(57)【要約】    【課題】  燃料電池の循環流路に設けられていた逆止弁を廃止して、発電効率の低下を抑制する。    【解決手段】  膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池１０と、水素極に燃料ガスを供給するための供給流路２０及び水素極から排出されるガスを供給流路２０に還流させるための還流流路３０を有する循環流路と、を備え、還流流路３０を経由した水素極への燃料ガスの供給を許容する燃料電池システム１であって、水素極において反応に寄与しないガスを、循環流路を経由させることなく燃料電池１０の外部に排出するための排出流路４０を備える。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池と、前記水素極に燃料ガスを供給するための供給流路及び前記水素極から排出されるガスを前記供給流路に還流させるための還流流路を有する循環流路と、を備える燃料電池システムであって、
前記水素極において反応に寄与しないガスを、前記循環流路を経由させることなく前記燃料電池の外部に排出するための排出流路を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出流路は、前記水素極において反応に寄与しないガスの排出量を制御する排出制御弁を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記セパレータは、前記膜・電極接合体の前記水素極に面する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路の入口側に連通する入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路の出口側に連通する出口側マニホールドと、前記燃料ガス流路の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールドと、を有し、
前記供給流路は、前記入口側マニホールドに連通し、
前記還流流路は、前記出口側マニホールドに連通し、
前記排出流路は、前記排出用マニホールドに連通するように構成されてなる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池と、前記水素極に燃料ガスを供給するための供給流路及び前記水素極から排出されるガスを前記供給流路に還流させるための還流流路を有する循環流路と、前記還流流路内のガスを前記供給流路に強制的に戻す強制循環手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記水素極において反応に寄与しないガスを前記燃料電池の外部に排出するための排出流路を備え、
前記排出流路は、所定の排出口を有し、前記循環流路内のガスを前記強制循環手段から前記供給流路を経由させて前記排出口に到達させる場合の圧力損失と、前記循環流路内のガスを前記強制循環手段から前記還流流路を経由させて前記排出口に到達させる場合の圧力損失と、が略同一に設定されてなる燃料電池システム。
【請求項５】
前記強制循環手段は、循環ポンプである請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記強制循環手段は、エジェクタである請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記セパレータは、前記膜・電極接合体の前記水素極に面する燃料ガス流路と、前記燃料ガス流路の入口側に連通する入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路の出口側に連通する出口側マニホールドと、前記燃料ガス流路の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールドと、を有し、
前記供給流路は、前記入口側マニホールドに連通し、
前記還流流路は、前記出口側マニホールドに連通し、
前記排出流路は、前記排出用マニホールドに連通するように構成され、
前記循環流路内のガスを前記強制循環手段から前記供給流路及び前記入口側マニホールドを経由させて前記排出用マニホールドに到達させる場合の圧力損失と、前記循環流路内のガスを前記強制循環手段から前記還流流路及び前記出口側マニホールドを経由させて前記排出用マニホールドに到達させる場合の圧力損失と、が略同一に設定されてなる請求項４から６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池の膜・電極接合体の少なくとも水素極側に配置されるセパレータであって、
前記水素極に面する燃料ガス流路と、
前記燃料ガス流路の入口側に連通する入口側マニホールドと、
前記燃料ガス流路の出口側に連通する出口側マニホールドと、
前記燃料ガス流路の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールドと、
を備えるセパレータ。
【請求項９】
膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータと、を備える燃料電池であって、
少なくとも前記水素極側に配置される前記セパレータとして、請求項８に記載のセパレータを採用する燃料電池。
