JP2007294359A

JP2007294359A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007294359A
Application number: JP2006123584A
Authority: JP
Inventors: Yozo Okuyama; 陽三奥山; Koichi Yamaguchi; 浩一山口; Satoru Takaichi; 哲高市; Hiroshi Miyakubo; 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】燃料極側に供給される燃料ガスを加湿する加湿装置の小型化を図りつつ、燃料ガスの加湿量を適切に制御する。
【解決手段】アノード加湿装置１２は、酸化剤極３からのカソードオフガスの流路である空気排出流路Ｌ5上に介在し、かつ、燃料極２に供給される水素の流路である水素供給流路Ｌ1上にも介在しており、カソードオフガスと、供給水素との間で水分交換を行う。カソード三方弁２２は、アノード加湿装置１２よりも上流側の空気排出流路Ｌ5に設けられており、酸化剤極３から排出される空気を、アノード加湿手段側と、空気排出流路Ｌ5とは異なる中間流路Ｌ6とに分配するとともに、この分配量が調整可能となっている。コントローラは、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、カソード三方弁２２による分配量を制御することにより、燃料極２に供給される水素への加湿量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システムに係り、特に、燃料電池に供給される燃料ガスを加湿する手法に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。燃料電池は、電解質および電極触媒複合体を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して構成されている。電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質が多く用いられる。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、適度に含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、このような燃料電池システムでは、反応ガスを加湿した状態で燃料電池に供給することによって、各セルの固体高分子電解質膜を加湿している。

例えば、特許文献１には、酸化剤極に供給される酸化剤ガスを、酸化剤極から排出されるオフガスで加湿する第１の加湿装置と、燃料極に供給される燃料ガスを、酸化剤極から排出されるオフガスで加湿する第２の加湿装置とを備える燃料電池システムが開示されている。ここで、酸化剤極から排出されるオフガスは、第２の加湿装置を通過したの後に、第１の加湿装置を通過するようになっており、第２の加湿装置が非多孔質型の水透過膜を使用しているため、ガスリークが少ないという長所を備えている。
特開２００２−２１６８１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、燃料極に供給される燃料ガスを加湿する第１の加湿装置に対して、酸化剤極から排出されるオフガスを全て流す構成となっているため、加湿装置が大型化し、また、加湿量の調節を行うことができないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料極側に供給される燃料ガスを加湿する加湿装置の小型化を図りつつ、燃料ガスの加湿量を適切に制御することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、酸化剤ガス排出流路と、燃料ガス供給流路と、第１の加湿手段と、分配手段と、制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する。酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極から排出される酸化剤ガスの流路である。燃料ガス供給流路は、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガスの流路である。第１の加湿手段は、酸化剤ガス排出流路上に介在し、かつ、燃料ガス供給流路上にも介在しており、酸化剤極から排出される酸化剤ガスと、燃料極に供給される燃料ガスとの間で水分交換を行う。分配手段は、第１の加湿手段よりも上流側の酸化剤ガス排出流路に設けられており、酸化剤極から排出される酸化剤ガスを、第１の加湿手段側と、酸化剤ガス排出流路とは異なる中間流路とに分配するとともに、この分配量が調整可能となっている。制御手段は、燃料電池の運転状態に応じて、分配手段による分配量を制御することにより、燃料極に供給される燃料ガスへの加湿量を調整する。

本発明によれば、分配手段により第１の加湿手段に供給される湿潤ガス（酸化剤極から排出される酸化剤ガス）の流量を制御することができる。これにより、燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスの加湿量を制御することができる。また、酸化剤極から排出される酸化剤ガスの全てが第１の加湿手段に対して常に流れるといった事態が抑制されるので、加湿手段のサイズを小さくすることもできる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極（カソード）と燃料極（アノード）とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成され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、燃料極２に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極３に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０とが備えられている。

水素系１０において、燃料ガスである水素は、水素供給装置（例えば、燃料タンク１１である高圧水素ボンベ）に貯蔵された状態から、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１からの高圧水素は、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ（図示せず）によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧バルブは、燃料電池スタック１に供給される水素圧力が所望の値となるように、その開度がコントローラ（図示せず）によって制御される。

本実施形態の特徴の一つとして、水素供給流路Ｌ1には、例えば、図示しない水素調圧バルブよりも上流側に、アノード加湿装置（ＷＲＤ）１２が設けられている。このアノード加湿装置１２は、燃料極２側に供給される水素を加湿する装置であり、本実施形態では、中空糸膜（水透過膜）型の加湿装置である。アノード加湿装置１２は、例えば、複数本の水透過性の中空糸膜を束ねてハウジングに収納した中空糸モジュールを主体に構成されており、中空糸膜内部の細孔への毛管凝縮作用を利用して、中空糸膜内部を流れる湿潤ガスから水分を分離して、これを中空糸膜外部へ移動させ、これにより、中空糸膜外部を流れる乾燥ガスを加湿する。なお、中空糸膜の性質上、中空糸膜内部に乾燥ガスを流し、中空糸膜外部に湿潤ガスを流した場合であっても、同様に、乾燥ガスの加湿を行うことができる。

