(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポーラスタイプのセパレータを燃料電池のアノード側とカソード側の少なくともどちらか一方に備えた燃料電池システムにおいて、
前記セパレータの一方の面に設けられ、前記燃料電池のアノードまたはカソードに供給する反応ガスが流れるガス流路と、
前記ガス流路を設けた前記セパレータの背面に設けられた水流路と、
前記燃料電池に水を供給する水供給手段と、
前記水供給手段によって供給される水の圧力を調整する水圧力調整手段と、
前記燃料電池の起動時に前記セパレータの乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段と、
前記乾燥状態検出手段によって前記セパレータが乾燥していると判断された場合に、前記水圧力調整手段によって前記水流路と前記ガス流路に圧力差を発生させ、前記セパレータを加湿する加湿制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿制御手段は、前記水供給手段によって前記水流路に水を供給することを特徴とした請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿制御手段は、前記水供給手段によって供給される水を前記ガス流路へ選択的に切り換える水切替手段を備え、前記水切替手段によって前記ガス流路に水を供給することを特徴とした請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿制御手段は、前記水流路の圧力を調整する圧力調整手段を備え、前記水圧力調整手段に加え、前記圧力調整手段によって前記水流路と前記ガス流路に圧力差を発生させ、前記セパレータを加湿することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力調整手段は、前記水流路の圧力を負圧にすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿制御手段は、前記ガス流路内の水を排出する水排出手段を備え、前記セパレータを加湿した後に、前記水排出手段によって前記ガス流路内の水を排出し、前記燃料電池による発電を開始することを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記乾燥状態検出手段は、前記燃料電池の運転停止時間を検出する運転停止時間検出手段を備え、前記運転停止時間が所定時間よりも長い場合に前記セパレータが乾燥していると判断することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記乾燥状態検出手段は、前記燃料電池の運転停止時間を検出する運転停止時間検出手段と、
前記燃料電池の停止時の温度を検出し、温度履歴を記憶する温度検出手段と、を備え、前記運転停止時間と前記温度履歴に基づいて前記セパレータの乾燥状態を検出することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記乾燥状態検出手段が、前記水流路の気泡を検出する気泡検出手段を備え、前記水流路内の水に気泡が混入していると前記セパレータが乾燥していると判断することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記乾燥状態検出手段が、前記ガス流路の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記圧力が所定圧力よりも低い場合には、前記セパレータが乾燥していると判断することを特徴とした請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水供給手段によって前記水流路へ水を循環させる水循環流路と、
前記水流路と前記循環流路を遮断する遮断手段と、を備え、
氷点下起動時に前記セパレータが乾燥していると、前記遮断手段によって前記水流路を遮断し、前記燃料電池を発電させ、前記燃料電池の温度が所定温度を超えた後に前記加湿制御手段により前記セパレータを加湿することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記氷点下起動時に、前記燃料電池の温度が前記所定温度よりも低い氷点を超えると、前記水循環流路に水を循環させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記循環流路を流れる水の循環流量を制御する流量制御手段を備え、
前記氷点下起動時に前記流量制御手段によって制御された前記水循環路を循環する循環流量が、前記所定温度を超えた後に流れる循環流量よりも少ないことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記氷点下起動時に、前記燃料電池の温度が氷点を超えると、前記水供給手段によって前記水流路に水を供給し、前記遮断手段によって前記水流路と前記循環流路を遮断し、前記水流路に水を充填させることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一つ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】
本発明はポーラスタイプのセパレータを使用した燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
陽極反応：Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                         ・・・（１）
