(57)【要約】　　　（修正有）【課題】潜水艇中で使用する固体高分子形燃料電池の発電に使用する燃料ガスもしくは酸化剤ガスのパージを、短時間、且つ消費量を少なく行う。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池１３、生成水を貯める第１タンク１１、燃料電池１３のパージ時に燃料電池１３に置換ガスを供給するガス供給部１１−４ａ、水を蓄える第２タンク１２、燃料電池１３のパージ時には第１タンク１１の気相部の体積が減少して第１タンク１１内の供給ガスをパージするために必要な置換ガスの量を減らすように、第２タンク１２から第１タンク１１に水を供給し、燃料電池１３の運転時には、第１タンク１１の気相部の体積が所定の範内の値になるように、第１タンク１１から第２タンク１２に生成水を排出するタンク水量調整部１１−５、６、７とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池と、
前記燃料電池で生成された前記生成水を貯める第１タンクを含み、前記燃料電池の運転時に前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの一方を含む供給ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池のパージ時に前記燃料電池に置換ガスを供給するガス供給部と、
水を蓄える第２タンクと、
前記燃料電池の前記パージ時には、前記第１タンクの気相部の体積が減少して前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンクから前記第１タンクに水を供給し、前記燃料電池の前記運転時には、前記第１タンクの前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンクから前記第２タンクに前記生成水を排出するタンク水量調整部と
を具備する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記タンク水量調整部は、
前記第１タンク内の水位を検出するための水位計と、
前記第１タンクと前記第２タンクとの間に設けられた第１バルブと、
前記燃料電池の前記運転時には、前記水位計により検出される前記第１タンク内の水位が所定値以上のとき、前記第１タンクから前記第２タンクに前記生成水が移動して、前記第１タンクの水位が前記所定値と等しくなるように、前記第１バルブを駆動する駆動制御部と
を具備する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記タンク水量調整部は、
前記燃料電池の前記パージ時には、前記第１タンクの前記気相部の前記体積が減少して前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンクから前記第１タンクに水を供給する給水部を更に具備する燃料電池システム。
【請求項４】
供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池と、
前記燃料電池で生成された前記生成水を貯める第１タンクを含み、前記燃料電池の運転時に前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの一方を含む供給ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池のパージ時に前記燃料電池に置換ガスを供給するガス供給部と、
水を蓄える第２タンクと、
前記燃料電池の前記パージ時には、前記第１タンクの気相部の体積が減少して前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンクから前記第１タンクに水を供給し、前記燃料電池の前記運転時には、前記第１タンクの前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンクから前記第２タンクに前記生成水を排出するタンク水量調整部と
を具備し、
前記第１タンクの上部には、
前記水を前記第２タンクから前記第１タンクに供給するための第１配管と、
前記供給ガスまたは前記置換ガスを前記第１タンクに供給するための第２配管と、
前記第１タンク内から前記供給ガスまたは前記置換ガスを排気するための第３配管と、
前記第１タンクから前記燃料電池に前記供給ガスを供給するための第４の配管が設けられている燃料電池システム。
【請求項５】
