(57)【要約】【課題】アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】アノードからの未反応のアノードガスを含む排ガスをカソード供給マニホールドに排出するアノード排出流路を設ける。ここで、アノード排出流路は、（Ａ）第１発電ユニットグループのいずれかの発電ユニットへ流入するカソードガスが流れる位置でカソード供給マニホールドと連通する第１開口と、（Ｂ）第１発電ユニットグループの発電ユニットへは流入せずに第２発電ユニットグループのいずれかの発電ユニットへ流入するカソードガスが流れる位置でカソード供給マニホールドと連通する第２開口と、を含む。【選択図】図１
2009266412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノードとカソードとを有する発電ユニットを複数積層した積層体と、
前記各発電ユニットにカソードガスを供給するためのカソード供給マニホールドと、
前記アノードからの未反応のアノードガスを含む排ガスを前記カソード供給マニホールドに排出するアノード排出流路と、
を備え、
前記積層体は、１以上の発電ユニットを含む第１発電ユニットグループと、前記第１発電ユニットグループとは異なる１以上の発電ユニットを含む第２発電ユニットグループとを含み、
前記アノード排出流路は、
（Ａ）前記第１発電ユニットグループのいずれかの前記発電ユニットへ流入する前記カソードガスが流れる位置で前記カソード供給マニホールドと連通する第１開口と、
（Ｂ）前記第１発電ユニットグループの前記発電ユニットへは流入せずに前記第２発電ユニットグループのいずれかの前記発電ユニットへ流入する前記カソードガスが流れる位置で前記カソード供給マニホールドと連通する第２開口と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記カソード供給マニホールドは、所定方向に前記カソードガスが流れる主流路を含み、
前記発電ユニットは、前記主流路に接続され、前記カソードガスを前記カソードに導くカソードガス流路を含み、
前記第１発電ユニットグループの各発電ユニットの前記カソードガス流路と前記主流路との接続位置は、前記第２発電ユニットグループの各発電ユニットの前記カソードガス流路と前記主流路との接続位置よりも、上流側に配置されており、
前記第１開口は、前記第１発電ユニットグループの各発電ユニットの前記接続位置と比べて、前記主流路の上流側と連通し、
前記第２開口は、前記第１発電ユニットグループの各発電ユニットの前記接続位置と、前記第２発電ユニットグループの各発電ユニットの前記接続位置との間で、前記主流路と連通する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記アノード排出流路は、前記主流路内を通る内部流路を含み、
前記第１開口と前記第２開口とは、前記内部流路に設けられている、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する排出バルブを備える、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する排出バルブを備え、
前記アノード排出流路は、
前記第１開口へ至る第１排出流路と、
前記第２開口へ至る第２排出流路と、
を含み、
前記排出バルブは、
前記第１排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する第１排出バルブと、
前記第２排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する第２排出バルブと、
を含む、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記排出バルブを制御する制御部を備え、
前記発電ユニットは、前記アノードガスを前記アノードに導くアノードガス流路を含み、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記アノード排出流路の前記排出バルブよりも上流側の部分と前記アノードガス流路とを含むアノード流路システムと、
前記アノード流路システムに接続されたアノードガス供給部と、
を有し、
前記アノード流路システムは、前記排出バルブを閉じることによって、前記アノードガス流路を流れるガスを、前記アノード流路システムの外部に排出せずに前記アノード流路システムの内部に保持するように構成されており、
前記制御部は、
前記積層体に発電を実行させるために前記排出バルブを閉じる第１動作モードと、
前記排ガスを前記カソード供給マニホールドに排出するために前記排出バルブを開ける第２動作モードと、
を有する、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ものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する燃料電池が利用されている。このような燃料電池のアノード側のガス流路では、不純物（電気化学反応に利用される成分（例えば、水素）以外の成分）の濃度が、種々の原因で上昇し得る。不純物の濃度を下げるために、アノードからの排ガスが燃料電池の外部に排出される。ここで、燃料電池システムの外部に排出されるガスの水素濃度を低減するために、アノードからの排ガスを、酸化ガスと混合し、混合ガスをカソードに導く技術が知られている。さらに、カソードの上流側に水素濃度低減装置を設置する技術も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１７４７５７号公報
【特許文献２】特開２００７−３５４０６号公報
