燃料電池システム
【課題】アノード側の排水性能を向上させる。
【解決手段】本発明は、アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備える。これにより、燃料電池システムの排水性能を向上させることができる。
【解決手段】本発明は、アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備える。これにより、燃料電池システムの排水性能を向上させることができる。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池スタックを流れる冷媒によって、冷却を必要とする被冷却機器の冷却を行うものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの外周面からの放熱によってガス出口マニホールド内で凝縮した生成水の排水性能が低いという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの排水性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムである。そしてその燃料電池システムが、燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池スタックをその底面側から昇温させることで、ガス出口マニホールドでの水蒸気の凝縮を抑制することができる。したがって、燃料電池システムの排水性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【図３】アノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】アノードガス出口マニホールド近傍の燃料電池スタックの外周面に電気ヒータを取り付けた様子を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるアノードガス出口マニホールド近傍の燃料電池スタックの外周面の昇温方法について説明する図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるウォータジャケットを設けた燃料電池スタックの斜視図である。
【図８】本発明のその他の実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１１】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
【００１２】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１３】
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１４】
図１は、本実施形態による燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、を備える。
【００１６】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については、図２及び図３を参照して後述する。
【００１７】
一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、例えば緻密質カーボンなどのガス不透過性の導電性部材で形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に電力を取り出すための出力端子６を備える。
【００１８】
一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、例えばゴムなど絶縁性の部材で形成される。
【００１９】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、例えば鋼などの剛性を備える金属性の材料で形成される。
【００２０】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水入口孔４１ａ及び冷却水出口孔４１ｂと、アノードガス入口孔４２ａ及びアノードガス出口孔４２ｂと、カソードガス入口孔４３ａ及びカソードガス出口孔４３ｂとが形成される。詳細には、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に、上から順にカソードガス入口孔４３ａ、冷却水入口孔４１ａ及びアノードガス出口孔４２ｂが形成される。エンドプレート４ｂの他端側（図中左側）に、上から順にアノードガス入口孔４２ａ、冷却水出口孔４１ｂ及びカソードガス出口孔４３ｂが形成される。
【００２１】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、他方のエンドプレート４ｂには、アノードガス出口孔４２ｂ（図示せず）のみが形成される。エンドプレート４ｂに形成されたアノードガス出口孔４２ｂは、一方のエンドプレート４ａに形成されたアノードガス出口孔４２ｂと対向するように設けられる。
【００２２】
以下では、図２及び図３を参照して、単セル１の構成について説明する。
【００２３】
図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【００２４】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。
【００２５】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００２６】
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２７】
アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００２８】
アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述するリブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。
【００２９】
カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。
【００３０】
なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６，３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６，３６によって１つの冷却水流路４１が形成される。
【００３１】
また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。冷却水流路４１を流れる冷却水は、カソードガスと同じ方向に流れており、紙面手前から奥へ流れている。
【００３２】
次に図３を参照して、アノードセパレータ２０について説明する。図３は、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。
【００３３】
図３に示すように、アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、アノードガス入口マニホールド２２ａ、冷却水出口マニホールド２１ｂ、カソードガス出口マニホールド２３ｂが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、カソードガス入口マニホールド２３ａ、冷却水入口マニホールド２１ａ、アノードガス出口マニホールド２２ｂが形成される。
【００３４】
アノードセパレータ２０の表面には、複数の溝状のガス流路２４が形成される。ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数のリブ２５の間に形成される流路である。
【００３５】
燃料電池スタック１０の内部では、アノードガス入口マニホールド２２ａが重なって単セル１の積層方向に延びる一本の通路となっており（図４参照）、アノードガスは、アノードガス入口孔４２ａからアノードガス入口マニホールド２２ａへと流れ込み、各アノードセパレータ２０のガス流路２４に供給される。このとき、アノードガス入口マニホールド２２ａへと流れ込んだアノードガスは、アノードガス入口マニホールド２２ａとガス流路２４との間に設けられるアノードガス拡散領域２７で拡散させられて、ガス流路２４に供給される。アノードガスはガス流路２４を流れながらアノード電極１１ｂと接する。これにより、アノード電極１１ｂでは、前述した式（１）の電極反応が生じる。
【００３６】
ガス流路２４で電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からガス流路２４へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）は、ガス流路２４とアノードガス出口マニホールド２２ｂとの間に設けられるアノードガス収束領域２８で収束させられて、アノードガス出口マニホールド２２ｂへ排出される。アノードガス出口マニホールド２２ｂも、燃料電池スタック１０の内部で重なって単セル１の積層方向に延びる一本の通路となっており（図４参照）、アノードオフガスは、アノードガス出口マニホールド２２ｂを流れてアノードガス出口孔４２ｂから燃料電池スタック１０の外部へ排出される。
