JP2012164516A

JP2012164516A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2012164516A
Application number: JP2011023876A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Sugawara; 竜也菅原; Tomoki Kobayashi; 知樹小林; Mikihiro Suzuki; 幹浩鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】システム構成を小型化しつつ、酸化剤ガスに含まれる水蒸気量を良好とす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１０と、カソード流路１２に向かう空気が通流する酸化剤ガス供給流路と、空気の圧力を制御するコンプレッサ３１と、カソードオフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、カソードオフガスを膨張させるエキスパンダ３４と、エキスパンダ３４の下流に設けられ、水を回収する水回収器３６と、水回収器３６の回収した水を、酸化剤ガス供給流路を通流する空気に噴射する水噴射手段と、温度センサ４３と、コンプレッサ３１を制御するＥＣＵ７０と、を備える。ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の温度が高くなるにつれて目標空気圧力が高くなる第１マップを参照して、燃料電池スタック１０の温度に基づいて目標空気圧力を算出し、算出された目標空気圧力となるようにコンプレッサ３１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）と酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。なお、水素は水素タンク等から燃料電池のアノードに、空気はリショルム式やルーツ式等の圧縮機（コンプレッサ）から燃料電池のカソードに、それぞれ供給される（例えば特許文献１参照）。

また、燃料電池を良好に発電させるには、燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）の電解質膜（固体高分子膜）を良好な湿潤状態とし、電解質膜のプロトン導電性を確保する必要がある。ここで、燃料電池は、発電に伴って、カソードで水（水蒸気）を生成し、カソードから多湿のカソードオフガス（酸化剤オフガス）を排出する。そこで、水分透過性を有する中空糸膜（加湿器）を介して、コンプレッサからカソードに向かう空気と、カソードオフガスとの間で水分交換させ、カソードオフガスによってカソードに向かう空気を加湿する技術が知られている。

特開平７−１４５９９号公報

ところで、燃料電池の運転温度が高くなると、燃料電池を通流する空気の温度も高くなり、その飽和水蒸気量が増加するので、例えば、相対湿度を１００％にするためには必要水蒸気量（ｇ／ｍｉｎ）が増加する。そして、必要水蒸気量が増加したとしても、空気を良好に加湿しようとすると、加湿器が大型化してしまう。そうすると、燃料電池システムも大型化し、そして、燃料電池システムを構成する燃料電池スタック等の各種機器のレイアウトの自由度も低減してしまう。特に、燃料電池システムが燃料電池車等の移動体に搭載される場合、レイアウトの自由度がなるべく大きく確保されていることが重要である。

そこで、本発明は、システム構成を小型化しつつ、燃料電池に向かう酸化剤ガスの相対湿度を良好とする燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを圧送すると共に、酸化剤ガスの圧力を制御する圧縮機と、前記酸化剤ガス流路からの酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、酸化剤オフガスを膨張させる膨張手段と、前記膨張手段の下流の前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、水を回収する水回収手段と、前記水回収手段の回収した水を、前記酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する水噴射手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記圧縮機を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の温度が高くなるにつれて目標酸化剤ガス圧力が高くなる第１マップを参照して、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度に基づいて前記目標酸化剤ガス圧力を算出し、算出された前記目標酸化剤ガス圧力となるように前記圧縮機を制御することを特徴とする燃料電池システムである。

このような構成によれば、膨張手段が膨張（断熱機械膨張、又は、断熱自由膨張）させた酸化剤オフガスは、温度低下し、飽和水蒸気量が小さくなり、飽和水蒸気圧が低下する。これにより、膨張後の酸化剤オフガスにおいて、これに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成する。次いで水回収手段が、水（凝縮水）を回収し、水噴射手段が、水回収手段の回収した水を、酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する。

そして、制御手段が、第１マップ（後記する実施形態では図４のマップ）を参照して、温度検出手段の検出する燃料電池の温度に基づいて、目標酸化剤ガス圧力を算出し、算出された目標酸化剤ガス圧力となるように圧縮機を制御する。

ここで、第１マップにおいて、燃料電池の温度が高くなるにつれて目標酸化剤ガス圧力が高くなる関係であるから、酸化剤ガス流路を通流する酸化剤ガスの相対湿度は１００（％ＲＨ）と良好になる、又は、１００（％ＲＨ）に近づき易くなる。

