(57)【要約】【課題】オフガスの相対湿度が１００％未満の場合においても加湿器の水分交換膜のドライアップを防止し、燃料電池に供給される反応ガスを好適に加湿することが可能な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１は、燃料電池スタック１０と、水分交換性の中空糸膜３３ｄを介して、燃料電池スタック１０に向かう空気と燃料電池スタック１０から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１０に向かう空気を加湿する加湿器３３と、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を調整するオフガス量調整部Ａと、オフガス量調整部Ａを制御するＥＣＵ６０と、を備え、ＥＣＵ６０は、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合に、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を減らすようにオフガス量調整部Ａを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
水分交換性の水分交換膜を有し、当該水分交換膜を介して、前記燃料電池に向かう反応ガスと当該燃料電池から排出された多湿のオフガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器に供給される前記オフガスの量を調整するオフガス量調整部と、
前記加湿器に供給される前記オフガスの相対湿度を検出するオフガス相対湿度検出部と、
前記加湿器に供給される前記オフガスの温度を検出するオフガス温度検出部と、
前記加湿器に供給される前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出部と、
前記オフガス量調整部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合に、前記加湿器に供給される前記オフガスの量を減らすように前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの相対湿度が小さいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
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】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの温度と前記反応ガスの温度との差が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の出力を検出する出力検出部を備え、
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の出力を検出する出力検出部を備え、
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、
前記オフガスの相対湿度、前記オフガスの温度、前記反応ガスの温度及び前記燃料電池の出力に基づいて、前記燃料電池から排出される前記オフガスの量に対する前記オフガス量調整部によって減らされる前記オフガスの量である目標カット率を設定するとともに、前記目標カット率及び前記燃料電池の出力に基づいて前記オフガス量調整部を制御する
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６】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、
前記オフガスの相対湿度が小さいほど前記目標カット率が大きくなるように、前記燃料電池の出力が大きいほど前記目標カット率が大きくなるように、かつ、前記オフガスの温度と前記反応ガスの温度との差が小さいほど前記目標カット率が大きくなるように、当該目標カット率を設定する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合に、前記目標カット率が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、かつ、前記燃料電池の出力が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御する
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記オフガス量調整部は、
前記加湿器をバイパスするバイパス配管と、
前記燃料電池と前記加湿器とを接続して前記オフガスが流通する配管と前記バイパス配管との分岐部、又は、前記バイパス配管に設けられており、前記制御部によって開閉制御される弁と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記弁は、前記バイパス配管に設けられた開度調整弁である
ことを特徴とする請求項８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、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池が発電すると、アノードでは式（１）の電極反応が生じ、水素イオンが生成する。そして、この水素イオンは、電解質膜（固体高分子膜）中を、カソード側に透過する。この水素イオンの透過に伴って、水素イオンに水和する水もカソード側に浸透する（電気浸透）。
一方、カソードでは式（２）の電極反応が生じ、水が生成し、この水が、電解質膜中をアノード側に浸透する（特許文献１参照）。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−…（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
