特許 6702173 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6702173

(24)【登録日】2020年5月11日

(45)【発行日】2020年5月27日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20200518BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/04 N

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-249070(P2016-249070)

(22)【出願日】2016年12月22日

(65)【公開番号】特開2018-106818(P2018-106818A)

(43)【公開日】2018年7月5日

【審査請求日】2019年2月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新美 洋介

(72)【発明者】

【氏名】畑▲崎▼ 美保

(72)【発明者】

【氏名】角川 優

(72)【発明者】

【氏名】田林 政則

(72)【発明者】

【氏名】山本 隆士

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 茂樹

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１６５５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８１８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１６０３５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１０８５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７１５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８０５７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
酸化ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する第１〜第３サブスタック（１２１〜１２３）と、
燃料タンク（１０１）から前記第１〜第３サブスタックに対して各燃料ガスを導入する燃料供給路（１０３）と、
前記第１〜第３サブスタックへの前記燃料ガスの供給を制御する燃料供給部（１１１〜１１３）と、
前記第１〜第３サブスタックから排出された前記燃料ガスを集合させて前記燃料ガスを排出する排出遮断弁（１０４）へと導く燃料排出路（１０５）と、
前記燃料排出路を通じて前記燃料ガスが前記第１サブスタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第１の逆流防止機構（１６１）と、
前記燃料排出路を通じて前記燃料ガスが前記第２サブスタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第２の逆流防止機構（１６２）と、
前記燃料排出路を通じて前記燃料ガスが前記第３サブスタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第３の逆流防止機構（１６３）と、
前記第１〜第３サブスタックに対して個別に配置され前記燃料排出路により集合させられた前記燃料ガスを前記第１〜第３サブスタックの各燃料ガス導入口へと導く循環路（１７０ａ〜１７０ｃ）と、
前記排出遮断弁を閉口させるとともに、前記第１〜第３サブスタックのうちの１つのサブスタックに前記燃料ガスを供給させ、前記第１〜第３サブスタックのうちの残りのサブスタックへの前記燃料ガスの供給を停止させるよう燃料供給部を制御する制御部（２００）と、を備えた燃料電池システム。

【請求項2】

前記第１〜第３の逆流防止機構は、第１逆流防止機構であり、
前記第１〜第３サブスタックに対して個別に配置され、前記燃料供給部から前記第１〜第３サブスタックに前記燃料ガスを供給する流路に前記循環路からの前記燃料ガスを合流させる第１〜第３合流部（１９１〜１９３）と、
前記循環路に配置され、前記第１〜第３合流部から前記循環路側への前記燃料ガスの流入を防止する第２逆流防止機構（１８１〜１８３）と、を備えた請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記第１サブスタックと第１の逆流防止機構との間に配置され、前記第１サブスタックから排出された前記燃料ガスに含まれる気体と液体を分離する第１の気液分離器（１５１）と、
前記第２サブスタックと第２の逆流防止機構との間に配置され、前記第２サブスタックから排出された前記燃料ガスに含まれる気体と液体を分離する第２の気液分離器（１５２）と、
前記第３サブスタックと第３の逆流防止機構との間に配置され、前記第３サブスタックから排出された前記燃料ガスに含まれる気体と液体を分離する第３の気液分離器（１５３）と、を備えた請求項１または２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記第１〜第３サブスタックの各インピーダンスを測定するインピーダンス測定部（１３１〜１３３）を備え、
前記制御部は、
前記インピーダンス測定部により測定された前記インピーダンスに基づいて前記第１〜第３サブスタックのうち１つでも排水不良が生じている前記サブスタックがあるか否かを判定する排水性不良判定部（Ｓ１０２）と、
前記排水性不良判定部により前記第１〜第３サブスタックのうち１つでも排水不良が生じている前記サブスタックがあると判定された場合、最も排水不良となっている前記サブスタックに前記燃料ガスを供給し、残りの前記サブスタックへの前記燃料ガスの供給を停止させるよう前記燃料供給部を制御する燃料供給制御部（Ｓ１０４）と、を備えた請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料供給制御部は、第１燃料供給制御部であり、
前記制御部は、前記排水性不良判定部により前記第１〜第３サブスタックのうち１つも排水不良が生じている前記サブスタックがないと判定された場合、前記インピーダンス測定部により測定された前記インピーダンスに基づいて前記第１〜第３サブスタックのうち最も前記燃料ガス中の水素分圧値の低い前記サブスタックに前記燃料ガスを供給し、残りの前記サブスタックへの前記燃料ガスの供給を停止させるよう前記燃料供給部を制御する第２燃料供給制御部（Ｓ１０６）を備えた請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃料排出路で集合した前記燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部（１０９）を備え、
前記制御部は、前記圧力検出部により検出された前記燃料ガスの圧力が所定値より大きいか否かを判定する圧力判定部（Ｓ１００）を備え、
前記燃料供給制御部は、前記圧力判定部により前記圧力検出部により検出された前記燃料ガスの圧力が所定値未満であると判定され、かつ、前記排水性不良判定部により前記第１〜第３サブスタックのうち１つでも排水不良が生じている前記サブスタックがあると判定された場合、最も排水不良となっている前記サブスタックに前記燃料ガスを供給し、残りの前記サブスタックへの前記燃料ガスの供給を停止させるよう前記燃料供給部を制御する請求項４に記載の燃料電池システム。

