JP2009187689A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】各単位電池へ反応ガスを分配する第一マニホールドと、第一マニホールドに反応ガスを供給する第二マニホールドと、を備える燃料電池システムにおいて、第二水素供給マニホールドに水分の存在によるガス供給への影響を抑制することを目的とする。
【解決手段】積層された各単位電池１０２に反応ガスを供給する連通孔を備えた第一マニホールド１２４と、前記第一マニホールドに反応ガスを供給するための放出孔１２８を備えた第二マニホールド１２６と、前記第一マニホールド１２４に反応ガスを供給する第一供給手段２１８と、前記第二マニホールドに反応ガスを供給する第二供給手段２１６と、を備える燃料電池システム１０であって、前記第二供給手段２１６により供給される反応ガスは、前記第一供給手段２１８により供給される反応ガスに対して乾燥していることを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムのマニホールドに関する。

燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて、電気的エネルギを生成するものである。燃料電池が発電する電圧は、約１Ｖである。高い出力電圧を確保するために、燃料電池を単位電池として、単位電池を直列に接続するように、複数積層した燃料電池スタックの構成で用いられるのが一般的である。これにより、燃料電池スタックは、積層された単位電池の数に応じた電圧を生じる。

燃料電池スタックは、積層された単位電池に反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスとを供給する反応ガス供給マニホールドと、排出する反応ガス排出マニホールドとを備える。ここで、反応ガス供給マニホールドは、単管の構造であり、ガスはマニホールドの上流から下流へ順次供給される。このような反応ガス供給マニホールド構造では、同一管内においても、ガスの流れの上流と下流とではガスの流れる条件（ガス圧）に差が生じるという問題があった。

この問題を解決するために、下記の特許文献１に示す構成が知られている。特許文献１では、燃料電池スタックを貫通するマニホールド二つの空間に区画されており、各単位電池へ水素を分配するガス分配空間（以下、第一水素供給マニホールド）と、水素を導入するガス導入空間（以下、第二水素供給マニホールド）とから構成され、水素の流れ方向下流に行くに従い径の大きくなる第二水素供給マニホールドと第一水素供給マニホールドとを連通する放出孔を介して、各単位電池へと水素が放出される燃料電池スタックの構成が開示されている。特許文献１の構成により、各単位電池への水素の供給量を均等化することが出来る。
特開２００６−３２３２８号公報

特許文献１に記載の燃料電池スタックにおいて、供給される水素は必ず第二水素供給マニホールドに供給された後、第一水素供給マニホールドを経て、各単位電池に供給される。供給される水素は、燃料電池を構成する電解質膜を乾燥させないように湿潤した状態で供給されることがある。この場合、第二水素供給マニホールドにおいて、水分の存在によるガス供給への影響が懸念される。

本発明は、上記の問題に鑑み、第二水素供給マニホールドに水分の存在によるガス供給への影響を抑制することを目的とする。

本発明は、積層された各単位電池に反応ガスを供給する連通孔を備えた第一マニホールドと、前記第一マニホールドに反応ガスを供給するための放出孔を備えた第二マニホールドと、前記第一マニホールドに反応ガスを供給する第一供給手段と、前記第二マニホールドに反応ガスを供給する第二供給手段と、を備える燃料電池システムであって、前記第二供給手段により供給される反応ガスは、前記第一供給手段により供給される反応ガスに対して乾燥していることを特徴とする燃料電池システムである。

また、前記第一マニホールドは単位電池の積層方向に設けられ、前記第二マニホールドは単位電池の積層方向に設けられ、前記第一マニホールドに燃料ガスを供給するための放出孔を複数備え、該放出孔の面積が反応ガスの流れの上流より下流の方が大きくなる、単位電池の積層方向に設けられたマニホールドであることも好適である。

また、燃料電池システムに要求される要求出力を算出する出力算出部と、を備え、前記第二供給手段は、前記出力算出部により算出された新たな要求出力が前回算出された要求出力に対して所定値以上増加する場合に反応ガスを供給することも好適である。

また、燃料電池システムに要求される反応ガスの供給量を算出する供給量算出部と、を備え、前記第二供給手段は、前記供給量算出部により算出された新たな反応ガス供給量が前回算出された反応ガス供給量に対して所定値以上増加する場合に反応ガスを供給することも好適である。

また、燃料電池システムの始動時に単位電池に供給される反応ガスの燃料濃度を算出する算出手段と、を備え、前記第二供給手段は、算出された燃料濃度が所定値以下の場合に反応ガスを供給することも好適である。