【請求項１０】
水素極におけるガスを外部に排出するための複数の排出口を有する燃料電池であって、
前記ガスを燃料電池システムの外部に排出するための第１の排出口と、
前記ガスを循環ガスとして燃料電池の外部に排出するための第２の排出口と、
を有する燃料電池。
【請求項１１】
膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池と、前記水素極に燃料ガスを供給するための供給流路及び前記水素極から排出されるガスを前記供給流路に還流させるための還流流路を有する循環流路と、前記還流流路内のガスを前記供給流路に強制的に戻す強制循環手段と、前記水素極において反応に寄与しないガスを前記燃料電池の外部に排出するための排出口を有する排出流路と、を備え、前記還流流路を経由した前記水素極への燃料ガスの供給を許容する燃料電池システムのパージ方法であって、
前記循環流路内のガスを、前記強制循環手段から前記供給流路及び前記還流流路を経由させて前記水素極に供給することにより、前記水素極において反応に寄与しないガスを前記排出流路の前記排出口から排出する工程を含む燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１２】
前記循環流路内のガスを前記強制循環手段から前記供給流路を経由させて前記排出口に到達させる場合の圧力損失と、前記循環流路内のガスを前記強制循環手段から前記還流流路を経由させて前記排出口に到達させる場合の圧力損失と、を略同一に設定する請求項１１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、セパレータ、燃料電池及び燃料電池システムのパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池システムにおいては、燃料電池の水素極に供給された燃料ガスの一部が未反応のまま排出されることがある。このため、水素極から排出されたガス（以下「燃料オフガス」という）を水素極に還流させて再利用するための循環流路が設けられている。
【０００３】
循環流路は、水素極に燃料ガスを供給するための供給流路と、水素極から排出された燃料オフガスを供給流路に還流させるための還流流路と、を備えており、還流流路内の燃料オフガスを循環ポンプやエジェクタにより供給流路に強制的に戻すように構成されている。また、従来の循環流路には、供給流路から還流流路への燃料ガスの逆流を阻止するための逆止弁が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に記載されているような従来の循環流路には、逆止弁が設けられていたため、還流流路側の圧力損失が漸次増大し、発電効率が低下してしまうという問題があった。また、従来の循環流路においては、燃料電池の水素極に溜まった窒素ガス等を、還流流路に設けた排出弁から外部に排出していたため、逆止弁を単に廃止するだけでは、燃料供給源から供給された燃料ガスが還流流路に逆流して排出弁から外部に排出され、燃料ガスの浪費を招来することとなる。
【０００５】
また、逆止弁には、窒素ガスや燃料オフガスに含まれる水分が流入するが、システムの長期停止等に起因してその水分が凍結する場合がある。かかる場合には、逆止不良やガス通過不良等の種々の不具合が生じ、システム全体の信頼性が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、燃料電池の循環流路に設けられていた逆止弁を廃止して発電効率の低下を抑制することができる燃料電池システムと、この燃料電池システムの構築に寄与するセパレータ及び燃料電池と、を提供することを目的とする。また、本発明は、前記燃料電池システムの燃料電池の水素極において反応に寄与しないガス（窒素ガス等）を効率良く排出することができるパージ方法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】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池と、水素極に燃料ガスを供給するための供給流路及び水素極から排出されるガスを供給流路に還流させるための還流流路を有する循環流路と、を備え、還流流路を経由した水素極への燃料ガスの供給を許容する燃料電池システムであって、水素極において反応に寄与しないガスを、循環流路を経由させることなく燃料電池の外部に排出するための排出流路を備えるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、排出流路により、水素極において反応に寄与しないガスを、循環流路を経由させることなく燃料電池の外部に排出することができるので、循環流路に逆止弁を設ける必要がなくなる。従って、還流流路側の圧力損失を低減させることができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【０００９】
また、かかる構成を採用すると、逆止弁の凍結等に起因する逆止不良やガス通過不良等の種々の不具合を憂慮する必要がなくなるため、システム全体の信頼性を格段に向上させることができる。また、水素極から水分を排出することもできるため、水素極のフラッディングを抑制することができる。
