(57)【要約】【課題】  反応ガスがセパレータを通過して純水中に混入することを抑制する。【解決手段】  燃料電池スタック１を発電させている時に、燃料電池スタック１内で反応ガスが加湿用純水に侵入したことをコントローラ２によって検出した場合、コントローラ２は、燃料電池スタック１の温度を低下させる。このとき、コントローラ２は、燃料電池スタック１に供給する反応ガス流量を低下させるように空気供給用ポンプ３及び水素供給用ポンプ５を制御する処理、純水流量制御弁１１の開度を小さくする処理、冷却水流量を増加させるように冷却水循環用ポンプ８を制御する処理などを行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが反応ガス流路に供給されることにより発電する複数の燃料電池セルと、各燃料電池セル間に設けられ各燃料電池セルを加湿させる加湿用純水流路を備える複数の多孔質セパレータとを備えた燃料電池と、
前記燃料電池の反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記多孔質セパレータの加湿用純水流路に加湿用純水を循環させる純水循環手段と、
前記燃料電池内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段と、
前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記燃料電池の温度を低下させる制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記燃料電池の出力を低下させ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】
前記制御手段は、前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記燃料電池内に循環させる冷却媒体の流量を増加させるように前記冷却媒体循環手段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４】
燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが反応ガス流路に供給されることにより発電する複数の燃料電池セルと、各燃料電池セル間に設けられ各燃料電池セルを加湿させる加湿用純水流路を備える複数の多孔質セパレータとを備えた燃料電池と、
前記燃料電池の反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記多孔質セパレータの加湿用純水流路に加湿用純水を循環させる純水循環手段と、
前記燃料電池内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段と、
前記反応ガスが前記多孔質セパレータを通過して前記加湿用純水に混入したと判断した場合に、前記反応ガス流路内の反応ガス圧力と、前記加湿用純水流路内の加湿用純水圧力との差圧を減少させる制御手段と
を備え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５】
前記制御手段は、前記反応ガス圧力を低下させるように前記反応ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿用純水循環手段は、前記多孔質セパレータの加湿用純水流路の純水出口側の純水配管に設けられた弁を備え、
前記制御手段は、前記弁の開度を小さくして、前記加湿用純水流路内の加湿用純水圧力を高くすることを特徴とする請求項４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、燃料電池を発電させる時に、反応ガスを供給して燃料電池を発電させると共に、加湿用純水を燃料電池内に循環させて燃料電池を加湿させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の燃料電池セルからなる燃料電池スタックに、燃料ガス及び酸化剤ガスのみならず加湿用純水を供給することにより、燃料電池スタック内部の電解質膜を加湿しながら発電させる燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、純水チャンネルを有した多孔質タイプのセパレータ（ＷＰＴ）により、各燃料電池セルを区分した燃料電池スタックを使用している（例えば下記の特許文献１参照）。
【特許文献１】ＵＳ６２４８４６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応ガスと加湿用純水とをＷＲＴの微小孔内の純水によってシールしていたので、燃料電池スタックの運転条件によっては反応ガスがＷＲＴ内の純水を通過して、純水中に混入するという問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、反応ガスがセパレータを通過して純水中に混入することを抑制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】
【０００５】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが反応ガス流路に供給されることにより発電する複数の燃料電池セルと、各燃料電池セル間に設けられ各燃料電池セルを加湿させる加湿用純水流路を備える複数の多孔質セパレータとを備えた燃料電池と、燃料電池の反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、多孔質セパレータの加湿用純水流路に加湿用純水を循環させる純水循環手段と、燃料電池内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段とを備える。
