(57)【要約】【課題】電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、燃料電池内、電気化学的水素ポンプ内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１を、燃料電池セル１１群からのアノード排ガスから水素を抽出するための１個以上の水素ポンプユニット１２を含み、各水素ポンプユニット１２のカソード側に液水が溜まり得る構成を有する燃料電池１０を備え、燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量の不足時に、水素ポンプユニット１２側のエンドプレート２７が温水にて暖められるシステムとして構成しておく。【選択図】図１
2010262906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の燃料電池セルを積層した部分を含む、水素を含むガスがアノードガスとして供給される発電部と、前記発電部から排出されるアノード排ガスの少なくとも一部を不純物濃度がより高い不純物濃縮ガスと水素とに分離するための不純物濃縮部であって、前記発電部に対して前記燃料電池の積層方向に積層された、プロトンを通す電解質膜と当該電解質膜を挟んで対向するカソード流路及びアノード流路とを有する１個以上の電気化学的水素ポンプユニット、前記発電部からのアノード排ガスの少なくとも一部を各電気化学的水素ポンプユニットのアノード流路に供給するためのアノード排ガス供給路、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路の鉛直方向上方部分と接続された、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に溜まった水素をカソード流路外へ排出するための水素出口、及び、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の過剰分の液水をカソード流路外へ排出することにより、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整手段を有する不純物濃縮部とを備える燃料電池、
前記不純物濃縮部の前記水素出口から水素を取り出し、取り出した水素を前記発電部に供給されるアノードガスに含ませるための水素循環手段、
前記燃料電池の前記不純物濃縮部を暖めるための加熱手段、及び、
前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記不純物濃縮部内の各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水が気化するように前記加熱手段を制御する制御手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アノードガスとして水素を使用する燃料電池システムの中には、燃料電池（固体高分子形燃料電池）から排出されるアノード排ガスを燃料電池のアノードガス供給口に戻すことや、アノード排ガスをアノードガス供給口に戻すことなくシステム外に排出することが可能なアノード排ガス循環・排出系を備えたものが存在している。
【０００３】
要するに、燃料電池内で反応しなかった水素を燃料として再利用でき、かつ、アノード排ガス中の不純物（窒素等）量が増えた場合にアノード排ガスをシステム外に排出できる燃料電池システムが存在しているのであるが、燃費（水素の利用効率）向上の観点からは、システム外に不純物と共に排出される水素量は少ない方が良い。
【０００４】
そのため、電気化学的水素ポンプをアノード排ガス循環・排出系に設けることにより、水素を抽出してからアノード排ガスを排出できるようにした燃料電池システム（例えば、特許文献１参照）が開発されている。
【０００５】
また、燃料電池システムは、コンパクトな、安価に製造できるものであった方が良い。そのため、加湿器を不要なものとするために燃料電池を無加湿運転することや、ラジエータを小型化するために燃料電池を高温運転することが試みられているのであるが、燃料電池内の各電解質膜が乾かない形で、無加湿運転／高温運転できる燃料電池システムは未だ開発されていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０１９１２０号公報
【特許文献２】特開２００７−０６６９１８号公報
【特許文献３】特開２００８−１１２７４１号公報
【特許文献４】特開２００５−０２６０５９号公報
【特許文献５】特開２００８−２３５１３２号公報
