(57)【要約】【課題】簡単な構成で燃料電池を大型化することなく、燃料ガスを回収して再利用することができ、長期間に亘（わた）り低い燃料消費率で、高い性能を維持することができるようにする。【解決手段】電解質膜、電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、燃料極と接する燃料室、並びに、酸素極と接する酸素室を備えるとともに、電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、燃料室に接続され、燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、燃料室に接続され、燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、燃料排出管路に配設され、燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、気液分離トラップから排出された燃料ガスを燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）電解質膜、該電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、前記燃料極と接する燃料室、並びに、前記酸素極と接する酸素室を備えるとともに、前記電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、
（ｂ）前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、（ｃ）前記燃料室に接続され、該燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、（ｄ）該燃料排出管路に配設され、前記燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、
（ｅ）該気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、前記気液分離トラップから排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
（ａ）前記気液分離トラップに接続され、排水用開閉弁を備える排水管路を有し、
（ｂ）前記排水用開閉弁は、前記排水管路を開閉して、前記気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
（ａ）前記気液分離トラップは、水位センサを備え、
（ｂ）前記排水用開閉弁は、前記水位センサの検出した水位に基づいて前記排水管路を開閉する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排水用開閉弁は、前記逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って前記排水管路を開閉する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
（ａ）前記排水管路は、水タンクに接続され、
（ｂ）前記気液分離トラップから排出された逆拡散水は前記水タンクに回収される請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方をアノード極とし、その表面に燃料として水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方をカソード極とし、その表面に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極としてのアノード極側及び酸素極としてのカソード極側のそれぞれに水を供給する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、燃料及び酸化剤を加湿された状態とすることによって、アノード極側及びカソード極側のそれぞれに水を供給する。また、アノード極及びカソード極の表面に凹凸を形成し、凹部を撥（はっ）水部として機能させ、凸部を集水部として機能させるようになっている。そして、アノード極及びカソード極の表面の集水部に接触するようにウィックを配設し、余剰の水を前記集水部からウィックを通して燃料電池の外部に排出して、トラップに貯留するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−１２４６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池においては、余剰の水を燃料電池の外部に排出するためにアノード極及びカソード極の表面の集水部に接触するようにウィックを配設するようになっている。そのため、燃料電池の構成が複雑化するとともに、燃料電池が大型化してしまう。一般的な燃料電池においては、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合したユニットを数十〜数百個結合するようになっている。そのため、各ユニットにおけるアノード極及びカソード極の表面にウィックを配設すると、ユニットを数十〜数百個結合して構成される燃料電池全体の構成が極めて複雑になり、かつ、燃料電池全体が大型化してしまう。
【０００７】
また、前記従来の燃料電池においては、燃料電池から排出される燃料から水分を分離することが考慮されていない。通常の燃料電池の場合、アノード極側に供給される燃料の量は、アノード極の表面における燃料の不足を引き起こすことがないように、必要量よりも多くなっている。そのため、燃料電池からは余剰となった燃料を大気中に放出するのが一般的である。さらに、トラップに貯留した水を外部に排出するときに、燃料の水素も一緒に排気するために、燃料の消費量が大きくなってしまう。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解決して、固体高分子電解質膜の燃料極側を逆拡散水で湿潤するようにするとともに、余剰の逆拡散水を燃料ガスとともに排出して前記燃料極側の燃料流路の水詰まりを防止し、排出された燃料ガスから水分を分離するようにして、簡単な構成で燃料電池を大型化することなく、乾燥した燃料を回収して再利用することができ、長期間に亘（わた）り低い燃料消費率で、高い性能を維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質膜、該電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、前記燃料極と接する燃料室、並びに、前記酸素極と接する酸素室を備えるとともに、前記電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、前記燃料室に接続され、該燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設され、前記燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、該気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、前記気液分離トラップから排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有する。
