(57)【要約】【課題】  燃料電池に供給される反応ガスの露点を最適に制御する。【解決手段】  本発明の燃料電池システム（１０）は、反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池（８０）と、燃料電池（８０）に反応ガスを供給する反応ガス供給装置（６０）と、反応ガスを加湿する加湿装置（６３）と、反応ガスの温度を制御するガス温度制御手段（２０）と、反応ガスの露点を計測する露点計測装置（６４）を備える。ガス温度制御手段（２０）は露点計測装置（６４）が計測した反応ガスの露点に基づいて反応ガスを加熱又は冷却することにより反応ガスの露点を制御する。【選択図】    図１
2005166309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
前記反応ガスを加湿する加湿装置と、
前記反応ガスの温度を制御するガス温度制御手段と、
前記反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、
前記ガス温度制御手段は前記露点計測装置が計測した前記反応ガスの露点に基づいて前記反応ガスを加熱又は冷却することにより前記反応ガスの露点を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
前記反応ガスを加湿する加湿装置と、
前記反応ガスの温度を制御するために反応ガスの供給経路に配設された複数のガス温度制御手段と、
前記反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、
各々のガス温度制御手段は前記露点計測装置が計測した前記反応ガスの露点に基づいて前記反応ガスを温度制御することにより前記反応ガスの露点を段階的に制御する、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であって、
前記各々のガス温度制御手段は前記反応ガスを冷却することにより前記反応ガスの露点を段階的に制御する、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関し、特に、燃料電池の運転状態に応じて反応ガスの露点を最適に制御するための改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極により挟んで構成された単セルを、セパレータを介して複数層積層して構成されている。この種の燃料電池においては、固体高分子電解質膜を適度な湿潤状態に維持する必要があるため、燃料電池に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を加湿する必要がある。特開２００２−２８００２９号公報では、燃料電池の発電状態に応じて加湿用純水ポンプの駆動量を制御することによって、反応ガスに添加される水分量を調整し、燃料電池の運転状態に応じた最適な反応ガスの露点を得る技術が提案されている。更に、特開２００３−３１２４２号公報では、加湿器によって加湿された反応ガスをヒータ等の加熱手段にて温度制御することで、目標露点温度の反応ガスを得る技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２８００２９号公報
【特許文献２】特開２００３−３１２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の技術では、反応ガスの露点制御を行う上で反応ガスに添加される水分量を制御しているが、反応ガス温度を制御する構成は備えていないため、環境温度変化等により反応ガス温度が大幅に変化すると、反応ガスの目標露点温度が得られなくなる。また、特許文献２に記載の技術では、反応ガスを加熱制御することで反応ガスの露点制御を行っているが、反応ガスを積極的に冷却する構成を備えていないので、加湿された反応ガスの温度が高い場合には目標とする露点温度の反応ガスが得られない。
【０００４】
その一方で、スチーム等で反応ガスを飽和状態又はこれに近い状態に加湿し、熱交換器にて反応ガスを冷却して余剰水分を除去することにより低露点ガスを生成するシステムにおいては、０℃以下の低露点ガスを生成するにあたり、チラー等の冷却手段でマイナス温度の調温水を熱交換器に供給する必要があるが、飽和状態又はこれに近い状態に加湿された反応ガスを急激に冷却すると、反応ガスの余剰水分が熱交換器内部で凍結し、反応ガスがガス流路を流れにくくなる虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は上述の問題を解決し、反応ガスを適度な露点に制御するための燃料電池システムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、反応ガスを加湿する加湿装置と、反応ガスの温度を制御するガス温度制御手段と、反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、ガス温度制御手段は露点計測装置が計測した反応ガスの露点に基づいて反応ガスを加熱又は冷却することにより反応ガスの露点を制御する。反応ガスを加熱又は冷却することにより、反応ガスの露点を最適に制御できる。露点の制御対象となる反応ガスは燃料ガスと酸化ガスの何れか一方でもよく、両者でもよい。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池と、燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、反応ガスを加湿する加湿装置と、反応ガスの温度を制御するために反応ガスの供給経路に配設された複数のガス温度制御手段と、反応ガスの露点を計測する露点計測装置を備え、各々のガス温度制御手段は露点計測装置が計測した反応ガスの露点に基づいて反応ガスを温度制御することにより反応ガスの露点を段階的に制御する。反応ガスを段階的に温度制御することにより、反応ガスの安定した供給を可能としつつ、最適な露点に制御できる。
