JP7368961B2 - 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する。

近年、燃料電池を種々の装置の電力源として利用する技術の開発が進められている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルを有しており、燃料電池セルには、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極およびカソード電極により挟まれる電解質膜とが設けられている。そして、燃料電池セルにおいて、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、空気）が供給されることによって発電が行われる。

ここで、燃料電池セルにおいて、空気が供給される箇所に近い位置では、空気が排出される箇所に近い位置と比較して、電解質膜が乾燥しやすくなる。それにより、電解質膜の含水率の分布が不均一になることによって、燃料電池の発電電圧の低下が生じる場合がある。そこで、燃料電池の性能低下を抑制するために、燃料電池セル内における空気の流れ方向を双方向に切り替えることにより、電解質膜の含水率の分布を均一化する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２－１５８０２３号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている技術等の従来の技術では、燃料電池セル内における空気の流れ方向を双方向に切り替える機構として、三方弁等の切替弁を利用したものが用いられている。ゆえに、切替弁のメンテナンスが必要となり、燃料電池システムの保守性が低下してしまっていた。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池システムの保守性を向上させつつ燃料電池の性能低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極およびカソード電極により挟まれる電解質膜と、を含む複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池を備え、燃料電池セルには、カソード電極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス流路が形成されており、酸化ガス流路の一側の端部は、酸化ガスが流通する第１酸化ガス流通管と接続されており、酸化ガス流路の他側の端部は、酸化ガスが流通する第２酸化ガス流通管と接続されており、燃料電池システムは、酸化ガス流路、第１酸化ガス流通管および第２酸化ガス流通管における酸化ガスの流れ方向を双方向に切り替える切替機構をさらに備え、切替機構による酸化ガスの流れ方向の切り替えによって、第１酸化ガス流通管の先端部が酸化ガスの吸入口となり第２酸化ガス流通管の先端部が酸化ガスの排出口となる第１状態と、第１酸化ガス流通管の先端部が酸化ガスの排出口となり第２酸化ガス流通管の先端部が酸化ガスの吸入口となる第２状態とが切り替えられ、第１酸化ガス流通管および第２酸化ガス流通管には、エアフィルタがそれぞれ設けられており、切替機構は、第１酸化ガス流通管および第２酸化ガス流通管の少なくとも一方に設けられる送風機であり、送風機は、当該送風機が設けられる酸化ガス流通管においてエアフィルタによって区画される燃料電池側の空間内に配置され、第１酸化ガス流通管および第２酸化ガス流通管には、酸化ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサがそれぞれ設けられており、水素濃度センサは、当該水素濃度センサが設けられる酸化ガス流通管においてエアフィルタによって区画される燃料電池側の空間内に配置される。

エアフィルタは、第１酸化ガス流通管の先端部および第２酸化ガス流通管の先端部にそれぞれ設けられており、当該各先端部は、下方を向いていてもよい。

切替機構による酸化ガスの流れ方向の切り替えタイミングを燃料電池の発電電圧に関する情報に基づいて制御する制御装置をさらに備えてもよい。

本発明によれば、燃料電池システムの保守性を向上させつつ燃料電池の性能低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルを示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る各酸化ガス流通管における先端側を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

なお、以下では、本発明に係る切替機構の一例として双方向ファンである送風機６０を備える燃料電池システム１について説明するが、後述するように、本発明に係る切替機構はこのような例に特に限定されない。

<燃料電池システムの構成>
図１～図３を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、例えば、車両に搭載され、その場合、燃料電池１０は車両の駆動用モータの電力源として利用され得る。なお、燃料電池システム１は、車両以外の他の装置に搭載されてもよい。

具体的には、燃料電池システム１は、図１に示されるように、複数の燃料電池セル１００が積層されている燃料電池１０を備える。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素ガス）と酸化ガス（具体的には、空気）とを反応させることにより発電する電池である。燃料電池システム１では、燃料電池１０への水素ガスの供給は、燃料電池１０と接続される第１燃料ガス流通管２１および第２燃料ガス流通管２２と、水素供給源５０とによって実現される。また、燃料電池１０への空気の供給は、燃料電池１０と接続される第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２と、送風機６０とによって実現される。なお、送風機６０は、後述するように、本発明に係る切替機構の一例に相当する。

