JP5272685B2

JP5272685B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5272685B2
Application number: JP2008305496A
Authority: JP
Inventors: 貴行寺崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP2010129478A

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、前記セルスタックの積層方向に貫通しているアノードガス排気マニホールドであって、かつ前記アノードから排出されるアノードガスを集合させるアノードガス排気マニホールドと、前記アノードガス排気マニホールドの貫通している一端に接続され、前記アノードガス排気マニホールドより排出される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、前記アノードガス排気マニホールドの貫通している他端に接続され、不純物ガスを排出するガス排出バルブを備える。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アノードデッドエンド運転を行う。

本発明によれば、ガス排出バルブを開いてアノードガス排気マニホールドの他端より不純物ガスを排出するときに、水貯留手段よりアノードガス排気マニホールドへのガス流れが発生することから、水貯留手段の内部での凝縮水の蒸発・拡散が促進され、これによって水貯留手段よりアノードガス排気マニホールドへと流れる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が水セパレータタンク７の下部に設けられ、配管８に常閉の排水バルブ１０が設けられている。なお、従来技術（特開２００８−２５１１７７号公報参照）では、水セパレータタンク７で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、配管９を水セパレータタンク７の上部に設け、この配管９に常閉の窒素パージバルブ１１を設けているのであるが、本発明では、配管９及び窒素パージバルブ１１を、後述するように、アノードガス排気マニホールド６２の他端に設けている。

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、水収支がウェット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、アノードガス排気マニホールド出口（アノードガスの排気マニホールドの一端）とは反対側のアノードガス排気マニホールドの他端に窒素パージバルブ１１（不純物ガスを排出する排出バルブ）を備えるようにする。

これについて図７を参照して説明する。本発明の第１実施形態では、図１に示したように水セパレータタンクを排出管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７は燃料電池システム１のうちセルスタック２及び水セパレータタンク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７で上方が鉛直上方、下方が鉛直下方である。図７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、左上にあるアノードガス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アノードガス供給マニホールド６１を下方に向けて流れる。アノードガス供給マニホールド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、直管状のアノードガス排気マニホールド６２で集合された後、下方のアノードガス排気マニホールド６２の一端（下端）であるアノードガス排気マニホールド出口６２ａに向けて流れる。

アノードガス排気マニホールド出口６２ａから排出される気液混合物から液水を分離するために、アノードガス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（水貯溜手段）が設けられている。すなわち、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。円筒部７２は左側がアノードガス排気マニホールド出口６２ａを覆い、かつセルスタック右端２ｂよりも右側にはみ出るように設けられ、円筒部７２の上面７２ａはアノードガス排気マニホールド出口６２ａを除いて閉じている。

運転条件によってアノードガス排気マニホールド出口６２ａの相対湿度は大きく左右される。生成水量の少ない低電流密度でセルスタック２を運転するときには、アノードガス排気マニホールド出口６２ａは水蒸気によって飽和されず、一定値以上（例えば０．５Ａ／ｃｍ²以上）の電流密度での運転になると、アノードガス排気マニホールド出口６２ａが水蒸気によって飽和される。アノードガス排気マニホールド出口６２ａが水蒸気によって飽和していない場合、セパレータタンク７１内に溜まっている凝縮水からの蒸発および拡散によってアノードガス排気マニホールド出口６２ａが加湿される。しかしながら、環境条件の相違で水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散が十分でなくなった場合に、アノードガス排気マニホールド出口６２ａを適切に加湿できなくなるので、こうした環境条件では水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を積極的に促進する必要がある。水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を促すには水セパレータタンク７１からセルスタック２内部へのガス流れを生じさせることが好ましい。これは、水セパレータタンク７１からセルスタック２内部へのガス流れが生じると、ガス流れの上流側である水セパレータタンク７１内の気相部分のガス圧力が低下し、そのガス圧力の低下分だけ凝縮水の気相中への蒸発量・拡散量が増えるためである。

