JP3555160B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池は、水素イオンをＨ＋ （ｘＨ２Ｏ）の水和状態で透過する電解質と電極とを有し、電極反応を促進させるための触媒層を介在させてこの電解質を電極で挟持して備える。このような燃料電池は、用いる電解質の種類により種々のもの（例えば、固体高分子型燃料電池，りん酸型燃料電池等）があるが、陽陰の電極において進行する電極反応に差はなく、各極で進行する電極反応は、以下の通りである。
陰極（水素極）：
２Ｈ２ →４Ｈ＋ ＋４ｅ− …▲１▼
陽極（酸素極）：
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ →２Ｈ２Ｏ …▲２▼
【０００３】
そして、陰極に燃料ガスである水素ガスが供給されると、陰極では▲１▼の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンがＨ＋ （ｘＨ２Ｏ）の水和状態で電解質（固体高分子型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して陽極に至り、この陽極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、陽極では▲２▼の反応式が進行する。この▲１▼，▲２▼の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を呈することになる。
【０００４】
燃料電池の電解質は、水素イオンが上記した水和状態で陰極側から陽極側に電解質を透過（拡散）する都合上、陰極側で水分が不足する状態となる。また、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、適度な湿潤状態にあれば良好な電気伝導性（イオン導電性）を発揮するが、含水率が低下するとイオン導電性が悪化して電解質として機能しなくなり、場合によっては電極反応を停止させてしまう。また、含水率が高すぎてもイオン導電性が悪化する傾向がある。このため、陰極には、燃料ガスとしての水素ガスを供給するとともに、適当な量の水を常時補給する必要がある。従って、燃料電池には、水蒸気にて加湿した水素ガスが供給されている。
【０００５】
水蒸気加湿された水素ガスを燃料電池に供給するには、種々の方法があり、最も単純な方法として、次のような技術がよく知られている。つまり、メタノール等の炭化水素化合物を水蒸気改質して水素ガスを生成するに当たり、メタノールと水との改質反応応は等モル反応であるため、メタノールに対して若干余剰の水を供給して改質反応を起こさせ、余剰の水に相当する量の水蒸気で水素ガスを加湿する方法である。また、特開平３−２６９９５５では、生成した水素ガスを熱交換して降温し、降温後の水素ガス中に燃料電池の手前で水蒸気を添加し、水蒸気添加により加湿した水素ガスを燃料電池に供給する技術が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メタノールに対して若干余剰の水を供給し水分過多の状態で改質反応を起こさせ加湿する場合には、次のような不具合がある。例えば、余剰水の量を固定する場合、燃料電池の加湿不足を回避するためには、燃料電池の発電時に最大限必要とされる水分を水蒸気で供給する必要がある。よって、定量の余剰水を供給して改質反応を起こさせる必要があるが、改質反応の進行程度によっては水素ガス中の水蒸気量が変動したり、燃料電池の発電状態によっては水分過多となって電解質膜がいわゆる濡れすぎとなるため、電極反応が低下し電池性能の低下を招くことがある。
【０００７】
また、改質反応に用いる水の量の増減調節を通して水素ガス中の水蒸気量、即ち燃料電池の加湿程度を調節することも可能であるが、次のような理由から現実的ではない。即ち、供給水量の調節を減少側に行なう場合には、メタノールに対して水のモル数が少なくなるため、改質反応の中間生成物である一酸化炭素の発生頻度が増し、この一酸化炭素が燃料電池の陰極に供給されることになる。このように一酸化炭素が陰極に至ると、電極反応を促進させるために設けられている触媒層の触媒が一酸化炭素により被毒され、触媒としての機能が低下してしまう。このため、電極反応の停止、延いては燃料電池の運転停止を招く。
【０００８】
一方、特開平３−２６９９５５に提案されているように、改質ガスの温度を燃料電池の温度と略同じ程度に下げ、その下げた改質ガスに別途水を添加する技術では、温度を下げるための熱交換器と、水を添加する加湿器との両方が必要となり、システムのコンパクト化を図ることが困難であった。また、単純に熱交換器を省くと、加湿器に供給される改質ガスの温度が高温（約２５０〜３００℃）であることに起因して、所望の加湿状態に制御することが困難になるという問題があった。例えば、一般的な加湿器であるバブラーを用いた場合、バブラー内の水によって改質ガスが急激に冷却されるために、改質ガスが保有している水分がバブラー内に添加されバブラーの水管理が難しくなるほか、改質ガスによってバブラー内の水自体の温度が影響を受け、加湿量をコントロールし難くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされ、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池の出力の安定化を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため本発明の燃料電池装置で採用した手段は、
水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置であって、
炭化水素化合物を水蒸気改質して、水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する改質手段と、
該生成された水素ガスを前記水蒸気とともに前記燃料電池に供給する供給手段と、
該供給される水素ガスの経路において前記水蒸気を除去し、前記燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する水蒸気混在量調節手段と、
前記燃料電池が運転されている運転状態を判断する運転状態判断手段と、
該判断した運転状態に基づいて、前記燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
該判定した湿潤状態に応じて前記水蒸気混在量調節手段を制御する制御手段とを備えること
をその要旨とする。
【００１２】
この本発明の燃料電池装置では、
前記水蒸気混在量調節手段は、
前記水素ガスの経路に設けられ、水素ガスが水蒸気とともに流入するようにして、該流入した水素ガス中の水蒸気混在量を調節するための緩衝容器と、
該緩衝容器の内部温度を制御する温度制御部とを有する。
【００１３】
この場合、前記緩衝容器は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスが通過する流体経路を容器内部との間で熱交換が行なえるように構成され、
前記温度制御部は、前記流体経路を通過する前記酸素含有ガス量を制御するものである。
【００１４】
【作用】
上記構成を有する本発明の燃料電池装置では、まず、改質手段により炭化水素化合物を水蒸気改質し、水蒸気の混在状態で水素ガスを生成する。この生成された水素ガスは、供給手段により水蒸気とともに燃料電池に供給されるが、その経路において水蒸気混在量調節手段による水蒸気の除去を通して、水素ガス中の水蒸気混在量が確実に調節される。よって、燃料電池に供給される水素ガス中の水分は水滴化することなく水蒸気として混在するので、燃料電池には水滴として水が水素ガスとともに供給されることはない。
【００１５】
しかも、運転状態判断手段の判断した燃料電池の運転状態に基づいて、湿潤状態判定手段により燃料電池内部の湿潤状態を判定する。そして、水素ガス中の水蒸気混在量を調節する水蒸気混在量調節手段を、制御手段により、燃料電池内部の湿潤状態に応じて制御するので、燃料電池内部の湿潤状態に応じて水素ガス中の水蒸気混在量を調節できる。よって、燃料電池内部の湿潤状態が水分過多であれば水蒸気混在量を少なく調節することで、水分過多を水蒸気としての水分で解消することができる。一方、水分不足であれば水蒸気混在量を多く調節することで、水分不足を水蒸気としての水分で解消することができる。
【００１６】
また、こうした燃料電池装置では、水素ガスの経路に設けられた緩衝容器の内部温度を温度制御部により制御するので、緩衝容器に水蒸気とともに流入する水素ガス中の水蒸気を、この緩衝容器内で除去し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する。
【００１７】
更に、こうした緩衝容器を、燃料電池に供給される酸素含有ガスが通過する流体経路を緩衝容器内部との間で熱交換が行なえるように構成したものとし、温度制御部により、流体経路を通過する酸素含有ガス量を制御する。よって、酸素含有ガスとの熱交換を通して緩衝容器の内部温度を制御し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する。このため、水素ガス中の水蒸気混在量の調節とともに、酸素含有ガスの温度をも調節できる。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明に係る燃料電池装置の好適な実施例について、図面に基づき説明する。図１は、実施例の燃料電池装置を適用した燃料電池システムのブロック図である。
【００１９】
実施例の燃料電池システム１０は、固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略称する）１２を中心に備え、ＰＥＦＣ１２には、酸素ガス供給管路１４からは酸素含有ガスである空気が、水素ガス供給管路１６からはメタノールを水蒸気改質して得られた水素ガスが、それぞれ供給される。水素ガス供給管路１６の管路には、水素ガス中の水蒸気混在量を調節するバッファータンク１８と、メタノール改質装置２０とが設けられている。なお、上記の両管路には適宜な箇所に逆流防止弁が設けられているが、本発明の要旨とは直接関係しないので図示されていない。
【００２０】
ＰＥＦＣ１２は、固体高分子電解質膜を陽陰の電極で挟持して備え、陽極への空気と陰極への水素ガスとの供給を受けて陽陰の電極において上記の▲１▼，▲２▼の電極反応を進行させる。そして、ＰＥＦＣ１２は、当該電極反応を経て得られた起電力により、配線２２，２４を介して外部の駆動機器、例えば電気自動車におけるモータを駆動する。
【００２１】
メタノール改質装置２０は、メタノールタンク２６から圧送ポンプ２８によりメタノールの供給を受け、水タンク３０から圧送ポンプ３２により水の供給を受ける。そして、メタノール改質装置２０は、改質触媒を介してメタノールと水との改質反応を２５０〜３００℃の温度で進行させてメタノールを水蒸気改質し、高温（約２６０℃前後）の水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する。この生成された水素ガスは、その下流のバッファータンク１８に送り出される。
【００２２】
このように水タンク３０からメタノール改質装置２０に水を供給するに当たっては、以下に説明するように、メタノールに対してやや過多の量の水が供給されている。つまり、メタノール改質装置２０に供給された水がメタノール改質装置２０で水蒸気改質されて生成する水素ガス中に水蒸気として残存し、しかも残存量（水蒸気混在量）がＰＥＦＣ１２の駆動時（発電時）に必要となり得る最大水蒸気量よりも若干多くなるよう、メタノール改質装置２０への水の供給量が定められている。換言すれば、水素ガス温度が約２６０℃からＰＥＦＣ１２の運転温度（８０〜１００℃）に近似した温度、例えば８０℃に降下しても、その温度における水素ガス中の水蒸気が飽和状態となり得る程度に、メタノールに対してやや過多の量の水が供給されている。
【００２３】
メタノール改質装置２０から水素ガスが送り出されるバッファータンク１８は、タンク内部の温度を調節する温度調節機構を有し、後述する電子制御装置によるこの温度調節機構の運転制御を通して、タンク内部温度を制御する。この場合、バッファータンク１８には、メタノール改質装置２０から高温（約２６０℃前後）の水素ガスが送られており、バッファータンク１８からＰＥＦＣ１２に供給する水素ガス温度は、ＰＥＦＣ１２の運転温度（８０〜１００℃）に近似した温度であることが望ましい。このため、バッファータンク１８は、水，空気等の冷却媒体を用いた温度調節機構として、次のような構成を備える。
【００２４】
図２に示すように、バッファータンク１８は、金属製の本体容器部４０の上下端を、上部カバー部４２，下部カバー部４４で塞ぎ、これらをＯリング４６を介在させてボルト４８により水密に締め付けて形成されている。上部カバー部４２にはガス導入ポート５０が設けられており、当該ポートはメタノール改質装置２０と接続されている。また、上部カバー部４２にはガス排出ポート５２が設けられており、当該ポートはＰＥＦＣ１２と接続されている。このため、バッファータンク１８内部には、ガス導入ポート５０を経てメタノール改質装置２０から高温の水素ガスが水蒸気の混在状態で流入し、タンク内に流入した水素ガスはガス排出ポート５２を経てＰＥＦＣ１２に供給されることになる。更に、上部カバー部４２には、バッファータンク１８内部の温度を検出するタンク側温度センサ５３が取付固定されている。なお、このタンク側温度センサ５３は、後述の電子制御装置７０に接続されている。
【００２５】