図２は、燃料電池セル１００を示す断面模式図である。具体的には、図２では、燃料電池１０における複数の燃料電池セル１００のうちの１つの燃料電池セル１００の断面が例示されている。

燃料電池セル１００は、図２に示されるように、電解質膜１１１、アノード電極１１２およびカソード電極１１３を含む膜電極接合体１１０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、アノード側セパレータ１２０と、カソード側セパレータ１３０とを有する。

膜電極接合体１１０は、燃料電池セル１００において発電が行われる部分である。詳細には、電解質膜１１１は、水素イオンを通過させる性質を有する膜である。アノード電極１１２およびカソード電極１１３は、電解質膜１１１を挟んで対向して配置されており、例えば、白金または白金を含有する合金がカーボン粒子上に担持されている触媒層を有する。アノード電極１１２は、発電時に電子を失う側の電極であり、カソード電極１１３は、発電時に電子を得る側の電極である。

アノード側セパレータ１２０およびカソード側セパレータ１３０は、膜電極接合体１１０を挟んで対向して配置されており、例えば、カーボンまたは金属材料等の導電性を有する材料によって形成されている。

アノード側セパレータ１２０におけるアノード電極１１２と接する面には、アノード電極１１２に供給される燃料ガスとしての水素ガスが流れる溝状の燃料ガス流路１２１が形成されている。例えば、アノード側セパレータ１２０において、複数の燃料ガス流路１２１が、互いに間隔を空けて略平行に延設されている。

カソード側セパレータ１３０におけるカソード電極１１３と接する面には、カソード電極１１３に供給される酸化ガスとしての空気が流れる溝状の酸化ガス流路１３１が形成されている。例えば、カソード側セパレータ１３０において、複数の酸化ガス流路１３１が、互いに間隔を空けて略平行に延設されている。

なお、図２では、燃料ガス流路１２１の延在方向と酸化ガス流路１３１の延在方向とが一致している例が示されているが、両流路の延在方向は、例えば、互いに直交していてもよい。

以下、図１および図２を参照して、燃料電池システム１における燃料電池セル１００への水素ガスの供給経路および空気の供給経路について順に説明する。

燃料電池システム１では、燃料ガス流路１２１の一側の端部１２１ａは、燃料ガスとしての水素ガスが流通する第１燃料ガス流通管２１と接続されている。詳細には、第１燃料ガス流通管２１は、各燃料電池セル１００の燃料ガス流路１２１の端部１２１ａと連通している。また、燃料ガス流路１２１の他側の端部１２１ｂは、燃料ガスとしての水素ガスが流通する第２燃料ガス流通管２２と接続されている。詳細には、第２燃料ガス流通管２２は、各燃料電池セル１００の燃料ガス流路１２１の端部１２１ｂと連通している。

そして、燃料電池１０は、第１燃料ガス流通管２１を介して水素供給源５０と接続されている。水素供給源５０は、例えば、水素を貯蔵するタンクであり、水素供給源５０から第１燃料ガス流通管２１に水素ガスが供給されるようになっている。なお、水素供給源５０から第１燃料ガス流通管２１への水素ガスの供給量は、例えば、第１燃料ガス流通管２１に設けられている制御弁（図示省略）によって調整されるようになっている。

図１および図２では、燃料電池セル１００へ水素ガスが供給される状態における水素ガスの流れが細実線矢印によって示されている。具体的には、水素ガスは、第１燃料ガス流通管２１内を通った後、各燃料電池セル１００の燃料ガス流路１２１の端部１２１ａから燃料ガス流路１２１内に送られる。そして、水素ガスは、各燃料電池セル１００の燃料ガス流路１２１内を端部１２１ｂに向かう方向に通った後、各燃料電池セル１００の燃料ガス流路１２１の端部１２１ｂから第２燃料ガス流通管２２内に送られる。その後、水素ガスは、第２燃料ガス流通管２２内を通った後、第２燃料ガス流通管２２の先端部（つまり、燃料電池１０側に対して逆側の端部）から排出される。