【特許文献６】特開２００３−１６８４６８号公報
【特許文献７】特開２００２−１２４２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の課題は、電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、燃料電池内、電気化学的水素ポンプ内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
複数個の燃料電池セルを積層した部分を含む、水素を含むガスがアノードガスとして供給される発電部と、前記発電部から排出されるアノード排ガスの少なくとも一部を不純物濃度がより高い不純物濃縮ガスと水素とに分離するための不純物濃縮部であって、前記発電部に対して前記燃料電池の積層方向に積層された、プロトンを通す電解質膜と当該電解質膜を挟んで対向するカソード流路及びアノード流路とを有する１個以上の電気化学的水
素ポンプユニット、前記発電部からのアノード排ガスの少なくとも一部を各電気化学的水素ポンプユニットのアノード流路に供給するためのアノード排ガス供給路、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路の鉛直方向上方部分と接続された、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に溜まった水素をカソード流路外へ排出するための水素出口、及び、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の過剰分の液水をカソード流路外へ排出することにより、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整手段を有する不純物濃縮部とを備える燃料電池、
前記不純物濃縮部の前記水素出口から水素を取り出し、取り出した水素を前記発電部に供給されるアノードガスに含ませるための水素循環手段、
前記燃料電池の前記不純物濃縮部を暖めるための加熱手段、及び、
前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記不純物濃縮部内の各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水が気化するように前記加熱手段を制御する制御手段を有する。
【０００９】
すなわち、本発明の燃料電池システムに採用されている燃料電池は、既存の燃料電池システムにおける燃料電池、電気化学的水素ポンプにそれぞれ相当する発電部、不純物濃縮部を一体化したものであると共に、燃料電池セル、電気化学的水素ポンプユニット等を積層すれば、製造できる（組み立てられる）ものとなっている。
【００１０】
そして、そのような燃料電池の製造に必要とされる部品数、工程数は、発電部と不純物濃縮部とを別々製造する場合に必要とされる部品数、工程数よりも少ない。また、発電部と不純物濃縮部とを一体化しておけば、燃料電池システムを構築する際に、不純物濃縮部の設置場所を確保する必要や、発電部と不純物濃縮部とを接続する必要がなくなることになる。従って、この燃料電池システムの構成を採用しておけば、従来構成を採用した場合よりも、コンパクト且つ安価な燃料電池システムを実現できることになる。
【００１１】
また、燃料電池の不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路の鉛直方向上方部分から、水素が取り出される構成を有している。なお、本発明において、鉛直方向とは、燃料電池が通常の姿勢を取っている場合における鉛直方向のことである。
【００１２】
換言すれば、不純物濃縮部は、上記構成を採用することにより、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に生じた液水（凝縮水）が水素と共に排出されないようにしたものとなっている。そして、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内で生じた液水が水素と共に排出されなければ、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に液水が溜まり、その液水によって、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜に水分を補給できる。従って、本発明の燃料電池システムは、電気化学的水素ポンプ（不純物濃縮部）内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能なシステムとなっていることになる。
