(57)【要約】【課題】燃料電池の発電停止後に、燃料電池内部に滞留する水分量を効率的に低減する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム２００は、燃料電池１００と、燃料電池１００の内部に空気を供給する空気供給部１１０と、空気供給部１１０からの空気を冷却する空気冷却部１２０とを備える。燃料電池システム２００は、燃料電池１００の運転停止後に、空気冷却部１２０によって冷却された空気を燃料電池のカソード側に供給して、燃料電池１００の内部の水分を掃気する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の発電体が積層された発電積層体を有する燃料電池と、
前記複数の発電体のうち少なくとも前記発電積層体の端部に位置する端部発電体にパージガスを供給するパージガス供給部と、
を備え、
前記パージガス供給部は、前記パージガスを冷却するパージガス冷却部を有しており、前記燃料電池の運転停止後に、前記パージガス冷却部によって冷却された前記パージガスを、前記端部発電体のカソード側に供給し、前記端部発電体のカソード側の温度を前記端部発電体のアノード側の温度以下に低下させる、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、その発電反応において水分が生成される。発電中に生成された水分が、発電停止後にも燃料電池内部に滞留した場合には、燃料電池を再起動したときに、当該水分により、反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の起動性が低下してしまうことが知られている。特に、低温環境下（例えば０℃以下）で燃料電池を再起動する場合には、燃料電池内部に滞留した水分の凍結により、その起動性は著しく悪化する。これまで、燃料電池の発電停止後に、燃料電池内の水分を外部へと排出するための掃気処理を実行する技術などが提案されてきた（特許文献１等）。
【０００３】
しかし、上記のように排水のための掃気処理を実行した場合であっても、燃料電池内部において、滞留する水分量が局所的に増大してしまった場合には、その滞留した水分を十分に外部へと排出することができなかったのが実情であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１５４９２号公報
【特許文献２】特開２００８−００４３２４号公報
【特許文献３】特開２００５−２０９６１０号公報
【特許文献４】特開２００８−０９７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池の発電停止後に、燃料電池内部に滞留する水分をより確実に排出することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、複数の発電体が積層された発電積層体を有する燃料電池と、前記複数の発電体のうち少なくとも前記発電積層体の端部に位置する端部発電体にパージガスを供給するパージガス供給部とを備え、前記パージガス供給部は、前記パージガスを冷却するパージガス冷却部を有しており、前記燃料電池の運転停止後に、前記パージガス冷却部によって冷却された前記パージガスを、前記端部発電体のカソード側に供給し、前記端部発電体のカソード側の温度を前記端部発電体のアノード側の温度以下に低下させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、冷却されたパージガスにより、端部発電体のアノード側とカソード側との間における温度差を低減することができ、端部発電体において、当該温度差によって生じるアノード側への水分の移動を抑制することができる。従って、端部発電体のアノード側に局所的に水分が滞留してしまうことを抑制し、燃料電池内部に滞留する水分をより確実に排出することができる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。また、本発明は、その燃料電池システムを制御する方法、それらの方法またはシステムの機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】第１実施例における燃料電池の任意の単セルを示す概略図。
