JP2006092981A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 サーペンタイン流路内の水分を除去し、燃料電池の性能低下を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 反応ガスが流入する反応ガス入口部と、該反応ガスが流出する反応ガス出口部とを有する単セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する供給部とを有する燃料電池システムであって、前記単セルの前記反応ガス入口部から前記反応ガス出口部へ流れる反応ガスの流路を、蛇行した流路であるサーペンタイン流路で形成し、前記サーペンタイン流路の該流路が折れ曲がるターン部の近傍に、該サーペンタイン流路上の水分を除去する掃気ガスが流入する掃気ガス入口部を設け、所定の運転条件に応じて、前記掃気ガス入口部に前記掃気ガスを供給する供給手段を備えた燃料電池システムとする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、サーペンタイン流路を備えた燃料電池において、流路内の水分を除去する燃料電池システムに関する。

酸化ガス（例えば、空気）と燃料ガス（例えば、水素）とを反応ガスとして供給し、電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムでは、電気化学反応により酸素極側で水が生成される。この生成水などの水分が燃料電池内の流路上に滞留すると、電解質膜成分や触媒層などの劣化により耐久性が低下し、燃料電池の性能が低下する恐れがある。また、水分の滞留により、セル間の圧力損失にバラツキが生じ、流路上に水分が滞留したセルでの発電性能が低下するため、セルを積層した燃料電池全体の性能が低下する。こうした燃料電池システムの性能の低下を防ぐため、従来から、流路内の水分を除去する種々の技術が提案されている（下記特許文献参照）。

例えば、下記特許文献２によれば、燃料電池の運転停止時等に流路上に乾燥したガスを供給し、水分をガスと共に排出することで、水分を除去することができるとされている。

特開平７−２３５３２４号公報 特開２００２−２０８４２１号公報 特開２００３−２７２６９４号公報 特開２００２−３２４５６３号公報 特開平６−６８８８６号公報 特開２００３−２９０６４９号公報

こうした水分の除去技術を、直線的な流路ではなく、サーペンタイン流路を備えた燃料電池システムに適用する技術は開示されていない。燃料電池内の生成水は、流路の下流側に溜まりやすい。加えて、サーペンタイン流路は、蛇行した流路で形成されており、流路の折り返し部分に該当するターン部分にも水分が溜まりやすい。そのため、単に乾燥したガスを供給しても、流路内の水分を十分に除去できないことが考えられる。さらには、もともと流路の圧力損失が大きいサーペンタイン流路では、滞留した水分の影響を受け、さらに圧力損失が大きくなり、反応ガスがサーペンタイン流路に沿って流れず一部の流路を飛び越える現象（いわゆるパスカット）が生じ、燃料電池の性能が低下する可能性がある。

本発明は、こうした問題を踏まえて、サーペンタイン流路内の水分を除去し、燃料電池の性能低下を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、反応ガスが流入する反応ガス入口部と、該反応ガスが流出する反応ガス出口部とを有する単セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する供給部とを有する燃料電池システムであって、前記単セルの前記反応ガス入口部から前記反応ガス出口部へ流れる反応ガスの流路を、蛇行した流路であるサーペンタイン流路で形成し、前記サーペンタイン流路の該流路が折れ曲がるターン部の近傍に、該サーペンタイン流路上の水分を除去する掃気ガスが流入する掃気ガス入口部を設け、所定の運転条件に応じて、前記掃気ガス入口部に前記掃気ガスを供給する供給手段を備えたことを要旨としている。

本発明の第１の燃料電池システムによれば、サーペンタイン流路の折れ曲がり部分であるターン部近傍に、新たにガスの入口である掃気ガス入口部を設け、運転条件に応じて、入口部から掃気ガスを供給する。燃料電池の電気化学反応により生成された水分は、サーペンタイン流路のターン部付近に滞留しやすい。水分の滞留しやすい部位であるターン部に、掃気ガスを供給することで、掃気ガスと共に水分を除去することができる。その結果、例えば、フラッディング等の発生、水分による電解質膜の劣化などを抑え、燃料電池の性能（特に耐久性）低下を抑制するシステムを構築することができる。

上記の構成を有する燃料電池システムは、更に、前記サーペンタイン流路上であって、前記反応ガス出口部よりも上流側のターン部の近傍に、該サーペンタイン流路を流れるガスが流出するガス流出部を設け、前記ガス流出部から流出するガスの量を調整する調整手段を備え、前記調整手段は、前記供給手段による前記掃気ガス入口部への前記ガスの供給と共に、前記ガス流出部から前記ガスを排出するものとすることができる。

かかる燃料電池システムによれば、反応ガス出口部とは別に、サーペンタイン流路のターン部近傍にガス流出部を設け、そのガス流出部から流出するガス量を調整する。つまり、サーペンタイン流路に掃気ガスを供給する時に、サーペンタイン流路からのガス排出の出口を増やす。したがって、出口が増えることで、サーペンタイン流路内の水分の排水性を向上し、サーペンタイン特有のターン部に滞留する水分を排出することができる。

上記の構成を有する燃料電池システムにおける所定の運転条件は、前記燃料電池の発電開始前のタイミングであるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の発電開始前のタイミング、つまり、システムの起動時のタイミングで、サーペンタイン流路上の掃気ガス入口部に掃気ガスを供給する。サーペンタイン流路に供給された掃気ガスは、滞留した水分と共に流路上を流れ、出口から排出される。したがって、流路内の水分の除去処理を実行してから、燃料電池による発電を開始することができ、滞留した水分による性能低下を抑制することができる。発電開始前のタイミングで、処理を行なうことで、特に、システム停止時の間に重力の影響を受けて溜まった水分を除去するのに効果がある。

