(57)【要約】【課題】燃料電池のアノードからの排水性を向上させる。【解決手段】空気、および、カソードオフガスを、カソードの表面を鉛直上方から鉛直下方に流す燃料電池において、通常運転時（非排水処理運転時）には、水素、および、アノードオフガスを、アノードの表面を鉛直下方から鉛直上方に流し（対向流）、排水処理運転時には、水素、および、アノードオフガスを、アノードの鉛直下方から上端領域を経由して鉛直下方に流す（対向流、および、並行流）ようにする。アノードにおいて、水素、および、アノードオフガスが鉛直上方から鉛直下方に流れる領域では、水素、および、アノードオフガスの流れと重力とによって、排水が効果的に行われる。【選択図】図７
2010160995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを備え、アノード面、および、カソード面の法線方向が略水平方向となるように配置された燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
酸化剤ガス、および、カソードオフガスが、前記カソードの表面に沿って、鉛直上方から鉛直下方に流れるように形成されたカソードガス流路と、
前記アノードの下端部に設けられ、前記アノードへの燃料ガスの供給、または、前記アノードからのアノードオフガスの排気に用いられる第１および第２の給排気口と、
前記アノードの上端部に設けられ、前記アノードオフガスの排気に用いられる排気口と、
前記燃料ガス、および、前記アノードオフガスが、前記アノードの表面に沿って流れるように形成されたアノードガス流路であって、前記第１および第２の給排気口から前記排気口にほぼ直線的に連通するように形成されるとともに、前記第１の給排気口と前記第２の給排気口とを、前記アノードの上端領域を経由して連通するように形成されたアノードガス流路と、
を備えており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記第１および第２の給排気口を用いた給排気、および、前記排気口を用いた排気を制御する給排気制御部を備え、
前記給排気制御部は、
前記アノードから前記燃料電池の外部への排水を伴う排水処理運転時に、前記排気口からの前記アノードオフガスの排気を禁止して、前記第１の給排気口からの前記燃料ガスの供給、および、前記第２の給排気口からの前記アノードオフガスの排気を行い、
前記アノードから前記燃料電池の外部への排水を伴わない非排水処理運転時に、前記第１および第２の給排気口から前記燃料ガスの供給を行って、前記排気口から前記アノードオフガスの排気を行う、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記給排気制御部は、前記排水処理運転時に、前記非排水処理運転時に前記第１および第２の給排気口から供給する量の燃料ガスを、前記第１の給排気口から供給する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノードにおける水の滞留を検出する検出部を備え、
前記給排気制御部は、前記検出部によって、前記アノードにおける水の滞留が検出されたときに、前記非排水処理運転から前記排水処理運転に切り換える、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記給排気制御部は、さらに、
前記排水処理運転時に、前記第１の給排気口からの前記燃料ガスの供給、および、前記第２の給排気口からの前記アノードオフガスの排気を、前記第２の給排気口からの前記燃料ガスの供給、および、前記第１の給排気口からの前記アノードオフガスの排気に切り換える、
燃料電池システム。
【請求項５】
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを備え、アノード面、および、カソード面の法線方向が略水平方向となるように配置される燃料電池であって、
酸化剤ガス、および、カソードオフガスが、前記カソードの表面に沿って、鉛直上方から鉛直下方に流れるように形成されたカソードガス流路と、
前記アノードの下端部に設けられ、前記アノードへの燃料ガスの供給、または、前記アノードからのアノードオフガスの排気に用いられる第１および第２の給排気口と、
前記アノードの上端部に設けられ、前記アノードオフガスの排気に用いられる排気口と、
前記燃料ガス、および、前記アノードオフガスが、前記アノードの表面に沿って流れるように形成されたアノードガス流路であって、前記第１および第２の給排気口から前記排気口にほぼ直線的に連通するように形成されるとともに、前記第１の給排気口と前記第２の給排気口とを、前記アノードの上端領域を経由して連通するように形成されたアノードガス流路と、
を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池では、発電時に、上記電気化学反応によって、水（生成水）が生成される。そして、この生成水は、燃料電池からの排出ガスとともに、燃料電池の外部に排水される。
【０００３】
ところで、生成水が燃料電池の内部に過剰に滞留すると、フラッディングが生じる。そこで、従来、フラッディングを抑制するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池が備える流体流路における流体の流れ方向を連続的に変化させることによって、電極面内の生成水分布を均一化することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７９４３１号公報
