(57)【要約】  本発明の燃料電池システムの運転方法は、還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、水供給部からの注水によって、還元剤の流通方向において還元剤供給端よりも上流側の還元剤供給経路の少なくとも一部、及び酸化剤の流通方向において酸化剤供給端よりも上流側の酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、帯水層形成ステップを有する。
2008129793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水によって、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、帯水層形成ステップを有する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧及び注水時間は、全ての前記還元剤流路及び前記酸化剤流路において水が通り抜けない程度の注水圧及び注水時間である、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧が前記還元剤供給部及び前記酸化剤供給部からの前記還元剤及び前記酸化剤の供給圧より低い、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている弁をさらに有し、
前記帯水層形成ステップにおいて、前記弁を開放した状態で前記注水を開始し、全ての前記還元剤供給端に水が到達した状態及び全ての前記酸化剤供給端に水が到達した状態、の少なくともいずれかの状態で前記弁を閉止して、前記注水を停止する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有し、
前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却する焼却ステップを有する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側であって、かつ前記燃焼装置の上流側に接続されている気液分離装置をさらに有し、
前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流す分離ステップを有する、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されている、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されている、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記還元剤流路の残留ガスが前記還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが不活性ガスである状態において、
前記酸化剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行う、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記還元剤流路の残留ガスが不活性ガスであり、前記酸化剤流路の残留ガスが前記酸化剤である状態において、
前記還元剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行う、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記還元剤流路の残留ガスが還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが酸化剤である状態において、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の両方において前記帯水層形成ステップを行う、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法
【請求項１２】
前記還元剤供給経路は全ての前記単電池の前記還元剤供給端が接続された還元剤供給マニホールドを有し、
前記酸化剤供給経路は全ての前記単電池の前記酸化剤供給端が接続された酸化剤供給マニホールドを有し、
前記帯水層形成ステップにおける、前記注水の注水量が、前記還元剤供給マニホールド及び前記酸化剤供給マニホールドの少なくともいずれかが水没する程度の量である、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水を制御して、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、燃料電池システム。
【請求項１４】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却するよう構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている気液分離装置をさらに有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流すよう構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池（以下、Polymer Electrolyte Fuel CellをＰＥＦＣと略称する）を用いた燃料電池システム（ＰＥＦＣシステム）の運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムに関する。特に、ＰＥＦＣ本体への還元剤及び酸化剤の供給開始動作におけるＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、実用化に向けて研究開発が盛んに行われているＰＥＦＣは、高分子電解質膜を基材とするＭＥＡ（Membrane-Electrode-Assembly）によって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層されている。【０００３】
このＰＥＦＣを燃料電池本体として用いた燃料電池システム（ＰＥＦＣシステム）の起動動作においては、ＭＥＡの劣化を防止するために、ＰＥＦＣ本体の還元剤流路及び酸化剤流路の残留ガスを不活性ガスや水でパージするパージ動作が一般的に行われている。例えば、特許文献１では酸化剤流路に水が流通されている。【０００４】
一方で、ＰＥＦＣシステムの停止状態において、還元剤流路の残留ガスには酸化剤流路あるいは外部から酸素などの酸化剤が混入しているおそれがあり、酸化剤流路の残留ガスには還元剤の主成分である水素が還元剤流路から混入しているおそれがある。したがって、これらの残留ガスと還元剤及び酸化剤とが混合すると還元剤流路あるいは酸化剤流路において不測の燃焼反応が発生し、ＭＥＡを損傷するおそれがある。このため、特許文献２及び特許文献３では、ＰＥＦＣシステムの起動動作、すなわちＰＥＦＣ本体への還元剤及び酸化剤の供給開始動作において、これらの残留ガスと還元剤及び酸化剤との混合を抑制する技術が開示されている。【０００５】
特許文献２の技術は、水素通過時間短縮用ガスによって、還元剤流路を流通するガスの体積流量を増大させ、還元剤流路の残留ガスのパージを加速させる技術である（特許文献２段落［００４１］参照）。【０００６】
特許文献３の技術は、還元剤流路への還元剤の供給及び酸化剤流路への酸化剤の供給の前に、還元剤流路内に水素を流し込んでから還元剤流路の残留ガスを還元剤流路を含むアノード循環路を循環させて、還元剤流路の残留ガス中の酸素濃度を予め低減させておく技術である（特許文献３段落［００１７］参照）。【０００７】
特許文献４の技術は、ＰＥＦＣ起動動作において、循環水を還元剤流路へ送入し、還元剤流路内をパージすると共に、ＰＥＦＣのアノード側電極を予熱し、予熱後に、還元剤を還元剤流路に送入して還元剤流路中の水を押し出し、還元剤流路に還元剤を流通させる技術である。なお、特許文献４の技術は、同文献［図１］に開示されているように、ポンプ(62)によって還元剤流路(5)内及びアノード側電極(2,3)内を経由して循環水を循環させる技術である。同文献は、パージのため特別な不活性ガスボンベを設置する必要はないとしている。また、同文献は、還元剤流路に循環水を流入して、セルを直接に加熱するから、高い予熱効率が得られるとしている。【０００８】
特許文献５の技術は、ＰＥＦＣ停止動作時に、パージガス（不活性ガス、空気など）を冷却剤流路の一部を経由して還元剤流路に流し込む技術である。これによると、パージガスと残留ガスとの間に冷却剤（水）を介在させて、ＰＥＦＣ内の還元剤流路から残留ガスを排除することができる。冷却剤には残留ガスが拡散することがない。したがって、同文献は、ＰＥＦＣ停止後、短時間で簡便にかつ経済的にＰＥＦＣ内を不活性雰囲気下にすることができるとしている。【０００９】
特許文献６の技術は、ＰＥＦＣ停止時に、還元剤流路または酸化剤流路に水を封入した状態もしくは加湿された不活性ガスを封入した状態で運転を停止し、保管する技術である。同文献は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において、特段のパージ動作を要さず還元剤または酸化剤を流し込むことができるので、パージ用の不活性ガス使用量を減少させることができるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１４２１３２号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０８５４号公報
【特許文献３】特開２００６−２４３９０号公報
【特許文献４】特開平１０−２７００６５号公報
【特許文献５】特開平７−２７２７３７号公報
【特許文献６】特開平６−２５１７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２の技術では、還元剤流路の残留ガスと還元剤との接触は回避できないので、残留ガスと還元剤との混合によるＭＥＡの損傷防止には改善の余地があった。また、還元剤と共に水素通過時間短縮用ガスを加圧供給する動作制御は、ＰＥＦＣシステムの制御を複雑にするという問題もあった。【００１１】
また、特許文献３の技術では、還元剤流路の残留ガスと還元剤との接触は回避できないので、残留ガスと還元剤との混合による単電池の損傷防止には改善の余地があった。また、水素が混合された残留ガスを循環させる時間を要し、ＰＥＦＣシステムの速やかな起動には改善の余地があった。【００１２】
また、特許文献１の水による還元剤流路及び酸化剤流路の残留ガスのパージには、還元剤流路及び酸化剤流路に水を充満させて、残留ガスを還元剤流路及び酸化剤流路から排除するまでの時間を要するので、ＰＥＦＣシステムの起動動作に要する時間（起動動作時間）を増大させ、ＰＥＦＣシステムの機動性を低下させるという問題があった。【００１３】
また、特許文献４の技術によると、循環水よる還元剤流路の予熱には時間を要するので、ＰＥＦＣシステムの起動動作時間を増大させ、ＰＥＦＣシステムの機動性を低下させるという問題があった。また、特許文献４の技術は、ポンプによって水を循環させる必要があるので、循環水を還元剤流路内及びアノード側電極内に充満させる必要があり、起動動作時間の短縮には改善の余地があった。【００１４】
また、特許文献５の技術によると、停止動作後起動動作前までの間に還元剤流路内のパージガスには酸素などの酸化剤が混在しているおそれがある。したがって、ＰＥＦＣシステムの起動動作時において、還元剤流路内を改めてパージする必要がある。しかし、ＰＥＦＣの起動動作時には冷却剤を用いてＰＥＦＣを反応温度近傍まで予熱する必要がある。また起動動作後の運転状態においては冷却系統を使用する。したがって、ＰＥＦＣシステムの起動動作においては、冷却剤流路を経由して還元剤を還元剤流路に流し込むことができないので、特許文献５の技術は利用できない。【００１５】
また、特許文献６の技術によると、ＰＥＦＣシステムの起動動作時のおけるパージ動作を省略することができ、ＰＥＦＣシステムの起動動作時間を短縮することができる。しかし、保存時用の水を相当量を冷却用の水量とは別に余分に要するので、ＰＥＦＣシステムの構造を簡素化する余地があった。特に、自動車など移動用機器に搭載されるＰＥＦＣシステムにおいては、ＰＥＦＣシステムの容積及び重量をより軽減させる必要があった。また、水もしくは加湿ガスを封入した状態で運転停止して保管することで電極の拡散性の低下を助長する懸念があった。【００１６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる、ＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣ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】
【００１７】
発明者らは、上記課題を解決すべく、残留ガスと酸化剤あるいは還元剤との界面を形成させない運転方法に着目して鋭意研究を重ねた。その結果、ＰＥＦＣ本体内の還元剤流路及び酸化剤流路の還元剤供給端及び酸化剤供給端よりも上流側の還元剤供給経路及び酸化剤供給経路の一部を閉塞する帯水層を形成する運転方法に想到した。【００１８】
すなわち、第１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水によって、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、帯水層形成ステップを有する。【００１９】
このような構成によって、燃料電池システムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる。つまり、燃料電池システムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができる。【００２０】
第２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧及び注水時間は、全ての前記還元剤流路及び前記酸化剤流路において水が通り抜けない程度の注水圧及び注水時間であるとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの運転方法を効率的にすることができる。【００２１】
第３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧が前記還元剤供給部及び前記酸化剤供給部からの前記還元剤及び前記酸化剤の供給圧より低いとよい。このように構成すると、より容易に本発明の燃料電池システムの運転方法を実施することができる。【００２２】
第４の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている弁をさらに有し、前記帯水層形成ステップにおいて、前記弁を開放した状態で前記注水を開始し、全ての前記還元剤供給端に水が到達した状態及び全ての前記酸化剤供給端に水が到達した状態、の少なくともいずれかの状態で前記弁を閉止して、前記注水を停止するとよい。このように構成すると、注水された水の下流側の圧力を高めることができるので、より円滑に帯水層を形成することができる。【００２３】
第５の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有し、前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却する焼却ステップを有するとよい。このように構成すると、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、燃料電池システムをより安全に運転させることができる。【００２４】
第６の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側であって、かつ前記燃焼装置の上流側に接続されている気液分離装置をさらに有し、前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流す分離ステップを有する
するとよい。このような構成とすると、気液分離装置において回収された水を水供給部において再利用することができるので、燃料電池システム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置への水の流入を防止することもできる。【００２５】
第７の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの運転方法を効率的にすることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。【００２６】
第８の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの起動動作の柔軟性を向上させることができる。【００２７】
第９の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路の残留ガスが前記還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが不活性ガスである状態において、前記酸化剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行うとよい。このような構成とすると、還元剤流路の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれがない。したがって、還元剤供給マニホールドへの注水を省略することができるので、燃料電池システムをより速やかに起動させることができる。【００２８】
第１０の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路の残留ガスが不活性ガスであり、前記酸化剤流路の残留ガスが前記酸化剤である状態において、前記還元剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行うとよい。このような構成とすると、酸化剤流路の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがない。したがって、酸化剤供給マニホールドへの注水を省略することができるので、燃料電池システムをより速やかに起動させることができる。【００２９】
第１１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路の残留ガスが還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが酸化剤である状態において、前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の両方において前記帯水層形成ステップを行うとよい。このような構成とすると、還元剤流路の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれと、酸化剤流路の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがある場合に、燃料電池システムの起動動作におけるＭＥＡの損傷をより確実に防止することができる。【００３０】
第１２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤供給経路は全ての前記単電池の前記還元剤供給端が接続された還元剤供給マニホールドを有し、前記酸化剤供給経路は全ての前記単電池の前記酸化剤供給端が接続された酸化剤供給マニホールドを有し、前記帯水層形成ステップにおける、前記注水の注水量が、前記還元剤供給マニホールド及び前記酸化剤供給マニホールドの少なくともいずれかが水没する程度の量であるとよい。このような構成とすると、より的確に本発明を実施することができる。【００３１】
第１３の本発明の燃料電池システムは、還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水を制御して、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する。このような構成とすると、燃料電池システムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる。つまり、燃料電池システムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができる。【００３２】
第１４の本発明の燃料電池システムは、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有する燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却するよう構成されているとよい。このような構成とすると、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、燃料電池システムをより安全に運転させることができる。【００３３】
第１５の本発明の燃料電池システムは、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている気液分離装置をさらに有する燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流すよう構成されているとよい。このような構成とすると、気液分離装置において回収された水を水供給部において再利用することができるので、燃料電池システム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置への水の流入を防止することもできる。【００３４】
第１６の本発明の燃料電池システムは、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの運転方法を効率的にすることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。【００３５】
第１７の本発明の燃料電池システムは、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの起動動作の柔軟性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の燃料電池システムの運転方法、及びその運転方法を利用した燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる。つまり、燃料電池システムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができる
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の単電池及びＰＥＦＣ本体の積層構造を模式的に例示する部分分解斜視図である。
【図２】図２は、図１の単電池の構造を示す要部断面図である。
【図３】図３は、図１のＰＥＦＣ本体の単電池間の積層構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【図４】図４は、図１のＰＥＦＣ本体の端部の構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【図５】図５は、第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図６】図６は、図５のＰＥＦＣシステムの起動動作における酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第２実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図８】図８は、図７のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、第３実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、図９のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤及び酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、図５のＰＥＦＣシステムにおける供給側連絡路の変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、図５のＰＥＦＣシステムにおける弁構成の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のアノードセパレータ板を示す平面図である。