陰極反応：２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−  ＋  （１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ    ・・・（２）
【０００４】
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
こうした燃料電池において、近年、燃料ガスまたは酸化剤ガスのセパレータとしてポーラスタイプのセパレータを用いる場合がある。それは、膜の加湿に必要な水をポーラス内部に含むことができ、また、電池反応による生成水をその内部に吸収しガス下流側でのフラッディングを防止することができるという利点があるからである。
【０００６】
燃料電池にポーラスプレートを用いた従来例として、ポーラス体であるガス流路の裏面にポーラス体の水分均一化構造体を有しており、また、その水分均一化構造体には縦方向の切り欠きを設け、その切り欠きの中を毛細管現象によって、自動的に湿っているほうから乾いている方に水を移動させ、水を均一化するものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平８−１３８６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の発明では、燃料電池のセパレータとしてポーラス材を使用すると、ポーラス内部に水が存在していない時には、ガスを封止する能力がなく、ガスが裏側に設けた切り欠きや加湿用の溝に透過してしまうという不具合が生じる。例えば、燃料電池を自動車等に移動体に搭載した場合には、燃料電池運転時にはポーラスセパレーターは十分に湿っているが、停止しているときには、水が生成されないため、ポーラス体の中の水が蒸発してしまい、ポーラス体が乾燥（ドライアウト）してしまうという不具合が生じる。そのまま、燃料電池の発電を開始しようと反応ガスをセパレーターに流すと、ポーラス体に水が含浸されていないために、ガスがセパレーターの厚さ方向を透過してしまう。ガスがセパレーターを透過してしまうと、１）ガスの利用率がさがる、２）水分の均一化が妨げられるといった問題点がある。
【０００８】
また、一度ドライアウトが起こってしまうと、ガスを流している限りその場所の圧力が高くなり、ポーラス内部の毛細管圧力よりも勝ってしまうため、毛細管圧力だけで再度その場所に水を含浸させることは困難である。
【０００９】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池のセパレータとしてポーラスタイプのセパレータを用いた時に、長期間の運転休止などにより乾いたポーラスプレートに再び水を確実に含浸させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、ポーラスタイプのセパレータを用いた燃料電池システムにおいて、セパレータの一面に各電極へ流れる反応ガスが流れるガス流路と、このガス流路を設けたセパレータの背面に水流路を設ける。また、燃料電池に水を供給する水供給手段と、水供給手段の水の圧力を調整する水圧力調整手段と、燃料電池起動時にセパレータの乾燥状態を検出する乾燥状態検出手段を備える。また、セパレータが乾燥していると、水圧力調整手段によって水流路とガス流路に圧力差を生じさせ、セパレータを加湿する加湿制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、例えば、長時間燃料電池を停止させ、燃料電池のセパレータが乾燥し、ドライアウトを生じている場合に、燃料電池に水を供給し、セパレータに設けた水流路とガス流路との間で水圧力調整手段によって圧力差を生じさせて、セパレータの圧力の高い方から低い方へ水を浸透させ、セパレータを加湿することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態の構成を図１の構成図を用いて説明する。
【００１３】
第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素によって発電を行う燃料電池１と、燃料電池１へ供給する水素を蓄える水素タンク２と、燃料電池１へ外部より酸素を含む空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池１を加湿する加湿装置６０を備える。
【００１４】
ここで燃料電池１の概略断面図である図２を用いて詳しく説明する。
【００１５】
燃料電池１は、膜電極複合体５６の両側に反応ガスのガス流路であるアノード流路５３とカソード流路５４を備えたセパレータ５２を配置して構成されるセル５０を積層し、構成する。セパレータ５２は、ポーラスタイプのセパレータであり、各セル５０の間にはセパレータ５２を加湿するための水流路５５を備える。
【００１６】
燃料電池１にはアノード流路５３に水素を供給する水素供給路４と、カソード流路５４に空気を供給する空気供給路５と、アノード流路５３から発電後の排出ガスを排出する水素排出路６と、カソード流路５４から発電後の排出ガスを排出する空気排出路７が接続している。水素排出流路６は、後述するアノード水排出路１２が分岐する地点よりも下流にバルブＶ９を備える。また、空気排出流路７は、後述するカソード水排出路１３が分岐する地点よりも下流にバルブＶ１０を備える。
【００１７】
また、燃料電池１を加湿する加湿装置６０として、燃料電池１へ供給する水を蓄える水タンク８と、水を循環させる水循環流路として循環流路１０と、水タンク８から燃料電池１へ水を供給する水供給手段である水ポンプ９を備える。また、水ポンプ９と燃料電池１の間にバルブＶ８を備え、燃料電池１の下流と水タンク８の間の循環流路１０に、循環流路１０中の気体と液体を分離する気液分離装置２９と、循環流路１０内の水の気泡の有無を検出するバブルセンサ１１と、バルブＶ１を備える。バルブＶ１は圧力調整バルブであり、水流路５５内の圧力を調整することができる。また、水素排出路４から水タンク８にアノード水排出路１２が接続しており、空気排出路５から水タンク５にカソード水排出路１３が接続している。アノード水排出路１２とカソード水排出路１３はその途中にそれぞれバルブＶ２、Ｖ３を備える。
