(57)【要約】【課題】燃料電池の掃気処理を効率よく行うことのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電を行う単位セルが複数積層された燃料電池において、発電反応が停止される或いは停止されている場合に、ガス流路から出口マニホールドへ反応ガスを掃気ガスとして流通させる掃気処理が実行される。掃気処理の実行時は、ガス流路から出口マニホールドへの掃気ガスの排出可能範囲が一部に制限される。また、当該制限された排出可能範囲が順次切り替えられる。【選択図】図５
2008269800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電を行う単位セルが複数積層された燃料電池と、
前記単位セルに前記反応ガスを供給するガス流路と、
前記ガス流路の下流側の末端に接続され、前記ガス流路から排出された反応ガスが送られる出口マニホールドと、
前記燃料電池における発電反応が停止される或いは停止されている場合に、前記ガス流路から前記出口マニホールドへ前記反応ガスを掃気ガスとして流通させる掃気手段と、を備え、
前記掃気手段は、前記掃気ガスが前記ガス流路から排出される範囲を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記出口マニホールドは、前記ガス流路の領域毎に対応して、分割して形成された複数のマニホールドであり、
前記出口マニホールドの排出口の開閉を行う排出口開閉手段を前記出口マニホールドの少なくとも１つに備え、
前記掃気手段は、前記出口マニホールドの少なくとも１つが閉鎖されるように、前記排出口開閉手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記出口マニホールドは、前記ガス流路の領域毎に対応して、分割して形成された複数のマニホールドであり、
前記出口マニホールドの排出口の開閉を行う排出口開閉手段を前記出口マニホールド毎に備え、
前記掃気手段は、前記出口マニホールドの少なくとも１つ以上が閉鎖されるように、前記排出口開閉手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記掃気手段は、前記排出口開閉手段により閉鎖される出口マニホールドを順次切り替えることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス流路の上流側の末端に接続され、前記ガス流路の領域毎に対応して、分割して形成された複数の入口マニホールドと、
前記入口マニホールド毎に配置され、前記入口マニホールドへの導入口の開閉を行う導入口開閉手段と、を更に備え、
前記掃気手段は、閉鎖された出口マニホールドに対向する入口マニホールドを閉鎖することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記出口マニホールドは単一の出口マニホールドであり、
前記出口マニホールド内に配置された複数の弾性体と、
前記弾性体を膨張或いは収縮させる形状制御手段と、を備え、
前記掃気手段は、
前記弾性体の少なくとも１つを膨張させることにより、前記掃気ガスが前記ガス流路から前記出口マニホールドへ排出される範囲を制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記掃気手段は、前記形状変形手段により膨張される弾性体を順次切り替えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記反応ガスは酸化ガスであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項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し、特に、燃料電池内部の残留水分を排出するための掃気処理を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数毎の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
このような燃料電池においては、電解質膜を高湿潤状態に保たなければ発電反応を効率よく行うことができない。このため、燃料電池内部は、発電反応により生成される水分と、反応ガスが燃料電池内部に持ち込む水分とにより、常に高湿潤状態が保たれることとしている。ここで、発電反応が停止されると、燃料電池内部のガスに含まれる水分が凝縮して結露する。このため、特に寒冷地等においては、結露した水分が凍結することにより反応ガスの流路が閉塞され、始動性が低下するおそれがある。
【０００４】
