(57)【要約】【課題】  アノード循環経路での循環量低下を抑制し、要求負荷に応じた発電を実現可能にする。【解決手段】  燃料電池２０に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池２０から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置８０が、アノードオフガスを燃料電池２０に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムにおいて、アノードオフガスが加湿装置８０をバイパスするバイパス路８１を備える。バイパス路８１には、燃料電池２０に対する要求負荷に応じてバイパス路８１の流量を制御するバイパス流量制御手段として、開度調整弁８２を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスが前記加湿装置をバイパスするバイパス路を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードガス循環経路は、アノードガス供給源と前記燃料電池のアノード入口とを連通するアノードガス経路の一部と、前記燃料電池のアノード出口と前記アノードガス経路とを連通するアノードオフガス経路とを備えてなり、
前記バイパス路は、前記アノードオフガス経路側に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池に対する要求負荷に応じて前記バイパス路の流量を制御するバイパス流量制御手段を備える、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス流量制御手段は、前記バイパス路に設けられた弁装置である、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記弁装置は、外部から与えられる流体圧力に応じて開度が調整される圧力駆動型の弁装置である、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記弁装置は、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力に応じて開度が調整される、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アノードガス供給源から供給される未使用アノードガスを噴射する際に発生する負圧によって前記アノードオフガスを吸引し、これら未使用アノードガスとアノードオフガスとの混合ガスを前記アノード供給ガスとして前記燃料電池に供給するエジェクタが、前記アノードガス経路と前記アノードオフガス経路との合流部に配設され、
前記加湿装置は、前記エジェクタに吸引される前記アノードオフガス側の水分を、前記エジェクタから噴射されて前記燃料電池に供給されるアノード供給ガス側に移動させることで、該アノード供給ガスを加湿する、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池に対する要求負荷の変動に応じて、前記加湿装置に対する前記アノードオフガスのバイパス流量を制御する、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、アノード供給ガスを加湿するための加湿装置をアノード循環経路に備えた燃料電池システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを積層して構成され、当該燃料電池のアノードには燃料ガスとして水素（アノードガス）が供給され、カソード側には酸化ガスとして空気（カソードガス）が供給される。燃料電池から排出される水素オフガス（アノードオフガス）には、発電で消費されなかった水素が含まれているため、そのままシステム外に排出せずに再び燃料電池に供給される。
【０００３】
特許文献１には、水素オフガスを燃料電池に再供給するアノード循環経路を備えた燃料電池システムにおいて、アノードガス供給源から燃料電池に供給される水素を水素オフガスにて加湿すべく、アノード循環経路に中空糸加湿装置が設けられた構成が開示されている。かかる加湿装置により、電解質膜は所定の含水状態に維持され、高い発電効率が維持される。
【特許文献１】特開２００２−１８４４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、アノード循環経路に加湿装置を設けると、該アノード循環経路における圧力損失が大きくなるため、燃料電池のアノードに供給される総循環量ひいては水素循環量が低下してしまう。特に高負荷領域においては圧力損失が増えるため、水素循環量が要求値を下回り、負荷要求に応じた発電を行うことが困難となる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、アノード循環経路での循環量低下を抑制することにより、負荷要求に応じた発電を実現することが可能な燃料電池システムとその運転方法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】
【０００６】
