(57)【要約】【課題】  多孔質材料を用いて反応ガス通路からの排水を行う燃料電池において多孔質材料の閉塞を軽減させる技術を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池である。この燃料電池は、電解質と、触媒層が電解質に接合された第１と第２の電極と、多孔質材料で形成された多孔質部を少なくとも一部に有し第１の電極に接して設けられた第１のセパレータと、を備える。この燃料電池は、多孔質部と第１の電極とに接する位置において少なくとも一部の反応用流路が形成されるとともに、多孔質部に接し第１の電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように構成されている。この燃料電池は、さらに反応用流路と環境制御用流路の少なくとも一方から多孔質部内へ侵入する不純物による多孔質部の閉塞を軽減させる閉塞軽減部を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2005203118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質と、
触媒層を有するとともに、前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、
多孔質材料で形成された多孔質部を少なくとも一部に有し、前記第１の電極に接して設けられた第１のセパレータと、
を備え、
前記燃料電池は、前記多孔質部と前記第１の電極とに接する位置において少なくとも一部の反応用流路が形成されるとともに、前記多孔質部に接し前記第１の電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように構成されており、
前記燃料電池は、さらに前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方から前記多孔質部内へ侵入する不純物による前記多孔質部の閉塞を軽減させる閉塞軽減部を備えることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記電解質は、イオン交換膜である、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池であって、
前記閉塞軽減部は、前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方に供給される反応ガスを濾過する濾過器を含む、燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池であって、
前記濾過器は、イオン交換処理による濾過を含む濾過処理を行う、燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池であって、
前記イオン交換処理は、陽イオン交換処理を含む、燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記反応用流路には、酸化ガスが供給される、燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記第１のセパレータには、前記燃料電池を冷却するための冷媒を流すための冷媒流路が形成されている、燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記環境制御用流路が前記反応用流路の上流側に直列に接続されるように構成されている、燃料電池。
【請求項９】
燃料電池システムであって、
電解質と、触媒層を有するとともに前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、多孔質材料で形成された多孔質部を少なくとも一部に有し前記第１の電極に接して設けられた第１のセパレータと、を備える燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記多孔質部と前記第１の電極とに接する位置において少なくとも一部の反応用流路が形成されるとともに、前記多孔質部に接し前記第１の電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように構成されており、
前記燃料電池システムは、前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方から前記多孔質部内へ侵入する不純物による前記多孔質部の閉塞を軽減させるように前記反応ガス供給部を作動させる特定の作動モードを有することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記電解質は、イオン交換膜である、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記特定の作動モードは、前記燃料電池の発電の停止時において実行される、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項９または１１に記載の燃料電池システムであって、