一方、カソードガスとして空気を使用する場合、カソードガスに含まれる窒素がアノードガス流路４６に濃度差を駆動力として移動してくる。この移動してくる窒素によってアノードガス流路４６の窒素濃度が高くなるとアノードガスのＭＥＡへの拡散が妨げられ、セルスタック２の発電性能の低下を引き起こす。この発電性能の低下を防止するために、アノードガス流路４６から一定量のガスを、窒素パージバルブ１１を開いて系外に排出することで、アノードガス流路４６の窒素濃度を一定値以下に保つ必要がある。

しかしながら、従来技術（特開２００８−２５１１７７号公報参照）では、水セパレータタンクに配管９を接続しこの配管９に窒素パージバルブ１１を設けているので、次のような問題がある。すなわち、アノードガスの供給量がセルスタック２の電気化学反応に必要な分および窒素パージとして排出される分の合計に相当する量だけであった場合、アノードガス排気マニホールド出口６２ａでアノードガスの流速はちょうどゼロとなる。従って、窒素パージバルブ１１を開いて水セパレータタンクから窒素を含んだガスをパージすると、アノードガス排気マニホールド６２内のガスはむしろアノードガス排気マニホールド６２より水セパレータタンクに向かって流れ、水セパレータタンク内での凝縮水の蒸発・拡散を抑えることになってしまう。水セパレータタンク内での凝縮水の蒸発・拡散を抑えることは、アノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスを加湿したいという観点（要求）からは好ましくないのである。

そこで本実施形態では、図７に示したようにアノードガス排気マニホールド６２に対して水セパレータタンク７１を接続する側とは反対側、つまりアノードガス排気マニホールド６２の他端（上端）６２ｂに配管９を接続し、この配管９に窒素パージバルブ１１を設けている。このようにすれば、窒素パージバルブ１１を開いてアノードガス排気マニホールド６２から窒素を含んだ所定量のガスを系外に排出することで、水セパレータタンク７１からセルスタック２内部へのガス流れ（図７の破線矢印参照）を生じさせることが可能となり、水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を促進することができる。

セルスタック２内部に溜まる生成水や窒素を排出することを目的として、本実施形態ではさらにアノードデッドエンド運転を行う。本実施形態のアノードデッドエンド運転について図８を参照して説明すると、図８は第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７１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７７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もアノードガス排気マニホールド６２内の窒素を含んだガス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、として説明する。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７１内で凝縮して水となり水セパレータタンク７１の下部に溜まる。窒素と未反応アノードガスとは水セパレータタンク７１の上部及びアノードガス排気マニホールド６２内に溜まる。水セパレータタンク７１は、このような凝縮水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の圧力が低下する。これに伴い今度は水セパレータタンク７１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へのアノードガスの供給を再開する。このアノードガスの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７１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７１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７１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８に示した例に限らない。図９に示した本実施形態の他の例のように、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９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９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。

さて、従来技術では、窒素パージバルブ１１の開度を一定にしていた（図８第３段目の一点鎖線参照）。このため、従来技術をそのまま、水素タンク３からの供給圧力によって運転時のアノードガス流路４６の圧力を増加させ、電気化学反応に伴うアノードガスの消費によって運転時のアノードガス流路４６の圧力を低下させている、本実施形態のアノードデッドエンド運転に適用した場合、水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を促進し、その促進によってアノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスを加湿するという観点からは、不十分な対応となってしまう。すなわち、水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を促進し、その促進によってアノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスを加湿するという観点からは、加湿が必要となるアノードデッド運転における減圧過程でだけ窒素パージバルブ１１を開けば足りる。アノードガス供給マニホールド６１からアノードガス排気マニホールド６２へ、さらにアノードガス排気マニホールド６２から水セパレータタンク７１へと向かうガス流れが支配的であるアノードデッド運転における加圧過程では、窒素パージバルブ１１を開くことで水セパレータタンク７１からセルスタック２内部へと向かうガス流れを作る必要が無いのである。従って、アノードデッドエンド運転における加圧過程では窒素パージバルブ１１を全閉状態としてアノードガス排気マニホールド６２内の窒素を含んだガスの排出をやめておき、アノードデッドエンド運転における減圧過程になると、加圧過程で系外に排出する分であったガス量を上乗せして系外に排出することにすれば、水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を、その上乗せ分だけさらに促進できることとなる。