【図１４】図１４は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のカソードセパレータ板を示す平面図である。
【図１５】図１５は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体の酸化剤供給マニホールド領域での断面の一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  ＭＥＡ
６  枠体
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ板
９Ｃ  カソードセパレータ板
１０  単電池
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  還元剤供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  還元剤排出マニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  酸化剤供給マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  酸化剤排出マニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  水供給マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  水排出マニホールド孔
１５，２５，３５、５５，６５，７５  ボルト孔
２０、３０  ＭＥＡ当接領域
２１  還元剤流路
２１Ｉ  還元剤供給端
２６、３６  水流路
３１  酸化剤流路
３１Ｉ  酸化剤供給端
５０、５１  集電板
５６  端子
６０、６１  絶縁板
７０、７１  端板
５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  還元剤供給孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  還元剤排出孔
５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  酸化剤供給孔
５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  酸化剤排出孔
５４Ｉ、６４Ｉ，７４Ｉ  水供給孔
５４Ｅ、６４Ｅ，７４Ｅ  水排出孔
８０  ボルト
８１  座金
８２  ナット
９２Ｉ  還元剤供給マニホールド
９２Ｅ  還元剤排出マニホールド
９３Ｉ  酸化剤供給マニホールド
９３Ｅ  酸化剤排出マニホールド
９４Ｉ  水供給マニホールド
９４Ｅ  水排出マニホールド  
９９  ＰＥＦＣ本体
１０２Ｉ  還元剤供給ノズル
１０２Ｅ  還元剤排出ノズル
１０３Ｉ  酸化剤供給ノズル
１０３Ｅ  酸化剤排出ノズル
１０４Ｉ  水供給ノズル
１０４Ｅ  水排出ノズル
１１２Ｉ  還元剤供給経路
１１２Ｅ  還元剤排出経路
１１３Ｉ  酸化剤供給経路
１１３Ｅ  酸化剤排出経路
１１４Ｉ  水供給経路
１１４Ｅ  水排出経路
１２１  供給側連絡路（第１供給側連絡路）
１２２  排出側連絡路
１２３  第２供給側連絡路
１２５  燃焼装置
１２６、１２７  気液分離装置
１３１Ｖ、１３２Ｖ、１３３Ｖ、１３４Ｖ、１３５Ｖ、１３６Ｖ、１３９Ｖ  弁
１３７Ｖ、１３８Ｖ  三方弁
１４２  還元剤供給部
１４３  酸化剤供給部
１４４  水供給部
１４５  第２水供給部
１５１、１５２，１５３，１５４  残留ガス処理系統
３００  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  時間計測部
３０４  制御部  
Ｓ  ステップ
Ｔ、ＴＡ、ＴＣ  時間
Ｔ１  注水時間
Ｔ２  排気時間
Ｗ  水  
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。【００４０】
（第１実施形態）
まず、本実施形態のＰＥＦＣ本体（燃料電池本体）９９の構成を説明する。【００４１】
図１は、本発明の第１実施形態の単電池及びＰＥＦＣ本体の積層構造を模式的に例示する部分分解斜視図である。【００４２】
一般的には、ＰＥＦＣは、単電池（セル）１０が複数積層されたＰＥＦＣ本体（スタック）９９と、還元剤供給マニホールド９２Ｉと、酸化剤供給マニホールド９３Ｉと、水供給マニホールド９４Ｉと、還元剤排出マニホールド９２Ｅと、酸化剤排出マニホールド９３Ｅと、水排出マニホールド９４Ｅと、を有して構成されている。還元剤供給マニホールド９２Ｉには、全ての単電池１０の還元剤流路２１の還元剤供給端２１Ｉが接続され、酸化剤供給マニホールド９３Ｉには、全ての単電池１０の酸化剤流路３１の酸化剤供給端３１Ｉが接続されている。本実施形態では、図１に示すように、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ，９２Ｅ，９３Ｅ，９４ＥがＰＥＦＣ本体９９に一体化されて構成されている。本実施形態のＰＥＦＣは、いわゆる内部マニホールド型のＰＥＦＣである。【００４３】
そして、単電池１０はＭＥＡ５を挟んで対向するアノードセパレータ板９Ａ及びカソードセパレータ板９Ｃ（両者をセパレータと総称する）を有する。より正確には、単電池１０は、ＭＥＡ部材７が一対のセパレータ板９Ａ、９Ｃで挟まれて構成されている。【００４４】
また、本実施形態では、全てのセパレータ板９Ａ、９Ｃ及びＭＥＡ部材７には板面を貫通するマニホールド孔が相互に積層するように形成されており、複数のセパレータ板９Ａ、９Ｃ及びＭＥＡ部材７の積層によって還元剤供給マニホールド９２Ｉ、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ、水供給マニホールド９４Ｉ、還元剤排出マニホールド９２Ｅ、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ及び水排出マニホールド９４Ｅが単電池１０の積層方向に沿って延伸して形成されている。【００４５】
具体的には、平面視（セパレータ板９Ａ、９Ｃの厚み方向）において、セパレータ板９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、ボルト孔１５、２５，３５、還元剤供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、還元剤排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、酸化剤供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、酸化剤排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、それぞれの主面を貫通するようにして形成されている。還元剤供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、および還元剤排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、は、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、還元剤供給マニホールド９２Ｉおよび還元剤排出マニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、酸化剤供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、および酸化剤排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、酸化剤供給マニホールド９３Ｉおよび酸化剤排出マニホールド９３Ｅを形成する。さらに、同様にして、水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、水供給マニホールド９４Ｉおよび水排出マニホールド９４Ｅを形成する。【００４６】
ここで、一般的に、ＰＥＦＣ本体９９の発電運転においては、酸化剤の流量の方が還元剤の流量よりも多いので、酸化剤のマニホールド９３Ｉ、９３Ｅの方が、還元剤のマニホールド９２Ｉ、９２Ｅよりも大きい形状となっている。例えば、図１においては、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ及び酸化剤排出マニホールド９３Ｅの管路断面（延伸方向断面）の形状は、長径５０ｍｍ程度、短径２０ｍｍ程度の楕円形状である。還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び還元剤排出マニホールド９２Ｅの管路断面（延伸方向断面）の形状は、長径３０ｍｍ程度、短径２０ｍｍ程度の楕円形状である。【００４７】
セパレータ板９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。例えば、黒鉛板、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板、金属板からなる。また、アノードセパレータ板９Ａの内面には、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉと還元剤排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにして溝状の還元剤流路２１が形成されている。還元剤供給端２１Ｉは、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉの壁面の一部に形成されている。また、還元剤流路２１は、ＭＥＡ当接領域２０の略全面に亘ってサーペンタイン（serpentine）状に形成されている。【００４８】
同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの内面には、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉと酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにして溝状の酸化剤流路３１が形成されている。酸化剤供給端３１Ｉは、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉの壁面の一部に形成されている。また、酸化剤流路３１は、ＭＥＡ当接領域３０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。【００４９】
これによって、セル１０組立状態において、ＭＥＡ５が還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の溝蓋となる。正確には、還元剤流路２１と酸化剤流路３１とは、ＭＥＡ５によって隔離されて、流路に構成される。ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ板９Ａとの間には、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉと還元剤排出マニホールド孔２２Ｅとを結んで延びる還元剤流路２１が構成される。また、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ板９Ｃとの間には、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉと酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅとを結んで延びる酸化剤流路３１が構成される。【００５０】
また、前述の酸化剤及び還元剤のマニホールドの形状比と同様に、一般的に、ＰＥＦＣ本体９９の発電運転においては、酸化剤の流量の方が還元剤の流量よりも多いので、酸化剤流路３１の方が還元剤流路２１よりも流路断面積が大きい。そこで、一般的には、溝状の流路の本数によって流路断面積が調整されている。本実施形態では、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の溝幅は約２ｍｍ、溝深さは約１ｍｍとなっている。そして、図１では、還元剤流路２１は１本の流路溝によって構成されている。酸化剤流路３１は３本の流路溝によって構成されている。ただし、本実施形態の還元剤流路２１及び酸化剤流路３１を構成する溝数は、本実施形態の本数に限られない。一般的に、還元剤流路２１よりも酸化剤流路３１の溝数の方が多く、還元剤流路２１は1乃至５本によって構成され、酸化剤流路３１は３本乃至１０本によって構成される。すなわち、供給端２１Ｉ，３１Ｉ（還元剤供給端２１Ｉ及び酸化剤供給端３１Ｉを総称して供給端２１Ｉ、３１Ｉという）の開口形状は、１ｍｍ×２ｍｍの矩形の孔部が、換言すると一般的には数ｍｍ２程度の大きさの孔部が、単数若しくは複数並ぶ形態となっている。【００５１】
以上から、供給端２１Ｉ、３１Ｉの開口面積は、それぞれの供給マニホールド孔２２Ｉ、３３Ｉの断面積に比べ十分小さい。しかも、開口形状は複数に分割して形成されている。したがって、粘性を有する液相の水を、それぞれの供給マニホールド孔２２Ｉ、３３Ｉから供給端２１Ｉ、３１Ｉに流入させるには、かなりの注水圧を要する。【００５２】
図２は、図１の単電池の構造を示す要部断面図である。【００５３】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜１に密着して、高分子電解質膜１を挟み込むようにして構成された枠体６と、を有して構成されている。したがって、枠体６の中央開口部（枠内）の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、枠体６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、ガスケットの機能を有している。枠体６の材質の例示としては、フッ素系ゴムが好適である。【００５４】
ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。アノード側の電極層は、高分子電解質膜１の一方の面に配設されたアノード側触媒層２Ａと、アノード側触媒層２Ａの外面に配設されたアノード側ガス拡散層４Ａとを備えて構成されている。カソード側の電極層は、高分子電解質膜１の他方の面に配設されたカソード側触媒層２Ｃと、カソード側触媒層２Ｃの外面に配設されたカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、触媒層２Ａ、２Ｃは白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。【００５５】
高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜１上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、ＭＥＡの市販品を利用することもできる。【００５６】
ガス拡散層４Ａは、単電池１０組立状態において、アノードセパレータ板９Ａの内面のＭＥＡ当接領域２０（図１参照）に接触する。カソード側ガス拡散層４Ｃは、カソードセパレータ板９Ｃの内面のＭＥＡ当接領域３０（図１参照）に接触する。【００５７】
アノードセパレータ板９Ａの還元剤流路２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、還元剤流路２１内を流通する還元剤は、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの酸化剤流路３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、酸化剤流路３１内を流通する酸化剤は、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。セパレータ板９Ａ、９Ｃは導電性材料からなるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ板９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。【００５８】
図３は、図１のＰＥＦＣ本体の単電池間の積層構造を模式的に例示する分解斜視図である。【００５９】
図３に示すように、アノードセパレータ板９Ａの外面には、水供給マニホールド孔２４Ｉと水排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして溝状の水流路２６が形成されている。水流路２６は、ＭＥＡ当接領域２０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの外面には、水供給マニホールド孔３４Ｉと水排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして溝状の水流路３６が形成されている。水流路３６は、ＭＥＡ当接領域３０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。また、ＰＥＦＣ本体９９においては、水流路２６と水流路３６とが接合するように形成されている。すなわち、単電池１０積層状態において水流路２６，３６は一体化し、積層された単電池１０同士の積層面間には水供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉと水排出マニホールド孔２４Ｅ，３４Ｅとを結んで延びる水流路が構成される。これによって、水を伝熱媒体として利用することができる。すなわち、ＰＥＦＣ本体９９を流通する水によって、発電運転時にはＰＥＦＣ本体９９の反応熱を除熱し、また、発電運転開始前にはＰＥＦＣ本体９９を暖機することができる。【００６０】
図４は、図１のＰＥＦＣ本体の端部の構造を模式的に例示する分解斜視図である。【００６１】
ＰＥＦＣ本体９９は、単電池１０の積層方向の両端に一対の端部材が配設されて構成されている。すなわち、単電池１０の両端の最外層には、単電池１０と同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，端板７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，端板７０，７１の４隅にはボルト孔５５，６５，７５が形成されている。【００６２】
集電板５０，５１は銅金属等の導電性材料からなり、それぞれ端子５６が形成されている。そして、一方の集電板５０には、その主面を貫通する供給孔及び排出孔が形成されている。具体的には、集電板５０に当接するカソードセパレータ板９ＣＥ、すなわち、積層された単電池１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ板９ＣＥの水供給マニホールド孔３４Ｉに連通する水供給孔５４Ｉ、水排出マニホールド孔３４Ｅに連通する水排出孔５４Ｅ、還元剤供給マニホールド孔３２Ｉに連通する還元剤供給孔５２Ｉ、還元剤排出マニホールド孔３２Ｅに連通する還元剤排出孔５２Ｅ、酸化剤供給孔３３Ｉに連通する酸化剤供給孔５３Ｉ、および酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅに連通する酸化剤排出孔５３Ｅが形成されている。【００６３】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。そして、一方の絶縁板６０には、集電板５０に形成された供給孔及び排出孔５２Ｉ，５２Ｅ，５３Ｉ，５３Ｅ，５４Ｉ，５４Ｅにそれぞれ連通する還元剤供給孔６２Ｉ、還元剤排出孔６２Ｅ、酸化剤供給孔６３Ｉ、酸化剤排出孔６３Ｅ、水供給孔６４Ｉ、および水排出孔６４Ｅが形成され、一方の端板７０には、絶縁板６０に形成された供給孔及び排出孔６２Ｉ，６２Ｅ，６３Ｉ，６３Ｅ，６４Ｉ，６４Ｅにそれぞれ連通する還元剤供給孔７２Ｉ、還元剤排出孔７２Ｅ、酸化剤供給孔７３Ｉ、酸化剤排出孔７３Ｅ、水供給孔７４Ｉ、および水排出孔７４Ｅが形成されている。そして、端板７０外面側の供給孔及び排出孔７２Ｉ，７２Ｅ，７３Ｉ，７３Ｅ，７４Ｉ，７４Ｅにはそれぞれ還元剤供給ノズル１０２Ｉ、還元剤排出ノズル１０２Ｅ、酸化剤供給ノズル１０３Ｉ、酸化剤排出ノズル１０３Ｅ、水供給ノズル１０４Ｉ、水排出ノズル１０４Ｅが装着されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，および端板７１はこれら供給孔及び排出孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，端板７０と同じ構成である。これによって、ＰＥＦＣ本体９９内には、還元剤、酸化剤および水それぞれについて、供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ、５４Ｉ、６４Ｉ、７４Ｉおよび供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉを経て、供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉから単電池１０あるいは単電池１０の間の流路２１，３１，２６，３６に分流して、排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅで合流して、排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅから排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅに至る流路が形成される。【００６４】
そして、締結部材によって、一対の端板間が締結されている。ここでは、ボルト８０が、ボルト孔１５、２５，３５、５５，６５，７５に挿通されて、ＰＥＦＣ本体９９の両端間を貫通している。そして、ボルト８０の両端に座金８１とナット８２が装着されて、一対の端板７０，７１間がボルト８０と座金８１とナット８２とによって締結されて構成されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の力で締結されている。【００６５】
なお、積層された単電池１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ板９ＣＥの外面には水流路３６は形成されていない。また、図示しないが、他方の端面を構成するアノードセパレータの外面にも水流路２６は形成されていない。【００６６】
図1乃至図４の説明から明らかなように、ＰＥＦＣ本体９９においては、ＰＥＦＣ本体９９に供給される還元剤は、還元剤供給マニホールド９２Ｉから各還元剤供給端２１Ｉに分岐して還元剤流路２１を流通する。同様にして、ＰＥＦＣ本体９９に供給される酸化剤は、酸化剤供給マニホールド９３Ｉから各酸化剤供給端３１Ｉに分岐して酸化剤流路３１を流通する。【００６７】
ここで、発明者らが見出した知見を説明する。【００６８】