【００１３】
さらに、燃料電池システムは、“前記不純物濃縮部の前記水素出口から水素を取り出し、取り出した水素を前記発電部に供給されるアノードガスに含ませるための水素循環手段”、“前記燃料電池の前記不純物濃縮部を暖めるための加熱手段”、及び、“前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記不純物濃縮部内の各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水が気化するように前記加熱手段を制御する制御手段”を有している。換言すれば、燃料電池システムは、各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内に溜まった液水を気化して各燃料電池セルの電解質膜に供給できる構成を有している。従って、本発明の燃料電池システムは、発電部内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能なシステムともなっていることになる。
【００１４】
また、燃料電池の不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整手段を有している。従って、本発明の燃料電池システムでは、各電気化学的水素ポンプユニットのカソード流路内の液水量が過度に増える（各電気化学的水素ポンプユニットの電解質膜の、水素移動に利用可能な面積が過度に減少する）ことに因り、各電気化学的水素ポンプユニットの性能が劣化するといったことが生じないことになる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムの各構成要素としては、具体的な構成の異なるさまざまなものを採用することが出来る。例えば、燃料電池として、水を流すことにより前記発電部を冷却するための冷却用流路、及び、水を流すことにより前記不純物濃縮部を暖めるための加熱用流路を備えたものを採用し、加熱手段相当の手段として、前記冷却用流路から排出される水を冷却して前記冷却用流路に供給する第１状態、及び、前記冷却用流路から排出される水を前記加熱用流路を通過させてから冷却して前記冷却用流路に供給する第２状態を取り得る冷却水循環手段を採用し、制御手段として、前記発電部の各燃料電池セルの電解質膜中の水分量の不足時に、前記冷却水循環手段を第２状態で動作させる手段を採用しておくことが出来る。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、燃料電池内、電気化学的水素ポンプ内の各電解質膜が乾かない形で、燃料電池を無加湿運転／高温運転することが可能な燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池システム内の燃料電池が備える不純物濃縮部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１及び図２に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す。また、図３に、燃料電池システム１に用いられている燃料電池１０の不純物濃縮部（電気化学的水素ポンプユニット１２、液水量調整構造２８等からなる部分）の概略構成を示す。なお、この燃料電池システム１は、車両に搭載することを想定して開発したものであり、図１、図３における燃料電池１０の下方向が、車両に搭載されている状態にある燃料電池１０の鉛直下方向である。
【００２０】
まず、図１及び図３を用いて、燃料電池システム１の主要構成要素である燃料電池１０の構成を説明する。
【００２１】
図１に示してあるように、燃料電池１０は、絶縁板２２、集電板２３、複数の燃料電池セル１１、集電板２３、絶縁板２２、中間プレート２４、絶縁板２５、集電板２６、複数の電気化学的水素ポンプユニット１２、集電板２６、絶縁板２５を、この順で２つのエンドプレート２１、２７間に挟んだ上で、エンドプレート２７側に液水量調整構造２８を設けた構成を有している。
【００２２】
燃料電池セル１１は、アノード極、電解質膜（固体高分子膜）、カソード極を貼り合わ
せて一体化したＭＥＡ（膜・電極接合体)を、アノードガス／カソードガスを流すための
アノード流路／カソード流路が彫り込まれているセパレータ（いわゆるバイポーラプレート）で挟んだ燃料電池セルである。
【００２３】
