(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスを供給する反応ガス供給手段と、該燃料電池に接続された冷媒循環流路で冷媒を循環させつつ該燃料電池に冷媒を供給する冷媒循環手段と、該燃料電池の外部で前記冷媒循環流路に介装された冷媒冷却手段と、該冷媒冷却手段を迂回するように前記冷媒循環流路の冷媒冷却手段の上流側から分岐されて該冷媒冷却手段の下流側に合流された冷媒バイパス流路と、前記冷媒循環流路における冷媒の流れを冷媒冷却手段と冷媒バイパス流路とに選択的に切り替える冷媒流路切替手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の運転を停止するとき、該燃料電池の出力電流を遮断した状態において、所定の条件が成立するまで燃料電池に反応ガスと冷媒とを供給させるように前記反応ガス供給手段および前記冷媒循環手段を作動させつつ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるように前記冷媒流路切替手段を作動させる制御手段を備え、
前記反応ガス供給手段は、前記アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくともいずれか一方の種類の反応ガスを加圧する加圧手段と、その加圧された反応ガスを前記冷媒バイパス流路に介装された熱交換手段を経由させて前記燃料電池に供給する反応ガス供給路とを備えて、該熱交換手段で前記冷媒バイパス流路を流れる冷媒と前記加圧された反応ガスとの熱交換を行わしめるように構成され、
前記冷媒バイパス流路は、前記燃料電池の運転中に該燃料電池以外の機器を冷却するための冷媒を流す機器用冷媒流路の一部を構成する流路であり、前記冷媒流路切替手段は、前記燃料電池の運転中に前記冷媒バイパス流路を前記冷媒循環流路から遮断すると共に前記機器用冷媒流路に連通させ、且つ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるときに、前記冷媒バイパス流路を前記機器用冷媒流路から遮断すると共に前記冷媒循環流路に連通させるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷媒バイパス流路を経由する冷媒循環流路には、冷媒の保温機能を有する蓄熱器が介装されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池内の残留水分量を把握する残留水分量把握手段を備え、前記所定の条件は、該残留水分量把握手段により把握される残留水分量が所定値以下になるという条件であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷媒バイパス流路は、前記加圧手段の作動時の発熱を吸収するように該加圧手段を経由して設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項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し、より詳しくは燃料電池の運転を停止する際に、燃料電池に残留する水分のパージを行うようにしたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極構造体（いわゆるＭＥＡ）を１つ以上備える燃料電池は、その発電運転を行うために、各膜電極構造体の各電極（アノード電極およびカソード電極）の表面に、それぞれ反応ガスとしてのアノードガス、カソードガスが供給される。通常、アノードガス、カソードガスとしては、それぞれ水素ガス、空気（詳しくは酸素を含む空気）が用いられる。そして、この燃料電池は、供給された水素と空気中の酸素とを各膜電極構造体で反応させることで、Ｈ２Ｏ（水または水蒸気）を生成しつつ発電する。また、燃料電池はその発電運転時に発熱するので、その自己発熱によって該燃料電池が過剰に高温になるのを防止するために、ラジエターなどの冷却装置（放熱器）と燃料電池（詳しくは燃料電池内に形成された冷媒流路）とを経由して循環するように設けられた冷媒循環流路で冷媒を循環させつつ、該冷媒を燃料電池に供給するようにしている。
【０００３】
この種の燃料電池では、燃料電池の運転中に生成されたＨ２Ｏの一部が燃料電池の運転停止後に燃料電池内に残留したまま結露する。そして、特に、燃料電池内に残留して結露するＨ２Ｏ（以下、残留水分という）の量が比較的多い場合には、燃料電池の運転を再開するときに、その残留水分が燃料電池内の反応ガス流路での反応ガスの円滑な流れを阻害したり、あるいは、膜電極構造体での水素や酸素の拡散を阻害し、燃料電池の起動時の発電能力が損なわれやすい。特に、低温環境下で残留水分の凍結が発生すると、上記の不都合が顕著になると共に、凍結した残留水分が膜電極構造体などを損傷させる恐れもある。
【０００４】
このため、燃料電池の運転停止時に、燃料電池内の掃気（パージ）を行う技術が例えば特表２００３−５１０７８６号公報（特許文献１）や、特開２００２−２４６０５３号公報（特許文献２）に提案されている。特許文献１のものでは、乾燥した窒素ガスなどのパージ用流体あるいは反応ガスを燃料電池内の反応ガス流路に供給することで、燃料電池内の膜電極構造体や反応ガス流路の残留水分を強制排出するようにしている。
【０００５】
また、特許文献２のものでは、乾燥した反応ガスを燃料電池に供給して該燃料電池の発電を行いつつ該燃料電池の出力電流を制御する（出力電流を燃料電池内の残留水分量の低下に伴い、小さくしていく）ことにより、燃料電池の自己熱によって残留水分および新たに生成される水を蒸発させて反応ガスと共に燃料電池から排出するようにしている。さらに、特許文献２のものでは、燃料電池が過剰に高温になったり、燃料電池の温度が下がり過ぎて水分の蒸発量が低下するのを防止するために、該冷媒を循環させる冷媒循環流路をラジエターを通る流路とラジエターを迂回する流路とに燃料電池の温度に応じて切り替えることで、燃料電池に供給する冷媒の温度を所要の温度範囲に収めるようにしている。
