JP2009238669A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子電解質膜が乾燥し易い状況下において、固体高分子電解質膜の乾燥による発電性能を抑制できるコンパクトな燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】本発明によれば、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、冷却制御手段によって、冷媒循環経路を循環する冷媒による冷却と、液体水供給手段により液体水を霧状に噴射して空気極へ該液体水を供給することによる冷却とを併用して燃料電池が冷却される。よって、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合に、冷媒循環経路を循環する冷媒による冷却と、液体水供給手段による冷却を併用することによって、燃料電池を十分に冷却できるだけでなく、固体高分子電解質膜が保湿され、固体高分子電解質膜の乾燥による発電性能の低下を防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極（水素極、アノード極）と空気極（酸素極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）と空気極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。

このような固体高分子型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称する）を含む燃料電池システムは、燃料電池が発電に伴って発熱するので、燃料電池を運転に適した温度となるよう冷却する冷却機構が設けられている。冷却機構としては、例えば、特開２００３−１０９６３７号公報（特許文献１）に記載されるような、冷却媒体を循環させて燃料電池を冷却する冷却機構が一般的である。
特開２００３−１０９６３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載される冷却機構は、固体高分子電解質膜が乾燥し易い状況下において、固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができず、発電性能の低下を防ぐことができない問題点があった。また、その一方で、燃料電池を含む燃料電池システムを車両に搭載することを想定した場合に、燃料電池システム全体のコンパクト化に対する要求が高い。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、固体高分子電解質膜が乾燥し易い状況下において、固体高分子電解質膜の乾燥による発電性能を抑制できるコンパクトな燃料電池システムを提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池をセパレータを挟んで積層した燃料電池スタックと、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、系外から取り入れた空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、前記セパレータ内に冷媒を循環させる冷媒循環経路と、前記冷媒を冷却する冷却手段と、前記空気極へ空気と共に霧状の液体水を供給することにより前記燃料電池を冷却する液体水供給手段と、前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いを推定する膜乾燥度推定手段と、前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベル以下である場合には、前記冷却手段により冷却された冷媒を前記冷媒循環経路を循環させることによって前記燃料電池の冷却を行い、前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、前記冷媒循環経路を循環する冷媒による前記燃料電池の冷却と前記液体水供給手段による前記燃料電池の冷却とを併用する冷却制御手段と、を備えている。

請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を熱交換によって冷却すると共に該排気から水分を凝縮して液体水として分離する熱交換器と、前記熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記熱交換器を冷却する冷媒として循環する第２の冷媒循環経路と、を備えている。

請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を熱交換によって冷却する冷却部と、その冷却部による冷却に伴う水分の凝縮によって該排気から分離された液体水を貯留する貯水部とを有し、前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記貯水手段の冷却部を冷却する冷媒として循環する第２の冷媒循環経路と、を備えている。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、固体高分子型燃料電池の燃料極には、燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給される一方で、空気極には、酸化剤ガス供給手段によって常圧の空気が供給される。その結果、燃料電池は、燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電する。

この請求項１記載の燃料電池システムによれば、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベル以下である場合には、冷却制御手段によって、冷却手段により冷却された冷媒を、冷媒循環経路により燃料電池スタックのセパレータ内に循環させて燃料電池を冷却する。

一方で、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、冷却制御手段によって、冷媒循環経路によりセパレータ内を循環する冷媒による冷却と、液体水供給手段により液体水を霧状に噴射して空気極へ該液体水を供給することによる冷却とを併用し、燃料電池を冷却する。

ここで、液体水供給手段による冷却は、空気極へ供給された霧状の液体水の蒸発潜熱によるものであり、空気極の表面や周囲の空気から潜熱を奪うので、固体高分子電解質膜から水分の蒸発を防止することができ、冷却作用と共に、固体高分子電解質膜を保湿する作用を有する。

よって、膜乾燥度推定手段により推定される固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合に、冷媒循環経路を循環する冷媒による冷却と、液体水供給手段による冷却を併用することによって、燃料電池を十分に冷却できるだけでなく、固体高分子電解質膜が保湿され、固体高分子電解質膜の乾燥による発電性能の低下を防止することができるという効果がある。

また、液体水供給手段により空気極へ霧状に噴射された（噴霧された）液体水が、燃料電池（空気極）の冷却作用と固体高分子電解質膜の保湿作用との両作用を呈するので、燃料電池システムの大型化を抑制することができ、コンパクトな空間内に収めることが可能であるという効果がある。

請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池における空気極から排出された排気は、熱交換器において、熱交換によって冷却されると共に、排気中の水分が凝縮されて液体水として分離される。熱交換器において分離された液体水は、水回収手段により、液体水供給手段によって空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段へ戻される。それによって、液体水供給手段によって燃料電池を冷却及び保湿するための液体水を、水回収手段によって該空気極から排出される排気から回収して循環する系が構成される。

