JP4874495B2 - 燃料電池の燃料供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料供給装置にかかり、詳しくは、燃料電池の発電開始時に残存ガスを効率良く排出する燃料電池の燃料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料極側の燃料室において、水素ガスと酸素等の他のガスが混在する状態で、燃料電池の発電を開始すると、酸素極側の触媒の劣化が生じることが確認されている。特に、水素ガス以外のガスが残留する割合の高い個所では、これに接する電極の酸素極側で著しく触媒の劣化が生ずる。
一方、従来の燃料電池において、発電停止状態では、燃料極側に水素ガスを供給する供給経路内では、水素ガスは排出されて、不活性ガス等のガスに置換されている。そして、発電開始時においては、置換されているガスを吸引し、次に水素ガスが供給されるという構成となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、流体の流れる流路に変化があると、流体の流速の分布が、流速の速い部分や、遅い部分、或いは、渦を形成して流体が滞留する部分等が生じる。そして、流体が流路を流れる速度が一定であると、上記流速の分布状態が変化することは少ない。
一方、従来では、水素供給弁を開とすることで、水素源から水素を燃料電池に供給し、その時の水素圧で残存ガスを燃料電池外に排出する構成を採っており、特に、残存ガスを排出するために、所定時間、一定の流量で水素を燃料電池へ供給排出する方法を用いている。このような、従来の水素ガスを供給方法では、ガスの流れに変化が少ないため、燃料室内において、流速の分布が乱れにくく、ガス流が速い個所、ガス流が遅い個所、ガスが滞留する個所等が発生し、ガスが燃料室全体としては十分に置換されない恐れがある。
【０００４】
このような状態で、燃料電池の発電を開始すると、ガスの置換が十分になされない個所では、既述のように、電極の触媒劣化が生じやすくなる。特に、薄い燃料電池単位セルと板状のセパレータを交互に積層した構成の燃料電池スタックにおいては、セパレータと燃料極との間の狭い空間（燃料室）に、水素ガスが流通するので、上記のような不均一なガス流の分布が生じ易い。
【０００５】
さらに、ガスの置換をより確実とするために、供給するガスの圧力を上げると、ガス消費量が増すとともに、加圧装置を新たに設ける必要が生じ、装置のコスト高、大型化を招く。
また、通常発電状態であっても、燃料室内の水素ガスの流量が不均一であると、より高い効率の発電を行うことができない。
この発明の目的には、燃料電池の燃料極側の燃料ガス保持部を均一に燃料ガスで満たすことのできる燃料電池の燃料供給装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明により達成される。
（１）酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する燃料保持部と、前記燃料保持部に燃料ガスを導く燃料導通手段と、前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、前記燃料導通手段を介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段から前記燃料導出手段までの燃料流通経路に設けられ、前記燃料供給手段から前記燃料保持部への燃料ガスを、発電開始時に通常発電時に比較して、燃料ガスの流入速度を速くし、流量が短時間で急激に変化するような脈動を伴った供給を開始する流量制御手段とを備えた燃料電池の燃料供給装置。
【０００７】
（２）酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した単位燃料電池と、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、相互に接触するセパレータと燃料極との間にそれぞれ形成され、燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する複数の燃料ガス保持部と、各燃料保持部に燃料ガスを分配する燃料ガスマニホールドと、前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、前記燃料ガスマニホールドを介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段から前記燃料導出手段までの燃料流通経路に設けられ、前記燃料供給手段から前記燃料保持部への燃料ガスを、発電開始時に通常発電時に比較して、燃料ガスの流入速度を速くし、流量が短時間で急激に変化するような脈動を伴った供給を開始する流量制御手段とを備えた燃料電池の燃料供給装置。
【０００８】
（３） 前記燃料保持部は、燃料ガスが燃料極に接触しつつ流通する複数のガス流路を有している上記（２）に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【０００９】
（４） 前記流量制御手段は、燃料流通経路に設けられた開閉弁と、開閉弁を開閉制御することにより燃料ガスを脈動させて供給する制御部とを備えている上記（１）〜（３）のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【００１０】
（５） 前記流量制御手段は、発電開始時に、供給を開始する燃料ガスを脈動させて供給する制御を行う上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料供給装置１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池の燃料供給装置１を備えた燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給装置１と、燃料電池スタック１０へ空気を供給する空気供給系４０と、水循環系５０と、負荷系７とを備えている。
【００１２】
図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１０は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。
【００１３】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンブラック、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
【００１４】
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１５】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。
【００１６】
燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１７】
各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１０内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１０内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。
【００１８】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１０の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。
【００１９】
次に、燃料供給装置１について説明する。図４は、燃料供給装置１の構成を示すブロック図である。図１及び図４に示されているように、燃料供給装置１は、燃料供給手段としての高圧水素ボンベ１１と、燃料導通手段としての水素導通路１２と、燃料導出手段としての水素導出路１３と、循環路１４と、水素充填路１５と、外気導入路１６と、流量制御手段としての制御装置１７とを備えている。
【００２０】
