(57)【要約】【課題】燃料電池システムに関し、燃料ガスのオフガスを燃料電池外部の貯蔵容器に導くことで燃料電池内に不純物が蓄積することを防止しつつ、貯蔵容器内に溜まる水を有効に利用できるようにする。【解決手段】燃料電池２の外部に貯蔵容器２０を設け、燃料電池２の内部に形成されたアノードガス流路の出口と貯蔵容器２０とを連通管１２によって連通させる。燃料電池２の内部を加湿する必要があるときには、バルブＶ２を閉じて連通管１２を遮断した状態で、バルブＶ３を開いて貯蔵容器２０と燃料ガスの一次側供給通路１０ｂとを連通させる。こそしてバルブＶ４を開くことで、一次側供給通路１０ｂ内の燃料ガスの圧力を利用して貯蔵容器２０内に溜まった水を燃料電池２に接続された燃料ガスの二次側供給通路１０ａ内に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の外部に設けられた貯蔵容器と、
前記燃料電池の内部に形成されたアノードガス流路の出口と前記貯蔵容器とを連通させる連通管と、
前記貯蔵容器内に溜まった水を用いて前記燃料電池の内部を加湿する加湿手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記貯蔵容器を系外に連通させる連通機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿手段は、前記連通管を遮断した状態で前記貯蔵容器と燃料ガスの一次側供給通路とを連通させ、前記一次側供給通路内の燃料ガスの圧力を利用して前記貯蔵容器内に溜まった水を前記燃料電池に接続された燃料ガスの二次側供給通路内に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿手段は、前記貯蔵容器内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力を利用して前記貯蔵容器内に溜まった水を前記燃料電池に接続された空気の供給通路内に供給することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記連通管を遮断した状態で前記貯蔵容器と前記燃料電池に接続された空気の供給通路とを連通させ、前記空気供給通路から導入される空気を利用して前記貯蔵容器内を掃気する掃気手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項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、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば下記の各特許文献に開示されるように、燃料電池内に燃料ガスを止めて運転し、発電によって消費された分の燃料ガスを燃料電池に供給するようにした燃料電池システムが知られている。このような運転方式の燃料電池システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池を構成する各単位電池のアノードガス流路内に窒素を主とした不純物が蓄積されていく。これら不純物がＭＥＡの表面を覆ってしまうと電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位がＭＥＡを劣化させてしまうおそれもある。このような不具合を防止して燃料電池性能を維持するためには、適宜のタイミングにてアノードガス流路内に蓄積された不純物を燃料電池の外部に排気してやる必要が有る。
【０００３】
しかし、アノードガス流路内の不純物を排気する際には、不純物だけでなくアノードガス流路内の燃料ガスも一緒に排気されてしまう。このため、頻繁な排気の実行は燃費の悪化を招くことになり好ましくない。また、不純物を十分に蓄積した状態で排気を実行すれば、その分、無駄に排気される燃料ガスの量は抑えることができる。つまり、燃料電池性能の維持という観点からは不純物質の蓄積は好ましくはないが、燃費の向上という観点からは排気の実行頻度は出来る限り抑えたい。
【０００４】
このような背反する二つの要求、すなわち、不純物質の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、燃料ガスの排気量の抑制による燃費の向上とを両立させることができるシステムが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたシステムでは、燃料電池から燃料ガスのオフガスを排出する排出管に不純物を蓄積する貯蔵容器（バッファ）を設け、この貯蔵容器の下流に遮断弁を配置している。燃料ガス中の不純物を燃料電池の外部に設けた貯蔵容器に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができ、遮断弁を開くことによる排気の実行頻度を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００５−２４３４７７号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３５６９号公報
【特許文献３】特開２００５−３５３３０３号公報
【特許文献４】特開平９−３１２１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。したがって、燃料電池の発電性能を維持する上では、燃料電池内の湿潤状態を管理することが極めて重要である。
