(57)【要約】【課題】燃料電池スタック全体の空気流路圧力を変更することなく生成水の排出を容易とする。【解決手段】燃料電池スタック４内の酸化剤流路の途中にマニホールド８Ａを形成し、このマニホールド８Ａ内の圧力を減ずる減圧装置９を設け、マニホールド８Ａと下流側の酸化剤流路との間の酸化剤流れを遮断する開閉式隔壁１０を設けた。【選択図】　　図４
2004146242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料側電極と酸化剤側電極で挟んで構成される膜電極複合体を燃料流路形成部材および酸化剤流路形成部材で挟持して単位電池セルを構成し、単位電池セルを積層して形成する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
前記スタック内の酸化剤流路の流路途中に形成したマニホールドと、
前記マニホールドと下流側の酸化剤流路との間に設けた酸化剤流れを遮断する手段と、
前記遮断手段の作動に連動してマニホールド内の圧力を減ずる圧力減少手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力減少手段は、マニホールドの容積を変化させてマニホールド内の圧力を減ずるものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムは、前記上流側の酸化剤流路とマニホールドおよび遮断手段をバイパスして下流側の酸化剤流路へ酸化剤を流すバイパス通路と、バイパス通路の開閉手段とを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムは、スタックの上流側酸化剤流路の入口側酸化剤ガス圧力を検出する手段と、マニホールド内の上流側酸化剤流路の出口側酸化剤ガス圧力を検出する手段と、両圧力の差が予め設定した圧力以上となるとき、前記遮断手段および圧力減少手段を作動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは、スタックの上流側酸化剤流路の入口側酸化剤ガス圧力を検出する手段と、マニホールド内の上流側酸化剤流路の出口側酸化剤ガス圧力を検出する手段と、両圧力の差が予め設定した圧力以上となるとき、前記バイパス通路の開閉手段を開放する制御手段を備えていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記上流側酸化剤流路は鉛直方向上向きに酸化剤を流し、下流側酸化剤流路は鉛直方向下向きに酸化剤を流すことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記マニホールドは、上流側酸化剤流路の上部に位置して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
電解質膜を燃料側電極と酸化剤側電極で挟んで構成される膜電極複合体を燃料流路形成部材および酸化剤流路形成部材で挟持して単位電池セルを構成し、単位電池セルを積層して形成する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
前記スタックを、連結部を介して直列に複数個連結し、
前記連結部とその下流側のスタックとの間にガス流れを遮断する手段を設け、前記遮断手段の作動と連動して連結部内の圧力を減少する圧力減少手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記圧力減少手段は、連結部の容積を変化させて連結部内の圧力を減ずるものであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、生成水の排出を容易にして燃料電池を適切な状態で運転可能な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池内の生成水の排出を容易にして燃料電池を適切な状態で運転するよう提案されたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これは、燃料電池に供給される供給空気を吸引する吸引ポンプを燃料電池の下流に備える一方、供給空気の圧力を制御する負圧制御弁を燃料電池の上流に備え、負圧制御弁を燃料電池の目標発電量に応じて制御し、生成水が溢れて燃料電池のセル電圧が所定電圧未満に低下するときには供給空気の圧力を下げて生成水を排出するよう制御している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３３１１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、発電により発生する生成水が流路の中途部に溜まり流路を閉塞する場合に、負圧制御弁を作動させて燃料電池スタックへの供給空気の圧力を下げて流路中の空気の流速を増大させて生成水の蒸発速度を速めるものであるため、閉塞された流路部分の生成水を排出するのみならず、適度な湿潤状態にあるその他の流路部分における水の蒸発も過度に進み電解質膜を乾燥させてしまう虞があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池スタック全体の空気流路圧力を変更することなく生成水の排出を容易とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタック内の酸化剤流路の途中に下流側の酸化剤流路との間の酸化剤流れの遮断手段を介してマニホールドを形成し、遮断手段の作動に連動して圧力減少手段によりマニホールド内の圧力を減ずるようにした。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、遮断手段により下流側酸化剤流路と遮断された状態で圧力減少手段を作動させてマニホールド内の圧力を減ずるため、マニホールドより上流側の酸化剤流路の一部が生成水によって詰まった場合でも、生成水を蒸発させて排除でき、スタック全体の流路の圧力を変更することなく、詰まった部分のみを回復させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明を適用した燃料電池システムの第１実施形態を示し、図１は燃料電池スタックの構造を示す斜視図であり、図２は燃料電池の構成を模式化した説明図であり、図３はセルの積層構造および開閉式隔壁の開状態および閉状態を示す平面図であり、図４は燃料電池システムのシステム構成図であり、図５はコントローラによる制御フローチャートである。
【００１１】
先ず、図２により燃料電池の原理を説明する。燃料電池１は、電解質膜１Ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１Ｂ及びアノード電極１Ｄを形成している。電解質膜１Ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜１Ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。なお、カソード電極１Ｂに含まれる触媒は酸素から酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極１Ｄに含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒である。
【００１２】
また、カソード電極１Ｂの外側にはカソード電極１Ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流するカソード極側ガス通路１Ａが設けられ、アノード電極１Ｄの外側にはアノード電極１Ｄに燃料ガスとしての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１Ｅが設けられている。カソード極側ガス通路１Ａの入口及び出口は空気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１Ｅの入口及び出口は水素供給装置３に接続されている。
【００１３】
なお、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体（スタック）として構成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学的反応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しない冷却装置を有する。
【００１４】
この燃料電池１は、カソード極側ガス通路１Ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１Ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１Ｄで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜１Ｃ中を移動してカソード電極１Ｂに到達する。そして、カソード電極１Ｂに到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水（生成水）及び未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気ＡＥとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出される。また、アノード電極１Ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ−が生成するが、この生成した電子ｅ−は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電極１Ｂに達する。
