JP5982825B2

JP5982825B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5982825B2
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Authority: JP
Inventors: 真一宮崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2016-08-31
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Also published as: JP2013140731A

Description

本発明は、複数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成されており、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。

アノード電極：２Ｈ_２→ ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
カソード電極：４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２→ ２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

これら（１）（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用電源として使用する場合、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用される。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。

このような燃料電池システムにおいて発電を継続すると、カソードガスとして使用される空気に含まれる窒素等の不純物ガスがアノード電極側にリークする。アノード系内に不純物ガスが蓄積すると、アノードガスである水素の分圧が下がり、燃料電池の発電電圧が低下する。したがって、燃料電池システムでは、アノード系内の不純物ガスを水素とともに外部にパージする必要がある。

特許文献１には、燃料電池スタックから流出したアノードオフガスを定期的に外部にパージして、アノード系内の不純物ガスを低減させる燃料電池システムが開示されている。

特開２００５−２４３４７７号公報

ここで、燃料電池の電圧低下を抑制するために不純物ガスのパージを頻繁に実行する場合、アノード系内の圧力変動による燃料電池の電解質膜へのダメージが懸念される。一方、電解質膜へのダメージが小さくなるようにパージ回数を減らすと、アノード系内の水素分圧が低下限度に達するまで不純物ガスを排出することができず、パージ前後での電圧変動が大きくなってしまう。

そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池の電解質膜へのダメージを抑制しつつ、パージ前後の電圧変動も抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、アノードガス及びカソードガスを用いて発電する燃料電池を積層して構成される燃料電池スタックを備える燃料電池システムである。この燃料電池システムは、前記積層された燃料電池が二以上のグループに分けられることにより前記燃料電池から流出したアノードオフガスが二以上のグループに分けられ、グループごとにアノードオフガスを外部に排出するようにグループごとに排出機構を備え、前記燃料電池のアノードオフガス排出時期がグループごとに異なるように各排出機構を制御する制御部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、二以上のグループに分けられた燃料電池のアノードオフガス排出時期がグループごとに異なるように排出機構を制御することで、グループごとの燃料電池のアノードオフガスを順次外部に排出することができ、アノード圧変動に起因する燃料電池の電解質膜へのダメージを抑制しつつ、アノードオフガス排出前後（パージ前後）における燃料電池の電圧変動を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池スタック及びアノードオフガス排出機構を示す模式図である。アノード圧、スタック電圧、及びパージ弁開度の変化を示すタイミングチャートである。（Ａ）は第１パージ弁開弁時のガス流れを示す図であり、（Ｂ）は第２パージ弁開弁時のガス流れを示す図である。第１実施形態による燃料電池スタックのスタック電圧変動と、比較例による燃料電池スタックのスタック電圧変動を示す図である。第１実施形態による燃料電池システムの変形例を示す図である。第２実施形態による燃料電池システムの燃料電池スタック及びアノードオフガス排出機構の概略構成図である。第２実施形態による燃料電池スタックのスタック電圧変動と、比較例による燃料電池スタックのスタック電圧変動を示す図である。第３実施形態による燃料電池システムの燃料電池スタック及びアノードオフガス排出機構の概略構成図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略構成図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給装置２と、インバータ３と、駆動モータ４と、バッテリ５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、コントローラ４０と、を備える。

燃料電池スタック１０は、単位セルとしての燃料電池１００を所定枚数積層して構成される。燃料電池スタック１０は横置きされ、燃料電池１００は水平方向に積層される。

燃料電池スタック１０には、アノードガス供給装置２を介してアノードガスが供給され、図示しないカソードガス供給装置を介してカソードガスが供給される。燃料電池スタック１０は、アノードガス（例えば水素）及びカソードガス（例えば空気）の供給を受けて発電し、車両を駆動する駆動モータ４等の各種電気部品に電力を供給する。燃料電池スタック１０は、電力を取り出すための出力端子１１，１２を有している。

アノードガス供給装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、調圧弁２３と、圧力センサ２４と、アノードオフガス排出機構３０と、を備える。

高圧タンク２１は、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。

アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１０に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２の一端は高圧タンク２１に接続され、他端は燃料電池スタック１０のアノードガス入口部に接続される。