一方、下部カバー部４４には、バッファータンク内部で凝結して液化した水５４を排出するための水排出ポート５６が設けられおり、この水排出ポート５６は、図１に示すように循環用ポンプ５８を介在させて水循環管路６０により水タンク３０と接続されている。このため、バッファータンク１８内部に滞留した水５４は、循環用ポンプ５８により、水タンク３０に返送され、メタノール改質装置２０に供給する水として循環する。なお、上記した水の循環は、所定時間毎の循環用ポンプ５８の間歇駆動により、間歇的に行なわれている。
【００２６】
本体容器部４０の側壁には、水や空気等の冷却媒体が通過する冷却媒体流路６２が容器内部を取り囲むよう形成されている。従って、図示しない流入口から冷却媒体が外部配管６３を経て冷却媒体流路６２に流入し、当該流路を冷却媒体が通過すれば、当該冷却媒体とバッファータンク１８内部の水素ガスとの間で熱交換が起きる。このため、冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の温度や通過量（単位時間当たり流量）の制御を通して、タンク内部温度を制御すること、即ち水素ガス温度を制御することが可能である。なお、この冷却媒体流路６２は、隣合う流路から独立して個別に形成しても良く、また、螺旋状に形成しても良い。
【００２７】
本体容器部４０の内部には、タンク内部を上下に区画する多孔の隔壁６４が設けられており、この隔壁６４で区画された上部空間には、熱伝導率の高い金属またはセラミックの球状充填物６６が充填されている。このため、ガス導入ポート５０を経て流入した水蒸気混在状態の高温の水素ガスと冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体との熱交換は、隔壁６４上方の上部空間の球状充填物６６を介して効率よく行なわれる。また、本体容器部４０は、その外周において断熱材６８により被覆されており、本体容器部４０側壁から外部への熱の放出は遮断されている。
【００２８】
従って、上記構造を有するバッファータンク１８に高温（約２６０℃前後）の水素ガスが水蒸気の混在状態で流入すると、この高温の水素ガスは、冷却媒体との熱交換を経てバッファータンク１８内部において冷却され、冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の温度やその通過量で規定される温度とされる。この水素ガスの冷却により、水素ガス中の水蒸気は、冷却後の水素ガス温度（タンク内部温度）における飽和水蒸気量を越える分についてバッファータンク１８内部において凝結して水滴となり、水素ガス中には、水蒸気が飽和状態で存在することになる。冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量は、電子制御装置からの制御信号により定まり、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２に接続された外部配管６３に設けられた流量調整バルブ６５を駆動制御することで流量調整、即ちタンク内温度調節がなされる。なお、凝結した水滴は、隔壁６４の孔を通過して隔壁６４下方の下部空間に落下し、水排出ポート５６から水タンク３０に返送される。
【００２９】
燃料電池システム１０は、この他、バッファータンク１８におけるタンク内部温度を制御するための電子制御装置７０と、ＰＥＦＣ１２における固体高分子電解質膜と電極（陰極）との接合部近傍の温度を検出する電池側温度センサ７２と、ＰＥＦＣ１２の出力電圧を検出する電圧計７４と、インピーダンスを検出するインピーダンス計７６とを備える。この電子制御装置７０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に論理演算回路として構成され、これらとコモンバスを介して相互に接続された入力ポート及び出力ポートにより外部との入出力を行う。本実施例の燃料電池システム１０では、電子制御装置７０は、タンク側温度センサ５３，電池側温度センサ７２，電圧計７４およびインピーダンス計７６から、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫ，ＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ，ＰＥＦＣ１２の出力電圧ＶおよびＰＥＦＣ１２のインピーダンスＺの入力を受け、バッファータンク１８の内部温度を調節すべく、バッファータンク１８の流量調整バルブ６５を駆動制御する。
【００３０】
次に、上記した構成を備える本実施例の燃料電池システム１０において行なわれる燃料電池システム運転制御（ルーチン）について、図３のフローチャートに基づき説明する。図示するように、この燃料電池システム運転ルーチンは、まず、燃料電池システム１０のメインスイッチがＯＮであるかＯＦＦであるかを判断する（ステップＳ１００）。なお、このメインスイッチのＯＮ／ＯＦＦは、例えばバッテリの蓄電状態等に応じて制御用コンピュータから出力される指令信号で代用できるので、メインスイッチは機械的なスイッチに限定されるものではない。
【００３１】
このステップＳ１００で肯定判断が下される場合には、この燃料電池システム１０がメインスイッチのＯＮを受けて当初のＯＮ状態に至ったシステムの立上げの場合と、このＯＮ状態が継続している定常運転継続中の場合とがある。よって、ステップＳ１００での肯定判断に続いては、燃料電池システム１０のＯＮ状態は既に所定期間に亘り継続している旨を示すフラグ（ＯＮ状態継続フラグＦＯＮ）の値が１であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。なお、このＯＮ状態継続フラグＦＯＮは、最初の本ルーチンの実行に先立つ初期処理にて初期値０とされ、後述の本ルーチンの処理にて値０或いは値１とされる。
【００３２】
ここで、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮ≠１であれば、燃料電池システム１０がメインスイッチのＯＮを受けて当初のＯＮ状態に至ったシステム立上げ時なので、以下に記す複数の処理からなるシステム立上げ過渡期処理（ステップＳ１１０）に移行する。そして、当該処理が終了すれば「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００３３】
このステップＳ１１０のシステム立上げ過渡期処理では、図４に示すように、タンク側温度センサ５３と電池側温度センサ７２からバッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫとＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣを入力し（ステップＳ１１２）、その後、両温度を比較する（ステップＳ１１４）。即ち、タンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより高い温度であるか否かを判断する。
【００３４】
ここで、肯定判断すれば、バッファータンク１８の内部温度の制御目標温度をステップＳ１１２で入力したＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとし、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとタンク内部温度ＴＴＡＮＫとの差に応じてバッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量増大側に駆動制御する（ステップＳ１１６）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は多くの流量となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて増大するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは降下することになる。なお、ステップＳ１１６に続いては、後述のステップＳ１２２が実行される。
【００３５】
一方、ステップＳ１１４で否定判断した場合には、ＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの差が所定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１８）。つまり、ステップＳ１１４で否定判断すればＴＴＡＮＫ≦ＴＰＥＦＣであるが、その温度差が適正であるか、より詳細に説明すればタンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに比べて低すぎないかを判断する。このステップＳ１１８で肯定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下でありその温度差は適正であるためにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを変更制御する必要がないとして、後述のステップＳ１２２に移行する。
【００３６】
これに対して、ステップＳ１１８で否定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下であるもののＴＴＡＮＫはＴＰＥＦＣに比べて低すぎることになる。よって、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに近づくよう昇温させるべく、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量減少側に駆動制御する（ステップＳ１２０）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は流量減となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて減少するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは上昇することになる。
【００３７】
そして、ステップＳ１１６，１１８およびステップＳ１２０に続いては、燃料電池システム１０がシステム立上げ過渡期にあるか或いは定常運転の継続中にあるか否かをメインスイッチがＯＮとされてからの経過時間等に基づき判断する（ステップＳ１２２）。ここで、否定判断すればいまだシステム立上げ過渡期であるとして、新たな処理を行なうことなく「リターン」を抜け、上記した各処理を繰り返す。
【００３８】
一方、ステップＳ１２２で肯定判断すれば、燃料電池システム１０はシステム立上げ過渡期を脱して定常運転の継続中にあることになるので、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮに値１をセットする（ステップＳ１２４）。このようにＦＯＮ＝１とされると、その後の本ルーチンのステップＳ１０５で肯定判断されるので（図３参照）、このステップＳ１２４でＦＯＮに値１がセットされるまでの間に亘って、上記したステップＳ１１２〜１２４までの処理からなるシステム立上げ過渡期処理が繰り返し実行される。
【００３９】
燃料電池システム１０がシステム立上げ過渡期にある間は、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣはＰＥＦＣ１２の運転に伴って昇温する。よって、この間にステップＳ１１２〜１２４からなるシステム立上げ過渡期処理を繰り返すことにより、バッファータンク１８は、そのタンク内部温度ＴＴＡＮＫがＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度となるよう、当初の温度から昇温制御される。このため、燃料電池システム１０がシステム立上げ過渡期にある場合には、バッファータンク１８に流入した水素ガス（約２６０℃前後）は、冷却媒体との熱交換を経てＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度であるタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされるとともに、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇に併せて上昇したタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされる。よって、バッファータンク１８において、水素ガス中の水蒸気は、ＴＰＥＦＣ以下の温度における飽和状態とされ、過剰な水蒸気は凝結してバッファータンク１８内で水滴となる。また、ＰＥＦＣ１２に供給される水素ガス中の水蒸気量は、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇に併せて増加することになる。
【００４０】
従って、バッファータンク１８のガス排出ポート５２からは、水蒸気を飽和状態で混在した水素ガスがＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度でＰＥＦＣ１２に供給される。このため、燃料電池システム１０のシステム立上げ過渡期には、水分が水滴としてＰＥＦＣ１２に供給されることがないとともに、電池内部で水蒸気が凝結して水滴化することもない。しかも、ＰＥＦＣ１２の昇温に併せてバッファータンク１８内のタンク内部温度ＴＴＡＮＫを高めていくことができる。
【００４１】
このようにシステム立上げ過渡期処理のステップＳ１２４においてＦＯＮ＝１とされると、システム立上げ過渡期処理の終了時にあってもシステムＯＮであることと相俟って、次回の本ルーチンでは、ステップＳ１００の肯定判断に続くステップＳ１０５で肯定判断される。そして、この肯定判断を受けて、燃料電池システム１０はＯＮ状態が継続している定常運転継続中の状態にあるといえる。よって、この場合には、以下に記す複数の処理からなるシステム定常運転時処理（ステップＳ１３０）に移行し、当該処理が終了すれば「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４２】