【００１８】
ここで、気泡検出手段であるバブルセンサ１１について図１８、図１９を用いて説明する。この実施形態では図９ａに示すように光源４０と光センサ４１を備え、循環流路１０に光源４０から光を照射し、循環流路１０内の気泡の影を光センサ４１で検知することで、気泡の有無を検知する。また、図９ｂに示すように超音波センサ４２によって循環流路１０内の気泡の有無を検知してもよい。また、これらのバブルセンサ以外の検知装置を使用して、気泡の検知を行ってもよい。
【００１９】
更に、各バルブＶ１〜Ｖ１０やバブルセンサ１１などを制御するコントローラ１００を備える。
【００２０】
燃料電池１の起動時などにセパレータ５２の一部でドライアウトが発生したときには、水素ガスや空気の反応ガスが水流路５５にリークする。このドライアウトを防止するためにコントローラ１００で行う制御動作について、図３、図４、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００２１】
まず燃料電池システムが起動させるときの概略制御を図３のフローチャートを用いて説明する。本発明の燃料電池システムを起動させると、ステップＳ３０において図示しない温度センサによって燃料電池１の温度Ｔを検出する。そして温度Ｔが氷点下の場合は、ステップＳ３１へ進み、氷点下起動を行う。また、氷点下ではない場合は、ステップＳ３２へ進み、通常起動を行う。
【００２２】
次に、ステップＳ３１の氷点下起動について図４のフローチャートを用いて説明する。ここでは前回の運転停止時に、水流路５５を空気によってパージするものとする。
【００２３】
ステップＳ４０ではバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ８を閉じ、Ｖ９、Ｖ１０を開き、水素タンク２、コンプレッサ３から水素と空気を燃料電池１へ供給し、発電を開始する（ここでバルブＶ１とＶ８は遮断手段を構成する）。この発電で生じる熱によって燃料電池１を暖機する。このときドライアウトが生じている場合には、ドライアウトの箇所から反応ガスが水流路５５へリークするが、前回の停止時に反応ガスによって水流路５５をパージしているので、水流路５５には予め空気が存在しており、僅かにリークした反応ガスによる影響は少ない。
【００２４】
ステップＳ４１では図示しない温度センサによって燃料電池１の温度Ｔを検出し、或る所定温度Ｔ１と比較する。ＴがＴ１よりも大きい場合は、燃料電池１が十分に暖機され、通常起動へ移行し、水タンク８から水を供給しても燃料電池１の温度が氷点下にならないと判断し、ステップＳ４２へ進む。ＴがＴ１よりも小さい場合は、燃料電池１の暖機が不十分と判断し、ステップＳ４０の状態を保ち、ＴがＴ１よりも大きくなるとステップＳ４２へ進む。ここでＴ１は投入される水の温度によって決まるもので、水の温度が他の補機によって或る程度温められているとＴ１を低く設定することができる。逆に水の温度が低い場合は、Ｔ１は高く設定される。このＴ１は水を流すことによって燃料電池１の温度が下がらないように設定される。Ｔ１は図示しない温度センサによって水タンク８の温度を検出し、決定する。また、水を供給しても燃料電池１の温度が下がらない温度として予め実験などで求め、設定してもよい。
【００２５】
ステップＳ４２では燃料電池１への反応ガスの供給を停止し、通常起動へ移行する。
【００２６】
次に、図５のフローチャートではステップＳ３２の通常起動について説明する。
【００２７】
ステップＳ５０では、燃料電池システムが起動すると、図示しないタイマなどにより前回の運転終了からの累積停止時間ｔを測定し（運転停止時間検出手段）、予め実験などで求めたセパレータ５２がドライアウトを起こす可能性がある停止時間ｔ１と比較する。そして、ｔがｔ１よりも小さい場合にはドライアウトを起こす時間に至っていないので、セパレータ５２がドライアウトを起こしていないと判断し、ステップＳ５４へ進む。また、ｔがｔ１よりも大きい場合にはドライアウトを起こしていると判断し、ステップＳ５１へ進む（ステップＳ５０は乾燥状態検出手段である）。
【００２８】
ステップＳ５１は、セパレータ５２を含水する水含浸モードである（加湿制御手段）。ここでは、バルブＶ１の開度をＸ１とし、バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ８を開き、Ｖ９、Ｖ１０を閉じ、水ポンプ９を起動する（ここではバルブＶ１と水ポンプ９が水圧力調整手段を構成する）。開度Ｘ１は、水流路５５の圧力が、アノード流路５３とカソード流路５４の圧力よりも大きくなる開度である。これにより、水流路５５内の水圧はアノード流路５３とカソード流路５４内の圧力よりも高くなるので、セパレータ５２内のドライアウトを起こしている箇所を含水することができる。このとき、水流路５５へ水を供給すると循環流路１０内の水に反応ガスなどが混入する可能性があるが、気液分離装置２９を起動し循環流路１０内の水から気体を分離し、外部へ排出する。また、分離された気体を回収し、再利用してもよい。この水含浸モードは予め決められた所定時間行われる。
【００２９】
ステップＳ５２、Ｓ５３は、セパレータ５２のドライアウトの有無を検査する水含浸状態検査モードである（乾燥状態検出手段）。バルブＶ１の開度をＸ０として、バルブＶ２、Ｖ３を閉じ、バルブＶ８〜Ｖ１０を開き、水素タンク２から水素をアノード流路５３に、またコンプレッサ３を起動して空気をカソード流路５４に供給し、発電を開始する。また、気液分離装置２９は停止させる。Ｘ０はバブルセンサ１１によって気泡の有無を確認できる開度であればよく、ここでは全開とする。
