JP2009181758A - 燃料電池システム及びタービン式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池における電解質膜の乾燥を抑制すること。
【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、少なくとも、タービンと、タービンと対向するハウジングと、を備え、タービンと、ハウジングとの間に、タービンが回転することにより圧力が低下する所定のクリアランスが設けられ、タービンを回転させることにより、燃料電池の電極に反応ガスを供給するタービン式ポンプと、クリアランスに水を供給する水供給部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン式ポンプによって燃料電池の電極に反応ガスを供給する燃料電池システムに関する。

固体高分子材料を含む電解質膜をカソードおよびアノードで挟持して構成される固体高分子型燃料電池が知られている（特許文献１参照）。このような固体高分子型燃料電池の電解質膜において、乾燥状態では、イオン伝導性が低下し、それに伴い、燃料電池の発電効率が低下するおそれがあった。

特開平０３−２６９９５５号公報

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池における電解質膜の乾燥を抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、少なくとも、タービンと、前記タービンと対向する前記ハウジングと、を備え、前記タービンと、前記ハウジングとの間に、前記タービンが回転することにより圧力が低下する所定のクリアランスが設けられ、前記タービンを回転させることにより、前記燃料電池の電極に反応ガスを供給するタービン式ポンプと、前記クリアランスに水を供給する水供給部と、を備えることを要旨とする。
を要旨とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池における電解質膜の乾燥を抑制することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記水供給部は、前記水を貯留するための貯留部と、前記貯留部から前記クリアランスに前記水を供給するための水供給流路と、前記水供給流路に設けられ、前記貯留部からの水の供給を遮断可能な水遮断弁と、を備え、前記燃料電池システムは、前記電極が乾燥状態の場合において、前記水遮断弁を開弁させ、前記電極の加湿を行う加湿制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、電極が湿潤状態の時、電極の加湿を行うことを抑制することができ、電極で、フラッディング等の不具合が生じることを抑制することができる。

[適用例３]
適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記タービン式ポンプは、前記タービンと接続され、前記タービンを回転させるシャフトを備え、前記クリアランスは、前記シャフトに隣接して設けられ、前記水供給部の水供給流路は、前記貯留部から前記水を前記シャフト上に導入するための水導入流路と、前記シャフトの一部と、から成り、前記水遮断弁は、前記水導入流路上に設けられることを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、シャフトの潤滑剤として、水を用いることができると共に、酸化ガスを加湿することができる。

[適用例４]
適用例２または適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿制御部は、前記電極が乾燥状態の場合において、前記水遮断弁を開弁させると共に、前記電極へ供給する前記反応ガスの圧力を所定圧力以上に上昇させ、前記電極への前記反応ガスの供給流量が第１所定流量となるように前記タービン式ポンプの前記タービンの回転数を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、燃料電池の電極をより湿潤状態にすることができ、それに伴い、電解質膜をより湿潤状態にすることができる。その結果、燃料電池のより発電効率を向上させることができる。

[適用例５]
適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で電気化学反応に供された後の前記反応ガスであって、前記燃料電池から排出される前記反応ガスの排出量を制御可能な反応ガス排出量調整弁を備え、前記加湿制御部は、前記反応ガス排出量調整弁を制御することによって、前記電極へ供給する前記反応ガスの圧力を前記所定圧力以上に上昇させることを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、電極へ供給する反応ガスの圧力を素早く調整可能である。

[適用例６]
適用例２ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記乾燥状態とは、前記燃料電池の出力電流値が所定電流値より低い場合、または、前記電極への前記反応ガスの供給流量が第２所定流量より低い場合であって、前記燃料電池温度が所定温度より高い場合であることを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、燃料電池の電極の状況が、乾燥状態であるか否かを的確に判断することができる。

[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記タービン式ポンプは、前記タービンと接続され、前記タービンを回転させるシャフトを備え、前記タービンは、前記シャフトとの接続部分において、前記ハウジングと対向するように配置される鍔状部材を備え、前記クリアランスは、前記鍔状部材と、前記ハウジングとの間に設けられることを特徴とする燃料電池システム。

[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記電極は、カソードであり、前記反応ガスは、酸化ガスであることを特徴とする燃料電池システム。

このようにすれば、カソード（電解質膜）が乾燥状態である場合に、カソードを湿潤化することができ、それに伴い、電解質膜を湿潤化することができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

