JP2006049100A

JP2006049100A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2006049100A
Application number: JP2004228694A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Fujita; 信雄藤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】低温環境下において、不純物除去部材に残存する液体の凍結時に、凍結に伴う不具合を防止する。
【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池から排出される気液混在の流体を排出する排出通路と、前記排出通路に設けられた流体中の不純物を除去する不純物除去部材と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の停止時に、ポンプ作動、加熱などを行なうことで不純物除去部材内の液体量を低減できるため凍結時にも不純物除去部材の劣化損傷が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、特に燃料電池の排出ガス管路に不純物除去部材を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜―電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：以下「ＭＥＡ」という）と、前記燃料極に燃料ガス（水素）を供給し、酸化剤極に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路が形成されたセパレータとを備えた単セルが知られている。この単セルを複数積層することにより所要の電力を得るように構成している。

このような燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素と、酸化ガスとしての空気が、燃料電池で行なわれた電池反応により生成された生成水と混在した状態で、それぞれの排出通路を通過している。また、未反応の水素は、再度燃料電池に戻されて有効利用する循環システムが採用されている。そして、電池反応により生成された生成水は、外部に排出されている。

ここで、前記排出通路内を流れる生成水には、僅かではあるが、燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物が存在している。そこで、従来からこのような流体通路を流れる生成水に含まれる不純物を除去する方法としては、イオン交換樹脂などの不純物除去部材を用いる方法が知られている。

このような不純物除去部材を利用し、燃料電池内で生成された水の不純物を除去するシステムとして、例えば、燃料ガス排出管と酸化剤ガス排出管のうち、燃料電池で生成された生成水が排出される少なくとも一方の排出管の固体高分子型燃料電池側に設けられ、排出ガスに同伴する生成水中に含まれるイオンを除去するイオン交換樹脂を含むイオン除去ユニット（不純物除去器）を具備した固体高分子型燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−３１３４０４号公報特開２００４−０２２１９８号公報特開２００３−１７８７８２号公報

しかしながら、この燃料電池システムを低温環境下で停止した場合、不純物除去部材内に残存した生成水が凍結することがある。

その結果、凍結により生成水が膨張し、不純物除去器内に収容されているイオン交換樹脂や、イオン交換樹脂を収容する容器が、凍結し膨張した生成水から力を受け、破損するという問題がある。

本発明は、このような従来技術の燃料電池システムを改良することを目的とするものであり、低温環境下でも、使用可能な不純物除去システム及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきである。

さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈されるべきである。

第１の発明は、燃料電池と、前記燃料電池から排出される気液混在の流体を排出する排出通路と、前記排出通路に設けられた流体中の不純物を除去する不純物除去部材と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の停止時に、前記不純物除去部材内の液体量を低減する低減手段を備えるものである。このような構成により、燃料電池の停止時に、低温環境下に置かれたとしても、不純物除去部材内の液体量は低減されており、不純物除去部材や、それを収容する容器等が、凍結により膨張した生成水で破損する可能性が低くなる。

第２の発明は、前記燃料電池の停止時に、前記液体が凍結する可能性を検知した場合に、前記不純物除去部材内の液体量を低減する低減手段を有する燃料電池システムである。このような構成により、液体が凍結する可能性がある場合に、不純物除去部材内の液体量が低減されるので、不純物除去部材や不純物除去部材を収容する容器が破損する可能性が低くなる。ここで、凍結する可能性の判定方法としては以下のような構成が考えられる。例えば、液体の温度に応じて判定しても良いし、直接液体の温度を検知しなくとも、外気温を検知し外気温に応じて判定しても良い。また、ネットワークなどを介して取得した外気温予報を示す情報に応じて凍結され得るか否かを判定しても良い。

第３の発明は、低減手段は、不純物除去部材に供給される流体に含まれる液体を低減する乾燥手段を備え、乾燥手段により液体が低減された流体が不純物除去部材に供給される流体供給手段を備えるものである。このような構成により、乾燥手段により液体量が低減された流体が、不純物除去部材に供給されることとなる。そうすると、不純物除去部材内に保持される液体量よりも排出される液体量の方が多くなり、その結果、不純物除去部材内の液体量が低減されることとなる。また、流体が不純物除去部材間に残存する液体を、流体で押し出して排液する。さらに、部材間に残存する液体を気化することも可能である。

