(57)【要約】【課題】燃料電池の起動性を向上させるのに有利な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０に供給する反応ガスが流れる供給通路２と、燃料電池１０から排出された反応オフガスが流れる排出通路３と、供給通路２に設けられ燃料電池１０に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器４とを備えている。燃料電池１０に供給される前の反応ガスを加湿器４が単位時間あたり加湿する量を加湿量Ｈ１とするとき、燃料電池１０の起動時におけるＨ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器４が設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池に供給する反応ガスが流れる供給通路と、前記燃料電池から排出された前記反応オフガスが流れる排出通路と、前記供給通路に設けられ前記燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器とを具備しており、
前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスを前記加湿器が単位時間あたり加湿する量を加湿量Ｈ１とするとき、前記燃料電池の起動時におけるＨ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、前記加湿器が設定されている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記燃料電池に供給される前記反応ガスのうち、前記加湿器を経由しないで前記加湿器を迂回して前記燃料電池に供給される反応ガスの流量比率を第１迂回比率αとするとき、前記加湿器は、前記燃料電池の起動時におけるαを、起動時以外の時期におけるαよりも増加させるように設定されている燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記供給通路は、前記反応ガスが前記加湿器を流れる主供給通路と、前記反応ガスが前記加湿器を迂回する第１迂回通路とを備えており、
前記加湿器を経て前記主供給通路を流れる反応ガスの流量をＶ１とし、前記加湿器を迂回するように第１迂回通路を流れる反応ガスの流量をＶ２とし、前記第１迂回比率αをＶ２／（Ｖ１＋Ｖ２）であらわすとき、前記加湿器は、前記燃料電池の起動時におけるαを、起動時以外の時期におけるαよりも増加させるように設定されている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記排出通路は前記加湿器に繋がっており、前記燃料電池から前記排出通路に排出される前記反応オフガスのうち、前記加湿器を経由しないで前記加湿器を迂回して前記燃料電池から排出される前記反応オフガスの流量比率を第２迂回比率βとするとき、前記加湿器は、前記燃料電池の起動時におけるβを、起動時以外の時期におけるβよりも増加させるように設定されている燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちの一項において、前記排出通路は、前記反応オフガスが前記加湿器を流れる主排出通路と、前記反応オフガスが前記加湿器を迂回する第２迂回通路とを備えており、
前記加湿器を経て前記主排出通路を流れる反応オフガスの流量をＶ３とし、前記加湿器を迂回するように前記第２迂回通路を流れる前記反応オフガスの流量をＶ４とし、第２迂回比率βをＶ４／（Ｖ３＋Ｖ４）とするとき、前記加湿器は、前記燃料電池の起動時におけるβを、起動時以外の時期におけるβよりも増加させるように設定されている燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、前記燃料電池に供給される前の前記反応ガスを加湿する前記加湿器に加湿用の水分を与える水分付与部が設けられており、
前記水分付与部が前記加湿器に与える単位時間あたりの加湿用の水分量をＨａとするとき、
前記加湿器は、前記燃料電池の起動時におけるＨａを、起動時以外の時期におけるＨａよりも低減させるように設定されている燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のうちの一項において、前記起動時以外の時期は、前記燃料電池の発電運転の定格運転時である燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの一項において、前記燃料電池の発電運転を停止させるとき、前記加湿器は、前記燃料電池の発電運転の定格状態よりも、前記加湿器に対する水分供給を低減させるように設定されている燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のうちの一項において、水蒸気を生成する水蒸気供給部と、前記燃料電池システムを制御する制御部が設けられており、前記燃料電池の発電運転を停止させるとき、前記制御部は、前記水蒸気を前記燃料電池のカソード極および／またはアノード極に供給して水蒸気を封入する燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちの一項において、改質用燃料を改質させてアノードガスを生成する改質器が設けられており、
前記燃料電池の発電運転を停止させるとき、前記制御部は、前記改質器を経た前記改質用燃料または前記アノードガスを前記燃料電池のアノード極および／またはカソード極に供給して封入する燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちの一項において、前記加湿器は、前記燃料電池に供給する前記反応ガスが流れる第１通路と、前記燃料電池から排出された前記反応オフガスが流れる第２通路と、前記第１通路および前記第２通路を仕切ると共に前記反応ガスに接触する第１部分と前記反応オフガスに接触する第２部分とを備える水分保有部材とを備えている燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちの一項において、前記燃料電池の入口および前記出口を封止する封止手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項４または５において、前記燃料電池システムを制御する制御部が設けられており、前記制御部は、前記燃料電池の発電運転の起動時において、発電に関する物理量の低下勾配を求め、前記低下勾配に基づいて、前記第１迂回比率αおよび／または前記第２迂回比率βを求めることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加湿器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池のスタックと、スタックの入口側に設けられたバルブと、スタックの出口側に設けられたバルブとを備えており、燃料電池の発電運転の停止時に入口側のバルブおよび出口側のバルブを封止する燃料電池システムが知られている（特許文献１）。
【０００３】
更に、燃料電池の温度を検知し、検知温度が低下するほど加湿器への供給水量を減少させる燃料電池の加湿器が知られている（特許文献２）。更に、燃料電池の内部に酸化剤ガスおよび燃料ガスを封入した状態で燃料電池の発電運転を停止し、その燃料電池に不活性なガスを一定時間毎に注入する燃料電池システムが知られている（特許文献３）。
【特許文献１】特開平８−１２４５８８号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２３７号公報
