特開 2024-157577 燃料電池ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024157577

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】燃料電池ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20241031BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20241031BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241031BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20241031BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20241031BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04313

H01M8/04 J

H01M8/04228

H01M8/04303

H01M8/0438

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023071923

(22)【出願日】2023-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000103921

【氏名又は名称】オリオン機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104787

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 伸司

(72)【発明者】

【氏名】北條 芙美

(72)【発明者】

【氏名】高井 希紗

(72)【発明者】

【氏名】中根 孝浩

(72)【発明者】

【氏名】竹前 昭宏

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AC11

5H127BA02

5H127BA12

5H127BA22

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB39

5H127DA11

5H127DB03

5H127DB13

5H127DB23

5H127DB33

5H127DC08

5H127DC18

5H127DC22

5H127DC28

5H127DC32

5H127DC38

(57)【要約】

【課題】発電部に関する設計の自由度の低下を招くことなく、第１の気体流路内や第２の気体流路内への水の滞留に起因する発電能力の低下を好適に回避可能とする。
【解決手段】制御部９が、燃料電池セル１０において発電を行うときに、切替弁７ａ～７ｄを制御して給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気を許容させた状態で吸引ポンプ３を動作させると共に、予め規定された「第１の条件」が満たされたときに、吸引ポンプ３の動作を継続させつつ、切替弁７ａ～７ｄを制御して給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気を規制し、その後に予め規定された「第２の条件」が満たされたときに、切替弁７ａ～７ｄを制御して給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気を許容させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化剤を含む第１の気体を通過させる第１の気体流路を構成する第１のセパレータ、水素を含む第２の気体を通過させる第２の気体流路を構成する第２のセパレータ、および膜電極接合体を少なくとも含む平板状の複数の被積層物を積層して一体化した発電部を備え、前記第１のセパレータにおける第１の給気口から当該第１のセパレータにおける第１の排気口に向かって前記第１の気体流路を移動させられる前記第１の気体と、前記第２のセパレータにおける第２の給気口から当該第２のセパレータにおける第２の排気口に向かって前記第２の気体流路を移動させられる前記第２の気体とを前記膜電極接合体を介して反応させて発電可能に構成された燃料電池ユニットであって、
前記第１の排気口から前記第１の気体を吸引する吸引ポンプと、
前記第１の給気口への前記第１の気体の流入および前記第１の排気口からの当該第１の気体の排気を許容／規制可能な弁機構と、
前記吸引ポンプおよび前記弁機構の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記発電部において発電を行うときに、前記弁機構を制御して前記第１の給気口への前記第１の気体の流入および前記第１の排気口からの当該第１の気体の排気を許容させた状態で前記吸引ポンプを動作させると共に、予め規定された第１の条件が満たされたときに、前記吸引ポンプの動作を継続させつつ、前記弁機構を制御して前記第１の給気口への前記第１の気体の流入および前記第１の排気口からの当該第１の気体の排気の少なくとも一方を規制し、その後に予め規定された第２の条件が満たされたときに、当該弁機構を制御して当該第１の給気口への当該第１の気体の流入および当該第１の排気口からの当該第１の気体の排気を許容させる燃料電池ユニット。

【請求項2】

前記第１の給気口および前記第２の給気口を連通させる第１の配管、並びに前記第１の排気口および前記第２の排気口を連通させる第２の配管を備え、
前記弁機構は、
前記第１の配管および前記第２の配管への前記第１の気体および前記第２の気体の流入を規制しつつ、前記第１の給気口に当該第１の気体を流入させ、かつ前記第２の給気口に当該第２の気体を流入させる第１の切替え状態と、
前記吸引ポンプへの前記第１の気体および前記第２の気体の流入を規制する第２の切替え状態と、
前記第１の配管および前記第２の配管への前記第１の気体および前記第２の気体の流入、並びに前記第２の給気口への前記第２の気体の流入を規制しつつ、前記第１の給気口に当該第１の気体を流入させる第３の切替え状態と、
前記第１の給気口への前記第１の気体の流入、および前記第２の給気口への前記第２の気体の流入を規制しつつ、当該第１の配管への当該第１の気体の流入、当該第２の給気口への当該第１の気体の流入および当該第２の配管への当該第１の気体の流入を許容する第４の切替え状態とに切替え可能に構成され、
前記制御部は、前記発電部において発電を行うときに、前記弁機構を制御して前記第１の切替え状態に移行させ、
前記第１の条件が満たされたときに、前記弁機構を制御して前記第２の切替え状態に移行させ、その後に前記第２の条件が満たされたときに、当該弁機構を制御して前記第３の切替え状態に移行させ、
予め規定された第３の条件が満たされたときに、前記吸引ポンプの動作を継続させつつ、前記弁機構を制御して前記第２の切替え状態に移行させ、その後に予め規定された第４の条件が満たされたときに、当該弁機構を制御して前記第４の切替え状態に移行させる請求項１記載の燃料電池ユニット。

【請求項3】

前記制御部は、前記発電部における発電が終了したときに、前記第１の条件が満たされたと判別する請求項１または２記載の燃料電池ユニット。

【請求項4】

前記制御部は、前記発電部における発電が終了したときに、前記第３の条件が満たされたと判別する請求項２記載の燃料電池ユニット。

【請求項5】

前記第１の給気口および前記第１の排気口に生じる圧力差を検出する第１の圧力差検出部を備え、
前記制御部は、前記第１の圧力差検出部によって検出された圧力差が予め規定された第１の上限値を超えたときに、前記第１の条件が満たされたと判別する請求項１または２記載の燃料電池ユニット。

【請求項6】

前記第２の給気口および前記第２の排気口に生じる圧力差を検出する第２の圧力差検出部を備え、
前記制御部は、前記第２の圧力差検出部によって検出された圧力差が予め規定された第２の上限値を超えたときに、前記第３の条件が満たされたと判別する請求項２記載の燃料電池ユニット。

【請求項7】

前記制御部は、前記発電部における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、前記第１の条件が満たされたと判別する請求項１または２記載の燃料電池ユニット。

【請求項8】

前記制御部は、前記発電部における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、前記第３の条件が満たされたと判別する請求項２記載の燃料電池ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１のセパレータ、第２のセパレータおよび膜電極接合体などを積層して一体化した発電部を備え、第１のセパレータにおける第１の気体流路を移動させられる第１の気体と、第２のセパレータにおける第２の気体流路を移動させられる第２の気体とを膜電極接合体を介して反応させて発電可能に構成された燃料電池ユニットに関するものである。

【背景技術】

【0002】

この種の燃料電池ユニットとして、一対のセパレータ（第１金属セパレータおよび第２金属セパレータ）の間に電解質膜・電極構造体（樹脂枠付きＭＥＡ：以下、枠材を含めて単に「ＭＥＡ」ともいう）が挟み込まれて構成された複数の燃料電池（発電セル）が一対のエンドプレートの間に積層されて一体化された燃料電池スタックを備えたユニットが下記の特許文献に開示されている。

【0003】

この燃料電池スタックでは、燃料電池における各セパレータおよび各ＭＥＡに、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、燃料ガス供給連通孔、および燃料ガス排出連通孔が開口されており、各酸化剤ガス供給連通孔を介して第１金属セパレータに酸化剤ガスが供給されると共に第１金属セパレータの酸化剤ガス流路を通過させられた酸化剤ガスが各酸化剤ガス排出連通孔を介して排出され、かつ各燃料ガス供給連通孔を介して第２金属セパレータに燃料ガスが供給されると共に第２金属セパレータの燃料ガス流路を通過させられた燃料ガスが各燃料ガス排出連通孔を介して排出される構成が採用されている。なお、この燃料電池では、各セパレータおよび各ＭＥＡに冷却媒体供給連通孔および冷却媒体排出連通孔が開口され、両セパレータの接合面に形成された冷却媒体流路に冷却媒体が供給される構成が採用されているが、冷却媒体に関連する構成についての説明を省略する。

