JP2005353369A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間で燃料電池内のガス圧力を低下させる。
【解決手段】 水素極１３に水素ガスが供給されると共に空気極１２に空気が供給されて発電する燃料電池１と、水素極１３の水素ガス入口に接続された水素供給配管Ｌ１と、水素極１３の水素ガス出口に接続された水素排出配管Ｌ２とを有し、当該水素排出配管Ｌ２に排水素ガス用熱交換器２７を設ける。また、空気極１２の空気入口に接続された空気供給配管Ｌ６と、空気極１２の空気出口に接続された空気排出配管Ｌ７とを有し、当該空気排出配管Ｌ７に排空気用熱交換器４３を設ける。このような構成において、燃料電池スタック１内のガス圧力を急速に低下させる場合や、差圧を抑制する場合に、排水素ガス用熱交換器２７や排空気用熱交換器４３に冷却水を導入して水素排出配管Ｌ２や空気排出配管Ｌ７を冷却し、排水素ガスや排空気水蒸気圧力を変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを調圧して燃料電池に供給することにより、当該燃料電池の発電電力を調整する燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池を発電させるに際して、燃料ガス及び空気の圧力を制御して燃料電池に供給する燃料電池システムが、下記の特許文献１などで知られている。

このような燃料電池システムでは、空気をコンプレッサによって圧縮して燃料電池の空気極に供給すると共に、当該空気の供給圧力と、水素の供給圧力との差圧を所定範囲内とするように水素ガス圧力を調整している。これによって、燃料電池内でガス差圧が高くなることを抑制している。
特開２００３−６８３３４号公報

ところで、上述した燃料電池システムにおいて運転圧力を低下させる際には、燃料電池内のガス圧力を低下させるために燃料電池からの排ガスを短時間で排気する必要がある。特に、燃料電池システムを車両等に搭載した場合において、車両を急減速させるためには、急速に燃料電池内のガス圧力を低下させる必要がある。

しかしながら、燃料電池の排ガス中には、発電に必要な水素や酸素のみならず、水蒸気も含まれているため、排ガス中に含まれる排水素あるいは排空気が少なくなってしまい、減圧に時間がかかってしまう。

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、短時間で燃料電池内のガス圧力を低下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。

本発明では、燃料極に燃料ガスが供給されると共に酸化剤極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料極の燃料ガス入口に接続された燃料ガス供給配管と、燃料極の燃料ガス出口に接続された燃料ガス排出配管とを有し、燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、酸化剤極の酸化剤ガス入口に接続された酸化剤ガス供給配管と、酸化剤極の酸化剤ガス出口に接続された酸化剤ガス排出配管とを有し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段とを備えた燃料電池システムであって、水蒸気圧力制御手段により、燃料ガス排出配管又は酸化剤ガス排出配管を流れるガスの水蒸気圧力を変化させることにより、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、燃料ガス排出配管又は酸化剤ガス排出配管を流れるガスの水蒸気圧力を変化させることができるので、急速に燃料電池内のガス圧力を低下させるに際して燃料ガス排出配管又は酸化剤ガス排出配管を流れるガスの水蒸気圧力を低下させることにより、短時間で燃料電池内のガス圧力を低下させることができる。

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。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜１１を挟んで空気極（酸化剤極）１２と水素極（燃料極）１３とを対設した燃料電池セル構造体を多孔質プレートからなる多孔質セパレータ１４で挟み込み、複数積層して構成されている。

本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極１３に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極１２に供給する燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明においては、各燃料電池単セルに空気極１２及び水素極１３が存在し、全ての空気極１２及び水素極１３に空気及び水素ガスを供給する必要があるが、複数の空気極１２及び水素極１３を総称するときには、単に「空気極１２」、「水素極１３」と呼ぶ。

燃料電池スタック１は、水素ガス及び空気が供給されると、下記の式１に示すような電極反応を水素極１３で発生させると共に、下記の式２に示すような電極反応を空気極１２で発生させて、発電電力を生成する。

