(57)【要約】【課題】  水分透過型の加湿器を用いつつも、反応ガスの湿度の調整が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１は、循環配管７０とポンプ８０とを有している。循環配管７０は、第２空気排出配管６２の排出ガスを加湿装置２０を迂回して第１空気排出配管６１まで導く流路となるものである。ポンプ８０は、第２空気排出配管６２の排出ガスを循環配管７０を通じて第１空気排出配管６１まで戻す動力源となるものである。制御部９０は、ポンプ８０を制御することで、加湿装置２０の下流から上流に循環させる循環流量を制御するようになっており、この循環流量の制御により、他室２３内の反応ガスの湿度を調整するようになっている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
水分を透過する水透過膜によって内部が少なくとも２室に区切られ、そのうちの一室に導入されたガスに含まれる水分が前記水透過膜を透過することにより、他室に導入されたガスを加湿する加湿手段と、
前記反応ガスを前記加湿手段の前記他室まで導く第１供給ラインと、
前記加湿手段の前記他室から排出された反応ガスを前記燃料電池まで導く第２供給ラインと、
前記燃料電池から排出された排出ガスを前記加湿手段の前記一室まで導く第１排出ラインと、
前記加湿手段の前記一室から排出された排出ガスを外部に導く第２排出ラインと、
前記第２排出ラインの排出ガスを前記加湿手段を迂回して前記第１排出ラインまで導く循環ラインと、
前記第２排出ラインの排出ガスを前記循環ラインを通じて前記第１排出ラインまで戻す動力源となる循環手段と、
前記循環手段を制御することにより、前記第２排出ラインから前記循環ラインを通じて前記第１排出ラインまで戻す排出ガスの循環流量を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２供給ラインの反応ガスの湿度を検出する湿度検出手段と、
前記燃料電池に供給する反応ガスの目標湿度を算出する目標湿度算出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記湿度検出手段により検出された反応ガスの湿度が、前記目標湿度算出手段により算出された目標湿度に近づくように、排出ガスの循環流量を制御する
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】
前回のシステム停止から今回のシステム起動までの時間を計測する計測手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記計測手段により計測された時間が長くなるに従って、今回のシステム起動から所定時間経過するまでの排出ガスの循環流量を増加させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環手段は、前記循環ライン上に設けられ、回転数に応じて排出ガスの循環流量を調節可能なポンプであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記循環手段は、前記第１排出ラインの排出ガスの流れにより前記循環ラインを通じて前記第２排出ラインの排出ガスを吸引するエゼクタと、前記循環ライン上に設けられ開度を調節可能な制御弁と、からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水蒸気によって、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、水分透過型加湿器が用いられている。水分透過型加湿器は、水分を透過する水透過膜によって内部が２室に区切られており、そのうちの一室に排出ガスを導入し、導入された排出ガス中の水分が水透過膜を透過することにより、他室に導入される反応ガスを加湿する構成となっている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１３２０３８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、従来の燃料電池システムでは、水分透過型加湿器の水透過膜を透過する水分量がガス温度や流量などの条件から定まるものであるため、燃料電池システムの運転状況に応じて反応ガスを適切な湿度に加湿するなど、反応ガスの湿度の調整が困難となっている。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、水分透過型の加湿器を用いつつも、反応ガスの湿度の調整が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、加湿手段と、第１供給ラインと、第２供給ラインと、第１排出ラインと、第２排出ラインと、循環ラインと、循環手段と、制御手段とを備えている。