JP2009054290A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内において発電反応に供されることのない非反応流体を効率よく排出する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、電極に挟持された電解質膜を含む複数の発電モジュール１１０を備え、複数の発電モジュール１１０のそれぞれに連結する、排ガスを排出するための水素排出マニホールド１２２と、水素排出マニホールド１２２から分岐する複数の分岐流路１３０とを備えている。複数の分岐流路１３０のそれぞれは、ガス噴射弁１３１を備える。制御部６００は、ガス噴射弁１３１の弁の開閉を制御して、複数の発電モジュール１１０のそれぞれからの排ガス排出量を制御することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、反応ガスとして水素及び酸素の供給を受けて発電を行う。燃料電池では、発電が行われる発電領域に、発電反応で生じる水分や、発電反応に供されることのない非反応ガス（Ｎ₂ガス等）を含む非反応流体が滞留してしまうと、発電領域における反応ガスの流れを阻害して発電効率が低下する可能性がある。これまで、非反応流体を燃料電池の外部へと排出するために種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。

特開２００４−５３６４３８号公報 特開２００５−２０３１４３号公報 特開２００６−１５５９９７号公報 特開２００５−１００８２７号公報 特開２００５−２０９４２７号公報

ところで、燃料電池は一般に、複数の発電モジュールで発電を行い、各発電モジュールで発電された電気を集電することによって燃料電池の出力とする。また、上述した非反応流体の滞留は一部の発電モジュールにおいて発生し、他の発電モジュールは正常に発電を行うことが可能である場合が多い。そのため、非反応流体は、発電効率が低下した発電モジュールから排出されることが好ましい。しかし、これまでこうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、燃料電池内において発電反応に供されることのない非反応流体を効率よく排出する技術を提供することを目的とする。

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。

［適用例１］燃料電池システムであって、電極に挟持された電解質膜を含む複数の発電モジュールと、前記複数の発電モジュールのそれぞれに連結する、排ガスを排出するための排気用マニホールドとを有する燃料電池と、前記排気用マニホールドから分岐し、それぞれバルブを備える複数の分岐排気流路と、前記バルブの開閉を制御して、各分岐排気流路からの前記排ガスの排出量を制御する制御部とを備える燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、複数の分岐排気流路のそれぞれについて排ガスの排出量を制御できる。従って、特定の発電モジュールからの排ガス排出量を制御できる。即ち、複数の発電モジュールから選択的に特定の発電モジュールからの排ガス排出量を増加させることができ、非反応流体の排出処理を効率よく実行することが可能となる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記複数の分岐排気流路の一部のバルブのみを開き、他の分岐排気流路のバルブを閉じる燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、開かれたバルブの近傍の発電モジュールからの排ガス排出量を増加させることができる。

［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記排気用マニホールドの端部に接続する排気用接続配管を備え、前記複数の分岐排気流路は、前記排気用接続配管に接続している燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、排気用マニホールドからの排ガスと、複数の分岐排気流路からの排ガスとを混合して同時に排出することが可能である。従って、より効率よく非反応流体の排出処理を実行することが出来る。

［適用例４］適用例１または適用例３記載の燃料電池システムであって、前記排気用マニホールドは、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排気用マニホールドである燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、燃料電池のアノード側からの非反応流体の排出処理を効率よく実行することが出来る。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記複数の発電モジュールの電圧を検出するための電圧検出部を備え、前記制御部は、前記複数の発電モジュールのうちで所定以上の電圧低下を示す低電圧発電モジュールが検出されたときに、前記複数の分岐排気流路のうち、前記低電圧発電モジュールの最も近くに設けられた分岐排気流路のバルブを開く燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、複数の発電モジュールのうち、低電圧発電モジュールからの排ガス排出量を増加させることが出来る。従って、当該発電モジュールが、非反応流体によって低電圧となっている場合に、他の発電モジュールからの排ガス排出量の増加を抑制しつつ、低電圧発電モジュールの電圧回復をすることが可能である。

［適用例６］適用例５に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出されたアノード排ガスは、前記燃料電池へと再循環することなく、前記燃料電池システムの外部へと排出され、前記アノード排ガスは、窒素ガス成分を含む燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、水素の供給量を酸素の供給量より微少量として発電を行う場合に、いずれかの発電モジュールに窒素が滞留しても、当該発電モジュールの排ガス排出量を増加させることが出来る。従って、効率よく窒素の排出処理を行うことが出来る。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

