(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池構造体（１０）を有し、前記燃料電池構造体（１０）は、前記酸化剤ガスが流れるとともに、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）と、前記燃料ガスが流れるとともに、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）と、前記酸化剤ガス流路（２）の内壁面に設けられた酸化剤極（２２）と、前記燃料ガス流路（３）の内壁面に設けられた燃料極（３２）と、一面が前記酸化剤極（２２）と接触するとともに、他面が前記燃料極（３２）と接触するように設けられた固体電解質体（１２）とを備える、燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス流路（２）に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（５１、５２）と、
前記酸化剤ガス供給手段（５１、５２）から前記燃料電池（１）に供給された前記酸化剤ガスのうち、前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを含んだオフ酸化剤ガスを前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス流路（２）から排出させるオフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）と、
前記燃料電池（１）の前記燃料ガス流路（３）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（６１〜６３）と、
前記燃料ガス供給手段（６１〜６３）から前記燃料電池（１）に供給された前記燃料ガスのうち、前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを前記燃料電池（１）の前記燃料ガス流路（３）から排出させるオフ燃料ガス排出手段（８１、８２）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
さらに、前記酸化剤ガス流路（２）および前記燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における前記電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）を備え、
前記オフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）は、前記反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記酸化剤ガス流路（２）および前記燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における前記反応ガスの濃度が予め定めた基準濃度を上回った場合に、前記酸化剤ガス流路（２）から前記オフ酸化剤ガスを排出し、
前記オフ燃料ガス排出手段（８１、８２）は、前記反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記酸化剤ガス流路（２）および前記燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における前記反応ガスの濃度が前記基準濃度を上回った場合に、前記燃料ガス流路（３）から前記オフ燃料ガスを排出す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。
【請求項３】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池構造体（１０）を有し、前記燃料電池構造体（１０）は、前記酸化剤ガスが流れるとともに、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）と、前記燃料ガスが流れるとともに、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）と、前記酸化剤ガス流路（２）の内壁面に設けられた酸化剤極（２２）と、前記燃料ガス流路（３）の内壁面に設けられた燃料極（３２）と、一面が前記酸化剤極（２２）と接触するとともに、他面が前記燃料極（３２）と接触するように設けられた固体電解質体（１２）とを備える、燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の前記酸化剤ガス流路（２）と連通する酸化剤ガス導入室（２０）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積を可変とする酸化剤ガス側ピストン（２５）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（５）を開閉する酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路（７）を開閉する酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）と、
前記燃料電池（１）の前記燃料ガス流路（３）と連通する燃料ガス導入室（３０）と、
前記燃料ガス導入室（３０）の容積を可変とする燃料ガス側ピストン（３５）と、
前記燃料ガス導入室（３０）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（６）を開閉する燃料ガス供給側開閉手段（６５）と、
前記燃料ガス導入室（３０）から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路（８）を開閉する燃料ガス排出側開閉手段（８５）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）および前記燃料ガス側ピストン（３５）の少なくとも一方を駆動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。
【請求項５】
さらに、前記燃料ガス導入室（３０）における前記燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段（３３）と、
前記酸化剤ガス導入室（２０）および前記燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における前記電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）と、
前記酸化剤ガス側ピストン（２５）、前記酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）、前記酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）、前記燃料ガス側ピストン（３５）、前記燃料ガス供給側開閉手段（６５）および前記燃料ガス排出側開閉手段（８５）の作動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記燃料ガス導入室（３０）における前記燃料ガスの濃度が予め定めた基準燃料ガス濃度を下回った場合に、前記酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）によって前記酸化剤ガス排出流路（７）を閉じ、前記燃料ガス排出側開閉手段（８５）によって前記燃料ガス排出流路（８）を閉じ、前記酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって前記酸化剤ガス供給流路（５）を開き、前記燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって燃料ガス供給流路（６）を開き、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）を前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、前記燃料ガス側ピストン（３５）を前記燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる供給ガス吸引処理を行い、
前記ガス吸引処理を行った後、前記燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記燃料ガス導入室（３０）における前記燃料ガスの濃度が前記基準燃料ガス濃度以上になった場合に、前記酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって前記酸化剤ガス供給流路（５）を閉じ、前記燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって前記燃料ガス供給流路（６）を閉じ、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）を前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積が縮小する側に変位させ、前記燃料ガス側ピストン（３５）を前記燃料ガス導入室（３０）の容積が縮小する側に変位させるガス加圧供給処理を行い、
前記ガス加圧供給処理を行った後、前記反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された前記酸化剤ガス導入室（２０）および前記燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における前記反応ガスの濃度が予め定めた基準反応ガス濃度を上回った場合に、前記酸化剤ガス側ピストン（２５）を前記酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、前記燃料ガス側ピストン（３５）を前記燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる反応ガス吸引処理を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤ガス流路（２）の前記第１開口部（２１）は、前記燃料電池構造体（１０）の一側に設けられており、
