JP3589221B2

JP3589221B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3589221B2
Application number: JP2001378903A
Authority: JP
Inventors: 和男齋藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: JP2003178791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学反応により水を生じる燃料電池システムにおいて、排水性能を向上させた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池内のガス通路に過剰に水が存在する状態（以下水詰まりと呼ぶ）となると、ガス供給の抵抗となり燃料電池の発電効率が低下する。
【０００３】
これを防止する為、例えば特開平１１−１６２４８９号公報においては、燃料ガスと燃料電池を冷却して循環する冷却水との間で熱交換可能な熱交換器を設置し、起動時の冷却水の流れを前記熱交換器に切り替えることにより、加湿されて昇温した燃料ガスを燃料電池に供給される前に、まだ冷えている燃料電池の温度である冷却水と熱交換して降温させ、余分な水蒸気を凝縮させて、燃料電池内で凝縮することを防ぐ方法が取られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来例においては、起動するときに含まれる水蒸気が凝縮することを防ぐのみで、その前の運転停止時に燃料電池内に残っていた水蒸気が燃料電池温度の低下に伴って凝縮する、あるいは同様に燃料電池出入口配管部に残っていた水蒸気が凝縮し、起動時に燃料電池内に流れ込んで水詰まりを発生させるといったことに対しては防止効果を持っていないため、起動時に初めから存在する凝縮水により水詰まりが起こって急激なセル電圧低下を招き、所望の出力が取り出せず、最悪の場合セル電圧の低下から燃料電池を保護するためシステムを停止させなければならなくなるという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、運転時の凝縮水や生成水のみならず、起動前に存在する凝縮水も排出可能として、水詰まり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である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との少なくとも一方のガス通路に、水を一時貯留する水溜まり部と、前記ガス通路内の水を前記水溜まり部に誘導する水誘導手段と、前記水溜まり部の水を排水する排水弁と、前記排水弁の下流の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、該圧力検出手段が検出した前記排水弁の開弁時の圧力変動に基づいて前記ガス通路内の水の量を推定することを要旨とする。
【０００７】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記排水弁の開度、開弁時間、開弁間隔の少なくとも一つを調整することを要旨とする。
【０００８】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料電池本体から取り出す電力を所定値以下に制限することを要旨とする。
【０００９】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流量を調整することを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記排水弁の下流にタンクを設け、前記圧力検出手段は、前記タンク内の圧力を検出することを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、起動時に前記燃料電池本体からの電力取出し前に前記排水弁を開けて、前記水溜まり部の水を排水することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体は複数のセルを積層したスタックを備え、前記ガス通路は、各セルを貫通するマニホールドと、各セル内電極面に形成されるガス流路と、マニホールドと各セル内電極面に形成されるガス流路を連通させる接続孔とを備え、前記水誘導手段は前記マニホールド下面に設けた前記水溜まり部に向かって低下していく傾斜であることを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため請求項８記載の発明は、請求項７記載の燃料電池システムにおいて、前記マニホールドの下面を、前記接続孔の下端部よりも低くしたことを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため請求項９記載の発明は、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記接続孔下端部に前記マニホルドに向かって低下していく傾斜を設けたことを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため請求項１０記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記水溜まり部は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス配管の前記燃料電池本