水素極：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （式１）
空気極：２Ｈ＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ （式２）
また、この燃料電池スタック１は、各多孔質セパレータ１４を純水極１５で挟み込み、一方の純水極１５にソリッドプレートセパレータ１６を介して冷却水流路１７が設けられている。

このような燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させている時に、純水極１５に純水を供給することで、多孔質セパレータ１４を介して空気極１２及び水素極１３内のガスに水分を与え、当該ガスに与えられた水分により固体高分子電解質膜１１を湿潤状態に保持する。したがって、空気極１２及び水素極１３から排出されるガスには、空気や水素のみならす、水蒸気が含まれることになる。また、この燃料電池システムは、冷却水流路１７に冷却水を循環させることにより、燃料電池スタック１の温度を発電反応に適した温度に調整する。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に空気を供給して排出する空気系、燃料電池スタック１に水素ガスを循環させる水素ガス系、燃料電池スタック１を加湿する加湿用純水を循環させる加湿用純水系、燃料電池スタック１の温度調整をする冷却水を循環させる冷却水系を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電を制御するに際して、空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水の各流体の流量及び圧力をマイクロコンピュータ２により制御する。

水素ガス系は、燃料電池スタック１の水素ガス入口に接続された水素供給配管（燃料ガス供給配管）Ｌ１に、水素タンク２１、水素タンク元弁２２、減圧弁２３、水素供給弁２４、水素圧力センサ２５が設けられる。この水素ガス系は、燃料電池システムの通常運転時において、水素タンク２１に貯蔵した高圧水素を水素ガスとして水素極１３に導く。このとき、水素ガス系は、マイクロコンピュータ２により水素タンク元弁２２が開状態とされ、マイクロコンピュータ２の制御により動作する水素圧力制御部２６によって水素供給弁２４の開度が調整される。これにより、水素ガスは、水素タンク２１から減圧弁２３に導かれ、当該減圧弁２３で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁２４で燃料電池スタック１内の水素ガス圧力が所望の水素圧に制御される。

このような水素ガス系に対し、マイクロコンピュータ２及び水素圧力制御部２６は、水素圧力センサ２５からのセンサ信号を読み込み、燃料電池スタック１内の水素ガス圧力を所望の値、例えば一定圧力とするように水素供給弁２４の開度を調整するフィードバック制御を行う。これにより、燃料電池スタック１で消費した分量の水素ガスを自動的に補うようにする。

また、この水素ガス系は、水素極１３の水素ガス出口側に水素排出配管（燃料ガス排出配管）Ｌ２が接続されて構成されている。この水素排出配管Ｌ２は、排水素ガス用熱交換器２７が設けられ、当該排水素ガス用熱交換器２７の下流側で第１パージ配管Ｌ３及び第２パージ配管Ｌ４に分岐している。

排水素ガス用熱交換器２７は、後述する冷却水循環配管Ｌ１０から分岐した排ガス冷却用冷却水循環配管Ｌ５と接続されている。この排ガス冷却用冷却水循環配管Ｌ５には、マイクロコンピュータ２によって開閉動作される開閉弁３２が設けられる。排水素ガス用熱交換器２７は、開閉弁３２が開状態になされることによって、冷却水循環配管Ｌ１０で循環させている冷却水が循環される。これにより、排水素ガス用熱交換器２７は、冷却水と水素排出配管Ｌ２とを熱交換させることによって冷却し、水素極１３からの排水素ガスとを熱交換させ、排水素ガスに含まれる水蒸気を凝縮して、排水素ガスに含まれる水蒸気圧力を変化させる。

第１パージ配管Ｌ３には、マイクロコンピュータ２によって開閉動作が制御される第１パージ弁２８と、当該第１パージ弁２８のガス下流側の希釈ブロア２９とが設けられている。また、第２パージ配管Ｌ４には、マイクロコンピュータ２によって開閉動作が制御される第２パージ弁３０と、当該第２パージ弁３０のガス下流側の燃焼器３１とが設けられている。

