JP7102358B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料極、固体高分子電解質膜、酸化剤極、セパレータを層状に構成した固体高分子形燃料電池スタックでは、燃料極に水素を含む燃料ガスが供給され、酸化剤極に酸素を含む酸素含有ガスが供給され、電気化学反応により発電を行う。一方、固体高分子電解質膜は平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性がある。このため、電解質膜の抵抗を小さくし、十分な発電性能を得るためには固体高分子電解質膜への加湿が必要となる。加湿方式として、燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式と、セパレータを介して水を直接添加する内部加湿方式とが一般に知られている。
また、電池反応の発熱を取り除くため、冷却する必要が生じる。冷却は複数セル毎に冷却板を挿入し、冷却板に水または空気を流して冷却する方法、内部加湿により供給した水の蒸発潜熱により冷却する方法などがある。加湿方法と冷却方法には密接な関係がある。外部加湿方式では運転条件の発熱状態に応じて数セルおきに冷却水流通路が挿入される。セパレータには緻密な導電性材料が使われ、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、及び冷却水流通路を形成するとともに、リークを防ぐ構成となっている。このセパレータの両面に流通路を設けると、セパレータの枚数は１セル当り１～２枚となる。
内部加湿・潜熱冷却方式では、ガス流通路と同じセパレータ面に設けた冷却水流通路からガス流通路に加湿水を供給し、加湿水の蒸発潜熱により冷却を行う。セパレータには緻密な導電性材料が使われ、リークを防ぐ構成となっている。冷却板が省略でき、セパレータの枚数は１セル当たり１枚である。外部加湿方式、及び内部加湿・潜熱冷却水方式では、反応による生成水は水蒸気として回収され、未反応のガスとともに排出される。電解質膜の抵抗を小さく保つため、ガス流通路の水蒸気圧は高くなり、セパレータとして緻密な材料を用いるため、水分の凝縮が起こって燃料極および酸化剤極内のガス拡散層を閉塞してガスの拡散が妨げられる。この現象はフラッディングと呼ばれ、固体高分子型燃料電池の性能劣化の要因の１つとなる。
微孔のある導電性多孔質板を使用した加湿・冷却方法では、一般に各セルに冷却水流通路を設けて導電性多孔質板を介して冷却水をガス流通路に供給して加湿する。この場合、生成水や凝縮した水分は導電性多孔質板を介して除去される。このため、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を冷却水の圧力よりも高くして、ガスのリークを防ぐとともに、反応面内での均一な加湿と冷却が行われる。また、酸化剤ガス流通路と、冷却水流通路の間に圧力調整容器を設けて、酸化剤ガスを加圧した場合の、酸化剤ガスと冷却水との差圧を生成している。
ところが、酸化剤ガスと冷却水との差圧の制御については、酸化剤ガス流通路と冷却水流通路の各々に分岐配管が必要であり、さらに圧力調整用の容器が必要になるなど、システムが複雑になってしまう。
特表平１１－５０８７２６号公報
発明が解決しようとする課題は、燃料極流通路内の燃料ガス及び酸化剤極流通路内の酸化剤ガスの内の少なくとも一方の圧力を冷却水流通路内の冷却水の圧力よりも高く維持した状態で作動圧力を調整可能な燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することである。
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料ガス供給流通路から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料極流通路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤極流通路と、前記燃料極流通路及び前記酸化剤極流通路の内の少なくとも一方に対し導電性多孔質材料で隔離した冷却水流通路とを設けた燃料電池スタックと、一端が前記冷却水流通路の上流側入口に設けられた冷却水入口マニホールドと連結した冷却水供給管の他端が冷却水供給口部と連結し、前記酸化剤極流通路の下流側に設けられた空気出口マニホールドと一端が連結した第１酸素含有ガス排出管の他端が連結した冷却水タンクであって、前記冷却水入口マニホールドから冷却水を供給する冷却水タンクと、前記冷却水タンクの空気排出口部と一端が連結した第２酸素含有ガス排出管の他端と連結し、前記燃料極流通路の下流側出口に設けられた燃料出口マニホールドと一端が連結した燃料ガス排出管の他端が連結された圧力損失部と、を備える。
