(57)【要約】【課題】要求発電量の全域において燃料電池内の含水量を適量に維持することができ、これによって安定した起電力を得ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】この燃料電池システムは、燃料電池２と、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１ａと、供給路１１ａに設けられ、酸化ガスを燃料電池２に供給する給気ポンプ１４と、燃料電池２から排出される酸化オフガスが流れる排出路１２と、排出路１２に設けられ、酸化オフガスを燃料電池２から排出する排気ポンプ２とを備える。【選択図】図２
2007311303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、
前記供給路に設けられて前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する給気手段と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、
前記排出路に設けられて前記酸化オフガスを前記燃料電池から排出する排気手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出路に連通し該排出路に酸化ガスを導入する導入路を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記導入路を流れる酸化ガスの流量を調節する導入ガス量調節手段を備える請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出路を流れる酸化オフガスの流量を調節する排出ガス量調節手段を備える請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の運転状態に応じて、前記給気手段、前記排気手段、前記導入ガス量調節手段、および前記排出ガス量調節手段の少なくともいずれかひとつを制御する制御部を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記燃料電池に対する要求発電量および前記燃料電池の温度に応じて、前記給気手段、前記排気手段、および前記導入ガス量調節手段を制御する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記燃料電池の温度に応じて、前記排出ガス量調節手段を制御する請求項５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、燃料電池内の含水量を適量に維持する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池に、燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに空気を加圧供給し、燃料電池において燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させる。燃料ガスと酸化ガスとが反応することによって生成された水（以下、反応生成水）は、電気化学反応に費やされなかった酸化ガスとともにシステム外に排出される（例えば、下記の特許文献１，２，３参照）。
【特許文献１】特開平９−２６６００２号公報
【特許文献２】特開平９−２６６００３号公報
【特許文献３】特開２００２−１９８０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の燃料電池システムにおいて効率よく発電を行うには、燃料電池内の含水量を適切に制御する必要がある。燃料電池に対する要求発電量が大きい時（高負荷時）に反応生成水が円滑に排出されないと、燃料電池内に反応生成水が過度に溜まるフラッディング現象による発電電圧の低下を招来する。一方、燃料電池に対する要求発電量が小さい時（低負荷時）に反応生成水が過度に排出されると、燃料電池内の含水量が不足するドライアップ現象による発電電圧の低下を招来する。
【０００４】
従来は、上記のような現象が起こらないように、燃料電池の電極を調整するなどしていたが、そのような調整を行っても、燃料電池に対する要求発電量（要求負荷）の全域において燃料電池内の含水量を適量に維持することは困難であった。かかる含水量の制御は、例えば特許文献１に開示されているような、系外より空気極に空気を導入する吸気口と、空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスを系外に排出する排出口との少なくとも一方の開度を制御する技術によっても困難であった。
【０００５】
そこで、本発明は、要求発電量の全域において燃料電池内の含水量を適量に維持することができ、これによって安定した起電力を得ることができる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】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化ガスが流れる供給路と、前記供給路に設けられて前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する給気手段と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる排出路と、前記排出路に設けられて前記酸化オフガスを前記燃料電池から排出する排気手段と、を備える。
【０００７】