【００１５】
次に、図２および図３により、燃料電池スタックの構造について説明する。
【００１６】
燃料電池スタック４は、図１に示すように、上流側スタック４Ａと下流側スタック４Ｂとに分離され、上流側スタック４Ａおよび下流側スタック４Ｂの夫々一方（図中下方）に入口マニホールド５および出口マニホールド６を配置し、上流側スタック４Ａおよび下流側スタック４Ｂの他方（図中上方）に中間マニホールド７を配置して備える。
【００１７】
燃料電池スタック４の上流側スタック４Ａおよび下流側スタック４Ｂは、前述のように、電解質膜１Ｃを挟んでカソード電極１Ｂとアノード電極１Ｄを備え、その外側にカソード極側ガス流路１Ａ（以下、酸化剤流路という）またはアノード極側ガス流路１Ｅ（以下、燃料流路という）を備えたセパレータを配置した単セルを複数積層して構成している。図では、酸化剤流路１Ａの開口端のみが示されている。酸化剤は入口マニホールド５から上流側スタック４Ａの各セルの酸化剤流路１Ａを経由して中間マニホールド７に至り、中間マニホールド７から下流側スタック４Ｂの各セルの酸化剤流路１Ａを経由して出口マニホールド６に至るよう流れる。燃料流路の図示は省略しているが、夫々のスタック４Ａ、４Ｂ内に積層方向に貫通させて図示しない入口マニホールドおよび出口マニホールドを配置し、入口マニホールドから各セルの燃料流路を経由させて出口マニホールドに導くように構成している。
【００１８】
前記中間マニホールド７は、可動隔壁８によりガス流通を遮断した状態でスタック側室８Ａと外部の減圧装置９に連通する減圧室８Ｂとの上下２室に区切っている。また、スタック側室８Ａも下流側スタック４Ｂの酸化剤流路１Ａの入口空間８Ｃを上流側スタック４Ａの酸化剤通路１Ａに連通するスタック側室８Ａ（以下、出口空間８Ａという）から開閉式隔壁１０を介して独立させ、開閉式隔壁１０が開く時に両者は連通するよう構成している。前記入口空間８Ｃは上流側スタック４Ａと下流側スタック４Ｂとを仕切るよう中間マニホールド７の内壁間に起立した仕切り隔壁７Ｂ、中間マニホールド７の内壁、および、開閉式隔壁１０により画成している。
【００１９】
前記可動隔壁８は圧力減少手段を構成し、減圧装置９の作動により減圧室８Ｂが減圧される時に出口空間８Ａ（スタック側室）の容積を増加させるよう作動する。可動隔壁８は上下２室間のガスの流通を遮断した状態で減圧室８Ｂの容積に応じて出口空間８Ａの容積を変化させることができれば、ピストン式であってもダイアフラム式であってもよい。ピストン式で可動隔壁８を構成する場合には、例えば、シールを介して外周を中間マニホールド７の内壁に摺動可能とし、減圧室８Ｂの容積変化に応じて摺動するようにする。ダイアフラム式で可動隔壁８を構成する場合には、可動隔壁８の外周を中間マニホールド７の内壁に固定し、可動隔壁８自体を弾性体とし、減圧室８Ｂの容積変化に応じて変形するようにする。
【００２０】
前記開閉式隔壁１０は遮断手段を構成し、中間マニホールド７の内壁および仕切り隔壁７Ｂに固定された固定プレート１１と固定プレート１１に対して摺動可能な可動プレート１２とから構成する。両プレート１１、１２には、図３に示すように、同じ大きさの矩形のスリット１１Ａ、１２Ａが等間隔に複数配置され、両プレート１１、１２のスリット１１Ａ、１２Ａが一致する、図３（Ｂ）の位置において、可動プレート１２の位置において開放状態となり、可動プレート１２が移動して固定プレート１１のスリット１１Ａを塞ぐ、図３（Ｃ）の位置において、可動プレート１２の位置において閉鎖状態となる。可動プレート１２は、通常はスリット１１Ａ、１２Ａが一致する開放位置にあり、出口空間８Ａに上流側スタック４Ａから排出される未消費酸化剤を開閉式隔壁１０のプレート１１、１２のスリット１１Ａ、１２Ａを介して入口空間８Ｃに流入させ、入口空間８Ｃから下流側スタック４Ｂに流入させる。また、スリット１１Ａ、１２Ａを閉じる閉鎖状態に可動プレート１２を位置させると、中間マニホールド７の出口空間８Ａと入口空間８Ｃとの連通を遮断する。
【００２１】
前記下流側スタック４Ｂの入口空間８Ｃはバイパス通路として機能する連通管１３を介して酸化剤の入口配管１３Ａに接続され、連通管１３には開閉手段としての開閉弁１４が配置され、開閉弁１４を開放すると、入口配管１３Ａに供給された酸化剤が連通管１３を経由して下流側スタック４Ｂの入口空間８Ｃに導入される。
【００２２】
前記燃料電池スタック４は、図４のシステム構成図に示すように、燃料電池システムに組込まれる。即ち、燃料電池スタック４の中間マニホールド７の減圧室８Ｂは減圧装置９に接続され、中間マニホールド７の出口空間８Ａおよび酸化剤の入口配管１３Ａには圧力センサ１５Ａ、１５Ｂが夫々設置される。制御手段としてのコントローラ１６は、前記圧力センサ１５Ａ、１５Ｂの出力信号を受けて前記減圧装置９を制御する一方、開閉式隔壁１０および開閉弁１４をアクュエータ１０Ａ、１４Ａにより開閉制御する。前記減圧装置９は真空ポンプやエゼクタ等により減圧室８Ｂの減圧が行えればよく、停止時には開放して減圧装置９の前後でガスを連通可能とする図示しないバイパス手段を備える。
