(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率の低下を抑えながら、燃料電池セル内の水分の排水性を向上させる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部と、前記導電部と前記分割集電板との間を導通又は非導通に切換える切換手段と、前記導電部と前記分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガスに沿って前記導通又は非導通の切換を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部と、前記導電部と前記分割集電板との間を導通又は非導通に切換える切換手段と、前記導通又は非導通の切換を制御する制御手段とを備え、
前記集合集電板は、前記複数の分割集電板が同一面上に集合し、前記複数の分割集電板同士は電気的に絶縁したものであり、
前記制御手段は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を流れる水に沿って前記導通又は非導通の切換を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガスに沿って前記導通又は非導通の切換を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池セルにおけるフラッディングの発生を検出するフラッディング検出手段を備え、
前記制御手段は、前記フラッディング検出手段によりフラッディングの発生を検出した場合に、前記導通又は非導通の切換制御を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池セルにおけるフラッディングの発生部位を検出する発生部位検出手段を備え、
前記制御手段は、前記発生部位検出手段により検出されたフラッディングの発生部位に対向する位置にある切換手段を前記導通又は非導通の切換制御の開始点とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池セル内の水量を検出する水量検出手段を備え、
前記制御手段は、前記水量検出手段により検出した水量と予め設定した閾値とを比較して、前記閾値より前記水量が多い場合に、前記導通又は非導通の切換制御を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池セル内の水量を検出する水量検出手段を備え、
前記制御手段は、前記水量検出手段により検出した水量に応じて、前記導通又は非導通に切換えるための制御条件を算出し、前記制御条件に基づいて前記導通又は非導通の切換を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池セルにおけるフラッディングの発生を検出するフラッディング検出手段と、前記燃料電池セル内の水量を検出する水量検出手段を備え、
前記フラッディング検出手段によりフラッディングの発生を検出した場合に、前記制御手段は、前記水量検出手段により検出した水量に応じて、前記導通又は非導通に切換えるための制御条件を算出し、前記制御条件に基づいて前記導通又は非導通の切換を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池セルの発電を停止する際に、前記制御手段が動作することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる水に沿って前記導電部と前記分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガスに沿って前記導電部と前記分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池積層体は、燃料電池セルを複数積層して構成される。また、燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素ガスが水素イオンと電子とに分解され、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われる。燃料電池セルは、上記化学反応が行われることによって、発電して電気エネルギを生成する。
【０００３】
燃料電池セルが積層した燃料電池積層体の積層方向両端部には集電板が配置され、さらに集電板には導電部が接続されている。上記燃料電池セルの発電によって生成された電気エネルギは、集電板、導電部を通り外部に取り出される。
【０００４】
上記説明したように燃料電池セルのカソード極では、燃料電池セルの発電に伴って水が生成される。カソード極で生成された水分は、燃料電池用セパレータを介して燃料電池セル外に排出される。しかし、燃料電池セルの低負荷、高負荷等の運転条件等によっては、カソード極で生成された水が、カソード極側の燃料電池用セパレータ内等に滞留する場合がある。また、カソード極で生成された水分が電解質膜を通過し、アノード極側の燃料電池用セパレータ内等に滞留する場合がある。このように燃料電池用セパレータ内等に水が滞留すると、アノード極又はカソード極への反応ガスの供給を妨げるフラッディングが発生し、燃料電池セルの電池性能が低下する場合がある。
【０００５】
例えば、特許文献１には、複数の分割集電板からなる集合集電板を燃料電池積層体の積層方向両端部に備え、分割集電板と導通する導電部と分割集電板との間を導通又は非導通に切換えることができる燃料電池システムが提案されている。特許文献１の燃料電池システムは、導電部と導通状態にある一部の分割集電板に集中的に電流を流すことができるため、燃料電池セルの温度を上昇させ燃料電池用セパレータ内に滞留する水分を蒸発させることができる。
【０００６】
