(57)【要約】【課題】この発明は燃料電池に関し、マニホールド内の水を迅速かつ確実に排出することができる燃料電池の構成およびシステムを提供することを目的とする。【解決手段】セル積層体の積層方向に沿って形成されたマニホールドに複数の排出口を設る。マニホールドから排水する場合には、複数の排出口のいずれが鉛直最下部かを推定し、鉛直最下部の排出口を流通可能とする一方、その他の排出口の流通を制限し、鉛直最下部の排出口から排水する。【選択図】図１
2008311160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータと、発電部を有する膜電極接合体とが積層されて構成され、反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池積層体と、
前記積層体を積層方向に貫通して、発電部に反応ガスを供給する供給マニホールドと、
前記積層体を積層方向に貫通して、発電部から排出されるオフガスを受け取る排出マニホールドと、
前記積層体の外部に設けられ、前記排出マニホールドに互いに異なる位置で接続して、それぞれ前記排出マニホールドから排出されるオフガスを受け取る、複数の排出流路と、
前記複数の排出流路それぞれにおける流体の流通を制限可能な流通制限手段と、
前記排出マニホールド内の排水が必要であると判断された場合に、前記複数の排出流路のうち前記排出マニホールドとの接続部分が鉛直方向で最も下にある排出流路を流通可能とし、その他の排出流路の流通を制限するように、前記流通制限手段を制御する、制御手段と、
を備える燃料電池システム
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記排出流路と排出マニホールドとの接続部分のうちいずれが鉛直最下部であるかを推定する推定手段をさらに備える
燃料電池システム
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
複数の排出流路は、積層体の積層方向の一端で排出マニホールドに接続する排出流路と、他端で接続する排出流路とを含む、
燃料電池システム
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
推定手段は積層体の水平面に対する傾きを検知する傾き検知手段である
燃料電池システム
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
複数の排出流路は、燃料電池が設置された初期姿勢において鉛直方向に互いに異なった位置でマニホールドに接続している
燃料電池システム
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池が発電中であって、かつ、排水マニホールド内の排水が必要と判断されていない場合には、制御手段は全ての流通制限手段を流通可能となるように制御する、
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、反応ガスの供給を受けて化学的に発電を行う燃料電池システムに関し、特にマニホールド内に存在する液体の排水性を向上させた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池による発電に伴って、燃料電池の膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の周囲に配された面内ガス流路やマニホールドには、発電に伴って生じる生成水等の液体が溜まる。このため、面内流路やマニホールドの液体を燃料電池の外に排出する必要がある。
【０００３】
そこで、燃料電池を停止させる際に、燃料電池に乾燥したガスを供給して燃料電池内を乾燥させる技術が開示されている（特許文献１を参照）。
【０００４】
また、燃料電池が傾斜した場合に燃料電池の下方から排水を行うことができるように、排出口を燃料電池のケーシング下部の両端に設ける技術が開示されている（特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１１１１９６号公報
【特許文献２】特開２００３−９２１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マニホールドの排水は燃料電池発電中または燃料電池の運転を終了する際に行われる。発電中に行うのは、マニホールド内に水が溜まることにより反応ガスの流れが阻害され、発電性能の低下を招くおそれがあるからである。また、運転を終了する際に行うのは、マニホールド内に水が残ったままで長期間放置すると、当該水の凍結により問題が生じる場合があるからである。例えば、マニホールド内に氷が存在する状態で次回燃料電池を起動して内部の温度が上昇すると、氷の存在する部分では燃料電池を構成する部材の熱膨張が阻害され周辺部分との大きさの差により隙間が生じ、反応ガスが漏れることが考えられる。そのため、燃料電池の運転中には反応ガスの流れを阻害しない程度に、運転を終了させる際には凍結した場合にも周辺部材の熱膨張を阻害しない程度に、排水を行うことが求められる。
