CN115298865A - 燃料电池系统和其运转方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统(100)具备燃料电池堆(4)、冷却水路径(40)、冷却水箱(30)、冷却水泵(10)、氧化剂气体供给部(15)、氧化剂气体供给路径(11)、氧化剂气体加湿路径(12)、氧化剂气体排出路径(13)和废气路径(14)。燃料电池系统(100)构成为，当燃料电池堆(4)停止发电时，氧化剂气体加湿路径(12)的入口完全没入水中，但对残留的氧化剂气体的温度进行控制，而不使阴极(4b)充满冷却水(30r)。

Description

燃料电池系统和其运转方法
技术领域
本公开涉及具备对在燃料电池堆中生成的水进行回收的冷却水箱的燃料电池系统和其运转方法。
背景技术
专利文献1公开一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，在停止发电时切换开闭阀，将冷却水的一部分向阴极供给而使阴极充满冷却水，由此，抑制空气向阴极的流入。
该燃料电池系统具备：燃料气体供给路径、燃料电池堆、未反应燃料气体排出路径、氧化剂气体供给路径、氧化剂气体排出路径、冷却水路径、冷却水泵、冷却水箱、冷却水供给管路、第一水阀、冷却水排出管路和第二水阀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-26182号公报
发明内容
本公开提供一种当燃料电池系统停止发电时能够在不使阴极充满冷却水的情况下抑制发电停止时的空气向阴极的流入的燃料电池系统和其运转方法。
本公开的燃料电池系统具备燃料电池堆、冷却水路径、冷却水箱、冷却水泵、氧化剂气体供给部、氧化剂气体供给路径、氧化剂气体加湿路径、氧化剂气体排出路径和废气路径。
燃料电池堆为固体高分子型，其构成为使向阳极供给的燃料气体和向阴极供给的氧化剂气体反应而发电。
冷却水路径构成为供与燃料电池堆进行热交换的冷却水循环。
冷却水箱是设于冷却水路径中的在铅垂方向上比燃料电池堆低的部位的大致密闭型的箱。冷却水箱在设置状态下在贮存冷却水的冷却水贮存部的上方具有气体贮存部，气体贮存部以与燃料电池堆的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间和第二空间。
冷却水泵设于冷却水路径，以汲取冷却水箱内的冷却水并向燃料电池堆供给。
氧化剂气体供给部构成为供给氧化剂气体。另外，氧化剂气体供给路径是构成为向第一空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给氧化剂气体的路径，其是将氧化剂气体供给部和冷却水箱连接的路径。
氧化剂气体加湿路径是构成为将自氧化剂气体供给路径排出并被加湿而积存于第一空间的氧化剂气体向阴极供给的路径，其是入口向第一空间开口且出口连接于阴极的入口的路径。
氧化剂气体排出路径是构成为将未用于燃料电池堆的反应而自阴极的出口排出的氧化剂气体向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给的路径。氧化剂气体排出路径是入口连接于阴极的出口且出口向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中开口的路径。
废气路径是构成为能够将自氧化剂气体排出路径排出并被气液分离而积存于第二空间的氧化剂气体向外部排出的路径，其是入口向第二空间开口且出口向外部开口的路径。
并且，本公开的燃料电池系统构成为，当燃料电池堆停止发电时，氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但对残留的氧化剂气体的温度进行控制，而不使阴极充满冷却水。
另外，本公开的燃料电池系统的运转方法是具备燃料电池堆、冷却水路径、冷却水箱、冷却水泵、氧化剂气体供给部、氧化剂气体供给路径、氧化剂气体加湿路径、氧化剂气体排出路径、废气路径和加热器的燃料电池系统的运转方法。燃料电池堆为固体高分子型，其使向阳极供给的燃料气体和向阴极供给的氧化剂气体反应而发电。冷却水路径供与燃料电池堆进行热交换的冷却水循环。冷却水箱是设于冷却水路径中的在铅垂方向上比燃料电池堆低的部位的大致密闭型的箱。冷却水箱在设置状态下在贮存冷却水的冷却水贮存部的上方具有气体贮存部，气体贮存部以与燃料电池堆的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间和第二空间。冷却水泵设于冷却水路径，以汲取冷却水箱内的冷却水并向燃料电池堆供给。氧化剂气体供给部供给氧化剂气体。氧化剂气体供给路径以向第一空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给氧化剂气体的方式将氧化剂气体供给部和冷却水箱连接。氧化剂气体加湿路径其入口向第一空间开口且出口连接于阴极的入口，以将自氧化剂气体供给路径排出并被加湿而积存于第一空间的氧化剂气体向阴极供给。氧化剂气体排出路径是构成为将未用于燃料电池堆的反应而自阴极的出口排出的氧化剂气体向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给的路径。氧化剂气体排出路径其入口连接于阴极的出口且出口向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中开口。废气路径其入口向第二空间开口且出口向外部开口，以能够将自氧化剂气体排出路径排出并被气液分离而积存于第二空间的氧化剂气体向外部排出。加热器配设于冷却水箱，对冷却水的温度进行调整。并且，在本公开的燃料电池系统的运转方法中，燃料电池系统在燃料电池堆停止发电后也使冷却水泵动作。另外，在本公开的燃料电池系统的运转方法中，燃料电池系统在燃料电池堆停止发电时，利用加热器对冷却水的温度进行调整，使得虽然氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但阴极不充满冷却水。
在本公开的燃料电池系统和本公开的燃料电池系统的运转方法中，当燃料电池堆停止发电时能够在不使阴极充满冷却水的情况下抑制发电停止时的空气向阴极的流入。
附图说明
图1是表示本公开的实施方式1中的燃料电池系统的结构的框图。
图2是表示本公开的实施方式1中的残留氧化剂气体的压力和残留氧化剂气体的体积相对于残留氧化剂气体的温度的关系的图。
图3是表示本公开的实施方式2中的燃料电池系统的结构的框图。
具体实施方式
本公开的燃料电池系统具备燃料电池堆、冷却水路径、冷却水箱、冷却水泵、氧化剂气体供给部、氧化剂气体供给路径、氧化剂气体加湿路径、氧化剂气体排出路径和废气路径。燃料电池堆为固体高分子型，其使向阳极供给的燃料气体和向阴极供给的氧化剂气体反应而发电。冷却水路径供与燃料电池堆进行热交换的冷却水循环。冷却水箱是设于冷却水路径中的在铅垂方向上比燃料电池堆低的部位的大致密闭型的箱。冷却水箱中在设置状态下在贮存冷却水的冷却水贮存部的上方具有气体贮存部，气体贮存部以与燃料电池堆的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间和第二空间。冷却水泵设于冷却水路径，以汲取冷却水箱内的冷却水并向燃料电池堆供给。氧化剂气体供给部供给氧化剂气体。氧化剂气体供给路径以向第一空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给氧化剂气体的方式将氧化剂气体供给部和冷却水箱连接。氧化剂气体加湿路径其入口向第一空间开口且出口连接于阴极的入口，以将自氧化剂气体供给路径排出并被加湿而积存于第一空间的氧化剂气体向阴极供给。氧化剂气体排出路径是构成为将未用于燃料电池堆的反应而自阴极的出口排出的氧化剂气体向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给的路径。氧化剂气体排出路径其入口连接于阴极的出口且出口向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中开口。废气路径其入口向第二空间开口且出口向外部开口，以能够将自氧化剂气体排出路径排出并被气液分离而积存于第二空间的氧化剂气体向外部排出。本公开的燃料电池系统构成为，当燃料电池堆停止发电时，氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但对残留的氧化剂气体的温度进行控制，而不使阴极充满冷却水。