【0004】

この場合、この種の燃料電池スタックでは、発電に際して両反応ガスの反応によってカソード電極側に水が発生する。また、この水がアノード電極側に逆拡散することもある。ここで、反応ガス流路内に水が滞留したときには、反応ガスの流れが阻害されて反応ガスの供給不足による発電能力の低下を招くこととなる。そこで、この燃料電池スタックでは、上側の酸化剤ガス排出連通孔と下側の酸化剤ガス排出連通孔との間に位置する中点が、酸化剤ガス流路における重力方向の中心よりも下方に位置するように第１金属セパレータが構成されると共に、上側の燃料ガス排出連通孔と下側の燃料ガス排出連通孔との間に位置する中点が、燃料ガス流路における重力方向の中心よりも下方に位置するように第２金属セパレータが構成されている。これにより、両排出連通孔の中点を流路の中心と同じ高さに位置させた構成と比較して、流路内の水を下側の排出連通孔に円滑に排出させることが可能となり、水の滞留に起因する発電能力の低下を回避することが可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－１２１５６２号公報（第５－１６頁、第１－１０図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、上記特許文献に開示の燃料電池スタックには、以下のような解決すべき問題点が存在する。具体的には、上記の燃料電池スタックでは、上側の排出連通孔および下側における排出連通孔の中央に位置する中点が、反応ガスの流路における重力方向の中心よりも下方に位置するように両セパレータを構成することで、流路内の水を下側の排出連通孔に円滑に排出させることが可能となっている。つまり、上記の燃料電池スタックでは、発生した水が自重によって移動し易い状態とすることで流路内に滞留するのを抑制するとの技術的思想に基づいて各セパレータが設計・製造されている。

【0007】

しかしながら、セパレータに形成される反応ガス流路の少なくとも一部に、反応ガスの上昇や水平移動を要する区間が存在するときには、その区間において流路内に水が滞留し易く、滞留した水によって反応ガスの移動が阻害されるため、発電効率が低下することとなる。また、反応ガスの上昇や水平移動を要する区間が存在しないように流路を形成しようとしたときには、発電部の形状に関する設計の自由度が低下し、回路設計が困難となるおそれがある。

【0008】

本発明は、かかる解決すべき課題に鑑みてなされたものであり、発電部に関する設計の自由度の低下を招くことなく、第１の気体流路内や第２の気体流路内への水の滞留に起因する発電能力の低下を好適に回避し得る燃料電池ユニットを提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成すべく、請求項１記載の燃料電池ユニットは、酸化剤を含む第１の気体を通過させる第１の気体流路を構成する第１のセパレータ、水素を含む第２の気体を通過させる第２の気体流路を構成する第２のセパレータ、および膜電極接合体を少なくとも含む平板状の複数の被積層物を積層して一体化した発電部を備え、前記第１のセパレータにおける第１の給気口から当該第１のセパレータにおける第１の排気口に向かって前記第１の気体流路を移動させられる前記第１の気体と、前記第２のセパレータにおける第２の給気口から当該第２のセパレータにおける第２の排気口に向かって前記第２の気体流路を移動させられる前記第２の気体とを前記膜電極接合体を介して反応させて発電可能に構成された燃料電池ユニットであって、前記第１の排気口から前記第１の気体を吸引する吸引ポンプと、前記第１の給気口への前記第１の気体の流入および前記第１の排気口からの当該第１の気体の排気を許容／規制可能な弁機構と、前記吸引ポンプおよび前記弁機構の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記発電部において発電を行うときに、前記弁機構を制御して前記第１の給気口への前記第１の気体の流入および前記第１の排気口からの当該第１の気体の排気を許容させた状態で前記吸引ポンプを動作させると共に、予め規定された第１の条件が満たされたときに、前記吸引ポンプの動作を継続させつつ、前記弁機構を制御して前記第１の給気口への前記第１の気体の流入および前記第１の排気口からの当該第１の気体の排気の少なくとも一方を規制し、その後に予め規定された第２の条件が満たされたときに、当該弁機構を制御して当該第１の給気口への当該第１の気体の流入および当該第１の排気口からの当該第１の気体の排気を許容させる。

【0010】

請求項２記載の燃料電池ユニットは、請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記第１の給気口および前記第２の給気口を連通させる第１の配管、並びに前記第１の排気口および前記第２の排気口を連通させる第２の配管を備え、前記弁機構は、前記第１の配管および前記第２の配管への前記第１の気体および前記第２の気体の流入を規制しつつ、前記第１の給気口に当該第１の気体を流入させ、かつ前記第２の給気口に当該第２の気体を流入させる第１の切替え状態と、前記吸引ポンプへの前記第１の気体および前記第２の気体の流入を規制する第２の切替え状態と、前記第１の配管および前記第２の配管への前記第１の気体および前記第２の気体の流入、並びに前記第２の給気口への前記第２の気体の流入を規制しつつ、前記第１の給気口に当該第１の気体を流入させる第３の切替え状態と、前記第１の給気口への前記第１の気体の流入、および前記第２の給気口への前記第２の気体の流入を規制しつつ、当該第１の配管への当該第１の気体の流入、当該第２の給気口への当該第１の気体の流入および当該第２の配管への当該第１の気体の流入を許容する第４の切替え状態とに切替え可能に構成され、前記制御部は、前記発電部において発電を行うときに、前記弁機構を制御して前記第１の切替え状態に移行させ、前記第１の条件が満たされたときに、前記弁機構を制御して前記第２の切替え状態に移行させ、その後に前記第２の条件が満たされたときに、当該弁機構を制御して前記第３の切替え状態に移行させ、予め規定された第３の条件が満たされたときに、前記吸引ポンプの動作を継続させつつ、前記弁機構を制御して前記第２の切替え状態に移行させ、その後に予め規定された第４の条件が満たされたときに、当該弁機構を制御して前記第４の切替え状態に移行させる。

【0011】

請求項３記載の燃料電池ユニットは、請求項１または２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記制御部は、前記発電部における発電が終了したときに、前記第１の条件が満たされたと判別する。

【0012】

請求項４記載の燃料電池ユニットは、請求項２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記制御部は、前記発電部における発電が終了したときに、前記第３の条件が満たされたと判別する。

【0013】

請求項５記載の燃料電池ユニットは、請求項１または２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記第１の給気口および前記第１の排気口に生じる圧力差を検出する第１の圧力差検出部を備え、前記制御部は、前記第１の圧力差検出部によって検出された圧力差が予め規定された第１の上限値を超えたときに、前記第１の条件が満たされたと判別する。

【0014】

請求項６記載の燃料電池ユニットは、請求項２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記第２の給気口および前記第２の排気口に生じる圧力差を検出する第２の圧力差検出部を備え、前記制御部は、前記第２の圧力差検出部によって検出された圧力差が予め規定された第２の上限値を超えたときに、前記第３の条件が満たされたと判別する。

【0015】

請求項７記載の燃料電池ユニットは、請求項１または２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記制御部は、前記発電部における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、前記第１の条件が満たされたと判別する。

