(57)【要約】【課題】燃料電池の運転状態に応じて酸化剤を加湿することでドライアップを防止する。【解決手段】燃料電池システムは、電解質と電解質の両側に配置された一対の電極とからなる複数の発電部が、セパレータを介して積層された燃料電池を有している。またこの燃料電池システムは、燃料電池の電気化学反応に使用される酸化剤を流通させて、燃料電池内に酸化剤を供給するための酸化剤供給経路と、この酸化剤供給経路の一箇所において接続し、かつ、燃料電池の電気化学反応に使用される燃料又は使用済み燃料を、酸化剤供給経路内に供給するための燃料供給管を有している。酸化剤供給経路内の、燃料供給管が接続する一箇所よりも酸化剤の流れの下流側には、酸化剤供給経路内の酸化剤と燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料とを反応させる触媒機能を有する触媒が配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極と、からなる複数の発電部が、セパレータを介して積層された燃料電池と、
前記燃料電池の電気化学反応に使用される酸化剤を流通させて、燃料電池内に酸化剤を供給するための酸化剤供給経路と、
前記酸化剤供給経路の一箇所に接続し、かつ、前記燃料電池の電気化学反応に使用される燃料又は使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路内に供給するための燃料供給管と、
前記酸化剤供給経路内の、前記一箇所よりも酸化剤の流れの下流側に配置され、かつ、前記酸化剤供給経路内の酸化剤と、前記燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料と、を反応させる触媒機能を有する触媒と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤供給マニホールド内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池の外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤導入管内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池に接続し、前記燃料電池から排出される使用済み燃料が流入する燃料排出経路を備え、
前記燃料供給管は、前記燃料排出経路に接続し、前記燃料排出経路内の使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧が基準電圧以上となっているか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧が前記基準電圧以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度が基準温度以上となっているか否かを判定する温度判定手段と、
前記温度が前記基準温度以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池が停止している状態から起動させる際の起動モード制御中であることを検出する起動モード検出手段と、
前記起動モードが検出された場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、発電部の電極のそれぞれに燃料と酸化剤とを供給して、電気化学反応を起こすことで電気エネルギーを得る燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に複数の発電部がセパレータを介して積層されたスタック構造の燃料電池において、発電部それぞれは、酸素極であるカソード極と燃料極であるアノード極とが電解質膜の両側に配置されて構成されている。このような燃料電池の運転時には、例えば、アノード極には燃料として水素が供給され、カソード極には酸素含有ガスである大気が供給される。その結果、アノード極触媒で発生したプロトンが電解質膜を透過し、カソード極触媒上においてプロトンと大気中の酸素とが反応して水が生成される。
【０００３】
ここで、各電極への反応ガスの供給量は要求発電量に応じて設定され、通常、要求発電量が大きい場合にはガス流量も多くなる。このようにガス流量が多くなると、ガスの流通により電極や電解質膜が乾燥し（ドライアップ）、発電効率が低下することが考えられる。また、燃料電池運転中のカソード極での反応は発熱を伴うものである。従って、特に燃料電池が高負荷で運転されるような場合にはカソード極の温度上昇が大きく、カソード極側の乾燥が激しくなることが考えられる。このような乾燥を抑えるため、例えば、大気供給経路の途中に加湿器を配置して、燃料電池に供給される大気を加湿することが考えられる。しかしこのように加湿器を設置する構造とした場合、燃料電池システム全体の大型化につながることが考えられる。
