(57)【要約】【課題】空冷式燃料電池システムにおいて、アノード極側の電解質や電極の乾燥を抑制する。【解決手段】空冷式燃料電池システムＡは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタックは、膜電極接合体２０と、膜電極接合体の一側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路３０ａと、膜電極接合体の他側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路４０ａとを備える。燃料ガス流通路内の燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガス流通路内の酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになる。燃料電池スタックが冷却ガスで冷却される空冷式燃料電池システムは、酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部６８と、水貯蔵部に貯蔵された水を燃料ガス流通路の入口に供給するための水供給部６９とを備える。【選択図】図１
2016038973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、前記膜電極接合体の他方の側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路とを備え、前記燃料ガス流通路内の前記燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の前記酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるようにこれら燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されており、前記燃料電池スタックが冷却ガスでもって冷却される空冷式燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部と、
前記水貯蔵部に貯蔵された水を前記燃料ガス流通路の入口に供給するための水供給部と、
を備えた、
空冷式燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックが、前記冷却ガスが流れる冷却ガス流通路を更に備え、前記酸化剤ガス流通路の出口が前記冷却ガス流通路の入口に連結され、前記カソードオフガスが前記冷却ガスとして前記冷却ガス流通路を流れる、請求項１に記載の空冷式燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却ガス流通路内のカソードオフガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるように前記冷却ガス流通路が形成される、請求項２に記載の空冷式燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの状態を検出する検出部を更に備え、
前記水供給部は、前記燃料電池スタックの状態に基づいて、前記水貯蔵部から前記燃料ガス通路の入口に供給する水の量を制御する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。
【請求項５】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、前記膜電極接合体の他方の側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路とを備え、前記燃料ガス流通路内の前記燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の前記酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるようにこれら燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されており、前記燃料電池スタックが冷却ガスでもって冷却される空冷式燃料電池システムの制御方法であって、
水貯蔵部により、前記酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵し、
検出部により、前記燃料電池スタックの状態を検出し、
前記燃料電池スタックの状態に基づいて、水供給部により、前記水貯蔵部から前記燃料ガス流通路の入口に供給する水の量を制御する、
空冷式燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックは、燃料ガスが流れる燃料ガス通路と、発電用酸化剤ガスが流れる発電用酸化剤ガス通路と、冷却用酸化剤ガスが流れる冷却用酸化剤ガス通路とを備え、燃料電池スタックが冷却用酸化剤ガスでもって冷却される空冷式の燃料電池システムが公知である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、燃料電池スタックの各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、膜電極接合体の他方の側に設けられ発電用酸化剤ガスが流れる発電用酸化剤ガス流通路とを備えている。燃料電池スタックの各単セルの燃料ガス流通路を並列に接続することにより燃料ガス通路が形成され、各単セルの発電用酸化剤ガス流通路を並列に接続することにより発電用酸化剤ガス通路が形成される。燃料ガス流通路内の燃料ガスの流れ方向と発電用酸化剤ガス流通路内の発電用酸化剤ガスの流れ方向とは互いに垂直な向きである。発電用酸化剤ガス流通路内の発電用酸化剤ガスの流れ方向と冷却用酸化剤ガス流通路内の冷却用酸化剤ガスの流れ方向とが互いに同じ向きである。
