(57)【要約】【課題】  フラッディングを未然に防止して、燃料電池の電解質膜の耐久性を高めることで、信頼性を向上することができる燃料電池の反応ガス供給装置を提供する。【解決手段】  燃料電池３０へ供給する反応ガスの少なくともいずれか一方を加湿する加湿器１０と、加湿器１０をバイパスさせるバイパス流路１１と、バイパス流路１１の反応ガス流量を調整する開閉弁１２を備えた燃料電池の反応ガス供給装置である。燃料電池３０の発電電流ＩＦＣとバイパス流路１１の反応ガス流量との関係をマップとして備え、該マップに基づいて開閉弁１２によりバイパス流路１１の反応ガス流量を調整する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ供給する反応ガスの少なくともいずれか一方を加湿する加湿器と、該加湿器をバイパスさせるバイパス流路と、該バイパス流路の反応ガス流量を調整する流量調整手段を備えた燃料電池の反応ガス供給装置であって、
前記燃料電池の発電電流と前記バイパス流路の反応ガス流量との関係をマップとして備え、
該マップに基づいて前記流量調整手段により前記バイパス流路の反応ガス流量を調整することを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項２】
前記マップは前記燃料電池に供給される反応ガス流量が少ないほど前記バイパス流路の反応ガス流量を増大させる領域を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
【請求項３】
前記加湿器は前記反応ガスの一方である酸化剤ガスの流路に設けられ、
前記マップは前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量が少ないほど前記バイパス流路の酸化剤ガス流量を増大させる領域を含むものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスを加湿する加湿器と、該加湿器をバイパスさせるバイパス流路を有する燃料電池の反応ガス供給装置に関するものである．
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。
【０００３】
ところで、燃料電池の発電を効率よく行うには、燃料電池の固体高分子電解質膜をある程度湿潤な状態にする必要がある。このため、従来においては、燃料電池へ供給する反応ガスの流路に加湿器を設けて、加湿器を通して湿潤な反応ガスを燃料電池に供給し、固体高分子電解質膜の乾燥を防止している。
一方、燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電を継続すると燃料電池内の湿度は上昇していく。燃料電池内の湿度が過度に上昇すると、フラッディング等により安定した発電を行うことが困難になる。これを防止するため、従来においては、加湿器をバイパスするバイパス流路を設けて、加湿器を通さずに反応ガスを燃料電池に供給できるようにしている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、カソード供給路とアノード供給路とにそれぞれ加湿器を設けるとともに、カソード供給路に設けた加湿器をバイパスするバイパス管と、該バイパス管に設けた開閉弁とを備え、出力特性の低下を検出したときに空気をバイパス管に流す技術が提案されている。
また、特許文献２には、電圧計で検出された出力電圧とインピーダンス計で検出されたインピーダンスとからカソード表面の濡れすぎを検知したときに、バイパス配管における電動弁の開度を大きくして、バイパス配管の流量を増加する技術が提案されている。
また、特許文献３には、アノード側に加湿器を通流する回路とこれに並列に配したバイパス流路と、燃料ガスの流れをこの二つの回路の間で切り換える切換弁を備え、制御弁を周期的にまたは適宜に切換動作を行う技術が提案されている。
【特許文献１】特開平５−４７３９４号公報
【特許文献２】特開平７−２３５３２４号公報
【特許文献３】特開平１０−６４５６９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、従来の技術においては、燃料電池のフラッディング（濡れすぎ）を検知してから、燃料電池の湿度を調整する制御を行っているため、燃料電池の湿度が適正に調整されるまでは要求された出力を行うことが困難となる。また、一旦フラッディングになってしまうと、固体高分子電解質膜の耐久性を損なう虞があり、信頼性の点で問題がある。
また、反応ガスの流路を定期的または適宜に切り換える技術では、要求された出力が変動して、燃料電池内の湿度が変動する場合には、フラッディングが発生してしまい、固体高分子電解質膜を十分に保護することができないという問題がある。
従って、本発明は、フラッディングを未然に防止して、燃料電池の電解質膜の耐久性を高めることで、信頼性を向上することができる燃料電池の反応ガス供給装置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】
【０００６】
