(57)【要約】      （修正有）【課題】排水処理のために用いるガス量や電力量を抑えつつ、燃料電池内の残留水分を排出することを可能とする技術を提供する。【解決手段】電解質膜と、電解質膜に接するアノードと、電解質膜を挟んでアノードに対峙するカソードと、アノードとカソードとのうち、いずれか一方の極側について排水処理を行う排水部と、を備えた燃料電池システムにおいて、アノードとカソードとは、互いに熱容量が異なり、排水部は、アノードとカソードとのうち、熱容量がより小さい小容量極側についてのみ排水処理を行う。【選択図】図１
2007335103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜と、
前記電解質膜に接するアノードと、
前記電解質膜を挟んで前記アノードに対峙するカソードと、
前記アノードと前記カソードとのうち、少なくともいずれか一方の極側について排水処理を実行する排水部と、
を備え、
前記アノードと前記カソードとは、互いに熱容量が異なり、
前記排水部は、前記アノードと前記カソードとのうち、熱容量がより小さな小容量極側について、熱容量がより大きな大容量極側に比べて、より多量の水分を排出するように前記排水処理を実行することを特徴と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、
前記排水部は、前記小容量極側からのみ水分を排出するように、前記排水処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排水部は、前記排水処理を行う対象極側に所定のガスを供給することで、前記排水処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排水部は、前記所定のガスを供給して前記対象極側の圧力を高めておき、その後、前記対象極側の圧力を低下させることで前記排水処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排水部は、前記排水処理を行う対象極側を吸引することで、前記排水処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記小容量極は、前記カソードである、
燃料電池システム。
【請求項７】
電解質膜と、前記電解質膜に接するアノードと、前記電解質膜を挟んで前記アノードに対峙するカソードと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム内部の残留水分を排出するための残留水分排出方法であって、
前記アノードと前記カソードとのうち、熱容量がより小さな小容量極側について、熱容量がより大きな大容量極側に比べて、より多量の水分を排出するように排水処理を実行する工程を備える残留水分排出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内部の残留水分を排出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質層として固体高分子電解質膜を有する燃料電池では、電解質膜が湿潤環境下において高いプロトン導電性を示すことから、電気化学反応に用いられる反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）を加湿することが多い。また、燃料電池のカソードでは、電気化学反応に伴って水が生成される。このような燃料電池内部で生じた水や、反応ガス内に含まれる水蒸気に起因して、燃料電池において種々な不都合が発生する。例えば、これらの水分が燃料電池の運転停止後も燃料電池内部に留まり、反応ガスを電解質膜に拡散するための拡散層において凝縮すると、拡散層が目詰まりして反応ガスの拡散が阻害され、燃料電池の起動時において発電能力が不安定となる。
【０００３】
そこで、このような残留水分を排出するために、反応ガスや窒素ガス等の不活性ガスを燃料電池に供給して掃気する燃料電池が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３０５０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の燃料電池は、カソード側とアノード側とで、それぞれ、反応ガスの流量を増大させてガス流路内の残留水を量的に外部に排出させた後に、圧力を上昇させてから低下させることで、反応ガスの流速を高めてガス流路内に残った水分を排出する構成である。従って、この上記特許文献１に記載の燃料電池では、アノード側において掃気を実行するために多量の水素ガスが残留水分と共に排出されてしまい、燃費の低下を招くという問題がある。なお、反応ガスに代えて、窒素ガス等の不活性ガスを掃気用ガスとして用いた場合においても、不活性ガスを多量に消費してしまうという問題がある。また、掃気用ガスの消費量を抑えるために、掃気用ガスを循環させて掃気する構成も考えられるが、掃気用ガスを循環させるためのポンプ等を両極において動作させるので、多量の電力を消費することとなる。それ故、ポンプがバッテリー駆動の構成では、バッテリー上がり等が発生するおそれもある。
【０００６】