上記問題を解決するために、例えば、特開２００６−４９０４号公報には、該燃料電池内に反応ガスを流通させて、燃料電池内部の水分の掃気を行う燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、より具体的には、発電停止要求が出された場合に、燃料電池内部に多量の掃気ガスを流通させる。これにより、燃料電池内に滞留する水分を当該掃気ガスとともに外部に排出することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４９０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のシステムにおいては、掃気処理において多量のガスを燃料電池内部に圧送する必要があるため、大容量のコンプレッサが必要となる。このため、バッテリに蓄積されている電力を過大に消費してしまうおそれがあった。
【０００７】
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、燃料電池の掃気処理を効率よく行うことの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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電を行う単位セルが複数積層された燃料電池と、
前記単位セルに前記反応ガスを供給するガス流路と、
前記ガス流路の下流側の末端に接続され、前記ガス流路から排出された反応ガスが送られる出口マニホールドと、
前記燃料電池における発電反応が停止される或いは停止されている場合に、前記ガス流路から前記出口マニホールドへ前記反応ガスを掃気ガスとして流通させる掃気手段と、を備え、
前記掃気手段は、前記掃気ガスが前記ガス流路から排出される範囲を制限することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記出口マニホールドは、前記ガス流路の領域毎に対応して、分割して形成された複数のマニホールドであり、
前記出口マニホールドの排出口の開閉を行う排出口開閉手段を前記出口マニホールドの少なくとも１つに備え、
前記掃気手段は、前記出口マニホールドの少なくとも１つが閉鎖されるように、前記排出口開閉手段を制御することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、
前記出口マニホールドは、前記ガス流路の領域毎に対応して、分割して形成された複数のマニホールドであり、
前記出口マニホールドの排出口の開閉を行う排出口開閉手段を前記出口マニホールド毎に備え、
前記掃気手段は、前記出口マニホールドの少なくとも１つ以上が閉鎖されるように、前記排出口開閉手段を制御することを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第２または３の発明において、
前記掃気手段は、前記排出口開閉手段により閉鎖される出口マニホールドを順次切り替えることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第２乃至第４のいずれか１つの発明において、
前記ガス流路の上流側の末端に接続され、前記ガス流路の領域毎に対応して、分割して形成された複数の入口マニホールドと、
前記入口マニホールド毎に配置され、前記入口マニホールドへの導入口の開閉を行う導入口開閉手段と、を更に備え、
前記掃気手段は、閉鎖された出口マニホールドに対向する入口マニホールドを閉鎖することを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明において、
前記出口マニホールドは単一の出口マニホールドであり、
前記出口マニホールド内に配置された複数の弾性体と、
前記弾性体を膨張或いは収縮させる形状制御手段と、を備え、
前記掃気手段は、
前記弾性体の少なくとも１つを膨張させることにより、前記掃気ガスが前記ガス流路から前記出口マニホールドへ排出される範囲を制限することを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、
前記掃気手段は、前記形状変形手段により膨張される弾性体を順次切り替えることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、
前記反応ガスは酸化ガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明によれば、掃気処理が実施される場合に、ガス流路から出口マニホールドへ掃気ガスを排出可能な範囲が制限される。ガス流路における出口面積を小さくすると、該ガス流路における出口部付近においてガス流速が上昇する。このため、本発明によれば、ガス流路内に残留している水分を効果的に排出することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、出口マニホールドは複数に分割して形成されており、少なくとも１つの出口マニホールドの排出口を閉鎖することができる。このような燃料電池において掃気処理が実施されると、少なくとも１つの出口マニホールドが閉鎖される。このため、本発明によれば、掃気ガスを排出可能な範囲を効果的に制限することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、出口マニホールドは複数に分割して形成されており、それぞれ個別に排出口を閉鎖することができる。このような燃料電池において掃気処理が実施されると、少なくとも１つ以上の出口マニホールドが閉鎖される。このため、本発明によれば、掃気ガスを排出可能な範囲を効果的に制限することができる。
