JP4770137B2

JP4770137B2 - 燃料電池システム及びその運転方法

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Publication number: JP4770137B2
Application number: JP2004223499A
Authority: JP
Inventors: 義宏田村; 宗久堀口; 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006040846A

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側のそれぞれに水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。

ところで、酸素極側から燃料極側において余剰となった水分を滞留させておくと水素や酸素の十分な供給が阻害されるので、余剰の水分を排出する必要がある。この場合、酸素極側における余剰の水分は空気とともに大気中に放出することができるが、燃料極側における余剰の水分は、安全上の観点から水素の大気中への放出が制限される。例えば、燃料電池を搭載した車両がトンネルや屋内駐車場のように水素が拡散しにくい環境にある場合、余剰の水分を排出するために水素を放出すると、車両周辺における水素濃度が増大して、爆発等の可能性が高くなる。

そこで、燃料極から排出される水素を水素供給管路に還流するとともに、前記水素に含まれる余剰の水分をリザーブタンク等の容器内に回収する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３１７７５３号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、余剰の水分を容器内に回収するようにしても、時間の経過とともに回収されて容器内に貯留する水分の量が増大するので、水分を排出するために所定の時間毎に水素を大気中に排出する必要がある。そのため、水分を排出するタイミングにおいて、燃料電池を搭載した車両がトンネルや屋内駐車場のように水素が拡散しにくい環境にある場合には、車両周辺における水素濃度が増大して、爆発等の可能性が高くなってしまう。

もっとも、前記容器に水位センサを取り付けて、水素を混入せずに水分だけを排出することも考えられるが、この場合、刻々と変化する燃料電池の負荷に対応したり、該負荷をカウントしたりすることが必要なために制御が複雑になり、また、装置構成も複雑になってしまう。

本発明は、前記従来の問題点を解決して、逆拡散水の余剰分を燃料ガスとともに排出して燃料ガス流路の水詰まりを防止し、排出された燃料ガスから逆拡散水を分離して回収する回収容器を有し、該回収容器を燃料電池スタックに供給される燃料ガス量に基づいて推測される逆拡散水量を収容可能なものとすることによって、簡単な構成で燃料電池スタックを大型化することなく、乾燥した燃料を回収して再利用することができ、車両の通常運転時における水素の排出を不要とすることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路の入口に接続された燃料供給管路と、一端が前記燃料ガス流路の出口に接続され、他端が前記燃料供給管路に接続された燃料排出管路と、該燃料排出管路に設けられ、前記燃料極から前記燃料排出管路に逆拡散水を排出させるとともに前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に供給するポンプと、前記燃料排出管路に設けられ、前記燃料供給管路に接続された燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスをすべて消費した場合に回収される逆拡散水量よりも大きな容量を有する回収容器と、該回収容器の下部に設けられ、燃料電池スタックの運転時は外部から遮断され、燃料電池スタックの運転を停止したとき外部に開放される水排出管路と、を有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、一端が前記燃料排出管路に接続され、他端が大気中に開放された排気管路を有し、該排気管路は、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに開放される排気用開閉弁を備える。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排気管路は水素燃焼器を備える。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池スタックは車両の動力源であり、前記逆拡散水量は車両に搭載される燃料ガス量に基づいて推測される。

本発明の燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料貯蔵手段から燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスを前記燃料ガス流路に戻す燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス流路の出口に、一端が前記燃料供給管路に接続された燃料排出管路の他端を接続し、前記燃料ガス流路の入口に燃料供給管路を接続し、前記燃料排出管路に、前記燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスをすべて消費した場合に回収される逆拡散水量よりも大きな容量を有する回収容器を設け、前記燃料電池スタックの運転を停止したとき、前記燃料排出管路と燃料供給管路との導通を遮断するとともに前記回収容器の下部を外部に開放することにより、前記回収容器内に収容された逆拡散水を、大気中に排出する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路の入口に接続された燃料供給管路と、一端が前記燃料ガス流路の出口に接続され、他端が前記燃料供給管路に接続された燃料排出管路と、該燃料排出管路に設けられ、前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に供給するポンプと、前記燃料排出管路に設けられ、前記燃料供給管路に接続された燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスをすべて消費した場合に回収される逆拡散水量よりも大きな容量を有する回収容器と、該回収容器の下部に設けられ、燃料電池スタックの運転時は外部から遮断され、燃料電池スタックの運転を停止したとき外部に開放される水排出管路と、を有する。

この場合、燃料ガス流路内で余剰となった逆拡散水が混合した燃料ガスが燃料電池スタックの外部に排出されるときに、回収容器によって拡散水と燃料ガスとが分離するので、余剰となった燃料ガスを回収して再利用するとともに、拡散水だけを選択的に排出することができる。これにより、燃料電池スタックの燃料消費量を抑制することができる。