【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ものである。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１、２に記載された燃料電池システムがある。特許文献１に記載されたシステムは、複数のガス通路が入口マニホールドと出口マニホールドとの間で並列に接続された燃料電池スタックと、入口マニホールドに燃料ガスを供給するガス供給部と、アノードガス通路から出口マニホールドを介して排出された燃料ガスが流入する貯留部と、を備えている。

【0003】

このシステムは、さらに、貯留部と入口マニホールドとを接続する循環路と、燃料電池スタック、貯留部および循環路を燃料ガスが循環するよう入口マニホールドに供給する燃料ガスの供給および遮断を制御する循環制御部と、を備えている。そして、燃料ガス供給部の制御状態を燃料ガス供給量の少ない第１制御状態に設定して貯留部内を減圧させる第１の処理と、燃料ガス供給部の制御状態を燃料ガス供給量の多い第２制御状態に設定する第２処理と、を繰り返し実行する。これにより、燃料を循環させるポンプを備えることなく、燃料電池スタック、貯留部および循環路を経由して燃料電池スタックへ戻る流路内に燃料ガスを循環させることができるようになっている。

【0004】

また、特許文献２に記載されたシステムは、燃料電池が水素ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つサブスタックを接続するとともに各サブスタックの燃料ガス受入口に水素ガスボンベを接続するよう構成されている。このシステムは、さらに、サブスタック同士の間の燃料ガスの流通経路にドレントラップを配設し、水素ガスボンベと各サブスタック同士の間の燃料ガスの流通経路にそれぞれバルブを設けている。このシステムは、さらに、水素ガスの流通方向最上流側および最下流側に位置するサブスタックを切り替えるようにバルブを制御する制御装置を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−１０８５３６号公報

【特許文献2】特開２００８−１４７１７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１に記載されたシステムでは、燃料電池スタックに流入する燃料ガスの流入量はシステムの負荷や貯留部の容量で決まる。このため、燃料電池スタックに流入する燃料ガスの流入量が少ないと、電気化学反応に伴って生じた生成水等の不純物が燃料電池スタック内の燃料ガスが流れる流路に貯まってしまうといった現象が生じる。このように不純物が燃料電池スタック内の燃料ガスが流れる流路に貯まってしまうと、発電効率が低下してしまうという問題がある。

【0007】

また、上記特許文献２に記載されたシステムは、燃料ガスの流通方向上流側に位置するサブスタックに、このサブスタックに供給すべき燃料ガスに加えて、そのサブスタックより燃料ガスの流通方向下流側に位置するサブスタックに供給される燃料ガスも流れることになる。このため、燃料ガスの流通方向上流側に位置するサブスタックの不純物の排出性を向上することが可能となる。

【0008】

しかし、このように燃料ガスの流通経路を直列ループ状にするように３つサブスタックを接続した構成の場合、各サブスタックを流れる燃料ガスの流動抵抗が大きくなるので、燃料ガスの供給速度が遅くなる。このため、燃料ガスを供給してから速やかに発電することができなくなってしまうとう問題がある。

【0009】

本発明は上記問題に鑑みたもので、燃料電池スタック内の不純物の排出性を向上するとともに、燃料ガスを供給してから速やかに発電できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池システムであって、酸化ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する第１〜第３の燃料電池スタック（１２１〜１２３）と、燃料タンク（１０１）から第１〜第３の燃料電池スタックに対して各燃料ガスを導入する燃料供給路（１０３）と、第１〜第３の燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を制御する燃料供給部（１１１〜１１３）と、第１〜第３の燃料電池スタックから排出された燃料ガスを集合させて燃料ガスを排出する排出遮断弁（１０４）へと導く燃料排出路（１０５）と、燃料排出路を通じて燃料ガスが第１の燃料電池スタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第１の逆流防止機構（１６１）と、燃料排出路を通じて燃料ガスが第２の燃料電池スタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第２の逆流防止機構（１６２）と、燃料排出路を通じて燃料ガスが第３の燃料電池スタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第３の逆流防止機構（１６３）と、第１〜第３サブスタックに対して個別に配置され燃料排出路により集合させられた燃料ガスを第１〜第３の燃料電池スタックの各燃料ガス導入口へと導く循環路（１７０ａ〜１７０ｃ）と、排出遮断弁を閉口させるとともに、第１〜第３の燃料電池スタックのうちの１つの燃料電池スタックに燃料ガスを供給させ、第１〜第３の燃料電池スタックのうちの残りの燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を停止させるよう燃料供給部を制御する制御部（２００）と、を備えている。

【0011】

このような構成によれば、第１〜第３の燃料電池スタックのうちの１つの燃料電池スタックに燃料ガスが供給されると、この分割スタックから排出された燃料ガスは第１〜第３サブスタックに対して個別に配置された循環路を通って残りの燃料電池スタックに並列的に導入される。したがって、燃料ガス供給部から最初に燃料ガスが供給された燃料電池スタックには、この燃料電池スタックに供給されるべき燃料ガスに加えて、残りの燃料電池スタックの供給される燃料ガスも流れることになり、大量の燃料ガスが流れる。したがって、燃料電池スタック内の不純物の排出性を向上することができる、また、第１〜第３の燃料電池スタックのうちの１つの燃料電池スタックに燃料ガスが供給されると、この燃料電池スタックから排出された燃料ガスは、第１〜第３サブスタックに対して個別に配置された循環路を通って残りの燃料電池スタックに並列的に導入される、このため、残りの燃料電池スタックに直列的に導入される場合と比較して、各燃料電池スタック速やかに燃料ガスを供給することができ、燃料ガスを供給してから速やかに発電することができる。

