(57)【要約】【課題】燃料電池のオフガスに含まれるエネルギを有効利用する技術を提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システム１であって、燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池２と、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池２へ送るコンプレッサ４と、燃料電池２から排気されるカソードオフガスでコンプレッサ４を回転駆動するタービン１１を収めるタービンケース１０と、燃料電池２の電気化学反応による反応熱と、圧縮された酸化剤ガスに含まれるコンプレッサ４の圧縮による熱の少なくとも何れかの熱エネルギでタービンケース１０を加熱する加熱手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池へ送るコンプレッサと、
前記燃料電池から排気されるカソードオフガスで前記コンプレッサを回転駆動するタービンを収めるタービンケースと、
前記燃料電池の電気化学反応による反応熱と、圧縮された前記酸化剤ガスに含まれる前記コンプレッサの圧縮による熱の少なくとも何れかの熱エネルギで前記タービンケースを加熱する加熱手段と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記熱エネルギを含んだ熱媒が流れる熱媒流路を有し、該熱媒流路を流れる該熱媒が前記タービンケースと接触して該タービンケースを加熱する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱媒は、前記コンプレッサが圧縮した前記酸化剤ガスである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱媒は、前記燃料電池を冷却した水である、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記燃料電池から排気されるカソードオフガスの温度に応じて、前記熱媒流路を流れる前記熱媒の流量を調整する流量調整手段を有する、
請求項２から４の何れか一項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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。
【０００３】
燃料電池のカソード側へ酸化剤ガスを流すと、電気化学反応で生じた熱を含んだオフガスが排気される。このようなオフガスに含まれる熱は、燃料電池の発電に利用されることがエネルギ効率の観点から好ましい。例えば、特許文献１や２には、燃料電池のカソード側から排気されるオフガスの熱を利用してコンプレッサを動かすことでシステム内の消費電力を削減し、発電効率を上げる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−２００７３３号公報
【特許文献２】特開２００４−１５５２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池のカソード側では、電気化学反応に伴う水が生成される。よって、燃料電池のカソード側から出るオフガスには水が含まれる。燃料電池のカソード側から出たオフガスの温度が下がると、オフガス中に含まれる気相状態の水が凝縮する。タービンにオフガスを流すと、タービンを通過する過程でオフガスの圧力が下がる。圧力が下がると温度も下がるため、温度の低下によってオフガス中の水が凝縮すると、気相状態だった水が液相状態になることによるオフガスの体積の減少が生ずる。燃料電池のカソード側から出るオフガスは水が多く含まれているため、水が液相になることによる影響が大きく、タービンがオフガスのエネルギを十分に回収できない。本発明は、係る課題に鑑みなされたものであり、燃料電池のオフガスに含まれるエネルギを有効利用する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池のカソードオフガスに含まれるエネルギで動くタービンのケースを、燃料電池またはコンプレッサで発生する熱で加熱する。
【０００６】
詳細には、燃料電池システムであって、燃料と酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池へ送るコンプレッサと、前記燃料電池から排気されるカソードオフガスで前記コンプレッサを回転駆動するタービンを収めるタービンケースと、前記燃料電池の電気化学反応による反応熱と、圧縮された前記酸化剤ガスに含まれる前記コンプレッサの圧縮による熱の少なくとも何れかの熱エネルギで前記タービンケースを加熱する加熱手段と、を備える。
【０００７】