【０００７】
この点、マニホールド内には水が液体として存在するため、これをガスにより乾燥または排出させると多くの時間がかかるという問題があった。特許文献２に記載のように排出マニホールドの両端に排出口を設けると言う構成は、マニホールドの下部に滞留する液体を排出する意味では効果的である。しかしながら、図７に示すように、この技術では排出口１０４、１０５のうち一方（排出口１０４）には開閉弁１０６が設けられておらず、排出口１０５から排水を行う場合にガスが排出口１０４から燃料電池の外部に漏れてしまう。そのため、排水を促すためのガス供給を行うことができず、排水に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、マニホールド内の水分を迅速に排出することができ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】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、セパレータと、発電部を有する膜電極接合体とが積層されて構成され、反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池積層体と、前記積層体を積層方向に貫通して、発電部に反応ガスを供給する供給マニホールドと、前記積層体を積層方向に貫通して、発電部から排出されるオフガスを受け取る排出マニホールドと、前記積層体の外部に設けられ、前記排出マニホールドに互いに異なる位置で接続して、それぞれ前記排出マニホールドから排出されるオフガスを受け取る、複数の排出流路と、前記複数の排出流路それぞれにおける流体の流通を制限可能な流通制限手段と、前記排出マニホールド内の排水が必要であると判断された場合に、前記複数の排出流路のうち前記排出マニホールドとの接続部分が鉛直方向で最も下にある排出流路を流通可能とし、その他の排出流路の流通を制限するように、前記流通制限手段を制御する、制御手段と、を備えること特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記排出流路が排出マニホールドに接続する部分のうちいずれが鉛直最下部であるかを推定する推定手段を備える、こととしてもよい。この場合、複数の排出流路は、積層体の積層方向の一端で排出マニホールドに接続する排出流路と、他端で接続する排出流路とを含むこととしてもよい。この場合、推定手段は積層体の水平面に対する傾きを検知する傾き検知手段とすることができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、複数の排出流路は、燃料電池が設置された初期姿勢において鉛直方向に互いに異なった位置でマニホールドに接続することとしてもよい。
【００１２】
上述の燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池が発電中であって、かつ、排水マニホールド内の排水が必要と判断されていない場合には、全ての流通制限手段を流通可能となるように制御する、こととしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、排水が必要と判断される場合には、複数の排出流路のうち排出マニホールドに鉛直方向最下部で接続している排出流路は流通可能とされ、他の流路の流通が制限される。マニホールド内に存在する液体は、マニホールド内の鉛直下部に溜まっているので、最下部の流路から排出することで効率的に排水される。また、最下部以外の流路の流通が制限されることで、燃料電池内部のガスが排出されてしまうことを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は本実施形態に係る燃料電池積層体１０の概略構成を示す図であり、図２は本実施形態に係る膜電極接合体の平面図である。燃料電池積層体は図２に示す膜電極接合体と、セパレータとからなるセルを積層して構成される。なお、図１は、積層体を図２の矢印の側から見た図であり、後述するアノードガス供給マニホールド１４ａとアノードガス排出マニホールド１５ａの位置関係を明示するように投影したものである。
【００１５】
