(57)【要約】【課題】起動時のフラッディング現象の発生を防止して、起動時の信頼性を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供する。【解決手段】固体高分子型の燃料電池スタック２と、酸化ガス供給路３と、オフガス排出路４と、酸化ガスをオフガスによって加湿および加温する全熱交換型加湿器５と、結露した水分を排出する差圧式ドレン排出弁８と、オフガス排出路４に設けられた圧力検出器７と、酸化ガス供給路３に設けられた温度検出器９と、起動によって燃料電池スタック２に酸化ガスが供給され始めたとき、圧力検出器７および温度検出器９の出力から算出された換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプを駆動させ、結露水排出手段から結露した水分を排出させる制御装置１０とを備えたものである。【選択図】図１
2010129454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された単電池が複数段積層され、電池反応によって発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記カソード側のガス入口に接続され、前記電池反応に使用される酸化ガスが供給される酸化ガス供給路と、
前記燃料電池スタックの前記カソード側のガス出口に接続され、反応後のオフガスが排出されるオフガス排出路と、
前記酸化ガス供給路および前記オフガス排出路に挿入され、前記酸化ガスを前記オフガスによって加湿および加温する全熱交換型加湿器と、
前記酸化ガス供給路において、前記全熱交換型加湿器の上流側に設けられ、前記酸化ガスの供給量を調節するポンプと、
前記オフガス排出路に設けられ、前記燃料電池スタック、前記酸化ガス供給路、前記オフガス排出路および前記全熱交換型加湿器内で結露した水分を排出する結露水排出手段と、
前記酸化ガス供給路および前記オフガス排出路の少なくとも一方に設けられてガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記酸化ガス供給路、前記オフガス排出路および前記全熱交換型加湿器のいずれかに設けられて温度を検出する温度検出手段と、
起動によって前記燃料電池スタックに前記酸化ガスが供給され始めたとき、前記圧力検出手段および前記温度検出手段からの検出信号に基づいて算出された換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、前記酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて前記換算圧力が前記所定圧力になるように前記ポンプを駆動させ、前記結露水排出手段から前記結露した水分を排出させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記オフガス排出路の前記燃料電池スタックと前記全熱交換型加湿器との間に設けられ、前記オフガスに水を添加する水添加手段をさらに備え、
前記制御手段は、起動によって前記燃料電池スタックに前記酸化ガスが供給され始めたとき、前記換算圧力が前記所定圧力よりも低い場合に、前記換算圧力が前記所定圧力になるように前記水添加手段を駆動させて前記オフガスに水を添加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された単電池が複数段積層され、電池反応によって発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記カソード側のガス入口に接続され、前記電池反応に使用される酸化ガスが供給される酸化ガス供給路と、
前記燃料電池スタックの前記カソード側のガス出口に接続され、反応後のオフガスが排出されるオフガス排出路と、
前記酸化ガス供給路および前記オフガス排出路に挿入され、前記酸化ガスを前記オフガスによって加湿および加温する全熱交換型加湿器と、
前記酸化ガス供給路において、前記全熱交換型加湿器の上流側に設けられ、前記酸化ガスの供給量を調節するポンプと、
前記オフガス排出路に設けられ、前記燃料電池スタック、前記酸化ガス供給路、前記オフガス排出路および前記全熱交換型加湿器内で結露した水分を排出する結露水排出手段と、
前記オフガス排出路の前記燃料電池スタックと前記全熱交換型加湿器との間に設けられ、前記オフガスに水を添加する水添加手段と、
前記酸化ガス供給路、前記オフガス排出路および前記全熱交換型加湿器のいずれかに設けられて温度を検出する温度検出手段と、
起動によって前記燃料電池スタックに前記酸化ガスが供給され始めたとき、前記温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第１所定時間にわたって前記水添加手段を駆動させて前記オフガスに水を添加させ、その後、前記温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第２所定時間にわたって、前記酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて前記ポンプを駆動させ、前記結露水排出手段から前記結露した水分を排出させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの内部を流通するガスのガス流路、前記全熱交換型加湿器の内部を流通する前記オフガスのオフガス流路、および前記オフガス排出路の前記燃料電池スタックから前記結露水排出手段までの流路は、それぞれガスの流れ方向に沿って下り勾配または水平に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】
