(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の酸化ガス供給系内に水が浸入した場合でも、構成部品を保護できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、外気から取り込まれた吸入空気を浄化するエアクリーナ２１０と、浄化された空気を燃料電池スタック１００へ圧送するエアコンプレッサ２２０と、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２３０と、エアクリーナ２１０の入口側に設けられた温度センサ４１１及び湿度センサ４３１により検出される温度及び湿度に基づき算出されたエアクリーナ入口側水蒸気量と、インタークーラ２３０出口側に設けられた温度センサ４１２、湿度センサ４３２及び圧力センサ４０２により検出される温度、湿度及び圧力に基づき算出されたインタークーラ出口側水蒸気量とを比較して、インタークーラ出口側水蒸気量がエアクリーナ入口側水蒸気量よりも大きいと判定した場合に、燃料電池システムを停止する制御部３００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】
燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
外気から取り込まれた吸入空気を浄化するエアクリーナと、
前記エアクリーナによって浄化された空気を前記燃料電池スタックへ圧送するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサにより圧縮された空気を冷却するインタークーラと、
前記エアクリーナの入口側に設けられた温度センサ及び湿度センサにより検出される温度及び湿度に基づき算出されたエアクリーナ入口側水蒸気量と、前記インタークーラ出口側に設けられた温度センサ、湿度センサ及び圧力センサにより検出される温度、湿度及び圧力に基づき算出されたインタークーラ出口側水蒸気量とを比較して、前記インタークーラ出口側水蒸気量が前記エアクリーナ入口側水蒸気量よりも大きいと判定した場合に、燃料電池システムを停止する制御部と、
を備えることを特徴と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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、空気（酸化剤ガス）と水素（燃料ガス）との化学反応により発電する燃料電池（以下、燃料電池スタックとも称する）を備える。この燃料電池システムは、燃料電池に水素を供給する水素供給系と、燃料電池に空気を供給するエア系（酸化ガス供給系）とを有する。
【０００３】
エア系は、大気中から吸入した空気を燃料電池に供給するための流路（空気供給流路）を備える。この空気供給流路には、エアダクトと、エアクリーナと、エアコンプレッサとが少なくとも配設され、外気（空気）をエアダクトより取り込んで、この空気に含まれる粉塵等をエアクリーナで除去した後、エアコンプレッサにより空気を燃料電池に圧送する。
【０００４】
ところで、エアクリーナに水が侵入すると、エアクリーナを構成するフィルタの吸着性能の低下を招くため、エアクリーナに水が侵入することを抑制する必要がある。この水の侵入を抑制することを目的として、下記特許文献１では、エアクリーナよりも上流側に設けられたエアダクトが次のような構造を備えている。具体的には、外気を取り込むエアダクトが、ストレート部と、該ストレート部とエアクリーナとの間を湾曲して接続する湾曲部と、を有し、空気がエアダクトの湾曲部を通過する際には、その湾曲形状に起因して水に遠心力を働かせ、該遠心力により水を分離させてエアクリーナの上流側で水を回収している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６９６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エアクリーナへの水の侵入を抑制する技術については、上記特許文献１の他にも水を含む不純物の混入を防止するフィルタ等を設ける技術が提案されているが、エアクリーナへの水の侵入を完全に防止することは難しい。