【００１０】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップに接続され、排水用開閉弁を備える排水管路を有し、前記排水用開閉弁は、前記排水管路を開閉して、前記気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を制御する。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップは水位センサを備え、前記排水用開閉弁は、前記水位センサの検出した水位に基づいて前記排水管路を開閉する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水用開閉弁は、前記逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って前記排水管路を開閉する。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水管路は、水タンクに接続され、前記気液分離トラップから排出された逆拡散水は前記水タンクに回収される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概念図、図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【００１６】
図１において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００１７】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。
【００１８】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００１９】
本実施の形態において、セル４０は、図２に示されるように、固体高分子電解質膜４５をガス拡散層と反応層とが一つに接続された電極である燃料極４３及び酸素極４４で挟み、金属板、カーボン若しくはカーボン板等から成るセパレータ４６及びセパレータ４７で狭持して、接合する。また、前記セパレータ４６には、複数の燃料室４８が、図において紙面に垂直方向に延在するように形成され、前記セパレータ４７には、複数の酸素室４９が、図において上下方向に延在するように形成される。なお、前記燃料室４８及び酸素室４９の一面は、前記燃料極４３及び酸素極４４と接している。そして、前記燃料極４３をアノード極とし、前記燃料室４８内に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子に分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜４５を透過する。また、前記酸素極４４をカソード極とし、前記酸素室４９内に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００２０】
例えば、本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、一例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、数百枚のセルを直列に接続したスタックから成る。出力は数〜数１０〔ｋＷ〕である。そして、定常動作時の温度は３０〜９０〔℃〕程度である。
【００２１】
なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段１３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００２２】
この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００２３】
図１において、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を供給する装置が示される。水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段１３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２１、及び、該第１燃料供給管路２１に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック１１の燃料室４８に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、燃料貯蔵手段元開閉弁２４、圧力センサ２７、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ及び燃料供給電磁弁２６が配設される。また、前記第２燃料供給管路３３には、安全弁３３ａが配設される。なお、前記第１燃料供給管路２１には、燃料電池スタック１１の起動時に前記第２燃料圧力調整弁２５ｂをバイパスして水素ガスを供給するための起動用バイパス管路２２が接続され、該起動用バイパス管路２２には起動用燃料供給電磁弁２３が配設される。また、前記燃料貯蔵手段１３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【００２４】
