JP2006338921A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックの燃料室内に溜まった生成水量を推定し、これを排出する。
【解決手段】 最も下流に位置するモジュール１３０−ｎにおいて、最も水が溜まり易い燃料室の単位セルの出力電圧値、即ち電極板Ｄに隣接する単位セル１５−ｍと、最もガス流が小さい燃料室３０−１の単位セルの各出力電圧をセンサＳ1、Ｓ３で検出し、水のたまり難い燃料室の単位セルの出力電圧をセンサＳ２で検出し、これを比較する。検出値の差が大きい場合には、溜まっている水量が大きいと判断し、水を排出する処理を実行する。
【選択図】 図１２

Description

この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、燃料電池スタック内に溜まった水量を検出する燃料電池システムに関するものである。

一般に、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じるものである。

そして、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して反応させ電力を得るものである。この燃料電池スタックは、高分子電解質膜を燃料極と酸化極で挟んで構成された単位セルと、導電性材料で構成されたセパレータとを交互に積層して構成され、セパレータと燃料極との間に燃料ガスを、セパレータと酸化極の間に酸化ガスを流通させることにより、電気化学反応を生じさせるものである。

燃料電池スタックの構成としては、各セパレータに同時にガスを供給する並列方式のものや、所定枚数積層された物をモジュールとして、これを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式のものなどか提案されている。
特開平０７−２３５３２４号。 特開２００３−１７８７８９号。

ところで、燃料電池においては、電気化学反応が生じる際に、水素と酸素が反応し、酸素極において生成水が発生する。この生成水は、電気化学反応によって生じる出力の増加に応じて増加する。

また、生成水は、燃料電池スタック内の単位セル内で発生し、電解質膜及び燃料極を介して燃料室内に浸出する。燃料室内に溜まった生成水は、燃料極か燃料ガスと接触する面積を減らし、燃料電池スタックの出力低下を招くといった問題がある。

特に、既述のように、燃料電池スタックにモジュールを直列に複数連結し、各モジュールに順番にガスを供給する直列方式を採用した場合には、最後に燃料ガスが供給されるモジュールに生成水が集中し、モジュール毎の出力差が増大するといった問題があった。

この発明は、燃料室内に溜まった生成水量を推定し、これを排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。

（１） 単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セルの積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有する燃料電池スタックと、
電極板に隣接した単位セルの出力を検出する第１出力センサと、
他の単位セルの出力を検出する第２出力センサと、
第１出力センサの検出値と第２出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。

（２） 単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続した燃料電池スタックと、
最も下流側に接続されたモジュールの最も内側に位置する単位セルの出力を検出する第３出力センサと、
他の単位セルの出力を検出する第２出力センサと、
第３出力センサの検出値と第２出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。

（３） 出力センサは、出力電圧を検出する上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。

（４） さらに、燃料ガス流路に溜まった水量が所定以上であると前記判定手段が判定した場合、燃料ガス流量を増加させる流量制御手段を有する上記（１）〜（３）のいずれか１つに際の燃料電池システム。

請求項１に記載の発明によれば、電極板の放熱作用によって結露し易い位置にある燃料室は、他の位置の燃料室よりも水が溜まり易いため、この燃料室の単位セルについて出力を検出することで、他の燃料室の水溜まり状態を推し量ることができ、水の溜まりにより燃料電池スタック全体の出力低下を未然に予測することができる。

請求項２に記載の発明によれば、最も下流に位置するモジュールにおいて、流速が最も遅くなる燃料室は、他の位置の燃料室よりも水が溜まり易いため、この燃料室の単位セルについて出力を検出することで、他の燃料室の水溜まり状態を推し量ることができ、水の溜まりにより燃料電池スタック全体の出力低下を未然に予測することができる。

請求項３に記載の発明によれば、単位セルの出力を電圧として検出することで、出力検出を容易かつ精密に行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、燃料室に溜まった水量が所定以上である場合には、燃料ガスの流量を増加させることにより、溜まった水を燃料室の外に排出することができ、安定した出力を確保することができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、燃料電池スタック１００を用いたシステム１の燃料供給系１０を示すブロック図である。

