(57)【要約】      （修正有）【課題】スタックの内部に結露する水滴を容易にかつ確実に除去することが可能であり、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能及びスタック損傷を十分に防止可能な信頼性の高い燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ流路Ｂ及びＡを通じて供給されて発電し、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスがそれぞれ流路Ｃ及びＤを通じて排出される燃料電池１０４と、前記燃料ガス供給用の第１の開閉手段１１０ｂと、排出用流路の第２の開閉手段１１１ａと、前記酸化剤ガス供給用の第３の開閉手段１１０ａと、排出用の第４の開閉手段１１１ｂと、前記第１及び第２の開閉手段により燃料ガス供給用及び排出用流路を閉鎖して形成される第１の密閉空間と前記第３及び第４の開閉手段により酸化剤ガス用流路を閉鎖して形成される第２の密閉空間とを減圧する減圧装置１１２ａ，１１２ｂとを備えている。【選択図】図１
2006173060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス供給用流路及び酸化剤ガス供給用流路を通じて供給されて発電し、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス排出用流路及び酸化剤ガス排出用流路を通じて排出される燃料電池と、
前記燃料ガス供給用流路を開閉する第１の開閉手段と、
前記燃料ガス排出用流路を開閉する第２の開閉手段と、
前記酸化剤ガス供給用流路を開閉する第３の開閉手段と、
前記酸化剤ガス排出用流路を開閉する第４の開閉手段と、
前記第１及び第２の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路を閉鎖して前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に形成される第１の密閉空間と前記第３及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を閉鎖して前記第３の開閉手段と前記第４の開閉手段との間に形成される第２の密閉空間とを減圧する減圧装置とを備えている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記減圧装置が、前記第１の密閉空間を減圧する第１の減圧装置と前記第２の密閉空間を減圧する第２の減圧装置とを備えている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記減圧装置が、ポンプ又はアスピレータの何れかを備えている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の発電開始前に、
前記燃料ガス供給用流路、前記燃料ガス排出用流路、前記酸化剤ガス供給用流路、及び前記酸化剤ガス排出用流路を、それぞれ前記第１乃至第４の開閉手段により閉鎖するステップＡと、
前記ステップＡの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記減圧装置により減圧するステップＢと、
前記ステップＢの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記第１乃至第４の開閉手段により開放するステップＣと、
前記ステップＣの後、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するステップＤとを遂行し、
その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記減圧装置が、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を大気圧に対して−３０ｋＰａ以上−５ｋＰａ以下の範囲内まで減圧する、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の発電のための化学反応を阻害しない不活性ガスを、前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に、前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスと選択的に供給する不活性ガス供給手段を更に備え、
前記ステップＢの後、先ず、前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて供給し、その後、前記第１及び第３の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路を開放して前記不活性ガスを前記燃料電池の内部に導入するステップＥを遂行し、
次いで、前記不活性ガス供給手段からの前記不活性ガスに代えて前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に供給しかつ前記第２及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス排出用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を開放するステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記不活性ガス供給手段が、前記不活性ガスとしての希ガス、窒素ガス、都市ガス、及びプロパンガスの何れかを供給する、請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス供給用流路と前記燃料ガス排出用流路との間及び前記酸化剤ガス供給用流路と前記酸化剤ガス排出用流路との間の圧力損失を検出する圧力損失検出手段を更に備え、
前記燃料電池の発電開始前に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に定量供給し、かつこの定量供給時における前記圧力損失を前記圧力損失検出手段により検出し、
前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路の対並びに前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路の対の各々に対し、前記検出した前記圧力損失の値が所定値以上である場合に、前記ステップＡ乃至Ｆを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ステップＥの後に前記圧力損失を前記圧力損失検出手段によって再び検出し、
前記再び検出した前記圧力損失の値が前記所定値以上である場合には前記圧力損失検出手段により検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になるまで前記ステップＡ、Ｂ、及びＥを繰り返し遂行し、
前記検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になると前記ステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス供給用流路及び酸化剤ガス供給用流路を通じて供給されて発電し、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス排出用流路及び酸化剤ガス排出用流路を通じて排出される燃料電池と、前記燃料ガス供給用流路を開閉する第１の開閉手段と、前記燃料ガス排出用流路を開閉する第２の開閉手段と、前記酸化剤ガス供給用流路を開閉する第３の開閉手段と、前記酸化剤ガス排出用流路を開閉する第４の開閉手段と、前記第１及び第２の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路を閉鎖して前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に形成される第１の密閉空間と前記第３及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を閉鎖して前記第３の開閉手段と前記第４の開閉手段との間に形成される第２の密閉空間とを減圧する減圧装置とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の発電開始前に、
前記燃料ガス供給用流路、前記燃料ガス排出用流路、前記酸化剤ガス供給用流路、及び前記酸化剤ガス排出用流路を、それぞれ前記第１乃至第４の開閉手段により閉鎖するステップＡと、
前記ステップＡの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記減圧装置により減圧するステップＢと、
前記ステップＢの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記第１乃至第４の開閉手段により開放するステップＣと、
前記ステップＣの後、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するステップＤとを遂行し、
その後、前記燃料電池が発電を開始する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記減圧装置により、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を大気圧に対して−３０ｋＰａ以上−５ｋＰａ以下の範囲内まで減圧する、請求項１０記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
前記燃料電池の発電のための化学反応を阻害しない不活性ガスを、前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に、前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスと選択的に供給する不活性ガス供給手段を更に備え、
前記ステップＢの後、先ず、前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて供給し、その後、前記第１及び第３の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路を開放して前記不活性ガスを前記燃料電池の内部に導入するステップＥを遂行し、
次いで、前記不活性ガス供給手段からの前記不活性ガスに代えて前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に供給しかつ前記第２及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス排出用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を開放するステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項１０記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記不活性ガス供給手段により、前記不活性ガスとしての希ガス、窒素ガス、都市ガス、及びプロパンガスの何れかを供給する、請求項１２記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
前記燃料ガス供給用流路と前記燃料ガス排出用流路との間及び前記酸化剤ガス供給用流路と前記酸化剤ガス排出用流路との間の圧力損失を検出する圧力損失検出手段を更に備え、
前記燃料電池の発電開始前に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に定量供給し、かつこの定量供給時における前記圧力損失を前記圧力損失検出手段により検出し、
前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路の対並びに前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路の対の各々に対し、前記検出した前記圧力損失の値が所定値以上である場合に、前記ステップＡ乃至Ｆを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項１２記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記ステップＥの後に前記圧力損失を前記圧力損失検出手段によって再び検出し、
