JP2006185596A

JP2006185596A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2006185596A
Application number: JP2004374394A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Yanai; 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP5000089B2

Abstract

【課題】燃料ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、燃料電池セルの燃料ガス流路から水を排除することができる燃料電池装置を提供すること。
【解決手段】各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に接続される水素ガス供給配管３２，３３の途中部に、それぞれ水素ガス流量調節バルブＨＶ１，ＨＶ２を介装する。また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に接続される流体排出配管３６，３７の下流端を、それぞれ気液分離器１５，１６に接続する。そして、気液分離器１５で分離された水素ガスを送出するための再供給配管３８を、水素ガス供給配管３３の途中部であって、水素ガス流量調節バルブＨＶ２のガス流通方向下流側に接続し、気液分離器１５から分離された水素ガスを送出するための再供給配管３９を、水素ガス供給配管３２の途中部であって、水素ガス流量調節バルブＨＶ１のガス流通方向下流側に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルに燃料ガスを供給して、電気化学反応による起電力を発生する燃料電池装置に関する。

たとえば、固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜を両側から挟むように、アノードとカソードとが配設されている。そして、アノードに水素ガスが供給されるとともに、カソードに空気が供給されることによって、電気化学反応が生じ、アノード−カソード間に起電力が発生する。
具体的には、アノードおよびカソードには、それぞれ水素ガス流路および空気流路が設けられており、水素ガス流路を水素ガスが流れると、アノードにおいて、その水素ガス中の水素の還元反応によって、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生成される。そして、そのプロトンが固体高分子膜を透過してカソードに到達すると、カソードにおいて、プロトンと空気流路を流れる空気中の酸素とから水を生成する反応が生じる。その結果、アノードで生成される電子が外部回路を介してカソードに移動し、アノード−カソード間に起電力が発生する。

このような固体高分子型燃料電池において、カソードの空気流路に水が滞留することによる反応効率の低下を防止するために、たとえば、空気流路に水が滞留すると、空気流路に供給される空気の流量を常よりも増加させて、その滞留している水を、空気の動圧によって吹き飛ばし、その空気とともに空気流路から排出することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平７−２３５３２４号公報

ところが、固体高分子膜のアノード側はカソード側よりもドライな状態であるため、カソードで生成される水の一部が、固体高分子膜を浸透して、アノードに水素ガスを供給するための水素ガス流路に滞留するおそれがある。水素ガス流路に水が滞留すると、水素ガスの流れが悪くなって、出力電圧が低下し、場合によっては、燃料電池が発電むらによる著しいダメージを受けるという不具合を生じる。

水素ガス流路に付着した水を排除するために、空気流路の場合と同様に、水素ガス流路に供給される水素ガスの流量を常よりも増加させて、水を水素ガスの動圧によって吹き飛ばすことが考えられる。しかし、この手法では、多量の水素ガスが未反応のまま排出され、水素ガスを浪費することになる。また、水素ガス流路から排出される水素ガスを、ポンプを用いて、その水素ガス流路に帰還させることにより、水素ガスの浪費を防止することも考えられるが、この場合、ポンプを駆動するためのエネルギーが必要となり、燃料電池およびポンプを含む装置全体での発電効率の低下を招いてしまう。さらに別の手法として、燃料電池を回転させ、その回転の遠心力によって、水素ガス流路から水を排除することも考えられるが、この場合にも、燃料電池を回転させるためのエネルギーが必要となり、装置全体での発電効率の低下が不可避となる。

そこで、本発明の目的は、水素ガスなどの燃料ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、燃料電池セルの燃料ガス流路から水を排除することができる燃料電池装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池装置において、燃料電池セルをそれぞれ含む複数の発電部と、各前記発電部に接続され、それぞれ前記発電部に水素を含む燃料ガスを供給するための供給路と、各前記発電部に接続され、それぞれ前記発電部から排出される流体を燃料ガスと水とに分離するための気液分離手段と、各前記気液分離手段によって分離された燃料ガスを、それぞれ前記気液分離手段が接続されている前記発電部以外の各前記発電部に供給するための再供給路とを備えていることを特徴としている。