そして、燃料電池スタック１１の燃料室４８から排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック１１の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には吸引循環ポンプ３６が配設され、また、前記燃料排出管路３１における燃料電池スタック１１と反対側の端部は、気液分離トラップ６０に接続されている。そして、該気液分離トラップ６０には水と分離された水素ガスを排出する燃料排出管路３０が接続されている。該燃料排出管路３０には起動定常運転切替弁３４が配設されている。なお、必要に応じて、気液分離トラップ６０と起動定常運転切替弁３４との間に第２の吸引循環ポンプ３６ａを配設することもできる。また、前記燃料排出管路３０における気液分離トラップ６０と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１の外部に導出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料室４８に供給して再利用することができる。
【００２５】
また、前記燃料排出管路３１における燃料電池スタック１１と吸引循環ポンプ３６との間には、起動専用燃料排出管路５６が接続されている。そして、該起動専用燃料排出管路５６には、起動専用排気弁５６ａ、起動専用逆止弁５６ｂ及び消音器５６ｃが配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料室４８から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、前記水素ガスをそのまま大気中へ排出せずに、酸素と結合させて水にした後で、排出させるようにしてもよい。
【００２６】
さらに、前記気液分離トラップ６０には、水素ガスと分離された水を排出して後述される水タンク５２に回収するための排水管路としての水排出管路６１が接続されている。そして、該水排出管路６１には、排水用逆止弁６３及び排水用開閉弁としての排水用電磁弁６２が配設されている。なお、前記排水用逆止弁６３は省略することもできる。
【００２７】
さらに、前記燃料排出管路３０における第２燃料供給管路３３と起動定常運転切替弁３４との間には、外気導入管路２８が接続されている。そして、該外気導入管路２８には、外気導入用電磁弁２８ａ及びエアフィルタ２８ｂが配設され、燃料電池スタック１１の運転終了時に外気を燃料室４８に導入することができるようになっている。
【００２８】
なお、気液分離トラップ６０は、燃料排出管路３１の最も低い位置に存在し、水を溜（  た  ）めやすくしている。
【００２９】
ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００３０】
また、前記起動用燃料供給電磁弁２３、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、起動定常運転切替弁３４、起動専用排気弁５６ａ及び排水用電磁弁６２はいわゆるオン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２４は手動若しくは電磁弁を用いて自動的に作動させられる。そして、前記起動専用逆止弁５６ｂ及び排水用逆止弁６３は、通常の構造を有するものである。さらに、前記吸引循環ポンプ３６及び第２の吸引循環ポンプ３６ａは、水素ガスを強制的に排出し、燃料室４８内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００３１】
なお、前記エアフィルタ２８ｂは、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を除去する。
【００３２】
一方、酸化剤としての空気は、空気供給ファン、空気ボンベ、空気タンク等の酸化剤供給源１５から、酸化剤供給管路１７及び吸気マニホールド１４を通って、燃料電池スタック１１の酸素室４９に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、酸素室４９から排出される空気は、排気マニホールド１２、凝縮器１２ａ及び酸化剤排出管路１８を通って大気中へ排出される。
【００３３】
また、前記吸気マニホールド１４内には、水をスプレーして、燃料電池スタック１１の酸素極（カソード極）４４を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル１６が配設される。また、スプレーされた水によって前記酸素極４４及び燃料極４３を冷却することができる。さらに、前記排気マニホールド１２の端部に配設された凝縮器１２ａは、前記燃料電池スタック１１から排出される空気に含まれる水分を凝縮して除去するためのもので、前記凝縮器１２ａによって凝縮された水は凝縮水排出管路１９を通って水タンク５２に回収される。なお、前記凝縮水排出管路１９には排水ポンプ５１が配設され、前記水タンク５２にはレベルゲージ（水位計）５２ａ及び安全弁５２ｂが配設されている。また、前記水タンク５２には水排出管路６１が接続され、前記気液分離トラップ６０から排出された水も水タンク５２に回収される。
【００３４】
そして、該水タンク５２内の水は、給水管路５３を通って水供給ノズル１６に供給される。なお、前記給水管路５３には、給水ポンプ５４及び水フィルタ５５が配設されている。
【００３５】
ここで、前記排水ポンプ５１及び給水ポンプ５４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記水フィルタ５５は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００３６】
また、前記蓄電手段としての二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００３７】
また、前記燃料電池スタック１１は図示されない負荷に接続され、発生した電流を前記負荷に供給する。ここで、該負荷は、一般的には、駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池スタック１１又は蓄電手段からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータに供給する。ここで、該駆動モータは発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記駆動モータは車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置（ブレーキ）として機能する。そして、前記回生電流が蓄電手段に供給されて該蓄電手段が充電される。