まず、ＰＥＦＣ本体９９では、極力多くの単電池１０において発電電力が均等になるように、後述する還元剤供給経路１１２Ｉから各還元剤供給端２１Ｉに分岐する還元剤の流量配分、及び酸化剤供給経路１１３Ｉ各酸化剤供給端３１Ｉに分岐する酸化剤の流量配分がそれぞれ均等となるように構成されている。具体的には、一般的に、還元剤供給経路１１２Ｉの一部をなす還元剤供給マニホールド９２Ｉ、及び酸化剤供給経路１１３Ｉの一部をなす酸化剤供給マニホールド９３Ｉの管路断面積は、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の流路断面積より大きくなるよう設計されている。また、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の排出側も背圧が均等となるように構成されている。例えば、還元剤排出マニホールド９２Ｅ及び酸化剤排出マニホールド９３Ｅが構成されている。これにより、還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉにおいては、流体の圧力が均等化され、かつ、全ての単電池１０の還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の流体の流量が均等化される。ここで、発明者らは、還元剤及び酸化剤の供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉから還元剤流路２１及び酸化剤流路３１に分岐する流路構造は、供給端２１Ｉ３１Ｉにおいて、比較的大きな流路抵抗が生じることに気付いた。すなわち、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉへ流体を流し込むに必要な圧力に比べ、これらマニホールド９２Ｉ、９３Ｉから還元剤流路２１及び酸化剤流路３１へ流体を流し込むに必要な圧力は大きい。しかも、供給端２１Ｉ、３１Ｉは数ｍｍ２程度という小さな開口部単位に区画されていて、液相の水は表面張力等の粘性を有するので、水を流す場合には、形状効果による流路抵抗が加わる。さらには、水が酸化剤流路３１及び還元剤流路２１を通り抜けるには、これら流路２１，３１の流路抵抗が加わるものと推察した。すなわち、還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉに水を注水する場合、これらマニホールド内の残留ガスは、水に押されて、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１を経由して、ＰＥＦＣ本体９９の外部へと押し出される。しかし、注水される水圧の程度によっては、水は、流路抵抗などの要因から還元剤流路２１及び酸化剤流路３１を通り抜けることなく供給端２１Ｉ、３１Ｉを水没させる。つまり、水は、還元剤供給経路１１２Ｉ及び酸化剤供給経路１１３Ｉの一部、ここでは還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉ、を閉塞する。発明者らは、この知見を利用することによって本発明に想到することができた。すなわち、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる、ＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムを見出すことができた。【００６９】
図５は、第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。【００７０】
図５に示すように、ＰＥＦＣ本体９９の還元剤供給ノズル１０２Ｉには、還元剤供給経路１１２Ｉが接続され、還元剤供給経路１１２Ｉは還元剤供給部１４２に接続されている。還元剤供給経路１１２Ｉには弁１３６Ｖが配設されている。【００７１】
本実施形態では、還元剤には水素を含有する水素ガスが用いられている。還元剤供給部１４２は一般的な構造を利用しているので詳細は図示しないが、水素ガスを供給する装置を有して構成されている。例えば、還元剤供給部１４２は、水素ガスを貯留する水素ガスボンベと、水素ガスの供給圧あるいは流量を調節する圧力調整弁あるいは弁開度調整弁とを有して構成されている。あるいは、還元剤供給部１４２は、天然ガス等の炭化水素系物質を供給する供給インフラと、プランジャポンプと、流量調整具と、当該炭化水素系物質を原料にして水蒸気改質反応等により水素ガスを生成かつ供給する水素製造供給システムとを有して構成されていてもよい。【００７２】
また、還元剤排出ノズル１０２Ｅには、還元剤排出経路１１２Ｅが接続されている。還元剤排出経路１１２Ｅには弁１３９Ｖが配設されている。そして、還元剤の流通方向において弁１３９Ｖの下流側に気液分離装置１２７が配設されている。気液分離装置１２７の下流側の還元剤排出経路１１２Ｅの大気開放端、すなわち還元剤の流通方向において下流端には還元剤排出経路１１２Ｅ内の気体を焼却処分することができる燃焼装置１２５が構成されている。このような構成により、気液分離装置１２７において還元剤排出経路１１２Ｅの流体を気相と液相とに分離して、気相のみを燃焼装置１２５に流すことができる。さらには、当該気相が可燃性であった場合には、燃焼装置１２５によって当該気相を焼却処分することができる。【００７３】
燃焼装置１２５は、一般的なバーナーである。あるいは、還元剤供給部１４２に水素生成装置が構成されている場合には、還元剤排出経路１１２Ｅの下流端が当該水素生成装置のバーナーに接続可能なように構成されているとよい。これによって、ＰＥＦＣシステムの構成を簡素化することができる。【００７４】
酸化剤供給ノズル１０３Ｉには、酸化剤供給経路１１３Ｉが接続され、酸化剤供給経路１１３Ｉは酸化剤供給部１４３に接続されている。還元剤供給経路１１３Ｉには弁１３２Ｖが配設されている。【００７５】
酸化剤には酸素を含有する酸素ガスが一般的に用いられ、本実施形態では空気が用いられている。酸化剤供給部１４３は、公知の構造を利用しているので詳細は図示しないが、一般的にはシロッコファン等の送風器、空気中の硫黄分を排除するフィルタ、及び酸化剤を予熱しながら加湿する加湿器を有して構成されている。【００７６】
酸化剤排出ノズル１０３Ｅには、酸化剤排出経路１１３Ｅが接続されている。酸化剤排出経路１１３Ｅには弁１３３Ｖが配設されている。酸化剤排出経路１１３Ｅは、酸化剤の流通方向において下流端は大気開放されていて、余剰の酸化剤を大気中に放出する排気口（図示せず）が構成されている。【００７７】
なお、酸化剤排出経路１１３Ｅと酸化剤供給経路１１３Ｉとは一部において全熱交換型加湿器を経由して、酸化剤排出経路１１３Ｅ側から酸化剤供給経路１１３Ｉへと水及び熱を交換できるように構成することもできる。これによって、ＰＥＦＣシステムのエネルギー利用効率を向上させることができる。【００７８】
水供給ノズル１０４Ｉには、水供給経路１１４Ｉが接続され、水供給経路１１４Ｉは水供給部１４４に接続されている。水供給部１４４は、一般的な構造を利用しているので詳細は図示しないが、一般的には水道インフラと、水道インフラから供給される水を浄化する浄化装置と、水供給経路１１４Ｉに水を送り込むポンプと、水温を調節する熱交換器とを有して構成されている。【００７９】
水排出ノズル１０４Ｅには、水排出経路１１４Ｅが接続されている。水排出経路１１４Ｅは、一般的な構造を利用しているので図示しないが、水供給部１４４の熱交換器に接続され、水が、水供給経路１１４Ｉ、ＰＥＦＣ本体９９及び水排出経路１１４Ｅを循環するように構成されている。【００８０】
ここで、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、酸化剤供給経路１１３Ｉと水排出経路１１４Ｅとを接続する供給側連絡路（第１供給側連絡路）１２１と、供給側連絡路１２１に配設された弁１３１Ｖとを有している。また、酸化剤の流通方向において供給側連絡路１２１よりも上流側の酸化剤供給経路１１３Ｉには弁１３２Ｖが配設されている。これによって、弁１３２Ｖを閉止状態として、弁１３１Ｖを開放状態とすることによって、水排出経路１１４Ｅの水圧と酸化剤供給経路１１３Ｉ内の圧力との圧力差に応じて、水排出経路１１４Ｅの水を供給側連絡路１２１を通って酸化剤供給経路１１３Ｉに注水することができる。さらに酸化剤供給ノズル１０３Ｉ及びＰＥＦＣ本体９９内の流路抵抗と水排出経路１１４Ｅの水圧とに応じて、水排出経路１１４Ｅの水を酸化剤供給マニホールド９３Ｉ（図１及び図４参照）内に注水することができる。【００８１】
また、酸化剤排出経路１１３Ｅには、残留ガス処理系統１５１が構成されている。【００８２】
残留ガス処理系統１５１は、燃焼装置１２５と、還元剤排出路１１２Ｅ及び酸化剤排出経路１１３Ｅを接続する排出側連絡路１２２と、排出側連絡路１２２に配設されている弁１３４Ｖと、排出側連絡路１２２に配設されている気液分離装置１２６と、酸化剤の流通方向において排出側連絡路１２２よりも下流側の酸化剤排出経路１１３Ｅに配設されている弁１３３Ｖと、を有して構成されている。【００８３】
ここで、排出側連絡路１２２は、還元剤の流通方向において燃焼装置１２５よりも上流側の還元剤排出路１１２Ｅに接続されている。【００８４】
また、気液分離装置１２６は、流入する流体から気相成分（気体成分）と液相成分（液体成分）とを分離し、気相成分のみをさらに下流側に流通させる装置であればよい。ここでは、一般的なドレン（drain）タンクを用いていて、タンク上方に排出側連絡路１２２の出入口が構成されて、タンク下方に貯水領域が構成されている。【００８５】
残留ガス処理系統１５１において、弁１３３Ｖを閉止状態として、弁１３４Ｖを開放状態とすることによって、酸化剤排出経路１１３Ｅの流体を排出側連絡路１２２に導入することができる。また、気液分離装置１２６において流体の気相と液相とを分離して気相のみを還元剤排出経路１１２Ｅに排出することができる。さらには、当該気相が可燃性であった場合には、燃焼装置１２５によって焼却処分することができる。【００８６】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びタイマー等によって構成されている時間計測部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、還元剤供給部１４２，酸化剤供給部１４３，水供給部１４４，燃焼装置１２５，弁１３１，１３２，１３３，１３４を制御するように構成されている。【００８７】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して各供給部や弁類を制御するように構成されていてもよい。例えば、入力部３０３は、通信機能を有するモバイル機器に構成することもできる。また、制御部３０４を各供給部１４２，１４３，１４４それぞれに設けることもできる。【００８８】
次に、本実施形態のＰＥＦＣシステムの起動動作における酸化剤の供給開始の動作を説明する。【００８９】
図６は、図５のＰＥＦＣシステムの起動動作における酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。これらの動作は制御装置３００によって制御されることによって遂行される。【００９０】
ＰＥＦＣ本体９９への酸化剤の供給は、制御部３０４が指令信号を取得することによって開始される。当該指令信号は、図示しないが、一般的には、ＰＥＦＣシステムの起動スイッチのＯＮ操作、電力負荷の発生予測等によって適宜発信され、制御部３０４に入力される。【００９１】
図６に示すように、スタート後、まず、ステップＳ２０１において、水が水供給部１４４から、水供給経路１１４Ｉを経由して、水供給ノズル１０４ＩからＰＥＦＣ本体９９に供給され、水排出ノズル１０４Ｅから排出された水が水排出経路１１４Ｅへと流通する。この時点で、弁１３１Ｖは閉止されている。【００９２】
なお、水の供給は、酸化剤供給開始の指令信号にかかわらず行われていてもよい。すなわち、酸化剤供給開始の指令信号受信時には、既にＰＥＦＣ本体９９の暖機を目的にして、予熱された水がＰＥＦＣ本体９９に供給されている場合もある。【００９３】
そして、ステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２０２において、弁１３２Ｖ及び弁１３３Ｖが閉止され、弁１３１Ｖ及び弁１３４Ｖが開放される。そして、時間計測部３０３において時間Ｔが計測開始される。【００９４】
この帯水層形成ステップＳ２０２において、酸化剤供給経路１１３Ｉは、ＰＥＦＣ本体９９、酸化剤排出経路１１３Ｅ、排出側連絡路１２２、気液分離装置１２６、還元剤排出経路１１２Ｅ、及び燃焼装置１２５を経由して大気開放されていて、かつ弁１３２Ｖは閉止されているので、酸化剤供給経路１１３Ｉの内圧は、大気圧とほぼ同等である。また、水供給部１４４の給水圧はＰＥＦＣ本体９９の水流路２６，３６の圧損により減圧され、水排出経路１１４Ｅの水圧は大気圧よりやや高い程度となっている。具体的には、０．５乃至１ｋＰａ程度大気圧より高い水圧となっている。したがって、水は、水排出経路１１４Ｅから供給側連絡路１２１を通じて酸化剤供給経路１１３Ｉへと注水される。また、水は、酸化剤供給経路１１３Ｉから酸化剤供給ノズル１０３Ｉを経由して、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ（図１及び図４参照）内に流れ込む。【００９５】
ここで、水が酸化剤供給マニホールド９３Ｉから酸化剤流路３１を通り抜けるには水圧が十分でない。あるいは時間を要する。したがって、酸化剤供給マニホールド９３Ｉから水が抜けにくいので、水が酸化剤流路３１の排出端３１Ｅに流れるまでに酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部が水没することとなる。換言すれば、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部水によって閉塞されるようにして帯水層が形成されることとなる。【００９６】
また、残留ガス処理系統１５１は酸化剤流路３１の残留ガスを燃焼装置１２５に導くように構成されている。したがって、注水によって、酸化剤流路３１、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ及び酸化剤排出経路１１３Ｅ内の残留ガスは、酸化剤供給経路１１３Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内の残留ガスに押されて、排出側連絡路１２２、還元剤排出経路１１２Ｅ、及び気液分離装置１２６を経由して燃焼装置１２５に導かれる。【００９７】
ここで、酸化剤流路３１の残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。【００９８】
ステップＳ２０３において、時間Ｔが所定の注水時間（第１注水時間）Ｔ１になるまでステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２０２は継続される。【００９９】
時間Ｔが所定の注水時間（第１注水時間）Ｔ１になると、ステップＳ２０４に進み、弁１３１Ｖが閉止される。これによって、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水が終了する。【０１００】
ここで、注水時間Ｔ１は供給側連絡路１２１を通流した水量が、酸化剤供給マニホールド９３Ｉの容積、及び酸化剤供給ノズル１０３Ｉと供給側連絡路１２１との間の区間の酸化剤供給経路１１３Ｉの容積の合計容積（注水容積）に達する時間に設定されている。具体的には、注水容積、供給側連絡路１２１の流路断面積、及び水排出経路１１４Ｅと酸化剤供給経路１１３Ｉとの圧力差に基づいて、流体力学の知識から注水時間Ｔ１を見積もることができる。【０１０１】
あるいは、ＰＥＦＣシステムを用いた試験を繰り返すことにより、経験に基づいて酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部が水没する時間を見出して注水時間Ｔ１とすることもできる。これによって、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部を水没させることができる。【０１０２】
あるいは、時間計測部３０３の代わりに、供給側連絡路１２１に流量計を配設しておき、制御部３０４において流量が注水容積に達することを判断して、ステップＳ２０４に進むように構成することもできる。【０１０３】
したがって、供給側連絡路１２１及び弁１３２Ｖが酸化剤供給ノズル１０３Ｉに近い程、注水容積を小さくすることができるので、注水時間Ｔ１を短くすることができる。すなわち、供給側連絡路１２１及び弁１３２Ｖが酸化剤供給ノズル１０３Ｉに近い程、より速やかにＰＥＦＣシステムを起動させることができる。【０１０４】
ステップＳ２０４の後、ステップ（供給ステップ）Ｓ２０５において、弁１３２Ｖが開放され、酸化剤供給部１４３から、酸化剤供給経路１１３Ｉに酸化剤が供給される。そして、時間計測部３０３において時間Ｔが計測開始される。これによって、酸化剤供給マニホールド９３Ｉを閉塞している帯水層は、酸化剤に押されて、酸化剤流路３１、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ、酸化剤排出経路１１３Ｅ、及び排出側連絡路１２２を順次経由して気液分離装置１２６まで押し出される。ここで、残留ガスと酸化剤との間には帯水層が介在するので、残留ガスと酸化剤との界面が形成されない。したがって、酸化剤流路３１の残留ガスと酸化剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。【０１０５】
また、液相の水は気液分離装置１２６において残留ガス及び酸化剤から分離され、気相の残留ガス及び酸化剤のみが気液分離装置１２６から下流側へ流される（分離ステップ）。これによって、気液分離装置１２６において回収された水を水供給部１４４において再利用することができるので、ＰＥＦＣシステム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置１２５への水の流入を防止することもできる。【０１０６】
一方、酸化剤の供給によって帯水層と共に押し出された残留ガスは気液分離装置１２６から還元剤排出経路１１２Ｅを経由して燃焼装置１２５に導かれる。ここで、残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。【０１０７】
ステップＳ２０６において、時間Ｔが所定の排気時間Ｔ２になるまでステップ（供給ステップ）Ｓ２０５は継続される。【０１０８】
時間Ｔが所定の排気時間Ｔ２になると、ステップＳ２０７に進み、弁１３３Ｖが開放され、かつ弁１３４Ｖが閉止される。これによって、燃焼装置１２５への排気が終了する。すなわち、酸化剤の供給はそのまま継続されるが、本発明の酸化剤の供給開始動作は終了する。【０１０９】
ここで、排気時間Ｔ２は排出側連絡路１２２を通流した気体の流量、あるいは酸化剤供給部１４３が供給した酸化剤の流量が、酸化剤流路３１の容積、酸化剤排出マニホールド９３Ｅの容積、及び酸化剤排出ノズル１０３Ｅと排出側連絡路１２２との間の区間の酸化剤排出経路１１３Ｅの容積の合計容積（排気容積）に達する時間に設定されている。具体的には、排気容積及び酸化剤供給部１４３の時間あたり流量から排気時間Ｔ２を見積もることができる。あるいは、ＰＥＦＣシステムを用いた試験を繰り返すことにより、経験に基づいてＴ２を決定することもできる。【０１１０】
あるいは、時間計測部３０３の代わりに、排出側連絡路１２２に流量計を配設しておき、制御部３０４において流量が排気容積に達することを判断して、ステップＳ２０７に進むように構成することもできる。【０１１１】
したがって、排出側連絡路１２２及び弁１３３Ｖが酸化剤排出ノズル１０３Ｅに近い程、排気容積を小さくすることができるので、排気時間Ｔ２を短くすることができる。すなわち、排出側連絡路１２２及び弁１３３Ｖが酸化剤排出ノズル１０３Ｅに近い程、より速やかにＰＥＦＣシステムを起動させることができる。【０１１２】
本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法においては、酸化剤供給マニホールド９３Ｉを閉塞している帯水層によって、酸化剤と酸化剤流路３１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。したがって、本運転方法によれば酸化剤流路３１の残留ガスと酸化剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。つまり、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において、酸化剤流路３１に可燃性成分、特に還元剤の混入のおそれがある場合に、酸化剤の供給開始に伴う、酸化剤流路３１での局所的異常燃焼を防止できるので、効果的である。例えば、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において還元剤流路２１に可燃性成分が滞留した状態において、ＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。特に、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止動作において、還元剤が滞留したままの状態で還元剤流路２１が密閉されている場合のＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。【０１１３】
また、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる酸化剤流路３１のパージを省略することができる。つまり、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、ＰＥＦＣシステムを小型化及び軽量化することができる。【０１１４】
さらに、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、酸化剤流路３１の残留ガスが、窒素ガス、天然ガス等の不活性ガスである場合には、還元剤流路２１の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれがない。したがって、後述する第３実施形態に比べて、還元剤供給マニホールド９２Ｉへの注水を省略することができるので、ＰＥＦＣシステムをより速やかに起動させることができる。【０１１５】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。【０１１６】
図７に示すように、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、第１実施形態の供給側連絡路１２１及び弁１３１Ｖの代わりに、還元剤供給経路１１２Ｉと水排出経路１１４Ｅとの間に配設された第２供給側連絡路１２３と、第２供給側連絡路１２３に配設された弁１３５Ｖとを有する実施形態である。これに伴って、第１実施形態の残留ガス処理系統１５１の代わりに、還元剤排出経路１１２Ｅに残留ガス処理系統１５２が構成されている。したがって、図７において図５と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。【０１１７】
本実施形態のＰＥＦＣシステムは、還元剤供給経路１１２Ｉと水排出経路１１４Ｅとを接続する第２供給側連絡路１２３と、第２供給側連絡路１２３に配設された弁１３５Ｖとを有している。また、還元剤の流通方向において第２供給側連絡路１２３よりも上流側の還元剤供給経路１１２Ｉには弁１３６Ｖが配設されている。これによって、弁１３６Ｖを閉止状態として、弁１３５Ｖを開放状態とすることによって、水排出経路１１４Ｅの水圧と還元剤供給経路１１２Ｉ内の圧力との圧力差に応じて、水排出経路１１４Ｅの水を第２供給側連絡路１２３を通って還元剤供給経路１１２Ｉに注水することができる。さらに還元剤供給ノズル１０２Ｉ及びＰＥＦＣ本体９９内の流路抵抗と水排出経路１１４Ｅの水圧とに応じて、水排出経路１１４Ｅの水を還元剤供給マニホールド９２Ｉ（図１及び図４参照）内に注水することができる。【０１１８】
また、残留ガス処理系統１５２は、燃焼装置１２５と、還元剤排出経路１１２Ｅに配設されている気液分離装置１２７と、を有して構成されている。【０１１９】
図８は、図７のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。図８において、図６と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１２０】
