JPWO2009037864A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

本発明の燃料電池システムは、燃料電池（１０１）と、燃料電池（１０１）の発電に用いられる発電用ガスが通流するガス経路と、燃料電池（１０１）を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、冷却水経路に設けられた冷却水を貯える冷却水タンク（１０６）と、水分透過膜（６１）を有し、冷却水経路を通流する冷却水とガス経路を通流する発電用ガスとの間で、水分透過膜（６１）を介して水分交換するように構成された加湿器と、ガス経路内部の圧力が低下した場合にガス経路の加湿器を含む特定区間に補圧ガスを供給する補圧ガス供給器（１１０）と、を備え、冷却水タンク（１０６）の水面が加湿器の水分透過膜（６１）の上端よりも上方に位置する。

Description

本発明は、燃料電池システムの構造に関する。
従来から、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池は、燃料ガス及び酸化ガスが有する化学エネルギーを、所定の電気化学反応により、電気エネルギーに直接変換する。そして、燃料電池で生成された電気エネルギーが、燃料電池システムから負荷に向けて供給される。
このような燃料電池システムに用いられる燃料電池として、固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子形燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、湿潤状態である必要があり、乾燥状態又は湿潤不足状態においては、プロトン伝導性が悪くなり、発電性能が低下する。このため、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方を、加湿器により加湿して供給する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、加湿器として、水透過膜により隔てられた経路に、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方と、燃料電池を冷却する冷却水を導くことで、燃料ガス、酸化剤ガスを加湿する加湿器が知られている（例えば、特許文献２参照）。
ところで、燃料電池システムでは、発電運転を停止する際、水素生成装置への天然ガス等の原料の供給が停止される。これにより、水素生成装置から燃料電池への燃料ガスの供給が停止するので、燃料電池における電気化学反応の進行が停止して、燃料電池システムから負荷への電力の供給が停止する。燃料電池システムの停止後は、発電時よりも燃料電池システムの内部温度が低下するため、燃料電池内部の原料ガスの体積の減少が生じて負圧となり、外部の酸素が流入することや、燃料電池の構成部品であるガスケット等の破壊につながる。このため、燃料電池の内部の圧力が負圧にならないように、補圧ガスとして適宜原料ガスを燃料電池の内部に注入する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−２９４２２３号公報 特開平７−２８８１３４号公報 特開２００６−０６６１０７号公報
しかしながら、特許文献３に開示されている燃料電池システムのように燃料電池システムの停止後に、燃料電池の内部が負圧になるのを防ぐために、燃料電池の内部に原料ガス等の補圧ガスを注入した際に、特許文献２に開示されている加湿器を用いると、水透過膜において、冷却水経路内の圧力よりも補圧ガスが注入された燃料ガス経路、もしくは、酸化剤ガス経路の圧力の方が高くなり、水透過膜を介して原料ガスが冷却水経路側に漏れ出る可能性がある。冷却水側に漏れ出た補圧ガスは冷却水経路に滞留することで冷却水経路を閉鎖して燃料電池システムの正常動作の妨げになる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、補圧動作を行なう際において、加湿器を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
以上のような課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の発電に用いられる発電用ガスが通流するガス経路と、前記燃料電池を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、前記冷却水経路に設けられた、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、水分透過膜を有し、前記冷却水経路を通流する前記冷却水と前記ガス経路を通流する前記発電用ガスとの間で、前記水分透過膜を介して水分交換するように構成された加湿器と、前記ガス経路内部の圧力が低下した場合に前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に補圧ガスを供給する補圧ガス供給器と、を備え、前記冷却水タンクの水面が前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも上方に位置する。
これにより、燃料電池システムの停止後に、燃料電池を含むガス経路の内部が負圧になることを防ぐために、ガス経路内部に補圧ガスを注入したときに、加湿器内において、補圧ガスの圧力よりも冷却水の水圧が高いため、加湿器の水分透過膜を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧ガス供給器による前記補圧ガスの供給時における前記加湿器内の前記ガス経路圧よりも前記加湿器内の冷却水経路圧が高くなるよう、前記冷却水タンクの水面が位置していてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧ガス供給器から前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に供給される前記補圧ガスの圧力よりも前記冷却水経路の前記加湿器の入口と前記冷却水タンクとの水頭差圧の方が高くなるように前記冷却水タンクの水面が位置していてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間の両端を閉鎖する閉鎖器を更に備え、前記補圧ガス供給器は、前記特定区間の両端が前記閉鎖器により閉鎖されていて、該特定区間の圧力が低下した場合に補圧ガスを供給するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記冷却水タンクが大気開放されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧ガス供給器より供給された前記補圧ガスが流れる補圧ガス供給路を更に備え、前記冷却水タンクは、密閉されており、かつ、前記補圧ガス供給路が前記冷却水タンクに接続していてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記冷却水タンクの水位を検出する水位検知器と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する水補給器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位が、水位閾値未満になった場合、前記水補給器を動作させ、前記冷却水タンクに水を補給してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記冷却水タンクの水位は、前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも２５ｃｍ以上高くなるように構成されていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給される反応ガスを冷却水で加湿する加湿器を含むガス経路に補圧動作を行なう際に、加湿器を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することが可能になる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示す燃料ガス用加湿器の概略構成を模式的に示す断面図である。 図４は、図１に示す燃料電池システムの停止動作におけるパージガス及び補圧ガスの流れを模式的に示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
符号の説明
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）
４ ガスケット
５ａ アノードセパレータ
５ｂ カソードセパレータ
６ 燃料ガス流路
７ 酸化剤ガス流路
８ 冷却水流路
９ セル
１１ 燃料ガス内部流路
１２ 酸化剤ガス内部流路
６１ セパレータ
６２ 水分透過膜
６３ 加湿セル
６４ 燃料ガス供給用マニホールド孔
６５ 冷却水供給用マニホールド孔
６６ 冷却水流路
６７ 燃料ガス流路
６９ 加湿セル積層体
９０ セルスタック
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 燃料処理器
１０２ａ バーナ
１０３ 燃料ガス用加湿器
１０４ 酸化剤ガス供給器
１０５ 酸化剤ガス用加湿器
１０６ 冷却水タンク
１０７ 熱交換器
１０８ 制御器
１０９ 水位検知器
１１０ 原料ガス供給器（補圧ガス供給器）
１１０ａ 昇圧器
１１０ｂ 開閉弁
１１１ 圧力検出器
１１２ 原料ガス用加湿器
１２１ 第１切り替え器
１２１ａ 第１ポート
１２１ｂ 第２ポート
１２１ｃ 第３ポート
１２２ 第２切り替え器
１２２ａ 第１ポート
１２２ｂ 第２ポート
１２２ｃ 第３ポート
１２３ 第３切り替え器
１２３ａ 第１ポート
１２３ｂ 第２ポート
１２３ｃ 第３ポート
１２４ オフガス流路開閉弁
１２５ 酸化剤ガス排出経路開閉弁
１２６ 原料ガス供給経路開閉弁
１３１ 原料ガス供給経路
１３１ａ 第１原料ガス供給経路
１３１ｂ 第２原料ガス供給経路
１３２ 燃料ガス供給経路
１３２ａ 第１燃料ガス供給経路
１３２ｂ 第２燃料ガス供給経路
１３３ オフガス流路
１３３ａ 第１オフガス流路
１３３ｂ 第２オフガス流路
１３４ 酸化剤ガス供給経路
１３４ａ 第１酸化剤ガス供給経路
１３４ｂ 第１酸化剤ガス供給経路
１３５ 酸化剤ガス排出経路
１３５ａ 第１酸化剤ガス排出経路
１３５ｂ 第２酸化剤ガス排出経路
１３６ バイパス経路
１３７ カソード用バイパス経路
１３８ 補圧ガス供給路
１４１ 第１ポンプ
１４２ 第２ポンプ
１４３ 第３ポンプ
１５１ 市水供給経路
１５２ 冷却水供給経路
１５３ 冷却水排出経路
１５３ａ 第１冷却水排出経路
１５３ｂ 第１冷却水排出経路
１５４ 水循環路
１５４ａ 水往路
１５４ｂ 水復路
１６４ 燃料ガス供給用マニホールド
１６５ 冷却水供給用マニホールド
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における発電用ガスの流れを模式的に示している。ここで、発電用ガスは、燃料電池の発電に寄与するガスであって、直接燃料電池の発電に寄与する燃料ガス（水素ガス）及び酸化剤ガス（酸素ガス）の反応ガスだけでなく、燃料ガスを生成する原料として、間接的に燃料電池の発電に寄与する原料ガス等を含む。
[燃料電池システムの構成]
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０１、燃料ガス供給系統、酸化剤ガス供給系統、温度調整系統、及び制御器１０８を備えている。燃料ガス供給系統は、燃料電池１０１に燃料ガスを供給するように構成されており、酸化剤ガス供給系統は、燃料電池１０１に酸化剤ガスを供給するように構成されている。
まず、燃料電池１０１の構成について説明する。
燃料電池１０１は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されており、燃料電池１０１は、板状の全体形状を有するセル９が、その厚み方向に積層されてなるセルスタックで構成されている。ここで、セル９について、図２を参照しながら説明する。
図２は、図１に示す燃料電池システム１００における燃料電池１０１のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、セル９は、ＭＥＡ３（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）と、ガスケット４と、アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂと、を有している。ＭＥＡ３は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード２ａと、カソード２ｂと、を有しており、アノード２ａ及びカソード２ｂ（これらを、ガス拡散電極という）が、高分子電解質膜１の両面に、その周縁部より内方に位置するように設けられている。アノード２ａ及びカソード２ｂは、それぞれ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（図示せず）と、触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層（図示せず）と、を有している。
また、アノード２ａ及びカソード２ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のリング状のゴム製のガスケット４が配設されている。そして、ＭＥＡ３とガスケット４を挟むように、導電性のアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂが配設されている。アノードセパレータ５ａのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流する溝状の燃料ガス流路６が設けられており、一方、カソードセパレータ５ｂのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流する溝状の酸化剤ガス流路７が設けられている。また、アノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂ（以下、これらをセパレータ５ａ、５ｂという）の外面には、それぞれ、冷却水が通流する冷却水流路８が設けられている。
なお、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂの周囲には、それぞれ、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔、燃料ガス排出用マニホールド孔、酸化剤ガス供給用マニホールド孔、酸化剤ガス排出用マニホールド孔、冷却水供給用マニホールド孔、及び冷却水排出用マニホールド孔が設けられている（いずれも、図示せず）。
