(57)【要約】【課題】コストを抑えつつ高温運転時においても発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数のセルを備えた燃料電池２０に水素及び空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とをセルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、セル電圧が所定値以下（セル抵抗値が所定値以上）となった際には、燃料電池２０へ供給する空気を逆流させる空気逆流運転を実施する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記セルの発電電圧が所定値以下となった際に前記燃料電池内で酸化ガスを逆流させる酸化ガス逆流手段を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記セルの発電電圧を検出するセル電圧検出部を備え、
前記酸化ガス逆流手段は、
前記燃料電池の酸化ガス入口及び酸化ガス出口にそれぞれ接続された酸化ガス供給路及び酸化オフガス排出路を連通可能にするバイパス部と、
前記バイパス部の連通状態を制御するバイパス制御部と、を備えてなり、
前記バイパス制御部は、前記セル電圧検出部によって検出されたセル電圧が所定値以下になった場合に、前記バイパス部を連通状態にして前記酸化ガス供給路の酸化ガスを前記燃料電池の酸化ガス出口側から導入させるものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムの運転方法であって、
前記セルの発電電圧が所定値以下となった際に前記燃料電池内で酸化ガスを逆流させる酸化ガス逆流運転を行う工程を備える燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライアウトに起因するセル電圧の低下の抑制に有効な燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）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、燃料電池のアノードに燃料ガスとしての水素を供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら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ものである。
【０００３】
このような燃料電池システムには、排空気流量に応じて、空気系加湿装置の加湿量を制御することにより、フラッディングやドライアウトを防止するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７２９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、空気系加湿装置の加湿量を制御してセルの乾燥を抑制することが可能である。
【０００６】
ところが、燃料電池システムにおいて、例えば、高温運転等の水収支がマイナスとなりやすい運転が行われると、燃料電池内のセルにおける空気の入口付近では、大量の空気でセルが部分的に乾燥することがある。すると、燃料電池の出力電圧が低下し、発電効率の低下を招くおそれがある。
【０００７】
この場合、新たに加湿装置を備えて高温運転等でのセルの乾燥を抑制させることが考えられるが、新たに加湿装置を備えることでシステムのコストアップを招いてしまう。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストを抑えつつ高温運転時においても発電効率の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記セルの発電電圧が所定値以下となった際に前記燃料電池内で酸化ガスを逆流させる酸化ガス逆流手段を備えるものである。
【００１０】
この構成によれば、酸化ガス逆流運転が行われて燃料電池のセル内で酸化ガスが逆流すると、セル内の酸化ガス出口側に滞留する水が、逆流する酸化ガスの流れによって酸化ガス入口側へ移動する。これにより、セル内において乾燥しやすい酸化ガス入口付近に水が行き渡り、セルの乾燥に起因するセル電圧の低下を抑制することができる。
【００１１】
すなわち、この構成によれば、燃料電池から十分な電圧を出力させることができ、発電効率を良好な状態に維持させることができる。つまり、新たに加湿装置を追加して設けることによるコストアップを招くことなく、高温運転時においても発電効率の低下を抑制することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、上記構成に加えて、
前記セルの発電電圧を検出するセル電圧検出部を備え、かつ、
前記酸化ガス逆流手段が、
前記燃料電池の酸化ガス入口及び酸化ガス出口にそれぞれ接続された酸化ガス供給路及び酸化オフガス排出路を連通可能にするバイパス部と、
前記バイパス部の連通状態を制御するバイパス制御部と、を備えてなるものであり、
前記バイパス制御部が、前記セル電圧検出部によって検出されたセル電圧が所定値以下になった場合に、前記バイパス部を連通状態にして前記酸化ガス供給路の酸化ガスを前記燃料電池の酸化ガス出口側から導入させるものであるでも良い。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムの運転方法であって、
前記セルの発電電圧が所定値以下となった際に前記燃料電池内で酸化ガスを逆流させる酸化ガス逆流運転を行う工程を備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コストを抑えつつ高温運転時においても発電効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す構成図である。
【図２】通常運転時に燃料電池に供給される空気の流れを示す概略構成図である。
【図３】通常運転時のセルでの空気の流れを模式的に示す概略構成図である。
【図４】セルでの乾燥状態を模式的に示す概略構成図である。
【図５】高温運転時における乾燥抑制制御を示すフローチャートである。
【図６】空気逆流運転時に燃料電池に供給される空気の流れを示す概略構成図である。
