(57)【要約】【課題】車両用の燃料電池システムに用いることが可能な水素貯蔵装置を提供する。【解決手段】水素貯蔵装置３１０は、液体３３０と、該液体３３０に浸された水素貯蔵体３２０とを含み、前記水素貯蔵体３２０は、該水素貯蔵体３２０にエネルギーが加えられたときに水素を放出するものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体と、該液体に浸された水素貯蔵体とを含む水素貯蔵装置であって、前記水素貯蔵体は、該水素貯蔵体にエネルギーが加えられたときに水素を放出する、水素貯蔵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素貯蔵装置であって、前記液体は水を含む、水素貯蔵装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の水素貯蔵装置であって、容量が４７リットル以下である水素貯蔵装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちの何れか一項に記載の水素貯蔵装置であって、前記水素貯蔵体は、重量で５％未満の酸化鉄が混合されたホウ化ケイ素系ガラスを含む、水素貯蔵装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちの何れか一項に記載の水素貯蔵装置を複数含む燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、複数の前記水素貯蔵装置は、軸の周りに設置され、前記軸を中心として複数の前記水素貯蔵装置を回転させるための回転機構を含む燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料電池システムであって、
電気的に直列に接続された複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックの各々を電気的にバイパスするためのスイッチ及び配線と、
前記複数の燃料電池スタックの各々の電圧に対するセンサと、
前記センサの出力に基づき前記スイッチを制御するコントローラと
を含む燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の燃料電池システムであって、
電気的に並列に接続された複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックに接続され、前記複数の燃料電池スタックの各々からの電圧及び電流の一方又は双方の変動を調節するレギュレータと
を含む燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５から８のうちの何れか一項に記載の燃料電池システムであって、水素流路が直列に接続された複数の燃料電池スタックを含み、前記複数の燃料電池スタックのうちのより上流にある燃料電池スタックにおける水素流路の断面積は、前記複数の燃料電池スタックのうちのより下流にある燃料電池スタックにおける水素流路の断面積よりも大きい、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項５から９のうちの何れか一項に記載の燃料電池システムであって、水素流路が直列に接続された複数の燃料電池スタックを含み、前記複数の燃料電池スタックの各々は触媒支持材を含み、前記複数の燃料電池スタックのうちの最上流の燃料電池スタックにおける前記触媒支持材の結晶化度は、最上流の前記燃料電池スタックより下流にある燃料電池スタックにおける前記触媒支持材の結晶化度よりも大きい、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項５から８のうちの何れか一項に記載の燃料電池システムであって、前記水素貯蔵装置に接続された複数の燃料電池スタックであって、前記水素貯蔵装置から各々までの水素流路の長さが同じである前記複数の燃料電池スタックを含む燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項５から１１のうちの何れか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記水素貯蔵装置に接続された燃料電池スタックと、