この燃料電池システム１の有するスタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。

セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。

集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。燃料極に接触する集電部材３は、図７に示されているように、矩形の金網材から成り、その表面には多数の孔３２０が形成されている。また、集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。尚、図７以外の図においては、図面の内容をわかり易くするために、集電部材３を板材として示しており、断面図等において、網材の孔３２０の表示は省略されている。

凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。

集電部材３の両端部には、流通流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。集電部材４の両端部には、孔４８が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この孔４８によって水素供給路が構成される。

以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。

空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。
また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。

集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。

集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。

上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、空気マニホールドから噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。

図８は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。

空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ₂）等が挙げられる。

以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図９は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、空気マニホールドから空気が流入するとともに、空気マニホールド内でノズルから噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。

図１０は、燃料電池スタック１００の全体平面図である。以上のように構成された燃料電池セパレータ１３は、所定の枚数重ねられたモジュール１３０−１〜ｎ（単位体）を複数個構成し、この複数のモジュール１３０を複数重ねることによって燃料電池スタック１００が構成される。隣接するモジュール１３０−ｍとモジュール１３０−ｍ＋１の間には、集電部材３と集電部材４の間に遮蔽板１６を挟んだ、セパレータ１４が介在する。遮蔽板１６は、水素通路１７ａ又は水素通路１７ｂのいずれかに対応した位置に、水素通路１７ａ、１７ｂの断面形状と同じ形状の、孔１６１ａ又は１６１ｂを備えている。この遮蔽板１６は、導電性を有し、燃料電池スタック１００内での電気の流通は妨げない。

一方、遮蔽板１６が孔１６１ａを有する場合には、水素通路１７ｂでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６が孔１６１ｂを有する場合には、水素通路１７ａでの水素ガスの流通は、遮蔽板１６によって遮断される。遮蔽板１６は、水素ガスが流入する側から流出する側へ配置されている順に、孔１６１ｂが設けられている遮蔽板１６、孔１６１ａが設けられている遮蔽板１６・・・となるよう、交互に配置される。このようにモジュール１３０−１〜ｎ毎に、水素通路１７ａと水素通路１７ｂの一方を交互に遮蔽することで、供給された水素ガスは、モジュール１３０単位で、各燃料室３０内を流通する。具体的には、最初のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、次のモジュール１３０では、水素通路１７ｂから水素通路１７ａへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れ、さらに次のモジュール１３０では、水素通路１７ａから水素通路１７ｂへ向けて、各燃料室３０内を水素ガスが流れる・・・以降は、交互に水素ガスの流通方向が変化する。

即ち、燃料電池スタック１００は、単位セル１５とセパレータ１３を積層して構成されたモジュール１３０と、モジュール１３０内において、セパレータ１３の積層方向に形成され、燃料室３０を挟んだ両側に位置し、各燃料室３０にそれぞれ連通する一対の水素通路１７ａ、１７ｂとを有し、モジュール１３０を積層して構成されたものであって、隣接するモジュール１３０の間には、各モジュール１３０の一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）間を連通する連通部（孔１６１ａ（又は１６１ｂ））と、他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）間の水素流通を遮断する遮断部（遮蔽板１６）とを有し、連通部と遮断部は、積層されているモジュール１３０の積層方向に向けて順に、一方の水素通路１７ａ、１７ａ（又は１７ｂ、１７ｂ）と他方の水素通路１７ｂ、１７ｂ（又は１７ａ、１７ａ）において交互に設けられ、一対の水素流路（１７ａ、１７ｂ）間の各燃料室３０内を流れる水素ガスの流通方向が、モジュール１３０毎に交互に逆向きに変化する構成となっている。

図１１は、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａの縦断面図である。各モジュール１３０−１〜ｎは、水素流通路１７ａと、水素流通路１７ａに連通する水素流通経路８４ａによって、さらに、水素流通路１７ｂと、水素流通路１７ｂに連通する水素流通経路８４ｂによって、それぞれマニホールドが構成されている。そして、水素通路１７ａが燃料流入通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなる。逆に、水素通路１７ａが燃料流出通路である場合には、水素通路１７ａと水素流通経路８４ａで構成されるマニホールドが、出口マニホールドとなり、水素通路１７ｂと水素流通経路８４ｂで構成されるマニホールドが、入口マニホールドとなる。