この燃料電池セル１１は、積層することにより、アノード上部マニホールド１３Ｃ、アノード下部マニホールド１４Ｃ、カソード上部マニホールド（図示略）、カソード下部マニホールド（図示略）及び冷却水流路を有する積層体（以下、セルスタックと表記する）が形成されるものとなっている。なお、アノード上部マニホールド１３Ｃとは、セルスタックの上端側に位置する、各燃料電池セル１１のアノード流路の上端側の部分と連通したマニホールドのことであり、アノード下部マニホールド１４Ｃとは、セルスタックの下端側に位置する、各燃料電池セル１１のアノード流路の下端側の部分と連通したマニホールドのことである。カソード上部マニホールドとは、セルスタックの上端側に位置する、各燃料電池セル１１のカソード流路の上端側の部分と連通したマニホールドのことであり、カソード下部マニホールドとは、セルスタックの下端側に位置する、各燃料電池セル１１のカソード流路の下端側の部分と連通したマニホールドのことである。また、冷却水流路とは、冷却水を流すための流路（本発明における“冷却用流路”にほぼ相当する流路）のことである。
【００２４】
電気化学的水素ポンプユニット１２（以下、水素ポンプユニット１２と略記する）は、プロトンを通す電解質膜と当該電解質膜を挟んで対向するアノード流路及びカソード流路とを備えた、電解質膜に電流を流すことによりアノード流路内の水素をカソード流路側に移動させることが出来る電気化学デバイスである。
【００２５】
この水素ポンプユニット１２としては、上記した燃料電池セル１１と同じものが使用されている。従って、燃料電池１０の、複数の水素ポンプユニット１２が積層された部分（以下、水素ポンプと表記する）も、上記した各マニホールドに相当するアノード上部マニホールド１３Ｐ、アノード下部マニホールド１４Ｐ、カソード上部マニホールド１５Ｐ、カソード下部マニホールド（図示略）等を有している。
【００２６】
集電板２３は、セルスタックから電力を取り出すための出力端子２３ａが取り付けられている導電性部材である。絶縁板２２は、エンドプレート２１・集電板２３間、又は、集電板２３・中間プレート２４間を絶縁するために設けられている絶縁性部材である。これらの部材（絶縁板２２、集電板２３）は、ガスや冷却水を通すための幾つかの開口部を有するものとなっている。
【００２７】
集電板２６は、各水素ポンプユニット１２の電解質膜の膜面間に電流を流すための入力端子２６ａが取り付けられている導電性部材である。絶縁板２５は、中間プレート２４・集電板２６間、又は、集電板２６・エンドプレート２７間を絶縁するために設けられている絶縁性部材である。これらの部材は、ガスを通すための幾つかの開口部を有するものとなっている。
【００２８】
中間プレート２４は、アノード下部マニホールド１４Ｃとアノード下部マニホールド１４Ｐとを連通する貫通孔が設けられている剛性部材である。この中間プレート２４には、セルスタック内の冷却水流路からの冷却水の出口として機能する冷却水排出部（図示略）が設けられている。
【００２９】
エンドプレート２１、２７は、燃料電池セル１１、水素ポンプユニット１２等を、積層方向（図における左右方向）に加圧して保持するための剛性部材である。
【００３０】
エンドプレート２１には、アノード上部マニホールド１３Ｃと連通するガス流路接続部
（厚さ方向に延びた貫通孔とガス流路を固定／接続するための構成とからなる部分）であるアノードガス導入部２１ａ、及び、アノード下部マニホールド１４Ｃと連通するガス流路接続部であるアノード排ガス排出部２１ｂが設けられている。また、エンドプレート２１には、カソード上部マニホールド（水素ポンプ側のカソード上部マニホールド１５Ｐ参照）と連通するガス流路接続部であるカソードガス導入部（図示略）、及び、カソード下部マニホールド（図示略）と連通するガス流路接続部であるカソード排ガス排出部（図示略）も設けられている。さらに、エンドプレート２１には、セルスタック内の冷却水流路への冷却水の入口として機能する冷却水導入部（図示略）も設けられている。
【００３１】
エンドプレート２７には、カソード上部マニホールド１５Ｐと連通するガス流路接続部である水素排出部２７ａ、カソード下部マニホールド（図示略）と連通するガス流路接続部である水素・液水排出部２７ｂが設けられている。また、エンドプレート２７には、アノード上部マニホールド１３Ｐと連通するガス流路接続部である不純物濃縮ガス排出部２７ｃも設けられている。
【００３２】
エンドプレート２７の水素排出部２７ａ、水素・液水排出部２７ｂとの間には、液水量調整構造２８が設けられている。
【００３３】
この液水量調整構造２８は、図３に示した構成を有している。すなわち、液水量調整構造２８は、エンドプレート２７の水素排出部２７ａから水平方向に延びたパイプ状部材２８ａであって、ガス流路３３を取り付けるための取付部２８ｂがその端部に設けられているパイプ状部材２８ａを備えている。