【特許文献２】特開２００８−２６９８００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、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池からの排水については十分な検討がなされていなかった。特に、ガスの流速がカソード側よりも低速で、生成水の排水性が比較的悪いアノードからの排水について、十分な検討がなされていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のアノードからの排水性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを備え、アノード面、および、カソード面の法線方向が略水平方向となるように配置された燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池は、酸化剤ガス、および、カソードオフガスが、前記カソードの表面に沿って、鉛直上方から鉛直下方に流れるように形成されたカソードガス流路と、前記アノードの下端部に設けられ、前記アノードへの燃料ガスの供給、または、前記アノードからのアノードオフガスの排気に用いられる第１および第２の給排気口と、前記アノードの上端部に設けられ、前記アノードオフガスの排気に用いられる排気口と、前記燃料ガス、および、前記アノードオフガスが、前記アノードの表面に沿って流れるように形成されたアノードガス流路であって、前記第１および第２の給排気口から前記排気口にほぼ直線的に連通するように形成されるとともに、前記第１の給排気口と前記第２の給排気口とを、前記アノードの上端領域を経由して連通するように形成されたアノードガス流路と、を備えており、前記燃料電池システムは、さらに、前記第１および第２の給排気口を用いた給排気、および、前記排気口を用いた排気を制御する給排気制御部を備え、前記給排気制御部は、前記アノードから前記燃料電池の外部への排水を伴う排水処理運転時に、前記排気口からの前記アノードオフガスの排気を禁止して、前記第１の給排気口からの前記燃料ガスの供給、および、前記第２の給排気口からの前記アノードオフガスの排気を行い、前記アノードから前記燃料電池の外部への排水を伴わない非排水処理運転時に、前記第１および第２の給排気口から前記燃料ガスの供給を行って、前記排気口から前記アノードオフガスの排気を行う、燃料電池システム。
【０００９】
ここで、「アノードから燃料電池の外部への排水を伴う排水処理運転」とは、例えば、アノードに生成水が滞留したときや、滞留するおそれがあるときに、積極的に排水を行うための運転を意味している。一方、「アノードから燃料電池の外部への排水を伴わない非排水処理運転」とは、アノードからの排水を禁止するわけではなく、アノードからの排水を成り行きで行う運転を意味している。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池のほぼ全面において、酸化剤ガス、および、カソードオフガスがカソードの鉛直上方から鉛直下方に流れ、非排処理水運転時には、燃料ガス、および、アノードオフガスが鉛直下方から鉛直上方に流れる対向流となり、カソードの酸化剤ガスの入口近傍におけるドライアップを抑制することができる。このとき、カソードの表面では、鉛直下方への酸化剤ガス、および、カソードオフガスの流れと重力とによって、排水が効果的に行われるが、アノードの表面では、燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向が重力方向と反対方向であるので、排水が重力によって妨げられる。一方、排水処理運転時には、アノードの一部の領域において、燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向が重力方向となるため、この領域では、燃料ガス、および、アノードオフガスの流れと重力とによって、排水が効果的に行われる。つまり、適用例１の燃料電池システムによって、燃料電池のアノードからの排水性を向上させることができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記給排気制御部は、前記排水処理運転時に、前記非排水処理運転時に前記第１および第２の給排気口から供給する量の燃料ガスを、前記第１の給排気口から供給する、燃料電池システム。
【００１２】
適用例２の燃料電池システムでは、排水処理運転時に、アノードの表面に沿って流れるガスの流速を速くすることができるので、アノードからの排水をさらに効果的に行うことができる。
【００１３】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記アノードにおける水の滞留を検出する検出部を備え、前記給排気制御部は、前記検出部によって、前記アノードにおける水の滞留が検出されたときに、前記非排水処理運転から前記排水処理運転に切り換える、燃料電池システム。
【００１４】
適用例３の燃料電池システムでは、アノードにおける水の滞留が検出されていないときには、非排水処理運転、すなわち、燃料ガスと酸化剤ガスとを対向流にする運転が行われるので、燃料電池の面内における発電分布の均一化を図ることができる。