前記再び検出した前記圧力損失の値が前記所定値以上である場合には前記圧力損失検出手段により検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になるまで前記ステップＡ、Ｂ、及びＥを繰り返し遂行し、
前記検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になると前記ステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する、請求項１４記載の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、燃料電池システムとその運転方法に関し、特に、固体高分子型燃料電池システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭酸ガスの排出量の増加による地球温暖化や、窒素酸化物や硫黄酸化物等の排出量の増加による森林破壊の進行等の影響により、環境問題に対する関心が地球規模で高まっている。そのため、電源開発の分野においては、発電効率が高く、かつ発電の際に炭酸ガスや窒素酸化物等を排出しないクリーンな発電が可能である燃料電池システムが、次世代の発電システムとして注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池には、発電運転の際、水素或いはエタノール等の燃料と酸素或いは空気等の酸化剤とが供給される。すると、この燃料電池では、その供給される燃料及び酸化剤が用いられる電気化学反応が進行する。この電気化学反応により、燃料及び酸化剤が有する化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。この燃料電池によるエネルギー変換により、燃料電池システムは外部負荷に対して電力を供給する。
【０００４】
燃料電池システムの１つのタイプとして、固体高分子型燃料電池システムがある。この固体高分子型燃料電池システムには、その発電部の本体として、イオン伝導性を有する高分子膜（電解質）を備えた固体高分子型燃料電池が配設されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、１単位の燃料電池（以下、セルという）が複数個積層されてなる積層体（以下、スタックという）として構成されている。このスタックでは、各セルの起電力の総和を得るために、複数個のセルが電気的に直列接続されている。
【０００５】
スタックを構成するセルは、高分子膜として、水素イオン伝導性を有する高分子膜を有している。この高分子膜の一方の面には、アノード電極が設けられている。又、この高分子膜の他方の面には、カソード電極が設けられている。そして、アノード電極及びカソード電極の外面（高分子膜と接触していない面）には、導電性の多孔体で構成されるガス拡散層が各々設けられている。尚、高分子膜とアノード電極及びカソード電極と、及び、アノード電極及びカソード電極とガス拡散層とは、熱圧着により相互に接着されている。これにより、膜／電極接合体（以下、ＭＥＡという）が形成されている。そして、このＭＥＡが、燃料或いは酸化剤が流れる流路が形成された金属又はグラファイト等の導電性材料で構成されるセパレータによって挟持されている。このＭＥＡがセパレータにより挟持された構成が、１単位のセルの基本的な構成である。このセルが所定数積層され、かつ所定の出力電圧を得るために電気的に直列接続されて、上述したスタックが構成されている。
【０００６】
この固体高分子型燃料電池システムでは、発電運転の際、スタックのアノード側にガス拡散層を介して燃料ガス（例えば、水素ガス、或いは、水素を主成分とする改質ガス）が供給されると共に、スタックのカソード側にガス拡散層を介して酸化剤ガス（例えば、酸素ガス、或いは、空気）が供給される。すると、スタックを構成する各セルでは、その供給される燃料ガスと酸化剤ガス（以下、単に反応ガスという）とが用いられる電気化学反応が進行する。
【０００７】
より具体的には、各セルのアノード電極上では、式（１）に示す、燃料ガス中の反応物質としての水素分子が用いられる酸化反応が進行する。この酸化反応により、水素分子から電子が放出されると共に、水素イオンが生成する。この際、酸化反応によって生成する水素イオンは、水素イオン伝導性を有する高分子膜の内部を移動して、アノード電極上からカソード電極上に移動する。又、酸化反応によって放出される電子は、導電性のセパレータを介して、固体高分子型燃料電池システムに接続される外部負荷に供給される。
【０００８】
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ      ・・・（１）
一方、各セルのカソード電極上では、式（２）に示す、高分子膜の内部を移動してカソード電極上に到達した水素イオンと、酸化剤ガス中の反応物質としての酸素分子と、電子とが用いられる還元反応が進行する。この際、還元反応において必要となる電子は、固体高分子型燃料電池システムに接続される外部負荷から、導電性のセパレータを介して、カソード電極に供給される。尚、式（２）に示すように、このカソード電極上での還元反応によって水が生成する。この還元反応によって生成する水は、例えば、固体高分子型燃料電池システムが有する蓄水タンクの内部に蓄水される。
【０００９】
４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ→２Ｈ2Ｏ      ・・・（２）
このように、各セルのアノード電極上で酸化反応が進行すると共に、各セルのカソード電極上で還元反応が進行することによって、反応ガスが有する化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。そして、この各セルによるエネルギー変換によって、固体高分子型燃料電池システムは外部負荷に対して電力を供給する。
【００１０】
上述の如く構成されかつ動作する固体高分子型燃料電池システムでは、高分子膜の耐熱性能による制約を受けるため、スタックの運転温度は、通常、９０℃以下の運転温度に調整される。しかし、上記式（１）及び式（２）に示す酸化反応及び還元反応は、９０℃以下の温度環境下では進行し難い。そのため、ＭＥＡを構成するアノード電極及びカソード電極は、上述した酸化反応及び還元反応を活性化させる作用を有する触媒を有している。例えば、アノード電極及びカソード電極は、高い触媒能を有する白金を有している。これにより、９０℃以下の運転温度においても、各セルにおける酸化反応及び還元反応が良好に進行する。
【００１１】
又、スタックを構成する各セルに配設される高分子膜は、湿潤状態においてのみ水素イオン伝導性を発揮する。そこで、発電運転の際、酸化反応により生成する水素イオンをアノード電極上からカソード電極上に円滑に移動させるために、高分子膜は所定の湿潤状態に湿潤される。この際、還元反応によって生成する水の生成量は、高分子膜を所定の湿潤状態に湿潤するためには不十分な生成量である。そこで、一般的には、固体高分子型燃料電池システムの外部から水を補給し、この補給される水と発電時に生成する水とを用いて加湿器により酸化剤ガスを加湿し、この加湿された酸化剤ガスをスタックに供給することにより高分子膜を所定の湿潤状態に湿潤する。これにより、高分子膜は、水素イオン伝導性を十分に発揮する。
【００１２】
以下、上述した従来の固体高分子型燃料電池システムの構成及び動作について、その一例を挙げて図面を参照しながら概説する。
【００１３】
図８は、従来の固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に例示するブロック図である。尚、以下の説明では、上述したスタック及びセルの構成と同様であるため、スタック及びセルの構成に関する説明は省略する。
【００１４】
図８に示すように、従来の固体高分子型燃料電池システム４００は、後述する加湿器４０２に空気（大気）を供給する空気供給装置４０１と、この空気供給装置４０１から供給される空気を発電に伴って生成する水や外部から補給される水を利用して加湿しこれを後述するスタック４０４に供給する加湿器４０２と、天然ガス等の原料ガスを用いて水蒸気改質反応等の化学反応により水素を豊富に含む改質ガスを生成しこれをスタック４０４に供給する水素供給装置４０３とを有している。又、固体高分子型燃料電池システム４００は、加湿器４０２から供給される加湿された空気と水素供給装置４０３から供給される改質ガスとを用いる電気化学反応により発電するスタック４０４を有している。
【００１５】
又、この従来の固体高分子型燃料電池システム４００は、セル内の電気化学反応によって発生する反応熱を回収するためにスタック４０４の内部に冷却水を循環させるポンプ４０６と、このポンプ４０６によってスタック４０４から排出される温度上昇した冷却水と後述する貯湯槽４０９から後述するポンプ４０８によって循環される水との間で熱交換を行わせる熱交換器４０７と、この熱交換器４０７と貯湯槽４０９との間で水を循環させるポンプ４０８と、このポンプ４０８によって熱交換器４０７から排出された温度上昇した水を貯える貯湯槽４０９とを有している。つまり、この固体高分子型燃料電池システム４００は、スタック４０４の各セル内で発生する反応熱を給湯のために用いることが可能に構成されている。
【００１６】
更に、この従来の固体高分子型燃料電池システム４００は、発電中にスタック４０４から出力される直流電力を家庭用電源としての交流電力に変換して出力するインバータ４０５を有している。外部負荷は、このインバータ４０５から電力の供給を実質的に受け、これにより所定の機能を発揮するべく動作する（例えば、特許文献１参照）。
【００１７】
この従来の固体高分子型燃料電池システム４００では、発電運転の際、スタック４０４のアノード側に水素供給装置４０３で生成された改質ガスがガス拡散層を介して供給されると共に、スタック４０４のカソード側に空気供給装置４０１から供給されかつ加湿器４０２で加湿された空気がガス拡散層を介して供給される。この改質ガス及び空気の供給により、スタック４０４を構成する各セルの内部では、アノード電極上で改質ガス中の水素分子が用いられる酸化反応が進行すると共に、カソード電極上で空気中の酸素分子及び水素イオン及び電子が用いられる還元反応が進行する。この際、固体高分子型燃料電池システム４００では、加湿器４０２によって所定の加湿状態に加湿された空気がスタック４０４に供給されるため、各セルの内部に配設されている各高分子膜は、所定の湿潤状態に湿潤される。尚、水素供給装置４０３における改質ガスを生成するための化学反応が水蒸気改質反応である場合には、この水蒸気改質反応によって生成する改質ガスは水蒸気により加湿されている。従って、この加湿された改質ガスが供給されることによっても、各セルの内部に配設されている各高分子膜は、所定の湿潤状態に湿潤される。
【００１８】
このように、従来の固体高分子型燃料電池システム４００では、加湿された空気、又は加湿された空気及び改質ガスがスタック４０４に供給されるので、各セル内に配設されている各高分子膜は十分に湿潤され水素イオン伝導性を十分に発揮する。従って、アノード電極上での酸化反応によって生成する水素イオンは、高分子膜の内部をアノード電極上からカソード電極上に向けて円滑に移動する。又、アノード電極及びカソード電極が酸化反応及び還元反応を活性化する白金触媒により構成されているので、各セルにおける酸化反応及び還元反応が良好に進行する。つまり、スタック４０４では、改質ガス及び空気が有する化学エネルギーが電気的なエネルギーに効率良く変換される。これにより、固体高分子型燃料電池システム４００は、高い発電性能を維持する。尚、スタック４０４が出力する直流電力は、インバータ４０５によって交流電力に変換される。この変換された交流電力が、固体高分子型燃料電池システム４００から外部負荷に対して供給される。
【００１９】