【０００４】
空冷式の燃料電池システムは、水冷式の燃料電池システムと比較して、構造が簡易であり、配管及び付属機器の点数が少なく、占有空間、重量及びコストなどが削減でき、メインテナンスも容易であるなどの利点を有している。そのため、空冷式の燃料電池システムについて研究開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５２９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、空冷式の燃料電池システムは、水冷式の燃料電池システムと比較して、冷却効率が低く、冷却効果が小さいという特徴を有している。そのため、空冷式の燃料電池システムでは、高出力運転のように発熱量が多い状況において、温度が十分に下がらない箇所が出現するおそれがある。例えば、酸化剤ガス流通路の出口付近の領域では、燃料電池の発電に伴う熱で加熱された酸化剤ガスが集中するために温度が十分に下がり難く、その結果、その領域の膜電極接合体は比較的高温になる。ここで、膜電極接合体が低温であるならば、カソード極で生成された水が電解質を介してアノード極側に拡散し、アノード極側の電解質や電極が潤う。しかし、膜電極接合体が比較的高温になるので、カソード極で生成された水が蒸発してしまい、電解質を介してアノード極側に拡散し難くなり、アノード極側の電解質や電極がカソード極側に比べて大きく乾燥してしまう。その結果、電解質のイオン導電性の低下などにより電気化学反応が低下して発電効率が低下してしまう。アノード極側の電解質や電極の乾燥を抑制する技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一の観点によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、前記膜電極接合体の他方の側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路とを備え、前記燃料ガス流通路内の前記燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の前記酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるようにこれら燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されており、前記燃料電池スタックが冷却ガスでもって冷却される空冷式燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス流通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部と、前記水貯蔵部に貯蔵された水を前記燃料ガス流通路の入口に供給するための水供給部と、を備えた空冷式燃料電池システムが提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックを備え、前記燃料電池スタックは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に設けられ燃料ガスが流れる燃料ガス流通路と、前記膜電極接合体の他方の側に設けられ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流通路とを備え、前記燃料ガス流通路内の前記燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流通路内の前記酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるようにこれら燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路が形成されており、前記燃料電池スタックが冷却ガスでもって冷却される空冷式燃料電池システムの制御方法であって、水貯蔵部により、前記酸化剤ガス通路から流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に凝縮された水を貯蔵し、検出部により、前記燃料電池スタックの状態を検出し、前記燃料電池スタックの状態に基づいて、水供給部により、前記水貯蔵部から前記燃料ガス通路の入口に供給する水の量を制御する、空冷式燃料電池システムの制御方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
空冷式燃料電池システムにおいて、アノード極側の電解質や電極の乾燥を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池単セルの構成を示す部分断面図である。
【図３】別の実施例の水供給部の接続位置を示す部分断面図である。
【図４】出力電流値及び出力電圧値と閾値温度との関係のマップを示す図である。
【図５】出力電流値及び出力電圧値と水の流量との関係のマップを示す図である。
【図６】出力電流値及び出力電圧値と水の増分との関係のマップを示す図である。
【図７】水供給制御を説明するタイミングチャートである。
【図８】水供給制御のルーチンを示すフローチャートである。
【図９】別の実施例の燃料電池システムの構成図である。
