JP2006059593A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の劣化を抑制する燃料電池スタックを提供する。
【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単位で流れる。各モジュール１３０は、通常運転状態の燃料ガスの流通方向に沿って積層枚数が減少しており、下流へ向かうに従って、流通速度が速くなる。起動時においては、通常運転時のガス流方向に対して逆方向から燃料ガスを供給し、運転停止時の置換ガスを排出する。
【選択図】図９

Description

この発明は、燃料電池システム及びその運転方法に係り、詳しくは、燃料ガスの流速が変化する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

一般に、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。

そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極の間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。

燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどか提案されている。

従来、燃料電池スタックを起動・停止する方法としては、燃料ガスの供給を制御する方法や、セパレータと燃料極との間の燃料室に供給するガスを燃料ガス或いは酸化ガスと反応を起こさないガス（置換ガス）に切り換える方法がある。

燃料ガスの供給を制御する方法は、起動時には、燃料室内に燃料ガスを供給して酸素極の酸化ガスと反応させ、停止時には、燃料ガスの供給を停止することで、燃料室内の燃料ガスを外部から進入する空気と置換し、反応を停止させる方法である。

また、供給ガスを切り換える方法は、起動時には燃料室に燃料ガス供給路を通して燃料ガスを供給し、停止時には、燃料ガス供給路を通して置換ガスを供給することで、燃料室内の燃料ガスを強制的に置換ガスと置換し、反応を停止させる方法である。
特開２００４−１３９９８４号。

しかしながら、これらの方法は、置換ガスとして空気を用いた場合、置換中に燃料室内の燃料ガスと空気中の酸素とが反応し、この反応に伴って電極が劣化するという問題があった。

この問題を解決する方法としては、置換時間が短くなるように、燃料室の容積、すなわち燃料電池スタック内の流路断面積を小さくして、燃料ガス及び置換ガスの導入速度を上げることが考えられるが、流速が増加した状態で運転を続けると、上流側の単位セルの高分子電解質膜が乾燥し、出力が低下してしまう。

そこで、本発明は、燃料電池スタックの起動・停止時における電極の劣化を防止すると共に、単位セルの乾燥による出力低下を防止することで、安定した出力が得られ、かつ長寿命の燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

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） 単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを流路断面積を変えて複数形成し、燃料ガスの入口側モジュールの流路断面積が出口側モジュールの流路断面積よりも大きくなるように、かつ燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの燃料ガス入口に接続された燃料供給路及び燃料ガス出口に接続された燃料排出路を有し、これらの燃料供給路及び燃料排出路を通して燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
燃料ガスが供給される流路を前記燃料供給路又は前記燃料排出路に切り換える流路切換手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

(２) 前記流路切換手段は、起動時、燃料ガスが供給される流路を前記燃料排出路に切り換え、前記燃料電池スタックの出力が所定値に達したとき、通常運転として、燃料ガスが供給される流路を前記燃料供給路に切り換える上記（１）に記載の燃料電池システム。

（３） 前記燃料電池スタックの入口側モジュールは、単位セルが多く積層されることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは単位セルが少なく形成されることで流路断面が小さく形成されている上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。

（４） 単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを流路断面積を変えて複数形成し、燃料ガスの入口側モジュールの流路断面積が出口側モジュールの流路断面積よりも大きくなるように、かつ燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックに、燃料ガスを供給する燃料電池システムの運転方法において、
起動時、前記出口側モジュールの出口マニホールドより燃料ガスを供給し、前記燃料電池スタックの出力が所定値に達したとき、通常運転に切り換えて、前記入口側モジュールの入口マニホールドより燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

(５) 運転停止時、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に、燃料ガスに代えて空気を供給する上記（４）に記載の燃料電池システムの運転方法。

