燃料電池システム
【課題】デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、セル間での発電量のばらつきを抑制する。
【解決手段】燃料電池２は、複数のセルが積層されて直列に接続された構造を有する。ここで、複数のセルは、セル１５とセル積層体１１とからなる。流路１２から燃料電池２に入った水素は、供給マニホールド１３を通じて各々のセルに供給される。そして、発電に必要な量が消費された後は、燃料オフガスとして排出マニホールド１４に排出された後にセル１５に流入する。これにより、燃料オフガスに含まれる不純物が、セル１６に蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。
【解決手段】燃料電池２は、複数のセルが積層されて直列に接続された構造を有する。ここで、複数のセルは、セル１５とセル積層体１１とからなる。流路１２から燃料電池２に入った水素は、供給マニホールド１３を通じて各々のセルに供給される。そして、発電に必要な量が消費された後は、燃料オフガスとして排出マニホールド１４に排出された後にセル１５に流入する。これにより、燃料オフガスに含まれる不純物が、セル１６に蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料オフガスの流路を閉じた状態で燃料電池を運転する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数のセルが積層された燃料電池スタックを有する。セルは、例えば、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する。また、アノードおよびカソードは、それぞれ電解質膜に接して配置された触媒層を有する。各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。
【０００３】
一般に、カソードには、コンプレッサによって外気から取り込まれた空気が供給される。一方、アノードには、高圧水素タンクに貯蔵された水素が供給される。このアノードへの水素の供給方法の１つに、いわゆるデッドエンド方式がある（例えば、特許文献１参照。）。この方式では、水素の流路が閉塞された状態で運転が行われ、アノードには、消費された水素に相当する量の水素が供給される。
【０００４】
デッドエンド方式による燃料電池システムの場合、時間の経過とともに、燃料ガスの流路に溜まる不純物の量が増えていく。例えば、カソードに供給される空気に含まれる窒素が、電解質膜を透過してアノード側に蓄積されるようになる。アノード側の圧力は、所定の値となるように調整されているので、窒素の量が増えると、相対的に水素の分圧が低下して、燃料電池の電圧低下を招く。そこで、特許文献１では、水素の流路から不純物を排出するパージ弁を設け、このパージ弁を開くことによって、電圧が回復するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５３６４３６号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般に、燃料電池スタックには、各セルに水素を分配する供給マニホールドと、各セルからの燃料オフガスをまとめて排出する排出マニホールドとが設けられている。また、各セルは、製造上のばらつきによって異なる圧損を有している。圧損の高いセルでは、圧損の低いセルに比べて、供給マニホールドからセル内部に水素が導入され難い。一方、各セルから排出マニホールドに排出された燃料オフガスは、圧損の高いセルの内部に吸い込まれやすい。このため、圧損の高いセルには不純物が堆積しやすく、このセルから電圧が低下することによって、セル間で発電量にばらつきが生じてしまうという問題があった。
【０００７】
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックのガス出口側末端に配置されたセルの電圧を測定している。そして、この値を閾値と比較することによって、パージ弁を開くタイミングを決定している。しかしながら、特許文献１は、セルの圧損が異なることによる不純物堆積量の違いに着目していないため、セル間での発電量のばらつきを解消できないおそれがあった。
【０００８】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、セル間での発電量のばらつきを抑制することにある。
【０００９】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記複数のセルは、第１のセルと、前記第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第２の態様は、積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルの各々には、前記供給マニホールドと前記排出マニホールドの間に位置するセル流路が設けられていて、
前記複数のセルは、前記供給マニホールドと前記セル流路を接続する連通部の容積がＶ１である第１のセルと、前記連通部の容積がＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）である第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、前記容積Ｖ１は、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第１の態様および第２の態様において、前記第１のセルは、カソードの触媒層がカーボン担体でないことが好ましい。この場合、前記触媒層は、白金黒、白金微粒子層または白金合金微粒子層とすることができる。
【００１３】
本発明の第１の態様および第２の態様において、前記第１のセルには、燃料オフガスをパージするパージ手段が接続していることが好ましい。特に、第２の態様においては、前記第１のセルの前記セル流路に、前記パージ手段が接続していることが好ましい。
また、前記第１のセル内の燃料オフガスに含まれる燃料ガス以外の成分の量を推定または計測する手段をさらに有し、前記成分の量が所定値以上となったときに、前記パージ手段を作動させることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、燃料電池を構成するセルが、第１のセルと、第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、第１のセルおよび第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
