JP2010170927A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】加湿のための装置を小型化することのできる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、水素供給路３３を通して供給される水素ガス、およびエア供給路２２を通して供給されるエアの反応により発電する燃料電池１０と、エア供給路にエアを供給するエアポンプ２１と、燃料電池から排出されるエアオフガスが流通するエア排出路２３と、エア供給路およびエア排出路に跨いで設けられ、エア供給路内のエアとエア排出路内のエアオフガスとの間で水分交換を行う加湿器２５と、エア排出路の加湿器よりも上流側から分岐して、エア供給路のエアポンプよりも上流側に至り、凝縮水が流通する凝縮水排出路６１と、凝縮水排出路を通る凝縮水の流量を制御可能な流量制御弁６１１と、燃料電池の運転状態に基づいて予め定められる要求湿度に応じて、流量制御弁の流量制御を行う流量制御弁制御部４６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、燃料電池で生成される凝縮水をカソードガスの加湿に利用する燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陰極）およびカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしてのエア（酸素を含む空気）を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池システムが注目されている。

ところで、以上の燃料電池システムでは、燃料電池に用いる固体高分子電解質膜を、湿潤な状態に維持する必要がある。そのため、燃料電池で生成される生成水を回収して、この生成水を加湿に利用することが行われている。
具体的には、燃料電池のカソード電極から排出されるエアオフガス中の水分を利用して、カソード電極に供給するエアを加湿する（特許文献１参照）。

特開２００７−１７９９７２号公報

しかしながら、例えば、燃料電池車両を加速させようとして、運転者がアクセルを大きく踏む場合がある。この場合、燃料電池に供給するエアの流量を増大させるから、この大量のエアを加湿する必要がある。また、燃料電池での発電量が増大するので、燃料電池で生成される凝縮水も多くなる。よって、大量の凝縮水で大量のエアを加湿する充分な加湿能力を発揮させる必要があり、加湿のための装置が大型化することになる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、加湿のための装置を小型化することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、アノードガス供給路（例えば、後述の水素供給路３３）を通して供給されるアノードガス（例えば、後述の水素ガス）、およびカソードガス供給路（例えば、後述のエア供給路２２）を通して供給されるカソードガス（例えば、後述のエア）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するエアポンプ（例えば、後述のエアポンプ２１）と、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出路（例えば、後述のエア排出路２３）と、前記カソードガス供給路および前記カソードオフガス排出路に跨いで設けられ、前記カソードガス供給路内のカソードガスと前記カソードオフガス排出路内のカソードオフガスとの間で水分交換を行う加湿手段（例えば、後述の加湿器２５）と、を備える燃料電池システムであって、前記カソードオフガス排出路の前記加湿手段よりも上流側から分岐して、前記カソードガス供給路の前記エアポンプよりも上流側に至り、凝縮水が流通する凝縮水排出路（例えば、後述の凝縮水排出路６１）と、前記凝縮水排出路を通る凝縮水の流量を制御可能な流量制御弁（例えば、後述の流量制御弁６１１）と、前記燃料電池の運転状態に基づいて予め定められる要求湿度に応じて、前記流量制御弁の流量制御を行う流量制御弁制御手段（例えば、後述の流量制御弁制御部４６）と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、カソードオフガス排出路の加湿手段よりも上流側から分岐する凝縮水排出路の分岐部の圧力は燃料電池から排出されたばかりなので圧力が高く、エアポンプの上流側はほぼ大気圧もしくはエアポンプに吸引されるために負圧になっており、流量制御弁を開くと、凝縮水は圧力差により吸引されてエアポンプへ導入される。
したがって、圧力差を利用した簡単な構成で凝縮水をエアポンプからカソードガス供給路へ導出することができる。また、加湿手段を小型化することができる。

また、流量制御弁を閉じると、凝縮水排出路に凝縮水が貯留する。分岐部から流量制御弁の間が凝縮水でいっぱいになると、凝縮水は、カソードオフガス排出路の分岐部から下流側へ流れて加湿手段に導入される。凝縮水は、加湿手段内にて充分に水分交換がなされなくとも、カソードオフガス排出路から排ガスとともに排出される。
したがって、流量制御弁を閉じても、凝縮水を確実に排出することができる。

燃料電池車両のアクセルペダル開度や燃料電池の要求出力が大きくなればなるほど、燃料電池の要求湿度は多くなる。燃料電池の要求湿度に応じて流量制御弁を制御して、凝縮水をエアポンプからカソードガス供給路へ導出することにより、燃料電池に導入されるカソードガスを加湿手段により加湿するだけでなく、凝縮水によっても加湿することができる。
したがって、燃料電池で生成される凝縮水をカソードガスの加湿に有効に利用することができる。

この場合、前記エアポンプに供給される冷媒の温度、又は、前記加湿手段の入口側温度を検出する温度検出手段（例えば、後述の温度センサ２６，２７）をさらに備え、
前記流量制御弁制御手段は、前記温度検出手段の検出する温度に基づいて前記流量制御弁の流量制御を行うことが好ましい。