このステップＳ１３０のシステム定常運転時処理では、図５に示すように、まず、電圧計７４とインピーダンス計７６からＰＥＦＣ１２の出力電圧ＶとインピーダンスＺを入力する（ステップＳ１３２）。
【００４３】
ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜は適度な湿潤状態にあれば良好な電気伝導性（イオン導電性）を発揮することから、固体高分子電解質膜の含水率が過多となると、ＰＥＦＣ１２の出力は低下する。また、この電解質膜に接合する電極表面が水滴で閉塞されても、膜への水素ガスの透過が阻害されるのでやはりＰＥＦＣ１２の出力は低下する。つまり、この両者の場合は、電池内部の湿潤状態が水分過多の場合であり、この水分過多の状態に至るとＰＥＦＣ１２の出力電圧Ｖは低下する。しかも、このように水分過多となると、ＰＥＦＣ１２のインピーダンスＺは低下することが知られている。その反面、電池内部の湿潤状態が水分不足となって固体高分子電解質膜の含水率が低下すると、ＰＥＦＣ１２の出力電圧Ｖは低下するとともに、インピーダンスＺは上昇することが知られている。
【００４４】
従って、ステップＳ１３２で入力したＰＥＦＣ１２の出力電圧ＶとインピーダンスＺとから、ステップＳ１３２に続くステップＳ１３４では、ＰＥＦＣ１２内部の湿潤状態が適正であるか、水分過多（濡れすぎ）或いは水分不足（乾きすぎ）であるか否かを判断する。このステップＳ１３４で、電池内部の湿潤状態が適正であると判断すると、ＰＥＦＣ１２が適正な運転を継続していくためには、バッファータンク１８内のタンク内部温度ＴＴＡＮＫの変更は必要ないとして、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５の流量を固定維持する（ステップＳ１３６）。よって、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは、電池内部の湿潤状態が適正状態にあると判断したときの温度に維持される。このため、バッファータンク１８においては、流入する水素ガス中の水蒸気は一定量が凝結して水滴化し、水素ガス中に混在する水蒸気量は定量となる。その後は、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４５】
一方、ステップＳ１３４で出力電圧ＶとインピーダンスＺとからＰＥＦＣ１２内部の湿潤状態が上記した水分過多であると判断した場合には、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量増大側に駆動制御する（ステップＳ１３８）。この際、流量調整バルブ６５には、電池内部の湿潤状態が適正状態にあるときの出力電圧ＶおよびインピーダンスＺと、ステップＳ１３２で入力した出力電圧ＶおよびインピーダンスＺとを対比して得られる制御信号が出力され、水分過多の程度が大きいほど流量調整バルブ６５は多くの流量となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が水分過多の程度に応じて増大するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは降下することになる。この結果、バッファータンク１８においては、流入する水素ガス中の水蒸気は多くの量が凝結して水滴化し、水素ガス中に混在する水蒸気量は減少するので水素ガスにおける水蒸気量は以前より少なくなる。そして、ステップＳ１３６の後には、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４６】
このようにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを降下させるに当たっては、冷却媒体の流量増に伴うタンク内部温度ＴＴＡＮＫの温度変化が電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに対して最大−１０℃程度になるよう、冷却媒体流量が増大制御される。
【００４７】
また、ステップＳ１３４で出力電圧ＶとインピーダンスＺとからＰＥＦＣ１２内部の湿潤状態が上記した水分不足であると判断した場合には、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量減少側に駆動制御する（ステップＳ１４０）。この際、流量調整バルブ６５には、電池内部の湿潤状態が適正状態にあるときの出力電圧ＶおよびインピーダンスＺと、ステップＳ１５２で入力した出力電圧ＶおよびインピーダンスＺとを対比して得られる制御信号が出力され、水分不足の程度が大きいほど流量調整バルブ６５は流量減少側に駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が水分不足の程度に応じて減少するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは上昇することになる。この結果、バッファータンク１８においては、流入する水素ガス中の水蒸気は少量しか凝結して水滴化せず、水素ガス中に混在する水蒸気量はあまり減少しない。つまり、水素ガスにおける水蒸気量は以前より多くなる。そして、ステップＳ１４０の後には、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４８】
このようにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを上昇させるに当たっては、冷却媒体の流量増に伴うタンク内部温度ＴＴＡＮＫの温度変化が電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに対して最大＋５℃程度になるよう、冷却媒体流量が減少制御される。
【００４９】
従って、ＰＥＦＣ１２が定常運転にある場合には、ステップＳ１３２〜１４０からなる定常運転時処理が繰り返されるので、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫは、電池内部の湿潤状態に応じて温度制御される。このため、ＰＥＦＣ１２が定常運転状態にある場合には、バッファータンク１８に流入した水素ガス（約２６０℃前後）は、バッファータンク１８における冷却媒体との熱交換を経て温度制御されるので、水素ガス中の水蒸気は、バッファータンク１８における凝結を経てその混在量が電池内部の湿潤状態に応じて調節される。
【００５０】
よって、バッファータンク１８のガス排出ポート５２からは、電池内部の湿潤状態が水分過多であれば、水蒸気混在量が以前より少ない水素ガスがＰＥＦＣ１２に供給されて水分過多が解消されることになる。また、水分不足であれば、水蒸気混在量が以前より多い水素ガスがＰＥＦＣ１２に供給されて水分不足が解消されることになる。そして、水分過多或いは水分不足が解消されれば、一定量の水蒸気を混在する水素ガスが継続してＰＥＦＣ１２に供給されることになる。
【００５１】
しかも、このような水蒸気混在量の調節は、バッファータンク１８において水素ガス中の水蒸気の凝結・水滴化を経た水蒸気の除去を通して行なわれるので、ＰＥＦＣ１２に供給される水素ガス中には水分が水蒸気として混在し、ＰＥＦＣ１２には水分が水滴として水素ガスとともに供給されることはない。
【００５２】
燃料電池システム１０がシステムのＯＮ状態にある時には、当該システムに含まれるＰＥＦＣ１２やメタノール改質装置２０，バッファータンク１８は上記したように駆動制御されているが、メインスイッチのＯＦＦや非常停止スイッチ等のＯＮ等を受けて、燃料電池システム１０はシステムのＯＮ状態からＯＦＦ状態に至る。すると、図３に示すように、本ルーチンのステップＳ１００では否定判断され、次のステップＳ１４５に移行する。
【００５３】
燃料電池システム１０がＯＦＦ状態にある場合には、燃料電池システム１０が上記したＯＮ状態からＯＦＦ状態に推移した場合とシステムのＯＦＦ状態が継続している場合とがあり、この両者の場合であっても、ステップＳ１００で否定判断が下される。そこで、いずれのＯＦＦ状態であるかを判断すべく、ステップＳ１００の否定判断に続くステップＳ１４５では、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮの値が１であるか否かを、再度判断する。なお、システムがＯＦＦ状態にある場合には、システムを構成する総ての機器がＯＦＦとなっている場合の他、各機器、例えばＰＥＦＣ１２やメタノール改質装置２０，バッファータンク１８等がＯＦＦ状態にある場合も該当する。
【００５４】
そして、このステップＳ１４５で否定判断（ＦＯＮ＝０）すれば、このＯＮ状態継続フラグＦＯＮはシステムのＯＮの後のシステム立上げ過渡期処理においてしか値１とされないので、当初からＦＯＮ＝０のまま、即ち燃料電池システム１０のＯＦＦ状態は継続している場合である。よって、ステップＳ１４５で否定判断した場合には、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００５５】
しかし、ステップＳ１４５で肯定判断した場合（ＦＯＮ＝１）には、燃料電池システム１０の状態がＯＮ状態からＯＦＦ状態に推移した場合であるので、以下に記す複数の処理からなるシステム停止過渡期処理（ステップＳ１５０）に移行する。そして、当該処理が終了すれば「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。このシステム停止過渡期処理は、メインスイッチのＯＦＦ後に、それまで運転中であった燃料電池システム１０をその再起動時を考慮して良好な状態で停止させることを目的とするものであり、このシステム停止過渡期にある間はＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣはメインスイッチのＯＦＦ後に徐々に降温（降下）することも考慮されている。
【００５６】
より詳しく説明すると、ＰＥＦＣ１２やメタノール改質装置２０，バッファータンク１８等の燃料電池システム１０の各構成機器をメインスイッチのＯＦＦ後に総て一律にＯＦＦとするのではない。そして、各構成機器を一律にＯＦＦとしないことで、当該スイッチのＯＦＦに連動して停止するメタノール改質装置２０から水蒸気を混在した残ガスがＰＥＦＣ１２に流入してＰＥＦＣ１２内で水蒸気が凝結することを防止するとともに、その残ガス中の余分な水蒸気の除去を図るために、メインスイッチのＯＦＦ後もしばらくの間、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫをＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの低下に併せて低下させるよう制御するのである。
【００５７】
即ち、このステップＳ１５０のシステム停止過渡期処理では、図６に示すように、システム立上げ過渡期処理におけるステップＳ１１２〜１２０までと同様、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの降下に追従して制御する。まず、タンク内部温度ＴＴＡＮＫと電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣを入力し（ステップＳ１５２）、その後、両温度を比較して（ステップＳ１５４）、タンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより高い温度であるか否かを判断する。
【００５８】
ここで、肯定判断すれば、バッファータンク１８の内部温度の制御目標温度をステップＳ１５２で入力したＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとし、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとタンク内部温度ＴＴＡＮＫとの差に応じてバッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量増大側に駆動制御する（ステップＳ１５６）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は多くの流量となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて増大するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは降下することになる。なお、ステップＳ１５６に続いては、後述のステップＳ１６２が実行される。
【００５９】
一方、ステップＳ１５４で否定判断した場合には、ＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの差が所定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ１５８）。つまり、ステップＳ１５４で否定判断すればＴＴＡＮＫ≦ＴＰＥＦＣであるが、その温度差が適正であるか、より詳細に説明すればタンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに比べて低すぎないかを判断する。このステップＳ１５８で肯定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下でありその温度差は適正であるためにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを変更制御する必要がないとして、後述のステップＳ１６２に移行する。
【００６０】