[適用例９]
燃料電池の電極に反応ガスを供給するためのタービン式ポンプであって、タービンと、前記タービンと対向するハウジングと、前記タービンと、前記ハウジングとの間に設けられ、前記タービンが回転することにより圧力が低下する所定のクリアランスに、水を供給する水供給部と、を備えることを特徴とするタービン式ポンプ。

上記構成のタービン式ポンプによれば、反応ガスを供給する燃料電池において、その電解質膜が乾燥することを抑制することができ、その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池システムやタービン式ポンプの他、タービン式コンプレッサや制御回路など、他の装置発明としての態様で実現することも可能である。また、燃料電池システムにおける反応ガスの供給方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。

また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池ＦＣと、水素タンク２００と、水素遮断弁２１０と、レギュレータ２１５と、コンプレッサ１００と、水素循環ポンプ２５０と、制御回路４００と、冷媒循環ポンプ５００と、流量メータ３００と、圧力センサ３１０と、温度センサ３３０と、ラジエータ５５０と、気液分離器６００と、パージ弁６１０と、を備えている。

燃料電池ＦＣは、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池ＦＣは、燃料電池セルＣＬと、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＰと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。具体的には、燃料電池ＦＣは、エンドプレートＥＰ，インシュレータＩＳ，ターミナルＴＭ，複数の燃料電池セルＣＬ，ターミナルＴＭ，インシュレータＩＳ，エンドプレートＥＰの順に積層される。そして、燃料電池ＦＣは、テンションプレートＴＰがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合されることによって、各燃料電池セルＣＬを、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。

燃料電池セルＣＬは、膜電極接合体（図示せず）と、アノード側セパレータ（図示せず）と、電極側セパレータ（図示せず）と、を備えている。膜電極接合体は、電解質膜（図示せず）と、電極であるカソード（図示せず）およびアノード（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）と、を備え、電極およびアノードが表面に形成された電解質膜を、ガス拡散層で挟持して構成される。燃料電池セルＣＬは、この膜電極接合体を、さらにアノード側セパレータおよび電極側セパレータで挟持して構成される。

水素タンク２００は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路２０４を介して燃料電池ＦＣに接続されている。燃料ガス供給流路２０４上において、水素タンク２００から近い順番に、水素遮断弁２１０と、レギュレータ２１５とが設けられている。水素遮断弁２１０を開弁することにより、燃料電池ＦＣに水素ガスを燃料ガスとして供給する。

コンプレッサ１００は、酸化ガス供給流路２３４を介して燃料電池ＦＣに接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、各燃料電池セルＣＬのカソードに供給する。また、燃料電池ＦＣは、酸化ガス排出流路２３６と接続され、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガスは、この酸化ガス排出流路２３６を介して、燃料電池システム１０００の外部に排出される。

図２は、コンプレッサ１００の概略断面図である。コンプレッサ１００は、主に、ソレノイド１１０と、シャフト１２０と、受け軸１２５と、ロータ１３０と、マグネット１４０と、モータハウジング１５０と、タービン１６０と、タービンハウジング１７０と、水貯留タンク１８０と、水遮断弁１９０と、水導入流路１９５と、水量センサ１８５と、を備えたタービン式の圧縮ポンプである。

図２に示すように、コンプレッサ１００は、モータハウジング１５０によって形成されるモータルームＭＲと、タービンハウジング１７０によって形成されるタービンルームＴＲに区分される。モータハウジング１５０及びタービンハウジング１７０は、それぞれ、貫通孔１５７及び貫通孔１７７を備えている。シャフト１２０は、モータルームＭＲに配置された受け軸１２５に支持されつつ、モータハウジング１５０の貫通孔１５７およびタービンハウジング１７０の貫通孔１７７を貫通するように配置される。ロータ１３０は、シャフト１２０に取りつけられる。マグネット１４０は、ロータ１３０の外端部に取り付けられる。ソレノイド１１０は、マグネット１４０に対向するように配置される。タービン１６０は、インペラ１６５と、鍔状部材１６７とを備え、シャフト１２０のタービンルームＴＲ側の端部に取り付けられる。タービン１６０において、鍔状部材１６７は、シャフト１２０との接続部分に配置されている。ソレノイド１１０に交流電流が流れることによって、シャフト１２０が回転し、それに伴いタービン１６０は回転する。そして、タービン１６０が回転すると、インペラ１６５によって、コンプレッサ１００外部の空気が、タービンルームＴＲに導入され、さらに、酸化ガス供給流路２３４に導入される。このようにして、燃料電池ＦＣに圧縮した空気が供給される。

