JP2010129480A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードガスの加湿を行い得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成される単位燃料電池セルを複数積層したセルスタック（２）と、前記アノードから排出される水蒸気の凝縮水をセルスタック（２）の外部で溜める水貯留手段（７）と、この水貯留手段（７）に溜まっている凝縮水の気化を促進する気化促進手段（２７）と、を備え、セル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制御回路（５１）が行う。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池システム、特に反応ガスの加湿方法に関する。

反応ガスの加湿手段として、ＭＥＡの反応エリア（アクティブエリア）の外側に触媒層を持たない電解質層のみからなる部位（加湿エリア）を設け、一方のガス流路出口の水を電解質層を介して他方のガス流路入口に移動させることで反応ガスを加湿する、いわゆるセル内部加湿方法を提案するものがある（特許文献１参照）。
特開２００８−９７８９１号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、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、アノードガスを加湿できない。

そこで本発明は、アノードガスの加湿を行い得る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、セルスタックと、アノードから排出される水蒸気の凝縮水をセルスタックの外部で溜める水貯留手段と、この水貯留手段に溜まっている凝縮水の気化を促進する気化促進手段と、を備え、セル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燃料ガスをアノードに供給する運転を行う。

本発明によれば、気化促進手段により水貯留手段に溜まっている凝縮水の気化が促進され、水貯溜手段に存在するアノードガスが高加湿状態となり、減圧過程において、この高加湿状態のアノードガスがセルスタック内部のアノードガス流路へと逆流することから、アノードガスを効率よく加湿することができる。

図１は本発明の第１実施形態の燃料電池システム１の概略構成図である。本実施形態の燃料電池システムでは、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池を用いており、車両に搭載されている。

セルスタック２には、電気化学反応に供される反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）と、セルスタック２を冷却する冷却媒体が供給される。セルスタック２のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク３から燃料ガス供給管４（燃料ガス供給流路）を介して水素が供給される。水素タンク３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。燃料ガス供給管４には、水素の供給量を調整するため調圧バルブ５が配置されている。また、セルスタック２には、アノードからの燃料ガスと共に不純物（生成水や窒素等）をセルスタック２の外部へ排出するための排出管６が配置されている。

排出管６には、水セパレータタンク７（水貯留手段）が接続され、この水セパレータタンク７で燃料ガス中の水蒸気を凝縮水として溜めるようにしている。溜めた水を排出するための配管８と、水蒸気が分離された後の燃料ガスに含まれる窒素を排出するための配管９とが水セパレータタンク７の下部と上部に設けられている。各配管８、９にはそれぞれ常閉の排水バルブ１０、窒素パージバルブ１１が設けられている。

図２はセルスタック２の概略構成図である。セルスタック２は、単位燃料電池セル（単セル）４１を複数枚積層したものから構成されている。単セル４１は、その積層構造の中央に膜電極接合体（Memrerane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という。）を有している。ＭＥＡ４２は、電解質膜の両面に電極触媒層、ガス拡散層が順次積層された構造である。電解質膜を境に一方の面側がカソードとして、他方の面側がアノードとして用いられる。ＭＥＡ４２の両面には導電性部材であるカーボンや金属で作られたカソード側セパレータ４３とアノード側セパレータ４４とが配置されている。カソード側セパレータ４３がＭＥＡ４２と対向する面には空気（酸化剤ガス）の流路４５が形成され、反対面には冷却水流路４７を有している。アノード側セパレータ４４がＭＥＡ４２と対向する面には水素（燃料ガス）の流路４６が形成され、反対面には冷却水流路４７を有している。このように形成された単セル４１を複数枚重ねたうえで、各単セル４１に空気、水素、冷却水を分配するマニホールド４９、５０を両端に備えており、このマニホールド４９、５０によりセルスタック２の外部から供給される空気、水素、冷却水を各単セル４１へと分配している。また、セルスタック２内部の水循環を効率よく行わせるために空気の流路４５と水素の流路４６とを対向流としている。

