(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの起動時にスタック内のセル全体を効率よく置換できるようにする。【解決手段】  単電池を複数積層してなる、直列に接続された２つのスタックを備える燃料電池システムにおいて、各スタックは、単電池の各ガス流路の入口及び出口にそれぞれ接続する供給用マニホールドと排出用マニホールドとを有する。排出用マニホールドの等電位面側出口には第１排出配管が接続され、この配管を開閉する排出部開閉手段が設けられている。また、スタックを貫通する滞留ガス排出用貫通孔が設けられ、対向面側において排出用マニホールドと滞留ガス排出用貫通孔とは、連結管で接続され、連結管を開閉する連結管開閉手段が設けられている。また、等電位面側において滞留ガス排出用貫通孔に接続する第２排出配管が設けられている。各スタックに接続する第１排出配管、第２配管は、それぞれスタック外において互いに合流する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単電池を複数積層してなる、直列に接続された２つのスタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記各スタックは、
前記単電池の積層方向の両端面のうち、前記スタック間で互いに等電位となる等電位面から、前記等電位面とは反対側の端面である対向面まで、前記スタックを貫通し、かつ、前記単電池の各ガス流路に接続する供給用マニホールドと、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通し、かつ、前記各ガス流路に接続する排出用マニホールドと、
前記排出用マニホールドの前記等電位面側の出口に接続し、前記排出用マニホールドから排出されるガスを、前記スタック外に排出する第１排出配管と、
前記第１排出配管を開閉する排出部開閉手段と、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通する滞留ガス排出用貫通孔と、
前記対向面側において、前記排出用マニホールドと前記滞留ガス排出用貫通孔とを連結する連結管と、
前記連結管を開閉する連結管開閉手段と、
前記等電位面側において、前記滞留ガス排出用貫通孔と接続し、前記滞留ガス排出用貫通孔から排出されるガスを、前記スタック外に排出する第２排出配管と、
を備え、
前記各スタックの前記第１排出配管は、前記スタック外において互いに合流し、
前記各スタックの前記第２排出配管は、前記スタック外において互いに合流することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、ガスを供給する供給手段と、
前記燃料電池システムの起動時に、前記排出部開閉手段を閉じて、前記連結管開閉手段を開いた、第１開閉状態とし、前記燃料電池システムの発電時に、前記排出部開閉手段を開いて、前記連結管開閉手段を閉じた、第２開閉状態とするように制御する制御手段と、
を備え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】
前記ガス流路の滞留ガスを、前記供給手段からの供給ガスに置換したことを検知する置換完了検知手段を備え、
前記制御手段は、前記ガス置換完了が検知された場合に、前記第２開閉状態とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記置換完了検知手段は、前記ガス流路を前記供給ガスに置換するための供給ガスの供給時間を検出する供給時間検出手段と、
前記供給時間が、前記ガス流路内を置換するのに十分な置換所要時間以上であるか否かを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記供給時間が、前記置換所要時間以上である場合に、前記第２開閉状態と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】
前記置換完了検知手段は、前記連結管に設けられたガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの出力と、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換された場合に出力される判断値とを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記比較の結果から、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換されたと判断された場合に、前記第２開閉状態と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６】
前記第２排出配管は、前記排出部開閉手段よりも前記ガスの流れに対して下流側において、前記第１排出配管と接続することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２排出配管の、前記第１排出配管と前記第２排出配管との接続部よりも前記ガスの流れに対して上流側に、前記第２排出配管を開閉する滞留ガス用開閉手段を備え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。
【請求項８】
前記連結管は、前記スタック外部に設けられ、
