JP5385525B2

JP5385525B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5385525B2
Application number: JP2007297144A
Authority: JP
Inventors: 修二佐藤; 健太郎名越
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: JP2009123559A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）と、この膜電極構造体を挟持する一対のセパレータと、を備える。
また、この燃料電池には、水素排出連通孔、水素供給連通孔、エア供給連通孔、およびエア排出連通孔が設けられており、これらの連通孔は、セルの積層方向に沿って延びている。このうち、水素供給連通孔には、水素供給口を通して水素ガスが供給され、エア供給連通孔には、エア供給口を通して空気が供給される。

膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

アノード電極側のセパレータには、水素流通溝が形成され、この水素流通溝は、上述の水素供給連通孔および水素排出連通孔に連通している。
カソード電極側のセパレータには、空気流通溝が形成され、この空気流通溝は、上述のエア供給連通孔およびエア排出連通孔に連通している。

以上の燃料電池システムは、以下のように動作する。
エア供給連通孔に空気を供給すると、この供給された空気は、エア供給連通孔から空気流通溝に導入されて、カソード電極に沿って流通する。また、水素供給連通孔に水素ガスを供給すると、この供給された水素ガスは、水素供給連通孔から水素流通溝に導入されて、アノード電極に沿って流通する。

これにより、アノード電極に水素ガスが供給され、カソード電極に酸素を含む空気が供給されて、電気化学反応により発電する。
その後、カソード電極で消費された空気は、エア排出連通孔に流入し、排出される。また、アノード電極で消費された水素ガスは、水素排出連通孔に流入し、排出される。
特開２００６−３２０５４号公報

ところで、燃料電池システムを停止させると、燃料電池システムの停止時間が長くなるに従って、燃料電池システム内に外気が流入したり、アノード電極内にていわゆるクロスリークが生じたりする。クロスリークとは、カソード電極内に含まれる窒素が電解質膜を透過してアノード電極に到達し、アノード電極内の残留水素が電解質膜を透過してカソード電極に到達する現象である。その結果、燃料電池のアノード電極では水素濃度が低下して窒素濃度が上昇し、カソード電極では酸素濃度が低下して窒素濃度が上昇する。
そこで、燃料電池システムを起動させる際、水素供給口を通して水素供給連通孔に水素ガスを供給することで、水素濃度の低いガスを置換して、アノード電極の水素濃度を上昇させる。また、エア供給口を通してエア供給連通孔に空気を供給することで、酸素濃度の低いガスを置換して、カソード電極の酸素濃度を上昇させる。

しかしながら、水素ガスを水素供給連通孔に供給すると、この水素供給連通孔内に残存するガスを置換するのに時間がかかり、積層された多数のセルのうち水素供給口に近いセルでは、水素濃度が短時間で上昇するが、水素供給口から離れたセルでは、圧力損失が大きくなるため、水素濃度がなかなか上昇しない。

同様に、空気をエア供給連通孔に供給すると、このエア供給連通孔内に残存するガスを置換するのに時間がかかり、積層された多数のセルのうちエア供給口に近いセルでは、酸素濃度が短時間で上昇するが、エア供給口から離れたセルでは、圧力損失が大きくなるため、酸素濃度がなかなか上昇しない。
その結果、燃料電池システムの起動時間が長期化する、という問題があった。

本発明は、短時間で起動できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電するセル（例えば、後述のセル２０）が複数積層された燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのアノード電極（例えば、後述のアノード電極３２）に燃料ガスを導入する燃料ガス導入路（例えば、後述の水素供給連通孔５４）と、該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された燃料ガスが流通する燃料排ガス導出路（例えば、後述の水素排出連通孔５３）と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス導入路には、燃料ガス導入口（例えば、後述の水素供給口６４）を通して燃料ガスが供給され、前記燃料ガス導入路の該燃料ガス導入口とは反対側に位置する燃料ガス抜き口（例えば、後述の水素ガス抜き口７４）から前記燃料電池の外部に延びる燃料ガス抜き路（例えば、後述の水素ガス抜き路８３）と、該燃料ガス抜き路を開閉可能な燃料ガス抜き路開閉手段（例えば、後述の水素ガス抜き弁８３１）と、該燃料ガス抜き路開閉手段を制御する制御手段（例えば、後述の制御装置９０）と、をさらに備え、該燃料ガス抜き口の圧力損失は、燃料ガスが前記燃料ガス導入路から前記積層されたセルのアノード電極側を通って前記燃料排ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、前記制御手段は、システムを起動する場合、前記燃料ガス抜き路開閉手段を一時的に開放することを特徴とする。