本実施形態において、アノード加湿装置１２は、乾燥気体、すなわち、水素供給流路Ｌ1を介して燃料電池スタック１の燃料極２側に供給される水素と、湿潤気体、すなわち、後述する空気排出流路Ｌ5を介して燃料電池スタック１の酸化剤極３側から排出されるガス（以下、「カソードオフガス」という）とがそれぞれ供給されることにより、水素（水素ガス）とカソードオフガスとの間で水分交換を行い、これにより、燃料極２側に供給される水素を加湿する。このため、アノード加湿装置１２は、水素供給流路Ｌ1とともに、空気排出流路Ｌ5にも介在するようにレイアウトされている。

燃料電池スタック１の燃料極２側から排出される、未使用の水素を含むガス（以下「アノードオフガス」という）は、水素循環流路Ｌ2へと排出される。水素循環流路Ｌ2は、他方の端部が水素供給流路Ｌ1に接続されており、この水素循環流路Ｌ2には、例えば、水素循環ポンプ１３といった水素循環手段が設けられている。水素循環手段により、燃料極２側からのアノードオフガスは、その供給側へと循環され、燃費の向上と、燃料電池スタック１における反応効率の向上とを図ることができる。

また、燃料電池スタック１では、燃料極２および酸化剤極３におけるガスの反応に伴って水が生成される。生成水は酸化剤極３側で生じるが、電解質膜を通して燃料極２側へと移動するため、この生成水が水素循環流路Ｌ2へと流入し、水素循環ポンプ１３等の循環手段に不具合を生じさせるといった問題がある。さらに、この生成水が燃料電池スタック１へと流入した場合には、燃料極２の反応面積を減少させるといった水詰り（フラッティング）の問題も生じる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、アノードオフガス中に含まれる水を分離するための気液分離装置１４が設けられている。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極３側から燃料極２側に透過するため、水素系１０における窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ2には、水素系１０内のガスを排出する水素排出流路Ｌ3が接続されている。水素排出流路Ｌ3には、パージ弁１５が設けられており、このパージ弁１５の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ2を流れるアノードオフガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージ弁１５は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態がコントローラによって制御される。パージ弁１５は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極２における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。

空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって加圧され、空気供給流路Ｌ4を介して燃料電池スタック１に供給される。一方、燃料電池スタック１の酸化剤極３側から排出されるカソードオフガス、すなわち、燃料電池スタック１において酸素が消費され、かつ、生成水を含む空気は、空気排出流路Ｌ5へと排出される。カソードオフガスは、空気排出流路Ｌ5のアノード加湿装置１２を経由することにより除湿され、そして、希釈ファン、触媒燃焼器等の希釈装置２３によって希釈された後に、大気へと放出される。空気排出流路Ｌ5には、アノード加湿装置１２よりも上流側に、空気調圧バルブ（図示せず）が設けられている。空気調圧バルブは、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともにコントローラによって制御される。

また、この空気排出流路Ｌ5には、アノード加湿装置１２よりも上流側、かつ、図示しない空気調圧バルブよりも下流側にカソード三方弁２２が設けられている。このカソード三方弁２２は、燃料電池スタック１の酸化剤極３側からのカソードオフガスを、アノード加湿装置１２側（すなわち、カソード三方弁２２を介して空気排出流路Ｌ5の下流側）と、端部が外部（大気）に開放されている中間流路Ｌ6側とに分配する。このカソード三方弁２２は、その開度に応じて、アノード加湿装置１２側と中間流路Ｌ6側とに対するカソードオフガスの分配量を調整することができる。カソード三方弁２２の開度制御は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、コントローラによって実行される。

このような燃料電池システムには、電力制御装置（図示せず）が接続されている。この電力制御装置は、コントローラによって制御され、システムに要求される負荷に応じて、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電流）を取り出す。この取り出された出力は、外部システム（例えば、車両を駆動する電動モータ）や、燃料電池システムを動作させる補機（代表的には、コンプレッサ２１）に供給される。

コントローラは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。このコントローラは、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の発電動作を制御する。コントローラは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、例えば、水素の圧力・流量制御、空気の圧力・流量制御などに関する演算を行う。そして、コントローラは、この演算によって算出された制御量に応じた制御信号を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧バルブの開度、空気調圧バルブの開度、コンプレッサの回転数、電力制御装置によって取り出す電力などを制御する。

また、本実施形態との関係において、このコントローラは、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、カソード三方弁２２の開度を制御することにより、燃料極２側に供給される水素に対する加湿量を調整する。中空糸膜型のアノード加湿装置１２は、湿潤ガス、すなわち、カソードオフガスの供給量に応じて、燃料極２側に供給される水素に対する加湿量が決定される。そのため、カソード三方弁２２の開度を制御し、アノード加湿装置１２側と、中間流路Ｌ6側とに対するカソードオフガスの分配量を調整することにより、加湿量を制御することができる。