前記対向面において、前記滞留ガス排出用貫通孔と前記排出用マニホールドとに接続することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給用マニホールド及び排出用マニホールドは、前記燃料電池のアノード側のマニホールドであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、酸化剤ガス又は前記空気を供給する酸化剤供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記酸化剤ガスまたは前記空気で置換することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記不活性ガスで置換することを特徴とする請求項１から９のいずれか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】
この発明は、燃料電池システムに関する。更に具体的には、単電池を積層してなる、直列に接続した２つのスタック備える燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００１−７６７５１号公報には、２つの燃料電池のスタックを平行に配置して、直列に接続した燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、単電池であるセルの積層方向両端面のうち一方の面に、各スタックの燃料ガスの供給口と排出口、および酸素ガスの供給口と排出口が配置されている。また、スタック間で、燃料ガスの供給口同士、排出口同士、酸素ガスの供給口同士、排出口同士は、それぞれガス管で接続されている。
【０００３】
上記従来技術の燃料電池によれば、このような構成とすることで、ガス管をスタックの一面に集中させて配置させることができる。したがって、ガス管の接続構造を簡素化すると共に、燃料電池の高さ方向を有効に短尺化することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７６７５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６７６６４号公報
【特許文献３】特開平５−４１２４０号公報
【特許文献４】特開２００２−３１３３９０号公報
【特許文献５】特開２００４−１９３１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記燃料電池の発電が停止して放置状態になると、アノード側に供給された燃料ガスがバルブ等からの漏れによってシステム外に徐々に放出される場合がある。また、放置状態中にも、燃料ガスと酸素との反応が徐々に進み、アノード側の燃料ガスが失われる場合がある。したがって放置後に燃料電池を起動するとき、アノード側の燃料ガスは失われて、アノード側に酸素や窒素が充満している場合がある。また、放置状態で不要な反応が起きることを防止するため、発電の停止中に燃料ガス流路内を窒素等の不活性ガスで置換する場合もある。このため、燃料電池の起動時には、まず、アノード側に充満した酸素や窒素を、燃料ガスにより置換する必要がある。
【０００６】
しかし、上記燃料電池において、燃料ガスの供給口と排出口とは同じ一面に設けられている。このため、置換用に供給した燃料ガスは、燃料ガスの供給口および排出口に近いセルにより多く供給される。したがって、供給口に対して奥側に位置するセルにまで、燃料ガスが十分に行き渡らない場合がある。特に、水素の密度は、窒素に比べて小さい。このため、燃料ガスとして水素を用いる場合、供給口に対して奥側のセル中に滞留する窒素ガス等の密度の重いガス追い出して、水素に置換するためには多大な時間を要する。
【０００７】
これに対して迅速に滞留ガスを燃料ガスに置換するため、供給口とは反対側の面に滞留ガス用の排出口を別途設けて、奥側のセルにまで燃料ガスが迅速に行き渡るようにすることも考えられる。しかし、上記従来技術の構造では、スタックを直列に接続している。このため、供給口とは反対側の面の電位は、スタック間で大きく異なることになる。このような電位差の大きい面に滞留ガス排出の配管を設けることは、滞留ガス排出用の配管間に電位差を生じさせることとなる。燃料ガスとしては水素等の可燃ガスを用いることが考えられるため、滞留ガス排出用配管に電位差が生じるのは好ましいものではない。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の配管構造の複雑化を抑えつつ、起動時にスタック内のセル全体を効率よく置換できるように改良した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】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、単電池を複数積層してなる、直列に接続された２つのスタックを備える燃料電池システムであって、
前記各スタックは、
前記単電池の積層方向の両端面のうち、前記スタック間で互いに等電位となる等電位面から、前記等電位面とは反対側の端面である対向面まで、前記スタックを貫通し、かつ、前記単電池の各ガス流路に接続する供給用マニホールドと、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通し、かつ、前記各ガス流路に接続する排出用マニホールドと、
前記排出用マニホールドの前記等電位面側の出口に接続し、前記排出用マニホールドから排出されるガスを、前記スタック外に排出する第１排出配管と、
前記第１排出配管を開閉する排出部開閉手段と、
前記等電位面から前記対向面まで前記スタックを貫通する滞留ガス排出用貫通孔と、
前記対向面側において、前記排出用マニホールドと前記滞留ガス排出用貫通孔とを連結する連結管と、
前記連結管を開閉する連結管開閉手段と、