請求項１に記載の発明によれば、各モジュール（積層単位体）は、燃料ガスの流入する上流側が、流路断面積が大きく、燃料ガスの流出する下流側が、流路断面積が小さく構成されているので、上流側では、ガスの流速が遅く、下流側では、流速が速くなる。このため、通常運転状態では、上流側では、ガスの流速が遅く、下流へ移動するほど流速が速くなり、上流では、遅い流速によって電極の乾燥が抑制され、流速の速い下流では、ガスの流れの勢いによって、溜まっている水が燃料電池スタックの外へ排出され、フラッディング現象が抑制される。

また、燃料ガス流路内の空気を燃料ガスに置換している場合では、流路切換手段により燃料電池スタックの出口側モジュールから燃料ガスを供給することで、空気と燃料ガスが反応しやすい燃料電池スタック上流側の流速が、通常運転する場合よりも速くなるので、電極の劣化を抑制できる。

請求項２に記載の発明によれば、起動時においては、逆に燃料ガス出口に燃料を供給するので、置換ガスに最初に接触する流入（上流）側で流速が速くなり、燃料ガス入口側（流出側／下流側）で流速が遅くなる。このため、置換ガスと燃料ガスとの境界面は、速い流速によって、直ちに下流へ押し流されるので、置換ガスと燃料ガスとの反応のための時間を与えず、電極の劣化を抑制することができる。燃料ガス入口付近（流出側／下流側）では、流速が遅くなるが、既に置換ガス中の酸素は消費され、反応が起こりにくくなっており、電極の劣化が抑制される。そして、燃料電池スタックの出力が所定値に達した場合に、燃料ガスが供給される流路を前記燃料供給路に切り換えるので、置換ガスから燃料ガスへの置換の状態を把握して、適当なタイミングで、通常運転への切替ができる。

請求項３に記載の発明によれば、単位セルとセパレータの積層数を変更することにより流路の断面積を調整できるので、共通のセパレータを用いて組立てが可能で、イニシャルコストの低減を図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、起動時においては、逆に燃料ガス出口に燃料を供給するので、置換ガスに最初に接触する流入（上流）側で流速が速くなり、燃料ガス入口側（流出側／下流側）で流速が遅くなる。このため、置換ガスと燃料ガスとの境界面は、速い流速によって、直ちに下流へ押し流されるので、置換ガスと燃料ガスとの反応のための時間を与えず、電極の劣化を抑制することができる。燃料ガス入口付近（流出側／下流側）では、流速が遅くなるが、既に置換ガス中の酸素は消費され、反応が起こりにくくなっており、電極の劣化が抑制される。

請求項５に記載の発明によれば、運転停止状態における置換ガスが空気である場合には、燃料ガスとの反応が生じ易く、電極の劣化を招く可能性が高いので、請求項４に記載の発明の効果がより有効に発揮される。

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スタック１００を備えた燃料電池システムにおける燃料供給系１０の構成を示す回路図である。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と、燃料電池スタック１００に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系１０を備えている。

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。

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。

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。

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。

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、図３及び図５に示されているように、空気流路４０は、単位セル１５の燃料極と、矩形波状に折り曲げられた集電板とで囲まれた管状の開口部４００で形成されている。この空気流路４０を通して単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。図４に示されているように、水素流路３０１、３０２は、柱状凸部３２の高さが、水素流路３０１、３０２の流路幅Ｗとなる。この柱状凸部３２の高さを調整することにより、水素流路３０１、３０２の流路幅Ｗを変更し、水素流路断面積を変更することができる。また、柱状凸部３２の外径ｄ（図２）を調整することにより、水素流路３０１、３０２の流路高さ（隣接する柱状凸部３２の間隔）を変更し、水素流路断面積を変更してもよい。

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。

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。

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。

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。

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。酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、固体高分子電解質膜１５ａは、これら酸素極１５ｂや燃料極１５ｃよりも大きく形成されている。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。

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（Ｔｉ Ｏ₂）等が挙げられる。

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。

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に示されている枠体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。または、セパレータ１４を構成する集電部材３、４の片方の孔３５又は４８を開孔しないことにより実現できる。

