JP2006049133A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システム規模に対する出力密度を高くすると共に、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのそれぞれを効率よく発電させる。
【解決手段】 外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを有し、空気を供給して発電させるに際して、起動時、冷機時、氷点下起動、水詰まり発生時などには、外部加湿型燃料電池１に空気を供給し、当該外部加湿型燃料電池１から排出された空気を内部加湿型燃料電池２に供給する状態とし、通常発電時などには、内部加湿型燃料電池２に空気を供給し、当該内部加湿型燃料電池２から排出された空気を外部加湿型燃料電池１に供給する状態とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造が異なる複数の燃料電池を備え、当該燃料電池の状況に応じて各燃料電池の発電を制御する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置や燃料改質装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、大気汚染物質の排出がなく究極のクリーン車両である。

ところで、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態を維持しないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。固体高分子膜を湿潤状態に維持する為には、燃料電池の外部に設けた加湿装置で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する外部加湿方法や、燃料電池内部に加湿用の純水通路を設け、この純水通路と多孔質性の水透過板を介して燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する内部加湿方法がある。前者の加湿方法によるものは外部加湿型燃料電池、後者のものは内部加湿型燃料電池とそれぞれ呼ばれている。

このような内部加湿型燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、燃料極、酸化剤極及び電解質膜を備え、電解質膜の湿潤状態を保持すると共に内部のフラッディングを抑制する技術が下記の特許文献１などにて知られている。
特開２００４−１４６２４７号公報

しかしながら、従来の外部加湿型燃料電池にあっては、燃料電池本体とは別に加湿装置を備える必要があり、燃料電池システムの容積が増加し、当該燃料電池システムの容積に対する出力密度及び車両搭載性が低下するという問題点があった。また、加湿装置で反応ガスを加湿するためのエネルギを要するので、燃料電池システム全体としての燃費性能の低下を招くという問題点があった。更に、外部加湿型燃料電池では、発電を開始する起動時や冷機時には水詰まりが発生しやすく、氷点下起動時には加湿しなくても問題が無いことから、加湿装置が不要となる状況があった。

また、従来の内部加湿型燃料電池にあっては、起動時に純水通路に水分が残存した状態であるので、起動時間が長くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのそれぞれを効率よく発電させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、加湿用流体が供給される加湿用流体流路が設けられ、当該加湿用流体流路から反応ガス流路に拡散する水分によって電解質膜を加湿すると共に、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う内部加湿型燃料電池と、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う外部加湿型燃料電池とを有し、反応ガス供給手段から内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスである反応ガスを供給して発電させる。

このとき、反応ガス供給手段は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、外部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを内部加湿型燃料電池に供給する状態と、内部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることにより、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、運転状態に応じて、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのガス供給順序を切り替えるように構成したので、外部加湿型燃料電池及び内部加湿型燃料電池の加湿、外部加湿型燃料電池及び内部加湿型燃料電池の水詰まりの解消や暖機を効率的に行うことができると共に、外部加湿型燃料電池に加湿ガスを導入するための別個の加湿器を搭載する必要を無くすことができる。したがって、外部加湿型燃料電池と内部加湿型燃料電池とのそれぞれを効率よく発電させることができると共に、システム規模を小さくすることができ、当該システム規模に対する発電電力の出力密度を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。

この燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を備えている。この外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２は、アノードに燃料ガスとしての水素ガスが供給されると共に、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給される。

本実施形態では、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２は、固体高分子型燃料電池とする。これらの燃料電池のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。

〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
［外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の構成］
図２（ａ）は、内部加湿型燃料電池２の一例を示す模式断面図、図２（ｂ）は外部加湿型燃料電池１の一例を示す模式断面図である。

図２（ａ）に示すように、内部加湿型燃料電池２の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜３２の両面にアノード電極触媒層３３及びカソード電極触媒層３４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置されたアノードガス拡散層３５，カソードガス拡散層３６と、水透過板３７，３８と、セパレータ３９，４０を備えている。

水透過板３７，３８は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材４１に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材４２を埋め込んで形成されている。セパレータ３９と水透過板３７，セパレータ４０と水透過板３８との間には、それぞれ純水流路５３，５４が設けられ、加湿用流体である純水が供給される。純水は、水透過板３７，３８の純水流路５３，５４に接する一方の面から多孔質材４２を介して他方の面に浸透する。水透過板３７，３８の他方の面にはそれぞれ水素流路５１，空気流路５２が設けられ、純水流路５３，５４から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。