万一、エアクリーナを通過した水が燃料電池側に入った場合、燃料電池システムを構成する部品（例えば補機部品や配管類等）を交換する必要が生じることとなるが、従来では、エアクリーナに水を含む不純物が入った後については何ら考慮されていなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系内に水が浸入した場合であっても、燃料電池システムを構成する部品を保護することができ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】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、外気から取り込まれた吸入空気を浄化するエアクリーナと、エアクリーナによって浄化された空気を燃料電池スタックへ圧送するエアコンプレッサと、エアコンプレッサにより圧縮された空気を冷却するインタークーラと、エアクリーナの入口側に設けられた温度センサ及び湿度センサにより検出される温度及び湿度に基づき算出されたエアクリーナ入口側水蒸気量と、インタークーラ出口側に設けられた温度センサ、湿度センサ及び圧力センサにより検出される温度、湿度及び圧力に基づき算出されたインタークーラ出口側水蒸気量とを比較して、インタークーラ出口側水蒸気量がエアクリーナ入口側水蒸気量よりも大きいと判定した場合に、燃料電池システムを停止する制御部と、を備える。
【０００９】
インタークーラ出口側水蒸気量が、エアクリーナ入口側水蒸気量（言い換えれば、外気から吸入された吸入空気の水蒸気量）よりも大きい場合には、燃料電池システムの酸化ガス供給系の上流から水が混入したおそれがある。本発明では、このような場合に、燃料電池システムを停止するように制御するため、燃料電池システム内に水が混入したとしても、水から燃料電池システムを構成する部品（例えば補機部品や配管類等）を保護することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系内に水が浸入した場合であっても、燃料電池システムを構成する部品を保護することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの酸化ガス供給系の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１３】
図１は、燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給系（エア系）の概略構成を示す図である。図１に示す燃料電池１００（燃料電池スタック）は、アノード電極に燃料ガスとして水素を供給し、カソード電極に酸化ガスとして空気又は酸素を供給することにより、電気化学反応にて電力を発電する。以下では酸化ガス供給系についての説明をしていくが、燃料ガス供給系及び冷却系等の構成は公知のものと同等なので、詳細な説明は省略する。
【００１４】
図１に示す酸化ガス供給系１は、酸化ガス供給管２００と、エアクリーナ２１０と、エアコンプレッサ２２０と、インタークーラ２３０と、酸化ガス排出管２５０と、バイパス管２９０と、調整弁Ｖａ、Ｖｂ，Ｖｃとを備える。
【００１５】
酸化ガス供給管２００は、燃料電池１００のカソード側に酸化ガスを供給するための流路である。酸化ガス供給管２００には、エアクリーナ２１０と、エアコンプレッサ２２０と、インタークーラ２３０と、調整弁Ｖａと、各種センサ（大気圧センサ４０１、圧力センサ４０２、温度センサ４１１、４１２、４１３と、エアフローメーター４２１、湿度センサ４３１、４３２）とが設けられている。
【００１６】
エアクリーナ２１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去して浄化した空気を下流側に流すためのものである。このエアクリーナ２１０には、外気から取り込まれる吸入空気の温度を検知する温度センサ４１１、吸入空気の湿度を検知する湿度センサ４３１、空気流量を測定するためのエアフローメーター４２１が設けられている。本実施形態では、温度センサ４１１及び湿度センサ４３１は、エアクリーナ２１０の入口側（言い換えれば、エアコンプレッサ２２０の入口側）に設けられている。なお、エアクリーナ２１０の入口側には、大気圧を測定するための大気圧センサ４０１、が設けられている。
【００１７】
エアクリーナ２１０の下流側にはエアコンプレッサ２２０が配設されている。エアコンプレッサ２２０は、エアクリーナ２１０によって浄化された空気を圧縮して燃料電池１００に空気を圧送する。エアコンプレッサ２２０の下流側にはインタークーラ２３０が設けられており、圧縮されて温度が上昇した空気はこのインタークーラ２３０によって冷却される。エアコンプレッサ２２０の駆動源であるモーター２２１は、制御部３００により制御されて駆動し、これによりエアコンプレッサ２２０を作動させる。モーター２２１には、温度センサ４１３が接続されており、制御部３００は、温度センサ４１３により検出された温度に基づいて、ＥＶ冷却系によりモーター２２１を冷却してモーター２２１の温度を適宜調整する。
【００１８】
インタークーラ２３０の出口側には、インタークーラ２３０下流側の酸化ガス供給管２００内の圧力を検知する圧力センサ４０２、温度を検知する温度センサ４１２、湿度を検知する湿度センサ４３２が設けられている。
【００１９】
