(57)【要約】【課題】単セルの各燃料ガス流路に、燃料ガスを好適に供給することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード流路２６を有する単セル２０が複数積層されることで構成され、その内部であってその積層方向に、各単セル２０のアノード流路２６に水素を分配供給する内部水素供給マニホールド１１と、各単セル２０のアノード流路２６から水素を集合排出する内部水素排出マニホールド１２とを有し、内部水素供給マニホールド１１は、その一端側の第１水素導入口１１ａと、その他端側の第２水素導入口１１ｂとで、外部に開口している燃料電池スタック１０と、水素タンク３１と第１水素導入口１１ａとを接続する第１燃料ガス供給流路と、第１燃料ガス供給流路から分岐し、第２水素導入口１１ｂに接続する第２燃料ガス供給流路と、第２燃料ガス供給流路を流れるガスの流量を制御するアシスト導入弁３４及び可変オリフィス３５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体のアノードに燃料ガスを給排する燃料ガス流路を有する単セルが複数積層されることで構成され、
その内部であってその積層方向に、前記各単セルの燃料ガス流路に燃料ガスを分配供給する内部燃料ガス供給流路と、前記各単セルの燃料ガス流路から燃料ガスを集合排出する内部燃料ガス排出流路とを有し、
前記内部燃料ガス供給流路は、その一端側の第１燃料ガス導入口と、その他端側の第２燃料ガス導入口とで、外部に開口している燃料電池スタックと、
燃料ガス源と前記第１燃料ガス導入口とを接続する第１燃料ガス供給流路と、
前記第１燃料ガス供給流路から分岐し、前記第２燃料ガス導入口に接続する第２燃料ガス供給流路と、
前記第２燃料ガス供給流路を流れるガスの流量を制御する流量制御手段と、
を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１燃料ガス供給流路に配置されたエゼクタと、
前記内部燃料ガス排出流路から排出されたガスを、前記エゼクタを介して前記第１燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、
を備え、
前記第２燃料ガス供給流路の上流端は、前記エゼクタよりも上流の前記第１燃料ガス供給流路に接続されている
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】
膜電極接合体のアノードに燃料ガスを給排する燃料ガス流路を有する単セルが複数積層されることで構成され、
その内部であってその積層方向に、前記各単セルの燃料ガス流路に燃料ガスを分配供給する内部燃料ガス供給流路と、前記各単セルの燃料ガス流路から燃料ガスを集合排出する内部燃料ガス排出流路とを有し、
前記内部燃料ガス排出流路は、その一端側の第１燃料ガス排出口と、その他端側の第２燃料ガス排出口とで、外部に開口している燃料電池スタックと、
前記第１燃料ガス排出口に接続し、前記内部燃料ガス排出流路からの燃料ガスが流れる第１燃料ガス排出流路と、
前記第２燃料ガス排出口に接続すると共に、前記第１燃料ガス排出流路に接続し、前記内部燃料ガス排出流路からの燃料ガスを、当該第１燃料ガス排出流路に合流させる第２燃料ガス排出流路と、
前記第２燃料ガス排出流路を流れるガスの流量を制御する流量制御手段と、
を備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの起動が指示された場合において、前記各燃料ガス流路を燃料ガスに置換するとき、前記流量制御手段は、その内部をガスが流れるように制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタック内の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と備え、
前記流量制御手段は、前記濃度検出手段が検出する燃料ガス濃度が所定燃料ガス濃度になるように、その内部を通るガスの流量を制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池が注目されている。
【０００３】
ところが、１つ当たりの燃料電池（これを単セルという）の発電電力は小さいため、通常、複数の単セルを直列に接続すると共に、複数の単セルを積層して構成された燃料電池スタックが使用される。そして、このような燃料電池スタックでは、その内部であってその積層方向に、例えば各単セルのアノード流路に連通する内部水素供給マニホールド（内部燃料ガス供給流路）を形成し、この内部水素供給マニホールドを介して、各単セルのアノード流路に水素を供給している。
【０００４】
一方、このような燃料電池スタックは、外部回路と未接続であっても、単セルを構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）の両側に水素及び空気が存在すると、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧）が発生する。そして、このようにＣＶが発生したままで燃料電池スタックが長時間放置されると、例えば、単セル内で電流が流れてしまい、単セルが劣化する虞がある。
【０００５】
そこで、燃料電池スタックの発電停止時に、その内部に存在する水素、及び、停止中における凍結防止の観点から水蒸気等を排出し、燃料電池スタックに空気を封入する技術が提案されている。
そして、次回発電開始時には、アノード流路に封入されている空気（窒素含む）を燃料電池スタックから排出すると共に、水素への置換・充填を進め、燃料電池スタックが発電可能な状態にする必要がある（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９３１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、従来の燃料電池スタックでは、その積層方向に延びる内部水素供給マニホールドは、その積層方向の一端側のみが外部に開口しているため、この１つの開口（水素供給ポート）を介して、内部水素供給マニホールドに水素が供給され、そして、各単セルのアノード流路に供給される。
