JP2021182507A - 燃料電池積層体、燃料電池システム、及び燃料電池積層体の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、滞留水の凍結による反応ガスの流路の閉塞を抑制しつつ、小型化することができる、燃料電池積層体、燃料電池システム、及び燃料電池積層体の制御方法を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池積層体は、隣接している２つの燃料電池単位セル同士の間において、互いのセパレーター、壁部材、及びガスケットによって取り囲まれており、かつ壁部材の間隙によって反応ガス排出マニホールドと連通している、貯水部を有している。本開示の燃料電池システムは、反応ガス供給流路のバルブ及びコンプレッサ、並びに反応ガス排出流路のバルブの少なくとも一つを制御することによって、貯水部に滞留している液水を燃料電池積層体の外部に排出する。本開示の制御方法は、反応ガス排出マニホールド内を減圧及び掃気して、反応ガス排出マニホールド内に排出された液水を、燃料電池積層体の外部に排出する。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池積層体、燃料電池システム、及び燃料電池積層体の制御方法に関する。

アノードガス、例えば水素と、カソードガス、例えば酸素とを化学反応させることによって発電を行う、燃料電池単位セルが知られている。

このような燃料電池単位セルを複数個互いに積層した燃料電池積層体を有する燃料電池システムでは、発電の際に生成する水や、反応ガス、すなわちアノードガス及び／又はカソードガスの加湿に用いた液水が、燃料電池積層体中の反応ガス排出マニホールド内や燃料電池積層体より下流の配管内等の流路内で滞留する場合がある。

このような状態で、燃料電池システムが氷点下に晒されると、滞留水が流路内で凍結して、燃料電池システム内における反応ガスの流路を閉塞させ、燃料電池単位セルへの反応ガスの供給が阻害され得る。

したがって、燃料電池システムは、氷点下において起動することが困難となり得る。

上記のような問題に対して、例えば特許文献１は、燃料電池積層体より下流側に貯水部を設置した構成を有する燃料電池モジュールを開示している。

また、特許文献２は、反応ガス排出マニホールドが、燃料電池が車両に搭載される状態において膜電極接合体の下方に液水が溜まる貯水部を有している燃料電池モジュールを開示している。同文献が開示する燃料電池モジュールにおいて、複数の燃料電池単位セルの電解質膜は、貯水部に延びて挿入されていて、一対のエンドプレートのいずれか一方は、貯水部に溜まった液水を燃料電池モジュールの外部に排出可能な排水流路を有している。

特開２０１９−１９２６４８号公報 特開２０１７−１１７７５７号公報

特許文献１及び２のように、燃料電池システムにおいて反応ガスの流路の閉塞を抑制する観点から、燃料電池モジュール等に貯水部を配置することが考えられるが、この様な貯水部の配置は、燃料電池モジュール等を含め、燃料電池システム全体を大型化させ得る。

しかしながら、燃料電池システムの実用化、例えば搭載スペースが限定される車両等に適用する場合においては、燃料電池システム全体を小型化することが望ましい。

本開示は、滞留水の凍結による反応ガスの流路の閉塞を抑制しつつ、小型化することができる、燃料電池積層体、燃料電池システム、及び燃料電池積層体の制御方法を提供することを目的とする。