前記水添加手段は、インジェクタであることを特徴とする請求項２から請求項４までの何れか１項に記載の燃料電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子形の燃料電池スタックと全熱交換型加湿器とを備えた燃料電池ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に優しい電源として、定置用や車載用の固体高分子形燃料電池の開発が進められている。この燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスは、電解質膜での良好なイオン伝導を保持するために、加湿されて燃料電池スタックに供給されることが必要不可欠である。
酸化ガスを加湿するものとしては、燃料電池スタックに供給される前の酸化ガスを、燃料電池スタックから排出される反応後のオフガスによって加湿する加湿器を備えた燃料電池用加湿システムがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この燃料電池用加湿システムは、連通配管および三方弁を用いて酸化ガスの供給ラインとオフガスの排出ラインとで閉ループが形成可能に構成され、また、加湿器には、ヒータが設けられている。そして、燃料電池の起動時に、閉ループを形成した状態で加湿器をヒータ加熱し、加給装置により酸化ガスを循環させて燃料電池スタック内の露点を調整した後、閉ループを解除するとともに燃料電池を通常運転している。
【０００４】
【特許文献１】特許第３５３７７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
従来の燃料電池用加湿システムでは、閉ループ内に水分が残留している状態、例えば運転停止から数時間後に燃料電池を起動した場合には、燃料電池スタックの電極等の反応部に過剰に水分が供給され、フラッディング現象が発生して発電効率が低下するという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、起動時のフラッディング現象の発生を防止して、起動時の信頼性を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる燃料電池ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る燃料電池ユニットは、電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された単電池が複数段積層され、電池反応によって発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード側のガス入口に接続され、電池反応に使用される酸化ガスが供給される酸化ガス供給路と、燃料電池スタックのカソード側のガス出口に接続され、反応後のオフガスが排出されるオフガス排出路と、酸化ガス供給路およびオフガス排出路に挿入され、酸化ガスをオフガスによって加湿および加温する全熱交換型加湿器と、酸化ガス供給路において、全熱交換型加湿器の上流側に設けられ、酸化ガスの供給量を調節するポンプと、オフガス排出路に設けられ、燃料電池スタック、酸化ガス供給路、オフガス排出路および全熱交換型加湿器内で結露した水分を排出する結露水排出手段と、酸化ガス供給路およびオフガス排出路の少なくとも一方に設けられてガスの圧力を検出する圧力検出手段と、酸化ガス供給路、オフガス排出路および全熱交換型加湿器のいずれかに設けられて温度を検出する温度検出手段と、起動によって燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、圧力検出手段および温度検出手段からの検出信号に基づいて算出された換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプを駆動させ、結露水排出手段から結露した水分を排出させる制御手段とを備えたものである。
【０００８】
