JP2010129483A - 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、アノードから排出されるアノードガスに含ま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（７１）と、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アノードに燃料ガスを供給するアノードデッドエンド運転を行う手段と、水貯留手段（７１）と、セルスタックのアノードガス出口との間にあって加圧される過程でアノードガスに含まれる水蒸気を吸着し、減圧される過程で吸着した水蒸気を脱離する水保持手段（７５）と、を備える。
【選択図】図９

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、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、アノードガスに含まれる水蒸気を吸着し、吸着した水蒸気を脱離する水保持手段と、この水保持手段を介して、アノードの出口と接続され、アノードから排出されるアノードガスに含ま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を備える。そして、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アノードに燃料ガスを供給する運転を行う。

本発明によれば、加圧過程においてセルスタックのアノードガス出口より排出されるアノードガスに含まれる水蒸気が水保持手段より吸着され、減圧過程において水貯溜手段内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ので、吸着されている水蒸気が水保持手段より脱離してアノードガスを加湿することから、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の一端が後述するアノードガス排気マニホールドに接続されている。

排出管６の他端には、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、各配管８、９に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。また、配管２２に三方弁２５が設けられている。

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、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と共に、水セパレータタンク７と、セルスタック２のアノードガス出口との間にあって加圧される過程でアノードガス中の水蒸気を吸着し、減圧される過程で吸着した水蒸気を脱離する水保持手段を備えるようにする。

本発明のアノードデッドエンド運転について図７を参照して説明すると、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内の凝縮水の液面レベル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）として余分な凝縮水を系外へ排出し、窒素パージバルブ１１も窒素を系外に排出するため所定開度（一定開度）としている。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を形成する。窒素と未反応の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への水素の供給を止める。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への水素供給を再開する。この水素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への水素の供給を止める。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内部のアノードガスが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。このため、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させることが考えられる。しかしながら、水セパレータタンク７内の凝縮水を気化させるには多くの気化熱を必要とする。すなわち、凝縮水はアノードガス流路４６から離れた水セパレータタンク７に排出管６を介して存在するため、何らかの工夫をしないと水セパレータタンク７内の水はアノードガス流路４６へと供給できない。

そこで本発明の第１実施形態では、水セパレータタンクに加えて、セルスタック２内部のアノードガスの排気マニホールド出口（セルスタック２のアノードガス出口）と水セパレータタンク（水貯溜手段）との間にアノードガスに含まれる水蒸気を吸着し、吸着した水蒸気を脱離する水保持手段を設ける。

これについて図９を参照して説明する。第１実施形態では、図１に示したように排出管６を介してアノードガスの排気マニホールド出口と接続することはしないので、第１実施形態の水セパレータタンクの符号を「７１」で改めて取り直すと、図９は燃料電池システム１のうちセルスタック２及び水セパレータ７１の概略構成図である。ここでは、主にアノードガスの流れだけを取り出して示している。セルスタック２は縦置きされている。つまり、図９で上方が鉛直上方、下方が鉛直下方である。図９において左側には、アノードガスの供給マニホールド６１がセルスタック２の積層方向（上下方向）に貫通して直管状に、右側にはアノードガスの排気マニホールド６２がセルスタック２の積層方向（上下方向）に貫通して直管状に形成されている。このため、左上にある供給マニホールド入口６１ａから供給されるアノードガスは直管状の供給マニホールド６１を下方に向けて流れる。供給マニホールド６１に供給されたアノードガスは左右方向に位置する各アノードガス流路（図２参照）に分配され右方向に向けて流れる。アノードガス流路で反応しなかったアノードガスは、直管状の排気マニホールド６２で集合された後、下方の排気マニホールド出口６２ａに向けて流れる。

アノードガスの排気マニホールド出口６２ａを覆い、セルスタック下面２ａに隣接して、水セパレータタンク７１が設けられている。水セパレータタンク７１は、上方の円筒部７１と下方の円錐部７２とから構成され、円錐部７２の頂上には下方に垂れ下がる配管８が接続されている。この配管８に排水バルブ１０が設けられている。