なお、以下ではカソードに供給される空気を「カソードガス」、アノードに供給される水素を「アノードガス」ともいう。また、上記空気の流路４５を「カソードガス流路」、水素の流路４６を「アノードガス流路」ともいう。

セルスタック２のカソードには、コンプレッサ１５から供給管１６を介して空気が供給される。コンプレッサに代えて、ブロア等の空気供給手段を用いることができる。セルスタック２のカソードから排出された空気は、排出管１７を介して大気中に放出される。排出管１７には、背圧（カソードガス流路の圧力）を調整するため調圧バルブ１８が配置されている。

セルスタック２には、さらにラジエータ２１から配管２３を介して冷却水が供給される。冷却水に代えて、エチレングリコール等の不凍液、空気等の冷却媒体を用いることができる。セルスタック２で発生した熱を取り込んで温度上昇した冷却水は、配管２２を介してラジエータ２１に送られ冷やされた後に再びセルスタック２内部に循環される。配管２３には、水循環のための循環ポンプ２４が配置されている。

制御回路５１は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備えている。制御回路５１では、コンプレッサ１５、循環ポンプ２４を駆動し調圧バルブ５、１８を制御してセルスタック２で発電を行わせると共に、セルスタック２内部のアノードに供給する燃料ガスをセルスタック２及び水セパレータタンク７の外部に排出しないアノードデッドエンド運転を行う。アノードデッドエンド運転そのものは公知である（特開２００７−１４９６３０号公報参照）。

さて、図３はセル内部加湿方法を示す従来技術（特開２００８−９７８９１号公報参照）のセルスタック２の概略構成図である。従来技術では、図３に示したように、反応ガスの加湿手段として、ＭＥＡのアクティブエリア４８の外側に触媒層を持たない電解質層のみからなる部位（加湿エリア４９）を設け、一方のガス流路出口の水を電解質層を介して他方のガス流路入口に移動させることで反応ガスを加湿するようにしている。しかしながら、低負荷運転では、カソードガスの出口側の相対湿度は極めて低下しているので、ＭＥＡのアクティブエリア４８の外側に加湿エリア４９を設けたとしてもアノードガスの下流側を加湿できない。これについて説明すると、図４は負荷に対する水収支の特性である。負荷が高い側で水収支が湿潤側（ウェット側）となっているのは、負荷が高い側では、冷却水温度が上がるものの酸化剤ガスの圧力を上げることができるため、水収支を湿潤側に持ってくることができるためである。それに対して、負荷が低い側では水収支が乾燥側（ドライ側）になってしまう。これは、負荷が低い側では、冷却水温度は比較的低いものの酸化剤ガスの圧力を上げることができないためである。酸化剤ガスの圧力を上げることができないのは、酸化剤ガスの圧力を上げるとコンプレッサ１５の消費電力が上がり燃費が低下するため、また低負荷側では酸化剤ガスの流量が少ないので、コンプレッサ１５の特性上圧力を上げられないためである。その上、低負荷側では、利用率を高負荷側と同じに高く（例えば酸化剤ガスのストイキ比ＳＲ＝１．５）すると、セルスタック内部のカソードガスの流速が遅くフラッディングが生じやすくなるため、利用率を下げて（例えばＳＲ＝２．０）運転する必要がある。これに伴い水収支はさらに乾燥側になってしまう。図５は再び従来技術のセルスタック２の概略構成図である。低負荷側で利用率が低い場合には、図５においてカソードガス流路の上流側である領域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が、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。領域２で発電が行われなくなると、領域３〜５で負荷相当分の発電が行われるようになるが、しばらく時間が経過すると、次には領域３が乾燥し領域３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、最終的に領域５のみが発電するような状態になり、セルスタック全体の電圧が著しく低下する。