【図１０】更に別の実施例の燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
【００１２】
燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。
【００１３】
また、燃料電池単セル内には、図２に示されるように、膜電極接合体２０の一方の側に設けられアノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路３０ａと、膜電極接合体２０の他方の側に設けられカソード極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路４０ａと、燃料電池単セルに冷却ガスを供給するための冷却ガス流通路５０ａとがそれぞれ形成されている。複数の燃料電池単セルの燃料ガス流通路３０ａ、酸化剤ガス流通路４０ａ、及び冷却ガス流通路５０ａをそれぞれ並列又は直列に接続することにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び冷却ガス通路５０がそれぞれ形成される。
【００１４】
燃料ガス流通路３０ａ及び酸化剤ガス流通路４０ａは、膜電極接合体２０の両側を互いに並行に延びている。そして、燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉと、酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏとが互いに隣接するように、燃料ガス流通路３０ａ内の燃料ガスの流れと、酸化剤ガス流通路４０ａ内の酸化剤ガスの流れとが設定されている。具体的には、燃料ガス流通路３０ａ内の燃料ガスの流れ方向と、酸化剤ガス流通路４０ａ内の酸化剤ガスの流れ方向とが、膜電極接合体２０の両側において互いに逆向きになるように、燃料ガス流通路３０ａ及び酸化剤ガス流通路４０ａが形成されている。したがって、膜電極接合体２０のアノード極側を流れる燃料ガスと、膜電極接合体２０のカソード極側を流れる酸化剤ガスとは、互いに向かい合う向きに流れる。このとき、燃料ガス流通路３０ａ内の燃料ガスと、酸化剤ガス流通路４０ａ内の酸化剤ガスとは、対向流を形成しているということができる。このとき、各ガスの流れの向きは、厳密な意味で互いに逆向き（互いに向かい合う向き）である必要はなく、少しの交差を有しつつ概ね互いに逆向きであってもよい。図１及び図２に示す実施例では、燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉと酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏとが概ね隣接し、燃料ガス通路３０の入口と酸化剤ガス通路４０の出口とが概ね隣接している。また、燃料ガス流通路３０ａの出口３０ａｏと酸化剤ガス流通路４０ａの入口４０ａｉとが概ね隣接している。
【００１５】
また、冷却ガス流通路５０ａと酸化剤ガス流通路４０ａとは、燃料電池スタック１０内で互いに並行に延びている。図２に示す実施例では、冷却ガス流通路５０ａ内の冷却ガスの流れ方向と酸化剤ガス流通路４０ａ内の酸化剤ガスの流れ方向とが互いに逆向きになるように、冷却ガス流通路５０ａが形成されることが好ましい。すなわち、冷却ガス流通路５０ａ内の冷却ガスと、酸化剤ガス流通路４０ａ内の酸化剤ガスとは、上記された意味で対向流を形成することが好ましい。この場合、温度が比較的高い酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏ付近の領域と、温度が比較的低い冷却ガス流通路５０ａの入口５０ａｉ付近の領域とが隣接するので、酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏ付近の膜電極接合体２０を効率的に冷却でき、その付近のカソード極及びカソード極側の電解質の乾燥を効果的に抑制できる。
【００１６】
燃料ガス通路３０の入口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、燃料ガスは水素ガスから形成され、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料ガス源３２からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内にはアノードオフガス管３６内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁３７が配置される。
【００１７】
また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は酸化剤ガス源４２に連結される。図１に示される実施例では、酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源４２は大気である。酸化剤ガス供給管４１内にはガスクリーナ４３が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス管４５の入口が連結され、カソードオフガス管４５の出口は大気に連通される。カソードオフガス管４５内には、ブロア４４と放熱器４６とが配置される。この場合、ブロア４４の入口は酸化剤ガス通路４０に連結され、ブロア４４の出口は放熱器４６に連結される。ブロア４４が駆動されると、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給管４１に引き込まれ、酸化剤ガス供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４５内に流入し、ブロア４４に吸入された後に、ブロア４４から吐出され、放熱器４６で放熱されて温度を下げられて、そのまま排気される。図示しない別の実施例では、カソードオフガス管４５の出口はアノードオフガス希釈器に連結され、放熱器４６で温度を下げられたカソードオフガスはアノードオフガスの希釈に利用される。図示しない更に別の実施例では、ブロア４４の代わりに酸化剤ガス供給管４１内にコンプレッサが配置され、コンプレッサが駆動されると、酸化剤ガス供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。
