JP4895648B2

JP4895648B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4895648B2
Application number: JP2006074825A
Authority: JP
Inventors: 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP2007149630A

Description

この発明は、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムに関し、詳しくは、その反応により生じた生成水の排出に関する。

従来、車両に搭載される燃料電池システムは、例えば高分子電解質膜型の燃料電池のように水素と酸素のガスの電気化学反応を利用して発電するが、その反応過程において、カソード側（酸素極側）に発生した生成水が高分子電解質膜を通してアノード側（水素極側）に逆拡散して混入する。

そして、燃料電池のアノード側は、混入した生成水を放置しておくと、生成水が蓄積して水素濃度が次第に低下し、その結果、燃料電池の発電効率が低下し、さらには燃料電池の損傷を招来する。

そのため、この種の燃料電池においては、アノード側の前記生成水をどのようにして排出するのかが重要な課題の１つになっている。

そして、最も簡易には燃料電池システムの燃料電池アノード側を図９（ａ）に示すように構成し、燃料電池（ＦＣ）１のアノード側下流の排気路２に、余剰の燃料（水素ガス）を排出する常閉の排気弁３を設け、該排気弁３を開いて前記余剰の燃料とともにアノード側の前記生成水を電池外部に排出することが考えられる。

なお、図９（ａ）において、４は燃料タンク、５はその主止弁、６、７、８は燃料タンク４から燃料電池１に至るアノード側上流経路９に設けられたレギュレータ、燃料である水素の供給弁、圧力センサであり、弁３、５、７及びレギュレータ６の白抜きは開いた状態、黒塗りは閉じた状態を示す。

そして、燃料タンク４の主止弁５を通った高圧の水素ガスは、レギュレータ６で減圧調整された後、供給弁７、圧力センサ８を通って燃料電池１のアノード側上流から下流に向かって通流し、その間に、水素と燃料電池１のカソード側に供給された酸素（空気）との高分子電解質膜を介した電気化学反応が生じて発電が行なわれる。

しかしながら、前記図９（ａ）の構成の場合、アノードの生成水を排気弁３から電池外部に排出するときに燃料の水素も多量に排気弁３から排出され、いわゆる燃料のロスが大きいだけでなく、電池外部に排出された水素の濃度が高く、発火等するおそれもあり、実用的でない。

また、この種の燃料電池システムの燃料電池アノード側を図９（ｂ）に示すように構成し、燃料電池１のアノード側下流からアノード側上流に戻る燃料循環経路１０を設け、この循環経路１０の前記アノード側下流に気液分離用の脱水器１１、還流用のポンプ１２を順に設け、脱水器１１の排水管１３に常閉の排水弁１４を設け、燃料電池１のアノードの生成水を脱水器１１により分離して排水弁１４から電池外部に排出することも考えられる。なお、排水弁１４も白抜きが開いた状態、黒塗りが閉じた状態である。

この場合、燃料電池１のアノード下流の未反応水素は脱水器１１、ポンプ１２を通ってアノード側上流に戻され、また、前記生成水は脱水器１１の下部に貯留し、適当なタイミングで排水弁１４を開放することにより脱水器１１から排出される。そのため、燃料の水素の電池外部への排出は図９（ａ）の構成よりは少なくなる。

しかしながら、前記図９（ｂ）の構成の場合、脱水器１１だけでなく動力を要する電動ポンプや制御が困難なエゼクタポンプ等からなるポンプ１２も備える必要があり、複雑かつ高価である。また、循環経路１０の損失低減のため、燃料電池１の流路断面積を大きくとる必要が生じる。

そこで、燃料電池のアノード側下流に脱水器１１のような気水分離器を設けるとともに、アノード側下流から燃料電池のカソード側上流に至る反応阻害物質経路を設け、該経路をカソード側の空気（酸化剤）吸入側のポンプより上流側（大気側）の部位に接続することで、アノード側下流とカソード側の前記部位との差圧を利用して燃料電池のアノード側の反応阻害物質である生成水を気水分離器で分離し排出するとともに、分離し切れなかった生成水をカソード側下流から排出することが提案され、その際、前記反応阻害物質経路に高分子膜や多孔体等の調整手段を設けて未反応水素の排出を抑えることも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２０３１７９号公報（要約書、［００１０］−［００１２］、［００１５］−［００２５］、［００５６］‐［００６０］、［００６６］−［００６９］、図１等）

