JP2007123127A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の下流側のセルに異物が蓄積することにより燃料電池の出力が不安定となるのを抑えると共に、燃料電池起動時に下流側のセルのガス流路内まで迅速にガスを供給できるようにする。
【解決手段】燃料電池は、複数の積層された第１セルと、セルの積層方向の両側に積層された第１セルを挟んで配置され、複数の第１セルで発電された電気を集電する集電手段と、積層された第１セルを貫通し、各第１セル内のガス流路の入口側に接続するガス供給マニホールドと、積層された第１セルを貫通し、ガス流路の出口側に接続するガス排出マニホールドとを備える。また、この燃料電池において、ガス供給マニホールド内のガスの流れに対して下流側に配置された集電手段の、第１セルとは反対側に、第２セルを配置する。第２セルは、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとに接続する第２セルガス流路を備える。
【選択図】図３

Description

この発明は燃料電池に関する。更に具体的には、複数の積層されたセルの各ガス流路に反応ガスを供給し、この反応ガスの電気化学反応により発電した電力を回収する燃料電池に関するものである。

特開２００４−１３４１９９号公報には、複数のセルが積層され、その積層されたセルの両端にエンドプレートが配置されたスタックを有する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池の各セルは、固体高分子膜を挟んで配置されたアノードとカソードと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソードに酸化ガスを供給する酸化ガス流路とを備える。また、各セルの燃料ガス流路は積層されたセルを貫通する燃料ガス供給マニホールドに接続され、酸化ガス流路は積層されたセルを貫通する酸素ガス供給マニホールドに接続されている。燃料電池の発電時には、酸素ガス供給マニホールドから、各セルのカソード側に酸化ガスが供給され、燃料ガス供給マニホールドから各セルのアノード側に燃料ガスが供給される。供給された酸化ガスと燃料ガスとは、電極触媒層内で電気化学反応により消費され発電が行われる。

燃料電池の起動直後は、積層されているセルの中には、燃料ガスの供給が不十分となっているセルや、水分が滞留して燃料ガスの供給が妨げられているセルが存在する場合が多い。このようなセルの燃料電池の起動直後の発電電圧は低下しやすい。従って、燃料電池起動後、直ちに外部負荷に電力を供給しようとしても、負荷の要求する電力を安定して供給できないことが考えられる。この種の不具合を解消するため、燃料電池の負荷電圧取り出しを開始する前に、積層された全てのセルの燃料ガス流路に十分に燃料ガスが供給され、燃料ガスの供給が完了したか否かを判定する必要がある。

ここで、積層されたセルのうち燃料ガス供給マニホールド内の燃料ガスの流れに対して下流側のセルでは、特に燃料ガスが不足しやすく、燃料ガス流路内に滞留したガスが燃料ガスにより置換されるまでに特に時間を要する。従って、下流側のセルに燃料ガスが十分に供給された場合には、そのセルより上流側のセルには、既に燃料ガスが十分に供給されていると考えることができる。また、セルのＯＣＶ（開回路電圧）が、燃料ガスが十分に供給されている場合に出力する基準値よりも大きい場合には、すでにセルに燃料ガスが十分に供給されているものと考えられる。このことから、上記従来技術の燃料電池システムでは、燃料電池の起動時には、燃料電池の燃料ガス供給の流れに対して最下流側の単位セルのＯＣＶを測定し、ＯＣＶが所定値より大きいと判定された場合に、負荷電圧の取り出しを開始することとしている。これにより上記従来技術の燃料電池システムによれば、セルの積層数が多くなった場合にも、各セルの電圧を個別に測定することなく、燃料電池の負荷電圧取り出し開始時期が適切に判断される。

特開２００４−１３４１９９号公報 特開２００３−６８３４９号公報

燃料ガス中には、何らかの要因により塵、ゴミ、剥離した配管付着物等の微小粉体や結露水（以下、「異物」とする）が混入している場合がある。このような異物は質量が大きいため、燃料ガスと共に燃料ガス供給マニホールド内を直進し、最も奥の隔壁に衝突した後、燃料ガスの流れに沿って最下流のセル内に流入する場合が多い。ここでセル内に流入した異物はそのままセル内に滞留することがある。このように滞留した異物により、最下流のセルが被毒劣化を起こしたり、燃料ガス流路閉塞を起こしてセル内のクロスリークが増加したりする場合がある。この場合、燃料電池の出力自体が不安定となることが考えられる。更に、燃料電池の運転自体が不可能になる事態が生じることも考えられる。

