JP2009170152A - 燃料電池スタック、および、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制する。
【解決手段】燃料電池スタック１００が備える水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を可変とする。そして、燃料電池システム１０００の起動時等、燃料電池スタック１００を構成する各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素置換する際に、上記流路断面積を定常発電時よりも小さくする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタック、および、この燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関するものである。

燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、この燃料電池には、単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。この燃料電池スタックにおいて、各単セルは、電解質膜、および、この電解質膜の両面にそれぞれ接合された燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを備えている。

燃料電池スタックには、一般に、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスを、各単セルのアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドや、各単セルのアノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドや、燃料電池スタックの外部から供給された酸化剤ガスを、各単セルのカソードに分岐して供給するための酸化剤ガス供給マニホールドや、各単セルのカソードから排出された排出ガスであるカソードオフガスを集合させて燃料電池スタックの外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドが備えられる。

このような燃料電池スタックにおいて、各単セルのカソードに供給される酸化剤ガスとしては、一般に、酸素を含む空気が用いられる。そして、この場合、空気中に含まれる発電に寄与しないガスである窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過する。このため、燃料電池スタックによる発電を長時間停止した場合には、不純物ガスが各単セルのアノード側に充満することになる。また、アノードオフガス排出マニホールドからのアノードオフガスの排出を禁止した状態で発電を行う場合や、アノードオフガス排出マニホールドから排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給マニホールドに循環させ、アノードオフガス中に残留する燃料ガスを再利用して発電を行う場合にも、不純物ガスが燃料電池システムの外部に排出されないため、各単セルのアノード側において、時間の経過とともに、不純物ガスの量が増加していく。そこで、燃料電池スタックにおいて、各単セルのアノードに十分な燃料ガスを供給して発電を行うために、各単セルのアノード側に充満した不純物ガスを、燃料ガスによって掃気、置換する必要がある。

特開２００４−３４２５９６号公報 特開平１０−１７２５８６号公報 特開２００４−４７３７１号公報 特開２００６−２１６４７９号公報 特開２００６−１８５７９７号公報

ところで、燃料電池スタックにおいて、燃料ガス供給マニホールド、および、アノードオフガス排出マニホールドは、各単セルのアノードに供給される燃料ガスの単位時間当たりの流量が均一になるように、すなわち、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、各単セルにおいて一定になるように設計されている。このため、各単セルのアノード側に充満した不純物ガスを燃料ガスに置換する際には、燃料電池スタックにおける各単セルの配置位置によって、置換に要する時間が異なっている。すなわち、燃料ガス供給マニホールドの燃料ガス供給口から近い位置に配置された単セルほど、燃料ガスが早く到達するので、置換に要する時間が短く、燃料ガス供給口から遠い位置に配置された単セルほど、燃料ガスが遅く到達するので、置換に要する時間が長かった。

したがって、燃料ガス供給口から遠い位置に配置された単セル内の不純物ガスが燃料ガスによって置換されるまでの期間に、燃料ガス供給口から近い位置に配置された単セルからは、燃料ガスが燃料電池システムの外部に無駄に排出されてしまい、燃費の低下を招いていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックにおける複数の前記単セルの積層方向の一方の端部に設けられ、前記燃料電池スタックの外部から供給された前記燃料ガスを、前記燃料電池スタックの内部に供給するための燃料ガス供給口と、前記燃料ガス供給口から供給された前記燃料ガスを、前記複数の単セルのアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、前記複数の単セルのアノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、前記燃料電池スタックにおける前記燃料ガス供給口と同一側の端部に設けられ、前記アノードオフガスを、前記アノードオフガス排出マニホールドから前記燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出口と、前記燃料ガス供給マニホールドの流路断面積を、前記主流路全体に亘って変化させる流路断面積可変部と、を備える燃料電池スタック。