前記特許文献１の従来システムの場合、燃料電池のアノード側の生成水の排出が気水分離器及びカソード側から行なわれるため、図９（ａ）の構成の場合より燃料の水素の排出が少なく安全である。また、アノード側とカソード側との差圧を利用する構成であることから、ポンプ等が不要で図９（ｂ）の構成の場合より簡易かつ安価である。

しかしながら、燃料電池のアノード側下流が前記反応阻害物質経路を介してカソード側に常時連通し、前記の圧力差によってアノード側の未反応水素がカソード側から電池外部に流出し易く、その分、燃料ロスが生じて発電効率が低下する問題がある。

また、反応阻害物質経路に前記の調整手段を設けて燃料ロスの軽減を図るようにする場合は、気水分離器、反応阻害物質経路だけでなく調整手段も設ける必要があり、構成が複雑化する問題が生じる。

本発明は、ポンプ等を用いない簡易かつ安価な構成により、燃料である水素の電池外部への排出が極めて少なく発電効率及び安全性の飛躍的な向上が図られるようにして燃料電池のアノード側の生成水を良好に排出することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、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において、前記アノード側の上流に前記水素の供給弁を備え、前記アノード側の下流に前記燃料電池のアノード側の生成水を排出する排水弁を備え、前記燃料電池と前記排水弁との間に、前記燃料電池に連通して設けられた容器内に前記燃料電池の前記生成水を溜める水溜り部を備え、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行ない、前記燃料電池内及び前記水溜り部を減圧状態にした後、前記供給弁を開放して前記燃料電池内に前記水素を噴入して前記生成水を前記水溜り部に押し出し、その後前記排水弁を開いて前記水溜り部に溜まった前記生成水を排出するようにしたことを特徴としている（請求項１）。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行なうようにしたことを特徴としている（請求項２）。

さらに、本発明の燃料電池システムは、前記水溜り部の体積を可変する手段を設け、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態での発電に伴う前記燃料電池内の圧力低下により、前記手段によって前記水溜り部の体積を減少し、前記燃料電池内の圧力低下を抑制して出力電圧の低下を抑制しつつ、前記燃料電池内及び前記水溜り部を減圧状態にすることを特徴としている（請求項３）。

請求項１の発明によれば、燃料電池のアノード側の生成水の排出時、水素の供給弁と生成水の排水弁が閉じられて燃料電池が燃料である水素の供給を止めた状態で発電し、この発電によって燃料電池内及び燃料電池に連通した水溜り部が減圧状態になる。

そして、燃料電池内が減圧状態になった後に前記供給弁を開くことにより、減圧状態の燃料電池内に水素が噴入して燃料電池のアノード側の生成水が水溜り部に押し出され電池外部に確実に排出される。

この場合、ポンプや脱水器（気水分離器）等は不要であり、アノード側の下流からアノード側の上流或いはカソード側への還流系路等も設けなくてよく、簡易かつ安価な構成で形成される。

また、燃料電池のアノード側の下流はカソード側に連通しておらず、アノード側の未反応水素がカソード側から電池外部に漏出することがなく、電池外部に排出される水素濃度が極めて低く、安全であり、しかも、燃料ロスが極めて少なく、発電効率が著しく向上する。

したがって、ポンプ等を用いない簡易かつ安価な構成により、燃料である水素の電池外部への排出が極めて少なく発電効率及び安全性の向上を図るようにして燃料電池のアノード側の生成水を良好に排出することができる。

請求項２の発明によれば、燃料電池のアノード側の濡れ状態から前記アノード側の生成水の滞留状態を把握して、適当な滞留状態になったときに燃料電池のアノード側の生成水を排出することができ、発電効率及び安全性が一層向上する。

請求項３の発明によれば、供給弁と排水弁を閉じた状態での発電中に、水溜り部の体積が減少して燃料である水素の消費による燃料電池の圧力低下が抑制されるため、燃料電池の圧力低下に起因する出力電圧の低下が防止される。そのため、発電効率のさらに一層の向上を図るようにして燃料電池のアノード側の生成水を良好に排出することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図８にしたがって詳述する。

（一実施形態）
まず、一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１は燃料電池システムのアノード側のブロック図、図２は図１の生成水排出処理の説明図であり、それらの図面において、図９（ａ）、（ｂ）と同一符号は同一若しくは相当するものを示し、１５は燃料電池１から常閉の排水弁１６に至るアノード側下流経路、１７はアノード側下流経路１６に設けられた適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体の容器であり、本発明の水溜り部を形成する。なお、図１、図２においても、弁５、７、１６及びレギュレータ６は白抜きが開いた状態を示し、黒塗りが閉じた状態を示す。