さらに詳述する。図６は図５のセルスタックに用いられている単セルのモデル図（図５のＡ−Ａ線断面図）で、上段に示す図６（Ａ）は水収支が湿潤側（ウェット側）の条件にあるときの、下段に示す図６（Ｂ）は水収支が乾燥側（ドライ側）の条件にあるときのものである。図６（Ａ）に示すように、水収支が湿潤側になるような条件で運転した場合、カソードガス流路の下流側では生成水の影響で相対湿度が高くなり、カソードガス流路側とアノードガス流路側の相対湿度差をドライビングフォースとして、ＭＥＡの膜中を水がアノードガス流路側に向けて逆拡散し、アノードガス流路の上流側を加湿する。アノードガス流路に出た水蒸気はアノードガス流路の下流側に運ばれてカソードガス流路の上流（図５で領域１）の膜を加湿するので、領域１でＭＥＡの膜が乾燥するという問題が起きない。このように、アノードガス、カソードガスのカウンター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となっている。しかしながら、図６（Ｂ）に示すように水収支が乾燥側の条件（つまり低負荷）の場合には、カソードガス流路の下流側の相対湿度が、水収支が湿潤側の条件の場合よりも低く、アノードガス流路側に水を供給できないため、アノードガス流路の出口側が乾燥したままであり、従って、乾燥したガスしか供給されない領域１のＭＥＡが乾燥し、図５で前述したような問題が低負荷時に発生してしまうのである。

そこで本実施形態では、水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水の気化を促進する気化促進手段を備え、セルスタック２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アノードに供給する燃料ガスをセルスタック２及び水セパレータタンク７の外部に排出しないアノードデッドエンド運転を行う。

これについて図７を参照してさらに説明すると、図７は本発明の第１実施形態の一例の低負荷時におけるタイミングチャートである。一定の低負荷条件に保持した場合にアノードガス流路４６の圧力と、アノードガス流路４６のガス流れ方向とがどのように変化するのかを示している。ここで、アノードガス流路４６におけるアノードガスの流れ方向はセルスタック２から水セパレータタンク７に流れる向きを正としている。まず、排水バルブ１０は水セパレータタンク７内の凝縮水の液面レベル７ｃが予め定めている上限レベルを超えないように所定開度（一定開度）まで開いて余分な凝縮水を系外へ排出し、また窒素パージバルブ１１もセルスタック２から水セパレータタンク７へと排出される未反応アノードガスに含まれる窒素を系外に排出するため所定開度（一定開度）まで開いている。この状態でアノードデッドエンド運転を行う。水素タンク３から所定開度まで開かれた水素調圧バルブ５によって圧力が調整された水素（アノードガス）がセルスタック２内部のアノードガス流路４６に供給される。このため、アノードガス流路４６の圧力は上昇し、セルスタック２から水セパレータタンク７に向けてアノードガスの流れ（順流）が発生する。これと共にセルスタック２内部でカソードガス流路４５の側からアノードガス流路４６の側へ拡散してきた生成水や窒素などの不純物を水セパレータタンク７へ排出する。不純物のうち生成水は水セパレータタンク７内で凝縮して水となり水セパレータタンク７の下部に溜まって液相部７ａを形成する。窒素と未反応アノードガスとは水セパレータタンク７の上部に溜まって気相部７ｂを形成する。水セパレータタンク７は、このような不純物を溜めるために十分な体積を有するものである。また、生成水や窒素の量が増加してきた場合、上記のように排水バルブ１０、窒素パージバルブ１１を開状態にして、生成水や窒素を系外へ廃棄する。