【特許文献３】特開２００５−２２２７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの発電運転を停止させるにあたり、燃料電池のスタックの入口および出口が封止されたまま維持されるため、外気がスタックの内部に侵入することが防止される。この場合、スタックの内部に担持されている触媒の酸化が抑えられ、外気中の不純物による触媒などの劣化が抑制される利点が得られる。
【０００５】
ところで、発電反応ではスタックの内部において水が生成されるため、スタックの内部には、液相としての水が過剰に残留することがある。更に、当該システムの停止に伴い、暖かいスタックの温度が冷えるため、スタックの内部において凝縮水が生成するおそれもある。
【０００６】
従って燃料電池システムを次に起動させるとき、スタックの内部の水分が過剰であり、発電性能の向上に限界があることがある。更に起動時には、発電運転の定格運転時に比較して、スタックの温度も比較的低温であるため、液相としての水が蒸気化しにくい。このためスタックの内部の水分が過剰であると、スタックの内部に担持されている触媒が液相状の水で覆われ、触媒が充分に機能できないおそれがある。更に、反応ガスに含まれる活物質が流れる通路を液相状の水が塞ぎ、活物質の流れを損なうおそれがある（フラッディング）。
【０００７】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の起動性を向上させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
様相１に係る燃料電池システムは、反応ガスの反応により電気エネルギを生成する燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスが流れる供給通路と、燃料電池から排出された反応オフガスが流れる排出路と、供給通路に設けられ燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器とを具備しており、
燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿器が単位時間あたり加湿する量を加湿量Ｈ１とするとき、燃料電池の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器が設定されている。
【０００９】
燃料電池の起動時における加湿量Ｈ１は、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように設定されている。このため燃料電池の起動時において、燃料電池の内部に供給される水分量は制限されている。従って、燃料電池の起動時において、燃料電池の内部に液相状の水が過剰に存在することが抑制される。従って燃料電池の起動時におけるフラッディングが抑制され、良好な発電性能が得られる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電運転の起動時において、燃料電池の内部に液相状の水が過剰に存在することが抑制される。従って燃料電池の起動時においてフラッディングが抑制され、良好な発電性能が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの反応により電気エネルギを生成する燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスが流れる供給通路と、燃料電池から排出された反応オフガスが流れる排出通路と、供給通路に設けられ燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器とを備えている。加湿器を通過する反応ガスとしては、アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくとも一方が挙げられる。
【００１２】
燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿器が単位時間あたり加湿する量を加湿量Ｈ１とする。燃料電池の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器が設定されている。このため燃料電池の起動時において、燃料電池の内部に液相状の水が過剰に存在することが抑制される。従って燃料電池の起動時において、フラッディングが抑制され、良好な発電性能が得られる。
【００１３】
燃料電池の入口および出口を封止する封止手段が設けられている形態が例示される。燃料電池が封止されると、発電運転を停止した燃料電池が放冷され、燃料電池の内部の圧力が低下するときであっても、外気が燃料電池の内部に侵入しにくくなる。封止手段としてはバルブが例示される。
【００１４】
加湿器の構造は特に限定されるものではない。例えば、加湿器については、燃料電池に供給する反応ガスが流れる第１通路と、燃料電池から排出された反応オフガスが流れる第２通路と、第１通路および第２通路を仕切ると共に反応ガスに接触する部分と反応オフガスに接触する部分とを備える水分保有部材とを備えている形態が例示される。加湿器については、燃料電池に供給する反応ガスが流れる第１通路と、第１通路の反応ガスに水分を与える水分付与部とを備えている形態が例示される。また加湿器は、蒸気化を促進させるために加熱部を有することができる。加熱部としては、電気ヒータ式でも良いし、他の方式でも良い。
【００１５】
燃料電池に供給される反応ガスのうち、加湿器を経由しないで加湿器を迂回して燃料電池に供給される反応ガスの流量比率を第１迂回比率αとする。このとき、加湿器は、燃料電池の起動時におけるαを、起動時以外の時期におけるαよりも増加させるように設定されている形態が例示される。この場合、燃料電池の起動時において、加湿器を迂回する反応ガスの第１迂回比率αが増加するため、反応ガスが加湿器で加湿される割合が低下する。よって燃料電池の起動時において、燃料電池の内部における水分の過剰化が防止され、フラッディングの防止に有利である。
【００１６】
供給通路は、反応ガスが加湿器を流れる主供給通路と、反応ガスが加湿器を迂回する第１迂回通路とを備えている形態が例示される。この場合、加湿器を経て主供給通路を流れる反応ガスの流量をＶ１とし、加湿器を迂回するように第１迂回通路を流れる反応ガスの流量をＶ２とする。第１迂回比率αをＶ２／（Ｖ１＋Ｖ２）であらわすとき、加湿器は、燃料電池の起動時におけるαを、起動時以外の時期におけるαよりも増加させるように設定されている形態が例示される。この場合、燃料電池の起動時において、加湿器を迂回する反応ガスの第１迂回比率αが増加する。このため、反応ガスが加湿器で加湿される割合が低下する。よって燃料電池の起動時において、燃料電池の内部における水分の過剰化が防止され、フラッディングの防止に有利である。
【００１７】
また、燃料電池から排出される反応オフガスのうち、加湿器を経由しないで加湿器を迂回して燃料電池から排出される反応オフガスの流量比率を第２迂回比率βとするとき、加湿器は、燃料電池の起動時におけるβを、起動時以外の時期におけるβよりも増加させるように設定されている形態が例示される。この場合、燃料電池の起動時において、加湿器を迂回して燃料電池から排出される反応オフガスの第２迂回比率βが増加するため、相対的に高温高湿の反応オフガスの熱および水分が加湿器に与えられることが抑制される。よって加湿器における過剰水分化は抑制される。従って、燃料電池の起動時において、燃料電池の内部における水分の過剰化および過剰水蒸気化が防止され、燃料電池の内部におけるフラッディングの防止に有利である。
【００１８】
