燃料電池システム
【課題】この発明は、少ない消費電力で、燃料電池セルに残留する水を低減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。
【解決手段】燃料電池スタック１０内部には、アノードガス流入孔１４を有する燃料電池セル１２が複数積層して備えられる。燃料電池スタック１０の端側に位置する燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を開閉するために、水素供給内部マニホールド２０内に、ピストン５０が配置される。燃料電池システムの運転停止時に、ピストン５０が、端側の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉じる。
【解決手段】燃料電池スタック１０内部には、アノードガス流入孔１４を有する燃料電池セル１２が複数積層して備えられる。燃料電池スタック１０の端側に位置する燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を開閉するために、水素供給内部マニホールド２０内に、ピストン５０が配置される。燃料電池システムの運転停止時に、ピストン５０が、端側の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉じる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００４−３１１３４８号公報に開示されているように、燃料電池セルを発電時と逆の電位状態とすることにより、運転停止時に燃料電池セル内の水を低減する燃料電池システムが知られている。この技術によれば、燃料電池セルを外部からの電圧印加により逆電位状態として、燃料電池セル内の水を電気分解し、残留水を低減したうえで燃料電池システムを停止することとしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１１３４８号公報
【特許文献２】特開２００４−１８６１３７号公報
【特許文献３】特表２００３−５０８８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電圧印加により燃料電池セル内部の水低減を行うと、消費電力が多くなる場合がある。これに対し、水素供給量の調整により逆電位状態を生じさせることとすれば、外部からの電圧印加を必要とせず、少ない消費電力で燃料電池セル内部の水の低減を行うことができ好ましい。
【０００５】
この発明は、上述のような思想に基づいてなされたもので、少ない消費電力で燃料電池セルに残留する水を低減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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
水素が流入するアノードガス流入孔を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素の量を変化させる水素量調節機構と、
前記水素量調節機構を制御して、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち一部の該燃料電池セルに供給される水素の量を残部の該燃料電池セルに供給される水素の量よりも少なくする水素供給量低減手段と、
を有することを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記一部の前記燃料電池セルは、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち保水量の多い該燃料電池セルを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記保水量の多い前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの端側に位置する該燃料電池セルを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記燃料電池スタックの端側は、前記燃料電池セルにおいてカソードが面する側を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明において、
前記水素供給量低減手段は、前記燃料電池スタックの運転停止時に、前記一部の前記燃料電池セルに供給される水素の量を少なくすることを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明において、
前記水素量調節機構は、前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素量を制限する水素量制限機構を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記燃料電池スタックは該燃料電池スタックの端側に備えられるスタックエンドプレートを有し、
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、
前記水素供給マニホールド内に備えられる閉鎖部材と、
前記閉鎖部材に備えられる第一の磁石と、
前記スタックエンドプレートを介して前記第一の磁石に対向して備えられる第二の磁石と、
前記第一の磁石と前記第二の磁石の少なくとも一方の極性を制御して前記水素供給マニホールド内で前記閉鎖部材を摺動させて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔を閉鎖する制御手段とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、第８の発明は、第６の発明において、
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、前記水素供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その回転角度に応じて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔と前記水素供給マニホールドとの連通を制限するロータリーバルブを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、一部の燃料電池セルへの水素供給量を残部の燃料電池セルへの水素供給量よりも少なくすることにより、当該一部の燃料電池セル内部で水の電気分解を行うことができる。これにより、少ない消費電力で、当該燃料電池セル内の水を低減することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、少ない消費電力で、保水量の多い燃料電池セルの水の低減を行うことができる。これにより、燃料電池スタックに残留する水の低減を、効率よく行うことができる。
【００１６】
第３の発明によれば、燃料電池スタックの端側に位置する燃料電池セルにおいて、確実に残留水の低減が行われる。端側に位置する燃料電池セルは、中央側に位置する燃料電池セルよりも放熱性が高く、温度が低くなる傾向にあり、その結果保水量が多くなり易い。第３の発明によれば、これらの燃料電池セルの残留水を確実に低減させることができる。
【００１７】
第４の発明によれば、燃料電池スタックの端側にカソードが面する燃料電池セルで、確実に残留水の低減が行われる。カソードで温度低下が生ずる燃料電池セルは、アノードで温度低下が生ずる燃料電池セルに比して、保水量が多くなりやすい。このため、カソードが燃料電池スタックの端側に面している燃料電池セルでは、保水量がより多くなり易い。第４の発明によれば、このような燃料電池セルに対し、残留水の低減を確実に行うことができる。
【００１８】
第５の発明によれば、燃料電池スタック内の残留水の低減を確実に行った上で、燃料電池スタックの運転を停止することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、一部の燃料電池セルに対し水素供給量の制限を行うことにより、当該燃料電池セル内部で水の電気分解を行うことができる。これにより、簡素な構成で、当該燃料電池セル内部の水の低減を行うことができる。
【００２０】
第７の発明によれば、スタックエンドプレートを貫通する例えばシャフトなどの構造物を利用することなく、燃料電池セルのアノードガス流入孔を塞ぐことができる。その結果、燃料電池スタックの密閉性を高めることができる。
【００２１】
