特開 2024-164668 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024164668

(43)【公開日】2024-11-27

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241120BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241120BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080324

(22)【出願日】2023-05-15

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(74)【代理人】

【識別番号】100164688

【弁理士】

【氏名又は名称】金川 良樹

(72)【発明者】

【氏名】谷口 忠彦

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H126DD02

5H126DD05

5H127AA06

5H127AC15

5H127BA02

5H127BB02

5H127CC07

(57)【要約】

【課題】冷却剤が燃料電池から抜き取られた停止状態からスムーズに且つ効率的に運転を再開させる。
【解決手段】一実施の形態によれば、燃料電池システムＳは、多孔質体からなる２つのセパレータを含む単セル１１を複数積層させたセルスタック１２を有する燃料電池１０と、冷却剤を貯留する冷却剤タンク２０と、冷却剤を燃料電池１０に供給するための配管系統部３０とを備える。２つのセパレータのうちのいずれかは、反応ガス流路を有するとともに、冷却剤の冷却剤流路１０５Ｂを有する。そして、配管系統部３０は、冷却剤の流通の駆動力を発生させる駆動部３２を備え、駆動部３２から吐出される冷却剤が、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ、冷却剤タンク２０及び駆動部３２の順で循環する第１の状態と、駆動部３２から吐出される冷却剤が、冷却剤タンク２０、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ及び駆動部３２の順で循環する第２の状態とを切換える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された多孔質体からなる２つのセパレータとを含む単セルを複数積層させたセルスタックを備え、前記単セルにおける前記２つのセパレータのうちのいずれかが、前記膜電極接合体側に反応ガスを流通させる反応ガス流路を有するとともに、前記膜電極接合体側とは反対の側に冷却剤を流通させる冷却剤流路を有する燃料電池と、
前記冷却剤を貯留する冷却剤タンクと、
前記燃料電池と前記冷却剤タンクとの間に介在する配管材と、前記配管材に設けられ、前記冷却剤タンクに貯留される前記冷却剤を、前記冷却剤流路の入口に流入させ且つ前記冷却剤流路の出口から流出させる駆動力を発生させる駆動部とを含む配管系統部と、を備え、
前記配管系統部は、前記駆動部から吐出される前記冷却剤が、前記冷却剤流路、前記冷却剤タンク及び前記駆動部の順で循環する第１の状態と、前記駆動部から吐出される前記冷却剤が、前記冷却剤タンク、前記冷却剤流路及び前記駆動部の順で循環する第２の状態と、を切換可能に構成されている、燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池が、前記冷却剤タンクよりも上方に配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池が、前記冷却剤タンクと上下方向で重なるように配置されている、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記冷却剤タンクは、大気に開放している、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項5】

膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された多孔質体からなる２つのセパレータとを含む単セルを複数積層させたセルスタックを備え、前記単セルにおける前記２つのセパレータのうちのいずれかが、前記膜電極接合体側に反応ガスを流通させる反応ガス流路を有するとともに前記膜電極接合体側とは反対の側に冷却剤を流通させる冷却剤流路を有する燃料電池と、
前記冷却剤を貯留する冷却剤タンクと、
前記燃料電池と前記冷却剤タンクとの間に介在する配管材と、前記配管材に設けられ、前記冷却剤タンクに貯留される前記冷却剤を、前記冷却剤流路の入口に流入させ且つ前記冷却剤流路の出口から流出させる駆動力を発生させる駆動部とを含む配管系統部と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池から前記冷却剤を抜き取る抜き取り工程と、
前記駆動部から吐出される前記冷却剤を、前記冷却剤流路、前記冷却剤タンク及び前記駆動部の順で循環させる第１循環工程と、
前記駆動部から吐出される前記冷却剤を、前記冷却剤タンク、前記冷却剤流路及び前記駆動部の順で循環させる第２循環工程と、を備える、燃料電池システムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子形燃料電池を備える燃料電池システムが普及しつつある。

【0003】

固体高分子形燃料電池は、一般に、複数の燃料電池単セル（以下、単セル）を直列に接続することで構成されている。固体高分子形用の単セルは、通常、電解質膜及び電解質膜を挟み込む２つの触媒層を含む膜電極接合体と、膜電極接合体における２つの触媒層のそれぞれに重ねられる２つのガス拡散層と、２つのガス拡散層のそれぞれに重ねられる２つのセパレータと、を有する。セパレータには、反応ガスを流通させるための流路が設けられる。

【0004】

上述のような固体高分子形燃料電池においては、セパレータの流路を流れる反応ガスが、ガス拡散層で拡散されつつガス拡散層を透過し、触媒層に供給される。流路は、例えば溝により構成される。ガス拡散層は一般に多孔質体からなり、これにより、ガス拡散層は、酸素分子又は水素分子を含む反応ガスを拡散させつつ透過させることができる。

