JP2011049131A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の高温高出力運転時におけるカソード供給ガスへの加湿性能の低下、それによる燃料電池スタック性能の低下、及び燃料電池スタック発熱量の増加を解消できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック３０のカソード出口３３から排出される排出ガスを水分供給源として、燃料電池スタックのカソード入口３４に供給されるカソード供給ガスを加湿する加湿器２０を備える燃料電池システムであって、燃料電池スタックのカソード出口３３と加湿器２０とを連結する排出ガス配管３２に、排出ガスを冷却するインタークーラー４０を設置し、排出ガスの温度を下げると共に、相対湿度を上昇させて、加湿器２０のカソード供給ガス３４に対する加湿性能を向上させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、カソード燃料電池システムに係り、より詳しくは、燃料電池スタックに供給されるカソード供給ガスへの加湿性能を向上させて、燃料電池スタックの性能を向上させた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料が持っているエネルギーを、燃料電池スタック内で電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する一種の発電装置である。燃料電池は、産業用、家庭用及び車両駆動用の電力だけでなく、小型の電子製品、特に携帯用装置にも電力も供給することができる。

このような燃料電池の例として、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ，Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）がある。高分子電解質膜燃料電池は、車両駆動のための電力供給源として最も多く研究されている。

高分子電解質膜燃料電池は、水素イオンが移動する電解質膜を中心に、膜の両側に電気化学反応が起きる触媒電極層が付着された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、反応ガスを均一に分布させ、発生された電気エネルギーを伝達する役割を行うガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）と、反応ガス及び冷却水の気密性と適性締結圧を維持するためのガスケット及び締結器具と、反応ガスと冷却水とを移動させるバイポーラ板と、を含んで構成される。

燃料電池の反応ガスである水素は、バイポーラ板を介して、膜電極接合体のアノード（「燃料極」、又は「水素極」とも言う）に供給され、カソード供給ガスである酸素（空気）はバイポーラ板を介して膜電極接合体のカソード（「空気極」、「酸素極」、または「還元極」とも言う）に供給される。

アノードに供給された水素は、電解質膜の両側に構成された電極層の触媒により水素イオン（ｐｒｏｔｏｎ，Ｈ^＋）と電子（ｅｌｅｃｔｏｎ，ｅ⁻）とに分解される。このうち水素イオンは、陽イオン交換膜である電解質膜を通過してカソードに伝達され、電子は、導体であるガス拡散層とバイポーラ板を通してアノードからカソードに伝達される。

カソードでは、電解質膜を通して供給された水素イオンと、バイポーラ板を通して伝達された電子と、がカソード供給ガス中の酸素と反応し、水を生成する。このときに起きる水素イオンの移動によって外部導線を通じてアノードからカソードへの電子の流れが発生する。この電子の流れにより電流が生成する。

高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の場合は、水が水素イオンの伝達媒介体の役割をするため、燃料電池が作動するためには水分が必須である。また、カソード供給ガスの湿度（相対湿度）は燃料電池の性能に直接的な影響を与える。このため、燃料電池スタックのカソード供給ガスを加湿器を利用し加湿することが行われる（例えば特許文献１を参照）。

加湿器のタイプには気泡（ｂｕｂｂｌｅｒ）タイプ、注入（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）タイプ、吸着剤タイプ、など様々な方法があるが、燃料電池車両の場合は、設置場所の体積が制限されるため、体積が小さい膜加湿器が利用されている。

膜加湿器は中空糸膜（ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒ）を利用した気体／気体の加湿器である。膜加湿器は、中空糸膜の高集積化が可能であるため、小容量でも接触表面積が広く、燃料電池スタックの十分な加湿が可能である。膜加湿器は、燃料電池スタックのカソードにおいて排出される高温のガスに含まれる水分と熱とを、膜加湿器を通して回収して再使用することができ、これによって、加湿するのに必要な水分とエネルギーとを削減することができる。

