JP2004119044A - 移動体用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率のよい水マネジメントができる移動体用燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料、酸化ガス、水のうち少なくとも燃料と酸化ガスを用いて燃料ガスを生成する改質システムと、燃料ガスと酸化ガス（カソード空気）を用いて発電を行うスタック５と、を備える。さらに、スタック５からの排ガスを用いて加湿を行う第一加湿器１２と、発電に伴って生じる熱の少なくとも一部を吸収する流体、ここでは発電に用いるカソード空気と、を備える。改質に用いる酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の、少なくとも一部を、第一加湿器１２とカソード空気により加湿する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスにより発電を生じる燃料電池スタックと、燃料を改質したガスを燃料電池スタックに供給する改質システムからなる燃料電池システムに関するもので、主として移動体、例えば燃料電池自動車等に搭載することを目的とする燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両等の移動体の動力源で環境の観点から望ましいものとして、高効率の燃料電池が挙げられる。移動体用の燃料電池として有力と目されている固体高分子電解質型の燃料電池では、一般に水素と酸素の電気化学反応を用いて発電を行う。
【０００３】
燃料となる水素は、貯蔵手段から供給される場合や、天然ガス、アルコール、ガソリン等の燃料を改質して水素を発生させて供給する場合等が考えられる。改質ガスを燃料電池スタックに供給する改質型燃料電池システムでは、スタックセル内だけではなく、改質システムにおいても水を使用する。このため、改質システムを含めた燃料電池システム全体として、水を枯渇させないような水収支のマネジメントが重要である。また、蒸発および凝縮に伴い大きなエネルギが吸収・放出されるので、運転効率に大きく関わってくる点からも水および熱のマネジメントは重要である。
【０００４】
従来の燃料電池システムとしては、加温された水との接触により空気と炭化水素系の燃料とを含む原料ガスを加湿してから改質システムに供給し、水素を含む改質ガスを生成するものが知られている。ここでは、加湿を行う加温された水として、燃料電池を冷却して温度が上昇した冷却水を用いる。これにより、空気に含まれる水蒸気の分圧を高めてより多くの水蒸気を空気、ひいては原料ガスに含有させる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池における発電に伴う熱を用いて水を加温する加温手段と、加温された水に接触させることにより原料ガスを加湿する水蒸気供給手段と、水蒸気供給手段の水を加熱可能な加熱手段を備えたものが知られている。ここでは、加熱手段が水蒸気供給手段の水をさらに加熱するので、水と接触して加湿される気体の水蒸気分圧を高くすることができる。その結果、原料ガスに含まれる水蒸気の混合比を増大している（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３３０１０１号公報
【特許文献２】
特開２０００−３０６５９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら特開平１０−３３０１０１号公報には、水蒸気供給装置を省きつつも改質ガスを加湿する方法が記載されているが、移動体用としての水マネジメントについては言及していない。また、特開２０００−３０６５９４号公報には、改質用の水を増大するために加熱手段で水蒸気供給手段の水を加熱しているが、この追加蒸発を行うためには燃料が必要となる。ここではアノード排ガスを燃料としてエネルギを消費しているので、効率向上の面から考えると改善の余地がある。
【０００８】
本発明は上記の問題を鑑みて、効率のよい水マネジメントができる移動体用燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行うスタックと、スタックからの排ガスを用いて加湿を行う第一加湿手段と、発電に伴って生じる熱の少なくとも一部を吸収する流体と、前記流体を用いて加湿を行う第二加湿手段と、燃料、酸化ガス、水のうち少なくとも燃料と水を用いて前記燃料ガスを生成する改質システムと、を備える。改質に用いる酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の、少なくとも一部を、前記第一加湿手段と前記第二加湿手段により加湿する。
【００１０】
【作用及び効果】
スタックからの排ガスを用いて加湿を行う第一加湿手段と、発電に伴って生じる熱の少なくとも一部を吸収する流体と、流体を用いて加湿を行う第二加湿手段と、を備え、改質に用いる酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の、少なくとも一部を、第一加湿手段と第二加湿手段により加湿する。これにより、スタックからの排ガスにより加湿するだけでなく、スタックで生じる熱を吸収した流体により、必要に応じて複数回の加湿ができる。その結果、無駄な燃料を消費することなく十分な加湿を行うことができ、効率のよいマネジメントを行うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略を図１に示す。ここでは、水、燃料等を補充するのに手間のかかる、例えば移動体の駆動源として用いる改質型燃料電池システムについて説明する。以下、燃料電池システム内の水収支を合わせ、システム内で水を循環させるために消費するエネルギを抑制するための構成を中心に説明する。
【００１２】
