(57)【要約】【課題】燃料電池内の水分状態を良好な状態とする。【解決手段】燃料電池に供給される酸化ガスとしての空気により燃料電池に持ち込まれる流入水量Ｗｉｎに燃料電池の発電に伴って生成される生成水量Ｗｆｃを加えた値から燃料電池の空気系のオフガスにより燃料電池から持ち出される流出水量Ｗｏｕｔを減じて収支水量Ｗｂを計算し（Ｓ１００〜Ｓ１３０）、収支水量Ｗｂの絶対値が閾値Ｗｒｅｆより大きいときには収支水量Ｗｂに比例定数ｋ３を乗じた値を用いてエア流量Ｑを増減補正する（Ｓ１４０，Ｓ１５０）。エア流量Ｑの増減は、これに基づく流入水量Ｗｉｎの増減に比して流出水量Ｗｏｕｔの増減の方が大きくなることから、収支水量Ｗｂを値０の方向に移行させ、その絶対値を閾値Ｗｒｅｆ以下となるようにする。こうした制御により、燃料電池内の水分状態を良好な状態とすることができる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
該酸化ガス供給手段により前記燃料電池に供給される酸化ガスと該燃料電池から排出される酸化ガス系の排出ガスとの水分授受により酸化ガスを加湿可能な加湿手段と、
前記酸化ガスにより前記燃料電池に供給が見込まれる酸化ガス含有水量に該燃料電池の発電に伴って生成が見込まれる生成水量を加えて計算される入力水量から前記酸化ガス系の排出ガスにより該燃料電池から持ち出しが見込まれる出力水量を減じて得られる収支水量に基づいて前記燃料電池へのガスまたは冷媒の供給を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記収支水量が値０となるよう制御する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記収支水量が正の値のときには前記燃料電池へのガスの供給量が多くなる傾向に制御すると共に前記収支水量が負の値のときには前記燃料電池へのガスの供給量が少なくなる傾向に制御する手段である請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記収支水量が値０を含む所定範囲内となるよう制御する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記収支水量が前記所定範囲を上回るときには前記燃料電池へのガスの供給量が多くなり前記収支水量が前記所定範囲を下回るときには前記燃料電池へのガスの供給量が少なくなる傾向に制御する手段である請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記酸化ガスおよび前記排ガスは飽和水蒸気圧であるとして酸化ガス含有流量および出力水量を演算して用いる手段である請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池から取り出される電流に基づいて前記生成水量を演算して用いる手段である請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化ガスは空気である請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池に供給される空気と燃料電池から排出される空気極系の排ガスとの水分授受により燃料電池に供給される空気を加湿する加湿装置を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、更に加湿装置をバイパスして空気を燃料電池に供給するバイパスラインも設けられており、バイパスラインを介して空気を燃料電池に供給することにより、圧力損失を低減すると共に燃料電池内の生成水を押し流すものとしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３０６５９５号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池内に溜まった生成水をバイパスラインを介して燃料電池に供給される空気で押し流すことはできるが、燃料電池内に生成水が溜まらないようにすることについては考慮されていない。また、燃料電池内に生成水が溜まらないようにするためにバイパスラインを介して燃料電池に空気を供給することも考えられるが、この空気量が過剰となると、固体高分子型の燃料電池では電解質膜の湿潤性が損なわれ、電池性能の低下を招いてしまう。
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池内の水分状態を良好なものにすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を効率よく運転することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
該酸化ガス供給手段により前記燃料電池に供給される酸化ガスと該燃料電池から排出される酸化ガス系の排出ガスとの水分授受により酸化ガスを加湿可能な加湿手段と、
