燃料電池システム
【課題】アノード電極側からの排気処理を不要にするとともに、安定した発電動作を継続することができ、しかも、簡易な構成からなる安価な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】流量制御部５６は、アノード電極２４側の循環路４０に配設された湿度検出部４２によって検出された水素ガスの湿度と、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流とに基づき、前記湿度が１００％以下の所定範囲となるようにコンプレッサ４８を制御し、所定量に調整された流量からなるエアをカソード電極２６に供給する。燃料電池スタック２２は、水素ガスを外部に排出することなく、最適な状態を維持して効率的に負荷電流を生成する。
【解決手段】流量制御部５６は、アノード電極２４側の循環路４０に配設された湿度検出部４２によって検出された水素ガスの湿度と、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流とに基づき、前記湿度が１００％以下の所定範囲となるようにコンプレッサ４８を制御し、所定量に調整された流量からなるエアをカソード電極２６に供給する。燃料電池スタック２２は、水素ガスを外部に排出することなく、最適な状態を維持して効率的に負荷電流を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータで挟持して構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
図８は、このような燃料電池スタック１を利用した燃料電池システム２の概略構成を示したものである（例えば、特許文献１参照）。燃料電池システム２において、燃料ガスである水素ガスは、イジェクタ３を介して加湿器４に供給された後、所定の湿度に加湿されてアノード電極５に供給される。アノード電極５では、加湿された水素ガスがアノード電極５の触媒作用によって水素イオンとされ、この水素イオンが電解質膜６を介してカソード電極７に移動する。この間に水素ガスから得られた電子は、外部回路に取り出されることで負荷電流として利用される。なお、アノード電極５において未反応の水素ガスは、イジェクタ３を介してアノード電極５に循環されることで再利用される。一方、カソード電極７には、酸化剤ガスであるエアが加湿器８によって所定湿度に加湿されて供給される。カソード電極７では、電解質膜６を介して供給される水素イオンと、水素ガスから得られた電子と、エア中の酸素ガスとが反応し、水が生成される。そして、反応に寄与しないエアおよび生成された水は、排気ガスとして外部に排出される。
【０００４】
ここで、水素ガスおよびエアを加湿器４および８によって加湿して燃料電池スタック１に供給する理由は、電解質膜６に適度な湿度を持たせて安定した発電電圧を維持するためである。この場合、アノード電極５側に水が過剰に溜まってしまうと、水素ガスの流路が詰まって必要な量の水素ガスをアノード電極５に供給することができなくなるため、発電電圧が低下する事態が生じる。そこで、燃料電池システム２では、水素ガスの循環路にバルブ９を配設し、所定の条件でバルブ９を開成することにより、アノード電極５側の水を含む排気ガスを外部に排出させ、発電電圧の安定化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９３４３８号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、アノード電極５側から排気ガスを排出する際、未反応の水素ガスの一部が外部に排出されてしまうため、燃費が低下する問題がある。また、水素ガスを外部に排出する場合には、所定の濃度以下とする処理が必要である。従って、排出される水素ガスの量を最小限とするため、様々な動作テストを繰り返して最適な排出条件を決定しなければならない。また、排出される水素ガスの濃度を低下させるための手段、例えば、水素ガスを希釈する機構、あるいは、水素ガスを燃焼させる機構が必要である。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、アノード電極側からの排気処理を不要にするとともに、安定した発電動作を継続することができ、しかも、簡易な構成からなる安価な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】
請求項１記載の本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
前記カソード電極に供給する前記酸素含有ガスの流量を制御する酸素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスの流量を制御することにより、カソード電極側からアノード電極側への水の拡散量と、アノード電極側から水素イオンによって移動する水の浸透量とを調整する。この場合、アノード電極側での結露を回避し、且つ、電解質膜をカソード電極側から拡散する水によって適度に加湿することができる。従って、加湿器による水素含有ガスの加湿が不要になるとともに、アノード電極側からの排気処理が不要となり、所望の量の水素含有ガスをアノード電極に供給して安定した発電電圧を得ることができる。
【００１０】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の本発明では、水素含有ガスの湿度を湿度検出部によって高精度に検出し、その湿度が１００％以下の所定範囲となるように制御を行うことができる。
【００１２】
請求項３記載の本発明は、請求項２記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の本発明では、水素含有ガスを循環させることで未反応の水素ガスをアノード電極に供給して再利用し、且つ、水素含有ガスの一部を外部に排出する必要がないため、高い燃費を得ることができる。
【００１４】
請求項４記載の本発明は、請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスの流量と、循環路からアノード電極に供給する水素含有ガスの流量とを制御することにより、アノード電極側での水素含有ガスの湿度を飽和しない所定範囲に設定し、アノード電極側からの排気処理を不要とし、且つ、安定した状態で発電を継続することができる。
【００１６】
請求項５記載の本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
切換バルブを有し、前記加湿器を経由させないで前記酸素含有ガスを通過させるバイパス路と、
前記切換バルブを制御し、前記加湿器と前記バイパス路とを切り換えるバルブ制御部と、
を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記切換バルブを制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスに対する加湿器による加湿量を、加湿器に並列に接続されたバイパス路の切換バルブを制御することで調整する。これにより、カソード電極で生成された水のアノード電極側への拡散量と、アノード電極側から水素イオンによって移動する水の浸透量とが調整される。
【００１８】
