(57)【要約】【課題】燃料電池スタック内の反応ガス圧が低下し過ぎることを抑制しつつ、滞留水のみをスタック外部に排出することができる燃料電池の提供。【解決手段】（１）　燃料電池に水抜き専用ライン３２を設けて、該水抜き専用ライン３２を反応ガスのメインライン２７、２８に連通させ、水抜き専用ライン３２の燃料電池スタック外部位にシャットバルブ３３を設け、生成水を抜くときだけシャットバルブ３３を開とした燃料電池。（２）電圧モニター３４を設け、電圧モニター３４が電圧低下を検出した時に、シャットバルブ３３を開とする。（３）メインライン２７、２８に反応ガス圧力を上昇させる調圧バルブ３５を設け、燃料電池スタック内の生成水を抜く前に調圧バルブ３５によりスタック内の反応ガス圧力を上昇させるようにした。【選択図】　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に水抜き専用ラインを設けて、該水抜き専用ラインを燃料電池スタック内で反応ガスのメインラインに連通させ、前記水抜き専用ラインにシャットバルブを設け、燃料電池の運転状態に応じて前記シャットバルブを開とした燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池に電圧を検出する電圧モニターを設け、該電圧モニターが電圧低下を検出した時に、前記シャットバルブを開とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガスのメインラインにスタック内の反応ガス圧力を上昇させる調圧バルブを設け、燃料電池スタック内の生成水を抜く前に前記調圧バルブによりスタック内の反応ガス圧力を上昇させるようにした請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【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（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）に関し、とくに燃料電池の水抜き構造に関する。
【０００２】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９２５号公報
【特許文献２】
特開平２−８７４８１号公報
【０００３】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ２　→２Ｈ＋　＋２ｅ−　
カソード側：２Ｈ＋　＋２ｅ−　＋（１／２）Ｏ２　→Ｈ２　Ｏ
反応ガス流路では、上記反応により生じた生成水によりフラッディングが生じやすく、フラッディングが生じると、反応ガスが電極に十分には供給されず、燃料電池の電圧が低下する。フラッディングは、とくに酸化ガス流路で生じやすいが、生成水が膜を通して燃料ガス流路に移行するので、燃料ガス流路でも湿潤過多が起こり得る。
フラッディング、湿潤過多を抑制するために、従来、つぎの水抜き対策が提案されている。
▲１▼　上記特許文献１では、燃料電池のガス流路内に外部と連通する排水パイプを設け、スタック内圧と外気圧との差圧を利用して外部へ滞留水を排出する。
▲２▼　上記特許文献２では、ガスと滞留水を共に排出する通路に弁を設ける。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の水抜き対策には、それぞれ、つぎの問題がある。
▲１▼　上記特許文献１では、バルブ無しのため、ガス流路内に設けられた排水パイプは常に外部と連通しており、特にガスの流量が低い場合にはスタック内の圧力が低下し過ぎてしまうおそれがある。
▲２▼　上記特許文献２では、ガス流路から水を抜いているので、ガスと滞留水が共に排出され、滞留水のみを排出することができない。
本発明の目的は、燃料電池スタック内の反応ガス圧が低下し過ぎることを抑制しつつ、滞留水のみをスタック外部に排出することができる燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）　燃料電池に水抜き専用ラインを設けて、該水抜き専用ラインを燃料電池スタック内で反応ガスのメインラインに連通させ、前記水抜き専用ラインにシャットバルブを設け、燃料電池の運転状態に応じて前記シャットバルブを開とした燃料電池。
（２）　前記燃料電池に電圧を検出する電圧モニターを設け、該電圧モニターが電圧低下を検出した時に、前記シャットバルブを開とする（１）記載の燃料電池。
（３）　前記反応ガスのメインラインにスタック内の反応ガス圧力を上昇させる調圧バルブを設け、燃料電池スタック内の生成水を抜く前に前記調圧バルブによりスタック内の反応ガス圧力を上昇させるようにした（１）または（２）記載の燃料電池。
【０００６】
上記（１）〜（３）の燃料電池では、水抜き専用ラインの燃料電池スタック外部位にシャットバルブを設け生成水を抜くときだけ開としたので、スタック内の反応ガスのメインラインの圧力が低下し過ぎることを抑制することができる。また、反応ガスのメインラインから直接生成水を抜くのではなく、反応ガスのメインラインに連通した水抜き専用ラインに溜まった水を抜くようにしたので、水とともに反応ガスが抜けることを抑制できる。