【0012】

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

【図2】燃料ガス供給部の制御状態を燃料ガス供給量の多い第１制御状態に設定したときの燃料ガスの流れを示した図である。

【図3】燃料ガス供給部の制御状態を燃料ガス供給量の少ない第２制御状態に設定したときの燃料ガスの流れを示した図である。

【図4】燃料ガス供給部の制御状態を第１制御状態に設定したときの制御部のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を図１に示す。この燃料電池システムは、燃料タンク１０１、供給遮断弁１０２、アノードガス供給路１０３、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３、燃料電池スタック１２、第１〜第３インピーダンス測定部１３１〜１３３、第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３、アノードガス排出路１０５、圧力センサ１０９、排出遮断弁１０４および循環路１７０を備えている。さらに、燃料電池システムは、第１〜第３貯留逆止弁１４１〜１４３、排出逆止弁１６１〜１６３、第１〜第３循環逆止弁１８１〜１８３、第１〜第３合流部１９１〜１９３および制御部２００を備えている。第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３は、燃料供給部に相当し、第１〜第３の排出逆止弁１６１〜１６３は、第１の逆流防止機構に相当し、第１〜第３循環逆止弁１８１〜１８３は、第２逆流防止機構に相当する。

【0015】

本実施形態の燃料電池スタック１２は、第１仕切り板１２ａおよび第２仕切り板１２ｂにより第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の３つのサブスタックに分割されている。第１〜第３分割スタック１２１〜１２３は、それぞれ複数のセル（図示せず）を積層したスタック構造を有している。セルは、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する。

【0016】

第１〜第３分割スタック１２１〜１２３は、水素を含む燃料ガスが流れるアノードガス流路１２１ａ〜１２３ａを有している。各アノードガス流路１２１ａ〜１２３ａには、それぞれ第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３が接続されている。

【0017】

また、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３は、アノードガス供給路１０３を介して燃料タンク１０１に接続されている。アノードガス供給路１０３は、燃料供給路に相当する。第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３は、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３に対して個別に配置されている。

【0018】

なお、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３は、酸素を含む酸化ガス（本実施形態では、空気）が流れる不図示のカソードガス流路を有している。カソードガス流路には、図示しないエアポンプが接続されており、このエアポンプにより酸化ガスとしての空気が供給される。なお、本実施形態では、酸化ガスが流れる流路については図示を省略してある。

【0019】

第１〜第３分割スタック１２１〜１２３は、不図示の電解質膜と、電解質膜の両面に電極が形成された膜電極接合体を有している。膜電極接合体は、アノード電極と、カソード電極と、そのアノード電極と、カソード電極との間に挟持された電解質膜と、を備えている。そして、膜電極接合体は、アノード電極に供給される燃料ガスとしての水素ガスと、カソード電極に供給される酸化ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により、起電力を発生する。

【0020】

燃料タンク１０１には、水素を含む燃料ガス（本実施形態では、水素ガス）が充填されている。この燃料タンク１０１には、アノードガス供給路１０３が接続されている。供給遮断弁１０２は、アノードガス供給路１０３に設けられ、後述する制御部２００より入力される信号に応じて燃料タンク１０１からアノードガス供給路１０３に至る流路を開閉する。

【0021】

アノードガス供給路１０３は、燃料タンク１０１から第１〜第３分割スタック１２１〜１２３に対して燃料ガスを導入する。アノードガス供給路１０３の一端側は、燃料タンク１０１と接続され、アノードガス供給路１０３の他端側は、第１〜第３分岐路１０３ａ〜１０３ｃに分岐して第１〜第３分割スタック１２１〜１２３と接続されている。

【0022】

第１分岐路１０３ａには、第１インジェクタ１１１と第１合流部１９１が設けられている。第１合流部１９１は、第１インジェクタ１１１より燃料ガス流れ下流側に配置されている。第１合流部１９１は、第１インジェクタ１１１より第１分割スタック１２１に供給される燃料ガスに後述する第１循環路１７０ａからの燃料ガスを合流させる。

【0023】

第２分岐路１０３ｂには、第２インジェクタ１１２と第２合流部１９２が設けられている。第２合流部１９２は、第２インジェクタ１１２より燃料ガス流れ下流側に配置されている。第２合流部１９２は、第２インジェクタ１１２より第２分割スタック１２２に供給される燃料ガスに後述する第２循環路１７０ｂからの燃料ガスを合流させる。

【0024】

第３分岐路１０３ｃには、第３インジェクタ１１３と第３合流部１９３が設けられている。第３合流部１９３は、第３インジェクタ１１３より燃料ガス流れ下流側に配置されている。第３合流部１９３は、第３インジェクタ１１３より第３分割スタック１２３に供給される燃料ガスに後述する第３循環路１７０ｃからの燃料ガスを合流させる。