であるので、第１のセルに燃料オフガスを積極的に流入させて、第１のセルに不純物が濃縮されるようにすることができる。これにより、第２のセルに不純物が蓄積されるのを防げるので、セル間での発電量のばらつきを抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、燃料電池を構成するセルが、供給マニホールドとセル流路を接続する連通部の容積がＶ１である第１のセルと、連通部の容積がＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）である第２のセルとからなり、容積Ｖ１は、第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定されるので、第１のセルに燃料オフガスを積極的に流入させて、第１のセルに不純物が濃縮されるようにすることができる。これにより、第２のセルに不純物が蓄積されるのを防げるので、セル間での発電量のばらつきを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１〜図６を用いて、本実施の形態における燃料電池システムについて説明する。尚、図１〜図３と図５において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００１７】
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器４と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁７と、燃料電池２から排出される燃料オフガスの流路１０に設けられたパージ弁８とを有する。パージ弁８を開くことによって、燃料オフガスをパージすることができる。
【００１９】
燃料電池システム１では、アノード（図示せず）への水素の供給は、デッドエンド方式によって行われる。すなわち、パージ弁８を閉じると、燃料オフガスの流路１０が閉塞されて、水素の供給は、水素タンク６からの供給のみによって行われる。このようなデッドエンド方式によれば、供給された水素は、燃料電池２での反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。
【００２０】
尚、アノードに供給する燃料ガスは、水素に限られるものではない。例えば、アノードに供給する水素源として、炭化水素系化合物の改質反応によって生成する改質ガスを利用することもできる。この場合、炭化水素系化合物としては、メタンを主成分とする天然ガス、メタノールなどのアルコールまたはガソリンなどが用いられる。そして、使用する炭化水素系化合物の種類に応じて、改質反応に適した触媒や温度が選択される。これにより、水素、二酸化炭素および水を含む水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２１】
図２は、図１の燃料電池２におけるガスの流れを模式的に示した図である。矢印は、ガスの流れる方向を示している。
【００２２】
図２において、燃料電池２は、複数のセルが積層されて直列に接続されたスタック構造を有している。ここで、複数のセルは、セル１５とセル積層体１１とからなる。セル１５は、本発明における第１のセルに対応し、本実施の形態では単一のセルである。一方、セル積層体１１は、同種のセル１６が複数積層されたものである。ここで、同種のセルは、同じ形状のセルであって、製造上のばらつきにより圧損に違いが生じたセルを含む。また、セル１６は、本発明における第２のセルに対応する。但し、セル１６の総数は、１以上であればよく、図２の例に限られるものではない。
【００２３】
流路１２から燃料電池２に入った水素は、供給マニホールド１３を通じて各々のセルに供給される。そして、発電に必要な量が消費された後は、燃料オフガスとして、各々のセルから排出マニホールド１４に排出される。
【００２４】
本発明においては、排出マニホールドに排出された燃料オフガスが、特定のセルに積極的に流入するようにする。図２の例では、燃料オフガスの出口側末端に位置するセル１５に、他のセル１６から排出された燃料オフガスが流入するようにしている。このようにすることによって、燃料オフガスに含まれる窒素などの不純物が、セル１６に蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。
【００２５】
図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面模式図であり、複数あるセル１６の内で任意の１つについて示したものである。
【００２６】
図３（ａ）において、供給マニホールド１３から導入された水素は、容積がＶ２である連通部１７を通って、セル流路１８よりアノード１９に供給される。そして、アノード１９で必要量が消費された後は、水素は、窒素などの不純物とともに、連通部２０を通って排出マニホールド１４に排出される。
【００２７】
図３（ａ）において、符号２１は空気供給マニホールド、符号２２は冷却水供給マニホールド、符号２３は空気排出マニホールド、符号２４は冷却水排出マニホールドである。但し、本実施の形態において、水素、空気および冷却水を供給または排出するマニホールドの位置は、この図の例に限られるものではない。
【００２８】
図３（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ′線に沿ったセル１５の断面模式図である。図３（ａ）と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。
【００２９】
図３（ｂ）において、供給マニホールド１３から導入された水素は、連通部２５を通って、セル流路１８よりアノード１９に供給される。ここで、連通部２５は、容積がＶ１（Ｖ１＜Ｖ２）であり、図３（ａ）の連通部１７より容積の小さい構造、具体的には、断面積の小さい構造となっている。これにより、セル流路１８に流入する水素の量は、図３（ｂ）に示すセル１５の方が、図３（ａ）に示すセル１６より少なくなる。
【００３０】
アノード１９で必要量の水素が消費された後は、連通部２０を通って、排出マニホールド１４に燃料オフガスが排出される。ここで、セル１５では、連通部２５の容積が小さいことによって、セル流路１８への水素の流量が少なくなるために、排出マニホールド１４に排出される燃料オフガスの流速は、セル１６の場合に比べて遅くなる。このため、セル１６から排出マニホールド１４に排出された燃料オフガスは、セル１５の連通部２０を通って、セル１５のセル流路１８に流入するようになる。これにより、燃料オフガスに含まれる窒素などの不純物が、セル１６に蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。このことについて、以下にさらに説明する。
【００３１】
セルの圧損は、供給マニホールドと排出マニホールドの圧力差を測定することにより求められる。そして、圧損は電流密度に比例することから、アノードへの水素の供給は、拡散によってではなく、流れ場が生じて起きていると考えられる。
【００３２】
各セルの圧損は、製造上のばらつきによって異なるので、圧損の高いセルでは、圧損の低いセルに比べて、供給マニホールドからセル内部に水素が導入され難い。一方、各セルから排出マニホールドに排出された燃料オフガスは、圧損の高いセルの内部に吸い込まれやすい。このため、従来の燃料電池では、圧損の高いセルに不純物が堆積しやすかった。これに対して、本発明では、他のセルより圧損の高いセルを故意に設け、このセルの内部に、他のセルから排出された燃料オフガスが流入するようにしている。