まず、第１実施形態と同様にステップＳ２０１において、水が、水供給部１４４から、ＰＥＦＣ本体９９に供給された後、ステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２１２において、弁１３６Ｖが閉止され、弁１３５Ｖが開放される。そして、時間計測部３０３において時間Ｔが計測開始される。【０１２１】
この帯水層形成ステップＳ２１２において、還元剤供給経路１１２Ｉは、ＰＥＦＣ本体９９、還元剤排出経路１１２Ｅ、気液分離装置１２７、及び燃焼装置１２５を経由して大気開放されているので、還元剤供給経路１１２Ｉの内圧は、大気圧とほぼ同等である。また、水供給部１４４の給水圧はＰＥＦＣ本体９９の水流路２６，３６の圧損により減圧され、水排出経路１１４Ｅの水圧は大気圧よりやや高い程度となっている。具体的には、０．５乃至１ｋＰａ程度大気圧より高い水圧となっている。したがって、水は、水排出経路１１４Ｅから第２供給側連絡路１２３を通じて還元剤供給経路１１２Ｉへと注水される。また、水は、還元剤供給経路１１２Ｉから還元剤供給ノズル１０２Ｉを経由して、還元剤供給マニホールド９２Ｉ（図１及び図４参照）内に流れ込む。【０１２２】
ここで、水が還元剤供給マニホールド９２Ｉから還元剤流路２１を通り抜けるには水圧が十分でない。あるいは時間を要する。したがって、還元剤供給マニホールド９２Ｉから水が抜けにくいので、水が還元剤流路２１の排出端２１Ｅに流れるまでに還元剤供給マニホールド９２Ｉが水没することとなる。換言すれば、還元剤供給マニホールド９２Ｉ内部水によって閉塞されるようにして帯水層が形成されることとなる。【０１２３】
また、注水によって、還元剤流路２１、還元剤排出マニホールド９２Ｅ及び還元剤排出経路１１２Ｅ内の残留ガスは、還元剤供給経路１１２Ｉ及び還元剤供給マニホールド９２Ｉ内の残留ガスに押されて、還元剤排出経路１１２Ｅ及び気液分離装置１２７を経由して燃焼装置１２５に導かれる。【０１２４】
ここで、還元剤流路２１の残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。【０１２５】
ステップＳ２１３において、時間Ｔが所定の第２注水時間Ｔ３になるまでステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２１２は継続される。【０１２６】
時間Ｔが所定の第２注水時間Ｔ３になると、ステップＳ２１４に進み、弁１３５Ｖが閉止される。これによって、還元剤供給経路１１２Ｉへの注水が終了する。【０１２７】
ここで、第２注水時間Ｔ３は第２供給側連絡路１２３を通流した水量が、還元剤供給マニホールド９２Ｉの容積、及び還元剤供給ノズル１０２Ｉと第２供給側連絡路１２３との間の区間の還元剤供給経路１１２Ｉの容積の合計容積（第２注水容積）に達する時間に設定されている。具体的には、第２注水容積、第２供給側連絡路１２３の流路断面積、及び水排出経路１１４Ｅと還元剤供給経路１１２Ｉとの圧力差に基づいて、流体力学の知識から第２注水時間Ｔ２を見積もることができる。【０１２８】
あるいは、ＰＥＦＣシステムを用いた試験を繰り返すことにより、経験に基づいて還元剤供給マニホールド９２Ｉ内部が水没する時間を見出して第２注水時間Ｔ３とすることもできる。これによって、還元剤供給マニホールド９２Ｉ内部を水没させることができる。【０１２９】
あるいは、時間計測部３０３の代わりに、第２供給側連絡路１２３に流量計を配設しておき、制御部３０４において流量が第２注水容積に達することを判断して、ステップＳ２１４に進むように構成することもできる。【０１３０】
したがって、第２供給側連絡路１２３及び弁１３６Ｖが還元剤供給ノズル１０２Ｉに近い程、第２注水容積を小さくすることができるので、第２注水時間Ｔ３を短くすることができる。すなわち、第２供給側連絡路１２３及び弁１３６Ｖが還元剤供給ノズル１０２Ｉに近い程、より速やかにＰＥＦＣシステムを起動させることができる。【０１３１】
ステップＳ２１４の後、ステップ（供給ステップ）Ｓ２１５において、弁１３６Ｖが開放され、還元剤供給部１４２から還元剤供給経路１１２Ｉに還元剤が供給される。これによって、還元剤供給マニホールド９２Ｉを閉塞している帯水層は、還元剤に押されて、還元剤流路２１、還元剤排出マニホールド９２Ｅ、及び還元剤排出経路１１２Ｅを順次経由して気液分離装置１２７まで押し出される。ここで、残留ガスと還元剤との間には帯水層が介在するので、残留ガスと還元剤との界面が形成されない。【０１３２】
また、液相の水は気液分離装置１２７において残留ガス及び酸化剤から分離され、気相の残留ガス及び酸化剤のみが気液分離装置１２７から下流へ流される（分離ステップ）。これによって、気液分離装置１２７において回収された水を水供給部１４４において再利用することができるので、ＰＥＦＣシステム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置１２５への水の流入を防止することもできる。【０１３３】
一方、還元剤によって帯水層と共に押し出された残留ガスは、気液分離装置１２７からさらに燃焼装置１２５に導かれる。ここで、残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。【０１３４】
ステップＳ２１５において、燃焼装置１２５への残留ガスの排出が完了した時点で、本発明の還元剤の供給開始動作は終了する。還元剤の供給はそのまま継続される。【０１３５】
本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法においては、還元剤供給マニホールド９２Ｉを閉塞している帯水層によって、還元剤と還元剤流路２１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。したがって、本運転方法によれば還元剤流路２１の残留ガスと還元剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。つまり、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において、還元剤流路２１に酸化剤の混入のおそれがある場合に、還元剤の供給開始に伴う、還元剤流路２１での局所的異常燃焼を防止できるので、効果的である。例えば、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において酸化剤流路３１に酸化剤が滞留した状態において、ＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。特に、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止動作において、酸化剤が滞留したままの状態で酸化剤流路３１が密閉されている場合、あるいは大気開放されている場合のＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。【０１３６】
また、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路２１のパージを省略することができる。つまり、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、ＰＥＦＣシステムを小型化及び軽量化することができる。【０１３７】
さらに、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、還元剤流路２１の残留ガスが、窒素ガス、天然ガス等の不活性ガス(動作温度(３０℃〜９０℃)において、酸素と共存していても、触媒層中で燃焼反応を起こさない)である場合には、酸化剤流路３１の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがない。したがって、後述する第３実施形態に比べて、酸化剤供給マニホールド９３Ｉへの注水を省略することができるので、ＰＥＦＣシステムをより速やかに起動させることができる。【０１３８】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。【０１３９】
図９に示すように、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、第１実施形態及び第２実施形態の双方が構成された実施形態である。したがって、図９において図７及び図５と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。【０１４０】
本実施形態のＰＥＦＣシステムにおいて、残留ガス処理系統１５３は、第１実施形態の残留ガス処理系統１５１が変形されて、気液分離装置１２６が省略されて、気液分離装置１２７を含めて構成されている。気液分離装置１２７においては、酸化剤排出経路１１３Ｅ及び還元剤排出経路１１２Ｅ双方の流体を気相と液相とに分離して、気相のみを燃焼装置１２５に流すことができる。さらには、当該気相が可燃性であった場合には、燃焼装置１２５によって焼却処分することができる。【０１４１】
図１０は、図９のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤及び酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。図１０において、図６及び図８と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。【０１４２】
まず、第１実施形態及び第２実施形態と同様にステップＳ２０１（帯水層形成ステップ）において水供給部１４４からＰＥＦＣ本体９９に水が注水された後、第１実施形態及び第２実施形態の動作が並行して行われる。ここで、時間計測部３０３は、少なくとも２つの時間を並行して計測できるように構成されている。具体的には、図１０においては、時間ＴＡ及び時間ＴＣを計測するように構成されている。時間ＴＣは第１実施形態における時間Ｔに相当し、時間ＴＡは第２実施形態における時間Ｔに相当する。これによって、第１実施形態及び第２実施形態の動作を並行して実施することができる。【０１４３】
本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法においては、酸化剤供給マニホールド９３Ｉを閉塞している帯水層によって酸化剤と酸化剤流路３１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。また、還元剤供給マニホールド９２Ｉを閉塞している帯水層によって還元剤と還元剤流路２１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。換言すると、残留ガスと還元剤及び酸化剤との間には帯水層が介在するので、残留ガスと還元剤及び酸化剤との界面が形成されない。【０１４４】
したがって、本運転方法によれば還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の残留ガスと還元剤及び酸化剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。つまり、本運転方法は、還元剤流路２１の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれと、酸化剤流路３１の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがある場合に、ＰＥＦＣシステムの起動動作におけるＭＥＡ５の損傷をより確実に防止することができる。例えば、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において酸化剤流路３１に酸化剤が滞留し、かつ還元剤流路に還元剤が滞留した状態において、ＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。特に、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止動作において、還元剤が滞留したままの状態で還元剤流路２１が密閉され、かつ、酸化剤が滞留したままの状態で酸化剤流路３１が密閉されている場合のＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。【０１４５】
また、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路２１及び酸化剤流路３１のパージを省略することができる。つまり、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、ＰＥＦＣシステムを小型化及び軽量化することができる。【０１４６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、帯水層形成ステップＳ２０２、Ｓ２１２における、酸化剤供給経路１１３Ｉあるいは還元剤供給経路１１２Ｉへの注水経路は、水排出経路１１４Ｅ以外から構成することもできる。例えば、第１実施形態において、供給側連絡路１２１を水供給経路１１４Ｉ及び酸化剤供給経路１１３Ｉの間を接続するように構成してもよい。この場合、弁１３１Ｖを圧力調整弁あるいは弁開度調整弁として、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水圧力あるいは弁開度を調整可能に構成するとよい。このように、上記実施形態を含め、水供給部１４４をＰＥＦＣ本体９９の冷却水供給部を利用する構成とすると、水供給部を統合して構成することができる。つまり、本発明のＰＥＦＣシステムの運転方法を効率的にすることができる。また、本発明のＰＥＦＣシステムの構成をより簡素化することができる。【０１４７】
他方で、第１乃至第３実施形態に共通して、以下の変形例１乃至３のように構成することもできる。【０１４８】
［変形例１］
第１実施形態の変形例として説明する。【０１４９】
図１１は、図５のＰＥＦＣシステムにおける供給側連絡路の変形例を示す図である。【０１５０】
図１１に示す通り、本変形例では、水供給部１４４とは別個の第２水供給部１４５を有している。供給側連絡路１２１は、第２水供給部１４５と酸化剤供給経路１１３Ｉを結ぶように構成され、弁１３１Ｖは圧力調整弁あるいは開度調整弁によって構成されている。これによって、帯水層形成ステップ（Ｓ２０２）における、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水圧あるいは弁開度は、制御部３０４が弁１３１Ｖを制御することによって調整できる。注水圧あるいは弁開度は、予め入力部３０１から入力されて、記憶部３０２に記憶されている。あるいは制御部３０４の調整に拠らず、弁１３１Ｖに調整基準圧力あるいは弁開度を設定することによって実施することもできる。また、第２水供給部１４５は、水供給部１４４からは独立して動作可能に構成されているので、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水動作は、水供給経路１１４Ｉ及び水排出経路１１４Ｅの水供給からは独立して実施することができる。したがって、ＰＥＦＣシステムの起動動作において、ＰＥＦＣ本体９９の暖機動作と酸化剤供給の開始動作とをそれぞれ独立して行うことが可能となるので、ＰＥＦＣシステムの起動動作の柔軟性を向上させることができる。【０１５１】
ここで、第２水供給部１４５には、上述の水供給部１４４と同様に構成されている。あるいは、注水圧力は、０．５乃至１ｋＰａ程度大気圧より高い水圧とすればよいので、第２水供給部１４５は、ＰＥＦＣシステムよりも高所に配置された貯水タンクとすることもできる。この場合、注水圧力は水頭圧となるので、ＰＥＦＣ本体９９より５ｃｍ乃至１０ｃｍ程度高所に設置された貯水タンクとすることができる。また、弁１３１Ｖの圧力調整機能あるいは弁開度調整機能は不要となるので、通常の開閉弁とするとよい。【０１５２】
また、弁１３１Ｖ，１３２Ｖ，１３３Ｖ，１３４Ｖ，１３５Ｖ，１３６Ｖの構成を合理化することもできる。例えば、以下の変形例２のように構成することができる。【０１５３】
［変形例２］
第１実施形態の変形例として説明する。【０１５４】
図１２は、図５のＰＥＦＣシステムにおける弁構成の変形例を示す図である。【０１５５】
図１２に示す通り、図５の弁１３１Ｖ及び弁１３２Ｖを、三方弁１３７Ｖとして統合することもできる。また、図５の弁１３３Ｖ及び弁１３４Ｖを、三方弁１３８Ｖとして統合することもできる。【０１５６】
[変形例３]
第１実施形態の変形例として説明する。【０１５７】
図１３は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のアノードセパレータ板を示す平面図である。図１４は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のカソードセパレータ板を示す平面図である。図１５は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体の酸化剤供給マニホールド領域での断面の一部を拡大して示す断面図である。【０１５８】
図１３及び図１４に示すように、変形例３では、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉ、３２Ｉ、酸化剤供給マニホールド孔２３Ｉ、３３Ｉ及び水供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉが各セパレータ９Ａ，９Ｃの上部に形成されている。そして、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉあるいは酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉの重力方向下面に還元剤供給端２１Ｉあるいは酸化剤供給端３１Ｉが構成されている。【０１５９】
本変形例の場合、上記第１乃至３実施形態及び変形例１の帯水層形成ステップ（Ｓ２０２）において、例えば酸化剤供給マニホールド９３Ｉでは、酸化剤供給端３１Ｉから水が順次それぞれの酸化剤流路３１に浸入する。ここで、注水速度が遅くなるほど、酸化剤供給マニホールド９３Ｉが水没する前に、水が一部の酸化剤流路３１において排出端３１Ｅに到達してしまうおそれが大きくなる。酸化剤供給マニホールド９３Ｉが水没する前に、水が一部の酸化剤流路３１において排出端３１Ｅまで到達してしまうと酸化剤供給マニホールド９３Ｉの水没は難しくなる。【０１６０】
しかし、実際に供給する水圧０．５〜１ｋPaでの注水では、図１５に示すように、水が酸化剤供給マニホールド９３Ｉを塞ぎながら、すなわち帯水層による閉塞領域を拡大させながら、酸化剤供給マニホールド９３Ｉに浸入してくるので、残留ガスを効率よく酸化剤ガス流路３１へと押し出すことができ、酸化剤供給マニホールド９３Ｉをより円滑に水没させることができる。酸化剤流路３１側を例として説明したが、還元剤流路２１側でも同様である。【０１６１】
以上の説明から明らかなように、本発明のＰＥＦＣシステムは、還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉの少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成することができる。したがって、還元剤及び酸化剤の供給によって、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかの残留ガスと還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかとを帯水層によって隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。したがって、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかにおける残留ガスと還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかとの混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。また、直接、酸化剤あるいは還元剤の少なくともいずれかによって還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかの残留ガスをパージする場合に比べて、残留ガスのパージに要する時間を短縮することができる。さらに、水によって還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかの残留ガスをパージする場合に比べても、使用される水量が少ないので、残留ガスのパージに要する水量の削減と時間の短縮を図ることができる。したがって、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。【０１６２】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。【０１６３】
例えば、上記実施形態では、内部マニホールド型のＰＥＦＣ本体９９を用いているが、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ，９２Ｅ，９３Ｅ，９４ＥがＰＥＦＣ本体９９とは別の部材によって構成されている構造（いわゆる外部マニホールド型の構造）においても、同様であり、本発明を適用できる。【０１６４】
また、本発明は、還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、水供給部からの注水によって、還元剤の流通方向において還元剤供給端２１Ｉよりも上流側の還元剤供給経路１１２Ｉの少なくとも一部、及び酸化剤の流通方向において酸化剤供給端３１Ｉよりも上流側の酸化剤供給経路１１３Ｉの少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成することによって、実施することができる。【０１６５】
つまり、帯水層の形成位置を還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉに限定するものではない。還元剤側の帯水層の形成位置が還元剤供給マニホールド９２Ｉに限られるわけではない。例えば、還元剤供給マニホールド９２Ｉの有無にかかわらず、弁で還元剤供給経路１１２Ｉを区画しておいてその弁の上流側に帯水層を形成することもできる。酸化剤側の帯水層の形成位置も同様である。【０１６６】
また、還元剤供給経路１１２Ｉの流路形状はＰＥＦＣシステムの構成によって異なる。したがって、還元剤供給経路１１２Ｉの少なくとも一部に還元剤供給マニホールド９２Ｉよりも上流側に十分な帯水層を形成できる形状の流路を設けて、そこに帯水層を形成することもできる。酸化剤側の帯水層の形成位置も同様である。
【産業上の利用可能性】
【０１６７】
本発明は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる、ＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムとして有用である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年8月5日(2008.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水によって、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、帯水層形成ステップを有する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧及び注水時間は、全ての前記還元剤流路及び前記酸化剤流路において水が通り抜けない程度の注水圧及び注水時間である、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧が前記還元剤供給部及び前記酸化剤供給部からの前記還元剤及び前記酸化剤の供給圧より低い、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている弁をさらに有し、