【００１８】
燃料電池システムＡは、更に、酸化剤ガス流通路４０ａから流出したカソードオフガス中の水分を凝縮すると共に、凝縮された水を貯蔵する水貯蔵部６８と、水貯蔵部６８に貯蔵された水を燃料ガス流通路３０ａの入口に供給するための水供給部６９とを備える。図１に示す実施例では、カソードオフガス管４５の途中にカソードオフガス管４５から分岐する分岐管６１が連結され、分岐管６１内に水貯蔵部６８と水供給部６９とが配置される。分岐管６１は燃料ガスインジェクタ３５下流の燃料ガス供給管３１に連結され、水供給部６９は水貯蔵部６８に貯蔵された水を燃料ガス供給管３１に供給する。別の実施例では、図３に示すように、分岐管６１は燃料ガス通路３０の入口に連結され、水供給部６９は水貯蔵部６８に貯蔵された水を燃料ガス通路３０の入口に供給する。
【００１９】
図１に示す実施例では、水貯蔵部６８は、カソードオフガス管４５から分岐管６１内へ流れ込むカソードオフガスの量を制御する制御弁６２と、カソードオフガス中の水分を凝縮する凝縮器６３と、凝縮器６３で凝縮された水を貯蔵する水タンク６４と、凝縮器６３で水分を除去されたカソードオフガスを外部へ排出する排気管６１ａ内に設けられた排気弁６７とを備える。図１に示す実施例では制御弁６２は分岐管６１の入口に配置された三方弁である。この場合、制御弁６２はカソードオフガス管４５を分岐管６１に連通するか、又は、分岐管６１から分離する。図示しない別の実施例では、制御弁６２は分岐管６１内に設けられた二方弁である。また、図示しない更に別の実施例では、凝縮器６３と水タンク６４とは一体である。一方、水供給部６９は、水貯蔵部６８に貯蔵された水に含まれるイオン性の不純物を除去するイオン交換器６５と、水貯蔵部６８に貯蔵された水を燃料ガス供給管３１内に噴射する供給水インジェクタ６６とを備える。図示しない別の実施例では、イオン交換器６５は省略される。
【００２０】
制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、排気弁６７が開弁されると、カソードオフガス管４５からカソードオフガスの一部又は全部が分岐管６１に流入し、流入したカソードオフガス中の水分が凝縮器６３により凝縮される。凝縮された水は水タンク６４に貯蔵され、水分を除去された後のカソードオフガスは排気管６１ａから外部へ排出されるか、又は、アノードオフガスの希釈などに使用される。水タンク６４に貯蔵された水は、イオン交換器６５でイオン性の不純物を除去され、供給水インジェクタ６６で燃料ガス供給管３１へ送出される。図示しない別の実施例では、制御弁６２を用いず、カソードオフガス管４５内に水貯蔵部６８と水供給部６９とが配置され、カソードオフガス管４５の出口が燃料ガス供給管３１に連結されて、カソードオフガスの全量が常時、水貯蔵部６８を通過して排気弁６７から排気される。
【００２１】
冷却ガス通路５０の入口には冷却ガス供給管５１が連結され、冷却ガス供給管５１は冷却ガス源５２に連結される。図１に示される実施例では、冷却ガスは空気から形成され、冷却ガス源５２は大気から形成される。冷却ガス供給管５１内には冷却ガスブロア５４が配置される。一方、冷却ガス通路５０の出口には冷却ガス排出管５３の入口が連結され、冷却ガス排出管５３の出口は大気に連通される。冷却ガスブロア５４が駆動されると、冷却ガスが冷却ガス供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却ガス通路５０内に供給される。このとき、冷却ガス通路５０から流出する冷却ガス、すなわち排冷却ガスは冷却ガス排出管５３に流入し、そのまま排気される。図示しない別の実施例では、冷却ガス供給管５１の出口はアノードオフガス希釈器に連結され、冷却ガスはアノードオフガスの希釈に利用される。図示しない更に別の実施例では、冷却ガスブロア５４の代わりにコンプレッサが用いられる。このように、図１に示す実施例の燃料電池システムＡは、空冷式である。
【００２２】
電子制御ユニット７０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス７１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）７２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７４、入力ポート７５及び出力ポート７６を具備する。燃料ガスインジェクタ３５と燃料電池スタック１０との間の燃料ガス供給管３１には燃料ガス供給管３１内の圧力を検出する圧力センサ８１が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス流通路４０ａの出口、すなわち燃料ガス流通路３０ａの入口付近には、その付近での燃料電池単セルの温度、すなわちセル温度を検出する温度センサ８２が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０には出力電流値及び出力電圧値を検出する出力センサ８３が取り付けられる。また、水タンク６４には水タンクの水量を計測する水量センサ８４が取り付けられる。燃料電池スタック１０のセル温度、出力電流値及び出力電圧値は燃料電池スタック１０の状態と見ることができ、温度センサ８２及び出力センサ８３は、燃料電池スタック１０の状態を検出する検出部と見ることができる。圧力センサ８１、温度センサ８２及び出力センサ８３の出力信号は対応するＡＤ変換器７７を介して入力ポート７５に入力される。一方、出力ポート７６は対応する駆動回路７８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、アノードオフガス制御弁３７、ブロア４４、冷却ガスブロア５４、制御弁６２、排気弁６７、供給水インジェクタ６６に電気的に接続される。