供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池と、
前記燃料電池で生成された前記生成水を貯める第１タンクを含み、前記燃料電池の運転時に前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの一方を含む供給ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池のパージ時に前記燃料電池に置換ガスを供給するガス供給部と、
水を蓄える第２タンクと、
前記燃料電池の前記パージ時には、前記第１タンクの気相部の体積が減少して前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンクから前記第１タンクに水を供給し、前記燃料電池の前記運転時には、前記第１タンクの前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンクから前記第２タンクに前記生成水を排出するタンク水量調整部と
を具備し、
前記第２タンクには、前記燃料電池、前記第１タンク、前記ガス供給部、前記タンク水量調整部、前記第２タンクを内部に含む耐圧容器の前記内部と前記耐圧容器の外部とを貫通する貫通管が設けられ、前記貫通管を介して前記外部から前記第２タンクに前記水を供給し、前記貫通管を介して前記第２タンクから前記外部に前記水を排出する燃料電池システム。
【請求項６】
供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池と、
前記燃料電池で生成された前記生成水を貯める第１タンクを含み、前記燃料電池の運転時に前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの一方を含む供給ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池のパージ時に前記燃料電池に置換ガスを供給するガス供給部と、
水を蓄える第２タンクと、
前記燃料電池の前記パージ時には、前記第１タンクの気相部の体積が減少して前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンクから前記第１タンクに水を供給し、前記燃料電池の前記運転時には、前記第１タンクの前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンクから前記第２タンクに前記生成水を排出するタンク水量調整部と、
前記水を前記第２タンクから前記第１タンクに供給するための配管と、
前記第２タンクに設けられ、前記燃料電池、前記第１タンク、前記ガス供給部、前記タンク水量調整部、前記第２タンクを内部に含む耐圧容器の前記内部から前記耐圧容器の外部へと貫通する貫通管と
を具備し、
前記貫通管を介して前記外部から前記第２タンクに前記水を供給し、供給された前記水を前記第２タンクから前記配管を介して前記第１タンクに供給する燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池を含む耐圧容器の内部から前記耐圧容器の外部に貫通する貫通管を介して前記外部から、水を蓄える第２タンクに前記水を供給するステップと、
前記第２タンクから、前記燃料電池が生成した生成水を貯める第１タンクに前記水を供給するステップと、
前記第１タンクの気相部の体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンクから前記第２タンクに前記生成水を排出するステップと、
燃料ガスと酸化剤ガスの一方を含む供給ガスを、前記第１タンクを介して前記燃料電池に供給するステップと、
前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするための置換ガスを前記燃料電池に供給するステップと、
前記燃料電池が、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから電力を発生し、前記生成水を生成するステップと、
前記第１タンクから前記第２タンクに前記水を供給するステップと、
前記第２タンクから前記貫通管を介して前記外部に前記水を排出するステップとを具備する燃料電池システムの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池の起動方法に関し、特に潜水艇中で使用する固体高分子形燃料電池の起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の停止装置に関する技術が、特開平７−２７２７３７号に記載されている。
