JP2002141094A

JP2002141094A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002141094A
Application number: JP2000334673A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Uehara; 哲也上原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】小型の純水回収手段であっても水収支を成立
させて燃料電池を駆動する。【解決手段】燃料電池スタック１の発電状態を検出す
る発電状態センサ１６と、燃料電池の発電状態に応じ
て、所定流量の酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタ
ック１に供給する加湿器５と、燃料電池スタック１の酸
化剤極側及び／又は燃料極側からの排気ガスに含まれる
水分を回収する水分離器７及び純水タンク８と、純水タ
ンク８で回収した水量を検出する純水液位センサ１３
と、純水液位センサ１３で検出された水量値と所定値と
の比較をして、検出された水量値が所定値よりも少ない
と判定した場合に、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流
量を所定流量よりも少なくするように制御するコントロ
ールユニット１７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば固体高分子
電解質を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した構造の燃
料電池の動作を制御する燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化
剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータ
で狭持し、これらを複数に亘って積層した燃料電池スタ
ックを用いた燃料電池システムが従来より知られてい
る。

【０００３】この燃料電池システムは、例えば特開平１
０−１７２５９９号公報、特開平１０−２５５８２８号
公報、特開平１１−１６２４９０号公報、特開２０００
−２０８１６０号公報に開示されているものがある。

【０００４】これらの燃料電池システムで開示されてい
る燃料電池は、酸化剤として空気を供給するとともに、
燃料として水素を供給することにより、比較的低温で動
作することが知られているが、電解質膜が十分湿潤して
いる状態に維持する必要がある。そこで、これらの従来
例では、純水を用いて空気、水素を加湿していることが
多い。

【０００５】ここで、加湿用の純水は純水タンクに蓄え
られることが多いが、加湿により消費されるために補給
することが必要となる。そこで、特開平０９−０１９６
７８号公報には、燃料電池の排気ガス中の水分を凝縮さ
せて純水タンクに戻す手法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池シス
テムにおいて、排気ガス中の水分を凝縮して回収するた
めのデバイスとしては、排気ガスを冷却して水分を凝縮
させるコンデンサ、或いは排気ガス中の液水分を分離す
る水分離器が使用されることが多い。

【０００７】ここで、排気ガス中の水分を回収するデバ
イスとしてコンデンサを使用したときには、コンデンサ
を冷却するための冷却水を冷やすための熱交換器が必要
となる。例えば燃料電池システムを自動車の動力源とし
て使用する場合は、熱交換器として空冷のラジエータを
用いることが考えられる。

【０００８】また、燃料電池システムを自動車の動力源
として使用する場合には、ラジエータの大きさを極力小
さくすることが望ましい。しかしながら、ラジエータを
小型化すると、十分な熱交換ができなくなり、コンデン
サの熱交換量が低下し、純水の収支が成立しないと言う
問題が発生する。ここで水収支が成立しないということ
は、燃料電池の加湿のために消費される純水量が、排気
ガス中から回収される純水量よりも多いことを意味す
る。このように水収支が成立しないと、純水量が減少す
る度に純水の補給を要し、車両としての実用性に大きな
支障をきたす。

【０００９】また、純水を回収するデバイスとしてコン
デンサを使用せず、排気ガス中の液水分のみを分離回収
する手法が考えられるが、コンデンサを使用する場合よ
りも純水の回収量が少なくなるために、更に水収支が成
立しにくいと言う問題があった。

【００１０】そこで、本発明は、上述したような実情に
鑑みて提案されたものであり、例えば小型のコンデンサ
やコンデンサ冷却水用ラジエータのような小型の純水回
収デバイスや、コンデンサを使用しない純水回収デバイ
スであっても、水収支を成立させて燃料電池を駆動する
ことができる燃料電池システムを提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電
解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、
上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上
記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池
と、上記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手
段と、上記検出手段での検出出力に基づく燃料電池の発
電状態に応じて、所定流量の酸化剤ガス及び燃料ガスを
上記燃料電池に供給するガス供給手段と、上記燃料電池
の酸化剤極側及び／又は燃料極側からの排気ガスに含ま
れる水分を回収する水分回収手段と、上記水分回収手段
で回収した水量を検出する水量検出手段と、上記水量検
出手段で検出された水量値と所定値との比較をして、上
記検出された水量値が所定値よりも少ないと判定した場
合に、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記
所定流量よりも少なくするように上記ガス供給手段を制
御する制御手段とを備える。

【００１２】本発明の請求項２に係る燃料電池システム
では、上記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更
に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定
値よりも少ないと判定した場合に、上記温度検出手段で
検出した温度に基づいて上記酸化剤ガス及び／又は燃料
ガスの流量を上記所定流量よりも少なくするように上記
ガス供給手段を制御する。

【００１３】本発明の請求項３に係る燃料電池システム
において、上記制御手段は、上記検出された水量値が所
定値よりも少ないと判定した場合に、上記水量検出手段
で検出された水量値が上記所定値よりも少ないほど上記
酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記所定流量よ
りも少なくするように上記ガス供給手段を制御する。

【００１４】本発明の請求項４に係る燃料電池システム
は、上記燃料電池に供給する酸化剤ガス及び／又は燃料
ガスに加湿をする加湿手段と、上記加湿手段で加湿され
た酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの露点を検出する露点
検出手段をとを更に備え、上記制御手段は、上記検出さ
れた水量値が所定値よりも少ないと判定した場合に、上
記露点検出手段により検出された露点が高いほど、上記
酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記所定流量よ
りも少なくするように上記ガス供給手段を制御する。