図１は、従来の燃料電池システムを図示した構成図である。図１に示すように、従来の燃料電池用加湿装置は、外気を、空気ブロワー１０によって強制送風して膜加湿器２０の中空糸膜の一面を通過させ、燃料電池スタック３０のカソード出口から排出された水が含まれた過飽和加湿空気を、膜加湿器２０の他方の面に通過させて過飽和加湿空気と外気との間の水分交換により外気の加湿を行い、加湿された外気を、燃料電池スタック３０に供給するようにしている。
膜加湿器は体積面だけでなく、特別な動力を必要としないという大きな利点を持っている。

膜加湿器を利用すれば、別段の水分やエネルギーを供給をしなくても、気体と気体との間の水分交換によってカソード供給ガスを加湿することができる。しかし、膜加湿器を利用する高分子電解質膜燃料電池システムの最大の問題点は、外気温が高い（例えば、４０℃以上）地域で高出力で運転する場合、車両の放熱能力の限界によりカソード出口から排出される排出ガスの温度が急激に上昇し、これにより排出ガスの相対湿度が低くなって、加湿器の加湿性能が低下するという点にある。加湿器の加湿性能が低下すると、加湿器を通過してカソード入口に供給される空気の相対湿度が低下して燃料電池の性能を低下させるという問題を生じる。

この点をより詳細に説明すると、図１に示すように、ガス対ガスの膜加湿器を通して燃料電池に供給される酸化剤ガス（空気）は、カソード出口から排出される排出ガスから水分と熱の伝達を受けて、温度と湿度が高くなった状態でカソード入口に供給される。

図２は水の飽和蒸気圧曲線を表す図である。図２は、温度が高くなるに従って飽和水蒸気圧が急激に増加することを示しており、これは空気の温度が高くなるほど同一相対湿度を維持するのに必要な水の量が増加することを意味している。

図３はカソード供給ガスの相対湿度の変化に対する燃料電池スタックの性能を表した図面である。図３に示すように、カソード供給ガスの相対湿度が低くなるほど、燃料電池スタックの性能が低下する。

燃料電池が、外気が高温な地域で高出力で運転される場合、燃料電池スタックの発熱量が増加し、これにより冷却水の出口の温度が高くなり、カソード出口から排出される排出ガスの温度が上昇する。排出ガスの温度が上昇すると、排出ガスの相対湿度は低くなる。

排出ガスの相対湿度が低くなると、膜加湿器を通して排出ガスからカソード給気へ伝達される水の量が減少して、カソード入口に供給されるカソード供給ガスの相対湿度も低くなる。カソード供給ガスへの相対湿度が低くなると、水の供給量が減り燃料電池スタックの性能が低くなる。このような燃料電池スタックの性能の減少が再び発熱量の増加につながるという悪循環が起こる。

このような問題点を解決するために燃料電池システムの放熱性能を改善しようと試みたが、積載場所の体積の制限により、ラジエーターのサイズを無制限に増大させることができなかった。また、ラジエーターファンの容量を増大させる場合、補助機器類の消耗エネルギーの増加によりシステムの効率が低下するという問題が発生した。

特開２００２−７５４２２号公報

本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、燃料電池の高温高出力運転時におけるカソード供給ガスへの加湿性能の低下、それによる燃料電池スタック性能の低下、及び燃料電池スタック発熱量の増加を解消できる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、反応ガスの供給を受けて電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード入口に供給するカソード供給ガスを加湿する加湿器と、を備え、加湿器に於いて、燃料電池スタックのカソード出口から排出される排出ガスを水分供給源としてカソード供給ガスを加湿する燃料電池システムにおいて、
カソード出口と加湿器とを連結する排出ガス配管に、排出ガスを冷却するインタークーラーを設置し、インタークーラーによって排出ガスの温度を下げることによって、排出ガスの相対湿度を上昇させ、加湿器のカソード供給ガスに対する加湿性能を向上させることを特徴とする。

