JP2007042305A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】容易に燃料電池の出力を上げることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１の酸素保持部と水素保持部に第２シリンダ１５ｓの両端が接続され、第２シリンダ１５ａ内のバランスピストン１５ｐによって、酸素保持部と水素保持部の内部ガス圧の比は、一定に保たれる。また、酸素保持部に連通する空気供給路１１０には、第１シリンダ１３ｓが接続され、第１シリンダ１３ｓ内の第１ピストン１３ｐを操作することによって、酸素保持部と水素保持部のガス圧を同時にかつ容易に操作でき、ガス圧を高めることで、出力の向上を容易に実現できる。
【選択図】図８

Description

この発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、負荷に応じてガス圧を調節できる燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池では、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスの圧力を上げることにより、出力が増大することが知られている。例えば、自動車の駆動電源システムとして燃料電池システムを用いた場合には、上り坂や、急加速時又は積載重量が特に多い場合など、負荷が増大した場合には、負荷に応じて燃料電池の出力を上げる必要がある。

このような場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を上げるなど、エネルギーポテンシャルを向上させて、燃料極に接触する燃料ガス分子の量を増やし、発電反応を促進させ、燃料電池自体の出力を上げる必要がある。
このように、燃料電池の出力を要時に増大させる構成として、例えば特許文献１に記載されているシステムがある。
特願平８−１５３５３２号。

上記特許文献１に記載のシステムでは、燃料ガスの流量を増大させることにより、燃料電池の出力を増加させている。このような構成では、流量を増大させるためにホンプなどの駆動装置の出力を上げる必要があり、燃料電池の出力を増大させるために消費エネルギーも増加してしまうという問題がある。また、酸化ガス側の供給量も増加させる必要があり、例えば燃料ガス側と同様に供給装置の出力を上げる必要がある。一方、燃料ガスと酸化ガスとの反応による生成水が、燃料ガス室や酸化ガス室に溜まり、この水を排出する場合にも、ガスの流量を増加させ、燃料電池外へ水を排出する方法が取られる。この際、上記出力を増加させる場合と同様に、ガスの流量を増大させるために駆動装置の消費エネルギーも増大するため、エネルギー効率が悪化するといった問題があった。

この発明の目的は、容易に燃料電池の出力を上げることができる燃料電池システムを提供することにある。

以上のような目的は、以下の本発明により達成される。

（１） 燃料電池の単位セルと、
前記単位セルの一方の側に設けられ、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス室と、
前記単位セルの他方の側に設けられ、酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス室と、
前記燃料ガス室へ燃料ガスを給排気する燃料ガス流路と、
前記酸化ガス室へ酸化ガスを給排気する酸化ガス流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス室又は前記酸素ガス室の一方のガス圧を調節するガス圧調節手段と、
前記燃料ガス室と前記酸化ガス室との間に設けられ、両ガス室のガス圧を所定の圧力比の範囲内に維持するガス圧比調整手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。

（２） 燃料電池の単位セルと、
前記単位セルの一方の側に設けられ、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス室と、
前記単位セルの他方の側に設けられ、酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス室と、
前記燃料ガス室へ燃料ガスを給排気する燃料ガス流路と、
前記酸化ガス室へ酸化ガスを給排気する酸化ガス流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス室を含む空間を、気密状態と非気密状態とに切り換え可能な燃料ガス側切換手段と、
前記酸化ガス室を含む空間を、気密状態と非気密状態とに切り換え可能な酸化ガス側切換手段と、
前記燃料ガス室と前記酸化ガス室のいずれか一方のガス圧を調節するガス圧調節手段と、
前記燃料ガス室と前記酸化ガス室との間に設けられ、両ガス室のガス圧を所定の圧力比の範囲内に維持するガス圧比調整手段と、
前記ガス圧調節手段は、前記燃料ガス側切換手段と前記酸化ガス側切換手段とを気密状態として、ガス圧を調節することを特徴とする燃料電池システム。

（３） 前記ガス圧調節手段は、前記燃料ガス室又は前記酸化ガス室のいずれか一方に接続された、容積を変更可能な可変容積装置と、
前記可変容積装置の容積を調節する容積制御装置とを有する上記（２）に記載の燃料電池システム。

（４） 前記可変容積装置は、第１シリンダーと、該第１シリンダー内に収容された第１ピストンと、前記第１ピストンを移動させ、前記第１シリンダー内の容積を調節する容積調節装置を有する上記（３）に記載の燃料電池システム。

（５） 前記容積調節装置は、前記燃料ガス流路へ燃料ガスを供給する高圧燃料ガス容器のガス圧より第１ピストンの駆動力を得る上記（４）に記載の燃料電池システム。

（６） 前記ガス圧比調整手段は、第２シリンダーと、該第２シリンダー内に収容された第２ピストンとを有し、該第２ピストンで分けられた前記第２シリンダー内の２つの空間には、前記燃料ガス室を含む空間と前記酸化ガス室を含む空間がそれぞれガス流通可能に接続されている上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

（７） 前記第２ピストンにガス圧が作用する２面の内、燃料ガス室側の面の面積と酸化ガス室側の面の面積との比は、燃料ガス室内のガス圧と酸化ガス室内のガス圧の比に対応して設定されている上記（６）に記載の燃料電池システム。

（８） さらに、燃料電池に加わる負荷を検出する負荷検出手段を有し、
前記ガス圧調節手段は、前記負荷検出手段で検出された負荷の値に応じて、ガス圧を調節する上記（１）〜（７）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

