JP2009009886A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、スタックの電解質膜の乾燥を防止でき、起動時に所望の電力を得ることができるようにした燃料電池を提供する。
【解決手段】スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器６６，８２と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器７０，８４と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク７２，８６と、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路７４，９０を備えると共に、凝縮水流出路７４，９０において凝縮水の流出を遮断する（第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２）。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池に関し、より具体的には、スタックの電解質膜の乾燥を防止し、起動時に所望の電力を得ることができるようにした燃料電池に関する。

従来より、スタックから排出されるアノードオフガスなどに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成し、その凝縮水を発電動作で使用される水として利用するようにした燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の技術にあっては、凝縮水を燃料電池を冷却する冷却水として利用するように構成している。
特開２００２−１４１０９５号公報（段落００２０，００２１、図１など）

ところで、固体高分子型の燃料電池は、スタックを構成する電解質膜の含水量が低下すると発電効率が低下する。そのため、燃料電池が運転しているときは、例えば湿度交換器やバブラなどの加湿器を作動させて電解質膜を加湿している。しかしながら、燃料電池の運転が停止されるときは加湿器も作動しないため、例えば停止状態が長時間にわたって継続される場合、電解質膜は含水量が徐々に低下して乾燥してしまう。

電解質膜が乾燥した状態で燃料電池を起動させると、通常の発電動作が行われないおそれがある。具体的には、燃料電池においては電圧が低下しないように電流値を制限しつつ発電が行われると共に、電解質膜を含水量が正常な値になるまで加湿器で加湿し、その後通常の発電動作に切り換えるようにしている。このように、電解質膜が乾燥すると、燃料電池の起動時において通常の発電動作が行われず、所望の電力を得ることができないという不具合が生じる。そのため、燃料電池の停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、電解質膜の乾燥を防止できることが望ましいが、上記した特許文献１記載の技術は、それについて何等対策するものではなかった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、スタックの電解質膜の乾燥を防止でき、起動時に所望の電力を得ることができるようにした燃料電池を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路と、前記凝縮水流出路に設けられて前記凝縮水の流出を遮断する遮断手段とを備えるように構成した。

請求項２にあっては、前記遮断手段は、遮断弁とトラップ管のいずれかからなるように構成した。

請求項３にあっては、前記遮断手段の下流に前記凝縮水を貯留する改質水タンクを備えるように構成した。

請求項１に係る燃料電池にあっては、スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路と、凝縮水流出路に設けられて凝縮水の流出を遮断する遮断手段とを備えるように構成したので、燃料電池の運転が停止されたとき、凝縮水タンクからの凝縮水の流出を遮断し、凝縮水タンクと凝縮水流出路（正確には、凝縮水流出路であって遮断手段よりも上流側の部位）に凝縮水を貯留することが可能となる。この凝縮水タンクや凝縮水流出路はスタックの電解質膜に繋がっているため、燃料電池の停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、凝縮水タンクなどに貯留された凝縮水と接触する湿潤なガスがスタックの電解質膜にも接触することとなり、よって電解質膜にあっては含水量が低下し難くなって乾燥を防止することができる。また、燃料電池においては、電解質膜が乾燥していないため、起動時に通常の発電動作を行うことができ、所望の電力を得ることができる。

請求項２に係る燃料電池にあっては、遮断手段は、遮断弁とトラップ管のいずれかからなるように構成したので、比較的簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。また、遮断手段としてトラップ管を用いる場合、動作の制御などが必要な遮断弁に比して構成を複雑化させることがない。

請求項３に係る燃料電池にあっては、遮断手段の下流に凝縮水を貯留する改質水タンクを備えるように構成したので、上記した効果に加え、凝縮水タンクの凝縮水を改質水として使用（利用）することができる。また、燃料電池の起動時、凝縮水の流出の遮断を解除して凝縮水を改質水タンクに流出させる（供給する）ことも可能となり、それによって例えば改質水タンクの水が蒸発して少なくなった場合であっても、外部から純水を補給する必要がない。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成されたスタック（いずれも図示せず）などを有する、公知の固体高分子型燃料電池である。

燃料電池１０は、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２と、アノード極にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１４と、燃料電池１０で発生する電力を制御する電力制御系１６を備える。

