(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、加湿器の動作条件をきめ細かく制御できるようにすることである。【解決手段】燃料電池スタック２２のカソード側において、燃料電池スタック２２からの出口側流路を流れる出口側酸化ガスと、燃料電池スタック２２へＡＣＰ４８を経由して入口側流路を流れる入口側酸化ガスとの間で水分交換を行う加湿器５４に、加湿器５４の入口側流路のＡＣＰ側に入口側ヒータ・冷却機５０を設け、加湿器５４の出口側流路の燃料電池スタック２２側に出口側ヒータ・冷却機５２を設ける。そして、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を上昇させたいきは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガスの湿度を低下させたいときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。【選択図】図１
2008053144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックと、
燃料電池スタックのアノード側に配置される燃料ガス供給源と、
カソード側に配置される酸化ガス供給源と、
燃料ガス供給源側または酸化ガス供給源側において燃料電池スタックと並列に配置される加湿器であって、燃料電池スタックからの出口側ガスと燃料電池スタックへの入口側ガスとの間で水分交換を行う加湿器と、
加湿器の入口側ガスについて、ガス供給源側に設けられる入口側ヒータ及び入口側冷却機と、
加湿器の出口側ガスについて、燃料電池スタック側に設けられる出口側ヒータ及び出口側冷却機と、
入口側ヒータ及び入口側冷却機と出口側ヒータ及び出口側冷却機の作動を制御して、加湿器を経由して燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を上昇させるときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を低下させるときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックと、
燃料電池スタックのアノード側に配置される燃料ガス供給源と、
カソード側に配置される酸化ガス供給源と、
酸化ガスを圧縮してその圧力を高めるコンプレッサと、
コンプレッサの出力口と燃料電池スタックのカソード側入口とを接続する入口側流路と、
燃料電池スタックのカソード側出口から排気側へ接続される出口側流路と、
燃料電池スタックと並列に配置され、出口側流路を流れる出口側酸化ガスと入口側流路を流れる入口側酸化ガスとの間で水分交換を行う加湿器と、
加湿器の入口側流路のコンプレッサ側に設けられる入口側ヒータ及び入口側冷却機と、
加湿器の出口側流路の燃料電池スタック側に設けられる出口側ヒータ及び出口側冷却機と、
入口側ヒータ及び入口側冷却機と出口側ヒータ及び出口側冷却機の作動を制御して、加湿器を経由して燃料電池スタックのカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
燃料電池スタックのカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を上昇させるときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガスの湿度を低下させるときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオン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２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの発電電流を検出する電流計を備え、
制御部は、
電流計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、電流計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオン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２に記載の燃料電池システムにおいて、
酸化ガス供給源からの全供給流量を検出する流量計を備え、
制御部は、
流量計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、流量計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオン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２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの冷却水温度を検出する冷却水温度計を備え、
制御部は、
冷却水温度計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、冷却水温度計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオン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に記載の燃料電池システムにおいて、
酸化ガス供給源からの酸化ガスの温度を検出する酸化ガス温度計を備え、
制御部は、
酸化ガス温度計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガス温度計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンす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、特にアノード側に燃料ガスを供給し、カソード側に酸化ガスを供給する燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックのカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を制御す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電池化学反応によって必要な電力を取り出す。この電池化学反応は、適当な湿度を要する。例えば、酸化ガスが乾きすぎて湿度が低すぎると、十分な電気化学反応が進行せず、逆に酸化ガスの湿度が高すぎると、電解質膜等が水分で濡れすぎ、反応のための酸化ガスが十分に供給されなくなって、電気化学反応の進行が低下する。そこで、酸化ガス等を適度に加湿するために加湿器がガス流路内に設けられる。