また、前記流体供給手段が、不純物除去部材から排出された流体を再循環させて不純物除去部材に供給する管路を備える手段であっても良い。このような構成により、低減処理に使用された流体を排出せず、再度循環させることから、流体の消費量又は排出量を抑えることが可能となる。

また、流体供給手段の通路の途中にポンプを備え、ポンプを駆動することにより、配通路内の流体を搬送することとしても良い。このような構成により、搬送する流体の流量制御が容易となる。ここで、ポンプが、流体中の液体量を低減する構成の一つであり、そのポンプ内で液体量を低減するようにしても良いし、ポンプで流体を低減手段に搬送することにより液体量を低減するようにしても良い。

第４の発明は、前記不純物除去部材内の液体量を検出する検出手段を備え、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記低減手段により液体量の低減を行なうものである。このような構成より、液体量がどれほど低減しているかの判断が可能となる。これにより、検出結果に基づいて不純物除去部材の液体を低減するか否かを決定したり、不純物除去部材内の液体が所望の量となった場合に制御を停止したりすることが可能となる。さらに、不純物除去部材内の液体量を最適な量とすることができる。例えば、不純物除去部材内の液体量を不純物除去部材内の容積に対して５０％とすることができる。

第５の発明は、前記検出手段が、流体が不純物除去部材を通過しているとき、不純物除去器に設けられた圧力センサの測定値に基づいて液体量を検出する手段である。このような構成により、前記測定手段による測定値と不純物除去器に設けられた圧力センサの測定値により、不純物除去部材内の液体量が検出可能であり、この検出値に基づいて液体量の低減を行なうことができる。これは、不純物除去部材内に液体が残存している場合には、流体が通過するのに圧力損失が大きくなり、その結果不純物除去部材上流の流体圧力が大きくなることを利用するものである。また、流体圧力は、不純物除去部材に導入される流体量によって変動することから、流体量を測定する手段を設けている。

第６の発明は、前記検出手段が、流体が不純物除去部材を通過しているとき、前記不純物除去部材の上流と下流に設けられた圧力センサで、上流の測定値と下流の測定値に基づいて不純物除去部材内に保持されている液体量を検出する手段である。このような構成により、正確に不純物除去部材内に保持されている液体量が検出可能となる。この液体量が所定値以上である場合には、液体量が十分に低減されていないとして、液体量の低減を続け、測定値が所定値以下である場合には、液体量が十分に低減されたとして、液体量の低減を停止することができる。なお、さらに不純物除去部材を通過する液体量を測定する測定器を設けてもよく、前記所定値が、前記流体量に応じて決まる値としても良い。そうすると、より正確な液体量を検出することが可能となる。

第７の発明は、燃料電池を停止させるための停止要求がなされてから、前記低減手段を所定時間稼動させた後、前記低減手段を停止させる燃料電池システムである。このような構成により、不純物除去部材内の液体量を検出してその検出値に基づいて、低減手段の停止要求を出すわけではないので、液体量を検出するのに必要な余分な機器が不要となる。なお、所定時間は、予め試験により求めた液体量を低減するのに十分な時間を用いることができる。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕図１には、本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池システムの気液分離器を拡大して示す概略構成断面図である。特に本実施形態は、車両用に適用した燃料電池システムを例にして説明する。

なお、本実施の形態では、燃料電池に接続されたガス循環系として、水素循環系について説明する。ただし、酸化ガスの配管通路や、冷却系の配管通路にも適用可能である。

図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池スタック１００は、ＭＥＡと、燃料極（アノード極）に燃料ガス（水素）を供給し、酸化剤極（カソード極）に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせた単セルを複数備えてなるスタックから構成されている。