この水素ガス系は、水素極１３に流れるガスの水素濃度が低下した場合に水素循環機能を確保するために、第１パージ弁２８又は第２パージ弁３０を開状態にして蓄積した窒素等の不純物を排出して、水素極１３等に蓄積した水詰まりを吹き飛ばして解消させる。更に、マイクロコンピュータ２は、第１パージ弁２８又は第２パージ弁３０を開状態とするのと略同時に希釈ブロア２９又は燃焼器３１を駆動開始させる。これにより、第１パージ弁２８又は第２パージ弁３０から排出される水素を希釈する動作又は燃焼させる動作を行い、ガスの水素濃度を可燃濃度未満にして、システム外に排出する。

空気系は、空気極１２の空気入口と接続された空気供給配管（酸化剤ガス供給配管）Ｌ６にコンプレッサ４１及び空気圧力センサ４２が設けられ、空気極１２の空気出口と接続された空気排出配管（酸化剤ガス排出配管）Ｌ７に排空気用熱交換器４３及び空気調圧弁４４が設けられて構成されている。

この空気系は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２によりコンプレッサ４１のコンプレッサモータ（図示せず）の回転数が制御され、外気を取り込んで圧縮空気として空気極１２の空気入口に導入する。このとき、マイクロコンピュータ２は、空気圧力センサ４２からのセンサ信号を読み込んで空気極１２内の空気圧力を検出し、当該空気圧力を所望の圧力値とするように空気圧力制御部４５に指令を送り、当該空気圧力制御部４５により空気調圧弁４４の開度を調整する。これにより、空気極１２は、空気に含まれる酸素を消費して発電反応を行い、消費されなかった空気を排出する。

排空気用熱交換器４３は、排ガス冷却用冷却水循環配管Ｌ５から分岐した冷却水配管Ｌ８と接続されている。この冷却水配管Ｌ８には、マイクロコンピュータ２によって開閉動作される開閉弁４６が設けられる。排空気用熱交換器４３は、開閉弁４６が開状態になされることによって、冷却水循環配管Ｌ１０で循環させている冷却水が循環される。これにより、排空気用熱交換器４３は、冷却水と空気排出配管Ｌ７とを熱交換させて冷却することによって、冷却水と排空気とを熱交換させ、排空気に含まれる水蒸気を凝縮して、排空気に含まれる水蒸気圧力を変化させる。

加湿用純水系は、純水循環配管Ｌ９に、純水タンク５１、純水ポンプ５２、純水回収弁５３，５４，５５、純水シャット弁５６が設けられて構成されている。この加湿用純水系は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２により純水ポンプ５２の回転数及び純水回収弁５３，５４及び純水シャット弁５６が開状態となされることで、純水タンク５１に蓄積した加湿用純水を各純水極１５に送る。これにより、燃料電池スタック１内の空気及び水素ガスを加湿させて、固体高分子電解質膜１１を湿潤状態とする。このとき、マイクロコンピュータ２は、純水ポンプ５２の回転数を制御することにより、各純水極１５への加湿用純水流量を調整し、固体高分子電解質膜１１への加湿量を調整する。

また、この加湿用純水系は、燃料電池システムを停止する場合に、純水循環配管Ｌ９に残存している加湿用純水を回収するための純水回収部５７を備える。この純水回収部５７は、マイクロコンピュータ２からシステムを停止する指令が送られると、純水回収弁５３，５４，５５の開閉動作を制御することにより、純水循環配管Ｌ９に空気極１２から排出された空気を導入し、純水循環配管Ｌ９及び純水極１５に存在する加湿用純水を空気圧により純水タンク５１に回収する。これは、加湿用純水が各純水極１５に残存したままシステムを停止状態にして放置し、システム周囲が氷点下雰囲気となった場合に、加湿用純水が膨張することによる燃料電池スタック１の劣化を防止するためである。