ここで、請求項２記載の燃料電池システムによれば、熱交換器を冷却する冷媒を循環する第２の冷媒循環経路が設けられているので、熱交換器における排気の冷却効率を高めることができ、それに伴って、排気からの液体水（凝縮水）の回収効率を高めることができる。よって、液体水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や固体高分子電解質膜の保湿を行うのに不十分な量となることを防止することができるので、発電性能の低下をより有効に防止することができるという効果がある。

また、この第２の冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却は、燃料電池を冷却する冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却を行う冷却手段と同じ冷却手段によって行われる。よって、熱交換器を冷却するための冷媒を冷却する専用の冷却手段を設ける必要がなく、燃料電池システムの大型化を抑制することができ、コンパクトな空間内に収めることが可能であるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池における空気極から排出された排気は、貯水手段の冷却部において、熱交換によって冷却され、該冷却部による冷却に伴う水分の凝縮によって排気から分離された液体水が、同じく貯水手段の貯水部に貯留される。この貯水手段の貯水部に貯留される液体水は、液体水供給手段によって空気極へ供給する液体水として使用される。

よって、貯水手段の冷却部において排気から分離された液体水を貯水手段の貯水部に貯留して回収し、液体水供給手段によって燃料電池を冷却及び保湿するために液体水として再利用する液体水の循環系が構成される。

ここで、請求項３記載の燃料電池システムによれば、貯水手段の冷却部を冷却する冷媒を循環する第２の冷媒循環経路が設けられているので、該冷却部における排気の冷却効率を高めることができ、それに伴って、排気からの液体水（凝縮水）の回収効率を高めることができる。よって、液体水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や固体高分子電解質膜の保湿を行うのに不十分な量となることを防止することができるので、発電性能の低下をより有効に防止することができるという効果がある。

また、この第２の冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却は、燃料電池を冷却する冷媒循環経路を循環する冷媒の冷却を行う冷却手段と同じ冷却手段によって行われる。よって、熱交換器を冷却するための冷媒を冷却する専用の冷却手段を設ける必要がなく、燃料電池システムの大型化を抑制することができ、コンパクトな空間内に収めることが可能であるという効果がある。

さらに、貯水手段は、空気極から排出される排気から液体水を分離する機能（冷却部）と、分離された液体水を貯留する機能（貯水部）とを合わせ持つので、空気極から排出される排気から液体水を分離するための装置と、分離された液体水を貯留するための装置を別々に設ける必要がない。よって、燃料電池システムのコンパクト化に有用であるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の一実施形態（第１実施形態）を示すブロック図である。

この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図２参照）の燃料極（水素極、アノード極）１３（図２参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極（酸素極、カソード極）１２（図２参照）へ供給するための空気供給系６０と、水冷式の冷却機構である水冷系１２０と、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極１２へ霧状の液体水を供給して単位セル１０を冷却し加湿（保湿）する水供給系８０と、燃料電池スタック４０（各単位セル１０の空気極１２）から排出される排気を系外へ排出する排気系１１０とを備えている。

なお、図１に示す燃料電池システム１００では、空気（供給空気、排気）の流通経路（空気供給路６３、空気排出路１１１）を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路（水素ガス供給流路５１）を次に太い実線で表しており、水の流通経路（導水路８１ａ、給水路８１ｂ）を点線で表しており、水冷系１２０を構成する経路（冷却水循環路１２１ａ、冷却水循環路１２１ｂ）を太い点線で表している。

燃料電池スタック４０は、単位セル１０（図２参照）の複数個を、導電性のセパレータ２０を介して厚み方向に積層し、隣接する単位セル間を電気的に直列接続した構成とされている。

水素ガス供給系５０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当し、水素源となる水素ボンベ（図示せず）から供給される水素ガスの流量を調整する電磁弁（図示せず）を含む水素ガス供給流路５１を介して、燃料電池スタック４０のガス取入口４１から図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。なお、この水素ガス供給系５０は、燃料電池スタック４０から排出された未反応水素ガスを、図示されない経路を介して水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。

空気供給系６０は、給気経路である空気供給路６３と、燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側に設けられ、空気供給路６３の出口側の端部が接続される空気マニホールド６２とを含んで構成される。空気供給路６３には、系外から空気（外気）を取り入れる側から、空気の流通する方向に向かって順に、外気温センサＳＥ１と、フィルタ６４と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン６１とが設けられている。なお、この空気供給系６０は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。

かかる空気供給系６０は、空気ファン６１を駆動させることにより、系外から取り入れた空気を、空気供給路６３及び空気マニホールド６２を介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。