【０００４】
また、例えば特表２００４−５１９０７４号公報には、使用済み燃料を排出する燃料排出マニホールドと、カソード極に大気を供給する大気供給マニホールドとが、共に配置されていない構造とした燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、使用済み燃料が燃料電池のケース内に溜められることとなり、カソード極の触媒上に、供給された大気中の酸素と、使用済み燃料中に残った水素とが混在することとなる。従ってカソード極触媒上で水素と酸素とが反応して水が生成される。これによってカソード極での水の生成量が多くなるため、カソード極の乾燥が防止されることが考えられる。
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５１９０７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４２１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来技術のようにカソード極上で水素と酸素とを直接反応させる構造とした場合、カソード極の温度上昇はより大きなものとなり、また、カソード極には反応中間体が多く存在する状態となる。このためカソード極の触媒周辺の炭素が劣化し、更には触媒粒子の凝集による触媒表面積の低下が起こり、燃料電池の耐久性が低下することが考えられる。従って、加湿器設置などによる燃料電池システムの大型化を避けつつ、乾燥を抑えて電極や電解質膜を湿潤状態に維持して高い発電効率を確保できる燃料電池が望まれている。
【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、システムの大型化を抑えつつ、発電部の乾燥を抑えられるよう改良した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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の両側に配置された一対の電極と、からなる複数の発電部が、セパレータを介して積層された燃料電池と、
前記燃料電池の電気化学反応に使用される酸化剤を流通させて、燃料電池内に酸化剤を供給するための酸化剤供給経路と、
前記酸化剤供給経路の一箇所に接続し、かつ、前記燃料電池の電気化学反応に使用される燃料又は使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路内に供給するための燃料供給管と、
前記酸化剤供給経路内の、前記一箇所よりも酸化剤の流れの下流側に配置され、かつ、前記酸化剤供給経路内の酸化剤と、前記燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料と、を反応させる触媒機能を有する触媒と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤供給マニホールド内に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記酸化剤供給経路は、
前記燃料電池の外部から、前記燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、
前記燃料電池内に前記セパレータを積層方向に貫通して配置され、前記酸化剤導入管に接続する、酸化剤供給マニホールドと、を備え、
前記触媒は、前記酸化剤導入管内に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１から３のいずれか１の発明において、前記燃料電池に接続し、前記燃料電池から排出される使用済み燃料が流入する燃料排出経路を備え、
前記燃料供給管は、前記燃料排出経路に接続し、前記燃料排出経路内の使用済み燃料を、前記酸化剤供給経路に供給することを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１から４のいずれか１の発明において、
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧が基準電圧以上となっているか否かを判定する電圧判定手段と、
前記電圧が前記基準電圧以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から５のいずれか１の発明において、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度が基準温度以上となっているか否かを判定する温度判定手段と、
前記温度が前記基準温度以上であることが認められた場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、第１から６のいずれか１の発明において、前記燃料電池が停止している状態から起動させる際の起動モード制御中であることを検出する起動モード検出手段と、
