(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池の効率運転を確保しながら、燃料電池のより高温の運転を可能とすることである。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４のアノード側ガス出口５４から排出される使用済みガスの湿度を高めて循環流路６０に戻し、あるいは使用済みガスの水分を分離せずにそのまま循環流路６０に戻して、アノード側ガス入口５２に供給されるガスの露点θを調整する露点調整部７０が気液分離器５８に設けられる。制御装置８０は、燃料電池スタック１４の効率的運転条件の上限に近くに設定される高温運転条件で運転する際に予め設定される燃料電池用の冷却水の閾値温度Ｔ0と、冷却水温度計３６によって検出される冷却水温度ＴFCとを比較し、閾値温度Ｔ0と冷却水温度ＴFCとの差に応じて、露点調整部７０の作動を制御する。【選択図】図１
2011014429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード側ガス入口に燃料ガスを供給する供給流路と、
燃料電池のアノード側ガス出口から使用済みガスを排出する排出流路と、
排出流路と供給流路との間を接続して設けられる循環流路と、
排出流路と循環流路との分岐点と、アノード側ガス出口との間に設けられ、使用済みガスから水分を分離し、分離後のガスを循環流路に戻す気液分離器と、
燃料電池用の冷却水の温度を検出する温度検出部と、
気液分離器に設けられ、使用済みガスの湿度を高めて循環流路に戻し、あるいは使用済みガスの水分を分離せずにそのまま循環流路に戻して、アノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整する露点調整部と、
燃料電池の効率的運転条件の上限に近くに設定される高温運転条件で運転する際に予め設定される燃料電池用の冷却水の閾値温度と、温度検出部によって取得された冷却水温度とを比較し、閾値温度と冷却水温度との差に応じて、露点調整部の作動を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
露点調整部は、気液分離器に設けられるヒータを含み、
制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じてヒータの作動を制御し、気液分離器に貯留される貯留水の温度を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
露点調整部は、
燃料電池の冷却水循環流路から分岐して気液分離器に貯留される貯留水の中を通り再び冷却水循環路に戻る冷却水分岐流路と、
冷却水分岐流路に設けられる冷却水調整弁とを含み、
制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じて冷却水調整弁の作動を制御し、冷却水分岐流路を流れる分岐冷却水の量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
露点調整部は、
アノード側ガス出口から気液分離器に向かう排出流路に設けられる分岐点に一方端が接続され、他方端が気液分離器に貯留される貯留水の中に開口する分岐管路であって、その中に使用済みガスが流れるときに、貯留水をバブルしながら排出流路に使用済みガスを戻すことができるバブル用分岐流路と、
分岐点に設けられるバブル調整弁とを含み、
制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じてバブル調整弁の作動を制御し、バブル分岐流路を流れる使用済みガスの量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
露点調整部は、
アノード側ガス出口から気液分離器を介さずに循環流路に使用済みガスを流すことができるバイパス流路と、
バイパス流路に設けられるバイパス調整弁とを含み、
制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じてバイパス調整弁の作動を制御し、アノード側ガス出口側からバイパス流路を流れる使用済みガスの量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２から４のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
気液分離器は、
気液分離され気液分離器に貯留される水を外部に排水する排水弁と、
排水弁とは別に設けられ、気液分離された気液分離器の中の分離後ガスを外部に排気する排気弁と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を備え、
制御部は、
温度検出部によって閾値温度よりも冷却水温度が高いときに、燃料電池のインピーダンスについて予め定めた閾値インピーダンスと比較し、閾値インピーダンスとインピーダンス検出部によって取得されたインピーダンスと閾値インピーダンスとの差に応じて、露点調整部の作動を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
ヒータは、温度が高くなるに応じて抵抗値が上昇する特性を有するヒータであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
バイパス流路は、外周に設けられ、外部から断熱される断熱材を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
バイパス流路は、断熱性の高い材料で構成され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係り、特に燃料電池に燃料ガスを供給するアノード側の使用済みガスを排出するアノード側ガス出口に気液分離器が設けられる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックを構成する単位セルのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての反応によって必要な電力を取り出す。
【０００３】
このとき、カソード側に反応生成物として水が生成される。生成された水は電解質膜を通してアノード側にも浸透してくるので、電解質膜のアノード側も適度な湿度となって、その湿度の下で水素のプロトンの移動が行われ、このプロトンと酸素との反応で発電が行われる。したがって、発電を効率よく行うには、電解質膜が適度な湿度となっていることが必要である。
【０００４】
