(57)【要約】【課題】過渡状態であっても反応ガスのオフガス中の水分量や燃料電池から液体のまま排出される水分量を応答良く且つ安定的に精度良く測定する。【解決手段】燃料電池１０から排出される反応ガスのオフガスを案内するオフガス案内路２１（４１）における燃料電池１０の直近位置に、燃料電池１０から液体のまま排出される水を回収し、且つ回収した水量を測定可能な水回収タンク２３（４３）を設け、オフガス案内路２１（４１）における水回収タンク２３（４３）の下流側に露点計２７（４７）を設ける。【選択図】図１
2008311081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池から排出される反応ガスのオフガス、及び前記燃料電池から排出される水を流通するオフガス流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記オフガス流路における前記燃料電池の直近位置には、該燃料電池から排出される水を回収し、かつ回収した水量の測定が可能な水回収タンクを設け、
前記オフガス流路における前記水回収タンクの下流側には、前記オフガスに含まれる水分量を検知するための露点計を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
前記燃料電池から排出される反応ガスのオフガス、及び前記燃料電池から排出される水を流通するオフガス流路と、
前記オフガス流路に設けた露点計と、
前記燃料電池と前記露点計の間のオフガス流路に設けた水回収タンクと、
前記露点計によって計測される前記オフガスの露点に基づいて該オフガスに含まれる水分量を検知する第１検知手段と、
前記水回収タンクによって回収される水量を検知する第２検知手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１検知手段は、
前記オフガスのガス流量を検知する流量検知手段と、
前記オフガスのガス圧を検知するガス圧検知手段とを備え、
前記オフガスの露点と前記ガス流量と前記ガス圧に基づいて該オフガスに含まれる前記水分量を検知することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応ガスは、前記燃料電池のアノードに供給する水素を含む燃料ガス、及び／または前記燃料電池のカソードに供給する酸素を含む酸化ガスであることを特徴とする請求項３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、反応ガスの電気化学反応で発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を用いた燃料電池システムが開発され、実用化されている。この燃料電池システムに用いられる燃料電池には、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えた単セルを複数積層したスタック構造をなしているものがある。そして、一方のセパレータに形成された燃料ガスマニホールドを介して水素を含む燃料ガスをＭＥＡのアノード電極側に供給し、他方のセパレータに形成された酸化ガスマニホールドを介して酸素を含む酸化ガスをＭＥＡのカソード電極側に供給することで、これら燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応によりセルが発電する。この電気化学反応によって、燃料電池内部で生成水を生じることになるが、この生成水の水量測定が燃料電池を運転する上で重要になっている。
【０００３】
例えば、燃料電池から排出される酸化ガスのオフガスを案内する酸化ガス排出流路に熱交換器を設けてオフガス中の水蒸気を凝縮し、生成水として水回収タンクで回収してその量を生成水量測定装置で測定するとともに、燃料電池から排出される燃料ガスのオフガスを案内する燃料ガス排出流路にも同様の熱交換器、水回収タンク及び生成水量測定装置を設けて生成水量を測定して、それぞれの生成水量等に基づいて燃料電池の内部での反応ガスの漏洩透過を判定する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、燃料電池から排出される燃料ガスのオフガスを案内する燃料ガス排出流路に熱交換器を設け、露点温度を一定にしてオフガス中の水蒸気を凝縮して生成水を水回収タンクで回収しその量を生成水量測定装置で測定することで、燃料電池の内部の水分量を診断する技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−１６７４２３号公報
