JP5481983B2

JP5481983B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5481983B2
Application number: JP2009168838A
Authority: JP
Inventors: 雅士佐藤; 謙中山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: JP2011023279A

Description

この発明は燃料電池システムに関する。

アノードからの燃料ガスと共に不純物（生成水や窒素等）をセルスタックの外部へ排出するための排出管に水溜まり部を形成すると共に、その下流に排水バルブを設ける一方で、セルスタックへの燃料ガス供給管に供給バルブを設け、供給バルブと排水バルブとを閉じた状態にして発電を行わせ、この発電によってセルスタック内部のアノードガス流路及び水溜まり部が減圧状態になった後に供給バルブを開いて、減圧状態にあるセルスタック内部のアノードガス流路及び水溜まり部に燃料ガスを噴射供給し、この噴射供給される燃料ガスによってセルスタック内部のアノードガス流路上にある液水を水溜まり部へと排出するものがある（特許文献１参照）。

特開平１１−２７０３９０号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、供給バルブと排水バルブとを閉じた状態にして発電を行わせると、セルスタック内部のアノードガス流路の燃料ガスが消費されセルスタック内部のアノードガス流路が減圧される。すると、セルスタック外部の下流に存在する燃料ガスがセルスタック内部のアノードガス流路に向けて流れ、このときの燃料ガスの流れでセルスタック外部に排出されていた液水（特に水溜まり部の液水）がセルスタック内部のアノードガス流路へと逆流してしまう恐れがある。

そこで本発明は、供給バルブと排水バルブとを閉じた状態にして発電を行わせ、セルスタック内部のアノードガス流路を減圧する場合にも、セルスタック外部に排出されていた液水（特に水溜まり部の液水）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を抑制し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で挟んで構成される単位燃料電池を複数積層したセルスタックと、このセルスタックへの燃料ガス供給管を開閉する供給バルブとを備え、前記供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧する過程と、前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧する過程とを繰り返すことにより、前記アノードに燃料ガスを供給する運転を行う燃料電池システムを前提としている。この場合に、前記アノードからの燃料ガスと共に不純物をセルスタックの外部へ排出するための排出管と、この排出管内に溜まる液水を排出する排水バルブとを備えると共に、前記供給バルブ下流の燃料ガス供給管に第一容積部を、前記排水バルブ上流の排出管に第二容積部を設け、第一容積部の容積を第二容積部の容積より大きくし、かつ前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧するときに、前記燃料ガス供給管の側から前記セルスタック内部のアノードガス流路に向けて、前記第一容積部の内部に貯溜されている燃料ガスを供給する。

本発明によれば、セルスタック外部へ排出された燃料ガスがセルスタック内部のアノードガス流路に逆流してくる減圧時に、燃料ガス供給管の側からセルスタック内部のアノードガス流路に向けて燃料ガスが供給がされるため、セルスタック内部のアノードガス流路の上流部で燃料ガスの流れが順方向となる。これによって、減圧時に下流からセルスタック内部のアノードガス流路に逆流してくる燃料ガスの逆流が弱められ、下流からのセルスタック内部のアノードガス流路への液水の逆流を抑制できる。

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である。セルスタックの概略構成図である。ＭＥＡと、このＭＥＡに対向するアノード側セパレータとの各平面図である。従来装置のアノードデッドエンド運転における減圧時のアノードガス流れのイメージ図である。アノードデッドエンド運転時のアノードガス流路圧力のタイミングチャートである。アノードデッドエンド運転における減圧時のセルスタック内部のアノードガス流路上の液滴の挙動を説明するための特性図である。本実施形態のアノードデッドエンド運転における減圧時のアノードガス流れのイメージ図である。アノードデッドエンド運転により一定電流で発電している状態で第一バッファ容積と第二バッファ容積とを等しくしたとしたときの順流の燃料質量流量と逆流の燃料質量流量の変化を示すタイミングチャートである。第２実施形態の容積可変機構を有する第二バッファの概略構成図である。第３実施形態の容積可変機構を有する第二バッファの概略構成図である。第４実施形態の容積可変機構を有する第二バッファの概略構成図である。第５実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。第５実施形態において容積可変機構がピストンタイプの容積可変機構である場合の第二バッファの概略構成図である。第５実施形態において容積可変機構が仕切り板タイプの容積可変機構である場合の第二バッファの概略構成図である。図１４の第二バッファの平面図である。第６実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一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１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のカソードには、コンプレッサ３から供給管４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５を介して大気中に放出される。排出管５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６が配置されている。

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１１から燃料ガス供給管１２を介して水素（燃料ガス）が供給される。水素タンク１１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１２には、燃料ガスの上限圧を制御する調圧バルブ（レギュレータ）１３と、燃料ガス供給管４を開閉することによって燃料ガスの供給とその供給の遮断とを行うバルブ（このバルブを以下「供給バルブ」という。）１４とが配置されている。

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１６がアノードガス排気マニホールド４４の一端（前端）に接続され、この排出管１６に所定の容積を有するバッファ１７（第二容積部）が設けられている。電気化学反応（発電）により生成される水蒸気がこのバッファ１７に排出され、バッファ１７内で凝縮する水はバッファ１７内の下部に溜められる。この溜められた水を排出するための配管１８がバッファ１７の下部に設けられ、この配管１８に常閉の排水バルブ１９が設けられている。