更に、燃料電池システムの起動時に、水素供給配管Ｌ１、水素極１３に定常的に水素ガスが流れるようになるように、後述の空気系により空気を空気極１２に供給しない状態で、水素ガスのみが水素極１３に供給する状態とされるが、この加湿用純水系は、加湿用純水を各純水極１５に供給しない状態とされ、更に、純水回収弁５４及び純水シャット弁５６が閉状態となされる。これにより、加湿用純水系は、水素極１３から各純水極１５に水素ガスがリークすることを抑制する。また、加湿用純水系は、燃料電池システムの起動時に、固体高分子電解質膜１１の加湿量を増加させる場合に、マイクロコンピュータ２により各純水極１５に加湿用純水を循環させる。

なお、この燃料電池システムにおいては、空気極１２内の空気圧力、水素極１３内の水素ガス圧力、及び各純水極１５内の加湿用純水圧力が燃料電池スタック１の発電効率や水収支を考慮して設定され、更には、固体高分子電解質膜１１や各多孔質セパレータ１４に歪みを生じないように各圧力間の差圧が管理される。

冷却水系は、冷却水循環配管Ｌ１０に、冷却水ポンプ６１、冷却水温度センサ６２、三方弁６３、ラジエタ６４及びラジエタファン６５が設けられて構成されている。また、この冷却水系は、三方弁６３によって冷却水循環配管Ｌ１０から分岐して、冷却水ポンプ６１の上流側の冷却水循環配管Ｌ１０と接続されたバイパス配管Ｌ１１を備える。

この冷却水系は、燃料電池システムの通常運転時において、冷却水温度制御部６６により冷却水ポンプ６１の駆動量、三方弁６３の動作、ラジエタファン６５の駆動量が調整される。これにより、冷却水ポンプ６１から吐出された冷却水は、冷却水温度センサ６２で温度が検出され、燃料電池スタック１の温度を低くする場合にはラジエタファン６５の駆動量が増加され、三方弁６３のラジエタ６４側開口が開状態にされることにより、冷却水流路１７で熱交換された後に、ラジエタ６４で冷却される。また、燃料電池スタック１の温度を高くする場合には、三方弁６３のバイパス配管Ｌ１１側開口が開状態とされ、冷却水流路１７で熱交換された冷却水をラジエタ６４からバイパスして再度冷却水流路１７に導入する。更に、この冷却水系は、マイクロコンピュータ２によって開閉弁３２及び開閉弁４６が開状態となされた場合には、冷却水流路１７を通過した冷却水を排水素ガス用熱交換器２７及び排空気用熱交換器４３に導入する。

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電電力を取り出すパワーマネージャ７１、燃料電池スタック１の発電電圧を検出する電圧センサ７２を備える。

パワーマネージャ７１は、例えばリレー回路やインバータ等からなり、空気極１２の電極及び水素極１３の電極に電気的に接続されている。このパワーマネージャ７１は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２からの指令に従って燃料電池スタック１の発電電力を取り出し、当該発電電力を図示しない車両用駆動モータ等に供給する。

電圧センサ７２は、燃料電池スタック１の発電電圧を検出し、当該発電電圧がセンサ信号としてマイクロコンピュータ２に読み込まれる。このセンサ信号は、マイクロコンピュータ２により燃料電池スタック１の発電量を制御する場合や、燃料電池スタック１を構成する燃料電池単セルの状態を監視するために使用される。

マイクロコンピュータ２は、後述する燃料電池システムのガス圧力制御処理等を行う手順を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）や、上述した各部とのインターフェース回路等からなる。このマイクロコンピュータ２は、例えば外部からの燃料電池システムの起動命令や停止命令、更には車両用駆動モータに要求される駆動トルクに従って、上述した各部を制御する。

［燃料電池システムのガス圧力制御処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、マイクロコンピュータ２によって燃料電池スタック１内の水素ガス圧力及び空気圧力を調整するガス圧力制御処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。なお、このガス圧力制御処理の説明では、主として水素極１３のガス圧力を制御する場合について説明するが、空気極１２のガス圧力は、水素極１３のガス圧力との差圧が所定値以内となるように追従させるものとする。

