JP5168847B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを循環させる回路を有する燃料電池システムに関する。

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として空気中の酸素）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。

従来の燃料電池システムにあっては、複数の燃料電池を積層するなどして直列に接続した燃料電池スタックから排出された燃料ガス中の未反応ガスを再利用する目的と、燃料ガスと酸化ガスとの反応によって酸素極側に生成された水が燃料極側に逆拡散して燃料室に滞留するのを防ぐ目的から、燃料極からの排出ガスを燃料ガス流路に供給して循環させる構成が採られている。
特開2006-40846号公報(図１中符号３０、３１、３３、３６)

特許文献１に記載のされているように、燃料ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。燃料排出管路３１には、燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用が図られる。一方、燃料電池スタック内では、酸素と燃料ガスである水素の反応によって、生成水が発生するが、この生成水が高分子電解質膜を通って燃料室側に逆浸透し、燃料室内に水が滞留するといった現象が発生する。

この燃料室に溜まった水は、燃料ガスの流れによって、ガスとともに排出管路へ排出され、ドレインタンク６０などによって回収される。しかし、排出された燃料ガスは、水蒸気が飽和状態となっており、ドレインタンクによる回収のみでは十分でなく、気圧の変化や温度変化によって容易に結露し得る状態となっている。特に、循環ポンプ内では、燃料ガスが攪拌されるため、圧力の変化によって結露が生じる。この結露した水が、循環ポンプ内に滞留し、ポンプの吐出能力を低下させるといった問題があった。

本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、循環手段内での水の滞留を抑制する燃料電池システムを提供することにある。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
燃料ガス供給源から前記燃料室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
燃料室からの排出ガスを前記燃料ガス供給路へ戻す排気循環路と、
前記排気循環路に設けられ、排出ガスを燃料ガス供給路へ送出する循環手段と、
前記排気循環路内の燃料ガスの湿度よりも低い湿度の燃料ガスを供給するドライガス供給源と、
前記燃料ガス供給路と、前記循環手段の上流側の排気循環路とを繋げるドライガス供給路と、
前記ドライガス供給路に設けられた開閉弁と、
前記燃料ガス供給路と、前記燃料室と、前記排気循環路とによって構成されたガス循環路内に配置され、循環手段の吐出量を示す値を検出するガス流量検出手段と、
前記燃料電池の定常発電時に、前記ガス検出手段の値が、循環手段の正常な吐出量を示す値に満たない場合には、前記開閉弁を開放して、低い湿度の燃料ガスを循環手段に供給するドライガス供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

（２） 前記ドライガス供給手段によって供給されるドライガスのガス圧は、前記排気循環路内のガス圧より高い上記（１）に記載の燃料電池システム。

（３） 前記ドライガス供給制御手段は、運転停止動作を行う直前に、ドライガスを供給するよう制御する上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。

請求項１記載の発明によれば、燃料室から排出された燃料ガスに含まれた水蒸気が循環手段内で結露し、滞留した場合に、湿度の低いドライガスをドライガス供給源から循環手段へ供給することで、循環手段内を乾燥させ、滞留している水を除去させることができ、循環手段の能力を維持させることが可能となる。
ドライガスを燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとすることで、循環手段内の水の除去とともに、燃料ガスの供給も同時に行うことができる。また、ドライガス供給源を別途設ける必要が無く構成を簡易にすることができる。
また、循環手段内に滞留する水の量が増加するに従って、循環手段の吐出能力が低下するため、循環路内のガス流量が正常値に満たない場合には、ドライガスを供給することにより、ドライガスを効率良く使用して循環手段内の水の除去を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、ドライガス供給手段によって供給されるガス圧は、排気循環路内のガス圧より高いため、循環手段内を流通するドライガスの流速は、通常の循環流の流速よりも高くなり、このドライガスの流速によって、滞留している水を吹き飛ばす作用が生じ、一層滞留水の除去効果が向上する。

請求項３記載の発明によれば、運転停止動作を開始する直前にドライガスを供給して循環手段内の水を除くことにより、循環手段の能力を確保でき、停止時に燃料電池スタック内を十分に負圧にすることが可能となる。これにより、燃料室内の燃料ガスを置換ガスに確実に可能となる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。

この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図、図５は、集電部材３、４及び隔壁７の位置関係を示す部分拡大斜視図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９と、集電部材3、４の間に介挿された隔壁７とを備えている。隔壁７によって、燃料ガスと酸化ガスの直接の接触(混合)が阻止される。集電板である集電部材３、４と隔壁７は、金属で構成されている。集電部材３、４と隔壁７の構成金属は、それぞれ導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。耐食導電処理としては、例えば、金メッキなどか挙げられる。集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。

凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、図３に示されているように、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、図５に示されているように、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材３の両端部は、セパレータ１３を積層した場合に形成される水素供給路(１７a又は１７b)に及んでいる。