なお、図２（ａ）に示した内部加湿型燃料電池２は、水素流路５１に水透過板３７を介して純水流路５３が隣接すると共に、空気流路５２に水透過板３８を介して純水流路５４が隣接する構成を示したが、水素又は空気の何れかのみを加湿して電解質膜３２を加湿させるように構成されていても良い。この場合、加湿する側のみに、水透過板及び純水流路が設けられることになる。これによって、内部加湿型燃料電池２は、水透過板及び純水流路が設けられている一方の極が、氷点下時の凍結等が発生しやすい極となる。

図２（ｂ）に示すように、外部加湿型燃料電池１の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜３２の両面にアノード電極触媒層３３及びカソード電極触媒層３４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）３１と、ＭＥＡ３１の両面に配置されたアノードガス拡散層３５，カソードガス拡散層３６と、セパレータ３９，４０を備えている。

セパレータ３９とアノードガス拡散層３５との間には、水素流路５１が設けられ、水素が供給される。同様に、セパレータ４０とカソードガス拡散層３６との間には、空気流路５２が設けられ、空気が供給される。

なお、図２（ｂ）に示した外部加湿型燃料電池１では、水素流路５１及び空気流路５２に加湿されたガスが供給されて電解質膜３２を加湿する場合や、水素流路５１又は空気流路５２の一方に加湿されたガスが供給されて電解質膜３２を加湿する場合がある。

このような構成の外部加湿型燃料電池１は、基本的に、外部から供給される加湿されたガスの水分、空気流路５２側の電気化学反応による生成水が運転状況によって発生する。また、この外部加湿型燃料電池１は、加湿されるガスが供給される水素流路５１及び／又は空気流路５２の形状や長さ、水素流路５１と空気流路５２との位置関係等の流路関係によって水詰まりの発生しやすさが決定される。

したがって、外部加湿型燃料電池１の空気流路５２に加湿した空気を導入した場合には、当該外部加湿型燃料電池１の空気流路５２では、水詰まりが発生しやすくなり、外部加湿型燃料電池１の水素流路５１に加湿した水素を導入した場合には、空気流路５２のみならず水素流路５１も水詰まりが発生しやすくなる。

また、外部加湿型燃料電池１としては、運転状況によって水詰まりが発生しやすい極が空気流路５２か水素流路５１かを特定できないものがある。例えば、外部加湿型燃料電池１の冷機時には、水素流路５１で水詰りしやすいが、通常運転中は生成水の影響で空気流路５２の方が水詰りしやすいものがある。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に空気を供給する空気供給系、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に水素ガスを供給する水素供給系（図示せず）、内部加湿型燃料電池２に純水を循環させる純水循環系（図示せず）を備える。これらの空気供給系、水素供給系及び純水循環系は、後述する制御装置２１によって動作が制御されることにより、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２へのガス供給状態、内部加湿型燃料電池２への純水供給状態を調整する。

空気供給系は、図１に示すように、外部加湿型燃料電池１内の空気流路５２と内部加湿型燃料電池２内の空気流路５２とがガス配管で接続され、外部加湿型燃料電池１を上流とし内部加湿型燃料電池２を下流とする構成と、内部加湿型燃料電池２を上流とし外部加湿型燃料電池１を下流とする構成との間で切り替え可能な構成となっている。すなわち、空気供給系は、外部加湿型燃料電池１の空気流路５２から排出された空気を内部加湿型燃料電池２の空気流路５２に供給する構成と、内部加湿型燃料電池２の空気流路５２から排出された空気を外部加湿型燃料電池１の空気流路５２に供給する構成との間で切り替えられる。

具体的には、空気供給系は、フィルタ１１及びコンプレッサ１２と第１流路切替弁１３とを配管Ｌ１で接続し、第１流路切替弁１３と外部加湿型燃料電池１とを配管Ｌ２で接続し、第１流路切替弁１３と内部加湿型燃料電池２とを配管Ｌ３で接続し、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを配管Ｌ４で接続し、外部加湿型燃料電池１と圧力調整弁１９とを配管Ｌ５，配管Ｌ７で接続し、内部加湿型燃料電池２と圧力調整弁１９とを配管Ｌ６，配管Ｌ７で接続し、圧力調整弁１９と外気とを配管Ｌ８で接続して、構成されている。