前記特定の作動モードは、前記反応ガス供給部から前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方への反応ガスの供給量を、発電のために要求される供給量よりも多くするモードである、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記反応用流路と前記環境制御用流路のいずれか一方の下流側に流量を制御するための第１のバルブを備え、
前記特定の作動モードは、前記反応ガス供給部と前記第１のバルブとを制御して、前記反応用流路と前記環境制御用流路のうち前記第１のバルブが備えられている側の流路から他方の流路に、前記多孔質部を経由して前記反応ガスを流れさせるモードである、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項９ないし１２のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記環境制御用流路が前記反応用流路の上流側に直列に接続されるように構成されている、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、さらに、前記環境制御用流路と前記反応用流路との間に流量を制御するための第２のバルブを備え、
前記特定の作動モードは、前記反応ガス供給部と前記第２のバルブとを制御して、前記反応ガスを前記多孔質部を経由して前記環境制御用流路から前記反応用流路へ流れさせるモードである、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、さらに前記反応用流路の圧力と前記環境制御用流路の圧力の差を計測する圧力差計測部を備えるとともに、前記反応ガスが所定量供給される場合において前記計測された圧力の差が第１の閾値よりも大きい場合にのみ前記特定の作動モードを起動する、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、さらに前記反応用流路の圧力と前記環境制御用流路の圧力の差を計測する圧力差計測部を備え、
前記特定の作動モードは、前記反応ガスが所定量供給される場合において前記計測された圧力の差が第２の閾値よりも小さくなると自動的に停止するモードである、燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１５ないし１７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、さらに前記反応用流路の圧力と前記環境制御用流路の圧力の差を計測する圧力差計測部を備え、
前記特定の作動モードは、前記計測された圧力の差が第３の閾値を超えないように、前記第２のバルブと前記反応ガス供給部とを作動させるモードである、燃料電池システム。
【請求項１９】
燃料電池システムを制御する制御装置であって、
前記燃料電池システムは、
電解質と、触媒層を有するとともに前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、多孔質材料で形成された多孔質部を少なくとも一部に有し前記第１の電極に接して設けられた第１のセパレータと、を備える燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記多孔質部と前記第１の電極とに接する位置において少なくとも一部の反応用流路が形成されるとともに、前記多孔質部に接し前記第１の電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように構成されており、
前記燃料電池制御装置は、前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方から前記多孔質部内へ侵入する不純物による前記多孔質部の閉塞を軽減させるように前記反応ガス供給部を制御する特定の制御モードを有することを特徴とする、燃料電池制御装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の制御装置であって、
前記電解質は、イオン交換膜である、制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質としてイオン交換膜を使用する燃料電池システムでは、燃料電池セル全体において適切な水管理が求められる。これは、イオン交換膜中の含水率が過度に小さくなると膜抵抗が大きくなる一方、過度に濡れると反応ガスの供給が困難となって電極反応が阻害されるからである。このような課題に対して、効果的に適切な水管理を行うための技術も開示されている。たとえば特許文献１に開示されるように反応ガス流路から多孔質層を経由して過剰に生成された水を排出する方法である。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３１２１６６号公報
【特許文献２】特表平１１−５０８７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような方法では、生成水が多孔質層を通過する際において、生成水に含まれた不純物が多孔質層に蓄積されることも予想される。こうして蓄積された不純物は、多孔質層を閉塞させて生成水の排出を阻害する要因となる。さらに、このような問題は、イオン交換膜を使用する燃料電池システムに限られず、多孔質材料を用いて反応ガス通路からの排水を行う燃料電池において生じ得る。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、多孔質材料を用いて反応ガス通路からの排水を行う燃料電池において、多孔質材料の閉塞を軽減させる技術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】
