(57)【要約】【課題】不足する加湿量を補い、水詰まりを防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電力を生成する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックと、カソード供給ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流でカソード供給ガスを冷却する熱交換器と、カソードオフガスの水分を回収してカソード供給ガスを加湿する水透過膜型加湿器と、水透過膜型加湿器の下流でカソードオフガスの圧力を調整する排圧調整弁と、燃料電池スタックから水透過膜型加湿器までの間でカソード排出路を分岐させてバイパス路を形成する三方弁と、バイパス路上に配置された加圧ポンプと、カソード循環路上に配置された循環弁とを有する。カソード循環路は、バイパス路とカソード排出路との合流点と水透過膜型加湿器との間のカソード排出路と、圧縮機とカソードガス冷却用熱交換器の間のカソード供給路とを接続する。【選択図】図１
2005079007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電力を生成する燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガス（以後、「カソード供給ガス」という）を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機の下流で前記カソード供給ガスを冷却するカソードガス冷却用熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記酸化剤ガス（以後、「カソードオフガス」という）の水分を回収して前記カソード供給ガスを加湿する水透過膜型加湿器と、
前記水透過膜型加湿器の下流で前記カソードオフガスの圧力を調整する排圧調整弁と、
前記燃料電池スタックから前記水透過膜型加湿器までの間で前記カソードオフガスが流通するカソード排出路を分岐させてバイパス路を形成する三方弁と、
前記バイパス路上に配置された、前記カソードオフガスを加圧する加圧ポンプと、
前記バイパス路と前記カソード排出路との合流点と前記水透過膜型加湿器との間の前記カソード排出路と、前記圧縮機と前記カソードガス冷却用熱交換器の間の前記カソード供給ガスが流通するカソード供給路とを接続するカソード循環路と、
前記カソード循環路上に配置された循環弁
とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックから取り出す負荷に応じて前記三方弁、前記加圧ポンプ、及び前記循環弁を制御す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】
前記燃料電池スタックから取り出す負荷、前記燃料電池スタックの温度、前記カソード供給ガスの温度、及び前記カソードオフガスの温度に応じて、前記三方弁、前記加圧ポンプ、及び前記循環弁を制御す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４】
前記燃料電池スタックの温度を制御する為の燃料電池冷却用冷媒循環路と前記カソード供給ガスの温度を制御する為のカソードガス冷却用冷媒循環路とが直列に共用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５】
前記燃料電池スタックの起動時に、前記三方弁、前記加圧ポンプ、及び前記循環弁を制御して、前記カソードオフガスを加圧し、前記カソードガス冷却用熱交換器の上流に前記カソードオフガスを循環させることを特徴とする請求項１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係り、特に、カソードオフガスの水分を回収してカソード供給ガスを加湿する水透過膜型加湿器を用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の供給と燃料生成物の排出を連続的に行い、燃料の持つ化学的エネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電池であり、発電効率が高い、大気汚染物質の排出量が少ない、騒音が少ない等の特徴を有する。燃料電池は、使用する電解質の種類により、固体高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。