（９） さらに、燃料電池の湿潤状態を検出する湿度検出手段を有し、前記ガス圧調整手段は、前記湿度検出手段で検出された湿度に応じて、ガス圧を調整する上記（１）〜（７）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

請求項１に記載の発明によれば、ガス圧調節手段によって、燃料ガス室側又は酸化ガス室側の一方の圧力を調節することによって、ガス圧比調整手段により、燃料ガス室と酸化ガス室の両ガス圧が調整される。これにより、ガス圧の変化による単位セルの損傷が抑制される。また、ガス圧調節手段により、ガス圧を上げた場合には、燃料ガス室と酸化ガス室の両ガス圧が上昇し、燃料電池の出力が増加する。また、ガス圧調節手段により、ガス圧を下げた場合には、燃料ガス室と酸化ガス室の両ガス圧が低下し、生成水の気化が促され、生成水の除去が促進される。

請求項２に記載の発明によれば、ガス圧調節手段によって、燃料ガス室側又は酸化ガス室側の一方の圧力を調節することによって、ガス圧比調整手段により、燃料ガス室と酸化ガス室の両ガス圧が調整される。これにより、ガス圧の変化による単位セルの損傷が抑制される。また、ガス圧調節手段により、ガス圧を上げた場合には、燃料ガス室と酸化ガス室の両ガス圧が上昇し、燃料電池の出力が増加する。また、ガス圧調節手段により、ガス圧を下げた場合には、燃料ガス室と酸化ガス室の両ガス圧が低下し、生成水の気化が促され、生成水の除去が促進される。この場合、燃料ガス室と酸化ガス室とを気密状態とすることによって、ガス圧調節をより容易にすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、燃料ガス室又は酸化ガス室に、容積を調節可能な可変容積装置を設け、この可変容積装置の容積を変更することによって、これに接続されている燃料ガス室又は酸化ガス室の室内ガス圧を調節することができる。つまり、容積を増加させることによって、ガス圧を低下させ、容積を縮小することによって、ガス圧を増加させることができる。可変容積装置の容積は、容積制御装置によって変更される。
請求項４に記載の発明によれば、ピストンを移動させることによりシンリダー内の容積を容易に調節できるので、ガス圧調節も容易に可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、高圧燃料ガス容器の圧力を、ピストンを移動させる動力として利用するので、圧力を調節するための動力装置を別個に設ける必要がなく、エネルギー消費量を軽減することができる。

請求項６に記載の発明によれば、第２シリンダー内の第２ピストンに対して、燃料ガス室内の圧力と、酸化ガス室内の圧力が両側から加わるので、燃料ガス室又は酸化ガス室の一方のガス圧が変化すれば、それに応じて第２ピストンが第２シリンダー内で移動する。この移動によって、第２ピストンで分離された第２シリンダー内の容積が変更される。つまり、圧力が高い側の容積が増え、圧力の低い側の容積が減少し、結果として、燃料ガス室の圧力と酸化ガス室の圧力との均衡が採れるように、圧力が調整される。

請求項７に記載の発明によれば、前記第２ピストンにガス圧が作用する２面の内、燃料ガス室側の面の面積と酸化ガス室側の面の面積との比が、燃料ガス室内のガス圧と酸化ガス室内のガス圧の比に対応して設定されているので、一方のガス圧を変動させた場合に、常時設定されたガス圧比となるように、第２ピストンが移動することができる。

請求項８に記載の発明によれば、ガス圧調節手段は負荷検出手段で検出された負荷の値に応じて、ガス圧を調節するので、負荷に応じて適宜、圧力を調節し、燃料電池の出力を調節することができる。

請求項９に記載の発明によれば、ガス圧調節手段は湿度検出手段で検出された湿度に応じてガス圧を調節するので、燃料電池スタック内に溜まった水の減少を促進し、或は水の増加を抑制することができる。

以下、本発明の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタック１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、燃料電池スタック１の部分断面側面図、図２は部分断面斜視図、である。燃料電池スタック１は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、面状の酸素極２１と燃料極２２とによって、固体高分子電解質膜２３を挟持して構成されている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２と、各集電部材３１、３２の周端部に重ねられるガスケット３３、３４、３５とを有している。

集電部材３１、３２は、それぞれ金属板で構成されている。この構成金属は、集電部材としての機能を果たすために、導電性を有しているもので、かつ、通電状態となることから耐蝕性を有するものが用いられる。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。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。

集電部材３１は、酸素極２１に接触し、集電部材３２は、燃料極２２に接触する。図３は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。集電部材３１は、矩形の板材から成り、表面に設けられた酸素極接触部３１２と、酸素極接触部３１２の周囲に形成された平面部３１１とを備えている。酸素極接触部３１２は、酸素極２１側に突出して形成された、複数の凸状部３１３を有している。凸状部３１３は、平面部３１１の表面から***し、直線状に連続して形成されており、集電部材３１の短辺方向に沿って設けられている。このように形成された複数の凸状部３１３は、集電部材３１の長辺に沿って等間隔で配置されている。凸状部３１３の突出方向における先端の部分は、酸素極２１に対して平行に、かつ直線状に形成され、酸素極２１に接触する接触端部３１４となっており、集電部として作用する。集電部材３１が単位セル２に重ねられると、複数の接触端部３１４が、それぞれ酸素極２１の表面に接触する。