【０００６】
本発明の燃料電池は、
電解質と、
触媒層を有するとともに、前記触媒層が前記電解質に接合された第１と第２の電極と、
多孔質材料で形成された多孔質部を少なくとも一部に有し、前記第１の電極に接して設けられた第１のセパレータと、
を備え、
前記燃料電池は、前記多孔質部と前記第１の電極とに接する位置において少なくとも一部の反応用流路が形成されるとともに、前記多孔質部に接し前記第１の電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように構成されており、
前記燃料電池は、さらに前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方から前記多孔質部内へ侵入する不純物による前記多孔質部の閉塞を軽減させる閉塞軽減部を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の燃料電池は、多孔質部内へ侵入する不純物による多孔質部の閉塞を軽減させる閉塞軽減部を備えるので、反応用流路において過剰に発生した水を多孔質部を経由して円滑に排水させることができる。これにより、フラッディングによる燃料電池の性能低下を軽減させることができる。
【０００８】
ここで、「フラッディング」とは、燃料電池の触媒層で過剰に発生した液体水が反応ガスを触媒層に行き渡らせることを妨げて燃料電池の性能を低下させる現象である。「不純物」とは、反応ガス以外の有体物を意味し、たとえば砂、塵、埃といった燃料電池システムの外部から侵入する物や、たとえばセパレータのカーボン粉、金属粉、繊維くずといった燃料電池システムの内部で発生する物がある。
【０００９】
上記燃料電池において、前記電解質は、イオン交換膜であるようにしても良い。電解質としてイオン交換膜を使用する燃料電池は水管理の適否によって大きく性能が変動するため顕著な効果を奏する。
【００１０】
上記燃料電池において、前記閉塞軽減部は、前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方に供給される反応ガスを濾過する濾過器を含むようにしても良い。こうすれば、反応用流路や環境制御用流路に流れ込む不純物を少なくすることができるので、反応用流路や環境制御用流路から多孔質部内へ侵入する不純物の量を削減して閉塞を軽減させることができる。
【００１１】
上記燃料電池において、前記濾過器は、イオン交換処理による濾過を含む濾過処理を行うようにしても良い。こうすれば、反応ガス内にイオンとして存在する不純物も濾過することができる。さらに、燃料電池内部で発生する不純物としてのイオンをも削減することもできる。
【００１２】
上記燃料電池において、前記イオン交換処理は、陽イオン交換処理を含むようにしても良い。陽イオン不純物は陽イオン交換膜における陽イオン伝導率の低下の原因となるので、こうすれば、陽イオン交換膜への陽イオン不純物の堆積による燃料電池の性能低下をも軽減させることができる。
【００１３】
上記燃料電池において、前記反応用流路には、酸化ガスが供給されるように構成しても良い。酸化ガスが供給される反応用流路は燃料ガスが供給される流路よりも生成水の発生量が多いので、多孔質部の閉塞の軽減の効果が顕著に奏される。
【００１４】
上記燃料電池において、前記第１のセパレータには、前記燃料電池を冷却するための冷媒を流すための冷媒流路が形成されているように構成しても良い。
【００１５】
上記燃料電池において、前記環境制御用流路が前記反応用流路の上流側に接続されるように燃料電池が構成されていても良い。こうすれば、空気供給系統から加湿器を削除することができるとともに、冷却系統の負担を軽減させることができる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、イオン交換膜と、触媒層を有するとともに前記触媒層が前記イオン交換膜に接合された第１と第２の電極と、多孔質材料で形成された多孔質部を少なくとも一部に有し前記第１の電極に接して設けられた第１のセパレータと、を備える燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記多孔質部と前記第１の電極とに接する位置において少なくとも一部の反応用流路が形成されるとともに、前記多孔質部に接し前記第１の電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように構成されており、
