(57)【要約】【課題】燃料ガスの供給停止時に燃料ガスが不足するのを抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１０と、単セル積層方向一端側から燃料ガスを間欠的に供給可能に構成された燃料ガス供給装置２０Ａと、単セル積層方向一端側から排出された燃料オフガスを貯蔵するための第１バッファ部２４と、を備える燃料ガス非循環式の燃料電池システム１００が、単セル積層方向他端側でガス供給マニホールド１１とガス排出マニホールド１２とを複数の単セル１を介さずに直接連通させる単セルバイパス通路３１と、燃料ガスの供給時にガス供給マニホールド１１から単セルバイパス通路３１に流出した燃料ガスを貯蔵すると共に、貯蔵した燃料ガスを燃料ガスの供給停止時に単セル積層方向他端側からガス排出マニホールド１２を介して少なくとも単セル積層方向他端側に位置する単セルの燃料ガス流通路に供給するための第２バッファ部３２と、をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の単セルと、単セル積層方向に延びて前記複数の単セルのそれぞれの燃料ガス流通路の入口と連通するガス供給マニホールドと、単セル積層方向に延びて前記複数の単セルのそれぞれの燃料ガス流通路の出口と連通するガス排出マニホールドと、を含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの単セル積層方向一端側に開口した前記ガス供給マニホールドの入口から燃料ガスを間欠的に供給可能に構成された燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池スタックの単セル積層方向一端側に開口した前記ガス排出マニホールドの出口から排出された燃料オフガスを貯蔵するための第１バッファ部と、
を備える燃料ガス非循環式の燃料電池システムであって、
単セル積層方向他端側で前記ガス供給マニホールドと前記ガス排出マニホールドとを前記複数の単セルを介さずに直接連通させる単セルバイパス通路と、
前記単セルバイパス通路に設けられ、燃料ガスの供給時に前記ガス供給マニホールドから前記単セルバイパス通路に流出した燃料ガスを貯蔵すると共に、貯蔵した燃料ガスを燃料ガスの供給停止時に単セル積層方向他端側から前記ガス排出マニホールドを介して少なくとも単セル積層方向他端側に位置する単セルの燃料ガス流通路に供給するための第２バッファ部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池単セル（以下「単セル」という。）の積層方向一端側から燃料電池スタック内のガス供給マニホールドに燃料ガスを供給すると共に、単セルの積層方向一端側から燃料スタック内のガス排出マニホールドを介して燃料オフガスを燃料電池スタックから排出し、燃料オフガス中の燃料ガスをガス供給マニホールドに戻して循環させることなく燃料電池スタックから排出された燃料オフガスをバッファタンクに一時的に貯蔵して最終的に大気に排出するように構成された燃料ガス非循環式の燃料電池システムがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０９７９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料ガス非循環式の燃料電池システムでは、燃料ガスを循環させるための循環ポンプが不要になるといった利点がある一方で、循環ポンプによって燃料ガスを循環させないため、例えば各単セル内の燃料ガス流通路の圧力が燃料電池スタックの負荷に応じた一定圧となるように燃料ガスを供給すると、燃料ガス流通路内でガス流がほとんど生じないために燃料ガス流通路の排水が不十分になりやすいという問題がある。
【０００５】
そこで、燃料ガス非循環式の燃料電池システムでは一般的に、発電中に燃料ガスを間欠的に供給して燃料ガス流通路の圧力を周期的に増減させるようにしている。これにより、燃料ガスの供給時、すなわち燃料ガス流通路の圧力上昇時に、燃料ガスのガス流によって燃料ガス流通路の排水を行うことができる。
【０００６】
一方でこのようにすると、燃料ガスの供給停止時、すなわち燃料ガス流通路の圧力下降時に、燃料ガス流通路の圧力とバッファタンクの圧力との圧力差によってバッファタンク内の燃料オフガスがガス排出マニホールドに逆流してくる場合がある。ガス排出マニホールドに逆流してきた燃料オフガスは、さらに各単セルの燃料ガス流通路に逆流していくが、ガス排出マニホールドは単セルの積層方向に延びているため、各単セルの燃料ガス流通路に逆流する燃料オフガス量に差が生じやすい。すなわち、ガス排出マニホールドの出口から離れた位置にある単セルほど、当該単セルの燃料ガス流通路に逆流する燃料オフガス量、ひいては燃料オフガス中に含まれる燃料ガス量が少なくなりやすい。
【０００７】
したがって前述した従来の燃料電池システムの場合、単セルの積層方向一端側に位置する単セルの燃料ガス流通路に逆流していく燃料オフガス量と比べて、単セルの積層方向他端側に位置する単セルの燃料ガス流通路に逆流していく燃料オフガス量が少なくなりやすい。
【０００８】
