(57)【要約】【課題】燃料電池におけるカーボン酸化対策と、燃料電池に供給されるガスの加湿量の調整とを両立できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池１０と、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給路２０と、ガス供給路に設けられた加湿器２４と、加湿器をバイパスして反応ガスを燃料電池に供給するバイパス流路３０と、バイパス流路における反応ガスの流通状態を制御する開度可変弁３１、開閉弁３２、制御部５０とを備え、制御部５０は、バイパス流路の流通を遮断する第１の状態と、バイパス流路の流通を確保する第２の状態とを切り替えると共に、第２の状態において、バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御することにより、燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を調整する。【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、
前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路に設けられた加湿器と、
前記加湿器をバイパスして反応ガスを前記燃料電池に供給するバイパス流路と、
前記バイパス流路における反応ガスの流通状態を制御するバイパス制御手段と、
を備え、
前記バイパス制御手段は、前記バイパス流路の流通を遮断する第１の状態と、前記バイパス流路の流通を確保する第２の状態とを切り替えると共に、前記第２の状態において、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御することにより、前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を調整する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス制御手段は、
前記バイパス流路の遮断及び流通を切り替える第１の弁と、
前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を調整可能な第２の弁と、
前記第１及び第２の弁の動作を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の運転停止中に、前記第１の弁を閉弁させ、
前記燃料電池の運転中に前記第１の弁を開弁させる場合に、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記第２の弁の開度を調節することにより、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の弁は、ポペット型バルブを含み、
前記第２の弁は、バタフライ型バルブを含む、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス制御手段は、
インジェクタと、
前記インジェクタの動作を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記燃料電池の運転中に、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記バイパス流路を流通する反応ガスの噴射量を調節することにより、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バイパス制御手段は、前記燃料電池の発生電圧に基づいて、前記バイパス流路の流通状態を制御する、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパス制御手段は、前記燃料電池のインピーダンスに基づいて、前記バイパス流路の流通状態を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バイパス制御手段は、前記燃料電池の運転時間に基づいて、前記バイパス流路の流通状態を制御する、請求項１〜４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し、特には、燃料電池に供給される反応ガスの供給路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化ガス（これらを反応ガスともいう）との電気化学反応により電力を発生し、それと同時に水分を生成する。燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極（アノード）と酸素極（カソード）とにより挟み込んだ構造を有している。固体高分子型やリン酸型の燃料電池の場合、アノード及びカソードには、カーボン素材をベースに白金等の触媒が担持（結着）されたものが一般に用いられる。燃料ガスとしては、例えば、ガスタンクから供給される水素ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば、外部から取り込まれた空気が用いられる。