【図３】燃料電池における温度分布および温度変化を説明するための説明図。
【図４】単セルにおける温度差による電極間の水分移動を説明するための模式図。
【図５】第１実施例の掃気処理における温度制御を説明するための説明図。
【図６】第２実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図７】第２実施例における燃料電池の構成を説明するための説明図。
【図８】第３実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図９】第４実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図１０】第４実施例における燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図１１】第４実施例の掃気処理実行時の燃料電池におけるパージガスの流れを説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。燃料電池システム２００は、燃料電池１００と、空気供給部１１０と、空気冷却部１２０とを備える。また、燃料電池システム２００は、さらに、水素を供給する水素供給部と、冷却水を供給する冷却水供給部とを備えるが、その図示は便宜上省略されている。燃料電池１００は、反応ガスとして水素と空気の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の発電体１０（以後、「単セル１０」とも呼ぶ）が積層されたスタック構造を有している。
【００１１】
燃料電池１００の両端部にはそれぞれ、各単セル１０に締結荷重を付与するための第１と第２のエンドプレート２１，２２が設けられている。第１のエンドプレート２１には、空気供給部１１０や水素供給部、冷却水供給部と接続され、反応ガスや冷却水を燃料電池１００の内部に供給するための流体供給口が設けられている。また、第１のエンドプレート２１には、排ガスと、燃料電池１００の冷却に供された冷却水とを燃料電池１００の外部へと排出するための流体排出口が設けられている。ここで、排ガスには、各単セル１０のアノードおよびカソードのそれぞれにおいて発電反応に供されることのなかった未反応ガスや、発電反応によって生成された水分が含まれる。なお、図には、空気の供給方向および排出方向を示す実線矢印と、水素の供給方向および排出方向を示す破線矢印と、冷却水の供給方向および排出方向を示す一点鎖線矢印とが図示されている。
【００１２】
ここで、各単セル１０には、反応ガスや冷媒のための供給用マニホールドと排出用マニホールドとが、各単セル１０の積層方向に貫通して設けられている（いずれも図示せず）。燃料電池１００の外部から供給された反応ガスや冷媒は、各単セル１０へと分岐して流入しつつ、第１のエンドプレート２１側から第２のエンドプレート２２側へと、図中の矢印Ｙの方向に向かって、供給用マニホールドを流れる。一方、各単セル１０から排出された排ガスや冷媒は、第２のエンドプレート２２側から第１のエンドプレート２１側へと、図中の矢印Ｙの方向とは反対の方向に向かって、排出用マニホールドを流れる。なお、図には、燃料電池１００の内部における空気の流れを示す破線矢印が図示されている。
【００１３】
図２は、燃料電池１００における任意の単セル１０を示す概略図である。図２には、図１と同じ方向を示す矢印Ｙが図示されている。この燃料電池１００では、各単セル１０の第１のエンドプレート２１側（紙面左側）の電極がアノード（−極）として機能し、第２のエンドプレート２２側（紙面右側）の電極がカソード（＋極）として機能する。以後、燃料電池１００における第１のエンドプレート２１側を「総−側」と呼び、第２のエンドプレート２２側を「総＋側」と呼ぶ。
【００１４】