体への接続部近傍に設けたことを要旨とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との少なくとも一方のガス通路に、水を一時貯留する水溜まり部と、前記ガス通路内の水を前記水溜まり部に誘導する水誘導手段と、前記水溜まり部の水を排水する排水弁と、前記排水弁の下流の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、該圧力検出手段が検出した前記排水弁の開弁時の圧力変動に基づいて前記ガス通路内の水の量を推定するようにしたので、前回の停止時に残った水蒸気が凝縮してガス通路に溜まった凝縮水や、運転中の凝縮水及び生成水を、水誘導手段により水溜まり部に誘導して、排水弁から排水できるようになり、運転中のみならず停止中のガス通路の水詰まりを防止し、燃料電池の始動を容易とするとともに、セル電圧の安定した運転が可能となるとともに、個別の水溜まり部にそれぞれ水量検出手段を設けることなく、各排水弁の下流に共通に設けた圧力検出手段により、水の排出量に応じて排水弁下流の圧力が変化することを利用して水の量を推定することができるという効果がある。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記排水弁の開度、開弁時間、開弁間隔の少なくとも一つを調整するようにしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、無駄な開弁を抑制し、効果的な排水ができるという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料電池本体から取り出す電力を所定値以下に制限するようにしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、凝縮水の排出完了までは電力の取り出しを所定値以下に制限し、生成水の増加抑制、或いは発電効率低下時の無理な電力取出しによる燃料電池の損傷を防止することができるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流量を調整するようにしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、水の量が多い時にはガス流量を多くして水を吹き飛ばすといった制御が可能になるという効果がある。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記排水弁の下流にタンクを設け、前記圧力検出手段は、前記タンク内の圧力を検出するようにしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、排水弁下流の圧力の検出が容易になり、水の量の推定がし易くなるという効果がある。
【００２３】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、起動時に前記燃料電池本体からの電力取出し前に前記排水弁を開けて、前記水溜まり部の水を排水するようにしたので、請求項１ないし請求項５記載の発明の効果に加えて、燃料電池本体内部、あるいはこれに接続するガス配管で凝縮した水を予め排出してしまうことができるようになり、起動後、より短時間で所望の出力を取り出し可能となるという効果がある。
【００２４】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体は複数のセルを積層したスタックを備え、前記ガス通路は、各セルを貫通するマニホールドと、各セル内電極面に形成されるガス流路と、マニホールドと各セル内電極面に形成されるガス流路を連通させる接続孔とを備え、前記水誘導手段は前記マニホールド下面に設けた前記水溜まり部に向かって低下していく傾斜としたので、請求項１ないし請求項６記載の発明の効果に加えて、簡単な構成で水誘導にエネルギーを消費することなく、重力により自動的に水溜まり部へ水誘導することができるという効果がある。
【００２５】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の燃料電池システムにおいて、前記マニホールドの下面を、前記接続孔の下端部よりも低くしたので、請求項７記載の発明の効果に加えて、マニホールド内の水は電極面に入り難く、また電極面の水はマニホールドに排出され易くなり、水詰まり防止性能を向上させることができるという効果がある。
【００２６】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の燃料電池システムにおいて、前記接続孔下端部に前記マニホルドに向かって低下していく傾斜を設けたことにより、水詰まり防止性能をさらに向上させることができるという効果がある。
【００２７】
請求項１０記載の発明によれば、請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記水溜まり部は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス配管の前記燃料電池本体への接続部近傍に設けたことにより、スタック内の凝縮水及び生成水を遠くまで運ぶ必要が無く、水排出時間を短縮するという効果がある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する燃料電池スタック１の斜視図である。
【００２９】