前記滞留ガス排出用貫通孔の前記等電位面側の出口に接続し、前記滞留ガス排出用貫通孔から排出されるガスを、前記スタック外に排出する第２排出配管と、
を備え、
前記各スタックの前記第１排出配管は、前記スタック外において互いに合流し、
前記各スタックの前記第２排出配管は、前記スタック外において互いに合流することを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、ガスを供給する供給手段と、
前記燃料電池システムの起動時に、前記排出部開閉手段を閉じて、前記連結管開閉手段を開いた、第１開閉状態とし、前記燃料電池システムの発電時に、前記排出部開閉手段を開いて、前記連結管開閉手段を閉じた、第２開閉状態とするように制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第２の発明において、前記ガス流路の滞留ガスを、前記供給手段からの供給ガスに置換したことを検知する置換完了検知手段を備え、
前記制御手段は、前記ガス置換完了が検知された場合に、前記第２開閉状態とすることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第３の発明において、前記置換完了検知手段は、
前記ガス流路を前記供給ガスに置換するための供給ガスの供給時間を検出する供給時間検出手段と、
前記供給時間が、前記ガス流路内を置換するのに十分な置換所要時間以上であるか否かを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記供給時間が、前記置換所要時間以上である場合に、前記第２開閉状態とすることを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第３の発明において、前記置換完了検知手段は、
前記連結管に設けられたガス濃度センサと、
前記ガス濃度センサの出力と、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換された場合に出力される判断値とを比較する比較手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記比較の結果から、前記ガス流路内が前記供給ガスに置換されたと判断された場合に、前記第２開閉状態とすることを特徴とする。
【００１４】
また、第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明において、前記第２排出配管は、前記排出部開閉手段よりも前記ガスの流れに対して下流側において、前記第１排出配管と接続することを特徴とする。
【００１５】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記第２排出配管の、前記第１排出配管と前記第２排出配管との接続部よりも前記ガスの流れに対して上流側に、前記第２排出配管を開閉する滞留ガス用開閉手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、第８の発明は、第１から第７のいずれかの発明において、前記連結管は、前記スタック外部に設けられ、
前記対向面において、前記滞留ガス排出用貫通孔と前記排出用マニホールドとに接続することを特徴とする。
【００１７】
また、第９の発明は、第１から第８のいずれかの発明において、前記供給用マニホールド及び排出用マニホールドは、前記燃料電池のアノード側のマニホールドであることを特徴とする。
【００１８】
また、第１０の発明は、第９の発明において、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から、酸化剤ガス又は空気を供給する酸化剤供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記酸化剤ガス又は前記空気で置換することを特徴とする。
【００１９】
また、第１１の発明は、第１から第９のいずれかの発明において、前記燃料電池システムは、前記供給用マニホールドの前記等電位面側の入口から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を備え、
前記燃料電池システムの停止中に、前記ガス流路を、前記不活性ガスで置換することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明によれば、排出用マニホールドは、等電位面においては第１排出配管に接続し、対向面側においては、滞留ガス排出用貫通孔に接続する。また、滞留ガス排出用貫通孔は、対向面から等電位面まで貫通して等電位面において、第２排出配管に接続する。したがって、排出用マニホールドに、等電位面側の出口と対向面側の出口とを設けることができ、状況に応じて出口を選択してガスを排出することができる。また、対向面側の出口を選択したとき、排出用マニホールドから排出されたガスの最終的な出口は、滞留ガス排出用貫通孔が接続される第２排出配管であり、この配管は、等電位面に配置されている。したがって、排出用マニホールドの対向面側からのガスの排出を可能にしつつ、滞留ガス排出用の第２排出配管についても、配管に電位差が生じるのを防ぐことができる。
【００２１】
また、第２の発明によれば、燃料電池システムの起動時には、排出部開閉手段を閉じて、排出用マニホールドの対向面側の出口から、滞留ガスを排出することができる。したがって、起動時に、供給ガスにより各ガス流路を効率よく置換することができる。一方、発電時には、連結管開閉手段を閉じて、排出用マニホールドの等電位面側の出口からガスを排出することができ、燃料電池システムの発電力を高く確保することができる。
【００２２】