【0016】

請求項８記載の燃料電池ユニットは、請求項２記載の燃料電池ユニットにおいて、前記制御部は、前記発電部における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、前記第３の条件が満たされたと判別する。

【発明の効果】

【0017】

請求項１記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、発電部において発電を行うときに、弁機構を制御して第１のセパレータにおける第１の給気口への第１の気体の流入、および第１のセパレータにおける第１の排気口からの第１の気体の排気を許容させた状態で吸引ポンプを動作させると共に、予め規定された第１の条件が満たされたときに、吸引ポンプの動作を継続させつつ、弁機構を制御して第１の給気口への第１の気体の流入および第１の排気口からの第１の気体の排気の少なくとも一方を規制し、その後に予め規定された第２の条件が満たされたときに、弁機構を制御して第１の給気口への第１の気体の流入および第１の排気口からの第１の気体の排気を許容させる。

【0018】

したがって、請求項１記載の燃料電池ユニットによれば、第１の条件が満たされて、吸引ポンプの動作を継続させつつ、第１の給気口への第１の気体の流入および第１の排気口からの第１の気体の排気の少なくとも一方を規制することで、吸引ポンプと第１の給気口との間、または吸引ポンプと第１の排気口との間の負圧を上昇させ、その状態で第２の条件が満たされて第１の給気口への第１の気体の流入および第１の排気口からの第１の気体の排気が許容されたときに、第１の気体流路内の第１の気体が第１の排気口から急速に排気され、これに伴って第１の気体流路内に滞留していた水を第１の排気口から排水することができる。これにより、自重によって第１の排気口に向かって水が移動し難い第１の気体流路であっても、滞留していた水を確実に排水することができるため、第１のセパレータに関する設計の自由度の低下を招くことなく、第１の気体流路内への水の滞留に起因する発電能力の低下を好適に回避することができる。

【0019】

また、請求項２記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、発電部において発電を行うときに、弁機構を制御して、第１の配管および第２の配管への第１の気体および第２の気体の流入を規制しつつ、第１の給気口に第１の気体を流入させ、かつ第２のセパレータにおける第２の給気口に第２の気体を流入させる第１の切替え状態に移行させ、第１の条件が満たされたときに、弁機構を制御して、吸引ポンプへの第１の気体および第２の気体の流入を規制する第２の切替え状態に移行させ、その後に第２の条件が満たされたときに、弁機構を制御して、第１の配管および第２の配管への第１の気体および第２の気体の流入、並びに第２の給気口への第２の気体の流入を規制しつつ、第１の給気口に第１の気体を流入させる第３の切替え状態に移行させ、予め規定された第３の条件が満たされたときに、吸引ポンプの動作を継続させつつ、弁機構を制御して、上記の第２の切替え状態に移行させ、その後に予め規定された第４の条件が満たされたときに、弁機構を制御して、第１の給気口への第１の気体の流入、および第２の給気口への第２の気体の流入を規制しつつ、第１の配管への第１の気体の流入、第２の給気口への第１の気体の流入および第２の配管への第１の気体の流入を許容する第４の切替え状態に移行させる。

【0020】

したがって、請求項２記載の燃料電池ユニットによれば、第１の条件が満たされたときに第１の気体流路内の水が好適に排水されるだけでなく、第３の条件が満たされて、吸引ポンプの動作を継続させつつ、第２の切替え状態に移行させられることで、吸引ポンプと第１の排気口との間の負圧を上昇させ、その状態で第４の条件が満たされて第４の切替え状態に移行させられることで、第２の気体流路内の第２の気体等が第２の排気口から急速に排気され、これに伴って第２の気体流路内に滞留していた水が第２の排気口から排水される。これにより、自重によって第２の排気口に向かって水が移動し難い第２の気体流路であっても、滞留していた水を確実に排水することができるため、第２のセパレータに関する設計の自由度の低下を招くことなく、第２の気体流路内への水の滞留に起因する発電能力の低下を好適に回避することができる。

【0021】

さらに、請求項３記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、発電部における発電が終了したときに、第１の条件が満たされたと判別する。また、請求項４記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、発電部における発電が終了したときに、第３の条件が満たされたと判別する。したがって、請求項３，４記載の燃料電池ユニットによれば、発電中に第１の気体流路内や第２の気体流路内に水が滞留した状態になったとしても、この水が発電終了時に確実に排水されるため、次回の発電開始時に、第１の気体流路に対する第１の気体の通過が妨げられたり、第２の気体流路に対する第２の気体の通過が妨げられたりすることがなく、好適に発電を開始することができる。

【0022】

さらに、請求項５記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、第１の給気口および第１の排気口に生じる圧力差を検出する第１の圧力差検出部によって検出された圧力差が予め規定された第１の上限値を超えたときに、第１の条件が満たされたと判別する。また、請求項６記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、第２の給気口および第２の排気口に生じる圧力差を検出する第２の圧力差検出部によって検出された圧力差が予め規定された第２の上限値を超えたときに、第３の条件が満たされたと判別する。

【0023】

したがって、請求項５，６記載の燃料電池ユニットによれば、第１の気体流路内に滞留した水の量が多量となって第１の気体流路に対する第１の気体の通過抵抗が大きくなったときに、検出される圧力差が第１の上限値を超えて第１の条件が満たされることで、この第１の気体流路内の水が好適に排水され、第２の気体流路内に滞留した水の量が多量となって第２の気体流路に対する第２の気体の通過抵抗が大きくなったときに、検出される圧力差が第２の上限値を超えて第３の条件が満たされることで、この第２の気体流路内の水が好適に排水されるため、好適な発電に必要とされる十分な量の第１の気体や第２の気体を確実に反応させることができる。

【0024】

さらに、請求項７記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、発電部における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、第１の条件が満たされたと判別する。また、請求項８記載の燃料電池ユニットでは、制御部が、発電部における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、第３の条件が満たされたと判別する。

【0025】

したがって、請求項７，８記載の燃料電池ユニットによれば、第１の気体流路内に多量の水が滞留して第１の気体の通過抵抗が大きくなり、十分な量の第１の気体を第１のセパレータに供給するのが困難となって発電能力が低下したときに、第１の条件が満たされて第１の気体流路から水が排水され、第２の気体流路内に多量の水が滞留して第２の気体の通過抵抗が大きくなり、十分な量の第２の気体を第２のセパレータに供給するのが困難となって発電能力が低下したときに、第３の条件が満たされて第２の気体流路から水が排水されるため、それ以上発電能力が低下する前に、発電に必要な十分な量の第１の気体や第２の気体を供給可能な状態に復帰させて好適に発電することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】燃料電池ユニット１の構成を示す図であって、発電中の気体の流れについて説明するための説明図である。

【図2】燃料電池ユニット１の構成を示す他の図であって、空気流路または水素ガス流路の排水処理に移行する直前の状態について説明するための説明図である。

【図3】燃料電池ユニット１の構成を示すさらに他の図であって、空気流路の排水処理に移行した状態について説明するための説明図である。

【図4】燃料電池ユニット１の構成を示すさらに他の図であって、水素ガス流路の排水処理に移行した状態について説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、添付図面を参照して、燃料電池ユニットの実施の形態について説明する。