この発明によれば、温度検出手段により、エアポンプに供給される冷媒の温度、又は、加湿手段の入口側温度を検出する。そして、流量制御弁制御手段により、温度検出手段の検出する温度に基づいて、流量制御弁の流量制御を行う。例えば、温度検出手段の検出する温度に基づいて、加湿手段に導入されるカソードガスの温度を推定して、カソードガスの温度が高い場合には、エアポンプによる凝縮水の気化潜熱により、加湿手段へ供給されるカソードガスを冷却する。
したがって、加湿手段が過熱状態になることを未然に防止して加湿手段を保護することができる。

この場合、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス還流路（例えば、後述の水素還流路３４）と、前記アノードオフガス還流路に設けられた気液分離手段（例えば、後述の気液分離器３７）と、前記気液分離手段から前記凝縮水排出路に至り、前記気液分離手段に貯留されるアノードオフガス中の凝縮水を前記凝縮水排出路に導出する導出路（例えば、後述の凝縮水導出路６４）と、をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、アノードオフガス還流路と、気液分離手段と、導出路と、を設けた。よって、アノードオフガス還流路の気液分離手段に貯留される凝縮水を、カソードガス供給路のエアポンプよりも上流側へ導出することができる。
その結果、凝縮水の利用効率を高めて、通常は車外へ排出される凝縮水をカソードガスの加湿やカソードガス供給手段の冷却に再利用することができる。

この場合、前記カソードオフガス排出路の前記加湿手段よりも下流側から分岐して、前記凝縮水排出路に至り、前記カソードオフガス排出路内の凝縮水を前記凝縮水排出路に導出する分岐路（例えば、後述の凝縮水導出路６３）をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、カソードオフガス排出路の加湿手段よりも下流側から分岐して凝縮水排出路に至る分岐路を設けた。よって、カソードオフガス排出路内の凝縮水を、カソードガス供給路のエアポンプよりも上流側へ導出することができる。
その結果、凝縮水の利用効率を高めて、通常は車外へ排出される凝縮水をカソードガスの加湿やカソードガス供給手段の冷却に再利用することができる。

この場合、前記カソードオフガス排出路の前記加湿手段よりも下流側に設けられた開閉弁（例えば、後述の背圧弁２３１）と、前記凝縮水排出路の前記流量制御弁よりも上流側に設けられて、前記凝縮水排出路内の凝縮水を外部に排出可能な排出弁（例えば、後述のドレン弁６２１）と、前記燃料電池の発電を停止した後、当該燃料電池の温度を監視し、凝縮水の凍結する可能性を判定する凍結判定手段（例えば、後述の凍結判定部４８）と、前記凍結判定手段で凝縮水の凍結する可能性があると判定した場合には、前記開閉弁および前記流量制御弁を閉状態にし、かつ、前記排出弁を開状態にして、前記エアポンプを作動して前記凝縮水排出路を掃気する掃気処理手段（例えば、後述の掃気処理部４９）と、をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、開閉弁、排出弁、凍結判定手段および掃気処理手段を設け、凍結判定手段で燃料電池の発電を停止した後、凝縮水の凍結する可能性があると判定した場合には、掃気処理手段により、開閉弁および流量制御弁を閉状態にし、かつ、排出弁を開状態にして、エアポンプを作動して凝縮水排出路を掃気した。
よって、燃料電池システムの停止後に凝縮水排出路を掃気することにより、凝縮水排出路に残留した凝縮水が凍結することを防止することができる。
また、凝縮水排出路を掃気する際に、凝縮水をエアポンプへ導入しないため、凝縮水によるエアポンプの凍結を防止することができる。

本発明によれば、加湿のための装置を小型化することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 上記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る燃料電池システムの閾値テーブルに用いる燃料電池出力電流と要求加湿量との相関の一例を示す図である。 上記実施形態に係る燃料電池システムの発電中の動作の一例を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る燃料電池システムの発電停止後の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの発電中の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、アノードガスとしての水素ガスおよびカソードガスとしてのエア（空気）を反応させて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０に水素ガスおよびエアを供給する供給装置２０と、これらを制御する制御装置４０とを有する。この燃料電池システム１は、燃料電池１０により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）およびカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陰極）側に形成されたアノード流路１３に水素ガスが供給され、カソード電極（陽極）側に形成されたカソード流路１４に酸素を含むエアが供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

燃料電池１０の内部には、燃料電池１０の内部温度を測定する温度センサ１５が設けられる。
また、燃料電池１０の外側には、燃料電池１０の周囲温度を測定する温度センサ１６が設けられる。温度センサ１６は、燃料電池１０が搭載された燃料電池車両の外気温を測定する。
さらに、燃料電池１０には、燃料電池１０で発電した出力電流を測定する電流センサ１７が設けられる。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するエアポンプ２１と、エアポンプ２１から供給されるエアを加湿する加湿手段としての加湿器２５と、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク３１およびエゼクタ３２とを備える。

エアポンプ２１は、カソードガス供給路としてのエア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路１４の一端側にエアを供給する。
燃料電池１０のカソード流路１４の他端側には、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスとしてのエアオフガスが流通するカソードオフガス排出路としてのエア排出路２３が接続され、このエア排出路２３の先端側には、後述の希釈器５０が接続されている。また、エア排出路２３には、開度を調整可能な開閉弁としての背圧弁２３１が設けられている。