本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
《態様１》
２つ以上の燃料電池単位セルが互いに積層されており、
前記燃料電池単位セルは、発電要素、及び前記発電要素の両面に積層されている一対のセパレーターを有しており、
前記一対のセパレーターは、前記一対のセパレーターを前記燃料電池単位セルの積層方向に貫通している反応ガス排出流通孔を有しており、かつ
隣接している２つの前記燃料電池単位セルは、互いの前記セパレーターが隣接し、かつ互いの前記セパレーターの前記反応ガス排出流通孔同士が連結されて反応ガス排出マニホールドを形成するようにして、互いに積層されている、
燃料電池積層体であって、
前記燃料電池積層体は、隣接している２つの前記燃料電池単位セルの互いの前記セパレーター間に壁部材及びガスケットを有しており、
前記壁部材は、隣接している２つの前記燃料電池単位セルの互いの前記セパレーターの間の少なくとも一部分に間隙を有するようにして、かつ前記積層方向から見たときに、前記反応ガス排出流通孔を囲繞するようにして、配置されており、
前記ガスケットは、隣接している２つの前記燃料電池単位セルの互いの前記セパレーターを接合しており、かつ前記積層方向から見たときに、前記壁部材を挟んで前記反応ガス排出流通孔の反対側に、前記壁部材と少なくとも部分的に間隔を有するようにして配置されており、
それによって、隣接している２つの前記燃料電池単位セル同士の互いの前記セパレーター、前記壁部材、及び前記ガスケットによって取り囲まれており、かつ前記壁部材の前記間隙によって前記反応ガス排出マニホールドと連通している、貯水部が形成されている、
燃料電池積層体。
《態様２》
前記壁部材が、隣接している２つの前記燃料電池単位セル同士の互いの前記セパレーターの少なくとも一方によって形成されている、態様１に記載の燃料電池積層体。
《態様３》
前記反応ガス排出マニホールドが、カソードガス排出マニホールド又はアノードガス排出マニホールドである、態様１又は２に記載の燃料電池積層体。
《態様４》
前記発電要素が、カソードガス拡散層、カソード触媒電極層、電解質層、アノード触媒電極層、及びアノードガス拡散層を、この順に有している、態様１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池積層体。
《態様５》
態様１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池積層体、反応ガス供給流路、反応ガス排出流路、及び制御部を有する燃料電池システムであって、
前記反応ガス供給流路、前記燃料電池積層体、及び前記反応ガス排出流路の順に、反応ガスが流通するようにされており、
前記反応ガス供給流路は、バルブ及び／又はコンプレッサを有しており、
前記反応ガス排出流路はバルブを有しており、
前記制御部は、
前記反応ガス供給流路の前記バルブ及び前記コンプレッサ、並びに前記反応ガス排出流路の前記バルブの少なくとも一つを制御することによって、
前記反応ガス排出マニホールド内を減圧して、それによって前記貯水部に滞留している、電池反応によって生成した液水を前記反応ガス排出マニホールド内に排出し、かつ
前記反応ガス排出マニホールド内を掃気して、前記反応ガス排出マニホールド内に排出された前記液水を、前記燃料電池積層体の外部に排出することができる、
燃料電池システム。
《態様６》
前記反応ガス供給流路の前記バルブ及び前記コンプレッサ、並びに前記反応ガス排出流路の前記バルブの少なくとも一つを制御することによって、前記反応ガス排出マニホールド内を増圧して、前記燃料電池積層体の外部に排出されなかった前記液水を、前記貯水部内に流入させて滞留させることができる、
態様５に記載の燃料電池システム。
《態様７》
態様１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池積層体の制御方法であって、
前記反応ガス排出マニホールド内を減圧して、前記貯水部に滞留している、燃料電池積層体における発電によって生成した液水を、前記反応ガス排出マニホールド内に排出すること、及び
前記反応ガス排出マニホールド内を掃気して、前記反応ガス排出マニホールド内に排出された前記液水を、前記燃料電池積層体の外部に排出すること、
を含む、制御方法。
《態様８》
前記反応ガス排出マニホールド内を増圧して、前記掃気によって前記燃料電池積層体の外部に排出されなかった前記液水を、前記貯水部内に流入させて滞留させること、を更に含む、態様７に記載の制御方法。

本開示によれば、滞留水の凍結による反応ガスの流路の閉塞を抑制しつつ、小型化することができる、燃料電池積層体、燃料電池システム、及び燃料電池積層体の制御方法を提供することができる。

図１は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００を側面から見た模式図である。 図２は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００が有している燃料電池単位セル１を、積層方向から見た模式図である。 図３は、図２のＸの部分の拡大図である。 図４は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００の、図３に示すＡ−Ａ’断面に沿った断面図である。 図５は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００を使用している状態における、図３に示すＡ−Ａ’断面に沿った断面図である。 図６は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００を使用している状態における、図３に示すＡ−Ａ’断面に沿った断面図である。 図７は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００を使用している状態における、図３に示すＡ−Ａ’断面に沿った断面図である。 図８、本開示の第２の実施形態に従う燃料電池積層体１００の、図３に示すＡ−Ａ’断面に対応する断面に沿った断面図である。 図９は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００の模式図である。 図１０は、本開示の第２の実施形態に従う燃料電池システム７００の模式図である。 図１１は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１０の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

《燃料電池積層体》
本開示の燃料電池積層体は、２つ以上の燃料電池単位セルが互いに積層されており、燃料電池単位セルは、発電要素、及び発電要素の両面に積層されている一対のセパレーターを有しており、一対のセパレーターは、一対のセパレーターを燃料電池単位セルの積層方向に貫通している反応ガス排出流通孔を有しており、かつ隣接している２つの燃料電池単位セルは、互いのセパレーターが隣接し、かつ互いのセパレーターの反応ガス排出流通孔同士が連結されて反応ガス排出マニホールドを形成するようにして、互いに積層されている、燃料電池積層体である。