したがって、前記１つの開口から近い単セルのアノード流路には、速やかに水素が供給されるが、前記１つの開口から遠い単セルのアノード流路には、水素が供給されにくく、燃料電池スタック内の水素濃度が不均一になりやすい。その結果、燃料電池スタック内が適切な水素濃度に高まるまでに、時間がかかるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池スタックを構成する単セルの各燃料ガス流路に、燃料ガスを好適に供給することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、膜電極接合体のアノードに燃料ガスを給排する燃料ガス流路を有する単セルが複数積層されることで構成され、その内部であってその積層方向に、前記各単セルの燃料ガス流路に燃料ガスを分配供給する内部燃料ガス供給流路と、前記各単セルの燃料ガス流路から燃料ガスを集合排出する内部燃料ガス排出流路とを有し、前記内部燃料ガス供給流路は、その一端側の第１燃料ガス導入口と、その他端側の第２燃料ガス導入口とで、外部に開口している燃料電池スタックと、燃料ガス源と前記第１燃料ガス導入口とを接続する第１燃料ガス供給流路と、前記第１燃料ガス供給流路から分岐し、前記第２燃料ガス導入口に接続する第２燃料ガス供給流路と、前記第２燃料ガス供給流路を流れるガスの流量を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、例えば、システム起動時において燃料ガス流路を燃料ガスに置換する場合や、燃料電池スタックに対する発電要求が大きくなり、燃料ガス不足を防止するべく、各燃料ガス流路に多流量の燃料ガスを供給すべき場合、流量制御手段が、第２燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの流量を増加させる。
そうすると、燃料ガスが、第１燃料ガス導入口及び第２燃料ガス導入口を介して、内部燃料ガス供給流路に供給される。すなわち、燃料ガスが、その両側から中央に向かって、内部燃料ガス供給流路に供給され、積層方向に流れ、各単セルの燃料ガス流路に略均等で供給され、燃料電池スタック内の水素濃度が略均等に上昇しやすくなる。
このようにして、内部燃料ガス供給流路の両側から燃料ガスを供給し、各燃料ガス流路に燃料ガスを供給できるので、速やかに燃料ガスに置換したり、燃料ガス不足になることを防止できる。
【００１１】
また、前記第１燃料ガス供給流路に配置されたエゼクタと、前記内部燃料ガス排出流路から排出されたガスを、前記エゼクタを介して前記第１燃料ガス供給流路に戻す循環流路と、を備え、前記第２燃料ガス供給流路の上流端は、前記エゼクタよりも上流の前記第１燃料ガス供給流路に接続されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
このような燃料電池システムによれば、循環流路によって、内部燃料ガス排出流路から排出された未消費の燃料ガスを含むガスを、第１燃料ガス供給流路に戻すことができ、燃料ガスの消費を抑えることができる。
そして、第２燃料ガス供給流路の上流端は、エゼクタよりも上流の第１燃料ガス供給流路に接続されているので、循環流路を介して第１燃料ガス供給流路に戻される燃料ガスに同伴する水蒸気が、第２燃料ガス供給流路に流れ込みにくくなる。このように、第２燃料ガス供給流路に水蒸気が流れ込みにくいので、第２燃料ガス供給流路が凍結しにくくなる。
【００１３】
また、膜電極接合体のアノードに燃料ガスを給排する燃料ガス流路を有する単セルが複数積層されることで構成され、その内部であってその積層方向に、前記各単セルの燃料ガス流路に燃料ガスを分配供給する内部燃料ガス供給流路と、前記各単セルの燃料ガス流路から燃料ガスを集合排出する内部燃料ガス排出流路とを有し、前記内部燃料ガス排出流路は、その一端側の第１燃料ガス排出口と、その他端側の第２燃料ガス排出口とで、外部に開口している燃料電池スタックと、前記第１燃料ガス排出口に接続し、前記内部燃料ガス排出流路からの燃料ガスが流れる第１燃料ガス排出流路と、前記第２燃料ガス排出口に接続すると共に、前記第１燃料ガス排出流路に接続し、前記内部燃料ガス排出流路からの燃料ガスを、当該第１燃料ガス排出流路に合流させる第２燃料ガス排出流路と、前記第２燃料ガス排出流路を流れるガスの流量を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、例えば、システム起動時において燃料ガス流路を燃料ガスに置換する場合や、燃料電池スタックに対する発電要求が大きくなり、燃料ガス不足を防止するべく、各燃料ガス流路に多流量の燃料ガスを供給すべき場合、流量制御手段が、第２燃料ガスは排出流路を流れるガスの流量を増加させる。そうすると、内部燃料ガス排出流路のガスは、第１燃料ガス排出口及び第２燃料ガス排出口を介して、外部に排出される。すなわち、内部燃料ガス排出流路のガスは、その両側から速やかに外部に排出される。
【００１５】
したがって、各燃料ガス流路のガスは、略均等で、内部燃料ガス排出流路に排出されやすくなる。よって、燃料ガスが、内部燃料ガス供給流路から、各燃料ガス流路に、速やかに流れ込みやすくなる。
このようにして、内部燃料ガス供給流路の両側から燃料ガスを供給し、各燃料ガス流路に燃料ガスを供給できるので、速やかに燃料ガスに置換したり、燃料ガス不足になることを防止できる。
【００１６】