本発明においては、上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、請求項１に記載の発明は、燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガスが前記加湿装置をバイパスするバイパス路を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスがバイパス路を通ることで加湿装置をバイパスすることが可能である。これにより、特に高負荷時におけるアノード循環経路での圧力損失を抑制することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードガス循環経路は、アノードガス供給源と前記燃料電池のアノード入口とを連通するアノードガス経路の一部と、前記燃料電池のアノード出口と前記アノードガス経路とを連通するアノードオフガス経路とを備えてなり、前記バイパス路は、前記アノードオフガス経路側に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、アノード循環経路での循環量低下に特に影響するアノードオフガス経路上での圧力損失が低減される。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対する要求負荷に応じて前記バイパス路の流量を制御するバイパス流量制御手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、例えばアノード循環経路での圧力損失が大きい高負荷時にはバイパス流量を増やす一方、低負荷時にはバイパス流量を減らす又はゼロにしてアノードオフガスからアノード供給ガスへの水分移動を確保することにより、アノードオフガスの比重増加とアノードオフガス中の発電に寄与するガス（以下、発電寄与ガス）の分圧低下が抑制される結果、発電寄与ガス（例えば、水素）の循環量低下が抑制される。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量制御手段は、前記バイパス路に設けられた弁装置であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、外部から与えられる流体圧力に応じて開度が調整される圧力駆動型の弁装置であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記弁装置は、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力に応じて開度が調整されることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、燃料電池に対する要求負荷に連動するカソードガス供給圧に応じて弁開度が調整されるため、例えば要求負荷が高いときにはバイパス量を増やすように弁開度を調整し、要求負荷が低いときにはバイパス量を減らす又はゼロとなるように弁開度を調整することができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードガス供給源から供給される未使用アノードガスを噴射する際に発生する負圧によって前記アノードオフガスを吸引し、これら未使用アノードガスとアノードオフガスとの混合ガスを前記アノード供給ガスとして前記燃料電池に供給するエジェクタが、前記アノードガス経路と前記アノードオフガス経路との合流部に配設され、前記加湿装置は、前記エジェクタに吸引される前記アノードオフガス側の水分を、前記エジェクタから噴射されて前記燃料電池に供給されるアノード供給ガス側に移動させることで、該アノード供給ガスを加湿することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、エジェクタに吸引される前のアノードオフガスに含まれる水分が、エジェクタによって噴射されて燃料電池に供給されるアノード供給ガス側に移動することにより、エジェクタに吸引されるアノードオフガスの比重が低下する。エジェクタの吸引力が同じであれば、比重が低いほどアノードオフガスの吸引量が増加するため、総循環量ひいては発電寄与ガスの循環量は増加する。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、燃料電池に供給されるアノード供給ガスを該燃料電池から排出されたアノードオフガスにて加湿するための加湿装置が、前記アノードオフガスを前記燃料電池に再供給して循環させるアノード循環経路に配設された燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池に対する要求負荷の変動に応じて、前記加湿装置に対する前記アノードオフガスのバイパス流量を制御することを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、例えば燃料電池に対する要求負荷が高いときには加湿装置に対するバイパス量を増やす一方、要求負荷が低いときにはバイパス量を減らす又はゼロにすることにより、高負荷時におけるアノード循環経路での圧力損失の上昇と、低負荷時におけるアノードオフガスの比重増加及びアノードオフガスにおける発電寄与ガスの分圧低下とが抑制される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池から排出されたアノードオフガスが加湿装置に対してバイパス可能に構成されているので、特に高負荷時におけるアノード循環経路での圧力損失を抑制することができる。これにより、アノード循環経路での循環量低下は抑制され、負荷要求に応じた発電が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００２２】
図１は、本実施形態の燃料電池システムを示した図である。燃料電池システムは燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成された燃料電池２０を備えている。燃料電池セルは、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。