高圧水素ボンベ１１は、例えば水素吸蔵合金により水素を収納し、水素排出口には、水素導通路１２の一端が接続されている。水素導通路１２の他端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給通路３１９ａに接続されている。水素導通路１２には、高圧水素ボンベ１１からの水素ガスの排出を制御する開閉弁（元栓）Ｖ2が設けられ、開閉弁Ｖ2から燃料電池スタック１０へ向けて、水素一次圧センサＳ1、水素調圧弁Ｖ3、水素供給電磁弁Ｖ4、水素二次圧センサＳ2の順に設けられている。
【００２１】
水素一次圧センサＳ1は、高圧水素ボンベ１１から供給される水素ガス圧力を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。水素調圧弁Ｖ3は、高圧水素ボンベ１１の圧力を、燃料電池スタック１０へ供給する水素ガス圧に調整する。水素供給電磁弁Ｖ4は、開閉によって、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を制御する。水素二次圧センサＳ2は、水素調圧弁Ｖ3によって調整された、燃料電池スタック１０へ供給されるガス圧を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。
【００２２】
水素導出路１３の一端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出通路３１９ｂに接続され、他端は外気に連通した排出端となっている。この水素導出路１３を介して、燃料電池スタック１０内を通過した水素ガスは、外部に排出される。水素導出路１３には、燃料電池スタック１０側から、排出端へ向けて、順に、循環ポンプＰ1、水素停止排気電磁弁Ｖ7、逆止弁１３３、水素消音機１３４が設けられている。水素停止排気電磁弁Ｖ7は、燃料電池の発電停止時に開放され、残留水素ガスや生成水等を排出する弁である。逆止弁１３３は、水素や外気の逆流を防止する弁である。水素消音器１３４は、水素排出時の音を抑制する。
【００２３】
循環路１４は、一端は、水素導出路１３の循環ポンプＰ1と水素停止排気電磁弁Ｖ7の間に接続され、他端は、水素導通路１２の水素二次圧センサＳ2の下流側に接続されている。循環路１４には、水素循環電磁弁Ｖ8が設けられている。
【００２４】
水素導通路１２と、水素導出路１３と、循環路１４と、燃料電池スタック１０とによって、循環回路が構成され、水素循環電磁弁Ｖ8が開状態の場合には、循環ポンプＰ1の駆動によって、該循環回路を水素ガスが循環する。
【００２５】
水素導出路１３において、燃料電池スタック１０と循環ポンプＰ1の間には、水素排気路１３１と、水排出路１３２がそれぞれ接続されている。水素排気路１３１には、水素排気電磁弁Ｖ5が設けられ、水素ガスの流量を脈動状態に制御する際に開閉制御される。水排出路１３２には、水排出電磁弁Ｖ6が設けられている。水排出電磁弁Ｖ6を開くことによって、燃料電池スタック１０での生成水等を水回収容器に排出する。
【００２６】
水素充填路１５の一端は、水素導通路１２において、開閉弁Ｖ2の下流側に接続されている。水素充填路１５の他端には、外部充填手段に接続するための、水素充填バルブ１５１が接続されている。また、水素導通路１２には、開閉弁Ｖ2と水素調圧弁Ｖ3の間に、水素パージバルブ１５２が接続されている。高圧水素ガスボンベ１１に外部から水素ガスを充填する際に、水素充填バルブ１５１が開かれ、ここに外部充填手段の接続口が接続される。水素ガス充填時には、充填開始時において、水素パージバルブ１５２が開放され、経路内の残留ガスが排出され、その後水素パージバルブ１５２は閉じられる。
【００２７】
さらに、水素導通路１２には、水素二次圧センサＳ2の下流側に、外気導入路１６の一端が接続されている。外気導入路１６の他端には、外気導入フィルタ１６１が接続され、さらに、外気導入路１６には外気導入電磁弁Ｖ9が設けられている。外気導入電磁弁Ｖ9は、燃料電池の停止動作時において、燃料ガス保持部３０に外気を導入する際に、開放される。
【００２８】
図５は流量制御手段である制御装置１７の構成を示すブロック図である。制御装置１７は、制御部１７０と、制御部１７０等に電力を供給する電源回路１７４と、出力インターフェース回路１７６と、入力インターフェース回路１７５とを備えている。
【００２９】
出力インターフェース回路１７６には、水素供給電磁弁Ｖ4、水素排気電磁弁Ｖ5、水素停止排気電磁弁Ｖ7、水素循環ポンプＰ1、水素循環電磁弁Ｖ8、外気導入電磁弁Ｖ9が接続されており、これらの電磁弁の開閉や、ポンプの駆動と停止は、出力インターフェース回路１７６を介して、制御部１７０によって制御される。
【００３０】
入力インターフェース回路１７５には、水素一次圧センサＳ1と、水素二次圧センサＳ2と、水素濃度センサＳ5と、電圧センサＳ6と、タイマーＴ1とが接続されており、これらのセンサによって検出された各検出値は、入力インターフェース回路１７５を介して、制御部１７０に供給される。
【００３１】
電圧センサＳ６は、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する。水素濃度センサＳ5は、燃料電池スタック１０内の水素ガス濃度を検出する。タイマーＴ1は、水素ガス流量を脈流状態とするために、水素排気電磁弁Ｖ5等の開閉時間を計るタイマーである。
【００３２】
次に空気供給系４０について説明する。空気供給系４０は、空気入口フィルタ４１と、外気から空気を導入する空気供給ファン４２と、空気供給ファン４２で取り入れた空気を、燃料電池スタック１０へ導く空気導通路４３と、空気導通路４３によって導かれた外気を、燃料電池スタック１０に形成されている空気流入部３２６に分配する空気マニホールド４４と、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５と、燃料電池スタック１０の空気流出部３２７に一端が接続された凝縮器ダクト４５と、凝縮器ダクト４５の他端排出口に接続された凝縮器５４と、凝縮器５４の空気排出口に設けられた空気出口フィルタ４６と、空気排出路４７とで構成されており、空気は、上記順番で空気供給系４０内を流れる。上記空気流通路３２５を空気が流通する際に、酸素極２１に酸素を供給する。
【００３３】
水循環系５０は、水タンク５１と、水タンク５１に一端が接続されている水供給路５２と、水供給路５２の他端が接続され、空気マニホールド４４内に水を噴射する噴射ノズル５３と、水蒸気又は霧状となって空気とともに通過する空気流通路３２５と、凝縮器ダクト４５と、凝縮器５４と、凝縮器５４で回収された水を水タンク５１へ導く回収路５５とから構成されている。そして、水供給路５２には、水タンク５１から噴射ノズル５３に向けて順に、水フィルター５６、直噴ポンプＰ2、直噴水供給電磁弁Ｖ1が設けられている。水タンク５１には、給水口５１１と、水位センサＳ3が設けられている。水タンク５１の水は、直噴ポンプＰ2によって吸い上げられ、噴射ノズル４５から空気マニホールド４４内に噴射され、空気とともに、空気流通路３２５内を通過する。この際、酸素極２１に付着して、酸素極２１を湿潤状態に保つ働きがあり、また、燃料電池スタック１０を冷やし、発電時の反応熱による過熱を抑制する。また、凝縮器５４にはファン５４１が設けられている。
【００３４】
負荷系７は、燃料電池スタック１０が電力を取り出し、インバータ７２を介して、モータ７３等の負荷を駆動させる。この負荷系７には、スイッチのためのリレー７１と、補助出力源となる二次電池であるキャパシタ７４が設けられている。
【００３５】
次に、本発明の燃料供給装置１の作動について説明する。図６は、燃料電池システム１００の始動動作を示すメインフローチャートである。
燃料電池システム１００のスイッチがオンされると、制御部１７０に電源回路１７４から給電される（ステップＳ１０１）。水素一次圧センサＳ1から水素一次圧を検出し、水素一次圧値Ｐ1が０．１ＭＰａ（メガパスカル）より大きく、かつ、０．５ＭＰａより小さいかを判断する（ステップＳ１０３）。この範囲内でない場合には、燃料電池スタック１０に、適度な圧力の水素ガスを供給できないので、システムの始動は停止される。
【００３６】