【0028】

図１～４に示す燃料電池ユニット１は、「燃料電池ユニット」の一例であって、発電用の気体（「酸化剤を含む第１の気体」の一例である空気（大気：酸素）、および「水素を含む第２の気体」の一例である水素ガス）を反応させることで電力を生じさせることができるように構成されている。具体的には、燃料電池ユニット１は、前処理装置２、吸引ポンプ３、供給源４、後処理装置５、配管２－１１，４－１２，１１－３，１２－５，６ａ，６ｂ、切替弁７ａ～７ｄ、圧力センサ８ａ～８ｄ、制御部９および燃料電池セル１０を備えて構成されている。

【0029】

この場合、燃料電池セル１０は、「平板状の複数の被積層物を積層して一体化した発電部」の一例であって、「第１のセパレータ」の一例であるセパレータ１１、「第２のセパレータ」の一例であるセパレータ１２、および「膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）」の一例であるＭＥＡ１３からなる発電用スタックや、冷却用の流体（空気や冷却液）を通過させるためのセパレータ（図示せず）、および各積層物の積層方向における両端に配設されたエンドプレート（図示せず）などを備えている。なお、この例では、セパレータ１１，１２、ＭＥＡ１３、冷却用のセパレータおよびエンドプレートなどの各板体が「被積層物」に相当する。

【0030】

また、セパレータ１１には、空気（大気）を通過させるための溝部（図示せず）が形成されると共に、セパレータ１２には、水素ガスを通過させるための溝部（図示せず）が形成され、両セパレータ１１，１２の間にＭＥＡ１３が挟み込まれるようにしてこれらが積層されることにより、セパレータ１１の溝部およびＭＥＡ１３の一面によって空気流路１１ａ（「第１の気体流路」の一例）が構成されると共に、セパレータ１２の溝部およびＭＥＡ１３の他の一面によって水素流路１２ａ（「第２の気体流路」の一例）が構成されている。また、ＭＥＡ１３は、電解質膜、触媒層およびガス拡散層などを備えて構成されている。

【0031】

なお、実際の燃料電池セル１０は、燃料電池ユニット１に求められる発電能力に応じて、上記の発電用スタックや冷却用のセパレータを複数備えて構成されるが、燃料電池ユニット１の構成およびその動作に関する理解を容易とするために１つの発電用スタックのみを図示すると共に、冷却用のセパレータやエンドプレートについての図示および説明を省略する。

【0032】

一方、前処理装置２は、燃料電池セル１０（セパレータ１１）に供給する空気（大気）から異物を除去して浄化するフィルタなどを備えている。なお、供給する空気に除去すべき異物が含まれていないときや、空気（大気）に代えて酸化剤を含む各種の工業用ガスを使用するときには、この前処理装置２を不要とすることもできる。吸引ポンプ３は、「吸引ポンプ」の一例であって、制御部９の制御に従い、セパレータ１１の排気口１１ｃ（「第１の排気口」の一例）から空気流路１１ａ内の空気を吸引することにより、前処理装置２において処理された新たな空気を給気口１１ｂ（「第１の給気口」の一例）から空気流路１１ａ内に給気させる。

【0033】

供給源４は、別所で製造された水素を貯蔵可能な水素タンク、別所で製造された液化水素を気化させる変換装置、および水素ガスを生成可能な水素ガス生成装置などで構成され、燃料電池セル１０（セパレータ１２）に水素ガスを供給可能に構成されている。この場合、本例の燃料電池ユニット１では、この供給源４から燃料電池セル１０に供給する水素ガスが好適な湿度範囲内の湿度となるように供給源４において水素ガスを加湿する構成が採用されている。

【0034】

後処理装置５は、セパレータ１２の給気口１２ｂ（「第２の給気口」の一例）から水素流路１２ａに供給されて排気口１２ｃ（「第２の排気口」の一例）から排気された気体（燃料電池セル１０において未反応の水素を含む排気）に含まれる水素を除去（回収）する回収装置や、排気口１１ｃから排気された気体の水素濃度が既定値を下回るように空気（大気）を混合する（排気口１１ｃからの排気を希釈する）混合装置などで構成されている。なお、排気される気体の水素濃度が十分に低いときなどには、この後処理装置５を不要とすることもできる。

【0035】

配管２－１１は、前処理装置２から給気口１１ｂに空気を給気可能に前処理装置２および燃料電池セル１０（セパレータ１１）に接続されている。配管４－１２は、供給源４から給気口１２ｂに水素ガスを給気可能に供給源４および燃料電池セル１０（セパレータ１２）に接続されている。配管１１－３は、排気口１１ｃから吸引ポンプ３に空気を吸引可能に吸引ポンプ３および燃料電池セル１０（セパレータ１１）に接続されている。配管１２－５は、排気口１２ｃから後処理装置５に排気を案内可能に後処理装置５および燃料電池セル１０（セパレータ１２）に接続されている。配管６ａは、「第１の給気口および第２の給気口を連通させる第１の配管」の一例であって、その一端部が配管２－１１に接続されると共に、他端部が配管４－１２に接続されている。配管６ｂは、「第１の排気口および前記第２の排気口を連通させる第２の配管」の一例であって、その一端部が配管１２－５に接続されると共に、他端部が配管１１－３に接続されている。

【0036】

切替弁７ａは、上記の配管２－１１と配管６ａとの接続部に配設されており、制御部９の制御に従い、給気口１１ｂへの空気の流入、および配管６ａへの空気の流入を許容／規制する。切替弁７ｂは、上記の配管１１－３と配管６ｂとの接続部に配設されており、制御部９の制御に従い、排気口１１ｃから吸引ポンプ３への空気の吸引、および配管６ｂから吸引ポンプ３への空気の吸引を許容／規制する。切替弁７ｃは、上記の配管４－１２と配管６ａとの接続部に配設されており、制御部９の制御に従い、供給源４から給気口１２ｂや配管６ａへの水素ガスの流入、および配管６ａから供給源４や給気口１２ｂへの空気の流入を許容／規制する。切替弁７ｄは、上記の配管１２－５と配管６ｂとの接続部に配設されており、制御部９の制御に従い、排気口１２ｃから後処理装置５への水素ガスの流入、および排気口１２ｃから配管６ｂへの空気等の流入を許容／規制する。

【0037】

この場合、本例の燃料電池ユニット１では、上記の切替弁７ａ～７ｄによって「弁機構」が構成されている。なお、図１～４では、切替弁７ａ～７ｄにおいて制御部９によって閉塞されたポートを黒色で塗り潰して図示している。この制御部９による各切替弁７ａ～７ｄの切替え制御については後に具体的に説明する。

【0038】

圧力センサ８ａ，８ｂは、制御部９と相俟って「第１の給気口および第１の排気口に生じる圧力差を検出する第１の圧力差検出部」を構成し、圧力センサ８ａが、上記の配管２－１１における切替弁７ａと給気口１１ｂとの間に生じる圧力（すなわち、給気口１１ｂに生じる圧力）を検出し、圧力センサ８ｂが、上記の配管１１－３における排気口１１ｃと切替弁７ｂとの間に生じる圧力（すなわち、排気口１１ｃに生じる圧力）を検出し、制御部９が両圧力センサ８ａ，８ｂによって検出された圧力に基づいて圧力差を特定する。なお、圧力センサ８ａ，８ｂに代えて、１つの差圧センサー（図示せず）によって給気口１１ｂと排気口１１ｃとの圧力差を直接検出する構成を採用することもできる。