上記燃料電池システムは、発電効率を上げるため、カソードオフガスに含まれるエネルギを使ってコンプレッサを駆動する。このように構成される燃料電池システムによれば、燃料電池の電気化学反応によって発生した熱のエネルギがシステム内で有効に活用されるため、システムの発電効率を高めることが可能である。
【０００８】
ところで、燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に伴う生成水がカソード側に生成される。タービンは、吸気側と排気側との間の圧力差によって生じるガスの
流れで回転するため、タービンを通過するガスは、通過する過程で圧力が下がる。ここで、ガスは、圧力が下がると飽和蒸気温度も下がるため、飽和している蒸気の圧力が下がると凝縮水が発生する。気体圧力と気体温度の関係が線形であるのに対し、蒸気圧力と飽和蒸気温度の関係が指数関数的だからである。そこで、上記燃料電池システムは、飽和蒸気或いはこれに近い状態にあるカソードオフガスを、タービンケースを加熱することで暖め、カソードオフガスがタービンを通過中に減圧しても凝縮水が発生しないようにする。なお、タービンケースを加熱しているのは、タービン通過中のカソードオフガスと熱交換を行うのが最も効率的だからである。
【０００９】
このように構成される燃料電池システムによれば、タービン通過中のカソードオフガスが凝縮水を発生しにくいため、カソードオフガスに含まれるエネルギが有効利用される。すなわち、水を多く含むカソードオフガスを排気する燃料電池において、このようにタービンケースを加熱することにより、カソードオフガスに含まれるエネルギを有効に使うことができる。なお、タービンケースの加熱源は、システム全体のエネルギ効率を高める観点から、電気化学反応による反応熱あるいはコンプレッサの圧縮に伴う熱の一方または両方を使っている。
【００１０】
また、前記加熱手段は、前記熱エネルギを含んだ熱媒が流れる熱媒流路を有し、該熱媒流路を流れる該熱媒が前記タービンケースと接触して該タービンケースを加熱するようにしてもよい。このように構成される燃料電池システムによれば、電気化学反応による反応熱やコンプレッサの圧縮に伴う熱を効率的にタービンケースへ運ぶことが可能である。
【００１１】
ここで、前記熱媒は、前記コンプレッサが圧縮した前記酸化剤ガスであってもよい。また、前記熱媒は、前記燃料電池を冷却した水であってもよい。熱媒が酸化剤ガスの場合であれば、コンプレッサの圧縮に伴う熱がタービンケースへそのまま伝わるため、システム構成を複雑にすることなくタービンケースを加熱することが可能である。また、熱媒が燃料電池を冷却した水の場合であれば、コンプレッサから燃料電池へ送られる酸化剤ガスでタービンケースを加熱する場合に懸念されるような酸化剤ガスの圧力損失の影響が無い。
【００１２】
また、前記加熱手段は、前記燃料電池から排気されるカソードオフガスの温度に応じて、前記熱媒流路を流れる前記熱媒の流量を調整する流量調整手段を有するものであってもよい。このように構成される燃料電池システムによれば、カソードオフガスの温度に応じた加熱が可能となるため、燃料電池の運転状態の変化等に起因するタービンケースへの加熱量の過不足を抑えることが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
燃料電池のオフガスに含まれるエネルギを有効利用する技術を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１５】
＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２、燃料電池スタック２のアノード側に燃料ガスである水素を供給する水素貯蔵タンク３、及び燃料電池スタック２のカソード側に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するコンプレッサ４を備えている。また、燃料電池システム１は、各機器を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵ５という：Electronic
Control Unit）を備えている。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、電気モ
ータ（負荷）で走行する燃料電池自動車に搭載され、電気モータ等の電気的な負荷へ電力を供給することを前提としている。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明に係る燃料電池システムは、地上に設置したり、或いは自動車以外の移動媒体等に搭載したりしてもよい。
【００１６】
燃料電池スタック２は、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）であり、水素と酸素の供給を受けて発電