このような構成において、燃料電池システム２００（図１）は、燃料電池１００に水素と空気とを供給して燃料電池１００に発電させる。また、燃料電池システム２００は、燃料電池１００を冷却水によって燃料電池１００の温度調整をする。ところで、燃料電池１００の内部には、その発電中（運転中）に、燃料電池反応によって、多量の水分が発生する。燃料電池１００の発電停止後（運転停止後）に、この水分が燃料電池１００の内部に滞留すると、燃料電池１００を再起動したときに、当該水分によって、燃料電池１００の内部における反応ガスの流れが阻害され、燃料電池１００の起動性が低下してしまう。特に、低温環境下（例えば０℃以下の環境下）においては、その滞留した水分が凍結してしまうため、燃料電池１００の起動性が著しく低下してしまう。
【００１５】
そこで、この燃料電池システム２００では、燃料電池１００の運転停止後に、燃料電池１００内部の水分を掃気するためのパージガスを燃料電池１００に供給する掃気処理を実行する。具体的には、燃料電池１００の水素用のマニホールドにパージガスとして掃気用の不活性ガスを供給する。また、燃料電池１００の空気用のマニホールドに、空気供給部１１０から、掃気用の空気または不活性ガスを供給する。
【００１６】
ここで、この燃料電池システム２００では、燃料電池１００と空気供給部１１０との間に空気冷却部１２０が設けられている。空気冷却部１２０は、燃料電池１００の運転中には停止しており、燃料電池１００の運転終了後に起動し、この掃気処理において空気供給部１１０から供給されるパージガスを冷却する。この理由を以下に説明する。
【００１７】
図３は、燃料電池１００における温度分布および温度変化を説明するための説明図である。図３（Ａ）は、運転中および運転停止後の燃料電池１００における温度分布を示すグラフである。このグラフは、縦軸が温度を示している。一方、横軸が、図１の燃料電池１００における矢印Ｙの方向の位置（セル位置）を示しており、横軸の紙面左側が、燃料電池１００の総−側となり、横軸の紙面右側が燃料電池１００の総＋側となる。また、実線のグラフＧ１が、燃料電池１００の運転中の温度分布を示し、一点鎖線のグラフＧ２が燃料電池１００の運転停止後の温度分布を示している。
【００１８】
これら２つのグラフＧ１，Ｇ２から、燃料電池１００では、運転中および運転停止後のいずれも、総−側および総＋側の端部の温度が燃料電池１００の積層方向における中央部の温度より低くなることがわかる。特に、燃料電池１００の運転停止後の方が、燃料電池１００の運転中よりも、当該中央部と２つの端部との間の温度差が大きくなっている。これは、燃料電池１００において端部に位置する単セル１０ほど、放熱量が大きくなるためである。
【００１９】
図３（Ｂ）は、燃料電池１００の運転中から、その運転停止後に渡る燃料電池１００の部位ごとの温度変化を示すグラフである。このグラフは、縦軸が温度を示し、横軸が時間を示している。なお、燃料電池システム２００は、時刻ｔにおいて燃料電池１００の運転を停止している。
【００２０】
ここで、本明細書では、単セル１０のうち、第１のエンドプレート２１側の端部に位置する単セル１０を特に「第１の端部セル１０ｅ１」と呼び、第２のエンドプレート２２側の端部に位置する単セル１０を特に「第２の端部セル１０ｅ２」と呼ぶ（図１）。また、燃料電池１００の積層方向における中央に位置する単セル１０を特に「中央セル１０ｃ」と呼ぶ。実線のグラフＧ３は、中央セル１０ｃの温度変化を示すグラフであり、破線のグラフＧ４は、第１と第２のエンドプレート２１，２２の平均温度の温度変化を示すグラフである。また、一点鎖線のグラフＧ５は、第１と第２の端部セル１０ｅ１，１０ｅ２の平均温度の温度変化を示すグラフである。
【００２１】
中央セル１０ｃは、燃料電池１００の運転中には、略一定比率で温度が上昇し、燃料電池１００の運転停止後には、略一定比率で温度が低下している（グラフＧ３）。また、第１と第２のエンドプレート２１，２２も同様に、燃料電池１００の運転中と運転停止後において、略一定比率の温度変化をする（グラフＧ４）。ただし、グラフＧ４における上昇側の温度変化比率は、グラフＧ３における上昇側の温度変化比率より小さく、グラフＧ４における下降側の温度変化比率は、グラフＧ３における下降側の温度変化比率より小さい。
【００２２】