上記範囲内である場合には、水回収ポンプＰ3、直噴ポンプＰ2などの補機の駆動を開始する（ステップＳ１０５）。さらに、空気供給ファン４２を始動させる（ステップＳ１０７）。これにより、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５に空気と水の供給が開始される。次に、水素供給開始処理が開始される（ステップＳ１０９）。
【００３７】
図７は、水素供給開始処理を示すフローチャートである。水素ガスの供給開始時には、最初に水素停止排気電磁弁Ｖ7が開かれる（ステップＳ２０１）。さらに、水素循環ポンプＰ1が駆動を開始する（ステップＳ２０３）。このポンプは、水素ガスを燃料電池スタック１０が排出側へ吸引する作用を有する。この時、水素循環電磁弁Ｖ8は、閉じられているため、燃料電池スタック１０内の燃料ガス保持部３０内のガスは、排気され方向へ吐き出される。水素循環ポンプＰ1で内部ガスが吸引されているので、水素供給系の二次圧は、下がっているはずであり、水素二次圧を水素二次圧センサＳ2によって検出し、その検出値Ｐ2が０．０４ＭＰａより小さくなったか判断する（ステップＳ２０５）。０．０４ＭＰａより小さくなっていない場合には、ポンプ作動時間が、１２０秒よりも長い時間経過したかを判断する（ステップＳ２０７）。経過していない場合に、ステップＳ２０５を再度実行する。経過している場合には、ポンプで吸引しているにもかかわらず、０．０４ＭＰａより小さくなっていないことになるので、システムに不具合があると判断し、水素供給制御を停止する。
【００３８】
０．０４ＭＰａより小さくなっている場合には、カウント値Ｎを初期化して（Ｎ＝０）（ステップＳ２０９）、カウント値Ｎをインクリメントする（ステップＳ２１１）。水素供給電磁弁Ｖ4を開く（ステップＳ２１３）。これにより、水素ガスが高圧水素ガスボンベ１１から、燃料電池スタック１０へ供給される。燃料ガス保持部３０内は、水素循環ポンプＰ1によって、負圧がかかっているため、通常発電時における水素ガスの供給状態に比較して、水素ガスの流入速度は速くなる。
【００３９】
次に、水素供給電磁弁Ｖ4が開いている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ２１５）。経過した場合には、水素供給電磁弁Ｖ4を閉じる（ステップＳ２１７）。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開く（ステップＳ２１９）。
【００４０】
水素停止排気電磁弁Ｖ7の開いている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ２２１）。経過した場合には、水素停止排気電磁弁Ｖ7を閉じる（ステップＳ２２３）。このステップＳ２１９〜Ｓ２２３によって、燃料ガス保持部３０内のガスは、吸引され始める。カウント値Ｎが５より大きくなっているか判断し（ステップＳ２２５）、なっていない場合には、ステップＳ２１１からステップＳ２２５までを再度実行する。つまり、ステップＳ２１１からステップＳ２２５までを５回繰り返すこととなり、燃料ガス保持部３０に流入する水素ガスの流量が、５回脈動することとなる。即ち、短時間で流量が急激に変化（この実施形態では、０．１秒間で０．０１ＭＰａ変化する流量の変化）する状態が５回繰り返されることとなる。
【００４１】
この流量の変化により、燃料ガス保持部３０内に流入する水素ガスの流量が変化し、各燃料ガス流通路３１５や燃料ガス流路３１６などの流通する水素ガスの流量が急激に変化する。これにより、燃料ガス保持部３０内に部分的に残留していた、酸素等の水素ガス以外のガスが、排出される。特に、この実施形態では、水素供給電磁弁Ｖ4の開閉と水素停止排気電磁弁Ｖ7の開閉が単独で行われ、両方の弁が同時に開くことがないので、脈動した時の流量の差が大きく、排出効率がより高い。
【００４２】
脈動を５回行うことで、十分に残留ガスの排出ができたものとし、水素供給電磁弁Ｖ4を開き、水素ガスの継続供給を開始する（ステップＳ２２７）。そして、水素循環電磁弁Ｖ8を開く（ステップＳ２２９）。これにより、循環路１４を介して、燃料電池スタック１０から排出された水素ガスは、再度燃料電池スタック１０に戻される循環回路が構成される。
【００４３】
次に、水素二次圧Ｐ2が０．０５ＭＰａより大きくなったか判断する（ステップＳ２３３）。０．０５ＭＰａより大きくなっていない場合には、水素ガスの供給を開始しても、水素二次圧が上がらないことを意味するので、システムに不具合があるものと判断し、燃料供給動作は停止される。また、０．０５ＭＰａより大きくなっている場合には、燃料電池スタック１０の出力電圧を、電圧センサＳ6にモニターし、その出力電圧が１００Ｖを越えたか判断する（ステップＳ２３５）。１００Ｖを越えていない場合には、燃料電池スタック１０が正常に発電してないことになるので、システムに不具合があるもとの判断し、燃料供給動作は停止される。１００Ｖを越えている場合には、メインルーチンにリターンされる。
以上のような水素供給開始処理（ステップＳ１０９）が終了すると、出力リレー７１をオンし（ステップＳ１１１）、通常運転（発電）を開始する。
【００４４】
次に、燃料電池システム１００を停止させる処理動作について説明する。図８は、燃料電池システム１００を停止する動作を示すメインフローチャートである。停止処理では、最初に、負荷につなげる出力リレー７１をオフする（ステップＳ３０１）。これにより、負荷への電力供給は遮断される。次に、水素供給停止処理を行う（ステップＳ３０３）。図９は、水素供給停止処理のフローチャートである。最初に、燃料ガス保持部３０への水素ガスの供給を止めるために、水素供給電磁弁Ｖ４を閉じる（ステップＳ４０１）。次に、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開く（ステップＳ４０３）。ここで、水素循環ポンプＰ1は、通常発電状態から継続して駆動し、水素循環電磁弁Ｖ8は開いている。従って、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開くことによって、燃料電池スタック１０から排出される水素ガスは、水素消音器１３４を経て、外部に排出される。これにより、水素二次圧Ｐ2は低下する。
【００４５】
そこで、水素二次圧Ｐ2が、０．０４ＭＰａ以下となったか判断する（ステップＳ４０５）。０．０４ＭＰａ以下となっている場合には、外気導入電磁弁Ｖ9を開く（ステップＳ４０７）。これにより、外気が燃料ガス保持部３０に流入し、水素ガスは空気に置換され始め、水素ガス濃度は薄くなり始める。
【００４６】
外気導入電磁弁Ｖ9を開いてから１０秒より長く経過したか判断し（ステップＳ４０９）、経過した場合には、外気導入電磁弁Ｖ9を閉じる（ステップＳ４１１）。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ7を閉じる（ステップＳ４１３）。これにより、空気が混入した水素ガスは、燃料ガス保持部３０と、水素導出路１３と、循環路１４と、水素導通路１２とを循環する状態となる。この循環によって、外気導入電磁弁Ｖ9から導入された空気と水素ガスが均一に混合される。
【００４７】
以上のような循環状態を２秒維持し、２秒より長く経過した場合には（ステップＳ４１５）、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開く（ステップＳ４１７）。水素ガス濃度が低下することによって、酸素と反応する水素の量が少なくなり、燃料電池スタック１０の出力は低下する。そこで、燃料電池スタック１０の出力電圧を、電圧センサＳ6でモニターし、出力電圧が１０ボルト（Ｖ）より小さくなったか判断する（ステップＳ４１９）。小さくなっていない場合には、ステップＳ４０７からステップＳ４１９を繰り返す。即ち、燃料電池スタック１０の出力電圧が、１０Ｖより小さくなるまで、外気を導入し、水素ガス濃度を薄くして行く。最終的には、水素を外気（空気）に完全に置換する。なお、この実施形態では、燃料電池スタック１０の出力電圧を測定して、水素ガス濃度を図っているが、直接水素濃度センサＳ５により、燃料電池スタック１０から排気されてきたガスの濃度を測定し、所定の値以下になったかを判断する構成としてもよい。