また本発明は、インタークーラーにおいて、排出ガスと熱交換する冷却手段を供給又は遮断する冷却手段遮断装置が設置されることが好ましい。

また本発明の冷却手段遮断装置は、燃料電池システムの運転状態を検出し出力する運転状態検出部と、運転状態検出部により検出された燃料電池の運転状態を入力し、冷却手段を選択的に供給又は遮断するための制御信号を出力する制御装置と、制御信号によって冷却手段を選択的に供給または遮断する遮断バルブと、を含むことが好ましい。

また本発明の運転状態検出部は、燃料電池スタックの冷却水出口に設置されて燃料電池スタックを通過した冷却水の温度を検出する温度センサーと、燃料電池スタックのカソード出口に設置されて排出ガスの温度を検出する温度センサーと、の何れか一方又は双方であり、制御装置は、運転状態検出部の検出値があらかじめ設定された基準温度を超過する場合に、冷却手段を供給するための制御信号を出力することが好ましい。

また本発明は、冷却手段の供給量を、燃料電池システムの運転状態に対応して調節するための供給量調節装置が設置されることが好ましい。

また本発明の供給量調節装置は、燃料電池システムの運転状態を検出する運転状態検出部と、運転状態検出部により検出された燃料電池システムの運転状態を入力し、冷却手段の供給量を調節する制御信号を出力する制御装置と、制御信号によって冷却手段の供給量を調節する開度量調節バルブと、を含むことが好ましい。

また本発明の運転状態検出部は、燃料電池スタックの冷却水出口に設置されて燃料電池スタックを通過した冷却水の温度を検出する温度センサーと、燃料電池スタックのカソード出力に設置されて排出ガスの温度を検出する温度センサーと、の何れか一方又は双方であり、制御装置は、運転状態検出部の検出値に基づいて冷却手段の供給量を調節するための制御信号を出力することが好ましい。

また本発明は、燃料電池スタックから排出される排出ガスの一部又は全部を、インタークーラーをバイパスさせるるバイパス装置が更に設置されることが好ましい。

また本発明のバイパス装置は、燃料電池システムの運転状態を検出し出力する運転状態検出部と、排出ガスをバイパスさせるバイパスさせるバイパス配管と、運転状態検出部により検出される燃料電池システムの運転状態を入力し、排出ガスがバイパスされる流量を調節するための制御信号を出力する制御装置と、制御装置の制御信号によって排出ガスの流れを制御するバイパスバルブと、を含むことが好ましい。

また本発明の運転状態検出部は、燃料電池スタックの冷却水出口に設置されて燃料電池スタックを通過した冷却水の温度を検出する温度センサーと、燃料電池スタックのカソード出口に設置されて排出ガスの温度を検出する温度センサーと、の何れか一方又は双方であり、制御装置は、運転状態検出部の検出値に基づいて排出ガスがバイパスされる流量を調節するための制御信号を出力することが好ましい。

また本発明の制御装置は、運転状態検出部の検出値があらかじめ設定された基準温度以下の場合、排出ガスをバイパス配管を通してバイパスさせるための制御信号を出力することができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックのカソード出口と加湿器とを連結する排出ガス配管に排出ガスを冷却するインタークーラーを設置し、インタークーラーが燃料電池の高温高出力運転時に、燃料電池スタックから加湿器に排出される排出ガスの温度を下げるので、加湿器でカソード供給ガスの相対湿度を高めることができるという効果がある。

カソード供給ガスに対する加湿性能の向上により、燃料電池スタックの性能が向上し、従来の高温高出力運転時の供給ガスに対する加湿性能及び燃料電池スタック性能の低下により燃料電池スタックの発熱量が増加するという問題を解消できる。

更に本発明は、インタークーラーを通した排出ガスの冷却を、高温高出力運転時に限定するようにし、排出ガスの不必要な冷却により配管内の水分が凝縮されるのを防止し、インタークーラー通過時に発生し得る圧力損失を防ぐことによって、システム効率を高めることができる。