【０００６】
特許文献１に開示されたシステムでは、燃料ガスのオフガスが排出管によって燃料電池外部の貯蔵容器に導いている。燃料ガスのオフガスには、不純物である窒素のほかに多くの水分（水蒸気）が含まれている。発電時の燃料電池内は高温であるのに対し、外部に配置された貯蔵容器内の温度はそれよりも低い。このため、燃料ガスのオフガスに含まれる水分は貯蔵容器内で結露し、水となって貯蔵容器内に溜まっていく。貯蔵容器内に水が溜まる分、燃料電池内では水分が失われることになる。しかし、特許文献１には、失われた燃料電池内の水分をどのように補填するのか、また、貯蔵容器内に溜まった水をどのように処理するのかに関しては記載されていない。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料ガスのオフガスを燃料電池外部の貯蔵容器に導くことで燃料電池内に不純物が蓄積することを防止しつつ、貯蔵容器内に溜まる水を有効に利用できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の外部に設けられた貯蔵容器と、
前記燃料電池の内部に形成されたアノードガス流路の出口と前記貯蔵容器とを連通させる連通管と、
前記貯蔵容器内に溜まった水を用いて前記燃料電池の内部を加湿する加湿手段と、
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、
前記貯蔵容器を系外に連通させる連通機構を備えたことを特徴としている。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記加湿手段は、前記連通管を遮断した状態で前記貯蔵容器と燃料ガスの一次側供給通路とを連通させ、前記一次側供給通路内の燃料ガスの圧力を利用して前記貯蔵容器内に溜まった水を前記燃料電池に接続された燃料ガスの二次側供給通路内に供給することを特徴としている。
【００１１】
第４の発明は、第１又は第２の発明において、
前記加湿手段は、前記貯蔵容器内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力を利用して前記貯蔵容器内に溜まった水を前記燃料電池に接続された空気の供給通路内に供給することを特徴としている。
【００１２】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記連通管を遮断した状態で前記貯蔵容器と前記燃料電池に接続された空気の供給通路とを連通させ、前記空気供給通路から導入される空気を利用して前記貯蔵容器内を掃気する掃気手段をさらに備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、燃料ガス中の不純物を燃料電池の外部に設けた貯蔵容器に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができる。したがって、燃料ガスのオフガスを系外に排気する頻度は少なくて済み、燃料ガスの無駄を抑制することができる。また、燃料ガスのオフガスに含まれる水分が結露することで貯蔵容器内には水が溜まるが、この水を燃料電池の加湿に利用することで水分をシステム内で循環させることができる。これによれば、システム内からの水分の消失量を抑えることができ、燃料電池内の湿潤状態の管理も容易になる。
【００１４】
第２の発明によれば、貯蔵容器を系外に連通させることで、貯蔵容器に蓄積された不純物を系外に排出することができる。また、水分は貯蔵容器内で結露して水となるので、水分の系外への排出は抑えられる。
【００１５】
第３の発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガスに水分を含ませ、それにより燃料電池の内部を加湿することができる。また、貯蔵容器から燃料電池へ水を供給するための駆動力として、燃料ガスの一次側供給通路内の圧力と二次側供給通路内の圧力との圧力差を利用するので、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はない。
【００１６】
第４の発明によれば、燃料電池に供給される空気に水分を含ませ、それにより燃料電池の内部を加湿することができる。また、貯蔵容器から燃料電池へ水を供給するための駆動力として、貯蔵容器内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力と空気供給通路内の圧力との圧力差を利用するので、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はない。
【００１７】
第５の発明によれば、必要に応じて貯蔵容器内を掃気することができる、また、空気供給通路から導入される空気を利用して貯蔵容器内を掃気することで、コンプレッサ等の掃気のための送風装置を別途設ける必要はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
【００１９】
［実施の形態１の燃料電池システムの構成］
図１は、本実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。燃料電池２は、複数の単位電池４を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。単位電池４は、図示は省略するが、膜電極接合体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位電池４は、アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。燃料電池２には、各単位電池４の電圧を測定する電圧モニタ４６と、燃料電池２を通過した冷媒の温度を測定する温度計４４とが取り付けられている。