【特許文献１】特表２００３−５１０７８６号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１および特許文献２のものでは次のような不都合があった。すなわち、特許文献１のものは、単に、燃料電池の反応ガス流路に窒素ガスなどのパージ用流体あるいは反応ガスを供給して燃料電池内の残留水分を強制排出するものであるので、燃料電池の内部熱が供給されたパージ用流体もしくは反応ガスと共に燃料電池の外部に放出されて該燃料電池の温度が低下しやすい。このため、燃料電池内の残留水分の結露が生じやすい。その結果、燃料電圧内の残留水分を十分に排出するためには、パージ用流体あるいは反応ガスの供給圧力を、かなり高圧なもの（例えば燃料電池の運転時の反応ガスの供給圧力よりも高圧なもの）とする必要がある。そして、その高圧のパージ用流体あるいは反応ガスを燃料電池に供給するために、その供給手段（コンプレッサや流路）や、燃料電池の耐圧性を高めなければならない。また、特に、残留水分の排出のために反応ガスとは別種のパージ用ガスを使用する場合には、反応ガスの供給手段とは別にパージ用ガスの供給手段が必要となって燃料電池システムの構成が大型化してしまうと共に、燃料電池内のパージ用流体を排出するまで、燃料電池の運転を再開することができないという不都合がある。
【０００７】
また、前記特許文献２のものでは、燃料電池の発電を行いながら、換言すれば、Ｈ２Ｏを新たに生成しながら残留水分の排出を行うようにしているため、残留水分を十分に除去するために、燃料電池の複雑な電流制御が必要になる。さらに、残留水分量を所望の量に低減させるまでに時間がかかりやすく、残留水分の排出を効率よく短時間で行うことが難しい。さらに、特許文献２のものでは、燃料電池を電気自動車に搭載し、残留水分を排出するために燃料電池を発電させるときに、その出力電流をＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池とは別に備えた２次電池（走行用電動機の電源）に供給するようにしている。しかるに、この場合、該２次電池が満充電状態である場合には、燃料電池の出力電流を所望の電流値に制御することができず、ひいては、燃料電池から残留水分を効果的に排出することが困難となる。そして、これを回避するためには、自動車の運転停止状態で燃料電池から所望の電流を供給し得るような負荷を別途備える必要がある。
【０００８】
本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転を停止するときに、燃料電池内の残留水分を比較的簡単な構成で効率よく排出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する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、かかる目的を達成するために、燃料電池と、該燃料電池に反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスを供給する反応ガス供給手段と、該燃料電池に接続された冷媒循環流路で冷媒を循環させつつ該燃料電池に冷媒を供給する冷媒循環手段と、該燃料電池の外部で前記冷媒循環流路に介装された冷媒冷却手段と、該冷媒冷却手段を迂回するように前記冷媒循環流路の冷媒冷却手段の上流側から分岐されて該冷媒冷却手段の下流側に合流された冷媒バイパス流路と、前記冷媒循環流路における冷媒の流れを冷媒冷却手段と冷媒バイパス流路とに選択的に切り替える冷媒流路切替手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転を停止するとき、該燃料電池の出力電流を遮断した状態において、所定の条件が成立するまで燃料電池に反応ガスと冷媒とを供給させるように前記反応ガス供給手段および前記冷媒循環手段を作動させつつ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるように前記冷媒流路切替手段を作動させる制御手段を備え、前記反応ガス供給手段は、前記アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくともいずれか一方の種類の反応ガスを加圧する加圧手段と、その加圧された反応ガスを前記冷媒バイパス流路に介装された熱交換手段を経由させて前記燃料電池に供給する反応ガス供給路とを備えて、該熱交換手段で前記冷媒バイパス流路を流れる冷媒と前記加圧された反応ガスとの熱交換を行わしめるように構成され、前記冷媒バイパス流路は、前記燃料電池の運転中に該燃料電池以外の機器を冷却するための冷媒を流す機器用冷媒流路の一部を構成する流路であり、前記冷媒流路切替手段は、前記燃料電池の運転中に前記冷媒バイパス流路を前記冷媒循環流路から遮断すると共に前記機器用冷媒流路に連通させ、且つ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるときに、前記冷媒バイパス流路を前記機器用冷媒流路から遮断すると共に前記冷媒循環流路に連通させるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、燃料電池の運転を停止するときに、燃料電池に反応ガスと冷媒とを供給しつつ、冷媒循環流路の冷媒の流れを冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるので、該冷媒は、冷媒冷却手段で冷却されることなく、冷媒バイパス流路を経由して冷媒循環流路で循環しつつ、燃料電池に供給される。このため、冷媒循環流路で流れる冷媒は、温度低下が生じ難く、燃料電池の運転中（発電中）における冷媒の温度からの低下が緩やかになる。従って、燃料電池の温度も、燃料電池の運転中の温度に近い比較的高い温度に維持される期間が比較的長くなる。そして、このような状態で、反応ガスが燃料電池に供給されるので、燃料電池内の残留水分が円滑に蒸発（気化）しつつ、反応ガスと共に燃料電池内から排出される。また、このとき、燃料電池の出力電流を遮断しているので、燃料電池の実質的な発電運転は行われず、反応ガスの反応によって新たに生成されるＨ２Ｏはごく少量に留まると共に、燃料電池の格別な電流制御も必要としない。従って、燃料電池内の残留水分を速やかに排出することができる。燃料電池内の残留水分を比較的簡単な構成で効率よく排出することができる