前記酸化ガスにより前記燃料電池に供給が見込まれる酸化ガス含有水量に該燃料電池の発電に伴って生成が見込まれる生成水量を加えて計算される入力水量から前記酸化ガス系の排出ガスにより該燃料電池から持ち出しが見込まれる出力水量を減じて得られる収支水量に基づいて前記燃料電池へのガスまたは冷媒の供給を制御する制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池システムでは、酸化ガスにより燃料電池に供給が見込まれる酸化ガス含有水量に燃料電池の発電に伴って生成が見込まれる生成水量を加えて計算される入力水量から酸化ガス系の排出ガスにより燃料電池から持ち出しが見込まれる出力水量を減じて得られる収支水量に基づいて燃料電池へのガスまたは冷媒の供給を制御する。即ち収支水量を制御量として燃料電池内の水分状態を良好なものに制御することができる。この結果、燃料電池をより効率よく運転することができる。ここで、酸化ガス含有水量および出力水量としては、酸化ガスおよび排ガスが飽和水蒸気圧であるとして演算されるものを用いることができる。また、生成水量としては、燃料電池から取り出される電流に基づいて演算されるものを用いることができる。なお、酸化ガスとしては空気を用いることができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記収支水量が値０となるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池内の水分量の過剰な増加や過剰な減少を抑止することができると共に燃料電池をより効率よく良好に運転することができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記収支水量が正の値のときには前記燃料電池へのガスの供給量が多くなる傾向に制御すると共に前記収支水量が負の値のときには前記燃料電池へのガスの供給量が少なくなる傾向に制御する手段であるものとすることもできる。収支水量が正の値のときに燃料電池へのガスの供給量を多くするのは、酸化ガス含有水量が多くなることによって入力水量も出力水量も多くなるが、入力水量の増加に比して出力水量の増加の方が大きくなることから、収支水量を小さくすることができることに基づく。収支水量が負の値のときも同様な理由に基づく。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記収支水量が値０を含む所定範囲内となるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池内の水分量の過剰な増加や過剰な減少を抑止することができると共に燃料電池をより効率よく良好に運転することができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記収支水量が前記所定範囲を上回るときには前記燃料電池へのガスの供給量が多くなり前記収支水量が前記所定範囲を下回るときには前記燃料電池へのガスの供給量が少なくなる傾向に制御する手段であるものとすることもできる。収支水量が所定範囲を上回るときに酸化ガスの供給量を多くするのは、酸化ガス含有水量が多くなることによって入力水量も出力水量も多くなるが、入力水量の増加に比して出力水量の増加の方が大きくなることから、収支水量を小さくすることができることに基づく。収支水量が所定範囲を下回るときも同様な理由に基づく。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の一部の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０は、図示するように、水素リッチな燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとしての空気との供給を受けて発電する燃料電池２２と、エアポンプ２４によって燃料電池２２に供給される空気の供給管路２６および燃料電池２２から排出される空気系の排出ガス（以下、空気系オフガスという）の排出管路２７に取り付けられて空気を加湿する加湿器２８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット３０とを備える。
【００１２】
燃料電池２２は、例えば電解質膜とこの電解質膜を狭持するカソードおよびアノード側の電極とからなる単電池を複数積層した燃料電池スタックとして構成されており、カソード側の電極に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により水の生成を伴って発電する。燃料電池２２の出力端子からの電力ラインには、通常、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータやインバータなどが取り付けられており、燃料電池２２から取り出す電力（発電電力）が調整できるようになっている。また、燃料電池２２には、発電に伴って生じる熱を排出するために冷却媒体（例えば冷却水）の循環流路が形成されており、その温度が発電に適した温度になるよう電子制御ユニット３０により調節されている。
【００１３】
加湿器２８は、水蒸気選択透過性の高い中空糸膜により分けられた供給ガス通路２８ａと排出ガス通路２８ｂとにそれぞれ供給管路２６と排出管路２７とが取り付けられており、燃料電池２２のカソードから排出された水蒸気を含んだ高温の空気系オフガスとエアポンプ２４によって燃料電池２２に供給される空気とを向流接触させることにより、空気系オフガスの水蒸気と熱を燃料電池２２に供給される空気に移す。具体的には、水蒸気を含む空気系オフガスと水蒸気をあまり含まない空気との間に発生する水蒸気分圧の差によって空気系オフガスの水蒸気が中空糸膜を透過して空気へ移ると共に高温の空気系オフガスの熱が常温の空気に中空糸膜を介して伝達されることにより行なわれるのである。
【００１４】