しかし、導電部と分割集電板との間を導通又は非導通に切換えることによって燃料電池セルの温度を上昇させ、燃料電池セル内に滞留する水分を蒸発させるためには、導電部と導通状態にある分割集電板の数を極端に減らして燃料電池セルの発電領域を狭める必要がある。そのため燃料電池セルの発電効率が低下し易い。また、導電部と分割集電板との間を導通又は非導通に切換えることによって、燃料電池セルの温度を上昇させ、燃料電池セル内に滞留する水分を蒸発させるには、相当な時間を必要とする。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２９４５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池セルの発電効率の低下を抑えながら、燃料電池セル内に滞留する水分の排水性を向上させる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部と、前記導電部と前記分割集電板との間を導通又は非導通に切換える切換手段と、前記導通又は非導通の切換を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる水に沿って前記導通又は非導通の切換を制御する。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部と、前記導電部と前記分割集電板との間を導通又は非導通に切換える切換手段と、前記導通又は非導通の切換を制御する制御手段とを備え、前記集合集電板は、前記複数の分割集電板が同一面上に集合し、前記複数の分割集電板同士は電気的に絶縁したものであり、前記制御手段は、前記燃料電池用セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガスに沿って前記導通又は非導通の切換を制御する。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルにおけるフラッディングの発生を検出するフラッディング検出手段を備え、前記制御手段は、前記フラッディング検出手段によりフラッディングの発生を検出した場合に、前記導通又は非導通の切換制御を開始することが好ましい。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルにおけるフラッディングの発生部位を検出する発生部位検出手段を備え、前記制御手段は、前記発生部位検出手段により検出されたフラッディングの発生部位に対向する位置にある切換手段を前記導通又は非導通の切換制御の開始点とすることが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セル内の水量を検出する水量検出手段を備え、前記制御手段は、前記水量検出手段により検出した水量と予め設定した閾値とを比較して、前記閾値より前記水量が多い場合に、前記導通又は非導通の切換制御を開始することが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セル内の水量を検出する水量検出手段を備え、前記制御手段は、前記水量検出手段により検出した水量に応じて、前記導通又は非導通の切換を制御する制御条件を算出し、前記制御条件に基づいて前記導通又は非導通の切換を制御することが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルにおけるフラッディングの発生を検出するフラッディング検出手段と、前記燃料電池セル内の水量を検出する水量検出手段を備え、前記フラッディング検出手段によりフラッディングの発生を検出した場合に、前記制御手段は、前記水量検出手段により検出した水量に応じて、前記導通又は非導通の切換を制御する制御条件を算出し、前記制御条件に基づいて前記導通又は非導通の切換を制御することが好ましい。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池セルの発電を停止する際に、前記制御手段が動作することが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部とを有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる水に沿って前記導電部と前記分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御する。
【００１８】
また、本発明は、反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、前記分割集電板と導通する導電部とを有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガスに沿って前記導電部と前記分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、反応ガス流路が形成された燃料電池用セパレータを含む燃料電池セルを積層した燃料電池積層体と、燃料電池積層体の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される複数の分割集電板を有する集合集電板と、分割集電板と導通する導電部と、導電部と分割集電板との間を導通又は非導通に切換える切換手段と、導電部と分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御する制御手段とを備え、前記集合集電板は、前記複数の分割集電板が同一面上に集合し、前記複数の分割集電板同士は電気的に絶縁したものであり、制御手段が、燃料電池セパレータの反応ガス流路を流れる水に沿って、導通又は非導通の切換を制御することによって、燃料電池セルの発電効率の低下を抑えながら、燃料電池セル内に滞留する水分の排水性を向上させる燃料電池システムを提供することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、燃料電池用セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガス又は水に沿って、導電部と分割集電板との間の導通又は非導通の切換を制御することによって、燃料電池セルの発電効率の低下を抑えながら、燃料電池セル内に滞留する水分の排水性を向上させる燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。