JP2007200705A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を収容する筐体の内部の温度が変動するときであっても、加湿器における加湿能力を良好に維持するのに有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿器２と、燃料電池および加湿器２を収容する筐体４とをもつ。筐体４の内部を換気する換気手段５と、換気手段５の作動を制御する制御装置７とをもつ。制御装置７は、燃料電池の発電運転時において換気手段５の作動を制御し、筐体４の内部の温度が第１所定温度よりも高いとき筐体４の内部の換気量を増加させて加湿器２における加湿能力を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池を筐体に収容した燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１には、燃料電池と、燃料電池を収容するパッケージと、パッケージ内に配置されパッケージ内の温度を検知する温度センサと、燃料電池を冷却する冷却水が通るラジエータと、ラジエータを冷却するラジエータファンとを有する燃料電池システムが開示されている。このものによれば、温度センサによりパッケージ内の温度を検知する。パッケージ内の温度が高くなり、第１の設定値に到達すると、ラジエータファンが回転してラジエータを冷却させると共に、パッケージ内に外気を導入してパッケージ内を換気し、これによりパッケージ内の温度を低下させることにしている。

特許文献２には、燃料電池本体を収容するパッケージと、パッケージに形成された換気用の排気口および吸気口と、パッケージ内に設けられた可燃性ガス検知器とを有するパッケージ型燃料電池発電設備が開示されている。このものによれば、可燃性ガスが洩れていると可燃性ガス検知器により検知されるとき、換気ファンの回転数を制御する。

特許文献３には、燃料電池本体を収容するパッケージと、パッケージ内のガス濃度を検知するガス検知センサとを有する燃料電池装置が開示されている。このものによれば、可燃性ガスが洩れているとガス検知センサにより検知されるときには、換気ファンによりパッケージ内の換気を行う。

特許文献４には、温度検知器に応じて換気ファンの運転負荷を変化させる燃料電池システムが開示されている。

特許文献５には、燃料電池をケース内に密閉状態で収容し、このケースと燃料電池との間にガス層を設け、システム停止時に真空ポンプを作動させてガス層内を負圧にし、燃料電池の断念性を高める燃料電池システムが開示されている。
特開２００３−１６８４６１号公報 特開平１１−８６８９１号公報 特開２００３−２２９１４８号公報 特開２００４−１９２８８９号公報 特開２００４−２３４８９２号公報

特許文献１は、加湿器の加湿性能の安定化に着目したものではなく、加湿器も搭載されていないし、加湿器についての説明もなく、加湿器の加湿性能の説明もない。特許文献２，３は、可燃性ガスが洩れているとき、パッケージの内部を換気させるものであり、加湿器の加湿性能の安定化に着目したものではない。

ところで、産業界では、加湿器の加湿性能の更なる安定化、燃料電池の発電性能の更なる向上が要望されている。本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池を収容する筐体の内部の温度が変動するときであっても、加湿器における加湿能力を安定させることができ、燃料電池の発電性能を向上させるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明者は燃料電池システムについて鋭意開発を進めている。燃料電池の発電運転時において、燃料電池を収容する筐体の内部の温度がかなり高温となることがある。発電運転において、燃料電池、ブロアやバルブ等の補機類は、放熱性を有するためである。本発明者は、燃料電池を収容する筐体の内部に熱がこもると、加湿器における加湿能力がかなり低下することを知見した。加湿器における加湿能力が低下すると、加湿器を介して燃料電池に供給される反応ガスの加湿量が低下し、発電運転中の燃料電池の加湿状態が良好に維持されにくくなり、燃料電池による発電運転の安定性が充分に得られないおそれがある。かかる知見に基づいて、本発明者は本発明に係る燃料電池システムを完成させた。

即ち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池および加湿器を収容する筐体とを具備する燃料電池システムにおいて、筐体の内部を換気する換気手段と、燃料電池の発電運転時において換気手段の作動を制御し、筐体の内部の温度が第１所定温度よりも高いとき筐体の内部の換気量を増加させて加湿器における加湿能力を所定値以上に維持する制御装置とを具備することを特徴とする。

制御装置は、燃料電池の発電運転時において換気手段の作動を制御し、筐体の内部の温度が第１所定温度よりも高いとき、筐体の内部の換気量を増加させる。これにより筐体の内部の熱こもりを低減または解消する。従って、筐体の内部の温度が適温に維持され、加湿器の過熱、加湿器に供給される酸化剤ガスの過熱が抑制される。よって、加湿器における加湿能力が良好に維持される。

本発明によれば、燃料電池の発電運転時において換気手段の作動を制御し、筐体の内部の温度が第１所定温度よりも高いとき、筐体の内部の換気量を増加させて、筐体の内部の熱こもりを低減させる。これにより加湿器の温度を適温領域に調整し、加湿器における加湿能力を維持する。このように燃料電池を収容する筐体の内部の温度に熱こもりが発生するときであっても、加湿器における加湿能力を良好に維持するのに有利となる。従って燃料電池の発電性能が安定する。

本発明によれば、燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿器と、燃料電池および加湿器を収容する筐体とをもつ。筐体の内部を換気する換気手段と、換気手段の作動を制御する制御装置とが設けられている。制御装置は、燃料電池の発電運転時において、筐体の内部の温度が第１所定温度Ｔ１よりも高いとき筐体の内部の換気量を増加させて、筐体の内部の熱こもりを解消し、加湿器を適温領域に維持し、加湿器の加湿能力を良好に維持する。