【００１５】本発明の請求項５に係る燃料電池システム
において、上記水分回収手段は、上記燃料電池からの排
出ガスを冷却して排気ガスに含まれる水分を凝縮させる
冷却手段を有し、上記冷却手段での熱交換量を検出する
熱交換量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記検
出された水量値が所定値よりも少ないと判定した場合
に、上記熱交換量検出手段で検出した熱交換量が小さい
ほど、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記
所定流量よりも少なくするように上記ガス供給手段を制
御する。

【００１６】本発明の請求項６に係る燃料電池システム
において、上記制御手段は、上記検出された水量値が所
定値よりも少ないと判定した場合に、上記所定流量での
通常動作と、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量
を上記所定流量よりも少なくする純水回収動作とを、交
互に行う。

【００１７】本発明の請求項７に係る燃料電池システム
は、上述の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤
極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に
酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料
ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の
発電状態を検出する発電状態検出手段と、上記検出手段
での検出出力に基づく燃料電池の発電状態に応じて、所
定圧力で所定流量の酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料
電池に供給するガス供給手段と、上記燃料電池の酸化剤
極側及び／又は燃料極側からの排気ガスに含まれる水分
を回収する水分回収手段と、上記水分回収手段で回収し
た水量を検出する水量検出手段と、上記水量検出手段で
検出された水量値と所定値との比較をして、上記検出さ
れた水量値が所定値よりも少ないと判定した場合に、上
記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記所定流量
よりも少なくするとともに、上記酸化剤ガス及び／又は
燃料ガスの圧力を上記所定圧力よりも高くするように上
記ガス供給手段を制御する制御手段とを備える。

【００１８】本発明の請求項８に係る燃料電池システム
は、上記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に
備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値
よりも少ないと判定した場合に、上記温度検出手段で検
出した温度に基づいて上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガ
スの圧力を上記所定圧力よりも高くするように上記ガス
供給手段を制御する。

【００１９】本発明の請求項９に係る燃料電池システム
において、上記制御手段は、上記検出された水量値が所
定値よりも少ないと判定した場合に、上記水量検出手段
で検出された水量値が上記所定値よりも少ないほど上記
酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を上記所定圧力よ
りも高くするように上記ガス供給手段を制御する。

【００２０】本発明の請求項１０に係る燃料電池システ
ムは、上記燃料電池に供給する酸化剤ガス及び／又は燃
料ガスに加湿をする加湿手段と、上記加湿手段で加湿さ
れた酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの露点を検出する露
点検出手段をとを更に備え、上記制御手段は、上記検出
された水量値が所定値よりも少ないと判定した場合に、
上記露点検出手段により検出された露点が高いほど、上
記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を上記所定圧力
よりも高くするように上記ガス供給手段を制御する。

【００２１】本発明の請求項１１に係る燃料電池システ
ムにおいて、上記水分回収手段は、上記燃料電池からの
排出ガスを冷却して排気ガスに含まれる水分を凝縮させ
る冷却手段を有し、上記冷却手段での熱交換量を検出す
る熱交換量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記
検出された水量値が所定値よりも少ないと判定した場合
に、上記熱交換量検出手段で検出した熱交換量が小さい
ほど、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を上記
所定圧力よりも高くするように上記ガス供給手段を制御
する。

【００２２】本発明の請求項１２に係る燃料電池システ
ムにおいて、上記制御手段は、上記検出された水量値が
所定値よりも少ないと判定した場合に、上記所定圧力で
の通常動作と、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧
力を上記所定圧力よりも高くする純水回収動作とを、交
互に行う。

【００２３】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る燃料電池システ
ムによれば、水量検出手段で検出された水量値と所定値
との比較をして、検出された水量値が所定値よりも少な
いと判定した場合に、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの
流量を所定流量よりも少なくするので、酸化剤ガス及び
／又燃料ガスの流量が大きくなるほど純水消費量の増加
が純水回収量の増加よりも多くなることに対応してそれ
を抑制し、純水回収率を向上させることができ、小型の
純水回収手段であっても水収支を成立させて燃料電池を
駆動することができる。

【００２４】本発明の請求項２に係る燃料電池システム
によれば、温度検出手段で検出した温度に基づいて上記
酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記所定流量よ
りも少なくするので、燃料電池の温度が高い場合ほど純
水を回収しずらいことに対応し、水収支を改善すること
ができる。

【００２５】本発明の請求項３に係る燃料電池システム
によれば、水量検出手段で検出された水量値が所定値よ
りも少ないほど酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を
所定流量よりも少なくするので、純水回収量が少ない場
合ほど大量の純水を回収する必要があることに対応し
て、水収支を改善することができる。

【００２６】本発明の請求項４に係る燃料電池システム
によれば、露点検出手段により検出された露点が高いほ
ど、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を所定流量よ
りも少なくするので、露点が高い場合ほど純水の消費量
が多く大量の純水を回収する必要があることに対応し
て、水収支を改善することができる。

【００２７】本発明の請求項５に係る燃料電池システム
によれば、熱交換量検出手段で検出した熱交換量が小さ
いほど、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を所定流
量よりも少なくするので、熱交換量が小さいほど水分回
収率が低下することに対応して、水収支を改善すること
ができる。

【００２８】本発明の請求項６に係る燃料電池システム
によれば、所定流量での通常動作と、酸化剤ガス及び／
又は燃料ガスの流量を上記所定流量よりも少なくする純
水回収動作とを交互に行うので、定期的に通常運転を行
って、通常運転期間内で燃料電池にたまった凝縮水を排
出することができ、燃料電池の水詰まりによる性能低下
などを防止することができる。

