(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおける水素ガス流路の最下流側のセルモジュールを分離し、該セルモジュールのみを駆動して振動、傾動等の動作を行わせるようにして、前記セルモジュールを駆動する駆動手段を小型化及び少数化し、かつ、駆動手段の動作制御を簡略化しても、フラッディングを迅速かつ確実に解消することができるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有し、該セルモジュールが導電可能に、かつ、燃料ガス流路が連続するように相互に接続されている燃料電池装置であって、前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備える。【選択図】図１
2007227278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有し、該セルモジュールが導電可能に、かつ、燃料ガス流路が連続するように相互に接続されている燃料電池装置であって、
前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、
前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記本体部のセルモジュールは、燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続されている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記駆動手段によって振動又は傾動する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記分離部はセルモジュールを両側から挟み込む二つのエンドプレートを備え、
前記駆動手段はいずれか一方のエンドプレートを駆動する請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記本体部の燃料ガス流路と分離部の燃料ガス流路とを連結する燃料ガス流路連結管と、
水分排出用電磁弁を備え、前記燃料ガス流路連結管に接続された水分排出管とを有し、
前記水分排出用電磁弁は、前記駆動手段が前記分離部を駆動する場合に開いて、前記本体部の燃料ガス流路に溜まった水分を前記水分排出管から排出させる請求項１に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を二枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持する必要があるので、酸素極側に水を供給するようになっている。酸素極側に供給された水分は、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動し、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動する。
【０００５】
ところで、逆拡散水の量が多くなると、燃料極側において水素ガス流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまう現象であるフラッディングが発生し、燃料電池の性能が低下してしまうことが知られている。そこで、フラッディングが発生すると、燃料電池スタック全体を振動させたり傾斜させたりして、前記流路から水分を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この場合、燃料電池スタックの両側に配設されたエンドプレートの下縁と燃料電池スタックを支持する支持台との間に介在するマウント部材をスプリングにするとともに、燃料電池スタックに振動付与手段、傾斜付与手段等の駆動手段を取り付け、フラッディングの発生が検出されると、前記駆動手段を作動させて燃料電池スタック全体を振動させたり傾斜させたりするようになっている。なお、マウント部材自体を駆動手段で構成することも提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２０８４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池スタック全体を振動させたり傾斜させたりするようになっているので、振動、傾動等の動作を行わせるための駆動手段が強い力を発生する必要があり、駆動手段が大型化してしまう。また、燃料電池スタック内における水素ガスの供給方式が、いわゆるシリーズ方式であって、燃料電池スタックを構成する複数のセルモジュール内を順次流通する方式である場合、水素ガス流路が蛇行状となるので、該流路の出口に向けて水分を移動させるためには、振動方向や傾斜方向を前記流路内における水分の移動状態に対応させて変化させる必要があり、駆動手段の動作制御が複雑で難しいものとなってしまう。
【０００８】
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池スタックにおける水素ガス流路の最下流側のセルモジュールを分離し、該セルモジュールのみを駆動して振動、傾動等の動作を行わせるようにして、前記セルモジュールを駆動する駆動手段を小型化及び少数化し、かつ、駆動手段の動作制御を簡略化しても、フラッディングを迅速かつ確実に解消することができる燃料電池装置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】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有し、該セルモジュールが導電可能に、かつ、燃料ガス流路が連続するように相互に接続されている燃料電池装置であって、前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備える。
【００１０】