尚、固体高分子型燃料電池システム４００の発電運転の際、セル内の電気化学反応に伴って発生する反応熱により温度上昇するスタック４０４は、ポンプ４０６によってスタック４０４の内部に冷却水が循環されることにより適宜冷却される。尚、ポンプ４０６によってスタック４０４の内部を通過し、スタック４０４で反応熱を回収して温度上昇した冷却水は、熱交換器４０７における熱交換に用いられた後、再びスタック４０４の内部に導入される。又、熱交換器４０７における熱交換によって温度上昇した水は、ポンプ４０８によって貯湯槽４０９の内部に導入及び貯水される。
【００２０】
ところで、上述した従来の固体高分子型燃料電池システムでは、改質ガスが有する化学エネルギーを効率良く利用するため（即ち、改質ガスや天然ガス等の原料ガスの無駄な消費を抑えるため）、電力の供給先である外部負荷の電力需要に応じて、スタックに対する改質ガスの供給を遮断する必要がある。
【００２１】
しかしながら、従来の固体高分子型燃料電池システムでは、発電運転の際、予め加湿されて高い相対湿度に調整された空気（又は、空気及び改質ガス）がスタックに供給されると共に、還元反応によって水が生成するため、スタックの内部は水滴が結露し易い状態にある。そして、この状態においてスタックに対する改質ガスの供給が遮断された場合、発電運転の停止に伴いスタックの温度が常温付近まで低下する一方で、予め加湿された改質ガス及び空気がスタックの内部に停滞するので、その停滞する改質ガスや空気に含まれている水分や発電に伴って生成した水が多数の水滴としてスタックの内部に結露する。この多数の水滴が結露した状態でスタックの発電運転を再開した場合、スタックの内部に結露した多数の水滴が改質ガス及び空気の流動及び拡散を著しく阻害するため、スタックの発電性能が著しく低下する。
【００２２】
図面を参照して具体的に説明すると、図９に示すように、要部Ｐにおけるセパレータ１とガス拡散層３とにより形成される改質ガス或いは空気が流れるガス流路２では、そのガス流路２に停滞する改質ガス又は空気に含まれる水蒸気や発電に伴って生成した水が、スタックの温度低下に伴って、水滴６ａ又は水滴６ｂとしてガス流路２の壁面に結露する。又、図９に示すように、ガス拡散層３の内部や、このガス拡散層３と電解質膜５との間の触媒４ａを有する触媒層４の内部に、水滴７及び水滴８が結露する。この場合、水滴６ａによってガス流路２における改質ガス又は空気の流動性が悪化すると共に、水滴７及び水滴８によってガス拡散層３及び触媒層４における改質ガス又は空気の拡散が阻害されるため、スタックの発電性能が悪化する。特に、図９に示すように、水滴６ｂによってガス流路２が封鎖される場合には、ガス流路２における改質ガス又は空気の流動が著しく阻害されるため、スタックの発電性能が著しく悪化する。
【００２３】
つまり、従来の固体高分子型燃料電池システムは、スタックの内部に水滴が結露した状態で発電運転を再起動させた場合、その再起動後の初期ではスタックの出力電圧が低く、温度上昇や改質ガス及び空気の流動により水滴が除去されるにつれてスタックの出力電圧が上昇するという課題を有していた。又、スタックの内部における水滴の結露状況によっては、スタックの出力電圧が下限値を下回るために固体高分子型燃料電池システムが再起動不能に陥る場合や、反応ガスの欠乏によって発生する転極によりスタックその物が損傷する場合があった。
【００２４】
そこで、上記課題を解決するために、発電運転を再開する前にヒーター等の加熱器を用いてスタックを加熱し、この加熱によりスタックの内部の水滴を除去し、その後、スタックの発電運転を再開する燃料電池システム及びその制御方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。又、発電運転を再開する前に振動装置又は回転装置を用いてスタックを振動又は回転させ、この振動又は回転によりスタックの内部の水滴を除去し、その後、スタックの発電運転を再開する燃料電池システム及びその運転方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平１１−２１４０２５号公報
【特許文献２】特開２００２−３２４５６３号公報
【特許文献３】特開２００２−２０８４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、これらの従来の提案では、反応ガスが流れるガス流路内の水滴を除去することは比較的容易であったが、ガス拡散層及び触媒層の内部の水滴を確実に除去することは困難であった。つまり、水滴を除去し易い広い空間を有する部分における水滴の除去は容易であったが、水滴を除去し難い狭い空間を有する部分における水滴の除去は困難であった。そのため、上述した従来の提案では、再起動後の出力電圧の低下や再起動不能、又は、スタック損傷等の水滴の結露に係る課題を確実に解決することが困難であった。
【００２６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされてものであり、スタックの内部に結露する水滴を容易にかつ確実に除去することが可能であり、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能及びスタック損傷を十分に防止可能な信頼性の高い燃料電池システム及びその運転方法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】
【００２７】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス供給用流路及び酸化剤ガス供給用流路を通じて供給されて発電し、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス排出用流路及び酸化剤ガス排出用流路を通じて排出される燃料電池と、前記燃料ガス供給用流路を開閉する第１の開閉手段と、前記燃料ガス排出用流路を開閉する第２の開閉手段と、前記酸化剤ガス供給用流路を開閉する第３の開閉手段と、前記酸化剤ガス排出用流路を開閉する第４の開閉手段と、前記第１及び第２の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路を閉鎖して前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に形成される第１の密閉空間と前記第３及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を閉鎖して前記第３の開閉手段と前記第４の開閉手段との間に形成される第２の密閉空間とを減圧する減圧装置とを備えている（請求項１）。
【００２８】
かかる構成とすると、第１の密閉空間及び第２の密閉空間の気圧を減圧装置により減圧することができるので、スタックの内部に結露した水滴、特に、ガス拡散層や触媒層の内部に残存する水滴を確実に除去することが可能になる。
【００２９】
この場合、前記減圧装置が、前記第１の密閉空間を減圧する第１の減圧装置と前記第２の密閉空間を減圧する第２の減圧装置とを備えている（請求項２）。
【００３０】
かかる構成とすると、第１の密閉空間及び第２の密閉空間の各々に対して減圧装置が設けられるので、減圧効率が向上すると共に、減圧時間の短縮化が可能になる。
【００３１】
又、上記の場合、前記減圧装置が、ポンプ又はアスピレータの何れかを備えている（請求項３）。
【００３２】
かかる構成とすると、ポンプ又はアスピレータは比較的安価でありかつ入手容易であるので、減圧装置を容易にかつ安価に構成することが可能になる。
【００３３】
又、上記の場合、前記燃料電池の発電開始前に、前記燃料ガス供給用流路、前記燃料ガス排出用流路、前記酸化剤ガス供給用流路、及び前記酸化剤ガス排出用流路を、それぞれ前記第１乃至第４の開閉手段により閉鎖するステップＡと、前記ステップＡの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記減圧装置により減圧するステップＢと、前記ステップＢの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記第１乃至第４の開閉手段により開放するステップＣと、前記ステップＣの後、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するステップＤとを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項４）。
【００３４】
かかる構成とすると、スタックの発電運転を開始する前に、スタックの内部に結露した水滴、特に、ガス拡散層や触媒層の内部に残留する水滴を、減圧装置による減圧や燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する際の衝撃により確実に除去するので、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能、及びスタックの損傷を確実に防止することが可能になる。
【００３５】
この場合、前記減圧装置が、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を大気圧に対して−３０ｋＰａ以上−５ｋＰａ以下の範囲内まで減圧する（請求項５）。
【００３６】
かかる構成とすると、水滴を除去するのに十分な気圧まで減圧するので、スタックの内部に結露した水滴、特に、ガス拡散層や触媒層の内部に残存する水滴をより一層確実に除去することが可能になる。
【００３７】
又、上記の場合、前記燃料電池の発電のための化学反応を阻害しない不活性ガスを、前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に、前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスと選択的に供給する不活性ガス供給手段を更に備え、前記ステップＢの後、先ず、前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて供給し、その後、前記第１及び第３の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路を開放して前記不活性ガスを前記燃料電池の内部に導入するステップＥを遂行し、次いで、前記不活性ガス供給手段からの前記不活性ガスに代えて前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に供給しかつ前記第２及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス排出用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を開放するステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項６）。
【００３８】
かかる構成とすると、結露した水滴の除去と共に発電運転の停止中にスタックの内部に侵入した酸素を不活性ガスにより置換することができるので、特にスタックのアノード側において改質ガスと酸素とが混合するという問題を解消することが可能になる。
【００３９】
この場合、前記不活性ガス供給手段が、前記不活性ガスとしての希ガス、窒素ガス、都市ガス、及びプロパンガスの何れかを供給する（請求項７）。
【００４０】
かかる構成とすると、これらの不活性ガスはスタックにおける発電のための化学反応を阻害しないので、スタックの内部における置換を好適に実施することが可能になる。
【００４１】
又、上記の場合、前記燃料ガス供給用流路と前記燃料ガス排出用流路との間及び前記酸化剤ガス供給用流路と前記酸化剤ガス排出用流路との間の圧力損失を検出する圧力損失検出手段を更に備え、前記燃料電池の発電開始前に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に定量供給し、かつこの定量供給時における前記圧力損失を前記圧力損失検出手段により検出し、前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路の対並びに前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路の対の各々に対し、前記検出した前記圧力損失の値が所定値以上である場合に、前記ステップＡ乃至Ｆを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項８）。
【００４２】