これにより、燃料電池に向かう加湿すべき酸化剤ガスと、多湿の酸化剤オフガスとの間において水分交換させ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器を小型化、又は、省略できる。したがって、燃料電池システムの全体構成も小型化し、レイアウトの自由度も確保され、例えば、燃料電池車にも搭載容易となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記膨張手段は酸化剤オフガスによって回転するエキスパンダであり、前記圧縮機と前記エキスパンダとは、前記エキスパンダの回転エネルギが前記圧縮機に伝達可能に連結されていることが好ましい。

このような構成によれば、酸化剤オフガスが通流することでエキスパンダが回転し、回転エネルギを得る。そして、この回転エネルギは圧縮機に伝達され、この回転エネルギによって圧縮機を駆動できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記水噴射手段は、前記圧縮機に向かう酸化剤ガスに水を噴射することが好ましい。

このような構成によれば、水噴射手段が圧縮機に向かう酸化剤ガスに水を噴射する。これにより、噴射された水（ミスト）を含む酸化剤ガスが圧縮機に向かうことになり、この水によって、圧縮機を構成する羽根車（回転体）とそのハウジングとのクリアランスがシールされ易くなる。したがって、圧縮機における空気漏れが少なくなる。

また、前記燃料電池システムにおいて、発電要求量（後記する実施形態ではアクセル開度）に基づいて、前記燃料電池の目標電流値を算出する目標電流値算出手段を備え、前記制御手段は、前記目標電流値が大きくなるにつれて前記目標酸化剤ガス圧力が高くなる第２マップ（後記する実施形態では図４のマップ）を参照して、前記目標電流値算出手段の算出する前記目標電流値に基づいて前記目標酸化剤ガス圧力を算出することが好ましい。

このような構成によれば、目標電流値算出手段の算出した目標電流値が大きくなるにつれて、目標酸化剤ガス圧力が大きくなる。これにより、目標電流値が大きくなり、発電に伴う生成する水の量が増加し、この水による圧力損失が大きくなっても、目標酸化剤ガス圧力を高くすることにより、過不足無く酸化剤ガスを燃料電池に供給できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記水回収手段が現在回収する現在水量と、予め定められ前記水回収手段が回収しているべき必要水量とに基づいて、前記水回収手段において増加させるべき増加水量を算出する増加水量算出手段と、前記燃料電池の温度、前記増加水量、前記目標電流値、及び、酸化剤ガスの圧力の増加させるべき圧力増加量が予め関連付けられた第３マップ（後記する実施形態では図９のマップ）を参照して、前記燃料電池の温度、前記増加水量、及び、前記目標電流値に基づいて、前記圧力増加量を算出する圧力増加量算出手段と、を備え、前記制御手段は、前記目標酸化剤ガス圧力と前記圧力増加量とを加算した圧力を指令値として前記圧縮機を制御することが好ましい。

このような構成によれば、制御手段が、目標酸化剤ガス圧力と圧力増加量とを加算した圧力を指令値として圧縮機を制御するので、水回収手段の回収する水量を必要水量にできる。これにより、その後に発電要求量が大きくなったとしても、水噴射手段によって多量の水を噴射できる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の温度が所定温度未満であり、前記燃料電池は低温状態であると判断される場合、前記目標酸化剤ガス圧力を小さくすることが好ましい。

このような構成によれば、燃料電池は低温状態であると判断される場合、制御手段が目標酸化剤ガス圧力を小さくするので、燃料電池内で凝縮水が生成し難くなり、フラッディングし難くなる。

本発明によれば、システム構成を小型化しつつ、燃料電池に向かう酸化剤ガスの相対湿度を良好とする燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。燃料電池スタックの出力する電流値が一定であり、カソード流路を通流する空気（ＦＣ空気）の圧力（ＦＣ空気圧力）が一定であるとした場合において、燃料電池スタックの温度と、カソード流路を通流する空気が相対湿度１００（％ＲＨ）となるための必要水蒸気量（ｇ／ｍｉｎ）との関係を示すマップである。燃料電池スタックの出力する電流値が一定であり、燃料電池スタックの温度が一定であるとした場合において、カソード流路を通流する空気の圧力（ＦＣ空気圧力）と、この空気が相対湿度１００（％ＲＨ）となるための必要水蒸気量（ｇ／ｍｉｎ）との関係を示すマップである。燃料電池スタックの温度と、目標電流値と、目標空気圧力との関係を示すマップである。（ａ）、（ｂ）共に、水噴射手段の構成例を示す断面図である。カソード流路を通流する空気の圧力（ＦＣ空気圧力）及びエキスパンダの前後差圧と、エキスパンダの下流における凝縮水の生成量（ｇ／ｍｉｎ）との関係を示すマップである。アクセル開度（発電要求量）と目標電流値との関係を示すマップである。本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。水回収器における増加水量と、目標電流値と、圧力増加量との関係を示すマップであり、（ａ）は燃料電池スタックの温度が高い場合、（ｂ）は燃料電池スタックの温度が低い場合を例示している。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒を循環（通流）させる冷媒系と、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御する制御手段であるＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
なお、燃料ガス、酸化剤ガスの具体的種類はこれに限定されない。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と後記するモータ５１等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