また、このアノード側に浸透してくる水によって、アノード側から排出される使用済みガスには水分が含まれている。アノード側から排出される使用済みガスはいわば排気ガスではあるが、燃料電池で反応に使われなかった水素が含まれているので、これを回収し、再びアノード側に供給することが行われる。この際に、アノード側から排出される液体交じりの排気ガスを気体と液体に分離する必要があり、そのために気液分離器が用いられる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池システムとして、燃料ガスである水素を燃料電池に供給する供給流路と、燃料電池から排出される水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路の合流点に戻すための循環流路と、この合流点合流上流側に設けられるインジェクタとを備え、循環流路には、気液分離器と排気排水弁を介して排気排水流路が接続される構成が述べられている。なお、ここでは、排気排水弁によって水素オフガスを外部に排出するパージ量を推定するために、インジェクタの下流位置に配置される圧力変化を用いることが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、燃料電池システムとして、燃料電池内部の湿度を検出し、所定の閾値よりも低い湿度の場合に、アノード側から排出されるガスであるアノードオフガスを、カソード側への接続通路を介してカソード入口へ送ることが開示されている。
【０００７】
なお、本発明に関連する気液分離器に関する技術として、特許文献３には、燃料電池システムにおける気液分離器の凍結判定方法として、液中磁鉄片を磁石で引きつけられるか否かで判定すること、水が凍結することで体積が膨張することをゴム薄膜の変形を示す圧力検出で判定すること、気液分離器の液中に開口するパイプを用いてアノードオフガスの一部をこれに流したときに気泡として液中に排出されて再び回収され水素ポンプのところの圧力が正常となるか否かで判定することが述べられている。なお、凍結したと判定されるときは、気液分離器の近傍に配置したヒータによって解凍が行われる。
【０００８】
また、特許文献４には、メタノール溶液と空気の反応で発電し、炭酸ガスと水とを生成するダイレクトメタノール方式の燃料電池装置において、未反応メタノールと反応生成物である炭酸ガスと水とを多孔性チューブを用いて気液分離する際に、多孔性チューブを流れる気液２相流と気液分離器との温度差があると結露し、多孔性チューブが目つまりすることが述べられている。ここでは、気液分離器の容器外側に設けられるヒータまたは冷却ファンを用いて、この温度差を少なくすることが開示されている。
【０００９】
また、特許文献５には、燃料電池システムとして、排出される未反応水素を燃料電池に再循環させる際に、未反応水素が約７０−８０℃で、これと合流する供給水素が約３０℃であるので、未反応水素中の水分が凝縮して詰まりが生じることが述べられている。そこで、排出される未反応水素を外気と熱交換し、あるいは温度上昇させた供給水素と熱交換して、予め未反応水素中の水分を除去することすることが開示されている。供給水素の温度上昇の例には、減圧による温度上昇、排出空気による加熱、供給空気による加熱、ヒータによる加熱が述べられている。そして、除去して回収される水分は、燃料電池に供給されるガスの加湿等の他の目的に利用できると述べられている。
【００１０】
特許文献６には、燃料電池システムの気液分離器に排気ガスに含まれる水を冷却する手段を設けて水分回収効率を向上させ、回収された水分をラジエータ散布用、水素ガスの加湿、空気の加湿に用いることが述べられている。ここで、冷却手段として、外気との熱交換を行うヒートパイプ、フィン、冷凍サイクル装置の低温冷媒との熱交換が述べられている。
【００１１】
特許文献７には、燃料電池システムにおいて、始動時にはガス加湿装置が働かないことがあり、また、バイパス流路を使う場合もあり、これらの場合に反応ガスに適当な湿度を与えられないと述べられている。ここでは、気液分離器で得られる水を貯留するハウジングと、中空糸膜と、ハウジング内を加熱するヒータを備える加熱加湿器をバイパス流路に設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２９３７６１号公報
【特許文献２】特開２００８−２８８１４７号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１０６９号公報
【特許文献４】特開２００８−２４３７４７号公報
【特許文献５】特開２００３−３１７７５３号公報
【特許文献６】特開２００２−３１３３８３号公報
【特許文献７】特開２００２−１１７８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
燃料電池の効率よい発電のためには、電解質膜に適度な湿度があることが必要である。そのために、燃料電池の温度をあまり高くできない。すなわち、燃料電池の温度を高くすると、燃料ガスの露点、酸化ガスの露点が下がり、電解質膜が乾燥しやすくなるからである。特に、電解質膜のアノード側は、カソード側で生成される水が電解質膜を介して浸透してくるが、この水分はプロトンの移動に伴って再びカソード側に移動するので、カソード側に比較すると乾燥しやすい傾向にある。
【００１４】
これらのことから、燃料電池の温度を調整する冷却水の温度はあまり高温にできず、例えば、燃料電池が車両に搭載される場合に、空調用に用いられる冷却水の温度に比較して低い温度に設定される。したがって、燃料電池用の冷却水の温度と外気温度との温度差が空調用の冷却水の場合よりも小さく、燃料電池用の冷却機構の小型化に制約を与えている。
【００１５】
本発明の目的は、燃料電池の効率運転を確保しながら、燃料電池のより高温の運転を可能とする燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池のアノード側ガス入口に燃料ガスを供給する供給流路と、燃料電池のアノード側ガス出口から使用済みガスを排出する排出流路と、排出流路と供給流路との間を接続して設けられる循環流路と、排出流路と循環流路との分岐点と、アノード側ガス出口との間に設けられ、使用済みガスから水分を分離し、分離後のガスを循環流路に戻す気液分離器と、燃料電池用の冷却水の温度を検出する温度検出部と、気液分離器に設けられ、使用済みガスの湿度を高めて循環流路に戻し、あるいは使用済みガスの水分を分離せずにそのまま循環流路に戻して、アノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整する露点調整部と、燃料電池の効率的運転条件の上限に近くに設定される高温運転条件で運転する際に予め設定される燃料電池用の冷却水の閾値温度と、温度検出部によって取得された冷却水温度とを比較し、閾値温度と冷却水温度との差に応じて、露点調整部の作動を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、露点調整部は、気液分離器に設けられるヒータを含み、制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じてヒータの作動を制御し、気液分離器に貯留される貯留水の温度を調整することが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、露点調整部は、燃料電池の冷却水循環流路から分岐して気液分離器に貯留される貯留水の中を通り再び冷却水循環路に戻る冷却水分岐流路と、冷却水分岐流路に設けられる冷却水調整弁とを含み、制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じて冷却水調整弁の作動を制御し、冷却水分岐流路を流れる分岐冷却水の量を調整することが好ましい。