前記水素貯蔵装置と前記燃料電池スタックとの間の水素流路に設置された吸着剤と
を含む燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、前記吸着剤は、白金族金属、カーボン、ゼオライト、金属複合体又は遷移金属酸化物を含む、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、水素貯蔵装置及び該水素貯蔵装置を用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素を用いたシステムである。特許文献１には、水素貯蔵ガラスビーズを用いた水素供給装置が記載されている。また、燃料電池車が含む従来の燃料電池システムは、水素を燃料電池に供給するために高圧水素タンクを用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８０５２９５９号明細書
【特許文献２】特許第５２９３４１４号公報
【特許文献３】特許第５２９２７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のような水素供給装置は、燃料電池車向けの燃料電池システムには不適当である。なぜなら、当該水素供給装置において、水素貯蔵ガラスビーズはタンク内に格納され、ぎっしりと詰まっているために、車両において用いた場合、発進・停止の動きや走行中の路面から振動等に起因する衝撃により水素貯蔵ガラスビーズが容易に破壊され、望ましくないタイミングで水素が放出されてしまうからである。
【０００５】
また、燃料電池車が含む従来の燃料電池システムによれば、多量の水素が１カ所に集中するために、高圧水素タンクのダメージに関わる事故が起きた場合に安全性が脅かされてしまっていた。また、大容量の高圧水素タンクを用いているために、車両のデザインに制約を受けていた。更に、そのような大容量の高圧水素タンクは大きく、他の車両との互換性のない特定のプラットフォーム向けのものとなってしまうために、燃料電池システムの開発に大きなコストがかかってしまっていた。更にまた、従来の高圧水素タンクは大きく、重く且つ床下に設置されるために、タンクそのものを交換することは実現不可能であった。そのため、高圧水素タンクの使用は、燃料電池車に対する燃料補給を水素ステーションでのポンプを用いた水素の再注入に限定してしまっていたが、水素ガスステーションの数は限られており、その所有者は不便を強いられていた。燃料電池車自体の普及があまり進んでおらず、その配備にインフラに対する多額の投資が必要となるために、現状では水素ガスステーションの数が劇的に増える見込みは大きくない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以上に鑑みてなされたものであり、本発明の一実施形態は、液体と、該液体に浸された水素貯蔵体とを含む水素貯蔵装置であり、前記水素貯蔵体は、該水素貯蔵体にエネルギーが加えられたときに水素を放出するものである。
【０００７】
一実施形態において、前記液体は水を含むことが好ましい。
一実施形態である水素貯蔵装置は、容量が４７リットル以下であることが好ましい。
一実施形態において、前記水素貯蔵体は、重量で５％未満の酸化鉄が混合されたホウ化ケイ素系ガラスを含むことが好ましい。
【０００８】
本発明の別の一実施形態は、上記水素貯蔵装置を複数含む燃料電池システムである。
一実施形態において、複数の前記水素貯蔵装置は、軸の周りに設置され、一実施形態である燃料電池システムは、前記軸を中心として複数の前記水素貯蔵装置を回転させるための回転機構を含むことができる。
【０００９】
一実施形態である燃料電池システムは、電気的に直列に接続された複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックの各々を電気的にバイパスするためのスイッチ及び配線と、前記複数の燃料電池スタックの各々の電圧に対するセンサと、前記センサの出力に基づき前記スイッチを制御するコントローラとを含むことができる。
【００１０】
一実施形態である燃料電池システムは、電気的に並列に接続された複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックに接続され、前記複数の燃料電池スタックの各々からの電圧及び電流の一方又は双方の変動を調節するレギュレータとを含むことができる。