また排出通路は、反応オフガスが加湿器を流れる主排出通路と、反応オフガスが加湿器を迂回する第２迂回通路とを備えている形態が例示される。この場合、加湿器を経て主排出通路を流れる反応オフガスの流量をＶ３とし、加湿器を迂回するように第２迂回通路を流れる反応オフガスの流量をＶ４とする。第２迂回比率βをＶ４／（Ｖ３＋Ｖ４）とするとき、加湿器は、燃料電池の起動時におけるβを、起動時以外の時期におけるβよりも増加させるように設定されている形態が例示される。この場合、燃料電池の起動時において、加湿器を迂回して燃料電池から排出される反応オフガスの第２迂回比率βが増加する。このため、燃料電池から排出された反応オフガス（燃料電池に供給される前の反応ガスよりも相対的に高温および高湿）の熱および水分が加湿器に与えられることが抑制される。よって加湿器における過剰水分化および過剰水蒸気化は抑制される。従って、燃料電池の起動時において、燃料電池の内部における水分の過剰化が防止され、燃料電池の内部におけるフラッディングの防止に有利である。
【００１９】
また、燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器に加湿用の水分を与える水分付与部が設けられている形態が例示される。この場合、水分付与部が加湿器に与える単位時間あたりの加湿用の水分量をＨａとするとき、加湿器は、燃料電池の起動時におけるＨａを、起動時以外の時期におけるＨａよりも低減させるように設定されている形態が例示される。よって燃料電池の起動時において、加湿器における過剰水分化および過剰水蒸気化は抑制される。従って、燃料電池の起動時において、燃料電池の内部における水分の過剰化が防止され、燃料電池の内部におけるフラッディングの防止に有利である。
【００２０】
『起動時』は、燃料電池の発電の開始から燃料電池の温度が所定温度以上となったときをいう。所定温度としては、通常運転時の燃料電池の温度よりもｔ℃低い温度を意味する。ｔ℃は０〜５℃または１〜５℃である。『起動時以外の時期』は、一般的には、燃料電池の温度が前記所定温度以上となってから、燃料電池の発電停止するまでの時期である。『起動時以外の時期』としては、燃料電池の発電運転の定格運転時である形態、あるいは、定格運転の５０％以上出力運転時が例示される。
【００２１】
燃料電池の発電運転を停止させるとき、加湿器は、燃料電池の発電運転の定格状態よりも、加湿器に対する水分供給を低減させるように設定されている形態が例示される。この場合、燃料電池システムの発電運転が停止されたとき、加湿器における過剰水分化および過剰水蒸気化は抑制される。従って、燃料電池の次回の起動時において、燃料電池の内部における水分の過剰化が防止される。よって燃料電池の起動時におけるフラッディングの防止に有利である。
【００２２】
また、水蒸気を生成させる水蒸気供給部と、燃料電池システムを制御する制御部が設けられている形態が例示される。この場合、燃料電池の発電運転を停止させるとき（例えば停止直前、停止途中、停止直後のうちのいずれか）、制御部は、水蒸気を燃料電池（アノード極および／またはカソード極）に供給して水蒸気でパージする形態が例示される。このように水蒸気が燃料電池の内部に供給されると、燃料電池の内部に存在していた可燃性ガスを燃料電池から排除できる。このような利点が得られる反面、燃料電池の内部が過剰水化し、フラッディングが発生し易くなるおそれがある。この点について本発明によれば、燃料電池の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器が設定されている。このため、燃料電池の起動時において、燃料電池に供給される前の反応ガスの水分が制限されている。よって燃料電池の起動時におけるフラッディングが抑制される。
【００２３】
改質用燃料を改質させてアノードガスを生成する改質器が設けられている形態が例示される。この場合、燃料電池の発電運転を停止させるとき、制御部は、改質器を経た改質用燃料またはアノードガスを燃料電池（アノード極および／またはカソード極）に供給して封入する形態が例示される。この場合、燃料電池に存在している反応ガスを燃料電池から排除できる。これにより燃料電池が常温域に冷却されるときであっても、燃料電池（アノード極および／またはカソード極）の内部の負圧化が抑制される。ひいては、燃料電池の内部への外気の侵入が抑制され、燃料電池の内部の触媒等の劣化が抑制される利点が得られる。しかしながら、その反面、発電運転の停止直後の改質器を経た改質用燃料またはアノードガスは、改質器の余熱により暖められているため、燃料電池が高温の状態から放置されて冷却されることになる。この場合、燃料電池の内部において凝縮水が増加し、フラッディングが発生し易くなるおそれがある。この点について本発明によれば、前述したように、燃料電池の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器が設定されている。このため、燃料電池の起動時において、燃料電池に供給される前の反応ガスの水分が制限されている。よって燃料電池の起動時におけるフラッディングが抑制される。
【００２４】
更に制御部は、燃料電池の発電運転の起動時において、発電に関する物理量の低下勾配γを求め、低下勾配γに基づいて、前記した第１迂回比率αおよび／または第２迂回比率βを求める形態が例示される。起動時において、低下勾配γが大きいときには、水分不足気味と推定される。発電に関する物理量としては、電圧、電流、電力のうちの少なくとも一つが例示される。この場合、燃料電池の起動時において、第１迂回比率αおよび／または第２迂回比率βが適性化され、燃料電池の起動時におけるフラッディングが抑制される。
【実施例１】
【００２５】
図１は実施例１を示す。燃料電池システムは、反応ガスの反応により電気エネルギを生成する燃料電池１０のスタック１と、スタック１に供給する反応ガスが流れる供給通路２と、スタック１から排出された反応オフガスが流れる排出通路３と、供給通路２に設けられ燃料電池１０に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器４（加湿器）とを備えている。更に、燃料電池システムは、燃料電池１０に供給する他方の反応ガスが流れる第２供給通路２Ｂと、燃料電池１０から排出された他方の反応オフガスが流れる第２排出通路３Ｂとをもつ。供給通路２を流れる反応ガスとしては、カソードガスおよびアノードガスのうちの一方とする。他方の供給通路２Ｂを流れる反応ガスとしては、カソードガスおよびアノードガスのうちの他方とする。
【００２６】
スタック１は、高分子型のプロトン伝導膜（例えば炭化フッ素系または炭化水素系）をアノード極およびカソード極で挟んで形成されたセルを複数搭載している。反応ガスが流れる燃料電池１０の入口および出口を封止する封止手段として、遮断機能をもつ入口バルブ５および出口バルブ６が設けられている。更に、他方の反応ガスをスタック１の内部に封入するため、遮断機能をもつ入口バルブ５Ｂおよび出口バルブ６Ｂが設けられている。スタック１は発電反応により加熱される。そこで、スタック１を冷却させる冷却媒体としての冷却水（液状の冷却媒体）を流す冷却通路７がスタック１に形成されている。冷却通路７は往路７ａおよび復路７ｃをもつ。
【００２７】
図１に示すように、供給通路２は、反応ガスが加湿器４を流れる加湿用通路として機能する主供給通路２０と、反応ガスが加湿器４を迂回する非加湿用通路として機能する第１迂回通路２２とを備えている。主供給通路２０には、加湿器４の上流においてポンプ２４が設けられている。ポンプ２４は、反応ガスを搬送する搬送源として機能する。第１迂回通路２２には、開閉式の第１パイパスバルブ２５が設けられている。第１パイパスバルブ２５は開度１００％と開度０％とを切り替えるものである。但し、第１パイパスバルブ２５の開度を段階的にまたは連続的に可変としても良い。
