(57)【要約】【課題】本発明の課題は、効率よくスタック内部の残留水の除去を図れる燃料電池システムを提供することにある。【解決手段】本発明に関わる燃料電池システム１は、反応ガス入口と反応ガス出口のうちの、重力方向に沿って下側に配置された何れか一方２ｄ11、２ｅ11から、液体をスタック２Ｓ内部のガス流路２ｄ1、２ｅ1に注入する液体注入手段(Ｐu、Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3、Ｂs1、Ｂs2、Ｂs3)と、ガス流路２ｄ1、２ｅ1に注入された液体を反応ガス入口と反応ガス出口のうちの何れか一方２ｄ11、２ｅ11から排出する液体排出手段(Ｂs2、Ｂ7、Ｅ1、Ｂs1、Ｃt、Ｂ2、Ｄ)と、ガス流路２ｄ1、２ｅ1への液体の注入および排出の制御を行う制御手段とを有し、制御手段は、発電停止後に前記液体注入手段によりスタック２Ｓ内のガス流路２ｄ1、２ｅ1に液体を注入後、前記液体排出手段により注入した液体をスタック２Ｓ外部へ排出している。【選択図】図５
2009016295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のスタック内部のガス流路に反応ガスを供給する反応ガス入口と、前記ガス流路から反応ガスを排出する反応ガス出口とを有し、前記スタックに前記反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池システムであって、
前記反応ガス入口と反応ガス出口のうちの、重力方向に沿って下側に配置された何れか一方から、液体を前記スタック内部のガス流路に注入する液体注入手段と、
前記ガス流路に注入された液体を前記反応ガス入口と反応ガス出口のうちの何れか一方から排出する液体排出手段と、
前記ガス流路への液体の注入および排出の制御を行う制御手段とを有し、
前記制御手段は、発電停止後に前記液体注入手段により前記スタック内のガス流路に液体を注入後、前記液体排出手段により注入した液体を前記スタック外部へ排出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段を、さらに有し、
前記制御手段は、発電停止後に前記ガス流路に液体の注入および排出を行った後、前記掃気手段により掃気ガスを用いて前記ガス流路を掃気する制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電により発生した生成水を貯留する生成水貯留手段を、さらに有し、
前記制御手段の制御により前記スタックのガス流路に注入される液体は、前記生成水貯留手段により貯留された生成水を利用する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記生成水貯留手段に貯留される生成水の量を検出する生成水量検出手段を、さらに有し、
前記制御手段は、発電中に前記生成水量検出手段により検出される生成水量が所定量以上に至った場合、該所定量を超えた生成水は貯留させることなく外部に排出する
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】
前記制御手段は、発電停止後に前記液体注入手段による前記スタック内のガス流路への液体の注入を行わない場合、前記掃気手段による前記ガス流路を掃気する制御のみを行う
ことを特徴とする請求項２から請求項４のうちの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記掃気手段による掃気制御のみを行う場合は、前記スタック内のガス流路への液体の注入、排出および排出後の掃気を行う場合に比較し、掃気時間を長く設定した
ことを特徴とする請求項５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、水素と酸素を電気化学反応させ発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素を電気化学反応させ発電する燃料電池を起動させた場合、発電により水が生成する。この生成水が発電後、完全には除去されず、発電を担う単セルが積層されたスタック内部に残留する。
この残留水は、単セルにおけるイオン導電性を有する固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）へのガス供給の妨げとなり、発電性能低下の原因となっている。また、氷点下においては、この残留水が凍結し、残留水の凍結が原因となり、発電面積が低下したり、ＭＥＡの破損を招来し、発電性能低下が問題となっている。
【０００３】