アノードガス流路４６の圧力がｔ１で所定圧力Ｐ１に到達すると水素調圧バルブ５を全閉としてセルスタック２へのアノードガスの供給を止める。この後、セルスタック２での発電に伴いアノードガス流路４６のアノードガスが消費され、アノードガス流路４６の圧力は低下する。これに伴い今度は水セパレータタンク７からセルスタック２に向かってアノードガスの流れ（逆流）が生じる。アノードガス流路４６の圧力が所定圧力Ｐ２にまで低下するｔ２になると、再び水素調圧バルブ５を所定開度まで開きセルスタック２へのアノードガス供給を再開する。このアノードガス供給の再開によりアノードガス流路４６の圧力が再び上昇し、セルスタック２から水セパレータタンク７に向けてアノードガスの流れ（順流）が発生する。そして、アノードガス流路４６の圧力がｔ３で所定圧力Ｐ１に到達すると水素調圧バルブ５を全閉としてセルスタック２へのアノードガスの供給を止める。すると、アノードガス流路４６の圧力が低下してゆき、水セパレータタンク７からセルスタック２に向かってアノードガスの流れ（逆流）が生じる。以上のようなプロセス、つまり、セルスタック２内部のアノードガス流路４６の圧力が加圧される過程（以下では単に「加圧過程」ともいう。）と減圧される過程（以下では単に「減圧過程」ともいう。）とを繰り返すことにより、セルスタック２及び水セパレータタンク７の外部にアノードガスを排出しないアノードデッドエンド運転が可能となる。

こうした本発明のアノードデッドエンド運転の運転方法は、図７に示した例に限らない。図８に示した他の例のように、加圧過程と減圧過程のそれぞれの間にアノードガス流路４６の圧力を一定（所定圧力Ｐ１、Ｐ２）に維持する過程（以下では単に「圧力維持過程」ともいう。）を設けても良い。ここで、アノードガス流路４６の圧力を所定圧力Ｐ１に維持させるには、水素調圧バルブ５の開度を減少させてやれば（バルブ５を絞れば）よい（図８最上段のｔ１１〜ｔ１２、ｔ１５〜ｔ１６、ｔ１９〜ｔ２０参照）。このときの減少スピードは適合により決定する。また、アノードガス流路４６の圧力を所定圧力Ｐ２に維持させるには、水素調圧バルブ５の開度を増加させてやればよい（図８最上段のｔ１３〜ｔ１４、ｔ１７〜ｔ１８参照）。このときの増加スピードも適合により決定する。

こうしたアノードデッドエンド運転において、水セパレータ７からセルスタック２に向けて水セパレータ７内部の未反応アノードガスがセルスタック２（詳しくはアノードガスの排気マニホールド）へと逆流する減圧過程で、この水セパレータ７内部の気相部７ｂに存在する未反応アノードガスに水分を含ませることができれば、アノードガス流路４６の出口側の加湿を行うことが可能となる。そこで第１実施形態では、水セパレータタンク７に加えて、図１に示したように、水素調圧バルブ５上流の燃料ガス供給管４から、水素調圧バルブ５及びセルスタック２をバイパスして水セパレータタンク７にアノードガスを供給するバイパス流路２６を設ける。バイパス流路２６の下流端を水セパレータタンク７の下面より凝縮水が貯留されている液相部７ａに突出させ、その開口端に金属発泡体などの多孔体からなる気泡発生部２７（気化促進手段）を取り付ける。

また、バイパス流路２６の途中にオリフィス２８を設けて、このオリフィス２８によってバイパス流路２６を通過するアノードガスの流量を調整する。オリフィス２８の径は、発電量が少ない、つまり高負荷に対して低負荷のほうが水収支が厳しいのであるから、アノードガスの消費量が少ない低負荷に合わせたオリフィス径とすることが好ましい。もちろん、径が一定であるオリフィス２８に代えて流量可変バルブとすることも可能である。