そのため、前述した従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの供給停止時において単セルの積層方向他端側に位置する単セルで発電に必要な燃料ガスが不足し、当該単セルの出力が低下すると共に当該単セルの電極に含まれる触媒が劣化するおそれがあった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料ガス非循環式の燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給停止時に各単セルで発電に必要な燃料ガスが不足するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、積層された複数の単セル、単セル積層方向に延びて複数の単セルのそれぞれの燃料ガス流通路の入口と連通するガス供給マニホールド、及び、単セル積層方向に延びて複数の単セルのそれぞれの燃料ガス流通路の出口と連通するガス排出マニホールドを含む燃料電池スタックと、燃料電池スタックの単セル積層方向一端側に開口したガス供給マニホールドの入口から燃料ガスを間欠的に供給可能に構成された燃料ガス供給装置と、燃料電池スタックの単セル積層方向一端側に開口したガス排出マニホールドの出口から排出された燃料オフガスを貯蔵するための第１バッファ部と、を備える燃料ガス非循環式の燃料電池システムが、単セル積層方向他端側でガス供給マニホールドとガス排出マニホールドとを複数の単セルを介さずに直接連通させる単セルバイパス通路と、単セルバイパス通路に設けられ、燃料ガスの供給時にガス供給マニホールドから単セルバイパス通路に流出した燃料ガスを貯蔵すると共に、貯蔵した燃料ガスを燃料ガスの供給停止時に単セル積層方向他端側からガス排出マニホールドを介して少なくとも単セル積層方向他端側に位置する単セルの燃料ガス流通路に供給するための第２バッファ部と、をさらに備える。
【発明の効果】
【００１１】
この態様によれば、燃料ガスの供給停止時に発電に必要な水素が不足しがちなガス排出マニホールドの出口側とは反対側となる単セルの積層方向他端側に位置する単セルの燃料ガス流通路に対して、第２バッファ部に貯蔵された水素を燃料ガスの供給停止時にガス排出マニホールドを介して供給することができる。よって、燃料ガスの供給停止時に各単セルで発電に必要な燃料ガスが不足するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの負荷が一定の状態で間欠ガス供給運転が実施されているときの作用効果について説明するタイムチャートである。
【図３】図３は、水素供給停止時におけるガス排出マニホールド内の水素濃度を比較して示した図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。
【図５】図５は、本発明のさらに別の実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００及び燃料電池システム１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。
【００１５】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に対して燃料ガスの給排を行うための燃料ガス給排装置２０と、を備える。なお図１では、燃料電池スタック１０に対して酸化剤ガスの給排を行うための酸化剤ガス給排装置や、燃料電池スタック１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却水循環装置、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される電気負荷部については図示を省略している。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１３，１４の間に複数の単セル１を互いに積層し、各単セル１を電気的に直列に接続したものである。各単セル１は、膜電極接合体を備える。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一側に形成されたアノード極と、電解質膜の他側に形成されたカソード極と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１０で発電が行われているときは、アノード極及びカソード極の各電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード極  ：    ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード極  ：    ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【００１８】
各単セル１内には、アノード極に燃料ガスとしての水素を供給するための水素流通路２が形成される。
【００１９】
各単セル１の水素流通路２の入口は、各単セル１の積層方向（以下「単セル積層方向」という。）に延びるガス供給マニホールド１１と連通し、各単セル１の水素流通路２の出口は、単セル積層方向に延びるガス排出マニホールド１２と連通している。すなわちガス供給マニホールド１１とガス排出マニホールド１２とは、各単セル１の水素流通路２を介して連通している。
【００２０】
ガス供給マニホールド１１の一端は、ガス供給マニホールド１１に水素を供給するための入口として、燃料電池スタック１０の単セル積層方向一端側（図１の右側）のエンドプレート１３に開口している。
【００２１】