【００３０】
ステップＳ５１で行うセパレータ５２の含水が不十分であった場合には、ステップＳ５２で反応ガスを各電極に供給すると、水流路５５へ反応ガスがリークして水流路５５に気泡が混入する。ステップＳ５３では、バブルセンサ１１によって燃料電池１下流の循環流路１０に気泡が混入しているかどうか検知する。気泡が混入している場合はステップＳ５１へ戻り上記制御を繰り返す。気泡が混入していない場合はステップＳ５４へ進み、通常運転を行う。
【００３１】
ステップＳ５４では、セパレータ５２は含水しており、ドライアウトを起こさないので、燃料電池１へ要求される出力に基づいて水素と空気を供給する。
【００３２】
なお、ステップＳ３１の氷点下起動時に燃料電池１の温度がＴ１となる前に、水流路５５に水を供給しても良い。これについて、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
ステップＳ６０は図４のステップＳ４０と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００３４】
ステップＳ６１では図示しない温度センサによって燃料電池１の温度Ｔを検出する。そして温度Ｔが０℃を超えている場合はステップＳ６２へ進む。また、Ｔが０℃を超えていない場合は、ステップＳ６０の状態を保ち、温度Ｔが０℃を超えるとステップＳ６２へ進む。
【００３５】
ステップＳ６２では、バルブＶ１を或る所定開度Ｘ２に開き、バルブＶ８を開き、水ポンプ９を起動し水流路５５に水を供給する（ここではバルブＶ１が流量制御手段である）。開度Ｘ２は水によって燃料電池１が冷却されても、燃料電池１の温度が氷点下にならない開度である。これによって、燃料電池１と水タンク９の水を温めることができ、燃料電池１と水の温度差を小さくすることができる。燃料電池１が十分に暖機されていても、水の温度が低い場合には、燃料電池１に水を急激に供給すると、一時的に燃料電池１の温度を氷点下に下げてしまう可能性があるが、燃料電池１の暖機と同時に水を温めることで、水供給の際に燃料電池１を氷点下にすること防ぐことができる。
【００３６】
ステップＳ６３、Ｓ６４はステップＳ４１、Ｓ４２と同じ制御なので説明は省略する。
【００３７】
また、ステップＳ６２では少量の水を循環させたが、バルブＶ１を閉じ、徐々に水流路５５に水を充填させ、水が水流路５５に満ちたところで、バルブＶ８を閉じ、水を水流路５５内に蓄えても良い。
【００３８】
なお、第１実施形態で起動時の乾燥状態検出手段として前回の起動終了からの累積時間を用いたが、累積時間と燃料電池の雰囲気の温度履歴（温度検出手段）から判断してよい。その判断方法について図１７を用いて説明する。運転停止時間ΔＴと雰囲気温度Ｔから図１６の斜線部で示すΣαＴΔＴを計算し、このΣαＴΔＴがＫよりも大きい場合にセパレータが乾燥していると判断する。ここでαは比例係数であり、Ｋは予め実験などで求めたセパレータの乾燥状態を表す所定値である。
【００３９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００４０】
燃料電池１のセパレータ５２にドライアウトが生じている場合に、水流路５５に水を供給し、水流路５５の圧力をアノード流路５３とカソード流路５４の圧力よりも高くすることで、水流路５５からアノード流路５３とカソード流路５４へ水を浸透させることができ、ドライアウトを生じている箇所を含水することができる。また、圧力差を生じさせて含水を行うので、ドライアウト箇所を素早く含水し、燃料電池システムを素早く起動することができる。
【００４１】
起動時には燃料電池１の停止時間によって、ドライアウトを生じているかどうか判断することによって、例えば、頻繁に燃料電池システムを起動、停止している場合などにより、セパレータ５２にドライアウトを生じないときには、セパレータ５２に含水動作を行わないので、素早く運転を開始することができる。
【００４２】
また、停止時間と燃料電池１の温度履歴によってドライアウトの有無を判断するので、ドライアウトの有無を精度良く判断することができる。
【００４３】
また、水流路５５の下流の循環流路１０にバブルセンサ１１を設け、バブルセンサ１１によって循環流路１０内の気泡の有無を確認することができ、セパレータ５２から反応ガスがリークし、気泡として混入しているか判断することで、ドライアウトが生じているかどうかを簡単に確認することができる。
【００４４】
氷点下起動時に、ドライアウトが生じていても水流路５５はバルブ１、Ｖ８によって外部と遮断されているので、反応ガスのリーク量を少なくすることができる。
【００４５】
また、燃料電池１が氷点を超えると、循環流路１０に少量の水を流すことで、水を温めることができ、燃料電池１が暖機された後に、水を供給する際に温度の低い水を燃料電池１に供給することを防ぐことができ、燃料電池１の発電を妨げることがない。また、急激な温度の低下による燃料電池１の劣化を防ぐことができる。水流路５５に水を充填しても、同様の効果を得ることができる。
【００４６】
また、気液分離装置２９を設けることで、循環流路１０に反応ガスが混入する場合、（特に氷点下起動を行った場合）に水から反応ガスを分離することができ、この反応ガスを燃料電池１の発電に使用することができ、発電効率を良くすることができる。
【００４７】
次に本発明の第２実施形態の構成を図７の構成図を用いて説明する。第２実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。
【００４８】
この実施形態は水素供給路４にバルブＶ４を備え、空気供給路５にバルブＶ５を備える。
【００４９】