この燃料電池スタック１００の空気供給口１０１には、酸化ガスとしての空気を供給する空気供給通路１０２が接続され、空気排出口１０３には、燃料電池スタック１００から排出される空気及び生成水が排出される空気排出通路１０４が接続されている。また、燃料電池スタック１００の水素供給口１０５には、水素循環系１０の一端が接続され、燃料電池スタック１００の水素排出口１０６には、水素循環系１０の他端が接続されている。

水素循環系１０は、燃料電池スタック１００から排出された未反応の水素と生成水のうち、未反応の水素を循環させて、新たな水素と共に再び燃料電池スタック１００内に供給し、生成水は外部に排出するものである。この水素循環系１０は、一端が水素排出口１０６に接続された第１の循環通路１１と、循環通路１１の他端に接続され、循環通路１１から導入される水素と生成水とを分離する気液分離器１２（不純物除去器）と、気液分離器１２に接続され、気液分離器１２から排出された気体が導入される第２の循環通路１３と、循環通路１３の下流側に接続され、水素循環系１０の循環動力として働く循環ポンプ１５（ポンプ）と、一端が水素供給口１０５に接続されて燃料電池スタック１００に水素を供給すると共に、他端側が循環通路１３の下流側他端と合流点Aにおいて接続された水素供給通路１６と、を備えている。ここで、循環ポンプ１５は、制御装置（以下ＥＣＵと略す）５０によって駆動制御される。なお、符号２４は、燃料電池スタック１００に水素を供給する際に水素の圧力を調整する弁である。

気液分離器１２は、図２に示すように、中空の略円筒形の構造体であって、前記構造体内の中間に円筒形のイオン交換樹脂２０（不純物除去部材）が配設されている。また、循環通路１１から排出される水素と生成水を導入するための気液導入口１８が、前記構造体の円筒面を形成する側部であって循環通路１１と円筒軸心が交差しない位置に、導入される水素と生成水が気液分離器１２の内壁に沿って旋回されるように配設されている。また、気液分離器１２内から気体成分としての水素を排出する循環通路１３が、気液分離器１２の重力下方向の反対側にある上部からイオン交換樹脂２０を貫通して伸び、前記循環通路１３のガス排出口１９がイオン交換樹脂２０の下流に開口されている。

また、気液分離器１２内には、前記の通り不純物除去部材としてイオン交換樹脂２０が配設されている。このイオン交換樹脂２０は、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂を有し、気液分離器１２の内壁及びガス排出口１９に接して配設されている。ここで、カチオン交換樹脂は、HＳO₃であり、陽イオンを含む生成水が通過するとH⁺を放出して陽イオンを吸着する。一方、アニオン交換樹脂は、NR₃(OH)であり、陰イオンを含む生成水が通過するとOH⁻を放出して陰イオンを吸着する。ここで、Rはアルキル基であり、メチル基（CH₃）やエチル基（C₂H₅）といったものがある。また、カチオン交換樹脂から放出されるH⁺とアニオン交換樹脂から放出されるOH⁻から純粋な水が生成される。

なお、イオン交換樹脂２０は、通常粒子状であるが、繊維状のものを使用することもできる。このイオン交換樹脂は、気液分離器１２内に生じる気流で飛散、流失しないように、本実施の形態では、図示しない開口を有する樹脂製のケース及びメッシュ状のネットに収容され装着される。本件の場合、気液分離器が不純物除去器に対応する。
この気液分離器１２は、気液導入口１８から導入された気液混合の流体を、気液分離器１２の内壁に沿って、旋回させることによって、気体（水素）と液体（生成水）とに分離するものである。これは、液体の質量が気体の質量より大であることを利用した装置である。つまり、気体と液体が混合された気液混合流体を気液分離器内で旋回させると、遠心力により液体にはより大きな外部方向への力が働く。その結果、液体は、気液分離器の内壁に付着する。一方、気体は、気液分離器１２内の中央部に設けられたガス排出口１９から排出される。また、内壁に付着した液体は、次第に質量が大きくなり、内壁を伝い、重力方向（図面下方向）へ落下する。

また、気液分離器１２の下部には、気液分離器１２で分離された生成水を一時的に収容し、外部に排出するバッファタンク１７が形成されている。このバッファタンク１７には、気液分離器１２で分離された生成水のみを外部に排出させ、水素の外部排出を制限するドレイン弁１７０が配設されている。

