JP2005276694A - 燃料電池スタックの燃料ガス置換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス供給マニホールド内の掃気を短時間に完了させ、炭素腐食による放電の発生を抑止する。
【解決手段】 各セルの燃料ガスチャネル５に燃料ガス（水素）を分配供給する燃料ガス供給マニホールド４の下流端と、燃料ガス排出マニホールド７と併設され下流端が燃料ガス排出口６に接続されるバイパス排出流路１０の上流端とをバイパス管９で接続する。前記バイパス管９には、電磁バルブ１１が介装されており、燃料ガスを供給し初めてから所定時間だけ前記電磁バルブ１１を開き、燃料ガス供給マニホールド４内を燃料ガスで掃気する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの燃料ガス置換装置に関し、詳しくは、燃料ガス供給マニホールド内を掃気する技術に関する。

特許文献１には、高分子イオン交換膜からなる電解質と、該電解質の両側にそれぞれ配置される触媒電極及び多孔質カーボン電極とからなる単位セルを複数個積層して構成される固体高分子電解質膜型燃料電池が開示されている。
特開平０９−０２７３３４号公報

ところで、燃料電池スタックにおいて、各セルに燃料ガスを分配供給する燃料ガス供給マニホールドがスタッキング方向に延設され、該燃料ガス供給マニホールドの一端から他端に向けて燃料ガスが流れる構成の場合、燃料ガスを供給し始めると、それまで大気に置換されていた燃料ガス供給マニホールド内が燃料ガスで掃気されることになるが、燃料ガスはその一部がセル内に分配供給されながら燃料ガス供給マニホールド内を下流側に向けて進んでいくことになる。

従って、燃料ガス供給マニホールドの上流側のセルに対しては燃料ガスが導入されているのに、下流側のセルには燃料ガスが導入されていない状態が発生し、上流側のセルでは正常な燃料電池の放電となるのに、下流側のセルでは、燃料ガスの欠乏による炭素腐食による放電が起きてしまうという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、燃料ガス供給マニホールド内の掃気に要する時間が短縮でき、以って、炭素腐食による放電の発生を抑止できる燃料電池スタックの燃料ガス置換装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明では、スタッキング方向に燃料ガス供給マニホールドが延設され、該燃料ガス供給マニホールドの一端から他端に向けて燃料ガスが流れる構成の燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給マニホールドの下流端と燃料ガス排出経路とを直接連通させるバイパス流路、及び、該バイパス流路を開閉するバルブを設け、燃料電池スタックに対して燃料ガスを供給し始めるときに、所定時間だけ前記バルブを開いて燃料ガス供給マニホールド内の掃気を行なう構成とした。

かかる構成によると、バルブを開いて燃料ガス供給マニホールドの下流端と燃料ガス排出経路とを直接連通させた状態で、燃料ガスを供給し始めると、燃料ガス供給マニホールド内の空気が各セルの燃料ガスチャネルを介することなく、燃料ガス供給マニホールドの下流端からバイパス流路に排出されるようになるから、燃料ガス供給マニホールド内の掃気時間を短くすることができる。

これによって、下流側セルの燃料ガスチャネルに対する燃料ガスの導入が上流側セルに比べて大きく遅れることがなく、下流側セルにおいて炭素腐食が発生することを抑止できる。
また、掃気完了後は、前記バルブが閉じられることで、燃料ガス供給マニホールドから各セルの燃料ガスチャネルに燃料ガスを分配供給させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、燃料電池スタックをスタッキング方向の中央付近で分割して示す図である。
この図１において、燃料電池スタック１は、電解質及び該電解質を挟んで設けられる一対の触媒電極を含んでなる単位セルを複数個積層して構成される。
前記触媒電極のうちのアノード側（燃料極側）には、燃料ガスとしての水素が供給され、該水素が前記触媒電極上でイオン化されて水素イオンと電子になる。

前記水素イオンは、前記電解質を介してカソード側の触媒電極（空気極）に移動し、電子は外部回路を流れてカソード側の触媒電極（空気極）に移動する。
カソード側の触媒電極（空気極）には空気が供給され、該空気中の酸素と前記電解質を介して移動してきた水素イオンと外部回路を移動してきた電子とが反応して水が生成される。

上記のようにして外部回路を電子が移動することで、電子の移動方向とは逆方向に電流が流れ、電気エネルギーを得ることができる。
前記燃料電池スタック１のスタッキング方向一方端の第１エンドプレート２には、燃料ガス供給口３が開口されており、該燃料ガス供給口３に連通する燃料ガス供給マニホールド４が、スタッキング方向に沿ってスタッキング方向他方端側のセルにまで延設される。

前記燃料ガス供給口３に供給される燃料ガスとしての水素は、前記燃料ガス供給マニホールド４を介して各セルの燃料ガスチャネル５に分配供給される。
また、前記第１エンドプレート２には燃料ガス排出口６が開口されており、該燃料ガス排出口６に連通する燃料ガス排出マニホールド７が、スタッキング方向他端側のセルから前記燃料ガス排出口６にまで延設される。