また、第二マニホールドに反応ガスを供給する時間が所定時間であることも好適である。

また、第二マニホールドに反応ガスを供給する時間が、前記要求出力の増加量又は前記反応ガスの増加量又は前記燃料濃度と所定値との差に応じて設定される時間であることも好適である。

また、前記反応ガスは水素を含む燃料ガスであって、前記第一マニホールドに供給される前記燃料ガスは、燃料電池から排出される燃料ガスが燃料電池に再び循環したガスである燃料電池システム。

本発明は、積層された各単位電池に燃料ガスを供給する連通孔を備えた第一マニホールドと、単位電池から排出されたガスを燃料ガスとして前記第一マニホールドに循環させる循環路と、前記第一マニホールドに燃料ガスを供給するための放出孔を備えた第二マニホールドと、前記第二マニホールドに燃料ガスタンクから燃料ガスを供給する第二供給手段と、を備える燃料電池システムである。

また、前記循環路から第一マニホールドに供給される燃料ガスの濃度に対して、前記第二供給手段により第二マニホールドに供給される燃料ガスの濃度が高いことも好適である。

上記構成の燃料電池システムにより、第二マニホールドに供給される反応ガスは第一マニホールドに供給される反応ガスに対して乾燥しているので、第二マニホールドにおける水分の存在によるガス供給への影響を抑制できる。

本発明の第一実施形態から第三実施形態に共通する構成を、図１−図３を用いて説明する。これらの実施形態は、燃料電池により発電された出力により駆動される自動車に燃料電池システムを適用したものである。

図１に自動車に搭載された燃料電池システム１０のシステム図を示す。本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池に燃料ガスとしての水素を供給する水素系２００と、燃料電池に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気系３００と、燃料電池を冷却する冷却系４００と、燃料電池の発電した電力を車両の駆動に用いる電力系５００と、燃料電池システムを制御する制御系６００とからなる。

図１に示した燃料電池スタック１００の基本的な構成を、図２を用いて説明する。図２において、矢印Ｘ方向が鉛直方向上向き、Ｙ方向が鉛直方向下向きである。燃料電池スタック１００は、燃料電池を単位電池１０２として、単位電池を複数積層して構成される。単位電池１０２は、水素イオン導電性の電解質膜としての固体高分子膜と、固体高分子膜の一の面に燃料ガスとしての水素の化学反応が行われるアノード極と、固体高分子膜の他の面に酸化剤ガスとしての空気の化学反応が行われるカソード極と、から構成される膜−電極接合体１０４（以下、ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。

ＭＥＡ１０４は、アノード極に対向する面に水素を含む燃料ガス（以下、水素と呼ぶ）を供給する水素流路１０６が構成されたセパレータ１０８と、カソード極に対向する面に酸素を含む酸化剤ガス（以下、空気と呼ぶ）を供給する空気流路（不図示）が構成されたセパレータ１１２によって挟まれる。本実施形態の水素流路１０６と空気流路は直線状の流路から構成されているが、ガス流路が直線部と、少なくとも一つの折り返し部となるターン部を有するサーペンタイン型の流路構造から構成されていても良い。

セパレータ１０８・１１２の反応極と接する面の裏面には、冷却液を供給して燃料電池スタック１００を冷却するための冷却流路１１４が形成されている。なお、本実施形態では、セパレータは金属板よりなるメタルセパレータを用いるが、炭素樹脂よりなるカーボンセパレータであっても良い。

セパレータ１０８・１１２は、後述の水素タンク２０２から水素流路１０６に水素を供給するために、積層された複数の単位電池１０２を積層方向に水素供給マニホールド１２０と水素排出マニホールド１２２を備えている。本実施形態では、積層した単位電池１０２を貫通するようにマニホールドが設けられている。単位電池１０２を貫通する方向であって、後述の水素バルブが接続する方を上流とし、他方を下流とするように、水素供給マニホールド１２０内に水素が一方通行で供給される。

水素供給マニホールド１２０の詳細な構成を図３に示す。本実施形態では、水素供給マニホールド１２０が二つの空間に区画されている。すなわち、各単位電池１０２に水素を供給する連通孔１２５を備え、単位電池の積層方向に設けられた第一水素供給マニホールド１２４と、第一水素供給マニホールドに水素を供給するための放出孔１２８を複数備え、放出孔１２８の面積が反応ガスの流れの上流より下流の方が大きくなる、単位電池の積層方向に設けられた第二水素供給マニホールド１２６と、から水素供給マニホールド１２０は構成されている。