ガス排出マニホールド１２の一端は、ガス排出マニホールド１２からアノードオフガスを排出するための出口として、燃料電池スタック１０の単セル積層方向一端側のエンドプレート１３に開口している。アノードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素と、単セル１のカソード側から膜電極接合体を介してアノード側に透過してきた窒素や水蒸気等の不活性ガスと、の混合ガスである。
【００２２】
燃料ガス給排装置２０は、燃料ガス供給装置２０Ａとしての水素供給管２１、高圧水素タンク２２及び水素供給制御弁２３と、燃料ガス排出装置２０Ｂとしての第１バッファ部２４、パージ管２５及びパージ制御弁２６と、を備える。
【００２３】
水素供給管２１は、ガス供給マニホールド１１を介して各単セル１の水素流通路２に供給される水素が流れる配管であって、一端が高圧水素タンク２２に連結され、他端が燃料電池スタック１０の単セル積層方向一端側のエンドプレート１３に開口したガス供給マニホールド１１の入口１１ａに連結される。
【００２４】
高圧水素タンク２２は、水素供給管２１を介してガス供給マニホールド１１、ひいては各単セル１の水素流通路２に供給するための水素を貯蔵する。
【００２５】
水素供給制御弁２３は、遮断弁２３１と、レギュレータ２３２と、インジェクタ２３３と、を含んで構成される。
【００２６】
遮断弁２３１は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、水素供給管２１に設けられる。遮断弁２３１が開かれると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出する。遮断弁２３１が閉じられると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出しなくなる。
【００２７】
レギュレータ２３２は、遮断弁２３１よりも下流の水素供給管２１に設けられる。レギュレータ２３２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。レギュレータ２３２の開度を制御することで、レギュレータ２３２下流の水素の圧力、すなわちインジェクタ２３３から噴射される水素の圧力が制御される。
【００２８】
インジェクタ２３３は、レギュレータ２３２よりも下流の水素供給管２１に設けられる。インジェクタ２３３は、例えばニードル弁であり、電子制御ユニット２００によって開閉制御される。インジェクタ２３３の開弁期間を制御することで、インジェクタ２３３から噴射される水素の流量が制御される。
【００２９】
このように、水素供給制御弁２３によって、高圧水素タンク２２からガス供給マニホールド１１への水素の供給が制御される。水素供給制御弁２３によって、所望の圧力及び流量に制御された水素を間欠的にガス供給マニホールド１１に供給することができる。
【００３０】
インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１には、アノード圧力センサ２１１が設けられる。アノード圧力センサ２１１は、各単セル１の水素流通路２内の圧力（以下「アノード圧力」という。）を代表する値として、インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１内の圧力を検出する。
【００３１】
第１バッファ部２４は、燃料電池スタック１０の単セル積層方向一端側のエンドプレート１３に開口したガス排出マニホールド１２の出口１２ａから排出されたアノードオフガスを一時的に貯蔵する機能を有する空間であり、例えばガス排出マニホールド１２の出口１２ａと連通させたタンクである。
【００３２】
パージ管２５は、一端が第１バッファ部２４に連結され、他端が大気と直接的又は間接的に連通している。すなわちパージ管２５の他端を大気と直接連通する開口端としても良いし、パージ管２５の他端を燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスが流れるカソードオフガス管（図示せず）などに連結し、大気と間接的に連通させても良い。なお、パージ管２５の一端をガス排出マニホールド１２の出口１２ａに連結し、パージ管２５上に第１バッファ部２４を形成しても良い。
【００３３】
パージ制御弁２６は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、パージ管２５に設けられる。パージ制御弁２６は、通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁２６が開弁されると、第１バッファ部２４内のアノードオフガスがパージ管２５へ流出する。
【００３４】
このように本実施形態による燃料電池システム１００は、ガス排出マニホールド１２から排出されたアノードオフガスを第１バッファ部２４に一時的に貯蔵し、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させることなく大気に排出するよう構成された水素非循環式の燃料電池システムである。
【００３５】
水素非循環式の燃料電池システム１００の場合、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる水素循環式のシステムに比べ、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させるための循環ポンプなどが不要となる。そのため、水素非循環式の燃料電池システム１００は、水素循環式のシステムと比べて、循環ポンプを駆動するための電力が不要となって燃費の向上を図ることができると共に、構成を簡素化してコストを低減することができる。