【0005】

上記２つの触媒層のうちの一方は、アノード電極と呼ばれ、他方は、カソード電極と呼ばれることがある。アノード電極は、水素ガスを供給されることにより、電気化学反応を発生させる。カソード電極は、酸化剤ガスを供給されることにより、電気化学反応を発生させる。２つのセパレータのうちの水素ガスを流通させるための流路を有するセパレータは、アノード極セパレータと呼ばれることがある。酸化剤ガスを流通させるための流路を有するセパレータは、カソード極セパレータと呼ばれることがある。このようなアノード極セパレータ及びカソード極セパレータのうちのいずれかには、電気化学反応で発生した反応熱を除去するための冷却水の流路が設けられることがある。この場合、一般にセパレータの片面に反応ガスの流路を設け、反対の面に冷却水の流路を設ける。

【0006】

固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを積層し、直列に接続することで出力電圧を上げることができる。一般には、数十枚から数百枚の単セルが積層される。このような単セルの積層体は、一般にセルスタックと呼ばれる。セルスタックは、通常、単セルの積層体の両側に集電板を配置し、集電板を両側から締め付け板で締め付けることで構成される。

【0007】

ところで、固体高分子形燃料電池では、セパレータが多孔質体から形成されることがある。この際、セパレータの片面に反応ガスの流路を設け、反対の面に冷却水の流路を設ける単セルを使用する場合には、一般に、運転時において反応ガスが冷却水の流路に流れないように且つ冷却水が反応ガスの流路に流れないようにするための対策が行われる。そして、これを実現する手法としては、例えば冷却水の圧力が水素ガスの圧力よりも所定量だけ低くなるように圧力を調整する手法が知られている。

【0008】

上述の圧力調整手法では、水素ガスと冷却水の圧力差が、例えばセパレータを構成する多孔質体の細孔にある冷却水の毛管力によって生ずる圧力よりも小さい範囲に制御される。これにより、水素ガスが冷却水の流路側へ流れること、及び、冷却水が水素ガスの流路側へ流れることが適正に抑制される。また、片面を酸化剤ガスが流れ、反対の面を冷却水が流れるセパレータにおいても、上述と同じく、酸化剤ガスの圧力よりも冷却水の圧力を低くすることで、酸化剤ガスが冷却水の流路側へ流れること、及び、冷却水が酸化剤ガスの流路側へ流れることが適正に抑制され得る。

【0009】

また、セパレータが多孔質体から形成される固体高分子形燃料電池の停止操作では、内部の余剰な反応ガスを除去するために、反応ガスの供給を停止しつつ、内部を冷却水で封じ切る（充填する）手法が取られることがある。この際、冷却水を貯留したタンクが固体高分子形燃料電池の上方に配置される場合には、動力を使用せずに、固体高分子形燃料電池の内部を冷却水で封じ切ることができるため、例えば省エネルギーの観点で有利となる。このように固体高分子形燃料電池の内部が冷却水で封じ切られた状態では、各単セルにおける２つのセパレータ内及びこれらに設けられた反応ガス用の溝にも、冷却水が満たされる。

【0010】

上述のように冷却水が充填された停止状態から発電を開始する際には、通常、まず、冷却水を流通させる。これにより、セパレータにおける冷却水の流路を流れる冷却水は、負圧（大気圧に対して）となる。このように冷却水が負圧になる場合には、セパレータの反応ガスの流路に充填された冷却水は、冷却水の流路側に移動し、除去される。

【0011】

固体高分子形燃料電池が使用される環境が氷点下にならない場合には、停止時に、固体高分子形燃料電池を冷却水で封じ切る状態のままとしてもよい。一方で、想定される使用環境が氷点下になる場合には、内部に充填された冷却水が停止時に凍結し、発電運転の再開に支障が生じることがある。そのため、使用環境を考慮し、運転停止時に、固体高分子形燃料電池の内部の冷却水を全て抜き取る場合もある。

【0012】

しかしながら、上述のように冷却水を貯留したタンクが固体高分子形燃料電池の上方に配置される場合には、固体高分子形燃料電池から冷却水をすべて抜き取るのが困難である。具体的には、ポンプ等により水を吸い上げる際に、セパレータの溝内の水を全て上方に吸い上げることは、配管内を負圧にしただけでは困難である。例えば、ポンプと燃料電池とを接続する配管の内径よりも小さい水滴が生じた場合には、当該水滴を上方に移動させてタンクまで導くのは困難である。

【0013】

以上に説明した観点から、冷却水のタンクが固体高分子形燃料電池の上方に配置される場合には、固体高分子形燃料電池の内部を冷却水で封じ切る際には有益である一方、水抜きを行う際には、必ずしも有益とは言えない。すなわち、固体高分子形燃料電池とタンクとの位置関係によっては、所望の動作を実施できない又はスムーズに実施できない状況が生じ得る。