請求項６記載の本発明は、請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記加湿器または前記バイパス路を通過する前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の本発明では、水素含有ガスの湿度を湿度検出部によって高精度に検出し、その湿度が１００％以下の所定範囲となるように制御を行うことができる。
【００２０】
請求項７記載の本発明は、請求項６記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の本発明では、水素含有ガスを循環させることで未反応の水素ガスをアノード電極に供給して再利用し、且つ、水素含有ガスの一部を外部に排出する必要がないため、高い燃費を得ることができる。
【００２２】
請求項８記載の本発明は、請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記バルブ制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００２３】
請求項８記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスの流量と、循環路からアノード電極に供給する水素含有ガスの流量とを制御することにより、アノード電極側での水素含有ガスの湿度を飽和しない所定範囲に設定し、アノード電極側からの排気処理を不要とし、且つ、安定した状態で発電を継続することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アノード電極側に加湿器を配設することなく、燃料電池を適度に加湿して効率的に負荷電流を生成することができる。また、アノード電極側での結露を回避することができるため、安定した発電状態を得ることができる。さらに、アノード電極側から水を含む水素含有ガスを外部に排出する必要がないため、水素含有ガスの排出に要する機構も不要となる。従って、極めて簡易な構成で安定して発電動作を継続することのできる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】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】燃料電池スタックをモデル化した説明図である。
【図３】カソードストイキとアノード湿度との関係図である。
【図４】カソードストイキとアノード湿度との関係図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図７】第４実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図８】従来技術に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００２７】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスであるエアとが供給されることで負荷電流を生成する燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２は、水素ガスが供給されるアノード電極２４と、エアが供給されるカソード電極２６と、電解質膜２８とを基本構成要素とする多数の燃料電池を積層して構成される。
【００２８】
水素ガスは、水素タンク３０からバルブ３２、レギュレータ３４、熱交換器３６およびポンプ３８を介してアノード電極２４の入口に供給される。アノード電極２４の出口は、循環路４０を介してポンプ３８に接続される。循環路４０には、アノード電極２４の湿度を検出する湿度検出部４２が配設される。バルブ３２は、燃料電池スタック２２による発電開始および発電終了に応じて開閉される。レギュレータ３４は、水素圧力制御部４４からの制御信号に基づき、水素ガスのアノード電極２４に対する供給圧力を調整する。熱交換器３６は、アノード電極２４に供給する水素ガスの温度を発電に最適な温度となるように調整する。ポンプ３８は、アノード電極２４の出口から排出された未反応の水素ガスを循環路４０を介してアノード電極２４の入口に循環させる。
【００２９】
エアは、流量検出部４６を介してコンプレッサ４８に供給され、コンプレッサ４８で圧縮されて熱交換器５０および加湿器５２を介してカソード電極２６の入口に供給される。カソード電極２６の出口は、バルブ５４および加湿器５２を介して外部に連通する。流量検出部４６は、カソード電極２６に供給するエアの流量を検出する。コンプレッサ４８は、流量制御部５６からの制御信号に基づき、エアのカソード電極２６に対する供給量を調整する。熱交換器５０は、カソード電極２６に供給するエアの温度を発電に最適な温度となるように調整する。加湿器５２は、カソード電極２６から排出される排気ガスに含まれる水によってエアを加湿する。バルブ５４は、エア圧力制御部５８からの制御信号に基づいて開度が制御され、エアのカソード電極２６に対する供給圧力を調整する。
【００３０】
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２によって生成する所望の負荷電流を設定する負荷電流設定部６０を有する。負荷電流設定部６０は、エア圧力制御部５８を制御し、負荷電流に応じた圧力からなるエアをカソード電極２６に供給する。また、エア圧力制御部５８は、水素圧力制御部４４を制御し、カソード電極２６に供給するエア圧力に対して一定の比率の圧力からなる水素ガスをアノード電極２４に供給する。さらに、負荷電流設定部６０は、流量制御部５６を制御し、負荷電流に応じてアノード電極２４の湿度を最適に設定することのできる流量からなるエアをカソード電極２６に供給する。
【００３１】
第１実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００３２】
先ず、負荷電流設定部６０は、目標とする負荷電流を設定し、エア圧力制御部５８および流量制御部５６を制御する。そこで、エア圧力制御部５８は、設定された負荷電流に従い、バルブ５４の開度を制御して燃料電池スタック２２に供給するエアの圧力を調整する。また、水素圧力制御部４４は、レギュレータ３４を制御し、エア圧力制御部５８によって調整されるエアの圧力に対して一定の比率となるように水素ガスの圧力を調整する。さらに、流量制御部５６は、設定された負荷電流と、流量検出部４６によって検出されたエアの流量と、湿度検出部４２によって検出された水素ガスの湿度とをパラメータとしてコンプレッサ４８を制御し、燃料電池スタック２２に供給するエアの流量を調整する。
【００３３】
水素タンク３０に貯留されている水素ガスは、バルブ３２が開成されることでレギュレータ３４に供給されて所定の圧力に調整された後、熱交換器３６によって所定の温度に調整され、ポンプ３８を介して燃料電池スタック２２のアノード電極２４に供給される。一方、負荷電流に応じて流量および圧力が調整されたエアは、熱交換器５０および加湿器５２によって所定の温度および湿度に調整され、燃料電池スタック２２のカソード電極２６に供給される。
【００３４】
燃料電池スタック２２に供給された水素ガスは、アノード電極２４の触媒作用によって水素イオンとされ、電解質膜２８を介してカソード電極２６に移動する。この間、水素ガスから得られた電子が外部回路に取り出されることで負荷電流が生成される。一方、燃料電池スタック２２に供給されたエア中の酸素ガスは、カソード電極２６において、電解質膜２８を介して供給される水素イオンおよび水素ガスから得られた電子と反応し、水が生成される。