【００１５】
なお、アノードにおける水の滞留の検出は、例えば、アノードとカソードとの間の電圧であるセル電圧や、燃料ガスの給排気系の圧力損失を検出し、これらの変動に基づいて行うことができる。
【００１６】
［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記給排気制御部は、さらに、前記排水処理運転時に、前記第１の給排気口からの前記燃料ガスの供給、および、前記第２の給排気口からの前記アノードオフガスの排気を、前記第２の給排気口からの前記燃料ガスの供給、および、前記第１の給排気口からの前記アノードオフガスの排気に切り換える、燃料電池システム。
【００１７】
排水処理運転時に、アノードの表面において、燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向と重力方向とが一致する領域では、効果的な排水が行われるが、燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向が順力方向と反対方向となる領域では、比較的排水性が悪い。このため、アノードの表面における燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向を固定すると、比較的排水性が悪い領域が固定される。
【００１８】
適用例４の燃料電池システムでは、排水処理運転時に、アノードの表面における燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向が重力方向となる領域を切り換えるので、アノード全面からの排水を、重力を利用して、効果的に行うことができる。
【００１９】
［適用例５］電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを備え、アノード面、および、カソード面の法線方向が略水平方向となるように配置される燃料電池であって、酸化剤ガス、および、カソードオフガスが、前記カソードの表面に沿って、鉛直上方から鉛直下方に流れるように形成されたカソードガス流路と、前記アノードの下端部に設けられ、前記アノードへの燃料ガスの供給、または、前記アノードからのアノードオフガスの排気に用いられる第１および第２の給排気口と、前記アノードの上端部に設けられ、前記アノードオフガスの排気に用いられる排気口と、前記燃料ガス、および、前記アノードオフガスが、前記アノードの表面に沿って流れるように形成されたアノードガス流路であって、前記第１および第２の給排気口から前記排気口にほぼ直線的に連通するように形成されるとともに、前記第１の給排気口と前記第２の給排気口とを、前記アノードの上端領域を経由して連通するように形成されたアノードガス流路と、を備える燃料電池。
【００２０】
適用例５の燃料電池によって、適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムを構成することができる。
【００２１】
本発明は、上述の燃料電池システム、燃料電池としての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２２】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【００２４】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セルを、複数積層させたスタック構造を有している。本実施例では、各単セルは、水平方向に積層されているものとした。各単セルは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。なお、単セルの積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。各単セルには、アノードとカソードとの間の電圧であるセル電圧を測定するためのセル電圧モニタ４０が接続されている。
【００２５】
燃料電池スタック１０の内部には、各単セルのカソードに空気を分配して供給するための空気供給マニホールドと、各単セルのカソードから排出されるカソードオフガスを集合させて燃料電池スタック１０の外部に排出するためのカソードオフガス排出マニホールドと、各単セルのアノードに水素を分配して供給するための燃料ガスマニホールドと、各単セルのアノードから排出されるアノードオフガスを集合させて燃料電池スタック１０の外部に排出するためのアノードオフガス排出マニホールドと、が形成されている。なお、本実施例では、燃料ガスマニホールド、および、アノードオフガス排出マニホールドは、それぞれ２つ設けられているものとした（第１の燃料電池マニホールド、第２の燃料電池マニホールド、および、第１のアノードオフガス排出マニホールド、第２のアノードオフガス排出マニホールド）。
【００２６】
空気供給マニホールドは、各カソードの上端部から空気を供給するように形成されており、カソードオフガス排出マニホールドは、各カソードの下端部からカソードオフガスを排出するように形成されている。そして、空気供給マニホールドには、配管２０が接続されており、図示しないエアコンプレッサによって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。また、カソードオフガス排出マニホールドには、配管２２が接続されており、カソードオフガスは、配管２２を介して、燃料電池スタック１０の外部に排出される。配管２２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１０のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排水される。