第一水素供給マニホールド１２４には各単位電池１０２のアノード極に水素を供給するための連通孔１２５が形成され、水素排出マニホールド１２２にはアノード極に供給された水素を各単位電池１０２から排出するための連通孔１２３が形成されている。なお、連通孔１２３・１２５が設けられる位置は図３に限定されず、第一水素供給マニホールド任意の箇所に設けることが出来る。

第一水素供給マニホールド１２４と第二水素供給マニホールド１２６の、作用及び効果について説明する。後述の循環ポンプ２１８によって燃料電池スタック１００に供給される水素は、第一水素供給マニホールド１２４において水素の流れ方向上流側から下流側に順次供給される。そのため、循環ポンプ２１８の駆動量が増加した直後は、第一水素供給マニホールド１２４の上流側に対して下流側の水素圧が小さくなる事態が生じる。よって、上流側に位置する単位電池１０２に連通孔を介して供給される水素量に対して、下流側に位置する単位電池１０２に連通孔を介して供給される水素量は少なくなる。その結果、単位電池の積層された位置によってそれぞれの単位電池の発電力が不均一となり、燃料電池スタック１００に要求される発電量を出力できない可能性があった。

しかし、第二水素供給マニホールドの放出孔１２８の面積が反応ガスの流れの上流より下流の方が大きくなる構成である。上流側と下流側とにおける放出孔１２８の面積の大小により、水素は下流側（図中右側）に優先的に放出される。これにより、第一水素供給マニホールド１２４内の水素圧を均等化することが出来る。なお、本実施形態では第二水素供給マニホールドは第一水素供給マニホールドの中に位置しているが、独立に存在していても良い。

セパレータ１０８・１１２は、後述の空気の吸入口３０２から空気流路に空気を供給するために空気供給マニホールド１３０と、供給された空気を排出するための空気排出マニホールド１３２を、それぞれ単位電池が積層された方向に貫通するように設けられている。そして、空気供給マニホールド１３０はカソード極に空気を供給するための連通孔が形成され、空気排出マニホールド１３２にはカソード極に供給された空気を排出するための連通孔が形成されている。

以上の構成により、燃料電池スタック１００内において、水素は水素供給マニホールド１２０、水素流路１０６、水素排出マニホールド１２２の順番で供給される。同様に、空気は、空気供給マニホールド１３０、空気流路、空気排出マニホールド１３２の順番で供給される。

また、セパレータ１０８・１１２の冷却流路１１４に冷却液を供給するために、冷却液供給マニホールド１３４と冷却液排出マニホールド１３６とが設けられている。冷却液供給マニホールド１３４は冷却流路１１４に冷却液を供給するための連通孔（不図示）と、冷却液排出マニホールド１３６は冷却流路１１４から冷却液を排出するための連通孔（不図示）を、それぞれ備えている。

燃料電池に、水素を含む燃料ガスを供給する水素系２００について、図１と図３を用いて説明する。水素系２００は、高圧条件下で水素を貯蔵した水素タンク２０２と、供給された水素が水素タンク２０２に逆流しないようにする逆止弁２０４と、燃料電池スタック１００に水素を供給する水素供給路２０６と、燃料電池から排出される水素を水素供給路に循環させる水素循環路２０８と、から構成される。

水素供給路２０６は、第一水素供給マニホールド１２４に水素を供給する第一水素供給路２１０と、第二水素供給マニホールド１２６に水素を供給する第二水素供給路２１２とに、逆止弁２０４の下流で分岐している。第一水素供給路２１０には、水素タンク２０２から第一水素供給マニホールド１２４に供給する水素の量を調節する第一水素バルブ２１４が設けられている。第二水素供給路２１２には、水素タンク２０２から第二水素供給マニホールド１２６に供給する水素の量を調節する第二水素バルブ２１６が設けられている。第一水素バルブ２１４と第二水素バルブ２１６の制御については後述する。

燃料電池スタック１００から排出される水素は、水素循環路２０８によって第一水素供給路２１０に再び供給される。水素循環路２０８における水素の循環は循環ポンプ２１８により駆動される。後述の制御部によって算出される要求出力、または、要求される水素の供給量を満たすように循環ポンプ２１８は駆動される。燃料電池スタック１００から排出される水素が循環することにより、水素タンク２０２より供給される水素を効率よく用いることができ、燃費が向上する。また、水素循環路から第一水素供給マニホールドに供給される反応ガスにおける水素濃度に対して、水素タンクから第二水素供給マニホールドに供給される水素の濃度は、水素が循環せず水素タンクから直接供給される分だけ高くなっている。