【００２８】
図１に示すように、加湿器４は、スタック１に供給する反応ガスが流れる第１通路４１と、第１通路４１に水分を与えることにより第１通路４１を流れる反応ガスに水分を与える水分付与部２７とを備えている。水分付与部２７の構造は限定されず、反応ガスに水分（液相状の水、気相状の水）を付与できる機能を有すれば良い。制御部９は、水分付与部２７と、第１パイパスバルブ２５と、入口バルブ５および出口バルブ６と、入口バルブ５Ｂおよび出口バルブ６Ｂと、ポンプ２４等を制御する。
【００２９】
本実施例によれば、スタック１に供給される前の反応ガスを加湿器４が単位時間あたり加湿する量を、加湿量Ｈ１とする。燃料電池１０の起動時における加湿量Ｈ１は、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減するように、加湿器４が設定されている。このためフラッディングが発生しがちなスタック１の起動時において、スタック１に供給される反応ガスに与えられる水分量が制限される。このためスタック１の内部に液相状の水が過剰に存在することが抑制される。従ってスタック１の起動時において、スタック１内におけるフラッディングが抑制される。故に反応ガスの流路面積が液相状の水で塞がれることが抑制される。更に、触媒が液相状の水で覆われることが抑制される。これによりスタック１の良好な発電性能が得られる。
【００３０】
更に本実施例によれば、スタック１に供給される反応ガスのうち、加湿器４を経由しないで加湿器４を迂回して第１迂回通路２２を流れてスタック１に供給される反応ガスの流量比率を第１迂回比率αとする。加湿器４は、スタック１の起動時におけるαを、起動時以外の時期（例えばスタック１の定格運転時）におけるαよりも増加させるように設定されている。
【００３１】
具体的には、加湿器４を経て主供給通路２０を流れる反応ガスの流量をＶ１とし、加湿器４を迂回するように第１迂回通路２２を流れる反応ガスの流量をＶ２とするとき、第１迂回比率αは、Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）であらわされる。制御部９は、第１バイパスバルブ２５の開度を調整することにより、第１迂回比率αを可変とすることができる。従って、制御部９は第１バイパスバルブ２５の開度を制御する指令を出力する。これにより加湿器４は、燃料電池１０の起動時におけるαを、起動時以外の時期におけるαよりも増加させ、加湿器４を迂回するように反応ガスを第１迂回通路２２に流すことができるように設定されている。即ち、スタック１の起動時におけるαを、起動時以外の時期（スタック１の定格運転時）におけるαよりも増加させるように、制御部９は、水分付与部２７に対して指令Ｓａを出力すると共に、第１バイパスバルブ２５に指令Ｓｃを出力する。
【００３２】
この結果、スタック１の起動時において、加湿器４に流れずに第１迂回通路２２を流れる反応ガスの第１迂回比率αが増加する。第１迂回比率αが増加することは、スタック１に供給される前の反応ガスを加湿器４で加湿しない比率が増加することを意味する。ここで、加湿器４は、小さな流路断面積をもつ通路の集合体で形成されているため、かなり大きな圧力損失を有する。このため、第１バイパスバルブ２５の開度が１００％となれば、第１供給通路２を流れて加湿器４で加湿される反応ガスの流量がかなり低下するか、あるいは、実質的に無くなる。
【００３３】
なお、前回の発電反転時に、スタック１の内部には残留水が存在していると共に、加湿器４の内部には残留水が存在している。このような残留水は次回の発電運転までスタック１や加湿器４の内部に残留していることが多い。
【００３４】
本実施例によれば、燃料電池１０に供給される前の反応ガスを加湿器４が単位時間あたり加湿する量を加湿量Ｈ１とする。そして、燃料電池１０の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器４は設定されている。この結果、起動時において、スタックの内部に供給される水分は、制限されている。この場合には、スタック１や加湿器４の内部に残留している残留水が発電運転に用いられる。従ってスタック１の発電運転の起動時において、スタック１の内部が水分過剰の場合であっても、スタック１の内部における水分の過剰化が防止され、スタック１の内部におけるフラッディングの防止に有利である。なお、水分付与部２７の構造としては特に制限されるものではなく、後述する排出側三方バルブ３５を用いて形成しても良い。
【実施例２】
【００３５】
図２は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図１を準用する。図２は、入口バルブ５、出口バルブ６、第１バイパスバルブ２５、水分付与部２７の作動状況をあらわすタイミングチャートを示す。時刻ｔ０→時刻ｔ１→時刻ｔ２→時刻ｔ３→時刻ｔ４の順に時間が経過する。時刻ｔ０〜時刻ｔ１までは、入口バルブ５、出口バルブ６、第１バイパスバルブ２５は閉鎖されており、スタック１の発電運転は開始されていない。
【００３６】
制御部９は時刻ｔ１から発電開始指令を出力し、燃料電池システムを手順１に移行させる。手順１においては入口バルブ５、出口バルブ６および第１バイパスバルブ２５は開放される。従って、時刻ｔ１〜時刻ｔ２に係る手順１においては、スタック１の入口バルブ５および出口バルブ６が開放されるため、反応ガスがスタック１の入口に供給される。発電反応後の反応オフガスは、スタック１の出口から排出される。他方の反応ガスもスタック１に供給される。これによりスタック１の発電運転が開始される。
【００３７】
この場合、図２に示すように、時刻ｔ１〜時刻ｔ２（スタック１の起動時）は手順１を示す。手順１において、制御部９は、第１バイパスバルブ２５を開放させる指令を第１バイパスバルブ２５に出力し、第１バイパスバルブ２５を開放（開度１００％）させる。このため、ほとんどの反応ガスは第１迂回通路２２に流れる。その理由としては、加湿器４は小さな流路断面積の集合体で形成されているため、大きな圧力損失を有するためである。このため、反応ガスはほとんど加湿器４には流れないため、ほとんど加湿されず、第１迂回通路２２に流れる。この場合、水分付与部２７が加湿器４に与える水分量は０％とされるように、制御部９は水分付与部２７を制御する。手順１では、前回の発電運転によりスタック１の内部には水が残留しているため、スタック１の内部に残留している水を利用して、スタック１の発電運転が行われる。従ってスタック１での発電運転は、主としてスタック１の内部に残留している水分に基づいて行われる。この結果、時刻ｔ１〜時刻ｔ２（スタック１の起動時）に係る手順１において、スタック１の内部において水分が過剰となることが抑制される。ひいては、スタック１の内部におけるフラッディングが抑制される。
【００３８】
次に図２に示すように、時刻ｔ２において、入口バルブ５および出口バルブ６の開放は維持される。時刻ｔ２〜時刻ｔ３（スタック１の起動時）は手順２に相当する。手順２においては、反応ガスがスタック１の入口に供給され、反応オフガスがスタック１の出口から排出される。これによりスタック１の発電運転が継続される。時刻ｔ２においては、制御部９からの閉鎖指令により、第１バイパスバルブ２５は開放状態から閉鎖（開度０％）される。このため手順２においては、反応ガスは第１迂回通路２２に流れず、主供給通路２０のみに流れる。よって、反応ガスは加湿器４を経てスタック１に供給される。手順２では、制御部９からの指令により、水分付与部２７が加湿器４に与える水分量は、０％とされてる。この場合、前回の発電運転により加湿器４の内部には水がかなり残留している。このため、加湿器４の内部に残留している水を利用することにより、スタック１の発電運転が行われる。