前記発電部は、１つまたは複数の燃料電池セルからなる燃料電池であってもよいし、燃料電池セル自体であってもよい。
また、請求項２に記載のように、前記燃料電池装置は、各供給路に設けられ、それぞれ前記供給路から前記発電部への燃料ガスの供給を調節するための供給調節手段と、各前記発電部に滞留している水の量がそれぞれ各前記発電部ごとに設定される基準量を超えているか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって、複数の前記発電部のいずれかに滞留している水の量が基準量を超えていると判断された場合に、その基準量を超える量の水が滞留している前記発電部以外の少なくとも１つの前記発電部への燃料ガスの供給を制限（停止を含む。）する供給制限手段とをさらに備えていることが好ましい。

請求項１に記載の発明によれば、発電部の燃料電池セルの燃料ガス流路（燃料ガスが流れる流路）に、電気化学反応の反応生成物である水が滞留している場合に、その水が滞留している発電部における電気化学反応を制限（停止を含む。）して、他の発電部で電気化学反応を生じさせれば、電気化学反応による水素の消費に伴って生じる吸引力によって、水が滞留している発電部に供給される燃料ガスが他の発電部に吸引される。その結果、水が滞留している発電部の燃料ガス流路を燃料ガスが勢いよく通過し、その燃料ガス流路から燃料ガスとともに水が排出される。この燃料ガス流路から排出される流体（燃料ガスおよび水）は、気液分離手段によって燃料ガスと水とに分離されるので、他の発電部には、水を含まない燃料ガスのみを供給することができる。そのため、水が滞留している発電部に供給される燃料ガスを無駄にすることを防止することができつつ、他の発電部において効率のよい発電（電気化学反応）を確保することができる。よって、燃料ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、水が滞留している発電部の燃料ガス流路から水を排除することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、各発電部に滞留している水の量がそれぞれ基準量を超えているか否かが判断され、複数の発電部のいずれかに滞留している水の量が基準量を超えている場合に、その基準量を超える量の水が滞留している発電部以外の少なくとも１つの発電部への燃料ガスの供給が制限される。すると、その燃料ガスの供給が制限された発電部において、再供給路から燃料ガスを吸引する吸引力（吸引量）が増大し、その結果、水が滞留している発電部を通過する燃料ガスの勢いが増す。そのため、燃料ガスの使用量を抑えることができながら、水が滞留している発電部から水をより確実に排除することができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の全体構成図である。この燃料電池装置は、２つの発電部としての燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２と、これらの燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に供給される燃料ガスとしての水素ガスを貯留する燃料タンク１３と、燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に空気を供給するためのエアコンプレッサ１４と、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に接続される気液分離手段としての気液分離器１５，１６と、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の出力電圧をそれぞれ制御するための判断手段および供給制限手段としてのパワーコントロールユニット１７，１８とを備えている。

燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２は、たとえば、図２に示す燃料電池セル１９を複数積み重ねたスタック構造をなしている。
燃料電池セル１９は、パーフルオロスルホン酸膜などのプロトン導電性の固体高分子膜２０と、白金などの貴金属の触媒が担持されるカーボンなどの多孔質電極からなるアノード２１およびカソード２２と、ガス不透過の導電性材料からなるセパレータ２３，２４と、カーボンペーパなどのガス透過性材料からなる集電体２５とを備えている。

アノード２１およびカソード２２は、固体高分子膜２０を、その両側から挟むようにして配置されており、セパレータ２３，２４は、これらアノード２１およびカソード２２を、さらにその両側から挟むようにして配置されている。そして、アノード２１とセパレータ２３との間およびカソード２２とセパレータ２４との間に、それぞれ集電体２５が介在されている。

セパレータ２３のアノード２１に対向する側の面には、たとえば、アノード２１に水素ガスを供給するための葛折状の水素ガス流路２６が形成されている。この水素ガス流路２６の両端部は、セパレータ２３を厚さ方向に貫通しており、その一方端部は、水素ガスが供給される水素ガス供給孔２７をなし、他方端部は、水素ガスを含む流体を排出する流体排出孔２８をなしている。

また、セパレータ２４のカソード２２に対向する側の面には、たとえば、カソード２２に空気を供給するための葛折状の空気流路２９が形成されている。この空気流路２９の両端部は、セパレータ２４を厚さ方向に貫通しており、その一方端部は、空気が供給される空気供給孔３０をなし、他方端部は、空気を含む流体を排出する流体排出孔３１をなしている。