一方、円筒部７２は左側がアノードガスの排気マニホールド出口６２ａを覆い、かつセルスタック右端２ａよりも右側にはみ出るように設けられ、この円筒部７２の右側に、セルスタック右端２ａに沿って立ち上がる空間部７４が接続されている。この空間部７４にはさらに配管９が接続され、この配管９に窒素パージバルブ１１が設けられている。なお、円筒部７２の上面は空間部７４に接続される部位と、後述する水保持手段７５が設けられる部位とを除いて閉じている。

このような水セパレータタンク７１の構成によれば、上記アノードデッドエンド運転における加圧過程で排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスが水セパレータタンク７１に流入し、アノードガスに含まれる生成水が凝縮して円錐部７３の底から溜まってゆく。アノードガス中に含まれる窒素（ガス）は水セパレータタンク７１内の気相部や空間部７４に溜められる。

アノードガスの排気マニホールド出口６２ａを塞ぐように水保持手段７５が取り付けられている。水保持手段７５は、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などの水蒸気吸着剤を粒子形状として、ポリエーテルスルホンサン系の樹脂に分散させ、この樹脂を、図１０に示したように全体として円盤状に形成したハニカム構造体７５ａの表面に塗布したものである。セラミックハニカム、メタルハニカムなどのハニカム構造体７５ａは多孔質体を代表するものである。ハニカム構造体７５ａを採用するのは、表面積を大きくして水蒸気の吸着量を多くするためである。なお、ハニカム構造体７５ａは全体をリテーナ７５ｂにより保護している。ハニカム構造体７５ａの形状は円盤状に限定されるものでない。

ここで、ハニカム構造体７５ａの容積が同じでも、壁厚を薄くするほど、塗布される水蒸気吸着剤の量が増え、吸着される水蒸気量が増加する。従って、セルスタック２の仕様とセルスタック２の運転条件とが定まれば、どのくらいの水蒸気量を吸着させればよいかが決まるので、適合によりハニカム構造体７５ａの壁厚や水蒸気吸着剤の塗布量を定めればよい。

また、上記アノードデッドエンド運転を行う際には、水保持手段７５と水セパレータタンク７１内に溜まっている凝縮水の液面レベル７７との間に所定の空間が生じるように排水バルブ１０を開く制御を行う。これは、凝縮水で水保持手段７５が浸漬されていない状態で水蒸気量吸着量の要求値を満たすようにしており、凝縮水で水保持手段７５が浸漬されてしまうと、ハニカム構造体７５ａの表面に塗布している水蒸気吸着剤による吸着・脱離の機能が万全でなくなり、水蒸気量吸着量の要求値を満たさなくなるためである。このため、水セパレータタンク７１内の凝縮水の液面レベル７７の上限を水保持手段７５に接する位置として予め定めておき、セルスタック２の運転停止時には、図１７（Ａ）に示したように水セパレータタンク７１内の凝縮水の液面レベル７７が上記上限を超えないように排水バルブ１０を開いて凝縮水を水セパレータタンク７１外に排水した後で排水バルブ１０を閉じておく。そして、セルスタック２の運転開始後には、排水バルブ１０を所定開度まで開いて水セパレータタンク２内の凝縮水を系外に排出し、図１７（Ｂ）や図９に示したように水保持手段７５と凝縮水の液面レベル７７との間に空間７８が生じるようにする。また、窒素パージバルブ１１を所定開度まで開いて空間部７４に溜まっている窒素を系外に排出する。