よって、本発明によれば、燃料電池内の残留水分を比較的簡単な構成で効率よく排出することができる。
【００１１】
なお、本発明の燃料電池システムでは、反応ガスとしては、好適には、水素ガスと、空気（酸素を含有する空気）もしくは酸素ガスとが使用される。また、燃料電池の運転を停止するときに燃料電池に供給する反応ガスは、少なくとも燃料電池の運転中よりも乾燥している（含有水分が少ない）ことが好ましい。例えば、燃料電池の運転中に反応ガスを加湿器を介して供給するようにしている場合には、燃料電池の運転を停止するときに、該加湿器を迂回させて（バイパスさせて）反応ガスを燃料電池に供給するようにすればよい。
【００１２】
かかる本発明の燃料電池システムでは、前記冷媒バイパス流路を経由する冷媒循環流路には、冷媒の保温機能を有する蓄熱器が介装されていることが好適である。
【００１３】
これによれば、冷媒循環流路を流れる冷媒の温度低下をさらに抑制することができ、ひいては、燃料電池内の残留水分の蒸発を促進して、より速やかに該残留水分を排出することができる。なお、蓄熱器としては、例えば断熱材で構成された冷媒タンクなどが挙げられる。
【００１４】
また、本発明では、前記反応ガス供給手段および冷媒循環手段の作動を停止するタイミングを規定する前記所定の条件は、例えば燃料電池の運転停止後の経過時間によって規定することも可能であるが、前記燃料電池内の残留水分量を把握する残留水分量把握手段を備え、前記所定の条件は、該残留水分量把握手段により把握される残留水分量が所定値以下になるという条件であることが好ましい。
【００１５】
これによれば、燃料電池内の残留水分量を確実に所定値以下に低下させるように残留水分の排出を行うことができる。
【００１６】
また、本発明では、前記した如く、前記反応ガス供給手段は、前記アノードガスおよびカソードガスのうちの少なくともいずれか一方の種類の反応ガスを加圧する加圧手段と、その加圧された反応ガスを前記冷媒バイパス流路に介装された熱交換手段を経由させて前記燃料電池に供給する反応ガス供給路とを備え、該熱交換手段で前記冷媒バイパス流路を流れる冷媒と前記加圧された反応ガスとの熱交換を行わしめるように構成した。
【００１７】
これによれば、前記一方の種類の反応ガスを加圧することで、その反応ガスは昇温する。このため、冷媒バイパス流路を流れる冷媒は、該冷媒バイパス流路の熱交換手段を通るときに、昇温した反応ガスとの熱交換によって温度低下がより一層抑制される。このため、燃料電池に供給される冷媒の保温性、ひいては燃料電池の保温性がより一層高まる。その結果、燃料電池内での冷媒の蒸発（気化）がさらに促進され、ひいては、燃料電池内の残留水分の排出を早めることができる。また、昇温した反応ガスと冷媒との熱交換によって、燃料電池スタックに供給される反応ガスが過剰に高温になるのも防止できる。
【００１８】
なお、前記一方の種類の反応ガスの加圧は、その加圧された反応ガスが、燃料電池の運転中における冷媒の温度とほぼ同等の温度（当該冷媒の温度の近傍範囲の温度）か、もしくはそれよりも若干高い温度に昇温するように行うことが好適である。また、燃料電池に供給する反応ガスであるアノードガスおよびカソードガスとして、それぞれ水素ガス、空気を用いるときには、加圧する反応ガスは空気であることが好適である。
【００１９】
上記のように加圧された反応ガスと冷媒バイパス流路を流れる冷媒との熱交換を行う本発明では、前記冷媒バイパス流路は、前記加圧手段の作動時の発熱エネルギーを吸収するように該加圧手段を経由して設けられていることがさらに好適である。
【００２０】
これによれば、燃料電池の運転を停止するときに冷媒バイパス流路を流れる冷媒は、加圧手段の発熱エネルギーを吸収できるので、さらに該冷媒の保温効果がさらに高まり、燃料電池内の残留水分の蒸発およびその排出効果を高めることができる。同時に、加圧手段（例えばコンプレッサやスーパチャージャ）が過剰に高温になるのも防止できる。
【００２１】
また、加圧された反応ガスと冷媒バイパス流路を流れる冷媒との熱交換を行ったり、冷媒バイパス流路を加圧手段を経由させる本発明では、前記した如く、前記冷媒バイパス流路は、前記燃料電池の運転中に該燃料電池以外の機器を冷却するための冷媒を流す機器用冷媒流路の一部を構成する流路であり、前記冷媒流路切替手段は、前記燃料電池の運転中に前記冷媒バイパス流路を前記冷媒循環流路から遮断すると共に前記機器用冷媒流路に連通させ、且つ、前記冷媒循環流路の冷媒の流れを前記冷媒冷却手段側から冷媒バイパス流路側に切り替えるときに、前記冷媒バイパス流路を前記機器用冷媒流路から遮断すると共に前記冷媒循環流路に連通させるように構成されている。
【００２２】
これによれば、燃料電池の運転中は、冷媒バイパス流路を含む機器用冷媒流路に冷媒を流しつつ、前記加圧手段で加圧された反応ガスと該機器用冷媒流路を流れる冷媒との熱交換を熱交換手段で行って該反応ガスが過剰に高温になるのを防止できる。また、特に該冷媒バイパス流路が加圧手段を経由するときには（この場合、前記燃料電池以外の機器には、加圧手段を構成する機器が含まれる）、該加圧手段の過剰な昇温を防止できる。なお、このとき、冷媒バイパス流路は、冷媒循環流路から遮断されているので、機器用冷媒流路での冷媒の流れが、冷媒循環流路に影響を及ぼすことはなく、燃料電池の過剰な昇温の防止を支障なく確実に行うことができる。