【0025】

第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３は、それぞれ制御部２００より入力される信号に応じて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３へ供給する燃料ガスを制御する。
。なお、制御部２００は、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３を独立して制御することが可能となっている。

【0026】

第１〜第３分割スタック１２１〜１２３には、各セルのインピーダンスを測定するためのインピーダンス測定部１３１〜１３３が設けられている。各インピーダンス測定部１３１〜１３３は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池の各セルのインピーダンスを算出する。具体的には、各インピーダンス測定部１３１〜１３３は、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各セルに低周波数の交流電圧を印加したときの応答電流を測定し、交流電圧と応答電流から各セルのインピーダンスを算出する。各インピーダンス測定部１３１〜１３３は、算出したインピーダンスを示す信号を制御部２００へ出力する。

【0027】

第１〜第３分割スタック１２１〜１２３における燃料ガス流れ下流側には、アノードガス排出路１０５が設けられている。アノードガス排出路１０５は、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３から排出された燃料ガスを集合させて燃料ガスを排出する排出遮断弁１０４へと導く。

【0028】

アノードガス排出路１０５の一端は、排出遮断弁１０４に接続され、アノードガス排出路１０５の他端は第１〜第３分岐路１０５ａ〜１０５ｃに分岐している。第１分岐路１０５ａは、第１分割スタック１２１に接続され、第２分岐路１０５ｂは、第２分割スタック１２２に接続され、第３分岐路１０５ｃは、第３分割スタック１２３に接続されている。

【0029】

第１分岐路１０５ａには、第１貯留逆止弁１４１、第１貯留タンク１５１および排出逆止弁１６１が設けられている。第１貯留タンク１５１には第１貯留タンク１５１内に貯留した液体を外部へ排出する排水バルブ１７１が設けられている。

【0030】

第１貯留逆止弁１４１は、第１貯留タンク１５１より燃料ガス流れ上流側に配置され、排水バルブ１７１が開口したときに排水バルブ１７１から第１分割スタック１２１の燃料ガス導出側へ逆流することを防止する。排出逆止弁１６１は、第１貯留タンク１５１より燃料ガス流れ下流側に配置され、燃料排出路１０５を通じて燃料ガスが第１分割スタック１２１の燃料ガス導出側へ逆流することを防止する。

【0031】

第２分岐路１０５ｂには、第２貯留逆止弁１４２、第２貯留タンク１５２および排出逆止弁１６２が設けられている。第２貯留タンク１５２には第２貯留タンク１５２内に貯留した液体を外部へ排出する排水バルブ１７２が設けられている。

【0032】

第２貯留逆止弁１４２は、第２貯留タンク１５２より燃料ガス流れ上流側に配置され、排水バルブ１７２が開口したときに排水バルブ１７２から第２分割スタック１２２の燃料ガス導出側へ逆流することを防止する。排出逆止弁１６２は、第２貯留タンク１５２より燃料ガス流れ下流側に配置され、燃料排出路１０５を通じて燃料ガスが第２分割スタック１２２の燃料ガス導出側へ逆流することを防止する。

【0033】

第３分岐路１０５ｃには、第３貯留逆止弁１４３、第３貯留タンク１５３および排出逆止弁１６３が設けられている。第３貯留タンク１５３には第３貯留タンク１５３内に貯留された液体を外部へ排出する排水バルブ１７１が設けられている。

【0034】

第３貯留逆止弁１４３は、第３貯留タンク１５３より燃料ガス流れ上流側に配置され、排水バルブ１７３が開口したときに排水バルブ１７３から第３分割スタック１２３の燃料ガス導出側へ逆流することを防止する。排出逆止弁１６３は、第３貯留タンク１５３より燃料ガス流れ下流側に配置され、燃料排出路１０５を通じて燃料ガスが第３分割スタック１２３の燃料ガス導出側へ逆流することを防止する。

【0035】

第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３は、燃料ガスに含まれるガスと液体を分離する気液分離器に相当する。第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３の底部には、分離された液体が貯まり、第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３の上部には、分離されたガスが貯まる。第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３の底部に貯まった液体は、第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３に設けられた排水バルブ１７１〜１７３を介して外部に排出される。なお、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３内の不純物は、第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３に貯まった後、排水バルブ１７１〜１７３を介して外部に排出される。第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３の上部に貯まったガスは、それぞれ第１〜第３排出逆止弁１６１〜１６３へ導入される。

【0036】

アノードガス排出路１０５は、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３から排出された燃料ガスを集合させて燃料ガスを排出する排出遮断弁１０４へと導く。アノードガス排出路１０５は、燃料排出路に相当する。アノードガス排出路１０５には、アノードガス排出路１０５の内部を流れる燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ１０９が設けられている。圧力センサ１０９は、圧力検出部に相当する。圧力センサ１０９は、第１〜第３排出逆止弁１６１〜１６３より燃料ガス流れ下流側に配置されている。圧力センサ１０９は、燃料排出路１０５で集合した燃料ガスの圧力、すなわち、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３から排出された燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部である。圧力センサ１０９は、燃料ガスの圧力に応じた信号を制御部２００へ出力する。

【0037】

排出遮断弁１０４は、制御部２００より入力される信号に応じて開弁または閉弁する。制御部２００より入力される信号に応じて排出遮断弁１０４が開状態になると、この排出遮断弁１０４を通って循環路１７０内の燃料ガスや不純物が燃料電池システムの外部に排出される。