また、逆拡散水によって燃料極を加湿し、燃料ガス流路に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池スタックの構成を簡素化して、小型化することができる。さらに、燃料ガスに水分を加えて加湿する必要もないので、燃料供給管路に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素化し、コストを抑制することができる。

さらに、回収容器が燃料電池スタックに供給される燃料ガス量に基づいて推測される逆拡散水量を収容可能なので、回収容器の構成を簡素化することができ、コストを低くすることができる。しかも、車両の通常運転時における回収容器からの水素の大気中への排出を不要とすることができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、一端が前記燃料排出管路に接続され、他端が大気中に開放された排気管路を有し、該排気管路は、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに開放される排気用開閉弁を備える。

この場合、燃料電池スタックを停止させるときに、燃料ガス流路に残留する燃料ガスを速やかに排出することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池スタックは車両の動力源であり、前記逆拡散水量は車両に搭載される燃料ガス量に基づいて推測される。

この場合、車両の運転時における回収容器からの燃料ガスの大気中への排出を不要とすることができる。

本発明によれば、燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料貯蔵手段から燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスを前記燃料ガス流路に戻す燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス流路の出口に、一端が前記燃料供給管路に接続された燃料排出管路の他端を接続し、前記燃料ガス流路の入口に燃料供給管路を接続し、前記燃料排出管路に、前記燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスをすべて消費した場合に回収される逆拡散水量よりも大きな容量を有する回収容器を設け、前記燃料電池スタックの運転を停止したとき、前記燃料排出管路と燃料供給管路との導通を遮断するとともに前記回収容器の下部を外部に開放することにより、前記回収容器内に収容された逆拡散水を、大気中に排出する。

この場合、回収容器が燃料電池スタックに供給される燃料ガス量に基づいて推測される逆拡散水量を収容可能なので、回収容器の構成を簡素化することができ、コストを低くすることができる。しかも、車両の通常運転時における回収容器からの水素の大気中への排出を不要とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図４は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第１の図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第２の図、図６は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第１の拡大断面図、図７は本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第２の拡大断面図、図８は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す拡大斜視図、図９は本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。

図２において、２０は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。そして、図３に示されるように、セルモジュール１０は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される水素ガスの流路と空気の流路とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを支持する２種類のフレーム１７及びフレーム１８とを１セットとして、板厚方向に複数セット（図３に示される例では１０セット）重ねて構成されている。なお、単位セル１０Ａは、フレーム１８の内側に位置するため、図３には明確に表されていない。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、２種類のフレーム１７及びフレーム１８を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されている。そして、セルモジュール１０の積層方向の一端（図３における上側端）は、図４に示されるように、セパレータ１０Ｂの縦方向凸条形成面と一方のフレーム１７の端面とで終端し、セルモジュール１０の他端（図３における下側端）は、図５に示されるように、セパレータ１０Ｂの横方向凸条形成面と他方のフレーム１８の端面とで終端している。

図６及び７に拡大して断面構造を示すように、単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１と、該固体高分子電解質膜１１の一側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とで構成されている。なお、図６は、図４におけるＢ−Ｂ断面の一部を拡大した図であり、図７は、図４におけるＡ−Ａ断面の一部を拡大した図である。前記空気極１２及び燃料極１３は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒物質を含む触媒層とから成る。これらの部材のうち、空気極１２及び燃料極１３は、それらの支持部材としてのフレーム１８の開口部の幅より若干長い横方向寸法と、開口部の高さより若干短い縦方向寸法とを有するものとされている。また、固体高分子電解質膜１１は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横寸法とされている。

そして、セパレータ１０Ｂは、単位セル１０Ａ間のガス遮断部材としてのセパレータ基板１６と、該セパレータ基板１６の一側に設けられ、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、セパレータ基板１６の他側に設けられ、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の導電体としての燃料極側コレクタ１５とで構成されている。そして、これらを単位セル１０Ａも含めて所定の位置関係に保持すべく、空気極側コレクタ１４の左右両側に配置されたフレーム１７（最外側のもののみが上下端を相互にバックアッププレート１７ａ及びバックアッププレート１７ｂで連結されて枠状（図４参照）をなす。）と、燃料極側コレクタ１５及び単位セル１０Ａの周縁部に配置されたフレーム１８とが設けられている。空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、本実施の形態においては、金属薄板、例えば、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度のもので構成されている。また、セパレータ基板１６は、板厚が更に薄い金属薄板で構成される。この構成金属としては、導電性と耐蝕（しょく）性を備えた金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。また、フレーム１７及びフレーム１８は、適宜の絶縁材料で構成される。