【０００６】
このような燃料電池システムにおいて燃料電池を発電させている時に、制御手段は、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入したと判断した場合に、燃料電池の温度を低下させることにより、上述の課題を解決する。
【０００７】
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、制御手段により、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入したと判断した場合に、反応ガス流路内の反応ガス圧力と、前記加湿用純水流路内の加湿用純水圧力との差圧を減少させることにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池を発電させている時に、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、燃料電池の温度を低下させるので、多孔質セパレータ内の純水の蒸発量を減らすことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、純水が蒸発することによる反応ガス流路内の圧力上昇を抑制して、多孔質セパレータの純水流路に反応ガスが侵入することを抑制することができる。
【０００９】
また、本発明に係る他の燃料電池システムによれば、燃料電池を発電させている時に、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、反応ガス流路内の反応ガス圧力と、加湿用純水流路内の加湿用純水圧力との差圧を減少させるので、反応ガスが加湿用純水流路を通過することを抑制して、多孔質セパレータの純水流路に反応ガスが侵入することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１２】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。このような燃料電池スタック１は、水素極に水素ガス流路を備えると共に、空気極に空気流路を備える。なお、以下の説明では、水素ガス流路及び空気流路を総称して反応ガス流路と呼ぶ。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。
【００１３】
この燃料電池スタック１は、特に図示しないが、固体高分子電解質膜を加湿させる加湿用純水が循環される多孔質セパレータ（ポーラスセパレータ：ＷＴＰ）によって、各燃料電池セルを区分している。この多孔質セパレータは、一方面が隣接する燃料電池セルと接触し、他方面に加湿用純水循環流路が設けられており、当該加湿用純水循環流路の多孔質面と燃料電池スタック１内の反応ガス流路と接触させている。これにより、燃料電池スタック１は、加湿用純水が供給されることにより、多孔質セパレータの多孔質面を加湿用純水で満たして、当該加湿用純水によって燃料電池スタック１に供給される反応ガス（空気、水素）を加湿させて、固体高分子電解質膜を加湿させる。
【００１４】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、水素極に加湿した水素ガスを供給すると共に、空気極に加湿した空気を供給し、更には、燃料電池スタック１を冷却して所定温度範囲に保持する冷却水を循環させると共に、燃料電池スタック１内の固体高分子電解質膜を加湿させるための加湿用純水を循環させる。このとき、燃料電池システムは、コントローラ２によって後述する各部を制御する。
【００１５】
空気は、大気を空気供給用ポンプ３により加圧され、例えば空気加湿器にて加湿された後、空気供給配管Ｌ１を介して燃料電池スタック１の空気極へ供給される。このとき、コントローラ２は、空気供給用ポンプ３と接続されたモータの回転数を制御すると共に、空気極の空気排出側に設けられた空気調圧弁（図示せず）の開度を制御することにより空気極に供給する空気流量及び空気圧力を調整する。
【００１６】
水素は、水素タンク４に貯蔵された状態から水素供給用ポンプ５に取り込まれ、水素供給配管Ｌ２を介して燃料電池スタック１の水素極に供給される。また、水素極から排出された未使用の水素は、通常、再度水素極に循環される。このとき、コントローラ２は、例えば水素調圧弁の開度を制御して、水素極に供給する水素圧力を調整する。
【００１７】
冷却水は、ラジエータ６及び送風ファン７によって冷却され、冷却水循環用ポンプ８によって取り込まれ、冷却水循環流路Ｌ３を介して燃料電池スタック１に供給される。そして、この冷却水は、燃料電池スタック１が発電することにより発生する熱を吸収して、ラジエータ６に向かって燃料電池スタック１から排出される。このとき、コントローラ２は、送風ファン７の回転数を制御することによりラジエータ６の冷却能力を調整し、冷却水循環用ポンプ８の吐出量を制御することにより冷却水の循環量を制御する。これにより、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度を調整する。
【００１８】