上記の構成を有する燃料電池システムにおける所定の運転条件は、前記燃料電池の発電停止後のタイミングであるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後のタイミングで、サーペンタイン流路上の掃気ガス入口部に掃気ガスを供給し、掃気ガスと共に流路内の水分を排出する。したがって、流路内の水分の除去処理を実行してから、システムを停止することができ、滞留した水分による燃料電池の劣化、例えば、電解質膜成分の劣化を抑制することができる。発電停止後のタイミングで、処理を行なうことで、特に、システム運転中に燃料電池内の流路の下流に滞留した水分を除去するのに効果がある。

上記の構成を有する燃料電池システムの供給手段は、前記燃料電池に反応ガスを供給する前記供給部であり、前記掃気ガスとして該反応ガスを供給するものとすることができる。

かかる燃料電池システムによれば、サーペンタイン流路内の水分を除去する掃気ガスとして、システムの運転中に使用する反応ガスを利用する。例えば、反応ガスとして酸化ガスと燃料ガスとを、それぞれ酸素極と水素極とに供給する燃料電池においては、酸素極側の掃気ガスとして酸化ガスを、水素極側の掃気ガスとして燃料ガスを供給する。こうした反応ガスを供給するシステムに既存の供給源（例えば、エアコンプレッサや水素タンクなど）を利用して、掃気ガスを供給する。したがって、既存のシステムを利用して、水分の除去を行なうことができる。

上記の構成を有する燃料電池システムにおける掃気ガスは、前記反応ガス中の水分を低減した乾燥ガスであるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、掃気ガスとして供給する反応ガスのうち、特にガス中の水分を低減した乾燥ガスを供給する。乾燥したガスを供給することで、水分により濡れた状態のサーペンタイン流路を乾かし、流路内の水分除去に効果を奏する。

上記の構成を有する燃料電池システムは、燃料電池に供給する反応ガスとしての酸化ガスを加湿する加湿器を備え、前記供給手段は、前記加湿器に流入する前の酸化ガスを前記掃気ガスとして前記掃気ガス入口部に供給するものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の運転時に供給する反応ガスには、加湿器を通過して水分を含んだ酸化ガスを用い、掃気ガスとして使用する反応ガスには、加湿器を通過する前の比較的水分量の低い酸化ガスを用いる。掃気ガス入口部に水分量の低い反応ガスを供給することができるため、流路内の水分除去に効果を奏する。

本発明の第２の燃料電池システムは、反応ガスが流入する反応ガス入口部と、該反応ガスが流出する反応ガス出口部とを有する単セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する供給部とを有する燃料電池システムであって、前記単セルの前記反応ガス入口部から前記反応ガス出口部へ流れる反応ガスの流路を、蛇行した流路であるサーペンタイン流路で形成し、前記サーペンタイン流路における下流側の所定位置に、該サーペンタイン流路上の水分を除去する掃気ガスが流入する掃気ガス入口部を設け、所定の運転条件に応じて、前記掃気ガス入口部に前記掃気ガスを供給する供給手段を備えたことを要旨としている。

本発明の第２の燃料電池システムによれば、サーペンタイン流路における下流側に、新たにガスの入口である掃気ガス入口部を設け、運転条件に応じて、入口部から掃気ガスを供給する。燃料電池の電気化学反応により生成された水分は、流路の下流付近に滞留しやすい。水分の滞留しやすい部位である下流側の流路に、掃気ガスを供給することで、掃気ガスと共に水分を除去することができる。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．システム構成：
Ａ−２．燃料電池スタックの構成：
Ａ−３．掃気処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．システム構成：
Ｂ−２．掃気処理：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．システム構成：
Ｃ−２．掃気処理：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．システム構成：
図１は、本発明の第１実施例としての車載用燃料電池システムを示す概略構成図である。この燃料電池システム１０は、自動車などの車両に搭載され、供給される反応ガス（燃料ガスと酸化ガスと）の電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック２０を備えている。この燃料電池スタック２０により発生する電力は、走行モータ６１に供給され、図示しない車軸の駆動に用いられている。

図１に示すように、この燃料電池システム１０は、主に、上記の燃料電池スタック２０，燃料ガス供給系統３０，酸化ガス供給系統４０，酸化ガス排出系統５０，出力系統６０,制御ユニット１００などから構成されている。

燃料電池スタック２０は、水素極と酸素極と電解質膜とを備えた複数枚の単セル２１を積層し、両端からエンドプレート２７，２８で挟み込んで形成されている。本実施例では、燃料ガスとして水素ガスを、酸化ガスとして空気を、それぞれ燃料電池スタック２０のエンドプレート２８を介して各単セル２１に供給している。こうした反応ガスの供給を受けた各単セル２１は、上記の電気化学反応により発電する。燃料電池スタック２０は、こうした単セル２１を複数直列に接続することで高い電圧を得ている。

燃料ガス供給系統３０は、主に、高圧の水素ガスを貯留する水素タンク３１，水素タンク３１からの水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する水素供給配管３２，燃料電池スタック２０から排出された水素ガスを循環する循環配管３５などから構成されている。水素タンク３１からの高圧の水素ガスは、図示しないバルブにより、その圧力，流量が調整され、燃料電池スタック２０に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池スタック２０内での電気化学反応に使用され、オフガスとして、エンドプレート２８を介して燃料電池スタック２０から排出される。

オフガスは、電気化学反応に使用されずに排出された水素ガスや、電気化学反応の影響による水分を含んでいる。このオフガスは、循環配管３５上に設けられた気液分離器３６により水分を除去され、循環配管３５上の循環ポンプ３７の駆動により、再度、水素供給配管３２に供給される。こうしてオフガスから水分を除去して再循環させることで、オフガス中の水素ガスを有効に活用している。なお、本実施例では、水素ガスの供給源に水素タンク３１を用いているが、例えば、メタン、メタノール等を改質して水素を生成し、これを燃料電池スタック２０に供給するものとしても良い。