エア供給路２２には、掃気ガス導入路２４が分岐して設けられている。掃気ガス導入路２４の先端側は、後述の水素供給路３３に接続されている。また、この掃気ガス導入路２４には、掃気ガス導入弁２４１が設けられている。この掃気ガス導入弁２４１を開いた状態では、エア供給路２２と水素供給路３３とは連通し、掃気ガス導入弁２４１を閉じた状態では、エア供給路２２と水素供給路３３との連通は遮断される。

加湿器２５は、エア供給路２２およびエア排出路２３に跨いで設けられ、エア供給路２２内のエアとエア排出路２３内のエアオフガスとの間で水分交換を行う。

水素タンク３１は、アノードガス供給路としての水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路１３の一端側に水素ガスを供給する。この水素供給路３３には、エゼクタ３２が設けられている。また、水素供給路３３のうち水素タンク３１とエゼクタ３２との間には、水素タンク３１から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁およびレギュレータが設けられている。

燃料電池１０のアノード流路１３の他端側には、燃料電池１０から排出される水素オフガスが流通するアノードオフガス還流路としての水素還流路３４が接続される。この水素還流路３４の入口側には、気液分離手段としての気液分離器３７が設けられている。水素還流路３４の先端側は、エゼクタ３２に接続されている。エゼクタ３２は、水素還流路３４を流通する水素オフガスを回収し、水素供給路３３に還流する。

また、この水素還流路３４には、水素排出路３５および掃気ガス排出路３６が、それぞれ分岐している。これら水素排出路３５と掃気ガス排出路３６の先端側は、希釈器５０に接続される。

水素排出路３５には、この水素排出路３５を開閉するパージ弁３５１が設けられている。このパージ弁３５１を開状態とすることにより、水素還流路３４を流通するガスを中流量で希釈器５０に排出可能である。
掃気ガス排出路３６には、この掃気ガス排出路３６を開閉する掃気ガス排出弁３６１が設けられている。この掃気ガス排出弁３６１を開状態とすることにより、水素還流路３４を流通するガスを大流量で希釈器５０に排出可能である。

希釈器５０は、エア排出路２３を介して導入されたエアオフガスを希釈ガスとして用いて、上述の水素排出路３５および掃気ガス排出路３６を介して導入された水素オフガスをこの希釈ガスで希釈して、燃料電池システム１の外部に放出する。

エア排出路２３の加湿器２５よりも上流側には、エア排出路２３から分岐してエア排出路２３を流通するエアオフガス中の凝縮水を取り出す凝縮水排出路６１が設けられている。凝縮水排出路６１の先端側は、エアポンプ２１の上流側でエア供給路２２に接続される。

凝縮水排出路６１には、この凝縮水排出路６１を開閉するとともに凝縮水排出路６１を流通する凝縮水の流量を制御可能な流量制御弁６１１が設けられている。この流量制御弁６１１を開いた状態では、凝縮水排出路６１とエア供給路２２とは連通し、流量制御弁６１１を閉じた状態では、凝縮水排出路６１とエア供給路２２との連通は遮断される。

凝縮水排出路６１には、流量制御弁６１１の手前にドレン路６２が分岐している。ドレン路６２には、排出弁としてのドレン弁６２１が設けられている。このドレン弁６２１を開状態とすることにより、凝縮水排出路６１内の凝縮水を燃料電池システム１から外部へ排出可能である。

エア排出路２３の加湿器２５よりも下流側には、エア排出路２３から分岐してエア排出路２３を流通するエアオフガス中の凝縮水を取り出す分岐路としての凝縮水導出路６３が設けられている。凝縮水導出路６３の先端側は、凝縮水排出路６１に接続される。

水素還流路３４に設けられた気液分離器３７には、水素還流路３４を流通する水素オフガスから気液分離器３７に貯留されるアノードオフガスとしての水素オフガス中の凝縮水を取り出す導出路としての凝縮水導出路６４が設けられている。凝縮水導出路６４の先端側は、凝縮水排出路６１に接続される。

エアポンプ２１には、エアポンプ２１に供給されて循環している冷媒の温度を測定する温度センサ２６が設けられる。
加湿器２５には、エア供給路２２における加湿器２５の入口側を通るエアの温度を測定する温度センサ２７が設けられる。
燃料電池１０には、エア供給路２２における燃料電池１０の入口側を通るエアの湿度を測定する湿度センサ２８が設けられる。

本実施形態では、アノード流路１３、水素供給路３３、水素還流路３４、水素排出路３５、および掃気ガス排出路３６により、水素ガス及び燃料電池１０から排出された水素オフガスが流通するアノードガス系が構成される。
また、カソード流路１４、エア供給路２２、エア排出路２３、および掃気ガス導入路２４により、エアおよび燃料電池１０から排出されたエアオフガスが流通するカソードガス系が構成される。
さらに、凝縮水排出路６１、ドレン路６２、および凝縮水導出路６３，６４により、燃料電池から排出された凝縮水が流通する凝縮水系が構成される。
図１では、アノードガス系を白抜きの矢印で示し、カソードガス系を実線の矢印で示し、凝縮水系を斜線の矢印で示す。

上述のエアポンプ２１、背圧弁２３１、掃気ガス導入弁２４１、遮断弁、パージ弁３５１、掃気ガス排出弁３６１、流量制御弁６１１、およびドレン弁６２１は、制御装置４０により制御される。