本発明に近い技術として、従来、特許文献１には、燃料電池発電停止時に燃料電池内部を大量のガスで掃気して残留水を除去し、それによって、短時間で燃料電池内部を低温始動時に最適な残留水量にして次回の発電性能を確保するという技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２０８４２２号公報(段落００２８〜００３０、００４６、００４７、および図１、図３等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記したように、燃料電池のスタック内部に残留した生成水は、ＭＥＡへのガス供給の妨げによる発電性能低下の起因となる。また、氷点下においては、残留水の凍結が原因となる発電面積の低下やＭＥＡの破損による発電性能低下が問題となっている。
そこで、従来、残留水を除去するために様々な掃気が行われているが、掃気は掃気ガスの空気を送ることにより残留水を除去することから、掃気で残留水を完全に除去することは困難である。そのため、従来の掃気による方法で除去しきれなかった残留水が、スタック内部に存在してしまう。
【０００５】
また、従来の掃気は、スタック内部の水滴の除去と電解質膜の乾燥の２つの役割がある。
第１の役割のスタック内部の水滴の除去に関して、水滴を除去するには、大量のガスをスタックに投入して水滴を吹き飛ばさないといけないため、エアポンプの騒音が大きく、また、電力が多く消費されるという問題がある。
第２の役割の電解質膜の乾燥に関しては、掃気のガス量は少量であるが、時間が長くか  かるため、多くの電力が消費される。
【０００６】
このように、従来の掃気は、燃費上昇、騒音の発生等、燃料電池の商品性を悪化させる要因であり、特に水滴除去は、電力も多く消費し、騒音の問題もあることから、解決すべき技術課題となっている。
本発明は前記実状に鑑み、効率よくスタック内部の残留水の除去を図れる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明の請求項１に関わる燃料電池システムは、燃料電池のスタック内部のガス流路に反応ガスを供給する反応ガス入口と、ガス流路から反応ガスを排出する反応ガス出口とを有し、スタックに反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池システムであって、反応ガス入口と反応ガス出口のうちの、重力方向に沿って下側に配置された何れか一方から、液体を前記スタック内部のガス流路に注入する液体注入手段と、ガス流路に注入された液体を反応ガス入口と反応ガス出口のうちの何れか一方から排出する液体排出手段と、ガス流路への液体の注入および排出の制御を行う制御手段とを有し、制御手段は、発電停止後に液体注入手段によりスタック内のガス流路に液体を注入後、液体排出手段により注入した液体をスタック外部へ排出している。
【０００８】
本発明の請求項２に関わる燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、ガス流路を掃気ガスで掃気する掃気手段を、さらに有し、制御手段は、発電停止後にガス流路に液体の注入および排出を行った後、掃気手段により掃気ガスを用いてガス流路を掃気する制御を行う。
【０００９】
本発明の請求項３に関わる燃料電池システムは、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、発電により発生した生成水を貯留する生成水貯留手段を、さらに有し、制御手段の制御によりスタックのガス流路に注入される液体は、生成水貯留手段により貯留された生成水を利用する。
【００１０】
本発明の請求項４に関わる燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、生成水貯留手段に貯留される生成水の量を検出する生成水量検出手段を、さらに有し、制御手段は、発電中に生成水量検出手段により検出される生成水量が所定量以上に至った場合、該所定量を超えた生成水は貯留させることなく外部に排出する。
【００１１】
本発明の請求項５に関わる燃料電池システムは、請求項２から請求項４のうちの何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、制御手段は、発電停止後に液体注入手段によるスタック内のガス流路への液体の注入を行わない場合、掃気手段によるガス流路を掃気する制御のみを行う。
【００１２】
本発明の請求項６に関わる燃料電池システムは、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、掃気手段による掃気制御のみを行う場合は、スタック内のガス流路への液体の注入、排出および排出後の掃気を行う場合に比較し、掃気時間を長く設定している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後に、スタックのガスの出入り口を開けて液体を注入することにより、個別に分散して残留していた生成水が、注入した液体に吸収され、また、排出時には注入した液体とともに排出されるため、ガス流路内の生成水排出のための掃気を必要としない。よって、氷点下の燃料電池システムの使用時に発電による生成水の凍結を防止でき、システムの起動性および発電性能を確保することが可能となる。
【００１４】
また、スタックのガスの出入りロを開けて液体を下側から注入することにより、スタック内部全体に液体が行き届く。