電子制御ユニット３０は、ＣＰＵ３２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ３２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ３４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ３６と、図示しない入出力ポートを備える。電子制御ユニット３０には、供給管路２６に取り付けられた流量計４０により検出されるエアポンプ２４によって燃料電池２２に供給される空気の流量であるエア流量Ｑや供給管路２６の燃料電池２２への入口近傍に取り付けられた温度センサ４２により検出される空気の温度としての入口温度Ｔｉｎ，排出管路２７の燃料電池２２の出口近傍に取り付けられた温度センサ４４により検出される空気系オフガスの温度としての出口温度Ｔｏｕｔ，燃料電池２２からの電力ラインに取り付けられた電流センサ４６からの発電電流ｉなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット３０からは、エアポンプ２４への駆動信号や燃料ガスを燃料電池２２に供給する図示しない燃料ガス供給部に燃料ガスの供給量を調節するための駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１５】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池２２への空気の供給量と空気の加湿の調整における動作について説明する。図２は、電子制御ユニット３０により実行される加湿処理ルーチンに一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、０．１秒毎や１秒毎など）に繰り返し実行される。加湿処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット３０のＣＰＵ３２は、まず、温度センサ４２により検出される燃料電池２２に供給される空気の入口温度Ｔｉｎや温度センサ４４により検出される空気系オフガスの燃料電池２２からの出口温度Ｔｏｕｔ，流量計４０により検出される燃料電池２２に供給される空気の流量としてのエア流量Ｑ，電流センサ４６により検出される燃料電池２２の発電電流ｉなどを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。
【００１６】
続いて、読み込んだ入口温度Ｔｉｎとエア流量Ｑとに基づいて次式（１）により燃料電池２２に供給される空気により単位時間当たりに燃料電池２２に持ち込まれる水量である流入水量Ｗｉｎを計算すると共に出口温度Ｔｏｕｔとエア流量Ｑとに基づいて式（２）により空気系オフガスにより単位時間当たりに燃料電池２２から待ち出される水量である流出水量Ｗｏｕｔを計算し（ステップＳ１１０）、更に、発電電流ｉに基づいて燃料電池２２の発電に伴って生成される生成水量Ｗｆｃを計算する（ステップＳ１２０）。流入水量Ｗｉｎは、実施例では、燃料電池２２に供給される空気が入口温度Ｔｉｎにおける飽和水蒸気を含むものとして計算される。即ち、入口温度Ｔｉｎにおける飽和水蒸気圧から燃料電池２２に供給される空気の単位体積当たりの水量を求め（式（１）中の関数ｆ１）、これにエア流量Ｑと換算係数ｋ１を乗じて求めるのである。ここで、換算係数ｋ１は、加湿器２８による加湿により増加する流量を反映するものとして設定されている。実施例では、流出水量Ｗｏｕｔも燃料電池２２からの空気系オフガスが出口温度Ｔｏｕｔにおける飽和水蒸気を含むものとして計算される。即ち、流入水量Ｗｉｎと同様に出口温度Ｔｏｕｔにおける飽和水蒸気圧から空気系オフガスの単位体積当たりの水量を求め、これにエア流量Ｑと換算係数ｋ２を乗じて求めるのである。ここで、換算係数ｋ２は、燃料電池２２の発電に伴って消費される空気中の酸素の消費量と燃料電池２２の発電に伴って生成される生成水が気化した際の水蒸気による増加分とを反映するものとして設定されている。
【００１７】
【数１】
Ｗｉｎ＝ｋ１・Ｑ・ｆ１（Ｔｉｎ）　　　（１）
Ｗｏｕｔ＝ｋ２・Ｑ・ｆ１（Ｔｏｕｔ）　（２）
【００１８】
こうして流入水量Ｗｉｎと流出水量Ｗｏｕｔと生成水量Ｗｆｃとを計算すると、次式（３）に示すように、流入水量Ｗｉｎと生成水量Ｗｆｃとの和から流出水量Ｗｏｕｔを減じて収支水量Ｗｂを計算する（ステップＳ１３０）。収支水量Ｗｂは、式（１）の計算式から解るように、その値が正のときには燃料電池２２内で水が溜まりがちな状態である程度を示し、その値が負のときには燃料電池２２内が乾きがちな状態である程度を示す。
【００１９】
【数２】
Ｗｂ＝Ｗｉｎ＋Ｗｆｃ−Ｗｏｕｔ　　　　（３）
【００２０】
そして、収支水量Ｗｂの絶対値が閾値Ｗｒｅｆより大きいか否か、即ち収支水量Ｗｂが値０を含む正負の閾値Ｗｒｅｆにより設定される所定範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ここで、閾値Ｗｒｅｆは、燃料電池２２内に水が溜まったり燃料電池２２内が乾きすぎたりしていない良好な状態、即ち燃料電池２２が良好に発電を継続することができる状態の範囲を設定するものであり、燃料電池２２の規模などによって定められる。収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆ以下のときには、燃料電池２２内の水の状態が良好で供給される空気の加湿状態も良好と判断して本ルーチンを終了し、収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆより大きいときには、収支水量Ｗｂに比例定数ｋ３を乗じたものをエア流量Ｑに加えて新たなエア流量Ｑを設定して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。