この構成によれば、給気手段によって燃料電池に酸化ガスを供給するとともに、排気手段によって燃料電池から酸化オフガスを排出することにより、排出路を流れる酸化オフガスの速度が増すので、燃料電池内の反応生成水が、加速された酸化オフガスに随伴して排出される。したがって、燃料電池内の反応生成水を効率よく排出することができる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、前記排出路に連通し該排出路に酸化ガスを導入する導入路を備えていてもよい。
【０００９】
この構成によれば、導入路を設けることにより、排出路を流れる酸化オフガスがエジェクタ効果によりさらに加速される。したがって、燃料電池内で多量の反応生成水が生成される場合などに、その反応生成水を迅速に排出することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、前記導入路を流れる酸化ガスの流量を調節する導入ガス量調節手段を備えていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、導入ガス量調節手段によって、導入路を流れる酸化ガスの量を調節することにより、排出路を流れる酸化オフガスの速度が変化する。したがって、燃料電池内で生成される反応生成水の量に応じて酸化オフガスの速度を変化させることにより、燃料電池内の反応生成水を適切な量だけ排出することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、前記排出路を流れる酸化オフガスの流量を調節する排出ガス量調節手段を備えていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、排出ガス量調節手段によって、排出路を流れる酸化ガスの量を調節することにより、排出路を流れる酸化オフガスの速度が変化する。したがって、燃料電池内で生成される反応生成水の量に応じて酸化オフガスの速度を変化させることにより、燃料電池内の反応生成水を適切な量だけ排出することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の運転状態に応じて、前記給気手段、前記排気手段、前記導入ガス量調節手段、および前記排出ガス量調節手段の少なくともいずれかひとつを制御する制御部を備えていてもよい。
【００１５】
前記制御部は、前記燃料電池に求められる負荷、および前記燃料電池の温度に応じて、前記給気手段、前記排気手段、および前記導入ガス量調節手段を制御してもよい。また、前記制御部は、前記燃料電池の温度に応じて、前記排出ガス量調節手段を制御してもよい。
【００１６】
燃料電池内で生成される反応生成水の量と、燃料電池の運転状態との間には、所定の相関関係がある。したがって、上記制御部を備えた構成によれば、前記給気手段、前記排気手段、前記導入ガス量調節手段、および前記排出ガス量調節手段の少なくともいずれかひとつを制御することにより、燃料電池内の含水量を適量に維持することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムによれば、要求発電量の全域において燃料電池内の含水量を適量に維持することができ、これによって安定した起電力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００２０】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
【００２１】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１ａと、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、供給路１１ａとは別系統で燃料電池２に酸化ガスを導入する導入路１１ｂとを有している。供給路１１ａには、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込む給気ポンプ（給気手段）１４と、給気ポンプ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。
【００２２】
導入路１１ｂには、フィルタ１７と、吸気弁（導入ガス量調節手段）１８と、が設けられている。導入路１１ｂは、燃料電池２の内部または外部（図１では、内部）で排出路１２に連通している。導入路１１ｂを通じて燃料電池２に導入される酸化ガスの流量は、吸気弁１８の開度を全閉から全開まで無段階的に変化させることによって自在に調節可能である。
【００２３】
排出路１２には、排気弁（排出ガス量調節手段）１６と、燃料電池２内の酸化オフガスの圧力を計測する圧力計１９と、路内の酸化オフガスを掃気する排気ポンプ（排気手段）２０と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、排気弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。排出路１２を通じて燃料電池２から排出される酸化オフガスの量は、排気弁１６の開度を全閉から全開まで無段階的に変化させることによって自在に調節可能である。
【００２４】
給気ポンプ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。排気ポンプ２０は、モータ２０ａの駆動により、排出路１２内の酸化オフガスを燃料電池２内で生成された反応生成水とともに排出する。
【００２５】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。
【００２６】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００２７】
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
【００２８】