【００２９】本発明の請求項７に係る燃料電池システム
によれば、水量検出手段で検出された水量値と所定値と
の比較をして、検出された水量値が所定値よりも少ない
と判定した場合に、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流
量を所定流量よりも少なくするとともに、酸化剤ガス及
び／又は燃料ガスの圧力を所定圧力よりも高くするの
で、酸化剤ガス及び／又燃料ガスの流量が大きくなるほ
ど純水消費量が増加して純水回収量が少なくなり、酸化
剤ガス及び／又燃料ガスの圧力が低くなるほど純水消費
量が増加して純水回収量が少なくなることに対応して純
水回収率を向上させることができ、小型の純水回収手段
であっても水収支を成立させて燃料電池を駆動すること
ができる。

【００３０】本発明の請求項８に係る燃料電池システム
によれば、温度検出手段で検出した温度に基づいて上記
酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を上記所定圧力よ
りも高くするので、燃料電池の温度が高い場合ほど純水
を回収しずらいことに対応し、水収支を改善することが
できる。

【００３１】本発明の請求項９に係る燃料電池システム
によれば、水量検出手段で検出された水量値が所定値よ
りも少ないほど酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を
所定圧力よりも高くするので、純水回収量が少ない場合
ほど大量の純水を回収する必要があることに対応して、
水収支を改善することができる。

【００３２】本発明の請求項１０に係る燃料電池システ
ムによれば、露点検出手段により検出された露点が高い
ほど、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を所定圧力
よりも高くするので、露点が高い場合ほど純水の消費量
が多く大量の純水を回収する必要があることに対応し
て、水収支を改善することができる。

【００３３】本発明の請求項１１に係る燃料電池システ
ムによれば、熱交換量検出手段で検出した熱交換量が小
さいほど、酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を所定
圧力よりも高くするので、熱交換量が小さいほど水分回
収率が低下することに対応して、水収支を改善すること
ができる。

【００３４】本発明の請求項１２に係る燃料電池システ
ムによれば、所定圧力での通常動作と、酸化剤ガス及び
／又は燃料ガスの圧力を所定圧力よりも高くする純水回
収動作とを交互に行うので、定期的に通常運転を行っ
て、通常運転期間内で燃料電池にたまった凝縮水を排出
することができ、燃料電池の水詰まりによる性能低下な
どを防止することができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００３６】本発明は、例えば図１に示すように構成さ
れる燃料電池システムに適用される。

【００３７】この燃料電池システムは、水素含有ガス及
び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を
備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば
固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設し
た燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電
池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤
極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、燃
料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発
電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。

【００３８】燃料電池システムは、水素タンク２に蓄え
られた水素ガスを、水素調圧弁３により調圧した後、エ
ゼクタポンプ４、加湿器５を介して燃料電池スタック１
に供給するように構成されている。また、この燃料電池
システムにおいて、燃料電池スタック１からの燃料極側
の排気ガスは、水素ガスと水蒸気の混合ガスとなってエ
ゼクタポンプ４に供給されて再度加湿器５を介して燃料
電池スタック１に供給される。水素調圧弁３は、コント
ロールユニット１７からの制御信号に従って開閉動作す
ることで、燃料電池システム内での水素ガスの圧力を調
整する。

【００３９】加湿器５は、例えばパイプ状に成形された
半透膜内に純水を透過させる構成となっており、エゼク
タポンプ４からの水素ガス及びコンプレッサ６からの空
気を半透膜と接触させることで、水素ガス及び空気の加
湿をする構成となっている。

【００４０】また、この燃料電池システムでは、外部か
らの空気を、コンプレッサ６、加湿器５を介して燃料電
池スタック１に供給するように構成されている。また、
この燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１か
らの酸化剤極側の排気ガスは水蒸気と液水とを含み、水
分離器７によって液水分と水蒸気とに分離され、液水分
が純水タンク８に蓄えられ、水蒸気が空気調圧弁９を介
して外部に排出されるように構成されている。この空気
調圧弁９は、コントロールユニット１７からの制御信号
に従って開閉動作することで燃料電池システム内での空
気の圧力を調整する。

【００４１】更に、この燃料電池システムでは、純水タ
ンク８に蓄えた純水をスタック冷却水ポンプ１０により
燃料電池スタック１に供給することで燃料電池スタック
１を冷却した後に加湿器５に導き、純水の一部が加湿器
５での加湿に利用されて消費される。純水タンク８は、
消費した純水と同量の純水を再度スタック冷却水ポンプ
１０に供給し、燃料電池スタック１での冷却用に使用さ
れた純水がラジエータ１１で冷却されて供給される。

【００４２】更に、燃料電池システムでは、コンプレッ
サ６の前段に設けられ空気の流量を検出する空気流量セ
ンサ１２と、純水タンク８内に設けられ純水タンク８に
蓄えられた純水の液位を検出することで純水量を検出す
る純水液位センサ１３と、燃料電池スタック１に供給さ
れる水素ガスの圧力を検出する水素圧力センサ１４と、
燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する
空気圧力センサ１５と、燃料電池スタック１と接続され
て燃料電池スタック１の発電状態を検出する発電状態セ
ンサ１６とを備える。各センサ１２〜１６は、検出して
得たセンサ信号をコントロールユニット１７に供給す
る。