【００１９】
第４の発明によれば、掃気処理が実施される場合に、閉鎖される出口マニホールドを順次切り替えることにより、ガス流路における掃気ガス排出部が切り替えられる。このため、本発明によれば、ガス流路の幅広い領域において、残留している水分を効果的に排出することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、複数に分割して形成された入口マニホールドおよび出口マニホールドを備える燃料電池において掃気処理が実施される場合に、出口マニホールドの閉鎖に加えて、当該閉鎖された出口マニホールドにガス流路を挟んで対向する入口マニホールドが閉鎖される。ガス流路における入口面積を小さくすると、該ガス流路に導入される掃気ガスの流速が上昇する。このため、本発明によれば、残留している水分の排出性をさらに向上させることができる。
【００２１】
第６の発明によれば、掃気処理が実施される場合に、出口マニホールド内に配置されている弾性体のうち、少なくとも１つ以上が膨張される。弾性体がマニホールド内で膨張すると、ガス流路の出口マニホールドへの出口部分が塞がれる。このため、本発明によれば、掃気ガスを排出可能な範囲を効果的に制限することができる。
【００２２】
第７の発明によれば、掃気処理が実施される場合に、膨張させる弾性体を順次切り替えることにより、ガス流路における掃気ガス排出部が切り替えられる。このため、本発明によれば、ガス流路の幅広い領域において、残留している水分を効果的に排出することができる。
【００２３】
第８の発明によれば、燃料電池のカソードにおける掃気処理を効果的に実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」とも称す）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。ＦＣスタック１０は複数枚の単位セル４０を積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。燃料電池セルの構造に関しては詳細を後述する。
【００２６】
ＦＣスタック１０には、アノードガス（水素）を供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １６に接続され、その下流には調圧弁１８が配置されている。アノードガスは調圧弁１８で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。
【００２７】
また、ＦＣスタック１０には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス流路２０と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２２が接続されている。カソードガス流路２０の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ２４が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ２６が配置されている。コンプレッサ２６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２０を介してＦＣスタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路２２には、調圧弁２８が配置されている。調圧弁２８は、ＦＣスタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２２に排気される。
【００２８】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。燃料電池システムの総合制御はＥＣＵ３０により行われる。ＥＣＵ３０の出力部には、上述したコンプレッサ２６、調圧弁１８、２８の他、図示しない種々の機器が接続されている。ＥＣＵ３０の入力部には、図示しない種々のセンサ類が接続されている。ＥＣＵ３０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。
【００２９】
［燃料電池スタックの構成］