本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、排水処理のために用いるガス量や電力量を抑えつつ、燃料電池内部の残留水分を排出することを可能とする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜に接するアノードと、前記電解質膜を挟んで前記アノードに対峙するカソードと、前記アノードと前記カソードとのうち、少なくともいずれか一方の極側について排水処理を実行する排水部と、を備え、前記アノードと前記カソードとは、互いに熱容量が異なり、前記排水部は、前記アノードと前記カソードとのうち、熱容量がより小さな小容量極側について、熱容量がより大きな大容量極側に比べて、より多量の水分を排出するように前記排水処理を実行することを要旨とする。
【０００８】
このように、本発明の燃料電池システムでは、排水処理部はアノードとカソードとのうち、熱容量がより小さい小容量極側について、大容量極に比べて、より多量の水分を排出するように排水処理を実行するので、両極について同程度の量の水分を排出する場合に比べて、排水処理のために用いるガス量や電力量を押さえつつ残留水分を排出することができる。ここで、小容量極は、大容量極に比べて、燃料電池システムの動作停止後の温度低下の速度が速い。従って、燃料電池システムの動作停止後において、大容量極に比べて水蒸気分圧が小さくなり、大容量極側から小容量電極側に残留水分が移動することとなる。それゆえ、小容量極側についてより多量の水分を排出するように排水処理を行うことで、残留水分を十分に排出することができる。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水部は、前記小容量極側からのみ水分を排出するように、前記排水処理を実行するようにしてもよい。
【００１０】
このようにすることで、大容量極側については水分を排出しないので、大容量極側の排水処理のために用いるガス量や電力量を抑えつつ、残留水分を排出することができる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水部は、前記排水処理を行う対象極側に所定のガスを供給することで、前記排水処理を実行するようにしてもよい。
【００１２】
このようにすることで、所定のガスを用いて対象電極側を掃気して、残留水分を排出することができる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水部は、前記所定のガスを供給して前記対象極側の圧力を高めておき、その後、前記対象極側の圧力を低下させることで前記排水処理を実行するようにしてもよい。
【００１４】
このようにすることで、対象極側の残留水分を排出する際に、圧力を低下させるだけでよく、掃気用ガスを送り込むために、例えばコンプレッサやポンプ等を動作させなくてよい。それゆえ、残留水分が対象極側に移動するのに長時間を要することとなっても、残留水分を排出する際にコンプレッサ等を動作させないので、静寂性を保つことができる。
【００１５】
上記燃料電池システムにおいて、前記排水部は、前記排水処理を行う対象極側を吸引することで、前記排水処理を実行するようにしてもよい。
【００１６】
このようにすることで、対象極側の残留水分を排出することができる。
【００１７】
上記燃料電池システムにおいて、前記小容量極は、前記カソードであってもよい。
【００１８】
このようにすることで、残留水を排出する際に、カソード側の反応ガスである空気を用いて掃気して排水処理を実行する、或いは、カソード側の反応ガスである空気を吸引して排水処理を実行することができるので、アノード側の反応ガスである燃料ガスを用いずに排水処理が実行でき、燃費の低下を抑制することができる。
【００１９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、残留水分排出方法や、残留水分排出方法または燃料電池システムの機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．変形例：
【００２１】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク３０と、ラジエータ４０と、制御ユニット５０と、温度センサ７０と、圧力センサ７５と、気液分離器８０と、を備える。燃料電池スタック１０は、積層された複数の燃料電池モジュール２０を備える。制御ユニット５０は、ＣＰＵ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ５３を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭ５３に記憶されたプログラムに従ってシステムの運転を制御する。かかる燃料電池システム１０００は、モータで駆動する電気車両に電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、図示せざるアクセル開度センサによって検出された操作量に応じて、水素ガス及び空気の供給が行われて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。なお、燃料電池システム１０００は車載用である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることができる。