本実施形態では、このような構成とすることで、気泡発生部２７を通して細かな気泡となるアノードガス内に水セパレータタンク７内に溜まっている凝縮水が蒸発する。あるいは、気泡による凝縮水のかき混ぜによって凝縮水が蒸発する。つまり、凝縮水の気化が促進されることとなり、水セパレータタンク７内の気相部７ｂに残留するアノードガスを高加湿状態とすることができる。この高加湿状態となった水セパレータタンク７内のアノードガスは、水セパレータタンク７からセルスタック２へと逆流する減圧過程でセルスタック２の内部のアノードガス流路４６へと供給されるので、低負荷時に乾燥状態になりやすいアノードガス流路４６の出口側（水素調圧バルブ５の反対側）を加湿することができ、低負荷時の発電性能の低下を防ぐことができる。

このように、本実施形態は、水セパレータタンク７内の液相部７ａに気泡発生部２７を備えさせ、凝縮水の気化を促進することで水セパレータタンク７内の気相部７ｂに残留している未反応アノードガスを高加湿状態とすると共に、セルスタック２内部のアノードガス流路４６の圧力が加圧過程と減圧過程とを繰り返すようにアノードに供給する燃料ガスをセルスタック２及び水セパレータタンク７の外部に排出しないアノードデッドエンド運転を行うことによって、アノードガス流路４６から水セパレータタンク７までの流路に圧力脈動を生じさせ、この圧力脈動を利用して、上記高加湿状態のアノードガスをセルスタック２内部のアノードガス流路４６に送り込み、低負荷時に乾燥状態になりやすいアノードガス流路４６の出口側を加湿するようにしたものである。本実施形態は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応によって生成された水をセルスタック２の外部の水セパレータタンク７で凝縮させて溜めると共に、この溜まっている凝縮水を反応ガスの加湿に再利用するものである。これによって、上記従来技術のようにセルスタック２内部で加湿する必要は無くなり、かつセルスタックの外部に専用の加湿器を別に設ける必要も無いのである。

制御回路５１で実行されるこの制御を図９のフローチャートに基づいて詳述する。図９は、水素調圧バルブ５を開閉制御するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。なお、図９は図７に対応する制御を示している。

図９においてステップ１では、水素調圧バルブ５が開いているか否かをみる。ここでは前提として水素調圧バルブ５を所定開度まで開いているものとする。このときにはステップ２に進んでアノードガス流路４６の圧力Ｐと所定圧力Ｐ１を比較する。所定圧力Ｐ１は図７に示した所定圧力Ｐ１であり、予め最適な値を定めておく。アノードガス流路４６の圧力Ｐとしては、排出管６の圧力（あるいはアノードガス流路が集合する部位の圧力）を採用すればよい。本実施形態では、排出管６の圧力を圧力センサ５２によりアノードガス流路圧力として検出している（図１参照）。

前提として水素調圧バルブ５を所定開度としているので、アノードガス流路圧力Ｐが上昇していく。ここではアノードガス流路圧力Ｐは所定圧力Ｐ１より低いとしてステップ３の操作を実行する。ステップ３の操作の繰り返しによりやがてステップ２でアノードガス流路圧力Ｐが所定圧力Ｐ１以上となればステップ４に進み、水素調圧バルブ５を全閉状態とする。

ステップ４での水素調圧バルブ５の全閉によって次回にはステップ１で水素調圧バルブ５は開いていないと判定される。このときにはステップ５に進んで圧力センサ５２により検出されるアノードガス流路圧力Ｐと所定圧力Ｐ２を比較する。所定圧力Ｐ２は図７に示した所定圧力Ｐ２（所定圧力Ｐ１よりも小さな値）であり、所定圧力Ｐ２も予め最適な値を定めておく。ステップ４で水素調圧バルブ５を全閉としたことによってアノードガス流路圧力Ｐが所定圧力Ｐ１より下降していくが、水素調圧バルブ５を全閉として間もない場合にはアノードガス流路圧力Ｐは所定圧力Ｐ２より高いので、ステップ５よりステップ４に進みステップ４の操作を実行する。ステップ４の操作の繰り返しによりやがてステップ５でアノードガス流路圧力Ｐが所定圧力Ｐ２以下となればステップ６に進み、水素調圧バルブ５を所定開度に戻す。