在本公开的燃料电池系统中，当燃料电池堆停止发电时能够在不使阴极充满冷却水的情况下对阴极路径进行密封。
因此，由于当停止时在不使冷却水滞留于阴极内部的情况下抑制空气的流入，因此能够抑制启动时(发电开始时)的水堵塞，能够实施稳定的发电。
另外，本公开的燃料电池系统也可以还具备加热器和控制部。加热器可以配设于冷却水箱，对冷却水的温度进行调整。控制部可以在燃料电池堆停止发电后也使冷却水泵动作。另外，控制部也可以在燃料电池堆停止发电时利用加热器来调整冷却水的温度，从而对残留的氧化剂气体的温度进行控制，使得虽然氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但阴极不充满冷却水。
另外，本公开的燃料电池系统也可以还具备温度测定器。温度测定器可以对自燃料电池堆排出的冷却水的温度、或者自燃料电池堆排出的氧化剂气体的温度进行测定。控制部也可以基于温度测定器的值来推测阴极内的氧化剂气体的温度。
另外，本公开的燃料电池系统也可以还具备水位计。水位计可以设于氧化剂气体排出路径，对氧化剂气体排出路径的冷却水的水位进行检测。控制部也可以在燃料电池堆停止发电时对加热器的加热量进行调整，使得水位计检测预定的水位。
另外，本公开的燃料电池系统的运转方法是具备燃料电池堆、冷却水路径、冷却水箱、冷却水泵、氧化剂气体供给部、氧化剂气体供给路径、氧化剂气体加湿路径、氧化剂气体排出路径、废气路径和加热器的燃料电池系统的运转方法。燃料电池堆为固体高分子型，其使向阳极供给的燃料气体和向阴极供给的氧化剂气体反应而发电。冷却水路径供与燃料电池堆进行热交换的冷却水循环。冷却水箱是设于冷却水路径中的在铅垂方向上比燃料电池堆低的部位的大致密闭型的箱。冷却水箱在设置状态下在贮存冷却水的冷却水贮存部的上方具有气体贮存部，气体贮存部以与燃料电池堆的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间和第二空间。冷却水泵设于冷却水路径，以汲取冷却水箱内的冷却水并向燃料电池堆供给。氧化剂气体供给部供给氧化剂气体。氧化剂气体供给路径以向第一空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给氧化剂气体的方式将氧化剂气体供给部和冷却水箱连接。氧化剂气体加湿路径其入口向第一空间开口且出口连接于阴极的入口，以将自氧化剂气体供给路径排出并被加湿而积存于第一空间的氧化剂气体向阴极供给。氧化剂气体排出路径是构成为将未用于燃料电池堆的反应而自阴极的出口排出的氧化剂气体向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中供给的路径。氧化剂气体排出路径其入口连接于阴极的出口且出口向第二空间的下方的冷却水贮存部的冷却水中开口。废气路径其入口向第二空间开口且出口向外部开口，以能够将自氧化剂气体排出路径排出并被气液分离而积存于第二空间的氧化剂气体向外部排出。加热器配设于冷却水箱，对冷却水的温度进行调整。并且，在本公开的燃料电池系统的运转方法中，燃料电池系统在燃料电池堆停止发电后也使冷却水泵动作。另外，在本公开的燃料电池系统的运转方法中，燃料电池系统在燃料电池堆停止发电时，利用加热器对冷却水的温度进行调整，使得虽然氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但阴极不充满冷却水。
(作为本公开的基础的见解等)
从发明人等想到本公开以来，在燃料电池系统中，通过在停止发电时将空气向燃料电池堆的阴极的流入阻断，从而抑制了燃料电池堆的催化剂劣化。
因此，在该行业中，以抑制发电效率的降低、成本的上升并且在停止发电时抑制空气向阴极的流入为课题，通常进行将冷却水的一部分向阴极供给而使阴极充满冷却水这样的产品设计。
但是，发现了存在如下新的课题：当使阴极充满冷却水时，在重新开始发电之前，必须将充满阴极的冷却水充分地排出，为了解决该课题，而构成了本公开的主题。
因此，本公开提供一种当燃料电池系统停止发电时能够在不使阴极充满冷却水的情况下抑制发电停止时的空气向阴极的流入的燃料电池系统和其运转方法。
以下，参照附图详细地说明实施方式。不过，存在省略不必要的详细的说明的情况。例如，存在省略已经公知的事项的详细说明、或对实质上相同的结构的重复说明的情况。
此外，附图和以下的说明是为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供的，并非意图通过该附图和以下的说明来限定权利要求书中记载的主题。
(实施方式1)
以下，使用图1～图2对作为本公开的燃料电池系统的一例的实施方式1中的燃料电池系统100进行说明。
[1-1.结构]
图1是表示实施方式1中的燃料电池系统100的结构的框图。如图1所示，燃料电池系统100具备：燃料气体供给路径1a、燃料电池堆4、未反应燃料气体排出路径5、控制部8、冷却水泵10、氧化剂气体供给路径11、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13、废气路径14、氧化剂气体供给部15、大气压计20、冷却水箱30、冷却水路径40、加热器60和第一温度测定器61。
图中的G表示重力的方向。即，图中的上侧所记载的要素表示在铅垂方向上存在于比较高的位置，图中的下侧所记载的要素表示在铅垂方向上存在于比较低的位置。另外，以下，如图1所示，存在这样的情况：将以冷却水箱30存在于下方的方式来设置燃料电池系统100的状态(相当于本公开的设置状态)下的铅垂方向记载为上下方向。这在后述的实施方式2中的燃料电池系统200中也是同样的。
燃料电池堆4例如为固体高分子型，其构成为使自燃料气体供给器1向阳极4a供给的燃料气体和向阴极4b供给的氧化剂气体反应而发电。
燃料电池堆4如上所述为固体高分子型的燃料电池堆，其具有如下构造：在厚度方向(在图1中为水平方向)上层叠多个单电池，并将各单电池电串联连接。燃料电池堆4构成为，使向阳极4a供给的燃料气体和向阴极4b供给的氧化剂气体(空气)反应而发电。
单电池具有由阳极电极和阴极电极夹持由氢离子传导性的高分子构成的电解质膜4c的电解质膜-电极接合体。并且，单电池具有由阳极隔板和阴极隔板夹持电解质膜-电极接合体的构造，所述阳极隔板在与阳极电极接触的面形成有槽状的阳极流路，所述阴极隔板在与阴极电极接触的面形成有槽状的阴极流路。
图1所示的燃料电池堆4的阳极4a指的是对阳极电极和阳极隔板进行组合而得到的阳极，燃料电池堆4的阴极4b指的是对阴极电极和阴极隔板进行组合而得到的阴极。
燃料电池堆4以电解质膜4c的两主面与铅垂方向大致平行的朝向来使用。
在阳极4a分别设有入口和出口。阳极4a的入口是用于将含氢气体向阳极4a供给的孔。阳极4a的出口是用于将被供给至阳极4a的含氢气体中的未用于发电的(未反应的)含氢气体自阳极4a排出的孔。
此外，阳极流路形成为，自入口向阳极流路流入的含氢气体蛇行运动的同时不抵抗重力地向出口流动。
在阴极4b分别设有入口和出口。阴极4b的入口是用于将氧化剂气体向阴极4b供给的孔。阴极4b的出口是用于将被供给至阴极4b的氧化剂气体中的未用于发电的(未反应的)氧化剂气体和由燃料电池堆4的电化学反应生成的水(水蒸气)自阴极4b排出的孔。
此外，阴极流路形成为，自入口向阴极流路流入的氧化剂气体、以及通过燃料电池堆4的电化学反应而在阴极4b中生成的水(水蒸气)蛇行运动的同时不抵抗重力地向出口流动。
冷却水路径40构成为环状，以使与燃料电池堆4进行热交换的(用于对燃料电池堆4的运转温度进行调整的)冷却水30r循环。
冷却水箱30是设于冷却水路径40中的在铅垂方向(重力方向)上比燃料电池堆4低的部位的大致密闭型的箱。在冷却水箱30中，在贮存有冷却水30r的冷却水贮存部30d的上方具有气体贮存部30e，气体贮存部30e被遮蔽板30s划分为第一空间30f和第二空间30g。遮蔽板30s以第一空间30f和第二空间30g互不连通的方式来进行划分。
当燃料电池堆4停止发电时(未向燃料电池堆4供给燃料气体和氧化剂气体时)，成为第一空间30f的下表面的液面的高度和成为第二空间30g的下表面的液面的高度均为相同的停止时液面30a的高度。
当燃料电池堆4发电时(向燃料电池堆4供给燃料气体和氧化剂气体时)，成为第一空间30f的下表面的第一运转时液面30b的高度比成为第二空间30g的下表面的第二运转时液面30c低。然而，遮蔽板30s自气体贮存部30e的上部(冷却水箱30内的顶面)向下方延伸并延伸至比第一运转时液面30b靠下侧的位置，因此第一空间30f和第二空间30g互不连通。
