(57)【要約】      （修正有）【課題】回収水に溶解する二酸化炭素によるセパレータの腐食劣化を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】冷却水流路が形成されたセパレータ１２０を備える燃料電池１１と、燃料電池を含む燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水であって、セパレータに設けられた冷却水流路１２に供給される水、を蓄えるとともに大気開放機構を備えるタンク１４と、タンクに蓄えられた水の温度を調整する温度調整器１５と、発電運転中において、冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータの腐食が発生する前に、温度調整器１５を制御して、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる制御器１６と、を備える、燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水流路が形成されたセパレータを備える燃料電池と、
前記燃料電池を含む燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水であって、前記セパレータに設けられた前記冷却水流路に供給される水、を蓄えるとともに大気開放機構を備えるタンクと、
前記タンクに蓄えられた水の温度を調整する温度調整器と、
発電運転中において、前記冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇して前記セパレータの腐食が発生する前に、前記温度調整器を制御して、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる制御器と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記タンクは、前記冷却水流路に設けられた冷却水タンクである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記タンクは、前記燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水を貯える回収水タンクであり、
さらに、前記冷却水流路が冷却水タンクを備え、
前記回収水タンクは、接続流路を介して前記冷却水タンクに接続されており、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記燃料電池システムの累積運転時間が増加すると、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、定期的に、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出器を備え、
前記制御器は、前記電圧検出器の検出する電圧が低下すると、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記タンク内の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出器を備え、
前記制御器は、前記二酸化炭素濃度検出器の検出する二酸化炭素濃度が増加すると、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却水流路に供給される水の電気伝導度を検出する電気伝導度検出器を備え、
前記制御器は、前記電気伝導度検出器の検出する電気伝導度が増加すると、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記冷却水流路に供給される水のｐＨを検出するｐＨ検出器を備え、
前記制御器は、前記ｐＨ検出器の検出するｐＨが低下すると、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記タンクは、前記冷却水流路に設けられた冷却水タンクであり、
さらに、前記燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水を貯える回収水タンクと、
前記回収水タンクと前記冷却水タンクとを接続する接続流路と、
前記接続流路に設けられて前記接続流路を開閉する開閉弁とを備え、
前記制御器は、前記開閉弁の累積開放時間が増加すると、前記冷却水タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく前記温度調整器を制御するように構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記温度調整器は、前記タンクに蓄えられた水を加熱する電気ヒータである、請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記タンクは、前記冷却水流路に設けられた冷却水タンクであり、
前記温度調整器は、前記冷却水流路を通流する水から熱を放熱する放熱器であり、
前記制御器は、前記放熱器からの放熱量を調整して、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるように構成されている、請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池を含む燃料電池ユニットから排出される排ガスから水を回収して大気開放機構を備えるタンクに蓄え、
前記タンクに蓄えられた水を、前記燃料電池が備えるセパレータに形成された冷却水流路に供給し、
発電運転中において、前記冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇して前記セパレータの腐食が発生する前に、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる、
燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。より詳しくは、冷却水流路が形成されたセパレータを備えた燃料電池を含む燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、燃料電池から排出される空気オフガスと、燃料改質器から排出される燃焼排ガスとに含まれる水分を回収し、回収水をイオン交換式水処理装置に供給して燃料改質用の補給水とするものにおいて、前記燃焼排ガス中の水分を凝縮する熱交換器の後段に前記空気オフガス中の水分を凝縮する熱交換器を連接して設け、燃焼排ガスからの凝縮水を前記後段に配された熱交換器の空気オフガス側熱交換面に沿って通水し、凝縮水を炭酸ガス濃度の低い前記空気オフガスと向流接触させ、炭酸ガス濃度を低減した回収水を生成することを特徴とする燃料電池発電装置の補給水回収装置を開示する。
【０００３】
特許文献２は、原料ガスを処理して水素富化燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料ガス中の水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池セルスタックと、前記電気化学的反応に伴って生成する生成水のうち、系内で再利用されずに系外へ排出される排水のｐＨ調整をするｐＨ調整装置と、を備える燃料電池発電システムを開示する。ｐＨ調整装置は、排水に空気を接触させることによりｐＨを調整するように構成されている。かかる構成により、燃料電池発電システムから系外へ排出される排水に含まれる炭酸ガスを除去してｐＨ値を増加させ脱炭酸された排水を系外へ排出する。
【０００４】
特許文献３は、燃料電池から回収された凝縮水を脱炭酸処理する脱炭酸手段と、外部補給水を処理する逆浸透膜装置と、前記脱炭酸手段の処理水及び／又は該逆浸透膜装置の透過水を脱塩処理する電気脱イオン装置と、該電気脱イオン装置の濃縮水の少なくとも一部を、系外に排出する流路と前記脱炭酸手段に供給する流路とを切り替える切替手段とを備えてなる燃料電池の水処理装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８５４１７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０１６号公報
【特許文献１】特許第４４６１５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の構成では、燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水（以下、「回収水」）に溶解している二酸化炭素、いわゆる炭酸、の除去が不十分であり、該二酸化炭素が燃料電池システムの劣化をもたらす可能性があった。
【０００７】
本発明は、回収水に溶解している二酸化炭素によって燃料電池システムが劣化する可能性を従来よりも低減することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による燃料電池システムの一態様は、冷却水流路が形成されたセパレータを備える燃料電池と、前記燃料電池を含む燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水であって、前記セパレータに設けられた冷却水流路に供給される水、を蓄えるとともに大気開放機構を備えるタンクと、前記タンクに蓄えられた水の温度を調整する温度調整器と、発電運転中において、前記冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇して前記セパレータの腐食が発生する前に、前記温度調整器を制御して、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる制御器と、を備える。
【０００９】