この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池スタック１００に水素及び空気が供給され、電気反応を開始すると、
燃料極（アノード極）では、Ｈ₂→2Ｈ^＋＋2ｅ⁻
酸化剤極（カソード極）では、（1／2）Ｏ₂＋2Ｈ^＋＋2ｅ⁻→Ｈ₂Ｏ
燃料電池全体では、Ｈ₂＋（1／2）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
の反応が起こる。この電池反応により、燃料極（アノード極）側では、生成水が生成され、その生成水とともに、未反応の水素を含む排出ガスが水素排出口１０６を介して循環通路１１に排出される。

循環通路１１に排出された未反応の水素と生成水は、循環ポンプ１５の動力によって、気液分離器１２に移動し、ここで、水素と生成水とに分離されて、生成水はバッファタンク１７に収容され、ここから外部に排出される。

また、イオン交換樹脂２０に流入した生成水中に含まれる不純物成分は、イオン交換樹脂２０に保持される。一方、生成水は通過するが、イオン交換樹脂には常に所定量の生成水がイオン交換樹脂２０間の毛細管現象により保持される特性を有する。また、イオン交換樹脂２０に保持された生成水は次第に質量が大となり、重力方向に流れ、バッファタンク１７に収容される。一方、水素はイオン交換樹脂２０を通過して循環通路１３の下流側へと移動する。

したがって、この燃料電池システムでは、イオン交換樹脂２０を配設したことによって、燃料電池スタック１００の排出口から排出される生成水及び不純物成分を除去することができる。

ところで、この燃料電池システムでは、気液分離器１２内のイオン交換樹脂２０に前記生成水を保持することにより、前記生成水に含まれる不純物をイオン交換樹脂２０に蓄積して生成水から取り除くことができるのであるが、燃料電池システムの停止時にイオン交換樹脂に生成水を保持したままにしておくと、気液分離器１２内（特にイオン交換樹脂に保持されている）の生成水が、低温環境下において凍結し、イオン交換樹脂２０が破損する虞がある。これは例えば、生成水が凍結することにより体積が膨張し、イオン交換樹脂２０に力が加わった結果起こるものである。さらに、その破損したイオン交換樹脂により、流体が通過するためのイオン交換樹脂内の隙間が塞がれ、流体の圧力損失が大きくなるという問題がある。

そこで、燃料電池スタック１００が停止時に、水素循環ポンプを駆動し、気液分離器１２内に残存する生成水を低減する。これにより、気液分離器１２内の生成水が低減されるので、低温環境下に燃料電池システムが停止状態で置かれ、イオン交換樹脂２０間の生成水が凍結しても、体積が膨張してイオン交換樹脂２０やイオン交換樹脂２０を収容する容器が破損するということが抑制されるからである。ここで、気液分離器１２内に残存する生成水を低減できるのは、循環ポンプ１５を駆動し、燃料電池システムの循環通路１１内の生成水が気液分離器１２に搬送され、気液分離器１２により生成水が低減された水素が、循環通路１３、１６を経て、燃料電池スタック１００を通過し、再度気液分離器１２へと供給され、イオン交換樹脂２０内に残存する生成水を水素で排水するからである。また、生成水の低減された水素が気液分離器１２内を通過することにより、イオン交換樹脂２０内に残存する生成水を蒸発させ、イオン交換樹脂２０内の生成水を排水させることとしてもよい。

なお、所定時間は、予め試験により求めた液体量を低減するのに十分な時間を用いることができる。

次に、第１の実施形態における燃料電池システムの生成水低減処理を、図３のフローチャートに従って説明する。

燃料電池スタック１００の停止要求がなされた場合に（ステップＳ１０１）、ＥＣＵのタイマをリセットし、タイマのカウントをスタートする（ステップＳ１０２）。そして、循環ポンプ１５及びエアポンプが停止しているかどうかを確認する（ステップＳ１０３）。判定結果が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ１０４に進み、循環ポンプ１５に駆動指令を出す（ステップＳ１０４）。これにより、燃料電池システムの循環通路１１内の生成水が気液分離器１２に搬送される。そして、気液分離器１２により生成水が低減された水素が、循環通路１３，１６を経て、燃料電池スタック１００を通過し、再度気液分離器１２へと供給されることとなり、気液分離器１２内の生成水が低減されることとなる。