【０００４】
固体高分子型燃料電池では、燃料電池の膜（電解質膜）が乾燥しすぎると発電性能が低下することから、膜を適度に加湿するため供給ガスに水分を与える膜式の加湿器を備えたものが種々提案されている。この種の加湿器は、例えば、燃料電池から排出されるオフガスを利用して、燃料電池に供給される供給ガスとオフガスとの間で水分交換させることによって、反応ガスを加湿している。しかし、燃料電池の運転温度が高温になると、燃料電池から排出されるオフガスの相対湿度が１００％を下回るため、加湿器の加湿性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。そこで、燃料電池と加湿器との間のオフガス流路上に空冷式や水冷式の熱交換器を有する冷却器を備えて、オフガスの温度を下げて湿度を上げる技術が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
また、従来の燃料電池用加湿システムにおいては、オフガスを有効利用する点で優れているが、オフガスは多くの水分を含んでいるため、このオフガスで反応ガスを加湿し続けると、燃料電池内において水がリッチな状態が続き、その結果燃料電池内の固体高分子膜間に形成されたガス流路に結露した水が溜まり、目詰まりを起こし発電能力が低下するという問題がある。そこで、反応ガスを露点要求に応じて適度に加湿する技術が提案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０１０３８３号公報
【特許文献２】特開２００９−１５２０１３号公報
【特許文献３】特開２００１−２１６９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の運転温度が高温になると、燃料電池から排出されるオフガスの相対湿度が１００％を下回るため、加湿器の性能が十分に発揮されなくなる。 
【０００８】
また、特許文献３に記載の燃料電池用加湿システムにおいても、加湿量を増やしたい時に、オフガスのバイパス流量を減らしていくと、加湿器の水分交換膜が乾燥状態となる所謂ドライアップが発生して、加湿器の性能が十分に発揮されずに加湿量が低下する場合がある。
【０００９】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、オフガスの相対湿度が１００％未満の場合においても加湿器の水分交換膜のドライアップを防止し、燃料電池に供給される反応ガスを好適に加湿することが可能な燃料電池システム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】
【００１０】
前記した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、水分交換性の水分交換膜を有し、当該水分交換膜を介して、前記燃料電池に向かう反応ガスと当該燃料電池から排出された多湿のオフガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器に供給される前記オフガスの量を調整するオフガス量調整部と、前記加湿器に供給される前記オフガスの相対湿度を検出するオフガス相対湿度検出部と、前記加湿器に供給される前記オフガスの温度を検出するオフガス温度検出部と、前記加湿器に供給される前記反応ガスの温度を検出する反応ガス温度検出部と、前記オフガス量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合に、前記加湿器に供給される前記オフガスの量を減らすように前記オフガス量調整部を制御することを特徴とする。
【００１１】
ここで、「前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合に、前記加湿器に供給される前記オフガスの量を減らすように前記オフガス量調整部を制御する」とは、湿潤ガスであるオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、オフガスの温度が乾燥ガスである反応ガスの温度よりも高い場合に、オフガスの相対湿度が１００％である場合やオフガスの温度が反応ガスの温度以下の場合よりも加湿器に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように、オフガス量調整部を制御することを指す。かかる構成によると、加湿器に供給されるオフガスの量を小さくし、反応ガスによるオフガスの冷却効果を高めてオフガスを好適に冷却することができ、加湿器内におけるオフガスの相対湿度を向上させることができる。
したがって、加湿器の水分交換膜のドライアップを防止し、加湿器の性能を向上させることができる。また、加湿器におけるオフガスの圧損を低下することができる。
【００１２】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの相対湿度が小さいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御することが好ましい。
【００１３】
かかる構成によると、加湿器の水分交換膜のドライアップをより好適に防止し、加湿器の性能をより向上させることができる。
【００１４】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの温度と前記反応ガスの温度との差が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御することが好ましい。
【００１５】
かかる構成によると、加湿器の水分交換膜のドライアップをより好適に防止し、加湿器の性能をより向上させることができる。