そして、前記燃料ガス供給マニホールド４を介して分配供給され各セルの燃料ガスチャネル５を通過した燃料ガスが、前記燃料ガス排出マニホールド７及び燃料ガス排出口６を介して外部に排出されるようになっている。
更に、前記燃料電池スタック１には、空気の供給・排出マニホールド、冷却水の供給・排出マニホールドが設けられる。

一方、本実施形態における燃料電池セル１は、前記燃料ガス供給マニホールド４内の掃気を行なうために、以下のような特徴的な構成を有する。
まず、前記燃料ガス供給マニホールド４の下流端が、前記燃料電池スタック１のスタッキング方向他方端の第２エンドプレート８を貫通するようにし、該第２エンドプレート８における燃料ガス供給マニホールド４の開口端に、バイパス管９の一端を接続させてある。

一方、燃料ガス排出マニホールド７とは独立に、バイパス排出流路１０がスタッキング方向に、燃料ガス排出マニホールド７と平行に延設される。
前記バイパス排出流路１０の一端は、前記第２エンドプレート８を貫通し、該第２エンドプレート８におけるバイパス排出流路１０の開口端には、前記バイパス管９の他端が接続される一方、前記バイパス排出流路１０の他端は、燃料ガス排出マニホールド７と共に燃料ガス排出口６に連通される。

即ち、前記燃料ガス供給マニホールド４の下流端とバイパス排出流路１０の上流端とが、燃料電池スタック１の外部に配設される前記バイパス管９によって連通される。
ここで、前記バイパス管９の途中には、常閉型の電磁バルブ１１が介装されている。
前記バイパス排出流路１０，バイパス管９が本実施形態におけるバイパス流路を構成する。

前記バイパス排出流路１０，バイパス管９は、前記電磁バルブ１１が閉じられる通常動作時において各セルの燃料ガスチャネル５に流れる燃料ガスの総量以上の燃料ガスを流せるだけの管路面積に設定され、燃料ガス供給口３に供給される燃料ガスの全量を、各セルの燃料ガスチャネル５を介することなく直接燃料ガス排出口６に導くことが可能なように構成される。

即ち、前記バイパス排出流路１０，バイパス管９の相当直径をＤとし、燃料ガスチャネル５の相当直径をｄとし、燃料ガスチャネルの本数（セル数×セル当たりのチャネル数）をＮとしたときに、Ｄ≧ｄ×Ｎ^1/4を満たすものとする。
前記電磁バルブ１１は、コントローラ１２によって開閉制御され、前記コントローラ１２は、前記燃料電池スタック１に燃料ガスを供給し始めるときに、所定時間だけ前記電磁バルブ１１を開制御する。

前記電磁バルブ１１を開くと、燃料ガス供給マニホールド４の下流端が、前記バイパス管９，バイパス排出流路１０を介して燃料ガス排出口６に連通され、燃料ガスチャネル５を介さずに燃料ガス供給マニホールド４内から大気を直接逃がす経路が確保されることになるので、燃料ガスを供給し始めるときに前記電磁バルブ１１を開いておけば、燃料ガス供給マニホールド４内の大気を燃料ガスに置換する掃気が短時間で完了する。

従って、前記所定時間は、前記電磁バルブ１１を開いた状態で燃料ガス供給マニホールド４内を掃気するのに必要充分な時間として予め記憶されている。
前記所定時間が経過すると、燃料ガス供給マニホールド４内の掃気が完了し、燃料ガス供給マニホールド４内が燃料ガスで満たされているものと判断して、前記電磁バルブ１１を閉じることで、前記燃料ガス供給マニホールド４内の燃料が各セルの燃料ガスチャネル５を通って燃料ガス排出マニホールド７に排出されるようにする。

前記電磁バルブ１１を閉じた状態（バイパス管９，バイパス排出流路１０が設けられない場合）では、燃料ガスを供給し始めたときに、燃料ガスは上流側セルから順に分配供給されながら燃料供給マニホールド４内を流れることになるため、掃気に時間がかかる。
このため、掃気完了までの間に、図２に示すように、上流側のセルでは燃料ガスの供給によって正常な燃料電池の放電となるのに、下流側のセルでは燃料ガスの供給が遅れることから、燃料ガスの欠乏による炭素腐食による放電が起きてしまう可能性がある。

これに対し、本実施形態のように、燃料ガス供給マニホールド４の下流端を、前記バイパス管９，バイパス排出流路１０を介して燃料ガス排出口６に直接連通させるようにすれば、掃気が短時間に完了するから、上流側のセル電圧の立ち上がりに対する下流側セルの電圧の立ち上がり遅れを充分に小さくでき、炭素腐食による放電の発生を回避できる。
ところで、上記実施形態では、燃料ガス排出マニホールド７とは別に、バイパス排出流路１０を設ける構成としたが、図３に示すように、前記燃料ガス排出マニホールド７の上流端が前記第２エンドプレート８を貫通するように形成し、該第２エンドプレート８における燃料ガス排出マニホールド７の開口端に、バイパス管９の一端を接続させる構成とすることができる。