適用例１の燃料電池スタックでは、複数の単セルの積層方向の同じ側の端部に、燃料ガス供給口と、アノードオフガス排出口とを備え、先述したように、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、各単セルにおいて一定になるように設計されている。そして、上記燃料ガス供給マニホールドの流路断面積を、主流路全体に亘って変化させる流路断面積可変部を備えている。したがって、この流路断面積可変部によって、燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を変化させることによって、燃料ガス供給マニホールドの主流路における燃料ガスの流速や、静圧を変化させることができる。例えば、流路断面積可変部によって、燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を小さくすることによって、燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積が大きい場合よりも、燃料ガス供給マニホールドの主流路における燃料ガスの流速を速くすることができる。また、流路断面積可変部によって、燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を定常発電時よりも小さくすることによって、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、単セルごとに互いに異なるようにし、各単セルのアノードに供給される燃料ガスの流量が、不均一になるようにすることができる。

したがって、本適用例の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを構成する各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、定常発電時よりも小さくすることによって、単セルごとの置換に要する時間を均一化し、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制するようにすることができる。この結果、燃料電池システムの燃費を向上させることができる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池スタックであって、前記流路断面積可変部は、前記主流路内に設けられ、前記主流路の内壁面上を、前記主流路内における前記燃料ガスの流れ方向に対して垂直な方向に摺動する摺動部材と、前記摺動部材を摺動させるアクチュエータと、を含む、燃料電池スタック。

適用例２の燃料電池スタックでは、上記流路断面積可変部が、上記摺動部材と、この摺動部材を摺動させるアクチュエータとを備えるので、上記流路断面積可変部を比較的簡易に構成することができる。

［適用例３］適用例２記載の燃料電池スタックであって、前記アクチュエータは、流体の圧力を利用して動作する流体圧アクチュエータである、燃料電池スタック。

適用例３の燃料電池スタックでは、上記アクチュエータとして、流体圧アクチュエータを用いるものとしたが、流体圧アクチュエータの代わりに、例えば、電動アクチュエータを用いるものとしてもよい。

［適用例４］適用例３記載の燃料電池スタックであって、前記流体は、空気である、燃料電池スタック。

燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、一般に、燃料電池スタックにおける発電に供する酸化剤ガスとして空気が用いられ、この空気は、燃料電池システムに備えられたエアコンプレッサによって圧縮されて燃料電池スタックに供給される。

適用例３の燃料電池スタックでは、流体圧アクチュエータとして、空気の圧力を利用して動作する空気圧アクチュエータを用いるので、燃料電池システムに既存のエアコンプレッサによって圧縮された圧縮空気を用いて、上記摺動部材を摺動させるようにすることができる。なお、流体アクチュエータとして、空気圧アクチュエータの代わりに、例えば、水圧アクチュエータや、油圧アクチュエータを用いるものとしてもよい。

［適用例５］適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記燃料ガス供給マニホールドは、外部マニホールドである、燃料電池スタック。

適用例５の燃料電池スタックでは、燃料ガス供給マニホールドを外部マニホールドしているので、燃料ガス供給マニホールドを内部マニホールドとする場合よりも、上記流路断面積可変部を容易に作製することができる。

［適用例６］燃料電池システムであって、適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池スタックと、前記流路断面積可変部を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。

適用例６の燃料電池システムによって、燃料電池スタックが備える上記流路断面積可変部を、任意に制御することができる。

［適用例７］適用例６記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックによる発電中に、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止するとともに、発電に寄与しない不純物ガスが前記アノードに所定量以上充満したときに、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスの排出を行う燃料電池システムであり、前記制御部は、前記不純物ガスが前記アノードに所定量以上充満し、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスを排出するときに、前記流路断面積可変部を制御して、前記燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、前記アノードに存在する前記不純物ガスが所定量未満であるときよりも小さくする、燃料電池システム。

適用例７の燃料電池システムは、燃料電池スタックによる発電中に、燃料電池スタックに備えられたアノードオフガス排出マニホールドからのアノードオフガスの排出を禁止した状態で、燃料電池スタックに供給された燃料ガスのほぼすべてを発電に利用するタイプの燃料電池システムである（以下、このような燃料電池システムを、「アノードデッドエンド型燃料電池システム」と呼ぶ）。そして、アノードデッドエンド型燃料電池システムでは、発電中に、各単セルのアノードに発電に寄与しない不純物ガスが所定量以上充満したときには、各単セルのアノードに、発電に十分な燃料ガスが供給されるように、アノードオフガス排出マニホールドから、アノードオフガス、および、不純物ガスの排出が行われる。