燃料電池システム１は、燃料電池積層体１０と、複数の分割集電板１２を有する集合集電板１４ａ，１４ｂと、導電部１６ａ，１６ｂと、切換手段としての複数のスイッチ１８と、制御手段としてのＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２０とを備えるものである。本実施形態に用いられる燃料電池積層体１０は、燃料電池セル２２を５個積層したものを例とするが、燃料電池セル２２を少なくとも１層以上積層したものであればよい。
【００２３】
図３は、本実施形態に用いられる燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。なお、図３に示す燃料電池セル２２の模式断面図は垂直方向から見たものである。図３に示すように、燃料電池セル２２は、電解質膜２６の両側をアノード極２８、カソード極３０により挟持した膜−電極アッセンブリ３２と、膜−電極アッセンブリ３２の両外側を挟持する燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ３４及びカソード極セパレータ３６とを有する。アノード極２８はアノード極触媒層３７及びアノード極拡散層３８、カソード極３０はカソード極触媒層４０及びカソード極拡散層４２を有する。
【００２４】
アノード極触媒層３７、カソード極触媒層４０は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合してアノード極拡散層３８、カソード極拡散層４２上に成膜することにより形成される。アノード極拡散層３８、カソード極拡散層４２は、カーボンクロス等の多孔質材料等が用いられる。電解質膜２６は、プロトン伝導性を有する膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜等が用いられる。
【００２５】
図４は、本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータの一例を示す模式斜視図である。図４に示すように、燃料電池用セパレータ４４（図３に示すアノード極セパレータ３４、カソード極セパレータ３６）は、アノードガス又はカソードガスが流れる直線状の反応ガス流路４５（図３に示す反応ガス流路４６ａ，４６ｂ）を備えた櫛型状のものである。
【００２６】
図３に示す燃料電池セル２２において、アノード極セパレータ３４及びカソード極セパレータ３６は、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）が水平方向となるように配置されている。すなわち、アノード極セパレータ３４及びカソード極セパレータ３６の反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）を流れる反応ガスは、水平方向に流れることになる。本実施形態では上記に限定されるものではなく、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）が垂直方向となるように、アノード極セパレータ３４及びカソード極セパレータ３６が配置されるものであってもよい。アノード極セパレータ３４及びカソード極セパレータ３６は、上記反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）が直線状に形成された櫛型状のものに限られず、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）が蛇行するように形成されたものであってもよい。アノード極セパレータ３４及びカソード極セパレータ３６を構成する材料として、例えば、金属、カーボン等が挙げられる。
【００２７】
複数の分割集電板１２を有する集合集電板１４ａ，１４ｂは、燃料電池積層体１０の積層方向両端のうち少なくともいずれか一方に配置される。すなわち、集合集電板１４ａ，１４ｂは、燃料電池積層体１０のアノード極側、カソード極側のうち少なくともいずれか一方に配置されることとなる。後述するように、燃料電池セル２２の発電反応による水の生成は、カソード極側で起こるため、集合集電板は少なくともカソード極側に配置されることが好ましい。また、集合集電板１４ａ，１４ｂは、銅等の高伝導性材料等により構成された複数の分割集電板１２が、同一面上に集合したものであり、複数の分割集電板１２同士は、電気的に絶縁したものである。また、複数の分割集電板１２同士は、気密性を有することが好ましい。
【００２８】
導電部１６ａ，１６ｂは、各燃料電池セル２２で発生した電気エネルギを外部に取り出すためのものであり、スイッチ１８を介して分割集電板１２と導通する。導電部１６ａ，１６ｂは、銅等の高伝導性材料等により構成されている。
【００２９】
各スイッチ１８は、ＥＣＵ２０と電気的に接続されているものである。スイッチ１８は、各分割集電板１２に設けられ、ＥＣＵ２０の指示により分割集電板１２と導電部１６ａ，１６ｂとの間を導通又は非導通に切換えるものである。
【００３０】