【０００３】
アノード及びカソードを形成するカーボンは、燃料電池の内部に残留する酸素や水素によって酸化し易く、この酸化により燃料電池の寿命が短くなることが知られている。この現象（以下、カーボン酸化ともいう）は、特にカソードで起き易いが、電解質膜をクロスリークした酸素によってアノードでも起きる。そのため、燃料電池システムの運転停止中には、燃料電池への外気の流入を遮断することにより、カーボン酸化を抑制することとしている。
【０００４】
一方、燃料電池においては、燃料ガスと酸素ガスとの反応におけるプロトンの伝導を電解質膜が担うため、発電性能を維持するためには、電解質膜の水分を適切な状態に制御する必要がある。そのため、燃料電池へのガスの供給路には、酸化ガスとして燃料電池に供給される外気を加湿するための加湿器が設けられている。
【０００５】
最近では、外気の加湿量を調節するために、外気の一部に加湿器をバイパスさせることも提案されている。また、燃料電池の運転を停止する際に行われる掃気運転の効率を向上させるために、掃気運転の際には加湿器をバイパスした乾燥外気を燃料電池に導入することも提案されている。
【０００６】
関連する技術として、特許文献１には、加湿バイパス流路に調圧弁及び流量調整弁を設置した燃料電池が開示されている。また、特許文献２には、加湿バイパス流路への分岐点に流量調整用三方バルブを備える燃料電池が開示されている。さらに、特許文献３には、加湿バイパス流路に遮断弁を備える燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報
【特許文献２】特開２００５−８５７２３号公報
【特許文献３】特開２００６−１２０３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
加湿器をバイパスする流路に設けられる弁としては、カーボン酸化を抑制するために外気をほぼ完全に遮断するという観点から、通常、高いシール性を有するポペット式の弁が用いられる。また、低温環境下においても燃料電池システムの運転を可能とするために、凍結時における開弁性能を確保し易いエア駆動のダイアフラム式の弁が採用されることが多い。
【０００８】
しかし、この形式の弁は所謂シャットバルブであり、オン又はオフの２つ状態しかない。即ち、開弁量を調節できないので、燃料電池の運転状態に応じた加湿量の調整を行うことができない。一方、一般的な流量調整弁（例えば、バタフライバルブ）は、開弁量を調節することは可能であるが、シール性については、例えば上記のポペット式の弁に比較すると完全ではない。従って、これをカーボン酸化対策のために用いるのはあまり適切ではない。
【０００９】
また、上記の特許文献１〜３のいずれにおいても、燃料電池システムの運転停止時におけるカーボン酸化の抑制や凍結時における開弁性能の確保と、運転時におけるガスの加湿量制御とを両立できていない。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池におけるカーボン酸化対策と、燃料電池に供給されるガスの加湿量の調整とを両立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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給路と、前記ガス供給路に設けられた加湿器と、前記加湿器をバイパスして反応ガスを前記燃料電池に供給するバイパス流路と、前記バイパス流路における反応ガスの流通状態を制御するバイパス制御手段とを備え、前記バイパス制御手段は、前記バイパス流路の流通を遮断する第１の状態と、前記バイパス流路の流通を確保する第２の状態とを切り替えると共に、前記第２の状態において、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御することにより、前記燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を調整する。
【００１２】
本発明の１つの観点によれば、バイパス流路の流通を遮断することにより、燃料電池の運転停止中における燃料電池のカーボン酸化が抑制されると共に、燃料電池の運転中には反応ガスの加湿量を調整することにより、含水量に起因する発電効率の低下が抑制される。
【００１３】
前記バイパス制御手段は、前記バイパス流路の遮断及び流通を切り替える第１の弁と、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を調整可能な第２の弁と、前記第１及び第２の弁の動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、少なくとも前記燃料電池の運転停止中に、前記第１の弁を閉弁させ、前記燃料電池の運転中に前記第１の弁を開弁させる場合に、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記第２の弁の開度を調節することにより、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御することとしても良い。