【００２３】
セパレータは、基材をカーボンまたはメタルにより形成されて導電性を有し、カソード及びアノードの各電極に酸化ガスとしての空気（カソードガス）及び燃料ガスとしての水素（アノードガス）を供給するための反応ガス流路と、冷媒が流れる冷媒流路とが形成されている。セパレータは、互いに隣接する燃料電池セルに供給される異種流体（空気、水素、冷媒）の混合を遮断する役割も果たす。
【００２４】
燃料電池２０の空気供給口には、空気供給路７１を介して空気が供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、および、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。モータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられる。
【００２５】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（カソードオフガス）は、空気排気路７２を経て外部に放出される。空気排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、および、燃料電池２０への供給空気圧を設定する圧力調整弁Ａ４が設けられている。
【００２６】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２７】
燃料電池２０のアノード入口には、水素供給路（アノード経路）７４を介して水素供給源（アノードガス供給源）３０から供給される水素（未使用アノードガス）と、燃料電池２０のアノード出口から排出された水素オフガス（アノードオフガス）との混合ガスが、アノード供給ガスとして供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００２８】
水素供給路７４は、水素供給源３０と燃料電池２０のアノード入口とを連通するものであり、該連通を遮断する遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１、遮断弁Ｈ１００の下流圧を検出する圧力センサＰ６、水素供給源３０から燃料電池２０への供給水素圧を減圧する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流圧を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５、水素オフガスを吸引して水素供給源３０からの水素と共に燃料電池２０に供給するエジェクタ７９、及び燃料電池２０に供給されるアノード供給ガスを水素オフガスにて加湿する加湿装置８０が設けられている。
【００２９】
調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニア（あるいは連続的）に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。
【００３０】
燃料電池２０で消費されなかった水素は、水素オフガスとして水素オフガス路７５に排出され、エジェクタ７９によって水素供給路７４の調圧弁Ｈ９よりも下流側に戻され、水素供給源３０から供給される未使用の水素と混合して再び燃料電池２０に供給される。
【００３１】
つまり、燃料電池２０に供給されるアノード供給ガスは、水素供給源３０からの水素と、燃料電池２０から排出された水素オフガスとの混合ガスである。また、水素供給路７４のうちエジェクタ７９を含んでそれよりも下流側の水素供給路７４（アノードガス経路の一部）と、水素オフガス路７５とにより、水素オフガスを燃料電池２０に再供給して循環させるアノード循環経路が構成される。
【００３２】
水素オフガス路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０のアノード出口と水素供給路７４との連通を遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した水分を水素オフガス路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、加湿装置８０、及び逆止弁Ｈ５２が設けられている。さらに、水素オフガス路７５には、加湿装置８０をバイパスするバイパス路８１が設けられている。
【００３３】
加湿装置８０は、図２の模式図に示されるように、円筒状のケーシング９１内に多数の中空糸９２を備えてなる。水素オフガス流入部９３を介してケーシング９１の一端側に導入された水素オフガスは、中空糸９２内を流通してケーシング９１の他端側から水素オフガス流出部９４を介して排出される。その流通過程で、水素オフガスに含まれていた水分は、ケーシング９１内であって中空糸９２の外部（以下、加湿空間９５）に放出される。
【００３４】
一方、アノード供給ガス流入部９６を介して加湿空間９５の一端側に導入されたアノード供給ガスは、加湿空間９５の他端側からアノード供給ガス流出部９７を介して排出される。アノード供給ガスは、加湿空間９５を流通する過程で、上記水素オフガスから加湿空間９５内に放出された水分によって加湿される。
【００３５】
バイパス路８１には、圧力駆動型の弁装置である開度調整弁（バイパス流量制御手段、弁装置）８２が介装されている。開度調整弁８２は、外部から与えられる流体圧力である空気供給路７１の空気圧力により制御される。すなわち、空気供給路７１からは開度調整弁８２に接続された配管８３が分岐しており、燃料電池２０への供給空気圧が増加した時は開度調整弁８２の弁開度が増加してバイパス量が増える一方、供給空気圧が低下した時は弁開度が減少してバイパス量が減る又はゼロに調整される。