この構成は、燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路に水滴が結露している場合、その水滴が結露している燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路の流路抵抗が増大している（つまり、圧力損失が増大している）ことを利用する構成である。かかる構成とすると、燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路における水滴の結露状態を圧力損失検出手段により検出される圧力損失の値によって予め判定し、減圧の必要が有る場合にのみ減圧装置により減圧操作を行うので、起動時間の短縮化や減圧装置の駆動に係るエネルギーの無駄な消費を防止することが可能になる。例えば、発電運転の停止時間が短時間である場合や、停止時間が長時間であり水滴が自然に散逸している場合には、スタックの内部に発電運転を阻害する程度の水滴が結露していない場合がある。このような場合、上記構成によれば減圧装置による減圧操作を省略することができるので、起動時間を短縮化することが可能になる。
【００４３】
この場合、前記ステップＥの後に前記圧力損失を前記圧力損失検出手段によって再び検出し、前記再び検出した前記圧力損失の値が前記所定値以上である場合には前記圧力損失検出手段により検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になるまで前記ステップＡ、Ｂ、及びＥを繰り返し遂行し、前記検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になると前記ステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項９）。
【００４４】
かかる構成とすると、圧力損失検出手段により検出される圧力損失の値が予め設定される所定値未満になるまで減圧による水滴の除去が行われるので、スタックの内部に結露した水滴を更に確実に除去することが可能になる。
【００４５】
又、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス供給用流路及び酸化剤ガス供給用流路を通じて供給されて発電し、余剰の燃料ガス及び余剰の酸化剤ガスがそれぞれ燃料ガス排出用流路及び酸化剤ガス排出用流路を通じて排出される燃料電池と、前記燃料ガス供給用流路を開閉する第１の開閉手段と、前記燃料ガス排出用流路を開閉する第２の開閉手段と、前記酸化剤ガス供給用流路を開閉する第３の開閉手段と、前記酸化剤ガス排出用流路を開閉する第４の開閉手段と、前記第１及び第２の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路を閉鎖して前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に形成される第１の密閉空間と前記第３及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を閉鎖して前記第３の開閉手段と前記第４の開閉手段との間に形成される第２の密閉空間とを減圧する減圧装置とを備える燃料電池システムの運転方法であって、  前記燃料電池の発電開始前に、前記燃料ガス供給用流路、前記燃料ガス排出用流路、前記酸化剤ガス供給用流路、及び前記酸化剤ガス排出用流路を、それぞれ前記第１乃至第４の開閉手段により閉鎖するステップＡと、前記ステップＡの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記減圧装置により減圧するステップＢと、前記ステップＢの後、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を前記第１乃至第４の開閉手段により開放するステップＣと、前記ステップＣの後、前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するステップＤとを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項１０）。
【００４６】
かかる構成とすると、スタックの発電運転を開始する前に、スタックの内部に結露した水滴、特に、ガス拡散層や触媒層の内部に残留する水滴を、減圧装置による減圧や燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する際の衝撃により確実に除去するので、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能、及びスタックの損傷を確実に防止することが可能になる。
【００４７】
この場合、前記減圧装置により、前記第１の密閉空間及び前記第２の密閉空間を大気圧に対して−３０ｋＰａ以上−５ｋＰａ以下の範囲内まで減圧する（請求項１１）。
【００４８】
かかる構成とすると、水滴を除去するのに十分な気圧まで減圧するので、スタックの内部に結露した水滴、特に、ガス拡散層や触媒層の内部に残存する水滴をより一層確実に除去することが可能になる。
【００４９】
又、上記の場合、前記燃料電池の発電のための化学反応を阻害しない不活性ガスを、前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に、前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスと選択的に供給する不活性ガス供給手段を更に備え、前記ステップＢの後、先ず、前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて供給し、その後、前記第１及び第３の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路を開放して前記不活性ガスを前記燃料電池の内部に導入するステップＥを遂行し、次いで、前記不活性ガス供給手段からの前記不活性ガスに代えて前記反応ガス供給手段から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に供給しかつ前記第２及び第４の開閉手段によりそれぞれ前記燃料ガス排出用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路を開放するステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項１２）。
【００５０】
かかる構成とすると、結露した水滴の除去と共に発電運転の停止中にスタックの内部に侵入した酸素を不活性ガスにより置換することができるので、特にスタックのアノード側において改質ガスと酸素とが混合するという問題を解消することが可能になる。
【００５１】
この場合、前記不活性ガス供給手段により、前記不活性ガスとしての希ガス、窒素ガス、都市ガス、及びプロパンガスの何れかを供給する（請求項１３）。
【００５２】
かかる構成とすると、これらの不活性ガスはスタックにおける発電のための化学反応を阻害しないので、スタックの内部における置換を好適に実施することが可能になる。
【００５３】
又、上記の場合、前記燃料ガス供給用流路と前記燃料ガス排出用流路との間及び前記酸化剤ガス供給用流路と前記酸化剤ガス排出用流路との間の圧力損失を検出する圧力損失検出手段を更に備え、前記燃料電池の発電開始前に前記反応ガス供給手段からの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに代えて前記不活性ガス供給手段から前記不活性ガスを前記燃料ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス供給用流路に定量供給し、かつこの定量供給時における前記圧力損失を前記圧力損失検出手段により検出し、前記燃料ガス供給用流路及び前記燃料ガス排出用流路の対並びに前記酸化剤ガス供給用流路及び前記酸化剤ガス排出用流路の対の各々に対し、前記検出した前記圧力損失の値が所定値以上である場合に、前記ステップＡ乃至Ｆを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項１４）。
【００５４】
かかる構成とすると、燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路における水滴の結露状態を圧力損失検出手段により検出される圧力損失の値によって予め判定し、減圧の必要が有る場合にのみ減圧装置により減圧操作を行うので、起動時間の短縮化や減圧装置の駆動に係るエネルギーの無駄な消費を防止することが可能になる。
【００５５】
この場合、前記ステップＥの後に前記圧力損失を前記圧力損失検出手段によって再び検出し、前記再び検出した前記圧力損失の値が前記所定値以上である場合には前記圧力損失検出手段により検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になるまで前記ステップＡ、Ｂ、及びＥを繰り返し遂行し、前記検出する前記圧力損失の値が前記所定値未満になると前記ステップＦを遂行し、その後、前記燃料電池が発電を開始する（請求項１５）。
【００５６】
かかる構成とすると、圧力損失検出手段により検出される圧力損失の値が予め設定される所定値未満になるまで減圧による水滴の除去が行われるので、スタックの内部に結露した水滴を更に確実に除去することが可能になる。
【発明の効果】
【００５７】
本発明は、以上に説明した解決手段によって実施され、スタックの内部に結露する水滴を容易にかつ確実に除去することが可能であり、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能及びスタック損傷を十分に防止可能な信頼性の高い燃料電池システム及びその運転方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
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詳細に説明する。尚、以下の説明では、燃料電池システムとして固体高分子型燃料電池システムを用いる場合の形態について説明する。
【００５９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００６０】
先ず、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムの構成に関し、固体高分子型燃料電池システムにおける発電のための基本的な構成について説明する。
【００６１】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム１００は、後述する加湿器１０２に酸化剤ガスとしての空気（大気）を供給する空気供給装置１０１と、この空気供給装置１０１から供給される空気を発電に伴って生成する水や外部から補給される水を利用して加湿しこれを後述するスタック１０４に供給する加湿器１０２と、天然ガス等の原料ガスを用いて水蒸気改質反応により水素を豊富に含む燃料ガスとしての改質ガスを生成しこれをスタック４０４に供給する水素供給装置１０３とを有している。
【００６２】
又、この固体高分子型燃料電池システム１００は、加湿器１０２から供給される加湿された空気と水素供給装置１０３から供給される改質ガスとを用いる電気化学反応によって発電するスタック１０４を有している。本実施の形態では、このスタック１０４として、電解質としての膜状の固体高分子を有する固体高分子型燃料電池が用いられている。このスタック１０４は、図１では特に図示しないが、電気的に直列接続された複数個のセルを有している。これらのセルの各々では、ＭＥＡが改質ガス或いは空気が流れる流路が形成された金属又はグラファイト等の導電性材料で構成されるセパレータによって挟持されている。このセパレータに形成された流路に、水素供給装置１０３で生成された水分を含有する改質ガスと、加湿器１０２によって加湿された空気とが、各々供給される。この供給される改質ガス及び空気が、ＭＥＡにおける発電のための触媒反応（酸化反応及び還元反応）のために用いられる。尚、発電に用いられなかった余剰の改質ガスは、スタック１０４から排出された後、例えば、水素供給装置１０３における水蒸気改質反応のために利用される。又、発電に用いられなかった余剰の空気は、スタック１０４から大気中に放出される。