カソードガス供給系１２は、カソードガスを供給するカソードガス供給路２０と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスを外部に排出（排気）させるカソードオフガス排出路２２を備える。カソードガス供給路２０には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２４が接続される。また、カソードガス供給路２０とカソードオフガス排出路２２の途中には加湿器２６が配置され、そこでカソードガスはカソードオフガスなどによって加湿される。

アノードガス供給系１４は、改質燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）と水蒸気を改質触媒（図示せず）で水素を含有したアノードガスに改質する改質器３０と、改質器３０と燃料電池１０を接続してアノードガスを燃料電池１０のスタックに供給する第１のアノードガス供給路３２ａと、燃料電池１０と改質器３０の燃焼バーナ（後述）を接続して燃料電池１０のスタックから排出されるアノードオフガスを燃焼バーナに供給するアノードオフガス供給路３４を備える。

改質器３０は、改質燃料供給源（図示せず）の改質燃料を供給する改質燃料供給路３６と、一端が改質に使用される純水（以下「改質水」という）を貯留する改質水タンク３８に接続され、改質水タンク３８の改質水を供給する改質水供給路４０を有する。改質燃料供給路３６には、改質燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器４２が設けられる。一方、改質水供給路４０には、改質水を改質器３０に圧送する送水ポンプ４４と、送水ポンプ４４の下流側において改質水に含まれる不純物を除去するイオンフィルタ４６と、イオンフィルタ４６の下流側において改質水供給路４０を開閉する第１の遮断弁５０が設置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。

また、改質器３０は、加熱燃料（例えば都市ガス）と空気を燃焼させて改質触媒などを加熱する燃焼バーナ３０ａを備える。燃焼バーナ３０ａには、燃焼用の空気（以下「燃焼空気」という）などを供給する燃焼空気供給路５２が接続される。燃焼空気供給路５２には、空気を燃焼空気として圧送する燃焼空気ポンプ５４が設けられると共に、燃焼空気ポンプ５４の下流側には、燃焼空気に加熱燃料を供給する加熱燃料供給路５６が接続される。改質器３０はさらに、燃焼バーナ３０ａでの燃焼によって発生する燃焼排ガスを外部に排出（排気）させる燃焼排ガス排出路６０が接続される。

第１のアノードガス供給路３２ａには、第１のアノードガス供給路３２ａとアノードオフガス供給路３４を連通させる第２のアノードガス供給路３２ｂが接続される。第２のアノードガス供給路３２ｂには、第２のアノードガス供給路３２ｂを開閉する第２の遮断弁（電磁弁）６２が介挿される。第２の遮断弁６２は、非通電時に閉弁し、燃料電池１０において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されて開弁し、アノードガスを第２のアノードガス供給路３２ｂを介してアノードオフガス供給路３４に供給する。

第１のアノードガス供給路３２ａにおいて第２のアノードガス供給路３２ｂの接続位置よりも下流側には、第１のアノードガス供給路３２ａを開閉する第３の遮断弁６４が介挿され、その下流側には、アノードガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成するアノードガス凝縮器（凝縮器）６６と、アノードガス凝縮器６６で凝縮された凝縮水をアノードガスから分離するアノードガス気液分離器（気液分離器）７０が接続される。

アノードガス凝縮器６６には、アノードガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路６６ａが接続され、これによりアノードガスは冷却水によって冷却されて水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このように、アノードガス凝縮器６６はアノードガスを冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器として機能する。

アノードガス気液分離器７０には、分離された凝縮水を貯留するアノードガス凝縮水タンク（凝縮水タンク）７２が接続される。このように、凝縮水が貯留されるべきアノードガス凝縮水タンク７２の内部空間が、アノードガス気液分離器７０、第１のアノードガス供給路３２ａを介して燃料電池１０のスタックの電解質膜に繋がるように（連通するように）構成される。

アノードガス凝縮水タンク７２の適宜位置には、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上であることを検知する水量センサ７２ａが設けられる。水量センサ７２ａは、アノードガス凝縮水タンク７２の水量が所定値以上であるときにオン信号を出力し、所定値未満であるときにオフ信号を出力する。