また、液体をスタックの下側から注入することにより、液体をスタックの上側から注入した場合に生じるガスと液体を注入する部分が同じであるためにガスが液体の下側にあり液体が入りにくい、また、注入した液体中にガス溜りができるために液体を排出する時に液体がつながって排出されにくく逆に液体が残るという問題を解消できる。
【００１５】
本発明の請求項２の燃料電池システムによれば、スタックのガス流路内の生成水の除去を行った後に、ＭＥＡ、特に電解質膜内には生成水が残溜する可能性があるが、さらに掃気を行うことにより、ＭＥＡの乾燥を促進させることができ、システムの起動性および発電性能を確保することが可能となる。
【００１６】
本発明の請求項３の燃料電池システムによれば、液体として生成水を利用することにより、ガス流路内に残留する生成水排出のための特別な液体を必要とせず、システムの簡素化を図れる。
【００１７】
本発明の請求項４の燃料電池システムによれば、発電中に生成される生成水の量が所定量、例えば、スタックにおける残留水が残る可能性がある部位が水で満たされる量を超える場合はシステム外部に排出を行うため、システム内には所定量の生成水を貯留するだけの容積を確保すれば良く、システムの起動性および発電性能を確保しつつシステムの小型化を図ることが可能である。
【００１８】
本発明の請求項５の燃料電池システムによれば、例えば生成水が所定量溜まっていないときなどの液体によるスタック内に残留する生成水除去が行えない場合でも掃気によりスタック内部の生成水除去を行うため、システムの起動性および発電性能を確保することが可能である。
【００１９】
本発明の請求項６の燃料電池システムによれば、生成水が溜まっていないときなどは該生成水によるスタック内に残留する生成水の除去が行えないため、液体による生成水除去を行った後の掃気に比べ電力消費は増えるが、掃気時間を長くすることにより、生成水除去およびスタック内部の乾燥を行うことが可能となる。よって、システムの起動性および発電性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜燃料電池システム１の概要＞＞
図１は、本発明を適用した燃料電池システム１の構成、および燃料電池システム１の発電時の水素および空気の流れを矢印で示した概念的構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１における燃料電池２は、車両(図示せず)に搭載されたものであり、アノード電極２ｂに燃料ガスの水素が供給されるとともにカソード電極２ｃに空気中の酸素が供給され、水素と酸素との電気化学反応が進行し走行モータ等の負荷(図示せず)へと電流が取り出され、供給された水素および酸素が消費される。
【００２１】
なお、供給された水素及び酸素は、燃料電池２の発電に用いられない場合は消費されることなく、そのまま燃料電池２から排水素、排空気として排出される。
また、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された排水素を、循環流路の配管Ｊ１を通してスタック２Ｓ直前のエゼクタ３を介して、循環し使用している。  
【００２２】
＜＜燃料電池システム１の構成＞＞
燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード電極２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体ＭＥＡ（Membrane  Electrode  Assembly）の両面を導電性のセパレータ２ｄ、２ｅで挟んだ単セルＣ(図３、図４参照)が、多数、例えば、２００枚直列に積層されたスタック２Ｓの構造に形成されている。セパレータ２ｄ、２ｅには後記の水素の通路２ｄ1、空気の通路２ｅ1、冷却水の通路２ｄ2、２ｅ2が形成されており、供給される水素、空気、および冷却水循環装置(図示せず)から供給される冷媒の水が、それぞれ混合しないように通流されている。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池２のアノード電極２ｂに燃料ガスの水素を供給する水素供給路の配管Ｈ1は、水素供給源の水素タンクＨtから、水素の供給・停止を開閉弁制御する遮断弁Ｂ1と、高圧の水素を発電に適した圧力に減圧する減圧弁Ｒと、負圧を利用し水素を循環させるエゼクタ３とを介して、燃料電池２のアノード電極２ｂに接続されている。なお、アノード電極２ｂ直前の水素供給路の配管Ｈ1には、発電に用いられる水素の圧力を測定するための圧力センサＰ1が配設されている。
【００２４】
前記発電に使用されなかった水素を循環するための循環流路の配管Ｊ１は、アノード電極２ｂ側の排出口２ｂ1に接続されるとともに、後記の注水工程に使用される三方弁Ｂs1と、アノード電極２ｂから排出された水素に含有される水分を冷却し凝縮して貯留するキャッチタンクＣtとを介してエゼクタ３に接続されている。