また、燃料電池システム１では、酸化ガス流路１３１の一側の端部１３１ａは、酸化ガスとしての空気が流通する第１酸化ガス流通管３１と接続されている。詳細には、第１酸化ガス流通管３１は、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１の端部１３１ａと連通している。また、酸化ガス流路１３１の他側の端部１３１ｂは、酸化ガスとしての空気が流通する第２酸化ガス流通管３２と接続されている。詳細には、第２酸化ガス流通管３２は、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１の端部１３１ｂと連通している。

そして、燃料電池システム１には、空気を送出することによって、燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２内に空気の流れを生じさせる送風機６０が設けられている。なお、図１では、送風機６０が第１酸化ガス流通管３１に設けられている例が示されているが、送風機６０は、第２酸化ガス流通管３２に設けられていてもよい。

送風機６０は、具体的には、双方向ファンであり、当該ファンの回転方向を逆転させることにより送風方向を双方向（つまり、正方向と逆方向）に切り替えることができる。ゆえに、送風機６０は、燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２における酸化ガスとしての空気の流れ方向を双方向に切り替える機能を有し、切替機構として機能する。また、燃料電池システム１では、送風機６０による空気の流れ方向の切り替えによって、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａ（つまり、燃料電池１０側に対して逆側の端部）が空気の吸入口となり第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａ（つまり、燃料電池１０側に対して逆側の端部）が空気の排出口となる第１状態と、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが空気の排出口となり第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが空気の吸入口となる第２状態とが切り替えられるようになっている。

図１および図２では、燃料電池セル１００へ空気が供給される状態のうちの上記の第１状態における空気の流れが太実線矢印によって示されている。第１状態において、具体的には、空気は、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａから吸入され、第１酸化ガス流通管３１内を通った後、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１の端部１３１ａから酸化ガス流路１３１内に送られる。そして、空気は、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１内を端部１３１ｂに向かう方向に通った後、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１の端部１３１ｂから第２酸化ガス流通管３２内に送られる。その後、空気は、第２酸化ガス流通管３２内を通った後、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａから排出される。

また、図１および図２では、燃料電池セル１００へ空気が供給される状態のうちの上記の第２状態における空気の流れが一点鎖線矢印によって示されている。第２状態において、具体的には、空気は、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａから吸入され、第２酸化ガス流通管３２内を通った後、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１の端部１３１ｂから酸化ガス流路１３１内に送られる。そして、空気は、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１内を端部１３１ａに向かう方向に通った後、各燃料電池セル１００の酸化ガス流路１３１の端部１３１ａから第１酸化ガス流通管３１内に送られる。その後、空気は、第１酸化ガス流通管３１内を通った後、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａから排出される。

上記で説明したように、燃料電池システム１は、酸化ガス流路１３１、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２における空気の流れ方向を双方向に切り替える切替機構としての送風機６０を備える。それにより、酸化ガス流路１３１における空気の流れ方向を双方向に切り替えることによって、乾燥した空気を酸化ガス流路１３１の両側から交互に流入させることができる。ゆえに、電解質膜１１１が局所的に乾燥しやすくなる状況が維持されることを抑制できる。よって、電解質膜１１１の含水率の分布を均一化することができるので、燃料電池１０の発電電圧の低下を抑制することができる。

ここで、燃料電池システム１の切替機構としての送風機６０は、三方弁等の切替弁等の複雑な装置を利用することなく、酸化ガス流路１３１における空気の流れ方向を双方向に切り替えることができる。具体的には、燃料電池システム１の切替機構としての送風機６０は、三方弁等の切替弁を利用して空気の流れ方向を双方向に切り替える従来の機構と異なり、各酸化ガス流通管３１，３２の全体（つまり、各酸化ガス流通管３１，３２における先端部３１ａ，３２ａから酸化ガス流路１３１との接続部までの間）に亘る部分における空気の流れ方向を双方向に切り替えるものである。それにより、三方弁等の切替弁を利用することによる燃料電池システムの保守性の低下を抑制することができる。

また、上記で説明したように、燃料電池システム１では、上記の切替機構としての送風機６０による空気の流れ方向の切り替えに伴って、空気の吸入口として機能する部分が第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａと第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａとの間で切り替えられる。