ここで、エア流量Ｑは、収支水量Ｗｂが正の値のときにはエア流量Ｑが増加されるよう設定され、収支水量Ｗｂが負の値のときにはエア流量Ｑが減少されるよう設定される。これは、通常、燃料電池２２に供給される空気の温度（入口温度Ｔｉｎ）より空気系オフガスの温度（出口温度Ｔｏｕｔ）の方が高いことと上述した式（１）および式（２）の関数ｆ１により得られる単位体積当たりの水量が温度を変数として飽和水蒸気圧に基づいて計算されることにと基づく。即ち、式（１）中のｆ１（Ｔｉｎ）よりｆ１（Ｔｏｕｔ）の方が大きいから、収支水量Ｗｂが正の値で閾値Ｗｒｅｆより大きいときにエア流量Ｑを増加すれば、エア流量Ｑの増加に基づく流入水量Ｗｉｎの増加に比して流出水量Ｗｏｕｔの増加の方が大きくなり、生成水量Ｗｆｃが同一であれば、式（３）から収支水量Ｗｂは小さくなってその値は閾値Ｗｒｅｆ以下となる。収支水量Ｗｂが負の値で閾値Ｗｒｅｆより小さいときにエア流量Ｑを減少すれば、エア流量Ｑの減少に基づく流入水量Ｗｉｎの減少に比して流出水量Ｗｏｕｔの減少の方が大きくなるから、生成水量Ｗｆｃが同一であれば、式（３）から収支水量Ｗｂは大きくなってその値は閾値Ｗｒｅｆ以上（その値の絶対値は閾値Ｗｒｅｆ以下）となる。
【００２１】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、収支水量Ｗｂの絶対値を閾値Ｗｒｅｆ以下となるようエア流量Ｑを調節することにより、燃料電池２２内の水分状態を良好な状態に保つことができる。この結果、燃料電池を効率よく運転することができる。
【００２２】
実施例の燃料電池システム２０では、収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆにより設定される所定範囲内にないときにエア流量Ｑを調節するものとしたが、収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆにより設定される所定範囲内にあるか否かに拘わらずにエア流量Ｑを調節するものとしてもよい。
【００２３】
実施例の燃料電池システム２０では、収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆにより設定される所定範囲内になるようエア流量Ｑを調節するものとしたが、燃料電池２２への燃料ガスの供給量を調節したり、燃料電池２２への冷媒の供給量を調節することにより、収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆにより設定される所定範囲内になるよう調節するものとしてもよい。また、燃料電池２２への冷媒の熱を放熱する放熱器を設け、この放熱器による放熱量を調節（ファンのオンオフ制御など）して燃料電池２２の温度を調節することにより収支水量Ｗｂが閾値Ｗｒｅｆにより設定される所定範囲内となるようにしてもよい。
【００２４】
実施例の燃料電池システム２０では、空気系オフガスの全量を加湿器２８に供給して空気系オフガスの水蒸気と熱とを供給管路２６により燃料電池２２に供給される空気に移すものとしたが、図３の変形例の燃料電池システム２０Ｂに示すように、空気系オフガスの排出管路２７に加湿器２８をバイパスするバイパス管５０を設けると共にこのバイパス管５０に調節弁５２を設け、調節弁５２を開閉制御することにより、空気系オフガスの一部をバイパスさせることにより燃料電池２２に供給される空気の加湿量を調節するものとしてもよい。
【００２５】
実施例の燃料電池システム２０では、流入水量Ｗｉｎや流出水量Ｗｏｕｔの計算については燃料電池２２に供給される空気と燃料電池２２からの空気系オフガスとが飽和水蒸気を含むものとして計算したが、供給管路２６の燃料電池２２への入口近傍の空気の湿度と排出管路２７の燃料電池２２からの出口近傍の空気系オフガスの湿度を検出して流入水量Ｗｉｎや流出水量Ｗｏｕｔを計算するものとしてもよい。
【００２６】
実施例の燃料電池システム２０では、エアポンプ２４と加湿器２８との間の供給管路２６に設けられた流量計４０により検出されたエア流量Ｑに基づいて流入水量Ｗｉｎや流出水量Ｗｏｕｔを計算したが、供給管路２６の燃料電池２２への入口近傍と排出管路２７の燃料電池２２からの出口近傍に流量計を取り付け、この流量計からの値を用いて流入水量Ｗｉｎや流出水量Ｗｏｕｔを計算するものとしてもよい。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の一部の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の電子制御ユニット３０により実行される加湿処理ルーチンに一例を示すフローチャートである。
【図３】変形例の燃料電池システム２０Ｂの一部の構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
２０　燃料電池システム、２２　燃料電池、２４　エアポンプ、２６　供給管路、２７　排出管路、２８　加湿器、３０　電子制御ユニット、３２　ＣＰＵ、３４　ＲＯＭ、３６　ＲＡＭ、４０　流量計、４２，４４　温度センサ、４６　電流センサ、５０　バイパス管、５２　調節弁。
【図１】
2004119052.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004119052.tif 000005