【００１０】
前記燃料システムにおいて、排出流路は、水素極に残存するガスの排出量を制御する排出制御弁を備えることが好ましい。これにより、排出流路から排出される水素極内のガスの排出量を必要に応じて調整することができる。
【００１１】
前記燃料システムにおいて、セパレータは、膜・電極接合体の水素極に面する燃料ガス流路と、燃料ガス流路の入口側に連通する入口側マニホールドと、燃料ガス流路の出口側に連通する出口側マニホールドと、燃料ガス流路の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールドと、を有し、供給流路は、入口側マニホールドに連通し、還流流路は、出口側マニホールドに連通し、排出流路は、排出用マニホールドに連通するように構成することもできる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池と、水素極に燃料ガスを供給するための供給流路及び水素極から排出されるガスを供給流路に還流させるための還流流路を有する循環流路と、還流流路内のガスを供給流路に強制的に戻す強制循環手段と、を備え、還流流路を経由した水素極への燃料ガスの供給を許容する燃料電池システムであって、水素極において反応に寄与しないガスを燃料電池の外部に排出するための排出流路を備え、排出流路は、所定の排出口を有し、循環流路内のガスを強制循環手段から供給流路を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、循環流路内のガスを強制循環手段から還流流路を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、が略同一に設定されてなるものである。
【００１３】
かかる構成を採用すると、循環流路内のガスを強制循環手段から供給流路を経由させて排出口に到達させる場合（順周り経路）の圧力損失と、循環流路内のガスを強制循環手段から還流流路を経由させて排出口に到達させる場合（逆回り経路）の圧力損失と、が略同一に設定されているので、水素極において反応に寄与しないガスを、循環流路内のガスにより押し出して排出口から外部に効率良く排出することができる。従って、循環流路に逆止弁を設ける必要がないので、発電効率の低下を防止することができる。また、水素極から水分を排出することもできるため、水素極のフラッディングを抑制することができる。
【００１４】
前記燃料電池システムにおいて、強制循環手段として循環ポンプ又はエジェクタを採用することができる。
【００１５】
前記燃料電池システムにおいて、セパレータは、膜・電極接合体の水素極に面する燃料ガス流路と、燃料ガス流路の入口側に連通する入口側マニホールドと、燃料ガス流路の出口側に連通する出口側マニホールドと、燃料ガス流路の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールドと、を有し、供給流路は、入口側マニホールドに連通し、還流流路は、出口側マニホールドに連通し、排出流路は、排出用マニホールドに連通するように構成され、循環流路内のガスを強制循環手段から供給流路及び入口側マニホールドを経由させて排出用マニホールドに到達させる場合の圧力損失と、循環流路内のガスを強制循環手段から還流流路及び出口側マニホールドを経由させて排出用マニホールドに到達させる場合の圧力損失と、が略同一に設定されてなるように構成することもできる。
【００１６】
また、本発明に係るセパレータは、燃料電池の膜・電極接合体の少なくとも水素極側に配置されるセパレータであって、水素極に面する燃料ガス流路と、燃料ガス流路の入口側に連通する入口側マニホールドと、燃料ガス流路の出口側に連通する出口側マニホールドと、燃料ガス流路の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールドと、を備えるものである。
【００１７】
かかる構成を採用すると、燃料電池の水素極において反応に寄与しないガス（窒素ガス等）を、燃料ガス循環用のマニホールド（入口側マニホールド及び出口側マニホールド）を経由させることなく、排出用マニホールドから燃料電池の外部に排出することができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池は、膜・電極接合体と、この膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータと、を備える燃料電池であって、少なくとも水素極側に配置されるセパレータとして、前記セパレータを採用するものである。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池は、水素極におけるガスを外部に排出するための複数の排出口を有する燃料電池であって、前記ガスを燃料電池システムの外部に排出するための第１の排出口と、前記ガスを循環ガスとして燃料電池の外部に排出するための第２の排出口と、を有するものである。
【００２０】