そして、このように形成したセル９をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成され、セル積層体の両端に集電板、絶縁板、及び端板（いずれも図示せず）を配置し、締結具（図示せず）で締結することでセルスタック９０が形成される。このセル９を積層したときに、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂに設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔等のマニホールド孔は、厚み方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。なお、燃料ガス供給用マニホールドと、燃料ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各アノードセパレータ５ａに設けられた燃料ガス流路６と、から燃料ガス内部流路１１が構成され（図１参照）、酸化剤ガス供給用マニホールドと、酸化剤ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各カソードセパレータ５ｂに設けられた酸化剤ガス流路７と、から酸化剤ガス内部流路１２が構成され（図１参照）、冷却水供給用マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、これらを接続するように各セパレータ５ａ、５ｂに設けられた冷却水流路８と、から冷却水内部流路（図示せず）が構成される。
次に、燃料ガス供給系統の構成について、図１を参照しながら説明する。
燃料ガス供給系統は、原料ガス供給器１１０と、燃料処理器１０２と、燃料ガス用加湿器３と、を有している。燃料処理器１０２は、バーナ１０２ａ、改質器、変成器、及びＣＯ除去器（図示せず）を有しており、燃料電池システム１００の外部から供給された原料ガス（例えば、メタン）と水とを反応させて水素リッチな燃料ガスを生成するように構成されている。具体的には、燃料処理器１０２には、原料ガス供給経路１３１の下流端が接続されており、原料ガス供給経路１３１の上流端は、原料ガス供給器１１０に接続されている。
原料ガス供給器１１０には、図示されない都市ガスの配管と接続されており、原料ガス供給器１１０は、開閉弁１１０ｂ及び昇圧器１１０ａを有している。昇圧器１１０ａの上流の原料ガス供給経路１１０には図示されない脱硫器を備えており、この脱硫器は、原料ガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物を吸着除去（脱硫）し、昇圧器１１０ａは、脱硫した原料ガスをその流量を調整しながら昇圧して、原料ガス供給経路１３１に流す。なお、原料ガス供給器１１０のうち開閉弁１１０ｂ及び昇圧器１１０ａは、ここでは、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に原料ガスをパージガスとして供給するためのパージガス供給器として機能し、原料ガス供給器１１０のうち開閉弁１１０ｂが燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に原料ガスを補圧ガスとして供給するための補圧ガス供給器としての機能を兼ねている。また、ここでは、原料ガスとしてメタンを使用したが、これに限定されず、エタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等に例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスを使用することができる。
原料ガス供給経路１３１は、第１及び第２原料ガス供給経路１３１ａ、１３１ｂを有している。第１原料ガス供給経路１３１ａの上流端は、原料ガス供給器１１０に接続され、その下流端は、三方弁からなる第１切り替え器１２１の第１ポート１２１ａに接続されている。また、第２原料ガス供給経路１３１ｂの上流端は、第１切り替え器１２１の第３ポート１２１ｃに接続され、その下流端は、燃料処理器１０２に接続されている。第１切り替え器１２１の第２ポート１２１ｂには、バイパス経路１３６の上流端が接続されている。
燃料処理器１０２のバーナ１０２ａには、後述するオフガス流路１３３を介して燃料電池１０１が接続されており、燃料電池１０１で使用されなかった余剰の燃料ガスが、オフガスとして供給されるように構成されている。そして、バーナ１０２ａでは、燃料電池１０１からオフガス流路１３３を介して供給されたオフガス（または、図示されない流路を通じて供給された原料ガス）と、燃焼用空気供給器（図示せず）から供給される燃焼用の空気と、を燃焼させて燃焼ガスを生成する。
このバーナ１０２ａで生成された燃焼ガスからの伝熱を利用して、燃料処理器１０２の改質器では、原料ガスと図示されない流路を通じて供給された水とを改質反応させることにより、水素リッチな改質ガスが生成される。そして、変成器及びＣＯ除去器では、改質器で生成された改質ガスを、シフト反応及び酸化反応させることにより、一酸化炭素が１ｐｐｍ程度まで低減された水素リッチな燃料ガスが生成される。
燃料処理器１０２のＣＯ除去器の出口には、第１燃料ガス供給経路１３２ａの上流端が接続されており、その下流端は、三方弁からなる第２切り替え器（閉鎖器）１２２の第１ポート１２２ａに接続されている。第２切り替え器１２２の第３ポート１２２ｃには、第２燃料ガス供給経路１３２ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス供給用マニホールド）の入口に接続されている。第２燃料ガス供給経路１３２ｂの途中には、燃料ガス用加湿器１０３が設けられており、燃料ガス用加湿器１０３は、燃料ガス供給経路１３２を通流する燃料ガスを加湿する。また、第２燃料ガス供給経路１３２ｂの燃料ガス用加湿器１０３の下流側には、圧力検出器１１１が設けられており、第２燃料ガス供給経路１３２ｂを通流するガスの圧力を検出するように構成されている。そして、圧力検出器１１１は、検出した圧力を制御器１０８に伝達する。なお、ここでは、圧力検出器１１１は、差圧計を使用している。さらに、第２切り替え器１２２の第２ポート１２２ｂには、バイパス経路１３６の下流端が接続されている。なお、第１燃料ガス供給経路１３２ａと第２燃料ガス供給経路１３２ｂから燃料ガス供給経路１３２が構成される。
これにより、燃料電池システム１００の運転時には、燃料処理器１０２で生成された燃料ガスが、燃料ガス用加湿器で加湿されて燃料電池１０１のアノード２ａに供給される。また、後述するように、燃料電池システム１００の停止処理時または停止処理完了後において、原料ガス供給器１１０から、原料ガスが、パージガス又は補圧ガスとしてバイパス経路１３６を介して燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に供給される。このため、本実施の形態においては、原料ガス供給器１１０（特に、開閉弁１１０ｂ）が、補圧ガス供給器の機能を兼ね備える。
また、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス排出マニホールド）の出口には、第１オフガス流路１３３ａの上流端が接続されており、その下流端は、オフガス流路開閉弁１２４と接続されている。また、オフガス流路開閉弁１２４には、第２オフガス流路１３３ｂの上流端が接続され、その下流端は、燃料処理器１０２のバーナ１０２ａに接続されている。これにより、燃料処理器１０２で生成された燃料ガスが、燃料ガス用加湿器１０３で加湿されて燃料電池１０１のアノードに供給され、未反応の燃料ガスが、オフガスとしてバーナ１０２ａに供給される。なお、第１オフガス流路１３３ａと第２オフガス流路１３３ｂからオフガス流路１３３が構成される。
次に、酸化剤ガス供給系統の構成について説明する。
酸化剤ガス供給系統は、酸化剤ガス供給器１０４と酸化剤ガス用加湿器１０５を有している。酸化剤ガス供給器１０４は、上述したように、燃料電池１０１に酸化剤ガスを供給するように構成されており、ここでは、ブロワを用いている。
酸化剤ガス供給器１０４には、第１酸化剤ガス供給経路１３４ａの上流端が接続されており、その下流端は、三方弁からなる第３切り替え器（閉鎖器）１２３の第１ポート１２３ａに接続されている。第３切り替え器１２３の第２ポート１２３ｂには、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１に設けられた酸化剤ガス内部流路１２（正確には、酸化剤ガス供給用マニホールド）の入口に接続されている。第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂの途中には、酸化剤ガス用加湿器１０５が設けられており、酸化剤ガス用加湿器１０５は、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂを通流する酸化剤ガスを加湿する。また、第３切り替え器１２３の第３ポート１２３ｃには、カソード用バイパス経路１３７の下流端が接続されており、その上流端は、バイパス経路１３６の途中に接続されている。なお、第１酸化剤ガス供給経路１３４ａと第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂから酸化剤ガス供給経路１３４が構成される。
これにより、燃料電池システム１００の運転時には、酸化剤ガス供給器１０４から酸化剤ガス経路１３４に供給された酸化剤ガスが、酸化剤ガス用加湿器１０５で加湿されて燃料電池１０１のカソード２ｂに供給される。また、燃料電池システム１００の運転終了時には、パージガス又は補圧ガスが、カソード用バイパス経路１３７を介して、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路１２に供給される。
また、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路１２（正確には、酸化剤ガス排出用マニホールド）の出口には、第１酸化剤ガス排出経路１３５ａの上流端が接続されており、その下流端は、酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５に接続されている。また、酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５には、第２酸化剤ガス排出経路１３５ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池システム１００の外部に開口されている。これにより、燃料電池１０１のカソードには、加湿された酸化剤ガスが供給され、未使用の酸化剤ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。なお、第１酸化剤ガス排出経路１３５ａと第２酸化剤ガス排出経路１３５ｂから、酸化剤ガス排出経路１３５が構成される。
そして、原料ガス供給経路１３１、燃料ガス供給経路１３２、燃料ガス内部供給路１１、オフガス流路１３３、酸化剤ガス供給経路１３４、酸化剤ガス内部供給路１２、及び酸化剤ガス排出経路１３５からガス経路が構成される。
次に、温度調整系統の構成について説明する。
温度調整系統は、冷却水タンク１０６と熱交換器１０７を有しており、燃料電池１０１内を所定の温度に保つように構成されている。冷却水タンク１０６は、容器で構成され、その上端部は大気開放されている。冷却水タンク１０６の上部には、市水を供給するための市水供給経路１５１が接続され、その内部には、タンク内部に貯えられた水の水位を検知する水位検知器１０９が設けられている。また、市水供給経路１５１の途中には、市水供給経路１５１を通流する水の流量を調整するための第１ポンプ１４１が設けられている。水位検知器１０９は、検知した水位を制御器１０８に伝達し、制御器１０８は、この水位情報を基に第１ポンプ１４１を制御して、冷却水タンク１０６に貯えられる水の水位を調整している。
また、冷却水タンク１０６の下部には、冷却水供給経路１５２の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の冷却水内部流路（正確には、冷却水供給用マニホールド）の入口に接続されている。冷却水供給経路１５２の途中には、第２ポンプ１４２が設けられている。これにより、冷却水タンク１０６から冷却水供給経路１５２を介して燃料電池１０１に冷却水が供給される。
燃料電池１０１の冷却水内部流路（正確には、冷却水排出用マニホールド）の出口には、第１冷却水排出経路１５３ａの上流端が接続されており、その下流端は、熱交換器１０７の一次流路（図示せず）の一端に接続されている。第１冷却水排出経路１５３ａの途中には、燃料ガス用加湿器１０３が設けられ、第１冷却水排出経路１５３ａの燃料ガス用加湿器１０３の下流側には、上述の酸化剤ガス用加湿器１０５が設けられている。すなわち、燃料ガス用加湿器１０３は、第２燃料ガス供給経路１３２ｂと第１冷却水排出経路１５３ａとに跨って設けられ、同様に、酸化剤ガス用加湿器１０５は、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂと第１冷却水排出経路１５３ａとに跨って設けられている。また、熱交換器１０７の一次流路（図示せず）の他端には、第２冷却水排出経路１５３ｂの上流端が接続されており、その下流端は、冷却水タンク１０６に接続されている。熱交換器１０７の二次流路（図示せず）の一端には、水循環路１５４を構成する水往路１５４ａの下流端が接続され、その上流端は、図示されない貯湯タンクに接続されている。また、熱交換器１０７の二次流路の他端には、水循環路１５４を構成する水復路１５４ｂの上流端が接続され、その下流端は、貯湯タンクに接続されている。水往路１５４ａの途中には、第３ポンプ１４３が設けられている。なお、第１冷却水排出経路１５３ａと第２冷却水排出経路１５３ｂから冷却水排出経路１５３が構成され、冷却水供給経路１５２と冷却水排出経路１５３から冷却水経路が構成される。
これにより、燃料電池１０１内を通流して排熱を回収した冷却水は、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０６で、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿し、熱交換器１０７で、水循環路を通流する水と熱交換する。
そして、燃料電池１０１では、アノード２ａに供給された燃料ガスとカソード２ｂに供給された酸化剤ガスが電気化学的に反応して水が生成され、電気と熱が発生する。発生した電気は、図示されないインバータ等から構成される出力制御部から外部の電気負荷に供給され、また、発生した熱は、燃料電池１０１の冷却水内部流路内を循環し、排出される冷却水によって、外部に排出され、燃料電池１０１内が所定の温度に保たれる。
ここで、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の構造について、図３を参照しながら詳細に説明する。なお、燃料ガス用加湿器１０３と酸化剤ガス用加湿器１０５の基本的構成は同じであるため、ここでは、燃料ガス用加湿器１０３の説明をする。
図３は、図１に示す燃料ガス用加湿器１０３の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、燃料ガス用加湿器１０３における上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。
図３に示すように、燃料ガス用加湿器１０３は、板状の全体形状を有する加湿セル６３がその厚み方向に積層されてなる加湿セル積層体６９と、加湿セル積層体６９の両端に配置された第１及び第２の端板（いずれも図示せず）と、加湿セル積層体６９と第１及び第２の端板とを加湿セル６３の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。なお、板状の加湿セル６３は、鉛直面に平行に延在しており、加湿セル６３の積層方向は水平方向となっている。
加湿セル６３は、板状の一対のセパレータ６１と膜片状の水分透過膜６２を有している。水分透過膜６２の周縁部には、厚み方向に貫通する燃料ガス供給用マニホールド孔６４や冷却水供給用マニホールド孔６５等のマニホールド孔が設けられている。なお、水分透過膜６２は、水分（水蒸気）を透過させる、厚み方向に貫通する微小な孔が多数設けられている膜（例えば、旭化成社製 商品名ハイポア７０２５）や水蒸気透過能力を有する膜（例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（例えば、Ｄｕ Ｐｏｎｄ社製 商品名Ｎａｆｉｏｎ）で構成することができ、水蒸気を透過することができれば、特に限定されない。
