JP2008181768A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス流路から水分を排出する場合には、より高圧の燃料ガスを燃料ガス流路に供給するようにして、水分を効果的に排出することができ、燃料極への燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができるようにする。
【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第１燃料供給管路と、前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料排出管路と、定常運転時において燃料ガス流路内の水詰まりが発生したか否かを判断し、水詰まりが発生した場合、より高圧の燃料ガスを第１燃料ガス流路に供給する制御装置とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

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、乗用カート、荷物用カート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、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

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燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、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。

そして、固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質膜の少なくとも一方を湿潤な状態に維持する必要があるので、燃料極側及び酸素極側に水を供給するようになっている。この場合、水分は、燃料極側から酸素極側に向けてプロトン同伴水として移動し、酸素極側から燃料極側に向けて逆拡散水として移動する。

ところが、燃料極側において水分が停滞すると、水素ガス流路が塞（ふさ）がれてしまい、燃料極に水素ガスが供給されず、燃料電池の性能が低下してしまう。そこで、間欠的に水素ガスの排気を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、水素ガスとともに水分を水素ガス流路から排出することができる。
特開２０００−２４３４１７号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、排気圧力が低いので、水分を水素ガス流路から完全に排出することができなかった。一般的に、燃料電池システムの定常運転時には、水素ガス流路に多量に水素ガスを供給する必要はなく、発電のために消費された分の水素ガスを補う程度の量を供給すればよいので、水素ガス流路には、比較的低圧の水素ガスが供給されるようになっている。そのため、間欠的に水素ガスの排気を行う際にも、比較的低圧の水素ガスが水素ガス流路に供給されるので、該流路内に停滞した水分を供給された水素ガスの圧力によって効果的に排出することができなかった。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料ガス流路から水分を排出する場合には、より高圧の燃料ガスを燃料ガス流路に供給するようにして、水分を効果的に排出することができ、燃料極への燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止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。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第１燃料供給管路と、前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料排出管路と、定常運転時において燃料ガス流路内の水詰まりが発生したか否かを判断し、水詰まりが発生した場合、より高圧の燃料ガスを第１燃料ガス流路に供給する制御装置とを有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記第１燃料供給管路に配設され、燃料ガス供給源からの燃料ガスを減圧する燃料圧力調整弁と、該燃料圧力調整弁をバイパスするように前記第１燃料供給管路に接続され、より高圧の燃料ガスを供給するための第２燃料供給管路と、該第２燃料供給管路に配設され、燃料ガス流路に停滞した水分を吹き飛ばせるような圧力に設定されたバイパス弁とを有し、前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記バイパス弁を開放する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料排出管路は、燃料ガス流路に接続された第１燃料排出管路、一端が第１燃料排出管路に接続され他端が燃料供給管路の途中に接続された第２燃料排出管路、及び、一端が第１燃料排出管路に接続され他端が大気に連通する第３燃料排出管路を含み、前記第２燃料排出管路には燃料循環弁が配設され、前記第３燃料排出管路には燃料排出弁が配設され、前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記燃料循環弁を閉止し、燃料排出弁を開放する。

請求項１の構成によれば、水分を効果的に排出することができる。そして、燃料極への燃料ガスの供給が阻害されることがなく、燃料電池スタックの性能低下を防止することができる。

請求項２の構成によれば、燃料ガス流路から水分を排出する際に、バイパス弁を開放するだけで、より高圧の燃料ガスを燃料ガス流路に供給することができる。

請求項３の構成によれば、燃料ガス流路から水分を排出する際に、燃料循環弁を閉止し、燃料排出弁を開放するだけで、燃料ガス流路からの水分を効果的に排出することができる。

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。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、２０は、本実施の形態における燃料電池システムの燃料電池（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、パワーウィ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、動力源としての燃料電池スタック２０と蓄電手段としてのキャパシタとを併用して使用する。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての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燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図示されない複数のセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスの流路としての水素ガス流路とカソードガスの流路としての空気流路とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。

そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極で構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。

図１には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置が示されている。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２０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、燃料貯蔵手段５３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、該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２０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。この場合、前記燃料電池スタック２０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。