そして、この実施形態の燃料電池システムが特徴とするところは、燃料電池１のアノード側の上流に供給弁７を設け、アノード側の下流に容器１７、排水弁１６を設け、アノード側の生成水の排出時、供給弁７と排水弁１６を閉じた状態にして燃料電池１の発電を行なった後、供給弁７を開放して生成水を排出する点であり、また、生成水の排出タイミングを燃料電池１のアノード側の濡れ状態、換言すれば、燃料電池１のアノード側の生成水の滞留状態から決定し、燃料電池１のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに供給弁７と排水弁１６を閉じた状態にして前記の燃料電池１の発電を行なうようにした点である。

つぎに、図１のシステムの生成水排出処理を、図２を参照して説明する。

まず、図２の工程Ｓ１は通常の発電状態を示し、この通常の発電状態においては、供給弁７は開かれ、燃料タンク４からレギュレータ６、供給弁７、圧力センサ８を介して燃料電池１のアノード側に燃料の水素ガスが供給される。

そして、発電に伴って生じた生成水が燃料電池１のアノード側に滞留し、アノード側の濡れ状態が進行して発電能力が次第に低下していく。なお、図２の燃料電池１、容器１７等の黒塗り部分が模式的に示した生成水である。

そこで、燃料電池１のアノード側の濡れ状態を、燃料電池１の電流の積算値、電圧、或いは発電時間等の状態値から推定或いは検出し、前記状態値が実験等で設定された所定値に達して生成水の排出が必要なタイミングになると、図２の工程Ｓ２に移行し、供給弁７を閉止し、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で燃料電池１の発電を継続する。

このとき、燃料電池１は燃料である水素ガスの供給を止めた状態で発電し、この発電によって燃料電池１内及び該燃料電池１に連通した容器（水溜り部）１７が減圧状態になる。

そして、燃料電池１内が所定圧力に低下するか、燃料電池１の減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達するかすると、図２の工程Ｓ３に移行して供給弁７を開き、減圧状態の燃料電池１内に水素ガスを噴入し、燃料電池１からアノード側下流経路１５を介して容器１７に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水を容器１７に押し出して電池外部に確実に排出する。

このとき、容器１７の生成水が燃料電池１に逆流しないようにするため、この実施形態においては、燃料電池１と容器１７との配管を容器１７の上部に接続し、容器１７から排水弁１６に伸びた配管を容器の下部に接続し、生成水を容器１７に落とし込んで貯留する。なお、容器７の燃料電池１側の配管と排水弁１６側の配管とに段差を設ける代わりに、例えば、燃料電池１と容器１７との間の配管に逆支弁を設けるようにしてもよい。

また、燃料電池１のアノード側に滞留した生成水を確実に排出するため、容器１７を燃料電池１のアノード側の空間容積以上の大きさにして前記アノード側全体の燃料等を全て容器１７に導入するように減圧すればよく、この減圧の調整は燃料電池１の発電電力を調整して制御することができる。なお、圧力変化ΔＰと発電電流ｉとは、Ｒ、Ｔ、Ｖを気体乗数、温度、容積として、ΔＰ＝（Ｒ・Ｔ／Ｖ）×（（ｉ／９６４８５）×（セル数／２））の関係がある。

そして、一定量の生成水が容器１７に溜まるまでは、工程Ｓ３から工程Ｓ１に戻って通常の発電を行ない、生成水の排出が必要になると工程Ｓ２、Ｓ３に移行し、上記の処理をくり返す。

さらに、容器１７に一定量の生成水が溜まると、図２の工程Ｓ３からＳ４に移行し、排水弁１６を開け容器１７の貯留水を排出し、この排水の終了後、排水弁１６を閉止して工程Ｓ１に戻る。なお、排水弁１６は供給弁７等と同様の電磁弁或いはフロート式の弁等で形成される。