また、水蒸気透過膜６２を挟むようにして一対の板状のセパレータ６１が配設されている。セパレータ６１の周縁部には、厚み方向に貫通する燃料ガス供給用マニホールド孔６４や冷却水供給用マニホールド孔６５等のマニホールド孔が設けられている。各マニホールド孔の周縁部には、Ｏリング６８が配設されている。また、セパレータ６１の一方の主面には、冷却水を通流させるための溝状の冷却水流路６６が、冷却水供給用マニホールド孔６５と冷却水排出用マニホールド孔（図示せず）とを結ぶように、サーペンタイン状に形成されており、他方の主面には、燃料ガスを通流させるための燃料ガス流路６７が、燃料ガス供給用マニホールド孔６４と燃料ガス排出用マニホールド孔（図示せず）とを結ぶように、サーペンタイン状に設けられている。なお、ここでは、冷却水流路６６及び燃料ガス流路６７は、サーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、セパレータ６１のほぼ全域を燃料ガス又は冷却水が通流するようにすれば、どのような形状であってもよい。
このように形成された加湿セル６３をその厚み方向に積層することにより、加湿セル積層体６９が形成される。セパレータ６１及び水分透過膜６２に設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔６４や冷却水供給用マニホールド孔６５等のマニホールド孔は、加湿セル６３を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、燃料ガス供給用マニホールド１６４や冷却水供給用マニホールド１６５等のマニホールドがそれぞれ形成される。
これにより、各加湿セル６３に設けられた、冷却水流路６６に冷却水を通流させ、燃料ガス流路６７に燃料ガスを通流させることにより、冷却水に含まれる水分が、水分透過膜６２を透過して燃料ガスが加湿される。
そして、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、加湿セル６３の水分透過膜６２の上端部よりも、冷却水タンク１０６の水面が上方に位置するように形成されている。上述したように、冷却水タンク１０６の水位は、水位検知器１０９により検知され、制御器１０８により、所定の水位閾値よりも低くならないように制御されている。このため、加湿セル６３の水分透過膜６２の上端部よりも、冷却水タンク１０６の水面が上方に位置するように、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び冷却水タンク１０６を配置するようにすれば、冷却水タンク１０６の底面の一部又は全部が、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも下方に位置してもよい。
また、本実施の形態１においては、補圧ガスとして都市ガス（ガス圧が１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａ）を使用しているため、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面が、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上、上方に位置するように冷却水タンク１０６内の水位閾値を設定することが好ましい。このようにすることで、燃料電池システム１００が停止している状態で冷却水が循環していないときにおいても（すなわち、第２ポンプ１４２の動作による冷却水への加圧がないときにおいても）燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、２．５ｋＰａ以上の圧力（水圧）がかかるようにすることができる。これにより、燃料電池システム１００停止時に、補圧ガスが供給された際にも、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路の圧力よりも高いので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留して冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
なお、ここでは、補圧ガスとして都市ガスを使用したため、冷却水タンク１０６内の水面が、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上高いことが好ましいとしたが、補圧ガスの圧力が、１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａの範囲でない場合は、これに限らない。例えば、補圧ガスの圧力が３．３ｋＰａであるＬＰＧガスであれば、冷却水タンク１０６内の冷却水の水面は、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも３３ｃｍ以上高いことが好ましい。このように、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部の位置に対する冷却水タンク１０６内の冷却水の水面の高さは、補圧ガスの圧力によって異なり、少なくとも燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高ければ、冷却水が循環していないときにおいても燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、所定の圧力（水圧）がかかるため、補圧動作時の補圧ガスの冷却水流路６６側への漏出量を抑制することは可能であるが、補圧ガスの漏出量を０に近づけるために、補圧ガスの圧力よりも、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が大きくなるように、冷却水タンク１０６内の水位閾値を決定することが好ましい。
次に、制御器１０８について説明する。
制御器１０８は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、キーボード等の操作入力部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０８は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システムを制御するように構成されていてもよい。
[燃料電池システムの動作]
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１の発電時の一般的動作について、図１を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器１０８が燃料電池システム１００を制御することにより遂行される。
発電時においては、原料ガスが、バイパス経路１３６を通流しないように、第１切り替え器１２１は、第１ポート１２１ａを第３ポート１２１ｃと連通させ、かつ、第２ポート１２１ｂを遮断して、原料ガスが原料ガス供給経路１３１を通流するように作動される。また、第２切り替え器１２２は、第１ポート１２２ａを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第２ポート１２２ｂを遮断して、燃料ガスが燃料ガス供給経路１３２を通流するように作動される。さらに、第３切り替え器１２３は、第１ポート１２３ａを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第３ポート１２３ｃを遮断して、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路１３４を通流するように作動される。
これにより、図１に示すように、原料ガス供給器１１０から原料ガス供給経路１３１を介して、原料ガスが燃料処理器１０２に供給されて、燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路１３２を通流して、燃料電池１０１のアノードに供給される。また、酸化剤ガス供給器１０４から、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路１３４を通流して、燃料電池１０１のカソードに供給される。このとき、上述したように、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）は、それぞれ、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５で、冷却水と水分交換を行い、加湿される。
燃料電池１０１に供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、その内部で反応して水が生成される。また、未反応の燃料ガスは、オフガスとしてオフガス流路１３３を介してバーナ１０２ａに供給される。一方、未反応の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１３５を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
また、燃料電池１０１には、冷却水タンク１０６から冷却水供給経路１５２を介して、冷却水が燃料電池１０１に供給される。燃料電池１０１に供給された冷却水が、燃料電池１０１内を通流することで、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応による熱を回収し、燃料電池１０１内が所定の温度に保たれる。燃料電池１０１内の熱を回収した冷却水は、第１冷却水排出経路１５３ａを通流して、熱交換器１０７の一次流路に供給される。このとき、上述したように、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５で、反応ガスと水分交換を行い、反応ガスを加湿する。熱交換器７の一次流路に供給された冷却水は、熱交換器１０７の二次流路を通流する水と熱交換を行い、第２冷却水排出経路１５３ｂを介して冷却水タンク１０６に供給される。
次に、燃料電池システム１００の運転停止動作について、図４を参照しながら説明する。
図４は、図１に示す燃料電池システム１００の停止動作におけるパージガス及び補圧ガスの流れを模式的に示す図である。
本発明においては、停止動作を、制御器１０８が停止信号を出力してから、燃料電池システム１００がその動作を停止するまでの動作として定義する。なお、燃料電池システム１００がその動作を停止するとは、制御器１０８は動作していて、制御器１０８以外の部分の動作が停止している状態をいう。制御器１０８は、停止ボタンによって停止指令が入力されたとき、及び負荷からの発電要求が無くなった（図示されない負荷電力検知器で検出される負荷電力が所定の閾値以下となった）ときに、停止信号を出力する。また、発電の停止は、燃料電池１０１の発電電力を外部に出力するためのインバータの出力をゼロにするとともに、インバータにより燃料電池１０１を負荷から電気的に切り離すことによって行われる。
制御器１０８から停止信号が出力されると、第２ポンプ１４２の運転が停止され、冷却水タンク１０６から燃料電池１０１の冷却水内部流路への冷却水の供給が停止する。また、第１切り替え器１２１は、第１ポート１２１ａを第２ポート１２１ｂと連通させ、かつ、第３ポート１２１ｃを遮断して、原料ガスがバイパス経路１３６を通流するように作動される。さらに、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第１ポート１２２ａを遮断して、燃料ガスが燃料ガス供給経路１３２を通流しないように作動される。さらに、第３切り替え器１２３は、第３ポート１２３ｃを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第１ポート１２３ａを遮断して、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路１３４を通流しないように作動される。これにより、燃料処理器１０２から燃料電池１０１への燃料ガスの供給が停止し、また、酸化剤ガス供給器１０４から燃料電池１０１への酸化剤ガスの供給が停止する。
次に、原料ガス供給器１１０から、原料ガスがパージガスとして第１原料ガス供給経路１３１ａに供給される。供給されたパージガスは、パージガス経路１３６を通流して、第２燃料ガス供給経路１３２ｂを介して燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に供給され、燃料ガス内部流路１１内に存在する燃料ガスは、パージガスにパージされる。パージされた燃料ガスは、オフガス流路１３３を介してバーナ１０２ａに供給される。また、パージガス経路１３６を通流するパージガスの一部は、カソード用パージガス経路１３７を通流して、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂを介して燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路１２に供給され、酸化剤ガス内部流路１２内の酸化剤ガスが、パージガスにパージされる。パージされた酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１３５を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
そして、燃料ガス内部流路１１及び酸化剤ガス内部流路１２内全体がパージガスでパージされると、オフガス流路開閉弁１２４及び酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５が閉鎖され、オフガス流路１３３ａ及び第１酸化剤ガス排出経路１３５ａの下流端が閉鎖される。ついで、原料ガス供給器１１０の昇圧器１１０ａの動作を停止するとともに、開閉弁１１０ｂを閉止することでパージガスの供給を停止し、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第１及び第３ポート１２２ａ、１２２ｃのいずれにも接続させないようにし、また、第３切り替え器１２３は、第２ポート１２３ｂを第１及び第３ポート１２３ａ、１２３ｃのいずれにも接続させないようにして、第２燃料ガス供給経路１３２ｂ及び第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂの上流端を閉鎖する。
これにより、原料ガス供給経路１３１、燃料ガス供給経路１３２、燃料ガス内部供給路１１、オフガス流路１３３、酸化剤ガス供給経路１３４、酸化剤ガス内部供給路１２、及び酸化剤ガス排出経路１３５から構成されるガス経路のうち燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５をそれぞれ含む特定区間である第２燃料ガス供給経路１３２ｂから燃料ガス内部供給路１１を経て第１オフガス流路１３３ａまでの燃料ガス経路の両端と第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂから、酸化剤ガス内部供給路１２を経て、第１酸化剤ガス排出経路１３５ａまで酸化剤ガス経路の両端が閉鎖される。