次に、図２および３を参照して、本実施の形態のＦＣスタック１０の構成およびその周辺機器について説明する。図２は、図１に示すＦＣスタック１０の内部構造およびその周辺機器を、該ＦＣスタック１０の積層方向からみた模式図である。図２に示すとおり、ＦＣスタック１０におけるＭＥＡ５０の上部には、単位セル４０に設けられた空間が積層方向に延在することにより、カソード系の入口マニホールド６０が形成されている。上述したカソードガス流路２０は、当該入口マニホールド６０に連通している。
【００３０】
また、ＦＣスタック１０におけるＭＥＡ５０の下部には、カソード系の出口マニホールド６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ（以下、これらを特に区別しないときには、単に「出口マニホールド６２」と称す）が形成されている。上述したカソードオフガス流路２２は、これら出口マニホールド６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄにそれぞれ連通している。また、カソードオフガス流路２２における出口マニホールド６２との連通部近傍には、開閉弁６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ（以下、これらを特に区別しないときには、単に「開閉弁６４」と称す）が配置されている。また、ＦＣスタック１０には、アノード系入口マニホールド６６、アノード系出口マニホールド６８、冷却系入口マニホールド７０、冷却系出口マニホールド７２が形成されている。
【００３１】
図３は、図２に示すＦＣスタック１０の一部をIII−III線に沿って切断した断面の詳細図を示す。図３に示すとおり、ＦＣスタック１０は単位セル４０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル４０は、発電体４２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路４４および４６、隣接する発電体４２を隔離するセパレータ４８によって構成されている。発電体４２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置されたＭＥＡ５０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００３２】
多孔体流路４４および４６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路４４および４６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。多孔体流路４４は、入口マニホールド６０と出口マニホールド６２とに連通している。入口マニホールド６０から多孔体流路４４に導入された反応ガスは、内部の細孔を通過しＭＥＡ５０のカソードに供給される。また、ＭＥＡ５０における発電反応により生成されるオフガスは、多孔体流路４４から出口マニホールド６２に排出される。同様に、多孔体流路４６は、アノード系入口マニホールド６６とアノード系出口マニホールド６８とに連通している。
【００３３】
セパレータ４８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路４４と接触するカソードプレートと、多孔体流路４６と接触するアノードプレートと、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレートとから構成されている。
【００３４】
［実施の形態１における動作］
（掃気処理について） 
次に、図４乃至図６を参照して、本実施の形態の動作について説明する。上述した構成を有するＦＣスタック１０の発電中においては、スタック内が高湿潤状態に保たれている。より具体的には、十分に加湿された反応ガスがＦＣスタック１０に導入されることにより、スタック内に水分が供給されている。また、発電反応により生成された水分に関しても、スタック内の加湿に寄与される。
【００３５】
ＦＣスタック１０の発電中においては、スタック内温度が８０℃前後に保たれているため、発電反応が停止されるとスタック内部のガスに含まれる水分が凝縮して結露する現象が起きる。このため、これらの水分が反応ガスの流路を閉塞してしまうと次回の始動性が低下する問題が発生する。また、特に外気温が氷点下となる寒冷地などにおいて発電を停止した場合、スタック内に残留する水分がスタック内で凍結してしまうため、上記問題がより顕著に表れることとなる。
【００３６】
そこで、本実施の形態１の燃料電池システムにおいては、発電が停止される場合、あるいは停止されている場合に、ＦＣスタック１０の内部の水分を排出する掃気処理が実行される。より具体的には、ＦＣスタック１０における発電反応が停止された場合に、カソードガス流路２０に配置されたコンプレッサ２６が駆動され、スタック内に掃気ガスとしての空気が一定期間供給される。入口マニホールド６０からスタック内部に導入された掃気ガスは、多孔体流路４４内を通過して出口マニホールド６２から排出される。この際、スタック内に滞留する水分は、当該掃気ガスに吹き飛ばされて出口マニホールド６２から排出される。これにより、カソードガスの流通経路に残留する水分を効果的に排出することができる。
