(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと前記反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段とを有する固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、
前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第１の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第２の検出手段とを備え、
前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記既反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記既反応ガス通路へ前記既反応ガスを流すことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと前記反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段を有する固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、
前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第１の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第２の検出手段とを備え、
前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記未反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記未反応ガス通路へ前記未反応反応ガスを流すことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
前記温湿度交換手段が、複数の交換セルから構成され、前記複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の既反応ガス流路と、残りの交換セルに流通する第２の既反応ガス流路とが設けられ、前記第２の既反応ガス流路を開閉する開閉弁が設けられ、
前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第２の既反応ガス流路へ前記既反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第１の既反応ガス流路のみへ前記既反応ガスを流すことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
前記温湿度交換手段が、複数の交換セルから構成され、前記複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の未反応ガス流路と、残りの交換セルに流通する第２の未反応ガス流路とが設けられ、前記第２の未反応ガス流路を開閉する開閉弁が設けられ、
前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、
前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第２の未反応ガス流路へ前記未反応ガスを流し、
その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第１の未反応ガス流路のみへ前記未反応ガスを流すことを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池システムに係り、特に、温湿度交換手段における加湿量を適切に制御すべく改良を施した固体高分子型燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等の低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の高温作動燃料電池とに大別される。
なかでも、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと記す）は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や車両用などの電源として注目されている。
【０００３】
一般的な燃料電池システムは、メタン等の炭化水素またはメタノール等のアルコールを燃料とし、燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器、水素リッチガス中のＣＯを低減するシフト反応器および選択酸化器、酸化剤として空気を供給するコンプレッサー、電池反応による発熱を取り除く冷却系、そして燃料電池本体から構成されている。そして、燃料電池本体では、燃料ガスに含まれる水素から水素イオンが生成され、この水素イオンが電解質膜内を伝導して酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生じる。その際に、水素の化学エネルギーの一部が直接電気エネルギーとして取り出される。
【０００４】
また、電解質膜は含水状態で良好な水素イオン伝導性を示すため、運転中は、電解質膜に水分を与えて含水状態に保つ加湿が不可欠である。この加湿方法としては、反応ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式、電池冷却水と未反応ガスを加湿膜を介して接触させ、電池冷却水の一部を未反応ガスに添加する間接内部加湿方式、電池冷却水を電池反応部の反応ガスに直接供給する直接内部加湿方式などが知られている。
【０００５】
一方、近年、電池部を通過した既反応ガスと電池部を通過する前の未反応ガスを水蒸気透過膜を介して接触させ、水蒸気の分圧差により、既反応ガスに含まれる水分を未反応ガスに添加する加湿方式が提案されている(J. F. McElroy and L. J. Nuttall, "Status of Solid Polymer Electrolyte Technology and Potential for Transportation Applications", 17th IECEC, 1982, pp.667-671.)。
この場合、電極反応に伴い水蒸気が生成されるため、既反応ガスには飽和もしくはそれに近い水蒸気が含まれることになる。一方、未反応ガスには含まれる水蒸気が少ないため、それぞれのガスには水蒸気分圧差が生じ、これを駆動力として、水蒸気を濃度拡散させることができる。この方法は、上記の文献でも述べられているように、相変化を生じさせないというところに特徴がある。なお、特開平６−１３２０３８号にも同様の加湿方法が開示されている。
【０００６】
図２４は、従来から用いられている一般的な固体高分子型燃料電池システムの構成を示した図である。すなわち、固体高分子型燃料電池本体は、燃料極１、酸化剤極２からなる一対のガス拡散電極に、イオン伝導性とガス分離機能を有する固体高分子電解質膜３を挟持させて構成されている。そして、燃料極１に水素等の燃料ガス、酸化剤極２に空気等の酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応により起電力が生じる。この電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池本体には、余剰な熱を除去するために、内部に冷却水を流通させた冷却水板４が配設されている。
【０００７】
また、燃料を改質して水素リッチガスを生成する燃料改質器５、水素リッチガス中のＣＯを低減するＣＯ低減器６が設けられ、改質された燃料ガスが燃料極１に供給されるように構成されている。この燃料ガスは、電池反応によって所定量消費された後、燃料排ガスとして改質器５のバーナーに供給され、改質器の熱源となる。
【０００８】
一方、燃料電池の冷却水板４には、冷却水ポンプ７により不凍液が供給されるように構成されている。冷却水板４に供給された不凍液は、電池反応によって生じた熱を取り除いた後、ファン８により冷却され、循環される。また、ファン８の入口には、不凍液リザーバタンク９が接続され、不凍液の量を調整するように構成されている。