また、第３〜第５の発明によれば、ガス流路の置換が完了したことを検知した場合に、対向面側の連結管開閉手段を閉じて、排出用マニホールドの等電位面からの出口からガスを排出されるようにする。したがって、ガス置換を確実に完了することができ、供給ガスの余分な消費を抑えることができる。
【００２３】
また、第６の発明によれば、第２排出配管は、排出部開閉手段よりもガスの流れに対して下流側において、第１排出配管と接続する。したがって、配管構造を簡略にすることができる。
【００２４】
また、第７の発明によれば、第２排出配管を開閉する滞留ガス用開閉手段を備える。したがって、必要な場合にのみ滞留ガス用開閉手段を開くことができ、不必要なガスの放出を抑えることができる。
【００２５】
また、第８の発明によれば、各連結管は、スタック外の対向面において、滞留ガス排出用貫通孔と排出用マニホールドとに接続する。これにより、連結管をスタック外に配置した場合にも、連結管に電位差が生じることを防ぐことができる。
【００２６】
また、第９の発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス流路を効率よく置換することができる。
【００２７】
また、第１０の発明によれば、燃料電池システムの停止中に、燃料ガス流路を効率よく酸化剤ガスまたは空気により置換することができる。これにより、燃料電池システムの停止中に燃料電池システム内で不要な反応が起きるのを抑えることができる。また、このように酸化剤ガスまたは空気により置換した場合にも、起動時には効率よくガス流路を置換することができる。
【００２８】
また、第１１の発明によれば、燃料電池システムの停止中に、ガス流路を、不活性ガスで置換する。これにより、停止中に燃料電池システム内で不要な反応が起きるのを抑えることができる。また、このように不活性ガスで置換した場合にも、起動時には効率よくガス流路を置換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００３０】
実施の形態１．
[実施の形態１の燃料電池システムの構成について]
図１はこの発明の実施の形態１の燃料電池システムを説明するため概念図である。
図１に示すように、実施の形態１の燃料電池システムは、２つのスタック２ａ、２ｂを備える。スタック２ａ、２ｂは、直列に接続されて、平行に配置されている。尚、図１は、各スタック２ａ、２ｂの断面を表すが、点線は、燃料ガスの供給及び排出の通路をイメージ化して表している。
【００３１】
各スタック２ａ、２ｂ内には、複数のセル４が積層されている。各セル４内には、カソード、アノード、および両電極に挟まれた固体高分子膜が配置されている。また、アノード側には燃料ガス流路が設けられ、燃料ガスとして例えば水素が供給される。また、カソード側には酸素ガス流路が設けられ、大気が供給される。
【００３２】
各スタック２ａ、２ｂにおいて、セル４の積層方向の一端面には第１エンドプレート６が設けられ、反対側の端面には、第２エンドプレート８が設けられている。スタック２ａとスタック２ｂとは、第２エンドプレート８側において、電気的に直列接続されている。したがって、各スタック２ａ、２ｂの第２エンドプレート８側は、等電位面となっている。一方、第１エンドプレート６側の電位は、スタック２ａ、２ｂ間で異なっている。また、各スタック２ａ、２ｂの第１エンドプレート６には、それぞれ、端子１０ａ、１０ｂが設けられている。端子１０ａは、この燃料電池システムにおいてプラス側の端子であり、端子１０ｂは、マイナス側の端子である。
【００３３】
スタック２ａ、２ｂの第２エンドプレート８の外側には、燃料ガス供給用の供給配管１２が配置されている。供給配管１２は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（図示せず）に接続される。供給配管１２は、２つの供給配管１４に分岐する。各供給配管１４はその途中に、第１バルブ１６を備える。また、各供給配管１４は、各スタック２ａ、２ｂの第２エンドプレート８において、供給用マニホールド１８に接続されている。供給用マニホールド１８は、セル４の積層方向にセル４を貫通して形成され、各セル４内の燃料ガス流路の一端に接続されている。
【００３４】
排出用マニホールド２０は、セル４の積層方向に、セル４を貫通して形成され、各セルの燃料ガス流路の他端に接続されている。また、各排出用マニホールド２０は、第２エンドプレート８において、排出配管２２に接続されている。各排出配管２２はその途中に、第２バルブ２４を有する。また、スタック２ａ、２ｂにそれぞれ接続する２本の排出配管２２は、共に、一本の排出配管２６に接続して合流している。
【００３５】
各スタック２ａ、２ｂ内には、排出用マニホールド２０に平行して、滞留ガス排出用貫通孔２８が配置されている。滞留ガス排出用貫通孔２８は、第１エンドプレート６と第２エンドプレート８との間において、セル４の積層方向にセル４を貫通して形成されている。
【００３６】
滞留ガス排出用貫通孔２８と、前述の供給用マニホールド１８と排出用マニホールド２０との関係を、図２を用いて説明する。図２は、燃料電池システムのセル４の正面図である。
図２において、セル４の左上には、アノード入口３０が設けられている。また、アノード入口３０の対角方向に、アノード出口３２が配置されている。アノード入口３０とアノード出口３２とは、セル４内の燃料ガス流路により接続されている。セル４が複数積層されて、アノード入口３０が連結されることにより、供給用マニホールド１８が構成される。また、アノード出口３２が連結されることにより、排出用マニホールド２０が構成される。
【００３７】