本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料ガス供給流通路から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料極流通路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤極流通路と、前記燃料極流通路及び前記酸化剤極流通路の内の少なくとも一方に対し導電性多孔質材料で隔離した冷却水流通路とを設けた燃料電池スタックと、一端が前記冷却水流通路の上流側入口に設けられた冷却水入口マニホールドと連結した冷却水供給管の他端が冷却水供給口部と連結し、前記酸化剤極流通路の下流側に設けられた空気出口マニホールドと一端が連結した第１酸素含有ガス排出管の他端が連結した冷却水タンクであって、前記冷却水入口マニホールドから冷却水を供給する冷却水タンクと、前記冷却水タンクの空気排出口部と一端が連結した第２酸素含有ガス排出管の他端と連結し、前記燃料極流通路の下流側出口に設けられた燃料出口マニホールドと一端が連結した燃料ガス排出管の他端が連結された圧力損失部と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記冷却水入口マニホールドにおける水圧と、前記酸化剤極流通路の下流側に設けられた空気出口マニホールドの気圧との差圧を前記冷却水流通路からの吐出量により調整する。
本発明によれば、燃料極流通路内の燃料ガス及び酸化剤極流通路内の酸化剤ガスの内の少なくとも一方の圧力を冷却水流通路内の冷却水の圧力よりも高く維持した状態で作動圧力を調整することができる。
燃料電池システムの全体の概略構成図。 固体高分子形の燃料電池スタックの内部構造を示す上面図。 図２のＡＡ’断面を模式的に示す図。 第１実施形態に係る燃料電池システ１の制御例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る燃料電池システム全体の概略構成図。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（第１実施形態）
まず、図１及び図２に基づき、先ず燃料電池システム１の全体構成を説明する。図１は、燃料電池システム１の全体の概略構成図である。この図１に示すように、燃料電池システム１は、発電中に燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを再利用可能なシステムであり、燃料ガス供給管２と、燃料ガス排出管３、６と、燃料ガスリサイクル管４と、酸素含有ガス供給管８と、第１酸素含有ガス排出管１０と、冷却水供給管１２と、冷却水排出管１４と、貯水排出管１６と、第２酸素含有ガス排出管１８と、外部排出管２０と、燃料電池スタック１００と、冷却水タンク１１０と、圧力損失部１２０と、第１供給部１３０と、第２供給部１４０と、第３供給部１４５と、排出部１５０と、排出弁部１８０と、冷却水供給装置１９０と、制御装置１９５と、を備えて構成されている。図１には、更に気圧計測器Ｖ１、Ｖ２と、水圧計測器Ｖ３と、が図示されている。
図２は、固体高分子型の燃料電池スタック１００の内部構造を示す上面図である。図２に示すように、燃料電池スタック１００は、燃料電池セル１１５と、燃料入口マニホールド２００と、燃料出口マニホールド２０２と、空気入口マニホールド２０４と、空気出口マニホールド２０６と、冷却水入口マニホールド２０８と、冷却水出口マニホールド２１０とを、有している。燃料電池セル１１５は起電部であり、詳細な構成は後述する。このように、燃料電池セル１１５の周りには、燃料入口マニホールド２００、燃料出口マニホールド２０２、空気入口マニホールド２０４、空気出口マニホールド２０６、冷却水入口マニホールド２０８、冷却水出口マニホールド２１０が設けられている。
燃料ガス供給管２は、燃料電池スタック１００の燃料入口マニホールド２００の入口部Ｊ１に接続されている。燃料ガス供給管２には、燃料ガスとして水素含有ガスが供給される。これにより、燃料ガス供給管２は、燃料ガスを燃料電池スタック１００の燃料極流通路１００ａに燃料ガスを供給する燃料ガス流通路を構成する。
燃料ガス排出管３、６は、一端が燃料電池スタック１００の燃料出口マニホールド２０２の出口部Ｊ２に接続され他端が分岐部Ｊ４を介して圧力損失部１２０の入口部Ｊ５に接続されている。すなわち、燃料ガス排出管３は、燃料出口マニホールド２０２の出口部Ｊ２から分岐部Ｊ４までの燃料ガス排出管であり、燃料ガス排出管６は、分岐部Ｊ４から圧力損失部１２０の入口部Ｊ５までの燃料ガス排出管である。この燃料ガス排出管３、６は、アノードオフガスを排出する燃料ガス排出流通路を構成する。
燃料ガスリサイクル管４は、燃料ガス排出管３、６の分岐部Ｊ４に接続され、他端が燃料ガス供給管２の合流部Ｊ３に接続されている。燃料ガスリサイクル管４は、燃料電池スタック１００の燃料極流通路１００ａから排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給管２の合流部Ｊ３を介して環流させる。これにより、燃料ガスリサイクル管４は、アノードオフガスを燃料ガス供給管２の合流部Ｊ３を介して環流させる燃料ガスリサイクル流通路を構成する。
酸素含有ガス供給管８は、燃料電池スタック１００の空気入口マニホールド２０４の入口部Ｊ７に接続されている。酸素含有ガス供給管８には、酸素含有ガスとして例えば空気が供給される。これにより、酸素含有ガス供給管８は、燃料ガスを燃料電池スタック１００の酸化極流通路に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給流通路を構成する。