【００３４】
また、液水量調整構造２８は、下方に延びるように、パイプ状部材２８ｂの途中に接続されたパイプ状部材２８ｃと、当該パイプ状部材２８ｃの下端に設けられた所定量の液体を貯留可能な貯留部２８ｄとを備えている。
【００３５】
さらに、液水量調整構造２８は、水素・液水排出部２７ｂとパイプ状部材２８ｃとを接続するパイプ状部材２８ｅであって、エンドプレート２７の水素・液水排出部２７ｂから上方に延びた後、下側の内壁面の高さが高さｈとなる箇所で水平方向に曲がった形状のパイプ状部材２８ｅを備えている。なお、高さｈとは、その高さまで各水素ポンプユニット１２のカソード流路内に液水が溜まることにより各水素ポンプユニット１２の電解質膜の水素移動に利用可能な面積が減少しても、各水素ポンプユニット１２の性能がさほど低下しない高さとして定められた高さのことである。
【００３６】
次に、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を説明する。なお、以下の説明では、燃料電池１０の、中間プレート２４よりもエンドプレート２１側の部分、中間プレート２４よりもエンドプレート２７側の部分のことを、それぞれ、発電部、不純物濃縮部と表記する。また、図１に示してある、燃料電池１０以外の部分（水素タンク３０等からなる部分）のことを、アノードガス供給系と表記する。
【００３７】
図１に示してあるように、燃料電池システム１のアノードガス供給系は、水素を保持した水素タンク３０と、水素タンク３０内の水素を、加湿することなく（加湿器を通すことなく）燃料電池１０のアノードガス導入部２１ａに供給するためのガス流路３３と、ガス流路３３の途中に設けられたシャットバルブ３１、減圧弁（図示略）及びインジェクタ３２とを備えている。
【００３８】
また、アノードガス供給系は、燃料電池１０のアノード排ガス排出部２１ｂをガス流路３３の途中の部分に接続するガス流路３４、当該ガス流路３４の途中に設けられた機械式ポンプ３９を備えている。アノードガス供給系は、液水量調整構造２８（パイプ状部材２
８ａ：図３参照）を介して水素排出部２７ａとガス流路３３とを接続するガス流路３５も備えている。なお、このガス流路３５は、図示せぬイジェクタを介してガス流路３３と接続されたものとなっている。
【００３９】
アノードガス供給系は、ガス流路３５の途中に設けられたシャットバルブ３７、不純物濃縮ガス排出部２７ｃと接続されたガス流路３６、当該ガス流路３６の途中に設けられたシャットバルブ３８も、備えている。
【００４０】
また、図２に示してあるように、燃料電池システム１は、発電部（中間プレート２４の冷却水排出部）から排出される冷却水を冷却水循環部４０に供給するための冷却水流路４１、冷却水流路４１からの冷却水を冷却して圧送する冷却水循環部４０（ラジエータ、冷却水用ポンプ等を組み合わせた部分）等からなる冷却水循環系も備えている。
【００４１】
この冷却水循環系の冷却水流路４１には、発電部から排出される温水でエンドプレート２７（不純物濃縮部）を暖めるための冷却水流路４２（本発明における“加熱用流路”にほぼ相当する流路）が接続されている。そして、冷却水流路４１と冷却水流路４２との一方の接続部分（上流側の接続部分）には、発電部側からの冷却水を冷却水流路４２側に流す状態と、当該冷却水を冷却水流路４１側（冷却水流路４１の下流側）に流す状態とを取り得る切替バルブ４３が設けられている。
【００４２】
また、図示は省略してあるが、燃料電池システム１は、エアコンプレッサ等からなる、燃料電池１０のカソードガス導入部に空気を供給するためのアノードガス供給系を備えている。さらに、燃料電池システム１は、各種センサの出力に基づき、必要量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池１０へ供給されるように、各部を制御する制御装置（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる、いわゆる電子制御ユニット）も備えている。なお、各種センサとは、燃料電池システム１を搭載した車両に設けられているアクセルペダルセンサや、燃料電池システム１の各所に設けられている、圧力、電圧、温度等を測定するためのセンサのことである。また、必要量のアノードガス及びカソードガスとは、負荷（本実施形態では、車両用モータ、バッテリ、インバータ等からなるシステム）に必要とされている電力（アクセルペダル開度等から求められた電力）が出力端子２３ａ間から取り出せる量のガスのことである。
【００４３】