【０００８】
各々のガス温度制御手段は反応ガスを冷却することにより反応ガスの露点を段階的に制御するのが望ましい。反応ガスを段階的に冷却することにより、ガス流路を凍結させることなく、低露点温度の反応ガスを生成できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、反応ガスを加熱又は冷却することにより、反応ガスの露点を最適に制御できる。また、反応ガスを段階的に温度制御することにより、反応ガスの安定した供給を可能としつつ、最適な露点に制御できる。特に、低露点温度の反応ガスを生成するには反応ガスを段階的に冷却することにより、ガス流路を凍結させることなく、目標露点の反応ガスを生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［発明の実施形態１］
図１は本発明の好適な第１実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成図である。 
燃料電池システム１０は燃料電池電気自動車に搭載されて電力発電を行う発電装置として構成されており、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池８０を備えている。燃料電池８０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る固体高分子電解質膜８１の両面にカソード極８２とアノード極８３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体８４を備えている。膜・電極接合体８４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとカソード極８２及びアノード極８３との間にそれぞれ溝状のカソードガスチャンネル８５及びアノードガスチャンネル８６を形成している。
【００１１】
反応ガス供給装置６０は酸化ガス供給装置６１と、燃料ガス供給装置６２を含んで構成されており、燃料電池８０に反応ガスを供給する。酸化ガス供給装置６１は酸化ガス流路９１を介してカソードガスチャンネル８５に酸化ガスを供給する。燃料ガス供給装置６２は燃料ガス流路９２を介してアノードガスチャンネル８６に燃料ガスを供給する。アノード極８３では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極８２では（２）式の還元反応が生じる。燃料電池８０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体８４、カソードガスチャンネル８５、及びアノードガスチャンネル８６から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。
【００１２】
固体高分子電解質膜８１のプロトン伝導性を良好な状態に維持するには、固体高分子電解質膜８１を適度に湿潤する必要がある。固体高分子電解質膜８１への水分補給は反応ガスに添加された水分によって賄われる。ここで、反応ガスの加湿量が少なすぎると、固体高分子電解質膜８１は乾燥し、プロトン伝導性が低下して十分な発電電力を得ることができない。その一方で、反応ガスの加湿量が多すぎると、ガスチャンネル８５，８６の凝縮水量が増大して水詰まりが生じる場合がある。ガスチャンネル８５，８６に水詰まりが生じると、セルの有効電極面積が減少し、各セルに反応ガスが均等に供給されなくなる場合がある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが０Ｖ以下まで降圧して過放電するおそれがある。このような理由から、燃料電池８０に供給される反応ガスは適度な露点（加湿状態）に維持されていることが要求される。
【００１３】
ここでは、燃料ガスを適度な露点に制御することで、固体高分子電解質膜８１を適度な湿潤状態に維持する場合を例示する。燃料ガス流路９２には、燃料ガスを加湿する加湿器６３と、燃料ガスの温度を制御するガス温度制御手段２０と、加湿された燃料ガスの露点を計測する露点計測装置６４が配設されている。燃料ガスの露点はガス温度と含有水分量によってコントロール可能であるから、加湿器６３による燃料ガスの加湿調整と、ガス温度制御手段２０による燃料ガスの温度調整を行うことで、燃料ガスの露点を最適に調整できる。加湿器６３は燃料ガスに適量の水分を供給し、ガス中の水蒸気を飽和させ、又はこれに近い状態に調整する。加湿器６３による燃料ガスへの水分供給方式としては、燃料電池８０の運転状態に拘わりなく安定した水分供給を行える方式が望ましい。例えば、酸素オフガスの排気系に熱交換器（図示せず）を設置することで、酸素オフガスからの水分回収量をコントロールし、回収した水分をポンプで汲み取って加湿器６３に供給する構成などが好適である。