第８の発明によれば、ロータリーバルブが、その回転角度に応じて、一部の燃料電池セルのアノードガス流入孔と水素供給マニホールドとの連通を制限する。このような構成によれば、当該アノードガス流入孔への水素流入量の制御が容易となり、当該燃料電池セルの水素供給量を容易に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステムの構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。図１は、実施の形態１の燃料電池システムのアノード側の構成を示している。
【００２３】
実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０の内部には、複数の燃料電池セル１２が積層されて備えられている。積層された燃料電池セル１２を挟み込むように、紙面左方側にスタックエンドプレート４０が、紙面右方側にスタックエンドプレート４２がそれぞれ取り付けられている。
【００２４】
個々の燃料電池セル１２は、その中央にＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を有し、紙面左方側にアノード、紙面右方側にカソードが位置する構造となっている。このため、スタックエンドプレート４０には燃料電池セル１２のアノードが接しており、当該燃料電池セル１２のカソードには隣接する他の燃料電池セル１２のアノードが面する。そして、アノードとカソードとが面するようにそれぞれの燃料電池セル１２が紙面左右方向に積層され、最も紙面右方側に位置する燃料電池セル１２のカソードが、スタックエンドプレート４２に接することとなる。
【００２５】
燃料電池スタック１０内部において、燃料電池セル１２の紙面上方側には、水素供給内部マニホールド２０が設けられている。水素供給内部マニホールド２０は、スタックエンドプレート４０を貫通して、紙面左方側で管路２４に連通する。管路２４は、図示しない水素タンクに連通している。このような構成によれば、水素タンクに貯留されている水素が、管路２４を通って、水素供給内部マニホールド２０へと適宜供給される。
【００２６】
水素供給内部マニホールド２０には、それぞれの燃料電池セル１２の端面が露出している。露出しているそれぞれの燃料電池セル１２の端面には、アノードガス流入孔１４（燃料電池セル１２における水素の入口）がそれぞれ設けられている。アノードガス流入孔１４は、燃料電池セル１２内部のアノードに連通している。水素タンクから水素供給内部マニホールド２０に至った水素は、アノードガス流入孔１４を通って、燃料電池セル１２内部のアノードへと流入する。その後、この水素は、燃料電池セル１２内部で生ずる発電反応に寄与することとなる。
【００２７】
水素供給内部マニホールド２０の紙面右方側には、ピストン５０が備えられている。ピストン５０は、スタックエンドプレート４２を貫通して配置されている。ピストン５０の形状は、その表面が燃料電池セル１２の端面形状に対応するように形成されている。複数の燃料電池セル１２のうち、ピストン５０がその上方に位置した燃料電池セル１２では、その燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４が閉じられる。
【００２８】
ピストン５０は、燃料電池スタック１０の外部においてピストン位置制御モータ６２に接続されている。ピストン位置制御モータ６２は、ＣＰＵ６４に接続されている。ＣＰＵ６４がピストン位置制御モータ６２の駆動を制御することにより、ピストン５０が水素供給内部マニホールド２０内を摺動する。
【００２９】
このような構成によれば、ピストン５０の位置を制御することにより、スタックエンドプレート４２付近の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４の開閉を制御することができる。このため、当該位置の燃料電池セル１２への水素供給量を、調節することができる。
【００３０】
燃料電池セル１２の紙面下方側には、水素排出内部マニホールド２２が設けられている。アノードガス流入孔１４から流入した水素は燃料電池セル１２面内（アノード）を流通する過程で消費され、消費されなかった水素を含むガスが、燃料電池セル１２の紙面下方端に位置する図示しないガス流出孔（燃料電池セル１２における水素の出口）から流出する。積層されたそれぞれの燃料電池セル１２からそれぞれ流出したガスは、水素排出内部マニホールド２２へと流れ込み、その後、管路２６を介して図示しない水素排出系へと流れる。
【００３１】
燃料電池スタック１０内のそれぞれの燃料電池セル１２には、図示しない電圧センサが設けられている。電圧センサは、ＣＰＵ６４に接続されている。発電中には、個々の燃料電池セル１２の電圧値が当該電圧センサによって検知され、ＣＰＵ６４がこれらの電圧値を取得する。
【００３２】
［実施の形態１のシステムの動作］
以下、図１を参照して、実施の形態１の燃料電池システムの停止時の動作について説明する。
【００３３】
燃料電池スタック１０の中央側に位置する燃料電池セル１２は、他の燃料電池セル１２と隣接しており、その放熱性が比較的低い。逆に、端側に位置する燃料電池セル１２は、スタックエンドプレート４０および４２を介して熱が放出されやすく、比較的、放熱性が高くなる。このため、端側に位置する燃料電池セル１２は、運転中の温度が低くなる傾向があり、これに起因して内部の保水量が多くなりやすい。
【００３４】
また、燃料電池セルのカソード側の温度低下は、アノード側の温度低下よりも、保水量増加の要因となりやすい。前述のように、実施の形態１では、紙面右端に位置する燃料電池セル１２のカソードが、スタックエンドプレート４２に接している。このため、紙面右端の燃料電池セル１２は特に保水量が多くなりやすい。
【００３５】
実施の形態１では、システムの運転停止時に保水量の多くなり易い燃料電池セル１２、すなわち、上述したスタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２に対して水の低減を行った後、燃料電池システムを停止することとする。具体的には、運転停止時に、先ず、ピストン５０によって、スタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉じる。
【００３６】
このようにして、燃料電池スタック１０において水低減を行う一部の燃料電池セル１２に対し、発電に必要な量の水素が供給されない状態とする。その結果、水素が欠乏状態となり、当該一部の燃料電池セル１２では発電が行われなくなる。一方、残部の燃料電池セル１２に対してはアノードガス流入孔１４の閉鎖を行わず、通常運転と同じく水素供給を行い、発電を継続する。
【００３７】
このような状態では、特表２００３−５０８８７７号公報に開示されているように、
発電していない燃料電池セル１２が逆電位状態となり、当該一部の燃料電池セル１２のアノード触媒層において水の電気分解が生ずることとなる。その結果、水素量が低減された燃料電池セル１２、すなわち、保水量の多い燃料電池セル１２のアノードに滞留する水が減少する。
【００３８】
アノードでの水の減少に伴い、当該燃料電池セル１２のカソードに滞留する水が電解質膜を通ってアノードへと移動し、カソードの水が減少する。また、アノードに移動した水はアノード触媒層で電気分解されるため、アノードの水が引き続き減少する。このように、カソードからアノードへの水移動によりカソードの水が減少し、アノードでの水分解によりアノードの水が減少することにより、当該燃料電池セル１２のアノードとカソードの双方の水が低減される。
【００３９】
その後、水の低減が十分に行われたら、ピストン５０によるアノードガス流入孔１４の閉鎖を解除し、燃料電池システムの停止処理を続行する。
【００４０】
以上の動作によれば、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池スタック１０への電圧印加を行うことなく、少ない消費電力で水低減を行う燃料電池セル１２を逆電位状態とすることができる。これにより、水が電気分解されることによって、当該燃料電池セル１２内の水を低減することができる。
【００４１】
［実施の形態１における具体的処理］
図２は、上記の動作を行うために、ＣＰＵ６４が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、実施の形態１の燃料電池システムの運転停止時に実行されるものとする。実施の形態１では、通常運転時には、ピストン５０がいずれのアノードガス流入孔１４も閉じられない状態とされる。
【００４２】
通常運転時には、燃料電池スタック１０の発電に伴い、前述したように、スタックエンドプレート４２に接する燃料電池セル１２の保水量が多くなる。また、実施の形態１では、燃料電池セル１２の発電電圧が、前述した電圧センサ（図示せず）によって検知されている。
【００４３】