【００３７】
以下では、アノードガス拡散領域２７とアノードガス収束領域２８との間のガス流路２４が形成されている領域、すなわち電極反応によって発熱している領域をアクティブエリア２９という。アクティブエリア２９は、アノードガス拡散領域２７及びアノードガス収束領域２８よりも相対的に温度が高くなる。
【００３８】
図４は、燃料電池スタック１０を使用した本実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００とは、アノードガス排出通路５５に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路５２に戻さないものをいう。
【００３９】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給装置５０と、スタック冷却装置６０と、コントローラ７０と、を備える。燃料電池スタック１０にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
【００４０】
アノードガス供給装置５０は、高圧タンク５１と、アノードガス供給通路５２と、調圧弁５３と、圧力センサ５４と、アノードガス排出通路５５と、バッファタンク５６と、パージ通路５７と、パージ弁５８と、を備える。
【００４１】
高圧タンク５１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００４２】
アノードガス供給通路５２は、高圧タンク５１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１０に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク５１に接続され、他端部が燃料電池スタック１０のアノードガス入口孔４２ａに接続される。
【００４３】
調圧弁５３は、アノードガス供給通路５２に設けられる。調圧弁５３は、高圧タンク５１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１０に供給する。調圧弁５３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７０によって制御される。
【００４４】
圧力センサ５４は、調圧弁５３よりも下流のアノードガス供給通路５２に設けられる。圧力センサ５４は、調圧弁５３よりも下流のアノードガス供給通路５２を流れるアノードガスの圧力（以下「アノード圧」という。）を検出する。
【００４５】
アノードガス排出通路５５は、一端が燃料電池スタック１０のアノードガス出口孔４２ｂに接続され、他端がバッファタンク５６の上部に接続される。アノードガス排出通路５５には、アノードオフガスが排出される。
【００４６】
バッファタンク５６は、アノードガス排出通路５５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク５６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
【００４７】
パージ通路５７は、一端部がバッファタンク５６の下部に接続される。パージ通路５７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク５６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路５７を通って開口端から外気へ排出される。
【００４８】
パージ弁５８は、パージ通路５７に設けられる。パージ弁５８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７０によって制御される。パージ弁５８の開度を調節することで、バッファタンク５６からパージ通路５７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク５６内のアノードガス濃度を所定の濃度となるように調節する。
【００４９】
スタック冷却装置６０は、冷却水循環通路６１と、冷却水循環ポンプ６２と、ラジエータ６３と、バイパス通路６４と、三方弁６５と、を備える。
【００５０】
冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水が流れる通路であって、第１循環通路６１ａと第２循環通路６１ｂとを備える。第１循環通路６１ａは、一端が燃料電池スタック１０の冷却水出口孔４１ｂに接続され、他端がラジエータ６３に接続される通路であって、冷却水出口孔４１ｂから排出された相対的に高温な冷却水が流れる通路である。第２循環通路６１ｂは、一端がラジエータ６３に接続され、他端が燃料電池スタック１０の冷却水入口孔４１ａに接続される通路であって、ラジエータ６３で冷やされた相対的に低温な冷却水が流れる通路である。
【００５１】
冷却水循環ポンプ６２は、第２循環通路６１ｂに設けられて、冷却水を循環させる。
【００５２】
ラジエータ６３は、冷却水循環通路６１に設けられて、燃料電池スタック１０から排出された冷却水を冷却する。
【００５３】
バイパス通路６４は、ラジエータ６３をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が第１循環通路６１ａに接続され、他端が三方弁６５に接続される。
【００５４】
三方弁６５は、第２循環通路６１ｂに設けられる。三方弁６５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１０から排出された冷却水が、ラジエータ６３を介して再び燃料電池スタック１０に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１０から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ６３を介さずにバイパス通路６４を流れて再び燃料電池スタック１０に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００５５】
コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００５６】
コントローラ７０には、前述した圧力センサ５４の他にも、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する電流センサ７１や燃料電池スタック１０を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ７２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ７３などの、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号が入力される。
【００５７】
コントローラ７０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁５３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁５８の開度を調節してバッファタンク５６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク５６内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。
【００５８】
ここで、発明者らの鋭意研究の結果、特に本実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００のように、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備えない燃料電池システムの場合、アノード側でフラッディングが発生しやすくなるという問題点があることがわかった。以下、この問題点について説明する。
【００５９】
アノードガス入口孔４２ａからアノードガス入口マニホールド２２ａを通ってガス流路２４に流れてきたアノードガスの一部は、電極反応によって消費される。残りの一部は、アノードオフガスとなってアノードガス出口マニホールド２２ｂを通り、アノードガス出口孔４２ｂからアノードガス排出通路５５に排出される。
【００６０】
このとき、アノードガス出口マニホールド２２ｂは、燃料電池スタック１０の外周面の近傍に設けられているので、アノードガス出口マニホールド２２ｂを流れるアノードオフガスは、燃料電池スタック１０の外周面から周囲の空気への放熱によって温度が下がりやすい。そのため、アノードガス出口マニホールド２２ｂでは、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮して生成水になりやすい。