【０００３】
また、特許文献１には、燃料電池システムにおいて、燃料電池と熱交換器との間を循環する冷却液を用いて、空気供給系の中空糸膜式加湿器、熱交換器、水素ガス供給系の中空糸膜式加湿器、熱交換器、水吸引エゼクタを加熱し、空気供給系を流通する空気と、水素供給系を流通する水素ガスを加熱し、これによって空気および水素ガスの露点温度の低下を防止して各加湿量の低下を防止することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、燃料電池モジュールの反応ガスの加熱・加湿について、湿熱交換型加湿器を用いることが開示されている。反応ガスは、燃料ガス又は酸化剤ガスである。ここで、湿熱交換型加湿器は、燃料電池モジュールから排出されるオフガスの流路と、反応ガスの流路との間に湿熱交換用素子が配置され、反応ガスの流路と電池冷却水の流路との間に湿熱交換用素子が配置されたものである。湿熱交換用素子としては、膜状又はチューブ状の高分子、植物性天然繊維、動物性天然繊維、化学繊維、ガラス繊維等が上げられている。これにより、反応ガスは、オフガスと冷却水とによって加熱、加湿される。そして、冷却水の流量を調整することで、電池モジュールに供給する反応ガスの露点（温度・湿度）を調整することが述べられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２１６８１６号公報
【特許文献２】特開２００４−３１０７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２に開示される技術は、反応ガスの露点を管理して適当な湿度調整を試みるものである。ところで、上記のように、ガス流路中には加湿器が配置され、これによって酸化ガス等が加湿されるが、その加湿程度は、あまり管理されていない。すなわち、現在のところ、燃料電池システムは、その発電能力を制御することに重点がおかれ、所望の発電能力を確保できる範囲であれば、加湿器の条件はいわば成り行きに任せられている。
【０００７】
本発明の目的は、加湿器の動作条件をきめ細かく制御でき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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノード側に配置される燃料ガス供給源と、カソード側に配置される酸化ガス供給源と、燃料ガス供給源側または酸化ガス供給源側において燃料電池スタックと並列に配置される加湿器であって、燃料電池スタックからの出口側ガスと燃料電池スタックへの入口側ガスとの間で水分交換を行う加湿器と、加湿器の入口側ガスについて、ガス供給源側に設けられる入口側ヒータ及び入口側冷却機と、加湿器の出口側ガスについて、燃料電池スタック側に設けられる出口側ヒータ及び出口側冷却機と、入口側ヒータ及び入口側冷却機と出口側ヒータ及び出口側冷却機の作動を制御して、加湿器を経由して燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を上昇させるときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を低下させるときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノード側に配置される燃料ガス供給源と、カソード側に配置される酸化ガス供給源と、酸化ガスを圧縮してその圧力を高めるコンプレッサと、コンプレッサの出力口と燃料電池スタックのカソード側入口とを接続する入口側流路と、燃料電池スタックのカソード側出口から排気側へ接続される出口側流路と、燃料電池スタックと並列に配置され、出口側流路を流れる出口側酸化ガスと入口側流路を流れる入口側酸化ガスとの間で水分交換を行う加湿器と、加湿器の入口側流路のコンプレッサ側に設けられる入口側ヒータ及び入口側冷却機と、加湿器の出口側流路の燃料電池スタック側に設けられる出口側ヒータ及び出口側冷却機と、入口側ヒータ及び入口側冷却機と出口側ヒータ及び出口側冷却機の作動を制御して、加湿器を経由して燃料電池スタックのカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックのカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を上昇させるときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガスの湿度を低下させるときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電電流を検出する電流計を備え、制御部は、電流計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、電流計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源からの全供給流量を検出する流量計を備え、制御部は、流量計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、流量計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの冷却水温度を検出する冷却水温度計を備え、制御部は、冷却水温度計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、冷却水温度計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源からの酸化ガスの温度を検出する酸化ガス温度計を備え、制御部は、酸化ガス温度計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガス温度計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成の少なくとも１つにより、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス供給源側または酸化ガス供給源側において燃料電池スタックと並列に配置され、燃料電池スタックからの出口側ガスと燃料電池スタックへの入口側ガスとの間で水分交換を行う加湿器に、入口側ガスについてガス供給源側に入口側ヒータ及び入口側冷却機を設け、出口側ガスについて燃料電池スタック側に出口側ヒータ及び出口側冷却機を設ける。そして、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を上昇させたいときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を低下させたいときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。