そこで本実施形態の一例では、図８第３段目の実線で示したように、アノードデッド運転における加圧過程で窒素パージバルブ１１を全閉状態とし、アノードデッド運転における減圧過程でだけ窒素パージバルブ１１を開くこととする。また、本実施形態の他の例では、図９第３段目に示したように、アノードデッド運転における加圧過程及び圧力維持過程で窒素パージバルブ１１を全閉状態とし、アノードデッド運転における減圧過程でだけ窒素パージバルブ１１を開く。

一方、アノードガス排気マニホールド６２からの窒素パージとはいっても、アノードガス排気マニホールド６２内から窒素だけを選択して排出することはできず、実際には未反応アノードガスをも系外に排出してしまうので、窒素パージバルブ１１を開いているときの窒素パージの流量が多すぎると、系外に排出されるアノードガスの量が増加して発電効率の低下につながる。この逆に窒素パージバルブ１１を開いているときの窒素パージの流量が少なすぎると、アノードガス流路４６の窒素濃度の増大による発電性能の低下につながる。そこで本実施形態の一例及び他の例では、アノードデッドエンド運転中の窒素パージの流量が最適となるように減圧過程での窒素パージバルブ１１の開度（図８第３段目、図９第３段目の所定開度）を適合により設定する。

このように、本実施形態によれば、アノードデッドエンド運転時に、アノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスを加湿したいという観点から、アノードデッドエンド運転における減圧過程でのみ窒素パージバルブ１１を開いて窒素パージを行うことで、トータルとして窒素パージの流量は従来技術と同じに保ったまま、加湿が必要となるアノードデッド運転における減圧過程で窒素パージの流量を相対的に多くできるため、従来技術よりもセルスタック２の発電性能を向上させることができる。図８においてアノードデッドエンド運転における加圧過程、減圧過程の周期（図８でｔ１からｔ３までの時間）は例えば０．５秒から２秒程度まで、ときわめて短時間である。数十秒以上、所定の濃度以上の窒素がアノードガス流路４６に滞留したときに初めてセルスタック２の発電性能の低下が生じるのであるから、本発明のアノードデッドエンド運転時に加圧過程で（つまり一時的に）窒素パージバルブ１１を閉じて窒素パージを止めることとしても、デメリットは発生しない。

次に、水セパレータタンク７１より凝縮水が溢れ出ないように排水を適宜行う必要がある。しかしながら、アノードデッドエンド運転時に、常時排水を行わせるのではアノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスを加湿したいという観点からは好ましくない事態が生じる。すなわち、排水バルブ１０を開いて水セパレータタンク７１内の凝縮水の一部を系外に排出すると、水セパレータタンク７１内の気相部分の容積が増加する。運転負荷が一定の条件でかつ窒素パージバルブ１１の開度も一定である場合で考えると、上記気相部分の容積増加分を埋めるためにアノードガス排気マニホールド６２から水セパレータタンク７１へのガス流れが発生する。この水セパレータタンク７１へのガス流れは、水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を抑える方向に働く。これは、水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を促進して、アノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスを加湿することが必要となる減圧過程では好ましくない現象となる。

そこで本実施形態の一例では、図８第２段目に示したように、アノードデッドエンド運転における減圧過程で排水バルブ１０を全閉状態とし、アノードデッド運転における加圧過程でだけ排水バルブ１０を開いて排水を行うこととする。また、本実施形態の他の例では、図９第２段目に示したように、アノードデッド運転における減圧過程で排水バルブ１０を全閉状態とし、アノードデッド運転における加圧過程及び圧力維持過程でだけ排水バルブ１０を開く。