このキャッチタンクＣtには、ドレン用の配管Ｄが接続され、この配管Ｄは、キャッチタンクＣt内に貯留される凝縮水が所定量になった場合にドレンするためのドレン弁Ｂ2を介して、貯蔵タンクＴに接続されている。
【００２５】
この貯蔵タンクＴは、例えば、容量５〜６リットルを有し、水位センサ(図示せず)が配設され、該水位センサで所定水量になったことが検知された場合、排水が行われる。
また、循環流路の配管Ｊ1には、燃料電池２の発電後に窒素、残留水素等の不純物を掃気して排出する際に開弁される掃気弁Ｂ3と、発電前および発電中に発電性能が低下した場合に行われる水素パージ処理時に開弁されるパージ弁Ｂ4とが配設されている。
【００２６】
前記燃料電池２のカソード電極２ｃに空気中の酸素を供給する酸素供給路の配管Ｏ1は、空気供給源のコンプレッサＣから、遮断弁(図示せず)、供給される空気を発電に適した湿度に加湿する加湿器等を介して、カソード電極２ｃに接続されている。なお、カソード電極２ｃ直前の配管Ｏ1には、カソード電極２ｃに供給され発電に使用される空気の圧力を測定するための圧力センサＰ2が配設されている。
図１に示すように、コンプレッサＣに接続される配管Ｏ1には、発電停止後の掃気時に掃気用の空気を、アノード電極２ｂに送るための掃気用の配管Ｓ1が接続されており、この掃気用の配管Ｓ1は、掃気時に開弁し非掃気時には閉弁する掃気弁Ｂ6を介して、エゼクタ３下流の水素供給路の配管Ｈ1に接続されている。
【００２７】
また、発電に使用されなかった空気を燃料電池２のカソード電極２ｃから排出するための空気排出用の配管Ｏ2は、カソード電極２ｃ側の排出口２ｃ1に接続されるとともに、後記の注水工程に用いられる三方弁Ｂs2と、排出される空気を水分交換によって吸湿する加湿器４と、発電に使用される空気を所定圧に保つ背圧弁Ｂ5と、サイレンサ(図示せず)とを介して、車外へ向け延設されている。
この空気排出用の配管Ｏ2に配設される三方弁Ｂs2には、燃料電池２の発電に伴いカソード電極２ｃに生ずる生成水を排出するための排水用の配管Ｅ1が接続されており、この排水用の配管Ｅ1は、遮断弁Ｂ7を介して、貯蔵タンクＴに接続されている。
【００２８】
この排水用の配管Ｅ1には、Ｔ字型継手等を用いて燃料電池２のスタック２Ｓへの注水用の配管Ｃ2が接続されるとともに、前記循環流路の配管Ｊ１に配設される三方弁Ｂs1には、燃料電池２のスタック２Ｓへの注水用の配管Ｃ1が接続されている。
これらの注水用の配管Ｃ1、Ｃ2は、スタック２Ｓへの注水時に開弁される三方弁Ｂs3に接続され、この三方弁Ｂs3には、注水用の配管Ｃ3が接続されており、この注水用の配管Ｃ3は、ポンプＰuを介して、貯蔵タンクＴに接続されている。
前記構成の燃料電池システム１は、制御装置(図示せず)においてＲＯＭ(Read  Only  Memory)に格納される制御プログラムを実行し、該制御装置に圧力センサＰ1、Ｐ2、温度センサ(図示せず)等のセンサ信号が入力されるとともに、該制御装置から制御信号等が前記の各機器に出力されることにより、統括的に制御されている。
【００２９】
＜＜燃料電池システム１の発電モード＞＞
次に、燃料電池システム１の発電時の動作について説明する。
発電時には、水素タンクＨt内の水素が、水素供給路の遮断弁Ｂ1が開弁され配管Ｈ1を通して供給され、減圧弁Ｒによって発電に適した圧力に減圧された後、エゼクタ３を介して燃料電池２のアノード電極２ｂに供給される。一方、コンプレッサＣから供給される空気が、酸素供給路の配管Ｏ1を通して、加湿器４で発電に適した湿度に加湿された後、燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。
このアノード電極２ｂに供給された水素とカソード電極２ｃに供給された空気中の酸素とが、燃料電池２において電気化学反応し発電し、走行モータ等の負荷へ電力が供給されている。
【００３０】
このアノード電極２ｂに供給された水素のうち発電に使用されなかった水素は、アノード電極２ｂ側の排出口２ｂ1から排出され循環流路の配管Ｊ１を通して送られ、三方弁Ｂs1を介してキャッチタンクＣtで含有する水分が凝縮された後にエゼクタ３に送られ、アノード電極２ｂに再び供給され循環されている。
一方、カソード電極２ｃに供給された空気のうち発電に使用されなかった空気は、カソード電極２ｃ側の排出口２ｃ1から排出され空気排出用の配管Ｏ2を通して送られ、開弁された三方弁Ｂs2を介して加湿器４で水分交換によって乾燥された後、背圧弁Ｂ5、サイレンサ(図示せず)介して、車外へ排出されている。
ここで、発電によってカソード電極２ｃにおいてＨ＋イオンと酸素と電子との化学反応によって発生する生成水は、発電性能が低下した場合等に、三方弁Ｂs2および遮断弁Ｂ7が開弁され、配管Ｃ2および排水用の配管Ｅ1を通して貯蔵タンクＴに排出される。
【００３１】
＜＜発電後に燃料電池２内に残留する生成水を除去する残留水除去モード＞＞
