JP2006049139A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電性能を落とすことなく反応ガスを加湿すると共に、燃料電池スタックの加湿割合を制御可能にする。
【解決手段】内部加湿型スタック２で加湿及び生成水による水蒸気を付加された未反応の空気を外部加湿型スタック３に供給する。また、ＥＣＵ１１が、水分量センサ１９を介して外部加湿型スタック３内の水分量を検出し、外部加湿型スタック３内の水分量に応じて、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を調整することにより、外部加湿型スタック３に供給される空気内の水蒸気分圧を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池スタックの発電性能を落とすことなく反応ガスを加湿すると共に、燃料電池スタックの加湿割合を制御可能にするための技術に係わる。

一般に、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態が維持されないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。このような背景から、固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持するために、燃料電池の外部に設けられた加湿装置により燃料電池に供給する反応ガスを加湿する燃料電池システムが提案されている。

ところが、このような燃料電池システムによれば、外部に加湿装置が設けられているために、燃料電池システムの容積が増加し、燃料電池システムの出力密度及び車両搭載性が低下する。このため最近では、複数の燃料電池スタックそれぞれの内部に加湿器を設け、この加湿器によって反応ガスを加湿する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００３−１８７８３８号公報

しかしながら、複数の燃料電池スタックそれぞれの内部に加湿器を設けた場合には、加湿器の容積によって燃料電池スタックを構成する燃料電池の電極枚数や電極面積に制約が掛かるために、燃料電池スタックの発電性能を落とさざるを得ない。また、各燃料電池スタックの加湿割合は、加湿器内部の樹脂性能（水の膜透過係数）や反応ガスと排ガス中の水蒸気分圧差によって決まるので、各燃料電池スタックの加湿割合を制御することができない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの発電性能を落とすことなく反応ガスを加湿すると共に、燃料電池スタックの加湿割合を制御可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電する内部加湿型燃料電池が複数積層された内部加湿型燃料電池スタックと、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガス及び内部加湿型燃料電池スタックから排出される排酸化剤ガスを利用して発電する外部加湿型燃料電池が複数積層された外部加湿型燃料電池スタックと、内部加湿型燃料電池スタック及び外部加湿型燃料電池スタックに冷却水を供給することにより、内部加湿型燃料電池スタック及び外部加湿型燃料電池スタックの運転温度を制御する冷却水供給手段と、外部加湿型燃料電池スタック内の水分量を検出する水分量検出手段と、水分量検出手段により検出された水分量に応じて、内部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度と前記外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度との間に温度差を形成する制御手段とを備える。

本発明に係る燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池スタックには、内部加湿型燃料電池スタックで加湿及び生成水による水蒸気を付加された未反応の酸化剤ガスが供給されるので、加湿器を用いることなく外部加湿型燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを加湿することができる。また、本発明に係る燃料電池システムによれば、外部加湿型燃料電池スタック内の水分量に応じて、内部加湿型燃料電池スタックの運転温度と外部加湿型燃料電池スタックの運転温度との間に温度差を設けることにより、外部加湿型燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスに含まれる水蒸気の割合を変更できるので、外部加湿型燃料電池スタックの加湿割合を制御することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１乃至第３の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する内部加湿型燃料電池が複数積層された内部加湿型燃料電池スタック（以下、内部加湿型スタックと略記）２と、燃料ガス及び内部加湿型スタック２から排出される排酸化剤ガスの供給を受けて発電する外部加湿型燃料電池が複数積層された外部加湿型燃料電池スタック（以下、外部加湿型燃料電池スタックと略記）３とを備える。なお、この実施形態では、内部加湿型燃料電池及び外部加湿型燃料電池は固体高分子型燃料電池により構成され、そのアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔燃料ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、燃料ガス供給手段として、図示しない高圧水素タンク及び水素圧力調整弁４ａ，４ｂを備え、水素圧力調整弁４ａ，４ｂによって高圧水素タンク内の高圧水素を運転条件に適した圧力まで圧力低下させた後、燃料ガス供給路５ａ，５ｂを介して内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３のアノードに水素を供給する。そして、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３のアノードでは、純水ポンプ６ａ，６ｂから供給される純水で水素が加湿され、加湿された水素は発電のための電気化学反応に使用される。