また、空気極側コレクタ１４は、図４に示されるように、全体形状を横長の矩（く）形（ただし、底辺だけが水切り効果の向上のために傾斜辺とされている。）とされ、図８に一部を拡大して詳細を示すように、開口率２５〔％〕以上の網目状の開口１４３を有する（板面形状の参照を容易にすべく、一部のみに網目形状を表記）メタル板材から成り、プレス加工によって形成された細かい凸条１４１を有する波板とされている。前記凸条１４１は、板材の縦辺（図８に示される例における短辺）に平行に等間隔で、板面を完全に縦断する配置とされている。前記凸条１４１の断面形状は、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾（すそ）広がりの形状とされている。前記凸条１４１の高さは、フレーム１７の厚さに実質上等しい高さとされ、それにより、積層状態で両側のフレーム１７間を縦方向に貫通する所定の開口面積の空気流路を確保している。各凸条１４１の頂部１４２の平面は、空気極１２側拡散層が接触する当接部となっており、凸条１４１間の谷部１４４は、セパレータ基板１６との当接部とされている。

なお、空気極側コレクタ１４には、親水性処理が施されている。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ₂）等が挙げられる。その他の親水性処理としては、金属表面の粗さを粗化する処理が挙げられる。例えば、プラズマ処理などがその例である。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、単位セル１０Ａに接触している凸部１４１の頂部１４２、特に空気流路側に施される。このように、親水性処理を施すことによって、空気極側コレクタ１４と空気極１２側拡散層との当接面の濡（ぬ）れが促進され、水の潜熱冷却による効果が向上する。また、これにより、網目の開口部に水が詰まり難くなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。

また、燃料極側コレクタ１５は、空気極側コレクタ１４と同様の寸法で網目状の開口１５３を有する（板面形状の参照を容易にすべく、一部のみに網目形状を表記）メタルの矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸条１５１が押し出し形成されている。前記凸条１５１は、頂部１５２が平坦（たん）で、断面形状も、先の凸条１４１の場合と同様に実質上矩形波状とされているが、この燃料極側コレクタ１５の場合の凸条１５１は、横方向に板面を完全に横断して延びるものとして縦方向に一定のピッチで設けられている。これら凸条１５１の頂部１５２の平面は、燃料極１３が接触する当接部となっており、凸条１５１間の谷部１５４がセパレータ基板１６との当接部とされている。これら凸条１５１の断面形状も、大まかには矩形波状断面とされ、プレス加工の型抜きの関係から、根元側が若干裾広がりの形状とされている。これら凸条１５１の高さは、単位セル１０Ａの厚さと合わせてフレーム１８の厚さに実質上相当する高さとされ、それにより、積層状態でフレーム１８の内側を横方向に貫通する所定の開口面積の燃料ガス流路を確保している。

そして、前記空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５は、それぞれの凸条１４１及び凸条１５１がともに外側となるように、セパレータ基板１６を間に挟んで配置される。このとき、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５のそれぞれの谷部１４４及び谷部１５４は、セパレータ基板１６と当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５をセパレータ基板１６と重ね合わせることによって、セパレータ基板１６の一方側に空気流路が構成され、他方側に燃料ガス流路が構成されることになる。そして、この縦方向の空気流路から、単位セル１０Ａの空気極１２に空気と水とが供給され、同様に、横方向の燃料ガス流路から単位セル１０Ａの燃料極１３に水素が供給される。

また、前記セパレータ１０Ｂの外側には、フレーム１７及びフレーム１８がそれぞれ配置される。図６及び７に示されるように、空気極側コレクタ１４を囲むフレーム１７は、外端（図６において最上部、図７において左端）のものを除き、空気極側コレクタ１４の短辺に沿う両側を囲う縦枠部１７１のみを備えるものとされ、該縦枠部１７１を板厚方向に貫通する長孔（あな）１７２が燃料ガス流路形成のために設けられている。フレーム１７の板厚は、波板状とされた空気極側コレクタ１４の厚みに匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム１７が空気極側コレクタ１４に組み合わされた状態では、該空気極側コレクタ１４の凸条１４１は、単位セル１０Ａの空気極１２に接触し、谷部１４４はセパレータ基板１６を介して燃料極側コレクタ１５に接触する位置関係となる。なお、セパレータ基板１６は、フレーム１７の高さと全体幅に相当する外形寸法とされ、フレーム１７の前記長孔１７２と重なる位置に同様の長孔１６２を備える構成とされている。これにより、フレーム１７の両縦枠部１７１の間には、単位セル１０Ａの空気極１２面とセパレータ基板１６とで囲われた縦方向に全通する空気流路が画定される。