【００３７】
（実施の形態１の特徴的動作） 
ＦＣスタック１０の発電効率を向上させるためには、ＭＥＡ５０面内において均一に発電反応が行われることが望ましい。このため、本実施の形態１のＦＣスタック１０では、入口マニホールド６０から多孔体流路４４へのガス導入口を広く確保することとしている（例えば、マニホールド幅の５０％以上）。図４は、ＦＣスタック１０の発電反応における反応ガスの流れを説明するための図である。この図に示すとおり、流路幅が広い場合でも、反応ガスをＭＥＡ５０に均一に供給することができるのでＦＣスタック１０における発電効率を効果的に向上させることができる。
【００３８】
しかしながら、当該ＦＣスタック１０においては、掃気処理を効率よく実行できないおそれがある。つまり、上述したとおり、掃気処理においては、掃気ガスをマニホールドの入口側から出口側へ流通させることにより、その間に残留する水分を効果的に排出することとしている。このため、ガス導入口が大きいＦＣスタックにおいては、残留水分を排出しうるだけの掃気ガスの流速を確保することができず、所望の掃気性能を発揮することができないおそれがある。
【００３９】
そこで、本実施の形態１においては、掃気処理を実行する場合に掃気ガスの出口の開度を制限することとする。図５は、ＦＣスタック１０の掃気処理におけるガスの流れを説明するための図である。この図に示すとおり、掃気処理が開始されると、開閉弁６４ａが開弁され、開閉弁６４ｂ、６４ｃ、および６４ｄが閉弁されることにより、出口マニホールド６２ａのみが掃気ガスを排出しうる状態とされる。このような状態において掃気ガスがスタック内に導入されると、多孔体流路４４内を通過した掃気ガスは、すべて出口マニホールド６２ａから排出される。つまり、排出可能な出口マニホールドが１つに制限されることにより、該多孔体流路４４内を流通する掃気ガスの流速を上昇させることができるので、掃気ガスの流通経路に残留する水分を効果的に外部に排出することができる。
【００４０】
掃気ガスの流通経路は所定期間毎に切り替えられる。図６は、開閉弁６４の開閉制御を既定したマップである。通常運転時および掃気処理時においては、かかるマップに従い、開閉弁６４の開閉制御が実行される。より具体的には、通常運転時は、開閉弁６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、および６４ｄのすべてが開弁される。これにより、入口マニホールド６０からスタック内に導入された反応ガスを、ＭＥＡ５０に均一に供給することができる。
【００４１】
一方、ＦＣスタック１０の発電反応が停止されると、残留水分の掃気処理が開始される。ここでは、具体的には、先ず、開閉弁６４ａが開弁され、開閉弁６４ｂ、６４ｃ、および６４ｄが閉弁される。これにより、出口マニホールド６２ａ付近に残留する水分が効果的に排出される。次いで、開閉弁６４ｂが開弁され、開閉弁６４ａ、６４ｃ、および６４ｄが閉弁される。これにより、出口マニホールド６２ｂ付近に残留する水分が効果的に排出される。同様の手順により、開閉弁６４ｃ、および開閉弁６４ｄのみがそれぞれ開弁され、出口マニホールド６２ｃ、および出口マニホールド６２ｄ付近に残留する水分が効果的に排出される。
【００４２】
以上説明したとおり、本実施の形態１の燃料電池システムによれば、掃気処理を実行する場合に、排出可能な出口マニホールドを制限することにより、スタック内を流れる掃気ガスの流速を上昇させることができる。これにより、スタック内部に残留する水分を効果的に排出することができる。
【００４３】
また、本実施の形態１の燃料電池システムによれば、掃気ガスを排出する出口マニホールドが所定期間毎に切り替えられるので、流速が上昇した掃気ガスの流通経路を移動させることができる。これにより、スタック内に残留する水分を満遍なく排出することができる。また、発電反応実行時には、すべての出口マニホールド６２が使用されるため、反応ガスをＭＥＡ５０面上に均一に供給することができ、発電効率を向上させることができる。
【００４４】
ところで、上述した実施の形態１においては、掃気処理によりＦＣスタック１０のカソード経路に残留する水分を効果的に排出することとしているが、掃気処理が実施される経路はこれに限られない。すなわち、ＦＣスタック１０のアノード経路において、本発明を適用することとしてもよい。
【００４５】
また、上述した実施の形態１においては、図６に示すマップに従い開閉弁６４の開閉制御を実行することとしているが、開閉弁６４の制御パターンはこれに限られない。すなわち、ＦＣスタック１０内に残留する水分量や分布などを考慮することにより、さらに詳細に制御パターンを設定することとしてもよい。