図１において、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体である燃料電池スタック１は、それぞれ固体高分子電解質膜と燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）及び酸化剤ガスが供給されるカソード（酸化剤極）を備える燃料電池セル（以下、単にセルと呼ぶ）２を複数積層して構成されている。
【００３０】
複数のセル２は、両端を２枚のエンドプレート３により挟まれ固定されている（図１では一方の端部のみを図示する）。またこのエンドプレート３に対して、燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管４，燃料ガスを排気する燃料ガス排気配管５，酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給配管６，空気を排気する空気排気配管７，冷却剤を供給する冷却剤供給配管８，冷却剤を排出する冷却剤排出配管９がそれぞれ接続されている。
【００３１】
また、燃料ガス供給配管４、燃料ガス排気配管５、空気供給配管６、空気排気配管７のそれぞれのエンドプレート３への接続部には、これらの配管中、または燃料電池スタック１から凝縮または生成される凝縮水及び生成水を一時溜める水溜まり部１０が設けられ、水溜まり部１０には電気信号により開閉する排水弁である電磁弁１１を介して排水管１２が接続され、水溜まり部１０に溜まった水を排水できるようになっている。
【００３２】
そして、図示しない燃料ガス供給手段から燃料ガスが燃料ガス供給配管４へ供給され、図示しない酸化剤ガス供給手段としてのコンプレッサから空気供給配管６へ空気が供給される。燃料ガス供給手段としては、例えば高圧水素タンク等の燃料タンクから減圧器を介して水素ガスを供給するものが考えられる。
【００３３】
このような燃料電池システムにおいては、高分子膜が十分な湿潤状態にないと陽子交換膜としての機能を発揮できないため、膜に対して何らかの加湿方法がとられる。そのうちでもっとも一般的な方法は、燃料ガスのみ、あるいは燃料ガス及び空気ともに図示しない加湿手段により十分な水蒸気を含有させてから燃料電池に供給するという方法である。これにより高分子膜は十分な水を供給されて陽子交換膜としての機能を発揮する。
【００３４】
図２は、本発明の燃料電池セル２に使用されているバイポーラプレートのアノード（ａ）、カソード（ｂ）の各流路の一例を示した図である。
【００３５】
図２（ａ）のアノード流路において、噛み合わされた２つの櫛状の隔壁によって細い燃料ガス流路が電極面２１に形成されている。積層されたセル２を貫通する内部マニホールド２０ａから電極面入口（接続孔）２１ａを介して燃料ガスが供給され、電極面出口（接続孔）２１ｂを介して燃料ガスが内部マニホールド２０ｃへ排出されるようになっている。
【００３６】
また、ガスの供給排出を行う内部マニホールド２０ａ、２０ｃが縦に長く形成され、かつ電極面への出入口である接続孔２１ａ、２１ｂは、それぞれ内部マニホールド２０ａ、２０ｃの上部のみに接続して、内部マニホールドの下面が接続孔下端部よりも低くなっている。
【００３７】
また接続孔２１ａ、２１ｂの下面部には、電極面出入口から内部マニホールド２０ａ、２０ｃに向かって傾斜Ａがついているため、内部マニホールド２０ａ、２０ｃ内で凝縮した水は電極面２１へ流れ込みにくく、かつ電極面２１で凝縮した水は内部マニホールド２０ａ、２０ｃへ排出されやすくなっている。
【００３８】
同様に図２（ｂ）のカソード流路において、噛み合わされた２つの櫛状の隔壁によって細い空気流路が電極面２２に形成されている。積層されたセル２を貫通する内部マニホールド２０ｂから電極面入口（接続孔）２２ａを介して空気が供給され、電極面出口（接続孔）２２ｂを介して空気が内部マニホールド２０ｄへ排出されるようになっている。
【００３９】
また、ガスの供給排出を行う内部マニホールド２０ｂ、２０ｄが縦に長く形成され、かつ電極面への出入口である接続孔２２ａ、２２ｂは、それぞれ内部マニホールド２０ｂ、２０ｄの上部のみに接続して、内部マニホールドの下面が接続孔下端部よりも低くなっている。
【００４０】
また接続孔２２ａ、２２ｂの下面部には、電極面出入口から内部マニホールド２０ｂ、２０ｄに向かって傾斜Ａがついているため、内部マニホールド２０ｂ、２０ｄ内で凝縮した水は電極面２２へ流れ込みにくく、かつ電極面２２で凝縮した水は内部マニホールド２０ｂ、２０ｄへ排出されやすくなっている。
【００４１】
図３はガス配管及び内部マニホールドの断面図である。図３に示すように、各セル２の内部マニホールド２０は、ガスの入口に向かって穴径を徐々に広げることにより、内部マニホールド２０の下面に傾斜をつけている。これにより、各ガス配管４，５，６，７のエンドプレート３取付部には、燃料電池スタック１近傍で最も低くなるように設置された水溜まり部１０にスムーズに凝縮水・生成水が流れる構成となっている。また水溜まり部１０の下方には電磁弁１１が設置されて、その動作により水溜まり部１０の水の排水管１２を介して排出するようになっている。
【００４２】
図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態における制御系の構成を示すシステム構成図である。図４において、水溜まり部１０の下方に設置された電磁弁１１の下流では、各排水管１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、空気系と燃料ガス系にそれぞれ結合して、空気系の排水管１２ｅと燃料ガス系の排水管１２ｆとなり、それぞれ空気側水タンク１３，燃料ガス側水タンク１４へ接続する。