これに対して、ステップＳ１５８で否定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下であるもののＴＴＡＮＫはＴＰＥＦＣに比べて低すぎることになる。よって、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに近づくよう昇温させるべく、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量減少側に駆動制御する（ステップＳ１６０）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は流量減となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて減少するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは上昇することになる。
【００６１】
そして、ステップＳ１５６，１５８およびステップＳ１６０に続いては、燃料電池システム１０がシステム停止過渡期にあるか或いは停止継続中にあるか否かをメインスイッチがＯＦＦとされてからの経過時間等に基づき判断する（ステップＳ１６２）。ここで、否定判断すればいまだシステム停止過渡期であるとして、新たな処理を行なうことなく「リターン」を抜け、上記した各処理を繰り返す。
【００６２】
一方、ステップＳ１６２で肯定判断すれば、燃料電池システム１０はシステム停止過渡期を脱して停止継続中に至ったこと或いは当初から停止継続中であることになるので、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮに値０をセットする（ステップＳ１６４）。このようにＦＯＮ＝０とされると、その後の本ルーチンのステップＳ１０５では否定判断されるので（図３参照）、このステップＳ１６４でＦＯＮに値０がセットされるまでの間に亘って、上記したステップＳ１５２〜１６４までの処理からなるシステム停止過渡期処理が繰り返し実行される。
【００６３】
従って、燃料電池システム１０がシステム停止過渡期にある間には、ステップＳ１５２〜１６４からなるシステム停止過渡期処理が繰り返されこの間は電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣは徐々に低下するので、バッファータンク１８は、そのタンク内部温度ＴＴＡＮＫがＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度となるよう運転継続中の温度から降温制御される。このため、メインスイッチのＯＦＦ等を受けてシステムがＯＦＦ状態とされた場合には、バッファータンク１８に流入した残ガスは、冷却媒体との熱交換を経てＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより低い温度であるタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされる。しかも、この場合には、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣは徐々に降下する。よって、バッファータンク１８に流入した残ガスは、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの降下に併せて降下したタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされる。この結果、バッファータンク１８において、残ガス中の水蒸気は、ＴＰＥＦＣより低い温度における飽和状態とされ、過剰な水蒸気は凝結してバッファータンク１８内で水滴となり水素ガス供給管路１６の経路外に除去される。また、ＰＥＦＣ１２に供給される残ガス中の水蒸気量は、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの降下に併せて減少することになる。
【００６４】
よって、バッファータンク１８のガス排出ポート５２からは、水蒸気を飽和状態で混在した残ガスがその時のＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度でＰＥＦＣ１２に供給される。このため、システム停止の場合には、水分が水滴として供給されることがないとともに、ＴＰＥＦＣ＞ＴＴＡＮＫであることから電池内部で水蒸気が凝結して水滴化することもない。従って、システム停止の場合には、電池内部に水分が水滴として残存することがない。
【００６５】
以上説明したように本実施例の燃料電池システム１０では、ＰＥＦＣ１２に水分を水蒸気として供給する水素ガス中の水蒸気混在量の調節を、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫの調節を経た水蒸気の除去を通して行なう。この結果、本実施例の燃料電池システム１０によれば、水素ガス中の水蒸気混在量の調節を確実に行なうことができ、燃料電池の出力の安定化を図ることができる。
【００６６】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、システム停止の場合に、ＰＥＦＣ１２に水分を水滴として供給せず、しかもＰＥＦＣ１２におけるガス中の水蒸気の凝結を回避する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、システム停止の場合に、電池内部に水分が水滴として残存することがなくＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜／電極接合体の界面に塗布された触媒の劣化や、ＰＥＦＣ１２におけるガス配管の腐食等を確実に回避することができる。
【００６７】
また、システム停止の場合にあっても、水蒸気として水分を供給する。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、不用意な固体高分子電解質膜のいわゆるドライアップを回避し、再起動時における始動特性を向上させることができる。
【００６８】
更に、本実施例の燃料電池システム１０では、システムの立上げ過渡期に、ＰＥＦＣ１２に水分を水滴として供給せず、しかもＰＥＦＣ１２における水素ガス中の水蒸気の凝結を回避する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜に接合する電極表面を水滴で閉塞することがなく膜への水素ガスの透過を阻害しないので、始動特性を向上させることができるとともに、起動初期から早期のうちに適正な出力電圧を得ることができる。
【００６９】
また、システムの立上げ過渡期には、水素ガス中の水蒸気を飽和状態でかつその量を電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇に併せて増加させる。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇の間に亘っての電池内部の湿潤状態の適正化を通して、ＰＥＦＣ１２をより速く定常運転にすることができる。
【００７０】
加えて、本実施例の燃料電池システム１０では、ＰＥＦＣ１２が定常運転にある場合にあっても、ＰＥＦＣ１２には水分を水滴として供給せず、ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜への水分補給を飽和状態の水蒸気で賄う。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜に接合する電極表面を水滴で閉塞することがなく膜への水素ガスの透過を阻害しないので、定常運転時における電極反応の円滑な進行を通して安定した出力を得ることができる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、ＰＥＦＣ１２が定常運転にある場合に、水素ガス中の水蒸気の混在量を電池内部の湿潤状態に応じて調節する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、電池内部が水分過多や水分不足に至ってＰＥＦＣ１２の出力が低下しても、水素ガス中の水蒸気混在量の調整を通してこの水分過多や水分不足を解消し、安定した出力を得ることができる。
【００７２】
ここで、上記した本実施例の燃料電池システム１０と水蒸気混在量の調節を行なわず水蒸気混在量が一定（定常状態に必要な水蒸気混在量）の水素ガスを供給する従来例の装置との評価試験について説明する。この評価試験は、ＰＥＦＣ１２の定常運転時の出力（電流値）を１００とした場合、その出力を起動からの経過時間毎に測定することで行なった。その結果を図７に示す。
【００７３】
この図７から明らかなように、本実施例の燃料電池システム１０によれば、起動時からスムースに出力が上昇し、１５分を経過すれば定常時の約９０％の出力を得ることができた。しかも、３０分経過後にはほぼ１００％の出力を継続して得ることができた。しかしながら、従来例では、起動初期には急激に出力が立ち上がるものの１０分経過後からは徐々に出力が低下した。しかも、１０分経過時点の出力は定常時の約６７％に過ぎなかった。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、安定した出力を得ることができることが判明した。なお、従来例の装置で観察された出力の様子は、以下のように説明できる。
【００７４】
従来例では、水蒸気混在量が調節されていないので、燃料電池にはその温度が低いものの大量の水蒸気が供給される。このため、一時的にセル抵抗が低下して急激に出力が上がる。しかし、その後は、過剰な水蒸気が燃料電池内部で凝結して水滴化し、電極を閉塞したりセル抵抗の上昇を招く。このため、定常時の出力まで上昇することなく徐々に出力が低下する。
【００７５】
また、本実施例の燃料電池システム１０によれば、次のような利点がある。即ち、本実施例の燃料電池システム１０では、バッファータンク１８で水蒸気が水滴化した水を、循環用ポンプ５８により水循環管路６０を経て水タンク３０に返送し、メタノール改質装置２０に供給する水として循環させる。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、水の利用効率を高めることができる。
【００７６】
次に、他の実施例について説明する。まず、第２実施例について説明する。この第２実施例の燃料電池システムは、上記した燃料電池システム１０におけるバッファータンク１８の冷却媒体を酸素ガス供給管路１４を経てＰＥＦＣ１２に供給される酸素含有ガス（空気）とした点で、その構成が相違する。即ち、図８に示すように、ＰＥＦＣ１２に空気を供給する酸素ガス供給管路１４には、その上流側から空気の圧送ポンプ８０が設けられており、当該ポンプの下流においては、この酸素ガス供給管路１４は、バッファータンク１８の下流で合流する分岐管路１４ａ，１４ｂとされている。各分岐管路１４ａ，１４ｂには、当該管路を通過する流量を調整する流量調整バルブ８１，８２が設けられている。なお、圧送ポンプ８０としてはコンプレッサーによる大気加圧供給装置を例示することができる。また、圧送ポンプ８０の外には、例えば高圧空気ガスボンベや液体空気タンクを用いたガス供給装置を用いることもできる。
【００７７】
流量調整バルブ８２が設けられた側の分岐管路１４ｂは、バッファータンク１８の外部配管６３（図２参照）と接続されており、この分岐管路１４ｂを通過する空気がバッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通する間に水素ガスとの熱交換に供される。また、この酸素ガス供給管路１４には、管路を通過する空気を加湿する加湿器８３が各分岐管路の合流点下流に設けられている。なお、この加湿器８３は、管路を通過する空気を加湿することができればいかような構成でも良く、バブリング法による加湿器の他、水を直接ガス気流中で霧化する方式の加湿器や、気体状の水（水蒸気）は通すが液体状の水は通さない多孔質膜を用いて加湿する方式の加湿器など、いずれの加湿器を採用しても良い。このように加湿器８３により加湿することで空気温度が低下する場合には、加熱手段を加湿器と併用することにより、ＰＥＦＣ１２には所定温度まで昇温させた空気を供給することができる。
【００７８】
上記構成の第２実施例の燃料電池システムでは、電子制御装置７０からの制御信号により各分岐管路１４ａ，１４ｂの流量調整バルブ８１，８２を駆動制御することで、例えばその流量比を制御することで、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する空気の流量を調節できる。このため、第２実施例の燃料電池システムによれば、バッファータンク１８のタンク内部温度の調節を通した水素ガス中の水蒸気混在量の調節による燃料電池出力の安定化に加え、ＰＥＦＣ１２にはバッファータンク１８で昇温させた空気を供給できる。よって、空気温度の昇温調節を通して、より一層電極反応を円滑化させて安定した出力を得ることができる。また、ＰＥＦＣ１２に供給する空気を昇温させるための特別な装置を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
【００７９】
次に、第３実施例について説明する。この第３実施例の燃料電池システムは、上記した燃料電池システム１０におけるバッファータンク１８の冷却媒体をＰＥＦＣ１２の冷却水とした点で、その構成が相違する。即ち、図９に示すように、ＰＥＦＣ１２の図示しない冷却水流路に冷却水を循環供給する冷却水循環管路８４には、電池側温度センサ７２（図１参照）の検出したＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに応じて冷却水循環管路８４の冷却水流量を調整する冷却水ポンプ８５と、当該管路の冷却水を放熱を通して所定温度に冷却（維持）する放熱器８６とが設けられている。また、冷却水循環管路８４には、バッファータンク１８の外部配管６３（図２参照）に接続されたタンク冷却水循環管路８７が、冷却水ポンプ８５の下流で冷却水循環管路８４から分岐し放熱器８６の上流で冷却水循環管路８４と合流するよう設けられている。そして、このタンク冷却水循環管路８７には、当該管路を通過する流量を調整する流量調整バルブ８８が設けられている。