【0038】

循環路１７０は、燃料排出路１０５により集合させられた燃料ガスを第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各燃料ガス導入口へと導く。循環路１７０は、第１〜第３循環路１７０ａ〜１７０ｃを有している。

【0039】

循環路１７０ａは、アノードガス排出路１０５と第１合流部１９１とを接続するものであり、アノードガス排出路１０５からの燃料ガスを第１合流部１９１を介して第１分割スタック１２１〜１２３に循環させる。

【0040】

第２循環路１７０ｂは、アノードガス排出路１０５と第２合流部１９２とを接続するものであり、アノードガス排出路１０５からの燃料ガスを第２合流部１９２を介して第２分割スタック１２２に循環させる。

【0041】

第３循環路１７０ｃは、アノードガス排出路１０５と第３合流部１９３とを接続するものであり、アノードガス排出路１０５からの燃料ガスを第３合流部１９３を介して第３分割スタック１２３に循環させる。

【0042】

第１循環路１７０ａには、逆止弁１８１が設けられている。逆止弁１８１は、第１インジェクタ１１１から噴射された燃料ガスが第１循環路１７０ａを通ってアノードガス排出路１０５側へ流れるのを防止する。

【0043】

第２循環路１７０ｂには、逆止弁１８２が設けられている。逆止弁１８２は、第２インジェクタ１１２から噴射された燃料ガスが第２循環路１７０ｂを通ってアノードガス排出路１０５側へ流れるのを防止する。

【0044】

第３循環路１７０ｃには、逆止弁１８３が設けられている。逆止弁１８３は、第３インジェクタ１１３から噴射された燃料ガスが第３循環路１７０ｃを通ってアノードガス排出路１０５側へ流れるのを防止する。

【0045】

制御部２００は、ＣＰＵ２０１およびメモリ２０２を有するコンピュータとして構成されている。制御部２００は、メモリ２０２に記憶されたプログラムに従って各種処理を実施する。

【0046】

制御部２００は、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各セルのインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３内の含水量を推定し、この推定した含水量に基づいて各分割スタック１２１〜１２３が排水不良であるか否かを判定する。具体的には、高周波数の交流信号を印加した際のインピーダンスが所定値よりも大きい場合に、燃料電池内部の含水量が適正量よりも多いフラッディング状態と判定する。

【0047】

また、制御部２００は、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各セルのインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタックにおける各燃料ガス中の分圧値（本実施形態では、水素分圧値）を推定する。なお、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各セルのインピーダンスと燃料ガス中の水素分圧値は相関関係を有する。第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各セルのインピーダンスが高いほど燃料ガス中の水素分圧値は低くなる。

【0048】

本燃料電池システムの制御部２００は、通信線を介して接続された不図示の車両ＥＣＵからの要求に応じて第１の処理と第２の処理と、を繰り返し実行する。第１の処理は、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３の制御状態を燃料ガスの供給量の多い第１制御状態に設定する処理であり、第２の処理は、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３の制御状態を燃料ガスの供給量を行うことなく第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３に貯留された燃料ガスを循環路１７０を通過させて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３に循環させる処理である。制御部２００は、さらに、定期的に排出遮断弁１０４を開状態にしてアノードガス排出路１０５内を流れる排ガスを大気中に放出する。

【0049】

第１制御状態では、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３のいずれか１つから燃料ガスが供給される。例えば、供給遮断弁１０２を開弁して第１インジェクタ１１１から第１分割スタック１２１に燃料ガスが供給される。ここで、排出遮断弁１０４は閉状態となっているものとする。

【0050】

このとき、図２中の矢印に示すように、燃料タンク１０１から供給遮断弁１０２、アノードガス供給路１０３、第１インジェクタ１１１を介して第１分割スタック１２１に燃料ガスが供給される。第１分割スタック１２１に供給された燃料ガスは、第１貯留逆止弁１４１を通って第１貯留タンク１５１に流入する。この第１貯留タンク１５１に流入した燃料ガスは、タンク内にて液体とガスに分離され、燃料ガスに含まれる液体は第１貯留タンク１５１の底部に貯まり、燃料ガスに含まれるガスはアノードガス排出路１０５の第１分岐路１０５ａに流入する。

【0051】

ここで、排出遮断弁１０４は閉状態となっている。このため、アノードガス排出路１０５の第１分岐路１０５ａに流入した燃料ガスは、第２循環路１７０ｂおよび第２合流部１９２を通って第２分割スタック１２２に導入されるとともに第３循環路１７０ｃおよび第３合流部１９３を通って第３分割スタック１２３に導入される。

【0052】

なお、アノードガス排出路１０５の第１分岐路１０５ａに流入した燃料ガスは、第１循環路１７０ａおよび第１合流部１９２を通って第１分割スタック１２１に導入されることはない。これは、第１循環路１７０ａを流れる燃料ガスは、インジェクタ１１１から第１合流部１９２を通って第１分割スタック１２１に導入される燃料ガスの圧力よりも低いためである。

【0053】

ここで、第１分割スタック１２１には、この第１分割スタック１２１に流れる燃料ガスだけでなく、第２分割スタック１２２に流れる燃料ガスと第３分割スタック１２３に流れる燃料ガスが流れる。すなわち、第１分割スタック１２１には、自身に流れる燃料ガスの３倍の流量の燃料ガスが流れるため、排水性を向上することができる。