【００３３】
図３（ｂ）の例では、連通部２５の容積を小さくすることによって、セル１５の圧損をセル１６の圧損より高くしている。セル１５では、供給マニホールド１３から流入する水素の流量が少ないために、排出マニホールド１４からもガスが吸い込まれる。すなわち、セル１６から排出された燃料オフガスがセル１５に流入するので、セル１６に不純物が蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。
【００３４】
セル１５の圧損は、セル１６の中で最も圧損の高いセルの圧損より高くする必要がある。つまり、本発明の特徴は、製造上の理由で生じる圧損のばらつきの範囲内ではなく、この範囲を超えた高い圧損のセルを故意に設ける点にある。これにより、圧損の高いセルに不純物を積極的に蓄積できるので、従来の燃料電池では不純物の蓄積が起こりやすいセルであっても、本発明によれば、蓄積を防いでセル電圧の低下を抑制することが可能となる。
【００３５】
図４は、図５（ａ）および（ｂ）に示す燃料電池について、セル電圧の経時変化を測定した結果である。尚、この燃料電池は、図２の燃料電池と同様の構造であるが、燃料電池への配管の接続方法が異なっている。尚、図５（ａ）および（ｂ）において、符号２６は、燃料オフガスをパージするためのパージ弁である。
【００３６】
まず、図５（ａ）に示すように、弁２７を開いて、供給マニホールド１３と排出マニホールド１４の両方からセル内に水素が流入するようにした（測定ａ）。すると、図４に示すように、時間の経過とともに各セルに電圧の低下が見られた。これは、全てのセルについて、排出マニホールド１４から水素が流入するので、不純物が排出されずに各セルに蓄積されるためと考えられる。尚、図４において、セル（１）〜セル（４）は、図３（ａ）と同様の構造であり、セル（５）は、図３（ｂ）と同様の構造である。
【００３７】
次に、図５（ｂ）に示すように、弁２７を閉じて、供給マニホールド１３からセル内に水素が流入するようにした（測定ｂ）。その結果、図４に示すように、電圧の低下は、連通部の容積が小さいセル（５）について見られたが、他のセル（１）〜（４）には殆ど見られなかった。このことから、セル（５）に不純物が蓄積される一方で、他のセル（１）〜（４）への不純物の蓄積は抑制されていることが分かった。
【００３８】
次に、セル１５とセル１６のガス流路抵抗に基づいて、セル１５の連通部２５の容積について考察する。
【００３９】
本実施の形態においては、セル１５を除いた他のセル、すなわち、セル積層体１１を構成するセル１６の中で、最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、セル１５を含む全てのセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、全てのセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして、セル１５の連通部２５の容積を決定する。但し、
Ｒ＝１／（１／ｒ１＋１／ｒ２＋１／ｒ３＋・・・＋１／ｒｎ）
である。
【００４０】
図６は、各セルについて、ガスの流量と圧損との関係の一例を示したものである。この図において、セル（６）〜（１０）は、図３（ａ）と同様の構造であり、セル（１１）は、図３（ｂ）と同様の構造である。また、積層セルの直線の傾きは、セル（６）〜（１１）のガス流路抵抗を合成した値Ｒに、セルの総数ｎを乗ずることにより得られる。ここで、ｎ＝６である。また、セル（６）〜（１１）のガス流路抵抗を、それぞれｒ６、ｒ７、ｒ８、ｒ９、ｒ１０およびｒ１１とすれば、
Ｒ＝１／（１／ｒ６＋１／ｒ７＋１／ｒ８＋１／ｒ９＋１／ｒ１０＋１／ｒ１１）
である。
【００４１】
図６より、ｒ８＜ｒ６＜ｒ７＜ｒ９＜ｒ１０＜ｒ１１であるから、セル（６）〜（１０）の内で、ガス流路抵抗が最も大きいのはセル（１０）である。したがって、セル（１０）のガス流路抵抗ｒ１０は、上記のｒに対応する。よって、セル（１１）における連通部の容積は、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定される。
【００４２】
本実施の形態においては、セル１５のカソードに、水素欠や異常電位によって劣化し難い触媒層、具体的には、カーボン担体でない触媒層を用いることが好ましい。これは、次の理由による。
【００４３】
本実施の形態では、セル１５に燃料オフガスを流入させて、不純物がセル１５に蓄積されるようにしている。このため、セル１５では、水素濃度が低くて窒素濃度が高い状態になる。ここで、触媒層にカーボンを用いた場合には、常温でアノードが水素欠状態になると、カーボンと水の反応（Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-）が進行することによって、カソードでカーボンの酸化が起こる。また、窒素濃度が高くなると、カソード側およびアノード側で電位が上昇するため、上記と同様にカーボンの酸化が起こりやすい。カーボン担体でない触媒層を用いることにより、こうした反応が起こるのを防げるので、セル１５が劣化するのを抑制することができる。カーボン担体でない触媒層としては、例えば、白金黒、白金微粒子層または白金合金微粒子層などを挙げることができる。
【００４４】
尚、全てのセルについて、カソードの触媒層にカーボン担体でないものを用いるのは、触媒としての性能が低下することによって、燃料電池の発電効率の低下を招く点から好ましくない。不純物を積極的に蓄積させるセルにのみカーボン担体でない触媒層を使用し、他のセルにはカーボン担体の触媒層を使用することによって、他のセルの発電性能が低下するのを防いで、燃料電池全体の発電性能の向上を図ることができる。
【００４５】
また、本実施の形態においては、燃料オフガスをパージするパージ手段を、不純物が蓄積されるセルに接続して設けることが好ましい。例えば、図２および図３（ｂ）に示すように、セル１５のセル流路１８に、燃料オフガスをパージするための流路１０を接続し、パージ弁８を流路１０に設けることが好ましい。セル１６から排出された燃料オフガスは、セル１５に流入するので、燃料オフガスに含まれる不純物は、次第にセル１５に濃縮される。パージ弁８を開くことによって、セル１５から燃料オフガスがパージされるようにすれば、不純物を効率よく外部に排出することができる。尚、セル１５においては、排出マニホールド１４に接続する連通部２０からガスが流入するので、供給マニホールド１３に接続する連通部２５の容積が小さくとも、パージには支障をきたさない。
【００４６】
さらに、本実施の形態においては、セル１５内における不純物の量を推定または計測する手段が設けられていて、不純物の量が所定値以上となったときに、パージ手段が作動するようにすることが好ましい。本実施の形態では、セル１５に不純物が濃縮されるようになっているので、セル１５内の不純物の量を基準とすることで、適切なタイミングでパージすることが可能となる。ここで、不純物は、燃料オフガスに含まれる燃料ガス以外の成分とすることができる。具体的には、窒素、水および二酸化炭素などであり、これらの内の少なくとも１つの成分の量を推定または計測する。
