(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの運転中に、ガスの流れの方向を逆転させたり、ガス流路を切り替えてガス流量を変更した場合に、電圧低下が起こらない燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタックにおいて、第１のマニホールドと、第２のマニホールドとを備え、前記第１と第２のマニホールドはそれぞれ、開閉手段を設けたガス供給路と開閉手段を設けたガス排出路とを備えることを特徴とする。また、ガス供給路を備えた第１のマニホールド、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路を備えた第２のマニホールドおよび開閉手段を設けたガス排出路を備えた第３のマニホールドを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のマニホールドと、第２のマニホールドとを備え、前記第１と第２のマニホールドはそれぞれ、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
ガス供給路を備えた第１のマニホールド、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路を備えた第２のマニホールドおよび開閉手段を設けたガス排出路を備えた第３のマニホールドを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開閉手段を設けた燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えばアノードに水素のような燃料ガスと、カソードに空気のような酸化剤ガスとを供給して、電気化学反応を起こさせることによって電力を発生させる装置である。例えば、固体高分子形燃料電池（以下では「ＰＥＦＣ」とする）の単セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層、およびガス流路が形成されたセパレータを含む。このＭＥＡは、固体高分子膜の両面に電極（アノードおよびカソード）を接合したものである。
【０００３】
燃料電池で大きな電力を発生させる場合には、燃料電池の単セルを複数直列に積層した燃料電池スタックを用いる。燃料電池スタックは、一般にはその両端からエンドプレート等を用いて、複数の単セルを圧迫することによって構成される。
【０００４】
燃料ガスに水素、酸化剤ガスに酸素を用いたＰＥＦＣの各電極における電気化学反応の一例をつぎに示す。
【０００５】
アノ−ド：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソ−ド：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
このような反応を効率よく進めるためには、ＰＥＦＣのアノードおよびカソードに、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ均一に供給する必要がある。そのため、セパレータには燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されている。ガス流路とは、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路の総称である。ガス流路は一般に、セパレータに形成された溝によって構成される。
【０００６】
燃料電池スタックには、ガスまたは冷却水を各セルに分配するためのマニホールドが備えられている。燃料電池スタックに用いるセパレータにはマニホールドとして使用される貫通孔があり、それらの貫通孔が積層されてマニホールドを形成する。
【０００７】
燃料電池スタックのマニホールドには、反応ガスに用いるためのガスマニホールドと、冷却水に用いる冷却水用マニホールドとがある。外部から導入した燃料ガスあるいは酸化剤ガスがガスマニホールドを通って各セルのガス流路に分配される。このガスマニホールドをガス供給マニホールドと呼ぶ。各セルのガス流路から排出されたガスは、別のガスマニホールドを通って外部に排出される。このガスマニホールドを反応ガス排出マニホールドと呼ぶ。ここで、ガス流路とは、燃料ガスまたは酸化剤ガスを反応場である電極に供給するための経路であり、電極に接している。
【０００８】
さらに、燃料電池スタックの温度制御および発生した熱の利用のために、各セル間または数セルごとに冷却水等の冷媒を流すための冷却水流路が形成されている。この冷却水流路は、そのセパレータのガス流路がある面とは反対側の面に形成されることが多い。
【０００９】
固体高分子形燃料電池において、反応ガス通路と排出ガス通路に開閉弁を設ける技術が特許文献１〜３に開示されている。
【００１０】
本願の燃料電池スタックでは、冷却水用マニホールドについては発明の対象ではないため、議論しない。そこで、以下では、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとを合わせて、単に「マニホールド」と呼ぶことにする。
【００１１】
特許文献１には、燃料電池の運転停止に反応ガスを不活性ガスで置換する際、両極間に大きな圧力差を生じるのを防止するため、反応ガス供給系に反応ガスの供給を開閉する第１開閉弁、余剰ガスを系外に放出する排気管に第２開閉弁、さらに不活性ガスの供給を開閉する第３開閉弁を設けることが記載され、特許文献２には、燃料電池内部で燃焼を起こした場合、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止させるため、酸化剤ガス供給管路および燃料ガス供給管路に開閉弁を設けることが記載され、特許文献３には、排出側で回収した水を供給側での反応ガスの加湿に効率よく利用するため、三方弁２１を設けたマニホールド１ａと、三方弁２２を設けたマニホールド１ｂと、三方弁２１と三方弁２２とをつなぐ第３の三方弁２０とを備えることが記載されている。
