JP2003031248A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力をより安定して生成すること。 【解決手段】本発明による燃料電池システム１は、燃料
ガス１９，２９により電力を生成するスタック２と、ス
タック２のセル電圧と電力が供給される外部装置４２の
負荷とを監視するモニタ３２と、スタック２に燃料ガス
１９，２９を流速可変に供給する燃料ガス流速制御装置
１４，２４と、セル電圧と負荷とに基づいて燃料ガス流
速制御装置１４，２４を制御する制御装置３１とを具備
している。制御装置３１の制御により、燃料ガス流速制
御装置１４，２４は、スタック２に燃料ガス１９，２９
を供給する流量を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、特に、電力をより安定して生成する燃料電池シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の１つとして固体高分子型燃料
電池（ＰＥＦＣ）が知られている。固体高分子型燃料電
池は、イオン交換膜（固体高分子電解質膜）を使用して
燃料ガスと酸化剤ガスから電力を取り出す。固体高分子
型燃料電池は、低温で動作し、かつ、エネルギー密度が
高いという特長を有する。これらの特長を生かし、固体
高分子型燃料電池は、移動用動力源および小容量電源と
しての実用化が期待されている。

【０００３】このような燃料電池が出力する電力は、供
給される燃料ガスと酸化剤ガスとの流量により変動す
る。出力する電力が安定である燃料電池が望まれてい
る。図３は、特開平７−２４０２２０号公報に示されて
いる公知の燃料電池システムを示している。その燃料電
池システム１００は、スタック１０２、燃料ガス系統１
０３、酸化剤ガス系統１０４および制御系統１０５を備
えている。

【０００４】燃料ガス系統１０３は、燃料ガス供給装置
１１１、燃料ガス加湿器１１２、燃料ガス気液分離器１
１３、燃料ガス循環ブロア１１４、燃料ガス逆止弁１１
５および燃料ガス圧力制御弁１１８を備えている。燃料
ガス供給装置１１１は、燃料ガス供給管１１６を介して
スタック１０２に接続されている。燃料ガス供給管１１
６の途中に燃料ガス加湿器１１２が設けられている。ス
タック１０２は、燃料ガス排出管１１７を介して燃料ガ
ス加湿器１１２に接続されている。燃料ガス排出管１１
７の途中には、燃料ガス気液分離器１１３が設けられて
いる。燃料ガス排出管１１７の燃料ガス気液分離器１１
３より下流側には、燃料ガス圧力制御弁１１８が設けら
れている。燃料ガス排出管１１７の燃料ガス圧力制御弁
１１８より下流側には、燃料ガス循環ブロア１１４が設
けられている。燃料ガス排出管１１７の燃料ガス循環ブ
ロア１１４よりさらに下流側には、燃料ガス逆止弁１１
５が設けられている。

【０００５】燃料ガス供給装置１１１は、燃料ガス供給
管１１６を介して燃料ガス１１９をスタック１０２に供
給する。燃料ガス加湿器１１２は、燃料ガス１１９を加
湿する。燃料ガス気液分離器１１３は、スタック１０２
が排出する燃料ガス１１９の残余から水分を除去する。
燃料ガス圧力制御弁１１８は、燃料ガス循環ブロア１１
４の入口の圧力を所定の圧力以上に上昇することを防止
する。燃料ガス循環ブロア１１４は、燃料ガス１１９の
残余を加圧して燃料ガス加湿器１１２に供給する。燃料
ガス逆止弁１１５は、燃料ガス１１９が燃料ガス供給管
１１６から燃料ガス排出管１１７に逆流することを防止
する。

【０００６】酸化剤ガス系統１０４は、酸化剤ガス供給
装置１２１、酸化剤ガス加湿器１２２、酸化剤ガス気液
分離器１２３、酸化剤ガス循環ブロア１２４、酸化剤ガ
ス逆止弁１２５および酸化剤ガス圧力制御弁１２８を備
えている。酸化剤ガス供給装置１２１は、酸化剤ガス供
給管１２６を介してスタック１０２に接続されている。
酸化剤ガス供給管１２６の途中に酸化剤ガス加湿器１２
２が設けられている。スタック１０２は、酸化剤ガス排
出管１２７を介して酸化剤ガス加湿器１２２に接続され
ている。酸化剤ガス排出管１２７の途中には、酸化剤ガ
ス気液分離器１２３が設けられている。酸化剤ガス排出
管１２７の酸化剤ガス気液分離器１２３より下流側に
は、酸化剤ガス圧力制御弁１２８が設けられている。酸
化剤ガス排出管１２７の酸化剤ガス圧力制御弁１２８よ
り下流側には、酸化剤ガス循環ブロア１２４が設けられ
ている。酸化剤ガス排出管１２７の酸化剤ガス循環ブロ
ア１２４よりさらに下流側には、酸化剤ガス逆止弁１２
５が設けられている。

【０００７】酸化剤ガス供給装置１２１は、酸化剤ガス
供給管１２６を介して酸化剤ガス１２９をスタック１０
２に供給する。酸化剤ガス加湿器１２２は、酸化剤ガス
１２９を加湿する。酸化剤ガス気液分離器１２３は、ス
タック１０２が排出する酸化剤ガス１２９の残余から水
分を除去する。酸化剤ガス圧力制御弁１２８は、酸化剤
ガス循環ブロア１２４の入口の圧力を所定の圧力以上に
上昇することを防止する。酸化剤ガス循環ブロア１２４
は、酸化剤ガス１２９の残余を加圧して酸化剤ガス加湿
器１２２に供給する。酸化剤ガス逆止弁１２５は、酸化
剤ガス１２９が酸化剤ガス供給管１２６から酸化剤ガス
排出管１２７に逆流することを防止する。

【０００８】制御系統１０５は、制御装置１３１、燃料
ガスバイパスライン１３２、燃料ガス流量制御弁１３
３、燃料ガス流量計１３４、酸化剤ガスバイパスライン
１３６、酸化剤ガス流量制御弁１３７および酸化剤ガス
流量計１３８を備えている。

