JP2010129479A

JP2010129479A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2010129479A
Application number: JP2008305498A
Authority: JP
Inventors: Keigo Ikezoe; 圭吾池添
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP5287184B2

Abstract

【課題】アノードガス流路内の加湿を行うに好適な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】各燃料電池の電解質膜における反応エリアのアノード電極触媒層側にアノードガスを供給する各アノードガス流路１５の下流側に連通させて形成される、燃料電池スタック１内のアノード出口内部マニホールド１６に、凝縮水を燃料電池スタック１の外部に排出可能な排出手段が接続配置すると共に、前記アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、発電に伴う生成水などの燃料電池内部の水を利用して電解質膜の加湿を行うに好適な燃料電池システムに関するものである。

従来から発電に伴う生成水などの燃料電池内部の水を利用して電解質膜の加湿を行う燃料電池システムが提案されている(特許文献１参照)。

これは、反応ガスの加湿手段として、電解質膜(ＭＥＡ)の触媒層を備える反応エリア(アクティブエリア)の外側に触媒層を持たない電解質膜のみからなる部位（加湿エリア）を設け、一方のガス流路出口の水を、電解質膜を介して他方のガス流路入り口に移動させることでガスを加湿するようにしている。
特開２００８−９７８９１号公報

しかしながら、上記従来例では、低負荷運転時にカソードガスの出口側の相対湿度が極めて低下しているため、ＭＥＡのアクティブエリアの外側に加湿エリアを設けたとしてもアノードガスの下流側セル内部での加湿能力が低下しているので、アノードガス流路内を十分に加湿できない。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、アノードガス流路内の加湿を行うに好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、各燃料電池の電解質膜における反応エリアのアノード電極触媒層側にアノードガスを供給する各アノードガス流路の下流側に連通させて形成される、燃料電池スタック内のアノード出口内部マニホールドに、アノードガス流路の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成する。そして、水溜り部の凝縮水を燃料電池スタックの外部に排出可能な排出手段が接続配置されていることを特徴とする。

したがって、本発明では、アノード出口内部マニホールドは温度が高く、水溜り部に溜まっている凝縮水の気化が促進され、アノード出口内部マニホールドにおける凝縮水による水蒸気分圧を高くすることができるため、効率よくアノードガス流路内の加湿を促進することができる。

以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの第１実施形態を示す構成図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に電気化学反応に供される反応ガスとしての燃料ガス(水素ガス)を供給する燃料ガス供給手段２と、燃料電池スタック１に電気化学反応に供される反応ガスとしての酸化ガス(空気)を供給する酸化ガス供給手段３と、燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体（水、エチレングリコール等の不凍水、空気等）を供給する冷却媒体供給手段４と、これらを制御する制御装置５と、を備える。

前記燃料ガス供給手段２は、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するアノード入口内部マニホールド１４（図２参照）を経由して各燃料電池セルのアノードに、高圧水素を貯蔵した水素タンク２１から、供給配管２２を介して水素を供給する。水素タンク２１の代わりに、アルコール、炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成してもよい。供給配管２２には、水素の供給を調整するため、調圧弁２３が配置されている。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するアノード出口内部マニホールド１６（図２参照）を経由して、アノードから排出される燃料ガスを、供給配管２２に戻す水素循環ライン２４を備え、水素循環ライン２４には水素循環ブロア２５が配置されている。また、水素循環ライン２４の前記水素循環ブロア２５より上流側には、外部への分岐配管２６が配置され、分岐配管２６には、水素ガスに含まれる不純物としての窒素を排出するための窒素パージ弁２７が配置されている。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するアノード出口内部マニホールド１６には、直接外部へ連通する排水ラインを構成する排出配管２８が接続され、排出配管２８には凝縮水を排出するための排水弁２９が配置されている。また、排出配管２８若しくはアノード出口内部マニホールド１６には、アノード出口内部マニホールド１６内に溜まる凝縮水の液面レベルを検出するレベルセンサ５１が配置されている。

前記酸化ガス供給手段３は、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するカソード入口内部マニホールド１７（図２参照）を経由して各燃料電池セルのカソードに、コンプレッサ３１から配管３２を介して酸化ガスとしての空気を供給する。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述するカソード出口内部マニホールド１９（図２参照）を経由して、カソードから排出される酸化ガスを、排出配管３３を介して大気中に放出する。排出配管３３には酸化ガス供給経路における各内圧を調整するための背圧調整弁３４が配置されている。

前記冷却媒体供給手段４は、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述する冷却水入口内部マニホールド４７（図２参照）を経由して各燃料電池セル間に配置された冷却水流路に、ラジエータ４１から配管４２を介して冷却媒体を供給する。また、燃料電池スタック１の積層方向に配置された後述する冷却水出口内部マニホールド４８（図２参照）を経由して各燃料電池セル間に配置された冷却水流路から排出される冷却媒体を、配管４３を介してラジエータ４１に戻し、再び燃料電池スタック１へ循環させる。配管４３には循環のための冷却水循環ポンプ４４が配置されている。また、ラジエータ４１をバイパスさせて冷却水を循環させる冷却水パイパス通路４５を備え、この冷却水バイパス通路４５の両端と配管４２，４３とを接続する一方の接続部には、ラジエータ４１若しくは冷却水バイパス通路４５のいずれに冷却媒体を循環させるかを選択する三方弁４６が配置されている。