【００８０】
従って、タンク冷却水循環管路８７を通過する燃料電池冷却水がバッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通する間に水素ガスとの熱交換に供される。このため、第３実施例の燃料電池システムでは、電子制御装置７０からの制御信号によりタンク冷却水循環管路８７の流量調整バルブ８８を駆動制御することで、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却水の流量を調節できる。この結果、第３実施例の燃料電池システムによれば、既述した第１実施例と同様に、バッファータンク１８のタンク内部温度の調節を通して水素ガス中の水蒸気混在量を調節し、燃料電池出力の安定化を図ることができる。また、バッファータンク１８における熱交換媒体の供給を行なうためだけの特別な装置を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
【００８１】
次に、第４実施例の燃料電池システムについて説明する。この第４実施例の燃料電池システムは、熱交換により水素ガス中の水蒸気を凝結・水滴化して水素ガス中の水蒸気混在量を調整するバッファータンク１８に代わり、吸水性高分子樹脂や多孔質体粒子等を内蔵しこれらにガス中の水蒸気を吸着して水素ガス中の水蒸気を除去する除湿装置を用いた点で、その構成が相違する。即ち、図１０に示すように、ＰＥＦＣ１２に水素ガスを供給する水素ガス供給管路１６は、メタノール改質装置２０とＰＥＦＣ１２との間において、メタノール改質装置２０の下流で分岐しＰＥＦＣ１２手前で合流する分岐管路１６ａ，１６ｂとされている。各分岐管路１６ａ，１６ｂには、当該管路を通過する流量を調整する流量調整バルブ８９，９０が設けられている。そして、分岐管路１６ｂには、流量調整バルブ９０の下流にガス中の水蒸気を吸着して水素ガス中の水蒸気を除去する除湿装置９１が設けられている。この除湿装置９１は、内蔵する吸水性高分子樹脂等の量や性質により、当該装置を通過する水素ガスの単位流量当たり一定の水蒸気を除湿する能力を有する。このため、除湿装置９１を通過する水素ガスの流量を変えることで、水蒸気除去量を調節することができる。
【００８２】
上記構成の第４実施例の燃料電池システムでは、電子制御装置７０からの制御信号により各分岐管路１６ａ，１６ｂの流量調整バルブ８９，９０を駆動制御することで、例えばその流量比を制御することで、各分岐管路が合流してＰＥＦＣ１２に至る水素ガス中の水蒸気混在量を除湿装置９１による水蒸気除去を通して調節できる。このため、第４実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池出力の安定化を図ることができる。なお、分岐管路１６ａにも、流量調整バルブ８９の下流に分岐管路１６ｂの除湿装置９１と異なる除湿能力を有する除湿装置を設け、電子制御装置７０からの制御信号により各分岐管路１６ａ，１６ｂの流量調整バルブ８９，９０を駆動制御するよう構成することもできる。
【００８３】
以上本発明の一実施例について説明したが、本発明はこの様な実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００８４】
例えば、システム停止過渡期処理において、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下でその温度差が適正（α）となるよう降温制御したが（ステップＳ１５８，１６０）、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下の温度となるよう降温制御するよう構成することもできる。つまり、システム停止過渡期処理におけるステップＳ１５８を省略し、ステップＳ１５４で否定判断した場合にはステップＳ１６０に移行すればよい。
【００８５】
なお、上記した実施例では、水素ガス中の水蒸気混在量を水素ガス管路中から除去することで調節したが、燃料電池の出力の安定化を図るには、水蒸気除去と水蒸気混入を併用して次のように構成することもできる。
【００８６】
即ち、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置であって、
炭化水素化合物を水蒸気改質して、水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する改質手段と、
該生成された水素ガスを前記水蒸気とともに前記燃料電池に供給する供給手段と、
前記燃料電池の運転状態を判断する運転状態判断手段と、
該判断した運転状態に基づいて前記燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
前記燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を、前記判定した湿潤状態に応じて増減調節する水蒸気混在量増減調節手段とを備える。
【００８７】
この場合、水蒸気混在量を増減調節する水蒸気混在量増減調節手段は、上記した各実施例におけるバッファータンク１８や除湿装置９１等の水蒸気除去装置と、加湿装置等の水蒸気混入装置を併用することで実現される。
【００８８】
この燃料電池装置では、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節するに当たり、水素ガス中に水蒸気を混入したり除去することで水蒸気混在量を増減調節する。そして、この増減調整を燃料電池の運転状態に基づいて判定した燃料電池内部の湿潤状態に応じて行なう。このため、燃料電池内部の湿潤が過多であれば、供給される水素ガス中の水蒸気混在量を、水蒸気の除去により少なめに調節して湿潤過多を回避することができる。一方、燃料電池内部の湿潤が不足していれば、供給される水素ガス中の水蒸気混在量を、水蒸気の添加により多めに調節して湿潤不足を回避することができる。この結果、常に燃料電池内部を好適な湿潤状態におくことを通して、安定した出力を得ることができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の燃料電池装置では、燃料電池に水分を水蒸気として供給する水素ガス中の水蒸気混在量の調節を水蒸気の除去を通して確実に行なう。この結果、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池内部を好適な湿潤状態におくことができ、燃料電池の出力の安定化を図ることができる。また、加湿器等を別途必要としないので、その構成の簡略化を図ることもできる。
【００９０】
しかも、本発明の燃料電池装置では、燃料電池には水分を水滴として供給せず、燃料電池への水分補給を飽和状態の水蒸気で賄う。この結果、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池における電極を水滴で閉塞することがなく、電解質膜への水素ガスの透過を阻害しないので、電極反応の円滑な進行を通して安定した出力を得ることができる。
【００９１】
しかも、本発明の燃料電池装置では、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気の混在量を燃料電池内部の湿潤状態に応じて調節する。このため、本発明の燃料電池装置によれば、電池内部が水分過多や水分不足に至って出力が低下しても、水素ガス中の水蒸気混在量の調整を通してこの水分過多や水分不足を解消し、安定した出力を得ることができる。
【００９２】
また、本発明の燃料電池装置では、燃料電池に供給される酸素含有ガスとの熱交換を通して緩衝容器の内部温度を制御し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する。このため、本発明の燃料電池装置によれば、水素ガス中の水蒸気混在量の調節に加え、酸素含有ガスの温度をも調節することができるので、電極反応のより一層の円滑化を通して出力の安定化を図ることができる。また、燃料電池に供給する酸素含有ガスを昇温させるための特別な装置を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の燃料電池装置を適用した燃料電池システムのブロック図。
【図２】第１実施例の燃料電池システムにおけるバッファータンク１８の概略断面図。
【図３】燃料電池システム１０において行なわれる燃料電池システム運転ルーチンのフローチャート。
【図４】燃料電池運転ルーチンにおけるシステム立上げ過渡期処理の詳細フローチャート。
【図５】燃料電池運転ルーチンにおける定常運転時処理の詳細フローチャート。
【図６】燃料電池運転ルーチンにおけるシステム停止過渡期処理の詳細フローチャート。
【図７】実施例の燃料電池システム１０と従来例の装置との評価の結果を示すグラフ。
【図８】第２実施例の燃料電池システムの要部ブロック図。
【図９】第３実施例の燃料電池システムの要部ブロック図。
【図１０】第４実施例の燃料電池システムの要部ブロック図。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
１２…ＰＥＦＣ
１４…酸素ガス供給管路
１４ａ，１４ｂ…分岐管路
１６…水素ガス供給管路
１６ａ，１６ｂ…分岐管路
１８…バッファータンク
２０…メタノール改質装置
２６…メタノールタンク
２８…圧送ポンプ
３０…水タンク
３２…圧送ポンプ
５３…タンク側温度センサ
５８…循環用ポンプ
６０…水循環管路
６２…冷却媒体流路
６３…外部配管
６５…流量調整バルブ
６６…球状充填物
７０…電子制御装置
７２…電池側温度センサ
７４…電圧計
７６…インピーダンス計
８０…圧送ポンプ
８１，８２…流量調整バルブ
８３…加湿器
８４…冷却水循環管路
８５…冷却水ポンプ
８６…放熱器
８７…タンク冷却水循環管路
８８…流量調整バルブ
８９，９０…流量調整バルブ
９１…除湿装置
【産業上の利用分野】
本発明は、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池は、水素イオンをＨ＋ （ｘＨ２Ｏ）の水和状態で透過する電解質と電極とを有し、電極反応を促進させるための触媒層を介在させてこの電解質を電極で挟持して備える。このような燃料電池は、用いる電解質の種類により種々のもの（例えば、固体高分子型燃料電池，りん酸型燃料電池等）があるが、陽陰の電極において進行する電極反応に差はなく、各極で進行する電極反応は、以下の通りである。
陰極（水素極）：
２Ｈ２ →４Ｈ＋ ＋４ｅ− …▲１▼
陽極（酸素極）：
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ →２Ｈ２Ｏ …▲２▼
【０００３】
そして、陰極に燃料ガスである水素ガスが供給されると、陰極では▲１▼の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンがＨ＋ （ｘＨ２Ｏ）の水和状態で電解質（固体高分子型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して陽極に至り、この陽極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、陽極では▲２▼の反応式が進行する。この▲１▼，▲２▼の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を呈することになる。
【０００４】
燃料電池の電解質は、水素イオンが上記した水和状態で陰極側から陽極側に電解質を透過（拡散）する都合上、陰極側で水分が不足する状態となる。また、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、適度な湿潤状態にあれば良好な電気伝導性（イオン導電性）を発揮するが、含水率が低下するとイオン導電性が悪化して電解質として機能しなくなり、場合によっては電極反応を停止させてしまう。また、含水率が高すぎてもイオン導電性が悪化する傾向がある。このため、陰極には、燃料ガスとしての水素ガスを供給するとともに、適当な量の水を常時補給する必要がある。従って、燃料電池には、水蒸気にて加湿した水素ガスが供給されている。
【０００５】
水蒸気加湿された水素ガスを燃料電池に供給するには、種々の方法があり、最も単純な方法として、次のような技術がよく知られている。つまり、メタノール等の炭化水素化合物を水蒸気改質して水素ガスを生成するに当たり、メタノールと水との改質反応応は等モル反応であるため、メタノールに対して若干余剰の水を供給して改質反応を起こさせ、余剰の水に相当する量の水蒸気で水素ガスを加湿する方法である。また、特開平３−２６９９５５では、生成した水素ガスを熱交換して降温し、降温後の水素ガス中に燃料電池の手前で水蒸気を添加し、水蒸気添加により加湿した水素ガスを燃料電池に供給する技術が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メタノールに対して若干余剰の水を供給し水分過多の状態で改質反応を起こさせ加湿する場合には、次のような不具合がある。例えば、余剰水の量を固定する場合、燃料電池の加湿不足を回避するためには、燃料電池の発電時に最大限必要とされる水分を水蒸気で供給する必要がある。よって、定量の余剰水を供給して改質反応を起こさせる必要があるが、改質反応の進行程度によっては水素ガス中の水蒸気量が変動したり、燃料電池の発電状態によっては水分過多となって電解質膜がいわゆる濡れすぎとなるため、電極反応が低下し電池性能の低下を招くことがある。