次回にはステップ１よりステップ２へ進むことになり、上記の操作が繰り返される。つまり、水素調圧バルブ５について所定開度とした状態と全閉状態とを一定の周期で繰り返すことによって、アノードガス流路４６の圧力が減圧過程と加圧過程とを繰り返し、これによってアノードガス流路４６から水セパレータタンク７までの流路に圧力脈動が生じる。

図９では、圧力センサ５２により検出されるアノードガス流路圧力Ｐをみながら水素調圧バルブ５の開度を所定開度と全閉とに切換えるようにしているが、本発明はこの場合に限定されるものでない。例えば、所定の時間毎に（あるいは一定周期で）所定開度と全閉とを繰り返すように水素調圧バルブ５の開度を制御してもかまわない。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態によれば、電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成される単位燃料電池セルを複数積層したセルスタック２と、アノードから排出される水蒸気の凝縮水をセルスタック２の外部で溜める水セパレータタンク７（水貯留手段）と、水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水の気化を促進する気泡発生部２７（気化促進手段）と、を備え、セルスタック２内部のアノードガス流路４６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アノードに供給する燃料ガスをセルスタック２及び水セパレータタンク７の外部に排出しないアノードデッドエンド運転を行う（図９参照）。従って、気泡発生部２７により水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水の気化が促進され、水セパレータタンク７内部に存在するアノードガスが高加湿状態となり、アノードデッドエンド運転における減圧過程において、この高加湿状態のアノードガスがセルスタック２内部のアノードガス流路４６へと逆流することから、アノードガス流路４６の出口側の電解質膜が湿潤状態になり、発電性能を向上することができる。また、アノードガスが乾燥状態となりやすい低負荷時に電解質膜を十分に加湿することができるので、特に効果がある。

本実施形態によれば、気化促進手段は気泡発生部２７（気泡発生手段）であり、燃料ガスをアノードに供給する燃料ガス供給管４（燃料ガス供給流路）の圧力を調圧する水素調圧バルブ５（調圧バルブ）と、気泡発生部２７とこの水素調圧バルブ５上流の燃料ガス供給管４とを接続するバイパス流路２６と、を備えるので、気泡状のアノードガスによって水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水の気化を促進できることから、気泡を発生させるためのガスを別に用意する必要が無い。

また、本実施形態では、セルスタック２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アノードに燃料ガスを供給できればよく、燃料ガスをセルスタック２及び水セパレータタンク７の外部に排出しないアノードデッドエンド運転（システム）に限定されないことはいうまでもない。

また、本実施形態の変形例として、セルスタック２を運転する負荷状態を判定し、アノードデッドエンド運転をアノードガスが乾燥状態となりやすい低負荷時にのみ行うようにしてもよい。このとき、低負荷時に最も乾燥状態になりやすいアノードガス流路４６の出口側を加湿することができ、低負荷時の発電性能の低下を防ぐことができる。よって、使用頻度の高い低負荷時の発電性能が改善され燃費が向上する。

図１０〜図１２は本発明の第２実施形態である。このうち、図１０は第２実施形態の燃料電池システム１の概略構成図、図１１は第２実施形態の一例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート、図１２は第２各実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャートで、それぞれ第１実施形態の図１、図７、図８と置き換わるものである。図１０において第１実施形態の図１と同一部分には同一番号を付している。

第２実施形態は、第１実施形態に対して、図１０に示したように水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水を加熱するためのヒータ６１を液相部７ａに追加して配置したものである。すなわち、ヒータ６１の一端はバッテリ６２に、他端はアースに接続され、ヒータ６１と直列に常開のスイッチ６３が接続されている。スイッチ６３は制御回路５１によりＯＮ、ＯＦＦされる。