【０００９】
また、コンプレッサー１０によって供給された空気は、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２を経て燃料電池の酸化剤極２に供給されるように構成されている。この酸化剤ガスは、電池反応により所定量消費された後、電池反応によって生じた生成水を回収して電池外に排出される。排出された空気は、温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３に供給され、保水性多孔質体１４を介して、水分を未反応空気に与え、未反応空気を加湿した後、酸化剤排ガスとして系外に排出されるように構成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の加湿方法には、以下に述べるような様々な問題点がある。
すなわち、水蒸気透過膜を介して既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加して加湿する方法では、お互いのガスの水蒸気分圧差だけで加湿を行うため、既反応ガス側での水蒸気濃度勾配による拡散抵抗、水蒸気透過膜内の拡散抵抗、さらに未反応ガス側での拡散抵抗など、水蒸気の拡散抵抗が非常に大きくなるため、十分な加湿をする場合には大きな加湿器が必要となるといった問題がある。
【００１１】
また、この方法では、加湿量は、既反応ガスに含まれる水蒸気の量と媒体となる多孔質体の交換面積により決まるが、通常、多孔質体の交換面積は一定なので、加湿量は既反応ガスに含まれる水蒸気の量、すなわち水蒸気分圧により決まることになる。
水蒸気分圧は温度や出力などの作動条件により異なるが、どのような作動条件であっても、必要な加湿量が得られるように制御する必要がある。必要な加湿量が得られない場合には、電解質膜中の水分が減少し、水素イオン伝導率が低下して性能が低下してしまうからである。さらに、反応部を通過した既反応ガス中の水分も減少し、水蒸気分圧が下がるので、ますます加湿量が低下するという悪循環に陥る可能性がある。
【００１２】
このように、水蒸気透過膜を介して既反応ガスの水蒸気を未反応ガスに添加して加湿する方法では、加湿量が既反応ガス中の水蒸気分圧により決まるため、加湿量が少ないなどバランスした状態を外れると、加湿量の制御が難しいという問題点がある。
【００１３】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、温湿度交換手段における加湿量を適切に制御することができる、高性能の固体高分子型燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと前記反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段とを有する固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第１の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第２の検出手段とを備え、前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記既反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記既反応ガス通路へ前記既反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、既反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路への切替弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される既反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと前記反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段を有する固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路を形成し、前記バイパス通路への切替弁を設け、前記反応部を通過した既反応ガスの温度または湿度を検出する第１の検出手段と、前記反応部を通過する前の未反応ガスの温度または湿度を検出する第２の検出手段とを備え、前記各検出手段によって検出される前記未反応ガス温度と前記既反応ガス温度との比例関係を示す温湿度交換手段のバランス曲線と、生成水が効率良く排出されるために既反応ガス中の水蒸気量が未反応ガス中の水蒸気量と生成水と燃料ガス入口及び出口の水蒸気量の差分との和と等しくなるための前記既反応ガス温度及び前記未反応ガス温度の関係を示す電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を下回った場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路へ前記未反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以上となった場合に前記切替弁を制御して前記バイパス通路を閉じ前記未反応ガス通路へ前記未反応反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項２に記載の発明によれば、未反応ガス流路の入口側と出口側を結ぶバイパス通路への切替弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される未反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【００１６】
以上のような請求項１又は請求項２に記載の発明によれば、既反応ガス流路に対するバイパス通路への切替弁、あるいは、未反応ガス流路に対するバイパス通路への切替弁を制御することができるので、温湿度交換手段における加湿量をより精度良く制御することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段が、複数の交換セルから構成され、前記複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の既反応ガス流路と、残りの交換セルに流通する第２の既反応ガス流路とが設けられ、前記第２の既反応ガス流路を開閉する開閉弁が設けられ、前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第２の既反応ガス流路へ前記既反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第１の既反応ガス流路のみへ前記既反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項３に記載の発明によれば、温湿度交換手段が複数の交換セルから構成されている場合に、第１の既反応ガス流路と第２の既反応ガス流路を設け、第２の既反応ガス流路を開閉する開閉弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される既反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段が、複数の交換セルから構成され、前記複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の未反応ガス流路と、残りの交換セルに流通する第２の未反応ガス流路とが設けられ、前記第２の未反応ガス流路を開閉する開閉弁が設けられ、前記温湿度交換手段のバランス曲線と、前記電池水バランス曲線とに基づいて、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度を上回った場合に前記開閉弁を開いて前記第２の未反応ガス流路へ前記未反応ガスを流し、その後、前記既反応ガス温度が前記電池水バランス曲線上の既反応ガス温度以下となった場合に前記開閉弁を閉じて前記第１の未反応ガス流路のみへ前記未反応ガスを流すことを特徴とする。上記のような構成を有する請求項４に記載の発明によれば、温湿度交換手段が複数の交換セルから構成されている場合に、第１の未反応ガス流路と第２の未反応ガス流路を設け、第２の未反応ガス流路を開閉する開閉弁を制御することにより、温湿度交換手段に供給される未反応ガスの流量を調整することができるので、未反応ガスの加湿量を容易に制御することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照して具体的に説明する。なお、図２４に示した従来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。