【００２０】
燃料電池２には、燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管１０ａ，１０ｂと、燃料電池２から燃料ガスのオフガスを抜き出すためのアノードオフガス排気管１２とが接続されている。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料ガスとして高濃度水素若しくは純水素を使用し、燃料ガスの供給源として高圧水素タンク６を備える。高濃度水素若しくは純水素の使用により、供給する燃料ガスのほとんどを燃料電池２に消費させることができる。したがって、燃料電池２からは内部で生じた不純物だけをオフガスとして抜き出させばよく、オフガスの排気量は少なくて済む。
【００２１】
燃料ガス供給管１０ａ，１０ｂは、高圧水素タンク６から調圧弁８までの一次側供給管１０ｂと、調圧弁８から燃料電池２までの二次側供給管１０ｂとに分けられる。燃料ガスは調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された燃料ガスは、燃料電池２内に形成されたアノード入口マニホールド（図示略）によって各単位電池４のアノードに分配される。アノードオフガス排気管１２は、燃料電池２内に形成されたアノード出口マニホールド（図示略）を介して、各単位電池４のアノードガス流路（発電面内に形成されたアノードに接するガス流路）の出口に接続されている。アノードガス流路の形状や構成には限定はない。例えば、セパレータの表面に溝を形成し、その溝をアノードガス流路としてもよい。また、導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってアノードガス流路を形成してもよい。アノードガス流路内のガス（アノードガス）は、アノード出口マニホールドに集められてアノードオフガス排気管１２に排出される。
【００２２】
アノードオフガス排気管１２の途中にはバッファタンク（貯蔵容器）２０が設けられている。バッファタンク２０は、その容積が排気管１２の流路容積や燃料電池２内のアノード出口マニホールドの容積よりも各段に大きくなるように形成されている。バッファタンク２０には、その内部の水素濃度を測定するための水素濃度センサ４２と、底部に溜まった水の水位を測定するための水位計４８とが取り付けられている。
【００２３】
アノードオフガス排気管１２の先端は直接に系外に開放されているか、若しくは、図示しない希釈器を介して系外に開放されている。アノードオフガス排気管１２におけるバッファタンク２０よりも下流には、バッファタンク２０内と系外との連通を遮断／許容するバルブＶ１が設けられている。このバルブＶ１は、バッファタンク２０内を系外に連通させる連通機構として機能する。また、アノードオフガス排気管１２は、各単位電池４のアノードガス流路の出口とバッファタンク２０とを連通させる連通管として機能する。アノードオフガス排気管１２におけるバッファタンク２０の上流には、燃料電池２内とバッファタンク２０内との連通を遮断／許容するバルブＶ２が設けられている。
【００２４】
アノードオフガス排気管１２におけるバルブＶ２の下流であってバッファタンク２０の上流には、燃料ガス供給管（一次側）１０ｂに繋がるバイパス管１６が接続されている。このバイパス管１６の途中には、燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとアノードオフガス排気管１２との連通を遮断／許容するバルブＶ３が設けられている。また、バッファタンク２０の底部には、燃料ガス供給管（二次側）１０ａに繋がるバイパス管１８が接続されている。このバイパス管１８の途中には、バッファタンク２０内と燃料ガス供給管（二次側）１０ａとの連通を遮断／許容するバルブＶ４が設けられている。
【００２５】
また、燃料電池２には、空気を供給するための空気供給管２４と、燃料電池２内から空気のオフガスを抜き出すためのカソードオフガス排気管２６とが接続されている。空気供給管２４にはコンプレッサ２２が配置されている。コンプレッサ２２の作動によって空気供給管２４に空気が取り込まれ燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された空気は、燃料電池２内に形成されたカソード入口マニホールドによって各単位電池４のカソードに分配される。各単位電池４のカソードを通過した空気は、燃料電池２内に形成されたカソード出口マニホールドに集められてカソードオフガス排気管２６に排出される。空気供給管２４とカソードオフガス排気管２６との間には、オフガス中の水分を回収して供給空気に付与するための加湿モジュール２８が設けられている。
【００２６】
［実施の形態１の燃料電池システムの動作］