【００４３】
これらの水タンク１３，１４の内部は、更に下流に接続された配管により電磁弁１１が閉じている時には大気圧となっており、ガスの溜まる空間でそれぞれ圧力センサ１５によりタンク内圧を検知するようになっている。圧力センサ１５で検知された圧力は制御装置１６に入力され、その圧力に応じて起動時の運転条件が決定される。
【００４４】
ここで空気側水タンク１３に溜まった水は回収され、再度加湿水等に用いられることが可能である。
【００４５】
図５は、水の排出量と水タンク内圧との関係を示したタイムチャート図である。排水弁である電磁弁１１を周期的に開いて排出される水の量が多いと、タンク内の体積に対して流入する水の量が相対的に小さいため、水タンク内圧には大きな圧力変化がおきない。そして余分な水の排出が終わった場合には、電磁弁１１の開時に燃料ガス及び空気が流入する割合が増えるため、圧力変化が大きくなる。これによって起動時の凝縮水の排出が完了したかどうかを判断することができる。
【００４６】
図６は、水タンク内圧と電磁弁１１を開く周期である電磁弁開周期の関係を示したタイムチャート図である。
【００４７】
図４にある制御装置１６は、空気側水タンク１３または燃料ガス側水タンク１４の内圧がＰｌ未満であると凝縮水が多く残っていると判断し、電磁弁１１を最短の周期Ｔｍｉｎで開閉させるとともに、燃料電池スタック１の出力を所定値Ｌｐ以下になるよう制限する。水タンクの内圧がＰｌ以上になった場合、その内圧値に応じて電磁弁１１の開周期ＴをＴａ，Ｔｂ，…，と順次長くするとともに、燃料電池スタック１の出力制限をＬｐ２（Ｌｐ２＞Ｌｐ）以下となるよう緩和する。水タンクの内圧がＰｈを超えると余分な凝縮水の排出が終わったと判断し、電磁弁１１の開周期を最長の値であるＴｍａｘに設定する。
【００４８】
図８は、上記電磁弁開周期制御の制御フローチャートを示した図である。まず、ステップＳ１０において、燃料電池を起動するために、バッテリ等の電源がＯＮして制御装置に電源供給が開始される。次いで、ステップＳ１２で、開周期Ｔを最短周期にして、排水用の電磁弁１１の動作を開始し、前回停止時以降に燃料電池内部に凝縮した凝縮水の排水を開始する。ステップＳ１４で燃料電池スタックに対する燃料ガス、空気の供給を開始するとともに、冷却剤の循環を開始する。次いで、ステップＳ１６で燃料電池スタックから出力取出を開始し、ステップＳ１８で燃料電池本体の温度やガス供給圧力等に基づいて、燃料電池の通常運転が可能か否かを判定し、可能であれば通常運転の制御へ移る。通常運転が可能でなければ、ステップＳ２０で、圧力センサ１５が検出した水タンク１３，１４の内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌより低いか否かを判定する。内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌより低ければ、ステップＳ２２で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Ｌｐ［ｋＷ］以下に制限し、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最短周期として、ステップＳ１８へ戻る。
【００４９】
ステップＳ２０の判定で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌ以上であれば、ステップＳ２４で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈより低いか否かを判定する。内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈより低ければ、ステップＳ２６で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Ｌｐ２［ｋＷ］以下に制限し、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを内圧Ｐを用いて、Ｔ＝Ｐ×ａ＋ｂ（ａ，ｂは適当な定数）の周期として、ステップＳ１８へ戻る。ステップＳ２４の判定で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈ以上であれば、ステップＳ２８で、内圧Ｐによる燃料電池スタックからの出力制限を無くし、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最長周期として、ステップＳ１８へ戻る。
【００５０】
なお、空気側水タンク１３と、燃料ガス側水タンク１４の内圧を判定する圧力設定値Ｐｌ、Ｐｈは、燃料ガス中の水素ガス濃度設計値、ガス通路の形状、排水管の形状、水タンクの容量、等により、通常一致せず、異なることが多い。この場合には、個別の水タンク毎に圧力センサ１５の検出値と、それぞれ設定されたＰｌ，Ｐｈと比較し、空気系の配管に設けられた排水用の電磁弁１１と、燃料ガス系の配管に設けられた排水用の電磁弁１１を系統毎に制御する。
【００５１】
さらに、上記フローチャートでは、電磁弁の開周期Ｔを変更する構成としたが、同様に弁の開度を変更（周期を短くする＝開度を大きくする、周期を長くする＝開度を小さくする）あるいは弁の開時間を変更（周期を短くする＝開度を大きくする、周期を長くする＝開度を小さくする）する構成としても良い。
【００５２】
また、起動時に排水用の電磁弁１１を全て開き、燃料電池スタックから出力を取り出さずにガスを供給する凝縮水排出モードを行うことで、凝縮水の排出をより促進させ、より速やかに燃料電池スタックから所望の出力を取り出せるようにすることができる。