また、空気供給系は、空気の流路を切り替えるための構成として、配管Ｌ１と配管Ｌ２と配管Ｌ３との合流点に設けられた第１流路切替弁１３及びアクチュエータ１４と、配管Ｌ５に設けられた第２流路切替弁１５及びアクチュエータ１６と、配管Ｌ６に設けられた第３流路切替弁１７及びアクチュエータ１８とを備える。これらの流路切替弁１３，１５，１７は、制御装置２１によってアクチュエータ１４，１６，１８が制御されることによって、空気及び水素の流路を切り替える。

このような燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを直列に接続する配管Ｌ４が、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の空気流路５２に接続された構成となっている。これにより、燃料電池システムは、コンプレッサ１２で圧縮した空気を、図３に示すように、第１流路切替弁１３から配管Ｌ２を介して外部加湿型燃料電池１、配管Ｌ４、内部加湿型燃料電池２の順序、又は、図４に示すように、第１流路切替弁１３から配管Ｌ３を介して内部加湿型燃料電池２、配管Ｌ４、外部加湿型燃料電池１の順序で供給する。

このとき、図３に示す順序で空気を供給するためには、制御装置２１は、第１流路切替弁１３の開口１３ｂを開状態とすると共に開口１３ｃを閉状態とし、第２流路切替弁１５を閉状態とし、第３流路切替弁１７を開状態とするように、アクチュエータ１４，１６，１８を制御する。これにより、図３中の太線で示すように、コンプレッサ１２から第１流路切替弁１３、第１流路切替弁１３から外部加湿型燃料電池１、外部加湿型燃料電池１から内部加湿型燃料電池２、内部加湿型燃料電池２から圧力調整弁１９へと空気が流れる流路を形成する。

一方、図４に示す順序で空気を供給するためには、制御装置２１は、第１流路切替弁１３の開口１３ｃを開状態とすると共に開口１３ｂを閉状態とし、第２流路切替弁１５を開状態とし、第３流路切替弁１７を閉状態とするように、アクチュエータ１４，１６，１８を制御する。これにより、図４中の太線で示すように、コンプレッサ１２から第１流路切替弁１３、第１流路切替弁１３から内部加湿型燃料電池２、内部加湿型燃料電池２から外部加湿型燃料電池１、外部加湿型燃料電池１から圧力調整弁１９へと空気が流れる流路を形成する。

水素供給系は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に供給する水素を貯蔵した水素貯蔵タンク、当該水素貯蔵タンクから外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に水素供給する配管に設けられた水素圧力調整弁、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２から排出された水素を循環させる循環流路や循環ポンプ等からなる。この水素供給系は、制御装置２１の制御に従って、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に要求される電力に応じた水素流量及び圧力で水素供給を行う。

また、水素供給系は、図１に示した空気供給系と同様に、外部加湿型燃料電池１内の水素流路５１と内部加湿型燃料電池２内の水素流路５１とがガス配管で接続され、外部加湿型燃料電池１を上流とし内部加湿型燃料電池２を下流とする構成と、内部加湿型燃料電池２を上流とし外部加湿型燃料電池１を下流とする構成との間で切り替え可能な構成となっていても良い。すなわち、水素供給系は、外部加湿型燃料電池１のアノードから排出された水素を内部加湿型燃料電池２の水素流路５１に供給する構成と、内部加湿型燃料電池２の水素流路５１から排出された水素を外部加湿型燃料電池１の水素流路５１に供給する構成との間で切り替えられるように構成する。この場合、水素供給系は、図１に示す空気供給系と同様に外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを接続する配管や流路切替弁を備え、当該流路切替弁の開閉が制御装置２１によって制御される。

純水循環系は、内部加湿型燃料電池２内の純水流路５３，５４に純水を循環させるための配管や純水ポンプ等からなる。この純水循環系は、純水を循環させることにより、内部加湿型燃料電池２に供給された空気又は水素を加湿させることによって、内部加湿型燃料電池２内の電解質膜３２を湿潤状態に保持する。また、この純水循環系によって水分を含んだ空気及び水素は、そのまま水分を含んだ状態で内部加湿型燃料電池２外に排出される。

このような燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の空気流路５２と水素流路５１の少なくとも一方又は双方を配管によって接続する。これにより燃料電池システムは、空気流路５２と水素流路５１の少なくとも一方又は双方における外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２との空気、水素の供給順序を切り替え可能に構成される。このように、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで供給順序を切り替え可能な構成とするか否かは、以下に示す要因（１）〜（３）によって決定される。

