JP5320695B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池への反応ガスの導入制御に関する。

燃料電池の停止時、燃料ガス供給バルブは閉じられて燃料ガスの燃料電池への供給は停止される。燃料電池停止後、酸化ガス流路に残存していた酸化ガスは電解質膜を透過してアノード電極層側へ漏洩する。アノード流路では、アノード流路内に残存していた燃料ガスと電解質膜を透過して流入してきた酸化ガスとが反応して燃料ガスが消費され、次第に酸化ガスの量が増加する。燃料電池の起動時には、燃料ガス配管に配置されている燃料ガス供給バルブが開かれ、燃料タンクからアノード流路に燃料ガスが供給されて、アノード流路内に存在する酸化ガスが消費され、燃料ガスがアノード面内に広がる。

特開２００３−３１７７６９号公報 特開２００５−３０２５６３号公報 特開２００６−１２０４３０号公報 特開２００５−６３７１２号公報

しかしながら、燃料電池の起動時、燃料ガス流路内に酸化ガスが残存していることがある。この場合には、燃料ガス供給バルブを開いて燃料ガスを燃料電池に導入し始めてから、燃料ガス流路内に燃料ガスが均等に供給されるまでには時間がかかる。また、燃料電池の起動時には、燃料電池の積層方向に伸びた燃料ガスマニホールド内も酸化ガスが存在しているため、燃料電池全体に、燃料ガスが均一に行き渡るには時間がかかる。そのため、燃料電池の起動から所定時間は燃料電池の出力が制限されるという問題がある。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力性能の向上を目的とする。

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なされたものであり、以下の形態はたは適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本発明の第１の適用例の燃料電池システムは、
前記燃料電池に供給するための燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクと前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに接続された燃料ガス配管と、
前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに対応して前記燃料ガス配管に設置され、前記燃料ガス配管から前記燃料電池への前記燃料ガスの導入を制御する複数の導入制御弁と、
前記燃料電池の動作状態に関する動作情報を取得する情報取得手段と、
前記動作情報に基づき、前記複数の導入制御弁のうち少なくとも２つの導入制御弁について、それぞれ異なるタイミングで開閉するように制御する弁制御手段と、を備える燃料電池システム。

上述の適用例１の燃料電池システムによれば、少なくとも２つの導入制御弁から、異なるタイミング燃料ガスを燃料電池へ導入できる。従って、燃料電池内で燃料ガスの振動が生じ、燃料ガスの拡散が促進される。よって、燃料電池システムの起動時に、導入制御弁を開放したまま燃料ガスを導入する場合に比べて、燃料ガスが燃料電池全体に行き渡る時間を短縮でき、燃料電池の出力性能を向上できる。

［適用例２］
第１の適用例の燃料電池システムであって、
前記弁制御手段は、前記少なくとも２つの導入制御弁を交互に開く、燃料電池システム。

適用例２の燃料電池システムによれば、２つの燃料ガス導入口から燃料電池内へ燃料ガスを交互に導入できるため、容易に、燃料ガスの振動を生じさせることができる。よって、燃料電池内への燃料ガスの拡散効率を向上できる。

［適用例３］
第１の適用例の燃料電池システムであって、
前記情報取得手段は、前記燃料電池のアノードにおける前記燃料ガスの量に関する情報を前記動作情報として取得し、
前記弁制御手段は、前記アノードにおける前記燃料ガスが所定量未満の場合に、前記少なくとも２つの導入制御弁の開閉を制御する、燃料電池システム。

適用例３の燃料電池システムによれば、アノードにおける燃料ガスが所定量未満の場合に、燃料ガス供給弁の開閉タイミングを制御できる。従って、アノードにおける燃料ガスの迅速な拡散を要する場合に、燃料ガスの拡散効率を向上できる。

［適用例４］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの停止後の経過時間を測定するタイマー、前記アノードにおける燃料ガスの濃度を測定する水素濃度センサおよび前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段の少なくとも１つを含む、燃料電池システム。

上述の適用例４によれば、簡易な構成で、燃料電池のアノードにおける燃料ガスの存在に関する情報を取得できる。

［適用例５］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
前記少なくとも２つの燃料ガス導入口のうちの第１の燃料ガス導入口および第２の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
前記弁制御手段は、前記複数の導入制御弁のうち、前記燃料ガス供給マニホールドの入口に対応して配置された第１の導入制御弁と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口に対応して配置された第２の導入制御弁とを制御する、燃料電池システム。

上述の適用例５によれば、燃料ガス供給マニホールドの入口と、導入制御弁を燃料ガス排出マニホールドの出口とを、燃料ガスの導入口として利用できる。従って、燃料ガス導入口を燃料電池に新たに形成することなく、燃料ガスの拡散効率を向上できる。

［適用例６］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
前記第１の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、
前記第１の燃料ガス導入口および前記第２の燃料ガス導入口とは異なる第３の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成され、前記燃料ガス供給マニホールドに連通しており、
前記弁制御手段は、更に、前記第１の燃料ガス導入口と前記第３の導入口とを異なるタイミングで開閉する、燃料電池システム。