そして、水素ガス流路２６に水素ガスが供給されるとともに、空気流路２９に空気が供給されると、電気化学反応が生じ、アノード２１とカソード２２との間に起電力が発生する。
具体的には、水素ガス流路２６に水素ガスが供給されると、その水素ガスがアノード２１の全面に供給され、アノード２１において、下記式（１）で示されるように、水素ガス中の水素の還元反応が生じ、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生成される。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
この還元反応によって生成されるプロトンは、固体高分子膜２０を透過して、カソード２２に向かう。そして、そのプロトンがカソード２２に到達すると、カソード２２において、下記式（２）で示されるように、プロトンと空気流路２９を流れる空気中の酸素とから水を生成する反応が生じる。

（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
この結果、アノード２１で生成される電子が外部回路（図示せず）を介してカソード２２に移動し、アノード２１とカソード２２との間に起電力が発生する。
なお、カソード２２で生成される水は、空気とともに、空気流路２９を通して、流体排出孔３１から排出される。

図１および図２を参照して、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９の水素ガス供給孔２７には、それぞれ燃料タンク１３から水素ガスが供給される供給路としての水素ガス供給配管３２，３３が接続されている。これら水素ガス供給配管３２，３３の途中部には、それぞれ水素ガス供給配管３２，３３を流れる水素ガスの流量を調節する供給調節手段としての水素ガス流量調節バルブＨＶ１，ＨＶ２が介装されている。

また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９の流体排出孔２８には、それぞれ流体排出配管３６，３７が接続されている。そして、流体排出配管３６，３７の下流端は、それぞれ気液分離器１５，１６に接続されており、これによって、気液分離器１５，１６は、それぞれ燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に接続されている。
気液分離器１５，１６には、それぞれ流体から分離した水素ガスを送出するための再供給路としての再供給配管３８，３９が接続されている。再供給配管３８は、燃料電池ＦＣ２に接続されている水素ガス供給配管３３の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ２の下流側に接続され、再供給配管３９は、燃料電池ＦＣ１に接続されている水素ガス供給配管３２の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ１の下流側に接続されている。

また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９の空気供給孔３０には、それぞれエアコンプレッサ１４から空気が供給される空気供給配管４０，４１が接続されている。これら空気供給配管４０，４１の途中部には、それぞれ空気供給配管４０，４１を流れる空気の流量を調節する空気流量調節バルブＡＶ１，ＡＶ２が介装されている。
さらにまた、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９の流体排出孔３１には、それぞれ流体排出配管４６，４７が接続されており、カソード２２で生成される水を含む空気は、流体排出孔３１から流体排出配管４６，４７に排出される。

パワーコントロールユニット１７，１８は、たとえば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えるマイクロコンピュータで構成されている。パワーコントロールユニット１７には、水素ガス流量調節バルブＨＶ１および空気流量調節バルブＡＶ１が制御対象として接続され、パワーコントロールユニット１８には、水素ガス流量調節バルブＨＶ２および空気流量調節バルブＡＶ２が制御対象として接続されている。また、パワーコントロールユニット１７，１８は、それぞれ燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の出力電圧を検知することができ、その検知した出力電圧値に基づいて、各バルブの開度を調節することにより、燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２による発電量を制御し、また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９のアノード２１の近傍に滞留している水を排除する。

なお、この実施形態では、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２に対応づけてパワーコントロールユニット１７，１８が設けられているが、燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の両方に対して１つのパワーコントロールユニットを設けて、このパワーコントロールユニットによって、水素ガス流量調節バルブＨＶ１，ＨＶ２および空気流量調節バルブＡＶ１，ＡＶ２の開度を制御するように構成してもよい。

図３は、パワーコントロールユニット１７，１８によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、たとえば、図１に示す燃料電池装置が自動車などの車両に搭載される場合、その車両のイグニッションキースイッチがオンにされている間、繰り返し実行される。
この処理では、まず、水素ガス流量調節バルブＨＶ１，ＨＶ２および空気流量調節バルブＡＶ１，ＡＶ２が開かれて（ステップＳ１）、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２における発電が開始される。そして、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の出力電圧値がそれぞれ予め定める目標電圧値となるように、水素ガス流量調節バルブＨＶ１，ＨＶ２および空気流量調節バルブＡＶ１，ＡＶ２の開度が調節されることにより、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の発電量が制御される（ステップＳ２）。