本実施の形態の燃料電池システムは、その動作を制御装置４０によって制御される。制御装置４０の入力部には、水素濃度センサ４２、温度計４４、電圧モニタ４６及び水位計４８等の各種の計測機器や検出機器が接続されている。制御装置４０の出力部には、バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４等の各種のアクチュエータが接続されている。以下では、制御装置４０による燃料電池システムの動作の制御、特に、各バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開閉制御について、図２に示す制御フローを参照して説明する。
【００２７】
図２に示す制御フローに従えば、制御の開始後は、まず、通常運転が行われる（ステップＳ２）。通常運転では、バルブＶ２は常時開かれてバルブＶ３，Ｖ４は常時閉じられる。バルブＶ２が開かれて燃料電池２内とバッファタンク２０内とが連通することで、アノードガス流路内の不純物（カソード側から固体高分子電解質膜を透過してきた窒素）は、アノード出口マニホールドと排気管１２とを経由してバッファタンク２０内に蓄積されていく。バルブＶ１は閉状態を基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合のみ、極短時間だけ開かれる。
【００２８】
本実施の形態では、水素濃度センサ１２によって測定されるバッファタンク２０内の水素濃度が所定の基準値を下回ることがパージ条件とされている。バッファタンク２０内の水素濃度が低下は、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を意味するからである。また、本実施の形態では、水素濃度センサ１２のバックアップとして電圧モニタ４６によるパージ判定も実施される。何れかの単位電池４の電圧が大きく低下したとき、その単位電池４では水素不足に起因して異常発電が起きている可能性が高い。そのような状況では、水素濃度センサ１２の出力値とは関係無く、バルブＶ１を開いてパージを実施することとしている。
【００２９】
ステップＳ４では、燃料電池２の運転温度が所定の基準温度Ｔ０よりも高いか否か判定される。運転温度は温度計４４で測定される冷媒の温度で代表することができる。運転温度は燃料電池２内の水収支に影響することが分かっており、図３はその相関を示す図である。図３に示すように、運転温度が高くなるにつれて水収支が減少し、ある温度において水収支はゼロとなる。上記の基準温度Ｔ０は、水収支がゼロとなる温度よりも僅かに水不足域側に設定されている。
【００３０】
ステップＳ４の判定の結果、運転温度が基準温度Ｔ０以下の場合には、前述の通常運転が継続して行われる。この場合、水収支がプラスであれば、余った水はオフガスに含まれて各排気管１２，２６に排出される。このうち、カソードオフガス排気管２６に排出された水分は加湿モジュール２８にて回収され、空気供給管２４を流れる供給空気に付与される。一方、アノードオフガス排気管１２に排出された水分はバッファタンク２０内にて結露し、水となってバッファタンク２０内に溜まっていく。発電時の燃料電池２内は高温であるのに対し、外部に配置されたバッファタンク２０内の温度はそれよりも低いからである。
【００３１】
一方、運転温度が基準温度Ｔ０を超える場合には、燃料電池２内が水不足になっていると判断することができる。燃料電池２内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い燃料電池２の発電性能は大きく低下してしまう。したがって、その場合には、外部から水分を供給して燃料電池２の内部を加湿してやる必要が有る。
【００３２】
本実施の形態の燃料電池システムによれば、バッファタンク２０内に溜まった水を燃料電池２の加湿に用いることができる。ただし、それはバッファタンク２０内に水が十分にある場合であり、水が足りない場合には十分な加湿を行うことができない。そこで、ステップＳ６では、燃料電池２の運転温度と負荷電流とから加湿に必要な水の量が計算され、水位計４８により測定した水位が必要水位を超えているか否か判定される。測定水位が必要水位を超えているか否かによって、加湿に用いるのに必要な量の水が溜まっているか否か判定することができる。
【００３３】
ステップＳ６の判定の結果、測定水位が必要水位を超えていない場合には、バッファタンク２０内の水を用いたとしても十分な加湿を行うことができない。したがって、その場合には燃料電池２の出力制限が行われる（ステップＳ１０）。出力制限によって燃料電池２の運転温度を低下させ、また、燃料電池２内からの水の消失を抑制するようにする。ステップ１０の出力制限は、運転温度が基準温度Ｔ０以下となるか、若しくは、測定水位が必要水位を超えるまで継続して実施される。
【００３４】
測定水位が必要水位を超えている場合には、バッファタンク２０内の水分を用いて燃料電池２の加湿が行われる（ステップＳ８）。加湿が実行される間、バルブＶ１，Ｖ２は閉じられてバルブＶ３，Ｖ４が開かれる。バルブＶ１，Ｖ２の閉弁によりバッファタンク２０内と燃料電池２との連通は遮断され、また、系外との連通も遮断される。一方、バルブＶ３，Ｖ４の開弁によりバッファタンク２０内と燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとが連通し、また、バッファタンク２０の底部と燃料ガス供給管（二次側）１０ａとが連通する。その結果、燃料ガス供給管（二次側）１０ａと燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの圧力差を駆動力として、バッファタンク２０の底部に溜まった水はバイパス管１８を経て燃料ガス供給管１０に導入されることになる。これにより、燃料電池２に供給される燃料ガスに水分が付与され、それにより燃料電池２の内部が加湿される。ステップＳ８の加湿加湿は、運転温度が基準温度Ｔ０以下となるか、若しくは、測定水位が必要水位以下になるまで継続して実施される。