上述したシステム構成において、コントローラは、基本的に、燃料極２に供給される水素に対して加湿を常に行う。すなわち、コントローラは、カソード三方弁２２を制御し、アノード加湿装置１２側へとカソードオフガスが常に流れるように、分配量を調整する。また、コントローラは、燃料電池スタック１に要求される負荷に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を調整する。例えば、コントローラは、燃料電池スタック１に要求される負荷の増加に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を増大させるといった如くである。

図２は、電流密度と、アノード加湿装置１２側へ分配されるカソードオフガスの割合との対応関係の一例を示す説明図である。例えば、コントローラは、同図に示すような傾向に従って、カソード三方弁２２を制御する。同図に示す例では、電流密度が概ね０〜０．１５A/cm²の範囲では、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合は５０％となっている。また、電流密度が概ね０．１５〜１．２５A/cm²の範囲では、その電流密度の増加に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合が５０〜１００％の間で線形的に増大する傾向となっている。また、電流密度が概ね１．２５A/cm²以上の範囲では、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合は１００％となっている。電流密度と、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合との対応関係は、燃料電池スタック１を構成する個々のセルにおける電解質膜等の水特性を考慮することにより、実験やシミュレーションを通じて取得することができる。コントローラは、このような対応関係を記述したマップ或いは計算式を記憶領域に格納しており、これを参照して、カソード三方弁２２の制御を行う。

このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気排出流路（酸化剤ガス排出流路）Ｌ5と、水素供給流路（燃料ガス供給流路）Ｌ1と、アノード加湿装置（第１の加湿手段）１２と、カソード三方弁（分配手段）２２と、コントローラ（制御手段）とを主体に構成されている。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極２に水素が供給されるとともに、酸化剤極３に空気が供給されることにより、水素と空気とを電気化学的に反応させて電力を発電する。空気排出流路Ｌ5は、燃料電池スタック１の酸化剤極３から排出される空気（カソードオフガス）の流路である。水素供給流路Ｌ1は、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される水素の流路である。アノード加湿装置１２は、空気排出流路Ｌ5上に介在し、かつ、水素供給流路Ｌ1上にも介在しており、酸化剤極３からのカソードオフガスと、燃料極２に供給される水素との間で水分交換を行う。カソード三方弁２２は、アノード加湿装置１２よりも上流側の空気排出流路Ｌ5に設けられており、酸化剤極３から排出される空気を、アノード加湿手段側と、空気排出流路Ｌ5とは異なる中間流路Ｌ6とに分配するとともに、この分配量が調整可能となっている。コントローラは、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、カソード三方弁２２による分配量を制御することにより、燃料極２に供給される水素への加湿量を調整する。

かかる構成によれば、カソード三方弁２２によりアノード加湿装置１２に供給される湿潤ガス（カソードオフガス）の流量を制御することができる。これにより、燃料電池スタック１の燃料極２側に供給される水素の加湿量を制御することができる。また、従来では、カソードオフガスの全てをアノード加湿装置に対して常に流す構成であるが、本実施形態によれば、カソード三方弁２２によりアノード加湿装置１２に供給されるカソードオフガスの流量を制御することができる。そのため、カソードオフガスの全てがアノード加湿装置１２に対して常に流れるといった事態が抑制されるので、アノード加湿装置のサイズを小さくすることもできる。これにより、システム全体のコンパクト化を図ることができる。

さらに、本実施形態では、アノード加湿装置１２を経由したカソードオフガスは、大気へ放出される格好となっているため、アノード加湿装置１２を介して水素供給流路Ｌ1側から空気排出流路Ｌ5に水素が漏れたとしても、この水素は希釈された後に大気へと放出される。例えば、従来では、アノード加湿装置１２を通過した後のカソードオフガスを、酸化剤極３に供給される空気を加湿する加湿装置へと循環させている。このケースでは、カソードオフガスに混入した水素が供給空気へと漏れだしてしまうといった不都合があるが、本実施形態によれば、このような不都合を解消することができる。

また、本実施形態によれば、中間流路Ｌ6は、この流路の端部が外部に開放されている。そのため、この中間流路Ｌ6は、酸化剤極３に供給される空気を加湿する加湿装置へと循環させていない。そのため、燃料極２に供給される水素を加湿することにより、燃料電池スタック１の乾燥状態を抑制しつつも、燃料電池システムの配管系をシンプルにすることができる。

さらに、本実施形態によれば、コントローラは、燃料電池スタック１に要求される負荷に応じて、燃料極２に供給される水素への加湿量を調整する通常加湿制御を行っている。これにより、燃料電池スタック１の乾燥状態を抑制するように、供給水素の加湿を適切に行うことができる。

なお、本実施形態では、アノード加湿装置１２を経由したカソードオフガスは、空気排出流路Ｌ5を経由して、希釈後、大気へ放出される。しかしながら、空気排出流路Ｌ5の下流側の端部を、カソードオフガスが大気へと放出される中間流路Ｌ6と合流させてもよい。これにより、アノード加湿装置１２を介して混入した水素を十分に希釈することが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的な構成において第１の実施形態と同じであるものの、燃料電池スタック１の酸化剤極３側に供給される空気を加湿するカソード加湿装置２４をさらに備えている点において相違する。システム構成については、第１の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用し、その詳細な説明は省略する。