調圧弁２３は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁であって、アノードガス供給通路２２に設置される。調圧弁２３は、高圧タンク２１から排出された高圧状態のアノードガスを所定の圧力に調節する。調圧弁２３の開度はコントローラ４０によって制御される。

圧力センサ２４は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２に設置される。圧力センサ２４は、アノードガス供給通路２２を流れるアノードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４で検出されたアノードガスの圧力は、調圧弁２３よりも下流側のアノードガス供給通路２２や各燃料電池１００に設けられるアノードガス流路等を含むアノード系全体の圧力を代表する。

アノードオフガス排出機構３０は、各燃料電池１００から流出するアノードオフガスを外部に排出可能な機構である。アノードオフガスは、燃料電池１００において電気化学反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池１００のカソード電極側からアノード電極側へとリークしてきた窒素や水蒸気等を含む不純物ガスとの混合ガスである。

なお、燃料電池システム１は、アノードオフガス排出機構３０の下流側を閉塞した状態において、燃料電池スタック１０で発電を実行するいわゆるデッドエンド型の燃料電池システムである。

インバータ３は、スイッチ部３Ａ及び平滑コンデンサ３Ｂを備え、出力端子１１，１２を介して燃料電池スタック１０に電気的に接続される。スイッチ部３Ａは、複数のスイッチング素子から構成され、直流を交流に又は交流を直流に変換する。平滑コンデンサ３Ｂは、燃料電池スタック１０と並列に接続されて、スイッチ部３Ａでのスイッチング等によって生じるリプルを抑制する。

駆動モータ４は、三相交流モータである。駆動モータ４は、インバータ３から供給される交流電流によって作動して、車両を駆動させるトルクを発生する。

バッテリ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して、駆動モータ４及び燃料電池スタック１０と電気的に接続される。バッテリ５は、リチウムイオン二次電池等の充放電可能な二次電池である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック１０に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック１０の電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機であり、直流入力から直流出力を得るとともに入力電圧を任意の出力電圧に変換する。

コントローラ４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４０には、圧力センサ２４や、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する電流センサ４１、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する電圧センサ４２、車両に備えられるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ４３、バッテリ５の充電量を検出するＳＯＣセンサ４４からの検出信号が、燃料電池システム１の運転状態を検出するための信号として入力する。

コントローラ４０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁２３の開度を調整して、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの圧力を所定値に制御する。

また、発電に伴ってアノード系内の不純物ガスが増加してアノード分圧（水素分圧）が低下すると燃料電池１００の発電電圧が低下するため、コントローラ４０は、アノードオフガス排出機構３０を制御し、燃料電池１００から流出したアノードオフガスを必要に応じて外部に排出させる。アノードオフガスが外部に排出されることで、アノード系内の不純物ガスが低減し、燃料電池１００の発電電圧が回復する。

図２を参照して、アノードオフガス排出機構３０の構成について説明する。図２は、燃料電池スタック１０及びアノードオフガス排出機構３０を示す模式図である。

図２に示すように、燃料電池スタック１０内には、各燃料電池１００にアノードガスを導く内部マニホールド５０及び各燃料電池１００から流出するアノードオフガスを燃料電池スタック１０外に導く内部マニホールド６０が形成される。

内部マニホールド５０は、燃料電池１００の積層方向に延設された通路である。内部マニホールド５０は、各燃料電池１００に設けられるアノードガス流路の流入部と接続している。アノードガス供給通路２２から内部マニホールド５０に流入したアノードガスは、内部マニホールド５０を通って各燃料電池１００に供給される。

内部マニホールド６０は、燃料電池１００の積層方向に延設された通路である。内部マニホールド６０は、各燃料電池１００のアノードガス流路の流出部と接続している。各燃料電池１００の流出部から内部マニホールド６０に流出したアノードオフガスは、内部マニホールド６０を通って燃料電池スタック１０外に排出される。

アノードオフガス排出機構３０は、各燃料電池１００から流出したアノードオフガスを外部に排出するための機構である。アノードオフガス排出機構３０は、前述した内部マニホールド６０と、内部マニホールド６０を第１分割マニホールド６１及び第２分割マニホールド６２に仕切る仕切壁３３と、第１及び第２分割マニホールド６１，６２に接続する第１及び第２排出通路３１，３２と、第１及び第２排出通路３１，３２に設置される第１及び第２パージ弁３４，３５とから構成されている。