第１酸素含有ガス排出管１０は、一端が燃料電池スタック１００の空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８に接続され、他端が冷却水タンク１１０の第１入口部Ｊ９に接続されている。この第１酸素含有ガス排出管１０は、燃料電池スタック１００の酸化極流通路１００ｂからカソードオフガスを冷却水タンク１１０に排出する第１酸素含有ガス排出流通路を構成する。
冷却水供給管１２は、一端が冷却水タンク１１０の冷却水供給口部Ｊ１０と連結し、他端が燃料電池スタック１００の冷却水流通路１００ｃの上流側に設けられた冷却水入口マニホールド２０８の入口部と連結する。この冷却水供給管１２は、冷却水タンク１１０から冷却水を冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１に供給する冷却水供給流通路を構成する。冷却水供給口部Ｊ１０は、冷却水タンク１１０の底面部に設けられている。
冷却水排出管１４は、一端が燃料電池スタック１００の冷却水出口マニホールド２１０の出口部Ｊ１２と連結し、他端が冷却水タンク１１０の第２入口部Ｊ１３と連結する。この冷却水排出管１４は、冷却水出口マニホールド２１０から冷却水を冷却水タンク１１０に排出する冷却水排出流通路を構成する。
貯水排出管１６は、一端が冷却水排出管１４の分岐部Ｊ１４と連結し、冷却水タンク１１０に貯水された冷却水の一部を排出する。すなわち、貯水排出管１６には開閉弁１８０が設けられており、弁が開状態のときに、冷却水の一部が排出される。この貯水排出管１６は、冷却水タンク１１０から冷却水を排出する貯水排出流通路を構成する。
第２酸素含有ガス排出管１８は、一端が冷却水タンク１１０の空気排出口部Ｊ１５に接続され、他端が圧力損失部１２０の第２入口部Ｊ１６に接続されている。この第２酸素含有ガス排出管１８は、カソードオフガスを冷却水タンク１１０から圧力損失部１２０に排出する第２酸素含有ガス排出流通路を構成する。
外部排出管２０は、一端が圧力損失部１２０の排出部Ｊ１７と接続され、燃料ガス排出管６から供給されたアノードオフガスと、第２酸素含有ガス排出管１８から供給されたカソードオフガスとを排出する。外部排出管２０は、アノードオフガスとカソードオフガスとを排出する外部排出流通路を構成する。
燃料電池スタック１００は、内部に水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流通路１００ａと、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤極流通路１００ｂと、燃料電池スタック１００を冷却する冷却水流通路１００ｃを有し、燃料極に供給される水素含有ガスと、酸化剤極に供給される酸素含有ガスとを用いて発電する。ここで、アノードオフガスは、燃料電池スタック１００の発電中に燃料極流通路１００ａから排出されるガスであり、未反応の燃料ガスが含まれている。カソードオフガスは、燃料電池スタック１００の発電中に酸化剤極流通路１００ｂから排出されるガスである。
図２に示すように、燃料入口マニホールド２００、及び燃料出口マニホールド２０２は、燃料極流通路１００ａと連通している。すなわち、燃料入口マニホールド２００の入口部Ｊ１から供給された燃料ガスは、点線で示した燃料極流通路１００ａを経由して、燃料出口マニホールド２０２の出口部Ｊ２から排出される。
空気入口マニホールド２０４、及び空気出口マニホールド２０６は、酸化剤極流通路１００ｂと連通している。すなわち、空気入口マニホールド２０４の入口部Ｊ７から供給された酸素含有ガスは、破線で示した酸化剤極流通路１００ｂを経由して、空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８から排出される。
冷却水入口マニホールド２０８、及び冷却水出口マニホールド２１０は、冷却水流通路１００ｃと連通している。すなわち、冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１から供給された冷却水は、実線で示した冷却水流通路１００ｃを経由して、冷却水出口マニホールド２１０の出口部Ｊ１２から排出される。
各マニホールド２００，２０２，２０４，２０６，２０８，２１０は、ガス不透過性と電気絶縁性を有することが必要であり、通常、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を金型により圧縮成形もしくはインジェクション成形することにより製造される。これに用いる熱可塑性樹脂としてはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などが挙げられる。各マニホールドは、燃料電池セル１１５側を開口部とした箱状の形状を有し、マニホールドの側面および内面に燃料電池セル１１５側からマニホールド底面に向かって抜きテーパが設けられ、それによって金型からの離型性が確保されている。