本発明による燃料電池システムの運転方法の一態様は、燃料電池を含む燃料電池ユニットから排出される排ガスから水を回収して大気開放機構を備えるタンクに蓄え、前記タンクに蓄えられた水を、前記燃料電池が備えるセパレータに形成された冷却水流路に供給し、発電運転中において、前記冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇して前記セパレータの腐食が発生する前に、前記タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、回収水に溶解している二酸化炭素によって燃料電池システムが劣化する可能性を従来よりも低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムが備える燃料電池の概略構成の一例を示す断面模式図である。
【図３】図３は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の概略の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図７】図７は、第１実施形態の第５変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図８】図８は、第１実施形態の第６変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図９】図９は、第１実施形態の第７変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明者らは、回収水に溶解している二酸化炭素が燃料電池システムの劣化をもたらす原因および対策を鋭意検討し、以下の知見を得た。
【００１３】
回収水は、燃料電池の冷却水として利用される場合がある。冷却水は、燃料電池のセパレータに形成された冷却水流路を通流することで、燃料電池の熱を回収する。発電運転中、該冷却水流路には、スタックの積層方向に沿った両側に電位差が生じる（図２および第１実施形態の記載を参照）。冷却水の電気伝導度が低い状態では、該電位差が生じても、冷却水流路中の冷却水を介して電流が流れることはほとんどない。
【００１４】
冷却水中に溶解している二酸化炭素は、電気伝導度を上昇させる。冷却水の電気伝導度が上昇すると、該電位差により、冷却水流路内に電流が流れる。該電流はセパレータと冷却水流路との界面を通る。この電流が、該界面におけるセパレータの腐食の原因となる。具体的には、例えば、セパレータを構成するバインダ、すなわちプラスチックが、溶出することが考えられる。
【００１５】
燃料電池システムの発電運転中において、冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータの腐食が発生する前に、大気開放機構を備えるタンクに蓄えられた回収水の温度を上昇させることで、かかる腐食が発生する可能性を低減できる。すなわち、回収水の温度を上昇させると、二酸化炭素の溶解度が低下し、回収水中に溶解していた二酸化炭素が気体となって大気へと放出される。その結果、回収水の電気伝導度が低下する。回収水は、燃料電池の冷却水として利用される。回収水の電気伝導度を低下させることで、冷却水の電気伝導度を低下させることができる。この点は、回収水タンクと冷却水タンクとが同一のタンクである場合でも、独立した別個のタンクである場合でも、同様である。
【００１６】
かかる方法では、イオン交換樹脂によらずに二酸化炭素を除去できるので、重炭酸イオンをイオン交換樹脂で吸着除去する必要性が低減する。燃料電池システムにおいて、イオン交換樹脂を不要にしたり、イオン交換樹脂の量を減らしたり、イオン交換樹脂の寿命を長くしたりすることができる。イオン交換樹脂の破過が生じた場合でも、回収水から二酸化炭素を除去できる。脱気及び逆浸透膜等を用いた従来の二酸化炭素除去器と比較して、装置を小型化でき、コストも低く抑えることができる。
【００１７】
以下、実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。なお、各図に示されている、各構成物の形状、大きさ、及び、位置関係は、あくまで例であって、それらは図示された態様に限定されるものではない。
【００１８】
（第１実施形態）
第１実施形態の燃料電池システムは、冷却水流路が形成されたセパレータを備える燃料電池と、燃料電池を含む燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水であって、セパレータに設けられた冷却水流路に供給される水、を蓄えるとともに大気開放機構を備えるタンクと、タンクに蓄えられた水の温度を調整する温度調整器と、発電運転中において、冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータの腐食が発生する前に、温度調整器を制御して、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる制御器と、を備える。
【００１９】
かかる構成では、回収水に溶解している二酸化炭素によって燃料電池システムが劣化する可能性を従来よりも低減することができる。
【００２０】
発電運転中とは、燃料電池システムの発電運転中をいう。
【００２１】
上記燃料電池システムにおいて、タンクは、冷却水流路に設けられた冷却水タンクであってもよい。
【００２２】
上記燃料電池システムにおいて、温度調整器は、タンクに蓄えられた水を加熱する電気ヒータであってもよい。
【００２３】
上記燃料電池システムにおいて、制御器は、燃料電池システムの累積運転時間が増加すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されていてもよい。
【００２４】
第１実施形態の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池を含む燃料電池ユニットから排出される排ガスから水を回収して大気開放機構を備えるタンクに蓄え、タンクに蓄えられた水を、燃料電池が備えるセパレータに形成された冷却水流路に供給し、発電運転中において、冷却水流路に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータの腐食が発生する前に、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させる。
【００２５】
かかる構成では、回収水に溶解している二酸化炭素によって燃料電池システムが劣化する可能性を従来よりも低減することができる。
【００２６】
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００２７】
図１に示す例では、第１実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、冷却水流路１２と、タンク１４と、温度調整器１５と、制御器１６と、を備える。
【００２８】
燃料電池１１は、冷却水流路１２３が形成されたセパレータ１２０を備える。燃料電池１１は、いずれの種類であってもよく、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。燃料電池は、例えば、セパレータ１２０の両側にアノードとカソードとを備える。かかる構成を有する燃料電池は、例えば、アノードに供給される水素ガス等の燃料と、カソードに供給される空気等の酸化剤との電気化学的反応を利用して発電する。
【００２９】
燃料電池ユニット１３は、水素生成装置（図示せず）を備えていてもよい。燃料電池１１が水素生成装置より供給された水素含有ガスを用いて発電してもよい。水素生成装置は、燃焼器（図示せず）を備えていてもよい。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、水素生成装置と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成されてもよい。
【００３０】
冷却水流路１２は、冷却水流路１２３を含む。すなわち、冷却水流路１２３は、冷却水流路１２の一部である。冷却水流路１２には、冷却水を循環させるためのポンプ等を備える循環器（図示せず）が設けられてもよい。冷却水流路１２が冷却水を蓄えるタンクを備える場合、該タンクは冷却水流路１２の一部を構成する。冷却水流路１２に通流する水が、タンク１４から取り出され、タンク１４に溜められる場合、タンク１４は冷却水流路１２の一部を構成する。
【００３１】
冷却水は、冷却水流路１２３に供給される水であって、冷却水流路１２を循環する水である。冷却水流路１２３に供給される水、及び、冷却水流路を循環する水は、回収水のみに限定されず、他の水が混ざっていてもよい。
【００３２】
タンク１４は、燃料電池１１を含む燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水（以下、「回収水」という）であって、セパレータ１２０に設けられた冷却水流路１２３に供給される水、を蓄える。排ガスとしては、例えば、燃料電池１１のアノードから排出されるアノードオフガス、燃料電池１１のカソードから排出されるカソードオフガス、燃料電池ユニット１３が燃焼器を備える場合には、該燃焼器から排出される燃焼排ガス、等とすることができる。複数の排ガスの任意の組合せから回収水が得られてもよい。
【００３３】
具体的には例えば、アノードオフガスと燃焼排ガスを合流させ、アノードオフガスと燃焼排ガスとの混合ガスから回収水が得られてもよい。カソードオフガスと燃焼排ガスを合流させ、カソードオフガスと燃焼排ガスとの混合ガスから回収水が得られてもよい。あるいは、アノードオフガスとカソードオフガスと燃焼排ガスのそれぞれから得られた回収水を適宜合流させて、タンク１４に供給してもよい。
【００３４】
タンク１４は、凝縮水流路を介して、燃料電池の排ガス流路と接続されている。例えば、排ガス流路から凝縮水流路が分岐する分岐点に、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから水を回収する凝縮器（図示せず）を備えていてもよい。
