JP2006120383A - 燃料電池システム及び燃料ガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の劣化を抑制し、簡易な構成で燃料ガスの供給を可能とする。
【解決手段】燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａに、他端が燃料ボンベ１１に接続された燃料ガス供給流路２０１を接続し、ガス供給弁Ｖ１を設ける。燃料電池スタック１００の燃料排出口１７１ｂに、バッファータンク２１を有し、他端にガス排出弁Ｖ５が設けられた燃料ガス排出流路２０３を接続する。通常運転時、前記ガス排出弁Ｖ１を閉じると共に、圧力センサＳ３による検出値が、所定圧力範囲の上限値に達した場合にガス供給弁Ｖ１を閉じ、下限値に達した場合にガス供給弁Ｖ１を開くように制御し、これを繰り返すことより、ガスの流れに脈流を発生させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システム及び燃料ガス供給方法に係り、詳しくは、脈動させつつ燃料ガスを供給する燃料電池システム燃料ガス供給方法に関するものである。

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。
一方、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、電極を腐食させることなり、電極の劣化が進行するという問題がある。このため、ガス濃度を均一化し、燃料室内で燃料ガスの滞留を防止する構成が提案されている。

燃料ガスの滞留を防止するために、例えば、燃料電池スタックの燃料ガス供給口と燃料ガス排出口を連結した循環回路を形成した構成が提案されている。この循環回路に循環ポンプを設け、燃料ガス容器から燃料ガスが新に供給されていない状態においても、燃料ガスを適宜循環させることで、燃料室内に気流が発生するように構成されたものである。このような従来の構成を示すものとして、例えば次のような従来技術が挙げられる。
特開平７−２４０２２０号。

特許文献１に示されているような従来の構成では、循環回路と、循環ポンプを設ける必要があり、構成の大型化を招くととも、ポンプの駆動動力源を確保する必要があり、エネルギー効率が悪化するという問題があった。
この発明は、電極の劣化を抑制し、簡易な構成で燃料ガスの供給が可能となる燃料電池システム及び燃料ガス供給方法を提供することを目的とする。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１） 燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの燃料供給口に一端が接続されると共に他端が燃料ボンベに接続され、ガス供給弁が設けられた燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池スタックの燃料排出口に一端が接続されると共に他端が開放され、ガス排出弁が設けられた燃料ガス排出流路と、
前記燃料電池スタック内或いは前記燃料排出口と前記ガス排出弁との間に設けられた圧力センサと、
前記燃料電池スタック内の容量よりも前記燃料排出口から前記ガス排出弁までの容積を拡張する排ガス収容手段と、
通常運転時、前記ガス排出弁を閉じると共に、前記圧力センサによる検出値が、所定圧力範囲の上限値に達した場合に前記ガス供給弁を閉じ、下限値に達した場合に前記ガス供給弁を開くように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

（２） 前記排ガス収容手段は、排ガスの一部を収容するバッファタンクである上記（１）に記載の燃料電池システム。

（３） 燃料電池スタックの燃料供給口に、燃料ボンベとガス供給弁とが設けられた燃料ガス供給路が接続されていると共に、前記燃料電池スタックの燃料排出口に、ガス排出弁と、前記燃料電池スタック内の容量よりも前記燃料排出口から前記ガス排出弁までの容積を拡張する排ガス収容手段とが設けられた燃料ガス排出路が接続された燃料電池スタックへの燃料ガス供給方法であって、通常運転時、前記燃料排出内のガス圧が所定圧力範囲の上限値に達した場合に前記ガス供給弁を閉じ、下限値に達した場合に前記ガス供給弁を開くことを特徴とする燃料ガス供給方法。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックに供給される燃料ガスのガス圧が、下限値に達した場合にガス供給弁を開くことにより、燃料ガスが燃料電池スタックに供給される。この際、燃料排出口からガス排出弁までの容積が、排ガス収容手段によって拡張されているので、燃料ボンベからの燃料ガスが、燃料電池スタック内に十分に供給される。ガス圧が上限値に達すると、ガス供給弁は閉じられ、燃料電池の発電により、燃料ガスが消費され、ガス圧は低下する。ガス圧が下限値以下となった場合、ガス供給弁が再び開放され、燃料ガスが供給される。このようなガス供給弁の開閉により、ガス流の脈動が生じ、燃料電池スタック内における部分的なガス滞留が抑制され、燃料ガス供給がより均一に行われる。