在冷却水箱30中，基于冷却水路径40的冷却水30r的入口设于第一空间30f侧的侧壁中的比第一运转时液面30b低的部分。另外，在冷却水箱30中，基于冷却水路径40的冷却水30r的出口设于第二空间30g侧的侧壁中的比停止时液面30a低的部分。另外，冷却水箱30构成为，基于冷却水路径40的冷却水30r的入口和基于冷却水路径40的冷却水30r的出口相对。
冷却水泵10构成为，在沿铅垂方向比燃料电池堆4高的位置处设于冷却水路径40，汲取冷却水箱30内的冷却水30r并向燃料电池堆4供给。
燃料气体供给器1是具有预定的供给压的燃料气体基础设施。在本实施方式中，使用以氢为主要成分的含氢气体来作为本公开的燃料气体的一例。
燃料气体供给路径1a是构成为将燃料气体供给器1的燃料气体向燃料电池堆4的阳极4a供给的路径，其是将燃料气体供给器1中的燃料气体的出口和燃料电池堆4的阳极4a的入口连接的路径。
未反应燃料气体排出路径5是将被供给至燃料电池堆4的燃料气体中的未用于发电(电化学反应)而自阳极4a的出口排出的未使用的燃料气体向燃料电池系统100外排出的路径。未反应燃料气体排出路径5的入口连接于阳极4a的出口。
氧化剂气体供给部15设于氧化剂气体供给路径11的入口，由泵构成。氧化剂气体供给部15使外界空气的空气升压并将发电用的空气向阴极4b供给。
此外，氧化剂气体供给部15没有氧化剂气体的阻断功能，在使氧化剂气体供给部15停止时，氧化剂气体能够利用对流和压力差通过氧化剂气体供给部15。
氧化剂气体供给路径11是构成为向冷却水箱30的第一空间30f的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中供给来自氧化剂气体供给部15的氧化剂气体的路径。氧化剂气体供给路径11是将氧化剂气体供给部15和冷却水箱30连接的路径。氧化剂气体供给路径11贯通第一空间30f侧的冷却水箱30内的顶面而向下方延伸，且在比第一运转时液面30b靠下侧且远离遮蔽板30s的位置具有出口。
通过氧化剂气体供给路径11向冷却水箱30的冷却水30r中供给的氧化剂气体被鼓泡并向第一空间30f供给，因此在氧化剂气体供给部15动作时，第一空间30f的湿度比外界空气高。
另外，氧化剂气体供给路径11在远离遮蔽板30s的位置具有出口，因此能够抑制如下情况：自氧化剂气体供给路径11供给的氧化剂气体越过遮蔽板30s而向第二空间30g供给。
氧化剂气体加湿路径12是构成为将自氧化剂气体供给路径11向冷却水30r中排出并被加湿而积存于第一空间30f的氧化剂气体向阴极4b供给的路径。氧化剂气体加湿路径12是入口向第一空间30f开口且出口连接于阴极4b的入口的路径。
氧化剂气体加湿路径12贯通第一空间30f侧的冷却水箱30内的顶面而向下方延伸，并在比停止时液面30a靠下侧且比第一运转时液面30b靠上侧的位置具有入口。
氧化剂气体排出路径13是将自阴极4b的出口排出的未使用的氧化剂气体、以及通过燃料电池堆4的电化学反应而在阴极4b中生成的水(水蒸气)向冷却水箱30供给的路径。自阴极4b的出口排出的未使用的氧化剂气体是被供给至燃料电池堆4的氧化剂气体中的未用于发电(电化学反应)的氧化剂气体。氧化剂气体排出路径13是构成为将来自阴极4b的出口的未使用的氧化剂气体、以及在阴极4b中生成的水(水蒸气)向第二空间30g的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中供给的路径。
另外，氧化剂气体排出路径13是路径的入口连接于阴极4b的出口且路径的出口向第二空间30g的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中开口的路径。氧化剂气体排出路径13构成为自入口朝向出口而向下倾斜。
另外，氧化剂气体排出路径13贯通第二空间30g侧的冷却水箱30内的顶面而向下方延伸，并在比停止时液面30a和第二运转时液面30c靠下侧的位置具有出口。
废气路径14是构成为能够将自氧化剂气体排出路径13向冷却水30r中排出并被气液分离而积存于第二空间30g的氧化剂气体向燃料电池系统100外排出的路径。废气路径14是入口开口于第二空间30g侧的冷却水箱30内的顶面且出口向外部开口的路径。
控制部8只要为具有控制功能的控制部即可，其具备计算机系统(未图示)，该计算机系统具有运算处理部(未图示)和存储控制程序的存储部(未图示)。作为运算处理部，能例示CPU(Central Processing Unit)。作为存储部，能例示存储器。CPU执行存储于存储器的控制程序，由此，计算机系统作为控制部8发挥功能。在此设成，CPU执行的控制程序预先记录于计算机系统的存储器，但也可以记录于存储卡等非临时性记录介质中来提供，也可以通过因特网等电气通信线路来提供。
大气压计20是测定大气压的压力测量器。
冷却水箱30是将通过燃料电池堆4的运转而生成的生成水作为冷却水30r贮存的水箱。冷却水箱30配置于比燃料电池堆4靠下的位置，能够使通过了氧化剂气体排出路径13而排出的生成水在重力作用下落下，并将落下的生成水作为冷却水30r回收。
对于冷却水箱30，成为除了与氧化剂气体供给路径11、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13、废气路径14、冷却水路径40连接的连接部以外被密闭的大致密闭型的构造。
冷却水箱30内部的氧化剂气体流通空间被遮蔽板30s分为供被加湿的氧化剂气体流通的第一空间30f、以及向大气开放且供未使用的氧化剂气体流通的第二空间30g。
在第一空间30f侧连接有向燃料电池堆4供给氧化剂气体的氧化剂气体供给路径11和氧化剂气体加湿路径12。在第二空间30g侧连接有氧化剂气体排出路径13和废气路径14。
冷却水路径40呈环状地将冷却水箱30、燃料电池堆4和冷却水泵10连接起来。另外，冷却水路径40是这样构成的路径：冷却水箱30内的冷却水30r由冷却水泵10(通过冷却水泵10)向燃料电池堆4供给，与燃料电池堆4进行了热交换后的冷却水30r返回至冷却水箱30。
加热器60位于冷却水箱30内的贮存有冷却水30r的冷却水贮存部30d(浸于冷却水30r的部位)，其是对冷却水30r进行加温(对冷却水30r的温度进行调整)的加热器。
第一温度测定器61是这样的温度测量器：设于冷却水路径40中的结束与燃料电池堆4的热交换而返回至冷却水箱30的冷却水30r流通的路径，对通过冷却水路径40的冷却水30r的温度进行测量。
燃料电池系统100构成为，当燃料电池堆4停止发电时，氧化剂气体加湿路径12的入口完全没入水中，但阴极4b不充满冷却水30r。
[1-2.动作]
关于如以上那样构成的燃料电池系统100，以下，对其动作、作用进行说明。
首先，基于图1对燃料电池系统100中的停止发电时的动作进行说明。
在本实施方式1中，自燃料气体供给器1供给的燃料气体是主要含有氢的气体。针对自燃料气体供给器1供给的燃料气体，对于由烃类的原料气体通过改性而生成燃料气体的情况等而言，有时在燃料气体中作为杂质含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩、水蒸气等气体。另外，自氧化剂气体供给部15供给的氧化剂气体是空气，主要由氮、氧、氩、二氧化碳构成。
当燃料电池堆4停止发电时，停止自燃料气体供给器1向阳极4a供给发电用的燃料气体，未反应燃料气体排出路径5也被封闭。不过，为了将阳极4a保持为正压，在燃料电池堆4停止发电后也定期地自燃料气体供给器1向阳极4a供给燃料气体，防止氧化剂气体自燃料电池系统100外向阳极4a侵入的情况。
另外，当燃料电池堆4停止发电时，燃料电池系统100使氧化剂气体供给部15停止。当燃料电池系统100使氧化剂气体供给部15停止时，冷却水箱30的第一空间30f和第二空间30g的压力均成为大气压。这是因为氧化剂气体供给部15没有氧化剂气体的阻断功能，还因为废气路径14使冷却水箱30的第二空间30g和外界空气(大气)连通。
因此，对于燃料电池堆4停止发电时的冷却水箱30的液面，在第一空间30f和第二空间30g中均与停止时液面30a一致。当燃料电池堆4停止发电时，氧化剂气体供给路径11的出口(下游端)、氧化剂气体加湿路径12的入口(上游端)、氧化剂气体排出路径13的出口(下游端)分别位于比停止时液面30a靠下方的位置，成为浸于冷却水30r的状态。
通过成为这样的状态，能够使残留于阴极4b、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13内的氧化剂气体成为被密封的状态。