以上のように、この実施形態の燃料電池システムの場合、図９（ｂ）のポンプ１２、脱水器１１、燃料循環経路１０等は不要であり、また、前記のアノード側の下流からカソード側の上流に至る反応阻害物質経路等も設けなくてよく、簡易かつ安価に形成して燃料電池１のアノード側の生成水を排出することができる。また、燃料電池１のアノード側の下流はカソード側に連通しておらず、アノード側の未反応水素がカソード側から電池外部に漏出することがなく、しかも、容器１７にある程度水が溜まってから下流の排水弁１６を開く構成であるため、電池外部に排出される水素ガス濃度が極めて低く、著しく安全であるとともに、燃料ロスが極めて少なく、発電効率が著しく向上し、簡易かつ安価な構成により、発電効率及び安全性の向上を図るようにして燃料電池１のアノード側の生成水を良好に排出することができる。

さらに、燃料電池１のアノード側の濡れ状態からアノード側の生成水の滞留状態を把握して、適当な滞留状態になったときに燃料電池１のアノード側の生成水を排出するようにしたため、必要なときにのみ燃料電池１のアノード側の生成水が排出され、発電効率及び安全性が一層向上する。

（他の実施形態）
つぎに、他の実施形態について、図３〜図８を参照して説明する。

図３は燃料電池システムのアノード側のブロック図であり、図１と同一符号は同一若しくは相当するものを示す。図４は図３のアキュムレータ１９の作用の説明図、図５、図６はアキュムレータ１９の一例、他の例の説明図、図７、図８はアキュムレータ１９の駆動源に利用可能な燃料電池アクチュエータの一例、他の例のブロック図である。

そして、前記図１の一実施形態の構成の場合、燃料電池１のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で発電を継続すると、燃料電池１内の残存水素の消費にしたがって燃料電池１は内部の圧力が低下し、この圧力低下にしたがって出力電圧が低下し、発電効率の低下を招来する。

そこで、この実施形態においては、図３に示すように、図１の容器１７に代えてアキュムレータ１９付きの水タンク１８を備える。

この水タンク１８は水溜り部を形成する。また、そのアキュムレータ１９は水タンク１８に内装又は外装され、ベローズ（じゃばら）とバネを組合わせたベローズ型や、ゴム状の風船（袋）を設けるブラダ型、或いは、ピストン型、ダイアフラム型等の周知の構造である。

そして、燃料電池１のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で発電を継続すると、その発電中に残存水素の消費にしたがって燃料電池１内部の圧力が低下し始め、燃料電池１のアノード側に連通した水タンク１８内部の圧力も低下し始めるが、このとき、水タンク１８の減圧変化にアキュムレータ１９が応動し、アキュムレータ１９の隔壁としてのダイアフラムが減圧側に膨出したり、風船が膨張したり、ピストンが動作したりして水タンク１８の体積（容積）が減少し、水タンク１８及び燃料電池１内の圧力低下が防止或いは緩和（抑制）される。

そのため、その間の燃料電池１の出力電圧の低下に起因する発電効率の低下が防止され、一実施形態の場合より発電効率が向上する。

そして、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電に基づく燃料電池１の減圧開始から所定時間が経過するか、又は、前記減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達すると、生成水を排出するために供給弁７を開く。

このとき、燃料電池１及びそのアノード側に連通する水タンク１８は後述するように減圧状態であり、一実施形態の場合と同様に燃料電池１内に水素ガスが噴入し、燃料電池１からアノード側下流経路１５を介して水タンク１８に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水を水タンク１８に押し出して電池外部に確実に排出することができる。

そして、水タンク１８の底部に溜まった水は、その後、排水弁１６が開かれて水タンク１８から外部に排出される。

したがって、この実施形態の場合は、発電効率のさらに一層の向上を図るようにして燃料電池１のアノード側の生成水を良好に排出することができる。

つぎに、アキュムレータ１９の作用について、図４を参照して説明する。

（ｉ）アキュムレータ１９を設けない場合（図４（ａ）の場合）
この場合、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電により、図４（ａ）に示すように、モル数で（１／２）・ｎ０の水素が消費され、水タンク１８の圧力が発電開始前（消費前）の圧力Ｐ０から発電終了時（消費終了時）の圧力Ｐ１に減少したとすると、水タンク１８の体積はＶ０で不変であるため、Ｐ０・Ｖ０＝ｎ０・Ｒ・Ｔ…（１式）、Ｐ１・Ｖ０＝（１／２）・ｎ０・Ｒ・Ｔ…（２式）の関係から、Ｐ１＝（１／２）・Ｐ０…（３式）となり、（１式）、（３式）から、Ｐ１＝（１／２）・Ｐ０…（４式）が得られ、圧力Ｐ１は元の圧力Ｐ０の１／２になる。