かかる構成を採用すると、燃料電池の水素極におけるガス（窒素ガス等）を、循環ガス用の排出口（第２の排出口）を経由させることなく、第１の排出口から燃料電池システムの外部に排出することができる。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池システムのパージ方法は、膜・電極接合体とこの膜・電極接合体の水素極側及び酸素極側に配置されるセパレータとを有する燃料電池と、水素極に燃料ガスを供給するための供給流路及び水素極から排出されるガスを供給流路に還流させるための還流流路を有する循環流路と、還流流路内のガスを供給流路に強制的に戻す強制循環手段と、水素極において反応に寄与しないガスを燃料電池の外部に排出するための排出口を有する排出流路と、を備え、還流流路を経由した水素極への燃料ガスの供給を許容する燃料電池システムのパージ方法であって、循環流路内のガスを、強制循環手段から供給流路及び還流流路を経由させて水素極に供給することにより、水素極において反応に寄与しないガスを排出流路の排出口から排出する工程を含むものである。
【００２２】
かかるパージ方法においては、循環流路内のガスを強制循環手段から供給流路及び還流流路を経由させて水素極に供給するので、水素極において反応に寄与しないガス等（窒素ガス、生成水、水蒸気等）を、循環流路内のガスにより押し出して排出口から外部に効率良く排出することができる。
【００２３】
前記燃料電池システムのパージ方法において、循環流路内のガスを強制循環手段から供給流路を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、循環流路内のガスを強制循環手段から還流流路を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、を略同一に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池の循環流路に設けられていた逆止弁を廃止することができるので、発電効率の低下を抑制することができる。また、燃料電池システムの燃料電池の水素極において反応に寄与しないガス等（窒素ガス、生成水、水蒸気等）を、効率良く排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池システムは、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池を備えており、この燃料電池の水素極において反応に寄与しない窒素ガス等を効率良く排出する機能を有するものである。
【００２６】
＜第１実施形態＞
まず、図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。
【００２７】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１及び図２に示すように、複数の燃料電池セル（単電池１１）を複数積層してなる燃料電池１０、燃料電池１０の水素極に水素ガス（燃料ガス）を供給するための水素供給流路２０、燃料電池１０の水素極から排出されるガス（燃料オフガス）を水素供給流路２０に還流させるための還流流路３０、燃料電池１０の水素極のガスを排出するための排出流路４０、燃料電池１０の酸素極に空気（酸化ガス）を供給するための空気供給流路、燃料電池１０の酸素極内の空気を排出するための空気排出流路、燃料電池１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却路、各種センサ、各種センサからの情報を受けてシステム全体を統合制御する図示されていない制御装置、等を備えて構成されている。なお、空気供給流路、空気排出流路、冷却路、各種センサ及び制御装置については、図示を省略している。
【００２８】
燃料電池１０は、図２に示すような単電池１１を複数積層したスタック本体や、このスタック本体の両端に設けられた集電板等を備えている。単電池１１は、図２に示すように、膜・電極接合体１２と、膜・電極接合体１２を挟持する一対のセパレータ１３、１４と、を有している。膜・電極接合体１２及び各セパレータ１３、１４は、略平板状の部品でかつ平面視矩形外形形状を有し、膜・電極接合体１２の外形は、各セパレータ１３、１４の外形よりも僅かに小さく形成されている。
【００２９】
膜・電極接合体１２は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜１２ａと、電解質膜１２ａを両面から挟んだ一対の電極（酸素極１２ｂ及び水素極１２ｃ）と、から構成されている。電解質膜１２ａの外形は、各電極１２ｂ、１２ｃよりも僅かに大きく形成されている。酸素極１２ｂ及び水素極１２ｃは、白金などの触媒を結着した多孔質のカーボン素材（拡散層）等で構成されている。酸素極１２ｂには、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、水素極１２ｃには、燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら二つのガスによって膜・電極接合体１２内で電気化学反応が生じ、単電池１１は起電力を得る。
【００３０】