【０００３】
これらのなかで、固体高分子型、リン酸型、及びアルカリ型の燃料電池は、いずれも燃料極から空気極へプロトン（水素イオン）が移動することにより起電力を発生するものであり、電解質を正常に機能させる為には電解質の含水状態の管理が必須である。
【０００４】
例えば、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜、具体的にはフッ素系の電解質膜が一般的に使用される。フッ素系電解質膜は、耐酸化性に優れ、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すが、含水率が低下すると膜抵抗が高くなり、電解質として機能しなくなる。そのため、フッ素系電解質膜は、通常、飽和含水状態で使用されている。
【０００５】
しかし、固体高分子型燃料電池の動作温度は、８０℃前後である為、動作中に電解質から水分が蒸発して含水率が低下する。これを放置すると、電解質膜の膜抵抗が増大して発熱し、電池出力が低下したり、故障の原因となる。
【０００６】
そのため、従来から、固体高分子型燃料電池においては、電解質膜の含水状態を適切に管理して電解質膜を正常に機能させるために、燃料電池から排出された酸化剤ガス（カソードオフガス）の水分を回収して、燃料電池へ供給する酸化剤ガス（カソード供給ガス）を加湿する水透過膜型加湿器を用いた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００７】
特許文献１の燃料電池システムにおいては、燃料電池を駆動するために必要な動力を低減する目的で、圧縮機を燃料電池のカソード出口に配置した吸い込み型とした場合に不足する加湿量を補うため、加湿器のカソードオフガスの出口下流に設けた凝縮器の水を、低圧側となる燃料電池の上流に噴射するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−３５１６６０号公報（段落[0020]、第１図等参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この従来例においては、起動時等、燃料電池の温度が低く且つカソード供給ガスの流量自体が小さい場合、カソード供給ガスとカソードオフガスとの圧力差が小さく、水の噴射量の制御が困難になる。また、水を噴射してもカソード供給ガスの圧力、温度がともに低いため、気化が促進されず、加湿量が不足するとともに、噴射した水が液水のままカソード極に入ってしまい、水詰まりを発生させる可能性があった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、不足する加湿量を補い、水詰まりを防止する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電力を生成する燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、燃料電池スタックへ供給される酸化剤ガス（カソード供給ガス）を圧縮する圧縮機と、圧縮機の下流でカソード供給ガスを冷却するカソードガス冷却用熱交換器と、燃料電池スタックから排出される酸化剤ガス（カソードオフガス）の水分を回収してカソード供給ガスを加湿する水透過膜型加湿器と、水透過膜型加湿器の下流でカソードオフガスの圧力を調整する排圧調整弁と、燃料電池スタックから水透過膜型加湿器までの間でカソードオフガスが流通するカソード排出路を分岐させてバイパス路を形成する三方弁と、バイパス路上に配置された、カソードオフガスを加圧する加圧ポンプと、カソード循環路上に配置された循環弁とを有する燃料電池システムであることを要旨とする。ここで、カソード循環路は、バイパス路とカソード排出路との合流点と水透過膜型加湿器との間のカソード排出路と、圧縮機とカソードガス冷却用熱交換器の間のカソード供給ガスが流通するカソード供給路とを接続する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、不足する加湿量を補い、水詰まりを防止する燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態に係る燃料電池システム及び燃料電池加湿方法を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。なお、第１及び第２の実施の形態では、本発明の燃料電池システム及び燃料電池加湿方法を、固体高分子型燃料電池システム及びそのシステムを用いた燃料電池加湿方法に適用した場合について述べる。