酸化ガス供給系統４０は、主に、燃料電池システム１０の外部から空気を吸入するエアコンプレッサ４４，エアコンプレッサ４４の駆動により燃料電池スタック２０に空気を供給する空気供給配管４８，空気を加湿する加湿器４６などから構成されている。エアコンプレッサ４４は、モータを駆動源としており、モータの回転数に応じた空気を吸入する。加湿器４６は、燃料電池スタック２０に供給する空気を加湿することで、燃料電池スタック２０内の電解質膜を所定の湿潤状態に保持している。

空気供給配管４８上には、空気の流れの上流から順に、エアクリーナ４２，エアフロメータ４３，上述のエアコンプレッサ４４，三方弁４５，上述の加湿器４６が配置されている。外部からの空気は、エアクリーナ４２で浄化され、エアフロメータ４３による流量の検出を経て、エアコンプレッサ４４で圧縮され、三方弁４５（図１の流路Ａ）へ到達する。三方弁４５は、２つの流路を切り換える方向切換弁であり、図示する流路Ａ内の空気を流路Ｂ，流路Ｃのどちらか一方の流路に流すことができる。通常の燃料電池システム１０の運転時、つまり、発電時には、三方弁４５の流路Ａと流路Ｂとが接続され、三方弁４５を通過した空気は、加湿器４６で加湿され、エンドプレート２８を介して燃料電池スタック２０に供給される。なお、エアフロメータ４３で検出された空気の流量は、燃料電池スタック２０の運転を制御する制御ユニット１００に出力され、エアコンプレッサ４４のモータの制御に利用されている。

三方弁４５の流路Ｃは、分岐配管４１の一端と接続されている。分岐配管４１は、後述する燃料電池スタック２０内の掃気時に使用される配管である。この分岐配管４１の他端は、燃料電池スタック２０のエンドプレートと接続され、掃気時には、加湿器４６を通過しない空気を分岐配管４１を介して燃料電池スタック２０に供給する。すなわち、分岐配管４１を通過する空気は、発電のためではなく、掃気のために使用される。なお、ここでの「掃気」とは、燃料電池スタック２０内部に残留する水分を除去するために、燃料電池スタック２０内にガスを送り込み、送り込んだガスと共に水分を排出することで、燃料電池スタック２０内部に不必要な水分が無い状態とすることを意味している。以下、掃気のために加湿器４６を介さないで送り込まれる空気を、乾燥ガスと呼ぶ。

酸化ガス排出系統５０は、主に、燃料電池スタック２０内部の圧力を調整する調圧弁５１，燃料電池スタック２０からのオフガスとしての空気を外部へ排出する空気排出配管５３，マフラ５２などから構成されている。調圧弁５１は、バルブの開度を調整する駆動用モータを備えており、駆動用モータの回転角を制御することで、燃料電池スタック２０内部の空気の圧力を調整している。

空気排出配管５３上には、空気の流れの上流から順に、露点計５５，圧力センサ５７，上述の調圧弁５１，マフラ５２が配置されている。露点計５５は、空気排出配管５３内の空気の湿度を検出し、圧力センサ５６は空気排出配管５３内の空気の圧力を検出する。こうした検出値は、制御ユニット１００に出力され、燃料電池システム１０の運転の制御に利用される。

出力系統６０は、インバータ６４、車両の走行モータ６１、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２、二次電池６３等から構成されている。燃料電池スタック２０に供給された水素ガスと空気との電気化学反応による電力は、インバータ６４を介して車両の走行モータ６１の駆動に使用され、例えば、定常走行時や減速時などに発生する余剰分はＤＣ/ＤＣコンバータ６２を介して二次電池６３に蓄電される。こうした出力系統６０には、電圧計６５が設けられ、燃料電池スタック２０が発電する電圧を検出している。

なお、図示は省略したが、燃料電池システム１０には、燃料電池スタック２０を冷却する冷却水が供給されている。燃料電池スタック２０内部での電気化学反応は、発熱反応であるため、内部の温度は上昇する。この温度上昇を抑えるために、ラジエータで冷却した冷却水が燃料電池スタック２０に供給されている。

こうした機器からなる燃料電池システム１０において、制御ユニット１００は、各種センサからの信号を受け、車両の運転状態を判断し、各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御している。

具体的には、露点計５５，圧力センサ５６，エアフロメータ４３，電圧計６５，図示しないアクセルポジションセンサ，温度センサ等の各種センサからの湿度Ｔｄ、圧力Ｐ、空気流量ｑ、電圧Ｖ、アクセル開度θ、温度Ｔ等を入力し、要求される出力（電力）を算出し、エアコンプレッサ４４，三方弁４５，調圧弁５１，循環ポンプ３７等を制御して燃料電池システム１０を運転する。

Ａ−２．燃料電池スタックの構成：
図２は、燃料電池スタック２０の単セル２１の概略構成を示した斜視図である。図示するように、単セル２１は、セパレータ２２、ＭＥＡ２５、セパレータ２６を順に重ね合わせた構造である。ＭＥＡ２５は、固体高分子電解質膜の両側に水素極と酸素極とを形成し、一体化した膜・電極接合体である。本実施例では、固体高分子電解質膜にナフィオン（登録商標）を使用している。こうした固体高分子電解質膜は、湿潤状態で良好に作用する。

セパレータ２２，２６には、酸化ガスとしての空気が流入する空気入口部２２１，空気が流出する空気出口部２２２，燃料ガスとしての水素ガスが流入する水素ガス入口部２２７，水素ガスが流出する水素ガス出口部２２８に相当する４つの貫通孔が設けられている。空気入口部２２１と空気出口部２２２とは、セパレータ２２の一方の面上で、蛇行した溝により、接続されている。この溝は、外部から単セル２１に供給された空気の流路となる。以下、この蛇行した溝をサーペンタイン流路２２３と呼ぶ。同様に、水素ガス入口部２２７と水素ガス出口部２２８とは、セパレータ２２の他方の面上で、図示しないサーペンタイン流路により接続されている。こうした構成の燃料電池スタック２０の単セル２１では、それぞれのサーペンタイン流路に、水素ガス、空気が供給される。水素極側に供給された水素ガスは、ＭＥＡ２５内の触媒と反応し、水素イオンを発生する。この水素イオンは、固体高分子電解質膜を透過し、酸素極側で空気中の酸素と反応する。この電気化学反応により、単セル２１は発電する。