次に、圧力検出器１１１が、ガス経路の特定区間の一部である第２燃料ガス供給経路１３２ｂが負圧であることを検知した場合、すなわち、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１が負圧であると検知した場合、制御器１０８の制御により原料ガス供給器１１０の開閉弁１１０ｂを開放するとともに、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第１ポート１２２ａを遮断するように作動され、第３切り替え器１２３は、第３ポート１２３ｃを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第１ポート１２３ａを遮断するように作動される。すると、都市ガスの圧力により原料ガス供給器１１０から原料ガスが補圧ガスとして供給され、燃料ガス用加湿器１０３を含む特定区間、酸化剤ガス用加湿器１０５を含む特定区間が補圧される。
このとき、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６１には、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路を通流する補圧ガスの圧力がかかるが、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面が、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上、上方に位置するように設定されているため、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、２．５ｋＰａ以上の圧力（水圧）がかかる。このため、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路の圧力よりも高い（第１冷却水排出経路１５３ａにおける燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の入口と冷却水タンク１０６の水面との水頭差圧が、補圧ガスの圧力よりも高い））ので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留して、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００停止時に補圧動作を行なう際において、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６１を介して補圧ガスが、冷却水経路に漏出および滞留するのを抑制することができるので、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。また、冷却水経路から燃料電池システム１００外に補圧ガスが漏れ出ることによって、人体へ悪影響を及ぼすことや、機器の発火や爆発の原因になったりする危険性を回避できる。
なお、ここでは、圧力検出器１１１を第２燃料ガス供給経路１３２ｂに設ける構成としたが、これに限定されず、ガス経路の特定区間内に設けられれば、その設置場所は限定されない。
また、本発明の特定区間として、燃料ガス経路においては、第２燃料ガス供給経路１３２ｂから燃料ガス内部供給路１１を経て、第１オフガス流路１３３ａまでの区間としたが、あくまでこれは例示であり、少なくとも燃料ガス用加湿器１０３が設けられた燃料ガス経路であれば、いずれの区間であってもあってもよい。例えば、第２燃料ガス供給経路１３２ｂを特定区間として、第２燃料ガス供給経路１３２ｂの下端（燃料ガス加湿器１０３と燃料電池１０１の間の燃料ガス経路）に別途弁が設けられ、この弁と第２切り替え器１２２で区切られた燃料ガス経路のガス圧が低下した場合に補圧動作として原料ガス供給器より補圧ガスを供給するようにしても構わない。酸化ガス経路においても同様で、少なくとも酸化剤ガス用加湿器が設けられた酸化剤ガス経路であればいずれの区間であってもよい。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す模式図である。
図５に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システムは、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、冷却水タンク１０６が密閉されている点と、補圧ガスの一部が、冷却水タンク１０６に供給されるように構成されている点が異なる。具体的には、バイパス経路１３６の途中に補圧ガス供給路１３８の上流端が接続されており、その下流端は、冷却水タンク１０６の上端部に接続されている。
これにより、燃料電池システム１００の運転停止時に補圧ガスが供給される際、冷却水タンク１０６にも補圧ガスが供給されるため、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面には、供給された補圧ガスの圧力がかかる。つまり、冷却水が循環していないときにおいても、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には、少なくとも燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高いことに起因する所定の水圧に補圧ガスの圧力が加わる。
このため、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路の圧力よりも高いので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
なお、補圧ガス供給路１３８の下流端は、冷却水供給経路１５２に補圧ガスが流入することを防止する観点から、冷却水タンク１０６における冷却水の水面の最上部よりも上方の部分で接続されることが好ましい。
以上の本実施の形態１及び２の燃料電池システム１００においては、酸化剤ガス用加湿器１０５及び燃料ガス加湿器１０３の両方を備えているが、いずれか一方のみを備えた場合であっても、加湿器の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高くなるよう構成することで同様の効果が得られる。
また、本実施の形態１及び２の燃料電池システムにおいては、補圧ガスとして原料ガス供給器１１０から供給される原料ガスを用いた場合について説明したが、補圧ガスの種類はこれに限定されず、例えば、水素ボンベ等の水素貯蔵器から燃料ガスを供給する場合においては、燃料ガス経路への補圧ガスとして、燃料ガスを用いても構わない。また、酸化剤ガス経路への補圧ガスとして酸化剤ガス供給器１０４から供給される酸化剤ガスを用いても構わない。
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図６に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第２原料ガス供給経路１３１ｂの途中に原料ガス供給経路開閉弁１２６が設けられており、該第２原料ガス供給経路１３１ｂの原料ガス供給経路開閉弁１２６の上流側に、第２原料ガス供給経路１３１ｂと冷却水供給経路１５２とを跨ぐように原料ガス用加湿器１１２が設けられている点が異なり、燃料処理器１０２に供給される原料ガスが加湿されるように構成されている点が異なる。さらに、第２原料ガス経路１３１ｂのうち第１切り替え器１２１と原料ガス供給経路開閉弁１２６との間の原料ガス経路が原料ガス用加湿器１１２を含む特定区間であり、本特定区間の圧力が低下した場合、原料ガス供給器より原料ガスが供給されることで、少なくとも原料ガス用加湿器１１２内の原料ガスが通流する流路（以下、原料ガス流路という）が補圧される点も異なる。なお、原料ガス用加湿器１１２は、燃料ガス用加湿器１０３と同様の構成をしているため、その詳細な説明は省略する。
そして、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の運転停止動作においては、圧力検出器１１１が、ガス経路の特定区間の一部である第２燃料ガス供給経路１３２ｂが負圧であることを検知した場合、制御器１０８の制御により第１切り替え器１２１は、第１ポート１２１ａを第２ポート１２１ｂ及び第３ポート１２１ｃの両方に連通するように作動され、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第１ポート１２２ａを遮断するように作動され、第３切り替え器１２３は、第３ポート１２３ｃを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第１ポート１２３ａを遮断するように作動される。ついで、オフガス流路開閉弁１２４、酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５、原料ガス供給経路開閉弁１２６は閉じた状態のまま、制御器１０８の制御により原料ガス供給器１１０の開閉弁１１０ｂを開放することで、原料ガスが補圧ガスとして供給され、燃料ガス用加湿器１０３を含む特定区間、酸化剤ガス用加湿器１０５を含む特定区間、原料ガス用加湿器１１２を含む特定区間と、が補圧される。
このとき、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転停止動作のときと同様に、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６１には、燃料ガス流路６７、酸化剤ガス流路、及び原料ガス流路を通流する補圧ガスの圧力がかかるが、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面が、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上、上方に位置するように設定されているため、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、２．５ｋＰａ以上の圧力（水圧）がかかる。このため、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７、酸化剤ガス流路、及び原料ガス流路の圧力よりも高い（第１冷却水排出経路１５３ａにおける燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の入口及び冷却水供給経路１５２における原料ガス用加湿器１１２の入口と、冷却水タンク１０６の水面と、の水頭差圧が、補圧ガスの圧力よりも高い））ので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留して、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
このように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００停止時に補圧動作を行なう際において、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６１を介して補圧ガスが、冷却水経路に漏出及び滞留するのを抑制することができるので、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。また、冷却水経路から燃料電池システム１００外に補圧ガスが漏れ出ることによって、人体へ悪影響を及ぼすことや、機器の発火や爆発の原因になったりする危険性を回避できる。
なお、本実施の形態３の燃料電池システム１００においては、酸化剤ガス用加湿器１０５及び燃料ガス加湿器１０３の両方を備えているが、いずれか一方のみを備えた場合であっても、加湿器の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高くなるよう構成することで同様の効果が得られる。
また、本実施の形態３の燃料電池システムにおいては、補圧ガスとして原料ガス供給器１１０から供給される原料ガスを用いた場合について説明したが、補圧ガスの種類はこれに限定されず、例えば、水素ボンベ等の水素貯蔵器から燃料ガスを供給する場合においては、燃料ガス経路への補圧ガスとして、燃料ガスを用いても構わない。また、酸化剤ガス経路への補圧ガスとして酸化剤ガス供給器１０４から供給される酸化剤ガスを用いても構わない。
なお、以上の実施の形態１〜３に係る燃料電池システム１００においては、ガス経路の特定区間における圧力低下を検知するために、この特定区間に圧力検知器１１１を設けて直接的に圧力を検知する方法を用いたが、圧力検出器１１１を設けずに、計時器（図示せず）を設け、燃料電池システム１００の停止動作が開始してからの経過時間または補圧ガスの供給後の経過時間が、上記特定区間内が負圧になると推定される時間になる度に、制御器１０８が、上述の通り開閉弁、第２切り替え器１２２、及び第３切り替え器１２３を制御して上記特定区間に補圧ガスを供給するよう構成しても構わない。これは、燃料電池システム１００が停止処理を開始してから時間が経過するとともに温度低下が進行し、ガス経路内のガスが収縮して負圧化が進行する性質を利用したものである。このように、上記特定区間の圧力低下を検知するために圧力検知器１１１で直接的に圧力を検知する方法に限定されず、上記特定区間の圧力を検知可能であれば、計時器等を利用して間接的に圧力を検知する方法を用いても構わない。
また、以上の実施の形態１〜３に係る燃料電池システム１００においては、上記特定区間に補圧動作を実行する場合、バイパス経路１３６を介して上記特定区間に原料ガスを供給するため、制御器１０８により原料ガス供給器１１０の開閉弁１１０ｂだけでなく、第１切り替え器１２１、第２切り替え器１２２、第３切り替え器１２３を制御して補圧動作を実行するよう構成されているが、別途所定の供給圧を有する補圧ガス供給源（例えば、窒素ボンベ、ＬＰＧボンベ等）と、この補圧ガス供給源と各特定区間を直接接続する補圧ガス経路と、この補圧ガス経路上に補圧ガス供給器としての開閉弁とを設け、上記特定区間内の圧力が低下した場合に、制御器１０８の制御によりこの開閉弁を開放することで補圧ガスが、上記特定区間に供給されるよう構成しても構わない。つまり、本願の特許請求の範囲に記載の補圧ガス供給器は、補圧ガス経路に設けられた開閉弁を含み、少なくともこの開閉弁を開放することで、補圧動作を実現することが可能になる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池に供給される反応ガスを冷却水で加湿する加湿器を含むガス経路に補圧動作を行なう際に、加湿器を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができるため、安全な燃料電池システムとして産業上利用することが可能となる。
本発明は、燃料電池システムの構造に関する。
従来から、高効率で小規模発電が可能である燃料電池システムは、発電の際に発生する熱エネルギーを利用するためのシステムの構築が容易であるため、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池は、燃料ガス及び酸化ガスが有する化学エネルギーを、所定の電気化学反応により、電気エネルギーに直接変換する。そして、燃料電池で生成された電気エネルギーが、燃料電池システムから負荷に向けて供給される。
このような燃料電池システムに用いられる燃料電池として、固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子形燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜は、湿潤状態である必要があり、乾燥状態又は湿潤不足状態においては、プロトン伝導性が悪くなり、発電性能が低下する。このため、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方を、加湿器により加湿して供給する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、加湿器として、水透過膜により隔てられた経路に、燃料ガスと酸化剤ガスとの少なくとも一方と、燃料電池を冷却する冷却水を導くことで、燃料ガス、酸化剤ガスを加湿する加湿器が知られている（例えば、特許文献２参照）。