【００６１】
ここで、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備える燃料電池システム（例えばアノードガス循環型の燃料電池システム）の場合は、ポンプの回転速度を増大させることで、アノードガス出口マニホールド２２ｂで凝縮した生成水をアノードオフガスと共にアノードガス排出通路５５へと押し出して、燃料電池スタック１０の外部へと排出させることができる。
【００６２】
しかしながら、本実施形態のようにアノードガスを圧送するポンプを備えないアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の場合は、アノードガス出口マニホールド２２ｂで凝縮した生成水を上記のような方法で燃料電池スタック１０の外部へと排出させることができない。そのため、アノードガス出口マニホールド２２ｂで水詰まりが発生しやすい。このような水詰まりはフラッディングの要因となり、アノードガス流路２４でのアノードガスの拡散を阻害し、電圧低下を生じさせることになる。
【００６３】
そこで本実施形態では、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制するために、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を取り付けることとした。
【００６４】
図５は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を取り付けた様子を示した図である。なお、図５では、理解を容易にするために、燃料電池スタック内部のアノードセパレータ２０の様子を破線で示した。
【００６５】
図５に示すように、本実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを昇温させることができるように、燃料電池スタック１０の外周面に複数の電気ヒータ８１を取り付ける。具体的には、
アノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂの下方の燃料電池スタック１０の底面と、アノードガス出口マニホールド２２ｂの側方の燃料電池スタック１０の側面とに、単セル１の積層方向に沿って電気ヒータ８１を取り付ける。
【００６６】
これにより、アクティブエリア２９よりも温度が低くなるアノードガス収束領域２８と、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱により温度が低下するアノードガス出口マニホールド２２ｂと、を温度調整のしやすい電気ヒータ８１によって暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００６７】
また、本実施形態では、アノードセパレータ２０の一端側の重力方向上側にアノードガス入口マニホールド２２ａを形成し、他端側の重力方向下側にアノードガス出口マニホールド２２ｂを形成した。つまり、アノードガス出口マニホールド２２ｂをアノードガス入口マニホールド２２ａよりも相対的に下側に形成し、アノードガス収束領域２８に存在する生成水を重力によってアノードガス出口マニホールド２２ｂへと排出できるようにした。
【００６８】
これにより、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備える燃料電池システムに比べてアノード側での排水性が低下する本実施形態のようなアノードガス非循環型の燃料電池システム１００において、アノード側での排水性を向上させることができる。
【００６９】
また、燃料電池スタック内部でのアノードガスの流れ方向に対して、カソードガス及び冷却水の流れ方向を反対向きとしたので、アクティブエリア２９内の温度分布を均一にすることができる。これにより、アクティブエリア２９内の温度と冷却水温度との温度差を小さくすることができるので、温度差によって生じる水蒸気の凝縮を抑えることができる。
【００７０】
また、本実施形態では、図４に示すように、一対のエンドプレート４ａ，４ｂのそれぞれにアノードガス出口孔４２ｂを設けた。
【００７１】
これにより、一対のエンドプレート４ａ，４ｂの一方にのみアノードガス出口孔４２ｂを設けた場合と比較して、アノードガス出口マニホールド２２ｂに流れ込んだアノードオフガスがアノードガス出口孔４２ｂまで到達するまでの距離を短くすることができる。そのため、アノードオフガスがアノードガス出口マニホールド２２ｂ内を流れている時間を短くすることができるので、アノードガス出口マニホールド２２ｂ内でのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮をより一層抑制することができる。
【００７２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、電力変換器８２の廃熱によって、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖める点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００７３】
図６は、本実施形態によるアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面の昇温方法について説明する図である。
【００７４】
図６に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の下に電力変換器８２を備える。電力変換器８２は、直流電力を交流電力に変換するインバータや、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇降圧させるコンバータなどをまとめたものである。
【００７５】
本実施形態では、この電力変換器８２内に収められたインバータ及びコンバータを構成する発熱性の各電子部品（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチやコンデンサ、リアクトルなど）８２１をアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍に配置させる。
【００７６】
これにより、各電子部品８２１の廃熱によってアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。また、昇温のための特別な部品を追加する必要がないので、システム全体のコスト増や大型化を抑制することができる。
【００７７】
また、本実施形態では、発熱性の各電子部品８２１の上方の空間を、熱伝導シート８２２で埋めることとした。これにより、各電子部品８２１の熱を効率的にアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍に伝達して、燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。
【００７８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面にウォータジャケット６６を設ける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００７９】
図７は、本実施形態によるウォータジャケット６６を設けた燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００８０】
本実施形態によるスタック冷却装置６０は、ウォータジャケット６６と、分岐通路６７と、をさらに備える。
【００８１】
ウォータジャケット６６は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に取り付けられる。ウォータジャケット６６は、燃料電池スタック１０の形状にあわせてＬ字形をしており、燃料電池スタック１０の側面に接する側面部６６１と、燃料電池スタック１０の底面に接する底面部６６２と、を備える。
【００８２】
側面部６６１は、アノードガス出口マニホールド２２ｂの側方に取り付けられる。
【００８３】
底面部６６２は、アノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂの下方に取り付けられる。
【００８４】
分岐通路６７は、燃料電池スタック１０から排出された相対的に高温な冷却水が流れ通路であって、第１分岐通路６７ａと、第２分岐通路６７ｂと、を備える。
【００８５】
第１分岐通路６７ａは、一端がバイパス通路６４との分岐点６４ａよりも上流の第１循環通路６１ａに接続され、他端がウォータジャケット６６の側面部６６１の上面に接続される。
【００８６】
第２分岐通路６６ｂは、一端がウォータジャケット６７の底面部６６２の左側面に接続され、他端が三方弁６５と冷却水ポンプ６２との間の第２循環通路６１ｂに接続される。
【００８７】
