燃料電池装置
【課題】膜式加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、この燃料電池１０から排出されるカソードオフガスから燃料電池１０に供給される供給ガスに水分を与える加湿器３２と、燃料電池１０と加湿器３２との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方にカソードオフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、カソードオフガスから熱を奪うことでカソードオフガスの温度を下げる冷却器３３と、カソードオフガスが通流するオフガス流路上に配置される回収器３５と、回収器３５によって回収された回収水を液水として冷却器３３に供給する回収水導入配管ｂ９と、を備える。
【解決手段】燃料電池１０と、この燃料電池１０から排出されるカソードオフガスから燃料電池１０に供給される供給ガスに水分を与える加湿器３２と、燃料電池１０と加湿器３２との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方にカソードオフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、カソードオフガスから熱を奪うことでカソードオフガスの温度を下げる冷却器３３と、カソードオフガスが通流するオフガス流路上に配置される回収器３５と、回収器３５によって回収された回収水を液水として冷却器３３に供給する回収水導入配管ｂ９と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜式加湿器を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子膜型の燃料電池では、燃料電池の膜（電解質膜）が乾燥し過ぎると発電性能が低下することから、膜を適度に加湿するため供給ガスに水分を与える膜式の加湿器を備えたものが種々提案されている。この種の加湿器は、例えば、燃料電池から排出されるオフガスを利用して、燃料電池に供給される供給ガスとオフガスとの間で水分交換させている。しかし、燃料電池の運転温度が高温になると、燃料電池から排出されるオフガスの相対湿度が１００％を下回るため、加湿器の加湿性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。そこで、燃料電池と加湿器との間のオフガス流路上に空冷式や水冷式の熱交換器を有する冷却器を備えて、オフガスの温度を下げて湿度を上げる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５２０１３号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の空冷式の冷却器を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に設置する必要があり、レイアウトが制約されるという問題がある。また、水冷式の冷却器を搭載した場合においても、ラジエータの追加によってレイアウトが制約されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、膜式加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスから水分を得て当該燃料電池に供給される供給ガスに水分を与える膜式加湿器と、前記燃料電池と前記膜式加湿器との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方に前記オフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、前記オフガスから熱を奪うことで当該オフガスの温度を下げる冷却器と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、水蒸気透過膜の一面にオフガス、他面に液水を接触させることにより、液水が蒸発する際の潜熱（気化熱）を利用してオフガスの温度を下げることが可能になる。その結果、膜式加湿器に供給されるオフガスの温度を適正化することができる。
【０００８】
つまり、燃料電池の運転温度が高温になると、オフガスの相対湿度が１００％を下回り、膜式加湿器がドライアップ（膜式加湿器において加湿効率が過度に低下する状態）してしまい、十分な加湿性能を発揮できなくなるおそれがある。そこで、水蒸気透過膜による冷却器を燃料電池と膜式加湿器との間に配置することによって、オフガスを冷却することでオフガスの相対湿度を上げることができる。このようにしてオフガスの相対湿度が１００％を下回らないようにすることができ、膜式加湿器のドライアップを防止することが可能になる。
【０００９】
また、冷却器として水蒸気透過膜を含む構成とすることにより、水冷式や空冷式の熱交換器を備えた冷却器と比べて、冷却器自体のサイズを小型化することが可能になり、レイアウトが大きく制約されるのを防止することができる。また、冷却器を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に配置したり、ラジエータなどの大型の熱交換器を追加したりする必要がないので、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。しかも、オフガスの湿度が１００％以上のときには、水蒸気透過膜を透過した水分が蒸発することが無いため冷却機能が働かず、余計な冷却による加湿性能低下を招くおそれがない。これに対し空冷式等の熱交換器を備えた冷却器とした場合には、熱交換器をバイパスする構成が必要になるが、こうした構成部の追加を避けることができる。
【００１０】
また、前記オフガスが通流するオフガス流路上に配置される凝縮水回収器と、前記凝縮水回収器によって回収された回収水を前記液水として前記冷却器に供給する回収水供給流路と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、燃料電池から排出される液水（凝縮水、生成水）を凝縮水回収器で貯留することで、燃料電池から排出される液水を有効に利用してオフガスを冷却することができる。また、冷却器に液水を供給するための装置を別個に設ける必要がない。
【００１２】
また、前記冷却器は、鉛直上下方向に延在する複数の中空糸状の水蒸気透過膜を備えることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、冷却器内の液水（水位）が上下に変動したとしても、それぞれの水蒸気透過膜に対して、液水を均等に接触させることができるので、冷却器に導入されたオフガスの熱が均等に奪われて、冷却効果を高めることができる。
【００１４】
また、前記膜式加湿器に導入されるオフガスの温度を決定する温度センサと、予め設定された発電電力と前記膜式加湿器に導入されるオフガスの許容温度値との関係を用いて、前記発電電力から前記許容温度値を求め、前記許容温度値と前記温度センサの温度値との比較により発電電力を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、発電電力が高くて、温度センサの温度値（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力が低下するように制御する。このように発電電力を低下させることで、許容温度値が上昇するので発電電力の制限（抑制制御）が緩和される。一方、発電電力が低くて、温度センサの温度値（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力が上昇するように制御する。このように発電電力を上昇させることで、許容温度値が上昇するので、発電電力の制限（上昇制御）が緩和される。
【００１６】
また、前記冷却器は、回収水の水位を検出する水位センサと、回収水を排出する排出弁とを備えることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、冷却器内の液水の水位を管理することで、冷却器としての能力を適正に保つことができる。
【００１８】
また、予め設定された前記冷却器の水位と発電電力との関係を用いて、前記水位センサの水位に基づいて前記発電電力を制限する制御部を備えることを特徴とする。
【００１９】
これによれば、冷却器の水位が低い場合には、発電電力を制限して（抑えて）、燃料電池を過飽和になり易くして、液水（凝縮水）をできるだけ確保することで、液水が不足するのを防止できる。
【００２０】
また、前記燃料電池装置の運転を停止する際、前記冷却器の温度を検出する第２温度センサ、前記燃料電池装置の運転停止からの経過時間を計測するタイマの少なくともひとつの出力値を用いて、当該出力値が所定条件を満たした場合に前記排出弁を開成する制御部を備えることを特徴とする。
【００２１】
これによれば、凍結による水蒸気透過膜の破損、または燃料電池装置の起動時において膜式加湿器に低い温度のオフガスが供給されることによる起動性の低下を防止することができる。なお、所定条件とは、第２温度センサにより検出される温度が所定温度を下回ったとき、またタイマにより計測される燃料電池装置の運転停止時からの経過時間が所定時間を経過したときなどである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、膜式の加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】（ａ）は冷却器の構造を示す概略図、（ｂ）は冷却器のオフガスと液水の流路を説明する断面図である。
【図３】発電電力の制御を示すフローチャートである。
【図４】冷却器出口のオフガスの許容温度と発電電力との関係を示すマップである。
【図５】発電電力の別の制御を示すフローチャートである。
【図６】冷却器の水位と発電電力の制限割合との関係を示すマップである。
【図７】運転停止時の排出弁の制御を示すフローチャートである。
【図８】運転停止時の排出弁の別の制御を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す全体構成図である。
【図１０】本実施形態に係る燃料電池装置の他の変形例を示す全体構成図である。
【図１１】本実施形態に係る燃料電池装置のさらに他の変形例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池装置１Ａ〜１Ｄは、四輪や二輪などの燃料電池車、船舶、航空機など移動式のもの、あるいは家庭用や業務用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。なお、以下では、燃料電池車を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷却系４０、制御系５０を含んで構成されている。
【００２６】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：
ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を一対のセ
パレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した燃料電池スタックである。
【００２７】
ＭＥＡは、陽イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（以下、電解質膜と略記する）をアノードとカソードとで挟んで構成されている。アノードおよびカソードは、例えば、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に塗布されて形成された電極触媒層とで構成される。
【００２８】
セパレータは、カーボンなどの導電性の金属材料で形成され、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路１１、空気（酸化剤）が通流するカソード流路１２、燃料電池１０を冷却する冷媒が通流する冷媒流路１３がそれぞれ形成されている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに空気中の酸素が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒の作用により、燃料電池１０が発電可能な状態となる。また、燃料電池１０が発電することにより、カソード側で水が生成され、凝縮水や水蒸気としてこの生成水がカソード流路１２の出口から排出され、また電解質膜を透過してアノード流路１１の出口から排出される。