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。冷却水の循環経路は周知の構成でよいため、図示しない。

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）３１を複数枚積層したものから構成されている。単セル３１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。ＭＥＡ３２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。ＭＥＡ３２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３３とアノード側セパレータ３４とが配置されている。カソード側セパレータ３３がＭＥＡ３２と対向する面には空気（酸化剤ガス）の流路３５が形成され、反対面には冷却水流路３７を有している。アノード側セパレータ３４がＭＥＡ３２と対向する面には水素（燃料ガス）の流路３６が形成され、反対面には冷却水流路３７を有している。

このように形成された単セル３１を複数枚重ねたうえで、各単セル３１に空気、水素、冷却水を分配するマニホールドを両端に備えている。すなわち、図１に示したように、空気供給用の供給マニホールド４１及び排気マニホールド４２、燃料ガス供給用の供給マニホールド４３及び排気マニホールド４４、冷却水供給用の供給マニホールド４５及び排気マニホールド４６を備えている。これらのマニホールド４１〜４６によりセルスタック２の外部から供給される空気、燃料ガス、冷却水を各単セル３１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３５と水素の流路３６とを対向流としている。

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。

図３は図２のセルスタック２よりＭＥＡ３２と、このＭＥＡ３２に対向するアノード側セパレータ３４と取り出し、ＭＥＡ３２の平面図と、ＭＥＡ３２に対向するアノード側セパレータ３４の平面図とを上下に並べて示したものである。つまり、図３（ａ）がＭＥＡ３２の平面図、図３（ｂ）がアノード側セパレータ３４の平面図である。

図３（ａ）に示したように、反応ガスの加湿手段として、ＭＥＡ３２の中央部にアノード反応面（アクティブエリア）４１を設けると共に、アノード反応面４１の左右方向外側に触媒層を持たない電解質層のみからなる部位を加湿エリア４２として設け、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が極めて低下するため、このようにアノード反応面４１の外側に加湿エリア４２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。

そこで本実施形態では、供給バルブ１４を開きセルスタック２内部のアノードガス流路３６を昇圧する過程と、供給バルブ１４を閉じセルスタック２内部のアノードガス流路３６を減圧する過程とを繰り返すことにより、アノードに供給する燃料ガスをセルスタック２及びバッファ１７の外部に排出しないアノードデッドエンド運転を行う。

このアノードデッドエンド運転について、次に説明する。図１において、調圧バルブ１３で上限圧を決めた状態から供給バルブ１４を開きセルスタック２内部のアノードに燃料ガスを供給すると共に、コンプレッサ３を起動しセルスタック２内部のカソードに空気を圧送（供給）してＭＥＡ３２で発電を開始する。ＭＥＡ３２が発電を開始すると、発電に伴いカソードに水が生成される。その生成水はカソードからアノードに向けて移動しアノードにも到達する。アノード反応面４１を通過してきた水（汽水・液水）はいずれアノード中のガス拡散層（gas diffusion layer）も透過し、アノードガス流路３６上に出てくる。このまま発電を続けていると、アノードガス流路３６の圧力は調圧バルブ１３により決められている上限圧に張り付いたままとなり、供給バルブ１４から供給される燃料ガスは発電で消費される質量流量のみとなる。

その質量流量だけ流してセルスタック２を運転する場合、アノードガス流路３６上にある水をバッファ１７まで排水するだけの動圧が得られず、いずれはアノードガス流路３６上の水が燃料ガスの拡散を阻害して燃料ガスの供給不足からの電圧低下を引き起こし、やがてＭＥＡ３２が発電不能となってしまうことが発明者の実験から判明している。

この問題を回避するために発電中に供給バルブ１４を一時的に閉じると、タンク１１からセルスタック２への燃料ガスの供給は行なわれずに、供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路に残留する燃料ガスを用いて発電が継続される。
この場合に、最大の容積を有するのは、排出管１６に設けられているバッファ１７であり、このバッファ１７からセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて燃料ガスが主に流れる。そして、アノードガス流路３６の容積やバッファ１７中に残留する燃料ガスを発電で消費するためにセルスタック２内部のアノードガス流路３６及びバッファ１７内の圧力が低下してくる。

圧力が低下したら再び供給バルブ１４を開く。すると、タンク１１からの燃料ガスがセルスタック２内部のアノード流路３６に向けて流れ、セルスタック２内部のアノードガス流路３６が昇圧する。そのとき発生する動圧でセルスタック２内部のアノードガス流路３６上の水がアノードガス流路３６の下流側およびバッファ１７まで移動し、これによって発電がある程度継続できるようになる。つまり、セルスタック２内部のアノードガス流路３６を昇圧する過程と減圧する過程とを一定周期で繰り返す。このように、セルスタック２内部のアノードガス流路３６を昇圧する過程と減圧する過程とを繰り返すことにより、アノードに燃料ガスを供給する運転が、従ってアノードに供給する燃料ガスをセルスタック２及び第二バッファ１７の外部に排出しない運転がアノードデッドエンド運転といわれるものである。

アノードデッドエンド運転では、燃料ガスの流れる方向が切換えられるので、セルスタック２内部のアノードガス流路３６の昇圧時に供給バルブ１４からアノードに向けて流れる方向を順方向とし、順方向に流れるガス流れを「順流」で定義する。また、セルスタック２内部のアノードガス流路３６の減圧時に第二バッファ１７からセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて流れる方向を逆方向とし、逆方向に流れるガス流れを「逆流」で定義する。