また、このように最下流のセルの性能が低下した場合、最下流のセルから適切な発電量の電力を得ることができない。従って、上記従来技術のように最下流のセルを単に電流取り出し開始判断用のセンサセルとして用いる場合、最下流のセルの性能低下により、負荷電圧の取り出し時期が適切に判断されない事態が生じることが考えられる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、安定した電力が得られるように改良した燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
複数の積層された第１セルと、
前記第１セルの積層方向の両側に、積層された前記第１セルを挟んで配置され、前記複数の第１セルで発電された電気を集電する集電手段と、
積層された前記第１セルを貫通し、前記各第１セル内のガス流路の入口側に接続するガス供給マニホールドと、
積層された前記第１セルを貫通し、前記ガス流路の出口側に接続するガス排出マニホールドと、
前記ガス供給マニホールド内のガスの流れに対して下流側に配置された前記集電手段の、前記第１セルとは反対側に配置された第２セルと、を備え、
前記第２セルは、前記ガス供給マニホールドと前記ガス排出マニホールドとに接続する第２セルガス流路を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２セルは、前記第２セルガス流路に供給される反応ガスの電気化学反応により発電するセルであって、
前記燃料電池の起動時において、前記第２セルの開回路電圧を検出する開回路電圧検出手段と、
前記開回路電圧に基づいて、前記燃料電池の負荷電流取り出し開始時期に達したか否かを判定する時期判定手段と、
前記負荷電流取り出し開始時期に達したと判定された場合に、前記負荷電流取り出しを開始する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第２セルガス流路は、前記第１セルのガス流路に比して、ガスの流れに対して垂直な断面の面積が広いことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、
前記第２セル及び前記第１セルは、それぞれ、
アノード側電極と、
カソード側電極と、
前記アノード側電極と前記カソード側電極とに挟まれた固体高分子膜と、
前記アノード側電極又は前記カソード側電極にガスを供給するガス流路と、を備え、
前記第２セルガス流路の幅は、前記第１セルのガス流路の幅よりも広いことを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明において、
前記第２セル及び前記第１セルは、それぞれ、
アノード側電極と、
カソード側電極と、
前記アノード側電極と前記カソード側電極とに挟まれた固体高分子膜と、
前記アノード側電極又は前記カソード側電極にガスを供給するガス流路と、を備え、
前記第２セルガス流路の深さは、前記第１セルの前記ガス流路の深さよりも深いことを特徴とする。

第６の発明は、第３から第５のいずれかの発明において、
前記第２セル及び前記第１セルは、それぞれ、
アノード側電極と、
カソード側電極と、
前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に挟まれた固体高分子膜と、を備え、
前記第２セルの固体高分子膜は、前記第１セルの固体高分子膜よりも厚いことを特徴とする。

第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、
前記第１セルの積層方向の、前記ガス供給マニホールド内のガスの流れに対して、前記第２セルより下流側に配置され、前記ガス供給マニホールドと前記ガス排気マニホールドとを接続するバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉する開閉手段と、
を備えることを特徴とする。

第８の発明は、第７の発明において、前記燃料電池の負荷電流取り出し中に、前記開閉手段を閉じるように制御する制御手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池は、ガス供給マニホールド内のガスの流れの下流に配置され、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとに接続する第２セルを有する。この第２セルは第１セルとは独立しており、集電手段で取り出される電力には影響しない。従って、ガスの流れの最下流に配置された第２セルにガス中に混入した異物が滞留し、第２セルの出力電圧が安定しないような事態となっても、燃料電池の安定した発電を確保することができる。

また、第２の発明によれば、ガス流路の置換が完了した時期を、第２セルの電圧から判定することができる。従って、複雑な構造とすることなくガス流路の置換完了を判定することができる。

また、第３〜第５の発明によれば、最下流側に配置された第２セルのガス流路は、他の第１セルのガス流路よりもガスが流れやすい構造となっている。従って、ガス流路置換時に下流側にまでより多くのガスを導きやすく、より迅速にガスの置換をおこなうことができる。

また、第６の発明によれば、最下流側の第２セルの固体高分子膜は他の第１セルの固体高分子膜よりも厚く形成されている。従って、第２セルのガス流路のガスの流れに垂直な断面の面積を大きくしてガスが多量に流入する構成としても、第２セルの強度を確保することができる。

また、第７、第８の発明によれば、ガス供給マニホールドの最下流側に、開閉手段を有するバイパス通路が設けられている。従って、ガス流路の置換をより迅速に行うことができると共に、置換が不要な場合に、ガスが無駄に排出されるのを防ぐことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を説明するための模式図である。図１に示すように、燃料電池システムは燃料電池２を備えている。燃料電池２には、燃料電池２に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給管４と、燃料電池２から排出される燃料オフガスを外部に排出する燃料ガス排出管６が接続されている。燃料ガス供給管４は、圧力調整バルブ８を介して、図示しない燃料ガス供給源に接続されている。圧力調整バルブ８は、燃料ガス供給管４内の圧力を自動的に所定圧に調整する。燃料ガス排出管６は、燃料電池２との接続部とは反対側において、２方向に分岐している。燃料ガス排出管６の分岐した分岐管の一方には、開閉バルブ１０が設けられている。開閉バルブ１０は、燃料ガス排出管６を開閉する。また、燃料ガス排出管６の他方の分岐管の端部はイジェクタ７を介して燃料ガス供給管４に接続されている。この構造により、開閉バルブ１０が閉じられている間、燃料電池２から排出された燃料オフガスは、燃料ガス排出管６から燃料ガス供給管４に循環され再利用される。

また、燃料電池２には、燃料電池２内に酸化ガスとして大気を供給する大気供給管１２と、燃料電池２から排出される大気オフガスを外部に排出する大気排出管１４とが接続されている。大気供給管１２は図示しないコンプレッサ等の大気供給源に接続される。大気排出管１４には、圧力調整バルブ１６が設けられている。燃料電池２には電圧計１８が接続されている。電圧計１８は、後に説明するように、燃料電池２の所定のセルの発電電圧を測定することができる。