次に、燃料電池システム１の発電後に燃料電池２内に残留する生成水を除去する残留水除去モードの制御について、そのフローを示す図２および図３、図４を用いて説明する。なお、図３、図４は、残留水除去モードにおけるスタック２Ｓを構成する各単セルＣ内の状態を示す概念図であり、図３(ａ)は、イグニッション・オフした場合の各単セルＣ内の状態を示している。
図３、図４に示すように、スタック２Ｓを構成する単セルＣは、前記したように、固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体ＭＥＡ(以下、ＭＥＡと称す)の両面を、導電性のセパレータ２ｄ、２ｅで挟んで構成されている。
【００３２】
セパレータ２ｄ、２ｅは、気密性と電子伝導性を合わせ持つ材料を用いて製造されている。
このセパレータ２ｄには、ＭＥＡのアノード電極２ｂに隣接して燃料ガスの水素が通流する水素のガス流路２ｄ1が設けられるとともに、発電によって高温になった単セルＣを冷却するための冷媒が通流する冷媒の流路２ｄ2が設けられている。
また、セパレータ２ｅには、ＭＥＡのカソード電極２ｃに隣接して酸素を含む空気が通流する空気のガス流路２ｅ1が設けられるとともに、発電による反応熱および内部抵抗によるジュール熱により高温になった単セルＣを冷却するための冷媒が通流する冷媒の流路２ｅ2が設けられている。
【００３３】
燃料電池システム１における残留水除去モードは、次のように行われる。
まず、図２のＳ１において、イグニッション・オフしたか否かが判断される。イグニッション・オフしていない場合(図２のＳ１においてＮｏ)、残留水除去モードの制御は行われない。
一方、イグニッション・オフした場合(図２のＳ１においてＹes)、図２のＳ２において、水位センサにより検知される図１に示す貯蔵タンクＴの水量が規定量、貯留しているか否かが判断される。  なお、貯蔵タンクＴの水量は、水位センサを用いることなく発電積算量で推定することも可能である。
【００３４】
ここで、イグニッション・オフした場合、発電が終了し発電によりカソード電極２ｃ側に生ずる生成水が、図1の矢印α0に示すように、三方弁Ｂs2および遮断弁Ｂ7が開弁されて配管Ｏ2、Ｅ1を通して貯蔵タンクＴに排出されるが、図３(ａ)に示すように、燃料電池２の単セルＣ内のＭＥＡおよび水素のガス流路２ｄ1、空気のガス流路２ｅ1には、水滴ｗoが付着し残留している。  
図２のＳ２において、貯蔵タンクＴに所定量の水が貯留していない、すなわち生成水が十分に溜まっていないと判断された場合(図２のＳ２においてＮｏ)、図２のＳ３において、水をスタック２Ｓに注入することなく以下の通常の掃気が行われる。
【００３５】
始めに、燃料電池２のスタックに大量の掃気用ガスの空気を、配管Ｏ1および掃気用の配管Ｓ1を通してアノード電極２ｂに投入するとともに配管Ｏ1を通してカソード電極２ｃに投入して、水滴を吹き飛ばす。
続いて、少量の掃気用ガスの空気を、配管Ｏ1および掃気用の配管Ｓ1を通してアノード電極２ｂに供給するとともに配管Ｏ1を通してカソード電極２ｃに所定時間投入し、ガス流路２ｄ1、２ｅ1およびＭＥＡに残留する水滴の乾燥による除去を行う。なお、この通常の掃気の時間は、後記のスタック２Ｓ内のガス流路２ｄ1、２ｅ1(図３参照)へ水を注入、排水および掃気を行う制御に比較し、掃気用ガスのみを用いてスタック２Ｓ内の残留水を除去する掃気のため、掃気時間がより長く設定される。
【００３６】
一方、図２のＳ２において、貯蔵タンクＴに所定量の水が貯留していると判断された場合(図２のＳ２においてＹes)、図２のＳ４において、スタック２Ｓ内への水の注入が開始される。
図５は、燃料電池２の発電後にスタック２Ｓの下方から水を注入するモードを示す概念的構成図である。
図５の矢印αのように、貯蔵タンクＴに貯留される水が、ポンプＰuにより汲み上げられ、注水用の配管Ｃ3を通して開弁された三方弁Ｂs3に送られる。この三方弁Ｂs3に送られた水は、矢印α11のように注水用の配管Ｃ1を通して三方弁Ｂs1に送られる水と、矢印α21のように配管Ｃ2、Ｅ1を通して三方弁Ｂs2に送られる水とに分流される。
【００３７】
図３(ｂ)は、スタック２Ｓを構成する各単セルＣ内のＭＥＡおよびガス流路２ｄ1、２ｄ2に水が注入される状態を示す概念図である。
図５に示すように、三方弁Ｂs1まで送られた水は、矢印α12のように循環流路の配管Ｊ1を通して、図３(ｂ)に示すように、各単セルＣのアノード電極２ｂ側の水素のガス流路２ｄ1のガス入口またはガス出口のうちの下方の口２ｄ11からガス流路２ｄ1に注水される。
一方、三方弁Ｂs2に送られた水は、矢印α22のように配管Ｏ2を通して、図３(ｂ)に示すように、各単セルＣのカソード電極２ｃ側の空気のガス流路２ｅ1のガス入口または出口のうちの下方の口２ｅ11からガス流路２ｅ1に注水される。
【００３８】
このように、スタック２Ｓのガスの出入りロを開け、水を下から注水することによりスタック２Ｓ内のガスが注水される水の上側に位置し、各単セルＣのＭＥＡへも水素のガス流路２ｄ1と空気のガス流路２ｅ1に注水された水が浸透し、水没した水素のガス流路２ｄ1、空気のガス流路２ｅ1、およびＭＥＡ内に個別に付着し存在していた水滴ｗ0が注水した水と表面張力によりくっつき、ひとつの水ｗ1の塊とされる。