集電部材４は、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行(鉛直方向)に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。集電部材４は、網体であるため当接部４２１が接触する部分においても孔４２０を介して酸化ガス(空気中の酸素)を供給することができる。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっている。

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３は、それぞれ隔壁７の表裏面に当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。また、中空部４１からは、集電部材４の網目を介して酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０、中空部４１を通過する空気中に含有される酸素である。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及び流入開放口４５から流出開放口４６までの中空部４１、並びにこれらの集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（酸化ガス室）として機能する。
隔壁７の両端部には、通気孔７３が形成されており、通気孔７３の長辺は、集電部材３の短辺と同じ長さに形成されており、通気孔７３は、水素供給路(１７a又は１７b)を構成する。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材３を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３を収容する凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、交互に配された複数の水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８及び隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材４を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔９３ａ、９３ｂが形成されている。
枠体９の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体９の対向する一対の長辺に沿って溝９４１、９５１がそれぞれ形成され、溝９４１、９５１内に集電部材４の上下端部が収容される。溝９４１、９５１と集電部材４で構成された通路は、酸素室に連通している。

また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。上記溝９４１の集電部材４の上端に有する開口部の集合体によって、燃料電池スタック１００の上面には、矩形状の開口９４０（導入口被覆領域（断面は長方形））が形成され、この開口９４０に、空気マニホールド５４から空気が流入する。

図６は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ2）等が挙げられる。

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図７は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、ノズル５５から噴射された水が同時に流入する。このノズル５５は、水を液滴の状態（霧状）で、燃料電池スタック１００に供給する。導入口４３から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。また、燃料電池スタック１００の底面には、図7に示されている導入口４３に対向する位置に、多数の導出口４４が開口し、この導出口４４から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口４３は、燃料電池スタック１００の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口４４は、燃料電池スタック１００の底面に、縦横に多数開口することとなる。

次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａの一端には水素貯蔵タンク１１が接続され、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、圧力センサＳ１、元電磁弁２０及び水素調圧弁２１、供給電磁弁２２が水素の流通方向に向けて順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａの他端には、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端が接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料ガス供給路２０１Ｂの一端には、前記燃料ガス供給路２０１Ａの他端の他、後述するガス排出流路２０２の一端が接続されている。燃料ガス供給路２０１Ｂには、供給電磁弁２２、圧力センサＳ２、安全弁Ｖsf、流量センサＳ５がガスの燃料ガスの流通方向に向けて順に配置されており、供給電磁弁２２の上流側には、外気流路２０５の一端が接続されている。外気流路２０５の他端にはフィルタが接続され、このフィルタによって流入する外気から不純物がろ過される。また、外気流路２０５には、外気電磁弁２３が設けられている。

燃料電池スタック１００のガス排出口ＯＵＴには、排気循環路であるガス排出流路２０２の他端が接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ｂと、ガス排出流路２０２によって、燃料電池スタック１００のガス取入口ＩＮとガス排出口ＯＵＴを接続する循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環電磁弁２６、循環手段である循環ポンプ２５が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。

水素調圧弁２１の上流側と、循環ポンプ２５の吸入口側には、起動時流路２０４の両端が接続され、起動時流路２０４には起動電磁弁２９が設けられている。起動時流路２０４が、ドライガス供給路として作用し、起動電磁弁２９が、ドライガスの流通を制御する開閉弁として作用する。

次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。

空気導入路１２３の下流側では、空気マニホールド５４内の直前位置に、各々上記開口９４０へ冷却水を霧状に噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。
燃料電池スタック１００の導出口４４には、排気マニホールド５３Ａ１が接続され、導出口４４から排出された空気は、排気マニホールド５３Ａ１によって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。

空気ダクト１２４は、導出口４４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。

次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、フィルタ６４が設けられると共に、水供給手段である、ノズル５５に水を供給するポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。

燃料電池システム１の制御系は、開閉弁である起動電磁弁２９を制御するドライガス供給制御手段としての制御装置を備えている。なお、この制御装置には、他のセンサＳ０〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０や、各電磁弁２０、２２、２３、２６、２７、２９の他、循環ポンプ２５、ポンプ６１、６２、空気ファン１２２、凝縮器５１のファン、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５が接続されている。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。