【００２２】
燃料電池システム１０００の運転時において、燃料電池スタック１０には、電池反応に用いられる反応ガス及び冷却媒体が供給される。具体的には、水素タンク３０から、配管３０５，３５０ａを介して燃料ガスとしての水素ガスが供給される。なお、この燃料ガスは、加湿器（図示省略）で加湿されて燃料電池スタック１０に供給される。これは、各燃料電池モジュール２０が有する電解質膜（後述）が、湿潤環境下において高いイオン交換能力を発揮するためである。燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、各燃料電池モジュール２０のアノードにおいて電気化学反応に使用され、オフガスとして配管３５０ｂから排出される。このオフガスには、電気化学反応に使用されずに排出された水素ガスの他に、電気化学反応で生成された水や、加湿で用いられた水を含んでいる。このオフガスは、配管３５０ｂに設けられた気液分離器８０において水分を除去されて、配管３５０ａに戻されて再び燃料電池スタック１０に循環される。配管３５０ｂには、循環のための循環ポンプ３４０が配置されている。
【００２３】
また、燃料電池スタック１０には、配管２５０ａに配置されたエアコンプレッサ２６０によって、エアフィルタ２０５を通した空気が酸化ガスとして供給される。燃料電池スタック１０に供給された酸化ガスは、各燃料電池モジュール２０のカソードにおいて電気化学反応に使用され、オフガスとして配管２５０ｂを介して大気中に放出される。なお、配管２５０ｂには、温度センサ７０及び圧力センサ７５が配置されており、配管２５０ｂにおける温度（燃料電池スタック１０内のカソード側の温度）及びカソード側圧力を測定することが可能であり、これら測定値を制御ユニット５０に通知する。
【００２４】
また、燃料電池スタック１０には、ラジエータ４０から配管４５０ａを介して冷却媒体としての水が供給される。燃料電池スタック１０から排出された冷却水は、配管４５０ｂを介してラジエータ４０に送られて再び燃料電池スタック１０に循環される。配管４５０ｂには、循環のための循環ポンプ４１０が配置されている。
【００２５】
なお、上述した配管３０５には、電磁弁３１０が配置されている。この電磁弁３１０は、制御ユニット５０によって開閉が制御される。同様にして、配管２５０ａには電磁弁２７０が、配管２５０ｂには電磁弁２８０が、それぞれ配置されており、それぞれ制御ユニット５０によって開閉が制御される。また、配管３５０ｂの気液分離器８０の下流側には配管３７０が分岐して配置されている。この配管３７０は、配管２５０ｂと接続されており、大気への排出路を形成している。なお、配管３７０には電磁弁３６０が配置されており、制御ユニット５０によって開閉が制御される。
【００２６】
なお、制御ユニット５０とエアコンプレッサ２６０と電磁弁２７０，２８０とは、請求項における排水部に相当する。
【００２７】
図２は、図１に示す燃料電池モジュール２０の詳細構成を示す分解斜視図である。この燃料電池モジュール２０は、シール一体型膜電極接合体（以下、シール一体型ＭＥＡと呼ぶ。）２１及びセパレータ２５を備えている。そして、燃料電池モジュール２０は、これらシール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５が交互に積層されて構成されている。なお、図２では、それぞれ１つずつ示している。
【００２８】
シール一体型ＭＥＡ２１は、ＭＥＡ部６０と、ＭＥＡ部６０を囲むシール部６１と、を備えている。ＭＥＡ部６０は、電解質膜（後述）を有する。かかる電解質膜として、フッ素樹脂系イオン交換膜のNafion（登録商標）やFlemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、図２では、シール一体型ＭＥＡ２１は、上面がカソード面であり、下面がアノード面である。このシール部６１は、燃料ガス供給マニホールド形成部２１１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２１１ｂと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２１２ａと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部２１２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２１３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２１３ｂと、を有する。これらの各マニホールド形成部２１１ａ，２１１ｂ，２１２ａ，２１２ｂ，２１３ａ，２１３ｂは、シール部６１を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。なお、シール部６１は、シリコンゴムから成る。
【００２９】