【００４３】コントロールユニット１７は、各センサ１
２〜１６からのセンサ信号に基づいて、燃料電池システ
ムの各部を制御する制御信号を出力する。コントロール
ユニット１７は、例えば発電状態センサ１６からの燃料
電池スタック１の発電状態を示すセンサ信号に応じて、
水素圧力を制御する制御信号を水素調圧弁３に出力し、
空気圧力を制御する制御信号を空気調圧弁９に出力する
ことで、水素調圧弁３及び空気調圧弁９の開閉状態を制
御する。コントロールユニット１７は、空気流量を調整
するに際して、コンプレッサ６の回転数を調整する制御
信号を出力する。

【００４４】コントロールユニット１７は、純水タンク
８内の液位が所定値以下であるときには、水素ガスの圧
力及び流量、空気の圧力及び流量を調整するために各部
に制御信号を出力する。

【００４５】このような燃料電池システムにおいて、燃
料電池スタック１からの発電電流が一定のときの空気供
給量に対する純水回収量を図２に示す。図２によれば、
空気流量の増加に従って純水回収量が減少することが分
かる。これは、燃料電池スタック１での反応生成水量が
変化しないのに対し、空気流量を増やすと、より多くの
水分が蒸発して水蒸気となるためである。また、燃料電
池システムにおいて、空気流量がある値を超えると純水
が回収できなくなるのは、全ての水分が蒸発して水蒸気
となるためである。

【００４６】図３に、燃料電池スタック１からの発電電
流が一定のときの空気圧力に対する純水回収量を示す。
図３によれば、空気圧力の増加に従って純水回収量が増
加することが分かる。これは、空気圧力を増加させるに
従って蒸発可能な水量が減少し、液水で排出される水分
が増加するためである。

【００４７】図４に、空気流量及び水素ガス流量（以
下、供給ガス流量と呼ぶ。）に対する加湿器５の消費水
量を示す。図４によれば、加湿器５では、水蒸気がほぼ
飽和状態になるまで加湿するために、消費水量と空気流
量及び水素ガス流量とはほぼ比例関係となる。

【００４８】図５に、燃料電池システムにおける空気圧
力及び水素ガス圧力（以下、供給ガス圧力と呼ぶ。）に
対する加湿器５の消費水量を示す。図５によれば、消費
水量は供給ガス圧力の増加に従って減少する傾向を有す
る。これは、供給ガス圧力が高い場合の方が、飽和水蒸
気量が少ないためである。

【００４９】図２及び図４に示すような特性より、コン
トロールユニット１７は、供給ガス流量を低減させるこ
とにより、純水回収量を増加させるとともに純水消費量
を減少させて純水タンク８に純水量を増加させることが
できる。すなわち、コントロールユニット１７は、供給
ガス流量を調整することで純水タンク８に回収する純水
量の調整をする。

【００５０】図３及び図５に示すような特性より、コン
トロールユニット１７は、供給ガス圧力を増加させるこ
とにより、純水回収量を増加させるとともに純水消費量
を減少させて純水タンク８に純水量を増加させることが
できる。すなわち、コントロールユニット１７は、供給
ガス圧力を調整することで純水タンク８に回収する純水
量の調整をする。

【００５１】次に、上述の燃料電池システムにおいて、
純水タンク８の純水量を調整するときのコントロールユ
ニット１７の処理手順について図６を参照して説明す
る。

【００５２】図６によれば、先ず、コントロールユニッ
ト１７は、発電状態センサ１６からの発電状態を示すセ
ンサ信号を入力して、現在の燃料電池スタック１からの
取り出し電流を読み込む（ステップＳ１）。

【００５３】次に、コントロールユニット１７は、純水
液位センサ１３からの純水量を示すセンサ信号を入力し
て、純水タンク８の液位は所定値以上であるか否かの判
定をする（ステップＳ２）。ここで、コントロールユニ
ット１７は、予め純水の液位を所定値として保持してお
り、センサ信号により認識した液位と所定値との比較を
して判定をする。

【００５４】コントロールユニット１７は、センサ信号
により認識した液位が所定値以上であるときには、予め
保持している通常運転時の目標となる第１圧力値、第１
流量値を読み出して（ステップＳ３）、水素ガス、空気
の圧力及び流量を第１圧力値及び第１流量とするように
水素調圧弁３、空気調圧弁９及びコンプレッサ６を制御
する（ステップＳ５）。

【００５５】一方、コントロールユニット１７は、セン
サ信号により認識した液位が所定値以上でないときに
は、回収されている純水量が不足していると判定して、
予め保持している上記第１圧力値及び第１流量とは異な
り、新たな目標値となる第２圧力値及び第２流量値を読
み出して（ステップＳ４）、水素ガス、空気の圧力及び
流量を第２圧力値及び第２流量とするように水素調圧弁
３、空気調圧弁９及びコンプレッサ６を制御する（ステ
ップＳ５）。ここで、第２流量値は上記第１流量値より
も小さく、第２圧力値は上記第１圧力値よりも高い。

【００５６】ステップＳ５において、コントロールユニ
ット１７は、水素圧力センサ１４及び空気圧力センサ１
５のセンサ信号に基づいて水素調圧弁３及び空気調圧弁
９の開閉状態を制御し、空気流量センサ１２からのセン
サ信号に基づいてコンプレッサ６の回転数を制御するこ
とで、供給ガスの流量を少なくし、供給ガスの圧力を高
くする。