【００３０】
また、燃料電池１０は、外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、後記するエアポンプ３１、冷媒ポンプ４３、高圧バッテリ（不図示）、走行モータ（不図示）などである。
【００３１】
アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排するものであり、気液分離器２１、ドレン弁２２、パージ弁２３を含んで構成されている。また、アノード系２０は、図示しない高圧水素タンクから遮断弁および減圧弁を介して供給された水素が、アノード流路１１の入口に対して配管ａ１を介して供給されるようになっている。アノード流路１１の出口から排出された未反応の水素は、配管ａ２，気液分離器２１、配管ａ３を介して配管ａ１に戻るようにして循環するように構成されている。図示していないが、水素を循環させる手段としては、エゼクタや回転式ポンプなどである。
【００３２】
気液分離器２１は、アノード流路１１の出口から排出されたアノードオフガスに含まれる水分と未反応の水素とを分離する機能を有して、水分（液水）を貯留する貯留部（不図示）を備えている。
【００３３】
気液分離器２１は、例えば、アノードオフガスが気液分離器２１内の壁面に衝突することで、そこに含まれる水分を重力の作用によって空間内で落下させ底部に貯留させるように構成している。なお、ここでの水分は、アノード流路１１の出口から排出される凝縮水だけではなく、アノード流路１１の出口から排出された水蒸気が、気液分離器２１内の壁面などに当たることによって結露したものが含まれる。
【００３４】
ドレン弁２２は、例えば、常閉型のものであり、気液分離器２１の貯留部と配管ａ４を介して接続され、後記する希釈器３６と配管ａ５を介して接続されるように構成されている。また、ドレン弁２２は、後記する制御部５１によって開弁されることにより、貯留部に貯留された液水（凝縮水、結露水）が、配管ａ４，ａ５を介して希釈器３６に排出される。なお、ドレン弁２２を開弁するタイミングは、気液分離器２１内の水位を検出する水位センサ（不図示）によって判断してもよく、または定期的に開弁するようにしてもよく、または発電量による生成水量を積算して、該積算値が所定値に到達することで開弁するようにしてもよい。
【００３５】
パージ弁２３は、例えば、常閉型のものであり、開弁することで発電時において水素循環流路（アノード流路１１および配管ａ１〜ａ３の流路）に蓄積した不純物を車外（燃料電池装置１Ａの外部）に排出する。また、パージ弁２３は、配管ａ６を介して配管ａ３と接続され、配管ａ７を介して配管ａ５と接続されている。なお、パージ弁２３は、制御部５１によって、水素循環流路内の水素濃度の低下（発電性能の低下）に応じて、および／または定期的に開閉制御される。
【００３６】
カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気（酸素）を給排するものであり、エアポンプ（酸化剤ポンプ）３１、加湿器（膜式加湿器）３２、冷却器３３、背圧弁３４、回収器（凝縮水回収器）３５、希釈器３６を含んで構成されている。エアポンプ３１は、配管ｂ１、加湿器３２、配管ｂ２を介してカソード流路１２の入口と接続されている。カソード流路１２の出口は、配管ｂ３、冷却器３３、配管ｂ４、加湿器３２、配管ｂ５、背圧弁３４、配管ｂ６、回収器３５、配管ｂ７、希釈器３６、配管ｂ８を介して車外と連通している。なお、本実施形態において、配管ｂ３〜ｂ８がオフガス流路に相当する。
【００３７】
エアポンプ３１は、例えば、モータ（不図示）で駆動される機械式の過給器（スーパーチャージャなど）であり、車外から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する。
【００３８】
加湿器３２は、エアポンプ３１から供給される乾燥空気（供給ガス、酸化剤ガス）を加湿する膜式のものであり、例えば、水分交換膜である複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束が収容されたケース（不図示）を有し、エアポンプ３１からの乾燥空気の入口３２ａおよび出口３２ｂ、カソードオフガス（オフガス）の入口３２ｃおよび出口３２ｄがそれぞれ形成されているものである。
【００３９】
このような加湿器３２では、例えば、ケース内の中空糸膜の内側をエアポンプ３１からの乾燥空気が通り、中空糸膜の外側を湿潤な空気を含むカソードオフガスが通ることで、中空糸膜に形成された細孔内にカソードオフガスに含まれる水蒸気が入り込み、中空糸膜の細孔内を水蒸気が膜の外側から内側に移動することで、水蒸気が乾燥空気（供給ガス）に渡されて乾燥空気が加湿される。なお、乾燥空気が中空糸膜の外側、カソードオフガスが中空糸膜の内側を通るようにしてもよい。また、加湿器３２は、中空糸膜に限定されるものではなく、平膜などの他の種類の水分透過膜で形成されていてもよい。
【００４０】
冷却器３３は、燃料電池１０のカソード流路１２の出口から排出されたカソードオフガス（オフガス）を冷却する機能を有し、燃料電池１０と加湿器３２との間のオフガス流路（配管ｂ３，ｂ４）に設けられている。
【００４１】
また、冷却器３３には、カソードオフガスが導入される入口３３ａおよびカソードオフガスが導出される出口３３ｂが形成されるとともに、カソードオフガスを冷却する冷媒としての液水（回収水、凝縮水）が導入される入口３３ｃおよび液水が導出される出口３３ｄが形成されている。冷却器３３の入口３３ｃは、回収水導入配管（回収水供給流路）ｂ９を介して後記する回収器３５と接続され、冷却器３３の出口３３ｄは、回収水導出配管ｂ１０を介して後記する希釈器３６と接続されている。また、冷却器３３には、この冷却器３３に貯留された液水を排出する配管３３ｅが接続され、配管３３ｅ上に常閉型の排出弁３３ｆが設けられている。なお、冷却器３３の具体的な構成については後記する。
【００４２】
背圧弁３４は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気の圧力（カソード圧）を調節する機能を有する。
【００４３】
回収器（凝縮水回収器）３５は、カソード流路１２の出口から冷却器３３、加湿器３２および背圧弁３４を通って排出された液水（凝縮水）を回収する回収空間（貯留空間）を有している。また、回収空間の底部は、回収水導入配管ｂ９の上流端と接続されている。なお、回収器３５によって回収された液水は、カソード流路１２の出口から凝縮水となって排出される水分だけではなく、カソード流路１２から回収器３５に至るまでの間に水蒸気が放熱され、カソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮（結露）してなる水分、また回収器３５内の壁面に衝突、接触することによって放熱され、カソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮（結露）してなる水分も含まれる。
【００４４】
また、回収器３５と冷却器３３とを接続する回収水導入配管ｂ９には、オリフィス３５ａが設けられている。このオリフィス３５ａは、回収器３５から冷却器３３に供給される液水の流量を一定にすることができ、また冷却器３３の水蒸気透過膜３３ｊ（図２（ａ）参照）を介してカソードオフガスが回収器３５に逆流するのを防止するようになっている。回収器３５によって回収された（貯留された）液水は、回収器３５に導入されるカソードオフガスの圧力によって回収水導入配管ｂ９に押し出されることで、冷却器３３に向けて圧送される。なお、液水を、回収水導入配管ｂ９を介して回収器３５から冷却器３３に供給する際の圧力が不足する場合には、圧送用のポンプを回収水導入配管ｂ９上に配置してもよい。
【００４５】
希釈器３６は、アノード流路１１の出口から排出されたアノードオフガスに含まれる水素とカソード流路１２の出口から排出されるカソードオフガス（主に空気）とを混合し、規定の水素濃度を下回るように希釈する機能を有している。希釈後のガスは配管ｂ８、図示しない消音器等を介して車外に排出される。
【００４６】
冷却系４０は、燃料電池１０に冷媒を循環させて燃料電池１０を冷却する機能を有し、冷媒流路１３の出口が配管ｃ１を介してラジエータ４１の入口と接続され、ラジエータ４１の出口が配管ｃ２、サーモスタット弁４２、配管ｃ３、冷媒ポンプ４３、配管ｃ４を介して冷媒流路１３の入口と接続されている。また、冷却系４０は、ラジエータ４１をバイパスするバイパス配管ｃ５を有し、バイパス配管ｃ５の上流側の一端が配管ｃ１に接続され、下流側の他端がサーモスタット弁４２と接続されている。
【００４７】
このような冷却系４０では、燃料電池装置１Ａの起動時にはサーモスタット弁４２がバイパス配管ｃ５側に切り替えられて燃料電池１０の暖機が促進され、燃料電池１０の運転温度が所定温度を超えたときに、ラジエータ４１を通る流路が拡大するようにサーモスタット弁４２が切り替えられる。
【００４８】
制御系５０は、制御部５１、ＩＧ５２、タイマ５３、電圧制御器５４、冷却器入口温度センサＳ１、冷却器出口温度センサＳ２、冷媒温度センサＳ３、冷却器内温度センサＳ４、水位センサＳ５などで構成されている。
【００４９】
制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムが記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、エアポンプ３１および冷媒ポンプ４３の各モータ（不図示）の回転速度を制御し、ＩＧ５２からの起動信号、タイマ５３によって計測される時間（出力値）、冷却器入口温度センサＳ１、冷却器出口温度センサＳ２、冷媒温度センサＳ３からの温度値、冷却器内温度センサＳ４からの温度（出力値）、水位センサＳ５からの水位をそれぞれ取得し、ドレン弁２２、パージ弁２３、排出弁３３ｆを開閉制御する。
【００５０】
また、制御部５１は、冷却器３３の出口３３ｂにおけるカソードオフガスの許容温度（加湿器３２に導入されるカソードオフガスの許容温度）に応じて燃料電池１０の発電電力を制限（抑制、上昇）する。また、制御部５１は、水位センサＳ５による水位に応じて発電電力を制御、つまり水位が低くなるにつれて発電電力の制限割合を高くして、発電電力を小さくする。
【００５１】
ところで、冷却器３３内に水が残留していると凍結によって水蒸気透過膜３３ｊが破損したり、また燃料電池装置１Ａの次回起動時（ＩＧ−ＯＮ時）において、冷却器３３によって冷やされたカソードオフガス（オフガス）が加湿器３２に供給される。このため、エアポンプ３１から燃料電池１０に供給される供給ガス（乾燥空気）が冷やされてしまい、燃料電池装置１Ａの暖機が損なわれることになる。
【００５２】
そこで、制御部５１は、燃料電池装置１Ａの運転停止時に（ＩＧ−ＯＦＦ）、冷却器内温度センサＳ４により検出される冷却器３３内の温度に応じて排出弁３３ｆを開成するか否かを判断して、必要に応じて冷却器３３内に貯留された液水を排出するようにしてもよい。
【００５３】
また、制御部５１は、燃料電池装置１Ａの運転停止時（ＩＧ−ＯＦＦ）、運転停止から所定時間経過後に冷却器３３内に貯留された液水を排出するか否かを判断するようにしてもよい。ここでの所定時間は、例えば、冷却器内温度センサＳ４により検出される温度値に基づいて変更することができる。つまり、冷却器内温度が低い場合には所定時間（排出弁３３ｆを開成するまでの時間）を短く設定し、冷却器内温度が高い場合には所定時間（排出弁３３ｆを開成するまでの時間）を長く設定する。
【００５４】
電圧制御器５４は、昇降圧コンバータなどを備えて構成され、制御部５１から出力される電圧（電流）指令値つまり燃料電池１０に対する発電指令に基づいて、燃料電池１０から出力される発電電力を制御する機能を有する。この電圧制御器５４が制御部５１によって制御されることにより、燃料電池１０から取り出される発電電力を上下させることができる。なお、本実施形態では、電圧制御部５４と制御部５１とで特許請求の範囲に記載の制御部が構成されている。
【００５５】
図２に示すように、冷却器３３は、例えば、円筒形状のケース３３ｇを有し、このケース３３ｇの鉛直上下方向の下部にカソードオフガス（オフガス）が導入される空間を有する下カバー３３ｈが形成され、鉛直上下方向の上部にカソードオフガスが導出される空間を有する上カバー３３ｉが形成されている。また、ケース３３ｇ内には、ポリイミド等から形成された中空糸状の水蒸気透過膜３３ｊが複数本束ねられ中空糸膜束３３ｋとされて収容されている。中空糸膜束３３ｋは、鉛直上下方向に延在するように配置され、その鉛直上下方向の両端部がエポキシ樹脂等で形成されたポッティング部材３３ｌ，３３ｍ（封止部）を介して、ケース３３ｇの内壁に固着されている。これにより、各水蒸気透過膜３３ｊの外周面間、水蒸気透過膜３３ｊの外周面とケース３３ｇの内壁面との間が、それぞれ閉塞されるようになっている。
【００５６】
ちなみに、冷却器３３内に中空糸膜束３３ｋが水平方向に延在するよう配置した場合、冷却器３３内の液水の水位（水面）が上下に変動した場合には、水面よりも上側に配置される水蒸気透過膜３３ｊでは液水と接する部分がなくなってしまい、各水蒸気透過膜３３ｊに対して液水を均等に接触させることができなくなる。しかし、本実施形態では、中空糸膜束３３ｋが鉛直上下方向に延在するように配置されることで、図２においてドットで示すように、冷却器３３に回収された液水（回収水）の水面が上下に変動したとしても、それぞれの水蒸気透過膜３３ｊに対して液水を均等に接触させることができる。
【００５７】
また、冷却器３３は、下カバー３３ｈに配管ｂ３が接続され、上カバー３３ｉに配管ｂ４が接続されている。これにより、配管ｂ３を介して下カバー３３に導入されたカソードオフガスは、水蒸気透過膜３３ｊの内側を上方に向かって流れ、そして上カバー３３ｉ、配管ｂ４を介して冷却器３３の外部に排出される。
【００５８】
また、冷却器３３は、ケース３３ｇの周面に、液水（回収水）が導入される回収水導入配管ｂ９と、液水（回収水）が導出される回収水導出配管ｂ１０とが接続されている。回収水導入配管ｂ９および回収水導出配管ｂ１０は、ケース３３ｇのポッティング部材３３ｌ，３３ｍの間の回収空間Ｐ（図２（ｂ）参照）と連通し、かつ、該回収空間Ｐの上部に位置するように接続されている。これにより、回収水導入配管ｂ９から導入された液水は、回収空間Ｐに溜まり、また回収空間Ｐが満水になったときに回収水導出配管ｂ１０を介して希釈器３６に排出されるように構成されている。
【００５９】
このように構成された冷却器３３では、水蒸気透過膜３３ｊの中空糸の内側（一面）にカソードオフガスが接触し、水蒸気透過膜３３ｊの中空糸の外側（他面）に液水が接触することにより、液水が蒸発する際の潜熱を利用して、液水によってカソードオフガスから熱を奪うことでカソードオフガスが冷却される。
【００６０】
次に、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａにおける発電制御について図３および図４を参照して説明する。図３は発電電力の制御を示すフローチャート、図４は冷却器出口のオフガスの許容温度と発電電力との関係を示すマップである。
【００６１】
図３に示すように、制御部５１は、燃料電池１０の起動時、ステップＳ１０１において、図４に示すマップに基づいて燃料電池１０の発電電力から求まる冷却器３３の出口のカソードオフガスの許容温度が、実際（現在）の冷却器３３の出口３３ｂにおけるカソードオフガスの温度未満であるか否かを判断する。なお、実際の冷却器３３の出口３３ｂにおけるカソードオフガスの温度は、冷却器出口温度センサＳ２によって検出される。
【００６２】
また、図４に示すマップは、発電電力と、冷却器３３の出口３３ｂにおける許容温度との関係を示し、実験やシミュレーションなどによって予め決定されたものである。すなわち、ある発電電力よりも低い領域Ｒ１では、発電電力が低くなるにつれて許容温度が低下する領域を有し、燃料電池１０の状態を優先する領域であり、一方、ある発電電力よりも高い領域Ｒ２では、発電電力が高くなるにつれて許容温度が低下する領域を有し、加湿器３２の状態を優先する領域である。なお、領域Ｒ１において発電電力が上昇するにつれて許容温度が高くなるのは、燃料電池１０の発電電力が高くなるにつれて液水が多く生成されるようになるので、燃料電池１０内の液水が過剰になってフラッディングが発生するのを防止するためである。また、領域Ｒ２において発電電力が上昇するにつれて許容温度が低くなるのは、燃料電池の温度が高くなり過ぎて、カソードオフガスの相対湿度が１００％を下回ってしまい、加湿器３２がドライアップするのを防止するためである。
【００６３】
ステップＳ１０１において、制御部５１は、許容温度が実際の冷却器３３の出口のカソードオフガスの温度未満ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、実際のカソードオフガスの温度が図４に示すマップの許容温度を超えていないので、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。また、制御部５１は、許容温度が実際のカソードオフガスの温度未満と判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進み、図４のマップにしたがって、電圧制御器５４を制御して、燃料電池１０から取り出す発電電力を上昇または低下するように制御する。
【００６４】
例えば、図４の領域Ｒ２において符号Ｑ１で示すように、発電電力が高く、発電電力Ｗ１における実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが、このマップに基づく許容温度Ｔａを超えている場合には、発電電力をＷ１からＷ２まで低下させる。このように発電電力を低下させることにより、燃料電池１０の温度が低下し、カソードオフガスの温度が下がるので、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスの湿度が高まり、相対湿度１００％のカソードオフガスが生成されるようになる。許容温度Ｔａは、発電電力の制限（低下）により上昇するので、実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが許容温度の範囲内となり（Ｓ１０１、Ｎｏ）、発電電力の制限（抑制制御）が解消される。
【００６５】
また、図４の領域Ｒ１において符号Ｑ２で示すように、発電電力が低く、発電電力Ｗ３における実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが、マップに基づく許容温度Ｔｂを超えている場合には、発電電力をＷ３からＷ４まで上昇させる。このように発電電力を上昇させることにより、燃料電池１０の温度が高くなり、過飽和でフラッディング気味だったカソードオフガスの湿度が低下し、相対湿度１００％の安定した冷却器３３の出口ガス（カソードオフガス）が生成される。許容温度Ｔｂは、発電電力の上昇により上昇するので、実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが許容温度の範囲内となり（Ｓ１０１、Ｎｏ）、発電電力の制限（上昇制御）が解消される。
【００６６】
なお、前記したステップＳ１０１では、温度センサとして、冷却器出口温度センサＳ２の場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、冷却器入口温度センサＳ１、冷媒温度センサＳ３を用いて判断してもよい。あるいは、図示していないが、アノード流路１１の出口における配管ａ２のアノードオフガス（オフガス）の温度、燃料電池１０の温度を直接に検出する温度に基づいて判断してもよい。なお、冷却器入口温度センサＳ１、冷媒温度センサＳ３等による温度については、検出された温度を補正して、補正後の温度値と、許容温度値とを比較するようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａにおける他の発電制御について図５および図６を参照して説明する。図５は他の発電電力の制御を示すフローチャート、図６は冷却器の水位と発電電力の制限割合との関係を示すマップである。
【００６８】
図５に示すように、ステップＳ２０１において、制御部５１は、冷却器３３の水位を水位センサＳ５によって検出する。
【００６９】
そして、ステップＳ２０２に進み、制御部５１は、検出された水位に基づいて、燃料電池１０の発電電力を制限する必要があるか否かを判断する。制御部５１は、発電電力の制限が必要ないと判断した場合には（Ｓ２０２、Ｎｏ）、ステップＳ２０１に戻り、発電電力の制限が必要あると判断した場合には（Ｓ２０２、Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３に進む。
【００７０】
ステップＳ２０３において、制御部５１は、図６に示すマップに基づいて発電電力を制限する。なお、図６に示すマップは、冷却器３３の水位と発電電力の制限割合との関係を示したものであり、冷却器３３の水位が所定の水位Ｌ１より低い場合に発電電力の制限を開始し、冷却器３３の水位が低くなるにつれて、発電電力の制限割合を高くする。つまり、発電電力を抑制することにより、燃料電池の温度が低下し、カソードオフガスの温度が低下して、カソードオフガスの湿度が高まることで凝縮し易くなり、冷却器３３に液水（凝縮水）が溜まるようになる。なお、所定の水位Ｌ１は、例えば、必要なときに冷却性能を発揮することができ、かつ、無駄に発電電力を制限することのない水位に設定される。
【００７１】
次に、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａの運転停止時の制御について図７および図８を参照して説明する。図７は冷却器の温度に基づく排出弁の制御を示すフローチャート、図８はタイマに基づく排出弁の制御を示すフローチャートである。なお、図８に示すステップＳ４０１およびＳ４０３における処理は、図７に示すステップＳ３０１およびＳ３０３と同様であるので説明を省略する。
【００７２】
図７に示すように、ステップＳ３０１において、制御部５１は、イグニッションのオフ信号（ＩＧ−ＯＦＦ信号）、つまり燃料電池装置１Ａの運転を停止する信号を取得したか否かを判断し、ＩＧ−ＯＦＦ信号を取得していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０１の処理に戻り、ＩＧ−ＯＦＦ信号を取得した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０２に進む。
【００７３】
ステップＳ３０２において、制御部５１は、冷却器内温度センサＳ４により冷却器３３内部の温度（冷却器内温度）を検出し、冷却器内温度が所定温度未満であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、冷却器３３内の回収水（貯留水）が凍結するおそれがあると判断される温度であり、例えば３℃に設定される。
【００７４】
ステップＳ３０２において、制御部５１は、冷却器内温度が所定温度未満ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０２の処理を繰り返し、冷却器内温度が所定温度未満であると判断した場合（出力値が所定条件を満たした場合）には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３に進む。
【００７５】
ステップＳ３０３において、制御部５１は、排出弁３３ｆを開弁（開成）する。これにより、冷却器３３内に貯留された液水が配管３３ｅを介して外部（車外）に排出される。
【００７６】
また、図８に示すように、ステップＳ４０２において、制御部５１は、ＩＧ−ＯＦＦ時にタイマ５３の作動を開始して、所定時間が経過したか否かを判断する。なお、所定時間は、冷却器内温度センサＳ４による温度に応じて設定することができ、例えば、冷却器内温度センサＳ４による温度が低ければ低いほど所定時間が短くなるように設定される。
【００７７】
ステップＳ４０２において、制御部５１は、所定時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４０２の処理を繰り返し、所定時間が経過したと判断した場合（出力値が所定条件を満たした場合）には（Ｙｅｓ）、排出弁３３ｆを開弁（開成）する（Ｓ４０３）。なお、冷却器内温度センサＳ４に替えて、燃料電池装置１Ａの周囲の外気温度を検出する外気温度センサに基づいて判断してもよい。
【００７８】