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ガス供給源としての燃料貯蔵手段５３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３燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２１には、圧力センサ２７、燃料圧力調整弁２５及び燃料供給電磁弁としての水素供給弁２６が配設される。また、燃料圧力調整弁２５をバイパスする第２燃料供給管路としてのバイパス管路２４にはバイパス弁としての水素高圧供給弁２９が配設されている。さらに、前記第３燃料供給管路３３には安全弁３３ａが配設される。なお、前記圧力センサ２７及び水素供給弁２６の数は任意に設定することができる。また、前記燃料貯蔵手段５３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。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第１燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０外に排出される。前記第１燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク６０が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク６０には水と分離された水素ガスを排出する第２燃料排出管路３０が接続され、該第２燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には燃料循環弁としての水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク６０と反対側の端部は、第３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２０外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク６０には、第３燃料排出管路５６が接続され、該第３燃料排出管路５６には燃料排出弁としての水素排気電磁弁６２が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路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、第３燃料排出管路５６の出口端は排気マニホールド５１に接続され、排出された水素を空気で希釈させる。

さらに、前記第２燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、他端が前記第３燃料排出管路５６に接続された第４燃料排出管路５６ａが接続されている。そして、該第４燃料排出管路５６ａには、燃料電池スタック２０内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁６２ａが配設されている。また、前記第２燃料排出管路３０には、外気導入電磁弁３５及びエアフィルタ３７が接続され、燃料電池スタック２０の停止時に外気を導入することができるようになっている。

ここで、前記燃料圧力調整弁２５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、前記燃料圧力調整弁２５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。

また、前記水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ及び外気導入電磁弁３５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、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路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。

一方、酸化剤としての空気は、図示されない酸化剤供給源としての空気供給ファンから、吸気マニホールド５４を通って、燃料電池スタック２０の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。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、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド５１及び凝縮器５２を通って大気中へ排出される。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは、図示されない制御装置を有する。該制御装置は、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２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記燃料圧力調整弁２５、水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ、外気導入電磁弁３５等の各種の弁等の動作を制御する。さらに、前記制御装置は、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と連携して、燃料電池スタック２０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。

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。まず、停止状態から起動する起動運転における動作について説明する。

まず、車両の運転者がイグニッションスイッチをＯＮにすると、制御装置に起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。なお、起動前の状態において、水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９、水素循環電磁弁３４、水素排気電磁弁６２及び減圧水素排出弁６２ａは閉じている。また、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内には、水素ガスの置換ガスとしての空気が充満している。

そして、前記制御装置は、まず、空気供給ファンを作動させ、燃料電池スタック２０の空気流路に空気を供給する。続いて、水素排気電磁弁６２を開き、減圧水素排出弁６２ａを開き、吸引循環ポンプ３６をＯＮにして作動させ、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内の空気を排出する。なお、外気導入電磁弁３５は閉じている。

続いて、前記制御装置は、水素高圧供給弁２９を開き、水素供給弁２６を開き、所定時間経過するまで待機する。そして、所定時間経過すると、水素高圧供給弁２９を閉じ、更に所定時間経過するまで待機する。

続いて、所定時間経過すると、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路内からの空気の排出が完了して燃料ガス流路内に水素ガスが充満したと判断することができるので、前記制御装置は、水素排気電磁弁６２を閉じ、減圧水素排出弁６２ａを閉じる。そして、水素圧力が所定値を超えると、水素循環電磁弁３４を開き、燃料電池スタック２０外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用する。

また、前記制御装置は、水素循環電磁弁３４を開いた後、燃料電池電圧が所定値を超えたか否かを判断し、燃料電池電圧が所定値を超えると、定常運転の処理に移行し、起動運転の処理を終了する。

ここで、燃料電池システムが定常運転を行っている場合、水素高圧供給弁２９が閉じているので、燃料貯蔵手段５３から供給された高圧の水素ガスは、バイパス管路２４を通過することなく、図１において矢印で示されるように、燃料圧力調整弁２５を通過することによって減圧され、第３燃料供給管路３３を介して、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給される。そのため、燃料電池スタック２０の各部が高圧の水素ガスによって破損する恐れがない。