燃料電池セル１１５の側面に接するマニホールドの周縁部のシール面には、断面が矩形のシール溝が周縁部全周にわたって設けられている。シール溝にはシール材が挿入されており、これによってガス／冷却水のリークを防いでいる。なお、燃料電池スタック１００の詳細な構成は後述する。
図１に示すように、冷却水タンク１１０には、第１酸素含有ガス排出管１０、冷却水供給管１２、冷却水排出管１４、第２酸素含有ガス排出管１８、が接続されている。すなわち、酸化剤極流通路１００ｂの下流側に設けられた空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８と一端が連結した第１酸素含有ガス排出管１０の他端と入口部Ｊ９で連結し、冷却水流通路１００ｃの下流側に設けられた冷却水出口マニホールド２１０の出口部Ｊ１２と一端が連結した冷却水排出管１４の他端と入口部Ｊ１３で連結し、冷却水流通路１００ｃの上流側に設けられた冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１と一端が連結した冷却水供給管１２の他端が冷却水供給口部Ｊ１０と連結している。これにより、冷却水タンク１１０とこれらの配管構成１０、１２、１４などとにより、燃料電池スタック１００の冷却水入口マニホールド２０８における水圧が、空気出口マニホールド２０６の気圧以下となるように調整される。また、冷却水タンク１１０には、冷却水供給装置１９０から冷却水の供給を受けることが可能である。これにより、冷却水タンク１１０内の貯水量を増加することができる。
圧力損失部１２０には、冷却水タンク１１０の空気排出口部Ｊ１５と一端が連結した第２酸素含有ガス排出管１８の他端が連結され、燃料極流通路１００ａの下流側に設けられた燃料出口マニホールド２０２の出口部Ｊ２と一端が連結した燃料ガス排出管６の他端が連結される。この圧力損失部１２０は、第１酸素含有ガス排出管１０、冷却水タンク１１０内、及び第２酸素含有ガス排出管１８内の気圧と、燃料ガス排出管６内の気圧を調整する。圧力損失部１２０は、例えば熱交換器、消音ダクト、及び触媒燃焼器のいずれか一つで構成してもよい。圧力損失部１２０の詳細は後述する。なお、燃料ガス排出管６と第２酸素含有ガス排出管１８とを合流させた後に圧力損失部１２０に連結させてもよい。この場合、圧力損失部１２０は、燃料ガス排出管６と第２酸素含有ガス排出管１８との合流部までを含むこととする。
第１供給部１３０は、例えばリサイクルブロアであり、燃料ガスリサイクル管４の分岐部Ｊ４よりも下流側の燃料ガスリサイクル管４に設けられている。この第１供給部１３０は、アノードオフガスを燃料極の下流側から排出し、燃料ガス排出管６の第１供給部１３０より下流側に排出する。
第２供給部１４０は例えばコンプレッサであり、空気入口マニホールド２０４の入口部Ｊ７よりも上流側の酸素含有ガス供給管８に設けられている。この第２供給部１４０は、酸素含有ガスを酸化剤極の上流側から供給する。これにより、酸化剤ガスは、酸素含有ガス供給管８、酸化剤極流通路１００ｂ、第１酸素含有ガス排出管１０、冷却水タンク１１０、第２酸素含有ガス排出管１８、圧力損失部１２０、及び外部排出管２０の流路を下流に行くに従い気圧が低下する。すなわち、空気入口マニホールド２０４内の気圧よりも空気出口マニホールド２０６内の気圧が低くなり、酸化剤極流通路１００ｂ内の気圧は、酸化剤極流通路１００ｂの下流に行くに従い気圧が低下する。同様に、冷却水タンク１１０内の圧力は、空気出口マニホールド２０６内の気圧よりも低くなる。
第３供給部１４５は、例えばコンプレッサであり、燃料入口マニホールド２００の入口部Ｊ１よりも上流側の燃料ガス供給管２に設けられている。この第３供給部１４５は、燃料ガスを燃料極の上流側から供給する。これにより、燃料ガスは、燃料ガス供給管２、燃料極流通路１００ａ、燃料ガス排出管３、６、圧力損失部１２０、及び外部排出管２０の流路を下流に行くに従い気圧が低下する。すなわち、燃料入口マニホールド２００内の気圧よりも燃料出口マニホールド２０２内の気圧が低くなり、燃料極流通路１００ａ内の気圧は、燃料極流通路１００ａの下流に行くに従い気圧が低下する。同様に、圧力損失部１２０内の圧力は、燃料出口マニホールド２０２内の気圧よりも低くなる。
排出部１５０は、例えば冷却水ポンプであり、冷却水出口マニホールド２１０の出口部Ｊ１２よりも下流側の冷却水排出管１４に設けられている。これにより、排出部１５０は、冷却水排出管１４内の冷却水流通路１００ｃ側の冷却水を冷却水タンク１１０側に排出する。このように、冷却水出口マニホールド２１０の出口部Ｊ１２から排出部１５０により冷却水が排出される。これにより、排出部１５０から排出された冷却水は、排出部１５０の下流に行くに従い水圧が低下する。すなわち、冷却水タンク１１０内の圧力よりも冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１の圧力の方が低くなる。同様に、燃料電池スタック１００の冷却水流通路１００ｃ内の冷却水の水圧は、冷却水流通路１００ｃの下流に行くに従い低下する。