【００３８】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御手段を有する。該制御手段は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック１１の燃料室４８及び酸素室４９に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源１５、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、起動用燃料供給電磁弁２３、燃料供給電磁弁２６、外気導入用電磁弁２８ａ、起動定常運転切替弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ５１、給水ポンプ５４、起動専用排気弁５６ａ、排水用電磁弁６２等の動作を制御する。さらに、前記制御手段は、他のセンサ及び他の制御装置と連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【００３９】
次に、前記気液分離トラップ６０の構成について詳細に説明する。
【００４０】
図３は本発明の第１の実施の形態における気液分離トラップと燃料電池スタックとの位置関係を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図である。
【００４１】
本実施の形態において、気液分離トラップ６０は、図３に示されるように、燃料電池スタック１１における燃料排出管路３１の接続口よりも鉛直方向に関して下方に位置する、すなわち、鉛直下方向に位置することが望ましい。これにより、燃料電池スタック１１の燃料室４８から容易に水を排出することができる。
【００４２】
ところで、本実施の形態における燃料電池システムでは、特許文献１に示されるような従来の燃料電池のように、アノード極側に水を供給するようにはなっていない。すなわち、燃料電池スタック１１は、燃料室４８に水を供給する機構を備えておらず、また、前記燃料室４８内に燃料として供給される水素ガスも加湿されていない。本実施の形態における燃料電池システムでは、逆拡散水によって、燃料極４３を加湿するようになっている。なお、逆拡散水とは、酸素室４９において生成される水が固体高分子電解質膜４５内に拡散し、該固体高分子電解質膜４５内を水素イオンと逆方向に透過して燃料室４８にまで浸透したものである。このように、それぞれのセル４０が燃料室４８に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池スタック１１の構成は簡素であり、かつ、小型になっている。また、水素ガスに水分を加えて加湿する必要もないので、第１燃料供給管路２１や第２燃料供給管路３３に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、構成が簡素であり、コストを抑制することができる。
【００４３】
そして、燃料電池スタック１１の燃料室４８内においては、余剰となった前記逆拡散水が余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となる。該気液混合物は、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック１１の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、気液分離トラップ６０の上部からトラップ容器６４内に導入される。そして、前記気液混合物は、トラップ容器６４内において水素ガスと水分としての逆拡散水とに分離し、すなわち、気液分離した水素ガスは燃料排出管路３０からトラップ容器６４外に排出される。また、分離された逆拡散水はトラップ容器６４内の下部に貯留水６５として貯留する。なお、トラップ容器６４の下部には、排水用電磁弁６２が配設された水排出管路６１が接続されている。図３においては、排水用逆止弁６３は省略されている。また、前記水排出管路６１及び排水用電磁弁６２は、図３において点線で示される位置６１’及び６２’に配設することもできる。
【００４４】
ここで、前記気液分離トラップ６０は、図４に示されるような構成を有している。前記トラップ容器６４は有底筒状の形状を有し、開放している上部は容器カバー６６によって気密に塞（ふさ）がれている。なお、容器カバー６６はトラップ容器６４に対してボルト等の固着部材６６ａによって固着され、また、容器カバー６６の下面とトラップ容器６４の上端面との間には、Ｏ−リング等のシール部材６６ｂが配設され、気密性を維持している。そして、燃料排出管路３１及び燃料排出管路３０は、トラップ容器６４上部の側壁に、互いに離れた位置で接続されている。
【００４５】
また、前記容器カバー６６には、貯留水６５の水位を計測するための水位センサ６７が取り付けられている。該水位センサ６７は、鉛直方向に垂下する棒状の計測部材６７ａを備え、貯留水６５の水面６５ａの位置を水位として計測するようになっている。なお、図４において、６７ｂ及び６７ｃは水位の適正範囲の上限及び下限に対応する水位上検知点及び水位下検知点を示している。本実施の形態において、燃料電池システムの制御装置は、水位が上昇して前記水位上検知点６７ｂを超えると排水用電磁弁６２を開けて貯留水６５を水排出管路６１からトラップ容器６４外に流出させ、水位が下降して前記水位下検知点６７ｃより下がると排水用電磁弁６２を閉じて貯留水６５が水排出管路６１からトラップ容器６４外に流出することを停止させる。
【００４６】
なお、前記水位上検知点６７ｂ及び水位下検知点６７ｃの位置は任意に設定することができるが、前記水位下検知点６７ｃは、水排出管路６１がトラップ容器６４に接続されている位置よりも鉛直方向に関して上方に位置することが望ましい。これにより、流出する水に水素ガスが混入することを防止して、水素ガスの回収率を向上させることができる。
【００４７】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。ここでは、定常運転における貯留水６５の水位を制御する動作について説明する。
【００４８】
図５は本実施の第１の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【００４９】
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源１５は常に一定量の空気を燃料電池スタック１１の酸素室４９に供給するように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００５０】