コントローラ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。コントローラ５１では、コンプレッサ３を駆動し、調圧バルブ６、調圧バルブ１３、供給バルブ１４を制御してセルスタック２内部のＭＥＡ３２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及びバッファ１７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、ここで問題となってくるのが、供給バルブ１４を閉じセルスタック２内部のアノードガス流路３６を減圧するときのアノードガス流路３６上の水の挙動である。従来装置（特開２００７−１４９６３０号公報）のようにセルスタック２外部の排出管１６にのみセルスタック２内部のアノードガス流路３６の容積と同等の容積を有するバッファ１７を設置し、供給バルブ１４及び排水バルブ１９を閉じた状態で発電するとき、図４に示したようにバッファ１７内に貯留されている燃料ガスがセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて逆流する。図４はアノードデッドエンド運転における減圧時にアノードガス流れがどうなるかをイメージとして示したもので、アノードデッドエンド運転における減圧時にセルスタック２内部のアノードガス流路３６を燃料ガスが逆流する様子を示している。

アノードデッドエンド運転のため図５のようにアノードガス流路圧力を昇圧から減圧へと変化させたとき、アノードガス流路３６上の液状の水（この液状の水を以下「液水」という。）の挙動がどうなるかを示した実験結果が図６である。図５において昇圧を開始するｔ１のタイミングでは、図６においてＡの位置にあったアノードガス流路３６上の液滴（液水）が、図５において昇圧の終了するｔ２のタイミングになると、動圧によって図６においてＢの位置まで移動する。しかしながら、図５において減圧の終了するｔ３のタイミングでは減圧中の燃料ガスの逆流によって、図６においてＣの位置まで液滴が戻っている。このように、アノードデッドエンド運転における昇圧時にはアノード流路３６の下流側に移動していた液水が、次のアノードデッドエンド運転における減圧時の燃料ガスの逆流により再びアノードガス流路３６に戻ってくる様子が発明者の実験から明らかになったのである。

そこで本実施形態では、図１に示したように、供給バルブ１４と、燃料ガス供給用の供給マニホールド４３との間の燃料ガス供給管１２にバッファ１５（燃料ガス供給手段、第一容積部）を設置する。燃料ガス供給管１２に設置されるこのバッファ１５も、排出管１６に設置されるバッファ１７と同様に所定の容積を有するものである。アノードデッド運転における昇圧時には、タンク１１からの燃料ガスがこのバッファ１５内の所定の容積に貯留される。次のアノードデッド運転における減圧時、つまり供給バルブ１４を全閉として発電を継続するときに、燃料ガスが消費されてセルスタック内部のアノードガス流路３６の圧力が低下すると、このバッファ１５内に貯留されている燃料ガスが、圧力の低いほう、つまりセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて流れる。

本実施形態では、セルスタック２の外部に２つのバッファ１５、１７を設置するので、両者を区別するため、以下では燃料ガス供給管１２に設置されるバッファ１５を「第一バッファ」、排出管１６に設置されるバッファ１７を「第二バッファ」といって区別する。

このように本実施形態では、第一バッファ１５を供給バルブ１４下流の燃料ガス供給管１２に備えるので、アノードデッドエンド運転における減圧時に、第一バッファ１５よりセルスタック２内部のアノードガス流路３６に対して順方向に燃料ガスを供給できる。このため、同じ負荷であれば、第一バッファ１５を設置していない場合よりも、順方向の燃料質量流量（単位時間当たりの燃料量）が増えた分、第二バッファ１７よりアノードガス流路３６に向かう逆方向の燃料質量流量を減らすことができる。これより、第二バッファ１７内の燃料ガスの逆流により生じる上流に向かう動圧を低減でき、その分、第二バッファ１７からセルスタック２内部のアノードガス流路３６に戻ってこようとする液水量を低減できる。その結果、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７への排水性が向上する。

図７は、アノードデッドエンド運転における減圧時に、第一バッファ１５の容積Ｖ１と第二バッファ１７の容積Ｖ２の比率を変えた場合のアノードガス流路３６へのガス流れの様子を示す。図７に示したように、第一バッファ容積Ｖ１を第二バッファ容積Ｖ２で割った比率であるＶ１／Ｖ２を大きくしていくほど、アノードデッドエンド運転における減圧時のアノードガス流路３６におけるガス流れが順流に近づいていくことがわかる。

図８は、アノードデッドエンド運転により一定電流で発電している状態で、第一バッファ容積Ｖ１と第二バッファ容積Ｖ２とを等しくした（つまりＶ１＝Ｖ２よりＶ１／Ｖ２＝１．０）としたときに順流の燃料質量流量と逆流の燃料質量流量の各様子を示す。図８に示したように、本発明によれば、アノードデッドエンド運転における減圧時に順流の燃料質量流量が増えるために、逆流の燃料質量流量が従来装置の半分に減っている。

図７、図８の特性から、Ｖ１／Ｖ２の比率を上げるほどアノードデッドエンド運転における減圧時に逆流の燃料質量流量は少なくなり、Ｖ１／Ｖ２の比率が１以上になると（第一バッファ容積Ｖ１≧第二バッファ容積Ｖ２）、逆流の燃料質量流量がアノードガス流路３６の中間部より下流側までの到達となるため、第二バッファ１７内の液水や排出管１６上の液水がセルスタック２内部へと逆流しても、セルスタック２内部のアノードガス流路３６の下流域で止まるため、その直後のアノードデッドエンド運転における昇圧時に第二バッファ１７まで移動しなければならない距離が短くなり、その直後のアノードデッドエンド運転における昇圧時に、セルスタック２内部のアノードガス流路３上の液水をセルスタック２外部に排水できるようになる。