【００１６】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の出力を検出する出力検出部を備え、前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記燃料電池の出力が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御することが好ましい。
【００１７】
かかる構成によると、加湿器の水分交換膜のドライアップをより好適に防止し、加湿器の性能をより向上させることができる。
【００１８】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の出力を検出する出力検出部を備え、前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの相対湿度、前記オフガスの温度、前記反応ガスの温度及び前記燃料電池の出力に基づいて、前記燃料電池から排出される前記オフガスの量に対する前記オフガス量調整部によって減らされる前記オフガスの量である目標カット率を設定するとともに、前記目標カット率及び前記燃料電池の出力に基づいて前記オフガス量調整部を制御することが好ましい。
【００１９】
かかる構成によると、目標カット率に応じてオフガス量調整部を好適に制御し、加湿器の水分交換膜のドライアップをより好適に防止し、加湿器の性能をより向上させることができる。
【００２０】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記オフガスの相対湿度が小さいほど前記目標カット率が大きくなるように、前記燃料電池の出力が大きいほど前記目標カット率が大きくなるように、かつ、前記オフガスの温度と前記反応ガスの温度との差が小さいほど前記目標カット率が大きくなるように、当該目標カット率を設定することが好ましい。
【００２１】
かかる構成によると、加湿器の水分交換膜のドライアップをより好適に防止し、加湿器の性能をより向上させることができる。
【００２２】
前記制御部は、前記オフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、前記オフガスの温度が前記反応ガスの温度よりも高い場合、前記目標カット率が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、かつ、前記燃料電池の出力が大きいほど前記加湿器に供給される前記オフガスの量が小さくなるように、前記オフガス量調整部を制御することが好ましい。
【００２３】
かかる構成によると、水分交換膜とオフガス量調整部の圧力損失の特性の違いを考慮した好適な制御を行うことができる。
【００２４】
前記オフガス量調整部は、前記加湿器をバイパスするバイパス配管と、前記燃料電池と前記加湿器とを接続して前記オフガスが流通する配管と前記バイパス配管との分岐部、又は、前記バイパス配管に設けられており、前記制御部によって開閉制御される弁と、を備えることが好ましい。
【００２５】
かかる構成によると、加湿器に供給されたオフガスと供給されなかったオフガスとを加湿器の下流側で合流させてまとめて処理することができる。
【００２６】
前記弁は、前記バイパス配管に設けられた開度調整弁であることが好ましい。
【００２７】
かかる構成によると、加湿器をバイパスさせるカソードオフガスの量を簡易に調整することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、オフガスの相対湿度が１００％未満の場合においても加湿器の水分交換膜のドライアップを防止し、燃料電池に供給される反応ガスを好適に加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】目標バイパス率算出マップの一例を示す図である。
【図４】開度指令値算出マップの一例を示す図である。
【図５】バイパス率と加湿量との関係の一例を示すグラフである。
【図６】バイパス率とカソードオフガス圧損との関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
【００３１】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系（酸化剤ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費・アシスト（補助）する電力消費系と、アクセルペダル５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３２】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
【００３３】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００３４】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３５】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。また、このように燃料電池スタック１０が発電すると、カソードで水分（水蒸気）が生成し、この水分は電解質膜をアノード側に浸透するので、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、いずれも多湿となる。