【００１５】
出口側冷却機をオンすると、相対湿度が上昇して結露しやすくなって加湿器に水分を与えやすくなり、入口側ヒータをオンすると、相対湿度が低下し、出口側ガス中の水分を持ち去りやすくなり、これにより燃料電池スタックに供給する入口側ガスの湿度を上昇させることができ、燃料電池スタックの電解質膜を濡らしやすくすることができる。
【００１６】
逆に、出口側ヒータをオンすると、相対湿度が低下して結露しにくくなって加湿器に水分を与えにくくなり、さらに入口側冷却機をオンすることで、相対湿度が上昇して、出口側ガス中の水分が持ち去りにくくなり、これにより燃料電池スタックに供給する入口側ガスの湿度を低下させることができ、燃料電池スタックの電解質膜を乾かしやすくすることができる。
【００１７】
このように、加湿器の前後に設けたヒータと冷却機とを制御することで、燃料電池スタックに供給するガスの湿度をきめ細かく調整し、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【００１８】
また、上記構成の少なくとも１つにより、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックのカソード側において、燃料電池スタックからの出口側流路を流れる出口側酸化ガスと、燃料電池スタックへコンプレッサを経由して入口側流路を流れる入口側酸化ガスとの間で水分交換を行う加湿器に、加湿器の入口側流路のコンプレッサ側に入口側ヒータ及び入口側冷却機を設け、加湿器の出口側流路の燃料電池スタック側に出口側ヒータ及び出口側冷却機を設ける。そして、燃料電池スタックのカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を上昇させたいきは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガスの湿度を低下させたいときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。
【００１９】
出口側冷却機をオンすると、相対湿度が上昇して結露しやすくなり、入口側ヒータをオンすると、相対湿度が低下し、出口側流路からの酸化ガス中の水分を持ち去りやすくなり、これにより燃料電池スタックに供給する酸化ガスの湿度を上昇させることができ、燃料電池スタックの電解質膜を濡らしやすくすることができる。
【００２０】
逆に、出口側ヒータをオンすると、相対湿度が低下して結露しにくくなって加湿器に水分を与えにくくなり、さらに入口側冷却機をオンすることで、相対湿度が上昇して、出口側流路からの酸化ガス中の水分が持ち去りにくくなり、これにより燃料電池スタックに供給する酸化ガスの湿度を低下させることができ、燃料電池スタックの電解質膜を乾かしやすくすることができる。
【００２１】
このように、加湿器の前後に設けたヒータと冷却機とを制御することで、酸化ガスの湿度をきめ細かく調整し、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【００２２】
そして、燃料電池スタックの発電電流を検出する電流計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、電流計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。燃料電池の発電電流が多いときは、電池化学反応をより盛んにする必要があるため、加湿器において加湿能力を高めたい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を高くする。逆に、発電電流が少ないときには、加湿器の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を低くする。このようにして、加湿器の動作条件をきめ細かく制御できるので、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【００２３】
また、酸化ガス供給源からの全供給流量を検出する流量計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、流量計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。酸化ガスの供給流量が多いときは、電池化学反応をより盛んにしたいので、加湿器において加湿能力を高めることがよい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を高くする。逆に、酸化ガスの供給流量が少ないときには、加湿器の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を低くする。このようにして、加湿器の動作条件をきめ細かく制御できるので、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【００２４】
また、燃料電池スタックの冷却水温度を検出する冷却水温度計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、冷却水温度計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。燃料電池の冷却水温度が高いときは、電池化学反応が盛んなときであるので、加湿器において加湿能力を高めたい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を高くする。逆に、冷却水温度が低いときには、加湿器の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を低くする。このようにして、加湿器の動作条件をきめ細かく制御できるので、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【００２５】