【００１３】
（第１の実施の形態）
＜燃料電池システム＞
図１に示すように、第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて電力を発生させる燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタック１と、燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧検出装置２２と、燃料電池スタック１へ供給される酸化剤ガス（以後、「カソード供給ガス」という）中のゴミやオイルミスト等の不純物を取り去るフィルタ２と、フィルタ２の下流でカソード供給ガスを所望の圧力に昇圧する圧縮機３と、圧縮機３の下流でカソード供給ガスを燃料電池スタック１の運転適正温度まで冷却するカソードガス冷却用熱交換器４と、カソードガス冷却用熱交換器４の下流で、前記燃料電池スタック１から排出される前記酸化剤ガス（以後、「カソードオフガス」という）の水分を回収してカソード供給ガスを加湿する水透過膜型加湿器５と、水透過膜型加湿器５の下流でカソードオフガスの圧力を調整する排圧調整弁６と、燃料電池スタック１から水透過膜型加湿器５までの間でカソードオフガスが流通するカソード排出路を分岐させてバイパス路８を形成する三方弁７と、バイパス路８上に配置された、カソードオフガスを加圧する加圧ポンプ９と、加圧ポンプ９の下流のカソード循環路１１上に配置された循環弁１０とを有する。カソード循環路１１は、バイパス路８とカソード排出路との合流点と水透過膜型加湿器５との間のカソード排出路と、圧縮機３とカソードガス冷却用熱交換器４の間のカソード供給ガスが流通するカソード供給路とを接続する。
【００１４】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１へ供給される燃料ガス（以後、「アノード供給ガス」という）を供給する燃料ガス供給装置１２と、燃料ガス供給装置１２の下流でアノード供給ガスの圧力を調整する供給圧調整弁１３と、供給圧調整弁１３の下流で燃料電池スタック１から排出された燃料ガス（以後、「アノードオフガス」という）をアノード供給ガスと混合させる燃料ガス循環装置１４と、アノードオフガスを循環させるためのアノード循環路１５上に配置されたアノード循環路凝縮器１９と、燃料電池スタック１のアノードオフガス出口に配置されたパージ弁１６とを有する。
【００１５】
更に、燃料電池システムは、カソード供給ガスの熱を外部へと排出するためのカソードガス冷却用冷媒循環路１７と、燃料電池スタック１の熱を外部へと排出するための燃料電池冷却用冷媒循環路１８と、センサ２４ａ〜２４ｄと、セル電圧検出装置２２及びセンサ２４ａ〜２４ｄからの情報を基にして三方弁７、加圧ポンプ９、循環弁１０、及び排圧調整弁６を制御する制御装置２５とを有する。
【００１６】
このように、カソードオフガスの出口と水透過膜型加湿器５との間に加圧ポンプ９、三方弁７を介して加圧ポンプ９をバイパスするバイパス路８を設け、さらにバイパス路８の合流点と水透過膜型加湿器５との間に、カソード側上流の圧縮機３とカソードガス冷却用熱交換器４との間に連通するカソード循環路１１、カソード循環路１１に循環弁１０が設置されている。
【００１７】
ここでは、燃料電池スタック１に対し、カソード酸化剤ガスとして空気を、アノード燃料ガスとして水素を使用した場合を説明する。
【００１８】
空気（カソード供給ガス）は、まずフィルタ２により、ゴミやオイルミスト等の不純物を取り去られた後、圧縮機３で所望の圧力に昇圧され、カソードガス冷却用熱交換器４により、燃料電池運転適正温度まで冷却されてから、水透過膜型加湿器４により、カソードオフガス中の水分を回収しつつ加湿され、燃料電池スタック１に導入される。
【００１９】