【００４７】
例えば、不純物の堆積量の経時変化を予め把握しておき、所定時間が経過する毎にパージ弁８を開いてパージが行われるようにすることができる。また、セル１５の電圧を測定し、この値が所定値以下となったときに、パージ弁８が開くようにすることもできる。さらに、セル１５とセル１６の両方の電圧を測定し、これらの電圧差が所定値以上となったときに、パージ弁８が開くようにすることもできる。
【００４８】
以上述べたように、本発明では、排出マニホールドから特定のセルに燃料オフガスを積極的に流入させて、このセルに不純物が濃縮されるようにしている。これにより、他のセルに不純物が蓄積されるのを防げるので、セル毎に発電量がばらついてしまうのを抑制できる。すなわち、製造上の理由に起因した圧損の違いによって、セル間で不純物の堆積量にばらつきが生じ、ひいては発電量にばらつきが生じるのを抑制できる。
【００４９】
本発明において、燃料オフガスが流入するセルの電圧は、時間とともに低下する。しかしながら、他のセルの電圧低下は抑制されるので、燃料電池全体として見れば、発電特性を向上させることができる。
【００５０】
また、本発明において、燃料オフガスが流入するセルを基準にパージするタイミングを決定すれば、燃料電池全体として適切なタイミングでパージすることが可能となる。すなわち、従来は、圧損の違いによってセル電圧の低下傾向が異なるために、最適なパージのタイミングは各セル毎に異なっていた。このため、燃料電池全体として適切なタイミングでパージを行うのは困難であった。しかし、本発明によれば、セル電圧の低下は、主として燃料オフガスが流入するセルで起こるので、このセルを基準として考えれば十分である。
【００５１】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【００５２】
例えば、上記実施の形態では、燃料オフガスの出口側末端に位置するセルに不純物が蓄積されるようにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、出口側末端以外に位置するセルに不純物が蓄積されるようにしてもよい。但し、パージ手段を設ける場合には、出口側末端に位置するセルに不純物が蓄積されるようにするのが、配管の接続を容易とし、また、パージを効率よく行える点から好ましい。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、連通部の容積を小さくすることにより圧損の高いセルを作製したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、セル内における燃料ガスの流路長を長くすることによって、圧損の高いセルを作製することもできる。すなわち、本発明は、積層されて直列に接続された複数のセルと、セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、燃料オフガスの流路を閉じた状態で燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、複数のセルが、第１のセルと、第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、第１のセルおよび第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するものであれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、本発明におけるセル流路は、多孔質体流路であってもよく、溝流路であってもよい。例えば、膜−電極アッセンブリと、拡散層と、多孔質体流路と、セパレータとが積層されてなるセルにおいて、セパレータと拡散層の間に多孔質体流路を設け、この多孔質体流路から燃料ガスが触媒層に供給されるようにすることができる。また、セパレータに溝を設け、この溝を通って燃料ガスが供給されるようにしてもよい。さらに、圧損の高いセルのみを多孔質体流路とし、他のセルを溝流路とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１の燃料電池におけるガスの流れを模式的に示した図である。
【図３】（ａ）は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面模式図であり、（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ′線に沿う断面模式図である。
【図４】本実施の形態において、セル電圧の経時変化の一例である。
【図５】本実施の形態において、燃料電池におけるガスの流れを模式的に示した他の例である。
【図６】本実施の形態において、ガスの流量と圧損との関係の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
４ 加湿器
５ 空気調圧弁
６ 水素タンク
７ 水素調圧弁
８，２６ パージ弁
１０，１２ 流路
１１ セル積層体
１３ 供給マニホールド
１４ 排出マニホールド
１５，１６ セル
１７，２０，２５ 連通部
１８ セル流路
１９ アノード
２１ 空気供給マニホールド
２２ 冷却水供給マニホールド
２３ 空気排出マニホールド
２４ 冷却水排出マニホールド
２７ 弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料オフガスの流路を閉じた状態で燃料電池を運転する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数のセルが積層された燃料電池スタックを有する。セルは、例えば、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを有する。また、アノードおよびカソードは、それぞれ電解質膜に接して配置された触媒層を有する。各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。
【０００３】
一般に、カソードには、コンプレッサによって外気から取り込まれた空気が供給される。一方、アノードには、高圧水素タンクに貯蔵された水素が供給される。このアノードへの水素の供給方法の１つに、いわゆるデッドエンド方式がある（例えば、特許文献１参照。）。この方式では、水素の流路が閉塞された状態で運転が行われ、アノードには、消費された水素に相当する量の水素が供給される。
【０００４】