【００３５】
タンク１４は、大気開放機構２９を備える。大気開放機構２９は、少なくとも温度調整器１５によりタンク１４の水の温度を上昇させているときに開放している。大気開放機構２９は、タンク１４の壁面に大気開放された開口部を備える等して直接的に大気開放する機構であってもよいし、タンク１４に連通する流路と、該流路に連通する他のタンク等の内部空間を介して、間接的に大気開放する機構であってもよい。該流路は、例えば、タンク１４の容量を超えてタンク１４の内部に流入した水を他のタンクに排出するオーバーフロー管等であってもよい。また、大気開機構は、温度調整器１５でタンク１４の水の温度を上昇させているときに開放する圧抜き器であってもよい。
【００３６】
なお、タンク１４の大気開放機構２９は、発電運転時にタンク１４の内圧が大気圧よりも高くなるよう構成されていてもよい。これにより、大気開放機構２９が、大気圧と同等になるよう設計されている場合に比べ、蒸発拡散によってタンク１４内の水が減少する可能性が低減される。
【００３７】
また、タンク１４の大気開放機構２９は、温度調整器１５によりタンク１４の水の温度を上昇させているときにタンク１４の内圧がタンク１４の耐圧上限値以下になるよう構成されていてもよい。これにより、タンク１４の水の温度を上昇させる制御を行っているときにタンク１４が破損する可能性が低減される。
【００３８】
タンク１４は、回収水が他のタンクを介さずに直接的に蓄えられるタンク、いわゆる回収水タンクであってもよいし、冷却水流路が備えるタンク、いわゆる冷却水タンクであってもよい。冷却水タンクは、回収水タンクから回収水を受け取り、該回収水を冷却水として溜めてもよい。この場合、回収水タンクと冷却水タンクとを接続する接続流路には、ポンプが設けられていてもよい。回収水タンクを冷却水タンクよりも上方に設置し、回収水が重力によって回収水タンクから冷却水タンクへと流下するように構成してもよい。タンク１４は、回収水タンクであると同時に冷却水タンクであってもよい。
【００３９】
温度調整器１５は、タンク１４に蓄えられた水の温度を調整する。図１に示す例では、温度調整器１５は、タンクに蓄えられた水を加熱する電気ヒータである。なお、電気ヒータは、燃料電池システム１０の余剰電力を用いて加熱する電気ヒータであってもよい。ここでいう余剰電力とは、燃料電池１１が出力する電力のうち、燃料電池システム１０の外部負荷へと供給される電力を除いた、残りの電力をいう。
【００４０】
一般的な燃料電池システムは、瞬時の負荷追従への対応が難しいため、燃料電池システムが電力供給している電気機器の負荷変動が激しい場合には、余剰電力を処理する機構が必要になる。余剰電力を処理する機構としては、電気ヒータによって熱エネルギーに変換したり、蓄電池などの電気化学エネルギーに変換したり、あるいはフライホイールなどの運動エネルギーに変換するなどの方法が考えられる。本実施形態では、電気ヒータによって余剰電力を熱エネルギーに変換する方法を用いる。余剰電力を電気ヒータによって熱エネルギーに変換することによって、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させることができる。
【００４１】
また、後述する二酸化炭素濃度推定手段により、この余剰電力を電気ヒータに投入した履歴と加熱時間から、二酸化炭素濃度がどこまで低下したかを推定することにより、余剰電力が無い場合においても、より好適なタイミングで温度上昇を実施することが可能となる。
【００４２】
温度調整器１５は、冷却水流路１２３に通流する冷却水から熱を放熱する放熱器であってもよいし、燃料電池ユニット１３に備えられたバーナの排熱を利用して加熱する加熱器であってもよい。
【００４３】
図１に示す例では、温度調整器１５がタンク１４に設けられている。温度調整器１５は、タンク１４に蓄えられた水の温度を調整可能であれば、どのような部位に設けられていてもよい。具体的には例えば、タンク１４が冷却水流路１２の一部を構成する場合には、温度調整器１５が冷却水流路１２のタンク１４以外の部位に設けられていてもよい。回収水タンクと冷却水タンクとが独立して別箇に設けられ、タンク１４が冷却水タンクである場合には、温度調整器１５が回収水タンクと冷却水タンクとを接続する接続流路に設けられていてもよい。
【００４４】
制御器１６は、冷却水流路１２３に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータの腐食が発生する前に、温度調整器１５を制御して、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【００４５】
制御器１６は、制御機能を有するものであればよく、例えば、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えてもよい。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器１６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器１６は、計時器を備えていてもよい。
【００４６】
タンク１４に蓄えられた水の温度を検出する温度検出器（図示せず）が設けられていてもよい。温度検出器は、タンク１４に設けられていてもよい。タンク１４が冷却水流路１２の一部を構成する場合には、温度検出器が冷却水流路１２のタンク１４以外の部位に設けられていてもよい。回収水タンクと冷却水タンクとが独立して別箇に設けられ、タンク１４が冷却水タンクである場合には、温度検出器が回収水タンクと冷却水タンクとを接続する接続流路に設けられていてもよい。
【００４７】
タンク１４に蓄えられた水に含有するイオンを除去するイオン交換器が設けられていてもよい。冷却水流路１２３に通流する水に含有するイオンを除去するイオン交換器が冷却水流路１２に設けられていてもよい。
【００４８】
［燃料電池の構成］
図２は、第１実施形態にかかる燃料電池システムが備える燃料電池の概略構成の一例を示す断面模式図である。
【００４９】
図２に示す例では、本実施形態における燃料電池１１のセル１００は、ＭＥＡ１１０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）と、ＭＥＡ１１０の両面に配置された一対の板状の導電性のセパレータ１２０とを有している。
【００５０】
ＭＥＡ１１０は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１１と、当該高分子電解質膜１１１の両面に形成された一対の電極層１１２とを備えている。一対の電極層１１２は、高分子電解質膜１１１の両面に形成され、白金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする触媒層１１３と、当該触媒層１１３上に形成され、集電作用とガス透過性と撥水性とを併せ持つガス拡散層１１４とを有している。
【００５１】
高分子電解質膜１１１は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜１１１の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形状とすることができる。高分子電解質膜１１１の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。
【００５２】
高分子電解質膜１１１としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、旭硝子（株）製のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）など）や各種炭化水素系電解質膜を使用できる。
【００５３】
触媒層１１３は、好ましくは、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層１１３は、導電性を有し、かつ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであれば特に限定されない。触媒層１１３の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形状とすることができる。
【００５４】
触媒層１１３は、例えば、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成される。触媒層１１３に用いるプロトン導電性高分子材料は、上記高分子電解質膜と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。
【００５５】
ガス拡散層１１４は、例えば、導電性を有する多孔質の部材である。ガス拡散層１１４の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形状の板状部材とすることができる。ガス拡散層１１４は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。
【００５６】
ガス拡散層１１４は、カーボンシート１１５と、カーボン層１１６とで構成されている。カーボンシート１１５とカーボン層１１６とは、いずれも、導電性粒子と高分子樹脂とを含んでいてもよい。
【００５７】
ガス拡散層１１４には、セパレータ１２０と当接する主面に、反応ガス流路が形成されていてもよい。ガス拡散層１１４は、カソード側及びアノード側において同じガス拡散層を用いても、異なるガス拡散層を用いてもよい。
【００５８】
セパレータ１２０は、例えば、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための部材である。セパレータ１２０は、例えば、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。セパレータ１２０は、導電性を有する多孔質のプレートであってもよい。
【００５９】