ところで、燃料電池システムでは、発電運転を停止する際、水素生成装置への天然ガス等の原料の供給が停止される。これにより、水素生成装置から燃料電池への燃料ガスの供給が停止するので、燃料電池における電気化学反応の進行が停止して、燃料電池システムから負荷への電力の供給が停止する。燃料電池システムの停止後は、発電時よりも燃料電
池システムの内部温度が低下するため、燃料電池内部の原料ガスの体積の減少が生じて負圧となり、外部の酸素が流入することや、燃料電池の構成部品であるガスケット等の破壊につながる。このため、燃料電池の内部の圧力が負圧にならないように、補圧ガスとして適宜原料ガスを燃料電池の内部に注入する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−２９４２２３号公報 特開平７−２８８１３４号公報 特開２００６−０６６１０７号公報
しかしながら、特許文献３に開示されている燃料電池システムのように燃料電池システムの停止後に、燃料電池の内部が負圧になるのを防ぐために、燃料電池の内部に原料ガス等の補圧ガスを注入した際に、特許文献２に開示されている加湿器を用いると、水透過膜において、冷却水経路内の圧力よりも補圧ガスが注入された燃料ガス経路、もしくは、酸化剤ガス経路の圧力の方が高くなり、水透過膜を介して原料ガスが冷却水経路側に漏れ出る可能性がある。冷却水側に漏れ出た補圧ガスは冷却水経路に滞留することで冷却水経路を閉鎖して燃料電池システムの正常動作の妨げになる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、補圧動作を行なう際において、加湿器を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
以上のような課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の発電に用いられる発電用ガスが通流するガス経路と、前記燃料電池を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、前記冷却水経路に設けられた、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、水分透過膜を有し、前記冷却水経路を通流する前記冷却水と前記ガス経路を通流する前記発電用ガスとの間で、前記水分透過膜を介して水分交換するように構成された加湿器と、前記ガス経路内部の圧力が低下した場合に前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に補圧ガスを供給する補圧ガス供給器と、を備え、前記冷却水タンクの水面が前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも上方に位置する。
これにより、燃料電池システムの停止後に、燃料電池を含むガス経路の内部が負圧になることを防ぐために、ガス経路内部に補圧ガスを注入したときに、加湿器内において、補圧ガスの圧力よりも冷却水の水圧が高いため、加湿器の水分透過膜を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧ガス供給器による前記補圧ガスの供給時における前記加湿器内の前記ガス経路圧よりも前記加湿器内の冷却水経路圧が高くなるよう、前記冷却水タンクの水面が位置していてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧ガス供給器から前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に供給される前記補圧ガスの圧力よりも前記冷却水経路の前記加湿器の入口と前記冷却水タンクとの水頭差圧の方が高くなるように前記冷却水タンクの水面が位置していてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間の両端を閉鎖する閉鎖器を更に備え、前記補圧ガス供給器は、前記特定区間の両端が前記閉鎖器により閉鎖されていて、該特定区間の圧力が低下した場合に補圧ガスを供給するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記冷却水タンクが大気開放されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧ガス供給器より供給された前記補圧ガスが流れる補圧ガス供給路を更に備え、前記冷却水タンクは、密閉されており、かつ、前記補圧ガス供給路が前記冷却水タンクに接続していてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記冷却水タンクの水位を検出する水位検知器と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する水補給器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位が、水位閾値未満になった場合、前記水補給器を動作させ、前記冷却水タンクに水を補給してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記冷却水タンクの水位は、前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも２５ｃｍ以上高くなるように構成されていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に供給される反応ガスを冷却水で加湿する加湿器を含むガス経路に補圧動作を行なう際に、加湿器を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することが可能になる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示す燃料ガス用加湿器の概略構成を模式的に示す断面図である。 図４は、図１に示す燃料電池システムの停止動作におけるパージガス及び補圧ガスの流れを模式的に示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における発電用ガスの流れを模式的に示している。ここで、発電用ガ
スは、燃料電池の発電に寄与するガスであって、直接燃料電池の発電に寄与する燃料ガス（水素ガス）及び酸化剤ガス（酸素ガス）の反応ガスだけでなく、燃料ガスを生成する原料として、間接的に燃料電池の発電に寄与する原料ガス等を含む。
[燃料電池システムの構成]
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０１、燃料ガス供給系統、酸化剤ガス供給系統、温度調整系統、及び制御器１０８を備えている。燃料ガス供給系統は、燃料電池１０１に燃料ガスを供給するように構成されており、酸化剤ガス供給系統は、燃料電池１０１に酸化剤ガスを供給するように構成されている。
まず、燃料電池１０１の構成について説明する。
燃料電池１０１は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されており、燃料電池１０１は、板状の全体形状を有するセル９が、その厚み方向に積層されてなるセルスタックで構成されている。ここで、セル９について、図２を参照しながら説明する。
図２は、図１に示す燃料電池システム１００における燃料電池１０１のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、セル９は、ＭＥＡ３（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）と、ガスケット４と、アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂと、を有している。ＭＥＡ３は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード２ａと、カソード２ｂと、を有しており、アノード２ａ及びカソード２ｂ（これらを、ガス拡散電極という）が、高分子電解質膜１の両面に、その周縁部より内方に位置するように設けられている。アノード２ａ及びカソード２ｂは、それぞれ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（図示せず）と、触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層（図示せず）と、を有している。
また、アノード２ａ及びカソード２ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のリング状のゴム製のガスケット４が配設されている。そして、ＭＥＡ３とガスケット４を挟むように、導電性のアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂが配設されている。アノードセパレータ５ａのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流する溝状の燃料ガス流路６が設けられており、一方、カソードセパレータ５ｂのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流する溝状の酸化剤ガス流路７が設けられている。また、アノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂ（以下、これらをセパレータ５ａ、５ｂという）の外面には、それぞれ、冷却水が通流する冷却水流路８が設けられている。
なお、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂの周囲には、それぞれ、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔、燃料ガス排出用マニホールド孔、酸化剤ガス供給用マニホールド孔、酸化剤ガス排出用マニホールド孔、冷却水供給用マニホールド孔、及び冷却水排出用マニホールド孔が設けられている（いずれも、図示せず）。
そして、このように形成したセル９をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成され、セル積層体の両端に集電板、絶縁板、及び端板（いずれも図示せず）を配置し、締結具（図示せず）で締結することでセルスタック９０が形成される。このセル９を積層したときに、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂに設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔等のマニホールド孔は、厚み方向につながって、燃料
ガス供給用マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。なお、燃料ガス供給用マニホールドと、燃料ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各アノードセパレータ５ａに設けられた燃料ガス流路６と、から燃料ガス内部流路１１が構成され（図１参照）、酸化剤ガス供給用マニホールドと、酸化剤ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各カソードセパレータ５ｂに設けられた酸化剤ガス流路７と、から酸化剤ガス内部流路１２が構成され（図１参照）、冷却水供給用マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、これらを接続するように各セパレータ５ａ、５ｂに設けられた冷却水流路８と、から冷却水内部流路（図示せず）が構成される。
次に、燃料ガス供給系統の構成について、図１を参照しながら説明する。
燃料ガス供給系統は、原料ガス供給器１１０と、燃料処理器１０２と、燃料ガス用加湿器３と、を有している。燃料処理器１０２は、バーナ１０２ａ、改質器、変成器、及びＣＯ除去器（図示せず）を有しており、燃料電池システム１００の外部から供給された原料ガス（例えば、メタン）と水とを反応させて水素リッチな燃料ガスを生成するように構成されている。具体的には、燃料処理器１０２には、原料ガス供給経路１３１の下流端が接続されており、原料ガス供給経路１３１の上流端は、原料ガス供給器１１０に接続されている。
原料ガス供給器１１０には、図示されない都市ガスの配管と接続されており、原料ガス供給器１１０は、開閉弁１１０ｂ及び昇圧器１１０ａを有している。昇圧器１１０ａの上流の原料ガス供給経路１１０には図示されない脱硫器を備えており、この脱硫器は、原料ガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物を吸着除去（脱硫）し、昇圧器１１０ａは、脱硫した原料ガスをその流量を調整しながら昇圧して、原料ガス供給経路１３１に流す。なお、原料ガス供給器１１０のうち開閉弁１１０ｂ及び昇圧器１１０ａは、ここでは、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に原料ガスをパージガスとして供給するためのパージガス供給器として機能し、原料ガス供給器１１０のうち開閉弁１１０ｂが燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に原料ガスを補圧ガスとして供給するための補圧ガス供給器としての機能を兼ねている。また、ここでは、原料ガスとしてメタンを使用したが、これに限定されず、エタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等に例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスを使用することができる。
原料ガス供給経路１３１は、第１及び第２原料ガス供給経路１３１ａ、１３１ｂを有している。第１原料ガス供給経路１３１ａの上流端は、原料ガス供給器１１０に接続され、その下流端は、三方弁からなる第１切り替え器１２１の第１ポート１２１ａに接続されている。また、第２原料ガス供給経路１３１ｂの上流端は、第１切り替え器１２１の第３ポート１２１ｃに接続され、その下流端は、燃料処理器１０２に接続されている。第１切り替え器１２１の第２ポート１２１ｂには、バイパス経路１３６の上流端が接続されている。
燃料処理器１０２のバーナ１０２ａには、後述するオフガス流路１３３を介して燃料電池１０１が接続されており、燃料電池１０１で使用されなかった余剰の燃料ガスが、オフガスとして供給されるように構成されている。そして、バーナ１０２ａでは、燃料電池１０１からオフガス流路１３３を介して供給されたオフガス（または、図示されない流路を通じて供給された原料ガス）と、燃焼用空気供給器（図示せず）から供給される燃焼用の空気と、を燃焼させて燃焼ガスを生成する。
このバーナ１０２ａで生成された燃焼ガスからの伝熱を利用して、燃料処理器１０２の改質器では、原料ガスと図示されない流路を通じて供給された水とを改質反応させること
により、水素リッチな改質ガスが生成される。そして、変成器及びＣＯ除去器では、改質器で生成された改質ガスを、シフト反応及び酸化反応させることにより、一酸化炭素が１ｐｐｍ程度まで低減された水素リッチな燃料ガスが生成される。