また、この発明に係る燃料電池ユニットは、電解質膜をアノードおよびカソードで挟んで構成された単電池が複数段積層され、電池反応によって発電する固体高分子形の燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード側のガス入口に接続され、電池反応に使用される酸化ガスが供給される酸化ガス供給路と、燃料電池スタックのカソード側のガス出口に接続され、反応後のオフガスが排出されるオフガス排出路と、酸化ガス供給路およびオフガス排出路に挿入され、酸化ガスをオフガスによって加湿および加温する全熱交換型加湿器と、酸化ガス供給路において、全熱交換型加湿器の上流側に設けられ、酸化ガスの供給量を調節するポンプと、オフガス排出路に設けられ、燃料電池スタック、酸化ガス供給路、オフガス排出路および全熱交換型加湿器内で結露した水分を排出する結露水排出手段と、オフガス排出路の燃料電池スタックと全熱交換型加湿器との間に設けられ、オフガスに水を添加する水添加手段と、酸化ガス供給路、オフガス排出路および全熱交換型加湿器のいずれかに設けられて温度を検出する温度検出手段と、起動によって燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第１所定時間にわたって水添加手段を駆動させてオフガスに水を添加させ、その後、温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第２所定時間にわたって、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させてポンプを駆動させ、結露水排出手段から結露した水分を排出させる制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の燃料電池ユニットによれば、制御手段は、起動によって燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、圧力検出手段および温度検出手段からの検出信号に基づいて算出された換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプを駆動させ、結露水排出手段から結露した水分を排出させる。
これにより、燃料電池ユニットの起動時において、燃料電池スタック、酸化ガス供給路、オフガス排出路および全熱交換型加湿器内に残留した水分を速やかに排出させることができる。
したがって、起動時のフラッディング現象の発生を防止して、起動時の信頼性を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる。
また、この発明の燃料電池ユニットによれば、制御手段は、起動によって燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第１所定時間にわたって水添加手段を駆動させてオフガスに水を添加させ、その後、温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第２所定時間にわたって、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させてポンプを駆動させ、結露水排出手段から結露した水分を排出させる。
これにより、燃料電池ユニットの起動時において、燃料電池ユニットの停止状態および保管状態に関わらず、温度検出手段からの検出信号に基づいて、オフガスに水分を添加させるとともに酸化ガスの供給量を増加させることにより、一時的に水分が過剰な状態を作り、その後結露水を積極的に系外に排出することができる。
したがって、ポンプの動力が増加する場合はあるものの、圧力検出手段が省略できることから、構成および機器動作が単純化され、コストダウンを実現するとともに起動時の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る燃料電池ユニット１を示す構成図である。
図１において、燃料電池ユニット１は、固体高分子形の燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、電解質膜２１をアノード２２およびカソード２３で挟んで構成された単電池が複数段積層されて構成されている。また、燃料電池スタック２には、冷却水を流通させる冷却水系統２４が設けられている。
【００１２】
燃料電池スタック２のカソード２３側のガス入口には、反応に使用される酸化ガスが供給される酸化ガス供給路３が接続されている。また、燃料電池スタック２のカソード２３側のガス出口には、反応後のオフガスが排出されるオフガス排出路４が接続されている。また、酸化ガス供給路３およびオフガス排出路４には、酸化ガスをオフガスによって加湿および加温する全熱交換型加湿器５が挿入されている。全熱交換型加湿器５において、酸化ガス供給路３とオフガス排出路４とは、温湿度交換膜５１を介して配置されている。
【００１３】
酸化ガス供給路３において、全熱交換型加湿器５の上流側には、酸化ガスの供給量を調節するポンプ６が設けられている。また、酸化ガス供給路３において、全熱交換型加湿器５とポンプ６との間には、酸化ガスの圧力を検出する圧力検出器７（圧力検出手段）が設けられている。オフガス排出路４において、全熱交換型加湿器５の下流側の鉛直方向最下部には、差圧式ドレン排出弁８（結露水排出手段）が設けられている。また、オフガス排出路４において、燃料電池スタック２と全熱交換型加湿器５との間には、オフガスの温度を検出する温度検出器９（温度検出手段）が設けられている。
【００１４】