本発明によれば、筐体内の温度上昇に対応して筐体内の加湿器本体またはその周囲の温度を低下させる。例えば、筐体内の温度上昇に対応して筐体内と外気の換気量を増加させることで、加湿器本体またはその周囲の温度を低下させる。本発明によれば、加湿器としては、加湿器のハウジングの温度または加湿器に供給される反応ガスの温度が高くなると、加湿器による加湿能力が低下する特性を有すると共に、加湿器のハウジングの温度または加湿器に供給される反応ガスの温度が低くなると、加湿器による加湿能力が低下する特性を有する形態が例示される。

本発明によれば、筐体の内部の酸化剤ガスを加湿器を介して燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段が設けられている形態が例示される。酸化剤ガス供給手段は、筐体の外部の酸化剤ガス（例えば空気などの酸素含有ガス）を加湿器を介して燃料電池に供給する第１経路と、筐体の内部の酸化剤ガス（例えば空気などの酸素含有ガス）を加湿器を介して燃料電池に供給する第２経路と、第１経路による酸化剤ガス供給および第２経路による酸化剤ガス供給を切り替える切替手段とを有する形態が例示される。

本発明によれば、制御装置は、筐体の内部の温度が第２所定温度Ｔ２よりも低いとき、換気手段の換気を制限し、筐体の内部の閉鎖性を高める形態が例示される。筐体の内部の閉鎖性を高めるとは、筐体に形成されている開口の面積の８０％以上を閉鎖することをいう。殊に、筐体の内部の密閉性を高める形態が例示される。冬季、寒冷地等のように、筐体の内部の温度が低いとき、筐体の内部の閉鎖性を高める形態が例示される。この場合、筐体の閉鎖性が高くなるため、加湿器の温度が過剰に低温になることが抑えられ、加湿器における加湿能力が確保される。なお、第１所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２は同一でも良いし、異なっていても良い。

本発明によれば、好ましくは、筐体の内部の温度を検知する温度センサが設けられている。筐体の内部の温度を検知する温度センサとしては、筐体の内部空間に配置しても良いし、加湿器に取り付けられていても良い。温度センサが加湿器に取り付けられていれば、加湿器自体の温度を直接的に検知することができる。加湿器の温度は加湿器における加湿能力に大きな影響を与えるため、加湿器自体の温度を直接的に検知することは、加湿能力の適正化に有効である。

本発明によれば、筐体の内部の温度を検知する温度センサとしては、加湿器を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路に配置されている形態が例示される。これにより酸化剤ガス導入路の酸化剤ガス自体の温度を直接的に検知することができる。酸化剤ガス導入路の酸化剤ガスの温度は、加湿器における加湿能力に大きな影響を与えるため、酸化剤ガス導入路の酸化剤ガスの温度を検知することは、加湿能力の適正化に有効である。

本発明によれば、筐体内の空気を攪拌する攪拌手段が設けられている形態が例示される。この場合、攪拌手段により攪拌される空気は、加湿器、酸化剤ガス供給手段、酸化剤ガス供給手段により加湿器に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路のうちの少なくとも一つに接触する形態が例示される。この場合、加湿器や酸化剤ガス供給手段、酸化剤ガス導入路を効果的に冷却でき、加湿器や酸化剤ガス供給手段を適温領域に維持するのに有利となる。

以下、本発明の実施例１について図１〜図３を参照して説明する。燃料電池システムは、平面図である図１に示すように、空気極（酸化剤極）および燃料極をもつ燃料電池のスタック１０と、スタック１０の空気極に供給する反応ガスとしての空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器２と、筐体４の外部の空気を加湿器２を介してスタック１０の空気に供給する空気供給手段３（酸化剤ガス供給手段）と、筐体４とをもつ。筐体４は、比較的開口量が大きい窓開口４１と、窓開口４１よりも開口量が小さな窓開口４２と、壁体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとをもつ。

加湿器２は、スタック１０の空気極に向かう空気が流れる往路２０と、スタック１０の空気極から吐出された空気オフガスが流れる復路２１と、往路２０および復路２１に対面するように設けられた加湿部材２２と、往路２０、復路２１および加湿部材２２を備えるハウジング２３とをもつ。加湿部材２２としては、スタック１０の空気極に向かう空気を加湿できるものであれば何でもよく、高分子電解質膜の加湿構造でも良いし、中空糸による加湿構造でも良く、他の加湿構造でも良い。

空気供給手段３は、空気導入路３０（酸化剤ガス導入路）と、空気導入路３０に設けられた空気搬送手段（酸化剤ガス搬送手段）として機能するブロア３５とを有する。空気導入路３０は、加湿器２の空気入口２ｉと、筐体４内に位置する吸込口３０ｉとを連通する。ここで、筐体４の内部が高温であると、吸込口３０ｉから吸引された外気が空気導入路３０を介して加湿器２の空気入口２ｉに到達するまでの間に、かなり加熱されてしまう。

本実施例では、筐体４の内部の温度を検知する温度センサ６が筐体４の内部に設けられている。温度センサ６は、筐体４の内部において、スタック１０の対面するようにスタック１０の周囲に配置されている。従って、温度センサ６は、筐体４の内部における通常の温度状態を検知する機能と、筐体４の内部における定常的でない過度な過熱をも検知する機能とを有する。扉５０の作動、ブロア３５等の補機の作動を制御する制御装置７が筐体４の内部に設けられている。温度センサ６の信号は制御装置７に入力される。従って、筐体４の内部には、スタック１０、加湿器２、空気供給手段３、制御装置７、温度センサ６が収容されている。