前記燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池モジュール１０を図示しないインシュレータ及びターミナルを挟んで、一対のエンドプレート１１、１１により挟持される。一対のエンドプレート１１，１１は、図示しないテンション手段によりセル積層方向に所定の力で燃料電池モジュール１０を圧縮挟持した状態とする。

前記燃料電池セルは、図２に示すように、セル構成体１２を一対のセパレータ１３（ａ）,１３（ｂ）により、図示しない環状のシールを介在させて、積層して構成している。図中の（Ａ）に示すセパレータ１３（ａ）及び（Ｂ）に示すセル構成体１２は上下方向が鉛直方向となる図示状態で、セパレータ１３（ａ）上にセル構成体１２が積層されるものであり、（Ｃ）に示すセパレータ１３（ｂ）は鉛直方向となる上下方向を反転した状態で図示しており、図中の表示されている面が図示のセル構成体１２に対面させて積層されるものである。

前記セル構成体１２は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡの反応エリアの両面に、例えばカーボン製の多孔質部材である一対のガス拡散層Ｇを夫々積層して構成される。前記ＭＥＡは、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備える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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す電解質膜１２Ａと、電解質膜１２Ａの反応エリアの夫々面にアノードおよびカソードを構成するよう、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている一対の電極触媒層を接合して形成している。

前記セパレータ１３は、積層方向から見た外郭形状が同じに形成され、導電性材料による薄板状部材で形成されている。そして、セパレータ１３は、セル構成体１２を両面から挟むように配置されて、一方の面のみがセル構成体１２に接触するアノード側セパレータ１３（ａ）及びカソード側セパレータ１３（ｂ）と、から構成される。

前記アノード側セパレータ１３（ａ）は、一方の面であるセル構成体１２の反応エリアに接触する部位に、後述するアノード入口内部マニホールド１４からアノード出口内部マニホールド１６に到る多数のアノードガス流路１５を備える。前記カソード側セパレータ１３（ｂ）は、一方の面であるセル構成体１２の反応エリアに接触する部位に、後述するカソード入口内部マニホールド１７からカソード出口内部マニホールド１９に到る多数のカソードガス流路１８を備える。

また、前記アノード側セパレータ１３（ａ）及びカソード側セパレータ１３（ｂ）は、燃料電池モジュールとして背面同士が接触され、接触するいずれか一方の面若しくは両方の面に後述する冷却水入口内部マニホールド４７から冷却水出口内部マニホールド４８に到る多数の冷媒流路（図１３に背面側が示されたカソードセパレータ１３（ｂ）を参照のこと）を備える。

前記セル構成体１２及びセパレータ１３には、前記セル構成体１２の反応エリアに対する両側のエリアにおいて、（燃料ガス用および酸化剤ガス用）ガス流路１５，１８および冷媒流路の入口および出口に夫々独立して連通するマニホールド形成用の貫通穴が積層方向に沿って形成されている。図示例では、図中左側領域においては、カソード入口内部マニホールド１７、冷却水入口内部マニホールド４７、アノード出口内部マニホールド１６が鉛直方向となる上方から下方に向かってこの順に配列されて形成されている。また、図中右側領域においては、アノード入口内部マニホールド１４、冷却水出口内部マニホールド４８、カソード出口内部マニホールド１９が鉛直方向の上方から下方に向かってこの順に配列されて形成されている。カソード入口内部マニホールド１７とアノード出口内部マニホールド１６とが同じ領域側(図中左側領域)に配置され、また、カソード出口内部マニホールド１９とアノード入口内部マニホールド１４とが同じ領域側(図中右側領域)に配置されているため、アノードガス流路１５を流れるアノードガスとカソードガス流路１８を流れるカソードガスとはセル構成体１２を挟んで互いに逆方向に流れる。そして、アノードガス流路１５の出口とカソードガス流路１８の入口とがセル構成体１２の電解質膜を挟んで対面し、アノードガス流路１５の入口とカソードガス流路１８の出口とがセル構成体１２の電解質膜を挟んで対面している。

前記アノード出口内部マニホールド１６は、セル構成体１２の反応エリアの鉛直方向の下側よりも下方領域に容積が拡大され、これに伴い、各セパレータ１３及びセル構成体１２の電解質膜の下方輪郭が部分的に鉛直方向下方に突出する形状となっている。この拡大されたアノード出口内部マニホールド１６は、アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を溜める水溜り部を構成している。

前記アノード出口内部マニホールド１６の両端はエンドプレート１１、１１により閉じた空間に構成される。また、図３に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の一方の端部に配置されるエンドプレート１１には、水素循環ライン２４を構成する外部マニホールドを貫通させて配置しており、アノード出口内部マニホールド１６に排出された水素ガスは外部マニホールドを介して水素循環ライン２４に導入されるよう構成している。また、アノード出口内部マニホールド１６の一方の端部に配置されるエンドプレート１１には、前記外部マニホールドが貫通された部位より鉛直方向下方において、アノード出口内部マニホールド１６の下部領域と連通するよう、エンドプレート１１を貫通させて、排水弁２９及びレベルセンサ５１を備えた排水配管２８を配置して備える。なお、図４では本実施形態をわかりやすくするため、便宜的にセル構成体１２の側面にこれら配管を開口させて図示しているが、実際には、図３に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の燃料電池セル積層方向の延長線上のエンドプレート１１にアノードリサイクルラインである水素循環ライン２４の配管と排水ラインの排水配管２８が貫通配置されているものである。