【００３６】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス源）と、加湿器２２（加湿手段）とを備えている。水素タンク２１は、配管２１ａ、加湿器２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されており、水素タンク２１の水素が、配管２１ａ等を介して、アノード流路１１に供給されるようになっている。配管２１ａには、水素供給時に開かれる常閉型の遮断弁（図示しない）が設けられている。アノード流路１１の出口には、配管２２ｂ、加湿器２２、配管２２ｃが順に接続されており、燃料電池スタック１０のアノードから排出されたアノードオフガスが、配管２２ｂ等を介して車外（外部）に排出されるようになっている。
【００３７】
加湿器２２は、ポリイミド等から形成された水分交換性の水分交換膜である中空糸膜２２ｄを複数本備えている。そして、加湿器２２は、この中空糸膜２２ｄを介して、アノードから排出された多湿のアノードオフガスと、アノードに向かう水素との間で水分交換し、アノードに向かう水素を加湿するように構成されている。
【００３８】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス源）と、インタークーラ３２と、加湿器３３と、開度調整弁３４と、カソードオフガス相対湿度センサ３５と、カソードオフガス温度センサ３６と、空気温度センサ３７とを備えている。コンプレッサ３１は、配管３１ａ、インタークーラ３２、配管３２ａ、加湿器３３、配管３３ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。カソード流路１２の出口には、配管３３ｂ、加湿器３３、配管３３ｃが順に接続されており、燃料電池スタック１０のカソードから排出されたカソードオフガスが、配管３３ｃ等を介して、車外に排出されるようになっている。
【００３９】
インタークーラ３２は、コンプレッサ３１によって圧縮された空気を冷却して乾燥させ、乾燥した空気を加湿器３３に供給するようになっている。
【００４０】
加湿器３３は、加湿器２２と同様に、水分交換性の水分交換膜である中空糸膜３３ｄを複数本備えている。そして、加湿器３３は、この中空糸膜３３ｄを介して、カソードから排出された多湿のカソードオフガスと、カソードに向かう空気との間で水分交換し、カソードに向かう空気を加湿するように構成されている。
【００４１】
開度調整弁３４は、加湿器３３のカソードオフガス側と並列に設けられてＣＰＵ６０によって開閉制御される弁であり、本実施形態では、中間開度が使いやすい流量特性を有するバタフライ弁である。開度調整弁３４の上流側の配管３４ａは、加湿器３３の上流側の配管３３ｂから分岐しており、開度調整弁３４の下流側の配管３４ｂは、加湿器３３の下流側の配管３３ｃに合流する。
配管３４ａ，３４ｂは、カソードオフガスが加湿器３３をバイパスするバイパス配管を構成しており、開度調整弁３４は、ＥＣＵ６０から出力された制御信号（開度指令値）に基づいて、かかる当該開度調整弁３４の開度が調整される。開度調整弁３４の開度が大きくなるほど、加湿器３３をバイパスするカソードオフガスの量が大きくなり、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなる。すなわち、これら開度調整弁３４及び配管３４ａ，３４ｂの組み合わせが、加湿器３３に供給されるオフガス（カソードオフガス）の量を調整するオフガス量調整部Ａの一例である。
【００４２】
カソードオフガス相対湿度センサ３５は、配管３３ｂに配置されており、燃料電池スタック１０から加湿器３３に向かう湿潤ガスであるカソードオフガスの相対湿度を検出するオフガス相対湿度検出部の一例である。そして、カソードオフガス相対湿度センサ３５は、検出したカソードオフガスの相対湿度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４３】
カソードオフガス温度センサ３６は、配管３３ｂに配置されており、燃料電池スタック１０から加湿器３３に向かうカソードオフガスの温度を検出するオフガス温度検出部の一例である。そして、カソードオフガス温度センサ３６は、検出したカソードオフガスの温度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４４】
空気温度センサ３７は、配管３２ａに配置されており、インタークーラ３２から加湿器３３に向かう乾燥した反応ガスである空気の温度を検出する反応ガス温度検出部の一例である。そして、空気温度センサ３７は、検出した空気の温度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４５】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、電力分配器４２と、ＶＣＵ４３（Voltage Control Unit、発電電力制限手段）と、電流センサ４４と、高圧バッテリ４５とを備えている。走行モータ４１は、電力分配器４２、ＶＣＵ４３、電流センサ４４を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。高圧バッテリ４５は、電力分配器４２に接続されている。
【００４６】
走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。ＶＣＵ４３は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力を制限する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えている。高圧バッテリ４５は、リチウムイオン型の二次電池から構成され、燃料電池スタック１０の余剰電力を充電したり、燃料電池スタック１０の発電を制限する場合に燃料電池スタック１０をアシストしたりするものである。
【００４７】