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。

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。

各モジュール１３０は、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。

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。

図９に示されているように、各モジュール１３０は、積層されている単位セル１５とセパレータ１３の数が異なる。水素ガスが最初に流入するモジュール１３０−１は、積層枚数が最も多く、水素ガスが最後に流入するモジュール１３０−４は、最も少ない。そして、モジュール１３０−１〜モジュール１３０−４へ向けて、モジュール１３０における単位セル１５とセパレータ１３の積層枚数は、漸減するように構成されている。

このように構成することによって、各モジュール１３０−１〜４内を流通する水素ガスの流通路横断面積が、下流へ向けて減少するように構成される。各モジュール１３０の水素ガス流通路横断面積は、各モジュール１３０を構成する各セパレータ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））により算出される。即ち、積層されるセパレータ１３の数が減れば、水素ガス流通路横断面積も減ることとなる。

このように水素ガス流通路横断面積が減ることで、各モジュール１３０−１〜４内を流れる水素ガスの流速は、各モジュール毎に異なり、下流へ向けて流速が速くなることとなる。

また、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順番に流通させる構成とすることによって、各燃料室３０を通過水素ガスの量を均等に近づけることができる。つまり、１つのモジュール１３０内において、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１３０−１〜４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。

燃料室３０内に発生する逆拡散水は、ガス流によって、下流側へ押し流され下流へ向かう程、逆拡散水が溜まっていくが、既述のように、下流側が最もガス流の流速が高いので、溜まった逆拡散水を容易に排出することができる。また、水素ガスの流入する上流側では、ガス流速が低くなるため、タンクから供給される乾燥した水素ガスとの接触により、燃料極の水分持ち去り量を少なくすることができる。

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。

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。

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、燃料ガス入口である燃料供給口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、水素ガスを整流して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。

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に連通する燃料ガス出口としての燃料排出口１８１ｂが開口している。

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２０２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、水素ガスを整流して導く構成となっている。

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、整流されて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２０２へ排出することが容易となる。

次に、図１に示されている他の構成について説明する。燃料供給系１０は、高圧水素タンク１１に一端が接続されている水素道通路２０１と、水素道通路２０１の他端に接続された水素排出路２０２と、同じく水素道通路２０１に一端が接続されている水素導入路２０３と、水素導入路２０３の他端に接続された水素供給路２０５と、一端が水素排出路２０２に他端が水素供給路２０５に接続された水素循環路２０４とを備えた管路を有している。燃料排出路である水素排出路２０２は、燃料電池スタック１００のガス導出口１８２ｂに接続され、燃料供給路である水素供給路２０５は、燃料電池スタック１００のガス導入口１８１ａに接続されている。水素排出路２０２、水素循環路２０４、水素供給路２０５によって、水素循環経路が構成される。

水素道通路２０１と水素排出路２０２との間には、起動時水素供給電磁弁Ｖ１が設けられ、水素導入路２０３には、通常時水素供給電磁弁Ｖ２が設けられ、水素循環路２０４には、水回収ドレインタンク２１、水素循環ポンプ２２、水素循環切換電磁弁Ｖ３が設けられ、水素供給路２０５には、起動時水素排気電磁弁Ｖ５が設けられている。また、水回収ドレインタンク２１には、水素排気路２０６が接続され、水素排気路２０６には水素排気電磁弁Ｖ４が設けられている。起動時水素供給電磁弁Ｖ１及び通常時水素供給電磁弁Ｖ２によって流路切換手段が構成される。

図１５に示されているフローチャートに基づいて、燃料電池システムの動作について説明する。イグニッションがオンされたか判断する（ステップＳ１０１）。車両のイグニッションのＯＮによって、モータを駆動させる電力の供給が必要となり、燃料電池スタック１００による発電の必要があるからである。イグニッションがオンでない場合には、次のステップには進まない。イグニッションがオンである場合には、燃料電池スタック１００の起動が必要であると判断する。