【特許文献２】特開２００５−２４３２７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように熱交換器でオフガス中の水蒸気を凝縮した水や燃料電池から液体のまま排出される水を生成水として回収し、これらの水分量を測定するものであると、熱交換器の長さ分は燃料電池を出てから水回収タンクまでの距離が長くなってしまうため、水回収タンクに水が到達するまでの時間が長くなり、特に過渡状態での水分量を応答性良く測定することができなかった。また、熱交換器に水が溜まる部分があるため、時間と水分量との関係の検出特性が、図２に破線Ａで示す本来の特性に対して、図２に実線Ｂで示すように階段状となり、この点からも、特に過渡状態での水分量の安定した測定ができなかった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、過渡状態であっても反応ガスのオフガス中の水分量や燃料電池から液体のまま排出される水分量を応答良く且つ安定的に精度良く測定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している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出される反応ガスのオフガス、及び前記燃料電池から排出される水を流通するオフガス流路とを備えた燃料電池システムであって、前記オフガス流路における前記燃料電池の直近位置には、該燃料電池から排出される水を回収し、かつ回収した水量の測定が可能な水回収タンクを設け、前記オフガス流路における前記水回収タンクの下流側には、前記オフガスに含まれる水分量を検知するための露点計を設けたことを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、オフガス流路における燃料電池の直近位置に、燃料電池から排出される水を回収する水回収タンクを設けているため、燃料電池から水回収タンクまでの距離、つまり水回収タンクに到達し回収されるまでの時間が短くなるとともに、燃料電池と水回収タンクとの間で溜まってしまう水を抑制することができ、過渡状態であっても水を安定的に回収し、その量を測定することができる。また、水回収タンクで回収できなかったガス中の水分量はその下流側の露点計で測定する。そして、これらの測定値をあわせることで過渡状態であっても反応ガスのオフガス中の水分量や燃料電池から液体のまま排出される水分量を応答良く且つ安定的に精度良く測定することができる。
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出される反応ガスのオフガス、及び前記燃料電池から排出される水を流通するオフガス流路と、前記オフガス流路に設けた露点計と、前記燃料電池と前記露点計の間のオフガス流路に設けた水回収タンクと、前記露点計によって計測される前記オフガスの露点に基づいて該オフガスに含まれる水分量を検知する第１検知手段と、前記水回収タンクによって回収される水量を検知する第２検知手段とを具備することを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記第１検知手段は、前記オフガスのガス流量を検知する流量検知手段と、前記オフガスのガス圧を検知するガス圧検知手段とを備え、前記オフガスの露点と前記ガス流量と前記ガス圧に基づいて該オフガスに含まれる前記水分量を検知する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記反応ガスは、前記燃料電池のアノードに供給する水素を含む燃料ガス、及び／または前記燃料電池のカソードに供給する酸素を含む酸化ガスである態様がさらに好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムによれば、過渡状態であっても反応ガスのオフガス中の水分量や燃料電池から液体のまま排出される水分量を応答良く且つ安定的に精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システム１は、自動車、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体の発電システムに適用可能であり、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や携帯型の発電システムへの適用も可能である。
【００１１】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガスである酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系２と、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系４と、システム全体を統合制御する制御装置６とを備えている。
【００１２】
燃料電池１０は、図示は略すが、イオン交換膜からなる電解質膜を一対の電極で挟んだＭＥＡと、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えた単セルを複数積層したスタック構造をなしており、一方のセパレータに形成された燃料ガスマニホールドを介して燃料ガスをＭＥＡのアノード電極側に供給し、他方のセパレータに形成された酸化ガスマニホールドを介して酸化ガスをＭＥＡのカソード電極側に供給するものである。