本開示の燃料電池積層体は、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーター間に壁部材及びガスケットを有している。壁部材は、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーターの間の少なくとも一部分に間隙を有するようにして、かつ積層方向から見たときに、反応ガス排出流通孔を囲繞するようにして、配置されている。ガスケットは、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーターを接合しており、かつ積層方向から見たときに、壁部材を挟んで反応ガス排出流通孔の反対側に、壁部材と少なくとも部分的に間隔を有するようにして配置されている。それによって、本開示の燃料電池積層体には、隣接している２つの燃料電池単位セル同士の互いのセパレーター、壁部材、及びガスケットによって取り囲まれており、かつ壁部材の間隙によって反応ガス排出マニホールドと連通している、貯水部が形成されている。

本開示の燃料電池積層体の具体的な構成を、図１〜４を用いて説明する。

図１〜４は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００の全体的な又は部分的な模式図である。

図１に示すように、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００は、複数の燃料電池単位セル１が互いに積層された構成を有している。

ここで、図示していないが、各燃料電池単位セル１は、発電要素、及び発電要素の両面に積層されている一対のセパレーター１０を有している。そして、図２に示すように、一対のセパレーター１０は、一対のセパレーター１０を燃料電池単位セル１の積層方向に貫通している反応ガス供給流通孔２０及び４０、反応ガス排出流通孔３０及び５０、並びに冷媒流通流路６０及び７０を有している。

そして、隣接している２つの燃料電池単位セル１は、互いのセパレーター１０が隣接し、かつ互いのセパレーター１０の反応ガス供給流通孔２０及び４０、反応ガス排出流通孔３０及び５０、並びに冷媒流通流路６０及び７０同士が互いに連結されて、それぞれ反応ガス供給マニホールド２、反応ガス排出マニホールド３、及び図示されない冷媒流通マニホールドが形成されている。

また、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体１００において、各燃料電池単位セル１は、隣接している２つの燃料電池単位セル１の互いのセパレーター１０間に壁部材３１及びガスケット３３を有している。

そして、壁部材３１は、図３に示すように、積層方向から見たときに、反応ガス排出流通孔３０を囲繞するようにして、配置されている。そして、図４に示すように、隣接している２つの燃料電池単位セル１の互いのセパレーター１０の間の少なくとも一部分に間隙３２を有するようにして、配置されている。なお、図４では、壁部材３１は隣接している２つの燃料電池単位セル１の互いのセパレーター１０のうち一方に接合されており、壁部材３１と他方のセパレーター１０との間に間隙３２が形成されている。

また、ガスケット３３は、図３に示すように、積層方向から見たときに、壁部材３１を挟んで反応ガス排出流通孔３０の反対側に、壁部材３１と間隔を有するようにして配置されている。そして、図４に示すように、隣接している２つの燃料電池単位セル１の互いのセパレーター１０を接合するようにして、配置されている。

そして、壁部材３１及びガスケット３３が上記のような構成を有していることによって、隣接している２つの燃料電池単位セル１同士の互いのセパレーター１０、壁部材３１、及びガスケット３３によって取り囲まれており、かつ壁部材３１の間隙３２によって反応ガス排出マニホールド３と連通している、貯水部３４が形成されている。

なお、図４において、白い矢印は発電時において反応ガスの流れる方向を示している。また、図１〜４は、本開示の燃料電池積層体、燃料電池システム、及び制御方法を限定する趣旨ではない。

図５に示すように、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池積層体では、燃料電池積層体における発電の際に生成する液水や、反応ガス、すなわちアノードガス及び／又はカソードガスの加湿に用いた液水は、反応ガスとともに反応ガス排出マニホールド内を流れて、その一部は燃料電池積層体の外部に排出されるが、残部の液水２００は貯水部３４と反応ガス排出マニホールド３とを連通している間隙３２に流れ込み貯水部３４内に取り込まれる。そのため、反応ガス排出マニホールド３内に滞留する液水を低減することができる。

これにより、例えば氷点下始動時において反応ガス排出マニホールド内に滞留している液水２００が凍結することによる反応ガス排出マニホールドの閉塞を抑制することができる。

また、外気の温度が低下して、始動時において燃料電池積層体１００及び／又はその下流の反応ガス排出流路等の温度が氷点下以下となることが予想される等、始動時に液水を貯水部３４に液水２００を滞留させるために、あらかじめ貯水部３４から液水２００を排出する必要性が生じ得る。このような場合には、図６に示すように、反応ガス排出マニホールド３内を減圧することで、貯水部３４内から反応ガス排出マニホールド３内に排出させ、選択的に更に反応ガス排出マニホールド３内を掃気することで、貯水部３４内と反応ガス排出マニホールド３内との気圧差を利用して、燃料電池積層体の外部に排出することができる。なお、燃料電池積層体の外部に排出しきれなかった液水については、図７に示すようにして反応ガス排出マニホールド３内を増圧することで、貯水部３４内と反応ガス排出マニホールド３内との気圧差を利用して、再度貯水部内に取り込ませて貯水することができる。