【００２２】
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３の入口と出口を結ぶバイパス通路２０が設けられ、燃料電池の酸化剤極２から温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３へ至るライン上に、前記バイパス通路２０へ切り替える切替弁２１と、既反応ガス温度センサ２２が設けられている。また、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２から燃料電池の酸化剤極２へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ２３が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ２２と未反応ガス温度センサ２３の検出結果に基づいて、前記切替弁２１の切り替え動作を制御するコントロールユニット２４が設けられている。
【００２３】
図２は、前記切替弁２１の切り替え動作を制御するための未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係を示す図である。すなわち、温湿度交換手段１１では、未反応ガス温度Ｔｄ、すなわち未反応ガス出口露点と、既反応ガス温度Ｔｗ、すなわち既反応ガス入口露点は、比例関係にある（Ｔｗ＝Ｂ（Ｔｄ））。
一方、燃料電池本体では、反応による生成水が反応ガス中に蒸発し、燃料ガスの入口／出口の水蒸気の差分とともに排出空気に含まれる。生成水が効率良く排出されるためには、既反応ガス温度Ｔｗと未反応ガス温度Ｔｄは、既反応ガス中の水蒸気量が、未反応ガス中の水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口／出口の水蒸気量の差分との和と等しくなる関係、すなわち１対１の関係である必要がある（Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ））。
【００２４】
図２に示したように、この２つの曲線が重なる点Ａでは、温湿度交換手段１１で加湿された未反応ガスの温度Ｔｄにおいて含まれる水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口／出口の水蒸気量の差分との和が、温湿度交換手段１１に供給される既反応ガスの温度Ｔｗにおいて含まれる水蒸気量と等しくなり、生成水を効率良く排出できて、定常な運転が可能となる。
【００２５】
［１−２．作用］
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図３に示したフローチャートにしたがって説明する。
図３に示したように、制御開始時には、切替弁２１は既反応ガス流路側へ開かれており、温湿度交換手段１１によって既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。
【００２６】
そして、ステップ３０１において、前記コントロールユニット２４によって、既反応ガス温度センサ２２及び未反応ガス温度センサ２３の検出結果が監視され、Ｔｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
一方、既反応ガス温度がＴｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗの条件を満足した場合、すなわち、図２のＢ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）より下の領域に推移すると、ステップ３０２に進み、バイパス通路２０へ切り替わる。なお、この場合、図２に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔＴｗを設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【００２７】
このようにして、バイパス通路２０へ切り替わると、既反応ガスが温湿度交換手段１１に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図２のＢ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ３０３において、前記コントロールユニット２４によって、既反応ガス温度センサ２２及び未反応ガス温度センサ２３の検出結果が監視され、Ｔｗ≧Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【００２８】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図２のＤ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）よりも上の領域に推移すると、ステップ３０４に進み、再び既反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、既反応ガスが温湿度供給手段１１に供給されて、未反応ガスを加湿し、図２のＤ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔＴｗを設置している。
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れても、燃料電池本体のバランス曲線上のＣ点に保つ制御を行うことができる。
【００２９】
また、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が６５℃、既反応ガス温度が７０℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、２つのシステムとも安定した運転が可能であった（図２のＡ点に相当する）。
【００３０】
次に、既反応ガス温度が６５℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、従来の燃料電池システムでは、未反応ガス温度が６０℃となるように温湿度交換手段がバランスした。ところが、この条件では、未反応ガス温度に対して既反応ガス温度が低く、燃料電池本体で生成水を十分に排出できず、電極内に水が蓄積してガスの拡散を阻害し、運転を行うことができなかった（図２のＢ点に相当する）。
一方、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が６５℃、未反応ガス温度が５０℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった（図２のＣ点に相当する）。
【００３１】
［１−３．効果］
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００３２】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切り替えを切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【００３３】
［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
