(57)【要約】【課題】簡単なシステム構成で燃料電池の湿度調整が可能となる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１０の温度を調整する温度調整手段３０と、燃料電池１０の下流の温度調整手段３０に配置されるひとつの温度センサ４１と、温度調整手段３０を制御する制御部４０と、を備えている。温度調整手段３０は、冷媒配管Ｌ１０，Ｌ１１を介して加湿器２２と接続されており、温度調整手段３０の冷媒が加湿器２２との間で熱交換可能なように構成されている。制御部４０は、燃料電池１０の温度と加湿器２２の温度とを温度センサ４１に基づいて制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給ガスにより発電を行う燃料電池と、
前記供給ガスに水分を与える加湿器と、
前記燃料電池の温度を調整する温度調整手段と、
前記燃料電池の下流の前記温度調整手段に配置されるひとつの温度センサと、
前記温度調整手段を制御する制御部と、を備え、
前記温度調整手段による冷媒が前記加湿器との間で熱交換可能となるように構成され、
前記制御部は、前記燃料電池の温度と前記加湿器の温度とを前記温度センサに基づいて制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度調整手段は、冷媒ポンプを備え、
前記制御部は、前記冷媒ポンプの出力を調整することにより前記温度を制御する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】
前記供給ガスを取り込んで送り出すコンプレッサと、
前記コンプレッサからの供給ガスの流量を計測する流量センサと、
前記加湿器を通流した供給ガスの湿度を計測する湿度センサと、を備え、
前記制御部は、前記コンプレッサを一定の出力となるように制御するとともに、前記供給ガスの湿度を所望の相対湿度に設定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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器の温度を制御することによって供給ガスの湿度管理を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜型燃料電池は、自動車用、家庭用コジェネレーションなど様々な用途への実用化が検討されている。この種の燃料電池は、電解質として固体高分子からなるプロトン交換膜を有し、このプロトン交換膜が適度に加湿されることにより、イオンの伝導性が発揮されるようになっている。そこで、燃料電池の上流側に加湿器を設けて、この加湿器で加湿されたガスを燃料電池に供給する燃料電池システムを採用することが一般に行われている。
【０００３】
ところで、この種の燃料電池システムでは、燃料電池の湿度管理が重要であり、例えば、特許文献１では、燃料電池のカソード入口の相対湿度が所定範囲から乖離している場合、燃料電池を循環する冷媒の温度を検出する温度センサにより冷媒の流量を増加させたり、カソード側に設けられた圧力センサによりカソードの背圧弁を開閉させたり、カソード側のコンプレッサの回転速度を増減させるなどの技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３５４０９号公報（段落００１７〜００２０、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、温度センサをカソード配管に１箇所、冷媒配管に２箇所の計３箇所に配置することが必要となり、その検出値を処理、演算するコントローラを含め、システムが煩雑になるという問題があった。
【０００６】
また、冷却系とカソード系とを同時に別々に制御するため、温度検出性（センサによる検出値を発信してから温度が変動するまでのレスポンスや流体の比熱差・熱容量差に起因するものである。）の違いからハンチングする可能性がある。