(57)【要約】【課題】  燃料電池の水分状態を運転状態に応じて十分に管理する。【解決手段】  燃料電池１０の水素供給口１２とガス排出口１４とを結ぶガス循環流路中に熱交換器３２、水素ポンプ３４を挿入し、エアフィルタ４２とエア供給口１６とを結ぶ配管４０の途中にエアポンプ４４を挿入し、エア排出口に接続された配管４８の途中に熱交換器５２を挿入し、ガス排出口１４、エア排出口１８における湿度を湿度センサ３０、５０で検出し、燃料電池１０の運転時に、湿度センサ３０、５０の検出による水素湿度または空気湿度が目標値となるように熱交換器３２、５０の運転を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードを有する燃料電池の前記アノードに水素を供給すると共に、前記カソードに酸素を供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記アノード及び前記カソードのうち少なくともいずれか一方に接続されて冷凍サイクルを構成する熱交換器と、
前記水素と前記酸素の供給量を制御すると共に前記熱交換器による熱交換量を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の下流側に前記熱交換器を配置した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】
前記燃料電池から排出された水素を再度アノードに循環させる循環経路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出された酸素を再度カソードに循環可能な循環経路を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止時に前記熱交換機を動作させると共に水素及び／又は酸素を循環制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、湿度に応じて前記熱交換器の運転を制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、外気温に応じて前記熱交換器の運転を制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか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、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池のアノードに水素を供給し、カソードにエアを供給して発電を行うに好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、近年、小型化に伴って、燃料電池自動車などの車両の電源として利用されている。この種の燃料電池としては、例えば、固体高分子電解質膜型燃料電池が知られている。この燃料電池を備えた燃料電池システムでは、アノードに水素を供給すると共にカソードにエアを供給することで、アノードからのプロトンが電解質膜の内部を透過してカソード側に運ばれると、エア中の酸素と結びついて水を生成することにより、発電を行なうようになっている。
【０００３】
ところが、電解質膜は、高分子イオン交換膜として構成されており、乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下するため、常に電解質膜を適当な湿潤状態にすることが必要とされている。すなわち、燃料電池の運転時には、電解質膜を湿潤状態に保つために、燃料電池に供給するエアを加湿することが行われている。燃料電池に供給するエアを加湿すると、燃料電池内には加湿に伴う水分が残留すると共に、燃料電池の発電に伴う水が残留する。このため、燃料電池内に水分が残留したまま燃料電池の運転が停止されると、外気温が０℃以下になる環境下では、燃料電池内に残留した水が凍結することがある。
【０００４】
そこで、燃料電池の運転停止時には、燃料電池に対する加湿を停止させると共に、カソード電極に無加湿の空気を所定時間供給し、燃料電池内部を乾燥させたあと、燃料電池の運転を停止するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３３２２８１号公報（第２頁〜第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した技術においては、燃料電池を運転するときに、燃料電池に供給するエアの水分状態を加湿器に依存しているため、燃料電池の水分状態を十分に管理することができない。特に、燃料電池の運転停止時には、加湿器の運転を停止させると共に無加湿空気をカソード電極に供給する構成を採用しているため、燃料電池内の水分を十分に排除することができず、凍結する恐れがある。
【０００６】
よって、本発明は燃料電池の水分状態を運転状態に応じて十分に管理することが出来るようにした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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、アノードとカソードを有する燃料電池の上記アノードに水素を供給すると共に、上記カソードに酸素を供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、上記アノード及び上記カソードのうち少なくともいずれか一方に接続されて冷凍サイクルを構成する熱交換器と、上記水素と上記酸素の供給量を制御すると共に上記熱交換器による熱交換量を制御する制御手段と、を備える。
【０００８】
かかる構成によれば、アノード又はカソードのうち少なくとも一方に冷凍サイクルを構成する熱交換器を接続し、燃料電池の運転時には燃料電池に対するエアと水素の供給量を制御すると共に、熱交換器による熱交換量を制御するようにしたため、燃料電池の運転時における水分状態を十分に管理することができる。