アノードガス凝縮水タンク７２には、貯留された凝縮水を前記した改質水タンク３８に流出させるアノードガス凝縮水流出路（凝縮水流出路）７４が接続される。また、アノードガス凝縮水流出路７４の途中には、アノードガス凝縮水流出路７４を開閉して凝縮水の流出を遮断する第４の遮断弁（遮断手段）７６が設けられると共に、第４の遮断弁７６の下流側には、凝縮水を貯留する改質水タンク３８が接続される。従って、アノードガスに含まれる水分をアノードガス凝縮器６６で凝縮させて得られる凝縮水は、アノードガス気液分離器７０、アノードガス凝縮水タンク７２、アノードガス凝縮水流出路７４および第４の遮断弁７６を介して改質水タンク３８に供給され、改質水として貯留される。

アノードオフガス供給路３４には、アノードオフガス供給路３４を開閉する第５の遮断弁８０が介挿される。第５の遮断弁８０と前述した第１、第３の遮断弁５０，６４はいずれも電磁弁からなり、燃料電池１０の非運転時にアノードガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１０の運転終了時に全て閉弁されているものとする。

アノードオフガス供給路３４において第５の遮断弁８０より下流側には、アノードオフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成するアノードオフガス凝縮器（凝縮器）８２と、アノードオフガス凝縮器８２で凝縮された凝縮水をアノードオフガスから分離するアノードオフガス気液分離器（気液分離器）８４が接続される。

このアノードオフガス凝縮器８２とアノードオフガス気液分離器８４は、上記したアノードガス凝縮器６６とアノードガス気液分離器７０と略同様に構成される。具体的に説明すると、アノードオフガス凝縮器８２には、アノードオフガスを冷却する冷却水を供給する冷却水供給路８２ａが接続され、これによりアノードオフガスは冷却水によって冷却されて水分が凝縮し、凝縮水が生成される。このように、アノードオフガス凝縮器８２はアノードオフガスを冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器として機能する。

アノードオフガス気液分離器８４には、分離された凝縮水を貯留するアノードオフガス凝縮水タンク（凝縮水タンク）８６が接続される。このように、凝縮水が貯留されるべきアノードオフガス凝縮水タンク８６の内部空間が、アノードオフガス気液分離器８４、アノードオフガス供給路３４、アノードオフガス凝縮器８２および第５の遮断弁８０を介して燃料電池１０のスタックの電解質膜に繋がるように（連通するように）構成される。

アノードオフガス凝縮水タンク８６の適宜位置には、水量センサ８６ａが設けられる。水量センサ８６ａは、アノードオフガス凝縮水タンク８６の水量が所定値以上であるときにオン信号を出力し、所定値未満であるときにオフ信号を出力する。

アノードオフガス凝縮水タンク８６には、貯留された凝縮水を改質水タンク３８に流出させるアノードオフガス凝縮水流出路（凝縮水流出路）９０が接続される。また、アノードオフガス凝縮水流出路９０の途中には、アノードオフガス凝縮水流出路９０を開閉して凝縮水の流出を遮断する第６の遮断弁（遮断手段）９２が設けられると共に、第６の遮断弁９２の下流側には改質水タンク３８が接続される。従って、アノードオフガスに含まれる水分をアノードオフガス凝縮器８２で凝縮させて得られる凝縮水は、アノードオフガス気液分離器８４、アノードオフガス凝縮水タンク８６、アノードオフガス凝縮水流出路９０および第６の遮断弁９２を介して改質水タンク３８に供給され、改質水として貯留される。

尚、第６の遮断弁９２と上記した第４の遮断弁７６はいずれも電磁弁からなり、対応する水量センサ７２ａ，８６ａからの信号に基づいて動作が制御されるが、それについては後述する。

電力制御系１６は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）１００と、燃料電池１０で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）１０２に出力するインバータ１０４と、オペレータからの燃料電池１０の始動指示あるいは停止指示を入力する始動／停止スイッチ１０６などからなり、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子１１０に接続される。始動／停止スイッチ１０６は、オペレータによって入力された燃料電池１０の始動／停止指示に応じた信号を出力する。