請求項１に係る発明は、燃料電池へ供給する反応ガスの少なくともいずれか一方を加湿する加湿器（例えば、実施の形態におけるカソード加湿器１０）と、該加湿器をバイパスさせるバイパス流路（例えば、実施の形態におけるバイパス流路１１）と、該バイパス流路の反応ガス流量を調整する流量調整手段（例えば、実施の形態における開閉弁１２）を備えた燃料電池の反応ガス供給装置であって、前記燃料電池の発電電流と前記バイパス流路の反応ガス流量との関係をマップ（例えば、実施の形態におけるマップＡ、マップＢ）として備え、該マップに基づいて前記流量調整手段により前記バイパス流路の反応ガス流量を調整することを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記燃料電池の発電電流を検出することにより、前記マップに基づいて前記バイパス流路の反応ガス流量を調整することができるので、前記燃料電池内の湿度が適正な湿度に保持できるように、前記燃料電池へ供給する反応ガスの湿度を制御することができる。従って、前記燃料電池内の湿度を適正に保持した状態を維持しつつ発電することができるので、フラッディングの発生を未然に防ぐことができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記マップは前記燃料電池に供給される反応ガス流量が少ないほど前記バイパス流路の反応ガス流量を増大させる領域を含むものであることを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池に供給される反応ガス流量が少ないときには、この反応ガスの圧力で前記燃料電池内に生じている水を排出することは困難であるが、このときに前記バイパス流路の反応ガス流量を増大させることで前記燃料電池に供給される反応ガスの湿度を抑えることができるため、この反応ガスにより前記燃料電池内の除湿を行うことができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記加湿器は前記反応ガスの一方である酸化剤ガスの流路に設けられ、前記マップは前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量が少ないほど前記バイパス流路の酸化剤ガス流量を増大させる領域を含むものであることを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量が少ないとき前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの湿度（水蒸気分圧）を抑えることで、前記燃料電池のカソード側の除湿を行うことができるとともに、前記燃料電池のアノード側に生じている水分も電解質膜を介してカソード側に移動させて除去することができる。特に、前記反応ガスである燃料ガスの流路が循環流路を備えている場合であっても、前記燃料電池内の湿度を適正に維持することができる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、フラッディングを未然に防止することができるので、燃料電池の電解質膜の耐久性を高めるができ、信頼性を向上することができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池内に生じている水を排出することが困難となる前記反応ガス流量の少ないときでも、燃料電池内の湿度を適正に維持して発電を行うことが可能となる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池のカソード側の除湿を行うことができるとともに、前記燃料電池のアノード側に生じている水分も電解質膜を介してカソード側に移動させて除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置について、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池の反応ガス供給装置を車両に搭載した燃料電池システムに適用した場合について説明する。
図１は、本実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置を適用した燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池３０は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜１（以下、電解質膜１、と記す）をアノード２とカソード３とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。アノード２に燃料として水素を供給し、カソード３に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノード２で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜１を通過してカソード３まで移動して、カソード３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。カソード３側で生じた生成水の一部は電解質膜１を介してアノード２側に逆拡散するため、アノード２側にも生成水が存在する。
【００１２】
水素タンク等の水素供給システム４から供給される水素は、遮断弁、レギュレータ（いずれも図示せず）を介して水素供給流路５を通って燃料電池３０のアノード２に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、アノード２側の生成水等の残留水と共にアノード２から水素循環流路１７に排出され、エゼクタ１６を介して水素供給流路５に合流する。つまり、燃料電池３０から排出された水素は、水素供給システム４から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池３０のアノード２に供給される。また、水素循環流路１７から分岐した水素排出流路６にはパージ弁１４が設けられ、パージ弁１４を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素排出流路６から排出する。なお、水素排出流路６から排出された水素オフガスは、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。