【００２３】
以上の構成における燃料電池システムの作動を以下に説明する。
【００２４】
通常においては、減圧装置９が作動を停止し、開閉式隔壁１０が開き、開閉弁１４が閉じた状態であり、供給配管１３Ａから導入された酸化剤は入口マニホールド５から上流側スタック４Ａの各セルの酸化剤流路１Ａを経由して中間マニホールド７の出口空間８Ａに至る。そして、出口空間８Ａから開閉式隔壁１０を経由して下流側スタック４Ｂの入口空間８Ｃに至り、同スタック４Ｂの各セルの酸化剤流路１Ａを経由して出口マニホールド６に至るよう流れる。上流側スタック４Ａおよび下流側スタック４Ｂの各セルは、供給された酸化剤と図示しない燃料との電気化学反応により発電作動する。
【００２５】
入口管路１３Ａと出口空間８Ａの圧力は圧力センサ１５Ａ、１５Ｂにより検出されコントローラ１６に入力され、コントローラ１６はその圧力差を監視する。圧力差が所定値以上となる場合には、上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａのいずれかの箇所が発電による生成水により閉塞されたと判断し減圧制御を開始する。減圧制御では、先ず、開閉弁１４と開閉式隔壁１０の各アクチュエータ１４Ａ、１０Ａを作動させ、開閉弁１４を解放し、開閉式隔壁１０を閉じる。開閉弁１４の開放は開閉式隔壁１０を介しての酸化剤の供給が無くなることから、連通管１３を介して別系統から酸化剤を供給することにより下流側スタック４Ａの作動を継続させるためのものである。そして、減圧装置９を作動させて減圧室８Ｂを減圧する。減圧室８Ｂは減圧されることで容積を減少させ、可動隔壁８を介して出口空間８Ａの容積を増加させる。この容積の増加は上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａの空気を吸出すよう作用し、酸化剤流路１Ａを閉塞している生成水とともに空気も吸出す。この生成水の吸出しにより上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａの流路抵抗が減少し、前記圧力差が設定値以下に低下する。この低下により、コントローラ１６は減圧装置９を停止させ、開閉弁１４を閉じ、開閉式隔壁１０を開いて、初期状態に復帰させる。
【００２６】
次に、図５の制御フローチャートを参照して、上記制御をより具体的に説明する。この制御フローチャートの処理は定時的に実行される。
【００２７】
ステップ１で初期状態か否かが判断され、初期状態ではステップ２を経由してステップ３に進み、初期状態でない場合には直接ステップ３に進む。
【００２８】
ステップ２では、減圧装置９を停止させ、開閉式隔壁１０を開いて上流側スタック４Ａの出口空間８Ａと下流側スタック４Ｂの入口空間８Ｃとを連通させ、開閉弁１４を閉じる。酸化剤は入口マニホールド５から上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａ、出口空間８Ａ、開閉式隔壁１０を経て下流側スタック４Ｂの入口空間８Ｃに至り、下流側スタック４Ｂ内の酸化剤流路１Ａを経由して出口マニホールド６から排出される。
【００２９】
ステップ３では圧力センサ１５Ａ、１５Ｂより入力されている入口配管１３Ａの圧力信号Ｐｉｎと出口空間８Ａの圧力信号Ｐｒ１が読込まれ、ステップ４では入口配管１３Ａの圧力信号Ｐｉｎと出口空間８Ａの圧力信号Ｐｒ１との差圧（Ｐｉｎ−Ｐｒ１）が所定値αを超えているか否かを判断し、超えている場合にはステップ５に進み、超えていない場合には処理を終了する。前記差圧（Ｐｉｎ−Ｐｒ１）は上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａの通路抵抗に相当し、生成水が溢れて酸化剤流路１Ａが部分的にでも閉塞されると増加し、生成水が酸化剤流路１Ａから排出されると低下する。前記所定値αは燃料電池スタック４の運転状態において生成水が酸化剤流路１Ａを塞ぎ始める時点の差圧を実験的に求めて設定し、また、所定値αは変更可能である。
【００３０】
ステップ５からステップ１２は減圧制御の処理ステップである。減圧制御が開始されると、ステップ５で開閉弁１４を開き、ステップ６で開閉式隔壁１０を閉じ、ステップ７で減圧装置９を作動させる。開閉弁１４が開かれることで下流側スタック４Ｂの入口空間８Ｃに酸化剤が供給され下流側スタック４Ｂの発電作動を継続させる。開閉式隔壁１０が閉じられることで、中間マニホールド７の出口空間８Ａは上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａのみに連通する空間であり、その容積は可動隔壁８を介して隣接する減圧室８Ｂの容積変化に応じて変化する。この状態で減圧装置９を作動させると、減圧室８Ｂが減圧され、可動隔壁８を介して出口空間８Ａも減圧される。上流側スタック４Ａの入口マニホールド５と出口空間８Ａの間で圧力差による流れが生じ、入口マニホールド５から出口空間８Ａの間の反応面での生成水を酸化剤に含ませて出口空間８Ａまで移動させるよう作動する。