【特許文献３】特開平６−６０９０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池には、複数の発電ユニットを有するものがある。このような燃料電池のカソードに、アノードからの排ガスを導く場合には、排ガスが一部の発電ユニットに偏って流れる場合があった。排ガスと酸化ガスとの混合ガスをカソードに供給する場合にも、混合不足によって、このような偏りが生じ得る。このような偏りは、種々の不具合を引き起こす場合がある。不具合としては、例えば、一部の発電ユニットのカソードの劣化が過剰に進むことがある。
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができ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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、アノードとカソードとを有する発電ユニットを複数積層した積層体と、前記各発電ユニットにカソードガスを供給するためのカソード供給マニホールドと、前記アノードからの未反応のアノードガスを含む排ガスを前記カソード供給マニホールドに排出するアノード排出流路と、を備え、前記積層体は、１以上の発電ユニットを含む第１発電ユニットグループと、前記第１発電ユニットグループとは異なる１以上の発電ユニットを含む第２発電ユニットグループとを含み、前記アノード排出流路は、（Ａ）前記第１発電ユニットグループのいずれかの前記発電ユニットへ流入する前記カソードガスが流れる位置で前記カソード供給マニホールドと連通する第１開口と、（Ｂ）前記第１発電ユニットグループの前記発電ユニットへは流入せずに前記第２発電ユニットグループのいずれかの前記発電ユニットへ流入する前記カソードガスが流れる位置で前記カソード供給マニホールドと連通する第２開口と、を含む、燃料電池システム。
【０００８】
この構成によれば、アノードからの排ガスを第１発電ユニットグループと第２発電ユニットグループとに分散させることができるので、アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記カソード供給マニホールドは、所定方向に前記カソードガスが流れる主流路を含み、前記発電ユニットは、前記主流路に接続され、前記カソードガスを前記カソードに導くカソードガス流路を含み、前記第１発電ユニットグループの各発電ユニットの前記カソードガス流路と前記主流路との接続位置は、前記第２発電ユニットグループの各発電ユニットの前記カソードガス流路と前記主流路との接続位置よりも、上流側に配置されており、前記第１開口は、前記第１発電ユニットグループの各発電ユニットの前記接続位置と比べて、前記主流路の上流側と連通し、前記第２開口は、前記第１発電ユニットグループの各発電ユニットの前記接続位置と、前記第２発電ユニットグループの各発電ユニットの前記接続位置との間で、前記主流路と連通する、燃料電池システム。
【００１０】
この構成によれば、所定方向にカソードガスが流れる主流路を含むカソード供給マニホールドを有する燃料電池システムにおいて、適切に、アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができる。
【００１１】
［適用例３］適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記アノード排出流路は、前記主流路内を通る内部流路を含み、前記第１開口と前記第２開口とは、前記内部流路に設けられている、燃料電池システム。
【００１２】
この構成によれば、簡単な構成によって、適切に、アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができる。
【００１３】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノード排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する排出バルブを備える、燃料電池システム。
【００１４】
この構成によれば、アノード排出流路を通じた過剰な量の排ガスの排出を抑制できる。
【００１５】
［適用例５］適用例２に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノード排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する排出バルブを備え、前記アノード排出流路は、前記第１開口へ至る第１排出流路と、前記第２開口へ至る第２排出流路と、を含み、前記排出バルブは、前記第１排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する第１排出バルブと、前記第２排出流路を通じた前記排ガスの排出を制御する第２排出バルブと、を含む、燃料電池システム。
【００１６】
この構成によれば、第１排出バルブと第２排出バルブとの制御によって、適切に、アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができる。
【００１７】
［適用例６］適用例４または適用例５に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記排出バルブを制御する制御部を備え、前記発電ユニットは、前記アノードガスを前記アノードに導くアノードガス流路を含み、前記燃料電池システムは、さらに、前記アノード排出流路の前記排出バルブよりも上流側の部分と前記アノードガス流路とを含むアノード流路システムと、前記アノード流路システムに接続されたアノードガス供給部と、を有し、前記アノード流路システムは、前記排出バルブを閉じることによって、前記アノードガス流路を流れるガスを、前記アノード流路システムの外部に排出せずに前記アノード流路システムの内部に保持するように構成されており、前記制御部は、前記積層体に発電を実行させるために前記排出バルブを閉じる第１動作モードと、前記排ガスを前記カソード供給マニホールドに排出するために前記排出バルブを開ける第２動作モードと、を有する、燃料電池システム。
【００１８】