ＥＣＵ２０は、アノード極セパレータ３４又はカソード極セパレータ３６の反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）を流れる水（燃料電池セルの発電によって生じる水）に沿って、分割集電板１２と導電部１６ａ，１６ｂとの間の導通又は非導通の切換を制御するものである。また、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）内の水は、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）を流れる反応ガスに沿って流され易いため、アノード極セパレータ３４又はカソード極セパレータ３６の反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）を流れる反応ガスに沿って、分割集電板１２と導電部１６ａ，１６ｂとの間の導通又は非導通の切換を制御することが好ましい。ＥＣＵ２０による導通又は非導通の切換制御については、後述する。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。
【００３２】
まず、燃料電池セル２２の発電時の反応ガス（アノードガス、カソードガス）の流れ、及び発電時に生成する水の流れについて説明する。図３に示す燃料電池セル２２のアノード極２８側では、アノードガス（例えば、水素ガス）がアノード極セパレータ３４の反応ガス流路４６ａを通り、アノード極拡散層３８を介してアノード極触媒層３７に供給される。アノード極触媒層３７では、上記でも説明したように、水素ガスが水素イオンと電子とに分解される。上記反応によって生成した電子は、アノード極拡散層３８、アノード極セパレータ３４、集合集電板１４ａ（図１に示す）、導電部１６ａ（図１に示す）を通り、外部回路を経て導電部１６ｂに伝達される。一方、カソード極３０側では、カソードガス（例えば、酸素ガス）がカソード極セパレータ３６の反応ガス流路４６ｂを通り、カソード極拡散層４２を介してカソード極触媒層４０に供給される。また、導電部１６ｂに伝達された電子は、集合集電板１４ｂ（図１に示す）、カソード極セパレータ３６、カソード極拡散層４２を通り、カソード極触媒層４０に供給される。さらに、アノード極３０側で生成した水素イオンは、電解質膜２６を通りカソード極触媒層４０に供給される。そして、カソード極触媒層４０では、上記酸素ガス、電子及び水素イオンが反応し水が生成される。
【００３３】
また、カソード極触媒層４０で生成した水は、カソード極触媒層４０からカソード極拡散層４２、カソード極セパレータ３６の反応ガス流路４６ｂを通る。また、カソード極触媒層４０で生成した水は、電解質膜２６を通過して、アノード極２８、アノード極セパレータ３４の反応ガス流路４６ａを通る。反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）を通る水は、反応ガスが反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）へ供給されるガス入口又は反応ガスが反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）から排出されるガス出口のうち少なくともいずれか一方から排水される。
【００３４】
例えば、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）が水平方向になるように配置されている場合、水は反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）を流れる反応ガスに沿って流され易いため、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）のガス入口側からガス出口側へ移動し、主にガス出口から排水される。また、反応ガス流路（４６ａ，４６ｂ）が垂直方向に形成されている場合、水は重力方向に流され易く、重力方向下方にあるガス入口又はガス出口から排水される。
【００３５】
図５（イ）〜（ハ）は、導電部と分割集電板との間の導通又は非導通の切換の制御の一例を説明するための本実施形態に係る燃料電池システムの一部模式断面図である。図５（イ）に示すように、例えば、ＥＣＵ２０（不図示）によりスイッチ１８ｂがＯＦＦにされると、分割集電板１２ｂと導電部１６ｂとの間が非導通になるため、分割集電板１２ｂと導電部１６ｂとの間では、電子の授受がほとんど行われない。したがって、分割集電板１２ｂに対向するカソード極３０の部分では、上記反応が行われず、水が生成されないため、分割集電板１２ｂに対向するカソード極セパレータ３６の反応ガス流路４６ｂの部分には、ほとんど水の無い乾燥領域５０が形成される。
【００３６】
一方、他のスイッチ（１８ａ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ）により導通している分割集電板（１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）と導電部１６ｂとの間では、電子の授受が行われる。したがって、分割集電板（１２ａ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）に対向するカソード極セパレータ３６の反応ガス流路４６ｂの部分には、上記反応によって水４８が生成される。
【００３７】
ここで、水４８が反応ガス流路４６ｂのガス出口側から主に排水される場合には、図５（ロ）に示すように、ＥＣＵ２０（不図示）によりＯＦＦ状態にあったスイッチ１８ｂがＯＮにされ、スイッチ１８ｂよりガス出口側にあるスイッチ１８ｃがＯＮからＯＦＦにされる。そうすると上記同様に分割集電板１２ｃに対向するカソード極セパレータ３６の反応ガス流路４６ｂの部分には、ほとんど水の無い乾燥領域５０が形成される。次に、図５（ハ）に示すように、ＥＣＵ２０（不図示）によりＯＦＦ状態にあったスイッチ１８ｃがＯＮにされ、スイッチ１８ｃよりガス出口側にあるスイッチ１８ｄがＯＮからＯＦＦにされると、上記同様に分割集電板１２ｄに対向するカソード極セパレータ３６の反応ガス流路４６ｂの部分には、ほとんど水４８の無い乾燥領域５０が形成される。