前記帯水層形成ステップにおいて、前記弁を開放した状態で前記注水を開始し、全ての前記還元剤供給端に水が到達した状態及び全ての前記酸化剤供給端に水が到達した状態、の少なくともいずれかの状態で前記弁を閉止して、前記注水を停止する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有し、
前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却する焼却ステップを有する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側であって、かつ前記燃焼装置の上流側に接続されている気液分離装置をさらに有し、
前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流す分離ステップを有する、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されている、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されている、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記還元剤流路の残留ガスが前記還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが不活性ガスである状態において、
前記酸化剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行う、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記還元剤流路の残留ガスが不活性ガスであり、前記酸化剤流路の残留ガスが前記酸化剤である状態において、
前記還元剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行う、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記還元剤流路の残留ガスが還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが酸化剤である状態において、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の両方において前記帯水層形成ステップを行う、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法
【請求項１２】
前記還元剤供給経路は全ての前記単電池の前記還元剤供給端が接続された還元剤供給マニホールドを有し、
前記酸化剤供給経路は全ての前記単電池の前記酸化剤供給端が接続された酸化剤供給マニホールドを有し、
前記帯水層形成ステップにおける、前記注水の注水量が、前記還元剤供給マニホールド及び前記酸化剤供給マニホールドの少なくともいずれかが水没する程度の量である、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水を制御して、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、燃料電池システム。
【請求項１４】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却するよう構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている気液分離装置をさらに有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流すよう構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されている、請求項１３に記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池（以下、Polymer Electrolyte Fuel CellをＰＥＦＣと略称する）を用いた燃料電池システム（ＰＥＦＣシステム）の運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムに関する。特に、ＰＥＦＣ本体への還元剤及び酸化剤の供給開始動作におけるＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、実用化に向けて研究開発が盛んに行われているＰＥＦＣは、高分子電解質膜を基材とするＭＥＡ（Membrane-Electrode-Assembly）によって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層されている。
【０００３】
このＰＥＦＣを燃料電池本体として用いた燃料電池システム（ＰＥＦＣシステム）の起動動作においては、ＭＥＡの劣化を防止するために、ＰＥＦＣ本体の還元剤流路及び酸化剤流路の残留ガスを不活性ガスや水でパージするパージ動作が一般的に行われている。例えば、特許文献１では酸化剤流路に水が流通されている。
【０００４】
一方で、ＰＥＦＣシステムの停止状態において、還元剤流路の残留ガスには酸化剤流路あるいは外部から酸素などの酸化剤が混入しているおそれがあり、酸化剤流路の残留ガスには還元剤の主成分である水素が還元剤流路から混入しているおそれがある。したがって、これらの残留ガスと還元剤及び酸化剤とが混合すると還元剤流路あるいは酸化剤流路において不測の燃焼反応が発生し、ＭＥＡを損傷するおそれがある。このため、特許文献２及び特許文献３では、ＰＥＦＣシステムの起動動作、すなわちＰＥＦＣ本体への還元剤及び酸化剤の供給開始動作において、これらの残留ガスと還元剤及び酸化剤との混合を抑制する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献２の技術は、水素通過時間短縮用ガスによって、還元剤流路を流通するガスの体積流量を増大させ、還元剤流路の残留ガスのパージを加速させる技術である（特許文献２段落【００４１】参照）。
【０００６】
特許文献３の技術は、還元剤流路への還元剤の供給及び酸化剤流路への酸化剤の供給の前に、還元剤流路内に水素を流し込んでから還元剤流路の残留ガスを還元剤流路を含むアノード循環路を循環させて、還元剤流路の残留ガス中の酸素濃度を予め低減させておく技術である（特許文献３段落【００１７】参照）。
【０００７】
特許文献４の技術は、ＰＥＦＣ起動動作において、循環水を還元剤流路へ送入し、還元剤流路内をパージすると共に、ＰＥＦＣのアノード側電極を予熱し、予熱後に、還元剤を還元剤流路に送入して還元剤流路中の水を押し出し、還元剤流路に還元剤を流通させる技術である。なお、特許文献４の技術は、同文献［図１］に開示されているように、ポンプ(62)によって還元剤流路(5)内及びアノード側電極(2,3)内を経由して循環水を循環させる技術である。同文献は、パージのため特別な不活性ガスボンベを設置する必要はないとしている。また、同文献は、還元剤流路に循環水を流入して、セルを直接に加熱するから、高い予熱効率が得られるとしている。
【０００８】
特許文献５の技術は、ＰＥＦＣ停止動作時に、パージガス（不活性ガス、空気など）を冷却剤流路の一部を経由して還元剤流路に流し込む技術である。これによると、パージガスと残留ガスとの間に冷却剤（水）を介在させて、ＰＥＦＣ内の還元剤流路から残留ガスを排除することができる。冷却剤には残留ガスが拡散することがない。したがって、同文献は、ＰＥＦＣ停止後、短時間で簡便にかつ経済的にＰＥＦＣ内を不活性雰囲気下にすることができるとしている。
【０００９】
特許文献６の技術は、ＰＥＦＣ停止時に、還元剤流路または酸化剤流路に水を封入した状態もしくは加湿された不活性ガスを封入した状態で運転を停止し、保管する技術である。同文献は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において、特段のパージ動作を要さず還元剤または酸化剤を流し込むことができるので、パージ用の不活性ガス使用量を減少させることができるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１４２１３２号公報
【特許文献２】特開２００５−１９０８５４号公報
【特許文献３】特開２００６−２４３９０号公報
【特許文献４】特開平１０−２７００６５号公報
【特許文献５】特開平７−２７２７３７号公報
【特許文献６】特開平６−２５１７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２の技術では、還元剤流路の残留ガスと還元剤との接触は回避できないので、残留ガスと還元剤との混合によるＭＥＡの損傷防止には改善の余地があった。また、還元剤と共に水素通過時間短縮用ガスを加圧供給する動作制御は、ＰＥＦＣシステムの制御を複雑にするという問題もあった。
【００１１】
また、特許文献３の技術では、還元剤流路の残留ガスと還元剤との接触は回避できないので、残留ガスと還元剤との混合による単電池の損傷防止には改善の余地があった。また、水素が混合された残留ガスを循環させる時間を要し、ＰＥＦＣシステムの速やかな起動には改善の余地があった。
【００１２】
また、特許文献１の水による還元剤流路及び酸化剤流路の残留ガスのパージには、還元剤流路及び酸化剤流路に水を充満させて、残留ガスを還元剤流路及び酸化剤流路から排除するまでの時間を要するので、ＰＥＦＣシステムの起動動作に要する時間（起動動作時間）を増大させ、ＰＥＦＣシステムの機動性を低下させるという問題があった。
【００１３】
また、特許文献４の技術によると、循環水よる還元剤流路の予熱には時間を要するので、ＰＥＦＣシステムの起動動作時間を増大させ、ＰＥＦＣシステムの機動性を低下させるという問題があった。また、特許文献４の技術は、ポンプによって水を循環させる必要があるので、循環水を還元剤流路内及びアノード側電極内に充満させる必要があり、起動動作時間の短縮には改善の余地があった。
【００１４】
また、特許文献５の技術によると、停止動作後起動動作前までの間に還元剤流路内のパージガスには酸素などの酸化剤が混在しているおそれがある。したがって、ＰＥＦＣシステムの起動動作時において、還元剤流路内を改めてパージする必要がある。しかし、ＰＥＦＣの起動動作時には冷却剤を用いてＰＥＦＣを反応温度近傍まで予熱する必要がある。また起動動作後の運転状態においては冷却系統を使用する。したがって、ＰＥＦＣシステムの起動動作においては、冷却剤流路を経由して還元剤を還元剤流路に流し込むことができないので、特許文献５の技術は利用できない。
【００１５】
また、特許文献６の技術によると、ＰＥＦＣシステムの起動動作時のおけるパージ動作を省略することができ、ＰＥＦＣシステムの起動動作時間を短縮することができる。しかし、保存時用の水を相当量を冷却用の水量とは別に余分に要するので、ＰＥＦＣシステムの構造を簡素化する余地があった。特に、自動車など移動用機器に搭載されるＰＥＦＣシステムにおいては、ＰＥＦＣシステムの容積及び重量をより軽減させる必要があった。また、水もしくは加湿ガスを封入した状態で運転停止して保管することで電極の拡散性の低下を助長する懸念があった。
【００１６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる、ＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣ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】
【００１７】
発明者らは、上記課題を解決すべく、残留ガスと酸化剤あるいは還元剤との界面を形成させない運転方法に着目して鋭意研究を重ねた。その結果、ＰＥＦＣ本体内の還元剤流路及び酸化剤流路の還元剤供給端及び酸化剤供給端よりも上流側の還元剤供給経路及び酸化剤供給経路の一部を閉塞する帯水層を形成する運転方法に想到した。
【００１８】
すなわち、第１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水によって、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する、帯水層形成ステップを有する。
【００１９】
このような構成によって、燃料電池システムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる。つまり、燃料電池システムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができる。
【００２０】
第２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧及び注水時間は、全ての前記還元剤流路及び前記酸化剤流路において水が通り抜けない程度の注水圧及び注水時間であるとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの運転方法を効率的にすることができる。
【００２１】
第３の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧が前記還元剤供給部及び前記酸化剤供給部からの前記還元剤及び前記酸化剤の供給圧より低いとよい。このように構成すると、より容易に本発明の燃料電池システムの運転方法を実施することができる。
【００２２】
第４の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている弁をさらに有し、前記帯水層形成ステップにおいて、前記弁を開放した状態で前記注水を開始し、全ての前記還元剤供給端に水が到達した状態及び全ての前記酸化剤供給端に水が到達した状態、の少なくともいずれかの状態で前記弁を閉止して、前記注水を停止するとよい。このように構成すると、注水された水の下流側の圧力を高めることができるので、より円滑に帯水層を形成することができる。
【００２３】
第５の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有し、前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却する焼却ステップを有するとよい。このように構成すると、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、燃料電池システムをより安全に運転させることができる。
【００２４】
第６の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側であって、かつ前記燃焼装置の上流側に接続されている気液分離装置をさらに有し、前記帯水層形成ステップにおいて、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流す分離ステップを有する
するとよい。このような構成とすると、気液分離装置において回収された水を水供給部において再利用することができるので、燃料電池システム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置への水の流入を防止することもできる。
【００２５】
第７の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの運転方法を効率的にすることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
【００２６】
第８の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの起動動作の柔軟性を向上させることができる。
【００２７】
第９の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路の残留ガスが前記還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが不活性ガスである状態において、前記酸化剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行うとよい。このような構成とすると、還元剤流路の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれがない。したがって、還元剤供給マニホールドへの注水を省略することができるので、燃料電池システムをより速やかに起動させることができる。
【００２８】
第１０の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路の残留ガスが不活性ガスであり、前記酸化剤流路の残留ガスが前記酸化剤である状態において、前記還元剤供給経路においてのみ前記帯水層形成ステップを行うとよい。このような構成とすると、酸化剤流路の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがない。したがって、酸化剤供給マニホールドへの注水を省略することができるので、燃料電池システムをより速やかに起動させることができる。
【００２９】
第１１の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤流路の残留ガスが還元剤であり、前記酸化剤流路の残留ガスが酸化剤である状態において、前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の両方において前記帯水層形成ステップを行うとよい。このような構成とすると、還元剤流路の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれと、酸化剤流路の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがある場合に、燃料電池システムの起動動作におけるＭＥＡの損傷をより確実に防止することができる。
【００３０】
第１２の本発明の燃料電池システムの運転方法は、前記還元剤供給経路は全ての前記単電池の前記還元剤供給端が接続された還元剤供給マニホールドを有し、前記酸化剤供給経路は全ての前記単電池の前記酸化剤供給端が接続された酸化剤供給マニホールドを有し、前記帯水層形成ステップにおける、前記注水の注水量が、前記還元剤供給マニホールド及び前記酸化剤供給マニホールドの少なくともいずれかが水没する程度の量であるとよい。このような構成とすると、より的確に本発明を実施することができる。
【００３１】
第１３の本発明の燃料電池システムは、還元剤を供給する還元剤供給部と、
酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
高分子電解質膜を基材とするＭＥＡによって隔離された還元剤流路及び酸化剤流路が構成された単電池が複数積層された燃料電池本体と、
全ての前記単電池の前記還元剤流路の端部である還元剤供給端が接続された還元剤供給経路と、
全ての前記単電池の前記酸化剤流路の端部である酸化剤供給端が接続された酸化剤供給経路と、
前記還元剤供給経路及び前記酸化剤供給経路の少なくともいずれかに水を注水する水供給部と、
制御装置と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、前記還元剤及び前記酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、前記水供給部からの注水を制御して、前記還元剤の流通方向において前記還元剤供給端よりも上流側の前記還元剤供給経路の少なくとも一部、及び前記酸化剤の流通方向において前記酸化剤供給端よりも上流側の前記酸化剤供給経路の少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成する。このような構成とすると、燃料電池システムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる。つまり、燃料電池システムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができる。
【００３２】
第１４の本発明の燃料電池システムは、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている燃焼装置をさらに有する燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスを前記燃焼装置において焼却するよう構成されているとよい。このような構成とすると、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、燃料電池システムをより安全に運転させることができる。
【００３３】
第１５の本発明の燃料電池システムは、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかの排出側に接続されている気液分離装置をさらに有する燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記帯水層形成時において、前記還元剤流路及び前記酸化剤流路の少なくともいずれかから排出される残留ガスと水とを前記気液分離装置において分離し、かつ気体のみを前記気液分離装置から前記燃焼装置へ流すよう構成されているとよい。このような構成とすると、気液分離装置において回収された水を水供給部において再利用することができるので、燃料電池システム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置への水の流入を防止することもできる。
【００３４】
第１６の本発明の燃料電池システムは、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部を利用して構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの運転方法を効率的にすることができる。また、本発明の燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
【００３５】
第１７の本発明の燃料電池システムは、前記水供給部が、前記燃料電池本体の冷却水供給部からは独立して動作可能に構成されているとよい。このような構成とすると、本発明の燃料電池システムの起動動作の柔軟性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の燃料電池システムの運転方法、及びその運転方法を利用した燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる。つまり、燃料電池システムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、燃料電池システムを小型化及び軽量化することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３８】
（第１実施形態）
まず、本実施形態のＰＥＦＣ本体（燃料電池本体）９９の構成を説明する。
【００３９】
図１は、本発明の第１実施形態の単電池及びＰＥＦＣ本体の積層構造を模式的に例示する部分分解斜視図である。
【００４０】
一般的には、ＰＥＦＣは、単電池（セル）１０が複数積層されたＰＥＦＣ本体（スタック）９９と、還元剤供給マニホールド９２Ｉと、酸化剤供給マニホールド９３Ｉと、水供給マニホールド９４Ｉと、還元剤排出マニホールド９２Ｅと、酸化剤排出マニホールド９３Ｅと、水排出マニホールド９４Ｅと、を有して構成されている。還元剤供給マニホールド９２Ｉには、全ての単電池１０の還元剤流路２１の還元剤供給端２１Ｉが接続され、酸化剤供給マニホールド９３Ｉには、全ての単電池１０の酸化剤流路３１の酸化剤供給端３１Ｉが接続されている。本実施形態では、図１に示すように、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ，９２Ｅ，９３Ｅ，９４ＥがＰＥＦＣ本体９９に一体化されて構成されている。本実施形態のＰＥＦＣは、いわゆる内部マニホールド型のＰＥＦＣである。