以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池装置１Ａは、燃料電池１０と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガス（オフガス）から当該燃料電池１０に供給される供給ガス（空気）に水分を与える加湿器３２と、燃料電池１０と加湿器３２との間に配置され、内部に水蒸気透過膜３３ｊを備えて当該水蒸気透過膜３３ｊの内側（一面）にカソードオフガスを、外側（他面）に液水（回収水）をそれぞれ接触させることにより、カソードオフガスから熱を奪うことで当該カソードオフガスの温度を下げる冷却器３３と、を備えている。これによれば、液水が蒸発する際の潜熱（気化熱）を利用してカソードオフガスの温度を下げることができ、その結果加湿器３２に供給されるカソードオフガスの相対湿度を上げることが可能になる。
【００７９】
つまり、燃料電池１０の運転温度が高温になると、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満となって、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が蒸発して細孔内において水蒸気の受け渡しが損なわれる。これにより、加湿器３２がドライアップし、十分な加湿性能を発揮できなくなるおそれがある。そこで、水蒸気透過膜３３ｊを備えた冷却器３３を、燃料電池１０と加湿器３２との間のオフガス流路上に配置することによって、カソードオフガスを冷却して相対湿度を上げることにより、加湿器３２に供給されるカソードオフガスの相対湿度を１００％未満とならないようにすることができ、加湿器３２のドライアップを防止することが可能になる。
【００８０】
ちなみに、本実施形態に係る冷却器３３では、相対湿度１００％未満のカソードオフガスに対しては水分が水蒸気透過膜３３ｊを透過してカソードオフガスと接触し蒸発するので、相対湿度が１００％に上昇するように冷却機能が発揮され、しかも相対湿度がすでに１００％となっている場合には、水蒸気が水蒸気透過膜３３ｊを透過してカソードオフガスと接触し蒸発することがないので、潜熱（気化熱）が生じることはなく、冷却機能が発揮されることがない。
【００８１】
このようにして加湿器３２のドライアップを防止することができるので、加湿器３２の長期の稼動を確保することができる。また、加湿器３２のドライアップを防止できるので、燃料電池に対する加湿不足を防止し、燃料電池装置１Ａ〜１Ｄにおいて最適な系内湿度を保って燃料電池１０の長期の稼動も確保することができる。
【００８２】
また、第１実施形態によれば、冷却器３３として水蒸気透過膜３３ｊを採用することにより冷却器３３自体を小さくすることができ、水冷式や空冷式の熱交換器を備えた冷却器と比べて、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。また、冷却器３３を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に配置したり、ラジエータのような熱交換器を追加したりする必要がないので、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。
【００８３】
また、第１実施形態によれば、カソードオフガスが通流するオフガス流路上に配置される回収器３５と、回収器３５によって回収された回収水を液水として冷却器３３に供給する回収水導入配管ｂ９と、を備えることにより、燃料電池１０から排出される液水（凝縮水、生成水）を回収器３５で回収することで、燃料電池１０から排出される液水を利用してカソードオフガスを冷却することができる。その結果、液水を有効に利用することができ、また冷却器３３に液水を供給するための装置を別個に設ける必要がない。
【００８４】
また、第１実施形態によれば、中空糸状の水蒸気透過膜３３ｊが鉛直上下方向に延在する冷却器３３を備えることにより、それぞれの中空糸状の水蒸気透過膜３３ｊに対して、液水を均等に接触させることができる。よって、冷却器３３に導入されるカソードオフガスの熱が均等に奪われることになり、冷却効果を高めることができる。
【００８５】
また、第１実施形態によれば、回収水の水位を検出する水位センサＳ５と、回収水を排出する排出弁３３ｆとを備えることにより、冷却器３３内の液水の水位を管理することができ、冷却機能を適正に保つことができる。
【００８６】
また、第１実施形態では、冷却器３３から導出されるカソードオフガスの温度を検出する冷却器出口温度センサＳ２が備えられ、図４のマップに示すように、予め設定された発電電力と冷却器３３の出口におけるカソードオフガスの許容温度値との関係を用いて、発電電力から許容温度値を求め、許容温度値と冷却器出口温度センサＳ２の温度値との大小を比較により発電電力を制限（抑制、上昇）するかどうかを判断する。
【００８７】
これによれば、発電電力が高く、冷却器出口温度センサＳ２の温度（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力を抑制するように制御することで、許容温度値の範囲内に調整することができ、加湿器３２がドライアップするのを防止することができる。また、発電電力が低く、冷却器出口温度センサＳ２の温度（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力を上昇するように制御することで、燃料電池１０の低温状態が緩和され、フラッディングを抑制して相対湿度１００％の安定したカソードオフガスを生成できる。
【００８８】
また、第１実施形態によれば、予め設定された冷却器３３の水位と発電電力との関係を用いて、水位センサＳ５の水位に基づいて発電電力を制限する制御部を備えるので、冷却器３３の水位が低い場合には、発電電力を制限して（抑えて）過飽和となり易くして、液水（凝縮水）をできるだけ確保しておき、液水が不足するのを防止できるようになる。
【００８９】
また、第１実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの運転を停止する際、冷却器３３の温度を検出する冷却器内温度センサＳ４の温度値（出力値）が所定温度未満となったときに（所定条件を満たしたときに）、排出弁３３ｆを開弁して冷却器３３内の液水（回収水）を排出することにより、液水の凍結による冷却器３３内の水蒸気透過膜３３ｊの破損を防止することができる。また、第１実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの次回起動時に、加湿器３２に供給される供給ガス（乾燥ガス）が冷却され、この冷えた供給ガスが燃料電池１０に供給されて、燃料電池１０の暖機が損なわれるのを防止することができる。
【００９０】
また、第１実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの運転を停止する際、タイマ５３により計測される時間（出力値）が所定時間を超えたときに（所定条件を満たしたときに）、排出弁３３ｆを開弁して、冷却器３３内の液水（回収水）を排出することにより、液水の凍結による水蒸気透過膜３３ｊの破損を防止でき、しかも燃料電池装置１Ａの次回起動時における燃料電池１０の暖機が損なわれるのを防止することができる。
【００９１】
（本実施形態に係る変形例）
図９は本実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置１Ｂは、第１実施形態に係る燃料電池装置１Ａの回収器３５と希釈器３６を入れ替えたものであり、回収器３５を希釈器３６の下流側に配置した構成である。なお、その他の構成は、同一の符号を付して重複した説明を省略する（他の実施形態についても同様）。
【００９２】
この燃料電池装置１Ｂは、アノード系２０の気液分離器２１を、液水（凝縮水）を回収する凝縮水回収器として機能させ、気液分離器２１で回収された（貯留された）液水を、配管ａ５を介して希釈器３６に導入するものである。これにより、燃料電池１０のカソード流路１２から排出された液水だけではなく、燃料電池１０のアノード流路１１から排出された液水を回収器３５によって回収することができ、燃料電池装置１Ｂ内で生成される液水をさらに有効に利用することができる。また、燃料電池装置１Ｂにすでに備えられている気液分離器２１を流用することができるので、装置を別個に設ける必要がない。なお、その他の効果については、第１実施形態と同様である。
【００９３】
（本実施形態に係る他の変形例）
図１０は本実施形態に係る燃料電池装置の他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置１Ｃは、回収器３５を燃料電池１０と冷却器３３との間のオフガス流路上に設けた構成である。なお、図１０では、冷却器３３に接続される回収水導出配管ｂ１０がオフガス流路の配管ｂ７に合流するように接続しているが、第１実施形態や第２実施形態のように、希釈器３６に接続するようにしてもよい。
【００９４】
この燃料電池装置１Ｃによれば、燃料電池１０から排出されたばかりの圧力の高いカソードオフガスが回収器３５に導入されるので、回収器３５で回収された液水（凝縮水、回収水）を冷却器３３に圧送用のポンプを用いることなく圧送することが容易になる。
【００９５】
（本実施形態に係るさらに他の変形例）
図１１は本実施形態に係る燃料電池装置のさらに他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置１Ｄは、第３実施形態の冷却器３３と回収器３５とを入れ替えた構成であり、燃料電池１０と回収器３５との間に冷却器３３を配置した構成である。
【００９６】
この燃料電池装置１Ｄによれば、冷却器３３から排出された比較的圧力の高いカソードオフガスが回収器３５に導入されるので、回収器３５で回収された液水（凝縮水、回収水）を冷却器３３に圧送するためのポンプを用いることなく圧送することが容易になる。
【００９７】
本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、いずれの実施形態においても回収器３５にて凝縮水を回収する構成としたが、このような構成に限定されるものではなく、希釈器３６に液水（凝縮水）を回収させて、希釈器３６から回収水導入配管ｂ９を介して冷却器３３に供給するようにしてもよい。これにより、回収器３５を新たに設ける必要がなくなる。
【符号の説明】
【００９８】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 燃料電池装置
１０ 燃料電池
３２ 加湿器（膜式加湿器）
３３ 冷却器
３３ｊ 水蒸気透過膜
３３ｆ 排出弁
３５ 回収器（凝縮水回収器）
５１ 制御部
５３ タイマ
５４ 電圧制御器
ｂ３，ｂ４，ｂ５，ｂ６，ｂ７，ｂ８ 配管（オフガス流路）
ｂ９ 回収水導入配管（回収水供給流路）
ｂ１０ 回収水排出配管
Ｓ１ 冷却器入口温度センサ（温度センサ）
Ｓ２ 冷却器出口温度センサ（温度センサ）
Ｓ３ 冷媒温度センサ（温度センサ）
Ｓ４ 冷却器内温度センサ（第２温度センサ）
Ｓ５ 水位センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜式加湿器を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子膜型の燃料電池では、燃料電池の膜（電解質膜）が乾燥し過ぎると発電性能が低下することから、膜を適度に加湿するため供給ガスに水分を与える膜式の加湿器を備えたものが種々提案されている。この種の加湿器は、例えば、燃料電池から排出されるオフガスを利用して、燃料電池に供給される供給ガスとオフガスとの間で水分交換させている。しかし、燃料電池の運転温度が高温になると、燃料電池から排出されるオフガスの相対湿度が１００％を下回るため、加湿器の加湿性能が十分に発揮されなくなるおそれがある。そこで、燃料電池と加湿器との間のオフガス流路上に空冷式や水冷式の熱交換器を有する冷却器を備えて、オフガスの温度を下げて湿度を上げる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１５２０１３号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の空冷式の冷却器を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に設置する必要があり、レイアウトが制約されるという問題がある。また、水冷式の冷却器を搭載した場合においても、ラジエータの追加によってレイアウトが制約されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、膜式加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスから水分を得て当該燃料電池に供給される供給ガスに水分を与える膜式加湿器と、前記燃料電池と前記膜式加湿器との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方に前記オフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、前記オフガスから熱を奪うことで当該オフガスの温度を下げる冷却器と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、水蒸気透過膜の一面にオフガス、他面に液水を接触させることにより、液水が蒸発する際の潜熱（気化熱）を利用してオフガスの温度を下げることが可能になる。その結果、膜式加湿器に供給されるオフガスの温度を適正化することができる。