なお、図５〜７において、白い矢印は発電時において反応ガスの流れる方向を示している。また、図５〜７は、本開示の燃料電池積層体、燃料電池システム、及び制御方法を限定する趣旨ではない。

本開示の燃料電池積層体は、各燃料電池単位セルを互いに積層する際に、隣り合う燃料電池単位セル同士の間にガスケット等を配置するため、燃料電池単位セル同士の間に所定の厚みが生じる。本開示の燃料電池積層体では、当該厚み部分に空間を設けて貯水部としている。したがって、本開示の燃料電池積層体は、従来の燃料電池システムのように、燃料電池積層体の下流に貯水部を設け、又は燃料電池単位セルを面内方向に拡張して貯水部分を設ける等、燃料電池モジュール等を含め、燃料電池システム全体を大型化させる必要が無い。

そのため、本開示の燃料電池積層体は、反応ガスの流路の閉塞を抑制しつつ、小型化することができる。

加えて、本開示の燃料電池積層体は、反応ガス排出マニホールド内の減圧及び増圧によって貯水部の液水の排水及び貯水を制御することができるため、貯水部における貯水量の制御が容易である。

〈燃料電池単位セル〉
本開示の燃料電池積層体において、燃料電池単位セルは、発電要素、及び発電要素の両面に積層されている一対のセパレーターを有している。

ここで、発電要素、及び発電要素の両面に積層されている一対のセパレーターが積層されている方向、すなわち燃料電池単位セルの積層方向と、燃料電池積層体において各燃料電池単位セルが積層されている方向、すなわち燃料電池積層体の積層方向は、一致していることができる。

（発電要素）
発電要素は、燃料電池における電池反応、すなわちアノードガス（水素）とカソードガス（酸素又は空気等）との電気化学反応によって発電を行うことができる要素である。

発電要素は、カソードガス拡散層、カソード触媒電極層、電解質層、アノード触媒電極層、及びアノードガス拡散層を、この順に有していることができる。

なお、カソードガス拡散層、カソード触媒電極層、電解質層、アノード触媒電極層、及びアノードガス拡散層の材料及び形状は、燃料電池に一般的に用いられているものを適宜採用してよい。

（セパレーター）
一対のセパレーターは、一対のセパレーターを燃料電池単位セルの積層方向に貫通している反応ガス排出流通孔を有している。反応ガス排出流通孔は、アノードガス排出流通孔及びカソードガス排出流通孔のいずれであってもよい。

一対のセパレーターは、更に反応ガス供給流通孔及び冷媒流通孔を有していることができる。

一対のセパレーターの材料は、燃料電池に一般的に用いられているものを適宜採用してよい。また、一対のセパレーターの形状は、壁部材及びガスケットと併せて貯水部を形成することができる限りにおいて、燃料電池に一般的に用いられているものを適宜採用してよい。

〈反応ガス排出マニホールド〉
反応ガス排出マニホールドは、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いの上記セパレーターの反応ガス排出流通孔同士が連結されて形成されている。

反応ガス排出マニホールドは、燃料電池積層体の積層方向に延在していることができる。

反応ガス排出マニホールドは、カソードガス排出マニホールド又はアノードガス排出マニホールドのいずれか、又は両方であってもよい。

〈壁部材〉
壁部材は、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーター間において、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーターの間の少なくとも一部分に間隙を有するようにして、かつ積層方向から見たときに、反応ガス排出流通孔を囲繞するようにして、配置されている。

壁部材は、間隙によって貯水部と反応ガス排出マニホールドとを連通させつつ、かつこれらを区画することができる任意の形状であってよい。

壁部材は、例えば、一方のセパレーターと接合されており、かつ他方のセパレーターと接合していないことによって、他方のセパレーターとの間に間隙を有する形状であってよい。また、壁部材は、例えば、両方のセパレーターと接合されており、かつ貯水部と反応ガス排出マニホールドとを連通する間隙を有する形状であってよい。

間隙は、壁部材が２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーターの間に間隙を有しないとしたときの壁部材の表面積に対して、０％超５０％以下の面積となる大きさであってよい。間隙は、壁部材の表面積に対して、０％超、５％以上、１０％以上、又は２０％以上の面積となる大きさであってよく、５０％以下、４０％以下、又は３０％以下の面積となる大きさであってよい。