【００６３】
又、この固体高分子型燃料電池システム１００は、発電運転の際にセル内の電気化学反応によって発生する反応熱を回収するためにスタック１０４の内部に冷却水を循環させるポンプ１０６と、このポンプ１０６によってスタック１０４から排出される温度上昇した冷却水と後述する貯湯槽１０９から後述するポンプ１０８によって排出される水との間で熱交換を行わせる熱交換器１０７と、この熱交換器１０７と貯湯槽１０９との間で水を循環させるポンプ１０８と、このポンプ１０８によって熱交換器１０７から排出された温度上昇した水を貯える貯湯槽１０９とを有している。つまり、この固体高分子型燃料電池システム１００は、スタック１０４の各セル内で発生する反応熱を給湯のために用いることが可能に構成されている。
【００６４】
又、この固体高分子型燃料電池システム１００は、発電中にスタック１０４から出力される直流電力を家庭用電源としての交流電力に変換して出力するインバータ１０５を有している。家庭用電子機器等の外部負荷は、このインバータ１０５から電力の供給を実質的に受け、これにより所定の機能を発揮するべく動作する。
【００６５】
更に、この固体高分子型燃料電池システム１００は、空気供給装置１０１、加湿器１０２、水素供給装置１０３、スタック１０４、インバータ１０５、ポンプ１０６及びポンプ１０８、熱交換器１０７等の固体高分子型燃料電池システム１００を構成する各構成要素の動作を適宜制御する制御装置１０００を有している。この制御装置１０００と上述した固体高分子型燃料電池システムを構成する構成要素の各々とは、図１では特に図示しないが、所定の配線によって電気的に接続されている。尚、この制御装置１０００は、通常、マイクロコンピュータやＣＰＵが用いられて構成されている。
【００６６】
次に、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムの本発明を特徴付ける構成について説明する。
【００６７】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム１００は、加湿器１０２とスタック１０４の空気用流路入口部１０４ａとを接続する空気供給用配管Ａにおける所定の位置に、空気供給用配管Ａ内のガスの流れを必要に応じて遮断するためのガス封止用電磁弁１１０ａを有している。又、水素供給装置１０３とスタック１０４の改質ガス用流路入口部１０４ｂとを接続する改質ガス供給用配管Ｂにおける所定の位置には、改質ガス供給用配管Ｂ内のガスの流れを必要に応じて遮断するためのガス封止用電磁弁１１０ｂを有している。
【００６８】
又、図１に示すように、この固体高分子型燃料電池システム１００は、スタック１０４の改質ガス用流路出口部１０４ｃから延出する、発電に用いられなかった改質ガスが流れる改質ガス排出用配管Ｃにおける所定の位置に、三方弁１１１ａを有している。この三方弁１１１ａは、改質ガス排出用配管Ｃのスタック１０４側の部分を、該改質ガス排出用配管Ｃの大気側の部分と、後述するガス吸引用ポンプ１１２ａに至る流路とに選択的に接続する。又、スタック１０４の空気用流路出口部１０４ｄから延出する、発電に用いられなかった空気が流れる空気排出用配管Ｄにおける所定の位置に、三方弁１１１ｂを有している。この三方弁１１１ｂは、空気排出用配管Ｄのスタック１０４側の部分を、該空気排出用配管Ｄの大気側の部分と、後述するガス吸引用ポンプ１１２ｂに至る流路とに選択的に接続する。
【００６９】
更に、この固体高分子型燃料電池システム１００は、圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂと、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及びガス吸引用ポンプ１１２ｂとを有している。
【００７０】
圧力計１１３ａは、空気供給用配管Ａにおける、ガス封止用電磁弁１１０ａとスタック１０４の空気用流路入口部１０４ａとの間に位置する所定の位置に、所定の配管を介して接続されている。又、圧力計１１３ｂは、改質ガス供給用配管Ｂにおける、ガス封止用電磁弁１１０ｂとスタック１０４の改質ガス用流路入口部１０４ｂとの間に位置する所定の位置に、所定の配管を介して接続されている。又、ガス吸引用ポンプ１１２ａは、所定の配管を介して、三方弁１１１ａに接続されている。又、ガス吸引用ポンプ１１２ｂは、所定の配管を介して、三方弁１１１ｂに接続されている。
【００７１】
ガス吸引用ポンプ１１２ａは、ガス封止用電磁弁１１０ｂが閉鎖状態とされた場合、そのガス封止用電磁弁１１０ｂと三方弁１１１ａとの間の配管内に残留する改質ガス等のガスを、三方弁１１１ａを介して十分に吸引することが可能な構成を有している。特に、スタック１０４における流路ａの内部に残留する改質ガス等のガスを、三方弁１１１ａを介して十分に吸引することが可能な構成を有している。同様にして、ガス吸引用ポンプ１１２ｂは、ガス封止用電磁弁１１０ａが閉鎖状態とされた場合、そのガス封止用電磁弁１１０ａと三方弁１１１ｂとの間の配管内に残留する空気等のガスを、三方弁１１１ｂを介して十分に吸引することが可能な構成を有している。特に、スタック１０４における流路ｂの内部に残留する空気等のガスを、三方弁１１１ｂを介して十分に吸引することが可能な構成を有している。
【００７２】
一方、圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂは、上記配管内に残留する改質ガス及び空気等のガスがガス吸引用ポンプ１１２ａ及びガス吸引用ポンプ１１２ｂによって吸引された場合、例えば、そのガスの吸引の程度を圧力値に比例する電圧として出力することが可能に構成されている。尚、圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂの出力電圧は、制御装置１０００によって圧力値に変換され、制御装置１０００において認識され、又は所定の表示装置に表示される。
【００７３】
尚、ガス封止用電磁弁１１０ａ及びガス封止用電磁弁１１０ｂ、三方弁１１１ａ及び三方弁１１１ｂ、圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂ、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及びガス吸引用ポンプ１１２ｂの各々の構成要素は、所定の配線によって固体高分子型燃料電池システム１００が有する制御装置１０００に接続されている。
【００７４】
上述した構成を有する固体高分子型燃料電池システム１００では、発電運転の際、空気供給装置１０１によって空気が加湿器１０２に供給されると共に、原料ガスとしての天然ガス等が水素供給装置１０３に供給される。すると、加湿器１０２は、空気供給装置１０１から供給される空気を所定の加湿状態に加湿し、この加湿した空気をスタック１０４のカソード側に空気供給用配管Ａを介して供給する。又、水素供給装置１０３は、水蒸気改質反応により、天然ガス等の原料ガスから水素を豊富に含有する改質ガスを生成する。そして、この生成する改質ガスをスタック１０４のアノード側に改質ガス供給用配管Ｂを介して供給する。
【００７５】
スタック１０４のアノード側に改質ガスが供給されると共に、スタック１０４のカソード側に加湿された空気が供給されると、スタック１０４を構成する各セルの内部では、ＭＥＡのアノード電極上において改質ガス中の水素分子が用いられる酸化反応が進行すると共に、そのカソード電極上において空気中の酸素分子及び水素イオン及び電子が用いられる還元反応が進行する。この際、スタック１０４を構成する各セルの高分子膜は、加湿器１０２によって所定の加湿状態に加湿された空気や、水素供給装置１０３における水蒸気改質反応の際の水蒸気によって加湿された改質ガスが供給されるため、所定の湿潤状態に湿潤される。各セルの高分子膜が所定の湿潤状態に湿潤されるので、各高分子膜は、優れた水素イオン伝導性を発揮する。これにより、アノード電極上での酸化反応によって生成した水素イオンが、高分子膜の内部を円滑に移動してカソード電極上に移動する。又、カソード電極上での水を生成する還元反応が良好に進行する。このように、スタック１０４を構成する各セルのアノード電極上及びカソード電極上において酸化反応及び還元反応が進行することにより、改質ガス及び空気が有する化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。そして、この各セルによるエネルギー変換によって、スタック１０４は直流電力をインバータ１０５に向けて出力する。インバータ１０５は、スタック１０４から供給される直流電力を、家庭用電源としての交流電力に変換する。この変換された交流電力が、固体高分子型燃料電池システム１００から外部負荷に対して供給される。つまり、固体高分子型燃料電池システム１００が、外部負荷に対して電力を供給する。外部負荷は、固体高分子型燃料電池システム１００から電力の供給を受けて、所定の機能を発揮するべく動作する。
【００７６】
尚、固体高分子型燃料電池システム１００の発電運転の際、セル内の電気化学反応に伴って発生する反応熱により温度上昇するスタック１０４は、ポンプ１０６によってスタック１０４の内部に冷却水が循環されることにより適宜冷却される。尚、ポンプ１０６によってスタック１０４の内部を通過し、スタック１０４で反応熱を回収して温度上昇した冷却水は、熱交換器１０７における熱交換に用いられた後、再びスタック１０４の内部に導入される。又、熱交換器１０７における熱交換によって温度上昇した水は、ポンプ１０８によって貯湯槽１０９の内部に導入及び貯水される。
【００７７】
又、夜間等、外部負荷の電力需要が低下して所定の電力閾値以下となった場合には、改質ガス（原料ガス）の無駄な消費を抑えるために、固体高分子型燃料電池システム１００は発電運転を停止する。この場合、制御装置１０００の動作により、加湿器１０２及び水素供給装置１０３からスタック１０４に対する空気及び改質ガスの供給が遮断される。すると、スタック１０４では、改質ガス及び空気の供給が遮断されるので、各セルにおいて進行している酸化反応及び還元反応が停止する。つまり、スタック１０４を構成する各セルのアノード電極上及びカソード電極上における酸化反応及び還元反応が停止することにより、改質ガス及び空気が有する化学エネルギーの電気エネルギーへの変換が停止する。このエネルギー変換の停止によって、スタック１０４からインバータ１０５に対する直流電力の供給が停止するので、インバータ１０５から外部負荷に対する交流電力の供給が停止する。つまり、固体高分子型燃料電池システム１００の外部負荷に対する電力の供給が停止する。尚、外部負荷の電力需要は、図１では特に図示しないが、固体高分子型燃料電池システム１００が有する所定の電力監視装置によって監視される。又、固体高分子型燃料電池システム１００の発電運転が停止した場合、外部負荷は商用電源等の電源から電力の供給を受ける。
【００７８】
一方、早朝等、外部負荷の電力需要が上昇して所定の電力閾値以上となった場合、固体高分子型燃料電池システム１００は、その発電運転を再開する。この際、固体高分子型燃料電池システム１００では、先ず、スタック１０４の内部に結露した水滴を除去するための動作が必要に応じて実行される。そして、スタック１０４の内部に結露した水滴が完全に除去され、これによりスタック１０４の発電性能が確保された後、固体高分子型燃料電池システム１００は発電運転を再開する。
【００７９】
以下、本発明を特徴付ける、固体高分子型燃料電池システム１００におけるスタック１０４の内部に結露した水滴を除去するための動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００８０】
図４は、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム１００における水滴を除去するための動作を経時的に示す流れ図である。
【００８１】
本実施の形態に係る固体高分子型燃料電子システム１００では、外部負荷の電力需要が上昇して所定の電力閾値以上となった場合、スタック１０４の発電運転を再起動するための起動信号が所定の電力監視装置から制御装置１０００に入力される。すると、制御装置１０００は、先ず、ガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂを開放状態から閉鎖状態に各々移行させる。又、それと同時に、制御装置１０００は、改質ガス排出用配管Ｃのスタック１０４側の部分とガス吸引用ポンプ１１２ａとが接続し、空気排出用配管Ｄのスタック１０４側部分とガス吸引用ポンプ１１２ｂとが接続するように、三方弁１１１ａ及び１１１ｂを各々制御する（ステップＳ１）。