このように、燃料電池スタック１００を、複数のモジュール１３０−１〜ｎに分割し、モジュール毎に水素ガスを流通させる構成とすることによって、各モジュール１３０の間で水素ガス流量に差が生じることを防止できる。また、単位のモジュール１３０−１〜ｎ内においても、積層されたセパレータ１３と単位セル１５とで構成された各燃料室３０間で水素ガス流量の差が生ずること抑制できる。さらに、燃料電池スタック１００に供給された水素ガスは、繰り返し、モジュール１３０−１〜ｎ内を流れるので、燃料室３０の燃料極に接触する機会が増え、反応効率が向上する。
そして、モジュール１３０−１〜ｎの積層方向における両端には、電極板が重ねられ、燃料電池スタック１００の電極に接続されている。

図１２は、燃料ガスが最後に通過するモジュール１３０−ｎの構成を示す模式図である。モジュール１３０−ｎの一方の端面には、一方の電極板Ｄが重ねられている。隣接するモジュール１３０−（ｎ−１）から送られる燃料ガスは、水素流通路１７ａから各セパレータによって構成される燃料室３０へ供給される。水素流路１７ａから多数の燃料室３０で構成された流路へ燃料ガスが流入する際、ガスの流れる方向が急激に変更され、屈曲した流路が構成される。通常、流路が湾曲している場合には、湾曲の外側と内側で流速に違いが生じ、流速は、外側が早く、内側が遅くなる。同様に、屈曲した流路の内側と外側では、ガスの流速に違いが生じ、外側が速く、内側は遅くなる。

この実施形態では、隣接モジュール１３０−（ｎ−１）に隣接する単位セル１５−１に燃料ガスを供給する燃料室３０−１内のガス流が、同モジュール内の他の燃料室３０ないのガス流に比較して、最も遅くなる。従って、この燃料室３０内では、生成水をガス流により押し出す流速が最も小さくなり、生成水が溜まり安い。特に、最も下流に位置するモジュール１３０−ｎでは、上流に位置するモジュール１３０−１〜（ｎ−１）で生成された生成水が、ガス流によって運ばれて来るので、最も多くの生成水が流入する。また、燃料電池スタック１００内を流れる燃料ガスは、上流が下流へ流れる際に、圧力損失が生じて、最も下流に位置するモジュール１３０−ｎに達した際には、ガス流が最も遅くなっている。

以上のような事情から、最も下流に位置するモジュール１３０−ｎ内に、生成水が溜まり易い。さらに、最も下流に位置するモジュール１３０−ｎに接続される電極板Ｄは、熱伝導性が良いため、モジュール１３０−ｎの熱を奪う。これにより、電極板Ｄに隣接する単位セル１５−ｍの燃料室３０−ｍ内には、結露による水が発生し易く、この燃料室３０−ｍ内にも水が溜まり易い。

一方、燃料室３０に水が溜まると、燃料極１５ｃと燃料ガスとの接触面積が減るため、単位セル１５の出力が低下する。従って、単位セル１５の出力を検出することによって、燃料室３０内に水が溜まっているか否かを判断することができる。この実施形態では、最も水が溜まり易い燃料室３０−１、３０-ｍの単位セル１５−１、１５−ｍの出力電圧を検出する電圧センサＳ１とＳ３と、水のたまり難い燃料室３０の単位セル１５−ｍ／２の出力電圧を検出する電圧センサＳ２とを有している。最も水が溜まり易い燃料室の単位セル電圧を代表的に検出することで、他の燃料室に溜まっている水を推定することが容易となる。水のたまり難い燃料室３０は、電極板Ｄによる放熱の影響を受けず（冷えにくい）、ガス流が十分得られる（水を十分にガス流で排出している）燃料室３０の単位セル１５であることが好ましい。この実施形態では、同じモジュール１３０−ｎ内の、単位セルの電圧を基準電圧として検出している。外部環境の変化や、破損や故障等により出力電圧に変動が生じた場合に、相互に近接している単位セルの出力電圧を比較する方が、判断に影響が少ないからである。