図４は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２の入口と出口を結ぶバイパス通路３０が設けられ、コンプレッサ１０から温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２へ至るライン上に、前記バイパス通路３０へ切り替える切替弁３１が設けられている。また、第１実施形態と同様に、燃料電池の酸化剤極２から温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３へ至るライン上に、既反応ガス温度センサ３２が設けられ、また、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２から燃料電池の酸化剤極２へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ３３が設けられている。さらに、前記既反応ガス温度センサ３２と未反応ガス温度センサ３３の検出結果に基づいて、前記切替弁３１の切り替え動作を制御するコントロールユニット３４が設けられている。
【００３４】
［２−２．作用］
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図５に示したフローチャートにしたがって説明する。
図５に示したように、制御開始時には、切替弁３１は未反応ガス流路側へ開かれており、温湿度交換手段１１によって既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。
【００３５】
そして、ステップ５０１において、前記コントロールユニット３４によって、既反応ガス温度センサ３２及び未反応ガス温度センサ３３の検出結果が監視され、Ｔｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
一方、既反応ガス温度がＴｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗの条件を満足した場合、すなわち、図２のＢ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）より下の領域に推移すると、ステップ５０２に進み、バイパス通路３０へ切り替わる。なお、この場合も、図２に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔＴｗを設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【００３６】
このようにして、バイパス通路３０へ切り替わると、未反応ガスが温湿度交換手段１１に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図２のＢ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ５０３において、前記コントロールユニット３４によって、既反応ガス温度センサ３２及び未反応ガス温度センサ３３の検出結果が監視され、Ｔｗ≧Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗの条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【００３７】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図２のＤ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）よりも上の領域に推移すると、ステップ５０４に進み、再び未反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、未反応ガスが温湿度供給手段１１に供給されて、加湿され、図２のＤ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔＴｗを設置している。
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れても、燃料電池本体のバランス曲線上のＣ点に保つ制御を行うことができる。
【００３８】
また、第１実施形態と同様に、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が６５℃、既反応ガス温度が７０℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、２つのシステムとも安定した運転が可能であった。
【００３９】
次に、既反応ガス温度が６５℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が６５℃、未反応ガス温度が５０℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった。
【００４０】
［２−３．効果］
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００４１】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切替を切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【００４２】
［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
図６は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第３実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、温湿度交換手段１１が複数の交換セルから構成され、これら複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の既反応ガス流路１３ａと、残りの交換セルに流通する第２の既反応ガス流路１３ｂが設けられ、さらに、前記第２の既反応ガス流路１３ｂを開閉する開閉弁４５が設けられている。
また、温湿度交換手段１１の既反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路４０が設けられ、燃料電池の酸化剤極２から温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３へ至るライン上に、前記バイパス通路４０へ切り替える切替弁４１と、既反応ガス温度センサ４２が設けられている。また、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２から燃料電池の酸化剤極２へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ４３が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ４２と未反応ガス温度センサ４３の検出結果に基づいて、前記切替弁４１及び開閉弁４５の動作を制御するコントロールユニット４４が設けられている。
【００４３】
図７は、本実施形態の温湿度交換手段のセル積層方向の断面図を示したものである。すなわち、温湿度交換手段１１は複数の交換セルで構成され、各交換セルは、未反応ガス流路１２、保水性多孔質体１４及び第１の既反応ガス流路１３ａ、あるいは、未反応ガス流路１２、保水性多孔質体１４及び第２の既反応ガス流路１３ｂから構成されている。
【００４４】
また、図８は第１の既反応ガス流路１３ａ、図９は第２の既反応ガス流路１３ｂ、図１０は未反応ガス流路１２を示したものである。図に示したように、それぞれの流路には、上部に未反応ガス供給マニホールド４６及び既反応ガス排出マニホールド４７が設けられ、下部に未反応ガス排出マニホールド４８と、第１及び第２の既反応ガス供給マニホールド４９，５０が共通して設けられている。また、それぞれの流路には、金属メッシュからなる矩形のガス流路が形成されている。
【００４５】
上述したように、複数の交換セルのうち、一部のセルは、未反応ガス流路１２と第１の既反応ガス流路１３ａが組合わされて使用され、残りのセルは、未反応ガス流路１２と第２の既反応ガス流路１３ｂが組合わされて使用されている。  また、図７に示すように、積層された交換セルの両端部にはエンドプレート５１が設けられており、左のエンドプレート５１ａには、未反応ガス入口５２及び既反応ガス出口５３が設けられ、右のエンドプレート５１ｂには、未反応ガス出口５４と、第１及び第２の既反応ガス入口５５，５６が設けられている。また、図８及び図９に示すように、第１及び第２の既反応ガス流路の既反応ガス排出マニホールド４７は共通になっており、第１及び第２の既反応ガス流路を流れてきた既反応ガスは、同じマニホールドを介して排出される。