ここで、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２には、エアフィルタ４１，４２がそれぞれ設けられている。エアフィルタ４１，４２は、当該各エアフィルタの設置位置を通過する空気に含まれる異物を除去するものである。ゆえに、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが空気の吸入口となる第１状態において、第１酸化ガス流通管３１に設けられるエアフィルタ４１によって、外部の異物が空気流に乗って先端部３１ａから燃料電池セル１００内に侵入することを抑制できる。一方、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが空気の吸入口となる第２状態において、第２酸化ガス流通管３２に設けられるエアフィルタ４２によって、外部の異物が空気流に乗って先端部３２ａから燃料電池セル１００内に侵入することを抑制できる。

さらに、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが空気の吸入口となる第１状態では、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが空気の排出口となるので、第２酸化ガス流通管３２に設けられるエアフィルタ４２の外側に付着した異物を送風機６０により生じる空気の流れ（つまり、排気流）により除去することができる。一方、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが空気の吸入口となる第２状態では、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが空気の排出口となるので、第１酸化ガス流通管３１に設けられるエアフィルタ４１の外側に付着した異物を送風機６０により生じる空気の流れ（つまり、排気流）により除去することができる。ゆえに、エアフィルタ４１，４２に付着した異物を手動で除去する手間を低減しつつ、エアフィルタ４１，４２の外側に付着した異物により目詰まりが生じることを抑制することができる。

また、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２には、酸化ガスとしての空気中の水素濃度を検出する水素濃度センサ７１，７２がそれぞれ設けられている。水素濃度センサ７１，７２は、当該各水素濃度センサの設置位置を通過する空気中の水素濃度を検出するものである。それにより、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが空気の排出口となる第１状態において、第２酸化ガス流通管３２に設けられる水素濃度センサ７２によって、外部へ排出される空気中の水素濃度を検出することができる。一方、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが空気の排出口となる第２状態において、第１酸化ガス流通管３１に設けられる水素濃度センサ７１によって、外部へ排出される空気中の水素濃度を検出することができる。ゆえに、水素濃度センサ７１，７２による検出結果を利用することにより、燃料電池１０から外部へ排出される空気中の水素濃度を基準以下に制御することができる。

図３は、各酸化ガス流通管３１，３２における先端側を示す断面模式図である。

図３に示されるように、燃料電池システム１では、具体的には、エアフィルタ４１は、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａに設けられており、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａは、下方を向いている。また、エアフィルタ４２は、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａに設けられており、第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａは、下方を向いている。エアフィルタ４１，４２の外側に付着した異物により目詰まりが生じることをより適切に抑制する観点では、図３に示される例のように、エアフィルタ４１，４２は、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａおよび第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａにそれぞれ設けられており、当該各先端部３１ａ，３２ａは、下方を向いていることが好ましい。なお、各先端部３１ａ，３２ａの向きは、例えば、各先端部３１ａ，３２ａの中心軸に沿った方向に相当する。

なお、各酸化ガス流通管３１，３２の先端部３１ａ，３２ａは、各酸化ガス流通管３１，３２の先端３１ｂ，３２ｂのみを厳密に意味するものではなく、各酸化ガス流通管３１，３２の先端３１ｂ，３２ｂから内側に所定範囲の部分も含む。ゆえに、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２の先端３１ｂ，３２ｂがそれぞれエアフィルタ４１，４２の外側の面４１ａ，４２ａと同一平面上に位置していてもよく、エアフィルタ４１，４２の外側の面４１ａ，４２ａより外側に位置していてもよい。また、エアフィルタ４１，４２がそれぞれ第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２の先端３１ｂ，３２ｂを外側から覆うように設けられていてもよい。

また、各酸化ガス流通管３１，３２の先端部３１ａ，３２ａの向きである下方は、水平方向に対して直交する方向（つまり、鉛直下方向）のみを厳密に意味するものではなく、水平方向に対して下方に所定角度（例えば、６０°）だけ傾斜した方向も含む。ゆえに、各先端部３１ａ，３２ａは、鉛直下方向を向いていてもよく、水平方向に対して下方に所定角度だけ傾斜していてもよい。

また、燃料電池システム１は、電圧センサ７３と、制御装置９０とをさらに備える。

電圧センサ７３は、各燃料電池セル１００の発電電圧を検出し、検出結果を制御装置９０に出力する。

制御装置９０は、送風機６０の動作を制御する。ここで、制御装置９０は、送風機６０の回転方向を逆転させることによって、送風機６０による空気の流れ方向の切り替えタイミングを制御することができる。なお、制御装置９０が行う処理の詳細については、後述にて説明する。