【００３６】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素オフガスは、水素供給路７４と水素オフガス路７５との合流部に配設されたエジェクタ７９によって、水素供給源３０からの水素と合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆止弁Ｈ５２は、水素供給源３０からの水素が水素オフガス路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００３７】
水素オフガス路７５は、パージ弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気される。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されてアノード供給ガス中の不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００３８】
燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３９】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００４０】
なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００４１】
このように構成された燃料電池システムにおいては、上記のように水素オフガス路７５中の水分が、加湿装置８０を介して水素供給路７４のアノード供給ガスに移動する。これにより、燃料電池２０に供給されるアノード供給ガスが加湿される。また、かかる水分移動の結果、水素オフガス路７５中の比重（平均分子量）が低下すると共に、水素分圧が増加する。以上により、アノード循環経路での水素循環量の低下は抑制される。
【００４２】
次に、図３を参照しながら、本発明の実施例について比較例と共に説明する。同図において、（１）の直線は、要求負荷に対応する水素循環量の要求値、（２）の曲線は、比較例として加湿装置８０を設けない場合（アノード供給ガスを加湿しない場合）の総循環量、（３）の曲線は、同比較例における水素循環量、（４）の曲線は、加湿装置８０によりアノード供給ガスを加湿するが、バイパス路８１は閉じられた場合の水素循環量である。
【００４３】
図３に示すように、加湿装置８０を備えない場合（曲線（３）参照）、低負荷時に水素循環量が低下し、燃料電池２０が水素欠状態となり発電に支障をきたす。これに対し、加湿装置８０を備える場合（曲線（４）参照）、水素オフガスから水蒸気が取り除かれるので、水素オフガス路７５における水素オフガスの比重が低下する。さらに、水分が取り除かれることで水素分圧も増加する。これらの結果、循環水素量が増加し、低負荷領域での水素欠状態の発生が抑制される。
【００４４】
加湿装置８０を備えると、高負荷時においては水素オフガス路７５での圧力損失が大きくなる（曲線（４）参照）。これにより、エジェクタ７９の水素オフガス路７５側の入口圧力が大きく低下し、総循環量が低下して水素欠状態となる。
【００４５】
しかしながら、本実施形態においては、燃料電池２０への供給空気圧、すなわち燃料電池２０の要求負荷に応じて、開度調整弁８２の開度が自動的に調整されるので、負荷上昇に伴い供給空気圧が増加すると、開度調整弁８２の弁開度が増加し、バイパス路８１を流れる水素オフガス量が増える。これにより、高負荷時における水素オフガス路７５での圧力損失を低く抑えることができるので、図３の曲線（５）で示したように、負荷要求に見合う水素循環量を確保することができる。
【００４６】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、低負荷時にはバイパス路８１が閉じてアノード供給ガスの加湿量が増加するために水素欠状態の発生が抑制される一方、高負荷時にはバイパス路８１が開いて圧力損失が低く抑えられるために水素欠状態の発生が抑制されるので、広い負荷範囲において水素循環量の低下を抑制し得て、要求負荷に応じた発電を行うことができる。
【００４７】
また、開度調整弁８２の制御は、配管８３により与えられた供給空気圧によって自動的に調整されるため、簡素な構成によって上記したバイパス路８１の流量調整を行うことができる。
【００４８】
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、開度調整弁８２を電気駆動型の電磁弁としてもよい。この場合、配管８３が不要となる替わりに、制御部５０が燃料電池２０の負荷に応じて開度調整弁８２の開度制御を行うようにすればよい。
【００４９】
また、上記の開度調整弁８２は、要求負荷に応じて弁開度が調整される制御弁であるが、所定以上の高負荷時においては全開、それ以下の負荷時においては全閉とする開閉弁であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１に示す加湿装置の模式図である。
【図３】要求負荷（横軸）と、アノード循環経路を循環するガス量（縦軸）との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
２０…燃料電池、３０…水素供給源（アノードガス供給源）、７４…水素供給路（アノード経路）、７５…水素オフガス路（アノードオフガス経路）、７９…エジェクタ、８０…加湿装置、８１…バイパス路、８２…開度調整弁（バイパス流量制御手段、弁装置）、
【図１】
2006331882.tif 000003
【図２】
2006331882.tif 000004
【図３】
2006331882.tif 000005