上述のように、冷却水タンク１１０内の圧力は、空気出口マニホールド２０６内の気圧よりも低くなる。一方で、冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１における水圧は冷却水タンク１１０内の圧力よりも低くなる。これらから分かるように、冷却水タンク１１０内の圧力を基準として、冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１における水圧は空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８の気圧よりも常に低圧となる。これにより、冷却水流通路１００ｃ内の水圧は常に酸化剤極流通路１００ｂ内の気圧より低く維持される。また、冷却水タンク１１０内の圧力の増減により、冷却水入口マニホールド２０８の水圧と、空気出口マニホールド２０６の気圧は、差圧を維持した状態で増減する。これにより、燃料電池スタック１００の作動圧を冷却水タンク１１０内の圧力の増減により調整可能となる。ここで作動圧とは、燃料電池スタック１００の発電中における燃料極流通路１００ａ内、及び酸化剤極流通路１００ｂ内、の圧力を意味する。すなわち、作動圧とは、燃料電池スタック１００の発電中における反応ガスの圧力を意味する。
一方で、冷却水排出管１４は冷却水タンク１１０に接続されているので、冷却水タンク１１０の圧力が一定とすると、排出部１５０の冷却水の吐出量が多くなると冷却水流通路１００ｃの圧力低下がより大きくなり、冷却水マニホールド入口２０８の圧力はより低下する。これにより、冷却水入口マニホールド２０８の水圧と、空気出口マニホールド２０６の気圧との差圧を調整可能となる。
ここで、圧力損失部１２０の作用を説明する。圧力損失部１２０により、冷却水タンク１１０内の圧力が増加し、冷却水入口マニホールド２０８の水圧と、空気出口マニホールド２０６の気圧は、差圧を維持した状態で増加する。また、燃料出口マニホールド２０２内の気圧は圧力損失部１２０よりも高くなる。このため、燃料出口マニホールド２０２内の気圧は冷却水入口マニホールド２０８の水圧よりも高くなる。これにより、燃料極流通路１００ａ内の気圧は冷却水流通路１００ｃ内の水圧よりも常に高く維持される。このように、冷却水タンク１１０と圧力損失部１２０とにより、冷却水流通路１００ｃ内の水圧を燃料極流通路１００ａ内及び酸化剤極流通路１００ｂ内の気圧より常に低い圧力とすることで、フラッディングを抑制することが可能となる。
排出弁部１８０は、制御装置１９５の制御により冷却水タンク１１０の貯水量を調節する貯水排出管１６を開閉する。
冷却水供給装置１９０は、冷却水排出管１４を介して冷却水を供給する。
気圧計測器Ｖ１は、第１酸素含有ガス排出管１０内の気圧を計測する。気圧計測器Ｖ２は、燃料ガス排出管３における気圧を計測する。水圧計測器Ｖ３は、冷却水供給管１２における水圧を計測する。
制御装置１９５は、燃料電池システム１全体の制御を行う。制御装置１９５は、たとえば例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、記憶装置、入出力装置などを備えたマイクロコンピュータである。制御装置１９５は、記憶装置に記憶されるプログラムにしたがい、制御を行う。制御装置１９５は、気圧計測器Ｖ１及び水圧計測器Ｖ３からの信号に基づき、第２供給部１４０、排出部１５０、排出弁部１８０、冷却水供給装置１９０の制御を行う。また、制御装置１９５は、第１供給部１３０を制御して、燃料ガスリサイクル管４内のリサイクル流量を制御する。
ここで、図３に基づき、燃料電池スタック１００の詳細な構成を説明する。図３は、図２のＡＡ’断面を模式的に示す図である。この図３に示すように、燃料電池セル１１５は、複数の単位電池１００ｄを積層して構成されている。この単位電池１００ｄは、膜電極複合体１００ｅと、燃料極流通路付セパレータ１０５と、酸化剤極流通路付セパレータ１０６とを有している。
膜電極複合体１００ｅは、固体高分子電解質膜１０１と、固体高分子電解質膜の一方の面に配置された燃料極（アノード電極）１０３と、固体高分子電解質膜の燃料極１０３とは反対側の面に配置された酸化剤極（カソード電極）１０４とを有する。更に、燃料極１０３は、アノード触媒層１０３ａを有し、酸化剤極１０４は、カソード触媒層１０４ａを有する。
燃料極流通路付セパレータ１０５には、燃料極流通路１００ａが形成されている。酸化剤極流通路付セパレータ１０６には、酸化剤極流通路１００ｂと、冷却水流通路１００ｃが形成されている。このように、冷却水流通路１００ｃはセパレータを介して、燃料極流通路１００ａ及び酸化剤極流通路１００ｂと接している。なお、本実施形態では酸化剤極流通路付セパレータ１０６に冷却水流通路１００ｃを設けているがこれに限定されず、燃料極流通路付セパレータ１０５に冷却水流通路１００ｃを設けてもよい。或いは、酸化剤極流通路付セパレータ１０６及び燃料極流通路付セパレータ１０５と分離して冷却水流通路１００ｃ用のセパレータを設けてもよい。また、本実施の形態では、燃料極流通路付セパレータ１０５と、酸化剤極流通路付セパレータ１０６とをそれぞれ独立したものとしているが、一体として形成してもよい。