【００５７】これにより、燃料電池システムでは、純水
タンク８の液位が低下し、純水回収量が不足していると
判定したときには、純水タンク８の液位が回復するま
で、純水消費量が少なくて純水回収量が多い運転状態
（以下、純水回収モードと呼ぶ。）とすることができ
る。したがって、この燃料電池システムでは、純水回収
モードで動作することで、純水消費量の削減するととも
に純水回収量の増加を実現して純水タンク８内の純水量
を回復して純水収支の成立を実現する。

【００５８】したがって、この燃料電池システムでは、
例えば小型のコンデンサやコンデンサ冷却水用ラジエー
タのような小型の純水回収デバイスや、コンデンサを使
用しない純水回収デバイスであっても、水収支を成立さ
せて燃料電池を駆動することができる。

【００５９】なお、上述した燃料電池システムでは、純
水回収モードで、空気流量値、空気圧力値及び水素ガス
圧力値を通常運転時とは異なる一例について説明した
が、空気流量値、水素ガス流量値、空気圧力値、水素圧
力値のうち少なくとも一つを調整することにより、純水
回収を促進することができることは勿論である。

【００６０】また、上述した燃料電池システムでは、水
素ガスの流路にエゼクタポンプ４を配設し、純水回収モ
ードで水素ガス流量値を減らすことはできないものの一
例について説明したが、他の構成により水素ガス流量値
を調整して純水回収をしても良い。

【００６１】すなわち、燃料電池システムは、図７に示
すように、エゼクタポンプ４に代えて、水素循環ポンプ
２１を使用し、燃料電池スタック１からの酸化剤極側の
排気ガスはコンデンサ２２で冷却され、冷却水をポンプ
２３、ラジエータ２４で循環するように構成されてい
る。また、この燃料電池システムでは、スタック冷却水
と加湿用純水の中間熱交換器２５を更に備え、中間熱交
換器２５、スタック冷却水ポンプ１０、ラジエータ１
１、燃料電池スタック１でスタック冷却水を循環させ
る。更に、この燃料電池システムでは、ポンプ２６を更
に備え、中間熱交換器２５、加湿器５、ポンプ２６で加
湿用純水を循環させるように構成されている。

【００６２】この燃料電池システムでは、純水を回収す
る手段として排気ガスを冷却するコンデンサ２２を使用
し、冷却水をポンプ２３で循環させ、ラジエータ２４で
更に冷却する。また、この燃料電池システムは、燃料電
池スタック１に供給する冷却水のラインと加湿器５に供
給する加湿用純水のラインとを別にし、中間熱交換器２
５で加湿器５で使用する純水を燃料電池スタック１から
のスタック冷却水で加熱するように構成されている。

【００６３】このように構成された燃料電池システムで
は、水回収モードにおいて、水素循環ポンプ２１の回転
数を下げて、燃料電池スタック１に供給される水素ガス
量を減少させることができ、加湿器５での純水消費量を
減らすことができる。これにより、図７に示す燃料電池
システムでは、上述のステップＳ５において水素循環ポ
ンプ２１の回転数を制御することで、水素ガス流量を調
整することができる。

【００６４】また、上述の図１及び図７に示す燃料電池
システムでは、純水を燃料電池スタック１からの空気の
排気ガスから回収する一例について説明したが、水素ガ
スの排気から回収しても良いことは勿論である。

【００６５】つぎに、燃料電池システムの他の一例につ
いて説明する。

【００６６】この燃料電池システムは、燃料電池スタッ
ク１の温度を検出する手段として、燃料電池スタック１
から排出される純水の温度を検出する温度センサを備え
る。すなわち、この燃料電池システムは、図１の場合に
は燃料電池スタック１と加湿器５とを接続する純水流路
に温度センサを配設し、図７の場合には燃料電池スタッ
ク１と中間熱交換器２５とを接続するスタック冷却水流
路に温度センサを配設して構成されている。

【００６７】この燃料電池システムでは、上記第２流量
値及び第２圧力値を燃料電池スタック１の温度により変
化させる。すなわち、コントロールユニット１７は、燃
料電池スタック１の温度ごとに第２流量値及び第２圧力
値を保持している。具体的には、コントロールユニット
１７は、温度センサからのセンサ信号に基づいて、図８
に示すように燃料電池スタック１の温度が高いほど、供
給ガス圧力値を高くし、図９に示すように燃料電池スタ
ック１の温度が高いほど、供給ガス流量値を少なくする
ようにする。図８中のＰ１は第１圧力値、Ｐ２は第２圧
力値を示し、図９中のＱ１は第１流量値、Ｑ２は第２流
量値を示す。

【００６８】これにより、この燃料電池システムでは、
燃料電池スタック１の温度が低いほど排気温度を低くす
ることにより、排気ガス中の水蒸気量を減らして液水量
が増えることに対応して、純水回収モードでの圧力増加
量、流量低減量を必要最小限とすることができる。した
がって、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック
１の温度が高い場合ほど純水を回収しずらいことに対応
して、純水回収モードで動作させた場合の跳ね返りを最
小限に抑制することができる。

【００６９】ここで、空気の圧力値を増加させることは
コンプレッサ６の動作量が増加し、供給ガス流量値を低
下させることは燃料電池スタック１の発電効率を低下さ
せることにつながる。すなわち、燃料電池システムにお
いて、純水回収モードで運転している間は、システム効
率が低下するが、燃料電池スタック１の温度により第２
流量値及び第２圧力値を変化させることによりシステム
効率の低下を最小限に抑制することができる。

【００７０】なお、この一例において、供給ガス圧力値
を図８におけるＰ２以上とはしないこととしたが、第２
圧力値は、燃料電池スタック１の耐圧性、或いはコンプ
レッサ６の動作能力の上限によって決定して、上限を変
化させても良い。