起動時においては、燃料室３０内に充填されている空気を排出し、燃料室３０内のガスを水素ガスに置換する必要がある。このため、起動時は、通常時水素供給電磁弁Ｖ２、水素循環切換電磁弁Ｖ３、水素排気電磁弁Ｖ４を閉じ（ステップＳ１０３）、起動時水素排気電磁弁Ｖ５と起動時水素供給電磁弁Ｖ１を開放する（ステップＳ１０５）。ここで起動時とは、燃料電池スタック１００が、発電駆動を開始する時である。燃料電池スタック１００には、ガス導出口１８２ｂから水素ガスが流入する。そして、水素ガスは、ガス導入口１８１ａへ向かって、各モジュール１３０−３〜１を順に流れ、充填されていたガスを押し出しつつ、水素供給路２０５へ流出し、起動時水素排気電磁弁Ｖ５から外へ充填ガスを押し出し、ガスの置換を完了する。ここで、燃料電池スタック１００内では、次のような作用が発揮されている。既述の通り、燃料電池スタック１００は、ガス導出口１８２ｂ側のモジュール１３０−４が、ガス流路が狭く構成されているので、流入した最少のモジュール１３０−４では、流速が速くなる。置換ガスが空気である場合には、置換ガスと水素の接触によって、境界面で反応が起こり、燃料極の劣化の原因となるが、流速が速いために水素ガスへの置換が短時間で行われ、電極の劣化が抑制される。また、ガス導入口１８１ａ側のモジュール１３０−１では、流速が遅くなるが、この時点で酸素は、途中で触媒燃焼し、濃度が薄くなっているため、水素との反応が起こり難く、電極の劣化が抑制される。上記高圧水素タンク１１、水素道通路２０１、水素排出路２０２、水素供給路２０５並びに起動時水素供給電磁弁Ｖ１及び起動時水素排気電磁弁Ｖ５によって、起動燃料供給回路が構成され、起動時水素供給電磁弁Ｖ１及び起動時水素排気電磁弁Ｖ５によって切換手段が構成される。

燃料電池スタック１００内での水素ガスへの置換は、燃料電池スタック１００からの出力電圧が所定値に到達したか判断し（ステップＳ１０７）、到達した場合に置換が完了したものと判断する。この出力電圧の検出は、燃料電池スタック１００に設けられた電圧センサＳ１により検出される。

この他、水素濃度センサを設け、燃料電池スタック１００から排出されてくるガスの水素濃度が所定値以上に達した場合に、置換が完了したものと判断してもよい。或は、ガス供給を開始してから、所定時間経過した場合に、置換が完了したものと判断してもよい。

水素ガスへの置換が完了すると、起動時水素排気電磁弁Ｖ５と起動時水素供給電磁弁Ｖ１を閉じ（ステップＳ１０９）、通常時水素供給電磁弁Ｖ２、水素循環切換電磁弁Ｖ３を開放し、水素循環ポンプ２２の駆動を開始する。これにより、水素ガスは、水素導通路２０１、水素導入路２０３、水素供給路２０５を介して、燃料電池スタック１００へ送られ、燃料電池スタック１００内をガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ｂへ、各モジュール１３０−１〜４を順に通過する。そして、水素ガスは、水素循環経路２０２、２０４、２０５、１００を循環する。これが、通常運転処理（ステップＳ１１１）となる。そして、水素ガスの循環によって、逆拡散水が水回収ドレインタンク２１に溜まるため、適宜水素排気電磁弁Ｖ４を開放し、水素排気路２０６から排出する。上記高圧水素タンク１１、水素道通路２０１、水素導入路２０３、水素供給路２０５、水素循環路２０４及び水素排気路２０６並びに通常時水素供給電磁弁Ｖ２、水素循環切換電磁弁Ｖ３及び水素排気電磁弁Ｖ４によって、燃料供給回路が構成される。また、ステップＳ１０１により、起動時であるかを判断する判断手段が構成される。この判断手段は、イグニッションＯＮの判断に加えて、バッテリー残量が所定値以下であるか判断するステップを加えて、イグニッションＯＮで、かつバッテリー残量が所定値以下である場合に、起動時と判断する構成としてもよい。バッテリー残量が十分ある場合には、燃料電池スタック１００を駆動させる必要がない場合もあるからである。なお、ステップＳ１０７及びＳ１０９によって、流路切換手段としての機能が発揮される。