【００４８】
出力電圧が１０ボルト（Ｖ）より小さくなった場合には、水素循環ポンプＰ1の駆動を停止する（ステップＳ４２１）。
以上のように水素停止処理（ステップＳ３０３）が終了すると、空気供給ファン４２を停止し（ステップＳ３０５）、補機を停止する（ステップＳ３０７）。最後に、制御ユニットへの給電を停止して（ステップＳ３０９）、燃料電池システム１００の停止処理を完了する。
【００４９】
次に、水素供給開始処理の他の実施形態について説明する。図１０は、図６に示されているメインフローチャートの水素供給開始処理ステップ（ステップＳ１０９）の、他の処理例を示すものである。また、フローチャートにおいて、上記実施形態と同じ内容のステップについては、詳しい説明は省略する。
【００５０】
最初に水素停止排気電磁弁Ｖ7が開かれる（ステップＳ５０１）。さらに、水素循環ポンプＰ1が駆動を開始する（ステップＳ５０３）。次に、水素二次圧を水素二次圧センサＳ2によって検出し、その検出値Ｐ2が０．０４ＭＰａより小さくなったか判断する（ステップＳ５０５）。０．０４ＭＰａより小さくなっていない場合には、ポンプ作動時間が、１２０秒よりも長い時間経過したかを判断する（ステップＳ５０７）。経過していない場合に、ステップＳ２０５を再度実行する。経過している場合には、水素供給制御を停止する。
【００５１】
０．０４ＭＰａより小さくなっている場合には、カウント値Ｎを初期化して（Ｎ＝０）（ステップＳ５０９）、カウント値Ｎをインクリメントする（ステップＳ５１１）。水素供給電磁弁Ｖ4を開く（ステップＳ５１３）。水素排気電磁弁Ｖ5を開く（ステップＳ５１４）。これにより、水素ガスが高圧水素ガスボンベ１１から、燃料電池スタック１０へ供給される。また、燃料ガス保持部３０を通過してきたガスは、水素停止排気電磁弁Ｖ7と、水素排気電磁弁Ｖ5を通って、外部に排出される。
【００５２】
次に、水素供給電磁弁Ｖ4が開いている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ５１５）。経過した場合には、水素供給電磁弁Ｖ4を閉じ（ステップＳ５１７）、さらに、水素排気電磁弁Ｖ5を閉じる（ステップＳ５１９）。
【００５３】
水素排気電磁弁Ｖ5の閉じている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ５２１）。経過した場合には、カウント値Ｎが５より大きくなっているか判断し（ステップＳ５２５）、大きくなっていない場合には、ステップＳ５１１からステップＳ５２５までを再度実行する。
【００５４】
カウント値Ｎが５に達している場合には、十分に残留ガスの排出ができたものとし、水素供給電磁弁Ｖ4を開き、水素ガスの継続供給を開始する（ステップＳ５２７）。そして、水素循環電磁弁Ｖ8を開き（ステップＳ５２９）。水素停止排気電磁弁Ｖ7を閉じる（ステップＳ５３１）。
【００５５】
次に、水素二次圧Ｐ2が０．０５ＭＰａより大きくなったか判断する（ステップＳ５３３）。０．０５ＭＰａより大きくなっていない場合には、システムに不具合があるものと判断し、燃料供給動作は停止される。また、０．０５ＭＰａより大きくなっている場合には、燃料電池スタック１０の出力電圧を、電圧センサＳ6にモニターし、その出力電圧が１００Ｖを越えたか判断する（ステップＳ５３５）。１００Ｖを越えていない場合には、システムに不具合があるもとの判断し、燃料供給動作は停止される。１００Ｖを越えている場合には、メインルーチンにリターンされる。
【００５６】
以上説明した実施形態では、電磁弁の開閉によって、脈動状態を作っているが、その他の構成を用いることもできる。例えば、水素導通路１２又は水素導出路１３に可変絞りを設け、該絞りを変化させることによって、脈動を生成してもよい。また、調圧弁による圧力調整を可変にして、燃料ガス保持部３０に加わる圧力を変化させることによって、脈動を生成することもできる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料ガスを脈動状態に変化させて供給することで、燃料ガス保持部内の燃料ガスと新たに供給された燃料ガスとを効率良く交換することができる。発電始動時における燃料ガスの供給を脈動状態とすることで、燃料ガス保持部内のガスの置換を斑なく、かつ効率良くできる。また、供給する燃料ガスにより、燃料ガス保持部内の残留ガスを排出することができるので、残留ガス排出のための特別の装置を必要としない。供給する燃料ガスの圧力を上げず、脈動させる構成としたことで、少量の燃料ガスで、残留ガスの排出が可能となった。
請求項２に記載の発明によれば、燃料ガスの供給を脈動とすることによって、単位燃料電池とセパレータとを積層して構成された燃料電池スタックにおいては、燃料ガスマニホールドを介して多数ある燃料ガス保持部に供給される燃料ガスを、各燃料ガス保持部に均一に新しいガスを供給することができる。発電始動時における燃料ガスの供給を脈動状態とすることで、燃料ガス保持部内のガスの置換を斑なく、かつ効率良くできる。また、供給する燃料ガスにより、燃料ガス保持部内の残留ガスを排出することができるので、残留ガス排出のための特別の装置を必要としない。供給する燃料ガスの圧力を上げず、脈動させる構成としたことで、少量の燃料ガスで、残留ガスの排出が可能となった。
【００５８】
請求項３に記載の発明によれば、燃料ガスの供給を脈動とすることによって、燃料ガス保持部内に複数設けられた燃料ガス流通路においても、新しい燃料ガスへの置換が容易となる。
請求項４に記載の発明によれば、燃料流通経路に設けられた開閉弁を開閉することにより、燃料ガスの供給を脈動状態とすることができるので、容易に脈動状態を作り出すことができ、制御が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の燃料供給装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
【図４】燃料供給装置の構成を示すブロック図である。
【図５】流量制御手段である制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】燃料電池システムの始動動作を示すメインフローチャートである。
【図７】水素供給開始処理を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池システムを停止する動作を示すメインフローチャートである。
【図９】水素供給停止処理のフローチャートである。
【図１０】水素供給開始処理の他の実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料供給装置
１００ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
２ 単位セル
２１ 酸素極
２２ 燃料極
２３ 固体高分子電解質
３ セパレータ
３０ 燃料ガス保持部
３１ 集電部材
３２５ 空気流通路
４０ 空気供給系
５０ 水循環系
７ 負荷系
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の燃料供給装置にかかり、詳しくは、燃料電池の発電開始時に残存ガスを効率良く排出する燃料電池の燃料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料極側の燃料室において、水素ガスと酸素等の他のガスが混在する状態で、燃料電池の発電を開始すると、酸素極側の触媒の劣化が生じることが確認されている。特に、水素ガス以外のガスが残留する割合の高い個所では、これに接する電極の酸素極側で著しく触媒の劣化が生ずる。
一方、従来の燃料電池において、発電停止状態では、燃料極側に水素ガスを供給する供給経路内では、水素ガスは排出されて、不活性ガス等のガスに置換されている。そして、発電開始時においては、置換されているガスを吸引し、次に水素ガスが供給されるという構成となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、流体の流れる流路に変化があると、流体の流速の分布が、流速の速い部分や、遅い部分、或いは、渦を形成して流体が滞留する部分等が生じる。そして、流体が流路を流れる速度が一定であると、上記流速の分布状態が変化することは少ない。