する。燃料電池スタック２は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応によって発電する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を多数備
えており、これら膜電極接合体を有する燃料電池セルが積層されている。膜電極接合体は、高分子電解質膜を触媒電極で挟持するように構成されている。高分子電解質膜は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。また、触媒電極は、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンブラック等で構成される。膜電極接合体は、燃料ガスおよび酸化ガスが供給されることで電気化学反応を起こし、両電極間に電位差を発生させる。
【００１７】
燃料電池システム１は、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタック２へ水素を供給する配管の途中に、水素入口弁６を備えている。水素入口弁６は、ＥＣＵ５の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、水素貯蔵タンク３から燃料電池スタック２に流れる水素を制御する。
【００１８】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２のアノード側から大気へ水素オフガスを放出する配管の途中に水素出口弁７を備えている。水素出口弁７は、ＥＣＵ５の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、大気へ放出するオフガスを制御する。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、コンプレッサ４の上流側に、燃料電池スタック２のカソード側へ供給する空気を大気から取り込んでこれを浄化するためのエアクリーナ８を備えている。エアクリーナ８が設けられていることによりコンプレッサ４や燃料電池スタック２の内部への異物の混入が防止される。コンプレッサ４は、モータ９、及びエキスパンダ１０（本発明でいう、タービンケースに相当する）内のタービン１１とシャフト１２を介して連結されており、モータ９やタービン１１の回転力によって駆動可能なように構成されている。
【００２０】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２のカソード側から排出される空気オフガスが出る配管の途中に圧力調整弁１３を備えている。圧力調整弁１３は、ＥＣＵ５の指令で開度を調整可能なコントロールバルブであり、圧力センサ１４の測定結果等に応じて弁開度が調整される。なお、燃料電池システム１は、圧力調整弁１３の下流側に、空気オフガスの排気音を低減するマフラ１５を備えている。
【００２１】
ＥＣＵ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）
、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び入出力インターフェース等で構成されており、水素入口弁６、水素出口弁７、モータ９、及び圧力調整弁１３等を制御する。また、ＥＣＵ５は、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を検出する図示しないセンサと電気的に接続されており、燃料電池スタック２の出力電圧や出力電流を計測する。また、ＥＣＵ５は、水素入口弁６と燃料電池スタック２のアノード入口とを繋ぐ配管に設けられた水素流量センサ１６で水素の流量を検知する。また、ＥＣＵ５は、燃料電池スタック２のカソード出口と圧力調整弁１３とを繋ぐ配管に設けられた圧力センサ１４で空気の圧力を検知する。
【００２２】
ここで、エキスパンダ１０について詳述する。図２は、エキスパンダ１０の構造図である。図２に示すように、エキスパンダ１０は、空気オフガスによって駆動するタービン１１を内包している。タービン１１は、エキスパンダ１０の軸受１７に支持されたシャフト１２の端部に接合されている。エキスパンダ１０内には、燃料電池スタック２のカソード側から排気される空気オフガスが流入する上流側タービン室１８、及び上流側タービン室１８に流入してタービン１１のブレードの隙間を通過した空気オフガスが流入する下流側タービン室１９が設けられている。下流側タービン室１９は、マフラ１５と繋がっており、タービン１１を駆動した空気オフガスが大気へ排気されるようになっている。
【００２３】