【００４１】
そして、単電池１０はＭＥＡ５を挟んで対向するアノードセパレータ板９Ａ及びカソードセパレータ板９Ｃ（両者をセパレータと総称する）を有する。より正確には、単電池１０は、ＭＥＡ部材７が一対のセパレータ板９Ａ、９Ｃで挟まれて構成されている。
【００４２】
また、本実施形態では、全てのセパレータ板９Ａ、９Ｃ及びＭＥＡ部材７には板面を貫通するマニホールド孔が相互に積層するように形成されており、複数のセパレータ板９Ａ、９Ｃ及びＭＥＡ部材７の積層によって還元剤供給マニホールド９２Ｉ、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ、水供給マニホールド９４Ｉ、還元剤排出マニホールド９２Ｅ、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ及び水排出マニホールド９４Ｅが単電池１０の積層方向に沿って延伸して形成されている。
【００４３】
具体的には、平面視（セパレータ板９Ａ、９Ｃの厚み方向）において、セパレータ板９Ａ，９Ｃ及びＭＥＡ部材７の周縁部には、ボルト孔１５、２５，３５、還元剤供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、還元剤排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、酸化剤供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、酸化剤排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ、水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅが、それぞれの主面を貫通するようにして形成されている。還元剤供給マニホールド孔１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ、および還元剤排出マニホールド孔１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ、は、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、還元剤供給マニホールド９２Ｉおよび還元剤排出マニホールド９２Ｅを形成する。また、同様にして、酸化剤供給マニホールド孔１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ、および酸化剤排出マニホールド孔１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、酸化剤供給マニホールド９３Ｉおよび酸化剤排出マニホールド９３Ｅを形成する。さらに、同様にして、水供給マニホールド孔１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ、および水排出マニホールド孔１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅは、それぞれＰＥＦＣ本体９９において連なって延伸して、水供給マニホールド９４Ｉおよび水排出マニホールド９４Ｅを形成する。
【００４４】
ここで、一般的に、ＰＥＦＣ本体９９の発電運転においては、酸化剤の流量の方が還元剤の流量よりも多いので、酸化剤のマニホールド９３Ｉ、９３Ｅの方が、還元剤のマニホールド９２Ｉ、９２Ｅよりも大きい形状となっている。例えば、図１においては、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ及び酸化剤排出マニホールド９３Ｅの管路断面（延伸方向断面）の形状は、長径５０ｍｍ程度、短径２０ｍｍ程度の楕円形状である。還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び還元剤排出マニホールド９２Ｅの管路断面（延伸方向断面）の形状は、長径３０ｍｍ程度、短径２０ｍｍ程度の楕円形状である。
【００４５】
セパレータ板９Ａ、９Ｃは、導電性材料で構成されている。例えば、黒鉛板、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛板、金属板からなる。また、アノードセパレータ板９Ａの内面には、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉと還元剤排出マニホールド孔２２Ｅとの間を結ぶようにして溝状の還元剤流路２１が形成されている。還元剤供給端２１Ｉは、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉの壁面の一部に形成されている。また、還元剤流路２１は、ＭＥＡ当接領域２０の略全面に亘ってサーペンタイン（serpentine）状に形成されている。
【００４６】
同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの内面には、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉと酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅとの間を結ぶようにして溝状の酸化剤流路３１が形成されている。酸化剤供給端３１Ｉは、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉの壁面の一部に形成されている。また、酸化剤流路３１は、ＭＥＡ当接領域３０の略全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。
【００４７】
これによって、セル１０組立状態において、ＭＥＡ５が還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の溝蓋となる。正確には、還元剤流路２１と酸化剤流路３１とは、ＭＥＡ５によって隔離されて、流路に構成される。ＭＥＡ部材７とアノードセパレータ板９Ａとの間には、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉと還元剤排出マニホールド孔２２Ｅとを結んで延びる還元剤流路２１が構成される。また、ＭＥＡ部材７とカソードセパレータ板９Ｃとの間には、酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉと酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅとを結んで延びる酸化剤流路３１が構成される。
【００４８】
また、前述の酸化剤及び還元剤のマニホールドの形状比と同様に、一般的に、ＰＥＦＣ本体９９の発電運転においては、酸化剤の流量の方が還元剤の流量よりも多いので、酸化剤流路３１の方が還元剤流路２１よりも流路断面積が大きい。そこで、一般的には、溝状の流路の本数によって流路断面積が調整されている。本実施形態では、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の溝幅は約２ｍｍ、溝深さは約１ｍｍとなっている。そして、図１では、還元剤流路２１は１本の流路溝によって構成されている。酸化剤流路３１は３本の流路溝によって構成されている。ただし、本実施形態の還元剤流路２１及び酸化剤流路３１を構成する溝数は、本実施形態の本数に限られない。一般的に、還元剤流路２１よりも酸化剤流路３１の溝数の方が多く、還元剤流路２１は1乃至５本によって構成され、酸化剤流路３１は３本乃至１０本によって構成される。すなわち、供給端２１Ｉ，３１Ｉ（還元剤供給端２１Ｉ及び酸化剤供給端３１Ｉを総称して供給端２１Ｉ、３１Ｉという）の開口形状は、１ｍｍ×２ｍｍの矩形の孔部が、換言すると一般的には数ｍｍ２程度の大きさの孔部が、単数若しくは複数並ぶ形態となっている。
【００４９】
以上から、供給端２１Ｉ、３１Ｉの開口面積は、それぞれの供給マニホールド孔２２Ｉ、３３Ｉの断面積に比べ十分小さい。しかも、開口形状は複数に分割して形成されている。したがって、粘性を有する液相の水を、それぞれの供給マニホールド孔２２Ｉ、３３Ｉから供給端２１Ｉ、３１Ｉに流入させるには、かなりの注水圧を要する。
【００５０】
図２は、図１の単電池の構造を示す要部断面図である。
【００５１】
ＭＥＡ部材７は、ＭＥＡ５と、ＭＥＡ５の周縁に延在する高分子電解膜１に密着して、高分子電解質膜１を挟み込むようにして構成された枠体６と、を有して構成されている。したがって、枠体６の中央開口部（枠内）の両面にはＭＥＡ５が露出している。また、枠体６の材質は、耐環境性を有する弾性物質であり、ガスケットの機能を有している。枠体６の材質の例示としては、フッ素系ゴムが好適である。
【００５２】
ＭＥＡ５は、高分子電解質膜１とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されている。具体的には、ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に透過すると考えられているイオン交換膜からなる高分子電解質膜１と、高分子電解質膜１の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層を有して構成されている。アノード側の電極層は、高分子電解質膜１の一方の面に配設されたアノード側触媒層２Ａと、アノード側触媒層２Ａの外面に配設されたアノード側ガス拡散層４Ａとを備えて構成されている。カソード側の電極層は、高分子電解質膜１の他方の面に配設されたカソード側触媒層２Ｃと、カソード側触媒層２Ｃの外面に配設されたカソード側ガス拡散層４Ｃとを備えて構成されている。ここで、触媒層２Ａ、２Ｃは白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。ガス拡散層４Ａ，４Ｃは、通気性と電子伝導性を併せ持つ多孔質構造を有している。
【００５３】
高分子電解質膜１には、パーフルオロスルホン酸からなる膜が好適である。例えば、DuPont社製Nafion（登録商標）膜が例示される。そして、ＭＥＡ５は、一般的には、高分子電解質膜１上に触媒層２Ａ、２Ｃ及びガス拡散層４Ａ，４Ｃを順次塗布、転写、ホットプレス等の方法により形成して製造される。あるいは、ＭＥＡの市販品を利用することもできる。
【００５４】
ガス拡散層４Ａは、単電池１０組立状態において、アノードセパレータ板９Ａの内面のＭＥＡ当接領域２０（図１参照）に接触する。カソード側ガス拡散層４Ｃは、カソードセパレータ板９Ｃの内面のＭＥＡ当接領域３０（図１参照）に接触する。
【００５５】
アノードセパレータ板９Ａの還元剤流路２１がアノード側ガス拡散層４Ａに当接している。これによって、還元剤流路２１内を流通する還元剤は、外部に漏出することなく、多孔質のアノード側ガス拡散層４Ａ内部に拡散しながら侵入して、アノード側触媒層２Ａまで到達する。同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの酸化剤流路３１がカソード側ガス拡散層４Ｃに当接している。これによって、酸化剤流路３１内を流通する酸化剤は、外部に漏出することなく、多孔質のカソード側ガス拡散層４Ｃ内部に拡散しながら侵入して、カソード側触媒層２Ｃまで到達する。そして、電池反応が可能となる。セパレータ板９Ａ、９Ｃは導電性材料からなるので、ＭＥＡ５において発生した電気エネルギーをセパレータ板９Ａ、９Ｃを経由して外部へ取り出すことができる。
【００５６】
図３は、図１のＰＥＦＣ本体の単電池間の積層構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【００５７】
図３に示すように、アノードセパレータ板９Ａの外面には、水供給マニホールド孔２４Ｉと水排出マニホールド孔２４Ｅとの間を結ぶようにして溝状の水流路２６が形成されている。水流路２６は、ＭＥＡ当接領域２０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。同様にして、カソードセパレータ板９Ｃの外面には、水供給マニホールド孔３４Ｉと水排出マニホールド孔３４Ｅとの間を結ぶようにして溝状の水流路３６が形成されている。水流路３６は、ＭＥＡ当接領域３０の背部を全面に亘ってサーペンタイン状に形成されている。また、ＰＥＦＣ本体９９においては、水流路２６と水流路３６とが接合するように形成されている。すなわち、単電池１０積層状態において水流路２６，３６は一体化し、積層された単電池１０同士の積層面間には水供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉと水排出マニホールド孔２４Ｅ，３４Ｅとを結んで延びる水流路が構成される。これによって、水を伝熱媒体として利用することができる。すなわち、ＰＥＦＣ本体９９を流通する水によって、発電運転時にはＰＥＦＣ本体９９の反応熱を除熱し、また、発電運転開始前にはＰＥＦＣ本体９９を暖機することができる。
【００５８】
図４は、図１のＰＥＦＣ本体の端部の構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【００５９】
ＰＥＦＣ本体９９は、単電池１０の積層方向の両端に一対の端部材が配設されて構成されている。すなわち、単電池１０の両端の最外層には、単電池１０と同形の平面を有する集電板５０，５１，絶縁板６０，６１，端板７０，７１が積層されている。集電板５０，５１、絶縁板６０，６１，端板７０，７１の４隅にはボルト孔５５，６５，７５が形成されている。
【００６０】
集電板５０，５１は銅金属等の導電性材料からなり、それぞれ端子５６が形成されている。そして、一方の集電板５０には、その主面を貫通する供給孔及び排出孔が形成されている。具体的には、集電板５０に当接するカソードセパレータ板９ＣＥ、すなわち、積層された単電池１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ板９ＣＥの水供給マニホールド孔３４Ｉに連通する水供給孔５４Ｉ、水排出マニホールド孔３４Ｅに連通する水排出孔５４Ｅ、還元剤供給マニホールド孔３２Ｉに連通する還元剤供給孔５２Ｉ、還元剤排出マニホールド孔３２Ｅに連通する還元剤排出孔５２Ｅ、酸化剤供給孔３３Ｉに連通する酸化剤供給孔５３Ｉ、および酸化剤排出マニホールド孔３３Ｅに連通する酸化剤排出孔５３Ｅが形成されている。
【００６１】
絶縁板６０，６１および端板７０，７１は電気絶縁性材料からなる。そして、一方の絶縁板６０には、集電板５０に形成された供給孔及び排出孔５２Ｉ，５２Ｅ，５３Ｉ，５３Ｅ，５４Ｉ，５４Ｅにそれぞれ連通する還元剤供給孔６２Ｉ、還元剤排出孔６２Ｅ、酸化剤供給孔６３Ｉ、酸化剤排出孔６３Ｅ、水供給孔６４Ｉ、および水排出孔６４Ｅが形成され、一方の端板７０には、絶縁板６０に形成された供給孔及び排出孔６２Ｉ，６２Ｅ，６３Ｉ，６３Ｅ，６４Ｉ，６４Ｅにそれぞれ連通する還元剤供給孔７２Ｉ、還元剤排出孔７２Ｅ、酸化剤供給孔７３Ｉ、酸化剤排出孔７３Ｅ、水供給孔７４Ｉ、および水排出孔７４Ｅが形成されている。そして、端板７０外面側の供給孔及び排出孔７２Ｉ，７２Ｅ，７３Ｉ，７３Ｅ，７４Ｉ，７４Ｅにはそれぞれ還元剤供給ノズル１０２Ｉ、還元剤排出ノズル１０２Ｅ、酸化剤供給ノズル１０３Ｉ、酸化剤排出ノズル１０３Ｅ、水供給ノズル１０４Ｉ、水排出ノズル１０４Ｅが装着されている。これらノズルには、外部の管路部材との一般的な接続部材が用いられる。また、図示しないが、他方の集電板５１，絶縁板６１，および端板７１はこれら供給孔及び排出孔が形成されていない点を除いて、集電板５０，絶縁板６０，端板７０と同じ構成である。これによって、ＰＥＦＣ本体９９内には、還元剤、酸化剤および水それぞれについて、供給孔５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ、５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ、５４Ｉ、６４Ｉ、７４Ｉおよび供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉを経て、供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉから単電池１０あるいは単電池１０の間の流路２１，３１，２６，３６に分流して、排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅで合流して、排出マニホールド９２Ｅ，９３Ｅ，９４Ｅから排出孔５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ、５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ、５４Ｅ、６４Ｅ、７４Ｅに至る流路が形成される。
【００６２】
そして、締結部材によって、一対の端板間が締結されている。ここでは、ボルト８０が、ボルト孔１５、２５，３５、５５，６５，７５に挿通されて、ＰＥＦＣ本体９９の両端間を貫通している。そして、ボルト８０の両端に座金８１とナット８２が装着されて、一対の端板７０，７１間がボルト８０と座金８１とナット８２とによって締結されて構成されている。例えば、セパレータの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の力で締結されている。
【００６３】
なお、積層された単電池１０の一方の端面を構成するカソードセパレータ板９ＣＥの外面には水流路３６は形成されていない。また、図示しないが、他方の端面を構成するアノードセパレータの外面にも水流路２６は形成されていない。
【００６４】
図1乃至図４の説明から明らかなように、ＰＥＦＣ本体９９においては、ＰＥＦＣ本体９９に供給される還元剤は、還元剤供給マニホールド９２Ｉから各還元剤供給端２１Ｉに分岐して還元剤流路２１を流通する。同様にして、ＰＥＦＣ本体９９に供給される酸化剤は、酸化剤供給マニホールド９３Ｉから各酸化剤供給端３１Ｉに分岐して酸化剤流路３１を流通する。
【００６５】
ここで、発明者らが見出した知見を説明する。
まず、ＰＥＦＣ本体９９では、極力多くの単電池１０において発電電力が均等になるように、後述する還元剤供給経路１１２Ｉから各還元剤供給端２１Ｉに分岐する還元剤の流量配分、及び酸化剤供給経路１１３Ｉ各酸化剤供給端３１Ｉに分岐する酸化剤の流量配分がそれぞれ均等となるように構成されている。具体的には、一般的に、還元剤供給経路１１２Ｉの一部をなす還元剤供給マニホールド９２Ｉ、及び酸化剤供給経路１１３Ｉの一部をなす酸化剤供給マニホールド９３Ｉの管路断面積は、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の流路断面積より大きくなるよう設計されている。また、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の排出側も背圧が均等となるように構成されている。例えば、還元剤排出マニホールド９２Ｅ及び酸化剤排出マニホールド９３Ｅが構成されている。これにより、還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉにおいては、流体の圧力が均等化され、かつ、全ての単電池１０の還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の流体の流量が均等化される。ここで、発明者らは、還元剤及び酸化剤の供給マニホールド９２Ｉ，９３Ｉから還元剤流路２１及び酸化剤流路３１に分岐する流路構造は、供給端２１Ｉ３１Ｉにおいて、比較的大きな流路抵抗が生じることに気付いた。すなわち、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉへ流体を流し込むに必要な圧力に比べ、これらマニホールド９２Ｉ、９３Ｉから還元剤流路２１及び酸化剤流路３１へ流体を流し込むに必要な圧力は大きい。しかも、供給端２１Ｉ、３１Ｉは数mm２程度という小さな開口部単位に区画されていて、液相の水
は表面張力等の粘性を有するので、水を流す場合には、形状効果による流路抵抗が加わる。さらには、水が酸化剤流路３１及び還元剤流路２１を通り抜けるには、これら流路２１，３１の流路抵抗が加わるものと推察した。すなわち、還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉに水を注水する場合、これらマニホールド内の残留ガスは、水に押されて、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１を経由して、ＰＥＦＣ本体９９の外部へと押し出される。しかし、注水される水圧の程度によっては、水は、流路抵抗などの要因から還元剤流路２１及び酸化剤流路３１を通り抜けることなく供給端２１Ｉ、３１Ｉを水没させる。つまり、水は、還元剤供給経路１１２Ｉ及び酸化剤供給経路１１３Ｉの一部、ここでは還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉ、を閉塞する。発明者らは、この知見を利用することによって本発明に想到することができた。すなわち、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる、ＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムを見出すことができた。
【００６６】
図５は、第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【００６７】
図５に示すように、ＰＥＦＣ本体９９の還元剤供給ノズル１０２Ｉには、還元剤供給経路１１２Ｉが接続され、還元剤供給経路１１２Ｉは還元剤供給部１４２に接続されている。還元剤供給経路１１２Ｉには弁１３６Ｖが配設されている。
【００６８】
本実施形態では、還元剤には水素を含有する水素ガスが用いられている。還元剤供給部１４２は一般的な構造を利用しているので詳細は図示しないが、水素ガスを供給する装置を有して構成されている。例えば、還元剤供給部１４２は、水素ガスを貯留する水素ガスボンベと、水素ガスの供給圧あるいは流量を調節する圧力調整弁あるいは弁開度調整弁とを有して構成されている。あるいは、還元剤供給部１４２は、天然ガス等の炭化水素系物質を供給する供給インフラと、プランジャポンプと、流量調整具と、当該炭化水素系物質を原料にして水蒸気改質反応等により水素ガスを生成かつ供給する水素製造供給システムとを有して構成されていてもよい。
【００６９】
また、還元剤排出ノズル１０２Ｅには、還元剤排出経路１１２Ｅが接続されている。還元剤排出経路１１２Ｅには弁１３９Ｖが配設されている。そして、還元剤の流通方向において弁１３９Ｖの下流側に気液分離装置１２７が配設されている。気液分離装置１２７の下流側の還元剤排出経路１１２Ｅの大気開放端、すなわち還元剤の流通方向において下流端には還元剤排出経路１１２Ｅ内の気体を焼却処分することができる燃焼装置１２５が構成されている。このような構成により、気液分離装置１２７において還元剤排出経路１１２Ｅの流体を気相と液相とに分離して、気相のみを燃焼装置１２５に流すことができる。さらには、当該気相が可燃性であった場合には、燃焼装置１２５によって当該気相を焼却処分することができる。
【００７０】
燃焼装置１２５は、一般的なバーナーである。あるいは、還元剤供給部１４２に水素生成装置が構成されている場合には、還元剤排出経路１１２Ｅの下流端が当該水素生成装置のバーナーに接続可能なように構成されているとよい。これによって、ＰＥＦＣシステムの構成を簡素化することができる。
【００７１】
酸化剤供給ノズル１０３Ｉには、酸化剤供給経路１１３Ｉが接続され、酸化剤供給経路１１３Ｉは酸化剤供給部１４３に接続されている。還元剤供給経路１１３Ｉには弁１３２Ｖが配設されている。
【００７２】
酸化剤には酸素を含有する酸素ガスが一般的に用いられ、本実施形態では空気が用いられている。酸化剤供給部１４３は、公知の構造を利用しているので詳細は図示しないが、一般的にはシロッコファン等の送風器、空気中の硫黄分を排除するフィルタ、及び酸化剤を予熱しながら加湿する加湿器を有して構成されている。