【００１３】
一方、空気はコンプレッサ等のエア供給システム７によりエア供給流路８に圧送され、燃料電池３０のカソード３に供給される。エア供給流路８にはカソード加湿器１０が設けられており、電解質膜１の乾燥を防止するよう加湿されたエアを燃料電池３０に供給するように構成されている。燃料電池３０に供給されたエアは発電に供された後、燃料電池３０からカソード３側の生成水等の残留水と共にオフガスとしてエア排出流路９に排出される。また、エア排出流路９はカソード加湿器１０を通過するように構成されている。すなわち、加湿器１０はエア供給流路８とエア排出流路９とにまたがって設けられ、該加湿器１０を介してオフガスの水分をエア供給流路８のエアに供給できるようにしている。
【００１４】
また、エア供給流路８には、加湿器１０をバイパスするバイパス流路１１が設けられている。このバイパス流路１１には開閉弁１２が設けられ、この開閉弁１２を開閉動作させることによりバイパス流路１１へのエアの流通や遮断を制御している。
すなわち、開閉弁１２を閉動作させることにより、エア供給システム７から供給されるエアのバイパス流路１１への流通を遮断して、加湿器１０を介して燃料電池３０のカソード３に供給させる。一方、開閉弁１２を開動作させることにより、前記エアをバイパス流路１１に流通させて、燃料電池３０のカソード３に供給させる。このとき、エア供給システム７から供給されるエアは圧力損失の関係でバイパス流路１１を主に流れるようになり、燃料電池３０のカソード３には乾燥したエアを供給することができる。
また、燃料電池３０には、冷却水循環流路１８及びその循環流路１８に冷却水を循環させる循環ポンプ１９などを備え、電気化学反応に適した温度（例えば８０°Ｃ）に制御されている。
【００１５】
この反応ガス供給装置には、開閉弁１２の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１３が設けられている。この制御部１３は、燃料電池３０の発電電流ＩＦＣを検出する電流センサ２１、燃料電池３０の冷却水温ＴＷを検出する温度センサ２０に関する信号を入力し、水素供給システム４、エア供給システム７、開閉弁１２を駆動させる信号を出力するようになっている。
【００１６】
以下、制御部１３の具体的な構成についてより詳細に説明する。図２は図１に示す制御部のブロック構成図である。同図に示すように、制御部１３には、電流センサ２１で検出された発電電流ＩＦＣの１秒平均値と、温度センサ２０で検出されたスタック温度（この場合は冷却水温ＴＷ）とが入力される。そして、制御部１３には、開閉弁１２の開弁時間（ＯＮ時間）を検索するマップＡ（図３参照）を保持するマップＡ保持部２４と、開閉弁１２の閉弁時間（インターバル時間）を検索するマップＢ（図４参照）を保持するマップＢ保持部２５とを有している。
【００１７】
図３はバイパス流路開閉弁の開時間（ＯＮ時間）と発電電流との関係を示すグラフ図（マップＡ）である。また、図４はバイパス流路開閉弁の閉時間（インターバル時間）と発電電流との関係を示すグラフ図（マップＢ）である。これらの図に示すように、発電電流ＩＦＣに対するＯＮ時間とインターバル時間との関係は互いに逆転したものとなっている。
まず、ＯＮ時間について説明する。図３に示すように、発電電流ＩＦＣの値が０から基準値Ｉ０の範囲のとき、ＯＮ時間は一定時間Ｔ０に維持される。そして、発電電流ＩＦＣの値が基準値Ｉ０よりも大きくなるにつれてＯＮ時間も減少していき、所定の発電電流Ｉ１以上のときにＯＮ時間は略０となって閉状態が継続する。
【００１８】
一方、インバーバル時間については、ＯＮ時間とは関係が逆になる。すなわち、図４に示すように、発電電流ＩＦＣの値が０から基準値Ｉ０の範囲のとき、インバーバル時間は略０であり開状態が継続する。そして、発電電流ＩＦＣの値が基準値Ｉ０よりも大きくなるにつれてインターバル時間も増大していき、所定の発電電流Ｉ１以上のときにインターバル時間は一定時間Ｔ１（＝Ｔ０）となる。
【００１９】
このように、マップＡ、Ｂには、燃料電池３０の発電電流ＩＦＣが小さくなるほど（燃料電池３０に供給される反応ガス流量が少ないほど）、ＯＮ時間が長くなり、またはインターバル時間が短くなって、バイパス流路１１のエア流量を増大させる領域が含まれている。
【００２０】
また、これらのマップＡ、マップＢは、冷却水温ＴＷに応じて持ち替えられるようになっている。具体的には、冷却水温ＴＷが低下すると、開閉弁１２のＯＮ時間が増大して、インターバル時間が減少するように、マップＡ、マップＢがそれぞれ持ち替えられる。このようにすると、冷却水温ＴＷの温度が低下して燃料電池３０内に残留する水が凝固して除去が困難になる前に、加湿されていない乾燥したエアを燃料電池３０のカソード３に供給することができるため、より迅速に燃料電池３０内の湿度を適正に制御することが可能となる。
【００２１】
そして、マップＡ保持部２４、マップＢ保持部２５は制御判定部２６に接続され、それぞれの保持部２４、２５から算出されたＯＮ時間やインターバル時間に基づいて開閉弁１２の制御判定を行う。すなわち、開閉弁１２の動作状態（開弁ならば「１」。閉弁ならば「０」が入力される）と、算出されたＯＮ時間やインターバル時間とを比較判定して、開閉弁１２の動作状態が算出されたＯＮ時間やインターバル時間と整合する場合には切換指令を行わず、整合していない場合には切換指令を行って開閉弁１２の開閉制御を行う。