凸状部３１３の間には、溝３１５が形成される。溝３１５の底面は平面部３１１と同一平面上に位置する。集電部材３１と単位セル２が重ねられると、溝３１５と酸素極２１とによって、酸素が流通する酸素流通路４１１が形成される。
集電部材３１の裏面には、凸状部３１３の形成部分は凹部となり、複数の溝３１６が形成される。従って、この溝３１６も、集電部材３１の短辺に平行に、直線状に形成され、長辺方向に沿って等間隔に配置されている。

また、集電部材３１の長辺方向に両端部近傍には、酸素流出孔５１１ａ、水素流出孔５２１ａ、冷却液流出孔５３１ａが形成され、他方の端部には、酸素流入孔５１２ａ、水素流入孔５２２ａ、冷却液流入孔５３２ａが形成されている。酸素流出孔５１１ａと酸素流入孔５１２ａは、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されており、他の水素流出孔５２１ａと水素流入孔５２２ａや、冷却液流出孔５３１ａと冷却液流入孔５３２ａも、同様の位置関係で配置されている。このような配置することで、セパレータ３内に形成された各空間内に流入する流体が、該空間内をより均一に通過することができる。

一方、図４は、図１におけるＢ−Ｂ断面図である。集電部材３２は、矩形の板材から成り、表面に設けられた燃料極接触部３２２と、燃料極接触部３２２の周囲に形成された平面部３２１とを備えている。燃料極接触部３２２は、燃料極２２側に突出して形成された、複数の表凸状部３２３を有している。表凸状部３２３は、平面部３２１の表面から***し、直線状に連続して形成されており、集電部材３２の短辺方向に沿って設けられている。このように形成された複数の表凸状部３２３は、集電部材３２の長辺に沿って等間隔で配置されている。表凸状部３２３の突出方向における先端の部分は、燃料極２２に対して平行に、かつ直線状に形成され、燃料極２２に接触する接触端部３２４となっており、集電部として作用する。集電部材３２が単位セル２に重ねられると、複数の接触端部３２４が、それぞれ燃料極２２の表面に接触する。表凸状部３２３の間には、溝３２５が形成される。集電部材３２と単位セル２が重ねられると、溝３２５と燃料極２２とによって、水素ガスが流通する水素流通路４２１が形成される。

図５は、図１のＣ−Ｃ断面図である。集電部材３２の裏面には、平面部３２１の裏側面から突出した裏凸状部３２６が形成され、その間には、溝３２７が形成されている。表凸状部３２３と裏凸状部３２６とは、表裏の関係にあり、表凸状部３２３の裏側が溝３２７となり、裏凸状部３２６の表側が溝３２５となる。集電部材３２の横断面形状は、燃料極接触部３２２においては、表側（燃料極側）と裏側とに同様に、凸状部３２３、３２６が突出した波型となっている。従って、裏凸状部３２６は、表凸状部３２３と同様に、直線状に連続して形成されており、集電部材３２の短辺方向に沿って設けられている。このように形成された複数の裏凸状部３２６は、集電部材３２の長辺に沿って等間隔で配置されている。裏凸状部３２６の突出方向における先端の部分は、上記集電部材３１の裏面に接触する当接面３２８となっている。

集電部材３２には、集電部材３１と同じ位置に、酸素流出孔５１１ｂ、水素流出孔５２１ｂ、冷却液流出孔５３１ｂ、酸素流入孔５１２ｂ、水素流入孔５２２ｂ、冷却液流入孔５３２ｂがそれぞれ形成されている。
上記集電部材３１、３２は、金属板で構成されているので、それぞれの集電部材３１、３２に形成さている凸状部３１３、表凸状部３２３、裏凸状部３２６は、例えばプレス加工等によって容易に形成することができ、また、酸素流出孔５１１ａ等の孔も、打ち抜き加工により安価に形成できるので、全体の製造コストの低減を図ることができる。また、板材であるため、薄型に形成できる。

以上のように構成された集電部材３１、３２は、同じ大きさで、同じ形状の矩形に形成されており、相互の裏面を対向させた状態で重ねられる。当接面３２８と集電部材３１の裏面とが接触することにより、セパレータ３は、隣接する単位セル２の酸素極と燃料極とを通電可能状態に接続できる構成となる。また、集電部材３１、３２の間には、冷却液ガスケット３４が介挿され、また、集電部材３１と単位セル２との間には、酸素ガスケット３３が介挿され、集電部材３２と単位セル２との間には、水素ガスケット３５が介挿される。

各ガスケット３３、３４、３５の外形の形状はいずれも矩形に形成され、集電部材３１、３２と同一の形状に構成されている。また、各ガスケット３３、３４、３５は、集電部材３１、３２の周端に沿って枠状に形成され、各集電部材３１、３２に形成された酸素流出孔５１１ａ（ｂ）、水素流出孔５２１ａ（ｂ）、冷却液流出孔５３１ａ（ｂ）、酸素流入孔５１２ａ（ｂ）、水素流入孔５２２ａ（ｂ）、冷却液流入孔５３２ａ（ｂ）と同じ位置に、同様の孔が形成されている。また、各ガスケット３３、３４、３５は絶縁材料で構成されている。