セパレータ２５は、アノード側プレート２２と、中間プレート２３と、カソード側プレート２４と、を備えている。アノード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１のアノード面に対向し、カソード側プレート２４は、図面下方において隣接することとなるシール一体型ＭＥＡ（図示省略）のカソード面に対向する。中間プレート２３は、これらアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４に挟持されている。
【００３０】
アノード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２２１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２２１ｂと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２２２ａと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部２２２ｂと、冷却媒体供給マニホールド形成部２２３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２２３ｂと、を有する。これらの各マニホールド形成部２２１ａ，２２１ｂ，２２２ａ，２２２ｂ，２２３ａ，２２３ｂは、アノード側プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、アノード側プレート２２は、シール一体型ＭＥＡ２１のＭＥＡ部６０に対向する部分に、複数個の燃料ガス供給孔２２５と、複数個の燃料ガス排出孔２２６と、を有する。これら燃料ガス供給孔２２５及び燃料ガス排出孔２２６は、アノード側プレート２２を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
【００３１】
カソード側プレート２４は、シール一体型ＭＥＡ２１と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２４１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２４１ｂと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２４２ａと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部２４２ｂと、冷却媒体供給形成部マニホールド２４３ａと、冷却媒体排出マニホールド形成部２４３ｂと、を有する。これらの各マニホールド形成部２４１ａ，２４１ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，２４３ａ，２４３ｂは、カソード側プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。また、カソード側プレート２４は、複数個の酸化剤ガス供給孔２４５と、複数個の酸化剤ガス排出孔２４６と、を有する。これら酸化剤ガス供給孔２４５及び複数個の酸化剤ガス排出孔２４６は、カソード側プレート２４を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
【００３２】
中間プレート２３は、アノード側プレート２２及びカソード側プレート２４と同じ位置に、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａと、燃料ガス排出マニホールド形成部２３１ｂと、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３２ａと、酸化剤ガス排出マニホールド形成部２３２ｂと、を有している。これらの各マニホールド形成部２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂは、中間プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。さらに、中間プレート２３は、複数の長孔である、燃料ガス供給流路形成部２３５と、燃料ガス排出流路形成部２３６と、酸化剤ガス供給流路形成部２３７と、酸化剤ガス排出流路形成部２３８と、を備えている。これらの各流路形成部２３５〜２３８の一端は、それぞれ各マニホールド形成部２３１ａ，２３１ｂ，２３２ａ，２３２ｂと連通している。また、燃料ガス供給流路形成部２３５及び燃料ガス排出流路形成部２３６の他端は、それぞれ、積層状態においてアノード側プレート２２に形成された燃料ガス供給孔２２５及び燃料ガス排出孔２２６と連通している。同様にして、酸化剤ガス供給流路形成部２３７及び酸化剤ガス排出流路形成部２３８の他端は、それぞれ、カソード側プレート２４に形成された酸化剤ガス供給孔２４５及び酸化剤ガス排出孔２４６に連通している。また、中間プレート２３は、中間プレートを縦断する長孔の冷却媒体流路形成部２３９を複数個有している。そして、上述した中間プレート２３における各流路形成部２３５〜２３９は、中間プレート２３を厚さ方向に貫通する貫通部として形成されている。
【００３３】