このようにハンチングが発生すると、冷却系の冷媒ポンプとカソード系のコンプレッサがそれぞれ回転速度を頻繁に増減させることになり、コンプレッサおよび冷媒ポンプに起因する騒音・振動のレベルが一定しないという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡単なシステム構成で燃料電池の湿度調整が可能となる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、供給ガスにより発電を行う燃料電池と、前記供給ガスに水分を与える加湿器と、前記燃料電池の温度を調整する温度調整手段と、前記燃料電池の下流の前記温度調整手段に配置されるひとつの温度センサと、前記温度調整手段を制御する制御部と、を備え、前記温度調整手段による冷媒が前記加湿器との間で熱交換可能となるように構成され、前記制御部は、前記燃料電池の温度と前記加湿器の温度とを前記温度センサに基づいて制御することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、燃料電池の温度を調整する温度調整手段の冷媒を加湿器に循環させて、燃料電池の温度と加湿器の温度をひとつの温度センサを用いて制御することにより、制御部（コントローラ）を含めてシステムを簡素化することが可能になる。
【００１０】
つまり、燃料電池内部の温度は冷媒の温度に依存することから、燃料電池内部を通流する供給ガスの温度が冷媒の温度とほぼ一致することになるので、燃料電池と加湿器の温度とが互いにほぼ一致することになる。したがって、供給ガスの温度を検出するための温度センサを不要にできる。
【００１１】
また、燃料電池の温度と加湿器の温度とがほぼ一致することにより、制御部では、加湿器から燃料電池に供給される供給ガスの湿度と、燃料電池内を通る供給ガスの湿度とをほぼ一致させることができ、加湿器と燃料電池との間に湿度センサを配置したとしても、湿度センサの検出値について補正などの処理（制御）をする必要がなくなる。また、制御部では、複数の温度センサからの検出値の処理や演算が不要になるので、検出値に基づく処理（制御）を簡素化できる。
【００１２】
また、前記温度調整手段は、冷媒ポンプを備え、前記制御部は、前記冷媒ポンプの出力を調整することにより前記温度を制御することを特徴とする。
【００１３】
これによれば、例えば、燃料電池と加湿器の温度を低下または上昇させる場合、冷却系の冷媒ポンプのみを制御すればよいので、ハンチングするのを防止できる。つまり、従来のように燃料電池の冷却系とガス供給系とを独立した系として同時に別々に制御する場合には、検出温度の発信から実際に温度が変動するまでの応答遅れなどに起因してハンチングする可能性があるが、本発明では、冷媒ポンプの出力調整のみで対応できるので、直ちに（レスポンスよく）温度調整ができ、ハンチングの発生を防止できる。
【００１４】
また、前記供給ガスを取り込んで送り出すコンプレッサと、前記コンプレッサからの供給ガスの流量を計測する流量センサと、前記加湿器を通流した供給ガスの湿度を計測する湿度センサと、を備え、前記制御部は、前記コンプレッサを一定の出力となるように制御するとともに、前記供給ガスの湿度を所望の湿度に設定することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、流量センサの検出値に基づいて、コンプレッサの回転速度が一定となるように、さらに湿度センサの検出値に基づいて燃料電池に供給される供給ガスの湿度が所望の湿度となるように制御するので、騒音・振動レベルを安定化することが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡単なシステム構成で燃料電池の湿度調整が可能となる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】燃料電池内部の流路構造の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車などの車両、船舶、航空機等の移動式のもの、または家庭用や業務用の定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、コンプレッサ２１、加湿器２２、温度調整手段３０、制御部４０、温度センサ４１、流量センサ４２、湿度センサ４３、圧力センサ４４などで構成されている。
【００２０】
図２に示すように、燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）１１を一対の導電性のセパレータ１２，１３で挟持した単セルＳＣを厚み方向に複数積層し、電気的に直列に接続したものである。
【００２１】
ＭＥＡ１１は、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノード、カソードなどで挟んで構成したものである。カソードに対向するセパレータ１２には、空気（供給ガス、酸化剤ガス）が通流するカソード流路１２ａが形成され、アノードに対向するセパレータ１３には、水素（供給ガス、燃料ガス）が通流するアノード流路１３ａが形成されている。また、セパレータ１２とセパレータ１３との間には、冷媒が通流する冷媒流路１４ａが形成されている。