【００２７】
第１の燃料ガスマニホールド、および、第２の燃料ガスマニホールドは、各アノードの下端部から水素を供給可能なように形成されており、第１のアノードオフ排出ガスマニホールド、および、第２のアノードオフガス排出マニホールドは、各アノードの上端部からアノードオフガスを排出可能なように形成されている。そして、第１の燃料ガスマニホールドには、配管３１が接続されており、第２の燃料ガスマニホールドには、配管３２が接続されている。配管３１，３２には、図示しない水素タンクから、配管３０を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。配管３１，３２には、それぞれ、開閉バルブＶｉ１，Ｖｉ２が配設されている。また、第１のアノードオフガス排出マニホールドには、配管３３が接続されており、第２のアノードオフガス排出マニホールドには、配管３４が接続されている。配管３３，３４には、それぞれ、開閉バルブＶｏ１，Ｖｏ２が配設されている。
【００２８】
また、配管３１における開閉バルブＶｉ１と燃料電池スタック１０との間と、配管３３における開閉バルブＶｏ１の下流側とには、バイパス配管３５が接続されている。このバイパス配管３５には、バイパスバルブＶｂ１が配設されている。また、配管３２における開閉バルブＶｉ２と燃料電池スタック１０との間と、配管３４における開閉バルブＶｏ２とには、バイパス配管３６が接続されている。このバイパス配管３６には、バイパスバルブＶｂ２が配設されている。
【００２９】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット５０によって制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、各種バルブ等、システムの運転を制御する。本実施例の燃料電池システム１００では、後述するように、開閉バルブＶｉ１，Ｖｉ２，Ｖｏ１，Ｖｏ２、バイパスバルブＶｂ１，Ｖｂ２の開閉状態を切り換えることによって、アノードへの水素の供給経路、および、アノードオフガスの排出経路が切り換えられる。制御ユニット５０は、本発明における給排気制御部に相当する。
【００３０】
Ｂ．単セルの構成：
図２は、単セルの概略構成を示す説明図である。単セルの断面図を模式的に示した。図示するように、単セルは、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、アノード側ガス拡散層１４ａ、および、カソード側ガス拡散層１４ｃを介在させて、アノード側セパレータ１８、および、カソード側セパレータ１６で挟持することによって構成されている。アノード側ガス拡散層１４ａ、および、カソード側ガス拡散層１４ｃとしては、カーボンペーパや、カーボンクロス等、導電性、および、ガス拡散性を有する材料が用いられる。また、アノード側セパレータ１８、および、カソード側セパレータ１６としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
【００３１】
カソード側セパレータ１６のカソード側ガス拡散層１４ｃと接触する側の面には、後述するように、リブと溝とが形成されており、これらは、空気、および、カソードオフガスが流れるカソードガス流路を構成する。また、アノード側セパレータ１８のアノード側ガス拡散層１４ａと接触する側の面にも、後述するように、リブと溝とが形成されており、これらは、水素、および、アノードオフガスが流れるアノードガス流路を構成する。図２では、空気が鉛直上方から鉛直下方に流れ、水素が鉛直下方から鉛直上方に流れる様子を示している。
【００３２】
図３は、カソード側セパレータ１６、および、カソード側ガス拡散層１４ｃを示す説明図である。図３（ａ）に、カソード側セパレータ１６をカソード側ガス拡散層１４ｃ側から見たときの平面図を示した。また、図３（ｂ）に、カソード側ガス拡散層１４ｃの平面図を示した。
【００３３】
図３（ａ）に示したように、カソード側セパレータ１６の下端部近傍には、第１の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１６１と、第２の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１６２と、カソードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１６６とが形成されている。また、カソード側セパレータ１６の上端部近傍には、第１のアノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１６３と、第２のアノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１６４と、空気供給マニホールドを構成する貫通孔１６５とが形成されている。そして、カソード側セパレータ１６におけるカソード側ガス拡散層１４ｃと当接する領域には、カソードガス流路を構成する複数のリブ１６７、および、複数の溝１６８が形成されている。図示するように、複数のリブ１６７、および、複数の溝１６８は、カソードガス流路が、貫通孔１６５から貫通孔１６６にほぼ直線的に連通するように形成されている。