燃料極側コレクタ１５と単位セル１０Ａとを囲むフレーム１８は、フレーム１７と同じ大きさに構成されているが、該フレーム１７とは異なり、左右縦枠部（図６では記載範囲より更に右外側に位置するため示されていないが、フレーム１７の両縦枠部１７１の左右両側端と同じ位置に両側端を有する横方向幅が上下横枠部の略同じ枠部）と上下横棒部１８２を備える完金な棒状とされている。そして、フレーム１８は、外端（図３において最下部、図５に示す面）のものを除き、左右縦棒部と平行に延び、燃料極側コレクタ１５の左右端に重なる薄板状のバックアッププレート１８ａと厚板状のバックアッププレート１８ｂを備えるものとされ、前記バックアッププレート１８ａと縦棒部とで囲われる空間が前記フレーム１７を板厚方向に貫通する長孔１７２と整列する燃料ガス流路形成のための空間を構成している。フレーム１８の板厚は、前述のように波板状とされた燃料極側コレクタ１５の厚みと単位セル１０Ａの厚みとにほぼ匹敵する厚さとされている。したがって、フレーム１８が燃料極側コレクタ１５に組み合わされた状態では、該燃料極側コレクタ１５の凸条１５１は、単位セル１０Ａの燃料極１３に接触し、谷部１５４はセパレータ基板１６を介して空気極側コレクタ１４に接触する位置関係となる。これにより、フレーム１８の両縦棒部とバックアッププレート１８ａとの間には、フレーム１７の縦枠部１７１の長孔１７２と整列するフレーム積層方向の燃料ガス流路が形成され、かつ、個々のフレーム１８の内部において、燃料極側コレクタ１５の波形によってセパレータ基板１６とバックアッププレート１８ａとに挟まれる横方向流路としての燃料ガス流路が画定される。

このように構成されたフレーム１７及びフレーム１８によって、空気極側コレクタ１４及び燃料極側コレクタ１５並びにセパレータ基板１６を保持してセパレータ１０Ｂが構成される。そして、セパレータ１０Ｂと単位セル１０Ａとを交互に積層して、セルモジュール１０が構成される。このように積層された該セルモジュール１０には、図３に示されるように、フレーム１８で挟まれる間の部分に、セルモジュール１０の上面から縦方向に該セルモジュール１０の下面まで全通するスリット状の空気流路が形成される。

そして、単位セル１０Ａにおいては、図９に示されるように、水が移動する。図９において、４８は燃料ガス流路としての燃料室であり、４９は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室４９内に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室４９において生成される水が固体高分子電解質膜１１内に拡散し、該固体高分子電解質膜１１内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室４８にまで浸透したものである。

次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図１において、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段７３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック２０の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段７３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａ及び前記燃料ガス流路内の圧力を検出する圧力センサ７８が配設される。なお、前記第１燃料供給管路２１には、燃料電池スタック２０の起動時に前記第２燃料圧力調整弁２５ｂをバイパスして水素ガスを供給するための起動用バイパス管路２２が接続され、該起動用バイパス管路２２には起動用燃料供給電磁弁２３が配設される。また、前記燃料貯蔵手段７３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図１に示される例においては、燃料貯蔵手段７３が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２１は、各燃料貯蔵手段７３に接続される部分で複数本に分岐され、途中で合流して１本になっている。しかし、燃料貯蔵手段７３は、単数であってもよいし、また、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、起動用燃料排出管路５６が接続され、該起動用燃料排出管路５６には水素起動排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路５６の出口端は後述される排気マニホールド７１に接続されている。さらに、起動用燃料排出管路５６は途中から分岐し、分岐部分が吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間において燃料排出管路３０に接続されている。また、前記分岐部分には水素起動停止電磁弁５６ａが配設されている。

なお、起動用燃料排出管路５６に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

さらに、前記燃料排出管路３０における第２燃料供給管路３３と水素循環電磁弁３４との間には、外気導入管路２８が接続されている。そして、該外気導入管路２８には、外気導入用電磁弁２８ａ及びエアフィルタ２８ｂが配設され、燃料電池スタック２０の運転終了時に外気を燃料ガス流路に導入することができるようになっている。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記起動用燃料供給電磁弁２３、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、水素起動停止電磁弁５６ａ及び水素起動排気電磁弁６２は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記エアフィルタ２８ｂは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。

一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源７５から、酸化剤供給管路７７及び吸気マニホールド７４を通って、燃料電池スタック２０の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、排気マニホールド７１及び凝縮器７２を通って大気中へ排出される。