燃料電池システムに空気を導入する空気ブロア１０と、導入された空気を加湿する第一加湿器１２、加湿された空気のうち改質反応に用いる空気をさらに加湿する第二加湿器１１、第二加湿器１１で加湿された空気に改質燃料および水を混入する導入部３１を備える。また、タンク等の貯蔵手段にバルブ等を備えることにより導入部３１へ適量の水を供給する水供給部８と、適量の改質燃料を供給する燃料供給部９を備える。第一加湿器１２および第二加湿器１１を用いて十分に加湿を行った空気に、導入部３１において改質燃料及び水（水蒸気）を混入することで原料ガスを生成する。
【００１３】
このように生成した原料ガスを用いて改質を行う改質システムを備える。ここでは、改質反応により改質ガスを生じる改質部１、改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ変成部２およびＣＯ除去部３を備える。改質部１で生成した改質ガス中のＣＯを、変成部２、ＣＯ除去部３においてスタック５の劣化原因とならない程度まで低減することにより、燃料ガスを生成する。
【００１４】
スタック５は、水素と酸素を用いて起電力を生じる発電装置である。スタック５の燃料極へは前述した改質システムにおいて生成された水素を含有する燃料ガスを、空気極には第一加湿器１２において加湿された空気の一部を酸化ガスとして供給し、電気化学反応を生じることにより起電力を生じる。
【００１５】
ここで、スタック５の空気極に空気入口部３８を介して供給された空気（以下、カソード空気）は、中間排出部３６から一旦スタック５の外部に排出され、後述する折り返し部３３ｃに配置した第二加湿器１１に供給される。第二加湿器１１では、発電に伴って生じたカソード空気中に含まれる生成水を用いて、改質用の空気を加湿する。ここでは例えば第二加湿器１１として水を選択的に透過する水分離膜を用いた膜加湿器を用いる。カソード空気は加湿源として生成水を供給した後、第二加湿器１１から排出され、中間供給部３７を介して再びスタック５で発電に使用されてから、空気出口部３９を介して排出される。
【００１６】
スタック５の下流側には、空気出口部３９から排出された排カソード空気中の水分を凝縮・回収するコンデンサ７を備える。また、燃料極からの排燃料ガスを燃焼処理する燃焼器６を備える。コンデンサ７では供給された排カソード空気および排燃料ガス中の水分を凝縮、回収する。コンデンサ７で回収された水は水供給部８に貯蔵され、必要に応じて再び導入部３１へ、またはシステム内の水不足が生じた部分へ供給される。
【００１７】
コンデンサ７から排出された排カソード空気と排燃料ガスの混合ガスを、前述した第一加湿器１２に供給して、外部から空気ブロア１０によりシステム内に導入される空気を加湿する。
【００１８】
さらに、スタック５には冷却システムを備える。ここでは、冷却水を冷却水入口部２０を介してスタック５内に供給し、冷却水出口部２１を介して排出する冷却水循環路１３を備える。冷却水循環路１３には、図示しない冷却水ポンプとラジエータを備え、冷却水の流量および温度を調整可能とする。
【００１９】
さらに、このような燃料電池システムを制御するためのコントローラ２５を備え、各構成装置を制御する。
【００２０】
次に、スタック５内のカソード空気および冷却水の流路について図２を用いて説明する。
【００２１】
カソード空気は、スタック５内の流路（以下、空気流路３３）の上流側３３ａを流れ、折り返し部３３ｃで一旦スタック５の外部に排出されて第二加湿器１１を通過してから、再びスタック５の下流部３３ｂに供給される。折り返し部３３ｃのスタック５から一旦排出されたカソード空気中には、空気流路３３の上流側３３ａにおける発電反応に伴って生成された生成水が含まれる。そこで、スタック５から一旦排出されたカソード空気と、改質用の空気とを第二加湿器１１に供給して、カソード空気中の水分を改質用の空気に移動させる。これにより、第一加湿器１２で加湿した空気をさらに加湿してから改質システムに供給することができ、改質反応に必要な水分を確保することができる。
【００２２】
また、スタック５から一旦排出されたカソード空気を、第二加湿器１１を介して再びスタック５の空気流路下流側３３ｂに供給する。下流側３３ｂでさらに発電反応を生じるので、それに伴って生成水が生じるが、第二加湿器１１においてカソード空気の除湿を行っているため、下流側３３ｂにおけるフラッディングを抑え発電効率を維持することができる。
【００２３】
また、スタック５内に冷却水循環路１３の一部である冷却水流路３４を構成する。ここでは、冷却水流路下流側３４ｂを空気流路上流側３３ａに隣接して構成する。冷却水は冷却水流路３４に沿って下流にいくに従って、発電に伴う熱を吸収して高温となる。よって、空気流路上流側３３ａに供給されたカソード空気を、下流側３４ｂの冷却水から供給される熱と発電反応に伴う熱により昇温させることができる。
【００２４】
さらに、空気流路上流側３３ａと冷却水流路下流側３４ｂとで、カソード空気と冷却水が略同一方向に流れるように形成する。これにより、カソード空気が一旦排出される中間排出３６付近でカソード空気は最も高温となる。特に、冷却水のスタック５からの出口部である冷却水出口部２１と、カソード空気の中間排出部３６とを近くに構成する。これにより、スタック５から一旦排出されるカソード空気を、冷却水出口部２１付近で最も高温となったの冷却水を用いて加熱して、加湿源として使用するカソード空気の温度を効率的に上昇させる。
【００２５】
なお、このとき折り返し部３３ｃにおけるカソード空気の温度が、第一加湿器１２におけるスタック５からの排ガスを用いた加湿を行ったときの温度より高くなるようにする。これにより、第二加湿気１１において加湿用の空気の温度を上昇させて飽和水蒸気圧を増大させ、加湿用の空気をさらに加湿する。
【００２６】
さらに、空気流路下流側３３ｂと冷却水流路上流側３４ａとを隣接して構成し、効率的な熱交換を可能とする。このとき、空気流路下流側３３ｂを流れるカソード空気と、冷却水流路上流側３４ａを流れる冷却水と、の流れが略対向するように構成することで、空気流路下流側３３ｂから排出されるカソード空気を低温とすることができる。このように、スタック５内でカソード空気を十分冷却してからコンデンサ７に供給することで、水収支を取るための凝縮熱が少なくてすむ。
【００２７】
第二加湿器１１に加湿源として通過させるカソード空気が高温高湿の状態になるように構成することで、第二加湿器１１を通過する改質用の空気の温度を上昇させ、十分に加湿することができる。