セパレータ１２０がカーボンを含む材質で構成される場合、セパレータ１２０は、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型に供給し、金型に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成できる。
【００６０】
セパレータ１２０が金属を含む材質で構成される場合、セパレータ１２０は、金属プレートからなるものであってもよい。セパレータ１２０は、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００６１】
一対のセパレータ１２０には、ガス拡散層１１４と当接する主面（以下、電極面）に、燃料ガスを流すための燃料ガス流路１２１と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路１２２とが設けられている。また、前記一対のセパレータ１２０には、ガス拡散層１１４と当接しない主面（以下、冷却面）に、冷却水などが通る冷却水流路１２３が設けられている。燃料ガス流路１２１を通じて電極層１１２に燃料ガスが供給され、かつ、酸化剤ガス流路１２２を通じて電極層１１２に酸化剤ガスが供給されることで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。
【００６２】
セパレータ１２０は導電性を有する。燃料電池１１の発電中は、セル１００の積層方向に沿って、セパレータ１２０の内部を電流が流れる。このため、冷却水流路１２３には、スタックの積層方向に沿った両側に電位差が生じる。冷却水の電気伝導度が低い状態では、該電位差が生じても、冷却水流路中の冷却水を介して電流が流れることはほとんどない。しかしながら、冷却水中に溶解している二酸化炭素は、電気伝導度を上昇させる。冷却水中の二酸化炭素濃度が上昇し、冷却水の電気伝導度が上昇すると、該電位差により、冷却水流路１２３内に電流が流れるようになる。該電流はセパレータ１２０と冷却水流路１２３との界面を通る。この電流が、該界面におけるセパレータ１２０の腐食の原因となる。
【００６３】
ガス拡散層１１４に反応ガス流路が形成されている場合には、セパレータ１２０に燃料ガス流路１２１及び酸化剤ガス流路１２２が形成されていなくてもよい。
【００６４】
セル１００は、図２に示すように１つ以上積層され、互いに隣接するセル１００が電気的に直列に接続されて使用されるのが一般的である。なお、このとき、互いに積層されたセル１００は、燃料ガス及び酸化剤ガスがリークしないように且つ接触抵抗を減らすために、ボルトなどの締結部材１３０により所定の締結圧にて加圧締結される。従って、ＭＥＡ１１０とセパレータ１２０とは所定の圧力で面接触することになる。また、電気化学反応に必要なガスが外部に漏れるのを防ぐために、セパレータ１２０、１２０の間には、触媒層１１３とガス拡散層１１４の側面を覆うようにガスケット１１７（シール材）が配置されている。
【００６５】
ガスケット１１７は、好ましくは、触媒層１１３及び高分子電解質膜１１１とセパレータ１２０との間、または、触媒層１１３とセパレータ１２０との間の隙間を埋める部材である。ガスケットは、適度な機械的強度と柔軟性を有している合成樹脂であることが好ましい。ガスケット１１７の形状は、特に限定されないが、例えば、環状で略矩形状とすることができる。
【００６６】
［動作］
制御器１６は、冷却水流路１２３に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータの腐食が発生する前に、温度調整器１５を制御して、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【００６７】
水の温度が上昇することで、水に溶解していた二酸化炭素は、気体となって放出される。気体となった二酸化炭素は、タンク１４の大気開放機構２９を通じて、大気へと放出される。タンク１４に蓄えられた水から二酸化炭素が除去されることにより、該水の電気伝導度が低下する。よって、回収水に溶解している二酸化炭素によってセパレータが腐食する可能性を従来よりも低減することができる。また、燃料電池システムが劣化する可能性を従来よりも低減することができる。
【００６８】
水の温度を上昇させる際には、例えば、水の温度を摂氏９０度まで上昇させてもよい。
【００６９】
かかる制御を行う上での電気伝導度の上限値は、セパレータの腐食が発生する電気伝導度の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的な値は、セパレータの材質、動作温度、及び冷却水の流量等の条件によって適宜に設定されうるが、例えば、電気伝導度の上限値を１０μＳ／ｃｍとすることができる。
【００７０】
なお、制御器１６は、冷却水流路１２３を通流する水の電気伝導度を直接検知する検知器で検知された値に基づき、タンク１４に蓄えられる水の温度を上昇させるよう温度調整器１５を制御してもよいが、これに限定されるものではない。具体的には、制御器１６は、冷却水流路１２３を通流する水の電気伝導度を間接的に検知する検知器の値に基づき、タンク１４に蓄えられる水の温度を上昇させる制御を行ってもよい。冷却水流路１２３を通流する水の電気伝導度を間接的に検知する検知器とは、電気伝導度に相関する物理量を検知する検知器である。該物理量としては、例えば、燃料電池システムの累積運転時間、タンク１４に蓄える水の温度を上昇させる制御を行った後の経過時間等が例示される。
【００７１】
以上の動作については、各実施形態及びその変形例において同様である。
【００７２】
本実施形態では、制御器１６は、上記電気伝導度に代えて、燃料電池システム１０の累積運転時間を取得し、累積運転時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。かかる制御を行うべく、本実施形態の制御器１６は、例えば、計時器を備えていてもよい。計時器は、制御器１６とは別個に設けられ、制御器１６が該計時器から時刻情報等を取得してもよい。累積運転時間は、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる制御が終了した後、リセットされてもよい。
【００７３】
累積運転時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるとは、具体的には、例えば、累積運転時間が所定の上限時間以上になると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させることを含む。
【００７４】
燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから水が回収されて、タンク１４に流入するにつれて、セパレータ１２０の冷却水流路１２３に供給される冷却水の電気伝導度は上昇する。一般に、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水には、大量の二酸化炭素が溶解していて、電気伝導度が高いからである。冷却水の電気伝導度が上昇すると、セパレータの腐食が発生しやすくなる。
【００７５】
よって、該所定の上限時間は、セパレータの腐食が発生する累積運転時間の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。該所定の上限時間は、例えば、２４時間未満の所定時間、より詳細には例えば５時間とすることができる。
【００７６】
［運転方法］
図３は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法の概略の一例を示すフローチャートである。本実施形態において、該運転方法は、制御器１６が燃料電池システム１０の各要素を制御することにより、実行されうる。この点は、他の実施形態においても同様である。
【００７７】
燃料電池システムの運転が開始されると（スタート）、燃料電池１１を含む燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから水が回収され、大気開放機構２９を備えるタンク１４に蓄えられる（ステップＳ１０１）。
【００７８】
その後、制御器１６は、タンク１４に蓄えられた水を、冷却水流路１２３を含む冷却水流路１２に循環させる（ステップＳ１０２）。
【００７９】
その後、制御器１６は、冷却水流路１２３に通流する水の電気伝導度が上昇してセパレータ１２０の腐食が発生する前に、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる（ステップＳ１０３）。
【００８０】
その後、燃料電池システムの運転が停止される（エンド）。
【００８１】
本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、例えば、燃料電池ユニット１３の累積運転時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。より具体的には例えば、燃料電池ユニット１３の累積運転時間が増加すると、温度調整器１５を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。
【００８２】
ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、及び、ステップＳ１０３の実行される順序は異なっていてもよい。
【００８３】
電気伝導度の上限値、累積運転時間に基づく制御における上限時間等については、上述した通りであるので、詳細な説明を省略する。
【００８４】
［第１変形例］
第１変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、制御器は、定期的に、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【００８５】