【００３９】
次に図２に示すように、時刻ｔ３において、入口バルブ５および出口バルブ６の開放は維持される。時刻ｔ３〜時刻ｔ４（スタック１の起動時）は手順３に相当する。手順３では、反応ガスがスタック１の入口に供給され、反応オフガスがスタック１の出口から排出され、スタック１の発電運転が継続される。
【００４０】
手順３（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）においては、第１バイパスバルブ２５は閉鎖状態（開度０％）のままである。このため、手順３（時刻ｔ３〜時刻ｔ４（スタック１の起動直後よりも時間が少し経過））において、反応ガスは第１迂回通路２２に全く流れず、主供給通路２０のみに流れる。故に、反応ガスは加湿器４を経て、加湿器４で加湿された後に、スタック１に供給される。この場合、水分付与部２７が加湿器４に与える水分量がＡ％とされるように、制御部９は水分付与部２７を制御する。Ａ％は、スタック１の定格運転時において水分付与部２７が加湿器４に与える水分量よりもかなり少ない。これにより起動直後においては、加湿器４の内部にまだ残留している水と、Ａ％の水分量とを利用しつつ、スタック１の発電運転が行われる。この場合、スタック１の内部におけるフラッディングが抑制される。
【００４１】
更に、時刻ｔ４から、スタック１は通常の発電運転に移行する。図２に示すように、時刻ｔ４以降に係る手順４において、入口バルブ５および出口バルブ６の開放は維持されている。よって反応ガスがスタック１の入口に供給され、反応オフガスがスタック１の出口から排出され、スタック１の発電運転が継続されている。時刻ｔ４以降（通常運転時）においては、第１バイパスバルブ２５は閉鎖状態のままである。このため、時刻ｔ４以降において、反応ガスは第１迂回通路２２に全く流れず、主供給通路２０のみに流れる。よって、反応ガスは加湿器４により加湿された後、スタック１に供給される。上記した時刻ｔ１から時刻ｔ４に至るまでの間において、スタック１の内部の残留水、加湿器４の残留水の全部またはかなりの部分は、既に消費されている。このため時刻ｔ４以降に係る通常運転では、水分付与部２７が加湿器４に与える水分量はＢ％（Ｂ％＞Ａ％）とされてる。この場合においても、スタック１の内部に過剰の水分が存在することが抑制されている。これによりスタック１の起動直後におけるフラッディングが抑制される。
【００４２】
本実施例によれば、制御部９は、発電運転開始からの時間、温度、電流値、電圧値の少なくとも一つがその第１しきい値を超えると、手順１から手順２に移行させる。温度としては、スタック１に供給される直前の反応ガスの温度、加湿器４から吐出されスタック１に供給される前の反応ガスの温度、スタック１を冷却する冷却水の温度が例示される。更に、制御部９は、時間、温度、電流値、電圧値の少なくとも一つがその第２しきい値を超えると、手順２から手順３に移行させる。更に、制御部９は、時間、温度の少なくとも一つがその第３しきい値を超えると、手順３から手順４に移行させる。
【実施例３】
【００４３】
実施例３は前記した実施例１，２と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図１および図２を準用する。スタック１の発電運転を停止させるとき（例えば、停止させる直前）、燃料電池１０の発電運転の定格状態よりも、加湿器４に対する水分供給を低減させるように、水分付与部２７を制御部９は制御する。この結果、燃料電池システムの発電運転が停止されたとき、加湿器４における水分の過剰化は、抑制される。ひいてはスタック１の内部における水分の過剰化は、抑制される。従って、スタック１を次回に起動させて発電運転させるときにおいて、スタック１の内部における水分の過剰化が防止される。よってスタック１の起動時におけるフラッディングの防止に有利である。
【００４４】
本実施例においても、実施例１，２と同様に、燃料電池１０の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器４は設定されている。この結果、スタック１の発電運転の起動時において、スタックの内部に供給される水分は制限されている。よって、起動時において、スタック１の内部が水分過剰の場合であっても、スタック１の内部における水分の過剰化が防止され、スタック１の内部におけるフラッディングの防止に有利である。
【実施例４】
【００４５】
図３は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図３に示すように、燃料電池システムは、反応ガスの反応により電気エネルギを生成する燃料電池１０のスタック１と、スタック１に供給する反応ガスが流れる供給通路２と、スタック１から排出された反応オフガスが流れる排出通路３と、供給通路２に設けられスタック１に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器４とを備えている。なお図３では他方の反応ガスの配管が図略されている。
【００４６】
スタック１は、高分子型のプロトン伝導膜をアノード極およびカソード極で挟んで形成されたセルを複数搭載している。スタック１の入口および出口を封止する封止手段としては、入口バルブ５および出口バルブ６が設けられている。
【００４７】
図３に示すように、加湿器４は、燃料電池１０に供給する反応ガスが流れる第１通路４１と、燃料電池１０から排出された反応オフガスが流れる第２通路４２と、第１通路４１および第２通路４２を仕切る膜状の水分保有部材４３（例えばパーフルオロスルホン酸膜）とを備えている。
【００４８】
供給通路２を流れる反応ガスは、カソードガス（酸素含有ガス）とされている。排出通路３を流れる発電反応後の反応オフガスはカソードオフガスとされている。
【００４９】
水分保有部材４３は、スタック１に供給される前の反応ガスに接触する第１部分４３ｆと、スタック１から排出された後の反応オフガスに接触する第２部分４３ｓとを備える。第２部分４３ｓは、スタック１から排出される相対的に高温の反応オフガスから熱および水分を受け取る。第１部分４３ｆは、スタック１に供給される前の相対的に低温の反応ガスに接触するため、熱および水分を与え、反応ガスを加温および加湿する。なお、反応オフガスは、発電中のスタック１から排出されているため、スタック１に供給される前の反応ガスに比較して、相対的に高温および高湿である。
【００５０】
図３に示すように、供給通路２は、反応ガスが加湿器４を流れる主供給通路２０と、反応ガスが加湿器４を迂回する第１迂回通路２２とを備えている。第１迂回通路２２には、開口度が可変な開閉式の第１パイパスバルブ２５（第１バルブ）が設けられている。加湿器４の第１通路４１を経て主供給通路２０を流れる反応ガスの流量をＶ１とし、加湿器４を迂回するように第１迂回通路２２を流れる反応ガスの流量をＶ２とする。第１迂回比率αはＶ２／（Ｖ１＋Ｖ２）であらわされる。第１パイパスバルブ２５は第１迂回比率αを可変とするように設定されている。
【００５１】
本実施例によれば、スタック１の起動時におけるαを、起動時以外の時期（例えばスタック１の定格運転）におけるαよりも増加させるように、加湿器４は設定されている。この結果、スタック１の起動時において、加湿器４の第１通路４１を迂回して、つまり加湿器４で加湿されないで、スタック１に供給される反応ガスのαが増加する。このため、加湿器４の水分保有部材４３の熱および水分が第１通路４１内の反応ガスに与えられにくくなるか、与えられない。従って、スタックの内部に供給される水分は制限されている。この結果、スタック１の起動時において、スタック１の内部における水分の過剰化が防止され、スタック１の内部におけるフラッディングの防止に有利である。