【００１１】
一実施形態である燃料電池システムは、水素流路が直列に接続された複数の燃料電池スタックを含むことができ、前記複数の燃料電池スタックのうちのより上流にある燃料電池スタックにおける水素流路の断面積は、前記複数の燃料電池スタックのうちのより下流にある燃料電池スタックにおける水素流路の断面積よりも大きいことが好ましい。
【００１２】
一実施形態である燃料電池システムは、水素流路が直列に接続された複数の燃料電池スタックを含むことができ、前記複数の燃料電池スタックの各々は触媒支持材を含み、前記複数の燃料電池スタックのうちの最上流の燃料電池スタックにおける前記触媒支持材の結晶化度は、最上流の前記燃料電池スタックより下流にある燃料電池スタックにおける前記触媒支持材の結晶化度よりも大きいことが好ましい。
【００１３】
一実施形態である燃料電池システムは、前記水素貯蔵装置に接続された複数の燃料電池スタックであって、前記水素貯蔵装置から各々までの水素流路の長さが同じである前記複数の燃料電池スタックを含むことができる。
【００１４】
一実施形態である燃料電池システムは、前記水素貯蔵装置に接続された燃料電池スタックと、前記水素貯蔵装置と前記燃料電池スタックとの間の水素流路に設置された吸着剤とを含むことが好ましい。
【００１５】
一実施形態において、前記吸着剤は、白金族金属、カーボン、ゼオライト、金属複合体又は遷移金属酸化物を含むことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池システム１００の概略図である。
【図２Ａ】燃料電池システム１００をより具体化した一例を表す図である。
【図２Ｂ】燃料電池システム１００をより具体化した別例を表す図である。
【図２Ｃ】燃料電池システム１００をより具体化したまた別の例を表す図である。
【図３】水素供給装置１１０の一例を表す図である。
【図４】水素供給装置１１０の別例を表す図である。
【図５】燃料電池ユニット１２０及び電気的制御デバイス１３０の電気的構成の一例を表す図である。
【図６】燃料電池ユニット１２０及び電気的制御デバイス１３０の電気的構成の別例を表す図である。
【図７Ａ】燃料電池ユニット１２０の水素流路の構成の一例を表す図である。
【図７Ｂ】図７Ａを補足するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、図面における各コンポーネントは、理解が容易となるように誇張や簡略化等がなされ、実際とはサイズや形状が異なっている場合があることに留意されたい。
【００１８】
１  本発明の実施形態の概要
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１００の概略図である。１１０及び１２０は、それぞれ水素供給装置及び燃料電池ユニットを示しており、水素供給装置１１０は、燃料電池ユニット１２０に水素を供給するものである。１３０は電気的制御デバイスを示しており、燃料電池ユニット１２０の電気的出力を制御するものである。１４０はモータを示しており、電気的制御デバイス１３０により制御された燃料電池ユニット１２０からの電気的出力を用いて駆動されるものである。
【００１９】
なお、本発明の別実施形態は、燃料電池システム１００が含む全てのコンポーネントを含まない場合があることに留意されたい。例えば、本発明の別実施形態は、水素供給装置１１０をのみを含む燃料電池システムであってよい。言い換えると、本発明の別実施形態は、燃料電池システム１００のサブシステムに相当する燃料電池システムであってよい。
【００２０】
図２Ａ〜２Ｃは、燃料電池システム１００の一部をより具体化した例を表した図である。図２Ａにおける１３０Ａ及び１３０Ｂは、それぞれＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータを示しており、１４０Ａは交流モータを示している。図２Ｂにおける１４０Ｂは直流モータを示している。図２Ｃにおける１４０Ｃは、直流インホイールモータを示している。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０Ａ及びインバータ１３０Ｂは電気的制御デバイス１３０に相当するものであり、交流モータ１４０Ａ、直流モータ１４０Ｂ及び直流インホイールモータ１４０Ｃはモータ１４０に相当するものである。