【００４６】
図１１は、前記切替弁４１及び開閉弁４５を制御するための未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係を示す図である。
すなわち、温湿度交換手段１１では、未反応ガス温度Ｔｄ、すなわち未反応ガス出口露点と、既反応ガス温度Ｔｗ、すなわち既反応ガス入口露点は、比例関係にある（Ｔｗ＝Ｂ（Ｔｄ））。そして、第２の既反応ガス流路１３ｂへの通路の開閉弁４５を閉じた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図１１中の曲線Ｔｗ＝Ｂ（Ｔｄ）となる。一方、第２の既反応ガス流路１３ｂへの通路の開閉弁４５を開いた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図１１中の曲線Ｔｗ＝Ｃ（Ｔｄ）となる。すなわち、開閉弁４５を開くと、すべての交換セルで加湿が行われるため、同じ既反応ガス温度でも高い未反応ガス温度が得られる。
【００４７】
一方、燃料電池本体では、反応による生成水が反応ガス中に蒸発し、燃料ガスの入口／出口の水蒸気の差分とともに排出空気に含まれる。生成水が効率良く排出されるためには、既反応ガス温度Ｔｗと未反応ガス温度Ｔｄは、既反応ガス中の水蒸気量が、未反応ガス中の水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口／出口の水蒸気量の差分との和と等しくなる関係、すなわち１対１の関係である必要がある（Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ））。
【００４８】
図１１に示したように、曲線が重なる点Ａでは、温湿度交換手段１１で加湿された未反応ガスの温度Ｔｄにおいて含まれる水蒸気量と、生成水と、燃料ガス入口／出口の水蒸気量の差分との和が、温湿度交換手段１１に供給される既反応ガスの温度Ｔｗにおいて含まれる水蒸気量と等しくなり、生成水を効率良く排出できて、定常な運転が可能となる。
【００４９】
［３−２．作用］
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図１２に示したフローチャートにしたがって説明する。
図１２に示したように、制御開始時には、切替弁４１は既反応ガス流路側へ開かれ、また、開閉弁４５は閉じられており、温湿度交換手段１１の複数のセルのうち、第１の既反応ガス流路１３ａを備える交換セルにおいて、既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。残りの交換セルには既反応ガスは供給されず、このセルを流れる未反応ガスは加湿されずにそのまま通過する。
【００５０】
そして、ステップ１２０１において、前記コントロールユニット４４によって、既反応ガス温度センサ４２及び未反応ガス温度センサ４３の検出結果が監視され、Ｔｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗ１の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、ステップ１２０５に進む。
一方、既反応ガス温度がＴｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗ１の条件を満足した場合、すなわち、図１１のＢ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）より下の領域に推移すると、ステップ１２０２に進み、バイパス通路４０へ切り替わる。なお、この場合、図１１に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔＴｗ１を設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【００５１】
このようにして、バイパス通路４０へ切り替わると、既反応ガスが温湿度交換手段１１に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図１１のＢ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ１２０３において、前記コントロールユニット４４によって、既反応ガス温度センサ４２及び未反応ガス温度センサ４３の検出結果が監視され、Ｔｗ≧Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗ１の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【００５２】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図１１のＤ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）よりも上の領域に推移すると、ステップ１２０４に進み、再び既反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、既反応ガスが温湿度供給手段１１に供給されて、未反応ガスを加湿し、図１１のＤ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔＴｗ１を設置している。
【００５３】
また、ステップ１２０５においては、前記コントロールユニット４４によって、既反応ガス温度センサ４２及び未反応ガス温度センサ４３の検出結果が監視され、Ｔｗ＞Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗ２の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、ステップ１２０１に戻り、運転が続けられる。
一方、既反応ガス温度がＴｗ＞Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗ２の条件を満足した場合、すなわち、図１１のＥ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）より上の領域に推移すると、ステップ１２０６に進み、開閉弁４５が開かれる。この時、図１１に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔＴｗ２を設定し、この幅より下回るときに開閉弁が開くようにすると、開閉の回数を少なくできる。
【００５４】
このようにして、開閉弁４５が開かれると、第１の既反応ガス流路１３ａとともに、第２の既反応ガス流路１３ｂへも既反応ガスが供給され、すべての交換セルで未反応ガスが加湿されるため、加湿量が増加し、図１１中のＥ点→Ｆ点のように、未反応ガス温度が上昇していく。
【００５５】
そして、ステップ１２０７において、前記コントロールユニット４４によって、既反応ガス温度センサ４２及び未反応ガス温度センサ４３の検出結果が監視され、Ｔｗ≦Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗ２の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
【００５６】
一方、未反応ガス温度がさらに上昇し、図１１のＧ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）よりも下の領域に推移すると、ステップ１２０８に進み、再び開閉弁４５が閉じられ、第１の既反応ガス流路１３ａのみに既反応ガスが供給されるため、加湿量が減少し、図１１のＧ点→Ｆ点のように、未反応ガス温度が低下する。ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔＴｗ２を設置している。
【００５７】
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れて加湿量が増加しても、燃料電池本体のバランス曲線上のＣ点に保つ制御を行うことができる。また、温湿度交換手段の交換セルを２通りに使用することにより、加湿量が減少しても、燃料電池本体のバランス曲線上のＦ点に保つ制御を行うことができる。