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の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、水素供給系統２００と、酸素供給系統３００と、水素排出系統４００と、酸素排出系統５００と、制御部６００とを備えている。

燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。

燃料電池１００は、複数の発電モジュール１１０が積層された、いわゆるスタック構造を有する。ここで、本明細書中において「発電モジュール」とは、１つの膜電極接合体（後述）と、当該膜電極接合体の２つの電極面に隣接する反応ガスのためのガス流路（後述）とを含む、発電を行う燃料電池の構成部分を意味している。

燃料電池１００には、反応ガスの供給及び排出を担う複数のガスマニホールド１２１〜１２４が設けられている。具体的には、水素の供給を担う水素供給マニホールド１２１と、水素の排出を担う水素排出マニホールド１２２と、酸素の供給を担う酸素供給マニホールド１２３と、酸素の排出を担う酸素排出マニホールド１２４とが設けられている。各ガスマニホールド１２１〜１２４は、発電モジュール１１０の積層方向に沿って設けられており、各発電モジュール１１０の各電極に設けられたガス流路と連通している。

この燃料電池１００には、水素排出マニホールド１２２から分岐して燃料電池１００の側面から外部へと連通する複数の分岐流路１３０が、略等間隔で設けられている。ここで、「燃料電池１００の側面」とは、発電モジュール１１０の積層方向に沿った面を意味する。複数の分岐流路１３０のそれぞれにはガス噴射弁１３１が設けられている。ガス噴射弁１３１は、水素排出マニホールド１２２から水素排出配管４１０に向かってアノード排ガスを噴出可能なように設けられている。なお、ガス噴射弁１３１は、弁の開放時間によってガスの噴出量を調整可能である。

また、燃料電池１００には、発電モジュール１１０ごとの発電電圧を計測するＦＣ電圧検出部１４０が設けられている。ＦＣ電圧検出部１４０は、その計測結果を制御部６００へと出力する。

水素供給系統２００は、燃料電池１００に燃料ガスである水素ガスを供給する。水素供給系統２００は、水素タンク２１０と、水素供給配管２２０とを備える。水素タンク２１０は、高圧水素を貯蔵する。水素供給配管２２０は、水素タンク２１０と燃料電池１００の水素供給マニホールド１２１とを接続する。水素供給配管２２０には、上流側に水素遮断弁２２１と、その下流側に水素の圧力を調整するためのレギュレータ２２２とが設けられている。

酸素供給系統３００は、燃料電池に酸化ガスである高圧空気を供給する。酸素供給系統３００は、エアコンプレッサ３１０と、酸素供給配管３２０とを備えている。酸素供給配管３２０は、エアコンプレッサ３１０と燃料電池１００の酸素供給マニホールド１２３とを接続する。なお、酸素供給系統３００には、供給する高圧空気を加湿するための加湿部（図示せず）が設けられているものとしても良い。

水素排出系統４００は、燃料電池１００の水素排出マニホールド１２２の端部１２２ｅと接続する水素排出配管４１０を備えている。通常、反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、水素排出マニホールドの端部１２２ｅから水素排出配管４１０を経て燃料電池システム１０００の外部へと排出される。なお、端部１２２ｅからのアノード排ガスの流れは水素排出バルブ４１１によって制御されている。

水素排出配管４１０は、燃料電池１００の側面に設けられた複数の分岐流路１３０と、水素排出バルブ４１１の下流側において連結する。アノード排ガスの一部は、所定の場合に複数の分岐流路１３０のうちのいずれかを介して、ガス噴射弁１３１によって水素排出配管４１０へと排出される。このガス噴射弁１３１による排気処理の詳細は後述する。

水素排出配管４１０には、複数の分岐流路１３０との連結部４１３の下流側に希釈器４１２が設けられている。希釈器４１２は、アノード排ガスと他のガスとを混合することによってアノード排ガスにおける水素濃度を低減し、アノード排ガスを大気中へと排出可能とするためのものである。この希釈器４１２によって、後述するガス噴射弁１３１による排気処理によってアノード排ガスの排出量が増加した場合であっても、アノード排ガス中の水素濃度を低減し、水素の可燃限界値（約４％程度）以内に抑えることが可能である。