壁部材の材料は、例えば金属、炭素材料、又はプラスチック材料等であってよく、セパレーターと同じ材料であってよい。

壁部材は、隣接している２つの燃料電池単位セル同士の互いのセパレーターの少なくとも一方によって形成されているのが好ましい。壁部材がセパレーターの少なくとも一方によって形成されていると、燃料電池積層体の部品点数が減少するため、燃料電池積層体の組立てが容易となる。また、燃料電池単位セル同士を積層する際に、壁部材と反応ガス排出流通孔との位置ずれを抑制することができる。

壁部材がセパレーターの少なくとも一方によって形成されている態様としては、例えば図８に示すような態様を挙げることができる。

図８では、壁部材１１は、セパレーター１０によって形成されている。

なお、図８において、白い矢印は発電時において反応ガスの流れる方向を示している。また、図８は、本開示の燃料電池積層体、燃料電池システム、及び制御方法を限定する趣旨ではない。

〈ガスケット〉
ガスケットは、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーター間に配置されている。ガスケットは、隣接している２つの燃料電池単位セルの互いのセパレーターを接合しており、かつ積層方向から見たときに、壁部材を挟んで反応ガス排出流通孔の反対側に、壁部材と少なくとも部分的に間隔を有するようにして配置されている。

ガスケットの材料は、燃料電池のガスケットに一般的に用いられる材料であってよく、例えば樹脂材料であってよい。樹脂材料は、例えばゴムであってよい。

〈貯水部〉
貯水部は、隣接している２つの燃料電池単位セル同士の互いのセパレーター、壁部材、及びガスケットによって取り囲まれており、かつ壁部材の間隙によって反応ガス排出マニホールドと連通している。

反応ガス排出マニホールドに滞留した液水を貯水部内に効率的に収容する観点から、貯水部及び間隙が、積層方向から見たときに反応ガス排出マニホールドを取り囲むようにして形成されているのが好ましい。

貯水部の体積は特に限定されず、例えば貯水部を設けなかった場合において想定される、燃料電池積層体における発電の際に生成する液水や、反応ガス、すなわちアノードガス及び／又はカソードガスの加湿に用いた液水のうち、反応ガス排出マニホールド内に滞留するものを十分に取り込むことができる程度の体積となるようにする等の観点から定めることができる。

《燃料電池システム》
本開示の燃料電池システムは、本開示の燃料電池積層体、反応ガス供給流路、反応ガス排出流路、及び制御部を有する燃料電池システムである。本開示の燃料電池システムは、反応ガス供給流路、燃料電池積層体、及び反応ガス排出流路の順に、反応ガスが流通するようにされている。反応ガス供給流路は、バルブ及び／又はコンプレッサを有している。反応ガス排出流路はバルブを有している。

制御部は、反応ガス供給流路のバルブ及びコンプレッサ、並びに反応ガス排出流路のバルブの少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド内を減圧して、それによって、貯水部に滞留している、電池反応によって生成した液水を反応ガス排出マニホールド内に排出し、かつ反応ガス排出マニホールド内を掃気して、反応ガス排出マニホールド内に排出された液水を、燃料電池積層体の外部に排出することができる。

上記のように、本開示の燃料電池積層体は、反応ガス排出マニホールド内を減圧及び増圧することで、貯水部に貯水される液水の量を制御することができる。本開示の燃料電池システムでは、反応ガス排出マニホールド内の減圧及び増圧を、反応ガス供給流路及び反応ガス排出流路に配置されているバルブやコンプレッサ等で行うことによって、簡易に貯水部に貯水される液水の量を制御することができる。

本開示の燃料電池システムにおいて、貯水部に滞留している、電池反応によって生成した液水を反応ガス排出マニホールド内に排出し、反応ガス排出マニホールド内に排出された液水を、燃料電池積層体の外部に排出した際に、燃料電池積層体の外部に排出されずに反応ガス排出マニホールド内に液水が残留する場合がある。

このような場合には、制御部が更に反応ガス供給流路のバルブ及びコンプレッサ、並びに反応ガス排出流路のバルブの少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド内を増圧して、燃料電池積層体の外部に排出されなかった液水を、貯水部内に流入させて滞留させることができてよい。