【００２３】
ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び燃料ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ブロア４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−，（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。
【００２４】
図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電流値及び目標電圧値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値及び出力電圧値をそれぞれ目標電流値及び目標電圧値にするのに必要な燃料ガス量及び酸化剤ガス量、すなわち目標燃料ガス供給量及び目標酸化剤ガス供給量が求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる燃料ガス量が目標燃料ガス供給量となるようにレギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガス量が目標酸化剤ガス供給量となるようにブロア４４が制御される。以上のようにして、燃料電池システムＡでの発電が制御される。
【００２５】
一方、図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の温度を表す冷却ガス温度が予め設定された目標温度範囲内に維持されるように冷却ガスブロア５４が供給する冷却ガス量が制御される。具体的には、冷却ガス温度を予め定められた目標温度範囲内に維持するのに必要な冷却ガス量、すなわち目標冷却ガス量が算出される。次いで、冷却ガス量が目標冷却ガス量になるように冷却ガスブロア５４が制御される。以上のようにして、燃料電池システムＡでの冷却が制御される。
【００２６】
ところが、空冷式燃料電池システムは、高出力運転のように発熱量が多い状況では、酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏ付近、すなわちカソード極側出口付近のセル温度が高くなり過ぎて、膜電極接合体２０のカソード極側から水分が蒸発して、反対側のアノード極側が大きく乾燥してしまうおそれがある。そうなると、膜電極接合体２０での電気化学反応が低下して、燃料電池スタック１０の出力が低下してしまう。そこで、図１に示す実施例では、酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏ付近でのセル温度が予め設定された閾値温度より高くなると、水貯蔵部６８に貯蔵された水を所定の流量で水供給部６９から燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉへ向けて送出させるようにしている。すなわち、燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉ、すなわちアノード極側入口から水分を補充することで、膜電極接合体２０のアノード極側が乾燥することを回避することができる。その結果、膜電極接合体２０でのアノード極入口付近での電気化学反応を維持することができ、燃料電池スタック１０の出力の低下を防止できる。加えて、各セルにおいて、膜電極接合体２０での電気化学反応の面内分布を均一化することができる。更に、水分の供給により温度の高いアノード極入口付近、すなわちカソード極出口付近が冷やされるので、膜電極接合体２０での温度の面内分布を均一化することができる。また、膜電極接合体２０が冷やされ、水の蒸発が低減されるので、カソード極及びカソード極側の電解質についても水分で潤うことができる。
【００２７】
ここで、酸化剤ガス流通路４０ａの出口４０ａｏ付近、すなわちカソード極側出口付近の閾値温度Ｔ０は以下のようにして決定される。燃料電池スタック１０の出力電流値が大きいほど発熱量が大きくなり、出力電圧値が小さいほど発熱量が大きくなるため、セル温度が上昇し易くなる。その結果、膜電極接合体２０のカソード極側から水分が蒸発して、反対側のアノード極側が大きく乾燥する状況が発生し易くなる。したがって、それに対処するために、出力電流値が大きいほど閾値温度Ｔ０が低くなり、出力電圧値が小さいほど閾値温度Ｔ０が低くなるように閾値温度Ｔ０を設定する。言い換えれば、出力電流値が小さいほど閾値温度Ｔ０が高くなり、出力電圧値が大きいほど閾値温度Ｔ０が高くなるように閾値温度Ｔ０が設定される。それにより、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方の場合には、迅速に、水貯蔵部６８に貯蔵された水を所定の流量で水供給部６９から燃料ガス流通路３０ａの入口へ向けて送出させることができる。