ＥＣＵ１００は、水量センサ７２ａ，８６ａや始動／停止スイッチ１０６などの信号が信号線１１２を介して入力されると共に、入力されたセンサの信号に基づき、各遮断弁５０，６２，６４，７６，８０，９２や送水ポンプ４４などの補機類の動作を制御するが、それについては後述する。

尚、燃料電池１０には、上記した各構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、図示および説明を省略する。

次いで上記した構成を前提に、ＥＣＵ１００で実行される燃料電池１０の発電動作などについて、起動時および停止時の動作を中心に説明する。

図２は、ＥＣＵ１００の動作を示すフロー・チャートである。

先ずＳ１０において、燃料電池１０の始動（起動）指示あるいは停止指示がなされたか否か、具体的には、始動／停止スイッチ１０６において始動指示と停止指示のいずれが入力されたか判断する。Ｓ１０で始動指示が入力されたと判断されるときはＳ１２に進み、アノードガス凝縮水流出路７４に設けられた第４の遮断弁７６とアノードオフガス凝縮水流出路９０に設けられた第６の遮断弁９２を励磁して開弁させる。

これにより、アノードガス凝縮水タンク７２の凝縮水はアノードガス凝縮水流出路７４を介して、アノードオフガス凝縮水タンク８６の凝縮水はアノードオフガス凝縮水流出路９０を介して改質水タンク３８に供給される。このように、燃料電池１０の起動時、遮断弁７６，９２による凝縮水の流出の遮断を解除して凝縮水を改質水タンク３８に流出させる（供給する）ようにしたので、例えば改質水タンク３８の水が蒸発して少なくなっている場合であっても、外部から純水を補給する必要がない。

尚、Ｓ１２の処理後の第４、第６の遮断弁７６，９２の動作について説明すると、各遮断弁７６，９２は一旦閉弁された後、対応する水量センサ７２ａ，８６ａからの信号に基づいて動作が制御される。詳しくは、各遮断弁７６，９２は、水量センサ７２ａ，８６ａがオン信号を出力するとき、即ち、凝縮水タンク７２，８６の水量が所定値以上のときに開弁されて凝縮水タンク７２，８６の凝縮水を改質水タンク３８に供給する一方、オフ信号が出力されるとき（凝縮水タンク７２，８６の水量が所定値未満のとき）に閉弁されるように、その動作が制御される。これにより、アノードガスあるいはアノードオフガスが凝縮水タンク７２，８６などを介して改質水タンク３８や外部に漏洩するのを防止することができる。

次いでＳ１４に進み、燃焼空気ポンプ５４を作動させ、燃焼空気を燃焼空気供給路５２を介して燃焼バーナ３０ａに向けて流通させる。燃焼空気には、加熱燃料供給路５６を介して加熱燃料が供給されて予混合ガスが生成され、燃焼バーナ３０ａに供給される。燃焼バーナ３０ａは供給された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって比較的高温の燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは、改質触媒などを加熱して昇温させた後、燃焼排ガス排出路６０を介して大気中に排気される。

改質触媒が改質可能な温度（例えば、７００℃程度）まで加熱されると、次いでＳ１６に進んで第１、第３および第５の遮断弁５０，６４，８０を開弁させ、Ｓ１８に進み、送水ポンプ４４を駆動させる。これにより、改質水タンク３８の改質水が改質水供給路４０、送水ポンプ４４、イオンフィルタ４６および第１の遮断弁５０を介して改質器３０の改質触媒に供給される。

改質触媒にはさらに、改質燃料が改質燃料供給路３６、脱硫器４２を介して供給されて改質動作が開始される。具体的には、改質水は燃焼バーナ３０ａの燃焼排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。水蒸気は改質燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒に供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質燃料と水蒸気を改質触媒でアノードガスに改質させる。

アノードガスは、改質器３０において一酸化炭素などが除去された後、第１のアノードガス供給路３２ａ、第３の遮断弁６４を介してアノードガス凝縮器６６に流入させられ、そこで水分が凝縮されて凝縮水が生成される。生成された凝縮水を含むアノードガスは、アノードガス気液分離器７０に供給されて凝縮水が分離された後、燃料電池１０のアノード極に供給される。