このように、水蒸気吸着剤を表面に塗布したハニカム構造体７５ａで構成される水保持手段７５をアノードガスの排気マニホールド出口６２ａに設けることで、アノードデッドエンド運転時に図１１に示したように、排気マニホードル出口６２ａから排出されるアノードガスがアノードデッドエンド運転における加圧過程で下方に向けて流れるとき、ハニカム構造体７５ａ表面の水蒸気吸着剤がアノードガスに含まれる水蒸気を吸着し、この反対にアノードデッドエンド運転における減圧過程で水セパレータタンク７１内に残留するアノードガスが上方に向けて流れるとき（図９の破線矢印も参照）、ハニカム構造体７５ａ表面の水蒸気吸着剤が水蒸気を脱離する。すなわち、アノードデッドエンド運転を行うと、水セパレータタンク７１からセルスタック２内部のアノードガス流路に向けて水セパレータタンク７１内に残留するアノードガスが逆流する減圧過程でその逆流するアノードガスに水蒸気（水分）を含ませることが可能となり、低負荷状態においてもアノードガス流路４６の出口側の加湿を行うことができる。

また、アノードデッドエンド運転における加圧過程でアノードガスの流速がゼロとなる位置に水保持手段７５を設けたのでは、水蒸気の吸着量、脱離量が小さくなってしまうが、本実施形態のように、水保持手段７５をアノードガスの排気マニホールド出口６２ａに隣接する位置に設けることで、水保持手段７５の温度低下を防ぐ（つまり加湿効率を低下させない）ことができる。また、水保持手段７５は水セパレータタンク７１内の凝縮水を巻き上げることを防止する機能（気液分離機能）と、アノードガス流れの整流機能とを備えることにもなっている。

このように、本実施形態は、アノードガスの排気マニホールド出口６２ａに水保持手段７５を備えさせ、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７１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、加圧過程で水保持手段７５にアノードガス中の水蒸気を吸着させておき、減圧過程で水保持手段７５に吸着している水蒸気を脱離させてアノードガスを加湿し、この加湿した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蒸気の一部を水保持手段７５に吸着させると共に、この吸着させている水蒸気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２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１８のフローチャートに基づいて詳述する。図１８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１８は図７に対応する制御を示している。

図１８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。ここではアノードデッドエンド運転を開始する場合に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、空間部７４（あるいはアノードガスの排気マニホールド６２）の圧力を採用すればよい。本実施形態では、空間部７４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に進み、水素調圧バルブ５を所定開度に設定する。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１８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、アノードガスに含まれる水蒸気を吸着し、吸着した水蒸気を脱離する水保持手段７５と、この水保持手段７５を介して、アノードガスの排気マニホールド出口６２ａ（アノードの出口）と接続され、アノードから排出されるアノードガスに含まれる水蒸気の凝縮水をセルスタックの外部で溜める水セパレータタンク７１（水貯留手段）と、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７１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１８参照）。従って、アノードデッドエンド運転における加圧過程においてアノードガスの排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスに含まれる水蒸気が水保持手段７５より吸着され、アノードデッドエンド運転における減圧過程において水セパレータタンク７１内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へと逆流する際には、吸着されている水蒸気が水保持手段７５より脱離してアノードガスを加湿することから、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運転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、水保持手段７５は、表面に水蒸気の吸着剤を塗布した多孔質体であるので、アノードガスと接触する表面積が広がり、これによってアノードガスに含まれる水蒸気を効率よく吸着できる。

本実施形態によれば、多孔質体はハニカム構造体７５ａであるので、アノードガスに含まれる水蒸気を均等に効率よく吸着できる。また、ハニカム構造体７５ａにはアノードガス流れを整流する効果もある。

本実施形態によれば、水保持手段７５をアノードガスの排気マニホールド出口６２ａ（セルスタック２のアノードガス出口）に配置するので、水保持手段７５の温度低下を防いで、加湿効率の低下を回避することができる。また、水セパレータタンク７１の凝縮水を巻き上げることによる、セルスタック２内部への凝縮水の混入を防止できる副次的効果もある。

本実施形態によれば、アノードデッドエンド運転時に水保持手段７５と水セパレータタンク７１に溜まっている凝縮水の液面レベル７７との間に空間７８が生じるようにするので、ハニカム構造体７５ａの表面に塗布している水蒸気吸着剤による吸着・脱離の機能を効率よく働かせることができる。