ここで、ブロア３５が駆動すると、空気が空気導入路３０の吸込口３０ｉを介して加湿器２の空気入口２ｉに供給され、加湿器２の往路２０で加湿部材２２により加湿される。その後、加湿された空気は、スタック１０の空気極の空気入口１０ｉに導入される。また、燃料は、図略の燃料導入路を介してスタック１０の燃料極に導入される。スタック１０に供給された空気および燃料により、スタック１０において発電反応が生じる。スタック１０の空気極の空気出口１０ｏから排出された空気オフガスは、加湿器２の復路２１に供給され、その後、空気導出路３８の出口３８ｏを介して外気に放出される。

スタック１０において発電反応を経た後の空気オフガスは、スタック１０の空気極の空気出口１０ｏから加湿器２の復路２１に供給される。発電反応後の空気オフガスは、スタック１０から吐出されるため、温度が相対的に高く且つ湿度が相対的に高い。これに対して加湿器２に供給される発電反応前の空気は、基本的には外気であるため、発電反応後の空気オフガスよりも、温度が相対的に低く且つ相対的に湿度が低い。そして、加湿器２において、発電反応後の空気オフガスと発電反応前の空気との間に、加湿部材２２を介して熱交換が行われると共に湿度交換が行われる。この結果、スタック１０から吐出された発電反応後の空気オフガスの温度および湿度が加湿器２において減少すると共に、発電反応前の空気の温度および湿度が増加する。これによりスタック１０の空気極の空気入口１０ｉに供給される発電反応前の空気が加熱および加湿される。図示しないが、スタック１０へり加湿量を調整するための加湿器バイパス流路が往路３０および／または復路３１に設けられていても良く、所望の加湿量が得られるように制御可能な構成とされている。

ここで、加湿器２の加湿部材２２の加湿能力を高めるためには、発電反応後の高温高湿の空気オフガスの温度を加湿器２において低下させ、空気オフガスに含まれている水蒸気を加湿器２の復路２１において凝縮させて凝縮水を生成し、その凝縮水を加湿器２の加湿部材２２に給水させることが重要である。

本発明者は、開発を進めた結果、上記した加湿構造をもつ加湿器２における加湿能力と温度との関係について、図２に示す特性を知見した。図２は、加湿器２における加湿能力と、温度（加湿器２のハウジング２３の温度または加湿器２の往路２０に導入される空気の温度）との関係を示す。スタック１０の発電出力を良好に維持するためには、加湿器２の加湿能力は、所定値Ｗ１よりも高い方が好ましい。図２に示す特性線ＷＡに示すように、加湿器２のハウジング２３の温度、あるいは、空気導入路３０から加湿器２に導入される空気の温度が、適温領域ＸＡよりも高温になると、加湿器２における加湿能力が低下する傾向がある。その理由としては次のように推察される。即ち、加湿器２のハウジング２３の温度が過剰に高かったり、あるいは、加湿器２に供給する発電反応前の空気の温度が過剰に高かったりすると、加湿器２全体の温度が上昇し、スタック１０の空気極の空気出口１０ｏから吐出された発電反応後の空気オフガスを加湿器２の復路２１において冷却しにくくなる。この結果、空気オフガスの水蒸気を加湿器２の復路２１において凝縮させて生成される凝縮水の量が不充分となる。ひいてはその凝縮水を加湿器２の加湿部材２２に給水させる量が低下するためと推察される。

また上記した加湿構造をもつ加湿器２によれば、特性線ＷＡに示すように、加湿器２のハウジング２３の表面温度、または、空気導入路３０から加湿器２に導入される空気の温度が適温領域ＸＡよりも低温になると、加湿器２における加湿能力が低下する傾向がある。その理由としては次のように推察される。即ち、加湿器２のハウジング２３の温度が過剰に低かったり、あるいは、空気導入路３０から加湿器２に導入される発電反応前の空気の温度が過剰に低かったりすると、発電反応前の空気の温度が加湿器２の往路２０において上昇しにくくなる。この結果、スタック１０の空気極に供給する空気に含むことができる水蒸気量が低下し、これにより加湿器２における加湿能力が低下するためと推察される。このように上記した温度が適温領域ＸＡから外れると、加湿器２の加湿能力は所定値Ｗ１よりも低下すると推察される。

本実施例によれば、図１に示すように、筐体４の内部の空気と外気とを入れ替えて筐体４の内部の空気を換気する換気手段５が設けられている。換気手段５は、筐体４の窓開口４０の開口面積を可変的に調整する扉５０と、扉５０を駆動させるモータまたは流体シリンダ等で形成された駆動部５２とを有する。扉５０が開放されると、筐体４の内部の空気と外気とが入れ替えられ、筐体４の内部の換気が進行する。扉５０が閉鎖されると、筐体４の内部と外気とが遮断され、筐体４の内部の密閉性が高まる。ここで、筐体４の内部の密閉性が高まるとは、筐体４に形成されている開口の面積の９５％以上を閉鎖することをいう。

本実施例によれば、通常の状態では扉５０は閉鎖されている。温度センサ６が検知する温度Ｔ１が所定温度Ｔａ１（第１所定温度）を越えると、制御装置７からの指令により駆動部５２を扉５０の開放方向に駆動させ、扉５０の開放量を増加させる。これにより筐体４の内部に窓開口４１から外気が導入され、筐体４の内部が冷却される。また、温度センサ６が検知する温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ１（第２所定温度，Ｔａ１＞Ｔｂ１）未満になると、制御装置７からの指令により駆動部５２を扉５０の閉じ方向に駆動させ、扉５０の開放量を減少させるか、扉５０を閉じる。