酸素排出系統５００は、燃料電池１００の酸素排出マニホールド１２４と接続する酸素排出配管５１０を備えている。酸素排出配管５１０には、燃料電池１００から排出される反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスが流入する。酸素排出配管５１０は、カソード排ガスをそのままシステム外部へと排出するものとしても良いし、酸素供給系統３００の配管へと接続して、カソード排ガスをシステム内で循環させるものとしても良い。

制御部６００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されており、中央処理装置（図示せず）や記憶装置（図示せず）などを備える。制御部６００は、水素遮断弁２２１や、エアコンプレッサ３１０、水素排出バルブ４１１、ガス噴射弁１３１などと信号線を介して接続されており、燃料電池システム１０００を制御する。制御部６００は、燃料電池１００の発電の際に、ＦＣ電圧検出部１４０からの出力値を基に後述する窒素排出処理を実行する。

ところで、本実施例の燃料電池システム１０００は、アノード排ガス中の水素を燃料電池１００へと再循環させることなく燃料電池１００の運転を継続する、いわゆるアノード循環レスシステムである。制御部６００は、燃料電池１００への水素の供給量を酸素の供給量に比較して微少量として燃料電池１０００の運転を行う。具体的には、水素の供給量と酸素の供給量との比は、例えば１：１００としても良い。これによって、反応に供されることなく燃料電池１００から排出される水素の量を低減して、水素の利用効率を向上する。

図２（Ａ１）は、燃料電池１００の発電モジュール１１０に含まれる膜電極接合体１０を示す概略図である。膜電極接合体１０は、発電反応に供される領域である発電領域１１の外周縁にシール部１２が設けられている。発電領域１１は、略長方形形状で構成されている。シール部１２は、発電領域１１を挟んで対向する短辺の中央に突出部１２ｅを有する。これによって、膜電極接合体１０の四隅には、燃料電池１００として組み付けられたときにガスマニホールド１２１〜１２４（図１）を構成する矩形凹部１３が設けられている。

図２（Ａ２）は、図２（Ａ１）に示すＡ２−Ａ２切断における膜電極接合体１０の断面図である。膜電極接合体１０の発電領域１１には、電解質膜１４と、電解質膜１４の両面に配置されるアノード１５及びカソード１６とが含まれる。

電解質膜１４は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子である。２つの電極１５，１６の電解質膜１４と接しない外面には反応ガスを全体に行き渡らせるためのガス拡散層（図示せず）が設けられ、電解質膜１４と接する面には、発電反応を促進するために、白金などの触媒が担持された触媒層（図示せず）が設けられている。

シール部１２は、電解質膜１４の外周端部１４ｅ及び２つの電極１５，１６の外周端部１５ｅ，１６ｅを被覆するように成形されている。なお、電解質膜１４の外周端部１４ｅは、２つの電極端部１５ｅ，１６ｅより突出しており、これによって電極端部１５ｅ，１６ｅにおける反応ガスのクロスリークの発生を抑制する。

なお、燃料電池１００として組み付けられる際には、膜電極接合体１０の２つの電極１５，１６の外表面には、反応ガスを電極全体に行き渡らせるためのガス流路部材１７が配置される。ガス流路部材１７としては、導電性を有する多孔質部材で構成することができる。ガス流路部材１７は、発電された電気の導電パスとしても機能する。

図２（Ｂ）は、燃料電池１００の発電モジュール１１０に用いられるセパレータ２０を示す概略図である。セパレータ２０は、膜電極接合体１０とほぼ同一の形状を有する板状部材であり、膜電極接合体１０と同様に矩形凹部１３が設けられている。なお、セパレータ２０としては、導電性を有する薄い板状部材（例えば金属板）によって構成することが出来る。

セパレータ２０の２つの面にはそれぞれ、反応ガスを誘導するための流路である誘導流路溝２１が設けられている。第１の面に設けられた誘導流路溝２１は、セパレータ２０の全体を蛇行して併走する複数の溝として構成されており、対向する位置にある２つの矩形凹部１３を連結している。図示されていない第２の面に設けられた誘導流路溝２１は、残りの２つの矩形凹部１３を連結している点以外は、第１の面に設けられた誘導流路溝２１と同様に設けられている。