【００４６】
また、上述した実施の形態１においては、多孔体流路４４を備えるＦＣスタック１０において掃気処理を実行し、該多孔体内部に滞留する水分を効果的に排出することとしているが、ＦＣスタック１０の構造はこれに限られない。すなわち、反応ガスの流路は多孔体に限らず、溝流路で構成されていてもよい。
【００４７】
尚、上述した実施の形態１においては、多孔体流路４４が前記第１の発明における「ガス流路」に相当している。
【００４８】
また、上述した実施の形態１においては、開閉弁６４が前記第２または第３の発明における「排出口開閉手段」に相当している。
【００４９】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図７または図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態の燃料電池システムは、図１に示す燃料電池システムにおけるＦＣスタック１０の代わりに、図７に示すＦＣスタック８０を備えたシステムとして構成されている。尚、図７に示す燃料電池システムにおいて、図１に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００５０】
図７は、本実施の形態２に使用されるＦＣスタック８０の内部構造およびその周辺機器を、該ＦＣスタック８０の積層方向からみた模式図である。図７に示すとおり、ＦＣスタック８０におけるＭＥＡ５０の上部には、単位セル４０に設けられた空間が積層方向に延在することにより、カソード系の入口マニホールド８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄ（以下、これらを特に区別しないときには、単に「入口マニホールド８２」と称す）が形成されている。上述したカソードガス流路２０は、これら入口マニホールド８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄにそれぞれ連通している。また、カソードガス流路２０における入口マニホールド８２との連通部近傍には、開閉弁８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８４ｄ（以下、これらを特に区別しないときには、単に「開閉弁８４」と称す）が配置されている。
【００５１】
［実施の形態２の特徴的動作］
次に、図８を参照して、本実施の形態２における特徴的動作について説明する。上述した実施の形態１においては、掃気処理を実行する場合に、掃気ガスを排出可能な出口マニホールドを制限することにより、スタック内を流れる掃気ガスの流速を上昇させ、スタック内部に残留する水分を効果的に排出することとしている。本実施の形態２においては、上述した動作に加えて、掃気ガスを導入可能な入口マニホールド８２をも制限することにより、更にスタック内を流れる掃気ガスの流速を上昇させることとする。
【００５２】
図８は、ＦＣスタック８０の掃気処理におけるガスの流れを説明するための図である。この図に示すとおり、ＦＣスタック８０における発電反応が停止され、掃気処理が開始されると、開閉弁６６ａが開弁され、開閉弁６６ｂ、６６ｃ、および６６ｄが閉弁される。これにより、入口マニホールド６０ａのみが掃気ガスを導入しうる状態とされるので、該多孔体流路４４内に導入される掃気ガスの流速を効果的に上昇させることができる。
【００５３】
また、本実施の形態においては、図８に示すとおり、掃気ガスを排出可能な出口マニホールドが制限される。ここでは、具体的には、入口マニホールド８２ａに対応して配置された出口マニホールド６２ａが掃気ガスを排出しうる状態となるように、開閉弁６４ａが開弁され、開閉弁６４ｂ、６４ｃ、および６４ｄが閉弁される。これにより、出口マニホールド８２ａからスタック内に導入された掃気ガスは、すべて出口マニホールド６２ａから排出されることとなる。
【００５４】
開閉弁６４および６６が上記の如く制御されると、多孔体流路４４から出口マニホールド６２への開度のみを制限する場合に比して、更に掃気ガスの流速を上昇させることができる。このため、掃気ガスの流通経路に残留する水分を効果的に外部に排出することができる。
【００５５】
尚、掃気ガスの流通経路は所定期間毎に切り替えられる。ここでは、具体的には、図６に示すマップに規定する開閉弁の開閉タイミングに従い、開閉弁６４、６６を制御することとする。これにより、掃気ガスの流通経路を効果的に移動させることができる。
【００５６】
以上説明したとおり、本実施の形態２の燃料電池システムによれば、掃気処理を実行する場合に、掃気ガスが排出される出口マニホールド６２を制限するだけでなく、掃気ガスが導入される入口マニホールド８２をも制限することにより、スタック内を流れる掃気ガスの流速を更に効果的に上昇させることができる。これにより、スタック内部に残留する水分を効果的に排出することができる。