【０００７】
また、改質反応に用いる水の量の増減調節を通して水素ガス中の水蒸気量、即ち燃料電池の加湿程度を調節することも可能であるが、次のような理由から現実的ではない。即ち、供給水量の調節を減少側に行なう場合には、メタノールに対して水のモル数が少なくなるため、改質反応の中間生成物である一酸化炭素の発生頻度が増し、この一酸化炭素が燃料電池の陰極に供給されることになる。このように一酸化炭素が陰極に至ると、電極反応を促進させるために設けられている触媒層の触媒が一酸化炭素により被毒され、触媒としての機能が低下してしまう。このため、電極反応の停止、延いては燃料電池の運転停止を招く。
【０００８】
一方、特開平３−２６９９５５に提案されているように、改質ガスの温度を燃料電池の温度と略同じ程度に下げ、その下げた改質ガスに別途水を添加する技術では、温度を下げるための熱交換器と、水を添加する加湿器との両方が必要となり、システムのコンパクト化を図ることが困難であった。また、単純に熱交換器を省くと、加湿器に供給される改質ガスの温度が高温（約２５０〜３００℃）であることに起因して、所望の加湿状態に制御することが困難になるという問題があった。例えば、一般的な加湿器であるバブラーを用いた場合、バブラー内の水によって改質ガスが急激に冷却されるために、改質ガスが保有している水分がバブラー内に添加されバブラーの水管理が難しくなるほか、改質ガスによってバブラー内の水自体の温度が影響を受け、加湿量をコントロールし難くなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされ、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池の出力の安定化を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため本発明の燃料電池装置で採用した手段は、
水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置であって、
炭化水素化合物を水蒸気改質して、水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する改質手段と、
該生成された水素ガスを前記水蒸気とともに前記燃料電池に供給する供給手段と、
該供給される水素ガスの経路において前記水蒸気を除去し、前記燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する水蒸気混在量調節手段と、
前記燃料電池が運転されている運転状態を判断する運転状態判断手段と、
該判断した運転状態に基づいて、前記燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
該判定した湿潤状態に応じて前記水蒸気混在量調節手段を制御する制御手段とを備えること
をその要旨とする。
【００１２】
この本発明の燃料電池装置では、
前記水蒸気混在量調節手段は、
前記水素ガスの経路に設けられ、水素ガスが水蒸気とともに流入するようにして、該流入した水素ガス中の水蒸気混在量を調節するための緩衝容器と、
該緩衝容器の内部温度を制御する温度制御部とを有する。
【００１３】
この場合、前記緩衝容器は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスが通過する流体経路を容器内部との間で熱交換が行なえるように構成され、
前記温度制御部は、前記流体経路を通過する前記酸素含有ガス量を制御するものである。
【００１４】
【作用】
上記構成を有する本発明の燃料電池装置では、まず、改質手段により炭化水素化合物を水蒸気改質し、水蒸気の混在状態で水素ガスを生成する。この生成された水素ガスは、供給手段により水蒸気とともに燃料電池に供給されるが、その経路において水蒸気混在量調節手段による水蒸気の除去を通して、水素ガス中の水蒸気混在量が確実に調節される。よって、燃料電池に供給される水素ガス中の水分は水滴化することなく水蒸気として混在するので、燃料電池には水滴として水が水素ガスとともに供給されることはない。
【００１５】
しかも、運転状態判断手段の判断した燃料電池の運転状態に基づいて、湿潤状態判定手段により燃料電池内部の湿潤状態を判定する。そして、水素ガス中の水蒸気混在量を調節する水蒸気混在量調節手段を、制御手段により、燃料電池内部の湿潤状態に応じて制御するので、燃料電池内部の湿潤状態に応じて水素ガス中の水蒸気混在量を調節できる。よって、燃料電池内部の湿潤状態が水分過多であれば水蒸気混在量を少なく調節することで、水分過多を水蒸気としての水分で解消することができる。一方、水分不足であれば水蒸気混在量を多く調節することで、水分不足を水蒸気としての水分で解消することができる。
【００１６】
また、こうした燃料電池装置では、水素ガスの経路に設けられた緩衝容器の内部温度を温度制御部により制御するので、緩衝容器に水蒸気とともに流入する水素ガス中の水蒸気を、この緩衝容器内で除去し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する。
【００１７】
更に、こうした緩衝容器を、燃料電池に供給される酸素含有ガスが通過する流体経路を緩衝容器内部との間で熱交換が行なえるように構成したものとし、温度制御部により、流体経路を通過する酸素含有ガス量を制御する。よって、酸素含有ガスとの熱交換を通して緩衝容器の内部温度を制御し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する。このため、水素ガス中の水蒸気混在量の調節とともに、酸素含有ガスの温度をも調節できる。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明に係る燃料電池装置の好適な実施例について、図面に基づき説明する。図１は、実施例の燃料電池装置を適用した燃料電池システムのブロック図である。
【００１９】
実施例の燃料電池システム１０は、固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略称する）１２を中心に備え、ＰＥＦＣ１２には、酸素ガス供給管路１４からは酸素含有ガスである空気が、水素ガス供給管路１６からはメタノールを水蒸気改質して得られた水素ガスが、それぞれ供給される。水素ガス供給管路１６の管路には、水素ガス中の水蒸気混在量を調節するバッファータンク１８と、メタノール改質装置２０とが設けられている。なお、上記の両管路には適宜な箇所に逆流防止弁が設けられているが、本発明の要旨とは直接関係しないので図示されていない。
【００２０】
ＰＥＦＣ１２は、固体高分子電解質膜を陽陰の電極で挟持して備え、陽極への空気と陰極への水素ガスとの供給を受けて陽陰の電極において上記の▲１▼，▲２▼の電極反応を進行させる。そして、ＰＥＦＣ１２は、当該電極反応を経て得られた起電力により、配線２２，２４を介して外部の駆動機器、例えば電気自動車におけるモータを駆動する。
【００２１】
メタノール改質装置２０は、メタノールタンク２６から圧送ポンプ２８によりメタノールの供給を受け、水タンク３０から圧送ポンプ３２により水の供給を受ける。そして、メタノール改質装置２０は、改質触媒を介してメタノールと水との改質反応を２５０〜３００℃の温度で進行させてメタノールを水蒸気改質し、高温（約２６０℃前後）の水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する。この生成された水素ガスは、その下流のバッファータンク１８に送り出される。
【００２２】
このように水タンク３０からメタノール改質装置２０に水を供給するに当たっては、以下に説明するように、メタノールに対してやや過多の量の水が供給されている。つまり、メタノール改質装置２０に供給された水がメタノール改質装置２０で水蒸気改質されて生成する水素ガス中に水蒸気として残存し、しかも残存量（水蒸気混在量）がＰＥＦＣ１２の駆動時（発電時）に必要となり得る最大水蒸気量よりも若干多くなるよう、メタノール改質装置２０への水の供給量が定められている。換言すれば、水素ガス温度が約２６０℃からＰＥＦＣ１２の運転温度（８０〜１００℃）に近似した温度、例えば８０℃に降下しても、その温度における水素ガス中の水蒸気が飽和状態となり得る程度に、メタノールに対してやや過多の量の水が供給されている。
【００２３】
メタノール改質装置２０から水素ガスが送り出されるバッファータンク１８は、タンク内部の温度を調節する温度調節機構を有し、後述する電子制御装置によるこの温度調節機構の運転制御を通して、タンク内部温度を制御する。この場合、バッファータンク１８には、メタノール改質装置２０から高温（約２６０℃前後）の水素ガスが送られており、バッファータンク１８からＰＥＦＣ１２に供給する水素ガス温度は、ＰＥＦＣ１２の運転温度（８０〜１００℃）に近似した温度であることが望ましい。このため、バッファータンク１８は、水，空気等の冷却媒体を用いた温度調節機構として、次のような構成を備える。
【００２４】
図２に示すように、バッファータンク１８は、金属製の本体容器部４０の上下端を、上部カバー部４２，下部カバー部４４で塞ぎ、これらをＯリング４６を介在させてボルト４８により水密に締め付けて形成されている。上部カバー部４２にはガス導入ポート５０が設けられており、当該ポートはメタノール改質装置２０と接続されている。また、上部カバー部４２にはガス排出ポート５２が設けられており、当該ポートはＰＥＦＣ１２と接続されている。このため、バッファータンク１８内部には、ガス導入ポート５０を経てメタノール改質装置２０から高温の水素ガスが水蒸気の混在状態で流入し、タンク内に流入した水素ガスはガス排出ポート５２を経てＰＥＦＣ１２に供給されることになる。更に、上部カバー部４２には、バッファータンク１８内部の温度を検出するタンク側温度センサ５３が取付固定されている。なお、このタンク側温度センサ５３は、後述の電子制御装置７０に接続されている。
【００２５】
一方、下部カバー部４４には、バッファータンク内部で凝結して液化した水５４を排出するための水排出ポート５６が設けられおり、この水排出ポート５６は、図１に示すように循環用ポンプ５８を介在させて水循環管路６０により水タンク３０と接続されている。このため、バッファータンク１８内部に滞留した水５４は、循環用ポンプ５８により、水タンク３０に返送され、メタノール改質装置２０に供給する水として循環する。なお、上記した水の循環は、所定時間毎の循環用ポンプ５８の間歇駆動により、間歇的に行なわれている。
【００２６】
本体容器部４０の側壁には、水や空気等の冷却媒体が通過する冷却媒体流路６２が容器内部を取り囲むよう形成されている。従って、図示しない流入口から冷却媒体が外部配管６３を経て冷却媒体流路６２に流入し、当該流路を冷却媒体が通過すれば、当該冷却媒体とバッファータンク１８内部の水素ガスとの間で熱交換が起きる。このため、冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の温度や通過量（単位時間当たり流量）の制御を通して、タンク内部温度を制御すること、即ち水素ガス温度を制御することが可能である。なお、この冷却媒体流路６２は、隣合う流路から独立して個別に形成しても良く、また、螺旋状に形成しても良い。
【００２７】
本体容器部４０の内部には、タンク内部を上下に区画する多孔の隔壁６４が設けられており、この隔壁６４で区画された上部空間には、熱伝導率の高い金属またはセラミックの球状充填物６６が充填されている。このため、ガス導入ポート５０を経て流入した水蒸気混在状態の高温の水素ガスと冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体との熱交換は、隔壁６４上方の上部空間の球状充填物６６を介して効率よく行なわれる。また、本体容器部４０は、その外周において断熱材６８により被覆されており、本体容器部４０側壁から外部への熱の放出は遮断されている。
【００２８】
従って、上記構造を有するバッファータンク１８に高温（約２６０℃前後）の水素ガスが水蒸気の混在状態で流入すると、この高温の水素ガスは、冷却媒体との熱交換を経てバッファータンク１８内部において冷却され、冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の温度やその通過量で規定される温度とされる。この水素ガスの冷却により、水素ガス中の水蒸気は、冷却後の水素ガス温度（タンク内部温度）における飽和水蒸気量を越える分についてバッファータンク１８内部において凝結して水滴となり、水素ガス中には、水蒸気が飽和状態で存在することになる。冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量は、電子制御装置からの制御信号により定まり、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２に接続された外部配管６３に設けられた流量調整バルブ６５を駆動制御することで流量調整、即ちタンク内温度調節がなされる。なお、凝結した水滴は、隔壁６４の孔を通過して隔壁６４下方の下部空間に落下し、水排出ポート５６から水タンク３０に返送される。
【００２９】