【0014】

また、水抜き後に、発電運転を再開させる際には、通常、固体高分子形燃料電池の内部が冷却水で充填されるように冷却水を流通させた後に、反応ガスの供給が開始される。そして、望ましくは、反応ガスの圧力が冷却水の圧力よりも大きくなるように圧力調整が行われる。このような水抜き後の運転再開も、例えば固体高分子形燃料電池とタンクとの位置関係に起因して、スムーズに行い難くなることもあり得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【特許文献1】特許第７１８３４３５号

【特許文献2】特開２００６-５９７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷却水等の冷却剤が燃料電池から抜き取られた停止状態からスムーズに且つ効率的に運転を再開できる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

一実施の形態に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された多孔質体からなる２つのセパレータとを含む単セルを複数積層させたセルスタックを備え、前記単セルにおける前記２つのセパレータのうちのいずれかが、前記膜電極接合体側に反応ガスを流通させる反応ガス流路を有するとともに、前記膜電極接合体側とは反対の側に冷却剤を流通させる冷却剤流路を有する燃料電池と、前記冷却剤を貯留する冷却剤タンクと、前記燃料電池と前記冷却剤タンクとの間に介在する配管材と、前記配管材に設けられ、前記冷却剤タンクに貯留される前記冷却剤を、前記冷却剤流路の入口に流入させ且つ前記冷却剤流路の出口から流出させる駆動力を発生させる駆動部とを含む配管系統部と、を備える。前記配管系統部は、前記駆動部から吐出される前記冷却剤が、前記冷却剤流路、前記冷却剤タンク及び前記駆動部の順で循環する第１の状態と、前記駆動部から吐出される前記冷却剤が、前記冷却剤タンク、前記冷却剤流路及び前記駆動部の順で循環する第２の状態と、を切換可能に構成されている。

【0018】

一実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された多孔質体からなる２つのセパレータとを含む単セルを複数積層させたセルスタックを備え、前記単セルにおける前記２つのセパレータのうちのいずれかが、前記膜電極接合体側に反応ガスを流通させる反応ガス流路を有するとともに前記膜電極接合体側とは反対の側に冷却剤を流通させる冷却剤流路を有する燃料電池と、前記冷却剤を貯留する冷却剤タンクと、前記燃料電池と前記冷却剤タンクとの間に介在する配管材と、前記配管材に設けられ、前記冷却剤タンクに貯留される前記冷却剤を、前記冷却剤流路の入口に流入させ且つ前記冷却剤流路の出口から流出させる駆動力を発生させる駆動部とを含む配管系統部と、を備える燃料電池システムの運転方法である。当該方法は、前記燃料電池から前記冷却剤を抜き取る抜き取り工程と、前記駆動部から吐出される前記冷却剤を、前記冷却剤流路、前記冷却剤タンク及び前記駆動部の順で循環させる第１循環工程と、前記駆動部から吐出される前記冷却剤を、前記冷却剤タンク、前記冷却剤流路及び前記駆動部の順で循環させる第２循環工程と、を備える。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、冷却水等の冷却剤が燃料電池から抜き取られた停止状態からスムーズに且つ効率的に運転を再開できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】一実施の形態に係る燃料電池システムを概略的に示す図である。

【図2】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池を構成する単セルの縦断面図である。

【図3】図１に示す燃料電池システムにおける冷却剤の抜き取り操作を説明する図である。

【図4】図１に示す燃料電池システムにおける起動操作を説明する図である。

【図5】図１に示す燃料電池システムにおける起動操作を説明する図である。

【図6】一変形例に係る燃料電池システムを概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付の図面を参照しつつ一実施の形態について説明する。

【0022】

図１は、一実施の形態に係る燃料電池システムＳを概略的に示す。燃料電池システムＳは、燃料電池１０と、冷却剤タンク２０と、配管系統部３０と、コントローラ４０と、を備えている。

【0023】

燃料電池１０は、単セル１１を複数積層させたセルスタック１２を有する。図２は、単セル１１の縦断面図である。単セル１１は、膜電極接合体１０１と、第１ガス拡散層１０２と、アノードセパレータ１０３と、第２ガス拡散層１０４と、カソードセパレータ１０５と、を備えている。燃料電池１０は、本実施の形態では固体高分子形燃料電池である。

【0024】

複数の単セル１１が積層される際には、隣り合う２つの単セル１１のうちの一方のアノードセパレータ１０３が他方のカソードセパレータ１０５に接するように、各単セル１１が積層される。

【0025】

第１ガス拡散層１０２及びアノードセパレータ１０３は、この順で膜電極接合体１０１の一方の面に重ねられる。第２ガス拡散層１０４及びカソードセパレータ１０５は、この順で膜電極接合体１０１の上記一方の面とは反対の他方の面に重ねられる。電気化学セル１を構成する各部材が重なる方向を、以下の説明において厚さ方向と呼ぶ場合がある。

【0026】

膜電極接合体１０１は、隔膜１０１Ｍと、隔膜１０１Ｍを挟む一対の電極１０１Ａ，１０１Ｃと、有する。隔膜１０１Ｍは、例えば固体高分子膜（イオン交換膜）や、固体電解質膜（電解質膜）などのプロトン伝導性を有するイオン濾過膜である。