前記燃料ガス流路（３）の前記第２開口部（３１）は、前記燃料電池構造体（１０）の他側に設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池構造体（１０）は、外周壁（１１）と、前記外周壁（１１）の内側においてハニカム状に設けられた隔壁（１２）と、前記隔壁（１２）で区画されるとともに一端から他端に向かって延伸する複数の貫通孔（１３）とを有するハニカム構造体であり、
前記隔壁（１２）は、固体電解質により形成されており、
前記複数の貫通孔（１３）の前記一端または前記他端は、封止されており、
前記一端が封止された前記貫通孔（１３）により、前記酸化剤ガス流路（２）が構成されており、
前記他端が封止された前記貫通孔（１３）により、前記燃料ガス流路（３）が構成されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）は、電解質に薄膜化されたＹ２Ｏ３ドープＺｒＯ２（ＹＳＺ）、燃料極にＮｉ／ＺｒＯ２サーメット、酸素極にＬａＳｒＭｎＯ３等の酸化物導電材料をそれぞれ用いた薄膜の単電池となっており、大出力化を図るために単電池を積層構造としたものが数多く提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、固体酸化物とインターコネクタとを一体化したハニカム構造体を備え、当該ハニカム構造体の各開口内の壁面に電極を設けたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３４２４３９号公報
【特許文献２】特開２０００−１２３８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣでは、燃料電池とガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給、排出するためのマニホールドとの接続面において、シールを行う必要がある。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれで、供給マニホールドおよび排出マニホールドが必要となるため、ＳＯＦＣとマニホールドの接続面が広くなり、シールを確実に行うことができない問題が生じる。また、ＳＯＦＣでは、７００〜１０００℃程度の高温作動を必要とすることから熱膨張が大きく、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣではマニホールド接続部が多く、拘束点が増えることでシール部の損傷が生じやすい。
【０００７】
さらに、上記特許文献２のようなハニカム構造体のＳＯＦＣにおいては、同じ面上に燃料ガスおよび酸化剤ガスの複数の貫通孔が必要となることから、シールが必要な部位の長さが上記特許文献１に記載のＳＯＦＣ以上に長くなり、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシールを確実に行うことが非常に困難である。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシールを容易かつ確実に行うことができる燃料電池を備える燃料電池システム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】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１、３に記載の燃料電池システムが備える燃料電池（１）は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池構造体（１０）を有し、燃料電池構造体（１０）は、酸化剤ガスが流れるとともに、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）と、燃料ガスが流れるとともに、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）と、酸化剤ガス流路（２）の内壁面に設けられた酸化剤極（２２）と、燃料ガス流路（３）の内壁面に設けられた燃料極（３２）と、一面が酸化剤極（２２）と接触するとともに、他面が燃料極（３２）と接触するように設けられた固体電解質体（１２）とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このように、一端側に第１開口部（２１）が形成され且つ他端側が閉塞された酸化剤ガス流路（２）を備えることで、酸化剤ガスは第１開口部（２１）から酸化剤ガス流路（２）内に流入するとともに当該第１開口部（２１）から酸化剤ガス流路（２）外へ流出する。すなわち、第１開口部（２１）が、酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを流入させる酸化剤ガス流入口、および酸化剤ガス流路（２）から酸化剤ガスを流出させる酸化剤ガス流出口の双方として機能する。
【００１１】
このため、第１開口部（２１）のシールを行うだけで、酸化剤ガス流入口および酸化剤ガス流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、酸化剤ガス流入口および酸化剤ガス流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、酸化剤ガスのシールを容易かつ確実に行うことができる。
【００１２】
同様に、一端側に第２開口部（３１）が形成され且つ他端側が閉塞された燃料ガス流路（３）を備えることで、燃料ガスは第２開口部（３１）から燃料ガス流路（３）内に流入するとともに当該第２開口部（３１）から燃料ガス流路（３）外へ流出する。すなわち、第２開口部（３１）が、燃料ガス流路（３）に燃料ガスを流入させる燃料ガス流入口、および燃料ガス流路（３）から燃料ガスを流出させる燃料ガス流出口の双方として機能する。
【００１３】
このため、第２開口部（３１）のシールを行うだけで、燃料ガス流入口および燃料ガス流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、燃料ガス流入口および燃料ガス流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、燃料ガスのシールを容易かつ確実に行うことができる。
【００１４】
したがって、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システムが備える燃料電池において、酸化剤ガス流路（２）の第１開口部（２１）は、燃料電池構造体（１０）の一側に設けられており、燃料ガス流路（３）の第２開口部（３１）は、燃料電池構造体（１０）の他側に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
これによれば、燃料電池構造体（１０）の一側には第１開口部（２１）のみが存在し、第２開口部（３１）は存在しないので、燃料電池構造体（１０）の一側においては酸化剤ガスのみが流入出する。また、燃料電池構造体（１０）の他側には第２開口部（３１）のみが存在し、第１開口部（２１）は存在しないので、燃料電池構造体（１０）の他側においては燃料ガスのみが流入出する。
【００１７】
つまり、燃料電池構造体（１０）の一側からは酸化剤ガスのみを流出入させ、燃料電池構造体（１０）の他側からは燃料ガスのみを流出入させることができる。したがって、酸化剤ガスおよび燃料ガス間のシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の燃料電池システムが備える燃料電池において、燃料電池構造体（１０）は、外周壁（１１）と、外周壁（１１）の内側においてハニカム状に設けられた隔壁（１２）と、隔壁（１２）で区画されるとともに一端から他端に向かって延伸する複数の貫通孔（１３）とを有するハニカム構造体であり、隔壁（１２）は、固体電解質により形成されており、複数の貫通孔（１３）の一端または他端は、封止されており、一端が封止された貫通孔（１３）により、酸化剤ガス流路（２）が構成されており、他端が封止された貫通孔（１３）により、燃料ガス流路（３）が構成されていることを特徴とする。
【００１９】
このように、燃料電池構造体（１０）をハニカム構造体とすることで、隔壁（１２）が燃料電池セル同士を接合する接合部材であるインターコネクタおよび固体電解質体の双方の機能を果たす。つまり、インターコネクタと固体電解質体とを一体化することができる。したがって、酸化剤極、燃料極および固体電解質等で構成される燃料電池セルをインターコネクタを介して複数接合する燃料電池に対して、燃料電池の体格を小型化することが可能となる。
【００２０】
また、請求項１に記載の発明では、燃料電池（１）の酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（５１、５２）と、酸化剤ガス供給手段（５１、５２）から燃料電池（１）に供給された酸化剤ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを含んだオフ酸化剤ガスを燃料電池（１）の酸化剤ガス流路（２）から排出させるオフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）と、燃料電池（１）の燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（６１〜６３）と、燃料ガス供給手段（６１〜６３）から燃料電池（１）に供給された燃料ガスのうち、電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを燃料電池（１）の燃料ガス流路（３）から排出させるオフ燃料ガス排出手段（８１、８２）とを備えることを特徴とする。