【００３４】
図４は、アノード側セパレータ１８、および、アノード側ガス拡散層１４ａを示す説明図である。図４（ａ）に、アノード側セパレータ１８をアノード側ガス拡散層１４ａ側から見たときの平面図を示した。また、図４（ｂ）に、アノード側ガス拡散層１４ａの平面図を示した。
【００３５】
図４（ａ）に示したように、アノード側セパレータ１８の下端部近傍には、第１の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１８１と、第２の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１８２と、カソードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１８６とが形成されている。また、アノード側セパレータ１８の上端部近傍には、第１のアノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１８３と、第２のアノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１８４と、空気供給マニホールドを構成する貫通孔１８５とが形成されている。そして、アノード側セパレータ１８におけるアノード側ガス拡散層１４ａと当接する領域には、アノードガス流路を構成する複数のリブ１８７、および、複数の溝１８８が形成されている。図示すように、複数のリブ１８７、および、複数の溝１８８は、アノードガス流路が、第１の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８１）から第１のアノードオフガス排出マニホールド（貫通孔１８３）に、また、第２の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８２）から第２のアノードオフガス排出マニホールド（貫通孔１８４）にほぼ直線的に連通するように形成されているとともに、貫通孔１８１と貫通孔１８２とを、アノード側ガス拡散層１４ａの上端領域を経由して連通するように形成されている。貫通孔１８１と貫通孔１８２とを連通するアノードガス流路は、アノード側セパレータ１８の中央に形成されたリブ１８７ｃによって制限されている。そして、図４（ｂ）に示したように、アノード側ガス拡散層１４ａの中央において、アノード側セパレータ１８に形成されたリブ１８７ｃと当接する部位には、ガス不透過の目止め１４ｒが形成されている。
【００３６】
Ｃ．運転制御：
図５は、運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１０による発電中に、制御ユニット５０のＣＰＵが実行する処理である。本実施例の運転制御では、燃料電池スタック１０のアノードにおいて、フラッディングが生じていないと判断された場合に、アノードからの排水をガスの流れによって成り行きで行う非排水処理運転を行い、フラッディングが生じていると判断された場合に、アノードからの排水をガスの流れと重力とによって積極的に行う排水処理運転を行う。
【００３７】
まず、ＣＰＵは、非排水処理運転を行う（ステップＳ１００）。具体的には、開閉バルブＶｉ１，Ｖｉ２，Ｖｏ１，Ｖｏ２を開弁状態とし、バイパスバルブＶｂ１，Ｖｂ２を閉弁状態として、燃料電池スタック１０のアノードへの水素の供給、および、アノードからのアノードオフガスの排出を行う。また、ＣＰＵは、カソードへの空気の供給、および、カソードからのカソードオフガスの排出を行う。
【００３８】
図６は、非排水処理運転時のアノードの表面、すなわち、アノード側セパレータ１８における水素、および、アノードオフガスの流れを示す説明図である。非排水処理運転時には、水素は、配管３１，３２を介して、第１の燃料ガスマニホールド、および、第２の燃料ガス間にホールに供給される。そして、図示するように、水素、および、アノードオフガスは、第１の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８１）から第１のアノードオフガス排出マニホールド（貫通孔１８３）に、また、第２の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８２）から第２のアノードオフガス排出マニホールド（貫通孔１８４）にほぼ直線的に流れ、アノードオフガスは、配管３３，３４を介して、燃料電池スタック１０の外部に排出される。つまり、非排水処理運転時には、膜電極接合体のほぼ全面において、空気、および、カソードオフガスがカソードの鉛直上方から鉛直下方に流れ、水素、および、アノードオフガスが鉛直下方から鉛直上方に流れる対向流となり、カソードの空気の入口近傍におけるドライアップを抑制することができる。なお、非排水処理運転時には、カソードの表面では、鉛直下方への空気、および、カソードオフガスの流れと重力とによって、排水が効果的に行われるが、アノードの表面では、水素、および、アノードオフガスの流れによって排水が行われるが、水素、および、アノードオフガスの流れ方向が重力方向と反対方向であるので、排水が重力によって妨げられる。このため、非排水処理運転を継続する間に、徐々にアノードに水が滞留する傾向がある。