図２のルーチンが開始されると、先ず、燃料電池スタック１０の運転停止の要求があったか否かが判別される（ステップ１００）。運転停止の要求がないと判別された場合には、引き続き発電状態を維持する。
【００４４】
運転停止の要求があったと判別された場合には、ピストン閉の処理がなされる（ステップ１１０）。具体的には、ピストン位置制御モータ６２が制御され、ピストン５０が紙面左方側へと移動される。その結果、スタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４が閉じられる。アノードガス流入孔１４が閉じられた燃料電池セル１２では、前述した水の電気分解が生じ、内部の水が低減される。
【００４５】
水の電気分解が生じている間、当該燃料電池セル１２は、通常の発電状態に対して逆の電位状態（例えば、通常運転時には０．５（Ｖ）〜１．０（Ｖ）程度で、水分解時には−０．８（Ｖ）〜−１．０（Ｖ）程度）となっている。このような電位状態の間、当該燃料電池セル１２で水の電気分解が生じている。
【００４６】
水分解によって燃料電池セル１２内の水が減少すると、当該燃料電池セル１２の電圧が更に低下する（逆電位側に大きくなる）。電圧が低くなりすぎると、燃料電池セル１２のアノード側の構造で酸化反応が生じることとなる。これを避けるために、実施の形態１では、水低減を行う燃料電池セル１２の電圧値を検知し、好適なタイミングで水の低減を終了することとする。
【００４７】
具体的には、電気分解が生じている燃料電池セル１２に対し、電圧状態の判定がなされる（ステップ１２０）。本ルーチンの処理では、水低減が行われている燃料電池セル１２の電圧センサが検知する電圧値が、所定値（例えば、本実施形態では−１．０（Ｖ））を越えたか否かが判別される。
【００４８】
ステップ１２０で電圧値が所定値を越えていないと判別された場合には、当該燃料電池セル１２内部に低減されるべき水が残留していると判断され、引き続きピストン閉の状態とされる。これにより、水の低減が続行される。
【００４９】
ステップ１２０で電圧値が所定値を越えていると判別された場合には、当該燃料電池セル１２で、十分に水の低減が行われたと判断される。この場合には、ピストン開の処理がなされる（ステップ１３０）。これにより、当該燃料電池セル１２内部における、水の電気分解が停止される。その後、燃料電池スタック１０の停止シーケンス（ステップ１４０）が行われて今回のルーチンが終了し、燃料電池システムの運転停止処理が続行される。
【００５０】
以上の処理によれば、燃料電池システムの運転停止の際に、燃料電池スタック１０９への電圧印加を伴わずに、水低減を行う燃料電池セル１２が逆電位状態とされ、その内部に残留する水が電気分解される。そして、水の低減が行われる燃料電池セル１２の電圧状態が観測され、その内部の水が十分に除去されたとの判断がなされたら、水低減が終了される。
【００５１】
このような処理により、少ない消費電力で、水の低減を確実に行うことができる。また、保水量の多い燃料電池セル１２に対して水の低減を行うこととしているため、燃料電池スタック１０内の保水量の低減を、（例えば時間などの面から）効率よく行うことができる。
【００５２】
なお、実施の形態１では、保水量の多いスタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２のみを対象に、水素供給量の低減を行った。しかし、本発明はこれに限られるものではない。本発明の思想に基づき、燃料電池スタック１０において水の低減が必要な燃料電池セル１２に対する水素供給量を相対的に少なくすることにより、当該燃料電池セル１２内部の水を低減することができる。
【００５３】
具体的には、例えば、ピストン５０が任意の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉鎖しうる構成とし、水低減を行う燃料電池セル１２を適宜選定して、当該燃料電池セル１２への水素供給量を低減することとしてもよい。
【００５４】
また、実施の形態１には、「水素供給量を制御して燃料電池セルを逆電位状態とし、当該燃料電池セルの水の低減を行う思想」に加え、「複数の燃料電池セルにおける保水量の多少（ばらつき）を考慮して水の低減を行う思想」が含まれている。この後者の思想についても、実施の形態１に限られるものではなく、例えば、燃料電池スタックの構造に応じて保水量の多くなり易い燃料電池セルを適宜選定して、水素供給量の低減を行うこととしてもよい。
【００５５】
具体的には、燃料電池スタック１０の端側では放熱性が高く、その位置の燃料電池セル１２では保水量が多くなる傾向にあることを考慮し、燃料電池スタック１０の右端と左端に位置する燃料電池セル１２の両方に対して、水素供給量の低減を行うこととしてもよい。
【００５６】
なお、実施の形態１では、水の低減を行う燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉鎖し、当該燃料電池セル１２への水素供給を遮断することとしている。しかし、前述した水の低減を行う場合には、必ずしも、アノードガス流入孔１４が完全に密閉されなくともよく、水低減を行う燃料電池セル１２への水素供給量が他の燃料電池セル１２への水素供給量よりも相対的に少なくなるようにされればよい。
【００５７】
また、実施の形態１のステップ１２０における電圧の判定処理では、−１．０（Ｖ）の値を判定値とし、水低減が行われている燃料電池セル１２の状態を判断している。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、逆電位状態における、燃料電池セル１２の許容電圧値に応じて、判定値を定めることができる。
【００５８】
また、実施の形態１では、燃料電池セル１２の電圧が−０．８（Ｖ）程度の場合に、内部での水の電気分解が生じているものと判断している。この電圧値は、燃料電池セル１２の抵抗値（例えば、ＭＥＡの抵抗値等）により変更されうるものである。
【００５９】
通常、アノードの電位が０．７（Ｖ）程度の時にアノードにおける水の電気分解が生じていると判断することができるため、燃料電池セルの抵抗分を適宜考慮し、「燃料電池セルの抵抗×燃料電池スタック停止時の電流」に相当する電圧値を−０．７（Ｖ）から差し引いた値を、上記の判断に用いることができる。
【００６０】
なお、より好ましくは、燃料電池セルの電圧に基づいた判断を行う際には、個々の燃料電池セル１２にそれぞれ電圧センサを設けるのではなく、所定の枚数の燃料電池セル１２をひとまとめとして（例えば１０〜２０枚程度にグループ化して）電圧センサを設け、グループ単位で電圧計測値を検知し、判断を行うこととしてもよい。
【００６１】
また、実施の形態１の処理では、電圧値の判定に基づいて、水素供給量低減の制御を行っている。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、予め定めた所定の時間（例えば、５秒程度）が経過するまで、水分解が行われる状態（実施の形態１では、電圧値が−０．８〜−１．０（Ｖ）付近の状態）を保持することとしてもよい。
【００６２】
この保持時間は、例えば、燃料電池セル１２の最大保水量に相当する水量を電気分解しうる時間を最大値として、所定の値に定めることができる。最大保水量の値は、例えば、低温高負荷運転状態で、燃料電池セル１２の抵抗が極小一定となった状態における燃料電池セル１２の含水量に基づいて求めることができる。
【００６３】
なお、上述した実施の形態１では、アノードガス流入孔１４が、前記第１の発明の「アノードガス流入孔」に、燃料電池セル１２が、前記第１の発明の「燃料電池セル」に、燃料電池スタック１０が、前記第１の発明の「燃料電池スタック」にそれぞれ相当する。また、実施の形態１では、ピストン５０およびピストン位置制御モータ６２が、前記第１の発明の「水素量調節機構」に相当する。
【００６４】
また、実施の形態１の処理では、ステップ１１０の処理が、前記第１の発明の「水素供給量低減手段」に相当する。また、上述した実施の形態１では、スタックエンドプレート４２近傍に位置する燃料電池セル１２が、前記第１の発明の「一部の燃料電池セル」に相当する。また、実施の形態１では、スタックエンドプレート４２近傍に位置する燃料電池セル１２が、前記第２の発明の「保水量の多い燃料電池セル」に相当する。
【００６５】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０の紙面右方側が、前記第４の発明の「前記燃料電池セルにおいてカソードが面する側」に相当する。また、上述した実施の形態１では、ピストン５０が前記第６の発明の「水素量制限機構」にそれぞれ相当する。