したがって、アキュムレータ１９を設けない場合は、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で発電し、燃料電池１及び連通する水タンク１８の例えば半分のモル数の水素を消費することにより、燃料電池１の圧力（＝水タンク１８の圧力）は元の１／２に減少する。

（ｉｉ）アキュムレータ１９を設けた場合（図４（ｂ）の場合）
説明を簡単にするため、図４（ｂ）に示すように、アキュムレータ１９が水タンク１８を面積Ｓの可動仕切り１９ａによって上、下の２室Ａ、Ｂに仕切るピストン型であるとする。

このとき、室Ａがアキュムレータ１９に相当し、室Ｂが水タンク１８に相当し、発電開始前（消費前）、室Ａ、Ｂが共に圧力Ｐ０、体積Ｖ０でモル数ｎ０の水素で満たされ、室Ａ、Ｂから面積Ｓの可動仕切り１９ａに図４（ｂ）の左側に示すように上下の矢印線に示す相互に逆向きの力Ｆ＝Ｐ０・Ｓが作用した状態でつりあっている。

そして、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電により、アキュムレータ１９を設けない場合と同様に室Ｂのモル数で（１／２）・ｎ０の水素が消費され、室Ｂが圧力Ｐ１に減圧変化すると、図４（ｂ）の右側に示すように可動仕切り１９ａが下動し、室Ｂの体積がΔＶ減少して室Ａの体積がΔＶ増加し、図中の上下の矢印線に示す相互に逆向きの力Ｆ＝Ｐ１・Ｓが作用した状態でつりあう。

このとき、室Ａについては、Ｐ１・（Ｖ０＋ΔＶ）＝ｎ０・Ｒ・Ｔ…（５式）であり、室Ｂについては、Ｐ１・（Ｖ０−ΔＶ）＝（１／２）・ｎ０・Ｒ・Ｔ…（６式）であり、これらの式の関係から、ΔＶ＝（１／３）・Ｖ０…（７式）が得られる。また、５式と前記１式とから、Ｐ０・Ｖ０＝Ｐ１・（Ｖ０＋ΔＶ）…（８式）になる。そして、７式、８式から、Ｐ０・Ｖ０＝Ｐ１・（Ｖ０＋ΔＶ）…（９式）が得られ、７式と９式とから、Ｐ１＝（３／４）・Ｐ０…（１０式））となり、圧力Ｐ１は元の圧力Ｐ０の３／４になる。

したがって、アキュムレータ１９を設けた場合は、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で発電し、燃料電池１及び連通する水タンク１８の例えば半分のモル数の水素を消費することにより、燃料電池１の圧力（＝水タンク１８の圧力）は元の３／４になる。

そして、上記（ｉ）の４式と（ｉｉ）の１０式との比較等から明らかなように、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で発電により例えば半分のモル数の水素を消費すると、アキュムレータ１９を設けない場合には燃料電池１の圧力（＝水タンク１８の圧力）が元の１／２になるところ、アキュムレータ１９を設けることによって、水タンク１８の体積変化を通して燃料電池１の体積が減少変化して燃料電池１の圧力（＝水タンク１８の圧力）が元の３／４になり、燃料電池１の圧力低下が抑制（緩和）される。

その結果、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電効率の圧力減少に基づく低下が防止され、燃料電池１の発電効率が向上する。

そして、アキュムレータ１９を設けて燃料電池１の圧力低下を抑制（緩和）しても、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電終了時には燃料電池１及び連通する水タンク１８は発電前より圧力が低下して減圧状態になる。

そのため、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電を終了して供給弁７を開くと、燃料電池１内に水素ガスが噴入し、燃料電池１からアノード側下流経路１５を介して水タンク１８に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水を水タンク１８に押し出して電池外部に排出することができる。

そして、アキュムレータ１９がダイアフラムや風船等の場合にも同様である。

ところで、供給弁７を開くことにより、アキュムレータ１９の有無に関わらず、燃料電池１及び連通する水タンク１８は、発電により消費した量の水素が流入して元の圧力状態に戻る。具体的には、例えば供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電により前記の（１／２）・ｎ０モルの水素を消費したときには、供給弁７を開くことにより、アキュムレータ１９の有無に関わらず、（１／２）・ｎ０モルの水素が流入することで燃料電池１及び連通する水タンク１８が元の圧力状態に戻る。