【００２８】
次に、本実施形態で説明した燃料電池システムおける効果を説明する。
【００２９】
燃料、酸化ガス、水のうち少なくとも燃料と酸化ガスを用いて燃料ガスを生成する改質システムと、燃料ガスと酸化ガス（カソード空気）を用いて発電を行うスタック５と、を備える。さらに、スタック５からの排ガスを用いて加湿を行う第一加湿器１２と、発電に伴って生じる熱の少なくとも一部を吸収する流体、ここでは発電に用いるカソード空気と、カソード空気を用いて加湿を行う第二加湿器１１と、を備える。改質に用いる酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の、少なくとも一部を、第一加湿器１２と第二加湿器１１により加湿することで、排ガスを用いて加湿するだけでなく、発電により生じた熱を用いて複数回の加湿を行うことができる。排ガスを用いて加湿を行うことで、例えば排ガス中に含まれる水を再利用したり、スタック５からの廃熱を用いて加湿を行うことで、燃料電池システムのエネルギ効率を向上したりすることができる。これにより、効率良く十分な加湿を行い、燃料電池システムの水収支および燃料効率を向上することができる。
【００３０】
スタック５内にカソード空気の流れる空気流路３３を設け、空気流路３３の途中に、カソード空気を用いて改質に用いる酸化ガス（空気）または燃料の少なくとも一方の少なくとも一部、ここでは空気を加湿する折り返し部３３ｃを備える。このように、空気流路３３に加湿を行うための折り返し部３３ｃを形成することで、複雑な形状の空気流路３３を用いても加湿を行い易い構成とすることができる。ここでは、スタック５外部に折り返し部３３ｃを形成し、第二加湿器１１を設けることにより加湿を行いやすい構成としている。
【００３１】
また、改質に用いる空気または燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を、第一加湿器１２により加湿してから第二加湿器１１において加湿する。このとき、第二加湿器１１の温度を第一加湿器１２の温度より高くすることで、第二加湿器１１において改質用の空気の飽和水蒸気圧を上昇させることができ、さらに多くの水分を含有させることができる。
【００３２】
スタック５の熱を回収して改質用の空気または燃料の少なくとも一部の加湿に用いる流体として気体を用いる。これにより、スタック５からの排ガスを用いて加湿するだけでなく、発電によって生じた熱を回収した気体により、必要に応じて多数回の加湿ができる構成であるため、簡単な構成で多くの加湿を可能にすることができる。なお、ここでの燃料電池からの排ガスとは排燃料ガス、排カソード空気、また、燃料極の後流にバーナ等を設け、残燃料を燃焼させて生成した排ガスを指し、特に限定するものではない。
【００３３】
また、気体としてスタック５における発電に用いるカソード空気を用い、スタック５を流れる空気流路３３の途中に折り返し部３３ｃを構成する。これにより、カソード空気中に含まれる発電に伴って生じた生成水を加湿に用いることができ、水収支を向上させることができる。また、加湿源としてカソード空気を用いるのはカソード空気中の水蒸気を低減することであり、空気流路下流側３３ｂではフラッディングを抑制してスタック５の限界電流密度を向上することができる。加えて、加湿源として使用した後には、カソード空気中の酸素分圧比が上昇するのでスタック５における発電を促進することができる。
【００３４】
スタック５内部を一部とする冷却水の流路である冷却水循環路１３を備え、冷却水循環路１３のスタック５からの冷却以出口部２１を、折り返し部３３ｃの近傍に形成する。これにより、折り返し部３３ｃに供給されるカソード空気の温度が上昇して、スタック５からより多くの水蒸気を持ち出すことができる。したがって、カソード空気によりスタック５からより多くの排熱回収を行い、またカソード空気を用いてより多くの加湿を行うことができる。
【００３５】
このように、燃料と水と酸化ガスのうち少なくとも燃料と水を用いて発電に用いる燃料ガスを生成する改質システムと、発熱を伴って発電を生じるスタック５と、スタック５からの排ガスを用いて、改質システムに用いる水の一部を供給する第一加湿器１１と、スタック５で生じる熱を用いて、改質システムに用いる水の一部を供給する第二加湿器１２と、を備える。これにより、水収支および燃料効率を向上した燃料電池システムを構成することができる。
【００３６】
第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略を第１の実施形態と同様とし、スタック５内の空気流路３３、冷却水流路３４の概略を図３に示す。
【００３７】
空気流路上流側３３ａを発電面の略半分、図３においては上側半分に形成し、空気流路下流側３３ｂを下側半分に形成する。ここでは、カソード空気は左上方の空気入口部３８から供給され、上側半分を上下に蛇行しながら発電面を空気流路上流側３３ａに沿って右方向に流れる。右側上方の中間排出部３６から一旦排出されて第二加湿器１１に供給され、右側下方の中間供給部３７より再びスタック５に供給される。供給されたカソード空気は、発電面の下側半分を上下に蛇行しながら空気流路下流側３３ｂに沿って左方向に流れ、左側下方の空気出口部３９から排出される。
【００３８】
これに対して、冷却水流路３４を発電面の斜め方向に蛇行するように構成する。図３においては、左側下方の空気出口部３９付近に冷却水入口部２０を構成し、右上方向の冷却水出口部２１に向かって発電面を覆うように蛇行する流路を形成する。ここで、冷却水出口部２１と中間排出部３６を近くに構成し、スタック５から一旦排出されるカソード空気が高温となるようにする。
【００３９】
このように構成することで、カソード空気が空気流路上流部３３ａを流れる際には、近くに形成された冷却水流路３４の略下流部分（下流側３４ｂに相当）から受ける熱と発電に伴う熱により温度が上昇する。空気流路上流部３３ａを通って中間排出部３６から排出されるカソード空気は、発電に伴う生成水を含有するとともに高温となっているので、第二加湿器１１で改質用空気の温度を上昇させて効率のよい加湿を行うことができる。また、空気流路下流３３ｂは、冷却水の高温部から低温部、つまり冷却水流路３４の上流側に向かって流れる。ここでは特に、空気出口部３９を冷却水入口部２０の近傍に構成して、空気出口部３９から排出されるカソード空気を低温とする。