以上のように構成された燃料電池システムにおいて、図８〜図１０に示されているフローチャートに基づき、循環ポンプ２５内の水を除去するドライ制御の内容について説明する。
定常発電時における動作について、図８に基づいて説明する。定常発電時では、循環ポンプ２５が駆動し、電磁弁２０、供給電磁弁２２及び循環電磁弁２６が開放され、電磁弁２９、排気電磁弁２７及び外気電磁弁２３は閉じられている。燃料ガス供給流路２０１Ｂの燃料ガスである水素ガスの流量を流量センサＳ５で測定する（ステップＳ１０１）。循環ポンプ２５を定常発電時の状態に制御している場合において、測定された流量が、循環ポンプ２５の正常な吐出量を示す値（例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ）に満たない時には、循環ポンプ２５内にある程度の水が滞留していると判断する（ステップＳ１０３）。燃料電池スタック１００から排出された燃料ガスは、生成水からの水蒸気が飽和状態となっており、循環ポンプ２５内で圧縮されると、容易に結露する。このため、循環ポンプ２５内の結露水が蓄積される。結露水がある程度蓄積されると、ポンプの能力が低下するので、吐出量の低下で、水の滞留を判断することができる。

従って、１０Ｌ／ｍｉｎより大きい場合には、水の滞留はないものと判断し、ステップＳ１０１にリターンされ、１０Ｌ／ｍｉｎ以下の場合には、循環ポンプ２５から水を除去する制御を開始する。即ち、循環電磁弁２６を閉じ、排気電磁弁２７と起動電磁弁２９を開く（ステップＳ１０５）。

この動作によって、水素調圧弁２１の上流側の水素ガス、つまり循環ポンプ２５の配置されているガス排出流路２０２のガス圧よりも高いガス圧の水素ガスが、循環ポンプ２５の吸入口側に供給される。この水素ガスは、水素貯蔵タンク１１に蓄積されていたガスであるため、乾燥しており、少なくとも燃料電池スタック１００内から排出されたガス排出流路２０２内のガスよりも湿度が低いガスとなっている。このような乾いたガスが、ガス排出流路２０２内の流速よりも早い流速で循環ポンプ２５に供給されることにより、循環ポンプ２５内の水は、速いガス流によって吹き飛ばされ、かつ、湿度が低いためにガス中に気化し、循環ポンプ２５内から除去される。

供給された水素ガスは、燃料ガス供給流路２０１Ｂから燃料電池スタック１００内の燃料室３０へ流入し、燃料室３０内のガスは、排気電磁弁２７を通って、ガス導出路２０３から排出される。循環ポンプ２５内の水を吹き飛ばし、かつ乾かす作用を有するドライガスとして、水素貯蔵タンク１１内のガスを用いるため、水の除去と、燃料の供給が同時に行うことができる。これにより、トラップ２４内の水の排出が同時に完了できる。さらにまた、発電時において、酸素室から燃料室側に浸透してきた窒素ガスも、ガス導出路２０３から同時に排出できるといった作用も有する。

その後、循環電磁弁２６を開き、起動電磁弁２９と排気電磁弁２７を閉じる（ステップＳ１０７）。これにより、燃料ガス供給系の回路は、定常発電時の状態に復帰する。そして、再度、流量センサＳ５によって、水素ガスの流量を測定し（ステップＳ１０９）、流量が、循環ポンプ２５の正常な吐出量を示す値に戻ったか否か判断する（ステップＳ１１１）。戻っていない場合には、ステップＳ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０９を再度実行し、流量が戻るまでこれを繰り返す。
流量が正常値に復帰した場合（ステップＳ１１１においてＹｅｓ）には、ドライ制御は終了し、定常発電時のフローへリターンされる。

ステップＳ１０３及びＳ１１１では、水素ガスの流量を測定することによって、循環ポンプ２５に水が溜まっていることを判定しているが、他の判定方法を用いて、水の滞留が所定値に達したことを判断してもよい。例えば、燃料電池スタック１００の単位セル毎の出力電圧を電圧センサによって検出し、その検出値に基づいて循環ポンプ２５の流量が低下したことを判断してもよい。水素ガスの流量が低下すると、出力電圧が低下するため、出力電圧が所定値以下となった場合に、ドライ制御（ステップＳ１０５〜Ｓ１０７）を開始するように構成すればよい。

或いは、循環ポンプ２５の消費電流を電流センサで検出し、消費電流が所定値以上に達した場合には、循環ポンプ２５の吐出量が低下したものと判断し、ドライ制御を開始してもよい。
この他、直接又は間接的に循環ポンプ２５の吐出量を検出するのではなく、定期的に、ドライ制御を行う構成としてもよい。また、トラップ２４の水レベルセンサＳ１０が所定値に達し、水の排出が必要となった場合に、ドライ制御を行ってもよい。

なお、簡単に起動時における燃料供給系１０を作用を説明する。元電磁弁２０、起動電磁弁２９、供給電磁弁２２、排気電磁弁２７を閉じ、循環電磁弁２６、外気電磁弁２３を開放する。そして、循環ポンプ２５を駆動させ、燃料電池スタック１００の各燃料室３０内の置換ガス（停止状態時に、燃料ガスの代わりに置換されているガス、例えば、空気）を排出しつつ、燃料室３０内を負圧にする。圧力が所定値に達した時点で、循環電磁弁２６、外気電磁弁２３を閉じ、次に、元電磁弁２０、起動電磁弁２９、供給電磁弁２２を開放する。これにより、水素ガスが瞬時に各燃料室３０に充填され、反応が可能な状態となる。このとき、供給された水素ガスは、起動時流路２０４から循環ポンプ２５を通って、供給されるので循環ポンプ２５は、起動時には水の滞留のないクリアーな状態にリセットされる。