この構成によれば、排出バルブを閉じることによってアノードガス流路を流れるガスをアノード流路システムの内部に保持して発電を行う燃料電池システムにおいて、適切に、アノードからの排ガスを複数の発電ユニットに分散させることができる。
【００１９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法または装置、その燃料電池システムを備えた車両、それらの方法または装置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、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】
【００２０】
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム９００を示す説明図である。この燃料電池システム９００は、燃料電池スタック１００と、エアコンプレッサＣＰと、アノードポンプＡＰと、水素供給装置４００と、排出バルブ６００と、制御部８００と、を有している。燃料電池スタック１００（以下、単に「スタック１００」とも呼ぶ）は、複数の発電ユニットを積層したスタック構造を有している。制御部８００は、ＣＰＵとメモリとを有するコンピュータであり、燃料電池システム９００の各要素（排出バルブ６００を含む）の動作を制御する。排出バルブ６００としては、例えば、電磁バルブを採用可能である。なお、排出バルブ６００以外の要素の制御は、制御部８００とは異なる図示しない他の制御部が担当してもよい。
【００２２】
図２は、発電ユニットの構造を示す概略図である。図２（Ａ）には、積層方向ＳＤと垂直な方向から見た発電ユニットＣＬの断面図が示されている。発電ユニットＣＬは、アノード層ＡＤと、カソード層ＣＤと、これらの電極層の間に挟まれた電解質層ＥＬと、を有している。アノード層ＡＤには水素を含む燃料ガス（以下、「アノードガス」とも呼ぶ）が供給される。カソード層ＣＤには酸素を含む酸化ガス（以下、「カソードガス」とも呼ぶ）が供給される。発電ユニットＣＬは、水素と酸素とを用いた電気化学反応によって発電する。電解質層ＥＬとしては、例えば、固体高分子電解質を利用して形成された膜を採用可能である。また、各電極層ＡＤ、ＣＤとしては、例えば、触媒担持担体と電解質との混合物を利用して形成された膜を採用可能である。触媒担持担体としては、例えば、白金を担持するカーボンを採用可能である。
【００２３】
これらの層ＣＤ、ＥＬ、ＡＤの接合体ＭＥＡは、さらに、セパレータＳＰによって挟まれている。セパレータＳＰのアノード層ＡＤと接する面には、アノードガスが流れるアノードガス流路ＡＦが形成されている。アノードガス流路ＡＦは、アノード層ＡＤにアノードガスを導く。また、セパレータＳＰのカソード層ＣＤと接する面には、カソードガスが流れるカソードガス流路ＣＦが形成されている。カソードガス流路ＣＦは、カソード層ＣＤにカソードガスを導く。これらの流路ＣＦ、ＡＦの内部には、ガスの拡散性を高めるために、ガス拡散部材を設けてもよい。このような拡散部材としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を採用可能である。
【００２４】
なお、接合体ＭＥＡと、カソード層ＣＤと接するセパレータＳＰのカソードガス流路ＣＦを含む部分と、アノード層ＡＤと接するセパレータＳＰのアノードガス流路ＡＦを含む部分と、の全体が、１つの発電ユニットＣＬに相当する。
【００２５】
燃料電池スタック１００（図１）を形成するために、接合体ＭＥＡとセパレータＳＰとが交互に重ねられる。セパレータＳＰは、導電性の材料で形成されている。すなわち、複数の接合体ＭＥＡは、セパレータＳＰを介して電気的に直列に接続される。なお、セパレータＳＰの材料としては、例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金を採用可能である。
【００２６】
図２（Ｂ）、２（Ｃ）は、発電ユニットＣＬの斜視図である。これらの図には、図２（Ａ）と同様に、１つの接合体ＭＥＡと、その接合体ＭＥＡを挟む２枚のセパレータＳＰとの全体が示されている。本実施例では、発電ユニットＣＬの形状は、矩形平板形状である。この矩形の一端部には、アノード排出穴Ａｅｍｈと、カソード供給穴Ｃｉｍｈとが形成されている。この矩形の他端部には、アノード供給穴Ａｉｍｈと、カソード排出穴Ｃｅｍｈとが形成されている。
【００２７】
発電ユニットＣＬが積層された場合には、各穴Ａｅｍｈ、Ｃｉｍｈ、Ｃｅｍｈ、Ａｉｍｈが、それぞれ、積層方向ＳＤに重なり合って、スタック１００（図１）を積層方向ＳＤに貫通する流路を形成する。すなわち、アノード排出穴Ａｅｍｈは、アノード排出マニホールドを形成し、カソード供給穴Ｃｉｍｈは、カソード供給マニホールドを形成し、カソード排出穴Ｃｅｍｈは、カソード排出マニホールドを形成し、アノード供給穴Ａｉｍｈは、アノード供給マニホールドを形成する。なお、連続する２枚のセパレータＳＰの間には、各穴Ａｅｍｈ、Ｃｉｍｈ、Ｃｅｍｈ、Ａｉｍｈと、接合体ＭＥＡ（図２（Ａ））とのそれぞれをシールするシール部材が挿入される（図示省略）。
【００２８】
図２（Ｂ）は、カソード側のガスの流れを示している。発電ユニットＣＬは、カソードガス流路ＣＦを有する。カソード供給穴Ｃｉｍｈには、カソードガス流路ＣＦと連通する開口ＣＦｉが設けられている。この開口ＣＦｉの位置で、カソードガス流路ＣＦは、カソード供給穴Ｃｉｍｈ（カソード供給マニホールド）に接続される。また、カソード排出穴Ｃｅｍｈには、カソードガス流路ＣＦと連通する開口ＣＦｏが設けられている。この開口ＣＦｏの位置で、カソードガス流路ＣＦは、カソード排出穴Ｃｅｍｈ（カソード排出マニホールド）に接続される。カソード供給穴Ｃｉｍｈに供給されたカソードガスの一部は、開口ＣＦｉからカソードガス流路ＣＦに入り、カソード層ＣＤでの電気化学反応に利用される。カソード層ＣＤからの排ガス（以下「カソードオフガス」とも呼ぶ）は、カソードガス流路ＣＦから開口ＣＦｏを通じてカソード排出穴Ｃｅｍｈに排出される。