すなわち、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方であり、膜電極接合体２０のアノード極側で水が不足しそうな場合を早期に検出して、燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉからアノード極側へ水分を迅速に補充できる。そのような閾値温度Ｔ０は、出力電流値及び出力電圧値の関数として予め設定されており、例えば図４に示される出力電流値Ｉ（Ｉ１、…、Ｉｎ）及び出力電圧値Ｖ（Ｖ１、…、Ｖｍ）と閾値温度Ｔ０（Ｔ０１１、…、Ｔ０ｍｎ）との関係を示すマップの形でＲＯＭ７２内に予め記憶されている。別の実施例では、閾値温度Ｔ０は目標電流値及び目標電圧値の関数として予め設定される。この場合、出力電流値及び出力電圧値を用いる場合と比較して、膜電極接合体２０のアノード極側で水が不足しそうな場合をより早期に検出して、燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉからアノード極側へ水分をより迅速に補充できる。更に別の実施例では、閾値温度Ｔ０は一定値である。
【００２８】
また、水供給部６９から供給される水の流量Ｑは以下のようにして決定される。燃料電池スタック１０の出力電流値が大きいほど発熱量が大きくなり、出力電圧値が小さいほど発熱量が大きくなるため、セル温度が上昇し易くなる。その結果、膜電極接合体２０のアノード極側で不足する水の量が多くなる。したがって、それに対処するために、出力電流値が大きいほど流量Ｑが多くなり、出力電圧値が小さいほど流量Ｑが多くなるように流量Ｑを設定する。言い換えれば、出力電流値が小さいほど流量Ｑが少なくなり、出力電圧値が大きいほど流量Ｑが少なくなるように流量Ｑが設定される。それにより、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方の場合には、十分な量の水を、水供給部６９から燃料ガス流通路３０の入口へ向けて送出させることができる。すなわち、出力電流値が大きい及び出力電圧値が小さいのうちの少なくとも一方であり、膜電極接合体２０のアノード極側で多量の水が不足しそうな場合を検出して、燃料ガス流通路３０ａの入口３０ａｉからアノード極側へ十分な量の水分を補充できる。そのような流量Ｑは、出力電流値及び出力電圧値の関数として予め設定されており、例えば図５に示される出力電流値Ｉ（Ｉ１、…、Ｉｎ）及び出力電圧値Ｖ（Ｖ１、…、Ｖｍ）と流量Ｑ（Ｑ１１、…、Ｑｍｎ）との関係を示すマップの形でＲＯＭ７２内に予め記憶されている。別の実施例では、流量Ｑは目標電流値及び目標電圧値の関数として予め設定される。更に別の実施例では、流量Ｑは一定の流量である。
【００２９】
上記の流量Ｑは出力電流値及び出力電圧値に基づいて設定されているが、燃料電池スタック１０の現実の状態によっては流量Ｑが十分でない状況も考え得る。そこで、図１の実施例では、そのような状況に応じて、流量Ｑを所定の増分ずつ増加させて対応する。流量Ｑを増加させる増分ΔＱは、流量Ｑと同様の考え方で決定される。すなわち増分ΔＱは、出力電流値が大きいほど増分ΔＱが多くなり、出力電圧値が小さいほど増分ΔＱが多くなるように増分ΔＱが設定される。言い換えると、出力電流値が小さいほど増分ΔＱが少なくなり、出力電圧値が大きいほど増分ΔＱが少なくなるように増分ΔＱが設定される。そのような増分ΔＱは、出力電流値及び出力電圧値の関数として予め設定されており、例えば図６に示される出力電流値Ｉ（Ｉ１、…、Ｉｎ）及び出力電圧値Ｖ（Ｖ１、…、Ｖｍ）と増分ΔＱ（ΔＱ１１、…、ΔＱｍｎ）との関係を示すマップの形でＲＯＭ７２内に予め記憶されている。別の実施例では、増分ΔＱは目標電流値及び目標電圧値の関数として予め設定される。更に別の実施例では、増分ΔＱは一定の量である。
【００３０】
次に、カソードオフガスの水分を燃料ガス通路３０の入口に供給するための制御、すなわち水供給制御について図７を参照して説明する。
【００３１】
水タンク６４の水は、カソードオフガスが凝縮器６３内を流通することにより凝縮器６３内で生成される。言い換えると、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、排気弁６７が開弁されて、カソードオフガスが分岐管６１に流入することにより、水タンク６４の水の生成が開始される。一方、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１から分離され、排気弁６７が閉弁されて、カソードオフガスが分岐管６１に流入しなくなることにより、水タンク６４の水の生成が停止される。
【００３２】
図７においてＸは、温度センサ８２により測定されるセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０よりも高い状態にあることを示している。ただし、閾値温度Ｔ０は、出力センサ８３で検出された出力電流値Ｉ及び出力電圧値Ｖに基づいて、図４に示されるマップから算出される。時間ｔ１において、セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０よりも高い状態にあることが検知されると、供給水インジェクタ６６が作動され、水タンク６４の水が流量Ｑ＝Ｑａで燃料ガス供給管３１へ噴射される。ただし、初期の流量Ｑａは、出力センサ８３で検出された出力電流値Ｉ及び出力電圧値Ｖに基づいて、図５に示されるマップから算出される。それにより、水タンク６４の水が燃料ガス通路３０の入口に供給され、膜電極接合体２０のアノード極側の入口に流入する。その結果、アノード極側に水分が補充され、セル温度Ｔは低下し始める。このとき、例えば、水量センサ８４で検出された水タンク６４の水量が閾値水量Ｐ０以上の場合、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１から分離され、排気弁６７が閉弁（図示されず）された状態が維持される。その結果、凝縮器６３へアノードオフガスが流入せず、凝縮器６３で凝縮水が生成されない。すなわち、水タンク６３からの水の使用（供給水インジェクタ６６による噴射）が行われ、水タンク６３での水の生成（凝縮器６３による凝縮水の生成）は行われない。