加湿用純水は、純水タンク９に貯蔵された状態から、純水循環用ポンプ１０に取り込まれ、純水循環流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。そして、燃料電池スタック１に供給された加湿用純水は、多孔質セパレータの多孔質面を水分で満たし、反応ガスを加湿させて、燃料電池スタック１から純水循環流路Ｌ４及び純水流量制御弁１１を介して純水タンク９に戻される。このとき、コントローラ２は、純水循環用ポンプ１０の純水吐出量を制御することにより、燃料電池スタック１に供給する加湿用純水量を制御し、純水流量制御弁１１と接続されたアクチュエータ１２を制御することにより、純水流量制御弁１１の開度を調整して、燃料電池スタック１内の加湿用純水圧力を調整する。
【００１９】
このような燃料電池システムにおいて、コントローラ２は、燃料電池スタック１を発電させているときに、反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入することを抑制する制御処理を行う。
【００２０】
また、この燃料電池システムは、コントローラ２により各部の状態を認識するために、各種センサを備える。具体的には、燃料電池システムは、燃料電池スタック１内の空気圧力及び水素ガス圧力を検出する反応ガス圧力センサ、燃料電池スタック１内の純水圧力を検出する純水圧力センサ、燃料電池スタック１内の冷却水圧力を検出する冷却水圧力センサ、加湿用純水中の水素濃度を検出する水素濃度センサ、燃料電池セルの出力電圧を検出するセル電圧センサ等を備えている。このような各種センサは、その検出値がコントローラ２により読み込まれる。
【００２１】
［燃料電池システムの動作］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムの動作について図２のフローチャートを参照して説明する。なお、この図２に示す動作は、燃料電池スタック１を発電させるために反応ガス、加湿用純水及び冷却水を燃料電池スタック１内に供給している時に、コントローラ２により、所定期間毎に行われる。
【００２２】
先ずステップＳ１においては、コントローラ２により、燃料電池スタック１内で反応ガスが多孔質セパレータを通過して加湿用純水に混入しているか否かを判定する。このとき、コントローラ２は、例えば、燃料電池スタック１の純水出口の純水循環流路Ｌ４に設けられた水素濃度センサ或いは純水タンク９内の水素濃度センサからのセンサ信号を読み込んで、水素濃度が所定濃度以上であると判定した場合に反応ガスが加湿用純水に混入していると判定しても良い。また、コントローラ２は、セル電圧センサからのセンサ信号を読み込んで、セル電圧が所定電圧以下であると判定した場合に反応ガスが加湿用純水中に混入していると判定しても良い。
【００２３】
そして、コントローラ２は、反応ガスが加湿用純水中に混入していると判定した場合にはステップＳ２に処理を進め、反応ガスが加湿用純水中に混入していないと判定した場合には、ステップＳ７に処理を進めて反応ガスが加湿用純水中に混入することを抑制する動作をしない通常運転を継続するとして処理を終了する。
【００２４】
ステップＳ２においては、コントローラ２により、燃料電池スタック１内の加湿用純水の圧力と予め設定しておいた所定値とを比較して、加湿用純水圧力が所定値よりも高いか否かを判定する。これにより、燃料電池スタック１内において反応ガス圧力が加湿用純水圧力よりも高い状況であって、反応ガス流路から、多孔質セパレータの加湿用純水流路に反応ガスが侵入しやすい状況であるか否かを判定する。
【００２５】
ここで、ステップＳ２の所定値は、加湿用純水圧力と、反応ガス圧力及び冷却水圧力との間での差圧が大きくなることによる燃料電池スタック１の劣化等が発生しない加湿用純水の上限圧力から、当該上限圧力に加湿用純水圧力が達しないことを保証するために別途設定される余裕代の圧力値を差し引いた値に設定される。
【００２６】
そして、コントローラ２は、加湿用純水圧力が所定値よりも高いと判定した場合にはステップＳ３に処理を進め、加湿用純水圧力が所定値よりも高くないと判定した場合にはステップＳ４に処理を進める。
【００２７】
ステップＳ３においては、コントローラ２により、ステップＳ２で加湿用純水圧力が所定値よりも高いと判定されたために、加湿用純水圧力を増加させることができないために、燃料電池スタック１に供給する反応ガスの流量を低下させる。このとき、コントローラ２は、空気供給用ポンプ３及び水素供給用ポンプ５の駆動量を低下させる制御を行う。
【００２８】
このように燃料電池スタック１に供給する反応ガス流量を低下させると、燃料電池スタック１の発電量が低下することにより発熱量が低下し、燃料電池スタック１の温度が低下する。これにより、燃料電池スタック１内の反応ガス流路における加湿用純水の蒸発量を低下させ、反応ガスに含まれる水蒸気分圧を低下させて反応ガス圧力を低下させる。このように反応ガス圧力が低下すると、ステップＳ１にて反応ガスが加湿用純水中に混入するような、反応ガス圧力が加湿用純水圧力よりも高い状況から、加湿用純水圧力と反応ガス圧力の差圧を低下させる状況となる。
【００２９】
したがって、このステップＳ３では、反応ガス流量を低下させることにより、反応ガスが加湿用純水流路に与える圧力を低下させ、多孔質セパレータの多孔質面に純水が満たされる状況となり、多孔質セパレータの水シール能力を高くする。なお、このステップＳ３において、コントローラ２は、反応ガス流量を低下させることによる燃料電池スタック１の出力低下分に相当する電力を２次バッテリ（図示せず）等から各部に供給して補うようにする。
【００３０】