【００４０】
このように、空気流路上流部３３ａを冷却水流路３４の略上流部分付近に構成し、空気流路下流部３３ｂを冷却水流路３４の略下流部付近に構成することで、より簡単な構成で第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
特に、空気出口部３９を、冷却水入口部２０の近傍に形成することで、スタック５からの排ガス温度を低く抑えることができるので、水収支のための水回収で排ガスを冷却する熱量が減る。すなわち、ラジエータ等で放熱する熱量が減ることを意味しており、冷却関連の部品の小型化が可能となる。
【００４２】
次に第３の実施形態を説明する。ここで用いる燃料電池システムの概略を図４に示し、スタック５内の空気流路３３および冷却水流路３４の形状を図２または図３と同様とする。
【００４３】
燃料電池システムの構成について説明する。ここでは第１の実施形態に用いた燃料電池システムと異なる点のみを説明する。
【００４４】
スタック５の空気極の折り返し部３３ｃをスタック５内部に構成する。スタック５内折り返し部３３ｃに隣接して改質器システムに供給する空気を流し、折り返し部３３ｃを流れるカソード空気と、改質用の空気との間に水透過膜等を配置することにより第二加湿部２７（第１実施形態の第二加湿器１１に相当）を構成する。
【００４５】
また、冷却水循環路１３に、冷却水を循環させる冷却水ポンプ２８、冷却水の温度を調整するラジエータ２９、ラジエータ２９に供給する冷却水流量を調整するバルブ３０を備える。また、冷却水出口部２１付近の温度を検出する温度センサ４０を備え、この検出結果をコントローラ２５に入力する。ここで、コントローラ２５は、燃料電池システム全体の制御手段でもよいし、または、循環する冷却水温度の調整を行う制御手段としてもよい。
【００４６】
次に、このようなコントローラ２５における冷却水温度の制御方法を、図５のフローチャートを用いて説明する。ここでは、冷却水ポンプ２８により冷却水出口部２１の温度を調整して、スタック５の冷却および改質用の空気の加湿を制御する。
【００４７】
ステップＳ１１において、車両のアクセル開度を検出する。ステップＳ１２において、温度センサ４０を用いて冷却水出口部２１付近の冷却水の温度（燃料電池出口温度Ｔｅ）を検出する。
【００４８】
次に、ステップＳ１３において、冷却水ポンプ２８により循環する冷却水の流量が適切であるかどうかを判断する。ここでは、燃料電池出口温度Ｔｅと所定温度Ｔａ、Ｔｂとを比較することにより冷却水温度、ひいては冷却水流量が適切かどうかを判断する。ここで、所定温度の範囲をＴａより大きくＴｂ以下とし、この範囲は、スタック５の冷却および改質用の空気の加湿を効率良く行うことができる冷却水の温度範囲とする。これは例えばアクセル開度に応じて予め実験等により設定しておく。つまり、Ｔａ以下の温度領域では、空気流路３３内を流れるカソード空気が第二加湿部２７において改質用の空気に水分を供給するのが困難であり、Ｔｂより大きい温度領域ではスタック５の冷却を十分に行うのが困難であるようにＴａ、Ｔｂを設定しておく。このようにアクセル開度、ひいては改質システムで必要とする水蒸気量に応じてスタック５から冷却水の出口温度を変化させることで、必要な加湿量に応じて第二加湿部２７の温度を調整することができる。改質に必要な水の量は、改質器で発生させる水素の量、つまり発電量に応じて決定される。そこで、ここでは発電量に応じて制御するアクセルの開度に応じて制御する冷却水の許容温度領域を設定する。
【００４９】
なお、これに加えて改質システムで生成される水素濃度等を検出することにより、改質システムの状態に応じて加湿する量を設定し、さらにその加湿を行うための冷却水温度を設定することもできる。例えば、改質触媒上に炭化物が析出したような場合に改質に用いる水量を増大することで、生成される水素の量が低減するのを抑制することができる場合がある。このように改質システムの状態に応じて、改質用の空気の加湿を制御する、ひいては冷却水温度を制御することで、発電に用いる水素を適切に生成することができる。
【００５０】
ステップＳ１３において、燃料電池出口温度Ｔｅが所定温度Ｔａ以下であれば、改質用の空気の加湿を十分に行う事ができないと判断してステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では冷却水ポンプ２８を抑制して循環する冷却水の流量を減少させる。これにより、冷却水の燃料電池出口温度Ｔｅが高くなり、ひいては、第二加湿部２７に供給されるカソード空気の温度も高くなるので、改質用の空気を十分に加湿することができる。
【００５１】
一方ステップＳ１３において、燃料電池出口温度Ｔｅが所定温度Ｔａより大きく所定温度Ｔｂ以下であれば、冷却水温度が適切であると判断してステップＳ１５に進む。ここでは冷却水ポンプ２８の吐出量を維持して冷却水温度を維持する。
【００５２】
また、ステップＳ１３において、燃料電池出口温度Ｔｅが所定温度Ｔｂより大きい場合には、スタック５の冷却が十分になされていないと判断して、ステップＳ１６に進む。このときは、改質用の空気を加湿するには十分な冷却水温度だが、スタック５の冷却が十分でないので、冷却水ポンプ２８の吐出量を増大して冷却水温度を低下させる。
【００５３】
このように、冷却水ポンプ２８を制御することにより冷却水温度を調整したら、ステップＳ１７に進み改質反応に必要な燃料、空気、水の流量を算出する。特にステップＳ１４を経た場合には、燃料電池が十分温まっておらず、第二加湿部２７で加湿に用いられる水量も小さいと予測できるので、他の部分からの水の補充が必要となる。ここでは、例えば、システムに供給する燃料量または空気量を増大することにより、改質システムにおいて生成される改質ガス中の水分を増加させる。
【００５４】
ステップＳ１８において、ステップＳ１７で算出した燃料量、空気量、水量に従って、燃料供給部９、空気ブロア１０、水供給部８の吐出量を決定する。