また、水素排気電磁弁６２、減圧水素排出弁６２ａ及び外気導入電磁弁３５が閉じ、水素循環電磁弁３４が開いているので、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路から排出された水素ガスは、図１において矢印で示されるように、吸引循環ポンプ３６によって吸引されることによって、第１燃料排出管路３１、水回収ドレインタンク６０、第２燃料排出管路３０及び水素循環電磁弁３４を通過して、第３燃料供給管路３３に導入され、再び燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給され、再利用される。

一方、燃料電池システムが起動運転を行う場合には、燃料貯蔵手段５３から供給された高圧の水素ガスは、燃料圧力調整弁２５を通過しないので減圧されることがなく、バイパス管路２４を通過して、高圧のままで、第３燃料供給管路３３を介して、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給される。そのため、燃料ガス流路内に充満している空気を速やかに水素ガスで置き換えることができる。なお、水素ガスは、水素供給弁２６、水素高圧供給弁２９等の弁や第１燃料排出管路３１、第３燃料供給管路３３等の管路を通過する際の抵抗により、燃料電池スタック２０の各部を破損することがない程度の高圧に抑制されているので、燃料電池スタック２０の各部が破損することはない。さらに、第３燃料供給管路３３には安全弁３３ａが配設されているので、該安全弁３３ａのリリーフ圧を適正に設定することによって、高圧の水素ガスによる燃料電池スタック２０の各部の破損を確実に防止することができる。

燃料電池スタック２０の運転中には、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル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を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極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内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路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２０に接続された第１燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、第１燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入される。比較的広い空間を備える該水回収ドレインタンク６０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、第２燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク６０外に排出され、前述のように、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第３燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。

次に、定常運転時に燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作を示す図、図３は本発明の実施の形態における燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

定常運転時において、制御装置は、所定の周期、例えば、１００〔ｍｓｅｃ〕毎に、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に水分の停滞があるか否か、すなわち、水素極水詰まりの有無を検知し（ステップＳ１）、水分によって燃料ガス流路が塞がれたか否か、すなわち、水素極内に水詰まりが発生したか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、水分によって燃料ガス流路が塞がれたか否かは、例えば、特開２００６−３０２７７６号公報等に記載されているように、燃料電池スタック２０を構成する各単位セルの電圧の測定値によって判断することができる。そして、水分によって燃料ガス流路が塞がれていない場合には処理を終了し、前述の動作を繰り返す。

また、水分によって燃料ガス流路が塞がれている場合、制御装置は、循環電磁弁閉の動作を行い、水素循環電磁弁３４を閉じる（ステップＳ３）。続いて、制御装置は、排気電磁弁開の動作を行い、水素排気電磁弁６２を開く（ステップＳ４）。続いて、制御装置は、起動電磁弁開の動作を行い、水素高圧供給弁２９を開く（ステップＳ５）。なお、排気電磁弁開の動作及び起動電磁弁開の動作は、ほぼ同時に行われてもよいが、燃料電池スタックの破損を防ぐためにも、１００〔ｍｓｅｃ〕程度の間隔を開けて、排気電磁弁開の動作、起動電磁弁開の動作の順に、順次行われるようにすることが望ましい。

これにより、燃料貯蔵手段５３から供給された高圧の水素ガスは、燃料圧力調整弁２５を通過しないので減圧されることがなく、図２において矢印で示されるように、バイパス管路２４を通過して、高圧のままで、第３燃料供給管路３３を介して、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給される。そのため、燃料ガス流路に停滞していた水分は、高圧の水素ガスによって吹き飛ばされ、燃料ガス流路の外へ確実に排出される。

この場合、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給される水素ガスは、定常運転時に燃料ガス流路に供給される水素ガスよりも高圧ではあるが、起動運転時に燃料ガス流路に供給される水素ガスと同等の圧力である。したがって、燃料電池スタック２０の各部を破損することがない程度の高圧に抑制されているので、燃料ガス流路に停滞していた水分を吹き飛ばすために供給された水素ガスによって、燃料電池スタック２０の各部が破損することはない。さらに、第３燃料供給管路３３には安全弁３３ａが配設されているので、該安全弁３３ａのリリーフ圧を適正に設定することによって、高圧の水素ガスによる燃料電池スタック２０の各部の破損を確実に防止することができる。