上述した中間プレート２３及びカソード側プレート２４は、いずれもチタン製の薄板に上述した各貫通部を形成することにより製造されている。一方、アノード側プレート２２は、カーボン製の厚板に、上述した各貫通部を形成することにより製造されている。ここで、アノード側プレート２２厚さは、カソード側プレート２４の厚さに比べて大きい。そして、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で熱容量を比べた場合、カソード側プレート２４は、カーボン板に比べて体積熱容量のより小さなチタンで構成されており、かつ、アノード側プレート２２に比べて薄いので、アノード側プレート２２に比べて熱容量が小さい。
【００３４】
図３は、シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を積層した状態での、図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。なお、説明の便宜上、図２とは異なり、シール一体型ＭＥＡ２１のアノード側に配置されているセパレータ（以下、「セパレータ２５ａ」と呼ぶ）の他に、シール一体型ＭＥＡ２１のカソード側に配置されているセパレータ（以下、「セパレータ２５ｂ」と呼ぶ）も記載している。
【００３５】
シール一体型ＭＥＡ２１のＭＥＡ部６０は、電解質膜６０ｃを挟んでアノード側ガス拡散層６０ａ及びカソード側ガス拡散層６０ｂを備えている。これらアノード側ガス拡散層６０ａ及びカソード側ガス拡散層６０ｂは、互いに同じ素材で構成され、また、厚さは同じなので熱容量はほぼ等しい。なお、ＭＥＡ部６０は、触媒層や電極を備えているが、説明の便宜上省略している。
【００３６】
前述のアノード側プレート２２、または、アノード側プレート２２及びアノード側ガス拡散層６０ａは、請求項におけるアノードに相当する。また、カソード側プレート２４、または、カソード側プレート２４及びカソード側ガス拡散層６０ｂは、請求項におけるカソードに相当する。
【００３７】
図３の例では、燃料ガス供給マニホールド形成部２１１ａ，２２１ａ，２３１ａ，２４１ａにより燃料供給マニホールドが形成されており、また、酸化剤ガス供給マニホールド２１２ａ，２２２ａ，２３２ａ，２４２ａにより酸化剤ガス供給マニホールドが形成されている。また、中間プレート２３における貫通部である冷却媒体流路形成部２３９と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「冷却媒体流路」と呼ぶ。）が複数形成されている。また、中間プレート２３における貫通部である燃料ガス供給流路形成部２３５と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「燃料ガス供給流路」と呼ぶ。）が形成されている。この燃料ガス供給流路の一端は、燃料ガス供給孔２２５に連通し、他端は燃料ガス供給マニホールドに連通している。同様にして、酸化剤ガス供給流路形成部２３７と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「酸化剤ガス供給流路」と呼ぶ。）が形成されている。この酸化剤ガス供給流路の一端は、酸化剤ガス供給孔２４５に連通し、他端は酸化剤ガス供給マニホールドに連通している。
【００３８】
図４は、シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を積層した状態での、図２におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。なお、図３と同様に、セパレータ２５ａの他に、セパレータ２５ｂも記載している。
【００３９】
図４の例では、燃料ガス排出マニホールド形成部２１１ｂ，２２１ｂ，２３１ｂ，２４１ｂにより燃料ガス排出マニホールドが形成されており、また、酸化剤ガス排出マニホールド形成部２１２ｂ，２２２ｂ，２３２ｂ，２４２ｂにより酸化剤ガス排出マニホールドが形成されている。また、中間プレート２３における貫通部である燃料ガス排出流路形成部２３６と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「燃料ガス排出流路」と呼ぶ。）が形成されている。この燃料ガス排出流路の一端は、燃料ガス排出孔２２６に連通し、他端は燃料ガス排出マニホールドに連通している。同様にして、酸化剤ガス排出流路形成部２３８と、アノード側プレート２２と、カソード側プレート２４と、で囲まれた空間（以下、「酸化剤ガス排出流路」と呼ぶ。）が形成されている。この酸化剤ガス排出流路の一端は、酸化剤ガス排出孔２４６に連通し、他端は酸化剤ガス排出マニホールドに連通している。
【００４０】
Ａ２．燃料電池スタック１０内部の動作：
燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスとしての水素は、図３に示す燃料供給マニホールドを、図面上方から下方に流れる。一方、各燃料電池モジュール２０から排出される水素を含むアノード側オフガスは、図４に示す燃料ガス排出マニホールドを図面下方から上方に流れる。ここで、図３に示すセパレータ２５ａの中間プレート２３において、燃料ガス供給マニホールド形成部２３１ａを通過する水素の一部は、燃料ガス供給流路に流入し、燃料ガス供給孔２２５を通ってアノード側プレート２２に対向するシール一体型ＭＥＡ２１のアノード側ガス拡散層６０ａに供給される。そして、この供給された水素は、電解質膜６０ｃ全体に亘って拡散して電気化学反応に供される。