酸素ガスケット３３は、集電部材３１の凸状部３１３の突出高さと、単位セル２の酸素極２１の厚さとを合わせた厚さに形成されている。集電部材３１と酸素ガスケット３３と単位セル２を重ねた状態で、集電部材３１の表面と、酸素極２１の表面と、酸素ガスケット３３の内周端面３３１によって空間が形成され、この空間が、酸素が充填される酸化ガス室としての酸素保持部４１となる。また、酸素ガスケット３３は、酸素流出孔５１１ａと酸素保持部４１とを連通するための通路３３２と、酸素流入孔５１２ａと酸素保持部４１とを連通するための通路３３３とを備えており、酸素保持部４１に臨む端部は、酸素流出口３３４と酸素流入口３３５がそれぞれの通路３３２、３３３に形成される。

水素ガスケット３５は、集電部材３２の表凸状部３２３の突出高さと、単位セル２の燃料極２２の厚さとを合わせた厚さに形成されている。集電部材３２と水素ガスケット３５と単位セル２を重ねた状態で、集電部材３２の表面と、燃料極２２の表面と、水素ガスケット３５の内周端面３５１によって空間が形成され、この空間が、水素が充填される燃料ガス室としての水素保持部４２となる。また、水素ガスケット３５は、水素流出孔５２１ｂと水素保持部４２とを連通するための通路３５２と、水素流入孔５２２ｂと水素保持部４２とを連通するための通路３５３とを備えており、水素保持部４２に臨む端部は、水素流出口３５４と水素流入口３５５がそれぞれの通路３５２、３５３に形成される。

冷却液ガスケット３４は、集電部材３２の裏凸状部３２６の突出高さと同じ厚さに形成されている。集電部材３１の裏面と集電部材３２の裏面と、間に挟まれた冷却液ガスケット３４の内周端面３４１とによって空間が形成され、この空間が、冷却液が充填される冷却液保持部４３となる。冷却液保持部４３は、集電部材３１の裏面に形成された複数の溝３１６と、集電部材３２の裏面に形成された複数の溝３２７によって、冷却液を保持する容量を可能な限り大きくするように設定されている。つまり、各凸状部３１３、３２３の裏側に形成された空間（溝３１６、３２７）を利用して冷却液の保持容量を可能な限り確保し、セパレータの厚さを薄く維持しつつも、冷却効率を向上させている。

冷却液ガスケット３４は、冷却液流出孔５３１ｂと冷却液保持部４３とを連通するための通路３４２と、冷却液流入孔５３２ｂと冷却液保持部４３とを連通するための通路３４３とを備えており、冷却液保持部４３に臨む端部は、冷却液流出口３４４と冷却液流入口３４５がそれぞれの通路３４２、３４３に形成される。

図６は、燃料電池スタック１の、図３におけるＤ−Ｄ断面図である。上記単位セル２とセパレータ３を積層すると、図６に示されているように、それぞれ同じ位置に形成された、酸素流出孔５１１ａ（ｂ）、水素流出孔５２１ａ（ｂ）、冷却液流出孔５３１ａ（ｂ）、酸素流入孔５１２ａ（ｂ）、水素流入孔５２２ａ（ｂ）、冷却液入出孔５３２ａ（ｂ）によって、酸素排出通路５１１、水素排出通路５２１、冷却液排出通路５３１、酸素供給通路５１２、水素供給通路５２２、冷却液供給通路５３２が形成される。酸素供給通路５１２には、酸素保持部４１に連通する通路３３３が連通し、水素供給通路５２２には、水素保持部４２に連通する通路３５３が連し、冷却液供給通路５３２には、冷却液保持部４３に連通する通路３４３が連通する。この酸素供給通路５１２と複数の通路３３３によって酸素マニホールドが構成され、水素供給通路５２２と複数の通路３５３によって水素マニホールドが構成され、冷却液供給通路５３２と通路３４３によって冷却液マニホールドが構成される。同様に酸素排出通路５１１、水素排出通路５２１、冷却液排出通路５３１は、それぞれ通路３３２、３５２、３４２に連通している。

図７は、燃料電池スタック１の全体斜視図である。図７に示されているように、
以上のように構成された、単位セル２とセパレータ３は交互に積層され、発電部６１が構成される。発電部６１の両端には、外側へ向けて、熱伝導性調整部材６２ａ、６２ｂ、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側に接続されており、対向する側面には、積層されたこれらの部材を一体として保持するための保持部材６６が、それぞれ一対ずつ設けられている。

次に、燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム１００の構成について、説明する。図８は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、電気自動車に搭載されるものであり、後述する負荷系のバッテリ１４６とともに駆動モータ１４３の電源を構成している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１へ対して、空気を供給する空気供給系１１と、同じく、水素を供給する水素供給系１２と、図示しない冷却液を供給する冷却系と、負荷系１４と、酸素供給系１１に水分を供給する図示しない加湿系とを備えている。

空気供給系１１は、空気供給路１１０と空気排出路１１１を備えた酸化ガス流路を有している。空気供給路１１０には、上流側から順に、空気の供給量を調整する空気供給ポンプ１１３、空気供給ポンプ１１３への逆流を防止する逆止弁１１２、空気供給電磁弁Ｖ４、最終的に燃料電池スタック１の酸素供給通路５１２が接続されている。
空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池スタック１の酸素排出通路５１１に接続され、さらに下流側へ向けて順に、酸化ガス側切換手段としての閉鎖弁Ｖ５が設けられ、その下流側には、図示しない凝縮器が設けられ、最終的に系の外部に空気を排出する。以上のように、空気供給系１１は、燃料電池スタック１内に設けられている酸素保持部４１に空気を送り込み、酸化ガスである空気中の酸素を酸素極２１に供給する。