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、露点調整部は、アノード側ガス出口から気液分離器に向かう排出流路に設けられる分岐点に一方端が接続され、他方端が気液分離器に貯留される貯留水の中に開口する分岐管路であって、その中に使用済みガスが流れるときに、貯留水をバブルしながら排出流路に使用済みガスを戻すことができるバブル用分岐流路と、分岐点に設けられるバブル調整弁とを含み、制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じてバブル調整弁の作動を制御し、バブル分岐流路を流れる使用済みガスの量を調整するが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、露点調整部は、アノード側ガス出口から気液分離器を介さずに循環流路に使用済みガスを流すことができるバイパス流路と、バイパス流路に設けられるバイパス調整弁とを含み、制御部は、閾値温度と冷却水温度との差に応じてバイパス調整弁の作動を制御し、アノード側ガス出口側からバイパス流路を流れる使用済みガスの量を調整することが好ましい。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器は、気液分離され気液分離器に貯留される水を外部に排水する排水弁と、排水弁とは別に設けられ、気液分離された気液分離器の中の分離後ガスを外部に排気する排気弁と、を有することが好ましい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を備え、制御部は、温度検出部によって閾値温度よりも冷却水温度が高いときに、燃料電池のインピーダンスについて予め定めた閾値インピーダンスと比較し、閾値インピーダンスとインピーダンス検出部によって取得されたインピーダンスと閾値インピーダンスとの差に応じて、露点調整部の作動を制御することが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、ヒータは、温度が高くなるに応じて抵抗値が上昇する特性を有するヒータであることが好ましい。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流路は、外周に設けられ、外部から断熱される断熱材を有することが好ましい。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流路は、断熱性の高い材料で構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
上記構成により、燃料電池システムは、気液分離器に設けられ、使用済みガスの湿度を高めて循環流路に戻し、あるいは使用済みガスの水分を分離せずにそのまま循環流路に戻して、アノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整する露点調整部を備え、燃料電池の効率的運転条件の上限に近くに設定される高温運転条件で運転する際に予め設定される燃料電池用の冷却水の閾値温度と、温度検出部によって取得された冷却水温度とを比較し、閾値温度と冷却水温度との差に応じて、露点調整部の作動を制御する。これによって、冷却水の温度に応じてアノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整して燃料電池の効率運転を確保しながら、燃料電池の高温運転が可能となる。
【００２７】
また、燃料電池システムにおいて、気液分離器にヒータを設け、閾値温度と冷却水温度との差に応じてヒータの作動を制御し、気液分離器に貯留される貯留水の温度を調整する。貯留水の温度を調整することで使用済みガスの湿度を高めて循環流路に戻すことができ、これによって、冷却水の温度に応じてアノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整することができる。
【００２８】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池の冷却水循環流路から分岐して気液分離器に貯留される貯留水の中を通り再び冷却水循環路に戻る冷却水分岐流路に冷却水調整弁を設け、閾値温度と冷却水温度との差に応じて冷却水調整弁の作動を制御して、冷却水分岐流路を流れる分岐冷却水の量を調整する。燃料電池の冷却水の温度は貯留水の温度に比べ高いので、分岐冷却水の量の調整で貯留水の温度を調整できる。これによって、使用済みガスの湿度を高めて循環流路に戻すことができる。
【００２９】
また、燃料電池システムにおいて、アノード側ガス出口から気液分離器に向かう排出流路に設けられる分岐点に一方端が接続され、他方端が気液分離器に貯留される貯留水の中に開口する分岐管路であって、その中に使用済みガスが流れるときに、貯留水をバブルしながら排出流路に使用済みガスを戻すことができるバブル用分岐流路と、分岐点に設けられるバブル調整弁とを含む。貯留水をバブルすることで、気液分離器の中のガスの湿度を高めることができ、これによって、使用済みガスの湿度を高めて循環流路に戻すことができる。
【００３０】
また、燃料電池システムにおいて、アノード側ガス出口から気液分離器を介さずに循環流路に使用済みガスを流すことができるバイパス流路にバイパス調整弁が設けられ、閾値温度と冷却水温度との差に応じてバイパス調整弁の作動が制御される。気液分離器自体の温度は、使用済みガスの温度に比較して低いので、使用済みガスが気液分離器に入ることで使用済みガスに含まれる水分が凝集して使用済みガスの湿度が低下する。燃料電池を高温運転するときには、使用済みガスに含まれる水分が元々少ないので、気液分離器を通すことでさらに水分が少なくなる。したがって、このような場合には、気液分離器を通さずに、そのまま循環流路に使用済みガスを戻す方が好ましい。
【００３１】
上記構成によれば、冷却水の温度に応じてバイパス調整弁の作動が制御されるので、燃料電池が高温運転され、使用済みガスの湿度が低くなっているときには、気液分離器を通さずにバイパス流路を介して使用済みガスを直接循環流路に戻すことができる。これによって、冷却水の温度に応じてアノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整して燃料電池の効率運転を確保しながら、燃料電池の高温運転が可能となる。
【００３２】
また、燃料電池システムにおいて、気液分離器は、気液分離され気液分離器に貯留される水を外部に排水する排水弁とは別に、気液分離された気液分離器の中の分離後ガスを外部に排気する排気弁を有する。気液分離器に水を貯留し、この貯留水を利用して使用済みガスを加湿したいが、一方で、気液分離して水分を除去したガスにおける不純物ガス濃度が高まってきたときに排気を行いたいことが生じる。上記構成によれば、排水と排気とをそれぞれ独立のタイミングで行うことが可能となり、燃料電池の効率運転を確保しながら、燃料電池の高温運転が可能となる。
【００３３】