【0039】

圧力センサ８ｃ，８ｄは、制御部９と相俟って「第２の給気口および第２の排気口に生じる圧力差を検出する第２の圧力差検出部」を構成し、圧力センサ８ｃが、上記の配管４－１２における切替弁７ｃと給気口１２ｂとの間に生じる圧力（すなわち、給気口１２ｂに生じる圧力）を検出し、圧力センサ８ｄが、上記の配管１２－５における排気口１２ｃと切替弁７ｄとの間に生じる圧力（すなわち、排気口１２ｃに生じる圧力）を検出し、制御部９が両圧力センサ８ｃ，８ｄによって検出された圧力に基づいて圧力差を特定する。なお、圧力センサ８ｃ，８ｄに代えて、１つの差圧センサー（図示せず）によって給気口１２ｂと排気口１２ｃとの圧力差を直接検出する構成を採用することもできる。

【0040】

制御部９は、燃料電池ユニット１を総括的に制御する。具体的には、制御部９は、吸引ポンプ３を制御して空気を吸引させると共に、供給源４を制御して水素ガスを供給させる。また、制御部９は、燃料電池ユニット１の動作状態や圧力センサ８ａ～８ｄによって検出された圧力に応じて切替弁７ａ～７ｄを切替え制御することで、空気や水素ガスの流れをコントロールする。

【0041】

この燃料電池ユニット１では、空気（酸素）と水素とを反応させて発電を行う「通常動作モード」に加え、空気流路１１ａ内に発生した水を燃料電池セル１０（セパレータ１１）から強制排水する「空気流路排水動作モード」や、水素流路１２ａ内に発生した水を燃料電池セル１０（セパレータ１２）から強制排水する「水素流路排水動作モード」で動作することができるように構成されている。

【0042】

まず、「通常動作モード」で燃料電池セル１０において発電を行うときに、制御部９は、吸引ポンプ３を制御して空気の吸引を開始させると共に、供給源４を制御して水素ガスの供給を開始させる。この際に、制御部９は、図１に示すように、切替弁７ａを制御して、配管２－１１から配管６ａへの空気の流入を規制させつつ、配管２－１１から給気口１１ｂへの空気の流入を許容させ、かつ、切替弁７ｃを制御して、配管４－１２から配管６ａへの水素ガスの流入を規制させつつ、配管４－１２から給気口１２ｂへの水素ガスの流入を許容させると共に、切替弁７ｄを制御して、配管１２－５から配管６ｂへの水素ガスの流入を規制させつつ、配管１２－５から後処理装置５への水素ガスの流入を許容させ、かつ、切替弁７ｂを制御して、配管６ｂから配管１１－３への水素ガスの流入を規制させつつ、配管１１－３から吸引ポンプ３への空気の吸引を許容させる（「第１の給気口への第１の気体の流入および第１の排気口からの第１の気体の排気を許容させた状態」および「第１の切替え状態」の一例）。

【0043】

これにより、前処理装置２において浄化された空気が、配管２－１１を介して燃料電池セル１０（セパレータ１１）の給気口１１ｂに供給され、給気口１１ｂから排気口１１ｃに向かって空気流路１１ａを通過させられた後に、排気口１１ｃから配管１１－３を介して吸引ポンプ３に吸引される。また、供給源４において加湿された水素ガスが、配管４－１２を介して燃料電池セル１０（セパレータ１２）の給気口１２ｂに供給され、給気口１２ｂから排気口１２ｃに向かって水素流路１２ａを通過させられた後に、排気口１２ｃから配管１２－５を介して後処理装置５に流入する。これにより、燃料電池セル１０においてＭＥＡ１３を介して空気（酸素）と水素とが反応させられて電力が発生する。

【0044】

この場合、燃料電池セル１０において発電が行われているときには、酸素と水素との反応によってＭＥＡ１３におけるカソード電極側に水が発生する。また、発電効率の向上を目的として供給源４において加湿をした水素ガスが燃料電池セル１０（セパレータ１２）に供給される本例では、動作開始直後であることで低温（常温）となっている燃料電池セル１０（セパレータ１２）との熱交換、および空気流路１１ａを通過させられる空気や冷却用のセパレータを通過させられる冷媒との熱交換等による水素ガスの温度低下に伴って水素ガス中の水分が水素流路１２ａ内で結露する結果、水素流路１２ａ内にも水が発生することがある。さらに、前述の特許文献にも記載されているように、カソード電極側において発生した水がアノード電極側（水素流路１２ａ内）に逆拡散（ＭＥＡ１３を透過して水素流路１２ａ内に侵入）したり、アノード電極側において発生した水がカソード電極側（空気流路１１ａ内）に逆拡散（ＭＥＡ１３を透過して空気流路１１ａ内に侵入）したりすることもある。

【0045】

ここで、空気流路１１ａ内に発生した水の多くは、空気流路１１ａを通過させられる空気と共に空気流路１１ａ内を移動させられて排気口１１ｃから排気と共に排水され、水素流路１２ａ内に発生した水の多くは、水素流路１２ａを通過させられる水素ガスと共に水素流路１２ａ内を移動させられて排気口１２ｃから排気と共に排水される。しかしながら、例えば、燃料電池セル１０に対する空気および水素ガスの単位時間当りの供給量が多く、かつ、これらが好適に反応しているときには、空気流路１１ａ内や水素流路１２ａ内に発生する水の量が多くなるため、発生した水の一部が空気流路１１ａ内や水素流路１２ａ内に滞留した状態となることがある。したがって、このような状態において発電を停止させるために空気や水素ガスの供給を停止させたときには、空気流路１１ａ内や水素流路１２ａ内に水が滞留したままの状態となる。

【0046】

一方、燃料電池ユニット１による発電開始時には、酸素と水素とが好適な反応が得られる状態となるまで、燃料電池セル１０に対する空気や水素ガスの供給量を徐々に増加させる制御が行われる。この際に、前回の発電終了時に空気流路１１ａ内や水素流路１２ａ内に水が滞留した状態となっていたときには、発電開始時に供給される空気や水素ガスが少量であるため、この水を排気口１１ｃ，１２ｃから排水するのが困難であることから、空気流路１１ａ内の水によって空気の通過が阻害され、かつ水素流路１２ａ内の水によって水素ガスの通過が阻害さることとなる。このため、好適な反応が得られる状態となるまでに要する時間が長くなってしまう。

【0047】

そこで、本例の燃料電池ユニット１では、「通常動作モード」での発電の終了に際して、一例として、「空気流路排水動作モード」で動作して空気流路１１ａ内の水を排水し、次いで「水素流路排水動作モード」で動作して水素流路１２ａ内の水を排水する処理を行ってから停止する構成が採用されている。具体的には、制御部９は、図示しない操作部の操作、または図示しない外部装置からの制御信号によって発電の終了を指示されたときに、まず、吸引ポンプ３の動作を継続させつつ、供給源４を制御して燃料電池セル１０に対する水素ガスの供給を停止させる。これにより、燃料電池セル１０における水素と酸素との反応が停止して発電が終了する（「予め規定された第１の条件が満たされたとき」、および「予め規定された第３の条件が満たされたとき」の一例）。