アノード出口３２の下部には、滞留ガス排出口３４が設けられている。セル４が複数積層されて滞留ガス排出口３４が連結されることにより、滞留ガス排出用貫通孔２８が構成される。
【００３８】
セル４右上には、カソード入口３６が設けられている。また、カソード入口３６の対角方向に、カソード出口３８が配置されている。カソード入口３６とカソード出口３８とは、セル４内の酸素ガス流路により接続されている。セル４が複数積層されることにより、カソード入口３６、カソード出口３８がそれぞれ連結され、酸素ガス用の供給用マニホールドと排出用マニホールドとが同様に構成される。セル４には、冷却媒体入口４０および冷却媒体出口４２が設けられている。セル４が複数積層させることにより、冷却媒体入口４０と冷却媒体出口４２とは、それぞれ連結されて、冷却媒体の供給用マニホールドと排出用マニホールドとが同様に構成される。これらの酸素ガス用の供給用及び排出用マニホールド、冷却媒体用の供給用及び排出用マニホールドは、簡略化のため、図１においては省略されている。
【００３９】
再び、図１を参照して、滞留ガス排出用貫通孔２８の一端は、第１エンドプレート６側において、排出用マニホールド２０に連結管４４により接続されている。連結管４４は、スタック２ａ、２ｂ外に配置されている。連結管４４はその途中に、第３バルブ４６を有する。第３バルブ４６は、連結管４４を開閉することができる。
【００４０】
一方、滞留ガス排出用貫通孔２８の他端は、第２エンドプレート８側において、排出配管４８に接続されている。排出配管４８はその途中に、第４バルブ５０を有する。排出配管４８は、排出配管２２の第２バルブ２４よりも、ガスの流れに対して下流側において排出配管２２に接続して合流し、最終的に、排出配管２６に合流する。
【００４１】
上述したように、スタック２ａ、２ｂは直列に接続されているため、第２エンドプレート８側において、スタック２ａとスタック２ｂとの電位差はゼロとなっている。また、各スタック２ａ、２ｂに接続する供給配管１４、排出配管２２、４８は、電位差ゼロの第２エンドプレート８側に配置されている。したがって、これらの供給配管あるいは排出配管が、それぞれ、供給配管１２、排出配管２６に最終的に合流しても、ショート等の問題が起きないように構成されている。
【００４２】
一方、第１エンドプレート６には、スタック２ａ、２ｂ間で大きな電位差がある。この第１エンドプレート６側に、連結管４４が設けられている。しかし、連結管４４は、それぞれ同一の第１エンドプレート６上に配置されたものであり、ショート等の問題が起きないように構成されている。
【００４３】
燃料電池システムは制御装置５２を有する。制御装置５２は、供給配管１２への燃料ガスの供給および第１〜第４バルブ１６、２４、４６、５０の開閉を制御する。また、制御装置５２は、燃料ガスの供給時間を検出することができる。
【００４４】
[実施の形態１の燃料電池システムの発電時の動作について]
図３は、実施の形態１の燃料電池システムにおける通常発電中の燃料ガスの流れについて説明するための模式図である。
図３に示すように、燃料電池システムの通常発電中は、第１バルブ１６および第２バルブ２４のみが開放され、第３バルブ４６および第４バルブ５０は閉じられる。燃料電池システムの制御装置５２は、この発電時の第１〜第４バルブの状態、即ち、第１バルブ１６、第２バルブ２４を開放、第３バルブ４６、第４バルブ５０を閉鎖する状態を、発電時の開閉条件として記憶し、発電中は、発電時の開閉条件に各バルブを制御する。
【００４５】
燃料電池システムの発電時には、上記発電時の開閉条件下で、供給配管１２から、供給配管１４を介して供給用マニホールド１８に燃料ガスとして水素が供給される。供給用マニホールド１８に供給された水素は、各セル４のアノード側の燃料ガス流路に供給される。一方、同様にして、酸素供給用マニホールドから大気が供給され、各セル４のカソード側の酸素ガス流路に供給される。
【００４６】
アノードに水素が供給されると、アノードの触媒によって電子が分離して、供給された水素は水素イオンとなる。水素イオンは、固体高分子膜を通り、カソード側に移動する。カソード側に移動した水素イオンは、カソード側に供給された酸素と反応して水蒸気となる。ここで水素イオンから分離した電子は、別経路でカソードに向かう。これによって、カソードから、アノードに電流が流れ、電力が発生する。このように各セル４中で発生した電力は、端子１０ａ及び１０ｂから回収される。
【００４７】
アノード側の排ガスは、燃料ガス流路から、排出用マニホールド２０に排出される。ここで、第３バルブ４６は閉じられた状態であり、即ち、排出用マニホールド２０の第１プレート６側は閉じられた状態となっている。したがって、排出用マニホールド２０から排出されたガスは、第１エンドプレート６側の排出配管２２を介して排出配管２６により排出される。
【００４８】
[実施の形態１の燃料電池システムの起動時の動作について]
燃料電池システムの発電停止後放置状態が長くなった場合、アノード側に供給された燃料ガスが徐々に放出されることが考えられる。また、放置状態においても、燃料ガスと酸素との反応が徐々に進み、アノード側の燃料ガスが失われる場合がある。したがって放置後に燃料電池を起動する場合、アノード側の燃料ガスは失われて、アノード側に酸素や窒素等の滞留ガスが充満している場合がある。したがって、放置後燃料電池システムを起動する時には、セル４の燃料ガス流路を燃料ガスで置換する必要がある。
【００４９】
図４は、実施の形態１の燃料電池システムの燃料ガス流路置換中のガスの流れについて説明するための模式図である。