上述の適用例６によれば、燃料ガス供給マニホールドの両端から異なるタイミングで燃料ガスを導入できる。従って、燃料電池のアノード面内についてだけでなく、燃料電池の積層方向についても、燃料ガスの拡散効率を向上できる。

［適用例７］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
少なくとも２つの燃料ガス導入口のうちの第１の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、第２の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成されており、
前記弁制御手段は、前記第１の燃料ガス導入口および前記第２の燃料ガス導入口に対応付けられている第１の導入制御弁および第２の導入制御弁を制御する、燃料電池システム。

上述の適用例７によれば、燃料電池の積層方向に燃料ガスの振動を生じさせることができる。従って燃料電池の積層方向のガス拡散効率を向上できる。

［適用例８］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
前記第１の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口もしくは前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
前記第２の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドもしくは前記燃料ガス排出マニホールドのうち、前記第１の燃料ガス導入口が用いられているマニホールドに連通している、燃料電池システム。

上述の適用例８によれば、燃料ガス供給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドのうちいずれか一方の両端から燃料ガスを導入できる。従って、燃料電池の積層方向へのガス拡散効率を控除でき、マニホールド内の燃料ガスの均一な分布を促進できる。

［適用例９］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と前記燃料ガス排出マニホールドの出口とが同一端となるように構成されており、
前記第１の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口であり、
前記第２の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス排出マニホールドに連通している、燃料電池システム。

第１の導入口から導入された燃料ガスは、第１の導入口から積層方向に離れるに連れて、また、第１の導入口から燃料ガス排出マニホールドに向かって離れるに連れて、拡散されにくい。従って、上述の適用例９によれば、第１の導入口から導入された燃料ガスの届きにくい部位に第２の導入口を形成して燃料ガスを導入できるため、燃料電池全体に燃料ガスが拡散される時間を短縮できる。

［適用例１０］
適用例１の燃料電池システムであって、
前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記動作情報を取得する、燃料電池システム。

上述の適用例１０によれば、燃料ガス流路内の燃料ガスが酸化ガスに置換されていることがある燃料電池の起動時に動作情報を取得できる。従って、通常動作時に動作情報を取得する必要がないため、燃料電池システムの稼働負荷を軽減できる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。

Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成
図１は、第１実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電動車両に電源として搭載されている。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成をとることが可能である。

燃料電池システムは、高圧燃料ガスタンク１０、燃料ガス供給配管３１，３２、高圧燃料ガスタンク１０，シャットバルブ２０，２８，２９、減圧バルブ２３、排出バルブ２２、逆止弁２１、燃料ガス排出管３４、フィルタ４０、コンプレッサ４１、加湿器４２、マフラ４３、希釈機４４、ポンプ４６、ラジエータ８０、燃料電池１００、制御ユニット１１０を備える。

燃料電池１００は、セパレータと膜電極接合体とを備える積層体１０１と、積層体１０１の積層方向の両端に配置された一対のエンドプレート１０５，１０６とを備える。一方のエンドプレート１０５には、燃料電池１００への燃料ガスの供給に用いられる燃料ガス供給マニホールドの入口を構成する燃料ガス導入口２００と、燃料電池１００からの燃料ガスの排出に用いられる燃料ガス排出マニホールドの出口を構成する燃料ガス排出口２０１とが形成されている。また、他方のエンドプレート１０６には、燃料電池１００への酸化ガスの供給に用いられる酸化ガス供給マニホールドの入口を構成する酸化ガス導入口２１０と、燃料電池１００からの酸化ガスの排出に用いられる酸化ガスマニホールドの出口を構成する酸化ガス排出口２１１とが形成されている。燃料ガスは、例えば、水素ガスが用いられる。

図２は、第１実施例における燃料電池の単セルの構成を例示する分解斜視図である。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、単セル３００を積層することによって形成されている。単セル３００は、電解質膜３１１を、アノード３１２およびカソード３１３で挟持し、このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ３２０、３３０で挟持することにより構成されている。

電解質膜３１１は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜３１１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層が設けられている。

アノード３１２およびカソード３１３は、共に、ガス透過性を有するガス拡散電極である。アノード３１２およびカソード３１３は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいは、カーボンペーパー、カーボンフェルトなどによって形成することができる。

セパレータ３２０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密成カーボンやプレス成形した金属板によって、形成することができる。セパレータ３２０には、図示するように、外周近くに６つの貫通孔３２１〜３２６が形成されている。これらの孔部は、全てのセパレータに同一に形成されており、セルが複数積層され、スタックとして形成された場合に、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の給排に使用されるマニホールドを形成する。貫通孔３２１は燃料ガスを供給するマニホールドを形成する孔であり、貫通孔３２２は、燃料ガスを排出するマニホールドを形成する孔であるため、それぞれ、燃料ガス供給孔３２１、燃料ガス排出孔３２２と呼ぶ。同様に、貫通孔３２３，３２４を、それぞれ、酸化ガス供給孔３２３、酸化ガス排出孔３２４と呼び、貫通孔３２５、３２６を、それぞれ、冷却水供給孔３２５、冷却水排出孔３２６と呼ぶ。セパレータ３３０の各孔部は、セパレータ３２０と同様の構成である。

