃料電池２０の出力電圧は、電解質膜を透過してカソード側からアノード側へ移動する窒素、水分といった不純物量が増加するに従って低下する。この結果、図４に示すように、連通孔２２近傍における不純物含有ガスが、本体２１の外部、例えば、大気中に放出される。

制御回路５０は、切り換えバルブ部４１を、第３の作動状態に切り換えてから所定時間経過後に、燃料電池２０の運転状態を通常運転状態とするため、切り換えバルブ部４３を、高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通とする、第２の作動状態とし（図１２参照）、残りの切り換えバルブ部４０、４１、４２を、本体２１の燃料ガス流路２１１、２１２と高圧水素タンク３０とを連通する、第１の作動状態（図１１参照）とする。この結果、燃料電池２０における燃料ガスの流れは、図５に示す第２の流れの態様を示し、燃料ガスは切り換えバルブ部４０、４１、４２から供給され、起電反応に供された燃料ガスは、連通孔２５近傍（切り換えバルブ部４３）に滞留する。連通孔２５近傍における燃料ガス中の水素濃度は低く、また、窒素、水分等の不純物を多く含む。

制御回路５０は、電圧センサ５１によって検出された燃料電池２０の出力電圧値が所定値未満となると、不純物含有ガスの排出が必要であると判断して、切り換えバルブ部４３を、本体２１の燃料ガス流路２１１と本体２１の外部とを連通する、第３の作動状態とする（図１３参照）。この結果、図６に示すように、連通孔２５近傍における不純物含有ガスが、本体２１の外部、例えば、大気中に放出される。

制御回路５０は、切り換えバルブ部４３を、第３の作動状態に切り換えてから所定時間経過後に、燃料電池２０の運転状態を通常運転状態とするため、切り換えバルブ部４２を、高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通とする、第２の作動状態とし（図１２参照）、残りの切り換えバルブ部４０、４１、４３を、本体２１の燃料ガス流路２１１、２１２と高圧水素タンク３０とを連通する、第１の作動状態（図１１参照）とする。この結果、燃料電池２０における燃料ガスの流れは、図７に示す第３の流れの態様を示し、燃料ガスは切り換えバルブ部４０、４１、４３から供給され、起電反応に供された燃料ガスは、連通孔２４近傍（切り換えバルブ部４２）に滞留する。連通孔２４近傍における燃料ガス中の水素濃度は低く、また、窒素、水分等の不純物を多く含む。

制御回路５０は、電圧センサ５１によって検出された燃料電池２０の出力電圧値が所定値未満となると、不純物含有ガスの排出が必要であると判断して、切り換えバルブ部４２を、本体２１の燃料ガス流路２１２と本体２１の外部とを連通する、第３の作動状態とする（図１３参照）。この結果、図８に示すように、連通孔２４近傍における不純物含有ガスが、本体２１の外部、例えば、大気中に放出される。

制御回路５０は、切り換えバルブ部４２を、第３の作動状態に切り換えてから所定時間経過後に、燃料電池２０の運転状態を通常運転状態とするため、切り換えバルブ部４０を、高圧水素タンク３０および本体２１の外部の双方と非連通とする、第２の作動状態とし（図１２参照）、残りの切り換えバルブ部４１、４２、４３を、本体２１の燃料ガス流路２１１、２１２と高圧水素タンク３０とを連通する、第１の作動状態（図１１参照）とする。この結果、燃料電池２０における燃料ガスの流れは、図９に示す第４の流れの態様を示し、燃料ガスは切り換えバルブ部４１、４２、４３から供給され、起電反応に供された燃料ガスは、連通孔２３近傍（切り換えバルブ部４０）に滞留する。連通孔２３近傍における燃料ガス中の水素濃度は低く、また、窒素、水分等の不純物を多く含む。

制御回路５０は、電圧センサ５１によって検出された燃料電池２０の出力電圧値が所定値未満となると、不純物含有ガスの排出が必要であると判断して、切り換えバルブ部４０を、本体２１の燃料ガス流路２１２と本体２１の外部とを連通する、第３の作動状態とする（図１３参照）。この結果、図１０に示すように、連通孔２２近傍における不純物含有ガスが、本体２１の外部、例えば、大気中に放出される。

以後、制御回路５０は、上記４パターンを繰り返し実行する。なお、不純物含有ガスの排出の必要性の有無は、上記燃料電池２０の出力電圧値に代えて、予め経験的に求められた時間によって判定されても良く、あるいは、各単セル２１０に参照電極を配置し、配置した参照電極によって検出される電圧の上昇率または下降率に基づいて判定されても良い。