水素循環路２０８によって第一水素供給路２１０に供給される水素は、燃料電池が発電した水を含んで湿潤している（以下、湿潤した水素と呼ぶ）。その結果、第一水素供給路２１０・第一水素供給マニホールド１２４を経由して燃料電池スタック１００に供給される水素は、水素タンク２０２内の水素に比べて湿潤している。このように湿潤したガスを燃料電池に供給することにより、固体高分子膜の過乾燥を防ぐことが出来る。一方、第二水素供給路２１２から第二水素供給マニホールド１２６に供給される水素は、乾燥した状態で供給される。そのため、第1水素供給マニホールドに供給される湿潤した水素に対して、第二水素供給マニホールドに供給される水素は乾燥している（以下、乾燥した水素と呼ぶ）。

本実施形態は、第一水素バルブ２１４と第二水素バルブ２１６との二つのバルブを備えている。独立の二つのバルブを備える構成により、第二水素バルブ２１６を第二水素供給マニホールド１２６の近くに配置することが可能となる。これにより、燃料電池での負荷変動に対して、第二水素バルブ２１６から第二水素供給マニホールドの放出孔１２８までの距離を短くすることができ、燃料電池に要求される出力が変動する場合でも、水素をより早く均等な圧力で各単位電池に供給することが可能となる。

また、第二水素バルブ２１６を閉じた状態で通常運転をしている場合、第二水素供給マニホールド１２６の中は窒素などの不純物ガスや純度の低い水素などで満たされる場合がある。この場合でも、第二水素バルブ２１６を第二水素供給マニホールド１２６の近くに配置することにより、不純物ガスや純度の低い水素ガスを蓄積するマニホールド体積を抑制することができる。これにより、燃料電池に要求される出力が変動する場合でも、水素をより均等な圧力で各単位電池に供給する応答性が向上することとなる。

燃料電池に酸素を含む酸化剤ガスを供給する空気系３００について説明する。空気系３００は、空気を吸入する吸入口３０２と、吸入口から吸入された空気を燃料電池スタック１００に供給する空気供給路３０４と、空気供給路に設けられた空気の供給手段としての空気ポンプ３０６と、燃料電池スタック１００から空気を排出する空気排出路と、空気排出路に設けられた排出される空気の圧力を制御する圧力弁３０８と、から構成される。

燃料電池スタック１００を冷却する冷却系４００について説明する。冷却系４００は、冷却液を燃料電池に循環させる冷却液循環路４０２と、燃料電池から排出された冷却液を冷却するラジエータ４０４と、冷却液を循環させる冷却液の循環ポンプ４０６とを備える。この構成により、冷却液は、循環ポンプ４０６、冷却液供給マニホールド１３４、冷却流路１１４、冷却液排出マニホールド１３６、ラジエータ４０４の順番で供給される。
燃料電池スタック１００により発電された出力に基づいて自動車を駆動する電力系５００について説明する。電力系５００は、燃料電池スタック１００が発電する直流電流を交流電流に変換するインバータ５０２と、交流電流によって駆動されるモータ５０４と、燃料電池スタックの発電する電圧を測定する電圧計５０６と、燃料電池スタックの電流値を測定する電流計５０６とからなる。なお、燃料電池スタックの余剰の電力を充電し、充電された電力を自動車の駆動力として用いることが出来る二次電池を備えることも好適である。

燃料電池システム１０の動作を制御する制御系６００について説明する。制御系６００は、電子制御ユニット６０２（以下、ＥＣＵ）により構成される。ＥＣＵ６０２は、自動車の動作状況に応じて算出される値に応じて、第一水素バルブ２１４・第二水素バルブ２１６と、循環ポンプ２１８と、空気ポンプ３０６と、インバータ５０２などを制御する。算出される値とは、燃料電池システム１０に要求される要求出力値（第一実施形態）、又は、反応ガスの供給量（第二実施形態）、及び、供給される反応ガスにおける水素の濃度（第三実施形態）などが挙げられる。なお、ＥＣＵには、アクセルからの加速信号６０４、イグニッション（ＩＧ）キーからの信号６０６などが入力される。