そして、燃料電池１のアノード側の生成水の排出には噴入する水素ガスの圧力及び流量が影響し、アキュムレータ１９を設けた場合、設けない場合と同量の水素ガスが燃料電池１及び連通する水タンク１８に流入するので、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態での発電を終了して供給弁７を開いたときには、噴入する水素ガスの圧力は前記一実施形態の場合より弱くはなるが、水素ガスの流量は変わらず、燃料電池１のアノード側の生成水を水タンク１８に押し出して電池外部に確実に排出することができる。

なお、供給弁７を開いたときに後述する外力の作用等でダイアフラムや風船、ピストン等を瞬時に元の状態に戻し、燃料電池１及び連通する水タンク１８の体積を急増して燃料電池１及び水タンク１８を十分な減圧状態にすれば、燃料電池１の発電効率を向上するとともに一層確実に燃料電池１のアノード側の生成水を電池外部に排出することができる。

つぎに、アキュムレータ１９の具体例について説明する。

＜アキュムレータの一例＞
まず、アキュムレータ１９が水タンク１８に内装されたブラダ型であって、図５（ａ）、（ｂ）のゴム状の風船２０を有する場合、前記の圧力Ｐ０、体積Ｖ０、モル数ｎ０の水素に相当する一定圧力の気体を封入した風船２０は、図５（ａ）に示すように水タンク１８の容器内に設けられ、外圧、すなわち、水タンク１８の圧力変化にしたがって膨縮変化し、水タンク１８の体積（容積）を可変してその圧力変化を防止又は緩和する。

ところで、燃料タンク４からレギュレータ６、供給弁７、圧力センサ８を介して燃料電池１のアノード側に燃料の水素ガスが供給される通常の発電状態においては、燃料電池１のアノード側に連通した水タンク１８は加圧傾向にあり、図５（ａ）に示したように風船２０は比較的小さい状態に保たれる。

つぎに、燃料電池１のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で燃料電池１が発電すると、燃料電池１の内部圧力の低下に伴って水タンク１８は圧力が低下し始めて減圧状態になるが、このとき、図５（ｂ）に示すように風船２０が膨張して大きくなり、水タンク１８の体積は減少して小さくなり、燃料電池１の内部圧力の低下が抑制（緩和）され、その発電効率が向上する。

そして、発電を終了し、生成水を排出するために供給弁７を開くと、燃料電池１及び水タンク１８は減圧状態であり、燃料電池１に水素ガスが噴入して燃料電池１及び水タンク１８に水素ガスが流入し、水タンク１８の圧力が上昇して風船２０が急速にしぼんで水タンク１８の体積が増加し、燃料電池１及び水タンク１８が一層減圧状態になる。そのため、外力を作用することなく、水素ガスが燃料電池１に噴入して料電池１のアノード側の生成水を良好に排出することができる。

なお、水タンク１８の減圧により、図５（ｂ）のように風船２０が水タンク１８の上部と燃料電池１のアノード側に連通した下部とを気密に仕切った状態で膨張する場合は、生成水を排出するために供給弁７を開いたときに、水素ガスによって前記下部の圧力が上昇して風船２０が変形して前記上部と前記下部との仕切りに隙間が生じることにより、前記上部と前記下部が連通して燃料電池１のアノード側に連通した水タンク１８の体積が急増し、燃料電池１及び水タンク１８が一層減圧状態になる。そのため、この場合は、外力を作用することなく、水素ガスが燃料電池１に噴入して燃料電池１のアノード側の生成水を一層確実に排出することができる。

つぎに、水タンク１８の体積減少により燃料電池１を極力通常時と同様の圧力に維持して発電効率を一層向上するような場合は、例えば水タンク１８の外部に開閉弁機構を介して風船２０に連通する負圧容器（図示せず）を設け、生成水を排出するために供給弁７を開いたときにのみ前記開閉弁機構を開く。

この場合、供給弁７を開いたときに、開閉弁機構が開いて風船２０の気体が前記負圧容器に流入し、風船２０は急激にしぼみ、水タンク１８の体積が急増して燃料電池１及び水タンク１８は圧力が急減する。そのため、燃料電池１及び水タンク１８が一層減圧状態になり、燃料電池１のアノード側の生成水を水素ガスの十分な圧力と流量とによって一層確実に排出することができる。