【００３８】
ＥＣＵ２０による導通又は非導通の切換制御は、反応ガス流路４６ｂ内を流れる水４８に沿って行われれば必ずしも上記に限定されるものではない。例えば、反応ガス流路４６ｂのガス入口側から主に水４８が排水される場合には、ガス出口方向からガス入口方向へ導通又は非導通の切換が制御される（スイッチのＯＮ／ＯＦＦの切換が１８ｆから１８ａへ行われる）ものであってもよい。ガス入口及びガス出口から水４８が排水される場合には、ガス入口及びガス出口両方向へ導通又は非導通の切換が制御される（例えば、スイッチのＯＮ／ＯＦＦの切換が１８ｃから１８ａへ、１８ｄから１８ｆへそれぞれ行われる）ものであってもよい。このように、反応ガス流路４６ｂ内を流れる水４８に沿って導通又は非導通の切換制御を行い、上記乾燥領域５０が反応ガス流路４６ｂ内を流れる水４８に沿って順次形成されることにより、水４８が乾燥領域５０へ流され、反応ガス流路４６ｂ内の水４８の移動をスムーズにさせることができる。反応ガス流路４６ｂ内の水４８の移動をスムーズにさせることにより反応ガス流路４６ｂ内の水４８の排水性を向上させることができる。
【００３９】
また水４８は、反応ガスが流れる方向から乾燥領域５０へ流され易い（乾燥領域５０を基点として反応ガスの上流側から乾燥領域５０へ流される）。したがって、ＥＣＵ２０（図１に示す）により、反応ガス流路４６ｂを流れる反応ガスに沿って導電部１６ｂと分割集電板（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）との間の導通又は非導通の切換を制御し、反応ガスの流れに沿って乾燥領域５０を形成することによって、反応ガス流路４６ｂ内に滞留する水４８の移動をよりスムーズに行わせることができる。そのため、反応ガス流路４６ｂ内の水４８の排水性をさらに向上させることができる。また、アノード極２８側でも同様である。
【００４０】
また、乾燥領域５０を形成することによって、乾燥領域５０付近のカソード極３０内から乾燥領域５０への水の排水スペースを確保することができるため、燃料電池セル２２内に滞留する水の排水性を向上させることができる。このように、燃料電池セル２２内の水の排水性を向上させることによって、フラッディングの発生を抑制し、燃料電池セル２２の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４１】
ＥＣＵ２０による導通又は非導通の切換は、反応ガス流路を流れる反応ガス又は水に沿って制御されていれば、上記説明したように、スイッチ１８のＯＮ／ＯＦＦを１個ずつ行わずに、スイッチ（１８ａ，１８ｂ）の２個ずつ行ってもよいし、１個置きにＯＮ／ＯＦＦを行ってもよい。
【００４２】
次に、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００４３】
図６は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。図６に示すように、燃料電池システム２は、燃料電池積層体１０と、複数の分割集電板１２を有する集合集電板１４ａ，１４ｂと、導電部１６ａ，１６ｂと、複数のスイッチ１８と、ＥＣＵ５２、フラッディング検出手段としてのフラッディング検出器５４とを備えるものである。図６に示す燃料電池システム２において、図１に示す燃料電池システム１の構成と同一のものは同一の符号を付してある。
【００４４】
フラッディング検出器５４は、燃料電池セル２２の電圧、圧力損失等に基づいて燃料電池セル２２におけるフラッディングの発生を検出することができるものである。例えば、燃料電池セル２２内が適度な湿潤状態である場合、燃料電池セル２２の電圧は、ほぼ一定である。しかし、燃料電池セル２２内に水が滞留し、フラッディングが発生する場合、燃料電池セル２２の電圧は低下する。そこで、本実施形態に用いられるフラッディング検出器５４は、例えば、燃料電池セル２２（又は燃料電池積層体１０）の電圧を検出することができる電圧センサと、所定の電圧値と電圧センサにより検出した電圧値とを比較することができるＣＰＵとを備え、検出した電圧が所定の電圧値より低い場合にはフラッディングが発生したと判断することができるものとしてもよい。
【００４５】
また、燃料電池セル２２内に水が滞留し、フラッディングが発生する場合において、燃料電池２２に供給する反応ガスの圧力は、燃料電池セル２２内が適度な湿潤状態である場合と比べて大きくなる。そこで、本実施形態に用いられるフラッディング検出器５４は、例えば、燃料電池セル２２（又は燃料電池積層体１０）に供給される反応ガスの圧力を検出することができる圧力センサと、所定の圧力値と圧力センサにより検出した圧力値とを比較することができるＣＰＵとを備え、検出した圧力が所定の圧力値より高い場合にはフラッディングが発生したと判断することができるものであってもよい。さらに、フラッディング検出器５４は、燃料電池セル２２におけるフラッディングを検出することができれば、必ずしも上記に限定されるものではなく、内部抵抗測定器又は電流センサ等の測定器と、上記測定器により検出した検出値と所定の値とを比較することができるＣＰＵとを備え、検出値が所定の値より低い又は高い場合にフラッディングが発生したと判断することができるものであってもよい。
【００４６】
本実施形態に用いられるＥＣＵ５２は、フラッディング検出器５４と電気的に接続されるものである。ＥＣＵ５２は、フラッディング検出器５４によりフラッディングが発生したと判断された場合に、上記説明した導通又は非導通の切換制御を開始する。
【００４７】