【0027】

一対の電極１０１Ａ，１０１Ｃは、隔膜１０１Ｍの一方の面に接合されるアノード電極１０１Ａと、隔膜１０１Ｍの上記一方の面とは反対の他方の面に接合されるカソード電極１０１Ｃと、で構成されている。アノード電極１０１Ａ及びカソード電極１０１Ｃは、いわゆる触媒層を構成する部分である。

【0028】

第１ガス拡散層１０２はアノード電極１０１Ａに重ねられ、アノード電極１０１Ａに接している。第１ガス拡散層１０２は、ガス透過性及び導電性を有する部材であり、例えば多孔質体で形成される。アノードセパレータ１０３は第１ガス拡散層１０２を介してアノード電極１０１Ａに重ねられ、第１ガス拡散層１０２に接している。

【0029】

アノードセパレータ１０３は導電性を有する多孔質体から形成されている。アノードセパレータ１０３は、導電性を有する金属、カーボン又はセラミックス等の多孔質体から形成されてもよい。

【0030】

アノードセパレータ１０３は、膜電極接合体１０１側に、反応ガスとしてのアノードガスを流通させる複数のアノードガス流路１０３Ａを有する。アノードガス流路１０３Ａは、アノードセパレータ１０３における膜電極接合体１０１側を向く面からへこむ溝により構成されている。複数のアノードガス流路１０３Ａは、互いに平行に延びる。ただし、アノードガス流路１０３Ａの形態は特に限られない。

【0031】

図１に示すように、各アノードガス流路１０３Ａの入口（図示せず）にはアノードガス供給管１１１が接続され、各アノードガス流路１０３Ａの出口（図示せず）にはアノードガス排出管１１２が接続される。アノードガス供給管１１１は、図示しないアノードガス供給源に接続する。アノードガス供給源から供給されるアノードガスは、アノードガス供給管１１１からアノードガス流路１０３Ａの入口に流入し、アノードガス流路１０３Ａを通過して、アノードガス流路１０３Ａの出口からアノードガス排出管１１２に排出される。この際、アノードガスは第１ガス拡散層１０２によって拡散された状態でアノード電極１０１Ａに供給される。アノードガスとしては、水素ガスを含む燃料ガスが用いられる。

【0032】

図２に戻り、第２ガス拡散層１０４はカソード電極１０１Ｃに重ねられ、カソード電極１０１Ｃに接している。第２ガス拡散層１０４は、ガス透過性及び導電性を有する部材であり、例えば多孔質体で形成される。そして、カソードセパレータ１０５は第２ガス拡散層１０４を介してカソード電極１０１Ｃに重ねられ、第２ガス拡散層１０４に接している。

【0033】

カソードセパレータ１０５も導電性を有する多孔質体から形成されている。カソードセパレータ１０５は、導電性を有する金属、カーボン又はセラミックス等の多孔質体から形成されてもよい。

【0034】

カソードセパレータ１０５は、膜電極接合体１０１側に、反応ガスとしてのカソードガスを流通させるカソードガス流路１０５Ａを有するとともに、膜電極接合体１０１側とは反対の側に冷却剤を流通させる冷却剤流路１０５Ｂを有する。カソードガス流路１０５Ａは、カソードセパレータ１０５における膜電極接合体１０１側を向く面からへこむ溝により構成されている。複数のカソードガス流路１０５Ａは、アノードガス流路１０３Ａが延びる方向と直交する方向に互いに平行に延びる。冷却剤流路１０５Ｂは、カソードセパレータ１０５における膜電極接合体１０１側を向く面とは反対の面からへこむ溝により構成されている。冷却剤流路１０５Ｂは、カソードガス流路１０５Ａが延びる方向と直交する方向に互いに平行に延びる。ただし、カソードガス流路１０５Ａ及び冷却剤流路１０５Ｂの形態は特に限られない。

【0035】

図１に示すように、カソードガス流路１０５Ａの入口（図示せず）にはカソードガス供給管１１３が接続され、各カソードガス流路１０５Ａの出口（図示せず）にはカソードガス排出管１１４が接続される。カソードガス供給管１１３は、図示しないカソードガス供給源に接続する。カソードガス供給源から供給されるカソードガスは、カソードガス供給管１１３からカソードガス流路１０５Ａの入口に流入し、カソードガス流路１０５Ａを通過して、カソードガス流路１０５Ａの出口からカソードガス排出管１１４に排出される。この際、カソードガスは第２ガス拡散層１０４によって拡散された状態でカソード電極１０１Ｃに供給される。カソードガスとしては、酸素ガスを含む酸化剤ガスが用いられる。