前記燃料電池システムは、前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方から前記多孔質部内へ侵入する不純物による前記多孔質部の閉塞を軽減させるように前記反応ガス供給部を作動させる特定の作動モードを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の燃料電池システムでは、多孔質部の閉塞を軽減させるための特定の作動モードを有するので、たとえば不純物を濾過するための装置といった交換を前提とするような部品の使用を排除あるいは削減することができる。これにより、燃料電池システムの整備負担の増大を抑制しつつ多孔質部の閉塞に起因して発生するフラッディングによる燃料電池の性能低下を軽減させることができる。
【００１８】
なお、この燃料電池システムに対して上述の閉塞軽減部を装備するように構成しても良い。こうすれば、閉塞軽減部によって多孔質部の閉塞を未然に抑制するとともに、閉塞が発生しても特定の作動モードによって閉塞を軽減させることができるので、多孔質部の閉塞による燃料電池の性能劣化をより確実に抑制することができる。
【００１９】
上記燃料電池システムにおいて、前記特定の作動モードは、前記燃料電池の発電の停止時において実行されるようにしても良い。こうすれば、燃料電池の発電を阻害することなく多孔質部の閉塞を軽減させることができる。
【００２０】
上記燃料電池システムにおいて、前記特定の作動モードは、前記反応ガス供給部から前記反応用流路と前記環境制御用流路の少なくとも一方への反応ガスの供給量を、発電のために要求される供給量よりも多くするモードであるようにしても良い。こうすれば、反応ガス流路に滞留した不純物を外部に排出することができるので、多孔質部への不純物の侵入を抑制することができる。
【００２１】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記反応用流路と前記環境制御用流路のいずれか一方の下流側に流量を制御するための第１のバルブを備え、前記特定の作動モードは、前記反応ガス供給部と前記第１のバルブとを制御して、前記反応用流路と前記環境制御用流路のうち前記第１のバルブが備えられている側の流路から他方の流路に、前記多孔質部を経由して前記反応ガスを流れさせるモードであるようにしても良い。こうすれば、第１のバルブによって反応用流路と環境制御用流路の間の圧力差を制御することができるので、第１のバルブのバルブが装備されている側の流路から他方の流路に不純物をより確実に排出させることができる。
【００２２】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記環境制御用流路が前記反応用流路の上流側に直列に接続されるように構成されていても良い。この構成においては、前記燃料電池は、さらに、前記環境制御用流路と前記反応用流路との間に流量を制御するための第２のバルブを備え、
前記特定の作動モードは、前記反応ガス供給部と前記第２のバルブとを制御して、前記反応ガスを前記多孔質部を経由して前記環境制御用流路から前記反応用流路へ流れさせるモードであるようにしても良い。
【００２３】
このように、燃料電池の発電時における多孔質部の排水の方向と反対の方向に反応ガスを流すようにすれば、不純物を多孔質部から効果的に排出することができる。なお、バルブは、広くシャットオフバルブや流量制御バルブといったものを含み、多孔質部において逆流を生じさせるように流量や上流と下流の圧力差を制御できるものであればよい。
【００２４】
上記燃料電池システムにおいて、さらに前記反応用流路の圧力と前記環境制御用流路の圧力の差を計測する圧力差計測部を備えるとともに、前記反応ガスが所定量供給される場合において前記計測された圧力の差が第１の閾値よりも大きい場合にのみ前記特定の作動モードを起動するようにしても良いし、
あるいは、前記燃料電池システムは、前記特定の作動モードは、前記反応ガスが所定量供給される場合において前記計測された圧力の差が第２の閾値よりも小さくなると自動的に停止するモードであるようにしても良いし、上記の条件で起動と停止を行うように構成しても良い。なお、第１の閾値は、第２の閾値と同一であっても良い。
【００２５】
こうすれば、多孔質部がある程度閉塞した場合にのみ環境制御用流路に対して閉塞軽減のための加圧が行われることになるので、不必要な加圧による燃料電池の破損（特に疲労破損）を抑制することができる。さらに、運転に要するエネルギーを削減することもできる。
【００２６】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、さらに前記反応用流路の圧力と前記環境制御用流路の圧力の差を計測する圧力差計測部を備え、
前記特定の作動モードは、前記計測された圧力の差が第３の閾値を超えないように、前記第２のバルブと前記反応ガス供給部とを作動させるモードであるようにしても良い。
【００２７】
こうすれば、環境制御用流路の過度の加圧を防止することができるので、過度の加圧による燃料電池の破損を抑制することができる。
【００２８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、たとえば、燃料電池制御装置、ハイブリッド電源システムおよびその制御装置や制御方法、それらのシステムを備える移動体（たとえば燃料電池自動車）およびその制御方法、それらのシステムまたは方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、および電力供給方法等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．本発明の実施例における多孔質部の浄化処理：