その後、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６に溜まっている水分の量が推定される（ステップＳ３）。具体的には、パワーコントロールユニット１７，１８によって、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２での発電が行われている間、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の出力電圧が常に検知されており、各出力電圧の低下量に基づいて、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６に滞留している水の量（以下、燃料電池ＦＣ１の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６に滞留している水の量を「燃料電池ＦＣ１の水分量」といい、燃料電池ＦＣ２の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６に滞留している水の量を「燃料電池ＦＣ２の水分量」という。）が推定される。

固体高分子膜２０のアノード２１側はカソード２２側よりもドライな状態であるため、カソード２２での化学反応によって生成される水の一部が、固体高分子膜２０を浸透し、水素ガス流路２６に滞留するおそれがある。そして、水素ガス流路２６に水が滞留すると、水素ガス流路２６における水素ガスの流れが悪くなり、燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の出力電圧が低下する。そして、その出力電圧の低下量は、水素ガス流路２６に滞留している水の量に相関性がある。したがって、燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の出力電圧の低下量に基づいて、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２の水分量を推定することができる。

次いで、その推定された燃料電池ＦＣ１の水分量が所定の基準量Ｘ１よりも多いか否かが判断される（ステップＳ４）。そして、燃料電池ＦＣ１の水分量が基準量Ｘ１よりも多ければ（ステップＳ４のＹＥＳ）、燃料電池ＦＣ１に悪影響を及ぼすような量の水が水素ガス流路２６に滞留していると判断されて、その水素ガス流路２６に滞留している水を排除するための制御が行われる。すなわち、水素ガス流量調節バルブＨＶ１を開いたまま、水素ガス流量調節バルブＨＶ２の開度が小さく制限される（ステップＳ５）。また、空気流量調節バルブＡＶ１の開度が小さく制限されることにより、燃料電池ＦＣ１の発電量が制限される（ステップＳ６）。さらに、空気流量調節バルブＡＶ２の開度が調節されることにより、燃料電池ＦＣ１の発電量の制限分を補うように、燃料電池ＦＣ２の発電量が制御される（ステップＳ７）。

このように、燃料電池ＦＣ１の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６に水が滞留している場合に、その燃料電池ＦＣ１での発電が抑えられる一方、燃料電池ＦＣ２での発電が継続されると、燃料電池ＦＣ２の燃料電池セル１９での電気化学反応による水素の消費に伴って生じる吸引力によって、再供給配管３８を流れる水素ガスが燃料電池ＦＣ２に吸引される。その結果、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６を水素ガスが勢いよく通過し、その水素ガス流路２６から水素ガスとともに水が排出される。また、この水素ガス流路２６から排出される水素ガスおよび水は、気液分離器１５によって水素ガスと水とに分離されるので、燃料電池ＦＣ２には、再供給配管３８を通して、水を含まない水素ガスのみが供給される。そのため、水が滞留している燃料電池ＦＣ１に供給される水素ガスを無駄にすることを防止することができつつ、燃料電池ＦＣ２において効率のよい発電を確保することができる。よって、水素ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６から水を排除することができる。

また、水素ガス流量調節バルブＨＶ２の開度が小さく制限されて、燃料タンク１３から燃料電池ＦＣ２への水素ガスの供給が制限されるので、燃料電池ＦＣ２による再供給配管３８からの水素ガスの吸引量が増大し、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６を通過する水素ガスの勢いが増す。そのため、水素ガスの使用量を抑えることができながら、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６に貯留している水をより確実に排除することができる。

なお、この制限は、燃料タンク１３から燃料電池ＦＣ２への水素ガスの供給の停止を含む概念である。すなわち、燃料タンク１３から燃料電池ＦＣ２への水素ガスの供給を停止させてもよく、その場合、燃料電池ＦＣ２の燃料電池セル１９での電気化学反応による水素の消費に伴って、燃料電池ＦＣ２には、下記式（３）で計算される吸引量の吸引力が生じる。

吸引量＝Ｉ×Ｃ÷Ｆ÷２×２２．４・・・（３）
Ｉ：燃料タンクからの水素ガスの供給が停止されている燃料電池による発電電流値
Ｃ：その燃料電池を構成する燃料電池セルの数
Ｆ：ファラデー定数
また、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６に水が滞留している場合に、空気流量調節バルブＡＶ１の開度を小さく制限して、燃料電池ＦＣ１の発電量を制限するとしたが、この制限も、空気流量調節バルブＡＶ１を閉じることによる燃料電池ＦＣ１の発電停止を含む概念である。燃料電池ＦＣ１における発電を停止させれば、その燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６から水を排除する間、燃料電池ＦＣ１で水が生成されないので、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６に貯留している水を良好に排除することができる。