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１２、図１３は本発明の第２、第３の実施形態のセルスタック２及び水セパレータタンク７１の概略構成図で、第１実施形態の図９と置き換わるものである。第２、第３の実施形態でも、主にアノードガスの流れだけを取り出して示している。

第１実施形態ではセルスタック２が縦置きであることを前提としていたのに対して、第２、第３の実施形態は、セルスタック２が横置きであることを前提とするものである。つまり、図１２、図１３で上方が鉛直上方、下方が鉛直下方である。図１２、図１３において図面奥には、アノードガスの供給マニホールド６１がセルスタック２の積層方向（左右方向）に貫通して直管状に、図面手前にはアノードガスの排気マニホールド６２がセルスタック２の積層方向（左右方向）に貫通して直管状に形成されている。このため、図面右奥にある供給マニホールド入口６１ａから供給されるアノードガスは直管状の供給マニホールド６１を左方に向けて流れる。供給マニホールド６１に供給されたアノードガスは図面奥より手前方向に斜めに位置する各アノードガス流路４６に分配され図面手前方向に向けて流れる。アノードガス流路４６で反応しなかったアノードガスは、直管状の排気マニホールド６２で集合された後、図面手前左端に位置する排気マニホールド出口６２ａに向けて流れる。

アノードガスの排気マニホールド出口６２ａに隣接して、水セパレータタンク７１が設けられている。水セパレータタンク７１の構成は第１実施形態と基本的に同じである。すなわち、水セパレータタンク７１は、上方の円筒部７２と下方の円錐部７３とから構成され、円錐部７３の頂上には下方に垂れ下がる配水管８が接続されている。この配水管８に排水バルブ１０が設けられている。

一方、円筒部７２は図面手前左端に位置するアノードガスの排気マニホールド出口６２ａを覆うため左方にはみ出るように設けられている。ただし、第１実施形態と異なり空間部は設けられていない。円筒部７２の上面は閉じられている。このため、第２実施形態では図１２に示したようにアノードガスの排気マニホールド右端６２ｂに配管９が接続され、この配管９に窒素パージバルブ１１が設けられている。第３実施形態では図１３に示したように水保持手段７５より上部の円筒部７２に配管９が接続され、この配管９に窒素パージバルブ１１が設けられている。第２、第３の実施形態では、水セパレータタンク７１及びアノードガスの排気マニホールド６２が、アノードガスに含まれる窒素を溜めておく空間として機能する。

このような水セパレータタンク７１の構成によれば、上記アノードデッドエンド運転における加圧過程で排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスが水セパレータタンク７１に流入し、アノードガス中に含まれる生成水が凝縮して円錐部７３の底から溜まってゆく。アノードガスに含まれる窒素は水セパレータタンク７１及びアノードガスの排気マニホールド６２に溜められる。

水セパレータタンク７１の円筒部７２には、アノードガスの排気マニホールド下壁６２ｃの高さとほぼ同じ高さに水保持手段７５を備える。この水保持手段７５の構成は第１実施形態と同じである。すなわち、水保持手段７５は、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などの水蒸気吸着剤を粒子形状として、ポリエーテルスルホンサン系の樹脂に分散させ、この樹脂を、図１０に示したように全体として円盤状に形成したハニカム構造体７５ａの表面に塗布したものである。セラミックハニカム、メタルハニカムなどのハニカム構造体７５ａは多孔質体を代表するものである。

アノードデッドエンド運転時には、排水バルブ１０を所定開度まで開いて水セパレータタンク２内の凝縮水を系外に排出し、図１２、図１３に示したように水保持手段７５と凝縮水の液面レベル７７との間に空間７８が生じるようにする。また、窒素パージバルブ１１を所定開度まで開いてアノードガスの排気マニホールド６２に溜まっている窒素を系外に排出する。

第２、第３の実施形態によれば、セルスタック２が横置きの場合であっても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。すなわち、アノードデッドエンド運転における加圧過程においてアノードガスの排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスに含まれる水蒸気が水保持手段７５より吸着され、アノードデッドエンド運転における減圧過程において水セパレータタンク７１内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へと逆流する際には（図１２、図１３の破線矢印を参照）、吸着されている水蒸気が水保持手段７５より脱離してアノードガスを加湿することから、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。