まず、水素系１０において、水素供給流路Ｌ1には、燃料タンク１１側からの水素を、アノード加湿装置１２をバイパスして燃料電池スタック１に供給するバイパス流路Ｌ7が設けられている。アノード加湿装置１２よりも上流側の水素供給流路Ｌ1と、バイパス流路Ｌ7との接続部位にはアノード三方弁１６が設けられている。このアノード三方弁１６の開度を制御することにより、アノード加湿装置１２側と、バイパス流路Ｌ7側とに流れる水素の分配割合を調整することができる。また、アノード加湿装置１２よりも下流側の水素供給流路Ｌ1には、バイパス流路Ｌ7との接続部位よりも上流側に遮断弁１７が設けられている。この遮断弁１７は、バイパス流路Ｌ7のみに水素を分配させた際に、バイパス流路Ｌ7から水素供給流路Ｌ1へと合流した水素がアノード加湿装置１２側へと流入（逆流）することを規制するために設けられており、アノード三方弁１６の開度に応じて、コントローラによって遮断される。アノード三方弁１６の開度制御は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてコントローラによって実行される。

一方、空気系２０において、空気供給流路Ｌ4には、カソード加湿装置（ＷＲＤ）２４が設けられている。このカソード加湿装置２４は、燃料電池スタック１の酸化剤極３側に供給される空気を加湿する装置であり、アノード加湿装置１２と同様に、中空糸膜型の加湿装置である。本実施形態において、カソード加湿装置２４は、乾燥気体、すなわち、空気供給流路Ｌ4を介して酸化剤極３側に供給される空気と、湿潤気体、具体的には、カソードオフガスとがそれぞれ供給されることにより、空気とカソードオフガスとの間で水分交換を行い、これにより、酸化剤極３側に供給される空気を加湿する。そのため、本実施形態では、カソード加湿装置２４は、空気供給流路Ｌ4とともに、中間流路Ｌ6にも介在するような格好となっている。

このような構成の燃料電池システムにおいて、コントローラは、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、アノード三方弁１６およびカソード三方弁２２の開度を制御することにより、燃料極２側に供給される水素に対する加湿量を調整する。コントローラは、基本的に、低負荷（例えば、最大負荷に対して１／３程度以下までの負荷領域）時には、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が大きくなるようにカソード三方弁２２を制御し、これにより、燃料極２側に供給される水素の加湿を行う。一方、高負荷（例えば、最大負荷に対して２／３程度以上の負荷領域）時には、コントローラは、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が小さくなるようにカソード三方弁２２を制御する。これにより、アノード加湿装置１２をバイパスさせ、中間流路Ｌ6側へとカソードオフガスを流すことにより、燃料極２側に供給される水素の加湿量が減少する。ただし、本実施形態では、中間流路Ｌ6にカソード加湿装置２４が介装されている関係上、中間流路Ｌ6側へとカソードオフガスを流すことにより、燃料極２側に供給される空気の加湿量が増加することとなる。また、コントローラは、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を小さくするのに対応して、バイパス流路Ｌ7側への水素の分配量が大きくなるようにアノード三方弁１６を制御し、これにより、アノード加湿装置１２を通過する水素量が減少する。

図４は、電流密度と、ガスの分配量の割合との対応関係の一例を示す説明図である。同図（ａ）は、電流密度と、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量の割合との対応関係を示し、同図（ｂ）は、電流密度と、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量の割合との対応関係を示している。同図に示す例では、電流密度が概ね０〜０．２５A/cm²の範囲では、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合は５０％となっており、また、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配割合は０％となっている。また、電流密度が概ね０．２５〜０．３A/cm²の範囲では、その電流密度の増加に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合が５０％から０％にかけて線形的に減少し、また、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配割合は０〜１００％の間で線形的に増大する傾向となっている。ただし、本実施形態では、中間流路Ｌ6にカソード加湿装置２４が介装されている関係上、電流密度が概ね０．２５〜０．３A/cm²の範囲では、その電流密度の増加に応じて、カソード加湿装置２４側へのカソードオフガスの分配割合が５０〜１００％の間で線形的に増大する傾向となる。さらに、電流密度が概ね０．３A/cm²以上の範囲では、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配割合は０％となり、また、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配割合は１００％となっている。コントローラは、このような対応関係を実験やシミュレーションを通じて取得した上で、これらの関係を記述したマップ或いは計算式を記憶領域に格納しており、これを参照して、アノード三方弁１６およびカソード三方弁２２の制御を行う。