【０００９】燃料ガスバイパスライン１３２は、燃料ガ
ス循環ブロア１１４に並列して接続され、燃料ガス１１
９は、燃料ガス循環ブロア１１４を迂回して燃料ガス供
給管１１６に供給されることができる。燃料ガス流量制
御弁１３３は、燃料ガスバイパスライン１３２を通過す
る燃料ガス１１９の流量を制御する。燃料ガス流量計１
３４は、燃料ガス排出管１１７の燃料ガス循環ブロア１
１４と燃料ガスバイパスライン１３２とより下流側に設
けられ、燃料ガス排出管１１７を流れる燃料ガス１１９
の流量を測定する。

【００１０】酸化剤ガスバイパスライン１３６は、酸化
剤ガス循環ブロア１２４に並列して接続され、酸化剤ガ
ス１２９は、酸化剤ガス循環ブロア１２４を迂回して酸
化剤ガス供給管１２６に供給されることができる。酸化
剤ガス流量制御弁１３７は、酸化剤ガスバイパスライン
１３６を通過する酸化剤ガス１２９の流量を制御する。
酸化剤ガス流量計１３８は、酸化剤ガス排出管１２７の
酸化剤ガス循環ブロア１２４と酸化剤ガスバイパスライ
ン１３６とより下流側に設けられ、酸化剤ガス排出管１
２７を流れる酸化剤ガス１２９の流量を測定する。

【００１１】制御装置１３１は、情報処理装置である。
制御装置１３１は、燃料ガス流量計１３４が測定した燃
料ガス１１９の流量に基づいて、燃料ガス流量制御弁１
３３を制御して、燃料ガスバイパスライン１３２を通過
する燃料ガス１１９の流量がほぼ一定になるように制御
する。さらに、制御装置１３１は、酸化剤ガス流量計１
３８が測定した酸化剤ガス１２９の流量に基づいて、酸
化剤ガス流量制御弁１３７を制御して、酸化剤ガスバイ
パスライン１３６を通過する酸化剤ガス１２９の流量が
ほぼ一定になるように制御する。

【００１２】このような燃料電池システム１００は、負
荷静定状態において所定の出力を確保することができる
とともに、負荷変動時においても、出力が不安定になら
ない。

【００１３】この燃料電池システム１００が備えている
スタック１０２は、複数の単位セルから形成されてい
る。図４は、スタック１０２を構成する単位セルを示し
ている。その単位セル２０１は、固体高分子膜２０２を
有している。固体高分子膜２０２は、燃料極２０３と酸
化極２０４との間に挟まれている。燃料極２０３と酸化
極２０４とは、セパレータ２０５の間に挟まれている。
セパレータ２０５には、燃料極２０３に接する面に溝が
設けられて燃料ガス流路２０６が形成されている。セパ
レータ２０５には、酸化極２０４に接する面に溝が設け
られて酸化剤ガス流路２０７が形成されている。

【００１４】燃料ガス流路２０６には、加湿された水素
ガスである燃料ガスが流れ、酸化剤ガス流路２０７に
は、加湿された酸素ガスである酸化剤ガスが流れてい
る。固体高分子膜２０２は、燃料ガス由来の水素イオン
を通過させ、燃料極２０３と酸化極２０４との間に起電
力を生成する。このとき、放電生成物である水が酸化剤
ガス流路２０７を閉塞する。さらに、燃料ガスに含まれ
る水分が水滴になり、燃料ガス流路２０６を閉塞する。
この閉塞は、単位セルのセル電圧を低下させる。この閉
塞を防止する燃料電池システムが望まれている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、電力
をより安定して生成する燃料電池システムを提供するこ
とにある。本発明の他の課題は、スタック内の燃料ガス
の流路が水滴により閉塞することを防止する燃料電池シ
ステムを提供することにある。本発明のさらに他の課題
は、消費電力がより小さい燃料電池システムを提供する
ことにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】以下に、［発明の実施の
形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特
許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載と
の対応関係を明らかにするために付加されたものである
が、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的
範囲の解釈に用いてはならない。

【００１７】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、燃料ガス（１９）（６９）により電力を生成す
るスタック（２）（５２）と、スタック（２）（５２）
のセル電圧と電力が供給される外部装置（４２）（９
２）の負荷とを監視するモニタ（３２）（８２）と、ス
タック（２）（５２）に燃料ガス（１９）（６９）を流
速可変に供給する燃料ガス流速制御装置（１４）（６
８）と、セル電圧と負荷とに基づいて燃料ガス流速制御
装置（１４）（６８）を制御してスタック（２）（５
２）に供給される燃料ガス（１９）（６９）の流速を制
御する制御装置（３１）（８１）とを具備している。燃
料ガス流速制御装置（１４）（６８）は、制御装置（３
１）（８１）の制御により、スタック（２）（５２）に
燃料ガス（１９）（６９）を供給する流量を変化させ
る。さらに、酸化剤ガス流速制御装置（２４）（７８）
は、制御装置（３１）（８１）の制御により、スタック
（２）（５２）に酸化剤ガス（２９）（７９）を供給す
る流量を変化させる。

【００１８】燃料ガス流速制御装置（１４）は、スタッ
ク（２）が排出する燃料ガス（１９）の残余をスタック
（２）に燃料ガス（１９）として供給する燃料ガス循環
ブロア（１４）である。制御装置（３１）は、セル電圧
と負荷に基づいて燃料ガス循環ブロア（１４）を制御し
て燃料ガス（１９）の流速を制御する。制御装置（３
１）は、モニタ（３２）により負荷の低下を観測したと
き、燃料ガス循環ブロア（１４、２４）の出力を下げ
て、消費するエネルギーを低減する。