排気系１１０は、燃料電池スタック４０における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される空気排出路１１１を含んで構成される。

この空気排出路１１１の経路上には、燃料電池スタック４０の側から空気（排気）の流通方向に向かって、熱交換器としての凝縮器１１２と、フィルタ１１３とが順に設けられ、フィルタ１１３を通過した排気が系外へと排出される。

凝縮器１１２は、後述する冷却水循環路１２１ｂを循環する冷却水との熱交換によって排気を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮により分離して回収するものである。燃料電池スタック４０から排出された排気は、この凝縮器１１２へと流入し、該排気中に含まれる水分が液体水として分離され、後述する水供給系８０により回収されて水タンク８２へと戻される。

水冷系１２０は、燃料電池スタック４０を冷却する冷媒としての冷却水を循環させる冷媒循環経路としての冷却水循環路１２１ａを含んで構成される。冷却水循環路１２１ａは、燃料電池スタック４０におけるセパレータ２０（図２参照）内に冷却水を導き、燃料電池スタック４０を冷却する。この冷却水循環路１２１ａには、冷却水を燃料電池スタック４０へ圧送する循環ポンプ１２３が設けられている。また、冷却水循環路１２１ａには、燃料電池スタック４０から下流側（冷却水の流通方向側）に向かって順に、冷却水を冷却する冷却手段としてのラジエータ１２２と、循環電磁弁１２４とが順に設けられている。

また、水冷系１２０は、凝縮器１１２を冷却する冷媒としての冷却水を循環させる第２の冷媒循環経路としての冷却水循環路１２１ｂとを含んで構成される。この冷却水循環路１２１ｂは、ラジエータ１２２の下流側にて冷却水循環路１２１ａから分岐し、凝縮器１１２を経由し、循環ポンプ１２３の上流側にて冷却水循環路１２１ａと合流するように設けられている。この冷却循環路１２１ｂは、循環電磁弁１２５が設けられている。

ラジエータ１２２により冷却された冷却水は、循環ポンプ１２３による圧送により、冷却水循環路１２１ａと冷却水循環路１２１ｂとの両方を流通し、それぞれ、燃料電池スタック４０と凝縮器１１２とを冷却（水冷）する。なお、冷媒としては、冷却水に限定されず、種々の冷媒となり得る流体（液体、気体）を使用できる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０を水冷式の冷却機構によって冷却できるように構成されている。詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０がドライとなる状況（即ち、固体高分子電解質膜１１が乾燥し易い状況）が生じるまでは、加湿を行うことなく、冷却水循環路１２１ａを循環する冷却水により冷却を行って運転（水冷無加湿運転）される。

また、本実施形態の燃料電池システム１００は、冷却水循環路１２１ｂを循環する冷却水によって凝縮器１１２を冷却するので、排気の冷却効率が高く、排気からの水分の回収効率も高い。

水供給系８０は、貯水手段としての水タンク８２と、その水タンク８２に一端側が接続され、水タンク８２に貯留されている水を燃料電池スタック４０へ供給するための給水路８１ｂを含んで構成される。なお、この水供給系８０における給水路８１ｂは、本発明の燃料電池システムを構成する液体水供給手段に該当する。

水タンク８２は、燃料電池スタック４０へ冷却水及び加湿水（保湿水）となる水を供給するための水を貯留するものである。なお、この水タンク８２には、水位センサＳＥ４（図３参照）と水温センサ（図示せず）とが設けられている。

給水路８１ｂには、水タンク８１の側から水の流通方向に向かって、フィルタ８４と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、給水路８１ｂからの水の出口となるノズル８３とが順に設けられている。

ノズル８３の先端は、空気マニホールド６２に向けられており、給水路８１ｂを介して水タンク８２から導かれた水は、ノズル８３の先端から噴射される。ノズル８３から空気マニホールド６２へ向けて噴射された水は、空気供給系６０を流通する供給空気の流れによって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。

この霧状に噴射された水は、各単位セル１０（図２参照）の空気極１２へと流れ込み、燃料電池スタック４０に対する冷却水及び加湿水（保湿水）として作用する。即ち、本実施形態の燃料電池システム１００は、液体水を噴霧することによって、燃料電池スタック４０（空気極１２）を冷却すると共に、固体個分子電解質膜１１（図２参照）を保湿できる直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものである。

このように、本実施形態の燃料電池システム１００は、上述した水冷系１２０によって燃料電池スタック４０を冷却できるだけでなく、水供給系８０によって燃料電池スタック４０を冷却することもできる。