このガス圧力制御処理は、マイクロコンピュータ２に燃料電池スタック１の起動命令が入力された場合に、ステップＳ１以降の処理を開始する。このステップＳ１において、マイクロコンピュータ２は、水素タンク元弁２２を開状態、第１パージ弁２８又は第２パージ弁３０を開状態とすることによって、水素タンク２１から水素供給配管Ｌ１を介して水素極１３に水素ガスを導入開始する。これにより、起動前に水素供給配管Ｌ１、水素極１３、水素排出配管Ｌ２内に充満していた空気を水素に置換させ、水素濃度が所定以上とみなされた時点で、ステップＳ２に移行することで、要求される燃料電池スタック１の発電電力に応じた水素ガス圧力とする制御に移行する。

次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ２において、水素極１３の目標圧力と、水素圧力センサ２５からのセンサ信号に基づく実圧力（センサ値）との偏差の絶対値を計算し、ステップＳ３において、計算した偏差が予め設定した所定値よりも大きいか否かを判定する。この偏差に関する所定値とは、燃料電池スタック１に要求される発電電力が急低下し、排水素ガス用熱交換器２７を使用して水蒸気圧力を低下させる必要がある値が実験等によって予め設定されている。

なお、偏差の計算は、水素圧力制御部２６によって行っても良く、更には偏差の絶対値と所定値を比較する代わりに、絶対値が等しく符号の異なる所定値のうち、偏差と符号が等しい所定値と偏差とを比較してもよい。

マイクロコンピュータ２は、偏差が所定値より大きくなっていない場合には、当該偏差を小さくするように水素供給弁２４の開度を調整するように水素圧力制御部２６を制御して、ステップＳ２に処理を戻す。ここで、マイクロコンピュータ２は、冷却水温度制御部６６によって冷却水循環配管Ｌ１０に冷却水を循環させている状態としており、開閉弁３２及び開閉弁４６を閉状態としている。したがって、ステップＳ３で偏差が所定値よりも小さい状態では、空気極１２及び水素極１３から排出されるガスの水蒸気圧力を調整していない状態を保持している。

一方、マイクロコンピュータ２は、偏差が所定値よりも大きくなった場合にはステップＳ４に処理を進める。このステップＳ４において、マイクロコンピュータ２は、水素極１３のガス圧力を低下させるために、水素極１３から水素排出配管Ｌ２に流れる排水素ガス流量を多くさせる。このとき、マイクロコンピュータ２は、開閉弁３２を開状態にすることによって冷却水を排水素ガス用熱交換器２７に導入させて、水素排出配管Ｌ２を冷却する。また、マイクロコンピュータ２は、例えばステップＳ２で計算した目標圧力と実圧力との偏差が大きいほど冷却水ポンプ６１の回転数を増加させる制御を行うことによって、水素排出配管Ｌ２の冷却度合いを増加させて、水蒸気圧力を更に低下させる。

これにより、燃料電池スタック１の温度によって暖機された排水素ガスは、冷却水との間での熱交換によって温度が低下し、水蒸気が凝縮して水蒸気圧力が低下する。その結果、排水素ガス全体での圧力が低下し、水素極１３内の水素ガスが水素排出配管Ｌ２側に引き込まれて、水素極１３内の水素ガス圧力が低下する。

なお、このステップＳ４で燃料電池スタック１内のガス圧力を低下させる処理は、空気極１２に対して行っても良く、この場合には開閉弁４６を開状態にして排空気用熱交換器４３によって空気排出配管Ｌ７を冷却させる。

そして、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ５において、システム停止要求を入力したか否かを判定し、入力していない場合にはステップＳ２以降の処理を繰り返し、入力した場合には、ステップＳ６で燃料電池スタック１への水素供給を停止させて、処理を終了する。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、排ガスに含まれる水蒸気圧力を低下させることができるので、燃料電池スタック１からの排ガス量を増やして、短時間で燃料電池スタック１内の減圧を行うことができる。