このセパレータ２２，２６には、さらに、乾燥ガスが流入する乾燥ガス入口部２２４に相当する貫通孔が設けられている。この乾燥ガス入口部２２４は、２段に折れ曲がるサーペンタイン流路２２３の２段目の折れ曲がり部分（以下、折れ曲がり部分を、ターン部と呼ぶ）に設けられ、空気側の流路であるサーペンタイン流路２２３と連通している。

図３は、このサーペンタイン流路を流れる空気の様子を模式的に示した構成図である。図示するように、サーペンタイン流路２２３は、１段目のターン部ＴＡ１と２段目のターン部ＴＡ２とを有し、２段目のターン部ＴＡ２の下方位置に乾燥ガス入口部２２４を備えている。外部からの空気は、三方弁４５を介して加湿器４６側へ流れる場合、酸化ガスとして、空気入口部２２１からサーペンタイン流路２２３に入り、ここを流れる過程で電気化学反応に使用される。使用されず残存する空気を含むオフガスは、空気出口部２２２から排出される。他方、外部からの空気は、三方弁４５を介して分岐配管４１側へ流れる場合、加湿器４６を通過しない乾燥ガスとして、乾燥ガス入口部２２４からサーペンタイン流路２２３に入り、流路内の水分と共に、空気出口部２２２から排出される。

つまり、所定のタイミングで、三方弁４５の流路を切り換え、乾燥ガスを燃料電池スタック２０に供給することで、サーペンタイン流路２２３の下流には乾燥ガスが流れ、サーペンタイン流路２２３内の水分を除去することができる。以下、この水分除去の処理である掃気処理について説明する。

Ａ−３．掃気処理：
図４は、第１実施例における空気側のサーペンタイン流路内の水分を除去する掃気処理のフローチャートである。この処理は、車両においてイグニッションキーがターンオンされた燃料電池システム１０の起動時のタイミングで、制御ユニット１００にて、実行される。

処理が開始されると、制御ユニット１００は、三方弁４５の流路を流路Ｂから流路Ｃに切り換える指令を出力する（ステップＳ４００）。三方弁４５は、通常状態（つまり、燃料電池システム１０の停止状態）には、流路Ａと流路Ｂとを接続しているが、この指令を受けて、流路Ａと流路Ｃとを接続する。すなわち、このステップでは、加湿器４６を通過する配管側から、加湿器４６を通過しない分岐配管４１側へ、流路を切り換えている。

続いて、エアコンプレッサ４４を始動し、外部からの空気を分岐配管４１側へ供給する（ステップＳ４１０）。エアコンプレッサ４４の始動により、外部から取り込んだ乾燥ガスとしての空気は、三方弁４５、分岐配管４１、乾燥ガス入口部２２４を介して、サーペンタイン流路２２３の下流を流れ、空気出口部２２２から排出される。供給された乾燥ガスは、サーペンタイン流路２２３の下流に滞留した水分を排出する。なお、エアコンプレッサ４４のモータの回転数は、予め設定されている。

制御ユニット１００は、露点計５５の検出値である空気出口部２２２から排出された空気の湿度Ｔｄを入力し、この湿度Ｔｄが設定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ４２０）。

ステップＳ４２０で、湿度Ｔｄが設定値αより大きい、つまり、排出される空気中の水分が多いと判断した場合（Ｎｏ）には、所定のタイミングで排出された空気の湿度Ｔｄを入力し、湿度Ｔｄが設定値α以下であるか否かの判断を繰り返す。

他方、ステップＳ４２０で、湿度Ｔｄが設定値α以下、つまり、排出される空気中の水分が少ないと判断した場合（Ｙｅｓ）には、エアコンプレッサ４４を停止し、外部からの乾燥ガスの供給を停止する（ステップＳ４３０）。ここでは、排出空気中の水分量が所定値以下に減少することで、サーペンタイン流路２２３の下流部分の水分は除去されたと判断している。

その後、制御ユニット１００は、三方弁４５の流路を流路Ｃから流路Ｂに切り換える指令を出力して（ステップＳ４４０）、一連の掃気処理を終了する。三方弁４５は、この指令を受けて、流路Ａと流路Ｂとを接続する。こうして、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０による発電前の準備を完了する。

以上、第１実施例の燃料電池システム１０における掃気処理によれば、流路の下流、かつ、下方に、乾燥ガスを供給し、流路内の水分を除去する。したがって、水分が溜まりやすい場所に乾燥ガスを供給し、燃料電池スタック２０の性能低下を抑制することができる。さらには、サーペンタイン流路２２４のターン部付近に乾燥ガスの入口を設けることで、サーペンタイン流路特有のターン部付近に滞留する水分の除去にも効果を奏する。その結果、フラッディングの発生や、電解質膜の劣化、あるいは、水分により流路断面が減少することで生じる単セル間の圧力損失のバラツキなどを抑制し、燃料電池スタックの性能低下を抑制することができる。

なお、この掃気処理を、燃料電池システム１０の停止時のタイミングで実行するものとしても良い。この場合、図４に示した処理と同様に、システム停止時に、乾燥ガスをサーペンタイン流路２２３の下流のターン部に供給して水分を除去し、その後、完全にシステムを停止するものとすれば良い。こうすることで、システム停止中に、サーペンタイン流路２２３の下流（下方）に溜まった水分の放置による種々の劣化を抑制することができる。