図２の拡大図に示すように、タービン１６０の鍔状部材１６７と、タービンハウジング１７０との間にクリアランスＳＫ１が設けられている。なお、モータハウジング１５０の貫通孔１５７及びタービンハウジング１７０の貫通孔１７７と、シャフト１２０との間にも極微小なクリアランスＳＫ２が生じている。

また、図２に示すように、水貯留タンク１８０は、モータハウジング１５０の外側に配置され、水が貯蔵されたタンクであり、水導入流路１９５と接続される。水導入流路１９５は、モータハウジング１５０を貫通し、モータルームＭＲ内を通り、水貯留タンク１８０とは反対側の先端部が、シャフト１２０に隣接して配置される。また、水導入流路１９５上には、水遮断弁１９０が設けられる。水遮断弁１９０が開弁されると、水貯留タンク１８０に貯留された水が水導入流路１９５を介して、シャフト１２０上に導入される。この水は、シャフト１２０の回転を円滑にするための潤滑剤として用いられる。

ここで、モータルームＭＲは、大気圧程度であり、コンプレッサ１００が燃料電池ＦＣに空気を供給している場合、すなわち、タービン１６０が回転している場合には、エジェクタ効果によって、クリアランスＳＫ１の圧力が大気圧より低い圧力（以下では、負圧とも呼ぶ）となる。それに伴い、クリアランスＳＫ２の流体がクリアランスＳＫ１に吸入される。その結果、水導入流路１９５からシャフト１２０上に導入された水は、シャフト１２０を伝ってクリアランスＳＫ２を通りクリアランスＳＫ１に吸入され、さらには、燃料電池ＦＣへ供給される酸化ガス（空気）中に導入される。

水量センサ１８５は、水貯留タンク１８０における水貯留量の変化量（以下では、水変化量とも呼ぶ）を検知するためのセンサであり、水貯留タンク１８０の底辺に配置される。

酸化ガス供給流路２３４において、コンプレッサ１００から燃料電池ＦＣへ供給される空気の流量を計測するための流量メータ３００が設けられている。さらに、酸化ガス排出流路２３６において、各燃料電池セルＣＬのカソードに供給される酸化ガスの圧力（以下では、酸化ガス供給圧とも呼ぶ）を調整するための酸化ガス圧調整弁３２０が設けられている。この酸化ガス圧調整弁３２０は、後述の制御回路４００（加湿制御部４１０）によって開度が制御される。また、酸化ガス排出流路２３６において、酸化ガス圧調整弁３２０と燃料電池ＦＣとの間に圧力センサ３１０が設けられる。この圧力センサ３１０は、燃料電池ＦＣから排出される酸化ガスの圧力を検出するためのセンサである。このセンサで検出される圧力は、各燃料電池セルＣＬのカソードに供給される酸化ガスの圧力（以下、酸化ガス供給圧とも呼ぶ）とみなすことができる。

燃料電池ＦＣは、冷媒循環流路５１０に接続される。冷媒循環流路５１０上には、冷媒循環ポンプ５００とラジエータ５５０と温度センサ３３０とが設けられる。ラジエータ５５０は、燃料電池ＦＣで暖められた冷媒を冷却し、冷媒循環ポンプ５００は、ラジエータ５５０によって冷却された冷媒を燃料電池ＦＣに供給する。これにより、燃料電池ＦＣを、冷媒によって継続的に冷却することができる。冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液（不凍液）などを用いることができる。温度センサ３３０は、冷媒循環流路５１０において、ラジエータ５５０と燃料電池ＦＣとの間に設けられ、燃料電池ＦＣから排出される冷媒温度を検出するためのセンサである。この冷媒温度は、燃料電池ＦＣの温度（以下では、燃料電池温度とも呼ぶ）とみなすことができる。

気液分離器６００は、燃料ガス排出流路２０６を介して、燃料電池ＦＣと接続され、燃料電池ＦＣのアノードで電気化学反応に供された後の燃料ガスが導入される。この気液分離器６００は、燃料ガス中に含まれる水分を分離して貯留する。また、気液分離器６００には、パージ弁６１０が設けられている。このパージ弁６１０は、排気排水流路６２０と接続され、定期的に開弁され、燃料ガス中の不純物（例えば、窒素）や、貯留水を排出する。