次に、図９及び図１０に示されているフローチャートに基づき、停止時の動作について説明する。定常運転状態では、元電磁弁２０、供給電磁弁２２、循環電磁弁２６は開いており、循環ポンプ２５は駆動している。イグニッションスイッチをオフする動作が検出されると（ステップＳ２０１）、循環電磁弁２６を閉じ、排気電磁弁２７と、起動電磁弁２９を開く（ステップＳ２０３）。これにより、既述のステップＳ１０５で説明したように、循環ポンプ２５内の水が除去される。

次に元電磁弁２０を閉じ、排気電磁弁２７を閉じ、起動電磁弁２９を閉じる（ステップＳ２０５）。これにより、燃料電池スタック１００への水素ガスの供給が止められる。

供給電磁弁２２を閉じ、循環電磁弁２６と外気電磁弁２３を開く（ステップＳ２０７）。これにより、燃料電池スタック１００の燃料室３０内の燃料ガスは、燃料ガス供給流路２０１Ｂと外気流路２０５を通って、外部へ排出され、燃料室３０及び循環ポンプ２５の上流側は圧力が低下していく。

圧力センサＳ２によって、燃料室３０内の圧力をチェックし（ステップＳ２０９）、圧力が置換ガスに十分に置換することができる程度の負圧値（例えば、-７０ｋＰａ）になっているか否か判断する（ステップＳ２１１）。
所定の負圧値に達している場合には、循環ポンプ２５を停止し、循環電磁弁２６を閉じる（ステップＳ２１３）。これにより、供給電磁弁２２から下流側に位置する、燃料電池スタック１００内の各燃料室３０、トラップ２４は、負圧状態に維持される。

次に、供給電磁弁２２を開く（ステップＳ２１５）。これにより、負圧となっているトラップ２４、各燃料室３０に一気に外気が流入し、燃料室３０内は、置換ガス（空気）に置換される。
燃料電池スタック１００の電圧を電圧センサＳ４で検出し（ステップＳ２１７）、所定値（例えば、５．０Ｖ）以下に低下したか判断する（ステップＳ２１９）。燃料電池スタック１００の出力電圧の低下は、発電反応が生じなくなったことを意味し、燃料室３０内のガスが空気に置換されたことを示唆するので、所定値以下になった場合には（ステップＳ２１９でＹｅｓ）、外気電磁弁２３と、供給電磁弁２２と、排気電磁弁２７を閉じ（ステップＳ２２１）、制御動作を終了する。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータの全体背面図である。 集電部材及び隔壁の位置関係を示す部分拡大斜視図である。 単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。 燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。 定常発電時における制御フローチャートである。 停止操作時の制御フローチャートである。 停止操作時の制御フローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１００ 燃料電池スタック
３ 集電部材
４ 集電部材
４８ 突出部
７ 隔壁
１１ 水素貯蔵タンク
１３ セパレータ
１２３ 空気導入路
２２ 供給電磁弁
２３ 外気電磁弁
２５ 循環ポンプ
２６ 循環電磁弁
２９ 起動電磁弁
５３１ 水タンク
５３Ａ１ 排気マニホールド
５４ 空気マニホールド
５５ ノズル
６１ 供給ポンプ

Claims (3)

1. 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   燃料ガス供給源から前記燃料室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   燃料室からの排出ガスを前記燃料ガス供給路へ戻す排気循環路と、
   前記排気循環路に設けられ、排出ガスを燃料ガス供給路へ送出する循環手段と、
   前記排気循環路内の燃料ガスの湿度よりも低い湿度の燃料ガスを供給するドライガス供給源と、
   前記燃料ガス供給路と、前記循環手段の上流側の排気循環路とを繋げるドライガス供給路と、
   前記ドライガス供給路に設けられた開閉弁と、
   前記燃料ガス供給路と、前記燃料室と、前記排気循環路とによって構成されたガス循環路内に配置され、循環手段の吐出量を示す値を検出するガス流量検出手段と、
   前記燃料電池の定常発電時に、前記ガス検出手段の値が、循環手段の正常な吐出量を示す値に満たない場合には、前記開閉弁を開放して、低い湿度の燃料ガスを循環手段に供給するドライガス供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ドライガス供給手段によって供給される燃料ガスのガス圧は、前記排気循環路内のガス圧より高い請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ドライガス供給制御手段は、運転停止動作を行う直前に、ドライガスを供給するよう制御する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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