詳細は後述するが、本実施形態では、水冷系１２０による燃料電池スタック４０の冷却を基本とし、燃料電池スタック４０がドライとなる状況（即ち、固体高分子電解質膜１１が乾燥し易い状況）が生じた場合に、水冷系１２０による冷却と水供給系８０による冷却とを併用する構成とされている。かかる構成により、固体高分子電解質膜１１の乾燥による発電性能の低下を有効に防止することができる。

また、図１に示すように、水供給系８０は、凝縮器１１２により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ａを含んでいる。導水路８１ａは、その一端側が凝縮器１１２に接続され、他端側が水タンク８２に接続された経路であり、この導水路８１ａには、回収ポンプ８８が設けられている。なお、この水供給系８０における導水路８１ａは、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に該当する。

このように、水供給系８０は、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｂを介して燃料電池スタック４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１１２によって凝縮して液体水として分離し、かかる水を、導水路８１ａを介して水タンク８２に戻す循環系として構成されている。

また、水供給系８０は、給水路８１ｂから分岐し、給水路８１内の水を抜くための排水路８１ｃを有している。この排水路８１ｃには、水抜きの際に開放される水抜き用電磁弁８７が設けられている。

以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気ファン６１を駆動させ、系外から取り入れた外気（空気）を燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０の給水ポンプ８５を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０における図示されない電磁弁を調整し、水素ガスを所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。

その結果、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０にて水素と酸素とによる電気化学的な水生成反応（電極反応）が行われ、生じた電流が図示されない負荷系（モータなど）へ流れる。

かかる燃料電池システム１００の運転中は、水冷系１２０の冷却水循環路１２１ａを循環する冷却水によって燃料電池スタック４０が冷却される。また、水供給系８０により霧状の液体水を燃料電池スタック４０に供給することにより、各単位セル１０を冷却及び加湿（保湿）することができる。

また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０をさらに有している。なお、この制御装置７０の詳細な構成については、図３を参照して後述する。

次に、図２を参照して、燃料電池スタック４０を構成する単位セル１０について説明する。図２は、単位セル１０を模式的に示す断面図である。図２に示すように、単位セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１５と、その膜電極接合体１５における空気極１２側に設けられた空気流路１６と、膜電極接合体１５における燃料極１３側に設けられた水素ガス流路１７と、空気流路１６及び水素ガス流路１７の外面側に配された導電性のセパレータ２０と、シール材２１とから構成される。

膜電極接合体１５は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質１１の両面を挟持する空気極１２及び燃料極１３とから構成される積層体である。固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。

空気極１２は、固体高分子電解質膜１１に当接する触媒層１２ａと、その触媒層１２ａにおける固体高分子電解質膜１１とは反対側の面に当接する拡散層１２ｂとから構成される。

また、燃料極１３は、固体高分子電解質膜１１に当接する触媒層１３ａと、その触媒層１３ａにおける固体高分子電解質膜１１とは反対側の面に当接する拡散層１３ｂとから構成される。

触媒層１２ａは、固体高分子電解質膜１１に当接されて空気極１２における電極反応を促進するための層であり、固体高分子電解質膜１１における他方の面に当接する燃料極１３の触媒層１３ａと共に、酸素と水素との水生成反応を促進する。触媒層１２ａ，１３ａとしては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。

拡散層１２ｂ，１３ｂは、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等の多孔質基材から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。

空気流路１６は、空気供給系６０（図１参照）により供給された空気を流通させる流路であり、空気は紙面上側から下側方向（矢印Ａ方向）に流通し、排出される。一方、水素ガス流路１７は、水素供給系５０により供給された水素ガスを流通させる流路である。水素ガスは、図示されない供給口から水素ガス流路１７へ供給され、例えば、紙面手前側から奥側（紙面垂直方向）に流通して、図示されない排出口から排出される。

空気流路１６に空気を供給し、水素ガス流路１７に水素ガスを供給することにより、膜電極接合体１５において酸素と水素との電気化学的反応が生じる。なお、空気流路１６及び水素ガス流路１７の具体的な構成は省略するが、これらの流路１６，１７は、導電性材料により構成されており、膜電極接合体１５（空気極１２、燃料極１３）とセパレータ２０とは電気的に接続されている。

次に、図３を参照して、本実施形態の燃料電池システム１００に搭載され、この燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０について説明する。図３は、制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。

図３に示すように、制御装置７０は、中央演算処理装置であるＣＰＵ７１と、ＣＰＵ７１により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるＲＯＭ７２と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するＲＡＭ７３と、これらのＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、及びＲＡＭ７３とバスライン７４を介して接続される入出力ポート７５とから主に構成される。

図３に示すように、入出力ポート７５には、系外から取り入れた外気の温度を検出する外気温センサＳＥ１と、燃料電池スタック４０の出力電圧を検出する電圧センサＳＥ２と、燃料電池スタック４０の出力電流を検出する電流センサＳＥ３と、水位センサＳＥ４とが接続されている。