図３は制御装置７が実行する処理のフローチャートの一例を示す。このフローチャートは一例であり、このフローチャートに限定されるものではない。図３に示すように、温度センサ６が検知する温度Ｔ１を制御装置７が読み込み、温度Ｔ１と所定温度Ｔａ１とを比較する（ステップＳ２）。温度センサ６が検知する温度Ｔ１が所定温度Ｔａ１を越えていなければ（ステップＳ２におけるＮＯ）、筐体４の内部に熱こもりが発生していない。このため、再び、温度センサ６が検知する温度Ｔ１を制御装置７は読み込み、温度Ｔ１と所定温度Ｔａ１との比較を継続する（ステップＳ２）。これに対して、温度センサ６が検知する温度Ｔ１が所定温度Ｔａ１を越えていれば（ステップＳ２におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が高温であり、筐体４の内部に熱こもりが発生しているため、筐体４の内部を冷却させるべく、扉５０を開く（ステップＳ４）。これにより筐体４の内部に外気が導入され、筐体４の内部が換気される。これにより筐体４の内部の熱こもりが改善される。

また、温度センサ６が検知する温度Ｔ１と所定温度Ｔｂ１とを比較する（ステップＳ６）。温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ１未満であれば（ステップＳ６におけるＹＥＳ）、筐体４の内部の温度が低いため、扉５０を閉じる（ステップＳ８）。これにより筐体４の内部の換気が停止される。スタック１０の発電運転中、上記したステップを継続する。なお、所定温度Ｔａ１と所定温度Ｔｂ１とは、同一でも異なっていても良い。即ち、Ｔａ１＝Ｔｂ１，Ｔａ１≒Ｔｂ１，Ｔａ１＞Ｔｂ１，Ｔａ１＜Ｔｂ１のいずれでも良い。

以上説明したように本実施例によれば、スタック１０発電運転時において換気手段５の作動を制御し、筐体４の内部の温度が第１所定温度よりも高いときには、筐体４の内部の換気量を増加させ、筐体４の内部を冷やす。これにより空気導入路３０の空気の温度、加湿器２の温度が適温領域に調整され、加湿器２における加湿能力が良好に維持される。筐体４の内部の温度が第２所定温度よりも低いとき、筐体４の内部の換気量を減少させるか換気を無くし、筐体４の内部の温度を維持する。これにより空気導入路３０の空気の温度、加湿器２の温度が適温領域に調整され、加湿器２における加湿能力が良好に維持される。このようにスタック１０を収容する筐体４の内部の温度が変動するときであっても、加湿２における加湿能力を良好に維持するのに有利となる。

なお、温度センサ６の位置としては、上記位置に限らず、温度センサ６Ｋのように加湿器２の周辺に配置しても良いし、加湿器２のハウジング２３に取り付けられていても良い。この場合、加湿器２の周辺または加湿器２自体の温度を精度良く検知できるため、加湿器２による加湿能力が良好に維持される。

このように本実施例は、筐体４内の温度上昇に対応して筐体４内の加湿器２またはその周囲の温度を低下させることを意図する。即ち、筐体４内の温度上昇に対応して筐体４内の空気と外気との換気量を増加させることで、加湿器２またはその周囲の温度を低下させる。

以下、本発明の実施例２について図４および図５を参照して説明する。本実施例は実施例１と同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、温度センサ６は、空気導入路３０において加湿器２の空気入口２ｉの上流に配置されている。従って温度センサ６は、空気導入路３０において、加湿器２の空気入口２ｉに導入される直前の空気の温度Ｔ２を直接的に検知することができる。従ってスタック１０に供給する空気の加湿量を調整するのに有利である。

図５は制御装置７が実行する処理のフローチャートの一例を示す。ＹＥＳはＹと、ＮＯはＮと略記する。このフローチャートは一例であり、このフローチャートに限定されるものではない。図５に示すように、温度センサ６が検知する温度Ｔ２を読み込み、温度Ｔ２と所定温度Ｔａ２（第１所定温度）とを比較する（ステップＳＢ２）。温度センサ６が検知する温度Ｔ２が所定温度Ｔａ２を越えていなければ（ステップＳＢ２におけるＮＯ）、温度Ｔ２の読み込み、温度Ｔ２と所定温度Ｔａ２との比較を継続する（ステップＳＢ２）。これに対して、温度センサ６が検知する温度Ｔ２が所定温度Ｔａ２を越えていれば（ステップＳＢ２におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が高温であるため、扉５０を開く（ステップＳＢ４）。これにより筐体４の内部が換気され、筐体４の内部の過熱、加湿器２の過熱、加湿器２に供給される酸化剤ガスの過熱が抑えられる。また、温度センサ６が検知する温度Ｔ２と所定温度Ｔｂ２（第２所定温度）とを比較する（ステップＳＢ６）。温度Ｔ２が所定温度Ｔｂ２未満であれば（ステップＳＢ６におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が低温であるため、扉５０を閉じる（ステップＳＢ８）。これにより筐体４の内部の換気が停止され、筐体４の内部の温度が維持される。スタック１０の発電運転中、上記したステップを継続する。所定温度Ｔａ２と所定温度Ｔｂ２とは、同一でも異なっていても良い。即ち、Ｔａ２＝Ｔｂ２，Ｔａ２≒Ｔｂ２，Ｔａ２＞Ｔｂ２，Ｔａ２＜Ｔｂ２のいずれでも良い。

以下、本発明の実施例３について図６および図７を参照して説明する。本実施例は実施例１と同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図６に示すように、温度センサ６が筐体４の内部に設けられており、筐体４の内部の温度を検知する。さらに、筐体４の内部の空気を強制的に攪拌する攪拌手段として機能するファン５５が、筐体４の内部に設けられている。図６に示すように、ファン５５は、加湿器２および空気導入路３０に対面しており、加湿器２および空気導入路３０の方向に向けて送風される。これにより加湿器２および空気導入路３０を効率よく冷却できる。故に加湿器２や空気導入路３０の過熱しているときであっても、加湿器２や空気導入路３０を効率よく冷却させることができる。図６に示すようにファン５５、加湿器２，燃料電池、温度センサ６の順に配置されているため、ファン５５の送風は加湿器２に当たるものの、スタック１０、温度センサ６に当たる風量は制約されており、スタック１０、温度センサ６の急激な温度変化は抑制されている。なお、ファン５５の配置位置としては上記位置に限定されるものではなく、筐体４の内部の空気を攪拌できる位置であれば良く、加湿器２および空気導入路３０に対面していなくても良い。