図３は、上述した膜電極接合体１０及びセパレータ２０を燃料電池１００として組み付ける工程を示す模式図である。複数の膜電極接合体１０及びセパレータ２０は、交互に積層されて、中空の略直方体である電池筐体３０に収納される。なお、膜電極接合体１０の発電領域１１には、ガス流路部材１７が配置されている。電池筐体３０としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）によって構成することが出来る。

膜電極接合体１０及びセパレータ２０の端面と電池筐体３０の内壁面との接触部位は、絶縁部材によってシールされる。また、積層された膜電極接合体１０及びセパレータ２０の矩形凹部１３の端面と、電池筐体３０の内壁面とで囲まれる４つの空間は、ガスマニホールド１２１〜１２４を構成する。なお、積層された膜電極接合体１０及びセパレータ２０は、図示しない締結部材によって積層方向に締結荷重が加えられる。

図４は、完成した燃料電池１００を示す概略斜視図である。各ガスマニホールド１２１〜１２４にはぞれぞれ、図１で説明した水素供給配管２２０と酸素供給配管３２０と水素排出配管４１０と酸素排出配管５１０とが接続されている。水素排出配管４１０は、水素排出マニホールド１２２との接続部からＵ字型に折り返すことによって水素排出マニホールド１２２と併走する。なお、酸素用のマニホールド１２３，１２４はその接続端部のみが図示されている。

燃料電池１００の側面には、水素排出マニホールド１２２から分岐するガス噴射弁１３１を備えた複数の分岐流路１３０が、略等間隔で積層方向に配列されて設けられる。複数の分岐流路１３０は、水素排出マニホールド１２２と水素排出配管４１０とが併走する部位において、水素排出マニホールド１２２と水素排出配管４１０とを連結する。

図４には、燃料電池１００における水素の流れを破線矢印で概略的に示してある。水素供給配管２２０を介して水素供給マニホールド１２１に流入した水素は、セパレータ２０に設けられた誘導流路溝２１によって誘導されて各膜電極接合体１０のアノード側の発電領域１１を流れる。アノード排ガスは、誘導流路溝２１によって各膜電極接合体１０のアノード側の発電領域１１から水素排出マニホールド１２２へと流入し、さらに、水素排出配管４１０へと流入する。なお、燃料電池１００における酸素の流れも同様である。

図５は、燃料電池１００の一部の内部構成を示す概略断面図である。図５には、燃料電池１００の任意の３つの発電モジュール１１０が図示されているが、説明の便宜のために、それぞれを、紙面に向かって左から順に、「発電モジュール１１０Ａ」、「発電モジュール１１０Ｂ」、「発電モジュール１１０Ｃ」と呼ぶ。なお、図５には、燃料電池１００内の水素の流れを矢印で図示してある。

ここで、仮に発電モジュール１１０Ｂのアノード側のガス流路の圧力損失が、他の発電モジュール１１０Ａ，１１０Ｃのアノード側のガス流路の圧力損失より大きいと仮定する。ここで、「ガス流路」とは、各セパレータ２０に設けられた誘導流路溝２１と、膜電極接合体１０の電極面に配置されたガス流路部材１７と、各電極１５，１６に設けられたガス拡散層とを含む、発電モジュール内においてガスが流れる領域の総称である。

この仮定の下で燃料電池１００を運転した場合、水素供給マニホールド１２１から発電モジュール１１０Ｂのアノード側のガス流路へと流入する水素量は、他の発電モジュール１１０Ａ，１１０Ｃのアノード側のガス流路へと流入する水素量より少なくなる。すると、それに応じて発電モジュール１１０Ｂから水素排出マニホールド１２２へと排出されるアノード排ガスの量が減少し、水素排出マニホールド１２２から発電モジュール１１０Ｂのアノード側のガス流路へとアノード排ガスが逆流してしまう場合がある（破線矢印Ｃｆ）。

ところで、燃料電池１００のカソード側には酸化ガスとして高圧空気が供給されているが、反応に供されることのない非反応ガス（主に窒素）は、電解質膜１４を介してアノード側へとリークしてしまうことが知られている。このアノード側へとリークした窒素は、各発電モジュールにおいて正常に排気が行われていれば、アノード排ガスとして反応に供されなかった水素とともに排出される。