前記起動モードが検出された場合に、前記酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給を行なう制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、燃料電池システムは、発電部に酸化剤を供給する酸化剤供給経路に、燃料又は使用済み燃料を供給する燃料供給管を有している。また、酸化剤供給経路内の、燃料供給管との接続部より下流側には、酸化剤供給経路内の酸化剤と、燃料供給管から供給された燃料又は使用済み燃料とを反応させる触媒機能を有する触媒が配置されている。これにより、酸化剤供給経路内で酸化剤と燃料とを反応させることで、水を生成することができ、この生成水によって酸化剤供給経路内の酸化剤を加湿することができる。これによって燃料電池システムの大型化を抑えつつ酸化剤を十分に加湿することができ、発電部の乾燥を抑えることができる。
【００１６】
第２の発明によれば、酸化剤供給経路は、燃料電池外部から燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、燃料電池のセパレータを貫通して配置される燃料電池内の酸化剤供給マニホールドとにより構成され、触媒は酸化剤供給マニホールド内に配置される。これにより、燃料電池を大型化することなく、酸化剤供給マニホールド内の、発電部への供給直前の酸化剤を十分に加湿することができる。
【００１７】
第３の発明によれば、酸化剤供給経路は、燃料電池外部から燃料電池内に酸化剤を導入するための酸化剤導入管と、燃料電池のセパレータを貫通して配置される燃料電池内の酸化剤供給マニホールドとにより構成され、触媒は酸化剤導入管内に配置される。これにより、発電部のカソード極に共有される前に、十分に酸化剤を加湿することができ、燃料電池システムの大型化を抑えつつ、発電部の乾燥を抑えることができる。
【００１８】
第４の発明によれば、燃料供給管は燃料排出経路に接続し、燃料電池から排出された燃料排出経路内の使用済み燃料を酸化剤供給経路に供給する。従って、使用済み燃料内に含まれる未反応の燃料を有効に利用することができると共に、使用済み燃料内に含まれる水分によっても酸化剤を加湿することができるため、酸化剤をより効果的に加湿することができる。
【００１９】
第５の発明によれば、燃料電池の電圧が基準電圧以上となっている場合に、酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給が行なわれるように制御される。これにより、乾燥を起こしやすい状態において、酸化剤を十分に加湿することができると共に、燃料電池の発電量が小さく、水分が滞留しやすい状態において酸化剤が過度に加湿される事態を防ぐことができる。
【００２０】
第６の発明によれば、燃料電池の温度が基準温度以上となっている場合に、酸化剤供給経路への燃料又は使用済み燃料の供給が行なわれるように制御される。これにより、乾燥を起こしやすい状態において、酸化剤を十分に加湿することができると共に、燃料電池内の温度が低く、水分が多く滞留しやすい状態において、酸化剤が過度に加湿されるのを防ぐことができる。
【００２１】
ところで、燃料電池停止中の水分凍結防止のため、燃料電池の停止モードにおいてカソード極に滞留する水分を一旦排出する制御を行なう場合がある。この場合、燃料電池の次回起動時には、カソード極側が乾燥状態となっている場合が多い。この点、第７の発明によれば、起動モードにおいて燃料等を酸化剤供給経路側に供給することで、起動時において酸化剤を加湿することができ、起動時の発電部の乾燥を早い段階で解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２３】
実施の形態．
[実施の形態のシステムの構成について]
図１は、この発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成について説明するための模式図である。図２はこの発明の実施の形態における燃料電池システムの燃料電池について説明するための模式図である。図１に示すシステムは燃料電池１０を有している。燃料電池１０の両側にはエンドプレート１２が配置されている。エンドプレート１２に挟まれた燃料電池１０の内部には複数のセル１４が積層されている。セル１４それぞれは、電解質膜（図示せず）と、その両側に配置された一対の電極であるカソード極とアノード極とからなる膜−電極接合体（発電部）を有している。また膜−電極接合体の両側にはセパレータが配置されている。セパレータのカソード極に接する面には酸化剤としての大気を流通させるための大気流路が形成され、アノード極に接する面には燃料としての水素を流通させるための水素流路が形成されている。