これに限らず、他のモジュール１３０−１〜（ｎ−１）の単位セルから基準電圧を検出してもよい。この場合には、電極板Ｄによる放熱の影響が一層受けにくく、かつガス流が一層十分に得られる燃料室３０の単位セル１５を選択することができる。また、この場合には、モジュール単位で異常が発生した場合、出力電圧を比較することによって、異常検出が可能となる。

図１３は、燃料電池スタック１００の正面図である。水素通路１７ａの水素ガス流入部分には、整流手段としての導入案内路１８ａが設けられている。この導入案内路１８ａは、ガス導入口１８１ａが、燃料ガス供給流路２０１と同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ａが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ａからガス導出口１８２ａまでの流路１８３ａは、横断面の幅が漸増し、水素通路１７ａの横断面におけるガス流速の分布が均一となるように、ガス流を案内する。さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導出口１８２ａが燃料供給口１７１ａに接続されている。

図１４は、燃料電池スタック１００の背面図である。燃料電池スタック１００の水素ガス流出部分には、導出案内路１８ｂが設けられている。この導出案内路１８ｂは、ガス導入口１８１ｂが、水素通路１７ａと同じ断面形状を有し、ガス導出口１８２ｂが、水素導出路２０３と同じ断面形状を有している。そして、ガス導入口１８１ｂからガス導出口１８２ｂまでの流路１８３ｂは、横断面の幅が漸減し、さらに、流路１８３ａには、整流板１８４ａが設けられ、ガス流の圧力損失を抑制しつつ、水素ガスを導く構成となっている。そして、ガス導入口１８１ｂが燃料排出口１７１ｂに接続されている。
以上のような燃料電池スタック１００の構成によって、燃料電池スタック１００に流入した水素ガスは、圧力損失が抑制され、各燃料電池セパレータ１３の燃料室３０へ均一に水素ガスが供給される。

次に、図１に基づき、燃料電池システム１の構成について説明する。
燃料供給系１０は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１と、燃料ガス供給流路２０１と、燃料ガス供給流路２０１に設けられたガス供給弁Ｖ１とを備えている。燃料ガス供給流路２０１の一端は、高圧水素タンク１１に接続され、他端は、燃料電池スタック１００の導入案内路１８ａを介して、燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａに接続されている。

燃料ガス供給流路２０１は、燃料ボンベである高圧水素タンク１１から放出された水素を燃料電池スタック１００の燃料供給口１７１ａへ送る。燃料ガス供給流路２０１には、水素一次圧調圧弁ＬＶが高圧水素タンク１１の下流に設けられている。そして、水素圧調圧弁ＬＶの下流には、ガス供給弁Ｖ１が設けられる。水素圧調圧弁ＬＶによって、燃料電池スタック１００へ供給するために適した圧力（燃料ガス流路内圧）に調整される。

燃料ガス供給流路２０１には、ガス供給弁Ｖ１の下流側には、空気導入路２０２が接続されおり、空気導入路２０２には、空気供給弁Ｖ４が設けられ、その上流側には、フィルタ２７が設けられている。
燃料電池スタック１００では、図３に示されているように、水素通路１７ａから水素ガスが水素流通経路８４ａへ流入し、さらに、水素流通経路８４ａから水素流路３０１、３０２へ流入する。水素流路３０１、３０２において、燃料極へ水素が供給され、残った水素ガスは、水素流通経路８４ｂから水素通路１７ｂへ流入する。

燃料電池スタック１００の燃料排出側には、燃料ガス循環流路２０３が接続されている。燃料ガス循環流路２０３の一端は、導出案内路１８ｂを介して、燃料電池スタック１００の燃料排出口１７１ｂに接続され、他端は、燃料ガス供給流路２０１に接続され、燃料ガス循環流路２０３と燃料ガス供給流路２０１の一部とによって、燃料ガスの循環回路が形成される。この循環回路内においては、燃料ガスが、燃料電池スタック１００、燃料ガス循環流路２０３、ガス供給路２０１、燃料電池スタック１００の順に循環して流れる。燃料ガス供給流路２０１には、空気導入路２０２の接続部と、燃料ガス循環流路２０３の接続部との間に、減圧用遮断電磁弁Ｖ５が設けられている。