【００５５】
このような制御を所定時間毎または運転条件が変更になる毎に繰り返す。ここでは、アクセル開度の変更を検知したら繰り返し行うことで、スタック５からの排ガスを用いた加湿と、発電に伴う熱を用いた加湿の二段階の加湿を行うことができる。
【００５６】
次に、本実施形態における効果を説明する。ここでは、第１、２実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５７】
折り返し部３３ｃを、スタック５内部に形成する。これにより、燃料電池システムを小型化することができる。
【００５８】
また、スタック５内部を一部とし、冷却水を循環する冷却水循環路１３を備え、改質システムで必要とする水の量に応じて、冷却水出口部２１における冷却水温度を制御する。これにより、折り返し部３３ｃの温度を制御して、第二加湿部２７における加湿量を改質システムに必要な水量とすることができる。
【００５９】
さらに、冷却水出口部２１における冷却水温度を検出する温度センサ４０を備え、冷却水出口部２１における冷却水温度を、温度センサ４０の出力に応じて冷却水の流量を調整することにより制御する。これにより、冷却水温度を非常に簡単に制御することができ、必要な加湿を行うことができる。
【００６０】
なお、本実施形態における制御（図５）は、第１、２の実施形態にも適応することができる。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略を第３の実施形態と同様とし、コントローラ２５で行う制御を図６のフローチャートに示す。ただし、ラジエータ２９から排出される冷却水の温度（ラジエータ出口温度Ｔｒ）を検出する温度センサ４１を備える。ここでは、ラジエータ出口温度Ｔｒに応じてラジエータ２９を調整することにより、冷却水出口部２１の冷却水温度を制御する。
【００６２】
ステップＳ２１において、アクセル開度、温度センサ４０により検出する冷却水の燃料電池出口温度Ｔｅ、温度センサ４１により検出する冷却水のラジエータ出口温度Ｔｒを読み込む。ステップＳ２２において、アクセル開度と、燃料電池温度Ｔｅより推定される燃料電池負荷と、から、冷却水温度がラジエータ２９の出口からスタック５の出口にかけてどう変化するかを演算し、スタック５から排出される冷却水の推定温度Ｔｇをラジエータ出口温度Ｔｒから推定する。
【００６３】
次に、ステップＳ２３において、ラジエータ２９による冷却が適切かどうかを判断する。ここではスタック５から排出される冷却水の推定温度Ｔｇと所定値Ｔｘ、Ｔｙを比較することにより判断する。Ｔｘより大きく、Ｔｙ以下の範囲をラジエータによる冷却が適切であると判断される所定温度範囲とし、これは例えばアクセル開度に応じて予め実験等により設定しておく。
【００６４】
ステップＳ２３において、ＴｇがＴｘ以下の場合は、予測されるよりスタック５の負荷が小さく、スタック５から排出される際の冷却水温度が下がっていると判断する。その補正を行うためにステップＳ２４においてラジエータ２９の電力を減少して冷却を抑制することで、第二加湿部２７に供給されるカソード空気の温度を上昇させて、加湿を行うのに十分な温度に調整する。
【００６５】
一方、Ｔｇが所定温度Ｔｘより大きくＴｙ以下であった場合は、冷却水により温度調整される空気極の温度は、第二加湿部２７に導入される時点で効率的な水の交換を行うのに十分な温度であると判断する。そこで、ステップＳ２５においてラジエータ２９の電力をそのままに維持し、冷却水温度を維持する。
【００６６】
Ｔｇが所定温度Ｔｙより大きい場合には、改質部１へ導入する空気を加湿するには十分な冷却水温度であるが、スタック５を冷却するには温度が高いと判断する。そこで、ステップＳ２６に進み、ラジエータ２９の電力を増大して、冷却水温度を下げる。
【００６７】
ステップＳ２４、２５、２６のいずれかでラジエータ２９の電力を決定したらステップＳ２７に進み、改質に必要とされる燃料、空気、水の流量を算出する。特に、ステップＳ２４を経た場合には、第３の実施形態と同様に改質部１に水蒸気として持ち込む水量が減少するため、他の部分からの水の補充が必要となる。従って、それに応じた燃料および空気を追加し、水を蒸発させる必要が生じる。ステップＳ２８において、ステップＳ２７で算出した燃料量、空気量、水量に応じて、燃料ポンプ、空気ブロア１０、冷却水ポンプ２８の吐出量を調整する。
【００６８】
このような燃料電池システムにおける効果を説明する。ここでは、第３の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６９】
冷却水の放熱を行うラジエータ２９と、ラジエータ２９から排出される冷却水温度を検出する温度センサ４１を備え、冷却水出口部２１における冷却水温度を、温度センサ４１に応じてラジエータ２９の負荷を調整することにより制御する。これにより、ラジエータ２９の駆動状態、外気温度も加味した制御ができ、よりきめ細かい制御を行うことができる。
【００７０】
なお、本実施形態は、第１、第２の実施形態に示したような構成の燃料電池システムに適応することもできる。
【００７１】
次に、第５の実施形態に用いる燃料電池システムの概略を、図７を用いて説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる部分を説明する。
【００７２】
スタック５の空気極には、空気ブロア１０によりシステム内に取り入れた空気（カソード空気）が供給される。空気ブロア１０により取り入れられた空気は空気ブロア１０の下流側で分岐し、一方は第一加湿器１２ａ、他方は第一加湿器１２ｂにおいて加湿される。ここで、第一加湿器１２ａは、凝縮水をコンデンサ７で回収された後の排カソード空気を加湿源として使用する。本実施形態ではコンデンサ７には排カソード空気のみを供給して、排燃料ガスは供給しない。
【００７３】
一方、第一加湿器１２ｂは、スタック５から排出された排燃料ガスを加湿源として用いる。排燃料ガスは、第一加湿器１２ｂで水分を供給した後、燃焼器６において燃焼処理されてから排出される。
【００７４】