従来の燃料電池システムを図示した構成図である。 水の飽和蒸気圧曲線を表す図である。 カソード供給ガスの相対湿度の変化に対する燃料電池スタックの性能を表した図面である。 本発明による燃料電池システムの基本形態を図示する構成図である。 水蒸気の量が一定な点の、温度変化による相対湿度の変化を表したグラフである。 同一出力の燃料電池の、供給ガスの相対湿度変化による運転点の変化を表した図である。。 インタークーラーに冷却手段を選択的に供給／遮断するための冷却手段遮断装置を設置した実施例の構成図である。 インタークーラーに供給される冷却手段の供給量を調節する供給量調節装置を設置した実施例の構成図である。 本発明のバイパス装置を設置した実施例の構成図である。 本発明の燃料電池システムにおける運転状態検出部と制御装置とを図示したシステム構成図である。 本発明の燃料電池システムにおける制御信号の流れを図示した図である。

本発明は、燃料電池の高温高出力運転時の空気の加湿性能の低下、それによる燃料電池スタック性能の低下、燃料電池スタック発熱量の増加などの問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックに供給されるカソード供給ガス、例えば、空気ブロワーにより加湿器を通過した後燃料電池スタックのカソード入口に供給される空気、への加湿性能を向上させ、これによって燃料電池スタックの性能を向上させる技術に関する。

特に、本発明は、燃料電池スタックに供給されるカソード供給ガスの加湿のために、膜加湿器を使用するシステムを有用に適用することができる。本発明の要点は、カソード出口から排出される排出ガスの温度を制御して供給される排出ガスの相対湿度を高め、これを加湿器の水分供給源として用いてカソード供給ガスの加湿性能を向上させることにある。

また、本発明は、燃料電池スタックのカソード出口から膜加湿器に排出される排出ガスの温度を制御するために、燃料電池スタックのカソード出口と膜加湿器との間にインタークーラーを装着し、インタークーラーによって排出ガスの温度を下げ、排出ガスの相対湿度を高めることによって、カソード給気への加湿性能の向上、燃料電池スタック性能の向上、及び燃料電池スタック発熱量の低下という目的を達成することができる。

更に、本発明は、インタークーラーによる排出ガスの冷却を、高温高出力運転時に限定する装置を設け、排出ガスの不必要な冷却により配管内の水分が凝縮されるのを防止する。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に記載する。この記載は本発明を説明するためのものであって、この記載によって本発明の技術範囲を限定するものではない。本発明は、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で、多様に変更して実施することが可能である。

図４は、本発明による燃料電池システムの基本形態を図示する構成図である。図４に示すように、本発明による燃料電池システム１は、燃料電池スタック３０のカソード出口３３と加湿器２０とを連結する排出ガス配管３２の途中にインタークーラー４０を設けることを特徴とする。

ここで、加湿器２０は、気体から気体への水分交換によって加湿することができる加湿器が好ましく、より好ましい例として、中空糸膜を使用する膜加湿器を挙げることができる。

燃料電池スタック３０のカソード出口３３から出てくる排出ガスは、排出ガス配管３２によって、インタークーラー４０に送られ、インタークーラー４０を通過する際に、外部からインタークーラー４０に供給される空気、冷却水などの冷却手段と熱交換して冷却される。

排出ガスは、更にインタークーラー４０から温度が下がった状態で排出され、排出ガス配管３２によって加湿器２０に供給され、加湿器２０において、空気ブロワー１０によりカソード入口３４に供給されるカソード供給ガスの水分供給源として使用される。