気液分離器６００は、ガス循環流路２０７を介して、燃料ガス供給流路２０４と接続される。このガス循環流路２０７上には、水素循環ポンプ２５０が設けられる。燃料電池ＦＣから気液分離器６００へ排出された燃料ガスは、水素循環ポンプ２５０によって、ガス循環流路２０７を介して、燃料ガスとして燃料ガス供給流路２０４へ導入され、再び発電に使用される。このように、燃料ガスは、水素循環ポンプ２５０によって循環する。

制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、この制御回路４００は、水素遮断弁２１０、コンプレッサ１００（ソレノイド１１０）、水遮断弁１９０、水素循環ポンプ２５０、冷媒循環ポンプ５００、パージ弁６１０、などを制御し、すなわち、燃料電池システム１０００全体の制御を行う。なお、制御回路４００は、燃料電池システム１０００の外部から指示される負荷要求に基づいて、各燃料電池セルＣＬのカソードに供給すべき酸化ガス供給流量を決定し、流量メータ３００から酸化ガス供給流量を検出しつつ、決定した酸化ガス供給流量となるように、コンプレッサ１００のタービン１６０の回転数を制御する。

また、制御回路４００は、加湿制御部４１０としても機能し、後述するカソード加湿処理を実行する。加湿制御部４１０は、カソード加湿処理において、流量メータ３００、圧力センサ３１０、温度センサ３３０、および、水量センサ１８５から、それぞれ、酸化ガス供給流量、酸化ガス供給圧、燃料電池温度、および、水変化量を検出する。

ところで、燃料電池ＦＣの発電中において、カソードが乾燥し、それに伴い電解質膜が乾燥するおそれがあった。例えば、燃料電池ＦＣが高出力状態から低出力状態に移行すると、燃料電池ＦＣが高温の状態で、カソードでの生成水量が減少し、それに伴いカソードが乾燥状態となり、電解質膜が乾燥する場合がある。このように、電解質膜が乾燥すると、電解質膜のイオン伝導性が低下し、燃料電池ＦＣの発電効率が低下するおそれがあった。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソードが乾燥した場合（すなわち、電解質膜が乾燥した場合）にカソード（すなわち、電解質膜）を加湿するカソード加湿処理を実行する。

Ａ２．カソード加湿処理：
図３は、カソード加湿処理のフローチャートである。このカソード加湿処理は、燃料電池システム１０００の発電中に定期的に行われる。この処理の前提条件として、水遮断弁１９０は、閉弁されており、酸化ガス圧調整弁３２０は、全開となっている。また、カソードに供給する酸化ガス供給流量は、制御回路４００によって、制御されている。

まず、加湿制御部４１０は、カソードが乾燥状態か否かを判断する（ステップＳ１００）。具体的には、加湿制御部４１０は、流量メータ３００から酸化ガス供給流量Ｆ１を、温度センサ３３０から燃料電池温度Ｔをそれぞれ検出し、酸化ガス供給流量Ｆ１が閾値Ｆｔｈより少なく、燃料電池温度Ｔが閾値Ｔｔｈより高い場合には、カソードが乾燥状態と判断し、酸化ガス供給流量Ｆ１が閾値Ｆｔｈ以上であり、燃料電池温度Ｔが閾値Ｔｔｈ以下の場合には、乾燥状態でないと判断する。なお、閾値Ｔｔｈおよび閾値Ｆｔｈは、燃料電池システム１０００の具体的設計に基づいて、適宜決定される。

次に、加湿制御部４１０は、水遮断弁１９０を開弁する（ステップＳ１１０）。それに伴い、上述したように、水貯留タンク１８０に貯留された水が、水導入流路１９５、シャフト１２０（クリアランスＳＫ２）、クリアランスＳＫ１を介して、燃料電池ＦＣに供給される酸化ガス中に導入され、各燃料電池セルＣＬのカソードを加湿することができる。