【００１２】
また、燃料電池スタックには、性能の向上のために、ガスの流れる方向を逆転する機能を備えたものがある。特許文献４には、改質ガスに含まれる一酸化炭素による触媒の被毒を解消するために、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えた燃料電池が開示されている。
【００１３】
特許文献４の燃料電池発電システムでは、燃料電池本体には第１の燃料ガス給排口と第２の燃料ガス給排口が設けられ、第１および第２の燃料ガス給排口の外側には電磁式開閉バルブが２個づつ設けられ、この電磁式開閉バルブの開・閉の組み合わせで、燃料ガスを、第１の燃料ガス給排口から供給し、第２の燃料ガス給排口から排出する場合と、第２の燃料ガス給排口から供給し、第１の燃料ガス給排口から排出する場合とに切り換えるものである。
【００１４】
また、特許文献５では、燃料電池スタックの負荷変動にともなって発生するガス流量の少ない場合のフラッディング現象の抑制、およびガス流量の多い場合の圧力損失低減のために、ガス流路を切り替える機能を備えた燃料電池スタックが提案されている。
【００１５】
特許文献５の燃料電池スタックでは、酸化剤ガス（空気）の供給または排出をおこなうための反応ガスマニホールドを３個設け、第１の反応ガスマニホールドを第１の外部ガス供給路に、第２の反応ガスマニホールドを第１の外部ガス排出路に、第３の反応ガスマニホールドを第２の外部ガス供給路および第２の外部ガス排出路にそれぞれ導通し、第１の外部ガス排出路、第２の外部ガス供給路および第２の外部ガス排出路にはそれぞれ開閉手段を備え、これらの開閉手段を開閉することによって、複数のガス供給排出経路を直列または並列に導通することができるものである。
【００１６】
【特許文献１】特開平０７−２７２７４０号公報
【特許文献２】特開平０９−１４７８９５号公報
【特許文献３】特開２００３−２４３００７号公報
【特許文献４】特開平０８−０３１４４２号公報
【特許文献５】特開２００４−０８７４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献１に記載の開閉弁は、燃料電池の運転を停止する場合に、第１開閉弁を閉じ、第２開閉弁および第３開閉弁を開き、燃料電池内部の反応ガスを不活性ガスで置換するものである。
【００１８】
特許文献２に記載の開閉弁は、固体高分子電解質中を燃料ガスと酸化剤ガスとがクロスオーバーしたり、ガスシール部から燃料ガスと酸化剤ガスとがリークするなどの原因で燃料電池内部で燃焼を起こした場合、酸化剤ガス供給管路および燃料ガス供給管路に設けられた開閉弁がともに閉となり、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を停止させるものである。
【００１９】
特許文献３では、３つの三方弁を切り換えることにより、三方弁２０→三方弁２１→マニホールド１ａ→燃料電池→マニホールド１ｂ→三方弁２２の順にガスを流す場合と、三方弁２０→三方弁２２→マニホールド１ｂ→燃料電池→マニホールド１ａ→三方弁２１の順にガスを流す場合とを切り換え、排出側で回収した水を供給側での反応ガスの加湿に効率よく利用するものである。
【００２０】
特許文献１〜３に記載の固体高分子形燃料電池では、ガス供給管やマニホールドに開閉弁や三方弁が設けられてはいるが、一つのガス供給管やマニホールドには一つの開閉弁や三方弁が設けられたもので、燃料電池を運転中にガスの流れを逆にしたり、ガス流量を変更するものではなかった。
【００２１】
酸化剤ガスおよび燃料ガスとして空気および改質ガスを用いた固定高分子形燃料電池スタックの運転中に、特許文献４に記載のように、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させたり、または、特許文献５に記載のように、ガス流路を切り替えてガス流量を変更する操作を行うと、反応ガス排出路および反応ガス排出マニホールドの排出ガスが一時的にガス流路内に逆流する。
【００２２】
その結果、カソード側では酸化剤ガスの排出に用いる酸化剤ガスマニホールド内にある酸素濃度の低い空気がガス流路に供給され、アノード側では燃料ガスの排出に用いる燃料ガスマニホールドにある一酸化炭素濃度の高い燃料ガスがガス流路に供給されるので、セル電圧が一時的に低下するという問題が発生することがわかった。特に、反応ガスの利用率を高くした場合には、その電圧の低下が著しい。
【００２３】
ガス流路を切り替える機能を備えた従来の固体高分子形燃料電池スタック（以下では「ＰＥＦＣスタック」とする）の例を図９〜図１１に示す。
【００２４】
図９〜図１１は従来のＰＥＦＣスタックの断面構造を示す模式図である。図９〜図１１において、記号１１ａは第１のマニホールド、１１ｂは第２のマニホールド、１１ｃは第３のマニホールド、１２ａは第１のマニホールドに備えたガス供給路、１２ｂは第２のマニホールドに備えたガス供給路、１３ｂは第２のマニホールドに備えたガス排出路、１３ｃは第３のマニホールドに備えたガス排出路、１４ｂは第２のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、１５ｂは第２のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、１５ｃは第３のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、１６および１７はガス流路、１８は膜／電極接合体（ＭＥＡ）、１９はセパレータを示す。なお、ガス流路１６に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路１７に燃料ガスを流し、ガス流路１７に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路１６に燃料ガスを流すものである。なお、図１０および図１１において、ガスの流れの方向は矢印で示した。