排出ガスは、温度を下げことによって、同じ水蒸気量（絶対湿度）でも相対湿度を高めることができる。

図５は、水蒸気の量が同じ点の、温度変化による相対湿度の変化を表したグラフである。図５のグラフに於いて、Ｔｄｅｗ曲線が相対湿度（ＲＨ）１００％と交差するの点の温度が露点である。図５は、例えば、露点温度が６３℃である空気（Ｔｄｅｗ６３）を、８０℃の（既存の運転点）から７０℃（運転点）に、１０℃だけ下げると、相対湿度を５０％から７０％以上に高めることができることを示す。

排気ガスは気体で熱容量が小さいため、排気ガスの冷却は、燃料電池スタック３０全体を冷却するよりはるかに小さいエネルギーによって冷却することがが可能であり、小型のインタークーラー４０を装着することによって容易に冷却することができる。

カソード供給ガスへの水分伝達は、インタークーラー４０によって排出ガスの温度を下げ、排出ガスの相対湿度を高め、加湿器２０の加湿性能を向上させることによって、より効果的に行うことができる。
カソード供給ガスの相対湿度が高なることによって、燃料電池スタック３０の性能を向上させると同時に、燃料電池スタック３０の発熱量を減少させることができる、という効果がある。

図６は、同一出力の燃料電池の、給気ガスの相対湿度変化による運転点の変化を表した図である。図６に示すように、インタークーラー４０を通して排出ガスの相対湿度を高め、これを通して加湿器２０を通過して燃料電池スタック３０に供給される供給ガスの相対湿度を高めた場合は、燃料電池スタック３０の性能が向上し、これによって、より小さい電流でも同一な燃料電池出力を出すことができ、燃料電池スタック３０の発熱量が減少する。燃料電池スタック３０の発熱量が減少した場合は、燃料電池スタック３０の冷却システムの構成が容易となるという長所を持つ。

このように、本発明によれば、カソード出口からの排出ガスの温度を下げて相対湿度を高め、これを加湿器２０の水分供給源として用いて加湿器の加湿性能を向上させて供給ガスの相対湿度を高めることができ、これを通して燃料電池スタック３０の性能を向上させると同時に燃料電池スタック３０の発熱量を減少させることができる。本発明は、従来の、酸化剤用供給ガスなどの反応ガスの温度を制御する技術と比較するとき、目的及び効果面で明らかな差を持つ。

先行技術として燃料電池システム内に加熱手段や熱交換手段などを設置して燃料電池スタック３０に供給される燃料である水素や酸化剤である空気の温度を調節する技術が開示された。

しかし、先行技術の加熱手段及び熱交換手段は、燃料電池スタックのカソード入口又は加湿器入口などの燃料電池スタックに反応ガスが供給される経路上に設置されて反応ガスの温度を調節するものであるが、例えば、圧縮された空気の温度を下げて燃料電池スタックに供給するのに使用される。

これは燃料電池スタック３０のカソード出口３３と加湿器との間に装着する本発明のインタークーラー４０とは、その設置目的や設置位置、及びそれによる効果発生面で明らかな差異がある。

本発明は、燃料電池の高温高出力運転時に、インタークーラー４０が、燃料電池スタック３０から加湿器２０に排出される排出ガスの温度を下げてその相対湿度を高め、これによって加湿器でカソード供給ガス（酸化剤）の相対湿度を高める、という加湿性能の向上技に特徴を有する。

これによって、従来の高温高出力運転時に「燃料電池スタック３０の発熱量の増大→冷却水の入出口の温度差の増加→カソード排出ガスの温度上昇→カソード排出ガスの飽和水蒸気圧の上昇→カソード排出ガスの相対湿度の低下→カソード供給ガスに対する加湿性能の低下→水供給量の減小による燃料電池スタック性能の低下→燃料電池スタック３０の発熱量の増加」という悪循環を解消させるうる。

一方、燃料電池スタック３０の出力が低かったり外気温が低いため、燃料電池スタック３０のカソード出口から出てくる排出ガスの温度が低く、インタークーラー４０を使用する必要がない場合は、インタークーラー４０を通して排出ガスの温度を低くすると、インタークーラー４０で水が凝縮されることがある。