以上説明したように、第１の実施例に係る燃料電池２０によれば、不純物含有ガスを排出する切り換えバルブを順次切り換えていくので、不純物含有ガスが滞留する領域（連通孔位置）を順次変動させることができる。この結果、常に、燃料電池２０の同じ領域に不純物含有ガスが滞留する事態を回避することができるので、燃料電池２０の発電性能の低下を抑制することができると共に、燃料電池２０の耐久性を向上させることができる。

すなわち、不純物含有ガスが滞留する領域を順次変動させることによって、燃料ガスが燃料電池２０の全域に十分に拡散可能となり、燃料電池２０を構成する全ての単セル２１０において均等に発電がなされる。この結果、図１４に示すように、従来問題となっていった、燃料電池７０を形成する単セル７１のうち、上流側（入口、中央付近）の単セル７１ａのみが発電に寄与し、下流側（末端付近）の単セル７１ｂでは発電が起こりにくいという問題を解決することができる。したがって、過剰な反応（起電）に伴う高い反応熱に起因する上流側（入口、中央付近）セルにおけるアノード極およびカソード極の損傷、および電位上昇に伴う電気化学的反応に起因する下流側（末端付近）セルにおけるカソード極上の損傷を防止することができる。

また、第１の実施例における連通孔２２〜２５は、燃料ガスを供給するための機能と、不純物含有ガスを排出するための機能の双方を１つの孔によって実現しているので、本体２１の構造、燃料ガス流路２１１、２１２、２１３の構造を単純化することができる。また、燃料電池２０を小型化することができる。

・第２の実施例：
図１５および図１６を参照して第２の実施例に係る燃料電池６０について説明する。図１５は第２の実施例に係る燃料電池６０の内部構成を模式的に示す説明図である。図１６は従来の燃料電池（単セル）における問題点である、発電領域のばらつきを示す説明図である。

第２の燃料電池６０は、１体の単セルによって構成されている。発電に対する寄与の相違による電極触媒損傷の問題は、積層スタック状の燃料電池における上流側単セルと下流側単セル間のみならず、単セルのセル内燃料ガス流路６１３においても同様に生じる問題であることは既述の通りである。

第２の燃料電池６０は、２つの給排孔６１１、６１２を有すると共に２つの給排孔６１１、６１２を連通し、高圧水素タンクから供給された燃料ガスが流動するセル内燃料ガス流路６１３を有するセパレータ６１を備えている。セパレータ６１の給排孔６１１、６１２近傍におけるセル内燃料ガス流路６１３には当該領域における電位を検出するための参照電極Ｒが配置されている。燃料電池６０はさらに、セル内燃料ガス流路６１３と燃料電池６０外部または高圧水素タンクのいずれかとを選択的に連通、あるいは、セル内燃料ガス流路６１３と燃料電池６０外部および高圧水素タンクのいずれとも非連通とするための、切り換えバルブ部６２、６３を備えている。

例えば、通常運転開始時には、切り換えバルブ部６２が高圧水素タンクと連通状態とされ、切り換えバルブ部６３は燃料電池６０外部および高圧水素タンクのいずれとも非連通状態とされる。かかる状態にて運転が継続されると、給排孔６１２近傍のセル内燃料ガス流路６１３には不純物含有ガスが滞留し始め、次第に給排孔６１２近傍に配置された参照電極によって検出される電位が上昇し始める。

参照電極Ｒによって検出された電位の上昇割合（単位時間当たりの電位上昇率）が所定の割合を超えた場合には、切り換えバルブ部６３は燃料電池６０外部と連通状態とされ、給排孔６１２近傍に滞留する不純物含有ガスが燃料電池２０の外部に排出される。

次に、切り換えバルブ部６３が高圧水素タンクと連通状態とされ、切り換えバルブ部６２は燃料電池６０外部および高圧水素タンクのいずれとも非連通状態とされる。かかる状態にて運転が継続されると、給排孔６１１近傍のセル内燃料ガス流路６１３には不純物含有ガスが滞留し始め、次第に給排孔６１１近傍に配置された参照電極Ｒによって検出される電位が上昇し始める。

参照電極Ｒによって検出された電位の上昇割合（単位時間当たりの電位上昇率）が所定の割合を超えた場合には、切り換えバルブ部６２は燃料電池６０外部と連通状態とされ、給排孔６１１近傍に滞留する不純物含有ガスが燃料電池６０の外部に排出される。

以後、上記２パターンが繰り返して実行される。なお、不純物含有ガスの排出の必要性の有無は、上記参照電極によって検出される電位の上昇率に代えて、燃料電池６０の出力電圧値、予め経験的に求められた時間によって判定されても良い。