エキスパンダ１０は、図２に示すように、保温ケース２０に収容されている。保温ケース２０は、保温室２１を内部に有しており、保温室２１の空間内にエキスパンダ１０を収容している。保温室２１は、コンプレッサ４で圧縮された高温の空気が配管（本発明でいう熱媒流路の一態様である）を経由して通過するようになっており、高温の空気がエキスパンダ１０に触れることで、外気によるエキスパンダ１０内部の冷却が避けられる構成になっている。なお、コンプレッサ４や保温ケース２０が、本発明でいう加熱手段の一態様である。
【００２４】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。車両の乗員によってシステム電源がオンにされると、ＥＣＵ５は、水素入口弁６および水素出口弁７を開いて燃料電池スタック２に水素を供給すると共に、圧力調整弁１３を開いてモータ９を始動することで燃料電池スタック２へ酸素を含む空気を供給する。ＥＣＵ５が燃料電池スタック２への水素と酸素の供給を開始することで水素と酸素とが電気化学反応し、車両の駆動モータや補機類への電力の供給が開始される。
【００２５】
図３は、作動中の燃料電池システム１の空気の流れを示す図である。図３に示すように、コンプレッサ４で圧縮された空気は保温室２１を通過したのち燃料電池スタック２のカソード側へ送られる。コンプレッサ４で圧縮された空気は、約２００℃に達する。そして、燃料電池スタック２の内部で酸化剤である酸素が消費された空気は、電気化学反応に伴う反応熱を得る。熱を持った空気は、空気オフガスとして燃料電池スタック２のカソード側から排気され、圧力調整弁１３を介してエキスパンダ１０の上流側タービン室１８へ送られる。この空気オフガスの温度は、約１００℃程度である。よって、コンプレッサ４で圧縮された約２００℃の空気により、空気オフガスを十分に加熱できる。上流側タービン室１８に流入した空気オフガスは、マフラ１５を介して大気と連通されることにより大気圧となっている下流側タービン室１９と上流側タービン室１８との間の圧力差によってタービン１１を通過し、下流側タービン室１９へ流れる。空気オフガスは、タービン１１を通過する際にタービン１１のブレードに衝突することによりタービン１１を回転させる。空気オフガスによってタービン１１が回転されることにより、その回転力がシャフト１２を介してコンプレッサ４へ駆動力として伝えられる。
【００２６】
以上、上記燃料電池システム１によれば、コンプレッサ４で圧縮されて高温になった空気によってエキスパンダ１０が加熱されるため、空気オフガスがエキスパンダ１０の外から冷やされることによるエネルギ損失を抑えて、オフガスに含まれるエネルギを有効利用することが可能となる。この理由について以下に説明する。
【００２７】
図４は、水の飽和蒸気曲線を示すグラフである。横軸が温度であり、縦軸が圧力である。周知のように、飽和蒸気曲線の左上が液相の領域であり、右下が気相の領域である。燃料電池スタック２の内部では、膜電極接合体の高分子電解質膜の乾燥を防ぐため、カソード側の空気中の水が概ね飽和蒸気曲線に近い状態になるように調整されている。このように調整された空気は、僅かに冷えただけで水を凝縮しやすい。水は、気体から液体へ変化すると体積が約１７００分の１になるため、水が気相から液相へ変化するとその体積が大
幅に減少する。
【００２８】
図５は、水が凝縮しやすい箇所を示した図である。エキスパンダ１０が保温室２１内に収容されておらず、コンプレッサ４で圧縮された高温の空気によって加熱されない場合、図５において凝縮箇所と示す部位で水が凝縮する。すなわち、図４の符号Ａで示す状態にあった空気オフガスがエキスパンダ１０内を通過することで膨張して温度が下がり（図４のΔＴ）、オフガス中の水が符号Ｂの状態へ遷移すると凝縮し、空気オフガスの圧力（特にエキスパンダ１０内の下流側の圧力）を下げる。このため、タービン１１が空気オフガスから得るエネルギが低下する。これにより、エネルギ損失が増え、システム全体の発電効率が低下する。
【００２９】
しかし、本実施形態によれば、タービン１１を通過する過程で圧力が低下する空気オフガスを、コンプレッサ４で圧縮された高温の空気で加熱しているため、オフガス中の水が気相領域側へ遷移する（図４の符号Ｃ）。このため、オフガスがタービン１１を通過する過程で水が凝縮しにくくなるため、タービン１１が空気オフガスから十分なエネルギを得ることが出来る。更に、タービン１１やエキスパンダ１０の内壁面に水滴が付着することが無いため、このような水滴がタービン１１に衝突することによるエネルギ損失も無い。本実施形態によれば、エキスパンダ１０を加熱しない場合に比べて３割程度、カソードオフガスのエネルギの回収効率が高まる。
【００３０】