【００５８】
また、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路及び開閉弁をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が６５℃、既反応ガス温度が７０℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、２つのシステムとも安定した運転が可能であった（図１１のＡ点に相当する）。
【００５９】
次に、既反応ガス温度が６５℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、従来の燃料電池システムでは、未反応ガス温度が６０℃となるように温湿度交換手段がバランスした。ところが、この条件では、未反応ガス温度に対して既反応ガス温度が低く、燃料電池本体で生成水を十分に排出できず、電極内に水が蓄積してガスの拡散を阻害し、運転を行うことができなかった（図１１のＢ点に相当する）。
一方、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が６５℃、未反応ガス温度が５０℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった（図１１のＣ点に相当する）。
【００６０】
次に、既反応ガス温度が７５℃となるように燃料電池本体の温度を上げて試験を行ったところ、従来の燃料電池システムでは、未反応ガス温度が７０℃となるように温湿度交換手段がバランスした。ところが、この条件では、未反応ガス温度に対して既反応ガス温度が高く、燃料電池本体で生成水の量以上の水蒸気が排出され、電解質膜中の水分が減少して抵抗が増加し、運転を行うことができなかった（図１１のＥ点に相当する）。
一方、本実施形態の燃料電池システムでは、開閉弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が７５℃、未反応ガス温度が７２℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった（図１１のＦ点に相当する）。
【００６１】
［３−３．効果］
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の既反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００６２】
また、温湿度交換手段を複数の交換セルで構成し、複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の既反応ガス通路と、残りの交換セルに流通する第２の既反応ガス通路と、第２の既反応ガス通路を開閉する弁を設け、開閉弁を制御することで、加湿量を増加させることが可能となり、加湿量が不足した時にも加湿量を増加させて、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００６３】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切替を切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【００６４】
［４．第４実施形態］
［４−１．構成］
図１３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第４実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においても、第３実施形態と同様に、温湿度交換手段１１が複数の交換セルから構成され、これら複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の未反応ガス流路１２ａと、残りの交換セルに流通する第２の未反応ガス流路１２ｂが設けられ、さらに、前記第２の未反応ガス流路１２ｂを開閉する開閉弁６５が設けられている。
また、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路６０が設けられ、コンプレッサ１０から温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２へ至るライン上に、前記バイパス通路６０へ切り替える切替弁６１が設けられている。また、燃料電池の酸化剤極２から温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３へ至るライン上に、既反応ガス温度センサ６２が設けられ、また、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２から燃料電池の酸化剤極２へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ６３が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ６２と未反応ガス温度センサ６３の検出結果に基づいて、前記切替弁６１及び開閉弁６５の動作を制御するコントロールユニット６４が設けられている。
【００６５】
図１４は、本実施形態の温湿度交換手段のセル積層方向の断面図を示したものである。すなわち、温湿度交換手段１１は複数の交換セルで構成され、各交換セルは、第１の未反応ガス流路１２ａ、保水性多孔質体１４及び既反応ガス流路１３、あるいは、第２の未反応ガス流路１２ｂ、保水性多孔質体１４及び既反応ガス流路１３から構成されている。
【００６６】
また、図１５は第１の未反応ガス流路１２ａ、図１６は第２の未反応ガス流路１２ｂ、図１７は既反応ガス流路１３を示したものである。図に示したように、それぞれの流路には、上部に第１及び第２の未反応ガス供給マニホールド６６、６７及び既反応ガス排出マニホールド６８が設けられ、下部に未反応ガス排出マニホールド６９と、既反応ガス供給マニホールド７０が共通して設けられている。また、それぞれの流路には、金属メッシュからなる矩形のガス流路が形成されている。
【００６７】
上述したように、複数の交換セルのうち、一部のセルは、既反応ガス流路１３と第１の未反応ガス流路１２ａが組合わされて使用され、残りのセルは、既反応ガス流路１３と第２の未反応ガス流路１２ｂが組合わされて使用されている。
また、図１４に示すように、積層された交換セルの両端部にはエンドプレート７１が設けられており、左のエンドプレート７１ａには、第１及び第２の未反応ガス入口７２、７３及び既反応ガス出口７４が設けられ、右のエンドプレート７１ｂには、未反応ガス出口７５と、既反応ガス入口７６が設けられている。また、図１５及び図１６に示すように、第１及び第２の未反応ガス流路の未反応ガス排出マニホールド６９は共通になっており、第１及び第２の未反応ガス流路を流れてきた未反応ガスは、同じマニホールドを介して排出される。
【００６８】
図１１は、前記切替弁６１及び開閉弁６５を制御するための未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係を示す図である。
すなわち、温湿度交換手段１１では、未反応ガス温度Ｔｄ、すなわち未反応ガス出口露点と、既反応ガス温度Ｔｗ、すなわち既反応ガス入口露点は、比例関係にある（Ｔｗ＝Ｂ（Ｔｄ））。そして、第２の未反応ガス流路１２ｂへの通路の開閉弁６５を閉じた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図１１中の曲線Ｔｗ＝Ｂ（Ｔｄ）となる。一方、第２の未反応ガス流路１２ｂへの通路の開閉弁６５を開いた場合には、未反応ガス温度と既反応ガス温度の関係は、図１１中の曲線Ｔｗ＝Ｃ（Ｔｄ）となる。すなわち、開閉弁６５を開くと、すべての交換セルで加湿が行われるため、同じ既反応ガス温度でも高い未反応ガス温度が得られる。
【００６９】
［４−２．作用］
上記のような構成を有する本実施形態の作用を、図１８に示したフローチャートにしたがって説明する。