本適用例の燃料電池システムでは、アノードデッドエンド型燃料電池システムにおいて、制御部が、各単セルのアノードに不純物ガスが所定量以上充満し、アノードオフガス排出マニホールドから、アノードオフガス、および、不純物ガスを排出するときに、上記流路断面積可変部を制御して、燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、アノードに存在する不純物ガスが所定量未満であるときよりも小さくする。したがって、燃料電池スタックによる発電中に、燃料電池システムからの燃料ガスの無駄な排出を抑制しつつ、各単セルに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換することができる。

［適用例８］適用例６または７記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記流路断面積可変部を制御して、前記燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、前記燃料電池スタックによる発電時よりも小さくする、燃料電池システム。

燃料電池スタックにおける発電に供する酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気を用いる場合、燃料電池システムの停止時には、各単セルにおいて、空気中に含まれる発電に寄与しない窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過し、不純物ガスが各単セルのアノード側に充満することになる。したがって、燃料電池システムの起動時には、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する必要がある。

適用例８の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、各単セルのアノードに充満した不純物ガスを燃料ガスによって置換する際に、単セルごとの置換に要する時間を均一化し、燃料電池システムの外部への燃料ガスの無駄な排出を抑制することができる。

本発明は、上述の燃料電池スタック、燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却水の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の単セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド４０ｈｉｍ、空気供給マニホールド４０ａｉｍ、冷却水供給マニホールド（図示省略））や、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍ、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍ、冷却水排出マニホールド（図示省略））が形成されている。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、所定の締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３、および、水素供給マニホールド４０ｈｉｍを介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールド４０ｈｉｍを介して、各単セル４０のアノードに供給される。各単セル４０のアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍに接続された排出配管５４を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。なお、排出配管５４には、アノードオフガスを燃料電池システム１０００の外部に排出するか否かを切り換えるバルブ５５が配設されている。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールド４０ａｉｍを介して、各単セル４０のカソードに供給される。各単セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。

なお、本実施例の燃料電池スタック１００では、後述するように、水素供給マニホールド４０ｈｉｍには、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路全体に亘って変化させるための摺動板２００が備えられている。この摺動板２００は、配管６１に分岐して接続された分岐配管６３から供給される圧縮空気の圧力、および、水素供給マニホールド４０ｈｉｍに供給される水素の圧力によって動作する。分岐配管６３には、空気供給バルブ６４が配設されている。摺動板２００は、本発明における摺動部材に相当する。また、コンプレッサ６０や、配管６や、分岐配管６３や、空気供給バルブ６４や、空気排出配管６５や、空気パージバルブ６６は、本発明におけるアクチュエータ、流体アクチュエータに相当する。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するためのラジエータや、循環ポンプ等の冷却系も接続されている（図示省略）。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット７０によって制御される。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、燃料電池スタック１００への要求出力や、各配管に配設された図示しない圧力センサや、燃料電池スタック１００のスタック電圧を測定する電圧計等の出力に応じて、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。

なお、本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００による発電中に、燃料電池スタック１００に備えられたアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍからのアノードオフガスの排出を禁止した状態で、すなわち、排出配管５４に配設されたバルブ５５を閉弁した状態で、水素タンク５０から燃料電池スタック１００に供給された水素のほぼすべてを発電に利用するアノードデッドエンド型燃料電池システムであるものとした。