図４に示すように、燃料ガス流路の置換の際には、第２バルブ２４を閉鎖して、第１バルブ１６、第３バルブ４６、第４バルブ５０を開放した状態にする。制御装置５２は、このような置換時の第１〜第４バルブの状態、即ち、第１バルブ１６、第３バルブ４６、第４バルブ５０を開放し、第２バルブ２４を閉鎖した状態を、置換時の開閉条件として記憶する。また、制御装置５２は、各セル４の燃料ガス流路が燃料ガスに置換される時間を、置換所要時間として記憶する。
【００５０】
燃料ガス流路の置換の際には、上記置換時の開閉条件下で、供給配管１２から燃料ガスを供給する。供給された燃料ガスは、供給配管１４を介して供給用マニホールド１８から、各セル４の燃料ガス流路内に流入する。流入したガスは、燃料ガス流路内の窒素や酸素等の滞留ガスを排出用マニホールド２０に排出する。
【００５１】
ここで、排出用マニホールド２０の排出配管２２は、第２バルブ２４によって閉じられている。したがって、排出用マニホールド２０に排出された滞留ガスは、連結管４４に押し出されて連結管４４から、滞留ガス排出用貫通孔２８に流入する。滞留ガス排出用貫通孔２８に流入した滞留ガスは、排出配管４８、２６に流入して排出される。
【００５２】
このように、燃料ガス流路の置換時には、燃料ガスは、供給用マニホールド１８の第２エンドプレート８側の入口から、各セル４の流路に供給される。そして、セル４の燃料ガス流路を通過した後は、排出用マニホールド２０の第１エンドプレート６側の出口、即ち、供給用マニホールド１８の入口とは反対側に向かって一旦排出される。したがって、供給用マニホールド１８の入口に対して、奥のほうにあるセル４にまで効率よく燃料ガスを行き渡らせることができる。
【００５３】
[燃料電池システムの制御について]
図５は、実施の形態１の燃料電池システムにおいて制御装置５２が実行する制御のルーチンについて説明するための模式図である。上記の各動作は、このルーチンを実行することによって実行される。
図５に示すように、ステップＳ１０２において、まず、燃料電池が起動されたか否かを検出する。起動されていない場合には、一旦このルーチンを終了する。
【００５４】
ステップＳ１０２において、燃料電池システムの起動が検出された場合、第１〜第４バルブを、置換時の開閉条件となるように設定する（ステップＳ１０４）。即ち、制御装置５２は、予め記憶された置換時の開閉条件に第１〜第４バルブを制御する。これにより、第２バルブ２４は閉鎖され、第１、第３、第４バルブ１６、４６、５０は開放された状態となる。
【００５５】
次に、燃料ガスの供給を行う（ステップＳ１０６）。供給された燃料ガスにより、燃料ガス流路に溜まった滞留ガスは押し出されて、燃料ガスの流れと共に、排出用マニホールド２０に流れ出る。流出した滞留ガスは、連結管４４、滞留ガス排出用貫通孔２８、排出配管４８を通り、排出配管２６から排出される。
【００５６】
次に、燃料ガスの供給開始後、置換所要時間が検出したか否かを判断する（ステップＳ１０８）。制御装置５２は、燃料ガスの供給開始からの経過時間が、予め記憶した置換所要時間以上であるか否かを判断する。これにより、各セル４の燃料ガス流路の置換が完了したか否かが判断される。ステップＳ１０８において、置換所要時間が経過していないものと判断された場合には、燃料ガスの置換を継続する（ステップＳ１０６）。
【００５７】
一方、ステップＳ１０８において、置換所要時間が経過したと判断された場合、第１〜第４バルブを、発電時の開閉条件に設定する（ステップＳ１１０）。即ち、制御装置５２は、予め記憶された発電時の開閉条件に第１〜第４バルブを制御する。これにより、第１バルブ１６は、開放したまま、第２バルブ２４は開放され、第３、第４バルブ４６、５０は閉鎖される。
【００５８】
次に、燃料電池システムの発電が開始される（ステップＳ１１２）。このとき、燃料ガスは、供給用マニホールド１８から、各セル４の燃料ガス流路に供給され、排出用マニホールド２０から、排出配管２２を介して排出される。また、燃料ガスの供給により、アノード側とカソード側で、水素イオンと酸素との反応が起きると共に、電子が分離して電力が発生する。この電力は電力取り出し端子１０ａ、１０ｂから回収される。
【００５９】
以上のように、実施の形態１の燃料電池システムにおいては、起動前の置換の際には、第２エンドプレート８側から燃料ガスを供給し、第１エンドプレート６側に排出するように燃料ガスの通路を設定することができる。したがって、燃料ガス流路に溜まった不要な滞留ガスを、効率よく排出することができる。一方、発電時には、燃料ガスが第２エンドプレート８側から供給および排出されるように、燃料ガスの通路を変更することができる。したがって、発電時においては、効率よく燃料ガスを供給して燃料電池システムの発電効率を高く維持することができる。
【００６０】
なお、実施の形態１においては、排出配管２２と排出配管４８とが、第２バルブ２４の下流で接続して、排出配管２６に合流する構造について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、各スタック２ａ、２ｂの排出配管４８を、排出配管２２とは独立して、他の排出配管を設けて集合させたものであってもよい。
【００６１】
また、実施の形態１においては、排出用マニホールド２０と滞留ガス排出用貫通孔２８とが、スタック２ａ、２ｂの外部に設けられた連結管４４により接続されている場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、排出用マニホールド２０と滞留ガス排出用貫通孔２８が、スタック２ａ、２ｂの内部において、例えば、第１エンドプレート６内で接続しているものであってもよい。但し、この場合にも、排出用マニホールド２０と滞留ガス排出用貫通孔２８との間を開閉する第３のバルブ４６に相当する手段は必要である。
【００６２】
実施の形態２.