本変形例において、制御器１６は、定期的に、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。
【００８６】
本変形例の燃料電池システムの装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態と同様とすることができる。よって、図１とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００８７】
制御器１６は、上記の制御を行うべく、例えば、計時器を備えていてもよい。計時器は、制御器１６とは別個に設けられ、制御器１６が該計時器から時刻情報等を取得してもよい。
【００８８】
定期的に、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるとは、具体的には例えば、一定時間おきにタンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させることを含む。
【００８９】
タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる周期は、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。
【００９０】
例えば、燃料電池システムが、累積運転時間ではなく、運転の有無に関わらず、タンク１４に蓄えられた水の温度上昇を実行した後の経過時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させることで、第１実施形態と同様の効果が得られる。上記経過時間が、所定の閾値以上になると、タンク１４に蓄えられた水の温度上昇が実行される。上記所定の閾値は、セパレータの腐食が発生する経過時間の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、所定の閾値は、２４時間としうる。つまり、１日１回、タンク１４に蓄えられた水の温度上昇が実行される。
【００９１】
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の運転方法であって、定期的に、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。より具体的には例えば、定期的に、温度調整器１５を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【００９２】
［第２変形例］
第２変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出器を備え、制御器は、電圧検出器の検出する電圧が低下すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【００９３】
図４は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００９４】
図４に示されている例において、本変形例の燃料電池システム２０は、電圧検出器１７を備えている。電圧検出器１７は、燃料電池１１の出力電圧を検出する。電圧検出器１７は、制御器１６と通信可能に接続されていてもよい。
【００９５】
本変形例の燃料電池システム２０において、制御器１６は、電圧検出器１７の検出する電圧が低下すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。
【００９６】
本変形例の燃料電池システム２０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図４とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【００９７】
冷却水の電気伝導度が上昇すると、発電運転中に冷却水流路１２３において、スタックの積層方向に沿った両側に生じる電位差により流れる電流が大きくなり、該電流によって電位降下が発生する。かかる電位降下を電圧検出器１７で検出することで、冷却水の電気伝導度の指標とすることができる。
【００９８】
従って、電圧検出器１７で検出される電圧が所定の電圧値以下になると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。ここで、上記所定の電圧値は、セパレータの腐食が発生する電圧値の上限値よりも大きい、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。
【００９９】
例えば、セル数が１００で、定格電流値が１００Ａの場合には、冷却水の電気伝導度が１０μＳ／ｃｍの場合に、燃料電池の出力電圧は、２.５Ｖ程度低下しうる。この場合、例えば、燃料電池の出力電圧が、運転条件に基づいて定まる想定値から２.５Ｖ以上低下すると、制御器１６は、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御する。
【０１００】
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の運転方法であって、燃料電池１１の出力電圧が低下すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。より具体的には例えば、電圧検出器１７が検出する燃料電池１１の出力電圧が低下すると、温度調整器１５を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【０１０１】
本変形例と第１変形例とを組み合わせてもよい。
【０１０２】
［第３変形例］
第３変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、タンク内の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出器を備え、制御器は、二酸化炭素濃度検出器の検出する二酸化炭素濃度が増加すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【０１０３】
図５は、第１実施形態の第３変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【０１０４】
図５に示されている例において、本変形例の燃料電池システム３０は、二酸化炭素濃度検出器１８を備えている。二酸化炭素濃度検出器１８は、タンク１４内の二酸化炭素濃度を検出する。二酸化炭素濃度検出器１８は、タンク１４内の水の二酸化炭素濃度を検出するものであってもよいし、タンク１４内の水面上のガス中の二酸化炭素濃度を検出するものであってもよい。二酸化炭素濃度検出器１８は、タンク１４に設けられた開放口の近傍に設けられていてもよい。二酸化炭素濃度検出器１８としては、具体的には例えば、赤外線吸収式ＣＯ２測定器や固体電解質式ＣＯ２測定器を利用することができる。二酸化炭素濃度検出器１８は、制御器１６と通信可能に接続されていてもよい。
【０１０５】
本変形例の燃料電池システム３０において、制御器１６は、二酸化炭素濃度検出器１８の検出する二酸化炭素濃度が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。
【０１０６】
本変形例の燃料電池システム３０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図５とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１０７】
冷却水の二酸化炭素濃度が上昇すると、冷却水の電気伝導度が上昇する。タンク１４内の水の二酸化炭素濃度、及び、タンク１４内の水面上のガス中の二酸化炭素濃度の少なくともいずれか一方を検出することで、冷却水の電気伝導度の指標とすることができる。
【０１０８】
従って、二酸化炭素濃度検出器１８で検出される二酸化炭素濃度が所定の濃度以上になると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。ここで、上記所定の濃度は、セパレータの腐食が発生する濃度の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。
【０１０９】
例えば、タンク１４内の水面上のガス中の二酸化炭素濃度が２０ｐｐｍとなったときに、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。
【０１１０】
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の運転方法であって、タンク１４内の二酸化炭素濃度が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。より具体的には例えば、二酸化炭素濃度検出器１８が検出するタンク１４内の二酸化炭素濃度が増加すると、温度調整器１５を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【０１１１】
本変形例と第１変形例〜第２変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。
【０１１２】
［第４変形例］
第４変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、冷却水流路に供給される水の電気伝導度を検出する電気伝導度検出器を備え、制御器は、電気伝導度検出器の検出する電気伝導度が増加すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【０１１３】
図６は、第１実施形態の第４変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【０１１４】
図６に示されている例において、本変形例の燃料電池システム４０は、電気伝導度検出器１９を備えている。電気伝導度検出器１９は、冷却水流路１２に供給される水の電気伝導度を検出する。電気伝導度検出器１９としては、具体的には例えば、電磁誘導式導電率計を利用することができる。電気伝導度検出器１９は、制御器１６と通信可能に接続されていてもよい。