燃料電池は、反応ガスが供給されて発電を行うものである。加湿手段は、水分を透過する水透過膜によって内部が少なくとも２室に区切られ、そのうちの一室に導入されたガスに含まれる水分が水透過膜を透過することにより、他室に導入されたガスを加湿するものである。第１供給ラインは反応ガスを加湿手段の他室まで導くものであり、第２供給ラインは加湿手段の他室から排出された反応ガスを燃料電池まで導くものである。第１排出ラインは燃料電池から排出された排出ガスを加湿手段の一室まで導くものであり、第２排出ラインは加湿手段の一室から排出された排出ガスを外部に導くものである。循環ラインは第２排出ラインの排出ガスを加湿手段を迂回して第１排出ラインまで導くものであり、循環手段は第２排出ラインの排出ガスを循環ラインを通じて第１排出ラインまで戻す動力源となるものである。制御手段は、循環手段を制御することにより、第２排出ラインから循環ラインを通じて第１排出ラインまで戻す排出ガスの循環流量を制御するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、循環手段を制御することにより、第２排出ラインから循環ラインを通じて第１排出ラインまで戻す排出ガスの循環流量を制御することとしている。このため、一度加湿手段の一室から排出された排出ガスが再度加湿手段の一室に流入することとなり、水透過膜を透過させる水分量を調整することが可能となる。従って、水分透過型の加湿器を用いつつも、反応ガスの湿度を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、加湿装置（加湿手段）２０と、燃料ガス供給系３０と、燃料ガス排出系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０と、循環配管（循環ライン）７０と、ポンプ（循環手段）８０と、制御部（制御手段、目標湿度算出手段）９０と、湿度センサ（湿度検出手段）１００とを備えている。
【０００９】
燃料電池１０は、反応ガスが供給されて発電を行うものである。本実施形態において反応ガスは、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）であり、燃料電池１０は、水素ガスの供給を受ける燃料極１１と、酸素を含む空気の供給を受ける酸化剤極１２とを有している。また、燃料極１１と酸化剤極１２とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池１０は、これら発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
【００１０】
加湿装置２０は、いわゆる水分透過型加湿器であって、水分を透過する水透過膜２１を有し、この水透過膜２１によって内部が少なくとも２室（図１では２室）に区切られており、そのうちの一室２２にガスを導入し、導入したガス中の水分が水透過膜２１を透過することにより、他室２３に導入されるガスを加湿するものである。
【００１１】
燃料ガス供給系３０は、燃料電池１０の燃料極１１に水素ガスを供給するものであり、水素タンク３１と、水素ガス供給配管３２と、圧力調整弁３３とからなっている。水素タンク３１は、燃料電池１０の燃料極１１に供給する水素ガスを蓄えておくものである。水素ガス供給配管３２は水素タンク３１と燃料電池１０の燃料極側入口とを接続し、水素タンク３１からの水素ガスを燃料電池１０の燃料極１１まで導く流路となるものである。圧力調整弁３３は、水素ガス供給配管３２に設けられ、開度を調整することにより、水素タンク３１から燃料電池１０の燃料極１１に供給される水素ガスの供給量を制御すると共に、水素ガスの供給量を制御することにより燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。
【００１２】
燃料ガス排出系４０は、燃料電池１０の燃料極側出口から排出されるガスをシステム外部に放出するものであり、水素排出配管４１と、水素排出弁（図示せず）とを備えている。水素排出配管４１は、一端が燃料電池１０の燃料極側出口に接続され、他端がシステム外部まで伸びており、燃料極オフガスを外部に導くための流路となるものである。水素排出弁は、水素排出配管４１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極オフガスの排出を制御するものである。
【００１３】