Ｂ．燃料電池スタック：
図２は、燃料電池スタック１００の内部構造を示す説明図である。本実施例の燃料電池スタック１００では、図示するように、膜電極接合体（図示省略）を挟持するアノード側セパレータ４１ａ（図２（ａ）参照）、および、カソード側セパレータ４１ｃ（図２（ｂ）参照）の四隅に、切り欠き部を設け、アノード側セパレータ４１ａ、および、カソード側セパレータ４１ｃの切り欠き部を除く外周部に、気密性を確保しつつ、フレーム部材１１０を接合することによって、水素供給マニホールド４０ｈｉｍと、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍと、空気供給マニホールド４０ａｉｍと、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍと、がそれぞれ形成されている。つまり、本実施例の燃料電池スタック１００において、水素供給マニホールド４０ｈｉｍと、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍと、空気供給マニホールド４０ａｉｍと、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍとは、それぞれ、外部マニホールドであるものとした。

そして、図２（ａ）に示したように、アノード側セパレータ４１ａには、複数のリブ４１ａｒ、および、複数の溝４１ａｄが形成されており、膜電極接合体のアノードの表面に沿って、水素供給マニホールド４０ｈｉｍからアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍにガスを流すためのサーペンタイン型のガス流路が形成されている。また、図２（ｂ）に示したように、カソード側セパレータ４１ｃには、複数のリブ４１ｃｒ、および、複数の溝４１ｃｄが形成されており、膜電極接合体のカソードの表面に沿って、空気供給マニホールド４０ａｉｍからカソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍにガスを流すためのサーペンタイン型のガス流路が形成されている。なお、本実施例では、アノード側セパレータ４１ａ、および、カソード側セパレータ４１ｃは、別体であるものとしたが、一体であるものとしてもよい。

また、水素供給マニホールド４０ｈｉｍには、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の内壁面上を、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路内における水素の流れ方向に対して垂直な方向に摺動する摺動板２００が、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路全体に亘って設けられている。そして、摺動板２００によって仕切られた水素供給マニホールド４０ｈｉｍの反対側の空間には、分岐配管６３、および、空気排出配管６５が接続されている。空気排出配管６５には、空気パージバルブ６６が配設されている。そして、この空間への空気の給排気によって、空間内の圧力が変動し、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の内壁面上を摺動板２００が摺動して、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積が変化する。

Ｃ．起動制御処理：
図３は、燃料電池システム１０００の起動制御処理の流れを示す説明図である。また、図４は、燃料電池システム１０００の起動時、および、定常発電時の燃料電池スタック１００における水素供給マニホールド４０ｈｉｍを示す説明図である。

燃料電池システム１０００の起動時には、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに、酸化剤ガスとしての空気に含まれる発電に寄与しない窒素等の不純物ガスが、電解質膜を介して、カソード側からアノード側に透過し、充満している。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、以下に説明する起動制御処理によって、燃料電池スタック１００における各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを、水素によって掃気、置換する。この処理は、燃料電池システム１０００の起動時に、制御ユニット７０のＣＰＵが実行する処理である。

図３に示したように、時刻０において、燃料電池システム１０００の起動指示が入力されると、ＣＰＵは、コンプレッサ６０を始動する。

そして、時刻Ｔ１になると、ＣＰＵは、空気パージバルブ６６を閉弁したまま、空気供給バルブ６４を開弁し、分岐配管６３を介して、摺動板２００によって仕切られた水素供給マニホールド４０ｈｉｍの反対側の空間に、圧縮空気を供給圧力Ｐ２で供給する。すると、この圧縮空気の圧力によって、摺動板２００が摺動し、図４（ａ）に示したように、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積が小さくなる。

そして、時刻Ｔ２になると、ＣＰＵは、空気供給バルブ６４を閉弁し、水素タンク５０に設けられたシャットバルブ５１、および、レギュレータ５２を開弁し、水素供給マニホールド４０ｈｉｍに、水素を供給圧力Ｐ１（≦Ｐ２）で供給し、各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素によって掃気、置換する（図４（ａ）参照）。

そして、時刻Ｔ３になると、ＣＰＵは、空気パージバルブ６６を開弁する。すると、水素供給マニホールド４０ｈｉｍに供給された水素の圧力によって、摺動板２００が摺動し、摺動板２００によって仕切られた水素供給マニホールド４０ｈｉｍの反対側の空間に充填された空気は、空気排出配管６５を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。このとき、図４（ｂ）に示したように、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積は大きくなる。

