(57)【要約】【課題】  燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の加湿性能を十分に発揮できる燃料電池システムを提案する。【解決手段】  本発明の燃料電池システム（１０）は、燃料電池（２０）に供給される酸素ガスと燃料電池（２０）から排出される酸素オフガスとを通流させて酸素オフガスと酸素ガスとの間で酸素オフガスに含まれる水分を交換して酸素ガスを加湿する加湿器（４０）と、加湿器（４０）の酸素オフガス出口側の圧力を調整して加湿器（４０）の水分交換率を制御する圧力調整弁（４６）を備える。加湿器（４０）の酸素オフガス出口側の圧力を制御することで、加湿器（４０）の圧力を制御することが可能となり、燃料電池（２０）の運転状態に関わらず加湿器（４０）の水分交換率を制御できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される供給ガスと前記燃料電池から排出される排出ガスとを通流させて前記排出ガスと前記供給ガスとの間で前記排出ガスに含まれる水分を交換して前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器の排出ガス出口側の圧力を調整して前記加湿器の水分交換率を制御する圧力調整手段を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記圧力調整手段は前記排出ガスの流量が低下する運転状態において前記加湿器内の圧力を昇圧させる手段である、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、前記圧力調整手段は前記加湿器の排出ガス出口側の流路抵抗を増加させる手段である、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関わらず反応ガスを十分に加湿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スタックは固体高分子電解質膜の両面にそれぞれアノード極とカソード極を対向配置し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セルを所定数積層したスタック構造を成している。アノード極に水素ガスを供給し、カソード極に酸素ガスを供給すると、アノード極では水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソード極に移動して酸素と反応して水を生成する。このようにカソード極では水の生成反応が生じるため、酸素オフガスの水分含有量は多い。固体高分子電解質膜が乾燥すると、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまうので良好なイオン伝導性を保つために固体高分子電解質膜に水分を補給する必要がある。固体高分子電解質膜を加湿する手段として、例えば、燃料電池に供給される供給ガスと燃料電池から排出される排出ガスとを通流させて排出ガスと供給ガスとの間で水分交換をして供給ガスを加湿する加湿器を設置する構成が知られている。更に、特開２００２−７５４１８号公報には、燃料電池の排出ガスが流れる流路上の加湿器上流側に燃料電池の出口圧力を制御する圧力制御弁を設置して燃料電池内部の圧力を調整し、加湿器内の水分の結露を防止することにより水回収率を向上する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−７５４１８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、燃料電池のカソード側圧力はカソード出口と加湿器との間の調圧弁により一定圧に調圧されているため、加湿器内の圧力は加湿器出口の背圧に依存することとなる。然るに、低負荷運転時には燃料電池から流出する酸素オフガス流量は低下するため、加湿器の酸素オフガス出口の背圧は小さくなり、加湿器内の圧力は大気圧とほぼ等しくなる。加湿器内の圧力が低下すると、酸素ガス（供給ガス）と酸素オフガス（排出ガス）の相互間における水分交換率が低下し、燃料電池を十分に加湿することができない。加えて、低負荷運転時にスタック温度が高温になると、排出ガスの含有水分量も低下するため、水分交換率は一層低下し、燃料電池が加湿不足になる。
【０００４】
そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の加湿性能を十分に発揮できる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】
【０００５】
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、燃料電池に供給される供給ガスと燃料電池から排出される排出ガスとを通流させて排出ガスと供給ガスとの間で排出ガスに含まれる水分を交換して供給ガスを加湿する加湿器と、加湿器の排出ガス出口側の圧力を調整して加湿器の水分交換率を制御する圧力調整手段を備える。加湿器の排出ガス出口側の圧力を制御することで、加湿器内の圧力を制御することが可能となり、燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の水分交換率を制御できる。このような圧力調整手段としては、例えば、排出ガスの流量（又は圧力）が低下する運転状態（又は排出ガスの含有水分が低下する運転状態）において、加湿器内の圧力を昇圧させる手段であるのが好ましい。排出ガスの流量が低下した場合に加湿器内の圧力を増加させることで、排出ガスと供給ガスの水分交換率を向上させることが可能となり、燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の加湿性能を十分に発揮できる。圧力調整手段としては、例えば、加湿器の排出ガス出口側の流路抵抗を増加させる手段が望ましい。加湿器の排出ガス出口側の流路抵抗を増加させることで、加湿器内の圧力を高めることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、加湿器の排出ガス出口側の圧力を制御することで、加湿器の水分交換率を制御することが可能となり、燃料電池の運転状態に関わらず加湿器の加湿性能を十分に発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。燃料電池システム１０は供給ガス（水素ガス、酸素ガス）の供給を受けて電力を発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に供給される酸素ガス（供給ガス）と燃料電池２０から排出される酸素オフガス（排出ガス）とを通流させて酸素ガスと酸素オフガスとの間で酸素オフガスに含まれる水分を交換して酸素ガスを加湿する加湿器４０と、加湿器４０の酸素オフガス出口の背圧を調整する圧力調整弁（圧力調整手段）４６と、電池運転を制御する制御部（コントロールユニット）５０を備えて構成されている。