燃料電池積層体１０は、セパレータと、発電部を有する膜電極接合体とを含む単セル１２が複数積層され、その外側をエンドプレート１３ａ、１３ｂによって挟まれて形成される。燃料電池は、空気中の酸素と水素との電気化学反応により発電を行うものであり、発電中は燃料電池積層体１０の外部から空気と水素とが供給される。具体的には、水素は外部に備えられた高圧タンクなどの水素タンクから水素供給流路１４ｂを通じて積層体内部に供給される。その後、積層体内部に設けられたアノードガス供給マニホールド１４ａを通ってそれぞれのセル１２に分配される。また、図示しない酸化ガス供給流路および酸化ガス側のカソードガス供給マニホールドを通じて空気がセル１２に供給される。なお、本実施形態における空気が請求の範囲に記載の酸化ガスの一例に対応し、水素が燃料ガスの一例に対応する。
【００１６】
燃料電池のセル１２に水素と酸素とが供給されると、発電部のアノード付近では次式（１）、およびカソード付近では次式（２）に示す発電反応が生じる。式（１）（２）の発電反応に伴って発電が行われ、カソード付近で水が生成される。生成された水の一部は電解質膜を通してアノード側へ拡散し、さらにその一部はマニホールド内で液体となる。
【００１７】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−            ・・・（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
【００１８】
反応後の水素ガス（以下、アノードオフガスという）は、アノード排出マニホールド１５ａからアノードオフガス排出流路１６、１７を通って、図示しない循環流路や燃焼装置・希釈器などに流される。本実施態様ではアノードオフガス排出流路１６、１７はアノードガス排出マニホールド１５ａの両端で排出マニホールド１５ａに接続しており、下流部分で合流して一の排出配管１５ｂを通じて前述の循環流路などに連通する。
【００１９】
アノードオフガス排出流路１６、１７の少なくとも一部には流路を構成する配管の電気伝導性を抑制する手段が備えられる。例えば、アノードオフガス排出流路１６、１７を構成する配管の少なくとも一部区間を樹脂製にするなどである。燃料電池では積層方向に電位差が生じているため、積層方向に異なった位置でアノードオフガス排出流路が排出マニホールドに接続する場合にはこういった構成により短絡を防止するのが好ましい。
【００２０】
アノードオフガス排出流路１６、１７にはそれぞれ、開閉の操作が可能なバルブ２１、２２が備えられている。バルブ２１、２２はＥＣＵ３０によって開閉を制御される。なお、排出マニホールド１５ａが排出マニホールドに、アノードオフガス排出流路１６、１７が排出流路に、バルブ２１，２２が流通制限手段に、ＥＣＵ３０が制御手段にそれぞれ一例として対応する。以下、アノードオフガス排出流路を排出流路、アノード排出マニホールドを排出マニホールドと呼ぶことがある。
【００２１】
図２は、発電部１４を有する膜電極接合体の平面図である。面内にはアノードガス供給マニホールド１４ａに対応する開口２４ａ、アノード排出マニホールドに対応する開口２４ｂ、およびカソード側の供給マニホールドないし排出マニホールドに対応する開口２９ａ、２９ｂがある。この膜電極接合体と同様の開口が設けられたセパレータとを交互に積層することで、積層方向に貫通するマニホールドを有する燃料電池積層体が形成される。
【００２２】
また、図１に記載のように本実施形態の燃料電池システムは、傾き検知手段１１を備える。傾き検知手段としては、機械式ジャイロ、光学式ジャイロなどを用いることができる。傾き検知手段は、積層体の水平面に対する傾きを検知し、それによって、排出流路１６、１７のいずれが、鉛直下部となっているかを推定する。なお、本実施形態では積層体に隣接して傾き検知手段１１を設けているが、傾き検知手段１１の設置場所は積層体の近傍には限られない。例えば車両に搭載する場合、積層体の傾きは車両全体の傾きと対応しているので、車両のいずれかの場所に搭載すれば足りる。傾き検知手段１１が、推定手段および傾き検知手段に対応する。
【００２３】
なお、本実施の形態ではエンドプレート１３ａが前方、エンドプレート１３ｂが後方となるように、燃料電池積層体１０を車両に搭載する。そのため、車両が下り坂にて走行または停止している場合には車両は前下がりであり、積層体１０はエンドプレート１３ａ側が下がるように傾き、上り坂の場合には車両は前上がりであり、積層体１０はエンドプレート１３ｂ側が下がるように傾く。エンドプレート１３ａ側が下がっている場合には、排出流路１７が、鉛直最下部で排出マニホールドに接続する排出流路である。
【００２４】
［実施の形態１の処理］