【００３１】
ステップ８では、再び、圧力センサ１５Ａ、１５Ｂより入力されている入口配管１３Ａの圧力信号Ｐｉｎと出口空間８Ａの圧力信号Ｐｒ１が読込まれ、ステップ９では入口配管１３Ａの圧力信号Ｐｉｎと出口空間８Ａの圧力信号Ｐｒ１との差圧（Ｐｉｎ−Ｐｒ１）が所定値β未満となっているか否かを判断し、所定値β未満となっていない場合にはステップ５へ進んでステップ５〜７の処理が実行され、所定値β未満となっている場合にはステップ１０へ進む。ステップ９の判断はステップ５〜７の処理の実行によって酸化剤流路１Ａ中の流れの障害となっていた生成水が除去されたか否かを判断しているものであり、酸化剤流路１Ａの流れの障害となる生成水が未だ存在する場合には前記差圧は大きいが、流れの障害となる生成水が除去されるとスタック入口圧力Ｐｉｎと出口圧力Ｐｒ１の差圧は酸化剤流路１Ａの通路圧力損失程度になるよう減少していく。前記所定値βも、燃料電池スタック４の運転状態において酸化剤流路１Ａの通路圧力損失程度の差圧を実験的に求めて設定し、また、所定値βは変更可能である。なお、所定値α＞所定値βの関係がある。
【００３２】
入口圧力Ｐｉｎと出口圧力Ｐｒ１の差圧が所定の値βよりも小さくなったところで減圧操作の終了処理に移行する。ステップ１０〜１２は減圧操作の終了処理であり、減圧操作開始とは逆の手順となり、ステップ１０で減圧装置９の作動を停止させ、ステップ１１で開閉式隔壁１０を開き、ステップ１２で開閉弁１４を閉じる。減圧装置９の運転を停止させると減圧装置９前後でガスが連通するため、減圧室８Ｂの圧力を開放させる。開閉式隔壁１０が開かれると出口空間８Ａと入口空間８Ｃとのガスの流通が可能となる。開閉弁１４を閉じると入口配管１３Ａと入口空間８Ｃとの連通が遮断され、通常状態に復帰して処理が終了する。
【００３３】
なお、上記実施形態において、入口配管１３Ａにポンプにより加圧した正圧の酸化剤を供給し、供給された酸化剤が上流側スタック４Ａおよび下流側スタック４Ｂで圧力降下されながら出口マニホールド６に至るものについて説明したが、図示しないが、出口マニホールド６に吸引ポンプを接続する一方、入口配管を大気に開放して、上流側および下流側のスタック内の酸化剤流路が負圧となるものであってもよい。この場合には、中間マニホールドの上流側スタックでの生成水による酸化剤流路の閉塞が生ずると、中間マニホールドでの負圧が増加する一方、出口マニホールドと中間マニホールドとの差圧が減少し、大気圧である入口マニホールドと中間マニホールドの差圧が増加するため、同様にして、この差圧により酸化剤流路への生成水による閉塞を判定し、減圧室を減圧させて生成水の排出が可能である。
【００３４】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３５】
（ア）酸化剤流れの遮断手段としての開閉式隔壁１０を閉じた状態で圧力減少手段としての減圧装置９を作動させてマニホールドとしての出口空間８Ａ内の圧力を減ずることができるため、出口空間８Ａより上流側の酸化剤流路１Ａの一部が生成水によって詰まった場合でも、生成水を蒸発させて排除でき、スタック全体の酸化剤流路の圧力を変更することなく、詰まった部分のみを回復させることができる。
【００３６】
（イ）圧力減少手段としての可動隔壁８および減圧装置９は、中間マニホールド７の容積を変化させて出口空間８Ａ内の圧力を減ずるものであるため、上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａ中の生成水を強制的に吸引して排出することができる。
【００３７】
（ウ）上流側の酸化剤流路１Ａと出口空間８Ａおよび流れ遮断手段としての開閉式隔壁１０をバイパスして下流側の酸化剤流路１Ａへ酸化剤を流すバイパス通路１３と、バイパス通路１３の開閉手段としての開閉弁１４とを備えるため、開閉式隔壁１０により酸化剤流れを遮断していても、下流側の酸化剤流路１Ａへの酸化剤流れを遮断しないことが可能となり、下流側スタック４Ｂの発電反応を確保しつつ、上流側の酸化剤流路１Ａの減圧による生成水排出をより効果的に行える。
【００３８】
（エ）スタック４の上流側酸化剤流路１Ａの入口側酸化剤ガス圧力および出口側酸化剤ガス圧力を夫々検出する手段としての圧力センサ１５Ａ、１５Ｂと、両圧力の差が予め設定した圧力以上となるとき、遮断手段としての開閉式隔壁１０および圧力減少手段としての可動隔壁８および減圧装置９を作動させる制御手段としてのコントローラ１６を備える。