【０００３】
この従来技術によれば、燃料電池の停止装置は、燃料電池へ電気化学反応に用いる反応ガスの供給を停止した後、燃料電池の反応ガスが通過する反応ガス通路へ液体を供給するパージ手段を有し、反応ガス通路から残留反応ガスを押し出すことを特徴とする。パージ手段で用いられる液体は、燃料電池を冷却するために備えられた液体状の冷却媒体である。
【０００４】
パージ手段は、燃料電池の反応ガス入口より上流側の反応ガス通路と、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環路とを連結する連結路と、連結路を開閉する開閉バルブとを有している。また、パージ手段は、冷却媒体循環路中に設けられ、燃料電池側と冷却媒体の供給源側との連通を遮断可能にする遮断バルブを有している。
【０００５】
パージ手段は、燃料電池停止時に、開閉バルブを開き冷却媒体を反応ガス通路に供給する制御手段を備えている。また、遮断バルブによって区画される燃料電池側のサブ冷却媒体循環路への不活性のパージガスを供給する手段、燃料電池停止時に、反応ガス通路に冷却媒体を供給した後、遮断バルブを閉じると共に、サブ冷却媒体循環路へパージガスを供給する制御手段を備えている。
【０００６】
燃料電池発電装置およびその停止方法に関する技術が、特開平９−４５３５１号に記載されている。
【０００７】
この従来技術によれば、燃料電池発電装置は、リン酸を電解質として形成された電解質層を挟む位置にアノード極及びカソード極を配置した燃料電池セルに、アノード極に第１の流路を介して水素を含む燃料ガスを流通させる。また、カソード極に第２の流路を介して酸素を含む酸化剤ガスを流通させることにより、アノード極及びカソード極間から電気エネルギーを取り出して燃料電池セルの負荷運転を行う。この燃料電池発電装置では、第２の流路におけるカソード極を流通した酸化剤ガスが排出される下流側に、バルブを介してカソード極に不活性ガスを導入する不活性ガス流入ラインを設けている。また、第２の流路におけるカソード極へ酸化剤ガスを導入する上流側にバルブを介してカソード極からの不活性ガスを排出する不活性ガス排出ラインを設けている。
【０００８】
この従来技術によれば、燃料電池発電装置の停止方法において、燃料電池セルの負荷運転を停止するときに、不活性ガスを第２の流路を介してカソード極の上流側からカソード極に流入させる第１のステップを有している。また、不活性ガスを第１の流路を介してアノード極の上流側からアノード極に流入させる第２のステップを有している。さらに、不活性ガスがアノード極に流入されている間にアノード極及びカソード極間に負荷を与える第３のステップを有している。これらの第１のステップ、第２のステップ、第３のステップは同時に開始される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、潜水艇内の燃料電池を起動もしくは停止する際における、燃料電池系内のパージを完全に行うことのできるシステムを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、潜水艇内の燃料電池を起動もしくは停止する際における、燃料電池系内のパージを短時間で行うことができ、結果的にパージガスの消費量を少なくすることのできるシステムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態］で使用する番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の燃料電池システム（１００）は、供給される燃料ガス（ＧＡ）と供給される酸化剤ガス（ＧＢ）とから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池（１３）と、前記燃料電池（１３）で生成された前記生成水を貯める第１タンク（１１）を含み、前記燃料電池（１３）の運転時に前記燃料ガス（ＧＡ）と前記酸化剤ガス（ＧＢ）の一方を含む供給ガスを前記燃料電池（１３）に供給し、前記燃料電池（１３）のパージ時に前記燃料電池（１３）に置換ガスを供給するガス供給部（１１−４ａ）と、水を蓄える第２タンク（１２）と、前記燃料電池（１３）の前記パージ時には、前記第１タンク（１１）の気相部の体積が減少して前記第１タンク（１１）内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に水を供給し、前記燃料電池（１３）の前記運転時には、前記第１タンク（１１）の前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記生成水を排出するタンク水量調整部（１１−５、６、７）とを具備する。