【００６６】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ピストン５０を、スタックエンドプレート４２を貫通して設けた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、次のような変形が可能である。図３（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の第１変形例を説明する図であり、図１の燃料電池スタック１０のピストン５０近傍位置に対応している（一部簡略化して図示している）。第１変形例では、ピストン３５０に磁石３００を、電磁石制御装置３６２に電磁石３１０をそれぞれ設け、磁力によりピストンの制御を行う。
【００６７】
ピストン３５０は、スタックエンドプレート３４２に設けられた凹部３４６に収納可能とされる。電磁石制御装置３６２により電磁石３１０の極性を制御することで、磁石３００と電磁石３１０との間に引力（図３（Ａ）参照）および斥力（図３（Ｂ）参照）を生じさせ、ピストン３５０の移動を制御する。この構造によれば、スタックエンドプレートに貫通孔を設けないので、燃料電池スタックの密閉性を高めることができる。
【００６８】
なお、上述した第１変形例では、スタックエンドプレート３４２が前記第７の発明の「スタックエンドプレート」に、水素供給内部マニホールド２０が前記第７の発明の「水素供給マニホールド」に、ピストン３５０が前記第７の発明の「閉鎖部材」に、磁石３００が前記第７の発明の「第一の磁石」に、電磁石３１０が前記第７の発明の「第二の磁石」に、磁石３００と電磁石３１０と電磁石制御装置３６２を含む機構が前記第７の発明の「制御手段」に、それぞれ相当している。
【００６９】
（第２変形例）
実施の形態１および第１変形例では、水素供給量の制御を、ピストンを用いて行っている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図４は、実施の形態１の第２変形例を説明するための図である。第２変形例では、実施の形態１のピストン５０の替わりに、水素供給内部マニホールド２０内に、ロータリーバルブ４５０を回転自在に設ける。
【００７０】
ロータリーバルブ４５０は、円筒を切り欠いた形状を有し、回転角度に応じて、燃料電池スタック１０の端側（すなわち、保水量の多くなり易い燃料電池セル１２）のアノードガス流入孔１４を開閉する。このような構成で、一部の燃料電池セル１２への水素供給量制御を行ってもよい。
【００７１】
なお、第２変形例では、第１変形例と同様の思想に基づき、ロータリーバルブ４５０に磁石４００を設け、磁石４００がスタックエンドプレート４４２の凹部４４６内に収納される構成としている。そして、外部のバルブ駆動モータ４６２に磁石４１０を設け、磁力により回転制御を行うこととしている。
【００７２】
なお、上述した第２変形例では、水素供給内部マニホールド２０が前記第８の発明の「水素供給マニホールド」に、ロータリーバルブ４５０が前記第８の発明の「ロータリーバルブ」に、それぞれ相当している。
【００７３】
（第３変形例）
実施の形態１では、スタックエンドプレート４２に接する燃料電池セル１２を保水量が多くなり易い燃料電池セルと予め確定して、水の低減を行うこととしている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ピストン５０が任意の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉鎖しうる構成とし、複数の燃料電池セル１２の中から保水量の多い燃料電池セル１２を検知しうる構成として、この検知された燃料電池セル１２の水素供給量を低減することとしてもよい。
【００７４】
具体的には、例えば、燃料電池スタックの冷却流路の構造等により、保水量の多くなり易い燃料電池セルを予め特定しておく。そして、燃料電池スタックの全体の導電抵抗を計測し、燃料電池セル内部の電解質膜の含水量と抵抗値の相関から、燃料電池スタック全体の平均含水量を推定する。このようにすることで、推定した平均含水量が過多となった際に、燃料電池セルの水の低減を行う時期と判断して、予め特定した保水量の多い燃料電池セルの水低減を行うこととしてもよい。
【００７５】
また、保水量の異なる燃料電池セル間では、運転中、供給する空気量を増加させた際に、出力電圧（およびその時間変動）の上昇（変動）に差が生じる傾向がある。具体的には、保水量の多い燃料電池セルのほうが、供給空気量を増加させた際の電圧上昇が大きくなる傾向がある。これを利用して、例えば、通常運転中に所定時間空気供給量を増加させ、電圧上昇が相対的に高い燃料電池セルを保水量の多い燃料電池セルと推定するようにしてもよい。
【００７６】
このような構成で、当該検知によって保水量が多いと判別された燃料電池セル１２を水低減を行う燃料電池セル１２と決定して、水素供給量の調節を行うこととしてもよい。
【００７７】
なお、実施の形態１では、燃料電池システムの運転停止時に、水素供給量の低減による水分解の手法を用いている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、燃料電池システムの運転中などにおいても、本発明の思想を用いて水低減を行うことができる。
【００７８】
また、燃料電池セルの水素供給量の調整を行う際には、ピストンやロータリーバルブを用いる方法以外にも、例えば、スリット構造を有するプレートを用いてアノードガス流入孔の開閉を行う方法など、種々の技術を、本発明に適用することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【図３】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図４】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
燃料電池スタック １０
燃料電池セル １２
アノードガス流入孔 １４
水素供給内部マニホールド ２０
スタックエンドプレート ４０、４２
ピストン ５０
ピストン位置制御モータ ６２
ＣＰＵ ６４
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００４−３１１３４８号公報に開示されているように、燃料電池セルを発電時と逆の電位状態とすることにより、運転停止時に燃料電池セル内の水を低減する燃料電池システムが知られている。この技術によれば、燃料電池セルを外部からの電圧印加により逆電位状態として、燃料電池セル内の水を電気分解し、残留水を低減したうえで燃料電池システムを停止することとしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１１３４８号公報
【特許文献２】特開２００４−１８６１３７号公報
【特許文献３】特表２００３−５０８８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電圧印加により燃料電池セル内部の水低減を行うと、消費電力が多くなる場合がある。これに対し、水素供給量の調整により逆電位状態を生じさせることとすれば、外部からの電圧印加を必要とせず、少ない消費電力で燃料電池セル内部の水の低減を行うことができ好ましい。
【０００５】
この発明は、上述のような思想に基づいてなされたもので、少ない消費電力で燃料電池セルに残留する水を低減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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
水素が流入するアノードガス流入孔を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素の量を変化させる水素量調節機構と、
前記水素量調節機構を制御して、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち一部の該燃料電池セルに供給される水素の量を残部の該燃料電池セルに供給される水素の量よりも少なくする水素供給量低減手段と、
を有することを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記一部の前記燃料電池セルは、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち保水量の多い該燃料電池セルを含むことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記保水量の多い前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの端側に位置する該燃料電池セルを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記燃料電池スタックの端側は、前記燃料電池セルにおいてカソードが面する側を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明において、