このように燃料電池スタック１０が発電すると、水分（水蒸気）がカソードで生成し、カソード流路１２から排出されるカソードオフガスは多湿となる。

また、各セパレータには、各単セルを冷却するための冷媒が通流させるための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が冷媒流路１３として機能している。

ここで、燃料電池スタック１０が良好に発電するには、式（１）〜（２）の電極反応が良好に進行するように燃料電池スタック１０の温度が高い方が好ましい。なぜなら、アノード、カソードに含まれ、式（１）〜（２）の電極反応を促進させる触媒の活性が高まるからである。
また、アノードで生成した水素イオン（式（１）参照）が電解質膜内をカソードに向かって良好に移動するように、電解質膜は湿潤状態であることが好ましく、カソード流路１２を通流する空気は相対湿度１００（％ＲＨ）であることが好ましい。

ところが、燃料電池スタック１０の出力する電流値が一定であり、カソード流路１２を通流する空気（ＦＣ空気）の圧力（ＦＣ空気圧力）が一定であるとした場合において、燃料電池スタック１０の温度（ＦＣ温度）が高くなると、カソード流路１２を通流する空気の温度が高くなり、その飽和水蒸気量（ｇ／ｍ^３）が大きくなる。したがって、図２に示すように、燃料電池スタック１０の温度が高くなるにつれて、カソード流路１２を通流する空気が相対湿度１００（％ＲＨ）となるための必要水蒸気量（ｇ／ｍｉｎ）も多くなる。

一方、燃料電池スタック１０の出力する電流値が一定であり、燃料電池スタック１０の温度が一定であるとした場合において、カソード流路１２を通流する空気の圧力が高くなると、その飽和水蒸気圧（Ｐａ）、飽和水蒸気量（ｇ／ｍ^３）が小さくなる。したがって、図３に示すように、カソード流路１２を通流する空気の圧力が高くなるにつれて、この空気が相対湿度１００（％ＲＨ）となるための必要水蒸気量（ｇ／ｍｉｎ）は少なくなる。

このような図２、図３の傾向を考慮すると、図４のマップ（第１マップ、第２マップ）に示すように、燃料電池スタック１０の温度が高くなるにつれて、カソード流路１２を通流する空気の圧力（目標空気圧力）を高めることにより、この空気の相対湿度を１００（％ＲＨ）に、又は、近づけることができる。すなわち、所定の加湿器３３の容量において、カソード流路１２を通流する空気の温度上昇に伴う飽和水蒸気量の増加を、略相殺するように、カソード流路１２を通流する空気の圧力を高めることにより、相対湿度を１００（％ＲＨ）に、又は、近づけることができる。
具体的には、触媒の種類・担持量、電解質膜の特性（イオン交換容量、含水量、耐圧性等）に対応して、カソード流路１２を通流する空気の目標圧力（目標空気圧力）等は変動するから、図４のマップは、事前試験、シミュレーション等によって求められ、本実施形態では、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

また、図４のマップに示すように、燃料電池スタック１０の目標電流値が大きくなるにつれて、目標空気圧力が高くなる傾向となっている。なぜなら、燃料電池スタック１０の電流値（目標電流値）が大きくなると、（１）空気の流量が増加するうえ、式（２）に基づいて、カソードで生成する水分が増加し、この水分によってカソード流路１２における水蒸気分圧が増加し、さらに、（２）消費される酸素量が増加するうえ、前記生成した水分によって酸素分圧不足となり易いからである。

さらに、燃料電池スタック１０の温度が所定温度（低温状態判断温度、例えば５０℃）未満であり、燃料電池スタック１０が暖機完了前であって、低温状態であると判断される場合、図４のマップに示すように、通常状態（暖機完了状態）に対して、目標空気圧力が小さくなるように補正することが好ましい。