また、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３のアノードでの未使用の水素は、燃料ガス循環路７ａ，７ｂ及び燃料ガス循環ポンプ８ａ，８ｂを介してアノードへ循環される。この燃料ガス循環路７ａ，７ｂ及び燃料ガス循環ポンプ８ａ，８ｂを設けることにより、アノードで未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システム１の燃費性能を向上させることができる。

なお、燃料ガス循環路７ａ，７ｂ及び燃料ガス循環ポンプ８ａ，８ｂを介してアノードに戻る水素の循環経路には、カソードからリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。

このため、各アノードの出口側には、燃料ガス排出路９ａ，９ｂと、これを開閉するパージ弁１０ａ，１０ｂが設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、ＥＣＵ１１からの指示でパージ弁１０ａ，１０ｂを短時間開き、不純物ガスや液水をアノードから系外へ排出させるパージを行う。これにより、アノードを含む燃料ガス循環経路７ａ，７ｂ内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。なお、燃料電池の運転条件と適合すれば、燃料ガス循環ポンプ８ａ，８ｂに代えて、流体ポンプであるエゼクタを使用してもよいことは明らかである。

〔酸化剤ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給手段として、空気を圧縮して供給するコンプレッサ１２を備え、コンプレッサ１２は圧縮した空気を酸化剤供給路１３を介して内部加湿型スタック２のカソードへ供給する。内部加湿型スタック２のカソードでは、供給された空気が純水ポンプ６ａから供給される純水で加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。

内部加湿型スタック２のカソードから排出された残りの空気は、水蒸気を含んだ状態で燃料電池間酸化剤ガス供給路１４を介して、外部加湿型スタック３のカソードへ供給される。外部加湿型スタック３のカソードでは、純水ポンプ６ｂから供給される純水で空気が加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。そして、外部加湿型スタック３のカソードで未使用の空気は、空気圧力調整弁１５により圧力調整された後、空気排出路１６から系外へ排出される。

〔純水系の構成〕
上記燃料電池システム１における純水系は、図示しない純水タンクと、純水タンクの純水を内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３へ圧送する純水ポンプ６ａ，６ｂと、純水供給路１７ａ，１７ｂと、純水排出路１８ａ，１８ｂとにより構成されている。そして、純水タンクに貯蔵された純水は純水ポンプ６ａ，６ｂによって内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３のアノードとカソードの圧力に応じた水圧で純水供給路１７ａ，１７ｂを介して内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３へ圧送される。内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３は、供給された純水で燃料ガスである水素、酸化剤ガスである空気を加湿する。加湿に使用されなかった純水は、純水排出路１８ａ，１８ｂを介して純水タンクに戻る。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１における制御系は、外部加湿型スタック３内に蓄積されている水分量を検出する水分量センサ１９と、内部加湿型スタック２と外部加湿型スタック３に供給されている純水の温度を検出する温度センサ２０ａ，２０ｂと、水分量センサ１９及び温度センサ２０ａ，２０ｂの検出結果に従って燃料電池システム１の動作を制御するＥＣＵ１１とを備える。なお、水分量センサ１９及びＥＣＵ１１はそれぞれ、本発明に係る水分量検出手段及び制御手段として機能する。また、この実施形態では、ＥＣＵ１１は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。また、この実施形態では、水分量センサ１９により外部加湿型スタック３内に蓄積されている水分量を検出するが、外部加湿型スタック３の膜抵抗やセル電圧をモニタすることにより外部加湿型スタック３内の水分量を検出してもよい。また、ま外部加湿型スタック３内の水分量は過飽和水蒸気圧と、ガス流量と時間の積によって推定してもよい。