Ｃ．変形例：
【００３０】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、第１実施例における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料電池に水素ガスを供給するための水素ガス供給系統と、燃料電池に空気を供給するための空気供給系統と、燃料電池に冷却液を供給するための冷却液供給系統と、これらを制御するコントローラ６００と、を備えている。
【００３１】
燃料電池１００は、積層された複数のセル（後述する）と、燃料電池外部配管４３４と、シャットオフバルブ４３６とを有する固体高分子型燃料電池である。積層された複数のセルには、水素ガス供給系統、空気供給系統、および冷却液供給系統から各セルの内部流路に流体を供給するための３つの導入路３３０ｉｎ、４３２ｉｎ、５３０ｉｎおよび３つの導出路３３０ｏｕｔ、４３０ｏｕｔ、５３０ｏｕｔと、燃料電池外部配管４３４に接続された導入路４３０ｉｎと導出路４３２ｏｕｔと、が連通する孔として形成されている。なお、シャットオフバルブ４３６は、本実施例では、特許請求の範囲における「第２のバルブ」に相当する。
【００３２】
水素供給系統は、水素タンク３０２と、減圧弁３０４と、流量制御弁３０６と、を備えている。水素タンク３０２は、水素ガスを高圧で貯蔵している。減圧弁３０４は、高圧で貯蔵された水素を所定の圧力に減圧する。流量制御弁３０６は、減圧された水素ガスの流量を調整する。
【００３３】
水素供給系統は、圧力と流量が調整された水素ガスを水素ガス供給管３１０を介して燃料電池１００の水素ガス導入路３３０ｉｎに供給する。水素ガス導入路３３０ｉｎから導入された水素ガスは、水素ガス流路３３０において電気化学反応に利用された後に水素ガス導出路３３０ｏｕｔから導出される。水素ガス導出路３３０ｏｕｔから導出されたガスは、遮断弁３９２と水素ガス排出管３９０とを経由して外部に排出される。
【００３４】
空気供給系統は、空気を吸入する空気ブロワ４０２と、燃料電池１００に空気を供給する空気供給管４１０と、燃料電池１００から反応済み空気を排出する空気排出管４９０とを備えている。
【００３５】
空気供給系統は、空気供給管４１０を介して燃料電池１００の環境制御用空気導入路４３２ｉｎに空気を供給する。環境制御用空気導入路４３２ｉｎから導入された空気は、環境制御用空気流路４３２において加湿された後に連通する環境制御用空気導出路４３２ｏｕｔから導出される。加湿の方法については後述する。なお、環境制御用空気流路４３２には、圧力計６２０が接続されている。
【００３６】
環境制御用空気導出路４３２ｏｕｔから導出された空気は、燃料電池外部配管４３４を経由して連通する反応用空気導入路４３０ｉｎに供給される。燃料電池外部配管４３４は、反応用空気導入路４３０ｉｎに供給される空気の流れを制御するためのシャットオフバルブ４３６を備えている。
【００３７】
反応用空気導入路４３０ｉｎから導入された空気は、反応用空気流路４３０において電気化学反応に利用された後に反応用空気導出路４３０ｏｕｔから導出される。反応用空気導出路４３０ｏｕｔから導出された反応済み空気は、空気排出管４９０を経由して外部に排出される。なお、反応用空気流路４３０には、圧力計６１０が接続されている。
【００３８】
冷却液供給系統は、循環ポンプ５０２と、熱交換器５０４と、冷却液供給管５１０とを備えている。循環ポンプ５０２は、熱交換器５０４で冷却された冷却液を燃料電池１００の内部に形成された冷却液流路５３０に供給するとともに、燃料電池１００から排出された冷却液を熱交換器５０４に供給する。この循環は、冷却液供給管５１０を介して行われる。
【００３９】
各セルには、上述のように、水素ガスが流れる水素ガス流路３３０と、冷却液が流れる冷却液流路５３０と、空気が流れる空気流路と、が設けられている。この空気流路は、環境制御用空気流路４３２、燃料電池外部配管４３４、シャットオフバルブ４３６、および反応用空気流路４３０を備えている。なお、空気流路については後に詳述する。
【００４０】
図２は、燃料電池１００のセル１１０の構成を示す分解斜視図である。セル１１０は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）１２０と、２つのセパレータ１３０、１４０と、を備えている。ＭＥＡ１２０は、２つのセパレータ１３０、１４０によって挟まれている。セル１１０は、燃料電池１００の内部で積層されている。
【００４１】
ＭＥＡ１２０は、電解質膜１２２と、水素極１２６と、酸素極１２４と、を有している。電解質膜１２２は、２つの電極１２４、１２６によって挟まれている。２つの電極１２４、１２６は、水素ガスや空気中の酸素を拡散させるためのガス拡散層を備えている。
【００４２】
水素極側セパレータ１３０と酸素極側セパレータ１４０とには、水素ガス導入路３３０ｉｎと、水素ガス導出路３３０ｏｕｔと、環境制御用空気導入路４３２ｉｎと、環境制御用空気導出路４３２ｏｕｔと、反応用空気導入路４３０ｉｎと、反応用空気導出路４３０ｏｕｔと、冷却液導入路５３０ｉｎと、冷却液導出路５３０ｏｕｔと、が形成されている。これらの導入路３３０ｉｎ、４３０ｉｎ、４３２ｉｎ、５３０ｉｎと導出路３３０ｏｕｔ、４３０ｏｕｔ、４３２ｏｕｔ、５３０ｏｕｔは、複数のセル１１０が積層された場合に連通するような位置と大きさに形成されている。