【００５３】
このときの制御フローチャートを図９に示す。まず、ステップＳ３０において、燃料電池を起動するために、バッテリ等の電源がＯＮして制御装置に電源供給が開始される。次いで、ステップＳ３２で、排水用の電磁弁１１を全て開状態に保持し、前回停止時以降に燃料電池内部に凝縮した凝縮水の排水をする。ステップＳ３４で燃料電池スタックに対する燃料ガス、空気の所定量の供給を開始するとともに、冷却剤の循環を開始し、この状態を所定時間保持する。次いで、ステップＳ３４で所定時間が経過すると、ステップＳ３６で、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最短周期とする。ステップＳ３８で、燃料電池スタックに供給する燃料ガス及び空気の流量を起動時流量に設定し、燃料電池スタックからの出力取出を保留する。
【００５４】
次いでステップＳ４０で、燃料電池スタックから出力取出を開始し、ステップＳ４２で燃料電池本体の温度やガス供給圧力等に基づいて、燃料電池の通常運転が可能か否かを判定し、可能であれば通常運転の制御へ移る。通常運転が可能でなければ、ステップＳ４４で、圧力センサ１５が検出した水タンク１３，１４の内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌより低いか否かを判定する。内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌより低ければ、ステップＳ４６で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Ｌｐ［ｋＷ］以下に制限し、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最短周期として、ステップＳ４２へ戻る。
【００５５】
ステップＳ４４の判定で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌ以上であれば、ステップＳ４８で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈより低いか否かを判定する。内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈより低ければ、ステップＳ５０で、燃料電池スタックの出力を出力制限値Ｌｐ２［ｋＷ］以下に制限し、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを内圧Ｐを用いて、Ｔ＝Ｐ×ａ＋ｂ（ａ，ｂは適当な定数）の周期として、ステップＳ４２へ戻る。ステップＳ４８の判定で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈ以上であれば、ステップＳ５２で、内圧Ｐによる燃料電池スタックからの出力制限を無くし、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最長周期として、ステップＳ４２へ戻る。
【００５６】
図７は、通常運転時にも排水用の電磁弁１１を使用して水詰まりを抑制する場合の運転例を示している。電磁弁１１の動作としては起動時とほぼ同じであるが、水詰まり解消運転モードに入ることが異なる。水詰まり解消運転モードとしては、燃料ガス、空気流量を増加させてガスの利用率を低下させることで水を吹き飛ばして水つまりを解消することができる。
【００５７】
このときのフローチャートを図１０に示す。まず、ステップＳ６０において、通常運転状態から運転停止するか否かを判定し、運転停止であれば、終了する。運転停止でなければ、ステップＳ６２で、圧力センサ１５が検出した水タンク１３，１４の内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌより低いか否かを判定する。内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌより低ければ、ステップＳ６４で、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最短周期とし、ステップＳ６６で燃料ガス及び空気の流量を増加させて（このとき、ガス利用率はｃ％低下する）、ステップＳ６０へ戻る。
【００５８】
ステップＳ６２の判定で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｌ以上であれば、ステップＳ６８で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈより低いか否かを判定する。内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈより低ければ、ステップＳ７２で、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを内圧Ｐを用いて、Ｔ＝Ｐ×ａ＋ｂ（ａ，ｂは適当な定数）の周期に設定し、ステップＳ７４で燃料ガス及び空気の流量を増加させて（このとき、ガス利用率はｄ％低下する）、ステップＳ６０へ戻る。
【００５９】
ステップＳ６８の判定で、内圧Ｐが圧力設定値Ｐｈ以上であれば、ステップＳ７０で、排水用の電磁弁１１の開周期Ｔを最長周期とし、燃料ガス及び空気の流量を通常流量に戻して、ステップＳ６０へ戻る。