酸化剤ガス供給系５０は、コンプレッサ５１と、第１空気供給配管（第１供給ライン）５２と、第２空気供給配管（第２供給ライン）５３と、クーラー５４とからなっている。コンプレッサ５１は、外気を圧縮して燃料電池１０に送り込むものである。第１空気供給配管５２は、コンプレッサ５１と加湿装置２０の他室２３とを接続し、コンプレッサ５１から圧送される空気を加湿装置２０の他室２３まで導く流路となるものである。第２空気供給配管５３は、加湿装置２０の他室２３と燃料電池１０の酸化剤極側入口とを接続するものであり、加湿装置２０の他室２３から排出された空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に導く流路となるものである。クーラー５４は、第１空気供給配管５２上に設けられ、コンプレッサ５１から圧送される空気を、燃料電池１０での反応に必要な温度まで冷却するものである。
【００１４】
酸化剤ガス排出系６０は、第１空気排出配管（第１排出ライン）６１と、第２空気排出配管（第２排出ライン）６２と、第２圧力調整弁６３とを備えている。第１空気排出配管６１は、燃料電池１０の酸化剤極出口と加湿装置２０の一室２２とを接続し、燃料電池１０の酸化剤極側から排出された排出ガスを加湿装置２０の一室２２まで導く流路となるものである。第２空気排出配管６２は、一端が加湿装置２０の一室２２に接続され、他端がシステム外部まで伸びており、加湿装置２０の一室２２から排出され排出ガスを外部に導く流路となるものである。第２圧力調整弁６３は、燃料極側圧力に応じて決定される酸化剤極側圧力に基づいて開度が調整されるものである。
【００１５】
循環配管７０は、一端が第２空気排出配管６２に接続され、他端が第１空気排出配管６１に接続され、第２空気排出配管６２の排出ガスを加湿装置２０を迂回して第１空気排出配管６１まで導く流路となるものである。ポンプ８０は、第２空気排出配管６２の排出ガスを循環配管７０を通じて第１空気排出配管６１まで戻す動力源となるものであり、循環配管７０上に設けられ、回転数に応じて排出ガスの循環流量を調節可能な構成となっている。
【００１６】
制御部９０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、例えば、コンプレッサ５１の回転数、クーラー５４の冷却能力、圧力調整弁３３及び第２圧力調整弁６３の開度などを制御する構成となっている。また、制御部９０は、ポンプ８０の回転数を制御することにより、第２空気排出配管６２から循環配管７０を通じて第１空気排出配管６１まで戻す排出ガスの循環流量を制御する構成となっている。
【００１７】
湿度センサ１００は、第２空気供給配管５３の反応ガスの湿度を検出するものであり、検出した湿度情報を制御部９０に送信するようになっている。さらに、上記制御部９０は、燃料電池１０に供給する反応ガスの目標湿度を算出する機能を備えている。そして、制御部９０は、湿度センサ１００により検出された反応ガスの湿度が、算出した目標湿度に近づくように、排出ガスの循環流量を制御する。なお、制御部９０は、燃料電池システム１の各種運転条件（例えば負荷側に要求される電流値）から目標とする適切な湿度を求めることができる相関データを記憶している。このため、制御部９０は、燃料電池システム１の各種条件に基づいて、容易に上記目標湿度を求めることができるようになっている。また、上記相関データは、予め実験やシミュレーションなどにより求めておくとよい。
【００１８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を説明する。まず、燃料電池システム１の制御部９０は、発電目標となる電力量の情報を取得し、この情報に応じて水素ガスと空気との供給量及び圧力等を制御する。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、加湿装置２０により、燃料電池１０に供給する空気を加湿する。このとき、加湿装置２０では、燃料電池１０からの排出ガスが加湿装置２０の一室２２に流入し、排出ガスに含まれる水分が水透過膜２１を透過して、加湿装置２０の他室２３に流入する供給ガスを加湿することとなる。
【００２０】
また、制御部９０は、供給ガスを加湿するにあたり、まず燃料電池システム１の各種運転条件から、目標湿度を算出する。次に、制御部９０は、湿度センサ１００からの信号に基づいて、第２空気供給配管５３内の空気についての検出湿度の情報を取得する。そして、制御部９０は、検出湿度が目標湿度に近づくようにポンプ８０を制御する。
【００２１】
このポンプ８０の制御により、水透過膜２１を透過する水分量を調整することができる。これにより、本実施形態の燃料電池システム１は、水分透過型の加湿器を用いつつも、反応ガスを適切な湿度に加湿するようにしている。
【００２２】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図２に示す処理は、燃料電池システム１の電源がオフされるまで、繰り返し実行されるものとする。
【００２３】