供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路のうち最大の容積をもつものは、第一バッファ１５と第二バッファ１７であるが、厳密に考えると、供給バルブ１４から排水バルブ１９までの燃料ガス流路の全ての容積が、アノードデッドエンド運転における減圧時のアノードガス流路３６中の液水の挙動に影響する。そこで、セルスタック２内部において、図３（ｂ）に示したように左右方向に複数設けられる各アノードガス流路３６を、ＭＥＡ３２のアノード反応面４１がアノードガス流路３６に接している部分のアノードガス流路３６Ａと、ＭＥＡ３２のアノード反応面４１がアノードガス流路３６と接しない部分のうち上流側のアノードガス流路３６Ｂと、ＭＥＡ３２のアノード反応面４１がアノードガス流路３６と接しない部分のうち下流側のアノードガス流路３６Ｃとの３つに分ける。

そして、供給バルブ１４から上流側のアノードガス流路３６Ｂまでを流れるアノードガスの流路の全てを「アノード外部上流」で定義する。このため、「アノード外部上流」には燃料ガス供給用の供給マニホールド４３、この供給マニホールド４３入口より供給バルブ１４までの燃料ガス供給管１２及び第一バッファ１５が含まれる。

また、下流側のアノードガス流路３６Ｃから排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の全てを「アノード外部下流」で定義する。このため、「アノード外部下流」には排気マニホールド４４、この排気マニホールド４４出口より排水バルブ１９までの排出管１６、第二バッファ１７及び第二バッファ１７から排水バルブ１９までの配管１８が含まれる。

このように「アノード外部上流」、「アノード外部下流」を定義したとき、第一バッファ容積Ｖ１に代えて「アノード外部上流」の容積を、第二バッファ容積Ｖ２に代えて「アノード外部下流」の容積を用いることができる。すなわち、アノードデッドエンド運転における減圧時にアノード外部上流の容積をアノード外部下流の容積よりも大きくすることで、排出管１６上の液水や第二バッファ１７内の液水がセルスタック２内部のアノードガス流路３６へと戻る（逆流する）ことを抑制することができる。

なお、後述するように、アノード反応面４１がアノードガス流路３６に接している部分のアノードガス流路３６Ａの全ての容積を「アノード容積」で定義する。

上記の第二バッファ１７には容積可変機構を有している。すなわち、図１においてアノードデッドエンド運転により排水バルブ１９を開けずに発電を続けると、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排気マニホールド４４を経て排出管１６へと排水され第二バッファ１７内に貯留される液水が増えていき、第二バッファ１７内の気相部分の容積が縮小していく。アノードデッドエンド運転における減圧時に第二バッファ１７内の気相部分の容積が縮小するほど、上述した第一バッファ容積Ｖ１／第二バッファ容積Ｖ２の比率が大きくなり、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７への排水性を向上させることができる。

このように本実施形態の第二バッファ１７は、内部に貯留される液水の量に応じて第二バッファ１７内の気相部分の容積が可変となる容積可変機構を有している。

また、本実施形態によれば、第二バッファ１７（アノード外部下流）に溜まった液水を排出する排水バルブ１９を備えるので、排水バルブ１９を開閉することにより、第二バッファ１７内に貯留される液水量（アノード外部下流の容積の液水量）を任意に調整することができ、第二バッファ１７内に貯留される液水量によって第二バッファ１７内の気相部分の容積（アノード外部下流の気相容積）を調整できる。これによって、アノード外部下流の形状を変えずにセルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７への排水性を向上することができる。

図９、図１０、図１１は第２、第３、第４の実施形態の容積を任意に調整し得る容積可変機構を有する第二バッファ１７’の概略構成図である。なお、図１との関係では、図９、図１０、図１１に示される容積可変機構を有する第二バッファ１７’が図１の第二バッファ１７と置き換わることとなる。

第１実施形態の第二バッファ１７は容積可変機構を有するといっても、第二バッファ１７の内部に貯留される液水の量は運転時間に応じて増えるだけであるので、任意に（例えばアノードデッドエンド運転における減圧時にだけ）第二バッファ１７の内部に貯留される液水の量を増やすようなことはできない。

そこで第２、第３、第４の実施形態は、内部の容積（特に気相部分の容積）を任意に調整し得る容積可変機構を有する第二バッファ１７’を備えさせ、アノードデッドエンド運転における昇圧時に第二バッファ１７’の容積を相対的に拡大しておき、アノードデッドエンド運転における減圧時になると、第二バッファ１７’の容積を相対的に縮小させることによって、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６への排水性を向上させるようにしたものである。

第２実施形態では、図９に示したように、シリンダ６２と、シリンダ６２を上下方向に摺動可能なピストン６３と、ピストン６３を駆動するアクチュエータ６４とからなるピストンタイプの容積可変機構６１を有する第二バッファ１７’を備えている。ピストンタイプの容積可変機構６１を有する第二バッファ１７’によれば、アクチュエータ６４を駆動してピストン６３の位置を下方に移動することで、シリンダ６２の内壁とピストン６３の外壁とで区画される空間６５の容積が拡大する。一方、アクチュエータ６４を駆動してピストン６３の位置を上方に移動することにより、シリンダ６２の内壁とピストン６３の外壁とで区画される空間６５の容積が縮小する。