このように、本実施形態には、第一段階の加湿を行う加湿器を二つ備え、それぞれの加湿能力に応じて、空気の供給割合を制御する。空気ブロア１０で導入した空気を、第一加湿器１２ａまたは１２ｂにより加湿したら、合流部３２において加湿した空気を合流させる。合流した空気は再び分岐し、一方はスタック５の空気極に、他方は前述した第二加湿器２７においてさらに加湿された後、改質システムに供給される。
【００７５】
また、スタック５には冷却システムを備え、この冷却システムは冷却水として純水を冷却水循環路１３に循環させることにより構成する。純水は、図示しない冷却水ポンプにより冷却水入口部２０からスタック５内部に導入され、燃料ガスの顕熱、酸化ガスの顕熱および電気化学反応に伴う反応熱を吸収して冷却水出口部２１よりスタック５から排出される。ここで、効率のよい熱交換を行うため、スタック５の空気極を流れるカソード空気および燃料極を流れる燃料ガスの流れの方向と、スタック５内を流れる冷却水の流れの方向が逆になるように構成する。
【００７６】
スタック５内で熱を吸収して高温となった冷却水は、第二加湿器１１に供給されて、改質用の空気の加湿を行ってから図示しないラジエータにおいて再び冷却可能な温度に調整される。
【００７７】
このように構成することで、本実施形態では、スタック５内で熱を吸収した冷却水を加湿源として改質用の空気を加湿することができる。このとき、加湿に伴って冷却水循環路１３を循環する純水量が減少するが、コンデンサ７により回収した水を補充することができ、移動体用の燃料電池システム内で水収支を合わせることができる。
【００７８】
なお、本実施形態では、第３、第４実施形態と同様に、改質システムで必要とする水の量に応じて、冷却水出口部２１における冷却水温度を制御する。これにより、多様な改質システムの状態に対応して加湿量を変えられるシステムとすることができる。また、加湿する媒体温度を直接制御するため、より応答性に優れたシステムとすることができる。
【００７９】
次に、本実施形態における燃料電池システムの効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果を説明する。
【００８０】
スタック５内部を一部とし、スタック５の冷却を行う冷却水を循環する冷却水流路３３を備え、スタック５の熱を回収して加湿に用いる流体として冷却水を用いる。これにより、改質に用いる空気または燃料の少なくとも一方の全部または一部を、スタック５からの排ガスを用いた加湿と、発電によって生じた熱を回収した冷却水を用いた加湿と、複数回の加湿ができる。冷却水は、スタック５において十分に熱を吸収するので、スタック５に生じる熱を効率良く加湿に用いることができる。
【００８１】
冷却水として純水を用いることで、スタック５において昇温された純水を直接改質に用いる空気または燃料の加湿に用いることができる。これにより、加湿用の水を十分に循環させることができると共に、簡単な構成で十分な加湿を行うことができる。
【００８２】
本実施形態では、スタック５冷却後の冷却水を第二加湿器１１に供給する。これにより、冷却水が十分高温となった状態で第二加湿気１１に供給することができ、改質用の空気または燃料の温度を上昇させ、十分な加湿を行うことができる。また、スタック５内の冷却水流路３４の途中で、冷却水を第二加湿器１１に供給してもよい。この場合は特に、第二加湿器１１に供給する冷却水の温度を第一加湿器１２ａ、１２ｂの温度より高くすることで、第二加湿器１１においてさらに加湿を行うことができる。また、加湿を行った後の水は、加湿前に比べて温度が下がるため、より効率良くスタック５を冷却することができる。
【００８３】
次に、第６の実施形態を図８に示した概略図を用いて説明する。ここでは複数の燃料電池、ここでは例えば三つのスタック５ａ、５ｂ、５ｃを有する燃料電池システムについて説明する。　図８にはスタック５ａ、５ｂ、５ｃと、それぞれの内部を流れるカソード空気、燃料ガス、および冷却水の流路を示す。
【００８４】
スタック５ａには、燃料ガスとしての改質ガスの流路４２、酸化剤ガスとしてのカソード空気の流路４３、冷却水流路４４を形成する。ここでは、改質ガス流路４２は改質ガスがスタック５ａ内を一方向に流れるように、図８においては上側から下側に向かって流れるように形成する。空気流路４３は、スタック５ａ内を往復するように、ここでは下方の入口部４３ａから上方に向かって流れ、折り返し部４３ｃで加湿に使用されてから、再び下方に向かって流れ、出口部４３ｂから排出されるように構成する。また、冷却水循環路４４は下方の入口部４４ａから導入され、発電面を往復して上方の出口部４４ｂから排出される。
【００８５】
これにより、酸化ガスの折り返し部４３ｃは、冷却水流路４４の出口部４４付近に形成されるので、折り返し部４３ｃにおいて酸化ガスは高温となる。図８には概略を示したが、これは図２や図３に示すような構成としてもよい。
【００８６】
改質部１において必要な空気流量は、スタック５で必要な空気量に比べて少ないため、必ずしも全てのカソード空気を使って加湿を行う必要はない。そこで、ここではスタック５ｂ、５ｃに関しては、折り返し部分４３ｃにおける加湿は行わず、従って、改質ガスと空気が同一方向に流れる構成とする。
【００８７】
スタックを複数のスタック５ａ、５ｂ、５ｃから構成し、少なくとも一つのスタック、ここではスタック５ａを用いて、改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を加湿する。これにより、改質システムへの加湿に用いるスタック５ａとそうでないスタック５ｂ、５ｃに分ける事ができる。すなわち、それぞれのスタックで独立した設計ができ、また別体にできるため車積時、車両レイアウト上の自由度が増すシステムとすることができる。
【００８８】
次に、第７の実施形態について説明する。ここでは、図１、図４に示すような燃料電池システムにおいて、図９に示すような流路を有する単一のスタック５を備えたものについて説明する。
【００８９】