【００１９】本発明による燃料電池システム（５１）
は、燃料ガス（６９）を加圧してスタック（５２）に供
給する燃料ガス供給装置（６１）を更に具備している。
燃料ガス流速制御装置（６８）は、その加圧された燃料
ガス（６９）の流量を調節する燃料ガス圧力調節弁（６
８）である。燃料ガス（６９）の加湿に由来する水分、
または放電生成物が流路を閉塞させることにより、スタ
ック（２）のセル電圧は低下する。制御装置（３１）
は、モニタ（３２）によりセル電圧の低下を観測したと
き、燃料ガス循環ブロア（１４）の出力を上げて燃料ガ
ス（１９）の流速を大きくし、閉塞を解消する。このよ
うな制御は、燃料電池システム（１）が生成する電力を
安定に外部装置（４２）に供給する効果を奏する。

【００２０】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、燃料ガス（１９）（６９）を加湿する燃料ガス
加湿器（１２）（６２）と、燃料ガス加湿器（１２）
（６２）の温度を測定する燃料ガス加湿器温度計（３
５）（８５）とを更に具備している。制御装置（３１）
（８１）は、その温度に更に基づいて流量を制御する。
燃料ガス（１９）（６９）の流量は、燃料ガス加湿器
（１２）（６２）の温度に基づいて制御されることが好
ましい。

【００２１】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、燃料ガス（１９）（６９）のガス温度を測定す
る燃料ガス温度計（３３）（８３）を更に具備してい
る。制御装置（３１）（８１）は、そのガス温度に更に
基づいて流量を制御する。ガス温度が低いことは、燃料
ガス（６９）の加湿に由来する水分が流路を閉塞させる
ことを助長する。制御装置（３１）（８１）は、燃料ガ
ス温度計（３３）（８３）によりガス温度の低下を観測
したとき、流量を大きくして、閉塞を防止する。

【００２２】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、燃料ガス（１９）（６９）の圧力を測定する燃
料ガス圧力計（３４）（８４）を更に具備している。制
御装置（３１）（８１）は、その圧力に更に基づいて流
量を制御する。圧力が低いことは、燃料ガス（６９）の
加湿に由来する水分が流路を閉塞させることを助長す
る。制御装置（３１）（８１）は、燃料ガス圧力計（３
４）（８４）により圧力の低下を観測したとき、流量を
大きくして、閉塞を防止する。

【００２３】酸化剤ガス流速制御装置（２４）は、スタ
ック（２）が排出する酸化剤ガス（２９）の残余をスタ
ック（２）に酸化剤ガス（２９）として供給する酸化剤
ガス循環ブロア（２４）である。制御装置（３１）は、
セル電圧と負荷に基づいて酸化剤ガス循環ブロア（２
４）を制御して酸化剤ガス（２９）の流速を制御する。
制御装置（３１）は、モニタ（３２）により負荷の低下
を観測したとき、酸化剤ガス循環ブロア（１４、２４）
の出力を下げて、消費するエネルギーを低減する。

【００２４】本発明による燃料電池システム（５１）
は、酸化剤ガス（７９）を加圧してスタック（５２）に
供給する酸化剤ガス供給装置（７１）を更に具備してい
る。酸化剤ガス流速制御装置（７８）は、その加圧され
た酸化剤ガス（７９）の流量を調節する酸化剤ガス圧力
調節弁（７８）である。酸化剤ガス（７９）の加湿に由
来する水分、または放電生成物が流路を閉塞させること
により、スタック（２）のセル電圧は低下する。制御装
置（３１）は、モニタ（３２）によりセル電圧の低下を
観測したとき、酸化剤ガス循環ブロア（２４）の出力を
上げて酸化剤ガス（２９）の流速を大きくし、閉塞を解
消する。このような制御は、燃料電池システム（１）が
生成する電力を安定に外部装置（４２）に供給する効果
を奏する。

【００２５】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、酸化剤ガス（２９）（７９）を加湿する酸化剤
ガス加湿器（２２）（７２）と、酸化剤ガス加湿器（２
２）（７２）の温度を測定する酸化剤ガス加湿器温度計
（３８）（８８）とを更に具備している。制御装置（３
１）（８１）は、その温度に更に基づいて流量を制御す
る。酸化剤ガス（２９）（７９）の流量は、酸化剤ガス
加湿器（２２）（７２）の温度に基づいて制御されるこ
とが好ましい。

【００２６】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、酸化剤ガス（２９）（７９）のガス温度を測定
する酸化剤ガス温度計（３６）（８６）を更に具備して
いる。制御装置（３１）（８１）は、そのガス温度に更
に基づいて流量を制御する。ガス温度が低いことは、酸
化剤ガス（７９）の加湿に由来する水分が流路を閉塞さ
せることを助長する。制御装置（３１）（８１）は、酸
化剤ガス温度計（３６）（８６）によりガス温度の低下
を観測したとき、流量を大きくして、閉塞を防止する。

【００２７】本発明による燃料電池システム（１）（５
１）は、酸化剤ガス（２９）（７９）の圧力を測定する
酸化剤ガス圧力計（３７）（８７）を更に具備してい
る。制御装置（３１）（８１）は、その圧力に更に基づ
いて流量を制御する。圧力が低いことは、酸化剤ガス
（７９）の加湿に由来する水分または反応生成水が流路
を閉塞させることを助長する。制御装置（３１）（８
１）は、酸化剤ガス圧力計（３７）（８７）により圧力
の低下を観測したとき、流量を大きくして、閉塞を防止
する。

【００２８】

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明による燃
料電池システムの実施の形態を説明する。その燃料電池
システム１は、図１に示されているように、スタック
２、燃料ガス系統３、酸化剤ガス系統４および制御系統
５を備えている。