以下、燃料電池システム１０に要求される要求出力値に応じて、第一水素バルブ２１４・第二水素バルブ２１６と、循環ポンプ２１８を制御する第一実施形態について説明する。

水素タンク２０２から第一水素供給路に供給する水素を制御する第一水素バルブ２１４は、燃料電池スタック内の水素供給マニホールド１２０・水素循環路２０８内において圧力が所定圧（例えば、２００ＫＰａ）となるように設定する。すなわち、燃料電池の発電に消費された水素による圧力の低下を補正するように、水素タンク２０２から水素が供給するように第一水素バルブ２１４は作動する。

アクセルペダルから入力される加速信号（加速時や登坂時）や車速などを入力として、燃料電池システム１０に要求される要求出力値を出力算出部としてのＥＣＵ６０２は算出する。要求出力値に応じてＥＣＵ６０２は水素循環路２０８に設けられた循環ポンプ２１８の駆動力を制御し、燃料電池スタック１００に供給する湿潤している水素量を制御する。なお、要求出力値に自動車に備えられた、例えばエアコンなどの補機類の要求出力値を考慮することも好適である。

要求出力値に応じて燃料電池システム１０の運転状態は、通常運転モードと過渡運転モードに分類される。第一実施形態における通常運転と過渡運転との定義について説明する。通常運転モードとは、算出された最新の燃料電池システム１０の要求出力が、前回の要求出力値に対して所定量以上増加してない場合を意味する。過渡運転モードとは、新たに算出された要求出力値が前回の要求出力値に対して所定量以上増加している場合を意味する。ここで、要求出力値が所定量増加するとは、例えば、前回の要求出力値に対して１０％増加したときを意味する。

第一実施形態の燃料電池システム１０の通常運転モードにおいて、燃料電池スタック１００から排出される湿潤した水素は水素循環路２０８を経由して、第一水素供給マニホールド１２４に供給される。通常運転モードは要求出力値の変動が少なく、第一水素供給マニホールド１２４内における上流側に対して下流側の水素圧が極端に低下することはない。そのため、下流側に位置する単位電池１０２に十分に水素を供給することが出来る。

一方、第一実施形態の燃料電池システム１０の過渡運転モードにおいて、第二水素供給路２１２と第二水素バルブ２１６を経て、第二水素供給マニホールド１２６に乾燥した水素が水素タンク２０２から供給される。これにより、過渡運転モードにおける第一水素供給マニホールド１２４内の上流側に対して下流側の水素圧が低下する事態を防止することが出来る。なお、第二水素供給路２１２から第二水素供給マニホールド１２６へと供給される水素圧力は、水素循環路２０８内にける所定圧力より高く設定する（例えば、３００ＫＰａ）。これにより水素が第一水素供給マニホールド１２４から第二水素供給マニホールド１２６に逆流することが防止できる。なお、過渡運転モードにおいても、通常運転モードと同様に循環ポンプ２１８は駆動しており、循環ポンプ２１８により駆動された水素が各単位電池１０２に供給される。

ここで、第二水素供給マニホールド１２６には水素タンク２０２から乾燥した水素が供給されるため、第二水素供給路２１２と第二水素供給マニホールド１２６とにおいて、水分が溜まる事はない。そのため、溜まった水によって、又は、水が凍結することによって、マニホールド内の水素の分配が阻害される恐れがない。第二水素供給マニホールド１２６において排水を考慮する必要がないので、排水のために燃料電池システム１０が複雑化する問題がない。

なお、湿潤した水素が供給される第一水素供給マニホールドは水分が溜まることがある。その対策として、燃料電池システムの停止時又はアイドル時に、第一水素供給マニホールドに反応ガスを過剰に供給し水分を吹き飛ばす掃気処理を行うことが好適である。これにより、第一水素供給マニホールド内の水分を排水することが出来る。

次に、第一実施形態の燃料電池システム１０における運転制御を図４に示す。なお、図４に示す制御は、一定時間毎に逐次演算されることが好適である。

燃料電池システム１０が作動している時に、自動車のアクセルペダルを運転者が踏み込むことにより加速信号が入力される（ステップ１００）。出力算出部としてのＥＣＵ６０２は、新しく入力された加速信号により燃料電池システム１０が要求される出力値を算出する（ステップ１０２）。新しく算出された出力要求値（Ｗｎ）は、前回入力された加速信号に基づく出力要求値（Ｗｎ−１）に基づく値と、その大きさが判定される（ステップ１０４）。このステップでは新しく算出された要求出力値（Ｗｎ）が、前回算出された要求出力値（Ｗｎ−１）の１１０％以上か否かを判定する。