【００３３】
時間ｔ２、すなわち時間ｔ１から所定時間Δｔｓの経過後、温度センサ８２によりセル温度Ｔが測定される。温度センサ８２により測定されるセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０よりも高い状態にあることが検知されると、供給水インジェクタ６６から噴射される水の流量Ｑが増分ΔＱだけ増加され、水タンク６４の水が流量Ｑ＝Ｑｂ（＝Ｑａ＋ΔＱ）で燃料ガス供給管３１へ噴射される。ただし、増分ΔＱは、出力センサ８３で検出された出力電流値Ｉ及び出力電圧値Ｖに基づいて、図６に示されるマップから算出される。それにより、水タンク６４の水が増加された流量Ｑｂで燃料ガス通路３０の入口に供給され、膜電極接合体２０のアノード極側の入口に流入する。その結果、アノード極側に水分が更に補充され、セル温度Ｔは更に低下する。このとき、水タンクの水量Ｐは、時間ｔ１〜ｔ２での水の噴射による減少で、例えば、元の水量Ｐ０から減少して水量Ｐａになる。すなわち、水量センサ８４で検出された水タンク６４の水量が閾値水量Ｐ０未満であるため、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、排気弁６７が開弁される（図示されず）。その結果、凝縮器６３へ流入するアノードオフガスが流入し、凝縮器６３で凝縮水が生成され、水タンク６４で貯蔵される。すなわち、水タンク６３からの水の使用（供給水インジェクタ６６による噴射）と、水タンク６３での水の生成（凝縮器６３による凝縮水の生成）とが同時に行われる。
【００３４】
以下、同様のプロセスを、温度センサ８２により測定されるセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下になるまで繰り返される。ここでは、時間ｔ４にセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０になる場合を説明する。
【００３５】
時間ｔ３、すなわち時間ｔ２から所定時間Δｔｓの経過後、温度センサ８２によりセル温度Ｔが測定される。温度センサ８２により測定されるセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０よりも高い状態にあることが検知されると、供給水インジェクタ６６から噴射される水の流量Ｑが更に増分ΔＱだけ増加され、水タンク６４の水が流量Ｑ＝Ｑｃ（＝Ｑｂ＋ΔＱ）で燃料ガス供給管３１へ噴射される。それにより、水タンク６４の水が増加された流量Ｑｃで燃料ガス通路３０の入口に供給され、膜電極接合体２０のアノード極側の入口に流入する。その結果、アノード極側に水分が更に補充され、セル温度Ｔは更に低下する。このとき、水タンクの水量Ｐは、時間ｔ２〜ｔ３での水の噴射による減少と、凝縮器６３へ流入するアノードオフガスの水分の凝縮による増加とで変動し、例えば、水量Ｐａから減少して水量Ｐｂ（＜Ｐａ）になる。すなわち、水量センサ８４で検出された水タンク６４の水量が閾値水量Ｐ０未満であるため、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、排気弁６７が開弁された状態が維持される。
【００３６】
時間ｔ４、すなわち時間ｔ３から所定時間Δｔｓの経過後、温度センサ８２によりセル温度Ｔが測定される。温度センサ８２により測定されるセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下であることが検知されると、供給水インジェクタ６６が停止される。すなわち、水の流量Ｑはゼロになる。このとき、水タンクの水量Ｐは、時間ｔ３〜ｔ４での水の噴射による減少と、凝縮器６３へ流入するアノードオフガスの水分の凝縮による増加とで変動し、例えば水量Ｐｂから減少して水量Ｐｃ（＜Ｐｂ）になる。すなわち、水量センサ８４で検出された水タンク６４の水量が閾値水量Ｐ０未満であるため、水タンク６４の水の補給を行うべく、供給水インジェクタ６６が停止した後も制御弁６２及び排気弁６７の開弁の状態が維持される。それにより、アノードオフガスが凝縮器６３へ導入され、アノードオフガス中の水分が凝縮されて、水タンク６４の水量Ｐが増加する。ただし、所定時間Δｔｓの経過ごとに、水タンク６４の水量Ｐが閾値水量Ｐ０に達したか否かが判断される。その後、例えば時間ｔ５において、水タンク６４の水量Ｐが閾値水量Ｐ０に達すると、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１から分離され、排気弁６７が閉弁される。別の実施例では、制御弁６２は中間の開度（例示：５０％など）とすることが可能で、上記時間ｔ１〜ｔ４において中間の開度で開弁する。
【００３７】