【００５２】
更に、図３に示すように、排出通路３は、反応オフガスが加湿器４を流れる主排出通路３０と、反応オフガスが加湿器４を迂回する第２迂回通路３２とを備えている。主排出通路３０と第２迂回通路３２との分岐域には、排出側バルブとして機能する排出側三方バルブ３５が設けられている。加湿器４の第２通路４２を経て主排出通路３０を流れる反応オフガスの流量をＶ３、加湿器４を迂回するように第２迂回通路３２を流れる反応オフガスの流量をＶ４とするとき、第２迂回比率βはＶ４／（Ｖ３＋Ｖ４）とされる。排出側三方バルブ３５は、第２迂回比率βを連続的または断続的に可変とする。
【００５３】
本実施例によれば、スタック１の起動時におけるβを、起動時以外の時期（例えばスタック１の定格運転）におけるβよりも増加させるように、加湿器４は設定されている。この結果、スタック１の起動時において、加湿器４を迂回してスタック１から排出される反応オフガスの流量が増加する。このため、起動時において、スタック１から排出された反応オフガスから、熱および水分が加湿器４の水分保持部材４３に与えられることが制限される。よってスタック１の起動時において、加湿器４の水分保持部材４３における水分の過剰化は、抑制される。従って、スタック１の起動時において、スタック１の内部における水分の過剰化が防止され、スタック１の内部におけるフラッディングの防止に有利である。上記した排出側三方バルブ３５は、加湿器４に水分を付与する水分付与部として機能できる。
【００５４】
図４は、実施例３において、実際に発電運転したときにおける実際のデータを示す。図４の横軸は時間（相対表示）を示す。図４の縦軸の一方は温度（相対表示）を示す。図４の縦軸の他方はスタック１の電圧値、電流値（相対表示）を示す。特性線Ｘ１はスタック１の電圧値（相対表示）を示す。特性線Ｘ２はスタック１の電流値（相対表示）を示す。特性線Ｔ１ａは、供給通路２において加湿器４とスタック１との間に設けられた温度センサ２ｍが検知した反応ガスの検知温度Ｔ１を示す。特性線Ｔ２ａは、スタック１に搭載されている冷却通路７の出口側の復路７ｃ側の温度センサ７ｍが検知した冷却水の検知温度を示す。特性線Ｔ３ａは加湿器４とスタック１との間における反応ガスの目標温度（制御部９が設定する）を示す。
【００５５】
図４において、時刻ｔ１０〜ｔ１１までは、スタック１の冷却通路７に供給されている温水によりスタック１は暖められているため、特性線Ｔ２ａに示すように、スタック１は次第に昇温する。時刻ｔ１１でスタック１の発電運転が開始されている。時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２までは、前記した手順１に相当し、第１バイパスバルブ２５は開放（開度：１００％）されており、カソードガスのほとんどは、主供給通路２０ではなく、第１迂回通路２２にかなり流れるため、加湿されない。カソードガスのほとんどが第１迂回通路２２に流れる理由としては、加湿器４の第１通路４１は細い通路の集合体とされており、圧損が極めて大きいためである。
【００５６】
手順１では、排出側三方バルブ３５は、スタック１から排出された発電反応後のカソードオフガスの全部を第２迂回通路３２に迂回させ、加湿器４の第２通路４２には流さない。従って手順１では、スタック１から排出された高温および高湿のカソードオフガスの熱および水分は、加湿器４の水分保持部材４３に供給されない。このような手順１では、スタック１の内部に残留していた水を利用して発電反応が実行される。
【００５７】
ところで、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２において、図４の特性線Ｘ１に示すように、電圧値が急激に低下する領域ＸＡが発現する。ここで、特性線Ｘ１に示す電圧値が第１しきい値Ｖｄ（図４参照）よりも低下すると、スタック１の内部の水分が少なめと推定される。そこで、電圧値が第１しきい値Ｖｄ（図４参照）よりも低下すると、制御部９は、手順１から手順２に移行し、第１バイパスバルブ２５を閉鎖する。手順２では、スタック１に供給される前のカソードガスの全部を加湿器４の第１通路４１に流す。これによりスタック１に供給される前のカソードガスは、加湿器４の水分保持部材４３から熱および水分を奪う。この結果、加湿器４の第１通路４１に流れるカソードガスの温度および湿度は、上昇する。従って、スタック１に供給される前のカソードガスの飽和蒸気量が増加する。このため、スタック１に供給される前のカソードガスが保持する水蒸気量が増加する。上記した手順２では、排出側三方バルブ３５は、カソードオフガスの全部を第２迂回通路３２に流している。この場合、カソードオフガスの水分および熱は、水分保有部材４３に与えられない。
【００５８】
スタック１に搭載されている冷却通路７の出口の冷却水の検知温度Ｔ２（特性線Ｔ２ａ）がしきい値温度Ｔ２ｘ（図４参照）よりも上昇すると、スタック１は充分に加熱されており、フラッディングが発生しにくくなると推定される。
【００５９】
そこで、制御部９は、手順２から手順３に移行し、加湿器４の低加湿運転に移行する。即ち制御部９は、排出側三方バルブ３５を制御し、第２迂回通路３２に流れるカソードオフガスの流量Ｖ４を低下させると共に、加湿器４の第２通路４２に流れるカソードオフガスの流量Ｖ３を増加させる。この結果、起動時よりもβを低下させる。このような手順３では、相対的に高温高湿のカソードオフガスが加湿器４の水分保持部材４３に接触する頻度が増加する。このため水分保持部材４３が保持する水分保持量が増加する。よって、加湿器４の第１通路４１を流れるカソードガスの加湿量が増加する。ひいてはスタック１に供給される前のカソードガスの水分保持量が増加する。
【００６０】
上記したように手順１，手順２，手順３を経て、発電指令開始から所定時間（例えば１時間）経過すると、スタック１の内部の残留水、加湿器４の内部の残留水はかなり低減されている。このため、制御部９は、手順４に移行し、カソ−ドガスの目標温度をＴ３ｋ（図４参照）に上昇させると共に、スタック１のカソード極に供給させる前のカソードガスの加湿量をＢ％に増加させる。具体的には、制御部９は、第１バイパスバルブ２５の開度を調整し、第２迂回比率βを低下させる。これにより排出通路３においては加湿器４の第２通路４２を流れるカソードオフガスの流量が増加し、カソードオフガスから水分保持部材４３に与えられる熱量および水分量が増加する。供給通路２においては、加湿器４の第１通路４１を流れるカソードガスの流量が増加する。このため加湿器４の第１通路４１を流れるカソードガスを加湿する加湿量が増加する。
【００６１】
なお本実施例においても、前記した実施例の場合と同様に、スタック１の発電運転を停止させるとき（停止させる直前）、排出側三方バルブ３５の開度を制御部９は制御する。具体的には、加湿器４の第２通路４２を経て主排出通路３を流れる反応オフガスの流量Ｖ３を減少させ、且つ、加湿器４の第２通路４２を迂回するように第２迂回通路３２を流れる反応オフガスの流量Ｖ４を増加させる。ここで、第２迂回比率βはＶ４／（Ｖ３＋Ｖ４）とされている。よって排出側三方バルブ３５は第２迂回比率βを高くする。この結果、スタックの停止時に、燃料電池１０の発電運転の定格状態よりも、加湿器４の水分保持部材４３に対する水分供給を低減させる。
【００６２】
この結果、燃料電池システムの発電運転が停止されたとき、加湿器４の第２通路４２における水分の過剰化は、抑制される。ひいてはスタック１の内部における水分の過剰化は、抑制される。従って、スタック１を次回に起動させて発電運転させるときにおいて、スタック１の内部における水分の過剰化が防止される。よってスタック１の起動時におけるフラッディングの防止に有利である。