これら複数の単位電池１００ｄは、化学式１で示す反応により発電する。水素含有ガスは、燃料極１０３側の燃料極流通路１００ａを流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、酸化剤極１０４側の酸化剤極流通路１００ｂを流れ、酸化剤極反応をおこす。燃料電池スタック１００は、これらの電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。
（化学式１）
燃料極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－
酸化剤極反応：２Ｈ＋＋２ｅ－＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
燃料電池スタック１００の性能の一つは、電流電圧特性で示される。所定の電流が流れたときの燃料電池スタック１００の実際の電圧は、理論値よりも低い。この電圧低下の原因の一つとして、反応ガスの供給や電池反応の際に生成する水の影響などによる拡散過電圧が考えられる。水素と酸素との単位電池１００ｄでの電気化学反応の際に水が生成され、その水が電極構成部材のガスの拡散層の細孔を埋めると、反応ガスの拡散性が低下する。これにより、拡散過電圧が増大する。
このため、本実施形態に係る燃料極流通路付セパレータ１０５と、酸化剤極流通路付セパレータ１０６とは、ポーラスタイプのセパレータで構成されている。例えば燃料極流通路付セパレータ１０５および酸化剤極流通路付セパレータ１０６は、カーボンの多孔質体で形成されている。これらのセパレータは、電解質膜の加湿に必要な水をポーラス内部に含むことができる。また、冷却水流通路１００ｃを燃料極流通路１００ａ、及び酸化剤極流通路１００ｂよりも低い圧力とすることにより、電極反応による生成水を、セパレータを介して冷却水流通路１００ｃに吸収し、ガス下流側でのフラッディングを防止することが可能となる。これにより、拡散過電圧の増大を抑制することができる。なお、ポーラスなセパレータを酸化金属で構成してもよい。
ここで、制御装置１９５の制御例を説明する。まず、酸素含有ガスの流れを説明する。制御装置１９５の制御により第２供給部１４０は、燃料電池スタック１００の酸化剤極流通路１００ｂに酸素含有ガス供給管８を介して酸素含有ガスを供給する。酸化剤極流通路１００ｂに流入した酸素含有ガスは、各単位電池１００ｄの酸化剤極１０４に供給される。酸化剤極１０４に到達した酸素含有ガスの一部は、上述の化学式１で示したように、燃料極から放出されたプロトンと電子を受け取り、水を生成する。そして、第１酸素含有ガス排出管１０から排出されるカソードオフガスは、冷却水タンク１１０に供給される。続けて、冷却水タンク１１０に供給されたカソードオフガスは、第２酸素含有ガス排出管１８を介して圧力損失部１２０に供給される。圧力損失部１２０の圧力損失により、冷却水タンク１１０内の圧力が調整される。
この場合、気圧計測器Ｖ１と、水圧計測器Ｖ３との測定値に基づき、排出部１５０の冷却水の吐出量の調整により、冷却水流通路１００ｃ内の水圧と酸化剤極流通路１００ｂ内の水圧との差圧が制御される。
次に、水素含有ガスの流れを説明する。制御装置１９５の制御により燃料電池スタック１００の燃料極流通路１００ａに燃料ガス供給管２を介して水素含有ガスを供給する。燃料ガス供給管２に流入した水素含有ガスは、各単位電池１００ｄの燃料極１０３に供給される。燃料極１０３に到達した水素含有ガスの一部は、上述の化学式１式で示したように、燃料極１０３がプロトンと電子を発生する。発電に用いられなかった余剰の水素含有ガスはアノードオフガスとして、燃料電池スタック１００の燃料極流通路１００ａの出口部から燃料ガスリサイクル管４に排出される。燃料ガスリサイクル管４は、燃料極流通路１００ａから排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給管２の合流部Ｊ３を介して環流させる。この際に制御装置１９５の制御により第１供給部１３０は、アノードオフガスを燃料ガスリサイクル管４の第１供給部１３０より下流側に排出する。
次に、燃料ガス排出管６から排出されるアノードオフガスの一部の流れを説明する。燃料ガス排出管６から排出されるアノードオフガスの一部は、圧力損失部１２０を介して排出される。この圧力損失部１２０の圧力損失により、燃料極流通路１００ａ内の圧力が調整される。
次に、冷却水タンク１１０から燃料電池スタック１００内の冷却水流通路１００ｃに供給される冷却水の流れを説明する。冷却水タンク１１０から燃料電池スタック１００内の冷却水流通路１００ｃに供給された冷却水の一部は、燃料極流通路付セパレータ１０５と、酸化剤極流通路付セパレータ１０６を介して供給され、膜電極複合体１００ｅの加湿に用いられる。
また、冷却水流通路１００ｃ内の冷却水は、排出部１５０により冷却水排出管１４を介して排出され冷却水タンク１１０へ排出される。この際に、冷却水流通路１００ｃを燃料極流通路１００ａ、及び酸化剤極流通路１００ｂよりも低い圧力に維持されているので、電極反応による生成水は燃料極流通路付セパレータ１０５、及び酸化剤極流通路付セパレータ１０６を介して冷却水流通路１００ｃに吸収される。これにより、燃料極流通路１００ａ及び酸化剤極流通路１００ｂの下流側で生成水が存在せずフラッディングが抑制される。