また、完全なシステムの停止時に限らず、燃料電池スタック２０からの発電停止（発電の間欠時）のタイミングで、掃気処理を実行するものとしても良い。例えば、フラッディングの兆候が検出され、発電を停止するタイミングで掃気処理を実行する。この場合、制御ユニット１００は、電圧計６５の電圧値Ｖを入力して、電圧値Ｖが安定せず、所定範囲以上のバラツキが現れた時をフラッディングの兆候と判断し、その後の発電停止のタイミングで、図４に示した処理を実行する。こうすることで、フラッディングによる燃料電池スタック２０の性能低下を予め抑制することができる。

なお、ここでの掃気処理では、露点計５５の検出値である空気中の湿度によって、掃気処理の終了を判断するものとしたが、予め設定した時間だけ乾燥ガスを供給するものとしても良い。さらには、こうした種々のタイミングを組み合わせて、掃気処理を実行するものとしても良い。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．システム構成：
図５は、第２実施例としての燃料電池システム１１の概略構成図である。図５は、図３と同様、酸化ガス（空気）側のサーペンタイン流路２２３を中心として示した燃料電池システム１１の一部分であり、図示しないその他のシステム部分は、図１に示した燃料電池システム１０と同様である。したがって、同じ部分については、符号を同一とし、説明を省略する。

図示するように、この燃料電池システム１１は、図３に示した燃料電池システム１０に、第２分岐配管１２１，第２乾燥ガス入口部１２２，第２乾燥ガス出口部１２３，第２排出配管１２５等を新たに加えて構成されている。

第２分岐配管１２１は、分岐配管４１と第２乾燥ガス入口部１２２とを接続する配管であり、三方弁４５を介して分岐配管４１に流れる乾燥ガスの一部は、この第２分岐配管１２１を流れ、第２乾燥ガス入口部１２２へ導かれる。

第２乾燥ガス入口部１２２は、サーペンタイン流路２２３を上流から、第１流路２２３ａ，第２流路２２３ｂ，第３流路２２３ｃの３つの直線流路に分けた場合、第２流路２２３ｂに乾燥ガスを供給する入口である。すなわち、第１実施例では、サーペンタイン流路２２３の２段目のターン部ＴＡ２の下方位置に乾燥ガス入口部２２４を設け、第３流路２２３ｃに乾燥ガスを供給する構造としたが、第２実施例では、さらに、２段目のターン部ＴＡ２の上方位置に第２乾燥ガス入口部１２２を設け、第２流路２２３ｂにも乾燥ガスを供給する構造としている。

第２乾燥ガス出口部１２３は、第２流路２２３ｂを流れる乾燥ガスの出口である。第２実施例では、第２乾燥ガス出口部１２３を、サーペンタイン流路２２３の１段目のターン部ＴＡ１の下方位置に設け、外部に乾燥ガスを排出している。

第２排出配管１２５は、第２乾燥ガス出口部１２３と空気排出配管５３とを接続する配管であり、その配管上には開閉バルブ１２４を備えている。この開閉バルブ１２４による開弁動作により、第２乾燥ガス出口部１２３からの乾燥ガスは、第２排出配管１２５を通過して、空気排出配管５３へ流れる。

こうした構成の燃料電池システム１１において、通常運転時には、外部からの空気は、三方弁４５を通過して、加湿器４６に流入し、加湿された空気が空気入口部２２１に到達する。加湿された空気は、空気入口部２２１からサーペンタイン流路２２３を流れ、空気出口部２２２に到達し、外部に排出される。この時、三方弁４５および開閉バルブ１２４の作用により、第２乾燥ガス入口部１２２，乾燥ガス入口部２２４，第２乾燥ガス出口部１２３から常時空気が流れることは無く、燃料電池スタック２０に供給した空気は、サーペンタイン流路２２３に沿って流れ、空気出口部２２２から排出される。

Ｂ−２．掃気処理：
図６は、第２実施例における空気側のサーペンタイン流路内の水分を除去する掃気処理のフローチャートである。この処理は、制御ユニット１００にて、燃料電池システム１０の起動時のタイミングおよび燃料電池スタック２０の発電停止のタイミングで実行される。なお、図３の掃気処理とは、乾燥ガスの供給前後の処理（ステップＳ４００，Ｓ４４０）が異なるのみである。したがって、同じ処理については符号を同一とする。

処理が開始されると、制御ユニット１００は、三方弁４５の流路を流路Ｂから流路Ｃに切り換える指令を出力すると共に、開閉バルブ１２４を開弁する指令を出力する（ステップＳ６００）。この指令を受けて、三方弁４５は流路Ａと流路Ｃとを接続し、開閉バルブ１２４は第２乾燥ガス出口部１２３と空気排出配管５３とを接続する。

続いて、エアコンプレッサ４４を始動し、外部からの空気を分岐配管４１側へ供給する（ステップＳ４１０）。エアコンプレッサ４４の始動により、外部から取り込んだ乾燥ガスとしての空気は、三方弁４５，分岐配管４１，第２分岐配管１２１，乾燥ガス入口部２２４，第２乾燥ガス入口部１２２を介して、サーペンタイン流路２２３の第２流路２２３ｂおよび第３流路２２３ｃを流れ、空気出口部２２２，第２乾燥ガス出口部１２３から排出される。第２乾燥ガス出口部１２３から排出された空気は、開閉バルブ１２４を介して第２排出配管１２５を流れ、空気排出配管５３に合流する。こうして供給された乾燥ガスは、サーペンタイン流路２２３の下流およびターン部ＴＡ１，ＴＡ２付近に滞留した水分を排出する。

制御ユニット１００は、露点計５５によって検出された合流後の空気の湿度Ｔｄを入力し、この湿度Ｔｄが設定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ４２０）。

ステップＳ４２０で、湿度Ｔｄが設定値αより大きいと判断した場合（Ｎｏ）には、所定のタイミングで排出された空気の湿度Ｔｄを入力し、湿度Ｔｄが設定値α以下であるか否かの判断を繰り返す。他方、ステップＳ４２０で、湿度Ｔｄが設定値α以下と判断した場合（Ｙｅｓ）には、エアコンプレッサ４４を停止し、外部からの乾燥ガスの供給を停止する（ステップＳ４３０）。