【００６３】
ところで、図４において、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２において、特性線Ｘ１に示すように、電圧値は急激に低下する領域ＸＡを示す。制御部９は領域ＸＡにおける低下勾配γを検知する。具体的には、図５に示すように、制御部９は、領域ＸＡにおいて、第１時刻における電圧Ｖ１０を検知する（ステップＳ２）。制御部９は、第２時刻（第１時刻以降）における電圧Ｖ１１を検知する（ステップＳ４）。制御部９は電圧差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ１０−Ｖ１１）を求める（ステップＳ６）。第１時刻と第２時刻との時間差ΔＴを求める（ステップＳ８）。制御部９は、領域ＸＡにおける低下勾配γ＝ΔＶ／ΔＴを求める（ステップＳ１０）。低下勾配γに基づいて、制御部９は、加湿器４によるカソードガスの目標加湿量を求め（ステップＳ１２）、更に、目標加湿量に基づいて排出側三方バルブ３５の開度を求める（ステップＳ１４）。制御部９はその開度信号を排出側三方バルブ３５の駆動部に出力し（ステップＳ１６）、メインルーチンにリターンする。
【実施例５】
【００６４】
図６は実施例５を示す。本実施例は図３に示す実施例４と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、実施例４と相違する部分を中心として説明する。図６に示すように、前記した第１バイパスバルブ２５に代えて、第１迂回通路２２と主供給通路２０との分岐域に供給側三方バルブ２５Ｅ（供給側バルブ）が設けられている。加湿器４を経て主供給通路２０を流れる反応ガスの流量をＶ１とし、加湿器４を迂回するように第１迂回通路２２を流れる反応ガスの流量をＶ２とする。第１迂回比率αはＶ２／（Ｖ１＋Ｖ２）であらされる。上記した供給側三方バルブ２５Ｅは、Ｖ１およびＶ２の比率を連続的または段階的に可変とすることができるため、第１迂回比率αを連続的または段階的に可変とすることができる。なお図６では他方の反応ガスの配管が図略されている。
【実施例６】
【００６５】
図７は実施例６を示す。本実施例は実施例４と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、第１実施例と相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、水蒸気供給部１００が設けられている。水蒸気供給部１００は、原料となる水を貯める水タンク１０１と、水タンク１０１から供給された水を加熱して水蒸気を生成する蒸発部１０２と、水蒸気を改質器２０２に供給する第１水蒸気バルブ１０３と、水蒸気をスタック１のカソード極の入口１ｅに繋がる第２水蒸気バルブ１０９とをもつ。
【００６６】
図７に示すように、改質用燃料を改質させる改質系２００が設けられている。改質系２００は、スタック１のアノード極にアノードガスを供給するものである。改質系２００は、改質用燃料源２０１と改質器２０２とを繋ぐ改質用燃料供給通路２０３をもつ。改質系２００は、脱硫器２０５と、途中バルブ２０６と、搬送源としてのポンプ２０７と、改質器２０２とを備えている。スタック１の発電運転時には、ポンプ２０７が駆動し、改質用燃料源２０１の改質用燃料は、脱硫器２０５、途中バルブ２０６、ポンプ２０７を経て改質器２０２に供給される。
【００６７】
蒸発部１０２で生成された水蒸気は、第１水蒸気バルブ１０３を経て改質器２０２に供給される。改質器２０２においては、水蒸気による水蒸気改質が行われる。これにより水素リッチなアノードガス（水素含有ガス）が改質器２０２において生成される。生成されたアノードガスは、アノードガス通路３００、入口バルブ５Ｂを経てスタック１のアノード極の入口１ｆに供給される。更に、カソードガス通路４００からスタック１のカソード極の入口１ｅにカソードガス（酸素含有ガス）が供給される。スタック１においてカソードガスとアノードガスとが発電反応し、電気エネルギがスタック１において生成される。
【００６８】
スタック１の発電運転を停止するとき、制御部９は、第２水蒸気バルブ１０９を開放する。すると、蒸発部１０２で生成された水蒸気は、スタック１のカソ−ド極に入口１ｅから供給され、水蒸気がカソ−ド極に封入される。封入状態では、バルブ１０９，５，６が閉じている。このように水蒸気がスタック１の内部に供給されて水蒸気によるパージ処理が行われると、パージ用の不活性ガスを用いずとも良く、反応ガスをスタック１から排除することができる。この場合、パージ用の不活性ガスタンクを廃止または小型化できる。更にスタック１の内部に外気が侵入することが抑制され、スタック１の内部の触媒等の劣化が抑制される利点が得られる。しかしながらこのような利点が得られる反面、スタック１の発電運転の起動時において、スタック１の内部において水分が過剰となり易く、発電運転時にフラッディングが発生し易くなるおそれがある。
【００６９】
この点について本実施例によれば、前述したように、スタック１のカソード極の入口１ｅに供給される前のカソードガスを加湿器４が単位時間あたり加湿する量を加湿量Ｈ１とするとき、スタック１の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期（例えばスタック１の定格運転）における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器４が設定されている。このため、スタック１の発電運転の起動時において、スタック１のカソード極の入口１ｅに供給される前のカソードガスの水分量が制限されている。よってスタック１の起動時におけるカソード極のフラッディングが抑制される。なお水分付与部２７の構造としては特に制限されるものではなく、前記した排出側三方バルブ３５を用いて形成しても良い。
【実施例７】
【００７０】
図８は実施例７を示す。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図８に示すように、改質系２００が設けられている。改質系２００は、改質用燃料源２０１とスタック１のアノード極とを繋ぐものである。蒸発部１０２で生成された水蒸気は、第１水蒸気バルブ１０３を経て改質器２０２に供給される。改質器２０２においては、水蒸気による水蒸気改質が行われる。これにより水素リッチなアノードガスが改質器２０２において生成される。生成されたアノードガスは、アノードガス通路３００、入口バルブ５Ｂを経てスタック１のアノード極の入口１ｆに供給される。更に、カソードガス通路４００からスタック１のカソード極の入口１ｆにカソードガスが供給される。スタック１においてカソードガスとアノードガスとが発電反応し、電気エネルギがスタック１において生成される。
【００７１】
スタック１の発電運転を停止させるとき、改質器２０２はまだ暖かい。制御部９は、改質器２０２を経た暖かい改質用燃料または暖かいアノードガスをスタック１のアノード極の入口１ｆに供給し、スタック１に存在する反応ガスをスタック１から排除すると共に、入口バルブ５Ｂおよび出口バルブ６Ｂを閉鎖する。これにより暖かい改質用燃料または暖かいアノードガスがスタック１のアノード極に封入されてパージ処理される。この場合、パージ用の不活性ガスを使用せずともよい利点が得られ、不活性ガスタンクの廃止または小型化に有利である。
【００７２】