この場合、排出管１６は空間６５に開口し、配管１８も空間６５に開口しておく。

従って、第２実施形態では、アノードデッド運転における昇圧時にアクチュエータ６４によりピストン６３の位置を下方に移動して、シリンダ６２の内壁とピストン６３の外壁とで区画される空間６５の容積を相対的に拡大しておき、アノードデッドエンド運転における減圧時になると、アクチュエータ６４によりピストン６３の位置を上方に移動して、シリンダ６２の内壁とピストン６３の外壁とで区画される空間６５の容積を相対的に縮小することで、第一バッファ容積Ｖ１／第二バッファ容積Ｖ２の比率が大きくなり、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させることができる。

第３実施形態では、図１０に示したように、断面が楕円状の有底蓋付き筒状タンク７２と、筒状タンク７２の内壁を摺動しつつ筒状タンク７２を左右の２つの室７５、７６に仕切る仕切り板７３と、仕切り板７３を回転駆動するアクチュエータ７４とからなる仕切り板タイプの容積可変機構７１を有する第二バッファ１７’を備えている。この仕切り板タイプの容積可変機構７１を有する第二バッファ１７’によれば、アクチュエータ７４を駆動して仕切り板７３を回動させることにより、筒状タンク７２の内壁と仕切り板７３とで区画される左右の室７５、７６の容積を任意に調整することができる。

この場合、仕切り板７３が図示のように時計方向に回転するとき、左室７５の容積が例えば縮小し、右室７６の容積が拡大するものとすると、排出管１６を左室７５に開口し、配管１８も左室７５に開口しておく。

従って、第３実施形態では、アノードデッド運転における昇圧時にアクチュエータ７４を駆動して仕切り板７３を反時計方向に回動させて、左室７５の容積を拡大しておき、アノードデッドエンド運転における減圧時になると、アクチュエータ７４を駆動して仕切り板７３を時計方向に回動させて、左室７５の容積を縮小することで、第一バッファ容積Ｖ１／第二バッファ容積Ｖ２の比率が大きくなり、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させることができる。

第４実施形態では、図１１に示したように、排出管１６を２つに分岐して各分岐管１６ａ、１６ｂにそれぞれ同じ容積を有するタンク８２、８３を接続し、各タンク８２、８３の上流側に常開の開閉バルブ８４、８５を設けたものから、容積可変機構８１を有する第二バッファ１７’を構成している。この容積可変機構８１を有する第二バッファ１７’によれば、２つの開閉バルブ８４、８５を開閉することで容積を任意に調整することができる。この場合、配管１８はタンク８２、８３の何れか、例えばタンク８３に開口しておく。

従って、第４実施形態では、アノードデッド運転における昇圧時に２つの開閉バルブ８４、８５を開いて、２つのタンク８２、８３の合計の容積が第二バッファ容積Ｖ２となるように、つまり第二バッファ容積Ｖ２を拡大しておき、アノードデッドエンド運転における減圧時になると、開閉バルブ８４、８５のうち少なくとも一方、例えば開閉バルブ８４を閉じて、第二バッファ容積Ｖ２を縮小することで、第一バッファ容積Ｖ１／第二バッファ容積Ｖ２の比率が大きくなり、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させることができる。ここで、タンクの個数は２つの場合に限定されるものでない。

第２〜第４の実施形態において、アノードデッド運転における昇圧時にあるのか、アノードデッドエンド運転における減圧時にあるのかは、供給バルブ１４に与えている信号から知り得る。すなわち、第２〜第４の実施形態のコントローラ５１では、アノードデッド運転を開始した後に、供給バルブ１４に対して開信号を与えているときにアノードデッド運転における昇圧時にあると、また閉信号を与えているときにアノードデッド運転における減圧時にあると判定し、その判定結果に応じ、第２実施形態の図９、第３実施形態の図１０ではアクチュエータ６４、７４を駆動し、第４実施形態の図１１では開閉バルブ８４、８５を開閉することとなる。

なお、アノードデッド運転における昇圧時にあるのか、アノードデッドエンド運転における減圧時にあるのかの判定方法はこれに限られるものでない。例えば、供給バルブ１４より排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路（例えば燃料ガス供給管１２）に圧力センサを設けておき、この圧力センサにより検出されるアノードガスの流路圧力に基づいて、アノードデッド運転における昇圧時にあるのか、アノードデッドエンド運転における減圧時にあるのかの判定を行わせることができる。

このように、第２〜第４の実施形態によれば、内部の容積（特に気相部分の容積）を任意に調整し得る容積可変機構６１、７１、８１を有する第二バッファ１７’を備えさせ、アノードデッドエンド運転における昇圧時に第二バッファ１７’の容積（アノード外部下流の容積）を相対的に拡大しておき、アノードデッドエンド運転における減圧時になると、第二バッファ１７’の容積（アノード外部下流の容積）を相対的に縮小するので、アノード外部下流の容積を縮小するタイミングを確実にアノードデッドエンド運転における減圧時に合わせることができる。この結果、内部に貯留される水の量に応じて第二バッファ１７内の気相部分の容積が可変となる容積可変機構１７を有している第二バッファ１７を備える場合よりも、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させることができる。

図１２は第５実施形態の燃料電池システム１の概略構成図である。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。ただし、第５実施形態の第二バッファとしては、第１実施形態の第二バッファ１７ではなく、第２〜第４の実施形態の第二バッファ１７’を備えるものとしている。