燃料電池システムは制御装置２０を備えている。制御装置２０には、圧力調整バルブ８、開閉バルブ１０、圧力調整バルブ１６及び電圧計１８がそれぞれ接続されている。制御装置２０は、必要に応じて圧力調整バルブ８、１６及び開閉バルブ１０の開閉や開度等を制御し、電圧計１８の出力から燃料電池２の所定の電圧を求めることができる。

図２は、この発明の実施の形態１における燃料電池の構成を表す模式図である。図２に示すように、燃料電池２は複数の積層されたセル（第１セル）２２を備えている。セル２２の積層方向の両端には、第１集電板（集電手段）２４及び第２集電板（集電手段）２６が設けられている。第１集電板２４のセル２２に接する面とは反対の面側には、絶縁体板２８を介して第１エンドプレート３０が配置されている。一方、第２集電板２６のセル２２と接する面とは反対の面側には、センサセル（第２セル）３２が配置されている。センサセル３２の第２集電板２６とは反対側には絶縁体板３４を介して第２エンドプレート３６が配置されている。第１エンドプレート３０と第２エンドプレート３６との間で、積層されたセル２２には所定の締め付け荷重が負荷された状態で保持されている。

燃料電池２には、積層されたセル２２およびセンサセル３２を積層方向に貫通して、セル２２およびセンサセル３２のそれぞれに燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド４０が形成されている。燃料ガス供給マニホール４０の入口は、第１エンドプレート３０において燃料ガス供給管４に接続されている。同様に、燃料電池２にはセル２２およびセンサセル３２を積層方向に貫通して、セル２２およびセンサセル３２から排出される燃料オフガスを排出する燃料ガス排出マニホールド４２が形成されている。燃料ガス排出マニホールド４２の出口は、第１エンドプレート３０において燃料ガス排出管６に接続されている。また図示は省略されているが、燃料電池２内には、各セル２２及びセンサセル３２に酸化ガスを供給する酸化ガス供給マニホールドと、各セル２２およびセンサセル３２から酸化ガスのオフガスを排出する酸化ガス排出マニホールドとが形成されている。酸化ガス供給マニホールド入口と酸化ガス排出マニホールド出口は、それぞれ第１エンドプレート３０において大気供給管１２、大気排出管１４に接続されている。

図３は、燃料電池２のセル２２の構造を説明するための模式図である。図３（ａ）はセル２２の一部断面を表し、図３(ｂ)はセル２２の第１セパレータ、図３（ｃ）はセル２２の第２セパレータを表す。図３（ａ）に示すように、セル２２は電極・固体高分子膜構造４４を有する。電極・固体高分子膜構造４４は、固体高分子膜をアノードとカソードにより挟持して構成されている。アノード側、カソード側にはそれぞれ、後述する第１セパレータ４６、第２セパレータ４８により挟持されることによりガス流路が形成されている。

図３（ｂ）に示すように、第１セパレータ４６には、セル２２の積層方向（図３においては、紙面を貫通する方向）に開口する燃料ガス供給連通孔４０ａが形成され、その対角側に、燃料ガス排出連通孔４２ａが形成されている。第１セパレータ４６の電極・固体高分子膜構造４４に接する側の面には燃料ガス流路５０が形成されている。燃料ガス流路５０は、第１セパレータ４６の周辺部に比べて凹状に形成された溝である。燃料ガス流路５０は、一端において燃料ガス供給連通孔４０ａに連通し、他端において燃料ガス排出連通孔４２ａに連通している。また第１セパレータ４６の燃料ガス排出連通孔４２ａ上部には、セル２２の積層方向に開口する冷却水供給連通孔５２ａ、酸化ガス供給連通孔５４ａが順に設けられている。また、燃料ガス供給連通孔４０ａの下部には、冷却水排出連通孔５６ａ、酸化ガス排出連通孔５８ａが順に設けられている。

図３（ｃ）に示すように、第２セパレータ４８には、第１セパレータ４６と同様の配置で、セル２２の積層方向に開口する燃料ガス供給連通孔４０ｂ、冷却水供給連通孔５２ｂ、酸化ガス供給連通孔５４ｂ、燃料ガス排出連通孔４２ｂ、冷却水排出連通孔５６ｂ、酸化ガス排出連通孔５８ｂが形成されている。第２セパレータ４８の電極・固体高分子膜構造４４に接する側の面には、酸化ガス流路６０が形成されている。酸化ガス流路６０は、第２セパレータ４８の周辺部に比べて凹状に形成された溝である。酸化ガス流路６０は、一端において酸化ガス供給連通孔５４ｂに連通し、他端において酸化ガス排出連通孔５８ｂに連通している。

上述したようにセル２２は、電極・固体高分子膜構造４４を、第１セパレータ４６、第２セパレータ４８により挟持して構成されている。具体的に、第１セパレータ４６の燃料ガス流路５０が形成された面が、電極・固体高分子膜構造４４のアノード側に接するようにして配置され、第２セパレータ４８の酸化ガス流路６０が形成された面が、電極・固体高分子膜構造４４のカソード側に接するようにして配置されている。この構造により、セル２２のアノード側には燃料ガス流路５０が形成され、燃料ガス供給連通孔４０ａから、燃料ガスが供給されて、燃料ガス排出連通孔４２ａに排出される。また、セル２２のカソード側には、酸化ガス流路６０が形成され、酸化ガス供給連通孔５２ｂから酸化ガスが供給され、酸化ガス排出連通孔５８ｂに排出される。