接下来，将在燃料电池堆4停止发电后残留于阴极4b、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13内的氧化剂气体定义为残留氧化剂气体，并对控制该残留氧化剂气体的压力的方法进行说明。
作为第一个条件，将使燃料电池堆4停止之后的高温即温度T0(K)下的残留氧化剂气体的压力设为P0(Pa)，体积设为V0(m3)。在燃料电池堆4刚停止发电后，残留氧化剂气体的压力P0(kPa)能够近似为与大气压相同。即，压力P0(Pa)能够换言之为大气压P0(Pa)。温度T0(K)与燃料电池堆4运转时的温度大致相同。
作为第二个条件，将残留氧化剂气体中的氧被阳极4a的燃料气体全部消耗掉时的残留氧化剂气体的压力设为P1(Pa)，体积设为V1(m3)。在氧化剂气体为空气的情况下，空气中的氮浓度为79(％)，氧浓度为21(％)，因此压力P1(Pa)由以下的(数式1)表示。
[数式1]
P1＝0.79×P0
由于仅考虑氧的消耗，因此体积V1(m3)与体积V0(m3)相等。
作为第三个条件，除了研究残留氧化剂气体的氧的消耗以外，还研究燃料电池堆4的温度降低。将此时的残留氧化剂气体的压力设为P2(Pa)，温度设为T2(K)。为了求出压力P2(Pa)的降低程度，使体积V2(m3)与V0(m3)相等。此时的残留氧化剂气体的压力P2(Pa)由以下的(数式2)表示。
[数式2]
Figure BDA0003847331750000141
由于T2(K)＜T0(K)，因此压力P2(Pa)比P0(Pa)小，产生负压力。通过该产生的负压力，经由氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13来吸引冷却水箱30内的冷却水30r，直至与大气压P0(Pa)平衡。将此时吸起的冷却水30r的高度即水头差设为h(m)。
作为第四个条件，对在第三个条件下计算出的残留氧化剂气体的压力P2(Pa)和大气压P0(Pa)的平衡进行研究。将冷却水箱30内的冷却水30r的密度设为ρ(kg/m3)，将重力加速度设为g(m/s2)，将伴随负压产生的距停止时液面30a的水头差设为h(m)，将与大气压平衡时的残留氧化剂气体的压力设为P3(Pa)。此时的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)由以下的(数式3)表示。
[数式3]
P3＝P0-ρgh
将氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13的配管内截面积设为S(m2)。当将通过水头差h(m)与大气压在压力P3(Pa)下平衡时的残留氧化剂气体的体积设为V3(m3)时，体积V3(m3)由以下的(数式4)表示。
[数式4]
V3＝V0-Sh
根据以上内容，使用波义耳查理公式和(数式4)，与大气压平衡时的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)由以下的(数式5)表示。
[数式5]
Figure BDA0003847331750000151
根据(数式5)，若将残留氧化剂气体的温度T2(K)设定得较高，则压力P3(Pa)变大，若温度T2(K)变低，则压力P3(Pa)变小。
由于(数式3)和(数式5)相等，因此若作为水头差h(m)的2次方程式求解，则通过对残留氧化剂气体的温度T2(K)进行调整，能够求出水头差h(m)。因此，能够根据(数式3)来控制压力P3(Pa)，能够根据(数式4)来控制体积V3(m3)。
当将由第一温度测定器61测定的温度设为TK(K)时，在燃料电池堆4内通过冷却水路径40内的冷却水30r的温度TK(K)和残留氧化剂气体的温度T2(K)能够视为大致相同。因此，通过对冷却水箱30内的冷却水30r的温度进行调整，能够使残留氧化剂气体的温度T2(K)可变，能够对残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)进行控制。
接下来，对将冷却水箱30内的冷却水30r的温度控制为预定温度TS(K)的方法进行说明。将加热器60的额定发热量设为Q(W)，将加热器60的操作量设为H(％)，将自加热器60向冷却水30r的传热效率设为γ(-)。另外，将冷却水30r的比热设为Cp(J/kg·K)，质量设为W(kg)。此时，能够自加热器60向冷却水30r加热的加热量Q1(W)由以下的(数式6)表示。
[数式6]
Q1＝γ×H×Q
另外，若利用加热量Q1(W)在时间t(s)期间对冷却水30r进行加热，则近似地成为以下的(数式7)的关系。
[数式7]
Q1×t＝Cp×W×(TS-T2)
关于(数式6)和(数式7)，加热量Q1(W)相等，因此能导出以下的(数式8)。
[数式8]
Figure BDA0003847331750000161
因此，能够操作加热器60的操作量H(％)来调整加热器60的加热量Q1(W)。由此，能够改变使冷却水箱30内的冷却水30r的温度为预定温度TS(K)为止的温度差TS-T2(K)，能够将残留氧化剂气体的温度T2(K)控制为预定温度TS(K)。
当将阴极4b的体积设为VC(m3)时，为了不使经由氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13而吸引的冷却水30r向阴极4b内部侵入，而成为VC(m3)＝V3(m3)。因此，将冷却水30r的温度控制为预定温度TS(K)，以使残留氧化剂气体的体积成为VC(m3)。
图2是表示实施方式1中的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)相对于残留氧化剂气体的温度T2(K)的关系的图。基于图2，对控制残留氧化剂气体的温度T2(K)时的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)进行说明。
当残留氧化剂气体的温度T2(K)降低时，根据(数式4)、(数式5)，残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)降低。
若残留氧化剂气体的体积V3(m3)比阴极4b的体积VC(m3)小，则所吸引的冷却水30r向阴极4b内浸入。因此，残留氧化剂气体的体积V3(m3)与阴极4b的体积VC(m3)相等时成为作为目标的冷却水30r的预定温度TS(K)。
即，通过以成为预定温度T2(K)以上的方式根据(数式8)操作加热器60的操作量H(％)，从而由冷却水泵10向燃料电池堆4供给预定温度TS(K)以上的冷却水30r。
由此，能够使残留氧化剂气体的温度T2(K)为预定温度TS(K)以上，能够使残留氧化剂气体的体积V3(m3)为阴极4b的体积VC(m3)以上，因此能够在不使阴极4b充满冷却水30r的情况下进行密封。
以上，对燃料电池堆4停止发电后的行为进行了说明。若燃料电池堆4的发电停止期间经过长时间，则为了将阳极4a保持为正压而供给燃料气体，但向阳极4a供给的燃料气体的一部分透过电解质膜4c而与阴极4b的残留氧化剂气体混合。通过自阳极4a向阴极4b而经过了电解质膜4c的燃料气体，使混合后的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)成为与大气压同等的压力。
由此，伴随负压产生的距停止时液面30a的水头差h(m)大致为0，经由氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13被吸引的冷却水30r再次被回收至冷却水箱30内。
接下来，基于图1，对燃料电池系统100的运转时的动作进行说明。
如上所述，在实施方式1中，自燃料气体供给器1供给的燃料气体是主要含有氢的气体。针对自燃料气体供给器1供给的燃料气体，对于由烃类的原料气体通过改性而生成燃料气体的情况等而言，有时在燃料气体中作为杂质含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩、水蒸气等气体。另外，自氧化剂气体供给部15供给的氧化剂气体是空气，主要由氮、氧、氩、二氧化碳构成。
在燃料电池堆4运转时，自燃料气体供给器1向燃料电池堆4的阳极4a供给燃料气体，自氧化剂气体供给部15向燃料电池堆4的阴极4b供给氧化剂气体。
在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体经由氧化剂气体供给路径11在冷却水箱30内被冷却水30r加湿，并经由第一空间30f和氧化剂气体加湿路径12而向阴极4b供给。