【００２３】
そして、燃料電池の運転を停止するときには、冷媒バイパス流路が機器用冷媒流路から遮断されるものの、冷媒循環流路の冷媒が流れることで、前記した如く、冷媒循環流路を流れる冷媒の保温、加圧された反応ガスの過剰な昇温の防止、あるいは、加圧手段の過剰な昇温の防止を実現しつつ、燃料電池内の残留水分の排出を効率よく行うことができる。また、冷媒バイパス流路を機器用冷媒流路と冷媒循環流路とで共用することで、それらの流路を合わせた冷媒の流路構成を小型で簡易な構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に関連する参考例としての第１実施形態を図１および図２を参照して説明する。図１は第１実施形態の燃料電池システムの全体的構成を示す図である。図１に示す如く、本実施形態の燃料電池システムは、本発明における燃料電池に相当する燃料電池スタック１と、これに反応ガスとしての水素ガス（アノードガス）および空気（カソードガス）をそれぞれ供給する反応ガス供給手段としての水素ガス供給手段２および空気供給手段３と、燃料電池スタック１に冷媒を循環させながら供給する冷媒循環手段４と、これらの燃料電池スタック１、水素ガス供給手段２、空気供給手段３、冷媒循環供給手段４などの運転制御を行う制御手段としてのコントローラ５とを備えている。
【００２５】
燃料電池スタック１の基本構造を図２を参照して説明する。図２は燃料電池スタック１の要部の断面を概略的に示す図である。
【００２６】
燃料電池スタック１は、図２に示す如く、固体高分子電解質膜６の両面にそれぞれアノード電極７およびカソード電極８を接合してなる膜電極構造体（いわゆるＭＥＡ）９と、この膜電極構造体９の各電極７，８の表面に装着された導電性のセパレータ１０とから構成された単位セル（最小単位の燃料電池）を膜電極構造体９の法線方向に複数、積層することで電池本体部（発電機能部）が構成されたものである。各膜電極構造体９の両側のセパレータ１０，１０のうち、アノード電極７に臨むセパレータ１０は該アノード電極７の表面との間に水素ガスの流路１１を形成し、カソード電極８に臨むセパレータ１０は、該カソード電極８の表面との間に空気の流路１２を形成している。また、本実施形態では、隣合う膜電極構造体９，９の間に介在されているセパレータ１０，１０は、それらの間に冷媒の流路１３を形成している。上記のような流路１１，１２，１３は、通常、カーボン材からなるセパレータに溝を形成し、あるいは、金属板からなるセパレータをプレス加工により波板状に成形することにより形成される。そして、図２のセパレータ１０は、例えば金属板をプレス加工して、上記流路１１，１２，１３を形成するようにしたものを例示している。
【００２７】
なお、図示は省略するが、燃料電池スタック１の電池本体部は筐体に収容されており、その筐体には水素ガスの各流路１１が連通する水素ガス主通路と、空気の各流路１２が連通する空気主通路と、冷媒の各流路１３が連通する冷媒主通路とが設けられている。そして、各流路１１，１２，１３への水素ガス、空気、冷媒の流入・流出は、それぞれこれらの主通路を介して行われるようになっている。
【００２８】
図１に戻って、燃料電池スタック１には、その発電運転時の出力電流を供給する電気負荷１４が、コントローラ５により開閉制御されるスイッチ１５を介して電気的に接続されている。本実施形態の燃料電池システムは、例えば自動車（燃料電池自動車）に搭載されたものであり、電気負荷１４としては、例えば走行用電動機やその主たる電源としてのコンデンサ、あるいは各種の補機電装品（コントローラ５など）の電源電池（２次電池）などが挙げられる。
【００２９】
さらに、燃料電池スタック１には、その内部を流れる反応ガスの相対湿度を検出する湿度センサ１６が内臓されている。この湿度センサ１６は、例えば燃料電池スタック１の空気の排出口近傍に設けられている。該湿度センサ１６は、本発明における残留水分量把握手段に相当するものであり、燃料電池スタック１の空気の排出口近傍の相対湿度に応じた信号を燃料電池スタック１内の残留水分量を表すものとして出力する。なお、湿度センサ１６は、燃料電池スタック１の水素ガスの排出口近傍に設けてもよく、あるいは、空気の排出口近傍と水素の排出口近傍の両者に備えたり、複数の単位セルのそれぞれの空気の流路１２の出口近傍や、水素の流路１１の出口近傍に設けてもよい。複数の湿度センサを備えた場合には、例えばそれらの湿度センサの出力の平均値や、最大値を、燃料電池スタック１内の残留水分量を示すものとして用いればよい。
【００３０】
前記水素ガス供給手段２は、水素ガスを送出する水素ガス供給器１７と、この水素ガス供給器１７から導出され、加湿器１８を経由して燃料電池スタック１の水素ガス流入口１ａに接続された水素ガス供給路１９と、加湿器１８を迂回するように加湿器１８の上流側の箇所から分岐して、該加湿器１８の下流側の箇所に合流された水素ガスバイパス流路２０とを備えている。そして、加湿器１８の上流側における水素ガスバイパス流路２０の分岐箇所には、水素ガス供給器１７から送出される水素ガスの流れを、加湿器１８側の経路と水素ガスバイパス路２０側の経路とに選択的に切り替える電動切替弁２１が介装されている。
【００３１】
加湿器１８は、燃料電池スタック１の発電運転時に、水素ガス供給器１７から送出される水素ガスに水分を含ませるためのものである。これは、燃料電池スタック１の各膜電極構造体９がある程度湿っている状態において、各膜電極構造体９での水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応およびその反応による発電が良好に行われるからである。