セパレータ３２０の一方の面では、図２に示すように、燃料ガス供給孔３２１と燃料ガス排出孔３２２とを連結するように形成された流路形成部３２７が設けられている。また、セパレータ３３０の一方の面では、図２に示すように、冷却水供給孔３３５と冷却水排出孔３３６とを連結する流路形成部３３７が設けられている。セパレータ３３０の図示しない他方の面では、酸化ガス供給孔３３３と酸化ガス排出孔３３４とを連結するよう形成された流路形成部が形成されている。

セパレータ３２０において、燃料ガス供給孔３２１から供給された燃料ガスは、図２に太線実線矢印で示すように、流路形成部３２７に沿って流れ、アノード３１２での電気化学反応で使用される。電気化学反応に使用されなかった燃料ガスは燃料ガス排出孔３２２から排出される。セパレータ３３０の図示しない片面において、酸化ガスも燃料ガスと同様に流れる。

セパレータ３３０において、冷却水供給孔３３５から供給された冷却水は、図に太破線矢印で示すように、セパレータ３３０に形成された流路形成部３３７に沿って流れ、単セル３００を冷却しながら、冷却水排出孔３３６から排出される。

図１に戻り説明を続ける。高圧燃料ガスタンク１０は、燃料電池１００の燃料ガス導入口２００と、燃料ガス供給配管３２，減圧バルブ２３、燃料ガス供給配管３１、シャットバルブ２０を介して接続されている。

また、燃料電池１００の燃料ガス排出口２０１には、燃料ガス排出配管３３が接続されている。燃料ガス排出配管３３には燃料ガスポンプ４５が設置されている。燃料ガス排出配管３３は、逆止弁２１を介して燃料ガス供給配管３２に接続されている。燃料ガス排出配管３３は逆止弁２１と燃料ガスポンプ４５の間で燃料ガス排出管３４と接続されている。燃料ガス排出管３４には排出バルブ２２が設置されている。燃料ガス排出管３４は希釈器４４と接続されている。

インジェクタ２４は、燃料ガス導入口２００に対応して配置されている。具体的には、インジェクタ２４は燃料ガス供給配管３２の燃料ガス導入口２００近傍に配置されている。インジェクタ２５は、燃料ガス排出口２０１に対応して配置されている。具体的には、燃料ガス排出配管３３の燃料ガス排出口２０１近傍に配置されている。インジェクタ２４、２５は、電子制御式であり、制御ユニット１１０から供給される電力により内部に設けられたバルブを開閉し、燃料ガスを供給する。インジェクタは、一般的なバルブに比べて開閉を微少時間で行うことができる。

フィルタ４０と燃料電池１００は酸化ガス供給配管３５を介して接続されている。酸化ガス供給配管３５には、フィルタ４０側から順にコンプレッサ４１、加湿器４２が設置されている。また、燃料電池１００は、酸化ガス排出配管３６を介して外部と接続されている。酸化ガス排出配管３６には、マフラ４３、希釈器４４が設置されている。

燃料電池１００には、燃料ガス供給配管３１、燃料ガス供給配管３２を介して高圧燃料ガスタンク１０から燃料ガスが供給される。高圧燃料ガスタンク１０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ２０、燃料ガス供給配管３１と燃料ガス供給配管３２とを接続する減圧バルブ２３によって燃料電池１００に供給される水素の圧力が調整される。

アノードからの排気（以下、アノードオフガスと称する）は、燃料ガス排出配管３３に供給される。燃料ガス排出配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための燃料ガス排出管３４に接続され、他方は、逆止弁２１を介して燃料ガス供給配管３２に接続される。燃料ガス排出管３４に設けられた排出バルブ２２が閉じられている間は、アノードオフガスは、燃料ガス供給配管３２を介して再び燃料電池１００に循環される。燃料ガス供給配管３２を介して循環させることにより、発電で消費されずにアノードオフガスに残留している水素を有効活用することができる。

燃料電池１００のカソードには、圧縮酸化ガスが供給される。酸化ガスは、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、酸化ガス供給配管３５から燃料電池１００に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと称する）は、酸化ガス排出配管３６、マフラ４３を通じて外部に排出される。

燃料電池１００には冷却水循環用の流路が形成されている。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ８０で冷却されて燃料電池１００を循環し燃料電池１００を冷却する。