本開示の燃料電池システムは、例えば図９及び図１０のような構成を有していることができる。

図９は、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００の模式図である。

図９に示すように、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００は、燃料電池積層体１００、反応ガス供給流路３００、反応ガス排出流路４００、及び制御部６００を有する。本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００では、反応ガス供給流路３００、燃料電池積層体１００、及び反応ガス排出流路４００の順に、反応ガスが流通するように構成されている。また、反応ガス供給流路３００は、バルブ３１０及びコンプレッサ３２０を有している。また、反応ガス排出流路４００はバルブ４１０を有している。

本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００では、制御部６００によって反応ガス供給流路３００のバルブ３１０及びコンプレッサ３２０、並びに反応ガス排出流路４００のバルブ４１０の少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド３内を減圧して、それによって、貯水部３４に滞留している、電池反応によって生成した液水２００を反応ガス排出マニホールド３内に排出し、かつ反応ガス排出マニホールド３内を掃気して、反応ガス排出マニホールド３内に排出された液水２００を、燃料電池積層体１００の外部に排出することができる。

また、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００では、制御部６００によって反応ガス供給流路３００のバルブ３１０及びコンプレッサ３２０、並びに反応ガス排出流路４００のバルブ４１０の少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド３内を増圧して、燃料電池積層体１００の外部に排出されなかった液水２００を、貯水部３４内に流入させて滞留させることができる。

より具体的には、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００では、例えば制御部６００によって反応ガス供給流路３００のバルブ３１０及び／又はコンプレッサ３２０を制御することによって、反応ガス供給流路３００から燃料電池積層体１００に供給される反応ガスの流量を減少させ、かつ／又は反応ガス排出流路４００のバルブ４１０を制御することで、燃料電池積層体１００から反応ガス排出流路４００に排出される反応ガスの流量を増加させて、反応ガス排出マニホールド３内の気圧を減少させることができる。そして、例えば制御部６００によって反応ガス供給流路３００のバルブ３１０及び／又はコンプレッサ３２０を制御することによって、反応ガス排出マニホールド３内の反応ガスの流量を増加させて、反応ガス排出マニホールド３内を掃気することができる。

また、本開示の第１の実施形態に従う燃料電池システム７００では、例えば制御部６００によって反応ガス供給流路３００のバルブ３１０及び／又はコンプレッサ３２０を制御することで、反応ガス供給流路３００から燃料電池積層体１００に供給される反応ガスの流量を増加させ、かつ／又は反応ガス排出流路４００のバルブ４１０を制御することで、燃料電池積層体１００から反応ガス排出流路４００に排出される反応ガスの流量を減少させることで、反応ガス排出マニホールド３内の気圧を増加させることができる。

図１０は、本開示の第２の実施形態に従う燃料電池システム７００の模式図である。

図１０に示すように、本開示の第２の実施形態に従う燃料電池システム７００は、燃料電池積層体１００、反応ガス供給流路３００、反応ガス排出流路４００、及び制御部６００を有する。本開示の第２の実施形態に従う燃料電池システム７００では、反応ガス供給流路３００と反応ガス排出流路４００とは、流路５００によって連通されている。また、流路５００は、コンプレッサ５１０を有している。

ここで、流路５００は、反応ガス供給流路３００の一部としても捉えることができ、本開示の第２の実施形態に従う燃料電池システム７００では、制御部６００によって反応ガス供給流路３００のバルブ３１０及び流路５００のコンプレッサ５１０、並びに反応ガス排出流路４００のバルブ４１０の少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド３内を減圧して、それによって、貯水部３４に滞留している、電池反応によって生成した液水２００を反応ガス排出マニホールド３内に排出し、反応ガス排出マニホールド３内に排出された液水２００を、燃料電池積層体１００の外部に排出することができる。

なお、図９及び１０は、本開示の燃料電池積層体、燃料電池積システム、及び制御方法を限定する趣旨ではない。

〈燃料電池積層体〉
本開示の燃料電池システムが有する燃料電池積層体は、本開示の燃料電池積層体に関して記載したとおりである。

〈反応ガス供給流路〉
本開示の燃料電池システムが有する反応ガス供給流路は、燃料電池積層体に反応ガスを供給するための流路である。反応ガス供給流路は、バルブ及び／又はコンプレッサを有している。

反応ガスが水素ガスのようなアノードガスである場合には、反応ガス供給流路は、反応ガス供給源、例えばアノードガスタンクと燃料電池積層体の反応ガス供給流路とを連通していることができる。また、反応ガスが酸素又は空気のようなカソードガスである場合には、反応ガス供給流路は、例えば燃料電池システム外部と燃料電池積層体の反応ガス供給流路とを連通していることができる。