この発明によれば、燃料ガス抜き口から燃料電池の外部に延びる燃料ガス抜き路と、この燃料ガス抜き路を開閉する燃料ガス抜き路開閉手段と、を設けた。
よって、燃料電池システムを起動する際に、燃料ガス導入口を通して燃料ガスを燃料ガス導入路内に供給するとともに、燃料ガス抜き路開閉手段を一時的に開放する。すると、燃料ガス導入路内に残存するガスは、供給された燃料ガスに押し出されて、燃料ガス抜き口から燃料ガス抜き路を通って外部に排出される。よって、燃料ガス導入路内に残存するガスを迅速に置換できるから、システムを短時間で起動できる。

この場合、前記制御手段は、前記燃料ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度に基づいて、前記燃料ガス抜き路開閉手段の開放時間を決定することが好ましい。

上述のように、燃料ガスを燃料ガス導入路内に供給すると、燃料ガス導入路内に残存するガスは、供給された燃料ガスに押し出されて、燃料ガス抜き口から排出される。
そこで、この発明によれば、燃料ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度に基づいて、燃料ガス抜き路開閉手段の開放時間を決定した。よって、燃料ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度を監視することで、燃料ガス導入路内のガスの置換が完了したことを容易に検知できる。

この場合、前記制御手段は、前記燃料電池が前回停止してから今回起動するまでの停止時間が所定時間以上である場合にのみ、前記燃料ガス抜き路開閉手段を開放することが好ましい。

燃料ガス導入路内の燃料ガスの濃度は、前回停止した後に徐々に低下するので、停止時間が短い場合には、燃料ガスの濃度が十分に低下しておらず、燃料ガス導入路内に残存するガスを置換する必要がない。
そこで、この発明によれば、前回停止してから今回起動するまでの停止時間が所定時間以上である場合にのみ、燃料ガス抜き路開閉手段を開放した。よって、燃料ガス導入路内に残存するガスを効率よく置換できる。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電するセルが複数積層された燃料電池と、該燃料電池に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのカソード電極（例えば、後述のカソード電極３３）に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入路（例えば、後述のエア供給連通孔５１）と、該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された酸化剤ガスが流通する酸化剤排ガス導出路（例えば、後述のエア排出連通孔５６）と、を備える燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス導入路には、酸化剤ガス導入口（例えば、後述のエア供給口６１）を通して酸化剤ガスが供給され、前記酸化剤ガス導入路の該酸化剤ガス導入口とは反対側に位置する酸化剤ガス抜き口（例えば、後述のエアガス抜き口７１）から前記燃料電池の外部に延びる酸化剤ガス抜き路（例えば、後述のエアガス抜き路８２）と、該酸化剤ガス抜き路を開閉可能な酸化剤ガス抜き路開閉手段（例えば、後述のエアガス抜き弁８２１）と、該酸化剤ガス抜き路開閉手段を制御する制御手段（例えば、後述の制御装置９０）と、をさらに備え、該酸化剤ガス抜き口の圧力損失は、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス導入路から前記積層されたセルのカソード電極側を通って前記酸化剤ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、前記制御手段は、システムを起動する場合、前記酸化剤ガス抜き路開閉手段を一時的に開放することを特徴とする。