【００２１】
これによれば、酸化剤ガス供給手段（５１、５２）により酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス供給手段（６１〜６３）により燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給した後、例えば所定時間経過後に、オフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）により酸化剤ガス流路（２）からオフ酸化剤ガスを排出させるとともに、オフ燃料ガス排出手段（８１、８２）により燃料ガス流路（３）からオフ燃料ガスを排出することができる。
【００２２】
すなわち、バッチ処理により、酸化剤ガス流路（２）への酸化剤ガスの供給と、酸化剤ガス流路（２）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。同様に、バッチ処理により、燃料ガス流路（３）への燃料ガスの供給と、燃料ガス流路（３）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。
【００２３】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）を備え、オフ酸化剤ガス排出手段（７１、７２）は、反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が予め定めた基準濃度を上回った場合に、酸化剤ガス流路（２）からオフ酸化剤ガスを排出し、オフ燃料ガス排出手段（８１、８２）は、反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が基準濃度を上回った場合に、燃料ガス流路（３）からオフ燃料ガスを排出することを特徴とする。
【００２４】
これによれば、酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が基準濃度を上回った場合、すなわち燃料電池内の酸化剤ガス濃度および燃料ガス濃度の少なくとも一方が低下して燃料電池の発電効率が低下した場合に、燃料電池からオフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを排出することができる。したがって、燃料電池の低効率発電の継続を抑制できる。
【００２５】
また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１）の酸化剤ガス流路（２）と連通する酸化剤ガス導入室（２０）と、酸化剤ガス導入室（２０）の容積を可変とする酸化剤ガス側ピストン（２５）と、酸化剤ガス導入室（２０）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（５）を開閉する酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）と、酸化剤ガス導入室（２０）から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路（７）を開閉する酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）と、燃料電池（１）の燃料ガス流路（３）と連通する燃料ガス導入室（３０）と、燃料ガス導入室（３０）の容積を可変とする燃料ガス側ピストン（３５）と、燃料ガス導入室（３０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（６）を開閉する燃料ガス供給側開閉手段（６５）と、燃料ガス導入室（３０）から燃料ガスを排出する燃料ガス排出流路（８）を開閉する燃料ガス排出側開閉手段（８５）とを備えることを特徴とする。
【００２６】
これによれば、酸化剤ガス供給流路（５）を開けて酸化剤ガス導入室（２０）に酸化剤ガスを供給した後、酸化剤ガス供給流路（５）を閉じた状態で酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に移動させることで、酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給することができる。同様に、燃料ガス供給流路（６）を開けて燃料ガス導入室（３０）に燃料ガスを供給した後、燃料ガス供給流路（６）を閉じた状態で燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を縮小する側に移動させることで、燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給することができる。
【００２７】
そして、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を拡大する側に移動させることで、燃料電池の酸化剤ガス流路（２）から酸化剤ガス導入室（２０）にオフ酸化剤ガスを吸引する。その後、酸化剤ガス排出流路（７）を開けた状態で酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に移動させることで、酸化剤ガス導入室（２０）からオフ外部に酸化剤ガスを排出することができる。
【００２８】
同様に、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を拡大する側に移動させることで、燃料電池の燃料ガス流路（３）から燃料ガス導入室（３０）にオフ燃料ガスを吸引する。その後、燃料ガス排出流路（８）を開けた状態で燃料ガス側ピストン（２５）を燃料ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に移動させることで、燃料ガス導入室（２０）からオフ外部に燃料ガスを排出することができる。
【００２９】
すなわち、バッチ処理により、酸化剤ガス流路（２）への酸化剤ガスの供給と、酸化剤ガス流路（２）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。同様に、バッチ処理により、燃料ガス流路（３）への燃料ガスの供給と、燃料ガス流路（３）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。
【００３０】
また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを含んだオフ燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して、酸化剤ガス側ピストン（２５）および燃料ガス側ピストン（３５）の少なくとも一方を駆動することを特徴とする。これによれば、酸化剤ガス側ピストン（２５）および燃料ガス側ピストン（３５）の少なくとも一方を駆動するための動力を低減できる。
【００３１】
また、請求項５に記載の発明では、請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、燃料ガス導入室（３０）における燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段（３３）と、酸化剤ガス導入室（２０）および燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における電気化学反応で生じた反応ガスの濃度を検出する反応ガス濃度検出手段（３３）と、酸化剤ガス側ピストン（２５）、酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）、酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）、燃料ガス側ピストン（３５）、燃料ガス供給側開閉手段（６５）および燃料ガス排出側開閉手段（８５）の作動を制御する制御手段とを備え、制御手段は、燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された燃料ガス導入室（３０）における燃料ガスの濃度が予め定めた基準燃料ガス濃度を下回った場合に、酸化剤ガス排出側開閉手段（７５）によって酸化剤ガス排出流路（７）を閉じ、燃料ガス排出側開閉手段（８５）によって燃料ガス排出流路（８）を閉じ、酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって酸化剤ガス供給流路（５）を開き、燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって燃料ガス供給流路（６）を開き、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる供給ガス吸引処理を行い、ガス吸引処理を行った後、燃料ガス濃度検出手段（３３）により検出された燃料ガス導入室（３０）における燃料ガスの濃度が基準燃料ガス濃度以上になった場合に、酸化剤ガス供給側開閉手段（５５）によって酸化剤ガス供給流路（５）を閉じ、燃料ガス供給側開閉手段（６５）によって燃料ガス供給流路（６）を閉じ、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積が縮小する側に変位させ、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積が縮小する側に変位させるガス加圧供給処理を行い、ガス加圧供給処理を行った後、反応ガス濃度検出手段（３３）により検出された酸化剤ガス導入室（２０）および燃料ガス導入室（３０）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が予め定めた基準反応ガス濃度を上回った場合に、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積が拡大する側に変位させ、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積が拡大する側に変位させる反応ガス吸引処理を行うことを特徴とする。