【００８２】
次いで、制御装置１０００は、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの各々を動作させる（ステップＳ２）。これにより、ガス封止用電磁弁１１０ｂと三方弁１１１ａとの間の配管内に残留する改質ガス等のガスが、三方弁１１１ａを介して、ガス吸引用ポンプ１１２ａによって吸引される。又、ガス封止用電磁弁１１０ａと三方弁１１１ｂとの間の配管内に残留する空気等のガスが、三方弁１１１ｂを介して、ガス吸引用ポンプ１１２ｂによって吸引される。
【００８３】
このガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの動作よる減圧操作は、スタック１０４を構成する各セルの内部の圧力値が、水の飽和蒸気圧以下である所定の圧力値に到達するまで、連続して行われる（ステップＳ３でＮＯ）。この所定の圧力値は、（大気圧−３０ｋＰａ）〜（大気圧−５ｋＰａ）として規定される範囲内の圧力値である。この範囲内の圧力値とすることにより、スタック１０４の内部における改質ガス又は空気が流れる流路内の状態を、改質ガス又は空気の流動を阻害する大きさの水滴が存在しない状態とすることが可能になる。又、スタック１０４の内部におけるガス拡散層及び触媒層の状態を、改質ガス又は空気の拡散を阻害する大きさの水滴が存在しない状態とすることが可能になる。即ち、スタック１０４における改質ガス及び空気の流動性及び拡散性を好適に確保することができるので、固体高分子型燃料電池システム１００の発電運転を再開した際、スタック１０４の発電性能が悪化することを防止することが可能になる。尚、減圧操作によって到達する圧力値が上述した圧力範囲の上限値に満たない場合、改質ガス又は空気が流れる流路や、ガス拡散層、触媒層の内部の状態は、改質ガス又は空気の流動又は拡散を阻害する大きさの水滴が存在する状態になる。この場合、その存在する水滴によってガス拡散層及び触媒層における改質ガス又は空気の拡散等が阻害されるため、再起動後のスタック１０４の発電性能は悪化する。又、水滴によって改質ガス又は空気が流れる流路が封鎖された場合、その流路における改質ガス又は空気の流動が著しく阻害されるため、再起動後のスタック１０４の発電性能は著しく悪化する。
【００８４】
ステップＳ３において、改質ガス又は空気が流れる流路の内部の圧力は、圧力計１１３ａ及び１１３ｂによって検出される。圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂの出力電圧は、制御装置１０００において圧力値に変換される。この変換によって得られる圧力値は、制御装置１０００において、後述するステップＳ３に進むための判断材料として用いられる。又、必要に応じて、固体高分子型燃料電池システム１００が有する所定の表示装置に表示される。
【００８５】
圧力計１１３ａ及び１１３ｂによって検出される圧力値が上述した所定の圧力値に到達したことを確認すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置１０００は、空気供給装置１０１及び加湿器１０２の各々を起動する。又、この制御装置１０００は、水素供給装置１０３を起動する（ステップＳ４）。これにより、改質器１０２及び水素供給装置１０３は、スタック１０４に対する加湿された空気及び改質ガスの供給を開始する。尚、上述したように、圧力計１１３ａ及び１１３ｂによって検出される圧力値が上述した所定の圧力値に到達しない場合、その検出される圧力値が所定の圧力値に到達するまで、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂによる減圧操作が連続して行われる。
【００８６】
加湿器１０２及び水素供給装置１０３からの空気及び気質ガスの供給が開始された後、制御装置１０００は、ガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂの状態を閉鎖状態から開放状態に移行させる。これにより、加湿器１０２及び水素供給装置１０３で生成された加湿された空気及び改質ガスが、ガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂを介して、スタック１０４の内部に供給される。この加湿された空気及び改質ガスの供給に伴う衝撃によっても、スタック１０４の内部に結露している水滴が除去される。又、この時、三方弁１１１ａ及び１１１ｂの状態を発電運転のための元の状態に戻す。そして、その後、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの動作を停止させる（ステップＳ５）。
【００８７】
そして、このステップ５が完了し、スタック１０４の内部に結露した水滴が十分に除去され、スタック１０４の発電性能が確保された後、固体高分子型燃料電池システム１００はスタック１０４の発電運転を再び開始する（ステップＳ６）。
【００８８】
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム１００では、発電運転を再開する前に、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂを用いる減圧操作によって、スタック１０４の内部に結露した水滴が十分に除去される。又、加湿器１０２及び水素供給装置１０３から加湿された空気及び改質ガスが供給される際の衝撃によっても、スタック１０４の内部に結露した水滴が除去される。そして、スタック１０４の内部に結露した水滴が十分に除去された後、スタック１０４の発電運転が再開される。かかる構成とすることにより、スタック１０４の内部における改質ガス及び空気の流動及び拡散を阻害する水滴が予め排除されているので、スタック１０４は、固体高分子型燃料電池システム１００の再起動の直後から、優れた発電性能を発揮する。具体的には、スタック１０４は、固体高分子型燃料電池システム１００の再起動の直後から所定の電圧を出力する。これによって、スタック１０４の出力電圧が下限値を下回ることが防止されるので、固体高分子型燃料電池システム１００が再起動不能に陥ることが効果的に防止される。又、反応ガス（改質ガス及び空気）の欠乏によって発生する転極が防止されるので、スタックの損傷が効果的に防止される。つまり、起動と停止とを伴う長期運転に対応可能な、信頼性の高い固体高分子型燃料電池システム１００を提供することが可能になる。
【００８９】
又、本実施の形態では、結露した水滴を減圧操作によって気化させ、この気化させた水をガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂによって吸引し、これによりスタック１０４の内部に結露した水滴を除去する。そのため、水滴を除去し難い狭い空間を有する部分においても、水滴を十分に除去することが可能になる。かかる構成とすることにより、スタック１０４の内部に結露する水滴を容易にかつ確実に除去することが可能であり、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能及びスタック１０４の損傷を十分に防止可能な信頼性の高い固体高分子型燃料電池システム１００を提供することが可能になる。
【００９０】
更に、本発明によれば、スタック１０４の内部に結露した水滴を除去するための加熱操作が不要になるので、その加熱操作に必要となる電力の供給が不要になる。これにより、高効率発電システムとしての固体高分子型燃料電池システムの利点を確保することが可能なる。又、スタック１０４の内部に結露した水滴を除去するための回転操作や振動操作が不要になるので、不要な振動を周囲に与えることが無い、低振動型の固体高分子型燃料電池システム１００を提供することも可能になる。
【００９１】
尚、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池システム１００が水素供給装置１０３を備える構成について例示したが、この水素供給装置１０３を備える構成に限定されることはなく、固体高分子型燃料電池システム１００がその内部又は外部に配設された水素ボンベから水素ガスの供給を受ける構成としてもよい。又、固体高分子型燃料電池システム１００は、水素ボンベ以外の水素ガス供給手段から水素ガスの供給を受ける構成であってもよい。これらの構成の場合、水素ボンベ等の水素供給手段から供給される水素ガスは、水分を殆ど含有していない。そのため、水素ガスは、空気の加湿方法と同様、別途配設する加湿器によって加湿された後にスタック１０４に供給される。
【００９２】
又、本実施の形態では、結露した水滴を除去するためのガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂ、三方弁１１１ａ及び１１１ｂ、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの動作が制御装置１０００によって自動制御される形態を例示したが、この自動制御される形態に限定されることはなく、操作者によって手動制御されて結露した水滴が除去される形態としてもよい。かかる構成としても、本実施の形態の場合と同様の効果が得られる。
【００９３】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図２において、図１で示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００９４】
本実施の形態では、実施の形態１で示した構成要素と同一の構成要素に係る重複する説明は省略する。又、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池システム２００の発電運転のための基本的な動作は、固体高分子型燃料電池システム１００の発電運転のための基本的な動作と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００９５】
先ず、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム２００の構成に関して、実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池システム１００との相違点について説明する。
【００９６】
図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池システム２００は、加湿器１０２とスタック１０４の空気用流路入口部１０４ａとを接続する加湿された空気が流れる空気供給用配管Ａの所定の位置に、必要に応じて加湿器１０２からスタック１０４への空気の供給を遮断しかつ後述するブロア１１５からスタック１０４に不活性ガスを供給するための三方弁１１４ａを有している。又、水素供給装置１０３とスタック１０４の改質ガス用流路入口部１０４ｂとを接続する改質ガスが流れる改質ガス供給用配管Ｂの所定の位置に、必要に応じて水素供給装置１０３からスタック１０４への改質ガスの供給を遮断しかつブロア１１５からスタック１０４に不活性ガスを供給するための三方弁１１４ｂを有している。
【００９７】
又、この固体高分子型燃料電池システム２００は、不活性ガスの圧力を昇圧させてこれをスタック１０４に供給するブロア１１５を有している。図２に示すように、このブロア１１５は、所定の配管を介して不活性ガスの供給元に接続されている。又、このブロア１１５は、所定の配管を介して三方弁１１４ａ及び１１４ｂに接続されている。尚、本実施の形態では、不活性ガスとして天然ガス（所謂、１３Ａ）を用いている。尚、その他の構成については、実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池システム１００の構成と同様である。
【００９８】
以下、本発明を特徴付ける、固体高分子型燃料電池システム２００におけるスタック１０４の内部に結露した水滴を除去するための動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００９９】