【0036】

なお、本実施の形態では、膜電極接合体１０１の両側に配置される２つのセパレータのうちのカソードセパレータ１０５に、カソードガス流路１０５Ａと、冷却剤流路１０５Ｂとが設けられる。これに代えて、アノードセパレータ１０３に、アノードガス流路１０３Ａと、冷却剤流路とを設け、カソードセパレータ１０５にカソードガス流路１０５Ａのみを設けてもよい。

【0037】

冷却剤タンク２０は冷却剤を貯留する容器である。カソードセパレータ１０５における冷却剤流路１０５Ｂは、冷却剤タンク２０に貯留される冷却剤を供給されて流通させ、冷却剤流路１０５Ｂから流出する冷却剤は、冷却剤タンク２０に戻る。膜電極接合体１０１では、アノードガス及びカソードガスが供給された際に電気化学反応による反応熱が生じる。冷却剤は、反応熱を吸収するために冷却剤流路１０５Ｂを通流する。本実施の形態では、冷却剤として水が用いられる。ただし、冷却剤は不凍液等でも良く、特に限られない。

【0038】

本実施の形態では、燃料電池１０が、図１の向きに示すように冷却剤タンク２０よりも上下方向（鉛直方向）で上方に配置される。詳しくは、燃料電池１０は、冷却剤タンク２０と上下方向で重なるように配置されている。また、冷却剤タンク２０は、大気に開放している。したがって、冷却剤タンク２０に貯留された冷却剤の液面は大気圧を受ける。そして、冷却剤タンク２０に貯留された冷却剤の圧力も大気圧となる。なお、冷却剤タンク２０における気相の圧力、すなわち冷却剤タンク２０内の冷却剤の液面が受ける圧力は、大気圧よりも大きい圧力に設定されてもよい。

【0039】

配管系統部３０は、燃料電池１０と冷却剤タンク２０との間に介在する配管材３１と、配管材３１に設けられた駆動部３２及び複数の三方弁３３～３６と、を備えている。配管系統部３０は、冷却剤タンク２０に貯留される冷却剤を冷却剤流路１０５Ｂで流通させた後、冷却剤タンク２０に戻すための流路を構成している。

【0040】

燃料電池１０は、冷却剤流路１０５Ｂの入口１０６及び出口１０７を有する。冷却剤タンク２０は、第１入口２１、第２入口２２、第１出口２３、及び第２出口２４を有する。配管材３１は、冷却剤タンク２０の第１出口２３と冷却剤流路１０５Ｂの入口１０６とを接続するための第１配管材３１１、及び、冷却剤流路１０５Ｂの出口１０７と冷却剤タンク２０の第１入口２１とを接続するために第２配管材３１２を含む。図１においては、第１配管材３１１及び第２配管材３１２の範囲を明示すべく、第１配管材３１１及び第２配管材３１２がそれぞれ二点鎖線により囲まれている。

【0041】

駆動部３２は第２配管材３１２に設けられている。駆動部３２は、例えばポンプから構成され、冷却剤を配管材３１で流通させ且つ冷却剤流路１０５Ｂを通過させるための駆動力を発生させる。駆動部３２として用いるポンプは湿式のポンプであり、非容量型のポンプでもよいし、容量型のポンプでもよい。

【0042】

また配管材３１は、第２配管材３１２における駆動部３２の下流側の部分と、第１配管材３１１の中間部分とを接続するための第３配管材３１３をさらに含む。また、配管材３１は、第２配管材３１２における駆動部３２の上流側の部分と、冷却剤タンク２０の第２入口２２とを接続するための第４配管材３１４を含む。また、配管材３１は、冷却剤タンク２０の第２出口２４と、第２配管材３１２における駆動部３２の上流側であって、第３配管材３１３が接続する位置の下流側の部分とを接続するための第５配管材３１５をさらに含む。

【0043】

複数の三方弁３３～３６は、第１三方弁３３と、第２三方弁３４と、第３三方弁３５と、第４三方弁３６とを含む。各三方弁３３～３６は２位置切換弁であり、第１ポートＰ１、第２ポートＰ２及び第３ポートＰ３を有し、第１ポートＰ１と第２ポートＰ２とが流体的に接続する状態と、第１ポートＰ１と第３ポートＰ３とが流体的に接続状態と、を切り換える。

【0044】

第１三方弁３３は、第１配管材３１１に設けられている。第１三方弁３３における第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間の部分は、第１配管材３１１とともに一連の流路を形成している。第２三方弁３４、第３三方弁３５及び第４三方弁３６は、第２配管材３１２の下流側に向けてこの順で並ぶように第２配管材３１２に設けられている。第２三方弁３４、第３三方弁３５及び第４三方弁３６における各第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間の部分は、第２配管材３１２とともに一連の流路を形成している。詳しくは、第２三方弁３４及び第３三方弁３５は駆動部３２の上流側に設けられ、第４三方弁３６は、駆動部３２の下流側に設けられている。