なぜなら、燃料電池スタック１０が低温状態である場合、相対湿度１００％を満足させる水分の量が、高温状態である場合よりも少なくてよいので、カソード流路１２における圧力を上げる必要が無いからである。そこで、目標空気圧力が小さくなるように補正することにより、空気の飽和水蒸気量が大きくなり、凝縮水の発生が抑制されることになる。
この場合において、燃料電池スタック１０の温度が低くなるにつれて、凝縮水が生成し易くなるので、目標空気圧力の補正量（圧力を下げる量）が大きくなるようにしてもよい。

＜アノード系＞
図１に戻って説明を続ける。
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、エゼクタ２２と、気液分離器２３と、常閉型のドレン弁２４と、常閉型のパージ弁２５と、を備えている。

水素タンク２１は、配管２１ａ、エゼクタ２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、水素タンク２１の水素は、配管２１ａ等を通って、アノード流路１１に供給されるようになっている。
なお、エゼクタ２２は、水素タンク２１からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管２３ｂのアノードオフガスを吸引するものである。また、配管２１ａには、システムの運転中に開かれる常閉型の遮断弁（図示しない）と、水素タンク２１からの水素を所定圧力に減圧する減圧弁（レギュレータ、図示しない）とが設けられている。

アノード流路１１の出口は、配管２３ａ、気液分離器２３、配管２３ｂを介して、エゼクタ２２の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスは、配管２３ａ等を通って、エゼクタ２２に向かい、アノードオフガス（水素）が循環するようになっている。なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、カソードから透過した水蒸気を含んでいる。

気液分離器２３は、アノードオフガスと、これに含まれる水分（凝縮水（液体）、水蒸気（気体））とを分離するものである。
水分の分離方式としては、例えば、（１）気液分離器２３において、アノードオフガスが通流する流路の断面積を拡大し、水素よりも比重の大きい、水分（液体、気体）を自重により留まらせる方式を採用できる。その他、（２）気液分離器２３内に、低温冷媒が通流する低温冷媒管を設け、水分を冷却し、水分を分離する方式も採用できる。

そして、分離された水分は、気液分離器２３の底部からなるタンク部２３ｃに一時的に貯溜されるようになっている。

タンク部２３ｃは、配管２４ａ、常閉型のドレン弁２４、配管２４ｂを介して、後記する希釈器３５に接続されている。そして、ＥＣＵ７０によってドレン弁２４が開かれると、タンク部２３ｃの水が、配管２４ａ、配管２４ｂを通って、希釈器３５に向かい、後記する水回収器３６で回収（貯溜）されるようになっている。

配管２３ｂの途中は、配管２５ａ、常閉型のパージ弁２５、配管２５ｂを介して、後記する希釈器３５に接続されている。そして、ＥＣＵ７０によってパージ弁２５が開かれると、水分（水蒸気）を含むアノードオフガスが、配管２５ａ、配管２５ｂを通って、希釈器３５に排出され、燃料電池スタック１０の発電性能が回復するようになっている。

なお、ＥＣＵ７０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧のうちの最低の電圧（最低セル電圧）が、所定単セル電圧以下である場合、パージ弁２５を開く必要があると判断するように設定されている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（圧縮機）と、オリフィス３２（水噴射手段）と、加湿器３３と、エキスパンダ３４（膨張手段）と、希釈器３５と、水回収器３６（水回収手段）と、水位センサ３７と、ドレン弁３８と、温度センサ３９と、を備えている。

コンプレッサ３１の吸気口は、配管３１ａを介して、車外（外部）と連通している。コンプレッサ３１の吐出口は、配管３１ｂ、加湿器３３、配管３３ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１の羽根車（回転体、タービンブレード）が回転すると、コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管３１ｂ等を通ってカソード流路１２に圧送されるようになっている。
したがって、カソード流路１２に供給される空気（酸化剤ガス）が通流する酸化剤ガス供給流路は、配管３１ａ、配管３１ｂ、配管３３ａを備えて構成されている。

また、コンプレッサ３１の前記羽根車の回転速度が高くなると、コンプレッサ３１の空気の吐出圧が高くなり、カソード流路１２を通流する空気の圧力が高くなるように構成されている。したがって、コンプレッサ３１は、カソード流路１２を通流する空気（酸化剤ガス）の圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段、として機能している。

さらに、コンプレッサ３１の前記羽根車は、エキスパンダ３４の羽根車（回転体）と、クラッチ３１ｃを有する伝達軸３１ｄを介して連結されており、エキスパンダ３４の回転エネルギが、伝達軸３１ｄを介して、コンプレッサ３１に伝達し、エキスパンダ３４の回転エネルギが回収・利用されるようになっている。なお、クラッチ３１ｃは、ＥＣＵ７０によって、ＯＮ（連結）／ＯＦＦ（非連結）制御される。
さらにまた、コンプレッサ３１の前記羽根車は、ＥＣＵ７０によって回転速度が制御されるモータ３１ｅにも連結されている。