図５は、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム２００における水滴を除去するための動作を経時的に示す流れ図である。
【０１００】
本実施の形態に係る固体高分子型燃料電子システム２００では、スタック１０４の発電運転を再起動するための起動信号が所定の電力監視装置から制御装置１０００に入力されると、制御装置１０００はガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂを開放状態から閉鎖状態に各々移行させる。又、それと同時に、制御装置１０００は、改質ガス排出用配管Ｃとガス吸引用ポンプ１１２ａとを接続し、空気排出用配管Ｄとガス吸引用ポンプ１１２ｂとを接続するべく、三方弁１１１ａ及び１１１ｂを各々制御する。更に、制御装置１０００は、加湿器１０２とスタック１０４との接続を遮断しかつブロア１１５とスタック１０４とを接続し、水素供給装置１０３とスタック１０４との接続を遮断しかつブロア１１５とスタック１０４とを接続するべく、三方弁１１４ａ及び１１４ｂを各々制御する。（ステップＳ１）。
【０１０１】
次いで、制御装置１０００は、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの各々を動作させる（ステップＳ２）。これにより、実施の形態１の場合と同様、ガス封止用電磁弁１１０ｂと三方弁１１１ａとの間の配管内に残留する改質ガス等のガスが吸引される。又、ガス封止用電磁弁１１０ａと三方弁１１１ｂとの間の配管内に残留する空気等のガスが吸引される。尚、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの動作よる減圧操作は、実施の形態１の場合と同様、圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂによって検知される圧力値が（大気圧−３０ｋＰａ）〜（大気圧−５ｋＰａ）として規定される範囲内の圧力値となるまで継続される。
【０１０２】
圧力計１１３ａ及び１１３ｂによって検知される圧力値が上述した所定の圧力値に到達したことが制御装置１０００によって確認されると（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御装置１０００はブロア１１５を起動する。又、制御装置１０００は、ガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂの状態を閉鎖状態から開放状態に移行させる（ステップＳ４）。これにより、ブロア１１５によって天然ガスがガス封止用電磁弁１１０ａ及び１１０ｂを介してスタック１０４の内部に導入される。尚、実施の形態１の場合と同様、圧力計１１３ａ及び圧力計１１３ｂによって検知される圧力値が所定の圧力値に到達しない場合（ステップＳ３でＮＯ）、その検知される圧力値が所定の圧力値に到達するまで、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂによる減圧操作が連続して行われる。
【０１０３】
スタック１０４の内部への天然ガスの導入時間が予め設定される所定の時間を経過したことが制御装置１０００によって確認されると（ステップＳ５でＹＥＳ）、制御装置１０００は、空気供給装置１０１及び加湿器１０２の各々を起動する。又、制御装置１０００は、水素供給装置１０３を起動する（ステップＳ６）。ここで、上述した「予め設定される所定の時間」とは、例えば、天然ガスの導入量がスタック１０４の内部の改質ガス及び空気が流れる流路の体積と略等しくなる時間として定義される。尚、スタック１０４の内部への天然ガスの導入時間が所定の時間を経過しない場合（ステップＳ５でＮＯ）、その導入時間が所定の時間を経過するまで、スタック１０４への天然ガスの導入が継続して行われる。
【０１０４】
改質器１０２及び水素供給装置１０３からの空気及び気質ガスの供給が開始された後、制御装置１０００は、三方弁１１４ａ及び１１４ｂの状態を発電運転のための元の状態に戻すと共に、ブロア１１５の動作を停止させる。これにより、ステップＳ４においてスタック１０４の内部に導入された天然ガスが、改質ガス及び空気によって置換される。又、制御装置１０００は、三方弁１１１ａ及び１１１ｂの状態を発電運転のための元の状態に戻す。そして、その後、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂの動作を停止させる（ステップＳ７）。
【０１０５】
そして、このステップ７が完了し、スタック１０４の内部に結露した水滴が十分に除去され、スタック１０４の発電性能が確保された後、固体高分子型燃料電池システム２００はスタック１０４の発電運転を再び開始する（ステップＳ８）。
【０１０６】
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム２００では、発電運転を再開する前に、ガス吸引用ポンプ１１２ａ及び１１２ｂを用いる減圧操作により、スタック１０４の内部に結露した水滴が十分に除去される。又、その後、スタック１０４の内部に天然ガス等の不活性ガスが導入される。そして、スタック１０４の内部から結露した水滴が十分に除去され、かつスタック１０４の内部が不活性ガスによって置換された後、スタック１０４の発電運転が再開される。かかる構成とすることにより、スタック１０４の内部に結露した水滴の除去と共に、発電運転の停止中にスタック１０４の内部に侵入しかつ残留する空気（酸素）を不活性ガスにより置換するので、アノード側の流路において改質ガスと空気とが混合することを回避することが可能になる。これにより、発電運転を再開した後のスタック１０４の発電性能を更に改善することが可能になる。尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
【０１０７】
尚、本実施の形態では、不活性ガスとして天然ガスを用いる形態について説明したが、本実施の形態はこの天然ガスを用いる形態に限定されず、スタック１０４における発電のための触媒反応を阻害しないガスであれば、如何なるガスを用いてもよい。例えば、適用可能な不活性ガスとしては、ヘリウム又はアルゴン等の希ガスや、窒素ガス、プロパンガス等が挙げられる。かかる構成としても、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【０１０８】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図３において、図１又は図２で示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。
【０１０９】
本実施の形態では、実施の形態１又は２で示した構成要素と同一の構成要素に係る重複する説明は省略する。又、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池システム３００の発電運転のための基本的な動作は、固体高分子型燃料電池システム１００及び２００の発電運転のための基本的な動作と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【０１１０】
先ず、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム３００の構成に関して、実施の形態２で示した固体高分子型燃料電池システム２００との相違点について説明する。
【０１１１】
図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る固体高分子型燃料電池システム３００は、天然ガスの圧力を昇圧させてこれをスタック１０４に供給するブロア１１５ａ及び１１５ｂを有している。これらのブロア１１５ａ及び１１５ｂは、所定の配管を介して不活性ガスの供給元に各々接続されている。又、このブロア１１５ａ及び１１５ｂは、所定の配管を介して、三方弁１１４ａ及び１１４ｂに各々接続されている。
【０１１２】
又、図３に示すように、固体高分子型燃料電子システム３００は、通過するガスの流量を計測可能な流量計１１６ａ及び１１６ｂを有している。これらの流量計１１６ａ及び１１６ｂは、ブロア１１５ａと三方弁１１４ｂとを接続する配管の所定の位置、及び、ブロア１１５ｂと三方弁１１４ａとを接続する配管の所定の位置に、各々配設されている。
【０１１３】
又、図３に示すように、この固体高分子型燃料電池システム３００は、圧力計１１７ａ及び１１７ｂを有している。圧力計１１７ａは、改質ガス排出用配管Ｃにおける、スタック１０４の改質ガス用流路出口部１０４ｃと三方弁１１１ａとの間に位置する所定の位置に、所定の配管を介して接続されている。又、圧力計１１７ｂは、空気排出用配管Ｄにおける、スタック１０４の空気用流路出口部１０４ｄと三方弁１１１ｂとの間に位置する所定の位置に、所定の配管を介して接続されている。尚、その他の構成については、実施の形態１及び２で示した固体高分子型燃料電池システム１００及び２００の構成と同様である。
【０１１４】
以下、本発明を特徴付ける、固体高分子型燃料電池システム３００におけるスタック１０４の内部に結露した水滴を除去するための動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０１１５】
図６は、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム３００における水滴を除去するための動作を経時的に示す流れ図である。
【０１１６】
本実施の形態に係る固体高分子型燃料電子システム３００では、スタック１０４の発電運転を再起動するための起動信号が所定の電力監視装置から制御装置１０００に入力されると、先ず、スタック１０４の内部における水滴の結露状態が診断される。そして、スタック１０４の内部における水滴の結露状態が許容範囲内の結露状態である場合、水滴の除去を行うことなく、スタック１０４の発電運転が再開される。一方、スタック１０４の内部における水滴の結露状態が許容範囲外の結露状態であることが判明した場合、減圧操作によって水滴を除去した後、スタック１０４の発電運転が再開される。
【０１１７】
具体的には、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電子システム３００では、スタック１０４の発電運転を再起動するための起動信号が所定の電力監視装置から制御装置１０００に入力されると、制御装置１０００は、加湿器１０２とスタック１０４との接続を遮断しかつブロア１１５ｂ及び流量計１１６ｂとスタック１０４とを接続し、水素供給装置１０３とスタック１０４との接続を遮断しかつブロア１１５ａ及び流量計１１６ａとスタック１０４とを接続するべく、三方弁１１４ａ及び１１４ｂを各々制御する。又、ブロア１１５ａ及び１１５ｂを起動し、これにより、天然ガスをスタック１０４の改質ガス又は空気が流れる流路に一定の流量で供給する（ステップＳ１）。尚、スタック１０４に向けての天然ガスの供給量は、流量計１１６ａ及び１１６ｂによって監視される。監視中の流量計１１６ａ及び１１６ｂの出力信号は制御装置１０００に入力され、この入力される出力信号に基づいて、制御装置１０００はスタック１０４に対する天然ガスの供給量を一定とするべく、ブロア１１５ａ及び１１５ｂを制御する。
【０１１８】
本実施の形態では、流路内の水滴の結露状態を、圧力損失（以下、単に圧損という）の値を検知することによって診断する。そこで、本実施の形態では、ブロア１１５ａ及び１１５ｂによるスタック１０４に対する天然ガスの供給量が一定となった後、スタック１０４の内部における改質ガスが流れる流路と空気が流れる流路との各々について、圧損の値を導出する（ステップＳ２）。この際、改質ガスが流れる流路の圧損は、圧力計１１３ｂ及び１１７ａによって計測される各々の圧力値の差として導出される。又、空気が流れる流路の圧損は、圧力計１１３ａ及び１１７ｂによって計測される各々の圧力値の差として導出される。
【０１１９】
スタック１０４の内部における改質ガスが流れる流路と空気が流れる流路との各々について圧損の値が導出された後、制御装置１０００は、加湿器１０２及び水素供給装置１０３とスタック１０４とを接続するべく、三方弁１１４ａ及び１１４ｂを制御する。又、制御装置１０００は、ブロア１１５ａ及び１１５ｂの動作を停止させる（ステップＳ３）。
【０１２０】