【００１４】
このように、高い遮断性を有する第１の弁と、流量調整の可能な第２の弁とを併用することにより、カーボン酸化の十分な抑制と、反応ガスの加湿量の細かい調整との両方が実現される。第１の弁としては、例えばポペット型バルブが用いられ、第２の弁としては、例えばバタフライ型バルブが用いられる。さらに、第１の弁として、例えばエア駆動のダイアフラム式の弁を採用することにより、凍結時においても開弁力を確保することができる。
【００１５】
前記バイパス制御手段は、インジェクタと、前記インジェクタの動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記燃料電池の運転中に、前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記バイパス流路を流通する反応ガスの噴射量を調節することにより、前記バイパス流路を流通する反応ガスの流量を制御することとしても良い。
この場合には、バイパス流路を流通する反応ガスの流量や圧力を高精度に制御することができる。
【００１６】
前記バイパス制御手段は、前記燃料電池の発生電圧に基づいて、前記バイパス流路の流通状態を制御しても良い。また、前記バイパス制御手段は、前記燃料電池のインピーダンスに基づいて、前記バイパス流路の流通状態を制御しても良い。さらに、前記バイパス制御手段は、前記燃料電池の運転時間に基づいて、前記バイパス流路の流通状態を制御しても良い。発生電圧やインピーダンスや運転時間は燃料電池の運転状態を直接又は間接的に表すので、これらの値を利用して反応ガスの加湿量を調整することにより、燃料電池の運転性能の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池のカーボン酸化の抑制と反応ガスの加湿量調整とを、１つのバイパス流路を介したシンプルな構成で実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示すシステム図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。本実施形態においては自動車用となっている。
【００１９】
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０に供給する酸化ガス配管系２０〜３２と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給する燃料ガス配管系４０〜４１とを備える。
【００２０】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質型であり、電解質及びその両側に配置された電極層（アノード及びカソード）を含む複数のセル１１が積層された積層構造を有する。燃料電池１０は、酸化ガスと燃料ガス（これらを反応ガスともいう）との電気化学反応により電力を発生する。また、燃料電池１０には、この電気化学反応により発生した電圧を測定する電圧測定器１２が接続されている。
【００２１】
酸化ガス配管系は、外部から取り込まれた空気を酸化ガスとして燃料電池１０に導入する酸化ガス供給管２０と、燃料電池から排出された使用済みの酸化ガス（酸化オフガス）を排気する酸化オフガス排出管２６と、バイパス路３０とを含む。
【００２２】
酸化ガス供給管２０には、外部の空気を取り込んで圧縮するエアコンプレッサ２１と、圧縮されて昇温した空気を冷却するインタークーラー２２と、ポンプ２３と、加湿器２４と、開閉弁２５とが設けられている。一方、酸化オフガス排出管２６には、圧力調整弁２７と、開閉弁２８とが設けられており、酸化オフガスが加湿器２４を通って排出されるように流路が構成されている。
【００２３】
加湿器２４は、燃料電池１０における電気化学反応の際に生成された水分を含む高湿の酸化オフガスを利用して、酸化ガスを加湿する。
【００２４】
開閉弁２５及び２８としては、十分なシール性を確保できるものであれば、いずれの方式の弁を使用しても構わず、本実施形態においては、エア駆動のダイアフラム式のポペット型バルブを用いている。
【００２５】
酸化ガス供給管２０と酸化オフガス排出管２６とは、ＦＣバイパス弁２９を介して接続されている。このＦＣバイパス弁２９は、加湿器２４への酸化ガスの導入量を調整したり、酸化ガスの導入を停止する際に使用される。なお、エアコンプレッサ２１の上流に、外気を清浄にするためのエアクリーナーを更に設けても良い。或いは、酸化オフガス排出管２６に、希釈器やマフラーを更に設けても良い。
【００２６】
再び、図１を参照すると、バイパス路３０は、加湿器２４をバイパスするように酸化ガス供給管２０に設けられている。バイパス路３０には、開度可変弁３１及び開閉弁３２が設けられている。開度可変弁３１としては、弁の開度を調整可能なものであれば、いずれの方式の弁を使用しても構わない。また、開閉弁３２としては、十分なシール性を確保できるものであれば、いずれの方式の弁を使用しても構わない。本実施形態においては、開度可変弁３１として、モータ駆動のバタフライ型バルブを用い、開閉弁３２としてエア駆動のダイアフラム式のポペット型バルブを用いている。