〔内部加湿型燃料電池及び外部加湿型燃料電池の構成〕
内部加湿型スタック２を構成する内部加湿型燃料電池は、図２（ａ）に示すように、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜５２の両面にアノード電極触媒層５３及びカソード電極触媒層５４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５１と、ＭＥＡ５１の両面に配置されたアノードガス拡散層５５，カソードガス拡散層５６と、水透過板５７，５８と、セパレータ５９，６０を備えている。

水透過板５７，５８は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材６１に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材６２を埋め込んで形成されている。セパレータ５９と水透過板５７，セパレータ６０と水透過板５８との間には、それぞれ純水流路７３，７４が設けられ、純水が供給される。

純水は、水透過板５７，５８の純水流路７３，７４に接する一方の面から多孔質材６２を介して他方の面に浸透する。水透過板５７，５８の他方の面にはそれぞれ水素流路７１，空気流路７２が設けられ、純水流路から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。

一方、外部加湿型スタック３を構成する外部加湿型燃料電池は、図２（ｂ）に示すように、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜５２の両面にアノード電極触媒層５３及びカソード電極触媒層５４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５１と、ＭＥＡ５１の両面に配置されたアノードガス拡散層５５，カソードガス拡散層５６と、セパレータ５９，６０を備えている。

セパレータ５９とアノードガス拡散層５５との間には、水素流路７１が設けられ、燃料電池の外部で加湿された水素が供給される。同様に、セパレータ６０とカソードガス拡散層５６との間には、空気流路７２が設けられ、燃料電池の外部で加湿された空気が供給される。

図２（ａ）、（ｂ）を比較すれば明らかなように、内部加湿型燃料電池は、水透過板５７，５８と、純水流路７３，７４の分だけ、外部加湿型燃料電池よりスタック積層方向の寸法が大きくなっている。内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池の発電性能が同等とすれば、それだけ単位体積当たりの出力電力である出力密度は、内部加湿型燃料電池が外部加湿型燃料電池より低下することになる。

従って、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１では、出力密度の高い外部加湿型スタック３をメイン電源、内部加湿型スタック２をサブ電源とし、加湿器を無くして、内部加湿型スタック２で加湿及び生成水による水蒸気を付加された未反応の空気を外部加湿型スタック３に供給することにより、燃料電池システム１としての出力密度を高め、車両搭載性を向上させると共に、加湿器によるエネルギー消費を無くして、燃費性能を向上させる。

また、この燃料電池システム１では、水分量センサ１９及び温度センサ２０ａ，２０ｂの検出結果に従って、ＥＣＵ１１が以下に示す加湿割合制御処理を実行することにより、外部加湿型スタック３の加湿割合を制御する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、加湿割合制御処理を実行する際のＥＣＵ１１の動作について説明する。

［加湿割合制御処理］
図３に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、この加湿割合制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、ＥＣＵ１１が、水分量センサ１９を介して外部加湿型スタック３内に蓄積されている水分量を検出する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１の処理からステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、ＥＣＵ１１が、外部加湿型スタック３内の水分量が所定の水分上限値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、外部加湿型スタック３内の水分量が水分上限値以上である場合、ＥＣＵ１１は、この制御処理をステップＳ３の処理に進める。一方、外部加湿型スタック３内の水分量が水分上限値以上でない場合には、ＥＣＵ１１は、この制御処理をステップＳ５の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、ＥＣＵ１１が、外部加湿型スタック３内の水分量が多い際に内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度を読み出し、外部加湿型スタック３内の水分量を減らすために、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度を読み出された温度に設定する。より具体的には、外部加湿型スタック３内の水分量が多い場合には、ＥＣＵ１１は、内部加湿型スタック２から乾燥した空気が排出されるように、内部加湿型スタック２に供給される純水の温度を外部加湿型スタック３に供給する純水の温度よりも低く設定する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、ＥＣＵ１１が、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度がステップＳ３の処理により設定された温度になるように、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３の負荷比率を演算する。具体的には、ＥＣＵ１１は、内部加湿型スタック２に対する負荷の方が外部加湿型スタック３に対する負荷よりも小さくなるように負荷比率を演算する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、ＥＣＵ１１が、外部加湿型スタック３内の水分量が所定の水分下限値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、外部加湿型スタック３内の水分量が水分下限値以下でない場合、ＥＣＵ１１は、制御処理をステップＳ６の処理に進める。一方、外部加湿型スタック３内の水分量が水分下限値以下である場合には、ＥＣＵ１１は、制御処理をステップＳ８の処理に進める。