アノードガス気液分離器７０においてアノードガスから分離された凝縮水は、アノードガス凝縮水タンク７２に一時的に貯留される。尚、アノードガス凝縮水タンク７２の水量は、前述した如く、水量センサ７２ａの出力に基づいて第４の遮断弁７６が開閉されることで適宜に調整される。

次いでＳ２０に進み、カソードガスポンプ２４を作動させる。これにより、カソードガスは、カソードガス供給路２０を介して加湿器２６に流入させられ、そこでカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池１０のカソード極に供給される。

燃料電池１０においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１０で発生した電力は、出力端子１１０から取り出され、その一部がＥＣＵ１００や送水ポンプ４４などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ１０４を介して電気負荷１０２に供給される。

燃料電池１０のスタックから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路２２を介して加湿器２６に供給され、カソードガス供給路２０を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排気される。

燃料電池１０のスタックから排出されるアノードオフガス、正確には、燃料電池１０の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガス（未反応ガス）は、アノードオフガス供給路３４、第５の遮断弁８０を介してアノードオフガス凝縮器８２に流入させられ、そこで水分が凝縮されて凝縮水が生成される。生成された凝縮水を含むアノードオフガスは、アノードオフガス気液分離器８４に供給されて凝縮水が分離された後、改質器３０の燃焼バーナ３０ａに加熱用の燃料として供給される。尚、燃料電池１０において発電動作が開始されてアノードオフガスが燃焼バーナ３０ａに供給されると、加熱燃料供給路５６に設置される遮断弁（図示せず）を閉弁させ、加熱燃料（都市ガス）の燃焼バーナ３０ａへの供給は遮断（停止）される。

アノードオフガス気液分離器８４においてアノードオフガスから分離された凝縮水は、アノードオフガス凝縮水タンク８６に一時的に貯留される。尚、アノードオフガス凝縮水タンク８６の水量は、アノードガス凝縮水タンク７０と同様、水量センサ８６ａの出力に基づいて第６の遮断弁９２が開閉されることで適宜に調整される。

一方、Ｓ１０において、燃料電池１０の停止指示が入力されたと判断されるとき、具体的には、上記した燃料電池１０の発電動作が行われた後、始動／停止スイッチ１０６において停止指示が入力されるときはＳ２２に進み、第４、第６の遮断弁７６，９２を閉弁させ、アノードガス凝縮水タンク７２とアノードオフガス凝縮水タンク８６に貯留された凝縮水の改質水タンク３８への流出を遮断する。

これにより、凝縮水は、アノードガス凝縮水タンク７２とアノードガス凝縮水流出路７４（正確には、アノードガス凝縮水流出路７４であって第４の遮断弁７６よりも上流側の部位）と、アノードオフガス凝縮水タンク８６とアノードオフガス凝縮水流出路９０（正確には、アノードオフガス凝縮水流出路９０であって第６の遮断弁９２よりも上流側の部位）に貯留される。凝縮水タンク７２，８６や凝縮水流出路７４，９０はスタックの電解質膜に繋がっているため、凝縮水タンク７２，８６などに貯留された凝縮水と接触する湿潤なガスはスタックの電解質膜にも接触することとなる。

次いでＳ２４に進み、燃焼空気ポンプ５４の駆動を停止させた後、Ｓ２６に進んで送水ポンプ４４の駆動を停止させる。これにより、燃焼バーナ３０ａによる改質触媒の加熱が停止されると共に、改質触媒に対する改質水の供給も停止され、よって改質器３０での改質動作が終了させられる。

次いでＳ２８に進んでカソードガスポンプ２４の駆動を停止させ、Ｓ３０に進んで第１、第３および第５の遮断弁５０，６４，８０を閉弁させる。これにより、カソードガスのカソード極への供給が停止され、燃料電池１０における発電動作が終了させられる。

このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池１０にあっては、スタックに供給されるアノードガスとスタックから排出されるアノードオフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器６６，８２と、凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器７０，８４と、気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク７２，８６と、凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路７４，９０と、凝縮水流出路に設けられて凝縮水の流出を遮断する遮断手段（第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２）とを備えるように構成したので、燃料電池１０の運転が停止されたとき、凝縮水タンク７２，８６からの凝縮水の流出を遮断し、凝縮水タンク７２，８６と凝縮水流出路７４，９０（正確には、凝縮水流出路７４，９０であって遮断手段７６，９２よりも上流側の部位）に凝縮水を貯留することが可能となる。この凝縮水タンク７２，８６や凝縮水流出路７４，９０はスタックの電解質膜に繋がっているため、燃料電池１０の停止状態が長時間にわたって継続される場合であっても、凝縮水タンク７２，８６などに貯留された凝縮水と接触する湿潤なガスがスタックの電解質膜にも接触することとなり、よって電解質膜にあっては含水量が低下し難くなって乾燥を防止することができる。また、燃料電池１０においては、電解質膜が乾燥していないため、起動時に通常の発電動作を行うことができ、所望の電力を得ることができる。

また、遮断手段は第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２からなるように構成したので、比較的簡易な構成でありながら、上記した効果を得ることができる。

また、遮断手段（第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２）の下流に凝縮水を貯留する改質水タンク３８を備えるように構成したので、凝縮水タンク７２，８６の凝縮水を改質水として使用（利用）することができる。また、燃料電池１０の起動時、凝縮水の流出の遮断を解除して凝縮水を改質水タンク３８に流出させる（供給する）ように構成したので、例えば改質水タンク３８の水が蒸発して少なくなった場合であっても、外部から純水を補給する必要がない。

次いで、この発明の第２実施例に係る燃料電池について説明する。

図３は、第２実施例に係る燃料電池の構成を示す、図１と同様な概略図である。

以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、図３に示す如く、アノードガス凝縮水流出路７４の第４の遮断弁７６とアノードオフガス凝縮水流出路９０の第６の遮断弁９２が除去されると共に、アノードガス凝縮水流出路７４の途中には第１のトラップ管（遮断手段）１２０が、アノードオフガス凝縮水流出路９０の途中には第２のトラップ管（遮断手段）１２２が設けられる。また、第４、第６の遮断弁７６，９２の除去に伴って水量センサ７２ａ，８６ａも除去される。

図４は、図３に示すアノードガス凝縮水タンク７２と第１のトラップ管１２０を部分的に拡大して示す部分拡大断面図である。尚、以下において、アノードガス凝縮水タンク７２と第１のトラップ管１２０について説明するが、アノードオフガス凝縮水タンク８６と第２のトラップ管１２２も略同一の構成であるため、以下の説明はアノードオフガス凝縮水タンク８６と第２のトラップ管１２２にも妥当する。また、この明細書において、上方、下方などの上下関係を示す記載は、全て重力方向における上下関係を表すものとする。

図４に示す如く、アノードガス凝縮水タンク７２の側壁（横壁）には、開口部７２ａが穿設され、開口部７２ａには、アノードガス凝縮水流出路７４が接続される。アノードガス凝縮水流出路７４の途中に設けられる第１のトラップ管１２０は、図示の如く、逆Ｕ字管からなる。第１のトラップ管１２０の構造について具体的に説明すると、第１のトラップ管１２０は、アノードガス凝縮水流出路７４に屈曲して連続し、下流側が上方に向けて形成された第１の部位１２０ａと、第１の部位１２０ａに屈曲して連続し、上流側から下流側にかけて上方に突出する円弧状に形成された第２の部位１２０ｂと、第２の部位１２０ｂに屈曲して連続し、下流側が下方に向けて形成された第３の部位１２０ｃとからなる。尚、第３の部位１２０ｃの下流には、アノードガス凝縮水流出路７４を介して改質水タンク３８が接続される。

ここで、第２の部位１２０ｂについて詳説すると、第２の部位１２０ｂは、図示の如く、アノードガス凝縮水タンク７２の開口部７２ａよりも上方に形成される。より具体的には、第２の部位１２０ｂは、その底面の頂部１２０ｂ１が開口部７２ａよりも上方に位置するように形成される。