この発明によれば、酸化剤ガス抜き口から燃料電池の外部に延びる酸化剤ガス抜き路と、この酸化剤ガス抜き路を開閉する酸化剤ガス抜き路開閉手段と、を設けた。
よって、燃料電池システムを起動する際に、酸化剤ガス導入口を通して酸化剤ガスを酸化剤ガス導入路内に供給するとともに、酸化剤ガス抜き路開閉手段を一時的に開放する。すると、酸化剤ガス導入路内に残存するガスは、供給された酸化剤ガスに押し出されて、酸化剤ガス抜き口から酸化剤ガス抜き路を通って外部に排出される。よって、酸化剤ガス導入路内に残存するガスを迅速に置換できるから、システムを短時間で起動できる。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電するセルが複数積層された燃料電池と、該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのアノード電極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入路と、該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された燃料ガスが流通する燃料排ガス導出路と、該燃料電池に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのカソード電極に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入路と、該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された酸化剤ガスが流通する酸化剤排ガス導出路と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス導入路には、燃料ガス導入口を通して燃料ガスが供給され、前記酸化剤ガス導入路には、酸化剤ガス導入口を通して酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガス導入路の該燃料ガス導入口とは反対側に位置する燃料ガス抜き口から前記燃料電池の外部に延びる燃料ガス抜き路と、前記酸化剤ガス導入路の該酸化剤ガス導入口とは反対側に位置する酸化剤ガス抜き口から前記燃料電池の外部に延びる酸化剤ガス抜き路と、該燃料ガス抜き路および該酸化剤ガス抜き路を開閉可能な燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段と、該燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段を制御する制御手段と、をさらに備え、該燃料ガス抜き口の圧力損失は、燃料ガスが前記燃料ガス導入路から前記積層されたセルのアノード電極側を通って前記燃料排ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、該酸化剤ガス抜き口の圧力損失は、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス導入路から前記積層されたセルのカソード電極側を通って前記酸化剤ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、前記制御手段は、システムを起動する場合、前記燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段を一時的に開放することを特徴とする。

この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。

この場合、前記制御手段は、前記燃料ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度および前記酸化剤ガス抜き口近傍の酸化剤ガスの濃度に基づいて、前記燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段の開放時間を決定することが好ましい。

この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。

この場合、前記制御手段は、前記燃料電池が前回停止してから今回起動するまでの停止時間が所定時間以上である場合にのみ、前記燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段を開放することが好ましい。

この発明によれば、上述の効果と同様の効果がある。

この場合、前記制御手段は、前記燃料ガス抜き路開閉手段を開放した後に、前記酸化剤ガス抜き路開閉手段を開放することが好ましい。

この発明によれば、燃料ガス抜き路開閉手段を開放した後に、酸化剤ガス抜き路開閉手段を開放したので、耐久性を確保できる。

本発明によれば、燃料ガス抜き口から燃料電池の外部に延びる燃料ガス抜き路と、この燃料ガス抜き路を開閉する燃料ガス抜き路開閉手段と、を設けた。よって、燃料電池システムを起動する際に、燃料ガス導入口を通して燃料ガスを燃料ガス導入路内に供給するとともに、燃料ガス抜き路開閉手段を一時的に開放する。すると、燃料ガス導入路内に残存するガスは、供給された燃料ガスに押し出されて、燃料ガス抜き口から燃料ガス抜き路を通って外部に排出される。よって、燃料ガス導入路内に残存するガスを迅速に置換できるから、システムを短時間で起動できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスや酸化剤ガスとしてのエア（空気）を供給または排出する供給装置８０と、これら燃料電池１０および供給装置を制御する制御手段としての制御装置９０と、を有する。
なお、燃料電池システム１に設けられた燃料電池１０は１つであるが、図１では、理解を容易にするため、燃料電池１０をアノード系とカソード系に分けて図示している。

図２は、燃料電池１０の分解斜視図である。
すなわち、燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセル２０が積層されたスタック構造の積層体２１と、この積層体２１の両端面に設けられた一対のエンドプレート２２、２３と、を備える。これら一対のエンドプレート２２、２３は、図示しない締め付けボルトにより互いに接近する方向に締め付けられる。

各セル２０は、膜電極構造体（ＭＥＡ）３０と、このＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ４０Ａ、４０Ｂと、で構成される。

膜電極構造体３０は、固体高分子膜３１と、この固体高分子膜３１を挟持するアノード電極（陽極）３２およびカソード電極（陰極）３３と、で構成される。
アノード電極３２およびカソード電極３３は、それぞれ、固体高分子膜３１に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層と、から形成される。