加湿装置６０は循環流路１０の水ポンプ９と燃料電池１の間に圧力センサ１４とバルブＶ８を備える。圧力センサ１４とバルブＶ８の間で循環流路１０からアノード加湿流路１５とカソード加湿流路１６が分岐する。アノード加湿流路１５はバルブＶ４と燃料電池１との間で水素供給流路４に合流し、カソード加湿流路１６はバルブＶ５と燃料電池１との間で空気供給流路５に合流する。また、燃料電池１の下流で循環流路１０から加湿流路１７が分岐する。加湿流路１７にはバルブＶ１１を備える。加湿流路１７とアノード水排出流路１２とカソード水排出流路１３は合流部１８によって一つの流路１９となり水タンク８に接続している。流路１９には圧力調整手段である負圧ポンプ２０を備える。図８に燃料電池１の断面図を示し、図８を用いて第２実施形態の概略を説明する。水タンク９から供給された水は、アノード加湿流路１５を通り、水素供給流路４から燃料電池１のアノード流路５３へ流入する。ここで、バルブＶ２、Ｖ９を閉じ、バルブＶ１１を開き、負圧ポンプ２０を起動し、水流路５５の圧力をアノード流路５３より低くすることで、ドライアウト箇所を含水する。これは、カソード流路５４でも同様に行われる。
【００５０】
次にコントローラ１００における制御動作について図３、図９、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。
【００５１】
まず燃料電池システムが起動させるときの概略制御は、第１実施形態の図３で示すフローチャートと同じなので、ここでの説明は省略する。
【００５２】
次に第２実施形態でのステップＳ３１の氷点下起動について図９のフローチャートを用いて説明する。ここでは前回の運転停止時に、水流路５５を空気によってパージするものとする。
【００５３】
ステップＳ９０ではバルブＶ１〜Ｖ３、Ｖ６〜Ｖ８、Ｖ１１を閉じ、バルブＶ４，Ｖ５、Ｖ９、Ｖ１０を開き、水素タンク２およびコンプレッサ３から水素と空気を燃料電池１へ供給し、発電を開始する。この発電で生じる熱によって燃料電池１を暖機する。このときドライアウトが生じている場合には、ドライアウトの箇所から反応ガスが水流路５５へリークするが、前回の停止時に空気によって水流路５５をパージしているので、水流路５５には予め空気が存在しており、僅かにリークした反応ガスによる影響は少ない。
【００５４】
ステップＳ９１以降は第１実施形態の図４で示すステップＳ４１以降と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００５５】
次に、図１０のフローチャートではステップＳ３２の通常起動について説明する。
【００５６】
ステップＳ１００は第１実施形態のステップＳ５０と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００５７】
ステップＳ１０１はセパレータを加湿する水含浸モードである。ここではバルブＶ１〜Ｖ５、Ｖ９、Ｖ１０を閉じ、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ１１を開き、水ポンプ９と負圧ポンプ２０を起動する。バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ８を閉じ、バルブＶ１１を開くことで、水流路５５を加湿流路１７を介して流路１９と連通させる。また、バルブＶ６とバルブＶ７を開き、バルブＶ４とバルブＶ５を閉じることで、アノード加湿流路１５、カソード加湿流路１６を、それぞれ水素供給流路４と空気供給流路５と連通させる（ここで、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ８が水切替手段を構成する）。
【００５８】
また、水ポンプ９を起動することで、水を循環流路１０へ供給する。水は循環流路１０からアノード加湿流路１５、カソード加湿流路１６を通り、アノード流路５３とカソード流路５４へそれぞれ流入する。そして、圧力センサ１４によって循環流路１０、すなわちアノード流路５３とカソード流路５４の圧力を検出し、この圧力がＰ１となるまで水ポンプ９を駆動する。さらに圧力調整手段である負圧ポンプ２０を起動し、水流路５５の圧力をアノード流路５３とカソード流路５４よりも低圧とする。これにより水は、アノード流路５３、カソード流路５４から水流路５５へ浸透し、セパレータ５２にドライアウトが生じているとその箇所を含水する。また、気液分離装置２９を起動し循環流路１０内の水から気体を分離し、外部へ排出する。この分離された気体を回収し、再利用してもよい。この水含浸モードは予め決められた所定時間行われる。
【００５９】
ステップＳ１０２は、アノード流路５３とカソード流路５４の水を排出する水排出モード（水排出手段）である。ここでは、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ９〜Ｖ１１を閉じ、バルブＶ１〜５、Ｖ８を開き、水ポンプ９と負圧ポンプ２０を駆動する。バルブＶ６、Ｖ７を閉じることで、水がアノード流路５３とカソード流路５４へ流入しないようにし、バルブＶ８とバルブＶ１を開き、バルブＶ１１を閉じ、水ポンプ９が駆動することで、水タンク８から供給される水が循環流路１０、水流路５５を循環するようにする。また、バルブＶ２、Ｖ３を開き、バルブＶ９、Ｖ１０を閉じることで、負圧ポンプ２０によってアノード加湿流路１５とカソード加湿流路１６内の水を水タンク８へ排出する。また、気液分離装置２９を停止する。この水排出モードは予め決められた所定時間行われる。
【００６０】
ステップＳ１０３、Ｓ１０４はセパレータ５２のドライアウトの有無を検査する水含浸状態検査モードである。まずステップＳ１０３では、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ８〜Ｖ１０を開き、バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ１１を閉じ、負圧ポンプ２０を停止する。バルブＶ４、Ｖ５、Ｖ９、Ｖ１０を開き、Ｖ２、Ｖ３を閉じ、水素タンク２から水素を、またコンプレッサ３を起動し燃料ガスを燃料電池１へ供給を開始し、燃料電池１での発電を開始する。また、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ１１を閉じ、バルブＶ１、Ｖ８を開き、水ポンプ９を駆動することで、循環流路１０を通り、水流路５５を水が循環する。