【０１１５】
本変形例の燃料電池システム４０において、制御器１６は、電気伝導度検出器１９の検出する電気伝導度が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。
【０１１６】
本変形例の燃料電池システム４０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図６とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１１７】
本変形例は、冷却水流路１２３に供給される水の電気伝導度の指標として、冷却水流路１２に供給される水の電気伝導度を利用するものである。電気伝導度が検出される水は、冷却水流路１２に直接的に供給される水であってもよいし、他のタンク等を介して冷却水流路１２へと間接的に供給される水であってもよい。電気伝導度が検出される水は、例えば、回収水タンクに蓄えられた回収水であってもよいし、冷却水タンクに蓄えられた冷却水であってもよい。電気伝導度検出器１９を設ける位置は、必ずしもタンク１４に限定されず、他の場所であってもよい。具体的には例えば、冷却水流路１２のいずれかの場所に電気伝導度検出器１９が設けられてもよい。
【０１１８】
電気伝導度検出器１９で検出される電気伝導度が所定の電気伝導度以上になると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。ここで、上記所定の電気伝導度は、セパレータの腐食が発生する電気伝導度の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。
【０１１９】
例えば、電気伝導度検出器１９が検出する電気伝導度が１０μＳ／ｃｍとなったときに、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。
【０１２０】
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の運転方法であって、冷却水流路１２に供給される水の電気伝導度が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。より具体的には例えば、冷却水流路１２に供給される水の電気伝導度を電気伝導度検出器１９が検出し、該検出された電気伝導度が増加すると、温度調整器１５を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【０１２１】
本変形例と第１変形例〜第３変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。
【０１２２】
［第５変形例］
第５変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、冷却水流路に供給される水のｐＨを検出するｐＨ検出器を備え、制御器は、ｐＨ検出器の検出するｐＨが低下すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【０１２３】
図７は、第１実施形態の第５変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【０１２４】
図７に示されている例において、本変形例の燃料電池システム５０は、ｐＨ検出器２８を備えている。ｐＨ検出器２８は、冷却水流路１２に供給される水のｐＨを検出する。ｐＨ検出器２８としては、具体的には例えば、ガラス電極式ｐＨ計を利用することができる。ｐＨ検出器２８は、制御器１６と通信可能に接続されていてもよい。
【０１２５】
本変形例の燃料電池システム５０において、制御器１６は、ｐＨ検出器２８の検出するｐＨが低下すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。
【０１２６】
本変形例の燃料電池システム５０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１２７】
本変形例は、冷却水流路１２３に供給される水の電気伝導度の指標として、冷却水流路１２に供給される水のｐＨを利用するものである。ｐＨが検出される水は、冷却水流路１２に直接的に供給される水であってもよいし、冷却水流路１２に他のタンク等を介して間接的に供給される水であってもよい。ｐＨが検出される水は、例えば、回収水タンクに蓄えられた回収水であってもよいし、冷却水タンクに蓄えられた冷却水であってもよい。ｐＨ検出器２８を設ける位置は、必ずしもタンク１４に限定されず、他の場所であってもよい。具体的には例えば、冷却水流路１２のいずれかの場所にｐＨ検出器２８が設けられてもよい。
【０１２８】
ｐＨ検出器２８で検出されるｐＨが所定のｐＨ以下になると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。ここで、上記所定のｐＨは、セパレータの腐食が発生するｐＨの上限値よりも大きい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。
【０１２９】
例えば、ｐＨ検出器２８が検出するｐＨが６以下となったときに、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。
【０１３０】
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の運転方法であって、冷却水流路１２に供給される水のｐＨが低下すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。より具体的には例えば、冷却水流路１２に供給される水のｐＨをｐＨ検出器２８が検出し、該検出されたｐＨが低下すると、温度調整器１５を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる。
【０１３１】
本変形例と第１変形例〜第４変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。
【０１３２】
［第６変形例］
第６変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、該タンクは、燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水を貯える回収水タンクであって、さらに、冷却水流路が冷却水タンクを備え、回収水タンクは、接続流路を介して冷却水タンクに接続されている。
【０１３３】
図８は、第１実施形態の第６変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【０１３４】
図８に示されている例において、本変形例の燃料電池システム６０は、第１実施形態の燃料電池システム１０においてタンク１４の代わりに回収水タンク２２が設けられ、回収水タンク２２に温度調整器１５が設けられ、さらに冷却水タンク２１と接続流路２４を備える。
【０１３５】
冷却水タンク２１は、冷却水流路１２が備えるタンクである。すなわち、冷却水は、冷却水タンク２１から取り出され、冷却水流路１２３を通流した後、再び冷却水タンク２１へと戻される。
【０１３６】
回収水タンク２２は、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水を貯えるタンクである。回収水タンク２２は、冷却水流路１２に直接接続されていなくてもよい。回収水タンク２２は、燃料電池１１を含む燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水であって、冷却水流路１２に供給される水、を蓄える。排ガスとしては、例えば、燃料電池１１のアノードから排出されるアノードオフガス、燃料電池１１のカソードから排出されるカソードオフガス、燃料電池ユニット１３が燃焼器を備える場合には、該燃焼器から排出される燃焼排ガス、等とすることができる。
【０１３７】
回収水タンク２２は、接続流路２４及び冷却水タンク２１を介して、冷却水流路１２に水を供給する。回収水タンク２２は、大気開放機構３１を備える。回収水タンク２２の大気開放機構３１の構成は、タンク１４の大気開放機構２９について上述した構成と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。
【０１３８】
接続流路２４には、ポンプ（図示せず）が設けられていてもよい。回収水タンク２２を冷却水タンク２１よりも上方に設置し、回収水が重力によって回収水タンク２２から冷却水タンク２１へと流下するように構成してもよい。
【０１３９】
本変形例では、制御器１６は、燃料電池システム６０の累積運転時間を取得し、累積運転時間が増加すると、回収水タンク２２に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。かかる制御を行うべく、本変形例の制御器１６は、例えば、計時器を備えていてもよい。計時器は、制御器１６とは別個に設けられ、制御器１６が該計時器から時刻情報等を取得してもよい。累積運転時間は、回収水タンク２２に蓄えられた水の温度を上昇させる制御が終了した後、リセットされてもよい。
【０１４０】
累積運転時間が増加すると、回収水タンク２２に蓄えられた水の温度を上昇させるとは、具体的には例えば、累積運転時間が所定の上限時間以上となった場合に回収水タンク２２に蓄えられた水の温度を上昇させることを含む。
【０１４１】
本変形例の燃料電池システム６０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図８とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１４２】
燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから水が回収されて、回収水タンク２２に流入するにつれて、回収水タンク２２に蓄えられた水が冷却水タンク２１に流入し、冷却水タンク２１からセパレータ１２０の冷却水流路１２３に供給される冷却水の電気伝導度が上昇する可能性が高まる。一般に、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水には、大量の二酸化炭素が溶解していて、電気伝導度が高いからである。冷却水の電気伝導度が上昇すると、セパレータの腐食が発生しやすくなる。
【０１４３】
従って、燃料電池システムの累積運転時間が所定の上限時間以上になると、回収水タンク２２に蓄えられた水の温度を上昇させる。ここで、上記所定の上限時間は、セパレータの腐食が発生する累積運転時間の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。該所定の上限時間は、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、回収水タンク２２及び冷却水タンク２１の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。該所定の上限時間は、例えば、２４時間未満の所定時間、より詳細には例えば５時間とすることができる。
【０１４４】
本変形例では、制御器は、燃料電池システムの累積運転時間を取得し、累積運転時間が増加すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されていることとしたが、本変形例と第２変形例〜第５変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。この場合、温度が上昇させられるのは、回収水タンク２２に蓄えられた水となる。また、電圧検出器１７、二酸化炭素濃度検出器１８、電気伝導度検出器１９、及び、ｐＨ検出器２８は、例えば、回収水タンク２２、冷却水タンク２１、接続流路２４、及び、冷却水流路１２のいずれか少なくとも一つに設けられてもよい。
【０１４５】
本変形例において、接続流路２４に開閉弁（図示せず）が設けられ、制御器１６が、該開閉弁を開放して回収水を冷却水タンク２１に供給する前に、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されていてもよい。
【０１４６】
本変形例と第１変形例〜第５変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。
【０１４７】
［第７変形例］
第７変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、タンクは、冷却水流路に設けられた冷却水タンクであり、さらに、燃料電池ユニットから排出される排ガスから回収された水を貯える回収水タンクと、回収水タンクと冷却水タンクとを接続する接続流路と、接続流路に設けられて接続流路を開閉する開閉弁とを備え、制御器は、開閉弁の累積開放時間が増加すると、冷却水タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【０１４８】
図９は、第１実施形態の第７変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【０１４９】
図９に示されている例において、本変形例の燃料電池システム７０は、回収水タンク２５と、冷却水タンク２６と、接続流路２４と、開閉弁２３とを備える。
【０１５０】
回収水タンク２５は、冷却水流路１２に直接接続されていないタンクである。回収水タンク２２は、燃料電池１１を含む燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水であって、冷却水流路１２に供給される水、を蓄える。排ガスとしては、例えば、燃料電池１１のアノードから排出されるアノードオフガス、燃料電池１１のカソードから排出されるカソードオフガス、燃料電池ユニット１３が燃焼器を備える場合には、該燃焼器から排出される燃焼排ガス、等とすることができる。回収水タンク２５は、接続流路２４及び冷却水タンク２６を介して、冷却水流路１２に水を供給する。
【０１５１】
冷却水タンク２６は、冷却水流路１２が備えるタンクである。冷却水タンク２６は、大気開放機構３２を備える。冷却水タンク２６の大気開放機構３２の構成は、タンク１４の大気開放機構２９について上述した構成と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。
【０１５２】
接続流路２４には、ポンプ（図示せず）が設けられていてもよい。回収水タンク２５を冷却水タンク２６よりも上方に設置し、回収水が重力によって回収水タンク２５から冷却水タンク２６へと流下するように構成してもよい。
【０１５３】
開閉弁２３は、接続流路２４に設けられて接続流路２４を開閉する。開閉弁２３は、例えば、電磁弁等により構成される。
【０１５４】
接続流路２４は、回収水タンクと冷却水タンクとを接続する流路である。
【０１５５】
制御器１６は、開閉弁２３の累積開放時間が増加すると、冷却水タンク２６に蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器１５を制御するように構成されている。かかる制御を行うべく、本実施形態の制御器１６は、例えば、開閉弁２３に通信可能に接続されると共に、計時器を備えていてもよい。計時器は、制御器１６とは別個に設けられ、制御器１６が該計時器から時刻情報等を取得してもよい。累積開放時間は、冷却水タンク２６に蓄えられた水の温度を上昇させる制御が終了した後、リセットされてもよい。
【０１５６】
開閉弁２３の累積開放時間が増加すると、冷却水タンク２６に蓄えられた水の温度を上昇させるとは、具体的には例えば、開閉弁２３の累積開放時間が所定の上限時間に達した場合に冷却水タンク２６に蓄えられた水の温度を上昇させることを含む。
【０１５７】
本変形例の燃料電池システム７０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図９とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１５８】
燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水は、回収水タンク２５に蓄えられる。開閉弁２３が解放された時間が長くなるにつれて、回収水タンク２５に蓄えられた水が冷却水タンク２６に流入し、冷却水タンク２６からセパレータ１２０の冷却水流路１２３に供給される冷却水の電気伝導度が上昇する。一般に、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水には、大量の二酸化炭素が溶解していて、電気伝導度が高いからである。冷却水の電気伝導度が上昇すると、セパレータの腐食が発生しやすくなる。
【０１５９】
従って、開閉弁２３の累積開放時間が所定の上限時間以上になると、冷却水タンク２６に蓄えられた水の温度を上昇させる。ここで、上記所定の上限時間は、セパレータの腐食が発生する累積開放時間の下限値よりも小さい値、換言すれば、セパレータの腐食が発生しない値が設定される。具体的には、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、回収水タンク２５及び冷却水タンク２６の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。該所定の上限時間は、例えば、２４時間未満の所定時間、より詳細には例えば５時間とすることができる。
【０１６０】
本変形例と第１変形例〜第６変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。
【０１６１】
［第８変形例］
第８変形例は、第１実施形態の燃料電池システムであって、さらに、冷却水流路１２３に通流する水の二酸化炭素濃度を検出するために、二酸化炭素濃度推定手段を備え、制御器は、二酸化炭素濃度推定手段により推定された二酸化炭素濃度が増加すると、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるべく温度調整器を制御するように構成されている。
【０１６２】
凝縮水に溶解する二酸化炭素は、それぞれの凝縮水経路を排ガスが通過する際の、二酸化炭素ガスの分圧と温度と通過時間を用いることにより、ヘンリーの法則による二酸化炭素ガス溶解度曲線に従って求めることができる。このとき、燃料電池へ供給されたアノードへの供給ガス構成と出力電流値から求められる燃料利用率およびガス温度から上記アノード排気に接続された凝縮水回収器中の二酸化炭素の溶解濃度と凝縮量を推定することができる。同様に、燃料電池へ供給されたカソード供給ガス構成と出力電流値から求められる酸化剤利用およびガス温度から上記カソード排気に接続された凝縮水回収器中の二酸化炭素の溶解濃度と凝縮量を推定することができる。
【０１６３】
また同様に排気ガス燃焼器に供給された燃料は、システムに投入された燃料と燃料電池に投入された燃料および上記燃料利用率とガス温度と燃焼反応から、燃焼排ガスに接続された凝縮水回収器中の二酸化炭素の溶解濃度と凝縮量を推定することができる。二酸化炭素濃度推定手段は、これらの各機器のガス構成およびガス温度、出力電流や供給されたガスを計測し、それら計測値からそれぞれの凝縮水回収器での二酸化炭素の溶解濃度と凝縮水量から、凝縮水タンクに貯留される凝縮水の二酸化炭素濃度を推定する。また、凝縮水供給ポンプの操作量および動作時間から、凝縮水タンクに貯留される高濃度の二酸化炭素水をどれぐらい冷却水タンクに供給しているかを推定することが可能であり、過去の二酸化炭素を揮発させる操作の履歴と二酸化炭素が放出されない温度の経過時間から、現在の冷却水中の二酸化炭素濃度を推定することができる。
【０１６４】