【００３５】
この場合、カソード電極２６において生成された水および反応に寄与しなかったエアは、排気ガスとしてバルブ５４および加湿器５２を介して外部に排出される。このとき、加湿器５２は、カソード電極２６に供給されるエアを排気ガスに含まれる水によって加湿する。従って、燃料電池スタック２２を構成する電解質膜２８は、エア中に含まれる水によって適度に加湿される。また、エア中に含まれる水および反応によって生成された水は、アノード電極２４側に拡散し、水素ガスを加湿する。従って、電解質膜２８は、加湿された水素ガスによっても適度に加湿される。この結果、安定した発電電圧が維持される。なお、アノード電極２４において未反応の水素ガスは、循環路４０を介してポンプ３８により循環されることで、発電が効率的に継続される。
【００３６】
第１実施形態では、流量制御部５６によって燃料電池スタック２２に供給するエアの流量を調整することにより、水素ガスの供給路側に水素ガスを加湿する加湿器を配設することなく水素ガスを最適な状態に加湿することができ、しかも、水素ガスを外部に排出することなく安定した発電電圧を維持して効率的に負荷電流を生成することができる。
【００３７】
燃料電池スタック２２を図２に示すようにモデル化して説明する。電解質膜２８の膜厚をｔｍ、電解質膜２８内の膜内水拡散係数をＤｗ（Ｈｍ）、カソード電極２６および電解質膜２８間の膜界面水濃度をＣｗｃ（Ｈｃ）、アノード電極２４および電解質膜２８間の膜界面水濃度をＣｗａ（Ｈａ）とすると、カソード電極２６側からアノード電極２４側に拡散する水の量である逆拡散水量γは、一般的に、
γ＝Ｄｗ（Ｈｍ）・（Ｃｗｃ（Ｈｃ）−Ｃｗａ（Ｈａ））／ｔｍ …（１）
となることが知られている。なお、膜内水拡散係数Ｄｗ（Ｈｍ）は、電解質膜２８内の湿度Ｈｍに依存し、膜界面水濃度Ｃｗｃ（Ｈｃ）は、カソード電極２６側の平均湿度Ｈｃに依存し、膜界面水濃度Ｃｗａ（Ｈａ）は、アノード電極２４側の平均湿度（アノード湿度Ｈａ）に依存する。
【００３８】
また、アノード電極２４で生成された水素イオンは、水分子を同伴してカソード電極２６側に移動する。この場合、水素イオン１個が同伴する水分子数をｎｄ（Ｈｍ）、水素イオンの移動モル数をＭ（Ｉ）とすると、アノード電極２４側からカソード電極２６側に浸透する水の量である電気浸透水量δは、一般的に、
δ＝ｎｄ（Ｈｍ）・Ｍ（Ｉ） …（２）
となることが知られている。なお、水分子数ｎｄ（Ｈｍ）は、電解質膜２８内の湿度Ｈｍに依存し、移動モル数Ｍ（Ｉ）は、燃料電池スタック２２によって生成される負荷電流Ｉに依存する。
【００３９】
この場合、アノード電極２４側の水素ガス供給路を含む循環路４０では、水が結露することなく水素ガスが適度に加湿されていなければならない。そのためには、循環路４０に配設した湿度検出部４２によって検出される水素ガスの平均湿度Ｈａを１００％以下の所定範囲となるように制御する必要がある。
【００４０】
水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）は、アノード電極２４側に拡散する逆拡散水量γと、アノード電極２４側からカソード電極２６側に浸透する電気浸透水量δとの差（γ−δ）によって決まり、この差（γ−δ）は、（１）、（２）式の関係から、カソード電極２６に供給されるエアの平均湿度Ｈｃと、燃料電池スタック２２により生成する負荷電流Ｉとに依存している。そして、カソード電極２６に供給されるエアの平均湿度Ｈｃは、コンプレッサ４８によりカソード電極２６に供給されるエアの流量によって制御することができる。すなわち、カソード電極２６に供給されるエアの流量を増加させれば、カソード電極２６で生成された水が排気ガスとともに効率的に外部に排出されるため、平均湿度Ｈｃが低下する。また、エアの流量を減少させれば、水の排出が抑制されて平均湿度Ｈｃが上昇する。
【００４１】
図３は、負荷電流Ｉ１を生成する場合において、カソード電極２６に供給するエアの流量をカソードストイキＳｃ（＝供給するエアの流量／発電により消費されたエアの流量）に換算した値と、アノード電極２４側の入口および出口の平均湿度ＨａｉｎおよびＨａｏｕｔ（アノード湿度Ｈａ）との関係を示す。また、図４は、負荷電流Ｉ２（Ｉ１＜Ｉ２）を生成する場合におけるカソードストイキＳｃと、アノード電極２４側の入口および出口の平均湿度ＨａｉｎおよびＨａｏｕｔ（アノード湿度Ｈａ）との関係を示す。
【００４２】
そこで、流量制御部５６は、図３および図４に示す関係をルックアップテーブル等として保持しておき、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流Ｉと、湿度検出部４２によって検出されたアノード電極２４における水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）とに基づき、アノード湿度Ｈａが１００％以下の所定範囲（例えば、７０〜８０％）となるようにコンプレッサ４８を制御し、所定のカソードストイキＳｃとなる流量のエアをカソード電極２６に供給する。この結果、燃料電池スタック２２は、カソード電極２６側およびアノード電極２４側から供給される水によって適切に加湿された状態で発電を行うことができる。
【００４３】
なお、カソード電極２６に供給するエアの流量は、要求される負荷電流Ｉを得ることのできるカソードストイキＳｃ以上でなければならないことは勿論であるが、アノード湿度Ｈａが１００％近傍となるカソードストイキＳｃに調整することで、コンプレッサ４８の駆動に要する電力を必要最小限とし、燃料電池スタック２２により発電された電力の消耗を抑えることができる。
【００４４】
図５は、第２実施形態の燃料電池システム７０を示す。なお、図１に示す燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
燃料電池システム７０は、燃料電池スタック２２を構成するカソード電極２６の出口からの排出ガスを、加湿器５２を経由させないで排出するバイパス路７２を有し、このバイパス路７２に切換バルブ７４が配設される。切換バルブ７４は、湿度検出部４２が検出した水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）と負荷電流Ｉとに従い、バルブ制御部７６により開閉制御される。また、流量制御部７８は、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流を得ることのできるカソードストイキＳｃを確保すべく、コンプレッサ４８を制御してエアの流量を調整する。
【００４６】
このように構成される燃料電池システム７０において、バルブ制御部７６は、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流Ｉと、湿度検出部４２によって検出されたアノード電極２４における水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）とに基づき、アノード湿度Ｈａが１００％以下の所定範囲（例えば、６０〜７０％）となるように切換バルブ７４を制御する。
【００４７】