【００３９】
このため、上流側酸化剤流路１Ａに生成水が溢れると各圧力センサ１５Ａ、１５Ｂの検出信号から検出し、開閉式隔壁１０および減圧装置９を作動させて自動的に生成水を排出でき、システムの動作を最適化できる。
【００４０】
（オ）スタック４の上流側酸化剤流路１Ａの入口側酸化剤ガス圧力および出口側酸化剤ガス圧力を夫々検出する手段としての圧力センサ１５Ａ、１５Ｂと、両圧力の差が予め設定した圧力以上となるとき、バイパス通路１３の開閉手段としての開閉弁１４を開放する制御手段としてのコントローラ１６を備える。
【００４１】
このため、上流側酸化剤流路１Ａに生成水が溢れると各圧力センサ１５Ａ、１５Ｂの検出信号から検出し、コントローラ１６は開閉弁１４を開きバイパス通路１３を経由して下流側酸化剤流路１Ａに酸化剤を供給して、下流側スタック４Ｂの発電反応確保と上流側酸化剤流路１Ａの減圧による生成水排出を自動的に行え、システムの動作を最適化できる。
【００４２】
（カ）上流側酸化剤流路１Ａは鉛直方向上向きに酸化剤を流し、下流側酸化剤流路１Ａは鉛直方向下向きに酸化剤を流すとき、反応が活発であるため下流側酸化剤流路１Ａに比較して上流側酸化剤流路１Ａで生成水の発生量が多く、上流側の生成水は下流側に移動しにくいので上流側酸化剤流路１Ａの下流側となる鉛直方向上方領域において生成水の生成量が多いことに起因して、上流側酸化剤流路の鉛直方向下方に溜まりやすい生成水の排出に好適である。
【００４３】
（キ）マニホールドとしての出口空間８Ａは、上流側酸化剤流路１Ａの上部に位置して配置されているため、生成水の排出作動により固体高分子膜を乾燥気味とすることなく、鉛直方向下方に溜まりやすい生成水を排出することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
図６は、本発明を適用した燃料電池システムの第２実施形態を示し、図６はシステム構成図である。本実施形態においては、スタック前後の圧力差に応じてコントローラにより各動作の最適化を自在に図るものに代えて予め各動作の最適化を固定してコントローラの制御範囲を縮小したものである。なお、前実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００４５】
図６において、開閉式隔壁１０および開閉弁１４の開閉操作は、差圧シリンダ２０により行われる。前記差圧シリンダ２０は、シリンダ２０Ａにピストン２０Ｂおよびピストンロッド２０Ｃを摺動自在に備え、ピストン２０Ｂとシリンダ２０Ａで構成される室の一方の室２０Ｄに酸化剤の入口圧力を導入して開閉式隔壁１０を閉じる方向に付勢し、他方の室２０Ｅには出口空間８Ａの圧力を導入して開閉式隔壁１０を開ける方向に付勢する。他方の室２０Ｅには、また、コイルスプリング等の弾性体２０Ｆを配置し、弾性体２０Ｆの反発力は開閉式隔壁１０を開ける方向に付勢している。従って、ピストン２０Ｂは、酸化剤の入口圧力と出口空間８Ａ圧力との差圧に応じて位置が変化し、ピストンロッド２０Ｃを介して連結している開閉式隔壁１０および開閉弁２１の開閉状態および開度を変化させる。即ち、差圧が小さい場合には開閉式隔壁１０は全開状態とし、差圧が大きくなるに連れて開閉式隔壁１０の開度を小さくし、差圧が所定値αを超えて大きい場合には開閉式隔壁１０を全閉状態とする。差圧シリンダ２０には、差圧が所定値α以上となるピストン２０Ｂのスライド位置においてオン信号をコントローラ１６に出力するオンスイッチ２２Ａと、差圧が所定値β以下となるピストン２０Ｂのスライド位置においてオフ信号をコントローラ１６に出力するオフスイッチ２２Ｂとを備える。
【００４６】
前記開閉弁２１は、ピストンロッド２０Ｃの中途部に配置され、ピストンロッド２０Ｃとともに移動するスプール２１Ａとスプール２１Ａを収容するバルブガイド２１Ｂからなり、ピストンロッド２０Ｃが前記差圧シリンダ２０の差圧の増加に伴って移動するときバルブガイド２１Ｂに設けたポート２１Ｃをスプール２１Ａが開口させ、更にスプール２１Ａが移動するの連れてポート２１Ｃの開口面積を増加させてゆくよう構成している。前記ポート２１Ｃは入口管路１３Ａに連通管１３を介して連通し、バルブガイド２１Ｂ内は入口空間８Ｃに連通している。
【００４７】
図７（Ａ）は、差圧シリンダ２０のピストン２０Ｂの変位位置と差圧との関係を示すものであり、ピストン２０Ｂおよびピストンロッド２０Ｃは差圧が大きくなるに連れて図中左側に移動し、差圧が小さくなるに連れて図中右側に移動する。変位に対する差圧変化の傾斜代は、弾性体２０Ｅのバネ定数により変更可能である。図７（Ｂ）は、開閉式隔壁１０によるスリットの開度を示すものであり、ピストンロッド２０Ｃが差圧の減少で図中右移動するに連れて開度を増して最終的に全開状態となり、差圧の増加で図中左移動するに連れて開度を減少させ最終的には全閉状態となる。図７（Ｃ）は、開閉弁２１の開度を示すものであり、ピストンロッド２０Ｃが差圧の減少で図中右移動するに連れて開度を減少させて最終的には全閉状態となり、差圧の増加で図中左移動するに連れて開度を増加させ最終的には全開状態となる。なお、図７では、差圧が設定値βの時のピストンロッド２０Ｃ位置において、開閉式隔壁１０のスリット開度が全開、開閉弁２１が全閉となり、差圧が設定値αの時のピストンロッド２０Ｃ位置において、開閉式隔壁１０のスリット開度が全閉、開閉弁２１が全開となっているが、これらの開閉特性は必要に応じて変更や調整により更に精度を高めることができる。