また、制御装置４０には、温度センサ１５，１６、電流センサ１７、温度センサ２６，２７、湿度センサ２８、イグニッションスイッチ４１、およびタイマ４２が接続されている。
イグニッションスイッチ４１は、燃料電池システム１が搭載された燃料電池車両の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、起動を指令するオン信号又は停止を指令するオフ信号を制御装置４０に送信する。制御装置４０は、イグニッションスイッチ４１から出力されたオン／オフ信号に従い、燃料電池１０の起動を開始したり、燃料電池１０の発電を停止したりする。
タイマ４２は、燃料電池１０の発電開始からの経過時間を計測し、制御装置４０に出力する。また、燃料電池１０の発電停止からの経過時間を計測し、制御装置４０に出力する。

図２に示すように、制御装置４０は、凝縮水排出判定部４３と、閾値記憶部４４と、要求加湿量判定部４５と、流量制御弁制御手段としての流量制御弁制御部４６と、上限温度判定部４７と、凍結判定手段としての凍結判定部４８と、掃気処理手段としての掃気処理部４９とを備える。
制御装置４０は、凝縮水排出判定部４３、要求加湿量判定部４５、流量制御弁制御部４６、上限温度判定部４７、凍結判定部４８、掃気処理部４９を含む制御部と、閾値記憶部４４を含む記憶部とで構成される。

凝縮水排出判定部４３は、燃料電池１０の発電開始後、エア排出路２３を流通するエアオフガス中に凝縮水がある程度溜まったか否かを判定する。
エアオフガス中に凝縮水がある程度まで溜まらない間は後述の水噴射は実効性がない。エアオフガス中に凝縮水がある程度まで溜まった後は水噴射は実効性を持つ。つまり、凝縮水排出判定部４３は、水噴射の実効性の有無を判定する。
具体的には、例えば、タイマ４２による燃料電池１０の発電開始からの経過時間に基づいて、又は、燃料電池１０の発電開始後、燃料電池１０の出力電流による運転状態に基づいて、水噴射を実施できる程度まで凝縮水排出路６１に凝縮水が溜まったか否かを判定する。

ここで、水噴射とは、流量制御弁６１１を開状態にして凝縮水排出路６１とエア供給路２２とを連通させ、凝縮水排出路６１の凝縮水をエア供給路２２へ導出することをいう。
エア排出路２３からの凝縮水排出路６１の分岐部は燃料電池１０に近いため、エアオフガスの圧力は高い。
一方、凝縮水排出路６１の先端側が接続されたエア供給路２２はエアポンプ２１の上流側にあるため、ここでのエアの圧力は大気圧もしくは負圧である。
そのため、凝縮水排出路６１の入口側のガス圧力は、出口側のエア圧力に比べて明らかに大きい。この圧力差によって、凝縮水排出路６１の凝縮水は勢いよくエア供給路２２へ導出され、エアポンプ２１により吸引される。

閾値記憶部４４は、燃料電池１０の要求加湿量を記憶する。
本実施形態では、要求加湿量が比較的少ない場合は、加湿器２５のみによる加湿を行う。これに対し、要求加湿量が比較的多い場合は、加湿器２５による加湿に加えて水噴射による加湿を行う。

具体的には、図３に示すように、横軸に燃料電池１０の出力電流をとり、縦軸に燃料電池１０の要求加湿量をとったグラフに基づく閾値テーブルが作成されて、閾値記憶部４４にあらかじめ記憶されている。図３に示す閾値テーブルにおいて、例えば、燃料電池１０の出力電流がＩの場合、燃料電池１０の要求加湿量はＨとなる。
図３に示す閾値テーブルにおいて、燃料電池１０の出力電流が所定の出力電流値Ｉ_１まで上昇する間は、加湿器２５のみによる加湿を行う。出力電流値Ｉ_１に対応する要求加湿量値はＨ_１である。
また、燃料電池１０の出力電流が所定の出力電流値Ｉ_１を越えた場合、加湿器２５による加湿に加えて水噴射による加湿を行う。例えば、出力電流値Ｉ_２に対応する要求加湿量値はＨ_２である。この場合、要求加湿量Ｈ_２のうちＨ_１分は加湿器２５による加湿を行い、Ｈ_２とＨ_１との差分は水噴射による加湿を行う。

要求加湿量判定部４５は、燃料電池１０が要求加湿量不足であるか否かを判定する。すなわち、燃料電池１０の実際の加湿量が要求加湿量に比べて不足しているか否かを判定する。
燃料電池１０の発電開始後、湿度センサ２８によりエア供給路２２における燃料電池１０の入口側のエア湿度を測定する。
一方、燃料電池１０の発電開始後、電流センサ１７により燃料電池１０で発電した出力電流を測定して、閾値記憶部４４に記憶されている閾値テーブルにより出力電流に対応する要求加湿量を抽出する。
測定した実際のエア湿度と抽出した要求加湿量とを比較して、実際のエア湿度が要求加湿量を満たしていない場合は要求加湿量不足であると判定し、満たしている場合は要求加湿量不足でないと判定する。