【００２９】
図２（Ｃ）は、アノード側のガスの流れを示している。発電ユニットＣＬは、アノードガス流路ＡＦを有する。アノード供給穴Ａｉｍｈには、アノードガス流路ＡＦと連通する開口ＡＦｉが設けられている。アノード排出穴Ａｅｍｈには、アノードガス流路ＡＦと連通する開口ＡＦｏが設けられている。アノード供給穴Ａｉｍｈに供給されたアノードガスの一部は、開口ＡＦｉからアノードガス流路ＡＦに入り、アノード層ＡＤでの電気化学反応に利用される。アノード層ＡＤからの排ガス（以下「アノードオフガス」とも呼ぶ）は、アノードガス流路ＡＦから開口ＡＦｏを通じてアノード排出穴Ａｅｍｈに排出される。
【００３０】
図１には、スタック１００に関するガス流路の概略が示されている。なお、図１では、スタック１００のカソード側の流路以外の流路は、単純なラインまたは２重線で表されている。図１の例では、スタック１００は、ｎ個の発電ユニットを有している（ｎは２以上の整数）。カソード供給マニホールドＣｉｍと、カソード排出マニホールドＣｅｍとの間に、各発電ユニットのカソードガス流路ＣＦ１〜ＣＦｎが並列に接続されている。
【００３１】
カソード供給マニホールドＣｉｍには、カソード供給路２００を通じて、エアコンプレッサＣＰが接続されている。エアコンプレッサＣＰは、カソード供給マニホールドＣｉｍにカソードガス（本実施例では空気）を供給する供給部に相当する。カソードガスの供給部としては、カソードガスを供給可能な種々の装置を採用可能である。カソードガスは、カソード供給マニホールドＣｉｍ内を所定の方向（以下「ガス流方向ＦＤ」と呼ぶ）に沿って流れる。そして、カソードガスは、各開口ＣＦ１ｉ〜ＣＦｎｉ（図２（Ｂ）の開口ＣＦｉに相当する）から、各カソードガス流路ＣＦ１〜ＣＦｎへ流入する。なお、本実施例では、カソード供給マニホールドＣｉｍの全体が、特許請求の範囲における「主流路」に相当する。
【００３２】
各カソードガス流路ＣＦ１〜ＣＦｎからのカソードオフガスは、カソード排出マニホールドＣｅｍを通じて、スタック１００の外へ排出される。そして、カソード排出マニホールドＣｅｍに接続されたカソード排出路２１０を通じて、カソードオフガスは大気中に排出される。
【００３３】
次に、スタック１００のアノード側について説明する。アノード供給マニホールドＡｉｍと、アノード排出マニホールドＡｅｍとの間には、各発電ユニットのアノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎが並列に接続されている。スタック１００には、アノード排出マニホールドＡｅｍからアノード供給マニホールドＡｉｍへ至る循環路３００が接続されている。循環路３００の途中にはアノードポンプＡＰが設けられている。アノードポンプＡＰとアノード供給マニホールドＡｉｍとの間の循環路３００には、アノード供給路４１０を介して、水素供給装置４００が接続されている。水素供給装置４００は、アノードガス（本実施例では、水素ガス）を供給する供給部に相当する。アノードガスの供給部としては、アノードガスを供給可能な種々の装置（例えば、水素タンクとバルブとを含む装置）を採用可能である。
【００３４】
水素供給装置４００によって供給されたアノードガスは、循環路３００を通じてアノード供給マニホールドＡｉｍに流入する。そして、アノードガスは、各アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎへ流入する。
【００３５】
各アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎからのアノードオフガスは、アノード排出マニホールドＡｅｍを通じて、スタック１００の外へ排出される。アノードオフガスは、アノードポンプＡＰによって、再び、アノード供給マニホールドＡｉｍに供給される。これにより、アノードオフガスに含まれる未反応の水素を、発電に利用することができる。
【００３６】
また、アノード排出マニホールドＡｅｍとアノードポンプＡＰとの間の循環路３００には、アノード排出流路５００の一端が接続されている。アノード排出流路５００は、カソード供給路２００の途中からカソード供給路２００の内部に入り、カソード供給マニホールドＣｉｍの内部をガス流方向ＦＤに沿って延びて他端の開口ＯＰｍへ至る。
【００３７】
アノード排出流路５００のうちの、カソード供給マニホールドＣｉｍの内部に含まれる部分（以下「内部流路５１０」と呼ぶ）は、カソードガスの流れる方向ＦＤに沿って延びている。そして、内部流路５１０は、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通するｍ個の開口ＯＰ１〜ＯＰｍを有している（ｍは２以上の整数）。
【００３８】
また、アノード排出流路５００の途中には、排出バルブ６００が設けられている。制御部８００は、通常の動作モード（「第１動作モード」に相当する）では、この排出バルブ６００を閉じる。この状態で、制御部８００は、燃料電池システム９００に発電を実行させる。具体的には、制御部８００は、水素供給装置４００にアノードガスを供給させ、アノードポンプＡＰを駆動する。また、制御部８００は、エアコンプレッサＣＰを駆動させることによって、カソードガスをスタック１００に供給する。
【００３９】
ここで、アノード供給路４１０と、循環路３００と、アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎと、アノード排出流路５００の排出バルブ６００よりも上流側の部分（アノード排出流路５００の循環路３００から排出バルブ６００までの部分）と、の全体を、「アノード流路システムＡＳ」と呼ぶ。排出バルブ６００を閉じることによって、アノード流路システムＡＳの内部と外部との間の連通は遮断される。この状態では、アノード流路システムＡＳは、アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎを流れるガス（アノードガスとアノードオフガスとを含む）を、アノード流路システムＡＳの外部に排出せずにアノード流路システムＡＳの内部に保持する。発電によって水素が消費されたことに応じて、水素供給装置４００は、アノードガスをアノード流路システムＡＳ（循環路３００）に供給する。