【００２７】
燃料ガス配管系は、燃料ガスを燃料電池１０に供給する燃料ガス供給路４０と、燃料ガスから排出された使用済みの燃料ガス（燃料オフガス）を排出する燃料オフガス排出路４１とを含む。この燃料ガス配管系に、燃料ガスを貯蓄する高圧ガスタンクや、燃料オフガスを再利用するための循環ポンプ等を更に設けても良い。
【００２８】
さらに、この燃料電池システム１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、バイパス路３０に設けられた開度可変弁３１及び開閉弁３２をはじめ、開閉弁２５や開閉弁２８や圧力調整弁２７等のシステム内の弁の動作を、燃料電池１０の運転状態に応じて制御する。
【００２９】
制御部５０の動作について詳しく説明する。
（１）燃料電池システムの運転時
制御部５０は、燃料電池システム１の通常の運転時に、開閉弁２５及び２８を開弁させ、開閉弁３２を閉弁させると共に、燃料電池１０の背圧が所望の状態となるように圧力調整弁２７を制御する。
【００３０】
燃料電池システム１の運転を持続していると、電気化学反応によって生成された水分により、燃料電池１０の内部が湿潤過多の状態（フラッディングと呼ばれる）となる。すると、制御部５０は、酸化ガスの加湿量調整を開始する。即ち、開閉弁３２を開弁し、酸化ガスの一部をバイパス路３０に導入して加湿しないようにする。それにより、燃料電池１０に供給される酸化ガスの湿度が全体として低下する。バイパス路３０に導入される酸化ガスの流量又は割合は、開度可変弁３１の開度を調整することにより制御される。
【００３１】
酸化ガスの加湿量調整は、具体的には次のようにして制御される。
燃料電池１０の内部が湿潤過多の状態になると、燃料電池１０の発生電圧は低下する。そこで、制御部５０は、電圧測定器１２による測定値をモニタし、この測定値が所定の閾値を下回った場合に、酸化ガスの加湿量調整を開始する。開度可変弁３１の開度については、電圧の測定値が所定の範囲内に収まるように調節すれば良い。また、燃料電池１０の発生電圧は、燃料電池１０内が乾燥しすぎても低下するので、その場合には、開閉弁３２を閉弁して加湿量調整をやめても良い。
【００３２】
或いは、燃料電池１０の内部が湿潤状態になると燃料電池１０のインピーダンスは低下し、乾燥状態になるとインピーダンスは上昇する。そこで、制御部５０は、燃料電池１０のインピーダンスをモニタし、このモニタ値が所定の範囲内に収まるように、酸化ガスの湿度を調整することとしても良い。
【００３３】
また、制御部５０は、燃料電池１０の運転を開始してから所定の時間が経過した時点で酸化ガスの加湿量調整を開始し、その後は所定の時間間隔で加湿量調整を行うようにしても良い。
さらには、このような加湿量調整を、燃料電池１０の電圧値やインピーダンスや運転時間の任意に組み合わせに基づいて行っても良いし、燃料電池１０内の温度を更に組み合わせても良い。
【００３４】
（２）燃料電池システムの運転停止時
制御部５０は、システムの運転停止時に、開閉弁２５を閉弁すると共に、開閉弁２８及び３２を開弁した状態でエアコンプレッサ２１を運転させることにより、掃気運転を行う。それにより、燃料電池１０内の水分が除去される。その後、制御部５０は開閉弁２８及び３２を閉弁することにより、燃料電池１０への外気の流入をほぼ完全に遮断する。それにより、燃料電池１０内の各セル１１におけるカーボン酸化が抑制される。
【００３５】
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、図２を参照しながら説明する。
図２に示す燃料電池システム２は、図１に示す開度可変弁３１及び開閉弁３２の替わりに、電子制御のインジェクタ３３を有している。その他の構成については、図１に示すものと同様である。
【００３６】
インジェクタ３３は、弁体を電磁駆動力により所定の駆動周期で直接的に駆動して弁座から離隔させることにより、ガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。燃料電池システム２の運転時には、制御部５０によりインジェクタ３３の弁体を駆動して、バイパス路３０における酸化ガスの噴射時期や噴射時間を制御する。それにより、加湿器２４をバイパスした酸化ガスの流量や圧力を高精度に制御して燃料電池１０に供給することができる。また、燃料電池システム２の運転停止時には、インジェクタ３３への駆動力の供給を停止することにより、燃料電池１０への酸化ガスの流入をほぼ完全に遮断することができる。
【００３７】
以上説明した第１及び第２の実施形態においては、酸化ガス供給系の構成及び酸化ガスの加湿量調整について説明したが、同様にして燃料ガス供給系を構成し、燃料ガスの加湿量調整を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、２…燃料電池システム、１０…燃料電池、１２…電圧測定器、２０…酸化ガス供給管、２４…加湿器、３０…バイパス路、３１…開度可変弁、３２…開閉弁、３３…インジェクタ、５０…制御部。
【図１】
2009140621.tif 000003
【図２】
2009140621.tif 000004