【００６０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する。上記第１実施形態では水溜まり部、電磁弁をエンドプレート外部の供給ガス配管取付部近傍に設ける構成であったが、第２実施形態では、エンドプレートの内部に水溜まり部を設けた例を説明する。
【００６１】
図１１，１２に示すように、第２実施形態では、エンドプレートの内部に水溜まり部３１を設けた水溜まり部付エンドプレート３０とし、このエンドプレート３０に電磁弁を一まとめにした電磁弁ブロック３２を取り付ける構造としている。本実施形態によれば、燃料電池スタックを小型化できるとともに、機械的強度を向上させることができる。
【００６２】
尚、上記の各実施形態以外に、マニホールド下面の水溜まり部への傾斜もマニホールド自体を傾斜させる構成や、スタック自体を傾斜させて設置するなどの方法により構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する燃料電池スタック１の斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池セル２に使用されているバイポーラプレートのアノード（ａ）、カソード（ｂ）の各流路の一例を示した図である。
【図３】第１実施形態におけるガス配管及び内部マニホールドの断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施形態における制御系の構成を示すシステム構成図である。
【図５】水の排出量と水タンク内圧との関係を示したタイムチャート図である。
【図６】水タンク内圧と電磁弁１１を開く周期である電磁弁開周期の関係を示したタイムチャート図である。
【図７】通常運転時に排水用の電磁弁１１を使用して水詰まりを抑制する運転例を示すタイムチャート図である。
【図８】実施形態における起動時の電磁弁開周期の制御フローチャートを示した図である。
【図９】実施形態における起動時の電磁弁開周期の制御フローチャートを示した図である。
【図１０】通常運転時にも排水用の電磁弁を使用して水詰まりを抑制する場合の制御フローチャートを示した図である。
【図１１】第２実施形態におけるガス配管及び内部マニホールドの断面図である。
【図１２】第２実施形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…セル
３…エンドプレート
４…燃料ガス供給配管
５…燃料ガス排気配管
６…空気供給配管
７…空気排気配管
８…冷却材供給配管
９…冷却材排出配管
１０…水溜まり部
１１…電磁弁（排水弁）
１２…排水管

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池本体と、
該燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体の燃料ガス通路と酸化剤ガス通路との少なくとも一方のガス通路に、
水を一時貯留する水溜まり部と、
前記ガス通路内の水を前記水溜まり部に誘導する水誘導手段と、
前記水溜まり部の水を排水する排水弁と、
前記排水弁の下流の圧力を検出する圧力検出手段と、
を備え、
該圧力検出手段が検出した前記排水弁の開弁時の圧力変動に基づいて前記ガス通路内の水の量を推定することを特徴とする燃料電池システム。
前記ガス通路内の水の量に応じて、前記排水弁の開度、開弁時間、開弁間隔の少なくとも一つを調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料電池本体から取り出す電力を所定値以下に制限することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記ガス通路内の水の量に応じて、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの少なくとも一方のガス流量を調整することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記排水弁の下流にタンクを設け、
前記圧力検出手段は、前記タンク内の圧力を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
起動時に前記燃料電池本体からの電力取出し前に前記排水弁を開けて、前記水溜まり部の水を排水することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記燃料電池本体は複数のセルを積層したスタックを備え、
前記ガス通路は、
各セルを貫通するマニホールドと、
各セル内電極面に形成されるガス流路と、
マニホールドと各セル内電極面に形成されるガス流路を連通させる接続孔とを備え、
前記水誘導手段は前記マニホールド下面に設けた前記水溜まり部に向かって低下していく傾斜であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記マニホールドの下面を、前記接続孔の下端部よりも低くしたことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
前記接続孔下端部に前記マニホルドに向かって低下していく傾斜を設けたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
前記水溜まり部は、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスのガス配管の前記燃料電池本体への接続部近傍に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の燃料電池システム。