【００２９】燃料ガス系統３は、燃料ガス供給装置１
１、燃料ガス加湿器１２、燃料ガス気液分離器１３、燃
料ガス循環ブロア１４および燃料ガス逆止弁１５を備え
ている。燃料ガス供給装置１１は、燃料ガス供給管１６
を介してスタック２に接続されている。燃料ガス供給管
１６の途中に燃料ガス加湿器１２が設けられている。ス
タック２は、燃料ガス排出管１７を介して燃料ガス加湿
器１２に接続されている。燃料ガス排出管１７の途中に
は、燃料ガス気液分離器１３が設けられている。燃料ガ
ス排出管１７の燃料ガス気液分離器１３より下流側に
は、燃料ガス循環ブロア１４が設けられている。燃料ガ
ス排出管１７の燃料ガス循環ブロア１４よりさらに下流
側には、燃料ガス逆止弁１５が設けられている。

【００３０】燃料ガス供給装置１１は、燃料ガス供給管
１６を介して燃料ガス１９をスタック２に供給する。燃
料ガス加湿器１２は、燃料ガス１９を加湿する。燃料ガ
ス気液分離器１３は、スタック２が排出する燃料ガス１
９の残余から水分を除去する。燃料ガス循環ブロア１４
は、燃料ガス１９の残余を加圧して燃料ガス加湿器１２
に供給する。燃料ガス逆止弁１５は、燃料ガス１９が燃
料ガス供給管１６から燃料ガス排出管１７に逆流するこ
とを防止する。

【００３１】酸化剤ガス系統４は、酸化剤ガス供給装置
２１、酸化剤ガス加湿器２２、酸化剤ガス気液分離器２
３、酸化剤ガス循環ブロア２４および酸化剤ガス逆止弁
２５を備えている。酸化剤ガス供給装置２１は、酸化剤
ガス供給管２６を介してスタック２に接続されている。
酸化剤ガス供給管２６の途中に酸化剤ガス加湿器２２が
設けられている。スタック２は、酸化剤ガス排出管２７
を介して酸化剤ガス加湿器２２に接続されている。酸化
剤ガス排出管２７の途中には、酸化剤ガス気液分離器２
３が設けられている。酸化剤ガス排出管２７の酸化剤ガ
ス気液分離器２３より下流側には、酸化剤ガス循環ブロ
ア２４が設けられている。酸化剤ガス排出管２７の酸化
剤ガス循環ブロア２４よりさらに下流側には、酸化剤ガ
ス逆止弁２５が設けられている。

【００３２】酸化剤ガス供給装置２１は、酸化剤ガス供
給管２６を介して酸化剤ガス２９をスタック２に供給す
る。酸化剤ガス加湿器２２は、酸化剤ガス２９を加湿す
る。酸化剤ガス気液分離器２３は、スタック２が排出す
る酸化剤ガス２９の残余から水分を除去する。酸化剤ガ
ス循環ブロア２４は、酸化剤ガス２９の残余を加圧して
酸化剤ガス加湿器２２に供給する。酸化剤ガス逆止弁２
５は、酸化剤ガス２９が酸化剤ガス供給管２６から酸化
剤ガス排出管２７に逆流することを防止する。

【００３３】制御系統５は、制御装置３１、モニタ３
２、燃料ガス温度計３３、燃料ガス圧力計３４、燃料ガ
ス加湿器温度計３５、酸化剤ガス温度計３６、酸化剤ガ
ス圧力計３７および酸化剤ガス加湿器温度計３８を備え
ている。制御装置３１は、モニタ３２、燃料ガス温度計
３３、燃料ガス圧力計３４、燃料ガス加湿器温度計３
５、酸化剤ガス温度計３６、酸化剤ガス圧力計３７およ
び酸化剤ガス加湿器温度計３８に接続され、燃料ガス循
環ブロア１４と酸化剤ガス循環ブロア２４とに接続され
ている。

【００３４】スタック２は、２つの端子４１を備え、外
部装置４２に２つの端子４１から電力を供給している。
モニタ３２は、２つの端子４１に接続され、外部装置４
２の負荷を測定し、スタック２が出力するセル電圧を測
定する。外部装置４２の負荷とは、燃料電池システム１
から外部装置４２に供給される電力量を示す。燃料ガス
温度計３３は、燃料ガス供給管１６の途中に設けられ、
スタック２に供給される燃料ガス１９の温度を測定す
る。燃料ガス圧力計３４は、燃料ガス供給管１６の途中
に設けられ、スタック２に供給される燃料ガス１９の圧
力を測定する。燃料ガス加湿器温度計３５は、燃料ガス
加湿器１２の内部に設けられ、燃料ガス加湿器１２の温
度を測定する。

【００３５】酸化剤ガス温度計３６は、酸化剤ガス供給
管２６の途中に設けられ、スタック２に供給される酸化
剤ガス２９の温度を測定する。酸化剤ガス圧力計３７
は、酸化剤ガス供給管２６の途中に設けられ、スタック
２に供給される酸化剤ガス２９の圧力を測定する。酸化
剤ガス加湿器温度計３８は、酸化剤ガス加湿器２２の内
部に設けられ、酸化剤ガス加湿器１２の温度を測定す
る。

【００３６】制御装置３１は、情報処理装置である。制
御装置３１は、スタック２のセル電圧、外部装置４２の
負荷、燃料ガス加湿器１２の温度および燃料ガス１９の
温度、圧力に基づいて燃料ガス循環ブロア１４の動作を
制御し、スタック２のセル電圧、外部装置４２の負荷、
酸化剤ガス加湿器２２の温度および酸化剤ガス２９の温
度、圧力に基づいて酸化剤ガス循環ブロア２４の動作を
制御する。

【００３７】以下、本発明による燃料電池システム１の
動作について説明する。燃料ガス供給装置１１は、燃料
ガス加湿器１２を介してスタック２に燃料ガス１９を供
給する。燃料ガス１９としては、水素、メタンが例示さ
れる。燃料ガス加湿器１２は、燃料ガス１９を加湿し
て、スタック２に供給する。酸化剤ガス供給装置２１
は、酸化剤ガス加湿器２２を介してスタック２に酸化剤
ガス２９を供給する。酸化剤ガス２９としては、酸素、
大気が例示される。酸化剤ガス加湿器２２は、酸化剤ガ
ス２９を加湿して、スタック２に供給する。