図３は本実施形態において、排水処理を燃料電池の運転を停止させる際に行う場合のフローチャートである。本実施形態では、燃料電池の発電が停止された場合に、排水処理が必要であるとＥＣＵ３０が判断する。本実施形態では、燃料電池が発電中であってかつ排水処理が必要であると判断されていない場合（以下、通常発電時という）はバルブ２１が開状態となっており、バルブ２２が閉状態に制御される。従って、アノードオフガスは排出マニホールド１５ａから排出流路１６を通って排出される。
【００２５】
発電が停止すると（Ｓ１）、ＥＣＵ３０は排水が必要であるとし、傾き検知手段１１から積層体の傾き情報を取得して傾きを判定する（Ｓ２）。傾き情報により、エンドプレート１３ａ側が下がっている場合には、ＥＣＵ３０は、バルブ２１を閉状態、バルブ２２を開状態にそれぞれ制御する（Ｓ３）。逆に、エンドプレート１３ｂ側が下がっている場合には、ＥＣＵ３０は、バルブ２１を開状態、バルブ２２を閉状態に維持するように制御する（Ｓ４）。
【００２６】
その後、アノード供給流路側から排水を促すためのガス（以下パージガスという）を供給する（Ｓ５）。パージガスは、アノード供給流路・アノード供給マニホールドを通じて供給される。パージガスの供給は、予め定めた時間行う。例えば、マニホールド内に残留が許容される水の量と排水量との関係から予め定めておき、図示しないメモリなどの記憶手段に記憶しておけばよい。当該時間が経過したら、パージガスの供給を停止して開いているバルブを閉じ（Ｓ６）、燃料電池１０はこの状態で放置されることになる。燃料電池の発電を再開する場合、ＥＣＵ３０は、再度バルブ２１を開く。
【００２７】
［実施の形態１の効果］
図４は本実施形態において積層体のエンドプレート１３ａの側が下がっている場合の略図である。この場合、液体５０は低い位置に移動するので、マニホールドうちエンドプレート１３ａ側に存在する。この状態でエンドプレート１３ｂ側の排出流路１６から液体５０を排出することは困難である。この点、本実施形態では、傾き検知手段１１によりエンドプレート１３ｂ側が下がっていることを検出すると、バルブ１７を開くことでエンドプレート１３ｂ側の排出流路１７から液体５０を排出する。そのため、液体５０が溜まっている場所から排水を行うので、水が迅速に排出される。
【００２８】
さらに、パージガスを供給する際にバルブ１６は閉じているので、供給されたパージガスは液体５０を押し出すように働くので、迅速に排水をすることができ、パージガスが積層体から排出されることを抑制できる。
【００２９】
なお、パージガスとしては、燃料ガス（本実施形態では水素）や空気、不活性ガス（窒素など）を用いることができる。本実施形態では上述のとおりパージガスが排出されることを抑制できるので、燃料ガスをパージガスとして用いた場合の燃費の悪化を抑制できる。そのため、燃料ガスをパージガスとして用いるのが、配管の簡単さの観点から好ましい。
【００３０】
［変形例１］
実施の形態１においては、接続部が鉛直最下部となっている排出流路を推定する推定手段として、傾き検知手段を用いたが、これに限らない。例えば、マニホールドの両端に残留水の重量を検知する手段を設けても良い。車両が傾くとマニホールド内の液体は下方に流れるため、下側になっている重量センサにより大きい荷重がかかることとなる。従って、重量センサの出力を元にして、より大きい重量を検出した側が下になっていると推定することすることができる。このように、推定手段は複数ある排出流路のうちいずれが鉛直最下部でマニホールドに接続しているのかを推定できれば足りるものである。
【００３１】
［変形例２］
図５（Ａ）は変形例２の構成を示す略図である。本実施形態ではマニホールドの積層方向の一端に二つのアノード排出流路２６、２７が接続している。積層体１０が搭載された車両が略水平な場所にあるとき、アノード排出流路２７はアノード排出流路２６よりも鉛直下方でアノード排出マニホールド１５ａに接続する。本変形例では、車両が横転するなどの特殊な事情のない限りにおいて、積層体の傾きなどに関わらず、アノード排出流路２６よりもアノード排出流路２７が鉛直下側に存在する。そのため傾き検知手段は備えられていない。本変形例では、アノード排出流路２７が、排出流路のうち鉛直最下部で排出マニホールドに接続する排出流路である。
【００３２】
本変形例の処理では、排水が必要であると判断されると、ＥＣＵ３０はアノード排出流路２７に設けられたバルブ３２を開状態、アノード排出流路２６に設けられたバルブ３１を閉状態に制御する。その後、パージガスを供給し、所定の時間経過後バルブ３２を閉じる。これにより、液体が溜まっている部分に近い場所で排出マニホールドに接続する排出流路を用いて排水することができる。また、パージガスが積層体外に排出されることを抑制しつつ排水をすることができる。