このように本実施形態によれば、カソード三方弁２２によりアノード加湿装置１２に供給される湿潤ガス（カソードオフガス）の流量を制御することができる。これにより、燃料電池スタック１の燃料極２側に供給される水素の加湿量を制御することができる。また、従来では、カソードオフガスの全てをアノード加湿装置に対して常に流す構成であるが、本実施形態によれば、カソード三方弁２２によりアノード加湿装置１２に供給されるカソードオフガスの流量を制御することができる。そのため、カソードオフガスの全てがアノード加湿装置に対して常に流れるといった事態が抑制されるので、アノード加湿装置のサイズを小さくすることもできる。これにより、システム全体のコンパクト化に寄与することができる。さらに、本実施形態では、アノード加湿装置１２を経由したカソードオフガスは、大気へ放出される格好となっているため、アノード加湿装置１２を介して水素供給流路Ｌ1側から空気排出流路Ｌ5に水素が漏れたとしても、この水素は希釈された後に大気へと放出される。例えば、従来では、アノード加湿装置１２を通過した後のカソードオフガスを、酸化剤極３に供給される空気を加湿する加湿装置へと循環させている。このケースでは、カソードオフガスに混入した水素が供給空気へと漏れだしてしまうといった不都合があるが、本実施形態によれば、このような不都合を解消することができる。

また、本実施家形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の流路である空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）Ｌ4と、空気供給流路Ｌ4上に介在し、かつ、中間流路Ｌ6にも介在しており、酸化剤極３に供給される空気と、酸化剤極３からのカソードオフガスとの間で水分交換を行うカソード加湿装置（第２の加湿手段）２４とをさらに有している。かかる構成によれば、カソード三方弁２２によって、アノードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を減少させても、これが中間流路Ｌ6側に分配されるため、酸化剤極３側に供給される空気が加湿される。これにより、燃料電池スタック１が乾燥状態となるといった事態を抑制することができる。また、本実施形態によれば、負荷に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が小さくなるように設定されるので、アノード加湿装置１２を使う頻度が少なくなる。そのため、このアノード加湿装置１２からの水素のガスリークを最小限に抑制することができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第３の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的な構成において第１の実施形態のそれと同じであるものの、カソード三方弁２２の制御手法が相違する。システム構成については、第１の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用するとともに、その詳細な説明は省略する。

同図に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システムには、湿度（相対湿度）を検出する複数の湿度センサ３０が備えられている。これらの湿度センサ３０により、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される水素の湿度、燃料極２からのアノードオフガスの湿度、燃料電池スタック１の酸化剤極３に供給される空気の湿度、および、酸化剤極３からのカソードオフガスの湿度が検出される。また、燃料電池スタック１には、スタックを構成する個々の燃料電池セルの電圧（以下「セル電圧」という）をそれぞれ検出するセル電圧センサ３１が備えられている。各湿度センサ３０およびセル電圧センサ３１からの検出信号は、コントローラに入力される。

コントローラは、第１の実施形態と同様、基本的に、燃料極２に供給される水素に対して加湿を常に行う。この際、コントローラは、例えば、図２に示すように、燃料電池スタック１に要求される負荷に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を調整する（通常加湿制御）。また、コントローラは、湿度センサ３０およびセル電圧センサ３１からの検出値に基づいて、燃料電池スタック１の乾燥を判断した場合には、カソード三方弁２２を制御することにより、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を増大させる。すなわち、コントローラは、負荷に応じた通常加湿制御を行いつつ、燃料電池スタック１の乾燥を判断した場合には、通常加湿制御時の分配量よりも、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を大きくする。そして、一定時間経過後、アノードオフガスの湿度が湿度閾値（或いは、湿度閾値よりも所定値だけ大きな値）よりも大きく、かつ、セル電圧が電圧閾値（或いは、電圧閾値よりも所定値だけ大きな値）よりも大きい場合には、再度、通常加湿制御を実行する。

ここで、燃料電池スタック１の乾燥の判断は、例えば、各燃料電池セルのうちの最低セル電圧が所定の電圧閾値以下となっていること、かつ、アノードオフガスの湿度が所定の湿度閾値以下となっていることを条件として行うことができる。この場合、電圧閾値は、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１が乾燥していると見なせるセル電圧の上限値を予め取得し、これを閾値に設定しておくことが好ましい。また、湿度閾値は、図６に示すように、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１の乾燥に起因する電流密度の限界値（限界電流密度）に対応したアノードオフガスの湿度の限界値を基準に、この限界湿度よりも若干高めの設定することが好ましい。なお、セル電圧が低下する要因としては、燃料電池スタック１の乾燥以外にも、湿潤過多などが挙げられるため、セル電圧とともに、ガスの湿度を参照することにより、燃料電池スタック１の乾燥を有効に判断することができる。

このように本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電圧を検出する、具体的には、個々のセル電圧を検出するセル電圧センサ（電圧検出手段）３１と、燃料電池スタック１に供給されるガス、または、燃料電池スタックから排出されるガスの湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）３０とをさらに有している。ここで、コントローラは、セル電圧センサ３１によって検出された燃料電池スタックのセル電圧と、湿度センサ３０によって検出されるガスの湿度とに基づいて、燃料電池スタック１が乾燥状態であることを判断した場合には、燃料極２に供給される水素への加湿量を、通常加湿制御におけるそれよりも増加させる。かかる構成によれば、運転状態が突発的に変化することにより、燃料電池スタック１が乾燥傾向になった場合には、燃料極２側に供給される水素への加湿量が増加される。これにより、燃料電池スタック１の乾燥状態を有効に抑制することができる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１の乾燥を、セル電圧と、アノードオフガスの湿度とに基づいて判断しているが、本発明はこれに限定されない。必要に応じて、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される水素の湿度、燃料電池スタック１の酸化剤極３に供給される空気の湿度、および、酸化剤極３からのカソードオフガスの湿度等を参照してもよい。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第４の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的な構成において第２の実施形態のそれと同じであるものの、アノード三方弁１６およびカソード三方弁２２の制御手法において相違する。なお、システム構成については、第２の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第２の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第２の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用するとともに、その詳細な説明は省略する。