【００２４】
図２は、燃料電池１０内に形成された水素又は大気の給・排気用のマニホールドのみを透視して表したものである。図２の燃料電池１０の上方が図１の右側となり、図２の下方が図１の左側に対応する配置となっている。図２を参照して、燃料電池１０内には、各セル１４のセパレータを積層方向に貫通して、大気流路に大気を供給するための大気供給マニホールド２０（酸化剤供給マニホールド）及び、大気流路から排出される大気オフガス（使用済みの大気）を排出するための大気排出マニホールド２２が形成されている。各セパレータに形成された大気流路はその上流と下流とにおいて、それぞれ大気供給マニホールド２０及び大気排出マニホールド２２に接続している。
【００２５】
同様に、燃料電池１０内には各セル１４のセパレータを貫通し、水素流路に水素を供給するための水素供給マニホールド２４及び、水素流路から排出された水素オフガス（使用済み燃料）を排出させるための水素排出マニホールド２６が形成されている。各セパレータに形成された水素流路はその上流と下流とにおいて、それぞれ水素供給マニホールド２４及び水素排出マニホールド２６に接続している。
【００２６】
ここで大気供給マニホールド２０内には、触媒２８が配置されている。触媒２８は、中空の網状の部材表面を、触媒粒子である白金（Ｐｔ）で覆うようにして構成されている。大気供給マニホールド２０内に導入されるガスは、触媒２８の網の孔内や、触媒２８が配置されていない空間を通過することができる。
【００２７】
図１では説明のため、大気供給マニホールド２０と大気排出マニホールド２２とが模式的に透視した状態で表されている。図１を参照して、大気供給マニホールド２０は、燃料電池１０の大気導入口（図示せず）において、外部の大気導入管３０（酸化剤導入管）と連通している。大気排出マニホールド２２は、燃料電池１０の大気排出口（図示せず）において外部の大気排出管３２と連通している。これによって外部の大気導入管３０から大気供給マニホールド２０内に大気が供給され、各セル１４から排出される大気オフガスは、大気排出マニホールド２２を通り、大気排出管３２から外部に排出される。
【００２８】
一方、水素供給マニホールド２４は燃料電池１０の水素導入口（図示せず）において、外部の水素導入管３４と連通している。水素導入管３４は、その上流側の端部において、図示しない水素タンクに接続している。水素排出マニホールド２６は水素排出口（図示せず）において外部の水素排出管３６（燃料排出経路）と連通している。水素排出管３６はその下流側で、循環管４０、排出管４２、水素オフガス供給管４４（燃料供給管）の３方向に分岐している。
【００２９】
循環管４０は、水素排出管３６からの分岐部（つまり、循環管４０と水素排出管３６との接合部）とは反対側の端部において水素導入管３４に接続している。循環管４０には第１バルブ５０が取り付けられている。排出管４２は、水素排出管３６からの分岐部とは反対側の端部において、希釈器（図示せず）に接続している。排出管４２には第２バルブ５２が取り付けられている。水素オフガス供給管４４は、水素排出管３６からの分岐部とは反対側の端部において大気導入管３０に接続している。水素オフガス供給管４４には第３バルブ５４が取り付けられている。
【００３０】
燃料電池１０には各セル１４のセル電圧に応じた出力を発するセルモニタ５８が取り付けられている。この燃料電池システムは制御装置としてのＥＣＵ６０を有している。ＥＣＵ６０は、セルモニタ５８や、燃料電池１０の水素又は大気の入口圧又は出口圧を検出する圧力センサ（図示せず）や冷却水の温度を検出する水温センサ（図示せず）等に接続され、これらセンサからの出力信号を受けて燃料電池１０の運転状態に関する情報を検出する。また、このように検出された運転状態の情報に応じて、燃料電池１０の運転に関する種々の制御信号を発し、運転に必要な制御を行なう。具体的には例えば、ＥＣＵ６０は第１バルブ５０、第２バルブ５２、第３バルブ５４に制御信号を発することで、各バルブの開閉を制御する。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池システムが運転している間、大気導入管３０からは所定の圧力に制御された大気が外部から導入され、大気供給マニホールド２０を介して、各セル１４のカソード極に供給される。カソード極から排出される大気オフガスは、大気排出マニホールド２２から大気排出管３２側に排出される。一方、水素供給源（図示せず）から供給される水素は、水素導入管３４及び水素供給マニホールド２４を通過して各セル１４のアノード極に供給される。アノード極から排出される水素オフガスは、水素排出マニホールド２６から水素排出管３６側に排出される。
【００３２】