一方、従来では、水素供給弁を開とすることで、水素源から水素を燃料電池に供給し、その時の水素圧で残存ガスを燃料電池外に排出する構成を採っており、特に、残存ガスを排出するために、所定時間、一定の流量で水素を燃料電池へ供給排出する方法を用いている。このような、従来の水素ガスを供給方法では、ガスの流れに変化が少ないため、燃料室内において、流速の分布が乱れにくく、ガス流が速い個所、ガス流が遅い個所、ガスが滞留する個所等が発生し、ガスが燃料室全体としては十分に置換されない恐れがある。
【０００４】
このような状態で、燃料電池の発電を開始すると、ガスの置換が十分になされない個所では、既述のように、電極の触媒劣化が生じやすくなる。特に、薄い燃料電池単位セルと板状のセパレータを交互に積層した構成の燃料電池スタックにおいては、セパレータと燃料極との間の狭い空間（燃料室）に、水素ガスが流通するので、上記のような不均一なガス流の分布が生じ易い。
【０００５】
さらに、ガスの置換をより確実とするために、供給するガスの圧力を上げると、ガス消費量が増すとともに、加圧装置を新たに設ける必要が生じ、装置のコスト高、大型化を招く。
また、通常発電状態であっても、燃料室内の水素ガスの流量が不均一であると、より高い効率の発電を行うことができない。
この発明の目的には、燃料電池の燃料極側の燃料ガス保持部を均一に燃料ガスで満たすことのできる燃料電池の燃料供給装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明により達成される。
（１）酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する燃料保持部と、前記燃料保持部に燃料ガスを導く燃料導通手段と、前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、前記燃料導通手段を介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段から前記燃料導出手段までの燃料流通経路に設けられ、前記燃料供給手段から前記燃料保持部への燃料ガスを、発電開始時に通常発電時に比較して、燃料ガスの流入速度を速くし、流量が短時間で急激に変化するような脈動を伴った供給を開始する流量制御手段とを備えた燃料電池の燃料供給装置。
【０００７】
（２）酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した単位燃料電池と、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、相互に接触するセパレータと燃料極との間にそれぞれ形成され、燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する複数の燃料ガス保持部と、各燃料保持部に燃料ガスを分配する燃料ガスマニホールドと、前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、前記燃料ガスマニホールドを介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段から前記燃料導出手段までの燃料流通経路に設けられ、前記燃料供給手段から前記燃料保持部への燃料ガスを、発電開始時に通常発電時に比較して、燃料ガスの流入速度を速くし、流量が短時間で急激に変化するような脈動を伴った供給を開始する流量制御手段とを備えた燃料電池の燃料供給装置。
【０００８】
（３） 前記燃料保持部は、燃料ガスが燃料極に接触しつつ流通する複数のガス流路を有している上記（２）に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【０００９】
（４） 前記流量制御手段は、燃料流通経路に設けられた開閉弁と、開閉弁を開閉制御することにより燃料ガスを脈動させて供給する制御部とを備えている上記（１）〜（３）のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【００１０】
（５） 前記流量制御手段は、発電開始時に、供給を開始する燃料ガスを脈動させて供給する制御を行う上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池の燃料供給装置１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池の燃料供給装置１を備えた燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給装置１と、燃料電池スタック１０へ空気を供給する空気供給系４０と、水循環系５０と、負荷系７とを備えている。
【００１２】
図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１０は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。
【００１３】
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンブラック、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
【００１４】
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。
【００１５】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。
【００１６】
燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。
【００１７】
各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１０内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１０内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。
【００１８】
集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１０の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。
【００１９】
次に、燃料供給装置１について説明する。図４は、燃料供給装置１の構成を示すブロック図である。図１及び図４に示されているように、燃料供給装置１は、燃料供給手段としての高圧水素ボンベ１１と、燃料導通手段としての水素導通路１２と、燃料導出手段としての水素導出路１３と、循環路１４と、水素充填路１５と、外気導入路１６と、流量制御手段としての制御装置１７とを備えている。
【００２０】
高圧水素ボンベ１１は、例えば水素吸蔵合金により水素を収納し、水素排出口には、水素導通路１２の一端が接続されている。水素導通路１２の他端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給通路３１９ａに接続されている。水素導通路１２には、高圧水素ボンベ１１からの水素ガスの排出を制御する開閉弁（元栓）Ｖ2が設けられ、開閉弁Ｖ2から燃料電池スタック１０へ向けて、水素一次圧センサＳ1、水素調圧弁Ｖ3、水素供給電磁弁Ｖ4、水素二次圧センサＳ2の順に設けられている。
【００２１】
水素一次圧センサＳ1は、高圧水素ボンベ１１から供給される水素ガス圧力を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。水素調圧弁Ｖ3は、高圧水素ボンベ１１の圧力を、燃料電池スタック１０へ供給する水素ガス圧に調整する。水素供給電磁弁Ｖ4は、開閉によって、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を制御する。水素二次圧センサＳ2は、水素調圧弁Ｖ3によって調整された、燃料電池スタック１０へ供給されるガス圧を検出し、制御装置１７へ検出値を供給する。