例えば、制御装置９０は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

なお、制御装置９０と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。

<燃料電池システムの動作>
続いて、図４を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

図４は、制御装置９０が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図４に示される制御フローは、具体的には、切替機構としての送風機６０による空気の流れ方向の切り替えタイミングの制御に関する処理の流れであり、繰り返し実行される。

図４に示される制御フローが開始されると、まず、ステップＳ５０１において、制御装置９０は、燃料電池１０の発電電圧が閾値未満であるか否かを判定する。燃料電池１０の発電電圧が閾値未満であると判定された場合（ステップＳ５０１／ＹＥＳ）、ステップＳ５０２に進む。一方、燃料電池１０の発電電圧が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ５０１／ＮＯ）、ステップＳ５０１の処理が繰り返される。

ここで、燃料電池１０の発電電圧は、各燃料電池セル１００の発電電圧の合計値に相当し、制御装置９０は、例えば、電圧センサ７３の検出結果を用いて燃料電池１０の発電電圧を算出することができる。

上記閾値は、例えば、燃料電池１０の発電量が要求値に対して不足する程度に燃料電池１０の発電電圧が下がっているか否かを適切に判断し得る値に設定される。なお、燃料電池１０の性能低下を抑制する観点と送風機６０による空気の流れ方向の切り替え動作が過度に頻繁に行われることを抑制する観点とのバランスを考慮して、閾値が適宜設定され得る。

ステップＳ５０１でＹＥＳと判定された場合、ステップＳ５０２において、制御装置９０は、空気の流れ方向の切り替えを送風機６０に行わせる。

具体的には、制御装置９０は、送風機６０に対して、当該送風機６０の回転方向を逆転させるための制御指令を出力することによって、空気の流れ方向の切り替えを送風機６０に行わせる。それにより、図１および図２において太実線矢印によって示される空気の流れが生じる上述した第１状態と、図１および図２において一点鎖線矢印によって示される空気の流れが生じる上述した第２状態とが切り替えられる。

次に、図４に示される制御フローは終了する。

上記のように、図４に示される制御フローでは、制御装置９０は、切替機構としての送風機６０による空気の流れ方向の切り替えタイミングを燃料電池１０の発電電圧に関する情報に基づいて制御する。それにより、電解質膜１１１の含水率の分布が不均一になることに起因する燃料電池１０の性能低下の程度に応じて空気の流れ方向の切り替えタイミングを制御することができる。

なお、燃料電池１０の発電電圧に関する情報は、上記のように燃料電池１０の発電電圧自体に限定されず、他の情報を含んでもよい。例えば、燃料電池１０の発電電圧に関する情報は、各燃料電池セル１００の発電電圧を含んでもよい。この場合、制御装置９０は、切替機構としての送風機６０による空気の流れ方向の切り替えタイミングを各燃料電池セル１００の発電電圧に基づいて制御してもよい。例えば、制御装置９０は、各燃料電池セル１００の発電電圧の平均値または最小値が閾値未満である場合に、空気の流れ方向の切り替えを送風機６０に行わせてもよい。なお、この場合における閾値は、例えば、燃料電池１０の発電量が要求値に対して不足する程度に各燃料電池セル１００の発電電圧が下がっているか否かを適切に判断し得る値に設定される。

また、上記では、燃料電池１０の発電電圧に関する情報に基づいて切替機構による空気の流れ方向の切り替えタイミングが制御される例を説明したが、切替機構による空気の流れ方向の切り替えタイミングはこのような例に限定されない。例えば、切替機構による空気の流れ方向の切り替えは、設定時間が経過する度に行われてもよい。なお、燃料電池１０の発電電圧に関する情報を用いずに切替機構による空気の流れ方向の切り替えタイミングが制御される場合には、燃料電池システム１の構成から電圧センサ７３は省略され得る。