【００２５】
従来のＰＥＦＣスタックでは、図９に示すように、第２のマニホールド１１ｂの一端に、開閉手段１４ｂを設けたガス供給路１２ｂおよび開閉手段１５ｂを設けたガス排出路１３ｂが備えられている。このＰＥＦＣスタックでは、開閉手段１４ｂ、１５ｂ、１５ｃを操作して、図１０のガスの流れの方向から、ガス流路を切り替えて、図１１のガスの流れの方向にする際に、第２のマニホールド１１ｂにおいて、第２のマニホールド１１ｂに存在する排出ガスが、ガス供給路１２ｂから供給されたガスと混合されて、ガス流路１６に逆流するので、セル電圧が低下するという問題が発生した。
【００２６】
そこで本発明の目的は、燃料電池スタックの運転中に、ガスの流れの方向を逆転させたり、ガス流路を切り替えてガス流量を変更した場合に、電圧低下が起こらない燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
請求項１の発明は、燃料電池スタックに関するもので、第１のマニホールドと、第２のマニホールドとを備え、前記第１と第２のマニホールドはそれぞれ、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項２の発明は、燃料電池スタックに関するもので、ガス供給路を備えた第１のマニホールド、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路を備えた第２のマニホールドおよび開閉手段を設けたガス排出路を備えた第３のマニホールドを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１の発明の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを運転中にガス流路を流れるガスの方向を逆転させる操作をする場合に、第１と第２のマニホールドに備えたガス供給路およびガス排出路の開閉手段をそれぞれ個別に開閉し、一時的にガス供給路およびガス排出路の両方を開いた状態にすることによって、ガス供給路から供給されたガスがガス流路を通らずにガス排出路に排出される経路が形成されるので、排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。
【００３０】
具体的には、第１のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を開、ガス排出路の開閉手段を閉、第２のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を閉、ガス排出路の開閉手段を開として運転中に、まず、第２のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を開にし、つぎに、第１のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を閉とし、さらに、第１のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を開にし、同時に第２のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を閉とするものである。
【００３１】
請求項２の発明の燃料電池スタックは、燃料電池スタックを運転中に負荷変動にしたがってガス流路を切り替える操作をする場合に、第２および第３のマニホールドに備えたガス供給路およびガス排出路の開閉手段をそれぞれ個別に開閉することにより、一時的にガス供給路から供給されたガスがガス流路を通らずにガス排出路に排出される経路が形成されるので、ガス流路を切り替える操作をする場合の排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。
【００３２】
具体的には、第２のマニホールドに備えたガス供給路の開閉手段を閉、第２のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を開、第３のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を閉として運転中に、まず、第２のマニホールドのガス供給路に備えた開閉手段を開にし、つぎに、第２のマニホールドに備えたガス排出路の開閉手段を閉とし、同時に第３のマニホールドの反応ガス排出路に備えた開閉手段を開にするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
燃料電池においては一般に、燃料に改質ガスを用いる場合、燃料の入口側よりも排出側の電極触媒が、改質ガスに含まれる一酸化炭素などによって被毒を受けやすい。そのため、一定期間の運転後に、燃料の入口側と排出側を逆にすることによって、その被害を低減することができる。また、負荷の変動に合わせて、供給する反応ガスの流量を変化させる必要がある。
【００３４】
本発明について、以下では、「ＰＥＦＣスタック」を例にとって説明するが、本発明は「固体高分子形燃料電池スタック」に限定されるものではなく、溶融炭酸塩形やリン酸形などの他の燃料電池スタックにも適用可能である。