上記したように水素排出管３６は、その下流において循環管４０、排出管４２、水素オフガス供給管４４に分岐している。ここで循環管４０に設置された第１バルブ５０が開いている状態では、燃料電池１０から排出された水素オフガスは、再び水素導入管３４内に流入し燃料電池１０の水素供給マニホールド２４から各セル１４のアノード極に供給されることとなる。燃料電池１０の発電効率を向上させるため、通常、アノード極には反応に必要な水素量よりも多くの水素を流通させている。従って、水素オフガス中には未反応の水素が含まれている。このため水素オフガスを上流側、即ち水素供給マニホールド２４側に再び流入させることで、水素オフガス中に含まれる未反応の水素を循環させてアノード極に供給するようにする。これにより水素の有効利用率を向上させている。
【００３３】
一方、排出管４２に取り付けられた第２バルブ５２が開弁状態とされている場合、燃料電池１０から排出された水素オフガスは、希釈器側に排出されることとなる。例えば、燃料電池１０の起動時のように水素流路内をパージする必要がある場合や、水素がある程度繰り返し循環利用されて、水素オフガス中の水素濃度が低くなった場合などには、水素オフガスの循環を停止して、水素流路内の水素濃度を高くする必要がある。従って、第１バルブ５０を閉弁して水素オフガスの循環を停止すると共に、第２バルブ５２を開弁して、水素オフガスを外部に排出する。これにより水素の有効利用を図りつつ、水素流路内の水素濃度低下による発電量の低下を防止する。
【００３４】
第３バルブ５４は、第１バルブ５０又は第２バルブ５２が開弁されている状態で、その開閉が制御される。第３バルブ５４が開弁状態となると、燃料電池１０から排出された水素オフガスの一部が、水素オフガス供給管４４を通り、大気導入管３０に流入する。その結果、大気供給マニホールド２０内には、大気と未反応の水素を含む水素オフガスが混合した状態で流入する。
【００３５】
ここで大気供給マニホールド２０内には触媒２８が配置されている。従って大気と水素とを含む混合ガスが大気供給マニホールド２０内を流通する間に、触媒２８上で、大気中の酸素と水素とが反応を起こし水が生成される。その結果、生成水によって、大気供給マニホールド２０内の大気が加湿された状態で、各セル１４のカソード極に供給される。
【００３６】
ところで各セル１４のカソード極では電気分解反応によって水が生成されている。この生成水は大気流路内の大気の流れによって下流側に移動するため、大気流路の下流側はある程度高い湿潤状態で保たれることとなる。しかし、大気流路上流側の水分は大気の流れと共に下流側に移動する。また大気流路上流側における大気流入の勢いは強くなっている。このため、電解質膜やカソード極の乾燥（ドライアップ）は大気流路の上流側で起こりやすい。この実施の形態のシステムは大気流路上流側に供給される大気を大気供給マニホールド２０内で加湿できる構造とすることで、大気流路上流側でのドライアップを効果的に防止する。
【００３７】
ただし、大気流路内での水分量が過剰となると、大気流路下流側に移動した生成水が下流側で滞留し流路を塞いでフラッディング状態となる場合がある。従って、このような大気供給マニホールド２０内での水の生成反応による加湿は、燃料電池１０の運転状態に応じて、ドライアップを起こしやすい状態のときに行なうことが好ましい。従って、この実施の形態のシステムでは、（１）燃料電池１０を停止状態から起動する起動モードであって、起動時の温度が基準温度以上である場合、及び（２）燃料電池１０のセル電圧が基準電圧以上である場合に、第３バルブ５４を開弁状態として、大気供給マニホールド２０内で水を生成して大気を加湿するように制御する。
【００３８】
通常、燃料電池１０の停止時には、水分の凍結による燃料電池１０の劣化を防止するため大気流路内の水分が排出される。このため次回起動が、燃料電池１０の温度がある程度高いうちに行なわれることとなると、特に湿度が低い状態での起動となるため電解質膜が過剰に乾燥した状態で燃料電池１０が運転されることとなる。従って、起動モードでのドライアップによる電解質膜等の劣化を防ぐため、（１）の起動モードであって、その温度が一定温度以上である場合には、第３バルブ５４を開いて、大気供給マニホールド２０内で水が生成されるように制御する。
【００３９】
なお、ここでの一定温度は、燃料電池１０の起動モードにおいてドライアップを起こしやすい程度に高温での起動になるか否かの判断の基準となる温度である。具体的にここでは、冷却水温が基準温度以上であるか否かによって、一定温度以上の起動であるか否かが判断される。基準温度は燃料電池１０ごとに予め実験等によって定められ、制御装置６０に記憶される。具体的に例えば、この実施の形態では基準温度は７０℃程度に設定される。
【００４０】