【0054】

また、第２制御状態では、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３からの燃料ガスの供給は行われず、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３内部の燃料ガスは発電により消費される。このため、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３内部の燃料ガスの圧力は低下する。

【0055】

このとき、図３中の矢印に示すように、第１〜第３貯留タンク１５１〜１５３から排出された燃料ガスは、アノードガス排出路１０５、循環路１７０ａ〜１７０ｃを通り、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３へ流入する。

【0056】

ここで、制御部２００による第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３の制御状態を第１制御状態に設定する際の処理について説明する。図４は、この処理のフローチャートである。制御部２００は、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３の制御状態を第１制御状態に設定する際に、図４に示す処理を実施する。なお、各図面のフローチャートにおける各制御ステップは、制御部２００が有する各種の機能実現手段を構成している。

【0057】

まず、循環路１７０内の燃料ガスの圧力が予め設定された下限圧力（所定圧力）より大きいか否かを判定する（Ｓ１００）。循環路１７０内の燃料ガスの圧力は、圧力センサ１０９により検出された圧力を用いることができる。

【0058】

ここで、循環路１７０内の燃料ガスの圧力が予め設定された下限圧力（所定圧力）以下の場合、Ｓ１００の判定はＮＯとなり、次に、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうち１つでも排水不良があるか否かを判定する（Ｓ１０２）。具体的には、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３の各セルのインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３内の含水量を推定し、この推定した含水量に基づいて各分割スタック１２１〜１２３のうち１つでも排水不良が生じているものがあるか否かを判定する。なお、高周波数の交流信号を印加した際のインピーダンスと各分割スタック１２１〜１２３内の含水量は相関関係を有する。具体的には、高周波数の交流信号を印加した際のインピーダンスが大きいほど、各分割スタック１２１〜１２３内の含水量は多くなる。ここでは、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうち、高周波数の交流信号を印加した際のインピーダンスが所定値よりも大きいものがある場合、排水不良が生じているものがあると判定する。

【0059】

ここで、各分割スタック１２１〜１２３のうち少なくとも１つに排水不良が生じているものがあると判定された場合、Ｓ１０２の判定はＹＥＳとなり、次に、含水量の最も多い分割スタックにインジェクタから燃料ガスを供給するようインジェクタを制御する（Ｓ１０４）。具体的には、排出遮断弁１０４を閉口させるとともに、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうちの含水量の最も多い分割スタックに燃料ガスを供給させ、第１〜第３分割スタックのうちの残りの分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるようインジェクタを制御する。例えば、第１分割スタック１２１内の含水量が最も多い場合、第１インジェクタ１１１から第１分割スタック１２１に燃料ガスを供給するようインジェクタ１１１を制御する。

【0060】

なお、このように第１インジェクタ１１１から第１分割スタック１２１に燃料ガスが供給されると、図２中の矢印に示したように、第１分割スタック１２１に供給された燃料ガスは、第１分割スタック１２１からアノードガス排出路１０５へ流出する。そして、循環路１７０ｂおよび第２合流部１９２を通って第２分割スタック１２２に流入するとともに、循環路１７０ｃおよび第３合流部１９３を通って第３分割スタック１２３に流入する。

【0061】

なお、第２分割スタック１２２に供給された燃料ガスは、第２貯留逆止弁１４２を通って第２貯留タンク１５２に流入する。そして、この第２貯留タンク１５２にて液体とガスに分離される。

【0062】

また、第３分割スタック１２３に供給された燃料ガスは、第３貯留逆止弁１４３を通って第３貯留タンク１５３に流入する。そして、この第３貯留タンク１５３にて液体とガスに分離される。

【0063】

ここで、第１分割スタック１２１には、自身の分割スタック１２１に流れる燃料ガスだけでなく、後に第２分割スタック１２２に流れる燃料ガスと第３分割スタック１２３に流れる燃料ガスが流れる。すなわち、第１分割スタック１２１には、自身に流れる燃料ガスの３倍の流量の燃料ガスが流れる。そして第１分割スタック１２１に流れた燃料ガスに含まれる電気化学反応に伴って生じた水蒸気等の不純物が第１貯留タンク１５１の底部に貯まる。この第１貯留タンク１５１の底部に貯まった液体は制御部２００より入力される信号に応じて排水バルブ１７１が開状態になると排水バルブ１７１を通って第１貯留タンク１５１の外部に排出される。なお、第２貯留タンク１５２の底部に貯まった液体および第３貯留タンク１５３の底部に貯まった液体についても同様に、制御部２００より入力される信号に応じて排水バルブ１７２、１７３を開状態にすることで第２、第３貯留タンク１５２、１５３の外部に排出することができる。

【0064】

また、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうち１つも排水不良が生じている分割スタックがない場合、Ｓ１０２の判定はＮＯとなり、インピーダンス測定部１３１〜１３３により測定されたインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうち最も燃料ガス中の水素分圧値の低い分割スタックに燃料ガスを供給し、残りの分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるよう第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３を制御し、Ｓ１００へ戻る。