従って、第５実施形態でも、アノードデッドエンド運転における昇圧時に第二バッファ１７’の容積（アノード外部下流の容積）を相対的に拡大しておき、アノードデッドエンド運転における減圧時になると、第二バッファ１７’の容積（アノード外部下流の容積）を相対的に縮小することで、第２〜第４の実施形態と同様に、アノード外部下流の容積を縮小するタイミングを確実にアノードデッドエンド運転における減圧時に合わせることとして、排水性を向上させている。

さて、第１〜第４の実施形態では、アノードデッドエンド運転における減圧時にアノード外部下流の容積に対してアノード外部上流の容積を大きくすることによってセルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させたものであったが、第５実施形態は、アノードデッドエンド運転における昇圧時に、アノード外部上流の容積に対してアノード外部下流の容積を大きくすることによって、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させるものである。

この原理を説明する。調圧バルブ１３で上限圧を設定した状態で、減圧状態から供給バルブ１４を開き、燃料ガスを順方向に流してセルスタック２内部のアノードガス流路３６を上限圧まで昇圧させる場合において、供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の容積が、相対的に大きい場合と相対的に小さい場合との２つの場合を考え、両者で供給バルブ１４から順方向に流す燃料質量流量が等しいとする。このとき、供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の容積が相対的に大きい場合のほうが、供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の容積が相対的に小さい場合より、セルスタック２内部のアノードガス流路３６の圧力が上限圧に到達するまで時間が長くなる。このため、供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の容積が相対的に大きい場合のほうが、セルスタック２内部のアノードガス流路３６上の液水に対して長い時間、下流に向かう動圧をかけることができる。その結果として、供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の容積が相対的に大きい場合のほうが、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性が向上することとなる。

そこで第５実施形態では、アノード外部下流の圧力を低下し得る減圧手段を設け、この減圧手段を用いて、アノードデッドエンド運転における昇圧時（供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧するとき）にアノード外部下流の圧力をセルスタック２内部のアノードガス流路３６の圧力（アノードの圧力）より小さくする。具体的には、減圧手段を、容積可変機構を有する第二バッファ１７’内の気相部分（アノード外部下流）を大気に連通する配管９１と、この配管９１を開閉することによって減圧する状態と減圧しない状態とを切換える減圧バルブ９２とから構成し、アノードデッドエンド運転における昇圧時に減圧バルブ９２を開いて減圧する状態とする。また、排出管１６に圧力センサ９３を設けている。

コントローラ５１では、圧力センサ９３により検出される排出管１６の圧力に基づいて、アノードデッドエンド運転における昇圧時であるのかアノードデッドエンド運転における減圧時であるのかを判定し、アノードデッドエンド運転における減圧時であると判定されたときには減圧バルブ９２を全閉状態としておき、アノードデッドエンド運転における昇圧時であると判定されると、減圧バルブ９２を開き第二バッファ１７’内の気相部分を大気と連通する。これによって、仮想的にアノード外部下流の容積が限りなく大きくなる。つまり、減圧バルブ９２を開く場合のほうが、減圧バルブ９２を閉じている場合よりも供給バルブ１４から排水バルブ１９までを流れるアノードガスの流路の容積が拡大される。

このように、第５実施形態によれば、アノード外部下流の圧力を低下し得る減圧手段（９１、９２）を設け、この減圧手段（９１、９２）を用いて、アノードデッドエンド運転における昇圧時（供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧するとき）に、減圧バルブ９２を開いて第二バッファ１７’内の気相部分（アノード外部下流）を大気と連通することにより、第二バッファ１７’内の気相部分（アノード外部下流）の圧力をセルスタック２内部のアノードガス流路３６の圧力（アノードの圧力）より小さくするので、アノードデッドエンド運転における昇圧時にタンク１１から燃料ガスを順方向に減圧バルブ９２を閉じている場合よりも長い時間流すことができる。これによって、セルスタック２内部のアノードガス流路３６上の液水に対して長い時間、下流に向かう動圧をかけることができ、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性を向上させることができる。

また、第５実施形態では、仮にアノードデッドエンド運転における減圧時に下限圧を設定していたとすると、上限圧から下限圧に低下する時間（減圧速度）は、負荷電流が一定であれば減圧バルブ９２を閉じている場合に対して減圧バルブ９２を開けた場合のほうが短く（大きく）なるので、第二バッファ１７’からセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて燃料ガスが逆流する時間を短くでき、その分、液水のセルスタック２内部への戻り量（逆流量）も小さくなり、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性が向上する。

ただし、上記減圧バルブ９２としては、アノードデッドエンド運転における減圧時に、セルスタック２内部のアノードガス流路３６圧力の減圧速度より大きな減圧速度を確保できるバルブ径とすることが必要である。

次に、第５実施形態において、第二バッファ１７’がピストンタイプの容積可変機構６１を有する場合について、図１３を参照して説明する。図１３は図１２の第二バッファ１７’がピストンタイプの容積可変機構６１を有する第二バッファ１７’である場合の概略構成図である。図１３において第２実施形態の図９と同一部分には同一番号を付している。