そして、時刻Ｔ４になり、摺動板２００によって仕切られた水素供給マニホールド４０ｈｉｍの反対側の空間に充填された空気が燃料電池スタック１００の外部に排出されると、ＣＰＵは、空気パージバルブ６６を閉弁し、各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスの水素置換を終了する。そして、ＣＰＵは、燃料電池システム１０００内の各部を制御して、燃料電池スタック１００による定常発電を行う（図４（ｂ）参照）。

なお、上述した時刻Ｔ１、Ｔ２，Ｔ４の値や、供給圧力Ｐ１，Ｐ２の値は、燃料電池スタック１００の仕様に応じて、任意に設定可能である。

Ｄ．比較例、および、実施例の作用・効果：
図５は、比較例としての燃料電池システム１０００Ｒの概略構成を示す説明図である。図１との比較から分かるように、比較例の燃料電池システム１０００Ｒの構成は、本実施例の燃料電池システム１０００の構成とほぼ同じである。ただし、比較例の燃料電池システム１０００Ｒは、本実施例の燃料電池システム１０００と異なり、燃料電池スタック１００Ｒおける水素供給マニホールド４０ｈｉｍに、摺動板２００が備えられておらず、また、分岐配管６３や、空気供給バルブ６４や、空気排出配管６５や、空気パージバルブ６６も備えていない。このため、図示、および、詳細な説明は省略するが、燃料電池システム１０００Ｒの起動制御処理では、燃料電池スタック１００Ｒにおける各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素置換する際には、アノードオフガスを排出するための排出配管５４に配設されたバルブ５５が開弁され、水素タンク５０から供給された水素の流れのみによって、上記水素置換が行われる。

図６は、本実施例の燃料電池システム１０００の作用・効果を示す説明図である。図６（ａ）に、比較例の燃料電池システム１０００Ｒにおいて、先に説明した燃料電池スタック１００Ｒにおける各単セル４０に充満した不純物ガスを水素置換する際の、水素、および、アノードオフガス（不純物ガスを含む）の流れを模式的に示した。また、図６（ｄ）に、本実施例の燃料電池スタック１００において、先に説明した燃料電池スタック１００における各単セル４０に充満した不純物ガスを水素置換する際の、水素、および、アノードオフガス（不純物ガスを含む）の流れを模式的に示した。ここで、燃料電池スタック１００Ｒ，１００における水素の供給口に近い側をＩＮ側と呼び、水素の供給口から遠い側をＥＮＤ側と呼ぶ。

また、図６（ｂ）に、比較例の燃料電池スタック１００Ｒにおける水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧分布と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧分布とを示した。また、図６（ｅ）に、本実施例の燃料電池スタック１００における水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧分布と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧分布とを示した。実線で示した曲線は、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧分布であり、破線で示した曲線は、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧分布である。

図６（ｂ）に示したように、比較例の燃料電池スタック１００Ｒでは、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧との差は、ＩＮ側からＥＮＤ側に亘って一定である。

これに対し、図５（ｅ）に示したように、本実施例の燃料電池スタック１００では、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧との差が、ＩＮ側で小さく、ＥＮＤ側で大きくなる。これは、燃料電池スタック１００では、上記水素置換の際に、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を小さくすることによって、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路におけるガスの流速が速くなり、水素供給マニホールド４０ｈｉｍのＩＮ側の静圧が減少するからである。

図６（ｃ）、および、図６（ｆ）に、それぞれ、比較例の燃料電池スタック１００Ｒ、および、本実施例の燃料電池スタック１００における水素置換の様子を模式的に示した。比較例の燃料電池スタック１００Ｒでは、先に説明したように、燃料ガス供給マニホールドにおける静圧と、アノードオフガス排出マニホールドにおける静圧との差が、各単セル４０において一定になっている（図６（ｂ）参照）。このため、図６（ｃ）に示したように、燃料電池スタック１００Ｒにおいて、ＩＮ側に配置された単セル４０ほど、水素が早く到達するので、水素置換に要する時間が短く、ＥＮＤ側に配置された単セル４０ほど、水素が遅く到達するので、水素置換に要する時間が長くなる。したがって、ＥＮＤ側に配置された単セル４０内の不純物ガスが水素置換されるまでの期間に、ＩＮ側に配置された単セル４０からは、水素が燃料電池システム１０００Ｒの外部に無駄に排出されてしまい、燃費の低下を招いていた。