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部のセルモジュールは、燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続されている。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記駆動手段によって振動又は傾動する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部はセルモジュールを両側から挟み込む二つのエンドプレートを備え、前記駆動手段はいずれか一方のエンドプレートを駆動する。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部の燃料ガス流路と分離部の燃料ガス流路とを連結する燃料ガス流路連結管と、水分排出用電磁弁を備え、前記燃料ガス流路連結管に接続された水分排出管とを有し、前記水分排出用電磁弁は、前記駆動手段が前記分離部を駆動する場合に開いて、前記本体部の燃料ガス流路に溜（た）まった水分を前記水分排出管から排出させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池装置においては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されているセルモジュールを複数有し、該セルモジュールが導電可能に、かつ、燃料ガス流路が連続するように相互に接続されている燃料電池装置であって、前記燃料ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュールを含む分離部と、該分離部と分離して他のセルモジュールを含む本体部とを有し、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記分離部を駆動する駆動手段を備える。
【００１５】
この場合、燃料電池スタック全体を駆動する必要がなく、分離部のみを駆動すればよいので、駆動手段を小型化することができ、かつ、駆動手段の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。また、前記分離部における燃料ガス流路に溜まった水分を迅速に排出することができ、フラッディングが短時間で解消されるので、駆動手段の作動時間を短くすることができる。
【００１６】
他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部のセルモジュールは、燃料ガス流路がセルモジュール毎に折り返すように相互に接続されている。
【００１７】
この場合、本体部を駆動する必要がないので、駆動手段の動作のモードをシンプルにすることができ、前記駆動手段の構成を簡素化することができるとともに、前記駆動手段の動作制御も簡略化することができる。
【００１８】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部は、フラッディングが発生した場合に前記駆動手段によって振動又は傾動する。
【００１９】
この場合、前記分離部のセルモジュール内における燃料ガス流路に溜まった水分を迅速かつ確実に排出することができる。
【００２０】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記分離部はセルモジュールを両側から挟み込む二つのエンドプレートを備え、前記駆動手段はいずれか一方のエンドプレートを駆動する。
【００２１】
この場合、駆動手段の数を少なくすることができ、駆動手段の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。
【００２２】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記本体部の燃料ガス流路と分離部の燃料ガス流路とを連結する燃料ガス流路連結管と、水分排出用電磁弁を備え、前記燃料ガス流路連結管に接続された水分排出管とを有し、前記水分排出用電磁弁は、前記駆動手段が前記分離部を駆動する場合に開いて、前記本体部の燃料ガス流路に溜まった水分を前記水分排出管から排出させる。
【００２３】
この場合、分離部のセルモジュールにおけるフラッディングの発生頻度を抑制することができるので、駆動手段の作動時間の総計を短くすることができ、駆動手段の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図２は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００２６】
図において、１１は燃料電池（ＦＣ）装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と後述される蓄電手段としてのキャパシタユニット６３とを併用して使用することが望ましい。
【００２７】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００２８】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００２９】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、後述される複数のセルモジュール７２を有する。該セルモジュール７２は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュール７２は、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
【００３０】
この場合、セルモジュール７２は、導電可能に、かつ、燃料ガス流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。そして、前記燃料電池スタック１１は、水素ガス流路の最下流側のセルモジュール７２を分離した部分である分離部１１ｂと、該分離部１１ｂと分離して他のセルモジュール７２を含む本体部１１ａとから成る。なお、前記分離部１１ｂに含まれるセルモジュール７２は、燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側の一つ以上のセルモジュール７２であり、その数は任意に設定することができる。ここでは、説明の都合上、前記分離部１１ｂに含まれるセルモジュール７２が燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側の単一のセルモジュール７２である場合についてのみ説明する。
【００３１】
そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の一側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極及び燃料極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流が透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、水素ガスが透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。