【００６１】
次にステップＳ１０４では、バブルセンサ１１によって燃料電池１下流の循環流路１０に気泡が混入しているかどうか検知する。気泡が混入している場合はステップＳ６１へ戻り上記制御を繰り返す。気泡が混入していない場合はステップＳ１０５へ進み、通常運転を行う。
【００６２】
ステップＳ１０５では、セパレータは含水しており、ドライアウトを起こさないので、燃料電池１へ要求される出力に基づいて水素と空気を供給する。
【００６３】
なお、第２実施形態の氷点下起動に関しては、第１実施形態の図６で示すようなフローチャートを用いて、氷点下起動を行っても良い。
【００６４】
なお、起動時の乾燥状態検出手段として、累積時間と燃料電池の雰囲気の温度履歴から判断しても良い。
【００６５】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００６６】
セパレータ５２にドライアウトが生じている場合に、アノード流路５３とカソード流路５４に水を供給し、更に、負圧ポンプ２０によって、水流路５５内の圧力を低くするので、セパレータ５２のドライアウト箇所を素早く含水することができる。また、アノード流路５３とカソード流路５４内の水を負圧ポンプ２０により、排出することができ、部品点数を削減できる。
【００６７】
次に本発明の第３実施形態の構成を図１１の構成図を用いて説明する。第３実施形態については図７と異なる部分を中心に説明する。
【００６８】
加湿装置６０は循環流路１０に気液共用ポンプ２１（水供給手段であり、圧力調整手段である）を備え、水タンク８と気液共用ポンプ２１の間にバルブＶ１３を備え、バルブＶ８と燃料電池１の間の循環流路１０に圧力センサ１４を備える。循環流路１０はバルブＶ１の下流でアノード排出流路１２とカソード排出流路１３と合流部２２で合流する。また、合流部２２の下流の循環流路１０にバルブＶ１４を備える。合流部２２から下流の循環流路１０と上流の循環流路１０を接続する接続流路２３を備え、接続流路２３にはバルブＶ１５を備える。また、気液共用ポンプ２１とバルブＶ８の間に水排出流路２４を備え、水排出流路２４にバルブＶ１６を備える。このような構成にすることで負圧ポンプ２０を用いずにセパレータ５２の加湿を行う。
【００６９】
次にコントローラ１００における制御動作について図３、図１２、図１３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００７０】
まず燃料電池システムが起動させるときの概略制御は、第１実施形態の図３で示すフローチャートと同じなので、ここでの説明は省略する。
【００７１】
次に第３実施形態でのステップＳ３１の氷点下起動について図１２のフローチャートを用いて説明する。ここでは前回の運転停止時に、水流路５５を空気によってパージするものとする。
【００７２】
ステップＳ１２０ではバルブＶ１〜Ｖ３、Ｖ６〜Ｖ８、Ｖ１３〜Ｖ１５を閉じ、バルブＶ４，Ｖ５、Ｖ９、Ｖ１０を開き、水素タンク２およびコンプレッサ３から水素と空気を燃料電池１へ供給し、発電を開始する。この発電で生じる熱によって燃料電池１を暖機する。このときドライアウトが生じている場合には、ドライアウトの箇所から反応ガスが水流路５５へリークするが、前回の停止時に空気によって水流路５５をパージしているので、水流路５５には予め空気が存在しており、僅かにリークした反応ガスによる影響は少ない。
【００７３】
ステップＳ９１以降は第１実施形態の図４で示すステップＳ４１以降と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００７４】
次に、図１３のフローチャートではステップＳ３２の通常起動について説明する。
【００７５】
ステップＳ１３０は第２実施形態のステップＳ１００と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００７６】
ステップＳ１３１はアノード流路５３とカソード流路５４に水を充填する水充填モードである。ここでは、バルブＶ６、Ｖ７、Ｖ１３を開き、バルブＶ１〜Ｖ５、Ｖ８〜Ｖ１０、Ｖ１４〜Ｖ１６を閉じ、気液共用ポンプ２１を起動することで、水タンク８内の水を循環流路１０からアノード加湿流路１５とカソード加湿流路１６を介してアノード流路５３とカソード流路５４に水を充填する。
【００７７】
ステップＳ１３２は、セパレータ５２を加湿する水含浸モードである。バルブＶ２〜Ｖ１０、Ｖ１３、Ｖ１４を閉じ、バルブＶ１、Ｖ１５、Ｖ１６を開き、気液共用ポンプ２１を駆動させる。これにより、アノード流路５３とカソード流路５４よりも水流路５５の圧力が低くなり、アノード流路５３とカソード流路５４に充填している水がセパレータ５２に浸透し、セパレータ５２にドライアウトが生じているとその箇所を含水する。また、気液分離装置２９を起動し循環流路１０の水から気体を分離し、外部へ排出する。この分離された気体を回収し、再利用してもよい。圧力センサ１４によって水流路５５の圧力Ｐを検出し、圧力が所定の圧力Ｐ２となるまで水含浸モードを継続する。なお、圧力Ｐ２は負圧である。
【００７８】
ステップＳ１３３は、アノード流路５３、カソード流路５４の水を排出する水排出モードである。ここでは、バルブＶ１、Ｖ６〜Ｖ１０、Ｖ１３、Ｖ１４を閉じ、バルブＶ２〜Ｖ５、Ｖ１５、Ｖ１６を開き、気液共用ポンプ２１を駆動することで、アノード流路５３とカソード流路５４内の水を水タンク８へ排出する。また、気液分離装置２９を停止する。この水排出モードは所定時間行う。