【0048】

次いで、制御部９は、「空気流路排水動作モード」に移行する。この「空気流路排水動作モード」では、制御部９は、引き続き吸引ポンプ３を動作させつつ、図２に示すように、切替弁７ａを制御して配管６ａおよび給気口１１ｂへの空気の流入を規制すると共に、切替弁７ｂを制御して配管６ｂから配管１１－３への空気や水素ガスの流入、および排気口１１ｃから配管１１－３への空気の排気（流入）を規制させる。これにより、配管１１－３から吸引ポンプ３への空気の流入（吸引）が規制される（「第１の給気口への第１の気体の流入および第１の排気口からの第１の気体の排気の双方を規制した状態」：「第２の切替え状態」の一例）。なお、本例では、上記の「第２の切替え状態」において、制御部９が、切替弁７ｃを制御して配管６ａおよび水素流路１２ａへの水素ガスの流入を規制すると共に、切替弁７ｄを制御して、水素流路１２ａからの水素ガスの排気や、配管６ｂへの水素ガス等の流入を規制する。これにより、吸引ポンプ３が継続動作させられることで、配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間の負圧が徐々に上昇する（負圧の蓄圧）。

【0049】

続いて、制御部９は、各切替弁７ａ～７ｄを「第２の切替え状態」に切り替えてから予め規定された時間が経過したときに（「第２の条件」が満たされたときの一例）、引き続き吸引ポンプ３を動作させつつ、図３に示すように、切替弁７ａを制御して、配管６ａへの空気の流入を規制させつつ、給気口１１ｂへの空気の流入を許容させると共に、切替弁７ｂを制御して、配管６ｂから配管１１－３への空気や水素ガスの流入を規制させつつ、排気口１１ｃから配管１１－３への空気の排気（流入）を許容させる（「第３の切替え状態」の一例）。なお、本例では、この「第３の切替え状態」において、制御部９が、切替弁７ｃ，７ｄについては、「第２の切替え状態」と同様の状態を維持させる。

【0050】

この場合、前述のように切替弁７ａ～７ｄが「第２の切替え状態」に切り替えられてから吸引ポンプ３が継続動作させられることで配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間の負圧が上昇した状態となっている。したがって、各切替弁７ａ～７ｄが「第３の切替え状態」に切り替えられることで、配管１１－３における切替弁７ｂと燃料電池セル１０におけるセパレータ１１（排気口１１ｃ）との間の空気が吸引ポンプ３側に急速に吸引され、これに伴い、空気流路１１ａ内の空気が排気口１１ｃから配管１１－３に向かって急速に排気され、さらに、配管２－１１内の空気が給気口１１ｂから空気流路１１ａ内に急速に吸引される。これにより、空気流路１１ａ内に滞留していた水が空気と共に、排気口１１ｃから排水され、給気口１１ｂから新たに吸引される乾燥した空気によって空気流路１１ａ内が十分に乾燥させられる。

【0051】

一方、上記のように切替弁７ａ～７ｄを「第３の切替え状態」に移行させてから予め規定された時間が経過したとき（空気流路１１ａ内の水の排水が完了するのに要する時間が経過したとき）に、制御部９は、「水素流路排水動作モード」に移行する。具体的には、制御部９は、吸引ポンプ３を引き続き動作させつつ、切替弁７ａ～７ｄを再び「第２の切替え状態」に移行させる。この際には、「第３の切替え状態」への移行前の「第２の切替え状態」での動作時と同様にして、配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間の負圧が徐々に上昇する。

【0052】

続いて、制御部９は、各切替弁７ａ～７ｄを「第２の切替え状態」に切り替えてから予め規定された時間が経過したときに（「第４の条件」が満たされたときの一例）、引き続き吸引ポンプ３を動作させつつ、図４に示すように、切替弁７ａを制御して、セパレータ１１（給気口１１ｂ）への空気の流入を規制させつつ、配管６ａへの空気の流入を許容させると共に、切替弁７ｃを制御して、配管６ａを介して配管４－１２に流入する空気の供給源４への空気の流入（逆流）を規制させつつ、セパレータ１２（給気口１２ｂ）への流入を許容させる。また、制御部９は、切替弁７ｄを制御して、セパレータ１２（水素流路１２ａ）を通過させられて排気口１２ｃから排気される空気の後処理装置５への流入を規制させつつ、配管６ｂへの流入を許容させると共に、切替弁７ｂを制御して、配管６ｂを介して配管１１－３に流入する空気のセパレータ１１（排気口１１ｃ）への流入（逆流）を規制させつつ、吸引ポンプ３への吸引を許容させる（「第４の切替え状態」の一例）。

【0053】

この場合、前述のように切替弁７ａ～７ｄが「第２の切替え状態」に切り替えられてから吸引ポンプ３が継続動作させられることで配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間の負圧が上昇した状態となっている。したがって、各切替弁７ａ～７ｄが「第４の切替え状態」に切り替えられることで、配管６ｂ内の気体（以前に「第４の切替え状態」に切り替えられたときに配管６ｂ内に流入した空気等）が配管１１－３における切替弁７ｂと吸引ポンプ３との間に急速に吸引され、これに伴い、配管１２－５内の気体（発電終了直前に排気口１２ｃから排気された水素ガス）が配管６ｂ内に急速に吸引されると共に、水素流路１２ａ内の気体（水素ガス）が排気口１２ｃから配管１２－５に向かって急速に排気され、さらに、配管４－１２内の気体（水素ガス）が給気口１２ｂから水素流路１２ａ内に急速に吸引される。また、配管６ａ内の空気が配管４－１２内に急速に吸引されると共に、配管２－１１内の空気が配管６ａ内に急速に吸引される。これにより、水素流路１２ａ内に滞留していた水が水素ガスと共に、排気口１２ｃから排水され、配管６ａを介して配管４－１２に吸引された空気が給気口１２ｂから吸引され、この乾燥した空気によって水素流路１２ａ内が十分に乾燥させられる。

【0054】

この後、制御部９は、切替弁７ａ～７ｄを「第４の切替え状態」に移行させてから予め規定された時間が経過したとき（水素流路１２ａ内の水の排水が完了するのに要する時間が経過したとき）に、この「水素流路排水動作モード」での動作を終了する。具体的には、制御部９は、吸引ポンプ３を停止させると共に、一例として各切替弁７ａ～７ｄを前述の「第１の切替え状態」に移行させ、一連の制御を終了する。以上により、空気流路１１ａ内および水素流路１２ａ内に水が存在しない状態で燃料電池ユニット１が停止状態（非発電状態）となる。

【0055】

なお、「空気流路排水動作モード」で動作して空気流路１１ａの排水を行った後に「水素流路排水動作モード」で動作して水素流路１２ａの排水を行う例について説明したが、「水素流路排水動作モード」で動作して水素流路１２ａの排水を行った後に「空気流路排水動作モード」で動作して空気流路１１ａの排水を行ってもよい。また、必要に応じて、「空気流路排水動作モード」での排水（「第２の切替え状態」から「第３の切替え状態」への移行）を複数回連続して実行したり、「水素流路排水動作モード」での排水（「第２の切替え状態」から「第４の切替え状態」への移行）を複数回連続して実行したりすることもできる。これにより、「第２の切替え状態」において長時間に亘って吸引ポンプ３に高負荷を掛けることなく、空気流路１１ａ内の水や水素流路１２ａ内の水を好適に排水することができる。

【0056】

一方、発電の終了時（停止前）に空気流路１１ａ内の水や水素流路１２ａ内の水を排水する処理について説明したが、燃料電池ユニット１の動作状態によっては、発電を行っている最中にも、空気や水素ガスを通過させるのが困難となる多量の水が空気流路１１ａ内や水素流路１２ａ内に存在する状態となることがある。この状態では、空気および／または水素ガスの供給量が不足することで好適な反応を得られず、必要とされる電力量の電力を発電するのが困難となるおそれがある。したがって、本例の燃料電池ユニット１では、「通常動作モード」での動作中（発電を行っているとき）も、必要に応じて空気流路１１ａ内の水や水素流路１２ａ内の水を排水することができるように構成されている。