[実施の形態２の燃料電池システムについて]
図６は、この発明の実施の形態２の水素濃度センサを表す模式図である。
実施の形態２における燃料電池システムは、図６に示す水素濃度センサが設けられている点を除き、図１に示す燃料電池システムと同様のものである。
【００６３】
図６に示す水素濃度センサは、連結管４４に設置されている。水素濃度センサは、絶縁体６２で絶縁された容器６０内を備える。容器６０は、連結管４４の一部に設けられた穴部に、絶縁体６２により絶縁されて、配置されている。また容器６０の、連結管４４との接続面は、電解質膜６４により閉じられている。容器６０と電解質膜６４とにより形成される空間内には、純水素６６が充填されている。容器６０内には、第１触媒６８が配置されている。第１触媒６８は一面において純水素６６に接し、この面とは反対側の面において、電解質膜６４に接している。また電解質膜６４の連結管４４側には、第２触媒７０が設けられている。第２触媒７０は、連結管４４内に露出し、連結管４４内を流れるガスに晒されている。また、第１触媒６８と第２触媒７０とには、電圧計７２が接続され、第１触媒６８と第２触媒７０との間の電圧を測定することができる。また、電圧計７２には制御装置５２が接続されている。
【００６４】
この水素濃度センサは、容器６０内の純水素６６と、連結管４４を流れるガス中の水素との濃度差に応じて、第１、第２触媒６８、７０間に発生する起電力を、電圧計７２により測定する。制御装置５２は、測定された電圧に応じて、連結管４４内のガスの水素濃度を出力することができる。
【００６５】
連結管４４に排出される滞留ガス中の水素濃度は、セル４の燃料ガス流路の水素による置換が進むに連れて、高くなる。制御装置５２は、燃料ガス流路の置換が完了した場合に出力される水素濃度を、置換完了水素濃度として記憶する。
【００６６】
[実施の形態２の制御について]
図７は、実施の形態２の燃料電池システムにおいて制御装置５２が実行する制御のルーチンを説明するためのフロー図である。
図７に示すルーチンは、図５に示すルーチンのステップＳ１０８に代えて、ステップＳ２０２を行う点を除き、図５に示すルーチンと同様である。
【００６７】
具体的に、ステップＳ１０６において燃料ガスの供給開始した後、ステップＳ２０２において、連結管４４を流れるガスの水素濃度が、置換完了水素濃度より大きいか否かを判断する。即ち、水素ガスによる燃料ガス流路の置換が完了したか否が、水素濃度を基準として判断される。
【００６８】
水素濃度が置換完了水素濃度より大きいと判断された場合には、実施の形態１において説明したように、ステップＳ１１０の実行に移る。一方、水素濃度が置換完了水素濃度よりも小さいと判断された場合には、引き続き燃料ガスの供給を行う（ステップＳ１０６）。
【００６９】
以上のように、実施の形態２においては、実施の形態１に加えて、連結管４４の水素濃度を測定することにより、燃料ガスの置換完了を判断することができる。したがって、一定時間の置換を行う実施の形態１のような場合に比べて、確実に置換を行うことができると共に、燃料ガスの無駄な消費を抑えることができる。
【００７０】
[実施の形態２の他の例]
図８は、実施の形態２における燃料電池システムの他の例を表す。
図８は、水素濃度センサに代えて、連結管４４にＮ２センサ７４を用いた点を除き、実施の形態２に説明したものと同様である。
【００７１】
燃料電池システムの起動時、燃料ガス流路にはＮ２が滞留している。したがって、燃料ガス流路の置換が未完了の状態においては、排出されるガスには、Ｎ２が混入され、置換が終了すると、排出ガスにはＮ２がほとんど混入されなくなる。したがって、Ｎ２センサ７４を用いても、置換の終了を検出することができる。この場合、制御装置５２は、置換終了となるＮ２濃度を、置換完了Ｎ２濃度として記憶し、ステップＳ２０２において、Ｎ２濃度が置換完了Ｎ２濃度にまで低下しているか否かを判断する。このように、連結管４４中に、Ｎ２センサ７４を設けて、Ｎ２濃度を測定することによっても、置換の完了を検出することができる。
【００７２】
また、図８においては、水素濃度センサに代えて、Ｎ２センサ７４を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、上記したような濃淡電池法の水素濃度センサに代えて、触媒型の水素濃度センサを用いてもよい。また、同様に、この発明は、例えば、Ｎ２センサに代えて、ＣＯ２センサを用いることもできる。ガス流路の置換中、滞留ガスにはＣＯ２が混入するが、置換が終了すると、ＣＯ２は、ほとんど混入されなくなる。したがって、ＣＯ２センサを用いても、置換の終了を検出することができる。
【００７３】
また、例えば、この発明は、セルモニターを用いて、セル電圧が立ち上がったか否かでガスの置換完了を判断するものであってもよい。但し、セルモニター近くでガスの置換されると、検出される電位があがってしまう場合がある。その結果、セル全体の置換が終わっていないにも関わらず、誤判定がなされる場合がある。したがって、置換判定の確実さ、容易さを考慮すると、上記のように、ガス濃度センサを用いる方法は有効である。