仕切壁３３は、両端開口の通路として形成されている内部マニホールド６０の中央に設けられる。この仕切壁３３によって、内部マニホールド６０は第１分割マニホールド６１と第２分割マニホールド６２との二つに分割される。

第１分割マニホールド６１は、第１分割マニホールド６１が延設されている範囲内の各燃料電池１００から流出したアノードオフガスを、図中左方向に流して燃料電池スタック１０外に導く。一方、第２分割マニホールド６２は、第２分割マニホールド６２が延設されている範囲内の各燃料電池１００から流出したアノードオフガスを、図中右方向に流して燃料電池スタック１０外に導く。このように燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１００は、第１分割マニホールド６１を介してアノードオフガスが排出されるグループと、第２分割マニホールド６２を介してアノードオフガスが排出されるグループとに分けられる。

第１排出通路３１は、第１分割マニホールド６１に接続する通路である。第１排出通路３１の一端は第１分割マニホールド６１の出口部に接続しており、第１排出通路３１の他端は開口端として形成されている。第１排出通路３１の途中には、第１パージ弁３４が設置される。

第１パージ弁３４は、開閉切替弁である。第１パージ弁３４は、流量調整用のオリフィスを備えた開閉切替弁でもよいし、連続的又は段階的に開度を調整可能な電磁弁でもよい。第１パージ弁３４が開かれることで、第１分割マニホールド６１内のアノードオフガスが第１排出通路３１の開口端から外部に排出される。なお、第１パージ弁３４の開度は、燃料電池スタック１０の発電状態に応じてコントローラ４０によって制御される。

第２排出通路３２は、第２分割マニホールド６２に接続する通路である。第２排出通路３２の一端は第２分割マニホールド６２の出口部に接続しており、排出通路３２の他端は開口端として形成されている。第２排出通路３２の途中には、第２パージ弁３５が設置される。

第２パージ弁３５は、開閉切替弁である。第２パージ弁３５は、流量調整用のオリフィスを備えた開閉切替弁でもよいし、連続的又は段階的に開度を調整可能な電磁弁でもよい。第２パージ弁３５が開かれることで、第２分割マニホールド６２内のアノードオフガスが第２排出通路３２の開口端から外部に排出される。なお、第２パージ弁３５の開度は、燃料電池スタック１０の発電状態に応じてコントローラ４０によって制御される。

次に、図３及び図４を参照して、燃料電池システム１でのアノードオフガス排出制御について説明する。

図３（Ａ）〜（Ｃ）は、アノード圧、スタック電圧、及びパージ弁開度の変化を示すタイミングチャートである。図４（Ａ）は第１パージ弁３４開弁時のガス流れを示す図であり、図４（Ｂ）は第２パージ弁３５開弁時のガス流れを示す図である。

図３（Ａ）に示すように、燃料電池システム１では、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの圧力が所定値となるように調圧弁２３が制御される。所定値とは、車両運転状態に応じて決定される目標圧力値である。

発電に伴って燃料電池１００のアノードガス流路内に不純物ガスが蓄積すると、各燃料電池１００の発電電圧が低下して、図３（Ｂ）に示すように燃料電池スタック１０の電圧が徐々に低下する。そして、前回アノードオフガス排出時から所定時間Ｔ経過した時刻ｔ１になると、図３（Ｃ）に示すように第１パージ弁３４が所定期間だけ開弁される。この時、第２パージ弁３５は閉弁されている。

図４（Ａ）に示すように、第１パージ弁３４の開弁時には、第１分割マニホールド６１側の燃料電池１００から流出したアノードオフガスが、第１分割マニホールド６１及び第１排出通路３１を通って外部に排出される。このように不純物ガスを含むアノードオフガスを外部へ排出し、第１分割マニホールド６１側の燃料電池１００の不純物ガスを内部マニホールド５０から供給される新規のアノードガスで置換することで、第１分割マニホールド６１側の燃料電池１００の発電電圧が回復する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０のスタック電圧が所定電圧まで増加する。