請求項２に記載の発明によれば、ガス排出流路側に、バッファタンクを設けることによって、ガス排出流路の容積が、ガス供給流路の容積よりも十分大きくなるため、ガス供給弁の開放によって流入する燃料ガスを、燃料電池スタック内に十分に行き渡らせることができる。

請求項３に記載の発明によれば、燃料電池スタックに供給される燃料ガスのガス圧が、下限値に達した時に、ガス供給弁を開くことにより、燃料ガスが燃料電池スタックに供給される。この際、燃料排出口からガス排出弁までの容積が排ガス収容手段によって拡張されているので、燃料ボンベからの燃料ガスが、燃料電池スタック内に十分に供給される。ガス圧が上限値に達すると、ガス供給弁は閉じられ、燃料電池の発電により、燃料ガスが消費され、ガス圧は低下する。ガス圧が再度下限値となった時、ガス供給弁が開放され、燃料ガスが供給される。このようなガス供給弁の開閉により、ガス流の脈動が生じ、燃料電池スタック内における部分的なガス滞留が抑制され、燃料ガス供給がより均一に行われる。

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、燃料ボンベ１１を含む燃料供給系１０、水供給系５０から大略構成される。

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。

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。

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、この孔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、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。

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。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。

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８３が形成されており、この孔８３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８４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、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

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８３に合致する位置に孔９３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とを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。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。

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ユニット１３０（単位体）構成し、このユニット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。ユニット１３０とユニット１３０の間には、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。遮蔽板１６は、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１６１ｂを備えている。この遮蔽板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。このようにユニット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、ユニット１３０単位で、各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のユニット１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のユニット１３０では、水素通路１７ｂから水素通路１７ａへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のユニット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。

即ち、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ユニット１３０と、ユニット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、ユニット１３０を積層して構成されたものであって、隣接するユニット１３０の間には、各ユニット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（遮蔽板１６）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているユニット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、ユニット１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。

このように、燃料電池スタック１００を、複数のユニット１３０に分割し、ユニット毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各ユニット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、単位のユニット１３０内においても、積層されたセパレータ１３と単位セル１５とで構成された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。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、ユニット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。

ユニット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（ユニット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、ユニット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。
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。

図１２は、燃料電池スタック１００の正面図である。水素通路１７ａの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路１８ａが設けられている。この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、燃料ガス供給流路２０１と同じ断面形状を有し、ガス導出口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からガス導出口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、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。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。そして、ガス導出口１８２ａが燃料供給口１７１ａに接続されている。

図１３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。この導出案内路１８ｂは、ガス導入口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、ガス導入口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。そして、ガス導入口１８１ｂが燃料排出口１７１ｂに接続されている。
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、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。

次に、図１に示されている燃料電池システム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、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。

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、容器内に回収される。

燃料供給系１０は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１と、燃料ガス供給流路２０１と、燃料ガス供給流路２０１に設けられたガス供給弁Ｖ１とを備えている。燃料ガス供給流路２０１の一端は、高圧水素タンク１１に接続され、他端は、導入案内路１８ａを介して、燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａに接続されている。

燃料ガス供給流路２０１は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａへ送る。図示されていないが、燃料ガス供給流路２０１には、１水素一次圧センサ、水素一次圧調圧弁、水素元電磁弁、水素二次圧可変調圧弁等が、この順で適宜設けられている。水素調圧弁によって、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。
燃料ガス供給流路２０１には、ガス供給弁Ｖ１の下流側には、空気導入路２０２が接続されおり、空気導入路２０２には、空気供給弁Ｖ４が設けられている。