第１と第２の端部セル１０ｅ１，１０ｅ２は、燃料電池１００の運転中には、中央セル１０ｃと同様に略一定比率で温度が上昇する（グラフＧ５）。なお、その温度変化比率は、中央セル１０ｃにおける上昇側の温度変化比率より小さく、第１と第２のエンドプレート２１，２２における上昇側の温度変化比率より大きい。しかし、燃料電池１００の運転停止後の比較的初期の時間帯ｔｗにおいては、第１と第２の端部セル１０ｅ１，１０ｅ２の温度は、略指数関数的に減少する。そして、この時間帯ｔｗの後には、第１と第２の端部セル１０ｅ１，１０ｅ２の温度は、中央セル１０ｃの下降側の温度変化比率よりも低い温度変化比率で徐々に下降していく。
【００２３】
ここで、燃料電池１００の運転停止後の時間帯ｔｗにおいては、第１と第２の端部セル１０ｅ１，１０ｅ２の温度低下が中央セル１０ｃの温度低下より著しくなる。これは、端部側の単セル１０ほど、燃料電池１００の運転停止直後に放熱が促進されるためであると推察される。また、この時間帯ｔｗにおいては、第１と第２の端部セル１０ｅ１，１０ｅ２におけるアノード側とカソード側との温度差（以後、「極間温度差」と呼ぶ）が、中央セル１０ｃにおける極間温度差よりも大きくなる。
【００２４】
図４は、単セル１０における電極間の水分の移動を説明するための模式図である。図４には、単セル１０に含まれる膜電極接合体５が模式的に示されている。膜電極接合体５は、電解質膜１の両側に電極３が設けられた発電体である。単セル１０において、極間温度差が生じている場合、比較的高温となる電極３側において水蒸気圧が上昇する。すると、水蒸気分圧差に従って、比較的低温となる電極３側に水蒸気が移動して、比較的低温となる電極３側において液化する。この極間温度差による電極間の水分移動の移動量は、極間温度差が大きいほど増大する。
【００２５】
ここで、燃料電池１００の総−側の端部に位置する第１の端部セル１０ｅ１では、上記の時間帯ｔｗにおいて、カソード側が高温となり、アノード側が低温となり、その極間温度差が特に大きくなる。即ち、第１の端部セル１０ｅ１では、燃料電池１００の運転停止後に、カソード側よりもアノード側の方に、液水が著しく滞留しやすくなる。このように、局所的に水分が滞留すると、その水分を十分に掃気することができず、燃料電池１００の起動性が低下するばかりでなく、第１の端部セル１０ｅ１において、いわゆるフラッディングによるセル電圧の低下が生じやすくなる。そこで、本実施例の燃料電池システム２００では、掃気処理において、空気冷却部１２０によって冷却されたパージガスを燃料電池１００のカソード側に供給することにより、カソード側の温度を低下させる。
【００２６】
図５は、燃料電池システム２００の掃気処理における温度制御を説明するための説明図である。図５のグラフは、第１の端部セル１０ｅ１のアノード側とカソード側における温度の比較を示すための棒グラフである。このグラフは、縦軸が温度を示している。また、クロスハッチングを付した棒グラフがアノード側の温度を示し、斜線ハッチングを付した棒グラフがカソード側の温度を示している。ここで、上記の時間帯ｔｗ（図３（Ｂ））における第１の端部セル１０ｅ１のアノード側の温度をＴａとし、カソード側の温度をＴｃとし、第１の端部セル１０ｅ１における極間温度差をΔＴとする。
【００２７】
燃料電池システム２００では、各単セル１０のカソード側に、空気冷却部１２０によって冷却された低温（例えば３０℃以下）のパージガスを供給し、極間温度差が低減されるように制御する。具体的には、燃料電池１００の停止前の運転条件や、燃料電池１００内部において検出された温度に基づいて、第１の端部セル１０ｅ１のカソード側の温度Ｔｃおよびアノード側の温度Ｔａを推定する。そして、カソード側の温度Ｔｃが、アノード側の温度Ｔａ以下となるように、空気冷却部１２０による冷却時間や、パージガスの温度を設定し、掃気処理を実行する。なお、第１の端部セル１０ｅ１のカソード側の温度Ｔｃおよびアノード側の温度Ｔａは、直接的に測定・検出するものとしても良い。また、パージガスの冷却時間や温度は、予め準備されたマップによって設定されるものとしても良い。
【００２８】