時刻ｔ１から所定時間Ｔ経過して時刻ｔ２になると、図３（Ｃ）に示すように第２パージ弁３５が所定期間だけ開弁される。この時、第１パージ弁３４は閉弁されている。

図４（Ｂ）に示すように、第２パージ弁３５の開弁時には、第２分割マニホールド６２側の燃料電池１００から流出したアノードオフガスが、第２分割マニホールド６２及び第２排出通路３２を通って外部に排出される。このように不純物ガスを含むアノードオフガスを外部へ排出し、第２分割マニホールド６２側の燃料電池１００の不純物ガスを内部マニホールド５０から供給される新規のアノードガスで置換することで、第２分割マニホールド６２側の燃料電池１００の発電電圧が回復する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０のスタック電圧が所定電圧まで増加する。

その後、時刻ｔ２から所定時間Ｔ経過するごとに、第１パージ弁３４及び第２パージ弁３５が交互に開かれ（図３（Ｃ）参照）、アノードオフガスが外部に排出され、不純物ガスに起因するスタック電圧の低下が抑制される（図３（Ｂ）参照）。

図５を参照して、アノードオフガス排出による燃料電池スタック１０のスタック電圧変動について説明する。図５は、本実施形態による燃料電池スタック１０のスタック電圧変動と比較例による燃料電池スタックのスタック電圧変動を示す図である。

比較例は、所定時間２Ｔごとに全燃料電池のアノードオフガスを外部に排出するように構成された燃料電池システムを想定している。比較例による燃料電池システムでは、全ての燃料電池のアノードオフガスが同タイミングで排出されるため、アノードオフガス排出前後における燃料電池スタック１０のスタック電圧の変動量が破線に示すように比較的大きくなる。

これに対して、本実施形態による燃料電池システム１では、所定時間Ｔごとに第１パージ弁３４及び第２パージ弁３５を交互に開弁するので、半数の燃料電池１００のアノードオフガスが排出された後、残りの半数の燃料電池１００のアノードオフガスが排出されることになる。所定時間２Ｔの間に、第１パージ弁３４及び第２パージ弁３５が順次開弁するため、比較例の場合と同量のアノードオフガスを排出することができる。

第１パージ弁３４又は第２パージ弁３５が開弁した時には、半数の燃料電池１００のアノードオフガスだけが排出されるので、アノードオフガス排出前後における燃料電池スタック１０のスタック電圧の変動量は、実線に示すように比較例の場合と比べて小さくなる。

比較例においてもアノードオフガス排出間隔を所定時間２ＴからＴに変更すれば、アノードオフガス排出前後のスタック電圧を低減することはできる。しかしながら、比較例においてアノードオフガス排出間隔を短縮すると、各燃料電池におけるアノードオフガス排出前後のアノード圧変動の回数が増加して、燃料電池の電解質膜へのダメージが大きくなる。

これに対して、燃料電池システム１では、第１パージ弁３４と第２パージ弁３５の開弁時期をずらしただけで、第１パージ弁３４によるアノードオフガス排出間隔及び第２パージ弁３５によるアノードオフガス排出間隔は所定時間２Ｔのままであるから、各燃料電池１００におけるアノード圧変動回数は増加せず、燃料電池１００の電解質膜へのダメージを抑制することができる。

上記した第１実施形態形態の燃料電池システム１によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１では、所定時間Ｔごとに第１パージ弁３４及び第２パージ弁３５を交互に開弁する。このように第１パージ弁３４と第２パージ弁３５の開弁時期をずらして、半数の燃料電池１００ごとにアノードオフガスを排出するので、アノード圧変動による燃料電池１００の電解質膜へのダメージを抑制しつつ、アノードオフガス排出前後（パージ前後）における燃料電池１００の電圧変動を抑制することが可能となる。

なお、第１実施形態では、燃料電池システム１は、アノードデッドエンド型のシステムとしたが、これに限られるものではない。燃料電池システム１は、図６に示すように、アノードオフガスをアノードガス供給通路２２に還流させないアノードデッドエンド型又はアノードオフガスをアノードガス供給通路２２に還流させる循環型に切換可能なシステムであってもよい。

図６に示す燃料電池システム１は、アノードガス供給通路２２に設けられるエゼクタ３８と、エゼクタ３８と第１パージ弁３４よりも上流の第１排出通路３１との間に設けられる第１循環通路３６と、第１循環通路３６と第２パージ弁３５よりも上流の第２排出通路３２との間に設けられる第２循環通路３７と、を備える。