各セル２０の幅方向一端側には、このセル２０の表裏を貫通して、酸化剤ガス導入路としてのエア供給連通孔５１、冷媒供給連通孔５２、および、燃料排ガス導出路としての水素排出連通孔５３が設けられている。

一方、各セル２０の幅方向他端側には、このセル２０の表裏を貫通して、燃料ガス導入路としての水素供給連通孔５４、冷媒排出連通孔５５、および、酸化剤排ガス導出路としてのエア排出連通孔５６が設けられている。
これらセル２０の連通孔５１〜５６は、隣接するセル２０の連通孔５１〜５６に接続される。これにより、連通孔５１〜５６はセル２０の積層方向に沿って延びることになる。

セパレータ４０Ａは、アノード電極３２に接合されており、セパレータ４０Ｂは、カソード電極３３に接合されている。
セパレータ４０Ａのアノード電極３２側には、水素流通溝４１が形成され、この水素流通溝４１は、上述の水素供給連通孔５４および水素排出連通孔５３に連通している。
セパレータ４０Ｂのカソード電極３３側には、エア流通溝４２が形成され、このエア流通溝４２は、上述のエア供給連通孔５１およびエア排出連通孔５６に連通している。
また、互いに隣り合うセパレータ４０Ａとセパレータ４０Ｂとの間には、冷媒流通溝４３が形成され、この冷媒流通溝４３は、冷媒供給連通孔５２および冷媒排出連通孔５５に連通している。

エンドプレート２２の幅方向一端側には、配管マニホールド６０Ａが取り付けられ、幅方向他端側には、配管マニホールド６０Ｂが取り付けられている。
配管マニホールド６０Ａには、セル２０のエア供給連通孔５１、冷媒供給連通孔５２、および水素排出連通孔５３に連通する、酸化剤ガス導入口としてのエア供給口６１、冷媒供給口６２、および水素排出口６３が形成されている。
配管マニホールド６０Ｂには、セル２０の水素供給連通孔５４、冷媒排出連通孔５５、およびエア排出連通孔５６に連通する、燃料ガス導入口としての水素供給口６４、冷媒排出口６５、およびエア排出口６６が形成されている。

エンドプレート２３の幅方向一端側には、配管マニホールド７０Ａが取り付けられ、幅方向他端側には、配管マニホールド７０Ｂが取り付けられている。
配管マニホールド７０Ａには、エア供給連通孔５１に連通する酸化剤ガス抜き口としてのエアガス抜き口７１が形成されている。このエアガス抜き口７１は、エア供給連通孔５１において、エア供給口６１とは反対側に位置することになる。

配管マニホールド７０Ｂには、水素供給連通孔５４に連通する燃料ガス抜き口としての水素ガス抜き口７４が形成されている。この水素ガス抜き口７４は、水素供給連通孔５４において、水素供給口６４とは反対側に位置することになる。

以上の燃料電池１０は、以下のように動作する。
エア供給口６１を介して、エア供給連通孔５１にエアが供給される。すると、この供給されたエアは、図２に示すように、エア供給連通孔５１からエア流通溝４２に導入されて、カソード電極３３に沿って流通する。
また、水素供給口６４を介して、水素供給連通孔５４に水素ガスが供給される。すると、この供給された水素ガスは、図２に示すように、水素供給連通孔５４から水素流通溝４１に導入されて、アノード電極３２に沿って流通する。

これにより、アノード電極３２側に水素ガスが供給され、カソード電極３３側に酸素を含むエアが供給されて、電気化学反応により発電する。

その後、カソード電極３３において消費されたエアは、エア排出連通孔５６に流入し、エア排出口６６を介して排出される。また、アノード電極３２において消費された水素ガスは、水素排出連通孔５３に流入し、水素排出口６３を介して排出される。

また、冷媒供給口６２を介して、冷媒供給連通孔５２に水素ガスが供給される。すると、この供給された冷媒は、図２に示すように、冷媒供給連通孔５２から冷媒流通溝４３に導入されて流通する。その後、この冷媒は、冷媒排出連通孔５５に流入し、冷媒排出口６５を介して排出される。