なお、スタック２Ｓにおけるガス入口側(図３(ｂ)の上側)から水を注水した場合、ガスの比重が水より軽いことからガスの抜ける場所が上にしかなく、水が注入しにくい。また、注入したとしても注水した水の中にガスの溜りができてしまい、排水する時に表面張力による水の引っ張り効果がなくなってしまう。そのため、本実施形態では、スタック２Ｓにおけるガス出口側となる下方側から水を注入するため、このような問題は発生しない。
【００３９】
続いて、図２のＳ５において、スタック２Ｓ内部に注入した水の量が規定容量になったか否か判断される。なお、この規定容量は、スタックＳの内部容量から導かれ、例えば、固体高分子電解質膜２ａが水で埋まる程度等の発電に支障がない量、例えばスタック２Ｓ全容量の８割程度等が適宜、設定される。また、スタック２Ｓ内部に注入した水の量は、水位センサ(図示せず)をスタック２Ｓに設けたり、或いは、スタック２Ｓ容量およびポンプＰuの稼働時間等から算出できる。
スタック２Ｓ内部に注入した水の量が、規定容量に達していない場合(図２のＳ５においてＮo)、図２のＳ４におけるスタック２Ｓ内への水の注入が継続される。
【００４０】
一方、スタック２Ｓ内部に注入した水ｗ１の量が、図３(ｃ)に示すように、規定容量に達した場合(図２のＳ５においてＹes)、図２のＳ６において、ポンプＰuが停止制御され、貯蔵タンクＴ内の水を汲み上げることが停止されるとともに、三方弁Ｂs3を閉弁し注水用の配管Ｃ3の流路が閉塞される。なお、図３(ｃ)は、スタック２Ｓを構成する各単セルＣ内のＭＥＡおよびガス流路２ｄ1、２ｅ1に水の注入を完了した状態、すなわち単セルＣを積層したスタック２Ｓに水の注入を完了した状態を示す概念図である。
ここで、スタック２Ｓ内部に注入した水の量が規定容量に達した場合、水没したＭＥＡへも水素のガス流路２ｄ1と空気のガス流路２ｅ1に注水された水が浸透し、スタック２Ｓ内部の規定容量の全体に水が行き届き、水素のガス流路２ｄ1、空気のガス流路２ｅ1、およびＭＥＡ内に個別に付着し存在していた水滴ｗ0などの生成水が表面張力により全てくっつき、規定容量のひとつの水ｗ1の塊として存在する。
【００４１】
続いて、図２のＳ７において、スタック２Ｓ内に注水した水の排出が、図３(ｄ)に示すように、スタック２Ｓの下から抜くことにより行われる。なお、図３(ｄ)は、スタック２Ｓを構成する各単セルＣ内の水を排出する状態を示す概念図である。また、図６は、燃料電池２の発電後にスタック２Ｓに注入した水を排出するモードを示す概念的構成図である。
制御手段は、ガス流路２ｄ1、２ｅ1に注入された水を反応ガス入口と反応ガス出口のうち、重力方向に沿って下側に配置された一方のガス出入口２ｄ11、２ｅ11から水の排出を行う。注水された水を下から抜くようにしたため、水が重力により自然に排出されるため、水排出のための特別な装置を必要としない。
【００４２】
このように、スタック２Ｓ内の水を下から抜くため、図６に示すように、三方弁Ｂs1を開弁して循環流路の配管Ｊ１が挿通されるとともにドレン弁Ｂ2が開弁され、アノード電極２ｂ側の水素のガス流路２ｄ1内の水ｗ1およびＭＥＡの水ｗ1が、矢印β11のように三方弁Ｂs1を介して循環流路の配管Ｊ１を通ってキャッチタンクＣt内に排水される。そして、キャッチタンクＣt内に排水された水は、矢印β12のようにドレン弁Ｂ2を介してドレン用の配管Ｄを通って貯蔵タンクＴに排水される。なお、ドレン弁Ｂ2は、キャッチタンクＣt内の水位が所定値に至った場合にのみ開弁してキャッチタンクＣt内の水を貯蔵タンクＴに排水してもよい。
【００４３】
同時に、カソード電極２ｃ側の三方弁Ｂs2および遮断弁Ｂ7を開弁してカソード電極２ｃ側の排出口２ｃ1から排水用の配管Ｅ1への流路を挿通させ、図３(ｄ)、図６に示すように、カソード電極２ｃ側の空気のガス流路２ｅ1内の水ｗ1およびＭＥＡ内の水ｗ1が、矢印β21のように三方弁Ｂs2を介して排水用の配管Ｅ1へ流れ、矢印β22のように遮断弁Ｂ７を介して貯蔵タンクＴに排水される。
前記の如く、スタック２Ｓ内の水ｗ１、すなわち単セルＣ内の水ｗ１を下から抜くことにより、スタック２Ｓ内へ投入した水とスタック２Ｓ内に残留水とが表面張力で引っ張り合いながら排出される(図３(ｄ)参照)。
【００４４】
このように、燃料電池２のスタック２Ｓへの水の注入時には、ポンプＰｕを使用して行われ、注入した水の排出時には、自然排水により行われるため、排水用の機器を必要とすることはない。なお、排水用の機器を用いてスタック２Ｓのガス流路２ｄ1、２ｅ1に注入された水をスタック２Ｓ上方から抜くように構成することも可能である。
続いて、図２のＳ８において、スタック２Ｓ内の水の排出時間が所定時間に至ったか否かが判断される。この水の排出に用いる所定時間は、スタック２Ｓから水が完全に除去でき抜け切れる時間であり、予め実験結果から決定されている。
水の排出時間が所定時間に至ってない場合(図２のＳ８においてＮo)、図２のＳ７におけるスタック２Ｓ内の水の排出が継続される。