【００１３】
本発明の燃料電池システム（１００）において、前記タンク水量調整部（１１−５、６、７）は、前記第１タンク（１１）内の水位を検出するための水位計（１１−５）と、前記第１タンク（１１）と前記第２タンク（１２）との間に設けられた第１バルブ（１１−７）と、前記燃料電池（１３）の前記運転時には、前記水位計（１１−５）により検出される前記第１タンク（１１）内の水位が所定値（１Ｄ）以上のとき、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記生成水が移動して、前記第１タンク（１１）の水位が前記所定値（１Ｄ）と等しくなるように、前記第１バルブ（１１−５）を駆動する駆動制御部（１１−６）とを具備する。
【００１４】
本発明の燃料電池システム（１００）において、前記タンク水量調整部（１１−５、６、７）は、前記燃料電池（１３）の前記パージ時には、前記第１タンク（１１）の前記気相部の前記体積が減少して前記第１タンク（１１）内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に水を供給する給水部（１１−３）を更に具備する。
【００１５】
本発明の燃料電池システム（１００）は、供給される燃料ガス（ＧＡ）と供給される酸化剤ガス（ＧＢ）とから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池（１３）と、前記燃料電池（１３）で生成された前記生成水を貯める第１タンク（１１）を含み、前記燃料電池（１３）の運転時に前記燃料ガス（ＧＡ）と前記酸化剤ガス（ＧＢ）の一方を含む供給ガスを前記燃料電池（１３）に供給し、前記燃料電池（１３）のパージ時に前記燃料電池（１３）に置換ガスを供給するガス供給部（１１−４ａ）と、水を蓄える第２タンク（１２）と、前記燃料電池（１３）の前記パージ時には、前記第１タンク（１１）の気相部の体積が減少して前記第１タンク（１１）内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に水を供給し、前記燃料電池（１３）の前記運転時には、前記第１タンク（１１）の前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記生成水を排出するタンク水量調整部（１１−５、６、７）とを具備している。本発明の燃料電池システムでは、更に前記第１タンク（１１）の上部に、前記水を前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に供給するための第１配管（１１−３）と、前記供給ガスまたは前記置換ガスを前記第１タンク（１１）に供給するための第２配管（１１−４）と、前記第１タンク（１１）内から前記供給ガスまたは前記置換ガスを排気するための第３配管（１１−１）と、前記第１タンク（１１）から前記燃料電池（１３）に前記供給ガスを供給するための第４配管（１１−２）が設けられている。
【００１６】
本発明の燃料電池システム（１００）は、供給される燃料ガス（ＧＡ）と供給される酸化剤ガス（ＧＢ）とから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池（１３）と、前記燃料電池（１３）で生成された前記生成水を貯める第１タンク（１１）を含み、前記燃料電池（１３）の運転時に前記燃料ガス（ＧＡ）と前記酸化剤ガス（ＧＢ）の一方を含む供給ガスを前記燃料電池（１３）に供給し、前記燃料電池（１３）のパージ時に前記燃料電池（１３）に置換ガスを供給するガス供給部（１１−４ａ）と、水を蓄える第２タンク（１２）と、前記燃料電池（１３）の前記パージ時には、前記第１タンク（１１）の気相部の体積が減少して前記第１タンク（１１）内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に水を供給し、前記燃料電池（１３）の前記運転時には、前記第１タンク（１１）の前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記生成水を排出するタンク水量調整部（１１−５６７）とを具備している。本発明の燃料電池システムでは、更に前記第２タンク（１２）に、前記燃料電池（１３）、前記第１タンク（１１）、前記ガス供給部（１１−４ａ）、前記タンク水量調整部（１１−５、６、７）、前記第２タンク（１２）を内部に含む耐圧容器（１０）の前記内部と前記耐圧容器（１０）の外部とを貫通する貫通管（１２−１）が設けられ、前記貫通管（１２−１）を介して前記外部から前記第２タンク（１２）に前記水を供給し、前記貫通管（１２−１）を介して前記第２タンク（１２）から前記外部に前記水を排出する。