【００４３】
水素極側セパレータ１３０と酸素極側セパレータ１４０とには、さらに、環境制御用空気流路４３２、反応用空気流路４３０、および水素ガス流路３３０が形成されている。これらの流路４３２、４３０、３３０は、さらに流体が流れる方向に平行に形成された複数の流路として形成されている。複数の流路として形成しているのは、水素極１２６、酸素極１２４、および後述する多孔質部上でより均一に流体を流すためである。
【００４４】
図３は、酸素極側セパレータ１４０に形成された各流路内を空気が流れる様子を示す説明図である。図３（ａ）は、酸素極側セパレータ１４０をＳ１方向（図２）から見た図である。図３（ｂ）は、酸素極側セパレータ１４０をＳ２方向から見た図である。図３中の点線で囲まれた部分Ｐは、空気や水を透過させることができるように酸素極側セパレータ１４０の他の部分に比較して多孔質な材料で構成されている。本明細書では、この部分を多孔質部Ｐと呼び、他の部分を緻密部と呼ぶ。
【００４５】
外部から供給された空気は、酸素極側セパレータ１４０に形成された各流路内において以下のように流れる。空気は、環境制御用空気導入路４３２ｉｎから導入され、多孔質部Ｐに接する位置に形成された環境制御用空気流路４３２（図３（ａ））を流れる。環境制御用空気流路４３２を通過した空気は、環境制御用空気導出路４３２ｏｕｔから導出される。
【００４６】
環境制御用空気導出路４３２ｏｕｔから導出された空気は、燃料電池外部配管４３４を経由して反応用空気導入路４３０ｉｎに供給される。反応用空気導入路４３０ｉｎに供給された空気は、反応用空気流路４３０（図３（ｂ））を流れて電気化学反応に供される。電気化学反応に供された反応済み空気は、反応用空気導出路４３０ｏｕｔを介してセル１１０から排出される。
【００４７】
図４は、多孔質部Ｐを経由して反応生成水が移動する様子を示す説明図である。この説明図は、２枚積層されたセル１１０のスタックを横方向から見た図である。図４から分かるように、多孔質部Ｐは、反応用空気流路４３０と環境制御用空気流路４３２との間に配置されている。
【００４８】
反応用空気流路４３０は、酸素極１２４のガス拡散層と多孔質部Ｐとに接する位置に形成されている。環境制御用空気流路４３２は、多孔質部Ｐに接するとともに酸素極１２４のガス拡散層に接しない位置に形成されている。
【００４９】
酸素極１２４のガス拡散層からは、ＭＥＡで生成された反応生成水が排出されている。この反応生成水は、多孔質部Ｐに吸収されるとともに、環境制御用空気流路４３２側に排出される。環境制御用空気流路４３２側に排出された反応生成水は、環境制御用空気流路４３２を通過する空気中で気化する。この気化によって、環境制御用空気流路４３２を通過する空気が加湿されるとともに、酸素極側セパレータ１４０が冷却されることになる。
【００５０】
このように、本構成は、空気供給系統から加湿器を削除することができるという利点を有する。さらに、多孔質部Ｐで発生する生成水の気化潜熱によって酸素極側セパレータ１４０の冷却も行われるので、冷却系統の負担を軽減させることができるという利点も有する。
【００５１】
しかしながら、空気供給系統から供給される空気に不純物が含まれている場合には、多孔質部Ｐに反応生成水とともに吸収される不純物が蓄積されて多孔質部Ｐが閉塞を起こす可能性がある。本実施例は、この問題を以下のようにして解決することができる。
【００５２】
Ｂ．本発明の実施例における多孔質部の浄化処理：
図５は、本発明の実施例における不純物排出処理の流れを示すフローチャートである。不純物排出処理は、燃料電池の発電停止に応じて処理が開始される（ステップＳ１１０）。燃料電池の発電停止後に処理を開始するのは、不純物の排出によって燃料電池１００の発電に影響を与えないようにするためである。なお、燃料電池の発電停止に伴い、空気と水素ガスの燃料電池１００への供給が停止されている。
【００５３】
ステップＳ１２０では、コントローラ６００は、２つの圧力計６１０、６２０（図１）による圧力の計測を開始する。圧力計６１０と圧力計６２０とは、それぞれ反応用空気流路４３０内の圧力と環境制御用空気流路４３２の圧力とを計測する。
【００５４】
ステップＳ１３０では、コントローラ６００は、シャットオフバルブ４３６を閉鎖する。これにより、燃料電池外部配管４３４における空気の流れが遮断されるので、環境制御用空気流路４３２に供給された空気は、必ず多孔質部Ｐを経由して反応用空気流路４３０に流れることになる。
【００５５】
ステップＳ１４０では、コントローラ６００は、環境制御用空気流路４３２への空気の供給を再開する。これにより、環境制御用空気流路４３２から反応用空気流路４３０への多孔質部Ｐを経由した空気の流れが形成される。この流れは、燃料電池１００による発電中の流体の流れとは逆向きの流れ、すなわち逆流となっている。空気の供給は、空気流量が所定の目標値に近づくように制御される。
【００５６】