また、前記燃料電池スタックの起動が指示された場合において、前記各燃料ガス流路を燃料ガスに置換するとき、前記流量制御手段は、その内部をガスが流れるように制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの起動が指示された場合において、各燃料ガス流路を燃料ガスに置換するとき、流量制御手段がその内部をガスが流れるように制御するので、各燃料ガス流路に速やかに燃料ガスを供給することができ、速やかに燃料ガスに置換することができる。これにより、システム起動時における燃料ガスの置換に要する時間を、短縮することができる。
【００１８】
また、前記燃料電池スタック内の燃料ガス濃度を検出する濃度検出手段と備え、前記流量制御手段は、前記濃度検出手段が検出する燃料ガス濃度が所定燃料ガス濃度になるように、その内部を通るガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、流量制御手段は、濃度検出手段により検出する濃度が、所定燃料ガス濃度（後記する実施形態では、基準水素濃度Ｃ０、Ｃ１）となるように、その内部を通るガスの流量を制御することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する単セルの各燃料ガス流路に、燃料ガスを好適に供給することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
【００２２】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０内の水素濃度を検出する水素センサ１８、１９（濃度検出手段）と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、掃気時にカソード系からアノード系に掃気ガス（非加湿の空気）を導く掃気系と、ＩＧ６１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２３】
＜燃料電池スタック＞
図２に示すように、燃料電池スタック１０は、その外形が、やや縦長の直方体であり、複数（例えば２００〜４００枚）の単セル２０と、２枚のエンドプレート１６、１６とを備えている。図２及び図３に示すように、複数の単セル２０は、その厚み方向に積層されると共に、電気的に直列で接続されており、そして、エンドプレート１６が、積層された単セル２０を、その両外側から挟んでいる。
【００２４】
［単セル］
単セル２０は、固体高分子型の燃料電池であって、電解質膜２２をアノード２３及びカソード２４で挟んだＭＥＡ２１と、アノード２３側に配置されるアノードセパレータ２５と、カソード２４側に配置されるカソードセパレータ２７と、を備えている。そして、アノードセパレータ２５及びカソードセパレータ２７が、ＭＥＡ２１を挟んでいる。
【００２５】
電解質膜２２は、例えば、１価の陽イオン交換膜から構成される。
アノード２３及びカソード２４は、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から構成されると共に、アノード２３及びカソード２４における反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２６】
アノードセパレータ２５は、アノード２３に対して水素を給排する板状の部品であり、図４に示すように、そのアノード２３側面には、水素が流れる溝状のアノード流路２６（燃料ガス流路）が複数形成されている。
複数のアノード流路２６は、鉛直方向に延びており、後記する内部水素供給マニホールド１１からの水素が、各アノード流路２６を鉛直下方に向かい、そして、後記する内部水素排出マニホールド１２に流れ込むようになっている。また、このようにアノード流路２６は鉛直方向に延びているので、アノード流路２６において結露水が生成したとしても、結露水は、その自重により、内部水素排出マニホールド１２に排出されるようになっている。
【００２７】
カソードセパレータ２７は、カソード２４に対して空気を給排する板状の部品であり、そのカソード２４側面には、空気が流れる溝状のカソード流路２８（酸化剤ガス流路）が複数形成されている（図３参照）。
複数のカソード流路２８は、鉛直方向に延びており、後記する内部空気供給マニホールド１３からの空気が、各カソード流路２８を鉛直下方に向かい、そして、後記する内部空気排出マニホールド１４に流れ込むようになっている。また、このようにカソード流路２８は鉛直方向に延びているので、カソード流路２８内における生成水等の排出が促進されるようなっている。
【００２８】
なお、アノードセパレータ２５の裏面（隣接する単セル２０側面）、及び、カソードセパレータ２７の裏面（隣接する単セル２０側面）の少なくとも一方には、冷媒流路（図示しない）が形成されている。そして、各単セル２０の冷媒流路を冷媒が通流することで、燃料電池スタック１０が適宜に冷却されるようになっている。
【００２９】
［内部水素供給マニホールド］
燃料電池スタック１０は、その内部、詳細には図３の右上部分に、内部水素供給マニホールド１１（内部燃料ガス供給流路）を有している。内部水素供給マニホールド１１は、電解質膜２２、アノードセパレータ２５、カソードセパレータ２７、エンドプレート１６、１６に形成された貫通孔が重なることで構成され、単セル２０の積層方向に延びている。そして、内部水素供給マニホールド１１は、その前側（一端側）の第１水素導入口１１ａ（第１燃料ガス導入口）と、その後側（他端側）の第２水素導入口１１ｂ（第２燃料ガス導入口）と、で外部に開口している。
【００３０】
また、内部水素供給マニホールド１１は、各単セル２０のアノード流路２６に連通している（図４参照）。そして、内部水素供給マニホールド１１は、外部からその内部に流れ込んだ水素を、各アノード流路２６に分配供給するようになっている。
【００３１】
［内部水素排出マニホールド］