【0065】

上記したように本燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する第１〜第３分割スタック（１２１〜１２３）と、燃料タンク（１０１）から第１〜第３分割スタックに対して各燃料ガスを導入する燃料供給路（１０３）を備えている。また、第１〜第３分割スタックへの燃料ガスの供給を制御する燃料供給部（１１１〜１１３）と、第１〜第３分割スタックから排出された燃料ガスを集合させて燃料ガスを排出する排出遮断弁（１０４）へと導く燃料排出路（１０５）を備えている。また、燃料排出路を通じて燃料ガスが第１分割スタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第１の逆流防止機構（１６１）と、燃料排出路を通じて燃料ガスが第２分割スタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第２の逆流防止機構（１６２）と、燃料排出路を通じて燃料ガスが第３分割スタックの燃料ガス導出側へ逆流することを防止する第３の逆流防止機構（１６３）と、を備えている。また、燃料排出路により集合させられた燃料ガスを第１〜第３分割スタックの各燃料ガス導入口へと導く循環路（１７０ａ〜１７０ｃ）を備えている。さらに、排出遮断弁を閉口させるとともに、第１〜第３分割スタックのうちの１つ分割スタックに燃料ガスを供給させ、第１〜第３分割スタックのうちの残りの分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるよう燃料供給部を制御する制御部（２００）を備えている。

【0066】

このような構成によれば、第１〜第３分割スタックのうちの１つの分割スタックに燃料ガスが供給されると、この分割スタックから排出された燃料ガスは循環路を通って残りの分割スタックに並列的に導入される。したがって、燃料ガス供給部から最初に燃料ガスが供給された分割スタックには、この分割スタックに供給されるべき燃料ガスに加えて、残りの分割スタックの供給される燃料ガスも流れることになり、分割スタック内の不純物の排出性を向上することができる、また、第１〜第３分割スタックのうちの１つの分割スタックに燃料ガスが供給されると、この分割スタックから排出された燃料ガスは、循環路を通って残りの分割スタックに並列的に導入される、このため、残りの分割スタックに直列的に導入される場合と比較して、各分割スタック速やかに燃料ガスを供給することができ、燃料ガスを供給してから速やかに発電することができる。

【0067】

また、逆流防止機構は、第１逆流防止機構であり、第１〜第３分割スタックに対して個別に配置され、第１〜第３の燃料ガス供給部から第１〜第３分割スタックに燃料ガスを供給する流路に循環路からの燃料ガスを合流させる第１〜第３合流部１９１〜１９３と、循環路に配置され、第１〜第３合流部から循環路側への燃料ガスの流入を防止する第２逆流防止機構１８１〜１８３と、を備えている。

【0068】

このような構成によれば、循環路に、第１〜第３合流部から循環路側への燃料ガスの流入を防止する第２逆流防止機構１８１〜１８３が備えられているので、第１〜第３合流部から循環路側へ燃料ガスが逆流するのを防止することができる。

【0069】

また、第１分割スタック１２１と第１の逆流防止機構１６１との間に配置され、第１分割スタック１２１から排出された燃料ガスに含まれる気体と液体を分離する第１の気液分離器１５１を備えている。また、第２分割スタック１２２と第２の逆流防止機構１６２との間に配置され、第２分割スタックから排出された燃料ガスに含まれる気体と液体を分離する第２の気液分離器１５２を備えている。さらに、第３分割スタック１２３と第３の逆流防止機構１６３との間に配置され、第３分割スタックから排出された燃料ガスに含まれる気体と液体を分離する第３の気液分離器１５３と、を備えている。

【0070】

このような構成によれば、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３から排出された燃料ガスに含まれる生成水等の不純物を第１の気液分離器１５１〜１５３に貯留させて回収することができる。

【0071】

また、第１〜第３分割スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部１３１〜１３３を備えている。制御部２００は、インピーダンス測定部により測定されたインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタックのうち１つでも排水不良が生じている分割スタックがあるか否かを判定する排水性不良判定部Ｓ１０２を備えている。制御部２００は、さらに、排水性不良判定部により第１〜第３分割スタックのうち１つでも排水不良が生じている分割スタックがあると判定された場合、最も排水不良となっている分割スタックに燃料ガスを供給するよう燃料ガス供給部を制御する燃料供給制御部Ｓ１０４を備えている。

【0072】

これによれば、第１〜第３分割スタックのうち１つでも排水不良が生じている分割スタックがあると判定された場合、最も排水不良となっている分割スタックに燃料ガスを供給するよう燃料ガス供給部が制御されるので、最も排水不良となっている分割スタックの排水性を向上することができる。
また、制御部２００は、排水性不良判定部Ｓ１０２により第１〜第３分割スタックのうち１つも排水不良が生じている分割スタックがないと判定された場合、インピーダンス測定部Ｓ１０２により測定されたインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタックのうち最も燃料ガス中の水素分圧値の低い分割スタックに燃料ガスを供給し、残りの分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるようインジェクタ１１１〜１１３を制御する第２燃料供給制御部Ｓ１０６を備えている。