図１８に示したように、制御開始時には、切替弁６１は未反応ガス流路側へ開かれ、また、開閉弁６５は閉じられており、温湿度交換手段１１の複数のセルのうち、第１の未反応ガス流路１２ａを備える交換セルにおいて、既反応ガスから未反応ガスへ加湿が行われる。一方、残りの交換セルには未反応ガスは供給されないので、加湿は行われない。
【００７０】
そして、ステップ１８０１において、前記コントロールユニット６４によって、既反応ガス温度センサ６２及び未反応ガス温度センサ６３の検出結果が監視され、Ｔｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗ１の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、ステップ１８０５に進む。
一方、既反応ガス温度がＴｗ＜Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗ１の条件を満足した場合、すなわち、図１１のＢ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）より下の領域に推移すると、ステップ１８０２に進み、バイパス通路６０へ切り替わる。なお、この場合、図１１に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔＴｗ１を設定し、この幅より下回るときにバイパス通路へ切り替わるようにすると、切り替えの回数を少なくできる。
【００７１】
このようにして、バイパス通路６０へ切り替わると、未反応ガスが温湿度交換手段１１に供給されなくなるため、未反応ガスへの加湿が行われなくなり、図１１のＢ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が低下していく。
そして、ステップ１８０３において、前記コントロールユニット６４によって、既反応ガス温度センサ６２及び未反応ガス温度センサ６３の検出結果が監視され、Ｔｗ≧Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗ１の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、そのまま運転が行われる。
【００７２】
そして、未反応ガス温度がさらに低下し、図１１のＤ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）よりも上の領域に推移すると、ステップ１８０４に進み、再び未反応ガス通路へ切り替えられる。その結果、未反応ガスが温湿度供給手段１１に供給され、未反応ガスが加湿されるので、図１１のＤ点→Ｃ点のように、未反応ガス温度が上昇する。なお、ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔＴｗ１を設置している。
【００７３】
また、ステップ１８０５においては、前記コントロールユニット６４によって、既反応ガス温度センサ６２及び未反応ガス温度センサ６３の検出結果が監視され、Ｔｗ＞Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗ２の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以下である場合には、ステップ１８０１に戻る。
一方、既反応ガス温度がＴｗ＞Ａ（Ｔｄ）＋ΔＴｗ２の条件を満足した場合、すなわち、図１１のＥ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）より上の領域に推移すると、ステップ１８０６に進み、開閉弁６５が開かれる。この時、図１１に示すように、バランス曲線に対して所定の幅ΔＴｗ２を設定し、この幅より下回るときに開閉弁が開くようにすると、開閉の回数を少なくできる。
【００７４】
このようにして、開閉弁６５が開かれると、第１の未反応ガス流路１２ａとともに、第２の未反応ガス流路１２ｂへも未反応ガスが供給され、すべての交換セルで未反応ガスが加湿されるため、加湿量が増加し、図１１中のＥ点→Ｆ点のように、未反応ガス温度が上昇していく。
【００７５】
そして、ステップ１８０７において、前記コントロールユニット６４によって、既反応ガス温度センサ６２及び未反応ガス温度センサ６３の検出結果が監視され、Ｔｗ≦Ａ（Ｔｄ）−ΔＴｗ２の条件を満足しない場合、すなわち、既反応ガス温度が所定の値以上である場合には、そのまま運転が行われる。
【００７６】
一方、未反応ガス温度がさらに上昇し、図１１のＧ点のように、既反応ガス温度が、燃料電池本体のバランス曲線Ｔｗ＝Ａ（Ｔｄ）よりも下の領域に推移すると、ステップ１８０８に進み、再び開閉弁６５が閉じられ、第１の未反応ガス流路１２ａのみに未反応ガスが供給されるため、加湿量が減少し、図１１のＧ点→Ｆ点のように、未反応ガス温度が低下する。ここでも、バランス曲線に対して所定の制御幅ΔＴｗ２を設置している。
【００７７】
以上の制御フローを繰り返すことにより、温湿度交換手段のバランス曲線を外れて加湿量が増加しても、燃料電池本体のバランス曲線上のＣ点に保つ制御を行うことができる。また、温湿度交換手段の交換セルを２通りに使用することにより、加湿量が減少しても、燃料電池本体のバランス曲線上のＦ点に保つ制御を行うことができる。
【００７８】
また、第３実施形態と同様に、本実施形態の燃料電池システムと、従来のバイパス通路及び開閉弁をもたない燃料電池システムを用意し、冷却水により燃料電池本体の温度を変化させて発電試験を行ったところ、以下のような結果が得られた。
まず、未反応ガス温度が６５℃、既反応ガス温度が７０℃となるように発電試験を行ったところ、燃料電池本体の水バランスと、温湿度交換手段のバランスが一致し、２つのシステムとも安定した運転が可能であった。
【００７９】
次に、既反応ガス温度が６５℃となるように燃料電池本体の温度を下げて試験を行ったところ、本実施形態の燃料電池システムでは、切替弁の制御により、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が６５℃、未反応ガス温度が５０℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった。
【００８０】
次に、既反応ガス温度が７５℃となるように燃料電池本体の温度を上げて試験を行ったところ、本実施形態の燃料電池システムでは、開閉弁を制御することにより、燃料電池本体で水がバランスする点、すなわち既反応ガス温度が７５℃、未反応ガス温度が７２℃で運転を行うことができ、継続して運転が可能となった。
【００８１】
［４−３．効果］
このように、本実施形態によれば、温湿度交換手段の未反応ガス流路の入口と出口を結ぶバイパス通路と、このバイパス通路へ切り替える切替弁と、未反応ガス温度センサ及び既反応ガス温度センサを設け、既反応ガス温度センサと未反応ガス温度センサの検出結果に基づいて、切替弁の切り替え動作を制御することによって、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００８２】
また、温湿度交換手段を複数の交換セルで構成し、複数の交換セルのうち、一部の交換セルに流通する第１の未反応ガス通路と、残りの交換セルに流通する第２の未反応ガス通路と、第２の未反応ガス通路を開閉する弁を設け、この開閉弁を制御することで、加湿量を増加させることが可能となり、加湿量が不足した時にも加湿量を増加させて、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００８３】
なお、本実施形態では、検出手段として温度センサを用いたが、湿度センサや露点計で代用しても同様の効果が得られる。また、バイパス流路への切替を切替弁を用いて行ったが、バイパス流路と既反応ガス流路の一方もしくは両方に開閉弁を設けても同様の効果が得られる。
【００８４】
［５．第５実施形態］
本実施形態は、上記第３実施形態の変形例であり、既反応ガス流路を第１の既反応ガス流路と第２の既反応ガス流路とから構成し、未反応ガス流路と既反応ガス流路の間に保水性の多孔質体を配置したものである。
【００８５】
［５−１．構成］