高負荷運転時等、アノードガス流量が大きい場合には、エゼクタ３８を介してアノードオフガスがアノードガス供給通路２２に還流され、高圧タンク２１からのアノードガスと還流されたアノードオフガスが燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０において発電が行われる。この場合、燃料電池システム１は循環型システムであって、第１パージ弁３４及び第２パージ弁３５によるアノードオフガス排出制御は実行されない。一般的な循環型システムと同様、アノードガス流路を循環しているアノードガスが所定の濃度未満になった場合にアノードオフガスの排出を実行してもよい。

低負荷運転時等、アノードガス流量が小さい場合には、アノードオフガスはアノードガス供給通路２２に還流されず、高圧タンク２１からのアノードガスのみが燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０において発電が行われる。この場合、燃料電池システム１はアノードデンドエンド型システムとして機能する。このように燃料電池１００に不純物ガスが蓄積しやすい運転状態である場合に、第１パージ弁３４及び第２パージ弁３５によるアノードオフガス排出制御が実行される。

（第２実施形態）
図７及び図８を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１について説明する。第２実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０及びアノードオフガス排出機構３０の構成において第１実施形態の燃料電池システムと相違する。

図７は、第２実施形態による燃料電池システム１の燃料電池スタック１０及びアノードオフガス排出機構３０の概略構成図である。

図７に示すように、燃料電池スタック１０の内部マニホールド６０は、一端が開口し、他端が閉塞された通路として形成されている。

アノードオフガス排出機構３０は、燃料電池スタック１０に形成された内部マニホールド６０と、内部マニホールド６０内に回転可能に挿入される筒部材７１と、筒部材７１を回転駆動する駆動モータ７２と、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスを外部に導く排出通路７３と、を備える。

筒部材７１は、燃料電池１００の積層方向に延設された円管である。筒部材の一端は開口端として形成されており、筒部材７１の他端は閉塞端として形成されている。内部マニホールド６０内に挿入された状態では、筒部材７１の外周面は各燃料電池１００のアノードガス流路の流出部を閉塞する。

また、筒部材７１の外周面には、筒部材７１の内部と燃料電池１００のアノードガス流路の流出部とを連通する連通孔７１Ａが設けられている。連通孔７１Ａは、燃料電池１００の積層方向に延設された矩形状孔であり、積層された所定数の燃料電池１００の各流出部と連通可能に形成されている。例えば、連通孔７１Ａは、三枚の燃料電池１００の各流出部と連通可能に形成され、積層方向に沿って六個並設される。これら連通孔７１Ａは、筒部材７１の外周方向に位置が異なるように配設されている。したがって、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１００は、各連通孔７１Ａを介してアノードオフガスが排出される六つのグループに分けられる。

駆動モータ７２は、燃料電池スタック１０に設置される。駆動モータ７２の回転軸７２Ａは、筒部材７１の閉塞端面に取り付けられる。駆動モータ７２の回転軸７２Ａと筒部材７１との間に、回転速度を減速させるための減速機構を介在させてもよい。駆動モータ７２をコントローラ４０によって制御することで、筒部材７１の回転速度が制御される。

排出通路７３は、アノードオフガスを外部に導く通路である。排出通路７３の一端は内部マニホールド６０の出口部に接続され、他端は開口端として形成される。

燃料電池システム１では、コントローラ４０は、筒部材７１が所定時間２Ｔで一回転するように駆動モータ７２を制御する。これにより、所定時間２Ｔの間に、各連通孔７１Ａが、その連通孔７１Ａに対応する燃料電池１００の流出部に連通し、それら燃料電池１００のアノードオフガスが筒部材７１の内部に流入する。各連通孔７１Ａを介して筒部材７１の内部に流入したアノードオフガスは、筒部材７１及び排出通路７３を通過して外部に排出される。

なお、高負荷運転時のように高出力が要求される運転状態では、低負荷運転時よりも筒部材７１の回転速度が速くなるように駆動モータ７２を制御するようにしてもよい。

図８は、本実施形態による燃料電池スタック１０のスタック電圧変動と、第１実施形態において説明した比較例による燃料電池スタックのスタック電圧変動を示す図である。

本実施形態による燃料電池システム１では、所定時間２Ｔの間に、六個の連通孔７１Ａが、連通孔７１Ａに対応する三枚の燃料電池１００の流出部に順番に連通するので、三枚の燃料電池１００ごとにアノードオフガスが外部に排出される。このように数枚の燃料電池１００におけるアノードオフガスを順次排出することで、アノードオフガス排出前後における燃料電池１００の電圧変動を抑制でき、スタック電圧の変動量を比較例よりも小さくすることが可能となる。