また、燃料ガス循環流路２０３には、ガス導出路２０４の一端が接続され、ガス導出路２０４の他端は外部に開放された排出口２６となっており、またガス導出路２０４には、排気電磁弁Ｖ６が設けられている。
燃料ガス循環流路２０３には、水回収タンク２１が接続され、その下流側には、循環ポンプ２５が接続され、その下流側（吐出口側）に減圧排出路２０５の一端が接続されている。減圧排出路２０５の他端は、燃料ガス排出流路２０４に接続され、排気電磁弁Ｖ６の下流側にガスを合流させる構成となっている。また、減圧排出路２０５には、減圧電磁弁Ｖ３が設けられている。

燃料ガス循環流路２０３において、減圧排出路２０５の接続部の下流側には、循環電磁弁Ｖ２が設けられている。循環回路内に燃料ガスを循環させる場合には、循環電磁弁Ｖ２を開放し、循環ポンプ２５を駆動させる。
また、排気電磁弁Ｖ６を開放することによって、水回収タンク２１内の水が、ガス導出路２０４を介して、燃料ガスとともに排出される。

循環ポンプ２５は、燃料ガスを燃料電池スタック１００から排出する際にも駆動する。この場合には、循環電磁弁Ｖ２を閉じ、減圧電磁弁Ｖ３を開いた状態となる。
また、燃料ガス供給流路２０１には、圧力センサＳ１が接続され、燃料電池スタック１００の燃料極に供給されるガス圧がモニタされている。燃料電池スタック１００には、既述の通り、単位セル毎の出力電圧を検出するセンサＳ１〜３が設けられている。
各弁Ｖ１〜Ｖ６は、電気的に開閉制御可能に構成されている。なお、水回収タンク２１は、燃料電池スタック１００から、燃料ガスとともに排出された生成水を溜める貯留タンクとして機能する。

さらに、燃料電池システム１には、図示しないが、燃料電池システムをイグニッションによる起動・停止を行うスタートスイッチが備えられている。イグニッションキーでなくても、ＯＮ／ＯＦＦスイッチでも構わない。また、燃料電池システムが、図示しない外部負荷に接続されている期間を通常運転時とする。

以上のような構成において、燃料電池システム１により電力出力される通常運転状態では、空気ファン等によって、燃料電池スタック１００の空気流路４０に空気が供給され、同時に、燃料供給系１０からは水素ガスが燃料電池スタック１００に供給される。そして、燃料電池スタック１００内では、発電反応が継続され、電力と、反応により生成された生成水が発生する。このような発電反応は、酸素極に空気を、燃料極に水素ガスを供給することにより維持される。本発明では、通常運転状態（通常発電状態）とは、燃料電池システム１が、外部負荷と接続され、負荷に応じて発電している状態を言う。
燃料電池始動時とは、燃料電池システムのスタートスイッチが押され（イグニッションキーがオンされ）、燃料電池システム１が外部負荷に接続されるまでの期間が当てはまる。

上記説明した燃料電池システム１は、制御部によって、各部が制御される。また、各センサＳ１〜４の検出値は、制御部に供給される。制御部は、各電磁弁Ｖ１〜６の開閉、及び、ポンプ２５の駆動停止、駆動開始を制御する。
以上のような構成を有する燃料電池システム１は、以下のような動作を行う。図１５は、燃料電池システム１の制御動作を示すフローチャートである。以下の制御動作は、図示しない制御部における制御動作として実行される。この制御部は、ＣＰＵなどの集積回路により構成される。

イグニッションＯＮなど、起動を始める動作が確認されると、起動処理が実行される（ステップＳ１０１）。起動処理は、例えば、ポンプ２５の起動、水素循環切替弁Ｖ２の閉鎖、減圧電磁弁Ｖ３、減圧用遮断電磁弁Ｖ５及び排気電磁弁Ｖ６の開放を行う。これにより、置換ガスの排出経路が確保される。次に、ガス供給弁Ｖ１を開放する。ガス供給弁Ｖ１の開放によって、燃料ガスが燃料電池スタック１００内に流入し、燃料電池スタック１００内の置換ガスは、供給される燃料ガスによって押し出され、排出口２６から排出される。