そして、燃料電池スタック１１が運転を開始すると、該燃料電池スタック１１を構成する各セル４０において逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜４５を透過して燃料室４８にまで浸透して、前記固体高分子電解質膜４５の燃料極４３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜４５の燃料極４３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜４５内をスムーズに移動することができる。
【００５１】
また、前記燃料室４８に供給されて余剰となった水素ガスは、前記燃料室４８にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック１１に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック１１の外部に導出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過してトラップ容器６４内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記トラップ容器６４内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０からトラップ容器６４外に排出される。なお、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック１１の燃料室４８に供給されて再利用される。
【００５２】
ここで、前記燃料排出管路３０は、トラップ容器６４上部の側壁に接続されているので、逆拡散水が分離して軽量となった乾燥した状態の水素ガスだけが、燃料排出管路３０から排出され、水分が排出されることがない。また、燃料排出管路３１と燃料排出管路３０とは、互いに離れた位置でトラップ容器６４上部の側壁に接続されているので、燃料排出管路３１からトラップ容器６４内に導入された気液混合物が、そのまま燃料排出管路３０から流出してしまうこともない。これにより、燃料室４８に浸透して余剰となった逆拡散水を適切にトラップすることができ、余剰となった水素ガスを乾燥した状態で回収して、再利用することができる。
【００５３】
一方、前記気液混合物から分離して落下した逆拡散水は、トラップ容器６４内の下部に貯留水６５として貯留する。ここで、該貯留水６５の水位は、水位センサ６７によって計測される、すなわち、水位センサ６７による水位検知が行われる（ステップＳ１）。そして、燃料電池スタック１１が運転を継続することによって、該燃料電池スタック１１の外部に導出される気液混合物から分離した水の量が増え、貯留水６５の水位が徐々に上昇する。そして、燃料電池システムの制御装置は、貯留水６５の水位が水位上検知点６７ｂを超えたと判断すると（ステップＳ２）、排水用電磁弁６２を開けて水排出管路６１を開通させ、貯留水６５を水排出管路６１からトラップ容器６４外に流出させる（ステップＳ３）。これにより、貯留水６５の水位は徐々に下降する。そして、燃料電池システムの制御装置は、貯留水６５の水位が水位下検知点６７ｃより下がったと判断すると（ステップＳ４）、排水用電磁弁６２を閉じて水排出管路６１を閉止し、貯留水６５が水排出管路６１からトラップ容器６４外に流出することを停止させる（ステップＳ５）。以降、このような動作を繰り返すことによって、貯留水６５の水位を水位上検知点６７ｂと水位下検知点６７ｃとの間に維持することができる。
【００５４】
なお、水排出管路６１からトラップ容器６４外に流出した逆拡散水は、水タンク５２に回収される。これにより、余剰となった逆拡散水を有効に再利用することができる。
【００５５】
このように、本実施の形態においては、燃料室４８内で余剰となった逆拡散水と水素ガスとの気液混合物が、吸引循環ポンプ３６によって吸引され燃料電池スタック１１の外部に排出されるようになっている。そのため、燃料室４８内における水素ガスの流通が余剰となった逆拡散水によって妨げられる水詰まりを防止することができ、燃料極４３の表面に燃料としての水素ガスを安定的に供給することができる。
【００５６】
また、余剰となった逆拡散水を気液分離トラップ６０によって水素ガスから分離し、水タンク５２に回収するので、有効に再利用することができる。これにより、燃料電池スタック１１の酸素極４４を加湿するためにスプレーする水の不足を補うことができ、水タンク５２を小型軽量化することができる。
【００５７】
さらに、余剰となった水素ガスと混合していた逆拡散水を気液分離トラップ６０によって分離するので、余剰となった水素ガスを回収して再利用することができる。これにより、燃料電池スタック１１の燃料消費量を抑制することができる。
【００５８】
さらに、水位センサ６７によって水位検知を行い、トラップ容器６４内の貯留水６５の水位を適切に制御することができるので、貯留水６５の量を低減して、気液分離トラップ６０を小型化することができる。
【００５９】
さらに、逆拡散水によって燃料極４３を加湿し、それぞれのセル４０が燃料室４８に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池スタック１１の構成を簡素化して、小型化することができる。また、水素ガスに水分を加えて加湿する必要もないので、第１燃料供給管路２１や第２燃料供給管路３３に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素化し、コストを抑制することができる。
【００６０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００６１】
図６は本発明の第２の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図、図７は本発明の第２の実施の形態における気液分離トラップの水回収量の変化を示す図、図８は本発明の第２の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤する時間を示す図、図９は本発明の第２の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤した場合の気液分離トラップの水回収量の変化を示す図、図１０は本発明の第２の実施の形態における気液分離トラップから流出する水の量の変化を示す図、図１１は本実施の第２の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【００６２】