【００２１】
２  水素供給装置１１０について
図３は、水素供給装置１１０の一例を表す図である。３１０、３２０、３３０、３４０及び３５０は、ぞれぞれ、水素貯蔵装置、水素貯蔵体、液体、バルブ及びガス管接続部を示している。
【００２２】
水素貯蔵装置３１０は、液体３３０及び液体３３０に浸った水素貯蔵体３２０を格納するための容器である。この容器の形状は、従来技術の高圧水素タンクと同じであっても異なっていてもよい。水素貯蔵装置３１０には、高圧（例えば、７００気圧）の水素ガスがそのまま充填されるわけではない。水素貯蔵装置３１０は、３気圧程度に耐えられればよいため、炭素繊維、アルミやステンレス等の金属のほか、ＰＥＴやＰＥＮ等のプラスチックによって製作することができる。
【００２３】
水素貯蔵体３２０は、水素を吸蔵し、自身にエネルギー、例えば熱が加えられることによって水素を放出するものである。エネルギーは、図示しないヒータ等の任意の手段により、水素貯蔵装置３１０又は液体３３０を加熱することによって間接的に水素貯蔵体３２０に加えることができる。水素貯蔵体の例は、ホウ化ケイ素系ガラス、好ましくは、重量で５％未満の酸化鉄（例えば、Ｆｅ３Ｏ４）が混合されたホウ化ケイ素系ガラス製の、外径０．１μｍ〜１０００μｍ程度の多数のビーズである。
【００２４】
液体３３０は、水素貯蔵体３２０同士又は水素貯蔵体３２０と水素貯蔵装置３１０の内部表面とが衝突する際の衝撃緩衝材としての役割を果たすものである。液体３３０により、水素貯蔵装置３１０への衝撃により水素貯蔵体３２０が破壊され、望ましくないタイミングで水素が放出される可能性が低減される。
【００２５】
液体３３０の例は、水である。液体３３０の別例は、水以外の物質と水との混合液である。液体３３０が混合液である場合、そのような混合液は、プロピレングリコールと水との混合液、エチレングリコールと水との混合液等、水より大きな粘性を有し且つ水より小さい蒸気圧を有する液体と水との混合液が好ましい。これは、液体３３０の粘性は水素貯蔵体３２０の流動性に影響を与えるため、粘性が水より大きな液体と水との混合液を液体３３０として用いた場合、衝撃緩衝能がより大きくなるためである。また、液体の蒸気圧が水の蒸気圧より小さいということは、当該液体は水より蒸発しにくいということであり、従って、蒸気圧が水より小さな液体と水との混合液を液体３３０として用いた場合、水が優先的に蒸発するためである。なお、水との混合液を構成する物質は常温で固体のものである場合もあるし、複数の物質を用いて混合液が構成される場合もある。また、液体３３０から水を含まない液体を排除する意図はない。液体３３０が水素貯蔵装置３１０を侵す性質のものである場合には、水素貯蔵装置３１０の内部はテフロン（登録商標）等の化学的耐性の高い物質で表面処理されていることが好ましい。
【００２６】
なお、液体３３０が水又は上記のような水を含む混合液である場合には、ガス管接続部３５０を流れるガスには水蒸気が含まれることになる。燃料電池には電解質膜が含まれており、この電解質膜は乾燥により破損するために、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池に流入する水素又は空気を加湿するためのバブラー又は加湿器を設ける必要があった。即ち、水素貯蔵装置３１０によれば、燃料電池システム１００においてはバブラー又は加湿器を設ける必要がないという技術的利点が得られることになり、このことは重量やコストの観点からも有利である。
【００２７】
バルブ３４０は、水素貯蔵装置３１０内で発生し、ガス管接続部３５０を流れる水素の流量を、図示しない経路からの信号に従い又は手動で調節するものである。ガス管接続部３５０を介して、水素貯蔵装置３１０を燃料電池ユニット１２０に接続することができる。なお、燃料電池ユニット１２０における水素流路の入口には、水素や水蒸気等のガスを通過させるが、水等の液体を通過させにくいポリスチレン膜等のフィルターを設置することができる。このようにすることで、何らかの理由によりガス管接続部３５０を超えて水素流路に液体３３０が多量に混入するような状況に対処することが可能となる。
【００２８】