【0073】

これによれば、第１〜第３分割スタックのうち最も燃料ガス中の水素分圧値の低い分割スタックの排水性を向上することができる。

【0074】

また、燃料排出路１０５で集合した燃料ガスの圧力を検出する圧力検出部１０９を備え、制御部２００は、圧力検出部１０９により検出された燃料ガスの圧力が所定値より大きいか否かを判定する圧力判定部Ｓ１００を備え、燃料供給制御部Ｓ１０４は、圧力判定部により圧力検出部により検出された燃料ガスの圧力が所定値未満であると判定され、かつ、排水性不良判定部により第１〜第３分割スタックのうち１つでも排水不良が生じているサブスタックがあると判定された場合、最も排水不良となっているサブスタックに燃料ガスを供給し、残り分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるよう燃料ガス供給部を制御する。

【0075】

このように、燃料ガスの圧力が所定値未満であると判定され、かつ、排水性不良判定部により第１〜第３分割スタックのうち１つでも排水不良が生じているサブスタックがあると判定された場合に、最も排水不良となっているサブスタックに燃料ガスを供給することもできる。

【0076】

ところで、本実施形態では、１つの分割スタックに１つの燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると、この分割スタックから排出された燃料ガスは循環路を通って残りの分割スタックに分配される。例えば、第１分割スタック１２１に１つの燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると、この第１分割スタック１２１から排出された燃料ガスは循環路１７０を通って第２〜第３分割スタック１２２〜１２３に流入する。

【0077】

これに対し、第１分割スタック１２１、第２分割スタック１２２、第３分割スタック１２３の順に直列的に燃料ガスが流れるように構成することも考えられる。しかし、このように第１〜第３分割スタックに直列的に燃料ガスが流れるように構成した場合、各分割スタックを流れる燃料ガスの流動抵抗が大きくなるので、燃料ガスの供給速度が遅くなり、速やかに発電することができなくなってしまう。

【0078】

本実施形態では、１つの分割スタックに１つの燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると、この分割スタックから排出された燃料ガスは循環路１７０を通って残りの分割スタックに分配されるよう構成されているので、燃料ガスの供給速度が速く、より速やかに発電することができる。

【0079】

（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３を備えた構成を示したが、４つ以上の分割スタックを備えた構成としてもよい。この場合、例えば、４つの分割スタックのうち最も排水不良が生じている１つの分割スタックに燃料ガスを供給させ、残りの分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるようインジェクタ１１１〜１１３を制御するよう構成すればよい。また、３つ以上の燃料電池スタックを備えた構成としてもよい。

【0080】

（２）上記実施形態では、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３を用いて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３に燃料ガスを供給しているが、第１〜第３インジェクタ１１１〜１１３以外の部材を用いて第１〜第３分割スタック１２１〜１２３に燃料ガスを供給することもできる。

【0081】

（３）上記実施形態では、逆止弁１４１〜１４３、１６１〜１６３、１９１〜１９３を用いて逆流防止機構を構成したが、逆止弁以外の部材を用いて逆流防止機構を構成してもよい。

【0082】

（４）上記実施形態では、複数の分割スタックのうち１つでも排水不良が生じている分割スタックがあると判定された場合、最も排水不良となっている分割スタックに燃料ガスを供給するよう燃料ガス供給部を制御するようにした。

【0083】

これに対し、燃料排出路１０５で集合された燃料ガスの圧力が所定値未満で、かつ、燃料ガスの圧力が所定値未満の場合に、最も排水不良となっている分割スタックに燃料ガスを供給するよう燃料ガス供給部を制御するようにしてもよい。

【0084】

（５）上記実施形態では、燃料ガスの圧力が所定値未満で、かつ、第１〜第３分割スタックのうち１つも排水不良が生じている分割スタックがないと判定された場合、Ｓ１０６にて、第１〜第３分割スタックのうち最も燃料ガスの濃度の低い分割スタックに燃料ガスを供給するよう燃料ガス供給部を制御するようにした。これに対し、燃料ガスの圧力が所定値未満の場合に、第１〜第３分割スタックのうち最も燃料ガスの濃度の低い分割スタックに燃料ガスを供給するよう燃料ガス供給部を制御するようにしてもよい。

【0085】

（６）上記実施形態では、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうち１つも排水不良が生じている分割スタックがないと判定された場合、インピーダンス測定部１３１〜１３３により測定されたインピーダンスに基づいて第１〜第３分割スタックのうち最も燃料ガス中の水素分圧値の低い分割スタックに燃料ガスを供給し、残りの分割スタックへの燃料ガスの供給を停止させるようインジェクタ１１１〜１１３を制御した。
これに対し、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３のうち１つも排水不良が生じている分割スタックがないと判定された場合、第１〜第３分割スタック１２１〜１２３に同量の燃料ガスを供給するようインジェクタ１１１〜１１３を制御してもよい。

【0086】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0087】

１０１ 燃料タンク
１０２ 供給遮断弁
１０４ 排出遮断弁
１０９ 圧力センサ
１１１〜１１３ 第１〜第３インジェクタ
１２１ａ〜１２３ａ 第１〜第３アノードガス流路
１２１〜１２３ 第１〜第３分割スタック
１３１〜１３３ 第１〜第３インピーダンス測定部
１４１〜１４３ 第１〜第３貯留逆止弁
１５１〜１５３ 第１〜第３貯留タンク
１６１〜１６３ 第１〜第３排出逆止弁
１７０ 循環路
１８１〜１８３ 第１〜第３循環逆止弁
１９１〜１９３ 第１〜第３合流部
２００ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】