この掃気処理によって、第１の端部セル１０ｅ１における極間温度差が低減させることができ、極間温度差に従ってカソード側からアノード側へと移動する水分量を低減させることができる。また、他の単セル１０においても同様に、カソード側の温度を低下させることができるため、各単セル１０におけるカソード側からアノード側へと移動する水分量を低減できる。従って、運転停止後の燃料電池１００において、アノード側の水分量が片寄って増大してしまうことを抑制でき、燃料電池１００の内部に存在する水分をより確実に排出することができる。また、燃料電池１００の起動性の低下を抑制することができるとともに、第１の端部セル１０ｅ１におけるフラッディングの発生を抑制することができる。
【００２９】
このように、本実施例の燃料電池システム２００によれば、燃料電池１００のカソード側に冷却されたパージガスを供給することにより、燃料電池１００内部に局所的に水分が滞留することを抑制し、燃料電池１００における水分の掃気をより確実に実行できる。
【００３０】
B．第２実施例：
図６は本発明の第２実施例としての燃料電池システム２００Ａの構成を示す概略図である。図６は、燃料電池１００に換えて燃料電池１００Ａが図示されている点と、空気供給部１１０に換えて、第１と第２の空気供給部１１１，１１２が追加されている点と、空気冷却部１２０の位置が変更されている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、この燃料電池システム２００Ａでは、以下に説明する点以外は、第１実施例の燃料電池システム２００と同様に、燃料電池１００Ａの運転および掃気処理が実行される。
【００３１】
図７は、燃料電池１００Ａの任意の単セル１０を示す概略図であり、アノードとカソードとが逆になっている点以外は、図２とほぼ同じである。即ち、この燃料電池１００Ａでは、第１のエンドプレート２１側が総＋側となり、第２のエンドプレート２２側が総−側となる。
【００３２】
この燃料電池システム２００Ａ（図６）では、第１の空気供給部１１１が、第１のエンドプレート２１を介して燃料電池１００Ａに接続され、第２の空気供給部１１２が、第２のエンドプレート２２を介して、燃料電池１００Ａに接続されている。この燃料電池１００Ａでは、第２の端部セル１０ｅ２と、それに隣接する単セル１０との間において、隔壁が設けられることにより空気用のマニホールドが途中で分離されている。これにより、第２の端部セル１０ｅ２には、第２の空気供給部１１２から空気が供給され、他の単セル１０には第１の空気供給部１１１から空気が供給される。また、第２の端部セル１０ｅ２のカソード側の排ガスは、第２のエンドプレート２２を介して燃料電池１００Ａの外部に排出され、残りの他の単セル１０におけるカソード側の排ガスは、第１のエンドプレート２１を介して燃料電池１００Ａの外部に排出される。図には、燃料電池１００Ａの内部における空気の流れが破線矢印で図示してある。なお、水素および冷媒のためのマニホールドは、第２の端部セル１０ｅ２まで連通しているため、燃料電池１００Ａにおける水素および冷媒の流路は、第１実施例の燃料電池１００と同様である。
【００３３】
ここで、第２実施例の燃料電池システム２００Ａでは、空気冷却部１２０が、第２の空気供給部１１２と第２の端部セル１０ｅ２との間に設けられている。即ち、燃料電池１００Ａの運転停止後には、第２の端部セル１０ｅ２のカソード側にのみ冷却されたパージガスが供給され、他の単セル１０のカソード側には、空気冷却部１２０によって冷却されていないパージガスが供給される。
【００３４】
この構成により、燃料電池１００Ａの運転停止後に、最も極間温度差によるアノード側への水分量移動が発生しやすい、総−側の端部に位置する第２の端部セル１０ｅ２の極間温度差を重点的に低減することができる。また、その極間温度を容易に制御することができる。そのため、運転停止後の燃料電池１００Ａ内部の水分の掃気を効率的に実行することが可能である。また、この構成であれば、空気冷却部１２０を、第１実施例のものよりも小型化することが可能である。なお、第１の空気供給部１１１と燃料電池１００Ａとの間にも、空気冷却部１２０が設けられるものとしても良い。
【００３５】
C．第３実施例：
図８は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム２００Ｂの構成を示す概略図である。図８は、空気冷却部１２０と燃料電池１００Ａとの間に三方弁１３０が追加されている点と、三方弁１３０と第１の空気供給部１１１とを接続するための分岐配管１３１が追加されている点以外は、図６とほぼ同じである。この燃料電池システム２００Ｂでは、以下に説明する点以外は、第２実施例の燃料電池システム２００Ａと同様に、燃料電池１００Ａの運転および掃気処理が実行される。