例えば、上述したように水蒸気圧力を調整する場合と同等の時間で圧力を低下させる他の方法として、水素排出配管Ｌ２及び空気排出配管Ｌ７の断面積を大きくし、且つ当該水素排出配管Ｌ２及び空気排出配管Ｌ７に排気弁を設けた構成とした場合には、排気弁の開度変化に対して、配管の断面積が大きいことによる流量変化が大きくなり、排ガス流量のきめ細やかな制御ができなくなり、制御性能を低下させてしまう。また、例えば、配管断面積の大きい配管と配管断面積の小さい配管とを用意しておき、それぞれの配管に排気弁及び排気弁開度を計測するセンサを取り付けた場合、各センサとして分解能が等しいものを使用すると、断面積が大きい配管では細かい断面積の調整が行えなくなってしまう。

これに対し、この燃料電池システムによれば、水素排出配管Ｌ２や空気排出配管Ｌ７の断面積を大きくすることなく、更には、弁開度の調整を行わなくても水素排出配管Ｌ２及び空気排出配管Ｌ７のガス流量を変化させることができ、単に水素供給弁２４や空気調圧弁４４の開度を大きくする場合と比較して、短時間で燃料電池スタック１のガス入口圧力を低下させることができ、更には、排ガス流量のきめ細やかな制御をも行うことができる。

更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１のガス排出側の配管Ｌ２，Ｌ７に水蒸気圧力を変化させる排水素ガス用熱交換器２７、排空気用熱交換器４３を設けたので、水素排出配管Ｌ２及び空気排出配管Ｌ７を冷却することによって排ガスを冷却して、排ガス中の水蒸気圧力を低下させることができる。

更に、この燃料電池システムによれば、空気極１２又は水素極１３の一方のガス圧力に基づいて排ガスの水蒸気圧力を低下させるので、制御の応答性を向上させることができる。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、燃料電池システムの構成は、第１実施形態と同様であるので、当該構成の説明を省略する。

この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すガス圧力制御処理を行う。このガス圧力制御処理は、ステップＳ１１において、ステップＳ１と同様の処理を行うことで水素タンク２１から水素極１３に水素ガスを供給し、更にコンプレッサ４１を駆動して空気極１２に空気の供給を開始すると共に空気調圧弁４４の開度を調整して、空気極１２内のガス圧力の調整を開始する。

次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ１２において、水素圧力センサ２５からのセンサ信号及び空気圧力センサ４２からのセンサ信号を入力し、水素極１３入口での水素ガス圧力と、空気極１２入口での空気圧力との偏差の絶対値を計算する。

次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ１３において、ステップＳ１２で計算した偏差の絶対値と、予め設定しておいた所定値とを比較して、偏差が所定値よりも大きいか否かを判定する。

そして、マイクロコンピュータ２は、偏差が所定値より大きくなっていない場合には、当該偏差を小さくするように水素供給弁２４及び空気調圧弁４４の開度を制御して、ステップＳ１２に処理を戻す。ここで、マイクロコンピュータ２は、冷却水温度制御部６６によって冷却水循環配管Ｌ１０に冷却水を循環させている状態としており、開閉弁３２及び開閉弁４６を閉状態としている。したがって、ステップＳ１３で偏差が所定値よりも小さい状態では、空気極１２及び水素極１３から排出されるガスの水蒸気圧力を調整していない状態を保持している。

一方、マイクロコンピュータ２は、偏差が所定値よりも大きくなった場合にはステップＳ１４に処理を進める。このステップＳ１４において、マイクロコンピュータ２は、空気極１２の圧力と水素極１３の圧力とのうち、高い方の圧力を低下させる。このとき、マイクロコンピュータ２は、圧力値が高い方の熱交換器、すなわち排水素ガス用熱交換器２７又は排空気用熱交換器４３によって熱交換を行わせて水素排出配管Ｌ２又は空気排出配管Ｌ７を冷却するために、開閉弁３２又は開閉弁４６の何れかを開状態にする。これにより、空気極１２出口での水蒸気圧力又は水素極１３出口での水蒸気圧力を低下させて、空気極１２と水素極１３との差圧を小さくする。