【００３５】
［実施の形態１の燃料電池システムの効果］
本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス中の不純物を燃料電池２の外部に設けたバッファタンク２０に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができる。したがって、バルブＶ１を開いて燃料ガスのオフガスを系外に排気する頻度は少なくて済み、燃料ガスの無駄を抑制することができる。また、オフガスに含まれる水分が結露することでバッファタンク２０内には水が溜まるが、この水を燃料電池２の加湿に利用することで水分をシステム内で循環させることができる。これによれば、システム内からの水分の消失量を抑えることができ、燃料電池２内の湿潤状態の管理も容易になる。また、バッファタンク２０から燃料電池２へ水を供給するための駆動力として、燃料ガス供給管（二次側）１０ａと燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの圧力差を利用するので、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はないという利点もある。
【００３６】
実施の形態２．
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００３７】
［実施の形態２の燃料電池システムの構成］
図４は、本実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。図４において、実施の形態１の燃料電池システムと同一の要素については同一の符号を付している。本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムの構成を基本とした上で、以下に説明するようにバッファタンク２０内を掃気する手段をさらに備えたことに特徴がある。
【００３８】
本実施の形態の燃料電池システムでは、空気供給管２４における加湿モジュール２８の上流とバッファタンク２０の底部とがバイパス管３６によって接続されている。このバイパス管３６の途中には、バッファタンク２０内と空気供給管２４との連通を遮断／許容するバルブＶ５が設けられている。また、バッファタンク２０の底部には、バッファタンク２０に溜まった水を系外に排出するための排水管３８が接続されている。この排水管３８には、バッファタンク２０内と系外との連通を遮断／許容するバルブＶ６が設けられている。これらの要素により、バッファタンク２０内の掃気手段が構成されている。
【００３９】
［実施の形態２の燃料電池システムの動作］
本実施の形態の燃料電池システムは、その動作を制御装置４０によって制御される。掃気手段を構成するバルブＶ５，Ｖ６の開閉制御は、他のバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とともに制御装置４０によって行われる。バッファタンク２０内の掃気を行う場合、制御装置４０はバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は閉じて、バルブＶ５，Ｖ６を開く。バルブＶ５，Ｖ６の開弁によりバッファタンク２０内と空気供給管２４とが連通し、また、バッファタンク２０の底部と系外とが連通する。その結果、コンプレッサ２２によって圧送される空気が空気供給管２４からバイパス管３６を経てバッファタンク２０内に導入され、バッファタンク２０の底部に溜まった水は空気の圧力によって排水管３８から系外へ押し出されることになる。
【００４０】
燃料電池２を加湿する場合、本実施の形態では、アノード側からの加湿とカソード側からの加湿とを選択することができる。燃料電池２をアノード側から加湿する場合は、制御装置４０はバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６を閉じてバルブＶ３，Ｖ４を開く。これにより、バッファタンク２０の底部に溜まった水はバイパス管１８を経て燃料ガス供給管（二次側）１０ａに導入されることになる。燃料電池２に供給される燃料ガスに水分が付与され、それにより燃料電池２の内部が加湿される。
【００４１】
燃料電池２をカソード側から加湿する場合は、制御装置４０はバルブＶ１，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ６を閉じてバルブＶ２，Ｖ５を開く。バルブＶ１，Ｖ６の閉弁によりバッファタンク２０内と系外との連通は遮断される。また、バルブＶ３，Ｖ４の閉弁によりバッファタンク２０内と燃料ガス供給管（二次側）１０ａ及び燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの連通も遮断される。一方、バルブＶ２，Ｖ５の開弁によりバッファタンク２０内と燃料電池２とが連通し、また、バッファタンク２０内と空気供給管２４とが連通する。その結果、バッファタンク２０内の燃料ガスと空気供給管２４内の空気との圧力差を駆動力として、バッファタンク２０の底部に溜まった水はバイパス管３６を経て空気供給管２４に導入されることになる。これにより、燃料電池２に供給される空気に水分が付与されて燃料電池２の内部が加湿されることになる。