【００３６】
第３実施例の燃料電池システム２００Ｂでは、燃料電池１００Ｂの運転の際には、第１の空気供給部１１１からの空気が、分岐配管１３１および三方弁１３０を介して、第２の端部セル１０ｅ２へも供給される。そして、その掃気処理の際には、三方弁１３０の接続先を切り替えることにより、第２の空気供給部１１２から供給されるパージガスが、空気冷却部１２０によって冷却されて、第２の端部セル１０ｅ２へと供給される。このような構成であっても、第２実施例の燃料電池システム２００Ｂと同様に、運転停止後の燃料電池１００Ａ内部の水分の掃気を効率的に実行することが可能である。
【００３７】
D．第４実施例：
図９は、本発明の第４実施例としての燃料電池システム２００Ｃの構成を示す概略図である。この燃料電池システム２００Ｃは、第１実施例で説明した燃料電池１００（図１，図２）と、第２実施例で説明した第１と第２の空気供給部１１１，１１２および空気冷却部１２０（図６）とを備える。
【００３８】
第１の空気供給部１１１は、第１のエンドプレート２１側から燃料電池１００に接続され、空気供給用マニホールドに空気を供給する。第２の空気供給部１１２および空気冷却部１２０は、配管１１３を介して、第２のエンドプレート２２側から燃料電池１００に接続され、空気排出用マニホールドへと冷却された空気（パージガス）を供給する。
【００３９】
燃料電池システム２００Ｃでは、さらに、空気を排出するための第１と第２の空気排出用配管１４１，１４２が燃料電池１００に接続されている。第１の空気排出用配管１４１は、第１のエンドプレート２１側から、燃料電池１００の空気排出用マニホールドに接続されている。第２の空気排出用配管１４２は、第２のエンドプレート２２側から、燃料電池１００の空気供給用マニホールドに接続されている。なお、第１と第２の空気排出用配管１４１，１４２にはそれぞれ、開閉弁１４３，１４４が設けられている。
【００４０】
ここで、図９は、燃料電池１００の発電時における燃料電池システム２００Ｃが示されており、発電時の燃料電池１００の内部における空気の流れが、図１と同様に、破線矢印によって図示されている。また、図９では、第２のエンドプレート２２側の２つの配管１１３，１４２に「×」を付すことにより、２つの配管１１３，１４２へのガスの流れが遮断されていることが示されている。
【００４１】
この燃料電池システム２００Ｃでは、燃料電池１００の発電時には、第１の空気排出用配管１４１に設けられた開閉弁１４３を開くとともに、第２の空気排出用配管１４２に設けられた開閉弁１４４を閉じる。また、第２の空気供給部１１２および空気冷却部１２０を停止しておくとともに、配管１１３に設けられた開閉弁（図示せず）を閉じておく。これによって、この燃料電池システム２００Ｃの燃料電池１００は、第１実施例で説明したのと同様な空気の流れで発電する。また、燃料電池１００の発電時における水素および冷却水の流れも、第１実施例と同様である。
【００４２】
図１０は、燃料電池１００の運転停止後に実行される掃気処理の実行時における燃料電池システム２００Ｃを示す概略図である。図１０は、ガス流の遮断を示す「×」の付された配管が異なる点と、燃料電池１００内部におけるガスの流れを示す破線矢印の方向が異なる点以外は、ほぼ図９と同じである。
【００４３】
この燃料電池システム２００Ｃでは、掃気処理の実行時には、第１の空気排出用配管１４１の開閉弁１４３を閉じ、第２の空気排出用配管１４２の開閉弁１４４を開く。そして、第１の空気供給部１１１を停止させておき、第２の空気供給部１１２および空気冷却部１２０を稼働させる。即ち、第１のエンドプレート２１側へのパージガスの流出が遮断された状態で、第２のエンドプレート２２側から、冷却されたパージガスが、燃料電池１００の空気供給用マニホールドへと供給される。パージガスは、空気供給用マニホールドから分岐して、各発電体１０を通過し、空気排出用マニホールドを介して、第２のエンドプレート２２側の第２の空気排出用配管１４２から排出される。