燃料電池スタック１の出口直後に設置された三方弁７は、制御装置２５からの制御信号ＣＴＲにより、カソードオフガスの流通をバイパス路８／カソード排出路とを切り換える。燃料電池システムの「通常制御」において、三方弁７は、カソードオフガスをカソード排出路へ流す。燃料電池システムの「カソード循環制御」において、三方弁７は、カソードオフガスをバイパス路８へ流す。カソード循環制御において、加圧ポンプ９によって加圧されたカソードオフガスは、制御装置２５からの制御信号ＣＴＲによって制御される循環弁１０が開くことにより、カソード循環路１１を通って、カソード冷却用熱交換器４の上流に戻される。このときカソードオフガスの圧力は排圧調整弁６によって制御される。
【００２０】
水素（アノード供給ガス）は、燃料ガス供給装置１２から供給され、供給圧調整弁１３により、調圧された後、燃料ガス循環装置１４により、循環したアノードオフガスと混合してから燃料電池スタック１に導入される。アノード循環路１５に配置されたアノード循環路凝縮器１９は、アノードオフガス中の過剰な水分を回収する。また、アノードオフガス出口に配置されたパージ弁１６は、カソードガスから拡散してきた窒素等の不活性ガスが燃料電池セル内に蓄積した場合や、燃料電池スタック１で水つまりが発生して一時的に流速を上げたい場合等に開くように制御される。
【００２１】
カソードガス冷却用冷媒循環路１７は、図示されないラジエータとカソードガス冷却用熱交換器４との間を接続し、カソードガス冷却用冷媒循環路１７内を流通する冷媒がカソード供給ガスの熱を外部へ排出する。燃料電池冷却用冷媒循環路１８は、図示されないラジエータと燃料電池スタック１との間を接続し、燃料電池冷却用冷媒循環路１８内を流通する冷媒が燃料電池スタック１の熱を外部へと排出する。
【００２２】
センサ２４ａは、燃料電池スタック１への負荷２３を計測する。センサ２４ｂは、燃料電池スタック１の温度を計測する。センサ２４ｃは、カソード供給ガスの温度を計測する。センサ２４ｄは、カソードオフガスの温度を計測する。制御装置２５は、センサ２４ａ〜２４ｄを介して、負荷２３、燃料電池スタック１の温度、カソード供給ガスの温度、及びカソードオフガスの温度をモニターすることができる。
【００２３】
＜第１の燃料電池加湿方法（起動時基本制御）＞
図２を参照して、図１に示した燃料電池システムを用いた第１の燃料電池加湿方法を説明する。具体的には、第１の燃料電池加湿方法として、カソード循環の基本制御を説明する。
【００２４】
（イ）まず、Ｓ０１段階において、燃料電池システムを起動後、所定時間以内であるか否かを判断する。所定時間以内である場合（Ｓ０１段階においてＹｅｓ）、加湿量は不足していると判断し、Ｓ０３段階に進む。なお、所定時間以内でない場合（Ｓ０１段階においてＮｏ）、Ｓ０２段階に進み、加湿量は足りていると判断して通常制御を行う。
【００２５】
（ロ）Ｓ０３段階において、制御装置２５は、三方弁７をバイパス路８側へ切換、加圧ポンプ９を駆動し、循環弁１０を開いてカソード循環を行う。
【００２６】
（ハ）Ｓ０４段階において、燃料電池スタック１の総電圧がその出力での所定値Ｖ１以上であるか否かを判断する。所定値Ｖ１以上でない場合（Ｓ０４段階においてＮｏ）、まだ十分安定した加湿状態にないと判断し、Ｓ０３段階に戻り、カソード循環を継続する。所定値Ｖ１以上である場合（Ｓ０４段階においてＹｅｓ）、Ｓ０５段階に進む。
【００２７】
（ニ）Ｓ０５段階において、制御装置２５は、三方弁７をカソード排出路側へ切換、加圧ポンプを停止し、循環弁を閉じてカソード循環を停止する。
【００２８】
（ホ）Ｓ０６段階において、セル電圧検出装置２２により検出された燃料電池セルの最低セル電圧が所定値Ｖ１’よりも大きいか否かを判断する。所定値Ｖ１’よりも大きくない場合（Ｓ０６段階においてＮｏ）、総電圧がＶ１以上になった場合でも、最低セル電圧がＶ１’を下回る場合には安定した運転状態にないものとみなし、Ｓ０８段階に進む。具体的には、最低セル電圧が所定値Ｖ１’未満の燃料電池セルに水詰まりがあるため十分反応ガスが供給されていない状態であるものとみなす。Ｓ０８段階で、パージ弁１６を開き、カソード供給ガスの流量を１０％増加させる。その後、Ｓ０４段階に戻る。
【００２９】
（へ）燃料電池セルの最低セル電圧が所定値Ｖ１’よりも大きい場合（Ｓ０６段階においてＹｅｓ）、Ｓ０７段階に進み、パージ弁１６を閉じ、カソード供給ガスの流量を通常値に戻す。そしてＳ０１段階に戻り、再度、起動からの時間を判定し、所定時間を超えていたら通常制御に戻る。
【００３０】