本実施の形態における気液分離トラップ６０は、図６に示されるように、水位センサ６７を備えていない点、及び、燃料排出管路３１がトラップ容器６４上部の側壁でなく、容器カバー６６に接続されている点において、前記第１の実施の形態と相違する。そのため、燃料電池システムの制御装置は、トラップ容器６４内の貯留水６５の水位を適切に制御するために、あからじめ設定されたシーケンスに従って排水用電磁弁６２の動作を制御する。
【００６３】
まず、実験によって、燃料電池スタック１１から回収される逆拡散水の量の時間的変化を計測したところ、図７に示される結果を得ることができた。なお、図７においては、縦軸に逆拡散水の回収量〔ｍｌ〕を採り、横軸に時間〔分〕を採ってある。ここで、横軸は燃料電池システムの運転を開始した時からの時間を示し、時間０〔分〕は燃料電池システムの運転を開始した時である。
【００６４】
ここで、逆拡散水の回収量は、燃料電池スタック１１の総電極面積、燃料電池スタック１１の電流密度、固体高分子電解質膜４５の膜厚、燃料極４３及び酸素極４４を構成するガス拡散電極の水分の透過しやすさ、燃料室４８内の湿度、酸素室４９内の湿度、燃料室４８内の圧力、酸素室４９内の圧力、燃料室４８内の温度、酸素室４９内の温度等の関数として表すことができる。
【００６５】
そこで、図７においては、燃料電池スタック１１の電流密度毎に、逆拡散水の量の時間的変化を計測した結果が示されている。なお、前記電流密度は、燃料電池スタック１１の出力する電流値を燃料電池スタック１１の総電極面積で除した値であって、〔Ａ／ｃｍ２  〕で表される。図７において、曲線７１は電流密度が０．１〔Ａ／ｃｍ２  〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線７２は電流密度が０．２〔Ａ／ｃｍ２  〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線７３は電流密度が０．３〔Ａ／ｃｍ２  〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線７４は電流密度が０．４〔Ａ／ｃｍ２  〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化、曲線７５は電流密度が０．５〔Ａ／ｃｍ２  〕の場合における逆拡散水の回収量の時間的変化を示している。なお、直線７６はトラップ容器６４内の貯留水６５の最大量を示している。このことから、電流密度が増加するほど逆拡散水の量が増加することが分かる。
【００６６】
また、点線Ａで示される範囲においては、逆拡散水の量がほとんど増加していないことが分かる。これは、燃料電池システムの運転を開始した直後の時間帯においては、固体高分子電解質膜４５が乾燥しているので、逆拡散水が燃料室４８にまで浸透しないためであると考えることができる。そして、燃料電池システムの運転を開始してから、しばらく時間が経過すると、固体高分子電解質膜４５が逆拡散水によって湿潤した状態となる。すると、逆拡散水が燃料室４８にまで浸透し、余剰となった逆拡散水が燃料室４８に供給されて余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となって燃料電池スタック１１の外部に導出され、トラップ容器６４内に貯留水６５として回収される。したがって、逆拡散水の回収量は、トラップ容器６４内の貯留水６５の量を計測することによって計測される。
【００６７】
そして、図７に示される結果に基づいて、固体高分子電解質膜４５が湿潤するまでに要する時間と電流密度との関係を得ることができる。ここでは、図８に示される結果を得ることができた。なお、図８においては、縦軸に時間〔秒〕を採り、横軸に電流密度〔Ａ／ｃｍ２  〕を採ってある。ここで、縦軸は燃料電池システムの運転を開始した時からの時間を示し、時間０〔秒〕は燃料電池システムの運転を開始した時である。
【００６８】
図８において、曲線７６は、図７に示される結果に基づいて求めた固体高分子電解質膜４５が湿潤するまでに要する時間と電流密度との関係を示す点を結ぶ曲線であり、曲線７７は前記曲線７６の近似曲線である。前記曲線７７は、次の式（１）によって表すことができる。
ｔ２＝ａＩ２  ＋ｂＩ＋ｃ・・・式（１）
ここで、ｔ２は燃料電池スタック１１の固体高分子電解質膜４５が湿潤するまでに要する時間、すなわち、電解質膜湿潤時間〔秒〕、Ｉは電流密度の平均値〔Ａ／ｃｍ２  〕である。また、ａ、ｂ及びｃは、前記曲線７７を描くための定数であり、例えば、ａ＝３４２８．６、ｂ＝−４３３７．１、ｃ＝１４５５という値とすることによって、前記曲線７７を描くことができた。
【００６９】
また、図７に示される結果に基づいて、固体高分子電解質膜４５が湿潤した後の逆拡散水の回収量と電流密度との関係を得ることができる。ここでは、図９に示される結果を得ることができた。なお、図９においては、縦軸に逆拡散水の回収量〔ｍｌ〕を採り、横軸に電流密度〔Ａ／ｃｍ２  〕を採ってある。
【００７０】
図９において、折線７８は、図７に示される結果に基づいて求めた固体高分子電解質膜４５が湿潤した後の逆拡散水の回収量と電流密度との関係を示す点を結ぶ線であり、曲線７９は前記折線７８の近似曲線である。前記曲線７９は、次の式（２）によって表すことができる。
Ｑ１＝ｄＩ２  ＋ｅＩ・・・式（２）
ここで、Ｑ１は単位時間当たりの逆拡散水の回収量としての単位時間当回収量〔ｍｌ〕、Ｉは電流密度の平均値〔Ａ／ｃｍ２  〕である。また、ｄ及びｅは、前記曲線７９を描くための定数であり、例えば、ｄ＝−０．０１９６６９、ｅ＝０．１９７７５という値とすることによって、前記曲線７９を描くことができた。
【００７１】
また、実験によって、排水用電磁弁６２を開けて水排出管路６１を開通させ、貯留水６５を水排出管路６１からトラップ容器６４外に流出させた場合に気液分離トラップ６０から流出する水の量の変化を計測したところ、図１０に示されるような結果を得ることができた。なお、図１０においては、縦軸に流出する水の量〔ｍｌ〕を採り、横軸に排水用電磁弁６２を開けている時間〔秒〕を採ってある。
【００７２】
この場合、気液分離トラップ６０から流出する水の量と排水用電磁弁６２を開けている時間との関係は、直線８１で示されるように、比例関係にあることが分かる。そして、直線８１上の点Ｂから、排水用電磁弁６２を１〔秒〕だけ開けていると、気液分離トラップ６０から１６〔ｍｌ〕の水が流出することが分かる。そのため、例えば、トラップ容器６４内の貯留水６５の量としての気液分離トラップ貯水量Ｑ２〔ｍｌ〕が所定値を超えた場合に排水用電磁弁６２を１〔秒〕だけ開けるというシーケンスを設定した場合、次の式（３）が満たされたときに、排水用電磁弁６２を１〔秒〕だけ開けることになる。