また、カソード極での水の生成反応は発熱反応である。従って、燃料電池１０の発電量が大きい場合、大気流路への大気流入量の増加による乾燥に加えて、カソ−ド極の温度上昇による乾燥が起こり、ドライアップを起こしやすい状態となる。従って、（２）の燃料電池１０のセル電圧が基準電圧以上である場合にも、同様に、第３バルブ５４を開放して大気導入管３０に水素オフガスを導入することで、大気供給マニホールド２０内で水を生成して大気を加湿する。なお、ここでの基準電圧は燃料電池１０がドライアップを起こしやすい高負荷状態での運転となるか否かの基準となる電圧であり、予め実験等によって定められ、制御装置６０に記憶されている。
【００４１】
なお、（１）、（２）の何れの場合においても、大気供給マニホールド２０内での水の生成反応において、大気中の酸素が用いられることとなる。このため、水素オフガス供給管４４から供給される水素オフガス中の水素量が過剰に多くなると、大気中の酸素が減少し、カソード極に供給される酸素が不足する事態となることが考えられる。また水素が完全に反応せずにカソード極側に供給されることとなると、カソード極や電解質膜を劣化させる事態となることが考えられる。従って実施の形態のシステムでは、このような事態を防止するため第３バルブ５４の開度が調整され、大気導入管３０内に供給される水素オフガス量がカソード極での酸素不足を発生させない程度に少量となるように設定されている。また、更に酸素不足を防止するため、大気導入管３０内に導入される大気量を、要求発電量に応じた大気の量よりも一定量増量させることで酸素不足を防止することもできる。
【００４２】
以上のように、燃料電池１０の運転状態に応じて大気流路上流側に供給する大気を加湿することができるため、過剰な加湿によるフラッディングの発生を防ぎつつ、ドライアップを起こしやすい場合に大気を加湿することでドライアップを抑えることができる。
【００４３】
図３は、この発明の実施の形態においてＥＣＵ６０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは燃料電池１０の運転中に一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンでは、まず燃料電池１０の運転中であるか否かが判定される（Ｓ１００）。燃料電池１０の運転中であることが認められない場合はこのままこのルーチンが終了する。
【００４４】
一方、ステップＳ１００において燃料電池１０の運転中であることが認められると、次に、現在、燃料電池１０の運転モードが、燃料電池１０を、停止状態から起動する際の、起動モードであるか否かが判定される（Ｓ１０２）。
【００４５】
ステップＳ１０２において起動モードであることが認められた場合、次に、現在の冷却水の水温が検出される（Ｓ１０４）。水温は図示しない水温センサの出力に基づいて検出される。次に検出された水温が基準温度以上であるか否かが検出される（Ｓ１０６）。
ここで基準温度は、制御装置６０に予め記憶されている。
【００４６】
ステップＳ１０６において水温が基準温度以上であることが認められた場合には、上記（１）の場合、即ち、温度が一定温度以上での起動モードの場合に該当する。従って、次に第１バルブ５０が閉弁状態とされ、第２バルブ５２及び第３バルブ５４が開弁状態とされる（Ｓ１０８）。第２バルブ５２が開弁状態とされると、起動モードにおいて水素流路内が水素によってパージされる。また第３バルブ５４が開弁状態とされると、水素オフガスが大気導入管３０内に導入され大気に混入する。混入した水素は酸素と大気供給マニホールド２０内の触媒２８において反応し水が生成される。この生成水により大気流路内に流入する大気が加湿され、大気流路の特に入口側付近の乾燥が解消される。その後、今回のルーチンが終了する。
【００４７】
一方、ステップＳ１０６において水温が基準温度以上であることが認められない場合には、第１バルブ５０及び第３バルブ５４が閉弁状態とされ、第２バルブ５２が開弁状態とされる（Ｓ１１０）。これにより起動モードにおいて水素流路内に溜まるガスが外部に排出されて水素流路内が水素によりパージされる。なお、基準温度以下での起動の場合、ドライアップが起こりにくい状態にあるため、大気供給マニホールド２０内での水の生成反応による大気の加湿は行われず、通常通りに大気が供給される。その後今回のルーチンが終了する。
【００４８】
また、ステップＳ１０２において、燃料電池１０の起動モードであることが認められない場合には、次に、セル電圧が検出される（Ｓ１１２）。セル電圧は、セルモニタ５８の出力に基づいて検出される。
【００４９】
次に、検出したセル電圧が基準電圧以上か否かが判断される（Ｓ１１４）。ここでセル電圧が基準電圧以上であることが認められた場合、上記（２）に該当し、ドライアップを起こしやすい状態にあると判断される。従って、第３バルブ５４が開弁状態とされる（Ｓ１１６）。これにより、水素オフガス供給管４４から水素オフガスが大気導入管３０内に流れ込み、大気に水素が混入する。その結果、大気供給マニホールド２０の触媒２８上で水素と酸素とが反応して水が生成され、大気が加湿される。従って、セル電圧が高い場合に、大気流路に湿度の高い大気を供給することができ、大気流路上流側においてもドライアップを防止することができる。