その後、制御ユニット１００は、三方弁４５，開閉バルブ１２４に指令を出力して（ステップＳ６４０）、一連の掃気処理を終了する。この指令を受けて、三方弁４５は流路Ａと流路Ｂとを接続し、開閉バルブ１２４は閉弁する。こうして、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０による発電前の準備を完了する。

以上、第２実施例の燃料電池システム１１における掃気処理によれば、新たに乾燥ガスの入口、出口を設け、乾燥ガスを供給する。したがって、第１実施例にも増して、サーペンタイン流路内の水分の除去に効果を奏する。また、サーペンタイン流路のターン部に新たな出口を設けることで、供給した乾燥ガスの排水性が向上し、水分除去に効果を奏する。

なお、第２実施例では、第２乾燥ガス入口部１２２からも乾燥ガスを供給する構成を採ったが、第２乾燥ガス入口部１２２からの供給に代えて、空気入口部２２１から供給する構成であっても良い。この場合、空気入口部２２１から供給された乾燥ガスは、新たに設けた第２乾燥ガス出口部１２３から排出され、１段目のターン部付近に滞留する水分量を低減するのに効果を奏する。

Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．システム構成：
図７は、第３実施例としての燃料電池システム１２の概略構成図である。図７は、図５と同様、酸化ガス（空気）側のサーペンタイン流路２２３を中心として示した燃料電池システム１２の一部分であり、図示しないその他のシステム部分は、図１に示した燃料電池システム１０と同様である。したがって、同じ部分については、符号を同一とし、説明を省略する。

図示するように、この燃料電池システム１２は、図５に示した燃料電池システム１１に、第３分岐配管１３１，第３乾燥ガス出口部１３３，第３排出配管１３５等を新たに加えて構成されている。

第３分岐配管１３１は、第２分岐配管１２１よりも上流側の分岐配管４１と、空気入口部２２１とを接続する配管であり、その配管上には開閉バルブ１３２を備えている。この開閉バルブ１３２による開弁動作により、三方弁４５を介して分岐配管４１に流れる乾燥ガスの一部は、空気入口部２２１へ導かれる。つまり、第３実施例では、サーペンタイン流路２２３の第３流路２２３ｃ，第２流路２２３ｂのみならず、第１流路２２３ａにも乾燥ガスを供給する構造としている。

第３乾燥ガス出口部１３３は、第１流路２２３ａを流れる乾燥ガスの出口である。第３実施例では、第３乾燥ガス出口部１３３を、サーペンタイン流路２２３の１段目のターン部ＴＡ１の上方位置に設け、外部に乾燥ガスを排出している。

第３排出配管１３５は、第３乾燥ガス出口部１３３と空気排出配管５３とを接続する配管であり、その配管上には開閉バルブ１３４を備えている。この開閉バルブ１３４による開弁動作により、第３乾燥ガス出口部１３３からの乾燥ガスは、第３排出配管１３５を通過して、空気排出配管５３へ流れる。

この燃料電池システム１２での通常運転時には、各開閉バルブ１２４，１３２，１３４の閉弁動作により、第１実施例および第２実施例と同様、サーペンタイン流路２２３上を加湿された空気が流れる。

こうした燃料電池システム１２において、掃気処理を行なう場合、制御ユニット１００は、燃料電池システム１０の起動時のタイミングおよび燃料電池スタック２０の発電停止のタイミングで、三方弁４５には流路の切り換えの指示を、一方、各開閉バルブ１２４，１３２，１３４には開弁動作の指示を、それぞれ出力する。各バルブの動作の後、乾燥ガスをサーペンタイン流路２２３に供給し、サーペンタイン流路２２３から排出された空気の湿度が所定値以下になるまで、乾燥ガスの供給を続ける。

排出された空気の湿度が所定値以下となり、サーペンタイン流路２２３内の水分を除去したと判断すると、乾燥ガスの供給を停止し、各バルブに指令を出して、流路を通常の状態に戻す。こうして掃気処理を終了する。

以上、第３実施例の燃料電池システム１２によれば、サーペンタイン流路の各ターン部に乾燥ガスの入口、出口を設け、掃気を行なう。したがって、第２実施例よりもさらに、流路内の水分除去に効果を奏する。また、サーペンタイン流路特有の各ターン部付近に乾燥ガスを供給するため、燃料電池スタックの性能劣化を抑制することができる。

Ｄ．第４実施例：
第１実施例から第３実施例に示したように、サーペンタイン流路の下流部分やターン部分に、入口、出口を設けて、乾燥ガスを供給する掃気処理は、燃料電池スタック２０の酸素極側のみならず、水素極側にも応用できる。

図８は、第４実施例としての燃料電池システム１５の概略構成図である。この燃料電池システム１５は、水素極側のサーペンタイン流路の掃気処理を実行するシステムであり、図示するように、燃料ガス供給系統３９の構造が、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１０における燃料ガス供給系統３０の構造と異なる。したがって、主に燃料ガス供給系統３９について説明し、その他の部分は符号を同一として説明を省略する。

燃料ガス供給系統３９は、第１実施例と同様、水素タンク３１，水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する水素供給配管３２，燃料電池スタック２０からのオフガスの水分を除去する気液分離器３６，水分を除去した後のガスを循環する循環ポンプ３７，気液分離器３６や循環ポンプ３７を配置した循環配管３５などから構成されている。

第４実施例では、水素供給配管３２上に、三方弁１４０，水素側分岐配管１４１を新たに備えている。三方弁１４０は、通常運転時には、流路Ｄと流路Ｅとを接続し、水素ガスを、エンドプレート２８ａを介して図９に示す水素ガス入口部２２７に供給する。供給された水素ガスは、水素極側のサーペンタイン流路２２９に入り、ここを流れる過程で電気化学反応に使用される。使用されず残留する水素ガスを含むオフガスは、水素ガス出口部２２８から排出される。