前記制御装置５は、燃料ガス供給手段２の水素調圧弁２３及び水素循環ブロア２５を制御することにより、水素タンク２１の水素を燃料電池スタック１のアノード入口内部マニホールド１４に供給する。アノード入口内部マニホールド１４に供給された水素は、セパレータ１３のアノードガス流路１５を経由してアノード出口内部マニホールド１６に向かって流れる。この過程で水素ガスはセル構成体１２の一方の面における反応エリアのガス拡散層、触媒層に供給される。アノード出口内部マニホールド１６に流入した水素ガスは、水素循環ブロア２５の作動により水素循環ライン２４に導入され、再び燃料電池スタック１のアノード入口内部マニホールド１４に供給される。

また、前記制御装置５は、酸化ガス供給手段３のコンプレッサ３１を作動させることにより、空気を燃料電池スタック１のカソード入口内部マニホールド１７に供給する。カソード入口内部マニホールド１７に供給された空気は、セパレータ１３のカソードガス流路１８を経由してカソード出口内部マニホールド１９に向かって流れる。この過程で酸化ガスはセル構成体１２の他方の面における反応エリアのガス拡散層、触媒層に供給される。また、背圧調整弁３４を制御することにより、酸化ガス供給経路における各内圧を調整する。

また、前記制御手段は、冷却媒体供給手段４の冷却水循環ポンプ４４を作動させることにより、冷却水を燃料電池スタック１の冷却水入口内部マニホールド４７に供給する。冷却水入口内部マニホールド４７に供給された冷却水は、セパレータ１３の冷却水流路を経由して冷却水出口内部マニホールド４８に向かって流れる。この過程で冷却水は反応エリアの温度を調節する。即ち、反応エリアの温度が設定温度より上昇した場合には、三方弁４６を作動させて冷却水をラジエータ４１に循環させて反応エリアの温度を低下させ、反応エリアの温度が設定温度より低い場合には、三方弁４６を作動させて冷却水を、ラジエータ４１を介することなく、冷却水バイパス通路４５に循環させて反応エリアの温度を上昇させる。

また、制御装置５は、排水配管２８若しくはアノード出口内部マニホールド１６の冷却水の液面レベルをレベルセンサ５１により検出し、液面が予め設定したレベルを超えて上昇する場合に、排水バルブ２９を開放してアノード出口内部マニホールド１６に溜まった凝縮水を排出して所定の液面レベルに戻すよう作動させる。

また、制御装置５は、循環する水素ガス中に含まれる窒素などの不純物の割合が上昇した場合に、水素タンク２１よりの水素を供給しつつ窒素パージ弁２７を開いて不純物を含む水素ガスを排出し、燃料電池スタック１に新鮮な水素ガスを供給する。

セル構成体１２の反応エリアに空気と水素が供給されることにより、セル構成体１２の電解質膜を介した電気化学的反応が生じ、発電が行われる。発電に伴い、空気と水素の反応の結果、カソードガス流路１８で水が生成する。カソードガス流路１８の空気はこの生成水を含みながら流れるため、カソードガス流路１８の出口側の空気は相対的に湿度が高くなる。そのため、カソードガス流路１８には、その出口側ほど、多くの水が存在する傾向になる。

ところで、カソードガス流路１８の下流側では相対湿度が高くなり、カソード側とアノード側の相対湿度差をドライビングフォースとして、電解質膜中を生成水が逆拡散し、アノードガス流路１５の上流側を加湿する。そして、アノードガス流路１５の水蒸気はアノード下流側に運ばれてカソード上流（図７における領域１）の電解質膜を加湿するよう機能する。このように、アノード・カソード・カウンタフローで互いの極を加湿する技術はかなり以前から公知である。

この公知の技術によれば、水収支が湿潤（ウエット）側になるような運転条件(中高負荷状態)で燃料電池システムを運転した場合には、ガス流量が比較的多く、ガス圧力を上げることができるため、上記アノード・カソード・カウンタフローの機能が充分に発揮されて、カソードガス（出口側）の相対湿度を高く維持することができる。このため、カソードガス流路出口の水を、電解質膜を介してアノードガス流路入口に移動させてアノードガスを加湿することができる。したがって、図７に示す、最も乾燥しやすい領域１においても電解質膜の湿潤状態を維持することができる。

しかしながら、水収支が乾燥（ドライ）側の条件(低負荷状態)で燃料電池システムを運転した場合には、ガス圧力を上げることができない（流量が少ないので、コンプレッサの特性上からその圧力を上げられない）ため、カソードガス流路１８の下流側での相対湿度が低くなる。このため、カソードガス流路出口側から電解質膜を介してアノードガス流路入口に水を移動させてアノードガスを加湿することが難しくなる。したがって、アノードガス流路１５の出口側が乾燥（ドライ）のままとなり、比較的に乾燥（ドライ）したカソードガスが供給される領域１の電解質膜及び触媒層が乾燥してしまい、発電が行われなくなる。領域１での発電が行われなくなると、領域２〜５で負荷相当分の発電が行われるようになる。しばらく時間が経過すると、次には領域２が乾燥し領域２で発電が行われなくなる。このような現象が連鎖的に発生し、条件によっては、図８に示すように、最終的に領域５のみが発電するような状態になり、セル電圧が低下する。