また、燃料電池に燃料と酸化剤を供給している状態にて開放電圧状態とすると、冷却水中の導電率が高い場合は、電圧降下が発生する。この電圧降下の値が所定の値以上となった場合は、冷却水中の二酸化炭素濃度が上昇したと推定することもできる。
【０１６５】
また、開放口付近あるいは冷却水タンク中に二酸化炭素ガス濃度計を設置し、二酸化炭素濃度を直接検知してもよい。
【０１６６】
上記、いずれかの方法を用いて二酸化炭素濃度を検知した場合には、冷却水タンクの温度を上昇させることで、冷却水中の二酸化炭素濃度を低下させることが可能となる。
【０１６７】
本変形例と第１変形例〜第７変形例のいずれかとを組み合わせてもよい。
【０１６８】
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムであって、タンクは、冷却水流路に設けられた冷却水タンクであり、温度調整器は、冷却水流路を通流する水から熱を放熱する放熱器であり、制御器は、放熱器からの放熱量を調整して、タンクに蓄えられた水の温度を上昇させるように構成されている。
【０１６９】
図１０は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
【０１７０】
図１０に示されている例において、本実施形態の燃料電池システム８０は、図１に示される例において電気ヒータであった温度調整器１５が、放熱器２７に置き換えられている。
【０１７１】
放熱器２７は、冷却水流路１２に供給される水から熱を放熱する。放熱器２７は、例えば、冷却水流路１２を循環する冷却水と二次冷却水とを熱交換する熱交換器であってもよいし、冷却水流路１２を循環する冷却水と空気とを熱交換する放熱器であってもよい。放熱器２７は、冷却水流路１２に設けられていてもよいし、タンク１４に設けられていてもよい。
【０１７２】
タンク１４は、冷却水流路１２が備える冷却水タンクである。
【０１７３】
制御器１６は、放熱器２７からの放熱量を調整して、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるように構成されている。放熱器２７からの放熱量の調整は、具体的には例えば、冷却水流路１２に設けられたポンプ（図示せず）の吐出量を調整し、冷却水流路１２における冷却水の流量を調整することで実現されてもよいし、冷却水流路１２に設けられた流量調整弁（図示せず）の開度を調整し、冷却水流路１２における冷却水の流量を調整することで実現されてもよい。この場合のポンプ及び流量調整弁は、冷却水流路１２における冷却水の流量を調整する流量調整器に相当する。
【０１７４】
具体的には例えば、冷却水流路１２における冷却水の流量を低下させると、放熱器２７での放熱量が減少する一方で、燃料電池１１からの熱の供給量は変わらないため、タンク１４に蓄えられた水の温度は上昇する。冷却水流路１２における冷却水の流量を増加させると、放熱器２７での放熱量が増加する一方で、燃料電池１１からの熱の供給量は変わらないため、タンク１４に蓄えられた水の温度は低下する。
【０１７５】
冷却水流路１２を通流する冷却水が二次冷却媒体と熱交換する構成において、放熱器２７からの放熱量の調整は、二次冷却媒体流路における二次冷却媒体の流量を調整することで実現されてもよい。具体的には例えば、二次冷却媒体流路に設けられたポンプ（図示せず）の吐出量を調整してもよいし、二次冷却媒体流路に設けられた流量調整弁（図示せず）の開度を調整してもよい。この場合のポンプ及び流量調整弁は、二次冷却媒体流路における二次冷却媒体の流量を調整する流量調整器に相当する。
【０１７６】
具体的には例えば、二次冷却媒体流路における二次冷却媒体の流量を低下させると、放熱器２７での放熱量が減少する一方で、燃料電池１１からの熱の供給量は変わらないため、タンク１４に蓄えられた水の温度は上昇する。二次冷却媒体流路における二次冷却媒体の流量を増加させると、放熱器２７での放熱量が増加する一方で、燃料電池１１からの熱の供給量は変わらないため、タンク１４に蓄えられた水の温度は低下する。
【０１７７】
あるいは燃料電池１１の出力を増減し、燃料電池１１における熱の生成量を変化させることで、タンク１４に蓄えられた水の温度を調整してもよい。具体的には例えば、燃料電池１１の出力を増加させ、燃料電池１１における熱の生成量を増加させることで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させることができる。燃料電池１１の出力を減少させ、燃料電池１１における熱の生成量を減少させることで、タンク１４に蓄えられた水の温度を低下させることができる。
【０１７８】
本実施形態では、制御器１６は、燃料電池システム８０の累積運転時間を取得し、累積運転時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるべく放熱器２７からの放熱量を制御するように構成されている。かかる制御を行うべく、本実施形態の制御器１６は、例えば、計時器を備えていてもよい。計時器は、制御器１６とは別個に設けられ、制御器１６が該計時器から時刻情報等を取得してもよい。累積運転時間は、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させる制御が終了した後、リセットされてもよい。
【０１７９】
累積運転時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させるとは、具体的には例えば、累積運転時間が所定の上限時間に達した場合にタンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させることを含む。
【０１８０】
本実施形態の燃料電池システム８０の装置構成は、上記の点を除き、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様とすることができる。よって、図１と図１０とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して、詳細な説明を省略する。
【０１８１】
燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから水が回収されて、タンク１４に流入するにつれて、セパレータ１２０の冷却水流路１２３に供給される冷却水の電気伝導度が上昇する。一般に、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水には、大量の二酸化炭素が溶解していて、電気伝導度が高いからである。冷却水の電気伝導度が上昇すると、セパレータの腐食が発生しやすくなる。
【０１８２】
よって、該所定の上限時間は、セパレータの材料、燃料電池ユニット１３から排出される排ガスから回収された水の電気伝導度、該水に含まれる二酸化炭素の濃度、該水の時間当たり生成量、タンク１４の容量、発電量、及び、冷却水流路１２の容量等によって適宜に設定されうる。該所定の上限時間は、例えば、２４時間未満の所定時間、より詳細には例えば５時間とすることができる。
【０１８３】
本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、例えば、燃料電池システム８０の累積運転時間が増加すると、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。より具体的には例えば、燃料電池システム８０の累積運転時間が増加すると、放熱器２７からの放熱量を制御することで、タンク１４に蓄えられた水の温度を上昇させてもよい。
【０１８４】
電気伝導度の上限値、累積運転時間に基づく制御における上限時間等については、上述した通りであるので、詳細な説明を省略する。
【０１８５】
第１実施形態の第１変形例〜第５変形例、第７変形例は、本実施形態の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法にも適用可能である。
【０１８６】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１８７】
本発明の一態様は、回収水に溶解している二酸化炭素によって燃料電池システムが劣化する可能性を従来よりも低減することができる燃料電池システム及びその運転方法として有用である。
【符号の説明】
【０１８８】
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池
１２  冷却水流路
１３  燃料電池ユニット
１４  タンク
１５  温度調整器
１６  制御器
１７  電圧検出器
１８  二酸化炭素濃度検出器
１９  電気伝導度検出器
２０  燃料電池システム
２１  冷却水タンク
２２  回収水タンク
２３  開閉弁
２４  接続流路
２５  回収水タンク
２６  冷却水タンク
２７  放熱器
２８  ｐＨ検出器
２９  大気開放機構
３０  燃料電池システム
３１  大気開放機構
３２  大気開放機構
４０  燃料電池システム
５０  燃料電池システム
６０  燃料電池システム
７０  燃料電池システム
８０  燃料電池システム
１００  セル
１１０  ＭＥＡ
１１１  高分子電解質膜
１１２  電極層
１１３  触媒層
１１４  ガス拡散層
１１５  カーボンシート
１１６  カーボン層
１１７  ガスケット
１２０  セパレータ
１２１  燃料ガス流路
１２２  酸化剤ガス流路
１２３  冷却水流路
１３０  締結部材
【図１】
2014075277.tif 000003
【図２】
2014075277.tif 000004
【図３】
2014075277.tif 000005
【図４】
2014075277.tif 000006
【図５】
2014075277.tif 000007
【図６】
2014075277.tif 000008
【図７】
2014075277.tif 000009
【図８】
2014075277.tif 000010
【図９】
2014075277.tif 000011
【図１０】
2014075277.tif 000012