【００７１】また、供給ガス流量値を図９におけるＱ２
以下とはしないこととしたが、第２流量値は、流量を下
げすぎると発電効率低下が非常に大きくなったり、燃料
電池スタック１内に液水が詰まる現象が発生する場合に
有効である。

【００７２】更に、燃料電池スタック１の温度を検出す
る手段としては、燃料電池スタック１から排出される純
水以外であっても良く、例えば燃料電池スタック１から
排出される排出ガスの温度を検出するものであっても良
く、燃料電池スタック１のセパレータ部分の温度を直接
検出するものであっても良い。

【００７３】つぎに、燃料電池システムの更に他の一例
について説明する。

【００７４】この燃料電池システムは、上記第２流量値
及び第２圧力値を純水タンク８の液位によって変化させ
る。すなわち、コントロールユニット１７は、純水タン
ク８の液位ごとに第２流量値及び第２圧力値を保持し、
純水液位センサ１３からのセンサ信号に応じて異なる第
２流量値及び第２圧力値を読み出す。具体的には、図１
０に示すように純水タンク８の液位が低いほど供給ガス
圧力を高くし、図１１に示すように純水タンク８の液位
が低いほど供給ガス流量値を少なくする。

【００７５】これにより、この燃料電池システムでは、
純水タンク８の液位が低いほど、より早急に純水回収し
なければならないことに対応し、純水回収モードでの圧
力増加量、流量増加量を必要最小限にすることができ
る。したがって、この燃料電池システムでは、燃料電池
スタック１の温度を検出する上述の燃料電池システムと
同様に、純水回収モードでのシステム効率の低下を最小
限に抑制することができる。したがって、この燃料電池
システムでは、純水不足量が少ない場合ほど要求される
圧力上昇代、流量低減代が少ないことに対応して、シス
テム効率の低下を最小限に抑制することができる。

【００７６】つぎに、燃料電池システムの更に他の一例
について説明する。

【００７７】この燃料電池システムは、加湿された供給
ガスの露点を検出手段を備える。この燃料電池システム
は、露点を検出する手段として、加湿器５から排出され
る純水の温度を検出する温度センサがある。すなわち、
この燃料電池システムは、図１の場合には加湿器５とラ
ジエータ１１とを接続する純水流路に温度センサを配設
し、図７の場合には加湿器５とポンプ２６とを接続する
純水流路に温度センサを配設して構成されている。ここ
で、加湿器５から排出された供給ガスの温度は、ほぼ５
の出口の純水温度に等しくなること、排出ガスがほぼ飽
和状態まで加湿されることから、排出された純水温度を
検出することで排出ガスの露点を検出する。

【００７８】この燃料電池システムでは、上記第２流量
値及び第２圧力値を供給ガスの露点により変化させる。
すなわち、コントロールユニット１７は、供給ガスの露
点ごとに第２流量値及び第２圧力値を保持している。具
体的には、図１２に示すように加湿器５から排出された
純水温度、すなわち排出ガスの露点が高いほど供給ガス
圧力を高くし、図１３に示すように加湿器５から排出さ
れた純水温度が高いほど供給ガス流量値を少なくする。

【００７９】これにより、この燃料電池システムでは、
加湿器５からの排出ガスの露点が高いほど、加湿器５で
消費される純水量が多くなり、より多くの純水を回収す
る必要があることに対応して、純水回収モードでの圧力
増加量、流量低減量を必要最小限とすることができる。
したがって、この燃料電池システムによれば、上述した
一例と同様に、システム効率の低下を最小限に抑制する
ことができる。

【００８０】したがって、この燃料電池システムでは、
露点が高い場合ほど純水の消費量が多く大量の純水を回
収する必要があることに対応して、システム効率の低下
を最小限に抑制することができる。

【００８１】なお、加湿器５からの排出ガスの露点を検
出する手段としては、加湿器５からの排出純水の温度を
検出する温度センサ以外であっても良く、例えば加湿器
５からの排出ガスの温度を検出する温度センサであって
も良く、加湿器５からの排出ガスの湿度及び温度を検出
するセンサを設けて湿度及び温度から露点を算出するも
のであっても良い。

【００８２】つぎに、燃料電池システムの更に他の一例
について説明する。

【００８３】この燃料電池システムは、図７に示す燃料
電池システムとほぼ同様の構成を有するが、コンデンサ
２２の冷却水温度を検出する温度センサを更に備える。
この燃料電池システムでは、図７において、コンデンサ
２２とラジエータ２４とを接続する流路に設けられる。
この燃料電池システムでは、冷却水の温度が高いほどコ
ンデンサ２２での熱交換量が小さいために、コンデンサ
２２からの冷却水の温度からコンデンサ２２での熱交換
量を推定できる。

【００８４】この燃料電池システムでは、上記第２流量
値及び第２圧力値をコンデンサ２２からの冷却水の温度
により変化させる。すなわち、コントロールユニット１
７は、冷却水の温度ごとに第２流量値及び第２圧力値を
保持している。具体的には、図１４に示すように冷却水
の温度が高いほど供給ガス圧力を高くし、図１５に示す
ように冷却水の温度が高いほど供給ガス流量値を少なく
する。

【００８５】これにより、この燃料電池システムでは、
コンデンサ２２からの冷却水の温度が高いほど、コンデ
ンサ２２での熱交換量が低下し、純水回収量が少なくな
ることに対応して、純水回収モードでの圧力増加量、流
量低減量を必要最小限にすることができる。したがっ
て、この燃料電池システムによれば、上述した一例と同
様に、システム効率の低下を最小限に抑制することがで
きる。