また、燃料電池システムにおいて、閾値温度よりも冷却水温度が高いときに、さらに燃料電池のインピーダンスを検出し、予め定めた閾値インピーダンス比較して、その差に応じて、露点調整部の作動が制御される。これにより、燃料電池について効率運転を確保しながらの高温運転のきめ細かな制御が可能となる。
【００３４】
また、燃料電池システムにおいて、ヒータは、温度が高くなるに応じて抵抗値が上昇する特性を有するヒータであるので、ヒータ作動の暴走等を自動的に抑制することができる。
【００３５】
また、燃料電池システムにおいて、バイパス流路は断熱材を有するので、使用済みガスに含まれる水分の凝集を抑制することができる。また、燃料電池システムにおいて、バイパス流路は、断熱性の高い材料で構成されるので、この場合にも、使用済みガスに含まれる水分の凝集を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る実施の形態における燃料電池システムの構成を説明する図である。
【図２】本発明の基礎となる関係図で、燃料電池の運転温度とセル電圧とアノード側ガス入口のガスの露点との関係を説明する図である。
【図３】本発明の基礎となる関係図で、燃料電池の運転温度を一定として、セル電圧とアノード側ガス入口のガスの露点との関係を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、気液分離器にヒータを用いる例を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、気液分離器に設けられるヒータを例として、燃料電池の高温運転のときにアノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整する手順を説明するフローチャートである。
【図６】本発明に係る実施の形態において、気液分離器に燃料電池用冷却水を分流して温度調整する例を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、気液分離器にバブル機構を設ける例を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、気液分離器をバイパスする流路を設ける例を説明する図である。
【図９】本発明に係る実施の形態において、気液分離器に排水弁と別に排気弁を設ける例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、気液分離器として、車両に搭載される燃料電池に設けられるものを説明するが、車両搭載用以外の燃料電池に設けられるものであってもよい。例えば、据置型の燃料電池システムであってもよい。
【００３８】
また、以下では、燃料電池システムとして、アノード側に、水素タンク、レギュレータ、水素循環ポンプ、気液分離器、排水弁が配置され、カソード側に、大気源、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）、加湿器、調圧弁が配置され、また冷却水系統が配置されるものとして説明するが、これは説明のための一例であって、これ以外の要素、例えば、ガスシャット弁、適当なガスバイパス系統等を付加することができる。
【００３９】
また、以下で説明する材料、温度等は説明のための例示であって、燃料電池システムの仕様に応じて適宜変更が可能である。
【００４０】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００４１】
図１は、車両搭載用の燃料電池システム１０の構成を示す図である。この燃料電池システム１０は、ハイブリッド車両に搭載し、走行用回転電機等の電源として用いられる。図１には、燃料電池システム１０の構成要素ではないが、その発電電力を用いて駆動される対象としての負荷８が図示されている。負荷８としては燃料電池システム１０によって発電される電力を利用する電気機器が全て含まれるが、燃料電池システム１０に直接接続される負荷８としては、回転電機用のインバータ回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ等である。
【００４２】
燃料電池システム１０は、システム本体部１２と、図示されていない車両運転指令部からの運転指令に基づいてシステム本体部１２の各構成要素の作動を全体として制御する制御装置８０を含んで構成される。
【００４３】
システム本体部１２は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック１４と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック１４のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。
【００４４】
燃料電池スタック１４は、単セルと呼ばれる単位燃料電池を複数接続して所望の端子電圧と出力電流を取り出せるように構成された組電池である。単セルは、電解質膜を挟んでその両側のカソード側とアノード側にそれぞれ触媒層と拡散層と多孔質電極層とセパレータが配置される構造を有し、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。
【００４５】
カソード側の酸素供給源（ＡＩＲ）２０は、酸化ガス源であるが、実際には大気を用いることができる。フィルタ２２は、酸素供給源２０である大気中の異物を除去して燃料電池スタック１４の供給に適した状態にする機能を有する。
【００４６】
エアコンプレッサ（ＡＣＰ）２４は、図示されていないモータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ２４は、制御装置８０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。
【００４７】
このように燃料電池スタック１４のカソード側には酸素を含む空気がＡＣＰ２４によって制御装置８０の制御の下で供給されるので、酸素供給源２０からＡＣＰ２４までの要素を、酸素供給装置と呼ぶことができる。
【００４８】
ＡＣＰ２４と燃料電池スタック１４のカソード側ガス入口とを接続する酸化ガス供給流路は、ＡＣＰ２４によって適当な圧力と流量に調整された酸化ガスを燃料電池スタック１４に供給する機能を有するガス配管である。
【００４９】
燃料電池スタック１４のカソード側ガス出口に接続される酸化ガス排出流路は、燃料電池スタック１４のカソード側ガス入口から供給された酸化ガスが電気化学反応を行って使用済みとなった酸化ガスを排出するガス配管である。
【００５０】
酸化ガス供給流路と酸化ガス排出流路とにまたがって配置される加湿器２６は、ＡＣＰ２６から供給される酸化ガスを加湿して燃料電池スタック１４に供給する機能を有するガス交換型加湿器である。ここでは、燃料電池スタック１４から排出され反応生成物である水蒸気を含む使用済み酸化ガスを用い、中空糸を介して水蒸気をＡＣＰ２６から供給される酸化ガスに与えて加湿する。
【００５１】