【００５０】
次に、第３バルブ５４の開放開始から一定時間が経過したか否かが判断される（Ｓ１１８）。一定時間の経過が認められない場合には、ステップＳ１１６において設定された、第３バルブ５４の開弁状態が維持される。一方、ステップＳ１１８において一定時間の経過が認められると、第３バルブ５４が閉弁され（Ｓ１２０）、このルーチンは一旦終了する。
【００５１】
一方、ステップＳ１１４において、セル電圧が基準電圧以上であることが認められない場合には、燃料電池１０の負荷が小さくドライアップを起こしにくい状態にあると考えられる。従って第３バルブ５４は閉弁状態とされ（Ｓ１２２）、大気導入管３０側への水素オフガスの供給は停止状態とされる。その後、今回のルーチンは終了する。
【００５２】
なお、ステップＳ１１２〜Ｓ１２２の制御の間、第１バルブ５０、第２バルブ５２は、ＥＣＵ６０に記憶された他の制御ルーチンに従って、通常通りに制御されている。具体的に例えば、水素オフガス中の水素濃度が一定以上である場合には第１バルブ５０が開弁状態とされ、第２バルブが閉弁状態とされる。これにより水素オフガスが循環利用される。一方、水素オフガス中の水素濃度が一定以下となると、第１バルブ５０が閉弁状態とされて水素オフガスの循環が停止し、第２バルブ５２が開放されて水素オフガスが希釈器を介して排出される。ただし、第１バルブ５０及び第２バルブ５２の制御、即ち水素オフガスを循環利用する場合と排出する場合の切り替えは、他のタイミングで行なわれるものであってもよい。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態の燃料電池システムによれば、水素オフガスの一部を分岐させて大気導入管３０に流入させることで、水素オフガスの一部を大気と共に触媒２８が設置された大気供給マニホールド２０内に供給することができる。これにより大気供給マニホールド２０内で水を生成して、大気を十分に加湿することができるため、電解質膜のドライアップを抑えることができる。また、大気供給マニホールド２０内での加湿を、燃料電池１０の運転モードに応じて制御することができるため、フラッディングが発生しやすい状態における過剰な加湿等を防止して、必要な場合にのみ選択的に大気を加湿することができる。更に、この実施の形態の燃料電池システムによれば湿度交換器等、加湿用の機器を除去することが可能となるため、燃料電池の小型化を図ることができる。
【００５４】
なお、実施の形態では、湿度交換器を有していない燃料電池システムについて説明した。これは、実施の形態のシステムでは大気供給マニホールド２０内で水を生成することができ、湿度交換器を設置しなくてもカソード極側からのドライアップを防止することができるためである。しかし、この発明においては湿度交換器を有するものであってもよく、湿度交換器を設置することで更に大気の湿度を高い状態とすることができる。
【００５５】
また、実施の形態では、大気供給マニホールド内２０内に触媒２８を配置して、大気供給マニホールド２０内で水を生成させる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。触媒２８は、大気導入管３０及び大気供給マニホールド２０を含む大気供給経路の、水素オフガス供給管４４との連結部より下流側から、各セル１４の大気流路入口までの間のいずれかの位置に配置して、各セル１４の大気流路に水素オフガスを含む大気が流入する前に水を生成できる構造とすればよい。従って、例えば触媒２８は、大気導入管３０内に配置することもできる。
【００５６】
また、実施の形態では触媒２８として、Ｐｔを用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、酸素と水素との反応に対する触媒機能を有するものであれば他の触媒であってもよい。具体的には、一般に電極触媒として用いられる触媒材料、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕを用いることができる。また、発電部より上流の大気供給経路内に配置される触媒であるため、酸性環境に比較的弱く固体高分子型燃料電池の電極触媒としては使用されにくい、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等を使用することもできる。
【００５７】
また、ここで触媒２８は、中空の網状体表面をＰｔで覆ったものを用いる場合について説明した。しかし、触媒２８の構成はこれに限るものではない。具体的に例えば、棒状に形成したものを大気供給経路の中心に配置したものや、大気供給経路内壁を触媒粒子で被覆したものなどとすることもできる。
【００５８】