上記のように構成されたセル２２が複数挟持されて、燃料電池２が構成されている。全てのセル２２の第１、第２セパレータ４６、４８の燃料ガス共通連通孔４０ａ、４０ｂが積層されて一体となって、燃料ガス供給マニホールド４０が構成される。また、第１、第２セパレータ４６、４８の燃料ガス排出連通孔４２ａ、４２ｂが積層されて一体となって、燃料ガス排出マニホールド４２が構成される。同様に、冷却水供給連通孔５２ａ、５２ｂにより、冷却水供給マニホールド（図示せず）が形成され、酸化ガス供給連通孔５４ａ、５４ｂにより、酸化ガス供給マニホールド（図示せず）が形成され、冷却水排出連通孔５６ａ、５６ｂにより、冷却水排出マニホールド（図示せず）が形成され、酸化ガス排出連通孔５８ａ、５８ｂにより、酸化ガス排出マニホールド（図示せず）が形成される。

図４は、センサセル３２の構造について説明するための模式図である。図４（ａ）は、センサセル３２の一部断面を表し、図４（ｂ）は第１セパレータを表す。図４（ａ）に示すように、センサセル３２は、電極・固体高分子膜構造６４を有する。電極・固体高分子膜構造６４は、固体高分子膜を、アノードとカソードにより挟持して構成されている。アノード側、カソード側にはそれぞれ、後述する第１セパレータ６６、第２セパレータ４８によりガス流路が形成されている。

図４（ｂ）に示すように、センサセル３２の第１セパレータ６６は、燃料ガス流路６８の幅が異なる点を除いて、第１セパレータ４６と同様の構造を有している。すなわち、センサセル３２の第１セパレータ６６には、燃料ガス供給連通孔４０ｃと、対角側の燃料ガス排出連通孔４２ｃが形成され、第１セパレータ６６の、電極・固体高分子膜構造６４側に接する面には、凹状に、燃料ガス流路６８が形成されている。燃料ガス流路６８は、一端において燃料ガス供給連通孔４０ｃに連通し、他端において燃料ガス排出連通孔４２ｃに接続している。燃料ガス流路６８の幅Ｗ_６８は、燃料ガス流路５０の幅Ｗ_５０に比べて、幅広に構成されている。また、第１セパレータ６６には、第１セパレータ４６と同様に、冷却水供給連通孔５２ｃ、酸化ガス供給連通孔５４ｃ、冷却水排出連通孔５６ｃ、酸化ガス排出連通孔５８ｃが設けられている。

センサセル３２は、セル２２と同様に、電極・固体高分子膜構造６４を、第１セパレータ６６、セル２２と同じ形状の第２セパレータ４８（図３（ｃ）参照）により挟持して構成されている。センサセル３２においてもアノード側には、燃料ガス流路６８が形成され、燃料ガス供給連通孔４０ｃから、燃料ガスが供給されて、燃料ガス排出連通孔４２ｃに排出される。またカソード側には、セル２２と同様に酸化ガス流路６０が形成され、酸化ガス供給連通孔５２ｂから酸化ガスが供給され、酸化ガス排出連通孔５８ｂに排出される。センサル３２の第１、第２セパレータ６６、４８の燃料ガス共通連通孔４０ｃ、４０ｂは、積層されて一体となって、燃料ガス供給マニホールド４０に連通する。第１、第２セパレータ６６、４８の燃料ガス排出連通孔４２ｃ、４２ｂは積層されて一体となって燃料ガス排出マニホールド４２に連通する。同様に、冷却水供給連通孔５２ｃ、５２ｂは、冷却水供給マニホールド（図示せず）に連通し、酸化ガス供給連通孔５４ｃ、５４ｂは、酸化ガス供給マニホールド（図示せず）に連通し、冷却水排出連通孔５６ｃ、５６ｂは、冷却水排出マニホールド（図示せず）に連通し、酸化ガス排出連通孔５８ｃ、５８ｂは、酸化ガス排出マニホールド（図示せず）に連通する。

図５は、実施の形態１の燃料電池内の燃料ガスの流れを説明するための模式図である。燃料ガスには、何らかの要因で塵、ゴミ、剥離した配管付着物等の微小粉体や結露水（以下、「異物」と称する）が混入している場合がある。この場合、混入した異物はガスの流れと共に移動する。異物はある程度の質量を有するため、途中のセル２２の燃料ガス流路５０内には侵入せず、そのまま燃料ガス供給マニホールド４０内を直進し、最も奥の壁面に衝突した後で、ガスの流れに沿って燃料ガス流路６８内に侵入する。燃料ガス流路６８に流入した異物はアノードに付着して被毒劣化を引き起こす原因となったり、あるいはガス流路内に滞留して流路閉塞を引き起こす原因となる場合がある。従来の燃料電池であれば、燃料ガス供給マニホールドの最下流に接続されているのは出力に寄与するセルである。従って、上記のように被毒劣化や流路閉塞を起こした場合、燃料電池の出力に制限がかかったり、クロスリークの増加により運転が不能になったりすることが考えられる。