【００３６】
しかしながら水素非循環式の燃料電池システム１００は、循環ポンプによって水素を循環させないため、例えばアノード圧力が燃料電池スタック１０の負荷に応じた一定圧となるように水素を供給すると、水素流通路２内でガス流がほとんど生じないために水素流通路２の排水が不十分になりやすいという問題がある。
【００３７】
そこで、水素非循環式の燃料電池システム１００では一般的に、発電中に水素を間欠的に供給する間欠ガス供給運転を実施し、アノード圧力を周期的に増減させるようにしている。これにより、水素の供給時、すなわちアノード圧力の上昇時に水素流通路２内で生じるガス流によって水素流通路２の排水を行うことができる。
【００３８】
一方でこのようにすると、水素の供給停止時、すなわちアノード圧力の下降時に、水素流通路２の圧力と第１バッファ部２４の圧力との圧力差によって第１バッファ部２４内のアノードオフガスがガス排出マニホールド１２に逆流してくる場合がある。ガス排出マニホールド１２に逆流してきたアノードオフガスは、さらに各単セル１の水素流通路２に逆流していくが、ガス排出マニホールド１２は単セル１の積層方向に延びているため、各単セル１の水素流通路２に逆流するアノードオフガス量に差が生じやすい。すなわち、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａから離れた位置にある単セル１ほど、当該単セル１の水素流通路２に逆流するアノードオフガス量、ひいてはアノードオフガス中に含まれる水素量が少なくなりやすい。
【００３９】
したがって前述した従来の燃料電池システムの場合、水素の供給停止時において、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側となる単セル積層方向一端側に位置する単セル１の水素流通路２に逆流していくアノードオフガス量（水素量）と比較して、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側に位置する単セル１の水素流通路２に逆流していくアノードオフガス量（水素量）が少なくなりやすい。
【００４０】
そのため、前述した従来の燃料電池システムの場合、間欠ガス供給運転を実施すると、水素の供給停止時においてガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側に位置する単セル１で発電に必要な水素が不足し、当該単セル１の出力が低下すると共に当該単セル１の電極に含まれる触媒が劣化するという新たな問題が生じることがわかった。
【００４１】
第１バッファ部２４内のアノードオフガスには、水素の供給時に発電に使用されなかった余剰の水素が含まれると共に、単セル１のカソード側からアノード側に透過してきた窒素等の不活性ガスが含まれている。水素の供給停止時に水素流通路２に逆流したアノードオフガス中の水素については、水素の供給停止時も発電が行われているので、発電のために使用されて消費されていく。一方で、水素流通路２に逆流したアノードオフガス中の不活性ガスについては、水素の供給停止時に新たにアノード側に透過してきた不活性ガスと共に、次の水素の供給時に再度第１バッファ部２４に戻されることになる。燃料電池システムの運転中はこれが繰り返されることになるため、時間の経過と共に第１バッファ部２４内のアノードオフガス中の不活性ガスの比率が高まり、第１バッファ部２４内のアノードオフガスの水素濃度が徐々に低下することになる。
【００４２】
このようにアノードオフガスの水素濃度が低下した状態になると、水素の供給停止時においてガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル１の積層方向他端側に位置する単セル１での水素不足が特に顕著となり、当該単セル１の出力低下や触媒の劣化が顕著となる。
【００４３】
そこで本実施形態による燃料電池システム１００は、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となるガス排出マニホールド１２の他端側、すなわち燃料電池スタック１０の単セル積層方向他端側（図１の左側）からガス排出マニホールド１２に水素を供給することができるように、単セルバイパス通路３１と、第２バッファ部３２と、をさらに備える。
【００４４】
単セルバイパス通路３１は、単セル積層方向他端側でガス供給マニホールド１１とガス排出マニホールド１２とを各単セル１の水素流通路２を介さずに直接連通させるための通路である。本実施形態では、単セルバイパス通路３１は燃料電池スタック１０の外部に形成されており、そのためにガス供給マニホールド１１及びガス排出マニホールド１２のそれぞれの他端を燃料電池スタック１０の単セル積層方向他端側（図１の左側）のエンドプレート１４に開口させている。そして、エンドプレート１４上のガス供給マニホールド１１の開口端１１ｂに単セルバイパス通路３１の一端を接続し、エンドプレート１４上のガス排出マニホールド１２の開口端１２ｂに単セルバイパス通路３１の他端を接続している。
【００４５】