【００２２】
燃料電池１０では、アノードにおいて、触媒の作用により水素から電子が乖離して、水素イオン（プロトン）が電解質膜を透過してカソードに移動し、電子が外部負荷（図示せず）を経由してカソードに移動することにより発電が行われる。一方、カソードにおいては、触媒の作用によってアノードからの水素イオンおよび電子と、カソードに供給された空気に含まれる酸素との反応により水が生成される。なお、発電した電力（電流）は、コンプレッサ２１、後記する冷媒ポンプ３２などの外部負荷に供給される。
【００２３】
図１に戻って、コンプレッサ２１は、モータ（図示せず）で駆動される機械式の過給器などで構成され、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１０のカソードに向けて送り出すようになっている。
【００２４】
加湿器２２は、コンプレッサ２１から供給された空気（低湿潤ガス）を、燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガス（高湿潤ガス、水蒸気＋凝縮水）で加湿する機能を有する。この加湿器２２は、例えば、水分交換膜からなる中空糸膜の束をケース（図示せず）内に収容して構成したものである。
【００２５】
ケースには、コンプレッサ２１からの空気（被加湿ガス）が導入されるとともに中空糸膜の一側（例えば、内側）に連通する空気導入口２２ａと、中空糸膜の一側に連通するとともに加湿された空気が導出される空気導出口２２ｂと、燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガスが導入されるとともに中空糸膜の他側（例えば、外側）に連通するオフガス導入口２２ｃと、中空糸膜の他側に連通するとともにカソードオフガスが導出されるオフガス導出口２２ｄとが形成されている。
【００２６】
また、加湿器２２は、空気導入口２２ａがカソード供給配管Ｌ１を介してコンプレッサ２１と接続され、空気導出口２２ｂがカソード供給配管Ｌ２を介して燃料電池１０のカソード流路１２ａの入口１２ａ１と接続され、オフガス導入口２２ｃがカソードオフガス配管Ｌ３を介してカソード流路１２ａの出口１２ａ２と接続され、オフガス導出口２２ｄがカソードオフガス配管Ｌ４を介して背圧弁２３と接続されている。
【００２７】
なお、加湿器２２に用いられる水分交換膜は、中空糸膜に限定されるものではなく、膜を介して水分交換を行うものであれば、平膜状やスパイラル状などの他の形状の水分交換膜であってもよい。また、背圧弁２３は、バタフライ弁などの開度調節が可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソード内に供給されたガスの圧力（カソード内圧）を調節する機能を有する。
【００２８】
また、加湿器２２は、いわゆるウォータジャケットと称される構造を備えており、加湿器２２の内部や周囲に冷媒が流れる流路が形成され、ウォータジャケットに冷媒が通流することにより、冷媒と加湿器２２との間で熱交換が行われるようになっている。すなわち、加湿器２２を冷媒が通流することにより、加湿器２２が冷却または加温される。
【００２９】
なお、燃料電池システム１は、図示しない高圧水素タンクに充填された水素がアノード供給配管Ｌ５を介して燃料電池１０のアノード流路１３ａの入口１３ａ１と接続され、アノードオフガス配管Ｌ６を介してアノード流路１３ａの出口１３ａ２と接続されている。
【００３０】
温度調整手段３０は、ラジエータ３１、冷媒ポンプ３２、冷媒配管Ｌ７〜Ｌ９で構成されている。
【００３１】
ラジエータ３１は、燃料電池１０によって温められた冷媒を放熱する機能を有し、冷媒配管Ｌ７を介して燃料電池１０の冷媒流路１４ａの入口１４ａ１と接続され、冷媒配管Ｌ８を介して冷媒ポンプ３２と接続されている。
【００３２】
なお、冷媒は、例えば、エチレングリコールを主成分とする水溶液に防錆用の添加剤などを添加したものである。また、図示していないが、温度調整手段３０は、ラジエータ３１をバイパスするバイパス配管、バイパス配管側への流路またはラジエータ側への流路に切り替えるサーモスタットを備えている。サーモスタットは、例えば、温度変化に応じてワックスの膨張収縮により流路が変化するものである。
【００３３】
冷媒ポンプ３２は、例えばモータ（図示せず）を駆動させることによって、冷媒を循環させるものであり、冷媒配管Ｌ９を介して冷媒流路１４ａの出口１４ａ２と接続されている。
【００３４】
また、燃料電池システム１は、冷媒配管Ｌ１０，Ｌ１１を備えており、燃料電池１０の温度調整に用いられる冷媒を加湿器２２に循環させるようになっている。