【００４０】
図３は、燃料電池システム９００の斜視図である。図中には、スタック１００と、カソード供給路２００と、排出バルブ６００と、アノード排出流路５００と、内部流路５１０と、が示されている。図示するように、スタック１００の内部には、内部流路５１０が配置されている（より具体的には、図示しないカソード供給マニホールドの内部）。また、内部流路５１０は、直線状の流路５１０Ｌと、流路５１０Ｌから分岐して複数の開口へそれぞれ至る複数の分岐流路５１０Ｍとを有している。
【００４１】
ところで、図１に示すアノード流路システムＡＳ内には、不純物が存在し得る。不純物は、電気化学反応に利用される成分（以下「燃料成分」と呼ぶ。本実施例では、水素）以外の成分を意味している。不純物としては、例えば、水素供給装置４００によって供給されるガスに含まれていた不純物や、電気化学反応に伴って生じた水や、カソード側から電解質層ＥＬを透過してきた窒素等がある。このような不純物は発電に消費されないので、排出バルブ６００を閉じている場合には、アノード流路システムＡＳ内の不純物の量が徐々に増加する。そこで、制御部８００は、排出バルブ６００を開けることにより、不純物を含むアノードオフガスを、アノード流路システムＡＳの外へ排出する。その後、制御部８００は、排出バルブ６００を閉じる。これにより、過剰な量のアノードオフガスの排出を抑制できるので、燃費が過剰に悪くなることを抑制できる。そして、制御部８００は、水素供給装置４００にアノードガスをアノード流路システムＡＳへ供給させる。その結果、アノード流路システムＡＳ内での不純物濃度が低下する。なお、このような排出は「パージ」とも呼ばれている。制御部８００は、アノード流路システムＡＳ内の不純物の量が多いことを示す所定の条件が成立したことに応じて、パージを実行する。条件としては、例えば、最後のパージからの積算発電量が所定の閾値を超えたことや、最後のパージからの経過時間が所定の閾値を超えたこと、等を採用可能である。このパージは、特許請求の範囲における「第２動作モード」に相当する。なお、パージは、ユーザ指示に応答して実行されてよい。また、発電中にパージが実行されてよい。
【００４２】
アノード排出流路５００を通じて排出されるアノードオフガスには、不純物に加えて、未反応の燃料成分が含まれている。本実施例では、高濃度の燃料成分を含む排ガスを大気中に排出することを抑制するために、アノード排出流路５００によって、アノードオフガスがカソード供給マニホールドＣｉｍに供給される。その結果、燃料成分は、カソードガスとともにカソード層ＣＤ（図２（Ａ））に供給される。そして、カソード層ＣＤにおける燃料成分とカソードガスとの反応によって、燃料成分が消費される。その結果、カソードオフガス中の燃料成分濃度は低減する。その結果、高濃度の燃料成分を含む排ガスを大気中に排出することが抑制される。
【００４３】
さらに、本実施例では、アノードオフガスは、以下に説明するように複数の発電ユニットに分散して供給される。図１に示す燃料電池システム９００では、ガス流方向ＦＤにおける各開口ＯＰ１〜ＯＰｍの位置が、互いに異なっている。
【００４４】
第１開口ＯＰ１は、第１カソードガス流路ＣＦ１の第１開口ＣＦ１ｉよりも上流側に配置されている。すなわち、第１開口ＯＰ１は、第１カソードガス流路ＣＦ１へ流入するカソードガスが流れる位置で、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通する。その結果、第１カソードガス流路ＣＦ１に流入するアノードオフガスが過剰に少なくなることを抑制できる。なお、第１開口ＯＰ１から排出されたアノードオフガスは、第１カソードガス流路ＣＦ１に限らず、第１開口ＯＰ１よりも下流側の任意のカソードガス流路に流入し得る。
【００４５】
第２開口ＯＰ２は、第１カソードガス流路ＣＦ１の第１開口ＣＦ１ｉと、第２カソードガス流路ＣＦ２の第２開口ＣＦ２ｉとの間に配置されている。ここで、第２開口ＣＦ２ｉは、第１開口ＣＦ１ｉよりも下流側に配置されている。すなわち、第２開口ＯＰ２は、第１カソードガス流路ＣＦ１へは流入せずに第２カソードガス流路ＣＦ２へ流入するカソードガスが流れる位置で、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通する。その結果、第２カソードガス流路ＣＦ２に流入するカソードオフガスが過剰に少なくなることを抑制できる。なお、第２開口ＯＰ２から排出されたアノードオフガスは、第２カソードガス流路ＣＦ２に限らず、第２開口ＯＰ２よりも下流側の任意のカソードガス流路に流入し得る。
【００４６】
第３開口ＯＰ３は、第２カソードガス流路ＣＦ２の第２開口ＣＦ２ｉと、第３カソードガス流路ＣＦ３の第３開口ＣＦ３ｉとの間に配置されている。ここで、第３開口ＣＦ３ｉは、第２開口ＣＦ２ｉよりも下流側に配置されている。すなわち、第３開口ＯＰ３は、カソードガス流路ＣＦ１、ＣＦ２へは流入せずに第３カソードガス流路ＣＦ３へ流入するカソードガスが流れる位置で、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通する。その結果、第３カソードガス流路ＣＦ３に流入するアノードオフガスが過剰に少なくなることを抑制できる。なお、第３開口ＯＰ３から排出されたアノードオフガスは、第３カソードガス流路ＣＦ３に限らず、第３開口ＯＰ３よりも下流側の任意のカソードガス流路に流入し得る。
【００４７】
第ｍ開口ＯＰｍの下流側には、複数のカソードガス流路ＣＦ１〜ＣＦｎのうちの第ｎカソードガス流路ＣＦｎの第ｎ開口ＣＦｎｉのみが配置されている。すなわち、第ｍ開口ＯＰｍから排出されたアノードオフガスの全ては、第ｎ開口ＣＦｎｉに流入する。