一般的には、扉５０が開放しているときにはファン５５を回転させると共に、扉５０が閉鎖しているときにはファン５５を停止させる。但し、扉５０が開放しているときでもファン５５を停止させても良く、また、扉５０が閉鎖しているときファン５５を回転させても良い。即ち本実施例によれば、（ｉ）〜（ｉｉｉ）の形態を採用できる。

（ｉ）筐体４の内部の温度が高温になると、先ず扉５０を開放させて筐体４の内部を自然換気させる。それでも、筐体４の内部の温度が更に高温になると、ファン５５を回転させ、筐体４の内部を強制的に換気させる。ファン５５の作動量が低減されるので、ファン５５を回転させる電気エネルギが節約される。

（ｉｉ）筐体４の温度が高温になると、先ず、扉５０が閉鎖されている状態でファン５５を回転させて筐体４の内部の空気を攪拌し、筐体４の内部における温度分布の偏りを解消する。更に、筐体４の内部の温度が高温になると、ファン５５を回転させつつ扉５０を開放させる。上記したように扉５０が閉じているとき、ファン５５を回転させるため、筐体４の内部における温度分布の偏りを優先的に解消できる。

（ｉｉｉ）筐体４の温度が高温になると、ファン５５の回転および扉５０の開放の双方を同時に行う。

さて、図７は制御装置７が実行する処理のフローチャートの一例を示す。このフローチャートは一例であり、このフローチャートに限定されるものではない。図７に示すように、温度センサ６が検知する温度Ｔ１を読み込み、温度Ｔ１と所定温度Ｔａ１（第１所定温度）とを比較する（ステップＳＣ２）。温度センサ６が検知する温度Ｔ１が所定温度Ｔａ１を越えていなければ（ステップＳＣ２におけるＮＯ）、温度センサ６が検知する温度Ｔ１を読み込み、温度Ｔ１と所定温度Ｔａ１との比較を継続する（ステップＳＣ２）。これに対して、温度センサ６が検知する温度Ｔ１が所定温度Ｔａ１を越えていれば（ステップＳＣ２におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が高温であるため、扉５０を開くとともに、攪拌ファン５５をオンさせて回転させる（ステップＳＣ４）。これにより筐体４の内部の換気が促進される。

また、温度センサ６が検知する温度Ｔ１と所定温度Ｔｂ１（第２所定温度）とを比較する（ステップＳＣ６）。温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ１未満であれば（ステップＳＣ６におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が低温であり、扉５０を閉じると共に、攪拌ファン５５をオフさせて回転を停止させる（ステップＳＣ８）。これにより筐体４の内部の換気が停止され、筐体４の温度が維持される。スタック１０の発電運転中、上記したステップを継続する。所定温度Ｔａ１と所定温度Ｔｂ１とは、同一でも異なっていても良い。即ち、Ｔａ１＝Ｔｂ１，Ｔａ１≒Ｔｂ１，Ｔａ１＞Ｔｂ１のいずれでも良い。なお、温度センサ６の位置としては、上記した位置に限らず、温度センサ６Ｋのように加湿器２の周辺に配置しても良いし、加湿器２のハウジング２３に取り付けられていても良い。

以下、本発明の実施例４について図８および図９を参照して説明する。本実施例は実施例２と同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例２と相違する部分を中心として説明する。図８に示すように、温度センサ６は、空気導入路３０において、加湿器２の空気入口２ｉの上流に配置されている。従って温度センサ６は、空気導入路３０において、加湿器２の空気入口２ｉに導入される空気の温度を直接的に検知する。筐体４の内部の空気を強制的に攪拌する攪拌手段として機能するファン５５が筐体４の内部に設けられている。一般的には、扉５０が開放しているときにはファン５５を回転させると共に、扉５０が閉鎖しているときにはファン５５を停止させる。但し、扉５０が開放しているときでもファン５５を停止させても良い。

図９は制御装置７が実行する処理のフローチャートの一例を示す。このフローチャートは一例であり、このフローチャートに限定されるものではない。図９に示すように、温度センサ６が検知する温度Ｔ２を読み込み、温度Ｔ２と所定温度Ｔａ２（第１所定温度）とを比較する（ステップＳＤ２）。温度Ｔ２が所定温度Ｔａ２を越えていなければ（ステップＳＤ２におけるＮＯ）、温度Ｔ２の読み込み、温度Ｔ２と所定温度Ｔａ２との比較を継続する（ステップＳＤ２）。これに対して、温度センサ６が検知する温度Ｔ２が所定温度Ｔａ２を越えていれば（ステップＳＤ２におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が高温であるため、扉５０を開くとともに、ファン５５をオンさせて回転させる（ステップＳＤ４）。これにより筐体４の内部が換気される。扉５０の開放とファン５５の回転との双方が行われるため、筐体４の内部が効果的に換気されて冷やされ、筐体４の内部の過熱が抑えられる。