＜アキュムレータの他の例＞
つぎに、水タンク１８が例えば円筒形のステンレス製（非磁性体）であって、アキュムレータ１９が水タンク１８に内装されたピストン型の場合、例えば図６に示すように、水タンク１８の内壁に摺接して上下動する磁性体のピストン板２１（図４の稼動仕切り１９ａに相当）により、水タンク１８の内部は、ピストン板２１下部の燃料電池１に連通したタンク部２２と、ピストン板２１の上部のピストン部２３とに気密に仕切られ、タンク部２２の体積が本発明の水タンクの体積である。なお、ピストン板２１の周部には気密性を高めるためにオーリング２４が取り付けられている。

また、ピストン板２１の上面にコイル状のバネ２５の下端が取り付けられ、バネ２５の上端は例えば水タンク１８の天板中央部に支持されている。

そして、燃料電池１のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁７及び排水弁１６が閉じた状態で燃料電池１が発電し、燃料電池１の内部圧力の低下に伴って水タンク１８のタンク部２２の圧力が低下し始めると、ピストン板２１が下動してタンク部２２の体積が小さくなり、燃料電池１及び連通する水タンク１８の圧力低下が防止又は緩和される。

さらに、生成水を排出するために供給弁７を開くと、燃料電池１及び水タンク１８は減圧状態であり、燃料電池１に水素ガスが噴入して燃料電池１及び水タンク１８に水素ガスが流入し、外力を作用することなく、水素ガスが燃料電池１に噴入して料電池１のアノード側の生成水を良好に排出することができる。

ところで、電池１のアノード側の生成水を一層確実に排出する場合は、例えば水タンク１８の天板に電磁石（図示せず）を載置し、生成水を排出するために供給弁７を開いたときに、電磁石を通電駆動し、その磁力によってピストン板２１を瞬時に引き上げ、タンク部２２の体積を急増して燃料電池１及び水タンク１８を一層減圧状態にし、燃料電池１のアノード側の生成水を水素ガスの十分な圧力と流量とによって一層確実に排出する。

なお、前記のピストン板２１の上下動を、バネ２５や電磁石を用いて行なう代わりに、ピストン部２３に気体や液体等を充填し、その充填圧を加減して行なうようにしてもよく、モータを用いる等して行なってもよい。

そして、前記一例の減圧容器の減力や前記他の例の充填圧の増減は例えばコンプレッサ等を用いて行なうことも可能であり、燃料水素や酸化剤（空気）の圧力を加圧に利用することも可能である。

さらに、水タンク１８の体積の可変には、別途設けた他の燃料電池のつぎに説明するアクチュエータ（燃料電池アクチュエータ）を用いることも可能である。

＜燃料電池アクチュエータ＞
つぎに、燃料電池アクチュエータについて、図７、図８を参照して説明する。

この燃料電池アクチュエータは、気体を燃料として発電する燃料電池システムの圧力変化を動力として利用するものであり、例えば図７の一例に示す構成に形成される。

図７において、１００は燃料電池アクチュエータ、１０１はその燃料電池、１０２は燃料電池１０１のアノード側の水素ガスの燃料供給装置（燃料タンク）であり、図１の燃料タンク４に相当し、燃料供給量調整装置１０３が設けられたアノード側上流路１０４により燃料電池１０１に接続されている。なお、燃料供給量調整装置１０３はここでは例えば加圧力調整用のインジェクタ又は電磁バルブ又は調圧弁からなる。

１０５は燃料電池１０１を介してアノード側上流路１０４に接続されたアノード側下流路、１０６は動力取り出し用のピストン機構であり、外装体１０７とその内部を出入方向に移動自在のピストン１０８とを有し、外装体１０７内面とピストン１０８との間の気蜜なシリンダ部（空間）１０９がアノード側下流路１０５の開放端部に接続されている。

そして、燃料電池１０１の発電中に燃料供給量調整装置１０３によって燃料の水素ガスの燃料電池１０１への供給を断続または増減することで、この水素ガスの供給の断続または増減による燃料電池１０１の圧力の増減変化を利用し、この増減変化をシリンダ部１０９に波及してピストン１０８を図７の矢印方向に移動し、図３の水タンク１８の体積の可変動力等の他の機器の種々の用途の動力（運動エネルギ）として取り出すことができる。なお、燃料の水素ガス供給量の調整は、例えば、燃料電池１０１の圧力測定値又は圧力推定値又はアクチュエータの動作量であるピストン１０８の動作量にしたがって制御する。