具体的には、図３に示す閾値テーブルにおいて、燃料電池１０の出力電流Ｉに基づく要求加湿量Ｈが所定の要求加湿量値Ｈ_１未満である場合は、加湿器２５による加湿によって燃料電池１０に供給されるエアを所要の湿度にもたらすことができる。そのため、要求加湿量判定部４５は、要求加湿量不足でないと判定する。
一方、要求加湿量Ｈが所定の要求加湿量値Ｈ_１以上である場合は、加湿器２５による加湿だけでは燃料電池１０に供給されるエアを所要の湿度にもたらすことができない。そのため、要求加湿量判定部４５は、要求加湿量不足であると判定する。

流量制御弁制御部４６は、燃料電池１０の運転状態に基づいて予め定められる要求湿度に応じて流量制御弁６１１の流量制御を行う。
すなわち、燃料電池１０の運転状態によって加湿器２５による加湿だけでは燃料電池１０に供給されるエアを所要の湿度にもたらすことができない場合、不足する湿度を補うために、流量制御弁６１１を開状態にして水噴射による凝縮水の流量制御を行う。この場合、流量制御弁６１１の開度を調節することもできる。

具体的には、図３に示す閾値テーブルにおいて、燃料電池１０の出力電流Ｉに基づく要求加湿量Ｈが所定の要求加湿量値Ｈ_１以上である場合に、流量制御弁６１１の開度を調節して、凝縮水の水噴射によって不足する湿度を補う。
例えば、要求加湿量Ｈが要求加湿量値Ｈ_２である場合は、Ｈ_２とＨ_１との差分を水噴射により加湿する。

ここで、燃料電池１０の運転状態によって水噴射による大量の加湿が要求される場合でも、凝縮水排出路６１にはエア排出路２３の分岐部からの凝縮水だけでなく、凝縮水導出路６３，６４からの凝縮水も加わるため、充分な量の凝縮水をエアポンプ２１の上流側のエア供給路２２へ導出することができる。

上限温度判定部４７は、エアポンプ２１に供給されて循環している冷媒の温度を測定する温度センサ２６、およびエア供給路２２における加湿器２５の入口側のエアの温度を測定する温度センサ２７と接続される。上限温度判定部４７は、燃料電池１０の発電を開始した後、温度センサ２６，２７の測定値から加湿器２５へ導入されるエアの温度を推定し、このエアの温度が所定の上限温度に達しているか否かを判定する。この上限温度は、エアの温度がこれ以上高温になると加湿器２５を損傷させる危険がある閾値としてあらかじめ設定されている。

また、流量制御弁制御部４６は、上限温度判定部４７により加湿器２５へのエアの温度が上限閾値に達していると判定された場合、流量制御弁６１１の流量制御を行う。具体的には、流量制御弁６１１を実質的に全開にする。
これにより、凝縮水排出路６１の凝縮水をエア供給路２２へ大量に導出してエアポンプ２１に導入させ、高温で作動しているエアポンプ２１において凝縮水の気化潜熱によりエアポンプ２１の温度を下げて、加湿器２５へ導入されるエアの温度を下げる。

凍結判定部４８は、燃料電池１０の周囲温度を測定する温度センサ１６、および燃料電池１０の内部温度を測定する温度センサ１５と接続される。凍結判定部４８は、燃料電池１０の発電を停止した後、温度センサ１５，１６の測定値から燃料電池１０の周囲温度および内部温度に基づいて、掃気を開始するか否かを判定する。

すなわち、凍結判定部４８は、温度センサ１６により測定する燃料電池１０の周囲温度が所定の周囲温度閾値以下であり、かつ、温度センサ１５により測定する燃料電池１０の内部温度が所定の内部温度閾値以下である場合に、掃気を開始すると判定する。
具体的には、例えば、燃料電池１０の周囲温度が０℃以下であり、かつ、燃料電池１０の内部温度が５℃以下である場合に、掃気を開始すると判定する。

また、閾値記憶部４４は、燃料電池１０の周囲温度閾値および内部温度閾値を記憶する。燃料電池１０の周囲温度閾値と内部温度閾値とは対応して組み合わされるものであり、１組に限らず、複数組の組み合わせを記憶することができる。
そのうちの１組が、上記のように、周囲温度閾値が０℃で、内部温度閾値が５℃である。

掃気処理部４９は、凍結判定部４８により掃気を開始すると判定された場合に、燃料電池１０の掃気処理を行う。掃気処理部４９は、カソード掃気部４９１と、アノード掃気部４９２と、凝縮水掃気部４９３とを備える。

カソード掃気部４９１は、カソード掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁２４１および背圧弁２３１を開状態とし、掃気ガス排出弁３６１、流量制御弁６１１およびドレン弁６２１を閉状態として、エアポンプ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、カソードガス系を掃気する。

アノード掃気部４９２は、アノード掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁２４１および掃気ガス排出弁３６１を開状態とし、背圧弁２３１、流量制御弁６１１およびドレン弁６２１を閉状態として、エアポンプ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、アノードガス系を掃気する。

凝縮水掃気部４９３は、凝縮水掃気処理を実行する。すなわち、掃気ガス導入弁２４１およびドレン弁６２１を開状態とし、背圧弁２３１、掃気ガス排出弁３６１および流量制御弁６１１を閉状態として、エアポンプ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、凝縮水系を掃気する。