この制御装置は、入力端子２６ａ間に電流を流すことにより各水素ポンプユニット１２のアノード流路側からカソード流路側へ水素を移動させた後、シャットバルブ３７、３８を一時的に開ける処理である不純物濃縮部等制御処理を定期的に行う機能を有している。なお、詳細説明は省略するが、この不純物濃縮部等制御処理は、入力端子２６ａ間のインピーダンスや入力端子２６ａ間に流した電流量に基づき、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側からカソード流路側へ移動した水素量や、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側に残っている水素量を推定し、その推定結果に基づき、シャットバルブ３７、３８を開けるタイミングを決定する処理となっている。
【００４４】
また、制御装置は、出力端子２３ａ間のインピーダンス等に基づき、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量を監視する機能も有している。そして、制御装置は、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が所定量以下となっている状態で、上記不純物濃縮部等制御処理を開始する場合には、発電部からの冷却水（つまり、温水）が冷却水流路４２に流れるように切替バルブ４３を制御する装置となっている。
【００４５】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の作用効果を説明する。
【００４６】
上記した燃料電池システム１の構成から明らかなように、制御装置の制御下、アノード
ガス及びカソードガスの燃料電池１０への供給が開始されると、燃料電池１０の発電部が発電動作を開始する。
【００４７】
その際、不純物濃縮部等制御処理が行われていなければ（シャットバルブ３８が開けられておらず、かつ、入力端子２６ａ間に電流が流されていなければ）、発電部からのアノード排ガスの全てが、発電部に供給されるアノードガスの一部として再利用されることになる。何故ならば、発電部のアノード下部マニホールド１４Ｃは、ガス流路３４とアノード下部マニホールド１４Ｐとに接続されているが、シャットバルブ３８が開けられておらず、かつ、入力端子２６ａ間に電流が流されていない場合、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側のガス量は変化しないからである。
【００４８】
また、そのような形での運転が続くと、発電部に供給されるアノードガス、発電部から排出されるアノード排ガス中の不純物濃度が高くなっていくが、アノードガス／アノード排ガス中の不純物濃度が高くなったときに入力端子２６ａ間に電流を流す処理を開始すれば、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側からカソード流路側に、水素、及び、電解質膜中の水分が移動する。
【００４９】
その結果、各水素ポンプユニット１２のアノード流路内のアノード排ガスは、不純物濃度がより高いガス（図１では、不純物濃縮ガス；図３では、Ｎ2）に変化することになる
。
【００５０】
また、各水素ポンプユニット１２のカソード流路側へ移動した水分は、液化するため、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内には、水素と水とが溜まることになる。なお、水素ポンプユニット１２のカソード流路側で水分が液化するのは、水素ポンプユニット１２内で生ずる水素の移動反応が発熱を伴うものではないため、水素ポンプユニット１２のカソード流路側の温度が比較的に低いものとなるからである。
【００５１】
そして、各水素ポンプユニット１２のアノード流路は、アノード上部マニホールド１３Ｐ等を介して、シャットバルブ３８を備えたガス流路３６と接続されている。従って、各水素ポンプユニット１２のアノード流路側のガス中の水素量が或る程度まで下がったときに、シャットバルブ３８を開ければ、アノード排ガスよりも不純物濃度が高い（水素濃度が低い）不純物濃縮ガスを燃料電池システム１外に排出できることになる。
【００５２】
また、各水素ポンプユニット１２のカソード流路は、カソード上部マニホールド１５Ｐ、シャットバルブ３７を備えたガス流路３５、ガス流路３３等を介して、カソードガス導入部２１ａと接続されている。そして、カソード上部マニホールド１５Ｐは、各水素ポンプユニット１２のカソード流路の上端側の部分に連通したもの（カソード流路下部の水を水素と共に排出してしまわないもの）となっている。