一方、水セパレータタンク７１より排水するとしても、排水バルブ１０を開いているときの排水の流量が多すぎて水セパレータタンク７１から凝縮水が全く無くなってしまったのでは、凝縮水によりアノードガス排気マニホールド出口６２ａのアノードガスの加湿を行うことができない。この逆に排水バルブ１０を開いているときの排水の流量が少なすぎると、水セパレータタンク７１より凝縮水が溢れ、溢れた凝縮水がアノードガス排気マニホールド６２に侵入してしまうことにもなり得る。そこで、アノードデッドエンド運転中の排水の流量が最適となるように、本実施形態の一例では加圧過程での排水バルブ１０の開度（図８第２段目の所定開度）を、また本実施形態の他の例では加圧過程及び圧力維持過程での排水バルブ１０の開度（図９第２段目の所定開度）を適合により設定する。

このように、本実施形態は、アノードガス排気マニホールドの一端であるアノードガス排気マニホールド出口５２ａとは反対側のアノードガス排気マニホールドの他端５２ｂに窒素パージバルブ１１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７１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、減圧過程で水セパレータタンク７１よりアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れを生じさせると共に、窒素パージバルブ１１を開いてこのガス流れをさらに助長し、このようにして生じさせたガス流れにより水セパレータタンク７１内での凝縮水の蒸発・拡散を促して水セパレータタンク７１内の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へと送り込み、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（特開２００８−９７８９１号公報参照）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１０のフローチャートに基づいて詳述する。図１０は、水素調圧バルブ５、窒素パージバルブ１１及び排水バルブ１０の３つのバルブ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１０は図８に対応する制御を示している。

図１０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７→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８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、アノードガス排気マニホールド６２の圧力を採用すればよい。本実施形態では、アノードガス排気マニホールド６２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、４、５に進む。ステップ３では、水素調圧バルブ５を所定開度に設定する。ステップ４、５では、窒素パージバルブ１１を全閉状態とし、排水バルブ１０を所定開度に設定する。所定開度はアノードデッドエンド運転中に適量の凝縮水が水セパレータタンク７１内に維持されるように、つまり水セパレータタンク７１内の凝縮水の液面レベル７７が高過ぎもせず低過ぎもしない所定の位置に保たれるように適合により設定しておく。

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６に進み、水素調圧バルブ５を全閉状態とする。

ステップ７、８では、窒素パージバルブ１１を所定開度に設定し、排水バルブ１０を全閉状態とする。所定開度は、窒素パージの流量が多すぎて系外に排出されるアノードガスの量が増加しセルスタック２の発電効率が低下することがないように、かつ窒素パージの流量が少なすぎてアノードガス流路４６の窒素濃度が増大し、これによってセルスタック２の発電性能が低下することがないように、適合により設定しておく。

ステップ６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９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８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６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６、７、８の操作を実行する。ステップ６の操作の繰り返しによりやがてステップ９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１０に進み、水素調圧バルブ５を所定開度に戻す。ステップ１１、１２では、窒素パージバルブ１１を全閉状態に戻し、排水バルブ１０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。減圧過程では、水セパレータタンク７１よりアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが生じるが、減圧過程でのみ開かれる窒素パージバルブ１１により、このガス流れが助長され、かつ窒素パージが行われる。さらに、排水バルブ１０は減圧過程で全閉状態とされ、加圧過程でのみ開かれることで、減圧過程で生じる水セパレータタンク７１よりアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れを阻害することなく水セパレータタンク７１からの排水が行われる。