【００７３】
酸化剤排出ノズル１０３Ｅには、酸化剤排出経路１１３Ｅが接続されている。酸化剤排出経路１１３Ｅには弁１３３Ｖが配設されている。酸化剤排出経路１１３Ｅは、酸化剤の流通方向において下流端は大気開放されていて、余剰の酸化剤を大気中に放出する排気口（図示せず）が構成されている。
【００７４】
なお、酸化剤排出経路１１３Ｅと酸化剤供給経路１１３Ｉとは一部において全熱交換型加湿器を経由して、酸化剤排出経路１１３Ｅ側から酸化剤供給経路１１３Ｉへと水及び熱を交換できるように構成することもできる。これによって、ＰＥＦＣシステムのエネルギー利用効率を向上させることができる。
【００７５】
水供給ノズル１０４Ｉには、水供給経路１１４Ｉが接続され、水供給経路１１４Ｉは水供給部１４４に接続されている。水供給部１４４は、一般的な構造を利用しているので詳細は図示しないが、一般的には水道インフラと、水道インフラから供給される水を浄化する浄化装置と、水供給経路１１４Ｉに水を送り込むポンプと、水温を調節する熱交換器とを有して構成されている。
【００７６】
水排出ノズル１０４Ｅには、水排出経路１１４Ｅが接続されている。水排出経路１１４Ｅは、一般的な構造を利用しているので図示しないが、水供給部１４４の熱交換器に接続され、水が、水供給経路１１４Ｉ、ＰＥＦＣ本体９９及び水排出経路１１４Ｅを循環するように構成されている。
【００７７】
ここで、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、酸化剤供給経路１１３Ｉと水排出経路１１４Ｅとを接続する供給側連絡路（第１供給側連絡路）１２１と、供給側連絡路１２１に配設された弁１３１Ｖとを有している。また、酸化剤の流通方向において供給側連絡路１２１よりも上流側の酸化剤供給経路１１３Ｉには弁１３２Ｖが配設されている。これによって、弁１３２Ｖを閉止状態として、弁１３１Ｖを開放状態とすることによって、水排出経路１１４Ｅの水圧と酸化剤供給経路１１３Ｉ内の圧力との圧力差に応じて、水排出経路１１４Ｅの水を供給側連絡路１２１を通って酸化剤供給経路１１３Ｉに注水することができる。さらに酸化剤供給ノズル１０３Ｉ及びＰＥＦＣ本体９９内の流路抵抗と水排出経路１１４Ｅの水圧とに応じて、水排出経路１１４Ｅの水を酸化剤供給マニホールド９３Ｉ（図１及び図４参照）内に注水することができる。
【００７８】
また、酸化剤排出経路１１３Ｅには、残留ガス処理系統１５１が構成されている。
【００７９】
残留ガス処理系統１５１は、燃焼装置１２５と、還元剤排出路１１２Ｅ及び酸化剤排出経路１１３Ｅを接続する排出側連絡路１２２と、排出側連絡路１２２に配設されている弁１３４Ｖと、排出側連絡路１２２に配設されている気液分離装置１２６と、酸化剤の流通方向において排出側連絡路１２２よりも下流側の酸化剤排出経路１１３Ｅに配設されている弁１３３Ｖと、を有して構成されている。
【００８０】
ここで、排出側連絡路１２２は、還元剤の流通方向において燃焼装置１２５よりも上流側の還元剤排出路１１２Ｅに接続されている。
【００８１】
また、気液分離装置１２６は、流入する流体から気相成分（気体成分）と液相成分（液体成分）とを分離し、気相成分のみをさらに下流側に流通させる装置であればよい。ここでは、一般的なドレン（drain）タンクを用いていて、タンク上方に排出側連絡路１２２の出入口が構成されて、タンク下方に貯水領域が構成されている。
【００８２】
残留ガス処理系統１５１において、弁１３３Ｖを閉止状態として、弁１３４Ｖを開放状態とすることによって、酸化剤排出経路１１３Ｅの流体を排出側連絡路１２２に導入することができる。また、気液分離装置１２６において流体の気相と液相とを分離して気相のみを還元剤排出経路１１２Ｅに排出することができる。さらには、当該気相が可燃性であった場合には、燃焼装置１２５によって焼却処分することができる。
【００８３】
制御装置３００は、キーボード、タッチパネル等によって構成されている入力部３０１、メモリ等によって構成される記憶部３０２、及びタイマー等によって構成されている時間計測部３０３、ＣＰＵ、ＭＰＵ等によって構成される制御部３０４を有している。そして、制御装置３００は、還元剤供給部１４２，酸化剤供給部１４３，水供給部１４４，燃焼装置１２５，弁１３１，１３２，１３３，１３４を制御するように構成されている。
【００８４】
ここで、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して制御を実行する制御装置群をも含んで意味する。よって、制御装置３００は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置されていて、それらが協働して各供給部や弁類を制御するように構成されていてもよい。例えば、入力部３０３は、通信機能を有するモバイル機器に構成することもできる。また、制御部３０４を各供給部１４２，１４３，１４４それぞれに設けることもできる。
【００８５】
次に、本実施形態のＰＥＦＣシステムの起動動作における酸化剤の供給開始の動作を説明する。
【００８６】
図６は、図５のＰＥＦＣシステムの起動動作における酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。これらの動作は制御装置３００によって制御されることによって遂行される。
【００８７】
ＰＥＦＣ本体９９への酸化剤の供給は、制御部３０４が指令信号を取得することによって開始される。当該指令信号は、図示しないが、一般的には、ＰＥＦＣシステムの起動スイッチのＯＮ操作、電力負荷の発生予測等によって適宜発信され、制御部３０４に入力される。
【００８８】
図６に示すように、スタート後、まず、ステップＳ２０１において、水が水供給部１４４から、水供給経路１１４Ｉを経由して、水供給ノズル１０４ＩからＰＥＦＣ本体９９に供給され、水排出ノズル１０４Ｅから排出された水が水排出経路１１４Ｅへと流通する。この時点で、弁１３１Ｖは閉止されている。
【００８９】
なお、水の供給は、酸化剤供給開始の指令信号にかかわらず行われていてもよい。すなわち、酸化剤供給開始の指令信号受信時には、既にＰＥＦＣ本体９９の暖機を目的にして、予熱された水がＰＥＦＣ本体９９に供給されている場合もある。
【００９０】
そして、ステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２０２において、弁１３２Ｖ及び弁１３３Ｖが閉止され、弁１３１Ｖ及び弁１３４Ｖが開放される。そして、時間計測部３０３において時間Ｔが計測開始される。
【００９１】
この帯水層形成ステップＳ２０２において、酸化剤供給経路１１３Ｉは、ＰＥＦＣ本体９９、酸化剤排出経路１１３Ｅ、排出側連絡路１２２、気液分離装置１２６、還元剤排出経路１１２Ｅ、及び燃焼装置１２５を経由して大気開放されていて、かつ弁１３２Ｖは閉止されているので、酸化剤供給経路１１３Ｉの内圧は、大気圧とほぼ同等である。また、水供給部１４４の給水圧はＰＥＦＣ本体９９の水流路２６，３６の圧損により減圧され、水排出経路１１４Ｅの水圧は大気圧よりやや高い程度となっている。具体的には、０．５乃至１ｋＰａ程度大気圧より高い水圧となっている。したがって、水は、水排出経路１１４Ｅから供給側連絡路１２１を通じて酸化剤供給経路１１３Ｉへと注水される。また、水は、酸化剤供給経路１１３Ｉから酸化剤供給ノズル１０３Ｉを経由して、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ（図１及び図４参照）内に流れ込む。
【００９２】
ここで、水が酸化剤供給マニホールド９３Ｉから酸化剤流路３１を通り抜けるには水圧が十分でない。あるいは時間を要する。したがって、酸化剤供給マニホールド９３Ｉから水が抜けにくいので、水が酸化剤流路３１の排出端３１Ｅに流れるまでに酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部が水没することとなる。換言すれば、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部水によって閉塞されるようにして帯水層が形成されることとなる。
【００９３】
また、残留ガス処理系統１５１は酸化剤流路３１の残留ガスを燃焼装置１２５に導くように構成されている。したがって、注水によって、酸化剤流路３１、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ及び酸化剤排出経路１１３Ｅ内の残留ガスは、酸化剤供給経路１１３Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内の残留ガスに押されて、排出側連絡路１２２、還元剤排出経路１１２Ｅ、及び気液分離装置１２６を経由して燃焼装置１２５に導かれる。
【００９４】
ここで、酸化剤流路３１の残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。
【００９５】
ステップＳ２０３において、時間Ｔが所定の注水時間（第１注水時間）Ｔ１になるまでステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２０２は継続される。
【００９６】
時間Ｔが所定の注水時間（第１注水時間）Ｔ１になると、ステップＳ２０４に進み、弁１３１Ｖが閉止される。これによって、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水が終了する。
【００９７】
ここで、注水時間Ｔ１は供給側連絡路１２１を通流した水量が、酸化剤供給マニホールド９３Ｉの容積、及び酸化剤供給ノズル１０３Ｉと供給側連絡路１２１との間の区間の酸化剤供給経路１１３Ｉの容積の合計容積（注水容積）に達する時間に設定されている。具体的には、注水容積、供給側連絡路１２１の流路断面積、及び水排出経路１１４Ｅと酸化剤供給経路１１３Ｉとの圧力差に基づいて、流体力学の知識から注水時間Ｔ１を見積もることができる。
【００９８】
あるいは、ＰＥＦＣシステムを用いた試験を繰り返すことにより、経験に基づいて酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部が水没する時間を見出して注水時間Ｔ１とすることもできる。これによって、酸化剤供給マニホールド９３Ｉ内部を水没させることができる。
【００９９】
あるいは、時間計測部３０３の代わりに、供給側連絡路１２１に流量計を配設しておき、制御部３０４において流量が注水容積に達することを判断して、ステップＳ２０４に進むように構成することもできる。
【０１００】
したがって、供給側連絡路１２１及び弁１３２Ｖが酸化剤供給ノズル１０３Ｉに近い程、注水容積を小さくすることができるので、注水時間Ｔ１を短くすることができる。すなわち、供給側連絡路１２１及び弁１３２Ｖが酸化剤供給ノズル１０３Ｉに近い程、より速やかにＰＥＦＣシステムを起動させることができる。
【０１０１】
ステップＳ２０４の後、ステップ（供給ステップ）Ｓ２０５において、弁１３２Ｖが開放され、酸化剤供給部１４３から、酸化剤供給経路１１３Ｉに酸化剤が供給される。そして、時間計測部３０３において時間Ｔが計測開始される。これによって、酸化剤供給マニホールド９３Ｉを閉塞している帯水層は、酸化剤に押されて、酸化剤流路３１、酸化剤排出マニホールド９３Ｅ、酸化剤排出経路１１３Ｅ、及び排出側連絡路１２２を順次経由して気液分離装置１２６まで押し出される。ここで、残留ガスと酸化剤との間には帯水層が介在するので、残留ガスと酸化剤との界面が形成されない。したがって、酸化剤流路３１の残留ガスと酸化剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。
【０１０２】
また、液相の水は気液分離装置１２６において残留ガス及び酸化剤から分離され、気相の残留ガス及び酸化剤のみが気液分離装置１２６から下流側へ流される（分離ステップ）。これによって、気液分離装置１２６において回収された水を水供給部１４４において再利用することができるので、ＰＥＦＣシステム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置１２５への水の流入を防止することもできる。
【０１０３】
一方、酸化剤の供給によって帯水層と共に押し出された残留ガスは気液分離装置１２６から還元剤排出経路１１２Ｅを経由して燃焼装置１２５に導かれる。ここで、残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。
【０１０４】
ステップＳ２０６において、時間Ｔが所定の排気時間Ｔ２になるまでステップ（供給ステップ）Ｓ２０５は継続される。
【０１０５】
時間Ｔが所定の排気時間Ｔ２になると、ステップＳ２０７に進み、弁１３３Ｖが開放され、かつ弁１３４Ｖが閉止される。これによって、燃焼装置１２５への排気が終了する。すなわち、酸化剤の供給はそのまま継続されるが、本発明の酸化剤の供給開始動作は終了する。
【０１０６】
ここで、排気時間Ｔ２は排出側連絡路１２２を通流した気体の流量、あるいは酸化剤供給部１４３が供給した酸化剤の流量が、酸化剤流路３１の容積、酸化剤排出マニホールド９３Ｅの容積、及び酸化剤排出ノズル１０３Ｅと排出側連絡路１２２との間の区間の酸化剤排出経路１１３Ｅの容積の合計容積（排気容積）に達する時間に設定されている。具体的には、排気容積及び酸化剤供給部１４３の時間あたり流量から排気時間Ｔ２を見積もることができる。あるいは、ＰＥＦＣシステムを用いた試験を繰り返すことにより、経験に基づいてＴ２を決定することもできる。
【０１０７】
あるいは、時間計測部３０３の代わりに、排出側連絡路１２２に流量計を配設しておき、制御部３０４において流量が排気容積に達することを判断して、ステップＳ２０７に進むように構成することもできる。
【０１０８】
したがって、排出側連絡路１２２及び弁１３３Ｖが酸化剤排出ノズル１０３Ｅに近い程、排気容積を小さくすることができるので、排気時間Ｔ２を短くすることができる。すなわち、排出側連絡路１２２及び弁１３３Ｖが酸化剤排出ノズル１０３Ｅに近い程、より速やかにＰＥＦＣシステムを起動させることができる。
【０１０９】
本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法においては、酸化剤供給マニホールド９３Ｉを閉塞している帯水層によって、酸化剤と酸化剤流路３１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。したがって、本運転方法によれば酸化剤流路３１の残留ガスと酸化剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。つまり、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において、酸化剤流路３１に可燃性成分、特に還元剤の混入のおそれがある場合に、酸化剤の供給開始に伴う、酸化剤流路３１での局所的異常燃焼を防止できるので、効果的である。例えば、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において還元剤流路２１に可燃性成分が滞留した状態において、ＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。特に、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止動作において、還元剤が滞留したままの状態で還元剤流路２１が密閉されている場合のＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。
【０１１０】
また、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる酸化剤流路３１のパージを省略することができる。つまり、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、ＰＥＦＣシステムを小型化及び軽量化することができる。
【０１１１】
さらに、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、酸化剤流路３１の残留ガスが、窒素ガス、天然ガス等の不活性ガスである場合には、還元剤流路２１の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれがない。したがって、後述する第３実施形態に比べて、還元剤供給マニホールド９２Ｉへの注水を省略することができるので、ＰＥＦＣシステムをより速やかに起動させることができる。
【０１１２】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【０１１３】
図７に示すように、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、第１実施形態の供給側連絡路１２１及び弁１３１Ｖの代わりに、還元剤供給経路１１２Ｉと水排出経路１１４Ｅとの間に配設された第２供給側連絡路１２３と、第２供給側連絡路１２３に配設された弁１３５Ｖとを有する実施形態である。これに伴って、第１実施形態の残留ガス処理系統１５１の代わりに、還元剤排出経路１１２Ｅに残留ガス処理系統１５２が構成されている。したがって、図７において図５と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。
【０１１４】
本実施形態のＰＥＦＣシステムは、還元剤供給経路１１２Ｉと水排出経路１１４Ｅとを接続する第２供給側連絡路１２３と、第２供給側連絡路１２３に配設された弁１３５Ｖとを有している。また、還元剤の流通方向において第２供給側連絡路１２３よりも上流側の還元剤供給経路１１２Ｉには弁１３６Ｖが配設されている。これによって、弁１３６Ｖを閉止状態として、弁１３５Ｖを開放状態とすることによって、水排出経路１１４Ｅの水圧と還元剤供給経路１１２Ｉ内の圧力との圧力差に応じて、水排出経路１１４Ｅの水を第２供給側連絡路１２３を通って還元剤供給経路１１２Ｉに注水することができる。さらに還元剤供給ノズル１０２Ｉ及びＰＥＦＣ本体９９内の流路抵抗と水排出経路１１４Ｅの水圧とに応じて、水排出経路１１４Ｅの水を還元剤供給マニホールド９２Ｉ（図１及び図４参照）内に注水することができる。
【０１１５】
また、残留ガス処理系統１５２は、燃焼装置１２５と、還元剤排出経路１１２Ｅに配設されている気液分離装置１２７と、を有して構成されている。
【０１１６】
図８は、図７のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。図８において、図６と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１１７】
まず、第１実施形態と同様にステップＳ２０１において、水が、水供給部１４４から、ＰＥＦＣ本体９９に供給された後、ステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２１２において、弁１３６Ｖが閉止され、弁１３５Ｖが開放される。そして、時間計測部３０３において時間Ｔが計測開始される。
【０１１８】
この帯水層形成ステップＳ２１２において、還元剤供給経路１１２Ｉは、ＰＥＦＣ本体９９、還元剤排出経路１１２Ｅ、気液分離装置１２７、及び燃焼装置１２５を経由して大気開放されているので、還元剤供給経路１１２Ｉの内圧は、大気圧とほぼ同等である。また、水供給部１４４の給水圧はＰＥＦＣ本体９９の水流路２６，３６の圧損により減圧され、水排出経路１１４Ｅの水圧は大気圧よりやや高い程度となっている。具体的には、０．５乃至１ｋＰａ程度大気圧より高い水圧となっている。したがって、水は、水排出経路１１４Ｅから第２供給側連絡路１２３を通じて還元剤供給経路１１２Ｉへと注水される。また、水は、還元剤供給経路１１２Ｉから還元剤供給ノズル１０２Ｉを経由して、還元剤供給マニホールド９２Ｉ（図１及び図４参照）内に流れ込む。
【０１１９】
ここで、水が還元剤供給マニホールド９２Ｉから還元剤流路２１を通り抜けるには水圧が十分でない。あるいは時間を要する。したがって、還元剤供給マニホールド９２Ｉから水が抜けにくいので、水が還元剤流路２１の排出端２１Ｅに流れるまでに還元剤供給マニホールド９２Ｉが水没することとなる。換言すれば、還元剤供給マニホールド９２Ｉ内部水によって閉塞されるようにして帯水層が形成されることとなる。
【０１２０】
また、注水によって、還元剤流路２１、還元剤排出マニホールド９２Ｅ及び還元剤排出経路１１２Ｅ内の残留ガスは、還元剤供給経路１１２Ｉ及び還元剤供給マニホールド９２Ｉ内の残留ガスに押されて、還元剤排出経路１１２Ｅ及び気液分離装置１２７を経由して燃焼装置１２５に導かれる。
【０１２１】
ここで、還元剤流路２１の残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。
【０１２２】
ステップＳ２１３において、時間Ｔが所定の第２注水時間Ｔ３になるまでステップ（帯水層形成ステップ）Ｓ２１２は継続される。
【０１２３】
時間Ｔが所定の第２注水時間Ｔ３になると、ステップＳ２１４に進み、弁１３５Ｖが閉止される。これによって、還元剤供給経路１１２Ｉへの注水が終了する。
【０１２４】
ここで、第２注水時間Ｔ３は第２供給側連絡路１２３を通流した水量が、還元剤供給マニホールド９２Ｉの容積、及び還元剤供給ノズル１０２Ｉと第２供給側連絡路１２３との間の区間の還元剤供給経路１１２Ｉの容積の合計容積（第２注水容積）に達する時間に設定されている。具体的には、第２注水容積、第２供給側連絡路１２３の流路断面積、及び水排出経路１１４Ｅと還元剤供給経路１１２Ｉとの圧力差に基づいて、流体力学の知識から第２注水時間Ｔ２を見積もることができる。
【０１２５】
あるいは、ＰＥＦＣシステムを用いた試験を繰り返すことにより、経験に基づいて還元剤供給マニホールド９２Ｉ内部が水没する時間を見出して第２注水時間Ｔ３とすることもできる。これによって、還元剤供給マニホールド９２Ｉ内部を水没させることができる。
【０１２６】
あるいは、時間計測部３０３の代わりに、第２供給側連絡路１２３に流量計を配設しておき、制御部３０４において流量が第２注水容積に達することを判断して、ステップＳ２１４に進むように構成することもできる。
【０１２７】
したがって、第２供給側連絡路１２３及び弁１３６Ｖが還元剤供給ノズル１０２Ｉに近い程、第２注水容積を小さくすることができるので、第２注水時間Ｔ３を短くすることができる。すなわち、第２供給側連絡路１２３及び弁１３６Ｖが還元剤供給ノズル１０２Ｉに近い程、より速やかにＰＥＦＣシステムを起動させることができる。
【０１２８】
ステップＳ２１４の後、ステップ（供給ステップ）Ｓ２１５において、弁１３６Ｖが開放され、還元剤供給部１４２から還元剤供給経路１１２Ｉに還元剤が供給される。これによって、還元剤供給マニホールド９２Ｉを閉塞している帯水層は、還元剤に押されて、還元剤流路２１、還元剤排出マニホールド９２Ｅ、及び還元剤排出経路１１２Ｅを順次経由して気液分離装置１２７まで押し出される。ここで、残留ガスと還元剤との間には帯水層が介在するので、残留ガスと還元剤との界面が形成されない。
【０１２９】
また、液相の水は気液分離装置１２７において残留ガス及び酸化剤から分離され、気相の残留ガス及び酸化剤のみが気液分離装置１２７から下流へ流される（分離ステップ）。これによって、気液分離装置１２７において回収された水を水供給部１４４において再利用することができるので、ＰＥＦＣシステム外部からの給水を節約することができる。また、燃焼装置１２５への水の流入を防止することもできる。
【０１３０】
一方、還元剤によって帯水層と共に押し出された残留ガスは、気液分離装置１２７からさらに燃焼装置１２５に導かれる。ここで、残留ガスが、還元剤、あるいは天然ガス、都市ガス等の可燃性成分を含む場合には、燃焼装置１２５を動作させる（焼却ステップ）。これによって、可燃性の残留ガスを焼却処分することができるので、ＰＥＦＣシステムをより安全に運転させることができる。
【０１３１】