また、温度センサ６が検知する温度Ｔ２と所定温度Ｔｂ２（第２所定温度）とを比較する（ステップＳＤ６）。温度Ｔ２が所定温度Ｔｂ２未満であれば（ステップＳＤ６におけるＹＥＳ）、筐体４の内部が低温であるため、扉５０を閉じると共に、ファン５５をオフさせて回転を停止させる（ステップＳＤ８）。これにより筐体４の内部の換気が停止され、筐体４の内部の温度が維持される。スタック１０の発電運転中、上記したステップを継続する。即ち、Ｔａ２＝Ｔｂ２，Ｔａ２≒Ｔｂ２，Ｔａ２＞Ｔｂ２のいずれでも良い。なお、温度センサ６の位置としては、上記した位置に限らず、温度センサ６Ｋのように加湿器２の周辺に配置しても良いし、加湿器２のハウジング２３に取り付けられていても良い。

以下、本発明の実施例５について図１０を参照して説明する。本実施例は図６に示す実施例３と同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例３と同様に、筐体４の内部の空気を強制的に攪拌する攪拌手段として機能するファン５５が筐体４の内部において設けられている。

図１０は制御装置７が実行する処理のフローチャートの一例を示す。このフローチャートは一例であり、このフローチャートに限定されるものではない。図１０に示すように、温度センサ６が検知する温度Ｔ１を読み込み、温度Ｔ１と所定温度Ｔａ３（第１所定温度）とを比較する（ステップＳＥ２）。温度Ｔ１が所定温度Ｔａ３を越えていなければ（ステップＳＥ２におけるＮＯ）、筐体４の内部に熱こもりが発生していない。このため、温度Ｔ２の読み込み、温度Ｔ１と所定温度Ｔａ３との比較を継続する（ステップＳＥ２）。これに対して、温度Ｔ１が所定温度Ｔａ３を越えていれば（ステップＳＥ２におけるＹＥＳ）、筐体４の内部の温度が高温であるため、扉５０を開く（ステップＳＥ４）。これにより筐体４の内部が換気され、冷やされる。また、温度Ｔ１と所定温度Ｔｂ３（第２所定温度）とを比較する（ステップＳＥ６）。

温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ３未満であれば（ステップＳＥ６におけるＹＥＳ）、筐体４の内部の温度が低すぎるため、扉５０を閉じ（ステップＳＥ８）、ステップＳＥ２に進む。このように扉５０が閉じるため、筐体４の内部の換気が停止され、筐体４の内部の温度が適温領域に維持される。ここで、所定温度Ｔａ３と所定温度Ｔｂ３とは、同一温度でも異なっていても良い。即ち、Ｔａ３＝Ｔｂ３，Ｔａ３≒Ｔｂ３，Ｔａ３＞Ｔｂ３のいずれでも良い。

また、温度Ｔ１が所定温度Ｔｂ３未満でなければ（ステップＳＥ６におけるＮＯ）、温度Ｔ１と所定温度Ｔｃ３とを比較する（ステップＳＥ１０）。温度Ｔ１が所定温度Ｔｃ３よりも高温でなければ（ステップＳＥ１０におけるＮＯ）、ステップＳＥ６に戻る。また、温度Ｔ１が所定温度Ｔｃ３よりも高温であれば（ステップＳＥ１０におけるＹＥＳ）、ファン５５をオンして回転させる（ステップＳＥ１２）。これにより筐体４の内部が攪拌される。また、温度Ｔ１と所定温度Ｔｄ３とを比較する（ステップＳＥ１４）。そして、温度Ｔ１が所定温度Ｔｄ３未満であれば（ステップＳＥ１４におけるＹＥＳ）、筐体４の内部の温度が低すぎるため、ファン５５をオフとする（ステップＳＥ１６）。これにより筐体４の内部の空気の攪拌が停止される。温度Ｔ１が所定温度Ｔｄ３未満でなければ（ステップＳＥ１４におけるＮＯ）、ステップＳ１４を継続する。スタック１０の発電運転中、上記したステップを継続する。

以下、本発明の実施例６について図１１を参照して説明する。本実施例は図８に示す実施例４と同様の構成、作用効果を有する。図８を準用する。以下、実施例４と相違する部分を中心として説明する。筐体４の内部の空気を強制的に攪拌する攪拌手段として機能するファン５５が筐体４の内部に設けられている。扉５０が閉鎖しているときには、ファン５５を停止させる。

図１１は制御装置７が実行する処理のフローチャートの一例を示す。このフローチャートは一例であり、このフローチャートに限定されるものではない。図１１に示すように、温度センサ６が検知する温度Ｔ２を読み込み、温度Ｔ２と所定温度Ｔａ４（第１所定温度）とを比較する（ステップＳＦ２）。温度Ｔ２が所定温度Ｔａ４を越えていなければ（ステップＳＦ２におけるＮＯ）、再び、温度Ｔ２の読み込み、温度Ｔ２と所定温度Ｔａ４との比較を継続する（ステップＳＦ２）。これに対して、温度Ｔ２が所定温度Ｔａ４を越えていれば（ステップＳＦ２におけるＹＦＳ）、筐体４の温度が高温であり、筐体４の内部に熱こもりが発生しているため、扉５０を開く（ステップＳＦ４）。これにより筐体４の内部が換気されて冷やされる。また、温度Ｔ２と所定温度Ｔｂ４（第２所定温度）とを比較する（ステップＳＦ６）。温度Ｔ２が所定温度Ｔｂ４未満であれば（ステップＳＦ６におけるＹＦＳ）、筐体４の内部の温度が低すぎるため、扉５０を閉じ（ステップＳＦ８）、ステップＳＦ２に進む。このように扉５０が閉じるため、筐体４の内部の換気が停止され、筐体４の内部の温度が適温領域に維持される。所定温度Ｔｂ４と所定温度Ｔａ４とは、同一温度でも、異なっていても良い。即ち、Ｔａ４＝Ｔｂ４，Ｔａ４≒Ｔｂ４，Ｔａ４＞Ｔｂ４のいずれでも良い。