そして、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ１５において、システム停止要求を入力したか否かを判定し、入力していない場合にはステップＳ１２以降の処理を繰り返し、入力した場合には、ステップＳ１６で燃料電池スタック１への水素供給を停止させて、処理を終了する。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１から排出されるガスの水蒸気圧力を低下させることにより、空気極１２と水素極１３との差圧を小さ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、上述したように短時間で水蒸気圧力を低下させて、燃料電池スタック１内のガス圧力を低下させることができるので、差圧に起因した燃料電池スタック１の劣化を最低限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、上述した実施の形態では、燃料電池スタック１に要求される発電電力が急低下した場合や、燃料電池スタック１内の差圧を抑制する場合に、排ガスの水蒸気圧力を低下させることを説明したが、これに限らず、燃料電池システムの運転停止時に早急に圧力を低下させる場合にも排ガスの水蒸気圧力を低下させても良く、運転停止に要する時間を短縮することができる。

また、上述した実施の形態では、水素排出配管Ｌ２又は空気排出配管Ｌ７を冷却水によって冷却して水蒸気圧力を低下させる場合について説明したが、これに限らず、水素排出配管Ｌ２及び空気排出配管Ｌ７に外気をあてて冷却しても良く、更には送風ファンから水素排出配管Ｌ２又は空気排出配管Ｌ７に送風をあてても良い。

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。 本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムのガス圧力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムのガス圧力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ マイクロコンピュータ
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 水素極
１４ 多孔質セパレータ
１５ 純水極
１６ ソリッドプレートセパレータ
１７ 冷却水流路
２１ 水素タンク
２２ 水素タンク元弁
２３ 減圧弁
２４ 水素供給弁
２５ 水素圧力センサ
２６ 水素圧力制御部
２７ 排水素ガス用熱交換器
２８ 第１パージ弁
２９ 希釈ブロア
３０ 第２パージ弁
３１ 燃焼器
３２ 開閉弁
４１ コンプレッサ
４２ 空気圧力センサ
４３ 排空気用熱交換器
４４ 空気調圧弁
４５ 空気圧力制御部
４６ 開閉弁
５１ 純水タンク
５２ 純水ポンプ
５３，５４，５５ 純水回収弁
５６ 純水シャット弁
５７ 純水回収部
６１ 冷却水ポンプ
６２ 冷却水温度センサ
６３ 三方弁
６４ ラジエタ
６５ ラジエタファン
６６ 冷却水温度制御部
７１ パワーマネージャ
７２ 電圧センサ

Claims (5)

1. 燃料極に燃料ガスが供給されると共に酸化剤極に酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料極の燃料ガス入口に接続された燃料ガス供給配管と、前記燃料極の燃料ガス出口に接続された燃料ガス排出配管とを有し、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
   前記酸化剤極の酸化剤ガス入口に接続された酸化剤ガス供給配管と、前記酸化剤極の酸化剤ガス出口に接続された酸化剤ガス排出配管とを有し、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
   前記燃料ガス排出配管又は前記酸化剤ガス排出配管を流れるガスの水蒸気圧力を変化させる水蒸気圧力制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水蒸気圧力制御手段は、前記燃料ガス排出配管又は前記酸化剤ガス排出配管を冷却す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. 前記水蒸気圧力制御手段は、前記燃料極でのガス圧力と前記酸化剤極でのガス圧力のうち、何れかのガス圧力に基づいて水蒸気圧力を変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水蒸気圧力制御手段は、前記燃料電池に供給するガス圧力を低下させる場合に、水蒸気圧力を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記水蒸気圧力制御手段は、前記燃料極と前記酸化剤極との差圧が大きい場合に、前記燃料極と前記酸化剤極との何れかから排出されるガスの水蒸気圧力を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
   

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