第２バッファ部３２は、ガス供給マニホールド１１に水素を供給したときにガス供給マニホールド１１の開口端１１ｂから単セルバイパス通路３１に流出した水素を一時的に貯蔵し、貯蔵した水素をガス供給マニホールド１１への水素供給を停止したときにガス排出マニホールド１２の開口端１２ｂからガス排出マニホールド１２に供給する機能を有する空間であって、例えば単セルバイパス通路３１に設けられたタンクである。
【００４６】
なお、第２バッファ部３２よりも上流の単セルバイパス通路３１には、第２バッファ部３２に貯蔵された水素がガス供給マニホールド１１側に逆流しないように、本実施形態のようにガス供給マニホールド１１の開口端１１ｂから単セルバイパス通路３１に流出した水素に圧力損失を付与する圧力損失付与部材３３を設けるのが望ましい。圧力損失付与部材３３は、例えば逆流防止弁やオリフィスなどである。
【００４７】
また圧力損失付与部材３３を設けた場合は、さらに圧力損失付与部材３３によって、各単セル１の水素流通路２の圧力損失以上の圧力損失を単セルバイパス通路３１に流出した水素に付与することが望ましい。これにより、ガス供給マニホールド１１に水素を供給したときに、単セルバイパス通路３１よりも各単セル１の水素流通路２に水素が流れやすくなるので、ガス供給マニホールド１１に供給された水素を確実に各単セル１の水素流通路２側に流入させ、余分な水素だけを単セルバイパス通路３１側に流入させることができる。
【００４８】
電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。
【００４９】
入力ポート２０５には、前述したアノード圧力センサ２１１の他、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「スタック電流」という。）を検出するための電流センサ２１２などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。この電流センサ２１２で検出されたスタック電流が、燃料電池スタック１０の負荷に相当する。
【００５０】
出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して水素供給制御弁２３（遮断弁２３１、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）やパージ制御弁２６などの各制御部品が電気的に接続される。
【００５１】
このように、入力ポート２０５には燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力されており、電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力する。
【００５２】
電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０で発電が行われているときに水素の供給と供給停止とを周期的に繰り返す間欠ガス供給運転を実施し、アノード圧力を周期的に増減させる。具体的には、電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０の負荷に基づいて低圧側目標アノード圧力と高圧側目標アノード圧力とを設定する。そして電子制御ユニット２００は、アノード圧力が低圧側目標アノード圧力以下となったら水素を供給してアノード圧力を高圧側目標アノード圧力まで上昇させ、アノード圧力が高圧側目標アノード圧力以上となったら水素の供給を停止してアノード圧力を低圧側目標アノード圧力まで低下させる。
【００５３】
なお、低圧側目標アノード圧力及び高圧側目標アノード圧力は、それぞれ基本的に燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど高くなる。また、低圧側目標アノード圧力と高圧側目標アノード圧力との差圧（以下「圧力変動幅」という。）は、燃料電池スタック１０の負荷にかかわらず一定圧としても良いが、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど発電により生じる生成水量も多くなるので、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど圧力変動幅が大きくなるようにするのが望ましい。
【００５４】
図２は、本実施形態による燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０の負荷が一定の状態で間欠ガス供給運転が実施されているときの作用効果について説明するタイムチャートである。
【００５５】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、電子制御ユニット２００は、アノード圧力が高圧側目標アノード圧力以上になると、アノード圧力が低圧側目標アノード圧力となるように、水素供給制御弁２３（レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）を制御する。具体的には、電子制御ユニット２００は、少なくともインジェクタ２３３を閉弁状態とし、高圧水素タンク２２からガス供給マニホールド１１への水素の供給を停止する。
【００５６】
高圧水素タンク２２からガス供給マニホールド１１への水素の供給が停止されると、各単セル１の水素流通路２内に残された水素が発電によって消費されていくので、時間の経過と共にアノード圧力が低下していく。