【００１７】
本発明の燃料電池システム（１００）は、供給される燃料ガス（ＧＡ）と供給される酸化剤ガス（ＧＢ）とから電力を発生し、生成水を生成する燃料電池（１３）と、前記燃料電池（１３）で生成された前記生成水を貯める第１タンク（１１）を含み、前記燃料電池（１３）の運転時に前記燃料ガス（ＧＡ）と前記酸化剤ガス（ＧＢ）の一方を含む供給ガスを前記燃料電池（１３）に供給し、前記燃料電池（１３）のパージ時に前記燃料電池（１３）に置換ガスを供給するガス供給部（１１−４ａ）と、水を蓄える第２タンク（１２）と、前記燃料電池（１３）の前記パージ時には、前記第１タンク（１１）の気相部の体積が減少して前記第１タンク（１１）内の前記供給ガスをパージするために必要な前記置換ガスの量を減らすように、前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に水を供給し、前記燃料電池（１３）の前記運転時には、前記第１タンク（１１）の前記気相部の前記体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記生成水を排出するタンク水量調整部（１１−５、６、７）と、前記水を前記第２タンク（１２）から前記第１タンク（１１）に供給するための配管（１１−３）と、前記第２タンク（１２）に設けられ、前記燃料電池（１３）、前記第１タンク（１１）、前記ガス供給部（１１−４ａ）、前記タンク水量調整部（１１−５、６、７）、前記第２タンク（１２）を内部に含む耐圧容器（１０）の前記内部から前記耐圧容器（１０）の外部へと貫通する貫通管（１２−１）とを具備している。本発明の燃料電池システムにおいては、前記貫通管（１２−１）を介して前記外部から前記第２タンク（１２）に前記水を供給し、供給された前記水を前記第２タンク（１２）から前記配管（１１−３）を介して前記１タンク（１１）に供給する。
【００１８】
本発明の燃料電池システム（１００）の動作方法は、燃料電池（１３）を含む耐圧容器（１０）の内部から前記耐圧容器（１０）の外部に貫通する貫通管（１２−１）を介して前記外部から、水を蓄える第２タンク（１２）に前記水を供給するステップ（Ｓ１）と、前記第２タンク（１２）から、前記燃料電池（１３）が生成した生成水を貯める第１タンク（１１）に前記水を供給するステップ（Ｓ２）と、前記第１タンク（１１）の気相部の体積が所定の範囲内の値になるように、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記生成水を排出するステップ（Ｓ３）とを具備している。また、燃料ガス（ＧＡ）と酸化剤ガス（ＧＢ）の一方を含む供給ガスを、前記第１タンク（１１）を介して前記燃料電池（１３）に供給するステップ（Ｓ６）と、前記第１タンク内の前記供給ガスをパージするための置換ガスを前記燃料電池（１３）に供給するステップ（Ｓ７）と、前記燃料電池（１３）が、前記燃料ガス（ＧＡ）と前記酸化剤ガス（ＧＢ）とから電力を発生し、前記生成水を生成するステップ（Ｓ１０）と、前記第１タンク（１１）から前記第２タンク（１２）に前記水を供給するステップ（Ｓ１１）と、前記第２タンク（１２）から前記貫通管（１２−１）を介して前記外部に前記水を排出するステップ（Ｓ１８）とを更に具備している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して、本発明による固体高分子形燃料電池システム１００の実施の形態を以下に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池システム１００の構成図である。固体高分子形燃料電池システム１００は、潜水艇１０内で使用する固体高分子形燃料電池１３の起動もしくは停止に対して適用するものである。この装置は潜水艇１０の内部に設けられており、加湿器１１、生成水タンク１２、固体高分子形燃料電池１３を有している。尚、加湿器１１はヒーターを含む構成にすることが可能である。また、加湿器１１は生成水タンク１２の上部に設置されている。
【００２１】