インタークーラ２３０の下流側であって燃料電池１００の上流側には、調整弁Ｖａが配設されている。調整弁Ｖａは、燃料電池１００に供給される酸化ガスの供給量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖａの開度は制御部３００に制御され、調整弁Ｖａを開くと、エアコンプレッサ２２０を介して圧縮された圧縮空気（酸化ガス）が、燃料電池１００のカソード電極に供給される。
【００２０】
酸化ガス排出管２５０は、燃料電池１００の下流側に接続され、燃料電池１００からの酸化オフガスを排出するための流路である。酸化ガス排出管２５０には、調整弁Ｖｂ、マフラー（図示略）が設けられている。調整弁Ｖｂは、燃料電池１００の下流側に配設され、燃料電池１００から排出される酸化オフガスの流量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖｂを開くと、燃料電池１００からの酸化オフガスが酸化ガス排出管２５０内を流れ、マフラー（図示略）を通して排出される。
【００２１】
バイパス管２９０は、酸化ガス供給管２００からの酸化ガスを、燃料電池１００をバイパスして酸化ガス排出管２５０に流すための流路である。バイパス管２９０には、調整弁Ｖｃが配設され、この調整弁Ｖｃの開度調整によりバイパス管２９０内を流れる酸化ガスの流量を調整することができる。調整弁Ｖｃを開き、調整弁Ｖａ、Ｖｂを閉じると、酸化ガス供給管２００内を流れる酸化ガスは、燃料電池１００を通ることなく酸化ガス排出管２５０に流れ、マフラー（図示略）を通して排出される。
【００２２】
制御部３００は、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリには、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭが含まれる。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの測定結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム全体を制御する。本実施形態においては、制御部３００は、例えば、エアクリーナ２１０の入口側に設けられた温度センサ４１１及び湿度センサ４３１により検出された温度及び湿度に基づいて吸入空気の水蒸気量（以下、エアクリーナ入口側水蒸気量とも称する）を算出する。また制御部３００は、インタークーラ２３０の出口側に設けられた温度センサ４１２、湿度センサ４３２、圧力センサ４０２により検出された温度、湿度及び圧力に基づいて、インタークーラ２３０出口側の水蒸気量（以下、インタークーラ出口側水蒸気量とも称する）を算出する。
【００２３】
ところで、燃料電池システム内に水が混入すると以下のような問題が生じるおそれがある。詳細には、外気から取り込まれた吸入空気に含まれる水が、燃料電池システムを構成する部品（例えば燃料電池スタックや補機部品及び配管類等）に混入すると、当該多数の部品を交換する必要性が生じ、交換費用の高額化、交換時間がかかる等の問題が生じるおそれがある。また、万が一、公道を走行時にはマフラーから冷却水が排出されるため、環境汚染につながる懸念もある。
【００２４】
そこで本発明者らは、外気から取り込まれた吸入空気に含まれる水から、燃料電池システムを構成する部品を保護するために、随時検討を重ねた結果、酸化ガス供給系の上流側から燃料電池システム内に水が混入されたことを以下のように判定し、燃料電池システムを構成する部品を保護することを見出した。
【００２５】
具体的には、本実施形態に係る燃料電池システムの制御部３００は、エアクリーナ入口側水蒸気量とインタークーラ出口側水蒸気量とを比較し、エアクリーナ入口側水蒸気量がインタークーラ出口側水蒸気量以上の場合には、正常と判定し（燃料電池システムを停止せず）、インタークーラ出口側水蒸気量がエアクリーナ入口側水蒸気量より大きい場合には、異常と判定し、燃料電池システムを停止するように制御する。このように燃料電池システムを停止すれば、燃料電池システム内の酸化ガス供給系に水が混入したとしても、当該水から部品（例えば補機部品や配管類等）を保護することができる。
【００２６】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１００…燃料電池スタック
２００…酸化ガス供給管
２１０…エアクリーナ
２２０…エアコンプレッサ
２２１…モーター
２３０…インタークーラ
２５０…酸化ガス排出管
２９０…バイパス管
３００…制御部
４０１…大気圧センサ
４０２…圧力センサ
４１１、４１２．４１３…温度センサ
４２１…エアフローメーター
４３１、４３２…湿度センサ
【図１】
2018107069.tif 000003