【００３２】
これによれば、ガス吸引処理により、酸化剤ガス導入室（２０）に酸化剤ガスを供給するととともに、燃料ガス導入室（３０）に燃料ガスを供給することができる。
【００３３】
また、ガス吸引処理を行った後、ガス加圧供給処理においては、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を縮小する側に変位させることで燃料電池の酸化剤ガス流路（２）に酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を縮小する側に変位させることで燃料電池の燃料ガス流路（３）に燃料ガスを供給することができる。
【００３４】
また、ガス加圧供給処理を行った後、反応ガス吸引処理においては、酸化剤ガス側ピストン（２５）を酸化剤ガス導入室（２０）の容積を拡大する側に移動させることで燃料電池の酸化剤ガス流路（２）から酸化剤ガス導入室（２０）にオフ酸化剤ガスを吸引排出させるとともに、燃料ガス側ピストン（３５）を燃料ガス導入室（３０）の容積を拡大する側に移動させることで燃料電池の燃料ガス流路（３）から燃料ガス導入室（３０）にオフ燃料ガスを吸引排出させることができる。
【００３５】
したがって、バッチ処理により、燃料電池の酸化剤ガス流路（２）への酸化剤ガスの供給と、酸化剤ガス流路（２）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。同様に、バッチ処理により、燃料電池の燃料ガス流路（３）への燃料ガスの供給と、燃料ガス流路（３）からのオフ酸化剤ガスの排出を行うことができる。
【００３６】
また、ガス加圧供給処理を行った後、酸化剤ガス流路（２）および燃料ガス流路（３）の少なくとも一方における反応ガスの濃度が基準反応ガス濃度を上回った場合に反応ガス吸引処理を行うことで、燃料電池内の酸化剤ガス濃度および燃料ガス濃度の少なくとも一方が低下して燃料電池の発電効率が低下した場合に、燃料電池からオフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを排出することができる。したがって、燃料電池の低効率発電の継続を抑制できる。
【００３７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムのガス加圧供給時のガス流れ等を示す模式図である。
【図４】第１実施形態に係る燃料電池システムの密閉時のガス流れ等を示す模式図である。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池システムの反応ガス排出時のガス流れ等を示す模式図である。
【図６】第１実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池システムのガス供給時のガス流れ等を示す模式図である。
【図８】第２実施形態に係る燃料電池システムのガス加圧時のガス流れ等を示す模式図である。
【図９】第２実施形態に係る燃料電池システムのガス減圧時のガス流れ等を示す模式図である。
【図１０】第２実施形態に係る燃料電池システムの反応ガス排出時のガス流れ等を示す模式図である。
【図１１】第２実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】第３実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図１３】第３実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。
【図１４】他の実施形態に係る平板型燃料電池を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００４０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを、燃料電池を走行用駆動源として走行する電気自動車（燃料電池自動車）に搭載したものである。本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する固体酸化物型燃料電池（以下、単に燃料電池という）を備えている。
【００４１】
図１は本第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１中、実線矢印が空気流れを示しており、破線矢印が水素流れを示している。
【００４２】
図１および図２に示すように、燃料電池１は、二次電池（図示略）、走行用モータ（図示略）、補機等の各種電気負荷に電力を供給するものである。本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を採用しており、燃料電池構造体としてのハニカム構造体１０を備えている。
【００４３】
ハニカム構造体１０は、外周壁１１と、この外周壁１１の内側においてハニカム状に設けられた隔壁１２と、隔壁１２で区画されるとともに一端から他端に向かって延伸する複数の貫通孔１３とを有している。本実施形態の隔壁１２は、固体酸化物により形成されている。
【００４４】
複数の貫通孔１３の一端または他端は、固体酸化物により互い違いに封止されている。一端が封止された貫通孔１３により、酸化剤ガスとしての空気が流れる空気流路２が構成されている。また、他方が封止された貫通孔１３により、燃料ガスとしての水素が流れる水素流路３が構成されている。
【００４５】
このため、ハニカム構造体１０は、当該ハニカム構造体１０の一側に第１開口部２１が形成され且つ他側が閉塞された空気流路２と、当該ハニカム構造体１０の他側に第２開口部３１（図３参照）が形成され且つ一側が閉塞された水素流路３を有している。また、図１に示すように、ハニカム構造体１０の一端側から見た際に空気流路２が千鳥状に配置されているとともに、ハニカム構造体１０の他端側から見た際に水素流路３が千鳥状に配置されている。
【００４６】
図２に示すように、空気流路２の内壁面には、空気極（正極）２２が形成されている。水素流路３の内壁面には、水素極（負極）３２が形成されている。このため、空気極２２と水素極３２とは、固体酸化物により形成された隔壁１２を介して接続されている。
【００４７】
換言すると、空気極２２と水素極３２との間に配置された隔壁１２は、一面が空気極２２と接触するとともに、他面が水素極３２と接触するように設けられている。したがって、空気極２２と水素極３２との間に配置された隔壁１２が、本発明の固体電解質体に相当している。
【００４８】
空気極２２は、還元触媒であれば特に限定されるものでないが、酸素の還元活性が高いという理由からランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、さらにはランタンマンガナイトまたはランタンコバルタイトが好ましい。また、空気極２２としては、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニア混合粉末、パラジウム−ジルコニア混合粉末、ルテニウム−ジルコニア混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、ルテニウム−酸化セリウム混合粉末などを使用することもできる。
【００４９】
水素極３２は、酸化触媒であれば特に限定されないが、酸素イオンの酸化活性が高いという理由から、ニッケル、パラジウム、白金、ニッケル−ジルコニア混合粉末、白金−ジルコニア混合粉末、パラジウム−ジルコニア混合粉末、ニッケル−酸化セリウム混合粉末、白金−酸化セリウム混合粉末、パラジウム−酸化セリウム混合粉末、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニア混合粉末などを使用することが好ましい。
【００５０】
隔壁１２は、イオン導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、酸素イオン導電率が高いという理由からイットリア安定化ジルコニアまたはイットリア部分安定化ジルコニアを用いることが好ましい。
【００５１】
燃料電池１では、空気流路２を介して空気極２２に酸素を含む空気が供給され、水素流路３を介して水素極３２に水素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
【００５２】
（水素極）Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（空気極）１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
なお、燃料電池１から出力される電気エネルギは、燃料電池１全体として出力される電圧を検出する電圧センサ１７（図３参照）、および、燃料電池１全体として出力される電流を検出する電流センサ（図示せず）によって計測される。なお、電圧センサ１７および電流センサの検出信号は、後述するシステム制御装置に入力される。
【００５３】
図３〜図５は本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、図３はガス加圧供給時を示し、図４は密閉時を示し、図５は反応ガス排出時を示している。また、図３〜図５中、実線矢印が空気流れを示しており、破線矢印が水素流れを示している。
【００５４】
図３〜図５に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１の空気流路２に空気を供給するための空気供給流路５と、燃料電池１の水素流路３に水素を供給するための水素供給流路６が設けられている。空気供給流路５は、燃料電池１の全ての空気流路２と連通する空気導入室２０に接続されている。水素供給流路６は、燃料電池１の全ての水素流路３と連通する水素導入室３０に接続されている。
【００５５】
空気供給流路５の最上流部には、空気供給ポンプ５１が設けられている。空気供給ポンプ５１は、大気中から吸入した空気を燃料電池１に圧送する電動式のポンプであり、後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。