【図７】空気逆流運転時のセルでの空気の流れを模式的に示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示す燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路１１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路１１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ２、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ３が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ２は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、後述の制御部５０によって駆動制御される。
【００１７】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、空気オフガス排出路１２を経て外部に放出される。空気オフガス排出路１２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ３が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ２を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１８】
加湿器Ａ３は、コンプレッサＡ２から空気供給路１１を通じて燃料電池２０に供給される被加湿ガスとしての空気と、燃料電池２０から空気オフガス排出路１２を通じて外部に排出される加湿ガスとしての空気オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される空気を加湿する。加湿器Ａ３は、加湿モジュールと、加湿モジュールを収容するケーシングとを備えている。
【００１９】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路３１を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００２０】
水素供給路３１には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ２、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路３１間を開閉する遮断弁Ｈ３が設けられている。水素調圧弁Ｈ２としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００２１】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環路３２に排出され、水素供給路３１の水素調圧弁Ｈ３の下流側に戻される。水素循環路３２には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ１１、回収した生成水を水素循環路３２外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ１２、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ１３が設けられている。
【００２２】
水素ポンプＨ１３は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路３１で水素供給源３０からの水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２３】
水素循環路３２は、排出制御弁Ｈ１４を介して、パージ流路３３によって加湿器Ａ３の下流側の空気オフガス排出路１２に接続されている。排出制御弁Ｈ１４は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２４】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路４１が設けられている。冷却路４１には、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、冷却水の保有熱を外部に放熱するラジエータＣ２、ラジエータＣ２をバイパスさせるバイパス路４２、及び燃料電池２０から排出された冷却水の流通先を切り替える三方弁Ｃ４が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ３が設けられている。
【００２５】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電するセル８０を所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。この燃料電池２０には、各セル８０の電圧又は複数のセル８０からなるセル群の電圧（以下、単に「セル電圧」という場合がある。）を検出するセルモニタ（セル電圧検出部）６０が接続されている。
【００２６】
燃料電池２０の発電電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。
パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサＡ２用のモータＭや水素ポンプＨ１３用のモータＭなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２７】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知の構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池システム１では、図２に示すように、燃料電池２０の近傍に、コンプレッサＡ２から燃料電池２０に向けて圧送される空気の行き先を通常運転時における空気入口側から空気出口側へと切り替える、言い換えれば、燃料電池２０内で空気を逆流させるためのバイパス部Ａ１０が設けられている。
【００２９】
バイパス部Ａ１０は、空気供給路１１の一部と共通する第１流路Ａ１１と、空気オフガス排出路１２の一部と共通する第２流路Ａ１２と、これら第１流路Ａ１１と第２流路Ａ１２とを接続する第３流路Ａ１３と、空気逆流運転時に燃料電池２０から空気供給路１１側に排出された空気を空気オフガス排出路１２へ案内する第４流路１４と、制御部５０からの指令によって第３流路Ａ１３及び第４流路Ａ１４の開放／遮断をそれぞれ切り替える第１弁（図示略）及び第２弁（図示略）と、を備えている。