また、前記酸化剤供給管路７７には、水をスプレーして、燃料電池スタック２０の空気極（カソード極）１２を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル７６が配設される。また、スプレーされた水によって前記空気極１２及び燃料極１３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド７１の端部に配設された凝縮器７２は、前記燃料電池スタック２０から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器７２によって凝縮された水は凝縮水排出管路７９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路７９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａが配設されている。

そして、前記水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル７６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。

また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、前記燃料電池スタック２０は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック２０又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる、回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源７５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、起動用燃料供給電磁弁２３、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、水素起動停止電磁弁５６ａ、水素起動排気電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、前記水回収ドレインタンク６０の構成について詳細に説明する。

図１０は本発明の実施の形態における水回収ドレインタンクの構成を示す図である。

本実施の形態において、水回収ドレインタンク６０は、図１０に示されるような構成を有している。ドレインタンク容器６４は有底筒状の形状を有し、開放している上部は容器カバー６６によって気密に塞（ふさ）がれている。なお、該容器カバー６６はドレインタンク容器６４に対してボルト等の固着部材６６ａによって固着され、また、容器カバー６６の下面とドレインタンク容器６４の上端面との間には、Ｏ−リング等のシール部材が配設され、気密性を維持している。そして、燃料排出管路３１及び燃料排出管路３０は、ドレインタンク容器６４上部の側壁に、互いに離れた位置で接続されている。

また、前記ドレインタンク容器６４の容量は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路から排出される水素ガスから回収される水分の量よりも十分に大きくなるように設定されている。すなわち、前記燃料電池スタック２０を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填（てん）してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填するまでの間に燃料ガス流路から排出される水素ガスから回収される逆拡散水量よりも、前記ドレインタンク容器６４の容量は大きくなるように設定されている。

ところで、本実施の形態における燃料電池システムでは、特許文献１に示されるような従来の燃料電池のように、アノード極側に水を供給するようにはなっていない。すなわち、燃料電池スタック２０は、燃料ガス流路に水を供給する機構を備えておらず、また、前記燃料ガス流路内に燃料として供給される水素ガスも加湿されていない。本実施の形態における燃料電池システムでは、逆拡散水によって燃料極１３を加湿するようになっている。このように、燃料ガス流路に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池スタック２０の構成は簡素であり、かつ、小型になっている。また、水素ガスに水分を加えて加湿する必要もないので、第１燃料供給管路２１や第２燃料供給管路３３に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、構成が簡素であり、燃料電池システムのコストを抑制することができる。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内においては、余剰となった前記逆拡散水が余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となる。該気液混合物は、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、水回収ドレインタンク６０の上部からドレインタンク容器６４内に導入される。そして、前記気液混合物は、ドレインタンク容器６４内において水素ガスと水分としての逆拡散水とに分離し、すなわち、気液分離した水素ガスは燃料排出管路３０からドレインタンク容器６４外に排出される。また、分離された逆拡散水はドレインタンク容器６４内の下部に貯留水６５として貯留する。なお、ドレインタンク容器６４の下部には、水素起動排気電磁弁６２が配設された水排出管路としての起動用燃料排出管路５６が接続されている。本実施の形態においては、逆拡散水によって燃料極１３を加湿するようになっていて、燃料ガス流路に水を供給する機構を備えていないので、燃料ガス流路から排出される水素ガスに含まれる水分の量が少なくなる。そのため、前記水素ガスから回収される水分の量が少なくなり、ドレインタンク容器６４の容量を小さくすることができる。

次に、前記ドレインタンク容器６４の容量を決定する方法について説明する。

図１１は本発明の実施の形態における水回収ドレインタンクの水回収量の変化を示す図、図１２は本発明の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤した場合の水回収ドレインタンクの水回収量の変化を示す図、図１３は本発明の実施の形態における消費水素量に対する逆拡散水の量の変化を示す図である。

まず、実験によって、燃料電池スタック２０から回収される逆拡散水の量の時間的変化を計測したところ、図１１に示される結果を得ることができた。なお、図１１においては、縦軸に逆拡散水の回収量〔ｍｌ〕を採り、横軸に時間〔分〕を採ってある。ここで、横軸は燃料電池システムの運転を開始した時からの時間を示し、時間０分は燃料電池システムの運転を開始した時である。

ここで、逆拡散水の回収量は、燃料電池スタック２０の総電極面積、燃料電池スタック２０の電流密度、固体高分子電解質膜１１の膜厚、燃料極１３及び空気極１２を構成するガス拡散電極の水分の透過しやすさ、燃料ガス流路内の湿度、空気流路内の湿度、燃料ガス流路内の圧力、空気流路内の圧力、燃料ガス流路内の温度、空気流路内の温度等の関数として表すことができる。なお、実験に使用した燃料電池スタック２０の総電極面積は２２５００〔ｃｍ²〕である。