図１９は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第５実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、既反応ガス流路１３が第１の既反応ガス流路１３ａと第２の既反応ガス流路１３ｂとから構成され、互いに隣接して配置されたすべての未反応ガス流路１２と第１又は第２の既反応ガス流路１３ａ、１３ｂの間に、保水性の多孔質体１４が配設されている。その他の構成は、第３実施形態の図７と同様であるので説明は省略する。
【００８６】
［５−２．作用・効果］
図２０は、第２の既反応ガス流路１３ｂの開閉弁を閉じた時の作動状態を示したものである。この場合、既反応ガスは１つおきに流れ、その両側にある保水性の多孔質体１４を介して未反応ガスを加湿する。したがって、未反応ガス流路１個に対して保水性の多孔質体１個が有効となり、加湿を行う。
【００８７】
また、図１９は、第２の既反応ガス流路１３ｂの開閉弁を開いた時の作動状態を示したものである。この場合、既反応ガスはすべての既反応ガス流路を流れ、その両側にある保水性の多孔質体１４を介して未反応ガスを加湿する。したがって、未反応ガス流路１個に対して保水性の多孔質体２個が有効となり、加湿を行うため、交換面積が２倍となり、加湿量を増やすことが可能となる。
【００８８】
このように、本実施形態の温湿度交換手段を用いることにより、加湿量の増加が可能となり、第３実施形態と同様の効果が得られる。また、各流路の両側に保水性の多孔質体を配するため、温湿度交換手段のコンパクト化が可能となり、開閉弁を閉じて第１の既反応ガス流路だけを用いる時にも、全ての未反応ガスが加湿され、安定した動作が可能となる。
【００８９】
［６．第６実施形態］
本実施形態は、上記第４実施形態の変形例であり、未反応ガス流路を第１の未反応ガス流路と第２の未反応ガス流路とから構成し、未反応ガス流路と既反応ガス流路の間に保水性の多孔質体を配置したものである。
【００９０】
［６−１．構成］
図２１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第６実施形態の構成を示す図である。すなわち、本実施形態においては、未反応ガス流路１２が第１の未反応ガス流路１２ａと第２の未反応ガス流路１２ｂとから構成され、互いに隣接して配置されたすべての第１又は第２の未反応ガス流路１２ａ、１２ｂと既反応ガス流路１３の間に、保水性の多孔質体１４が配設されている。その他の構成は、第４実施形態の図１４と同様であるので説明は省略する。
【００９１】
［６−２．作用・効果］
図２２は、第２の未反応ガス流路１２ｂの開閉弁を閉じた時の作動状態を示したものである。この場合、未反応ガスは１つおきに流れ、その両側にある保水性の多孔質体１４を介して、既反応ガスによって加湿される。したがって、未反応ガス流路１個に対して保水性の多孔質体２個が有効となり、加湿が行われる。
【００９２】
また、図２１は、第２の未反応ガス流路１２ｂの開閉弁を開いた時の作動状態を示したものである。この場合、未反応ガスはすべての未反応ガス流路を流れ、その両側にある保水性の多孔質体１４を介して、既反応ガスによって加湿される。したがって、未反応ガス流路１個に対して保水性の多孔質体２個が有効となる。この場合、図２２に示した開閉弁を閉じた時と比べて、未反応ガス流路１個に対する保水性多孔質体の個数は２個と同じだが、１個の未反応ガス流路を流れるガス量が半分となるため、加湿量を増やすことが可能となる。
【００９３】
このように、本実施形態の温湿度交換手段を用いることにより、加湿量の増加が可能となり、第４実施形態と同様の効果が得られる。また、各流路の両側に保水性の多孔質体を配するため、温湿度交換手段のコンパクト化が可能となり、開閉弁を閉じて第１の未反応ガス流路だけを用いる時にも、全ての未反応ガスが加湿され、安定した動作が可能となる。
【００９４】
［７．参考例］
［７−１．構成］
図２３に示したように、本参考例においては、温湿度交換手段１１に、不凍液を用いた温度調整手段８０が設けられている。この温度調整手段８０は、冷却水ポンプ７の出口で分岐されたラインに、開閉弁８１を介して接続されている。また、燃料電池の酸化剤極２から温湿度交換手段１１の既反応ガス流路１３へ至るライン上に、既反応ガス温度センサ８２が設けられ、また、温湿度交換手段１１の未反応ガス流路１２から燃料電池の酸化剤極２へ至るライン上に、未反応ガス温度センサ８３が設けられている。また、前記既反応ガス温度センサ８２と未反応ガス温度センサ８３の検出結果に基づいて、前記開閉弁８１の開閉動作を制御するコントロールユニット８４が設けられている。
【００９５】
［７−２．作用・効果］
上記のような構成を有する本参考例においては、既反応ガス温度センサ８２と未反応ガス温度センサ８３の検出結果に基づいて、温湿度交換手段１１を冷却する必要がある場合には、開閉弁８１が開かれ、温湿度交換手段１１の温度調整手段８０に不凍液が供給される。不凍液が供給されると、温湿度交換手段１１が冷却されて、未反応ガス温度が低下する。したがって、図２に示した関係に基づいて、開閉弁８１の開閉が制御されることにより、燃料電池本体での水がバランスする条件での運転が可能となる。
【００９６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、温湿度交換手段における加湿量を適切に制御することができる、高性能の固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の固体高分子型燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す図
【図２】  第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池システムの制御曲線を示す図
【図３】  第１実施形態の動作を示すフローチャート
【図４】  本発明の固体高分子型燃料電池システムの第２実施形態の構成を示す図
【図５】  第２実施形態の動作を示すフローチャート
【図６】  本発明の固体高分子型燃料電池システムの第３実施形態の構成を示す図
【図７】  第３実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図
【図８】  第３実施形態の温湿度交換手段の第１の既反応ガス流路の構成を示す平面図
【図９】  第３実施形態の温湿度交換手段の第２の既反応ガス流路の構成を示す平面図
【図１０】  第３実施形態の温湿度交換手段の未反応ガス流路の構成を示す平面図
【図１１】  第３実施形態及び第４実施形態の燃料電池システムの制御曲線を示す図
【図１２】  第３実施形態の動作を示すフローチャート
【図１３】  本発明の固体高分子型燃料電池システムの第４実施形態の構成を示す図
【図１４】  第４実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図
【図１５】  第４実施形態の温湿度交換手段の第１の未反応ガス流路の構成を示す平面図
【図１６】  第４実施形態の温湿度交換手段の第２の未反応ガス流路の構成を示す平面図
【図１７】  第４実施形態の温湿度交換手段の既反応ガス流路の構成を示す平面図
【図１８】  第４実施形態の動作を示すフローチャート
【図１９】  第５実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第２の既反応ガス流路の開閉弁を開いた状態を示す図
【図２０】  第５実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第２の既反応ガス流路の開閉弁を閉じた状態を示す図
【図２１】  第６実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第２の未反応ガス流路の開閉弁を開いた状態を示す図
【図２２】  第６実施形態の温湿度交換手段の構成を示す縦断面図であって、第２の未反応ガス流路の開閉弁を閉じた状態を示す図
【図２３】  固体高分子型燃料電池システムの参考例の構成を示す図
【図２４】  従来の固体高分子型燃料電池システムの構成を示す図
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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