すなわち、バルブ制御部７６は、湿度検出部４２によって検出したアノード湿度Ｈａが上昇すると、切換バルブ７４を開成し、バイパス路７２を介して排気ガスを直接外部に排出する。従って、カソード電極２６において生成された水が排気ガスとともに外部に積極的に排出され、カソード電極２６側の湿度が低下する。この結果、アノード電極２４側に拡散する水の量が減少し、アノード湿度Ｈａが結露しない最適な値に調整される。また、アノード湿度Ｈａが所定値以下に低下した場合には、切換バルブ７４を閉成し、カソード電極２６から排出される水を含む排気ガスを加湿器５２に供給してエアの加湿を行う。これにより、生成された水がアノード電極２４側に拡散し、アノード湿度Ｈａが所定の湿度に調整される。
【００４８】
なお、上記の説明では、切換バルブ７４をバルブ制御部７６によって開閉制御されるものとして説明したが、水素ガスの湿度に応じて切換バルブ７４の開度を調整可能とし、加湿器５２を通過する排気ガスと、バイパス路７２を通過する排気ガスとの比率を調整するようにしてもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態１および２では、循環路４０に接続された湿度検出部４２を用いて水素ガスの湿度を直接検出し、その検出値に従ってエアの流量を調整しているが、湿度検出部４２を用いることなく、アノード電極２４側での結露を回避するように制御することもできる。
【００５０】
すなわち、燃料電池スタック２２の使用範囲内において、負荷電流毎（例えば、０．１Ａ毎）にアノード電極２４側の湿度、カソード電極２６側の湿度（加湿量）、水素ガスおよびエアの圧力、流量、温度等を変えて発電を行うことで、結露が循環路４０内に発生することがなく、安定した発電を継続することのできる条件を求める。そして、その条件に基づき、圧力、流量、温度等の計測値と、制御量との関係をデータテーブルとして設定することにより、湿度を検出することなく、燃料電池スタック２２を最適な発電状態で制御することができる。
【００５１】
また、急激な負荷変動を考慮した過渡的状態での制御条件を求め、例えば、圧力、流量、温度等の計測値と、制御量の単位時間当たりの増減量との関係を制御プログラムとして設定することにより、燃料電池スタック２２を一層最適な発電状態で制御することができる。
【００５２】
図６は、図１に示す第１実施形態の変形例である湿度検出部４２を用いない第３実施形態の燃料電池システム８０を示す。なお、図１に示す燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
アノード湿度制御部８２は、負荷電流設定部６０から供給される負荷電流と、流量制御部５６に設定されるエアの必要流量と、ポンプ３８を制御するポンプ制御部８４に設定される水素ガスの必要流量と、エアや水素ガスの圧力、温度等のパラメータとの関係であって、アノード電極２４側が結露することのない条件を設定したデータテーブルを備える。なお、圧力、温度等のパラメータは、既存の検出器から取得することができる。
【００５４】
所望の負荷電流が設定された際、アノード湿度制御部８２は、前記データテーブルを用いて、結露することのないエアの流量データを流量制御部５６に供給してコンプレッサ４８を駆動するとともに、結露することのない水素ガスの流量データをポンプ制御部８４に供給してポンプ３８を駆動する。これにより、燃料電池スタック２２を安定した状態で発電させることができる。
【００５５】
図７は、図５に示す第２実施形態の変形例である湿度検出部４２を用いない第４実施形態の燃料電池システム９０を示す。なお、図５に示す燃料電池システム７０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
アノード湿度制御部９２は、負荷電流設定部６０から供給される負荷電流と、バルブ制御部７６に設定される切換バルブ７４の切換時間と、ポンプ３８を制御するポンプ制御部９４に設定される水素ガスの必要流量と、エアや水素ガスの圧力、温度等のパラメータとの関係であって、アノード電極２４側が結露することのない条件を設定したデータテーブルを備える。なお、バルブ制御部７６に設定する切換時間は、例えば、エアを加湿器５２に供給して得られるカソード電極２６側の必要湿度に対応させて設定することができる。
【００５７】
所望の負荷電流が設定された際、アノード湿度制御部９２は、前記データテーブルを用いて、結露することのない切換時間データをバルブ制御部７６に供給して切換バルブ７４を開閉するとともに、結露することのない水素ガスの流量データをポンプ制御部９４に供給してポンプ３８を駆動する。これにより、燃料電池スタック２２を安定した状態で発電させることができる。
【００５８】
以上のように、第１実施形態〜第４実施形態では、発電によってカソード電極２６側で生成された水をアノード電極２４側に適度に拡散させることにより、水素ガスを結露しない状態に加湿して電解質膜２８に供給することができる。この結果、燃料電池スタック２２を最適な状態で運転し、負荷電流を効率的に生成することができる。
【００５９】
また、アノード電極２４側に拡散した水が結露しないように湿度が調整されるため、アノード電極２４側から不要な水等を水素ガスとともに排出する必要がない。従って、水素ガスを有効に利用して発電を行うことができる。
【００６０】
さらに、湿度検出部４２は、湿度計として構成されていてもよく、露点計として構成されていてもよい。露点計として構成される場合、露点と相対湿度とが直接的な関係を有することに基づき、計測された露点を湿度に適宜変換して湿度調整を行うことが可能である。さらにまた、湿度検出部４２の検出値を用いてアノード電極２４側の露点を調整するように構成することも上記関係を利用した本発明の好適な変形例である。
【符号の説明】
【００６１】
２０、７０、８０、９０…燃料電池システム ２２…燃料電池スタック
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
２８…電解質膜 ３０…水素タンク
３４…レギュレータ ３８…ポンプ
４０…循環路 ４２…湿度検出部
４４…水素圧力制御部 ４６…流量検出部
４８…コンプレッサ ５２…加湿器
５６、７８…流量制御部 ５８…エア圧力制御部
６０…負荷電流設定部 ７２…バイパス路
７４…切換バルブ ７６…バルブ制御部
８２、９２…アノード湿度制御部 ８４、９４…ポンプ制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータで挟持して構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
図８は、このような燃料電池スタック１を利用した燃料電池システム２の概略構成を示したものである（例えば、特許文献１参照）。燃料電池システム２において、燃料ガスである水素ガスは、イジェクタ３を介して加湿器４に供給された後、所定の湿度に加湿されてアノード電極５に供給される。アノード電極５では、加湿された水素ガスがアノード電極５の触媒作用によって水素イオンとされ、この水素イオンが電解質膜６を介してカソード電極７に移動する。この間に水素ガスから得られた電子は、外部回路に取り出されることで負荷電流として利用される。なお、アノード電極５において未反応の水素ガスは、イジェクタ３を介してアノード電極５に循環されることで再利用される。一方、カソード電極７には、酸化剤ガスであるエアが加湿器８によって所定湿度に加湿されて供給される。カソード電極７では、電解質膜６を介して供給される水素イオンと、水素ガスから得られた電子と、エア中の酸素ガスとが反応し、水が生成される。そして、反応に寄与しないエアおよび生成された水は、排気ガスとして外部に排出される。
【０００４】