しかし、上述した発電モジュール１１０Ｂのようにアノード排ガスの逆流が発生している発電モジュール１１０においては、図のハッチング領域ＮＡに示すように、窒素が排出されることなく発電領域に滞留してしまう。また、時間の経過とともにその滞留量は増加する。

この「窒素の滞留」が発生している発電モジュール１１０では、窒素によって発電領域における水素の流れが阻害されるため発電効率が低下してしまう。さらに、窒素の滞留量が著しく増加すると、その発電モジュール１１０は、発電停止に至る場合がある。

なお、アノード循環レスシステムでは、酸素の供給量に対して水素の供給量が極めて少なく、アノード側とカソード側とでガス流路に圧力差が生じるため、窒素のアノード側へのリークが発生しやすい。従って、上述したアノード側の発電領域における窒素の滞留は、本実施例の燃料電池システム１０００のようなアノード循環レスシステムにおいて生じやすい。

図６は、複数の分岐流路１３０うちの１つのガス噴射弁１３１が開放されている時の燃料電池１００内におけるガスの流れを示す模式図である。図６は、ガスの流れを示す矢印が異なる点以外はほぼ図５と同じである。

水素排出マニホールド１２２に設けられた複数の分岐流路１３０のうち、窒素の滞留が生じた発電モジュール１１０Ｂの最も近くにある分岐流路１３０ｎのガス噴射弁１３１が開くと、水素の流れは図６に示す矢印のように変化する。即ち、水素排出マニホールド１２２のアノード排ガスの一部が分岐流路１３０ｎを介して水素排出配管４１０へと噴射されるため、発電モジュール１１０Ｂへのアノード排ガスの逆流が解消し、発電モジュール１１０Ｂに滞留した窒素が排出される。

このように、複数の分岐流路１３０が設けられた燃料電池１００によれば、複数の分岐流路１３０のうちのいずれかの流路から選択的に排ガスの排出を行うことができ、これによって、任意の発電モジュール１１０の排ガス排出量を増加させることができる。従って、窒素の滞留している発電モジュールの排ガス排出量を増加させて窒素の滞留を解消することができる。

図７は、燃料電池システム１０００の運転の際に、制御部６００が行う処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０において、制御部６００は、反応ガスを燃料電池１００に供給するための処理を行う。具体的には、水素供給系統２００の水素遮断弁２２１を開くとともに、酸素供給系統３００のエアコンプレッサ３１０を始動する（図１）。また、制御部６００は、水素排出系統４００の水素排出バルブ４１１が閉じられている場合には、水素排出バルブ４１１を開く。なお、水素及び酸素の供給量は、燃料電池システム１０００に接続する外部負荷（図示せず）からの出力要求に応じて制御される。

燃料電池１００が発電を開始すると、制御部６００は、燃料電池１００の発電モジュール１１０のいずれかにおいて窒素の滞留が発生していないかを監視する（ステップＳ２０）。具体的には、制御部６００は、燃料電池１００に設けられたＦＣ電圧検出部１４０が測定する各発電モジュール１１０の電圧値の変化から窒素の滞留を検出する。

図８は、窒素の滞留が発生している発電モジュール１１０におけるＦＣ電圧検出部１４０によって検出された電圧値の時間変化を示すグラフの一例である。窒素の滞留が発生している発電モジュール１１０においては、時間の経過とともに発電電圧が連続的に低下する。

そこで、制御部６００は、ステップＳ２０（図７）において各時間ごとに燃料電池１００の全発電モジュール１１０の発電電圧の平均値（平均電圧値Ｖａ）を算出しておき、平均電圧値Ｖａより電圧値が低下している発電モジュール１１０を検出する。そして、制御部６００は、当該発電モジュール１１０の電圧値と平均電圧値Ｖａとの差（電圧低下量Ｖｄ）を求め、平均電圧値Ｖａに対する電圧低下量Ｖｄの比率（電圧低下率Ｖｄｒ）を算出する。制御部６００は、電圧低下率Ｖｄｒが所定の値（例えば５％）より大きい発電モジュール１１０は、窒素の滞留が発生していると判定する。