制御ユニット１１０は、内部に図示しないタイマーを備えており、燃料電池１００の停止から次の起動までの経過時間を動作情報として測定する。制御ユニット１１０は、更に、取得した動作情報に基づいて、インジェクタ２４，２５の開閉を制御する。具体的には、制御ユニット１１０は、燃料電池１００の停止から次の起動までの経過時間が所定以上である場合、アノード３１２面内には、燃料ガスが所定量未満であると判断し、燃料電池１００の起動時に、シャットバルブ２８を開き、シャットバルブ２９を閉じて、インジェクタ２５へ燃料ガスを流通可能にするとともに、燃料ガス排出管３４への燃料ガスの漏洩を防止し、インジェクタ２４，２５を交互に開閉して、燃料ガスを燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１から燃料電池１００へ交互に導入する。

第１実施例では、制御ユニット１１０は、内蔵タイマーを用いて、アノード３１２面内の燃料ガス残量を判断しているが、例えば、燃料ガス濃度センサ、燃料電池の電圧測定などにより、アノード３１２面内の燃料ガスの残量を判断してもよい。

図３は、第１実施例における単セルの断面を模式的に示す断面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を示している。燃料電池１００の停止時、シャットバルブ２０は閉じられて燃料ガスの燃料電池への供給は停止される。燃料電池１００停止後、酸化ガス流路３２８に残存していた酸化ガスは電解質膜３１１を透過してアノード３１２側へ漏洩する。流路形成部３２７では、図３に示すように、流路形成部３２７に残存していた燃料ガスと電解質膜３１１を透過して流入してきた酸化ガスとが反応して燃料ガスが消費され、次第に酸化ガスに置換される。

Ａ２．燃料ガスの拡散：
図４は、第１実施例における燃料電池の模式図である。燃料電池１００は、燃料電池の積層方向に伸びた燃料ガス供給マニホールド３５０および燃料ガス排出マニホールド３６０を有する。

図４（ａ）は、燃料電池１００の通常動作時を示している。燃料電池１００の動作時、制御ユニット１１０は、インジェクタ２４およびインジェクタ２５を開弁状態で維持している。燃料ガスは、矢印ＡＲ１に示すように、燃料ガス供給マニホールド３５０から各単セル３００の流路形成部３２７を流れて膜電極接合体に供給され、発電に利用される。発電に利用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出孔３２２から燃料ガス排出マニホールド３６０に流れ込み、矢印ＡＲ２に示すように燃料電池１００の外部へ排出される。

一方、図４（ｂ）は、燃料電池１００の起動時を示している。燃料電池１００の起動時、制御ユニット１１０は、インジェクタ２４，インジェクタ２５を所定の間隔で交互に開く。燃料ガスは、矢印ＡＲ３，ＡＲ４に示すように、燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１とから燃料電池１００内に交互に導入される。

燃料電池１００起動時における燃料ガスの導入と、アノード面内における燃料ガスの拡散について図５および図６を参照して説明する。図５は、第１実施例における制御ユニット１１０のインジェクタ開閉タイミングを例示するタイミングチャートである。図５のタイミングチャート４００の横軸は時間ｔを表している。なお、時間ｔ０は、燃料電池の起動時を示す。図６は、第１実施例における燃料ガスの拡散について説明する模式図である。

燃料電池の起動前には、流路形成部３２７内は燃料ガスから酸化ガスに置換されている。すなわち、図６（ａ）に示すように、燃料電池１００を停止してから所定時間経過後には、アノード３１２面内全体に酸化ガス（Ａｉｒ）５０５が存在している。

制御ユニット１１０は、時間ｔ０にインジェクタ２４を開く。時間ｔ０において、インジェクタ２５は閉じられている。インジェクタ２４が開かれると、矢印ａｒ１に示すように、燃料ガス供給孔３２１から燃料ガスが流路形成部３２７に導入される。この結果、図６（ｂ）に示すように、アノード３１２面内では、燃料ガス（Ｈ₂）５０１によって、酸化ガス５０５が矢印Ｐ１の方向（図の下方）に移動される。

制御ユニット１１０は、時間ｔ０から所定時間経過後の時間ｔ１にインジェクタ２４を閉じると共に、インジェクタ２５を開く。インジェクタ２５が開かれると、矢印ａｒ２に示すように、燃料ガス排出孔３２２から燃料ガスが流路形成部３２７に導入される。すなわち、通常動作時の燃料ガスの流通方向とは逆方向に燃料ガスが流通する。この結果、図６（ｃ）に示すように、燃料ガス（Ｈ₂）５０２によって、燃料ガス５０１と酸化ガス５０５が矢印Ｐ２の方向（図の上方）に移動される。

制御ユニット１１０は、時間ｔ１から所定時間経過後の時間ｔ２に、インジェクタ２５を閉じると共に、インジェクタ２４を開く。このように、制御ユニット１１０は所定時間経過毎にインジェクタ２４とインジェクタ２５とを交互に開閉する。２つのインジェクタ２４、２５の交互開閉により、図６（ｄ）に示すように、アノード３１２面内に導入された燃料ガスは、矢印Ｐ１，Ｐ２方向への移動を繰り返す。燃料ガスの移動の繰り返しにより、燃料ガスは矢印Ｐ１，Ｐ２方向に振動され、アノード面内へ均一に拡散される。