第１循環通路６１ａから分岐通路６７ａに流れ込んできた冷却水は、ウォータジャケット６６の側面部６６１の上面からウォータジャケット６６内に流れ込む。そして、ウォータジャケット６６の側面部６６１から底面部６６２を経由して、底面部６６２の左側面から第２分岐通路６７ｂへ排出される。
【００８８】
これにより、ウォータジャケット６６を流れる冷却水によって、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００８９】
また、ウォータジャケット６６内の冷却水が、アノードガス出口マニホールド２２の側方及び下方を通ってからアノードガス収束領域２８の下方を通って流れるので、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱の影響を受けやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂを、最も高温な状態の冷却水で昇温させることができる。これにより、効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００９０】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００９１】
例えば、上記の各実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを昇温させていたが、アノードガス出口マニホールド２２ｂを集中的に昇温させることができるように、電気ヒータ８１や電力変換器８２内の各電子部品８２１、ウォータジャケット６６を配置しても良い。
【００９２】
これにより、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮しやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂを集中的に昇温させることでき、アノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を集中的に投入することができる。したがって、効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００９３】
また、上記第１及び第２実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを均等に昇温させていたが、第３実施形態のようにアノードガスの流れ方向に沿って熱源の熱量が増加するように昇温させても良い。
【００９４】
アノードガスの流れ方向に沿って熱源の熱量を増加させる場合、第１実施形態であれば、アノードガス出口マニホールド２２ｂの周りの燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を多く取り付ければ良い。第２実施形態であれば、アノードガス出口マニホールド２２ｂの下方に発熱性の各電子部品８２１を多く配置させれば良い。
【００９５】
これにより、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮しやすさに応じた熱量を熱源からアノードガス出口マニホールド２２ｂ及びアノードガス収束領域２８に投入することができる。つまり、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱の影響を受けやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を多く投入することができるので、より効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００９６】
また、上記の各実施形態では、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備えない燃料電池システムとしてアノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に説明したが、これに限られるものではない。アノードガス循環型の燃料電池システムであっても、アノードガスを循環させるポンプを備えない燃料電池システムであれば良い。
【００９７】
また、上記の各実施形態では、単セル１の積層方向に沿って、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面全体を覆うように電気ヒータ８１や電力変換器８２内の各電子部品８２１、ウォータジャケット６６を配置していたが、これに限られるものではない。
【００９８】
例えば、図８に示すように、単セル１の積層方向の両端部のみを電気ヒータ８１等によって昇温させても良い。そしてこのとき、アノードガス出口孔４２ｂ側にいくほど、熱量が増加するようにしても良い。これにより、放熱の影響が最も大きいアノードガス出口孔４２ｂ近傍のアノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を多く投入することができるので、より効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０ 燃料電池スタック
２２ａ アノードガス入口マニホールド
２２ｂ アノードガス出口マニホールド
２９ アクティブエリア
４２ｂ アノードガス出口孔
６０ スタック冷却装置（冷却装置）
６６ ウォータジャケット（昇温部）
８１ 電気ヒータ（昇温部）
８２ 電力変換器（昇温部）
８２１ 電子部品（発熱性電子部品）
１００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池スタックを流れる冷媒によって、冷却を必要とする被冷却機器の冷却を行うものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの外周面からの放熱によってガス出口マニホールド内で凝縮した生成水の排水性能が低いという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの排水性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムである。そしてその燃料電池システムが、燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池スタックをその底面側から昇温させることで、ガス出口マニホールドでの水蒸気の凝縮を抑制することができる。したがって、燃料電池システムの排水性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【図３】アノードセパレータをアノード電極側から見た平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】アノードガス出口マニホールド近傍の燃料電池スタックの外周面に電気ヒータを取り付けた様子を示した図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるアノードガス出口マニホールド近傍の燃料電池スタックの外周面の昇温方法について説明する図である。
【図７】本発明の第３実施形態によるウォータジャケットを設けた燃料電池スタックの斜視図である。
【図８】本発明のその他の実施形態による燃料電池スタックの斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１１】
アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
【００１２】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１３】
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１４】
図１は、本実施形態による燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、を備える。
【００１６】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については、図２及び図３を参照して後述する。
【００１７】
一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、例えば緻密質カーボンなどのガス不透過性の導電性部材で形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に電力を取り出すための出力端子６を備える。
【００１８】
一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、例えばゴムなど絶縁性の部材で形成される。
【００１９】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、例えば鋼などの剛性を備える金属性の材料で形成される。