【0057】

例えば、発電中に空気流路１１ａ内に多量の水が滞留した状態となったときには、空気流路１１ａに対する空気の通過抵抗が大きくなる。この結果、セパレータ１１における排気口１１ｃ側の圧力（吸引ポンプ３の吸引によって排気口１１ｃ生じる負圧）と、給気口１１ｂ側の圧力（空気流路１１ａを介して給気口１１ｂに及ぶ負圧）との差が空気流路１１ａ内の水の量（通過抵抗の大きさ）に応じて大きくなる。

【0058】

したがって、本例の燃料電池ユニット１では、制御部９が、給気口１１ｂに接続された配管２－１１に設けられている圧力センサ８ａによって検出された圧力（すなわち、給気口１１ｂに生じている負圧）と、排気口１１ｃに接続された配管１１－３に設けられている圧力センサ８ｂによって検出された圧力（すなわち、排気口１１ｃに生じている負圧）との差が、予め規定された「第１の上限値」を超えたとき（空気流路１１ａに対する空気の通過抵抗が、発電に必要な量の空気を通過させるのが困難となる可能性がある大きさになったとき）に、「第１の条件」が満たされたとして、前述の「空気流路排水動作モード」で動作して空気流路１１ａ内の水を排水し、その後に、「通常動作モード」に復帰する。なお、「空気流路排水動作モード」での動作については、発電終了時の「空気流路排水動作モード」での動作と同様のため、重複する説明を省略する。これにより、空気流路１１ａに対する空気の通過抵抗が十分に小さくなり、発電に必要となる十分な量の空気を通過させることが可能となる。

【0059】

また、発電中に水素流路１２ａ内に多量の水が滞留した状態となったときには、水素流路１２ａに対する水素ガスの通過抵抗が大きくなる。この結果、セパレータ１２における排気口１２ｃ側の圧力（排気口１１ｃ生じる正圧）と、給気口１２ｂ側の圧力（給気口１２ｂに及ぶ正圧）との差が水素流路１２ａ内の水の量（通過抵抗の大きさ）に応じて大きくなる。

【0060】

したがって、本例の燃料電池ユニット１では、制御部９が、給気口１２ｂに接続された配管４－１２に設けられている圧力センサ８ｃによって検出された圧力（すなわち、給気口１２ｂに生じている正圧）と、排気口１２ｃに接続された配管１２－５に設けられている圧力センサ８ｄによって検出された圧力（すなわち、排気口１２ｃに生じている正圧）との差が、予め規定された「第２の上限値」を超えたとき（水素流路１２ａに対する水素ガスの通過抵抗が、発電に必要な量の水素ガスを通過させるのが困難となる可能性がある大きさになったとき）に、「第３の条件」が満たされたとして、前述の「水素流路排水動作モード」で動作して水素流路１２ａ内の水を排水し、その後に、「通常動作モード」に復帰する。なお、「水素流路排水動作モード」での動作についても、発電終了時の「水素流路排水動作モード」での動作と同様のため、重複する説明を省略する。これにより、水素流路１２ａに対する水素ガスの通過抵抗が十分に小さくなり、発電に必要となる十分な量の水素ガスを通過させることが可能となる。

【0061】

また、上記のように空気流路１１ａ内に滞留した水の量が多量となって空気の通過抵抗が大きくなったとき（すなわち、反応に必要な十分な量の空気が供給されなくなったとき）や、水素流路１２ａ内に滞留した水の量が多量となって水素ガスの通過抵抗が大きくなったとき（すなわち、反応に必要な十分な量の水素ガスが供給されなくなったとき）には、燃料電池セル１０における発電効率が低下する。したがって、本例の燃料電池ユニット１では、「通常動作モード」での動作時（発電中）に燃料電池セル１０における発電効率が予め規定された状態を下回ったときに、一例として、前述の発電終了時と同様にして、「空気流路排水動作モード」で動作して空気流路１１ａ内の水を排水すると共に、「水素流路排水動作モード」で動作して水素流路１２ａ内の水を排水する。これにより、燃料電池セル１０に対して十分な量の空気や水素ガスが供給されて発電効率が上昇する。

【0062】

なお、上記の「予め規定された状態を下回ったとき」とは、一例として、供給源４から燃料電池セル１０（セパレータ１２）への単位時間当りの水素ガスの供給量（供給源４に設けられた図示しない供給弁の開弁率等）や、吸引ポンプ３による燃料電池セル１０（セパレータ１１）からの単位時間当りの空気の吸引量（吸引ポンプ３の回転数等）から想定される単位時間当りの発電量に対して、実際に発電された単位時間当りの発電量が、予め規定された割合を下回って低下したときがこれに相当する。

【0063】

このように、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、燃料電池セル１０において発電を行うときに、「弁機構（本例では、切替弁７ａ～７ｄ）」を制御してセパレータ１１における給気口１１ｂへの空気（大気）の流入、およびセパレータ１１における排気口１１ｃからの空気の排気を許容させた状態で吸引ポンプ３を動作させると共に、予め規定された「第１の条件」が満たされたときに、吸引ポンプ３の動作を継続させつつ、「弁機構」を制御して給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気の少なくとも一方（本例では、双方）を規制し、その後に予め規定された「第２の条件」が満たされたときに、「弁機構」を制御して給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気を許容させる。

【0064】

したがって、この燃料電池ユニット１によれば、「第１の条件」が満たされて、吸引ポンプ３の動作を継続させつつ、給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気を規制することで、吸引ポンプ３と排気口１１ｃとの間の負圧を上昇させ、その状態で「第２の条件」が満たされて給気口１１ｂへの空気の流入および排気口１１ｃからの空気の排気が許容されたときに、空気流路１１ａ内の空気が排気口１１ｃから急速に排気され、これに伴って空気流路１１ａ内に滞留していた水を排気口１１ｃから排水することができる。これにより、自重によって排気口１１ｃに向かって水が移動し難い空気流路１１ａであっても、滞留していた水を確実に排水することができるため、セパレータ１１に関する設計の自由度の低下を招くことなく、空気流路１１ａ内への水の滞留に起因する発電能力の低下を好適に回避することができる。

【0065】

また、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、燃料電池セル１０において発電を行うときに、「弁機構」を制御して、配管６ａ，６ｂへの空気および水素ガスの流入を規制しつつ、給気口１１ｂに空気を流入させ、かつセパレータ１２における給気口１２ｂに水素ガスを流入させる「第１の切替え状態」に移行させ、「第１の条件」が満たされたときに、「弁機構」を制御して、吸引ポンプ３への空気および水素ガスの流入を規制する「第２の切替え状態」に移行させ、その後に「第２の条件」が満たされたときに、「弁機構」を制御して、配管６ａ，６ｂへの空気および水素ガスの流入、並びに給気口１２ｂへの水素ガスの流入を規制しつつ、給気口１１ｂに空気を流入させる「第３の切替え状態」に移行させ、予め規定された「第３の条件」が満たされたときに、吸引ポンプ３の動作を継続させつつ、「弁機構」を制御して、上記の「第２の切替え状態」に移行させ、その後に予め規定された「第４の条件」が満たされたときに、「弁機構」を制御して、給気口１１ｂへの空気の流入、および給気口１２ｂへの水素ガスの流入を規制しつつ、配管６ａへの空気の流入、給気口１２ｂへの空気の流入および配管６ｂへの空気の流入を許容する「第４の切替え状態」に移行させる。