各セパレータ１３、１４は、ガス不透過の導電性材料（例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属）で構成される。本実施形態のセパレータ１３、１４の基材は板状の金属で形成され、基材の電極側の面には、耐食性に優れた膜が被覆されている。セパレータ１３、１４の酸素極１２ｂ及び水素極１２ｃに面する部分には、プレス成形により凹部１３ａ、１４ａが形成されている。そして、これら凹部１３ａ、１４ａには一方向に延在する突条１３ｂ、１４ｂが設けられており、酸化ガス及び水素ガスの流路（サーペンタイン流路）を形成している。
【００３１】
具体的には、セパレータ１３の酸素極１２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路が形成されている。また、セパレータ１４の水素極１２ｃ側となる内側の面には水素ガスのガス流路（燃料ガス流路）が形成されている。単電池１１における二つのガス流路は、同方向に平行に延在し、膜・電極接合体１２を挟んで位置ずれすることなく対向している。また、隣接する二つの単電池１１においては、一方の単電池１１のセパレータ１３（１４）の外面と、その隣の単電池１１のセパレータ１４（１３）の外面とが付き合わされるようになっている。
【００３２】
また、各セパレータ１３、１４の一方の端部には、酸化ガスの入口となる入口側マニホールド１３ｃ、１４ｃと、水素ガスの入口となる入口側マニホールド１３ｄ、１４ｄと、が矩形状に穿設されている。また、セパレータ１３、１４の他方の端部には、酸化ガスの出口となる出口側マニホールド１３ｅ、１４ｅと、水素ガスの出口となる出口側マニホールド１３ｆ、１４ｆと、が矩形状に穿設されている。
【００３３】
そして、セパレータ１３における酸化ガスの入口側マニホールド１３ｃ及び出口側マニホールド１３ｅは、セパレータ１３に溝状に形成した連絡流路１３ｇ、１３ｈを介して、酸化ガスのガス流路（凹部１３ａ及び突条１３ｂ）に連通している。同様に、セパレータ１４における水素ガス用の入口側マニホールド１４ｄ及び出口側マニホールド１４ｆは、セパレータ１４に溝状に形成した連絡流路１４ｇ、１４ｈを介して、水素ガスのガス流路（凹部１４ａ及び突条１４ｂ）に連通している。
【００３４】
また、各セパレータ１３、１４の他方の端部には、水素ガスのガス流路（凹部１４ａ及び突条１４ｂ）の入口と出口の間からガスを排出するための排出用マニホールド１３ｉ、１４ｉが矩形状に穿設されている。そして、セパレータ１４における排出用マニホールド１４ｉは、セパレータ１４に溝状に形成した連絡流路１４ｊを介して、水素ガスのガス流路（凹部１４ａ及び突条１４ｂ）に連通している。なお、排出用マニホールド１４ｉの位置については、図３を用いて後述することとする。
【００３５】
また、各セパレータ１３、１４には、冷却水を流通させるための図示されていない冷却水流路及びマニホールドを有している。また、各セパレータ１３、１４と膜・電極接合体１２との間には、図示されていないシール部材が設けられている。このような各セパレータ１３、１４の構成により、単電池１１に対する酸化ガス、水素ガス及び冷却水の供給・排出が実現されるようになっている。
【００３６】
水素供給流路２０は、燃料電池１０を構成する単電池１１の水素ガスの入口側マニホールド（１３ｄ、１４ｄ等）に連通しており、図１に示すように、水素供給源２１から供給される水素ガスを、水素供給口を介して燃料電池１０に流すものである。水素供給源２１としては、高圧水素タンク、燃料改質器、水素吸蔵合金等を採用することができる。還流流路３０は、燃料電池１０を構成する単電池１１の水素ガスの出口側マニホールド（１３ｆ、１４ｆ等）に連通しており、燃料電池１０で消費されなかった水素ガス（水素オフガス）を、図示されていない水素排出口（第２の排出口）を介して排出させて水素供給流路２０に還流させるものである。還流流路３０には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３１、回収した生成水を図示しないタンク等に回収する排水弁３２等が設けられている。
【００３７】
これら水素供給流路２０及び還流流路３０により、本発明における循環流路が構成される。また、水素供給流路２０と還流流路３０との接続部分には、図１に示すように、還流流路３０内の水素オフガスを水素供給流路２０に強制的に戻すエジェクタ３３が設けられている。エジェクタ３３は本発明における強制循環手段であり、かかるエジェクタ３３により、水素オフガスは水素供給流路２０で水素ガスと合流し、燃料電池１０に供給されて再利用に供されることとなる。なお、エジェクタ３３に代えて、循環ポンプを強制循環手段として採用することもできる。また、本実施形態においては、還流流路３０に逆止弁を設けておらず、水素供給源２１から還流流路３０を経由した水素極への水素ガスの供給が許容されるようになっている。また、還流流路３０に流入した水素ガスが排出されるのを防止するために、還流流路３０には排出弁を設けていない。
【００３８】
排出流路４０は、燃料電池１０を構成する単電池１１の排出用マニホールド（１３ｉ、１４ｉ等）に、図示されていない窒素排出口（第１の排出口）を介して連通しており、燃料電池１０の水素極（膜・電極接合体１２の水素極１２ｃとセパレータ１４との間の空間）のガス、すなわち電気化学反応に寄与しなかった窒素ガスや水蒸気等を外部に排出するものである。排出流路４０は、図１に示すように、開閉自在な排出弁４１を備えており、ガスの排出量を制御することができるようになっている。
【００３９】