一方、ステップＳ２で加湿用純水圧力が所定値よりも高くないと判定された後のステップＳ４においては、冷却水循環流路Ｌ３を循環させている冷却水圧力と予め設定しておいた所定値とを比較して、冷却水圧力が所定値よりも高いか否かを判定する。ここで、ステップＳ４の所定値は、冷却水圧力と、反応ガス圧力及び加湿用純水圧力との間での差圧が大きくなることによる燃料電池スタック１の劣化等が発生しない冷却水の上限圧力から、当該上限圧力に冷却水圧力が達しないことを保証するために別途設定される余裕代の圧力値を差し引いた値に設定される。
【００３１】
そして、コントローラ２は、冷却水圧力が所定値よりも高いと判定した場合には、冷却水流量をこれ以上高くすることができないため、ステップＳ５に処理を進め、ステップＳ５において、純水流量制御弁１１の開度を小さくする。このとき、コントローラ２は、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧が多孔質セパレータの多孔質面に純水を満たすことのできる値となるように純水流量制御弁１１の開度を設定する。これにより、多孔質セパレータの純水流路内の加湿用純水圧力が上昇し、多孔質セパレータの多孔質面に純水を満たし、多孔質セパレータの水シール能力を再生する。
【００３２】
一方、ステップＳ４で冷却水圧力が所定値よりも高くないと判定した後のステップＳ６においては、コントローラ２により、純水流量制御弁１１の開度を小さくすると共に、冷却水循環用ポンプ８の回転数を上昇させることで冷却水流量を増加させて冷却水圧力を上昇させる。これにより、多孔質セパレータの多孔質面に純水を満たすと共に、燃料電池スタックの温度を低下させて加湿用純水の蒸発量を減らして多孔質セパレータの水シール能力を再生する。
【００３３】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転中に反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、燃料電池スタック１の温度を低下させるので、多孔質セパレータ内の純水の蒸発量を減らすことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、純水が蒸発することによる反応ガス流路内の圧力上昇を抑制して、多孔質セパレータの純水流路に反応ガスが侵入することを抑制することができ、多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。
【００３４】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転中に反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、燃料電池スタック１の出力を低下させることにより燃料電池スタック１の温度を低下させることができるので、冷却水流量や冷却水温度に拘わらず燃料電池スタック１の温度を低下させることができ、確実に反応ガスが加湿用純水中に侵入することを抑制することができる。
【００３５】
更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の運転中に反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、冷却水流量を増加させるので、短時間で燃料電池スタック１の温度を低下させて、迅速に反応ガスが加湿用純水中に侵入することを抑制することができる。
【００３６】
更にまた、この燃料電池システムによれば、反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧を小さくすることができ、多孔質セパレータの多孔質面を純水で満たして、多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。
【００３７】
更にまた、この燃料電池システムによれば、反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、反応ガス流量を低下させて燃料電池スタック１内の反応ガス圧力を低下させることができるので、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧を小さくすることができ、多孔質セパレータの多孔質面を純水で満たして、確実に多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。
【００３８】
更にまた、この燃料電池システムによれば、反応ガスが多孔質セパレータの多孔質面を通過して加湿用純水中に混入したと判断した場合に、純水流量制御弁１１の開度を低下させて加湿用純水圧力を高くするので、加湿用純水圧力と反応ガス圧力との差圧を小さくすることができ、多孔質セパレータの多孔質面を純水で満たして、多孔質セパレータの水シール性能を上昇させることができる。
【００３９】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  燃料電池スタック
２  コントローラ
３  空気供給用ポンプ
４  水素タンク
５  水素供給用ポンプ
６  ラジエータ
７  送風ファン
８  冷却水循環用ポンプ
９  純水タンク
１０  純水循環用ポンプ
１１  純水流量制御弁
Ｌ１  空気供給配管
Ｌ２  水素供給配管
Ｌ３  冷却水循環流路
Ｌ４  純水循環流路
【図１】
2005158662.tif 000003
【図２】
2005158662.tif 000004