図８は、図１の燃料電池システムＡにおけるカソードオフガスの水分をアノード極側に供給するための制御、すなわち水供給制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。
【００３８】
図８を参照すると、ステップ１００では燃料電池スタック１０の状態データが取得される。状態データは、出力センサ８３で検出される出力電流値及び出力電圧値並びに温度センサ８２で検出されるセル温度Ｔである。続くステップ１０１ではセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０よりも高いか否かが判別される。セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下の場合、プロセスは終了する。セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０より高い場合、水タンク６４の水が供給水インジェクタ６６から燃料ガス通路３０の入口に向けて流量Ｑで噴射される。続くステップ１０３では水タンク６４の水が閾値水量Ｐ０未満であるか否かが判別される。水タンク６４の水が閾値水量Ｐ０以上である場合、プロセスはステップ１０５へ進む。水タンク６４の水が閾値水量Ｐ０未満である場合、ステップ１０４において、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、及び排気弁６７が開弁される。そして、ステップ１０５での所定時間Δｔｓ経過後に、ステップ１０６ではセル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下か否かが判別される。セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下の場合、プロセスはステップ１０８へ進む。セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０より高い場合、ステップ１０７において図６のマップから増分ΔＱが算出されると共に、供給水インジェクタ６６から噴射される水の流量Ｑが増分ΔＱだけ増加される。以下、セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下になるまで、ステップ１０２〜１０７が繰り返される。セル温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下のとき、ステップ１０８では制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、排気弁６７が開弁されている場合にはその状態が維持される。一方、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１から分離され、排気弁６７が開弁されていない場合には、制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１に連通され、排気弁６７が開弁される。その後、ステップ１０９において、水タンク６４の水が閾値水量Ｐ０以上になるまで、水タンク６４に水が蓄積される。その後、水タンク６４の水が閾値水量Ｐ０以上になると、ステップ１１０において制御弁６２によりカソードオフガス管４５が分岐管６１から分離され、排気弁６７が閉弁される。
【００３９】
次に、図９を参照して燃料電池システムＡの別の実施例を説明する。
図９に示す燃料電池システムＡは、カソードオフガス管４５の出口が冷却ガス通路５０の入口に連結され、すなわち酸化剤ガス通路４０の出口が冷却ガス通路５０の入口に連結され、カソードオフガスが冷却ガスとして冷却ガス通路５０を流れる点で、図１に示す燃料電池システムＡと相違する。このとき、図１に示す燃料電池システムＡと同様の効果を奏すると共に、更に、冷却ガスブロア５４を省略でき、冷却ガスブロア５４の動作に要する電力、冷却ガスブロア５４の占有空間及び冷却ガスブロア５４のコストを削減できる。
【００４０】
図示しない別の実施例では、カソードオフガスのうちの目標冷却ガス量のカソードオフガスが冷却ガス通路５０に供給されるように、カソードオフガス管４５の出口近傍に三方弁が設けられ、カソードオフガスの全部又は一部が冷却ガス通路５０へ供給され、残りが外部へ排気される。図示しない更に別の実施例では、カソードオフガス管４５の出口に加えて排気管６１ａの出口も冷却ガス通路５０の入口に連結される。
【００４１】
次に、図１０を参照して燃料電池システムＡの更に別の実施例を説明する。
図１０に示す燃料電池システムＡは、分岐管６１が冷却ガス排出管５３から分岐され、排冷却ガスが分岐管６１へ供給される点で、図９に示す燃料電池システムＡと相違する。この場合、図９に示す燃料電池システムＡと比較して、冷却ガス通路５０を通過することで凝縮器６３に贈られるカソードオフガスの温度は高くなっているので、分岐管６１の途中に放熱器４６ａが追加的に設けられる。この場合にも、図９の燃料電池システムＡと同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ    燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
３０ａ    燃料ガス流通路
４０ａ    酸化剤ガス流通路
５０ａ    冷却ガス流通路
６８    水貯蔵部
６９    水供給部
８２    温度センサ
８３    出力センサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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