【００２０】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水入口孔４１ａ及び冷却水出口孔４１ｂと、アノードガス入口孔４２ａ及びアノードガス出口孔４２ｂと、カソードガス入口孔４３ａ及びカソードガス出口孔４３ｂとが形成される。詳細には、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に、上から順にカソードガス入口孔４３ａ、冷却水入口孔４１ａ及びアノードガス出口孔４２ｂが形成される。エンドプレート４ｂの他端側（図中左側）に、上から順にアノードガス入口孔４２ａ、冷却水出口孔４１ｂ及びカソードガス出口孔４３ｂが形成される。
【００２１】
一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、他方のエンドプレート４ｂには、アノードガス出口孔４２ｂ（図示せず）のみが形成される。エンドプレート４ｂに形成されたアノードガス出口孔４２ｂは、一方のエンドプレート４ａに形成されたアノードガス出口孔４２ｂと対向するように設けられる。
【００２２】
以下では、図２及び図３を参照して、単セル１の構成について説明する。
【００２３】
図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【００２４】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。
【００２５】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００２６】
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００２７】
アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００２８】
アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述するリブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。
【００２９】
カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。
【００３０】
なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６，３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６，３６によって１つの冷却水流路４１が形成される。
【００３１】
また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。冷却水流路４１を流れる冷却水は、カソードガスと同じ方向に流れており、紙面手前から奥へ流れている。
【００３２】
次に図３を参照して、アノードセパレータ２０について説明する。図３は、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。
【００３３】
図３に示すように、アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、アノードガス入口マニホールド２２ａ、冷却水出口マニホールド２１ｂ、カソードガス出口マニホールド２３ｂが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、カソードガス入口マニホールド２３ａ、冷却水入口マニホールド２１ａ、アノードガス出口マニホールド２２ｂが形成される。
【００３４】
アノードセパレータ２０の表面には、複数の溝状のガス流路２４が形成される。ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数のリブ２５の間に形成される流路である。
【００３５】
燃料電池スタック１０の内部では、アノードガス入口マニホールド２２ａが重なって単セル１の積層方向に延びる一本の通路となっており（図４参照）、アノードガスは、アノードガス入口孔４２ａからアノードガス入口マニホールド２２ａへと流れ込み、各アノードセパレータ２０のガス流路２４に供給される。このとき、アノードガス入口マニホールド２２ａへと流れ込んだアノードガスは、アノードガス入口マニホールド２２ａとガス流路２４との間に設けられるアノードガス拡散領域２７で拡散させられて、ガス流路２４に供給される。アノードガスはガス流路２４を流れながらアノード電極１１ｂと接する。これにより、アノード電極１１ｂでは、前述した式（１）の電極反応が生じる。
【００３６】
ガス流路２４で電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からガス流路２４へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）は、ガス流路２４とアノードガス出口マニホールド２２ｂとの間に設けられるアノードガス収束領域２８で収束させられて、アノードガス出口マニホールド２２ｂへ排出される。アノードガス出口マニホールド２２ｂも、燃料電池スタック１０の内部で重なって単セル１の積層方向に延びる一本の通路となっており（図４参照）、アノードオフガスは、アノードガス出口マニホールド２２ｂを流れてアノードガス出口孔４２ｂから燃料電池スタック１０の外部へ排出される。
【００３７】
以下では、アノードガス拡散領域２７とアノードガス収束領域２８との間のガス流路２４が形成されている領域、すなわち電極反応によって発熱している領域をアクティブエリア２９という。アクティブエリア２９は、アノードガス拡散領域２７及びアノードガス収束領域２８よりも相対的に温度が高くなる。
【００３８】
図４は、燃料電池スタック１０を使用した本実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の概略構成図である。アノードガス非循環型の燃料電池システム１００とは、アノードガス排出通路５５に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路５２に戻さないものをいう。
【００３９】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給装置５０と、スタック冷却装置６０と、コントローラ７０と、を備える。燃料電池スタック１０にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
【００４０】
アノードガス供給装置５０は、高圧タンク５１と、アノードガス供給通路５２と、調圧弁５３と、圧力センサ５４と、アノードガス排出通路５５と、バッファタンク５６と、パージ通路５７と、パージ弁５８と、を備える。
【００４１】
高圧タンク５１は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００４２】
アノードガス供給通路５２は、高圧タンク５１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック１０に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク５１に接続され、他端部が燃料電池スタック１０のアノードガス入口孔４２ａに接続される。
【００４３】
調圧弁５３は、アノードガス供給通路５２に設けられる。調圧弁５３は、高圧タンク５１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック１０に供給する。調圧弁５３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７０によって制御される。
【００４４】
圧力センサ５４は、調圧弁５３よりも下流のアノードガス供給通路５２に設けられる。圧力センサ５４は、調圧弁５３よりも下流のアノードガス供給通路５２を流れるアノードガスの圧力（以下「アノード圧」という。）を検出する。
【００４５】
アノードガス排出通路５５は、一端が燃料電池スタック１０のアノードガス出口孔４２ｂに接続され、他端がバッファタンク５６の上部に接続される。アノードガス排出通路５５には、アノードオフガスが排出される。
【００４６】
バッファタンク５６は、アノードガス排出通路５５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク５６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
【００４７】
パージ通路５７は、一端部がバッファタンク５６の下部に接続される。パージ通路５７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク５６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路５７を通って開口端から外気へ排出される。
【００４８】