【００８６】したがって、この燃料電池システムによれ
ば、熱交換量が小さいほど水分回収率が低下することに
対応して、システム効率の低下を最小限に抑制すること
ができる。

【００８７】つぎに、燃料電池システムの更に他の一例
について説明する。

【００８８】この燃料電池システムは、図１６に示すよ
うに、純水回収モードと、通常運転とを交互に行うよう
にコントロールユニット１７により各部を制御する。コ
ントロールユニット１７は、図１６に示すように、純水
回収モードを時間τ１の期間実施した後、通常運転を時
間τ２の期間実施するパターンを繰り返す。すなわち、
燃料電池スタック１は、定期的に供給ガス流量及び供給
ガス圧力を第１流量値と第２流量値、第１圧力値と第２
圧力値との間で遷移させる。

【００８９】ここで、純水回収モードで、供給ガス流量
を少なく、供給ガス圧力を高くした場合には、燃料電池
スタック１の内部で発生する凝縮水量が増加するととも
に、燃料電池スタック１内部での供給ガス流速が低下す
るために、燃料電池スタック１内部の液水が排気ガスと
ともに排出されずに燃料電池スタック１内にたまってし
まう場合がある。このような場合は、燃料電池スタック
１の発電効率が極端に低下するとともに、効率低下に伴
う燃料電池スタック１の発熱増加により燃料電池スタッ
ク１が破損するおそれがある。

【００９０】これに対し、この燃料電池システムによれ
ば、定期的に通常運転を行って、通常運転期間内で燃料
電池スタック１にたまった凝縮水を排出することがで
き、燃料電池スタック１の破損を防止することができ
る。

【００９１】したがって、この燃料電池システムでは、
純水回収モードにて発生しやすい燃料電池スタック１の
水詰まりを防止することができる。

【００９２】なお、上述した一例では、加湿器５として
半透膜を用いたものを説明したが、例えば純水中に供給
ガスを直接通過させるバブラー型のものや、純水を供給
ガスの配管中に噴射するようなものであっても、本発明
が適用可能である。

【００９３】また、上述した一例では、燃料電池スタッ
ク１の水素極から排出された水素ガスは、加湿器５に戻
す循環経路型のものについて説明したが、加湿器５に直
接水素ガスを戻す場合のみならず、加湿器５の下流に循
環させて燃料電池スタック１に水素ガスを供給しても良
く、水素ガスを循環させないものや燃料電池スタック１
には反応に必要な水素ガスのみしか供給しないものであ
っても、本発明が適用可能である。

【００９４】更に、上述の燃料電池システムでは、純水
回収モードにおいて、水素ガスの流量、水素ガス圧力、
空気の流量、空気圧力の４つのパラメータのうち、何れ
かの一のパラメータを変化させて純水を回収しても良
く、或いは複数のパラメータを組み合わせて変化させて
純水を回収しても良い。

【００９５】更にまた、上述の燃料電池システムでは、
回収した純水を、酸化剤ガス、燃料ガスの加湿に用いる
場合について説明したが、例えば炭化水素、あるいはア
ルコール系燃料を改質して生成させた改質ガスを燃料ガ
スとして用いるものにおいて、改質器に供給する水分を
燃料電池スタック１の排気から回収して用いるものであ
っても本発明が適用可能であることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図で
ある。

【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおける空
気流量と純水回収量との関係を示す図である。

【図３】本発明を適用した燃料電池システムにおける空
気圧力と純水回収量との関係を示す図である。

【図４】本発明を適用した燃料電池システムにおける供
給ガス流量と加湿器での消費純水量との関係を示す図で
ある。

【図５】本発明を適用した燃料電池システムにおける供
給ガス圧力とと加湿器５での純水消費量との関係を示す
図である。

【図６】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、
供給ガスの圧力値及び／又は供給ガスの流量値を変化さ
せて純水を回収するときの処理手順を示すフローチャー
トである。