【００５７】
また、本実施の形態２の燃料電池システムによれば、掃気ガスが流通する経路が所定期間毎に切り替えられるので、ＦＣスタックに残留する水分を満遍なく排出することができる。また、発電実行時には、すべての出口マニホールド６２における流通制限が行われないため、反応ガスをＭＥＡ５０面上に均一に供給することができ、発電効率を向上させることができる。
【００５８】
ところで、上述した実施の形態２においては、掃気処理によりＦＣスタック８０のカソード経路に残留する水分を効果的に排出することとしているが、掃気処理が実施される経路はこれに限られない。すなわち、ＦＣスタック８０のアノード経路において、本発明を適用することとしてもよい。
【００５９】
また、上述した実施の形態２においては、図６に示すマップに従い開閉弁６４、８４の開閉制御を実行することとしているが、開閉弁６４、８４の制御パターンはこれに限られない。すなわち、ＦＣスタック８０内に残留する水分量や分布などを考慮することにより、さらに詳細に制御パターンを設定することとしてもよい。
【００６０】
また、上述した実施の形態２においては、多孔体流路４４を備えるＦＣスタック８０において掃気処理を実行し、該多孔体内部に滞留する水分を効果的に排出することとしているが、ＦＣスタック８０の構造はこれに限られない。すなわち、反応ガスの流路は多孔体に限らず、溝流路で構成されていてもよい。
【００６１】
尚、上述した実施の形態２においては、開閉弁８４が前記第５の発明における「導入口開閉手段」に相当している。
【００６２】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
次に、図７または図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態の燃料電池システムは、図１に示す燃料電池システムにおけるＦＣスタック１０の代わりに、図９に示すＦＣスタック９０を備えたシステムとして構成されている。尚、図９に示す燃料電池システムにおいて、図１に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００６３】
図９は、本実施の形態２に使用されるＦＣスタック９０の内部構造およびその周辺機器を、該ＦＣスタック９０の積層方向からみた模式図である。図９に示すとおり、ＦＣスタック９０おけるＭＥＡ５０の下部には、単位セル４０に設けられた空間が積層方向に延在することにより、出口マニホールド９２が形成されている。上述したカソードオフガス流路２２は、当該出口マニホールド９２に連通している。また、出口マニホールド９２の内部には、弾性体９４ａ、９４ｂ、９４ｃ、９４ｄ（以下、これらを特に区別しないときには、単に「弾性体９４」と称す）が配置されている。弾性体９４は、内部にガスを圧送することにより膨らむ弾性体であり、フッ素系あるいはシリコン系のゴムにより構成されている。弾性体９４は、図示しない配管を介してコンプレッサ（図示せず）に接続されている。また当該配管の途中には、弾性体毎に調圧弁（図示せず）が配置されている。かかる構成によれば、所望の弾性体９４を膨張あるいは収縮させることができる。
【００６４】
［実施の形態３の特徴的動作］
次に、図１０を参照して、本実施の形態３における特徴的動作について説明する。上述した実施の形態１においては、複数の出口マニホールドを備え、掃気処理を実行する場合に、掃気ガスを排出可能なマニホールドを制限することにより、スタック内を流れる掃気ガスの流速を上昇させ、スタック内部に残留する水分を効果的に排出することとしている。これに対し、本実施の形態３においては、上記動作に代えて、出口マニホールド９２内の弾性体９４を膨張させることにより、該出口マニホールド９２における掃気ガスを排出可能な範囲を制限することとする。
【００６５】
図１０は、ＦＣスタック９０の掃気処理におけるガスの流れを説明するための図である。この図に示すとおり、掃気処理が開始されると、弾性体９４ａが収縮され、弾性体９４ｂ、９４ｃ、および９４ｄが膨張されることにより、出口マニホールド９２における弾性体９４ａ近傍のみが掃気ガスを排出しうる状態とされる。このような状態において掃気ガスがスタック内に導入されると、多孔体流路４４内を通過した掃気ガスは、すべて出口マニホールド９２における弾性体９４ａの近傍から排出される。つまり、出口マニホールドにおける排出可能範囲が制限されることにより、該多孔体流路４４内を流通する掃気ガスの流速を上昇させることができるので、掃気ガスの流通経路に残留する水分を効果的に外部に排出することができる。
【００６６】
尚、掃気ガスの流通経路は所定期間毎に切り替えられる。ここでは、具体的には、図６に示すマップにおいて、開閉弁６４が開閉されるタイミングを当該弾性体９４が膨張あるいは収縮されるタイミングに置き換えることで、ＦＣスタック９０内の掃気ガスの流通経路効果的に移動させることができる。これにより、ＦＣスタック８０内の残留水分を効果的に排出することができる。