【００４１】
電気化学反応後、余剰水素は、図４に示すセパレータ２５ａのアノード側プレート２２の燃料ガス排出孔２２６を通って、燃料ガス排出流路に流入し、燃料ガス排出マニホールドを通って燃料電池スタック１０から排出される。
【００４２】
上述した水素とは逆に、燃料電池スタック１０に供給された酸化剤ガスとしての空気は、図３に示す酸化剤ガス供給マニホールドを、図面下方から上方に流れる。一方、各燃料電池モジュール２０から排出される空気を含むカソード側オフガスは、図４に示す酸化剤ガス排出マニホールドを図面上方から下方に流れる。
【００４３】
ここで、図３に示すセパレータ２５ｂの中間プレート２３において、酸化剤ガス供給マニホールド形成部２３２ａを通過する空気の一部は、酸化剤ガス供給流路に流入し、酸化剤ガス供給孔２４５を通ってシール一体型ＭＥＡ２１のカソード側ガス拡散層６０ｂに供給される。そして、この供給された空気は、電解質膜６０ｃ全体に亘って拡散して電気化学反応に供される。
【００４４】
電気化学反応後、余剰空気は、図４に示すセパレータ２５ｂのカソード側プレート２４の酸化剤ガス排出孔２４６を通って、酸化剤排出流路に流入し、酸化剤ガス排出マニホールドを通って燃料電池スタック１０から排出される。
【００４５】
上述したカソード側における電気化学反応で生成された水や、反応ガスを加湿するための水分は、一部はオフガスとして、図４に示す燃料ガス排出マニホールド及び酸化ガス排出マニホールドから排出される。しかしながら、一部の水分は、燃料電池システム１０００の運転停止後において、ＭＥＡ部６０の内部に留まることとなる。この残留水分は、運転停止後の低温環境下において凝縮して、触媒（図示省略）を被覆して触媒能を劣化させたり、多孔質体であるガス拡散層６０ａ，６０ｂの目詰まりを引き起こしてガス拡散を阻害したりする。そこで、燃料電池システム１０００では、後述する残留水分排出処理を行うことで、ＭＥＡ部６０内部の残留水分を排出するように構成されている。
【００４６】
Ａ３．残留水分排出処理：
図５は、燃料電池システム１０００における残留水分排出処理の手順を示すフローチャートである。ユーザが電気車両のイグニッションスイッチをオフすると、燃料電池システム１０００において残留水分排出処理が実行される。図５に示す残留水分排出処理が開始されると、ＣＰＵ５１（図１）は、電磁弁３１０を閉塞して水素ガスの供給を止める（ステップＳ５０５）。次に、ＣＰＵ５１は、カソード排出側の電磁弁２８０を閉じて酸化ガス（空気）の供給を続け、所定の圧力となるまでカソード側の圧力を上昇させる（ステップＳ５１０）。次に、ＣＰＵ５１は、エアコンプレッサ２６０を止めてカソード供給側の電磁弁２７０を閉じて、カソード側を閉じた系とする（ステップＳ５１５）。
【００４７】
図６は、ステップＳ５１５の処理後のガスの流れを示す説明図である。図６における各構成要素は図１と同じであるので説明を省略する。なお、図６では、図１と異なり、破線で示す配管は、ガスが流れていない配管を示し、太い実線で示す配管は、ガスの流れがある（自然排出含む）配管を示す。図６に示すように、ステップＳ５１５の後には、燃料電池スタック１０のカソード側は、電磁弁２７０及び電磁弁２８０によってガス（酸化ガス）の流れが遮断されて、閉じた系となっている。なお、同様にアノード側についても電磁弁３１０及び電磁弁３６０によって閉じた系となっている。
【００４８】
次に、ＣＰＵ５１は、カソード側温度が所定温度まで低下したか判定し（ステップＳ５２０）、所定温度まで低下したと判定した場合に、カソード排出側の電磁弁２８０を開いてカソード側圧力を低下させ、残留するガスを一気に排出する（ステップＳ５２５）。
【００４９】
図７は、残留水分排出処理における残留水分の移動状況を模式的に示す説明図である。図７に示すセパレータ２５ａ，２５ｂ及びシール一体型ＭＥＡ２１は、図４に示すセパレータ２５ａ，２５ｂ及びシール一体型ＭＥＡ２１と同じである。なお、図７では、シール一体型ＭＥＡ２１と、セパレータ２５ｂのカソード側プレート２４と、セパレータ２５ａのアノード側プレート２２と、の一部についての拡大図を、円で囲って示している。
【００５０】
前述のステップＳ５１５においてカソード側を閉じた系とした後、ＭＥＡ部６０内部の残留水分は、アノード側からカソード側へと移動する。これは以下の理由による。ＭＥＡ部６０に接するアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４は、残留水分排出処理の実行前には、電気化学反応による反応熱により高温となっている。そして、残留水分排出処理が開始され、発電が停止すると反応熱の供給が止まり、アノード側プレート２２及びカソード側プレート２４の温度は低下していく。ここで、カソード側プレート２４の熱容量はアノード側プレート２２の熱容量に比べて小さいので、カソード側プレート２４は、アノード側プレート２２に比べてより早く温度が低下することとなる。それ故、カソード側は、アノード側に比べて飽和水蒸気量が少なくなり水蒸気分圧が低くなる。従って、水蒸気分圧のより高いカソード側から、水蒸気分圧のより低いアノード側に残留水分が移動することとなる。