ここで、ポンプ６の駆動は、圧力検出器７および温度検出器９からの検出信号に基づいて、あらかじめ記憶されたマップ（後述する）を用いて制御装置１０（制御手段）により制御される。制御装置１０は、プログラムを格納した記憶部とＣＰＵとを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されている。
【００１５】
次に、上記構成の燃料電池ユニット１の動作について説明する。なお、この実施の形態１では、燃料電池ユニット１の動作温度を７０℃とした場合を例にして説明する。
燃料電池ユニット１の起動に際して、まず冷却水系統２４を流通する冷却水を所定の温度（例えば、４０〜６０℃程度）まで昇温させ、冷却水を流通させることによって、燃料電池スタック２を昇温させる。
【００１６】
続いて、燃料電池スタック２が所定の温度まで昇温したら、燃料電池スタック２のアノード２２およびカソード２３に反応ガスを供給して発電を開始させる。燃料電池スタック２では、アノード２２において次式（１）、カソード２３において次式（２）で示される電池反応によって発電される。
【００１７】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２e−                ・・・（１）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２e−→Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
【００１８】
このとき、燃料電池スタック２のカソード２３に必要な酸化ガス（空気）は、ポンプ６によって室温で全熱交換型加湿器５に供給される。燃料電池スタック２では、電池反応によって生成された水分を含有し、さらに発熱反応である電池反応によって加熱されたオフガスがカソード２３から排出される。全熱交換型加湿器５では、温湿度交換膜５１を介して酸化ガスとオフガスとの間で温湿度の交換がなされ、オフガスの水分および熱量によって、酸化ガスが加湿されるとともに加温される。
【００１９】
ここで、固体高分子形燃料電池を例にとると、電解質膜２１が湿潤状態になることによって、アノード２２とカソード２３との間のガス拡散を防止しつつプロトン電導の抵抗を下げ、電池性能を向上させる。そのため、燃料電池スタック２には、加湿された酸化ガスを供給することが必要となる。一方で、反応ガスの拡散性を阻害しない程度に適切な湿潤状態を維持することも重要である。
【００２０】
なお、燃料電池スタック２での発電、すなわち負荷上昇は、数分かけて行われる。そのため、起動時の低負荷時には、反応量が少ないことから生成水が少なくなる。
全熱交換型加湿器５を利用した燃料電池ユニット１の場合、起動時に所定の負荷条件に達するまでの過渡的な状態では、生成水が少ないので、オフガスから温湿度交換膜５１を透過して酸化ガスに移動する水分が少なくなる。したがって、酸化ガスが低湿度になり、燃料電池スタック２の電解質膜２１の加湿量は低くなる。
【００２１】
しかしながら、実際に燃料電池ユニット１のＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ  ＆  Ｓｔｏｐ）試験を実施した結果、起動時の電解質膜２１の相対湿度が、生成水から求められる量とは異なることが確認された。この要因を調べたところ、燃料電池スタック２、酸化ガス供給路３、オフガス排出路４および全熱交換型加湿器５内（以下、「ガス経路内」と称する）に残留した水分による影響であることが分かった。
【００２２】
そこで、様々な停止条件を模擬して、燃料電池ユニット１の起動時のポンプ６出口における酸化ガスの圧力の変化を調べる実験を実施した。燃料電池ユニット１の起動時における酸化ガスの圧力変化を図２に示す。
まず、燃料電池スタック２をポンプ６出口および差圧式ドレン排出弁８下流側で封止するような構成で、定格運転状態から停止させ、数時間後に起動させた場合には、酸化ガス供給時のポンプ６出口圧力が急上昇する結果が得られた（図２の条件Ａ参照）。
【００２３】
次に、燃料電池ユニット１内部の残留水分が少なくなるように、乾燥ガスで十分にパージを行ってから停止させ、翌日起動させた場合には、概ね生成水に見合った過湿状態が確認され、酸化ガス供給時のポンプ６出口圧力が低い状態から徐々に上昇する結果が得られた（図２の条件Ｂ参照）。
さらに、燃料電池ユニット１の負荷を、起動時と同様に約５分かけて徐々に低下させて停止させ、翌日起動させた場合には、酸化ガス供給時のポンプ６出口圧力が、条件Ｂよりも高い状態から徐々に上昇する結果が得られた（図２の条件Ｃ参照）。
【００２４】
また、各条件における燃料電池スタック２のセル電圧について観察したところ、条件Ａでは、セル電圧が大きく変動する傾向が見られた。また、条件Ｂでは、セル電圧が一度大きく低下し、その後ゆっくりと回復する傾向が見られた。また、条件Ｃでは、セル電圧が負荷比率に応じて非常に安定している傾向が見られた。
【００２５】
すなわち、条件Ａでは、ガス経路内に多量の残留水分が存在し、この残留水分によって燃料電池スタック２の電極等の反応部に過剰に水分が供給され、フラッディング現象が発生していると考えられる。逆に、条件Ｂでは、残留水分が存在しないので、生成された水分によって酸化ガスが加湿されるまでは、電極等の反応部分が乾燥気味になってセル電圧が低下し、加湿環境が改善されるにつれてセル電圧が回復したものと考えられる。また、条件Ｃでは、適度な残留水分によって、起動時に不足する水分が補われたことにより、安定したセル電圧を示したものと考えられる。