しかし、実施の形態１の燃料電池２においては、燃料ガス供給マニホールド４０の最下流に接続されているのはセンサセル３２である。センサセル３２は、第２集電板２６の外側に配置され、燃料電池２の出力には関与しないセルである。従って、例え、アノードの被毒劣化や燃料ガス流路の流路閉塞が引き起こされた場合にも、燃料電池２の出力自体に影響が及ぶことを避けることができる。

また、燃料電池２の運転停止後、燃料ガス流路５０内にガスが透過することにより燃料ガス流路５０のガス中には空気や窒素等が混入する。従って、燃料電池２の起動時に燃料ガス流路６８内を燃料ガスにより置換して、燃料ガス流路５０内を燃料ガスで満たした後で負荷への電力供給を開始する必要がある。燃料ガス流路５０の置換の際には、燃料ガス供給マニホールド４０から燃料ガスが供給される。供給された燃料ガスの一部は、第１エンドプレート３０に近い側のセル２２の燃料ガス流路５０に流入し、残りは燃料ガス供給マニホールド４０内を下流側に流れる。従来の構造であれば、このような燃料ガスの供給方法を採ると、下流側になるに連れて燃料ガス供給マニホールド４０を通過する燃料ガスの量は減少し、最下流付近のセル２２内の燃料ガス流路５０に供給される燃料ガスの量は微小なものとなる。一方停止時に燃料ガス中に混入した窒素等は比重が重く、少量の燃料ガスの流れで燃料ガス流路５０内から窒素を流出させることは困難である。このため、下流側のセル２２内の燃料ガス流路５０まで完全に置換するには相当の時間を要することとなる。

しかし、実施の形態１の構造の燃料電池２の場合、燃料ガス供給マニホールド４０の最下流に接続されるセンサセル３２には、他のセル２２よりも幅広の燃料ガス流路６８が設けられている。このためセンサセル３２の燃料ガス流路６８への流入時の抵抗は小さく、図５に示すように、燃料ガス供給マニホールド４０を流れる燃料ガスは、最下流のセンサセル３２に通常より多く導かれる。その結果、センサセル３２に至る途中のセル２２の燃料ガス供給連通孔４０ａを通過する燃料ガスの量も多くなる。このため、下流側のセル２２の燃料ガス流路５０にもより多くの燃料ガスが供給され、その燃料ガス流路５０内の燃料ガスによる置換を促進することができる。従って、迅速に全燃料ガス流路５０の置換を完了することができる。

ところで、燃料ガス流路５０の置換完了の判定は、例えば置換開始からの経過時間で判定することが考えられる。しかし、燃料電池２の停止時間や停止の状態、更には、固体高分子膜の湿潤状態（事前の運転履歴）、停止状態での温度等の要因により、アノードに残存するガスの組成は大きく異なるものとなる。更に、長期使用によりガス透過量の経時変化が起きる場合もある。このため、燃料ガス流路５０の置換完了を経過時間で正確に判断することは難しい。ここで、センサセル３２は、燃料ガスの供給の最下流に配置されている。従ってセンサセル３２の燃料ガス流路６８内の置換が完全に完了した場合、セル２２の全燃料ガス流路５０の置換が完全に完了したものと考えられる。従って、実施の形態１のシステムでは、センサセル３２のＯＣＶ（Open Circuit Voltage; 開回路電圧）に基づいて、燃料電池２の起動時における燃料ガス流路内の置換完了の判定を行う。なお、ＯＣＶは負荷電流が取り出されていない状態で発電した際に出力される電圧である。

図６は、センサセル３２のＯＣＶの変化を表すグラフである。図６において、横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表している。図６の直線ａは、燃料ガス流路６８内に十分に燃料ガスが満たされている場合にセンサセル３２が出力するＯＣＶ（開回路電圧）の下限値を表している。また、図６の曲線ｂ、曲線ｃは、それぞれ、燃料電池２の停止時間が短い状態での起動時におけるＯＣＶ、燃料電池の長期停止後の起動時におけるＯＣＶを表している。

制御装置２０は、図６の直線ａに示す、燃料ガス流路６８に十分燃料ガスが供給されている場合のセンサセル３２のＯＣＶの下限値を、負荷接続許可電圧として予め記憶している。センサセル３２のＯＣＶは、燃料電池２の停止時間が短い状態であれば、曲線ｂに示すように、早期にセンサセル３２の電圧が上昇し、負荷接続許可電圧に到達した後、安定しほぼ一定の出力となる。また燃料電池２の停止時間が長い状態であれば、曲線ｂの場合よりもゆっくりとＯＣＶが上昇し、負荷接続許可電圧に到達した後、ほぼ一定に安定する。センサセル３２の出力が安定した状態においては、ガス流路６８の燃料ガスによる置換は完了していると考えられる。従って、制御装置２０は、燃料電池２の起動時、センサセル３２のＯＣＶを検出し、ＯＣＶが負荷接続許可電圧にまで到達したと判定した場合に、燃料ガス流路６８の置換完了を判定する。