【００３５】
ここでは、図１〜図４に示すガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えたＰＥＦＣスタックと、図５〜図８に示すガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックとを用いて、本発明を説明する。
【００３６】
図１〜図８において、記号１ａは第１のマニホールド、１ｂは第２のマニホールド、１ｃは第３のマニホールド、２ａは第１のマニホールドに備えたガス供給路、２ｂは第２のマニホールドに備えたガス供給路、３ａは第１のマニホールドに備えたガス排出路、３ｂは第２のマニホールドに備えたガス排出路、３ｃは第３のマニホールドに備えたガス排出路、４ａは第１のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、４ｂは第２のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、５ａは第１のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、５ｂは第２のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、５ｃは第３のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、６および７はガス流路、８は膜／電極接合体（ＭＥＡ）、９はセパレータを示す。なお、ガス流路６に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路７に燃料ガスを流し、ガス流路７に酸化剤ガスを流す場合にはガス流路６に燃料ガスを流すものである。
【００３７】
まず、運転状態の燃料ガスの流れる方向を逆転させる場合の操作を例にあげて説明する。図１は、本発明のＰＥＦＣスタックの断面の模式図の一例を示したものである。図１に示すように、このＰＥＦＣスタックでは、第１のマニホールド１ａと第２のマニホールド１ｂが備えられ、この２つのマニホールドはガス流路６で接続されている。また、第１のマニホールド１ａの一端がガス供給路２ａに、他端がガス排出路３ａに接続され、ガス供給路２ａには開閉手段４ａが、ガス排出路３ａには開閉手段５ａが設けられ、第２のマニホールド１ｂの一端がガス供給路２ｂに、他端がガス排出路３ｂに接続され、ガス供給路２ｂには開閉手段４ｂが、ガス排出路３ｂには開閉手段５ｂが設けられているので、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させることができるものである。
【００３８】
この例では、図１において、第１のマニホールド１ａおよび第２のマニホールド１ｂを燃料ガスマニホールド、６を燃料ガス流路、７を酸化剤ガス流路として用いる。図２〜図４は、図１に示したＰＥＦＣスタックのガス流路を流れる燃料ガスの方向を運転状態のままで逆転させる場合のガスの流れをそれぞれ示したものである。
【００３９】
図２は通常の運転状態でのガスの流れを示し、第１のマニホールド１ａのガス供給路２ａに設けられた開閉手段４ａが開、第１のマニホールド１ａのガス排出路３ａに設けられた開閉手段５ａが閉、第２のマニホールド１ｂのガス供給路２ｂに設けられた開閉手段４ｂが閉、第２のマニホールド１ｂのガス排出路３ｂに設けられた開閉手段５ｂが開に設定されており、燃料ガスは図２の矢印で示すように、ガス供給路２ａ→第１のマニホールド１ａ→ガス流路６→第２のマニホールド１ｂ→ガス排出路３ｂの順に流れている。
【００４０】
つぎに、図２に示すガスの流れ方向から、図４に示すガスの流れ方向の状態に燃料ガスの流れを逆転させる場合、図３に示すように、まず、第２のマニホールド１ｂのガス供給路２ｂに設けられた開閉手段４ｂを開とする。この状態にした場合、ガス供給路２ｂから供給された燃料ガスが、ガス流路６を通らずにガス排出路３ｂに排出される経路が形成され、排出ガスの一部が供給ガスと置換される。
【００４１】
つづいて、第１のマニホールド１ａのガス供給路２ａにある開閉手段４ａを閉とし、同時に、第２のマニホールド１ｂのガス排出路３ｂに設けられた開閉手段５ｂを閉とし、同時に、第１のマニホールド１ａのガス排出路３ａにある開閉手段５ａを開として、ガスの流れの方向を図４に示す状態にする。図４において、燃料ガスは矢印で示すように、ガス供給路２ｂ→第２のマニホールド１ｂ→ガス流路６→第１のマニホールド１ａ→ガス排出路３ａの順に流れる。
【００４２】
このように、図４に示す状態にした際に、ガス流路６に逆流する排出ガスの量が著しく低減されるので、運転中にガス流路６を流れるガスの方向を逆転させた場合でも、排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。なお、図３において、ガス供給路２ｂから供給する燃料ガスの量を増やすにしたがって、セル電圧の低下を抑制する効果が高くなる。
【００４３】
ここでは、燃料ガスの流れを例にあげて本発明の内容を説明したが、本発明を酸化剤ガスに適用した場合でも同様の効果が得られる。また、図１〜図４では、第１のマニホールドおよび第２のマニホールドは、それぞれ１本の場合について例示したが、これらのマニホールドは１本でもよいし、複数本とすることも可能である。
【００４４】