図１４は本発明の第４実施形態のセルスタック２及び水セパレータタンク７１の概略構成図で、第２実施形態の図１２と置き換わるものである。第４実施形態でも、主にアノードガスの流れだけを取り出して示している。第４実施形態は、水保持手段７５への水蒸気の分配を良くするため、水保持手段７５とアノードガスの排気マニホールド出口６２ａとの間にディフューザ８１を設け、アノードデッドエンド運転における加圧過程でアノードガスの排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスをこのディフューザで拡散し、このディフューザ８１により拡散させたアノードガスを水保持手段７５に導入するようにしたものである。ディフューザ８１は下流になるほど流路面積が拡大するように形成されている。

水保持手段７５をハニカム構造体７５ａとすることでアノードガスの均一化をある程度図ることができるが、ディフューザ８１によりアノードガスをハニカム構造体７５ａの全体に拡散させることで、水保持手段７５の全体に広く水蒸気が吸着されることになり、より効果的にアノードガスに含まれる水蒸気を吸着できる。

図１５は本発明の第５実施形態のセルスタック２及び水セパレータタンク７１の概略構成図で、第４実施形態の図１４と置き換わるものである。第５実施形態は、水保持手段７５への水蒸気の分配を良くするため、水保持手段７５とアノードガスの排気マニホールド出口６２ａとの間に当て板８２を設けたものである。図１６は当て板８２の外観を示している。全体としてほぼ正方形に形成された当て板８２には、ほぼ右半分（図１５では上方になる）に紙面手前に膨らむ湾曲部８２ａが設けられている。この湾曲部８２ａが図１５においては上方に位置して取り付けられる。すなわち、アノードデッドエンド運転における加圧過程でアノードガスの排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスの流れ（矢印参照）を遮る位置に当て板８２の湾曲部８２ａを配置しておき、この湾曲部８２ａに衝突して拡散させたアノードガスを水保持手段７５へと導くようにする。なお、当て板８２の周囲には取り付け用の孔８２ｂを穿っている。

第５実施形態でも、第４実施形態と同様に、当て板８２により、アノードデッドエンド運転における加圧過程でアノードガスの排気マニホールド出口６２ａより排出されるアノードガスを拡散させることで、水保持手段７５の全体に広く水蒸気が吸着されることになり、より効果的にアノードガスに含まれる水蒸気を吸着できる。また、当て板８２の湾曲部８２ａにアノードガスを衝突させ拡散させることで、ガスの流れが均一になるため、さらに効率よく加湿できる効果がある。

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実施形態のセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。 第１実施形態の水保持手段の概略構成図。 第１実施形態の加圧過程と減圧過程での水保持手段の機能説明図。 第２実施形態のセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。 第３実施形態のセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。 第４実施形態のセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。 第５実施形態のセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。 第５実施形態の当て板の概略構成図。 第１実施形態の水セパレータタンク内凝縮水の液面レベルの管理を説明するためのセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。 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。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ セルスタック
４６ アノードガス流路
５１ 制御回路
７１ 水セパレータタンク（水貯留手段）
７５ 水保持手段
７５ａ ハニカム構造体

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、
   アノードガスに含まれる水蒸気を吸着し、吸着した水蒸気を脱離する水保持手段と、
   この水保持手段を介して、前記アノードの出口と接続され、前記アノードから排出されるアノードガスに含ま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
   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. 前記水保持手段は、表面に水蒸気の吸着剤を塗布した多孔質体であ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. 前記多孔質体はハニカム構造体であ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. 前記水保持手段を前記セルスタックのアノードガス出口に設け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. 前記水保持手段と前記アノードガス出口との間にディフューザを設け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. 前記アノードデッドエンド運転時に前記水保持手段と前記水貯留手段に溜まっている凝縮水の液面レベルとの間に空間が生じるようにす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。

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