【００２６】
そこで、設計された燃料電池ユニット１に応じて、例えば、起動時に酸化ガスが流通している状態で、酸化ガスの流量に応じた圧力損失について、残留水分に対する影響を実験や理論等によって求め、基準となる温度とともにあらかじめマッピングする。このマップは、制御装置１０に記憶される。
【００２７】
そして、制御装置１０は、燃料電池ユニット１の起動時、カソード２３に酸化ガスが供給され始めたときに、圧力検出器７からの検出信号を温度検出器９からの検出信号に基づいて温度換算し、基準温度における換算圧力を算出する。また、制御装置１０は、算出された換算圧力があらかじめ定められた所定圧力よりも高い場合には、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプ６を駆動させ、ガス経路内の残留水分を速やかに排出させる。
【００２８】
このとき、オフガス排出路４の鉛直方向最下部に設けられた差圧式ドレン排出弁８近傍の圧力が上昇することによって、残留水分が結露した結露水が酸化ガス供給路３およびオフガス排出路４等にとどまることなく系外に排出される。
実際に、図２の条件Ａにおいて、酸化ガスの供給量を３０％増加させたところ、圧力が一旦上昇したものの、図２に示した圧力変化と比較して早く圧力が低下し、セル電圧も、条件Ｃで起動したときと同等レベルの変動幅で、安定性を示した。
【００２９】
この発明の実施の形態１に係る燃料電池ユニットによれば、制御手段は、燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、圧力検出手段および温度検出手段からの検出信号に基づいて算出された換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプを駆動させる。
これにより、燃料電池ユニットの起動時において、燃料電池スタック、酸化ガス供給路、オフガス排出路および全熱交換型加湿器内に残留した水分を速やかに排出させることができる。
したがって、燃料電池スタックの加湿環境がフラッディング状態から改善され、燃料電池スタック内での反応ガスの欠乏や流量分配の不均一性が生じなくなるので、安定したセル電圧を得ることができ、起動時の信頼性を向上させるとともに、発電効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、上記実施の形態１では、温度検出器９をオフガス排出路４に設けられているとして説明したが、これに限定されない。温度検出器９は、全熱交換型加湿器５のガス流路や酸化ガス供給路３、または全熱交換型加湿器５の構成部材本体であってもよく、また、燃料電池スタック２本体であっても、他の配管部分であってもよく、温度が代表できればよい。
また、上記実施の形態１では、差圧式ドレン排出弁８によりガス経路内の残留水分を排出させると説明したが、これに限定されず、換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、制御装置１０によって開放され、結露水を排出させる電磁弁（結露水排出手段）を用いてもよい。
【００３１】
図３は、この発明の実施の形態１に係る別の燃料電池ユニット１Ａを示す構成図である。
図３において、燃料電池ユニット１Ａは、図１に示した圧力検出器７に代えて、全熱交換型加湿器５の上流側と下流側とのオフガスの圧力差を検出する差圧計７Ａ（圧力検出手段）を備えている。
また、燃料電池ユニット１Ａは、図１に示した温度検出器９に代えて、全熱交換型加湿器５のオフガス排出路４近傍に設けられた温度検出器９Ａ（温度検出手段）を備えている。
【００３２】
また、燃料電池ユニット１Ａは、図１に示した差圧式ドレン排出弁８に代えて、電磁弁８Ａを備えている。電磁弁８Ａの駆動は、差圧計７Ａおよび温度検出器９Ａからの検出信号に基づいて、制御装置１０Ａにより制御される。
また、電磁弁８Ａの下流側には、熱交換器１１およびドレン分離器１２（結露水排出手段）が設けられている。
その他の構成については、上述した図１と同様であり、その説明は省略する。
【００３３】
上記構成の燃料電池ユニット１Ａにおいて、制御手段１０Ａは、燃料電池ユニット１Ａの起動時、カソード２３に酸化ガスを供給し始めたときに、差圧計７Ａからの検出信号を温度検出器９Ａからの信号に基づいて温度換算して換算圧力を算出し、上述したように運転条件を変化させる。
【００３４】
このとき、オフガス排出路４を流通するオフガスは、全熱交換型加湿器５において水分および熱が除去され、熱交換器１１で水等によって冷却されて、結露した水分がドレン分離器１２で分離される。分離された水分（ドレン水）は、例えば都市ガス、灯油またはメタノール等から水素を生成する水蒸気改質反応等に利用すべく回収される。
その他の動作については、図１に示した燃料電池ユニット１の動作と同様であり、その説明を省略する。
【００３５】