同図に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システムは、湿度（相対湿度）を検出する複数の湿度センサ３０を備えている。これらの湿度センサ３０により、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される水素の湿度、燃料極２からのアノードオフガスの湿度、燃料電池スタック１の酸化剤極３に供給される空気の湿度、および、酸化剤極３からのカソードオフガスの湿度が検出される。また、燃料電池スタック１には、スタックを構成する個々の燃料電池セルの電圧（以下「セル電圧」という）をそれぞれ検出するセル電圧センサ３１が備えられている。各湿度センサ３０およびセル電圧センサ３１からの検出信号は、コントローラに入力される。

コントローラは、第２の実施形態と同様、例えば、図４に示すように、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、アノード三方弁１６およびカソード三方弁２２の開度を制御することにより、燃料極２側に供給される水素に対する加湿量を調整する（通常加湿制御）。具体的には、コントローラは、低負荷時には、アノード加湿装置１２側へのカソードオフガスの分配量が大きくなるようにカソード三方弁２２を制御し、一方、高負荷時には、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が小さくなるようにカソード三方弁２２を制御する。また、コントローラは、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量の減少に対応して、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量が大きくなるように、アノード三方弁１６を設定する。

また、コントローラは、湿度センサ３０およびセル電圧センサ３１からの検出値に基づいて、燃料電池スタック１の乾燥を判断した場合には、カソード三方弁２２を制御することにより、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を増大させるとともに、アノード三方弁１６を制御することにより、バイパス流路Ｌ7側への供給水素の分配量を減少させる。すなわち、コントローラは、負荷に応じた通常加湿制御を行いつつ、燃料電池スタック１の乾燥を判断した場合には、通常加湿制御時の分配量よりも、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を大きくし、かつ、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量を小さくする。そして、一定時間経過後、アノードオフガスの湿度が湿度閾値（或いは、湿度閾値よりも所定値だけ大きな値）よりも大きく、かつ、セル電圧が電圧閾値（或いは、電圧閾値よりも所定値だけ大きな値）よりも大きい場合には、再度、通常加湿制御を実行する。ここで、燃料電池スタック１の乾燥の判断は、第３の実施形態と同様に、各燃料電池セルのうちの最低セル電圧が所定の電圧閾値以下となっていること、かつ、アノードオフガスの湿度が所定の湿度閾値以下となっていることを条件として行うことができる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態にかかる燃料電池システムは、カソード三方弁２２の制御手法において第１の実施形態のそれと相違する。なお、システム構成については、第１の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用するとともに、その詳細な説明は省略する。

図８は、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量の割合を示す説明図である。コントローラは、第１の実施形態と同様、基本的に、燃料極２に供給される水素に対して加湿を常に行う。この際、コントローラは、例えば、図２に示すように、燃料電池スタック１に要求される負荷に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を調整する（通常加湿制御）。ここで、本実施形態の特徴との一つとして、コントローラは、燃料電池スタック１に要求される負荷の変動に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量を、通常加湿制御時のそれから変更する。具体的には、コントローラは、単位時間あたりの負荷の増加率が大きい程、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が通常加湿制御時のそれよりも大きくなるように、カソード三方弁２２を制御する。そして、この負荷変動から一定時間経過後、再度、通常加湿制御を実行する。

このように本実施家形態によれば、コントローラは、燃料電池スタック１に要求される負荷の変動が大きい程、燃料極２に供給される水素への加湿量を、通常加湿制御におけるそれよりも増加させる。負荷変動が大きい場合は、負荷が緩やかに増加する場合と比較して、燃料極２側の加湿が不足する可能性がある。しかしながら、本実施形態によれば、負荷の変動が大きい程、燃料極２側に供給される水素への加湿量が増加される。これにより、燃料電池スタック１の乾燥を抑制することができる。

なお、本実施形態の制御手法は、上述した第３の実施形態に示す制御手法と組あせて適用してもよい。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態にかかる燃料電池システムは、アノード三方弁１６およびカソード三方弁２２の制御手法において第２の実施形態のそれと相違する。なお、システム構成については、第２の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第２の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第２の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用するとともに、その詳細な説明は省略する。