前記水素供給量低減手段は、前記燃料電池スタックの運転停止時に、前記一部の前記燃料電池セルに供給される水素の量を少なくすることを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明において、
前記水素量調節機構は、前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素量を制限する水素量制限機構を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記燃料電池スタックは該燃料電池スタックの端側に備えられるスタックエンドプレートを有し、
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、
前記水素供給マニホールド内に備えられる閉鎖部材と、
前記閉鎖部材に備えられる第一の磁石と、
前記スタックエンドプレートを介して前記第一の磁石に対向して備えられる第二の磁石と、
前記第一の磁石と前記第二の磁石の少なくとも一方の極性を制御して前記水素供給マニホールド内で前記閉鎖部材を摺動させて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔を閉鎖する制御手段とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、第８の発明は、第６の発明において、
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、前記水素供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その回転角度に応じて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔と前記水素供給マニホールドとの連通を制限するロータリーバルブを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、一部の燃料電池セルへの水素供給量を残部の燃料電池セルへの水素供給量よりも少なくすることにより、当該一部の燃料電池セル内部で水の電気分解を行うことができる。これにより、少ない消費電力で、当該燃料電池セル内の水を低減することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、少ない消費電力で、保水量の多い燃料電池セルの水の低減を行うことができる。これにより、燃料電池スタックに残留する水の低減を、効率よく行うことができる。
【００１６】
第３の発明によれば、燃料電池スタックの端側に位置する燃料電池セルにおいて、確実に残留水の低減が行われる。端側に位置する燃料電池セルは、中央側に位置する燃料電池セルよりも放熱性が高く、温度が低くなる傾向にあり、その結果保水量が多くなり易い。第３の発明によれば、これらの燃料電池セルの残留水を確実に低減させることができる。
【００１７】
第４の発明によれば、燃料電池スタックの端側にカソードが面する燃料電池セルで、確実に残留水の低減が行われる。カソードで温度低下が生ずる燃料電池セルは、アノードで温度低下が生ずる燃料電池セルに比して、保水量が多くなりやすい。このため、カソードが燃料電池スタックの端側に面している燃料電池セルでは、保水量がより多くなり易い。第４の発明によれば、このような燃料電池セルに対し、残留水の低減を確実に行うことができる。
【００１８】
第５の発明によれば、燃料電池スタック内の残留水の低減を確実に行った上で、燃料電池スタックの運転を停止することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、一部の燃料電池セルに対し水素供給量の制限を行うことにより、当該燃料電池セル内部で水の電気分解を行うことができる。これにより、簡素な構成で、当該燃料電池セル内部の水の低減を行うことができる。
【００２０】
第７の発明によれば、スタックエンドプレートを貫通する例えばシャフトなどの構造物を利用することなく、燃料電池セルのアノードガス流入孔を塞ぐことができる。その結果、燃料電池スタックの密閉性を高めることができる。
【００２１】
第８の発明によれば、ロータリーバルブが、その回転角度に応じて、一部の燃料電池セルのアノードガス流入孔と水素供給マニホールドとの連通を制限する。このような構成によれば、当該アノードガス流入孔への水素流入量の制御が容易となり、当該燃料電池セルの水素供給量を容易に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステムの構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。図１は、実施の形態１の燃料電池システムのアノード側の構成を示している。
【００２３】
実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０の内部には、複数の燃料電池セル１２が積層されて備えられている。積層された燃料電池セル１２を挟み込むように、紙面左方側にスタックエンドプレート４０が、紙面右方側にスタックエンドプレート４２がそれぞれ取り付けられている。
【００２４】
個々の燃料電池セル１２は、その中央にＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を有し、紙面左方側にアノード、紙面右方側にカソードが位置する構造となっている。このため、スタックエンドプレート４０には燃料電池セル１２のアノードが接しており、当該燃料電池セル１２のカソードには隣接する他の燃料電池セル１２のアノードが面する。そして、アノードとカソードとが面するようにそれぞれの燃料電池セル１２が紙面左右方向に積層され、最も紙面右方側に位置する燃料電池セル１２のカソードが、スタックエンドプレート４２に接することとなる。
【００２５】
燃料電池スタック１０内部において、燃料電池セル１２の紙面上方側には、水素供給内部マニホールド２０が設けられている。水素供給内部マニホールド２０は、スタックエンドプレート４０を貫通して、紙面左方側で管路２４に連通する。管路２４は、図示しない水素タンクに連通している。このような構成によれば、水素タンクに貯留されている水素が、管路２４を通って、水素供給内部マニホールド２０へと適宜供給される。
【００２６】
水素供給内部マニホールド２０には、それぞれの燃料電池セル１２の端面が露出している。露出しているそれぞれの燃料電池セル１２の端面には、アノードガス流入孔１４（燃料電池セル１２における水素の入口）がそれぞれ設けられている。アノードガス流入孔１４は、燃料電池セル１２内部のアノードに連通している。水素タンクから水素供給内部マニホールド２０に至った水素は、アノードガス流入孔１４を通って、燃料電池セル１２内部のアノードへと流入する。その後、この水素は、燃料電池セル１２内部で生ずる発電反応に寄与することとなる。
【００２７】
水素供給内部マニホールド２０の紙面右方側には、ピストン５０が備えられている。ピストン５０は、スタックエンドプレート４２を貫通して配置されている。ピストン５０の形状は、その表面が燃料電池セル１２の端面形状に対応するように形成されている。複数の燃料電池セル１２のうち、ピストン５０がその上方に位置した燃料電池セル１２では、その燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４が閉じられる。
【００２８】
ピストン５０は、燃料電池スタック１０の外部においてピストン位置制御モータ６２に接続されている。ピストン位置制御モータ６２は、ＣＰＵ６４に接続されている。ＣＰＵ６４がピストン位置制御モータ６２の駆動を制御することにより、ピストン５０が水素供給内部マニホールド２０内を摺動する。
【００２９】
このような構成によれば、ピストン５０の位置を制御することにより、スタックエンドプレート４２付近の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４の開閉を制御することができる。このため、当該位置の燃料電池セル１２への水素供給量を、調節することができる。
【００３０】
燃料電池セル１２の紙面下方側には、水素排出内部マニホールド２２が設けられている。アノードガス流入孔１４から流入した水素は燃料電池セル１２面内（アノード）を流通する過程で消費され、消費されなかった水素を含むガスが、燃料電池セル１２の紙面下方端に位置する図示しないガス流出孔（燃料電池セル１２における水素の出口）から流出する。積層されたそれぞれの燃料電池セル１２からそれぞれ流出したガスは、水素排出内部マニホールド２２へと流れ込み、その後、管路２６を介して図示しない水素排出系へと流れる。