【００４５】
一方、図２のＳ８において水の排出時間が所定時間に至ったと判断された場合(図２のＳ８においてＹes)、図２のＳ９において、ドレン用の配管Ｄのドレン弁Ｂ2、排水用の配管Ｅ1の遮断弁Ｂ７、三方弁Ｂs1、Ｂs2が閉弁され、スタック２Ｓ内の水の排出が終了される。
図４(ａ)は、スタック２Ｓを構成する各単セルＣ内のＭＥＡおよびガス流路２ｄ1、２ｅ1の水の排出を完了した状態を示す概念図である。
水をスタック２Ｓの下から抜くことにより、スタック２Ｓ内の残留水と投入した水とが表面張力で引っ張り合いながら排出されるため、図４(ａ)に示すように、ガス流路２ｄ1、２ｅ1内のすべての水滴が除去され、ガス流路２ｄ1、２ｅ1内の水の残留は無くなる。
【００４６】
続いて、図２のＳ１０において、図２のＳ７〜Ｓ９でスタック２Ｓ内の水を排出しきったことから、スタック２Ｓ内の固体高分子電解質膜２ａを含むＭＥＡを適度に乾燥させるため、小流量の空気でアノード電極２ｂ側およびカソード電極２ｃ側の両極掃気を行う。
図４(ｂ)は、スタック２Ｓを構成する各単セルＣ内の後記の掃気を開始した状態を示す概念図であり、図７は、発電後にスタックに注入した水を排出した後に行われる掃気モードを示す概念的構成図である。
この両極掃気に際しては、図７に示すように、アノード電極２ｂ側にコンプレッサＣからの掃気用の空気を送るため、掃気用の配管Ｓ1の掃気弁Ｂ6を開弁するとともに、水素タンクＨｔからの水素の供給を遮断するため、水素供給路の配管Ｈ1の遮断弁Ｂ1を閉弁する。そして、循環流路の配管Ｊ１を三方弁Ｂs1を開弁して挿通状態にするとともに、掃気後の空気を車外に排出可能とするため掃気弁Ｂ3を開弁する。一方、カソード電極２ｃ側の掃気後の掃気用空気を排出可能とするため、空気排出用の配管Ｏ2の三方弁Ｂs2を開弁する。
【００４７】
そして、コンプレッサＣを低速制御し、コンプレッサＣから掃気用の小流量の空気を矢印γのように送る。
この矢印γで表される空気は、分流され、その一方の空気は、矢印γ11のように掃気用の配管Ｓ1を掃気弁Ｂ6を介して流れスタック２Ｓのアノード電極２ｂ側を掃気し、他方の空気は、矢印γ21のように酸素供給路の配管Ｏ1を流れスタック２Ｓのカソード電極２ｃ側を掃気する。
【００４８】
前記矢印γ11で示される一方の空気は、掃気用の配管Ｓ1を掃気弁Ｂ6を介して流れた後、エゼクタ３下流の水素供給路の配管Ｈ1を流れスタック２Ｓのアノード電極２ｂ側に供給され、図４(ｂ)に示すように、水素のガス流路２ｄ1を矢印γ12のように流れスタック２Ｓの各単セルＣ内のアノード電極２ｂ側の水素のガス流路２ｄ1を小流量の空気で掃気する。そして、スタック２Ｓのアノード電極２ｂ側を掃気した後の空気は、図７の矢印γ13に示すように、アノード電極２ｂ側の排出口２ｂ1から排出され、循環流路の配管Ｊ１を三方弁Ｂs1およびキャッチタンクＣtを介して流れ、開弁された掃気弁Ｂ3を通って排出される。
【００４９】
一方、図７に示すように、分流された他方の空気は、矢印γ21のように酸素供給路の配管Ｏ1を流れ、スタック２Ｓのカソード電極２ｃ側に供給され、図４(ｂ)に示すように、各単セルＣ内の空気のガス流路２ｅ1を矢印γ22のように流れ、カソード電極２ｃ側の空気のガス流路２ｅ1を小流量の空気で掃気する。
そして、スタック２Ｓのカソード電極２ｃ側を掃気した後の空気は、図７の矢印γ23に示すように、カソード電極２ｃ側の排出口２ｃ1から排出され、空気排出用の配管Ｏ2を三方弁Ｂs2、加湿器４、および背圧弁Ｂ5を介して流れ、車外に排出される。
【００５０】
図４(ａ)に示すように、この掃気開始時において、スタック２Ｓ内の各単セルＣのＭＥＡの水滴ｗ0以外にアノード電極２ｂ側の水素のガス流路２ｄ1およびカソード電極２ｃ側の空気のガス流路２ｅ1には水は存在しないため、水素のガス流路２ｄ1および空気のガス流路２ｅ1を、図４(ｂ)に示すように、小流量の空気で掃気し、ＭＥＡ内に存在する過剰な水分を除去し、スタック２Ｓ内部を最適な湿度環境まで乾燥させる。
続いて、図２のＳ１１において、掃気時間が所定時間に達したか否かが判断される。なお、この掃気の所定時間は、スタック２Ｓ内部が最適な湿度環境になるまでの時間であり、予め実験結果から決定されている。
掃気時間が所定時間に達していない場合(図２のＳ１１においてＮo)、図２のＳ１０の掃気が継続して行われる。
【００５１】
一方、図２のＳ１１において掃気時間が所定時間に達したと判断された場合(図２のＳ１１においてＹes)には、図４(ｃ)に示すように、スタック２Ｓの各単セルＣ内は、最適な湿度環境に乾燥させられている。なお、図４(ｃ)は、スタック２Ｓを構成する各単セルＣ内の掃気を完了した状態を示す概念図である。
そして、図２のＳ１２において、コンプレッサＣの運転が停止されるとともに、掃気用の空気を供給するための掃気弁Ｂ6、掃気後の空気を排出するための掃気弁Ｂ3、および三方弁Ｂs1、Ｂs2が閉弁され、掃気が終了する。
以上が、燃料電池システム１における残留水除去モードの制御である。
【００５２】