（１）外部加湿型燃料電池１における水詰まりの発生し易さ
図２を参照して説明したように、生成水や加湿ガス、空気流路５２の形状等によって外部加湿型燃料電池１の空気流路５２に水詰まりが発生しやすい場合には、外部加湿型燃料電池１の空気流路５２と内部加湿型燃料電池２の空気流路５２とを接続し、空気供給系を図１に示すように構成する。また、外部加湿型燃料電池１の水素流路５１に水詰まりが発生しやすい場合には、外部加湿型燃料電池１の水素流路５１と内部加湿型燃料電池２の水素流路５１とを接続し、水素供給系において外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで供給順序を切り替え可能とする。

（２）内部加湿型燃料電池２における加湿極側
内部加湿型燃料電池２の純水流路が空気流路５２と水素流路５１の一方のみに設けられ、空気流路５２と水素流路５１の一方から電解質膜３２を加湿する構成となっている場合には、当該純水流路が設けられた流路側において外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを接続する。

すなわち、内部加湿型燃料電池２の純水流路が空気流路５２側のみに設けられている場合には、外部加湿型燃料電池１の空気流路５２と内部加湿型燃料電池２の空気流路５２とを接続して、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで供給順序を切り替え可能とする。また、内部加湿型燃料電池２の純水流路が水素流路５１側のみに設けられている場合には、外部加湿型燃料電池１の水素流路５１と内部加湿型燃料電池２の水素流路５１とを接続して、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで供給順序を切り替え可能とする。

（３）水詰まりの発生のし易さが特定できない場合
外部加湿型燃料電池１において水詰まりが発生しやすい極が特定できない場合には、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２の空気流路５２同士、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２の水素流路５１同士を接続する。これにより、空気供給系及び水素供給系の双方ともに、水素及び空気の供給順序を外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２との間で切り替え可能とする。

このように、要因（１）〜（３）に基づいて燃料電池システムの配管構成を設計する場合には、外部加湿型燃料電池１の水素流路５１及び空気流路５２のそれぞれの水詰まりの発生し易さを実験等によって求め、水詰まりが最も発生しやすい極が特定できた場合には、当該極においてガスの供給順序を切り替えるために、当該極において外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを直列に接続する。また、実験等によって水詰まりが最も発生し易い極が特定できない場合には、空気流路５２及び水素流路５１の双方において外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを直列に接続するように構成される。

［燃料電池システムの動作］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにより、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とでガスの供給順序を切り替える時の動作について説明する。なお、以下の動作説明では、図１〜図３に示すように、空気供給系において外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで空気供給順序を切り替える場合について説明するが、水素供給系についても同様に供給順序を切り替え可能であるものとする。

空気供給順序を切り替えるに際して、制御装置２１は、燃料電池システムの運転状態を判断する。このとき、制御装置２１は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の発電開始命令、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２に循環される冷却水温度に基づく周囲の温度、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２のセル電圧を、燃料電池システムの運転状態として検出する。

「起動時」
制御装置２１は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の発電開始命令を検出した場合であって、燃料電池システムの起動時であると判定した場合には、図３に示すように、外部加湿型燃料電池１を上流とし、内部加湿型燃料電池２を下流とする。これにより、コンプレッサ１２で圧縮された空気は、第１流路切替弁１３を介して外部加湿型燃料電池１に導入されて外部加湿型燃料電池１から排出され、内部加湿型燃料電池２に導入され、圧力調整弁１９で圧力調整される。

この燃料電池システムの起動時では、外部加湿型燃料電池１の温度が室温程度と低く、加湿された空気が導入されると、外部加湿型燃料電池１内で水分が凝縮して水詰まりが発生し易くなるが、加湿しない空気を外部加湿型燃料電池１に導入することにより、外部加湿型燃料電池１内での水詰まりの発生を回避する。なお、起動直後において、外部加湿型燃料電池１内に乾燥した空気を導入した場合であっても、外部加湿型燃料電池１の耐性を劣化させることはない。

したがって、燃料電池システムの起動時において、外部加湿型燃料電池１を上流とすることにより、外部加湿型燃料電池１の水詰まりを回避しつつ、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２によって安定した発電を行わせることができる。