図２に示すように、固体高分子形燃料電池１３は燃料極１３−１、電解質１３−２、空気極１３−３から構成されている。燃料極１３−１は白金・ルテニウム触媒、空気極１３−３は白金から構成されており、電解質１３−２はフィルム状のイオン交換膜から構成されている。
【００２２】
燃料極１３−１には水素ＧＡ（Ｈ２）が供給され、さらに（１）式に示す反応が起こる。この反応により生成した電子（ｅ−）は、外部回路を介して空気極１３−２に供給される。また、水素イオン（Ｈ＋）は、電解質１３−２膜中のイオン交換基を介して、水（Ｈ２Ｏ）と共に空気極１３−２へ移動する。また、空気極１３−２には酸素ＧＢ（Ｏ２）が供給され、さらに酸素ＧＢ（Ｏ２）、水素イオン（Ｈ＋）、外部回路から供給された電子（ｅ−）とが（２）式に従って反応し、水が生成する。
Ｈ２　→　２Ｈ＋　＋　２ｅ−　（１）
Ｏ２　＋　４Ｈ＋　＋　４ｅ−　→　２Ｈ２Ｏ　（２）
【００２３】
（１）式もしくは（２）式の反応に使用されなかった水素ＧＡもしくは酸素ＧＢは、固体高分子形燃料電池１３内の水もしくは（２）により生成した水により加湿され、加湿ガスとして加湿器１１に供給されることになる。
【００２４】
図１の構成図に示すシステムは２種類設けられており、それぞれ図１に示す構成要素を含んでいる。図２に、固体高分子形燃料電池システム１００に含まれる加湿器１１と、固体高分子形燃料電池１３との接続の形態を示す。図２において、加湿器１１のうちの第１加湿器１１ａは、燃料極１３−１と接続し、第２加湿器１１ｂは空気極１３−３と接続している。第１加湿器１１ａと燃料極１３−１とを接続するのはＡ連絡管１１−２ａであり、第２加湿器１１ｂと空気極１３−３とを接続するのはＡ連絡管１１−２ｂである。
【００２５】
以下においては特に必要のある場合を除き、２種類の固体高分子形燃料電池システム１００がそれぞれ含む、同じ種類の構成要素に関する区別は行わないものとする。例えば、Ａ連絡管１１−２ａとＡ連絡管１１−２ｂについては、いずれもＡ連絡管１１−２と表す。
【００２６】
加湿器１１には、排気管１１−１、Ａ連絡管１１−２、Ｂ連絡管１１−３、ガス流入管１１−４、排水管１１−８、ポンプ１１−９が接続されている。この加湿器１１には、加湿器１１内の水量を調節するためのタンク水量調整部１１−５、６、７が備えられており、それはレべル計１１−５、駆動制御部１１−６、電磁弁１１−７から構成されている。また、ガス流入管１１−４は、窒素、水素ＧＡ，酸素ＧＢのいずれか一つのガスを含むガスボンベ１１−４ａと接続されている。更に、排気管１１−１はガスクロマトグラフィー１１−１０と接続されている。
【００２７】
ポンプ１１−８は、エジェクタによって構成されることが可能であり、またガスクロマトグラフィー１１−１０は、水素計及び酸素計のいずれか一方によって構成されることが可能である。
【００２８】
Ａ連絡管１１−３は燃料極１３−１／空気極１３−３（燃料極１３−１もしくは空気極１３−３）に供給ガスを供給するためのものであり、Ｂ連絡管１１−２は生成水タンク１２から加湿器１１に水を供給するためのものである。また、ガス流入管１１−４は、加湿器１１に対し、燃料極１３−１／空気極１３−３へ供給する供給ガス（水素ＧＡもしくは酸素ＧＢ）または供給ガスをパージするために必要な置換ガスを供給するためのものである。更に、排気管１１−１は加湿器１１から供給ガスまたは置換ガスを排気するためのものである。
【００２９】
排気管１１−１、Ａ連絡管１１−２、ガス流入管１１−４の先端部は加湿器１１内の気相部分までしか達していないのに対し、Ｂ連絡管１１−３の先端部は加湿器１１内の液相部分まで達している。排気管１１−１には第２バルブ１１−１１ｂが、Ｂ連絡管１１−３には第１バルブ１１−１１ａが備えられており、これらのバルブによって、例えば排気されるガスがＢ連絡管１１−３の方へ向かわないように制御されている。
【００３０】
レベル計１１−５は、加湿器１１内の水位を検知する。加湿器１１内の水位が予め定められた所定値１Ｄを超えたことを検知すると、その所定値１Ｄからどの程度超えたかを示す情報を駆動制御部１１−６に出力する。駆動制御部１１−６は、その情報に基づいて電磁弁１１−８を駆動する。その結果、加湿器１１内の水位が所定値１Ｄに等しくなるまで、水は加湿器１１と生成水タンク１２との間に設けられた排水管１１−８を介し、生成水タンク１２へ排出される。
【００３１】
加湿器１１、及び固体高分子形燃料電池１３内の燃料極１３−１／空気極１３−３に対するパージは、生成水タンク１２からＢ連絡管１１−３を介し、加湿器１１内に水を供給した上で行う。または、最初に緩やかにパージを行い、機器が正常に作動するかどうかを確認した上で加湿器１１内に水を入れ、その後最初よりも強めにパージを行う。この方法により、パージを行う際における加湿器１１内の気相部の体積が減少し、結果的に供給ガスをパージするために必要な置換ガスの量を減少させることができる。