【００２２】
水素導出路１３の一端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出通路３１９ｂに接続され、他端は外気に連通した排出端となっている。この水素導出路１３を介して、燃料電池スタック１０内を通過した水素ガスは、外部に排出される。水素導出路１３には、燃料電池スタック１０側から、排出端へ向けて、順に、循環ポンプＰ1、水素停止排気電磁弁Ｖ7、逆止弁１３３、水素消音機１３４が設けられている。水素停止排気電磁弁Ｖ7は、燃料電池の発電停止時に開放され、残留水素ガスや生成水等を排出する弁である。逆止弁１３３は、水素や外気の逆流を防止する弁である。水素消音器１３４は、水素排出時の音を抑制する。
【００２３】
循環路１４は、一端は、水素導出路１３の循環ポンプＰ1と水素停止排気電磁弁Ｖ7の間に接続され、他端は、水素導通路１２の水素二次圧センサＳ2の下流側に接続されている。循環路１４には、水素循環電磁弁Ｖ8が設けられている。
【００２４】
水素導通路１２と、水素導出路１３と、循環路１４と、燃料電池スタック１０とによって、循環回路が構成され、水素循環電磁弁Ｖ8が開状態の場合には、循環ポンプＰ1の駆動によって、該循環回路を水素ガスが循環する。
【００２５】
水素導出路１３において、燃料電池スタック１０と循環ポンプＰ1の間には、水素排気路１３１と、水排出路１３２がそれぞれ接続されている。水素排気路１３１には、水素排気電磁弁Ｖ5が設けられ、水素ガスの流量を脈動状態に制御する際に開閉制御される。水排出路１３２には、水排出電磁弁Ｖ6が設けられている。水排出電磁弁Ｖ6を開くことによって、燃料電池スタック１０での生成水等を水回収容器に排出する。
【００２６】
水素充填路１５の一端は、水素導通路１２において、開閉弁Ｖ2の下流側に接続されている。水素充填路１５の他端には、外部充填手段に接続するための、水素充填バルブ１５１が接続されている。また、水素導通路１２には、開閉弁Ｖ2と水素調圧弁Ｖ3の間に、水素パージバルブ１５２が接続されている。高圧水素ガスボンベ１１に外部から水素ガスを充填する際に、水素充填バルブ１５１が開かれ、ここに外部充填手段の接続口が接続される。水素ガス充填時には、充填開始時において、水素パージバルブ１５２が開放され、経路内の残留ガスが排出され、その後水素パージバルブ１５２は閉じられる。
【００２７】
さらに、水素導通路１２には、水素二次圧センサＳ2の下流側に、外気導入路１６の一端が接続されている。外気導入路１６の他端には、外気導入フィルタ１６１が接続され、さらに、外気導入路１６には外気導入電磁弁Ｖ9が設けられている。外気導入電磁弁Ｖ9は、燃料電池の停止動作時において、燃料ガス保持部３０に外気を導入する際に、開放される。
【００２８】
図５は流量制御手段である制御装置１７の構成を示すブロック図である。制御装置１７は、制御部１７０と、制御部１７０等に電力を供給する電源回路１７４と、出力インターフェース回路１７６と、入力インターフェース回路１７５とを備えている。
【００２９】
出力インターフェース回路１７６には、水素供給電磁弁Ｖ4、水素排気電磁弁Ｖ5、水素停止排気電磁弁Ｖ7、水素循環ポンプＰ1、水素循環電磁弁Ｖ8、外気導入電磁弁Ｖ9が接続されており、これらの電磁弁の開閉や、ポンプの駆動と停止は、出力インターフェース回路１７６を介して、制御部１７０によって制御される。
【００３０】
入力インターフェース回路１７５には、水素一次圧センサＳ1と、水素二次圧センサＳ2と、水素濃度センサＳ5と、電圧センサＳ6と、タイマーＴ1とが接続されており、これらのセンサによって検出された各検出値は、入力インターフェース回路１７５を介して、制御部１７０に供給される。
【００３１】
電圧センサＳ６は、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する。水素濃度センサＳ5は、燃料電池スタック１０内の水素ガス濃度を検出する。タイマーＴ1は、水素ガス流量を脈流状態とするために、水素排気電磁弁Ｖ5等の開閉時間を計るタイマーである。
【００３２】
次に空気供給系４０について説明する。空気供給系４０は、空気入口フィルタ４１と、外気から空気を導入する空気供給ファン４２と、空気供給ファン４２で取り入れた空気を、燃料電池スタック１０へ導く空気導通路４３と、空気導通路４３によって導かれた外気を、燃料電池スタック１０に形成されている空気流入部３２６に分配する空気マニホールド４４と、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５と、燃料電池スタック１０の空気流出部３２７に一端が接続された凝縮器ダクト４５と、凝縮器ダクト４５の他端排出口に接続された凝縮器５４と、凝縮器５４の空気排出口に設けられた空気出口フィルタ４６と、空気排出路４７とで構成されており、空気は、上記順番で空気供給系４０内を流れる。上記空気流通路３２５を空気が流通する際に、酸素極２１に酸素を供給する。
【００３３】
水循環系５０は、水タンク５１と、水タンク５１に一端が接続されている水供給路５２と、水供給路５２の他端が接続され、空気マニホールド４４内に水を噴射する噴射ノズル５３と、水蒸気又は霧状となって空気とともに通過する空気流通路３２５と、凝縮器ダクト４５と、凝縮器５４と、凝縮器５４で回収された水を水タンク５１へ導く回収路５５とから構成されている。そして、水供給路５２には、水タンク５１から噴射ノズル５３に向けて順に、水フィルター５６、直噴ポンプＰ2、直噴水供給電磁弁Ｖ1が設けられている。水タンク５１には、給水口５１１と、水位センサＳ3が設けられている。水タンク５１の水は、直噴ポンプＰ2によって吸い上げられ、噴射ノズル４５から空気マニホールド４４内に噴射され、空気とともに、空気流通路３２５内を通過する。この際、酸素極２１に付着して、酸素極２１を湿潤状態に保つ働きがあり、また、燃料電池スタック１０を冷やし、発電時の反応熱による過熱を抑制する。また、凝縮器５４にはファン５４１が設けられている。
【００３４】
負荷系７は、燃料電池スタック１０が電力を取り出し、インバータ７２を介して、モータ７３等の負荷を駆動させる。この負荷系７には、スイッチのためのリレー７１と、補助出力源となる二次電池であるキャパシタ７４が設けられている。
【００３５】
次に、本発明の燃料供給装置１の作動について説明する。図６は、燃料電池システム１００の始動動作を示すメインフローチャートである。
燃料電池システム１００のスイッチがオンされると、制御部１７０に電源回路１７４から給電される（ステップＳ１０１）。水素一次圧センサＳ1から水素一次圧を検出し、水素一次圧値Ｐ1が０．１ＭＰａ（メガパスカル）より大きく、かつ、０．５ＭＰａより小さいかを判断する（ステップＳ１０３）。この範囲内でない場合には、燃料電池スタック１０に、適度な圧力の水素ガスを供給できないので、システムの始動は停止される。
【００３６】
上記範囲内である場合には、水回収ポンプＰ3、直噴ポンプＰ2などの補機の駆動を開始する（ステップＳ１０５）。さらに、空気供給ファン４２を始動させる（ステップＳ１０７）。これにより、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５に空気と水の供給が開始される。次に、水素供給開始処理が開始される（ステップＳ１０９）。
【００３７】
図７は、水素供給開始処理を示すフローチャートである。水素ガスの供給開始時には、最初に水素停止排気電磁弁Ｖ7が開かれる（ステップＳ２０１）。さらに、水素循環ポンプＰ1が駆動を開始する（ステップＳ２０３）。このポンプは、水素ガスを燃料電池スタック１０が排出側へ吸引する作用を有する。この時、水素循環電磁弁Ｖ8は、閉じられているため、燃料電池スタック１０内の燃料ガス保持部３０内のガスは、排気され方向へ吐き出される。水素循環ポンプＰ1で内部ガスが吸引されているので、水素供給系の二次圧は、下がっているはずであり、水素二次圧を水素二次圧センサＳ2によって検出し、その検出値Ｐ2が０．０４ＭＰａより小さくなったか判断する（ステップＳ２０５）。０．０４ＭＰａより小さくなっていない場合には、ポンプ作動時間が、１２０秒よりも長い時間経過したかを判断する（ステップＳ２０７）。経過していない場合に、ステップＳ２０５を再度実行する。経過している場合には、ポンプで吸引しているにもかかわらず、０．０４ＭＰａより小さくなっていないことになるので、システムに不具合があると判断し、水素供給制御を停止する。