【００３３】
なお、本変形例において、図５（Ｂ）に記載のように、排出流路２７は排出マニホールド１５ａの下面に接続しても良い。この場合、通常の使用態様においては、排出流路２７が最下部で接続する排出流路であると推定することとしても良い。
【００３４】
［変形例３］
図６は変形例３の構成を示す略図である。実施の形態１や変形例２では、複数ある排出流路のそれぞれにバルブ（流通制限手段）を設けたが、本変形例の燃料電池システムは複数のアノード排出流路が三方弁４１を介して合流する構成である。排水が必要であると判断される場合に、ＥＣＵ３０は、三方弁４１を制御して、最下部でマニホールドに接続する排出流路からのオフガスを下流の配管１５ｂに流通させ、他の排出流路からのオフガスが配管１５ｂに流通するのを制限する。これにより、排水を行う場合にそれぞれの流路に流通制限手段を設けた場合と同様の処理を一つの弁によって行うことができる。すなわち流通制限手段は、排出流路のそれぞれについて流通量を可変とできるものであれば足りるものであり、設置場所や設置個数によらず、例えば上述の他に、排出マニホールド内部に設ける構成としても良い。
【００３５】
［変形例４］
実施の形態１においては、ＥＣＵは、通常運転時は複数の排出流路のうち一つの流通を可能とし他の流通を制限したが、通常運転時には全ての排出流路を流通可能に制御してよい。すなわち、排水を行う際に、最下部でマニホールドに接続する排出流路を除く流路について、流通を制限すれば足り、通常発電時の態様は問わない。ただし、通常発電時に全ての排出流路を流通可能とすれば、マニホールドと排出流路との接続面積が実質的に増加するため、接続部分における圧力損失を低減することができるので好ましい。
【００３６】
［変形例５］
実施の形態１においては、ＥＣＵ３０は燃料電池の運転が停止された場合に排水が必要であると判断したが、これに限らない。マニホールド内に多量に水が溜まると、発電に用いられる反応ガスの流れを阻害して発電に支障をきたす場合があるので、排水は発電中に行っても良い。排水の必要性の判断は、燃料電池の発電継続時間、前回の排水からの経過時間、燃料電池のセル電圧、などに基づいてしてもよいし、これらの組み合わせに基づいても良い。いずれの場合であっても、燃料電池の発電性能に影響をおよぼす量の液体がマニホールド内に残存しないように、事前に判断基準を設定しておけばよい。
【００３７】
［変形例６］
実施の形態１においては、アノード側の排出系に適用した。アノード側でパージガスとして水素を用いる場合には分子量や流量が少ないため従来技術では短時間に排水をするのは困難であり、また、水素を排出すると燃費の低下などを招くため、アノード側に本発明を適用するのが好ましい。しかしながら、カソード側の排出マニホールドにおいても迅速かつ確実な排水が求められるものであり、本発明を適用することでより迅速かつ確実な排水が可能となる。従って、本発明を適用するのはカソード側でもよく、両側に適用してもよい。なお、カソード側に適用する場合であっても、構成や処理はアノード側に適用する場合と同様でよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は実施の形態１の構成を示す略図である。
【図２】図２は実施の形態１の膜電極接合体を示す平面図である。
【図３】図３は実施の形態１の処理を示すフロー図である。
【図４】図４は実施の形態１の作用を説明するための略図である。
【図５】図５は変形例２の構成を示す略図である。
【図６】図６は変形例３の構成を示す略図である。
【図７】図７は従来技術の構成を示す略図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０      燃料電池積層体
１１      傾き検知手段
１２      燃料電池セル
１３      エンドプレート
１４      発電部
１５ａ      アノードオフガス排出マニホールド
１６、１７、２６、２７      アノードオフガス排出流路
２１、２２、３１、３２      バルブ
２４ａ、２４ｂ、２９ａ、２９ｂ      開口
３０      ＥＣＵ
４１      三方弁
５０      液体
【図１】
2008311160.tif 000003
【図２】
2008311160.tif 000004
【図３】
2008311160.tif 000005
【図４】
2008311160.tif 000006
【図５】
2008311160.tif 000007
【図６】
2008311160.tif 000008
【図７】
2008311160.tif 000009