【００３２】
前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、セパレータの燃料極側に形成された水素ガス流路としての燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
【００３３】
図には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段２１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００３４】
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段２１から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２２、及び、該第１燃料供給管路２２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２２には、燃料貯蔵手段元開閉弁２３、第１圧力センサ２７ａ、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２圧力センサ２７ｂ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６及び第３圧力センサ２７ｃが配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段２１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【００３５】
そして、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック１１外に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク３５が配設されている。なお、該水回収ドレインタンク３５には、レベルゲージ（水位計）３５ａが取り付けられている。そして、前記水回収ドレインタンク３５には水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。さらに、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク３５と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。
【００３６】
また、前記水回収ドレインタンク３５には、起動用燃料排出管路３８が接続され、該起動用燃料排出管路３８には水素起動排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路３８の出口端は排気マニホールド１３に接続されている。また、起動用燃料排出管路３８に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
【００３７】
ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００３８】
また、前記燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２３は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００３９】
一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ５３を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン５１に吸引され、該空気供給ファン５１から、空気供給管路５２及び吸気マニホールド１２を通って、燃料電池スタック１１の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン５１は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ５３は、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド１３、凝縮器１４、出口側排気マニホールド５４及び排気口５５を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド１３には燃料電池スタック１１から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器５６が配設され、出口側排気マニホールド５４には凝縮器１４から排出された直後の空気の温度を検出する凝縮器排気温度検出器５７が配設されている。
【００４０】
また、前記空気供給管路５２には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル４７が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド１３の端部に配設された凝縮器１４は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器１４によって凝縮された水は凝縮水排出管路４１を通って水タンク４３に回収される。なお、前記凝縮水排出管路４１には排水ポンプ４２が配設され、前記水タンク４３にはレベルゲージ４３ａが取り付けられている。
【００４１】
そして、前記水タンク４３内の水は、給水管路４６を通って水供給ノズル４７に供給される。なお、前記給水管路４６には、給水ポンプ４４及び水フィルタ４５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ４２及び給水ポンプ４４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ４５は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路４１、排水ポンプ４２、水タンク４３、給水ポンプ４４、水フィルタ４５及び給水管路４６は、水循環システムとして機能する。
【００４２】
さらに、燃料電池スタック１１の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置６１、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット６３が並列に接続されている。該キャパシタユニット６３は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００４３】