また、温度Ｔ２が所定温度Ｔｂ４未満でなければ（ステップＳＦ６におけるＮＯ）、温度Ｔ２と所定温度Ｔｃ４とを比較する（ステップＳＦ１０）。温度Ｔ２が所定温度Ｔｃ４よりも高温でなければ（ステップＳＦ１０におけるＮＯ）、ステップＳＦ６に戻る。また、温度Ｔ２が所定温度Ｔｃ４よりも高温であれば（ステップＳＦ１０におけるＹＦＳ）、筐体４の温度が高温であるため、ファン５５をオンして回転させる（ステップＳＦ１２）。これにより筐体４の内部の空気が攪拌される。また、温度Ｔ２と所定温度Ｔｄ４とを比較する（ステップＳＦ１４）。そして、温度Ｔ２が所定温度Ｔｄ４未満であれば（ステップＳＦ１４におけるＹＦＳ）、筐体４の内部の温度が低すぎるため、ファン５５をオフとする（ステップＳＦ１６）。これにより筐体４の内部の空気の攪拌が停止される。その後、ステップＳＦ６に戻る。温度Ｔ２が所定温度Ｔｄ４未満でなければ（ステップＳＦ１４におけるＮＯ）、ステップＳ１４を継続する。スタック１０の発電運転中、上記したステップを継続する。即ち、Ｔｃ４＝Ｔｄ４，Ｔｃ４≒Ｔｄ４，Ｔｃ４＞Ｔｄ４のいずれでも良い。

以下、本発明の実施例７について図１２を参照して説明する。本実施例は実施例１と同様の構成、作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。筐体４の窓開口４０はブロア３５に対面する。筐体４の内部を換気する換気手段５Ｂが筐体４に設けられている。換気手段５Ｂは、筐体４の窓開口４０の開口量を調整するルーバ式の扉５０Ｂと、ルーバ式の扉５０Ｂを駆動させるモータまたは流体シリンダで形成された駆動部５２Ｂとを有する。扉５０Ｂが閉鎖されると、筐体４の内部と外気とが遮断される。扉５０Ｂが開放されると、筐体４の内部と外気とが連通される。なお、温度センサの位置としては、上記した位置に限らず、温度センサ６Ｋのように加湿器２の周辺に配置しても良いし、加湿器２のハウジング２３に取り付けられていても良い。本実施例によれば、図１２に示すように、空気導入路３０は吸込口３０ｉを有する。吸込口３０ｉは、筐体４の外部の外気を吸い込むために、筐体４の外部に導出されている。

以下、本発明の実施例８について図１３を参照して説明する。温度センサ６は、空気導入路３０において、加湿器２の空気入口２ｉの上流に配置されている。従って温度センサ６は、空気導入路３０において、加湿器２の空気入口２ｉに導入される空気の温度を直接的に検知する。

図１３に示すように、筐体４の内部の空気を加湿器２を介してスタック１０の空気極に供給する空気供給手段３が筐体４の内部に設けられている。空気供給手段３は、筐体４外の空気を加湿器２を介して燃料電池の空気極に供給する第１経路３１と、筐体４の内部の空気を加湿器２を介して燃料電池の空気極に供給する第２経路３２とを有する。第１経路３１は、筐体４の外部に連通して筐体４の外部の外気を吸い込む吸込口３１ｉをもつ。第２経路３２は、筐体４の内部に連通して筐体４の内部の空気を吸い込む吸込口３２ｉをもつ。

図１３に示すように、第１経路３１による空気供給と第２経路３２による空気供給とを切り替える切替手段として機能する弁部３３が、ブロア３５の上流に設けられている。弁部３３は筐体４の内部に配置されている。弁部３３の作動時に発生する熱は、筐体４内に放出される。筐体４の内部の温度が所定温度よりも高いとき、筐体４の内部の温度が高温であるため、弁部３３の切替により、筐体４の内部よりも低温の外気を、第１経路３１から加湿器２ひいてはスタック１０の空気極に供給する。また、スタック１０の発電運転時において、筐体４の内部の温度が所定温度よりも低いとき、弁部３３の切替により、筐体４の内部の暖かい空気を第２経路３２から加湿器２ひいてはスタック１０に供給する。

本実施例によれば、筐体４の内部の温度が過剰に高いとき、筐体４の内部の過剰に高温の空気を加湿器２に供給するのではなく、筐体４の内部の空気よりも低温の外気の空気を加湿器２に供給することができる。このため、加湿器２の過熱が抑制され、加湿器２における加湿能力が良好に確保される。なお、温度センサの位置としては、上記した位置に限らず、加湿器２の周辺に配置しても良いし、温度センサ６Ｋのように加湿器２のハウジング２３に取り付けられていても良い。

以下、本発明の実施例９について図１４を参照して説明する。本実施例は実施例１と同様の構成、作用効果を有する。本実施例によれば、筐体４は、大容積の第１収容空間４ｆと、小容積の第２収容空間４ｓと、第１収容空間４ｆおよび第２収容空間４ｓを仕切る壁状をなす仕切部材４ｍとをもつ。筐体４の第１収容空間４ｆ内には、スタック１０、加湿器２、空気供給手段３、制御装置７、温度センサ６、改質器９が収容されている。改質器９は、都市ガスまたはプロパンガス等の原料ガスを、水蒸気を利用した改質反応により水素含有の燃料ガスとするものである。改質器９は放熱性を抑えるべく断熱部材で包囲されているが、改質器９の熱は少なからず筐体４内部の温度に影響を与える。第２収容空間４ｓには、スタック１０を流れる冷却水が通過するラジエータ８０と、ラジエータ８０を冷却するラジエータファン８１とが設けられている。ラジエータ８０を通過する冷却水は、スタック１０を経由してもしなくても良い。冷却水の温度上昇時に同ラインの放熱によって筐体４内の温度を制御可能な状態に維持できる構成であれば良い。