燃料電池スタック１０は、その内部、詳細には図３の左下部分に、内部水素排出マニホールド１２（内部燃料ガス排出流路）を有している。内部水素排出マニホールド１２は、内部水素供給マニホールド１１と同様、アノードセパレータ２５等に形成された貫通孔が重なることで構成され、積層方向に延びている。そして、内部水素排出マニホールド１２は、その前側（一端側）の第１水素排出口１２ａ（第１燃料ガス排出口）と、その後側（他端側）の第２水素排出口１２ｂ（第２燃料ガス排出口）と、で外部に開口している。
【００３２】
また、内部水素排出マニホールド１２は、各単セル２０のアノード流路２６に連通している（図４参照）。そして、内部水素排出マニホールド１２は、各アノード流路２６からの水素（これをアノードオフガスという）を集合させ、外部に排出するようになっている。
【００３３】
［内部空気供給マニホールド］
燃料電池スタック１０は、その内部、詳細には図３の左上部分に、内部空気供給マニホールド１３（内部酸化剤ガス供給流路）を有している。内部空気供給マニホールド１３は、内部水素供給マニホールド１１と同様、アノードセパレータ２５等に形成された貫通孔が重なることで構成され、積層方向に延びている。そして、内部空気供給マニホールド１３は、その前側の空気導入口１３ａで外部に開口している。
【００３４】
また、内部空気供給マニホールド１３は、各単セル２０のカソード流路２８に連通している。そして、内部空気供給マニホールド１３は、外部からその内部に流れ込んだ空気を、各カソード流路２８に分配供給するようになっている。
【００３５】
［内部空気排出マニホールド］
燃料電池スタック１０は、その内部、詳細には図３の右下部分に、内部空気排出マニホールド１４（内部酸化剤ガス排出流路）を有している。内部空気排出マニホールド１４は、内部水素供給マニホールド１１と同様、アノードセパレータ２５等に形成された貫通孔が重なることで構成され、積層方向に延びている。そして、内部空気排出マニホールド１４は、その前側の空気排出口１４ａで外部に開口している。
【００３６】
また、内部空気排出マニホールド１４は、各単セル２０のカソード流路２８に連通している。そして、内部空気排出マニホールド１４は、各カソード流路２８からその内部に流れ込んだ空気（これをカソードオフガスという）を集合させ、外部に排出するようになっている。
【００３７】
そして、アノード流路２６を介して各アノード２３に水素が供給され、カソード流路２８を介して各カソード２４に空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セル２０でＯＣＶが発生するようになっている。次いで、ＯＣＶが所定ＯＣＶ以上となった状態で、発電要求があり、走行モータ等を含む外部回路（図示しない）に電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００３８】
＜水素センサ＞
図１に戻って説明を続ける。
水素センサ１８、１９は、燃料電池スタック１０内に組み込まれており、アノード流路２６の水素濃度を検出するものである。水素センサ１８は、積層方向において、やや第１水素導入口１１ａ寄りの（やや前側、図３参照）アノード流路２６の水素濃度Ｃ１１を検出するように配置されている。一方、水素センサ１９は、やや第２水素導入口１１ｂ寄りの（やや後側、図３参照）アノード流路２６の水素濃度Ｃ１２を検出するように配置されている。
【００３９】
そして、水素センサ１８、１９は、ＥＣＵ７０にそれぞれ接続されており、検出した水素濃度Ｃ１１、Ｃ１２を、それぞれＥＣＵ７０に出力するようになっている。なお、積層方向における水素センサ１８、１９の位置は、事前試験等に基づいて、例えば、水素が導入されにくい位置や、水素が排出されにくい位置に配置することが好ましい。
ただし、水素センサ１８、１９の数及び位置はこれに限定されず、適宜変更してよい。
【００４０】
＜アノード系＞
アノード系は、アノード流路２６に対して水素を給排する系であり、水素タンク３１（燃料ガス源）と、遮断弁３２と、エゼクタ３３と、アシスト導入弁３４（流量制御手段）と、可変オリフィス３５（流量制御手段）と、パージ弁３６と、逆止弁３７と、アシスト排出弁３８（流量制御手段）と、可変オリフィス３９（流量制御手段）と、を備えている。
【００４１】
水素タンク３１は、配管３１ａ、遮断弁３２、配管３２ａ、エゼクタ３３、配管３３ａを介して、第１水素導入口１１ａに接続されている。そして、ＥＣＵ７０により、遮断弁３２が開かれると、水素が、水素タンク３１から、第１水素導入口１１ａを介して、内部水素供給マニホールド１１及びアノード流路２６に供給されるようになっている。なお、遮断弁３２の下流には減圧弁（図示しない）が設けられており、水素が所定圧力に減圧されるようになっている。
ここで、水素タンク３１（燃料ガス源）と第１水素導入口１１ａとを接続する第１燃料ガス供給流路（第１燃料ガス供給配管）は、配管３１ａ、３２ａ、３３ａを備えて構成されている。また、燃料ガス源としては、水素タンク３１の他、例えば、水素を吸蔵した水素吸蔵合金を使用してもよい。
【００４２】
そして、エゼクタ３３よりも上流の配管３２ａの途中は、配管３４ａ、アシスト導入弁３４、配管３４ｂ、可変オリフィス３５、配管３５ｂを介して、第２水素導入口１１ｂに接続されている。
したがって、遮断弁３２が開いたまま、ＥＣＵ７０によって、アシスト導入弁３４が開かれ、可変オリフィス３５が適宜に制御されると、水素が、第２水素導入口１１ｂを介しても、内部水素供給マニホールド１１及びアノード流路２６に供給され、アノード流路２６への水素導入がアシストされるようになっている。
すなわち、燃料電池スタック１０の積層方向において、その両端側から水素をその内部に供給可能に設計されている。
【００４３】