置換ガスから燃料ガスに十分に交換されるように、所定時間が経過するまで、上記状態を維持し、所定時間経過後、減圧電磁弁Ｖ３及び排気電磁弁Ｖ６を閉じる。これにより、起動処理が終了する。電圧センサＳ１〜３を介して、単位セルの電圧検出値の取得を開始する（ステップＳ１０３）。循環電磁弁Ｖ２を開放し循環回路の燃料ガスの循環を開始し、定常運転時の制御に移行する（ステップＳ１０５）。 定常運転状態では、循環回路内を燃料ガスが循環し、該ガス供給弁Ｖ１の開放が行われて、燃料ガスが補給される。

図１６は、単位セルの出力電圧の経時変化を示すグラフである。燃料室３０内に溜まる水は、運転開始から時間から経過するにつれて増加し、最も下流側に位置するモジュール１３０−ｎに溜り易い。水が溜まっている燃料室３０の単位セル出力電圧は、燃料ガスが燃料極に接触する面積が水によって減少するので、水の溜まっていない正常な単位セルに比較して、図１６に示されているように電圧値が降下する。

従って、時間を計測するタイマーを制御部内に設け、運転開始から所定時間経過したか判断し、経過した場合に、センサＳ１、Ｓ３の出力値を、センサＳ２の出力値と比較する。水が溜まっている場合には、センサＳ１、Ｓ３の出力値が、センサＳ２の出力値より低くなっている。制御部内の時間を計測するタイマーが検出判断手段として作用する。

センサＳ１、Ｓ２の出力値と、センサＳ２の出力値との差Δｖの絶対値をそれぞれ算出し、所定値よりも大きいか否か判断する（ステップＳ１０９）。この所定値は、運転環境や運転状況に応じて変動すると予想される出力値の変動幅や、センサの検出誤差等を考慮して、これらの変動幅以上の値に設定されている。なお、基準電圧を検出する単位セル（センサＳ２）は、複数であってもよい。この場合には、より精密な判定が可能となる。ステップＳ１０９により、判定手段が構成される。

Δｖが所定値より大きい場合には、許容できる量以上の量の水が燃料室に溜まっていると判断し、次の、溜まっている水を排出する処理を開始する（ステップＳ１１１）。
許容できる量以上の量の水が燃料室に溜まっているとの判断は、センサＳ１とセンサＳ３の各検出値のうち、一方の値が、所定値を超えた場合に、水の排出処理開始と判断する。これにより、燃料室内での水の貯留量の検出を感度良く行うことができる。なお、Δｖが所定値より小さい場合には、処理は行わず、ステップＳ１０９を繰り返し実行する。或は、さらに所定時間経過したか判断し、所定時間経過後に、ステップＳ１０９を実行してもよい。

次に水の流量制御手段である排出処理（ステップＳ１１１）について説明する。以下に排出処理の一例を示す。減圧電磁弁Ｖ３を開放する。これにより、燃料室３０内のガス圧と、外気圧の差によって、定常運転時の燃料室３０内のガス流速以上のガス流速が発生し、燃料室内に溜まっている水は、ガス流とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。この場合、同時に、排気電磁弁Ｖ６が開放されてもよい。排出流路の断面積が拡大され、ガス流の圧力損失が軽減されるので、より速いガス流速が発生し、燃料室内の滞留水の排除を一層確実に実施することができる。また、この際、タンク２１に溜められた水の排出も同時に実行することがきる。

そして、減圧電磁弁Ｖ３（及び排気電磁弁Ｖ６）を閉じ、定常運転時の循環回路を構成し、定常運転に復帰する。除かれた水は、水タンク２１に回収される。以上のように、流量制御手段は、燃料電池スタック１００に供給される燃料ガスのガス流を、定常運転時のガス流よりも、流速を速くすることにより、燃料室内に溜まった水を排出する手段である。
このような、流量制御手段は、循環ポンプ２５の吐出量を上げるように制御し、循環するガスの流速を上げ、燃料室内の水をガス流によって、排出させる構成としてもよい。