図１３において、ピストンタイプの容積可変機構６１を有する第二バッファ１７’では、アノードデッドエンド運転における減圧時に減圧バルブ９２を閉じたまま、ピストンタイプの容積可変機構６１を用いて、シリンダ６２の内壁とピストン６３の外壁とで区画される空間６５の容積を縮小しようとすると、空間６５内のガスを断熱圧縮することとなり、空間６５内の圧力が上昇してしまう。従って、アノードデッドエンド運転における減圧時にセルスタック２内部へと戻る水の量を低減するため、空間６５の容積を縮小したくとも、容積縮小のために空間６５に対して断熱圧縮を行なってしまったのでは、第二バッファ１７’からセルスタック２内部のアノードガス流路３６へと逆流する燃料質量流量が増加してしまい、却って逆効果となる恐れがある。

そこで、第５実施形態において第二バッファ１７’がピストンタイプの容積可変機構６１を有する場合に、アノードデッドエンド運転における減圧時にシリンダ６２の内壁とピストン６３の外壁とで区画される空間６５の容積を縮小しようとするときに、減圧バルブ９２を開くようにする。これによって、アノードデッドエンド運転における減圧時に空間６５の容積を縮小しようとするときに、減圧バルブ９２を介して空間６５内のガスが大気へと開放されるため、空間６５内のガスが圧縮されずに、空間６５の容積を縮小することができる。

次に、第５実施形態において、第二バッファ１７’が仕切り板タイプの容積可変機構７１を有する場合について、図１４を参照して説明する。図１４は図１２の第二バッファ１７’が仕切り板タイプの容積可変機構７１を有する第二バッファ１７’である場合の概略構成図である。図１４において第３実施形態の図１０と同一部分には同一番号を付している。

図１４において、仕切り板タイプの容積可変機構７１を有する第二バッファ１７’では、仕切り板７３が回動するとき左室７５の容積と右室７６の容積とが等しくなるので、アノードデッドエンド運転における減圧時に左室７５の容積を縮小しようとするときに、左室７５内のガスを断熱圧縮することはないが、アノードデッドエンド運転における減圧時に減圧バルブ９２を閉じた状態で左室７５の容積を縮小すると、排出管１６に接続されていない右室７６内のガスはどこにも出て行く場所が無いため、右室７６内のガスの圧力は下がらない。

これについて更に詳述する。例えば、第二バッファ１７’の平面図を図１５に示すと、仕切り板７３がアノードデッドエンド運転における昇圧時の位置（実線参照）にあり、このアノードデッドエンド運転における昇圧時の位置にある仕切り板７３のすぐ右側に、排出管１６の開口端１６ａと、配管９１の開口端９１ａとがあるものとする。この場合に、アノードデッドエンド運転における減圧時に左室７５の容積を縮小するため、仕切り板７３を図で時計回り方向に回動して減圧時の位置（破線参照）に移し、左室７５の容積を縮小したとする。この状態では右室７６は排出管１６の開口端１６ａに接続されていないので、右室７６内のガスはどこにも出て行く場所が無いため、右室７６内のガスの圧力が下がらない。

次のアノードデッドエンド運転における昇圧時に、図１５において仕切り板７３をアノードデッドエンド運転における減圧時と逆の反時計方向に回動させて、アノードデッドエンド運転における昇圧時の位置（実線参照）に戻し左室７５の容積を拡大したとする。このとき、圧力が低下していない右室７６と、直前のアノードデッドエンド運転における減圧時において減圧されている排出管１６とが開口端１６ａを介して連通する。この結果、圧力が低下していない状態で右室７６内に残留するガスが排出管１６の開口端１６ａからセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて逆流することとなる。

そこで、第５実施形態において第二バッファ１７’が仕切り板タイプの容積可変機構７１を有する場合に、この場合にも、アノードデッドエンド運転における減圧時に左室７５の容積を縮小しようとするときに、減圧バルブ９２を開くようにする。これによって、アノードデッドエンド運転における減圧時に左室７５の容積を縮小しようとするときに、右室７６内のガスが開口端９１ａより減圧バルブ９２を介して大気へと開放されるため、右室７６内のガスの圧力が減圧バルブ９２を閉じている場合より低下する。このため、その直後のアノードデッドエンド運転における昇圧時に左室７５の容積を拡大しようとするときに、右室７６と排出管１６とが開口端１６ａを介して連通しても、右室７６の圧力が低下している分だけ、右室７６内のガスがセルスタック２内部のアノードガス流路３６に向けて逆流することを防止でき、セルスタック２内部のアノードガス流路３６から排出管１６や第二バッファ１７’への排水性が向上する。

図１６は第６実施形態の燃料電池システム１の概略構成図である。第５実施形態の図１２と同一部分には同一番号を付している。

従来装置（特開２００７−２４２２６５号公報）及び発明者の実験結果によると、燃料電池システム１の運転停止中に供給バルブ１４から排水バルブまでを流れるアノードガスの流路（第１実施形態の第一バッファ１５や第２〜第５の実施形態の容積可変機構を有する第二バッファ１７’を含む）が不活性ガスや空気で満たされている場合、次回の発電開始時に供給バルブ１４を開いてタンク１１から燃料ガスをセルスタック２に供給すると、トコロテン式に不活性ガスや空気が排出管１６や第二バッファ１７’に押し出され、アノード反応面４１が高濃度の燃料ガスで満たされることがわかった。従って、発電開始前には第二バッファ１７’の容積は大きければ大きいほうが望ましいこととなる。