一方、燃料電池ＦＣ１の水分量が所定の基準量Ｘ１以下であれば（ステップＳ４のＮＯ）、次に、燃料電池ＦＣ２の水分量が所定の基準量Ｘ２よりも多いか否かが判断される（ステップＳ８）。そして、燃料電池ＦＣ２の水分量が基準量Ｘ２よりも多ければ（ステップＳ８のＹＥＳ）、燃料電池ＦＣ２に悪影響を及ぼすような量の水が水素ガス流路２６に滞留していると判断されて、その水素ガス流路２６に滞留している水を排除するための制御が行われる。すなわち、水素ガス流量調節バルブＨＶ２を開いたまま、水素ガス流量調節バルブＨＶ１の開度が小さく制限される（ステップＳ９）。また、空気流量調節バルブＡＶ２の開度が小さく制限されることにより、燃料電池ＦＣ２の発電量が制限される（ステップＳ１０）。さらに、空気流量調節バルブＡＶ２の開度が調節されることにより、燃料電池ＦＣ１の発電量の制限分を補うように、燃料電池ＦＣ２の発電量が制御される（ステップＳ１１）。

このように、燃料電池ＦＣ２の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６に水が滞留している場合に、その燃料電池ＦＣ２での発電が抑えられる一方、燃料電池ＦＣ１での発電が継続されると、燃料電池ＦＣ１の燃料電池セル１９での電気化学反応による水素の消費に伴って生じる吸引力によって、再供給配管３９を流れる水素ガスが燃料電池ＦＣ１に吸引される。その結果、燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６を水素ガスが勢いよく通過し、その水素ガス流路２６から水素ガスとともに水が排出される。また、この水素ガス流路２６から排出される水素ガスおよび水は、気液分離器１６によって水素ガスと水とに分離されるので、燃料電池ＦＣ１には、再供給配管３９を通して、水を含まない水素ガスのみが供給される。そのため、水が滞留している燃料電池ＦＣ２に供給される水素ガスを無駄にすることを防止することができつつ、燃料電池ＦＣ１において効率のよい発電を確保することができる。よって、水素ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６から水を排除することができる。

また、水素ガス流量調節バルブＨＶ１の開度が小さく制限されて、燃料タンク１３から燃料電池ＦＣ１への水素ガスの供給が制限されるので、燃料電池ＦＣ１による再供給配管３９からの水素ガスの吸引量が増大し、燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６を通過する水素ガスの勢いが増す。そのため、水素ガスの使用量を抑えることができながら、燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６に貯留している水をより確実に排除することができる。

なお、この制限は、燃料タンク１３から燃料電池ＦＣ１への水素ガスの供給の停止を含む概念である。すなわち、燃料タンク１３から燃料電池ＦＣ１への水素ガスの供給を停止させてもよく、その場合、燃料電池ＦＣ１の燃料電池セル１９での電気化学反応による水素の消費に伴って、燃料電池ＦＣ１には、上記式（３）で計算される吸引量の吸引力が生じる。

また、燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６に水が滞留している場合に、空気流量調節バルブＡＶ２の開度を小さく制限して、燃料電池ＦＣ２の発電量を制限するとしたが、この制限も、空気流量調節バルブＡＶ２を閉じることによる燃料電池ＦＣ２の発電停止を含む概念である。燃料電池ＦＣ２における発電を停止させれば、その燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６から水を排除する間、燃料電池ＦＣ２で水が生成されないので、燃料電池ＦＣ２の水素ガス流路２６に貯留している水を良好に排除することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、２つの燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２を備える構成の燃料電池装置を取り上げたが、燃料電池装置には、図４に示すように、３つの燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３が備えられていてもよいし、３つ以上の燃料電池が備えられていてもよい。
図４に示す構成では、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に、それぞれ燃料タンク１３から水素ガスが供給される供給路としての水素ガス供給配管３２，３３，４２が接続されている。そして、これら水素ガス供給配管３２，３３，４２の途中部には、それぞれ水素ガス供給配管３２，３３，４２を流れる水素ガスの流量を調節する供給調節手段としての水素ガス流量調節バルブＨＶ１，ＨＶ２，ＨＶ３が介装されている。