ステップ１０４において、新しく算出された要求出力値（Ｗｎ）が、前回算出された要求出力値（Ｗｎ−１）の１１０％以上と判定された場合（ステップ１０４ＮＯ）、燃料電池システム１０は過渡運転モードとなる（ステップ１０６）。

過渡運転モードでは、図５に示されるマップを用いて過渡運転モードの実施時間が決められる（ステップ１０８）。ここで、図５は、要求出力値の増加分（Ｗｎ-Ｗｎ−１）を横軸に、過渡運転モードの時間（すなわち、第二水素バルブ２１６の開放時間）を縦軸としたマップである。要求出力値の増加分を低負荷・中負荷・高負荷と３個に分類した場合であって、要求出力値が中負荷の場合は過渡運転モードの時間は１秒程度となる。なお、過渡運転モードを所定時間行うことも好適である。

過渡運転モード時は、ＥＣＵ６０２により第二水素バルブ２１６が開かれる（ステップ１１０）。第二水素バルブ２１６が開かれている間、第二水素マニホールドの上流から下流に行くに従い面積が大きくなる放出孔１２８によって、水素は水素ガス流れ方向の下流側に優先的に供給される。このように第二水素マニホールドから第一水素マニホールドに水素が分配されることにより、第一水素マニホールドの上流側と下流側で水素圧の差を小さくすることが出来る。

過渡運伝モードが終了すると第二水素バルブ２１６は閉められ、水素タンク２０２から燃料電池スタック１００への第一水素バルブ２１４により水素の供給が行われる通常運転モードとなる（ステップ１１２）。

また、ステップで、新しく算出された要求出力値（Ｗｎ）が、前回算出された要求出力値（Ｗｎ−１）の１１０％より小さいと判定された場合（ステップ１０４ＮＯ）、燃料電池システム１０は通常運転モード（ステップ１１２）となる。

第二実施形態は、第一実施形態と通常運転モードと過渡運転モードとの判定方法のみが異なる実施形態である。以下、第二実施形態の第一実施形態との相違点のみを説明する。

第二実施形態の通常運転モードとは、算出された第一水素供給マニホールド１２４に循環ポンプ２１８により供給される水素量が、前回の供給水素量に対して所定量増加していない場合を意味する。ここで、供給される水素量とは、アクセルペダルからの加速信号や車速を入力として、燃料電池システムに要求される水素量をＥＣＵ６０２により算出する。過渡運転モードとは、算出された循環した水素の供給量が、前回算出された水素の供給量に対して所定量増加している場合を意味する。ここで、水素の供給量が所定量増加するとは、例えば、前回算出された水素の供給量に対して１０％増加したときを意味する。

第二実施形態の通常運転モードは、燃料電池スタック１００から排出される湿潤した水素が水素循環路２０８を経て、第一水素供給マニホールド１２４に供給される。本実施形態においても、通常運転モード時は供給される水素量の変動が少なく、第一水素供給マニホールド１２４の上流側に供給される水素量に対して、下流側に位置する単位電池１０２に供給される水素量が小さくなることはない。

第二実施形態の過渡運転モード時においては、第二水素供給路２１２と第二水素バルブ２１６を経て、第二水素供給マニホールド１２６に乾燥した水素が水素タンク２０２から供給される。これにより、過渡運転モードにおける第一水素供給マニホールド１２４内の上流側に対して下流側の水素圧が低下する事態を防止することが出来る。さらに、第二水素供給マニホールド１２６には、水素タンク２０２から乾燥した水素のみが供給されるので、第二水素供給マニホールドで水分が溜まる問題、及び、溜まった水分を排水するためにシステムが複雑化する問題がそれぞれ生じない。

以下、第二実施形態の燃料電池システム１０における運転制御の一例を図６に示す。なお、図６に示す制御は一定時間毎に逐次演算されることが好適である。

アクセルペダルの踏み込み量に応じた加速信号がＥＣＵ６０２に入力される（ステップ２００）。入力された加速信号により、循環ポンプ２１８により循環される水素量が算出される（ステップ２０２）。新しく算出された水素循環量（Ｌｎ）は、前回入力された加速信号に基づく水素循環量（Ｌｎ−１）に基づく値とその大きさが判定される（ステップ２０４）。このステップでは、例えば、ＬｎがＬｎ−１の１１０％以上か否かを判定する。