【００５３】
従って、各水素ポンプユニット１２のカソード流路側に或る程度の量の水素が溜まったときに、シャットバルブ３７を開ければ、カソード流路内に水を残す形で、アノード排ガスから回収した水素を燃料として発電部へ供給できることになる。
【００５４】
そして、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内に水を貯めておけば、その水で、各水素ポンプユニット１２の電解質膜に水分を補給することが出来るので、燃料電池１０に、各水素ポンプユニット１２のカソード流路の上端側から水素を取り出す構成の不純物濃縮部を採用し、燃料電池システム１に、上記内容の不純物濃縮部等制御処理を行う制御装置を採用しているのである。
【００５５】
ただし、水素・液水排出部２７ｂを単に封止したのでは、各水素ポンプユニット１２の
カソード流路内のかなりの高さまで液水が溜まってしまい、その結果として、各水素ポンプユニット１２の性能が低下してしまう（電解質膜の、水素移動に使用可能な面積が減ってしまう）ことが考えられる。
【００５６】
そして、エンドプレート２７側に、水素・液水排出部２７ｂから上方に延びた後、下側の内壁面の高さが高さｈとなる箇所で水平方向に曲がった形状のパイプ状部材２８ｅ、当該パイプ状部材２８ｅから液水を貯留する貯留部２８ｄ等（図３参照）を設けておけば、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内に溜まり得る液水の高さを、各水素ポンプユニット１２の性能がさほど低下しない高さｈ以下に制御できる。このため、燃料電池１０に、上記構成の液水量調整構造２８を設けているのである。
【００５７】
また、不純物濃縮部等制御処理時に不純物濃縮部が暖められるようにしておけば、各水素ポンプユニット１２のカソード流路内の液水を気化（水蒸気化）して各燃料電池セル１１のアノード流路に供給することが出来ることになる。そして、上記構成を有する不純物濃縮部の、最も低温となる部分は、エンドプレート２７近傍の部分（貯留部２８ｄ、エンドプレート２７に最も近い水素ポンプユニット１２等）であり、発電部から排出される温水を利用すれば、比較的に低コストで、エンドプレート２７を加熱できる。このため、燃料電池システム１に、上記した構成の冷却水循環系（図２参照）と、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が所定量以下となっている状態で不純物濃縮部等制御処理を開始する場合には、発電部からの冷却水（つまり、温水）が冷却水流路４２に流れるように切替バルブ４３を制御する制御装置とを採用しているのである。
【００５８】
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１に用いられている燃料電池１０は、それぞれ、既存の燃料電池システムにおける燃料電池、電気化学的水素ポンプに相当する発電部、不純物濃縮部を一体化したものであると共に、燃料電池セル１１、電気化学的水素ポンプユニット１２等を積層すれば製造できる（組み立てられる）ものとなっている。
【００５９】
そして、発電部と不純物濃縮部とを一体化した燃料電池１０の製造に必要とされる部品数、工程数は、発電部と不純物濃縮部とを別々製造する場合に必要とされる部品数、工程数よりも少ない。また、発電部と不純物濃縮部とを一体化しておけば、燃料電池システムを構築する際に、不純物濃縮部の設置場所を確保する必要や、発電部と不純物濃縮部とを接続する必要がなくなることになる。
【００６０】
従って、燃料電池システム１の構成を採用しておけば、燃料電池と電気化学的水素ポンプとを用いた場合よりも、コンパクト且つ安価な燃料電池システムを製造できることになる。
【００６１】
また、燃料電池１０が備える不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路の上端部分（鉛直方向上方部分）から、水素が取り出される構成を採用することにより、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内に生じた液水（凝縮水）が水素と共に排出されないようにしたものとなっている。そして、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内に生じた液水が水素と共に排出されなければ、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内に液水が溜まり、その液水によって、各電気化学的水素ポンプユニット１２の電解質膜に水分を補給することが出来る。従って、上記した燃料電池システム１は、燃料電池１０を無加湿運転するものであるにも拘わらず、電気化学的水素ポンプユニット１２内の電解質膜が乾きにくいものとなっていることになる。