次に、ステップＳ１０５に進み、燃料電池スタック１００に停止要求が出てから所定時間が経過したか否か判定し、判定結果が「ＮＯ」である場合は、循環ポンプ１５の駆動を続け、ステップＳ１０５に戻る。ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ１０６に進み、循環ポンプ１５を停止して、本ルーチンの実行を終了する。

なお、不純物除去部材であるイオン交換樹脂２０内の生成水を低減する手段は本実施例に限られず、不純物除去部材（イオン交換樹脂２０）内の液体（生成水）を気化させる気化手段であっても良い。そうすると、不純物除去部材（イオン交換樹脂２０）間に残存する液体が気化され、液体量が低減される。例えば、気化手段として、不純物除去器内に設けられるヒータが考えられる。その結果、不純物除去器内の液体量が低減される。さらに、低減する手段は、気液分離器１２（特にイオン交換樹脂２０）に振動を加え、生成水を低減しても良い。これは、振動により生成水の表面張力の均衡を破ることにより、イオン交換樹脂２０内を通過する生成水の滞りを抑制しようというものである。ここで、気液分離器１２を振動させる手段として、超電導振動子を配設しても良いし、気液分離器１２に隣接するように、振動系の機器（循環ポンプ１５等）を配設しても良い。また、イオン交換樹脂２０を収容する容器を回転させて生成水に遠心力を与えることにより、生成水を低減しても良い。ここで、容器を回転させる手段としては、モータを備えても良いし、容器に羽をつけて水素が気液分離器１２内を流れる力によって回転させても良い。また、本実施の形態では、不純物除去器の適用例として水素循環系について説明したが、本発明は、燃料電池スタック１００から排出される酸化ガスの配管通路１０４に不純物除去器を設けた場合にも適用可能である。
〔第２の実施の形態〕次に、本発明にかかる他の実施の形態について図４を用いて説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態に対して、制御が異なり、第１の実施の形態と異なる点を説明する。図４は、第２の実施形態における燃料電池システムの低減処理のフローチャートであり、第１の実施形態と異なる点は、図４のステップＳ２０１、ステップＳ２０２が追加された点、及び図３のステップ１０３に対応するものがない点である。このステップＳ２０１は、燃料電池が停止している場合が前提条件となることを示す。次に、ステップＳ２０２において、外気温度Ｅが所定値より下回るかどうかを判断する。なお、所定値は、この値を下回るとイオン交換樹脂２０内の生成水が凍結する可能性があるかどうかで決定される値である。ここで、「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ２０３へ進み、「ＮＯ」である場合には、本ルーチンの実行を終了する。また、ステップＳ１０３に対応するものがないのは、本実施例では、燃料電池が停止しているため、水素循環ポンプ１５が駆動していないので、水素循環ポンプ１５の停止確認のステップを省いている。しかしながら、燃料電池の停止時にも暖機等により水素循環ポンプが駆動していることもありえるので、そのような場合を考慮する場合には、本ステップをフローチャートに追加しても良い。ステップＳ２０３以降は、第１の実施例と重複することから説明を省略する。この結果、低温環境下に燃料電池システムが置かれ、イオン交換樹脂２０内の生成水が凍結する可能性がある場合には、常に、イオン交換樹脂２０内の生成水が低減されるので、イオン交換樹脂２０内の生成水が凍結し、体積が膨張してイオン交換樹脂２０やイオン交換樹脂２０を収容する容器が破損するということが抑制される。
〔第３の実施の形態〕次に、本発明にかかる他の実施の形態について図５を用いて説明する。この第３の実施の形態で、第１の実施の形態と異なる点は、図５に示すように、燃料電池をバイパスさせるバイパス通路１４を設け、このバイパス通路１４を利用して水素を循環させるようにしている点である。第１の実施形態では、イオン交換樹脂２０内の生成水低減処理時に、水素が燃料電池スタック１００内を通過していたが、この構成により、水素は、燃料電池スタック１００内を通過することはなく、バイパス通路１４を通過することとなる。本実施の形態では、バイパス通路１４の一端Ｂを、循環ポンプ１５と合流点Ａの間に接続し、他端Ｃを、不純物除去器２０と燃料電池スタック１００の間に接続する。また、合流点Ａと燃料電池スタック１００とを結ぶ水素供給通路１６の途中にバルブ２５を設け、また、バイパス通路１４の他端Ｃと燃料電池スタック１００を結ぶ循環通路１１の途中にバルブ２７を設け、さらに、バイパス通路１４のＢＣ間にバルブ２６を設ける。