電力分配器４２は、スイッチング回路等を備えており、ＶＣＵ４３で燃料電池スタック１０の発電電力を制限する場合、ＥＣＵ６０の指令に従って、高圧バッテリ４４の充電電力を放電させ、制限された燃料電池スタック１０の発電電力を補うように、高圧バッテリ４５を放電させる機能を備えている。そして、電力分配器４２は、燃料電池スタック１０からの電力と、高圧バッテリ４５からの電力とを走行モータ４１に供給するようになっている。なお、本実施形態において、燃料電池スタック１０を補助する補助電力供給手段は、高圧バッテリ４５と、電力分配器４２とを備えて構成されている。
【００４８】
電流センサ４４は、燃料電池スタック１０の出力側に配置されており、燃料電池スタック１０から出力される出力電流を検出する出力検出部の一例である。そして、電流センサ４４は、検出した出力電流を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４９】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ（制御部）６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。本実施形態において、ＥＣＵ６０は、カソードオフガス相対湿度センサ３５、カソードオフガス温度センサ３６、空気温度センサ３７及び電流センサ４４の検出結果を取得し、かかる検出結果に基づいて、開度調整弁３４を制御する。なお、ＥＣＵ６０による具体的制御内容は、図２のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。
【００５０】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２を主に参照して、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ６０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。なお、前提として、燃料電池システム１は作動しており、燃料電池スタック１０は発電している。また、ＥＣＵ６０は、カソードオフガス相対湿度センサ３５によって検出されたカソードオフガスの相対湿度、カソードオフガス温度センサ３６によって検出されたカソードオフガスの温度、空気温度センサ３７によって検出された空気の温度、及び、電流センサ４４によって検出された燃料電池スタック１０の出力電流を取得している。
【００５１】
まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ６０は、カソードオフガス相対湿度センサ３５によって検出されたカソードオフガスの相対湿度が１００％未満であるか否かを判定する。カソードオフガスの相対湿度が１００％未満の場合（ステップＳ１・Ｙｅｓ）には、ステップＳ２において、ＥＣＵ６０は、カソードオフガス温度センサ３６によって検出されたカソードオフガスの温度が空気温度センサ３７によって検出された空気の温度よりも高いか否かを判定する。なお、ステップＳ１，Ｓ２の順序は逆であってもよい。
【００５２】
カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり（ステップＳ１・Ｙｅｓ）、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合には、（ステップＳ２・Ｙｅｓ）、ステップＳ３において、ＥＣＵ６０は、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度、及び、燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて、目標バイパス率を設定する。
【００５３】
ここで、目標バイパス率とは、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスに対するオフガス量調整部Ａによって減らされる（バイパス配管３４ａ，３４ｂを流通する）カソードオフガスの目標量（ここでは、目標流量（Ｌ／ｍｉｎ））である目標カット率の一例であり、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスの量（ここでは、流量（Ｌ／ｍｉｎ））を分母、バイパス配管３４ａ，３４ｂを流通するカソードオフガスの目標量（ここでは、目標流量（Ｌ／ｍｉｎ））を分子とした百分率である。
【００５４】
本実施形態において、ＥＣＵ６０は、図３に示す目標バイパス率算出マップを参照し、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度、及び燃料電池スタック１０の出力電流に対応する目標バイパス率を読み出すことによって、目標バイパス率を設定する。なお、図３の目標バイパス率算出マップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００５５】
ここで、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック１０の出力電流がそれぞれ一定の場合、目標バイパス率は、カソードオフガスの相対湿度が小さいほど当該目標バイパス率が大きくなるように（換言すると、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように）設定されている（図３の矢印Ｘ１参照）。
これは、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの相対湿度が小さい場合には、カソードオフガスを冷却して水分を空気に移すためには、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を小さくして空気によるカソードオフガスの冷却効果を高める必要があるためである。
【００５６】