【００４４】
このように、この燃料電池システム２００Ｃでは、発電時の空気とは逆の流れで、カソード側の掃気処理が実行される。なお、アノード側の掃気処理は、発電時と同様なガスの流れ方向で実行される。
【００４５】
図１１（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池１００の各単セル１０におけるガスの流れを説明するための模式図である。図１１（Ａ）は、燃料電池１００の単セル１０を、単セル１０の積層方向に沿って見たときの概略図であり、便宜上、各流体のためのマニホールド３１〜３６のみが図示されている。図１１（Ａ）には、発電中の各単セル１０の電極面において、反応ガスおよび冷却水が流れる方向が、図１と同様な矢印によって図示されている。なお、図１１（Ａ）に示された矢印Ｇは、燃料電池システム２００Ｃに燃料電池１００が配置されたときの重力方向を示している。
【００４６】
燃料電池１００には、水素供給用のマニホールド３１とアノード側の排ガスを排出するための水素排出用のマニホールド３２とが、単セル１０の中央の発電領域を挟んで対角する位置に設けられている。また、空気供給用のマニホールド３３と、カソード側の排ガスを排出するための空気排出用のマニホールド３４とが、単セル１０の発電領域を挟んで対角する位置に設けられている。より具体的には、空気供給用のマニホールド３３が重力方向下側に設けられ、空気排出用のマニホールド３４が重力方向上側に設けられる。さらに、水素供給用のマニホールド３１と空気供給用のマニホールド３３との間には、冷却水供給用のマニホールド３５が設けられ、水素排出用のマニホールド３２と空気排出用のマニホールド３４との間には、冷却水排出用のマニホールド３６が設けられている。燃料電池システム２００Ｃでは、燃料電池１００の発電時に、各単セル１０の発電領域において、重力方向下側から重力方向上側へと、空気が重力に反した方向に流れる。
【００４７】
図１１（Ｂ）は、掃気処理実行時における単セル１０を示す概略図であり、掃気処理のために供給されたパージガスの流れを示す矢印の方向が異なる点以外は、図１１（Ａ）とほぼ同じである。燃料電池システム２００Ｃでは、掃気処理実行時には、空気排出用のマニホールド３４から空気冷却部１２０により冷却されたパージガスが供給されるとともに、空気供給用のマニホールド３２からパージガスにより掃気された水分が排出される。即ち、カソード側のパージガスは、各単セル１０の発電領域において、重力方向上側から重力方向下側に向かって流れる。
【００４８】
ここで、この掃気処理実行時には、各単セル１０のカソード側において、冷却されたパージガスにより、カソード側の温度が低下し、各単セル１０における極間温度差が低減されるとともに、カソード側における水蒸気の液化が促進される。従って、極間温度差の低下と、カソード側における水蒸気量の低下により、アノード側への水分移動が抑制される。また、カソード側において液化した水分は、発電領域において、重力に従って排出側へと移動するため、燃料電池１００内部の水分の排出が促進される。
【００４９】
このように、この第４実施例における燃料電池システム２００Ｃによれば、重力を利用して、さらに、効率的に燃料電池１００内部の水分を排出することができる。
【符号の説明】
【００５０】
３…電極
５…膜電極接合体
１０…単セル（発電体）
１０ｅ１…第１の端部セル
１０ｅ２…第２の端部セル
２１…第１のエンドプレート
２２…第２のエンドプレート
３１〜３６…マニホールド
１００…燃料電池
１００Ａ…燃料電池
１００Ｂ…燃料電池
１１０…空気供給部
１１１…第１の空気供給部
１１２…第２の空気供給部
１１３…配管
１２０…空気冷却部
１３０…三方弁
１３１…分岐配管
１４１…第１の空気排出用配管
１４２…第２の空気排出用配管
１４３…開閉弁
１４４…開閉弁
２００…燃料電池システム
２００Ａ…燃料電池システム
２００Ｂ…燃料電池システム
２００Ｃ…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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