【００３５】
冷媒配管Ｌ１０は、冷媒を加湿器２２に導入する流路であり、一端が冷媒配管Ｌ７と接続され、他端が加湿器２２のウォータジャケットの冷媒導入口２２ｅと接続されている。
【００３６】
また、冷媒配管Ｌ１１は、加湿器２２から排出された冷媒を燃料電池１０の冷却系に戻す流路であり、一端が加湿器２２のウォータジャケットの冷媒導出口２２ｆに接続され、他端が冷媒配管Ｌ９に接続されている。
【００３７】
なお、冷媒が流れる冷媒配管Ｌ７〜Ｌ９、および、加湿器２２を循環する冷媒が流れる冷媒配管Ｌ１０，Ｌ１１は、冷媒ポンプ３２を駆動したときに、冷媒が燃料電池１０と加湿器２２にそれぞれ同時に通流するように構成されている。すなわち、ラジエータ３１で冷却された冷媒は、燃料電池１０に導入されるとともに加湿器２２に導入されるようになっている。
【００３８】
また、加湿器２２を通流する冷媒流路は、加湿器２２の内部や周囲に限定されず、例えば、加湿器２２と湿度センサ４３との間のカソード供給配管Ｌ２を２重配管にするなどして、加湿器２２とともにカソード供給配管Ｌ２に冷媒を通流させるようにしてもよい。
【００３９】
また、冷媒ポンプ３２は、燃料電池１０と加湿器２２の双方に冷媒を循環させることができる位置であれば図１に示す位置に限定されるものではなく、例えばラジエータ３１の下流、かつ、冷媒配管Ｌ７と冷媒配管Ｌ１０との分岐部の上流に配置してもよい。また、冷媒配管Ｌ７と冷媒配管Ｌ１０との分岐部に三方弁からなる流量調整弁を設けて燃料電池１０と加湿器２２に分配される冷媒の流量を調整するようにしてもよい。
【００４０】
制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、コンプレッサ２１のモータの回転速度（出力）、冷媒ポンプ３２のモータの回転速度（出力）を制御し、背圧弁２３の開度を調節し、温度センサ４１、流量センサ４２、湿度センサ４３、圧力センサ４４によって計測された各検出値を取得する。
【００４１】
温度センサ４１は、燃料電池１０の下流（出口）の冷媒配管Ｌ９に配置され、燃料電池１０から排出された冷媒の温度を検出する。制御部４０では、温度センサ４１により計測された温度に基づいて、燃料電池１０の温度および加湿器２２の温度を所望の温度に設定する。
【００４２】
流量センサ４２は、コンプレッサ２１の下流のカソード供給配管Ｌ１に配置され、コンプレッサ２１から燃料電池１０に送り出す空気の流量を検出する。制御部４０では、例えば、流量センサ４２により計測された空気の流量に基づいて、コンプレッサ２１のモータの回転速度が一定となるように制御する。
【００４３】
湿度センサ４３は、加湿器２２の下流のカソード供給配管Ｌ２に配置され、加湿器２２で加湿された空気（燃料電池１０のカソードに供給される空気）の相対湿度を検出する。制御部４０では、例えば、湿度センサ４３により計測された相対湿度に基づいて、コンプレッサ２１のモータの回転速度が一定となるように制御する。
【００４４】
圧力センサ４４は、燃料電池１０のカソードの下流のカソードオフガス配管Ｌ３に設けられ、燃料電池１０のカソード圧（カソード内圧）を検出する。制御部４０では、圧力センサ４４により計測されたカソード圧力（カソード内圧）に基づいて、コンプレッサ２１、背圧弁２３を所望の値（開度）に設定する。
【００４５】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について説明する。燃料電池システム１が運転中である場合、制御部４０によってコンプレッサ２１が駆動されることにより、加湿器２２においてカソードオフガス（高湿潤ガス）に含まれる水分によって加湿された空気が燃料電池１０のカソードに供給され、また水素が燃料電池１０のアノードに供給されることで発電が行われる。
【００４６】
また、制御部４０によって冷媒ポンプ３２が駆動されることにより、冷媒が燃料電池１０内を循環し、燃料電池１０内を通ることによって発電時の熱で温められた冷媒が冷媒配管Ｌ９，Ｌ８を介してラジエータ３１内を通ることで、冷媒が放熱されて冷却される。冷却された冷媒は、冷媒配管Ｌ７〜Ｌ９を通って燃料電池１０に再び導入されることによって、燃料電池１０の冷却が継続される。なお、冷媒の温度が所定の温度よりも低いときには、サーモスタットによって流路がバイパス配管側に切り替えられ、ラジエータ３１をバイパスした冷媒が燃料電池１０に導入される。
【００４７】
また、ラジエータ３１で冷却された冷媒は、冷媒配管Ｌ１０を通って加湿器２２に設けられたウォータジャケットに導入され、冷媒と加湿器２２との間で熱交換が行われる。冷媒と加湿器２２との間で熱交換が行われることにより、加湿器２２の温度と燃料電池１０の温度とが同等の温度に設定される。