これに対し、本実施形態では、水収支が湿潤（ウエット）側になるような運転条件(中高負荷状態)で燃料電池システムを運転した時に生ずるアノードガス流路１５の水蒸気が、アノード下流側に運ばれてアノード出口内部マニホールド１６に排出され、アノード出口内部マニホールド１６内に凝縮水として溜められるようにしている。アノード出口内部マニホールド１６内の凝縮水は温度が高いので、図６に示すように、アノード出口内部マニホールド１６内の水蒸気分圧が高く保持できる。

その結果、図５に示すように、もっとも乾燥（ドライ）状態になり易いアノードガス流路１５の下流部（カソードガス流路１８の上流部）を水蒸気の拡散により加湿することができる。同時に、アノード出口内部マニホールド１６内にから流出する水素循環ライン２４の水素ガスもより加湿されるので、アノード入口内部マニホールド１４から供給される水蒸気量も多くなり、電解質膜の湿潤状態を改善することができる。このため、アノードガス流路１５を出口側から加湿することにより、公知の技術で説明したような乾燥領域が上流から中流に進行していく連鎖（図８）が起きなくなり、図９に示すように、安定して発電を継続することができる。

なお、停止後の燃料電池システムが氷点下温度まで低下する場合においては、燃料電池システムの運転停止時に、排水弁２９を開放して、アノード出口内部マニホールド１６に溜まった凝縮水を排出して、アノード出口内部マニホールド１６内において氷結する凝縮水が残らないようにする。

図１０〜図１６に示す実施例は、アノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水が溜まるようにする変形例を夫々示すものである。なお、図１０〜図１６に示す実施例は、後述する第２実施形態の燃料電池システムにも同様に適用できるものである。

図１０に示す実施例においては、排水ラインを構成する排水配管２８のエンドプレート１１を貫通させる先端部分２８Ａの位置を、アノード出口内部マニホールド１６の底面よりも重力方向で上部に貫通させて形成したものである。即ち、排水配管２８の先端部分２８Ａの重力方向で下端位置を、アノード出口内部マニホールド１６の底面よりも上方に位置させることができ、排水弁２９を開放して所定レベル以上の凝縮水を排出させる場合において、アノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水の溜りを常時残すことができる。このため、前記凝縮水の溜りにより、アノードガス流路１５の出口部を良好に加湿できる。

図１１に示す実施例においては、排水ラインを構成する排水配管２８の先端部分２８Ａをアノード出口内部マニホールド１６の底面に対して重力方向の上方から傾斜させた状態でエンドプレート１１に対して貫通させて取付けるようにしたものである。このため、排水配管２８の先端部分２８Ａの傾斜により、溜まった凝縮水が流出する液面レベルを重力方向でアノード出口内部マニホールド１６の底面よりも上方に位置させることができ、排水弁２９を開放して所定レベル以上の凝縮水を排出させる場合において、アノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水の溜りを常時残すことができる。このため、前記凝縮水の溜りにより、アノードガス流路１５の出口部を良好に加湿できる。

なお、図１０及び図１１に示す実施例において、アノード出口内部マニホールド１６に溜まる凝縮水のレベル(量)を調整するために、排水配管２８の先端部分２８Ａが貫通している壁面(エンドプレート１１の一部分)の重力方向の位置を、図示しないアクチュエータにより鉛直方向となる上下方向に移動可能に配置したり、排水配管２８の先端部分の傾斜角度を図示しないアクチュエータにより変更可能に構成することもできる。この場合には、排水配管２８の先端部分２８Ａの位置を重力方向に下降させることにより、また、排水配管２８の先端部分２８Ａの傾斜を水平状態に変更させることにより、アノード出口内部マニホールド１６に溜まる凝縮水のレベルをゼロに設定することもできる。このように、凝縮水の液面レベルをゼロにして燃料電池スタック１内に残る凝縮水を排出することは、停止後の燃料電池システムが氷点下温度まで低下する場合において、凝縮水の氷結に対して有効な対策となる。

図１２に示す実施例においては、アノード出口内部マニホールド１６の凝縮水を溜められる容量を拡大しつつ、燃料電池セル形状のアスペクト比(短辺：長辺の比)を大きくすることなく、四辺形状としたものである。即ち、アノード出口内部マニホールド１６を、燃料電池セルの一方の領域から反応エリアの下方に延長しており、更にアノード入口内部マニホールド１４、カソード出口内部マニホールド１９等が設けられる他方の領域の下方に達するよう延長して形成している。

このように構成することにより燃料電池スタック１の鉛直方向の下部領域全体を利用した容量の大きいアノード出口内部マニホールド１６を形成でき、大量の凝縮水を溜めることができ、燃料電池システムにおける水収支乾燥（ドライ）側の運転時間を長くすることができる。しかも、外形形状が異形であるよりも、四角に近い形状とでき且つ燃料電池セル形状のアスペクト比(短辺：長辺の比)の増加を小さく抑えることができるため、材料の歩留まり等も良好であると共に生産時のハンドリングも容易となり、燃料電池スタック１の大量生産に好適である。