水素供給装置１１０は、複数の水素貯蔵装置３１０から構成されていてもよい。水素貯蔵装置３１０を複数設けることにより、水素貯蔵装置３１０の１つあたりの容量を小さくし、軽くすることができる。また、水素供給装置１１０は、モジュール化された各水素貯蔵装置３１０が容易に取り外し可能なように構成されていてよい。このようにすることで、上述したように高耐圧である必要がないこともあいまって、水素貯蔵装置３１０の１つあたりの製造コストを低くすることができ、また、水素貯蔵装置３１０を交換可能とすることがより現実的なものとなる。
【００２９】
水素貯蔵装置３１０は、上述したように耐振動性があるため車両において用いることができるが、その場合、各水素貯蔵装置３１０は、車体全体にわたり分散して配置することができ、各水素貯蔵装置３１０の容量を４７リットル程度以下とすることができる。このようにすることで、車両における水素の集中を防ぎ、事故が起きた際の安全性を向上させることができる。また、このようにすることで、車両のデザインの自由度を向上させ、ひいては開発コストを低下させることができる。更に、このようにすることで、軽自動車やＡセグメント・カー、オートバイ等の小型車両への燃料電池システムの搭載可能性を高めることができる。更にまた、水素貯蔵装置３１０を、どこかで購入し、車両まで輸送して交換することが可能な例えばボトル状のものとした場合には、配備にコストのかかる水素ガスステーションを不要のものとすることができる。
【００３０】
複数の水素貯蔵装置３１０は、ひとかたまりにして配置されてもよい。図４は、複数の水素貯蔵装置３１０がひとかたまりに配置された水素供給装置１１０の別例を表す図である。なお、図４においては４つの水素貯蔵装置３１０が表されているが、水素貯蔵装置３１０の数は２以上の任意の数であってよい。４１０は軸を示しており、各水素貯蔵装置３１０は軸４１０の周りに配置され、図示しない任意の回転機構により軸４１０を中心として回転可能である。４２０は、燃料電池ユニット１２０に接続されたガス管を示している。４３０は、各水素貯蔵装置３１０のガス管接続部３５０とガス管４２０とを接続するためのジョイントを示している。ジョイント４３０は、ガス管接続部３５０を着脱可能に取り付けられるよう構成されることが好ましい。
【００３１】
図４に表された例示の水素供給装置１１０によれば、ただ１つの水素貯蔵装置３１０が設けられたものと比べて各水素貯蔵装置３１０を小型で軽量のものとすることができ、且つ、回転させることにより各水素貯蔵装置３１０を所望の位置に移動させることができることから、各水素貯蔵装置３１０の交換が非常に容易となる。
【００３２】
３  電気的構成の観点からの燃料電池ユニット１２０及び電気的制御デバイス１３０について
図５は、燃料電池ユニット１２０及び電気的制御デバイス１３０の電気的構成の一例を表す図である。この図において、水素流路及び空気流路の構成は省略されている。
【００３３】
５１０Ａ及び５１０Ｂは燃料電池スタックを示している。燃料電池スタックは、水素流路となり且つセパレータとして機能する水素バイポーラ・プレートと、アノード電極（以下、「水素極」という。）と、燃料電池反応が生じる電解質膜と、カソード電極（以下、「空気極」という。）と、空気流路となり且つセパレータとして機能する空気バイポーラ・プレートとから主に構成される１つの燃料電池（セル）を複数（例えば、４００枚）積層したものである。５２０Ａ及び５２０Ｂは、ぞれぞれ、燃料電池スタック５１０Ａ及び５１０Ｂの出力電圧ＶＡ及びＶＢを示している。５３０Ａ及び５３０Ｂは、出力電圧ＶＡ及びＶＢをそれぞれ検出するためのセンサを示している。５４０Ａ及び５４０Ｂは、それぞれ、電気的経路を５５０Ａと５５１Ａとの間及び５５０Ｂと５５１Ｂとの間で切り替えるスイッチである。５６０Ａ及び５６０Ｂは、それぞれ、センサ５３０Ａ及び５３０Ｂからの信号を受信し、当該信号に基づきスイッチ５４０Ａ及び５４０Ｂに電気的経路を切り替えるための信号を送信するコントローラを示している。なお、コントローラ５６０Ａ及び５６０Ｂは、物理的には１つのものであってもよい。ここで、燃料電池スタック５１０Ａ及び５１０Ｂは燃料電池ユニット１２０に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０Ａ、センサ５３０Ａ及び５３０Ｂ、スイッチ５４０Ａ及び５４０Ｂ並びにコントローラ５６０Ａ及び５６０Ｂは電気的制御デバイス１３０に、それぞれ相当する。