【００３９】
図５のステップＳ１００の後、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留しているか否かを判断する（ステップＳ２００）。本実施例では、ＣＰＵは、セル電圧モニタ４０によって、各単セルのセル電圧を随時検出し、セル電圧の変動に基づいて、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留しているか否かを判断するものとした。例えば、各単セルへの水素、および、空気の単位時間当たりの供給量が一定であるにも係らず、セル電圧が所定範囲を超えて激しく変動する場合に、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留していると判断する。燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留していないと判断した場合には（ステップＳ２００：ＮＯ）、ＣＰＵは、非排水処理運転を継続する。
【００４０】
一方、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留していると判断した場合には（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、排水処理運転を行う（ステップＳ３００）。この排水処理運転では、まず、ＣＰＵは、開閉バルブＶｉ１，Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｂ２を閉弁状態とし、開閉バルブＶｉ２，バイパスバルブＶｂ１を開弁状態として（ステップＳ３１０）、燃料電池スタック１０のアノードへの水素の供給、および、アノードからのアノードオフガスの排出を行う。その後、ＣＰＵは、所定時間が経過した後、開閉バルブＶｉ２，Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｂ１を閉弁状態とし、開閉バルブＶｉ１，バイパスバルブＶｂ２を開弁状態として（ステップＳ３２０）、燃料電池スタック１０のアノードへの水素の供給、および、アノードからのアノードオフガスの排出を行う。排水処理運転時には、開閉バルブＶｏ１，Ｖｏ２は、閉弁状態であるので、第１のアノードオフガス排出マニホールド、および、第２のアノードオフガス排出マニホールドは、閉塞される。
【００４１】
なお、排水処理運転時に配管３０に流す水素の量は、非排水処理運転時と同様である。したがって、排水処理運転時に配管３１、または、配管３２に流れる水素の量は、非排水処理運転時の２倍となる。
【００４２】
図７は、排水処理運転時のアノードの表面、すなわち、アノード側セパレータ１８における水素、および、アノードオフガスの流れを示す説明図である。図７（ａ）に、ステップＳ３１０のバルブ切り換えを行ったときのアノード側セパレータ１８における水素、および、アノードオフガスの流れを示した。また、図７（ｂ）に、ステップＳ３２０のバルブ切り換えを行ったときのアノード側セパレータ１８における水素、および、アノードオフガスの流れを示した。なお、図７（ａ），（ｂ）では、第１のアノードオフガス排出マニホールド、および、第２のアノードオフガス排出マニホールドが閉塞されている状態を、貫通孔１８３，１８４を塗り潰すことによって示している。
【００４３】
ステップＳ３１０のバルブ切り換えを行ったときには、水素は、配管３２を介して、第２の燃料ガスマニホールドに供給される。そして、図７（ａ）に示したように、水素、および、アノードオフガスは、第２の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８２）からアノードの上端領域を経由して第１の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８１）に流れ、アノードオフガスは、配管３１、バイパス配管３５、配管３３を介して、燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００４４】
図７（ａ）に示した状態では、図示した右側の領域において、カソードの表面を流れる空気、および、カソードオフガスと、アノードの表面を流れる水素、および、アノードオフガスとが対向流となり、図示した左側の領域において、カソードの表面を流れる空気、および、カソードオフガスと、アノードの表面を流れる水素、および、アノードオフガスとが並行流となる。そして、図示した左側の領域では、水素、および、カソードオフガスの流れ方向が重力方向となるため、この領域では、水素、および、アノードオフガスの流れと重力とによって、排水が効果的に行われる。
【００４５】
また、ステップＳ３２０のバルブ切り換えを行ったときには、水素は、配管３１を介して、第１の燃料ガスマニホールドに供給される。そして、図７（ｂ）に示したように、水素、および、アノードオフガスは、第１の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８１）からアノードの上端領域を経由して第２の燃料ガスマニホールド（貫通孔１８２）に流れ、アノードオフガスは、配管３２、バイパス配管３６、配管３４を介して、燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００４６】