【００３８】スタック２は、加湿された酸化剤ガスと加
湿された燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電を行
う。スタック２は、固体高分子電解質膜が２つの触媒電
極に挟まれた構造を有する。触媒電極としては、例えば
白金が使用される。触媒電極のうちの一方には、燃料ガ
ス１９が供給され、他方には、酸化剤ガス２９が供給さ
れる。燃料ガス１９が供給される触媒電極は、燃料ガス
１９から水素イオンを生成する。水素イオンは、固体高
分子電解質膜を介して、酸化剤ガス２９が供給される触
媒電極に輸送される。酸化剤ガス２９が供給される触媒
電極では、水素イオンと酸化剤ガスとが電気化学反応し
て水が生成される。このような電気化学反応が発生する
過程において、２つの触媒電極の間に起電力が発生し、
電力として取り出される。

【００３９】スタック２は、発電に利用されない残余の
燃料ガス１９を燃料ガス排出管１７に排出する。排出さ
れた燃料ガス１９は、燃料ガス気液分離器１３により水
分が除去され、燃料ガス循環ブロア１４により加圧され
て燃料ガス加湿器１２に戻される。燃料ガス加湿器１２
は、戻された燃料ガス１９を再度、スタック２に供給す
る。スタック２は、発電に利用されない残余の酸化剤ガ
ス２９を酸化剤ガス排出管２７に排出する。排出された
酸化剤ガス２９は、酸化剤ガス気液分離器２３により水
分が除去され、酸化剤ガス循環ブロア２４により加圧さ
れて酸化剤ガス加湿器２２に戻される。酸化剤ガス排出
管２７は、排出された酸化剤ガス２９を酸化剤ガス加湿
器２２に戻す。酸化剤ガス加湿器２２は、戻された酸化
剤ガス２９を再度、スタック２に供給する。

【００４０】燃料ガス加湿器１２に由来する水分が水滴
になり、その水滴がスタック２内の燃料ガス１９の流路
を閉塞させることにより、スタック２のセル電圧は低下
する。さらに、酸化剤ガス加湿器２２に由来する水分と
電気化学反応の放電生成物である水とが水滴になり、そ
の水滴がスタック２内の燃料ガス１９の流路を閉塞させ
ることにより、スタック２のセル電圧は低下する。制御
装置３１は、モニタ３２によりセル電圧の低下を観測し
たとき、燃料ガス循環ブロア１４の出力を上げてスタッ
ク２に供給される燃料ガス１９の流速を大きくし、酸化
剤ガス循環ブロア２４の出力を上げてスタック２に供給
される酸化剤ガス２９の流速を大きくし、水滴による閉
塞を解消する。このような制御は、燃料電池システム１
が生成する電力を安定に外部装置４２に供給する効果を
奏する。

【００４１】モニタ３２により燃料電池システム１から
外部装置４２に供給される電力量の低下を観測したと
き、制御装置３１は燃料ガス循環ブロア１４の出力を下
げて、酸化剤ガス循環ブロア２４の出力を下げて、燃料
電池システム１が消費するエネルギーを低減する。

【００４２】燃料ガス１９の温度が低下するとき、燃料
ガス１９に混合されている水分は、水滴が生成され易く
なる。制御装置３１は、燃料ガス温度計３３により燃料
ガス１９の温度の低下を観測したとき、燃料ガス循環ブ
ロア１４の出力を上げてスタック２に供給される燃料ガ
ス１９の流速を大きくし、水滴による閉塞を解消する。
このような制御は、燃料電池システム１が生成する電力
を安定に外部装置４２に供給する効果を奏する。

【００４３】酸化剤ガス２９の温度が低下するとき、酸
化剤ガス２９に混合されている水分は、水滴が生成され
易くなる。制御装置３１は、酸化剤ガス温度計３６によ
り酸化剤ガス２９の温度の低下を観測したとき、酸化剤
ガス循環ブロア２４の出力を上げてスタック２に供給さ
れる酸化剤ガス２９の流速を大きくし、水滴による閉塞
を解消する。このような制御は、燃料電池システム１が
生成する電力を安定に外部装置４２に供給する効果を奏
する。

【００４４】燃料ガス１９の圧力が低下するとき、燃料
ガス１９に混合されている水分が多くなり、水滴が生成
され易くなる。制御装置３１は、燃料ガス圧力計３４に
より燃料ガス１９の圧力の低下を観測したとき、燃料ガ
ス循環ブロア１４の出力を上げてスタック２に供給され
る燃料ガス１９の流速を大きくし、水滴による閉塞を解
消する。このような制御は、燃料電池システム１が生成
する電力を安定に外部装置４２に供給する効果を奏す
る。

【００４５】酸化剤ガス２９の圧力が低下するとき、酸
化剤ガス２９に混合されている水分が多くなり、水滴が
生成され易くなる。制御装置３１は、酸化剤ガス圧力計
３７により酸化剤ガス２９の圧力の低下を観測したと
き、酸化剤ガス循環ブロア２４の出力を上げてスタック
２に供給される酸化剤ガス２９の流速を大きくし、水滴
による閉塞を解消する。このような制御は、燃料電池シ
ステム１が生成する電力を安定に外部装置４２に供給す
る効果を奏する。

【００４６】燃料ガス加湿器１２の温度が上昇すると
き、燃料ガス１９に混合される水分は多くなり、水滴が
生成され易くなる。制御装置３１は、燃料ガス加湿器温
度計３５により燃料ガス加湿器１２の温度の上昇を観測
したとき、燃料ガス循環ブロア１４の出力を上げてスタ
ック２に供給される燃料ガス１９の流速を大きくし、水
滴による閉塞を解消する。このような制御は、燃料電池
システム１が生成する電力を安定に外部装置４２に供給
する効果を奏する。