上記の如く構成された第１のトラップ管１２０において、アノードガスから分離された凝縮水（図４において符号「Ｗ」で示す）は、アノードガス凝縮水タンク７２を介してアノードガス凝縮水流出路７４に流入させられた後、下流側が上方に向けて形成された第１の部位１２０ａから第２の部位の底面の頂部１２０ｂ１までの管路に堰き止められ、その流出が遮断（阻止）される。凝縮水がアノードガスからさらに分離され、アノードガス凝縮水タンク７２および第１のトラップ管１２０の凝縮水の滞留量が増加すると、凝縮水は第２の部位の底面の頂部１２０ｂ１を超えて第３の部位１２０ｃへと流出し、改質水タンク３８に供給される。

このように、この発明の第２実施例に係る燃料電池１０にあっては、遮断手段はトラップ管（第１、第２のトラップ管１２０，１２２）からなるように構成したので、第１実施例のような動作の制御が必要な遮断弁７６，９２に比して構成を複雑化させることがない。また、遮断手段としてトラップ管１２０，１２２を用いる場合、電磁弁である遮断弁７６，９２を動作させるための電力を不要にでき、よって燃料電池１０全体の効率を向上させることができる。

尚、残余の構成および効果は、第１実施例のそれと異ならない。

上記した如く、この発明の第１および第２の実施例にあっては、スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器（アノードガス凝縮器６６、アノードオフガス凝縮器８２）と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器（アノードガス気液分離器７０、アノードオフガス気液分離器８４）と、前記気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンク（アノードガス凝縮水タンク７２、アノードオフガス凝縮水タンク８６）と、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路（アノードガス凝縮水流出路７４、アノードオフガス凝縮水流出路９０）と、前記凝縮水流出路に設けられて前記凝縮水の流出を遮断する遮断手段（第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２。第１のトラップ管１２０、第２のトラップ管１２２）とを備えるように構成した。

また、前記遮断手段は、遮断弁（第４の遮断弁７６、第６の遮断弁９２）とトラップ管（第１のトラップ管１２０、第２のトラップ管１２２）のいずれかからなるように構成した。

また、前記遮断手段の下流に前記凝縮水を貯留する改質水タンク３８を備えるように構成した。

尚、上記した第１および第２実施例において、凝縮器を、アノードガス凝縮器６６とアノードオフガス凝縮器８２の２個備えるように構成したが、いずれか１個を備えるように構成しても良く、その意味から、請求項１において「スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器」と記載した。

また、第２実施例において、第１、第２のトラップ管１２０，１２２を逆Ｕ字管からなるように構成したが、それに限られるものではなく、要は凝縮水流出路からの凝縮水の流出を遮断できる形状であれば、他の態様であっても良い。

また、第１および第２実施例において、改質触媒の改質可能な温度などを具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。

また、改質燃料や加熱燃料として都市ガスを使用するように構成したが、それに限られるものではなく、ＬＰガスなどであっても良い。

この発明の第１実施例に係る燃料電池を全体的に示す概略図である。 図１に示すＥＣＵの動作を示すフロー・チャートである。 この発明の第２実施例に係る燃料電池の構成を示す、図１と同様な概略図である。 図３に示すアノードガス凝縮水タンクと第１のトラップ管を部分的に拡大して示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、３８ 改質水タンク、６６ アノードガス凝縮器（凝縮器）、７０ アノードガス気液分離器（気液分離器）、７２ アノードガス凝縮水タンク（凝縮水タンク）、７４ アノードガス凝縮水流出路（凝縮水流出路）、７６ 第４の遮断弁（遮断手段）、８２ アノードオフガス凝縮器（凝縮器）、８４ アノードオフガス気液分離器（気液分離器）、８６ アノードオフガス凝縮水タンク（凝縮水タンク）、９０ アノードオフガス凝縮水流出路（凝縮水流出路）、９２ 第６の遮断弁（遮断手段）、１２０ 第１のトラップ管（遮断手段）、１２２ 第２のトラップ管（遮断手段）

Claims (3)

1. スタックに供給されるアノードガスと前記スタックから排出されるアノードオフガスの少なくともいずれかに含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮された凝縮水をガスから分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された凝縮水を流出させる凝縮水流出路と、前記凝縮水流出路に設けられて前記凝縮水の流出を遮断する遮断手段とを備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記遮断手段は、遮断弁とトラップ管のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記遮断手段の下流に前記凝縮水を貯留する改質水タンクを備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。

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