【００３１】
燃料電池スタック１０内のそれぞれの燃料電池セル１２には、図示しない電圧センサが設けられている。電圧センサは、ＣＰＵ６４に接続されている。発電中には、個々の燃料電池セル１２の電圧値が当該電圧センサによって検知され、ＣＰＵ６４がこれらの電圧値を取得する。
【００３２】
［実施の形態１のシステムの動作］
以下、図１を参照して、実施の形態１の燃料電池システムの停止時の動作について説明する。
【００３３】
燃料電池スタック１０の中央側に位置する燃料電池セル１２は、他の燃料電池セル１２と隣接しており、その放熱性が比較的低い。逆に、端側に位置する燃料電池セル１２は、スタックエンドプレート４０および４２を介して熱が放出されやすく、比較的、放熱性が高くなる。このため、端側に位置する燃料電池セル１２は、運転中の温度が低くなる傾向があり、これに起因して内部の保水量が多くなりやすい。
【００３４】
また、燃料電池セルのカソード側の温度低下は、アノード側の温度低下よりも、保水量増加の要因となりやすい。前述のように、実施の形態１では、紙面右端に位置する燃料電池セル１２のカソードが、スタックエンドプレート４２に接している。このため、紙面右端の燃料電池セル１２は特に保水量が多くなりやすい。
【００３５】
実施の形態１では、システムの運転停止時に保水量の多くなり易い燃料電池セル１２、すなわち、上述したスタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２に対して水の低減を行った後、燃料電池システムを停止することとする。具体的には、運転停止時に、先ず、ピストン５０によって、スタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉じる。
【００３６】
このようにして、燃料電池スタック１０において水低減を行う一部の燃料電池セル１２に対し、発電に必要な量の水素が供給されない状態とする。その結果、水素が欠乏状態となり、当該一部の燃料電池セル１２では発電が行われなくなる。一方、残部の燃料電池セル１２に対してはアノードガス流入孔１４の閉鎖を行わず、通常運転と同じく水素供給を行い、発電を継続する。
【００３７】
このような状態では、特表２００３−５０８８７７号公報に開示されているように、
発電していない燃料電池セル１２が逆電位状態となり、当該一部の燃料電池セル１２のアノード触媒層において水の電気分解が生ずることとなる。その結果、水素量が低減された燃料電池セル１２、すなわち、保水量の多い燃料電池セル１２のアノードに滞留する水が減少する。
【００３８】
アノードでの水の減少に伴い、当該燃料電池セル１２のカソードに滞留する水が電解質膜を通ってアノードへと移動し、カソードの水が減少する。また、アノードに移動した水はアノード触媒層で電気分解されるため、アノードの水が引き続き減少する。このように、カソードからアノードへの水移動によりカソードの水が減少し、アノードでの水分解によりアノードの水が減少することにより、当該燃料電池セル１２のアノードとカソードの双方の水が低減される。
【００３９】
その後、水の低減が十分に行われたら、ピストン５０によるアノードガス流入孔１４の閉鎖を解除し、燃料電池システムの停止処理を続行する。
【００４０】
以上の動作によれば、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池スタック１０への電圧印加を行うことなく、少ない消費電力で水低減を行う燃料電池セル１２を逆電位状態とすることができる。これにより、水が電気分解されることによって、当該燃料電池セル１２内の水を低減することができる。
【００４１】
［実施の形態１における具体的処理］
図２は、上記の動作を行うために、ＣＰＵ６４が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、実施の形態１の燃料電池システムの運転停止時に実行されるものとする。実施の形態１では、通常運転時には、ピストン５０がいずれのアノードガス流入孔１４も閉じられない状態とされる。
【００４２】
通常運転時には、燃料電池スタック１０の発電に伴い、前述したように、スタックエンドプレート４２に接する燃料電池セル１２の保水量が多くなる。また、実施の形態１では、燃料電池セル１２の発電電圧が、前述した電圧センサ（図示せず）によって検知されている。
【００４３】
図２のルーチンが開始されると、先ず、燃料電池スタック１０の運転停止の要求があったか否かが判別される（ステップ１００）。運転停止の要求がないと判別された場合には、引き続き発電状態を維持する。
【００４４】
運転停止の要求があったと判別された場合には、ピストン閉の処理がなされる（ステップ１１０）。具体的には、ピストン位置制御モータ６２が制御され、ピストン５０が紙面左方側へと移動される。その結果、スタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４が閉じられる。アノードガス流入孔１４が閉じられた燃料電池セル１２では、前述した水の電気分解が生じ、内部の水が低減される。
【００４５】
水の電気分解が生じている間、当該燃料電池セル１２は、通常の発電状態に対して逆の電位状態（例えば、通常運転時には０．５（Ｖ）〜１．０（Ｖ）程度で、水分解時には−０．８（Ｖ）〜−１．０（Ｖ）程度）となっている。このような電位状態の間、当該燃料電池セル１２で水の電気分解が生じている。
【００４６】
水分解によって燃料電池セル１２内の水が減少すると、当該燃料電池セル１２の電圧が更に低下する（逆電位側に大きくなる）。電圧が低くなりすぎると、燃料電池セル１２のアノード側の構造で酸化反応が生じることとなる。これを避けるために、実施の形態１では、水低減を行う燃料電池セル１２の電圧値を検知し、好適なタイミングで水の低減を終了することとする。
【００４７】
具体的には、電気分解が生じている燃料電池セル１２に対し、電圧状態の判定がなされる（ステップ１２０）。本ルーチンの処理では、水低減が行われている燃料電池セル１２の電圧センサが検知する電圧値が、所定値（例えば、本実施形態では−１．０（Ｖ））を越えたか否かが判別される。
【００４８】
ステップ１２０で電圧値が所定値を越えていないと判別された場合には、当該燃料電池セル１２内部に低減されるべき水が残留していると判断され、引き続きピストン閉の状態とされる。これにより、水の低減が続行される。
【００４９】
ステップ１２０で電圧値が所定値を越えていると判別された場合には、当該燃料電池セル１２で、十分に水の低減が行われたと判断される。この場合には、ピストン開の処理がなされる（ステップ１３０）。これにより、当該燃料電池セル１２内部における、水の電気分解が停止される。その後、燃料電池スタック１０の停止シーケンス（ステップ１４０）が行われて今回のルーチンが終了し、燃料電池システムの運転停止処理が続行される。
【００５０】
以上の処理によれば、燃料電池システムの運転停止の際に、燃料電池スタック１０９への電圧印加を伴わずに、水低減を行う燃料電池セル１２が逆電位状態とされ、その内部に残留する水が電気分解される。そして、水の低減が行われる燃料電池セル１２の電圧状態が観測され、その内部の水が十分に除去されたとの判断がなされたら、水低減が終了される。
【００５１】
このような処理により、少ない消費電力で、水の低減を確実に行うことができる。また、保水量の多い燃料電池セル１２に対して水の低減を行うこととしているため、燃料電池スタック１０内の保水量の低減を、（例えば時間などの面から）効率よく行うことができる。
【００５２】
なお、実施の形態１では、保水量の多いスタックエンドプレート４２近傍の燃料電池セル１２のみを対象に、水素供給量の低減を行った。しかし、本発明はこれに限られるものではない。本発明の思想に基づき、燃料電池スタック１０において水の低減が必要な燃料電池セル１２に対する水素供給量を相対的に少なくすることにより、当該燃料電池セル１２内部の水を低減することができる。
【００５３】
具体的には、例えば、ピストン５０が任意の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉鎖しうる構成とし、水低減を行う燃料電池セル１２を適宜選定して、当該燃料電池セル１２への水素供給量を低減することとしてもよい。
【００５４】
また、実施の形態１には、「水素供給量を制御して燃料電池セルを逆電位状態とし、当該燃料電池セルの水の低減を行う思想」に加え、「複数の燃料電池セルにおける保水量の多少（ばらつき）を考慮して水の低減を行う思想」が含まれている。この後者の思想についても、実施の形態１に限られるものではなく、例えば、燃料電池スタックの構造に応じて保水量の多くなり易い燃料電池セルを適宜選定して、水素供給量の低減を行うこととしてもよい。