在阴极4b中未使用的未反应的氧化剂气体和生成水经由氧化剂气体排出路径13向冷却水箱30供给。被供给至冷却水箱30的未反应的氧化剂气体和生成水中的生成水在冷却水箱30中被作为冷却水30r回收。剩余的未反应的氧化剂气体经由第二空间30g和废气路径14向燃料电池系统100外排出。
冷却水箱30内被遮蔽板30s在中途分隔，但冷却水箱30内的冷却水30r能够通过冷却水箱30的底面与遮蔽板30s的下端之间的间隙而在第一空间30f侧和第二空间30g侧往来。
将燃料电池堆4运转时的存在于第一空间30f侧的冷却水30r的液面设为第一运转时液面30b，将燃料电池堆4运转时的存在于第二空间30g侧的冷却水30r的液面设为第二运转时液面30c。
在燃料电池堆4运转时，向第一空间30f供给由氧化剂气体供给部15升压后的氧化剂气体。另一方面，也同样地自氧化剂气体供给部15向第二空间30g供给氧化剂气体，因此被升压，但是由于第二空间30g相比于第一空间30f位于氧化剂气体的流动方向上的下游的位置，因此压力主要与阴极4b的压力损失量相应地下降。
因此，在燃料电池堆4运转时，与作为燃料电池堆4运转时的液面的第一运转时液面30b相比，第二运转时液面30c的液面高度较高。在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体供给路径11的出口(下游端)位于比第一运转时液面30b靠下方的位置，成为浸于冷却水30r的状态。
在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体加湿路径12的入口(上游端)位于比第一运转时液面30b高的位置，成为未浸于冷却水30r而存在于第一空间30f内的状态。在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体排出路径13的出口(下游端)位于比第二运转时液面30c靠下方的位置，成为浸于冷却水30r的状态。
[1-3.效果等]
如上所述，在本实施方式中，燃料电池系统100具备：燃料电池堆4、冷却水路径40、冷却水箱30、冷却水泵10、氧化剂气体供给部15、氧化剂气体供给路径11、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13和废气路径14。
燃料电池堆4为固体高分子型，其构成为使向阳极4a供给的燃料气体和向阴极4b供给的氧化剂气体反应而发电。
冷却水路径40构成为供与燃料电池堆4进行热交换的冷却水30r循环。
冷却水箱30是设于冷却水路径40中的在铅垂方向上比燃料电池堆4低的部位的大致密闭型的箱。冷却水箱30在设置状态下在贮存冷却水30r的冷却水贮存部30d的上方具有气体贮存部30e。气体贮存部30e以与燃料电池堆4的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间30f和第二空间30g。
冷却水泵10设于冷却水路径40，以汲取冷却水箱30内的冷却水30r并向燃料电池堆4供给。
氧化剂气体供给部15构成为供给氧化剂气体。另外，氧化剂气体供给路径11是这样的路径：以向第一空间30f的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中供给氧化剂气体的方式将氧化剂气体供给部15和冷却水箱30连接。
氧化剂气体加湿路径12是这样的路径：入口向第一空间30f开口且出口连接于阴极4b的入口，以将自氧化剂气体供给路径11排出并被加湿而积存于第一空间30f的氧化剂气体向阴极4b供给。
氧化剂气体排出路径13是构成为将未用于燃料电池堆4的反应而自阴极4b的出口排出的氧化剂气体向第二空间30g的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中供给的路径。氧化剂气体排出路径13是入口连接于阴极4b的出口且出口向第二空间30g的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中开口的路径。
废气路径14是构成为能够将自氧化剂气体排出路径13排出并被气液分离而积存于第二空间30g的氧化剂气体向外部排出的路径，其是入口向第二空间30g开口且出口向外部开口的路径。
并且，本实施方式的燃料电池系统100构成为，当燃料电池堆4停止发电时，氧化剂气体加湿路径12的入口完全没入水中，但对残留的氧化剂气体的温度进行控制，而不使阴极4b充满冷却水30r。
当燃料电池堆4停止发电时，阴极4b、氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13成为负压，由此，冷却水箱30内的冷却水30r自氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13被吸起。与此相对，若为本领域技术人员，则也能够适当地设计燃料电池系统100中的各结构的尺寸等，而不使阴极4b充满冷却水30r。燃料电池系统100中的各结构的尺寸等是指，例如冷却水箱30的内部(包括路径)的各尺寸、冷却水箱30的内部的冷却水30r的水量、氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13的内径和长度、阴极4b的体积(容积)、燃料电池堆4和冷却水箱30的高度方向上的距离等。在这样设计的燃料电池系统中，当燃料电池堆4停止发电时，即使不利用冷却水泵10使冷却水30r循环、或不利用加热器60对冷却水30r进行加热，也能够防止阴极4b充满冷却水30r的情况。
与此相对，本实施方式的燃料电池系统100构成为，当燃料电池堆4停止发电时，氧化剂气体加湿路径12的入口完全没入水中，但对残留的氧化剂气体的温度进行控制，而不使阴极4b充满冷却水30r。因此，在本实施方式的燃料电池系统100中，当燃料电池堆4停止发电时，能够在不使阴极4b充满冷却水30r的情况下对阴极路径进行密封。
因此，在燃料电池系统100中，当停止发电时在不使冷却水30r滞留于阴极4b内部的情况下抑制空气的流入，因此能够抑制启动时(发电开始时)的水堵塞，能够实施稳定的发电。
除此以外，在燃料电池系统100中，不受用于使得当燃料电池堆4停止发电时虽然氧化剂气体加湿路径12的入口完全没入水中但阴极4b不充满冷却水30r的各结构的尺寸等的限制。因此，在燃料电池系统100中，能够提高燃料电池系统100中的各结构的设计的自由度。
另外，如本实施方式那样，燃料电池系统100具备加热器60和控制部8。加热器60配设于冷却水箱30，对冷却水30r的温度进行调整。控制部8在燃料电池堆4停止发电后也使冷却水泵10动作，且在燃料电池堆4停止发电时利用加热器60对冷却水30r的温度进行调整，使得虽然氧化剂气体加湿路径12的入口完全没入水中，但阴极4b不充满冷却水30r。
如果，当燃料电池堆4停止发电时，不利用冷却水泵10使被加热器60加热至预定温度的冷却水30r循环，则阴极4b有可能充满冷却水30r。与此相对，在燃料电池系统100中，当燃料电池堆4停止发电时，利用冷却水泵10使被加热器60加热至预定温度的冷却水30r循环。由此，在燃料电池系统100中，当停止发电时，能够在对阴极4b的残留氧化剂气体的温度进行调整的同时，自冷却水箱30向氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13吸引导入冷却水30r。作为结果，在燃料电池系统100中，能够在不使阴极4b充满冷却水30r的情况下进行密封。因此，在燃料电池系统100中，由于当停止发电时在不使冷却水30r滞留于阴极4b内部的情况下抑制空气的流入，因此能够抑制启动时(发电开始时)的阴极4b的水堵塞，能够实施稳定的发电。
另外，如本实施方式那样，燃料电池系统100具备第一温度测定器61，该第一温度测定器61是本公开的温度测定器的一例，对自燃料电池堆4排出的冷却水30r的温度进行测定。
更具体而言，第一温度测定器61对冷却水路径40中的自燃料电池堆4返回至冷却水箱30的路径内的冷却水30r的温度进行测定。控制部8根据第一温度测定器61的值对阴极4b(被密封的残留氧化剂气体)的温度进行推测。
由此，在燃料电池系统100中，能够对相比于第一温度测定器61靠上游的位置的燃料电池堆4内部的温度进行测定。因此，在燃料电池系统100中，能够基于第一温度测定器61的值来推测阴极4b(被密封的残留氧化剂气体)的温度，并且能够基于该推测值利用加热器60对冷却水30r的温度进行调整，从而对残留氧化剂气体的压力进行控制。