流路形成部３２７に存在している酸化ガスは、導入された燃料ガスと反応して消費され、アノード３１２面内は、酸化ガスから燃料ガスに置換される。

図７は、第１実施例における燃料電池への燃料ガスの圧力について例示するグラフである。グラフ６００では、横軸が時間ｔを表しており、縦軸が燃料電池における燃料ガスの圧力を表している。図７において、グラフ６０１は、燃料電池内における燃料ガスの圧力の変動を表しており、グラフ６０２は、燃料電池内における燃料ガスの圧力の変動中心を表している。

グラフ６０１に示すように、時間ｔ０でインジェクタ２４が開かれると、燃料電池１００内へ燃料ガスが供給されるため、燃料ガスの圧力はＰ１まで上昇し、導入された燃料ガスの一部は、燃料ガス流路形成部３２７に残存する酸化ガスと反応する。よって、燃料ガスの圧力は、Ｐ１からＰ２に下がる。

時刻ｔ１でインジェクタ２４が閉じられるとともにインジェクタ２５が開かれると、燃料電池１００内へ燃料ガスが供給されるため、燃料ガスの圧力は、Ｐ２からＰ３に上昇する。同様に、導入された燃料ガスの一部は、燃料ガス流路形成部３２７に残存する酸化ガスと反応する。よって、燃料ガスの圧力は、Ｐ３からＰ４に下がる。このようにして、燃料ガスは圧力の増減が繰り返される。この結果、グラフ６０２に示すように、燃料電池１００の燃料ガスの圧力が上昇する。

Ａ３．燃料ガス拡散の効果：
図８は、第１実施例における燃料ガスの拡散の効果を例示するグラフである。グラフ７００では、横軸が燃料ガス導入口２００から燃料ガス排出口２０１までの距離を表しており、縦軸が燃料ガスの濃度を表している。グラフ７０１は、第１実施例の燃料電池システムにおいて、起動から所定時間経過後の燃料ガスの拡散状態について示している。グラフ７０２は、従来の燃料電池システムにおける、起動から所定時間経過後の燃料ガスの拡散状態について示している。

グラフ７０２が示すように、従来の燃料電池システムでは、１つの導入口から燃料ガスを導入している。従って、燃料ガス導入口２００近傍では、燃料ガスの濃度がほぼ１００％である。しかしながら、燃料ガスの振動が生じないため、燃料電池１００での燃料ガスの拡散が促進されず、流路形成部３２７に既存の酸化ガスと導入された燃料ガスとの境界Ｘで、燃料ガスの濃度が急激に低下する。すなわち、アノード３１２面内で局所的な燃料ガスの欠乏が生じる。アノード３１２面内における燃料ガスの局所的な欠乏は、アノード、電解質膜の損傷および燃料電池の発電効率の低下を引き起こすため、好ましくない。

一方、第１実施例では、グラフ７０１が示すように、２つの導入口（燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１）から燃料ガスを導入している。従って、グラフ７０１に示すように、燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１との燃料ガスの濃度はほぼ同程度である。また、第１実施例では、燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１から交互に燃料ガスを導入しているため、既述のとおり、燃料電池１００内で燃料ガスの振動が生じ、拡散が促進される。よって、グラフ７０１に示すように、燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１との中間部分においても、燃料ガスが行き亘っている。よって、アノード３１２面内において、局所的な燃料ガスの欠乏を抑制している。

以上説明した第１実施例の燃料電池システムによれば、２つの燃料ガス導入口から燃料電池への燃料ガスの導入タイミングを制御できる。これにより、燃料電池内で燃料ガスの振動を生じさせることができ、燃料ガスの拡散を促進できる。よって、燃料電池起動時におけるアノード面内での燃料ガスの局所的な欠乏を低減でき、アノードや電解質膜の損傷抑制、および燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。

また、第１実施例では、２つの燃料ガス導入口から、交互に燃料ガスを導入できるため、簡易かつ迅速に燃料ガスの振動を生じさせることができる。従って、燃料ガスの拡散効率を更に向上できる。

また、第１実施例では、制御ユニットが燃料電池の停止から起動までの経過時間を測定し、経過時間に基づきアノード面内におけるアノードの残存量を判断できる。従って、簡易な構成で、アノードの残存量に基づきバルブの開閉に関する種々の制御、例えば、複数の燃料ガス導入口からの燃料ガスの導入時間等、精度の高い制御を行うことができる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、燃料電池の積層方向の一端に、燃料ガス導入口としての燃料ガスマニホールドの入口が形成され、他端に燃料ガスマニホールドに接続された燃料ガス導入口が形成された燃料電池システムについて説明する。なお、第２実施例において、第１実施例と同一の符号を付した各構成要素は、第１実施例において説明した各構成要素と同一の構成、機能を備える。