また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３には、それぞれ流体排出配管３６，３７，４３が接続され、これら流体排出配管３６，３７，４３の下流端は、それぞれ気液分離器１５，１６，４４に接続されている。
気液分離器１５，１６，４４には、それぞれ流体から分離した水素ガスを送出するための再供給路としての再供給配管３８，３９，４５が接続されている。

再供給配管３８は、途中で２つの分岐管３８１，３８２に分岐して、一方の分岐管３８１の下流端が、燃料電池ＦＣ２に接続されている水素ガス供給配管３３の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ２の下流側に接続され、他方の分岐管３８２の下流端が、燃料電池ＦＣ３に接続されている水素ガス供給配管４２の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ３の下流側に接続されている。

再供給配管３９は、途中で２つの分岐管３９１，３９２に分岐して、一方の分岐管３９１の下流端が、燃料電池ＦＣ１に接続されている水素ガス供給配管３２の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ１の下流側に接続され、他方の分岐管３９２の下流端が、燃料電池ＦＣ３に接続されている水素ガス供給配管４２の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ３の下流側に接続されている。

再供給配管４５は、途中で２つの分岐管４５１，４５２に分岐して、一方の分岐管４５１の下流端が、燃料電池ＦＣ１に接続されている水素ガス供給配管３２の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ１の下流側に接続され、他方の分岐管４５２の下流端が、燃料電池ＦＣ２に接続されている水素ガス供給配管３３の途中部であって、水素ガスの流通方向における水素ガス流量調節バルブＨＶ２の下流側に接続されている。

また、図４において示されていないが、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３には、それぞれエアコンプレッサ１４から空気が供給される空気供給配管が接続されており、これら空気供給配管から空気が供給されるようになっている。
そして、各燃料装置ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３ごと、または、各燃料装置ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３に共通に設けられるパワーコントロールユニットによって、燃料電池ＦＣ１の水分量、燃料電池ＦＣ２の水分量およびＦＣ３の燃料電池セル１９の水素ガス流路２６（図２参照）に滞留している水の量（以下、「燃料電池ＦＣ３の水分量」という。）が推定される。そして、その推定された燃料電池ＦＣ１の水分量、燃料電池ＦＣ２の水分量および燃料電池ＦＣ３の水分量が、それぞれ所定の基準量Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３よりも多いか否かが判断され、いずれか１つの燃料電池の水分量が基準値よりも多ければ、その燃料電池に悪影響を及ぼすような量の水が水素ガス流路に滞留していると判断されて、その水素ガス流路２６に滞留している水を排除するための制御が行われる。

たとえば、燃料電池ＦＣ１の水分量が基準量Ｘ１を超えている場合には、水素ガス流量調節バルブＨＶ１を開いたまま、水素ガス流量調節バルブＨＶ２および／またはＨＶ３の開度が小さく制限（閉状態を含む。）される。また、燃料電池ＦＣ１への空気の供給量が制限されることにより、燃料電池ＦＣ１の発電量が制限（停止を含む。）される。さらに、燃料電池ＦＣ２および／またはＦＣ３への空気の供給量の調節によって、燃料電池ＦＣ１の発電量の制限分を補うように、燃料電池ＦＣ２および／またはＦＣ３の発電量が制御される。これにより、燃料電池ＦＣ２および／またはＦＣ３での電気化学反応による水素の消費に伴って生じる吸引力によって、再供給配管３８を流れる水素ガスが燃料電池ＦＣ２および／またはＦＣ３に吸引される。その結果、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６を水素ガスが勢いよく通過し、その水素ガス流路２６から水素ガスとともに水が排出される。また、この水素ガス流路２６から排出される水素ガスおよび水は、気液分離器１５によって水素ガスと水とに分離されるので、燃料電池ＦＣ２には、再供給配管３８を通して、水を含まない水素ガスのみが供給される。そのため、水が滞留している燃料電池ＦＣ１に供給される水素ガスを無駄にすることを防止することができつつ、燃料電池ＦＣ２および／またはＦＣ３において効率のよい発電を確保することができる。よって、水素ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、燃料電池ＦＣ１の水素ガス流路２６から水を排除することができる。