【0045】

上述した第３配管材３１３は、第１三方弁３３の第３ポートＰ３と、第４三方弁３６の第３ポートＰ３とに接続されている。これにより、第３配管材３１３は、第２配管材３１２における駆動部３２の下流側の部分と、第１配管材３１１の中間部分とを接続する。

【0046】

また、第４配管材３１４は、第２三方弁３４の第３ポートＰ３に接続される。これにより、第４配管材３１４は、第２配管材３１２における駆動部３２の上流側の部分と、冷却剤タンク２０の第２入口２２とを接続する。また、第５配管材３１５は、第３三方弁３５の第３ポートＰ３に接続される。これにより、第５配管材３１５は、冷却剤タンク２０の第２出口２４と、第２配管材３１２における駆動部３２の上流側であって、第３配管材３１３が接続する位置の下流側の部分とを接続する。

【0047】

配管系統部３０は、三方弁３３～３６を切り換えることにより、燃料電池１０に供給される冷却剤の流通経路を切り換えることができる。具体的には、配管系統部３０は、各三方弁３３～３６の全てを第１ポートＰ１と第２ポートＰ２とが流体的に接続する状態とすることで、駆動部３２から吐出される冷却剤が、冷却剤タンク２０、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ及び駆動部３２の順で循環する状態を形成できる。また、配管系統部３０は、各三方弁３３～３６の全てを第１ポートＰ１と第３ポートＰ３とが流体的に接続する状態とすることで、駆動部３２から吐出される冷却剤が、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ、冷却剤タンク２０及び駆動部３２の順で循環する状態を形成できる。

【0048】

後者の状態、すなわち、駆動部３２から吐出される冷却剤が、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ、冷却剤タンク２０及び駆動部３２の順で循環する状態は、起動時に使用される状態であり、以下では「第１の状態」と呼ぶ。一方で、前者の状態、すなわち、駆動部３２から吐出される冷却剤が、冷却剤タンク２０、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ及び駆動部３２の順で循環する状態は、起動時において第１の状態から切り替えられる状態であって、通常の運転で使用される状態であり、以下では「第２の状態」と呼ぶ。また、配管系統部３０は、第１の状態及び第２の状態とは異なる流通経路も形成できる。なお、配管系統部３０の構成は、少なくとも第１の状態及び第２の状態を切り換えて形成可能であれば、特に限られない。

【0049】

コントローラ４０は、各三方弁３３～３６に電気的に接続され、各三方弁３３～３６の切換状態を制御する。例えば上述の第１の状態及び第２の状態の切換は、コントローラ４０の指示に応じて行われる。コントローラ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ等を含むコンピュータで構成されてもよい。また、コントローラ４０は、その他のプロセッサや、電気回路等で構成されてもよい。

【0050】

次に、本実施の形態に係る燃料電池システムＳで行われる操作の一例を説明する。

【0051】

上述したように、通常の運転（発電時）においては、冷却剤は「第２の状態」で流通される。この際、アノードガスがアノードガス供給管１１１からアノードガス流路１０３Ａに供給され、カソードガスがカソードガス供給管１１３に供給される。

【0052】

通常の運転から停止させる際には、まず、アノードガス及びカソードガスの供給が停止される。この際、この例では、冷却剤の第２の状態での流通は継続される。ここで第２の状態では、冷却剤の圧力は、駆動部３２の吐出位置、冷却剤タンク２０内、冷却剤流路１０５Ｂ内、駆動部３２の流入位置の順で小さくなっていく。したがって、冷却剤流路１０５Ｂに流入する冷却水は、冷却剤タンク２０における圧力（気相の圧力、この例では大気圧）に対して負圧となる状態で冷却剤流路１０５Ｂに流入する。この場合、アノードガス及びカソードガスの供給が停止されていることで、アノードセパレータ１０３のアノードガス流路１０３Ａ及びカソードセパレータ１０５のカソードガス流路１０５Ａは大気圧下に置換されている。そのため、アノードガス流路１０３Ａ及びカソードガス流路１０５Ａに冷却剤が存在する場合には、冷却剤が大気圧に対して負圧となる冷却剤流路１０５Ｂ側に流れ、除去される。

【0053】

その後、本実施の形態では、冷却剤の流通も停止され、燃料電池１０内及び配管材３１内の冷却剤が抜き取られる（いわゆる、水抜き操作（抜き取り工程）が行われる）。この際、燃料電池１０は冷却剤タンク２０の上方に配置されていることで、図３の矢印αに示すように、燃料電池１０内及び配管材３１内の冷却剤を自重を利用して抜き取ることができる。なお、一例として、図３では、第１三方弁３３の第１ポートＰ１と第２ポートＰ２とが接続された状態とされ、第２三方弁３４の第１ポートＰ１と第３ポートＰ３とが接続された状態とされる。これにより、本実施の形態では、燃料電池１０内の冷却剤がスムーズに冷却剤タンク２０に流入され得る。
なお、冷却剤の抜き取りを行う場合、例えば第２配管材３１２における第２三方弁３４の上流側で燃料電池１０の出口１０７の直近に空気を切換可能に導入可能な弁を設け、当該弁から空気を取り入れ、取り入れた空気により冷却水を下方に誘導させることにより、よりスムーズに冷却剤が冷却剤タンク２０に流入され得る。
また、第２の状態で冷却剤を流通させる三方弁３３～３６の状態で、冷却剤の抜き取りが行われてもよい。この場合も上記の構成のように、燃料電池１０の出口１０７の直近に空気を切換可能に導入可能な弁を設けることにより、よりスムーズに冷却剤が冷却剤タンク２０に流入され得る。