Ｂ１．燃料ガスの拡散について：
図９は、第２実施例における燃料電池の模式図である。第２実施例の燃料電池１０１ａは、単セルを複数積層した積層体１０１と、エンドプレート１０５とエンドプレート１０６ａとを備える。積層体１０１には、各単セルに形成された貫通孔およびエンドプレート１０５に形成された燃料ガス導入口２００および燃料ガス排出口２０１により、燃料ガス供給マニホールド３５０、燃料ガス排出マニホールド３６０が構成されている。

エンドプレート１０６ａには、燃料ガス供給マニホールド３５０に接続するように、貫通孔２０２が形成されている。貫通孔２０２には、高圧燃料ガスタンク１０と接続されている燃料ガス配管が接続されている。貫通孔２０２は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口として利用される。以降、貫通孔２０２を燃料ガス導入口２０２と呼ぶ。

燃料ガス導入口２０２に接続されている燃料ガス配管の燃料ガス導入口２０２近傍には、インジェクタ２６が配置されている。

第２実施例では、燃料電池の起動時、制御ユニット１１０は、インジェクタ２４，インジェクタ２６を所定の間隔で交互に開く。燃料ガスは、燃料ガス導入口２００と燃料ガス導入口２０２とから燃料ガス供給マニホールド３５０に交互に導入される。

燃料ガス供給マニホールド３５０内も、流路形成部３２７と同様に、燃料ガスから酸化ガスに置換されている。従って、燃料ガス供給マニホールド３５０の両端に構成された燃料ガス導入口２００，２０２から交互に燃料ガスを導入することにより、燃料ガス供給マニホールド３５０内においてもの燃料ガスの振動を生じさせることができる。

上述した第２実施例の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給マニホールド３５０内においても、両端から燃料ガスを交互に導入させることにより、燃料ガスの振動を生じさせることができる。従って、燃料ガス供給マニホールド３５０内における燃料ガスの局所的な欠乏を低減でき、燃料ガスを積層方向に均一に拡散させることができる。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例では、燃料電池の積層方向の一端に、燃料ガス導入口としての燃料ガス供給マニホールドの入口が形成され、他端に、燃料ガス排出マニホールドの出口とは別に、燃料ガス排出マニホールド３６０に接続された燃料ガス導入口が形成された燃料電池システムについて説明する。なお、第３実施例において、第１実施例と同一の符号を付した各構成要素は、第１実施例において説明した各構成要素と同一の構成、機能を備える。

Ｃ１．燃料ガスの拡散について：
図１０は、第３実施例における燃料電池の模式図である。第３実施例の燃料電池１０１ｂは、単セルを複数積層した積層体１０１と、エンドプレート１０５とエンドプレート１０６ｂとを備える。積層体１０１には、各単セルに形成された貫通孔およびエンドプレート１０５に形成された燃料ガス導入口２００および燃料ガス排出口２０１により、燃料ガス供給マニホールド３５０、燃料ガス排出マニホールド３６０が構成されている。

エンドプレート１０６ｂには、燃料ガス排出マニホールド３６０に接続するように、貫通孔２０３が形成されている。貫通孔２０３には、高圧燃料ガスタンク１０と接続されている燃料ガス配管が接続されている。貫通孔２０３は、燃料ガス排出マニホールドへ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口として利用される。以降、貫通孔２０３を燃料ガス導入口２０３と呼ぶ。

燃料ガス導入口２０３に接続されている燃料ガス配管の燃料ガス導入口２０３近傍には、インジェクタ２７が配置されている。

第３実施例では、燃料電池の起動時、制御ユニット１１０は、インジェクタ２４，インジェクタ２７を所定の間隔で交互に開く。燃料ガスは、燃料ガス導入口２００から燃料ガス供給マニホールド３５０に供給され、燃料ガス導入口２０３から燃料ガス排出マニホールド３６０に交互に導入される。

燃料ガス排出マニホールドのエンドプレート１０６ｂ近傍は燃料ガス導入口２００から離れているため、燃料ガス導入口２００から導入される燃料ガスが到達しにくい。従って、燃料ガスの到達しにくい燃料ガス排出マニホールド３６０のエンドプレート１０６ｂ近傍に、エンドプレート１０６ｂ側から燃料ガスを導入することにより、燃料ガスの拡散を補助する。

上述した第３実施例の燃料電池システムによれば、燃料ガス供給マニホールド３５０の燃料ガス導入口２００から導入された燃料ガスが到達しにくい部位から燃料ガスを導入することができる。従って、燃料ガスの拡散を補助でき、局所的な燃料ガスの欠乏を低減できる。

Ｄ．第４実施例：
第４実施例では、燃料ガス導入口２００、燃料ガス排出口２０１および燃料ガス導入口２０２から、燃料ガスを導入可能な燃料電池システムについて説明する。

Ｄ１．燃料ガスの拡散について：
図１１は、第４実施例における燃料電池の模式図である。第４実施例の燃料電池１０１ｃは、単セルを複数積層した積層体１０１と、エンドプレート１０５とエンドプレート１０６ａとを備える。積層体１０１には、各単セルに形成された貫通孔およびエンドプレート１０５に形成された燃料ガス導入口２００および燃料ガス排出口２０１により、燃料ガス供給マニホールド３５０、燃料ガス排出マニホールド３６０が構成されている。