また、入出力ポート７５には、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｂを介してノズル８３へ送り込む給水ポンプ８５と、給水路８１ｂの開度を調整する水供給電磁弁８６と、空気ファン６１とが接続されている。

制御装置７０のＣＰＵ７１は、入出力ポート７５を介して各センサＳＥ１〜ＳＥ３の検出値が入力されると、その検出値に基づく電圧制御値を制御対象（給水ポンプ８５、水供給電磁弁８６、空気ファン６１）へ出力して各制御対象の動作を制御する。

なお、この制御装置７０には、図示されない配線によって、燃料電池システム１００に含まれるその他のセンサや、燃料電池システム１００に含まれるその他電磁弁（例えば、水抜き用電磁弁８７など）や、燃料電池システム１００に含まれるその他のポンプや、図示されない負荷系に含まれるインバータなどにも接続されており、ＣＰＵ７１は、各センサからの検出値の入力に基づいて、制御対象（電磁弁やポンプなど）に対し、燃料電池システム１００を運転するための各種制御を行う。

次に、図４（ａ）及び（ｂ）を参照して、上記構成を有する燃料電池システム１００対する運転制御について説明する。

図４（ａ）は、制御装置７０において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、燃料電池システム１００の運転を制御するための処理であり、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。

図４（ａ）に示すように、この運転制御処理では、まず、各センサ（センサＳＥ１〜ＳＥ３など）の検出値を取得する（Ｓ１）。Ｓ１の処理後、空気極１２への空気供給に関する制御（例えば、空気ファン６１の回転数の制御など）を行う空気供給制御処理を実行し（Ｓ２）、燃料極１３への水素ガス供給に関する制御（例えば、図示されない供給量調整電磁弁の制御など）を行う水素ガス供給制御処理を実行する（Ｓ３）。

Ｓ３の処理後、ノズル８３からの液体水の噴射を制御する直噴水制御処理を実行する（Ｓ４）。なお、この直噴水制御処理（Ｓ４）における具体的な制御については、図４（ｂ）を参照して後述する。

直噴水制御処理（Ｓ４）の実行後、燃料電池システム１００の運転を制御するその他の制御処理を実行し（Ｓ５）、この運転制御処理を終了する。なお、その他の制御処理（Ｓ２１）では、例えば、外気温センサＳＥ１の検出値が、外気温度が低いことを示す場合に、水抜き用電磁弁８７を開放して、給水路８１内の水を排水路８１ｃから抜く処理である凍結防止処理などが含まれる。

図４（ｂ）は、上述した運転制御処理（図４（ａ））の中で実行される直噴水制御処理（Ｓ４）を示すフローチャートである。この直噴水制御処理（Ｓ４）では、まず、燃料電池スタック４０がドライとなる状況であるか否かを判定するドライ判定を行う（Ｓ４１）。

このＳ４１の処理にて行うドライ判定の１つとして、外気温センサＳＥ１の検出値が示す外気温度と、電圧センサＳＥ２の検出値及び電流センサＳＥ３の検出値により得られる燃料電池スタック４０の出力とに基づく判定が用いられる。

ここで、図５は、外気温度と、燃料電池スタック４０の出力と、燃料電池スタック４０がドライとなる状況の発生との相関を模式的に示す相関図である。この図５に示す相関図において、縦軸は、外気温度を示す軸であり、上側に向かう程、外気温度が高いことを示す。一方で、横軸は、燃料電池スタック４０の出力を示す軸であり、向かって右側に向かう程、高出力であることを示す。

この図５において、外気温度が高く、燃料電池スタック４０が高出力である側に位置する斜線のハッチング領域が、燃料電池スタック４０がドライとなる状況を示す領域（ドライ領域）である。つまり、燃料電池スタック４０は、外気温度が高く、燃料電池スタック４０が高出力である場合に、燃料電池スタック４０がドライとなる状況が生じる。

Ｓ４１の処理では、外気温センサＳＥ１、電圧センサＳＥ２、及び電流センサＳＥ３の検出値に基づき、現状がドライ領域にある場合に、燃料電池スタック４０がドライとなる状況（即ち、固体高分子電解質膜１１が乾燥し易い状況）であると判定される。

また、このドライ判定には、外気温、及び、電流、電圧の代わりに、例えば、中央部に位置する単位セル１０の抵抗値を用いてもよい。なお、例えば、燃料電池システム１００の起動時や、燃料電池スタック４０が低負荷と無負荷とを繰り返した場合などに燃料電池の単位セルの抵抗が閾値を上回る場合があるため、これらもドライ判定とすることがある。