【００７９】
ステップＳ１３４、Ｓ１３５は、セパレータ５２のドライアウトの有無を検査する水含浸状態検査モードである。まずステップＳ１３４では、バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ１５、Ｖ１６を閉じ、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ８〜Ｖ１０、Ｖ１３、Ｖ１４を開き、気液共用ポンプ２１を駆動する。バルブＶ２、Ｖ３を閉じ、バルブＶ４、Ｖ５、Ｖ９、Ｖ１０を開き水素タンク２から水素の供給を、コンプレッサ３から空気の供給を開始し、燃料電池１で発電を開始する。また、バルブＶ１、Ｖ８、Ｖ１３、Ｖ１４を開き、バルブＶ１５、Ｖ１６を閉じ、水タンク８から循環流路１０から水流路５５へ水供給を行う。
【００８０】
次にステップＳ１３５では、バブルセンサ１１によって燃料電池１下流の循環流路１０に気泡が混入しているかどうか検知する。気泡が混入している場合はステップＳ１３１へ戻り上記制御を繰り返す。気泡が混入していない場合はステップＳ１３６へ進み、通常運転を行う。
【００８１】
ステップＳ１３６では、セパレータ５２は含水しており、ドライアウトを起こさないので、燃料電池１へ要求される出力に基づいて水素と空気を供給する。
【００８２】
なお、第３実施形態の氷点下起動に関しては、第１実施形態の図６で示すフローチャートを用いて、氷点下起動を行っても良い。
【００８３】
なお、起動時の乾燥状態検出手段として、累積時間と燃料電池の雰囲気の温度履歴から判断しても良い。
【００８４】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００８５】
気液共用ポンプ２１使用し、まずアノード流路５３とカソード流路５４に圧力が高くなた水を充填させ、その後、水流路５５内の圧力を気液共用ポンプ２１で負圧にすることで、圧力の高くなったアノード流路５３とカソード流路５４から水流路５５へ水を浸透させることができ、セパレータ５２のドライアウトが生じた箇所を素早く含水することができる。また、水の充填、セパレータ５２への含水、アノード流路５３とカソード流路５４の水の排出を一つのポンプで行うことができ、コストを削減することができる。
【００８６】
次に本発明の第４実施形態の構成を図１４の構成図を用いて説明する。第４実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。
【００８７】
この実施形態は水素排出流路４に圧力調整弁であるバルブＶ１７を備え、燃料電池１とバルブＶ１７の間に圧力検出手段である圧力センサ２７を備える。また、空気排出流路５に圧力調整弁であるバルブＶ１８を備え、燃料電池１とバルブＶ１８の間に圧力センサ２８を備える。これによって、セパレータ５２のドライアウトの有無をバブルセンサ１１を設けずに圧力によって検知する。
【００８８】
次にコントローラ１００で行う制御動作について図３、図１５、図１６のフローチャートを用いて説明する。
【００８９】
まず燃料電池システムが起動させるときの概略制御は、第１実施形態の図３で示すフローチャートと同じなので、ここでの説明は省略する。
【００９０】
次に第４実施形態でのステップＳ３１の氷点下起動について図１５のフローチャートを用いて説明する。ここでは前回の運転停止時に、水流路５５を空気によってパージするものとする。
【００９１】
ステップＳ１５０ではバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ８を閉じ、Ｖ１７、Ｖ１８の開度を全開とし、水素タンク２、コンプレッサ３から水素と空気を燃料電池１へ供給し、発電を開始する。この発電で生じる熱によって燃料電池１を暖機する。このときドライアウトが生じている場合には、ドライアウトの箇所から反応ガスが水流路５５へリークするが、前回の停止時に空気によって水流路５５をパージしているので、水流路５５には予め空気が存在しており、僅かにリークした反応ガスによる影響は少ない。
【００９２】
ステップＳ１５１以降の制御については、第１実施形態のステップＳ４１と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００９３】
次に、図１６のフローチャートではステップＳ３２の通常起動について説明する。
ステップＳ１６０は第１実施形態のステップＳ３０と同じ制御なのでここでの説明は省略する。
【００９４】
ステップＳ１６１は、水含浸モードである。ここではバルブＶ１の開度をＸ１として、バルブＶ２、Ｖ３、Ｖ８を開き、バルブＶ１７、Ｖ１８を全閉とし、水ポンプ９を起動する。これにより、水流路５５内の水圧はアノード流路５３とカソード流路５４内の圧力よりも高くなるので、セパレータ５２内のドライアウトを起こしている箇所を含水することができる。このとき、水流路５５へ水を供給すると循環流路１０内の水に反応ガスなどが混入する可能性があるが、気液分離装置２９を起動し循環流路１０内の水から気体を分離し、外部へ排出する。また、分離された気体を回収し、再利用してもよい。この水含浸モードは予め決められた所定時間行われる。
【００９５】
ステップＳ１６２、Ｓ１６３は、セパレータ５２のドライアウトの有無を検査する水含浸状態検査モードである。ステップＳ１６２では、バルブ８を開き、バルブＶ２、３を閉じ、バルブＶ１７、Ｖ１８の開度をＺ１とする。Ｚ１はアノード流路５３とカソード流路５４の圧力が、水流路５５の圧力よりも高くなるバルブ開度である。圧力センサ２７、２８によってアノード流路５３とカソード流路５４の圧力Ｐ２、Ｐ３を検出する。
【００９６】