窒素の滞留が発生している発電モジュール１１０を検出すると、制御部６００は以下に説明する「窒素排出処理」（ステップＳ３０〜ステップＳ６０）を実行する。制御部６００は、ステップＳ３０として、当該発電モジュール１１０における窒素の滞留量を算出する。

図９は、発電モジュール１１０における電圧低下率Ｖｄｒに対する窒素滞留量を示すグラフである。このグラフは、予め実験等によって求めておき、制御部６００の記憶装置に窒素滞留量マップとして格納されている。制御部６００は、この窒素滞留量マップから、ステップＳ２０で得た電圧低下率Ｖｄｒに対応する窒素滞留量Ｎｑを得る。

図１０は、窒素滞留量に対する、窒素の滞留を解消するために最適な分岐流路１３０からのガス排出量を示すグラフである。このグラフは、予め実験等によって求めておき、制御部６００の記憶装置に排出ガス量マップとして格納されている。この排出ガス量マップは、各発電モジュール１１０に対応するマップが準備されているものとしても良い。制御部６００は、この排出ガス量マップから、ステップＳ３０で得た窒素滞留量Ｎｑに対応する、複数の分岐流路１３０から排出する排出ガス量Ｅｑを決定する（ステップＳ４０）。

図１１は、分岐流路１３０のガス噴射弁１３１の開放時間と噴射されるガス量との関係を示すグラフである。このグラフは、各ガス噴射弁１３１の特性によって決まるものであり、制御部６００の記憶装置にガス噴射弁特性マップとして格納されている。制御部６００は、このガス噴射弁特性マップを用いて、ステップＳ４０で決定された排出ガス量Ｅｑを排出するために必要なガス噴射弁１３１の弁開放時間Ｔｅを求める（ステップＳ５０）。

ステップＳ６０では、制御部６００は、ステップＳ５０で求めた弁開放時間Ｔｅに応じてガス噴射弁１３１を開き、滞留窒素を含むアノード排ガスを所定のガス量だけ水素排出配管４１０へと排出する。

このように、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、複数の分岐流路１３０の一部の弁（バルブ）のみを開いて窒素ガスを排出する。従って、燃料電池１００を構成する複数の発電モジュール１１０のうち、窒素が滞留して発電効率が低下したものに対して、窒素排出処理を実行することができる。また、本実施例では、窒素排出処理によって発電効率の低下していない他の発電モジュール１１０からの排気量の増加を抑制することができるため、水素の利用効率を向上することができる。

B．第２実施例：
図１２は、本発明の第２実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。図１２は、複数の分岐流路１３０が酸素排出配管５１０に接続している点以外は、図１とほぼ同じである。

この燃料電池システム１０００Ａでは、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、窒素の滞留が発生している発電モジュール１１０に対して酸素排出配管５１０を介して窒素排出処理を実行することができる。また、この燃料電池システム１０００Ａでは、複数の分岐流路１３０からの窒素排出処理を行った場合であっても、複数の分岐流路１３０から窒素とともに排出されるアノード排ガスは、酸素排出配管に流れる大量の空気（例えば１０００ＮＬ／ｍｉｎの空気）と混合される。従って、水素排出系統４００とは異なり、酸素排出配５１０に希釈器を設けることなくアノード排ガスを排出可能となる。ただし、酸素排出配管５１０には、水素排出配管４１０と同様に、希釈器が設けられるものとしても良い。

なお、複数の分岐流路１３０からのアノード排ガスが酸素排出配管５１０から排出されるため、水素排出配管４１０から排出されるアノード排ガスは、第１実施例よりも低減される。従って、水素排出系統４００の希釈器４１２は、第１実施例のものよりも小型なものを採用することが可能であり、これによって、システムの小型化が可能となる。

C．第３実施例：
図１３は、本発明の第３実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。図１３は、水素排出配管４１０が、水素排出マニホールド１２２と直接的に接続していない点以外は、図１とほぼ同じである。即ち、水素排出配管４１０は、複数の分岐流路１３０を介してのみ水素排出マニホールド１２２と接続されている。