加湿系は、燃料電池スタック１へ送られる空気を加湿するために設けられる。この加湿系の加湿器によって加湿された空気は、燃料電池スタック１の酸素極２１を湿潤状態（水分で潤った状態）に維持する。
水素供給系１２は、高圧水素タンク１２１と、高圧水素タンク１２１から、燃料電池スタック１の水素供給通路５２２へ水素を供給する供給路１２２と、燃料電池スタック１の水素排出路５２１から外部へ水素を排出する排出路１２３とを備えている。燃料ガス流路は、供給路１２２と排出路１２３で構成される。

供給路１２２には、燃料極に供給する水素の圧力（量）を調整するための水素調圧弁Ｖ１と、水素の逆流を防止する逆止弁１２４と、水素の供給量を制御する水素供給電磁弁Ｖ２とが、下流へ向けて、それぞれ順に接続されている。さらに、排出路１２３には、下流へ向けて順に、逆流を防止する逆止弁、水素の排出をコントロールする燃料ガス側切換手段である水素排気電磁弁１２８が接続されている。水素は運転中、連続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。

負荷系１４は、接続端子６７ａ、６７ｂに接続されたコード１４７から、燃料電池スタック１の出力を、インバータ１４２を介して外部に取り出す。この出力によって、モータ１４３等の負荷が駆動される。この負荷系１４には、逆電流を防止するダイオード１４８と、スイッチとしてのリレー１４４が設けられている。また、負荷系１４には、リレー１４４とインバータ１４２の間に、出力制御回路１４５を介してバッテリ１４６が接続されている。バッテリ１４６は、モータ１４３の回生電流を蓄積し、また、燃料電池の出力が不足している場合には、出力を補う。バッテリ１４６は、キャパシタ等の他の蓄電装置であってもよい。

供給路１２２の水素調圧弁Ｖ１の上流側には、圧力供給路１３１の一端が接続され、この圧力供給路１３１には、開閉弁Ｖ６が設けられている。圧力供給路１３１の他端は、切換弁Ｖ８の入力側に接続されている。切換弁Ｖ８の出力側には、圧縮側経路１３１ａ又は吸引側経路１３１ｂの一端がそれぞれ接続されている。切換弁Ｖ８は、圧力供給路１３１を、圧縮側経路１３１ａ又は吸引側経路１３１ｂのいずれか一方に接続し、接続方向は制御装置により切換られる構成となっている。

圧縮側経路１３１ａの他端は、操作シリンダ１６ｓの圧縮側に接続され、吸引側経路１３１ｂの他端は、操作シリンダ１６ｓの吸引側に接続される。操作シリンダ１６ｓ内には、ピストン１６ｐが収容され、操作シリンダ１６ｓ内を空間を２つに分割している。また、ピストン１６ｐには、連結ロッド１３ｐｌの一端が接続され、連結ロッド１３ｐｌの他端は、後述する第１ピストン１３ｐに接続されており、ピストン１６ｐと、第１ピストン１３ｐは、一体として往復動する構成となっている。

ピストン１６ｐで分割された操作シリンダ１６ｓ内は、ガス圧が加わることによって第１ピストン１３ｐを圧縮方向へ動かす側を圧縮側、ガス圧が加わることによって第１ピストン１３ｐを吸引方向へ動かす側を吸引側とし、上記圧縮側経路１３１ａは圧縮側に、上記吸引側経路１３１ｂは吸引側にそれぞれ接続される。

このような構成において、圧縮側経路１３１ａからガスが供給されると、ピストン１６ｐは、第１ピストン１３ｐを圧縮方向（空気供給路１１０内の圧力を上げる方向）へ動かす方向へ移動する。また、吸引側経路１３１ｂからガスが供給されると、ピストン１６ｐは、第１ピストン１３ｐを吸引方向（空気供給路１１０内の圧力を下げる方向）へへ動かす方向へ移動する。

第１ピストン１３ｐを収容している第１シリンダ１３ｓの一端には、圧力調節路１３２の一端が接続され、圧力調節路１３２の他端は、空気供給路１１０の燃料電池スタック１と空気供給電磁弁Ｖ４の間に接続されている。
第１ピストン１３ｐが、空気供給路１１０からガスを吸引する方向に移動することにより、空気供給路１１０内の圧力が下がり、空気供給路１１０へガスを吐き出す方向に移動することにより、空気供給路１１０内の圧力が上がる。

空気供給路１１０側の圧力と、水素ガスの１次圧とを異なる値とするには、第１シリンダ１３ｓの内径と、操作シリンダ１６ｓの内径とを異なる径とすることにより、水素ガスの１次圧に基づいて上昇する空気供給路１１０側の圧力値を任意に設定することができる。例えば、空気供給路１１０のガス圧と水素ガスの１次圧との同じ圧力とするには、第１シリンダ１３ｓの内径と、操作シリンダ１６ｓの内径とを同一とすればよい。また、空気供給路１１０のガス圧を水素ガスの１次圧より小さくするには、第１シリンダ１３ｓの内径を操作シリンダ１６ｓの内径より大きくすれば良い。逆に、空気供給路１１０のガス圧を水素ガスの１次圧より大きくするには、第１シリンダ１３ｓの内径を操作シリンダ１６ｓの内径より小さくすれば良い。