図１に戻って、供給装置８０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給する図示しないエアポンプ、アノード電極側に水素ガスを供給する図示しない水素タンクのほか、燃料電池１０から排出されたエア排ガスや水素排ガスを処理する希釈器８１を含んで構成される。

燃料電池１０のエアガス抜き口７１には、酸化剤ガス抜き路としてのエアガス抜き路８２が接続され、このエアガス抜き路８２は、希釈器８１に接続されている。エアガス抜き口７１の圧力損失は、エアがエア供給連通孔５１から積層されたセル２０のカソード電極３３側を通ってエア排出連通孔５６に至る圧力損失よりも小さくなっている。
また、このエアガス抜き路８２には、酸化剤ガス抜き路開閉手段としてのエアガス抜き弁８２１が設けられている。

燃料電池１０の水素ガス抜き口７４には、燃料ガス抜き路としての水素ガス抜き路８３が接続され、この水素ガス抜き路８３は、希釈器８１に接続されている。水素ガス抜き口７４の圧力損失は、水素ガスが水素供給連通孔５４から積層されたセル２０のアノード電極３２側を通って水素排出連通孔５３に至る圧力損失よりも小さくなっている。
また、この水素ガス抜き路８３には、燃料ガス抜き路開閉手段としての水素ガス抜き弁８３１が設けられている。

希釈器８１は、外部に連通しており、水素ガス抜き路８３を流通して流入する水素ガスを、エアガス抜き路８２を流通して流入するエアで希釈して、外部に排出する。

図３は、ガス流量と、ガス抜き口７１、７４およびセル２０の圧力損失との関係を示す図である。
図３に示すように、ガス流量が増大するに従って、ガス抜き口７１、７４の圧力損失およびセル２０の圧力損失は増大する。ここで、セル２０の圧力損失の増加率は、ガス抜き口７１、７４の圧力損失の増加率よりも常に大きくなっている。
よって、セル２０の圧力損失は、ガス抜き口７１、７４の圧力損失よりも常に大きく、ガス流量が大きくなるに従って、セル２０の圧力損失とガス抜き口７１、７４の圧力損失との差分が大きくなることが判る。

制御装置９０は、燃料電池システム１を起動する場合、エアガス抜き弁８２１および水素ガス抜き弁８３１を一時的に開放する。
具体的には、制御装置９０は、燃料電池システム１を起動する場合、燃料電池１０が前回停止してから今回起動するまでの時間を測定する。この測定した時間が所定時間以上であるか否かを判定し、この判定がＹＥＳの場合には、ガス抜き弁８２１、８３１を一時的に開放し、ＮＯの場合には、ガス抜き弁８２１、８３１を開放しない。

そして、ガス抜き弁８２１、８３１を開放する場合、水素ガス抜き口７４近傍の水素濃度およびエアガス抜き口７１近傍の酸素濃度に基づいて、開放時間を決定する。
開放時間が決定した後、水素ガス抜き弁８３１を開放し、その後、エアガス抜き弁８２１を開放する。

図４は、燃料電池システム１の動作のタイミングチャートである。
時刻ｔ_０では、イグニッションをオンすると同時に、水素排出連通孔５３に対する水素ガスの供給およびエア供給連通孔５１に対するエアの供給を開始する。
次に、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの期間、ガス抜き弁８２１、８３１を開放し、水素ガスの供給量をｆ_１とし、エアの供給量をｆ_２とする。これにより、水素排出連通孔５３内のガスおよびエア供給連通孔５１内のガスが置換される。
時刻ｔ_２では、ガスの置換が完了したので、ガス抜き弁８２１、８３１を閉鎖し、時刻ｔ_３以降、燃料電池１０の発電を開始し、電力を供給する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）水素ガス抜き口７４から燃料電池１０の外部に延びる水素ガス抜き路８３と、この水素ガス抜き路８３を開閉する水素ガス抜き弁８３１と、を設けた。
よって、燃料電池システム１を起動する際に、水素供給口６４を通して水素ガスを水素供給連通孔５４内に供給するとともに、水素ガス抜き弁８３１を一時的に開放する。すると、水素供給連通孔５４内に残存するガスは、供給された水素ガスに押し出されて、水素ガス抜き口７４から水素ガス抜き路８３を通って外部に排出される。よって、水素供給連通孔５４内に残存するガスを迅速に置換できるから、燃料電池システム１を短時間で起動できる。