ステップＳ２１５において、燃焼装置１２５への残留ガスの排出が完了した時点で、本発明の還元剤の供給開始動作は終了する。還元剤の供給はそのまま継続される。
【０１３２】
本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法においては、還元剤供給マニホールド９２Ｉを閉塞している帯水層によって、還元剤と還元剤流路２１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。したがって、本運転方法によれば還元剤流路２１の残留ガスと還元剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。つまり、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において、還元剤流路２１に酸化剤の混入のおそれがある場合に、還元剤の供給開始に伴う、還元剤流路２１での局所的異常燃焼を防止できるので、効果的である。例えば、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において酸化剤流路３１に酸化剤が滞留した状態において、ＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。特に、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止動作において、酸化剤が滞留したままの状態で酸化剤流路３１が密閉されている場合、あるいは大気開放されている場合のＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。
【０１３３】
また、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路２１のパージを省略することができる。つまり、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、ＰＥＦＣシステムを小型化及び軽量化することができる。
【０１３４】
さらに、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、還元剤流路２１の残留ガスが、窒素ガス、天然ガス等の不活性ガス(動作温度(３０℃〜９０℃)において、酸素と共存していても、触媒層中で燃焼反応を起こさない)である場合には、酸化剤流路３１の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがない。したがって、後述する第３実施形態に比べて、酸化剤供給マニホールド９３Ｉへの注水を省略することができるので、ＰＥＦＣシステムをより速やかに起動させることができる。
【０１３５】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【０１３６】
図９に示すように、本実施形態のＰＥＦＣシステムは、第１実施形態及び第２実施形態の双方が構成された実施形態である。したがって、図９において図７及び図５と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。
本実施形態のＰＥＦＣシステムにおいて、残留ガス処理系統１５３は、第１実施形態の残留ガス処理系統１５１が変形されて、気液分離装置１２６が省略されて、気液分離装置１２７を含めて構成されている。気液分離装置１２７においては、酸化剤排出経路１１３Ｅ及び還元剤排出経路１１２Ｅ双方の流体を気相と液相とに分離して、気相のみを燃焼装置１２５に流すことができる。さらには、当該気相が可燃性であった場合には、燃焼装置１２５によって焼却処分することができる。
【０１３７】
図１０は、図９のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤及び酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。図１０において、図６及び図８と同一又は相当するステップには同一の符号を付してその説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１３８】
まず、第１実施形態及び第２実施形態と同様にステップＳ２０１（帯水層形成ステップ）において水供給部１４４からＰＥＦＣ本体９９に水が注水された後、第１実施形態及び第２実施形態の動作が並行して行われる。ここで、時間計測部３０３は、少なくとも２つの時間を並行して計測できるように構成されている。具体的には、図１０においては、時間ＴＡ及び時間ＴＣを計測するように構成されている。時間ＴＣは第１実施形態における時間Ｔに相当し、時間ＴＡは第２実施形態における時間Ｔに相当する。これによって、第１実施形態及び第２実施形態の動作を並行して実施することができる。
【０１３９】
本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法においては、酸化剤供給マニホールド９３Ｉを閉塞している帯水層によって酸化剤と酸化剤流路３１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。また、還元剤供給マニホールド９２Ｉを閉塞している帯水層によって還元剤と還元剤流路２１の残留ガスとを隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。換言すると、残留ガスと還元剤及び酸化剤との間には帯水層が介在するので、残留ガスと還元剤及び酸化剤との界面が形成されない。
【０１４０】
したがって、本運転方法によれば還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の残留ガスと還元剤及び酸化剤との混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。つまり、本運転方法は、還元剤流路２１の残留ガスへの酸化剤の混入のおそれと、酸化剤流路３１の残留ガスへの還元剤の混入のおそれがある場合に、ＰＥＦＣシステムの起動動作におけるＭＥＡ５の損傷をより確実に防止することができる。例えば、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止状態において酸化剤流路３１に酸化剤が滞留し、かつ還元剤流路に還元剤が滞留した状態において、ＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。特に、本運転方法は、ＰＥＦＣ本体９９の発電停止動作において、還元剤が滞留したままの状態で還元剤流路２１が密閉され、かつ、酸化剤が滞留したままの状態で酸化剤流路３１が密閉されている場合のＰＥＦＣシステムの起動動作として効果的である。
【０１４１】
また、本実施形態のＰＥＦＣシステムの運転方法は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路２１及び酸化剤流路３１のパージを省略することができる。つまり、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。また、パージ用の不活性ガスや水を不要とすることができるので、ＰＥＦＣシステムを小型化及び軽量化することができる。
【０１４２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、帯水層形成ステップＳ２０２、Ｓ２１２における、酸化剤供給経路１１３Ｉあるいは還元剤供給経路１１２Ｉへの注水経路は、水排出経路１１４Ｅ以外から構成することもできる。例えば、第１実施形態において、供給側連絡路１２１を水供給経路１１４Ｉ及び酸化剤供給経路１１３Ｉの間を接続するように構成してもよい。この場合、弁１３１Ｖを圧力調整弁あるいは弁開度調整弁として、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水圧力あるいは弁開度を調整可能に構成するとよい。このように、上記実施形態を含め、水供給部１４４をＰＥＦＣ本体９９の冷却水供給部を利用する構成とすると、水供給部を統合して構成することができる。つまり、本発明のＰＥＦＣシステムの運転方法を効率的にすることができる。また、本発明のＰＥＦＣシステムの構成をより簡素化することができる。
【０１４３】
他方で、第１乃至第３実施形態に共通して、以下の変形例１乃至３のように構成することもできる。
【０１４４】
［変形例１］
第１実施形態の変形例として説明する。
【０１４５】
図１１は、図５のＰＥＦＣシステムにおける供給側連絡路の変形例を示す図である。
【０１４６】
図１１に示す通り、本変形例では、水供給部１４４とは別個の第２水供給部１４５を有している。供給側連絡路１２１は、第２水供給部１４５と酸化剤供給経路１１３Ｉを結ぶように構成され、弁１３１Ｖは圧力調整弁あるいは開度調整弁によって構成されている。これによって、帯水層形成ステップ（Ｓ２０２）における、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水圧あるいは弁開度は、制御部３０４が弁１３１Ｖを制御することによって調整できる。注水圧あるいは弁開度は、予め入力部３０１から入力されて、記憶部３０２に記憶されている。あるいは制御部３０４の調整に拠らず、弁１３１Ｖに調整基準圧力あるいは弁開度を設定することによって実施することもできる。また、第２水供給部１４５は、水供給部１４４からは独立して動作可能に構成されているので、酸化剤供給経路１１３Ｉへの注水動作は、水供給経路１１４Ｉ及び水排出経路１１４Ｅの水供給からは独立して実施することができる。したがって、ＰＥＦＣシステムの起動動作において、ＰＥＦＣ本体９９の暖機動作と酸化剤供給の開始動作とをそれぞれ独立して行うことが可能となるので、ＰＥＦＣシステムの起動動作の柔軟性を向上させることができる。
【０１４７】
ここで、第２水供給部１４５には、上述の水供給部１４４と同様に構成されている。あるいは、注水圧力は、０．５乃至１ｋＰａ程度大気圧より高い水圧とすればよいので、第２水供給部１４５は、ＰＥＦＣシステムよりも高所に配置された貯水タンクとすることもできる。この場合、注水圧力は水頭圧となるので、ＰＥＦＣ本体９９より５ｃｍ乃至１０ｃｍ程度高所に設置された貯水タンクとすることができる。また、弁１３１Ｖの圧力調整機能あるいは弁開度調整機能は不要となるので、通常の開閉弁とするとよい。
【０１４８】
また、弁１３１Ｖ，１３２Ｖ，１３３Ｖ，１３４Ｖ，１３５Ｖ，１３６Ｖの構成を合理化することもできる。例えば、以下の変形例２のように構成することができる。
【０１４９】
［変形例２］
第１実施形態の変形例として説明する。
【０１５０】
図１２は、図５のＰＥＦＣシステムにおける弁構成の変形例を示す図である。
【０１５１】
図１２に示す通り、図５の弁１３１Ｖ及び弁１３２Ｖを、三方弁１３７Ｖとして統合することもできる。また、図５の弁１３３Ｖ及び弁１３４Ｖを、三方弁１３８Ｖとして統合することもできる。
【０１５２】
[変形例３]
第１実施形態の変形例として説明する。
【０１５３】
図１３は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のアノードセパレータ板を示す平面図である。図１４は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のカソードセパレータ板を示す平面図である。図１５は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体の酸化剤供給マニホールド領域での断面の一部を拡大して示す断面図である。
【０１５４】
図１３及び図１４に示すように、変形例３では、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉ、３２Ｉ、酸化剤供給マニホールド孔２３Ｉ、３３Ｉ及び水供給マニホールド孔２４Ｉ、３４Ｉが各セパレータ９Ａ，９Ｃの上部に形成されている。そして、還元剤供給マニホールド孔２２Ｉあるいは酸化剤供給マニホールド孔３３Ｉの重力方向下面に還元剤供給端２１Ｉあるいは酸化剤供給端３１Ｉが構成されている。
【０１５５】
本変形例の場合、上記第１乃至３実施形態及び変形例１の帯水層形成ステップ（Ｓ２０２）において、例えば酸化剤供給マニホールド９３Ｉでは、酸化剤供給端３１Ｉから水が順次それぞれの酸化剤流路３１に浸入する。ここで、注水速度が遅くなるほど、酸化剤供給マニホールド９３Ｉが水没する前に、水が一部の酸化剤流路３１において排出端３１Ｅに到達してしまうおそれが大きくなる。酸化剤供給マニホールド９３Ｉが水没する前に、水が一部の酸化剤流路３１において排出端３１Ｅまで到達してしまうと酸化剤供給マニホールド９３Ｉの水没は難しくなる。
【０１５６】
しかし、実際に供給する水圧０．５〜１ｋPaでの注水では、図１５に示すように、水が酸化剤供給マニホールド９３Ｉを塞ぎながら、すなわち帯水層による閉塞領域を拡大させながら、酸化剤供給マニホールド９３Ｉに浸入してくるので、残留ガスを効率よく酸化剤ガス流路３１へと押し出すことができ、酸化剤供給マニホールド９３Ｉをより円滑に水没させることができる。酸化剤流路３１側を例として説明したが、還元剤流路２１側でも同様である。
【０１５７】
以上の説明から明らかなように、本発明のＰＥＦＣシステムは、還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉの少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成することができる。したがって、還元剤及び酸化剤の供給によって、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかの残留ガスと還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかとを帯水層によって隔離しながら、残留ガスを押し出すことができる。したがって、還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかにおける残留ガスと還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかとの混合による燃焼反応が防止され、ＭＥＡ５の損傷を防止することができる。また、直接、酸化剤あるいは還元剤の少なくともいずれかによって還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかの残留ガスをパージする場合に比べて、残留ガスのパージに要する時間を短縮することができる。さらに、水によって還元剤流路２１及び酸化剤流路３１の少なくともいずれかの残留ガスをパージする場合に比べても、使用される水量が少ないので、残留ガスのパージに要する水量の削減と時間の短縮を図ることができる。したがって、ＰＥＦＣシステムを速やかに起動させることができる。
【０１５８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。
例えば、上記実施形態では、内部マニホールド型のＰＥＦＣ本体９９を用いているが、これらマニホールド９２Ｉ，９３Ｉ，９４Ｉ，９２Ｅ，９３Ｅ，９４ＥがＰＥＦＣ本体９９とは別の部材によって構成されている構造（いわゆる外部マニホールド型の構造）においても、同様であり、本発明を適用できる。
【０１５９】
また、本発明は、還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかの供給開始動作において、還元剤及び酸化剤の少なくともいずれかの供給開始前に、水供給部からの注水によって、還元剤の流通方向において還元剤供給端２１Ｉよりも上流側の還元剤供給経路１１２Ｉの少なくとも一部、及び酸化剤の流通方向において酸化剤供給端３１Ｉよりも上流側の酸化剤供給経路１１３Ｉの少なくとも一部、の少なくともいずれかを閉塞するように帯水層を形成することによって、実施することができる。
つまり、帯水層の形成位置を還元剤供給マニホールド９２Ｉ及び酸化剤供給マニホールド９３Ｉに限定するものではない。還元剤側の帯水層の形成位置が還元剤供給マニホールド９２Ｉに限られるわけではない。例えば、還元剤供給マニホールド９２Ｉの有無にかかわらず、弁で還元剤供給経路１１２Ｉを区画しておいてその弁の上流側に帯水層を形成することもできる。酸化剤側の帯水層の形成位置も同様である。
また、還元剤供給経路１１２Ｉの流路形状はＰＥＦＣシステムの構成によって異なる。したがって、還元剤供給経路１１２Ｉの少なくとも一部に還元剤供給マニホールド９２Ｉよりも上流側に十分な帯水層を形成できる形状の流路を設けて、そこに帯水層を形成することもできる。酸化剤側の帯水層の形成位置も同様である。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明は、ＰＥＦＣシステムの起動動作において水や不活性ガスによる還元剤流路及び酸化剤流路のパージを省略することができる、ＰＥＦＣシステムの運転方法、及びその運転方法を利用したＰＥＦＣシステムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の単電池及びＰＥＦＣ本体の積層構造を模式的に例示する部分分解斜視図である。
【図２】図２は、図１の単電池の構造を示す要部断面図である。
【図３】図３は、図１のＰＥＦＣ本体の単電池間の積層構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【図４】図４は、図１のＰＥＦＣ本体の端部の構造を模式的に例示する分解斜視図である。
【図５】図５は、第１実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図６】図６は、図５のＰＥＦＣシステムの起動動作における酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第２実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図８】図８は、図７のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、第３実施形態のＰＥＦＣシステムの構成を概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、図９のＰＥＦＣシステムの起動動作における還元剤及び酸化剤の供給開始の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、図５のＰＥＦＣシステムにおける供給側連絡路の変形例を示す図である。
【図１２】図１２は、図５のＰＥＦＣシステムにおける弁構成の変形例を示す図である。
【図１３】図１３は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のアノードセパレータ板を示す平面図である。
【図１４】図１４は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体のカソードセパレータ板を示す平面図である。
【図１５】  図１５は、変形例３における図１のＰＥＦＣ本体の酸化剤供給マニホールド領域での断面の一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【０１６２】
１  高分子電解質膜
２Ａ  アノード側触媒層
２Ｃ  カソード側触媒層
４Ａ  アノード側ガス拡散層
４Ｃ  カソード側ガス拡散層
５  ＭＥＡ
６  枠体
７  ＭＥＡ部材
９Ａ  アノードセパレータ板
９Ｃ  カソードセパレータ板
１０  単電池
１２Ｉ、２２Ｉ、３２Ｉ  還元剤供給マニホールド孔
１２Ｅ、２２Ｅ、３２Ｅ  還元剤排出マニホールド孔
１３Ｉ、２３Ｉ、３３Ｉ  酸化剤供給マニホールド孔
１３Ｅ、２３Ｅ、３３Ｅ  酸化剤排出マニホールド孔
１４Ｉ、２４Ｉ、３４Ｉ  水供給マニホールド孔
１４Ｅ、２４Ｅ、３４Ｅ  水排出マニホールド孔
１５，２５，３５、５５，６５，７５  ボルト孔
２０、３０  ＭＥＡ当接領域
２１  還元剤流路
２１Ｉ  還元剤供給端
２６、３６  水流路
３１  酸化剤流路
３１Ｉ  酸化剤供給端
５０、５１  集電板
５６  端子
６０、６１  絶縁板
７０、７１  端板
５２Ｉ、６２Ｉ、７２Ｉ  還元剤供給孔
５２Ｅ、６２Ｅ、７２Ｅ  還元剤排出孔
５３Ｉ、６３Ｉ、７３Ｉ  酸化剤供給孔
５３Ｅ、６３Ｅ、７３Ｅ  酸化剤排出孔
５４Ｉ、６４Ｉ，７４Ｉ  水供給孔
５４Ｅ、６４Ｅ，７４Ｅ  水排出孔
８０  ボルト
８１  座金
８２  ナット
９２Ｉ  還元剤供給マニホールド
９２Ｅ  還元剤排出マニホールド
９３Ｉ  酸化剤供給マニホールド
９３Ｅ  酸化剤排出マニホールド
９４Ｉ  水供給マニホールド
９４Ｅ  水排出マニホールド
９９  ＰＥＦＣ本体
１０２Ｉ  還元剤供給ノズル
１０２Ｅ  還元剤排出ノズル
１０３Ｉ  酸化剤供給ノズル
１０３Ｅ  酸化剤排出ノズル
１０４Ｉ  水供給ノズル
１０４Ｅ  水排出ノズル
１１２Ｉ  還元剤供給経路
１１２Ｅ  還元剤排出経路
１１３Ｉ  酸化剤供給経路
１１３Ｅ  酸化剤排出経路
１１４Ｉ  水供給経路
１１４Ｅ  水排出経路
１２１  供給側連絡路（第１供給側連絡路）
１２２  排出側連絡路
１２３  第２供給側連絡路
１２５  燃焼装置
１２６、１２７  気液分離装置
１３１Ｖ、１３２Ｖ、１３３Ｖ、１３４Ｖ、１３５Ｖ、１３６Ｖ、１３９Ｖ  弁
１３７Ｖ、１３８Ｖ  三方弁
１４２  還元剤供給部
１４３  酸化剤供給部
１４４  水供給部
１４５  第２水供給部
１５１、１５２，１５３，１５４  残留ガス処理系統
３００  制御装置
３０１  入力部
３０２  記憶部
３０３  時間計測部
３０４  制御部
Ｓ  ステップ
Ｔ、ＴＡ、ＴＣ  時間
Ｔ１  注水時間
Ｔ２  排気時間
Ｗ  水
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008129793.tif 000018
【図２】
2008129793.tif 000019
【図３】
2008129793.tif 000020
【図４】
2008129793.tif 000021
【図５】
2008129793.tif 000022
【図６】
2008129793.tif 000023
【図７】
2008129793.tif 000024
【図８】
2008129793.tif 000025
【図９】
2008129793.tif 000026
【図１０】
2008129793.tif 000027
【図１１】
2008129793.tif 000028
【図１２】
2008129793.tif 000029
【図１３】
2008129793.tif 000030
【図１４】
2008129793.tif 000031
【図１５】
2008129793.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月24日(2008.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記帯水層形成ステップにおける、前記水供給部からの注水圧及び注水時間は、全ての前記還元剤流路及び前記酸化剤流路において水が通り抜けない注水圧及び注水時間である、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
前記還元剤供給経路は全ての前記単電池の前記還元剤供給端が接続された還元剤供給マニホールドを有し、
前記酸化剤供給経路は全ての前記単電池の前記酸化剤供給端が接続された酸化剤供給マニホールドを有し、
前記帯水層形成ステップにおける、前記注水の注水量が、前記還元剤供給マニホールド及び前記酸化剤供給マニホールドの少なくともいずれかが水没する量である、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【国際調査報告】
2008129793.tif 000033
2008129793.tif 000034
2008129793.tif 000035
2008129793.tif 000036