パージ弁５８は、パージ通路５７に設けられる。パージ弁５８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７０によって制御される。パージ弁５８の開度を調節することで、バッファタンク５６からパージ通路５７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、バッファタンク５６内のアノードガス濃度を所定の濃度となるように調節する。
【００４９】
スタック冷却装置６０は、冷却水循環通路６１と、冷却水循環ポンプ６２と、ラジエータ６３と、バイパス通路６４と、三方弁６５と、を備える。
【００５０】
冷却水循環通路６１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水が流れる通路であって、第１循環通路６１ａと第２循環通路６１ｂとを備える。第１循環通路６１ａは、一端が燃料電池スタック１０の冷却水出口孔４１ｂに接続され、他端がラジエータ６３に接続される通路であって、冷却水出口孔４１ｂから排出された相対的に高温な冷却水が流れる通路である。第２循環通路６１ｂは、一端がラジエータ６３に接続され、他端が燃料電池スタック１０の冷却水入口孔４１ａに接続される通路であって、ラジエータ６３で冷やされた相対的に低温な冷却水が流れる通路である。
【００５１】
冷却水循環ポンプ６２は、第２循環通路６１ｂに設けられて、冷却水を循環させる。
【００５２】
ラジエータ６３は、冷却水循環通路６１に設けられて、燃料電池スタック１０から排出された冷却水を冷却する。
【００５３】
バイパス通路６４は、ラジエータ６３をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が第１循環通路６１ａに接続され、他端が三方弁６５に接続される。
【００５４】
三方弁６５は、第２循環通路６１ｂに設けられる。三方弁６５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１０から排出された冷却水が、ラジエータ６３を介して再び燃料電池スタック１０に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１０から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ６３を介さずにバイパス通路６４を流れて再び燃料電池スタック１０に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００５５】
コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００５６】
コントローラ７０には、前述した圧力センサ５４の他にも、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する電流センサ７１や燃料電池スタック１０を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する温度センサ７２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ７３などの、燃料電池システム１００の運転状態を検出するための信号が入力される。
【００５７】
コントローラ７０は、これらの入力信号に基づいて調圧弁５３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁５８の開度を調節してバッファタンク５６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンク５６内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。
【００５８】
ここで、発明者らの鋭意研究の結果、特に本実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１００のように、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備えない燃料電池システムの場合、アノード側でフラッディングが発生しやすくなるという問題点があることがわかった。以下、この問題点について説明する。
【００５９】
アノードガス入口孔４２ａからアノードガス入口マニホールド２２ａを通ってガス流路２４に流れてきたアノードガスの一部は、電極反応によって消費される。残りの一部は、アノードオフガスとなってアノードガス出口マニホールド２２ｂを通り、アノードガス出口孔４２ｂからアノードガス排出通路５５に排出される。
【００６０】
このとき、アノードガス出口マニホールド２２ｂは、燃料電池スタック１０の外周面の近傍に設けられているので、アノードガス出口マニホールド２２ｂを流れるアノードオフガスは、燃料電池スタック１０の外周面から周囲の空気への放熱によって温度が下がりやすい。そのため、アノードガス出口マニホールド２２ｂでは、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮して生成水になりやすい。
【００６１】
ここで、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備える燃料電池システム（例えばアノードガス循環型の燃料電池システム）の場合は、ポンプの回転速度を増大させることで、アノードガス出口マニホールド２２ｂで凝縮した生成水をアノードオフガスと共にアノードガス排出通路５５へと押し出して、燃料電池スタック１０の外部へと排出させることができる。
【００６２】
しかしながら、本実施形態のようにアノードガスを圧送するポンプを備えないアノードガス非循環型の燃料電池システム１００の場合は、アノードガス出口マニホールド２２ｂで凝縮した生成水を上記のような方法で燃料電池スタック１０の外部へと排出させることができない。そのため、アノードガス出口マニホールド２２ｂで水詰まりが発生しやすい。このような水詰まりはフラッディングの要因となり、アノードガス流路２４でのアノードガスの拡散を阻害し、電圧低下を生じさせることになる。
【００６３】
そこで本実施形態では、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制するために、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を取り付けることとした。
【００６４】
図５は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を取り付けた様子を示した図である。なお、図５では、理解を容易にするために、燃料電池スタック内部のアノードセパレータ２０の様子を破線で示した。
【００６５】
図５に示すように、本実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを昇温させることができるように、燃料電池スタック１０の外周面に複数の電気ヒータ８１を取り付ける。具体的には、
アノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂの下方の燃料電池スタック１０の底面と、アノードガス出口マニホールド２２ｂの側方の燃料電池スタック１０の側面とに、単セル１の積層方向に沿って電気ヒータ８１を取り付ける。
【００６６】
これにより、アクティブエリア２９よりも温度が低くなるアノードガス収束領域２８と、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱により温度が低下するアノードガス出口マニホールド２２ｂと、を温度調整のしやすい電気ヒータ８１によって暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００６７】
また、本実施形態では、アノードセパレータ２０の一端側の重力方向上側にアノードガス入口マニホールド２２ａを形成し、他端側の重力方向下側にアノードガス出口マニホールド２２ｂを形成した。つまり、アノードガス出口マニホールド２２ｂをアノードガス入口マニホールド２２ａよりも相対的に下側に形成し、アノードガス収束領域２８に存在する生成水を重力によってアノードガス出口マニホールド２２ｂへと排出できるようにした。
【００６８】
これにより、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備える燃料電池システムに比べてアノード側での排水性が低下する本実施形態のようなアノードガス非循環型の燃料電池システム１００において、アノード側での排水性を向上させることができる。
【００６９】
また、燃料電池スタック内部でのアノードガスの流れ方向に対して、カソードガス及び冷却水の流れ方向を反対向きとしたので、アクティブエリア２９内の温度分布を均一にすることができる。これにより、アクティブエリア２９内の温度と冷却水温度との温度差を小さくすることができるので、温度差によって生じる水蒸気の凝縮を抑えることができる。
【００７０】