そのため、燃料電池１０１の発電により生じる圧力変化を動力として取り出し、その圧力変化を有効に活用して図３の水タンク１８の体積の可変制御等を実現することができる。

つぎに、図８は燃料電池アクチュエータの他の例を示し、同図において、図７と同一符号は同一若しくは相当するものを示す。

そして、図８の燃料電池アクチュエータ１００ｂは、燃料電池１０１がピストン機構１０６の外装体１０７の底板１０７ａに外装され、燃料電池１０１のアノード側１０１Ａは外装体１０７の底板１０７ａを気密に貫通して外装体１０７内部のシリンダ部１０９に位置し、図７のアノード側下流路１０５は省かれている。

また、燃料供給装置１０２に接続されたアノード側上流路１０４の燃料供給量調整装置１０３は外装体１０７の周部１０７ｂを気密に貫通してその出力側がシリンダ部１０９に挿入され、アノード側上流路１０４の開放端部はシリンダ部１０９を介して燃料電池１０１のアノード側１０１Ａに接続されている。なお、１０１Ｎは燃料電池１０１のカソード側であり、１１０はピストン１０８の基部のオーリングである。

そして、この燃料電池アクチュエータ１００ｂの場合も、燃料電池１０１の発電中に燃料供給量調整装置１０３によって燃料の水素ガスの燃料電池１０１への供給を断続または増減し、燃料電池１０１の発電による減圧変化を利用してシリンダ部１０９の圧力を可変し、ピストン１０８を図７の矢印方向に上下移動して図３の水タンク１８の体積の可変動力等の他の機器の種々の用途の動力（運動エネルギ）を取り出すことができる。

具体的には、例えば、燃料供給量調整装置１０３により燃料供給装置１０２からシリンダ部１０９を介して燃料電池１０１に供給する水素ガスの供給圧を加圧することでピストン１０８を押し下げ、つぎに水素ガスの供給を停止または減少した状態での燃料電池１０１の発電によりシリンダ部１０９を減圧してピストン１０８を引き上げ、ピストン１０８を図７の矢印方向に上下動することで、図３の水タンク１８の体積の可変動力等の他の機器の種々の用途の動力（運動エネルギ）を取り出すことができる。

なお、燃料ガスの吸入気流によりインペラを回して発電するシステムにおいては、ガスの流れを有効に利用しようとすると、インペラでの圧力損失が大きくなるが、上述の燃料電池アクチュエータは、気体を燃料として発電する燃料電池システムの圧力変化を動力として利用するものであり、前記のインペラでの圧力損失の問題が生じない利点がある。

そして、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、水溜り部として容器１７、水タンク１８を備える代わりに、例えばアノード側下流経路１５の容器１７、水タンク１８の部分の配管を太くしてもよい。また、燃料電池１、１０１のセル数等はどのようであってもよい。

本発明の一実施形態の燃料電池システムのブロック図である。図１の生成水排出処理の説明図である。本発明の他の実施形態の燃料電池システムのブロック図である。（ａ）、（ｂ）は図３のアキュムレータの作用の説明図である。図３のアキュムレータの一例の説明図であり、（ａ）は通常の発電状態、（ｂ）は減圧の状態を示す。図３のアキュムレータの他の例の説明図である。図３のアキュムレータの駆動源に利用可能な燃料電池アクチュエータの一例のブロック図である。図３のアキュムレータの駆動源に利用可能な燃料電池アクチュエータの他の例のブロック図である。（ａ）、（ｂ）は従来システムの一例、他の例のブロック図である。

符号の説明

１、１０１燃料電池
４燃料タンク
７供給弁
１６排水弁
１７容器（水溜り部）
１８水タンク（水溜り部）
１９アキュムレータ

Claims

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において、
前記アノード側の上流に前記水素の供給弁を備え、
前記アノード側の下流に前記燃料電池のアノード側の生成水を排出する排水弁を備え、
前記燃料電池と前記排水弁との間に、前記燃料電池に連通して設けられた容器内に前記燃料電池の前記生成水を溜める水溜り部を備え、
前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行ない、前記燃料電池内及び前記水溜り部を減圧状態にした後、前記供給弁を開放して前記燃料電池内に前記水素を噴入して前記生成水を前記水溜り部に押し出し、その後前記排水弁を開いて前記水溜り部に溜まった前記生成水を排出するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行なうようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
前記水溜り部の体積を可変する手段を設け、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態での発電に伴う前記燃料電池内の圧力低下により、前記手段によって前記水溜り部の体積を減少し、前記燃料電池内の圧力低下を抑制して出力電圧の低下を抑制しつつ、前記燃料電池内及び前記水溜り部を減圧状態にすることを特徴とする燃料電池システム。