另外，在本实施方式中，燃料电池系统100也可以变形为，第一温度测定器61对氧化剂气体排出路径13内的氧化剂气体的温度进行测定，来代替对冷却水路径40内的冷却水30r的温度进行测定。
由此，在该变形的燃料电池系统中，能够基于第一温度测定器61的测定值来推测阴极4b(被密封的残留氧化剂气体)的温度，并且能够基于该推测值利用加热器60对冷却水30r的温度进行调整，从而对残留氧化剂气体的压力进行控制。
(实施方式2)
以下，使用图2～图3对作为本公开的燃料电池系统的一例的实施方式2中的燃料电池系统200进行说明。
[2-1.结构]
图3是表示实施方式2中的燃料电池系统200的结构的框图。如图3所示，燃料电池系统200具备：燃料气体供给路径1a、燃料电池堆4、未反应燃料气体排出路径5、控制部8、冷却水泵10、氧化剂气体供给路径11、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13、废气路径14、氧化剂气体供给部15、大气压计20、冷却水箱30、冷却水路径40、加热器60、第一温度测定器61、第二温度测定器62和水位计70。
图中的G表示重力的方向。即，图中的上侧所记载的要素表示在铅垂方向上存在于比较高的位置，图中的下侧所记载的要素表示在铅垂方向上存在于比较低的位置。
在实施方式2中的燃料电池系统200中，与实施方式1中的燃料电池系统100的不同之处在于：除了具备燃料电池系统100的结构以外，还具备第二温度测定器62和水位计70。对与实施方式1中的燃料电池系统100相同的结构标注相同的附图标记，并且省略其说明。
第二温度测定器62是对向燃料电池堆4流入的(比燃料电池堆4靠上游的位置的)冷却水30r的温度进行测量的温度测量器。第二温度测定器62设于冷却水路径40中的比燃料电池堆4靠上游侧的路径(燃料电池堆4与冷却水泵10之间的路径)。
水位计70是这样构成的水位计：其设于氧化剂气体排出路径13的路径上，对自冷却水箱30吸引的冷却水30r的水位进行测量，检测将冷却水30r吸引至一定的水位的情况。
[2-2.动作]
关于如以上那样构成的燃料电池系统200，以下，对其动作、作用进行说明。
首先，基于图3对燃料电池系统200中的停止发电时的动作进行说明。
在实施方式2中，自燃料气体供给器1供给的燃料气体也是主要含有氢的气体。针对自燃料气体供给器1供给的燃料气体，对于由烃类的原料气体通过改性而生成燃料气体的情况等而言，有时在燃料气体中作为杂质含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩、水蒸气等气体。另外，自氧化剂气体供给部15供给的氧化剂气体是空气，主要由氮、氧、氩、二氧化碳构成。
当燃料电池堆4停止发电时，停止自燃料气体供给器1向阳极4a供给发电用的燃料气体，未反应燃料气体排出路径5也被封闭。不过，为了将阳极4a保持为正压，在燃料电池堆4停止发电后也定期地自燃料气体供给器1向阳极4a供给燃料气体，防止氧化剂气体自燃料电池系统100外向阳极4a侵入的情况。
另外，当燃料电池堆4停止发电时，燃料电池系统200使氧化剂气体供给部15停止。当燃料电池系统200使氧化剂气体供给部15停止时，冷却水箱30的第一空间30f和第二空间30g的压力均成为大气压。这是因为氧化剂气体供给部15没有氧化剂气体的阻断功能，还因为废气路径14使冷却水箱30的第二空间30g和外界空气(大气)连通。
因此，对于燃料电池堆4停止发电时的冷却水箱30的液面，在第一空间30f和第二空间30g中均与停止时液面30a一致。当燃料电池堆4停止发电时，氧化剂气体供给路径11的出口(下游端)、氧化剂气体加湿路径12的入口(上游端)、氧化剂气体排出路径13的出口(下游端)分别位于比停止时液面30a靠下方的位置，成为浸于冷却水30r的状态。
通过成为这样的状态，能够使残留于阴极4b、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13内的氧化剂气体成为被密封的状态。
接下来，将在燃料电池堆4停止发电后残留于阴极4b、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13内的氧化剂气体定义为残留氧化剂气体，并对控制该残留氧化剂气体的压力的方法进行说明。
作为第一个条件，将使燃料电池堆4停止之后的高温即温度T0(K)下的残留氧化剂气体的压力设为P0(Pa)，体积设为V0(m3)。在燃料电池堆4刚停止发电后，残留氧化剂气体的压力P0(kPa)能够近似为与大气压相同。即，压力P0(Pa)能够换言之为大气压P0(Pa)。温度T0(K)与燃料电池堆4运转时的温度大致相同。
作为第二个条件，将残留氧化剂气体中的氧被阳极4a的燃料气体全部消耗掉时的残留氧化剂气体的压力设为P1(Pa)，体积设为V1(m3)。在氧化剂气体为空气的情况下，空气中的氮浓度为79(％)，氧浓度为21(％)，因此压力P1(Pa)由(数式1)表示。
由于仅考虑氧的消耗，因此体积V1(m3)与体积V0(m3)相等。
作为第三个条件，除了研究残留氧化剂气体的氧的消耗以外，还研究燃料电池堆4的温度降低。将此时的残留氧化剂气体的压力设为P2(Pa)，温度设为T2(K)。为了求出压力P2(Pa)的降低程度，使体积V2(m3)与V0(m3)相等。此时的残留氧化剂气体的压力P2(Pa)由(数式2)表示。
由于T2(K)＜T0(K)，因此压力P2(Pa)比P0(Pa)小，产生负压力。通过该产生的负压力，经由氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13来吸引冷却水箱30内的冷却水30r，直至与大气压P0(Pa)平衡。将此时吸起的冷却水30r的高度即水头差设为h(m)。
作为第四个条件，对在第三个条件下计算出的残留氧化剂气体的压力P2(Pa)和大气压P0(Pa)的平衡进行研究。将冷却水箱30内的冷却水30r的密度设为ρ(kg/m3)，将重力加速度设为g(m/s2)，将伴随负压产生的距停止时液面30a的水头差设为h(m)，将与大气压平衡时的残留氧化剂气体的压力设为P3(Pa)。此时的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)由(数式3)表示。
将氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13的配管内截面积设为S(m2)。当将通过水头差h(m)与大气压在压力P3(Pa)下平衡时的残留氧化剂气体的体积设为V3(m3)时，体积V3(m3)由(数式4)表示。
根据以上内容，使用波义耳查理公式和(数式4)，与大气压平衡时的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)由(数式5)表示。
根据(数式5)，若将残留氧化剂气体的温度T2(K)设定得较高，则压力P3(Pa)变大，若温度T2(K)变低，则压力P3(Pa)变小。
由于(数式3)和(数式5)相等，因此若作为水头差h(m)的2次方程式求解，则通过对残留氧化剂气体的温度T2(K)进行调整，能够求出水头差h(m)。因此，能够根据(数式3)来控制压力P3(Pa)，能够根据(数式4)来控制体积V3(m3)。
当将由第一温度测定器61测定的温度设为TK(K)时，在燃料电池堆4内通过冷却水路径40内的冷却水30r的温度TK(K)和残留氧化剂气体的温度T2(K)能够视为大致相同。因此，通过对冷却水箱30内的冷却水30r的温度进行调整，能够使残留氧化剂气体的温度T2(K)可变，能够对残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)进行控制。
接下来，对将冷却水箱30内的冷却水30r的温度控制为预定温度TS(K)的方法进行说明。将加热器60的额定发热量设为Q(W)，将加热器60的操作量设为H(％)，将自加热器60向冷却水30r的传热效率设为γ(-)。另外，将冷却水30r的比热设为Cp(J/kg·K)，质量设为W(kg)。此时，能够自加热器60向冷却水30r加热的加热量Q1(W)由(数式6)表示。
另外，若利用加热量Q1(W)在时间t(s)期间对冷却水30r进行加热，则近似地成为(数式7)的关系。
关于(数式6)和(数式7)，加热量Q1(W)相等，因此能导出(数式8)。
因此，能够操作加热器60的操作量H(％)来调整加热器60的加热量Q1(W)。由此，能够改变使冷却水箱30内的冷却水30r的温度为预定温度TS(K)为止的温度差TS-T2(K)，能够将残留氧化剂气体的温度T2(K)控制为预定温度TS(K)。