排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
【００２９】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
【００３０】
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する給気ポンプ１４，排気ポンプ２０の運転制御、吸気弁１８、排気弁１６の開度制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統３，４や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
【００３１】
制御部７は、燃料電池２に求められる負荷すなわち要求発電量と、電気化学反応に伴う発熱によって変動する燃料電池２の温度に応じて、給気ポンプ１４の単位時間当たりの回転数、排気ポンプ２０の単位時間当たりの回転数、および吸気弁１８の開度を制御する。以下、図２を参照して燃料電池２の排水性を高める運転について説明する。
【００３２】
図２中のケース１Ａは、燃料電池２に求められる発電量が低位の所定境界発電量よりも少なく（低負荷）、燃料電池２の温度が所定境界温度よりも低い場合である。かかる場合には、燃料電池２内の反応生成水の量は非常に少ない。そこで、吸気弁１８を全閉にし、給気ポンプ１４および排気ポンプ２０を所定境界回転数よりも低速で回転させる。なお、給気ポンプ１４と排気ポンプ２０の回転数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００３３】
このケース１Ａでは、排出路１２を流れる酸化オフガスの流速が非常に遅くなるので、燃料電池２からは少量の水しか排出されない。その一方で、燃料電池２内で生成される反応生成水の量も少ない。したがって、燃料電池２内に過度に反応生成水が溜まることがない。その結果、燃料電池２内におけるフラッディング現象の発生が抑制される。
【００３４】
同図中のケース１Ｂは、燃料電池２に求められる発電量が低位の所定境界発電量よりも少なく（低負荷）、燃料電池２の温度が所定境界温度以上の場合である。かかる場合には、燃料電池２内で生成される反応生成水の量が非常に少ないことに加えて、燃料電池２が高温であるため、上記ケース１Ａの場合と比較して燃料電池２の内部が乾燥し易い。
【００３５】
そこで、吸気弁１８を全閉にし、給気ポンプ１４を上記ケース１Ａと同じく低速で回転させると共に、排気ポンプ２０を上記ケース１Ａの低速よりも遅い極低速で回転させる。
【００３６】
このケース１Ｂでは、排出路１２を流れる酸化オフガスの流速が上記ケース１Ａよりもさらに遅くなるので、燃料電池２からはごく少量の水しか排出されない。したがって、燃料電池２から排出される水の量よりも、燃料電池２内で生成される反応生成水の量のほうが多くなり、燃料電池２内に留まる反応生成水が増加する。その結果、燃料電池２内におけるドライアップ現象の発生が抑制される。
【００３７】
同図中のケース１Ｃは、燃料電池２に求められる発電量が低位の所定境界発電量以上で高位の所定境界発電量よりも少なく（中負荷）、燃料電池２の温度が任意の場合である。かかる場合には、燃料電池２内で生成される反応生成水の量は、上記ケース１Ａ及びケース１Ｂよりも多い。
【００３８】
そこで、給気ポンプ１４を上記ケース１Ａの低速よりも速い中速で回転させると共に、排気ポンプ２０を上記ケース１Ａの極低速よりも速い中速で回転させる。ただし、給気ポンプ１４と排気ポンプ２０の回転数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。さらに、吸気弁１８を、あらかじめ用意された中負荷用マップを参照して全閉から全開まで変化させる。この中負荷用マップは、燃料電池２の温度と吸気弁１８の開度との相関を関係付けたものである。
【００３９】
このケース１Ｃでは、燃料電池２内で生成される反応生成水の量が上記ケース１Ａよりも多いが、排出路１２を流れる酸化オフガスの流速が上記ケース１Ａよりも速くなるので、燃料電池２からは上記ケース１Ａよりも多量の水が排出される。したがって、燃料電池２内に過度に反応生成水が溜まることがない。その結果、燃料電池２内におけるフラッディング現象の発生が抑制される。
【００４０】
しかも、燃料電池２から排出される水の量は、上記の中負荷用マップを参照し、燃料電池２の温度に応じて吸気弁１８の開度を変化させることによって調節される。燃料電池２の内部は、温度が高いほど乾燥し易い傾向があるので、燃料電池２の温度が高いほど吸気弁１８の開度を絞るようにすれば、燃料電池２から排出される水の量は少なくなる。
【００４１】
したがって、燃料電池２の温度が高いほど、燃料電池２内に留まる生成水が増加する。その結果、過度の排水による燃料電池２内におけるドライアップ現象の発生が抑制される。
【００４２】
同図中のケース１Ｄは、燃料電池２に求められる発電量が高位の所定境界発電量以上で（高負荷）、燃料電池２の温度が所定境界温度よりも低い場合である。かかる場合には、燃料電池２内で生成される反応生成水の量は、上記ケース１Ｃよりも多い。
【００４３】
そこで、吸気弁１８を全開にし、給気ポンプ１４を上記ケース１Ｃの中速よりも速い高速で回転させると共に、排気ポンプ２０を上記ケース１Ｃの中速よりも速い超高速で回転させる。なお、給気ポンプ１４と排気ポンプ２０の回転数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００４４】
このケース１Ｄでは、給気ポンプ１４と排気ポンプ２０との回転数差により排気路１２内にエジェクタ効果が生まれ、そのエジェクタ効果に助長されて排出路１２を流れる酸化オフガスの流速が上記ケース１Ｃよりもさらに速くなるので、燃料電池２からは上記ケース１Ｃよりも多量の水が排出される。