また、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２による発電を中止して、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の冷却水が６０℃〜７０℃程度である状態で再度起動するホットスタート時であっても、通常運転時と比較して外部加湿型燃料電池１内で、水詰まりが発生し易いと考えられるので、外部加湿型燃料電池１を上流、内部加湿型燃料電池２を下流とすることが望ましい。

「冷機時」
制御装置２１は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の少なくともどちらか一方の温度が例えば５０℃以下の冷機時であると判定した場合には、図３に示すように、外部加湿型燃料電池１を上流とし、内部加湿型燃料電池２を下流とする。

この燃料電池システムの冷機時では、外部加湿型燃料電池１の温度が低く、加湿された空気が導入されると、外部加湿型燃料電池１内で水分が凝縮して水詰まりが発生し易くなるが、加湿しない空気を外部加湿型燃料電池１に導入することにより、外部加湿型燃料電池１内での水詰まりの発生を回避する。なお、外部加湿型燃料電池１内に乾燥した空気を導入した場合であっても、外部加湿型燃料電池１の耐性を劣化させることはない。

したがって、燃料電池システムの冷機時において、外部加湿型燃料電池１を上流とすることにより、外部加湿型燃料電池１の水詰まりを回避しつつ、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２によって安定した発電を行わせることができる。

「氷点下起動時」
制御装置２１は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２内を流れる冷却水温度が例えば５℃以下の氷点下相当の条件で起動させると判定した場合には、図３に示すように、外部加湿型燃料電池１を上流とし、内部加湿型燃料電池２を下流とする。

この燃料電池システムの氷点下起動時では、内部加湿型燃料電池２の純水流路に残存している純水が凍結している可能性があり、当該純水が凍結している場合には電解質膜３２を湿潤状態とすることが困難であるので、内部加湿型燃料電池２による発電が困難となる。これに対し、燃料電池システムは、先ず外部加湿型燃料電池１を発電開始させ、当該外部加湿型燃料電池１の発電による熱を内部加湿型燃料電池２に伝達する。

このとき、燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池１から排出された空気を内部加湿型燃料電池２に導入することで内部加湿型燃料電池２を暖機する。また、外部加湿型燃料電池１を通過した冷却水を内部加湿型燃料電池２に導入することで、内部加湿型燃料電池２を暖機しても良い。これにより、外部加湿型燃料電池１の発電による熱を内部加湿型燃料電池２に伝達することで内部加湿型燃料電池２を暖機する。

したがって、燃料電池システムの氷点下起動時において、外部加湿型燃料電池１を上流とし、内部加湿型燃料電池２を下流とすると共に、先ず外部加湿型燃料電池１を発電させることによって氷点下起動時であっても速やか発電を行うことができ、外部加湿型燃料電池１の発熱を内部加湿型燃料電池２に伝達することにより、短時間で内部加湿型燃料電池２の発電を開始させることができる。

「水詰まりの発生時」
制御装置２１は、外部加湿型燃料電池１を構成する燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧センサからセル電圧を読み込んで、外部加湿型燃料電池１の複数のセル電圧を取得する。そして、制御装置２１は、複数のセル電圧を平均した平均セル電圧を求め、当該平均セル電圧に対して所定割合以上低下したセル電圧を検出した場合には、水詰まりが発生したと判定する。

これに応じ、制御装置２１は、図３に示すように、外部加湿型燃料電池１を上流とし、内部加湿型燃料電池２を下流とする。これにより、水詰まりが発生した外部加湿型燃料電池１に乾燥した空気を優先して導入することにより、水詰まりを解消する。このように、水詰まりが発生した場合であっても、即座に外部加湿型燃料電池１を上流とすることにより、水詰まりによる発電効率の低下を即座に解消することができる。

「通常運転時」
制御装置２１は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の双方の温度が例えば５０℃以上となって通常の発電を行っている通常発電時には、図４に示すように、内部加湿型燃料電池２を上流とし、外部加湿型燃料電池１を下流とする。すなわち、上述した起動時や氷点下起動時では外部加湿型燃料電池１を上流とすると共に内部加湿型燃料電池２を下流としていた状態において、暖機が完了したと判定した場合には、図４に示すように内部加湿型燃料電池２を上流、外部加湿型燃料電池１を下流に切り替える。

これにより、燃料電池システムでは、内部加湿型燃料電池２により湿潤状態とされた空気を外部加湿型燃料電池１に導入して、外部加湿型燃料電池１の電解質膜３２を湿潤状態に保持することができる。これにより、燃料電池システムでは、外部加湿型燃料電池１に導入する空気を加湿する別個の加湿器を使用することなく、電解質膜３２を加湿することが可能となる。