上記（２）の燃料電池では、燃料電池の電圧が低下した時だけシャットバルブを開としたので、燃料電池に生成水が溜まって電圧が低下した時だけ水抜きが行われ、より一層確実に、反応ガス圧が低下し過ぎることを抑制しつつ、滞留水のみをスタック外部に排出することができる。
上記（３）の燃料電池では、調圧バルブを設けたので、シャットバルブを開ける前にスタック内の反応ガス圧力を上昇させておくことができ、水抜き時のガス圧低下を抑制することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図５を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００８】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ　）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【０００９】
セパレータ１８は、カーボン、またはメタル、またはメタルと樹脂、または導電性樹脂、の何れか、またはその組み合わせからなる。
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。燃料ガスも酸化ガスも反応ガスである。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
【００１０】
図３、図４に示すように、セパレータ１８には、セル積層方向に貫通する、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、が設けられる。
冷媒マニホールド２９は入側２９ａと出側２９ｂを有し、冷媒は入側２９ａからセル内の冷媒流路２６を通って出側２９ｂへ流れる。
燃料ガスマニホールド３０は入側３０ａと出側３０ｂを有し、燃料ガスは入側３０ａからセル内の燃料ガス流路２７を通って出側３０ｂへ流れる。
酸化ガスマニホールド３１は入側３１ａと出側３１ｂを有し、酸化ガスは入側３１ａからセル内の酸化ガス流路２８を通って出側３１ｂへ流れる。
【００１１】
燃料電池１０に水抜き専用ライン（水抜き専用マニホールド）３２が設けられる。水抜き専用ライン３２は、セル積層方向をほぼ水平にして配置した場合に、燃料電池スタック３２の下部でセル積層体をセル積層方向に貫通して延びている。水抜き専用ライン３２は燃料電池スタック３２内で反応ガスのメインライン（ガスマニホールド）に連通している。水抜き専用ライン３２は燃料ガスマニホールド３０の近傍に設けられて燃料ガスマニホールド３０に連通していてもよいし、あるいは水抜き専用ライン３２は酸化ガスマニホールド３１の近傍に設けられて酸化ガスマニホールド３１に連通していてもよいし、あるいは、水抜き専用ライン３２は燃料ガスマニホールド３０と酸化ガスマニホールド３１のそれぞれの近傍に設けられて燃料ガスマニホールド３０と酸化ガスマニホールド３１のそれぞれに連通していてもよい。
【００１２】
望ましくは、燃料電池スタック２３の、反応ガスの出入り口側（ガスアクセス側）と反対側の端部（奥側の端部）で、水抜き専用ライン３２は、反応ガスのメインライン（反応ガスマニホールド３０、３１）に連通している。望ましくは、ガスアクセスと反対側のターミナル部２０で、水抜き専用ライン３２は、反応ガスのメインラインに連通している。そして、燃料電池スタック２３は、奥側が、ガスアクセス側に比べて低位となるように水平に対して若干傾斜しており、これによって、反応ガスのメインラインおよび水抜き専用ライン３２には、奥側に、生成水が溜まるようにする。
【００１３】
また、各水抜き専用ライン３２には、シャットバルブ３３が設けられている。シャットバルブ３３が設けられる位置は、図示例では燃料電池スタック２３の外部位に設けられているが、それに限定するものではなく、燃料電池スタック内部圧力（反応ガス圧力）と、大気圧力または調圧弁より下流部位の圧力が分断されている位置であればよい。このシャットバルブ３３は、燃料電池スタック２３内の生成水を抜くときだけ瞬時的に開とされる。開閉は瞬時的であり、かつ開時間は溜まった水が抜けるだけの短時間である。開時間は、１回だけの短時間であってもよいし、間欠的に複数回の短時間であってもよい。
各水抜き専用ライン３２はシャットバルブ３３より下流で大気に開放、またはガスマニホールドの出側に接続する出側配管（該配管に調圧弁等が設けられる場合は該調圧弁より下流側部位）に接続している。
【００１４】
燃料電池には、各セル毎に、または複数のセル毎に、またはセル積層体の部位によって各セル毎または複数のセル毎に、燃料電池電圧を検出する電圧モニター３４が設けられている。電圧モニター３４の検出信号は制御装置３６に入力され、制御装置３６は、燃料電池の運転状態に応じて、たとえば電圧モニター３４が所定量以上の電圧低下を検出した時に、セル内に水が溜まったとみなして、シャットバルブ３３を、所定の短時間、開とする信号をシャットバルブ３３に送り、シャットバルブ３３を、所定の短時間、開とし、セル内から流下して水抜き専用ライン３２に溜まった反応生成水を、水抜き専用ライン３２を通してスタック２３外に水抜きする。