続いて、加湿制御部４１０は、燃料電池システム１０００の外部から指示される負荷要求に基づいて、酸化ガス供給流量Ｆ２を決定する（ステップＳ１２０）。

そして、加湿制御部４１０は、酸化ガス供給圧を所定値Ｐｔｈ以上に上昇させつつ、酸化ガス供給流量が、酸化ガス供給流量Ｆ２となるように、酸化ガス圧調整弁３２０の開度を減少させ、また、コンプレッサ１００のタービン１６０の回転数を上昇させる制御を行う（ステップＳ１３０）。このように、酸化ガス供給圧を上昇させると、各燃料電池セルＣＬのカソードにおいて、飽和水蒸気量が減少し、各燃料電池セルＣＬのカソードの湿度が上昇する。なお、所定値Ｐｔｈは、燃料電池システム１０００の具体的設計基づいて、適宜決定される。

図４は、コンプレッサ１００のタービン１６０が所定回転数の場合における酸化ガス供給圧と酸化ガス供給流量の関係を示す図である。図４に示すように、タービン１６０の回転数が高いと、酸化ガス供給圧、酸化ガス供給流量も高くなる。また、コンプレッサ１００では、タービン１６０が所定回転数の場合において、酸化ガス供給流量が少ない場合に、酸化ガス供給圧を或る一定値以上高くすると、インペラ１６５の表面において、ガス剥離が生じ、酸化ガスの圧力変動が生じる。それにより、瞬間的に急激な流量変化を伴って、インペラ１６５が破損する場合がある。図４では、このようにインペラ１６５が破損するような領域を破損ゾーンとして示し、破損ゾーン以外の領域を非破損ゾーンとして示している。加湿制御部４１０は、ステップＳ１３０の処理において、酸化ガス供給圧およびタービン１６０の回転数を制御する場合、この破損ゾーン内の値とならないように（非破損ゾーン内の値となるように）制御を行う。

続いて、加湿制御部４１０は、カソードが十分加湿されたか否かを判断する（ステップＳ１４０）。具体的には、加湿制御部４１０は、水量センサ１８５から、水遮断弁１９０開弁後（ステップＳ１１０）からの水変化量を検出し、この水変化量が、所定値を超えたか否か、すなわち、水遮断弁１９０を開弁後からの、水貯留タンク１８０の水貯留量の減少が所定値を越えたか否かで、カソードが十分に加湿されたか否かを判断する。加湿制御部４１０は、水変化量が、所定値以下の場合には、カソードは、十分加湿されておらず乾燥状態と判断し（ステップＳ１４０：Ｎｏ）、ステップＳ１２０の処理にリターンする。

加湿制御部４１０は、水変化量が、所定値を超えた場合には、カソードが十分加湿されたと判断し（ステップＳ１４０：Ｙｅｓ）、水遮断弁１９０を閉弁する（ステップＳ１５０）。

次に、加湿制御部４１０は、酸化ガス圧調整弁３２０の開度が全開となるように制御し（ステップＳ１６０）、この処理を終了する。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソードが乾燥状態の場合において、水貯留タンク１８０に貯留された水を、エジェクタ効果によって、水導入流路１９５、シャフト１２０上、クリアランスＳＫ２、クリアランスＳＫ１を介して、燃料電池ＦＣに供給される酸化ガス中に導入し、その結果、各燃料電池セルＣＬのカソードを加湿するようにしている。このようにすれば、各燃料電池セルＣＬのカソードを湿潤状態にすることができ、それに伴い、電解質膜を湿潤状態にすることができる。その結果、燃料電池ＦＣの発電効率を向上させることができる。また、新たに加湿器を設けることなく、コンプレッサ１００に加湿機能を持たせることができるので、燃料電池システム１０００の小型化、軽量化を実現することが可能である。

加えて、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソードが乾燥状態の場合において、酸化ガス圧調整弁３２０の開度を減少させ、酸化ガス供給圧を上昇させることにより、各燃料電池セルＣＬのカソードの湿度を上昇させるようにしている。このようにすれば、各燃料電池セルＣＬのカソードをより湿潤状態にすることができ、それに伴い、電解質膜をより湿潤状態にすることができる。その結果、燃料電池ＦＣのより発電効率を向上させることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、カソードが乾燥状態の場合のみ、水遮断弁１９０を開弁して、各燃料電池セルＣＬを加湿したり、酸化ガス供給圧を上昇させて、カソードの湿度を上昇させたりしている。このようにすれば、カソードが湿潤状態の時に、加湿を行わないので、カソードで、フラッディング等の不具合が生じることを抑制することができる。