【００５６】
空気供給流路５における空気供給ポンプ５１と空気導入室２０との間には、空気供給流路５を開閉する空気供給側開閉弁５２が設けられている。空気供給側開閉弁５２は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
【００５７】
空気供給ポンプ５１が作動するとともに空気供給側開閉弁５２が開弁すると、空気供給ポンプ５１から空気導入室２０内へ空気が供給される。したがって、空気供給ポンプ５１および空気供給側開閉弁５２が、本発明の酸化剤ガス供給手段に相当している。
【００５８】
水素供給流路６の最上流部には、炭化水素化合物（例えばメタンガス）が充填されたガスボンベ６１が設けられている。水素供給流路６におけるガスボンベの下流側には、炭化水素化合物を改質して水素リッチガスを生成する改質器６２が設けられている。この改質器６２は、高温での触媒反応（水蒸気改質反応）により炭化水素化合物を含む改質原料を改質して水素を発生させる。
【００５９】
水素供給流路６における改質器６２と水素導入室３０との間には、水素供給流路６を開閉する水素供給側開閉弁６３が設けられている。水素供給側開閉弁６３は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
【００６０】
水素供給側開閉弁６３が開弁すると、ガスボンベ６１から改質器６２を介して水素導入室３０内へ水素が供給される。したがって、ガスボンベ６１、改質器６２および水素供給側開閉弁６３が、本発明の燃料ガス供給手段に相当している。
【００６１】
空気導入室２０には、燃料電池１から排出されたオフ空気が流れる空気排出流路７が接続されている。オフ空気には、電気化学反応に用いられなかった未反応の空気（酸素）が含まれている。
【００６２】
空気排出流路７には、空気排出流路７を開閉する空気排出側開閉弁７１が設けられている。空気排出側開閉弁７１は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
【００６３】
空気排出流路７における空気排出側開閉弁７１の下流側には、空気排出ポンプ７２が設けられている。空気排出ポンプ７２は、オフ空気を空気排出流路７に流す電動式のポンプであり、システム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。
【００６４】
空気排出ポンプ８２が作動するとともに空気排出側開閉弁７１が開弁すると、空気排出ポンプ７２により空気導入室２０からオフ空気が排出される。したがって、空気排出ポンプ７２および空気排出側開閉弁７１が、本発明の酸化剤ガス排出手段に相当している。
【００６５】
水素導入室３０には、燃料電池１から排出されたオフ水素が流れる水素排出流路８が接続されている。オフ水素には、電気化学反応で生じた反応ガス（水蒸気）、および電気化学反応に用いられなかった未反応の水素が含まれている。
【００６６】
水素排出流路８には、水素排出流路８を開閉する水素排出側開閉弁８１が設けられている。水素排出側開閉弁８１は、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
【００６７】
水素排出流路８における水素排出側開閉弁８１の下流側には、水素排出ポンプ８２が設けられている。水素排出ポンプ８２は、オフ水素を水素排出流路８に流す電動式のポンプであり、システム制御装置から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。
【００６８】
水素排出ポンプ８２が作動するとともに水素排出側開閉弁８１が開弁すると、水素排出ポンプ８２により水素導入室３０からオフ水素が排出される。したがって、水素排出ポンプ８２および水素排出側開閉弁８１が、本発明の燃料ガス排出手段に相当している。
【００６９】
次に、本実施形態の電気制御部について説明する。システム制御装置（ＥＣＵ）は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された燃料電池制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種システム制御機器５１、５２、６３、７１、７２、８１、８２等の作動を制御する。
【００７０】
また、システム制御装置の入力側には、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１７、水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈを検出する水素濃度センサ３３等の種々のシステム制御用のセンサ群が接続されている。
【００７１】
ところで、燃料電池１での発電時には上述した電気化学反応が起こるので、水素流路３内の水素濃度は低下し、水素流路３内の反応ガスとしての水蒸気（水）の濃度は上昇する。このため、水素流路３と連通する水路導入室３０においても、燃料電池１での発電時には水素濃度は低下し、水蒸気濃度は上昇する。
【００７２】
このように、水素導入室３０においては、水素濃度が低くなる程、水蒸気濃度は高くなるので、水素濃度センサ３３によって水素導入室３０内の水素濃度を検出することで、水素導入室３０内の水蒸気濃度を推定することができる。したがって、水素濃度センサ３３が、本発明の反応ガス濃度検出手段に相当している。
【００７３】
次に、図６により、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。図６は、本第１実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。なお、図６中の各制御ステップは、システム制御装置が有する各種の機能実現手段を構成している。
【００７４】
まず、ステップＳ１では、空気排出側開閉弁７１を閉弁するとともに、空気排出ポンプ７２の作動を停止する。これにより、空気排出流路７を閉じて、燃料電池１の空気流路２から空気が排出されないようにする。
【００７５】
続いて、ステップＳ２では、水素排出側開閉弁８１を閉弁するとともに、水素排出ポンプ８２の作動を停止する。これにより、水素排出流路８を閉じて、燃料電池１の水素流路３から水素が排出されないようにする。
【００７６】
続いて、ステップＳ３では、空気供給側開閉弁５２を開弁するとともに、空気供給ポンプ５１を作動させる。これにより、空気供給流路５から燃料電池１の空気流路２に空気が加圧供給される。
【００７７】
続いて、ステップＳ４では、水素供給側開閉弁６３を開弁する。これにより、水素供給流路６から燃料電池１の水素流路３に水素が加圧供給される。
【００７８】
ここで、燃料電池１に空気および水素を加圧供給するステップＳ３およびステップＳ４を、ガス加圧供給処理という。ガス加圧供給処理では、図３に示すように、燃料電池１の空気流路２に空気が供給されるとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が供給されるので、燃料電池１では発電が行われる。
【００７９】
続いて、ステップＳ５では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第１基準濃度Ｃｐ以上になっているか否かを判定する。ここで、第１基準濃度Ｃｐは、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容上限値に設定することができる。
【００８０】
ステップＳ５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になっていないと判定された場合は、再度ステップＳ５に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になるまで、ガス加圧供給処理が継続される。
【００８１】
一方、ステップＳ５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になったと判定された場合は、次のステップＳ６へ進む。
【００８２】
ステップＳ６では、空気供給側開閉弁５２を閉弁するとともに、空気供給ポンプ５１の作動を停止する。これにより、空気導入室２０が密閉される。
【００８３】
続いて、ステップＳ７では、水素供給側開閉弁６３を閉弁する。これにより、水素導入室３０が密閉される。
【００８４】
ここで、空気導入室２０および水素導入室３０をそれぞれ密閉するステップＳ６およびステップＳ７を、密閉処理という。密閉処理では、図４に示すように、空気供給流路５から空気導入室２０に新たな空気が供給されることはない。また、水素供給流路６から水素導入室３０に新たな水素が供給されることはない。
【００８５】
しかしながら、空気導入室２０には、密閉処理を行う以前に供給された空気が残存しており、水素導入室３０には、密閉処理を行う以前に供給された水素が残存している。このため、燃料電池１の空気流路２に空気が供給されるとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が供給されるので、燃料電池１では発電が継続される。
【００８６】
ただし、燃料電池１の発電時には空気（酸素）および水素が消費されるので、新たな空気および水素の供給がされない密閉処理では、徐々に空気（酸素）および水素の濃度が低下する。
【００８７】
続くステップＳ８では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第２基準濃度Ｃｑ以下になっているか否かを判定する。ここで、第２基準濃度Ｃｑは、第１基準濃度Ｃｑより低い濃度に設定され、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容下限値に設定することができる。  
【００８８】