図４は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の制御例を示すフローチャートである。ここでは、第２供給部１４０の供給量、及び排出部１５０が所定値に調整された後の排出部１５０の吐出量の制御例について説明する。
まず、制御装置１９５は、記憶装置に記憶される初期値を用いて第２供給部１４０の供給量、排出部１５０の排出部量の制御を開始する（ステップＳ１００）。
次に、制御装置１９５は、気圧計測器Ｖ１の測定値を取得する（ステップＳ１０２）。これにより、空気出口マニホールド２０６内の気圧が取得される。
次に、制御装置１９５は、水圧計測器Ｖ３の測定値を取得する（ステップＳ１０４）。これにより、冷却水入口マニホールド２０８内の水圧が取得される。
次に、制御装置１９５は、空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８の気圧と、冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１における水圧との差圧が所定値であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。差圧が所定値でない場合（ステップＳ１０６のＮＯ）、差圧を大きくする場合に、制御装置１９５は、排出部１５０の吐出量を所定量増加し、逆に小さくする場合に吐出量を所定量増減少し（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０２からの処理を継続する。
一方で、差圧が所定値である場合（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、制御装置１９５は、全体処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１１０）。全体処理を終了しない場合（ステップＳ１１０のＮＯ）、ステップＳ１０２からの処理を繰り返す。ここで、排出部１５０の吐出量を調整しても、冷却水タンク１００と配管構成１０、１２、１４などとの作用により、空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８の気圧は、冷却水入口マニホールド２０８の入口部Ｊ１１における水圧よりも常に高く維持される。
一方で、全体処理を終了する場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、制御装置１９５は、第２供給部１４０の制御値、及び排出部１５０の制御値を記憶装置に記憶して（ステップＳ１１２）、全体処理を終了する。
このように、排出部１５０の吐出量の調整により、冷却水タンク１００から冷却水流通路１００ｃの入口部に供給される冷却水の水圧と酸化極流通路１００ｂの排出部の気圧との差圧を調整することとした。これにより、排出部１５０における吐出量の調整のみで冷却水流通路１００ｃ内の水圧と、酸化剤極流通路１００ｂ内の気圧との差圧を調整することが可能となる。
以上のように本実施形態によれば、冷却水タンク１１０に、冷却水入口マニホールド２０８と連結した冷却水供給管１２の他端を冷却水供給口部Ｊ１０と連結させ、空気出口マニホールド２０６と一端が連結した第１酸素含有ガス排出管の他端を連結させ、冷却水タンク１１０の空気排出口部Ｊ１５と一端が連結した第２酸素含有ガス排出管１８の他端と、燃料極流通路１００ａの下流側出口に設けられた燃料出口マニホールド２０２と一端が連結した燃料ガス排出管６の他端とを合流させることで、追加の配管や機器を設けずに、アノードオフガスとカソードオフガスの双方の圧力と冷却水の差圧を適切に制御可能となる。さらに、第２酸素含有ガス排出管１８の他端と、燃料ガス排出管６の他端とを合流させ、圧力損失部１２０を設けることにより、アノードオフガスとカソードオフガスの圧力を増加させ、燃料電池スタック１００の出力を向上させることが可能となる。このように、簡素な構成でより高性能なシステムを提供することができる。
（第２実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、外部排出管２０にダンパ２１５を更に設けたことで、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池システム１との相違点を説明する。
図５は、第２実施形態に係る燃料電池システム１全体の概略構成図である。図５に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１は、ダンパ２１５を更に備えている。