燃料処理器１０２のＣＯ除去器の出口には、第１燃料ガス供給経路１３２ａの上流端が接続されており、その下流端は、三方弁からなる第２切り替え器（閉鎖器）１２２の第１ポート１２２ａに接続されている。第２切り替え器１２２の第３ポート１２２ｃには、第２燃料ガス供給経路１３２ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス供給用マニホールド）の入口に接続されている。第２燃料ガス供給経路１３２ｂの途中には、燃料ガス用加湿器１０３が設けられており、燃料ガス用加湿器１０３は、燃料ガス供給経路１３２を通流する燃料ガスを加湿する。また、第２燃料ガス供給経路１３２ｂの燃料ガス用加湿器１０３の下流側には、圧力検出器１１１が設けられており、第２燃料ガス供給経路１３２ｂを通流するガスの圧力を検出するように構成されている。そして、圧力検出器１１１は、検出した圧力を制御器１０８に伝達する。なお、ここでは、圧力検出器１１１は、差圧計を使用している。さらに、第２切り替え器１２２の第２ポート１２２ｂには、バイパス経路１３６の下流端が接続されている。なお、第１燃料ガス供給経路１３２ａと第２燃料ガス供給経路１３２ｂから燃料ガス供給経路１３２が構成される。
これにより、燃料電池システム１００の運転時には、燃料処理器１０２で生成された燃料ガスが、燃料ガス用加湿器で加湿されて燃料電池１０１のアノード２ａに供給される。また、後述するように、燃料電池システム１００の停止処理時または停止処理完了後において、原料ガス供給器１１０から、原料ガスが、パージガス又は補圧ガスとしてバイパス経路１３６を介して燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に供給される。このため、本実施の形態においては、原料ガス供給器１１０（特に、開閉弁１１０ｂ）が、補圧ガス供給器の機能を兼ね備える。
また、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス排出マニホールド）の出口には、第１オフガス流路１３３ａの上流端が接続されており、その下流端は、オフガス流路開閉弁１２４と接続されている。また、オフガス流路開閉弁１２４には、第２オフガス流路１３３ｂの上流端が接続され、その下流端は、燃料処理器１０２のバーナ１０２ａに接続されている。これにより、燃料処理器１０２で生成された燃料ガスが、燃料ガス用加湿器１０３で加湿されて燃料電池１０１のアノードに供給され、未反応の燃料ガスが、オフガスとしてバーナ１０２ａに供給される。なお、第１オフガス流路１３３ａと第２オフガス流路１３３ｂからオフガス流路１３３が構成される。
次に、酸化剤ガス供給系統の構成について説明する。
酸化剤ガス供給系統は、酸化剤ガス供給器１０４と酸化剤ガス用加湿器１０５を有している。酸化剤ガス供給器１０４は、上述したように、燃料電池１０１に酸化剤ガスを供給するように構成されており、ここでは、ブロワを用いている。
酸化剤ガス供給器１０４には、第１酸化剤ガス供給経路１３４ａの上流端が接続されており、その下流端は、三方弁からなる第３切り替え器（閉鎖器）１２３の第１ポート１２３ａに接続されている。第３切り替え器１２３の第２ポート１２３ｂには、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１に設けられた酸化剤ガス内部流路１２（正確には、酸化剤ガス供給用マニホールド）の入口に接続されている。第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂの途中には、酸化剤ガス用加湿器１０５が設けられており、酸化剤ガス用加湿器１０５は、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂを通流する酸化剤ガスを加湿する。また、第３切り替え器１２３の第３ポート１２３ｃには、カ
ソード用バイパス経路１３７の下流端が接続されており、その上流端は、バイパス経路１３６の途中に接続されている。なお、第１酸化剤ガス供給経路１３４ａと第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂから酸化剤ガス供給経路１３４が構成される。
これにより、燃料電池システム１００の運転時には、酸化剤ガス供給器１０４から酸化剤ガス経路１３４に供給された酸化剤ガスが、酸化剤ガス用加湿器１０５で加湿されて燃料電池１０１のカソード２ｂに供給される。また、燃料電池システム１００の運転終了時には、パージガス又は補圧ガスが、カソード用バイパス経路１３７を介して、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路１２に供給される。
また、燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路１２（正確には、酸化剤ガス排出用マニホールド）の出口には、第１酸化剤ガス排出経路１３５ａの上流端が接続されており、その下流端は、酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５に接続されている。また、酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５には、第２酸化剤ガス排出経路１３５ｂの上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池システム１００の外部に開口されている。これにより、燃料電池１０１のカソードには、加湿された酸化剤ガスが供給され、未使用の酸化剤ガスは、燃料電池システム１００の外部に排出される。なお、第１酸化剤ガス排出経路１３５ａと第２酸化剤ガス排出経路１３５ｂから、酸化剤ガス排出経路１３５が構成される。
そして、原料ガス供給経路１３１、燃料ガス供給経路１３２、燃料ガス内部供給路１１、オフガス流路１３３、酸化剤ガス供給経路１３４、酸化剤ガス内部供給路１２、及び酸化剤ガス排出経路１３５からガス経路が構成される。
次に、温度調整系統の構成について説明する。
温度調整系統は、冷却水タンク１０６と熱交換器１０７を有しており、燃料電池１０１内を所定の温度に保つように構成されている。冷却水タンク１０６は、容器で構成され、その上端部は大気開放されている。冷却水タンク１０６の上部には、市水を供給するための市水供給経路１５１が接続され、その内部には、タンク内部に貯えられた水の水位を検知する水位検知器１０９が設けられている。また、市水供給経路１５１の途中には、市水供給経路１５１を通流する水の流量を調整するための第１ポンプ１４１が設けられている。水位検知器１０９は、検知した水位を制御器１０８に伝達し、制御器１０８は、この水位情報を基に第１ポンプ１４１を制御して、冷却水タンク１０６に貯えられる水の水位を調整している。
また、冷却水タンク１０６の下部には、冷却水供給経路１５２の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０１の冷却水内部流路（正確には、冷却水供給用マニホールド）の入口に接続されている。冷却水供給経路１５２の途中には、第２ポンプ１４２が設けられている。これにより、冷却水タンク１０６から冷却水供給経路１５２を介して燃料電池１０１に冷却水が供給される。
燃料電池１０１の冷却水内部流路（正確には、冷却水排出用マニホールド）の出口には、第１冷却水排出経路１５３ａの上流端が接続されており、その下流端は、熱交換器１０７の一次流路（図示せず）の一端に接続されている。第１冷却水排出経路１５３ａの途中には、燃料ガス用加湿器１０３が設けられ、第１冷却水排出経路１５３ａの燃料ガス用加湿器１０３の下流側には、上述の酸化剤ガス用加湿器１０５が設けられている。すなわち、燃料ガス用加湿器１０３は、第２燃料ガス供給経路１３２ｂと第１冷却水排出経路１５３ａとに跨って設けられ、同様に、酸化剤ガス用加湿器１０５は、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂと第１冷却水排出経路１５３ａとに跨って設けられている。また、熱交換器１０７の一次流路（図示せず）の他端には、第２冷却水排出経路１５３ｂの上流端が接続さ
れており、その下流端は、冷却水タンク１０６に接続されている。熱交換器１０７の二次流路（図示せず）の一端には、水循環路１５４を構成する水往路１５４ａの下流端が接続され、その上流端は、図示されない貯湯タンクに接続されている。また、熱交換器１０７の二次流路の他端には、水循環路１５４を構成する水復路１５４ｂの上流端が接続され、その下流端は、貯湯タンクに接続されている。水往路１５４ａの途中には、第３ポンプ１４３が設けられている。なお、第１冷却水排出経路１５３ａと第２冷却水排出経路１５３ｂから冷却水排出経路１５３が構成され、冷却水供給経路１５２と冷却水排出経路１５３から冷却水経路が構成される。
これにより、燃料電池１０１内を通流して排熱を回収した冷却水は、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０６で、燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿し、熱交換器１０７で、水循環路を通流する水と熱交換する。
そして、燃料電池１０１では、アノード２ａに供給された燃料ガスとカソード２ｂに供給された酸化剤ガスが電気化学的に反応して水が生成され、電気と熱が発生する。発生した電気は、図示されないインバータ等から構成される出力制御部から外部の電気負荷に供給され、また、発生した熱は、燃料電池１０１の冷却水内部流路内を循環し、排出される冷却水によって、外部に排出され、燃料電池１０１内が所定の温度に保たれる。
ここで、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の構造について、図３を参照しながら詳細に説明する。なお、燃料ガス用加湿器１０３と酸化剤ガス用加湿器１０５の基本的構成は同じであるため、ここでは、燃料ガス用加湿器１０３の説明をする。
図３は、図１に示す燃料ガス用加湿器１０３の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、燃料ガス用加湿器１０３における上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。
図３に示すように、燃料ガス用加湿器１０３は、板状の全体形状を有する加湿セル６３がその厚み方向に積層されてなる加湿セル積層体６９と、加湿セル積層体６９の両端に配置された第１及び第２の端板（いずれも図示せず）と、加湿セル積層体６９と第１及び第２の端板とを加湿セル６３の積層方向において締結する図示されない締結具と、を有している。なお、板状の加湿セル６３は、鉛直面に平行に延在しており、加湿セル６３の積層方向は水平方向となっている。
加湿セル６３は、板状の一対のセパレータ６１と膜片状の水分透過膜６２を有している。水分透過膜６２の周縁部には、厚み方向に貫通する燃料ガス供給用マニホールド孔６４や冷却水供給用マニホールド孔６５等のマニホールド孔が設けられている。なお、水分透過膜６２は、水分（水蒸気）を透過させる、厚み方向に貫通する微小な孔が多数設けられている膜（例えば、旭化成社製 商品名ハイポア７０２５）や水蒸気透過能力を有する膜（例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（例えば、Ｄｕ Ｐｏｎｄ社製 商品名Ｎａｆｉｏｎ）で構成することができ、水蒸気を透過することができれば、特に限定されない。
また、水蒸気透過膜６２を挟むようにして一対の板状のセパレータ６１が配設されている。セパレータ６１の周縁部には、厚み方向に貫通する燃料ガス供給用マニホールド孔６４や冷却水供給用マニホールド孔６５等のマニホールド孔が設けられている。各マニホールド孔の周縁部には、Ｏリング６８が配設されている。また、セパレータ６１の一方の主面には、冷却水を通流させるための溝状の冷却水流路６６が、冷却水供給用マニホールド孔６５と冷却水排出用マニホールド孔（図示せず）とを結ぶように、サーペンタイン状に形成されており、他方の主面には、燃料ガスを通流させるための燃料ガス流路６７が、燃料ガス供給用マニホールド孔６４と燃料ガス排出用マニホールド孔（図示せず）とを結ぶ
ように、サーペンタイン状に設けられている。なお、ここでは、冷却水流路６６及び燃料ガス流路６７は、サーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、セパレータ６１のほぼ全域を燃料ガス又は冷却水が通流するようにすれば、どのような形状であってもよい。
このように形成された加湿セル６３をその厚み方向に積層することにより、加湿セル積層体６９が形成される。セパレータ６１及び水分透過膜６２に設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔６４や冷却水供給用マニホールド孔６５等のマニホールド孔は、加湿セル６３を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、燃料ガス供給用マニホールド１６４や冷却水供給用マニホールド１６５等のマニホールドがそれぞれ形成される。
これにより、各加湿セル６３に設けられた、冷却水流路６６に冷却水を通流させ、燃料ガス流路６７に燃料ガスを通流させることにより、冷却水に含まれる水分が、水分透過膜６２を透過して燃料ガスが加湿される。
そして、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、加湿セル６３の水分透過膜６２の上端部よりも、冷却水タンク１０６の水面が上方に位置するように形成されている。上述したように、冷却水タンク１０６の水位は、水位検知器１０９により検知され、制御器１０８により、所定の水位閾値よりも低くならないように制御されている。このため、加湿セル６３の水分透過膜６２の上端部よりも、冷却水タンク１０６の水面が上方に位置するように、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び冷却水タンク１０６を配置するようにすれば、冷却水タンク１０６の底面の一部又は全部が、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも下方に位置してもよい。
また、本実施の形態１においては、補圧ガスとして都市ガス（ガス圧が１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａ）を使用しているため、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面が、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上、上方に位置するように冷却水タンク１０６内の水位閾値を設定することが好ましい。このようにすることで、燃料電池システム１００が停止している状態で冷却水が循環していないときにおいても（すなわち、第２ポンプ１４２の動作による冷却水への加圧がないときにおいても）燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、２．５ｋＰａ以上の圧力（水圧）がかかるようにすることができる。これにより、燃料電池システム１００停止時に、補圧ガスが供給された際にも、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路の圧力よりも高いので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留して冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