ステップ２０４において、ＬｎがＬｎ−１の１１０％以上であると判定された場合には（ステップ２０４ＹＥＳ）、過渡運転モードとなる（ステップ２０６）。ステップにおいて、ＬｎがＬｎ−１の１１０％より小さいと判定された場合には（ステップ２０４ＮＯ）通常運転モードとなる（ステップ２１２）。ステップ２０４以降の運転制御は第一実施形態の運転制御と同じなので、以下省略する。

第三実施形態は、上記の二つの実施形態と通常運転モードと過渡運転モードとの判定方法が異なる実施形態である。以下、通常運転モードと過渡運転モードとについて説明する。

第一水素供給マニホールド１２４と水素循環路２０８には、酸素マニホールドから窒素などの不純物ガスが流入してくる。特に、燃料電池システム１０の停止時には停止時間に比例して不純物ガスが流入してきて、水素濃度が低下する。水素濃度が所定値以下の場合に燃料電池システム１０を始動すると、不純物ガスの影響でその始動性が悪化する。

第一水素供給マニホールド１２４内の水素濃度が所定値よりも小さくて、第一水素バルブ２１４を開き水素タンク２０２から純粋な水素を第一水素供給路２１０に供給する場合、水素濃度は第一水素供給マニホールド１２４の上流側から高くなり、下流側においては積層位置に応じた時間の経過後に水素濃度が高くなる。これにより、下流側に位置する単位電池１０２に供給される水素濃度は、上流側に位置する単位電池１０２に供給される水素濃度に対して低く、始動性が向上しないままである。

第三実施形態では水素濃度算出手段としての、システムの停止時間に比例して流入してくる不純物ガスに基づき水素濃度（Ｃ）を推定するＥＣＵ６０２を備える。ＥＣＵ６０２により算出された水素濃度（Ｃ）と所定値との大小関係を判定することにより、通常運転モードと過渡運転モードとの一方を選択する。ここで、水素濃度の所定値とは、例えば、体積濃度が７０％のことを意味する。

なお、水素濃度を推定する手段として、燃料電池システム１０の外気温度を考慮することも好適である。また、水素濃度を推定するのではなく、水素濃度センサにより検出することも好適である。

以下、第三実施形態の燃料電池システム１０の運転制御を、図７を用いて説明する。

燃料電池システム１０が積載された自動車のイグニッションキー（ＩＧ）がＯＮとなる（ステップ３００）。水素濃度推定手段としてのＥＣＵ６０２は、燃料電池システム１０の前回停止時から今回の始動時までの経過時間を算出し、水素濃度を算出する（ステップ３０２）。算出された水素濃度と、水素濃度の所定値（体積濃度７０％）の大小関係を比較する（ステップ３０４）。

ステップ３０４で算出された水素濃度が所定値以下と判定された場合には（ステップ３０４ＹＥＳ）、過渡運転を行う（ステップ３０６）。過渡運転モードでは、第二水素バルブ２１６を開いて第二水素供給マニホールド１２６に乾燥した水素を供給する（ステップ３０８）。水素の供給は所定時間（例えば、１秒間）行う。ここで、所定時間とは予め定められた一定時間のことを意味する。これにより、下流側に位置する単位電池１０２に水素濃度の高い燃料ガスを多く供給することができ、燃料電池システム１０の始動性が向上する。所定時間の経過後は第二水素バルブ２１６を閉じ、第一水素バルブ２１４による通常運転モードとなる（ステップ３１０）なお、水素濃度に応じた第二水素バルブ２１６の開時間を設定することも好適である。

加えて、第二水素供給マニホールド１２６には乾燥した水素のみが供給されるので、第二水素供給マニホールド内に水分が溜まる問題、及び、溜まった水分が凍結し水素の供給を阻害する問題は生じない。そのため、例えば第二水素供給マニホールド内で凍結した水分を除去するための加熱手段など不要で、システムが複雑化することはない。

一方、算出された水素濃度が所定値以上の場合には（ステップ３０４ＮＯ）通常運転を行う（ステップ３１０）。通常運転モードでは、循環ポンプ２１８を駆動することにより第一水素供給マニホールド１２４に水素を供給する。

本発明は上記の実施形態１−３に限定されない。例えば、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドでのみ上記構成を採用しても良いし、燃料ガスの供給マニホールドと酸化剤ガスの供給マニホールドとの両方に採用することも好適である。また、通常運転モードと過渡運転モードとを、水素系の循環ポンプの回転数によって判定することも好適である。