ステップＳ６の処理では、ＥＣＵ１１が、通常時に内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度を読み出し、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度を読み出された温度に設定する。これにより、このステップＳ６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、ＥＣＵ１１が、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度がステップＳ６の処理により設定された温度になるように、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３の負荷比率を演算する。これにより、このステップＳ７の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ８の処理では、ＥＣＵ１１が、外部加湿型スタック３内の水分量が少ない際に内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度を読み出し、外部加湿型スタック３内の水分量を増やすために、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度を読み出された温度に設定する。より具体的には、外部加湿型スタック３内の水分量が少ない場合には、ＥＣＵ１１は、内部加湿型スタック２から湿潤な空気が排出されるように、内部加湿型スタック２に供給される純水の温度を外部加湿型スタック３に供給する純水の温度よりも高く設定する。これにより、このステップＳ８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、ＥＣＵ１１が、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度がステップＳ８の処理により設定された温度になるように、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３の負荷比率を演算する。具体的には、ＥＣＵ１１は、内部加湿型スタック２に対する負荷の方が外部加湿型スタック３に対する負荷よりも大きくなるように負荷比率を演算する。これにより、このステップＳ９の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ１０の処理では、ＥＣＵ１１が、演算された負荷比率で内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３から電力を取り出す。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、ＥＣＵ１１が、温度センサ２０ａ，２０ｂを介して内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給されている純水の温度を検出する。これにより、このステップＳ１１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、ＥＣＵ１１が、純水の温度が設定されている温度範囲内であるか否かを判別する。そして、判別の結果、純水の温度が設定されている温度範囲内にない場合、ＥＣＵ１１は、ステップＳ１３の処理として、純水の温度が設定されている温度範囲に入るように内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を調整した後、この制御処理をステップＳ１１の処理に進める。一方、純水の温度が設定されている温度範囲内にある場合には、ＥＣＵ１１は一連の制御処理を終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、ＥＣＵ１１が、水分量センサ１９を介して外部加湿型スタック３内の水分量を検出し、外部加湿型スタック３内の水分量に応じて、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を調整することにより、外部加湿型スタック３に供給される空気内の水蒸気分圧を調整するので、外部加湿型スタック３の加湿割合を外部から制御することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、ＥＣＵ１１は、外部加湿型スタック３内の水分量の上限値及び下限値を設定し、外部加湿型スタック３内の水分量が上限値以上、又は下限値以下であるかに応じて外部加湿型スタック３内の水分量が多いか少ないかを判断するので、外部加湿型スタック３内の水分量が多いか少ないかの判断が頻繁に切り替わり、制御が暴れることを防止できる。