【００１４】
ガス温度制御手段２０は、主に、燃料ガスと温調水との間で熱交換を行うための熱交換器２１と、温調水を昇温させるためのラジエータ２２と、温調水を循環させるための循環ポンプ２３を備えて構成されている。温調水の温度調整は、水路に配設された複数のバルブ２４〜２６を開閉制御することで、ラジエータ２２をバイパスする水量を調整することにより行われる。例えば、バルブ２４，２５を開弁し、バルブ２６を閉弁すると、温調水はラジエータ２２に導かれて昇温する。一方、バルブ２４，２５を閉弁し、バルブ２６を開弁すると、温調水はラジエータ２２をバイパスして流れ、外気との間で熱交換を行いながら次第に降温する。コントロールユニット６５は露点計測装置６４が計測した燃料ガスの露点を参照して、燃料ガスの露点が目標露点に概略一致するようにガス温度制御手段２０を制御し、燃料ガスの露点制御を行う。
【００１５】
燃料ガスの露点制御は以下の手順に基づいて行う。
（１）加湿装置６３は燃料ガスに適量の水分を供給し、飽和状態又はこれに近い状態に加湿する。
（２）加湿された燃料ガスは熱交換器２１を経由して燃料電池８０に供給される。
（３）露点計測装置６４は加湿された燃料ガスの露点を計測する。
（４）コントロールユニット６５は燃料ガスの露点が目標露点に概略一致しているか否かをチェックする。ここで、計測された露点が目標露点と一致してない場合は次の処理を行う。
（５）計測された露点が目標露点より低い場合は、燃料ガスは乾燥気味であるため、燃料ガスを冷却して水滴を凝縮させる。これにより、乾燥気味の燃料ガスは適度な加湿状態となり、固体高分子電解質膜８１を適度に湿潤できる。 
燃料ガスを冷却するには、バルブ２４，２５を閉弁し、バルブ２６を開弁して、ラジエータ２２をバイパスさせた状態で温調水を流す。温調水はラジエータ２２から熱の供給を受けずに外気との間で熱交換を行いながら次第に降温する。低温に降温した温調水は燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスを冷却する。バルブ２４〜２６の開閉制御信号はコントロールユニット６５からガス温度制御手段２０に出力される。
（６）計測された露点が目標露点より高い場合は、燃料ガスは湿潤過多であるため、燃料ガスを加熱して余剰水分を蒸発させる。これにより、湿潤過多の燃料ガスは適度な加湿状態となり、固体高分子電解質膜８１を適度に湿潤できる。 
燃料ガスを加熱するには、バルブ２４，２５を開弁し、バルブ２６を閉弁して、温調水をラジエータ２２に流す。温調水はラジエータ２２から熱を受けることにより次第に昇温する。高温に昇温した温調水は燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスを加熱する。バルブ２４〜２６の開閉制御信号はコントロールユニット６５からガス温度制御手段２０に出力される。
（７）尚、外気温の低い環境で電池運転を行う場合や、システムの起動時又は暖機運転時においては、燃料ガスの温度は低く、露点は比較的高い傾向にあるので、熱交換器２１により燃料ガスを暖気して余剰水分を蒸発させるのが望ましい。
【００１６】
本実施形態によれば、燃料ガスを温度制御することにより、目標露点温度の燃料ガスを生成できるため、電池運転に適した最適な燃料ガスの露点（加湿状態）を得ることができる。  
【００１７】
［発明の実施形態２］
図２は本発明の好適な第２実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成図である。
図１と同一符号を付した装置等については同一の装置等を示すものとし、詳細な説明を省略する。 
燃料電池システム１１の燃料ガス流路９２には、燃料ガスを加湿する加湿装置６３と、燃料ガスの温度を段階的に制御するために直列に多段設置された複数のガス温度制御手段３０，４０と、燃料ガスの露点を計測する露点計測装置６４が配設されている。ガス温度制御手段３０は、主に、燃料ガスと温調水との間で熱交換を行うための熱交換器３１と、温調水を冷却するためのチラー３２と、温調水を加熱するためのヒータ３３と、温調水を循環させるための循環ポンプ３４と、凝縮水をトラップするためのトラッパー３５を備えて構成されている。ガス温度制御手段４０についても同様の構成を備えている。コントロールユニット６５は露点計測装置６４が計測した燃料ガスの露点を参照して、燃料ガスの露点が目標露点に概略一致するようにガス温度制御手段３０，４０を制御し、燃料ガスの露点制御を行う。
【００１８】
燃料ガスの露点制御は以下の手順に基づいて行う。
（１）加湿装置６３は燃料ガスに適量の水分を供給し、飽和状態又はこれに近い状態に加湿する。
（２）加湿された燃料ガスは熱交換器３１，３２を経由して燃料電池８０に供給される。
（３）露点計測装置６４は加湿された燃料ガスの露点を計測する。
（４）コントロールユニット６５は燃料ガスの露点が目標露点に概略一致しているか否かをチェックする。ここで、計測された露点が目標露点と一致してない場合は次の処理を行う。
（５）計測された露点が目標露点より低い場合は、燃料ガスは乾燥気味であるため、燃料ガスを冷却して水分を凝縮させる。 
燃料ガスの温度をどの程度冷却するかは目標露点によって異なる。例えば、マイナス温度（例えば、−４０℃）の露点制御を行う場合を想定すると、前段に設置されたガス温度制御手段３０によって、燃料ガスの余剰水分が凍結しない温度（例えば、１〜３℃）まで冷却し、燃料ガスの大部分の含有水分を除去した後、更に、後段のガス温度制御手段４０によって、目標露点温度（例えば、−４０℃）まで冷却するのが望ましい。このようにガス温度を段階的に降下させることで、急冷による余剰水分の凍結を抑制できる。 