【００４８】
以上の構成の燃料電池システムにおいては、上流側および下流側のスタック４Ａ、４Ｂの各セルは、供給された酸化剤と図示しない燃料との電気化学反応により発電作動する。発電作用により生成水が生じ、酸化剤流路中に溢れてくると差圧が徐々に上昇し、差圧シリンダ２０のピストン２０Ｂおよびピストンロッド２０Ｃが図中左側に移動してゆく。それに連れて開閉式隔壁１０のスリット開度が全開状態から開度が減少し、開閉弁２１も全閉状態から徐々に開度が大きくなる。開閉式隔壁１０のスリット開度の減少に連れて開閉弁２１の開度が増加することにより、スリットを経由しての下流側スタック４Ｂへの酸化剤の供給の減少に連れて開閉弁２１を経由しての酸化剤の供給が増加してゆく。これにより下流側スタック４Ｂの発電作用は何ら変わることなく継続される。
【００４９】
上流側スタック４Ａにおいて、差圧が設定値αを超える程度の生成水の酸化剤流路１Ａへの溢れが発生すると、開閉式隔壁１０のスリットは全閉状態となり下流側スタック４Ｂへの酸化剤の供給を遮断する一方、開閉弁２１は全開状態となり下流側スタック４Ｂへの酸化剤の供給を肩代わりする。同時に、差圧シリンダ２０はオンスイッチ２２Ａを作動させてコントローラ１６に入力する。コントローラ１６は減圧装置９を作動させて減圧室８Ｂを減圧する。減圧室８Ｂは減圧されることで容積を減少させ、可動隔壁８を介して出口空間８Ａの容積を増加させる。この容積の増加は上流側スタック４Ａの酸化剤流路１Ａの空気を吸出すよう作用し、酸化剤流路１Ａを閉塞している生成水とともに酸化剤も吸出す。この生成水の吸出しにより上流側スタック４Ａのガス流路１Ａの流路抵抗が減少し、前記圧力差が設定値以下に低下する。この低下により、差圧シリンダ２０のピストン２０Ｂおよびピストンロッド２０Ｃは図中右動してオフスイッチ２２Ｂを作動させ、コントローラ１６は減圧装置９を停止させる一方、差動シリンダ２０は開閉式隔壁１０を全開、開閉弁２１を全閉とし、初期状態に復帰する。
【００５０】
なお、本実施形態においても、入口配管１３Ａにポンプにより加圧した正圧のガスを供給し、供給されたガスが上流側スタック４Ａおよび下流側スタック４Ｂで圧力降下されながら出口マニホールド６に至るものとするか、出口マニホールド６に吸引ポンプを接続する一方、入口配管１３Ａを大気に開放して、上流側および下流側のスタック８Ａ、８Ｂ内のガス流路を負圧とするものでも、いずれにも適用可能である。
【００５１】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（ウ）、（カ）、（キ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００５２】
（ク）上流側酸化剤流路１Ａの前後の圧力差に応じてストロークする差動シリンダ２０により開閉式隔壁１０のスリット開度および開閉弁２１の開度を一義的に決定し、差動シリンダ２０のストローク位置に応じて発生されるオン信号およびオフ信号に応じてコントローラ１６は減圧装置９を作動させるのみでよく、コントローラの制御範囲を縮小できる。
【００５３】
（第３実施形態）
図８は、本発明を適用した燃料電池システムの第３実施形態を示し、図８は燃料電池システムのシステム構成図である。本実施形態においては、減圧装置を備えた中間マニホールドを挟んで上流側スタックと下流側スタックとを備えた単体の燃料電池スタックを対象とするものに代えて複数の燃料電池スタックをガス流れ方向に直列に接続する燃料電池スタック群に適用したものである。なお、図１〜図７と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００５４】
図８において、複数の燃料電池スタック２５、２６がガス流れ方向に直列に接続され、生成水によりガス流路の閉塞が予想されるスタック２５に対して、その上流側および下流側に圧力センサ１５Ａ、１５Ｂを配置して生成水によるガス流路の閉塞状況を検出可能としている。また、対象とするスタック２５の下流の圧力センサ１５Ｂの後に減圧装置２７および遮断弁１０をこの順に配置する。そして、対象とするスタック２５、圧力センサ１５Ｂ、減圧装置２７、遮断弁１０をバイパスしてバイパス通路１３を設け、このバイパス通路１３に開閉弁１４を配置する。開閉弁１４は通常は閉じており、ガスは対象とするスタック２５、減圧装置２７、遮断弁１０を経由して下流のスタック２６に流されている。