【００３２】
なお、水素ガス供給手段２の水素ガス供給器１７および電動切替弁２１は、その作動がコントローラ５によって制御される。
【００３３】
前記空気供給手段３は、大気を吸引して加圧し、その加圧空気を送出する加圧手段としてのスーパチャージャ２２と、このスーパチャージャ２２から導出され、インタークーラ２３および加湿器２４を順に経由して燃料電池スタック１の空気流入口１ｂに接続された空気供給流路２５と、加湿器２４を迂回するように加湿器２４の上流側の箇所（インタークーラ２３の下流側の箇所）から分岐して、該加湿器２４の下流側の箇所に合流された空気バイパス流路２６とを備えている。そして、加湿器２４の上流側における空気バイパス流路２６の分岐箇所には、スーパチャージャ２２から送出される空気の流れをインタークーラ２３の下流側で加湿器２４側の経路と空気バイパス流路２６側の経路とに選択的に切り替える電動切替弁２７が介装されている。
【００３４】
加湿器２４は、水素ガスの場合と同様の理由によって、燃料電池スタック１の発電運転時に、スーパチャージャ２２から送出される空気に水分を含ませるためのものである。また、インタークーラ２３は、放熱機能を持つものであり、過剰に高温の空気が燃料電池スタック１に供給されるのを防止するものである。すなわち、スーパチャージャ２２で加圧される空気は、その加圧によって昇温するが、その昇温した空気をインタークーラ２３である程度放熱させた上で燃料電池スタック１に供給することで、過剰に高温の空気が燃料電池スタック１に供給されるのが防止される。
【００３５】
なお、空気供給手段３のスーパチャージャ２２および電動切替弁２７は、その作動がコントローラ５によって制御される。
【００３６】
前記冷媒循環手段４は、燃料電池スタック１を経由して冷媒を循環させるように該燃料電池スタック１の冷媒流入口１ｄおよび冷媒流出口１ｃに両端が接続された冷媒循環流路２８を備えている。この冷媒循環流路２８には、その上流側（燃料電池スタック１の冷媒流出口１ｃ側）から順番に、冷媒を貯蔵する冷媒タンク２９と、電動ポンプ３０と、冷媒冷却手段としてのラジエータ３１（放熱器）とが介装されている。さらに、冷媒循環流路２８には、ラジエータ３１を迂回するようにラジエータ３１の上流側の箇所（電動ポンプ３０の下流側の箇所）から分岐して、該ラジエータ３１の下流側の箇所に合流された冷媒バイパス流路３２が設けられている。そして、ラジエータ３１の上流側における冷媒バイパス流路３２の分岐箇所とラジエータ３１の下流側における冷媒バイパス流路３２の合流箇所とにそれぞれ冷媒流路切替手段としての電動切替弁３３，３４が介装されている。なお、冷媒としては、例えばエチレングリコールが使用される。
【００３７】
ここで、冷媒タンク２９は、断熱性の高い材質により構成されており、冷媒の保温機能を持つ蓄熱器として機能するものである。
【００３８】
また、電動切替弁３３は、電動ポンプ３０からの冷媒の流れをラジエータ３１側の経路と冷媒バイパス流路３２側の経路とに選択的に切り替えるものであり、電動切替弁３４は、これを備えた合流箇所を冷媒バイパス流路３２から遮断すると同時にラジエータ３１側に連通させる位置（以下、ラジエータ側連通位置という）と、該合流箇所を冷媒バイパス流路３２に連通させると同時にラジエータ３１側から遮断する位置（冷媒バイパス流路側連通位置）とに動作するものである。この場合、電動切替弁３３を冷媒バイパス流路３２側に動作させ（該電動切替弁３３を備えた分岐箇所を冷媒バイパス流路３２側にのみ連通させる）、且つ、電動切替弁３４を前記冷媒バイパス流路側連通位置に動作させることで、冷媒は、ラジエータ３１を経由せずに、冷媒バイパス流路３２を流れて燃料電池スタック１に供給される。また、電動切替弁３３をラジエータ３１側に動作させ（該電動切替弁３３を備えた分岐箇所をラジエータ３１側にのみ連通させる）、且つ、電動切替弁３４を前記ラジエータ側連通位置に動作させることで、冷媒は、冷媒バイパス流路３２を経由せずに、ラジエータ３１を流れて燃料電池スタック１に供給される。
【００３９】
なお、冷媒循環手段４の電動ポンプ３０並びに電動切替弁３３，３４は、その作動がコントローラ５によって制御される。また、本実施形態では、ラジエータ３１の上流側の分岐箇所と下流側の合流箇所との両者に電動切替弁３３，３４を備えるようにしたが、いずれか一方を省略してもよい。
【００４０】
前記コントローラ５は、マイクロコンピュータを含む電子回路で構成されたものであり、前記湿度センサ１６の検出信号や、図示しないイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに伴う燃料電池システムの運転要求信号、運転停止信号などが入力されるようになっている。そして、コントローラ５は、それらの入力信号やあらかじめ記憶保持したデータ、プログラムなどに基づいて前記水素ガス供給器１７、スーパーチャージャ２２、電動切替弁２１，２７，３３，３４、電動ポンプ３０、スイッチ１５の作動を図示しないアクチュエータや駆動回路を介して制御するようにしている。
【００４１】
次に本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。
【００４２】
コントローラ５に運転要求信号が与えられ、燃料電池システムの運転（燃料電池スタック１の発電運転）を行う状態では、コントローラ５は、前記スイッチ１５を閉成し、また、水素ガス供給手段２の電動切替弁２１を加湿器１８側に動作させると共に空気供給手段３の電動切替弁２７を加湿器２４側に動作させている。さらに、コントローラ５は、冷媒循環手段４の電動切替弁３３をラジエータ３１側に動作させると共に電動切替弁３４を前記ラジエータ側連通位置に動作させている。そして、このような状態で、コントローラ５は、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２および電動ポンプ３０を作動させる。