【００４７】酸化剤ガス加湿器２２の温度が上昇すると
き、酸化剤ガス２９に混合される水分は多くなり、水滴
が生成され易くなる。制御装置３１は、酸化剤ガス加湿
器温度計３８により酸化剤ガス加湿器２２の温度の上昇
を観測したとき、酸化剤ガス循環ブロア２４の出力を上
げてスタック２に供給される酸化剤ガス２９の流速を大
きくし、水滴による閉塞を解消する。このような制御
は、燃料電池システム１が生成する電力を安定に外部装
置４２に供給する効果を奏する。

【００４８】図２は、本発明による燃料電池システムの
実施の他の形態を示している。その燃料電池システム５
１は、スタック５２、燃料ガス系統５３、酸化剤ガス系
統５４および制御系統５５を備えている。

【００４９】燃料ガス系統５３は、燃料ガス供給装置６
１、燃料ガス圧力調整弁６８および燃料ガス加湿器６２
を備えている。燃料ガス供給装置６１は、燃料ガス供給
管６６を介してスタック５２に接続されている。燃料ガ
ス供給管６６の途中には、燃料ガス圧力調整弁６８が設
けられている。燃料ガス圧力調整弁６８の下流側には、
燃料ガス加湿器６２が設けられている。

【００５０】燃料ガス供給装置６１は、燃料ガス供給管
６６を介して燃料ガス６９をスタック５２に供給する。
燃料ガス圧力調整弁６８は、スタック５２に供給される
燃料ガス６９の圧力を制御する。燃料ガス加湿器６２
は、燃料ガス６９を加湿する。

【００５１】酸化剤ガス系統５４は、酸化剤ガス供給装
置７１、酸化剤ガス圧力調整弁７８および酸化剤ガス加
湿器７２を備えている。酸化剤ガス供給装置７１は、酸
化剤ガス供給管７６を介してスタック５２に接続されて
いる。酸化剤ガス供給管７６の途中には、酸化剤ガス圧
力調整弁７８が設けられている。酸化剤ガス圧力調整弁
７８の下流側には、酸化剤ガス加湿器７２が設けられて
いる。

【００５２】酸化剤ガス供給装置７１は、酸化剤ガス供
給管７６を介して酸化剤ガス７９をスタック５２に供給
する。酸化剤ガス圧力調整弁７８は、スタック５２に供
給される酸化剤ガス７９の圧力を制御する。酸化剤ガス
加湿器７２は、酸化剤ガス７９を加湿する。

【００５３】制御系統５５は、制御装置８１、モニタ８
２、燃料ガス温度計８３、燃料ガス圧力計８４、燃料ガ
ス加湿器温度計８５、酸化剤ガス温度計８６、酸化剤ガ
ス圧力計８７および酸化剤ガス加湿器温度計８８を備え
ている。制御装置８１は、モニタ８２、燃料ガス温度計
８３、燃料ガス圧力計８４、燃料ガス加湿器温度計８
５、酸化剤ガス温度計８６、酸化剤ガス圧力計８７およ
び酸化剤ガス加湿器温度計８８に接続され、燃料ガス圧
力調整弁６８と酸化剤ガス圧力調整弁７８とに接続され
ている。

【００５４】スタック５２は、２つの端子９１を備え、
外部装置９２に２つの端子９１から電力を供給してい
る。モニタ８２は、２つの端子９１に接続され、外部装
置９２の負荷を測定し、スタック５２が出力するセル電
圧を測定する。外部装置９２の負荷とは、燃料電池シス
テム５１から外部装置９２に供給される電力量を示す。
燃料ガス温度計８３は、燃料ガス供給管６６の途中に設
けられ、スタック５２に供給される燃料ガス６９の温度
を測定する。燃料ガス圧力計８４は、燃料ガス供給管６
６の途中に設けられ、スタック５２に供給される燃料ガ
ス６９の圧力を測定する。燃料ガス加湿器温度計８５
は、燃料ガス加湿器６２の内部に設けられ、燃料ガス加
湿器６２の温度を測定する。

【００５５】酸化剤ガス温度計８６は、酸化剤ガス供給
管７６の途中に設けられ、スタック５２に供給される酸
化剤ガス７９の温度を測定する。酸化剤ガス圧力計８７
は、酸化剤ガス供給管７６の途中に設けられ、スタック
５２に供給される酸化剤ガス７９の圧力を測定する。酸
化剤ガス加湿器温度計８８は、酸化剤ガス加湿器７２の
内部に設けられ、酸化剤ガス加湿器６２の温度を測定す
る。

【００５６】制御装置８１は、情報処理装置である。制
御装置８１は、スタック５２のセル電圧、外部装置９２
の負荷、燃料ガス加湿器６２の温度および燃料ガス６９
の温度、圧力に基づいて燃料ガス圧力調整弁６８の動作
を制御し、スタック５２のセル電圧、外部装置９２の負
荷、酸化剤ガス加湿器７２の温度および酸化剤ガス７９
の温度、圧力に基づいて酸化剤ガス圧力調整弁７８の動
作を制御する。

【００５７】以下、本発明による燃料電池システム５１
の動作について説明する。燃料ガス供給装置６１は、燃
料ガス加湿器６２を介してスタック５２に燃料ガス６９
を供給する。燃料ガス６９としては、水素、メタンが例
示される。燃料ガス加湿器６２は、燃料ガス６９を加湿
して、スタック５２に供給する。酸化剤ガス供給装置７
１は、酸化剤ガス加湿器７２を介してスタック５２に酸
化剤ガス７９を供給する。酸化剤ガス７９としては、酸
素、大気が例示される。酸化剤ガス加湿器７２は、酸化
剤ガス７９を加湿して、スタック５２に供給する。