インタークーラー４０によって水が凝縮される場合、排出ガスがインタークーラー４０を通過するときに抵抗が増加し、これにより空気ブロワー１０で消耗するエネルギーが増加することがある。特に、冬季は凝縮された水が運転中又は始動停止後に凍って深刻なトラブルを引き起こすことがある。

このような問題を解決するために、インタークーラー４０の使用は、燃料電池の高温高出力運転時のみに制限するために、インタークーラー４０に付属装置を備えることが好ましい。
燃料電池の運転状態によって、排出ガスの温度を下げるための熱交換媒体である冷却手段の供給を遮断する制御、冷却手段の供給量の制御、及び排出ガスのインタークーラー４０を通過しないようにするバイパス制御のうちの１以上を行うことが好ましい。

図７は、インタークーラーに冷却手段を選択的に供給／遮断するための冷却手段遮断装置を設置した実施例の構成図であり、図８は、インタークーラーに供給される冷却手段の供給量を調節する供給量調節装置を設置した実施例の構成図である。

図７に示した実施例に於いては、冷却手段遮断装置４３の構成部として冷却手段の供給又は遮断のみが選択可能な遮断バルブ４４を設けることができる。
図８に示した実施例に於いては、供給量調節装置４５の構成部として供給流路の開度量の調節が可能な開度量調節バルブ４６を設置することができる。

前記遮断バルブ４４又は開度量調節バルブ４６は、インタークーラー４０に冷却手段が供給される流路上に設置することが好ましい。

インタークーラー４０として、車両外気を導入して冷却手段として使用する空冷式を用いる場合は、冷却手段遮断装置４３は外気を選択的に供給／遮断する装置を用いることができ、供給量調節装置４５は空気流路の開度量を段階的に調節できる装置を用いることができる。

図９は、本発明のバイパス装置４７を設置した実施例の構成図である。図９に示した実施例に於いては、インタークーラー４０に供給される冷却手段を制御する代りに、排出ガスがインタークーラー４０を通過しないようにバイパスさせるバイパス装置４７を設けることができる。

図９に示すように、本実施例では、排出ガス配管３２に燃料電池スタック３０のカソード出口３３から加湿器２０に直ちにバイパスさせるバイパス配管４８を設置し、排出ガスがインタークーラー４０とバイパス配管４８のうち一つを選択的に通過するように排出ガスの流動通路を制御するバイパスバルブ４９を設置することができる。

図示したように、バイパスバルブ４９は３ウェイバルブであって、排出ガスの流動方向を選択制御できるように、排出ガス配管３２からバイパス配管４８が分岐される位置に設けることが好ましい。

このように排出ガスをバイパスさせるバイパス配管４８と、排出ガスの流動方向を制御するバイパスバルブ４９と、を設置することによって、排出ガスの冷却が必要ではない場合は、バイパス配管４８に排出ガスを通過させ、インタークーラー４０通過時に発生し得る圧力損失を防ぐことができ、これによってシステム効率を高めることができる。

また、排出ガスを、流量を調節して。一部のみをバイパスさせるように配備することも可能である。排出ガスの一部のみをバイパスさせる場合は、燃料電池の運転状態によってバイパスバルブ４９の開度量を制御して各方向に流動する排出ガスの流量を適切に分配することが好ましい。

更に、本発明では、バイパス装置４７は前述した冷却手段遮断装置４３と供給量調節装置４５とを併用して適用することもできる。

図１０は、本発明の燃料電池システムにおける運転状態検出部と制御装置とを図示したシステム構成図である。
図１０に示すように、本発明の燃料電池システム１は、冷却手段遮断装置４３、供給量調節装置４５、及びバイパス装置４７の各々の燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部４１ａ、４１ｂと、運転状態検出部４１ａ、４１ｂにより検出される燃料電池の運転状態によって遮断バルブ４４、開度量調節バルブ４６、バイパスバルブ４９を制御する制御装置４２と、を含むことができる。