ところで、シャフト１２０の潤滑剤として潤滑油を用いると、上述したように、クリアランスＳＫ１が負圧になることにより、この潤滑油が、燃料電池ＦＣに供給される酸化ガス中に混入してしまい、燃料電池ＦＣを劣化させたり、発電効率を低下させたりするおそれがあった。一方、本実施例の燃料電池システム１０００では、水貯留タンク１８０の水をシャフト１２０に供給して、潤滑剤として用いている。このようにすれば、燃料電池ＦＣを劣化させたり、発電効率を低下させたりすることを抑制することができる。

なお、本実施例において、コンプレッサ１００は、請求項におけるタービン式ポンプに該当し、タービン１６０は、請求項におけるタービンに該当し、タービンハウジング１７０は、請求項におけるハウジングに該当し、クリアランスＳＫ１は、請求項におけるクリアランスに該当し、カソードは、請求項における燃料電池の電極に該当し、酸化ガス（空気）は、請求項における反応ガスまたは酸化ガスに該当し、水貯留タンク１８０、水導入流路１９５、および、シャフト１２０は、請求項における水供給部に該当し、水貯留タンク１８０は、請求項における貯留部に該当し、水導入流路１９５は、請求項における水供給流路に該当し、水遮断弁１９０は、請求項における水遮断弁に該当し、加湿制御部４１０は、請求項における加湿制御部に該当する。また、所定値Ｐｔｈは、請求項における所定圧力に該当し、酸化ガス供給流量Ｆ２は、請求項における第１所定流量に該当し、閾値Ｆｔｈは、請求項における第２所定流量に該当し、閾値Ｔｔｈは、請求項における所定温度に該当する。

Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、水を、水貯留タンク１８０から、まず、水導入流路１９５を介して、シャフト１２０上に導入し、クリアランスＳＫ２を介して、クリアランスＳＫ１に導入するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、水導入流路１９５の先端部を、クリアランスＳＫ１内に配置し、水貯留タンク１８０からの水を、クリアランスＳＫ１に直接導入するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例のカソード加湿処理において、カソードが乾燥状態か否かの判断（ステップＳ１２０）を、酸化ガス供給流量Ｆ１が閾値Ｆｔｈより少なく、燃料電池温度Ｔが閾値Ｔｔｈより高い場合には、カソードが乾燥状態と判断し、酸化ガス供給流量Ｆ１が閾値Ｆｔｈ以上であり、燃料電池温度Ｔが閾値Ｔｔｈ以下の場合には、乾燥状態でないと判断していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池ＦＣの出力電流値を検出し、その出力電流値が、閾値Ｉｔｈより小さく、燃料電池温度Ｔが閾値Ｔｔｈより高い場合には、カソードが乾燥状態と判断し、出力電流値が閾値Ｉｔｈ以上であり、燃料電池温度Ｔが閾値Ｔｔｈ以下の場合には、乾燥状態でないと判断するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。なお、閾値Ｉｔｈは、請求項における所定電流値に該当する。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例のカソード加湿処理において、カソードが十分加湿されたか否かの判断（ステップＳ１４０）を、水貯留タンク１８０の水変化量が、所定値を越えたか否かで判断していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池ＦＣの発電量、および、酸化ガス供給圧に基づいて、カソードが十分加湿されたか否かを判断してもよいし、水遮断弁１９０を開弁（ステップＳ１１０）後、若しくは、酸化ガス供給圧を上昇（ステップＳ１３０）後、所定時間経過したか否かで、カソードが十分加湿されたか否かを判断するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、酸化ガスを供給するコンプレッサ１００に、水貯留タンク１８０を備え、エジェクタ効果によって水を供給する構造を持たせているが、本発明はこれに限られるものではなく、水素循環ポンプ２５０に、水貯留タンク１８０を設け、エジェクタ効果によって水を供給する構造を持たせるようにしてもよい。このようにすれば、各燃料電池セルＣＬのアノードに供給する燃料ガスを加湿することができ、それに伴い、電解質膜が乾燥することを抑制することができる。その結果、燃料電池ＦＣの発電効率を向上させることができる。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例では、コンプレッサ１００に水貯留タンク１８０を備えているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、水貯留タンク１８０をコンプレッサ１００の外部に設けるようにしてもよい。この場合、これに伴い、水導入流路１９５、水遮断弁１９０も、コンプレッサ１００の外部に配置される。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。 コンプレッサ１００の概略断面図である。 カソード加湿処理のフローチャートである。 コンプレッサ１００のタービン１６０が所定回転数の場合における酸化ガス供給圧と酸化ガス供給流量の関係を示す図である。