そこで、図１１においては、燃料電池スタック２０の電流密度毎に、逆拡散水の量の時間的変化を計測した結果が示されている。なお、前記電流密度は、燃料電池スタック２０の出力する電流値を燃料電池スタック２０の総電極面積で除した値であって、〔Ａ／ｃｍ²〕で表される。図１１において、曲線８１は電流密度が０．１〔Ａ／ｃｍ²〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線８２は電流密度が０．２〔Ａ／ｃｍ²〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線８３は電流密度が０．３〔Ａ／ｃｍ²〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線８４は電流密度が０．４〔Ａ／ｃｍ²〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線８５は電流密度が０．５〔Ａ／ｃｍ²〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化を示している。このことから、電流密度が増加するほど逆拡散水の量が増加することが分かる。

また、燃料電池システムの運転を開始した直後の時間帯においては、逆拡散水の量がほとんど増加していないことが分かる。これは、燃料電池システムの運転を開始した直後の時間帯においては、固体高分子電解質膜１１が乾燥しているので、逆拡散水が燃料ガス流路にまで浸透しないためであると考えることができる。そして、燃料電池システムの運転を開始してから、しばらく時間が経過すると、固体高分子電解質膜１１が逆拡散水によって湿潤した状態となる。すると、逆拡散水が燃料ガス流路にまで浸透し、余剰となった逆拡散水が燃料ガス流路に供給されて余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となって燃料電池スタック２０の外部に導出され、ドレインタンク容器６４内に貯留水６５として回収される。したがって、逆拡散水の回収量は、ドレインタンク容器６４内の貯留水６５の量を計測することによって計測される。

そして、図１１に示される結果に基づいて、固体高分子電解質膜１１が湿潤した後の逆拡散水の回収量と電流密度との関係を得ることができる。ここでは、図１２に示される結果を得ることができた。なお、図１２においては、縦軸に逆拡散水の回収量〔ｍｌ〕を採り、横軸に電流密度〔Ａ／ｃｍ²〕を採ってある。

図１２において、折れ線８８は、図１１に示される結果に基づいて求めた固体高分子電解質膜１１が湿潤した後の逆拡散水の回収量と電流密度との関係を示す点を結ぶ線であり、直線８９は前記折れ線８８の近似直線である。前記直線８９は、次の式（１）によって表すことができる。
Ｑ１＝ａＩ・・・式（１）
ここで、Ｑ１は単位時間当たりの逆拡散水の回収量としての単位時間当回収量〔ｍｌ〕、Ｉは電流密度の平均値〔Ａ／ｃｍ²〕である。また、ａは、前記直線８９を描くための定数であり、例えば、ａ＝０．１９７７５という値とすることによって、前記直線８９を描くことができた。なお、前記折れ線８８を近似すると、多項式で表される曲線となるが、２次以上の高次の項が無視し得るほど小さい値なので省略し、前記式（１）で表される直線８９とした。

また、図１３には、消費された水素の量と逆拡散水の回収量、すなわち、発生した逆拡散水の量との関係を計測した結果が示されている。なお、図１３においては、縦軸に発生した逆拡散水の量〔ｍｌ〕を採り、横軸に消費された水素の量〔ｌ〕を採ってある。

図１３において、折れ線８６は、計測された消費された水素の量と発生した逆拡散水の量との関係を示し、直線８７は前記折れ線８６の近似直線である。また、縦軸に平行な直線９１は、車両に搭載された燃料貯蔵手段７３に充填されている水素ガスの量、すなわち、搭載水素消費量を示している。図１３は、搭載水素消費量が２０００〔ｌ〕である例を示している。そして、直線８７と直線９１との交点を通過する横軸に平行な直線９２は、燃料電池スタック２０が車両に搭載された燃料貯蔵手段７３に充填されている水素ガスをすべて消費した場合に発生される逆拡散水の量、すなわち、予想逆拡散水量を示している。

ここで、該予想逆拡散水量は、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填するまでの間に燃料ガス流路から排出される水素ガスから回収される水分の量の最大値である。そのため、ドレインタンク容器６４の容量を予想逆拡散水量より大きくなるように設定すれば、燃料電池スタック２０を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填するまでの間に水回収ドレインタンク６０から水分を排出する必要がない。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

図１４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する第１の図、図１５は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する第２の図、図１６は本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する第３の図である。なお、図１４〜１６では、燃料電池システムにおいて動作の説明と関係する部分の構成のみが模式的に示されている。