図４（ｂ）に戻って説明する。Ｓ４１の処理後、燃料電池スタック４０がドライとなる状況であるか否かを確認する（Ｓ４２）。Ｓ４２の処理により確認した結果、燃料電池スタック４０がドライとなる状況である場合には（Ｓ４２：Ｙｅｓ）、直噴水の供給、即ち、水供給電磁弁８６の開放及び給水ポンプ８５の駆動によるノズル８３からの液体水の噴霧を行い（Ｓ４３）、この直噴水制御処理（Ｓ４）を終了する。

一方で、Ｓ４２の処理により確認した結果、燃料電池スタック４０がドライとなる状況でない場合には（Ｓ４２：Ｎｏ）、直噴水の供給をせず（Ｓ４４）、この直噴水制御処理（Ｓ４）を終了する。なお、直噴水の供給を停止する場合には、水供給電磁弁８６の閉鎖と給水ポンプ８５の停止とを行う。

よって、この直噴水制御処理（Ｓ４）によれば、燃料電池スタック４０がドライとなる状況が生じていなければ、直噴水の供給をせず、この場合には、水冷系１２０（冷却水循環路１２１ａ）を循環する冷却水によってのみ冷却する水冷無加湿運転が行われる。

その一方で、燃料電池スタック４０がドライとなる状況が生じると、その場合には、ノズル８３からの液体水の噴霧（直噴水の供給）が行われ、水冷系１２０による冷却と水供給系８０による冷却とを併用する運転が行われる。なお、この直噴水制御処理（Ｓ４）におけるＳ４１の処理は、本発明における膜乾燥度推定手段に該当し、Ｓ４２〜Ｓ４４の処理は、本発明における冷却制御手段に該当する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック４０がドライとなる状況（即ち、固体高分子電解質膜１１が乾燥し易い状況）が生じた場合には、水冷系１２０による冷却と水供給系８０による冷却とを併用する運転が行われる。

ここで、水供給系８０による冷却は、空気極１２へ供給された霧状の液体水の蒸発潜熱に起因する。即ち、空気極１２へ供給された霧状の液体水は、空気極１２の表面や周囲の空気から潜熱を奪うことによって空気極１２を冷却するので、固体高分子電解質膜１１からの水分の蒸発を防止することができる。よって、この水供給系８０による冷却は、冷却作用だけでなく、固体高分子電解質膜を保湿する作用を有する。

従って、 燃料電池スタック４０がドライとなる状況において、水冷系１２０による冷却と水供給系８０による冷却とを併用する運転を行うことにより、燃料電池スタック４０を十分に冷却できるだけでなく、固体高分子電解質膜１１が保湿され、固体高分子電解質膜１１の乾燥による発電性能の低下を防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、冷却水循環路１２１ｂを循環する冷却水によって凝縮器１１２が冷却されるので、排気の冷却効率が高く、排気からの水分の回収効率が高い。よって、水タンク８２に貯留される液体水の量を十分に確保することができ、水供給系８０により供給される直噴水（ノズル８３から噴霧される液体水）の量が、燃料電池スタック４０の冷却や、固体高分子電解質膜１１の保湿を行うのに不十分な量となることを防止することができる。そのため、発電性能の低下がより有効に防止される。

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水供給手段８０による空気極１２へ噴霧された直噴水が、燃料電池スタック４０（空気極１２）の冷却作用と、固体高分子電解質膜１１の保湿作用との両作用を呈する。よって、高温の環境下で効果的に燃料電池スタック４０の高出力を引き出すことができる。また、冷却水循環路１２１ｂを循環する冷却水（即ち、凝縮器１１２を冷却する冷却水）は、冷却水循環路１２１ｂを循環する冷却水（即ち、燃料電池スタック４０を冷却する冷却水）と共に、ラジエータ１２２によって冷却されるので、冷却水循環路１２１ｂを循環する冷却水を冷却する専用の冷却装置を設ける必要がない。従って、燃料電池システム１００の大型化が抑制され、燃料電池システム１００をコンパクトな空間内に収めることが可能となる。

次に、図６及び図７を参照して、第２実施形態について説明する。上記した第１実施形態では、凝縮器１１２により排気から水分を凝縮し、分離された液体水を水タンク８２に貯留する構成であったのに対し、この第２実施形態では、排気から水分を凝縮し液体水として分離する機能と、分離された液体水を貯留する機能との両方を合わせ持つ水トラップタンク８９を用いる。なお、上記した第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図６は、第２実施形態の燃料電池システム２００を示すブロック図である。図６に示すように、第２実施形態の燃料電池システム２００は、燃料電池スタック４０と空気排出路１１１との間に、水供給系８０の一部である貯水手段としての水トラップタンク８９が設けられている。なお、水トラップタンク８９の具体的な構成については、図７を参照して後述する。