なお、圧力供給路１３１には、排出経路１３３が接続され、排出経路１３３には、排出弁Ｖ７が設けられている。第１シリンダ１３ｓと、第１ピストン１３ｐによって、可変容積装置が構成され、圧力供給路１３１と開閉弁Ｖ６、切換弁Ｖ８、操作シリンダ１６ｓ、ピストン１６ｐとによって、容積調節装置が構成される。そして、これらの、第１シリンダ１３ｓ、第１ピストン１３ｐ、圧力供給路１３１と開閉弁Ｖ６、切換弁Ｖ８、操作シリンダ１６ｓ、ピストン１６ｐによって、ガス圧調節手段が構成される。また、容積調節装置は、上記構成の他、例えば第１ピストン１３ｐに接続されたピストンロッドに、ソレノイドのプランジャを接続し、コイルを通電する電流を制御することによって、第１ピストン１３ｐの移動量を制御して、圧力を調節する構成としてもよい。

この場合には、電流を制御することによって、空気供給路１１０の圧力を精密に調節することが可能となる。また、上記第１ピストン１３ｐは、バランスピストンとして作用するが、他の例として、ピストンロッドにラックを形成し、ラックに噛み合うピニオンにモータの出力軸を接続して、モータの回転量により、第１ピストン１３ｐの移動量を制御して、圧力を調節する構成としてもよい。この場合は、モータをステッピングモータ等の回転量を制御可能なモータとすれば、モータの回転量を制御することによって、空気供給路１１０の圧力を精密に調節することが可能となる。

なお、上記説明したガス圧調節手段は、空気供給路１１０でなく、空気排出路１１１において、閉鎖弁Ｖ５の上流側に接続されていてもよい。また、燃料ガス室側のガス圧を上げるために、ガス圧調節手段は、供給路１２２において、水素供給電磁弁Ｖ２の下流側に接続されていてもよい。また、排出路１２３において、閉鎖弁Ｖ３の上流側に設けられていてもよい。
ガス圧調節手段は、燃料ガス流路又は酸化ガス流路のガス圧を調節することによって、間接的に燃料ガス室又は酸化ガス室のガス圧を調節している。

次に、燃料ガス室と前記酸化ガス室の両ガス圧を所定の圧力比の範囲内に維持するガス圧比調整手段について説明する。供給路１２２において、水素供給電磁弁Ｖ２と燃料電池スタック１の間には、燃料ガス側調圧路１５１の一端が接続され、他端は第２シリンダー１５ｓの一端に接続されている。空気供給路１１０において、空気供給電磁弁Ｖ４と燃料電池スタック１との間には、酸化ガス側調圧路１５２の一端が接続され、その他端は第２シリンダー１５ｓの一端に接続されている。第２シリンダ１５ｓ内には、第２ピストン１５ｐが収容され、バランスピストンとして作用する。燃料ガス室側のガス圧は、第２ピストン１５ｐの受圧面１５ｐｈに加わり、酸化ガス室側のガス圧は、受圧面１５ｐｏに加わる。この実施形態では、通常の作動状態で、燃料ガス室側のガス圧が酸化ガス室側のガス圧よりも高く設定されている。このため、通常作動状態でのガス圧比に合致するように、第２シリンダー１５ｓの内径は、燃料ガス室側に接続されている側が小さく、酸化ガス室側に接続されている側が大きく設定され、第２ピストン１５ｐにおいて、燃料ガス室側の受圧面１５ｐｈの径は、酸化ガス室側の受圧面１５ｐｏの径よりも小さく形成されている。

これにより、燃料ガス室側又は酸化ガス室側の一方のガス圧が変動した場合には、このバランスピストンの移動によって、両ガス室のガス圧は、通常作動状態でのガス圧比となるように構成されている。
上記説明した構成において、各弁Ｖ２〜Ｖ８は、電磁弁であり、図示しない制御装置（ＦＣ−ＥＣＵ／ＦＣ制御コントローラ）によって開閉が制御される。切換弁Ｖ８は、制御装置によって、圧縮側経路１３１ａ又は吸引側経路１３１ｂへの接続の切換が制御される。容積制御装置は、開閉弁Ｖ６とこれを開閉制御する制御装置によって構成される。

また、制御装置には、燃料電池スタック１に接続される負荷の値を検出する負荷検出手段を有し、該負荷検出手段から負荷の値が供給される。なお、負荷を検出する負荷検出手段として、上記負荷系において、燃料電池スタック１００の電圧を検出する電圧測定装置を設け。更に出力電流を測定する電流測定装置を設けてもよい。これらの測定値から、負荷を特定することができる。また、他の構成としては、車両用コントローラ（ＥＶ−ＥＣＵ）にて、アクセル開度と車速から、次に必要な出力を算出し、その値を上記ＦＣ−ＥＣＵへ負荷値として供給する構成としてもよい。

以上のように構成される燃料電池システム１００の作用について、図９に示されるフローチャートに基づき説明する。ＥＶ−ＥＣＵにおいて、アクセル開度と車速から、次に必要とされる出力を算出し、その値を負荷値としてＦＣ−ＥＣＵが受け取る（ステップＳ１０１）。得られた数値から、燃料電池スタック１にどの程度の電力が要求されるか計算する（ステップＳ１０３）。その結果得られた値が、予め定められた所定値以上であるか否か判断する（ステップＳ１０５）。予め定められた所定値は、例えば、加圧に必要な補機動力を引いて発電効率を算出した時、加圧しない場合より効率が良くなる出力値であり、例えば、５０％に設定される。