つぎに、運転状態のガス流路を切り替える場合の操作を例にあげて説明する。図５は本発明のＰＥＦＣスタックにおける断面の模式図の一例を示したものである。図５に示すように、このＰＥＦＣスタックには、第１のマニホールド１ａ、第２のマニホールド１ｂ、第３のマニホールド１ｃの、３つのマニホールドが備えられ、これらの３つのマニホールドはガス流路６で互いに接続されている。また、図５に示すように、このＰＥＦＣスタックでは、第１のマニホールド１ａの一端がガス供給路２ａに接続され、また、第２のマニホールド１ｂの一端がガス供給路２ｂに、他端がガス排出路３ｂに接続され、ガス供給路２ｂには開閉手段４ｂが、ガス排出路３ｂには開閉手段５ｂが設けられ、さらに、第３のマニホールド１ｃの一端がガス排出路３ｃに接続され、ガス排出路３ｃには開閉手段５ｃが設けられているので、ガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替えることができるものである。
【００４５】
この例では、図５において、第１のマニホールド１ａおよび第２のマニホールド１ｂを酸化剤ガスマニホールド、６を酸化剤ガス流路、７を燃料ガス流路として用いる。図６〜図８は、図５に示したＰＥＦＣスタックのガス流路を流れる酸化剤ガスの方向を、運転状態のままでガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替える場合のガスの流れをそれぞれ示したものである。
【００４６】
図６は通常の運転状態でのガスの流れを示し、第２のマニホールド１ｂのガス供給路２ｂに設けられた開閉手段４ｂが閉で、ガス排出路３ｂに設けられた開閉手段５ｂが開で、第３のマニホールド１ｃのガス排出路３ｃに設けられた開閉手段５ｃが閉に設定されており、酸化剤ガスは図６の矢印で示すように、ガス供給路２ａ→第１のマニホールド１ａ→ガス流路６→第２のマニホールド１ｂ→ガス排出路３ｂの順に流れている。
【００４７】
つぎに、図６に示すガスの流れ方向から、図８に示すガスの流れ方向の状態に酸化剤ガスの流路の接続方法を切り替える場合、図７に示すように、まず、第２のマニホールド１ｂのガス供給路２ｂに設けられた開閉手段４ｂを開とする。図７に示す状態にした場合に、ガス供給路２ｂから供給された酸化剤ガスがガス流路６を通らずにガス排出路３ｂに排出される経路が形成され、酸素分圧の低い排出ガスが供給ガスで置換される。
【００４８】
つづいて、第２のマニホールド１ｂのガス排出路３ｂに設けられた開閉手段５ｂを閉とし、同時に、第３のマニホールド１ｃのガス排出路３ｃに設けられた開閉手段５ｃを開として、図８に示す状態にする。図８において酸化剤ガスは、矢印で示すように、ガス供給路２ａ→第１のマニホールド１ａ→ガス流路６→第３のマニホールド１ｃ→ガス排出路３ｃの順に流れる流路と、ガス供給路２ｂ→第２のマニホールド１ｂ→ガス流路６→第３のマニホールド１ｃ→ガス排出路３ｃの順に流れる流路の、２つの流路を流れる。
【００４９】
このように、図７に示す状態にした際に、ガス流路６に逆流する排出ガスの量が著しく低減されるので、運転中にガス流路の接続方法を切り替えた場合でも、排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。なお、図７において、ガス供給路２ｂから供給する酸化剤ガスの量を増やすにしたがって、セル電圧の低下を抑制する効果が高くなる。
【００５０】
ここでは、酸化剤ガスの流れを例にあげて本発明の内容を説明したが、本発明を燃料ガスに適用した場合でも同様の効果が得られる。また、図５〜図８では、第１のマニホールド、第２のマニホールドおよび第３のマニホールドは、それぞれ１本の場合について例示したが、これらのマニホールドは１本でもよいし、複数本とすることも可能である。
【００５１】
ガス流路を流れるガスの方向を逆転させる、またはガス流路を切り替える操作をする場合に、反応ガスを排出するマニホールドから反応ガスを供給するマニホールドへ、その機能を逆にする第２のマニホールドを備え、この第２のマニホールドの一端に開閉手段を設けたガス供給路と、他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えることによって、本発明の効果が得られる。
【００５２】
すなわち、本発明の燃料電池スタックは、従来の燃料電池スタックのように、ガス供給マニホールドとガス排出マニホールドのそれぞれに、１つずつ開閉手段を設けたものとは異なり、１つのガスマニホールドの両端に開閉手段をそれぞれ設け、この両端に設けた開閉手段を同時に操作することによって、ガス供給路から供給されたガスがガス流路を通らずにガス排出路に排出される経路が形成されることを特徴とする。
【００５３】
本発明におけるマニホールドとは、酸化剤ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、ガス供給マニホールドおよびガス排出マニホールドの総称である。また、酸化剤ガスマニホールドとは空気などの酸化剤ガスを供給または排出するためのマニホールド、燃料ガスマニホールドとは水素や改質ガスなどの燃料ガスを供給または排出するためのマニホールド、ガス供給マニホールドとは酸化剤ガスまたは燃料ガスを供給するためのマニホールド、ガス排出マニホールドとは酸化剤ガスまたは燃料ガスを排出するためのマニホールドのことを指す。
【００５４】
ガス供給路とは、燃料電池スタック外部のコンプレッサ、ボンベ、改質器等のガス供給源から燃料電池スタックのガス供給マニホールドにガスを供給するための配管を指し、ガス排出路とは、燃料電池スタックのガス排出マニホールドからその外部にガスを排出するための配管を指す。
【００５５】
開閉手段とは、それが設置された部位の配管を通るガスの流量を制御できるものであって、完全に閉じることによってガスの流れを遮断し、完全に開くことによってガスを十分に流すものである。開閉手段には、例えばボールバルブ、ニードルバルブ、二方弁、電磁弁等を用いることができる。