この燃料電池システム１０００Ｂは、いわゆるアノードデッドエンド運転を行う燃料電池システムである。ここで、「アノードデッドエンド運転」とは、燃料ガスのアノード側への供給を継続しつつ、アノード側からの燃料ガスの排出をしない状態で発電を継続する運転のことを言う。第１実施例の燃料電池システム１０００では、発電が継続されているときには、反応に供されることのなかった水素の排出も少量ずつではあるが、継続して行われていた。しかし、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、そうした水素の継続的な排出を行わないため、水素排出配管４１０と水素排出マニホールド１２２とを接続しない状態とすることが可能となる。

ところで、こうしたアノードデッドエンド運転を行う燃料電池においても、発電を継続すると、発電領域に窒素が滞留して発電反応を阻害する場合があることが知られている。しかも、アノード側からアノード排ガスの経路が省略されている場合には、滞留する窒素の排出処理が困難となる。そこで、この第３実施例では、第１実施例と同様に、複数の分岐流路１３０によって滞留窒素の排出処理を実行する。これによって、発電モジュール１１０ごとに窒素の滞留を解消することができ、アノードデッドエンド運転を良好に継続することが可能となる。なお、このアノードデッドエンド運転を行えば、発電の際の水素の利用効率を向上することができる。

D．変形例：
なお、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。

D1．変形例１：
上記実施例において、燃料電池１００をアノード循環レスシステムに用いられていたが、他の燃料電池システムに用いられるものとしても良い。例えば、アノード排ガス中の水素が外部へと排出されることなく燃料電池へと再循環するシステムに用いられるものとしても良い。

この場合には、複数の分岐流路１３０は、水素排出マニホールド１２２ではなく、酸素排出マニホールド１２４に設けられるものとしても良い。これによって、例えば、カソード側に発生した余分な水分を非反応流体として、複数の分岐流路１３０から排出するものとしても良い。

D2．変形例２：
上記実施例において、複数の分岐流路１３０はガス噴射弁１３１を備えていたが、ガス噴射弁１３１を備えていなくとも良い。例えば、複数の分岐流路１３０には、ガス噴射弁１３１に替えて、ガスの流量を調整可能な流量調整バルブが設けられているものとしても良い。あるいは、複数の分岐流路１３０には、単なるバルブが設けられているものとしても良い。即ち、排出ガスの流量を調整することなく非反応流体の排出処理を実行するものとしても良く、制御部６００が、所定の時間だけ当該バルブを開放するものとしても良い。このような構成であっても、複数の分岐流路１３０によって窒素排出処理を実行することが可能である。

また、上記実施例において、ガス噴射弁１３１は、弁の開放時間によって噴出するガス流量を制御することができたが、弁の開度によってガス流量を調整するるものとしても良い。これによって、さらに、ガス噴射弁１３１によるきめ細かい排出流量の制御が可能となる。

D3．変形例３：
上記実施例において、複数の分岐流路１３０は、燃料電池１００の側面に略等間隔で設けられていたが等間隔で設けられていなくとも良い。例えば、窒素滞留を生じやすい発電モジュール１１０の近傍にのみ設けられているものとしても良い。

D4．変形例４：
上記実施例において、電圧低下率Ｖｄｒが所定の値より大きくなったときに窒素の排出処理を実行していたが、所定以上の電圧低下を示す低電圧発電モジュールが検出されたときに、窒素排出処理を実行するものとしても良い。また、電圧低下以外の他の条件によって窒素の排出処理を実行するものとしても良い。

D5．変形例５：

上記実施例において、制御部６００が、発電電圧の低下によって窒素の滞留を検出していたが、他の方法によって窒素の滞留を検出するものとしても良い。また、窒素の滞留を検出することなく、複数の分岐流路１３０による排出処理を実行するものとしても良い。例えば、制御部６００は、燃料電池システム１０００が運転を継続している間は、複数の分岐流路１３０のガス噴射弁１３１を、所定の時間間隔で１つずつ開放する制御を繰り返すものとしても良い。このような構成であれば、発電モジュール１１０のそれぞれに対して順次排出処理が実行されるため、窒素の滞留が発生する可能性を低減することができる。

D6．変形例６：
上記実施例において、複数の分岐流路１３０は、水素排出配管４１０又は酸素排出配管５１０に接続していたが、それら排出配管に接続することなく、直接的に複数の分岐流路１３０から燃料電池の外部へと排ガスを排出するものとしても良い。