以上説明したように、第２の実施例に係る燃料電池６０によれば、不純物含有ガスを排出する切り換えバルブを順次切り換えていくので、セパレータ６１（電極）上における不純物含有ガスが滞留する領域を順次変動させることができる。この結果、燃料電池６０の同じ領域における不純物含有ガスの滞留を防止することができるので、燃料電池６０の発電性能の低下を抑制することができると共に、燃料電池６０の耐久性を向上させることができる。

すなわち、不純物含有ガスが滞留する領域を順次変動させることによって、燃料ガスが燃料電池６０（セル内燃料ガス流路６１３）の全域に十分に拡散可能となり、燃料電池６０の全ての領域において均等に発電がなされる。この結果、図１５に示すように、従来問題となっていった、セル内燃料ガス流路７１３の上流側領域（入口および中央付近の領域）７１３ａのみが発電に寄与し、下流側領域（末端近傍の領域）７１３ｂでは発電が起こりにくいという問題を解決することができる。したがって、過剰な反応（起電）に伴う高い反応熱に起因する入口および中央付近におけるアノード極およびカソード極の損傷、および電位上昇に伴う電気化学的反応に起因する末端付近におけるカソード極上損傷を防止することができる。

・その他の実施例：
第１の実施例では、連通孔２２〜２５を燃料電池２０の横断面の垂直辺に対して平行に配置したが、横断面の対角に配置されてもよい。すなわち、連通孔２２〜２５は三次元的に配置されても良い。

第１の実施例において用いてスタック内の燃料ガス流路２１１、２１２の構成は一例に過ぎず、この他にも対角配置を始めとした様々な流路構成を取り得ることは言うまでもない。

上記第１の実施例においては、連通孔２２〜２５を４つ備えた燃料電池２０（本体２１）を用いているが、連通孔の数は２つ以上であれば構わない。また、連通孔２２〜２５は、燃料ガスを供給するための機能と、不純物含有ガスを排出するための機能の双方を実現しているが、いずれか一方の機能を有する連通孔を一対に、あるいはバラバラに備えても良い。かかる場合には、切り換えバルブ部は、各連通孔にそれぞれ備えられ、燃料ガス流路と燃料電池２０の外部とを連通する切り換えバルブ、燃料ガス流路と高圧水素タンク３０とを連通する切り換えバルブがそれぞれ用いられる。

上記第１の実施例では、連通孔２２〜２５は燃料電池２０（本体２１）の両側面に水平方向に対向配置されているが、正面および裏面に水平方向に対向配置されても良く、さらには、底面および頂面に垂直方向に対向配置されていても良い。あるいは、水平方向と垂直方向の双方に配置されていても良い。また、本体２１内部における燃料ガス流路２１１、２１２、２１３は例示に過ぎず、水平方向、垂直方向のいずれの方向に形成配置されても良く、複数の燃料ガス流路が交差するように配置されていても良い。

第２の実施例において用いたセパレータ６１におけるセル内燃料ガス流路６１３の構成は一例に過ぎず、この他にも対向流路を始めとした様々な流路構成を取り得ることは言うまでもない。

上記第１の実施例においては、連通孔２２〜２５を４つ備えた燃料電池２０（本体２１）を用いているが、連通孔の数は２つ以上であれば構わない。また、連通孔２２〜２５は、燃料ガスを供給するための機能と、不純物含有ガスを排出するための機能の双方を実現しているが、いずれか一方の機能を有する連通孔を対にして備えても良い。かかる場合には、切り換えバルブ部４０〜４３は、各連通孔にそれぞれ備えられる。

上記第２の実施例では、連通孔６１１、６１２は燃料電池６０の一側面に配置されているが、両側面に対向配置されていても良く、さらには、底面および頂面の少なくとも一方に垂直方向に対向配置されていても良い。あるいは、水平方向と垂直方向の双方に配置されていても良い。また、セル内燃料ガス流路６１３の形状は例示に過ぎず、単一流路、複数流路のいずれの形状であっても良く、また、水平方向および垂直方向のいずれの方向に形成配置されても良い。

以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池を説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