【００４８】
以上のように、内部流路５１０に設けられた開口から排出されるアノードオフガスは、その開口よりも上流側のカソードガス流路には流入せずに、その開口よりも下流側のカソードガス流路に流入する。そして、内部流路５１０には、上流側のカソードガス流路と下流側のカソードガス流路との組合せが互いに異なる複数の開口ＯＰ１〜ＯＰｍが設けられている。すなわち、開口（開口ＯＰ１〜ＯＰｍ）から排出されたアノードオフガスが流入し得るカソードガス流路は、各開口ＯＰ１〜ＯＰｍ毎に異なっている。その結果、アノードオフガスを、複数のカソードガス流路（発電ユニット）に分散させることができる。特に、本実施例では、アノードオフガスをカソードガスによって希釈する希釈器を利用せずに、アノードオフガスを分散させることができる。また、アノードオフガスの希釈に要するカソードガスの量が過剰に多くなることを抑制できる。そして、エアコンプレッサＣＰの消費電力が過剰に大きくなることを抑制できる。また、パージのためにエアコンプレッサＣＰの制御が過剰に複雑になることを抑制できる。また、アノード排出流路５００が、カソード供給マニホールドＣｉｍ（主流路）の内部を通る内部流路５１０を含むので、簡単な構成によって、適切に、アノードオフガスを複数の発電ユニットに分散させることができる。
【００４９】
図４は、比較例の燃料電池システム９１０の斜視図である。図３に示す燃料電池システム９００との差違は、２点ある。第１の差違は、内部流路５１０が省略されている点である。第２の差違は、アノード排出流路５００が、カソード供給マニホールドの内部まで延びることなく、カソード供給路２００に接続されている点である。この比較例では、アノードオフガスは、カソード供給路２００内で、カソードガスと混合される。そして、図３に示す実施例と同様に、カソード層における燃料成分とカソードガスとの反応によって、燃料成分が消費される。ただし、比較例では、混合不足に起因して、一部のカソードガス流路に偏って燃料成分が流入する可能性がある。例えば、アノード排出流路５００とカソード供給路２００との合流位置に最も近いカソードガス流路に大部分のアノードオフガスが流入し得る。この場合、一部の発電ユニットの劣化が過剰に進む可能性がある。この理由は、カソードガス流路内において（例えば、カソード層ＣＤ上）、燃料成分とカソードガスとの反応（本実施例では、水素と酸素との反応）によって熱が生じるからである。一方、本実施例では、上述したように、アノードオフガスを、複数のカソードガス流路（発電ユニット）に分散させることができる。そして、一部の発電ユニットの劣化が過剰に進むことを抑制できる。その結果、スタック１００の寿命を延ばすことができる。
【００５０】
Ｂ．第２実施例：
図５は、内部流路の別の実施例を示す概略図である。図３に示す内部流路５１０との差違は、分岐流路５１０Ｍが省略されている点だけである。本実施例では、流路５１０Ｌに直接に開口ＯＰが設けられている。このような構成の内部流路５１０Ｂを利用する燃料電池システム９００Ｂも、上述の第１実施例の燃料電池システム９００と同様の効果を奏する。
【００５１】
Ｃ．第３実施例：
図６は、燃料電池システムの別の実施例を示す説明図である。図７は、本実施例の燃料電池システム９００Ｃの斜視図である。図１に示す燃料電池システム９００との差違は、２点ある。第１の差違は、アノード排出流路５００ｃの先が４つの流路５３０ａ〜５３０ｄに分岐し、分岐した各排出流路５３０ａ〜５３０ｄのそれぞれがカソード供給マニホールドＣｉｍに接続されている点である。第２の差違は、図１の排出バルブ６００の代わりに、各排出流路５３０ａ〜５３０ｄの途中に、排出バルブ６００ａ〜６００ｄが、それぞれ設けられている点である。本実施例の燃料電池システム９００Ｃの他の構成は、図１に示す燃料電池システム９００と同じである。なお、アノード流路システムＡＳｃは、アノード供給路４１０と、循環路３００と、アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎと、アノード排出流路５００ｃの排出バルブ６００ａ〜６００ｄよりも上流側の部分（アノード排出流路５００ｃの循環路３００から各排出バルブ６００ａ〜６００ｄまでの部分）と、の全体を示している。また、図７には、スタック１００と、カソード供給路２００と、排出バルブ６００ａ〜６００ｄと、アノード排出流路５００ｃと、が示されている。
【００５２】
図６には、各排出流路５３０ａ〜５３０ｄの開口ＯＰａ〜ＯＰｄが、それぞれ示されている。各開口ＯＰａ〜ＯＰｄは、各排出流路５３０ａ〜５３０ｄとカソード供給マニホールドＣｉｍとの接続部分の内部に、それぞれ設けられている。各排出流路５３０ａ〜５３０ｄは、開口ＯＰａ〜ＯＰｄを通じて、カソード供給マニホールドＣｉｍとそれぞれ連通する。また、ガス流方向ＦＤにおける、各開口ＯＰａ〜ＯＰｄの位置は、互いに異なっている。
【００５３】
第１開口ＯＰａは、第１開口ＣＦ１ｉよりも上流側に配置されている。第１開口ＯＰａは、第１カソードガス流路ＣＦ１へ流入するカソードガスが流れる位置で、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通する。
【００５４】
第２開口ＯＰｂは、第２開口ＣＦ２ｉと第３開口ＣＦ３ｉとの間に配置されている。第２開口ＯＰｂは、カソードガス流路ＣＦ１、ＣＦ２へは流入せずに第３カソードガス流路ＣＦ３へ流入するカソードガスが流れる位置で、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通する。
【００５５】
第３開口ＯＰｃは、第ｋカソードガス流路ＣＦｋの開口ＣＦｋｉと、第ｋ＋１カソードガス流路ＣＦｋ＋１の開口ＣＦｋ＋１ｉとの間に配置されている（ｋは、３より大きくｎ−１より小さい整数）。第３開口ＯＰｃは、第１〜第ｋカソードガス流路ＣＦ１〜ＣＦｋへは流入せずに、第ｋ＋１カソードガス流路ＣＦｋ＋１へ流入するカソードガスが流れる位置で、カソード供給マニホールドＣｉｍと連通する。