【０００８】
つまり、燃料電池の運転温度が高温になると、オフガスの相対湿度が１００％を下回り、膜式加湿器がドライアップ（膜式加湿器において加湿効率が過度に低下する状態）してしまい、十分な加湿性能を発揮できなくなるおそれがある。そこで、水蒸気透過膜による冷却器を燃料電池と膜式加湿器との間に配置することによって、オフガスを冷却することでオフガスの相対湿度を上げることができる。このようにしてオフガスの相対湿度が１００％を下回らないようにすることができ、膜式加湿器のドライアップを防止することが可能になる。
【０００９】
また、冷却器として水蒸気透過膜を含む構成とすることにより、水冷式や空冷式の熱交換器を備えた冷却器と比べて、冷却器自体のサイズを小型化することが可能になり、レイアウトが大きく制約されるのを防止することができる。また、冷却器を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に配置したり、ラジエータなどの大型の熱交換器を追加したりする必要がないので、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。しかも、オフガスの湿度が１００％以上のときには、水蒸気透過膜を透過した水分が蒸発することが無いため冷却機能が働かず、余計な冷却による加湿性能低下を招くおそれがない。これに対し空冷式等の熱交換器を備えた冷却器とした場合には、熱交換器をバイパスする構成が必要になるが、こうした構成部の追加を避けることができる。
【００１０】
また、前記オフガスが通流するオフガス流路上に配置される凝縮水回収器と、前記凝縮水回収器によって回収された回収水を前記液水として前記冷却器に供給する回収水供給流路と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、燃料電池から排出される液水（凝縮水、生成水）を凝縮水回収器で貯留することで、燃料電池から排出される液水を有効に利用してオフガスを冷却することができる。また、冷却器に液水を供給するための装置を別個に設ける必要がない。
【００１２】
また、前記冷却器は、鉛直上下方向に延在する複数の中空糸状の水蒸気透過膜を備えることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、冷却器内の液水（水位）が上下に変動したとしても、それぞれの水蒸気透過膜に対して、液水を均等に接触させることができるので、冷却器に導入されたオフガスの熱が均等に奪われて、冷却効果を高めることができる。
【００１４】
また、前記膜式加湿器に導入されるオフガスの温度を決定する温度センサと、予め設定された発電電力と前記膜式加湿器に導入されるオフガスの許容温度値との関係を用いて、前記発電電力から前記許容温度値を求め、前記許容温度値と前記温度センサの温度値との比較により発電電力を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、発電電力が高くて、温度センサの温度値（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力が低下するように制御する。このように発電電力を低下させることで、許容温度値が上昇するので発電電力の制限（抑制制御）が緩和される。一方、発電電力が低くて、温度センサの温度値（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力が上昇するように制御する。このように発電電力を上昇させることで、許容温度値が上昇するので、発電電力の制限（上昇制御）が緩和される。
【００１６】
また、前記冷却器は、回収水の水位を検出する水位センサと、回収水を排出する排出弁とを備えることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、冷却器内の液水の水位を管理することで、冷却器としての能力を適正に保つことができる。
【００１８】
また、予め設定された前記冷却器の水位と発電電力との関係を用いて、前記水位センサの水位に基づいて前記発電電力を制限する制御部を備えることを特徴とする。
【００１９】
これによれば、冷却器の水位が低い場合には、発電電力を制限して（抑えて）、燃料電池を過飽和になり易くして、液水（凝縮水）をできるだけ確保することで、液水が不足するのを防止できる。
【００２０】
また、前記燃料電池装置の運転を停止する際、前記冷却器の温度を検出する第２温度センサ、前記燃料電池装置の運転停止からの経過時間を計測するタイマの少なくともひとつの出力値を用いて、当該出力値が所定条件を満たした場合に前記排出弁を開成する制御部を備えることを特徴とする。
【００２１】
これによれば、凍結による水蒸気透過膜の破損、または燃料電池装置の起動時において膜式加湿器に低い温度のオフガスが供給されることによる起動性の低下を防止することができる。なお、所定条件とは、第２温度センサにより検出される温度が所定温度を下回ったとき、またタイマにより計測される燃料電池装置の運転停止時からの経過時間が所定時間を経過したときなどである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、膜式の加湿器の加湿性能を損なうことなく、しかもレイアウトが大きく制約されることのない燃料電池装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】（ａ）は冷却器の構造を示す概略図、（ｂ）は冷却器のオフガスと液水の流路を説明する断面図である。
【図３】発電電力の制御を示すフローチャートである。
【図４】冷却器出口のオフガスの許容温度と発電電力との関係を示すマップである。
【図５】発電電力の別の制御を示すフローチャートである。
【図６】冷却器の水位と発電電力の制限割合との関係を示すマップである。
【図７】運転停止時の排出弁の制御を示すフローチャートである。
【図８】運転停止時の排出弁の別の制御を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す全体構成図である。
【図１０】本実施形態に係る燃料電池装置の他の変形例を示す全体構成図である。
【図１１】本実施形態に係る燃料電池装置のさらに他の変形例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池装置１Ａ〜１Ｄは、四輪や二輪などの燃料電池車、船舶、航空機など移動式のもの、あるいは家庭用や業務用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。なお、以下では、燃料電池車を例に挙げて説明する。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷却系４０、制御系５０を含んで構成されている。
【００２６】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：
ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を一対のセ
パレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した燃料電池スタックである。
【００２７】
ＭＥＡは、陽イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜（以下、電解質膜と略記する）をアノードとカソードとで挟んで構成されている。アノードおよびカソードは、例えば、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に塗布されて形成された電極触媒層とで構成される。
【００２８】
セパレータは、カーボンなどの導電性の金属材料で形成され、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路１１、空気（酸化剤）が通流するカソード流路１２、燃料電池１０を冷却する冷媒が通流する冷媒流路１３がそれぞれ形成されている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに空気中の酸素が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒の作用により、燃料電池１０が発電可能な状態となる。また、燃料電池１０が発電することにより、カソード側で水が生成され、凝縮水や水蒸気としてこの生成水がカソード流路１２の出口から排出され、また電解質膜を透過してアノード流路１１の出口から排出される。
【００３０】
また、燃料電池１０は、外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、後記するエアポンプ３１、冷媒ポンプ４３、高圧バッテリ（不図示）、走行モータ（不図示）などである。
【００３１】
アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排するものであり、気液分離器２１、ドレン弁２２、パージ弁２３を含んで構成されている。また、アノード系２０は、図示しない高圧水素タンクから遮断弁および減圧弁を介して供給された水素が、アノード流路１１の入口に対して配管ａ１を介して供給されるようになっている。アノード流路１１の出口から排出された未反応の水素は、配管ａ２，気液分離器２１、配管ａ３を介して配管ａ１に戻るようにして循環するように構成されている。図示していないが、水素を循環させる手段としては、エゼクタや回転式ポンプなどである。
【００３２】
気液分離器２１は、アノード流路１１の出口から排出されたアノードオフガスに含まれる水分と未反応の水素とを分離する機能を有して、水分（液水）を貯留する貯留部（不図示）を備えている。
【００３３】
気液分離器２１は、例えば、アノードオフガスが気液分離器２１内の壁面に衝突することで、そこに含まれる水分を重力の作用によって空間内で落下させ底部に貯留させるように構成している。なお、ここでの水分は、アノード流路１１の出口から排出される凝縮水だけではなく、アノード流路１１の出口から排出された水蒸気が、気液分離器２１内の壁面などに当たることによって結露したものが含まれる。
【００３４】
ドレン弁２２は、例えば、常閉型のものであり、気液分離器２１の貯留部と配管ａ４を介して接続され、後記する希釈器３６と配管ａ５を介して接続されるように構成されている。また、ドレン弁２２は、後記する制御部５１によって開弁されることにより、貯留部に貯留された液水（凝縮水、結露水）が、配管ａ４，ａ５を介して希釈器３６に排出される。なお、ドレン弁２２を開弁するタイミングは、気液分離器２１内の水位を検出する水位センサ（不図示）によって判断してもよく、または定期的に開弁するようにしてもよく、または発電量による生成水量を積算して、該積算値が所定値に到達することで開弁するようにしてもよい。
【００３５】
パージ弁２３は、例えば、常閉型のものであり、開弁することで発電時において水素循環流路（アノード流路１１および配管ａ１〜ａ３の流路）に蓄積した不純物を車外（燃料電池装置１Ａの外部）に排出する。また、パージ弁２３は、配管ａ６を介して配管ａ３と接続され、配管ａ７を介して配管ａ５と接続されている。なお、パージ弁２３は、制御部５１によって、水素循環流路内の水素濃度の低下（発電性能の低下）に応じて、および／または定期的に開閉制御される。
【００３６】
カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気（酸素）を給排するものであり、エアポンプ（酸化剤ポンプ）３１、加湿器（膜式加湿器）３２、冷却器３３、背圧弁３４、回収器（凝縮水回収器）３５、希釈器３６を含んで構成されている。エアポンプ３１は、配管ｂ１、加湿器３２、配管ｂ２を介してカソード流路１２の入口と接続されている。カソード流路１２の出口は、配管ｂ３、冷却器３３、配管ｂ４、加湿器３２、配管ｂ５、背圧弁３４、配管ｂ６、回収器３５、配管ｂ７、希釈器３６、配管ｂ８を介して車外と連通している。なお、本実施形態において、配管ｂ３〜ｂ８がオフガス流路に相当する。
【００３７】
エアポンプ３１は、例えば、モータ（不図示）で駆動される機械式の過給器（スーパーチャージャなど）であり、車外から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する。
【００３８】
加湿器３２は、エアポンプ３１から供給される乾燥空気（供給ガス、酸化剤ガス）を加湿する膜式のものであり、例えば、水分交換膜である複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束が収容されたケース（不図示）を有し、エアポンプ３１からの乾燥空気の入口３２ａおよび出口３２ｂ、カソードオフガス（オフガス）の入口３２ｃおよび出口３２ｄがそれぞれ形成されているものである。
【００３９】
このような加湿器３２では、例えば、ケース内の中空糸膜の内側をエアポンプ３１からの乾燥空気が通り、中空糸膜の外側を湿潤な空気を含むカソードオフガスが通ることで、中空糸膜に形成された細孔内にカソードオフガスに含まれる水蒸気が入り込み、中空糸膜の細孔内を水蒸気が膜の外側から内側に移動することで、水蒸気が乾燥空気（供給ガス）に渡されて乾燥空気が加湿される。なお、乾燥空気が中空糸膜の外側、カソードオフガスが中空糸膜の内側を通るようにしてもよい。また、加湿器３２は、中空糸膜に限定されるものではなく、平膜などの他の種類の水分透過膜で形成されていてもよい。
【００４０】
冷却器３３は、燃料電池１０のカソード流路１２の出口から排出されたカソードオフガス（オフガス）を冷却する機能を有し、燃料電池１０と加湿器３２との間のオフガス流路（配管ｂ３，ｂ４）に設けられている。
【００４１】
また、冷却器３３には、カソードオフガスが導入される入口３３ａおよびカソードオフガスが導出される出口３３ｂが形成されるとともに、カソードオフガスを冷却する冷媒としての液水（回収水、凝縮水）が導入される入口３３ｃおよび液水が導出される出口３３ｄが形成されている。冷却器３３の入口３３ｃは、回収水導入配管（回収水供給流路）ｂ９を介して後記する回収器３５と接続され、冷却器３３の出口３３ｄは、回収水導出配管ｂ１０を介して後記する希釈器３６と接続されている。また、冷却器３３には、この冷却器３３に貯留された液水を排出する配管３３ｅが接続され、配管３３ｅ上に常閉型の排出弁３３ｆが設けられている。なお、冷却器３３の具体的な構成については後記する。
【００４２】
背圧弁３４は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気の圧力（カソード圧）を調節する機能を有する。
【００４３】
回収器（凝縮水回収器）３５は、カソード流路１２の出口から冷却器３３、加湿器３２および背圧弁３４を通って排出された液水（凝縮水）を回収する回収空間（貯留空間）を有している。また、回収空間の底部は、回収水導入配管ｂ９の上流端と接続されている。なお、回収器３５によって回収された液水は、カソード流路１２の出口から凝縮水となって排出される水分だけではなく、カソード流路１２から回収器３５に至るまでの間に水蒸気が放熱され、カソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮（結露）してなる水分、また回収器３５内の壁面に衝突、接触することによって放熱され、カソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮（結露）してなる水分も含まれる。
【００４４】
また、回収器３５と冷却器３３とを接続する回収水導入配管ｂ９には、オリフィス３５ａが設けられている。このオリフィス３５ａは、回収器３５から冷却器３３に供給される液水の流量を一定にすることができ、また冷却器３３の水蒸気透過膜３３ｊ（図２（ａ）参照）を介してカソードオフガスが回収器３５に逆流するのを防止するようになっている。回収器３５によって回収された（貯留された）液水は、回収器３５に導入されるカソードオフガスの圧力によって回収水導入配管ｂ９に押し出されることで、冷却器３３に向けて圧送される。なお、液水を、回収水導入配管ｂ９を介して回収器３５から冷却器３３に供給する際の圧力が不足する場合には、圧送用のポンプを回収水導入配管ｂ９上に配置してもよい。
【００４５】
希釈器３６は、アノード流路１１の出口から排出されたアノードオフガスに含まれる水素とカソード流路１２の出口から排出されるカソードオフガス（主に空気）とを混合し、規定の水素濃度を下回るように希釈する機能を有している。希釈後のガスは配管ｂ８、図示しない消音器等を介して車外に排出される。
【００４６】
冷却系４０は、燃料電池１０に冷媒を循環させて燃料電池１０を冷却する機能を有し、冷媒流路１３の出口が配管ｃ１を介してラジエータ４１の入口と接続され、ラジエータ４１の出口が配管ｃ２、サーモスタット弁４２、配管ｃ３、冷媒ポンプ４３、配管ｃ４を介して冷媒流路１３の入口と接続されている。また、冷却系４０は、ラジエータ４１をバイパスするバイパス配管ｃ５を有し、バイパス配管ｃ５の上流側の一端が配管ｃ１に接続され、下流側の他端がサーモスタット弁４２と接続されている。
【００４７】
このような冷却系４０では、燃料電池装置１Ａの起動時にはサーモスタット弁４２がバイパス配管ｃ５側に切り替えられて燃料電池１０の暖機が促進され、燃料電池１０の運転温度が所定温度を超えたときに、ラジエータ４１を通る流路が拡大するようにサーモスタット弁４２が切り替えられる。
【００４８】
制御系５０は、制御部５１、ＩＧ５２、タイマ５３、電圧制御器５４、冷却器入口温度センサＳ１、冷却器出口温度センサＳ２、冷媒温度センサＳ３、冷却器内温度センサＳ４、水位センサＳ５などで構成されている。
【００４９】
制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムが記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、エアポンプ３１および冷媒ポンプ４３の各モータ（不図示）の回転速度を制御し、ＩＧ５２からの起動信号、タイマ５３によって計測される時間（出力値）、冷却器入口温度センサＳ１、冷却器出口温度センサＳ２、冷媒温度センサＳ３からの温度値、冷却器内温度センサＳ４からの温度（出力値）、水位センサＳ５からの水位をそれぞれ取得し、ドレン弁２２、パージ弁２３、排出弁３３ｆを開閉制御する。
【００５０】
また、制御部５１は、冷却器３３の出口３３ｂにおけるカソードオフガスの許容温度（加湿器３２に導入されるカソードオフガスの許容温度）に応じて燃料電池１０の発電電力を制限（抑制、上昇）する。また、制御部５１は、水位センサＳ５による水位に応じて発電電力を制御、つまり水位が低くなるにつれて発電電力の制限割合を高くして、発電電力を小さくする。
【００５１】
ところで、冷却器３３内に水が残留していると凍結によって水蒸気透過膜３３ｊが破損したり、また燃料電池装置１Ａの次回起動時（ＩＧ−ＯＮ時）において、冷却器３３によって冷やされたカソードオフガス（オフガス）が加湿器３２に供給される。このため、エアポンプ３１から燃料電池１０に供給される供給ガス（乾燥空気）が冷やされてしまい、燃料電池装置１Ａの暖機が損なわれることになる。
【００５２】
そこで、制御部５１は、燃料電池装置１Ａの運転停止時に（ＩＧ−ＯＦＦ）、冷却器内温度センサＳ４により検出される冷却器３３内の温度に応じて排出弁３３ｆを開成するか否かを判断して、必要に応じて冷却器３３内に貯留された液水を排出するようにしてもよい。
【００５３】
また、制御部５１は、燃料電池装置１Ａの運転停止時（ＩＧ−ＯＦＦ）、運転停止から所定時間経過後に冷却器３３内に貯留された液水を排出するか否かを判断するようにしてもよい。ここでの所定時間は、例えば、冷却器内温度センサＳ４により検出される温度値に基づいて変更することができる。つまり、冷却器内温度が低い場合には所定時間（排出弁３３ｆを開成するまでの時間）を短く設定し、冷却器内温度が高い場合には所定時間（排出弁３３ｆを開成するまでの時間）を長く設定する。
【００５４】
電圧制御器５４は、昇降圧コンバータなどを備えて構成され、制御部５１から出力される電圧（電流）指令値つまり燃料電池１０に対する発電指令に基づいて、燃料電池１０から出力される発電電力を制御する機能を有する。この電圧制御器５４が制御部５１によって制御されることにより、燃料電池１０から取り出される発電電力を上下させることができる。なお、本実施形態では、電圧制御部５４と制御部５１とで特許請求の範囲に記載の制御部が構成されている。
【００５５】
図２に示すように、冷却器３３は、例えば、円筒形状のケース３３ｇを有し、このケース３３ｇの鉛直上下方向の下部にカソードオフガス（オフガス）が導入される空間を有する下カバー３３ｈが形成され、鉛直上下方向の上部にカソードオフガスが導出される空間を有する上カバー３３ｉが形成されている。また、ケース３３ｇ内には、ポリイミド等から形成された中空糸状の水蒸気透過膜３３ｊが複数本束ねられ中空糸膜束３３ｋとされて収容されている。中空糸膜束３３ｋは、鉛直上下方向に延在するように配置され、その鉛直上下方向の両端部がエポキシ樹脂等で形成されたポッティング部材３３ｌ，３３ｍ（封止部）を介して、ケース３３ｇの内壁に固着されている。これにより、各水蒸気透過膜３３ｊの外周面間、水蒸気透過膜３３ｊの外周面とケース３３ｇの内壁面との間が、それぞれ閉塞されるようになっている。
【００５６】
ちなみに、冷却器３３内に中空糸膜束３３ｋが水平方向に延在するよう配置した場合、冷却器３３内の液水の水位（水面）が上下に変動した場合には、水面よりも上側に配置される水蒸気透過膜３３ｊでは液水と接する部分がなくなってしまい、各水蒸気透過膜３３ｊに対して液水を均等に接触させることができなくなる。しかし、本実施形態では、中空糸膜束３３ｋが鉛直上下方向に延在するように配置されることで、図２においてドットで示すように、冷却器３３に回収された液水（回収水）の水面が上下に変動したとしても、それぞれの水蒸気透過膜３３ｊに対して液水を均等に接触させることができる。
【００５７】
また、冷却器３３は、下カバー３３ｈに配管ｂ３が接続され、上カバー３３ｉに配管ｂ４が接続されている。これにより、配管ｂ３を介して下カバー３３に導入されたカソードオフガスは、水蒸気透過膜３３ｊの内側を上方に向かって流れ、そして上カバー３３ｉ、配管ｂ４を介して冷却器３３の外部に排出される。
【００５８】
また、冷却器３３は、ケース３３ｇの周面に、液水（回収水）が導入される回収水導入配管ｂ９と、液水（回収水）が導出される回収水導出配管ｂ１０とが接続されている。回収水導入配管ｂ９および回収水導出配管ｂ１０は、ケース３３ｇのポッティング部材３３ｌ，３３ｍの間の回収空間Ｐ（図２（ｂ）参照）と連通し、かつ、該回収空間Ｐの上部に位置するように接続されている。これにより、回収水導入配管ｂ９から導入された液水は、回収空間Ｐに溜まり、また回収空間Ｐが満水になったときに回収水導出配管ｂ１０を介して希釈器３６に排出されるように構成されている。
【００５９】
このように構成された冷却器３３では、水蒸気透過膜３３ｊの中空糸の内側（一面）にカソードオフガスが接触し、水蒸気透過膜３３ｊの中空糸の外側（他面）に液水が接触することにより、液水が蒸発する際の潜熱を利用して、液水によってカソードオフガスから熱を奪うことでカソードオフガスが冷却される。
【００６０】
次に、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａにおける発電制御について図３および図４を参照して説明する。図３は発電電力の制御を示すフローチャート、図４は冷却器出口のオフガスの許容温度と発電電力との関係を示すマップである。
【００６１】
図３に示すように、制御部５１は、燃料電池１０の起動時、ステップＳ１０１において、図４に示すマップに基づいて燃料電池１０の発電電力から求まる冷却器３３の出口のカソードオフガスの許容温度が、実際（現在）の冷却器３３の出口３３ｂにおけるカソードオフガスの温度未満であるか否かを判断する。なお、実際の冷却器３３の出口３３ｂにおけるカソードオフガスの温度は、冷却器出口温度センサＳ２によって検出される。