また、上述した各運転状態に対する燃料電池システムの動作は、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の空気流路５２側についてのみ説明したが、水素流路５１側についても空気流路５２側と同様に、運転状態に応じて供給順序を切り替えても良い。また、上述した「起動時」、「冷機時」、「氷点下起動時」において、外部加湿型燃料電池１よりも内部加湿型燃料電池２の方が水詰まりの発生し易い構成となっている場合には、外部加湿型燃料電池１を上流とする動作とは逆に、内部加湿型燃料電池２を上流とし、外部加湿型燃料電池１を下流としても良い。更に、「水詰まり発生時」においても、外部加湿型燃料電池１のみならず、内部加湿型燃料電池２についても水詰まりの発生の有無を判断して、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２のうち、水詰まりが発生した方の燃料電池を上流としても良い。

［燃料電池システムの他の構成］
つぎに、燃料電池システムの他の構成について説明する。

本発明を適用した燃料電池システムは、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とで空気及び水素の供給順序を切り替えるための構成として、図５又は図６のように構成しても良い。

図５に示す燃料電池システムは、配管Ｌ１を介してコンプレッサ１２と三方弁６１とを接続し、当該三方弁６１にそれぞれ配管Ｌ２を介して外部加湿型燃料電池１を接続し、配管Ｌ３を介して内部加湿型燃料電池２を接続し、更に、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを配管Ｌ４で直列に接続する。そして、この燃料電池システムは、図１における第２流路切替弁１５及び第３流路切替弁１７に代えて、配管Ｌ５と配管Ｌ６との合流点に三方弁６２を設け、当該三方弁６２の排出側に圧力調整弁６３を設けている。

このような燃料電池システムでは、図３に示すように外部加湿型燃料電池１を上流、内部加湿型燃料電池２を下流とする場合には、三方弁６２の配管Ｌ６側開口を開状態とすると共に、三方弁６２の配管Ｌ５側開口を閉状態とする。また、図４に示すように内部加湿型燃料電池２を上流、外部加湿型燃料電池１を下流とする場合には、三方弁６２の配管Ｌ６側開口を閉状態とすると共に、三方弁６２の配管Ｌ５側開口を開状態とする。

図６に示す燃料電池システムは、図１における第１流路切替弁１３に代えて、配管Ｌ２に開閉弁７１を設けると共に配管Ｌ３に開閉弁７２を設け、第２流路切替弁１５及び第３流路切替弁１７に対応した開閉弁７３及び開閉弁７４、圧力調整弁１９に対応した圧力調整弁７５を設けている。

このような燃料電池システムでは、図３に示すように外部加湿型燃料電池１を上流、内部加湿型燃料電池２を下流とする場合には、開閉弁７１を開状態とすると共に、開閉弁７２を閉状態とする。また、図４に示すように内部加湿型燃料電池２を上流、外部加湿型燃料電池１を下流とする場合には、開閉弁７２を閉状態とすると共に、開閉弁７１を開状態とする。

［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、運転状態に応じて、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とのガス供給順序を切り替えるように構成したので、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の電解質膜３２の加湿、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２の水詰まりの解消や暖機を効率的に行うことができると共に、外部加湿型燃料電池１に加湿ガスを導入するための別個の加湿器を搭載する必要を無くすことができる。したがって、外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とのそれぞれを効率よく発電させることができると共に、システム規模を小さくすることができ、当該システム規模に対する発電電力の出力密度を高くすることができる。

また、この燃料電池システムによれば、内部加湿型燃料電池２の水素流路５１と空気流路５２のうち、空気流路５２に流れる空気を加湿する場合には、当該内部加湿型燃料電池２の空気流路５２と外部加湿型燃料電池１の空気流路５２とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池１を上流とし内部加湿型燃料電池２を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池２を上流とし外部加湿型燃料電池１を下流とする状態とで切り替えるので、通常運転時の空気極の外部加湿型燃料電池１の加湿状態を良好に保つことができる。