上記した実施例では、アノード出口内部マニホールド１６を構成する空間が燃料電池スタック１の鉛直方向の下部領域全体に拡大されているため、セル構成体１２並びにセパレータ１３の形状安定性が低下することが予想される。このため、図１３に示すように、各セパレータ１３及びセル構成体１２のアノード出口内部マニホールド１６を形成する空間に、ブレイス１２Ａ，１３Ａ(支柱、ｂｒａｃｅ)を設けるようにする。このように構成することにより、各セパレータ１３及びセル構成体１２の組立前の形状安定性が良好に維持され、生産性の低下を抑制できる。そして、各セパレータ１３及びセル構成体１２に設けるブレイス１２Ａ，１３Ａは、設置する長手方向の位置を各セパレータ１３とセル構成体１２とで異ならせることにより、燃料電池スタック１として組立てられた状態で、ブレイスによる仕切りが存在しない全体を一つのボリュームとするアノード出口内部マニホールド１６を形成することができる。

図１４及び図１５に示す実施例においては、アノード出口内部マニホールド１６の鉛直方向の底面を、アノードガス流路１５の出口側が開口している領域から、アノード入口内部マニホールド１４、カソード出口内部マニホールド１９等が設けられる他方の領域に向かって鉛直方向上方となるよう傾斜させて形成したものである。このように構成することにより、アノード出口内部マニホールド１６内に溜まる凝縮水の量が多い場合には、図１４に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の平面方向の全領域に存在するように溜めることができる。また、アノード出口内部マニホールド１６内に溜まる凝縮水の量が少なくなるに連れて、凝縮水の溜まる領域が徐々にアノードガス流路１５の出口側が開口している領域に近づいて行き、溜まる凝縮水の量が少量となる場合には、図１５に示すように、アノードガス流路１５の出口側が開口している領域のみに溜まることとなる。このため、アノード出口内部マニホールド１６内において、アノードガス流路１５の出口側が開口している領域には、常に凝縮水が存在していることとなり、凝縮水蒸発による水蒸気をアノードガス流路１５の出口近傍に供給することができ、電解質膜の湿潤状態を改善することができる。

しかも、停止後の燃料電池システムが氷点下温度まで低下する場合においては、燃料電池システムの運転停止時に、排水弁２９を開放して、アノード出口内部マニホールド１６に溜まった凝縮水を排出すると、アノード出口内部マニホールド１６の底部の傾斜により、凝縮水のアノード出口内部マニホールド１６内への残留を確実に防止でき、凝縮水が氷結することを防止できる。

図１６に示す実施例は、セパレータ１３で構成するガス流路及び冷媒流路が鉛直方向となるよう構成した燃料電池スタック１を提供するものである。この場合においては、アノード入口内部マニホールド１４は燃料電池スタック１の上方領域に配置される一方、アノード出口内部マニホールド１６は燃料電池スタック１の下方領域に配置される。このため、図２〜図１５の実施例に示すように、アノード出口内部マニホールド１６が燃料電池セルの反応エリアより鉛直方向下方に位置するよう領域拡大させる(反応エリアの幅からはみ出す)ことなく、アノードガス流路１５の出口が開口するアノード出口内部マニホールド１６は、その全体領域がセル構成体１２の反応エリアより鉛直方向の下方に配置することができる。したがって、セル構成体１２及びセパレータ１３のアスペクト比を変更することなく、アノード出口内部マニホールド１６に凝縮水を溜めることができる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）各燃料電池の電解質膜における反応エリアのアノード電極触媒層側にアノードガスを供給する各アノードガス流路１５の下流側に連通させて形成される、燃料電池スタック１内のアノード出口内部マニホールド１６に、凝縮水を燃料電池スタック１の外部に排出可能な排出手段が接続配置すると共に、前記アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成した。このため、カソードガスの相対湿度が湿潤（ウエット）状態となる燃料電池の運転状態において前記水溜まり部に凝縮水を貯留することができ、燃料電池スタック１外に水を溜めその水で加湿する場合と比較して、アノード出口内部マニホールド１６は温度が高く凝縮水による水蒸気分圧を高くすることができ、効率よくアノードガス流路１５内（特に出口側）を加湿することができる。したがって、カソードガスの相対湿度が低くなる運転状態においても電解質膜の加湿を行うことができる。

前記水溜まり部は、図２〜図５、図１０〜１５に示すアノード出口内部マニホールド１６を鉛直方向下方に拡大させて形成するものであってもよく、また、アノード出口内部マニホールド１６がこのように拡大されていないものであっても、例えば、吸水性のある多孔性材料による水保持機能を発揮する部材による水溜まり部であってもよく、更には、図１６に示すアノード出口内部マニホールド１６を燃料電池セルの反応領域の下方に配置するものであってもよい。

(イ)水溜り部として、アノード出口内部マニホールド１６の底面を、アノードガス流路１５の出口より重力方向下側に位置させることにより形成した場合には、水溜り部からアノードガス流路１５に向かって凝縮水が逆流しにくい効果がある。

(ウ)アノード出口内部マニホールド１６は、その空間の重力方向の下部に排出手段が接続配置され、その空間の重力方向の上部に、水素ガスを燃料電池スタック１へ供給する供給経路に他端が接続された水素循環ライン２４の一端が接続され、アノード出口内部マニホールド１６内に排出された水素ガスを、水素循環ライン２４を経由させて燃料電池スタック１の供給経路に戻すよう構成しているため、アノード出口内部マニホールド１６内にから流出する水素循環ライン２４の水素ガスもより加湿されるので、アノード入口内部マニホールド１４から供給される水蒸気量も多くなり、電解質膜の湿潤状態を改善することができる。