図６は、本発明の実施例において多孔質部Ｐに蓄積した不純物が排出される様子を示す説明図である。図４および図６から分かるように、不純物の排出は、このようにして多孔質部Ｐに形成された逆流によって実現される。この際、コントローラ６００は、環境制御用空気流路４３２の圧力が過大となって燃料電池１００を破損しないように空気供給量を制御する。具体的には、環境制御用空気流路４３２内部の圧力が所定の閾値（破損防止用閾値）を超えないように空気供給量が制御される。
【００５７】
このように、空気の供給は、環境制御用空気流路４３２内部の圧力が破損防止用閾値を超えない範囲において、空気流量が所定の目標値に近づくように制御されることになる。なお、破損防止用閾値は、特許請求の範囲における「第３の閾値」に相当する。
【００５８】
多孔質部Ｐから排出された不純物は、反応用空気導出路４３０ｏｕｔを介して空気とともにセル１１０から排出される。この排出処理は、空気流量が所定の目標値に十分に近い状態において、反応用空気流路４３０内の圧力と環境制御用空気流路４３２の圧力との間の差が所定の閾値（停止判定用閾値）未満となるまで行われる（ステップＳ１５０）。
【００５９】
所定の閾値は、本実施例では、不純物の排出によって多孔質部Ｐの閉塞が十分に解消されたと決定できるような値に決定されている。なお、停止判定用閾値は、特許請求の範囲における「第２の閾値」に相当する。
【００６０】
ステップＳ１６０では、コントローラ６００は、燃料電池システム１０を停止する。これにより、燃料電池システム１０は、不純物が多孔質部Ｐから排出された状態で停止することになるので、燃料電池システム１０停止中における不純物の多孔質部Ｐへの固着を抑制することができる。
【００６１】
このように、本実施例では、多孔質部Ｐを用いて反応用空気流路４３０からの排水を行う燃料電池１００において、多孔質部Ｐから不純物を排出させることができるので多孔質部Ｐの閉塞を軽減させることができる。
【００６２】
なお、多孔質部Ｐに閉塞が生じていない場合には、上記圧力差が停止判定用閾値に達することなく空気流量が所定の目標値に近づいて、燃料電池システム１０が停止されることになる。
【００６３】
また、たとえば空気流量が所定の目標値に近づいても、上記圧力差が停止判定用閾値よりも大きな閾値（起動判定用閾値）に達しなければ燃料電池システム１０が直ちに停止されるように構成しても良い。こうすれば、多孔質部がある程度閉塞していなければ環境制御用流路の加圧が停止されることになるので、加圧を伴う作動の回数を削減して加圧による燃料電池の破損（特に疲労破損）を抑制することができる。さらに、運転に要するエネルギーを削減することもできる。
【００６４】
なお、この場合には、起動判定用閾値が特許請求の範囲における「第１の閾値」に相当し、上記圧力差が起動判定用閾値に達して加圧が継続されることが特許請求の範囲における「特定の作動モードの起動」に相当する。
【００６５】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００６６】
Ｃ−１．上記実施例では、環境制御用流路が反応用流路の下流部に配置されているとともに反応用流路の下流部には冷媒流路が配置されているが、反応用流路の全面に環境制御用流路が配置されるように構成しても良い。
【００６７】
Ｃ−２．上記実施例では、反応用流路の上流に装備されたシャットオフバルブを閉じて多孔質部で反応ガスを環境制御用流路から反応用流路に流すことによって閉塞を解消しているが、シャットオフバルブを装備することなく、反応ガスの供給量を増大させるだけでも閉塞の軽減を簡易に実現することができる。こうすれば、反応ガス流路に滞留した不純物を外部に排出することができるので、多孔質部への不純物の侵入を抑制することができるからである。ただし、上記実施例は、より顕著な効果を奏することができるという利点がある。
【００６８】
さらに、反応用流路と環境制御用流路のいずれか一方の下流側に流量を制御するためのバルブを備えるように燃料電池を構成し、反応ガス供給部とバルブとを制御して、反応用流路と環境制御用流路のうちバルブが備えられている側の流路から他方の流路に、多孔質部を経由して反応ガスを流れさせるようにしても良い。
【００６９】
Ｃ−３．上記実施例では、反応用流路が環境制御用流路の下流側に直列に接続されているが、反応用流路と環境制御用流路とを接続せずに独立して加湿空気が供給されるように構成しても良い。
【００７０】
具体的には、たとえば図示しない加湿器が反応用流路に加湿空気を供給するとともに、加湿しない空気を環境制御用流路に供給するように構成しても良い。このように、反応用流路と環境制御用流路とを接続せずに独立して空気を供給する構成には、きめ細かな制御を実現することができるという利点がある。反応用流路と環境制御用流路に供給される空気の湿度と流量とを独立して制御することができるからである。独立して空気を供給する構成には、さらに、環境制御用流路から反応用流路に流すだけでなく反応用流路から環境制御用流路に反応ガスを流すことによって閉塞を解消させることもできるという利点もある。
【００７１】
一方、上記実施例の構成は、前述のように空気供給系統から加湿器を削除することができるとともに、冷却系統の負担を軽減させることができるという利点を有する。
【００７２】