【0054】

なお、冷却剤の抜き取りを行う際には、例えば窒素ガス等の不活性ガスによるパージが行われてもよい。また、上述のように第２配管材３１２における第２三方弁３４の上流側に空気を切換可能に導入可能な弁を設けた場合、この弁からカソードガスとしての酸化剤ガスがパージ用に導入されてもよい。以上のように燃料電池１０内及び配管材３１内の冷却剤が抜き取られることにより、燃料電池１０内及び配管材３１内に残存した冷却剤の停止時の凍結を抑制できる。

【0055】

運転を再開する際には、図４に示すように、冷却剤が「第１の状態」で流通される（第１循環工程）。すなわち、配管系統部３０は、駆動部３２から吐出される冷却剤を、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ（図２参照）、冷却剤タンク２０及び駆動部３２の順で循環させる。図４において、流通経路は太線で示されている。第１の状態においては、冷却剤の圧力は、駆動部３２の吐出位置、冷却剤流路１０５Ｂ内、冷却剤タンク２０内、駆動部３２の流入位置の順で小さくなっていく。したがって、冷却剤流路１０５Ｂに流入する冷却水は、冷却剤タンク２０における圧力（気相の圧力、この例では大気圧）に対して正圧となる状態で、冷却剤流路１０５Ｂに流入する。この第１の状態では、第２の状態の場合よりも大きい圧力で冷却剤を冷却剤流路１０５Ｂ内に供給できるため、所望の量の冷却剤を効率的に燃料電池１０内及び配管材３１内に充填できる。

【0056】

特に本実施の形態では、燃料電池１０が冷却剤タンク２０よりも上方に位置することで、冷却剤が燃料電池１０内及び配管材３１内から抜き取られた状態から燃料電池１０まで冷却剤を到達させる際に、比較的大きい圧力エネルギーが求められる。これに対して、第１の状態においては、駆動部３２から吐出される冷却剤の圧力が大気圧よりも正圧となることで、駆動部３２の駆動力を変更することなく又は抑えつつ、冷却剤が適正に燃料電池１０に供給され得る。

【0057】

その後、図５に示すように、冷却剤の流通状態が、第１の状態から第２の状態に切り換えられる（第２循環工程）。すなわち、冷却剤流路１０５Ｂに流入する冷却水は、冷却剤タンク２０における圧力（気相の圧力、この例では大気圧）に対して負圧となる状態で、冷却剤流路１０５Ｂに流入する。図５において、流通経路は太線で示されている。そして、アノードガス流路１０３Ａ及びカソードガス流路１０５Ａに冷却剤が存在する場合には、冷却剤が大気圧に対して負圧となる冷却剤流路１０５Ｂ側に流れ、除去される。

【0058】

その後、アノードガス及びカソードガスの供給が開始され、通常の運転状態（発電運転）に移行する。この際、アノードガス流路１０３Ａを流通するアノードガスの圧力及びカソードガス流路１０５Ａを流通するカソードガスの圧力は、冷却剤の圧力よりも所定量だけ大きくなるように調整される。これにより、本実施の形態では、アノードガスが冷却剤流路１０５Ｂ側へ流れること及びその逆に流れること、並びに、カソードガスが冷却剤流路１０５Ｂに流れること及びその逆に流れることが抑制され得る。

【0059】

以上に説明したように本実施の形態に係る燃料電池システムＳでは、駆動部３２から吐出される冷却剤が、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ、冷却剤タンク２０及び駆動部３２の順で循環する第１の状態と、駆動部３２から吐出される冷却剤が、冷却剤タンク２０、燃料電池１０の冷却剤流路１０５Ｂ及び駆動部３２の順で循環する第２の状態と、を切り換えることができる。第１の状態では、冷却剤の圧力は、駆動部３２の吐出位置、冷却剤流路１０５Ｂ内、冷却剤タンク２０内、駆動部３２の流入位置の順で小さくなっていく。したがって、冷却剤流路１０５Ｂに流入する冷却水は、冷却剤タンク２０における圧力に対して正圧となる状態で、冷却剤流路１０５Ｂに流入する。一方で、第２の状態では、冷却剤の圧力は、駆動部３２の吐出位置、冷却剤タンク２０内、冷却剤流路１０５Ｂ内、駆動部３２の流入位置の順で小さくなっていく。したがって、冷却剤流路１０５Ｂに流入する冷却水は、冷却剤タンク２０における圧力に対して負圧となる状態で、冷却剤流路１０５Ｂに流入する。