Ｑ２＞１６・・・式（３）
本実施の形態においては、制御装置の記憶手段には、前記式（１）〜（３）があらかじめ格納されている。そして、前記制御装置は、時刻、電流密度等を取得し、前記式（１）〜（３）に基づいて演算を行うことによって排水用電磁弁６２の動作を制御する。
【００７３】
まず、前記制御装置は、図示されない時計から取得した時刻に基づいて、燃料電池システムの運転を開始した時からの経過時間ｔの測定を開始する（ステップＳ１１）。続いて、前記制御装置は、前回の運転が終了してから今回の運転を開始するまでの経過時間ｔ１を測定し（ステップＳ１２）、該ｔ１が所定値を超えているか否かを判断する（ステップＳ１３）。これは、燃料電池システムの運転を終了した直後の時間帯においては、固体高分子電解質膜４５が乾燥しておらず、湿潤した状態にあると考えることができるからである。
【００７４】
そのため、前回の運転が終了してから所定時間を経過していない場合、固体高分子電解質膜４５が湿潤しているので、今回の運転を開始した直後から逆拡散水が燃料室４８にまで浸透し、余剰となった逆拡散水が燃料室４８に供給されると考えることができる。そして、余剰となった逆拡散水が燃料室４８に供給されて余剰となった水素ガスと混合して、気液混合物となって燃料電池スタック１１の外部に導出され、トラップ容器６４内に貯留水６５として回収される。したがって、前回の運転が終了してから所定時間を経過していない場合、前記制御装置は、固体高分子電解質膜４５が湿潤している場合の動作モードである電解質膜湿潤時モードの動作を行う。
【００７５】
一方、前回の運転が終了してから所定時間を超えている場合、固体高分子電解質膜４５が乾燥しているので、今回の運転を開始した直後には、逆拡散水が燃料室４８にまで浸透しないと考えることができる。この場合、前記制御装置は、固体高分子電解質膜４５が乾燥している場合の動作モードである電解質膜乾燥時モードの動作を行う。なお、前記所定時間は実験に基づいて適宜設定することができる。
【００７６】
そして、電解質膜乾燥時モードの動作において、前記制御装置は、まず、燃料電池スタック１１における電流密度ｉ〔Ａ／ｃｍ２  〕を測定する（ステップＳ１４）。この場合、燃料電池スタック１１の各セル４０における燃料極４３及び酸素極４４の面積は既知であるので、燃料電池スタック１１の出力する電流値を測定することによって、電流密度ｉを得ることができる。なお、電流密度ｉの測定は所定時間周期で、例えば、毎秒一回の周期で繰り返し行われる。
【００７７】
続いて、前記制御装置は、測定した電流密度ｉの平均値Ｉ〔Ａ／ｃｍ２  〕を算出する（ステップＳ１５）。続いて、前記制御装置は、前記式（１）に基づいて、燃料電池スタック１１の電解質膜湿潤時間ｔ２を算出し（ステップＳ１６）、前記経過時間ｔが電解質膜湿潤時間ｔ２未満であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。そして、前記経過時間ｔが電解質膜湿潤時間ｔ２未満である場合には、固体高分子電解質膜４５が依然として湿潤していないと考えられるので、前記制御装置は、電解質膜乾燥時モードの動作を最初から繰り返して行う。
【００７８】
また、前記経過時間ｔが電解質膜湿潤時間ｔ２以上である場合には、固体高分子電解質膜４５が湿潤していると考えられるので、前記制御装置は、電解質膜湿潤時モードの動作を開始する。この場合、前記制御装置は、まず、燃料電池スタック１１における電流密度ｉ〔Ａ／ｃｍ２  〕を測定する（ステップＳ１８）。なお、電流密度ｉの測定は所定時間周期で、例えば、毎秒一回の周期で繰り返し行われる。続いて、前記制御装置は、測定した電流密度ｉの平均値Ｉ〔Ａ／ｃｍ２  〕を算出し、前記式（２）に基づいて、単位時間当回収量Ｑ１〔ｍｌ〕を算出する（ステップＳ１９）。
【００７９】
続いて、前記制御装置は、前回算出した気液分離トラップ貯水量Ｑ２に前記単位時間当回収量Ｑ１を加えて気液分離トラップ貯水量Ｑ２を更新する（ステップＳ２０）。なお、初回の気液分離トラップ貯水量Ｑ２は、リセットされた値であり、０である。
【００８０】
続いて、前記制御装置は、更新された気液分離トラップ貯水量Ｑ２が所定値を超えているか否かを判断する（ステップＳ２１）。なお、前記所定値は、前記式（３）に従う場合、１６〔ｍｌ〕である。そして、気液分離トラップ貯水量Ｑ２が所定値を超えていない場合、排水用電磁弁６２を開ける必要がないので、前記制御装置は、電解質膜湿潤時モードの動作を最初から繰り返して行う。また、気液分離トラップ貯水量Ｑ２が所定値を超えている場合、前記制御装置は排水用電磁弁６２を所定時間だけ開ける（ステップＳ２２）。なお、前記所定時間は、前記式（３）に従う場合、１〔秒〕である。続いて、前記制御装置は、気液分離トラップ貯水量Ｑ２をリセットして０にする（ステップＳ２３）。以降、前記制御装置は、電解質膜湿潤時モードの動作を最初から繰り返して行う。
【００８１】
このように、本実施の形態においては、逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って排水用電磁弁６２の動作を制御するようになっている。そのため、気液分離トラップ６０が、前記第１の実施の形態におけるような水位センサ６７を備えていなくても、トラップ容器６４内の貯留水６５の水位を適切に制御することができ、貯留水６５の量を低減して、気液分離トラップ６０を小型化することができる。
【００８２】
また、前記第１の実施の形態におけるような水位センサ６７を備えていなので、気液分離トラップ６０の構成を簡素化することができ、コストを抑制することができる。さらに、燃料排出管路３１や燃料排出管路３０をトラップ容器６４に接続する位置も、前記第１の実施の形態におけるような水位センサ６７の位置を考慮することなく、自由に決めることができるので、気液分離性能を向上させることができる。
【００８３】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００８４】
図１２は本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【００８５】