カソード側ガス出口のすぐ下流側で酸化ガス排出流路に直列に配置接続される調圧弁２８は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側ガス出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック１４への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁である。
【００５２】
調圧弁２８から加湿器２６を経由して使用済みとなった酸化ガスは、燃料電池スタック１４における反応生成物である水または水蒸気と共に、カソード側排気ガスとして、希釈器、マフラ等を経由して外気（ＥＸ）に排出される。
【００５３】
アノード側の水素ガス源４０は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。タンクは複数並列接続して用いるものとしてもよい。水素ガス源４０は、タンクの供給口に設けられる遮断弁４２を経由してレギュレータ４４，４６に接続される。レギュレータ４４，４６は、制御装置８０の制御の下で、水素ガス源４０の高いガス圧を適当な圧力に調整する機能を有する。図１の例ではレギュレータ４４，４６は直列に２段接続されているが、これによって、タンク内の高いガス圧を効果的に降圧することができる。
【００５４】
レギュレータ４４の下流側に設けられるインジェクタ４８は、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることで、ガス流量、ガス圧を調整する機能を有する一種の開閉弁である。インジェクタ４８の作動は制御装置８０によって制御され、これによって、燃料電池スタック１４に供給される水素ガスの流量等を、運転指令に適合するものとできる。
【００５５】
インジェクタ４８の出力口から燃料電池スタック１４のアノード側ガス入口５２との間に設けられる燃料ガスの供給流路５０は、燃料電池スタック１４に燃料ガスである水素を実際に供給する機能を有するガス配管である。
【００５６】
燃料電池スタック１４のアノード側ガス出口５４に接続される排出流路５６は、燃料電池スタック１４のアノード側ガス入口５２から供給された燃料ガスが電気化学反応を行って使用済みとなった燃料ガスを排出するガス配管である。
【００５７】
排出流路５６と供給流路５０との間に接続されて配置される循環流路６０は、アノード側ガス出口５４から排出される使用済みとなった燃料ガスの中の水素ガスを再び利用してアノード側ガス入口５２に戻す機能を有するガス配管である。
【００５８】
循環流路６０に設けられる水素ポンプ６２は、循環流路６０に戻されたガスを適当に加圧して供給流路５０に供給する機能を有する気体ポンプである。
【００５９】
燃料ガスの排出流路５６に配置される気液分離器５８は、アノード側ガス出口５４から排出される水分混じりの使用済み燃料ガスを、比質量の小さい燃料ガスを多く含むガスと、比質量の大きい水混じりの不純物ガスとに分離する機能を有する装置である。気液分離器５８によって分離された燃料ガスを多く含むガスは、上記のように循環流路６０を介して再び供給流路５０に戻される。また、気液分離器５８によって分離された水と不純物ガスの混じった水素ガスは、排水弁５９を介し、アノード側排気ガスとして、希釈器６４を経由して外気（ＥＸ）に排出される。
【００６０】
かかる気液分離器５８としては、液体混じりの気体が導入される導入口と、液体混じりの気体を液体と気体に分離する機構と、分離された気体を出力する出力口と、分離された液体あるいは液体混じりの気体を排出する排出口とを有する容器が用いられる。液体混じりの気体を気体と液体とに分離する機構としては、適当に長い流路を設けてその間に比質量の相違によって気体と液体に分かれる原理を利用する構成の他、遠心力による分離を利用する構成、あるいは表面張力による分離を利用する構成のものを用いることができる。
【００６１】
気液分離器５８に設けられる露点調整部７０は、燃料電池スタック１４のアノード側ガス出口５４からの使用済みガスの湿度を高めて循環流路６０に戻し、あるいは使用済みガスの水分を分離せずにそのまま循環流路６０に戻して、アノード側ガス入口５２に供給されるガスの露点を調整する機能を有する機構である。
【００６２】
露点調整部７０としては、気液分離器５８の貯留水の温度を調整するヒータ等、あるいは、気液分離器５８をバイパスして気液分離器５８による水分凝集を避けるバイパス流路を用いることができる。具体的な露点調整部７０の構成と作用については後述する。
【００６３】
冷却水循環流路３０は、燃料電池スタック１４を適当な温度に維持するために冷媒である冷却水を流すための配管である。冷却水循環流路３０は、途中に冷却水循環ポンプ３２が設けられ、燃料電池スタック１４と、熱交換器であるラジエータ３４との間に冷却水を循環させる。
【００６４】
冷却水循環流路３０に設けられる冷却水温度計３６は、冷却水温度ＴFCを検出する機能を有する温度検出手段である。冷却水温度ＴFCは、上記のように燃料電池スタック１４を通るので、燃料電池スタック１４の温度を代表していることになる。燃料電池スタック１４の温度は、燃料電池スタック１４を構成する単セルにおける電解質膜の湿度に影響を及ぼす。例えば、燃料電池スタック１４の温度が高温であると電解質膜の湿度が低下して乾燥気味となり発電効率が低下する。逆に、燃料電池スタック１４の温度が低温であると電解質膜の湿度が高くなり、場合によっては電解質膜が水で覆われるフラッディング現象となり、ガスの移動が困難となって発電に支障を生じる。
【００６５】
このように、冷却水温度ＴFCは、燃料電池スタック１４の発電に影響を与える燃料電池スタック１４の温度を代表的に示すものである。そこで、冷却水温度計３６によって検出された冷却水温度ＴFCは、適当な信号線を介し、制御装置８０に伝送され、燃料電池システム１０の運転制御に用いられる。
【００６６】
なお、燃料電池スタック１４を構成する単セルの電解質膜における湿度の状況は、単セルのインピーダンスＺを測定することで評価することができる。すなわち、電解質膜の湿度が高いときはそのインピーダンスＺが低い値を示し、逆に電解質膜の湿度が低いときはそのインピーダンスＺが高い値を示す。Ｚ測定装置６６は、燃料電池スタック１４を構成する単セルのインピーダンスＺを測定する機能を有するインピーダンス検出手段である。インピーダンスＺの測定は、電圧と電流とを用いて行う方法の他、高周波インピーダンス測定法等を用いることができる。
【００６７】
インピーダンスＺは、上記のように、燃料電池スタック１４の発電に影響を与える電解質膜の湿度を代表的に示すものである。そこで、Ｚ測定装置６６によって検出されたインピーダンスＺは、適当な信号線を介し、制御装置８０に伝送され、燃料電池システム１０の運転制御に用いられる。
【００６８】
制御装置８０は、図示されていない運転指令部からの燃料電池運転指令に従って、システム本体部１２の各構成要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。例えば、燃料電池運転指令に従って、ＡＣＰ２４の作動を制御して燃料電池スタック１４に供給される酸化ガスの流量を調整し、調圧弁２８の作動を制御して酸化ガスの圧力を調整し、またインジェクタ４８の作動を制御して燃料電池スタック１４に供給される燃料ガスの流量等を調整する機能を有する。