燃料電池スタック１００では、図３に示されているように、水素通路１７ａから水素ガスが水素流通経路８４ａへ流入し、さらに、水素流通経路８４ａ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から水素通路１７ｂへ流入する。

燃料電池スタック１００の燃料排出側には、燃料ガス排出流路２０３が接続されている。燃料ガス排出流路２０３の一端は、導出案内路１８ｂを介して、燃料電池スタック１００の燃料排出口１７１ｂに接続され、他端は外部に開放された排出口２６となっている。

燃料ガス排出流路２０３には、排ガス収容手段であるバッファタンク２１が接続され、その排出口２６側には、ガス吸引路２０４の一端が接続され、さらのその下流側には、ガス排出弁Ｖ５が接続されている。

ガス吸引路２０４には、ポンプ２５が接続され、さらにその下流側には、吸引弁Ｖ３が接続されている。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。

また、燃料ガス排出流路２０３には、圧力センサＳ３が接続され、燃料電池スタック１００の燃料室内のガス圧がモニタされている。燃料供給系１０において、燃料電池スタック１００の水素通路１７ｂから排出される水素ガスは、導出案内路１８ｂを介して、燃料ガス排出流路２０３へ排出される。

各弁Ｖ１〜Ｖ５は、例えば電磁弁で構成され、電気的に開閉制御可能に構成されている。なお、バッファタンク２１は、燃料電池スタック１００から、燃料ガスとともに排出された生成水を溜める貯留タンクとしても機能する。このように貯留タンクとバッファタンクとを兼用することにより、部品点数の削減と、構成の簡易化を図ることができる。

次にタンク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。

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。

さらに、燃料電池システム１には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ＯＮ／ＯＦＦスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。

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る範囲で設定されている。例えば、通常運転時の水素ガスの供給ガス圧は、例えば、０．２ＭＰａ（メガパスカル）に設定することができる。

本発明では、通常運転状態（通常発電状態）とは、燃料電池システム１が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。また、燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され（イグニッションキーがオンされ）、燃料電池システム１が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。

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、水素排出用のポンプ２５のオン・オフが制御される。さらに、制御部によって、ガス供給弁Ｖ１、吸引弁Ｖ３、空気供給弁Ｖ４、ガス排出弁Ｖ５開閉、水素二次圧可変調圧弁（可変レギュレータ）が設けられている場合には、その設定圧の調整制御がなされる。

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１４は、燃料電池システム１の通常運転状態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。以下の制御動作は、図示しない制御部における制御動作として実行される。この制御部は、ＣＰＵなどの集積回路により構成され、リレー回路等を介して、電磁弁の開閉を制御し、各センサからは、その検出値が供給される。

イグニッションＯＮなど、起動を始める動作が確認されると、起動時のガス置換処理が行われる（ステップＳ１０１）。起動時は、燃料電池スタック１００の燃料室内に空気が充填されているので、これを燃料ガスに置換する必要がある。そこで、ガス供給弁Ｖ１、空気供給弁Ｖ４、ガス排出弁Ｖ５を閉じ、吸引弁Ｖ３を開放して、ポンプ２５を駆動させる。これにより、ガス供給弁Ｖ１より下流側のガス圧は下がる。ガス圧が、所定値（例えば、運転時ガス圧よりも？ ％程度低い値）に達した時点で、吸引弁Ｖ３を閉じ、ガス供給弁Ｖ１を開放する。これにより、水素ガスは、ガス圧の低い燃料電池スタック１００の燃料室に流入する。さらに、バッファタンク２１の容積が十分大きいために、バッファタンク２１が十分に水素ガスを引き込み、燃料電池スタック１００の燃料室の略全域を、空気から燃料ガスに置換させることができる。