【００４３】
このとき、水素ガス供給器１７から加湿器１８を経由して（図１の実線矢印Ｙ１を参照）、燃料電池スタック１に水分を含んだ水素ガスが供給され、また、スーパチャージャ２２から、インタークーラ２３および加湿器２４を経由して（図１の実線矢印Ｙ３を参照）、燃料電池スタック１に水分を含んだ空気が供給される。そして、燃料電池スタック１に供給された水素ガスおよび空気中の酸素ガスは、各膜電極構造体９で反応する。これにより、各膜電極構造体９でＨ２Ｏ（水または水蒸気）が生成されつつ、各膜電極構造体９の両電極７，８間に起電力が発生し、それを全ての膜電極構造体９について直列に合成した起電力による出力電流がスイッチ１５を介して電気負荷１４に供給される。これにより、燃料電池スタック１の発電運転が行われる。
【００４４】
また、冷媒循環手段４の電動ポンプ３０の作動によって、冷媒が冷媒タンク２９から電動ポンプ３０、ラジエータ３１および燃料電池スタック１を順に経由して循環しつつ、該燃料電池スタック１に供給される（図１の実線矢印Ｙ５，Ｙ７を参照）。このとき、該冷媒は、燃料電池スタック１内の冷媒の流路１３で膜電極構造体９の発熱エネルギーを吸収し、その吸収した熱エネルギーをラジエータ３１で放出する。これにより、燃料電池スタック１が過剰に高温になるのが防止される。
【００４５】
以上が、燃料電池スタック１の発電運転時の作動である。次に、燃料電池スタック１の発電運転を停止する（電気負荷１４への出力電流の供給を停止する）ときの作動を説明する。
【００４６】
図示しないイグニッションスイッチのＯＦＦ操作によってコントローラ５に運転停止信号が与えられると、該コントローラ５は、以下に説明する処理を実行する。すなわち、コントローラ５は、スイッチ１５を開成して燃料電池スタック１の出力電流を遮断した後（燃料電池スタック１の発電を停止させた後）、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２、および電動ポンプ３０を作動させながら、水素ガス供給手段２の電動切替弁２１を加湿器１８側から水素ガスバイパス流路２０に切り替えると共に、空気供給手段２の電動切替弁２７を加湿器２４側から空気バイパス流路２６側に切り替える。さらに、コントローラ５は、冷媒循環手段４の電動切替弁３３をラジエータ３１側から冷媒バイパス流路３２側に切り替えると共に、電動切替弁３３をラジエータ側連通位置から冷媒バイパス流路側連通位置に切り替える。
【００４７】
このとき、水素ガス供給器１７から送出される水素ガスと、スーパチャージャ２２から送出される空気とは、それぞれ加湿器１８，２４を経由せずに、水素ガスバイパス流路２０、空気バイパス流路２６を経由して（図１の２点鎖線の矢印Ｙ２，Ｙ４を参照）燃料電池スタック１に供給される。このため、燃料電池スタック１には、比較的乾燥した水素ガスおよび空気がパージ用ガスとして供給される。この場合、燃料電池スタック１の出力電流が遮断されているので、供給された水素ガスと空気中の酸素との反応はさほど発生せず、従って、新たに生成されるＨ２Ｏは少量である。
【００４８】
また、冷媒循環手段４にあっては、冷媒が冷媒タンク２９から電動ポンプ３０、冷媒バイパス流路３２、燃料電池スタック１を経由して循環する（図１の２点鎖線の矢印Ｙ６，Ｙ８を参照）。この場合、冷媒は、ラジエータ３１を経由せず、しかも、冷媒タンク２９が保温機能を持っている。さらに、ラジエータ３１の上流側と下流側とが電動切替弁３３，３４で閉塞されることから、ラジエータ３１内で放熱して冷却された冷媒が、冷媒循環流路２８で冷媒バイパス流路３２を経由して流れる冷媒に混ざることもない。このため、冷媒循環手段４における冷媒の単位時間当たりの放熱量は比較的小さなものとなる。その結果、燃料電池スタック１の内部を通って循環する冷媒の温度、ひいては燃料電池スタック１の温度は、急速な温度低下を生じることなく、燃料電池スタック１の発電運転時の温度（例えば７０〜７５℃）から緩やかに低下していく。
【００４９】
従って、燃料電池スタック１内（詳しくは、膜電極構造体９並びに流路１１，１２の内部）の残留水分は、燃料電池スタック１の内部熱によって円滑に気化しながら、供給されるパージ用ガスとしての水素ガスおよび空気によって運搬されて、該水素ガスおよび空気と共に燃料電池スタック１の外部に排出される。この場合、燃料電池スタック１の発電運転時に生成されるＨ２Ｏは、空気の流路１２内に発生しやすいので、該流路１２内に残留水分が溜まりやすい。しかるに、燃料電池スタック１に供給される空気は、加圧されていてその動圧が比較的高いため、該流路１２内の残留水分も円滑に排出される。
【００５０】
コントローラ５は、上記の如く燃料電池システムを作動させながら、湿度センサ１６の出力信号を監視する。そして、湿度センサ１６の出力信号が示す相対湿度があらかじめ定めた所定値以下になったときに、燃料電池スタック１内の残留水分量が所定量以下になったものとして、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２、および電動ポンプ３０の運転を停止する。
【００５１】
以上が燃料電池スタック１の運転を停止するときに、燃料電池スタック１内の残留水分を排出するための作動である。この場合、前記した通り、燃料電池スタック１内の残留水分が円滑に気化しながら、供給される水素ガスおよび空気と共に燃料電池スタック１の外部に排出されることから、残留水分の排出を短時間で行うことができる。また、このとき、燃料電池スタック１の出力電流を遮断して、燃料電池スタック１の発電を行わず、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２および電動ポンプ３０を作動させつつ、電磁切替弁２１，２７，３３，３４の切替作動を行うだけで、燃料電池スタック１内の残留水分を短時間で排出できる。つまり、燃料電池システムの複雑な運転制御を必要とすることなく、簡単な構成で燃料電池スタック１内の残留水分を効率よく排出できる。