【００４５】
したがって、燃料電池２内で生成される反応生成水の量が多くても、燃料電池２内に過度に反応生成水が溜まることがない。その結果、燃料電池２内におけるフラッディング現象の発生が抑制される。
【００４６】
同図中のケース１Ｅは、燃料電池２に求められる発電量が高位の所定境界発電量以上で（高負荷）、燃料電池２の温度が所定境界温度以上の場合である。かかる場合には、燃料電池２内で生成される反応生成水の量は、上記ケース１Ｄと同様に上記ケース１Ｃよりも多い。
【００４７】
そこで、給気ポンプ１４を上記ケース１Ｃの中速よりも速い高速で回転させると共に、排気ポンプ２０を上記ケース１Ｃの中速よりも速い超高速で回転させる。なお、給気ポンプ１４と排気ポンプ２０の回転数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【００４８】
さらに、吸気弁１８を、あらかじめ用意された高負荷用マップを参照して全閉から全開まで変化させる。この高負荷用マップは、中負荷用マップと同じく、燃料電池２の温度と吸気弁１８の開度との相関を関係付けたものである。
【００４９】
このケース１Ｅでは、上述したように、排出路１２を流れる酸化オフガスの流速が、エジェクタ効果に助長されて上記ケース１Ｃよりも速くなるので、燃料電池２からは上記ケース１Ｃよりも多量の水が排出される。したがって、燃料電池２内で生成される反応生成水の量が多くても、燃料電池２内に過度に反応生成水が溜まることがない。その結果、燃料電池２内におけるフラッディング現象の発生が抑制される。
【００５０】
しかも、燃料電池２から排出される水の量は、上記の高負荷用マップを参照し、燃料電池２の温度に応じて吸気弁１８の開度を変化させることによって調節される。上述したように、燃料電池２の内部は、温度が高いほど乾燥し易い傾向があるので、燃料電池２の温度が高いほど吸気弁１８の開度を絞るようにすれば、燃料電池２から排出される水の量は少なくなる。
【００５１】
したがって、燃料電池２の温度が高いほど、燃料電池２内に留まる生成水が増加する。その結果、過度の排水による燃料電池２内におけるドライアップ現象の発生が抑制される。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、以上の制御を行うことにより、負荷（燃料電池２に要求される発電量）の全域において、燃料電池２内の含水量を適量に維持することができ、これによって安定した起電力を得ることができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、本実施形態のシステム構成は上記第１の実施形態と同じなので、その説明は省略する。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システム１に備わる制御部７は、電気化学反応に伴う発熱によって変動する燃料電池２の温度に応じて、排気弁１６の開度を制御する。以下では、図３を参照して燃料電池２内における酸化オフガスの気相と液相の割合を制御する運転について説明する。
【００５５】
同図中のケース２Ａは、燃料電池２の温度が所定境界温度よりも高い場合である。かかる場合には、燃料電池２内の酸化オフガスが気相になり易い。そこで、排気弁１６を全閉にする。なお、本実施形態における所定境界温度は、上記第１の実施形態における所定境界温度とは必ずしも同じではない。
【００５６】
このケース２Ａでは、排出路１２が閉じられるので、燃料電池２内の圧力が上昇する。すると、燃料電池２内の酸化オフガスが液相になり易くなり、燃料電池２内におけるドライアップ現象の発生が抑制される。酸化オフガスが液相の様を強め、圧力計１９の計測結果に基づき燃料電池２内の圧力が上位の所定境界圧力を下回ったことを検知したら、上記の制御を終了する。
【００５７】
同図中のケース２Ｂは、燃料電池２の温度が所定境界温度よりも低い場合である。かかる場合には、燃料電池２内の酸化オフガスが液相になり易い。そこで、排気弁１６を全開にする。
【００５８】
このケース２Ｂでは、排出路１２が開かれるので、燃料電池２内の圧力が下降する。すると、燃料電池２内の酸化オフガスが気相になり易くなり、燃料電池２内におけるフラッディング現象の発生が抑制される。酸化オフガスが気相の様を強め、圧力計１９の計測結果に基づき燃料電池２内の圧力が下位の所定境界圧力を下回ったことを検知したら、上記の制御を終了する。
【００５９】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、以上の制御を行うことにより、燃料電池２内における酸化オフガスの気相と液相との割合を制御し、燃料電池２内におけるフラッディング現象およびドライアップ現象の発生を抑制しつつ、燃料電池２内の含水量を適量に維持することができるので、安定した起電力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態において実施される運転をケース毎に示した図表である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態において実施される運転をケース毎に示した図表である。
【符号の説明】
【００６１】
２…燃料電池、７…制御部、１１ａ…供給路、１１ｂ…導入路、１２…排出路、１４…給気ポンプ（給気手段）、１６…排気弁（排出ガス量調節手段）、１８…吸気弁（導入ガス量調節手段）、２０…排気ポンプ（排気手段）
【図１】
2007311303.tif 000003
【図２】
2007311303.tif 000004
【図３】
2007311303.tif 000005