【００７４】
また、この発明は、実施の形態１、２の燃料電池システムの制御に加えて、供給配管１２に接続する不活性ガス供給手段を設けて、燃料電池システムの停止中に、供給配管１２から窒素等の不活性ガスを供給し、燃料ガス流路を不活性ガスにより置換する制御を行うものであってもよい。これにより、停止中に燃料ガス流路内で、不要な反応が起きるのを抑えることができる。また、このとき、各バルブを上記置換時の開閉条件に制御して、不活性ガスを供給してもよい。これにより、第１エンドプレート６側付近のセル４の燃料ガス流路まで、効率よく置換することができる。また、このように、停止中に燃料ガス流路内に不活性ガスを充填しても、この発明の燃料電池システムによれば、起動時には、燃料ガスにより効率よく置換することができる。
【００７５】
また、不活性ガスに代えて、供給配管１２に、空気または酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段を設けて、同様の方法で、燃料電池システムの停止中に、空気または酸化剤ガスを供給して、燃料ガス流路を置換するものであってもよい。このように、空気または酸化剤ガスを用いても、停止中における燃料ガス流路内での不要な反応を抑えることができる。
【００７６】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００７７】
なお、例えば、実施の形態１、２において、第１エンドプレート６、第２エンドプレート８は、それぞれ、この発明の「対向面」、「等電位面」に該当し、排出配管２２、排出配管４８は、それぞれ、「第１排出配管」、「第２排出配管」に該当し、第２バルブ２４、第３バルブ４６、第４バルブ５０は、それぞれ、「排出部開閉手段」、「連結管開閉手段」、「滞留ガス用開閉手段」に該当する。また、例えば、実施の形態１において、制御装置５２により、供給時間を検出することにより、この発明の「供給時間検出手段」が実現される。また例えば、実施の形態２の窒素濃度センサ、Ｎ２センサ７４、ＣＯ２センサは、この発明の「ガス濃度センサ」に該当する。
【００７８】
また、例えば、実施の形態１、２において、ステップＳ１０４、Ｓ１１０を実行することにより、この発明の「制御手段」が実現され、ステップＳ１０８あるいはステップＳ２０２を実行することにより、この発明の「置換完了検知手段」及び「比較手段」が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における燃料電池システムのセルについて説明するための正面図である。
【図３】この発明の実施の形態１における燃料電池システムの発電時の状態について説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１における燃料電池システムの置換時の状態について説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１における燃料電池システムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態２における燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図７】この発明の実施の形態２における燃料電池システムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフロー図である。
【図８】この発明の実施の形態２における燃料電池システムの他の例について説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００８０】
２ａ、２ｂ  スタック
４  セル
６  第１エンドプレート
８  第２エンドプレート
１０ａ、１０ｂ  端子
１２、１４  供給配管
１６  第１バルブ
１８  供給用マニホールド
２０  排出用マニホールド
２２  排出配管
２４  第２バルブ
２６  排出配管
２８  滞留ガス排出用貫通孔
３０  アノード入口
３２  アノード出口
３４  滞留ガス排出孔
３６  カソード入口
３８  カソード出口
４０  冷却媒体入口
４２  冷却媒体出口
４４  連結管
４６  第３バルブ
４８  排出配管
５０  第４バルブ
５２  制御装置
６０  容器
６２  絶縁体
６４  電解質膜
６６  純水素
６８  第１触媒
７０  第２触媒
７２  電圧計
７４  Ｎ２センサ
【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】
2006302707.tif 000007
【図６】
2006302707.tif 000008
【図７】
2006302707.tif 000009
【図８】
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