ここで、水素ガスおよびエアを加湿器４および８によって加湿して燃料電池スタック１に供給する理由は、電解質膜６に適度な湿度を持たせて安定した発電電圧を維持するためである。この場合、アノード電極５側に水が過剰に溜まってしまうと、水素ガスの流路が詰まって必要な量の水素ガスをアノード電極５に供給することができなくなるため、発電電圧が低下する事態が生じる。そこで、燃料電池システム２では、水素ガスの循環路にバルブ９を配設し、所定の条件でバルブ９を開成することにより、アノード電極５側の水を含む排気ガスを外部に排出させ、発電電圧の安定化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９３４３８号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、アノード電極５側から排気ガスを排出する際、未反応の水素ガスの一部が外部に排出されてしまうため、燃費が低下する問題がある。また、水素ガスを外部に排出する場合には、所定の濃度以下とする処理が必要である。従って、排出される水素ガスの量を最小限とするため、様々な動作テストを繰り返して最適な排出条件を決定しなければならない。また、排出される水素ガスの濃度を低下させるための手段、例えば、水素ガスを希釈する機構、あるいは、水素ガスを燃焼させる機構が必要である。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、アノード電極側からの排気処理を不要にするとともに、安定した発電動作を継続することができ、しかも、簡易な構成からなる安価な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】
請求項１記載の本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
前記カソード電極に供給する前記酸素含有ガスの流量を制御する酸素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【０００９】
請求項１記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスの流量を制御することにより、カソード電極側からアノード電極側への水の拡散量と、アノード電極側から水素イオンによって移動する水の浸透量とを調整する。この場合、アノード電極側での結露を回避し、且つ、電解質膜をカソード電極側から拡散する水によって適度に加湿することができる。従って、加湿器による水素含有ガスの加湿が不要になるとともに、アノード電極側からの排気処理が不要となり、所望の量の水素含有ガスをアノード電極に供給して安定した発電電圧を得ることができる。
【００１０】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の本発明では、水素含有ガスの湿度を湿度検出部によって高精度に検出し、その湿度が１００％以下の所定範囲となるように制御を行うことができる。
【００１２】
請求項３記載の本発明は、請求項２記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の本発明では、水素含有ガスを循環させることで未反応の水素ガスをアノード電極に供給して再利用し、且つ、水素含有ガスの一部を外部に排出する必要がないため、高い燃費を得ることができる。
【００１４】
請求項４記載の本発明は、請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスの流量と、循環路からアノード電極に供給する水素含有ガスの流量とを制御することにより、アノード電極側での水素含有ガスの湿度を飽和しない所定範囲に設定し、アノード電極側からの排気処理を不要とし、且つ、安定した状態で発電を継続することができる。
【００１６】
請求項５記載の本発明は、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
切換バルブを有し、前記加湿器を経由させないで前記酸素含有ガスを通過させるバイパス路と、
前記切換バルブを制御し、前記加湿器と前記バイパス路とを切り換えるバルブ制御部と、
を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記切換バルブを制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスに対する加湿器による加湿量を、加湿器に並列に接続されたバイパス路の切換バルブを制御することで調整する。これにより、カソード電極で生成された水のアノード電極側への拡散量と、アノード電極側から水素イオンによって移動する水の浸透量とが調整される。
【００１８】
請求項６記載の本発明は、請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記加湿器または前記バイパス路を通過する前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項６記載の本発明では、水素含有ガスの湿度を湿度検出部によって高精度に検出し、その湿度が１００％以下の所定範囲となるように制御を行うことができる。
【００２０】
請求項７記載の本発明は、請求項６記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の本発明では、水素含有ガスを循環させることで未反応の水素ガスをアノード電極に供給して再利用し、且つ、水素含有ガスの一部を外部に排出する必要がないため、高い燃費を得ることができる。
【００２２】
請求項８記載の本発明は、請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記バルブ制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする。
【００２３】
請求項８記載の本発明では、カソード電極に供給する酸素含有ガスの流量と、循環路からアノード電極に供給する水素含有ガスの流量とを制御することにより、アノード電極側での水素含有ガスの湿度を飽和しない所定範囲に設定し、アノード電極側からの排気処理を不要とし、且つ、安定した状態で発電を継続することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アノード電極側に加湿器を配設することなく、燃料電池を適度に加湿して効率的に負荷電流を生成することができる。また、アノード電極側での結露を回避することができるため、安定した発電状態を得ることができる。さらに、アノード電極側から水を含む水素含有ガスを外部に排出する必要がないため、水素含有ガスの排出に要する機構も不要となる。従って、極めて簡易な構成で安定して発電動作を継続することのできる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】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】燃料電池スタックをモデル化した説明図である。
【図３】カソードストイキとアノード湿度との関係図である。