所定値以上でない場合には、ステップＳ１０１を再度実行し、所定値以上である場合には、燃料電池スタック１の出力を上げる必要があるので、燃料ガス室と、酸化ガス室のガス圧を上げる制御が行われる。即ち、弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５を閉じる（ステップＳ１０７）。弁Ｖ２、Ｖ３を閉じることによって、燃料ガス室である水素保持部４２と、これに連通する供給路１２２と排出路１２３の一部は、気密状態となる。また弁Ｖ４、Ｖ５を閉じることによって、酸化ガス室である酸素保持部４１と、これに連通する空気供給路１１０と空気排出路１１１の一部は、気密状態となる。

次に、切換弁Ｖ８を切り換えて、圧力供給路１３１と圧縮側経路１３１ａとを接続する（ステップＳ１０９）。これにより、操作シリンダ１６ａ内の圧縮側にガスが供給される経路が構成される。開閉弁Ｖ６を開く（ステップＳ１１１）。開閉弁Ｖ６の開放によって、高圧水素ガス容器１２１内の水素ガスが、操作シリンダ１６ａの圧縮側に導入され、この水素ガスの１次圧が、操作ピストン１６ｐに作用し、第１ピストン１３ｐを圧縮方向へ（第１シリンダ１３ａの容積を縮小する方向へ）押し込む。

これにより、密閉された酸素保持部４１を含む空間内は、ガス圧が上昇する。このガス圧の上昇によって、第２ピストン１５ｐが押されて移動し、第２シリンダ１５ｓ内を、水素保持部４２側へ移動する。第２ピストン１５ｐの移動によって、第２シリンダ１５ｐ内のガスが水素保持部４２側へ排出され、水素保持部４２を含む密閉空間の圧力が上昇する。第２ピストン１５ｐは、水素保持部４２のガス圧と酸素保持部４１のガス圧との釣り合いの取れる位置に移動し、最終的に、水素保持部４２のガス圧と酸素保持部４１のガス圧はともに上昇した状態で平衡状態となる。
ガス圧が上昇することにより、単位セルにおける発電量が上昇し、燃料電池スタック１自体の出力が、通常運転状態に比較して上昇する。

開閉弁Ｖ６を開放した時点で、燃料電池スタック１から供給される電力の積算を開始する（ステップＳ１１３）。ステップＳ１０１と同様に、負荷を示唆する数値を取得する（ステップＳ１１５）。得られた数値から、燃料電池スタック１にどの程度の電力が要求されるか計算する（ステップＳ１１７）。ステップＳ１０５で判断に用いた所定値を用い、ステップＳ１１７で算出された要求電力が該所定値未満であるか判断する（ステップＳ１１９）。所定未満でない場合には、燃料電池スタック１の出力を、通常運転時よりも、いまだ高く維持する必要があると判断し、ステップＳ１１５にリターンし、ステップＳ１１９までを繰り返す。

所定値未満である場合には、燃料電池スタック１の出力を高く維持する必要性が解消したものと判断し、供給電力の積算を終了する（ステップＳ１２１）。そして、積算された電力値が、所定値以上であるか判断する（ステップＳ１２３）。ガス圧を高くし、発電反応を促進させ、出力を高く維持することによって、反応生成水が通常運転時よりも多量に発生する。発生する生成水の量は、出力した電力を積算することにより経験的に推定することができる。つまり、経験的に得られた所定値を設定し、その所定値以上の積算電力を出力した場合には、水素保持部４２や酸素保持部４１内に存在する生成水を除去する必要があると判断する。

この他、燃料電池の水素保持部４２や酸素保持部４１内の湿潤状態を検出する方法としては、高分子膜抵抗に基づき湿潤状態を検出する方法、単位セル電圧の挙動から湿潤状態を検出する方法、電流電圧特性から湿潤状態を検出する方法などが挙げられる。例えば、単位セル電圧の挙動から湿潤状態を検出する方法を採った場合、単位セル電圧は、生成水が溜まるほど、下がるといった因果関係があるので、単位セル電圧が所定値以下となった場合には、生成水が溜まっていると判断することができる。この判断は、単位セル電圧をモニターすることで、図９のフローチャートの処理中でなく、単独で判断する処理ルーチンを設けてもよい。

積算電力値が、所定値以上である場合には、切換弁Ｖ８を切り換え、圧力供給路１３１と吸引側経路１３１ｂとを接続する（ステップＳ１２５）。操作シリンダ１６ａ内の吸引側にガスが供給される経路が構成される。高圧水素ガス容器１２１内の水素ガスが、操作シリンダ１６ａの吸引側に導入され、この水素ガスの１次圧が、操作ピストン１６ｐに作用し、第１ピストン１３ｐを吸引方向へ（第１シリンダ１３ａの容積を拡大する方向へ）引っ張る。密閉された酸素保持部４１を含む空間内は、ガス圧が下降する。このガス圧の下降によって、第２ピストン１５ｐが引っ張られて移動し、第２シリンダ１５ｓ内を、酸素保持部４１側へ移動する。第２ピストン１５ｐの移動によって、第２シリンダ１５ｐ内に水素保持部４２側のガスから吸引され、水素保持部４２を含む密閉空間の圧力が下降する。第２ピストン１５ｐは、水素保持部４２のガス圧と酸素保持部４１のガス圧との釣り合いの取れる位置に移動し、最終的に、水素保持部４２のガス圧と酸素保持部４１のガス圧はともに下降した状態で平衡状態となる。