【００５５】
具体的には、燃料電池スタック１０の端側では放熱性が高く、その位置の燃料電池セル１２では保水量が多くなる傾向にあることを考慮し、燃料電池スタック１０の右端と左端に位置する燃料電池セル１２の両方に対して、水素供給量の低減を行うこととしてもよい。
【００５６】
なお、実施の形態１では、水の低減を行う燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉鎖し、当該燃料電池セル１２への水素供給を遮断することとしている。しかし、前述した水の低減を行う場合には、必ずしも、アノードガス流入孔１４が完全に密閉されなくともよく、水低減を行う燃料電池セル１２への水素供給量が他の燃料電池セル１２への水素供給量よりも相対的に少なくなるようにされればよい。
【００５７】
また、実施の形態１のステップ１２０における電圧の判定処理では、−１．０（Ｖ）の値を判定値とし、水低減が行われている燃料電池セル１２の状態を判断している。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、逆電位状態における、燃料電池セル１２の許容電圧値に応じて、判定値を定めることができる。
【００５８】
また、実施の形態１では、燃料電池セル１２の電圧が−０．８（Ｖ）程度の場合に、内部での水の電気分解が生じているものと判断している。この電圧値は、燃料電池セル１２の抵抗値（例えば、ＭＥＡの抵抗値等）により変更されうるものである。
【００５９】
通常、アノードの電位が０．７（Ｖ）程度の時にアノードにおける水の電気分解が生じていると判断することができるため、燃料電池セルの抵抗分を適宜考慮し、「燃料電池セルの抵抗×燃料電池スタック停止時の電流」に相当する電圧値を−０．７（Ｖ）から差し引いた値を、上記の判断に用いることができる。
【００６０】
なお、より好ましくは、燃料電池セルの電圧に基づいた判断を行う際には、個々の燃料電池セル１２にそれぞれ電圧センサを設けるのではなく、所定の枚数の燃料電池セル１２をひとまとめとして（例えば１０〜２０枚程度にグループ化して）電圧センサを設け、グループ単位で電圧計測値を検知し、判断を行うこととしてもよい。
【００６１】
また、実施の形態１の処理では、電圧値の判定に基づいて、水素供給量低減の制御を行っている。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、予め定めた所定の時間（例えば、５秒程度）が経過するまで、水分解が行われる状態（実施の形態１では、電圧値が−０．８〜−１．０（Ｖ）付近の状態）を保持することとしてもよい。
【００６２】
この保持時間は、例えば、燃料電池セル１２の最大保水量に相当する水量を電気分解しうる時間を最大値として、所定の値に定めることができる。最大保水量の値は、例えば、低温高負荷運転状態で、燃料電池セル１２の抵抗が極小一定となった状態における燃料電池セル１２の含水量に基づいて求めることができる。
【００６３】
なお、上述した実施の形態１では、アノードガス流入孔１４が、前記第１の発明の「アノードガス流入孔」に、燃料電池セル１２が、前記第１の発明の「燃料電池セル」に、燃料電池スタック１０が、前記第１の発明の「燃料電池スタック」にそれぞれ相当する。また、実施の形態１では、ピストン５０およびピストン位置制御モータ６２が、前記第１の発明の「水素量調節機構」に相当する。
【００６４】
また、実施の形態１の処理では、ステップ１１０の処理が、前記第１の発明の「水素供給量低減手段」に相当する。また、上述した実施の形態１では、スタックエンドプレート４２近傍に位置する燃料電池セル１２が、前記第１の発明の「一部の燃料電池セル」に相当する。また、実施の形態１では、スタックエンドプレート４２近傍に位置する燃料電池セル１２が、前記第２の発明の「保水量の多い燃料電池セル」に相当する。
【００６５】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０の紙面右方側が、前記第４の発明の「前記燃料電池セルにおいてカソードが面する側」に相当する。また、上述した実施の形態１では、ピストン５０が前記第６の発明の「水素量制限機構」にそれぞれ相当する。
【００６６】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ピストン５０を、スタックエンドプレート４２を貫通して設けた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、次のような変形が可能である。図３（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の第１変形例を説明する図であり、図１の燃料電池スタック１０のピストン５０近傍位置に対応している（一部簡略化して図示している）。第１変形例では、ピストン３５０に磁石３００を、電磁石制御装置３６２に電磁石３１０をそれぞれ設け、磁力によりピストンの制御を行う。
【００６７】
ピストン３５０は、スタックエンドプレート３４２に設けられた凹部３４６に収納可能とされる。電磁石制御装置３６２により電磁石３１０の極性を制御することで、磁石３００と電磁石３１０との間に引力（図３（Ａ）参照）および斥力（図３（Ｂ）参照）を生じさせ、ピストン３５０の移動を制御する。この構造によれば、スタックエンドプレートに貫通孔を設けないので、燃料電池スタックの密閉性を高めることができる。
【００６８】
なお、上述した第１変形例では、スタックエンドプレート３４２が前記第７の発明の「スタックエンドプレート」に、水素供給内部マニホールド２０が前記第７の発明の「水素供給マニホールド」に、ピストン３５０が前記第７の発明の「閉鎖部材」に、磁石３００が前記第７の発明の「第一の磁石」に、電磁石３１０が前記第７の発明の「第二の磁石」に、磁石３００と電磁石３１０と電磁石制御装置３６２を含む機構が前記第７の発明の「制御手段」に、それぞれ相当している。
【００６９】
（第２変形例）
実施の形態１および第１変形例では、水素供給量の制御を、ピストンを用いて行っている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図４は、実施の形態１の第２変形例を説明するための図である。第２変形例では、実施の形態１のピストン５０の替わりに、水素供給内部マニホールド２０内に、ロータリーバルブ４５０を回転自在に設ける。
【００７０】
ロータリーバルブ４５０は、円筒を切り欠いた形状を有し、回転角度に応じて、燃料電池スタック１０の端側（すなわち、保水量の多くなり易い燃料電池セル１２）のアノードガス流入孔１４を開閉する。このような構成で、一部の燃料電池セル１２への水素供給量制御を行ってもよい。
【００７１】
なお、第２変形例では、第１変形例と同様の思想に基づき、ロータリーバルブ４５０に磁石４００を設け、磁石４００がスタックエンドプレート４４２の凹部４４６内に収納される構成としている。そして、外部のバルブ駆動モータ４６２に磁石４１０を設け、磁力により回転制御を行うこととしている。
【００７２】
なお、上述した第２変形例では、水素供給内部マニホールド２０が前記第８の発明の「水素供給マニホールド」に、ロータリーバルブ４５０が前記第８の発明の「ロータリーバルブ」に、それぞれ相当している。
【００７３】
（第３変形例）
実施の形態１では、スタックエンドプレート４２に接する燃料電池セル１２を保水量が多くなり易い燃料電池セルと予め確定して、水の低減を行うこととしている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ピストン５０が任意の燃料電池セル１２のアノードガス流入孔１４を閉鎖しうる構成とし、複数の燃料電池セル１２の中から保水量の多い燃料電池セル１２を検知しうる構成として、この検知された燃料電池セル１２の水素供給量を低減することとしてもよい。
【００７４】
具体的には、例えば、燃料電池スタックの冷却流路の構造等により、保水量の多くなり易い燃料電池セルを予め特定しておく。そして、燃料電池スタックの全体の導電抵抗を計測し、燃料電池セル内部の電解質膜の含水量と抵抗値の相関から、燃料電池スタック全体の平均含水量を推定する。このようにすることで、推定した平均含水量が過多となった際に、燃料電池セルの水の低減を行う時期と判断して、予め特定した保水量の多い燃料電池セルの水低減を行うこととしてもよい。
【００７５】
また、保水量の異なる燃料電池セル間では、運転中、供給する空気量を増加させた際に、出力電圧（およびその時間変動）の上昇（変動）に差が生じる傾向がある。具体的には、保水量の多い燃料電池セルのほうが、供給空気量を増加させた際の電圧上昇が大きくなる傾向がある。これを利用して、例えば、通常運転中に所定時間空気供給量を増加させ、電圧上昇が相対的に高い燃料電池セルを保水量の多い燃料電池セルと推定するようにしてもよい。