図７は、フラッディング検出手段を備えた燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。図６に示す燃料電池システム２を例として燃料電池システムの運転方法を説明する。図７に示すように、ステップＳ１０では、フラッディング検出器５４により、燃料電池セル２２におけるフラッディングの有無が検出される。フラッディング検出器５４によりフラッディング有りと判断された場合、ステップＳ１２では、ＥＣＵ５２により導通又は非導通の切換制御が開始される。ステップＳ１４では、ＥＣＵ５２に燃料電池セル２２の発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム２の運転が停止される。一方、発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ１０の処理に戻される。また、フラッディング検出器５４によりフラッディング無しと判断された場合もステップＳ１４の処理に進み、発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ１０の処理に戻される。
【００４８】
図８は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。図８に示すように、燃料電池システム３は、燃料電池積層体１０と、複数の分割集電板１２を有する集合集電板１４ａ，１４ｂと、導電部１６ａ，１６ｂと、複数のスイッチ１８と、ＥＣＵ５６と、フラッディング検出器５４と、フラッディング発生部位検出手段としてフラッディング発生部位検出器５８とを備えるものである。図８に示す燃料電池システム３において、図６に示す燃料電池システム２の構成と同一のものは同一の符号を付してある。
【００４９】
フラッディング発生部位検出器５８は、燃料電池セル２２におけるフラッディングの発生部位を検出するものである。例えば、各分割集電板１２を流れる電流を検出することができる電流センサと、所定の電流値と電流センサにより検出した各分割集電板の電流値とを比較することができるＣＰＵとを備え、電流センサにより検出した各電流のうち、所定の電流値より低い電流値を示す分割集電板をフラッディング発生部位として検出するものである。また、フラッディング発生部位検出器５８は、燃料電池セル２２におけるフラッディングの発生部位を検出することができるものであれば、上記に限定されるものではなく、例えば各分割集電板の電圧を検出する電圧センサを備え、検出した電圧の電圧低下によりフラッディング発生部位を検出するものであってもよい。
【００５０】
本実施形態では、上記説明したフラッディング発生部位検出器５８を備えていれば必ずしも上記説明したフラッディング検出器５４を備える必要はないが、フラッディングの発生を早期に検出する点で、フラッディング発生部位検出器５８及びフラッディング検出器５４を共に備えていることが好ましい。
【００５１】
本実施形態に用いられるＥＣＵ５６は、フラッディング発生部位検出器５８と電気的に接続されているものである。フラッディング発生部位検出器５８によりフラッディング発生部位を検出した場合に、ＥＣＵ５６は、検出したフラッディング発生部位に対応する位置にあるスイッチ１８を導通又は非導通の切換制御の開始点とし、上記説明した導通又は非導通の切換制御を開始する。
【００５２】
図９は、フラッディング発生部位検出手段を備える燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、図８に示す燃料電池システム３を例として説明する。図９に示すように、ステップＳ２０では、フラッディング検出器５４により、燃料電池セル２２におけるフラッディングの有無が検出される。フラッディング検出器５４によりフラッディング有りと判断された場合、ステップＳ２２では、フラッディング発生部位検出器５８により、フラッディング発生部位が検出される。ステップＳ２４では、ＥＣＵ５６により、フラッディング発生部位に対応する位置にあるスイッチ１８を導通又は非導通の切換制御開始点として、導通又は非導通の切換制御が開始される。ステップＳ２６では、ＥＣＵ５６に燃料電池セル２２の発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム３の運転が停止され、発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ２０の処理に戻される。また、フラッディング検出器５４によりフラッディング無しと判断された場合も、ステップＳ２６の処理に進み、発電停止指令がなければ、再度ステップＳ２０の処理に戻される。
【００５３】
図１０は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。図１０に示すように、燃料電池システム４は、燃料電池積層体１０と、複数の分割集電板１２を有する集合集電板１４ａ，１４ｂと、導電部１６ａ，１６ｂと、複数のスイッチ１８と、ＥＣＵ６０と、水量検出手段としての水量検出器６２とを備えるものである。図１０に示す燃料電池システム４において、図６に示す燃料電池システム２の構成と同一のものは同一の符号を付してある。
【００５４】
水量検出器６２は、燃料電池セル２２内の水量を検出するものである。例えば、燃料電池セル２２の内部抵抗測定を検出することができるＡＣインピーダンス測定器と、検出した内部抵抗から燃料電池セルの発電時に生成する水の量を算出することができるＣＰＵとを備えるものである。具体的な水量の算出としては、ＡＣインピーダンス測定器により燃料電池セル２２の内部抵抗を検出する。そして、ＣＰＵに記録されている内部抵抗と燃料電池セル２２内の水量の関係を表す制御マップ等に、検出した内部抵抗値を当てはめて、燃料電池セル２２内（又は燃料電池積層体１０内）の水量を算出する。本実施形態で用いられる水量検出器６２は、燃料電池セル２２内の水量を検出することができるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、圧力損失を測定する圧力センサと、検出した圧力から燃料電池セル２２内の水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよい。