図１０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と共に、この水素調圧バルブ５の切換に対応させて窒素パージバルブ及び排水バルブを開閉す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（あるいは一定の周期で）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、これに合わせて窒素パージバルブ１１及び排水バルブ１０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、セルスタック２の積層方向に貫通し、アノードから排出されるアノードガスを集合させるアノードガス排気マニホールド６２と、アノードガス排気マニホールド出口６２ａ（アノードガス排気マニホールドの一端）に接続され、アノードガス排気マニホールド６２より排出されるガスに含ま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７１（水貯留手段）と、アノードガス排気マニホールドの他端６２ｂに接続され、窒素（不純物ガス）を排出する窒素パージバルブ１１（ガス排出バルブ）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１０のステップ１〜３、６〜８、１１、１２参照）。従って、窒素パージバルブ１１を開いてアノードガス排気マニホールドの他端６２ｂより窒素を排出するときに、水セパレータタンク７１よりアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが発生することから、水セパレータタンク７１の内部での凝縮水の蒸発・拡散が促進され、水セパレータタンク７１よりアノードガス排気マニホールド６２へと流れるガスが加湿される。特にアノードガス流路４６の出口側の電解質膜が乾燥しがちになる低負荷時に、このガスの加湿によりアノードガス流路４６の出口側の電解質膜が湿潤状態になり、セルスタック２の発電性能を向上することができる。

アノードデッドエンド運転における減圧過程では、水セパレータタンク７１からアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが生じるため、水セパレータタンク７１内部での凝縮水の蒸発・拡散が促進されるのであるが、本実施形態によれば、アノードデッドエンド運転における減圧過程（の全部）で窒素パージバルブ１１を開くので、水セパレータタンク７１からアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが助長される。これによって、水セパレータタンク７１内部での凝縮水の蒸発・拡散がさらに促進される。すなわち、水セパレータタンク７１からアノードガス排気マニホールド６２へと流れるガス流量が増え、アノードガス流路４６の出口側の加湿量を増加させることができる。

排水バルブ１０を開いて水セパレータタンク７１内の凝縮水を系外へ排出すると、水セパレータタンク７１内の気相部分の容積が増加する。この気相部分の容積増加分を埋めるためにアノードガス排気マニホールド６２から水セパレータタンク７１へのガス流れが生じる。このガス流れは、水セパレータタンク７１内部での凝縮水の蒸発・拡散を抑える方向に働いてしまう。これに対して、本実施形態によれば、アノードデッドエンド運転における減圧過程（の全部）で窒素パージバルブ１１を開くときにこの排水バルブ１０を全閉状態とし、アノードデッドエンド運転における加圧過程で窒素パージバルブ１１を全閉状態とするときにこの排水バルブ１０を開くので、アノードデッドエンド運転における減圧過程での水セパレータタンク７１からアノードガス排気マニホールド６２ヘのガス流れを妨げることがなくなり、アノードガス流路４６の出口側の加湿効果を最大限に活かしつつ、水セパレータタンク７１内部の凝縮水の排出を行うことができる。

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。

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１１は本発明の第２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７と置き換わるものである。図１１において図７と同一部分には同一番号を付している。第２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１１で上方が鉛直上方、下方が鉛直下方である。図１１において、左側にはアノードガスの供給マニホールド６１とカソードガスの排気マニホールド６３とがセルスタック２の積層方向（図で斜め方向）に貫通して直管状にかつ上下に並んで、右側にはカソードガスの供給マニホールド６４とアノードガスの排気マニホールド６２とがセルスタック２の積層方向（図で斜め方向）に貫通して直管状にかつ上下に並んで形成されている。このため、図面左上にあるアノードガス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アノードガス供給マニホールド６１を左下方に向けて流れる。アノードガス供給マニホールド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、直管状のアノードガス排気マニホールド６２で集合された後、右下に位置するアノードガス排気マニホールド６２の一端（手前端）であるアノードガス排気マニホールド出口６２ａに向けて流れる。

アノードガス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８１（水貯溜手段）が設けられている。水セパレータタンク８１は全体が箱状に形成され、この箱状の水セパレータタンク８１の裏面８１ｂにアノードガス排気マニホールド出口６２ａが開口している。水セパレータタンク８１の底面８１ａ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。

また、アノードガス排気マニホールド６２の他端６２ｂ（右上方）には、配管９を接続し、この配管９に窒素パージバルブ１１を設けている。このようにすれば、窒素パージバルブ１１を開いてアノードガス排気マニホールド６２から窒素を含んだ所定量のガスを系外に排出することで、水セパレータタンク７１からセルスタック２内部へのガス流れ（図１１の破線矢印参照）を生じさせることが可能となり、水セパレータタンク８１内での凝縮水の蒸発・拡散を促進することができる。