また、本実施形態では、図４に示すように、一対のエンドプレート４ａ，４ｂのそれぞれにアノードガス出口孔４２ｂを設けた。
【００７１】
これにより、一対のエンドプレート４ａ，４ｂの一方にのみアノードガス出口孔４２ｂを設けた場合と比較して、アノードガス出口マニホールド２２ｂに流れ込んだアノードオフガスがアノードガス出口孔４２ｂまで到達するまでの距離を短くすることができる。そのため、アノードオフガスがアノードガス出口マニホールド２２ｂ内を流れている時間を短くすることができるので、アノードガス出口マニホールド２２ｂ内でのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮をより一層抑制することができる。
【００７２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、電力変換器８２の廃熱によって、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖める点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００７３】
図６は、本実施形態によるアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面の昇温方法について説明する図である。
【００７４】
図６に示すように、本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の下に電力変換器８２を備える。電力変換器８２は、直流電力を交流電力に変換するインバータや、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇降圧させるコンバータなどをまとめたものである。
【００７５】
本実施形態では、この電力変換器８２内に収められたインバータ及びコンバータを構成する発熱性の各電子部品（ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチやコンデンサ、リアクトルなど）８２１をアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍に配置させる。
【００７６】
これにより、各電子部品８２１の廃熱によってアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。また、昇温のための特別な部品を追加する必要がないので、システム全体のコスト増や大型化を抑制することができる。
【００７７】
また、本実施形態では、発熱性の各電子部品８２１の上方の空間を、熱伝導シート８２２で埋めることとした。これにより、各電子部品８２１の熱を効率的にアノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍に伝達して、燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。
【００７８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面にウォータジャケット６６を設ける点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００７９】
図７は、本実施形態によるウォータジャケット６６を設けた燃料電池スタック１０の斜視図である。
【００８０】
本実施形態によるスタック冷却装置６０は、ウォータジャケット６６と、分岐通路６７と、をさらに備える。
【００８１】
ウォータジャケット６６は、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面に取り付けられる。ウォータジャケット６６は、燃料電池スタック１０の形状にあわせてＬ字形をしており、燃料電池スタック１０の側面に接する側面部６６１と、燃料電池スタック１０の底面に接する底面部６６２と、を備える。
【００８２】
側面部６６１は、アノードガス出口マニホールド２２ｂの側方に取り付けられる。
【００８３】
底面部６６２は、アノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂの下方に取り付けられる。
【００８４】
分岐通路６７は、燃料電池スタック１０から排出された相対的に高温な冷却水が流れ通路であって、第１分岐通路６７ａと、第２分岐通路６７ｂと、を備える。
【００８５】
第１分岐通路６７ａは、一端がバイパス通路６４との分岐点６４ａよりも上流の第１循環通路６１ａに接続され、他端がウォータジャケット６６の側面部６６１の上面に接続される。
【００８６】
第２分岐通路６６ｂは、一端がウォータジャケット６７の底面部６６２の左側面に接続され、他端が三方弁６５と冷却水ポンプ６２との間の第２循環通路６１ｂに接続される。
【００８７】
第１循環通路６１ａから分岐通路６７ａに流れ込んできた冷却水は、ウォータジャケット６６の側面部６６１の上面からウォータジャケット６６内に流れ込む。そして、ウォータジャケット６６の側面部６６１から底面部６６２を経由して、底面部６６２の左側面から第２分岐通路６７ｂへ排出される。
【００８８】
これにより、ウォータジャケット６６を流れる冷却水によって、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面を暖めることができる。よって、アノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができるので、アノード側でのフラッディングを抑制することができる。
【００８９】
また、ウォータジャケット６６内の冷却水が、アノードガス出口マニホールド２２の側方及び下方を通ってからアノードガス収束領域２８の下方を通って流れるので、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱の影響を受けやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂを、最も高温な状態の冷却水で昇温させることができる。これにより、効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００９０】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００９１】
例えば、上記の各実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを昇温させていたが、アノードガス出口マニホールド２２ｂを集中的に昇温させることができるように、電気ヒータ８１や電力変換器８２内の各電子部品８２１、ウォータジャケット６６を配置しても良い。
【００９２】
これにより、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮しやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂを集中的に昇温させることでき、アノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を集中的に投入することができる。したがって、効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００９３】
また、上記第１及び第２実施形態では、アクティブエリア２９よりも下流のアノードガス収束領域２８及びアノードガス出口マニホールド２２ｂを均等に昇温させていたが、第３実施形態のようにアノードガスの流れ方向に沿って熱源の熱量が増加するように昇温させても良い。
【００９４】
アノードガスの流れ方向に沿って熱源の熱量を増加させる場合、第１実施形態であれば、アノードガス出口マニホールド２２ｂの周りの燃料電池スタック１０の外周面に電気ヒータ８１を多く取り付ければ良い。第２実施形態であれば、アノードガス出口マニホールド２２ｂの下方に発熱性の各電子部品８２１を多く配置させれば良い。
【００９５】
これにより、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮しやすさに応じた熱量を熱源からアノードガス出口マニホールド２２ｂ及びアノードガス収束領域２８に投入することができる。つまり、燃料電池スタック１０の外周面からの放熱の影響を受けやすいアノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を多く投入することができるので、より効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【００９６】
また、上記の各実施形態では、燃料電池スタック１０にアノードガスを圧送するポンプを備えない燃料電池システムとしてアノードガス非循環型の燃料電池システム１００を例に説明したが、これに限られるものではない。アノードガス循環型の燃料電池システムであっても、アノードガスを循環させるポンプを備えない燃料電池システムであれば良い。