なお、ここでは、補圧ガスとして都市ガスを使用したため、冷却水タンク１０６内の水面が、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上高いことが好ましいとしたが、補圧ガスの圧力が、１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａの範囲でない場合は、これに限らない。例えば、補圧ガスの圧力が３．３ｋＰａであるＬＰＧガスであれば、冷却水タンク１０６内の冷却水の水面は、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも３３ｃｍ以上高いことが好ましい。このように、燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部の位置に対する冷却水タンク１０６内の冷却水の水面の高さは、補圧ガスの圧力によって異なり、少なくとも燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高ければ、冷却水が循環していないときにおいても燃料ガス用加湿器１０３
及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、所定の圧力（水圧）がかかるため、補圧動作時の補圧ガスの冷却水流路６６側への漏出量を抑制することは可能であるが、補圧ガスの漏出量を０に近づけるために、補圧ガスの圧力よりも、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が大きくなるように、冷却水タンク１０６内の水位閾値を決定することが好ましい。
次に、制御器１０８について説明する。
制御器１０８は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、キーボード等の操作入力部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器１０８は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システムを制御するように構成されていてもよい。
[燃料電池システムの動作]
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１の発電時の一般的動作について、図１を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器１０８が燃料電池システム１００を制御することにより遂行される。
発電時においては、原料ガスが、バイパス経路１３６を通流しないように、第１切り替え器１２１は、第１ポート１２１ａを第３ポート１２１ｃと連通させ、かつ、第２ポート１２１ｂを遮断して、原料ガスが原料ガス供給経路１３１を通流するように作動される。また、第２切り替え器１２２は、第１ポート１２２ａを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第２ポート１２２ｂを遮断して、燃料ガスが燃料ガス供給経路１３２を通流するように作動される。さらに、第３切り替え器１２３は、第１ポート１２３ａを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第３ポート１２３ｃを遮断して、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路１３４を通流するように作動される。
これにより、図１に示すように、原料ガス供給器１１０から原料ガス供給経路１３１を介して、原料ガスが燃料処理器１０２に供給されて、燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路１３２を通流して、燃料電池１０１のアノードに供給される。また、酸化剤ガス供給器１０４から、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路１３４を通流して、燃料電池１０１のカソードに供給される。このとき、上述したように、燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、これらを反応ガスという）は、それぞれ、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５で、冷却水と水分交換を行い、加湿される。
燃料電池１０１に供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、その内部で反応して水が生成される。また、未反応の燃料ガスは、オフガスとしてオフガス流路１３３を介してバーナ１０２ａに供給される。一方、未反応の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１３５を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
また、燃料電池１０１には、冷却水タンク１０６から冷却水供給経路１５２を介して、冷却水が燃料電池１０１に供給される。燃料電池１０１に供給された冷却水が、燃料電池１０１内を通流することで、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応による熱を回収し、燃
料電池１０１内が所定の温度に保たれる。燃料電池１０１内の熱を回収した冷却水は、第１冷却水排出経路１５３ａを通流して、熱交換器１０７の一次流路に供給される。このとき、上述したように、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５で、反応ガスと水分交換を行い、反応ガスを加湿する。熱交換器７の一次流路に供給された冷却水は、熱交換器１０７の二次流路を通流する水と熱交換を行い、第２冷却水排出経路１５３ｂを介して冷却水タンク１０６に供給される。
次に、燃料電池システム１００の運転停止動作について、図４を参照しながら説明する。
図４は、図１に示す燃料電池システム１００の停止動作におけるパージガス及び補圧ガスの流れを模式的に示す図である。
本発明においては、停止動作を、制御器１０８が停止信号を出力してから、燃料電池システム１００がその動作を停止するまでの動作として定義する。なお、燃料電池システム１００がその動作を停止するとは、制御器１０８は動作していて、制御器１０８以外の部分の動作が停止している状態をいう。制御器１０８は、停止ボタンによって停止指令が入力されたとき、及び負荷からの発電要求が無くなった（図示されない負荷電力検知器で検出される負荷電力が所定の閾値以下となった）ときに、停止信号を出力する。また、発電の停止は、燃料電池１０１の発電電力を外部に出力するためのインバータの出力をゼロにするとともに、インバータにより燃料電池１０１を負荷から電気的に切り離すことによって行われる。
制御器１０８から停止信号が出力されると、第２ポンプ１４２の運転が停止され、冷却水タンク１０６から燃料電池１０１の冷却水内部流路への冷却水の供給が停止する。また、第１切り替え器１２１は、第１ポート１２１ａを第２ポート１２１ｂと連通させ、かつ、第３ポート１２１ｃを遮断して、原料ガスがバイパス経路１３６を通流するように作動される。さらに、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第１ポート１２２ａを遮断して、燃料ガスが燃料ガス供給経路１３２を通流しないように作動される。さらに、第３切り替え器１２３は、第３ポート１２３ｃを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第１ポート１２３ａを遮断して、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給経路１３４を通流しないように作動される。これにより、燃料処理器１０２から燃料電池１０１への燃料ガスの供給が停止し、また、酸化剤ガス供給器１０４から燃料電池１０１への酸化剤ガスの供給が停止する。
次に、原料ガス供給器１１０から、原料ガスがパージガスとして第１原料ガス供給経路１３１ａに供給される。供給されたパージガスは、パージガス経路１３６を通流して、第２燃料ガス供給経路１３２ｂを介して燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１に供給され、燃料ガス内部流路１１内に存在する燃料ガスは、パージガスにパージされる。パージされた燃料ガスは、オフガス流路１３３を介してバーナ１０２ａに供給される。また、パージガス経路１３６を通流するパージガスの一部は、カソード用パージガス経路１３７を通流して、第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂを介して燃料電池１０１の酸化剤ガス内部流路１２に供給され、酸化剤ガス内部流路１２内の酸化剤ガスが、パージガスにパージされる。パージされた酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路１３５を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
そして、燃料ガス内部流路１１及び酸化剤ガス内部流路１２内全体がパージガスでパージされると、オフガス流路開閉弁１２４及び酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５が閉鎖され、オフガス流路１３３ａ及び第１酸化剤ガス排出経路１３５ａの下流端が閉鎖される。ついで、原料ガス供給器１１０の昇圧器１１０ａの動作を停止するとともに、開閉弁１１０
ｂを閉止することでパージガスの供給を停止し、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第１及び第３ポート１２２ａ、１２２ｃのいずれにも接続させないようにし、また、第３切り替え器１２３は、第２ポート１２３ｂを第１及び第３ポート１２３ａ、１２３ｃのいずれにも接続させないようにして、第２燃料ガス供給経路１３２ｂ及び第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂの上流端を閉鎖する。
これにより、原料ガス供給経路１３１、燃料ガス供給経路１３２、燃料ガス内部供給路１１、オフガス流路１３３、酸化剤ガス供給経路１３４、酸化剤ガス内部供給路１２、及び酸化剤ガス排出経路１３５から構成されるガス経路のうち燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５をそれぞれ含む特定区間である第２燃料ガス供給経路１３２ｂから燃料ガス内部供給路１１を経て第１オフガス流路１３３ａまでの燃料ガス経路の両端と第２酸化剤ガス供給経路１３４ｂから、酸化剤ガス内部供給路１２を経て、第１酸化剤ガス排出経路１３５ａまで酸化剤ガス経路の両端が閉鎖される。
次に、圧力検出器１１１が、ガス経路の特定区間の一部である第２燃料ガス供給経路１３２ｂが負圧であることを検知した場合、すなわち、燃料電池１０１の燃料ガス内部流路１１が負圧であると検知した場合、制御器１０８の制御により原料ガス供給器１１０の開閉弁１１０ｂを開放するとともに、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第１ポート１２２ａを遮断するように作動され、第３切り替え器１２３は、第３ポート１２３ｃを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第１ポート１２３ａを遮断するように作動される。すると、都市ガスの圧力により原料ガス供給器１１０から原料ガスが補圧ガスとして供給され、燃料ガス用加湿器１０３を含む特定区間、酸化剤ガス用加湿器１０５を含む特定区間が補圧される。
このとき、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６１には、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路を通流する補圧ガスの圧力がかかるが、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面が、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上、上方に位置するように設定されているため、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、２．５ｋＰａ以上の圧力（水圧）がかかる。このため、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路の圧力よりも高い（第１冷却水排出経路１５３ａにおける燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の入口と冷却水タンク１０６の水面との水頭差圧が、補圧ガスの圧力よりも高い））ので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留して、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００停止時に補圧動作を行なう際において、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６１を介して補圧ガスが、冷却水経路に漏出および滞留するのを抑制することができるので、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。また、冷却水経路から燃料電池システム１００外に補圧ガスが漏れ出ることによって、人体へ悪影響を及ぼすことや、機器の発火や爆発の原因になったりする危険性を回避できる。
なお、ここでは、圧力検出器１１１を第２燃料ガス供給経路１３２ｂに設ける構成としたが、これに限定されず、ガス経路の特定区間内に設けられれば、その設置場所は限定されない。
また、本発明の特定区間として、燃料ガス経路においては、第２燃料ガス供給経路１３
２ｂから燃料ガス内部供給路１１を経て、第１オフガス流路１３３ａまでの区間としたが、あくまでこれは例示であり、少なくとも燃料ガス用加湿器１０３が設けられた燃料ガス経路であれば、いずれの区間であってもあってもよい。例えば、第２燃料ガス供給経路１３２ｂを特定区間として、第２燃料ガス供給経路１３２ｂの下端（燃料ガス加湿器１０３と燃料電池１０１の間の燃料ガス経路）に別途弁が設けられ、この弁と第２切り替え器１２２で区切られた燃料ガス経路のガス圧が低下した場合に補圧動作として原料ガス供給器より補圧ガスを供給するようにしても構わない。酸化ガス経路においても同様で、少なくとも酸化剤ガス用加湿器が設けられた酸化剤ガス経路であればいずれの区間であってもよい。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す模式図である。
図５に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システムは、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、冷却水タンク１０６が密閉されている点と、補圧ガスの一部が、冷却水タンク１０６に供給されるように構成されている点が異なる。具体的には、バイパス経路１３６の途中に補圧ガス供給路１３８の上流端が接続されており、その下流端は、冷却水タンク１０６の上端部に接続されている。