水素側分岐配管１４１は、その一端を三方弁１４０の流路Ｆと、他端をサーペンタイン流路２２９の下流に相当するターン部ＴＨ２に設けた掃気ガス入口部１４５とを接続している。

こうした構成の燃料電池システム１５において、掃気処理の実行時には、三方弁１４０の流路を流路Ｄから流路Ｆに切り換え、水素ガスを掃気ガス入口部１４５から供給する。供給された水素ガスは、流路内の水分と共に、水素ガス出口部２２８から排出される。

以上、第４実施例の燃料電池システム１５では、水素極側のサーペンタイン流路２２９上に新たな入口として掃気ガス入口部１４５を設け、水素ガスを供給する。供給する水素ガスには、燃料電池スタック２０から排出されたオフガスも含まれるが、このオフガスは気液分離器３６により水分が除去されているため、ガス中の水分量は低い。つまり、掃気ガス入口部１４５には、乾燥ガスとしての水素ガスが供給される。供給された水素ガスにより、サーペンタイン流路２２９内、特に下流のターン部ＴＨ２の水分を除去することができる。一般に、電気化学反応による生成水は酸素極側で発生するが、水素極側にも浸透する。水素極側に存在する水分は局所的に水素の欠乏を生じさせ、その位置に対応する酸素極側の触媒等を劣化させる。水素極側のサーペンタイン流路の掃気処理を行なうことで、こうした劣化を抑制し、燃料電池スタックの性能低下を抑制することができる。

なお、第２、第３実施例と同様に、水素ガスを供給する入口や、供給した水素ガスを排出する出口を、サーペンタイン流路のターン部毎に設けるものとしても良い。入口、出口を複数設けることで、より完全に水分を除去することができる。

また、第４実施例では、酸素極側については、掃気処理を実行するための三方弁４５、分岐配管４１等の記載を省略したが、勿論、こうした機器を設け、水素極側と共に、酸素極側も掃気処理を実行するものとしても良い。

Ｅ．変形例：
本実施例では、サーペンタイン流路の上方位置に反応ガスの入口を、下方位置に反応ガスの出口を設け、サーペンタイン流路内を上方から下方へ反応ガスが流れる構成について説明したが、下方位置を反応ガスの入口、上方位置を反応ガスの出口とする構成であっても、上述の掃気処理を応用することができる。

図１０は、第１変形例としての燃料電池システム１７の概略構成図である。図１０は、図３と同様、酸化ガス（空気）側のサーペンタイン流路を中心として示した燃料電池システム１７の一部分である。システムの図示しない部分については、基本的に前述の各燃料電池システムと同様であるため、説明は省略する。

図示するように、この燃料電池システム１７は、サーペンタイン流路２３３を有する燃料電池スタック２９を備えている。サーペンタイン流路２３３は、燃料電池スタック２９の下方位置に設けた酸化ガスとしての空気が流入する空気入口部２３１と、上方位置に設けた空気が流出する空気出口部２３２とを接続している。三方弁４５，加湿器４６を介した空気は、サーペンタイン流路２３３内を下方から上方へ流れる。つまり、このサーペンタイン流路２３３において、重力の影響を受けて水分が溜まりやすい流路は、下方に位置する第１流路２３３ａであり、電気化学反応により生成された水分が溜まりやすいのは、流れの下流である第３流路２３３ｃである。

さらに、この燃料電池システム１７では、サーペンタイン流路２３３の２段目のターン部ＴＡ２の上方位置に第４乾燥ガス入口部１５１を、１段目のターン部ＴＡ１の下方位置に第４乾燥ガス出口部１５２をそれぞれ設け、第４乾燥ガス入口部１５１は第４分岐配管１５３により三方弁４５と接続され、第４乾燥ガス出口部１５２は第４排出配管１５４により空気排出配管５３と接続されている。また、空気入口部２３１と三方弁４５とを接続する第５分岐配管１５６も備えている。第４排出配管１５４および第５分岐配管１５６上には、開閉バルブ１５５，１５７を備え、通常運転時には、閉弁動作によって、第４排出配管１５４，第５分岐配管１５６の流路を遮断している。

こうした構成の燃料電池システム１７において、掃気処理の際には、三方弁４５を切り換え、開閉バルブ１５５，１５７を開弁し、乾燥ガスを空気入口部２３１，第４乾燥ガス入口部１５１から供給する。こうすることで、下方の第１流路２３３ａおよび下流の第３流路２３３ｃ内の水分を積極的に排出することができる。

なお、こうした構成のシステムでは、サーペンタイン流路の部分毎に掃気処理を行なうタイミングを異ならせるものとしても良い。例えば、図１０の第４分岐配管１５３と第５分岐配管１５６との接合点αに、新たに三方弁を設ける。燃料電池システム１７の始動直後（発電開始前）のタイミングで、第５分岐配管１５６に乾燥ガスを流し、下方の第１流路２３３ａの水分を除去する。また、燃料電池システム１７の停止直前のタイミングで、第４分岐配管１５３に乾燥ガスを流し、下流の第３流路２３３ｃの水分を除去する。システム停止の間に除序にサーペンタイン流路の下方に溜まった水分は、システムの始動と共に排出され、発電により下流に溜まった水分は、システムの停止前に排出される。こうした異なるタイミングで掃気処理を実行することで、サーペンタイン流路上で最も水分が溜まっている部分に選択的に乾燥ガスを供給し、水分除去を行なうことができる。

本実施例では、２段に折れ曲がるサーペンタイン流路を例に、掃気処理について説明したが、さらに複数段を有するサーペンタイン流路であっても、同様に掃気処理を実施することができる。また、乾燥ガスの入口および出口は、サーペンタイン流路のターン部に一箇所設けるものであっても、流路内の水分除去に効果を奏する。