（第２実施形態）
図１７〜図２４は本発明を適用した燃料電池システムの第２実施形態を示し、図１７〜図２０は第１実施例の燃料電池システムを示す構成図・斜視図及び説明図、図２１〜図２４は第２実施例の燃料電池システムにおけるフローチャート・動作状態図及び説明図である。本実施形態においては、燃料電池スタック１若しくは燃料電池スタック下流で閉じたアノード経路に対してアノードガスを間歇的に供給するアノードデッドエンドシステムの燃料電池システムに本発明を適用したものである。なお、第１実施形態と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図１７〜図１９において、本実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、容積を拡大させたアノード出口内部マニホールド１６を備えるものである。そして、第１実施形態における水素循環ライン２４が廃止され、アノード出口内部マニホールド１６には、排水弁２９を備えた排水ライン及び窒素パージ弁２７を備えた窒素パージラインのみが接続されている。また、図２０に示すように、アノード出口内部マニホールド１６に連通させてアノード下流容積部３０を設けるものであってもよい。燃料ガス供給手段２の水素調圧弁２３の下流、及び、酸化ガス供給手段３の背圧調整弁３４の上流には、夫々のガス圧力を検出する圧力センサ５２，５３が設けられ、また冷却媒体供給手段４のスタック出口には冷却水出口温度を検出する温度センサ５４が配置されている。

なお、図１９では本実施形態をわかりやすくするため、便宜的にセル構成体１２の側面にこれら配管を開口させて図示しているが、実際には、図１８に示すように、アノード出口内部マニホールド１６の燃料電池セル積層方向の延長線上のエンドプレート１１に窒素パージ弁２７を備えた窒素パージラインの配管２６と排水ラインの排水配管２８が貫通配置されているものである。その他の構成、例えば、燃料電池スタック１、酸化ガス供給手段３および冷却媒体供給手段４等の構成は、第１実施形態と同様に構成されている。また、図１０〜図１６に示すアノード出口内部マニホールド１６の底面に凝縮水が溜まるようにする各実施例も、本実施形態に対して同様に適用できるものである。

本実施形態のアノードデッドエンドシステムとして作動する燃料電池システムにおいては、先ず燃料電池スタック１のアノード入口内部マニホールド１４を介してアノードガス流路１５及びアノード出口内部マニホールド１６に水素を供給し、燃料電池スタック１のアノード側の上流の水素調圧弁２３とアノード側の下流の排水弁２９とを閉じた状態にして燃料電池の発電を行なう。発電が継続することにより供給された水素ガスが発電により消費され、燃料電池スタック１内及び燃料電池スタック１に連通した容器が徐々に減圧状態となる。そして、燃料電池スタック１内及び燃料電池スタック１に連通したアノード下流容積部３０の圧力が所定の圧力に低下したところで、水素調圧弁２３を開いて減圧状態の燃料電池スタック１内に水素を噴入し、燃料電池スタック１のアノードガス流路１５側の凝縮水をアノード出口内部マニホールド１６に押し出し、アノード出口内部マニホールド１６に溜まり所定レベルを超えている凝縮水を、排水弁２９を開いて外部へ排出するよう作動する。

上記作動において、水素調圧弁２３を閉じて発電を継続している時に、アノードガス流路１５の下流の容積部（図１７〜図１９に示す実施例では、アノード出口内部マニホールド１６のボリューム、図２０に示す実施例では、アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０のボリューム）から水素が燃料電池スタック１のアノードガス流路１５側へ逆流する現象を生ずる。逆流する水素の量は、燃料電池スタックから取り出している負荷、アノード出口内部マニホールド１６(及びアノード下流容積部３０)のボリューム、圧力等から決まる。

アノードデッドエンドシステムでは、上記した作動における、水収支湿潤（ウエット）側では燃料電池セル内からの過渡的な液水流入に備えて、アノードアクティブエリア(反応エリア)下流のボリューム(アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０)はある程度大きく取っておく必要があり、第１実施形態の図１２〜図１５に示すアノード出口内部マニホールド１６を採用することにより、アクティブエリアより下流のボリューム容積を大きくでき、良好に発電を継続でき、特に高負荷側でのより大きいボリュームを提供できる。

本実施形態では、アノード出口内部マニホールド１６には、凝縮水が溜められており、スタック温度と同程度の比較的高温の水蒸気が存在するため、アノード出口内部マニホールド１６から燃料電池スタック１のアノードガス流路１５側へ逆流する際に、前記水蒸気がアノードガス流路１５へ下流から供給され、水収支乾燥（ドライ）側の運転時に乾燥しやすいアノードガス流路１５下流を加湿することができる。このため、公知の技術で説明したような乾燥領域が上流から中流に進行していく連鎖が起きなくなり、第１実施形態と同様に、安定して発電を継続することができる。

図２１〜図２４に示す第２実施例の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転状態に応じてアノード出口内部マニホールド１６に溜めておく凝縮水の量を最適に制御するものである。以下では、この第２実施例をアノードデッドエンドシステムとして作動する燃料電池システムに適用したものについて説明するが、第１実施形態の燃料電池システムに適用することも、同様に可能である。