本実施の形態においては、気液分離トラップ６０によって気液混合物から分離した逆拡散水を水タンク５２に回収することなく、外部に排出するようになっている。そのため、図１２に示されるように、起動専用燃料排出管路５６における消音器５６ｃと起動専用排気弁５６ａとの間の部分に水排出管路６１が接続されている。なお、本実施の形態において起動専用逆止弁５６ｂは省略されている。また、図１２においては、燃料貯蔵手段１３、排気マニホールド１２、凝縮器１２ａ、水タンク５２等の記載が省略されているが、本実施の形態における燃料電池システムは、水排出管路６１が、水タンク５２に接続されず、起動専用燃料排出管路５６に接続されている点を除いては、第１及び第２の実施の形態と同様の構成を有するものである。
【００８６】
このように、本実施の形態においては、水排出管路６１を水タンク５２に接続しないので、前記水排出管路６１の配管を簡素化することができる。そのため、燃料電池システムの構成を簡素化することができ、コストを抑制することができる。
【００８７】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質膜、該電解質膜を狭持する燃料極及び酸素極、前記燃料極と接する燃料室、並びに、前記酸素極と接する酸素室を備えるとともに、前記電解質膜において酸素極から燃料極に対して水が逆拡散してその湿潤状態を維持する燃料電池と、前記燃料室に接続され、該燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給管路と、前記燃料室に接続され、該燃料室の燃料ガスを排出する燃料排出管路と、該燃料排出管路に配設され、前記燃料室から排出された燃料ガスに取りこまれた逆拡散水を分離する気液分離トラップと、該気液分離トラップと燃料供給管路とに接続され、前記気液分離トラップから排出された燃料ガスを前記燃料供給管路に導入する燃料排出管路とを有する。
【００８９】
この場合、燃料室内で余剰となった逆拡散水が混合した燃料ガスが燃料電池の外部に排出されるときに、気液分離トラップによって水と燃料ガスとが分離するので、余剰となった燃料を回収して再利用するとともに、水だけを選択的に排出することができる。これにより、燃料電池の燃料消費量を抑制することができる。
【００９０】
さらに、逆拡散水によって燃料極を加湿し、燃料室に水を供給する機構を備えていないので、燃料電池の構成を簡素化して、小型化することができる。また、燃料に水分を加えて加湿する必要もないので、燃料供給管路に水を導入するための配管や制御弁を配設する必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素化し、コストを抑制することができる。
【００９１】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップに接続され、排水用開閉弁を備える排水管路を有し、前記排水用開閉弁は、前記排水管路を開閉して、前記気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を制御する。
【００９２】
この場合、気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の量を適切に制御することができるので、貯留された逆拡散水の量を低減して、気液分離トラップを小型化することができる。
【００９３】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記気液分離トラップは、水位センサを備え、前記排水用開閉弁は、前記水位センサの検出した水位に基づいて前記排水管路を開閉する。
【００９４】
この場合、気液分離トラップ内に貯留された逆拡散水の水位を計測するので、逆拡散水の量を適切に制御することができる。
【００９５】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水用開閉弁は、前記逆拡散水の性質に基づいて設定されたシーケンスに従って前記排水管路を開閉する。
【００９６】
この場合、水位センサを備えていなので、気液分離トラップの構成を簡素化することができ、コストを抑制することができる。さらに、燃料排出管路や排水管路を気液分離トラップに接続する位置を自由に決めることができるので、気液分離性能を向上させることができる。
【００９７】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記排水管路は、水タンクに接続され、前記気液分離トラップから排出された逆拡散水は前記水タンクに回収される。
【００９８】
この場合、余剰となった逆拡散水を有効に再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における気液分離トラップと燃料電池スタックとの位置関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図である。
【図５】本実施の第１の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態における気液分離トラップの構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における気液分離トラップの水回収量の変化を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤する時間を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における固体高分子電解質膜が湿潤した場合の気液分離トラップの水回収量の変化を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における気液分離トラップから流出する水の量の変化を示す図である。
【図１１】本実施の第２の形態における貯留水の水位を制御する動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【符号の説明】
１１    燃料電池スタック
２１    第１燃料供給管路
３０、３１    燃料排出管路
３３    第２燃料供給管路
４３    燃料極
４４    酸素極
４８    燃料室
４９    酸素室
５２    水タンク
６０    気液分離トラップ
６１    水排出管路
６２    排水用電磁弁
６７    水位センサ
【図１】
2004288491.tif 000003
【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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【図１２】
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