更に、この燃料電池システムによれば、内部加湿型燃料電池２の水素流路５１と空気流路５２のうち、水素流路５１に流れる水素を加湿する場合には、当該内部加湿型燃料電池２の水素流路５１と外部加湿型燃料電池１の水素流路５１とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池１を上流とし内部加湿型燃料電池２を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池２を上流とし外部加湿型燃料電池１を下流とする状態とで切り替えるので、通常運転時の水素極の外部加湿型燃料電池１の加湿状態を良好に保つことができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、内部加湿型燃料電池２の水素流路５１及び空気流路５２に流れる水素及び空気を加湿する場合には、当該内部加湿型燃料電池２の水素流路５１及び空気流路５２と外部加湿型燃料電池１の水素流路５１及び空気流路５２とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池１を上流とし内部加湿型燃料電池２を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池２を上流とし外部加湿型燃料電池１を下流とする状態とで切り替えるので、外部加湿型燃料電池１の加湿状態を良好に保つことができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池１の水素流路５１と空気流路５２のうち、水詰まりが発生しやすい側の外部加湿型燃料電池１と内部加湿型燃料電池２とを直列に接続して、外部加湿型燃料電池１を上流とし内部加湿型燃料電池２を下流とする状態と、内部加湿型燃料電池２を上流とし外部加湿型燃料電池１を下流とする状態とで切り替えるので、外部加湿型燃料電池１の水詰まりを確実に抑制することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

すなわち、上述の燃料電池システムでは、外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２をそれぞれ１個ずつ備えた構成について説明したが、これに限らず、上述したようなガス供給順序を制御することにより、複数の外部加湿型燃料電池１及び内部加湿型燃料電池２を備えた場合であっても同様の効果を得ることができる。

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 （ａ）内部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図、（ｂ）外部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、外部加湿型燃料電池を上流とし、内部加湿型燃料電池を下流とした場合の動作を説明するためのブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、内部加湿型燃料電池を上流とし、外部加湿型燃料電池を下流とした場合の動作を説明するためのブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムの更に他の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 外部加湿型燃料電池
２ 内部加湿型燃料電池
１１ フィルタ
１２ コンプレッサ
１３ 第１流路切替弁
１４，１６，１８ アクチュエータ
１５ 第２流路切替弁
１７ 第３流路切替弁
１９，６３，７５ 圧力調整弁
２１ 制御装置
３１ ＭＥＡ
３２ 電解質膜
３３ アノード電極触媒層
３４ カソード電極触媒層
３５ アノードガス拡散層
３６ カソードガス拡散層
３７，３８ 水透過板
３９，４０ セパレータ
４１ フレーム材
４２ 多孔質材
５１ 水素流路
５２ 空気流路
５３，５４ 純水流路
６１，６２ 三方弁
７１，７２，７３，７４ 開閉弁

Claims (10)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
   加湿用流体が供給される加湿用流体流路が設けられ、当該加湿用流体流路から反応ガス流路に拡散する水分によって電解質膜を加湿すると共に、前記反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う内部加湿型燃料電池と、
   前記反応ガス供給手段から反応ガスが供給されて発電反応を行う外部加湿型燃料電池とを有し、
   前記反応ガス供給手段は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記外部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス又は酸化剤ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記内部加湿型燃料電池は、前記反応ガス供給手段から供給された燃料ガスを加湿する構成となっており、
   前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に燃料ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に燃料ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記内部加湿型燃料電池は、前記反応ガス供給手段から供給された酸化剤ガスを加湿する構成となっており、
   前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記内部加湿型燃料電池は、前記反応ガス供給手段から供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する構成となっており、
   前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記外部加湿型燃料電池は、前記反応ガス供給手段から供給された燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、前記反応ガス供給手段から供給された酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路とのうち、水詰まりが発生しやすい少なくとも一方の流路と、前記内部加湿型燃料電池とを接続し、
   前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態と、前記内部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記反応ガス供給手段は、燃料電池システムの起動時には、前記外部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
7. 前記反応ガス供給手段は、燃料電池システムの冷機時には、前記外部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
8. 前記反応ガス供給手段は、燃料電池システムの氷点下起動時には、前記外部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
9. 前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池に水詰まりが発生したと判断した時には、前記外部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該外部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記内部加湿型燃料電池に供給する状態とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
10. 前記反応ガス供給手段は、前記外部加湿型燃料電池及び前記内部加湿型燃料電池の少なくとも一方が所定温度以上となった場合には、前記内部加湿型燃料電池に反応ガスを供給し、当該内部加湿型燃料電池から排出された反応ガスを前記外部加湿型燃料電池に供給する状態とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
    

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