以上説明した構成は、各モジュール１３０の単位セル１５とセパレータ１３の積層枚数を変更することにより、モジュール毎の水素ガス流通路の横断面積を変更する構成であるが、モジュール毎に、柱状凸部３２の高さＷの異なる集電部材３を用いることにより、水素ガス流通路の横断面積を変更する構成してもよい。即ち、燃料極１５ｃと集電部材３との距離Ｗを調整し、水素ガス流通路の横断面積ａを調整するものである。例えば、上流側に位置するモジュール１３０−１は、距離Ｗの大きな集電部材３を用い、下流側のモジュールは、距離Ｗの小さな集電部材３を用いる。このようにすることにより、燃料室３０の横断面積ａを、下流側へ向けて、モジュール毎に減少させることができる。

このような構成とすることにより、各モジュールの単位セル１５の数は変わらないので、十分な出力を確保することができる。

更に、他の構成例として、図２に示されている集電部材３における柱状凸部３２の横断面径ｄを変更することで、水素流路３０２の横断面積ａ（図１０）を変更することができ、モジュール１３０毎において、柱状凸部３２の横断面径ｄが異なる集電部材３を用いることで、モジュール１３０毎に燃料ガスの流路断面積を調整することができる。例えば、柱状凸部３２の横断面径ｄを大きくすれば、水素流路３０２の横断面積ａは小さくなり、燃料ガスの流路断面積も小さくなる。

従って、上流側に位置するモジュール１３０−１の横断面径ｄを小さくし、下流側のモジュール１３０−４の横断面径ｄを大きくすることにより、上流側の燃料ガスの流速を遅く、下流側の流速を速くすることが可能となる。

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。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）でである。 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。 燃料電池用セパレータの全体背面図である。 単位セルの断面図である。 燃料電池スタックの部分平面図である。 燃料電池スタックの全体平面図である。 燃料電池スタックの部分断面側面図である。 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。 遮蔽板の全体平面図である。 燃料電池スタックの全体正面図である。 燃料電池スタックの全体背面図である。 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 (5)

1. 単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを流路断面積を変えて複数形成し、燃料ガスの入口側モジュールの流路断面積が出口側モジュールの流路断面積よりも大きくなるように、かつ燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの燃料ガス入口に接続された燃料供給路及び燃料ガス出口に接続された燃料排出路を有し、これらの燃料供給路及び燃料排出路を通して燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
   燃料ガスが供給される流路を前記燃料供給路又は前記燃料排出路に切り換える流路切換手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流路切換手段は、起動時、燃料ガスが供給される流路を前記燃料排出路に切り換え、前記燃料電池スタックの出力が所定値に達したとき、通常運転として、燃料ガスが供給される流路を前記燃料供給路に切り換える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックの入口側モジュールは、単位セルが多く積層されることで流路断面積が大きく形成され、前記出口側モジュールは単位セルが少なく積層されることで、流路断面が小さく形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 単位セルの片側に燃料ガス流路となる間隙を隔てて単位セルとセパレータとを交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを流路断面積を変えて複数形成し、燃料ガスの入口側モジュールの流路断面積が出口側モジュールの流路断面積よりも大きくなるように、かつ燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックに、燃料ガスを供給する燃料電池システムの運転方法において、
   起動時、前記出口側モジュールの出口マニホールドより燃料ガスを供給し、前記燃料電池スタックの出力が所定値に達したとき、通常運転に切り換えて、前記入口側モジュールの入口マニホールドより燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
5. 運転停止時、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に、燃料ガスに代えて空気を供給する請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。

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