デッドエンド方式による燃料電池システムの場合、時間の経過とともに、燃料ガスの流路に溜まる不純物の量が増えていく。例えば、カソードに供給される空気に含まれる窒素が、電解質膜を透過してアノード側に蓄積されるようになる。アノード側の圧力は、所定の値となるように調整されているので、窒素の量が増えると、相対的に水素の分圧が低下して、燃料電池の電圧低下を招く。そこで、特許文献１では、水素の流路から不純物を排出するパージ弁を設け、このパージ弁を開くことによって、電圧が回復するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５３６４３６号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、一般に、燃料電池スタックには、各セルに水素を分配する供給マニホールドと、各セルからの燃料オフガスをまとめて排出する排出マニホールドとが設けられている。また、各セルは、製造上のばらつきによって異なる圧損を有している。圧損の高いセルでは、圧損の低いセルに比べて、供給マニホールドからセル内部に水素が導入され難い。一方、各セルから排出マニホールドに排出された燃料オフガスは、圧損の高いセルの内部に吸い込まれやすい。このため、圧損の高いセルには不純物が堆積しやすく、このセルから電圧が低下することによって、セル間で発電量にばらつきが生じてしまうという問題があった。
【０００７】
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックのガス出口側末端に配置されたセルの電圧を測定している。そして、この値を閾値と比較することによって、パージ弁を開くタイミングを決定している。しかしながら、特許文献１は、セルの圧損が異なることによる不純物堆積量の違いに着目していないため、セル間での発電量のばらつきを解消できないおそれがあった。
【０００８】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、セル間での発電量のばらつきを抑制することにある。
【０００９】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記複数のセルは、第１のセルと、前記第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第２の態様は、積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルの各々には、前記供給マニホールドと前記排出マニホールドの間に位置するセル流路が設けられていて、
前記複数のセルは、前記供給マニホールドと前記セル流路を接続する連通部の容積がＶ１である第１のセルと、前記連通部の容積がＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）である第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、前記容積Ｖ１は、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第１の態様および第２の態様において、前記第１のセルは、カソードの触媒層がカーボン担体でないことが好ましい。この場合、前記触媒層は、白金黒、白金微粒子層または白金合金微粒子層とすることができる。
【００１３】
本発明の第１の態様および第２の態様において、前記第１のセルには、燃料オフガスをパージするパージ手段が接続していることが好ましい。特に、第２の態様においては、前記第１のセルの前記セル流路に、前記パージ手段が接続していることが好ましい。
また、前記第１のセル内の燃料オフガスに含まれる燃料ガス以外の成分の量を推定または計測する手段をさらに有し、前記成分の量が所定値以上となったときに、前記パージ手段を作動させることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、燃料電池を構成するセルが、第１のセルと、第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、第１のセルおよび第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
であるので、第１のセルに燃料オフガスを積極的に流入させて、第１のセルに不純物が濃縮されるようにすることができる。これにより、第２のセルに不純物が蓄積されるのを防げるので、セル間での発電量のばらつきを抑制することが可能となる。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、燃料電池を構成するセルが、供給マニホールドとセル流路を接続する連通部の容積がＶ１である第１のセルと、連通部の容積がＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）である第２のセルとからなり、容積Ｖ１は、第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定されるので、第１のセルに燃料オフガスを積極的に流入させて、第１のセルに不純物が濃縮されるようにすることができる。これにより、第２のセルに不純物が蓄積されるのを防げるので、セル間での発電量のばらつきを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１〜図６を用いて、本実施の形態における燃料電池システムについて説明する。尚、図１〜図３と図５において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００１７】
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器４と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁７と、燃料電池２から排出される燃料オフガスの流路１０に設けられたパージ弁８とを有する。パージ弁８を開くことによって、燃料オフガスをパージすることができる。
【００１９】
燃料電池システム１では、アノード（図示せず）への水素の供給は、デッドエンド方式によって行われる。すなわち、パージ弁８を閉じると、燃料オフガスの流路１０が閉塞されて、水素の供給は、水素タンク６からの供給のみによって行われる。このようなデッドエンド方式によれば、供給された水素は、燃料電池２での反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。
【００２０】
尚、アノードに供給する燃料ガスは、水素に限られるものではない。例えば、アノードに供給する水素源として、炭化水素系化合物の改質反応によって生成する改質ガスを利用することもできる。この場合、炭化水素系化合物としては、メタンを主成分とする天然ガス、メタノールなどのアルコールまたはガソリンなどが用いられる。そして、使用する炭化水素系化合物の種類に応じて、改質反応に適した触媒や温度が選択される。これにより、水素、二酸化炭素および水を含む水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２１】
図２は、図１の燃料電池２におけるガスの流れを模式的に示した図である。矢印は、ガスの流れる方向を示している。
【００２２】
図２において、燃料電池２は、複数のセルが積層されて直列に接続されたスタック構造を有している。ここで、複数のセルは、セル１５とセル積層体１１とからなる。セル１５は、本発明における第１のセルに対応し、本実施の形態では単一のセルである。一方、セル積層体１１は、同種のセル１６が複数積層されたものである。ここで、同種のセルは、同じ形状のセルであって、製造上のばらつきにより圧損に違いが生じたセルを含む。また、セル１６は、本発明における第２のセルに対応する。但し、セル１６の総数は、１以上であればよく、図２の例に限られるものではない。
