(57)【要約】【課題】カソード側とアノード側との温度差を軽減してアノード側における水詰まりを抑制し、安定したセル電圧を得ることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システム１であって、燃料電池２０のカソード側から排出された水を貯留する貯水路４２を設け、発電の停止後に、貯水路４２に貯留された水をカソード側へ送り込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソード側から排出された水を貯留する貯留部を設け、発電の停止後に、前記貯留部に貯留された水を前記カソード側へ送り込む燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
この種の燃料電池システムとしては、要求発電量が所定発電量より小さい場合に、酸化剤供給を一時停止する一方、燃料循環を続けて、加湿水や生成水の水蒸気が燃料流路に凝縮して閉塞することを防止し、一時停止解除後の再始動時に、確実な燃料供給を可能とするものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、排空気に含まれる水蒸気を凝縮させて貯え、冷却水として使用するシステムもある（例えば、特許文献２参照）。
さらに、空気極に水を液体の状態で供給する水供給系を備え、迅速且つ確実に電解質膜を湿潤状態とするシステムも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−７３４２７号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５７８２号公報
【特許文献３】特開平１１−３１７２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の燃料電池システムにおいて、運転停止状態では、スタックが発熱せず、したがって、スタックの端部からの放熱により、スタック中央部と端部との間に温度差が生じる。すると、スタックの総マイナス側では、カソード側の温度よりもアノード側の温度が低くなるので、極間温度差によって電極膜を介してカソード側からアノード側へ水がより多く移動する。これにより、特に、スタックの総マイナス側では、アノード側の電極やセパレータ流路の水詰まりが顕著となり、起動時に燃料ガスが円滑に供給されず、セル電圧が不安定となる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、カソード側とアノード側との温度差を軽減してアノード側における水詰まりを抑制し、安定したセル電圧を得ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード側から排出された水を貯留する貯留部を設け、発電の停止後に、前記貯留部に貯留された水を前記カソード側へ送り込む。
【０００７】
この構成の燃料電池システムによれば、発電の停止後に、貯留部から燃料電池のカソード側へ水を送り込むことにより、カソード側を選択的に冷却し、カソード側とアノード側との温度差を軽減することができる。
これにより、カソード側からアノード側への水の移動を抑制し、アノード側での水詰まりを抑制し、始動性を高めることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、カソード側とアノード側との温度差を軽減してアノード側における水詰まりを抑制し、安定したセル電圧を得ることが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】燃料電池における総マイナス（−）側の温度分布を示すグラフである。
【図３】冷却フィンを有する放熱器を備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図４】燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。
【図５】開閉弁の開閉タイミングを説明する図である。
【図６】燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１１】
図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気は、コンプレッサー（図示略）によって空気供給路１１を介して燃料電池２０の空気供給口２０ａからカソード流路に供給される。
燃料電池２０から排出される空気オフガスは燃料電池２０の空気排出口２０ｂから排気路１５を経て外部に放出される。
燃料電池２０は、積層された複数のセルと、これら積層されたセルの両側に配置されたエンドプレートとからなるスタックを備えている。
【００１２】
ここで、燃料電池２０は、一端側が総マイナス（−）側とされ、他端側が総プラス（＋）側とされている。
燃料ガスとしての水素ガスは、図示略の水素供給源から水素供給路２１を介して燃料電池２０の水素供給口２０ｃからアノード流路に供給され、水素排出口２０ｄから水素循環路２５に排出され、水素供給路２１に戻されて再利用される。
【００１３】
上記の燃料電池システム１には、排気路１５に放熱器４１が設けられている。また、この排気路１５には、放熱器４１の下流側に、貯水路４２の一端が接続されており、この貯水路４２の他端は、空気供給路１１に設けられた切替弁４３に接続されている。なお、通常状態では、貯水路４２は切替弁４３にて閉ざされている。
【００１４】
また、空気供給路１１には、切替弁４３よりも燃料電池２０側に、バイパス路４４の一端が接続されており、このバイパス路４４の他端は、排気路１５における貯水路４２との接続箇所よりも下流側に設けられた切替弁４５に接続されている。なお、通常状態では、バイパス路４４は切替弁４５にて閉ざされている。
【００１５】
上記燃料電池システム１では、燃料電池２０が、水素供給路２１を介してアノード側へ供給される水素ガスと、空気供給路１１を介してカソード側へ供給される空気とを電気化学反応させ、起電力を発生させる。なお、図１中矢印ａは、運転時における空気の流れを示している。