この第２実施形態では、上記第１実施形態では凝縮器１１１を冷却するために使用された冷却水循環路１２１ｂを、水トラップタンク８９を冷却するために使用する。よって、図６に示すように、冷却水循環路１２１ｂは、ラジエータ１２２の下流側にて冷却水循環路１２１ａから分岐し、水トラップタンク８９を経由し、循環ポンプ１２３の上流側にて冷却水循環路１２１ａと合流するように設けられている。なお、この第２実施形態においても、冷却水循環路１２１ｂは、本発明の燃料電池システムを構成する第２の冷媒循環経路に該当する。

なお、第２実施形態の燃料電池システム２００の運転を制御する制御装置７０は、上記した第１実施形態と同様に、直噴水制御処理（図４（ｂ）参照）を実行し、燃料電池スタック４０がドライとなる状況が生じていない場合には、水冷無加湿運転を行い、燃料電池スタック４０がドライとなる状況が生じた場合には、水冷系１２０による冷却と水供給系８０による冷却とを併用する運転を行うように燃料電池システム２００を制御する。

図７は、水トラップタンク８９を模式的に示す断面図である。図７に示すように、水トラップタンク８９は、燃料電池スタック４０の下方に、各単位セル１０が積層された発電部４０ａの下方が少なくとも開放され、発電部４０ａ（より具体的には、各単位セル１０の空気極１２）から排出された排気を受けるトレイ形状のタンクである。

図７に示すように、水トラップタンク８９の外周には、冷却部としての中空部８９ａが設けられている。この中空部８９ａには、冷却水循環路１２１ｂに連通する連通部８９ａ１，８９ａ２が設けられており、連通部８９ａ１には、冷却水循環路１２１ｂにおけるラジエータ１２２側に接続され、連通部８９ａ２には、冷却水循環路１２１ｂにおける循環ポンプ１２３側に接続されている。即ち、水トラップタンク８９の中空部８９ａは、冷却水循環路１２１ｂの一部となって、ラジエータ１２２により冷却された冷却水が流通される。

このように、水トラップタンク８９の外周に設けられた中空部８９ａを冷却水が流通することにより、燃料電池スタック４０から排出された排気が水トラップタンク８９の内部で冷却される。その結果、排気の水分が凝縮されて、水トラップタンク８９の内壁側に形成された貯留部としての空間８９ｂに液体水Ｗとして貯留される。

水トラップタンク８９における空間８９ｂの底側には、給水路８１ｂに連通する排水口８９ｃが形成されている。よって、給水ポンプ８５を駆動させると、空間８９ｂに貯留される液体水Ｗ（即ち、排気から凝縮された液体水）は、排水口８９ｃから流出し、ノズル８３へと圧送されて、ノズル８３から空気マニホールド６２に向けて霧状に噴射される。

水トラップタンク８９には、空気排出路１１１に連通する開口部８９ｄが形成されており、燃料電池スタック４０から排出された排気は、最終的に、この開口部８９ｄを経て、空気排出路１１１へと排出される。

なお、水トラップタンク８９における開口部８９ｄ側には、空間８９ｂの底側が開口された隔壁８９ｅが設けられている。この隔壁８９ｅには、開口部８９ｄに対応する位置にバタフライバルブ８９ｆが設けられている。

バタフライバルブ８９ｆは、空間８９ｂに貯留される液体水Ｗが満水でない場合には閉鎖されているように制御手段７０によって制御される。よって、水トラップタンク８９が満水でない場合には、燃料電池スタック４０から排出される排気は、隔壁８９ｅと空間８９ｂの底側との間の開口を経て、開口部８９ｄへと流れる。

従って、バタフライバルブ８９ｆを閉じた状態では、排気が中空部８９ａを流通する冷却水によって冷却され易く、排気からの水分の凝縮が促進され、貯水量の増加に貢献する。

一方で、バタフライバルブ８９ｆは、空間８９ｂに貯留される液体水Ｗが満水である場合に制御手段７０の制御によって開放され、燃料電池スタック４０から排出される排気は、主に、バタフライバルブ８９ｆを経て、開口部８９ｄへと流れる。よって、トラップタンク８９が満水の場合には、燃料電池スタック４０からの排気を主にバタフライバルブ８９ｆから排出することにより、水トラップタンク８９から液体水がオーバーフローすることを防止する。

また、水トラップタンク８９には、空間８９ｂに貯留された液体水Ｗの水位を検出する水位センサＳＥ４や、液体水Ｗの温度を検出する直噴水温センサ（図示せず）や、中空部８９ａを流通する冷却水の温度を検出する冷却水温センサ（図示せず）などのセンサが設けられている。