【００３４】
燃料電池スタック５１０Ａ及び５１０Ｂが正常である場合、より詳細には、出力電圧ＶＡ及びＶＢがともに所定値以上である場合には、スイッチ５４０Ａ及び５４０Ｂは、それぞれ、経路５７０Ａを５５０Ａに、経路５７０Ｂを５５０Ｂに接続している。即ち、図５において、燃料電池スタック５１０Ａ及び５１０Ｂは電気的に直列に接続されていることが理解されよう。
【００３５】
しかしながら、何らかの故障等により、例えば燃料電池スタック５１０Ａにおいて発電ができなくなり出力電圧ＶＡが上記所定値を下回った場合には、コントローラ５６０Ａは、スイッチ５４０Ａに、経路５７０Ａを経路５５１Ａに接続するように指示する。このようにすることで、電流が経路５７０Ａから経路５５１Ａを経て経路５７０Ｂに流れるようになり、経路５５１Ａはバイパスのための配線として機能することになる。燃料電池スタック５１０Ｂにおいて発電ができなくなった場合も同様である。
【００３６】
このように、図５に表された例示の電気的構成によれば、燃料電池ユニット１２０が含む一部の燃料電池スタックにおいて発電ができなくなった場合であっても、燃料電池ユニット１２０全体としての出力がゼロとなることを防ぐことができる。言い換えると、一部の燃料電池スタックの故障が燃料電池ユニット１２０全体の故障を引き起こす可能性を下げることができる。
【００３７】
図６は、燃料電池ユニット１２０及び電気的制御デバイス１３０の電気的構成の別例を表す図である。この図において、水素流路及び空気流路の構成は省略されている。この図において、燃料電池スタック５１０Ａ及び５１０Ｂは、電気的に並列に接続されていることが理解されよう。６１０はレギュレータを示している。レギュレータ６１０は、各燃料電池スタックからの電気的出力を受け、調節し、合成して出力するものである。この調節は、各燃料電池スタックからの電圧及び電流の一方又は双方の変動を調節することを含む。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０Ａ及びレギュレータ６１０は電気的制御デバイス１３０に相当する。
【００３８】
ある時点において各燃料電池スタックの発電性能がほぼ同等であったとしても、故障や経年劣化により、各燃料電池スタックの発電性能に差が生じ、これによって電気的出力に差が生じることがある。図６に表された例示の燃料電池ユニット１２０によれば、このような状況に対処することが可能となる。
【００３９】
なお、図５及び６に表された例示の燃料電池ユニット１２０が含む燃料電池スタックの数は２であるが、燃料電池ユニット１２０は、電気的に直列及び並列の一方又は双方に接続された、２以上の任意の数の燃料電池スタックを含むことができる。
【００４０】
４  水素流路の観点からの燃料電池ユニット１２０について
図７Ａは、燃料電池ユニット１２０の水素流路の構成の一例を表す図である。この図において、電気的経路及び空気流路の構成は省略されている。
【００４１】
７１０Ａ及び７１０Ｂは、それぞれ、燃料電池スタックを示している。なお、図７Ａは、燃料電池スタック７１０Ａを基準として述べると、図７Ｂにおける方向７５０から水素流路を見た図である。ここで、７６０は、燃料電池スタック７１０Ａにおいて積層されているセルの１つを示している。１つのセル７６０は、紙面手前から順に、水素バイポーラ・プレート、水素極、電解質膜、空気極及び空気バイポーラ・プレートを含んでいる。
【００４２】
７２０〜７２４はガス管を示しており、７３０〜７３６はマニホールドを示しており、７４０は水素の流れる方向を示しており、７４０Ａ及び７４０Ｂは、それぞれ、燃料電池スタック７１０Ａ及び７１０Ｂ内の水素バイポーラ・プレートにおける、水素が流れる距離ｄＡ及びｄＢを示している。なお、ガス管７２０から７２４及びマニホールド７３０〜７３６に含まれる管の断面の形状は円に限らないことに留意されたい。
【００４３】