【００５５】
本実施形態に用いられるＥＣＵ６０は、水量検出器６２と電気的に接続されているものである。ＥＣＵ６０は、水量検出器６２により検出した水量と閾値水量とを比較して、検出した水量が閾値水量より多い場合に、導通又は非導通の切換制御を開始するものである。検出した水量と閾値水量との比較は、必ずしもＥＣＵ６０で行われる必要はなく、上記水量検出器６２を構成するＣＰＵによって行われるものであってもよい。
【００５６】
また、本実施形態に用いられるＥＣＵ６０は、燃料電池セル２２内に滞留する水分の排水性を向上させることができる点で、水量検出器６２により検出した水量に応じて、導通又は非導通に切換えるための制御条件を算出し、算出した制御条件に基づいて導通又は非導通を制御するものであることが好ましい。導通又は非導通の切換条件とは、例えば、スイッチ１８のＯＦＦ状態の時間、スイッチ１８のＯＮ／ＯＦＦの切換タイミング等が挙げられる。図１１（イ），（ロ）は、本実施形態に用いられるＥＣＵによる制御条件を説明するための図である。図１１（イ）は、各スイッチ１８のＯＮ、ＯＦＦ状態と時間との関係を表しており、図１１（ロ）は、各スイッチ１８のＯＮ／ＯＦＦ状態とスイッチ１８の位置との関係を表している。例えば、燃料電池セル２２内の水量が多い場合（フラッディングが発生している場合）には、図１１（イ）に示すように、スイッチ１８のＯＦＦ状態の時間（図１１に示すＡ領域）を長くし、スイッチ１８のＯＮ／ＯＦＦの切換タイミング（図１１に示すＢ領域）を早くすることにより、燃料電池セル２２内の排水性を向上させることができる。又は、フラッディングは反応ガス流路の出口付近で発生し易いため、例えば、図１１（ロ）に示すように、スイッチ１８のＯＮ／ＯＦＦを反応ガス流路の出口側付近に対応するスイッチ１８に集中的に行わせるものであってもよい。
【００５７】
図１２は、水量検出器を備える燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、図１０に示す燃料電池システム４を例として説明する。図１２に示すように、ステップＳ３０では、水量検出器６２により燃料電池セル２２の水量が検出される。ＥＣＵ６０により、検出された水量が閾値水量より高いと判断された場合、ステップＳ３２では、検出された水量の値に応じて、ＥＣＵ６０により導通又は非導通の切換条件が算出される。ステップＳ３４では、ＥＣＵ６０により、導通又は非導通の切換条件に基づいて導通又は非導通の切換制御が行われる。ステップＳ３６では、ＥＣＵ６０に燃料電池セル２２の発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム４の運転が停止され、発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ３０の処理に戻される。また、ＥＣＵ６０により、算出された水量が所定の閾値水量より低いと判断された場合も、ステップＳ３６の処理に進み、発電停止指令がなければ、再度ステップＳ３０の処理に戻される。
【００５８】
図１３は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。図１３に示すように、燃料電池システム５は、燃料電池積層体１０と、複数の分割集電板１２を有する集合集電板１４ａ，１４ｂと、導電部１６ａ，１６ｂと、複数のスイッチ１８と、ＥＣＵ６４と、フラッディング検出器５４と、水量検出器６２とを備えるものである。図１３に示す燃料電池システム５において、図６及び図１０に示す燃料電池システム２，４の構成と同一のものは同一の符号を付してある。ＥＣＵ６４は、フラッディング検出器５４及び水量検出器６２と電気的に接続されているものである。
【００５９】
図１４は、フラッディング検出手段と水量検出手段とを備える燃料電池システムの運転方法を説明するためのフロー図である。本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、図１３に示す燃料電池システム５を例として説明する。図１４に示すように、ステップＳ４０では、フラッディング検出器５４により、燃料電池セル２２におけるフラッディングの有無が検出される。フラッディング検出器５４によりフラッディング有りと判断された場合、ステップＳ４２では、水量検出器６２により燃料電池セル２２内の水量が検出される。ステップＳ４４では、検出された水量の値に応じて、ＥＣＵ６４により導通又は非導通の切換条件が決定される。ステップＳ４６では、ＥＣＵ６４により、導通又は非導通の切換条件に基づいて導通又は非導通の切換制御が開始される。ステップＳ４８では、ＥＣＵ６４に燃料電池セル２２の発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム５の運転が停止され、発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ４０の処理に戻される。また、フラッディング検出器５４によりフラッディング無しと判断された場合も、ステップＳ４８の処理に進み、発電停止指令がなければ再度ステップＳ４０の処理に戻される。
【００６０】