また、実施の形態では、水素オフガスを大気導入管３０に供給するべく、水素排出管３６から分岐する水素オフガス供給管４４を大気導入管３０に連通させる場合について説明した。これにより、水素オフガス中の水素を有効に利用すると共に、ある程度低い濃度で水素を大気に混入させることができ、大気供給マニホールド２０内での水の生成による酸素不足の発生を防止することができる。また、水素オフガス中には水分が多く含まれているため、水素オフガスを大気導入管３０に供給することで、更なるドライアップの防止を図ることができる。
【００５９】
ただし、この発明において大気供給経路に供給するのは水素オフガスに限るものではなく、例えば水素タンクから供給される水素を直接大気供給経路に供給するものとしてもよい。この場合、例えば水素供給経路３４の循環管４０との接続部より水素供給源より近い上流側において、水素供給管３４からの分岐管を設けて水素を分岐させて、これを大気導入管３０等に接続する構成とすることで、水素を供給することができる。また、水素供給管３４の循環管４０との接続部より下流側を分岐させて分岐管を設けて、これを大気導入管３０に接続してもよい。この場合大気導入管３０内には、水素オフガスと、水素供給源から供給された水素とが混入した、燃料電池１０のアノード極に供給される燃料と同じものが供給されることとなる。
【００６０】
また、実施の形態では、（１）及び（２）の場合、つまり温度が一定温度以上の起動モードの場合及びセル電圧が基準電圧以上である場合にのみ、第３バルブ５４を開弁状態として水素オフガスを大気導入管３０に流入させるように制御する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば第３バルブ５４を設置せず、常に一定量の水素オフガスが大気導入管３０内に供給される構造としても良い。これによって、常に大気供給マニホールド２０の触媒２８上で水を生成して大気を加湿することができる。
【００６１】
また、実施の形態では、第３バルブ５４を開弁して水素オフガスを大気導入管３０に流入させてから一定時間経過した後、第３バルブ５４を閉弁して、大気導入管３０への水素オフガスの導入を停止する場合について説明した。これにより、カソード極での酸素不足や、過剰な加湿によるフラッディングが発生しない範囲で、水を生成して大気を加湿することができる。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、例えばセル電圧が基準電圧以上である場合、基準電圧以下となるまで第３バルブ５４を開弁状態とするようにしてもよい。この場合に、第３バルブ５４の開度や大気の供給圧等を調整すれば、酸素不足等を起こすことなく、ドライアップを防止することができる。
【００６２】
また、実施の形態ではセルモニタ５８によりセル電圧を検出し、電圧が基準電圧以上である場合にドライアップを起こしやすい状態にあるものと判断して第３バルブ５４を開弁する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、負荷が高くドライアップを起こしやすい状態にある場合の判断は、他の要因によって行なうものであってもよい。具体的に、例えば、水温を検出して水温がある程度高い場合にドライアップを起こしやすいものと判断して、第３バルブ５４を開弁するように制御することができる。
【００６３】
なお、例えば実施の形態においてステップＳ１１２が実行されることで「電圧検出手段」が実現し、ステップＳ１１４が実行されることで「電圧判定手段」が実現し、ステップＳ１１６が実行されることで「制御装置」が実現する。また、例えば、ステップＳ１０２が実行されることで「起動モード検出手段」が実現し、ステップＳ１０４が実行されることで「温度検出手段」が実現し、ステップＳ１０６が実行されることで「温度判定手段」が実現し、ステップＳ１０８が実行されることで「制御手段」が実現する。
【００６４】
また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における燃料電池の構成について説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態における燃料電池システムにおいて、制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１０  燃料電池
１２  エンドプレート
１４  セル
２０  大気供給マニホールド
２２  大気排出マニホールド
２４  水素供給マニホールド
２６  水素排出マニホールド
２８  触媒
３０  大気導入管
３２  大気排出管
３４  水素導入管
３６  水素排出管
４０  循環管
４２  排出管
４４  水素オフガス供給管
５０  第１バルブ
５２  第２バルブ
５４  第３バルブ
５８  セルモニタ
６０  ＥＣＵ
【図１】
2009032512.tif 000003
【図２】
2009032512.tif 000004
【図３】
2009032512.tif 000005