【００５１】
なお、温度が低下するに従って、温度差に起因する飽和水蒸気量の差（水蒸気分圧の差）は小さくなるので、残留水分の移動量も少なくなる。そこで、所定温度まで低下して、残留水分の移動量が少なくなったところで前述のステップＳ５２５の処理を実行して、カソード側から残留水分を一気に排出することができる。
【００５２】
以上のように、燃料電池システム１０００では、残留水分をカソード側に移動させて、カソード側を空気で掃気して排水するので、排水処理のために用いる水素ガスの量を抑えることができる。また、排水処理のために必要とする電力は、主として、カソード側の圧力を上昇させるために動作させるエアコンプレッサ２６０のための電力であり、アノード側については排水処理のための電力をほとんど要せず、従って、排水処理に要する電力量を抑えることができる。なお、上述した実施例では、ステップＳ５２５において残留水分を排出する際に、エアコンプレッサ２６０を動作させることはない。従って、ステップＳ５１５の後、カソード側が所定の温度まで低下するまでに長時間を要するようになった場合でも、エアコンプレッサ２６０を動作させずに静粛性を保ったまま排水処理が行える。また、燃料電池システム１０００の運転が完全に止まった状態において、コンプレッサ等を動作させないので、燃料電池システム１０００が備える２次バッテリー（図示省略）の電力を消費することがなく、バッテリー上がりを抑制することもできる。
【００５３】
Ｂ．第２の実施例：
図８は、第２の実施例における残留水分排出処理における残留水分の移動状況を模式的に示す説明図である。上述した第１の実施例では、アノード側とカソード側とで熱容量が異なる部分は、セパレータ（アノード側プレート２２及びカソード側プレート２４）であった。しかしながら、本実施例では、ＭＥＡ部６０’において、アノード側ガス拡散層６０ａ’と、カソード側ガス拡散層６０ｂ’と、で熱容量が異なるように構成されている。
【００５４】
具体的には、アノード側プレート２２’は、カソード側プレート２４と同じ素材であるチタンで製造されており、厚さが同じである。一方、カソード側ガス拡散層６０ｂ’は、アノード側ガス拡散層６０ａ’と同じ素材で製造されているが、アノード側ガス拡散層６０ａ’の厚さに比べて薄くなるように構成されている。他の構成については、図１に示す燃料電池システム１０００と同じである。また、残留水分排出処理の手順も図５に示す手順と同じである。
【００５５】
このように、カソード側ガス拡散層６０ｂ’の厚さが、アノード側ガス拡散層６０ａ’の厚さに比べて薄いと、カソード側ガス拡散層６０ｂ’の熱容量は、アノード側ガス拡散層６０ａ’の熱容量に比べて小さくなる。従って、残留水分は、熱容量のより小さなカソード側ガス拡散層６０ｂ’に移動することとなる。それ故、第１の実施例と同様に、ステップＳ５２５の処理でカソード側圧力を低下させて、残留水分を燃料電池スタック１０の外部に排出することが可能となる。
【００５６】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５７】
Ｃ１．変形例１：
上述した各実施例では、残留水分をカソード側に移動させておいて排水するようにしていたが、カソードに代えて、アノード側に残留水分を移動させるようにしてもよい。この場合、アノード側を熱容量がより小さくなるように構成し、カソード側を熱容量がより大きくなるように構成する。そして、アノード側に圧力を高めるように燃料ガスを封入しておき、所定の温度まで低下したら電磁弁３６０を開放して排水するようにすればよい。このようにすることで、カソード側については掃気を行わずに済むので、エアコンプレッサ２６０の消費電力を抑えることができる。
【００５８】
Ｃ２．変形例２：
上述した第１の実施例では、アノード側プレート２２とカソード側プレート２４とで、異なる素材を用いて厚さを異なるようにして、熱容量が異なるように構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の種々の方法でアノードとカソードとが異なる熱容量を有するように構成することができる。例えば、厚さは同じであって異なる素材を用いることで熱容量を異なるように構成したり、同じ素材を用いるが、厚さが異なるようにすることで熱容量を異なるように構成してもよい。これらの構成であってもアノード側とカソード側とで熱容量を異なるようにすることができるので、熱容量がより小さい側に残留水分を移動させることができる。なお、第２の実施例についても、アノード側ガス拡散層６０ａ’と、カソード側ガス拡散層６０ｂ’とで、厚さを同じとして熱容量が異なる素材を用いるようにして構成してもよい。
【００５９】
Ｃ３．変形例３：