<燃料電池システムの効果>
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、酸化ガス流路１３１、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２における酸化ガス（具体的には、空気）の流れ方向を双方向に切り替える切替機構（具体的には、送風機６０）を備える。また、切替機構による酸化ガスの流れ方向の切り替えによって、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが酸化ガスの吸入口となり第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが酸化ガスの排出口となる第１状態と、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａが酸化ガスの排出口となり第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａが酸化ガスの吸入口となる第２状態とが切り替えられる。それにより、三方弁等の切替弁を利用することなく、酸化ガス流路１３１における空気の流れ方向を双方向に切り替えることができる。ゆえに、三方弁等の切替弁を利用することによる保守性の低下を抑制しつつ、燃料電池１０の性能低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２には、エアフィルタ４１，４２がそれぞれ設けられている。それにより、外部から燃料電池セル１００内への異物の侵入を適切に抑制した上で、エアフィルタ４１，４２に付着した異物を手動で除去する手間を低減しつつ、エアフィルタ４１，４２の外側に付着した異物により目詰まりが生じることを抑制することができる。

上記のように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１の保守性を向上させつつ燃料電池１０の性能低下を抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、エアフィルタ４１，４２は、第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａおよび第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａにそれぞれ設けられており、当該各先端部３１ａ，３２ａは、鉛直下側を向いていることが好ましい。それにより、エアフィルタ４１，４２の外側の面を鉛直下側に向かせることができるので、エアフィルタ４１，４２の外側に異物が付着しづらくすることができる。さらに、エアフィルタ４１，４２の外側に付着した異物を装置の振動等によって落下させやすくすることができる。ゆえに、エアフィルタ４１，４２の外側に付着した異物により目詰まりが生じることをより適切に抑制することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２には、酸化ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ７１，７２がそれぞれ設けられていることが好ましい。それにより、切替機構により切り替えられる空気の流れ方向によらずに、水素濃度センサ７１，７２のうちの一方によって外部へ排出される空気中の水素濃度を検出することができる。ゆえに、酸化ガス流路１３１における酸化ガスの流れ方向を双方向に切り替える切替機構として、三方弁等の切替弁を利用しない上記の機構を採用した場合であっても、燃料電池１０から外部へ排出される空気中の水素濃度を適切に検出することができる。ここで、一般に、燃料電池１０から外部へ排出される空気中の水素濃度は、基準以下に制御される必要がある。ゆえに、燃料電池１０から外部へ排出される空気中の水素濃度を適切に検出することは重要である。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１は、切替機構による酸化ガスの流れ方向の切り替えタイミングを燃料電池１０の発電電圧に関する情報に基づいて制御する制御装置９０を備えることが好ましい。それにより、電解質膜１１１の含水率の分布が不均一になることに起因する燃料電池１０の性能低下の程度に応じて空気の流れ方向の切り替えタイミングを制御することができる。ゆえに、電解質膜１１１の含水率の分布を均一化することにより燃料電池１０の性能低下を抑制する効果を向上させることができる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、図１を参照して、燃料電池システム１の構成について説明したが、本発明に係る燃料電池システムの構成は、このような例に限定されず、例えば、図１に示される燃料電池システム１に対して一部の構成要素を削除、追加または変更を加えたものであってもよい。例えば、図１では、水素供給源５０の数が１つである例が示されているが、図１に示される燃料電池システム１に対して水素供給源５０の数を複数に変更したものも、本発明に係る燃料電池システムに含まれる。

また、上記では、本発明に係る切替機構の一例として双方向ファンである送風機６０を備える燃料電池システム１について説明したが、本発明に係る切替機構はこのような例に特に限定されない。例えば、本発明に係る切替機構は、一対の一方向ファンであってもよい。一方向ファンは、当該ファンの送風方向が一方向に制限されているものである。

具体的には、一対の一方向ファンを、それらの送風方向が互いに逆方向となるように、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２内の任意の位置に設けた場合、当該一対の一方向ファンが本発明に係る切替機構の一例に相当する。この場合、一方の一方向ファンを駆動させた場合と他方の一方向ファンを駆動させた場合との間で、酸化ガス流路１３１、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２における酸化ガスとしての空気の流れ方向が逆になる。ゆえに、一対の一方向ファンのうちの駆動させる一方向ファンを切り替えることにより、酸化ガス流路１３１、第１酸化ガス流通管３１および第２酸化ガス流通管３２における酸化ガスとしての空気の流れ方向を双方向に切り替えることができる。