図４は、燃料電池システム１の発電中の動作の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、イグニッションスイッチ４１がオンにされたことにより開始する。
まず、ステップＳ１では、イグニッションスイッチ４１から出力されたオン信号によりエアポンプ２１が起動し、燃料電池１０の発電を開始する。

ステップＳ２では、凝縮水排出判定部４３により、エア排出路２３を流通するエアオフガス中に凝縮水がある程度溜まったか否かを判定する。つまり、水噴射を実施できる程度まで凝縮水排出路６１に凝縮水が溜まったか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ３に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ８に移る。

ステップＳ３では、要求加湿量判定部４５により燃料電池１０が要求加湿量不足であるか否かを判定する。つまり、燃料電池１０の実際の加湿量が要求加湿量に比べて不足しているか否かを判定する。
すなわち、図３に示すグラフを参照すれば、燃料電池１０の出力電流Ｉに基づく要求加湿量Ｈが所定の要求加湿量値Ｈ_１未満である場合は、燃料電池１０の実際の加湿量が要求加湿量に比べて不足していない、つまり要求加湿量不足でないと判定する。
要求加湿量Ｈが所定の要求加湿量値Ｈ_１以上である場合は、燃料電池１０の実際の加湿量が要求加湿量に比べて不足している、つまり要求加湿量不足であると判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ４に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ８に移る。

ステップＳ４では、流量制御弁制御部４６により流量制御弁６１１を中程度の開状態にして、凝縮水排出路６１の凝縮水をエアポンプ２１の上流側のエア供給路２２へ導出する。
この場合は、図３に示すグラフを参照すれば、要求加湿量Ｈが所定の要求加湿量値Ｈ_１以上であるから、加湿器２５による加湿だけでは燃料電池１０に供給されるエアを所要の湿度にもたらすことができないため、水噴射を実施する。
流量制御弁６１１の開度は中程度であるが、凝縮水排出路６１にはエア排出路２３の分岐部からの凝縮水だけでなく、凝縮水導出路６３，６４からの凝縮水も加わるため、充分な量の凝縮水を利用して適正な水噴射を行うことができる。

ステップＳ５では、上限温度判定部４７により加湿器２５へのエアの温度が上限閾値に達しているか否かを判定する。すなわち、加湿器２５へ導入されるエアの温度が加湿器２５を損傷させる危険がある上限閾値に達しているか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ６に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ３に戻る。

ステップＳ６では、流量制御弁制御部４６により流量制御弁６１１を全開状態にする。つまり、大量の凝縮水をエアポンプ２１に導入させて凝縮水の気化潜熱によりエアポンプ２１の温度を下げて、加湿器２５へ導入されるエアの温度を下げる。
これにより、上限閾値に達する高温のエアが導入されることが防止され、加湿器２５の損傷は未然に防止される。

ステップＳ７では、イグニッションスイッチ４１がオフであるか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、終了し、ＮＯの場合は、ステップＳ３に戻る。

一方、ステップＳ３の判定がＮＯで、ステップＳ８に移った場合、ステップＳ８では、流量制御弁制御部４６により流量制御弁６１１を閉状態にして加湿器２５のみによる加湿を行う。

また、ステップＳ２の判定がＮＯで、ステップＳ８に移った場合も、ステップＳ８では、流量制御弁制御部４６により流量制御弁６１１を閉状態にして加湿器２５のみによる加湿を行う。

ステップＳ９では、イグニッションスイッチ４１がオフであるか否かを判定する。
ステップＳ９の判定がＹＥＳの場合は、終了し、ＮＯの場合は、ステップＳ２に戻る。

図５は、燃料電池システム１の発電停止後の動作の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、イグニッションスイッチ４１がオフにされたことにより開始する。
まず、ステップＳ１１では、イグニッションスイッチ４１から出力されたオフ信号により燃料電池１０の発電を停止する。

ステップＳ１２では、凍結判定部４８により燃料電池１０の周囲温度および内部温度を監視する。すなわち、温度センサ１６により燃料電池１０の周囲温度を測定し、温度センサ１５により燃料電池１０の内部温度を測定する。

ステップＳ１３では、凍結判定部４８により燃料電池１０の周囲温度が所定温度以下であるか否かを判定する。すなわち、温度センサ１６により測定する燃料電池１０の周囲温度が、閾値記憶部４４に記憶されている燃料電池１０の周囲温度閾値ここでは０℃以下であるか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ１４に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ１８に移る。

ステップＳ１４では、凍結判定部４８により、燃料電池１０の周囲温度に対応する燃料電池１０の内部温度閾値を閾値記憶部４４から抽出する。

ステップＳ１５では、凍結判定部４８により、燃料電池１０の内部温度が抽出した燃料電池１０の内部温度閾値以下であるか否かを判定する。すなわち、温度センサ１５により測定する燃料電池１０の内部温度と、ステップＳ１４で抽出した燃料電池１０の内部温度閾値とを比較して、燃料電池１０の内部温度が内部温度閾値ここでは５℃以下であるか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、ステップＳ１６に移り、ＮＯの場合は、ステップＳ１８に移る。