上記説明したこれらの燃料電池システムの運転方法において、燃料電池セルの低温環境下での始動性を改善することができる点、停止時の水量低減の点等で、燃料電池セル２２の発電を停止する際に、ＥＣＵによる動作を開始することが好ましい。以下その一例を説明する。図１５は、燃料電池セル２２の発電を停止する際の燃料電池システムの運転方法を説明するためのフロー図である。本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、図１０に示す燃料電池システム４を例として説明する。図１５に示すように、ステップＳ５０では、ＥＣＵ６０に燃料電池セル２２の排水指令が入力される。この排水指令とは、燃料電池セル２２の発電を停止する際にＥＣＵ６０に入力されるものである。例えば、燃料電池システムが電気自動車に使用されている場合、ＩＧ（イグニッション）ＯＦＦ等の動作により燃料電池セル２２の発電を停止する際に、車輌ＥＣＵからＥＣＵ６０に入力される。ステップＳ５２では、水量検出器６２により燃料電池セル２２の水量が検出される。ＥＣＵ６０により、検出された水量が所定の閾値水量より高いと判断された場合、ステップ５４では、検出された水量の値に応じて、ＥＣＵ６０により導通又は非導通の切換条件が算出される。ステップ５６では、ＥＣＵ６０により、導通又は非導通の切換条件に基づいて導通又は非導通の切換制御が行われる。切換制御は、燃料電池セル２２の発電が停止されるまで行われ、燃料電池セル２２の発電停止後、燃料電池システムの運転は終了する。検出された水量が所定の閾値水量より低いと判断された場合、ＥＣＵ６０による切換制御は行われず燃料電池システムの運転は終了する。
【００６１】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システムは、分割集電板と導電部との間を導通又は非導通に切換える切換手段と、燃料電池用セパレータの反応ガス流路を流れる反応ガスに沿って分割集電板と導電部との間の導通又は非導通の切換を制御する制御手段とを備えることによって、燃料電池セル内に滞留する水の排水性を向上させることができ、フラッディングによる燃料電池セルの発電性能の低下を抑制することができる。
【００６２】
また、燃料電池システムにおいて、フラッディング検出手段を備え、フラッディング検出手段によりフラッディングの発生を検出した際に、制御手段により導通又は非導通の切換制御を開始させることによって、効率的にフラッディングによる燃料電池セルの発電性能の低下を抑制することができる。又は水量検出手段を備え、水量検出手段により検出した水量と閾値水量とを比較して、閾値より水量が多い場合に、制御手段により導通又は非導通の切換制御を開始させることによって、も同様の効果を得ることができる。
【００６３】
また、燃料電池システムにおいて、水量検出手段により検出した水量に応じて、制御手段により導通又は非導通に切換える条件を算出し、その切換条件に基づいて導通又は非導通を制御することにより、燃料電池セル内に滞留する水の排水性を向上させるだけでなく、燃料電池セルの発電に適した湿潤状態を維持することができる。
【００６４】
上記本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。
【図３】本実施形態に用いられる燃料電池セルの構成の一例を示す模式断面図である。
【図４】本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータの一例を示す模式斜視図である。
【図５】導電部と分割集電板との間の導通又は非導通の切換の制御の一例を説明するための本実施形態に係る燃料電池システムの一部模式断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。
【図７】フラッディング検出手段を備えた燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。
【図９】フラッディング発生部位検出手段を備える燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。
【図１１】本実施形態に用いられるＥＣＵによる制御条件を説明するための図である。
【図１２】水量検出器を備える燃料電池システムの運転方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式上面図である。
【図１４】フラッディング検出手段と水量検出手段とを備える燃料電池システムの運転方法を説明するためのフロー図である。
【図１５】燃料電池セルの発電を停止する際の燃料電池システムの運転方法を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，２，３，４，５  燃料電池システム、１０  燃料電池積層体、１２，１２ａ〜１２ｄ  分割集電板、１４ａ，１４ｂ  集合集電板、１６ａ，１６ｂ  導電部、１８，１８ａ〜１８ｆ  スイッチ、２０，５２，５６，６０，６４  ＥＣＵ、２２  燃料電池セル、２６  電解質膜、２８  アノード極、３０  カソード極、３２   膜−電極アッセンブリ、３４  アノード極セパレータ、３６  カソード極セパレータ、３７  アノード極触媒層、３８  アノード極拡散層、４０  カソード極触媒層、４２  カソード極拡散層、４４  燃料電池用セパレータ、４５  反応ガス流路、４６ａ，４６ｂ     反応ガス流路、４８  水、５０  乾燥領域、５４  フラッディング検出器、５８  フラッディング発生部位検出器、６２  水量検出器。
【図１】
2008293825.tif 000003
【図２】
2008293825.tif 000004
【図３】
2008293825.tif 000005
【図４】
2008293825.tif 000006
【図５】
2008293825.tif 000007
【図６】
2008293825.tif 000008
【図７】
2008293825.tif 000009
【図８】
2008293825.tif 000010
【図９】
2008293825.tif 000011
【図１０】
2008293825.tif 000012
【図１１】
2008293825.tif 000013
【図１２】
2008293825.tif 000014
【図１３】
2008293825.tif 000015
【図１４】
2008293825.tif 000016
【図１５】
2008293825.tif 000017