また、酸化ガス供給源からの酸化ガスの温度を検出する酸化ガス温度計の検出値が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガス温度計の検出値が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。酸化ガスの温度が高いときに電池化学反応を盛んにするには、加湿器において加湿能力が高くすることがよい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を高くする。逆に、酸化ガスの温度が低いときには、加湿器の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器の加湿能力を低くする。このようにして、加湿器の動作条件をきめ細かく制御できるので、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。以下において、加湿器は、カソード側に設けられ、酸化ガスについて加湿を行うものとして説明するが、アノード側に加湿器を設ける場合も、同様に適用できる。
【００２７】
すなわち、燃料ガス供給源側において燃料電池スタックと並列に加湿器を配置し、燃料電池スタックからの出口側ガスと燃料電池スタックへの入口側ガスとの間で水分交換を行うものとするときは、その加湿器の入口側ガスについて、燃料ガス供給源側に入口側ヒータ及び入口側冷却機を設け、出口側ガスについて、燃料電池スタック側に出口側ヒータ及び出口側冷却機を設ける。そして制御部によって、入口側ヒータ及び入口側冷却機と出口側ヒータ及び出口側冷却機の作動を制御し、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を上昇させたいときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、燃料電池スタックに供給されるガスの湿度を低下させたいときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすればよい。
【００２８】
図１は、燃料電池システム１０の構成図である。燃料電池システム１０は、システム本体部２０と、システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御部７０とを含んで構成されている。
【００２９】
システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２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酸化ガス供給のための各要素を含んで構成される。
【００３０】
燃料電池スタック２２は、燃料電池セルを複数組み合わせて、所定の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池である。ここで、各燃料電池セルは、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。燃料電池スタック２２の全体的作動は、制御部７０の制御の下で行われる。電流計６８は、燃料電池スタック２２の発電電流の大きさを検出する機能を有し、検出された発電電流データは、制御部７０に伝送され、燃料電池スタック２２の作動制御に用いられる他、後述する加湿器５４の湿度制御に用いられる。
【００３１】
アノード側の水素ガス源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源２４は、レギュレータ２６に接続される。レギュレータ２６は、水素ガス源２４からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ２６の出力口に設けられる圧力計２８は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ２６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。
【００３２】
燃料電池スタック２２のアノード側出口から排出されるガスは、発電で水素が消費されて水素濃度が低くなり、また、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を通してカソード側の空気の成分である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなっている。また、ＭＥＡを通して、反応生成物の水も透過してくる。
【００３３】
燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器３２は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３４を通して希釈器６４に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器３２の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３０は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。
【００３４】
カソード側の酸素供給源４０は、実際には大気を用いることができる。酸素供給源４０である大気はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。フィルタ４２の後に設けられる流量計４４は、酸素供給源４０からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ４２の後に設けられる酸化ガス温度計４６は、酸素供給源４０からのガスの温度を検出する機能を有する。上記のように、酸素供給源４０が大気であるときは、酸化ガス温度計４６が検出する温度は、燃料電池システム１０に取り入れる大気の温度、すなわち大気温度と考えることができる。流量計４４のデータ、酸化ガス温度計４６のデータは、それぞれ制御部７０に伝送され、後述する加湿器５４の湿度制御に用いられる。
【００３５】
エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４８は、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ＡＣＰ４８は、制御部７０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。モータは、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。
【００３６】
このように燃料電池スタック２２のカソード側には酸素を含む空気がＡＣＰ４８によって制御部７０の制御の下で供給されるので、以後、酸素を含む空気のことをカソード側の酸化ガスと呼ぶことにする。したがって、酸素供給源４０からＡＣＰ４８までの要素を、酸素供給装置と呼ぶことができる。
【００３７】