また、カソードオフガスの相対湿度及び燃料電池スタック１０の出力電流がそれぞれ一定の場合、目標バイパス率は、カソードオフガスの温度と空気の温度との差が大きいほど当該目標バイパス率が大きくなるように（換言すると、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように）設定されている（図３の矢印Ｘ２参照）。これは、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの温度と空気の温度との差が大きい場合、カソードオフガスを冷却して水分を空気に移すためには、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を小さくして空気によるカソードオフガスの冷却効果を高める必要があるためである。
【００５７】
また、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度及び空気の温度がそれぞれ一定の場合、目標バイパス率は、燃料電池スタック１０の出力電流が大きいほど当該目標バイパス率が大きくなるように（換言すると、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように）設定されている（図３の矢印Ｘ３参照）。これは、燃料電池スタック１０の出力電流が大きい場合には、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスの量が大きくなっており、カソードオフガスを冷却して水分を空気に移すためには、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を小さくして空気によるカソードオフガスの冷却効果を高める必要があるためである。
【００５８】
続いて、ステップＳ４において、ＥＣＵ６０は、目標バイパス率及び燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて、開度調整弁３４の開度を設定する。
【００５９】
本実施形態において、ＥＣＵ６０は、図４に示す開度調整弁３４の開度指令値算出マップを参照し、目標バイパス率及び燃料電池スタック１０の出力電流に対応する開度調整弁３４の開度を読み出すことによって、開度調整弁３４の開度を設定する。なお、図４の開度指令値算出マップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００６０】
燃料電池スタック１０の出力電流が一定の場合、開度指令値は、目標バイパス率が大きいほど当該開度指令値が大きくなるように（換言すると、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなる開度指令値に）設定されている（図４の矢印Ｘ４参照）。
【００６１】
また、目標バイパス率が一定の場合、開度指令値は、燃料電池スタック１０の出力電流が大きいほど当該開度指令値が大きくなるように（換言すると、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなる開度指令値に）設定されている（図４の矢印Ｘ５参照）。これは、燃料電池スタック１０の出力電流が大きい場合には、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスの量が大きくなっており、カソードオフガスを冷却して水分を空気に移すためには、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を小さくして空気によるカソードオフガスの冷却効果を高める必要があるためである。
【００６２】
ここで、バタフライ弁である開度調整弁３４は、配管３３ｂと配管３４ａとの分岐部ではなく配管３４ａと配管３４ｂとの間に設けられているので、目標バイパス率が１００％の場合にも、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスの一部は、配管３３ｂを介して加湿器３３に供給される。また、バタフライ弁である開度調整弁３４は、全閉状態では弁機構に負担がかかるため、目標バイパス率が０％の場合の開度指令値は、若干開弁状態に設定されている。
【００６３】
また、ステップＳ３において目標バイパス率の設定に燃料電池スタック１０の出力電流を用いた後に、ステップＳ４において開度指令値の設定に燃料電池スタック１０の出力電流を再度用いるのは、加湿器３３内における中空糸膜３３ｄのガス流量に対する圧力損失の特性と、オフガス量調整部Ａ（ここでは、開度調整弁３４）のガス流量に対する圧力損失の特性とが異なるためである。
より詳細には、中空糸膜３３ｄの圧力損失は、当該中空糸膜３３ｄの内側を流れるガスの流量の増加に対して、線形性を持って（一次関数的に）増加するのに対し、開度調整弁３４の圧力損失は、当該開度調整弁３４を流れるガスの流量の増加に対して、二次関数的に増加する。
すなわち、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスの流量が比較的小さい場合、中空糸膜３３ｄにおける圧力損失が開度調整弁３４における圧力損失よりも大きくなるため、カソードオフガスは、開度調整弁３４側（すなわち、バイパス側）に流れやすくなる。また、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスの流量が比較的大きい場合、中空糸膜３３ｄにおける圧力損失が開度調整弁３４における圧力損失よりも小さくなるため、カソードオフガスは、加湿器３３側に流れやすくなる。そのため、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスの流量に相関する燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて、所望の目標バイパス率を実現するように開度調整弁３４の開度指令値を調整する。