図９は、電流密度とガスの分配量の割合との対応関係の一例を示す説明図であり、同図（ａ）は、電流密度と、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量の割合との対応関係を示し、同図（ｂ）は、電流密度と、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量の割合との対応関係を示す。第２の実施形態と同様、例えば、図４に示すように、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、アノード三方弁１６およびカソード三方弁２２の開度を制御することにより、燃料極２側に供給される水素に対する加湿量を調整する（通常加湿制御）。具体的には、コントローラは、低負荷時には、アノード加湿装置１２側へのカソードオフガスの分配量が大きくなるようにカソード三方弁２２を制御し、一方、高負荷時には、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が小さくなるようにカソード三方弁２２を制御する。また、コントローラは、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量の減少に対応して、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量が大きくなるように、アノード三方弁１６を設定する。

ここで、本実施形態の特徴との一つとして、コントローラは、燃料電池スタック１に要求される負荷の変動に応じて、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量と、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量とを、通常加湿制御時のそれから変更する。具体的には、コントローラは、単位時間あたりの負荷の増加率が大きい程、カソードオフガスのアノード加湿装置１２側への分配量が、通常加湿制御時のそれより大きくなるように、カソード三方弁２２を制御し、また、供給水素のバイパス流路Ｌ7側への分配量が、通常加湿制御時のそれよりも小さくなるように、アノード三方弁１６を制御する。そして、この負荷変動から一定時間経過後、再度、通常加湿制御を実行する。

なお、本実施形態の制御手法は、上述した第４の実施形態に示す制御手法と組あせて適用してもよい。

（第７の実施形態）
図１０は、本発明の第７の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第７の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的な構成において第１の実施形態のそれと同じであるものの、燃焼器１８をさらに備えている点において相違する。システム構成については、第１の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用するとともに、その詳細な説明は省略する。

水素系１０において、水素供給流路Ｌ1におけるアノード加湿装置１２よりも下流側、かつ、水素循環流路Ｌ2との接続部位よりも上流側には、燃焼器１８が設けられている。この燃焼器１８は、例えば、水素と酸素との酸化反応を利用してガス中の酸素を消費する燃焼器であり、アノード加湿装置１２を介して空気排出流路Ｌ5側から水素供給流路Ｌ1側へと漏れ込んだ酸素を消費する。

このように本実施形態によれば、燃焼器（第１の燃焼手段）１８を有しており、この燃焼器１８は、アノード加湿装置１２よりも下流側の水素供給流路Ｌ1に設けられており、酸化反応によりガス中の酸素を消費する。かかる構成によれば、アノード加湿装置１２を介して、水素供給流路Ｌ1に漏れ込んだ酸素を燃焼器１８で消費することができるので、燃料電池スタック１の燃料極２への酸素の流入を抑制することができる。

なお、水素供給流路Ｌ1に燃焼器１８を設ける場合には、図１１に示すように、水素循環流路Ｌ2は、燃焼器１８の上流側に接続してもよい。かかる構成によれば、燃焼器１８において、アノード加湿装置１２を通して漏れ込んだ酸素と共に、起動時において、水素循環流路Ｌ2に残留している酸素も消費することができるという更なる効果を奏する。

さらに、アノード加湿装置１２を介して水素供給流路Ｌ1側へと酸素が漏れ込むことを抑制するといった観点から、燃焼器１８に代えて、図１２に示すように、空気排出流路Ｌ5のアノード加湿装置１２の上流側に燃焼器（第2の燃焼手段）２５を設けてもよい。この場合、燃料電池システムは、水素供給流路Ｌ1のアノード加湿装置１２の上流側に設けられた三方弁１９と、この三方弁１９と燃焼器２５とを接続するバイパス流路Ｌ8とをさらに備える。そして、三方弁１９によってバイパス流路Ｌ8側に供給水素の一部を分配することにより、水素が燃焼器２５に供給されると、燃焼器２５においてカソードオフガスに含まれる酸素が消費される。これにより、カソードオフガスがアノード加湿装置１２に供給される前に酸素が消費されるので、アノード加湿装置１２を介して水素供給流路Ｌ1側へと酸素が漏れ込むといった事態を抑制することができる。その結果、水素供給流路Ｌ1への酸素のリークを抑制することができる。

なお、本実施形態に示したシステム構成は、第１の実施形態のみならず、上述した第３の実施形態および第５の実施形態と組み合わせて適用してもよいし、燃焼器１８と燃焼器２５とを併用してもよい。

（第８の実施形態）
図１３は、本発明の第８の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第７の実施形態にかかる燃料電池システムは、基本的な構成において第２の実施形態のそれと同じであるものの、燃焼器１８をさらに備えている点において相違する。システム構成については、第２の実施形態と基本的に同じであるため、以下、第２の実施形態との相違点を中心に説明を行う。また、第２の実施形態と同一の構成については同一の符号を引用するとともに、その詳細な説明は省略する。

なお、水素供給流路Ｌ1に燃焼器１８を設ける場合には、図１４に示すように、水素循環流路Ｌ2は、燃焼器１８の上流側に接続してもよい。かかる構成によれば、燃焼器１８において、アノード加湿装置１２を通して漏れ込んだ酸素と共に、起動時において、水素循環流路Ｌ2に残留している酸素も消費することができるという更なる効果を奏する。