ダンパ２１５は、外部排出管２０の圧損を調整する。これにより、空気出口マニホールド２０６の出口部Ｊ８の気圧と、燃料出口マニホールド２０２の出口部Ｊ２の気圧との圧力上昇を調整可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、外部排出管２０に設けたダンパ２１５により、冷却水タンク１１０内の気圧を調整することとした。これにより、冷却水流通路１００ｃの入口部Ｊ１１に供給される冷却水の水圧を酸化極流通路１００ｂの排出部Ｊ８よりも低く維持しつつ、酸化極流通路１００ｂの排出部Ｊ８及び燃料出口マニホールド２０２の出口部Ｊ２の気圧を調整することが可能となる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１：燃料電池システム、２：燃料ガス供給流通路、１０：第１酸素含有ガス排出管、１２：冷却水供給管、１８：第２酸素含有ガス排出管、１００：燃料電池スタック、１００ａ：燃料極流通路、１００ｂ：酸化剤極流通路、１００ｃ：冷却水流通路、１０３：燃料極、１０４：酸化剤極、１１０：冷却水タンク、１２０：圧力損失部、１９５：制御装置、２０６：空気出口マニホールド、２０８：冷却水入口マニホールド、２１５：ダンパ、Ｊ１０：冷却水供給口部、Ｊ１５：空気排出口部。

Claims (7)

  1. 燃料ガス供給流通路から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料極流通路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤極流通路と、前記燃料極流通路及び前記酸化剤極流通路の内の少なくとも一方に対し導電性多孔質材料で隔離した冷却水流通路とを設けた燃料電池と、
    前記冷却水流通路の上流側入口に設けられた冷却水入口マニホールドと一端が連結された冷却水供給管と、
    前記酸化剤極流通路の下流側に設けられた空気出口マニホールドと一端が連結された第１酸素含有ガス排出管と、
    冷却水供給口部を介して前記冷却水供給管の他端と連結され、且つ、前記第１酸素含有ガス排出管の他端と連結された冷却水タンクと、
    前記冷却水タンクの空気排出口部と一端が連結された第２酸素含有ガス排出管と、前記燃料極流通路の下流側出口に設けられた燃料出口マニホールドと一端が連結された燃料ガス排出管と、
    前記第２酸素含有ガス排出管の他端と連結され、且つ前記燃料ガス排出管の他端と連結された圧力損失部と、
    を備える、燃料電池システム。
  2. 前記圧力損失部は、熱交換器、消音ダクト、及び触媒燃焼器のいずれか一つである、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記圧力損失部の下流側に設けられ、前記圧力損失部における圧力損失を調整するダンパを、更に備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記酸化剤極流通路における上流側入口の空気入口マニホールドと連結する酸素含有ガス供給管に設けられ、前記酸素含有ガスを供給する供給部と、
    前記冷却水流通路における下流側出口の冷却水出口マニホールドと連結する冷却水排出管に設けられ、前記冷却水出口マニホールドから冷却水を排出する排出部と、
    を更に備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記冷却水入口マニホールドにおける水圧と、前記空気出口マニホールドの気圧とに基づき、前記排出部による前記冷却水の吐出量を少なくとも制御する制御装置を更に備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記冷却水入口マニホールドにおける水圧と、前記空気出口マニホールドの気圧とに基づき、前記ダンパを制御する、制御装置を更に備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
  7. 燃料ガス供給流通路から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料極流通路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤極流通路と、前記燃料極流通路及び前記酸化剤極流通路の内の少なくとも一方に対し導電性多孔質材料で隔離した冷却水流通路とを設けた燃料電池と、
    前記冷却水流通路の上流側入口に設けられた冷却水入口マニホールドと一端が連結された冷却水供給管と、前記酸化剤極流通路の下流側に設けられた空気出口マニホールドと一端が連結された第１酸素含有ガス排出管と、冷却水供給口部を介して前記冷却水供給管の他端と連結され、且つ、前記第１酸素含有ガス排出管の他端と連結された冷却水タンクと、
    前記冷却水タンクの空気排出口部と一端が連結された第２酸素含有ガス排出管と、前記燃料極流通路の下流側出口に設けられた燃料出口マニホールドと一端が連結された燃料ガス排出管と、前記第２酸素含有ガス排出管の他端と連結され、且つ前記燃料ガス排出管の他端と連結された圧力損失部と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
    前記冷却水入口マニホールドにおける水圧と、前記酸化剤極流通路の下流側に設けられた空気出口マニホールドの気圧との差圧を前記冷却水流通路からの吐出量により調整する、燃料電池システムの制御方法。
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