また、後記するように、システム停止時において、アノード流路２６を掃気し、空気に置換する際にも、アシスト導入弁３４を開き、可変オリフィス３５を適宜に制御することで、掃気ガス（空気）を燃料電池スタック１０の両端側から導入し、残留水素や水蒸気を押し出し、速やかに掃気できるようになっている。
【００４４】
ここで、第１燃料ガス供給流路から分岐し、第２燃料ガス導入口（第２水素導入口１１ｂ）に接続する第２燃料ガス供給流路（第２燃料ガス供給配管）は、配管３４ａ、３４ｂ、３５ａを備えて構成されている。
【００４５】
そして、第２燃料ガス供給流路を構成する配管３４ａの上流端は、エゼクタ３３よりも上流の配管３２ａに接続されているので、後記するようにアノードオフガスがエゼクタ３３に戻されても、アノードオフガスに同伴する水蒸気が配管３４ａに流入しにくくなっている。これにより、配管３４ａ、３４ｂ、３５ａの凍結防止が図られている。
【００４６】
また、配管３４ａ、３４ｂ、３５ａ等で構成される第２燃料ガス供給流路は、システム起動時における水素置換時や、システム停止時の掃気時等の特別な場合に使用するものであるから、第１燃料ガス供給流路を構成する配管３２ａ等に対して、小径の配管で構成することもできる。そして、このような構成にすれば、システム構成を簡易とすることができる。
【００４７】
第１水素排出口１２ａは、配管３６ａ、パージ弁３６を介して、その下流端が外部に連通する配管３６ｂに接続されている。また、配管３６ａの途中は、配管３６ｃを介してエゼクタ３３に接続されており、さらに、配管３６ｃには、エゼクタ３３のみへのガスの流通を許容する逆止弁３７（逆流防止手段）が設けられている。
【００４８】
パージ弁３６は常閉型の弁であり、パージ弁３６が閉じていると、第１水素排出口１２ａを介して排出され、未反応を水素を含むアノードオフガスがエゼクタ３３に戻されるようになっている。その結果、水素が循環し、水素の利用効率が高められている。
よって、循環流路（循環配管）は、配管３６ａの一部と、配管３６ｃとを備えて構成されている。
【００４９】
一方、循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）が増加し、セル電圧モニタ（図示しない）を介して検出される単セル２０の電圧が低下した場合、システム起動時においてアノード流路２６を水素に置換する場合、システム停止時においてアノード流路２６を空気（掃気ガス）に置換する場合、パージ弁３６はＥＣＵ７０よって開かれるようになっている。
【００５０】
そして、このようにパージ弁３６が開かれると、アノード流路２６及び内部水素排出マニホールド１２のガスが、第１水素排出口１２ａ、配管３６ａ、３６ｂを介して、外部に排出されるようになっている。
よって、第１燃料ガス排出流路（第１燃料ガス排出配管）は、配管３６ａ、３６ｂを備えて構成されている。
【００５１】
第２水素排出口１２ｂは、配管３８ａ、アシスト排出弁３８、配管３８ｂ、可変オリフィス３９、配管３９ａを介して、配管３６ｂに接続されている。
そして、前記した水素に置換する場合や、空気に置換する場合、ＥＣＵ７０によって、アシスト排出弁３８が開かれ、可変オリフィス３９が適宜に制御されると、アノード流路２６及び内部水素排出マニホールド１２のガスが、第２水素排出口１２ｂ、配管３８ａ、配管３９ａを介して、外部に排出されるようになっている。
すなわち、アノード流路２６のガスが、燃料電池スタック１０の積層方向において、その両端側から外部に排出可能に設計されている。
【００５２】
ここで、第２燃料ガス排出流路（第２燃料ガス排出配管）は、配管３８ａ、３８ｂ、３９ａを備えて構成されている。
そして、配管３４ａ、３４ｂ、３５ａ等で構成される第２燃料ガス供給流路は、システム起動時における水素置換時や、システム停止時の掃気時等の特別な場合に使用するものであるから、第１燃料ガス排出流路を構成する配管３６ａ等に対して、小径の配管で構成することもできる。そして、このような構成にすれば、システム構成を簡易とすることができる。
【００５３】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ４１を備えている。
コンプレッサ４１は、配管４１ａを介して、空気導入口１３ａに接続されている。そして、ＥＣＵ７０の指令に従ってコンプレッサ４１が作動すると、空気が、空気導入口１３ａ、内部空気供給マニホールド１３を介して、カソード流路２８に供給されるようになっている。なお、配管４１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池スタック１０に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。
【００５４】
空気排出口１４ａは、その下流端が外部に開放された配管４１ｂに接続されている。そして、カソード流路２８からのカソードオフガスは、内部空気排出マニホールド１４、空気排出口１４ａ、配管４１ｂを介して、配管３６ｂに合流し（図示しない）、アノード系からの水素を希釈しつつ、外部に排出されるようになっている。
【００５５】
＜掃気系＞
掃気系は、常閉型の掃気弁５１（掃気手段）を備えている。そして、配管４１ａの途中は、配管５１ａ、掃気弁５１、配管５１ｂを介して、配管３２ａに接続されている。なお、配管５１ｂは、配管３４ａの接続位置よりも上流側で配管３２ａに接続されている。
【００５６】
そして、コンプレッサ４１が作動したまま、ＥＣＵ７０により掃気弁５１が開かれると、掃気ガス（非加湿の空気）が、配管３２ａに導かれるようになっている。この場合において、アシスト導入弁３４が開かれ、可変オリフィス３５が適宜に制御されると、掃気ガスが、第１水素導入口１１ａ、第２水素導入口１１ｂを介して、内部水素供給マニホールド１１の両側から供給されるようになっている。
なお、掃気とは、燃料電池スタック１０内の水蒸気、残留水素等を外部に押し出すことであり、掃気ガスとは掃気を実行するべく、燃料電池スタック１０に導入されるガスである。