【００３８】
０．０４ＭＰａより小さくなっている場合には、カウント値Ｎを初期化して（Ｎ＝０）（ステップＳ２０９）、カウント値Ｎをインクリメントする（ステップＳ２１１）。水素供給電磁弁Ｖ4を開く（ステップＳ２１３）。これにより、水素ガスが高圧水素ガスボンベ１１から、燃料電池スタック１０へ供給される。燃料ガス保持部３０内は、水素循環ポンプＰ1によって、負圧がかかっているため、通常発電時における水素ガスの供給状態に比較して、水素ガスの流入速度は速くなる。
【００３９】
次に、水素供給電磁弁Ｖ4が開いている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ２１５）。経過した場合には、水素供給電磁弁Ｖ4を閉じる（ステップＳ２１７）。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開く（ステップＳ２１９）。
【００４０】
水素停止排気電磁弁Ｖ7の開いている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ２２１）。経過した場合には、水素停止排気電磁弁Ｖ7を閉じる（ステップＳ２２３）。このステップＳ２１９〜Ｓ２２３によって、燃料ガス保持部３０内のガスは、吸引され始める。カウント値Ｎが５より大きくなっているか判断し（ステップＳ２２５）、なっていない場合には、ステップＳ２１１からステップＳ２２５までを再度実行する。つまり、ステップＳ２１１からステップＳ２２５までを５回繰り返すこととなり、燃料ガス保持部３０に流入する水素ガスの流量が、５回脈動することとなる。即ち、短時間で流量が急激に変化（この実施形態では、０．１秒間で０．０１ＭＰａ変化する流量の変化）する状態が５回繰り返されることとなる。
【００４１】
この流量の変化により、燃料ガス保持部３０内に流入する水素ガスの流量が変化し、各燃料ガス流通路３１５や燃料ガス流路３１６などの流通する水素ガスの流量が急激に変化する。これにより、燃料ガス保持部３０内に部分的に残留していた、酸素等の水素ガス以外のガスが、排出される。特に、この実施形態では、水素供給電磁弁Ｖ4の開閉と水素停止排気電磁弁Ｖ7の開閉が単独で行われ、両方の弁が同時に開くことがないので、脈動した時の流量の差が大きく、排出効率がより高い。
【００４２】
脈動を５回行うことで、十分に残留ガスの排出ができたものとし、水素供給電磁弁Ｖ4を開き、水素ガスの継続供給を開始する（ステップＳ２２７）。そして、水素循環電磁弁Ｖ8を開く（ステップＳ２２９）。これにより、循環路１４を介して、燃料電池スタック１０から排出された水素ガスは、再度燃料電池スタック１０に戻される循環回路が構成される。
【００４３】
次に、水素二次圧Ｐ2が０．０５ＭＰａより大きくなったか判断する（ステップＳ２３３）。０．０５ＭＰａより大きくなっていない場合には、水素ガスの供給を開始しても、水素二次圧が上がらないことを意味するので、システムに不具合があるものと判断し、燃料供給動作は停止される。また、０．０５ＭＰａより大きくなっている場合には、燃料電池スタック１０の出力電圧を、電圧センサＳ6にモニターし、その出力電圧が１００Ｖを越えたか判断する（ステップＳ２３５）。１００Ｖを越えていない場合には、燃料電池スタック１０が正常に発電してないことになるので、システムに不具合があるもとの判断し、燃料供給動作は停止される。１００Ｖを越えている場合には、メインルーチンにリターンされる。
以上のような水素供給開始処理（ステップＳ１０９）が終了すると、出力リレー７１をオンし（ステップＳ１１１）、通常運転（発電）を開始する。
【００４４】
次に、燃料電池システム１００を停止させる処理動作について説明する。図８は、燃料電池システム１００を停止する動作を示すメインフローチャートである。停止処理では、最初に、負荷につなげる出力リレー７１をオフする（ステップＳ３０１）。これにより、負荷への電力供給は遮断される。次に、水素供給停止処理を行う（ステップＳ３０３）。図９は、水素供給停止処理のフローチャートである。最初に、燃料ガス保持部３０への水素ガスの供給を止めるために、水素供給電磁弁Ｖ４を閉じる（ステップＳ４０１）。次に、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開く（ステップＳ４０３）。ここで、水素循環ポンプＰ1は、通常発電状態から継続して駆動し、水素循環電磁弁Ｖ8は開いている。従って、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開くことによって、燃料電池スタック１０から排出される水素ガスは、水素消音器１３４を経て、外部に排出される。これにより、水素二次圧Ｐ2は低下する。
【００４５】
そこで、水素二次圧Ｐ2が、０．０４ＭＰａ以下となったか判断する（ステップＳ４０５）。０．０４ＭＰａ以下となっている場合には、外気導入電磁弁Ｖ9を開く（ステップＳ４０７）。これにより、外気が燃料ガス保持部３０に流入し、水素ガスは空気に置換され始め、水素ガス濃度は薄くなり始める。
【００４６】
外気導入電磁弁Ｖ9を開いてから１０秒より長く経過したか判断し（ステップＳ４０９）、経過した場合には、外気導入電磁弁Ｖ9を閉じる（ステップＳ４１１）。さらに、水素停止排気電磁弁Ｖ7を閉じる（ステップＳ４１３）。これにより、空気が混入した水素ガスは、燃料ガス保持部３０と、水素導出路１３と、循環路１４と、水素導通路１２とを循環する状態となる。この循環によって、外気導入電磁弁Ｖ9から導入された空気と水素ガスが均一に混合される。
【００４７】
以上のような循環状態を２秒維持し、２秒より長く経過した場合には（ステップＳ４１５）、水素停止排気電磁弁Ｖ7を開く（ステップＳ４１７）。水素ガス濃度が低下することによって、酸素と反応する水素の量が少なくなり、燃料電池スタック１０の出力は低下する。そこで、燃料電池スタック１０の出力電圧を、電圧センサＳ6でモニターし、出力電圧が１０ボルト（Ｖ）より小さくなったか判断する（ステップＳ４１９）。小さくなっていない場合には、ステップＳ４０７からステップＳ４１９を繰り返す。即ち、燃料電池スタック１０の出力電圧が、１０Ｖより小さくなるまで、外気を導入し、水素ガス濃度を薄くして行く。最終的には、水素を外気（空気）に完全に置換する。なお、この実施形態では、燃料電池スタック１０の出力電圧を測定して、水素ガス濃度を図っているが、直接水素濃度センサＳ５により、燃料電池スタック１０から排気されてきたガスの濃度を測定し、所定の値以下になったかを判断する構成としてもよい。
【００４８】
出力電圧が１０ボルト（Ｖ）より小さくなった場合には、水素循環ポンプＰ1の駆動を停止する（ステップＳ４２１）。
以上のように水素停止処理（ステップＳ３０３）が終了すると、空気供給ファン４２を停止し（ステップＳ３０５）、補機を停止する（ステップＳ３０７）。最後に、制御ユニットへの給電を停止して（ステップＳ３０９）、燃料電池システム１００の停止処理を完了する。
【００４９】
次に、水素供給開始処理の他の実施形態について説明する。図１０は、図６に示されているメインフローチャートの水素供給開始処理ステップ（ステップＳ１０９）の、他の処理例を示すものである。また、フローチャートにおいて、上記実施形態と同じ内容のステップについては、詳しい説明は省略する。
【００５０】
最初に水素停止排気電磁弁Ｖ7が開かれる（ステップＳ５０１）。さらに、水素循環ポンプＰ1が駆動を開始する（ステップＳ５０３）。次に、水素二次圧を水素二次圧センサＳ2によって検出し、その検出値Ｐ2が０．０４ＭＰａより小さくなったか判断する（ステップＳ５０５）。０．０４ＭＰａより小さくなっていない場合には、ポンプ作動時間が、１２０秒よりも長い時間経過したかを判断する（ステップＳ５０７）。経過していない場合に、ステップＳ２０５を再度実行する。経過している場合には、水素供給制御を停止する。
【００５１】