図９は、模式的に一部の流路を示し、ここでは酸化ガスとしてのカソード空気の流路である空気流路４５、冷却水の流路である冷却水流路４６を示す。空気流路４５と冷却水流路４６を積層方向に交互に備え、ここではそれぞれ三つの流路、空気流路４５ａ〜４６ｃ、冷却水流路４６ａ〜４６ｃを示す。ここで、燃料極に供給される改質ガスの流路は省略する。
【００９０】
図９においては、カソード空気のうち空気流路４５ａ、４５ｂを流れるカソード空気を非加湿用として、空気流路４５ｃを流れるカソード空気を加湿用として用いる。そのため、加湿用空気流路４５ｃには折り返し部４７を形成して図示しない加湿器等を備え、また、スタック５から折り返し部４７に排出される部分と、加湿用空気流路４５ｃに隣接する冷却水流路４６ｃの出口部とを近くに構成する。つまり、例えば図２、図３のような構成として、カソード空気が折り返し部４７に一度排出される際に、高温高湿となるようにする。
【００９１】
一方、非加湿用空気流路４５ａ、４５ｂには折り返し部は構成せず、またそれらに隣接する冷却水流路４６ａ、４６ｂ内の冷却水の流れと、非加湿用空気流路４５ａ、４５ｂ内のカソード空気の流れが対向するように構成する。
【００９２】
このようにスタック５を、単セルを複数積層することにより構成して、スタック５のセルの積層方向の一部に流れる流体、ここではカソード空気を用いて、改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を加湿する。これにより単セルのスタッキングを同じ配列の繰り返しとし、ガスのマニホルド長の設計で、改質空気加湿用とそうでないものとに分ける事ができ、設計効率の向上ができる。
【００９３】
次に、第８の実施形態について図１０を用いて説明する。ここでは一つのセル内の発電面に形成した空気流路４８のうち、一部を加湿として、一部を非加湿として使用する。
【００９４】
空気極を流れるカソード空気の流路を非加湿用空気流路４８ａと加湿用空気流路４８ｂに分割して構成する。非加湿用空気流路４８ａを上方から下方に向かって流れる流路とする。一方、加湿用空気流路４８ｂを後述する冷却水流路４９に沿って上方から下方に流れ、冷却水流路４９のスタック５からの出口付近を経てから折り返し部５０において加湿を行う構成とする。また冷却水流路４９は、一部が非加湿用空気流路４８ａに沿って流れ、一部が加湿用空気流路４８ｂの折り返し部５０の上流側と対向して流れるように構成する。
【００９５】
ここでは、冷却水流路４９の出口と加湿用空気流路４８ｂの折り返し部５０への排出部を近くに構成していないが、カソード空気が折り返し部５０に排出されるまでに十分な熱や湿度を得ることができていれば、必ずしも両者を近くに構成する必要はない。また、非加湿用空気流路４８ａにおいて、スタック５から排出されるカソード空気の温度をさらに低温にしたい場合には、カソード空気が下方から上方に向かって流れるように構成してもよい。これにより、非加湿用空気流路４８ａ内のカソード空気は、隣接する冷却水循環路４９内の高温領域から低温領域に向かって流れるので、排出されるカソード空気を低温の冷却水により効率良く冷却することができる。
【００９６】
このようにスタック５の発電面内に流体の流路、ここでは空気流路４８を備え、発電面内の空気流路４８の一部（加湿用空気流流路４８ｂ）を用いて、改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を加湿する。これにより改質空気加湿用とそうでないもののマニホルドを同一方向に揃えたり、スタックに対して互いに反対の位置にしたりする事ができる等、設計自由度が増える。
【００９７】
次に、第９の実施形態について説明する。ここで用いるスタック５内の流体の流路の形状図１１に示す。ここでは、第８の実施形態と同様の一つのプレート内に、非加湿用空気流路５１ａと加湿用空気流路５１ｂを構成する。
【００９８】
ここでは、冷却水循環路５２を蛇行しながら上方から下方に向かう流路とする。これに対して非加湿用空気流路５１ａを、発電面の上方部分について下方から上方に向かうように形成する。加湿用空気流路５１ｂは、発電面の下方部分における冷却水循環路５２の低温領域から高温領域に向かって流れ、折り返し部５３で加湿を行ってから、再び発電面上を冷却水循環路５２の入口に向かって流れる。
【００９９】
これにより、冷却水と非加湿用空気流路５１ａを流れるカソード空気とを対向して流すことができるので、冷却性能を向上することができる。また、加湿用空気流路５１ｂを流れるカソード空気を、冷却水循環路５２の下流側と隣接させることにより、カソード空気を高温状態にしてから折り返し部５３に排出することができる。その後、冷却水循環路５２の入口に向かって流れるので、効率良く冷却を行うことができる。
【０１００】
このようにプレート内に非加湿用空気流路５１ａと加湿用空気流路５１ｂを構成することで、第８の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０１】
これまで改質システムに用いる空気を再度加湿する際に、カソード空気による加湿や、直接冷却水で膜加湿を行う例について説明した。これに対して、燃料電池スタックが１００℃を超える高温運転のスタックであった場合、燃料電池スタックに蒸発器を組み込んで蒸気を発生させて、この蒸気を改質器用空気に導入する構成とすれば、本発明と同様の効果を得ることができる。また、燃料ガスとして直接水素ガスを用いる場合においても、流路の途中でカソード空気の水蒸気を減じることにより空気極のフラッディング防止の効果を得ることができる。
【０１０２】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池内の流体流路の概略図である。
【図３】第２の実施形態における燃料電池内の流体流路の概略図である。
【図４】第３の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図５】第３の実施形態における燃料電池システムの制御フローである。
【図６】第４の実施形態における燃料電池システムの制御フローである。
【図７】第５の実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図８】第６の実施形態における燃料電池内の流体流路の概略図である。