【図７】本発明を適用した他の燃料電池システムの構成
図である。

【図８】本発明を適用した燃料電池システムにおける燃
料電池スタックの温度と供給ガスの圧力との関係を示す
図である。

【図９】本発明を適用した燃料電池システムにおける燃
料電池スタックの温度と供給ガスの流量との関係を示す
図である。

【図１０】本発明を適用した燃料電池システムにおける
純水タンクの液位と供給ガスの圧力との関係を示す図で
ある。

【図１１】本発明を適用した燃料電池システムにおける
純水タンクの液位と供給ガスの流量との関係を示す図で
ある。

【図１２】本発明を適用した燃料電池システムにおける
加湿器の入り口の純水温度と供給ガスの圧力との関係を
示す図である。

【図１３】本発明を適用した燃料電池システムにおける
加湿器の入り口の純水温度と供給ガスの流量との関係を
示す図である。

【図１４】本発明を適用した燃料電池システムにおける
コンデンサの冷却水温度と供給ガスの圧力との関係を示
す図である。

【図１５】本発明を適用した燃料電池システムにおける
コンデンサの冷却水温度と供給ガスの流量との関係を示
す図である。

【図１６】本発明を適用した燃料電池システムにおい
て、純水回収モードと通常運転を交互に行うことを説明
するための図である。

【符号の説明】

１燃料電池スタック２水素タンク３水素調圧弁４エゼクタポンプ５加湿器６コンプレッサ７水分離器８純水タンク９空気調圧弁１０スタック冷却水ポンプ１１ラジエータ１２空気流量センサ１３純水液位センサ１４水素圧力センサ１５空気圧力センサ１６発電状態センサ１６１７コントロールユニット２１水素循環ポンプ２２コンデンサ２３ポンプ２４ラジエータ２５中間熱交換器２６ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより
挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給さ
れるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発
電する燃料電池と、上記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段
と、上記検出手段での検出出力に基づく燃料電池の発電状態
に応じて、所定流量の酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃
料電池に供給するガス供給手段と、上記燃料電池の酸化剤極側及び／又は燃料極側からの排
気ガスに含まれる水分を回収する水分回収手段と、上記水分回収手段で回収した水量を検出する水量検出手
段と、上記水量検出手段で検出された水量値と所定値との比較
をして、上記検出された水量値が所定値よりも少ないと
判定した場合に、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの
流量を上記所定流量よりも少なくするように上記ガス供
給手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする
燃料電池システム。
【請求項２】上記燃料電池の温度を検出する温度検出
手段を更に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値よりも
少ないと判定した場合に、上記温度検出手段で検出した
温度に基づいて上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流
量を上記所定流量よりも少なくするように上記ガス供給
手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電
池システム。
【請求項３】上記制御手段は、上記検出された水量値
が所定値よりも少ないと判定した場合に、上記水量検出
手段で検出された水量値が上記所定値よりも少ないほど
上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの流量を上記所定流
量よりも少なくするように上記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】上記燃料電池に供給する酸化剤ガス及び
／又は燃料ガスに加湿をする加湿手段と、上記加湿手段で加湿された酸化剤ガス及び／又は燃料ガ
スの露点を検出する露点検出手段をとを更に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値よりも
少ないと判定した場合に、上記露点検出手段により検出
された露点が高いほど、上記酸化剤ガス及び／又は燃料
ガスの流量を上記所定流量よりも少なくするように上記
ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１記載
の燃料電池システム。
【請求項５】上記水分回収手段は、上記燃料電池から
の排出ガスを冷却して排気ガスに含まれる水分を凝縮さ
せる冷却手段を有し、上記冷却手段での熱交換量を検出する熱交換量検出手段
を更に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値よりも
少ないと判定した場合に、上記熱交換量検出手段で検出
した熱交換量が小さいほど、上記酸化剤ガス及び／又は
燃料ガスの流量を上記所定流量よりも少なくするように
上記ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１
記載の燃料電池システム。
【請求項６】上記制御手段は、上記検出された水量値
が所定値よりも少ないと判定した場合に、上記所定流量
での通常動作と、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの
流量を上記所定流量よりも少なくする純水回収動作と
を、交互に行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電
池システム。
【請求項７】電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより
挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給さ
れるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発
電する燃料電池と、上記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段
と、上記検出手段での検出出力に基づく燃料電池の発電状態
に応じて、所定圧力で所定流量の酸化剤ガス及び燃料ガ
スを上記燃料電池に供給するガス供給手段と、上記燃料電池の酸化剤極側及び／又は燃料極側からの排
気ガスに含まれる水分を回収する水分回収手段と、上記水分回収手段で回収した水量を検出する水量検出手
段と、上記水量検出手段で検出された水量値と所定値との比較
をして、上記検出された水量値が所定値よりも少ないと
判定した場合に、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの
流量を上記所定流量よりも少なくするとともに、上記酸
化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を上記所定圧力より
も高くするように上記ガス供給手段を制御する制御手段
とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】上記燃料電池の温度を検出する温度検出
手段を更に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値よりも
少ないと判定した場合に、上記温度検出手段で検出した
温度に基づいて上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧
力を上記所定圧力よりも高くするように上記ガス供給手
段を制御することを特徴とする請求項７記載の燃料電池
システム。
【請求項９】上記制御手段は、上記検出された水量値
が所定値よりも少ないと判定した場合に、上記水量検出
手段で検出された水量値が上記所定値よりも少ないほど
上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガスの圧力を上記所定圧
力よりも高くするように上記ガス供給手段を制御するこ
とを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】上記燃料電池に供給する酸化剤ガス及
び／又は燃料ガスに加湿をする加湿手段と、上記加湿手段で加湿された酸化剤ガス及び／又は燃料ガ
スの露点を検出する露点検出手段をとを更に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値よりも
少ないと判定した場合に、上記露点検出手段により検出
された露点が高いほど、上記酸化剤ガス及び／又は燃料
ガスの圧力を上記所定圧力よりも高くするように上記ガ
ス供給手段を制御することを特徴とする請求項７記載の
燃料電池システム。
【請求項１１】上記水分回収手段は、上記燃料電池か
らの排出ガスを冷却して排気ガスに含まれる水分を凝縮
させる冷却手段を有し、上記冷却手段での熱交換量を検出する熱交換量検出手段
を更に備え、上記制御手段は、上記検出された水量値が所定値よりも
少ないと判定した場合に、上記熱交換量検出手段で検出
した熱交換量が小さいほど、上記酸化剤ガス及び／又は
燃料ガスの圧力を上記所定圧力よりも高くするように上
記ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項７記
載の燃料電池システム。
【請求項１２】上記制御手段は、上記検出された水量
値が所定値よりも少ないと判定した場合に、上記所定圧
力での通常動作と、上記酸化剤ガス及び／又は燃料ガス
の圧力を上記所定圧力よりも高くする純水回収動作と
を、交互に行うことを特徴とする請求項７記載の燃料電
池システム。