【０００９】
好ましくは、燃料電池システムは上記燃料電池の下流側に上記熱交換器が配置される。それにより、燃料電池を通過することによって、例えば飽和状態の水分を含むようになった水素や酸素から水分を除去することが可能となる。
【００１０】
好ましくは、燃料電池システムは上記燃料電池から排出された水素を再度アノードに循環させる循環経路を備える。それにより、循環経路に残留する水分を除去することが可能となる。
【００１１】
好ましくは、燃料電池システムは上記燃料電池から排出された酸素を再度カソードに循環可能な循環経路を備えたことを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、上記制御手段は上記燃料電池の発電停止時に前記熱交換機を動作させると共に水素及び／又は酸素を循環制御することを特徴とする。それにより、燃料電池の発電停止時に、エアポンプ、水素ポンプおよび熱交換器を運転することで、燃料電池やガス循環流路およびエア循環流路に含まれる水分を凝縮させて除去することができるため、水素又は酸素中の水分の凍結を確実に防止することができる
好ましくは、上記制御手段は、湿度に応じて上記熱交換器の運転を制御することを特徴とする。それにより、ある程度、水素又は酸素中の湿度が高い場合（例えば、閾値を超える場合）に水分の除去を行うようにすることが出来る。
【００１３】
好ましくは、上記制御手段は、外気温に応じて上記熱交換器の運転を制御することを特徴とする。それにより、外気温が下がって水分の凍結の可能性がある場合に該水分の除去を行うことが出来る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の運転状態に応じて水分状態を適切に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例を示す燃料電池システムのブロック構成図である。図１において、燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質膜型のものを用いて構成されており、アノード（水素極）とカソード（酸素極）を内蔵すると共に、アノードとカソードとの間に挿入された固体高分子電解質膜を内蔵している。そしてアノードに連なる水素供給口１２とガス排出口１４を備えていると共に、カソードに連なるエア供給口１６とエア排出口１８を備えて構成されている。水素供給口１２には水素供給系を構成する配管２０が接続されており、配管２０の端部には水素供給源としての水素タンク２２が接続され、配管２０の管路途中には調圧弁２４が挿入されている。すなわち水素タンク２２内の水素が調圧弁２４、配管２０を介して水素供給口１２に供給されるようになっている。一方、ガス排出口１４には、残留水素などを排出するガス排出系を構成する配管２６が接続されており、この配管２６の管路端は配管２０の管路途中に接続され、配管２６と配管２０の一部が水素供給口１２とガス排出口１４とを結ぶガス循環流路を構成するようになっている。配管２６の管路端には逆止弁２８が挿入され、配管２６の管路途中には湿度センサ３０、熱交換器３２、水素ポンプ３４が挿入されている。水素ポンプ３４と逆止弁２８との間の配管２６には、配管２６から分岐した配管３６が接続され、配管３６の管路途中には排気弁３８が挿入されている。
【００１６】
熱交換器３２は、冷凍サイクルを構成する熱交換器として、蒸発器（エバポレータ）３２ａ、圧縮器（コンプレッサ）３２ｂ、凝縮器（コンデンサ）３２ｃ、膨張弁（エキスパンションバルブ）３２ｄ、排気弁（ドレンバルブ）３２ｅを備えて構成されている。蒸発器３２ａ、圧縮器３２ｂ、凝縮器３２ｃ、膨張弁３２ｄは冷媒を循環させる冷媒循環路中に挿入されており、この冷媒循環路中の冷媒が圧縮器３２ｂで圧縮されて高温高圧の過熱蒸気になって凝縮気３２ｃに送られると、凝縮器３２ｃ内を流れる間に、配管２６中の流体と熱交換を行って放熱し、この放熱によって冷えた冷媒は乾き蒸気となって凝縮されて飽和液となる。この飽和液が膨張弁３２ｄを通過すると、その絞りにより、圧力が低下し、湿り蒸気となって蒸発器３２ａに導入される。蒸発器３２ａに湿り蒸気が導入されると、この湿り蒸気は、配管２６中の流体から熱を吸収して蒸発し、飽和蒸気となって圧縮器３２ｂに導入される。これにより、冷凍サイクルを完了するようになっている。なお、配管２６中の水分は排気弁３２ｅから外部に排出されるようになっている。
【００１７】
また、水素ポンプ３４は、ガス排出口１４から排出される残留水素などの流体を熱交換器３２を介して取り込み、取り込んだ流体を逆止弁２８を介して水素供給口１２側に送給するようになっている。
【００１８】
一方、エア供給口１６にはエア供給系を構成する配管４０が接続されている。配管４０の管路端には、エア供給源としてのエアフィルタ４２が接続されており、配管４０の管路途中にはエアポンプ４４、制御弁４６が挿入されている。すなわち、エアフィルタ４２から取り込まれたエアが制御弁４６を介してエアポンプ４４に供給されるようになっており、エアポンプ４４に供給されたエアは、エアポンプ４４の作動により、配管４０を介してエア供給口１６に供給されるようになっている。
【００１９】
また、エア排出口１８には、エア排気系を構成する配管４８が挿入されており、配管４８の管路途中には湿度センサ５０、熱交換器５２、制御弁５４、調圧弁５６、マフラ５８が挿入されている。配管４８のうち熱交換器５２下流側は配管６０を介してエアポンプ４４の上流側と接続されており、配管６０の管路途中には制御弁６２が挿入されている。すなわち、エア排出口１８から排出されたエアなどの流体は熱交換器５２、制御弁５４、調圧弁５６、マフラ５８を介して排出されるようになっている。熱交換器５２は、冷凍サイクルを構成する熱交換器として、蒸発器５２ａ、圧縮器５２ｂ、凝縮器５２ｃ、膨張弁５２ｄ、排気弁５２ｅを備えて構成されている。この熱交換器５２は、熱交換器３２と同一の機能を有するため、その具体的構成については説明を省略する。