図７Ａに表された例示の燃料電池ユニット１２０において、水素流路は、ガス管７２０を経た後マニホールド７３０によって水素の流れる方向に垂直な方向に広がり、且つ、燃料電池スタック７１０Ａ内の複数の水素バイポーラ・プレートの各々へと分岐する。各水素バイポーラ・プレートを経た後、水素流路は、マニホールド７３２によって、合流し、且つ、水素の流れる方向に垂直な方向に狭められ、ガス管７２２へと至る。なお、ガス管７２０に流入した水素の一部は、燃料電池スタック７１０Ａにおいて燃料電池反応に使用され、その残りはガス管７２２へと流出する。ガス管７２２以降の水素流路についても、同様である。即ち、この図に表された例示の燃料電池ユニット１２０において、燃料電池スタック７１０Ａ及び７１０Ｂは、それらの水素流路が直列となるように接続されている。なお、水素流路が水素の流れる方向に垂直な方向に広がることと分岐することとは、どちらが先に生じても、同時であっても構わない。水素流路が合流することと水素の流れる方向に垂直な方向に狭まることとも、どちらが先に生じても、同時であっても構わない。
【００４４】
ここで、ガス管７２０とマニホールド７３０との接続部、マニホールド７３２とガス管７２２との接続部、ガス管７２２とマニホールド７３４との接続部、及び、マニホールド７３６とガス管７２４との接続部の断面積をＳ０とおき、マニホールド７３０と燃料電池スタック７１０Ａとの接続部、及び、燃料電池スタック７１０Ａとマニホールド７３２との接続部の断面積をＳＡとおき、マニホールド７３４と燃料電池スタック７１０Ｂとの接続部、及び、燃料電池スタック７１０Ｂとマニホールド７３６との接続部の断面積をＳＢとおくと、図７Ａは、Ｓ０＜ＳＢ＜ＳＡであることを表している。
【００４５】
より詳細には、図７Ａに表された例示の燃料電池ユニット１２０において、燃料電池スタック７１０Ａ、即ち、水素流路に関してより上流にある燃料電池スタックにおける水素流路の断面積は、燃料電池スタック７１０Ｂ、即ち、より下流にある燃料電池スタックにおける水素流路の断面積よりも大きい。なお、「燃料電池スタック７１０Ａにおける水素流路の断面積」は、より詳細には、燃料電池スタック７１０Ａ内の複数の水素バイポーラ・プレートとマニホールド７３０の管との接続部の断面積の合計、又は、燃料電池スタック７１０Ａ内の複数の水素バイポーラ・プレートの、水素の流れる方向に垂直な方向の断面の面積の合計であってよい。「燃料電池スタック７１０Ｂにおける水素流路の断面積」についても、同様である。
【００４６】
上に説明した断面積に係る構成について詳述すると、上述したように、燃料電池スタックが含む電解質膜は、乾燥により破損する。電解質膜に対する加湿は、水素流路及び空気流路に含まれる水蒸気によってなされる。ここで、各燃料電池スタックに流入する水素における湿度はほぼ一定である一方、より下流の燃料電池スタックには、より上流の燃料電池スタックにおいて燃料電池反応により生成された水蒸気が混入した空気を流入させることができる。言い換えると、より上流の燃料電池スタックにおける電解質膜において加湿に寄与する水蒸気量はより少なく、従って、より上流の燃料電池スタックにおける電解質膜はより乾燥しやすい傾向がある。より上流の燃料電池スタックにおける水素流路の上記断面積を、より下流の燃料電池スタックにおける水素流路の上記断面積よりも大きくした場合には、前者の水素流路を通過するガス（水素、水素供給装置１１０由来の水蒸気、及び、電解質膜から奪われた水由来の水蒸気を含む）の流速が後者よりも小さくなり得る。ガスの流速が小さくなった場合には、当該ガスにより単位時間あたりに電解質膜から奪われる水の量が減り、従って電解質膜が乾燥しにくくなる。即ち、上に説明した断面積に係る構成は、加湿に寄与する水蒸気量がより少ない電解質膜をより乾燥しにくいようにし、その耐久性を向上させることを少なくとも目的とするものである。以上の説明に鑑みれば、上に説明した断面積に係る構成は、図示しない空気流路に対しても適用可能であることが理解されよう。
【００４７】
また、図７Ａは、より上流にある燃料電池スタック７１０Ａにおける水素の流れる距離ｄＡは、より下流にある燃料電池スタック７１０Ｂにおける水素の流れる距離ｄＢよりも短いことも表している。
【００４８】