【0060】

すなわち、燃料電池システムＳでは、第１の状態において冷却剤流路１０５Ｂに供給する冷却剤の圧力を、第２の状態で供給する場合よりも高くできる。これにより、燃料電池１０内に冷却剤を速やかに充填することが可能となる。具体的には、燃料電池１０内の冷却剤を抜き取った後に冷却剤を充填する際に、冷却剤を速やかに充填することが可能となる。一方で、第２の状態では、第１の状態で冷却剤流路１０５Ｂに供給されていた冷却剤の圧力を低下させることができる。これにより、第２の状態においては、第１の状態で例えば冷却剤流路１０５Ｂ側から反応ガス流路（１０３Ａ，１０５Ａ）側に流入した冷却剤を冷却剤流路１０５Ｂ側に流入させて、除去できる。そして、その後、反応ガス流路（１０３Ａ，１０５Ａ）に反応ガスが供給された際に、反応ガスの圧力の増加を抑制しつつ、反応ガスと冷却剤との間に圧力差をつけ易くなる。これにより、望ましい運転状態に効率的に且つスムーズに移行できる。

【0061】

したがって、本実施の形態に係る燃料電池システムＳによれば、冷却剤が燃料電池１０から抜き取られた停止状態からスムーズに且つ効率的に運転を再開できる。

【0062】

また、本実施の形態では燃料電池１０が冷却剤タンク２０よりも上方に配置されている。この構成では、燃料電池１０内の冷却剤を自重により冷却剤タンク２０側に移動させることができるため、冷却剤の抜き取りを容易に且つ効率的に行うことができる。また、燃料電池１０は冷却剤タンク２０と上下方向で重なるように配置されていることで、冷却剤の抜き取りを容易に且つ効率的に行うことを可能としつつ、燃料電池システムＳの占有範囲を抑制できる。

【0063】

そして、以上のように燃料電池１０が冷却剤タンク２０よりも上方に配置される場合には、冷却剤が燃料電池１０内及び配管材３１内から抜き取られた状態から燃料電池１０まで冷却剤を到達させる際に、比較的大きい圧力エネルギーが求められる。これに対して、本実施の形態では、第１の状態において駆動部３２から吐出される冷却剤の圧力が大気圧よりも正圧となる。これにより、駆動部３２の駆動力を変更することなく又は抑えつつ、冷却剤を適正に燃料電池１０に適正に供給され得るため、構造を複雑にすることなく適正に運転を再開できる。

【0064】

次に、変形例について説明する。図６は変形例にかかる燃料電池システムＳ’を示す。変形例における上述の実施の形態と同様の構成要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0065】

図６に示す変形例では、第１配管材３１１に圧力調節手段としての流量調節弁３８が設けられている。流量調節弁３８は、開度調節により、アノードガス流路１０３Ａを流通するアノードガスの圧力又はカソードガス流路１０５Ａを流通するカソードガスの圧力と、冷却剤の圧力との圧力差を調節できる。なお、流量調節弁３８に代えてオリフィスが用いられてもよい。ただし、第１の状態での冷却剤の流通では冷却剤流路１０５Ｂを流通する冷却剤の圧力低下は望まれない。この点を考慮すると、流量調節弁３８の使用が有益である。一方で、オリフィスを用いる場合には、コストメリットが得られる。

【0066】

また、燃料電池１０にパージガス供給管２００が接続されている。パージガス供給管２００は、冷却剤流路１０５Ｂ及び／又は配管材３１に接続されている。このようなパージガス供給管２００により冷却剤をパージする場合には、例えば運転を停止させる際に、燃料電池１０内及び配管材３１内の冷却剤を確実に除去できる。

【0067】

以上、一実施の形態及びその変形例を説明したが、上記実施の形態及び変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。このような新規な実施の形態及びその変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。その他の変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0068】

Ｓ，Ｓ’…燃料電池システム、１０…燃料電池、１１…単セル、１２…セルスタック、１０１…膜電極接合体、１０１Ｍ…隔膜、１０１Ａ…アノード電極、１０１Ｃ…カソード電極、１０２…第１ガス拡散層、１０３…アノードセパレータ、１０３Ａ…アノードガス流路、１０４…第２ガス拡散層、１０５…カソードセパレータ、１０５Ａ…カソードガス流路、１０５Ｂ…冷却剤流路、１１１…アノードガス供給管、１１２…アノードガス排出管、１１３…カソードガス供給管、１１４…カソードガス排出管、２０…冷却剤タンク、３０…配管系統部、３１…配管材、３１１…第１配管材、３１２…第２配管材、３１３…第３配管材、３１４…第４配管材、３１５…第５配管材、３２…駆動部、３３…第１三方弁、３４…第２三方弁、３５…第３三方弁、３６…第４三方弁、３８…流量調節弁、４０…コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】