仕切部材４ｍは開口４４をもつ。第２収容空間４ｓは仕切部材４ｍの開口４４および図示しない別の開口（例えばラジエータ８０の手前および／または奥側に配置）を介して外気に連通する。仕切部材４ｍには換気手段５が設けられている。換気手段５は、仕切部材４ｍの窓開口４０を開閉する開閉量が可変の扉５０と、扉５０を開閉させる駆動部５２とを有する。筐体４は、第２収容空間４ｓから離れた位置において、第１収容空間４ｆと外気とを連通させる通風開口４３をもつ。通風開口４３は、第２収容空間４ｓからできるだけ離れた位置に形成されている。通風開口４３は制御装置７に対面しており、電気機器を有するため放熱性をもつ制御装置７を冷却させるのに有利である。

発電運転中において、通常、扉５０は閉じた状態にある。筐体４内の温度が過熱状態であれば、ラジエータファン８１を駆動させると共に扉５０を開く。よって筐体４の内部の空気は、扉５０、窓開口４０、第２収容空間４ｓの開口４４を経て筐体４の外部に流れる。筐体４の外気が筐体４の通風開口４３から第１収容空間４ｆ内に供給される。これにより空気流ＭＡが形成される。この結果、筐体４の内部の熱こもりが低減され、空気導入路３０の空気および加湿器２が適温領域に維持される。殊に、空気流ＭＡが流れる流路に、制御装置７、加湿器２、空気導入路３０、ブロア３５が配置されている。空気流ＭＡは加湿器２のハウジング２３、空気導入路３０、ブロア３５に接触するため、これらの過熱が効果的に抑制される。故に、加湿器２が適温領域となり、加湿器２による加湿能力が良好に維持される。なお、温度センサ６の位置としては、加湿器２のハウジング２３に取り付けられている。

（他の実施例）
上記した実施例１によれば、加湿器２は、スタック１０の空気極に向かう空気が流れる往路２０と、スタック１０の空気極から吐出された空気オフガスが流れる復路２１と、往路２０および復路２１に対面するように設けられた加湿部材２２とをもつ構造であるが、これに限定されるものではなく、要するに加湿できるものであれば良い。上記した各実施例によれば、スタック１０の空気極に空気を供給する空気搬送手段としてブロア３５が設けられているが、これに限らず、コンプレッサ、ファンとしても良く、要するに、空気を加湿器２を介してスタック１０の空気極に搬送できるものであれば良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は、例えば、車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システムに適用できる。

実施例１に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。 実施例１に係り、加湿器における加湿能力と、温度（加湿器のハウジングの温度または加湿器の往路に導入される空気の温度）との関係を模式的に示すグラフである。 実施例１に係り、制御装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施例２に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。 実施例２に係り、制御装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施例３に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。 実施例３に係り、制御装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施例４に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。 実施例４に係り、制御装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施例５に係り、制御装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施例６に係り、制御装置が実行する制御の一例を示すフローチャートである。 実施例７に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。 実施例８に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。 実施例９に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１は燃料電池、１０はスタック、２は加湿器、４は筐体、５は換気手段、５０は扉、５２は駆動部、５５はファン（攪拌手段）、７は制御装置、３は空気供給手段（酸化剤ガス供給手段）、３０は空気導入路（酸化剤ガス導入路）、３１は第１経路、３２は第２経路、３３は弁部（切替手段）、３５はブロア、６は温度センサ、７は制御装置を示す。

Claims (6)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池および前記加湿器を収容する筐体とを具備する燃料電池システムにおいて、
   前記筐体の内部を換気する換気手段と、
   前記燃料電池の発電運転時において前記換気手段の作動を制御し、前記筐体の内部の温度が第１所定温度よりも高いとき前記筐体の内部の換気量を増加させることにより、前記加湿器における加湿能力を所定値以上に維持する制御装置とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記反応ガスは酸化剤ガスであり、前記筐体の内部の酸化剤ガスまたは前記筐体の外部の酸化剤ガスを、前記加湿器を介して燃料電池に供給する前記酸化剤ガス供給手段が設けられており、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記筐体外の酸化剤ガスを前記加湿器を介して前記燃料電池に供給する第１経路と、前記筐体の内部の酸化剤ガスを前記加湿器を介して前記燃料電池に供給する第２経路と、前記第１経路による酸化剤ガス供給および前記第２経路による酸化剤ガス供給を切り替える切替手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記制御装置は、前記筐体の内部の温度が第２所定温度よりも低いとき、前記換気手段の換気を制限し、前記筐体の内部の閉鎖性を高めることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記筐体の内部の温度を検知する温度センサが設けられており、前記温度センサは前記筐体の内部または前記加湿器に取り付けられていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記加湿器は、前記加湿器のハウジングの温度または前記加湿器に供給される反応ガスの温度が高くなると、前記加湿器による加湿能力が低下する特性を有する他に、
   前記加湿器のハウジングの温度または前記加湿器に供給される反応ガスの温度が低くなると、前記加湿器による加湿能力が低下する特性を有することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２において、前記筐体内の空気を攪拌する攪拌手段が設けられており、前記攪拌手段により攪拌される空気は、前記加湿器、前記酸化剤ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段により前記加湿器に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入路のうちの少なくとも一つに接触することを特徴とする燃料電池システム。

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