エンドプレート１０６ａには、燃料ガス供給マニホールド３５０に接続するように、貫通孔２０２が形成されている。貫通孔２０２には、高圧燃料ガスタンク１０と接続されている燃料ガス配管が接続されている。貫通孔２０２は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口として利用される。以降、貫通孔２０２を燃料ガス導入口２０２と呼ぶ。

燃料ガス導入口２００に対応してインジェクタ２４が配置されており、燃料ガス排出口２０１に対応してインジェクタ２５が配置されており、燃料ガス導入口２０２に対応しインジェクタ２６が配置されている。

第４実施例では、燃料電池の起動時、制御ユニット１１０は、インジェクタ２４とインジェクタ２５を所定の間隔で交互に開く。インジェクタ２６は、インジェクタ２５と同時に開閉する。燃料ガスは、燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１とからアノード３１２面内へ交互に導入されるとともに、燃料ガス導入口２００と燃料ガス導入口２０２とから燃料ガス供給マニホールド３５０に交互に導入される。

以上説明した第４実施例の燃料電池システムによれば、アノード面内と積層方向に伸びる燃料電池供給マニホールド内において、燃料ガスの振動を生じさせることができ、燃料ガスの拡散効率を向上できる。

Ｅ．変形例：
（１）上述の各実施例では、インジェクタを開閉することにより２つの燃料ガス導入口から燃料電池へ交互に燃料ガスを導入しているが、例えば、燃料ガス配管上に配置されている燃料ガスポンプの回転方向を順方向と逆方向とに交互に回転させて、燃料ガスの振動を発生させてもよい。

図１２は、変形例における燃料電池システムを例示する説明図である。燃料ガスポンプ４５は、太線矢印ＡＲ１０に示すように、順方向に回転している間、燃料ガスを燃料ガス供給配管３２および燃料ガス導入口２００を介して燃料電池内へ送り、逆方向に回転している間、燃料ガスを燃料ガス排出配管３３および燃料ガス排出口２０１を介して燃料電池内へ送る。

上述の変形例によれば、燃料ガス導入口２００と燃料ガス排出口２０１とから燃料電池１００へ燃料ガスを交互に導入できる。よって、インジェクタを配置することなく、燃料電池内において燃料ガスの振動を発生させることができる。

（２）上述の第１実施例では、インジェクタ２４とインジェクタ２５とを交互に開閉して、燃料ガス供給マニホールド３５０の入口と燃料ガス排出マニホールドの出口とから交互に燃料ガスを導入しているが、例えば、インジェクタを設けずに、シャットバルブ２０と排出バルブ２２とを交互に開閉して、燃料電池内に燃料ガスの振動を生じさせてもよい。

（３）上述の第４実施例では、燃料電池の積層方向の一端に形成された燃料ガス供給マニホールド３５０の入口と、燃料電池の積層方向の他端に形成され、燃料ガス排出マニホールドに接続された燃料ガス導入口とから燃料ガスを導入しているが、例えば、これに加えて、燃料ガス排出マニホールドの出口からも燃料ガスを導入してもよい。

（４）第１実施例〜第３実施例では、燃料ガス導入口を２つ用い、第４実施例では、燃料ガス導入口を３つ用いているが、例えば、４つ以上の燃料ガス導入口を用いて燃料ガスを導入しても酔い。

（５）第１実施例〜第４実施例では、複数の燃料ガス導入口から燃料ガスを交互に導入しているが、交互に導入しなくてもよい。各燃料ガス導入口からの燃料ガス導入のタイミングがずれていればよい。

（６）上述の実施例では、燃料電池は一対のセパレータで膜電極接合体を狭持した単セルを複数積層して構成されているが、例えば、３層積層型のセパレータを用いて、膜電極接合体を有する発電ユニットと３層積層型セパレータとを交互に積層して構成してもよい。

（７）燃料電池システムにおいて、燃料ガス導入口が３つ以上形成されている場合には、各燃料ガス導入口からの燃料ガス導入タイミングはずれていてもよい。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができることは言うまでもない。

第１実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図。 第１実施例における燃料電池の単セルの構成を例示する分解斜視図。 第１実施例における単セルの断面を模式的に示す断面図。 第１実施例における燃料電池の模式図。 第１実施例におけるインジェクタ開閉タイミングを例示するタイミングチャート。 第１実施例における燃料ガスの拡散について説明する模式図。 第１実施例における燃料電池への燃料ガスの圧力について例示するグラフ。 第１実施例における燃料ガスの拡散の効果を例示するグラフ。 第２実施例における燃料電池の模式図。 第３実施例における燃料電池の模式図。 第４実施例における燃料電池の模式図。 変形例における燃料電池システムを例示する説明図。