また、燃料電池システム１では、連通孔７１Ａの連通時期をずらしただけで、各燃料電池１００におけるアノードオフガス排出間隔は所定時間２Ｔのままであるから、各燃料電池１００におけるアノード圧変動回数は増加せず、燃料電池１００の電解質膜へのダメージを抑制することができる。

（第３実施形態）
図９を参照して、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１について説明する。第３実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０及びアノードオフガス排出機構３０の構成において第１実施形態の燃料電池システムと相違する。

図９は、第３実施形態による燃料電池システム１の燃料電池スタック１０及びアノードオフガス排出機構３０の概略構成図である。

燃料電池スタック１０は、所定数の燃料電池１００を積層した分割燃料電池スタック１３を三つ直列に連結して構成されている。三つの分割燃料電池スタック１３は同じ構成であるので、図９の上側の分割燃料電池スタック１３を参照して、分割燃料電池スタック１３の構成を説明する。

分割燃料電池スタック１３は、内部マニホールド５０及び内部マニホールド６０を備えている。

内部マニホールド５０は、燃料電池１００の積層方向に延設された通路でる。内部マニホールド５０は一端が開口端として形成され、他端が閉塞端として形成される。内部マニホールド５０は、各燃料電池１００に設けられるアノードガス流路の流入部と接続している。アノードガス供給通路２２から内部マニホールド５０に流入したアノードガスは、内部マニホールド５０を通って、分割燃料電池スタック１３を構成する各燃料電池１００に供給される。

内部マニホールド６０は、燃料電池１００の積層方向に延設された通路である。内部マニホールド６０は一端が開口端として形成され、他端が閉塞端として形成される。内部マニホールド６０は、各燃料電池１００のアノードガス流路の流出部と接続している。各燃料電池１００の流出部から内部マニホールド６０に流出したアノードオフガスは、内部マニホールド６０を通って分割燃料電池スタック１３外に排出される。

アノードオフガス排出機構３０は、内部マニホールド６０と、内部マニホールド６０に接続する排出通路８１と、排出通路８１に設置されるパージ弁８２とから構成されている。

排出通路８１は、内部マニホールド６０から流出したアノードオフガスを流す通路である。排出通路８１の一端は内部マニホールド６０の出口部に接続しており、排出通路８１の他端は開口端として形成されている。排出通路８１の途中には、パージ弁８２が設置される。

パージ弁８２は、開閉切替弁である。パージ弁８２は、流量調整用のオリフィスを備えた開閉切替弁でもよいし、連続的又は段階的に開度を調整可能な電磁弁でもよい。パージ弁８２が開かれることで、内部マニホールド６０内のアノードオフガスが排出通路８１の開口端から外部に排出される。パージ弁８２の開度は、コントローラ４０によって制御される。

燃料電池システム１では、分割燃料電池スタック１３ごとに設けられるパージ弁８２は所定時間２Ｔごとに開弁されるが、各パージ弁８２の開弁時期はそれぞれ異なるように設定されている。各パージ弁８２の開弁時期を異なるせることで、各分割燃料電池スタック１３のアノードオフガスが順次外部に排出される。分割燃料電池スタック１３ごとにアノードオフガスを排出させることで、第１実施形態と同様に、アノードオフガス排出前後における燃料電池１００の電圧変動を抑制できる。

また、燃料電池システム１では、各分割燃料電池スタック１３のアノードオフガス排出時期をずらしただけで、分割燃料電池スタック１３におけるアノードオフガス排出間隔は所定時間２Ｔのままであるから、分割燃料電池スタック１３におけるアノード圧変動回数は増加せず、燃料電池１００の電解質膜へのダメージを抑制することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