なお、上記燃料電池システム１のように、コンプレッサ４で圧縮された高温の空気が保温室２１を通過する場合も、保温ケース２０の表面から大気へ放熱されるが、コンプレッサ４で圧縮された空気は、燃料電池スタック２のカソードを通過した空気オフガスのように水を多く含んでいない。図６は、このときの状態変化を示すグラフである。図６に示すように、コンプレッサ４で大気を圧縮した空気中の水は、通常、飽和蒸気曲線から離れた状態にある（例えば、符号Ｄ）。よって、このような空気が保温ケース２０内で放熱によって冷えても水が凝縮しないために圧力降下がほとんど起こらない（例えば、符号Ｅ）。よって、コンプレッサ４の動力を浪費することも無く、システム全体のエネルギ損失を増大させることもない。
【００３１】
＜変形例１＞
以下、上記実施形態の変形例について説明する。図７は、第一変形例に係る燃料電池システム１０１の構成図である。図７に示すように、本変形例に係る燃料電池システム１０１は、冷却水系統を備えている。なお、本変形例に係る燃料電池システム１０１の燃料ガス流路側は上記実施形態と同様であるため、図７ではその部分を省略している。
【００３２】
本変形例に係る燃料電池システム１０１は、図７で示すように、ラジエータ２２、ラジエータ２２を流れる水を空気で冷やすファン２３、及び水を循環させる冷却水ポンプ２４を備えている。ラジエータ２２、ファン２３、冷却水ポンプ２４、及び配管（本発明でいう、熱媒流路の一態様である）で構成される冷却水系統は、ＥＣＵ５による冷却水ポンプ２４やファン２３の動作制御を通じて、燃料電池システム１０１の作動中、燃料電池スタック２へ冷却水を供給することができる。ここで、上記実施形態に係る燃料電池システム１と異なり、本変形例に係る燃料電池システム１０１は、コンプレッサ４で圧縮された空気が、保温ケース２０を経由することなく燃料電池スタック２のカソードへ直接送られる。図８は、本変形例に係る燃料電池システム１０１の冷却水、及び空気の流れを示した図である。本変形例に係る燃料電池システム１０１は、冷却水ポンプ２４から出た冷却水が燃料電池スタック２を通過した後に保温ケース２０の保温室２１を通過し、ラジエータ２２で冷やされて再び冷却水ポンプ２４へ戻るように構成されている。
【００３３】
燃料電池スタック２の電気化学反応に伴う反応熱の多くは、冷却水ポンプ２４から送ら
れる冷却水によって除熱される。よって、本変形例は、燃料電池スタック２を通過することで熱くなった冷却水を保温室２１へ流すことで、エキスパンダ１０が冷えるのを防ぐように構成されている。その他の構成は、上記実施形態に係る燃料電池システム１と同様であるため、同じ構成要素については同一の符号を付してその説明を省略している。なお、本変形例では、冷却水ポンプ２４や保温ケース２０が本発明でいう加熱手段の一態様である。
【００３４】
このような変形例によれば、上記実施形態と同様な効果の他、次のような効果がある。すなわち、本変形例によれば、燃料電池スタック２を除熱した冷却水を、ラジエータ２２で冷やす前に保温室２１へ流しているため、ラジエータ２２における冷却量を削減することが可能である。例えば、ラジエータ２２から出る冷却水の温度が所定の制御目標値になるようにファン２３の回転数を制御している場合、ラジエータ２２に入る前の冷却水が予め冷やされていることにより、ファン２３の回転数を減らすことが可能である。従って、システム内で消費される電力を抑え、システム全体の発電効率を高めることが可能である。
【００３５】
＜変形例２＞
以下、上記実施形態の第二変形例について説明する。図９は、本第二変形例に係る燃料電池システム２０１の構成図である。本変形例に係る燃料電池システム２０１は、上記第一変形例と同様、冷却水系統を備えている。なお、本変形例に係る燃料電池システム２０１の燃料ガス流路側は上記実施形態と同様であるため、図９ではその部分を省略している。
【００３６】
すなわち、本変形例に係る燃料電池システム２０１は、上記第一変形例と同様、図９で示すように、ラジエータ２２、ファン２３、及び冷却水ポンプ２４を備えている。本変形例と上記第一変形例との相違点は、冷却水の流れにある。本変形例は、冷却水ポンプ２４を出た冷却水が２つに分岐している。分岐したうちの一つは、燃料電池スタック２を流れた後、ラジエータ２２へ戻る。分岐したうちの他方は、燃料電池スタック２をバイパスしてインタークーラ２５の胴側を通り、保温ケース２０の保温室２１を通過してからラジエータ２２へ戻る。
【００３７】
インタークーラ２５は、空気と冷却水との間で熱交換を行うシェル＆チューブ型の熱交換器であり、コンプレッサ４によって圧縮された高温の空気が胴側を通り、冷却水ポンプ２４を出た冷却水が管側を通る。図１０は、本変形例に係る燃料電池システム２０１の、空気と冷却水の流れを示す図である。コンプレッサ４によって圧縮されて高温になった空気は、冷却水によって冷やされた後、燃料電池スタック２のカソードへ送られる。また、インタークーラ２５で加熱された冷却水は、保温ケース２０の保温室２１へ送られる。従って、コンプレッサ４の圧縮によって発生した熱が、冷却水を介してエキスパンダ１０へ送られる。その他の構成は、上記実施形態に係る燃料電池システム１や第一変形例に係る燃料電池システム１０１と同様であるため、同じ構成要素については同一の符号を付してその説明を省略している。