【図４】カソードストイキとアノード湿度との関係図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図７】第４実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図８】従来技術に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００２７】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスであるエアとが供給されることで負荷電流を生成する燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２は、水素ガスが供給されるアノード電極２４と、エアが供給されるカソード電極２６と、電解質膜２８とを基本構成要素とする多数の燃料電池を積層して構成される。
【００２８】
水素ガスは、水素タンク３０からバルブ３２、レギュレータ３４、熱交換器３６およびポンプ３８を介してアノード電極２４の入口に供給される。アノード電極２４の出口は、循環路４０を介してポンプ３８に接続される。循環路４０には、アノード電極２４の湿度を検出する湿度検出部４２が配設される。バルブ３２は、燃料電池スタック２２による発電開始および発電終了に応じて開閉される。レギュレータ３４は、水素圧力制御部４４からの制御信号に基づき、水素ガスのアノード電極２４に対する供給圧力を調整する。熱交換器３６は、アノード電極２４に供給する水素ガスの温度を発電に最適な温度となるように調整する。ポンプ３８は、アノード電極２４の出口から排出された未反応の水素ガスを循環路４０を介してアノード電極２４の入口に循環させる。
【００２９】
エアは、流量検出部４６を介してコンプレッサ４８に供給され、コンプレッサ４８で圧縮されて熱交換器５０および加湿器５２を介してカソード電極２６の入口に供給される。カソード電極２６の出口は、バルブ５４および加湿器５２を介して外部に連通する。流量検出部４６は、カソード電極２６に供給するエアの流量を検出する。コンプレッサ４８は、流量制御部５６からの制御信号に基づき、エアのカソード電極２６に対する供給量を調整する。熱交換器５０は、カソード電極２６に供給するエアの温度を発電に最適な温度となるように調整する。加湿器５２は、カソード電極２６から排出される排気ガスに含まれる水によってエアを加湿する。バルブ５４は、エア圧力制御部５８からの制御信号に基づいて開度が制御され、エアのカソード電極２６に対する供給圧力を調整する。
【００３０】
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２によって生成する所望の負荷電流を設定する負荷電流設定部６０を有する。負荷電流設定部６０は、エア圧力制御部５８を制御し、負荷電流に応じた圧力からなるエアをカソード電極２６に供給する。また、エア圧力制御部５８は、水素圧力制御部４４を制御し、カソード電極２６に供給するエア圧力に対して一定の比率の圧力からなる水素ガスをアノード電極２４に供給する。さらに、負荷電流設定部６０は、流量制御部５６を制御し、負荷電流に応じてアノード電極２４の湿度を最適に設定することのできる流量からなるエアをカソード電極２６に供給する。
【００３１】
第１実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００３２】
先ず、負荷電流設定部６０は、目標とする負荷電流を設定し、エア圧力制御部５８および流量制御部５６を制御する。そこで、エア圧力制御部５８は、設定された負荷電流に従い、バルブ５４の開度を制御して燃料電池スタック２２に供給するエアの圧力を調整する。また、水素圧力制御部４４は、レギュレータ３４を制御し、エア圧力制御部５８によって調整されるエアの圧力に対して一定の比率となるように水素ガスの圧力を調整する。さらに、流量制御部５６は、設定された負荷電流と、流量検出部４６によって検出されたエアの流量と、湿度検出部４２によって検出された水素ガスの湿度とをパラメータとしてコンプレッサ４８を制御し、燃料電池スタック２２に供給するエアの流量を調整する。
【００３３】
水素タンク３０に貯留されている水素ガスは、バルブ３２が開成されることでレギュレータ３４に供給されて所定の圧力に調整された後、熱交換器３６によって所定の温度に調整され、ポンプ３８を介して燃料電池スタック２２のアノード電極２４に供給される。一方、負荷電流に応じて流量および圧力が調整されたエアは、熱交換器５０および加湿器５２によって所定の温度および湿度に調整され、燃料電池スタック２２のカソード電極２６に供給される。
【００３４】
燃料電池スタック２２に供給された水素ガスは、アノード電極２４の触媒作用によって水素イオンとされ、電解質膜２８を介してカソード電極２６に移動する。この間、水素ガスから得られた電子が外部回路に取り出されることで負荷電流が生成される。一方、燃料電池スタック２２に供給されたエア中の酸素ガスは、カソード電極２６において、電解質膜２８を介して供給される水素イオンおよび水素ガスから得られた電子と反応し、水が生成される。
【００３５】
この場合、カソード電極２６において生成された水および反応に寄与しなかったエアは、排気ガスとしてバルブ５４および加湿器５２を介して外部に排出される。このとき、加湿器５２は、カソード電極２６に供給されるエアを排気ガスに含まれる水によって加湿する。従って、燃料電池スタック２２を構成する電解質膜２８は、エア中に含まれる水によって適度に加湿される。また、エア中に含まれる水および反応によって生成された水は、アノード電極２４側に拡散し、水素ガスを加湿する。従って、電解質膜２８は、加湿された水素ガスによっても適度に加湿される。この結果、安定した発電電圧が維持される。なお、アノード電極２４において未反応の水素ガスは、循環路４０を介してポンプ３８により循環されることで、発電が効率的に継続される。
【００３６】
第１実施形態では、流量制御部５６によって燃料電池スタック２２に供給するエアの流量を調整することにより、水素ガスの供給路側に水素ガスを加湿する加湿器を配設することなく水素ガスを最適な状態に加湿することができ、しかも、水素ガスを外部に排出することなく安定した発電電圧を維持して効率的に負荷電流を生成することができる。
【００３７】
燃料電池スタック２２を図２に示すようにモデル化して説明する。電解質膜２８の膜厚をｔｍ、電解質膜２８内の膜内水拡散係数をＤｗ（Ｈｍ）、カソード電極２６および電解質膜２８間の膜界面水濃度をＣｗｃ（Ｈｃ）、アノード電極２４および電解質膜２８間の膜界面水濃度をＣｗａ（Ｈａ）とすると、カソード電極２６側からアノード電極２４側に拡散する水の量である逆拡散水量γは、一般的に、
γ＝Ｄｗ（Ｈｍ）・（Ｃｗｃ（Ｈｃ）−Ｃｗａ（Ｈａ））／ｔｍ …（１）
となることが知られている。なお、膜内水拡散係数Ｄｗ（Ｈｍ）は、電解質膜２８内の湿度Ｈｍに依存し、膜界面水濃度Ｃｗｃ（Ｈｃ）は、カソード電極２６側の平均湿度Ｈｃに依存し、膜界面水濃度Ｃｗａ（Ｈａ）は、アノード電極２４側の平均湿度（アノード湿度Ｈａ）に依存する。
【００３８】
また、アノード電極２４で生成された水素イオンは、水分子を同伴してカソード電極２６側に移動する。この場合、水素イオン１個が同伴する水分子数をｎｄ（Ｈｍ）、水素イオンの移動モル数をＭ（Ｉ）とすると、アノード電極２４側からカソード電極２６側に浸透する水の量である電気浸透水量δは、一般的に、
δ＝ｎｄ（Ｈｍ）・Ｍ（Ｉ） …（２）
となることが知られている。なお、水分子数ｎｄ（Ｈｍ）は、電解質膜２８内の湿度Ｈｍに依存し、移動モル数Ｍ（Ｉ）は、燃料電池スタック２２によって生成される負荷電流Ｉに依存する。
【００３９】