Ｃ−４．上記実施例では、セパレータが溝を有することによって反応用流路と環境制御用流路とが形成されているが、たとえば電極側に溝を設けて反応用流路と環境制御用流路とを形成するように構成しても良い。本発明では、セパレータに溝を形成する方法に電極に限らず、多孔質部と電極とに接する位置に反応用流路が形成され、多孔質部に接し電極に接しない位置に環境制御用流路が形成されるように燃料電池が構成されていれば良い。
【００７３】
Ｃ−５．上記実施例では、反応用流路と環境制御用流路とを酸素極側に有するように燃料電池が構成されているが、水素極側に有するように燃料電池を構成するようにしても良い。ただし、酸素極において過剰な水が発生し易いため、反応用流路と環境制御用流路とを酸素極側に有するような構成において、本発明は顕著な効果を奏することができる。
【００７４】
Ｃ−６．上記実施例では、燃料電池システムが有する特定の作動モードによって多孔質部の洗浄が行われているが、たとえば第１変形例に開示される燃料電池システム１０ａのように反応用流路に供給される反応ガスを濾過するための濾過器４３９を燃料電池に装備するようにしても良いし、組み合わせても良い。こうすれば、反応用流路に流れ込む不純物を少なくすることができるので、反応用流路から多孔質部内へ侵入する不純物の量を削減して閉塞を軽減させることができる。
【００７５】
ここで、濾過器４３９が環境制御用流路４３２の下流側に装備されているのは、セパレータ内部で発生するカーボン粉や金属粉、繊維くずといった不純物をも濾過するためであるが、環境制御用流路４３２の上流側に装備するようにしても良い。このように、濾過器４３９は、反応用流路に供給される反応ガスを濾過できる位置に装備されていればよい。
【００７６】
なお、濾過器は、たとえば第２変形例に開示される燃料電池システム１０ｂのようにイオン交換処理を行う濾過器４３１をも用いて濾過処理を行うようにしても良い。こうすれば、反応ガス内にイオンとして存在する不純物をも濾過することができるからである。さらに、燃料電池内部で発生する不純物としてのイオンをも削減することもできるという利点もある。
【００７７】
また、イオン交換処理は、特に陽イオン交換処理を含むようにすることが好ましい。陽イオン不純物は陽イオン交換膜における陽イオン伝導率の低下の原因となるので、こうすれば、陽イオン交換膜への陽イオン不純物の堆積による燃料電池の性能低下をも軽減させることができるという利点もあるからである。
【００７８】
さらに、たとえば多孔質部に蓄積した不純物を溶解あるいは中和する流体を供給するように構成された物であっても良い。一般に、本発明の燃料電池は、反応用流路から多孔質部内へ侵入する不純物による多孔質部の閉塞を軽減させる閉塞軽減部を備えるように構成されていれば良い。
【００７９】
Ｃ−７．上記実施例では、ＭＥＡはイオン交換膜として陽イオン交換膜（プロトン交換膜）を使用しているが、本発明は、イオン交換膜を使用する燃料電池に広く適用可能であり、顕著な効果を奏する。イオン交換膜には、たとえば炭化水素系イオン交換膜やフッ素系イオン交換膜がある。また、本発明は、イオン交換膜を使用する燃料電池に限られず、他の電解質を使用する燃料電離に広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】燃料電池１００のセルの構成を示す分解斜視図。
【図３】セパレータに形成された流路内を反応ガスや冷却液が流れる様子を示す説明図。
【図４】多孔質部Ｐを経由して生成水が移動する様子を示す説明図。
【図５】本実施例において多孔質部Ｐに蓄積した不純物が排出される様子を示す説明図
【図６】本発明の実施例において多孔質部Ｐに蓄積した不純物が排出される様子を示す説明図。
【図７】本発明の第１変形実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図８】本発明の第２変形実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００８１】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…セル
１２０…ＭＥＡ
１２２…電解質膜
１２４…酸素極
１２６…水素極
１３０…水素極側セパレータ
１４０…酸素極側セパレータ
３０２…水素タンク
３０４…減圧弁
３０６…流量制御弁
３１０…水素ガス供給管
３３０…水素ガス流路
３３０ｉｎ…水素ガス導入路
３３０ｏｕｔ…水素ガス導出路
３９０…水素ガス排出管
３９２…遮断弁
４０２…空気ブロワ
４１０…空気供給管
４３０…反応用空気流路
４３０ｉｎ…反応用空気導入路
４３０ｏｕｔ…反応用空気導出路
４３２…環境制御用空気流路
４３２ｉｎ…環境制御用空気導入路
４３２ｏｕｔ…環境制御用空気導出路
４３４…燃料電池外部配管
４３６…シャットオフバルブ
４９０…空気排出管
５０２…循環ポンプ
５０４…熱交換器
５１０…冷却液供給管
５３０…冷却液流路
５３０ｉｎ…冷却液導入路
５３０ｏｕｔ…冷却液導出路
６００…コントローラ
６１０、６２０…圧力計
【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】
2005203118.tif 000007
【図６】
2005203118.tif 000008
【図７】
2005203118.tif 000009
【図８】
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