図７は、この発明の実施の形態１において燃料電池２のガスを置換する際に実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図７のルーチンは燃料電池２の起動時に毎回実行される。図７のルーチンでは、燃料電池２が始動すると、まず、燃料ガスの供給が開始される（ステップＳ１０２）。燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４０から各燃料ガス流路５０、６８に供給される。次に、センサセル３２のＯＣＶが検出される（ステップＳ１０４）。センサセル３２のＯＣＶは、電圧計１８の出力に基づいて求められる。次に、センサセル３２のＯＣＶが、負荷接続許可電圧に到達したか否かが判定される（ステップＳ１０６）。負荷接続許可電圧は、上記のように制御装置２０に予め記憶されている。ステップＳ１０６においてセンサセル３２のＯＣＶ≧負荷接続許可電圧の成立が認められない場合、引き続き燃料ガスの供給が継続され、センサセル３２のＯＣＶ検出と判定とが行われる（ステップＳ１０４、Ｓ１０６）。一方、ステップＳ１０６において、センサセル３２のＯＣＶ≧出力負荷接続許可電圧の成立が認められると、燃料電池２は負荷に接続され、負荷への電力供給が開始される（ステップＳ１０８）。

以上のように、実施の形態１の燃料電池２においては、センサセル３２は、第２集電板２６より外側に配置され、燃料電池２の発電に寄与しないセルである。このようにセンサセル３２を第２集電板２６より外部の最下流側に配置することで、異物が付着しやすい位置に配置されるセルを発電に寄与しないものとすることができ、燃料電池２の安定した出力を図ることができる。

特に、実施の形態１において、センサセル３２の燃料ガス流路６８は、他のセル２２の燃料ガス流路５０に比べて幅広に形成されている。従って、燃料ガスは最下流のセンサセル３２にも多く供給されやすく、これに伴って、下流側のセル２２にも多くの燃料ガスが供給される。これにより、燃料電池２起動時に燃料ガス流路５０の置換を早期に完了することができる。

また、実施の形態１においては、センサセル３２のＯＣＶが負荷接続許可電圧に到達したか否かが判定される。このように燃料ガス供給マニホールド４０最下流側のセンサセル３２のＯＣＶを測定する簡単な機構のみで燃料ガス流路５０内の置換完了の判定を行うことができる。

なお、実施の形態１においては、センサセル３２の燃料ガス流路６８のみを幅広に構成する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、同様に酸化ガス流路を幅広に構成して、下流側の酸化ガス流路に酸化ガスが十分に行き渡るようにした構成も考えられる。また、センサセル３２の電極・固体高分子膜構造４４は、セル２２と同じである場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではない。センサセル３２の燃料ガス流路６８は幅広に構成されているため、センサセル３２の強度を確保する必要がある場合がある。この場合には、例えば、電極・固体高分子膜構造４４の固体高分子膜の膜厚を厚く形成することで、センサセル３２の強度を確保することが考えられる。

また、実施の形態１においては、燃料ガス流路６８の幅Ｗ_６８を広くすることにより、最下流のセンサセル３２に燃料ガスが供給されやすい構造とする場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、他の構造であってもよい。但し、燃料ガスの置換を迅速に行うためには、最下流側により多くの燃料ガスを導入しやすい構造とすることが好ましい。このため、燃料ガス流路の燃料ガスが流れる方向に垂直な断面の断面積を大きくした構造とすることが好ましい。具体的には、燃料ガス流路の幅Ｗ_６８を広くしたものの他に、例えば、深さを深くしたもの等が考えられる。

また、セル２２やセンサセル３２を構成する各部材の形状や構成は、図３、図４に示したものに限るものではない。少なくともこの実施の形態１においては、センサセル３２がガス供給マニホールド４０の最下流側の、発電に寄与しない位置に配置されているものであればよい。

実施の形態２．
実施の形態２の燃料電池は、絶縁体板３４に代えて、セル２２をバイパスする通路を配置した絶縁体板が設置され、第２エンドプレート３６に、この通路を開閉するバルブが設置されている点、センサセル３２が他のセル２２と同じ構造を有する点を除き、実施の形態１の燃料電池と同じ構造を有する。

図８は、絶縁体板を表す模式図である。絶縁体板７０は、図８（ａ）の第１絶縁板７０ａと図８（ｂ）の第２絶縁板７０ｂを張り合わせて構成される。第１絶縁体板７０ａは、燃料ガス供給マニホールド４０と一体に積層されて連通する燃料ガス供給連通孔４０ｄを有している。燃料ガス供給連通孔４０ｄの対角側には、燃料ガス排出マニホールド４２と一体に積層されて連通する燃料ガス排出連通孔４２ｄを有している。燃料ガス供給連通孔４０ｄと燃料ガス排出連通孔４２ｄを接続して、第１絶縁板７０ａを貫通するバイパス通路７２が幅広に形成されている。バイパス通路７２の中央付近には係合穴７４ａが開口されている。一方、第２絶縁体板７０ｂには、係合穴７４ａと接続する位置に係合穴７４ｂが開口されている。絶縁体板７０は、第１絶縁体板７０ａと第２絶縁体板７０ｂとをあわせて構成されている。係合穴７４ａ、７４ｂはこの状態で１つの係合穴７４を構成する。

図９及び図１０は、この発明の実施の形態２における燃料電池の構造の一部を拡大した模式図であり、図９はバルブが開いた状態を表し、図１０は、バルブが閉じた状態を表している。図９、１０に示すように、第２エンドプレート３６には係合穴７４と係合する位置にバルブ７６が設けられている。バルブ７６は制御装置２０からの閉信号により、セル２２の積層方向に可動する。これによりバルブ７６は、バイパス通路７２の係合穴を開閉し、その結果バイパス通路７２を開閉する。