【００５７】
＜その他機器＞
ＩＧ６１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００５８】
アクセルペダル６２（Accelerator Pedal：ＡＰ）は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル６２は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ＥＣＵ７０に送り、ＥＣＵ７０はアクセルペダル６２の踏み込み量を検知し、踏み込み量に応じて運転者から発電要求を認識するようになっている。
【００５９】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行するようになっている。ＥＣＵ７０の具体的処理、及び、これによる燃料電池システム１の動作は、後で説明する。
【００６０】
≪燃料電池システムの動作・効果−システム起動時≫
図５を参照して、燃料電池システム１の起動時の動作及び効果を説明する。
なお、起動前において、アノード流路２６、カソード流路２８、内部水素供給マニホールド１１、内部水素排出マニホールド１２、内部空気供給マニホールド１３、及び、内部空気排出マニホールド１４には、システム停止中におけるＯＣＶの発生を防止するべく、後記するシステム停止時における掃気により、空気が封入されている。その他、燃料電池スタック１０が掃気されたか否かをフラグ等によって一時的に記憶しておき、システム起動前に掃気が実行され、空気が封入されている場合のみ、以下の処理を実行する構成としてもよい。
【００６１】
ＩＧ６１がＯＮされると、ＩＧ６１のＯＮ信号を検知したＥＣＵ７０は、図５の処理を開始する。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、遮断弁３２及びパージ弁３６を開く。そして、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト導入弁３４を開く。なお、可変オリフィス３５、３８は、水素置換を速やかに進めるため、全開に制御することが好ましい。
【００６２】
そうすると、水素が、水素タンク３１から、配管３１ａ、３２ａ、３３ａ、第１水素導入口１１ａを介して、燃料電池スタック１０の前側から後方にむかって、内部水素供給マニホールド１１に供給される（図３参照）。また、アシスト導入弁３４が開いているので、配管３２ａを流れる水素は、配管３４ａ、３５ａ、第２水素導入口１１ｂを介して、燃料電池スタック１０の後側から前方に向かって、内部水素供給マニホールド１１に供給される。すなわち、水素は、積層方向に延びる内部水素供給マニホールド１１の両側から中央に向かって、供給される。
【００６３】
そして、このように両側から中央に向かって、内部水素供給マニホールド１１を流れる水素は、各単セル２０のアノード流路２６に均等で流れ込む。これにより、アノード流路２６の水素への置換が進み、燃料電池スタック１０内の水素濃度は略均等で上昇し始める。
【００６４】
また、このとき、パージ弁３６が開いているので、アノード流路２６の空気は、内部水素排出マニホールド１２、第１水素排出口１２ａ、配管３６ａ、配管３６ｂを介して外部に排出される。さらに、アシスト排出弁３８も開いているので、アノード流路２６の空気は、内部水素排出マニホールド１２、第２水素排出口１２ｂ、配管３８ａ、配管３８ｂ、配管３９ａを介して外部に排出される。すなわち、アノード流路２６の空気は、内部水素排出マニホールド１２の両側から外部に排出される。
【００６５】
そして、このように内部水素排出マニホールド１２の両側から排出されるので、各アノード流路２６の空気は、内部水素排出マニホールド１２に均等で流れ込みやすくなる。その結果、各アノード流路２６における水素置換が略均等に進み、水素置換に要する時間を短縮することができる。
【００６６】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８に近く、これらを介して水素が供給、空気が排出されやすいアノード流路２６に配置された水素センサ１９の検出する水素濃度Ｃ１２が、基準水素濃度Ｃ０以上であるか否かを判定する。基準水素濃度Ｃ０は、システム起動時における水素置換が完了されたと判断される水素濃度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００６７】
水素濃度Ｃ１２が基準水素濃度Ｃ０以上であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、水素濃度Ｃ１２が基準水素濃度Ｃ０以上でないと判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３の判定を繰り返す。
【００６８】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を閉じる。
【００６９】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８から遠いアノード流路２６に配置された水素センサ１８の検出する水素濃度Ｃ１１が、基準水素濃度Ｃ０以上であるか否かを判定する。
【００７０】
水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ０以上であると判定された場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０６に進む。一方、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ０以上でないと判定された場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５の判定を繰り返す。