次に、制御装置１０００は、ステップＳ２において得られた圧損の値と予め設定されている結露状態を診断するための所定の値とを比較することにより、スタック１０４の内部における水滴の結露状態を診断する。この水滴の結露状態の診断は、改質ガスが流れる流路と空気が流れる流路との各々の流路について実施される。この際、ステップＳ２において得られた圧損の値が所定の値よりも大きい場合、スタック１０４の内部には発電運転を妨げる程度の水滴が結露していると診断する。一方、ステップＳ２において得られた圧損の値が所定の値よりも小さい場合、スタック１０４の内部には発電運転を妨げる程度の水滴が結露していないと診断する（ステップＳ４）。
【０１２１】
スタック１０４の内部に発電運転を妨げる程度の水滴が結露している流路があると診断された場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、水滴を除去するためのステップが実行される（ステップＳ５ｂ）。この場合、この水滴を除去するためのステップとしては、実施の形態１に係る図４に示すステップＳ１〜Ｓ５、望ましくは、実施の形態２に係る図５に示すステップＳ１〜Ｓ７を適用する。図５のステップＳ１〜Ｓ７を適用することにより、スタック１０４の内部に結露した水滴を除去すると共に、スタック１０４の内部に残留する空気を導入する不活性ガスによって置換することができるので、起動後のスタック１０４の発電性能を確実に確保することが可能なる。ここで、この水滴を除去するためのステップは、水滴を除去する必要があると診断された流路についてのみ実行してもよく、水滴を除去する必要が無いと診断された流路を含む全ての流路について実行してもよい。又、このステップＳ５ｂとして示すステップが完了した後、スタック１０４の内部における水滴の結露状態を再び診断し（図６のステップＳ１〜Ｓ４）、導出される圧損の値が予め設定する所定の値以下の値となったことが確認された後、スタック１０４の発電運転を再開する形態がより好ましい。この場合、導出される圧損の値が予め設定する所定の値以下の値になるまで、スタック１０４の内部からの水滴の除去を繰り返し実行する。
【０１２２】
一方、スタック１０４の内部に発電運転を妨げる程度の水滴が結露している流路が無いと診断された場合（ステップＳ４でＮＯ）、制御装置１０００は、空気供給装置１０１及び加湿器１０２を起動すると共に、水素供給装置１０３を起動する（ステップＳ５ａ）。
【０１２３】
そして、ステップＳ５ａ又はＳ５ｂが完了し、制御装置１０００によってスタック１０４の再起動のための準備が整ったことが確認された後、固体高分子型燃料電池システム３００はスタック１０４の発電運転を再び開始する（ステップＳ６）。
【０１２４】
このように、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システム３００では、水滴を除去するためのステップが実行される前に、スタック１０４の内部における水滴の結露状態が予め診断される。そして、その診断の結果に基づき、必要に応じてスタック１０４の内部に結露した水滴が十分に除去され、かつスタック１０４の内部が不活性ガスによって置換された後、スタック１０４の発電運転が再開される。かかる構成とすることにより、スタック１０４の内部における水滴の結露状態に基づき、多数の水滴が結露している場合にのみ水滴の除去を実行することが可能になる。そして、発電運転を再開する際の起動時間が短縮化された、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能及びスタック１０４の損傷を十分に防止可能な信頼性の高い固体高分子型燃料電池システム３００を提供することが可能になる。尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
【０１２５】
尚、本実施の形態でも、不活性ガスとして天然ガスを用いる形態について説明したが、本実施の形態はこの天然ガスを用いる形態に限定されず、不活性ガスとして機能するガスであれば、如何なるガスを用いてもよい。例えば、適用可能な不活性ガスとしては、実施の形態２の場合と同様、ヘリウム又はアルゴン等の希ガスや、窒素ガス、プロパンガス等が挙げられる。これらの不活性ガスは、ボンベから供給することが可能である。かかる構成としても、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【０１２６】
（実施例）
本発明の効果を確認するため、実施の形態１〜３に示した構成を有する固体高分子型燃料電子システムと従来の構成を有する固体高分子型燃料電池システムとを各々準備し、スタックの内部の減圧圧力をパラメータとする実験を行った。以下、本発明の効果を確認するために実施した実験について詳細に説明する。
【０１２７】
本実験では、スタックに供給する燃料ガスとして、水素ボンベから供給される水素ガスを用いた。又、酸化剤ガスとしては、空気を用いた。又、スタックに供給する不活性ガスとしては、天然ガスを用いた。又、空気及び不活性ガスをスタックに供給するためのブロアには、日立製作所製ブロアＶＢ−００４−ＤＮを用いた。又、スタックを構成する電極の外形寸法を８ｃｍ×１０ｃｍとすると共に、セパレータの外形寸法を１０ｃｍ×２０ｃｍとした。又、セパレータに設けられた燃料ガス又は酸化剤ガスが流れる流路を、酸化剤ガスとしての空気が流れる流路の流路抵抗が燃料ガスとしての水素ガスが流れる流路の流路抵抗よりも小さくなるように設計した。又、セルの積層段数を１００段とし、このセルが１００段積層された積層体をスタックとして用いた。
【０１２８】
又、本実験では、本発明の効果を正確に確認するために、スタックの発電運転と停止とを繰り返すシーケンスを適用した起動停止サイクル試験を実施した。この起動停止サイクル試験で適用したシーケンスは、発電運転（２．０時間）→停止動作（１．０時間）→停止（４．０時間）→起動動作（２．０時間）→発電運転（２．０時間）を１サイクルとするシーケンスである。尚、このシーケンスでは、発電運転時に０．５Ａ／ｃｍ2の電流密度で発電が行われるように、外部負荷を用いて制御を行った。又、このシーケンスでは、スタックの内部に水滴を結露させるため、スタックの温度を室温付近まで低下させる必要がある。そこで、発電運転の停止後にスタックの温度が室温付近まで低下するのに要する時間を測定した結果、その時間が３．２±０．４時間であることが判明したことから、停止時間を４．０時間とした。
【０１２９】
そして、本実験では、スタックの発電運転を再開する際に水滴を除去するための減圧操作を一切行わない場合（実施例１）、実施の形態１に示す構成の固体高分子型燃料電池システムを用いて減圧圧力を１ｋＰａとして水滴の除去を行った場合（実施例２）、実施の形態１に示す構成の固体高分子型燃料電池システムを用いて減圧圧力を３ｋＰａとして水滴の除去を行った場合（実施例３）、実施の形態１に示す構成の固体高分子型燃料電池システムを用いて減圧圧力を５ｋＰａとして水滴の除去を行った場合（実施例４）、実施の形態１に示す構成の固体高分子型燃料電池システムを用いて減圧圧力を１０ｋＰａとして水滴の除去を行った場合（実施例５）、実施の形態２に示す構成の固体高分子型燃料電池システムを用いて減圧圧力を５ｋＰａとして水滴の除去を行った場合（実施例６）、実施の形態３に示す構成の固体高分子型燃料電池システムを用いて減圧圧力を５ｋＰａとして水滴の除去を行った場合（実施例２）の各々について、上記シーケンスを１万回繰り返す起動停止サイクル試験を実施し、再起動時の起動エラーの発生率（％）と発電運転の停止直前及び起動直後のスタックの出力電圧（Ｖ）とについて調査した。尚、スタックの出力電圧については、１万回の測定における平均値を求めた。
【０１３０】
図７は、本発明の効果を確認するために実施した実験に関して、実施した実験の条件とその結果とについて示している。実施例１に示すように、水滴を除去するための減圧操作を一切行わない従来の固体高分子型燃料電池システムでは、再起動時における電圧降下が４．２Ｖであり、起動エラーの発生率が３．８％であった。つまり、再起動時におけるスタックの起動不良を確実に防止することは不可能であった。一方、水滴を除去するための減圧操作を行う実施例２〜７では、減圧圧力が１ｋＰａである実施例２では起動エラーの発生を防止することが不可能であったが、減圧圧力が３ｋＰａ以上である実施例３〜７では、再起動時の起動エラーを防止することが可能であった。又、実施例３〜７では、再起動時における電圧降下が２．５Ｖ以内に収まっていることが確認された。この実験結果により、スタックの内部に結露した水滴を確実に除去するためには、減圧圧力値を５ｋＰａ以上とすることが必要であることが判明した。尚、減圧圧力値の上限値は、通常、スタックの耐圧性能に依存する。そして、本発明の実施の形態１〜３で示したスタックの構成では、減圧圧力値の上限値としては３０ｋＰａが適当であった。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、スタックの内部に結露する水滴を容易にかつ確実に除去することが可能であり、水滴の結露に因る再起動後の電圧低下や再起動不能及びスタック損傷を十分に防止可能な信頼性の高い燃料電池システム及びその運転方法として有用である。
【０１３２】
又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、冷えた状態であっても安定した起動特性が必要とされる燃料電池コージェネレーションシステム及びその運転方法として有用である。
【０１３３】
又、本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池自動車等の移動体の電源及びその運転方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池システムにおける水滴を除去するための動作を経時的に示す流れ図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る固体高分子型燃料電池システムにおける水滴を除去するための動作を経時的に示す流れ図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る固体高分子型燃料電池システムにおける水滴を除去するための動作を経時的に示す流れ図である。
【図７】本発明の効果を確認するための実験内容及び結果を示す解説図である。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池システムの構成を模式的に例示するブロック図である。
【図９】スタックの内部の要部における水滴が結露している状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１  セパレータ
２  ガス流路
３  ガス拡散層
４  触媒層
４ａ  触媒
５  電解質膜
６ａ  水滴
６ｂ  水滴
７  水滴
８  水滴
１０１  空気供給装置
１０２  加湿器
１０３  水素供給装置
１０４  スタック（燃料電池）
１０４ａ  空気用流路入口部
１０４ｂ  改質ガス用流路入口部
１０４ｃ  改質ガス用流路出口部
１０４ｄ  空気用流路出口部
１０５  インバータ
１０６  ポンプ
１０７  熱交換器
１０８  ポンプ
１０９  貯湯槽
１１０ａ  ガス封止用電磁弁
１１０ｂ  ガス封止用電磁弁
１１１ａ  三方弁
１１１ｂ  三方弁
１１２ａ  ガス吸引用ポンプ
１１２ｂ  ガス吸引用ポンプ
１１３ａ  圧力計
１１３ｂ  圧力計
１１４ａ  三方弁
１１４ｂ  三方弁
１１５  ブロア
１１５ａ  ブロア
１１５ｂ  ブロア
１１６ａ  流量計
１１６ｂ  流量計
１１７ａ  圧力計
１１７ｂ  圧力計
４０１  空気供給装置
４０２  加湿器
４０３  水素供給装置
４０４  スタック
４０５  インバータ
４０６  ポンプ
４０７  熱交換器
４０８  ポンプ
４０９  貯湯槽
１００〜４００  固体高分子型燃料電池システム
１０００  制御装置
Ａ  空気供給用配管
Ｂ  改質ガス供給用配管
Ｃ  改質ガス排出用配管
Ｄ  空気排出用配管
Ｐ  要部
ａ，ｂ  流路
【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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