第２実施形態では、制御回路５１が、図１１第４段目に示したようにアノードガス流路圧力が減圧される過程でこのヒータ６１をＯＮとし、アノードガス流路圧力が加圧される過程でヒータ６１をＯＦＦとする。すなわち、気泡発生部２７を通して細かな気泡となるアノードガスによって水セパレータタンク７内の凝縮水の気化が促進される減圧過程では、当該凝縮水の気化潜熱により水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水の温度が低下するのであるが、第２実施形態によれば、減圧過程でヒータ６１をＯＮして水セパレータタンク７内の凝縮水を加熱するので、こうした水セパレータタンク７内の水が蒸発するときの気化潜熱による水セパレータタンク７内の凝縮水の温度低下を防ぐことができる。

また、水セパレータタンク７からセルスタック２への逆流が生じている減圧過程でのみ、つまり細かな気泡となったアノードガス内に水セパレータタンク７内の凝縮水が蒸発し、高加湿状態となったアノードガスが水セパレータタンク７からセルスタック２へと逆流する場合にのみヒータ６１をＯＮとするので、加湿が必要なときに加湿することが可能な効率の良い加熱が可能となり、加圧過程にもヒータ６１をＯＮとする場合と比較してバッテリ６２を無駄に消費することを避けることができる。

さらに、図１２に示したように加圧過程と減圧過程のそれぞれの間に圧力を維持する過程を設けている場合に、第２実施形態では、加圧過程以外（減圧過程と圧力維持過程）でヒータ６１をＯＮとし、加圧過程でヒータ６１をＯＦＦとする（図１２第４段目参照）。加圧過程においてヒータ６１をＯＦＦとするのは、加圧過程においてはセルスタック２の圧損に比べてオリフィス２８の圧損の方が極めて大きいため、バイパス流路２６を通過する、つまり水セパレータタンク７へ導入されるアノードガスがほとんどゼロとなるため、気化潜熱で奪われる熱量もほとんどゼロであり、加熱する必要がないためである。これによってバッテリ６２を無駄に消費することを避けることができる。

図１３〜図１５は本発明の第３実施形態である。このうち、図１３は第３実施形態の燃料電池システム１の概略構成図、図１４は第３実施形態の一例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート、図１５は第３実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャートで、それぞれ第１実施形態の図１、図７、図８と置き換わるものである。図１３において第１実施形態の図１と同一部分には同一番号を付している。

第３実施形態は、第１実施形態に対して、図１３に示したようにバイパス流路２６に開閉バルブ７１を追加して設けたものである。開閉バルブ７１は制御回路５１により制御される。

第３実施形態では、制御回路５１が、図１４第４段目に示したようにアノードガス流路圧力が減圧される過程で開閉バルブ７１を全開とし、加圧される過程で全閉とする。加圧過程は、セルスタック２に溜まった水や窒素をセルスタック２から水セパレータタンク７へと排出している過程である。この加圧過程でバイパス流路２６を通してアノードガスが水セパレータタンク７に供給されると、水や窒素の排出を妨げることになる。第３実施形態によれば、加圧過程で開閉バルブ７１を全閉とするので、加圧過程での水や窒素の排出を妨げることを防ぐことができる。

また、減圧過程で開閉バルブ７１を開いている。このときには開閉バルブ７１がないのと同じであり、第１実施形態と同じ作用効果が得られる。すなわち、気泡発生部２７を通して細かな気泡となるアノードガス内に水セパレータタンク７内の凝縮水が蒸発し、水セパレータタンク７内の気相部７ｂに存在するアノードガスを高加湿状態とすることができる。そして、アノードガス流路圧力の減圧よって水セパレータタンク７からセルスタック２への逆流が生じる減圧過程で、高加湿状態のアノードガスがセルスタック２内部のアノードガス流路４６へと供給されることで、低負荷時に乾燥状態になりやすいアノード流路４６の出口側を加湿することができ、低負荷時の発電性能低下を防ぐことができる。