加湿器５４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５４に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。すなわち、加湿器５４は、ＡＣＰ４８からのガスが流れる流路と、水蒸気が流れる流路との間でガス交換できる構成となっている。例えば、中空糸の内側流路をＡＣＰ４８からの酸化ガスの流路とし、中空糸の外側流路を燃料電池スタック２２のカソード側出口からの水蒸気とすることで、燃料電池スタック２２のカソード側入口への酸化ガスを適度に湿らせることができる。
【００３８】
ここで、上記の酸素供給装置と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。
【００３９】
加湿器５４の入口側流路のＡＣＰ４８側に設けられる入口側ヒータ・冷却機５０は、ＡＣＰ４８側から加湿器５４に入る酸化ガスの温度を高くし、あるいは低くして、その露点を調整する機能を有する熱交換機である。また、加湿器５４の出口側流路の燃料電池スタック２２側に設けられる出口側ヒータ・冷却機５２は、燃料電池スタック２２側から加湿器５４に入る酸化ガスの温度を高くし、あるいは低くして、その露点を調整する機能を有する熱交換機である。これらのヒータ・冷却機としては、電熱ヒータと冷媒冷却機とで構成することができる。入口側ヒータ・冷却機５０及び出口側ヒータ・冷却機５２は、燃料電池スタック２２の運転状況に応じ、制御部７０の制御の下でオン・オフが制御され、加湿器５４における加湿制御が行われる。加湿制御の詳細な内容は後述する。
【００４０】
出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計５６は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調圧弁６０は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。
【００４１】
調圧弁６０の出力口は、上記の加湿器５４に接続されるので、調圧弁６０を出たガスは加湿器５４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器６４に入り、その後外部に排出される。
【００４２】
バイパス弁６２は、入口側流路と出口側流路を接続して燃料電池スタック２２と並列に配置されるバイパス流路に設けられる弁で、主に、排気における水素濃度を希釈するための空気を希釈器６４に供給する機能を有する。すなわち、バイパス弁６２を開くことで、ＡＣＰ４８からの酸化ガスを、燃料電池スタック２２へ流れる成分とは別に、燃料電池スタック２２を流れずにバイパス流路を経由して、希釈器６４に供給することができる。バイパス弁６２としては、エンジンの排気ガス希釈のために用いられる排気バイパス弁と同様な構成のものを用いることができる。
【００４３】
希釈器６４は、アノード側の排気バルブ３４からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。そして、水素濃度が適当な濃度を超えるときは、バイパス弁６２を開けることで燃料電池スタック２２を経由せずに提供される酸化ガスを用いてさらに適度な希釈を行うことができる。
【００４４】
冷却流路３６は、燃料電池スタック２２の冷却のために設けられる冷却水の循環流路である。燃料電池スタック２２は燃料ガスと酸化ガスとの間の反応により発熱するので、冷却流路３６は、図示されていないラジエータと、燃料電池スタックとの間において、例えば適当な循環ポンプを用いて冷却水を循環させて、燃料電池スタック２２の温度を適当な範囲に維持する機能を有する。冷却水としては、水を主体としたＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）等を用いることができる。冷却水温度計３８は、燃料電池スタック２２から出てくる冷却水の温度を検出する。この冷却水温度計３８が検出する温度は、実質的に燃料電池スタック２２の温度を表すものと考えることができる。冷却水温度計３８のデータは、制御部７０に伝送され、加湿器５４の湿度制御に用いられる。
【００４５】
なお、燃料電池システム１０の運転により、燃料電池スタック２２の発熱の他に、ＡＣＰ４８もその運転に伴い、モータ等が発熱する。さらに、燃料電池スタック２２のカソード側に供給される酸化ガスの温度は適当であることが好ましい。そして、燃料電池システム１０が車両に搭載されるときは、車室内の空調のために空調システムが設けられるが、例えば車室内が冷え切っているときなど、燃料電池スタック２２の廃熱が利用できるならば、それを用いて車室内を短時間で適度な温度にすることが望まれる。したがって、これらの総合的な温度調節のために、冷却流路３６を流れる冷却水を有効に利用することも可能である。
【００４６】
制御部７０は、システム本体部２０の上記の各要素をシステム全体として制御し、燃料電池として所望の発電電力を取り出せるように制御する機能を有するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。例えば、水素ガス源２４に接続されるレギュレータ２６を調整して、適当な圧力と流量の水素ガスを燃料電池スタック２２に供給させ、また、酸素供給源４０に接続されるＡＣＰ４８のモータの回転数を制御して適当な流量の酸化ガスを燃料電池スタック２２に供給させる機能を有する。また、制御部は、特に、入口側ヒータ・冷却機５０と、出口側ヒータ・冷却機５２の作動を制御して、加湿器５４を経由して燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給される酸化ガスの湿度を制御する機能を有する。
【００４７】
加湿器５４における加湿制御は、以下のようにして行われる。すなわち、燃料電池スタック２２に供給されるガスの湿度を上昇させたいときは、入口側ヒータ・冷却機５０においてヒータをオンすると共に、出口側ヒータ・冷却機５２において冷却機をオンする。一方、燃料電池スタック２２に供給されるガスの湿度を低下させたいときは、出口側ヒータ・冷却機５２におけるヒータをオンすると共に、入口側ヒータ・冷却機５０における冷却機をオンする。
【００４８】
ここで、入口側ヒータ・冷却機５０におけるヒータを入口側ヒータ、冷却機を入口側冷却機と呼び、出口側ヒータ・冷却機５２におけるヒータを出口側ヒータ、冷却機を出口側冷却機と呼ぶことにする。
【００４９】
出口側冷却機をオンすると、出口側ガスの相対湿度が上昇して結露しやすくなって加湿器５４に水分を与えやすくなり、入口側ヒータをオンすると、入口側ガスの相対湿度が低下し、出口側ガス中の水分を持ち去りやすくなり、これにより加湿器５４から燃料電池スタック２２に供給する入口側ガスの湿度を上昇させることができ、燃料電池スタック２２の電解質膜を濡らしやすくすることができる。
【００５０】