【００２３】
流路１２から燃料電池２に入った水素は、供給マニホールド１３を通じて各々のセルに供給される。そして、発電に必要な量が消費された後は、燃料オフガスとして、各々のセルから排出マニホールド１４に排出される。
【００２４】
本発明においては、排出マニホールドに排出された燃料オフガスが、特定のセルに積極的に流入するようにする。図２の例では、燃料オフガスの出口側末端に位置するセル１５に、他のセル１６から排出された燃料オフガスが流入するようにしている。このようにすることによって、燃料オフガスに含まれる窒素などの不純物が、セル１６に蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。
【００２５】
図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面模式図であり、複数あるセル１６の内で任意の１つについて示したものである。
【００２６】
図３（ａ）において、供給マニホールド１３から導入された水素は、容積がＶ２である連通部１７を通って、セル流路１８よりアノード１９に供給される。そして、アノード１９で必要量が消費された後は、水素は、窒素などの不純物とともに、連通部２０を通って排出マニホールド１４に排出される。
【００２７】
図３（ａ）において、符号２１は空気供給マニホールド、符号２２は冷却水供給マニホールド、符号２３は空気排出マニホールド、符号２４は冷却水排出マニホールドである。但し、本実施の形態において、水素、空気および冷却水を供給または排出するマニホールドの位置は、この図の例に限られるものではない。
【００２８】
図３（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ′線に沿ったセル１５の断面模式図である。図３（ａ）と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。
【００２９】
図３（ｂ）において、供給マニホールド１３から導入された水素は、連通部２５を通って、セル流路１８よりアノード１９に供給される。ここで、連通部２５は、容積がＶ１（Ｖ１＜Ｖ２）であり、図３（ａ）の連通部１７より容積の小さい構造、具体的には、断面積の小さい構造となっている。これにより、セル流路１８に流入する水素の量は、図３（ｂ）に示すセル１５の方が、図３（ａ）に示すセル１６より少なくなる。
【００３０】
アノード１９で必要量の水素が消費された後は、連通部２０を通って、排出マニホールド１４に燃料オフガスが排出される。ここで、セル１５では、連通部２５の容積が小さいことによって、セル流路１８への水素の流量が少なくなるために、排出マニホールド１４に排出される燃料オフガスの流速は、セル１６の場合に比べて遅くなる。このため、セル１６から排出マニホールド１４に排出された燃料オフガスは、セル１５の連通部２０を通って、セル１５のセル流路１８に流入するようになる。これにより、燃料オフガスに含まれる窒素などの不純物が、セル１６に蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。このことについて、以下にさらに説明する。
【００３１】
セルの圧損は、供給マニホールドと排出マニホールドの圧力差を測定することにより求められる。そして、圧損は電流密度に比例することから、アノードへの水素の供給は、拡散によってではなく、流れ場が生じて起きていると考えられる。
【００３２】
各セルの圧損は、製造上のばらつきによって異なるので、圧損の高いセルでは、圧損の低いセルに比べて、供給マニホールドからセル内部に水素が導入され難い。一方、各セルから排出マニホールドに排出された燃料オフガスは、圧損の高いセルの内部に吸い込まれやすい。このため、従来の燃料電池では、圧損の高いセルに不純物が堆積しやすかった。これに対して、本発明では、他のセルより圧損の高いセルを故意に設け、このセルの内部に、他のセルから排出された燃料オフガスが流入するようにしている。
【００３３】
図３（ｂ）の例では、連通部２５の容積を小さくすることによって、セル１５の圧損をセル１６の圧損より高くしている。セル１５では、供給マニホールド１３から流入する水素の流量が少ないために、排出マニホールド１４からもガスが吸い込まれる。すなわち、セル１６から排出された燃料オフガスがセル１５に流入するので、セル１６に不純物が蓄積するのを防いで、セル１５に蓄積されるようにすることができる。
【００３４】
セル１５の圧損は、セル１６の中で最も圧損の高いセルの圧損より高くする必要がある。つまり、本発明の特徴は、製造上の理由で生じる圧損のばらつきの範囲内ではなく、この範囲を超えた高い圧損のセルを故意に設ける点にある。これにより、圧損の高いセルに不純物を積極的に蓄積できるので、従来の燃料電池では不純物の蓄積が起こりやすいセルであっても、本発明によれば、蓄積を防いでセル電圧の低下を抑制することが可能となる。
【００３５】
図４は、図５（ａ）および（ｂ）に示す燃料電池について、セル電圧の経時変化を測定した結果である。尚、この燃料電池は、図２の燃料電池と同様の構造であるが、燃料電池への配管の接続方法が異なっている。尚、図５（ａ）および（ｂ）において、符号２６は、燃料オフガスをパージするためのパージ弁である。
【００３６】
まず、図５（ａ）に示すように、弁２７を開いて、供給マニホールド１３と排出マニホールド１４の両方からセル内に水素が流入するようにした（測定ａ）。すると、図４に示すように、時間の経過とともに各セルに電圧の低下が見られた。これは、全てのセルについて、排出マニホールド１４から水素が流入するので、不純物が排出されずに各セルに蓄積されるためと考えられる。尚、図４において、セル（１）〜セル（４）は、図３（ａ）と同様の構造であり、セル（５）は、図３（ｂ）と同様の構造である。
【００３７】
次に、図５（ｂ）に示すように、弁２７を閉じて、供給マニホールド１３からセル内に水素が流入するようにした（測定ｂ）。その結果、図４に示すように、電圧の低下は、連通部の容積が小さいセル（５）について見られたが、他のセル（１）〜（４）には殆ど見られなかった。このことから、セル（５）に不純物が蓄積される一方で、他のセル（１）〜（４）への不純物の蓄積は抑制されていることが分かった。
【００３８】
次に、セル１５とセル１６のガス流路抵抗に基づいて、セル１５の連通部２５の容積について考察する。
【００３９】
本実施の形態においては、セル１５を除いた他のセル、すなわち、セル積層体１１を構成するセル１６の中で、最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、セル１５を含む全てのセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、全てのセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして、セル１５の連通部２５の容積を決定する。但し、