ステップＳ８にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になっていないと判定された場合は、水素導入室３０内の反応ガス濃度である水蒸気濃度が予め定めた基準水蒸気濃度（基準反応ガス濃度）を下回っていると判断される。この場合、再度ステップＳ８に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になるまで、密閉処理が継続される。
【００８９】
一方、ステップＳ８にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になったと判定された場合は、水素導入室３０内の水蒸気濃度が基準水蒸気濃度以上であると判断される。この場合、次のステップＳ９へ進む。
【００９０】
ステップＳ９では、空気排出側開閉弁７１を開弁するとともに、空気排出ポンプ７２を作動させる。これにより、燃料電池１の空気流路２から空気排出流路７を介してオフ空気が排出される。
【００９１】
続いて、ステップＳ１０では、水素排出側開閉弁８１を開弁するとともに、水素排出ポンプ８２を作動させる。これにより、燃料電池１の水素流路３から水素排出流路８を介してオフ水素が排出される。
【００９２】
ここで、燃料電池１からオフ空気およびオフ水素を排出するステップＳ９およびステップＳ１０を、反応ガス排出処理という。反応ガス排出処理では、図５に示すように、燃料電池１の空気流路２からオフ空気が排出されるとともに、燃料電池１の水素流路３からオフ水素が排出される。
【００９３】
次のステップＳ１１では、所定時間τの間待機し、所定時間τの経過を判定するとステップＳ１に戻るようになっている。
【００９４】
本実施形態の燃料電池システムは、以上の如く作動するので、バッチ処理により、空気流路２への空気の供給および水素流路３への水素の供給と、空気流路２からのオフ空気の排出および水素流路３からのオフ水素の排出を行うことができる。
【００９５】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、ステップ８にて、水素流路３と連通する水素導入室３０の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になったと判定された場合に、燃料電池１からオフ空気およびオフ水素を排出している。つまり、燃料電池１の水素流路３内の水素濃度Ｃｈが低下して燃料電池１の発電効率が低下した場合に、燃料電池１からオフ空気およびオフ水素を排出することができる。したがって、燃料電池１の低効率発電の継続を抑制できる。
【００９６】
また、本実施形態では、ハニカム構造体１０に、一端側に第１開口部２１が形成され且つ他端側が閉塞された空気流路２を設けたので、空気は第１開口部２１から空気流路２内に流入するとともに当該第１開口部２１から空気流路２外へ流出する。すなわち、第１開口部２１が、空気流路２に空気を流入させる空気流入口、および空気流路２から空気を流出させる空気流出口の双方として機能する。
【００９７】
このため、第１開口部２１のシールを行うだけで、空気流入口および空気流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、空気流入口および空気流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、空気のシールを容易かつ確実に行うことができる。
【００９８】
同様に、本実施形態では、ハニカム構造体１０に、一端側に第２開口部３１が形成され且つ他端側が閉塞された水素流路３を設けたので、水素は第２開口部３１から水素流路３内に流入するとともに当該第２開口部３１から水素流路３外へ流出する。すなわち、第２開口部３１が、水素流路３に水素を流入させる水素流入口、および水素流路３から水素を流出させる水素流出口の双方として機能する。
【００９９】
このため、第２開口部３１のシールを行うだけで、水素流入口および水素流出口の双方のシールを行うことができる。したがって、水素流入口および水素流出口の双方のシールを別々に行う場合と比較して、シールが必要な部位の長さを短くすることができる。これにより、水素のシールを容易かつ確実に行うことができる。
【０１００】
したがって、空気および水素のシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。
【０１０１】
さらに、本実施形態では、空気流路２の第１開口部２１をハニカム構造体１０の一側に設けるとともに、水素流路３の第２開口部３１をハニカム構造体１０の他側に設けている。このため、ハニカム構造体１０の一側には第１開口部２１のみが存在し、第２開口部３１は存在しないので、ハニカム構造体１０の一側においては空気のみが流入出する。また、ハニカム構造体１０の他側には第２開口部３１のみが存在し、第１開口部２１は存在しないので、ハニカム構造体１０の他側においては水素のみが流入出する。
【０１０２】
つまり、ハニカム構造体１０の一側からは空気のみを流出入させ、ハニカム構造体１０の他側からは水素のみを流出入させることができる。したがって、空気および水素間のシールを容易かつ確実に行うことが可能となる。
【０１０３】
さらに、本実施形態では、ハニカム構造体１０の一側に第１開口部２１を複数設けるとともに、ハニカム構造体１０の他側に第２開口部３１を複数設けている。
【０１０４】
このため、ハニカム構造体１０の一側に設けられた複数の第１開口部２１には空気のみが流通する、すなわち水素は流通しないので、各第１開口部２１を個々にシールしなくても、ハニカム構造体１０の一側の外周部をシールすれば、ハニカム構造体１０全体として空気のシールを行うことができる。したがって、空気のシールをより容易かつ確実に行うことができる。
【０１０５】
同様に、ハニカム構造体１０の他側に設けられた複数の第２開口部３１には水素のみが流通する、すなわち空気は流通しないので、各第２開口部３１を個々にシールしなくても、ハニカム構造体１０の他側の外周部をシールすれば、ハニカム構造体１０全体として水素のシールを行うことができる。したがって、水素のシールをより容易かつ確実に行うことができる。
【０１０６】
また、本実施形態では、燃料電池構造体としてハニカム構造体１０を採用しているので、隔壁１２がインターコネクタおよび固体電解質体の双方の機能を果たす。つまり、インターコネクタと固体電解質体とを一体化することができる。したがって、空気極、水素極および固体電解質体で構成される燃料電池セルをインターコネクタを介して複数接合する燃料電池（例えば、平板型燃料電池等）に対して、燃料電池の体格を小型化することが可能となる。
【０１０７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７〜図１１に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、燃料電池システムの構成が異なるものである。
【０１０８】
図７〜図１０は本第２実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、図７はガス供給時を示し、図８はガス加圧時を示し、図９はガス減圧時を示し、図１０は反応ガス排出時を示している。また、図７〜図１０中、実線矢印が空気流れを示しており、破線矢印が水素流れを示しており、一点鎖線矢印が後述する空気側ピストン２５および水素側ピストン３５の動きを示している。
【０１０９】
図７〜図１０に示すように、空気導入室２０と空気供給流路５との接続部には、空気供給流路５を開閉する空気供給側開閉手段としての空気供給バルブ５５が設けられている。また、空気導入室２０と空気排出流路７との接続部には、空気排出流路７を開閉する空気排出側開閉手段としての空気排出バルブ７５が設けられている。空気供給バルブ５５および空気排出バルブ７５は、それぞれ、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
【０１１０】
水素導入室３０と水素供給流路６との接続部には、水素供給流路６を開閉する水素供給側開閉手段としての水素供給バルブ６５が設けられている。水素導入室３０と水素排出流路８との接続部には、水素排出流路８を開閉する水素排出側開閉手段としての水素排出バルブ８５が設けられている。水素供給バルブ６５および水素排出バルブ８５は、それぞれ、システム制御装置から出力される制御電圧によって、その開閉作動が制御される電磁弁である。
【０１１１】
本実施形態の燃料電池システムは、空気導入室２０の容積を可変にする空気側ピストン２５を備えている。空気側ピストン２５は、空気側ピストン本体２５ａを電動モータ（図示せず）にて駆動する電動式のピストンであり、後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって作動が制御される。
【０１１２】
空気側ピストン本体２５ａの外径は、空気導入室２０を形成する空気導入室形成部材２０ａの内径より僅かに小さい径になっている。この空気側ピストン本体２５ａが空気導入室形成部材２０ａの内部をピストン運動することによって、空気導入室２０の容積が変化する。
【０１１３】
つまり、空気側ピストン本体２５ａは、ピストン運動によって、空気供給流路５から空気導入室２０へ空気を吸引するとともに、空気導入室２０から空気排出流路７へ空気の吐出を行うものである。また、空気側ピストン本体２５ａは、ピストン運動によって、空気を燃料電池１の空気流路２から空気導入室２０へ吸引するとともに、空気導入室２０から燃料電池１の空気流路２へ空気の吐出（押し込み）を行うこともできる。
【０１１４】
また、本実施形態の燃料電池システムは、水素導入室３０の容積を可変にする水素側ピストン３５を備えている。水素側ピストン３５は、水素側ピストン本体３５ａを電動モータ（図示せず）にて駆動する電動式のピストンであり、後述するシステム制御装置から出力される制御信号によって作動が制御される。
【０１１５】
水素側ピストン本体３５ａの外径は、水素導入室３０を形成する水素導入室形成部材３０ａの内径より僅かに小さい径になっている。この水素側ピストン本体３５ａが水素導入室形成部材３０ａの内部をピストン運動することによって、水素導入室３０の容積が変化する。