【００６７】
以上説明したとおり、本実施の形態３の燃料電池システムによれば、掃気処理を実行する場合に、出口マニホールド９２における掃気ガスの排出可能範囲を制限することにより、スタック内を流れる掃気ガスの流速を上昇させることができる。これにより、スタック内部に残留する水分を効果的に排出することができる。また、膨張される弾性体９２が所定期間毎に切り替えられるので、種々の領域で掃気ガスの流速を上昇させることができ、ＦＣスタックに残留する水分を満遍なく排出することができる。
【００６８】
また、本実施の形態３の燃料電池システムによれば、発電実行時には、すべての弾性体９４を収縮させることにより、多孔体流路４４の出口側側面に沿った単一のマニホールドとして機能することができる。これにより、多孔体流路４４から出口マニホールド９２へのガス導入口を広く確保することができるので、反応ガスをＭＥＡ５０面上に均一に供給することができ、発電効率を向上させることができる。
【００６９】
ところで、上述した実施の形態３においては、掃気処理によりＦＣスタック９０のカソード経路に残留する水分を効果的に排出することとしているが、掃気処理が実施される経路はこれに限られない。すなわち、ＦＣスタック９０のアノード経路において、本発明を適用することとしてもよい。
【００７０】
また、上述した実施の形態３においては、図６に示すマップに従い弾性体９４の膨張／収縮制御を実行することとしているが、弾性体９４の制御パターンはこれに限られない。すなわち、ＦＣスタック９０内に残留する水分量や分布などを考慮することにより、さらに詳細に制御パターンを設定することとしてもよい。
【００７１】
また、上述した実施の形態３においては、多孔体流路４４を備えるＦＣスタック８０において掃気処理を実行し、該多孔体内部に滞留する水分を効果的に排出することとしているが、ＦＣスタック９０の構造はこれに限られない。すなわち、反応ガスの流路は多孔体に限らず、溝流路で構成されていてもよい。また、弾性体９４は、所望のタイミングで出口マニホールド９２を塞ぐことができるのであれば、その構造、および制御方法は特に限定しない。
【００７２】
また、上述した実施の形態３においては、出口マニホールド９２の内部に弾性体９４を配置して、出口マニホールド９２における掃気ガス排出可能範囲を制限することとしているが、弾性体９２が配置される場所は出口マニホールド９２のみに限られない。すなわち、入口マニホールド６０の内部に弾性体９４を配置して、掃気ガス導入可能範囲を合わせて制御することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】図２は、図１に示すＦＣスタック１０の内部構造およびその周辺機器を、該ＦＣスタック１０の積層方向からみた模式図である。
【図３】図１に示すＦＣスタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。
【図４】ＦＣスタック１０の発電反応における反応ガスの流れを説明するための図である。
【図５】ＦＣスタック１０の掃気処理におけるガスの流れを説明するための図である。
【図６】本発明の実施１の開閉弁６４の開閉制御を既定したマップである。
【図７】本実施の形態２に使用されるＦＣスタック８０の内部構造およびその周辺機器を、該ＦＣスタック８０の積層方向からみた模式図である。
【図８】ＦＣスタック８０の掃気処理におけるガスの流れを説明するための図である。
【図９】本実施の形態２に使用されるＦＣスタック９０の内部構造およびその周辺機器を、該ＦＣスタック９０の積層方向からみた模式図である。
【図１０】ＦＣスタック９０の掃気処理におけるガスの流れを説明するための図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０  燃料電池(ＦＣ)スタック
１２  アノードガス流路
１４  アノードオフガス流路
１８  調圧弁
２０  カソードガス流路
２２  カソードオフガス流路
２４  エアクリーナ
２６  コンプレッサ
２８  調圧弁
３０  ECU(Electronic Control Unit)
４０  単位セル
４２  発電体
４４、４６  多孔体流路
４８  セパレータ
５０  ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)
６０  入口マニホールド
６２  出口マニホールド
６４  開閉弁
８０  燃料電池(ＦＣ)スタック
８２  入口マニホールド
８４  開閉弁
９０  燃料電池(ＦＣ)スタック
９２  出口マニホールド
９４  弾性体
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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