当将阴极4b的体积设为VC(m3)时，为了不使经由氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13而吸引的冷却水30r向阴极4b内部侵入，而成为VC(m3)＝V3(m3)。因此，将冷却水30r的温度控制为预定温度TS(K)，以使残留氧化剂气体的体积成为VC(m3)。
在氧化剂气体排出路径13的路径上设有水位计70。在此，将自停止时液面30a至水位计70的距离设为J(m)。对残留氧化剂气体的温度T2(K)进行调整，以使水头差h(m)与J(m)一致，由此，在燃料电池系统200中，能够防止自冷却水箱30吸引的冷却水30r向阴极4b内部侵入的情况。
基于图2，对控制残留氧化剂气体的温度T2(K)时的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)进行说明。
当残留氧化剂气体的温度T2(K)降低时，根据(数式4)、(数式5)，残留氧化剂气体的压力P3(Pa)和残留氧化剂气体的体积V3(m3)降低。
若残留氧化剂气体的体积V3(m3)比阴极4b的体积VC(m3)小，则所吸引的冷却水30r向阴极4b内浸入。因此，残留氧化剂气体的体积V3(m3)与阴极4b的体积VC(m3)相等时成为作为目标的冷却水30r的预定温度TS(K)。
即，通过以成为预定温度T2(K)以上的方式根据(数式8)操作加热器60的操作量H(％)，从而由冷却水泵10向燃料电池堆4供给预定温度TS(K)以上的冷却水30r。由此，能够使残留氧化剂气体的温度T2(K)为预定温度TS(K)以上，能够使残留氧化剂气体的体积V3(m3)为阴极4b的体积VC(m3)以上，因此能够在不使阴极4b充满冷却水30r的情况下进行密封。
以上，对燃料电池堆4停止发电后的行为进行了说明。若燃料电池堆4的发电停止期间经过长时间，则为了将阳极4a保持为正压而供给燃料气体，但向阳极4a供给的燃料气体的一部分透过电解质膜4c而与阴极4b的残留氧化剂气体混合。通过自阳极4a向阴极4b而经过了电解质膜4c的燃料气体，使混合后的残留氧化剂气体的压力P3(Pa)成为与大气压同等的压力。
由此，伴随负压产生的距停止时液面30a的水头差h(m)大致为0，经由氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13被吸引的冷却水30r再次被回收至冷却水箱30内。
接下来，基于图3，对燃料电池系统200的运转时的动作进行说明。
如上所述，在实施方式2中，自燃料气体供给器1供给的燃料气体是主要含有氢的气体。针对自燃料气体供给器1供给的燃料气体，对于由烃类的原料气体通过改性而生成燃料气体的情况等而言，有时在燃料气体中作为杂质含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氮、氩、水蒸气等气体。另外，自氧化剂气体供给部15供给的氧化剂气体是空气，主要由氮、氧、氩、二氧化碳构成。
在燃料电池堆4运转时，自燃料气体供给器1向燃料电池堆4的阳极4a供给燃料气体，自氧化剂气体供给部15向燃料电池堆4的阴极4b供给氧化剂气体。
在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体经由氧化剂气体供给路径11在冷却水箱30内被冷却水30r加湿，并经由第一空间30f和氧化剂气体加湿路径12而向阴极4b供给。
在阴极4b中未使用的未反应的氧化剂气体和生成水经由氧化剂气体排出路径13向冷却水箱30供给。被供给至冷却水箱30的未反应的氧化剂气体和生成水中的生成水在冷却水箱30中被作为冷却水30r回收。剩余的未反应的氧化剂气体经由第二空间30g和废气路径14向燃料电池系统100外排出。
冷却水箱30内被遮蔽板30s在中途分隔，但冷却水箱30内的冷却水30r能够通过冷却水箱30的底面与遮蔽板30s的下端之间的间隙而在第一空间30f侧和第二空间30g侧往来。
将燃料电池堆4运转时的存在于第一空间30f侧的冷却水30r的液面设为第一运转时液面30b，将燃料电池堆4运转时的存在于第二空间30g侧的冷却水30r的液面设为第二运转时液面30c。
在燃料电池堆4运转时，向第一空间30f供给由氧化剂气体供给部15升压后的氧化剂气体。另一方面，也同样地自氧化剂气体供给部15向第二空间30g供给氧化剂气体，因此被升压，但是由于第二空间30g相比于第一空间30f位于氧化剂气体的流动方向上的下游的位置，因此压力主要与阴极4b的压力损失量相应地下降。
因此，在燃料电池堆4运转时，与作为燃料电池堆4运转时的液面的第一运转时液面30b相比，第二运转时液面30c的液面高度较高。在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体供给路径11的出口(下游端)位于比第一运转时液面30b靠下方的位置，成为浸于冷却水30r的状态。
在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体加湿路径12的入口(上游端)位于比第一运转时液面30b高的位置，成为未浸于冷却水30r而存在于第一空间30f内的状态。在燃料电池堆4运转时，氧化剂气体排出路径13的出口(下游端)位于比第二运转时液面30c靠下方的位置，成为浸于冷却水30r的状态。
[2-3.效果等]
如上所述，在本实施方式中，燃料电池系统200具备：燃料电池堆4、冷却水路径40、冷却水箱30、冷却水泵10、氧化剂气体供给部15、氧化剂气体供给路径11、氧化剂气体加湿路径12、氧化剂气体排出路径13、废气路径14、加热器60、水位计70和控制部8。
燃料电池堆4为固体高分子型，其构成为使向阳极4a供给的燃料气体和向阴极4b供给的氧化剂气体反应而发电。
冷却水路径40构成为供与燃料电池堆4进行热交换的冷却水30r循环。
冷却水箱30是设于冷却水路径40中的在铅垂方向上比燃料电池堆4低的部位的大致密闭型的箱。冷却水箱30在设置状态下在贮存冷却水30r的冷却水贮存部30d的上方具有气体贮存部30e。气体贮存部30e以与燃料电池堆4的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间30f和第二空间30g。
冷却水泵10设于冷却水路径40，以汲取冷却水箱30内的冷却水30r并向燃料电池堆4供给。
氧化剂气体供给部15构成为供给氧化剂气体。另外，氧化剂气体供给路径11是构成为向第一空间30f的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中供给氧化剂气体的路径，其是将氧化剂气体供给部15和冷却水箱30连接的路径。
氧化剂气体加湿路径12是构成为将自氧化剂气体供给路径11排出并被加湿而积存于第一空间30f的氧化剂气体向阴极4b供给的路径，其是入口向第一空间30f开口且出口连接于阴极4b的入口的路径。
氧化剂气体排出路径13是构成为将未用于燃料电池堆4的反应而自阴极4b的出口排出的氧化剂气体向第二空间30g的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中供给的路径。氧化剂气体排出路径13是入口连接于阴极4b的出口且出口向第二空间30g的下方的冷却水贮存部30d的冷却水30r中开口的路径。
废气路径14是构成为能够将自氧化剂气体排出路径13排出并被气液分离而积存于第二空间30g的氧化剂气体向外部排出的路径，其是入口向第二空间30g开口且出口向外部开口的路径。
加热器60构成为，其配设于冷却水箱30，对冷却水30r的温度进行调整。
水位计70构成为，其设于氧化剂气体排出路径13的路径，对氧化剂气体排出路径13的冷却水30r的水位进行检测。更详细而言，水位计70构成为，对自冷却水箱30吸引的冷却水30r的水位进行测量，检测将冷却水30r吸引至一定的水位的情况。
控制部8在燃料电池堆4停止发电后也使冷却水泵10动作。控制部8在燃料电池堆4停止发电时利用加热器60对冷却水30r的温度进行调整，使得水位计70检测预定的水位，该预定的水位是虽然氧化剂气体加湿路径12的入口完全没入水中但阴极4b不充满冷却水30r的预定水位。利用加热器60对冷却水30r的温度进行调整，由此，控制部8对残留的氧化剂气体的温度进行控制。
由此，在燃料电池系统200中，当停止发电时，向氧化剂气体加湿路径12和氧化剂气体排出路径13吸引导入冷却水箱30的冷却水30r，但能够使所吸引的冷却水30r在预定高度可靠地停止。因此，在燃料电池系统200中，能够在不使阴极4b充满冷却水30r的情况下进行密封。