符号の説明

１０…高圧燃料ガスタンク
２０…シャットバルブ
２１…逆止弁
２２…燃料ガス排出孔
２２…排出バルブ
２３…減圧バルブ
２４、２５、２６、２７…インジェクタ
２８、２９…シャットバルブ
３１、３２…燃料ガス供給配管
３３…燃料ガス排出配管
３４…燃料ガス排出管
３５…酸化ガス供給配管
３６…酸化ガス排出配管
３７…配管
４０…フィルタ
４１…コンプレッサ
４２…加湿器
４３…マフラ
４４…希釈器
４５…燃料ガスポンプ
４６…ポンプ
８０…ラジエータ
１００…燃料電池
１０１…積層体
１０１ａ…燃料電池
１０１ｂ…燃料電池
１０５、１０６、１０６ａ、１０６ｂ…エンドプレート
１１０…制御ユニット
２００…燃料ガス導入口
２０１…燃料ガス排出口
２０２…燃料ガス導入口
２０３…燃料ガス導入口
２１０…酸化ガス導入口
２１１…酸化ガス排出口
３００…単セル
３１１…電解質膜
３１２…アノード
３１３…カソード
３２０…セパレータ
３２１…燃料ガス供給孔
３２２…燃料ガス排出孔
３２３…酸化ガス供給孔
３２４…酸化ガス排出孔
３２５…冷却水供給孔
３２６…冷却水排出孔
３２７…流路形成部
３２８…酸化ガス流路
３３０…セパレータ
３３３…酸化ガス供給孔
３３４…酸化ガス排出孔
３３５…冷却水供給孔
３３６…冷却水排出孔
３３７…流路形成部
３５０…燃料ガス供給マニホールド
３６０…燃料ガス排出マニホールド
４００…タイミングチャート
５０１…燃料ガス
５０５…酸化ガス
６００…グラフ
６０１…グラフ
６０２…グラフ
７００…グラフ
７０１…グラフ
７０２…グラフ

Claims (8)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスの導入に用いられる複数の燃料ガス導入口を有する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給するための燃料ガスを貯蔵する燃料ガス源と、
   前記燃料ガス源と前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに接続された燃料ガス配管と、
   前記複数の燃料ガス導入口のそれぞれに対応して前記燃料ガス配管に設置され、前記燃料ガス配管から前記燃料電池への前記燃料ガスの導入を制御する複数の導入制御弁と、
   前記燃料電池の動作状態に関する動作情報を取得する情報取得手段と、
   前記動作情報に基づき、前記複数の導入制御弁のうち少なくとも２つの導入制御弁を交互に開くように制御する弁制御手段と、を備え、
   前記情報取得手段は、前記燃料電池のアノードにおける前記燃料ガスの量に関する情報を前記動作情報として取得し、
   前記弁制御手段は、前記燃料電池の起動時に、前記アノードにおける前記燃料ガスが所定量未満の場合に、前記燃料電池の起動の処理において、前記少なくとも２つの導入制御弁を交互に開くように制御する燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの停止後の経過時間を測定するタイマー、前記アノードにおける燃料ガスの濃度を測定する水素濃度センサおよび前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定手段の少なくとも１つを含む、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
   前記少なくとも２つの燃料ガス導入口のうちの第１の燃料ガス導入口および第２の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
   前記弁制御手段は、前記複数の導入制御弁のうち、前記燃料ガス供給マニホールドの入口に対応して配置された第１の導入制御弁と、前記燃料ガス排出マニホールドの出口に対応して配置された第２の導入制御弁とを制御する、燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
   前記第１の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、
   前記第１の燃料ガス導入口および前記第２の燃料ガス導入口とは異なる第３の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成され、前記燃料ガス供給マニホールドに連通しており、
   前記弁制御手段は、更に、前記第１の燃料ガス導入口と前記第３の導入口とを異なるタイミングで開閉する、燃料電池システム。
5. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、膜電極接合体とセパレータとからなる発電ユニットを複数積層した構成を有しており、
   少なくとも２つの燃料ガス導入口のうちの第１の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の一端に形成されており、第２の燃料ガス導入口は、前記燃料電池の積層方向の他端に形成されており、
   前記弁制御手段は、前記第１の燃料ガス導入口および前記第２の燃料ガス導入口に対応付けられている第１の導入制御弁および第２の導入制御弁を制御する、燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記燃料電池の内部流路に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールドおよび前記燃料電池の内部流路から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドを有し、
   前記第１の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口もしくは前記燃料ガス排出マニホールドの出口であり、
   前記第２の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドもしくは前記燃料ガス排出マニホールドのうち、前記第１の燃料ガス導入口が用いられているマニホールドに連通している、燃料電池システム。
7. 請求項５記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口と前記燃料ガス排出マニホールドの出口とが同一端となるように構成されており、
   前記第１の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス供給マニホールドの入口であり、
   前記第２の燃料ガス導入口は、前記燃料ガス排出マニホールドに連通している、燃料電池システム。
8. 請求項１ないし請求項７いずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記情報取得手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記動作情報を取得する、燃料電池システム。

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