【００１３】
水素ガス配管系２は、水素タンク等の図示略の水素ガス供給源から水素ガスが供給されるとともに末端が燃料電池１０の水素ガス供給口に接続される水素ガス供給流路２０と、燃料電池１０の水素オフガス排出口に接続されて燃料電池１０から排出される水素ガスのオフガス（以下、水素オフガスと言う）や燃料電池１０から液体のまま排出される水を流通する水素オフガス流路（オフガス流路）２１とを有している。
【００１４】
水素ガス供給流路２０には、図示略の水素ガス供給源からの水素ガスの燃料電池１０への供給流量を制御する流量コントローラ２２が設けられている。
【００１５】
燃料電池１０から排出される生成水は、燃料電池１０から液体のまま排出される水と燃料電池１０から排出されるオフガスに含まれる水蒸気から構成される。
水素オフガス流路２１には、燃料電池１０から液体のまま排出される水（燃料電池を通過した水）を回収し、且つ回収した水量を測定可能な水回収タンク２３が、燃料電池１０の直近位置に設けられている。つまり、水素オフガス流路２１における燃料電池１０と水回収タンク２３との間の配管２４には、遮断弁や熱交換器は設けられていない。ここで、燃料電池１０と水回収タンク２３とを繋ぐ配管２４は、水回収タンク２３に水が流れ易くなるように、燃料電池１０側が高く水回収タンク２３側が低くなるように傾斜して配設されている。
【００１６】
水回収タンク２３は、配管２４の下流端に接続されて燃料電池１０から排出される水を回収するタンク本体２５と、タンク本体２５内に回収した回収した水量を測定する水位計（第２検知手段）２６とを有している。
【００１７】
さらに、水素オフガス流路２１における水回収タンク２３の下流側直近位置には、水回収タンク２３で水が回収された後の、水分を含んだガスからなる水素オフガスの露点温度を測定する露点計２７が設けられている。
【００１８】
加えて、水素オフガス流路２１における露点計２７の下流側直近位置には、水素オフガスの流通を遮断可能な遮断弁２９が設けられ、この遮断弁２９の下流側直近位置には、水素オフガスの背圧を制御するための背圧弁３０が設けられている。
【００１９】
また、水素オフガス流路２１における配管２４には、配管２４内の圧力を測定する圧力計３１が接続されており、水回収タンク２３には、回収した水の水温を検出する温度センサ３２が設けられている。
【００２０】
酸化ガス配管系４は、エアコンプレッサ等の図示略の空気供給源から酸化ガスとしての空気が供給されるとともに末端が燃料電池１０の空気供給口に接続される空気供給流路４０と、燃料電池１０の空気オフガス排出口に接続されて燃料電池１０から排出される空気のオフガス（以下、空気オフガスと言う）や燃料電池１０から液体のまま排出される水を流通する空気オフガス流路（オフガス案内路）４１とを有している。
【００２１】
空気供給流路４０には、図示略の空気供給源からの空気の燃料電池１０への供給流量を制御する流量コントローラ４２が設けられている。
【００２２】
空気オフガス流路４１には、燃料電池１０から液体のまま排出される水（燃料電池を通過した水）を回収し、且つ回収した水量を測定可能な水回収タンク４３が、燃料電池１０の直近位置に設けられている。つまり、空気オフガス流路４１における燃料電池１０と水回収タンク４３との間の配管４４には、遮断弁や熱交換器は設けられていない。ここで、燃料電池１０と水回収タンク４３とを繋ぐ配管４４は、水回収タンク４３に水が流れ易くなるように、燃料電池１０側が高く水回収タンク４３側が低くなるように傾斜して配設されている。
【００２３】
水回収タンク４３は、配管４４の下流端に接続されて燃料電池１０から排出される水を回収するタンク本体４５と、タンク本体４５内に回収した回収した水量を測定する水位計（第２検知手段）４６とを有している。
【００２４】
さらに、空気オフガス流路４１における水回収タンク４３の下流側直近位置には、水回収タンク４３で水が回収された後の、水分を含んだガスからなる空気オフガスの露点温度を測定する露点計４７が設けられている。
【００２５】
加えて、空気オフガス流路４１における露点計４７の下流側直近位置には、空気オフガスの流通を遮断可能な遮断弁４９が設けられ、この遮断弁４９の下流側直近位置には、水素オフガスの背圧を制御するための背圧弁５０が設けられている。
【００２６】
また、空気オフガス流路４１における配管４４には、配管４４内の圧力を測定する圧力計５１が接続されており、水回収タンク４３には、回収した水の水温を検出する温度センサ５２が設けられている。
【００２７】
このような燃料電池システム１において、制御装置６が、水素ガス配管系２に設けられた流量コントローラ２２、遮断弁２９及び背圧弁３０を制御することで燃料電池１０への水素ガスの供給状態を制御するとともに、酸化ガス配管系４に設けられた流量コントローラ４２、遮断弁４９及び背圧弁５０を制御することで燃料電池１０への空気の供給状態を制御することで、燃料電池１０の発電を制御する。