図１１は、本発明の燃料電池システムにおける制御信号の流れを図示した図である。
図１１に示すように、運転状態検出部４１ａ、４１ｂは、燃料電池スタック３０を通過した後に排出される冷却水の温度を検出するための運転状態検出部４１ａ、及び燃料電池スタック３０から排出される排出ガスの温度を検出するための運転状態検出部４１ｂを含むことができる。

運転状態検出部４１ａは冷却水温度センサーであって、燃料電池スタック３０の冷却水出口３５に設置することが好ましく、運転状態検出部４１ｂは排出ガス温度センサーであって燃料電池スタック３０のカソード出口３３に設置することが好ましい。

燃料電池スタック３０を通過した冷却水の温度及び燃料電池スタック３０から排出される排出ガスの温度は、燃料電池スタック３０の温度及び出力が高くなるほど上昇するが、冷却水温度又は排出ガス温度から燃料電池の運転状態を判断することができる。

運転状態検出部４１ａ、４１ｂから出力される検出信号は、制御装置４２に入力される。
制御装置４２は、運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値があらかじめ設定された基準温度以下の場合は、インタークーラー４０を通した排出ガスの冷却が不必要であると判断して冷却手段の供給を遮断するための制御信号を出力することができる。即ち、遮断バルブ４４を閉めて冷却手段の供給を遮断し、インタークーラー４０を使用を停止する。

運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値が基準温度を超過する場合は、遮断バルブ４４を開放して冷却手段をインタークーラー４０に供給し、インタークーラー４０を作動させて排出ガスの温度を下げることが好ましい。

またバイパス装置４７を備える燃料電池システム１に於いて、運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値があらかじめ設定された基準温度以下の場合は、制御装置４２は、インタークーラー４０を使用しないために、排出ガスをバイパスさせる制御信号を出力し、これを通して排出ガスがインタークーラー４０をバイパスした後、そのまま加湿器２０に供給されるようにすることが好ましい。

運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値が基準温度を超過する場合、制御装置４２は、バイパスバルブ４９を通して排出ガス配管３２を開き、バイパス配管４８を遮断して排出ガスがインタークーラー４０を通過するようにし、加湿器２０に供給される排出ガスの温度を下げると共に相対湿度を高めることが好ましい。

更に、制御装置４２は、運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値を基にして制御装置４２がバイパスバルブ４９の開度量の制御を行うよう制御することができるが、各流動方向へのバルブ開度量の制御を通してインタークーラー４０を通過する排出ガスの流量と、インタークーラーを通過せずにバイパスされる排出ガスの流量を適切に分配することが好ましい。

このとき、運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値が高いほど高温高出力運転状態であるため、排出ガス配管３２への開度を次第に大きくしてインタークーラー４０を通過する排出ガスの流量を増加させ、これによって排出ガスの温度を要求値に下げると共に、相対湿度を高めることが好ましい。

更に、インタークーラー４０に供給される冷却手段の供給量を調節する供給量調節装置４５が設置されている場合は、制御装置４２は運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値を基にしてインタークーラー４０に供給される冷却手段の供給量を調節するための制御信号を出力し、インタークーラーに供給される冷却手段の供給量が燃料電池スタック３０の運転状態によって制御されるようにする。冷却手段が供給される流路の開度量を制御するように開度量調節バルブ４６を制御することが好ましい。

このとき、燃料電池システム１は、運転状態検出部４１ａ、４１ｂの検出値が高いほど高温高出力運転状態であるため、開度量調節バルブ４６開度量を次第に大きくして冷却手段の供給量を増加させ、これを通して排出ガスの温度を要求値に下げると共に相対湿度を高めることができる。