逆に、出口側ヒータをオンすると、出口側ガスの相対湿度が低下して結露しにくくなって加湿器５４に水分を与えにくくなり、さらに入口側冷却機をオンすることで、相対湿度が上昇して、出口側ガス中の水分が持ち去りにくくなり、これにより加湿器５４から燃料電池スタック２２に供給する入口側ガスの湿度を低下させることができ、燃料電池スタック２２の電解質膜を乾かしやすくすることができる。
【００５１】
このように、加湿器５４の前後に設けたヒータと冷却機の作動を制御することで、燃料電池スタック２２に供給するガスの湿度をきめ細かく調整し、燃料電池システムの発電能力をより一層向上させることができる。
【００５２】
加湿器５４の前後に設けたヒータと冷却機の作動の制御は、燃料電池スタック２２の作動状況に応じて行われる。燃料電池スタック２２の作動状況を表すものとして、電流計６８の発電電流（Ｉ）データ、流量計４４の酸化ガス流量（Ｑ）データ、冷却水温度計３８の冷却水温度（Ｔ）データ、酸化ガス温度計４６の酸化ガス温度（θ）データが用いられる。
【００５３】
図２は、燃料電池スタック２２の作動を表すこれらのデータに応じて、どのように入口側ヒータ、入口側冷却機、出口側ヒータ、出口側冷却機を作動させるかを示す図である。
【００５４】
発電電流（Ｉ）に応じた加湿器５４の湿度制御は、次のように実行される。すなわち、発電電流（Ｉ）が所定範囲を超えて大きいときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、発電電流（Ｉ）が所定範囲を超えて小さいときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。燃料電池の発電電流（Ｉ）が大きいときは、電池化学反応をより盛んにする必要があるため、加湿器５４において加湿能力を高めたい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を高くする。逆に、発電電流（Ｉ）が小さいときには、加湿器５４の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を低くする。
【００５５】
また、酸化ガス流量（Ｑ）に応じた加湿器５４の湿度制御は、次のように実行される。すなわち、酸化ガス流量（Ｑ）が所定範囲を超えて大きいときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガス流量（Ｑ）が所定範囲を超えて小さいときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。酸化ガス流量（Ｑ）が大きいときは、電池化学反応をより盛んにしたいので、加湿器５４において加湿能力を高めることがよい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を高くする。逆に、酸化ガス流量（Ｑ）が小さいときには、加湿器５４の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を低くする。
【００５６】
また、冷却水温度（Ｔ）に応じた加湿器５４の湿度制御は、次のように実行される。すなわち、冷却水温度（Ｔ）が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、冷却水温度（Ｔ）が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。燃料電池スタック２２の冷却水温度（Ｔ）が高いときは、電池化学反応が盛んなときであるので、加湿器５４において加湿能力を高めたい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を高くする。逆に、冷却水温度（Ｔ）が低いときには、加湿器５４の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を低くする。
【００５７】
また、酸化ガス温度（θ）に応じた加湿器５４の湿度制御は、次のように実行される。すなわち、酸化ガス温度（θ）が所定範囲を超えて高いときは、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンし、酸化ガス温度（θ）が所定範囲を超えて低いときは、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンする。酸化ガス温度（θ）が高いときに電池化学反応を盛んにするには、加湿器５４において加湿能力が高くすることがよい。そこで、入口側ヒータをオンすると共に出口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を高くする。逆に、酸化ガス温度（θ）が低いときには、加湿器５４の加湿能力を低くしてもよいので、出口側ヒータをオンすると共に入口側冷却機をオンすることで、加湿器５４の加湿能力を低くする。
【００５８】
なお、上記では、発電電流（Ｉ）、酸化ガス流量（Ｑ）、冷却水温度（Ｔ）、酸化ガス温度（θ）に応じた加湿器５４の制御を、それぞれ単独で行うものとして説明したが、これらの２以上を組み合わせて、加湿器５４の制御を行うものとしてもよい。
【００５９】
また、冷却水温度（Ｔ）に代えて、燃料電池スタック２２の温度を用いてもよく、酸化ガス温度（θ）に代えて、燃料電池システム１０の酸化ガス取入口付近の外気温度を用いてもよい。
【００６０】
このようにして、加湿器５４の動作条件をきめ細かく制御できるので、燃料電池システム１０の発電能力をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【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図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、加湿器の加湿制御の様子を説明する図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  燃料電池システム、２０  システム本体部、２２  燃料電池スタック、２４  水素ガス源、２６  レギュレータ、２８，５６  圧力計、３０  循環昇圧器、３２  分流器、３４  排気バルブ、３６  冷却流路、３８  冷却水温度計、４０  酸素供給源、４２  フィルタ、４４  流量計、４６  酸化ガス温度計、４８  ＡＣＰ、５０  入口側ヒータ・冷却機、５２  出口側ヒータ・冷却機、５４  加湿器、６０  調圧弁、６２  バイパス弁、６４  希釈器、６８  電流計、７０  制御部。
【図１】
2008053144.tif 000003
【図２】
2008053144.tif 000004