さらに、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、ＥＣＵ１１は、外部加湿型スタック３内の水分量が下限値以下である場合、図４（ａ）に示すように、内部加湿型スタック２に対する負荷の方が外部加湿型スタック３に対する負荷よりも大きくなるように負荷比率を制御することにより、内部加湿型スタック２に供給される純水（ＬＬＣ）の温度が外部加湿型スタック３に供給される純水の温度より高くなるように制御する。そして、このような構成によれば、内部加湿型スタック２と外部加湿型スタック３の運転温度の差によって図４（ｂ）の斜線部分に相当する水分が外部加湿型スタック２に供給されるので、外部加湿型スタック３を加湿することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、ＥＣＵ１１は、外部加湿型スタック３内の水分量が上限値以上である場合、図５（ａ）に示すように、内部加湿型スタック２に対する負荷の方が外部加湿型スタック３に対する負荷よりも小さくなるように負荷比率を制御することにより、内部加湿型スタック２に供給される純水（ＬＬＣ）の温度が外部加湿型スタック３に供給される純水の温度より低くなるように制御する。そして、このような構成によれば、外部加湿型スタック３には、内部加湿型スタック２と外部加湿型スタック３の運転温度の差によって図５（ｂ）の斜線部分に相当する水分が外部加湿型スタック２から持ち出されるので、外部加湿型スタック３の水分量を最適な状態に戻すことができる。なお、この場合、ＥＣＵ１１は、内部加湿型スタック２に対する負荷を段階的に増やしていくことにより、内部加湿型スタック２と外部加湿型スタック３の運転温度差を小さくしていき、外部加湿型スタック３が加湿状態からいきなり乾燥状態になってしまうことを防ぐことが望ましい。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、ＥＣＵ１１は、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３の負荷比率を変更することにより、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を調整するので、純水系に冷却水を加熱，冷却するための手段が不要となり、燃料電池システムの小型化，簡素化が可能となる。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システム２０では、純水系の構成が上記第１の実施形態となる燃料電池システム１の構成と異なり、図６に示すように、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水を冷却するラジエータ２１ａ，２１ｂと、純水を加熱するヒータ２２ａ，２２ｂとを備える。そして、このような構成によれば、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を調整することにより、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３の運転温度を独立して制御することができるので、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３の運転温度に温度差を設ける制御が容易となる。また、負荷比率を変更することにより内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を調整する必要が無くなる。

本発明の第３の実施形態となる燃料電池システム３０では、純水系の構成及び加湿割合制御処理の流れが上記第１の実施形態となる燃料電池システム１におけるそれと異なる。そこで以下では、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システム３０における純水系の構成及び加湿割合制御処理の流れについてのみ説明し、その他の構成については説明を省略する。

〔純水系の構成〕
この燃料電池システム３０では、純水系は、図７に示すように、図示しない純水タンクと、純水タンクの純水を圧送する純水ポンプ６ａと、純水供給路１７ａと、純水供給路１７ａから供給された純水をそれぞれ内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に分岐させる分岐流路２３ａ，２３ｂと、分岐流路２３ａ，２３ｂに供給される純水の流量を制御する三方弁２４と、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３から排出された純水を純水タンクに戻す純水排出路２５と、純水を加熱するヒータ２６と、純水を冷却するラジエータ２７とにより構成されている。

〔加湿割合制御処理〕
次に、図８に示すフローチャートを参照して、この燃料電池システム３０における加湿割合制御処理の流れについて説明する。

図８に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、この加湿割合制御処理はステップＳ２１の処理に進む。なお、図８に示すステップＳ２１乃至ステップＳ３０の処理は、図３に示すステップＳ１乃至ステップＳ１０の処理と同じであるので、以下ではその説明を省略し、ステップＳ３１以後の処理について説明する。

ステップＳ３１の処理では、ＥＣＵ１１が、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度が設定された温度になるように、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の流量を演算する。これにより、このステップＳ３１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３１の処理からステップＳ３２の処理に進む。

ステップＳ３２の処理では、ＥＣＵ１１が、温度センサ２０ａ，２０ｂを介して、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給されている純水の温度を計測する。これにより、このステップＳ３２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３２の処理からステップＳ３３の処理に進む。