これに対し、本実施例の燃料電池スタック１００では、先に説明したように、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの静圧と、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍの静圧との差が、ＩＮ側で小さく、ＥＮＤ側で大きくなる（図６（ｅ）参照）。つまり、単セル４０ごとに、内部を流れるガスの単位時間当たりの流量が異なり、燃料電池スタック１００において、ＩＮ側に配置された単セル４０ほど、内部を流れるガスの単位時間当たりの流量が少なくなり、ＥＮＤ側に配置された単セル４０ほど、内部を流れるガスの単位時間当たりの流量が多くなる。このため、燃料電池スタック１００において、ＩＮ側に配置された単セル４０における水素置換に要する時間を、比較例の燃料電池スタック１００Ｒよりも長くすることができる。そして、図６（ｆ）に示したように、ＩＮ側からＥＮＤ側に亘って、各単セル４０における水素置換に要する時間を均一化し、燃料電池システム１０００の外部への水素の無駄な排出を抑制することができる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００が、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの流路断面積を、主流路全体に亘って変化させる摺動板２００等を備えるので、燃料電池スタック１００を構成する各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスを水素置換する際に、燃料電池システム１０００の外部への水素の無駄な排出を抑制することができる。この結果、燃料電池システム１０００の燃費を向上させることができる。

Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池スタック１００は、本発明における流路断面積可変部を構成する摺動部材、および、アクチュエータとして、それぞれ、摺動板２００、および、空気圧アクチュエータを備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。他の構成によって流路断面積可変部を構成するものとしてもよい。例えば、摺動板２００の代わりに、流体の導入・排出によって膨張・収縮する袋状の部材を用いるようにしてもよい。また、例えば、水素供給マニホールド４０ｈｉｍ内の摺動板２００と単セル４０との間に複数のスプリングを配置し、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を確実に確保できるようにしてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、摺動板２００を摺動させるアクチュエータとして、空気圧アクチュエータを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。空気圧アクチュエータの代わりに、例えば、水圧アクチュエータや、油圧アクチュエータを用いるものとしてもよい。また、上述した流体圧アクチュエータの代わりに、例えば、電動アクチュエータを用いるものとしてもよい。

Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池スタック１００が備える水素供給マニホールド４０ｈｉｍや、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍや、空気供給マニホールド４０ａｉｍや、カソードオフガス排出マニホールド４０ａｏｍは、それぞれ、外部マニホールドであるものとしたが、内部マニホールドであるものとしてもよい。ただし、水素供給マニホールド４０ｈｉｍを外部マニホールドとすることによって、内部マニホールドとする場合よりも、本発明における流路断面積可変部を容易に作製することができる。

Ｅ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池システム１０００は、アノードデッドエンド型燃料電池システムであるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明を、例えば、燃料電池スタック１００が備えるアノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍから排出されたアノードオフガスを水素供給マニホールド４０ｈｉｍに循環させ、アノードオフガス中に残留する水素を再利用して発電を行うタイプの燃料電池システムに適用するようにしてもよい。

Ｅ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池システム１０００の起動制御処理において、摺動板２００を摺動させることによって、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を変化させるものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池スタック１００による発電中に、各単セル４０のアノードに不純物ガスが所定量以上充満し、アノードオフガス排出マニホールド４０ｈｏｍから、アノードオフガス、および、不純物ガスを排出するときに、摺動板２００を摺動させることによって、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を、アノードに存在する不純物ガスが所定量未満であるときよりも小さくするようにしてもよい。