１ 燃料電池システム
１０ 空気ブロワー
２０ 加湿器
３０ 燃料電池スタック
３２ 排出ガス配管
３３ カソード出口
３４ カソード入口
３５ 冷却水出口
４０ インタークーラー
４１ａ 運転状態検出部
４１ｂ 運転状態検出部
４２ 制御装置
４３ 冷却手段遮断装置
４４ 遮断バルブ
４５ 供給量調節装置
４６ 開度量調節バルブ
４７ バイパス装置
４８ バイパス配管
４９ バイパスバルブ

Claims (11)

1. 燃料電池スタックのカソード入口に供給するカソード供給ガスを、燃料電池スタックのカソード出口から排出される排出ガスを水分供給源とし、加湿器によって加湿する燃料電池システムにおいて、
   前記カソード出口と前記加湿器とを連結する排出ガス配管に、前記排出ガスを冷却するインタークーラーを設置することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記インタークーラーは、前記排出ガスと熱交換する冷却手段を供給又は遮断する冷却手段遮断装置が設置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却手段遮断装置は、
   前記燃料電池システムの運転状態を検出し出力する運転状態検出部と、
   前記運転状態検出部により検出された燃料電池の運転状態を入力し、前記冷却手段を選択的に供給又は遮断するための制御信号を出力する制御装置と、
   前記制御信号によって前記冷却手段を選択的に供給または遮断する遮断バルブと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記運転状態検出部は、前記燃料電池スタックの冷却水出口に設置されて前記燃料電池スタックを通過した冷却水の温度を検出する温度センサーと、前記燃料電池スタックの前記カソード出口に設置されて前記排出ガスの温度を検出する温度センサーと、の何れか一方又は双方であり、
   前記制御装置は、前記運転状態検出部の検出値があらかじめ設定された基準温度を超過する場合に、前記冷却手段を供給するための制御信号を出力することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記冷却手段の供給量を、燃料電池システムの運転状態に対応して調節するための供給量調節装置が設置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記供給量調節装置は、
   前記燃料電池システムの運転状態を検出し出力する前記運転状態検出部と、
   前記運転状態検出部により検出された前記燃料電池の運転状態を入力し、前記冷却手段の供給量を調節する制御信号を出力する前記制御装置と、
   前記制御信号によって前記冷却手段の供給量を調節する開度量調節バルブと、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記運転状態検出部は、前記燃料電池スタックの冷却水出口に設置されて前記燃料電池スタックを通過した冷却水の温度を検出する温度センサーと、前記燃料電池スタックの前記カソード出力に設置されて前記排出ガスの温度を検出する温度センサーと、の何れか一方又は双方であり、
   前記制御装置は、前記運転状態検出部の検出値に基づいて前記冷却手段の供給量を調節するための制御信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池スタックから排出される前記排出ガスの一部又は全部を、前記インタークーラーをバイパスさせるバイパス装置が更に設置されることを特徴とする請求項１、２又は５のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記バイパス装置は、
   前記燃料電池システムの運転状態を検出し出力する前記運転状態検出部と、
   前記排出ガスをバイパスさせるバイパスさせるバイパス配管と、
   前記運転状態検出部により検出される前記燃料電池システムの運転状態を入力し、排出ガスがバイパスされる流量を調節するための制御信号を出力する前記制御装置と、
   前記制御装置の制御信号によって前記排出ガスの流れを制御するバイパスバルブと、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記運転状態検出部は、前記燃料電池スタックの冷却水出口に設置されて前記燃料電池スタックを通過した冷却水の温度を検出する温度センサーと、前記燃料電池スタックの前記カソード出口に設置されて前記排出ガスの温度を検出する温度センサーと、の何れか一方又は双方であり、
    前記制御装置は、前記運転状態検出部の検出値に基づいて前記排出ガスがバイパスされる流量を調節するための制御信号を出力することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御装置は、前記運転状態検出部の検出値があらかじめ設定された基準温度以下の場合、前記排出ガスをバイパス配管を通してバイパスさせるための制御信号を出力することを特徴とする請求項に１０記載の燃料電池システム。

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