まず、図２に示すように、制御部９０は、負荷側に要求される電流値Ｉと予め記憶する相関データとから、燃料電池１０に供給する空気の目標湿度Ｈｔを算出する（ＳＴ１）。次いで、制御部９０は、湿度センサ１００の信号値を読み込み、第２空気供給配管５３内の供給ガスの湿度を検出する（ＳＴ２）。
【００２４】
そして、制御部９０は、検出湿度が目標湿度Ｈｔよりも高いか否かを判断する（ＳＴ３）。ここで、検出湿度が目標湿度Ｈｔよりも高いと判断した場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、制御部９０は、ポンプ８０の回転数を減少させて、循環流量Ｑｒを減少させる（ＳＴ４）。これにより、水透過膜２１を透過する水分量が減少するため、供給ガスの湿度を下げることとなり、供給ガスの湿度を目標湿度Ｈｔに近づけることとなる。そして、処理はステップＳＴ１に戻ることとなる。
【００２５】
他方、検出湿度が目標湿度Ｈｔよりも高くないと判断した場合（ＳＴ３：ＮＯ）、制御部９０は、所定流量Ｑｒｍａｘを超えない範囲で、ポンプ８０の回転数を増加させて循環流量Ｑｒを増加させる（ＳＴ５）。
【００２６】
図３は、図２に示したステップＳＴ５の詳細を示す第１の説明図である。なお、図３において縦軸は水分回収率を示し、横軸は循環流量Ｑｒを示している。図３に示すように、循環流量Ｑｒが大きくなればなるほど、加湿装置２０での水分回収率は低くなる。逆に、循環流量Ｑｒが小さくなればなるほど、水分回収率は高くなる。ここで、水分回収率とは、加湿装置２０が単位体積あたりのガスから回収する水分量を示すものである。
【００２７】
上記のように、循環流量Ｑｒが小さいと単位体積あたりの水分の回収量が多くなるため、循環流量Ｑｒは一見小さいことが望ましいかのように考えられる。しかし、循環流量Ｑｒを大きくすると加湿装置２０の一室２２に流入するガス量も大きくなるため、水透過膜２１を透過する水分量（水分透過量）は大きくなる場合もあり、厳密には循環流量Ｑｒに対して極大値をもつ。
【００２８】
図４は、図２に示したステップＳＴ５の詳細を示す第２の説明図である。なお、図４において縦軸は供給ガス湿度を示し、横軸は循環流量Ｑｒを示している。図４に示すように、循環流量Ｑｒは高ければ高いほど、水透過膜２１を透過する水分量が多くなるわけでない。すなわち、図４に示すように、所定流量Ｑｒｍａｘ（他室２３のガス湿度が最大となるときの循環流量）以下の範囲では、循環流量Ｑｒの増加と共に水透過膜２１を透過する水分量が多くなり、燃料電池１０への供給ガスの湿度は高くなる。これに対し、所定流量Ｑｒｍａｘを超える範囲では、循環流量Ｑｒの増加と共に水透過膜２１を透過する水分量が少なくなり、燃料電池１０への供給ガスの湿度は低くなる。
【００２９】
このため、図２に示したステップＳＴ５において、制御部９０は、循環流量Ｑｒを大きくし過ぎないように、所定流量Ｑｒｍａｘ以下の範囲でポンプ８０の回転数を増加させて循環流量Ｑｒを増加させる。これにより、制御部９０は、供給ガスの湿度を上昇させ、供給ガスの湿度を目標湿度Ｈｔに近づける。そして、図２に示す処理はステップＳＴ１に戻ることとなる。
【００３０】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、ポンプ８０を制御することにより、第２空気排出配管６２から循環配管７０を通じて第１空気排出配管６１まで戻す排出ガスの循環流量Ｑｒを制御することとしている。このため、一度加湿装置２０の一室２２から排出された排出ガスが再度加湿装置２０の一室２２に流入することとなり、水透過膜２１を透過させる水分量を調整することが可能となる。従って、水分透過型の加湿器を用いつつも、反応ガスの湿度を調整することができる。
【００３１】
また、検出された反応ガスの湿度が、算出された目標湿度に近づくように、排出ガスの循環流量Ｑｒを制御するため、燃料電池１０に供給される反応ガスの湿度を適切な湿度とし、燃料電池システム１の効率良い運転を行うことができる。
【００３２】
また、循環配管７０を通じて排出ガスを循環させる手段として、循環配管７０上に設けられて回転数に応じて排出ガスの循環流量を調節可能なポンプ８０が用いられている。このため、ポンプ８０の回転数を調整することにより、容易に供給ガスの湿度の制御を行うことができる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００３４】
図５は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図５に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、ポンプ８０に代えて、エゼクタ８１と第３圧力調整弁（制御弁）８２とを備えている。エゼクタ８１は、第１空気排出配管６１の排出ガスの流れにより循環配管７０を通じて第２空気排出配管６２の排出ガスを吸引するものであり、第３圧力調整弁８２は、循環配管７０上に設けられ開度を調節可能な弁である。