【００５６】
本発明の燃料電池システムは、マニホールドの一端に備えられたガス供給路にある開閉手段を開いた後に、他端に備えられたガス排出路にある開閉手段を閉じるように制御するものである。このシステムでは、マニホールドの一端に備えられたガス供給路にある開閉手段と、他端に備えられたガス排出路にある開閉手段とが同時に開いている時間があるので、マニホールド中のガスを置換して排出ガスの逆流に起因する一時的なセル電圧の低下を抑制することができる。
【００５７】
本発明の燃料電池スタックでは、マニホールドに設けられた開閉手段が完全に閉じる、もしくは完全に開くという二者択一の操作をするだけでなく、マニホールドの一端に備えたガス供給路に設けた開閉手段と、他端に備えたガス排出路に設けた開閉手段と用いて最適な流量に制御することが、より効率的な切り替え操作をできることから好ましい。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００５９】
［実施例１および比較例１］
［実施例１］
電極面積が２３０ｃｍ２、白金担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ２のＭＥＡを５枚含む、実施例１のＰＥＦＣスタックＡを製作した。このＰＥＦＣスタックの断面構造は、図５に示したものと同じである。すなわち、第１のマニホールド１ａ、第２のマニホールド１ｂ、第３のマニホールド１ｃの、３つのマニホールドが備えられ、これらの３つのマニホールドはガス流路６で互いに接続されている。
【００６０】
そして、第１のマニホールド１ａの一端がガス供給路２ａに接続されている。また、第２のマニホールド１ｂの一端がガス供給路２ｂに、他端がガス排出路３ｂに接続され、ガス供給路２ｂには開閉手段４ｂが、ガス排出路３ｂには開閉手段５ｂが設けられている、さらに、第３のマニホールド１ｃの一端がガス排出路３ｃに接続され、ガス排出路３ｃには開閉手段５ｃが設けられている。したがって、このＰＥＦＣスタックＡは、ガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替えることができるものである。
【００６１】
このＰＥＦＣスタックＡでは、マニホールド１ａ、１ｂ、１ｃを酸化剤ガスマニホールド、ガス流路６を酸化剤ガス流路、ガス流路７を燃料ガス流路として使用した。開閉手段４ａ、５ｂおよび５ｃには電磁弁を使用した。
【００６２】
ＰＥＦＣスタックＡには、ガス流路として用いる幅１．０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝が５０本形成されたセパレータを使用した。このＰＥＦＣスタックのマニホールドの断面積は３．５ｃｍ２であり、長さは６０ｍｍとした。
【００６３】
［比較例１］
電極面積が２３０ｃｍ２、白金担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ２のＭＥＡを５枚含む、比較例１のＰＥＦＣスタックＢを製作した。このＰＥＦＣスタックの断面構造は、図９に示したのと同じである。すなわち、第１のマニホールド１１ａ、第２のマニホールド１１ｂ、第３のマニホールド１１ｃが備えられ、これらの３つのマニホールドはガス流路１６で互いに接続されている。
【００６４】
そして、第２のマニホールド１１ｂに備えたガス供給路１２ｂには開閉手段１４ｂを設け、第３のマニホールド１１ｃに備えたガス排出路１３ｃには開閉手段１５ｃが設けられているため、ガス流量にしたがってガス流路の接続方法を切り替えることができるものである。
【００６５】
このＰＥＦＣスタックＢでは、マニホールド１１ａ、１１ｂおよび１１ｃを酸化剤ガスマニホールド、ガス流路１６を酸化剤ガス流路、ガス流路１７を燃料ガス流路として使用した。開閉手段１４ｂ、１５ｂおよび１５ｃには電磁弁を使用した。
【００６６】
ＰＥＦＣスタックＢにおいて、セパレータおよびマニホールドは、実施例１のＰＥＦＣスタックＡに用いたものと同じものを用いた。
【００６７】
［試験結果］
本発明による実施例１のＰＥＦＣスタックＡと、比較例１のＰＥＦＣスタックＢについて、酸化剤ガスとして空気（利用率４０％）および燃料ガスとして改質模擬ガス（Ｈ２：８０％、ＣＯ２２０％、ＣＯ１０ｐｐｍ、利用率８０％）を用い、１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度での運転をおこなった。つづいて、これらのＰＥＦＣスタックの運転中に酸化剤ガス流路を切り替えるために、開閉手段の操作をおこなった。
【００６８】
実施例１のＰＥＦＣスタックＡの場合の操作を、図６〜図８を用いて説明する。ＰＥＦＣスタックＡでは、定常運転時は図６に示すように、開閉手段４ｂが閉、開閉手段５ｂが開、開閉手段５ｃが閉に設定されている。したがって、酸化剤ガスは図６の矢印で示す方向に流れている。この状態では、マニホールド１ｂは酸素分圧の低い排出ガスで満たされている。
【００６９】
つぎに、図７に示すように、まず、開閉手段４ｂを開とし、マニホールド１ｂに酸化剤ガスを導入した。マニホールド１ｂへの酸化剤ガスの導入量はマニホールド１ａへの酸化剤ガスの導入量と同じとした。図７の状態では、ガス供給路２ｂから供給された酸化剤ガスがガス流路６を通らずにガス排出路３ｂに排出される経路が形成され、酸素分圧の低い排出ガスが供給ガスで置換され、マニホールド１ｂにおける酸素濃度が増大する。
【００７０】
つづいて、開閉手段５ｂを閉とし、同時に、開閉手段５ｃを開として、図８に示す状態にする。これで、ガス流路を切り替えた状態となり、酸化剤ガスは図８の矢印で示す方向に流れる。
【００７１】