【００５８】スタック５２は、加湿された酸化剤ガスと
加湿された燃料ガスとを電気化学的に反応させて発電を
行う。スタック５２は、固体高分子電解質膜が２つの触
媒電極に挟まれた構造を有する。触媒電極としては、例
えば白金が使用される。触媒電極のうちの一方には、燃
料ガス６９が供給され、他方には、酸化剤ガス７９が供
給される。燃料ガス６９が供給される触媒電極は、燃料
ガス６９から水素イオンを生成する。水素イオンは、固
体高分子電解質膜を介して、酸化剤ガス７９が供給され
る触媒電極に輸送される。酸化剤ガス７９が供給される
触媒電極では、水素イオンと酸化剤ガスとが電気化学反
応して水が生成される。このような電気化学反応が発生
する過程において、２つの触媒電極の間に起電力が発生
し、電力として取り出される。

【００５９】スタック５２は、発電に利用されない残余
の燃料ガス６９と酸化剤ガス７９とを排出する。

【００６０】燃料ガス加湿器６２に由来する水分が水滴
になり、その水滴がスタック５２内の燃料ガス６９の流
路を閉塞させることにより、スタック５２のセル電圧は
低下する。さらに、酸化剤ガス加湿器７２に由来する水
分と電気化学反応により生成される水とが水滴になり、
その水滴がスタック５２内の燃料ガス６９の流路を閉塞
させることにより、スタック５２のセル電圧は低下す
る。制御装置８１は、モニタ８２によりセル電圧の低下
を観測したとき、燃料ガス圧力調整弁６８の出力を上げ
てスタック５２に供給される燃料ガス６９の流速を大き
くし、酸化剤ガス圧力調整弁７８の出力を上げてスタッ
ク５２に供給される酸化剤ガス７９の流速を大きくし、
水滴による閉塞を解消する。このような制御は、燃料電
池システム５１が生成する電力を安定に外部装置９２に
供給する効果を奏する。

【００６１】モニタ８２により燃料電池システム５１か
ら外部装置９２に供給される電力量の低下を観測したと
き、制御装置８１は燃料ガス圧力調整弁６８の出力を下
げて、酸化剤ガス圧力調整弁７８の出力を下げて、燃料
電池システム５１が消費するエネルギーを低減する。

【００６２】燃料ガス６９の温度が低下するとき、燃料
ガス６９に混合されている水分は、水滴が生成され易く
なる。制御装置８１は、燃料ガス温度計８３により燃料
ガス６９の温度の低下を観測したとき、燃料ガス圧力調
整弁６８の出力を上げてスタック５２に供給される燃料
ガス６９の流速を大きくし、水滴による閉塞を解消す
る。このような制御は、燃料電池システム５１が生成す
る電力を安定に外部装置９２に供給する効果を奏する。

【００６３】酸化剤ガス７９の温度が低下するとき、酸
化剤ガス７９に混合されている水分は、水滴が生成され
易くなる。制御装置８１は、酸化剤ガス温度計８６によ
り酸化剤ガス７９の温度の低下を観測したとき、酸化剤
ガス圧力調整弁７８の出力を上げてスタック５２に供給
される酸化剤ガス７９の流速を大きくし、水滴による閉
塞を解消する。このような制御は、燃料電池システム５
１が生成する電力を安定に外部装置９２に供給する効果
を奏する。

【００６４】燃料ガス６９の圧力が低下するとき、燃料
ガス６９に混合されている水分が多くなり、水滴が生成
され易くなる。制御装置８１は、燃料ガス圧力計８４に
より燃料ガス６９の圧力の低下を観測したとき、燃料ガ
ス圧力調整弁６８の出力を上げてスタック５２に供給さ
れる燃料ガス６９の流速を大きくし、水滴による閉塞を
解消する。このような制御は、燃料電池システム５１が
生成する電力を安定に外部装置９２に供給する効果を奏
する。

【００６５】酸化剤ガス７９の圧力が低下するとき、酸
化剤ガス７９に混合されている水分が多くなり、水滴が
生成され易くなる。制御装置８１は、酸化剤ガス圧力計
８７により酸化剤ガス７９の圧力の低下を観測したと
き、酸化剤ガス圧力調整弁７８の出力を上げてスタック
５２に供給される酸化剤ガス７９の流速を大きくし、水
滴による閉塞を解消する。このような制御は、燃料電池
システム５１が生成する電力を安定に外部装置９２に供
給する効果を奏する。

【００６６】燃料ガス加湿器６２の温度が上昇すると
き、燃料ガス６９に混合される水分は多くなり、水滴が
生成され易くなる。制御装置８１は、燃料ガス加湿器温
度計８５により燃料ガス加湿器６２の温度の上昇を観測
したとき、燃料ガス圧力調整弁６８の出力を上げてスタ
ック５２に供給される燃料ガス６９の流速を大きくし、
水滴による閉塞を解消する。このような制御は、燃料電
池システム５１が生成する電力を安定に外部装置９２に
供給する効果を奏する。

【００６７】酸化剤ガス加湿器７２の温度が上昇すると
き、酸化剤ガス７９に混合される水分は多くなり、水滴
が生成され易くなる。制御装置８１は、酸化剤ガス加湿
器温度計８８により酸化剤ガス加湿器７２の温度の上昇
を観測したとき、酸化剤ガス圧力調整弁７８の出力を上
げてスタック５２に供給される酸化剤ガス７９の流速を
大きくし、水滴による閉塞を解消する。このような制御
は、燃料電池システム５１が生成する電力を安定に外部
装置９２に供給する効果を奏する。

【００６８】

【発明の効果】本発明による燃料電池システムは、セル
電圧と負荷とに基づいてスタックに供給される燃料ガス
と酸化剤ガスとの流速を制御する。その結果、水滴によ
る閉塞を防止することができ、電力を安定して生成する
ことができる。さらに、燃料電池システムがブロアを用
いて燃料ガスと酸化剤ガスとをスタックに供給している
とき、消費電力をより小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による燃料電池システムの実施
の形態を示すブロック図である。