因此，在燃料电池系统200中，能够高精度地控制阴极4b的残留氧化剂气体的压力，能够在停止发电时可靠地抑制冷却水30r向阴极4b内部的侵入。因此，在燃料电池系统200中，能够抑制启动时(发电开始时)的阴极4b的水堵塞，能够实施稳定的发电。
如本实施方式那样，燃料电池系统200具备：作为本公开的温度测定器的一例的第一温度测定器61、以及作为本公开的温度测定器的一例的第二温度测定器62。第一温度测定器61对冷却水路径40中的自燃料电池堆4返回至冷却水箱30的路径内的(与燃料电池堆4进行了热交换后的)冷却水30r的温度进行测定。第二温度测定器62对冷却水路径40中的冷却水泵10与燃料电池堆4之间的路径内的(与燃料电池堆4进行热交换前的)冷却水30r的温度进行测定。然后，控制部8根据第一温度测定器61和第二温度测定器62的值来推测阴极4b(被密封的残留氧化剂气体)的温度。
由此，在燃料电池系统200中，能够对燃料电池堆4内部的温度进行测定。因此，在燃料电池系统200中，能够基于第一温度测定器61和第二温度测定器62的值来高精度地推测阴极4b(被密封的残留氧化剂气体)的温度，能够基于该推测值利用加热器60对冷却水30r的温度进行调整。因此，在燃料电池系统200中，能够控制残留氧化剂气体的压力，能够可靠地阻止冷却水30r向阴极4b内侵入的情况。
(其他实施方式)
如上所述，作为本公开的技术的例示，对实施方式1和实施方式2进行了说明。然而，本公开的技术并不限定于此，也能够应用于进行了改变、替换、附加、省略等的实施方式。另外，也能够对在上述实施方式1和实施方式2中已说明的各构成要素进行组合来作为新的实施方式。
因此，以下，例示其他实施方式。
在实施方式1和实施方式2中，对使用了第一温度测定器61的燃料电池系统100、200进行了说明。
冷却水30r的温度可以根据向加热器60施加操作量时产生的加热量来推定。因此，冷却水30r的温度的测量方法并不限定于第一温度测定器61。不过，若使用铠装式热电偶来作为第一温度测定器61，则能够实时且简单地测定冷却水30r的温度。因此，在使用了铠装式热电偶来作为第一温度测定器61的另一实施方式的燃料电池系统中，能够加快与停止发电后的温度变化相应的温度控制的响应性。
产业上的可利用性
本公开能够应用于对在燃料电池堆中生成的水进行回收的燃料电池系统。具体而言，例如，本公开能够应用于以氢为燃料气体进行发电的纯氢型燃料电池系统等。
附图标记说明
1、燃料气体供给器；1a、燃料气体供给路径；4、燃料电池堆；4a、阳极；4b、阴极；4c、电解质膜；5、未反应燃料气体排出路径；8、控制部；10、冷却水泵；11、氧化剂气体供给路径；12、氧化剂气体加湿路径；13、氧化剂气体排出路径；14、废气路径；15、氧化剂气体供给部；20、大气压计；30、冷却水箱；30a、停止时液面；30b、第一运转时液面；30c、第二运转时液面；30d、冷却水贮存部；30e、气体贮存部；30f、第一空间；30g、第二空间；30r、冷却水；30s、遮蔽板；40、冷却水路径；60、加热器；61、第一温度测定器；62、第二温度测定器；70、水位计；100、燃料电池系统；200、燃料电池系统。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
该燃料电池系统具备：
固体高分子型的燃料电池堆，其使向阳极供给的燃料气体和向阴极供给的氧化剂气体反应而发电；
冷却水路径，其供与所述燃料电池堆进行热交换的冷却水循环；
大致密闭型的冷却水箱，其是这样的箱：在设置状态下，在贮存所述冷却水的冷却水贮存部的上方具有气体贮存部，所述气体贮存部以与所述燃料电池堆的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间和第二空间，所述冷却水箱设于所述冷却水路径中的在铅垂方向上比所述燃料电池堆低的部位；
冷却水泵，其设于所述冷却水路径，以汲取所述冷却水箱内的所述冷却水并向所述燃料电池堆供给；
氧化剂气体供给部，其供给所述氧化剂气体；
氧化剂气体供给路径，其以向所述第一空间的下方的所述冷却水贮存部的所述冷却水中供给所述氧化剂气体的方式将所述氧化剂气体供给部和所述冷却水箱连接；
氧化剂气体加湿路径，其入口向所述第一空间开口且出口连接于所述阴极的入口，以将自所述氧化剂气体供给路径排出并被加湿而积存于所述第一空间的所述氧化剂气体向所述阴极供给；
氧化剂气体排出路径，其入口连接于所述阴极的出口且出口向所述第二空间的下方的所述冷却水贮存部的所述冷却水中开口，以将未用于所述燃料电池堆的所述反应而自所述阴极的出口排出的所述氧化剂气体向所述第二空间的下方的所述冷却水贮存部的所述冷却水中供给；以及
废气路径，其入口向所述第二空间开口且出口向外部开口，以能够将自所述氧化剂气体排出路径排出并被气液分离而积存于所述第二空间的所述氧化剂气体向外部排出，
所述燃料电池系统构成为，当所述燃料电池堆停止发电时，所述氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但对残留的所述氧化剂气体的温度进行控制，而不使所述阴极充满所述冷却水。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统还具备：
加热器，其配设于所述冷却水箱，对所述冷却水的所述温度进行调整；以及
控制部，其在所述燃料电池堆停止发电后也使所述冷却水泵动作，
所述控制部在所述燃料电池堆停止发电时利用所述加热器对所述冷却水的所述温度进行调整，从而对残留的所述氧化剂气体的所述温度进行控制，使得虽然所述氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但所述阴极不充满所述冷却水。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统还具备温度测定器，该温度测定器对自所述燃料电池堆排出的冷却水的所述温度、或者自所述燃料电池堆排出的所述氧化剂气体的所述温度进行测定，
所述控制部基于所述温度测定器的值来推测所述阴极内的所述氧化剂气体的所述温度。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统还具备水位计，该水位计设于所述氧化剂气体排出路径，对所述氧化剂气体排出路径的所述冷却水的水位进行检测，
所述控制部在所述燃料电池堆停止发电时对所述加热器的加热量进行调整，使得所述水位计检测预定的水位。
5.一种燃料电池系统的运转方法，
该燃料电池系统具备：
固体高分子型的燃料电池堆，其使向阳极供给的燃料气体和向阴极供给的氧化剂气体反应而发电；
冷却水路径，其供与所述燃料电池堆进行热交换的冷却水循环；
大致密闭型的冷却水箱，其是这样的箱：在设置状态下，在贮存所述冷却水的冷却水贮存部的上方具有气体贮存部，所述气体贮存部以与所述燃料电池堆的运转状态无关地互不连通的方式被划分为第一空间和第二空间，所述冷却水箱设于所述冷却水路径中的在铅垂方向上比所述燃料电池堆低的部位；
冷却水泵，其设于所述冷却水路径，以汲取所述冷却水箱内的所述冷却水并向所述燃料电池堆供给；
氧化剂气体供给部，其供给所述氧化剂气体；
氧化剂气体供给路径，其以向所述第一空间的下方的所述冷却水贮存部的所述冷却水中供给所述氧化剂气体的方式将所述氧化剂气体供给部和所述冷却水箱连接；
氧化剂气体加湿路径，其入口向所述第一空间开口且出口连接于所述阴极的入口，以将自所述氧化剂气体供给路径排出并被加湿而积存于所述第一空间的所述氧化剂气体向所述阴极供给；
氧化剂气体排出路径，其入口连接于所述阴极的出口且出口向所述第二空间的下方的所述冷却水贮存部的所述冷却水中开口，以将未用于所述燃料电池堆的所述反应而自所述阴极的出口排出的所述氧化剂气体向所述第二空间的下方的所述冷却水贮存部的所述冷却水中供给；
废气路径，其入口向所述第二空间开口且出口向外部开口，以能够将自所述氧化剂气体排出路径排出并被气液分离而积存于所述第二空间的所述氧化剂气体向外部排出；以及
加热器，其配设于所述冷却水箱，对所述冷却水的温度进行调整，
该燃料电池系统的运转方法的特征在于，
在所述燃料电池堆停止发电后也使所述冷却水泵动作，
在所述燃料电池堆停止发电时，利用所述加热器对所述冷却水的所述温度进行调整，使得虽然所述氧化剂气体加湿路径的入口完全没入水中，但所述阴极不充满所述冷却水。
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