また、燃料電池ＦＣ２の水分量が基準量Ｘ２を超えている場合には、水素ガス流量調節バルブＨＶ２を開いたまま、水素ガス流量調節バルブＨＶ１および／またはＨＶ３の開度が小さく制限されるとともに、燃料電池ＦＣ２への空気の供給量が制限されることにより、燃料電池ＦＣ２の発電量が制限されるとよい。
さらに、燃料電池ＦＣ３の水分量が基準量Ｘ３を超えている場合には、水素ガス流量調節バルブＨＶ３を開いたまま、水素ガス流量調節バルブＨＶ１および／またはＨＶ２の開度が小さく制限されるとともに、燃料電池ＦＣ３への空気の供給量が制限されることにより、燃料電池ＦＣ３の発電量が制限されるとよい。

なお、このように燃料電池が３つ以上備えられる場合には、水が滞留している燃料電池以外の燃料電池のうちのいずれか１つの燃料電池への水素ガスの供給が制限されることが好ましい。こうすることによって、水が滞留している燃料電池による発電量を制限しても、燃料電池装置全体としての発電量の変動を小さくすることができる。
また、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２が本発明の発電部である場合を取り上げたが、燃料電池装置には１つの燃料電池ＦＣ１のみが備えられ、この燃料電池ＦＣ１に備えられる各燃料電池セル１９が本発明の発電部であってもよい。たとえば、燃料電池ＦＣ１に２つの燃料電池セル１９が備えられる場合、図５に示すように、図１に示す燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２をそれぞれ燃料電池セル１９に置き換えた構成とすればよく、各燃料電池セル１９から水を排除する際の制御についても、各燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２から水を排除する場合の制御と同様な制御が行われるとよい。これにより、水素ガスの消費量に対する発電効率の低下を招くことなく、燃料電池ＦＣ１の各燃料電池セル１９の水素ガス流路２６から水を排除することができる。

さらにまた、上記の実施形態では、燃料電池の出力電圧の低下量に基づいて、燃料電池の水素ガス流路に滞留している水の量を推定するとしたが、燃料電池の水素ガス流路に滞留する水の量は、燃料電池による発電電流の積算量に比例するので、燃料電池による発電電流を検知する手段を設けて、その発電電流の積算量を求め、これに基づいて、燃料電池の水素ガス流路に滞留する水の量を推定するようにしてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の全体構成図である。図１に示す燃料電池の燃料電池セルの概略断面図である。図１に示すパワーコントロールユニットによって実行される処理の流れを示すフローチャートである。本発明の他の実施形態であって、３つの燃料電池を備える場合の構成について説明するための構成図である。本発明のさらに他の実施形態であって、燃料電池セルを発電部とする場合の構成について説明するための構成図である。

符号の説明

１５気液分離器
１６気液分離器
１７パワーコントロールユニット
１８パワーコントロールユニット
１９燃料電池セル
３２水素ガス供給配管
３３水素ガス供給配管
３８再供給配管
３９再供給配管
４２水素ガス供給配管
４５再供給配管
ＦＣ１燃料電池
ＦＣ２燃料電池
ＦＣ３燃料電池
ＨＶ１水素ガス流量調節バルブ
ＨＶ２水素ガス流量調節バルブ
ＨＶ３水素ガス流量調節バルブ

Claims

燃料電池セルをそれぞれ含む複数の発電部と、
各前記発電部に接続され、それぞれ前記発電部に水素を含む燃料ガスを供給するための供給路と、
各前記発電部に接続され、それぞれ前記発電部から排出される流体を燃料ガスと水とに分離するための気液分離手段と、
各前記気液分離手段によって分離された燃料ガスを、それぞれ前記気液分離手段が接続されている前記発電部以外の各前記発電部に供給するための再供給路とを備えていることを特徴とする、燃料電池装置。
各供給路に設けられ、それぞれ前記供給路から前記発電部への燃料ガスの供給を調節するための供給調節手段と、
各前記発電部に滞留している水の量がそれぞれ各前記発電部ごとに設定される基準量を超えているか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段によって、複数の前記発電部のいずれかに滞留している水の量が基準量を超えていると判断された場合に、その基準量を超える量の水が滞留している前記発電部以外の少なくとも１つの前記発電部への燃料ガスの供給を制限する供給制限手段とを備えていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。