【００７６】
このような構成で、当該検知によって保水量が多いと判別された燃料電池セル１２を水低減を行う燃料電池セル１２と決定して、水素供給量の調節を行うこととしてもよい。
【００７７】
なお、実施の形態１では、燃料電池システムの運転停止時に、水素供給量の低減による水分解の手法を用いている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、燃料電池システムの運転中などにおいても、本発明の思想を用いて水低減を行うことができる。
【００７８】
また、燃料電池セルの水素供給量の調整を行う際には、ピストンやロータリーバルブを用いる方法以外にも、例えば、スリット構造を有するプレートを用いてアノードガス流入孔の開閉を行う方法など、種々の技術を、本発明に適用することとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池システムで実行されるフローチャートである。
【図３】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【図４】実施の形態１の変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
燃料電池スタック １０
燃料電池セル １２
アノードガス流入孔 １４
水素供給内部マニホールド ２０
スタックエンドプレート ４０、４２
ピストン ５０
ピストン位置制御モータ ６２
ＣＰＵ ６４
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素が流入するアノードガス流入孔を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素の量を変化させる水素量調節機構と、
前記水素量調節機構を制御して、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち一部の該燃料電池セルに供給される水素の量を残部の該燃料電池セルに供給される水素の量よりも少なくする水素供給量低減手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記一部の前記燃料電池セルは、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち保水量の多い該燃料電池セルを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記保水量の多い前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの端側に位置する該燃料電池セルを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの端側は、前記燃料電池セルにおいてカソードが面する側を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素供給量低減手段は、前記燃料電池スタックの運転停止時に、前記一部の前記燃料電池セルに供給される水素の量を少なくすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素量調節機構は、前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素量を制限する水素量制限機構を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックは該燃料電池スタックの端側に備えられるスタックエンドプレートを有し、
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、
前記水素供給マニホールド内に備えられる閉鎖部材と、
前記閉鎖部材に備えられる第一の磁石と、
前記スタックエンドプレートを介して前記第一の磁石に対向して備えられる第二の磁石と、
前記第一の磁石と前記第二の磁石の少なくとも一方の極性を制御して前記水素供給マニホールド内で前記閉鎖部材を摺動させて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔を閉鎖する制御手段とを含むことを特徴とする請求項６項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、前記水素供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その回転角度に応じて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔と前記水素供給マニホールドとの連通を制限するロータリーバルブを含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
水素が流入するアノードガス流入孔を有する燃料電池セルが複数積層されてなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素の量を変化させる水素量調節機構と、
前記水素量調節機構を制御して、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち一部の該燃料電池セルに供給される水素の量を残部の該燃料電池セルに供給される水素の量よりも少なくする水素供給量低減手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記一部の前記燃料電池セルは、前記複数積層された前記燃料電池セルのうち保水量の多い該燃料電池セルを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記保水量の多い前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの端側に位置する該燃料電池セルを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの端側は、前記燃料電池セルにおいてカソードが面する側を含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素供給量低減手段は、前記燃料電池スタックの運転停止時に、前記一部の前記燃料電池セルに供給される水素の量を少なくすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素量調節機構は、前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔へ流入する水素量を制限する水素量制限機構を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックは該燃料電池スタックの端側に備えられるスタックエンドプレートを有し、
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、
前記水素供給マニホールド内に備えられる閉鎖部材と、
前記閉鎖部材に備えられる第一の磁石と、
前記スタックエンドプレートを介して前記第一の磁石に対向して備えられる第二の磁石と、
前記第一の磁石と前記第二の磁石の少なくとも一方の極性を制御して前記水素供給マニホールド内で前記閉鎖部材を摺動させて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔を閉鎖する制御手段とを含むことを特徴とする請求項６項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記アノードガス流入孔に連通し該アノードガス流入孔に水素を供給する水素供給マニホールドを有し、
前記水素量制限機構は、前記水素供給マニホールド内に回転自在に備えられ、その回転角度に応じて前記一部の前記燃料電池セルの前記アノードガス流入孔と前記水素供給マニホールドとの連通を制限するロータリーバルブを含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−３４１３６（Ｐ２００８−３４１３６Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０３７２３（Ｐ２００６−２０３７２３）
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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