以上説明したように、起動時、制御装置２５は制御信号ＣＴＲにより三方弁７を切り替え、加圧ポンプ９を駆動する。カソードオフガスは、カソードガス冷却用熱交換器４の上流よりもわずかに高くなるよう加圧される。制御装置２５は、制御信号ＣＴＲにより循環弁１０を開いてカソードガス冷却用熱交換器４の上流へカソードオフガスを循環させる。第１の燃料電池加湿方法によれば、水透過膜型加湿器５を介さずにカソードオフガス中の水分を水蒸気としてカソード供給ガスへ供給するバイパス路が形成される。なおかつ、一部配管内で凝縮した液水も、温度の高いカソード供給ガス中で気化しやすいため、水噴射弁を設置するよりも加湿量を制御しやすくなる。
【００３１】
＜第２の燃料電池加湿方法（負荷）＞
図３を参照して、図１に示した燃料電池システムを用いた第２の燃料電池加湿方法を説明する。具体的には、第２の燃料電池加湿方法として、燃料電池スタック１から取り出す負荷２３をパラメータとしたカソード循環制御について説明する。
【００３２】
（イ）まず、Ｓ１１段階において、燃料電池スタック１への負荷２３が所定値Ｐ２未満であるか否かを判断する。所定値Ｐ２未満である場合（Ｓ１１段階においてＹｅｓ）、加湿量は不足していると判断し、Ｓ１３段階に進む。なお、所定値Ｐ２未満でない場合（Ｓ１１段階においてＮｏ）、Ｓ１２段階に進み、加湿量は足りていると判断して通常制御を行う。
【００３３】
（ロ）Ｓ１３段階において、制御装置２５は、三方弁７をバイパス路８側へ切換、加圧ポンプ９を駆動し、循環弁１０を開いてカソード循環を行う。但し、循環弁１０を流れるカソードオフガスの循環量は、制御装置２５のメモリ内に格納される、負荷対循環量のテーブルを参照して決定され、加圧ポンプ９の昇圧幅と排圧調整弁６を調整することで制御される。
【００３４】
（ハ）Ｓ１４段階において、燃料電池スタック１の総電圧がその出力での所定値Ｖ２以上であるか否かを判断する。所定値Ｖ２以上でない場合（Ｓ１４段階においてＮｏ）、まだ十分安定した加湿状態にないと判断し、Ｓ１３段階に戻り、カソード循環を継続する。所定値Ｖ２以上である場合（Ｓ１４段階においてＹｅｓ）、Ｓ１５段階に進む。
【００３５】
（ニ）Ｓ１５段階において、制御装置２５は、三方弁７をカソード排出路側へ切換、加圧ポンプ９を停止し、循環弁１０を閉じてカソード循環を停止する。
【００３６】
（ホ）Ｓ１６段階において、燃料電池セルの最低セル電圧が所定値Ｖ２’よりも大きいか否かを判断する。所定値Ｖ２’よりも大きくない場合（Ｓ１６段階においてＮｏ）、安定した運転状態にないものとみなし、Ｓ１８段階に進む。Ｓ１８段階で、パージ弁１６を開き、カソード供給ガスの流量を１０％増加させる。その後、Ｓ１４段階に戻る。
【００３７】
（へ）燃料電池セルの最低セル電圧が所定値Ｖ２’よりも大きい場合（Ｓ１６段階においてＹｅｓ）、Ｓ１７段階に進み、パージ弁１６を閉じ、カソード供給ガスの流量を通常値に戻す。そしてＳ１１段階に戻り、再度、負荷２３を判定し、所定値Ｐ２以上であれば通常運転制御に戻る。
【００３８】
以上説明したように、図２の起動時基本制御に対して、最初に負荷状態を判断し、負荷が所定の値Ｐ２未満であるときに加湿量が不足すると判断し、カソード循環を行う。そして、図２と同様、その負荷に応じた所定の総電圧Ｖ２とセル電圧Ｖ２’の値を判断してカソード循環を継続するかどうか判断する。第２の燃料電池加湿方法によれば、図２に示した起動時基本制御に加え、負荷２３をパラメータとしてカソード循環を行うため、起動時以外でも加湿量が不足する場合にそれを補うよう動作可能となる。
【００３９】
＜第３の燃料電池加湿方法（負荷、燃料電池温度、供給ガス温度、オフガス温度）＞
図４を参照して、図１に示した燃料電池システムを用いた第３の燃料電池加湿方法を説明する。具体的には、第３の燃料電池加湿方法として、燃料電池スタック１から取り出す負荷２３、燃料電池スタック１の温度、カソード供給ガスの温度、及びカソードオフガスの温度をパラメータとしたカソード循環制御について説明する。
【００４０】
（イ）まず、Ｓ２１段階において、制御装置２５は、センサ２４ａ〜２４ｄを介して、燃料電池スタック１への負荷２３、燃料電池スタック１の温度、カソード供給ガスの温度、及びカソードオフガスの温度の情報を収集する。この時、制御装置２５のメモリ内に格納された負荷２３に対する燃料電池スタック１の温度の相関を示すテーブル、及びカソード供給ガスの温度に対するカソードオフガスの温度の相関を示すテーブルを参照する。
【００４１】