ステップＳ３３の処理では、ＥＣＵ１１が、ステップＳ３２の処理により検出された純水の温度が設定されている温度範囲内であるか否かを判別する。そして、判別の結果、純水の温度が設定されている温度範囲内にない場合、ＥＣＵ１１は、ステップＳ３４の処理として、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給する純水の温度が設定されている温度範囲に入るように、三方弁２４の開度を調整することにより内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される冷却水の流量を調整した後、この制御処理をステップＳ３２の処理に戻す。一方、純水の温度が設定されている温度範囲内にある場合には、ＥＣＵ１１は一連の制御処理を終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システム３０によれば、ＥＣＵ１１は、三方弁２４の開度を調整して純水の流量を制御することにより、内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３に供給される純水の温度を制御するので、純水系を内部加湿型スタック２及び外部加湿型スタック３毎に設ける必要が無くなるので、上記第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムと比較して、システムを小型化することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す内部加湿型スタックと外部加湿型スタックの内部構成を示す断面図である。 図１に示す燃料電池システムにおける加湿割合制御処理の流れを示すフローチャート図である。 外部加湿型スタック内の水分量が少ない場合の加湿割合制御処理の流れを説明するための図である。 外部加湿型スタック内の水分量が多い場合の加湿割合制御処理の流れを説明するための図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図７に示す燃料電池システムにおける加湿割合制御処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１，２０，３０：燃料電池システム
２：内部加湿型スタック
３：外部加湿型スタック
４ａ，４ｂ：水素圧力調整弁
５ａ，５ｂ：燃料ガス供給路
６ａ，６ｂ：純水ポンプ
７ａ，７ｂ：燃料ガス循環路
８ａ，８ｂ：燃料ガス循環ポンプ
９ａ，９ｂ：燃料ガス排出路
１０ａ，１０ｂ：パージ弁
１１：ＥＣＵ
１２：コンプレッサ
１３：酸化剤供給路
１４：アノードオフガス循環装置
１２：パージ弁
１３，１６：圧力調整弁
１４：燃料電池間酸化剤ガス供給路
１５：空気圧力調整弁
１６：空気排出路
１７ａ，１７ｂ：純水供給路
１８ａ，１８ｂ，２５：純水排出路
１９：水分量センサ
２０ａ，２０ｂ：温度センサ
２１ａ，２１ｂ，２７：ラジエータ
２２ａ，２２ｂ，２６：ヒータ
２３ａ，２３ｂ：分岐流路
２４：三方弁

Claims (7)

1. 燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電する内部加湿型燃料電池が複数積層された内部加湿型燃料電池スタックと、
   前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガス及び前記内部加湿型燃料電池スタックから排出される排酸化剤ガスを利用して発電する外部加湿型燃料電池が複数積層された外部加湿型燃料電池スタックと、
   前記内部加湿型燃料電池スタック及び前記外部加湿型燃料電池スタックに冷却水を供給することにより、内部加湿型燃料電池スタック及び外部加湿型燃料電池スタックの運転温度を制御する冷却水供給手段と、
   前記外部加湿型燃料電池スタック内の水分量を検出する水分量検出手段と、
   前記水分量検出手段により検出された水分量に応じて、前記内部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度と前記外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度との間に温度差を形成する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記外部加湿型燃料電池スタック内の水分量の閾値を設定し、前記水分量検出手段により検出された水分量と閾値との差に応じて前記温度差を設定することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記水分量検出手段により検出された水分量が前記閾値より小さい場合、前記内部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を前記外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度より高くすることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記水分量検出手段により検出された水分量が前記閾値より大きい場合、前記内部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を前記外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度より低くすることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記内部加湿型燃料電池スタック及び前記外部加湿型燃料電池スタックの負荷割合を変更することにより、内部加湿型燃料電池スタック及び外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却水供給手段は、冷却水を加熱する加熱手段と、冷却水を冷却する冷却手段とを備え、前記制御手段は、前記加熱手段と前記冷却手段を制御することにより、前記内部加湿型燃料電池スタック及び前記外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却水供給手段は、前記内部加湿型燃料電池スタック及び前記外部加湿型燃料電池に供給される冷却水の流量を制御する分配手段を備え、
   前記制御手段は、前記分配手段を制御することにより、前記内部加湿型燃料電池スタック及び前記外部加湿型燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を制御することを特徴とする燃料電池システム。

Images