図７（ｂ）に示した状態では、図示した左側の領域において、カソードの表面を流れる空気、および、カソードオフガスと、アノードの表面を流れる水素、および、アノードオフガスとが対向流となり、図示した右側の領域において、カソードの表面を流れる空気、および、カソードオフガスと、アノードの表面を流れる水素、および、アノードオフガスとが並行流となる。そして、図示した右側の領域では、水素、および、カソードオフガスの流れ方向が重力方向となるため、この領域では、水素、および、アノードオフガスの流れと重力とによって、排水が効果的に行われる。
【００４７】
また、排水処理運転時には、アノードの単位面積当たりの水素、および、アノードオフガスの流量が、非排水処理運転時よりも増加するので、これらの流速も増加し、水素、および、アノードオフガスの流れによる排水も促される。
【００４８】
図５のステップＳ３００の後、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０のアノードにおける水の滞留が解消されたか否かを判断する（ステップＳ４００）。本実施例では、ＣＰＵは、ステップＳ２００と同様に、セル電圧モニタ４０によって、各単セルのセル電圧を検出し、セル電圧の変動に基づいて、燃料電池スタック１０のアノードにおける水の滞留が解消されたか否かを判断するものとした。例えば、各単セルへの水素、および、空気の単位時間当たりの供給量が一定であって、セル電圧の変動が所定範囲以内である場合に、燃料電池スタック１０のアノードにおける水の滞留が解消されたと判断する。燃料電池スタック１０のアノードにおける水の滞留が解消されていないと判断した場合には（ステップＳ４００：ＮＯ）、ＣＰＵは、ステップＳ３００に戻り、排水処理運転を継続する。一方、燃料電池スタック１０のアノードにおける水の滞留が解消されたと判断した場合には（ステップＳ４００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、ステップＳ１００に戻り、非排水処理運転を行う。
【００４９】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１００では、排水処理運転時に、アノードの一部の領域において、水素、および、アノードオフガスの流れ方向を重力方向とすることができるため、この領域において、水素、および、アノードオフガスの流れと重力とによって、排水を効果的に行うことができる。つまり、本実施例の燃料電池システム１００によって、燃料電池スタック１０のアノードからの排水性を向上させることができる。
【００５０】
また、排水処理運転時に、アノードの表面における燃料ガス、および、アノードオフガスの流れ方向を固定すると、比較的排水性が悪くなる対向流の領域が固定されるが、本実施例の燃料電池システム１００では、排水処理運転時に、水素の供給、および、アノードオフガスの排気に用いる燃料ガスマニホールドを、順次、切り換えるので、アノード全面からの排水を、重力を利用して、順次、効果的に行うことができる。
【００５１】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００５２】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、排水処理運転時に、水素の供給、または、アノードオフガスの排出を２つの燃料ガスマニホールドを用いて行うものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料ガスマニホールドの数を３つ以上としてもよい。
【００５３】
図８は、変形例としてのアノード側セパレータ１８Ａの概略構成、および、アノード側セパレータ１８Ａにおける水素、および、アノードオフガスの流れを模式的に示す説明図である。なお、ここでは、空気、および、カソードオフガスを流すためのマニホールドについての図示および説明は省略している。
【００５４】
図示するように、変形例のアノード側セパレータ１８Ａでは、アノード側セパレータ１８Ａの下端部近傍に、第１の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１８ｉｏ１と、第２の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１８ｉｏ２と、第３の燃料ガスマニホールドを構成する貫通孔１８ｉｏ３とが形成されている。また、アノード側セパレータ１８Ａの上端部近傍には、第１のアノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１８ｏ１と、第２のアノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔１８ｏ２とが形成されている。そして、アノード側セパレータ１８Ａにおけるアノード側ガス拡散層と当接する領域には、リブ、および、溝が、アノードガス流路が、貫通孔１８ｉｏ１から貫通孔１８ｏ１に、また、貫通孔１８ｉｏ２から貫通孔１８ｏ１，１８ｏ２に、また、貫通孔１８ｉｏ３から貫通孔１８ｏ２にほぼ直線的に連通するように形成されているとともに、貫通孔１８ｉｏ１と貫通孔１８ｉｏ２とがアノード側ガス拡散層の上端領域を経由して連通し、貫通孔１８ｉｏ２と貫通孔１８ｉｏ３とがアノード側ガス拡散層の上端領域を経由して連通するように形成されている。