【００３２】
固体高分子形燃料電池１３に対して最初に行うパージは、窒素パージである。窒素パージは、まずガス流入管１１−４に窒素ボンベ１１−４ａＮを連結し、窒素を加湿器１１に供給すると共に排気管１１−１に備えられている排気栓１１−１ａを開けた上で行う。加湿器１１に供給された窒素は、更にＡ連絡管１１−２を介して燃料極１３−１／空気極１３−２に供給される。その後、窒素は燃料極１３−１／空気極１３−２に含まれる水によって加湿され、加湿ガスとしてポンプ１１−８を介して再び加湿器１１に供給される。加湿ガスに含まれる湿分は、水として加湿器１１内に貯められる。
【００３３】
しばらく窒素パージを行った後、加湿器１１内、及び燃料極１３−１／空気極１３−２の気相部分がほぼ窒素へ置換されたら供給を停止し、かつ排気栓１１−１ａを閉じる。窒素への置換が完了したか否かは、ガスクロマトグラフィー１１−１０および酸素計のいずれか一方を用いて、排気管１１−１を流通するガスに酸素が含まれているか否かを調査した結果により判断する。
【００３４】
窒素のパージが完了した後、窒素ボンベ１１−４ａＮを水素／酸素ボンベに置き換えた上で、水素ＧＡ／酸素ＧＢ（水素ＧＡもしくは酸素ＧＢ）のパージを行う。水素ＧＡのパージの際、水素ボンベ１１−４ａＨから加湿器１１ａ内に供給された水素ＧＡは、Ａ連絡管１１−２ａを介して燃料極１３−１に供給される。また、酸素ＧＢのパージの際、酸素ボンベ１１−４ａＯから加湿器１１ｂ内に供給された酸素ＧＢは、Ａ連絡管１１−２ｂを介して空気極１３−３に供給される。更に、水素ＧＡ／酸素ＧＢは、固体高分子形燃料電池１３内に含まれる水もしくは（２）式の反応から生成した水により加湿され、加湿ガスとしてポンプ１１−８を介して再び加湿器１１に供給される。加湿ガスに含まれる湿分は、水として加湿器１１内に貯められる。
【００３５】
水素ＧＡ／酸素ＧＢのパージが完了したら、排気栓１１−１ａを閉じ、水素ＧＡ／酸素ＧＢの供給を停止する。水素ＧＡ／酸素ＧＢのパージが完了したか否かは、水素／酸素計（水素計もしくは酸素計）、もしくはガスクロマトグラフィー１１−１０を用いて、排気管１１−１を流通するガスに窒素が含まれるか否かを調査した結果に基づき、判断する。
【００３６】
水素ＧＡ／酸素ＧＢのパージが完了した後、加湿器１１内のＢ連絡管１１−３もしくは第１排水管１１−８から水を排出する。更に、水の排出による加湿器１１及び燃料極１３−１もしくは空気極１３−３内の圧力の減少を補うため、水素ＧＡ／酸素ＧＢを適当量供給する。
【００３７】
固体高分子形燃料電池１３を起動させると（１）式及び（２）式の反応が進行し、これにより発電が行われる。その後、発電の程度に応じて加湿器１１ａを介して燃料極１３−１に水素ＧＡが、加湿器１１ｂを介して空気極１３−３に酸素ＧＢが供給される。
【００３８】
固体高分子形燃料電池１３の停止の際には、最初に緩やかな窒素パージを行うと共に、加湿器１１内に水を所定量１Ｄまで注入する。水を所定量１Ｄまで注入した後、加湿器１１内の気相部分が完全に窒素へ置換されるまで、窒素パージを行う。その後、窒素パージの完了をガスクロマトグラフィー１１−１０及び酸素計のいずれか一方により確認した上で、加湿器１１内の水を、Ｂ連絡管１１−３を介して生成水タンク１２へ排出する。
【００３９】
生成水タンク１２には、貫通管１２−１、Ｂ連絡管１１−３が接続されており、更に貫通管１２−１にはＡ栓１２−１ａが設けられている。貫通管１２−１は、潜水艇１０の内部から外部に貫通しており、生成水タンク１２内の水を排出する際のみではなく、生成水タンク１２内に水を供給する際にも用いられる。一本の管で生成水タンク１２への給水と排水の両方を行うのは、固体高分子形燃料電池システム１００が圧力の高い深海中において用いられるため、潜水艇１０の内部から外部に貫通する管の本数をできる限り少なくする工夫をしたためである。
【００４０】
生成水タンク１２からの排水は、排気栓１１−１ａを閉じると共にＡ栓１２−１ａを開けて気相の圧力により排水することで行う。一方、生成水タンク１２への給水は、排気栓１１−１ａを開けると共にＡ栓１２−１ａを開けることで行う。
【００４１】
図３を基に、本発明の固体高分子形燃料電池システムを起動する際の動作について詳細に説明する。
【００４２】