この場合、アノード電極２４側の水素ガス供給路を含む循環路４０では、水が結露することなく水素ガスが適度に加湿されていなければならない。そのためには、循環路４０に配設した湿度検出部４２によって検出される水素ガスの平均湿度Ｈａを１００％以下の所定範囲となるように制御する必要がある。
【００４０】
水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）は、アノード電極２４側に拡散する逆拡散水量γと、アノード電極２４側からカソード電極２６側に浸透する電気浸透水量δとの差（γ−δ）によって決まり、この差（γ−δ）は、（１）、（２）式の関係から、カソード電極２６に供給されるエアの平均湿度Ｈｃと、燃料電池スタック２２により生成する負荷電流Ｉとに依存している。そして、カソード電極２６に供給されるエアの平均湿度Ｈｃは、コンプレッサ４８によりカソード電極２６に供給されるエアの流量によって制御することができる。すなわち、カソード電極２６に供給されるエアの流量を増加させれば、カソード電極２６で生成された水が排気ガスとともに効率的に外部に排出されるため、平均湿度Ｈｃが低下する。また、エアの流量を減少させれば、水の排出が抑制されて平均湿度Ｈｃが上昇する。
【００４１】
図３は、負荷電流Ｉ１を生成する場合において、カソード電極２６に供給するエアの流量をカソードストイキＳｃ（＝供給するエアの流量／発電により消費されたエアの流量）に換算した値と、アノード電極２４側の入口および出口の平均湿度ＨａｉｎおよびＨａｏｕｔ（アノード湿度Ｈａ）との関係を示す。また、図４は、負荷電流Ｉ２（Ｉ１＜Ｉ２）を生成する場合におけるカソードストイキＳｃと、アノード電極２４側の入口および出口の平均湿度ＨａｉｎおよびＨａｏｕｔ（アノード湿度Ｈａ）との関係を示す。
【００４２】
そこで、流量制御部５６は、図３および図４に示す関係をルックアップテーブル等として保持しておき、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流Ｉと、湿度検出部４２によって検出されたアノード電極２４における水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）とに基づき、アノード湿度Ｈａが１００％以下の所定範囲（例えば、７０〜８０％）となるようにコンプレッサ４８を制御し、所定のカソードストイキＳｃとなる流量のエアをカソード電極２６に供給する。この結果、燃料電池スタック２２は、カソード電極２６側およびアノード電極２４側から供給される水によって適切に加湿された状態で発電を行うことができる。
【００４３】
なお、カソード電極２６に供給するエアの流量は、要求される負荷電流Ｉを得ることのできるカソードストイキＳｃ以上でなければならないことは勿論であるが、アノード湿度Ｈａが１００％近傍となるカソードストイキＳｃに調整することで、コンプレッサ４８の駆動に要する電力を必要最小限とし、燃料電池スタック２２により発電された電力の消耗を抑えることができる。
【００４４】
図５は、第２実施形態の燃料電池システム７０を示す。なお、図１に示す燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００４５】
燃料電池システム７０は、燃料電池スタック２２を構成するカソード電極２６の出口からの排出ガスを、加湿器５２を経由させないで排出するバイパス路７２を有し、このバイパス路７２に切換バルブ７４が配設される。切換バルブ７４は、湿度検出部４２が検出した水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）と負荷電流Ｉとに従い、バルブ制御部７６により開閉制御される。また、流量制御部７８は、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流を得ることのできるカソードストイキＳｃを確保すべく、コンプレッサ４８を制御してエアの流量を調整する。
【００４６】
このように構成される燃料電池システム７０において、バルブ制御部７６は、負荷電流設定部６０によって設定された負荷電流Ｉと、湿度検出部４２によって検出されたアノード電極２４における水素ガスの平均湿度（アノード湿度Ｈａ）とに基づき、アノード湿度Ｈａが１００％以下の所定範囲（例えば、６０〜７０％）となるように切換バルブ７４を制御する。
【００４７】
すなわち、バルブ制御部７６は、湿度検出部４２によって検出したアノード湿度Ｈａが上昇すると、切換バルブ７４を開成し、バイパス路７２を介して排気ガスを直接外部に排出する。従って、カソード電極２６において生成された水が排気ガスとともに外部に積極的に排出され、カソード電極２６側の湿度が低下する。この結果、アノード電極２４側に拡散する水の量が減少し、アノード湿度Ｈａが結露しない最適な値に調整される。また、アノード湿度Ｈａが所定値以下に低下した場合には、切換バルブ７４を閉成し、カソード電極２６から排出される水を含む排気ガスを加湿器５２に供給してエアの加湿を行う。これにより、生成された水がアノード電極２４側に拡散し、アノード湿度Ｈａが所定の湿度に調整される。
【００４８】
なお、上記の説明では、切換バルブ７４をバルブ制御部７６によって開閉制御されるものとして説明したが、水素ガスの湿度に応じて切換バルブ７４の開度を調整可能とし、加湿器５２を通過する排気ガスと、バイパス路７２を通過する排気ガスとの比率を調整するようにしてもよい。
【００４９】
また、上述した実施形態１および２では、循環路４０に接続された湿度検出部４２を用いて水素ガスの湿度を直接検出し、その検出値に従ってエアの流量を調整しているが、湿度検出部４２を用いることなく、アノード電極２４側での結露を回避するように制御することもできる。
【００５０】
すなわち、燃料電池スタック２２の使用範囲内において、負荷電流毎（例えば、０．１Ａ毎）にアノード電極２４側の湿度、カソード電極２６側の湿度（加湿量）、水素ガスおよびエアの圧力、流量、温度等を変えて発電を行うことで、結露が循環路４０内に発生することがなく、安定した発電を継続することのできる条件を求める。そして、その条件に基づき、圧力、流量、温度等の計測値と、制御量との関係をデータテーブルとして設定することにより、湿度を検出することなく、燃料電池スタック２２を最適な発電状態で制御することができる。
【００５１】
また、急激な負荷変動を考慮した過渡的状態での制御条件を求め、例えば、圧力、流量、温度等の計測値と、制御量の単位時間当たりの増減量との関係を制御プログラムとして設定することにより、燃料電池スタック２２を一層最適な発電状態で制御することができる。
【００５２】
図６は、図１に示す第１実施形態の変形例である湿度検出部４２を用いない第３実施形態の燃料電池システム８０を示す。なお、図１に示す燃料電池システム２０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５３】
アノード湿度制御部８２は、負荷電流設定部６０から供給される負荷電流と、流量制御部５６に設定されるエアの必要流量と、ポンプ３８を制御するポンプ制御部８４に設定される水素ガスの必要流量と、エアや水素ガスの圧力、温度等のパラメータとの関係であって、アノード電極２４側が結露することのない条件を設定したデータテーブルを備える。なお、圧力、温度等のパラメータは、既存の検出器から取得することができる。
【００５４】