また、ステップＳ１０９を実行するタイミングを判断する検出判断手段は、タイマーで時間を計測し、定期的に行う場合の他、例えば負荷検出手段を設け、この負荷検出手段によって検出された負荷値に基づいて、高負荷運転であると判断した場合に、高負荷運転終了時をステップＳ１０９の実行タイミングとする構成としてもよい。この場合の負荷検出手段は、例えば、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出するセンサを用いることができる。
高負荷運転時には、発電反応が定常運転時よりも激しくなるので、生成水の発生量も増加するからである。高負荷の検出は、該電圧センサによって検出される出力が、所定値以下となった場合には、高負荷と判断することができる。

さらに、ステップＳ１０９を実行するタイミングは、時間の経過を計測するのではなく、燃料電池スタック１００が負荷に供給した電力を積算し、その積算値が所定値を超えた場合としてもよい。
また、ステップＳ１０９で比較される電圧値は、センサＳ１〜Ｓ３の計測時の検出値が用いられるので、演算処理に対する負担が抑制され、比較演算が容易にでき、排出処理（ステップＳ１１１）を実行するか否かの判断を迅速に実行することができる。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。 燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。 燃料電池用セパレータの全体背面図である。 燃料極側の集電部材の部分拡大斜視図である。 単位セルの断面図である。 燃料電池スタックの部分平面図である。 燃料電池スタックの全体平面図である。 水素通路の縦断面を示す燃料電池スタックの部分断面図（Ｄ-Ｄ断面図）である。 燃料ガスが最後に通過するモジュールの構成を示す模式図である。 燃料電池スタックの全体正面図である。 燃料電池スタックの全体背面図である。 燃料電池システムの制御動作を示すフローチャートである。 単位セルの出力電圧の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１００ 燃料電池スタック
１３ 燃料電池セパレータ
１３０−１〜ｎ モジュール
１５ 単位セル
１７ａ、１７ｂ 水素通路
３ 集電部材
３０ 燃料室
３２ 凸状部
３０１ 水素流路
３０２ 水素流路
４ 集電部材
４０ 空気流路
４２ 凸状部
４３ 導入口
４４ 導出口
８ 枠体
９ 枠体
１７１ａ 燃料供給口
１７１ｂ 燃料排出口
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 燃料ガス排出流路
Ｓ４ 圧力センサ
Ｓ１〜３ 電圧センサ
Ｖ１ ガス供給弁
Ｖ２ 循環電磁弁
Ｖ３ 減圧電磁弁
Ｖ４ 空気供給弁
Ｖ５ 減圧用遮断電磁弁
Ｖ６ 排気電磁弁

Claims (4)

1. 単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セルの積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有する燃料電池スタックと、
   最も下流側に接続されたモジュールの電極板に隣接した単位セルの出力を検出する第１出力センサと、
   他の単位セルの出力を検出する第２出力センサと、
   第１出力センサの検出値と第２出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。
2. 単位セルの燃料極に接触し燃料ガス流路を形成する集電板を有するセパレータを、単位セルと交互に複数積層すると共に、各燃料ガス流路の入口同士を入口マニホールドで接続しかつ出口同士を出口マニホールドで接続して構成されたモジュールを複数形成し、燃料ガスの流れ方向が、隣接するモジュール間で逆方向になるように、一方のモジュールの出口マニホールドと他方のモジュールの入口マニホールドとを接続し、前記単位セルの積層方向における両端に通電可能に重ね合わせられた一対の電極板を有する燃料電池スタックと、
   最も下流側に接続されたモジュールの最も内側に位置する単位セルの出力を検出する第３出力センサと、
   他の単位セルの出力を検出する第２出力センサと、
   第１出力センサの検出値と第２出力センサの検出値とに基づいて、燃料ガス流路に溜まった水量を判定する判定手段とを有する燃料電池システム。
3. 出力センサは、出力電圧を検出する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. さらに、燃料ガス流路に溜まった水量が所定以上であると前記判定手段が判定した場合、燃料ガス流量を増加させる流量制御手段を有する請求項１〜３のいずれか１つに際の燃料電池システム。

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