【００６９】
そして、ここでは特に、燃料電池システム１０の効率的運転条件の上限に近くに設定される高温運転条件で運転するときに、露点調整部７０の作動を制御し、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点を適切に調整する機能を有する。なお、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点の評価箇所を示すために、図１には、露点θを評価する露点評価手段６８がアノード側ガス入口５２のすぐ上流側に設けられる様子が図示されている。
【００７０】
そのために、制御装置８０は、冷却水温度計３６によって検出される冷却水温度ＴFCを取得する冷却水温度取得処理部８２と、検出された冷却水温度ＴFCと、燃料電池システム１０の高温運転の際に予め設定される燃料電池用の冷却水の閾値温度Ｔ0とを比較する温度比較処理部８４と、閾値温度Ｔ0と冷却水温度ＴFCとの差に応じて露点調整部７０の作動を制御する露点調整処理部８６を含んで構成される。
【００７１】
かかる制御装置８０は、車両搭載に適したコンピュータで構成することができる。そして、上記の各機能は、ソフトウェアを実行することで実現できる。具体的には、燃料電池運転プログラムを実行することでこれらの機能を実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００７２】
図２、図３は、本発明の基礎となる考えを説明する図である。これらの図には、燃料電池の運転温度と、単電池の端子電圧であるセル電圧と、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点θとの関係が示されている。すなわち、図２は、アノード側ガス入口５２における露点θをパラメータとして、横軸に燃料電池スタック１４の冷却水温度ＴFCがとられ、縦軸にセル電圧がとられている。図３には、冷却水温度ＴFCを一定としたときの状態として、横軸にアノード側ガス入口５２におけるガスの露点θをとり、縦軸にセル電圧がとられている。
【００７３】
図２において、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点θは、θ3＞θ2＞θ1である。図２に示されるように、冷却水温度ＴFCが高温となるにつれて、セル電圧が低下し、燃料電池スタック１４の発電効率が低下することが分かる。そして、一般的運転条件においては、冷却水温度ＴFCの変化があってもセル電圧があまり変化しない範囲に冷却水温度ＴFCが設定される。その上限の冷却水温度ＴFCを閾値温度Ｔ0とすると、冷却水温度ＴFCが閾値温度Ｔ0未満であれば、冷却水温度ＴFCの変化に関わらず、燃料電池システム１０を効率的に運転することができる。
【００７４】
換言すれば、冷却水温度ＴFCが閾値温度Ｔ0以上のときは、そのままではセル電圧の低下が生じ、燃料電池システム１０の発電効率が低下することになる。ところで、図２によれば、そのような場合でも、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点θを高くすることで、燃料電池システム１０の発電効率の低下を抑制することができる。例えば、露点θ1に代えて、露点θ2とすることができれば、セル電圧の低下の始まるＴFCは高温側に延びる。さらに露点θ3とすることができれば、セル電圧の低下の始まるＴFCを大幅に高温側に延ばすことができる。その様子は、図３においても同様に示されている。
【００７５】
すなわち、燃料電池システム１０の効率的運転条件の上限に近くに設定される高温運転条件で運転する際には、予め設定される燃料電池用の冷却水の閾値温度Ｔ0からの乖離を見て、その乖離の大きさに応じて、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点θを高くすればよい。このようにすることで、セル電圧を安定維持しながら、燃料電池システム１０の高温運転が可能となる。燃料電池システム１０の高温運転が可能になれば、冷却水の温度ＴFCと外気温度との差を大きくできるので、燃料電池スタック１４の冷却用のラジエータ３４を小型にでき、また、冷却水循環ポンプ３２の作動頻度が少なくなるのでその小型化が可能となる。
【００７６】
すなわち、燃料電池システム１０の高温運転のためには、冷却水の閾値温度Ｔ0と、冷却水温度計３６によって取得された冷却水温度ＴFCとを比較し、閾値温度Ｔ0と冷却水温度ＴFCとの差に応じて、露点調整部７０の作動を制御して、アノード側ガス入口５２におけるガスの露点θを調整すればよい。制御装置８０は、このための機能を有する。
【００７７】
以下に、上記構成の作用、特に制御装置８０の各機能について、図４から図９を用いて、露点調整部７０のいくつかの例の作動と関連して詳細に説明する。この中で、図４から図７は、気液分離器５８の中に貯留される貯留水の温度を調整することで循環流路６０に戻されるガスの湿度を高める露点調整部のいくつかの例を取り上げて説明する図である。図８は、気液分離器５８をバイパスする流路を設け、気液分離器５８による水分の凝集を避けて、アノード側ガス出口５４のガスに含まれる水分をそのままにして循環流路６０に戻す露点調整部の例を取り上げて説明する図である。図９は、気液分離器５８の貯留水の温度を高めながら、不純物濃度が高くなったガスを排気できる構成の例を取り上げて説明する図である。
【００７８】
図４は、上記のように、気液分離器５８の中に貯留される貯留水の温度を調整することで循環流路６０に戻されるガスの湿度を高める露点調整部１００として、ヒータ１０２とヒータコントローラ１０４とを用いる例を示す図である。
【００７９】
アノード側ガス出口５４から気液分離器５８に入った水混じりのガス９０は、水と気体の比質量の差によって、軽いガス９２は上方に、重い水は重力方向に分離して気液分離器５８の底部に溜まって貯留水９４となる。アノード側ガス出口５４から排出されるガスには窒素ガス等の不純物ガスが含まれるが、それらの一部は貯留水９４に含まれ、一部は水から分離して軽いガスに含まれる。
【００８０】
このようにして気液分離器５８の底部には貯留水９４が溜まるが、ヒータ１０２は、この貯留水９４の中に入るように配置される。ヒータ１０２は、電気ヒータで、電力を供給することで発熱し、その温度が上昇するものである。そして、ヒータコントローラ１０４は制御装置８０からの制御信号を受けて、ヒータ１０２のオン・オフを制御する。ヒータ１０２がオンされると、貯留水の温度が上昇し、水蒸気９６の発生が増加するので、循環流路６０に戻される軽いガス９２に含まれる水分の量が増加する。ヒータ１０２をオフすれば、余分の水蒸気の発生を止めることができる。
【００８１】
貯留水９４が十分でないときにヒータ１０２をオンすると、いわゆる空焚き状態となり、ヒータ１０２が過熱することが生じ得る。排水弁５９は、貯留水９４を希釈器６４に排出する機能を有するが、その排水のタイミングは、ヒータ１０２が貯留水９４の中に十分配置されるように、液面を監視しながら行われることが好ましい。そのために液面計を設けることができる。
【００８２】