【００７１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０、パージ弁３６を閉じる。これにより、各アノード流路２６は、基準水素濃度Ｃ０以上の水素に置換される。
その後、エンドに進み、ＥＣＵ７０は、電圧センサ（図示しない）を介して、燃料電池スタック１０のＯＣＶが予め定められた所定ＯＣＶ以上であることを確認した後、燃料電池スタック１０と外部回路とを接続し、発電要求に応じて燃料電池スタック１０を発電させる。
【００７２】
≪燃料電池システムの動作・効果−システム停止時≫
次に、図６を参照して、燃料電池システム１の停止時の動作及び効果を説明する。なお、ＩＧ６１がＯＦＦされると図６の処理が開始する。
【００７３】
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ４１を作動させたまま、遮断弁３２を閉じ、パージ弁３６を開く。
【００７４】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、掃気弁５１を開く。そうすると、コンプレッサ４１からの掃気ガス（非加湿の空気）が、カソード流路２８だけでなく、配管５１ａ、５１ｂを介して、アノード系に導かれる。
ただし、掃気弁５１を開くタイミングや、掃気を開始するタイミングについては、特に限定はなく、ＩＧ６１のＯＦＦ後、連続して掃気を開始してもよいし、その他、ＩＧ６１のＯＦＦ後、外気温センサ（図示しない）を介して検出される外気温が、掃気を開始すべき温度（例えば０℃）に低下した場合、掃気を開始する構成としてもよい。
【００７５】
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を開く。そうすると、配管５１ａ、５１ｂを介して導かれた掃気ガスが、内部水素供給マニホールド１１の両側から供給され、そして、各単セル２０のアノード流路２６に供給される。これに並行して、各アノード流路２６の水素、水蒸気等は、内部水素排出マニホールド１２の両側から外部に排出される。
このように積層方向において、その両側から掃気ガスが導入され、アノード流路２６のガスは両側から排出されるので、アノード流路２６の掃気が速やかに進む。なお、掃気を速やかに進めるべく、掃気中において、可変オリフィス３５、３９は全開に制御することが好ましい。
【００７６】
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、水素センサ１９を介して検出される水素濃度Ｃ１２が、残留水素が好適に排出され、掃気が完了したと判断される基準水素濃度Ｃ１以下であるか否かを判定する。なお、基準水素濃度Ｃ１は、事前試験等により求められ、予めＥＣＵ７０に記憶されている。
【００７７】
水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以下であると判定された場合（Ｓ２０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０５に進む。
一方、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以下でないと判定された場合（Ｓ２０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０４の判定を繰り返す。
【００７８】
ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を閉じる。
【００７９】
ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、水素センサ１８を介して検出される水素濃度Ｃ１１が、基準水素濃度Ｃ１以下であるか否かを判定する。
水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以下であると判定された場合（Ｓ２０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０７に進む。一方、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以下でないと判定された場合（Ｓ２０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０６の判定を繰り返す。
【００８０】
ステップＳ２０７において、ＥＣＵ７０は、パージ弁３６及び掃気弁５１を閉じ、コンプレッサ４１を停止する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドに進み、システム停止時の制御を終了する。
【００８１】
≪通常発電時における発電要求の増加≫
次に、図７を参照して、通常発電時（通常走行時）において、例えば、アクセルペダル６２が急に踏み込まれ、燃料電池スタック１０に対する発電要求が急に増加する場合について説明する。
【００８２】
ステップＳ３０１において、ＥＣＵ７０は、アクセルペダル６２の単位時間当たりの踏み込み変化量Δθ１１が、基準踏み込み変化量Δθ１以上であるか否かを判定する。なお、基準踏み込み変化量Δθ１は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を開くべき基準値であり、事前試験等により求められ、予めＥＣＵ７０に記憶されている。
【００８３】
踏み込み変化量Δθ１１が基準踏み込み変化量Δθ１以上であると判定された場合（Ｓ３０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ３０２に進む。一方、踏み込み変化量Δθ１１が基準踏み込み変化量Δθ１以上でないと判定された場合（Ｓ３０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ３０４に進む。