まず、定常運転における動作について説明する。本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源７５は常に一定量の空気を燃料電池スタック２０の空気流路に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル１０Ａにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜１１を透過して燃料ガス流路にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜１１内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク６０内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出される。

そして、定常運転においては、図１４に示されるように、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。なお、水素起動停止電磁弁５６ａが閉じた状態となっているので、吸引循環ポンプ３６から排出された水素ガスは、起動用燃料排出管路５６を通って大気中に排出されることなく、第２燃料供給管路３３に導入される。また、外気導入用電磁弁２８ａも閉じた状態となっているので、大気が第２燃料供給管路３３に導入されることもない。

ここで、前記燃料排出管路３０は、ドレインタンク容器６４上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった乾燥した状態の水素ガスだけが、燃料排出管路３０から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路３１と燃料排出管路３０とは、互いに離れた位置でドレインタンク容器６４上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路３１からドレインタンク容器６４内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路３０から流出してしまうこともない。これにより、燃料ガス流路に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを乾燥した状態で回収して、再利用することができる。

一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、ドレインタンク容器６４内の下部に貯留水６５として貯留する。そして、前記ドレインタンク容器６４の容量は、予想逆拡散水量より大きくなるように設定されているので、燃料電池スタック２０を搭載した車両が、一度燃料である水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填してから走行を行って、次回に水素ガスを燃料貯蔵手段７３に充填するまでの間に、水回収ドレインタンク６０から水分を排出する必要がない。

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の動作について説明する。この場合、制御手段は、まず、図１５に示されるように、燃料供給電磁弁２６及び水素循環電磁弁３４を閉じて、燃料ガス流路への水素ガスの供給を遮断する。そして、水素起動停止電磁弁５６ａを開いて、燃料ガス流路内の水素ガスを起動用燃料排出管路５６から大気中に排出させる。これにより、水回収ドレインタンク６０内に貯留された貯留水６５も排出される。

この場合、吸引循環ポンプ３６が作動しているので、燃料電池スタック２０、ドレインタンク容器６４、第２燃料供給管路３３、燃料排出管路３０及び燃料排出管路３１に残留している水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、起動用燃料排出管路５６から大気中に排出される。そして、燃料ガス流路の内部が負圧となるので、燃料ガス流路内から水素ガスが確実に速やかに除去されて排出される。なお、起動用燃料排出管路５６に水素燃焼器が配設されている場合、大気中に排出される水素ガスは、燃焼させられ、酸素と結合して水になって排出される。

また、前記燃料ガス流路内の水素ガスの圧力は、圧力センサ７８によって検出される。この場合、水素ガスの流れる経路において燃料供給電磁弁２６から吸引循環ポンプ３６までの範囲では水素ガスの圧力は同一であると考えることができるので、圧力センサ７８が前記範囲内に配設されていれば、該圧力センサ７８の検出する圧力は、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の圧力に等しい。

続いて、この状態で該燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が所定圧力、例えば、０．０１〔ＭＰａａｂｓ〕以下となるか、前記圧力が所定圧力となるまでの時間である所定時間、例えば、４０秒が経過する。この場合、前記所定圧力は、相当の負圧であるので、前記燃料ガス流路内の燃料通路に水素ガスが実質的に残留していない状態である。

なお、前記所定時間は、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が前記所定圧力となるまでの時間である。そして、前記所定時間及び所定電圧は、あらかじめ、実験によって求められる。

そして、燃料ガス流路内の水素ガスの圧力が前記所定圧力以下となるか、又は、前記所定時間が経過すると、図１６に示されるように、前記制御手段は外気導入用電磁弁２８ａを開き、空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁２６は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料貯蔵手段７３の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、前記空気はエアフィルタ２８ｂを通過して濾（ろ）過された空気なので、大気中に存在する塵埃、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、前記燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。

本実施の形態においては、燃料電池スタック２０にドレインタンク容器６４が接続されているので、燃料電池スタック２０に空気が導入されると、該燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内に残留していた水素ガスは、急速にドレインタンク容器６４内に追いやられる。そのため、燃料電池スタック２０に空気が導入される時点において、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内が真空になっていなくても、該燃料ガス流路内において残留している水素ガスが導入された空気中の酸素と混合状態になることがない。したがって、単位セル１０Ａ内において電位シフトが発生することがないので、触媒粒子が溶出したり、燃料電池スタック２０の性能が低下したりすることがない。

続いて、この状態で燃料電池スタック２０の出力が所定電圧、例えば、５〔Ｖ〕以下となるか、又は、前記出力が所定電圧となるまでの時間である所定時間、例えば、１０秒が経過するまで待機する。ここで、前記所定電圧は、燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極１３と空気極１２との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する出力電圧である。