また、燃料ガス流路から排出された水分は、水素ガスとともに、第１燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク６０内に導入され、水素循環電磁弁３４が閉じ、水素排気電磁弁６２を開いているので、図２において矢印で示されるように、第３燃料排出管路５６を通って、排気マニホールド５１に導入される。そして、前記水分及び水素ガスは、燃料電池スタック２０の空気流路から排出された空気によって希釈され、大気中へ排出される。

続いて、制御装置は、起動電磁弁閉の動作を行い、水素高圧供給弁２９を閉じる（ステップＳ６）。続いて、制御装置は、排気電磁弁閉の動作を行い、水素排気電磁弁６２を閉じる（ステップＳ７）。最後に、制御装置は、循環電磁弁開の動作を行い、水素循環電磁弁３４を開き（ステップＳ８）、処理を終了する。なお、起動電磁弁閉、排気電磁弁閉及び循環電磁弁開の動作は、ほぼ同時に行われてもよいが、燃料電池スタックの破損を防ぐためにも、１００〔ｍｓｅｃ〕程度の間隔を開けて、起動電磁弁閉の動作、排気電磁弁閉の動作、循環電磁弁開の動作の順に、順次行われるようにすることが望ましい。

このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路が水分によって塞がれると、燃料圧力調整弁２５を通過しないので減圧されることがなく、図２において矢印で示されるように、燃料貯蔵手段５３から供給された高圧の水素ガスをバイパス管路２４を通過させ、燃料圧力調整弁２５を通過させずに、前記燃料ガス流路に供給するようになっている。これにより、該燃料ガス流路に停滞していた水分を高圧の水素ガスによって吹き飛ばすことにより、燃料ガス流路の外へ効果的に排出することができる。

また、それとともに、水素循環電磁弁３４を閉じて水素排気電磁弁６２を開くので、水素ガスとともに燃料ガス流路から排出された水分を、第３燃料排出管路５６を通して、大気中に排出することができる。

したがって、燃料電池スタック２０の燃料極への水素ガスの供給が燃料ガス流路に停滞する水分によって阻害されることがなく、燃料電池スタック２０の性能低下を防止することができる。

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。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料ガス流路から水分を排出する場合の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２０ 燃料電池スタック
２１ 第１燃料供給管路
２４ バイパス管路
２５ 燃料圧力調整弁
２９ 水素高圧供給弁
３０ 第２燃料排出管路
３１ 第１燃料排出管路
３３ 第３燃料供給管路
３４ 水素循環電磁弁
５３ 燃料貯蔵手段
５６ 第３燃料排出管路
６２ 水素排気電磁弁

Claims (3)

1. 電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
   前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第１燃料供給管路と、
   前記燃料ガス流路から燃料ガスを排出する燃料排出管路と、
   定常運転時において燃料ガス流路内の水詰まりが発生したか否かを判断し、水詰まりが発生した場合、より高圧の燃料ガスを第１燃料ガス流路に供給する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１燃料供給管路に配設され、燃料ガス供給源からの燃料ガスを減圧する燃料圧力調整弁と、
   該燃料圧力調整弁をバイパスするように前記第１燃料供給管路に接続され、より高圧の燃料ガスを供給するための第２燃料供給管路と、
   該第２燃料供給管路に配設され、燃料ガス流路に停滞した水分を吹き飛ばせるような圧力に設定されたバイパス弁とを有し、
   前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記バイパス弁を開放する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料排出管路は、燃料ガス流路に接続された第１燃料排出管路、一端が第１燃料排出管路に接続され他端が燃料供給管路の途中に接続された第２燃料排出管路、及び、一端が第１燃料排出管路に接続され他端が大気に連通する第３燃料排出管路を含み、
   前記第２燃料排出管路には燃料循環弁が配設され、
   前記第３燃料排出管路には燃料排出弁が配設され、
   前記制御装置は、前記燃料ガス流路から水分を排出する際に、前記燃料循環弁を閉止し、燃料排出弁を開放する請求項１に記載の燃料電池システム。

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