比較例１のＰＥＦＣスタックＢの場合の操作を、図９〜図１１を用いて説明する。ＰＥＦＣスタックＢでは、定常運転時は図１０に示すように、開閉手段１４ｂが閉で、開閉手段１５ｂが開で、開閉手段５ｃが閉に設定されている。したがって、酸化剤ガスは図１０の矢印で示す方向に流れている。この状態では、マニホールド１ｂは酸素分圧の低い排出ガスで満たされている。
【００７２】
つぎに、開閉手段１４ｂを開き、つぎに開閉手段１５ｃを開き、同時に開閉手段１５ｂを閉じて図１１に示す状態にする。これで、ガス流路を切り替えた状態となる。
【００７３】
実施例１のＰＥＦＣスタックＡと、比較例１のＰＥＦＣスタックＢを１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で運転し、酸化剤ガス流路を切り替えた場合の平均セル電圧の変化を図１２に示す。横軸の時間で０秒の点において、ガス流路の切り替え操作を開始した。なお、図１２において、記号●は実施例１のＰＥＦＣスタックＡの結果を、また、記号▲は比較例１のＰＥＦＣスタックＢの結果を示す。
【００７４】
図１２に示したように、実施例１のＰＥＦＣスタックＡではセル電圧がほぼ安定しているのに対して、比較例１のＰＥＦＣスタックＢではガス流路を切り替えた直後に著しくセル電圧が低下していることがわかった。
【００７５】
本発明の実施例１のＰＥＦＣスタックＡは、ガス供給路を備えた第１のマニホールドと、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路を備えた第２のマニホールドと、開閉手段を設けたガス排出路を備えた第３のマニホールドとを備えているため、一時的にガス供給路およびガス排出路の両方を開いた状態にすることによって、ガス流路を切り替える操作をする場合の排出ガスの逆流にともなうセル電圧の低下を抑制できるものである。
【００７６】
［実施例２および比較例２］
［実施例２］
電極面積が２３０ｃｍ２、白金担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ２のＭＥＡを５枚含む、実施例２のＰＥＦＣスタックＣを製作した。このＰＥＦＣスタックの断面構造は、図１に示したのと同じである。すなわち、第１のマニホールド１ａと第２のマニホールド１ｂが備えられ、この２つのマニホールドはガス流路６で接続されている。また、第１のマニホールド１ａの一端がガス供給路２ａに、他端がガス排出路３ａに接続され、ガス供給路２ａには開閉手段４ａが、ガス排出路３ａには開閉手段５ａが設けられ、第２のマニホールド１ｂの一端がガス供給路２ｂに、他端がガス排出路３ｂに接続され、ガス供給路２ｂには開閉手段４ｂが、ガス排出路３ｂには開閉手段５ｂが設けられている。したがって、このＰＥＦＣスタックＣは、ガス流路を流れるガスの方向を逆転させることができる。
【００７７】
このＰＥＦＣスタックＣでは、マニホールド１ａおよび１ｂを燃料ガスマニホールド、ガス流路６を燃料ガス流路、ガス流路７を酸化剤ガス流路として使用した。開閉手段４ａ、４ｂ、５ａおよび５ｂには電磁弁を使用した。
【００７８】
ＰＥＦＣスタックＣにおいて、セパレータおよびマニホールドは、実施例１のＰＥＦＣスタックＡに用いたものと同じものを用いた。
【００７９】
［比較例２］
電極面積が２３０ｃｍ２、白金担持量が０．５ｍｇ／ｃｍ２のＭＥＡを５枚含む、比較例２のＰＥＦＣスタックＤを製作した。従来のガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックの断面構造を図１３に示した。図１３において、記号２１ａは第１のマニホールド、２１ｂは第２のマニホールド、２２ａは第１のマニホールドに備えたガス供給路、２３ｂは第２のマニホールドに備えたガス排出路、２４ａは第１のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段、２５ｂは第２のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段、２６および２７はガス流路、２８は膜／電極接合体（ＭＥＡ）、２９はセパレータを示す。
【００８０】
このＰＥＦＣスタックＤでは、マニホールド２１ａおよび２１ｂを燃料ガスマニホールド、ガス流路１６を燃料ガス流路、ガス流路１７を酸化剤ガス流路として使用した。開閉手段２４ａおよび２５ｂには電磁弁を使用した。
【００８１】
ＰＥＦＣスタックＤにおいて、セパレータおよびマニホールドは、実施例１のＰＥＦＣスタックＡに用いたものと同じものを用いた。
【００８２】
［試験結果］
本発明による実施例２のＰＥＦＣスタックＣと、比較例２のＰＥＦＣスタックＤについて、酸化剤ガスとして空気（利用率４０％）および燃料ガスとして改質模擬ガス（Ｈ２：８０％、ＣＯ２２０％、ＣＯ１０ｐｐｍ、利用率８０％）を用い、１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度での運転をおこなった。つづいて、これらのＰＥＦＣスタックの運転中に酸化剤ガス流路を切り替えるために、開閉手段の操作をおこなった。
【００８３】
実施例２のＰＥＦＣスタックＣの場合の操作を、図２〜図４を用いて説明する。ＰＥＦＣスタックＣでは、定常運転時は図２に示すように、開閉手段４ａが開、開閉手段４ｂが閉、開閉手段５ａが閉、開閉手段５ｂが開に設定されている。したがって、酸化剤ガスは図２の矢印で示す方向に流れている。この状態では、マニホールド１ｂは酸素分圧の低い排出ガスで満たされている。
【００８４】
つぎに、図３に示すように、まず、開閉手段４ｂを開とし、マニホールド１ｂに燃料ガスを導入した。図３の状態では、ガス供給路２ｂから供給された燃料ガスが、ガス流路６を通らずにガス排出路３ｂに排出される経路が形成され、排出ガスの一部が供給ガスと置換され、マニホールド１ｂにおける燃料濃度が増大する。