【００６２】
また、図４に示すマップは、発電電力と、冷却器３３の出口３３ｂにおける許容温度との関係を示し、実験やシミュレーションなどによって予め決定されたものである。すなわち、ある発電電力よりも低い領域Ｒ１では、発電電力が低くなるにつれて許容温度が低下する領域を有し、燃料電池１０の状態を優先する領域であり、一方、ある発電電力よりも高い領域Ｒ２では、発電電力が高くなるにつれて許容温度が低下する領域を有し、加湿器３２の状態を優先する領域である。なお、領域Ｒ１において発電電力が上昇するにつれて許容温度が高くなるのは、燃料電池１０の発電電力が高くなるにつれて液水が多く生成されるようになるので、燃料電池１０内の液水が過剰になってフラッディングが発生するのを防止するためである。また、領域Ｒ２において発電電力が上昇するにつれて許容温度が低くなるのは、燃料電池の温度が高くなり過ぎて、カソードオフガスの相対湿度が１００％を下回ってしまい、加湿器３２がドライアップするのを防止するためである。
【００６３】
ステップＳ１０１において、制御部５１は、許容温度が実際の冷却器３３の出口のカソードオフガスの温度未満ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、実際のカソードオフガスの温度が図４に示すマップの許容温度を超えていないので、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。また、制御部５１は、許容温度が実際のカソードオフガスの温度未満と判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進み、図４のマップにしたがって、電圧制御器５４を制御して、燃料電池１０から取り出す発電電力を上昇または低下するように制御する。
【００６４】
例えば、図４の領域Ｒ２において符号Ｑ１で示すように、発電電力が高く、発電電力Ｗ１における実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが、このマップに基づく許容温度Ｔａを超えている場合には、発電電力をＷ１からＷ２まで低下させる。このように発電電力を低下させることにより、燃料電池１０の温度が低下し、カソードオフガスの温度が下がるので、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスの湿度が高まり、相対湿度１００％のカソードオフガスが生成されるようになる。許容温度Ｔａは、発電電力の制限（低下）により上昇するので、実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが許容温度の範囲内となり（Ｓ１０１、Ｎｏ）、発電電力の制限（抑制制御）が解消される。
【００６５】
また、図４の領域Ｒ１において符号Ｑ２で示すように、発電電力が低く、発電電力Ｗ３における実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが、マップに基づく許容温度Ｔｂを超えている場合には、発電電力をＷ３からＷ４まで上昇させる。このように発電電力を上昇させることにより、燃料電池１０の温度が高くなり、過飽和でフラッディング気味だったカソードオフガスの湿度が低下し、相対湿度１００％の安定した冷却器３３の出口ガス（カソードオフガス）が生成される。許容温度Ｔｂは、発電電力の上昇により上昇するので、実際のカソードオフガスの温度Ｔｓが許容温度の範囲内となり（Ｓ１０１、Ｎｏ）、発電電力の制限（上昇制御）が解消される。
【００６６】
なお、前記したステップＳ１０１では、温度センサとして、冷却器出口温度センサＳ２の場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、冷却器入口温度センサＳ１、冷媒温度センサＳ３を用いて判断してもよい。あるいは、図示していないが、アノード流路１１の出口における配管ａ２のアノードオフガス（オフガス）の温度、燃料電池１０の温度を直接に検出する温度に基づいて判断してもよい。なお、冷却器入口温度センサＳ１、冷媒温度センサＳ３等による温度については、検出された温度を補正して、補正後の温度値と、許容温度値とを比較するようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａにおける他の発電制御について図５および図６を参照して説明する。図５は他の発電電力の制御を示すフローチャート、図６は冷却器の水位と発電電力の制限割合との関係を示すマップである。
【００６８】
図５に示すように、ステップＳ２０１において、制御部５１は、冷却器３３の水位を水位センサＳ５によって検出する。
【００６９】
そして、ステップＳ２０２に進み、制御部５１は、検出された水位に基づいて、燃料電池１０の発電電力を制限する必要があるか否かを判断する。制御部５１は、発電電力の制限が必要ないと判断した場合には（Ｓ２０２、Ｎｏ）、ステップＳ２０１に戻り、発電電力の制限が必要あると判断した場合には（Ｓ２０２、Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３に進む。
【００７０】
ステップＳ２０３において、制御部５１は、図６に示すマップに基づいて発電電力を制限する。なお、図６に示すマップは、冷却器３３の水位と発電電力の制限割合との関係を示したものであり、冷却器３３の水位が所定の水位Ｌ１より低い場合に発電電力の制限を開始し、冷却器３３の水位が低くなるにつれて、発電電力の制限割合を高くする。つまり、発電電力を抑制することにより、燃料電池の温度が低下し、カソードオフガスの温度が低下して、カソードオフガスの湿度が高まることで凝縮し易くなり、冷却器３３に液水（凝縮水）が溜まるようになる。なお、所定の水位Ｌ１は、例えば、必要なときに冷却性能を発揮することができ、かつ、無駄に発電電力を制限することのない水位に設定される。
【００７１】
次に、本実施形態に係る燃料電池装置１Ａの運転停止時の制御について図７および図８を参照して説明する。図７は冷却器の温度に基づく排出弁の制御を示すフローチャート、図８はタイマに基づく排出弁の制御を示すフローチャートである。なお、図８に示すステップＳ４０１およびＳ４０３における処理は、図７に示すステップＳ３０１およびＳ３０３と同様であるので説明を省略する。
【００７２】
図７に示すように、ステップＳ３０１において、制御部５１は、イグニッションのオフ信号（ＩＧ−ＯＦＦ信号）、つまり燃料電池装置１Ａの運転を停止する信号を取得したか否かを判断し、ＩＧ−ＯＦＦ信号を取得していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０１の処理に戻り、ＩＧ−ＯＦＦ信号を取得した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０２に進む。
【００７３】
ステップＳ３０２において、制御部５１は、冷却器内温度センサＳ４により冷却器３３内部の温度（冷却器内温度）を検出し、冷却器内温度が所定温度未満であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、冷却器３３内の回収水（貯留水）が凍結するおそれがあると判断される温度であり、例えば３℃に設定される。
【００７４】
ステップＳ３０２において、制御部５１は、冷却器内温度が所定温度未満ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３０２の処理を繰り返し、冷却器内温度が所定温度未満であると判断した場合（出力値が所定条件を満たした場合）には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３に進む。
【００７５】
ステップＳ３０３において、制御部５１は、排出弁３３ｆを開弁（開成）する。これにより、冷却器３３内に貯留された液水が配管３３ｅを介して外部（車外）に排出される。
【００７６】
また、図８に示すように、ステップＳ４０２において、制御部５１は、ＩＧ−ＯＦＦ時にタイマ５３の作動を開始して、所定時間が経過したか否かを判断する。なお、所定時間は、冷却器内温度センサＳ４による温度に応じて設定することができ、例えば、冷却器内温度センサＳ４による温度が低ければ低いほど所定時間が短くなるように設定される。
【００７７】
ステップＳ４０２において、制御部５１は、所定時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４０２の処理を繰り返し、所定時間が経過したと判断した場合（出力値が所定条件を満たした場合）には（Ｙｅｓ）、排出弁３３ｆを開弁（開成）する（Ｓ４０３）。なお、冷却器内温度センサＳ４に替えて、燃料電池装置１Ａの周囲の外気温度を検出する外気温度センサに基づいて判断してもよい。
【００７８】
以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池装置１Ａは、燃料電池１０と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガス（オフガス）から当該燃料電池１０に供給される供給ガス（空気）に水分を与える加湿器３２と、燃料電池１０と加湿器３２との間に配置され、内部に水蒸気透過膜３３ｊを備えて当該水蒸気透過膜３３ｊの内側（一面）にカソードオフガスを、外側（他面）に液水（回収水）をそれぞれ接触させることにより、カソードオフガスから熱を奪うことで当該カソードオフガスの温度を下げる冷却器３３と、を備えている。これによれば、液水が蒸発する際の潜熱（気化熱）を利用してカソードオフガスの温度を下げることができ、その結果加湿器３２に供給されるカソードオフガスの相対湿度を上げることが可能になる。
【００７９】
つまり、燃料電池１０の運転温度が高温になると、カソードオフガスの相対湿度が１００％未満となって、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が蒸発して細孔内において水蒸気の受け渡しが損なわれる。これにより、加湿器３２がドライアップし、十分な加湿性能を発揮できなくなるおそれがある。そこで、水蒸気透過膜３３ｊを備えた冷却器３３を、燃料電池１０と加湿器３２との間のオフガス流路上に配置することによって、カソードオフガスを冷却して相対湿度を上げることにより、加湿器３２に供給されるカソードオフガスの相対湿度を１００％未満とならないようにすることができ、加湿器３２のドライアップを防止することが可能になる。
【００８０】
ちなみに、本実施形態に係る冷却器３３では、相対湿度１００％未満のカソードオフガスに対しては水分が水蒸気透過膜３３ｊを透過してカソードオフガスと接触し蒸発するので、相対湿度が１００％に上昇するように冷却機能が発揮され、しかも相対湿度がすでに１００％となっている場合には、水蒸気が水蒸気透過膜３３ｊを透過してカソードオフガスと接触し蒸発することがないので、潜熱（気化熱）が生じることはなく、冷却機能が発揮されることがない。
【００８１】
このようにして加湿器３２のドライアップを防止することができるので、加湿器３２の長期の稼動を確保することができる。また、加湿器３２のドライアップを防止できるので、燃料電池に対する加湿不足を防止し、燃料電池装置１Ａ〜１Ｄにおいて最適な系内湿度を保って燃料電池１０の長期の稼動も確保することができる。
【００８２】
また、第１実施形態によれば、冷却器３３として水蒸気透過膜３３ｊを採用することにより冷却器３３自体を小さくすることができ、水冷式や空冷式の熱交換器を備えた冷却器と比べて、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。また、冷却器３３を車両に搭載した場合、バンパ開口部等に配置したり、ラジエータのような熱交換器を追加したりする必要がないので、レイアウトが大きく制約されるのを防止できる。
【００８３】
また、第１実施形態によれば、カソードオフガスが通流するオフガス流路上に配置される回収器３５と、回収器３５によって回収された回収水を液水として冷却器３３に供給する回収水導入配管ｂ９と、を備えることにより、燃料電池１０から排出される液水（凝縮水、生成水）を回収器３５で回収することで、燃料電池１０から排出される液水を利用してカソードオフガスを冷却することができる。その結果、液水を有効に利用することができ、また冷却器３３に液水を供給するための装置を別個に設ける必要がない。
【００８４】