【００２０】
また、制御弁４６、５４、６２は、エアポンプ４４の上流側と熱交換器５２の下流側のエア排出系とをバイパスして、燃料電池１０のカソードに連なるエア供給口１６とエア排出口１８とを結ぶエア循環路を形成するバイパス手段として構成されており、燃料電池１０の運転停止時には、制御弁４６、５４が共に閉弁（オフ）状態に制御され、制御弁６２が開弁（オン）状態に制御されるようになっている。なお、燃料電池１０の運転時には、制御弁４６、５４は開弁（オン）状態に制御され、制御弁６２は閉弁（オフ）状態に制御されるようになっている。
【００２１】
制御弁４６、５４、６２の開閉弁を自動的に制御すると共に、燃料電池１０、熱交換器３２、５２などの運転を自動的に制御するために、本実施例では制御ユニット６４が設けられている。
【００２２】
制御ユニット６４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを有するマイクロコンピュータで構成されており、ガス排出口１４から排出されるガスの湿度を検出する湿度センサ３０の検出出力、エア排出口１８から排出されるエアなどの流体の湿度を検出する湿度センサ５０の検出出力、外気温度を検出する温度センサ６６の検出出力を取り込み、各センサの検出出力やオペレータの操作およびプログラムにしたがって制御弁４６、５４、６２、や燃料電池１０、熱交換器３２、５２の運転を制御するように構成されている。また、制御ユニット６４のＲＯＭには、各熱交換器３２、５２の運転を停止するか否かの閾値として、湿度と外気温度に関連づけられたマップデータが格納されている。
【００２３】
次に、燃料電池１０の通常運転時における制御ユニット６４の動作を図２のフローチャートにしたがって説明する。
【００２４】
制御ユニット６４は、通常運転時における水分調整等の所定タイミングあるいはイベントの発生に応じて燃料電池１０が作動中のときには各湿度センサ３０、５０の検出出力を取り込み（ステップＳ１）、ガス排出口１４、エア排出口１８における湿度が目標値以下か否かの判定を行う（ステップＳ２）。ガス排出口１４、エア排出口１８における湿度、すなわち排水素湿度、排空気湿度がそれぞれ目標値以下のときには熱交換器３２、５２の運転を停止し（ステップＳ３）、このルーチンでの処理を終了し、水素ポンプ３４、エアポンプ４４の運転による制御を継続する。
【００２５】
一方、ガス排出口１４またはエア排出口１８における湿度が目標値を超えたときには熱交換器３２または熱交換器５２の運転を開始すると共にステップＳ１の処理に戻る（ステップＳ４）。例えば、ガス排出口１４における湿度が目標値を超えたときには熱交換器３２の運転を開始し、一方、エア排出口１８における湿度が目標値を超えたときには熱交換器５２の運転を開始する。このような制御を継続することで、通常運転時における燃料電池１０の水分状態を適切に制御することができる。
【００２６】
次に、燃料電池１０の運転停止時における制御ユニット６４の動作を図３に示すフローチャートにしたがって説明する。
【００２７】
まず、燃料電池１０の運転が停止されたときには、制御ユニと６４は、温度センサ６６の出力を取り込み、外気温が、例えば、０℃以上か否かの判定を行う。このとき外気温が０℃以上のときには凍結の可能性がないとして、そのままシステムの停止を実行する。
【００２８】
一方、外気温が０℃よりも低いときには、そのままでは凍結の可能性があるとして、制御弁４６、５４を閉弁状態に、制御弁６２を開弁状態に制御し、エア供給口１６とエア排出口１８とを結ぶエア循環流路（４０、４８、６０）を形成する（ステップＳ２）。このあとエアポンプ４４、水素ポンプ３４の作動を継続した状態で、熱交換器３２、５２の運転を開始する（ステップＳ３）。熱交換器３２の運転が開始されると、ガス循環流路（２６、２０）を循環する流体に含まれる水分が熱交換器３２によって除去される。一方、熱交換器５２の運転を開始すると、熱交換器５２、制御弁６２、エアポンプ４４を介して循環する流体、すなわち、エア循環流路（４０、４８、６０）を循環する流体に含まれる水分が熱交換器５２によって除去される。このあと、上記ガス循環流路中の水分が除去されると共に、上記エア循環流路中の水分が除去されると想定される一定時間後に熱交換器３２、５２の運転を停止する（ステップＳ４）。
【００２９】
なお、各熱交換器３２、５２の運転を停止するときには、湿度センサ３０、５０の検出出力と温度センサ６６の検出出力を基にＲＯＭのマップデータを検索し、各湿度センサ３０、５０の検出による湿度が、エア系、水素系における湿度の閾値として外気温との関係で定められた閾値以下であることを条件として、冷凍サイクル３２、５２の運転を停止することもできる。
【００３０】
このように、本実施例によれば、燃料電池１０の運転停止時には各熱交換器３２、５２を運転し、ガス循環流路中の水分とエア循環流路中の水分を凝縮させて排除するようにしたため、凍結を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例を示す燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】図１に示すシステムの通常運転時の作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】図１に示すシステムの停止時における作用を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池、１２  水素供給口、１４  ガス排出口、１６  エア供給口、１８  エア排出口、２２  水素タンク、３０  湿度センサ、３２  熱交換器、４２  エアフィルタ、４４  エアポンプ、５２  熱交換器、６４  制御ユニット、６６  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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