第１の実施例に係る燃料電池を含む燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 第１の実施例に係る燃料電池の内部構成を模式的に示す説明図である。 通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第１の流れの態様を示す説明図である。 不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第１の流れの態様を示す説明図である。 通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第２の流れの態様を示す説明図である。 不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第２の流れの態様を示す説明図である。 通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第３の流れの態様を示す説明図である。 不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第３の流れの態様を示す説明図である。 通常運転時における燃料電池２０における燃料ガスの第４の流れの態様を示す説明図である。 不純物含有ガス排出時における燃料電池２０における燃料ガスおよび不純物含有ガスの第４の流れの態様を示す説明図である。 通常運転時および不純物含有ガス排出時における、燃料ガスを供給する切り替えバルブ部の第１の作動状態を示す説明図である。 通常運転時における、不純物含有ガスを排出する切り替えバルブ部の第２の作動状態を示す説明図である。 不純物含有ガス排出時における、不純物含有ガスを排出する切り替えバルブ部の第３の作動状態を示す説明図である。 従来の燃料電池における発電に寄与する単セルのばらつきを示す説明図である。 第２の実施例に係る燃料電池６０（セパレータ６１）の内部構成を模式的に示す説明図である。 従来の燃料電池（単セル）における問題点である、発電領域のばらつきを示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０、６０…燃料電池
２１…本体
２１０…単セル
２１１、２１２、２１３…燃料ガス流路
２１４…セル内燃料ガス流路
２２、２３、２４、２５…連通孔
３０…高圧水素タンク
４０、４１、４２、４３…切り換えバルブ部
５０…制御回路
６１１、６１２…連通孔
６１３…セル内燃料ガス流路
６２、６３…切り換えバルブ部

Claims (9)

1. 供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池であって、
   複数のセルが積層されてなると共に内部に燃料ガスが流動する燃料ガス流路を有するスタック状の本体と、
   前記本体に備えられると共に前記本体内の前記燃料ガス流路と前記本体外部とを連通または非連通状態とする複数の連通機構と、
   所定条件時には前記複数の連通機構を選択的に連通状態に切り換える連通機構制御手段とを備える燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記複数の連通機構の選択的な連通状態への切り換えは、前記燃料ガス流路の下流側に位置する１または複数の連通機構を連通状態とすることにより実行される燃料電池。
3. 供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池であって、
   複数のセルが積層されてなると共に内部に燃料ガスが流動する燃料ガス流路を有するスタック状の本体と、
   前記本体に備えられると共に、前記本体内の前記燃料ガス流路を前記本体外部および燃料ガス供給源のいずれかと連通、または前記本体内の前記燃料ガス流路を前記本体外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通とする複数の連通機構と、
   通常運転時には前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とすると共に、残りの連通機構を前記燃料供給源と連通状態とし、所定条件時には、前記燃料ガス流路と前記本体外部とが連通するように、前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている前記少なくとも１つの連通機構を切り換える連通機構制御手段とを備える燃料電池。
4. 請求項３に記載の燃料電池において、
   前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされる前記少なくとも１つの連通機構は、前記本体外部と連通される毎に順次異なるように、前記連通機構制御手段によって選択される燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池はさらに、
   出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   前記所定条件時は、前記検出された電圧値が所定電圧値未満となった時である燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池はさらに、
   前記本体内の空気流路と前記本体外部とを連通する複数の連通孔と、
   前記複数の連通機構および前記複数の連通孔の近傍にそれぞれ配置された複数の参照電極と、
   前記参照電極によって検出される電位の上昇率を判定する判定手段とを備え、
   前記所定条件時は、前記各参照電極の少なくとも一つによって、前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている前記少なくとも１つの連通機構近傍における電位の上昇率が、所定値以上であると前記判定手段によって判定された時である燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記所定条件時は、前記少なくとも１つの連通機構が前記本体外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされてから所定時間経過時である燃料電池。
8. アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に膜電極接合体が挟持されてなると共に、供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池であって、
   前記アノード側セパレータと膜電極接合体とによって形成される燃料ガス流路と、
   前記アノード側セパレータに備えられると共に前記燃料ガス流路と前記燃料電池外部とを連通または非連通状態とする複数の連通機構と、
   所定条件時には前記複数の連通機構を選択的に連通状態に切り換える連通機構制御手段とを備える燃料電池。
9. アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に膜電極接合体が挟持されてなると共に、供給された燃料ガスが再投入されない燃料ガス非循環型の燃料電池であって、
   前記アノード側セパレータと膜電極接合体とによって形成される燃料ガス流路と、
   前記アノード側セパレータに備えられると共に、前記燃料ガス流路を前記燃料電池外部および燃料ガス供給源のいずれかと連通、または前記燃料ガス流路を前記燃料電池外部および燃料ガス供給源のいずれとも非連通とする複数の連通機構と、
   通常運転時には前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を前記燃料電池外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とすると共に、残りの連通機構を前記燃料供給源と連通状態とし、所定条件時には、前記燃料ガス流路と前記燃料電池外部とが連通するように、前記燃料電池外部および前記燃料ガス供給源のいずれとも非連通状態とされている前記少なくとも１つの連通機構を切り換える連通機構制御手段とを備える燃料電池。

Images