ここで、図３を用いて、排出流路４０に連通する燃料電池１０の単電池１１の排出用マニホールド１４ｉの位置について説明する。
【００４０】
本実施形態においては、燃料電池システム１の循環流路（水素供給流路２０及び還流流路３０）内のガスをエジェクタ３３から水素供給流路２０及び入口側マニホールド１４ｄを経由させて排出用マニホールド１４ｉに到達させる場合（順周り経路）の圧力損失と、循環流路内のガスをエジェクタ３３から還流流路３０及び出口側マニホールド１４ｆを経由させて排出用マニホールド１４ｉに到達させる場合（逆周り経路）の圧力損失と、が略同一になるように、排出用マニホールド１４ｉの位置を設定している。この結果、循環流路内のガスをエジェクタ３３から水素供給流路２０を経由させて排出口（排出弁４１）に到達させる場合の圧力損失と、循環流路内のガスをエジェクタ３３から還流流路３０を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、が略同一に設定されるようになっている。
【００４１】
なお、本実施形態においては、図３に示すように、水素ガスの出口側マニホールド１４ｆと酸化ガスの出口側マニホールド１４ｅとの間に排出用マニホールド１４ｉを設けた例を示したが、かかる排出用マニホールド１４ｉの位置は前記したように圧力損失の関係から設定されるものであるため、供給流路２０及び還流流路３０の流路断面の形状や面積の差異に応じて適宜変更することができる。また、本実施形態においては、矩形状の排出用マニホールド１４ｉを採用した例を示したが、排出用マニホールド１４ｉの形状はこれに限定されるものではなく、略円形状、楕円形状、多角形状等を採用することもできる。
【００４２】
空気供給流路は、酸化ガスとしての空気（外気）を、空気供給口を介して、燃料電池１０を構成する単電池１１の空気の入口側マニホールド（１３ｃ、１４ｃ等）に供給するものである。空気排出流路は、燃料電池１０から排出される空気を、燃料電池１０を構成する単電池１１の空気の出口側マニホールド（１３ｅ、１４ｅ等）から空気排出口を介して外部に排出するものである。また、冷却路は、燃料電池１０を冷却する冷却水を循環させるものである。
【００４３】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１のパージ方法（燃料電池１０の水素極において反応に寄与しない窒素ガス等を排出する方法）について説明する。
【００４４】
燃料電池システム１を長期にわたって停止させると、燃料電池１０を構成する単電池１１の酸素極側から電解質膜を通って空気中の窒素が水素極側に漏れ、水素極に多量の窒素ガスが溜まることがある。このため、本実施の形態においては、水素極の窒素ガス等を、排出用マニホールド１４ｉ及び排出流路７０を介して、外部に排出することとしている。
【００４５】
燃料電池１０の水素極の窒素ガス等を排出するには、まず、水素供給源２１から水素ガスを放出することにより、循環流路（水素供給流路２０及び還流流路３０）内のガスを、エジェクタ３３から、水素供給流路２０及び還流流路３０の双方を経由させて、燃料電池１０の水素極に供給する。次いで、排出流路４０に設けられた排出弁４１を開放する。これにより、水素極の窒素ガス等は、供給された水素ガスの圧力により、排出用マニホールド１４ｉ及び排出流路４０を経由して、排出口（排出弁４１）から排出されることとなる。
【００４６】
本実施形態においては、エジェクタ３３から水素供給流路２０を経由して排出用マニホールド１４ｉに到達する水素ガスの圧力と、エジェクタ３３から還流流路３０を経由して排出用マニホールド１４ｉに到達する水素ガスの圧力と、が略同一になるように設定されているため、排出用マニホールド１４ｉの地点まで窒素ガス等を効率良く導いて排出することができる。
【００４７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排出流路４０により、水素極において反応に寄与しないガス等（窒素ガス、生成水、水蒸気等）を、循環流路を経由させることなく燃料電池１０の外部に排出することができるので、循環流路に逆止弁を設ける必要がなくなる。従って、発電時における還流流路３０側の圧力損失を低減させることができ、発電効率の低下を抑制することができる。また、還流流路３０には排出弁を設けていないので、逆止弁を廃止しても水素ガスが還流流路３０の途中から外部に排出されることがない。この結果、水素ガスの浪費を抑制することができる。
【００４８】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、逆止弁の凍結等に起因する逆止不良やガス通過不良等の種々の不具合を憂慮する必要がなくなるため、システム全体の信頼性を格段に向上させることができる。また、窒素ガス等とともに水素極から水分を排出することもできるため、水素極のフラッディングを抑制することができる。
【００４９】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１で採用されているセパレータ１４においては、燃料電池１０の水素極において反応に寄与しないアノードガス（窒素ガス等）を、燃料ガス循環用のマニホールド（入口側マニホールド１４ｄ及び出口側マニホールド１４ｆ）を経由させることなく、排出用マニホールド１４ｉから燃料電池１０の外部に排出することができる。