【００６２】
さらに、燃料電池システム１が備える制御装置は、不純物濃縮部等制御処理の開始時に
、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が所定量以下であった場合には、発電部からの冷却水（つまり、温水）を冷却水流路４２に流すことによって、不純物濃縮部（エンドプレート２７近傍）を暖める機能を有している。従って、燃料電池システム１は、各燃料電池セル１１の電解質膜中の水分量が不足している場合に、各燃料電池セル１１の電解質膜へ水分が補充されるシステム（つまり、各燃料電池セル１１内の電解質膜も乾きにくいシステム）となっていることになる。
【００６３】
また、燃料電池１０の不純物濃縮部は、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内の液水量を、各電気化学的水素ポンプユニット１２の電解質膜の鉛直方向上側の所定面積の部分に触れない量に維持する液水量調整構造２８を有している。従って、本実施形態に係る燃料電池システム１では、各電気化学的水素ポンプユニット１２のカソード流路内の液水量が過度に増える（各電気化学的水素ポンプユニット１２の電解質膜の、水素移動に利用可能な面積が過度に減少する）ことに因り、各電気化学的水素ポンプユニット１２の性能が劣化するといったことが生じないことになる。
【００６４】
《変形形態》
上記した燃料電池１０、燃料電池システム１は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、燃料電池１０の電気化学的水素ポンプユニット１２は、燃料電池セル１１と全く同一のものであったが、燃料電池１０を、ＭＥＡのみが燃料電池セル１１と異なる電気化学的水素ポンプユニット１２が用いられたものに変形することが出来る。また、燃料電池１０を、燃料電池セル１１と全く別構成の電気化学的水素ポンプユニット１２が用いられたものに変形することも出来る。ただし、電気化学的水素ポンプユニット１２として、燃料電池セル１１と全く別構成のものを使用した場合、製造コストが上昇してしまう。従って、電気化学的水素ポンプユニット１２としては、燃料電池セル１１と大部分の部品が同じものを使用しておくことが好ましく、特に、燃料電池セル１１と全く同じものを使用しておくことが望ましい。
【００６５】
燃料電池システム１を、冷却水流路４２相当のものとして、水素ポンプ内の冷却水流路が用いられたものや、冷却水流路４２の代わりに、エンドプレート２７を加熱するためのヒータを備えたものに変形することも出来る。また、エンドプレート２７の加熱時期は、不純物濃縮部内に溜まっている水の一部を各燃料電池セル１１の電解質膜へ供給できるものでありさえすれば良い。従って、燃料電池システム１を、上記したものとは異なる手順／内容の制御（例えば、不純物濃縮部等制御処理の開始後、所定条件が満たされたときに、エンドプレート２７の加熱を開始する制御等）を行う制御装置を備えたものに変形することも出来る。
【００６６】
また、燃料電池システム１を、アノードガス用の小型の加湿器を備えたものや、車両用のものではないものに変形しても良いことなどは、当然のことである。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・燃料電池システム
１０・・・燃料電池
１１・・・燃料電池セル
１２・・・電気化学的水素ポンプユニット
１３Ｃ、１３Ｐ・・・アノード上部マニホールド
１４Ｃ、１４Ｐ・・・アノード下部マニホールド
１５Ｐ・・・カソード上部マニホールド
２１，２７・・・エンドプレート
２１ａ・・・アノードガス導入部
２１ｂ・・・アノード排ガス排出部
２７ａ・・・水素排出部
２７ｂ・・・水素・液水排出部
２７ｃ・・・不純物濃縮ガス排出部
２２、２５・・・絶縁板
２３、２６・・・集電板
２４・・・中間プレート
２８・・・液水量調整構造
３０・・・水素タンク
３１、３７、３８・・・シャットバルブ
３２・・・インジェクタ
３３〜３６・・・ガス流路
３９・・・機械式ポンプ
４０・・・冷却水循環部
４１、４２・・・冷却水流路
４３・・・切替バルブ
【図１】
2010262906.tif 000003
【図２】
2010262906.tif 000004
【図３】
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