より詳細には、コントロールユニット６５は目標露点温度を基に、熱交換器３１，４１を流れる温調水の温度を設定し、ガス温度制御手段３０，４０を制御する。熱交換器３１にはチラー３２及びヒータ３３によって温度制御された温調水が流れており、余剰水分が凍結しない温度まで燃料ガスが冷却される。燃料ガスに含まれる水分の大部分は凝集し、トラッパー３５にてトラップされる。 
余剰水分の大部分が除去された燃料ガスは熱交換器４１にてマイナスの露点温度に制御される。熱交換器４１には目標露点温度とほぼ同じ水温の温調水が流れており、燃料ガスを目標露点温度まで降温させる。前段の熱交換器３１にて大部分の余剰水分が除去されているため、後段の熱交換器４１では少量の水分しか凝縮せず、水分凍結によるガス流の閉塞を抑制できる。
（６）計測された露点が目標露点より高い場合は、燃料ガスは湿潤過多であるため、燃料ガスを加熱して余剰水分を蒸発させる。燃料ガスを加熱する場合は、必ずしも温度制御手段３０，４０によって段階的に温度制御する必要はない。
（７）尚、外気温の低い環境で電池運転を行う場合や、システムの起動時又は暖機運転時においては、燃料ガスの温度は低く、露点は比較的高い傾向にあるので、熱交換器３１，４１により燃料ガスを暖気して余剰水分を蒸発させるのが望ましい。
【００１９】
本実施形態によれば、反応ガスの供給経路に沿って直列に多段設置された複数のガス温度制御手段３０，４０によって反応ガスを段階的に冷却することにより、水分凍結によるガス流路の閉塞を抑制できる。また、従来では低露点ガスを生成する場合に、バブラ等で加湿した加湿ガスと、ボンベに充填された乾燥ガスを高精度の流量制御で混合する手法が知られているが、この手法では総ガス流量が少ない場合に、加湿ガス流量が極めて微小となり、露点温度精度が悪い。これに対し、本実施形態の手法によれば、精度よく露点制御を行うことができる。
【００２０】
［発明の実施形態３］
図３は本発明の好適な第３実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成図である。
図１と同一符号を付した装置等については同一の装置等を示すものとし、詳細な説明を省略する。
燃料電池システム１２の燃料ガス供給系統は、上流側に配管された燃料ガス流路９２ａと、下流側に並列配管された燃料ガス流路９２ｂ，９２ｃを備えている。燃料ガス流路９２ｂ，９２ｃの二股分岐点には切替えバルブ７０が配設されており、燃料ガス供給路（９２ａ→９２ｂ、又は９２ａ→９２ｃ）を切替えられるように構成されている。各々の燃料ガス流路９２ａ，９２ｂ，９２ｃにはガス温度制御手段３０，４０，５０が配設されており、これらのガス温度制御手段３０，４０，５０によって凝縮された水分はトラッパー３５，４５，５５によってトラップされる。チラー４２は熱交換器４１を流れる温調水の冷却制御を行う他、熱交換器５１を流れる温調水の冷却制御をも兼ねている。
【００２１】
このように、後段のガス温度制御手段４０，５０を並列に配設しておくことで、何れか一方のガス温度制御手段４０（又は５０）を流れる燃料ガスが凍結し、又は氷塊の蓄積によるガス流の停滞が生じた場合に、他方のガス温度制御手段５０（又は４０）に燃料ガスが流れるように切替えバルブ７０を制御することで、燃料電池８０への安定したガス供給を確保できる。切替えバルブ７０の切替え操作はコントロールユニット６５によって制御される。ガス流路の凍結は、例えば、熱交換器４１又は５１のガス入口圧力と、ガス出口圧力の差圧が所定値を超えた場合に検出できる。ガス流路が凍結した場合には、ヒータ４３又は５３を作動して温調水を昇温させることにより、熱交換器４１又は５１を暖機することで、氷結を溶解し、閉塞したガス流路を開通させることができる。
【００２２】
本実施形態によれば、流路切替え可能な反応ガス供給経路を配設し、低露点ガスを生成する際に何れか一つの反応ガス供給経路が凍結等した場合に、他の反応ガス供給経路にガス流路を切替えることで、燃料電池への安定した反応ガス供給を実現できる。もとより、必ずしも流路切替え可能な構成とする必要はなく、例えば、予め複数の反応ガス供給経路を配設しておき、何れか一つの反応ガス供給経路が凍結等した場合に、他の反応ガス供給経路へ向けて反応ガス供給装置６０から反応ガスを供給するように構成してもよい。
【００２３】
尚、上述した各実施形態においては、燃料ガスの露点を制御する場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、酸化ガスを温度制御することで、酸化ガスの露点を制御してもよく、更には、燃料ガスと酸化ガスの両者を温度制御することで、両者の露点を制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図３】第３実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０，１１，１２…燃料電池システム
２０，３０，４０，５０…ガス温度制御手段
６３…加湿装置
６４…露点計測装置
８０…燃料電池
【図１】
2005166309.tif 000003
【図２】
2005166309.tif 000004
【図３】
2005166309.tif 000005