第２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、窒素パージバルブ１１を開いてアノードガス排気マニホールドの他端６２ｂより窒素を排出するときに、水セパレータタンク８１よりアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが発生することから、水セパレータタンク８１の内部での凝縮水の蒸発・拡散が促進され、水セパレータタンク８１よりアノードガス排気マニホールド６２へと流れるガスが加湿される。特にアノードガス流路の出口側の電解質膜が乾燥しがちになる低負荷時に、このガスの加湿によりアノードガス流路の出口側の電解質膜が湿潤状態になり、セルスタック２の発電性能を向上することができる。

なお、アノードデッドエンド運転における減圧過程では、水セパレータタンク８１からアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが生じるため、水セパレータタンク８１内部での凝縮水の蒸発・拡散が促進されるのであるが、第２実施形態によっても、アノードデッドエンド運転における減圧過程（の全部）で窒素パージバルブ１１を開くので、水セパレータタンク８１からアノードガス排気マニホールド６２へのガス流れが助長される。これによって、水セパレータタンク８１内部での凝縮水の蒸発・拡散がさらに促進される。すなわち、水セパレータタンク８１からアノードガス排気マニホールド６２へと流れるガス流量が増え、アノードガス流路４６の出口側の加湿量を増加させることができる。

実施形態では、アノードデッドエンド運転における減圧過程（アノードガス流路の圧力が減圧される過程）の全部で窒素パージバルブ１１（ガス排出バルブ）を開き、アノードデッドエンド運転における加圧過程（アノードガス流路の圧力が加圧される過程）で窒素パージバルブ１１を全閉状態とする場合で説明したが、アノードデッドエンド運転における減圧過程の一部または全部で窒素パージバルブ１１の開度を、アノードデッドエンド運転における加圧過程での窒素パージバルブ１１の開度より大きくするようにしてもかまわない。

この場合、アノードデッドエンド運転における減圧過程の一部または全部での窒素パージバルブ１１の開度に最大の開度（全開状態の開度）を含み、アノードデッドエンド運転における加圧過程での窒素パージバルブ１１の開度に最小の開度（全閉状態の開度）を含むものである。

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、窒素パージバルブ及び排水バルブの制御を説明するためのフローチャート。第２実施形態のセルスタック及び水セパレータタンクの概略構成図。

符号の説明

１燃料電池システム
２セルスタック
１０排水バルブ
１１窒素パージバルブ（ガス排出バルブ）
４６アノードガス流路
５１制御回路
６２アノードガス排気マニホールド
６２ａアノードガス排気マニホールドの一端
６２ｂアノードガス排気マニホールドの他端
７１水セパレータタンク（水貯留手段）
８１水セパレータタンク（水貯留手段）

Claims

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、
前記セルスタックの積層方向に貫通しているアノードガス排気マニホールドであって、かつ前記アノードから排出されるアノードガスを集合させるアノードガス排気マニホールドと、
前記アノードガス排気マニホールドの貫通している一端に接続され、前記アノードガス排気マニホールドより排出される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、
前記アノードガス排気マニホールドの貫通している他端に接続され、不純物ガスを排出するガス排出バルブと
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。
前記アノードガス流路の圧力が減圧される過程の一部または全部で前記ガス排出バルブの開度を、前記アノードガス流路の圧力が加圧される過程での前記排出バルブの開度より大きく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。
前記アノードガス流路の圧力が減圧される過程の全部で前記ガス排出バルブを開き、前記アノードガス流路の圧力が加圧される過程で前記ガス排出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。
前記水貯留手段の水を排出する排水バルブを前記水貯留手段に備え、
前記ガス排出バルブを開くときにこの排水バルブを全閉状態とし、前記ガス排出バルブを全閉状態とするときにこの排水バルブを開くことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。