【０１１６】
つまり、水素側ピストン本体３５ａは、ピストン運動によって、水素を水素供給流路６から水素導入室３０へ吸引するとともに、水素導入室３０から水素排出流路８へ水素の吐出を行うものである。また、水素側ピストン本体３５ａは、ピストン運動によって、水素を燃料電池１の水素流路３から水素導入室３０へ吸引するとともに、水素導入室３０から燃料電池１の水素流路３へ水素の吐出（押し込み）を行うこともできる。
【０１１７】
次に、図１１により、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。図１１は、本第２実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。なお、図１１中の各制御ステップは、システム制御装置が有する各種の機能実現手段を構成している。
【０１１８】
まず、ステップＳ２１では、空気排出バルブ７５を閉弁する。これにより、空気排出流路７を閉じて、燃料電池１の空気流路２から空気が排出されないようにする。
【０１１９】
続いて、ステップＳ２２では、水素排出バルブ８５を閉弁する。これにより、水素排出流路８を閉じて、燃料電池１の水素流路３から水素が排出されないようにする。
【０１２０】
続いて、ステップＳ２３では、空気供給バルブ５５を開弁するとともに、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を拡大する側へ移動（変位）させる。これにより、空気導入室２０が減圧され、空気供給流路５から空気導入室２０へ空気が吸引される。
【０１２１】
続いて、ステップＳ２４では、水素供給バルブ６５を開弁するとともに、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を拡大する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０が減圧され、水素供給流路６から水素導入室３０へ水素が吸引される。
【０１２２】
ここで、空気導入室２０および水素導入室３０をそれぞれ密閉して、空気導入室２０に空気を吸引するとともに、水素導入室３０に水素を吸引するステップＳ２１〜Ｓ２４を、供給ガス吸引処理という。
【０１２３】
供給ガス吸引処理では、図７に示すように、空気側ピストン２５の移動により増加した空気導入室２０の容積分だけ空気供給流路５から空気が吸引され、水素側ピストン３５の移動により増加した水素導入室３０の容積分だけ水素供給流路６から水素が吸引される。また、ガス吸引処理では、燃料電池１の空気流路２に空気が流入するとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が流入するので、燃料電池１では発電が開始される。
【０１２４】
続いて、ステップＳ２５では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第１基準濃度Ｃｐ以上になっているか否かを判定する。ここで、第１基準濃度Ｃｐは、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容上限値に設定することができる。
【０１２５】
ステップＳ２５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になっていないと判定された場合は、再度ステップＳ２５に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になるまで、ガス吸引処理が継続される。
【０１２６】
一方、ステップＳ２５にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上になったと判定された場合は、次のステップＳ２６へ進む。
【０１２７】
ステップＳ２６では、空気供給バルブ５５を閉弁する。これにより、空気導入室２０が密閉される。次のステップＳ２７では、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、空気導入室２０内の空気が加圧されて、燃料電池１の空気流路２へ押し込まれる。
【０１２８】
続いて、ステップＳ２８では、水素供給バルブ６５を閉弁する。これにより、水素導入室３０が密閉される。次のステップＳ２９では、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０の水素が加圧されて、燃料電池１の水素流路３へ押し込まれる。
【０１２９】
ここで、空気導入室２０および水素導入室３０をそれぞれ密閉して、燃料電池１に空気および水素を押し込む、すなわち加圧供給するステップＳ２６〜Ｓ２９をガス加圧処理という。
【０１３０】
ガス加圧供給処理では、図８に示すように、燃料電池１の空気流路２に空気が供給されるとともに、燃料電池１の水素流路３に水素が供給されるので、燃料電池１では発電が継続される。
【０１３１】
また、ガス加圧供給処理では、空気導入室２０が密閉されているので、空気供給流路５から空気導入室２０に新たな空気が供給されることはない。同様に、ガス加圧供給処理では、水素導入室３０が密閉されているので、水素供給流路６から水素導入室３０に新たな水素が供給されることはない。
【０１３２】
そして、燃料電池１の発電時には空気（酸素）および水素が消費されるので、新たな空気および水素の供給がされないガス加圧処理では、徐々に空気（酸素）および水素の濃度が低下する。
【０１３３】
続くステップＳ３０では、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが、予め定めた第２基準濃度Ｃｑ以下になっているか否かを判定する。ここで、第２基準濃度Ｃｑは、第１基準濃度Ｃｑより低い濃度に設定され、例えば、水素導入室３０内の水素濃度の許容下限値に設定することができる。  
【０１３４】
ステップＳ３０にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になっていないと判定された場合は、水素導入室３０内の反応ガス濃度である水蒸気濃度が予め定めた基準水蒸気濃度（基準反応ガス濃度）を下回っていると判断される。この場合、再度ステップＳ３０に戻る。したがって、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になるまで、ガス加圧処理が継続される。
【０１３５】
一方、ステップＳ３０にて、水素濃度センサ３３により検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第２基準濃度Ｃｑ以下になったと判定された場合は、水素導入室３０内の水蒸気濃度が基準水蒸気濃度以上であると判断される。この場合、次のステップＳ３１へ進む。
【０１３６】
ステップＳ３１では、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を拡大する側へ移動させる。これにより、空気導入室２０が減圧され、燃料電池１の空気流路２から空気導入室２０へオフ空気が吸引される。
【０１３７】
続いて、ステップＳ３２では、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を拡大する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０が減圧され、燃料電池１の水素流路３から水素導入室３０へオフ水素が吸引される。
【０１３８】
ここで、空気導入室２０を減圧して燃料電池１の空気流路２からオフ空気を吸引するステップＳ３１、および水素導入室３０を減圧して燃料電池１の水素流路３からオフ水素を吸引するステップＳ３２を、反応ガス吸引処理という。反応ガス吸引処理では、図９に示すように、燃料電池１の空気流路２からオフ空気が排出されるとともに、燃料電池１の水素流路３からオフ水素が排出される。
【０１３９】
次のステップＳ３３では、第１所定時間τ１の間待機し、第１所定時間τ１の経過を判定するとステップＳ３４へ進むようになっている。
【０１４０】
ステップＳ３４では、空気排出バルブ７５を開弁するとともに、空気側ピストン２５を空気導入室２０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、空気導入室２０内のオフ空気が加圧されて、空気排出流路７へ押し込まれる。
【０１４１】
続いて、ステップＳ３５では、水素排出バルブ８５を開弁するとともに、水素側ピストン３５を水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動させる。これにより、水素導入室３０内のオフ水素が加圧されて、水素排出流路８へ押し込まれる。
【０１４２】
ここで、空気導入室２０内のオフ空気を加圧して空気排出流路７へ押し込むステップＳ３４、および水素導入室３０内のオフ水素を加圧して水素排出流路８へ押し込むステップＳ３５を、反応ガス排出処理という。反応ガス排出処理では、図１０に示すように、空気排出流路７からオフ空気が排出されるとともに、水素排出流路８からオフ水素が排出される。
【０１４３】
次のステップＳ３６では、第２所定時間τ２の間待機し、第２所定時間τ２の経過を判定するとステップＳ２１に戻るようになっている。
【０１４４】
本実施形態の燃料電池システムは、以上の如く作動するので、バッチ処理により、空気流路２への空気の供給および水素流路３への水素の供給と、空気流路２からのオフ空気の排出および水素流路３からのオフ水素の排出を行うことができる。
【０１４５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１２に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａを駆動する点が異なるものである。
【０１４６】
図１２は、本第３実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。図１２中、実線矢印は空気の流れを示しており、破線矢印は水素の流れを示している。