【００５６】
第４開口ＯＰｄの下流側には、複数の開口ＣＦ１ｉ〜ＣＦｎｉのうちの第ｎ開口ＣＦｎｉのみが配置されている。従って、第４開口ＯＰｄから排出されたアノードオフガスの全ては、第ｎ開口ＣＦｎｉに流入する。
【００５７】
以上のように、開口（開口ＯＰａ〜ＯＰｄ）から排出されたアノードオフガスが流入し得るカソードガス流路は、各開口ＯＰａ〜ＯＰｄ毎に異なっている。従って、本実施例の燃料電池システム９００Ｃも、上述の各実施例と同様に、アノードオフガスを、複数のカソードガス流路（発電ユニット）に分散させることができる。
【００５８】
また、本実施例では、各排出流路５３０ａ〜５３０ｄ毎に、排出バルブ６００ａ〜６００ｄが、それぞれ設けられている。従って、制御部８００は、開いているバルブと閉じているバルブとの組み合わせを変更することによって、アノードオフガスを、適切に、複数のカソードガス流路（発電ユニット）に分散させることができる。例えば、開状態のバルブの総数を１つに限定し、そして、開状態のバルブを、６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄの順番に周期的に切り替えても良い。このような切替は、１回のパージの間に行われても良い。この代わりに、１回のパージを行う毎に、１つずつ順番を切り替えてもよい。なお、開状態のバルブの総数は、２以上でもよい。また、開状態のバルブと閉状態のバルブとの組み合わせの変更パターンとしては、種々の組み合わせを採用可能である。
【００５９】
なお、通常の動作モードでは、制御部８００は、全ての排出バルブ６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄを閉じた状態で、燃料電池システム９００Ｃに発電を行わせる。この状態では、図１のアノード流路システムＡＳと同様に、アノード流路システムＡＳｃは、内部のガスを排出せずに保持する。なお、分岐した排出流路の総数は４に限らず任意の複数を採用可能である。いずれの場合も、アノード排出流路がｐ個（ｐは２以上の整数）の排出流路に分岐する場合には、各排出流路を通じた排ガスの排出をそれぞれ制御するｐ個の排出バルブを設けることが好ましい。
【００６０】
Ｄ．第４実施例：
図８は、燃料電池システムの別の実施例を示す説明図である。図１に示す燃料電池システム９００との差違は、循環路３００が省略されている点である。水素供給装置４００は、アノード供給路４１０を介して、アノード供給マニホールドＡｉｍに接続されている。アノード排出マニホールドＡｅｍには、アノード排出流路５００が接続されている。通常の動作モードでは、制御部８００は、排出バルブ６００を閉じる。ここで、アノード供給路４１０と、アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎと、アノード排出流路５００の排出バルブ６００よりも上流側の部分（アノード排出流路５００のアノード排出マニホールドＡｅｍから排出バルブ６００までの部分）と、の全体を、「アノード流路システムＡＳｄ」と呼ぶ。排出バルブ６００を閉じることによって、アノード流路システムＡＳｄの内部と外部との間の連通が遮断される。この状態で、制御部８００は、燃料電池システム９００Ｄに発電を行わせる。また、この状態では、アノード流路システムＡＳｄは、アノードガス流路ＡＦ１〜ＡＦｎを流れるガス（アノードガスとアノードオフガスとを含む）を、アノード流路システムＡＳｄの外部に排出せずに保持する。発電によって水素が消費されたことに応じて、水素供給装置４００は、アノードガスをアノード流路システムＡＳｄ（スタック１００）に供給する。
【００６１】
このように、アノード側でガスを循環させない構成においても、アノード流路システムＡＳｄ内の不純物の量が徐々に増加する。そこで、制御部８００は、排出バルブ６００を開けることにより、不純物をアノード流路システムＡＳｄの外へ排出することができる。
【００６２】
また、本実施例では、アノード排出流路５００の構成は、図１に示す第１実施例のアノード排出流路５００と同じである。従って、燃料電池システム９００Ｄも、上述の第１実施例の燃料電池システム９００と同様の効果を奏する。なお、本実施例において、アノード排出流路５００の代わりに、図６に示すアノード排出流路５００ｃを利用してもよい。
【００６３】
Ｅ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６４】
変形例１：
上述の各実施例において、燃料電池システムの構成としては、図１、図６、図８に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、図６に示す実施例において、各排出バルブ６００ａ〜６００ｄの代わりに、図１の実施例と同様の１つの排出バルブ６００を利用してもよい。また、排出バルブを省略してもよい。一般には、以下のような構成を採用可能である。すなわち、発電ユニットの積層体は、１以上の発電ユニットを含む第１発電ユニットグループと、第１発電ユニットグループとは異なる１以上の発電ユニットを含む第２発電ユニットグループとを含む。そして、アノード排出流路は、（Ａ）第１発電ユニットグループのいずれかの発電ユニットへ流入するカソードガスが流れる位置でカソード供給マニホールドと連通する第１開口と、（Ｂ）第１発電ユニットグループの発電ユニットへは流入せずに第２発電ユニットグループのいずれかの発電ユニットへ流入するカソードガスが流れる位置でカソード供給マニホールドと連通する第２開口と、を含む。ここで、第１発電ユニットグループと第２発電ユニットグループとの間に、他の発電ユニットが積層されていても良い。
【００６５】
なお、アノード排出流路の開口（カソード供給マニホールドに連通する開口）の総数としては、２に限らず、任意の複数を採用可能である。いずれの場合も、アノード排出流路が、上述の様な関係を満たす「第１開口」と「第２開口」とを有することが好ましい。
【００６６】