これにより、燃料電池システム１００の運転停止時に補圧ガスが供給される際、冷却水タンク１０６にも補圧ガスが供給されるため、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面には、供給された補圧ガスの圧力がかかる。つまり、冷却水が循環していないときにおいても、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には、少なくとも燃料ガス用加湿器１０３、又は酸化剤ガス用加湿器１０５の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高いことに起因する所定の水圧に補圧ガスの圧力が加わる。
このため、燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７及び酸化剤ガス流路の圧力よりも高いので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
なお、補圧ガス供給路１３８の下流端は、冷却水供給経路１５２に補圧ガスが流入することを防止する観点から、冷却水タンク１０６における冷却水の水面の最上部よりも上方の部分で接続されることが好ましい。
以上の本実施の形態１及び２の燃料電池システム１００においては、酸化剤ガス用加湿器１０５及び燃料ガス加湿器１０３の両方を備えているが、いずれか一方のみを備えた場合であっても、加湿器の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高くなるよう構成することで同様の効果が得られる。
また、本実施の形態１及び２の燃料電池システムにおいては、補圧ガスとして原料ガス供給器１１０から供給される原料ガスを用いた場合について説明したが、補圧ガスの種類はこれに限定されず、例えば、水素ボンベ等の水素貯蔵器から燃料ガスを供給する場合においては、燃料ガス経路への補圧ガスとして、燃料ガスを用いても構わない。また、酸化剤ガス経路への補圧ガスとして酸化剤ガス供給器１０４から供給される酸化剤ガスを用いても構わない。
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
図６に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第２原料ガス供給経路１３１ｂの途中に原料ガス供給経路開閉弁１２６が設けられており、該第２原料ガス供給経路１３１ｂの原料ガス供給経路開閉弁１２６の上流側に、第２原料ガス供給経路１３１ｂと冷却水供給経路１５２とを跨ぐように原料ガス用加湿器１１２が設けられている点が異なり、燃料処理器１０２に供給される原料ガスが加湿されるように構成されている点が異なる。さらに、第２原料ガス経路１３１ｂのうち第１切り替え器１２１と原料ガス供給経路開閉弁１２６との間の原料ガス経路が原料ガス用加湿器１１２を含む特定区間であり、本特定区間の圧力が低下した場合、原料ガス供給器より原料ガスが供給されることで、少なくとも原料ガス用加湿器１１２内の原料ガスが通流する流路（以下、原料ガス流路という）が補圧される点も異なる。なお、原料ガス用加湿器１１２は、燃料ガス用加湿器１０３と同様の構成をしているため、その詳細な説明は省略する。
そして、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の運転停止動作においては、圧力検出器１１１が、ガス経路の特定区間の一部である第２燃料ガス供給経路１３２ｂが負圧であることを検知した場合、制御器１０８の制御により第１切り替え器１２１は、第１ポート１２１ａを第２ポート１２１ｂ及び第３ポート１２１ｃの両方に連通するように作動され、第２切り替え器１２２は、第２ポート１２２ｂを第３ポート１２２ｃと連通させ、かつ、第１ポート１２２ａを遮断するように作動され、第３切り替え器１２３は、第３ポート１２３ｃを第２ポート１２３ｂと連通させ、かつ、第１ポート１２３ａを遮断するように作動される。ついで、オフガス流路開閉弁１２４、酸化剤ガス排出経路開閉弁１２５、原料ガス供給経路開閉弁１２６は閉じた状態のまま、制御器１０８の制御により原料ガス供給器１１０の開閉弁１１０ｂを開放することで、原料ガスが補圧ガスとして供給され、燃料ガス用加湿器１０３を含む特定区間、酸化剤ガス用加湿器１０５を含む特定区間、原料ガス用加湿器１１２を含む特定区間と、が補圧される。
このとき、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転停止動作のときと同様に、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６１には、燃料ガス流路６７、酸化剤ガス流路、及び原料ガス流路を通流する補圧ガスの圧力がかかるが、冷却水タンク１０６内における冷却水の水面が、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６２の上端部よりも２５ｃｍ以上、上方に位置するように設定されているため、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６２の冷却水流路６６側には安定して、２．５ｋＰａ以上の圧力（水圧）がかかる。このため、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の冷却水流路６６の圧力が、燃料ガス流路６７、酸化剤ガス流路、及び原料ガス流路の圧力よりも高い（第１冷却水排出経路１５３ａにおける燃料ガス用加湿器１０３及び酸化剤ガス用加湿器１０５の入口及び冷却水供給経路１５２における原料ガス用加湿器１１２の入口と、冷却水タンク１０６の水面と、の水頭差圧が、補圧ガスの圧力よりも高い））ので、水分透過膜６２を介して、補圧ガス（パージガスを含む）が冷却水流路６６ひいては冷却水経路に漏出及び滞留して、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制することができる。
このように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００停止時に補圧動作を行なう際において、燃料ガス用加湿器１０３、酸化剤ガス用加湿器１０５、及び原料ガス用加湿器１１２の水分透過膜６１を介して補圧ガスが、冷却水経路に漏出及び滞留するのを抑制することができるので、冷却水経路内の冷却水の正常な循
環を妨げることを抑制することができる。また、冷却水経路から燃料電池システム１００外に補圧ガスが漏れ出ることによって、人体へ悪影響を及ぼすことや、機器の発火や爆発の原因になったりする危険性を回避できる。
なお、本実施の形態３の燃料電池システム１００においては、酸化剤ガス用加湿器１０５及び燃料ガス加湿器１０３の両方を備えているが、いずれか一方のみを備えた場合であっても、加湿器の水分透過膜６２の上端部の位置よりも冷却水タンク１０６内の冷却水の水面が高くなるよう構成することで同様の効果が得られる。
また、本実施の形態３の燃料電池システムにおいては、補圧ガスとして原料ガス供給器１１０から供給される原料ガスを用いた場合について説明したが、補圧ガスの種類はこれに限定されず、例えば、水素ボンベ等の水素貯蔵器から燃料ガスを供給する場合においては、燃料ガス経路への補圧ガスとして、燃料ガスを用いても構わない。また、酸化剤ガス経路への補圧ガスとして酸化剤ガス供給器１０４から供給される酸化剤ガスを用いても構わない。
なお、以上の実施の形態１〜３に係る燃料電池システム１００においては、ガス経路の特定区間における圧力低下を検知するために、この特定区間に圧力検知器１１１を設けて直接的に圧力を検知する方法を用いたが、圧力検出器１１１を設けずに、計時器（図示せず）を設け、燃料電池システム１００の停止動作が開始してからの経過時間または補圧ガスの供給後の経過時間が、上記特定区間内が負圧になると推定される時間になる度に、制御器１０８が、上述の通り開閉弁、第２切り替え器１２２、及び第３切り替え器１２３を制御して上記特定区間に補圧ガスを供給するよう構成しても構わない。これは、燃料電池システム１００が停止処理を開始してから時間が経過するとともに温度低下が進行し、ガス経路内のガスが収縮して負圧化が進行する性質を利用したものである。このように、上記特定区間の圧力低下を検知するために圧力検知器１１１で直接的に圧力を検知する方法に限定されず、上記特定区間の圧力を検知可能であれば、計時器等を利用して間接的に圧力を検知する方法を用いても構わない。
また、以上の実施の形態１〜３に係る燃料電池システム１００においては、上記特定区間に補圧動作を実行する場合、バイパス経路１３６を介して上記特定区間に原料ガスを供給するため、制御器１０８により原料ガス供給器１１０の開閉弁１１０ｂだけでなく、第１切り替え器１２１、第２切り替え器１２２、第３切り替え器１２３を制御して補圧動作を実行するよう構成されているが、別途所定の供給圧を有する補圧ガス供給源（例えば、窒素ボンベ、ＬＰＧボンベ等）と、この補圧ガス供給源と各特定区間を直接接続する補圧ガス経路と、この補圧ガス経路上に補圧ガス供給器としての開閉弁とを設け、上記特定区間内の圧力が低下した場合に、制御器１０８の制御によりこの開閉弁を開放することで補圧ガスが、上記特定区間に供給されるよう構成しても構わない。つまり、本願の特許請求の範囲に記載の補圧ガス供給器は、補圧ガス経路に設けられた開閉弁を含み、少なくともこの開閉弁を開放することで、補圧動作を実現することが可能になる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池に供給される反応ガスを冷却水で加湿する加湿器を含むガス経路に補圧動作を行なう際に、加湿器を介して補圧ガスが冷却水経路に漏出及び滞留し、冷却水経路内の冷却水の正常な循環を妨げることを抑制す
ることができるため、安全な燃料電池システムとして産業上利用することが可能となる。
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）
４ ガスケット
５ａ アノードセパレータ
５ｂ カソードセパレータ
６ 燃料ガス流路
７ 酸化剤ガス流路
８ 冷却水流路
９ セル
１１ 燃料ガス内部流路
１２ 酸化剤ガス内部流路
６１ セパレータ
６２ 水分透過膜
６３ 加湿セル
６４ 燃料ガス供給用マニホールド孔
６５ 冷却水供給用マニホールド孔
６６ 冷却水流路
６７ 燃料ガス流路
６９ 加湿セル積層体
９０ セルスタック
１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０２ 燃料処理器
１０２ａ バーナ
１０３ 燃料ガス用加湿器
１０４ 酸化剤ガス供給器
１０５ 酸化剤ガス用加湿器
１０６ 冷却水タンク
１０７ 熱交換器
１０８ 制御器
１０９ 水位検知器
１１０ 原料ガス供給器（補圧ガス供給器）
１１０ａ 昇圧器
１１０ｂ 開閉弁
１１１ 圧力検出器
１１２ 原料ガス用加湿器
１２１ 第１切り替え器
１２１ａ 第１ポート
１２１ｂ 第２ポート
１２１ｃ 第３ポート
１２２ 第２切り替え器
１２２ａ 第１ポート
１２２ｂ 第２ポート
１２２ｃ 第３ポート
１２３ 第３切り替え器
１２３ａ 第１ポート
１２３ｂ 第２ポート
１２３ｃ 第３ポート
１２４ オフガス流路開閉弁
１２５ 酸化剤ガス排出経路開閉弁
１２６ 原料ガス供給経路開閉弁
１３１ 原料ガス供給経路
１３１ａ 第１原料ガス供給経路
１３１ｂ 第２原料ガス供給経路
１３２ 燃料ガス供給経路
１３２ａ 第１燃料ガス供給経路
１３２ｂ 第２燃料ガス供給経路
１３３ オフガス流路
１３３ａ 第１オフガス流路
１３３ｂ 第２オフガス流路
１３４ 酸化剤ガス供給経路
１３４ａ 第１酸化剤ガス供給経路
１３４ｂ 第１酸化剤ガス供給経路
１３５ 酸化剤ガス排出経路
１３５ａ 第１酸化剤ガス排出経路
１３５ｂ 第２酸化剤ガス排出経路
１３６ バイパス経路
１３７ カソード用バイパス経路
１３８ 補圧ガス供給路
１４１ 第１ポンプ
１４２ 第２ポンプ
１４３ 第３ポンプ
１５１ 市水供給経路
１５２ 冷却水供給経路
１５３ 冷却水排出経路
１５３ａ 第１冷却水排出経路
１５３ｂ 第１冷却水排出経路
１５４ 水循環路
１５４ａ 水往路
１５４ｂ 水復路
１６４ 燃料ガス供給用マニホールド
１６５ 冷却水供給用マニホールド

Claims (8)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池の発電に用いられる発電用ガスが通流するガス経路と、
    前記燃料電池を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、
    前記冷却水経路に設けられた、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、
    水分透過膜を有し、前記冷却水経路を通流する前記冷却水と前記ガス経路を通流する前記発電用ガスとの間で、前記水分透過膜を介して水分交換するように構成された加湿器と、
    前記ガス経路内部の圧力が低下した場合に前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に補圧ガスを供給する補圧ガス供給器と、を備え、
    前記冷却水タンクの水面が前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも上方に位置する、燃料電池システム。
  2. 前記補圧ガス供給器による前記補圧ガスの供給時における前記加湿器内の前記ガス経路圧よりも前記加湿器内の冷却水経路圧が高くなるよう、前記冷却水タンクの水面が位置する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記補圧ガス供給器から前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に供給される前記補圧ガスの圧力よりも前記冷却水経路の前記加湿器の入口と前記冷却水タンクとの水頭差圧の方が高くなるように前記冷却水タンクの水面が位置する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間の両端を閉鎖する閉鎖器を更に備え、
    前記補圧ガス供給器は、前記特定区間の両端が前記閉鎖器により閉鎖されていて、該特定区間の圧力が低下した場合に補圧ガスを供給するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記冷却水タンクが大気開放されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記補圧ガス供給器より供給された前記補圧ガスが流れる補圧ガス供給路を更に備え、
    前記冷却水タンクは、密閉されており、かつ、前記補圧ガス供給路が前記冷却水タンクに接続している、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記冷却水タンクの水位を検出する水位検知器と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する水補給器と、制御器とを備え、
    前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位が、水位閾値未満になった場合、前記水補給器を動作させ、前記冷却水タンクに水を補給する、請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記冷却水タンクの水位は、前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも２５ｃｍ以上高い、請求項１に記載の燃料電池システム。
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