図１１はバルブ開閉のタイムチャートである。図１１（ａ）はセンサセル３２のＯＣＶを表している。図１１（ａ）において横軸は時間を表し、縦軸は電圧を表す。また、図１１（ａ）の直線ａは、負荷接続許可電圧であり、曲線ｂ、曲線ｃは、それぞれ、燃料電池の停止時間が短い状態での起動時におけるＯＣＶ、燃料電池の長期停止後の起動時におけるＯＣＶを表している。また、図１１（ｂ）は、燃料電池の停止時間が短い場合（すなわち、図１１（ａ）の曲線ｂの場合）のバルブの制御タイミングを表し、図１１（ｃ）は、燃料電池の停止時間が長い場合（すなわち、図１１（ａ）の曲線ｃの場合）のバルブ制御タイミングを表す。図１１（ｂ）、（ｃ）において、横軸は時間、縦軸はバルブの開閉を表す。

図１１に示すように、燃料電池の始動開始から、規定時間が経過するまで、あるいはセンサセル３２のＯＣＶが負荷接続許可電圧に到達するまでは、バルブ７６は第２エンドプレート３６側にあって、バイパス通路７２は開放されている（図９参照）。バイパス通路７２は、幅広に深く形成されているため、燃料ガス流入時の抵抗が小さい。従って、最下流側のバイパス通路７２にはより多くの燃料ガスが導かれる。その結果、バイパス通路７２が開放されている間、下流側のバイパス通路７２に近いセル２２にもより多くの燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流路５０の置換を早期に完了させることができる。

一方、長期にバイパス通路７２が開放されていると、燃料ガスが発電に寄与しないまま多量に排出されることとなる。従って、規定時間の経過後、あるいは、センサセル３２のＯＣＶが負荷接続許可電圧に達し、燃料ガス流路５０の置換完了が判定された後、バイパス通路７２はバルブ７６により閉鎖される（図１０参照）。これにより、燃料ガスはバイパス通路７２には流入せず、実施の形態１の場合と同様に燃料ガス供給マニホールド４０の最下流にまで到達した燃料ガスは、センサセル３２の燃料ガス流路を通過して排出される。従って、バイパス通路７２開放による燃料ガスの流出を小さく抑えることができる。なお、制御装置２０は、下流側のセンサセル３２の燃料ガス流路まで十分に置換されるのに必要なバルブ７６の開放時間として、予め確認された時間を規定時間として記憶している。

また、センサセル３２は、セル２２と同様の構造を有する。すなわち、センサセル３２の燃料ガス流路は、セル２２と同様の狭い構造となっている。従って、燃料電池の燃料ガス流路の置換が完了し、バイパス通路７２が閉鎖されると、下流側のセンサセル３２には燃料ガスが導入されにくくなり、燃料ガスが無駄に排出されるのを防ぐことができる。また、負荷接続中においては、上流側のセル２２に積極的に燃料ガスが供給されることとなるため、効率よく起電力を回収することができる。

図１２は、この発明の実施の形態２において燃料電池の始動時に実行される制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図１２に示すルーチンは、ステップＳ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０６の工程を有する点を除き、図６のルーチンと同じである。

具体的に燃料電池が始動されると、まず、燃料ガスの供給が開始される（ステップＳ１０２）。次に、バルブ７６が開放される（ステップＳ２０２）。この状態で、バルブ７６開放からの経過時間が規定時間以内であるか否かが判定される（ステップＳ２０４）。規定時間は、バルブ７６の開放により下流側の燃料ガス流路まで置換されるのに必要な時間であり、予め制御装置２０に記憶されている。ステップＳ２０４において、規定時間の経過が認められた場合には、ステップＳ２０６においてバルブ７６を閉鎖する。一方、ステップＳ２０４において置換の完了が認められない場合、次に、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６を実行してセンサセル３２のＯＣＶを検出して、燃料ガスによる置換が完了したか否かを判定する。ステップＳ１０６において、ＯＣＶ≧負荷接続許可電圧の条件の成立が認められない場合には、再びステップＳ２０４において、規定時間の経過の判定が行われる。一方、ステップＳ１０６において、ＯＣＶ≧負荷接続許可電圧の条件の成立が認められた場合、バルブ７６を閉鎖する（ステップＳ２０６）。バルブ７６の閉鎖により、バイパス通路７２が閉鎖され燃料ガスの流入が停止する。その後、燃料電池は負荷に接続されて、電力の供給が開始される（ステップＳ１０８）。

以上のように、実施の形態２においては、センサセル３２の下流側に、バイパス通路７２が設けられている。これにより、より迅速にセル２２内の燃料ガス流路５０の置換を完了することができる。従って、迅速に燃料電池による電力供給が開始することができる。また、センサセル３２の燃料ガス流路は、他のセル２２と同様の幅の狭い流路となっている。従って、燃料ガス流路の置換後には、燃料電池の出力に関与しないセンサセル３２に多量の燃料ガスが供給されるのを抑えることができるとともに、下流側に供給される燃料ガスの量を小さくすることができる。従って、負荷電流取り出し中は、燃料ガスが無駄に排出されるのを抑えつつ、効率よく上流側のセルに燃料ガスを供給することができ、効率よく発電することができる。