図３に示した燃料電池ユニット１Ａによれば、差圧計７Ａを用いて全熱交換型加湿器５の上流側と下流側とのオフガスの圧力差を検出することにより、全熱交換型加湿器５の内部を流通するオフガスのオフガス流路およびオフガス排出路４という特定された箇所における残留水分の状態を知ることができる。
そのため、特にオフガス排出路４の下流側に熱交換器１１等の熱回収または水回収用の補機が設けられている場合であっても、それらの影響を受けない換算圧力を算出することができるので、安定した動作を行うことができ、起動時の信頼性をさらに向上させることができる。
【００３６】
図４は、この発明の実施の形態１に係るさらに別の燃料電池ユニット１Ｂを示す構成図である。
図４において、燃料電池ユニット１Ｂは、図３に示した差圧計７Ａに代えて、ポンプ６と全熱交換型加湿器５との間の酸化ガスの圧力と、全熱交換型加湿器５と熱交換器１１との間のオフガスの圧力との圧力差を検出する差圧計７Ｂを備えている。
その他の構成については、上述した図３と同様であり、その説明は省略する。また燃料電池ユニット１Ｂの動作については、図３に示した燃料電池ユニット１Ａの動作と同様であり、その説明を省略する。
【００３７】
図４に示した燃料電池ユニット１Ｂによれば、差圧計７Ｂを用いてポンプ６と全熱交換型加湿器５との間の酸化ガスの圧力と、全熱交換型加湿器５と熱交換器１１との間のオフガスの圧力との圧力差を検出することにより、燃料電池スタック２、全熱交換型加湿器５のガス流路、酸化ガス供給路３およびオフガス排出路４内の両方の系統を含めたガスの流通状態を知ることができる。
【００３８】
そのため、燃料電池ユニット１Ｂの停止時に、燃料電池スタック２の内部または周辺の酸化ガス供給路３およびオフガス排出路４で多量の結露水分が残留している場合であっても、起動時の昇温によって残留水分が気化したり、酸化ガスの流通に伴って残留水分が下流側に移動したりしたときの圧力を時間遅れなく検出することができる。
また、この場合には、圧力変化が単純になるので、複雑な判断が不要となり、起動時の信頼性をさらに向上させることができる。
【００３９】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る燃料電池ユニット１Ｃを示す構成図である。
図５において、オフガス排出路４の燃料電池スタック２と全熱交換型加湿器５との間には、オフガスに水を添加する水供給系統１３および水添加装置１４（水添加手段）が設けられている。水添加装置１４は、例えばインジェクタである。
その他の構成については、上述した図３と同様であり、その説明は省略する。
【００４０】
次に、上記構成の燃料電池ユニット１Ｃの動作について説明する。なお、上記実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
制御装置１０Ｃは、燃料電池ユニット１Ｃの起動時、カソード２３に酸化ガスが供給され始めたときに、差圧計７Ａからの検出信号を温度検出器９Ａからの検出信号に基づいて温度換算し、基準温度における換算圧力を算出する。
【００４１】
また、制御装置１０Ｃは、算出された換算圧力があらかじめ定められた所定圧力よりも低い場合には、換算圧力が所定圧力になるように水添加装置１４を駆動させ、水供給系統１３を通じて、燃料電池スタック２と全熱交換型加湿器５との間を流通するオフガスに水を添加させる。これにより、全熱交換型加湿器５を流通するオフガスの相対湿度を上昇させ、温湿度交換膜５１を通じて酸化ガスを加湿させるとともに温度交換を行う。そして、加湿および加温された酸化ガスは、燃料電池スタック２に供給される。
【００４２】
また、制御装置１０Ｃは、算出された換算圧力があらかじめ定められた所定圧力よりも高い場合には、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプ６を駆動させ、ガス経路内の残留水分を速やかに排出させる。このとき、オフガス排出路４の鉛直方向最下部に設けられた電磁弁８Ａが制御装置１０Ｃによって開放されることにより、結露水が酸化ガス供給路３およびオフガス排出路４等にとどまることなく系外に排出される。
【００４３】
ここで、燃料電池スタック２から排出されるオフガスの温度は、昇温中の燃料電池ユニット１Ｃの概ね最高温度を示すことから、水添加装置１４によって添加される水を適切な水分量にすれば、全熱交換型加湿器５のオフガスは、ほぼ飽和蒸気圧になる。そして、このオフガスから熱および水分を回収することにより、高い効率で酸化ガスを加温することができる。
【００４４】
そこで、燃料電池ユニット１Ｃを停止させた後、ポンプ６からの空気の代わりに窒素を用いて燃料電池スタック２、酸化ガス供給路３、オフガス排出路４および全熱交換型加湿器５を、定格流量の１／１０の流量で４２時間乾燥パージさせて、系内水分を除去した。
次に、燃料電池ユニット１Ｃを起動させ、酸化ガスが供給され始めた後に、差圧計７Ａおよび温度検出器９Ａからの検出信号に基づいて算出される換算圧力が、所定圧力よりも低くなったので、換算圧力が所定圧力になるまで、約１分かけて水添加装置１４からオフガスに水を添加した。
【００４５】