Ｒ＝１／（１／ｒ１＋１／ｒ２＋１／ｒ３＋・・・＋１／ｒｎ）
である。
【００４０】
図６は、各セルについて、ガスの流量と圧損との関係の一例を示したものである。この図において、セル（６）〜（１０）は、図３（ａ）と同様の構造であり、セル（１１）は、図３（ｂ）と同様の構造である。また、積層セルの直線の傾きは、セル（６）〜（１１）のガス流路抵抗を合成した値Ｒに、セルの総数ｎを乗ずることにより得られる。ここで、ｎ＝６である。また、セル（６）〜（１１）のガス流路抵抗を、それぞれｒ６、ｒ７、ｒ８、ｒ９、ｒ１０およびｒ１１とすれば、
Ｒ＝１／（１／ｒ６＋１／ｒ７＋１／ｒ８＋１／ｒ９＋１／ｒ１０＋１／ｒ１１）
である。
【００４１】
図６より、ｒ８＜ｒ６＜ｒ７＜ｒ９＜ｒ１０＜ｒ１１であるから、セル（６）〜（１０）の内で、ガス流路抵抗が最も大きいのはセル（１０）である。したがって、セル（１０）のガス流路抵抗ｒ１０は、上記のｒに対応する。よって、セル（１１）における連通部の容積は、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定される。
【００４２】
本実施の形態においては、セル１５のカソードに、水素欠や異常電位によって劣化し難い触媒層、具体的には、カーボン担体でない触媒層を用いることが好ましい。これは、次の理由による。
【００４３】
本実施の形態では、セル１５に燃料オフガスを流入させて、不純物がセル１５に蓄積されるようにしている。このため、セル１５では、水素濃度が低くて窒素濃度が高い状態になる。ここで、触媒層にカーボンを用いた場合には、常温でアノードが水素欠状態になると、カーボンと水の反応（Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-）が進行することによって、カソードでカーボンの酸化が起こる。また、窒素濃度が高くなると、カソード側およびアノード側で電位が上昇するため、上記と同様にカーボンの酸化が起こりやすい。カーボン担体でない触媒層を用いることにより、こうした反応が起こるのを防げるので、セル１５が劣化するのを抑制することができる。カーボン担体でない触媒層としては、例えば、白金黒、白金微粒子層または白金合金微粒子層などを挙げることができる。
【００４４】
尚、全てのセルについて、カソードの触媒層にカーボン担体でないものを用いるのは、触媒としての性能が低下することによって、燃料電池の発電効率の低下を招く点から好ましくない。不純物を積極的に蓄積させるセルにのみカーボン担体でない触媒層を使用し、他のセルにはカーボン担体の触媒層を使用することによって、他のセルの発電性能が低下するのを防いで、燃料電池全体の発電性能の向上を図ることができる。
【００４５】
また、本実施の形態においては、燃料オフガスをパージするパージ手段を、不純物が蓄積されるセルに接続して設けることが好ましい。例えば、図２および図３（ｂ）に示すように、セル１５のセル流路１８に、燃料オフガスをパージするための流路１０を接続し、パージ弁８を流路１０に設けることが好ましい。セル１６から排出された燃料オフガスは、セル１５に流入するので、燃料オフガスに含まれる不純物は、次第にセル１５に濃縮される。パージ弁８を開くことによって、セル１５から燃料オフガスがパージされるようにすれば、不純物を効率よく外部に排出することができる。尚、セル１５においては、排出マニホールド１４に接続する連通部２０からガスが流入するので、供給マニホールド１３に接続する連通部２５の容積が小さくとも、パージには支障をきたさない。
【００４６】
さらに、本実施の形態においては、セル１５内における不純物の量を推定または計測する手段が設けられていて、不純物の量が所定値以上となったときに、パージ手段が作動するようにすることが好ましい。本実施の形態では、セル１５に不純物が濃縮されるようになっているので、セル１５内の不純物の量を基準とすることで、適切なタイミングでパージすることが可能となる。ここで、不純物は、燃料オフガスに含まれる燃料ガス以外の成分とすることができる。具体的には、窒素、水および二酸化炭素などであり、これらの内の少なくとも１つの成分の量を推定または計測する。
【００４７】
例えば、不純物の堆積量の経時変化を予め把握しておき、所定時間が経過する毎にパージ弁８を開いてパージが行われるようにすることができる。また、セル１５の電圧を測定し、この値が所定値以下となったときに、パージ弁８が開くようにすることもできる。さらに、セル１５とセル１６の両方の電圧を測定し、これらの電圧差が所定値以上となったときに、パージ弁８が開くようにすることもできる。
【００４８】
以上述べたように、本発明では、排出マニホールドから特定のセルに燃料オフガスを積極的に流入させて、このセルに不純物が濃縮されるようにしている。これにより、他のセルに不純物が蓄積されるのを防げるので、セル毎に発電量がばらついてしまうのを抑制できる。すなわち、製造上の理由に起因した圧損の違いによって、セル間で不純物の堆積量にばらつきが生じ、ひいては発電量にばらつきが生じるのを抑制できる。
【００４９】
本発明において、燃料オフガスが流入するセルの電圧は、時間とともに低下する。しかしながら、他のセルの電圧低下は抑制されるので、燃料電池全体として見れば、発電特性を向上させることができる。
【００５０】
また、本発明において、燃料オフガスが流入するセルを基準にパージするタイミングを決定すれば、燃料電池全体として適切なタイミングでパージすることが可能となる。すなわち、従来は、圧損の違いによってセル電圧の低下傾向が異なるために、最適なパージのタイミングは各セル毎に異なっていた。このため、燃料電池全体として適切なタイミングでパージを行うのは困難であった。しかし、本発明によれば、セル電圧の低下は、主として燃料オフガスが流入するセルで起こるので、このセルを基準として考えれば十分である。
【００５１】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【００５２】
例えば、上記実施の形態では、燃料オフガスの出口側末端に位置するセルに不純物が蓄積されるようにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、出口側末端以外に位置するセルに不純物が蓄積されるようにしてもよい。但し、パージ手段を設ける場合には、出口側末端に位置するセルに不純物が蓄積されるようにするのが、配管の接続を容易とし、また、パージを効率よく行える点から好ましい。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、連通部の容積を小さくすることにより圧損の高いセルを作製したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、セル内における燃料ガスの流路長を長くすることによって、圧損の高いセルを作製することもできる。