本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池システムの通常運転である発電を行なっている場合には、バルブ２６を閉じ、バイパス通路１４を水素が通過することはない。一方、燃料電池停止要求があった場合には、バルブ２４，２５，２７を閉じ、バルブ２６を開けることで、水素がバイパス通路１４を通過することとなる。各々のバルブは、ＥＣＵ５０によってそれぞれ開閉制御される。このような構成により、気液分離器１２内の生成水低減処理時に、バイパス通路１４を通過するので、燃料電池スタック内を通過することにより生じていた圧力損失を低減することができる。

図６は、第３の実施形態における燃料電池システムの低減処理のフローチャートであり、第１の実施形態と異なる点は、図６のステップＳ３０３のみである。このステップＳ３０３において、バルブ２４，２５，２７を閉じ、バルブ２６を開ける。この結果、水素がバイパス通路１４を通過することとなる。
ステップＳ３０６における判定結果が「ＮＯ」である場合には、循環ポンプ１５の駆動を続け、ステップＳ３０６に戻る。ステップＳ３０６における判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ３０７に進み、循環ポンプ１５を停止する。次に、ステップＳ３０８において、バルブ２４，２５，２７を開け、バルブ２６を閉じることにより、燃料電池の通常運転時のバルブ状態へと戻す。そして、本ルーチンの実行を終了する。
〔第４の実施の形態〕次に、本発明にかかる他の実施の形態について図７を用いて説明する。この第４の実施の形態で、第１の実施の形態と異なる点は、気液分離器１２内に配設されたイオン交換樹脂２０の上流圧力センサ２０１、下流圧力センサ２０２が配置されている点である。また、イオン交換樹脂２０が気液分離器１２の内壁に対し気密となるように配設されている点である。さらにまた、気液分離器１２に導入される水素の流量を循環ポンプ１５の回転数を測定することにより循環通路１１，１３，１６を単位時間あたり流れる水素量を測定する流量測定器が循環ポンプ１５に配置された点である。そのため、その他の構成については第１の実施の形態と同一であるので、同一態様の部分には同一符号を付して説明を省略する。

この第４の実施の形態では、気液分離器１２内から生成水を低減する処理中に、圧力センサ２０１，２０２によりイオン交換樹脂２０の上流及び下流の圧力を測定し、圧力差を求める。また、前記流量測定器により水素の流量を測定する。そして、圧力差が水素流量に対して決定される値以下となったらイオン交換樹脂２０内の生成水を低減する低減処置を停止する。この結果、第１の実施の形態に比べ、正確にイオン交換樹脂２０内の生成水量が検出可能となる。これは、気液分離器１２内に生成水量が残存すると（特にイオン交換樹脂２０内）、水素が通過する隙間が狭くなり、圧力損失が大きくなることを利用したものである。すなわち、イオン交換樹脂２０内の隙間に生成水が残存する場合には、イオン交換樹脂２０の上流と下流の圧力差は大となり、生成水が残存していない場合には、圧力差は小となる。また、この圧力差は、イオン交換樹脂２０を通過する水素量にも影響し、水素量が多い場合には、図９の特性図に示されるように圧力差が大となる傾向を示す。