なお、本発明に係る切替機構の一例として一対の一方向ファンを利用する場合において、一対の一方向ファンの配置は特に限定されず、例えば、一対の一方向ファンの双方が第１酸化ガス流通管３１に設けられてもよく、一対の一方向ファンの双方が第２酸化ガス流通管３２に設けられてもよく、各一方向ファンが各酸化ガス流通管３１，３２に分かれて設けられてもよい。

また、上記では、エアフィルタ４１，４２が第１酸化ガス流通管３１の先端部３１ａおよび第２酸化ガス流通管３２の先端部３２ａにそれぞれ設けられる例を説明したが、エアフィルタ４１，４２の設置位置は、このような例に特に限定されない。例えば、エアフィルタ４１，４２は、各酸化ガス流通管３１，３２の中央部に設けられていてもよく、第１酸化ガス流通管３１の先端からエアフィルタ４１までの距離と第２酸化ガス流通管３２の先端からエアフィルタ４２までの距離とが互いに異なっていてもよい。

また、上記では、各酸化ガス流通管３１，３２の各先端部３１ａ，３２ａが鉛直下側を向いている例を説明したが、当該各先端部３１ａ，３２ａの向きは、このような例に特に限定されない。例えば、各酸化ガス流通管３１，３２の各先端部３１ａ，３２ａの向きは水平方向であってもよく、当該各先端部３１ａ，３２ａの向きが互いに異なっていてもよい。

また、例えば、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

本発明は、燃料電池システムに利用できる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２１ 第１燃料ガス流通管
２２ 第２燃料ガス流通管
３１ 第１酸化ガス流通管
３２ 第２酸化ガス流通管
４１，４２ エアフィルタ
５０ 水素供給源
６０ 送風機（切替機構）
７１，７２ 水素濃度センサ
７３ 電圧センサ
９０ 制御装置
１００ 燃料電池セル
１１０ 膜電極接合体
１１１ 電解質膜
１１２ アノード電極
１１３ カソード電極
１２０ アノード側セパレータ
１２１ 燃料ガス流路
１３０ カソード側セパレータ
１３１ 酸化ガス流路

Claims (3)

1. アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極および前記カソード電極により挟まれる電解質膜と、を含む複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池セルには、前記カソード電極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス流路が形成されており、
   前記酸化ガス流路の一側の端部は、前記酸化ガスが流通する第１酸化ガス流通管と接続されており、
   前記酸化ガス流路の他側の端部は、前記酸化ガスが流通する第２酸化ガス流通管と接続されており、
   前記燃料電池システムは、前記酸化ガス流路、前記第１酸化ガス流通管および前記第２酸化ガス流通管における前記酸化ガスの流れ方向を双方向に切り替える切替機構をさらに備え、
   前記切替機構による前記酸化ガスの流れ方向の切り替えによって、前記第１酸化ガス流通管の先端部が前記酸化ガスの吸入口となり前記第２酸化ガス流通管の先端部が前記酸化ガスの排出口となる第１状態と、前記第１酸化ガス流通管の先端部が前記酸化ガスの排出口となり前記第２酸化ガス流通管の先端部が前記酸化ガスの吸入口となる第２状態とが切り替えられ、
   前記第１酸化ガス流通管および前記第２酸化ガス流通管には、エアフィルタがそれぞれ設けられており、
   前記切替機構は、前記第１酸化ガス流通管および前記第２酸化ガス流通管の少なくとも一方に設けられる送風機であり、
   前記送風機は、当該送風機が設けられる酸化ガス流通管において前記エアフィルタによって区画される前記燃料電池側の空間内に配置され、
   前記第１酸化ガス流通管および前記第２酸化ガス流通管には、前記酸化ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサがそれぞれ設けられており、
   前記水素濃度センサは、当該水素濃度センサが設けられる酸化ガス流通管において前記エアフィルタによって区画される前記燃料電池側の空間内に配置される、
   燃料電池システム。
2. 前記エアフィルタは、前記第１酸化ガス流通管の先端部および前記第２酸化ガス流通管の先端部にそれぞれ設けられており、
   当該各先端部は、下方を向いている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記切替機構による前記酸化ガスの流れ方向の切り替えタイミングを前記燃料電池の発電電圧に関する情報に基づいて制御する制御装置をさらに備える、
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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