即ち、図２１は制御装置５で所定時間毎に実行される液面制御のフローチャート、図２２は液面制御による水収支乾燥（ドライ）運転状態での液面制御レベル、図２３は液面制御による水収支湿潤（ウエット）な運転状態での液面制御レベル、図２４は燃料電池システムの運転負荷に応じた水収支特性を示す特性図である。

図２１における液面制御のフローチャートでは、先ず、ステップＳ１において、運転負荷・冷却水温度・カソードガス圧力から現在の運転条件が水収支乾燥（ドライ）側か湿潤（ウエット）側かを演算する。前記水収支は、冷却水出口温度からカソード出口温度を推定し（第１、第２の実施形態の場合は、冷却水出口温度がほぼカソード出口温度となる）、その温度とカソードガス圧力から飽和水蒸気量を求める。そして、演算した飽和水蒸気量と、凝縮水の液面レベル関係から、飽和水蒸気量が凝縮水量よりも多い場合は水収支乾燥（ドライ）側、少ない場合は水収支湿潤（ウエット）側とする。ただし、実際には飽和水蒸気量が凝縮水量よりも若干多い場合でも、電解質膜や触媒層の特性上問題なく運転できる場合もあり、今回の水収支乾燥（ドライ）側、湿潤（ウエット）側の閾値は電解質膜・触媒層さらには拡散層の仕様によって異なるため、事前に実験によってその閾値を決めるとよい。また、その閾値は運転負荷によっても異なるので、運転負荷ごとに閾値を決めるとさらによい。

ステップＳ２では、水収支乾燥（ドライ）側か湿潤（ウエット）側かの判断がされ、水収支湿潤（ウエット）側であれば、ステップＳ３へ進み、排水バルブ２９を開けてアノード出口内部マニホールド１６内の水を排出し、図２３に示すように、例えば、水位２の位置まで排水することにより、アノードガス流路１５から新たに排出される凝縮水を溜めるためのボリュームを稼ぐ。

また、ステップＳ２において、もし、水収支乾燥（ドライ）側の判断がなされたら、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、その時のレベルセンサ５１で測定した凝縮水の液面レベルが、図２３に示すような、カソード流路内を加湿するのに十分な凝縮水量となることを、予め実験によって決められた水位である水位１以上である場合には、ステップＳ５へ進み、処理を終了させるが、レベルセンサ５１で測定した凝縮水の液面レベルが水位１以下である場合にはステップＳ６へ進み、ステップＳ６では、燃料電池システムの運転条件を水収支湿潤（ウエット）側になるように変更する。

前記水収支湿潤（ウエット）側にする運転条件とは、図１７及び図２０に示す燃料電池システムにおいて、（１）冷却媒体供給手段４のラジエータ４１に設置されている冷却ファンの回転数を上昇させて冷却水を冷やすことにより温度を下げる、（２）酸化ガス供給手段３の背圧調整弁３４を閉じ側にしてカソードガス圧を上げる、（３）酸化ガス供給手段３のコンプレッサ３１の回転数を低下させてカソードガス流量を下げる、のいずれかを選択して実行することで実現できる。なお、前記（１）〜（３）の全てを実施してもよいし、複数を組み合わせても実施してもよい。

図２４に示す燃料電池システムの水収支の特性によれば、運転負荷に応じて実線に示す特性で変化されるが、水収支が本来乾燥（ドライ）となる低負荷での運転負荷であっても、ステップＳ６の実行により、破線で示すように、水収支湿潤（ウエット）側に移行させることができる。

なお、上記した水収支を湿潤（ウエット）側にする運転を続けると、凝縮水の水位が上がってくるので、図２２に示すように、その水位が水位１以上になったら、ステップＳ４での判定によりステップＳ６での湿潤（ウエット）側の運転を終了し、ステップＳ５での通常の運転に戻る。

上記した湿潤（ウエット）側での運転は、例えば、（１）のラジエータ４１のファンの回転数を上げると、騒音やファンの消費電力の消費があり、（２）のカソードガス圧力を上げると、酸化ガス供給手段３のコンプレッサ３１での消費電力が上昇したり、（３）の空気供給流量を下げるとフラッディングしてセル電圧が安定しなくなる等のネガティブな面が生じる場合もあり、できるだけ湿潤（ウエット）側の運転は少ない時間で終了させて、通常の運転に戻すことが望ましい。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（エ）アノード出口内部マニホールド１６は、燃料電池のアノード側経路の終端部分として各アノードガス流路１５の出口に接続した閉じた空間に形成され、その空間の重力方向下部に排出手段が接続配置されたアノードデッドエンドシステムを構成すると共に、アノードガス流路１５の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成しているため、発電に伴いアクティブエリア(反応エリア)より下流のボリューム(アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０)から水素が逆流してアクティブエリア内に入る現象が起こる。その水素の逆流に同期して、アノード出口内部マニホールド１６内の水蒸気もアクティブエリア(反応エリア)内に入る。したがって、簡単な構成で、アノードガス流路１５の加湿を促進することができる。特にアノードガス流路１５出口において、より加湿を促進することができる。