ＥＣＵ６０は、かかる事情に鑑みて設定された開度指令値算出マップを予め記憶しており、ステップＳ４において燃料電池スタック１０の出力電流に応じた開度指令値を設定する。
【００６４】
続いて、ステップＳ５において、ＥＣＵ６０は、設定された開度に基づいて、開度調整弁３４を制御する。かかる状態において、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスの一部は、加湿器３３に供給されず、配管３４ａ、開度調整弁３４、配管３４ｂを介してバイパスされる。ステップＳ５の実行後、本フローはステップＳ１に戻る。
【００６５】
また、カソードオフガスの相対湿度が１００％の場合（ステップＳ１・Ｎｏ）と、カソードオフガスの温度が空気の温度以下の場合（ステップＳ２・Ｎｏ）には、ステップＳ６において、ＥＣＵ６０は、開度調整弁３４を閉弁する。かかる状態において、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスは、全て加湿器３３に供給される。ステップＳ６の実行後、本フローはステップＳ１に戻る。
【００６６】
ここで、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合における、カソードオフガスのバイパス率と加湿器３３での空気の加湿量との関係の一例を図５に示す。図５から分かるように、カソードオフガスのバイパス率を０％から大きくしていくと、空気の加湿量は大きくなる。空気の加湿量は、バイパス率がＹ１％のときに最大値となり、バイパス率がＹ２％のときにバイパス率０％のときと同じ値となる、いわゆる上に凸の曲線形状を呈するように変化する。すなわち、カソードオフガスの一部（好ましくは、Ｙ１％）を加湿器３３に対してバイパスさせることによって、バイパスさせない場合と比較して、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を減らして空気によるカソードオフガスの冷却効果を高め、加湿器３３内部のカソードオフガスの相対湿度を向上させることができる。これによって、加湿器３３内の中空糸膜３３ｄのドライアップを防止し、加湿器３３の性能を向上させることができる。
【００６７】
また、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合における、カソードオフガスのバイパス率と加湿器３３におけるカソードオフガスの圧損との関係の一例を図６に示す。図６から分かるように、カソードオフガスの一部を加湿器３３に対してバイパスさせて加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を減らすことによって、加湿器３３におけるカソードオフガスの圧損を低下させることができる。
【００６８】
≪燃料電池システムの効果≫
本実施形態に係る燃料電池システム１は、湿潤ガスであるカソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が乾燥ガスである空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの相対湿度が１００％である場合やカソードオフガスの温度が空気の温度以下の場合よりも加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁３４を制御するので、加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量を小さくし、空気によるカソードオフガスの冷却効果を高めてカソードオフガスを好適に冷却することができ、加湿器３３内におけるカソードオフガスの相対湿度を向上させることができる。したがって、加湿器３３の中空糸膜３３ｄのドライアップを防止し、加湿器３３の性能を向上させることができる。また、加湿器３３におけるカソードオフガスの圧損を低下することができる。
また、燃料電池システム１は、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの相対湿度が小さいほど加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁３４を制御するので、加湿器３３の中空糸膜３３ｄのドライアップをより好適に防止し、加湿器３３の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム１は、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの温度と空気の温度との差が大きいほど加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁３４を制御するので、加湿器３３の中空糸膜３３ｄのドライアップをより好適に防止し、加湿器３３の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム１は、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、燃料電池スタック１０の出力電流が大きいほど加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように開度調整弁３４を制御するので、加湿器３３の中空糸膜３３ｄのドライアップをより好適に防止し、加湿器３３の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム１は、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満であり、かつ、カソードオフガスの温度が空気の温度よりも高い場合、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて目標バイパス率を設定するとともに、目標バイパス率及び燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて開度調整弁３４を制御するので、目標バイパス率に応じて開度調整弁３４の開度を好適に設定し、加湿器３３の中空糸膜３３ｄのドライアップをより好適に防止し、加湿器３３の性能をより向上させることができる。