以上のように水素ガスへの置換が完了した時点で、負荷が燃料電池スタック１００に接続され、通常発電が開始される（ステップＳ１０３）。燃料電池スタック１００内では、水素ガスと酸化ガスである空気（酸素）との反応が進むと、水素ガスが酸素との発電反応により消費され、燃料室のガス圧が減少する。このガス圧は、圧力センサＳ３により検出される。ガス圧が、予め定められた下限値に達したかを判断する（ステップＳ１０５）。下限値に達していないと判断した場合には、このステップＳ１０５の判断を繰り返す。下限値に達していると判断した場合には、ガス供給弁Ｖ１を開放する（ステップＳ１０５）。予め設定される下限値は、ガス供給弁Ｖ１の開放時に供給されるガス圧（以下、「供給時ガス圧」という）よりも、小さく設定されており、好ましくは、供給時ガス圧値の６０％以上、好ましくは、８０％以上であり、燃料電池スタック１００の単位セルが燃料室３０と空気流路４０との間のガス圧の差によって、単位セルが破損しない程度のガス圧であればよい。この実施形態では、０．１８ＭＰａが下限値として設定されている。

また、後述するバッファタンク２１の容量に応じて、下限値を変更してもよい。つまり、バッファタンク２１の容量を大きくする程、下限値を上げることが可能となる。即ち、バッファタンク２１の容量が大きくなる程、低圧時にガス供給弁Ｖ１を開放した際、ガスを吸い込む量が増加し、燃料電池スタック１００内へ十分な量の水素ガスを引き込むことができるからである。

ガス供給弁Ｖ１の開放により、ガス供給弁Ｖ１から水素ガスが供給される。ガス排出弁Ｖ５、吸引弁Ｖ３が閉じられており、供給時ガス圧よりもガス供給系内と燃料電池スタック１００の全体（燃料ガス供給流路２０１の管内、燃料電池スタック１００の全燃料室内、燃料ガス排出流路２０３の管内、バッファタンク２１内）のガス圧が低くなっているため、この低圧の空間に水素ガスが流入する。ここで、燃料電池スタック１００の下流側に、十分な容積を有するバッファタンク２１が設けられているので、バッファタンク２１の吸い込みによって、燃料電池スタック１００内に水素ガスが十分に引き込まれ、各燃料室３０を水素ガスで満たすことができる。水素ガスを燃料電池スタック１００内に十分に引き込むためのバッファタンク２１の容量は、例えば、燃料電池スタック１００内の全燃料室３０の容積和よりも大きいことが望ましい。

次にガス圧が、所定の上限値以上であるか判断する（ステップＳ１０９）。上限値以上でない場合には、ステップＳ１０７を維持する。上限値以上となった場合には、ガス供給弁Ｖ１を閉じる（ステップＳ１１１）。この実施形態では、上限値は、０．２２ＭＰａに設定されている。上限値は、例えば、通常運転状態において、発電可能なガス圧に設定されている。例えば、ガス供給弁Ｖ１を開放した時に供給されるガスのガス圧に設定してもよい。この場合には、上限値に達した状態は、ガス供給弁Ｖ１の上流側（ガスボンベ側）と下流側（燃料電池スタック側）で、圧力が等しくなり、ガスの流れが止まったことを意味するので、この時点が、ガス供給弁Ｖ１を閉じるタイミングであると判断する。

次に、イグニッションＯＦＦ操作がされたか判断する（ステップＳ１１３）。ＯＦＦ操作されていない場合には、ステップＳ１０５戻り、イグニッションＯＦＦ操作されるまで、ステップＳ１０５〜１１３を繰り返し実行する。この処理により、ガス圧が下限値まで低下すると、その度に、水素ガスが供給されることとなり、供給時に生じるガス流によって、燃料室内が攪拌され、ガスの滞留や、ガス成分の偏在（濃度の偏在）が抑制される。換言すると、ガスの流れに脈動が生じるため、循環ポンプなどで、水素ガスを常時循環させる構成に比較して、ガスの流れる速度が変化することで、ガスの滞留や濃度の偏在を、より一層抑制できる。さらに、ポンプを常時駆動させる必要がなく、駆動エネルギーの節約を図ることができる。