【００９７】
また、上記の各実施形態では、単セル１の積層方向に沿って、アノードガス出口マニホールド２２ｂ近傍の燃料電池スタック１０の外周面全体を覆うように電気ヒータ８１や電力変換器８２内の各電子部品８２１、ウォータジャケット６６を配置していたが、これに限られるものではない。
【００９８】
例えば、図８に示すように、単セル１の積層方向の両端部のみを電気ヒータ８１等によって昇温させても良い。そしてこのとき、アノードガス出口孔４２ｂ側にいくほど、熱量が増加するようにしても良い。これにより、放熱の影響が最も大きいアノードガス出口孔４２ｂ近傍のアノードガス出口マニホールド２２ｂに熱源の熱量を多く投入することができるので、より効率良くアノードガス出口マニホールド２２ｂでのアノードオフガス中の水蒸気の凝縮を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０ 燃料電池スタック
２２ａ アノードガス入口マニホールド
２２ｂ アノードガス出口マニホールド
２９ アクティブエリア
４２ｂ アノードガス出口孔
６０ スタック冷却装置（冷却装置）
６６ ウォータジャケット（昇温部）
８１ 電気ヒータ（昇温部）
８２ 電力変換器（昇温部）
８２１ 電子部品（発熱性電子部品）
１００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、前記単セルの積層方向に延びるとともに前記燃料電池スタックから排出されるオフガスが流入する出口マニホールドを備え、
前記出口マニホールド内のオフガスが前記昇温部によって温められるように、前記出口マニホールドを前記燃料電池スタックの底面近傍に配置させる、
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】
前記燃料電池システムは、アノードガスを圧送するポンプを備えないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、
前記出口マニホールドは、アノードオフガスが流入するアノードガス出口マニホールドである、
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】
前記単セルは、電極反応によって発熱しているアクティブエリアと、前記アクティブエリアを通過したアノードオフガスを前記アノードガス出口マニホールドに導入するガス収束領域とを備え、
前記昇温部は、前記単セルのガス収束領域及び前記アノードガス出口マニホールドの下方となる前記燃料電池スタックの底面に設けられる、
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】
前記単セルの積層方向に対して直交するアノードガスの流れ方向に沿って相対的に投入熱量が増加するように、前記燃料電池スタックの底面に設けられる、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記昇温部は電気ヒータである、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記昇温部は、前記燃料電池スタックの下方に設けられた電力変換器内部の発熱性電子部品である、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックを冷却する冷却水を循環させる冷却装置を備え、
前記昇温部は、前記燃料電池を冷却した相対的に高温な冷却水が流入するウォータジャケットである、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックは、前記アノードガス出口マニホールドを介してアノードオフガスを前記燃料電池スタックの外部に排出するアノードガス出口孔を複数有する、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックを冷却する冷却水を循環させる冷却装置を備え、
前記燃料電池スタック内でのカソードガス及び冷却水の流れ方向を、前記燃料電池スタック内でのアノードガスの流れ方向に対して反対向きとした、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックのアノードガス出口マニホールドは、その燃料電池スタックのアノードガス入口マニホールドよりも重力方向下側に設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記昇温部は、前記燃料電池スタックの単セル積層方向端部に設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを、単セルを積層した燃料電池スタックに供給して発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックをその底面側から昇温させる昇温部を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、前記単セルの積層方向に延びるとともに前記燃料電池スタックから排出されるオフガスが流入する出口マニホールドを備え、
前記出口マニホールド内のオフガスが前記昇温部によって温められるように、前記出口マニホールドを前記燃料電池スタックの底面近傍に配置させる、
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】
前記燃料電池システムは、アノードガスを圧送するポンプを備えないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、
前記出口マニホールドは、アノードオフガスが流入するアノードガス出口マニホールドである、
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】
前記単セルは、電極反応によって発熱しているアクティブエリアと、前記アクティブエリアを通過したアノードオフガスを前記アノードガス出口マニホールドに導入するガス収束領域とを備え、
前記昇温部は、前記単セルのガス収束領域及び前記アノードガス出口マニホールドの下方となる前記燃料電池スタックの底面に設けられる、
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】
前記単セルの積層方向に対して直交するアノードガスの流れ方向に沿って相対的に投入熱量が増加するように、前記燃料電池スタックの底面に設けられる、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記昇温部は電気ヒータである、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記昇温部は、前記燃料電池スタックの下方に設けられた電力変換器内部の発熱性電子部品である、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックを冷却する冷却水を循環させる冷却装置を備え、
前記昇温部は、前記燃料電池を冷却した相対的に高温な冷却水が流入するウォータジャケットである、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックは、前記アノードガス出口マニホールドを介してアノードオフガスを前記燃料電池スタックの外部に排出するアノードガス出口孔を複数有する、
ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックを冷却する冷却水を循環させる冷却装置を備え、
前記燃料電池スタック内でのカソードガス及び冷却水の流れ方向を、前記燃料電池スタック内でのアノードガスの流れ方向に対して反対向きとした、
ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックのアノードガス出口マニホールドは、その燃料電池スタックのアノードガス入口マニホールドよりも重力方向下側に設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記昇温部は、前記燃料電池スタックの単セル積層方向端部に設けられる、
ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１つ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７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１１００７０（Ｐ２０１３−１１００７０Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６２８４（Ｐ２０１１−２５６２８４）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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