【００２８】
また、制御装置（第１検知手段、第２検知手段）６は、水素ガス配管系２に設けられた水回収タンク２３の水位計２６の測定値と、露点計２７の測定値とに基づいて、燃料電池１０から水素オフガス流路２１に排出される生成水（アノード側の生成水）の水分量を測定する。同様に、酸化ガス配管系４に設けられた水回収タンク４３の水位計４６の測定値と、露点計４７の測定値とに基づいて、燃料電池１０から空気オフガス流路４１に排出される生成水（カソード側の生成水）の水分量を測定する。以下、アノード側の生成水の水分量測定について説明し、ほぼ同様にして測定されるカソード側の生成水の水分量測定は対応関係を括弧書きで示す。
【００２９】
つまり、水素オフガス流路２１（空気オフガス流路４１）には、液体のまま排出される水と、水分を含んだ水素オフガス（空気オフガス）が燃料電池１０から排出される。水回収タンク２３（４３）には、燃料電池１０から液体のまま排出される水が回収され、この水量が検知される。具体的に、水回収タンク２３（４３）で水として回収される水量Ｘ１は、水位計２６（４６）の水位の測定値に基づいて次式で求められる。
【００３０】
水量Ｘ１（ｇ／ｍｉｎ）＝タンク断面積×水位×水の密度／時間（ｍｉｎ）
【００３１】
一方、水素オフガス（空気オフガス）中に含まれていた水分の水分量Ｘ２は、圧力計３１（５１）の測定値Ｐから次式で求められる。
【００３２】
【数１】
2008311081.tif 000003
【００３３】
ここで、飽和蒸気圧は、露点計２７（４７）の測定値の関数として、露点計２７（４７）の測定値Ｔから次式で求められる。
飽和蒸気圧＝０．００００００９６６＊Ｔ＾４−０．００００３３３５＊Ｔ＾３＋０．００３５５３＊Ｔ＾２＋０．０１８７７＊Ｔ＋０．６４３
【００３４】
また、流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）は、以下のようにして求められる。なお、流量計を露点計２７（４７）の前に設置して直接流量Ｑを測定しても良い。
【００３５】
流量Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ）＝流量コントローラの流量値−燃料電池でのガス消費量
ただし、燃料電池のアノード側のガス消費量＝電流値×セル枚数×６０×２２．４×９６４８５／２
また、燃料電池のカソード側のガス消費量＝電流値×セル枚数×６０×２２．４×９６４８５／４
【００３６】
そして、全水量Ｘを、Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ２で求める。
【００３７】
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素オフガス流路２１における燃料電池１０の直近位置に、該燃料電池１０から液体のまま排出される水を回収する水回収タンク２３を設けているため、燃料電池１０から水回収タンク２３までの距離、つまり燃料電池１０から排出された水が水回収タンク２３に到達し回収されるまでの時間が短くなるとともに、燃料電池１０と水回収タンク２３との間で溜まってしまう水量を抑制でき、過渡状態であっても水回収タンク２３で水を安定的に回収しその量を測定することができる。また、水回収タンク２３で回収できなかったガス中の水分量はその下流側の露点計２７で測定する。そして、これらの測定値を合わせることで燃料電池１０から水素オフガス流路２１に排出された生成水の水量を測定する。したがって、過渡状態であっても生成水の水量を応答良く且つ安定的に精度良く測定することができる。
【００３８】
同様に、空気オフガス流路４１における燃料電池１０の直近位置に、該燃料電池１０から液体のまま排出される水を回収する水回収タンク４３を設けているため、燃料電池１０から水回収タンク４３までの距離、つまり燃料電池１０から排出された水が水回収タンク４３に到達し回収されるまでの時間が短くなるとともに、燃料電池１０と水回収タンク４３との間で溜まってしまう水量を抑制でき、過渡状態であっても水回収タンク４３で水を安定的に回収しその量を測定することができる。また、水回収タンク４３で回収できなかったガス中の水分量はその下流側の露点計４７で測定する。そして、これらの測定値を合わせることで燃料電池から空気オフガス流路４１に排出された生成水の水量を測定する。したがって、過渡状態であっても生成水の水量を応答良く且つ安定的に精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】従来の燃料電池システムにおける水量の検出特性を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２１…水素オフガス流路、２３，４３…水回収タンク、２７，４７…露点計、４１…空気オフガス流路。
【図１】
2008311081.tif 000004
【図２】
2008311081.tif 000005