したがって、コンプレッサ３１は、（１）クラッチ３１ｃがＯＮされている場合、モータ３１ｅ及びエキスパンダ３４からの動力によって作動し、（２）クラッチ３１ｃがＯＦＦされている場合、モータ３１ｅからの動力によって作動する。

オリフィス３２は、配管３１ａに設けられており、コンプレッサ３１に吸気される空気を絞って流速を高め、その下流で負圧を発生させるようになっている（図５（ａ）参照）。そして、オリフィス３２の下流の配管３１ａは、配管３２ａを介して水回収器３６と接続されている。これにより、前記負圧によって、水回収器３６の水が吸引され、配管３１ａを通り、コンプレッサ３１に向かう空気に噴射され、空気が加湿されるようになっている。したがって、燃料電池車の加速時、つまり、アクセル開度が大きくなり、これに基づいてコンプレッサ３１の回転速度が上昇するにつれて、前記負圧が大きくなり、水の噴射量が増加する関係となっている。

したがって、水回収器３６の回収した水を、配管３１ａ（酸化剤ガス供給流路）を通流する空気（酸化剤ガス）に噴射する水噴射手段は、オリフィス３２と、配管３２ａとを備えて構成されている。

ただし、水噴射手段の具体的構成はこれに限定されず、その他に例えば、図５（ｂ）に示すように、オリフィス３２を設けず、配管３２ａに電動ポンプ３２ｂを設け、この電動ポンプ３２ｂを適宜に作動させることにより、水回収器３６の水を配管３１ａに噴射する構成としてもよい。この場合において、配管３１ａにインジェクタを取り付け、水の噴射量を高精度で制御する構成としてもよい。また、目標空気圧力と燃料電池スタック１０の温度と、図３とに基づいて、相対湿度が１００（％ＲＨ）となるように必要水蒸気量を算出し、これに従って、水の噴射量を制御してもよい。

また、配管３２ａは、コンプレッサ３１の上流の配管３１ａに接続されており、コンプレッサ３１に向かう空気に水を噴射するようになっている。これにより、水（ミスト等）を含む空気がコンプレッサ３１に吸気されるので、この水によって、コンプレッサ３１の羽根車とこの羽根車を収容するハウジングとの間におけるクリアランス（隙間）がシールされ、コンプレッサ３１における空気漏れ（損失）が小さくなる。

温度センサ３９は、配管３１ａの上流端近傍に取り付けられている。そして、温度センサ３９は、コンプレッサ３１に吸気される空気の温度を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

加湿器３３は、水分透過性を有する複数の中空糸膜３３ｅを備えている。そして、加湿器３３は、中空糸膜３３ｅを介して、カソード流路１２に向かう空気とカソード流路１２から排出された多湿のカソードオフガスとを水分交換させ、カソード流路１２に向かう空気を加湿するようになっている。

カソード流路１２の出口には、配管３３ｂ、加湿器３３、配管３３ｃ、エキスパンダ３４、配管３４ａ、希釈器３５、配管３５ａ、水回収器３６、配管３６ａが接続されている。そして、カソード流路１２から排出されたカソードオフガスは、配管３３ｂ等を通って、車外に排出されるようになっている。
したがって、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）が通流する酸化剤オフガス排出流路は、配管３３ｂ、配管３３ｃ、配管３４ａ、配管３５ａ、配管３６ａを備えて構成されている。

エキスパンダ３４は、その内部に羽根車（回転体、タービンブレード）を備え、この羽根車は配管３３ｃからのカソードオフガスで回転するようになっている。これにより、通流するカソードオフガスの流体エネルギが、エキスパンダ３４の前記羽根車の回転エネルギに変換・回収されつつ、カソードオフガスが体積膨張（断熱機械膨張）し、その圧力が低下するようになっている。
なお、前記羽根車の回転エネルギは、前記したように、伝達軸３１ｄを介して、コンプレッサ３１に伝達するようになっている。また、エキスパンダ３４に代えて、カソードオフガスを断熱自由膨張させる背圧弁（バタフライ弁等）を備える構成でもよい。