また、前記バイパス管９を燃料電池セル１の外部に延設させる代わりに、第２エンドプレート８内に溝として形成されるバイパス流路によって、燃料ガス供給マニホールド４とバイパス排出流路１０又は燃料ガス排出マニホールド７とを連通させる構成とすることができる。
更に、上記実施形態では、燃料ガスの供給開始から予め記憶された時間だけ電磁バルブ１１を開く構成としたが、前記燃料ガス供給マニホールド４における掃気完了を検出して、電磁バルブ１１の閉じタイミングを制御させる構成とすることができる。

図４は、前記電磁バルブ１１の閉じタイミングを制御する実施形態を示す。
図４に示す構成は、図１の構成に対して、燃料ガス供給マニホールド４の下流端側のセルの電圧を検出する電圧センサ２１を追加し、該電圧センサ２１の検出信号に基づいてコントローラ１２が前記電磁バルブ１１の閉じタイミングを制御する構成としてある。
燃料ガス供給マニホールド４の掃気が完了し、燃料ガス供給マニホールド４内が燃料ガスで満たされるようになると、燃料ガス供給マニホールド４の下流端側のセルにも燃料ガスが導入されるようになる結果、前記下流側のセルの電圧が立ち上がる。

そこで、コントローラ１２は、燃料ガスの供給開始と共に、前記電磁バルブ１１を開き、その後、前記電圧センサ２１で検出される燃料ガス供給マニホールド４下流端側のセルの電圧が予め設定された閾値を超えた時点で、前記電磁バルブ１１を閉じる。
かかる構成によると、燃料ガス供給マニホールド４の掃気が完了し、燃料ガス供給マニホールド４下流端側のセルにも燃料ガスが導入されるようになったことが検出された時点で前記電磁バルブ１０を閉じ、通常の経路（燃料ガス供給マニホールド４→燃料ガスチャネル５→燃料ガス排出マニホールド７）で燃料ガスを各燃料ガスチャネルに分配供給するので、燃料供給マニホールド４内が大気に置換されていない状態（ホットリスタート時）での再起動時や、大気に置換される途中での再起動時であっても、前記電磁バルブ１１を過不足ない時間だけ開制御させることができ、通常運転状態への移行を遅らせることなく、掃気を短時間で確実に完了させることができる。

尚、前記電磁バルブ１１を、燃料ガスを供給し初めてから所定時間だけ閉じる構成において、前回の運転停止時からの経過時間や温度などに基づいてホットリスタートであるか否かを判断し、前記所定時間を可変に設定する構成とすることができる。

本発明の第１実施形態を示す燃料電池セルの分解斜視図。 掃気時の各セルにおける電圧の立ち上がり特性を示すタイムチャート。 本発明の第２実施形態を示す燃料電池セルの分解斜視図。 本発明の第３実施形態を示す燃料電池セルの分解斜視図。

符号の説明

１…燃料電池セル、２…第１エンドプレート、３…燃料ガス供給口、４…燃料ガス供給マニホールド、５…燃料ガスチャネル、６…燃料ガス排出口、７…燃料ガス排出マニホールド、８…第２エンドプレート、９…バイパス管、１０…バイパス排出流路、１１…電磁バルブ、１２…コントローラ、２１…電圧センサ

Claims (5)

1. スタッキング方向に燃料ガス供給マニホールドが延設され、該燃料ガス供給マニホールドの一端から他端に向けて燃料ガスが流れる構成の燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガス供給マニホールドの下流端と燃料ガス排出経路とを直接連通させるバイパス流路を設けると共に、該バイパス流路を開閉するバルブを設け、
   前記燃料電池スタックに対して燃料ガスを供給し始めるときに、所定時間だけ前記バルブを開として、前記燃料ガス供給マニホールド内の掃気を行なうことを特徴とする燃料電池スタックの燃料ガス置換装置。
2. 前記バイパス流路が、スタッキング方向に延設される燃料ガス排出マニホールドの上流端に連通されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの燃料ガス置換装置。
3. 前記バイパス流路が、スタッキング方向に延設される燃料ガス排出マニホールドのスタック出口部分に連通されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの燃料ガス置換装置。
4. 前記バイパス流路が、燃料電池スタックの燃料ガスチャネルを流れる燃料ガスの総流量以上を流せる流路面積に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池スタックの燃料ガス置換装置。
5. 前記燃料ガス供給マニホールドの下流端側のセルの電圧を検出する電圧センサを備え、前記燃料電池スタックに対して燃料ガスを供給し始めてから前記電圧センサで検出される電圧が所定電圧に達するまでの間、前記バルブを開とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池スタックの燃料ガス置換装置。

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