また、インバータ装置６１は、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３が並列に接続されて、前記インバータ装置６１に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック１１が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６１に電流が自動的に供給される。
【００４４】
なお、６２は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を備えるＩＧＢＴユニットであり、キャパシタユニット６３の充電を制御する制御回路である。
【００４５】
そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット６３に供給され、該キャパシタユニット６３が再充電される。さらに、前記回生電流がキャパシタユニット６３に供給されない場合であっても、該キャパシタユニット６３が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック１１が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット６３に供給される。
【００４６】
このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット６３が常時充電され、前記燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６１に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
【００４７】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１の本体部１１ａにおける水素ガス流路と分離部１１ｂにおける水素ガス流路とは、燃料ガス流路連結管７５によって連結されている。また、該燃料ガス流路連結管７５には、本体部１１ａの各単位セルにおいて逆拡散水として燃料室にまで浸透した水分を排出するための水分排出管７６の一端が接続されている。なお、該水分排出管７６の他端は燃料排出管路３１に接続されている。そして、前記水分排出管７６には、水分排出用電磁弁７７が配設され、必要に応じて水分排出管７６を開閉し、本体部１１ａにおける水素ガス流路に溜まった水分を燃料ガス流路連結管７５及び水分排出管７６を通して排出し、分離部１１ｂをバイパスして、燃料排出管路３１に直接流入させることができるようになっている。
【００４８】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン５１、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ４２、給水ポンプ４４、水分排出用電磁弁７７等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【００４９】
次に、前記燃料電池スタック１１の構成を詳細に説明する。
【００５０】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。なお、図１（ａ）は燃料電池スタックの上面図、図１（ｂ）は燃料電池スタックの側面図である。
【００５１】
図１に示される例において、燃料電池スタック１１は合計十のセルモジュール７２を有し、本体部１１ａは九つのセルモジュール７２を含み、分離部１１ｂは燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側の一つのセルモジュール７２を含んでいる。なお、前述のように分離部１１ｂが含むセルモジュール７２の数は任意に設定することができ、例えば、本体部１１ａが八つ以下のセルモジュール７２を含み、分離部１１ｂが燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側の連続する二つ以上のセルモジュール７２を含むようにすることもできる。さらに、燃料電池スタック１１が全体として有するセルモジュール７２の数も、十に限定されるものではなく、任意に変更することができる。なお、ここでは説明の都合上、図１に示されるように、本体部１１ａが九つのセルモジュール７２を含み、分離部１１ｂが燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側の一つのセルモジュール７２を含む場合についてのみ説明する。
【００５２】
ここで、本体部１１ａは、水素ガスの入口側（図における左側）及び出口側（図における右側）に配設されたエンドプレート７１ａ及び集電板７８ａを有する。そして、本体部１１ａにおけるセルモジュール７２は、水素ガスの入口側と出口側から、集電板７８ａを介して、エンドプレート７１ａによって挟み込まれた状態になっている。なお、水素ガスの入口側及び出口側のエンドプレート７１ａは、図示されない締め付け用シャフトによって、セルモジュール７２を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。そして、水素ガスの入口側に最も近いセルモジュール７２は水素ガスの入口側の集電板７８ａに電気的に接続され、水素ガスの出口側に最も近いセルモジュール７２は水素ガスの出口側の集電板７８ａに電気的に接続されている。また、各セルモジュール７２同士は電気伝導性が良好である。なお、エンドプレート７１ａと集電板７８ａとを電気的に絶縁する必要がある場合には、エンドプレート７１ａと集電板７８ａとの間に絶縁板を介在させることもできる。
【００５３】
同様に、分離部１１ｂは、水素ガスの入口側（図における左側）及び出口側（図における右側）に配設されたエンドプレート７１ｂ及び集電板７８ｂを有する。そして、分離部１１ｂにおけるセルモジュール７２は、水素ガスの入口側と出口側から、集電板７８ｂを介して、エンドプレート７１ｂによって挟み込まれた状態になっている。なお、水素ガスの入口側及び出口側のエンドプレート７１ｂは、図示されない締め付け用シャフトによって、セルモジュール７２を締め付ける力が付与された状態で、相互に接続されている。そして、セルモジュール７２は水素ガスの入口側及び出口側の集電板７８ｂに電気的に接続され、さらに、水素ガスの入口側の集電板７８ｂは、図示されない導電線等によって、本体部１１ａにおける水素ガスの出口側の集電板７８ａに電気的に接続されている。なお、エンドプレート７１ｂと集電板７８ｂとを電気的に絶縁する必要がある場合には、エンドプレート７１ｂと集電板７８ｂとの間に絶縁板を介在させることもできる。