なお、実施の形態２においては、センサセル３２のＯＣＶが負荷接続許可電圧に達したか否か、あるいは、規定時間の経過のいずれかを満たした場合に、燃料ガス流路の置換完了を判定し、バルブ７６を閉鎖する場合について説明した。しかし、この発明において、バルブ７６の開閉制御の判断はこの方法に限るものではない。具体的に例えば、予め確認された規定時間のみで判定してもよく、センサセル３２のＯＣＶのみで判定してもよい。またこれら両方の条件を満たした場合にのみバルブ７６を閉鎖することとしてもよい。

また、実施の形態２においては、センサセルとしてセル２２と同じ構造のものを用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、実施の形態１のように、ガス流路を幅広に構成したセンサセル３２を用いたものであってもよい。

以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料電池の構成を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料電池のセルの構成を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料電池のセンサセルの構成を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における燃料電池内の燃料ガスの流れを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１におけるセンサセルの開回路電圧を表すグラフである。 この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンを説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態２における燃料電池の絶縁体板を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態２における燃料電池の一部を拡大した模式図である。 この発明の実施の形態２における燃料電池の一部を拡大した模式図である。 この発明の実施の形態２における燃料電池のバルブの制御タイミングについて説明するためのタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２において制御装置が実行する制御のルーチンを説明するフローチャートである。

符号の説明

２ 燃料電池
４ 燃料ガス供給管
６ 燃料ガス排出管
７ インジェクタ
８ 圧力調整バルブ
１０ 開閉バルブ
１２ 大気供給管
１４ 大気排出管
１６ 圧力調整バルブ
１８ 電圧計
２０ 制御装置
２２ セル
２４ 集電板
２６ 集電板
２８ 絶縁体板
３０ 第１エンドプレート
３２ センサセル
３４ 絶縁体板
３６ 第２エンドプレート
４０ 燃料ガス供給マニホールド
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ 燃料ガス供給連通孔
４２ 燃料ガス排出マニホールド
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ 燃料ガス排出連通孔
４４ 電極・固体高分子膜
４６ 第１セパレータ
４８ 第２セパレータ
５０ 燃料ガス流路
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 冷却水供給連通孔
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ 酸化ガス供給連通孔
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ 冷却水排出連通孔
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ 酸化ガス排出連通孔
６０ 酸化ガス流路
６４ 電極・固体高分子膜
６６ 第１セパレータ
６８ 燃料ガス流路
７０、７０ａ、７０ｂ 絶縁体板
７２ バイパス通路
７４、７４ａ、７４ｂ 係合穴
７６ バルブ

Claims (8)

1. 複数の積層された第１セルと、
   前記第１セルの積層方向の両側に、積層された前記第１セルを挟んで配置され、前記複数の第１セルで発電された電気を集電する集電手段と、
   積層された前記第１セルを貫通し、前記各第１セル内のガス流路の入口側に接続するガス供給マニホールドと、
   積層された前記第１セルを貫通し、前記ガス流路の出口側に接続するガス排出マニホールドと、
   前記ガス供給マニホールド内のガスの流れに対して下流側に配置された前記集電手段の、前記第１セルとは反対側に配置された第２セルと、を備え、
   前記第２セルは、前記ガス供給マニホールドと前記ガス排出マニホールドとに接続する第２セルガス流路を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第２セルは、前記第２セルガス流路に供給される反応ガスの電気化学反応により発電するセルであって、
   前記燃料電池の起動時において、前記第２セルの開回路電圧を検出する開回路電圧検出手段と、
   前記開回路電圧に基づいて、前記燃料電池の負荷電流取り出し開始時期に達したか否かを判定する時期判定手段と、
   前記負荷電流取り出し開始時期に達したと判定された場合に、前記負荷電流取り出しを開始する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第２セルガス流路は、前記第１セルのガス流路に比して、ガスの流れに対して垂直な断面の面積が広いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第２セル及び前記第１セルは、それぞれ、
   アノード側電極と、
   カソード側電極と、
   前記アノード側電極と前記カソード側電極とに挟まれた固体高分子膜と、
   前記アノード側電極又は前記カソード側電極にガスを供給するガス流路と、を備え、
   前記第２セルガス流路の幅は、前記第１セルのガス流路の幅よりも広いことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記第２セル及び前記第１セルは、それぞれ、
   アノード側電極と、
   カソード側電極と、
   前記アノード側電極と前記カソード側電極とに挟まれた固体高分子膜と、
   前記アノード側電極又は前記カソード側電極にガスを供給するガス流路と、を備え、
   前記第２セルガス流路の深さは、前記第１セルの前記ガス流路の深さよりも深いことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
6. 前記第２セル及び前記第１セルは、それぞれ、
   アノード側電極と、
   カソード側電極と、
   前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に挟まれた固体高分子膜と、を備え、
   前記第２セルの固体高分子膜は、前記第１セルの固体高分子膜よりも厚いことを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記第１セルの積層方向の、前記ガス供給マニホールド内のガスの流れに対して、前記第２セルより下流側に配置され、前記ガス供給マニホールドと、前記ガス排気マニホールドとを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉する開閉手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記燃料電池の負荷電流取り出し中に、前記開閉手段を閉じるように制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。

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