さらに、図１５に示したように加圧過程と減圧過程のそれぞれの間に圧力を維持する過程を設けている場合に、第３実施形態では、加圧過程において開閉バルブ７１を全閉とし、減圧過程と圧力維持過程とで全開としている。これにより、圧力維持過程でもアノードガスを水セパレータタンク７に導入することが可能となり、水セパレータ７内の気相部７ｂに存在するアノードガスを高加湿状態とすることができ、その後に訪れる減圧過程において、低負荷時に乾燥状態になりやすいアノード流路４６の出口側をより効率的に加湿することができる。

図１６〜図１８は本発明の第４実施形態である。このうち、図１６は第４実施形態の燃料電池システム１の概略構成図、図１７は第４実施形態の一例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート、図１８は第４実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャートで、それぞれ第１実施形態の図１、図７、図８と置き換わるものである。図１６において第２、第３の実施形態の図１０、図１３と同一部分には同一番号を付している。

第４実施形態は、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、図１６に示したように水セパレータタンク７に溜まっている凝縮水を加熱するためのヒータ６１を液相部７ａに追加して配置すると共に、バイパス流路２６に開閉バルブ７１を追加して設けている。

第４実施形態では、制御回路５１が、図１７第２段目、第３段目に示したように減圧過程でヒータ６１をＯＮ、開閉バルブ７１を全開とし、加圧過程でヒータ６１をＯＦＦ、開閉バルブ７１を全閉としている。第４実施形態によれば、開閉バルブ７１が全開のとき（バイパス流路２６から水セパレータタンク７へアノードガスが供給されているとき）のみ、ヒータ６１をＯＮにするので、気泡発生部２７を通して細かな気泡となったアノードガス内に水セパレータタンク７内の凝縮水が気化しているときの気化潜熱により、水セパレータタンク７内の凝縮水の温度が低下することを防ぐことができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図。 セルスタックの概略構成図。 従来技術のセルスタックの概略構成図。 負荷に対する水収支の特性図。 従来技術のセルスタックの概略構成図。 単セルのモデル図。 第１実施形態の一例のアノードガス流路の圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第１実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第１実施形態の水素調圧バルブの制御を説明するためのフローチャート。 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図。 第２実施形態の一例のアノードガス流路の圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第２実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図。 第３実施形態の一例のアノードガス流路の圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第３実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図。 第４実施形態の一例のアノードガス流路の圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。 第４実施形態の他の例のアノードガス流路圧力、アノードガス流路のガス流れ方向の変化を示すタイミングチャート。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ セルスタック
４ 燃料ガス供給管
５ 水素調圧バルブ（調圧バルブ）
６ 排出管
７ 水セパレータタンク（水貯留手段）
２６ バイパス流路
２７ 気泡発生部（気泡発生手段、気化促進手段）
４５ カソードガス通路
４６ アノードガス流路
５１ 制御回路

Claims (6)

1. 電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成される単位燃料電池セルを複数積層したセルスタックと、
   前記アノードから排出される水蒸気の凝縮水を前記セルスタックの外部で溜める水貯留手段と、
   この水貯留手段に溜まっている凝縮水の気化を促進する気化促進手段と、
   を備え、
   前記セル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燃料電池システム。
2. 前記気化促進手段は気泡発生手段であり、
   燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給流路の圧力を調圧する調圧バルブと、
   前記気泡発生手段とこの調圧バルブ上流の燃料ガス供給流路とを接続するバイパス流路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記バイパス流路に開閉バルブを備え、
   前記アノードガス流路の圧力が加圧される過程でこの開閉バルブを全閉状態とすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記気化促進手段は前記水貯留手段に溜まっている凝縮水を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記アノードガス流路の圧力が減圧される過程で前記加熱手段を作動させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記運転を低負荷時に行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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