【００５２】
次に、本発明の一実施形態としての第２実施形態を図３を参照して説明する。なお、本実施形態は、前記第１実施形態のものと一部の構成および作動のみが相違するものであるので、第１実施形態と同一の構成部分については第１実施形態と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
【００５３】
図３を参照して、本実施形態が第１実施形態と相違する部分を説明すると、本実施形態では、図示しない走行用モータ、モータドライブ回路や、前記スーパチャージャ２２を冷却するための機器用冷媒流路３５の一部が、燃料電池スタック１の冷却用の前記冷媒循環手段４の冷媒バイパス流路３２を兼ねている。さらに詳細には、本実施形態では、機器用冷媒流路３５は、前記スーパチャージャ２２およびインタークーラ２３を経由するように設けられており、このスーパチャージャ２２の上流側の箇所３６からインタークーラ２３の下流側の箇所３７までの部分が、冷媒循環手段４の冷媒バイパス流路３２を兼ねるものとして、前記ラジエータ３１の上流側および下流側の電磁切替弁３３，３４を介して冷媒循環流路２８に接続されている。また、スーパチャージャ２２の上流側の箇所３６よりも、機器用冷媒流路３５の上流側の箇所と、インタークーラ２３の下流側の箇所３７よりも、機器用冷媒流路３５の下流側の箇所とには、それぞれコントローラ５により開閉制御される電磁弁３８，３９が介装され、これらの電磁弁３８，３９を閉弁させることで、冷媒バイパス流路３２が機器用冷媒流路３５から遮断されるようになっている。電磁弁３８，３９は、電磁切替弁３３，３４と合わせて、冷媒流路切替手段を構成するものである。
【００５４】
上記の構成によって、ラジエータ３１の上流側の電磁切替弁３３をラジエータ３１側に動作させ、且つラジエータ３１の下流側の電磁切替弁３４を前記ラジエータ側連通位置に動作させ、また、電磁弁３８，３９を開弁することで、冷媒バイパス流路３２は、機器用冷媒流路３５に連通して、該機器用冷媒流路３５に組み込まれると共に、冷媒循環流路２８と機器用冷媒流路３５とは実質的に遮断され、両流路２８，３５の間での冷媒の移動が生じないと共に、両流路２８，３５の間での熱伝達も実質的に発生しない。この状態では、機器用冷媒流路３５での冷媒の流れ（これはスーパチャージャ２２およびインタークーラ２３を経由する）と、冷媒循環手段４での冷媒の流れ（これはラジエータ３１を経由する）とは互いに独立して行われることとなる。
【００５５】
また、ラジエータ３１の上流側の電磁切替弁３３を冷媒バイパス流路３２側に動作させ、且つラジエータ３１の下流側の電磁切替弁３４を前記冷媒バイパス流路側連通位置に動作させ、さらに、電磁弁３８，３９を閉弁することで、冷媒バイパス流路３２は、冷媒循環流路２８に連通して冷媒循環手段４に組み込まれると共に、機器用冷媒流路３５から遮断され、該機器用冷媒流路３５と冷媒バイパス流路３２および冷媒循環流路２８との間での冷媒の移動が生じないと共に、それらの間での熱伝達も実質的に遮断される。この状態では、冷媒循環手段４での冷媒の流れは、ラジエータ３１を経由せずに、スーパチャージャ２２およびインタークーラ２３を通る冷媒バイパス流路３２を経由して行われる。
【００５６】
また、本実施形態では、インタークーラ２３は、これを通る冷媒バイパス流路３２を流れる冷媒と、スーパチャージャ２２から供給される加圧空気との熱交換を行う機能を有するものとされている。従って、本実施形態では、インタークーラ２３は本発明における熱交換手段としての機能を持つものとなっている。
【００５７】
以上説明した以外の構成は、前記第１実施形態と同一である。
【００５８】
次に、本実施形態の燃料電池システムの作動を説明する。燃料電池スタック１の発電運転中は、コントローラ５は、前記スイッチ１５を閉成し、また、水素ガス供給手段２の電動切替弁２１を加湿器１８側に動作させると共に空気供給手段３の電動切替弁２７を加湿器２４側に動作させる。さらに、コントローラ５は、冷媒循環手段４の電動切替弁３３をラジエータ３１側に動作させると共に電動切替弁３４を前記ラジエータ側連通位置に動作させる。また、コントローラ５は、機器用冷媒流路３５の電磁弁３８，３９を開弁状態に動作させる。そして、このような状態で、コントローラ５は、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２および電動ポンプ３０を作動させる。
【００５９】
このとき、第１実施形態と同様に、水素ガスおよび空気が燃料電池スタック１に供給されて（図３の実線矢印Ｙ１，Ｙ２を参照）、該燃料電池スタック１の発電が行われると共に、冷媒循環手段４によって冷媒がラジエータ３１を経由して循環しつつ、燃料電池スタック１に供給され（図３の実線矢印Ｙ５，Ｙ７を参照）、該燃料電池スタック１が過剰に昇温するのが防止される。なお、このとき、機器用冷媒流路３５の図示しないポンプが作動されて、該機器用冷媒流路３５の冷媒バイパス流路３２を冷媒が流れることで、スーパチャージャ２２やインタークーラ２３が過剰に高温になるのも防止される。補足すると、機器用冷媒流路３５を流れる冷媒の温度は、定常状態で例えば６０℃程度である。
【００６０】