また、カソードオフガスは、エキスパンダ３４における体積膨張に伴って、放熱して温度低下し、その飽和水蒸気量が下がり、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮し、凝縮水が生成するようになっている。ここで、カソード流路１２を通流する空気の圧力（ＦＣ空気圧力、目標空気圧力）が大きくなると、エキスパンダ３４の回転速度（回生エネルギ）が増加すると共に、エキスパンダ３４の前後差圧が大きくなるので、エキスパンダ３４の下流における凝縮水（ｇ／ｍｉｎ）は増加する傾向となる（図６参照）。そして、このように生成した凝縮水は、希釈器３５を通って、水回収器３６で、回収・貯溜されるようになっている。なお、エキスパンダ３４の下流の圧力は略大気圧である。

希釈器３５は、配管２５ｂからのアノードオフガスと、配管３４ａからのカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。また、カソードオフガスが希釈器３５に流入すると、カソードオフガスの膨張及び放熱による温度低下がさらに進み、凝縮水の生成が進むようになっている。

水回収器３６は、カソードオフガスに同伴する水（凝縮水）を回収し、一時的に貯溜するものである。なお、水回収器３６は、エキスパンダ３４の下流の酸化剤オフガス排出流路に設けられている。また、回収された水は、水回収器３６の底部を構成するタンク部３６ｂに一時的に貯溜されるようになっている。

水位センサ３７は、水回収器３６の適所に取り付けられており、タンク部３６ｂに貯溜されている水の水位（ｃｍ）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。なお、水位センサ３７による水位の検出方式は、例えば、レーザ反射式、フロート式を採用できる。

水回収器３６のタンク部３６ｂには、配管３８ａ、常閉型のドレン弁３８、配管３８ｂが接続されている。そして、ＥＣＵ７０によってドレン弁３８が開かれると、タンク部３６ｂの水が、配管３８ａ、配管３８ｂを通って、車外に排出されるようになっている。

＜冷媒系＞
冷媒系は、ポンプ４１と、ラジエータ４２（放熱器）と、温度センサ４３（温度検出手段）と、を備えている。

ポンプ４１の吐出口は、配管４１ａ、冷媒流路１３、配管４２ａ、ラジエータ４２、配管４２ｂを順に介して、ポンプ４１の吸込口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０の指令に従ってポンプ４１が作動すると、冷媒が冷媒流路１３とラジエータ４２との間で循環し、燃料電池スタック１０が適宜に冷却され、過昇温せず、好適な発電温度（８０〜１００℃）となるように構成されている。

温度センサ４３は、配管４２ａに取り付けられており、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度を、燃料電池スタック１０の温度として検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ただし、燃料電池スタック１０の温度を検出する温度センサ４３の位置はこれに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０自体、配管２３ａ、配管３３ｂに取り付けられた構成でもよい。また、複数の温度センサを備える構成でもよい。

＜電力消費系＞
電力消費系は、モータ５１（負荷）と、電力制御器５２と、出力検出器５３と、を備えている。モータ５１は、電力制御器５２、出力検出器５３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子に接続されている。

モータ５１は、燃料電池車の動力源なる走行用の電動モータである。
電力制御器５２は、ＥＣＵ７０からの指令（目標電流値等）に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を内蔵している。

出力検出器５３は、電流センサ、電圧センサを備えており、燃料電池スタック１０の現在の電流値（実電流値）、電圧値（実電圧値）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜アクセル＞
アクセル６１（アクセルペダル）は、運転者が燃料電池車を走行させる際に踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル６１は、その踏み込み量（アクセル開度）をＥＣＵ７０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、コンプレッサ３１等の各種機器を制御するようになっている。

＜ＥＣＵ−目標電流値算出機能＞
ＥＣＵ７０（目標電流値算出手段）は、アクセル６１から入力されるアクセル開度（発電要求量）と、図７のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０に出力させるべき目標電流値を算出する機能を備えている。
図７のマップに示すように、アクセル開度が大きくなるにつれて目標電流値が大きくなる関係となっている。この他に、高圧バッテリ（図示しない）への充電要求量を考慮して、目標電流値を算出してもよい。
なお、目標電流値は、ＥＣＵ７０が電力制御器５２に出力する指令値である。また、図７のマップは、事前試験等により求められＥＣＵ７０に予め記憶されている。

＜ＥＣＵ−目標空気圧力算出機能＞
ＥＣＵ７０（目標空気圧力算出手段）は、燃料電池スタック１０の温度と、目標電流値と、図４のマップとに基づいて、目標空気圧力（カソード流路１２における空気の目標圧力）を算出する機能を備えている。
この場合において、図４のマップに示すように、燃料電池スタック１０の温度が所定温度未満であり、燃料電池スタック１０は低温状態であると判断される場合、通常状態における目標空気圧力を延長したものに対して、目標空気圧力は小さくなるように補正される。