【００５７】
そして、アノード圧力が第１バッファ部２４の圧力よりも低くなると、第１バッファ部２４のアノードオフガスがガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側となる単セル１の積層方向一端側からガス排出マニホールド１２内に逆流し、さらに各単セル１の水素流通路２に逆流していく。このとき、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側となる単セル１の積層方向一端側に位置する単セル１の水素流通路２に逆流していくアノードオフガス量（水素量）に比べて、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル１の積層方向他端側に位置する単セル１の水素流通路２に逆流していくアノードオフガス量（水素量）が少なくなりやすいが、本実施形態による燃料電池システム１００の場合は、アノード圧力が第２バッファ部３２の圧力よりも低くなったときに、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル１の積層方向他端側から、第２バッファ部３２に貯蔵された水素をガス排出マニホールド１２に供給することができる。
【００５８】
つまり本実施形態による燃料電池システム１００の場合、従来の燃料電池システムでは水素の供給停止時において発電に必要な水素が不足しがちなガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側に位置する単セル１の水素流通路２に、第２バッファ部３２に貯蔵された水素をガス排出マニホールド１２を介して供給することができる。そのため、本実施形態による燃料電池システム１００では、水素の供給停止時において、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側に位置する単セル１で発電に必要な水素が不足するのを抑制でき、当該単セル１での出力低下及び当該単セル１の電極に含まれる触媒の劣化を抑制することができる。
【００５９】
第１バッファ部２４から水素流通路２に逆流したアノードオフガス中の水素、及び、第２バッファ部３２からガス排出マニホールド１２に供給されて水素流通路２に逆流した水素は、それぞれ水素流通路２内に残された水素と共に発電によって消費されていく。その結果、時間の経過と共にさらにアノード圧力が低下していく。一方、第１バッファ部２４から水素流通路２に逆流したアノードオフガス中の不活性ガスは、水素の供給停止時に新たにアノード側に透過してきた不活性ガスと共にそのまま水素流通路２に残留する。
【００６０】
そして図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、電子制御ユニット２００は、アノード圧力が低圧側目標アノード圧力まで低下すると、アノード圧力が高圧側目標アノード圧力となるように、水素供給制御弁２３（レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）を制御する。具体的には、電子制御ユニット２００は、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３を共に開弁状態とし、高圧水素タンク２２からガス供給マニホールド１１に水素を供給することで、アノード圧力を高圧側目標アノード圧力まで上昇させる。
【００６１】
このとき、ガス供給マニホールド１１に供給された水素の一部は各単セル１の水素流通路２に流入し、残りは単セルバイパス通路３１を介して第２バッファ部３２に流入する。
【００６２】
各単セル１の水素流通路２に流入した水素は、発電によって消費されつつ、発電に使用されなかった余剰分が、水素流通路２内に残留している不活性ガスと共にアノードオフガスとしてガス排出マニホールド１２に流出する。
【００６３】
一方で第２バッファ部３２に流入した水素は第２バッファ部３２に貯蔵され、これにより第２バッファ部３２内の圧力が上昇する。その結果、水素の供給時において、第２バッファ部３２内の圧力は第１バッファ部２４内の圧力よりも高くなるので、ガス排出マニホールド１２に流出したアノードオフガスは、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａから第１バッファ部２４に流出する。
【００６４】
このように、水素の供給時、すなわちアノード圧力の上昇時には、そのたびに水素流通路２内に残留している不活性ガス、すなわち、水素の供給停止時に第１バッファ部２４から水素流通路２に逆流してきたアノードオフガス中の不活性ガスと、水素の供給停止時に新たにアノード側に透過してきた不活性ガスとが第１バッファ部２４に流入するので、図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように、パージ制御弁２６が開かれるまでは水素が供給されるたびに第１バッファ部２４の水素濃度が低下していく。一方で第２バッファ部３２には、単セルバイパス通路３１を介して水素が流入するだけなので、図２（Ｃ）に示すように、第２バッファ部３２の水素濃度は常に略１００％に維持される。
【００６５】