また、ヒータ１０２の過熱を監視するためにヒータ温度計１０６を設けることが好ましい。ヒータ温度計１０６は、ヒータ１０２の表面温度ＴHを検出する機能を有するものである。ヒータ表面温度ＴHが予め定めた温度以上となるときは、ヒータコントローラ１０４は、制御装置８０の指令に関わらず、ヒータ１０２への通電をオフする機能を有する。なお、ヒータ１０２を、温度が高くなるに応じて抵抗値が上昇する特性（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ：ＰＣＴ）を有するヒータを用いることとすれば、過熱を自動的に抑制することができる。
【００８３】
また、気液分離器５８に、貯留水９４の凍結防止、あるいは貯留水９４が凍結した場合にこれを溶解するためにヒータがすでに設けられている場合には、そのヒータをそのまま利用して、制御装置８０の制御の下で気液分離器５８の貯留水９４の温度を上昇させて水蒸気９６の発生を調整するために用いるものとしてもよい。また、図５で説明したヒータを、貯留水９４の凍結防止、あるいは貯留水９４が凍結した場合にこれを溶解するために用いるものとしてもよい。
【００８４】
図５は、図４の構成の例について、燃料電池の高温運転のときにアノード側ガス入口に供給されるガスの露点を調整する手順を説明するフローチャートである。各手順は、燃料電池運転プログラムの高温運転サブルーティンの各処理手順に対応する。燃料電池運転プログラムが立ち上がると、まず、冷却水温度ＴFCの取得が行われる（Ｓ１０）。この工程は、制御装置８０の冷却水温度取得処理部８２の機能によって実行される。具体的には、冷却水温度計３６が検出したデータが制御装置８０に伝送され、これが取得される。
【００８５】
次に、取得された冷却水温度ＴFCと、燃料電池システム１０の高温運転のために予め設定された閾値温度Ｔ0とが比較され、ＴFCがＴ0以上か否かが判断される（Ｓ１２）。この工程は、制御装置８０の温度比較処理部８４の機能によって実行される。閾値温度Ｔ0は、図２で説明した特性図に従って、アノード側ガス入口５２のガスの露点θに関わらず、セル電圧が低下し始めるときの冷却水温度ＴFCとすることができる。
【００８６】
Ｓ１２の判断が肯定され、すなわち、閾値温度Ｔ0よりも冷却水温度ＴFCが高いときに、燃料電池スタック１４のインピーダンスＺの取得が行われる。具体的には、Ｚ測定装置６６が検出したデータが制御装置８０に伝送され、これが取得される。
【００８７】
そして、予め定めた閾値インピーダンスＺ0との比較が行われ、取得されたインピーダンスＺが閾値インピーダンスＺ0以上か否かが判断される（Ｓ１６）。
【００８８】
そして、Ｓ１６の結果に応じて、ヒータ１０２のオン・オフが制御される（Ｓ１８）。この制御は、ＺがＺ0以上であれば一律にヒータＯＮとし（Ｓ２０）、ＺがＺ0未満であれば一律にヒータＯＦＦとする（Ｓ２２）こととしてもよいが、ＺとＺ0の差に応じてオン時間を設定するものとしてもよい。
【００８９】
Ｓ１２，Ｓ１４の判断が否定のときはヒータＯＦＦのままである。Ｓ１８の処理の後は再びＳ１０に戻り、上記の処理手順が繰り返される。このようにして、冷却水温度ＴFCが閾値温度Ｔ0以上となると、燃料電池スタック１４のインピーダンスＺが閾値インピーダンスＺ0以上とならないようにヒータ１０２のオン・オフが制御される。これによって、セル電圧の低下を抑制しながら、燃料電池システム１０の高温運転を行うことができる。
【００９０】
ヒータ１０２のオン開始は、燃料電池スタック１４を構成する単セルの電解質膜が乾燥し始めるときが好ましい。閾値温度Ｔ0、閾値インピーダンスＺ0は、このことを考慮して、図２の特性図を基本として設定される。また、閾値インピーダンスＺ0に基づく判断に代えて、燃料電池スタック１４の電流−電圧特性について予め定めた閾値特性を用いるものとしてもよい。なお、閾値温度Ｔ0を十分適切に設定できる場合等のときには、Ｓ１４，Ｓ１６の工程を省略するものとできる。
【００９１】
図６に示す露点調整部１１０は、図５のヒータに代えて、冷却水循環流路３０から分岐して再び冷却水循環流路３０に戻る冷却水分岐流路１１２を気液分離器５８の貯留水９４の中を通らせて用いる例である。冷却水温度ＴFCは、貯留水９４の温度よりは十分高いことが通常であるので、これによって貯留水９４の温度を上昇させて、水蒸気９６の発生を増加させることができる。
【００９２】
露点調整部１１０は、さらに、冷却水分岐流路１１２に設けられる冷却水調整弁１１４と、制御装置８０の制御の下で冷却水調整弁１１４の開閉作動を調整する冷却水調整弁コントローラ１１８を有する。冷却水調整弁１１４は、冷却水分岐流路１１２の入口側開閉弁１１５と出口側開閉弁１１６を含んで構成される。
【００９３】
冷却水調整弁１１４の作動制御は、図５で説明したフローチャートにおいて、ヒータＯＮを冷却水調整弁開弁、ヒータＯＦＦを冷却水調整弁閉弁と読み替えることで、同様な手順で行われる。冷却水調整弁１１４の開弁と閉弁とは、入口側開閉弁と出口側開閉弁とが同期して行われる。冷却水調整弁１１４の開弁のときは、冷却水循環流路３０を流れる冷却水１１５が分流して分岐冷却水１１７として冷却水分岐流路１１２を流れる。冷却水調整弁１１４の閉弁のときは、分岐冷却水１１７は流れない。
【００９４】
図５に関連して説明したと同様に、冷却水調整弁１１４の開閉は、Ｓ１６においてＺがＺ0以上であれば一律に開弁とし、ＺがＺ0未満であれば一律に閉弁とすることとしてもよいが、ＺとＺ0の差に応じて開弁時間を設定するものとしてもよい。
【００９５】
なお、冷却水分岐流路１１２を設けずに、例えば、金属等の熱伝導体を用いて、冷却水循環流路３０の熱を貯留水９４に伝達できる構成としてもよい。この場合には、熱伝導体による熱の伝導・遮断機構を設け、これを制御装置８０によって制御するものとすることができる。
【００９６】
図７に示す露点調整部１２０は、図５のヒータ、図６の冷却水分岐流路に代えて、気液分離器５８の中にバブル機構を設ける例である。バブル機構とは、貯留水９４に気体の泡であるバブルを発生させるもので、このバブルが貯留水９４の中を上昇する際に水分を伴うので、気液分離器５８における水蒸気９６の発生を増加させることができる。
【００９７】
バブル機構としては、アノード側ガス出口５４から気液分離器５８に向かう排出流路５６に設けられる分岐点に一方端が接続され、他方端が気液分離器５８に貯留される貯留水９４の中に開口するバブル用分岐流路１２２と、分岐点に設けられるバブル調整弁１２４を含んで構成することができる。バブル調整弁１２４は、制御装置８０の制御の下でその開閉が調整される。
【００９８】
バブル調整弁１２４の作動制御は、図５で説明したフローチャートにおいて、ヒータＯＮをバブル調整弁開弁、ヒータＯＦＦをバブル調整弁閉弁と読み替えることで、同様な手順で行われる。バブル調整弁１２４の開弁のときは、排出流路５６を流れるガス９０が分流してバブル用ガス１２５としてバブル用分岐流路１２２を流れ、貯留水９４の中に開口する他方端からバブル１２８として放出される。バブル１２８は、貯留水９４の中を上昇し、貯留水９４の表面から水蒸気を含むガスとして、循環流路６０に戻されるガス９２と合流する。
【００９９】