（ロ）Ｓ２２段階において、制御装置２５は、負荷２３に対して相対的に燃料電池スタック１の温度が低く、且つカソード供給ガスの温度に対してカソードオフガスの温度が相対的に低いか否かを判断する。即ち、上記のテーブル上で運転状態が加湿量不足の状態にあるか否かを判断する。負荷２３に対して相対的に燃料電池スタック１の温度が低く、且つカソード供給ガスの温度に対してカソードオフガスの温度が相対的に低く、運転状態が加湿量不足の状態にある場合（Ｓ２２段階においてＹｅｓ）、加湿量は不足していると判断し、Ｓ２５段階に進む。なお、運転状態が加湿量不足の状態にない場合（Ｓ２２段階においてＮｏ）、加湿量は足りていると判断し、Ｓ２３段階に進み、制御装置２５は、三方弁７をカソード排出路側へ切換、加圧ポンプ９を停止し、循環弁１０を閉じてカソード循環を停止する。そして、Ｓ２４段階において通常制御を行う。
【００４２】
（ハ）Ｓ２５段階において、制御装置２５は、運転状態が加湿量不足の状態にあると判断し、カソード循環を行う。即ち、三方弁７をバイパス路８側へ切換、加圧ポンプ９を駆動し、循環弁１０を開く。但し、循環弁１０を流れるカソードオフガスの循環量は、制御装置２５のメモリ内に格納される、負荷対循環量のテーブルを参照して決定され、加圧ポンプ９の昇圧幅と排圧調整弁６を調整することで制御される。
【００４３】
（ニ）Ｓ２６段階において、燃料電池スタック１の総電圧がその出力での所定値Ｖ３以上であるか否かを判断する。所定値Ｖ３以上でない場合（Ｓ２６段階においてＮｏ）、まだ十分安定した加湿状態にないと判断し、Ｓ２５段階に戻り、カソード循環を継続する。所定値Ｖ３以上である場合（Ｓ２６段階においてＹｅｓ）、Ｓ２７段階に進む。
【００４４】
（ホ）Ｓ２７段階において、燃料電池セルの最低セル電圧が所定値Ｖ３’よりも大きいか否かを判断する。所定値Ｖ３’よりも大きくない場合（Ｓ２７段階においてＮｏ）、安定した運転状態にないものとみなし、Ｓ２９段階に進む。Ｓ２９段階で、パージ弁１６を開き、カソード供給ガスの流量を１０％増加させる。その後、Ｓ２６段階に戻る。
【００４５】
（へ）燃料電池セルの最低セル電圧が所定値Ｖ３’よりも大きい場合（Ｓ２７段階においてＹｅｓ）、Ｓ２８段階に進み、パージ弁１６を閉じ、カソード供給ガスの流量を通常値に戻す。そしてＳ２１段階に戻り、再度、上記のテーブルを参照して各種情報を収集及び判定し、加湿量は足りていれば通常制御に戻る。
【００４６】
以上説明したように、図２の起動時基本制御に対して、センサ２４ａ〜２４ｄによって、負荷２３、燃料電池スタック１の温度、カソード供給ガスの温度、カソードオフガスの温度の情報を収集し、これも制御装置２５のメモリに格納された、負荷２３に対する燃料電池スタック１の温度、及びカソード供給ガスの温度に対するカソードオフガスの温度のテーブルを参照し、負荷２３に対して相対的に燃料電池スタック１の温度が低く、且つカソード供給ガスの温度に対してカソードオフガスの温度が相対的に低い場合に加湿量が不足していると判断し、カソード循環を行う。そして、図２と同様、その負荷２３に応じた所定の総電圧Ｖ３とセル電圧Ｖ３’の値を判断してカソード循環を継続するかどうか判断する。第３の燃料電池加湿方法によれば、図２に示した起動時基本制御に加え、負荷２３と、燃料電池スタック温度、カソード供給ガス温度、カソードオフガス温度をパラメータとしてカソード循環を行うため、よりきめ細かな加湿量制御ができ、より安定した運転を実現可能となる。
【００４７】
このように第１の実施の形態では、カソードオフガスとカソード供給ガスの差圧よりわずかに大きく加圧され、ほぼ燃料電池運転適正温度で水分を含むカソードオフガスを、圧縮機３により燃料電池運転適正温度よりも昇温されたカソード供給ガスに対して戻してやる。これにより、起動時等の燃料電池の温度が低く、カソードガスの流量が小さい場合でも、不足する加湿量を補うとともに、一部凝縮して液化した水分もその温度差により気化しやすく、水つまりを抑制でき、またその水分の気化潜熱により供給ガスの温度を下げるので、カソードガス冷却用熱交換器の負荷を下げて、小型化できる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態では、カソード供給ガスを冷却するための冷媒と燃料電池スタック１を冷却するための冷媒とが共有され、カソードガス冷却用熱交換器４と燃料電池スタック１が冷媒流路で直列に接続されている。また、カソードガス冷却用熱交換器４と燃料電池スタック１から発生する熱は、図示されないラジエータ等により外部へ排出される。冷媒の流路の途中には冷媒流路切換第１の三方弁２０と第２の三方弁２１が設置され、カソードガス冷却用熱交換器４と燃料電池スタック１への冷媒の流れ方向を変更可能となっている。