【００４２】
［実施の形態２の燃料電池システムの効果］
本実施の形態の燃料電池システムによれば、実施の形態１の燃料電池システムで得られる効果は勿論のこと、必要に応じてバッファタンク２０内を掃気することも可能になる。システム停止時や低温でのシステム起動時にバッファタンク２０内を掃気すれば、バッファタンク２０内で水が凍結するのを防止することができる。運転時に水位計４８によりバッファタンク２０の満水が検知されたら掃気を行うようにしてもよい。また、コンプレッサ２２を送風装置として利用することができるので、専用の送風装置を別途設ける必要はないという利点もある。
【００４３】
さらに、本実施の形態の燃料電池システムによれば、バッファタンク２０内に溜まった水を利用して燃料電池２をアノード側から加湿することもカソード側から加湿することもできる。アノード側から加湿する場合には、バッファタンク２０から燃料ガス供給管１０へ水を供給するための駆動力として、燃料ガス供給管（二次側）１０ａと燃料ガス供給管（一次側）１０ｂとの圧力差を利用することができる。カソード側から加湿する場合には、バッファタンク２０から空気供給管２４へ水を供給するための駆動力として、バッファタンク２０内に作用する燃料ガスのオフガスの圧力と空気供給管１０内の圧力との圧力差を利用することができる。したがって、ポンプ等の駆動装置を別途設ける必要はない。
【００４４】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００４５】
実施の形態２において、バイパス管１６，１８とバルブＶ３，Ｖ４を省略した構成を採ることもできる。これらの要素を省略した場合でも、バルブＶ２，Ｖ５を開くことでバッファタンク２０の底部に溜まった水を空気供給管２４に導入することができ、それにより燃料電池２をカソード側から加湿することができる。
【００４６】
また、実施の形態１，２では通常はバルブＶ１を完全に閉じておき、所定のパージ条件の成立時に極短時間だけバルブＶ１を開く運転（間欠排気運転）を行っているが、バルブＶ１を僅かに開いた連続少量排気運転を行ってもよい。連続少量排気運転では、系外へ排気されるオフガスの流量が燃料電池２内での燃料ガスの消費量に比較して極微小な値になるようにバルブＶ１の開度を調整する。より詳しくは、電解質膜をカソード側からアノード側に透過してくる不純物（主として窒素）の短時間当たりの透過量と略同じ量か、それに応じた量のオフガスを連続排気するようにバルブＶ１の開度を調整する。不純物の透過量は圧力、温度、電解質膜の劣化度合い等の条件によって変化するが、それらの条件を勘案した上で予め実験的に求めることは可能である。
【００４７】
連続少量排気運転は、実質的には、実施の形態１，２のような間欠排気運転と同様に燃料ガスを燃料電池２の内部に止めた状態での運転と言える。したがって、燃料電池の内部に燃料ガスを実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムとは、間欠排気運転を行うシステムと、連続少量排気運転を行うシステムとを指す。連続少量排気運転によれば、バッファタンク２０に溜まる不純物を系外に少しずつ排気してアノードガス流路からバッファタンク２０への不純物の移動を持続させることができるので、アノードガス流路内の不純物濃度を低い状態に維持することが可能になる。また、排気されるオフガスの水素濃度は極低く抑えられるので、そのまま大気中に放出することができる。ただし、希釈器や燃焼器等の水素濃度を低減する装置を介して放出するようにしてもよい。
【００４８】
なお、連続少量排気運転を採るシステムでは、バルブＶ１としてはデューティ制御が可能なインジェクタが好ましい。燃料ガスの供給源としては高圧水素タンクや水素吸蔵材のような高濃度の水素、或いは純水素を供給できるものが好ましい。また、連続少量排気を行うのはあくまでも発電時であり、始動時にはバルブＶ１の開度を大きくして大量排気を行ってもよい。システムの停止時にはアノードガス流路内の不純物濃度が上昇した状態になっているが、大量排気を行うことでアノードガス流路内に溜まっている不純物を一気に排気することができ、システムを速やかに始動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】燃料電池の運転温度と燃料電池内部の水収支との関係について示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
２  燃料電池
４  単位電池
６  水素供給管
８  調圧弁
１０ａ  燃料ガス供給管（二次側）
１０ｂ  燃料ガス供給管（一次側）
１２  アノードオフガス排気管
１６，１８，３６  バイパス管
２０  バッファタンク
２２  コンプレッサ
２４  空気供給管
２６  カソードオフガス排気管
２８  加湿モジュール
３８  排水管
４０  制御装置
４２  水素濃度センサ
４４  温度計
４８  水位計
４６  電圧モニタ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６  バルブ
【図１】
2008300057.tif 000003
【図２】
2008300057.tif 000004
【図３】
2008300057.tif 000005
【図４】
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