【０００８】
燃料電池２０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高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜電極接合体２４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、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２には水素ガス供給路３１を通じて水素供給装置３０から水素ガスが供給される。アノード極２２から排出される水素オフガスは水素オフガス通路３２を流れて水素循環ポンプ３３によって圧送され、水素供給路３１に還流する。一方、大気中から取り込まれた酸素ガス（エア）はエアコンプレッサ４４によって加圧され、加湿器４０で加湿された後に酸素ガス供給路４１を通じてカソード極２３に供給される。カソード極２３から排出される酸素オフガスは酸素オフガス通路４２を流れて加湿器４０に流入し、酸素ガス供給路４１を流れる酸素ガス（乾燥ガス）との間で水分交換を行って酸素ガスを加湿した後にシステム外に排出される。燃料電池２０のカソード出口と加湿器４０の間には圧力調整弁４５が配設されており、カソード出口圧力をほぼ一定圧に調圧している。酸素オフガス通路４２の加湿器下流側には加湿器４０の出口圧力を調整する圧力調整弁４６が配設されている。
【０００９】
制御部５０は燃料電池システム１０を制御するコンピュータシステムとして構成されており、要求負荷に応じて燃料電池２０の目標電力を算出し、燃料電池２０の出力電力が目標電力に一致するように水素供給装置３０、水素循環ポンプ３３、及びエアコンプレッサ４４を駆動制御して供給ガス（水素ガス、酸素ガス）の流量を調整する。燃料電池２０が発電した電力は負荷６０に供給される。
【００１０】
図２は燃料電池２０がドライアップになる発電条件下における加湿器４０の水分交換率を向上させるための制御ルーチンを示している。同制御ルーチンが呼び出されると、制御部５０はスタック温度Ｔfcが基準温度Ｔthを超えているか否かを判定する（ステップＳ１）。この基準温度Ｔthは高分子電解質膜２１が乾燥してドライアップになる目安になる温度範囲に設定するのがよい。温度センサ６３によって検出されたスタック温度Ｔfcが基準温度Ｔthを超えている場合には（Ｓ１；ＹＥＳ）、発電電流Ｉfcが基準電流Ｉth未満であるか否かをチェックする（ステップＳ２）。この基準電流Ｉthは酸素オフガスに含まれる水分が低下して酸素ガスを十分に加湿できなくなる程度の電流範囲に設定するのがよい。低負荷の発電条件では酸素ガス流量の低下に伴い、酸素オフガス流量も低下し、酸素オフガスの含有水分量も低下する。燃料電池２０の発電状態は、電流センサ６１が検出した燃料電池２０の出力電流と、電圧センサ６２が検出した燃料電池２０の出力電圧によって検出することができる。
【００１１】
発電電流Ｉfcが基準電流Ｉth以下である場合には（ステップＳ２；ＹＥＳ）、低負荷かつ高温状態であるため、燃料電池２０は乾燥状態にあることが推定できる。しかも、酸素オフガスの流量低下と含有水分量低下によって加湿器４０における酸素ガスと酸素オフガスの水分交換率は低下する。そこで、圧力調整弁４６の弁開度を小さくすることで、加湿器４６の酸素オフガス出口側の背圧を昇圧させ、加湿器４０内の圧力を高める（ステップＳ３）。マップデータ５１に示すように、加湿器出口圧力を高めることで水分交換率を高めることができる。制御部５０はマップデータ５１を参照して圧力調整弁４６の弁開度を調整し、加湿器４０の水分交換率を制御する。この際、エアフローメータ４４によって検出された酸化ガス流量を基に圧力調整弁４６の弁開度を調整してもよい。
【００１２】
尚、酸素ガス流量が低下する低負荷状態では、燃料電池２０のカソード側の背圧にある程度の余裕があるので、加湿器４０の酸素オフガス出口側の圧力を高めても燃料電池２０のカソード側の出口圧力が目標圧を上回ることはなく、電池運転に支障を与えることはない。また、圧力調整弁４６の弁開度を調整して加湿器４０の圧力を制御する際に、圧力調整弁４５はそのままにしてあるので、燃料電池２０のカソード側の生成水排水性能に影響を与えることもない。また、燃料電池２０が加湿を必要としない加湿過多な発電領域においては、圧力調整弁４６を開くことで加湿器４０内の圧力を降圧させ、水分交換率が低下するように制御することが可能である。
【００１３】
また、上述したステップＳ２においては、酸素オフガスの流量（又は圧力）が低下する運転状態（又は酸素オフガスの含有水分量が低下する運転状態）であるか否かを判定するために、発電電流Ｉfcと基準電流Ｉthを比較する構成としたが、これに代えて、負荷６０の要求電力を発電するために必要な酸化ガス流量の理論値を算出して酸素オフガス流量を推定するように構成してもよい。また、加湿器４０の圧力を制御する手段として、圧力調整弁４６を例示したが、加湿器下流側の酸素オフガス通路４２の流路抵抗（又は圧力損失）を調整（増加又は減少）できる手段であれば特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。
【図２】加湿器の水分交換率を制御する制御ルーチンである。
【符号の説明】
【００１５】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池  ３０…水素供給装置  ３１…水素ガス供給路  ３２…水素オフガス通路  ３３…水素循環ポンプ  ４０…加湿器  ４１…酸化ガス供給路  ４２…酸素オフガス通路  ４３…エアフローメータ  ４４…エアコンプレッサ  ４５…圧力調整弁  ４６…圧力調整弁  ５０…制御部
【図１】
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【図２】
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