この他、ＥＣＵ７０が、温度センサ３９の検出する吸気空気の温度、及び／又は、外気温度（図示しない）の検出する外気温度が低くなるにつれて、その後に燃料電池スタック１０の温度が低下すると予測される場合、燃料電池スタック１０の温度が低くなるように予め補正する構成としてもよい。

＜ＥＣＵ−増加水量算出機能＞
ＥＣＵ７０（増加水量算出手段）は、水回収器３６において増加させるべき水の量（増加水量）を算出する機能を備えている。具体的な算出手順は後で説明する。

＜ＥＣＵ−圧力増加量算出機能＞
ＥＣＵ７０（圧力増加量算出手段）は、前記増加水量等に基づいて、目標空気圧力の増加させるべき圧力増加量（補正値）を算出する機能を備えている。具体的な算出手順は後で説明する。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図８を参照して説明する。
なお、アノード流路１１に水素が、カソード流路１２に空気がそれぞれ供給されており、ＥＣＵ７０は、アクセル開度（発電要求量）に基づいて、電力制御器５２を制御し、燃料電池スタック１０は発電している。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、アクセル６１から入力されるアクセル開度（発電要求量）と、図７のマップとに基づいて、燃料電池スタック１０に出力させるべき目標電流値を算出する。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の温度と、ステップＳ１０１で算出した目標電流値と、図４のマップとに基づいて、目標空気圧力（カソード流路１２における空気の目標圧力）を算出する。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、水回収器３６において増加させるべき水の量（増加水量）を算出する。増加水量は、必要水量から現在水量を減算することにより得られる。

必要水量は、事前試験等によって予め定められた量であって、例えば、燃料電池車がその後に加速し、配管３２ａから配管３１ａに噴射される水量が増加しても、水回収器３６が空（残水量０）にならない量に設定される。

現在水量は、水回収器３６に現在貯溜されている水の量であって、例えば、（１）水位センサ３７からの現在の水位（ｃｍ）とタンク部３６ｂの内断面積（ｃｍ^２）とを乗算することにより算出される。

現在水量は、その他に、（２）システム停止時（燃料電池車の停止時）における水量と、このステップＳ１０３における増加水量を積算した積算増加水量とを加算したものから、水回収器３６からの流出水量を積算した積算流出水量を減算することにより、算出される。

システム停止時における水量は、燃料電池車の停止中、水位センサ３７より検出される。これにより、燃料電池車の走行中に対して、水位が高精度で検出される。
積算増加水量は、燃料電池スタック１０の出力する電流値と、発電時間とに基づいて算出することもできる。
流出水量は、配管３２ａから配管３１ａに噴射される噴射量と、ドレン弁３８を通って排出される排出量とに基づいて算出される。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、目標空気圧力の圧力増加量（補正値）を算出する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、図９（ａ）、図９（ｂ）のマップ（第３マップ）を参照して、燃料電池スタック１０の温度、ステップＳ１０３で算出した増加水量、ステップＳ１０１で算出した目標電流値に基づいて、圧力増加量を算出する。なお、図９（ａ）、図９（ｂ）のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。

図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、ステップＳ１０３で算出した増加水量が大きくなるにつれて、エキスパンダ３４の前後差圧を大きくするために（図６参照）、圧力増加量が大きくなる関係となっている。また、ステップＳ１０１で算出された目標電流値が大きくなるにつれて、圧力増加量が大きくなる関係となっている。さらに、燃料電池スタック１０の温度が高くなるにつれて、圧力増加量が大きくなる関係となっている。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１（モータ３１ｅ）を制御するための指令値を算出する。具体的には、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０２で算出した目標空気圧力と、ステップＳ１０４で算出した圧力増加量とを加算することで指令値を得る。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５で算出した指令値に従って、コンプレッサ３１（モータ３１ｅ）を制御する。この場合において、前記指令値が大きくなるにつれて、コンプレッサ３１の回転速度が大きくなる関係となっている。

その後、ＥＣＵ７０の処理は、リターンを通って、スタートに戻る。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
燃料電池スタック１０の温度が高くなるにつれて目標空気圧力を高くするので（図４参照）、カソード流路１２を通流する空気の相対湿度が１００（％ＲＨ）と良好に又は近づき易くなる。これにより、加湿器３３を小型化、又は、省略できる。したがって、燃料電池システム１の全体構成を小型化し、各種機器のレイアウトの自由度も高まり、燃料電池車にも搭載容易となる。