また、燃料電池システム１は、カソードオフガスの相対湿度が小さいほど、燃料電池スタック１０の出力電流が大きいほど、カソードオフガスの温度と空気の温度との差が大きいほど、目標バイパス率が大きくなるように当該目標バイパス率を設定し、目標バイパス率が大きいほど加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように、かつ、燃料電池スタック１０の出力電流が大きいほど加湿器３３に供給されるカソードオフガスの量が小さくなるように、開度調整弁３４を制御するので、加湿器３３の中空糸膜３３ｄのドライアップをより好適に防止し、加湿器３３の性能をより向上させることができるとともに、中空糸膜３３ｄと開度調整弁３４の圧力損失の特性の違いを考慮した好適な制御を行うことができる。
また、燃料電池システム１は、加湿器３３をバイパスするバイパス配管３４ａ，３４ｂと、バイパス配管３４ａ，３４ｂの間に設けられた開度調整弁３４と、を備えるので、加湿器３３に供給されたカソードオフガスと供給されなかったカソードオフガスとを加湿器３３の下流側の配管３３ｃで合流させてまとめて処理することができる。
また、燃料電池システム１は、バイパス配管３４ａ，３４ｂの間に設けられた開度調整弁３４を備えるので、加湿器３３をバイパスさせるカソードオフガスの量を簡易に調整することができる。
【００６９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００７０】
前記した実施形態では、加湿器３３に供給されないカソードオフガスが加湿器３３の下流側で加湿器３３に供給されたカソードオフガスと合流する構成が採用されているが、加湿器３３に供給されないカソードオフガスが加湿器３３に供給されたカソードオフガスと合流せずに処理される構成であってもよい。
また、前記した実施形態では、オフガス量調整部Ａの弁としてバイパス配管３４ａ，３４ｂの間に設けられた開度調整弁３４が採用されているが、かかる開度調整弁３４に代えて、配管３３ｂと配管３４ａとの分岐部に三方向弁を設ける構成であってもよい。
また、前記した実施形態では、オフガス量調整部Ａの弁としてバタフライ弁である開度調整弁３４が採用されているが、かかる開度調整弁３４は、ボール弁であってもよく、ＤＵＴＹ制御可能な電磁弁又はインジェクタであってもよい。なお、開度指令値算出マップは、オフガス量調整部Ａの弁の圧力損失の特性に応じて設定されることが望ましい。
また、前記した実施形態では、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて目標バイパス率を設定するとともに目標バイパス率及び燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて開度調整弁３４の開度指令値を設定したが、これに代えて、カソードオフガスの相対湿度、カソードオフガスの温度、空気の温度及び燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて開度調整弁３４の開度指令値を直接設定する構成であってもよい。
また、前記実施形態では、燃料電池スタック１０の出力として出力電流を用いたが、燃料電池スタック１０の出力は、出力電流に限定されず、出力電力等であってもよい。
また、本発明の燃料電池システム１は、図１に示すようなアノード系及びカソード系の両方で反応ガスを加湿する、いわゆる両極加湿に限定されない。すなわち、本発明は、アノード系の加湿器２２が無い燃料電池システムにも適用可能であり、その場合であっても前記した効果を奏することができる。
【００７１】
また、本発明の燃料電池システム１は、アノード系の加湿器２２周りにも適用可能である。この場合、加湿器２２に供給されるオフガスであるアノードオフガスの相対湿度を検出するアノードオフガス相対湿度センサ、及び、加湿器２２に供給されるアノードオフガスの温度を検出するアノードオフガス温度センサが、配管２２ｂに配置される。また、加湿器に供給される反応ガスである水素の温度を検出する水素温度センサが、配管２１ａに配置される。また、オフガス量調整部は、加湿器２２のアノードオフガス側をバイパスするように設けられる。
【００７２】
また、前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
３３    加湿器
３３ｂ  配管
３３ｄ  中空糸膜（水分交換膜）
３４    開度調整弁（弁）
３４ａ  配管（バイパス配管）
３４ｂ  配管（バイパス配管）
３５    カソードオフガス相対湿度センサ（オフガス相対湿度検出部）
３６    カソードオフガス温度センサ（オフガス温度検出部）
３７    空気温度センサ（反応ガス温度検出部）
４４    電流センサ（出力検出部）
６０    ＥＣＵ（制御部）
Ａ      オフガス量調整部
【図１】
2015210871.tif 000003
【図２】
2015210871.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015210871.tif 000006
【図５】
2015210871.tif 000007
【図６】
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