Ａ栓１２−１ａを開け、潜水艇１０の外部から貫通管１２−１を介して生成水タンク１２に対し、水を供給する（ステップＳ１）。生成水タンク１２からＢ連絡管１１−３を介し、加湿器１１に水を供給する（ステップＳ２）。加湿器１１の気相部の体積が所定の範囲内の値になるように、加湿器１１から生成水タンク１２へ水を排出する（ステップＳ３）。加湿器１１に対して窒素の供給を開始すると共に、排気栓１１−１ａを開け、加湿器１１と燃料極１３−１／空気極１３−３とに対する窒素パージを開始する（ステップＳ４）。窒素への置換が完了するまで、窒素を供給する（ステップＳ５）。窒素への置換が完了したことを確認したら、排気栓１１−１ａを閉じると共に窒素の供給を停止する（ステップＳ６）。
【００４３】
次に、潜水艇１０を深海中へ移動させた上で、ステップＳ７以下の動作を行う。加湿器１１に対し、水素ＧＡ／酸素ＧＢ（供給ガス）の供給を開始すると共に排気栓１１−１ａを開けることで、加湿器１１と燃料極１３−１／空気極１３−３とに対する水素ＧＡ／酸素ＧＢのパージを開始する（ステップＳ７）。水素ＧＡ／酸素ＧＢへの置換が完了するまで、水素ＧＡ／酸素ＧＢ（置換ガス）を供給する（ステップＳ８）。水素ＧＡ／酸素ＧＢのパージが完了したことを確認したら、排気栓１１−１ａを閉じると共に水素／酸素の供給を停止する（ステップＳ９）。加湿器１１内の水を、生成水タンク１２へ供給する（ステップＳ１０）。その後、水素ＧＡ及び酸素ＧＢを基に、固体高分子形燃料電池１３の発電及び生成水の生成を開始する（ステップＳ１１）。
【００４４】
発電開始後は、その発電の程度に応じ、燃料極１３−１／空気極１３−３に対し、水素ＧＡ／酸素ＧＢの供給を行う。尚、ステップＳ３において窒素のパージを開始する前に、ポンプ１１−９を起動することが必要である。
【００４５】
図５を基に、本発明の固体高分子形燃料電池システムを停止する際の動作について詳細に説明する。
【００４６】
最初に、穏やかな窒素パージを開始する（ステップＳ１２）。予め定められた所定量の水を、生成水タンク１２から加湿器１１に供給する（ステップＳ１３）。ステップＳ９における窒素のパージと比較し、強めの窒素パージを開始する（ステップＳ１４）。窒素への置換が完了するまで、窒素を供給する（ステップＳ１５）。窒素への置換が完了したことを確認したら、排気栓１１−１ａを閉じると共に窒素の供給を停止する（ステップＳ１６）。Ａ栓１２−１ａを開け、加湿器１１内の水を生成水タンク１２へ供給する（ステップＳ１７）。生成水タンク１２内の水を、貫通管１２−１を介して潜水艇１０の外部に排出する（ステップＳ１８）。
【００４７】
ステップＳ１７において窒素パージを停止した後に、ポンプ１１−８を停止することが必要である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムにより、潜水艇中で使用する燃料電池の発電に使用する燃料ガスもしくは酸化剤ガスのパージを、従来と比較して短時間、且つパージガス消費量を少なく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池制御システムに係る構成を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池制御システムに係る、燃料電池の構成、及び加湿器と燃料極もしくは空気極との接続の形態を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池システムの動作方法に係る、燃料電池システムの起動の手順を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池システムの動作方法に係る、燃料電池システムの停止の手順を示す図である。
【符号の説明】
１０　潜水艇
１１（１１ａ、１１ｂ）加湿器
１１−１　排気管
１１−１ａ　排気栓
１１−２（１１−２ａ、１１−２ｂ）Ａ連絡管
１１−３　Ｂ連絡管
１１−４　ガス流入管
１１−４ａ　ガスボンベ
１１−５　レべル計
１１−６　駆動制御部
１１−７　電磁弁
１１−８　排水管
１１−９　ポンプ
１１−１０　ガスクロマトグラフィー
１１−１１（１１−１１ａ　第１バルブ、１１−１１ｂ　第２バルブ）バルブ
１２　生成水タンク
１２−１　貫通管
１２−１ａ　Ａ栓
１３　固体高分子形燃料電池
１３−１　燃料極
１３−２　電解質
１３−３　空気極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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