符号の説明

１００…コンプレッサ
１１０…ソレノイド
１２０…シャフト
１２５…受け軸
１３０…ロータ
１４０…マグネット
１５０…モータハウジング
１６０…タービン
１６５…インペラ
１７０…タービンハウジング
１８０…水貯留タンク
１８５…水量センサ
１９０…水遮断弁
１９５…水供給流路
２００…水素タンク
２０４…燃料ガス供給流路
２０６…燃料ガス排出流路
２０７…ガス循環流路
２１０…水素遮断弁
２１５…レギュレータ
２３４…酸化ガス供給流路
２３６…酸化ガス排出流路
２５０…水素循環ポンプ
３００…流量メータ
３１０…圧力センサ
３２０…酸化ガス圧調整弁
３３０…温度センサ
４００…制御回路
４１０…加湿制御部
５００…冷媒循環ポンプ
５１０…冷媒循環流路
５５０…ラジエータ
６００…気液分離器
６１０…パージ弁
６２０…排気排水流路
１０００…燃料電池システム
Ｔ…燃料電池温度
Ｆｔｈ以…閾値
Ｔｔｈ以…閾値
ＦＣ…燃料電池
ＣＬ…燃料電池セル
ＴＲ…タービンルーム
ＭＲ…モータルーム
ＳＫ１…クリアランス
ＳＫ２…クリアランス

Claims (9)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   少なくとも、タービンと、前記タービンと対向する前記ハウジングと、を備え、前記タービンと、前記ハウジングとの間に、前記タービンが回転することにより圧力が低下する所定のクリアランスが設けられ、前記タービンを回転させることにより、前記燃料電池の電極に反応ガスを供給するタービン式ポンプと、
   前記クリアランスに水を供給する水供給部と、
   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において、
   前記水供給部は、
   前記水を貯留するための貯留部と、
   前記貯留部から前記クリアランスに前記水を供給するための水供給流路と、
   前記水供給流路に設けられ、前記貯留部からの水の供給を遮断可能な水遮断弁と、を備え、
   前記燃料電池システムは、
   前記電極が乾燥状態の場合において、前記水遮断弁を開弁させ、前記電極の加湿を行う加湿制御部を備え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において、
   前記タービン式ポンプは、
   前記タービンと接続され、前記タービンを回転させるシャフトを備え、
   前記クリアランスは、
   前記シャフトに隣接して設けられ、
   前記水供給部の水供給流路は、
   前記貯留部から前記水を前記シャフト上に導入するための水導入流路と、
   前記シャフトの一部と、から成り、
   前記水遮断弁は、
   前記水導入流路上に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記加湿制御部は、
   前記電極が乾燥状態の場合において、前記水遮断弁を開弁させると共に、前記電極へ供給する前記反応ガスの圧力を所定圧力以上に上昇させ、前記電極への前記反応ガスの供給流量が第１所定流量となるように前記タービン式ポンプの前記タービンの回転数を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池で電気化学反応に供された後の前記反応ガスであって、前記燃料電池から排出される前記反応ガスの排出量を制御可能な反応ガス排出量調整弁を備え、
   前記加湿制御部は、
   前記反応ガス排出量調整弁を制御することによって、前記電極へ供給する前記反応ガスの圧力を前記所定圧力以上に上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記乾燥状態とは、
   前記燃料電池の出力電流値が所定電流値より低い場合、または、前記電極への前記反応ガスの供給流量が第２所定流量より低い場合であって、前記燃料電池温度が所定温度より高い場合であることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記タービン式ポンプは、
   前記タービンと接続され、前記タービンを回転させるシャフトを備え、
   前記タービンは、
   前記シャフトとの接続部分において、前記ハウジングと対向するように配置される鍔状部材を備え、
   前記クリアランスは、
   前記鍔状部材と、前記ハウジングとの間に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電極は、カソードであり、
   前記反応ガスは、酸化ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
9. 燃料電池の電極に反応ガスを供給するためのタービン式ポンプであって、
   タービンと、
   前記タービンと対向するハウジングと、
   前記タービンと、前記ハウジングとの間に設けられ、前記タービンが回転することにより圧力が低下する所定のクリアランスに、水を供給する水供給部と、
   を備えることを特徴とするタービン式ポンプ。

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