ステップＳ１６では、掃気処理部４９により燃料電池１０の掃気処理を行う。
すなわち、カソード掃気部４９１は、掃気ガス導入弁２４１および背圧弁２３１を開状態とし、掃気ガス排出弁３６１、流量制御弁６１１およびドレン弁６２１を閉状態として、エアポンプ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、カソードガス系を掃気する。
また、アノード掃気部４９２は、掃気ガス導入弁２４１および掃気ガス排出弁３６１を開状態とし、背圧弁２３１、流量制御弁６１１およびドレン弁６２１を閉状態として、エアポンプ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、アノードガス系を掃気する。
さらに、凝縮水掃気部４９３は、掃気ガス導入弁２４１およびドレン弁６２１を開状態とし、背圧弁２３１、掃気ガス排出弁３６１および流量制御弁６１１を閉状態として、エアポンプ２１によりエア供給路２２にエアを供給することで、凝縮水系を掃気する。

ステップＳ１７では、掃気処理部４９により燃料電池１０の掃気処理が終了したか否かを判定する。
この判定がＹＥＳの場合は、終了し、ＮＯの場合は、ステップＳ１７に戻る。

一方、ステップＳ１５の判定がＮＯで、ステップＳ１８に移った場合、ステップＳ１８では、イグニッションスイッチ４１がオンであるか否かを判定する。
この場合は、燃料電池１０の周囲温度は所定の周囲温度閾値以下であるが、燃料電池１０の内部温度は、燃料電池１０の周囲温度に対応する内部温度閾値まで低下していないため、掃気処理は実行されない。

また、ステップＳ１３の判定がＮＯで、ステップＳ１８に移った場合、ステップＳ１８では、イグニッションスイッチ４１がオンであるか否かを判定する。
この場合は、燃料電池１０の周囲温度は所定の周囲温度閾値まで低下していないため、掃気処理は実行されない。
ステップＳ１８の判定がＹＥＳの場合は、終了し、ＮＯの場合は、ステップＳ１２に戻る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）エア排出路２３の加湿器２５よりも上流側から分岐する凝縮水排出路６１の分岐部の圧力は燃料電池１０から排出されたばかりなので圧力が高く、エアポンプ２１の上流側はほぼ大気圧もしくはエアポンプ２１に吸引されるために負圧になっており、流量制御弁６１１を開くと、凝縮水は圧力差により吸引されてエアポンプ２１へ導入される。
したがって、圧力差を利用した簡単な構成で凝縮水をエアポンプ２１からエア供給路２２へ導出することができる。また、加湿手段を小型化することができる。

（２）流量制御弁６１１を閉じると、凝縮水排出路６１に凝縮水が貯留する。分岐部から流量制御弁６１１の間が凝縮水でいっぱいになると、凝縮水は、エア排出路２３の分岐部から下流側へ流れて加湿器２５に導入される。凝縮水は、加湿器２５内にて充分に水分交換がなされなくとも、エア排出路２３から排ガスとともに排出される。
したがって、流量制御弁６１１を閉じても、凝縮水を確実に排出することができる。

（３）燃料電池車両のアクセルペダル開度や燃料電池１０の要求出力が大きくなればなるほど、燃料電池１０の要求湿度は多くなる。燃料電池１０の要求湿度に応じて流量制御弁６１１を制御して、凝縮水をエアポンプ２１からエア供給路２２へ導出することにより、燃料電池１０に導入されるエアを加湿器２５により加湿するだけでなく、凝縮水によっても加湿することができる。
したがって、燃料電池１０で生成される凝縮水をエアの加湿に有効に利用することができる。

（４）温度センサ２６，２７により、エアポンプ２１に供給される冷媒の温度、又は、加湿器２５の入口側温度を検出する。この検出温度に基づいて、流量制御弁制御部４６により流量制御弁６１１の流量制御を行う。例えば、温度センサ２６，２７の検出する温度に基づいて、加湿器２５に導入されるエアの温度を推定して、エアの温度が高い場合には、エアポンプ２１による凝縮水の気化潜熱により、加湿器２５へ供給されるエアを冷却する。
したがって、加湿器２５が過熱状態になることを未然に防止して加湿器２５を保護することができる。

（５）水素還流路３４の気液分離器３７に貯留される凝縮水を、エア供給路２２のエアポンプ２１よりも上流側へ導出することができる。
その結果、凝縮水の利用効率を高めて、通常は車外へ排出される凝縮水をエアの加湿やエアポンプ２１の冷却に再利用することができる。

（６）エア排出路２３内の凝縮水を、加湿器２５の下流側からエアポンプ２１よりも上流側へ導出することができる。
その結果、凝縮水の利用効率を高めて、通常は車外へ排出される凝縮水をエアの加湿やエアポンプ２１の冷却に再利用することができる。

（７）燃料電池１０の発電を停止した後、凍結判定部４８により凝縮水の凍結する可能性があると判定した場合には、掃気処理部４９により、背圧弁２３１および流量制御弁６１１を閉状態にし、かつ、ドレン弁６２１を開状態にして、エアポンプ２１を作動して凝縮水排出路６１を掃気する。
よって、燃料電池システム１の停止後に凝縮水排出路６１を掃気することにより、凝縮水排出路６１に残留した凝縮水が凍結することを防止することができる。