０．０４ＭＰａより小さくなっている場合には、カウント値Ｎを初期化して（Ｎ＝０）（ステップＳ５０９）、カウント値Ｎをインクリメントする（ステップＳ５１１）。水素供給電磁弁Ｖ4を開く（ステップＳ５１３）。水素排気電磁弁Ｖ5を開く（ステップＳ５１４）。これにより、水素ガスが高圧水素ガスボンベ１１から、燃料電池スタック１０へ供給される。また、燃料ガス保持部３０を通過してきたガスは、水素停止排気電磁弁Ｖ7と、水素排気電磁弁Ｖ5を通って、外部に排出される。
【００５２】
次に、水素供給電磁弁Ｖ4が開いている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ５１５）。経過した場合には、水素供給電磁弁Ｖ4を閉じ（ステップＳ５１７）、さらに、水素排気電磁弁Ｖ5を閉じる（ステップＳ５１９）。
【００５３】
水素排気電磁弁Ｖ5の閉じている時間をタイマーＴ1でモニターし、０．１秒よりも長く経過したか判断する（ステップＳ５２１）。経過した場合には、カウント値Ｎが５より大きくなっているか判断し（ステップＳ５２５）、大きくなっていない場合には、ステップＳ５１１からステップＳ５２５までを再度実行する。
【００５４】
カウント値Ｎが５に達している場合には、十分に残留ガスの排出ができたものとし、水素供給電磁弁Ｖ4を開き、水素ガスの継続供給を開始する（ステップＳ５２７）。そして、水素循環電磁弁Ｖ8を開き（ステップＳ５２９）。水素停止排気電磁弁Ｖ7を閉じる（ステップＳ５３１）。
【００５５】
次に、水素二次圧Ｐ2が０．０５ＭＰａより大きくなったか判断する（ステップＳ５３３）。０．０５ＭＰａより大きくなっていない場合には、システムに不具合があるものと判断し、燃料供給動作は停止される。また、０．０５ＭＰａより大きくなっている場合には、燃料電池スタック１０の出力電圧を、電圧センサＳ6にモニターし、その出力電圧が１００Ｖを越えたか判断する（ステップＳ５３５）。１００Ｖを越えていない場合には、システムに不具合があるもとの判断し、燃料供給動作は停止される。１００Ｖを越えている場合には、メインルーチンにリターンされる。
【００５６】
以上説明した実施形態では、電磁弁の開閉によって、脈動状態を作っているが、その他の構成を用いることもできる。例えば、水素導通路１２又は水素導出路１３に可変絞りを設け、該絞りを変化させることによって、脈動を生成してもよい。また、調圧弁による圧力調整を可変にして、燃料ガス保持部３０に加わる圧力を変化させることによって、脈動を生成することもできる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料ガスを脈動状態に変化させて供給することで、燃料ガス保持部内の燃料ガスと新たに供給された燃料ガスとを効率良く交換することができる。発電始動時における燃料ガスの供給を脈動状態とすることで、燃料ガス保持部内のガスの置換を斑なく、かつ効率良くできる。また、供給する燃料ガスにより、燃料ガス保持部内の残留ガスを排出することができるので、残留ガス排出のための特別の装置を必要としない。供給する燃料ガスの圧力を上げず、脈動させる構成としたことで、少量の燃料ガスで、残留ガスの排出が可能となった。
請求項２に記載の発明によれば、燃料ガスの供給を脈動とすることによって、単位燃料電池とセパレータとを積層して構成された燃料電池スタックにおいては、燃料ガスマニホールドを介して多数ある燃料ガス保持部に供給される燃料ガスを、各燃料ガス保持部に均一に新しいガスを供給することができる。発電始動時における燃料ガスの供給を脈動状態とすることで、燃料ガス保持部内のガスの置換を斑なく、かつ効率良くできる。また、供給する燃料ガスにより、燃料ガス保持部内の残留ガスを排出することができるので、残留ガス排出のための特別の装置を必要としない。供給する燃料ガスの圧力を上げず、脈動させる構成としたことで、少量の燃料ガスで、残留ガスの排出が可能となった。
【００５８】
請求項３に記載の発明によれば、燃料ガスの供給を脈動とすることによって、燃料ガス保持部内に複数設けられた燃料ガス流通路においても、新しい燃料ガスへの置換が容易となる。
請求項４に記載の発明によれば、燃料流通経路に設けられた開閉弁を開閉することにより、燃料ガスの供給を脈動状態とすることができるので、容易に脈動状態を作り出すことができ、制御が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の燃料供給装置を備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
【図４】燃料供給装置の構成を示すブロック図である。
【図５】流量制御手段である制御装置の構成を示すブロック図である。
【図６】燃料電池システムの始動動作を示すメインフローチャートである。
【図７】水素供給開始処理を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池システムを停止する動作を示すメインフローチャートである。
【図９】水素供給停止処理のフローチャートである。
【図１０】水素供給開始処理の他の実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料供給装置
１００ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
２ 単位セル
２１ 酸素極
２２ 燃料極
２３ 固体高分子電解質
３ セパレータ
３０ 燃料ガス保持部
３１ 集電部材
３２５ 空気流通路
４０ 空気供給系
５０ 水循環系
７ 負荷系
Claims (4)
- 酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する燃料保持部と、前記燃料保持部に燃料ガスを導く燃料導通手段と、前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、前記燃料導通手段を介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段から前記燃料導出手段までの燃料流通経路に設けられ、前記燃料供給手段から前記燃料保持部への燃料ガスを、発電開始時に通常発電時に比較して、燃料ガスの流入速度を速くし、流量が短時間で急激に変化するような脈動を伴った供給を開始する流量制御手段とを備えた燃料電池の燃料供給装置。
- 酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した単位燃料電池と、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成された燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、相互に接触するセパレータと燃料極との間にそれぞれ形成され、燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する複数の燃料ガス保持部と、各燃料保持部に燃料ガスを分配する燃料ガスマニホールドと、前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、前記燃料ガスマニホールドを介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料供給手段から前記燃料導出手段までの燃料流通経路に設けられ、前記燃料供給手段から前記燃料保持部への燃料ガスを、発電開始時に通常発電時に比較して、燃料ガスの流入速度を速くし、流量が短時間で急激に変化するような脈動を伴った供給を開始する流量制御手段とを備えた燃料電池の燃料供給装置。
- 前記燃料保持部は、燃料ガスが燃料極に接触しつつ流通する複数の燃料ガス流通路を有している請求項２に記載の燃料電池の燃料供給装置。
- 前記流量制御手段は、燃料流通経路に設けられた開閉弁と、開閉弁を開閉制御することにより燃料ガスを脈動させて供給する制御部とを備えている請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
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