【００５５】
コントローラ１６は、前記両圧力センサ１５Ａ、１５Ｂよりの圧力信号によりスタック４Ａ前後の差圧を演算し、差圧が設定値α（この設定値は第１、２実施形態における設定値αと同じ意味をもつが、値は相違する）を超える時、開閉弁１４を開き、遮断弁１０を閉じて、減圧装置２７を作動させ、対象とするスタック２５のガス流路を閉塞している生成水を下流に排出する。下流のスタック２６はバイパス通路１３を経由してガスが供給されるため、上記作動時においても、発電作用を継続する。上記作動により、ガス流路を閉塞していた生成水が排出されると、差圧が設定値β未満となり、減圧装置２７を停止させ、遮断弁１０を開放し、バイパス弁１４を閉じ、通常状態に復帰させる。
【００５６】
なお、上記実施形態では、上流のスタック２５を対象とするスタックとして、圧力センサ１５Ａ、１５Ｂ、減圧装置２７、遮断弁１０、バイパス通路１３および開閉弁１４を配置するものについて説明しているが、図示しないが、下流のスタック２６を対象として、前記機器を配置してもよく、また、直列に配置されている全ての燃料電池スタックを対象として前記機器を配置してもよい。
【００５７】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（キ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００５８】
（ケ）スタック２５、２６を、連結部を介して直列に複数個連結し、この連結部内の圧力を減少する圧力減少手段しての減圧装置２７を設け、減圧装置２７とその下流側のスタック２６との間にガス流れを遮断する手段１０を設けたため、酸化剤流れの遮断手段１０および圧力減少手段としての減圧手段２７を作動させて連結部内の圧力を減ずることができ、連結部より上流側の酸化剤流路の一部が生成水によって詰まった場合でも、生成水を蒸発させて排除でき、スタック全体の流路の圧力を変更することなく、詰まった部分のみを回復させることができ、複数のスタックを備えた燃料電池システムにも適用できる。
【００５９】
しかも、圧力減少手段としての減圧装置２７を連結部の容積を変化させて連結部内の圧力を減ずるものであるため、上流側スタック２５の酸化剤流路中の生成水を強制的に吸引して排出することができる。
【００６０】
なお、上記各実施形態では、圧力減少手段として中間マニホールド７に可動隔壁８を設けて減圧室８Ｂを形成し、減圧室８Ｂを減圧装置９で減圧して出口空間８Ａの容積を増大するものについて説明しているが、図示しないが、可動隔壁をアクチュエータ等で移動させるものであってもよく、また、出口空間に連通させた空間を持つ吸引シリンダ等をアクチュエータにより作動させるものであっても、出口空間の空気を直接吸出すものであってもよい。
【００６１】
また、遮断手段として、上記実施形態では、開閉式隔壁１０を用いるものについて説明しているが、図示しないが、上流側酸化剤流路の出口空間と下流側酸化剤流路の入口空間とを連通・遮断できればよく、例えば、通常の開閉弁を用いるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの燃料電池スタックの概略斜視図。
【図２】燃料電池の構成を模式化した説明図。
【図３】燃料電池スタックにおけるセルの積層構造（Ａ）、開閉式隔壁の開状態（Ｂ）、および、閉状態（Ｃ）を示す平面図。
【図４】燃料電池システムのシステム構成図。
【図５】コントローラによる制御フローチャート。
【図６】本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図。
【図７】差圧シリンダの変位位置と差圧との関係を示すグラフ（Ａ）、開閉式隔壁の開閉状態（Ｂ）、および、開閉弁の開閉状態（Ｃ）を示すグラフ。
【図８】本発明の第３実施形態の燃料電池システムのシステム構成図。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　空気供給装置
３　水素供給装置
４　燃料電池スタック
４Ａ　上流側スタック
４Ｂ　下流側スタック
５　入口マニホールド
６　出口マニホールド
７　中間マニホールド
８　圧力減少装置としての可動隔壁
８Ａ　マニホールドとしての出口空間
８Ｃ　入口空間
９　圧力減少装置としての減圧装置
１０　遮断手段としての開閉式隔壁
１３　バイパス通路としての連通管
１４、２１　開閉手段としての開閉弁
１５Ａ、１５Ｂ　圧力検出手段としての圧力センサ
１６　制御手段としてのコントローラ
２０　差圧シリンダ
【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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