燃料電池のシステム図である。 燃料電池スタックの概略図である。 水素供給マニホールドの構成図である。 第一実施形態のフローチャートである。 過渡運転モードの時間のマップである。 第二実施形態のフローチャートである。 第三実施形態のフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１００ 燃料電池スタック、２００ 水素系、３００ 空気系、４００ 冷却系、５００ 駆動系、６００ 制御系、
１０２ 単位電池、１０４ ＭＥＡ、１０６ 水素流路、１０８・１１２ セパレータ、１１４ 冷却流路、１２０ 水素供給マニホールド、１２２ 水素排出マニホールド、１２３ 水素排出マニホールドの連通孔、１２４ 第一水素供給マニホールド、１２５ 第一水素供給マニホールドの連通孔、１２６ 第二水素ガス供給マニホールド、１２８ 放出孔、１３０ 空気供給マニホールド、１３２ 空気排出マニホールド、１３４ 冷却液供給マニホールド、１３６ 冷却液排出マニホールド、２０２ 水素タンク、２０４ 逆止弁、２０６ 水素供給路、２０８ 水素循環路、２１０ 第一水素供給路、２１２ 第二水素供給路、２１４ 第一水素バルブ、２１６ 第二水素バルブ、２１８ 循環ポンプ
３０２ 吸入口、３０４ 空気供給路、３０６ 空気ポンプ、３０８ 圧力弁、４０２ 冷却液循環路、４０４ ラジエータ、４０６ 循環ポンプ、５０２ インバータ、５０４ モータ、５０６ 電圧計、５０８ 電流計、６０２ ＥＣＵ

Claims (10)

1. 積層された各単位電池に反応ガスを供給する連通孔を備えた第一マニホールドと、
   前記第一マニホールドに反応ガスを供給するための放出孔を備えた第二マニホールドと、
   前記第一マニホールドに反応ガスを供給する第一供給手段と、
   前記第二マニホールドに反応ガスを供給する第二供給手段と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記第二供給手段により供給される反応ガスは、前記第一供給手段により供給される反応ガスに対して乾燥していることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第一マニホールドは単位電池の積層方向に設けられ、
   前記第二マニホールドは単位電池の積層方向に設けられ、前記第一マニホールドに燃料ガスを供給するための放出孔を複数備え、該放出孔の面積が反応ガスの流れの上流より下流の方が大きくなる、単位電池の積層方向に設けられたマニホールドである燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムに要求される要求出力を算出する出力算出部と、を備え、
   前記第二供給手段は、前記出力算出部により算出された新たな要求出力が前回算出された要求出力に対して所定値以上増加する場合に反応ガスを供給する燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムに要求される反応ガスの供給量を算出する供給量算出部と、を備え、
   前記第二供給手段は、前記供給量算出部により算出された新たな反応ガス供給量が前回算出された反応ガス供給量に対して所定値以上増加する場合に反応ガスを供給する燃料電池システム。
5. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムの始動時に単位電池に供給される反応ガスの燃料濃度を算出する算出手段と、を備え、
   前記第二供給手段は、算出された燃料濃度が所定値以下の場合に反応ガスを供給する燃料電池システム。
6. 請求項３から請求項５に記載のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   第二マニホールドに反応ガスを供給する時間が所定時間である燃料電池システム。
7. 請求項３から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   第二マニホールドに反応ガスを供給する時間が、前記要求出力の増加量又は前記反応ガスの増加量又は前記燃料濃度と所定値との差に応じて設定される時間である燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガスは水素を含む燃料ガスであって、
   前記第一マニホールドに供給される前記燃料ガスは、燃料電池から排出される燃料ガスが燃料電池に再び循環したガスである燃料電池システム。
9. 積層された各単位電池に燃料ガスを供給する連通孔を備えた第一マニホールドと、
   単位電池から排出されたガスを燃料ガスとして前記第一マニホールドに循環させる循環路と、
   前記第一マニホールドに燃料ガスを供給するための放出孔を備えた第二マニホールドと、
   前記第二マニホールドに燃料ガスタンクから燃料ガスを供給する第二供給手段と、
   を備える燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記循環路から第一マニホールドに供給される燃料ガスの濃度に対して、前記第二供給手段により第二マニホールドに供給される燃料ガスの濃度が高い燃料電池システム。

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