（２）エアガス抜き口７１から燃料電池１０の外部に延びるエアガス抜き路８２と、このエアガス抜き路８２を開閉するエアガス抜き弁８２１と、を設けた。
よって、燃料電池システム１を起動する際に、エア供給口６１を通してエアをエア供給連通孔５１内に供給するとともに、エアガス抜き弁８２１を一時的に開放する。すると、エア供給連通孔５１内に残存するガスは、供給されたエアに押し出されて、エアガス抜き口７１からエアガス抜き路８２を通って外部に排出される。よって、エア供給連通孔５１内に残存するガスを迅速に置換できるから、燃料電池システム１を短時間で起動できる。

（３）水素ガス抜き口７４近傍の水素濃度およびエアガス抜き口７１近傍の酸素濃度に基づいて、水素ガス抜き弁８３１の開放時間を決定した。よって、水素ガス抜き口７４近傍の水素濃度およびエアガス抜き口７１近傍の酸素濃度を監視することで、水素供給連通孔５４およびエア供給連通孔５１内のガスの置換が完了したことを容易に検知できる。

（４）前回停止してから今回起動するまでの停止時間が所定時間以上である場合にのみ、水素ガス抜き弁８３１およびエアガス抜き弁８２１を開放した。よって、水素供給連通孔５４およびエア供給連通孔５１内に残存するガスを効率よく置換できる。

（５）水素ガス抜き弁８３１を開放した後に、エアガス抜き弁８２１を開放したので、耐久性を確保できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、水素ガス抜き口７４近傍の水素濃度およびエアガス抜き口７１近傍の酸素濃度に基づいて、開放時間を決定したが、これに限らず、希釈器８１内の水素濃度に基づいて開放時間を決定してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。前記実施形態に係る燃料電池システムについて、ガス流量とガス抜き口およびセルの圧力損失との関係を示す図である。前記実施形態に係る燃料電池システムの動作のタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
２０セル
３２アノード電極
３３カソード電極
５１エア供給連通孔（酸化剤ガス導入路）
５３水素排出連通孔（燃料排ガス導出路）
５４水素供給連通孔（燃料ガス導入路）
５６エア排出連通孔（酸化剤ガス導出路）
６１エア供給口（酸化剤ガス導入口）
６４水素供給口（燃料ガス導入口）
７１エアガス抜き口（酸化剤ガス抜き口）
７４水素ガス抜き口（燃料ガス抜き口）
８２エアガス抜き路（酸化剤ガス抜き路）
８３水素ガス抜き路（燃料ガス抜き路）
９０制御装置（制御手段）
８２１エアガス抜き弁（酸化剤ガス抜き路開閉手段）
８３１水素ガス抜き弁（燃料ガス抜き路開閉手段）