【００１６】
このとき、燃料電池２０から排出される空気オフガスは、放熱器４１にて冷却され、ガスに含まれていた加湿水や生成水などの水が分離される。そして、この水は、貯水路４２に流れ込んで貯留される。
【００１７】
運転が停止されると、切替弁４３，４５が作動される。これにより、切替弁４３では、空気供給路１１の切替弁４３よりも上流側部分が貯水路４２だけに連通される。また、切替弁４５では、排気路１５の切替弁４５よりも下流側部分がバイパス路４４だけに連通される。
【００１８】
この状態にて、空気供給路１１に空気が小流量にて供給される。すると、この空気供給路１１に供給された空気が貯水路４２に流れ込み、この貯水路４２に貯留されていた水とともに、排気路１５を逆流して燃料電池２０内へ空気排出口２０ｂから送り込まれる。
【００１９】
これにより、この水は、燃料電池２０内における総マイナス（−）側のカソード流路に通され、カソード側が選択的に冷却される。
【００２０】
そして、この燃料電池２０に空気とともに送り込まれた水は、空気供給口２０ａから空気供給路１１へ送り出され、バイパス路４４へ導かれ、その後、切替弁４５を介して排気路１５へ送り出されて排出される。なお、図１中矢印ｂは、運転停止後における空気の流れを示している。
【００２１】
ここで、図２に示すものは、燃料電池２０における総マイナス（−）側の温度分布である。
運転停止後、燃料電池２０における総マイナス（−）側では、カソード流路（ＣＡ流路）の温度が高く、アノード流路（ＡＮ流路）の温度が低くなる。したがって、温度分布は、図２中符号Ａで示す温度分布のように、カソード流路側から電極膜（ＭＥＧＡ）を介してアノード流路側へ向かって次第に下がる傾向になる。
【００２２】
このため、この状態では、極間温度差による蒸気圧差によって電極膜を介してカソード流路側からアノード流路側へ水が移動する。
【００２３】
ここで、本実施形態では、運転停止後に、水を総マイナス（−）側のカソード流路へ送り込んでカソード側を選択的に冷却するので、図２中符号Ｂで示す温度分布のように、カソード流路側とアノード流路側との温度差を軽減することができる。
【００２４】
これにより、電極膜を介してカソード流路側からアノード流路側への水の移動を抑制し、アノード側の電極膜やアノード流路の水詰まりを抑制することができ、始動性を高めることができる。
【００２５】
なお、放熱器４１としては、図３に示すように、複数のフィン４６を配列されたものが好ましい。これにより、排気路１５を通過する空気の熱をフィン４６によって良好に放散させ、空気に含まれる水を円滑に凝縮させることができる。
【００２６】
また、切替弁４３，４５に代えて、図４に示すように、複数の開閉弁５１〜５４を設け、これら開閉弁５１〜５４を開閉制御する構造としても良い。
【００２７】
具体的には、空気供給路１１における貯水路４２との接続箇所とバイパス路４４との接続箇所との間に開閉弁５１を設け、貯水路４２に開閉弁５２を設ける。さらに、バイパス路４４に開閉弁５３を設け、排気路１５における貯水路４２との接続箇所とバイパス路４４との接続箇所との間に開閉弁５４を設ける。
【００２８】
この場合、これら開閉弁５１〜５４の開閉制御は、図５に示すように、通常運転時では、開閉弁５２，５３を閉じ、開閉弁５１，５４を開く。
【００２９】
これにより、燃料電池２０にて、水素供給路２１を介して供給される水素ガスと、空気供給路１１を介して供給される空気とが電気化学反応し、起電力が発生する。また、燃料電池２０から排出される空気オフガスは、放熱器４１にて冷却され、ガスに含まれていた水が分離され、貯水路４２に流れ込んで貯留される。
【００３０】
そして、イグニッションがＯＦＦ（ＩＧ−ＯＦＦ）されて運転が停止されると、開閉弁５１，５４を閉じ、開閉弁５２，５３を開き、空気供給路１１に空気を小流量にて供給する。これにより、この空気供給路１１に供給された空気が貯水路４２に流れ込み、この貯水路４２に貯留されていた水とともに、排気路１５を逆流して燃料電池２０内へ空気排出口２０ｂから流入する。
【００３１】
したがって、この水が、燃料電池２０内における総マイナス（−）側のカソード流路に通され、カソード側が選択的に冷却されることとなる。
【００３２】
また、図６に示すものは、排気路１５における貯水路４２との接続箇所よりも下流側に、下流側へのみ空気を流す逆止弁６１を設けるとともに、貯水路４２に、貯水路４２側へのみ空気を流す逆止弁６２を設けたものである。
【００３３】
そして、この場合、通常運転時では、空気供給路１１における空気の流れを矢印α方向とする。
【００３４】
これにより、燃料電池２０にて、水素供給路２１を介して供給される水素ガスと、空気供給路１１を介して供給される空気とが電気化学反応し、起電力が発生する。また、燃料電池２０から排出される空気オフガスは、放熱器４１にて冷却され、ガスに含まれていた水が分離され、貯水路４２に流れ込んで貯留され、空気だけが逆止弁６１を介して排出される。
【００３５】
そして、イグニッションがＯＦＦ（ＩＧ−ＯＦＦ）されて運転が停止されると、コンプレッサーを逆転させて空気供給路１１における空気の流れを矢印β方向とする。
【００３６】
これにより、逆止弁６２を介して貯水路４２に空気が流れ込み、この貯水路４２に貯留されていた水とともに、排気路１５を逆流して燃料電池２０内へ空気排出口２０ｂから流入する。
【００３７】
したがって、この水が、燃料電池２０内における総マイナス（−）側のカソード流路に通され、カソード側が選択的に冷却されることとなる。
【符号の説明】
【００３８】
１…燃料電池システム、２０…燃料電池、４２…貯水路（貯留部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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