【００３０】
上記燃料電池システム１では、燃料電池２０に供給された水素ガスと空気とが電気化学反応して起電力が発生する。このとき、燃料電池２０の各セル８０では、図３に模式的に示すように、カソード極側に酸化ガスとしての空気が一方向（図３における下から上）へ流れ、各セル８０間の冷却路４１では、その一側から他側（図３における左から右）へ向かって冷却水が流れる。
【００３１】
そして、燃料電池２０が所定温度以上となっている高温運転を行うと、一般的な傾向としては図４に示すように、空気の入口側ではセル８０に大量供給される空気によって出口側よりも乾燥しがちとなる。また、冷却水の出口側は、冷却水の入口側と比較して、冷却されづらいことから乾燥しがちとなる。すなわち、セル８０内における空気の入口側領域と冷却水の出口側領域とが重なる領域は、他の領域よりも乾燥した乾燥領域Ｄとなる。
【００３２】
そして、セル８０内にそのような乾燥領域Ｄが生じると、セル８０の抵抗値が増加して燃料電池２０の出力電圧が低下し、発電効率の低下を招くおそれがある。このため、本実施形態の燃料電池システム１では、セル８０の乾燥を抑えることによって発電効率の低下を抑制する乾燥抑制制御を制御部５０が行う。
【００３３】
以下、この乾燥抑制制御について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。
例えば燃料電池２０に対する要求発電量が所定値以上の高負荷運転時に代表されるような、燃料電池２０が所定温度以上の高温運転時においては、燃料電池２０を構成している各セル８０のセル電圧あるいは複数のセル８０からなるセル群毎の群電圧をセルモニタ（セル電圧検出部）６０によって検出し、その検出値が所定値以下であるか否かのセル電圧判定を行う（ステップＳ０１）。
【００３４】
ここで、セル電圧とセル抵抗値との間には一定の相関があることから、ステップＳ０１においては、セル電圧を測定する代わりに、セル抵抗値を含水量に基づくインピーダンス測定などから推定してもよい。
【００３５】
上記セル電圧判定の結果、セル電圧が所定値以上であると判定されると（ステップＳ０１：Ｎｏ）、燃料電池２０における水分量のバランスである水収支がマイナス（すなわち、水分が不足している状態）であるか否かを判定する水収支判定を行う（ステップＳ０２）。
【００３６】
この水収支判定の結果、燃料電池２０における水収支がマイナスでないと判定されると（ステップＳ０２：Ｎｏ）、通常通りに燃料電池２０へ空気を供給して運転する（ステップＳ０３）。これに対し、ステップＳ０２の水収支判定の結果、水収支がマイナスであれば（ステップＳ０２：Ｙｅｓ）、再びセル電圧判定（ステップＳ０１）へと処理が移行する。
【００３７】
一方、ステップＳ０１のセル電圧判定の結果、セル電圧が所定値未満であると判定されると（ステップＳ０１：Ｙｅｓ）、空気逆流運転を行う。
この空気逆流運転では、図６に示すように、制御部５０からの指令によって第１弁及び第２弁が駆動され、バイパス部Ａ１０の第３流路Ａ１３が開放される。すると、コンプレッサＡ２で圧送されて空気供給路１１を流通してきた空気は、第３流路Ａ１３を通って通常運転時の空気出口側からセル８０内のカソード極側へ流れ込む。
【００３８】
そして、このセル２０のカソード極を通過した逆流空気は、通常運転時の空気入口側から排出され、第４流路Ａ１４を通って空気オフガス排出路１２へ送り込まれた後、外部へと排気される。これにより、燃料電池２０内のセル８０のカソード極では、図７に模式的に示すように、空気が他方向（図７中上から下）へ逆流することとなる。
【００３９】
前述したように、燃料電池２０を構成している各セル８０では、図３に示すように、カソード極側に空気が一方向へ流れ、また、一側から他側へ向かって冷却路内へ冷却水が流れる。したがって、水収支がマイナスとなりやすい高温運転では、図４に示すように、セル８０における空気の入口付近の一部が徐々に乾燥して乾燥領域Ｄが生じ、セル８０での抵抗値が増加する。このような場合、燃料電池２０の出力電圧が低下するため、一般的には出力制限を行わなければならなくなる。
【００４０】
しかしながら、図７に示すように、空気逆流運転が行われて燃料電池２０内のセル８０のカソード極で空気が他方向へ逆流すると、カソード極における空気出口側の水が、逆流する空気の流れによって空気入口側へ移動するので、これにより、乾燥しやすいセル８０の空気の入口付近に水が行き渡り、セル８０における水分が均一分布となる。
【００４１】
このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、空気逆流運転が行われて燃料電池２０のセル８０内で空気が逆流すると、セル８０における空気出口側の水が逆流する空気の流れによって空気入口側へ移動する。これにより、乾燥しやすいセル８０の空気の入口付近に水が行き渡り、セル８０の抵抗値の低下が抑えられる。
【００４２】
したがって、燃料電池２０から十分な電圧を出力させることができ、発電効率を良好な状態に維持させることができる。つまり、新たに加湿装置を追加して設けることによるコストアップを招くことなく、高温運転時においても発電効率の低下を抑制することができる。また、本実施形態のバイパス部Ａ１０は、簡略的な構造であるので、低コストで発電効率の低下を抑えることができる。
【００４３】
以上説明した燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池システム
１１  空気供給路（酸化ガス供給路）
１２  空気オフガス排出路（酸化オフガス排出路）
２０  燃料電池
５０  制御部（バイパス制御部、酸化ガス逆流手段の一部）
６０  セルモニタ（セル電圧検出部）
８０  セル
Ａ１０  バイパス部（酸化ガス逆流手段の一部）
【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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【図６】
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【図７】
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