水が溜まった状態を検出する手段として、たとえばセル毎の内部抵抗変化を見る、水位センサー、光センサーにより物理的に検出するなどの種々の形態を適用することができる。
【００１５】
反応ガスのメインライン（燃料ガスマニホールド３０の出側３０ｂ、酸化ガスマニホールド３１の出側３１ｂに接続する出側配管）には、燃料電池スタック２３内の反応ガス圧力を上昇させる調圧バルブ３５が設けられている。そして、上記制御装置３６は、電圧モニター３４が所定量以上の電圧低下を検出した時に、シャットバルブ３３にシャットバルブ３３開信号を送る前に（燃料電池スタック２３内の生成水を抜く前に）、調圧バルブ３５を絞る指令信号を調圧バルブ３５に送り、調圧バルブ３５を絞って、燃料電池スタック２３内の反応ガス圧力を、所定圧、上昇させる。ついで、シャットバルブ３３にシャットバルブ３３開信号を送り、燃料電池スタック２３内の生成水を抜く。
【００１６】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
水抜き専用ライン３２の燃料電池スタック２３部位にシャットバルブ３３を設け、生成水を抜く時以外はシャットバルブ３３を閉としておくので、メインガスラインのガスが水抜き専用ライン３２を通って抜けてセル内の反応ガス圧力が低下するようなことは生じない。したがって、水抜き専用ライン３２を設けない場合と同様のガス圧で燃料電池は運転される。
【００１７】
また、生成水が反応ガスのメインラインおよび水抜き専用ライン３２に溜まって、電極が反応ガスに接触しにくくなり、セル電圧が低下した時には、シャットバルブ３３が瞬時的に開かれ、水抜き専用ライン３２に溜まった水が、セル内のガス圧とスタック外のガス圧との差で、水抜き専用ライン３２を通して、スタック外に押し出される。この場合、ほとんどガスを含まないので、生成水とともにガスが外部に出て消費されることが抑制される。
燃料電池スタック２３を奥側が下位になるように傾斜させておけば、水抜き専用ライン３２の奥に水が溜まり、より一層水だけを抜くことが可能になる。
【００１８】
また、水抜き専用ライン３２に水が溜まる程にセル内でフラッディングが生じると、セル電圧が低下するが、それを電圧モニター３４で検出し、制御装３６置の指令によってシャットバルブ３３を開とするようにしたので、シャットバルブ３３を開いた時に、主に水抜き専用ライン３２に溜まった水を、差圧を利用してスタック外に押し出すことができ、ガスと水との押出の場合のように多量のガスの排出を伴わず、セル内のガス圧低下を起こさない。
【００１９】
また、調圧バルブ３５を設けて、水抜き前にガスラインのガス圧を所定値上げるようにしたので、水抜きの際に、たとえ水抜き専用ライン３２を通して多少のガスが抜けたとしても、発電に影響するような大きなセル内のガス圧低下を起こさない。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１〜３の燃料電池によれば、水抜き専用ラインにシャットバルブを設け燃料電池の運転状態に応じて、開としたので、スタック内の反応ガスのメインラインの圧力が低下し過ぎることを抑制しつつ、主に滞留水のみを抜くことができる。
請求項２の燃料電池によれば、電圧モニターが電圧低下を検出した時に、シャットバルブを開としたので、燃料電池に生成水が溜まって電圧が低下した時だけ水抜きが行われ、より一層確実に、反応ガス圧が低下し過ぎることを抑制しつつ、滞留水のみをスタック外部に排出することができる。
請求項３の燃料電池によれば、調圧バルブを設けたので、シャットバルブを開ける前にスタック内の反応ガス圧力を上昇させておくことができ、水抜き時のガス圧低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池のスタックの側面図である。
【図２】図１の一部の拡大断面図である。
【図３】図１のうちセルの正面図である。
【図４】図１の燃料電池の、反応ガスのメインラインと水抜き専用ラインも示した、断面図である。
【図５】図４の燃料電池を、奥側が下位となるように、水平から傾斜させた場合の、燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
１０　（固体高分子電解質型）燃料電池
１１　電解質膜
１２、１５　触媒層
１３、１６　拡散層
１４　電極（アノード、燃料極）
１７　電極（カソード、空気極）
１８　セパレータ
１９　セル
２０　ターミナル
２１　インシュレータ
２２　エンドプレート
２３　スタック
２４　締結部材（テンションプレート）
２５　ボルト
２６　冷媒流路（冷却水流路）
２７　燃料ガス流路
２８　酸化ガス流路
２９　冷媒マニホールド
２９ａ　入側
２９ｂ　出側
３０　燃料ガスマニホールド
３０ａ　入側
３０ｂ　出側
３１　酸化ガスマニホールド
３１ａ　入側
３１ｂ　出側
３２　水抜き専用マニホールド（水抜き専用ライン）
３３　シャットバルブ
３４　電圧モニター
３５　調圧バルブ
３６　制御装置
【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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