【００２２】
図５はバイパス流路開閉弁１２の開閉状態を示すタイムチャートである。同図に示すように、発電電流ＩＦＣの検出値ＩＡのときに算出されたＯＮ時間ＴＡに基づいて開閉弁１２が開弁する。そして、ＯＮ時間ＴＡが終了したときの発電電流ＩＦＣの検出値ＩＢのときに算出されたインターバル時間ＴＢに基づいて開閉弁１２が閉弁する。このように、発電電流ＩＦＣの検出値に応じて開閉弁１２の開閉時間をそれぞれ調整して、燃料電池３０のカソード３に供給されるエアの湿度を調整しつつ発電を行わせている。よって、燃料電池３０内のカソード３の湿度を適正に維持しつつ発電することができる。さらに、発電電流が少なく生成水量が少ないときに、カソード３へ供給するガスの湿度を下げるように開閉弁１２を制御することで、カソード３側の水蒸気分圧が、アノード２側の水蒸気分圧よりも低くなり、燃料電池３０のアノード２側に生じている水分も電解質膜１を介してカソード３側に移動させて除去することができる。従って、カソード３側のみならずアノード２側の湿度も適正に維持することができる。よって、水素循環流路１７を循環する水素を残留水を排出するために未利用のまま排出せざるを得なくなるという事態を防止でき、燃費向上にも寄与することができる。
【００２３】
また、マップＡ、Ｂには、燃料電池３０の発電電流ＩＦＣが小さくなるほどバイパス流路１１のエア流量を増大させる領域が含まれているので、燃料電池３０に供給される反応ガス（エア、水素）の流量が少ないために燃料電池３０内の水を反応ガスの圧力で排出することが困難な場合であっても、バイパス流路１１のエア流量を増大させて湿度の低いエアを加湿することなく燃料電池３０のカソード３に供給することができる。このため、燃料電池３０のカソード３に供給されたエアにより除湿を行うことができる。
【００２４】
図６は本発明の第２の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置が適用される燃料電池システムの概略構成図である。この実施の形態においては、開閉弁４２を有するバイパス流路４１が、エア排出流路９をバイパスするように形成されている点が前述の実施の形態とは異なっている。
【００２５】
このように燃料電池システムを構成すると、開閉弁４２を開作動させることにより、水分を多量に含んだエアオフガスが加湿器１０を通過しなくなるため、エア供給流路８を流れるエアを実質的に加湿を行わずに燃料電池４０に供給することができる。従って、湿度の少ない状態を維持しつつ燃料電池４０に供給することができ、第１の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置と同様の作用効果を奏することが可能となる。
【００２６】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、加湿器やバイパス流路や開閉弁を水素流路に設けてもよく、エア流路と水素流路のそれぞれに設けてもよい。また、燃料電池は固体電解質型のものに限らず、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型のうち、いずれであってもよい。また、実施の形態では、開閉弁を用いたが、開度を調整可能な流量制御弁を用いてもよい。さらに、バイパス流路と反応ガスの流路との合流点または分岐点に三方弁を設けて、この三方弁により流路の切換を行うようにしてもよい。
【００２７】
さらに、実施の形態では、燃料電池の発電電流を直接検出し、この検出値に基づいたマップを用いた場合について説明したが、この実施の形態に限定されるものではない。例えば、燃料電池車両のモータの要求出力値に応じて決定される燃料電池の目標発電量に基づいたマップを用いてもよい。具体的には、燃料電池の目標発電電流が大きいほど、ＯＮ時間が短くなるように設定するとともに、インターバル時間が長くなるように設定する。換言すれば、図３および図４の横軸の発電電流を目標発電電流に設定したマップに持ち替える。このようにした場合にも、実際の発電電流を検知する場合と同様に、燃料電池のガス流路におけるフラッディングの発生を未然に防ぐことができる。また、目標発電電流が少なく生成水量が少ないと予想されるときに、カソードへ供給するガスの湿度を下げるようにバイパス流路の開閉弁を予め制御することで、カソード側の水蒸気分圧をアノード側の水蒸気分圧よりも低くすることができ、燃料電池のアノード側に生じている水分も電解質膜を介してカソード側に移動させて除去することができる。従って、カソード側のみならずアノード側の湿度も適正に維持することができる。よって、水素循環流路を循環する水素を残留水を排出するために未利用のまま排出せざるを得なくなるという事態を防止でき、燃費向上にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１に示す制御部のブロック構成図である。
【図３】バイパス流路開閉弁の開時間（ＯＮ時間）と発電電流との関係を示すグラフ図（マップＡ）である。
【図４】バイパス流路開閉弁の閉時間（インターバル時間）と発電電流との関係を示すグラフ図（マップＢ）である。
【図５】バイパス流路開閉弁の開閉状態を示すタイムチャート図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  カソード加湿器
１１  バイパス流路
１２  開閉弁
３０、４０  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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