第１実施例では、サーペンタイン流路のターン部の近傍に乾燥ガス入口部を設けたが、サーペンタイン流路の下流側に乾燥ガス入口部を設けるものとすれば、必ずしもターン部近傍に設けなくても良い。例えば、図５に示したサーペンタイン流路２２３の第３流路２２３ｃの途中に乾燥ガス入口部２２４を設け、図３に示した態様でシステムを構築する。こうしたシステムにおいて、乾燥ガス入口部２２４に乾燥ガスを供給すると、乾燥ガスは流路抵抗の少ない空気出口部２２２側へ流れ、サーペンタイン流路の下流に滞留する水分を排出することができる。つまり、サーペンタイン流路では、ストレートの流路とは異なり、多数段の折れ曲がりによる流路抵抗が大きく、第３流路に供給した乾燥ガスが上流側である空気入口部２２１側へ逆流することは、ほとんど無い。すなわち、サーペンタイン流路の下流であれば、所定位置に入口部を設けても、供給した乾燥ガスは出口側方向に流れ、流路の下流の水分を外部へ排出することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、掃気処理に用いる掃気用のガスには、加湿器を介さない乾燥ガスを用いるものとしたが、加湿器を通過した後の空気であっても、サーペンタイン流路のターン部に入口、出口を設けることで、ターン部に溜まる水分量を抑制することができる。

本発明の第１実施例としての車載用燃料電池システムを示す概略構成図である。 燃料電池スタックの単セルの概略構成を示した斜視図である。 サーペンタイン流路を流れる空気の様子を模式的に示した構成図である。 第１実施例における空気側のサーペンタイン流路内の水分を除去する掃気処理のフローチャートである。 第２実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。 第２実施例における空気側のサーペンタイン流路内の水分を除去する掃気処理のフローチャートである。 第３実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。 第４実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。 第４実施例としての燃料電池システムのサーペンタイン流路を示した構成図である。 第１変形例としての燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１０，１１，１２，１５，１７...燃料電池システム
２０，２９...燃料電池スタック
２１...単セル
２２，２６...セパレータ
２５...ＭＥＡ
２７，２８，２８ａ...エンドプレート
３０，３９...燃料ガス供給系統
３１...水素タンク
３２...水素供給配管
３５...循環配管
３６...気液分離器
３７...循環ポンプ
４０...酸化ガス供給系統
４１...分岐配管
４２...エアクリーナ
４３...エアフロメータ
４４...エアコンプレッサ
４５...三方弁
４６...加湿器
４８...空気供給配管
５０...酸化ガス排出系統
５１...調圧弁
５２...マフラ
５３...空気排出配管
５５...露点計
５６...圧力センサ
６０...出力系統
６１...走行モータ
６２...ＤＣ／ＤＣコンバータ
６３...二次電池
６４...インバータ
６５...電圧計
１００...制御ユニット
１２１...第２分岐配管
１２２...第２乾燥ガス入口部
１２３...第２乾燥ガス出口部
１２４，１３２，１３４...開閉バルブ
１２５...第２排出配管
１３１...第３分岐配管
１３３...第３乾燥ガス出口部
１３５...第３排出配管
１４０...三方弁
１４１...水素側分岐配管
１４５...掃気ガス入口部
１５１...第４乾燥ガス入口部
１５２...第４乾燥ガス出口部
１５３...第４分岐配管
１５４...第４排出配管
１５５，１５７...開閉バルブ
１５６...第５分岐配管
２２１，２３１...空気入口部
２２２，２３２...空気出口部
２２３，２２９，２３３...サーペンタイン流路
２２３ａ，２３３ａ...第１流路
２２３ｂ...第２流路
２２３ｃ，２３３ｃ...第３流路
２２４...乾燥ガス入口部
２２７...水素ガス入口部
２２８...水素ガス出口部

Claims (8)

1. 反応ガスが流入する反応ガス入口部と、該反応ガスが流出する反応ガス出口部とを有する単セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する供給部とを有する燃料電池システムであって、
   前記単セルの前記反応ガス入口部から前記反応ガス出口部へ流れる反応ガスの流路を、蛇行した流路であるサーペンタイン流路で形成し、
   前記サーペンタイン流路の該流路が折れ曲がるターン部の近傍に、該サーペンタイン流路上の水分を除去する掃気ガスが流入する掃気ガス入口部を設け、
   所定の運転条件に応じて、前記掃気ガス入口部に前記掃気ガスを供給する供給手段を備えた
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記サーペンタイン流路上であって、前記反応ガス出口部よりも上流側のターン部の近傍に、該サーペンタイン流路を流れるガスが流出するガス流出部を設け、
   前記ガス流出部から流出するガスの量を調整する調整手段を備え、
   前記調整手段は、前記供給手段による前記掃気ガス入口部への前記ガスの供給と共に、前記ガス流出部から前記ガスを排出する燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記所定の運転条件は、前記燃料電池の発電開始前のタイミングである燃料電池システム。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記所定の運転条件は、前記燃料電池の発電停止後のタイミングである燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記供給手段は、前記燃料電池に反応ガスを供給する前記供給部であり、前記掃気ガスとして該反応ガスを供給する燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記掃気ガスは、前記反応ガス中の水分を低減した乾燥ガスである燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給する反応ガスとしての酸化ガスを加湿する加湿器を備え、
   前記供給手段は、前記加湿器に流入する前の酸化ガスを前記掃気ガスとして前記掃気ガス入口部に供給する燃料電池システム。
8. 反応ガスが流入する反応ガス入口部と、該反応ガスが流出する反応ガス出口部とを有する単セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する供給部とを有する燃料電池システムであって、
   前記単セルの前記反応ガス入口部から前記反応ガス出口部へ流れる反応ガスの流路を、蛇行した流路であるサーペンタイン流路で形成し、
   前記サーペンタイン流路における下流側の所定位置に、該サーペンタイン流路上の水分を除去する掃気ガスが流入する掃気ガス入口部を設け、
   所定の運転条件に応じて、前記掃気ガス入口部に前記掃気ガスを供給する供給手段を備えた
   燃料電池システム。

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