【００３５】
第２実施形態では、これらエゼクタ８１と第３圧力調整弁８２とにより、循環流量Ｑｒを制御するようになっている。すなわち、燃料電池１０から排出される排出ガスの流量によりエゼクタ８１の吸引力が決定するため、制御部９０は、第３圧力調整弁８２の開度を調節するこにより、循環流量Ｑｒを制御する。このように、第２実施形態ではエゼクタ８１と第３圧力調整弁８２とが排出ガスを循環させる循環手段として機能することとなる。
【００３６】
また、第２実施形態において、制御部９０は、前回の燃料電池システム２の停止から今回の燃料電池システム２の起動までの時間を計測する計測手段として機能するようにもなっている。
【００３７】
また、制御部９０が計測手段として機能するため、第２実施形態に係る燃料電池システム２では、以下の処理が追加されている。すなわち、第２実施形態において、制御部９０は、上記計測した時間が長くなるに従って、今回のシステム起動から所定時間経過するまでの排出ガスの循環流量Ｑｒを増加させる。ここで、システム停止から次回のシステム起動までの時間が長くなると、燃料電池１０の電解質膜が乾燥してしまう場合である。ところが、上記のように、計測時間が長くなるに従って循環流量Ｑｒを増加させることで、たとえ電解質膜が乾燥していたとしても、電解質膜を湿潤とするだけの湿度を有する供給ガスを燃料電池１０に送り込むことが可能となる。
【００３８】
なお、他の構成及び動作については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００３９】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、水分透過型の加湿器を用いつつも、反応ガスの湿度を調整することができ、燃料電池システム２の効率良い運転を行うことができる。
【００４０】
さらに、第２実施形態によれば、前回のシステム停止から今回のシステム起動までの時間が長くなるに従って、今回のシステム起動から所定時間経過するまでの排出ガスの循環流量Ｑｒを増加させることとしている。このため、システム停止から次回のシステム起動までの時間が長くなり、燃料電池１０の電解質膜が乾燥してしまう場合であっても、排出ガスの循環流量Ｑｒを増加させることで、電解質膜を湿潤とするだけの湿度を有する供給ガスを燃料電池１０に送り込むことが可能となり、燃料電池システム２の効率良い運転をシステム起動後早期に行うことができる。
【００４１】
また、循環配管７０を通じて排出ガスを循環させる手段は、第１空気排出配管６１の排出ガスの流れにより循環配管７０を通じて第２空気排出配管６２の排出ガスを吸引するエゼクタ８１と、循環配管７０上に設けられ開度を調節可能な第３圧力調整弁８２とからなっている。このため、ポンプ８０を使用したときよりも電力消費を抑えつつ、供給ガスの湿度の制御を行うことができる。
【００４２】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、上記実施形態では、加湿装置２０が酸化剤ガスの流路に設けられているが、これに限らず、燃料ガスの流路に設けられていてもよく、酸化剤ガスの流路及び燃料ガスの流路の双方に設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。
【図３】図２に示したステップＳＴ５の詳細を示す第１の説明図である。
【図４】図２に示したステップＳＴ５の詳細を示す第２の説明図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１，２…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…燃料極
１２…酸化剤極
２０…加湿装置（加湿手段）
２１…水透過膜
２２…一室
２３…他室
３０…燃料ガス供給系
３１…水素タンク
３２…水素ガス供給配管
３３…圧力調整弁
４０…燃料ガス排出系
４１…水素排出配管
５０…酸化剤ガス供給系
５１…コンプレッサ
５２…第１空気供給配管（第１供給ライン）
５３…第２空気供給配管（第２供給ライン）
５４…クーラー
６０…酸化剤ガス排出系
６１…第１空気排出配管（第１排出ライン）
６２…第２空気排出配管（第２排出ライン）
６３…第２圧力調整弁
７０…循環配管（循環ライン）
８０…ポンプ（循環手段）
８１…エゼクタ
８２…第３圧力調整弁（制御弁）
９０…制御部（制御手段、目標湿度算出手段、計測手段）
１００…湿度センサ（湿度検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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