すなわち、本発明は、積層されて直列に接続された複数のセルと、セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、燃料オフガスの流路を閉じた状態で燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、複数のセルが、第１のセルと、第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、第１のセルおよび第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するものであれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、本発明におけるセル流路は、多孔質体流路であってもよく、溝流路であってもよい。例えば、膜−電極アッセンブリと、拡散層と、多孔質体流路と、セパレータとが積層されてなるセルにおいて、セパレータと拡散層の間に多孔質体流路を設け、この多孔質体流路から燃料ガスが触媒層に供給されるようにすることができる。また、セパレータに溝を設け、この溝を通って燃料ガスが供給されるようにしてもよい。さらに、圧損の高いセルのみを多孔質体流路とし、他のセルを溝流路とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１の燃料電池におけるガスの流れを模式的に示した図である。
【図３】（ａ）は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面模式図であり、（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ′線に沿う断面模式図である。
【図４】本実施の形態において、セル電圧の経時変化の一例である。
【図５】本実施の形態において、燃料電池におけるガスの流れを模式的に示した他の例である。
【図６】本実施の形態において、ガスの流量と圧損との関係の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
４ 加湿器
５ 空気調圧弁
６ 水素タンク
７ 水素調圧弁
８，２６ パージ弁
１０，１２ 流路
１１ セル積層体
１３ 供給マニホールド
１４ 排出マニホールド
１５，１６ セル
１７，２０，２５ 連通部
１８ セル流路
１９ アノード
２１ 空気供給マニホールド
２２ 冷却水供給マニホールド
２３ 空気排出マニホールド
２４ 冷却水排出マニホールド
２７ 弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記複数のセルは、第１のセルと、前記第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルの各々には、前記供給マニホールドと前記排出マニホールドの間に位置するセル流路が設けられていて、
前記複数のセルは、前記供給マニホールドと前記セル流路を接続する連通部の容積がＶ１である第１のセルと、前記連通部の容積がＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）である第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、前記容積Ｖ１は、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１のセルは、カソードの触媒層がカーボン担体でないことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記触媒層は、白金黒、白金微粒子層または白金合金微粒子層である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】
前記第１のセルには、燃料オフガスをパージするパージ手段が接続していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１のセル内の燃料オフガスに含まれる燃料ガス以外の成分の量を推定または計測する手段をさらに有し、
前記成分の量が所定値以上となったときに、前記パージ手段を作動させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記複数のセルは、第１のセルと、前記第１のセルよりガス流路抵抗の小さい第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、
ｒ＜ｎＲ
であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
積層されて直列に接続された複数のセルと、前記セルの各々に燃料ガスを分配する供給マニホールドと、前記セルの各々から燃料オフガスが排出される排出マニホールドとを備えた燃料電池を有し、
前記燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記セルの各々には、前記供給マニホールドと前記排出マニホールドの間に位置するセル流路が設けられていて、
前記複数のセルは、前記供給マニホールドと前記セル流路を接続する連通部の容積がＶ１である第１のセルと、前記連通部の容積がＶ２（Ｖ１＜Ｖ２）である第２のセルとからなり、
前記第２のセルの中で最もガス流路抵抗の大きいセルのガス流路抵抗をｒとし、前記第１のセルおよび前記第２のセルのガス流路抵抗を合成した値をＲとし、前記複数のセルの総数をｎ（ｎは２以上の整数）とすると、前記容積Ｖ１は、
ｒ＜ｎＲ
の関係が成立するようにして決定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１のセルは、カソードの触媒層がカーボン担体でないことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記触媒層は、白金黒、白金微粒子層または白金合金微粒子層である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】
前記第１のセルには、燃料オフガスをパージするパージ手段が接続していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１のセル内の燃料オフガスに含まれる燃料ガス以外の成分の量を推定または計測する手段をさらに有し、
前記成分の量が所定値以上となったときに、前記パージ手段を作動させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−４７３１６（Ｐ２００８−４７３１６Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１９２８０（Ｐ２００６−２１９２８０）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【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２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【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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