【００５０】
＜第２実施形態＞
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａ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、連通流路５０を介して２個の燃料電池１０Ａを接続するとともに、連通流路５０に排出流路を接続したものである。２個の燃料電池１０Ａは、第１実施形態で説明した燃料電池１０の排出用マニホールド１４ｉを省いたものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、図４に示すように、２個の燃料電池１０Ａを備えるとともに、一方の燃料電池１０Ａの水素排出口と、他方の燃料電池１０Ａの水素供給口と、を連通流路５０で接続したものである。一方の燃料電池１０Ａの水素供給口には水素供給流路２０が接続されており、水素供給源２１からの水素ガスが水素供給流路２０を経由して一方の燃料電池１０Ａに供給される。また、一方の燃料電池１０Ａの水素排出口から排出される水素ガスは、連通流路５０を経由して他方の燃料電池１０Ａに供給される。また、他方の燃料電池１０Ａの水素排出口には還流流路３０が接続されており、燃料電池１０Ａで消費されなかった水素ガス（水素オフガス）が還流流路３０を経由して水素供給流路２０に還流するようになっている。
【００５２】
連通流路５０には、２個の燃料電池１０Ａの水素極の窒素ガス等を排出するための排出流路４０Ａが接続されている。排出流路４０Ａは、図４に示すように、開閉自在な排出弁４１Ａを備えており、ガスの排出量を制御することができるようになっている。本実施形態においては、循環流路（水素供給流路２０及び還流流路３０）内のガスをエジェクタ３３から水素供給流路２０及び連通流路５０を経由させて排出口（排出弁４１Ａ）に到達させる場合の圧力損失と、循環流路内のガスをエジェクタ３３から還流流路３０及び連通流路５０を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、が略同一になるように設定されている。
【００５３】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａのパージ方法（２個の燃料電池１０Ａの水素極において反応に寄与しない窒素ガス等を排出する方法）について説明する。
【００５４】
燃料電池システム１Ａを長期にわたって停止させると、各燃料電池１０Ａを構成する単電池の酸素極側から電解質膜を通って空気中の窒素が水素極側に漏れ、水素極に多量の窒素ガスが溜まることがある。このため、本実施の形態においては、水素極の窒素ガス等を、連通流路５０及び排出流路４０Ａを介して、外部に排出することとしている。
【００５５】
２個の燃料電池１０Ａの水素極の窒素ガス等を排出するには、まず、水素供給源２１から水素ガスを放出することにより、循環流路（水素供給流路２０及び還流流路３０）内のガスを、エジェクタ３３から、水素供給流路２０を経由させて一方の燃料電池１０Ａの水素極に供給すると同時に、還流流路３０を経由させて他方の燃料電池１０Ａの水素極に供給する。次いで、排出流路４０Ａに設けられた排出弁４１Ａを開放する。これにより、２個の燃料電池１０Ａの水素極の窒素ガス等は、供給された水素ガスの圧力により、連通流路５０及び排出流路４０Ａを経由して、排出口（排出弁４１Ａ）から排出されることとなる。
【００５６】
本実施形態においては、エジェクタ３３から水素供給流路２０及び連通流路５０を経由して排出口（排出弁４１Ａ）に到達する水素ガスの圧力と、エジェクタ３３から還流流路３０及び連通流路５０を経由して排出口に到達する水素ガスの圧力と、が略同一になるように設定されているため、排出口の地点まで窒素ガス等を効率良く導いて排出することができる。
【００５７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいては、排出流路４０Ａにより、水素極において反応に寄与しないガス等（窒素ガス、生成水、水蒸気等）を、循環流路を経由させることなく各燃料電池１０Ａの外部に排出することができるので、循環流路に逆止弁を設ける必要がなくなる。従って、発電時における還流流路３０側の圧力損失を低減させることができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【００５８】
＜第３実施形態＞
次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１Ｂ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、第２実施形態で採用した燃料電池１０Ａ（第１実施形態で説明した燃料電池１０の排出用マニホールドを省いたもの）を採用するとともに排出流路の位置を変更し、かつ、圧力損失制御手段６０を設けたものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂにおいては、図５に示すように、燃料電池１０Ａの水素供給口に水素供給流路２０が接続されており、水素供給源２１からの水素ガスが水素供給流路２０を経由して燃料電池１０Ａに供給される。また、燃料電池１０Ａの水素排出口には還流流路３０が接続されており、燃料電池１０Ａで消費されなかった水素ガス（水素オフガス）が還流流路３０を経由して水素供給流路２０に還流するようになっている。