さらに、アノード加湿装置１２を介して水素供給流路Ｌ1側へと酸素が漏れ込むことを抑制するといった観点では、燃焼器１８に代えて、図１５に示すように、空気排出流路Ｌ5のアノード加湿装置１２の上流側に燃焼器２５を設けてもよい。この場合、燃料電池システムは、水素供給流路Ｌ1のアノード加湿装置１２の上流側に設けられた三方弁１９と、この三方弁１９と燃焼器２５とを接続するバイパス流路Ｌ8とをさらに備える。そして、三方弁１９によってバイパス流路Ｌ8側に供給水素の一部を分配することにより、水素が燃焼器２５に供給されると、燃焼器２５においてカソードオフガスに含まれる酸素が消費される。これにより、カソードオフガスがアノード加湿装置１２に供給される前に酸素が消費されるので、アノード加湿装置１２を介して水素供給流路Ｌ1側へと酸素が漏れ込むといった事態を抑制することができる。その結果、水素供給流路Ｌ1への酸素のリークを抑制することができる。

なお、本実施形態に示したシステム構成は、第２の実施形態のみならず、上述した第４の実施形態および第６の実施形態と組み合わせて適用してもよいし、燃焼器１８と燃焼器２５とを併用してもよい。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図電流密度とアノード加湿装置側へ分配されるカソードオフガスの割合との対応関係の一例を示す説明図第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図電流密度とガスの分配量の割合との対応関係の一例を示す説明図第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図湿度閾値を示す説明図第４の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図カソードオフガスのアノード加湿装置側への分配量の割合を示す説明図電流密度とガスの分配量の割合との対応関係の一例を示す説明図第７の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図第７の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図第７の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図第８の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図第８の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図第８の実施形態にかかる燃料電池システムの変形例を示すブロック図

符号の説明

Ｌ1 水素供給流路
Ｌ2 水素循環流路
Ｌ3 水素排出流路
Ｌ4 空気供給流路
Ｌ5 空気排出流路
Ｌ6 中間流路
Ｌ7 バイパス流路
Ｌ8 バイパス流路
１燃料電池スタック
２燃料極
３酸化剤極
１０水素系
１１燃料タンク
１２アノード加湿装置
１３水素循環ポンプ
１４気液分離装置
１５パージ弁
１６アノード三方弁
１７遮断弁
１８燃焼器
１９三方弁
２０空気系
２１コンプレッサ
２２カソード三方弁
２３希釈装置
２４カソード加湿装置
２５燃焼器
３０湿度センサ
３１セル電圧センサ

Claims

燃料電池システムにおいて、
燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極から排出される前記酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス排出流路と、
前記燃料電池の燃料極に供給される前記燃料ガスの流路である燃料ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス排出流路上に介在し、かつ、前記燃料ガス供給流路上にも介在しており、前記酸化剤極から排出される前記酸化剤ガスと、前記燃料極に供給される前記燃料ガスとの間で水分交換を行う第１の加湿手段と、
前記第１の加湿手段よりも上流側の前記酸化剤ガス排出流路に設けられており、前記酸化剤極から排出される前記酸化剤ガスを、前記第１の加湿手段側と、前記酸化剤ガス排出流路とは異なる中間流路とに分配するとともに、当該分配量が調整可能な分配手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて、前記分配手段による分配量を制御することにより、前記燃料極に供給される前記燃料ガスへの加湿量を調整する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記中間流路は、当該流路の端部が外部に開放されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
前記燃料電池の酸化剤極に供給される前記酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス供給流路上に介在し、かつ、前記中間流路にも介在しており、前記酸化剤極に供給される前記酸化剤ガスと、前記酸化剤極から排出される前記酸化剤ガスとの間で水分交換を行う第２の加湿手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池に要求される負荷に応じて、前記燃料極に供給される前記燃料ガスへの加湿量を調整する通常加湿制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池に供給されるガス、または、前記燃料電池から排出されるガスの湿度を検出する湿度検出手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池の電圧と、前記湿度検出手段によって検出されるガスの湿度とに基づいて、前記燃料電池が乾燥状態であることを判断した場合には、前記燃料極に供給される前記燃料ガスへの加湿量を、前記通常加湿制御における加湿量よりも増加させることを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池に要求される負荷の変動が大きい程、前記燃料極に供給される前記燃料ガスへの加湿量を、前記通常加湿制御における加湿量よりも増加させることを特徴とする請求項４または５に記載された燃料電池システム。
前記第１の加湿手段よりも下流側の前記燃料ガス供給流路に設けられており、酸化反応によりガス中の酸素を消費する第１の燃焼手段をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
前記燃料電池の燃料極から排出される前記燃料ガスを、当該燃料極に対する前記燃料ガスの供給側に循環させる燃料ガス循環流路をさらに有し、
前記燃料ガス循環流路は、前記第１の燃焼手段よりも上流側の前記燃料ガス供給流路に合流していることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
前記第１の加湿手段よりも上流側の前記酸化剤ガス排出流路に設けられており、酸化反応によりガス中の酸素を消費する第２の燃焼手段と、
前記燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスを、前記第２の燃焼手段へと導入するバイパス流路と
をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載された燃料電池システム。