上述した各実施例では、カソード側に移動した残留水分を排出するのに、予めカソード側の圧力を高めて閉じた系として、カソード側温度が所定の温度まで低下したら、カソード側の圧力を低下させて排出していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、これ以外の任意の排水処理を採用することができる。例えば、予めカソード側の圧力を上昇させたり、カソード側を閉じた系とすることなく、カソード側温度が所定の温度まで低下したら、エアコンプレッサ２６０で空気を送って残留水分を吹き飛ばして排出するようにしてもよい。また、空気を用いて掃気するのに代えて、カソード側を吸引することで、残留水分を排出するようにしてもよい。例えば、エアコンプレッサ２６０を通常の発電時とは逆に作動させることでバキュームポンプとして作動させて、カソード側の残留水分を吸引するようにしてもよい。
【００６０】
Ｃ４．変形例４：
上述した各実施例では、カソード側温度を測定して、カソード側温度が所定の温度まで低下した場合に、残留水分を排出するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般に所定の条件が成立したときに排水処理を開始することができる。例えば、ステップＳ５１５においてカソード側を閉じた系としてからの経過時間を測定し、所定時間だけ経過した場合に、残留水分を排出するようにしてもよい。このようにしても、残留水分がカソード側に十分に移動するだけ待って排水処理を行うことができる。
【００６１】
Ｃ５．変形例５：
上述した第１の実施例では、セパレータ２５は、３枚のプレートから成る３層セパレータであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の枚数のプレートから成るセパレータを用いた構成を採用することができる。このようにしても、アノード側のプレートと、カソード側のプレートと、で熱容量を異なるように構成することで、残留水分を熱容量のより小さな一方の極に移動させることが可能となる。
【００６２】
Ｃ６．変形例６：
上述した各実施例では、燃料電池システムは、複数の燃料電池モジュール２０が積層した燃料電池スタック１０を備えるものとしたが、１つの燃料電池モジュール２０のみで構成されるものであってもよい。このような構成であっても、かかる燃料電池モジュール内部の残留水分を十分に排出することができる。
【００６３】
Ｃ７．変形例７：
上述した各実施例では、カソード側についてのみ、残留水分を排出するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード側と共にアノード側についても残留水分を排出し、かつ、カソード側がアノード側に比べてより多量の水分を排出する構成にも適用することができる。具体的には、図５のステップ５２５において、カソード側の残留ガス（残留水分）を排出するのと合わせて、燃料ガスをアノード側に供給して掃気するようにしてもよい。このようにすることで、カソード側については、上述した実施例と同様にアノード側から移動してきた多量の水分を排出することができ、また、アノード側についても、カソード側に移動せずにアノード側に残っている少量の残留水分を排出することができる。また、かかる構成の場合、掃気に用いる燃料ガスの量を、カソード側に残留水分を移動させずに掃気するような従来の構成に比べて少なくすることができる。従って、従来の構成に比べて燃費の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示す燃料電池モジュール２０の詳細構成を示す分解斜視図。
【図３】シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を積層した状態での図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図。
【図４】シール一体型ＭＥＡ２１及びセパレータ２５を積層した状態での図２におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図。
【図５】燃料電池システム１０００における残留水分排出処理の手順を示すフローチャート。
【図６】ステップＳ５１５の処理後のガスの流れを示す説明図。
【図７】残留水分排出処理における残留水分の移動状況を模式的に示す説明図。
【図８】第２の実施例における残留水分排出処理における残留水分の移動状況を模式的に示す説明図。
【符号の説明】
【００６５】
１０…燃料電池スタック
２０…燃料電池モジュール
２２…アノード側プレート
２２…アノード側プレート
２３…中間プレート
２４…カソード側プレート
２５，２５ａ，２５ｂ…セパレータ
３０…水素タンク
４０…ラジエータ
５０…制御ユニット
５１…ＣＰＵ
６０ａ…アノード側ガス拡散層
６０ｂ…カソード側ガス拡散層
６０ｃ…電解質膜
６１…シール部
７０…温度センサ
７５…圧力センサ
８０…気液分離器
２０５…エアフィルタ
２５０ａ，２５０ｂ，３０５，３５０ａ，３５０ｂ，３７０，４５０ａ，４５０ｂ…配管
２６０…エアコンプレッサ
２７０，２８０，３１０，３６０…電磁弁
３４０，４１０…循環ポンプ
１０００…燃料電池システム
２１…シール一体型ＭＥＡ
【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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