〈反応ガス排出流路〉
本開示の燃料電池システムが有する反応ガス排出流路は、燃料電池積層体から反応ガスを排出するための流路である。反応ガス排出流路は、バルブを有している。反応ガス排出流路は、燃料電池積層体の反応ガス排出マニホールドと燃料電池システム外部とを連通していることができる。特に、反応ガスが水素ガスのようなアノードガスである場合には、反応ガス排出流路は、燃料電池システム外部につながる流路と、反応ガス供給流路につながる流路とに分岐していることができる。この場合において、燃料電池システム外部につながる流路にはバルブが配置され、かつ反応ガス供給流路につながる流路にはコンプレッサが配置されていることができる。なお、反応ガス供給流路につながる流路は、反応ガス供給流路の一部としても捉えることもできる。

〈制御部〉
本開示の燃料電池システムが有する制御部は、反応ガス供給流路のバルブ及びコンプレッサ、並びに反応ガス排出流路のバルブの少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド内を減圧して、それによって貯水部に滞留している、電池反応によって生成した液水を反応ガス排出マニホールド内に排出し、反応ガス排出マニホールド内に排出された液水を、燃料電池積層体の外部に排出することができる。

また、制御部は、反応ガス供給流路のバルブ及びコンプレッサ、並びに反応ガス排出流路のバルブの少なくとも一つを制御することによって、反応ガス排出マニホールド内を増圧して、燃料電池積層体の外部に排出されなかった液水を、貯水部内に流入させて滞留させることができてもよい。

制御部による反応ガス供給流路のバルブ及びコンプレッサ、並びに反応ガス排出流路のバルブの制御は、貯水部から液水を排出する必要がある場合に行われることができる。

貯水部から液水を排出する必要がある場合としては、特に限定されないが、例えば燃料電池システムの始動時において燃料電池積層体やその下流の反応ガス排出流路等が氷点下以下となると予測される場合を挙げることができる。

このような場合における制御方法としては、特に限定されないが、例えば外気温度が所定の温度となったときに、温度センサによって制御部に信号が発せられ、当該信号を受けて制御部が制御を開始するという方法を挙げることができる。

《制御方法》
本開示の制御方法は、本開示の燃料電池積層体の制御方法である。

本開示の制御方法は、反応ガス排出マニホールド内を減圧して、貯水部に滞留している、燃料電池積層体における発電によって生成した液水を、反応ガス排出マニホールド内に排出すること、及び反応ガス排出マニホールド内を掃気して、反応ガス排出マニホールド内に排出された液水を、燃料電池積層体の外部に排出すること、を含む。

本開示の制御方法は、更に、反応ガス排出マニホールド内を増圧して、掃気によって燃料電池積層体の外部に排出されなかった液水を、貯水部内に流入させて滞留させること、を更に含んでいることができる。

本開示の制御方法は、例えば本開示の燃料電池システムによって行うことができる。

本開示の制御方法は、反応ガス排出マニホールド内の排水が必要であるか否かを判断したうえで、必要があると判断された場合に行ってもよい。なお、反応ガス排出マニホールド内の排水が必要であるか否かの判断は、例えば燃料電池システムの始動時において燃料電池積層体やその下流の反応ガス排出流路等が氷点下以下となると予測されるか否かの判断であってよい。

図１１は、本開示の第１の実施形態に従う制御方法を示すフローチャートである。

図１１に示すように、本開示の第１の実施形態に従う制御方法は、反応ガス排出マニホールド内の排水が必要である場合に行われる（Ｓ１）。反応ガス排出マニホールド内の排水が必要でないと判断された場合には、本開示の第１の実施形態に従う制御方法行われない。

反応ガス排出マニホールド内の排水が必要であると判断された場合には、反応ガス排出マニホールド内を所定の圧力Ｐ_１まで減圧し（Ｓ２）、それによって貯水部に滞留している、燃料電池積層体における発電によって生成した液水を、反応ガス排出マニホールド内に排出する。

次いで反応ガス排出マニホールド内を掃気する（Ｓ３）。

その後、所定の時間が経過したか否かが判断（Ｓ４）され、所定の時間が経過した場合には、反応ガス排出マニホールド内をＰ_２まで増圧（Ｓ５）することによって、掃気によって燃料電池積層体の外部に排出されなかった液水を、貯水部内に流入させて滞留させる。

なお、図１１は、本開示の燃料電池積層体、燃料電池積システム、及び制御方法を限定する趣旨ではない。

反応ガス排出マニホールド内の減圧及び増圧は、本開示の燃料電池システムに関して記載したとおりの制御によって行うことができる。また、反応ガス排出マニホールド内が所定の気圧であるか否かは、例えば反応ガス供給流路又は反応ガス排出流路に配置した気圧センサによって判断することができる。