そこで第６実施形態では、第５実施形態に対して、さらに第二バッファ１７’内の液水の水位を検出する水位センサ１０１を追加し、コントローラ５１でこの水位センサ１０１により検出される第二バッファ１７’内の液水の水位に基づいて排水バルブ１９の開閉を制御する。具体的には、第二バッファ１７’内の気相部分の容積が、第一バッファ１５の容積と、セルスタック２内部のアノードガス流路３６（燃料ガス供給用の供給マニホールド４３及び排気マニホールド４４を含む）の容積との和（アノード外部下流の気体容積がアノード外部上流の容積とアノード容積の和）となるまで、あるいは和以上となるまで、もしくは水位センサ１０１により検出される下限の水位となるまで、排水バルブ１９を開いて第二バッファ１７’内の液水を系外に排出し、第二バッファ１７’内の気相部分の容積を確保する。

このように、第６実施形態では、水位センサ１０１により検出される液水の水位に基づいて燃料電池システム１の運転停止時に排水バルブ１９を開き、アノード外部下流の気体容積がアノード外部上流の容積とアノード容積の和に等しくなるまでまたは水位センサ１０１により検出される下限の水位となるまで液水を排出するので、運転開始時の起動性を良くすることができる。

ここで、上記「アノード容積」とは、アノード反応面４１がアノードガス流路３６に接している部分のアノードガス流路３６Ａの全ての容積のことである。

第６実施形態では、水位センサを設けた場合で説明したが、第二バッファ１７’内の液水の量を検出する水量センサを設けてもかまわない。

１燃料電池システム
２セルスタック
１２燃料ガス供給管
１４供給バルブ
１５第一バッファ（燃料ガス供給手段、第一容積部）
１６排出管
１７第二バッファ（第二容積部）
１７’ 容積可変機構を有する第二バッファ
１８配管
１９排水バルブ
３６アノードガス流路
５１コントローラ
６１容積可変機構
７１容積可変機構
８１容積可変機構
９１配管
９２減圧バルブ
１０１水位センサ

Claims

電解質膜をアノードとカソードで挟んで構成される単位燃料電池を複数積層したセルスタックと、
このセルスタックへの燃料ガス供給管を開閉する供給バルブと
を備え、
前記供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧する過程と、前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧する過程とを繰り返すことにより、前記アノードに燃料ガスを供給する運転を行う燃料電池システムにおいて、
前記アノードからの燃料ガスと共に不純物をセルスタックの外部へ排出するための排出管と、
この排出管内に溜まる液水を排出する排水バルブと
を備えると共に、
前記供給バルブ下流の燃料ガス供給管に第一容積部を、前記排水バルブ上流の排出管に第二容積部を設け、第一容積部の容積を第二容積部の容積より大きくし、
かつ前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧するときに、前記燃料ガス供給管の側から前記セルスタック内部のアノードガス流路に向けて、前記第一容積部の内部に貯溜されている燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記セルスタック内部のアノードガス流路を、
アノード反応面がアノードガス流路に接している部分のアノードガス流路と、
アノード反応面がアノードガス流路と接しない部分のうち上流側のアノードガス流路と、
アノード反応面がアノードガス流路と接しない部分のうち下流側のアノードガス流路との３つに分け、
前記供給バルブから前記上流側のアノードガス流路までを流れるアノードガスの流路の全てをアノード外部上流とし、前記下流側のアノードガス流路から前記排水バルブまでを流れるアノードガスの流路の全てをアノード外部下流としたとき、アノード外部上流の容積をアノード外部下流の容積よりも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。
前記アノード外部下流に前記アノード外部下流の容積を任意に調整し得る容積可変機構を備え、
この容積可変機構を用いて、前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧するときに、前記アノード外部下流の容積を前記供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧するときよりも縮小することによって前記アノード外部上流の容積を前記アノード外部下流の容積よりも大きくする
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記第二容積部は、内部の容積を任意に調整し得る容積可変機構を有し、
この容積可変機構を有する第二容積部を用いて、前記供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧するときに前記アノード外部下流の容積を相対的に拡大し、前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧するときに前記アノード外部下流の容積を相対的に縮小することによって前記アノード外部上流の容積を前記アノード外部下流の容積よりも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。
前記アノード外部下流の圧力を低下し得る減圧手段を備え、
この減圧手段を用いて、前記供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧するときに前記アノード外部下流の圧力を前記アノードの圧力より小さくするかまたは前記供給バルブを閉じセルスタック内部のアノードガス流路を減圧するときにアノード外部下流の圧力の減圧速度をアノードの圧力の減圧速度より大きくすることを特徴とする請求項２から４までのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記減圧手段は、前記アノード外部下流を大気に連通する配管と、この配管を開閉することによって減圧する状態と減圧しない状態とを切換える減圧バルブとからなり、
前記供給バルブを開きセルスタック内部のアノードガス流路を昇圧するときに減圧バルブを開いて減圧する状態とすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
前記アノード外部下流に溜まった液水を排出する排水バルブを備えることを特徴とする請求項２から６までのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記アノード外部下流に溜まった液水を排出する排水バルブと、
前記アノード外部下流に溜まった液水の水量または水位を検出する水量・水位センサとを備え、
前記アノード反応面がアノードガス流路に接している部分のアノードガス流路の全ての容積をアノード容積としたとき、運転停止時に前記水量・水位センサにより検出される液水の水量または水位に基づいて前記排水バルブを開き、前記アノード外部下流の気体容積が前記アノード外部上流の容積と前記アノード容積の和に等しくなるまでまたは前記水量・水位センサにより検出される下限の水量または水位となるまで液水を排出することを特徴とする請求項２から６までのいずれか一つに記載の燃料電池システム。