Ｅ６：変形例６：
上記実施例では、図３に示したように、水素供給マニホールド４０ｈｉｍの主流路の流路断面積を変化させる摺動板２００の摺動制御を、時間に基づいて行うものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池システム１０００における各配管に適宜配設された圧力センサによって検出された圧力や、燃料電池スタック１００のスタック電圧等に基づいて、各単セル４０のアノードに充満した不純物ガスの量を推測し、その結果に基づいて、摺動板２００の摺動制御を行うようにしてもよい。

本発明の一実施例としての燃料電池スタック１００を備える燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００の内部構造を示す説明図である。 燃料電池システム１０００の起動制御処理の流れを示す説明図である。 燃料電池システム１０００の起動時および定常発電時の燃料電池スタック１００における水素供給マニホールド４０ｈｉｍを示す説明図である。 比較例としての燃料電池システム１０００Ｒの概略構成を示す説明図である。 本実施例の燃料電池システム１０００の作用・効果を示す説明図である。

符号の説明

１０００，１０００Ｒ…燃料電池システム
１００，１００Ｒ…燃料電池スタック
１１０…フレーム部材
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…単セル
４０ｈｉｍ…水素供給マニホールド
４０ｈｏｍ…アノードオフガス排出マニホールド
４０ａｉｍ…空気供給マニホールド
４０ａｏｍ…カソードオフガス排出マニホールド
４１ａ…アノード側セパレータ
４１ａｒ…リブ
４１ａｄ…溝
４１ｃ…カソード側セパレータ
４１ｃｒ…リブ
４１ｃｄ…溝
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
５５…バルブ
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
６３…分岐配管
６４…空気供給バルブ
６５…空気排出配管
６６…空気パージバルブ
７０…制御ユニット
２００…摺動板

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させた燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックにおける複数の前記単セルの積層方向の一方の端部に設けられ、前記燃料電池スタックの外部から供給された前記燃料ガスを、前記燃料電池スタックの内部に供給するための燃料ガス供給口と、
   前記燃料ガス供給口から供給された前記燃料ガスを、前記複数の単セルのアノードに分岐して供給するための燃料ガス供給マニホールドと、
   前記複数の単セルのアノードから排出された排出ガスであるアノードオフガスを集合させて前記燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、
   前記燃料電池スタックにおける前記燃料ガス供給口と同一側の端部に設けられ、前記アノードオフガスを、前記アノードオフガス排出マニホールドから前記燃料電池スタックの外部に排出するためのアノードオフガス排出口と、
   前記燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、前記主流路全体に亘って変化させる流路断面積可変部と、
   を備える燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記流路断面積可変部は、
   前記主流路内に設けられ、前記主流路の内壁面上を、前記主流路内における前記燃料ガスの流れ方向に対して垂直な方向に摺動する摺動部材と、
   前記摺動部材を摺動させるアクチュエータと、を含む、
   燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックであって、
   前記アクチュエータは、流体の圧力を利用して動作する流体圧アクチュエータである、
   燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックであって、
   前記流体は、空気である、燃料電池スタック。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
   前記燃料ガス供給マニホールドは、外部マニホールドである、
   燃料電池スタック。
6. 燃料電池システムであって、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池スタックと、
   前記流路断面積可変部を制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックによる発電中に、前記アノードオフガス排出マニホールドからの前記アノードオフガスの排出を禁止するとともに、発電に寄与しない不純物ガスが前記アノードに所定量以上充満したときに、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスの排出を行う燃料電池システムであり、
   前記制御部は、前記不純物ガスが前記アノードに所定量以上充満し、前記アノードオフガス排出マニホールドから、前記アノードオフガス、および、前記不純物ガスを排出するときに、前記流路断面積可変部を制御して、前記燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、前記アノードに存在する前記不純物ガスが所定量未満であるときよりも小さくする、
   燃料電池システム。
8. 請求項６または７記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記流路断面積可変部を制御して、前記燃料ガス供給マニホールドの主流路の流路断面積を、前記燃料電池スタックによる発電時よりも小さくする、
   燃料電池システム。

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