１ 燃料電池単位セル
３ 反応ガス排出マニホールド
１０ セパレーター
３０ 反応ガス排出流通孔
３１ 壁部材
３３ ガスケット
３４ 貯水部
１００ 燃料電池積層体
３００ 反応ガス供給流路
３１０ バルブ
３２０ コンプレッサ
４００ 反応ガス排出流路
４１０ バルブ
６００ 制御部
７００ 燃料電池システム

Claims (8)

1. ２つ以上の燃料電池単位セルが互いに積層されており、
   前記燃料電池単位セルは、発電要素、及び前記発電要素の両面に積層されている一対のセパレーターを有しており、
   前記一対のセパレーターは、前記一対のセパレーターを前記燃料電池単位セルの積層方向に貫通している反応ガス排出流通孔を有しており、かつ
   隣接している２つの前記燃料電池単位セルは、互いの前記セパレーターが隣接し、かつ互いの前記セパレーターの前記反応ガス排出流通孔同士が連結されて反応ガス排出マニホールドを形成するようにして、互いに積層されている、
   燃料電池積層体であって、
   前記燃料電池積層体は、隣接している２つの前記燃料電池単位セルの互いの前記セパレーター間に壁部材及びガスケットを有しており、
   前記壁部材は、隣接している２つの前記燃料電池単位セルの互いの前記セパレーターの間の少なくとも一部分に間隙を有するようにして、かつ前記積層方向から見たときに、前記反応ガス排出流通孔を囲繞するようにして、配置されており、
   前記ガスケットは、隣接している２つの前記燃料電池単位セルの互いの前記セパレーターを接合しており、かつ前記積層方向から見たときに、前記壁部材を挟んで前記反応ガス排出流通孔の反対側に、前記壁部材と少なくとも部分的に間隔を有するようにして配置されており、
   それによって、隣接している２つの前記燃料電池単位セル同士の互いの前記セパレーター、前記壁部材、及び前記ガスケットによって取り囲まれており、かつ前記壁部材の前記間隙によって前記反応ガス排出マニホールドと連通している、貯水部が形成されている、
   燃料電池積層体。
2. 前記壁部材が、隣接している２つの前記燃料電池単位セル同士の互いの前記セパレーターの少なくとも一方によって形成されている、請求項１に記載の燃料電池積層体。
3. 前記反応ガス排出マニホールドが、カソードガス排出マニホールド又はアノードガス排出マニホールドである、請求項１又は２に記載の燃料電池積層体。
4. 前記発電要素が、カソードガス拡散層、カソード触媒電極層、電解質層、アノード触媒電極層、及びアノードガス拡散層を、この順に有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池積層体。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池積層体、反応ガス供給流路、反応ガス排出流路、及び制御部を有する燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給流路、前記燃料電池積層体、及び前記反応ガス排出流路の順に、反応ガスが流通するようにされており、
   前記反応ガス供給流路は、バルブ及び／又はコンプレッサを有しており、
   前記反応ガス排出流路はバルブを有しており、
   前記制御部は、
   前記反応ガス供給流路の前記バルブ及び前記コンプレッサ、並びに前記反応ガス排出流路の前記バルブの少なくとも一つを制御することによって、
   前記反応ガス排出マニホールド内を減圧して、それによって前記貯水部に滞留している、電池反応によって生成した液水を前記反応ガス排出マニホールド内に排出し、かつ
   前記反応ガス排出マニホールド内を掃気して、前記反応ガス排出マニホールド内に排出された前記液水を、前記燃料電池積層体の外部に排出することができる、
   燃料電池システム。
6. 前記反応ガス供給流路の前記バルブ及び前記コンプレッサ、並びに前記反応ガス排出流路の前記バルブの少なくとも一つを制御することによって、前記反応ガス排出マニホールド内を増圧して、前記燃料電池積層体の外部に排出されなかった前記液水を、前記貯水部内に流入させて滞留させることができる、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池積層体の制御方法であって、
   前記反応ガス排出マニホールド内を減圧して、前記貯水部に滞留している、燃料電池積層体における発電によって生成した液水を、前記反応ガス排出マニホールド内に排出すること、及び
   前記反応ガス排出マニホールド内を掃気して、前記反応ガス排出マニホールド内に排出された前記液水を、前記燃料電池積層体の外部に排出すること、
   を含む、制御方法。
8. 前記反応ガス排出マニホールド内を増圧して、前記掃気によって前記燃料電池積層体の外部に排出されなかった前記液水を、前記貯水部内に流入させて滞留させること、を更に含む、請求項７に記載の制御方法。

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