図６に関連して説明したと同様に、バブル調整弁１２４の開閉は、Ｓ１６においてＺがＺ0以上であれば一律に開弁とし、ＺがＺ0未満であれば一律に閉弁とすることとしてもよいが、ＺとＺ0の差に応じて開弁時間を設定するものとしてもよい。
【０１００】
なお、図４、図６、図７の方法は、いずれも気液分離器の貯留水を利用し、そこからの水蒸気発生を調整するものであるので、これらの方法のいくつかを組み合わせて用いることも可能である。
【０１０１】
図８に示す露点調整部１３０は、気液分離器５８をバイパスするバイパス流路１３２を設ける例を説明する図である。気液分離器５８は、一種の容器であって、その温度は、アノード側ガス出口５４から排出されるガスの温度に比較して低い。したがって、アノード側ガス出口５４からのガスが気液分離器５８に導入されるとき、そのガスに含まれる水分は、低温である気液分離器５８によって凝集する。換言すれば、気液分離器５８を通すことで、アノード側ガス出口５４からのガスに含まれる水分が少なくなる。燃料電池システム１０が高温運転されるときは、アノード側ガス出口５４からのガスに含まれる水分は元々少ないので、さらに気液分離器５８を通すと、ほとんど水分のないガスとなって、循環流路６０に戻されることになる。
【０１０２】
勿論、図４、図６、図７で説明した方法で、気液分離器５８貯留水９４の蒸発を利用して、循環流路６０に戻されるガスの湿度を増加させることができるが、燃料電池システム１０が高温運転されるときは、上記のように、アノード側ガス出口５４からのガスに含まれる水分は元々少なく、図８に示されるように、貯留水９４が少ないことが多い。
【０１０３】
そこで、図８に示される露点調整部１３０は、バイパス流路１３２と、これを包む断熱材１３３と、バイパス流路１３２に設けられるバイパス調整弁１３４とを含んで構成される。なお、バイパス調整弁１３４は、バイパス流路１３２の入口側開閉弁１３５と出口側開閉弁１３６を含んで構成される。バイパス調整弁１３４は、制御装置８０の制御の下でその開閉が調整される。
【０１０４】
断熱材１３３は、バイパス流路１３２において、アノード側ガス出口５４からのガスに含まれる水分を凝集させないように、温度の低い外気からバイパス流路１３２を熱的に絶縁するためのものである。図８では図示を省略してあるが、バイパス調整弁１３４も断熱材１３３によって覆われることが好ましい。また、断熱材１３３でバイパス流路１３２等を覆うことに加えて、バイパス流路１３２の材料自体を断熱性の高いもの、例えば、樹脂材料で構成するものとすることが好ましい。このようにすることで、場合によっては、断熱材１３３を省略することができる。
【０１０５】
また、アノード側ガス出口５４からのガスに含まれる水分の凝集を抑制する観点から、循環流路６０も断熱材で保護することが好ましく、また、循環流路６０の長さもできるだけ短くすることが好ましい。
【０１０６】
図６等に関連して説明したと同様に、バイパス調整弁１３４の開閉は、Ｓ１６においてＺがＺ0以上であれば一律に開弁とし、ＺがＺ0未満であれば一律に閉弁とすることとしてもよいが、ＺとＺ0の差に応じて開弁時間を設定するものとしてもよい。
【０１０７】
図８の構成と、図４で説明した構成とを比較すると、図８の構成によれば、ヒータの電力が不要である。また、図６、図７の構成と比較すると、図８の構成は、気液分離器５８自体に余分の加工等を必要としない。このように、図８の構成によれば、従来の燃料電池システム１０の構成に、バイパス流路を付加し、単なる弁の開閉制御によって、燃料電池システム１０の高温運転を可能とすることができる。
【０１０８】
上記で説明した構成においては、気液分離器５８は排水弁５９を有している。排水弁５９は、気液分離器５８に貯留される貯留水９４が一定の量に達したときに開弁してこれを排出する機能を有する。貯留水９４には窒素ガス等の不純物ガスも含まれるので、実際の機能としては排気排水弁ということもできる。ところで、図４、図６、図７のように、貯留水９４を利用して、循環流路６０に戻されるガスの湿度を増加させるものとするときは、その目的のために、ある程度の貯留水９４の量が必要である。したがって、不純物ガス濃度が高まってきて、排気排水を行いたいときでも、加湿目的からの観点からは排気排水を行えないことが生じ得る。
【０１０９】
図９は、気液分離器５８の底部に設けられる排水弁５９とは別に、気液分離器５８の上部側、つまり、気体のみを排出できる位置に排気口１４０と、気液分離された後のガス９３を外部に排気する排気弁１４２を設ける例を示す図である。排気弁１４２の開弁のタイミングと、排水弁５９の開弁のタイミングとは、それぞれ独立のものとすることができる。このようにすることで、貯留水９４の利用と、不純物ガスを含む気液分離後のガス９３の排気とを両立させることが可能となる。
【０１１０】
なお、図９は、図４の構成に排気弁１４２を付加する場合を示しているが、図６、図７の構成においても同様に排気弁１４２を付加するものとできる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載される燃料電池システムのほか、据え置き型燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【０１１２】
８  負荷、１０  燃料電池システム、１２  システム本体部、１４  燃料電池スタック、２０  酸素供給源、２２  フィルタ、２４  ＡＣＰ、２６  加湿器、２８  調圧弁、３０  冷却水循環流路、３２  冷却水循環ポンプ、３４  ラジエータ、３６  冷却水温度計、４０  水素ガス源、４２  遮断弁、４４，４６  レギュレータ、４８  インジェクタ、５０  供給流路、５２  アノード側ガス入口、５４  アノード側ガス出口、５６  排出流路、５８  気液分離器、５９  排水弁、６０  循環流路、６２  水素ポンプ、６４  希釈器、６６  Ｚ測定装置、６８  露点評価手段、７０，１００，１１０，１２０，１３０  露点調整部、８０  制御装置、８２  冷却水温度取得処理部、８４  温度比較処理部、８６  露点調整処理部、９０，９２，９３  ガス、９４  貯留水、９６  水蒸気、１０２  ヒータ、１０４  ヒータコントローラ、１０６  ヒータ温度計、１１２  冷却水分岐流路、１１４  冷却水調整弁、１１５，１３５  入口側開閉弁、１１５  冷却水、１１６，１３６  出口側開閉弁、１１７  分岐冷却水、１１８  冷却水調整弁コントローラ、１２２  バブル用分岐流路、１２４  バブル調整弁、１２５  バブル用ガス、１２８  バブル、１３２  バイパス流路、１３３  断熱材、１３４  バイパス調整弁、１４０  排気口、１４２  排気弁。
【図１】
2011014429.tif 000003
【図２】
2011014429.tif 000004
【図３】
2011014429.tif 000005
【図４】
2011014429.tif 000006
【図５】
2011014429.tif 000007
【図６】
2011014429.tif 000008
【図７】
2011014429.tif 000009
【図８】
2011014429.tif 000010
【図９】
2011014429.tif 000011