そして、燃料電池スタック２０の出力が前記所定電圧以下となるか、又は、前記所定時間が経過すると、前記制御手段は吸引循環ポンプ３６を停止させ、外気導入用電磁弁２８ａを閉じ、最後に酸化剤供給源７５を停止させる。これにより、燃料電池スタック２０の出力が停止された状態となる。

このように、本実施の形態においては、燃料ガス流路内で余剰となった逆拡散水と水素ガスとの気液混合物が、吸引循環ポンプ３６によって吸引され燃料電池スタック２０の外部に排出されるようになっている。そのため、燃料ガス流路内における水素ガスの流通が余剰となった逆拡散水によって妨げられる水詰まりを防止することができ、燃料極１３の表面に燃料としての水素ガスを安定的に供給することができる。

また、余剰となった逆拡散水を水回収ドレインタンク６０によって水素ガスから分離し、水タンク５２に回収するので、有効に再利用することができる。これにより、燃料電池スタック２０の空気極１２を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク５２を小型軽量化することができる。

さらに、余剰となった水素ガスと混合していた逆拡散水を水回収ドレインタンク６０によって分離するので、余剰となった水素ガスを回収して再利用することができる。これにより、燃料電池スタック２０の燃料消費量を抑制することができる。

さらに、水回収ドレインタンク６０のドレインタンク容器６４の容量が車両の燃料搭載量に基づいて推測される逆拡散水の発生量よりも大きく設定されている。そのため、ドレインタンク容器６４内に貯留される貯留水６５の水位を検出したり制御したりする必要がないので、水回収ドレインタンク６０の構成を簡素化することができ、コストを低くすることができる。しかも、車両の通常運転時における水回収ドレインタンク６０からの水素の大気中への排出を不要とすることができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第１の図である。本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの構成を示す第２の図である。本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第１の拡大断面図である。本発明の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す第２の拡大断面図である。本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す拡大斜視図である。本発明の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。本発明の実施の形態における水回収ドレインタンクの構成を示す図である。本発明の実施の形態における水回収ドレインタンクの水回収量の変化を示す図である。本発明の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤した場合の水回収ドレインタンクの水回収量の変化を示す図である。本発明の実施の形態における消費水素量に対する逆拡散水の量の変化を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する第１の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する第２の図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する第３の図である。

符号の説明

１０Ａ単位セル
１０Ｂセパレータ
１１固体高分子電解質膜
１２空気極
１３燃料極
２０燃料電池スタック
２１第１燃料供給管路
３０、３１燃料排出管路
３３第２燃料供給管路
３６吸引循環ポンプ
４８燃料室
６０水回収ドレインタンク

Claims

（ａ）電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
（ｂ）前記燃料ガス流路の入口に接続された燃料供給管路と、
（ｃ）一端が前記燃料ガス流路の出口に接続され、他端が前記燃料供給管路に接続された燃料排出管路と、
（ｄ）該燃料排出管路に設けられ、前記燃料極から前記燃料排出管路に逆拡散水を排出させるとともに前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に供給するポンプと、
（ｅ）前記燃料排出管路に設けられ、前記燃料供給管路に接続された燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスをすべて消費した場合に回収される逆拡散水量よりも大きな容量を有する回収容器と、該回収容器の下部に設けられ、燃料電池スタックの運転時は外部から遮断され、燃料電池スタックの運転を停止したとき外部に開放される水排出管路と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
（ａ）一端が前記燃料排出管路に接続され、他端が大気中に開放された排気管路を有し、
（ｂ）該排気管路は、前記燃料電池スタックの運転を停止したときに開放される排気用開閉弁を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記排気管路は水素燃焼器を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックは車両の動力源であり、前記逆拡散水量は車両に搭載される燃料ガス量に基づいて推測される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
（ａ）車両に搭載された燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料貯蔵手段から燃料ガスを供給し、未反応成分として排出された燃料ガスを前記燃料ガス流路に戻す燃料電池システムの運転方法であって、
（ｂ）前記燃料ガス流路の出口に、一端が前記燃料供給管路に接続された燃料排出管路の他端を接続し、前記燃料ガス流路の入口に燃料供給管路を接続し、
（ｃ）前記燃料排出管路に、前記燃料貯蔵手段に貯蔵される燃料ガスをすべて消費した場合に回収される逆拡散水量よりも大きな容量を有する回収容器を設け、
（ｄ）前記燃料電池スタックの運転を停止したとき、前記燃料排出管路と燃料供給管路との導通を遮断するとともに前記回収容器の下部を外部に開放することにより、前記回収容器内に収容された逆拡散水を、大気中に排出することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。