燃料電池スタック７１０Ａ及び７１０Ｂは、燃料電池反応に係る触媒、例えば白金を含んでいる。ここで、水素供給装置１１０における水素貯蔵装置３１０を交換可能な構成とした場合、その交換により、燃料電池ユニット１２０には硫黄化合物や一酸化炭素等が流入する可能性がある。また、燃料電池ユニット１２０に流入する水素には、水素付臭剤が混入している場合もある。しかしながら、燃料電池ユニット１２０に流入しうるこれら物質は、触媒に強く化学吸着し、不可逆的な被毒をもたらす恐れがある。従って、燃料電池システム１００においては、水素供給装置１１０と燃料電池ユニット１２０との間の水素流路に、触媒に対する被毒物質を吸着するための吸着剤を設置することが好ましい。そのような吸着剤の例は、白金族金属、カーボン、ゼオライト、金属複合体又は遷移金属酸化物を含むものである。なお、図４に表すように、水素供給装置１１０が複数の水素貯蔵装置３１０を含む場合には、吸着剤は、各水素貯蔵装置３１０からの水素流路が合流した後、例えば水素流路がガス管４２０に至った後、燃料電池ユニット１２０に至る前に設置することが好ましい。
【００４９】
燃料電池スタック７１０Ａ及び７１０Ｂにおける水素極の一例はカーボンを含むものであり、カーボンは、燃料電池反応に係る上記触媒を担持する触媒支持材としても機能する。ここで、水素供給装置１１０に最も近い燃料電池スタック７１０Ａ、即ち、最上流の燃料電池スタックにおける触媒支持材の結晶化度は、燃料電池スタック７１０Ｂ、即ち、それより下流にある燃料電池スタックにおける触媒支持材の結晶化度よりも大きいことが好ましい。これは、純水素タンクではない水素供給装置１１０からの水素には不純物が含まれている可能性がより大きいところ、触媒支持材の結晶化度が高いほど、そのような不純物に対する触媒支持材の耐久性が高いためである。なお、カーボンは、結晶化度が低い状態ではアモルファスであるが、結晶化度が高まるにつれグラファイトに近づく。
【００５０】
なお、図７Ａに表された例示の燃料電池ユニット１２０が含む燃料電池スタックの数は２であるが、燃料電池ユニット１２０は、水素流路が直列に接続された、２以上の任意の数の燃料電池スタックを含むことができる。また、各燃料電池スタックにおけるセルの積層数は同じであっても異なっていてもよい。
【００５１】
燃料電池ユニット１２０の水素流路の構成の別例は、燃料電池ユニット１２０に含まれる複数の燃料電池スタックについて、それらの水素流路が並列に接続されたものである。このような例示の燃料電池ユニット１２０においては、水素供給装置１１０から各燃料電池スタックまで、より詳細には、各燃料電池スタックのインレットまでの水素流路の長さが同じであることが好ましい。このようにすることで、各燃料電池スタックへの水素の流量を等しくし、各燃料電池スタックの発電性能ひいてはその電気的出力を同等にすることが容易となる。このような例示の燃料電池ユニット１２０において、例えば図６に関して説明したように、各燃料電池スタックを電気的にも並列に接続した場合には、レギュレータ６１０における電気的損失を最小化するという技術的利点も得られるであろう。
【００５２】
５  おわりに
以上、本発明の実施形態を説明してきたが、これらは例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、実施形態の変更、追加、改良などを適宜行うことができることが理解されるべきである。本発明の範囲は、上述した実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ規定されるべきである。
【符号の説明】
【００５３】
１００…燃料電池システム
１１０…水素供給装置
１２０…燃料電池ユニット
１３０…電気的制御デバイス
１３０Ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３０Ｂ…インバータ
１４０…モータ
１４０Ａ…交流モータ
１４０Ｂ…直流モータ
１４０Ｃ…直流インホイールモータ
３１０…水素貯蔵装置
３２０…水素貯蔵体
３３０…液体
３４０…バルブ
３５０…ガス管接続部
４２０…ガス管
４３０…ジョイント
５１０Ａ，５１０Ｂ…燃料電池スタック
５２０Ａ，５２０Ｂ…電圧ＶＡ，ＶＢ
５３０Ａ，５３０Ｂ…センサ
５４０Ａ，５４０Ｂ…スイッチ
５５１Ａ，５５１Ｂ…バイパス配線
５６０Ａ，５６０Ｂ…コントローラ
６１０…レギュレータ
７１０Ａ，７１０Ｂ…燃料電池スタック
７２０，７２２，７２４…ガス管
７３０，７３２，７３４，７３６…マニホールド
７４０…水素の流れる方向
７４０Ａ，７４０Ｂ…距離ｄＡ，ｄＢ
７６０…１つのセル
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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