(オ)燃料電池システムは、運転負荷・冷却水温度・カソードガス圧力から現在の運転条件が水収支乾燥（ドライ）側か湿潤（ウエット）側かを演算する制御手段としての制御装置５を備え、制御装置５は、水収支乾燥（ドライ）側で運転している時には、前記排出手段によりアノード出口内部マニホールド１６の水溜まり部の水位を上昇させ、水収支湿潤（ウエット）側で運転している時には、前記排出手段によりアノード出口内部マニホールド１６の水位を低下させて、アノード出口内部マニホールド１６のボリュームを拡大させるよう作動させる。このため、水収支湿潤（ウエット）側では燃料電池セルのアクティブエリア(反応エリア)内からの過渡的な液水流入に備えてアノードアクティブエリア下流のボリューム(アノード出口内部マニホールド１６及びアノード下流容積部３０)はある程度大きく取っておくことができるので、良好に発電できる。他方、低負荷側の水収支乾燥（ドライ）条件では、アノード出口内部マニホールド１６内の水位を高い位置にすることにより、加湿がより促進される。

(カ)また、水収支湿潤（ウエット）側での運転から水収支乾燥（ドライ）側での運転に移行した時には、水収支乾燥（ドライ）側の運転条件を水収支湿潤（ウエット）側の運転条件にして、アノード出口内部マニホールド１６内に凝縮水を溜めるよう作動させる。このため、水収支湿潤（ウエット）側から乾燥（ドライ）側に運転条件が変動した場合には、アノード出口内部マニホールド１６内の水が不足するため、水収支乾燥（ドライ）側の運転条件を水収支湿潤（ウエット）側の運転条件にして、アノード出口内部マニホールド１６内に凝縮水を溜めるようにして、アノード流路１５をより加湿することができる。特にアノードガス流路１５出口において、より加湿を促進することができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。同じく燃料電池セルの構成を示す概略構成図。アノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を示す斜視図。アノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を説明する説明図。アノード出口内部マニホールドの作動状態を説明する説明図。アノードガス流路とカソードガス流路との水蒸気交換の状態を説明する説明図。セル構成体の湿潤・乾燥状態を説明する説明図。比較例における発電状態を説明する説明図。本実施形態における発電状態を説明する説明図。アノード出口内部マニホールドの他の実施例を示す説明図。アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。図１４に示すアノード出口内部マニホールドの動作状態を説明する説明図。アノード出口内部マニホールドの更に他の実施例を示す説明図。本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。第２実施形態のアノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を示す斜視図。第２実施形態のアノード出口内部マニホールド及び接続配管の構成を説明する説明図。第２実施形態の燃料電池システムの変形例を示す概略構成図。第２実施形態の第２実施例における燃料電池システムの液面制御のフローチャート。第２実施例の動作状態を示す説明図。第２実施例の別の動作状態を示す説明図。第２実施例の運転負荷に対する水収支特性を示す特性図。

符号の説明

１燃料電池スタック
２燃料ガス供給手段
３酸化ガス供給手段
４冷却媒体供給手段
５制御手段としての制御装置
１０燃料電池モジュール
１１エンドプレート
１２セル構成体
１３セパレータ
１４アノード入口内部マニホールド
１５アノードガス流路
１６アノード出口内部マニホールド
２３水素調圧弁
２４水素循環ライン
２８排水ラインとしての排水配管
２９排水弁
３１コンプレッサ
３４背圧調整弁
５１レベルセンサ

Claims

燃料電池スタックとして積層された燃料電池のアノード側に水素を供給し、前記燃料電池のカソード側に空気を供給することで発電する燃料電池システムであり、
前記燃料電池のアノード側は、各燃料電池の電解質膜における反応エリアのアノード電極触媒層側にアノードガスを供給する各アノードガス流路の下流側に連通させて形成される、燃料電池スタック内のアノード出口内部マニホールドを備え、前記アノード出口内部マニホールドに、前記アノードガス流路の出口から排出される凝縮水を貯留する水溜まり部を形成すると共に、前記水溜り部の凝縮水を燃料電池スタックの外部に排出可能な排出手段を接続配置したことを特徴とする燃料電池システム。
前記水溜り部は、前記アノード出口内部マニホールドの底面を、アノードガス流路の出口より重力方向下側に位置させることにより形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記アノード出口内部マニホールドは、その空間の重力方向の下部に前記排出手段が接続配置され、その空間の重力方向の上部に、水素ガスを燃料電池スタックへ供給する供給経路に他端が接続された水素循環ラインの一端が接続され、アノード出口内部マニホールド内に排出された水素ガスを、水素循環ラインを経由させて燃料電池スタックの供給経路に戻すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記アノード出口内部マニホールドは、燃料電池のアノード側経路の終端部分として各アノードガス流路の出口に接続した閉じた空間に形成され、前記燃料スタック内部のアノードガス流路の圧力が加圧される過程と減圧される過程とを繰り返すように前記アノードに燃料ガスを供給する運転を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムは、運転負荷・冷却水温度・カソードガス圧力から現在の運転条件が水収支が乾燥側か湿潤側かを演算する制御手段を備え、
前記制御手段は、水収支が乾燥側で運転している時には、前記排出手段によりアノード出口内部マニホールドの水溜まり部の水位を上昇させ、水収支が湿潤側で運転している時には、前記排出手段によりアノード出口内部マニホールドの水位を低下させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。