水添加装置１４からオフガスに水を添加した結果、酸化ガスの圧力変化が、図２の条件Ｂに示した圧力変化から条件Ｃに示した圧力変化に変わり、上記試験時に見られた起動時のセル電圧の大きな低下は、見られなくなった。
このことは、起動時は系内が乾燥状態であったものの、燃料電池スタック２と全熱交換型加湿器５との間を流通するオフガスが、水添加装置１４からの水分によって加湿され、また、全熱交換型加湿器５でオフガス内の熱および水分が酸化ガスに供給されることにより、いち早く酸化ガスの温度および加湿量を、燃料電池スタック２が必要とする値に近づけることができたためだと考えられる。
【００４６】
この発明の実施の形態２に係る燃料電池ユニットによれば、制御手段は、燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、圧力検出手段および温度検出手段からの検出信号に基づいて算出された換算圧力が所定圧力よりも低い場合に、換算圧力が所定圧力になるように水添加手段を駆動させ、オフガスに水を添加させる。
これにより、燃料電池ユニットの起動時において、全熱交換型加湿器を流通するオフガスの相対湿度を上昇させ、温湿度交換膜を通じて酸化ガスを加湿させることができる。
したがって、起動時のセル電圧の急激な低下が解消されて、安定したセル電圧を得ることができ、発電効率を向上させることができる。また、低加湿によるセル寿命の短縮を抑制することができ、起動時の信頼性を向上させることができる。
【００４７】
なお、上記実施の形態２では、換算圧力が所定圧力よりも低い場合に、換算圧力が所定圧力になるように水添加装置１４を駆動させ、換算圧力が所定圧力よりも高い場合に、換算圧力が所定圧力になるようにポンプ６を駆動させると説明したが、これに限定されない。例えば、ある幅を持った範囲の圧力を所定圧力とし、換算圧力が所定圧力の最大値である最大所定圧力をよりも高い場合にポンプ６を駆動させ、所定圧力の最小値である最小所定圧力よりも低い場合に水添加装置１４を駆動させてもよい。
【００４８】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係る燃料電池ユニット１Ｄを示す構成図である。
図６において、燃料電池ユニット１Ｄは、図５に示した電磁弁８Ａを有していない。また、燃料電池スタック２の内部を流通するガスのガス流路、全熱交換型加湿器５のオフガス流路、熱交換器１１を通過するオフガスのオフガス流路およびオフガス排出路４は、それぞれガスの流れ方向に沿って下り勾配または水平に配置されている。
その他の構成については、上述した図５と同様であり、その説明は省略する。
【００４９】
次に、上記構成の燃料電池ユニット１Ｄの動作について説明する。なお、上記実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
制御装置１０Ｄは、燃料電池ユニット１Ｄの起動時、カソード２３に酸化ガスが供給され始めたときに、差圧計７Ａからの検出信号を温度検出器９Ａからの検出信号に基づいて温度換算し、基準温度における換算圧力を算出する。
【００５０】
また、制御装置１０Ｄは、算出された換算圧力があらかじめ定められた所定圧力よりも低い場合には、換算圧力が所定圧力になるように水添加装置１４を駆動させ、水供給系統１３を通じて、燃料電池スタック２と全熱交換型加湿器５との間を流通するオフガスに水を添加させる。これにより、全熱交換型加湿器５を流通するオフガスの相対湿度を上昇させ、温湿度交換膜５１を通じて酸化ガスを加湿させるとともに温度交換を行う。そして、加湿および加温された酸化ガスは、燃料電池スタック２に供給される。
【００５１】
また、制御装置１０Ｄは、算出された換算圧力があらかじめ定められた所定圧力よりも高い場合には、酸化ガスの供給量を所定範囲内で増加させて換算圧力が所定圧力になるようにポンプ６を駆動させ、ガス経路内の残留水分を速やかに排出させる。このとき、燃料電池スタック２のガス入口よりも下流側の流路は、上述したように、全てがガスの流れ方向に沿って下り勾配または水平に配置されている。
そのため、必要以上の水分は、酸化ガスによる供給圧力と流路の傾斜とによって、熱交換器１１を通過してドレン分離器１２までスムーズに運ばれ、ドレン分離器１２に集められる。
【００５２】
この発明の実施の形態３に係る燃料電池ユニットによれば、燃料電池スタックの内部を流通するガスのガス流路、全熱交換型加湿器のオフガス流路、熱交換器を通過するオフガスのオフガス流路およびオフガス排出路は、それぞれガスの流れ方向に沿って下り勾配または水平に配置されている。
そのため、結露水排出手段を省略することができるので、構成および機器動作が単純化され、コストダウンを実現するとともに起動時の信頼性を向上させることができる。
【００５３】
なお、上記実施の形態２、３では、全熱交換型加湿器５の上流側と下流側とのオフガスの圧力差を検出するように差圧計７Ａを設けた例を示したが、これに限定されない。差圧計７Ａは、図４に示したように、ポンプ６と全熱交換型加湿器５との間の酸化ガスの圧力と、全熱交換型加湿器５と熱交換器１１との間のオフガスの圧力との圧力差を検出するように設けてもよい。また、差圧計７Ａでなく、図１に示したような圧力検出器であってもよく、設置位置も上述した位置に限定されない。