【００３８】
このような変形例によれば、上記実施形態と同様な効果の他、次のような効果がある。すなわち、本変形例によれば、コンプレッサ４の圧縮によって発生した熱を冷却水でエキスパンダ１０へ運んでいるため、空気の配管よりも細い配管で熱輸送を行うことが可能である。また、冷却水ポンプ２４を出た後に燃料電池スタック２を経由しない冷却水を使っているため、燃料電池スタック１が発電開始直後等であることにより冷えている場合に、エキスパンダ１０を却って冷やしてしまうことが無い。
【００３９】
＜変形例３＞
以下、上記第二変形例の更なる変形例について説明する。図１１は、本第三変形例に係る燃料電池システム３０１の構成図である。本変形例に係る燃料電池システム３０１は、上記第二変形例と同様、２つに分岐した冷却水系統を備えている。なお、本変形例に係る燃料電池システム３０１の燃料ガス流路側は上記実施形態と同様であるため、図１１ではその部分を省略している。
【００４０】
本変形例に係る燃料電池システム３０１は、上記第二変形例と同様、図１１で示すように、ラジエータ２２、ファン２３、及び冷却水ポンプ２４を備えており、冷却水ポンプ２４を出た冷却水が２つに分岐している。本変形例に係る燃料電池システム３０１は、冷却水ポンプ２４から２つに分岐した冷却水流路のうち、インタークーラ２５や保温ケース２０を通過する流路に、冷却水の流量を調整する流量調整弁２８（本発明でいう、流量調整手段に相当する）が設けられている。この流量調整弁２８は、エキスパンダ１０へ送られる空気オフガスの温度を計測する温度センサ２６の計測結果や、燃料電池スタック２の運転状態に応じた弁開度になるように、ＥＣＵ５によって制御される。なお、本変形例では、冷却水ポンプ２４や保温ケース２０、流量調整弁２８が本発明でいう加熱手段の一態様である。
【００４１】
ＥＣＵ５は、流量調整弁２８を以下のように制御する。すなわち、ＥＣＵ５は、エキスパンダ１０へ流れる空気オフガスの温度を温度センサ２６で計測する。例えば、何らかの理由により圧力調整弁１３の開度が絞られており、圧力調整弁１３の下流側の空気オフガスの圧力が低い場合、タービン１１からコンプレッサ４へ伝わる駆動力が低下する。このような場合、モータ９によってコンプレッサ４の駆動がアシストされるが、モータ９のアシストによって圧縮された空気の熱をインタークーラ２５で積極的に除熱し、エキスパンダ１０への予熱に使うことはシステム全体の発電効率を低下させる。
【００４２】
また、温度センサ２６で計測される温度が低い場合、エキスパンダ１０へ送られる空気オフガスと外気との温度差が小さいため、空気オフガスの外気への放熱量も小さい。よって、このような場合、エキスパンダ１０へ与える熱も少なくて済む。従って、ＥＣＵ５は、温度センサ２６で計測される温度が低下すると、流量調整弁２８の開度を絞る。流量調整弁２８をこのように制御することで、システム全体の発電効率を高めることが可能となる。
【００４３】
他方、温度センサ２６で計測される温度が高い場合、エキスパンダ１０へ送られる空気オフガスと外気との温度差が大きいため、空気オフガスの外気への放熱量も大きい。よって、このような場合、エキスパンダ１０へ与えるべき熱も多い。従って、ＥＣＵ５は、温度センサ２６で計測される温度が上がると、流量調整弁２８の開度を広げる。流量調整弁２８をこのように制御することで、エキスパンダ１０が十分に予熱されて空気オフガス中の水の凝縮が抑制され、システム全体の発電効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】エキスパンダの構造図。
【図３】作動中の燃料電池システムの空気の流れを示す図。
【図４】飽和蒸気曲線を示すグラフ。
【図５】凝縮箇所を示した図。
【図６】飽和蒸気曲線を示すグラフ。
【図７】第一変形例に係る燃料電池システムの構成図。
【図８】第一変形例に係る燃料電池システムの冷却水、及び空気の流れを示す図。
【図９】第二変形例に係る燃料電池システムの構成図。
【図１０】第二変形例に係る燃料電池システムの冷却水、及び空気の流れを示す図。
【図１１】第三変形例に係る燃料電池システムの構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１，１０１，２０１，３０１・・・燃料電池システム
２・・・燃料電池スタック
３・・・水素貯蔵タンク
４・・・コンプレッサ
５・・・ＥＣＵ
１０・・エキスパンダ
１１・・タービン
２０・・保温ケース
２１・・保温室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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