【００５５】
このようなアノード側セパレータ１８を用いた燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、図示は省略しているが、上記実施例の燃料電池システム１００と同様に、各マニホールドに、開閉バルブが配設された配管が接続され、また、これらの配管には、バイパスバルブが配設されたバイパス配管が接続される。そして、各バルブを制御することによって、非排水処理運転、および、排水処理運転が行われる。
【００５６】
非排水処理運転時には、図８（ａ）に示したように、水素、および、アノードオフガスが、貫通孔１８ｉｏ１，１８ｉｏ２，１８ｉｏ３から貫通孔１８ｏ１，１８ｏ２に流れるように、水素、および、アノードオフガスの給排気が制御される。
【００５７】
一方、排水処理運転時には、図（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示したように、水素、および、アノードオフガスの給排気が、順次、切り換えて制御される。図（ｂ），（ｃ），（ｄ）では、マニホールドが閉塞されている状態を、貫通孔を塗り潰すことによって示している。
【００５８】
図８（ｂ）に示した状態では、貫通孔１８ｉｏ１，１８ｉｏ３から水素が供給され、貫通孔１８ｉｏ２からアノードオフガスが排出される。また、図８（ｃ）に示した状態では、貫通孔１８ｉｏ１から水素が供給され、貫通孔１８ｉｏ３からアノードオフガスが排出される。また、図８（ｄ）に示した状態では、貫通孔１８ｉｏ３から水素が供給され、貫通孔１８ｉｏ１からアノードオフガスが排出される。
【００５９】
以上説明した変形例の燃料電池システムによっても、実施例の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池のアノードからの排水性を向上させることができる。
【００６０】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、セル電圧モニタ４０によって検出されたセル電圧の変動に基づいて、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留しているか否かを判断するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、水素、および、アノードオフガスの給排気系の圧力損失の変動に基づいて、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留しているか否かを判断するものとしてもよい。
【００６１】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留しているときに、排水処理運転を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池スタック１０のアノードに水が滞留するおそれがある場合に、排水処理運転を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】単セルの概略構成を示す説明図である。
【図３】カソード側セパレータ１６、および、カソード側ガス拡散層１４ｃを示す説明図である。
【図４】アノード側セパレータ１８、および、アノード側ガス拡散層１４ａを示す説明図である。
【図５】運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】非排水処理運転時のアノード側セパレータ１８における水素およびアノードオフガスの流れを示す説明図である。
【図７】排水処理運転時のアノード側セパレータ１８における水素およびアノードオフガスの流れを示す説明図である。
【図８】変形例としてのアノード側セパレータ１８Ａの概略構成、および、アノード側セパレータ１８Ａにおける水素およびアノードオフガスの流れを模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１４ａ…アノード側ガス拡散層
１４ｒ…目止め
１４ｃ…カソード側ガス拡散層
１６…カソード側セパレータ
１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６…貫通孔
１６７…リブ
１６８…溝
１８，１８Ａ…アノード側セパレータ
１８ｉｏ１，１８ｉｏ２，１８ｉｏ３，１８ｏ１，１８ｏ２…貫通孔
１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６…貫通孔
１８７，１８７ｃ…リブ
１８８…溝
２０，２２，３０，３１，３２，３３，３４…配管
３５，３６…バイパス配管
４０…セル電圧モニタ
５０…制御ユニット
Ｖｉ１，Ｖｉ２，Ｖｏ１，Ｖｏ２…開閉バルブ
Ｖｂ１，Ｖｂ２…バイパスバルブ
【図１】
2010160995.tif 000003
【図２】
2010160995.tif 000004
【図３】
2010160995.tif 000005
【図４】
2010160995.tif 000006
【図５】
2010160995.tif 000007
【図６】
2010160995.tif 000008
【図７】
2010160995.tif 000009
【図８】
2010160995.tif 000010