このようにガス圧を下降させることで、酸素保持部４１や水素保持部４２に溜まっていた生成水の気化が促進され、生成水を減らすことができる。切換弁Ｖ８の切換から所定時間経過したか判断する（ステップＳ１２７）。この所定時間は、圧力を低下させた場合に、生成水を気化させるために必要な時間であり、経験値として予め設定されている。経過した場合には、開閉弁Ｖ６を閉じ（ステップＳ１２９）、操作シリンダ１６ｓへのガス供給を遮断する。ステップＳ１２３で、積算電力値が所定値未満であると判断された場合には、生成水は溜まっていないと判断し、上記ステップＳ１２９が実行される。

次に排出弁Ｖ７を開き、圧力供給路１３１内にある高圧のガスを排出する（ステップＳ１３１）。これにより、気密にされた酸素保持部４１や水素保持部４２のガス圧は、通常運転時のガス圧に戻る。
最後に、弁Ｖ２、Ｖ４を開放し、通常運転状態に以降する（ステップＳ１３３）。

以上説明した実施形態の他、例えば、ガス圧調節手段を可変容積装置を用いずに、水素調圧弁Ｖ１の二次圧を電気的に調節可能な調圧弁とし、負荷が増大した場合には、二次圧値を通常運転時の二次圧値よりも大きくなるように、制御装置により調圧弁を制御してもよい。この場合には、可変調圧弁と制御装置がガス圧調節手段となる。
尚、本実施形態では、集電部材３１、３２は、金属板で構成されているが、カーボンにより構成されていてもよい。

本発明の燃料電池スタックの部分断面側面図である。 本発明の燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ断面図である。 図３におけるＤ−Ｄ断面図である。 燃料電池スタックを示す全体斜視図である。 燃料電池システムの構成を示す模式図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 単位セル
３ セパレータ
３１ 集電部材
３２ 集電部材
４１ 酸素保持部
４２ 水素保持部
１００ 燃料電池システム
１３ｓ 第１シリンダー
１３ｐ 第１ピストン
１５ｓ 第２シリンダー
１５ｐ 第２ピストン

Claims (9)

1. 燃料電池の単位セルと、
   前記単位セルの一方の側に設けられ、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス室と、
   前記単位セルの他方の側に設けられ、酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス室と、
   前記燃料ガス室へ燃料ガスを給排気する燃料ガス流路と、
   前記酸化ガス室へ酸化ガスを給排気する酸化ガス流路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス室又は前記酸素ガス室の一方のガス圧を調節するガス圧調節手段と、
   前記燃料ガス室と前記酸化ガス室との間に設けられ、両ガス室のガス圧を所定の圧力比の範囲内に維持するガス圧比調整手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池の単位セルと、
   前記単位セルの一方の側に設けられ、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス室と、
   前記単位セルの他方の側に設けられ、酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス室と、
   前記燃料ガス室へ燃料ガスを給排気する燃料ガス流路と、
   前記酸化ガス室へ酸化ガスを給排気する酸化ガス流路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス室を含む空間を、気密状態と非気密状態とに切り換え可能な燃料ガス側切換手段と、
   前記酸化ガス室を含む空間を、気密状態と非気密状態とに切り換え可能な酸化ガス側切換手段と、
   前記燃料ガス室と前記酸化ガス室のいずれか一方のガス圧を調節するガス圧調節手段と、
   前記燃料ガス室と前記酸化ガス室との間に設けられ、両ガス室のガス圧を所定の圧力比の範囲内に維持するガス圧比調整手段と、
   前記ガス圧調節手段は、前記燃料ガス側切換手段と前記酸化ガス側切換手段とを気密状態として、ガス圧を調節することを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記ガス圧調節手段は、前記燃料ガス室又は前記酸化ガス室のいずれか一方に接続された、容積を変更可能な可変容積装置と、
   前記可変容積装置の容積を調節する容積制御装置とを有する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記可変容積装置は、第１シリンダーと、該第１シリンダー内に収容された第１ピストンと、前記第１ピストンを移動させ、前記第１シリンダー内の容積を調節する容積調節装置を有する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記容積調節装置は、前記燃料ガス流路へ燃料ガスを供給する高圧燃料ガス容器のガス圧より駆動圧力を得る請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス圧比調整手段は、第２シリンダーと、該第２シリンダー内に収容された第２ピストンとを有し、該第２ピストンで分けられた前記第２シリンダー内の２つの空間には、前記燃料ガス室を含む空間と前記酸化ガス室を含む空間がそれぞれガス流通可能に接続されている請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２ピストンにガス圧が作用する２面の内、燃料ガス室側の面の面積と酸化ガス室側の面の面積との比は、燃料ガス室内のガス圧と酸化ガス室内のガス圧の比に対応して設定されている請求項６に記載の燃料電池システム。
8. さらに、燃料電池に加わる負荷を検出する負荷検出手段を有し、
   前記ガス圧調節手段は、前記負荷検出手段で検出された負荷の値に応じて、ガス圧を調節する請求項１〜７のいずれか１に記載の燃料電池システム。
9. さらに、燃料電池の湿潤状態を検出する湿度検出手段を有し、前記ガス圧調整手段は、前記湿度検出手段で検出された湿度に応じて、ガス圧を調整する請求項１〜７のいずれか１に記載の燃料電池システム。

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