【００４９】
通常の運転時、即ち燃料電池スタック１の温度が十分に高い時においては、冷媒がまず燃料電池スタック１を冷却してからカソードガス冷却用熱交換器４に流れるように、第１及び第２の三方弁２０、２１を制御する。
【００５０】
一方、燃料電池の温度が低い時においては、通常の運転とは冷媒の流れ方向を逆に切り換える。即ち、圧縮機３により圧縮され昇温したカソード供給ガスからの熱を持った冷媒を燃料電池スタック１に流すことにより、燃料電池スタック１自体の温度を上げ方向に作用させ、燃料電池スタック１の暖機を促進する。
【００５１】
また、カソードオフガスの温度を上げることで、カソードオフガスが含有できる水分をできるだけ増加させることができる。
【００５２】
更に、圧縮機３での仕事を熱として回収することにもなり、燃料電池システムの効率を上げることもできる。
【００５３】
図６を参照して、図５に示した燃料電池システムの制御方法を説明する。
【００５４】
（イ）まず、Ｓ３１段階において、燃料電池スタック１の温度が所定の適正運転温度Ｔ４よりも低いか否かを判断する。燃料電池スタック１の温度が適正運転温度Ｔ４よりも低い場合（Ｓ３１においてＹｅｓ）Ｓ３３に進み、冷媒切換モードに入る。燃料電池スタック１の温度が適正運転温度Ｔ４以上である場合（Ｓ３１においてＮｏ）Ｓ３２に進み、通常制御モードに入る。
【００５５】
（ロ）Ｓ３３段階において、第１及び第２の三方弁２０、２１により冷媒の流路方向を通常と反対に切り替える。具体的には、冷媒を先ずカソードガス冷却用熱交換器４に流し、その後に燃料電池スタック１へ流す。
【００５６】
（ハ）Ｓ３４段階において、カソードオフガスの温度が所定のＴ４’以上であるか否かを判断する。カソードオフガスの温度が所定のＴ４’以上である場合（Ｓ３４段階においてＹｅｓ）、通常の運転モードに復帰する。カソードオフガスの温度が所定のＴ４’以上でない場合（Ｓ３４段階においてＮｏ）、Ｓ３３段階に戻り、冷媒切換モードを継続し、カソードオフガスの水分運搬量を増加させる。
【００５７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００５８】
本発明の実施の形態は、固体高分子型燃料電池を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リン酸型、及びアルカリ型などの電解質膜を正常に機能させる為に電解質膜の含水状態を管理する必要がある燃料電池に適用することができる。
【００５９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムを用いた第１の燃料電池加湿方法を示すフローチャートである。
【図３】図１に示した燃料電池システムを用いた第２の燃料電池加湿方法を示すフローチャートである。
【図４】図１に示した燃料電池システムを用いた第３の燃料電池加湿方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図６】図５に示した燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１    燃料電池スタック
２    フィルタ
３    圧縮機
４    カソードガス冷却用熱交換器
５    水透過膜型加湿器
６    排圧調節弁
７    三方弁
８    バイパス路
９    加圧ポンプ
１０    循環弁
１１    カソード循環路
１２    燃料ガス供給装置
１３    供給圧調節弁
１４    燃料ガス循環装置
１５    アノード循環路
１６    パージ弁
１７    カソードガス冷却用冷媒循環路
１８    燃料電池冷却用冷媒循環路
１９    アノード循環路凝縮器
２０    第１の三方弁
２１    第２の三方弁
２２    セル電圧検出装置
２３    負荷
２４ａ〜２４ｄ    センサ
２５    制御装置
【図１】
2005079007.tif 000003
【図２】
2005079007.tif 000004
【図３】
2005079007.tif 000005
【図４】
2005079007.tif 000006
【図５】
2005079007.tif 000007
【図６】
2005079007.tif 000008