しかしながらその反面、改質器２０２を経た改質用燃料またはアノードガスは、改質器２０２の余熱により暖められているため、スタック１がそれだけ高温の状態（飽和蒸気量が多い状態）から放置されて常温域（飽和蒸気量が少ない状態）に冷却されることになる。この場合、スタック１が冷却されるに伴い、スタック１の内部において生成される凝縮水が増加する。凝縮水はスタック１のカソード極にも浸透する。このため次回の発電運転のときに、カソード極においてフラッディングが発生し易くなるおそれがある。
【００７３】
この点について本実施例によれば、カソードガスについて、スタック１の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期（例えばスタック１の定格運転）における加湿量Ｈ１よりも低減させるように、加湿器４が設定されている。即ち、このような形態となるように制御部９は加湿器４を制御する。このため、スタック１の発電運転の起動時において、スタック１に供給される前のカソードガスに含まれる水分量が制限されている。よってスタック１の起動時におけるフラッディングが抑制される。なお水分付与部２７の構造としては特に制限されるものではなく、排出側三方バルブ３５を用いて形成しても良い。
【実施例８】
【００７４】
図９は実施例８を示す。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図９に示すように、改質器で生成されたアノードガスまたは改質用燃料をスタック１のカソード極の入口１ｅにつなげるパージ用連通路３２０が形成されている。パージ用連通路３２０はアノードガス通路３００に並列に配置されている。連通路３２０にはパージ用バルブ３２１が設けられている。スタック１の発電運転を停止させるとき、改質器２０２はまだ暖かい。制御部９は、パージ用バルブ３２１を開放させる。これにより改質器２０２を経た暖かい改質用燃料または暖かいアノードガスが、スタック１のカソード極の入口１ｅからカソード極に供給される。その後、制御部９は、パージ用バルブ３２１、入口バルブ５および出口バルブ６を閉鎖する。これにより暖かい改質用燃料または暖かいアノードガスがスタック１のカソード極に封入され、パージ処理される。このため、窒素ガスなどの不活性ガスでパージせずとも良い利点が得られる。パージ処理により、スタック１の内部への外気の侵入が抑制され、スタック１の内部の触媒等の劣化が抑制される利点が得られる。
【００７５】
しかしながらその反面、改質器２０２を経た改質用燃料またはアノードガスは、改質器２０２の余熱により暖められているため、スタック１がそれだけ高温の状態（飽和蒸気量が多い状態）から放置されて常温域（飽和蒸気量が少ない状態）に冷却されることになる。この場合、スタック１が冷却されるに伴い、スタック１のカソード極の内部において生成される凝縮水が増加する。このため次回の発電運転のときに、スタック１のカソード極においてフラッディングが発生し易くなるおそれがある。
【００７６】
この点について本実施例によれば、スタック１の発電運転の起動時においては、カソードガスについて、スタック１の起動時における加湿量Ｈ１を、起動時以外の時期（スタック１の定格運転）における加湿量Ｈ１よりも低減させる。即ち、このような形態となるように制御部９は加湿器４の水分付与部２７を制御する。このため、スタック１の発電運転の起動時において、スタック１に供給される前の反応ガスの水分が制限されている。よってスタック１の起動時におけるフラッディングが抑制される。なお水分付与部２７の構造としては特に制限されるものではなく、排出側三方バルブ３５を用いて形成しても良い。
【実施例９】
【００７７】
図１０は実施例９を示す。本実施例は前記した実施例と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図１０は加湿器４Ｃを示す。図１０に示すように、加湿器４Ｃは、燃料電池１０に供給する反応ガスが流れる第１通路４１と、燃料電池１０から排出された反応オフガスが流れる第２通路４２と、第１通路４１および第２通路４２を仕切る膜状の水分保有部材４３（例えばパーフルオロスルホン酸膜）と、第１通路４１および第２通路４２を仕切る板状の仕切部材４５とを備えている。スタック１から排出される相対的に高温の反応オフガスは、第２通路４２を下向きに流れ、熱および水分を水分保有部材４３を与える。スタック１に供給される前の相対的に低温の反応ガスは、第１通路４１を上向きに流れ、熱および水分を水分保有部材４３から奪う。これにより反応ガスは加温および加湿される。第１通路４１および第２通路４２の各１個の流路幅は狭いため、加湿器４Ｃは圧力損失をもつ。
【実施例１０】
【００７８】
図１１は実施例１０を示す。本実施例は前記した実施例と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図１１は加湿器４Ｄを示す。図１１に示すように、加湿器４Ｄは、中空部をもつ中空糸膜形状をなす水分保有部材４３を多数並設させて形成されている。水分保有部材４３の中空部は、反応ガスが流れる第１通路４１および反応オフガスが流れる第２通路４２のうちの一方とされている。水分保有部材４３の外周空間は、反応ガスが流れる第１通路４１および反応オフガスが流れる第２通路４２のうちの他方とされている。加湿器４Ｄは圧力損失をもつ。
【００７９】
（その他）上記した実施例は本発明の例示であり、ある実施例に特有の構造および機能は他の実施例にも適用できる。本発明は上記しかつ図面に示した各実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施可能である。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
【００８０】
（付記項１）反応ガスの反応により電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池に供給する反応ガスが流れる供給通路と、燃料電池から排出された前記反応オフガスが流れる排出通路と、前記供給通路に設けられ前記燃料電池に供給される前の反応ガスを加湿する加湿器とを具備している燃料電池システム。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施例１に係り、燃料電池システムの概念を示す構成図である。
【図２】実施例２に係り、燃料電池システムのタイミングチャートである。
【図３】実施例４に係り、燃料電池システムの概念を示す構成図である。
【図４】燃料電池システムの起動時におけるデータを示すグラフである。
【図５】燃料電池システムの制御部の低下勾配を判定する処理のフローチャートである。
【図６】実施例５に係り、燃料電池システムの概念を示す構成図である。
【図７】実施例６に係り、燃料電池システムの概念を示す構成図である。
【図８】実施例７に係り、燃料電池システムの概念を示す構成図である。
【図９】実施例８に係り、燃料電池システムの概念を示す構成図である。
【図１０】実施例９に係り、燃料電池システムにおいて使用される加湿器の概念を示す構成図である。
【図１１】実施例１０に係り、燃料電池システムにおいて使用される加湿器の概念を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８３】
１はスタック、２は供給通路、２０は主供給通路、２２は第１迂回通路、２５は第１バイパスバルブ、２７は水分付与部、３は排出通路、３０は主排出通路、３２は第２迂回通路、４は加湿器、４１は第１通路、４２は第２通路、４３は水分保有部材、５は入口バルブ、６は出口バルブ示す。
【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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