例えば、図１の実施例では、第１開口ＯＰ１が特許請求の範囲の「第１開口」に相当し、第２開口ＯＰ２が「第２開口」に相当する、と考えることができる。この場合、第１カソードガス流路ＣＦ１を有する発電ユニットが、「第１発電ユニットグループ」に相当する。また、カソードガス流路ＣＦ２〜ＣＦｎのそれぞれに対応する複数の発電ユニットが、「第２発電ユニットグループ」に相当する。また、同じ図１の実施例において、第２開口ＯＰ２が「第１開口」に相当し、第３開口ＯＰ３が「第２開口」に相当する、と考えることもできる。この場合には、第２カソードガス流路ＣＦ２を有する発電ユニットが「第１発電ユニットグループ」に相当する。また、カソードガス流路ＣＦ３〜ＣＦｎのそれぞれに対応する複数の発電ユニットが、「第２発電ユニットグループ」に相当する。また、同じ図１の実施例において、第１開口ＯＰ１が「第１開口」に相当し、第３開口ＯＰ３が「第２開口」に相当する、と考えることもできる。この場合には、第１カソードガス流路ＣＦ１を有する発電ユニットと、第２カソードガス流路ＣＦ２を有する発電ユニットとが、「第１発電ユニットグループ」に相当する。図６、図８に示す実施例に関しても、同様に、「第１開口」と「第２開口」と「第１発電ユニットグループ」と「第２発電ユニットグループ」とを特定することができる。
【００６７】
以上のように、アノード排出流路が、カソード供給マニホールドと連通する３以上の開口を有している場合には、「第１開口」と「第２開口」との組合せとして、複数の組合せが存在し得る。
【００６８】
変形例２：
上述の各実施例において、カソード供給マニホールドの構成としては、ガス流方向ＦＤに沿って順番に、主流路にカソードガス流路が接続される構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、カソード供給マニホールドが複数の分岐流路に分岐し、各分岐流路が互いに異なるカソードガス流路にカソードガスを供給してもよい。この場合も、アノード排出流路は、カソード供給マニホールドの複数の分岐流路にそれぞれ連通する複数の開口を有することが好ましい。
【００６９】
変形例３：
上述の各実施例において、発電ユニットの構成としては、図２に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、アノードガス流路ＡＦを有するセパレータと、カソードガス流路ＣＦを有するセパレータとのそれぞれが、別体のセパレータとして構成されてもよい。
【００７０】
また、電解質の材料としては、固体高分子電解質に限らず、種々の電解質を採用可能である。例えば、固体酸化物電解質や、リン酸電解質や、アルカリ水溶液電解質や、溶融炭酸塩電解質を採用してもよい。アノード層ＡＤとカソード層ＣＤとの材料としては、電解質の材料に適した種々の材料を採用可能である。そして、セパレータＳＰの材料としては、接合体ＭＥＡの動作に適した種々の材料を採用可能である。
【００７１】
変形例４：
上記各実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部あるいは全部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、図１の制御部８００の機能を、論理回路を有するハードウェア回路によって実現してもよい。
【００７２】
また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。この発明において、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム９００を示す説明図である。
【図２】発電ユニットの構造を示す概略図である。
【図３】燃料電池システム９００の斜視図である。
【図４】比較例の燃料電池システム９１０の斜視図である。
【図５】内部流路の別の実施例を示す概略図である。
【図６】燃料電池システムの別の実施例を示す説明図である。
【図７】燃料電池システム９００Ｃの斜視図である。
【図８】燃料電池システムの別の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７４】
１００…燃料電池スタック
２００…カソード供給路
２１０…カソード排出路
３００…循環路
４００…水素供給装置
４１０…アノード供給路
５００、５００ｃ…アノード排出流路
５１０、５１０Ｂ…内部流路
５１０Ｌ…流路
５１０Ｍ…分岐流路
５３０ａ〜５３０ｄ…排出流路
６００、６００ａ〜６００ｄ…排出バルブ
８００…制御部
９００、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄ、９１０…燃料電池システム
Ａｉｍｈ…アノード供給穴
Ａｅｍｈ…アノード排出穴
Ｃｉｍｈ…カソード供給穴
Ｃｅｍｈ…カソード排出穴
ＣＦ１ｉ〜ＣＦｎｉ、ＯＰ１〜ＯＰｍ、ＯＰ、ＯＰａ〜ＯＰｄ、ＣＦｉ、ＣＦｏ、ＡＦｉ、ＡＦｏ…開口
ＣＦ、ＣＦ１〜ＣＦｎ…カソードガス流路
ＡＦ、ＡＦ１〜ＡＦｎ…アノードガス流路
ＦＤ…ガス流方向
ＡＤ…アノード層
ＣＤ…カソード層
ＣＬ…発電ユニット
ＥＬ…電解質層
ＣＰ…エアコンプレッサ
ＡＰ…アノードポンプ
ＳＰ…セパレータ
ＡＳ、ＡＳｃ、ＡＳｄ…アノード流路システム
Ｃｅｍ…カソード排出マニホールド
Ａｅｍ…アノード排出マニホールド
Ｃｉｍ…カソード供給マニホールド
Ａｉｍ…アノード供給マニホールド
【図１】
2009266412.tif 000003
【図２】
2009266412.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009266412.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009266412.tif 000008
【図７】
2009266412.tif 000009
【図８】
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