【００８５】
つぎに、開閉手段４ａを閉とし、さらに、開閉手段５ｂを閉とし、同時に、開閉手段５ａを開とする。これで、ガスの流れの方向が逆になり、燃料ガスは図４の矢印で示す方向に流れる。
【００８６】
比較例２のＰＥＦＣスタックＤの場合の操作を、図１３を用いて説明する。ＰＥＦＣスタックＤでは、定常運転時は、開閉手段２４ａおよび２５ｂともが開に設定され、燃料ガスはガス供給路２２ａ→マニホールド２１ａ→ガス流路２６→マニホールド２１ｂ→ガス排出路２３ｂの順に流れる。
【００８７】
つぎに、開閉手段２４ａを閉、開閉手段２５ｂを開に設定し、さらに、開閉手段２４ａを開とし、ガス排出路２３ｂから燃料ガスを供給する。この場合、燃料ガスはガス排出路２３ｂ→マニホールド２１ｂ→ガス流路２６→マニホールド２１ａ→ガス供給路２２ａの順に流れ、ガスの流れの方向が逆になる。
【００８８】
測定の結果、実施例２のＰＥＦＣスタックＣではセル電圧がほぼ安定しているのに対して、比較例２のＰＥＦＣスタックＤではガス流路を切り替えた直後に著しくセル電圧が低下していることがわかった。
【００８９】
本発明の実施例２のＰＥＦＣスタックＣは、第１のマニホールドと、第２のマニホールドとを備え、前記第１と第２のマニホールドはそれぞれ、一端に開閉手段を設けたガス供給路と他端に開閉手段を設けたガス排出路とを備えているため、一時的にガス供給路およびガス排出路の両方を開いた状態にすることによって、ガス流路を切り替える操作をする場合の排出ガスの逆流にともなうセル電圧の低下を抑制できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明のガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えたＰＥＦＣスタックの断面構造を示す模式図。
【図２】本発明のガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えたＰＥＦＣスタックの、通常のガスの流れを示す模式図。
【図３】本発明のガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えたＰＥＦＣスタックの、ガスの方向を逆転させる操作時のガスの流れを示す模式図。
【図４】本発明のガス流路を流れるガスの方向を逆転させる機能を備えたＰＥＦＣスタックの、ガスの方向を逆転させた後のガスの流れを示す模式図。
【図５】本発明のガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックの断面構造を示す模式図。
【図６】本発明のガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックの、通常のガスの流れを示す模式図。
【図７】本発明のガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックの、ガス流路を切り替える操作時のガスの流れを示す模式図。
【図８】本発明のガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックの、ガス流路を切り替えた後のガスの流れを示す模式図。
【図９】従来のＰＥＦＣスタックの断面構造を示す模式図。
【図１０】従来のＰＥＦＣスタックの、ガス流路を切り替え前の断面構造を示す模式図。
【図１１】従来のＰＥＦＣスタックの、ガス流路を切り替え後の断面構造を示す模式図。
【図１２】ＰＥＦＣスタックＡおよびＢの、ガス流路を切り替えた場合の平均セル電圧の変化を示す図。
【図１３】従来のガス流路を切り替える機能を備えたＰＥＦＣスタックの断面構造を示す模式図。
【符号の説明】
【００９１】
１ａ、１１ａ  第１のマニホールド
１ｂ、１１ｂ  第２のマニホールド
１ｃ、１１ｃ  第３のマニホールド
２ａ、１２ａ  第１のマニホールドに備えたガス供給路
２ｂ、１２ｂ  第２のマニホールドに備えたガス供給路
３ａ  第１のマニホールドに備えたガス排出路
３ｂ、１３ｂ  第２のマニホールドに備えたガス排出路
３ｃ、１３ｃ  第３のマニホールドに備えたガス排出路
４ａ  第１のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段
４ｂ、１４ｂ  第２のマニホールドのガス供給路に設けた開閉手段
５ａ  第１のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段
５ｂ、１５ｂ  第２のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段
５ｃ、１５ｃ  第３のマニホールドのガス排出路に設けた開閉手段
６、７、１６、１７  ガス流路
８、１８  膜／電極接合体（ＭＥＡ）
９、１９  セパレータ
【図１】
2007059105.tif 000003
【図２】
2007059105.tif 000004
【図３】
2007059105.tif 000005
【図４】
2007059105.tif 000006
【図５】
2007059105.tif 000007
【図６】
2007059105.tif 000008
【図７】
2007059105.tif 000009
【図８】
2007059105.tif 000010
【図９】
2007059105.tif 000011
【図１０】
2007059105.tif 000012
【図１１】
2007059105.tif 000013
【図１２】
2007059105.tif 000014
【図１３】
2007059105.tif 000015