Claims

燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電するセルが複数積層された燃料電池と、
該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのアノード電極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入路と、
該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された燃料ガスが流通する燃料排ガス導出路と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス導入路には、該燃料ガス導入路の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された燃料ガス導入口、および該燃料ガス導入路の前記セルの積層方向の反対側の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された燃料ガス抜き口が設けられるとともに、前記燃料ガス導入口を通して燃料ガスが供給され、
前記燃料ガス導入路の前記燃料ガス抜き口から前記燃料電池の外部に延びる燃料ガス抜き路と、
該燃料ガス抜き路を開閉可能な燃料ガス抜き路開閉手段と、
該燃料ガス抜き路開閉手段を制御する制御手段と、をさらに備え、
該燃料ガス抜き口の圧力損失は、燃料ガスが前記燃料ガス導入路から前記積層されたセルのアノード電極側を通って前記燃料排ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、
前記制御手段は、システムを起動する場合、前記燃料ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度に基づいて前記燃料ガス抜き路開閉手段の開放時間を決定した後に、前記燃料ガス抜き路開閉手段を前記開放時間だけ開放することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記燃料電池が前回停止してから今回起動するまでの停止時間が所定時間以上である場合にのみ、前記燃料ガス抜き路開閉手段を開放することを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電するセルが複数積層された燃料電池と、
該燃料電池に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのカソード電極に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入路と、
該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された酸化剤ガスが流通する酸化剤排ガス導出路と、を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス導入路には、該酸化剤ガス導入路の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された酸化剤ガス導入口、および該酸化剤ガス導入路の前記セルの積層方向の反対側の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された酸化剤ガス抜き口が設けられるとともに、前記酸化剤ガス導入口を通して酸化剤ガスが供給され、
前記酸化剤ガス導入路の前記酸化剤ガス抜き口から前記燃料電池の外部に延びる酸化剤ガス抜き路と、
該酸化剤ガス抜き路を開閉可能な酸化剤ガス抜き路開閉手段と、
該酸化剤ガス抜き路開閉手段を制御する制御手段と、をさらに備え、
該酸化剤ガス抜き口の圧力損失は、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス導入路から前記積層されたセルのカソード電極側を通って前記酸化剤排ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、
前記制御手段は、システムを起動する場合、前記酸化剤ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度に基づいて前記酸化剤ガス抜き路開閉手段の開放時間を決定した後に、前記酸化剤ガス抜き路開閉手段を前記開放時間だけ開放することを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガスおよび酸化剤ガスの反応により発電するセルが複数積層された燃料電池と、
該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのアノード電極に燃料ガスを導入する燃料ガス導入路と、
該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された燃料ガスが流通する燃料排ガス導出路と、
該燃料電池に設けられて前記セルの積層方向に延びており、該積層されたセルのそれぞれのカソード電極に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入路と、
該燃料電池内に設けられて前記セルの積層方向に延びており、前記積層されたセルのそれぞれから排出された酸化剤ガスが流通する酸化剤排ガス導出路と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス導入路には、該燃料ガス導入路の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された燃料ガス導入口、および該燃料ガス導入路の前記セルの積層方向の反対側の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された燃料ガス抜き口が設けられるとともに、前記燃料ガス導入口を通して燃料ガスが供給され、
前記酸化剤ガス導入路には、該酸化剤ガス導入路の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された酸化剤ガス導入口、および該酸化剤ガス導入路の前記セルの積層方向の反対側の一端部に前記セルの積層方向に開口するように形成された酸化剤ガス抜き口が設けられるとともに、前記酸化剤ガス導入口を通して酸化剤ガスが供給され、
前記燃料ガス導入路の前記燃料ガス抜き口から前記燃料電池の外部に延びる燃料ガス抜き路と、
前記酸化剤ガス導入路の前記酸化剤ガス抜き口から前記燃料電池の外部に延びる酸化剤ガス抜き路と、
該燃料ガス抜き路および該酸化剤ガス抜き路を開閉可能な燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段と、
該燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段を制御する制御手段と、をさらに備え、
該燃料ガス抜き口の圧力損失は、燃料ガスが前記燃料ガス導入路から前記積層されたセルのアノード電極側を通って前記燃料排ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、
該酸化剤ガス抜き口の圧力損失は、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス導入路から前記積層されたセルのカソード電極側を通って前記酸化剤排ガス導出路に至る圧力損失よりも小さく、
前記制御手段は、システムを起動する場合、前記燃料ガス抜き口近傍の燃料ガスの濃度および前記酸化剤ガス抜き口近傍の酸化剤ガスの濃度に基づいて、前記燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段の開放時間を決定した後に、前記燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段を前記開放時間だけ開放することを特徴とする燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記燃料電池が前回停止してから今回起動するまでの停止時間が所定時間以上である場合にのみ、前記燃料ガス抜き路開閉手段および酸化剤ガス抜き路開閉手段を開放することを特徴とする燃料電池システム。
請求項４または５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記燃料ガス抜き路開閉手段を開放した後に、前記酸化剤ガス抜き路開閉手段を開放することを特徴とする燃料電池システム。