【００８４】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を開く。そうすると、水素が、内部水素供給マニホールド１１の両側から供給され、アノードオフガスが内部水素排出マニホールド１２の両側から排出される。これにより、各アノード流路２６に水素が供給されやすくなり、各単セル２０において水素不足が発生しにくくなる。したがって、燃料電池スタック１０の発電電力を、アクセルペダル６２の踏み込み量に応じて、急に高めることが可能となる。
【００８５】
ステップＳ３０３において、ＥＣＵ７０は、踏み込み変化量Δθ１１に基づいて、詳細には、踏み込み変化量Δθ１１が大きくなるにつれて、可変オリフィス３５、３８の開度を大きくする。これにより、各アノード流路２６に給排される水素の量を適切にすることができる。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを経由して、スタートに戻る。
【００８６】
ステップＳ３０４において、ＥＣＵ７０は、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を閉じる。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを経由して、スタートに戻る。
【００８７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００８８】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０に２系統で水素を供給し、燃料電池スタック１０から２系統でアノードオフガスを排出する燃料電池システム１を例示したが、水素供給側、又は、アノードオフガス排出側のみを２系統とした燃料電池システムでもよい。
また、本発明を、空気を給排するカソード系に適用してもよい。すなわち、燃料電池スタック１０に２系統で空気を供給し、燃料電池スタック１０から２系統で空気（カソードオフガス）を排出する構成としてもよい。
【００８９】
前記した実施形態に係るシステム起動時の水素置換では、水素センサ１８、１９が検出する水素濃度Ｃ１１、Ｃ１２がそれぞれ基準水素濃度Ｃ０以上となった場合、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８を閉じる構成としたが、その他に例えば、アシスト導入弁３４及びアシスト排出弁３８の少なくとも一方を閉じる構成としてもよい。
【００９０】
前記した実施形態では、配管３４ａ、３５ｂを備えて構成される第２燃料ガス供給流路を流れるガスの流量を制御する流量制御手段が、常閉型のアシスト導入弁３４と、可変オリフィス３５とを備えて構成される場合を例示したが、その他に、バタフライ弁や、ニードル弁等によって構成してもよい。
配管３８ａ、３８ｂ、３９ａを備えて構成される第２燃料ガス排出流路を流れるガスの流量を制御する流量制御手段についても、同様である。
【００９１】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムに組み込んでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図４】本実施形態に係るアノードセパレータの斜視図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池システムのシステム起動時の動作を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態に係る燃料電池システムのシステム停止時の動作を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態に係る燃料電池システムの発電要求増加時の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９３】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１１    内部水素供給マニホールド（内部燃料ガス供給流路）
１１ａ  第１水素導入口
１１ｂ  第２水素導入口
１２    内部水素排出マニホールド（内部燃料ガス排出流路）
１２ａ  第１水素排出口
１２ｂ  第２水素排出口
１３    内部空気供給マニホールド（内部酸化剤ガス供給流路）
１３ａ  空気導入口
１４    内部空気排出マニホールド（内部酸化剤ガス排出流路）
１４ａ  空気排出口
１８、１９  水素センサ（濃度検出手段）
２０    単セル
２１    ＭＥＡ（膜電極接合体）
２３    アノード
２４    カソード
２５    アノードセパレータ
２６    アノード流路（燃料ガス流路）
２７    カソードセパレータ
２８    カソード流路（酸化剤ガス流路）
３１    水素タンク（燃料ガス源）
３１ａ、３２ａ、３３ａ  配管（第１燃料ガス供給流路）
３４ａ、３４ｂ、３５ａ  配管（第２燃料ガス供給流路）
３３    エゼクタ
３４    アシスト導入弁（流量制御手段）
３５    可変オリフィス（流量制御手段）
３６ａ、３６ｂ  配管（第１燃料ガス排出流路）
３８ａ、３８ｂ、３９ａ  配管（第２燃料ガス排出流路）
３６ｃ  配管（循環流路）
３８    アシスト排出弁（流量制御手段）
３９    可変オリフィス（流量制御手段）
５１    掃気弁
７０    ＥＣＵ
Ｃ０、Ｃ１  基準水素濃度（所定燃料ガス濃度）
Ｃ１１、Ｃ１２  水素濃度
【図１】
2009048945.tif 000003
【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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