図３は、水素の供給停止時におけるガス排出マニホールド１２内の水素濃度を、前述した従来の燃料電池システムと、本実施形態による燃料電池システム１００と、で比較した図である。図３（Ａ）が、従来の燃料電池システムでの水素供給停止時におけるガス排出マニホールド１２内の水素濃度を示し、図３（Ｂ）が、本実施形態による燃料電池システム１００での水素供給停止時におけるガス排出マニホールド１２内の水素濃度を示す。
【００６６】
図３に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００の場合、従来の燃料電池システムと比較して、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側のガス排出マニホールド１２内の水素濃度を、水素の供給停止時においても高い濃度に維持できることがわかる。
【００６７】
以上説明した本実施形態によれば、積層された複数の単セル１、単セル積層方向に延びて複数の単セル１のそれぞれの水素流通路（燃料ガス流通路）２の入口と連通するガス供給マニホールド１１、及び単セル積層方向に延びて複数の単セル１のそれぞれの水素流通路２の出口と連通するガス排出マニホールド１２を含む燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の単セル積層方向一端側に開口したガス供給マニホールド１１の入口１１ａから水素（燃料ガス）を間欠的に供給可能に構成された燃料ガス供給装置２０Ａと、燃料電池スタック１０の単セル積層方向一端側に開口したガス排出マニホールド１２の出口１２ａから排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）を貯蔵するための第１バッファ部２４と、を備える水素非循環式の燃料電池システム１００が、単セル積層方向他端側でガス供給マニホールド１１とガス排出マニホールド１２とを複数の単セル１を介さずに直接連通させる単セルバイパス通路３１と、単セルバイパス通路３１に設けられ、水素の供給時にガス供給マニホールド１１から単セルバイパス通路３１に流出した水素を貯蔵すると共に、貯蔵した水素を水素の供給停止時に単セル積層方向他端側からガス排出マニホールド１２を介して少なくとも単セル積層方向他端側に位置する単セル１の水素流通路２に供給するための第２バッファ部３２と、をさらに備える。
【００６８】
そのため、間欠ガス供給運転を実施したときに、従来の燃料電池システムでは水素の供給停止時において発電に必要な水素が不足しがちなガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側に位置する単セル１の水素流通路２に、第２バッファ部３２に貯蔵された水素を供給することができる。よって、水素の供給停止時において、ガス排出マニホールド１２の出口１２ａ側とは反対側となる単セル積層方向他端側に位置する単セル１で発電に必要な水素が不足するのを抑制でき、当該単セル１での出力低下及び当該単セル１の電極に含まれる触媒の劣化を抑制することができる。
【００６９】
また本実施形態による燃料電池システム１００は、第２バッファ部３２よりも上流側の単セルバイパス通路３１に、ガス供給マニホールド１１から単セルバイパス通路３１に流出した水素に圧力損失を付与するための圧力損失付与部材３３を備えるので、第２バッファ部３２に貯蔵された水素がガス供給マニホールド１１側に逆流するのを抑制することができる。
【００７０】
この圧力損失付与部材３３によって、各単セル１の水素流通路２の圧力損失以上の圧力損失を単セルバイパス通路３１に流出した水素に付与すれば、ガス供給マニホールド１１に水素を供給したときに単セルバイパス通路３１よりも各単セル１の水素流通路２に水素が流れやすくなるので、ガス供給マニホールド１１に供給された水素を確実に各単セル１の水素流通路２側に流入させ、余分な水素だけを単セルバイパス通路３１側に流入させることができる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００７２】
例えば上記の実施形態では単セルバイパス通路３１及び第２バッファ部３２を燃料電池スタック１０の外部に形成していたが、図４に示すように、単セルバイパス通路３１及び第２バッファ部３２を燃料電池スタック１０の内部に形成しても良い。
【００７３】
また、図５に示すように、第２バッファ部３２よりも下流側の単セルバイパス通路３１に常開弁３４を設け、パージ制御弁２６が開かれたときのみ電子制御ユニット２００によって常開弁３４を閉じるようにしても良い。これにより、パージ制御弁２６が開かれたときに、第２バッファ部３２の水素が第１バッファ部２４内のアノードオフガスと共に外気に排出されるのを抑制することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１    燃料電池単セル
２    水素流通路（燃料ガス流通路）
１０    燃料電池スタック
１１    ガス供給マニホールド
１２    ガス排出マニホールド
２０Ａ    燃料ガス供給装置
２４    第１バッファ部
３１    単セルバイパス通路
３２    第２バッファ部
１００    燃料電池システム
【図１】
2016134315.tif 000003
【図２】
2016134315.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016134315.tif 000006
【図５】
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