以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム２００によれば、排気から水分を凝縮し液体水Ｗとして分離する機能（中空部８９ａ）と、分離された液体水Ｗを貯留する機能（空間８９ｂ）との両方を合わせ持つ水トラップタンク８９を使用するので、凝縮器と水タンクとを別々に設ける必要がない。よって、固体高分子電解質膜１１の乾燥を防いで発電性能の低下を防止できる燃料電池システムを、よりコンパクトに構成することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記第１実施形態では、凝縮器１１２により排気から凝縮した液体水を水タンク８２に貯留し、ノズル８３へ供給する水として利用する構成としたが、これに換えて、又は、これに加えて、車載エアコンの凝縮水をタンクに貯留し、この貯留水をノズル８３へ供給する水として利用する構成としてもよい。

また、上記第２実施形態では、水トラップタンク８９の外周に中空部８９ａを設け、この中空部８９ａに冷却水を流通させることにより、排気中の水分を凝縮させる構成としたが、これに換えて、又は、これに加えて、水トラップタンク８９の内周側に冷却水循環路１２１ｂを通し、排気中の水分を凝縮する構成としてもよい。

また、上記各実施形態において、水タンク８２又は水トラップタンク８９に貯留される液体水の量が少ない場合には、循環電磁弁１２５の開度を上げて冷却水循環路１２１ｂを流通する冷却水の量を増大させたり、空気ファン６１の回転数を下げて燃料電池スタック４０へ供給する空気の量を低減させたりする制御を行う構成としてもよい。

また、上記各実施形態では、外気温度や燃料電池スタックの出力などのパラメータに基づき、間接的に固体高分子電解質膜１１の乾燥度合い（即ち、ドライな状況であるか否か）を推定する構成としたが、固体高分子電解質膜１１の含水量又は抵抗値を直接測定することによって固体高分子電解質膜１１の乾燥度合いを推定する構成としてもよい。

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの第１実施形態を示すブロック図である。 単位セルを模式的に示す断面図である。 制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 （ａ）は、制御装置において実行される運転制御処理を示すフローチャートであり、（ｂ）は、（ａ）の運転制御処理の中で実行される直噴水制御処理を示すフローチャートである。 外気温度と、燃料電池スタックの出力と、燃料電池スタックがドライとなる状況の発生との相関を模式的に示す相関図である。 第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 水トラップタンクを模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０ 単位セル（燃料電池）
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
４０ 燃料電池スタック
５０ 水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０ 空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
８１ａ 導水路（水回収手段）
８１ｂ 給水路（液体水供給手段）
８２ 水タンク（貯水手段）
８９ 水トラップタンク（貯水手段）
８９ａ 中空部（貯水手段の一部，冷却部）
８９ｂ 空間（貯水手段の一部，貯水部）
１００ 燃料電池システム
１１２ 凝縮器（熱交換器）
１２１ａ 冷却水循環路（冷媒循環経路）
１２１ｂ 冷却水循環路（第２の冷媒循環経路）
１２２ ラジエータ（冷却手段）
Ｓ４１ 膜乾燥度推定手段
Ｓ４２〜Ｓ４４ 冷却制御手段

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池をセパレータを挟んで積層した燃料電池スタックと、
   燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
   系外から取り入れた空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記セパレータ内に冷媒を循環させる冷媒循環経路と、
   前記冷媒を冷却する冷却手段と、
   前記空気極へ空気と共に霧状の液体水を供給することにより前記燃料電池を冷却する液体水供給手段と、
   前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いを推定する膜乾燥度推定手段と、
   前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベル以下である場合には、前記冷却手段により冷却された冷媒を前記冷媒循環経路を循環させることによって前記燃料電池の冷却を行い、前記膜乾燥度推定手段により推定される前記固体高分子電解質膜の乾燥度合いが所定レベルを超える場合には、前記冷媒循環経路を循環する冷媒による前記燃料電池の冷却と前記液体水供給手段による前記燃料電池の冷却とを併用する冷却制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、
   前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を熱交換によって冷却すると共に該排気から水分を凝縮して液体水として分離する熱交換器と、
   前記熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、
   前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記熱交換器を冷却する冷媒として循環する第２の冷媒循環経路と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を熱交換によって冷却する冷却部と、その冷却部による冷却に伴う水分の凝縮によって該排気から分離された液体水を貯留する貯水部とを有し、前記液体水供給手段によって前記空気極へ供給する液体水を貯留する貯水手段と、
   前記冷却手段により冷却された冷媒を、前記貯水手段の冷却部を冷却する冷媒として循環する第２の冷媒循環経路と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
   
   
   
   

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