所望の負荷電流が設定された際、アノード湿度制御部８２は、前記データテーブルを用いて、結露することのないエアの流量データを流量制御部５６に供給してコンプレッサ４８を駆動するとともに、結露することのない水素ガスの流量データをポンプ制御部８４に供給してポンプ３８を駆動する。これにより、燃料電池スタック２２を安定した状態で発電させることができる。
【００５５】
図７は、図５に示す第２実施形態の変形例である湿度検出部４２を用いない第４実施形態の燃料電池システム９０を示す。なお、図５に示す燃料電池システム７０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
アノード湿度制御部９２は、負荷電流設定部６０から供給される負荷電流と、バルブ制御部７６に設定される切換バルブ７４の切換時間と、ポンプ３８を制御するポンプ制御部９４に設定される水素ガスの必要流量と、エアや水素ガスの圧力、温度等のパラメータとの関係であって、アノード電極２４側が結露することのない条件を設定したデータテーブルを備える。なお、バルブ制御部７６に設定する切換時間は、例えば、エアを加湿器５２に供給して得られるカソード電極２６側の必要湿度に対応させて設定することができる。
【００５７】
所望の負荷電流が設定された際、アノード湿度制御部９２は、前記データテーブルを用いて、結露することのない切換時間データをバルブ制御部７６に供給して切換バルブ７４を開閉するとともに、結露することのない水素ガスの流量データをポンプ制御部９４に供給してポンプ３８を駆動する。これにより、燃料電池スタック２２を安定した状態で発電させることができる。
【００５８】
以上のように、第１実施形態〜第４実施形態では、発電によってカソード電極２６側で生成された水をアノード電極２４側に適度に拡散させることにより、水素ガスを結露しない状態に加湿して電解質膜２８に供給することができる。この結果、燃料電池スタック２２を最適な状態で運転し、負荷電流を効率的に生成することができる。
【００５９】
また、アノード電極２４側に拡散した水が結露しないように湿度が調整されるため、アノード電極２４側から不要な水等を水素ガスとともに排出する必要がない。従って、水素ガスを有効に利用して発電を行うことができる。
【００６０】
さらに、湿度検出部４２は、湿度計として構成されていてもよく、露点計として構成されていてもよい。露点計として構成される場合、露点と相対湿度とが直接的な関係を有することに基づき、計測された露点を湿度に適宜変換して湿度調整を行うことが可能である。さらにまた、湿度検出部４２の検出値を用いてアノード電極２４側の露点を調整するように構成することも上記関係を利用した本発明の好適な変形例である。
【符号の説明】
【００６１】
２０、７０、８０、９０…燃料電池システム ２２…燃料電池スタック
２４…アノード電極 ２６…カソード電極
２８…電解質膜 ３０…水素タンク
３４…レギュレータ ３８…ポンプ
４０…循環路 ４２…湿度検出部
４４…水素圧力制御部 ４６…流量検出部
４８…コンプレッサ ５２…加湿器
５６、７８…流量制御部 ５８…エア圧力制御部
６０…負荷電流設定部 ７２…バイパス路
７４…切換バルブ ７６…バルブ制御部
８２、９２…アノード湿度制御部 ８４、９４…ポンプ制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
前記カソード電極に供給する前記酸素含有ガスの流量を制御する酸素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
切換バルブを有し、前記加湿器を経由させないで前記酸素含有ガスを通過させるバイパス路と、
前記切換バルブを制御し、前記加湿器と前記バイパス路とを切り換えるバルブ制御部と、
を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記切換バルブを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記加湿器または前記バイパス路を通過する前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記バルブ制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
前記カソード電極に供給する前記酸素含有ガスの流量を制御する酸素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記酸素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記酸素含有ガス流量制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで負荷電流を生成する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記酸素含有ガスを所定の湿度に加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、
切換バルブを有し、前記加湿器を経由させないで前記酸素含有ガスを通過させるバイパス路と、
前記切換バルブを制御し、前記加湿器と前記バイパス路とを切り換えるバルブ制御部と、
を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記切換バルブを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスの湿度を検出する湿度検出部を備え、前記バルブ制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記加湿器または前記バイパス路を通過する前記酸素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路を備え、前記湿度検出部は、前記循環路に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５記載のシステムにおいて、
前記水素含有ガスを循環させて前記アノード電極に供給する循環路と、
前記循環路を循環する前記水素含有ガスの流量を制御する水素含有ガス流量制御部と、
を備え、前記バルブ制御部および前記水素含有ガス流量制御部は、前記水素含有ガスの湿度を１００％以下の所定範囲とすべく、前記酸素含有ガスおよび前記水素含有ガスの流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５１２０（Ｐ２０１２−１５１２０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６５７６（Ｐ２０１１−１８６５７６）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【分割の表示】特願２００４−３２９９９（Ｐ２００４−３２９９９）の分割
【原出願日】平成１６年２月１０日（２００４．２．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【分割の表示】特願２００４−３２９９９（Ｐ２００４−３２９９９）の分割
【原出願日】平成１６年２月１０日（２００４．２．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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