（８）凝縮水排出路６１を掃気する際に、凝縮水をエアポンプ２１へ導入しないため、凝縮水によるエアポンプ２１の凍結を防止することができる。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１の発電中の動作の一例を示すフローチャートである。
本実施形態では、上限温度判定部が設けられていない点が、第１実施形態と異なる。
図６に示すフローチャートは、イグニッションスイッチ４１がオンにされたことにより開始する。
ステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３は、図４に示すフローチャートのステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３とそれぞれ同様のものであるので、説明を省略する。

ステップＳ２４では、流量制御弁制御部４６により流量制御弁６１１を開状態にして、凝縮水排出路６１の凝縮水をエアポンプ２１の上流側のエア供給路２２へ導出する。
図４に示すフローチャートのステップＳ４では、流量制御弁６１１を中程度に開状態にするが、本実施形態では流量制御弁６１１の開度については任意である。

ステップＳ２５，Ｓ２６，Ｓ２７は、図４に示すフローチャートのステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９とそれぞれ同様のものであるので、説明を省略する。

本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）、（５）〜（８）と同様の効果がある。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、凝縮水排出路６１内の凝縮水をエア供給路２２へ導出するために流量制御弁６１１を用いたが、これに限らない。すなわち、水インジェクタなどの水噴射装置を用いて、凝縮水排出路６１内の凝縮水をエア供給路２２へ導出することも可能である。

また、凝縮水排出路６１とエアポンプ２１上流側のエアインテーク配管分岐にノズルを付けることができる。ノズルは、汎用性のあるノズルを配管に付けてもよいし、配管に複数の孔をあけてノズルとしてもよい。
これにより、凝縮水がミスト状になってエアポンプ２１上流側に投入され、ミスト状となることで、エアポンプ２１に均一に水が投入される。
その効果として、エアポンプ２１の羽根と筐体とのクリアランスに水が入ることでクリアランスが低減し、エア漏れも低減することで、エアポンプ２１の効率が上がる。
水がエアポンプ２１吐出部で気化しやすくなる。気化潜熱により温度が低減し、吐出温度低下（インタークーラーの廃止）や冷却効率向上が見込まれる。

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２１…エアポンプ
２２…エア供給路（カソードガス供給路）
２３…エア排出路（カソードオフガス排出路）
２３１…背圧弁（開閉弁）
２５…加湿器（加湿手段）
２６，２７…温度センサ（温度検出手段）
３３…水素供給路（アノードガス供給路）
３４…水素還流路（アノードオフガス還流路）
３７…気液分離器（気液分離手段）
４０…制御装置
４６…流量制御弁制御部（流量制御弁制御手段）
４８…凍結判定部（凍結判定手段）
４９…掃気処理部（掃気処理手段）
６１…凝縮水排出路
６１１…流量制御弁
６２１…ドレン弁（排出弁）
６３…凝縮水導出路（分岐路）
６４…凝縮水導出路（導出路）

Claims (5)

1. アノードガス供給路を通して供給されるアノードガス、およびカソードガス供給路を通して供給されるカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
   前記カソードガス供給路にカソードガスを供給するエアポンプと、
   前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出路と、
   前記カソードガス供給路および前記カソードオフガス排出路に跨いで設けられ、前記カソードガス供給路内のカソードガスと前記カソードオフガス排出路内のカソードオフガスとの間で水分交換を行う加湿手段と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記カソードオフガス排出路の前記加湿手段よりも上流側から分岐して、前記カソードガス供給路の前記エアポンプよりも上流側に至り、凝縮水が流通する凝縮水排出路と、
   前記凝縮水排出路を通る凝縮水の流量を制御可能な流量制御弁と、
   前記燃料電池の運転状態に基づいて予め定められる要求湿度に応じて、前記流量制御弁の流量制御を行う流量制御弁制御手段と、
   を備えた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、
   前記エアポンプに供給される冷媒の温度、又は、前記加湿手段の入口側温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記流量制御弁制御手段は、前記温度検出手段の検出する温度に基づいて前記流量制御弁の流量制御を行う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に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス還流路と、
   前記アノードオフガス還流路に設けられた気液分離手段と、
   前記気液分離手段から前記凝縮水排出路に至り、前記気液分離手段に貯留されるアノードオフガス中の凝縮水を前記凝縮水排出路に導出する導出路と、をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カソードオフガス排出路の前記加湿手段よりも下流側から分岐して、前記凝縮水排出路に至り、前記カソードオフガス排出路内の凝縮水を前記凝縮水排出路に導出する分岐路をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カソードオフガス排出路の前記加湿手段よりも下流側に設けられた開閉弁と、
   前記凝縮水排出路の前記流量制御弁よりも上流側に設けられて、前記凝縮水排出路内の凝縮水を外部に排出可能な排出弁と、
   前記燃料電池の発電を停止した後、当該燃料電池の温度を監視し、凝縮水の凍結する可能性を判定する凍結判定手段と、
   前記凍結判定手段で凝縮水の凍結する可能性があると判定した場合には、前記開閉弁および前記流量制御弁を閉状態にし、かつ、前記排出弁を開状態にして、前記エアポンプを作動して前記凝縮水排出路を掃気する掃気処理手段と、をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。

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