D7．変形例７：
上記実施例において、複数の分岐流路１３０のうち、制御部６００によってガス噴射弁１３１が開いた流路のみが排ガスを排出していたが、複数の分岐流路１３０のそれぞれが、常にガスの排出を行っているものとしても良い。この場合には、非反応ガスが滞留する発電モジュール１１０が生じたときに、当該発電モジュール１１０に最も近い分岐流路以外の分岐流路からの排出量を抑制するものとしても良い。これによって、当該発電モジュール１１０に最も近い分岐流路からのガスの排出量を増加させることができる。

D8．変形例８：
上記実施例において、燃料電池１００のガスマニホールド１２１〜１２４は、膜電極接合体１０及びセパレータ２０の外周端面と電池筐体３０の内壁面との間に設けられていたが、膜電極接合体１０及びセパレータの外周縁に貫通孔として設けられていても良い。この場合には、複数の分岐流路１３０は、膜電極接合体１０又はセパレータ２０の外周端面から水素排出マニホールド１２２へと連通する流路として設けられるものとしても良い。

第１実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。 膜電極接合体及びセパレータの構成を示す概略図。 燃料電池の組み付け工程を示す概略図。 完成した燃料電池を示す概略斜視図。 燃料電池内におけるガスの流れを説明するための概略断面図。 分岐流路からの排気を説明するための模式図。 燃料電池システムの運転の際に制御部が実行する処理手順を示すフローチャート。 窒素の滞留が生じている発電モジュールにおける発電電圧の時間変化の一例を示すグラフ。 電圧低下率と窒素滞留量の関係を示すグラフ。 窒素滞留量に対する分岐流路からの排出ガス量を決定するためのグラフ。 排出ガス量と流量調整バルブの開放時間との関係を示すグラフ。 第２実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。 第３実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。

符号の説明

１０…膜電極接合体
１１…発電領域
１２…シール部
１２ｅ…突出部
１３…矩形凹部
１４…電解質膜
１４ｅ…外周端部
１５…アノード
１５ｅ，１６ｅ…電極端部
１６…カソード
１７…ガス流路部材
２０…セパレータ
２１…誘導流路溝
３０…電池筐体
１００…燃料電池
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ…燃料電池システム
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ…発電モジュール
１２１〜１２４…ガスマニホールド
１２２ｅ…水素排出マニホールドの端部
１３０…複数の分岐流路
１３０ｎ…分岐流路
１３１…ガス噴射弁
１４０…ＦＣ電圧検出部
２００…水素供給系統
２１０…水素タンク
２２０…水素供給配管
２２１…水素遮断弁
２２２…レギュレータ
３００…酸素供給系統
３１０…エアコンプレッサ
３２０…酸素供給配管
４００…水素排出系統
４１０…水素排出配管
４１１…水素排出バルブ
４１２…希釈器
４１３…連結部
５００…酸素排出系統
５１０…酸素排出配管
６００…制御部

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   電極に挟持された電解質膜を含む複数の発電モジュールと、
   前記複数の発電モジュールのそれぞれに連結する、排ガスを排出するための排気用マニホールドと、
   を有する燃料電池と、
   前記排気用マニホールドから分岐し、それぞれバルブを備える複数の分岐排気流路と、
   前記バルブの開閉を制御して、各分岐排気流路からの前記排ガスの排出量を制御する制御部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記複数の分岐排気流路の一部のバルブのみを開き、他の分岐排気流路のバルブを閉じる、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記排気用マニホールドの端部に接続する排気用接続配管を備え、
   前記複数の分岐排気流路は、前記排気用接続配管に接続している、燃料電池システム。
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、
   前記排気用マニホールドは、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排気用マニホールドである、燃料電池システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記複数の発電モジュールの電圧を検出するための電圧検出部を備え、
   前記制御部は、前記複数の発電モジュールのうちで所定以上の電圧低下を示す低電圧発電モジュールが検出されたときに、前記複数の分岐排気流路のうち、前記低電圧発電モジュールの最も近くに設けられた分岐排気流路のバルブを開く、燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出されたアノード排ガスは、前記燃料電池へと再循環することなく、前記燃料電池システムの外部へと排出され、
   前記アノード排ガスは、窒素ガス成分を含む、燃料電池システム。

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