また、第１実施形態によれば、中空糸状の水蒸気透過膜３３ｊが鉛直上下方向に延在する冷却器３３を備えることにより、それぞれの中空糸状の水蒸気透過膜３３ｊに対して、液水を均等に接触させることができる。よって、冷却器３３に導入されるカソードオフガスの熱が均等に奪われることになり、冷却効果を高めることができる。
【００８５】
また、第１実施形態によれば、回収水の水位を検出する水位センサＳ５と、回収水を排出する排出弁３３ｆとを備えることにより、冷却器３３内の液水の水位を管理することができ、冷却機能を適正に保つことができる。
【００８６】
また、第１実施形態では、冷却器３３から導出されるカソードオフガスの温度を検出する冷却器出口温度センサＳ２が備えられ、図４のマップに示すように、予め設定された発電電力と冷却器３３の出口におけるカソードオフガスの許容温度値との関係を用いて、発電電力から許容温度値を求め、許容温度値と冷却器出口温度センサＳ２の温度値との大小を比較により発電電力を制限（抑制、上昇）するかどうかを判断する。
【００８７】
これによれば、発電電力が高く、冷却器出口温度センサＳ２の温度（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力を抑制するように制御することで、許容温度値の範囲内に調整することができ、加湿器３２がドライアップするのを防止することができる。また、発電電力が低く、冷却器出口温度センサＳ２の温度（実際の温度）が許容温度値よりも高い場合には、発電電力を上昇するように制御することで、燃料電池１０の低温状態が緩和され、フラッディングを抑制して相対湿度１００％の安定したカソードオフガスを生成できる。
【００８８】
また、第１実施形態によれば、予め設定された冷却器３３の水位と発電電力との関係を用いて、水位センサＳ５の水位に基づいて発電電力を制限する制御部を備えるので、冷却器３３の水位が低い場合には、発電電力を制限して（抑えて）過飽和となり易くして、液水（凝縮水）をできるだけ確保しておき、液水が不足するのを防止できるようになる。
【００８９】
また、第１実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの運転を停止する際、冷却器３３の温度を検出する冷却器内温度センサＳ４の温度値（出力値）が所定温度未満となったときに（所定条件を満たしたときに）、排出弁３３ｆを開弁して冷却器３３内の液水（回収水）を排出することにより、液水の凍結による冷却器３３内の水蒸気透過膜３３ｊの破損を防止することができる。また、第１実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの次回起動時に、加湿器３２に供給される供給ガス（乾燥ガス）が冷却され、この冷えた供給ガスが燃料電池１０に供給されて、燃料電池１０の暖機が損なわれるのを防止することができる。
【００９０】
また、第１実施形態によれば、燃料電池装置１Ａの運転を停止する際、タイマ５３により計測される時間（出力値）が所定時間を超えたときに（所定条件を満たしたときに）、排出弁３３ｆを開弁して、冷却器３３内の液水（回収水）を排出することにより、液水の凍結による水蒸気透過膜３３ｊの破損を防止でき、しかも燃料電池装置１Ａの次回起動時における燃料電池１０の暖機が損なわれるのを防止することができる。
【００９１】
（本実施形態に係る変形例）
図９は本実施形態に係る燃料電池装置の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置１Ｂは、第１実施形態に係る燃料電池装置１Ａの回収器３５と希釈器３６を入れ替えたものであり、回収器３５を希釈器３６の下流側に配置した構成である。なお、その他の構成は、同一の符号を付して重複した説明を省略する（他の実施形態についても同様）。
【００９２】
この燃料電池装置１Ｂは、アノード系２０の気液分離器２１を、液水（凝縮水）を回収する凝縮水回収器として機能させ、気液分離器２１で回収された（貯留された）液水を、配管ａ５を介して希釈器３６に導入するものである。これにより、燃料電池１０のカソード流路１２から排出された液水だけではなく、燃料電池１０のアノード流路１１から排出された液水を回収器３５によって回収することができ、燃料電池装置１Ｂ内で生成される液水をさらに有効に利用することができる。また、燃料電池装置１Ｂにすでに備えられている気液分離器２１を流用することができるので、装置を別個に設ける必要がない。なお、その他の効果については、第１実施形態と同様である。
【００９３】
（本実施形態に係る他の変形例）
図１０は本実施形態に係る燃料電池装置の他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置１Ｃは、回収器３５を燃料電池１０と冷却器３３との間のオフガス流路上に設けた構成である。なお、図１０では、冷却器３３に接続される回収水導出配管ｂ１０がオフガス流路の配管ｂ７に合流するように接続しているが、第１実施形態や第２実施形態のように、希釈器３６に接続するようにしてもよい。
【００９４】
この燃料電池装置１Ｃによれば、燃料電池１０から排出されたばかりの圧力の高いカソードオフガスが回収器３５に導入されるので、回収器３５で回収された液水（凝縮水、回収水）を冷却器３３に圧送用のポンプを用いることなく圧送することが容易になる。
【００９５】
（本実施形態に係るさらに他の変形例）
図１１は本実施形態に係る燃料電池装置のさらに他の変形例を示す全体構成図である。この燃料電池装置１Ｄは、第３実施形態の冷却器３３と回収器３５とを入れ替えた構成であり、燃料電池１０と回収器３５との間に冷却器３３を配置した構成である。
【００９６】
この燃料電池装置１Ｄによれば、冷却器３３から排出された比較的圧力の高いカソードオフガスが回収器３５に導入されるので、回収器３５で回収された液水（凝縮水、回収水）を冷却器３３に圧送するためのポンプを用いることなく圧送することが容易になる。
【００９７】
本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、いずれの実施形態においても回収器３５にて凝縮水を回収する構成としたが、このような構成に限定されるものではなく、希釈器３６に液水（凝縮水）を回収させて、希釈器３６から回収水導入配管ｂ９を介して冷却器３３に供給するようにしてもよい。これにより、回収器３５を新たに設ける必要がなくなる。
【符号の説明】
【００９８】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 燃料電池装置
１０ 燃料電池
３２ 加湿器（膜式加湿器）
３３ 冷却器
３３ｊ 水蒸気透過膜
３３ｆ 排出弁
３５ 回収器（凝縮水回収器）
５１ 制御部
５３ タイマ
５４ 電圧制御器
ｂ３，ｂ４，ｂ５，ｂ６，ｂ７，ｂ８ 配管（オフガス流路）
ｂ９ 回収水導入配管（回収水供給流路）
ｂ１０ 回収水排出配管
Ｓ１ 冷却器入口温度センサ（温度センサ）
Ｓ２ 冷却器出口温度センサ（温度センサ）
Ｓ３ 冷媒温度センサ（温度センサ）
Ｓ４ 冷却器内温度センサ（第２温度センサ）
Ｓ５ 水位センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスから水分を得て当該燃料電池に供給される供給ガスに水分を与える膜式加湿器と、
前記燃料電池と前記膜式加湿器との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方に前記オフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、前記オフガスから熱を奪うことで当該オフガスの温度を下げる冷却器と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記オフガスが通流するオフガス流路上に配置される凝縮水回収器と、
前記凝縮水回収器によって回収された回収水を前記液水として前記冷却器に供給する回収水供給流路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記冷却器は、鉛直上下方向に延在する中空糸状の水蒸気透過膜を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記膜式加湿器に導入されるオフガスの温度を決定する温度センサと、
予め設定された前記燃料電池の発電電力と前記膜式加湿器に導入されるオフガスの許容温度値との関係を用いて、求められた発電電力から前記許容温度値を求め、前記許容温度値と前記温度センサの温度値との比較により発電電力を調整する制御部と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記冷却器は、回収水の水位を検出する水位センサと、回収水を排出する排出弁とを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
予め設定された前記冷却器の水位と発電電力との関係を用いて、前記水位センサの水位に基づいて前記発電電力を制限する制御部を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記燃料電池装置の運転を停止する際、前記冷却器の温度を検出する第２温度センサ、前記燃料電池装置の運転停止からの経過時間を計測するタイマの少なくともひとつの出力値を用いて、当該出力値が所定条件を満たした場合に前記排出弁を開成する制御部を備えることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスから水分を得て当該燃料電池に供給される供給ガスに水分を与える膜式加湿器と、
前記燃料電池と前記膜式加湿器との間に配置され、内部に水蒸気透過膜を備え、当該水蒸気透過膜の一面および他面のうちの一方に前記オフガスを、他方に液水をそれぞれ接触させることにより、前記オフガスから熱を奪うことで当該オフガスの温度を下げる冷却器と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記オフガスが通流するオフガス流路上に配置される凝縮水回収器と、
前記凝縮水回収器によって回収された回収水を前記液水として前記冷却器に供給する回収水供給流路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記冷却器は、鉛直上下方向に延在する中空糸状の水蒸気透過膜を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記膜式加湿器に導入されるオフガスの温度を決定する温度センサと、
予め設定された前記燃料電池の発電電力と前記膜式加湿器に導入されるオフガスの許容温度値との関係を用いて、求められた発電電力から前記許容温度値を求め、前記許容温度値と前記温度センサの温度値との比較により発電電力を調整する制御部と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記冷却器は、回収水の水位を検出する水位センサと、回収水を排出する排出弁とを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
予め設定された前記冷却器の水位と発電電力との関係を用いて、前記水位センサの水位に基づいて前記発電電力を制限する制御部を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記燃料電池装置の運転を停止する際、前記冷却器の温度を検出する第２温度センサ、前記燃料電池装置の運転停止からの経過時間を計測するタイマの少なくともひとつの出力値を用いて、当該出力値が所定条件を満たした場合に前記排出弁を開成する制御部を備えることを特徴とする請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１５１０６２（Ｐ２０１２−１５１０６２Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６３７（Ｐ２０１１−１０６３７）
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【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８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２１日（２０１１．１．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]