一方、図示しないイグニッションスイッチのＯＦＦ操作によって、燃料電池スタック１の発電運転を停止するときには、コントローラ５は、スイッチ１５を開成して燃料電池スタック１の出力電流を遮断した後（燃料電池スタック１の発電を停止させた後）、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２、および電動ポンプ３０を作動させながら、水素ガス供給手段２の電動切替弁２１を加湿器１８側から水素ガスバイパス流路２０に切り替えると共に、空気供給手段２の電動切替弁２７を加湿器２４側から空気バイパス流路２６側に切り替える。さらに、コントローラ５は、冷媒循環手段４の電動切替弁３３をラジエータ３１側から冷媒バイパス流路３２側に切り替えると共に、電動切替弁３３をラジエータ側連通位置から冷媒バイパス流路側連通位置に切り替える。さらに、コントローラ５は、電磁弁３８，３９を閉弁状態に動作させる。
【００６１】
このとき、燃料電池スタック１には、第１実施形態と同様に、比較的乾燥した水素ガスおよび空気（加圧された空気）がパージ用ガスとして供給される。また、冷媒循環手段４にあっては、冷媒が図３の２点鎖線の矢印Ｙ６，Ｙ１２，Ｙ１３，Ｙ１４で示す如く、ラジエータ３１を経由せずに、冷媒バイパス流路３２を経由しつつ冷媒循環流路２８を循環する。この循環の過程において、冷媒が冷媒バイパス流路３２のインタークーラ２３を通るとき、その冷媒と、該インタークーラ２３にスーパチャージャ２２から供給される加圧空気との熱交換が行われる。この場合、本実施形態では、スーパチャージャ２２で加圧される空気は、その加圧によって、燃料電池スタック１の発電運転中に冷媒循環流路２８を流れる冷媒の定常的な温度（例えば７０〜７５℃）とほぼ同等の温度か、もしくはそれよりも若干高い温度（例えば８０℃）に昇温するようになっている。冷媒循環流路２８を流れる冷媒は、冷媒バイパス流路３２でインタークーラ２３を通るときに、スーパチャージャ２２から送出される加圧・昇温された空気との熱交換によって、放熱をほとんど伴わずに保温される。またさらに、本実施形態では、冷媒バイパス流路３２は、スーパチャージャ２２を通るので、該冷媒バイパス流路３２を流れる冷媒は、このスーパチャージャ２２の発熱エネルギーの一部を吸収できる。このため、前記第１実施形態のものよりも、冷媒循環流路２８を流れる冷媒の保温性が高まって、該冷媒の温度が燃料電池スタック１の発電運転の終了時における温度から低下していくのがより効果的に抑制される。ひいては、燃料電池スタック１の温度が発電運転の終了時の温度に近い温度に維持される状態が安定して継続する。
【００６２】
この結果、本実施形態では、燃料電池スタック１での残留水分の気化（燃料電池スタック１の内部熱による気化）が第１実施形態よりも円滑に促進され、燃料電池スタック１に供給されるパージ用ガスである水素ガスおよび空気によって、より速やかに燃料電池スタック１の内部から排出される。なお、冷媒バイパス流路３２を流れる冷媒が、スーパチャージャ２２の発熱エネルギーを吸収することで、該スーパチャージャ２２が過剰に高温になるのも防止できると共に、冷媒バイパス流路３２を流れる冷媒とスーパチャージャ２２により加圧された空気との熱交換によって、該空気が過剰に高温になるのも防止される。
【００６３】
そして、コントローラ５は、前記第１実施形態と同様に、前記湿度センサ１６の出力信号が示す相対湿度があらかじめ定めた所定値以下になったときに、燃料電池スタック１内の残留水分量が所定量以下になったものとして、水素ガス供給器１７、スーパチャージャ２２、および電動ポンプ３０の運転を停止する。これにより、燃料電池スタック１内の残留水分を排出するための作動が終了する。
【００６４】
この場合、前記した通り、燃料電池スタック１内の残留水分が第１実施形態のものよりもより速やかに円滑に気化しながら、供給される水素ガスおよび空気と共に燃料電池スタック１の外部に排出されることから、残留水分の排出をより短時間で行うことができる。また、冷媒循環流路２８で循環させる冷媒の保温を、空気供給手段３のインタークーラ２３を利用して行うと共に、機器用冷媒流路３５の一部を冷媒バイパス流路３２として用いるため、燃料電池スタック１の残留水分を効率よく排出させるための冷媒流路構成を構成を小型で簡易な構成とすることができる。
【００６５】
なお、以上説明した実施形態では、残留水分量把握手段として、湿度センサ１６を用いたが、例えば燃料電池スタック１の１つもしくは複数のセルの抵抗値を計測し、その抵抗値の計測値に基づいて燃料電池スタック１内の残留水分量を把握するようにすることも可能である。この場合には、前記スイッチ１５を開成した状態で、例えば補機用電池から、燃料電池スタック１の１つもしくは複数のセルにパルス状の電圧を周期的に付与して電流を通電すると共にその通電時の電流を計測し、その計測した電流値を基に、セルの抵抗値を計測するようにすればよい。この場合、セルの抵抗値は、残留水分量が多いほど、低くなるので、計測したセルの抵抗値が所定値以上になったときに、残留水分量が所定量以下になったものと判断するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態の全体構成を示す図。
【図２】図１の燃料電池システムに備えた燃料電池スタックの断面構造を示す図。
【図３】本発明の燃料電池システムの第２実施形態の全体構成を示す。
【符号の説明】
【００６７】
１…燃料電池スタック、２…水素ガス供給手段（反応ガス供給手段）、３…空気供給手段（反応ガス供給手段）、４…冷媒循環手段、５…コントローラ（制御手段）、１６…湿度センサ（残留水分量把握手段）、２２…スーパチャージャ（加圧手段）、２３…インタークーラ（熱交換手段）、２８…冷媒循環流路、２９…冷媒タンク（蓄熱器）、３１…ラジエータ（冷媒冷却手段）、３２…冷媒バイパス流路、３３，３４，３８，３９…冷媒流路切替手段、３５…機器用冷媒流路。
【図１】
0004698965.tif 000002
【図２】
0004698965.tif 000003
【図３】
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