【００５４】
そして、本体部１１ａにおける水素ガスの入口側のエンドプレート７１ａには、燃料入口管７３が接続されている。該燃料入口管７３におけるエンドプレート７１ａと反対側の端部が第２燃料供給管路３３の端部に接続されているので、該第２燃料供給管路３３を通って供給される水素ガスは、燃料入口管７３を介して、本体部１１ａに導入される。
【００５５】
また、分離部１１ｂにおける水素ガスの出口側のエンドプレート７１ｂには、燃料出口管７４が接続されている。該燃料出口管７４におけるエンドプレート７１ｂと反対側の端部が燃料排出管路３１の端部に接続されているので、分離部１１ｂから排出される水素ガスは、燃料出口管７４を介して燃料排出管路３１に流入し、燃料電池スタック１１外に排出される。
【００５６】
さらに、本体部１１ａにおける水素ガスの出口側のエンドプレート７１ａ及び分離部１１ｂにおける水素ガスの入口側のエンドプレート７１ｂには、燃料ガス流路連結管７５が接続されている。本体部１１ａから排出される水素ガスは、燃料ガス流路連結管７５を介して、分離部１１ｂに導入される。また、燃料ガス流路連結管７５には、水分排出管７６が接続されているが、通常の状態では、該水分排出管７６に配設された水分排出用電磁弁７７が閉じているので、本体部１１ａから排出される水素ガスが水分排出管７６を通って燃料電池スタック１１外に排出されることはない。
【００５７】
そして、図１に示される例において、燃料電池スタック１１内における水素ガスの供給方式は、いわゆるシリーズ方式であり、各セルモジュール７２内を順次流通する方式となっている。すなわち、本体部１１ａのセルモジュール７２は、水素ガス流路がセルモジュール７２毎に折り返すように相互に接続されている。そのため、水素ガス流路は、図１（ａ）において矢印で示されるように、蛇行（サーペンタイン）状となっている。なお、本体部１１ａ内における水素ガスの供給方式は、いわゆるパラレル方式とすることもできる。該パラレル方式の場合、水素ガスは、本体部１１ａ内における各セルモジュール７２内を同一の方向へ（図１（ａ）における上から下へ）平行に流通する。なお、ここでは、説明の都合上、図１（ａ）に示されるように、水素ガスの供給方式がシリーズ方式である場合についてのみ説明する。
【００５８】
本実施の形態において、本体部１１ａは、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート７１ａの下端に取り付けられた固定手段としてのマウント部材８１を介して、車両のフレーム等の図示されない支持部材に固定的に取り付けられている。前記マウント部材８１は、例えば、金属、樹脂等から成るスペーサ部材であるが、いかなる種類の部材であってもよい。
【００５９】
また、分離部１１ｂは、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２を介して、前記支持部材に取り付けられている。前記駆動手段８２は、分離部１１ｂを駆動して振動、傾動等の動作を行わせるための装置であり、例えば、油圧シリンダ、空圧シリンダ、電動モータ、リニアモータ、圧電素子、形状記憶合金等の駆動源によって、例えば、往復動、偏心回転運動等の動作を行うアクチュエータであるが、いかなる種類の装置であってもよい。なお、前記駆動手段８２の動作は前記ＦＣコントロールＥＣＵによって制御される。
【００６０】
そして、分離部１１ｂを振動させる場合、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２は、例えば、周期的にエンドプレート７１ｂを上下又は左右に往復動させる。この場合、駆動手段８２の往復動の周期及びストロークを制御することによって、分離部１１ｂの振動の周期及び振幅を制御することができる。なお、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２の動作と、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２の動作とは、同期していてもよいし、同期していなくてもよい。例えば、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２の動作の位相と、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２の動作の位相とを１８０度ずらすこともできる。このようにして分離部１１ｂを振動させることによって、分離部１１ｂのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管７４から排出することができる。
【００６１】
また、分離部１１ｂを傾動させる場合、水素ガスの入口側及び出口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２は、例えば、エンドプレート７１ｂを上方又は下方に移動させる。この場合、駆動手段８２の移動方向及びストロークを制御することによって、分離部１１ｂの傾斜の向き及び傾斜角を制御することができる。なお、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２の駆動方向と、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２の駆動方向とは、互いに反対方向であることが望ましい。例えば、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート７１ｂを上方に移動させ、水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート７１ｂを下方に移動させることによって、水素ガスの出口側が低くなるように分離部１１ｂを傾動させることができる。このようにして分離部１１ｂを傾動させることによって、分離部１１ｂのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管７４から排出することができる。
【００６２】