なお、水素の流量測定器が構成に含まれていなくてもよく、また、圧力センサは、イオン交換樹脂２０の上流または下流の少なくとも一つでもよい。

図８は、第４の実施形態における燃料電池システムの低減処理のフローチャートであり、第１の実施形態と異なる点は、図８は、気液分離器１２内の生成水量を圧力センサと水素流量により判断することとした点である。ステップＳ４０３の循環ポンプ駆動指令までは、第１の実施例と重複することから説明を省略する。ステップＳ４０４により、水素流量を検出し、次に、ステップＳ４０５により、イオン交換樹脂２０の上流と下流に設けられた圧力センサの値を検出する。そして、ステップＳ４０６により、圧力差が、循環ポンプ１５の流量により決定される値以下かどうかを図９の特性図などにより判断し、気液分離器１２に残存している生成水量を測定する。

ステップＳ４０６における判定結果が「ＮＯ」である場合には、循環ポンプ１５の駆動を続け、ステップＳ４０６に戻る。ステップＳ４０６における判定結果が「ＹＥＳ」である場合は、ステップＳ４０７に進み、循環ポンプ１５を停止して、本ルーチンの実行を終了する。

第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。図１に示す燃料電池システムの気液分離器付近を拡大して示す概略構成断面図である。前記第１の実施の形態における生成水低減処理のフローチャートである。前記第２の実施の形態における生成水低減処理のフローチャートである。前記第３の実施の形態にかかる燃料電池システムにバイパス通路を設けた概略構成図である。前記第３の実施の形態における生成水低減処理のフローチャートである。第４の実施の形態に用いられる気液分離器付近を拡大して示す概略構成断面図である。前記第４の実施の形態における生成水低減処理のフローチャートである。前記第４の実施の形態における生成水低減処理で使用される生成水検出判断するための特性図である。

符号の説明

１０水素循環系
１２気液分離器
１５循環ポンプ
２０イオン交換樹脂
２０１，２０２圧力センサ
２４，２５，２６，２７バルブ

Claims

燃料電池と、前記燃料電池から排出される気液混在の流体を排出する排出通路と、前記排出通路に設けられた流体中の不純物を除去する不純物除去部材と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の停止時に、前記不純物除去部材内の液体量を低減する低減手段を備える燃料電池システム。
前記燃料電池の停止時に、前記液体が凍結する可能性を検知した場合に、前記不純物除去部材内の液体量を前記低減手段により低減する請求項１記載の燃料電池システム。
前記低減手段は、前記不純物除去部材に供給される前記流体に含まれる液体を低減する乾燥手段を備え、前記乾燥手段により液体が低減された流体が前記不純物除去部材に供給される流体供給手段である請求項１記載の燃料電池システム。
前記流体供給手段が、前記不純物除去部材から排出された流体を再循環させて前記不純物除去部材に供給する通路を備える循環型流体供給手段である請求項３記載の燃料電池システム。
前記流体供給手段は、前記排出通路の途中に設けられたポンプである請求項３記載の燃料電池システム。
前記不純物除去部材は、イオン交換樹脂を備える請求項１記載の燃料電池システム。
前記不純物除去部材内の液体量を検出する検出手段を備え、前記低減手段は前記検出手段の検出結果に基づいて、液体量の低減を行なう制御手段を有する請求項１記載の燃料電池システム。
前記検出手段は、流体が前記不純物除去部材を通過するとき、前記不純物除去部材を収容する不純物除去器に設けられた圧力センサの測定値に基づいて液体量を検出する手段である請求項７記載の燃料電池システム。
前記検出手段は、前記流体が前記不純物除去部材を通過するとき、前記流体量を測定する測定手段と、前記不純物除去器の上流に設けられた圧力センサの測定値に基づいて液体量を検出する手段である請求項７記載の燃料電池システム。
前記検出手段は、流体が不純物除去部材を通過するとき、前記不純物除去器の上流と下流に設けられた圧力センサを備え、上流の測定値と下流の測定値に基づいて液体量を検出する手段である請求項７記載の燃料電池システム。
燃料電池を停止させるための停止要求がなされてから、前記低減手段を所定時間稼動させた後、前記低減手段を停止させる請求項１記載の燃料電池システム。