【０１４７】
図１２に示すように、空気排出流路７の空気出口側および水素排出流路８の水素出口側は、燃料電池１から排出されたオフ空気およびオフ水素を混合して混合ガスとする混合器９１に接続されている。混合器９１の混合ガス出口側は、混合ガス室９２に接続されている。
【０１４８】
混合ガス室９２は、水素導入室形成部材３０ａにより形成されている。すなわち、水素導入室形成部材３０ａの内部における、水素導入室３０と水素側ピストン３５を挟んで反対側に、混合ガス室９２が形成されている。
【０１４９】
混合ガス室９２には、水素側ピストン３５に接続された混合ガスピストン部３５ｂが設けられている。混合ガスピストン部３５ｂの外径は、水素導入室形成部材３０ａの内径より僅かに小さい径になっている。
【０１５０】
水素側ピストン本体３５と混合ガスピストン部３５ｂとは、互いに連結されている。このため、水素側ピストン本体３５ａおよび混合ガスピストン部３５ｂは、互いに連動して移動する。
【０１５１】
つまり、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側（図１２中の右側）に移動した際には、水素側ピストン３５は水素導入室３０の容積を縮小する側（図１２中の右側）に移動する。一方、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を縮小する側（図１２中の左側）に移動した際には、水素側ピストン３５は水素導入室３０の容積を拡大する側（図１２中の左側）に移動する。
【０１５２】
混合ガス室９２には、混合ガス室９２内の混合ガスを着火させる点火プラグ９３が設けられている。点火プラグ９３は、システム制御装置から出力される制御信号によって点火タイミングが制御される。
【０１５３】
ここで、点火プラグ９３を点火すると、混合ガス室９２内の混合ガスに含まれる未反応空気および未反応水素が燃焼する。このとき、混合ガス室９２内の燃焼ガスの圧力により、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側に移動させられる。これに伴い、水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａが、水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動する。つまり、本実施形態では、未反応水素の燃焼エネルギにより水素側ピストン３５を駆動することができる。
【０１５４】
混合ガス室９２の混合ガス出口側には、燃焼器９４が接続されている。燃焼器９４は、オフ水素に含まれる未反応水素およびオフ空気に含まれる未反応空気を燃焼させて高温の燃焼排ガスを生成するものである。燃焼器９４には、燃焼器９４にて生じた高温の燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス経路９５が接続されている。
【０１５５】
次に、図１３により、上記構成における本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。図１３は、本第３実施形態の燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートであり、Ｓ２１〜Ｓ２８、Ｓ３０〜Ｓ３４およびＳ３６は第２実施形態と共通している。
【０１５６】
本実施形態では、ステップＳ２８で水素供給バルブ６５を閉弁して水素導入室３０を密閉した後、ステップＳ２９０にて点火プラグ９３を点火する。
【０１５７】
これにより、混合ガス室９２内の混合ガスに含まれる未反応空気および未反応水素が燃焼する。このとき、混合ガス室９２内の燃焼ガスの圧力により、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側に移動させられる。これに伴い、水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａが、水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動する。これにより、水素導入室３０の水素が加圧されて、燃料電池１の水素流路３へ押し込まれる。
【０１５８】
また、本実施形態では、ステップＳ３４でオフ空気を空気排出流路７へ押し込んだ後、ステップＳ３５にて、水素排出バルブ８５を開弁するとともに、点火プラグ９３を点火する。
【０１５９】
これにより、混合ガス室９２内の混合ガスに含まれる未反応空気および未反応水素が燃焼する。このとき、混合ガス室９２内の燃焼ガスの圧力により、混合ガスピストン部３５ｂが混合ガス室９２の容積を拡大する側に移動させられる。これに伴い、水素側ピストン３５の水素側ピストン本体３５ａが、水素導入室３０の容積を縮小する側へ移動する。これにより、水素導入室３０内のオフ水素が加圧されて、水素排出流路８へ押し込まれる。
【０１６０】
本実施形態では、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して水素側ピストン３５を駆動しているので、水素側ピストン３５を駆動するための動力を低減できる。
【０１６１】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【０１６２】
（１）上記実施形態では、空気流路２の第１開口部２１をハニカム構造体１０の一側に設け、水素流路３の第２開口部３１をハニカム構造体１０の他側に設けた例について説明したが、第１開口部２１および第２開口部３１をハニカム構造体１０の同一側に設けてもよい。
【０１６３】
（２）上記実施形態では、ハニカム構造体１０において、空気流路２および水素流路３をそれぞれ千鳥状に配置した例について説明したが、空気流路２および水素流路３の配置はこれに限定されない。例えば、複数の空気流路２および複数の水素流路３をそれぞれ横方向に一列に配置するとともに、空気流路２の列と水素流路３の列とを縦方向に交互に配置してもよい。
【０１６４】
（３）上記実施形態では、燃料電池１として、ハニカム型（モノリス型）の燃料電池を採用した例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１として、図１４に示すように、両側面に空気極２２および水素極３２が接合された固体電解質体１２と、空気流路２または水素流路３を形成するセパレータ１０１とから構成されるセル１００が複数個積層された平板型燃料電池等を採用してもよい。
【０１６５】
（４）上記実施形態では、反応ガス濃度検出手段として、水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈを検出する水素濃度センサ３３を採用し、水素濃度センサ３３によって水素導入室３０内の水素濃度を検出することで、水素導入室３０内の水蒸気濃度を推定する例について説明したが、反応ガス濃度検出手段これに限定されない。例えば、反応ガス濃度検出手段として、水素導入室３０内の反応ガス濃度（水蒸気濃度）を直接検出する反応ガス濃度センサを採用してもよい。
【０１６６】
また、反応ガス検出手段としては、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ１７を採用してもよい。この場合、システム制御装置は、電圧センサ１７により検出された燃料電池１の電圧降下が予め定めた基準値以上になったときに、水素導入室３０内の反応ガス濃度である水蒸気濃度が基準水蒸気濃度以上になったと判断してもよい。
【０１６７】
（５）上記実施形態では、システム制御装置が、水素濃度センサ３３によって検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈによって各種システム制御機器の作動を制御した例について説明したが、これに限らず、時間によって各種システム制御機器の作動を制御してもよい。
【０１６８】
（６）上記第２、第３実施形態では、システム制御装置が、水素濃度センサ３３によって検出された水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈによって各種システム制御機器の作動を制御した例について説明したが、これに限らず、各種システム制御機器の制御方法はこれに限定されない。
【０１６９】
例えば、水素導入室３０内の水素濃度Ｃｈが第１基準濃度Ｃｐ以上第２基準濃度Ｃｑ以下となるように空気側ピストン２５および水素側ピストン３５のサイクルタイムを調整するとともに、時間によって各種システム制御機器の作動を制御してもよい。
【０１７０】
（７）上記第３実施形態では、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して水素側ピストン３５を駆動した例について説明したが、これに限らず、オフ水素を燃焼させることにより生じる燃焼エネルギを利用して空気側ピストン２５を駆動してもよい。
【符号の説明】
【０１７１】
１    燃料電池
１０  燃料電池構造体
１２  隔壁（固体電解質体）
２    空気流路（酸化剤ガス流路）
２１  第１開口部
２２  空気極（酸化剤極）
３    水素流路（燃料ガス流路）
３１  第２開口部
３２  水素極（燃料極）
【図１】
0005617757.tif 000002
【図２】
0005617757.tif 000003
【図３】
0005617757.tif 000004
【図４】
0005617757.tif 000005
【図５】
0005617757.tif 000006
【図６】
0005617757.tif 000007
【図７】
0005617757.tif 000008
【図８】
0005617757.tif 000009
【図９】
0005617757.tif 000010
【図１０】
0005617757.tif 000011
【図１１】
0005617757.tif 000012
【図１２】
0005617757.tif 000013
【図１３】
0005617757.tif 000014
【図１４】
0005617757.tif 000015