イグニッションＯＦＦされた場合には、停止時ガス置換処理が行われる（ステップＳ１１５）。停止時ガス置換処理は、燃料電池スタック１００内の水素ガスを置換ガス（空気）に置換する処理である。ガス供給弁Ｖ１、空気供給弁Ｖ４、ガス排出弁Ｖ５をそれぞれ閉じた状態で、吸引弁Ｖ３を開放しポンプ２５を駆動させる。これにより、燃料電池スタック１００内の水素ガス、及びバッファタンク２１内の水素ガスが排出され、これらのガス圧が低下し、負圧となる。次に、吸引弁Ｖ３を閉じ、ポンプ２５を停止させ、空気供給弁Ｖ４を開放する。これにより、外気である空気が、燃料電池スタック１００とバッファタンク２１内に流入し、水素ガスは、空気に置換される。また、流入の際の攪拌作用によって、燃料室内でのガスの滞留や濃度偏在が抑制される。

以上説明した実施形態の他、例えば、次に挙げられるような構成としてもよい。

電位検出センサＳ２よって検出される電位をモニターし、単位セル毎検出される検出値の間に差が生じた場合には、ガス圧の下限値を上方に補正し、ガス供給ベンＶ１の開放タイミングを早くする設定とすることができる。単位セル毎の検出値に差が生じるということは、ガスの滞留や濃度の偏在が生じていることを意味するので、ガス供給によるガス流を生じさせ、燃料室内の攪拌を早期に実行することで、安定した燃料電池スタックからの安定した出力を得ることができる。

また、ガス供給時のガス流による燃料室内の攪拌作用を発揮させるためには、１回のガス供給弁Ｖ１の開放（ステップＳ１０７）で、燃料電池スタック１００内の水素ガスが全て、供給される水素ガスに置換されなくてもよい。

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。 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。 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。 本実施形態における通常運転時の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 ユニット
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
２１ バッファタンク
１７１ａ 燃料供給口
１７１ｂ 燃料排出口
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 燃料ガス排出流路
Ｓ３ 圧力センサ
Ｖ１ ガス供給弁
Ｖ３ 吸引弁
Ｖ４ 空気供給弁
Ｖ５ ガス排出弁

Claims (3)

1. 燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックの燃料供給口に一端が接続されると共に他端が燃料ボンベに接続され、ガス供給弁が設けられた燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池スタックの燃料排出口に一端が接続されると共に他端が開放され、ガス排出弁が設けられた燃料ガス排出流路と、
   前記燃料電池スタック内或いは前記燃料排出口と前記ガス排出弁との間に設けられた圧力センサと、
   前記燃料電池スタック内の容量よりも前記燃料排出口から前記ガス排出弁までの容積を拡張する排ガス収容手段と、
   通常運転時、前記ガス排出弁を閉じると共に、前記圧力センサによる検出値が、所定圧力範囲の上限値に達した場合に前記ガス供給弁を閉じ、下限値に達した場合に前記ガス供給弁を開くように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排ガス収容手段は、排ガスの一部を収容するバッファタンクである請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池スタックの燃料供給口に、燃料ボンベとガス供給弁とが設けられた燃料ガス供給路が接続されていると共に、前記燃料電池スタックの燃料排出口に、ガス排出弁と、前記燃料電池スタック内の容量よりも前記燃料排出口から前記ガス排出弁までの容積を拡張する排ガス収容手段とが設けられた燃料ガス排出路が接続された燃料電池スタックへの燃料ガス供給方法であって、通常運転時、前記燃料排出内のガス圧が所定圧力範囲の上限値に達した場合に前記ガス供給弁を閉じ、下限値に達した場合に前記ガス供給弁を開くことを特徴とする燃料ガス供給方法。

Images