【図２】図２は、本発明による燃料電池システムの実施
の他の形態を示すブロック図である。

【図３】図３は、公知の燃料電池システムの実施の形態
を示すブロック図である。

【図４】図４は、単位セルを示す断面図である。

【符号の説明】

１…燃料電池システム ２…スタック ３…燃料ガス系統 ４…酸化剤ガス系統 ５…制御系統 １１…燃料ガス供給装置 １２…燃料ガス加湿器 １３…燃料ガス気液分離器 １４…燃料ガス循環ブロア １５…燃料ガス逆止弁 １６…燃料ガス供給管 １７…燃料ガス排出管 １９…燃料ガス ２１…酸化剤ガス供給装置 ２２…酸化剤ガス加湿器 ２３…酸化剤ガス気液分離器 ２４…酸化剤ガス循環ブロア ２５…酸化剤ガス逆止弁 ２６…酸化剤ガス供給管 ２７…酸化剤ガス排出管 ２９…酸化剤ガス ３１…制御装置 ３２…モニタ ３３…燃料ガス温度計 ３４…燃料ガス圧力計 ３５…燃料ガス加湿器温度計 ３６…酸化剤ガス温度計 ３７…酸化剤ガス圧力計 ３８…酸化剤ガス加湿器温度計 ５１…燃料電池システム ５２…スタック ５３…燃料ガス系統 ５４…酸化剤ガス系統 ５５…制御系統 ６１…燃料ガス供給装置 ６２…燃料ガス加湿器 ６６…燃料ガス供給管 ６８…燃料ガス圧力調整弁 ６９…燃料ガス ７１…酸化剤ガス供給装置 ７２…酸化剤ガス加湿器 ７６…酸化剤ガス供給管 ７８…酸化剤ガス圧力調整弁 ７９…酸化剤ガス ８１…制御装置 ８２…モニタ ８３…燃料ガス温度計 ８４…燃料ガス圧力計 ８５…燃料ガス加湿器温度計 ８６…酸化剤ガス温度計 ８７…酸化剤ガス圧力計 ８８…酸化剤ガス加湿器温度計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷 俊宏 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 DD00 KK02 KK05 KK44 MM03 MM08

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスと酸化剤ガスとにより電力を生
   成するスタックと、 前記スタックのセル電圧と前記電力が供給される外部装
   置の負荷とを監視するモニタと、 前記スタックに前記燃料ガスを流速可変に供給する燃料
   ガス流速制御装置と、 前記スタックに前記酸化剤ガスを流速可変に供給する酸
   化剤ガス流速制御装置と、 前記セル電圧と前記負荷とに基づいて前記燃料ガス流速
   制御装置を制御して前記スタックに供給される前記燃料
   ガスの流速を制御し、前記セル電圧と前記負荷とに基づ
   いて前記酸化剤ガス流速制御装置を制御して前記スタッ
   クに供給される前記酸化剤ガスの流速を制御する制御装
   置とを具備する燃料電池システム。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記燃料ガス流速制御装置は、前記スタックが排出する
   前記燃料ガスの残余を前記スタックに前記燃料ガスとし
   て供給する燃料ガス循環ブロアである燃料電池システ
   ム。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記燃料ガスを加圧して前記スタックに供給する燃料ガ
   ス供給装置を更に具備し、 前記燃料ガス流速制御装置は、前記加圧された燃料ガス
   の前記流量を調節する燃料ガス圧力調節弁である燃料電
   池システム。
4. 【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれかにおいて、 前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、 前記加湿器の燃料ガス加湿器温度を測定する燃料ガス加
   湿器温度計とを更に具備し、 前記制御装置は、前記温度に更に基づいて前記燃料ガス
   流速制御装置を制御する燃料電池システム。
5. 【請求項５】請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、 前記燃料ガスの温度を測定する燃料ガス温度計を更に具
   備し、 前記制御装置は、前記ガス温度に更に基づいて前記燃料
   ガス流速制御装置を制御する燃料電池システム。
6. 【請求項６】請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、 前記燃料ガスの圧力を測定する燃料ガス圧力計を更に具
   備し、 前記制御装置は、前記圧力に更に基づいて前記燃料ガス
   流速制御装置を制御する燃料電池システム。
7. 【請求項７】請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、 前記酸化剤ガス流速制御装置は、前記スタックが排出す
   る前記酸化剤ガスの残余を前記スタックに前記酸化剤ガ
   スとして供給する酸化剤ガス循環ブロアである燃料電池
   システム。
8. 【請求項８】請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、 前記酸化剤ガスを加圧して前記スタックに供給する酸化
   剤ガス供給装置を更に具備し、 前記酸化剤ガス流速制御装置は、前記加圧された酸化剤
   ガスの前記流量を調節する酸化剤ガス圧力調節弁である
   燃料電池システム。
9. 【請求項９】請求項１、請求項７または請求項８のいず
   れかにおいて、 前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器と、 前記加湿器の酸化剤ガス加湿器温度を測定する酸化剤ガ
   ス加湿器温度計とを更に具備し、 前記制御装置は、前記温度に更に基づいて前記酸化剤ガ
   ス流速制御装置を制御する燃料電池システム。
10. 【請求項１０】請求項１、請求項７、請求項８または請
    求項９のいずれかにおいて、 前記酸化剤ガスの温度を測定する酸化剤ガス温度計を更
    に具備し、 前記制御装置は、前記ガス温度に更に基づいて前記酸化
    剤ガス流速制御装置を制御する燃料電池システム。
11. 【請求項１１】請求項１、請求項７、請求項８、請求項
    ９または請求項１０のいずれかにおいて、 前記酸化剤ガスの圧力を測定する酸化剤ガス圧力計を更
    に具備し、 前記制御装置は、前記圧力に更に基づいて前記酸化剤ガ
    ス流速制御装置を制御する燃料電池システム。