【図９】第７の実施形態における燃料電池内の流体流路の概略図である。
【図１０】第８の実施形態における燃料電池内の流体流路の概略図である。
【図１１】第９の実施形態における燃料電池内の流体流路の概略図である。
【符号の説明】
１　　改質部
２　　ＣＯ変成部
３　　ＣＯ除去部
５　　スタック
１１　第二加湿器（第二加湿手段）
１２　第一加湿器（第一加湿手段）
１３　燃料電池循環路
２０　冷却水入口部
２１　冷却水出口部
２９　ラジエータ
３３ｃ折り返し部
３８　空気入口部
３９　空気出口部
４０　温度センサ（燃料電池出口温度検出手段）
４１　温度センサ（ラジエータ出口温度検出手段）
３３、４３　空気流路
３４、４４、４６、４９、５２　冷却水流路
４３ｃ、４７、５０、５３　折り返し部
４５ａ、４５ｂ、４８ａ、５１ａ　非加湿用空気流路
４５ｃ、４８ｂ、５１ｂ　加湿用空気流路

Claims (17)

1. 燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行うスタックと、
   スタックからの排ガスを用いて加湿を行う第一加湿手段と、
   発電に伴って生じる熱の少なくとも一部を吸収する流体と、
   前記流体を用いて加湿を行う第二加湿手段と、
   燃料、酸化ガス、水のうち少なくとも燃料と水を用いて前記燃料ガスを生成する改質システムと、を備え、
   改質に用いる酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の、少なくとも一部を、前記第一加湿手段と前記第二加湿手段により加湿することを特徴とした移動体用燃料電池システム。
2. 前記スタック内に前記流体の流れる流体流路を設け、
   前記第二加湿手段を前記流体流路の途中に設けた折り返し部に備える請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
3. 改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を、前記第一加湿手段により加湿してから前記第二加湿手段において加湿し、
   前記第二加湿手段の温度を前記第一加湿手段の温度より高くする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
4. 前記流体として気体を用いた請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
5. 前記気体として前記スタックにおける発電に用いる酸化ガスを用い、
   前記第二加湿手段を、前記スタックを流れる酸化ガスの流路の途中に設けた折り返し部に備える請求項４に記載の移動体用燃料電池システム。
6. 前記スタック内部を一部とし、前記スタックの冷却を行う冷却水を循環する冷却水循環路を備え、
   前記冷却水循環路の前記スタックからの出口部を、前記折り返し部の近傍に形成する請求項５に記載の移動体用燃料電池システム。
7. 前記スタック内部を一部とし、前記スタックの冷却を行う冷却水を循環する冷却水循環路を備え、
   前記酸化ガスの流路の前記スタックからの出口部を、前記冷却水循環路の前記スタックへの入口部の近傍に形成した請求項５に記載の移動体用燃料電池システム。
8. 前記折り返し部を、前記スタック内部に形成する請求項２に記載の移動多用燃料電池システム。
9. 前記改質システムで必要とする水の量に応じて、前記冷却水循環路の前記スタックからの出口部における冷却水温度を制御し、前記第二加湿手段の温度を制御する請求項６に記載の移動体用燃料電池システム。
10. 前記冷却水循環路の前記スタックからの出口部における冷却水温度を検出するスタック出口温度検出手段を備え、
    前記冷却水循環路の前記スタックからの出口部における冷却水温度を、前記スタック出口温度検出手段の出力に応じて冷却水の流量を調整することにより制御する請求項９に記載の移動体用燃料電池システム。
11. 前記冷却水循環路に、冷却水の放熱を行うラジエータと、
    前記ラジエータから排出される冷却水温度を検出するラジエータ出口温度検出手段を備え、
    前記冷却水循環路の前記スタックからの出口部における冷却水温度を、前記ラジエータ出口温度検出手段に応じてラジエータの負荷を調整することにより制御する請求項９に記載の移動体用燃料電池システム。
12. 前記スタック内部を一部とし、前記スタックの冷却を行う冷却水を循環する冷却水循環路を備え、
    前記流体として前記冷却水を用いる請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
13. 前記冷却水として純水を用いる請求項１２に記載の移動体用燃料電池システム。
14. 前記改質システムで必要とする水の量に応じて、前記冷却水循環路の前記スタックからの出口部における冷却水温度を制御する請求項１２に記載の移動体用燃料電池システム。
15. 前記スタックを複数のスタックから構成し、前記複数のスタックのうち少なくとも一つを用いて、改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を加湿する請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
16. 前記スタックを、単セルを複数積層することにより構成し、
    前記スタックのセルの積層方向の一部の前記流体を用いて、改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を加湿する請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
17. 前記スタックの発電面内に前記流体の流路を備え、
    前記発電面内の前記流体流路の一部を用いて、改質に用いる酸化ガスまたは燃料の少なくとも一方の、少なくとも一部を加湿する請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。

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