前記構成によれば、燃料電池２の発電停止後に、スタック２Ｓの水素、空気のガスの出入り口を開けて水を下方から注入することにより、スタック２Ｓ内で個別に残留していた水滴を含む生成水が注入した水に吸収される。また、水の排出時には注入した水とともに残留する生成水が排出されるため、ガス流路２ｄ1、２ｅ1内の生成水排出のための掃気を必要としない。さらに、従来の掃気用のガスによる掃気のみでは、除去しきれなかった残留水を除去することができる。
【００５３】
また、大流量の掃気ガスを送る掃気が必要なくなるため、コンプレッサＣの回転数を少なくでき、大幅に消費電力を抑えることが可能であり、騒音も抑制できる。そのため、燃料電池システム１の性能向上が図れる。
また、低温時に凍ってしまい、発電の妨げになる残留水を除去することが可能であり、低温始動時の発電性能の低下を防止できる。さらに、残留水が凍り、ＭＥＡが破損することを防止することができ、燃料電池システム１の耐久性向上を図れる。
また、スタック２Ｓ内に注入する水に、発電に伴う生成水を用いることにより、追加の機器が必要なく、簡素な構成が可能である。
【００５４】
なお、前記実施形態においては、発電後にスタック２Ｓ内に残留する水分を除去するため、全スタック２Ｓ内に同時に下方から水を注入し残留する水分を除去する場合を例示して説明したが、全スタック２Ｓを幾つかのグループに分けてこのグループ毎に交替に注水を行ってもよい。この場合、各グループ毎に注水用の配管を設けるが、全スタック２Ｓ内に同時に水を注入する場合に比較し、スタック２Ｓを分割したグループ毎に注水するため、注入する水量を少なくすることができる。
【００５５】
また、前記実施形態においては、図５〜図７に示すように、貯蔵タンクＴに貯留する水を、一つのポンプＰuにより汲み上げ一本の注水用の配管Ｃ3を通した後に、スタック２Ｓ内のアノード電極２ｂ側とカソード電極２ｃ側とに分流して、それぞれ注入する場合を例示したが、スタック２Ｓ内のアノード電極２ｂ側とカソード電極２ｃ側への注水を、それぞれ別のポンプで貯蔵タンクＴ内の水を汲み上げ、別の配管を用いて注水することも可能である。この場合、スタック２Ｓのカソード電極２ｃ側に注入する配管に、発電による生成水を排水するための配管Ｅ1を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態に関わる燃料電池システムの構成およびその発電時の水素および空気の流れを矢印で示した概念的構成図である。
【図２】実施形態の燃料電池システムの残留水除去モードの制御フローを示す図である。
【図３】(ａ)はイグニッション・オフした場合のスタックを構成する各単セル内の状態を示す概念図であり、(ｂ)はスタックを構成する各単セル内のＭＥＡおよびガス流路に水が注入される状態を示す概念図であり、(ｃ)はスタックを構成する各単セル内のＭＥＡおよびガス流路に水の注入が完了した状態を示す概念図であり、および(ｄ)はスタックを構成する各単セル内の水を排出する状態を示す概念図である。
【図４】(ａ)はスタックを構成する各単セル内のＭＥＡおよびガス流路の水の排出を完了した状態を示す概念図であり、(ｂ)はスタックを構成する各単セル内の掃気を開始した状態を示す概念図であり、および(ｃ)はスタックを構成する各単セル内の掃気を完了した状態を示す概念図である。
【図５】燃料電池システムにおいて燃料電池の発電後にスタックの下方から水を注入するモードを示す概念的構成図である。
【図６】燃料電池システムにおいて燃料電池の発電後にスタックに注入した水を排出するモードを示す概念的構成図である。
【図７】燃料電池システムにおいて発電後にスタックに注入した水を排出した後に行われる掃気モードを示す概念的構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
２ｄ1  水素のガス流路
２ｄ11、２ｅ11  ガス出入口(下側に配置された反応ガス出入口)
２ｅ1  空気のガス流路
２Ｓ    スタック
Ｂ2    ドレン弁(液体排出手段)
Ｂ3、Ｂ6    掃気弁(掃気手段)
Ｂ7    遮断弁(液体排出手段)
Ｂs1、Ｂs2  三方弁(液体注入手段、液体排出手段)
Ｂs3    三方弁(液体注入手段)
Ｃ      コンプレッサ
Ｃ1、Ｃ2、Ｃ3  注水用の配管(液体注入手段)
Ｃt    キャッチタンク(液体排出手段)
Ｄ      ドレン用の配管(液体排出手段)
Ｅ1    排水用の配管(液体注入手段、液体排出手段)
Ｊ１    循環流路の配管(液体排出手段、掃気手段)
Ｈ1    水素供給路の配管(掃気手段)
Ｏ1    酸素供給路の配管(掃気手段)
Ｏ2    空気排出用の配管(液体排出手段、掃気手段)
Ｐu    ポンプ(液体注入手段)
Ｓ1    掃気用の配管(掃気手段)
Ｔ      貯蔵タンク(生成水貯留手段)
【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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