ステップＳ１６３では、Ｐ２とＰ３を所定圧力Ｐ４と比較する。圧力Ｐ４はステップＳ１６１で設定した開度Ｚ１でドライアウトが生じていないときの圧力である。この圧力Ｐ４は予め実験などで求め、コントローラ１００に記憶させておく。Ｐ２、Ｐ３のどちらか一方がＰ４よりも小さい場合は、セパレータ５２でドライアウトが生じ、反応ガスがリークしていると判断し、ステップＳ１６１へ戻り上記ステップを繰り返す。Ｐ２とＰ３がＰ４よりも大きい場合は、セパレータ５２にドライアウトが生じていないと判断し、ステップＳ１６４へ進む。
【００９７】
ステップＳ１６４では、セパレータ５２は含水しており、ドライアウトを起こさないので、バルブＶ２、Ｖ３を閉じ、バルブＶ１、Ｖ８、Ｖ１７、Ｖ１８を開き、燃料電池１へ要求される出力に基づいて水素と空気を供給する。
【００９８】
また、ここで説明したドライアウトの有無を圧力センサによって検知する方法は、第２、３実施形態に用いてもよい。
【００９９】
なお、第４実施形態の氷点下起動に関しては、第１実施形態の図６で示すようなフローチャートを用いて、氷点下起動を行っても良い。
【０１００】
なお、起動時の乾燥状態検出手段として、累積時間と燃料電池の雰囲気の温度履歴から判断しても良い。
【０１０１】
本発明の第４実施形態の効果について説明する。
【０１０２】
バルブＶ１７、Ｖ１８の開度を或る所定開度に設定し、燃料電池１の下流に設けた圧力センサ２７、２８によって、アノード流路５３とカソード流路５４内の圧力を検出し、予め或る所定開度でドライアウトを生じていないときの圧力値と比較することで、ドライアウトを生じているかどうかの判断を行うことができるので、簡単な構成でドライアウトの有無を検査することができる。
【０１０３】
本発明では、燃料電池システム起動時の乾燥状態判断手段として、バブルセンサ１１、もしくは圧力センサ２７、２８による泡の有無の検知を行ってもよい。
【０１０４】
本発明ではポーラスタイプのセパレータをアノード側とカソード側のどちらのセパレータにも使用したが、ポーラスタイプのセパレータをどちらか一方に使用し、他方のセパレータにはガス不透性の緻密材を用いても良い。
【０１０５】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
ポーラスタイプのセパレータを使用した燃料電池を利用した分野に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の燃料電池の断面概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態の起動方法についてのフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態の氷点下起動制御のフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態の通常起動制御のフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態の氷点下起動制御のフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２実施形態の燃料電池の断面概略図である。
【図９】本発明の第２実施形態の氷点下起動制御のフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態の通常起動制御のフローチャートである。
【図１１】本発明の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の氷点下起動制御のフローチャートである。
【図１３】本発明の第３実施形態の通常起動制御のフローチャートである。
【図１４】本発明の第４実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第４実施形態の氷点下起動制御のフローチャートである。
【図１６】本発明の第４実施形態の通常起動制御のフローチャートである。
【図１７】本発明の水含浸モードの判断を行う演算方法に使用する図である。
【図１８】本発明のバブルセンサを示した図である。
【図１９】本発明のバブルセンサを示した図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１      燃料電池
９      水ポンプ（水供給手段）
１０    循環流路
１１    バブルセンサ（気泡検出手段）
２０    負圧ポンプ（圧力調整手段）
２１    気液共用ポンプ（水供給手段、圧力調整手段）
２７    圧力センサ（圧力検出手段）
２８    圧力センサ（圧力検出手段）
５２    セパレータ
５３    アノード流路（ガス流路）
５４    カソード流路（ガス流路）
５５    水流路
【図１】
0004645063.tif 000002
【図２】
0004645063.tif 000003
【図３】
0004645063.tif 000004
【図４】
0004645063.tif 000005
【図５】
0004645063.tif 000006
【図６】
0004645063.tif 000007
【図７】
0004645063.tif 000008
【図８】
0004645063.tif 000009
【図９】
0004645063.tif 000010
【図１０】
0004645063.tif 000011
【図１１】
0004645063.tif 000012
【図１２】
0004645063.tif 000013
【図１３】
0004645063.tif 000014
【図１４】
0004645063.tif 000015
【図１５】
0004645063.tif 000016
【図１６】
0004645063.tif 000017
【図１７】
0004645063.tif 000018
【図１８】
0004645063.tif 000019
【図１９】
0004645063.tif 000020