【００５４】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係る燃料電池ユニット１Ｅを示す構成図である。
図７において、燃料電池ユニット１Ｅは、図５に示した差圧計７Ａを有していない。
その他の構成については、上述した図５と同様であり、その説明は省略する。
【００５５】
次に、上記構成の燃料電池ユニット１Ｅの動作について説明する。なお、上記実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
制御装置１０Ｅは、燃料電池ユニット１Ｅの起動時、燃料電池スタック２が所定の温度まで昇温され、カソード２３に酸化ガスが供給され始めたときに、温度検出器９Ａから検出信号を取り込む。また、制御装置１０Ｅは、この検出信号に基づいて設定される第１所定時間にわたって水添加装置１４を駆動させ、水供給系統１３を通じて、燃料電池スタック２と全熱交換型加湿器５との間を流通するオフガスに水を添加させる。
【００５６】
これにより、全熱交換型加湿器５を流通するオフガスの相対湿度を上昇させ、温湿度交換膜５１を通じて酸化ガスを加湿させるとともに温度交換を行う。そして、加湿および加温された酸化ガスは、燃料電池スタック２に供給される。
【００５７】
続いて、制御装置１０Ｅは、温度検出器９Ａからの検出信号に基づいて設定される第２所定時間にわたって、酸化ガスの供給量が所定範囲内で増加するようにポンプ６を駆動させ、ガス経路内の残留水分を速やかに排出させる。
これにより、オフガスのうち、全熱交換型加湿器５で湿度交換されなかった余剰の水分を含んだガスが、酸化ガス供給路３およびオフガス排出路４等にとどまることなく系外に排出される。
なお、温度検出器９Ａで検出される温度と水添加装置１４およびポンプ６の駆動時間との関係は、あらかじめマップとして制御装置１０Ｅに記憶されている。
【００５８】
この発明の実施の形態４に係る燃料電池ユニットによれば、制御手段は、燃料電池スタックに酸化ガスが供給され始めたとき、温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第１所定時間にわたって水添加手段を駆動させ、オフガスに水を添加させる。その後、制御手段は、温度検出手段からの検出信号に基づいて設定される第２所定時間にわたって、酸化ガスの供給量が所定範囲内で増加するようにポンプを駆動させ、ガス経路内の残留水分を速やかに排出させる。
これにより、燃料電池ユニットの起動時において、燃料電池ユニットの停止状態および保管状態に関わらず、温度検出手段からの検出信号に基づいて、オフガスに水分を添加させるとともに酸化ガスの供給量を増加させることにより、一時的に水分が過剰な状態を作り、その後結露水を積極的に系外に排出することができる。
したがって、ポンプの動力が増加する場合はあるものの、圧力検出手段が省略できることから、構成および機器動作が単純化され、コストダウンを実現するとともに起動時の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池ユニットを示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池ユニットの起動時における酸化ガスの圧力変化を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る別の燃料電池ユニットを示す構成図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るさらに別の燃料電池ユニットを示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る燃料電池ユニットを示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る燃料電池ユニットを示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係る燃料電池ユニットを示す構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１Ａ〜１Ｅ  燃料電池ユニット、２  燃料電池スタック、３  酸化ガス供給路、４  オフガス排出路、５  全熱交換型加湿器、６  ポンプ、７  圧力検出器（圧力検出手段）、７Ａ、７Ｂ  差圧計（圧力検出手段）、８  差圧式ドレン排出弁（結露水排出手段）、８Ａ  電磁弁（結露水排出手段）、９、９Ａ  温度検出器（温度検出手段）、１０、１０Ａ〜１０Ｅ  制御装置（制御手段）、１１  熱交換器、１２  ドレン分離器（結露水排出手段）、１３  水供給系統、１４  水添加装置（水添加手段）。
【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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【図７】
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