【００６０】
還流流路３０には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３１と、回収した生成水を図示しないタンク等に回収する排水弁３２と、が設けられるとともに、排水弁３２の下流に排出流路４０Ｂが接続されている。排出流路４０Ｂは、燃料電池１０Ａの水素極において反応に寄与しないアノードガス（窒素ガス等）を排出するためのものであり、図５に示すように開閉自在な排出弁４１Ｂを備えてガスの排出量を制御することができるようになっている。
【００６１】
また、還流流路３０には、還流流路３０内のガスの圧力損失を制御する圧力損失制御手段６０（例えばピンチ弁）が設けられている。そして、本実施形態においては、かかる圧力損失制御手段６０を用いて、循環流路（水素供給流路２０及び還流流路３０）内のガスをエジェクタ３３から水素供給流路２０を経由させて排出口（排出弁４１Ｂ）に到達させる場合の圧力損失と、循環流路内のガスをエジェクタ３３から還流流路３０を経由させて排出口に到達させる場合の圧力損失と、を略同一に設定している。
【００６２】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂのパージ方法（燃料電池１０Ａの水素極において反応に寄与しない窒素ガス等を排出する方法）について説明する。
【００６３】
燃料電池システム１Ｂを長期にわたって停止させると、燃料電池１０Ａを構成する単電池の酸素極側から電解質膜を通って空気中の窒素が水素極側に漏れ、水素極に多量の窒素ガスが溜まることがある。このため、本実施の形態においては、水素極のガスを、排出流路４０Ｂを介して外部に排出することとしている。
【００６４】
燃料電池１０Ａの水素極の窒素ガス等を排出するには、まず、水素供給源２１から水素ガスを放出することにより、循環流路（水素供給流路２０及び還流流路３０）内の水素ガスを、エジェクタ３３から、水素供給流路２０及び還流流路３０の双方を経由させて、燃料電池１０Ａの水素極に供給する。次いで、排出流路４０Ｂに設けられた排出弁４１Ｂを開放する。これにより、燃料電池１０Ａの水素極の窒素ガス等は、供給された水素ガスの圧力により、排出流路４０Ｂを経由して、排出口（排出弁４１Ｂ）から排出されることとなる。
【００６５】
本実施形態においては、エジェクタ３３から水素供給流路２０を経由して排出口（排出弁４１Ｂ）に到達する水素ガスの圧力と、エジェクタ３３から還流流路３０を経由して排出口に到達する水素ガスの圧力と、が略同一になるように設定されているため、排出口の地点まで窒素ガス等を効率良く導いて排出することができる。
【００６６】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１Ｂにおいては、循環流路内のガスをエジェクタ３３から供給流路２０を経由させて排出口（排出弁４１Ｂ）に到達させる場合（順周り経路）の圧力損失と、循環流路内のガスをエジェクタ３３から還流流路３０を経由させて排出口に到達させる場合（逆回り経路）の圧力損失と、が略同一に設定されているので、水素極において反応に寄与しないアノードガスを、循環流路内のガスにより押し出して排出口から外部に効率良く排出することができる。従って、循環流路に逆止弁を設ける必要がないので、発電効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に説明するための説明図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムを構成する燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図２に示した燃料電池のセパレータの平面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを概略的に説明するための説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを概略的に説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  １Ａ  １Ｂ  燃料電池システム、１０  １０Ａ  燃料電池、１１  単電池、１２  膜・電極接合体、１２ｂ  酸素極、１２ｃ  水素極、１３  １４  セパレータ、１４ａ  凹部（燃料ガス流路）、１４ｂ  突条（燃料ガス流路）、１４ｄ  入口側マニホールド、１４ｆ  出口側マニホールド、１４ｉ  排出用マニホールド、２０  水素供給流路、３０  還流流路、４０  ４０Ａ  ４０Ｂ  排出流路、４１  ４１Ａ  ４１Ｂ  排出制御弁
【図１】
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【図２】
2006318701.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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