なお、駆動手段８２を、水素ガスの入口側に配設されたエンドプレート７１ｂ又は水素ガスの出口側に配設されたエンドプレート７１ｂのいずれか一方にのみ取り付けるようにすることもできる。この場合、他方のエンドプレート７１ｂの下端がマウント部材８１と同様の固定手段を介して支持部材に固定されることになるが、前記固定手段は、他方のエンドプレート７１ｂの支持部材に対する回動をある程度許容するものである。これにより、一方のエンドプレート７１ｂの下端に取り付けられた駆動手段８２が分離部１１ｂを駆動すると、該分離部１１ｂは他方のエンドプレート７１ｂの下端を中心とした振動、傾動等の動作を行うこととなる。
【００６３】
また、燃料電池スタック１１には、単位セルの起電力、すなわち、セル電圧を測定するために図示されない電圧計が取り付けられている。前述のように、単位セルにおいては、水分が逆拡散水として燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。微細に観ると、燃料室内における水分の分布は必ずしも一様ではなく、水分の量、流速等は局所的に変化している。そのため、局所的に多量の水分が集中して、燃料室内における水素ガスの流れを阻害するフラッディングが発生することがある。そして、燃料室内においてフラッディングが発生すると、燃料極が水分に覆われて水素ガスと接触することができず、当該単位セルのセル電圧が低下する。そのため、セル電圧を測定することによって、当該単位セルにおいてフラッディングが発生したことを検出することができる。
【００６４】
なお、すべての単位セルのセル電圧を測定しようとすると、電圧計の数が多くなり、コストが高くなってしまう。そこで、フラッディングが発生し易い場所に位置する単位セルを適宜選択し、選択した単位セルのセル電圧に基づいて、燃料電池スタック１１におけるフラッディングの発生を検出することが望ましい。ところで、燃料室内の水分は水素ガスの流れとともに下流側に移動するが、燃料電池スタック１１内における水素ガスの流速は、上流では速く、下流に行くにつれて遅くなっていくので、下流ほど水素ガス流路内に水分が溜まり易く、フラッディングが発生する確率が高くなる。そのため、本実施の形態においては、燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側のセルモジュール７２、すなわち、分離部１１ｂのセルモジュール７２に含まれる単位セルのセル電圧を検出するようになっている。なお、必要に応じて、本体部１１ａのセルモジュール７２に含まれる単位セルのセル電圧を検出することもできる。
【００６５】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。
【００６６】
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、空気供給ファン５１は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。また、本実施の形態において、燃料電池スタック１１の単位セルに供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧であり、特段加圧される必要がない。そのため、前記空気供給ファン５１、空気供給管路５２、吸気マニホールド１２、排気マニホールド１３、凝縮器１４、出口側排気マニホールド５４等は、耐圧性を有する必要がないので構成を簡素化することができる。
【００６７】
そして、燃料電池スタック１１が運転を開始すると、該燃料電池スタック１１を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。
【００６８】
また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック１１に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック１１外に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク３５内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク３５内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク３５外に排出される。
【００６９】
そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給されて再利用される。
【００７０】
また、吸気マニホールド１２から送り込まれた酸化剤としての空気は、燃料電池スタック１１内の空気流路としての酸素室内を通過して、排気マニホールド１３に向けて排出される。ところで、前記空気供給管路５２には水供給ノズル４７が配設され、水がスプレーされる。前記水供給ノズル４７からスプレーされた水は、重力及び空気の流れによって、多数の酸素室内に進入する。そして、空気極を湿潤な状態に保つので、空気極と燃料極とに挟まれた固体高分子電解質膜が良好に機能する。また、燃料である水素と酸化剤である酸素が結合して水を生成する電気化学反応において、反応熱が発生するが、該反応熱は前記スプレーされた水によって吸収される。すなわち、該スプレーされた水は冷却作用も果たすものである。
【００７１】
ここで、スプレーされた水は液体の状態、すなわち、液相であり、反応熱を吸収して気化する。そのため、気化潜熱によって酸素室内の酸素極等を冷却するので、冷却効率が極めて高い。また、常圧の空気中に液相の水をスプレーするだけなので、前記水供給ノズル４７は通常のものであってよく、特別の構成を有する必要がない。なお、前記スプレーされた水は酸素室から、空気とともに排出されるので、燃料電池スタック１１から排気マニホールド１３内に排出された空気は水分を含んでいる。
【００７２】
そして、排気マニホールド１３内に排出された空気は、凝縮器１４内に導入される。ここで、前記空気は、水分を含むものであるが、凝縮器１４内を通過する間に冷却されて凝縮した水分を分離して、凝縮器１４から出口側排気マニホールド５４及び排気口５５を通って大気中に排出される。なお、凝縮器１４で分離された水は、凝縮水排出管路４１を通って水タンク４３に回収される。
【００７３】
次に、フラッディングが発生した場合の動作について説明する。
【００７４】
まず、ＦＣコントロールＥＣＵは、分離部１１ｂのセルモジュール７２に含まれる単位セルのセル電圧を検出する電圧計が検出したセル電圧の値が、あらかじめ設定された閾（しきい）値以下となったら、分離部１１ｂのセルモジュール７２にフラッディングが発生したと判断する。なお、あらかじめ設定されたセル電圧の標準値との差が所定値以上となったときに、分離部１１ｂのセルモジュール７２にフラッディングが発生したと判断するようにしてもよい。
【００７５】
そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、分離部１１ｂのセルモジュール７２にフラッディングが発生したと判断すると、駆動手段８２に分離部１１ｂを駆動させ、該分離部１１ｂに振動、傾動等の動作を行わせる。これにより、分離部１１ｂのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分は、燃料出口管７４から燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック１１外に排出され、水回収ドレインタンク３５内に導入される。
【００７６】
この場合、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、分離部１１ｂのセルモジュール７２に含まれる単位セルのセル電圧を監視し、該セル電圧の値が前記閾値以上に復帰するまで、駆動手段８２による分離部１１ｂの駆動を続けさせる。そして、前記セル電圧の値が前記閾値以上となると、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、分離部１１ｂのセルモジュール７２におけるフラッディングが解消されたと判断して、駆動手段８２による分離部１１ｂの駆動を停止させ、分離部１１ｂの振動、傾動等の動作を停止させる。
【００７７】
ところで、分離部１１ｂのセルモジュール７２にフラッディングが発生した場合には、本体部１１ａのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分の量も増加していると考えることができる。そのため、駆動手段８２を作動させるのと同じタイミングで本体部１１ａのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分を排出することによって、分離部１１ｂのセルモジュール７２における以降のフラッディングの発生を抑制することができる。
【００７８】
そこで、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、前記駆動手段８２を作動させるのと同時に、水分排出管７６に配設された水分排出用電磁弁７７を開かせるようになっている。これにより、本体部１１ａのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分は、燃料ガス流路連結管７５から排出され、水分排出管７６から燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック１１外に排出され、水回収ドレインタンク３５内に導入される。なお、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、前記駆動手段８２を停止させるのと同時に、水分排出用電磁弁７７を閉じさせる。これにより、定常運転においては、水素ガスが分離部１１ｂのセルモジュール７２をバイパスして水分排出管７６を通って前記燃料電池スタック１１外に排出されてしまうことがない。
【００７９】
このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック１１における水素ガス流路の最下流側のセルモジュール７２を分離するために、燃料電池スタック１１を本体部１１ａと分離部１１ｂとに分離し、該分離部１１ｂのみに振動、傾動等の動作を行わせて、フラッディングを解消するようになっている。そのため、燃料電池スタック１１全体に前記動作を行わせる必要がなく、分離部１１ｂのみに前記動作を行わせればよいので、駆動手段８２を小型化することができ、かつ、該駆動手段８２の作動に必要なエネルギー消費量を抑制することができる。
【００８０】
また、前記分離部１１ｂにおける水素ガス流路に溜まった水分を迅速に排出することができ、フラッディングが短時間で解消されるので、駆動手段８２の作動時間を短くすることができる。そのため、駆動手段８２の作動に必要なエネルギー消費量を更に抑制することができる。
【００８１】
さらに、分離部１１ｂのセルモジュール７２内における水素ガス流路が蛇行することなく、シンプルなので、該水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管７４に向けて移動させるための動作のモードがシンプルとなる。そのため、駆動手段８２の数を少なくして、エンドプレート７１ｂのいずれか一方にのみ駆動手段８２を取り付けるようにしても、水素ガス流路に溜まった水分を燃料出口管７４に向けて移動させ、迅速かつ確実に排出することができる。また、前記駆動手段８２の動作のモードがシンプルとなるので、前記駆動手段８２の構成を簡素化することができるとともに、ＦＣコントロールＥＣＵによる前記駆動手段８２の動作制御も簡略化することができる。
【００８２】
なお、燃料電池スタック１１を本体部１１ａと分離部１１ｂとに分離しても、燃料電池スタック１１の重量が増加することはない。これは、燃料電池スタック１１の重量において大きな割合を占めるエンドプレートとして、より薄手の板部材から成るエンドプレート７１ａ及びエンドプレート７１ｂを使用することができるので、エンドプレートの総重量は、燃料電池スタック１１を本体部１１ａと分離部１１ｂとに分離してもしなくても、ほとんど変わらないからである。
【００８３】
さらに、本体部１１ａ及び分離部１１ｂにおける水素ガス流路を連結する燃料ガス流路連結管７５に、水分排出用電磁弁７７が配設された水分排出管７６を接続して、本体部１１ａのセルモジュール７２内における水素ガス流路に溜まった水分を燃料ガス流路連結管７５から排出することができるようになっている。そのため、分離部１１ｂのセルモジュール７２におけるフラッディングの発生頻度を抑制することができる。これにより、駆動手段８２の作動時間の総計を短くすることができ、駆動手段８２の作動に必要なエネルギー消費量を更に抑制することができる。なお、必要に応じて水分排出用電磁弁７７が配設された水分排出管７６は省略することもできる。
【００８４】
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１１    燃料電池スタック
１１ａ    本体部
１１ｂ    分離部
７１ｂ    エンドプレート
７２    セルモジュール
７５    燃料ガス流路連結管
７６    水分排出管
７７    水分排出用電磁弁
８２    駆動手段
【図１】
2007227278.tif 000003
【図２】
2007227278.tif 000004