第１実施形態では、一枚の仕切壁３３によって内部マニホールド６０内を二分割したが、複数の仕切壁３３によって内部マニホールド６０内を三以上に分割してもよい。この場合には、分割マニホールドごとに排出通路及びパージ弁が設置され、これらパージ弁は各分割マニホールドから排出されるアノードオフガスの排出時期が異なるように制御される。これにより、三以上のグループに分けられた燃料電池１００からのアノードオフガスを順次外部に排出することが可能となる。

第２実施形態では、筒部材７１に六個の連通孔７１Ａを形成したが、連通孔７１Ａの数はこれに限られるものではない。燃料電池１００のアノードオフガス排出時期を異ならせることを考慮すれば、筒部材７１には、二個以上の連通孔７１Ａが外周方向に位置をずらした状態で燃料電池１００の積層方向に配設されていればよい。

第３実施形態では、燃料電池スタック１０は三つの分割燃料電池スタック１３を直列に連結して構成されているが、分割燃料電池スタック１３の数はこれに限られるものではない。燃料電池１００のアノードオフガス排出時期を異ならせることを考慮すれば、燃料電池スタック１０は、二以上の分割燃料電池スタック１３を直列に連結して構成されていればよい。

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
１３分割燃料電池スタック
２２アノードガス供給通路
２３調圧弁
３０アノードオフガス排出機構
３３仕切壁
３４第１パージ弁（制御弁）
３５第２パージ弁（制御弁）
４０コントローラ
５０内部マニホールド
６０内部マニホールド
６１第１分割マニホールド
６２第２分割マニホールド
７１筒部材
７１Ａ連通孔
７２駆動モータ（駆動機構）
８２パージ弁（制御弁）
１００燃料電池

Claims

アノードガス及びカソードガスを用いて発電する燃料電池を積層して構成される燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記積層された燃料電池が二以上のグループに分けられることにより前記燃料電池から流出したアノードオフガスが二以上のグループに分けられ、
グループごとにアノードオフガスを外部に排出するようにグループごとに排出機構を備え、
前記燃料電池のアノードオフガス排出時期がグループごとに異なるように各排出機構を制御する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記排出機構は、
前記燃料電池スタック内において前記燃料電池の積層方向に延設され、前記燃料電池のアノードオフガス流出部と連通する内部マニホールドと、
二以上の分割マニホールドが形成されるように、前記内部マニホールド内を仕切る仕切壁と、
前記分割マニホールドごとに設けられ、前記分割マニホールドと外部との連通状態を制御する制御弁と、を備え、
前記制御部は、開弁時期が異なるように前記各制御弁を開弁制御することで、アノードオフガスを外部に排出させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記排出機構は、
前記燃料電池スタック内において前記燃料電池の積層方向に延設され、前記燃料電池のアノードオフガス流出部と連通する内部マニホールドと、前記内部マニホールド内に挿入されるとともに、所定数の前記燃料電池のアノードオフガス流出部と連通可能な連通孔を外周面に二以上有する筒部材と、
前記内部マニホールド内において前記筒部材を回転駆動する駆動機構と、を備え、
前記連通孔は、前記筒部材の外周方向に位置をずらした状態で前記燃料電池の積層方向に配設され、
前記制御部は、前記筒部材が所定の回転速度で回転するように前記駆動機構を制御することで、各連通孔を介して前記筒部材内に流入してきたアノードオフガスを外部に排出させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、高負荷運転時には、低負荷運転時よりも前記筒部材の回転速度が速くなるように前記駆動機構を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックは、燃料電池を積層した分割スタックを二以上直列に連結して構成されており、
前記排出機構は、
前記分割スタック内において前記燃料電池の積層方向に延設され、前記燃料電池のアノードオフガス流出部と連通する内部マニホールドと、
前記分割スタックごとに設けられ、前記内部マニホールドと外部との連通状態を制御する制御弁と、を備え、
前記制御部は、開弁時期が異なるように前記制御弁を開弁制御することで、アノードオフガスを外部に排出させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムは、前記排出機構の下流側を閉塞した状態で前記燃料電池スタックにおける発電が実行されるデッドエンド型として構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムは、運転状態に応じて前記デッドエンド型又はアノードオフガスをアノードガス供給側に循環させた状態で前記燃料電池スタックにおける発電が実行される循環型に切換可能であって、前記デッドエンド型として使用される場合に前記排出機構を用いてアノードオフガスを外部に排出可能に構成されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。