【００４８】
すなわち、燃料電池１０では、カソード流路１２ａと冷媒流路１４ａとの関係が図２に示すようなセパレータ１２を挟んで隣接する構造であるので、冷媒が燃料電池１０内を循環することにより、カソード流路１２ａを流れる空気の温度が冷媒流路１４ａを流れる冷媒の温度とほぼ一致することになる。また、加湿器２２には燃料電池１０を循環する冷媒が循環しているので、冷媒の温度と加湿器２２の温度とがほぼ一致することにより、加湿器２２の温度と燃料電池１０の温度とがほぼ一致することになる。
【００４９】
また、加湿器２２から燃料電池１０に供給される空気の温度は、燃料電池１０内のカソード流路１２ａを流れる空気の温度とほぼ一致することになるので、湿度センサ４３によって得られる検出値（相対湿度）とカソード流路１２ａを流れる空気の相対湿度とがほぼ一致することになる。したがって、湿度センサ４３で検出された相対湿度の空気が、その検出した相対湿度のまま燃料電池１０のカソードに供給されることになる。
【００５０】
ちなみに、燃料電池１０のカソード側の入口１２ａ１に導入される空気の相対湿度を高める場合には、冷媒ポンプ３２のモータの回転速度を上昇させることによって、冷媒の循環量が増加し、加湿器２２が冷却される。加湿器２２の温度が低下することにより、飽和水蒸気量が低下して、燃料電池１０に供給される空気に含まれる水分割合が増加するので、相対湿度が増加することになる。逆に冷媒ポンプ３２のモータの回転速度を低下させることにより、冷媒の循環量が減少し、加湿器２２の温度が上昇する。このようにして燃料電池１０のカソードに供給される空気の湿度を所望の相対湿度に設定することが可能になる。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、加湿器２２の温度と燃料電池１０の温度とを等温化できるので、湿度センサ４３によって検出された相対湿度を、燃料電池１０内を流れる空気の相対湿度とほぼ一致させることができ、湿度センサ４３の検出値（相対湿度）を補正するといった演算を不要にでき、制御部４０内における制御を簡略化できる。
【００５２】
また、本実施形態では、燃料電池１０の温度と加湿器２２の温度とをひとつの温度センサ４１で制御するので、制御部４０内における検出値の処理（制御）を含めて、燃料電池システム１のシステム構成を簡略化することが可能になる。つまり、従来のように、冷却系とカソード系（ガス供給系）にそれぞれ温度センサ（計３箇所）を設けないので、各温度センサの検出値を処理、演算する制御部４０（コントローラ）を含むシステムが複雑になることがない。
【００５３】
また、本実施形態では、ひとつの温度センサ４１に基づいて冷媒ポンプ３２のみで制御するため、燃料電池１０のカソードに供給される空気の温度を直ちに所望の温度に設定することができ、ハンチングが発生するのを防止できる。つまり、従来のように、冷却系とカソード系とを同時に別々に制御することがないので、上記効果に加え、検出温度発信から実際に温度が変動するまでのレスポンスや流体（冷媒、空気）の比熱差や熱容量差に起因した温度検出性の違いによってハンチングが発生することがない。
【００５４】
また、本実施形態では、コンプレッサ２１のモータの回転速度が一定となるように、流量センサ４２と湿度センサ４３とを監視しながら冷媒ポンプ３２を制御するので、上記効果に加えて、騒音や振動のレベルを安定化させることが可能になる。また、不具合が生じたときの対応、対策が簡単になる。
【００５５】
なお、本実施形態では、カソード系に加湿器２２を設けた場合を例に挙げて説明したが、カソード系に限定されるものではなく、アノード系に加湿器を設けて、温度調整手段３０の冷媒と加湿器との間で熱交換が行われるように構成してもよい。また、カソード系とアノード系の双方に加湿器を設ける構成であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池
２１    コンプレッサ
２２    加湿器
２３    背圧弁
３０    温度調整手段
３１    ラジエータ
３２    冷媒ポンプ
４０    制御部
４１    温度センサ
４２    流量センサ
４３    湿度センサ
４４    圧力センサ
Ｌ１，Ｌ２  カソード供給配管
Ｌ３，Ｌ４  カソードオフガス配管
Ｌ５    アノード供給配管
Ｌ６    アノードオフガス配管
Ｌ７〜Ｌ１１  冷媒配管
【図１】
2010177046.tif 000003
【図２】
2010177046.tif 000004