コンプレッサ３１とエキスパンダ３４とが、伝達軸３１ｄを介して動力が伝達可能に連結されているので、エキスパンダ３４の回転エネルギによってコンプレッサ３１を駆動できる。コンプレッサ３１の上流に水が噴射されるので、コンプレッサ３１における空気漏れ（損失）を小さくできる。

目標電流値が大きくなるにつれて、目標空気圧力を大きくするので（図４参照）、相対湿度を良好としつつ、過不足無く空気を供給できる。

目標空気圧力と、水回収器３６の水量を考慮して算出した圧力増加量とを加算した圧力を指令値としてコンプレッサ３１を制御するので、水回収器３６の水量を必要水量にできる。これにより、その後に燃料電池車が加速しても、多量の水を噴射できる。

燃料電池スタック１０が低温状態であると判断される場合、目標空気圧力を小さくするので、フラッディングし難くなる。

≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、コンプレッサ３１のみで空気を圧送する構成を例示したが、その他に例えば、コンプレッサ３１の上流及び／又は下流に、別のコンプレッサを設け、直列に設けられた複数のコンプレッサで空気を圧送する構成としてもよい。

前記した実施形態では、水回収器３６は希釈器３５の下流に配置された構成を例示したが、エキスパンダ３４の下流であればよい。すなわち、水回収器３６がエキスパンダ３４と希釈器３５との間に配置された構成でもよいし、水回収器３６が希釈器３５内に配置された構成でもよい。また、水回収器３６のタンク部３６ｂが、水回収器本体と別体であってもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
１１アノード流路（燃料ガス流路）
１２カソード流路（酸化剤ガス流路）
３１コンプレッサ（圧縮機）
３１ａ、３１ｂ、３３ａ配管（酸化剤ガス供給流路）
３２オリフィス（水噴射手段）
３２ａ配管（水噴射手段）
３３ｂ、３３ｃ、３４ａ、３５ａ、３６ａ配管（酸化剤オフガス排出流路）
３４エキスパンダ（膨張手段）
３６水回収器（水回収手段）
４３温度センサ（温度検出手段）
７０ＥＣＵ（制御手段、目標電流値算出手段、増加水量算出手段、圧力増加量算出手段）

Claims

燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記酸化剤ガス流路に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記酸化剤ガス流路に向けて酸化剤ガスを圧送すると共に、酸化剤ガスの圧力を制御する圧縮機と、
前記酸化剤ガス流路からの酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス排出流路と、
前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、酸化剤オフガスを膨張させる膨張手段と、
前記膨張手段の下流の前記酸化剤オフガス排出流路に設けられ、水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段の回収した水を、前記酸化剤ガス供給流路を通流する酸化剤ガスに噴射する水噴射手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記圧縮機を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池の温度が高くなるにつれて目標酸化剤ガス圧力が高くなる第１マップを参照して、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度に基づいて前記目標酸化剤ガス圧力を算出し、
算出された前記目標酸化剤ガス圧力となるように前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記膨張手段は酸化剤オフガスによって回転するエキスパンダであり、
前記圧縮機と前記エキスパンダとは、前記エキスパンダの回転エネルギが前記圧縮機に伝達可能に連結されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水噴射手段は、前記圧縮機に向かう酸化剤ガスに水を噴射する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
発電要求量に基づいて、前記燃料電池の目標電流値を算出する目標電流値算出手段を備え、
前記制御手段は、前記目標電流値が大きくなるにつれて前記目標酸化剤ガス圧力が高くなる第２マップを参照して、前記目標電流値算出手段の算出する前記目標電流値に基づいて前記目標酸化剤ガス圧力を算出する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記水回収手段が現在回収する現在水量と、予め定められ前記水回収手段が回収しているべき必要水量とに基づいて、前記水回収手段において増加させるべき増加水量を算出する増加水量算出手段と、
前記燃料電池の温度、前記増加水量、前記目標電流値、及び、酸化剤ガスの圧力の増加させるべき圧力増加量が予め関連付けられた第３マップを参照して、前記燃料電池の温度、前記増加水量、及び、前記目標電流値に基づいて、前記圧力増加量を算出する圧力増加量算出手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記目標酸化剤ガス圧力と前記圧力増加量とを加算した圧力を指令値として前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池の温度が所定温度未満であり、前記燃料電池は低温状態であると判断される場合、前記目標酸化剤ガス圧力を小さくする
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。