【0066】

したがって、この燃料電池ユニット１によれば、「第１の条件」が満たされたときに空気流路１１ａ内の水が好適に排水されるだけでなく、「第３の条件」が満たされて、吸引ポンプ３の動作を継続させつつ、「第２の切替え状態」に移行させられることで、吸引ポンプ３と排気口１１ｃとの間の負圧を上昇させ、その状態で「第４の条件」が満たされて「第４の切替え状態」に移行させられることで、水素流路１２ａ内の水素ガス等が排気口１２ｃから急速に排気され、これに伴って水素流路１２ａ内に滞留していた水が排気口１２ｃから排水される。これにより、自重によって排気口１２ｃに向かって水が移動し難い水素流路１２ａであっても、滞留していた水を確実に排水することができるため、セパレータ１２に関する設計の自由度の低下を招くことなく、水素流路１２ａ内への水の滞留に起因する発電能力の低下を好適に回避することができる。

【0067】

さらに、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、燃料電池セル１０における発電が終了したときに、「第１の条件」および「第３の条件」が満たされたと判別する。したがって、この燃料電池ユニット１によれば、発電中に空気流路１１ａ内や水素流路１２ａ内に水が滞留した状態になったとしても、この水が発電終了時に確実に排水されるため、次回の発電開始時に、空気流路１１ａに対する空気の通過が妨げられたり、水素流路１２ａに対する水素ガスの通過が妨げられたりすることがなく、好適に発電を開始することができる。

【0068】

さらに、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、給気口１１ｂおよび排気口１１ｃに生じる圧力差を検出する圧力センサ８ａ，８ｂによって検出された圧力差が予め規定された「第１の上限値」を超えたときに、「第１の条件」が満たされたと判別する。また、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、給気口１２ｂおよび排気口１２ｃに生じる圧力差を検出する圧力センサ８ｃ，８ｄによって検出された圧力差が予め規定された「第２の上限値」を超えたときに、「第３の条件」が満たされたと判別する。

【0069】

したがって、この燃料電池ユニット１によれば、空気流路１１ａ内に滞留した水の量が多量となって空気流路１１ａに対する空気の通過抵抗が大きくなったときに、検出される「圧力差」が「第１の上限値」を超えて「第１の条件」が満たされることで、この空気流路１１ａ内の水が好適に排水され、水素流路１２ａ内に滞留した水の量が多量となって水素流路１２ａに対する水素ガスの通過抵抗が大きくなったときに、検出される「圧力差」が「第２の上限値」を超えて「第３の条件」が満たされることで、この水素流路１２ａ内の水が好適に排水されるため、好適な発電に必要とされる十分な量の空気や水素ガスを確実に反応させることができる。

【0070】

さらに、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、燃料電池セル１０における発電効率が「予め規定された発電効率」を下回ったときに、「第１の条件」が満たされたと判別する。また、この燃料電池ユニット１では、制御部９が、燃料電池セル１０における発電効率が「予め規定された発電効率」を下回ったときに、「第３の条件」が満たされたと判別する。

【0071】

したがって、この燃料電池ユニット１によれば、空気流路１１ａ内に多量の水が滞留して空気の通過抵抗が大きくなり、十分な量の空気をセパレータ１１に供給するのが困難となって発電能力が低下したときに、「第１の条件」が満たされて空気流路１１ａから水が排水され、水素流路１２ａ内に多量の水が滞留して水素ガスの通過抵抗が大きくなり、十分な量の水素ガスをセパレータ１２に供給するのが困難となって発電能力が低下したときに、「第３の条件」が満たされて水素流路１２ａから水が排水されるため、それ以上発電能力が低下する前に、発電に必要な十分な量の空気や水素ガスを供給可能な状態に復帰させて好適に発電することができる。

【0072】

なお、「燃料電池ユニット」の構成は、上記の燃料電池ユニット１の構成の例に限定されない。

【0073】

例えば、制御部９が、各切替弁７ａ～７ｄを「第２の切替え状態」に切り替えた後に「予め規定された時間」が経過したときに「第２の条件」が満たされたと判別する構成を例に挙げて説明したが、このような構成に代えて（または、このような構成に加えて）、配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間の圧力（負圧）が予め規定された圧力に達したときや、吸引ポンプ３に加わっている負荷が予め規定された負荷量に達したとき（吸引ポンプ３の動作電流が規定電流値に達したとき）に「第２の条件」が満たされたと判別する構成を採用することもできる。

【0074】

また、「第２の切替え状態」において吸引ポンプ３を継続動作させることで配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間の負圧を上昇させる（負圧を蓄圧する）構成を例に挙げて説明したが、配管１１－３における吸引ポンプ３と切替弁７ｂとの間に密閉耐圧容器体（バッファタンク：図示せず）を接続することで、第２の切替え状態」において十分に負圧を蓄圧することが可能となる。このような構成を採用することにより、「第３の切替え状態」や「第４の切替え状態」に切り替えたときに、負圧となっている密閉耐圧容器体内に多量の空気を吸引させて、十分な量の空気を高速移動させることが可能となり、確実に排水を行うことができる。

【0075】

また、空気流路１１ａからの排水、および水素流路１２ａからの排水を実行可能に構成した燃料電池ユニット１の構成を例に挙げて説明したが、空気流路１１ａからの排水だけを実行可能な構成（水素流路１２ａからの排水を行わない構成）を採用することもできる。

【0076】

具体的には、一例として、上記の燃料電池ユニット１における配管６ａ，６ｂおよび切替弁７ａ～７ｄを排除すると共に、配管２－１１，１１－３のいずれか一方に「弁機構」としての開閉弁を配設することにより、この開閉弁を開状態とすることで給気口１１ｂからの空気の流入および排気口１１ｃからの排気を許容させ、かつ開閉弁を閉状態とすることで給気口１１ｂからの空気の流入および排気口１１ｃからの排気を規制させる。この場合、配管２－１１に開閉弁を設けることにより、「第１の条件」が満たされたときに「第１の給気口への第１の気体の流入」を規制することができ、配管１１－３に開閉弁を設けることにより、「第１の条件」が満たされたときに「第１の排気口からの第１の気体の排気」を規制することができ、空気流路１１ａからの排水を好適に実施することができる。

【0077】

また、水素ガスの供給源である供給源４を備えた燃料電池ユニット１の構成を例に挙げて説明したが、供給源４を備えずに、外部装置としての「水素ガスの供給源」から水素ガスを得て発電を行う構成の「燃料電池ユニット」とすることもできる。また、未反応の水素を含む排気を処理する後処理装置５を備えた燃料電池ユニット１の構成を例に挙げて説明したが、後処理装置５を備えずに、外部装置としての各種の処理装置に燃料電池セル１０（セパレータ１２）からの排気を処理させる構成を採用することもできる。

【符号の説明】

【0078】

１ 燃料電池ユニット
２ 前処理装置
３ 吸引ポンプ
４ 供給源
５ 後処理装置
２－１１，４－１２，１１－３，１２－５，６ａ，６ｂ 配管
７ａ～７ｄ 切替弁
８ａ～８ｄ 圧力センサ
９ 制御部
１０ 燃料電池セル
１１，１２ セパレータ
１１ａ 空気流路
１１ｂ，１２ｂ 給気口
１１ｃ，１２ｃ 排気口
１２ セパレータ
１２ａ 水素流路
１３ ＭＥＡ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】