燃料電池システム１０は、この他、バッファータンク１８におけるタンク内部温度を制御するための電子制御装置７０と、ＰＥＦＣ１２における固体高分子電解質膜と電極（陰極）との接合部近傍の温度を検出する電池側温度センサ７２と、ＰＥＦＣ１２の出力電圧を検出する電圧計７４と、インピーダンスを検出するインピーダンス計７６とを備える。この電子制御装置７０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に論理演算回路として構成され、これらとコモンバスを介して相互に接続された入力ポート及び出力ポートにより外部との入出力を行う。本実施例の燃料電池システム１０では、電子制御装置７０は、タンク側温度センサ５３，電池側温度センサ７２，電圧計７４およびインピーダンス計７６から、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫ，ＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ，ＰＥＦＣ１２の出力電圧ＶおよびＰＥＦＣ１２のインピーダンスＺの入力を受け、バッファータンク１８の内部温度を調節すべく、バッファータンク１８の流量調整バルブ６５を駆動制御する。
【００３０】
次に、上記した構成を備える本実施例の燃料電池システム１０において行なわれる燃料電池システム運転制御（ルーチン）について、図３のフローチャートに基づき説明する。図示するように、この燃料電池システム運転ルーチンは、まず、燃料電池システム１０のメインスイッチがＯＮであるかＯＦＦであるかを判断する（ステップＳ１００）。なお、このメインスイッチのＯＮ／ＯＦＦは、例えばバッテリの蓄電状態等に応じて制御用コンピュータから出力される指令信号で代用できるので、メインスイッチは機械的なスイッチに限定されるものではない。
【００３１】
このステップＳ１００で肯定判断が下される場合には、この燃料電池システム１０がメインスイッチのＯＮを受けて当初のＯＮ状態に至ったシステムの立上げの場合と、このＯＮ状態が継続している定常運転継続中の場合とがある。よって、ステップＳ１００での肯定判断に続いては、燃料電池システム１０のＯＮ状態は既に所定期間に亘り継続している旨を示すフラグ（ＯＮ状態継続フラグＦＯＮ）の値が１であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。なお、このＯＮ状態継続フラグＦＯＮは、最初の本ルーチンの実行に先立つ初期処理にて初期値０とされ、後述の本ルーチンの処理にて値０或いは値１とされる。
【００３２】
ここで、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮ≠１であれば、燃料電池システム１０がメインスイッチのＯＮを受けて当初のＯＮ状態に至ったシステム立上げ時なので、以下に記す複数の処理からなるシステム立上げ過渡期処理（ステップＳ１１０）に移行する。そして、当該処理が終了すれば「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００３３】
このステップＳ１１０のシステム立上げ過渡期処理では、図４に示すように、タンク側温度センサ５３と電池側温度センサ７２からバッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫとＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣを入力し（ステップＳ１１２）、その後、両温度を比較する（ステップＳ１１４）。即ち、タンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより高い温度であるか否かを判断する。
【００３４】
ここで、肯定判断すれば、バッファータンク１８の内部温度の制御目標温度をステップＳ１１２で入力したＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとし、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとタンク内部温度ＴＴＡＮＫとの差に応じてバッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量増大側に駆動制御する（ステップＳ１１６）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は多くの流量となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて増大するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは降下することになる。なお、ステップＳ１１６に続いては、後述のステップＳ１２２が実行される。
【００３５】
一方、ステップＳ１１４で否定判断した場合には、ＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの差が所定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１８）。つまり、ステップＳ１１４で否定判断すればＴＴＡＮＫ≦ＴＰＥＦＣであるが、その温度差が適正であるか、より詳細に説明すればタンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに比べて低すぎないかを判断する。このステップＳ１１８で肯定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下でありその温度差は適正であるためにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを変更制御する必要がないとして、後述のステップＳ１２２に移行する。
【００３６】
これに対して、ステップＳ１１８で否定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下であるもののＴＴＡＮＫはＴＰＥＦＣに比べて低すぎることになる。よって、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに近づくよう昇温させるべく、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量減少側に駆動制御する（ステップＳ１２０）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は流量減となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて減少するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは上昇することになる。
【００３７】
そして、ステップＳ１１６，１１８およびステップＳ１２０に続いては、燃料電池システム１０がシステム立上げ過渡期にあるか或いは定常運転の継続中にあるか否かをメインスイッチがＯＮとされてからの経過時間等に基づき判断する（ステップＳ１２２）。ここで、否定判断すればいまだシステム立上げ過渡期であるとして、新たな処理を行なうことなく「リターン」を抜け、上記した各処理を繰り返す。
【００３８】
一方、ステップＳ１２２で肯定判断すれば、燃料電池システム１０はシステム立上げ過渡期を脱して定常運転の継続中にあることになるので、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮに値１をセットする（ステップＳ１２４）。このようにＦＯＮ＝１とされると、その後の本ルーチンのステップＳ１０５で肯定判断されるので（図３参照）、このステップＳ１２４でＦＯＮに値１がセットされるまでの間に亘って、上記したステップＳ１１２〜１２４までの処理からなるシステム立上げ過渡期処理が繰り返し実行される。
【００３９】
燃料電池システム１０がシステム立上げ過渡期にある間は、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣはＰＥＦＣ１２の運転に伴って昇温する。よって、この間にステップＳ１１２〜１２４からなるシステム立上げ過渡期処理を繰り返すことにより、バッファータンク１８は、そのタンク内部温度ＴＴＡＮＫがＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度となるよう、当初の温度から昇温制御される。このため、燃料電池システム１０がシステム立上げ過渡期にある場合には、バッファータンク１８に流入した水素ガス（約２６０℃前後）は、冷却媒体との熱交換を経てＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度であるタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされるとともに、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇に併せて上昇したタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされる。よって、バッファータンク１８において、水素ガス中の水蒸気は、ＴＰＥＦＣ以下の温度における飽和状態とされ、過剰な水蒸気は凝結してバッファータンク１８内で水滴となる。また、ＰＥＦＣ１２に供給される水素ガス中の水蒸気量は、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇に併せて増加することになる。
【００４０】
従って、バッファータンク１８のガス排出ポート５２からは、水蒸気を飽和状態で混在した水素ガスがＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度でＰＥＦＣ１２に供給される。このため、燃料電池システム１０のシステム立上げ過渡期には、水分が水滴としてＰＥＦＣ１２に供給されることがないとともに、電池内部で水蒸気が凝結して水滴化することもない。しかも、ＰＥＦＣ１２の昇温に併せてバッファータンク１８内のタンク内部温度ＴＴＡＮＫを高めていくことができる。
【００４１】
このようにシステム立上げ過渡期処理のステップＳ１２４においてＦＯＮ＝１とされると、システム立上げ過渡期処理の終了時にあってもシステムＯＮであることと相俟って、次回の本ルーチンでは、ステップＳ１００の肯定判断に続くステップＳ１０５で肯定判断される。そして、この肯定判断を受けて、燃料電池システム１０はＯＮ状態が継続している定常運転継続中の状態にあるといえる。よって、この場合には、以下に記す複数の処理からなるシステム定常運転時処理（ステップＳ１３０）に移行し、当該処理が終了すれば「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４２】
このステップＳ１３０のシステム定常運転時処理では、図５に示すように、まず、電圧計７４とインピーダンス計７６からＰＥＦＣ１２の出力電圧ＶとインピーダンスＺを入力する（ステップＳ１３２）。
【００４３】
ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜は適度な湿潤状態にあれば良好な電気伝導性（イオン導電性）を発揮することから、固体高分子電解質膜の含水率が過多となると、ＰＥＦＣ１２の出力は低下する。また、この電解質膜に接合する電極表面が水滴で閉塞されても、膜への水素ガスの透過が阻害されるのでやはりＰＥＦＣ１２の出力は低下する。つまり、この両者の場合は、電池内部の湿潤状態が水分過多の場合であり、この水分過多の状態に至るとＰＥＦＣ１２の出力電圧Ｖは低下する。しかも、このように水分過多となると、ＰＥＦＣ１２のインピーダンスＺは低下することが知られている。その反面、電池内部の湿潤状態が水分不足となって固体高分子電解質膜の含水率が低下すると、ＰＥＦＣ１２の出力電圧Ｖは低下するとともに、インピーダンスＺは上昇することが知られている。
【００４４】
従って、ステップＳ１３２で入力したＰＥＦＣ１２の出力電圧ＶとインピーダンスＺとから、ステップＳ１３２に続くステップＳ１３４では、ＰＥＦＣ１２内部の湿潤状態が適正であるか、水分過多（濡れすぎ）或いは水分不足（乾きすぎ）であるか否かを判断する。このステップＳ１３４で、電池内部の湿潤状態が適正であると判断すると、ＰＥＦＣ１２が適正な運転を継続していくためには、バッファータンク１８内のタンク内部温度ＴＴＡＮＫの変更は必要ないとして、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５の流量を固定維持する（ステップＳ１３６）。よって、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは、電池内部の湿潤状態が適正状態にあると判断したときの温度に維持される。このため、バッファータンク１８においては、流入する水素ガス中の水蒸気は一定量が凝結して水滴化し、水素ガス中に混在する水蒸気量は定量となる。その後は、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４５】
一方、ステップＳ１３４で出力電圧ＶとインピーダンスＺとからＰＥＦＣ１２内部の湿潤状態が上記した水分過多であると判断した場合には、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量増大側に駆動制御する（ステップＳ１３８）。この際、流量調整バルブ６５には、電池内部の湿潤状態が適正状態にあるときの出力電圧ＶおよびインピーダンスＺと、ステップＳ１３２で入力した出力電圧ＶおよびインピーダンスＺとを対比して得られる制御信号が出力され、水分過多の程度が大きいほど流量調整バルブ６５は多くの流量となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が水分過多の程度に応じて増大するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは降下することになる。この結果、バッファータンク１８においては、流入する水素ガス中の水蒸気は多くの量が凝結して水滴化し、水素ガス中に混在する水蒸気量は減少するので水素ガスにおける水蒸気量は以前より少なくなる。そして、ステップＳ１３６の後には、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４６】
このようにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを降下させるに当たっては、冷却媒体の流量増に伴うタンク内部温度ＴＴＡＮＫの温度変化が電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに対して最大−１０℃程度になるよう、冷却媒体流量が増大制御される。
【００４７】
また、ステップＳ１３４で出力電圧ＶとインピーダンスＺとからＰＥＦＣ１２内部の湿潤状態が上記した水分不足であると判断した場合には、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量減少側に駆動制御する（ステップＳ１４０）。この際、流量調整バルブ６５には、電池内部の湿潤状態が適正状態にあるときの出力電圧ＶおよびインピーダンスＺと、ステップＳ１５２で入力した出力電圧ＶおよびインピーダンスＺとを対比して得られる制御信号が出力され、水分不足の程度が大きいほど流量調整バルブ６５は流量減少側に駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が水分不足の程度に応じて減少するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは上昇することになる。この結果、バッファータンク１８においては、流入する水素ガス中の水蒸気は少量しか凝結して水滴化せず、水素ガス中に混在する水蒸気量はあまり減少しない。つまり、水素ガスにおける水蒸気量は以前より多くなる。そして、ステップＳ１４０の後には、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００４８】
このようにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを上昇させるに当たっては、冷却媒体の流量増に伴うタンク内部温度ＴＴＡＮＫの温度変化が電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに対して最大＋５℃程度になるよう、冷却媒体流量が減少制御される。
【００４９】
従って、ＰＥＦＣ１２が定常運転にある場合には、ステップＳ１３２〜１４０からなる定常運転時処理が繰り返されるので、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫは、電池内部の湿潤状態に応じて温度制御される。このため、ＰＥＦＣ１２が定常運転状態にある場合には、バッファータンク１８に流入した水素ガス（約２６０℃前後）は、バッファータンク１８における冷却媒体との熱交換を経て温度制御されるので、水素ガス中の水蒸気は、バッファータンク１８における凝結を経てその混在量が電池内部の湿潤状態に応じて調節される。
【００５０】
よって、バッファータンク１８のガス排出ポート５２からは、電池内部の湿潤状態が水分過多であれば、水蒸気混在量が以前より少ない水素ガスがＰＥＦＣ１２に供給されて水分過多が解消されることになる。また、水分不足であれば、水蒸気混在量が以前より多い水素ガスがＰＥＦＣ１２に供給されて水分不足が解消されることになる。そして、水分過多或いは水分不足が解消されれば、一定量の水蒸気を混在する水素ガスが継続してＰＥＦＣ１２に供給されることになる。
【００５１】
しかも、このような水蒸気混在量の調節は、バッファータンク１８において水素ガス中の水蒸気の凝結・水滴化を経た水蒸気の除去を通して行なわれるので、ＰＥＦＣ１２に供給される水素ガス中には水分が水蒸気として混在し、ＰＥＦＣ１２には水分が水滴として水素ガスとともに供給されることはない。
【００５２】
燃料電池システム１０がシステムのＯＮ状態にある時には、当該システムに含まれるＰＥＦＣ１２やメタノール改質装置２０，バッファータンク１８は上記したように駆動制御されているが、メインスイッチのＯＦＦや非常停止スイッチ等のＯＮ等を受けて、燃料電池システム１０はシステムのＯＮ状態からＯＦＦ状態に至る。すると、図３に示すように、本ルーチンのステップＳ１００では否定判断され、次のステップＳ１４５に移行する。
【００５３】
燃料電池システム１０がＯＦＦ状態にある場合には、燃料電池システム１０が上記したＯＮ状態からＯＦＦ状態に推移した場合とシステムのＯＦＦ状態が継続している場合とがあり、この両者の場合であっても、ステップＳ１００で否定判断が下される。そこで、いずれのＯＦＦ状態であるかを判断すべく、ステップＳ１００の否定判断に続くステップＳ１４５では、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮの値が１であるか否かを、再度判断する。なお、システムがＯＦＦ状態にある場合には、システムを構成する総ての機器がＯＦＦとなっている場合の他、各機器、例えばＰＥＦＣ１２やメタノール改質装置２０，バッファータンク１８等がＯＦＦ状態にある場合も該当する。
【００５４】
そして、このステップＳ１４５で否定判断（ＦＯＮ＝０）すれば、このＯＮ状態継続フラグＦＯＮはシステムのＯＮの後のシステム立上げ過渡期処理においてしか値１とされないので、当初からＦＯＮ＝０のまま、即ち燃料電池システム１０のＯＦＦ状態は継続している場合である。よって、ステップＳ１４５で否定判断した場合には、「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。
【００５５】
しかし、ステップＳ１４５で肯定判断した場合（ＦＯＮ＝１）には、燃料電池システム１０の状態がＯＮ状態からＯＦＦ状態に推移した場合であるので、以下に記す複数の処理からなるシステム停止過渡期処理（ステップＳ１５０）に移行する。そして、当該処理が終了すれば「リターン」を抜けて上記処理を繰り返す。このシステム停止過渡期処理は、メインスイッチのＯＦＦ後に、それまで運転中であった燃料電池システム１０をその再起動時を考慮して良好な状態で停止させることを目的とするものであり、このシステム停止過渡期にある間はＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣはメインスイッチのＯＦＦ後に徐々に降温（降下）することも考慮されている。
【００５６】
より詳しく説明すると、ＰＥＦＣ１２やメタノール改質装置２０，バッファータンク１８等の燃料電池システム１０の各構成機器をメインスイッチのＯＦＦ後に総て一律にＯＦＦとするのではない。そして、各構成機器を一律にＯＦＦとしないことで、当該スイッチのＯＦＦに連動して停止するメタノール改質装置２０から水蒸気を混在した残ガスがＰＥＦＣ１２に流入してＰＥＦＣ１２内で水蒸気が凝結することを防止するとともに、その残ガス中の余分な水蒸気の除去を図るために、メインスイッチのＯＦＦ後もしばらくの間、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫをＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの低下に併せて低下させるよう制御するのである。
【００５７】
即ち、このステップＳ１５０のシステム停止過渡期処理では、図６に示すように、システム立上げ過渡期処理におけるステップＳ１１２〜１２０までと同様、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの降下に追従して制御する。まず、タンク内部温度ＴＴＡＮＫと電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣを入力し（ステップＳ１５２）、その後、両温度を比較して（ステップＳ１５４）、タンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより高い温度であるか否かを判断する。
【００５８】
ここで、肯定判断すれば、バッファータンク１８の内部温度の制御目標温度をステップＳ１５２で入力したＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとし、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣとタンク内部温度ＴＴＡＮＫとの差に応じてバッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量増大側に駆動制御する（ステップＳ１５６）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は多くの流量となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて増大するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは降下することになる。なお、ステップＳ１５６に続いては、後述のステップＳ１６２が実行される。
【００５９】
一方、ステップＳ１５４で否定判断した場合には、ＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの差が所定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ１５８）。つまり、ステップＳ１５４で否定判断すればＴＴＡＮＫ≦ＴＰＥＦＣであるが、その温度差が適正であるか、より詳細に説明すればタンク内部温度ＴＴＡＮＫが電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに比べて低すぎないかを判断する。このステップＳ１５８で肯定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下でありその温度差は適正であるためにタンク内部温度ＴＴＡＮＫを変更制御する必要がないとして、後述のステップＳ１６２に移行する。
【００６０】
これに対して、ステップＳ１５８で否定判断すれば、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下であるもののＴＴＡＮＫはＴＰＥＦＣに比べて低すぎることになる。よって、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに近づくよう昇温させるべく、バッファータンク１８の冷却媒体の流量調整バルブ６５を流量減少側に駆動制御する（ステップＳ１６０）。この際、流量調整バルブ６５にはＴＰＥＦＣとＴＴＡＮＫとの温度差に応じた制御信号が出力され、温度差が大きいほど流量調整バルブ６５は流量減となるよう駆動制御される。このため、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却媒体の流量が温度差に応じて減少するので、タンク内部温度ＴＴＡＮＫは上昇することになる。
【００６１】
そして、ステップＳ１５６，１５８およびステップＳ１６０に続いては、燃料電池システム１０がシステム停止過渡期にあるか或いは停止継続中にあるか否かをメインスイッチがＯＦＦとされてからの経過時間等に基づき判断する（ステップＳ１６２）。ここで、否定判断すればいまだシステム停止過渡期であるとして、新たな処理を行なうことなく「リターン」を抜け、上記した各処理を繰り返す。
【００６２】
一方、ステップＳ１６２で肯定判断すれば、燃料電池システム１０はシステム停止過渡期を脱して停止継続中に至ったこと或いは当初から停止継続中であることになるので、ＯＮ状態継続フラグＦＯＮに値０をセットする（ステップＳ１６４）。このようにＦＯＮ＝０とされると、その後の本ルーチンのステップＳ１０５では否定判断されるので（図３参照）、このステップＳ１６４でＦＯＮに値０がセットされるまでの間に亘って、上記したステップＳ１５２〜１６４までの処理からなるシステム停止過渡期処理が繰り返し実行される。
【００６３】
従って、燃料電池システム１０がシステム停止過渡期にある間には、ステップＳ１５２〜１６４からなるシステム停止過渡期処理が繰り返されこの間は電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣは徐々に低下するので、バッファータンク１８は、そのタンク内部温度ＴＴＡＮＫがＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度となるよう運転継続中の温度から降温制御される。このため、メインスイッチのＯＦＦ等を受けてシステムがＯＦＦ状態とされた場合には、バッファータンク１８に流入した残ガスは、冷却媒体との熱交換を経てＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより低い温度であるタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされる。しかも、この場合には、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣは徐々に降下する。よって、バッファータンク１８に流入した残ガスは、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの降下に併せて降下したタンク内部温度ＴＴＡＮＫとされる。この結果、バッファータンク１８において、残ガス中の水蒸気は、ＴＰＥＦＣより低い温度における飽和状態とされ、過剰な水蒸気は凝結してバッファータンク１８内で水滴となり水素ガス供給管路１６の経路外に除去される。また、ＰＥＦＣ１２に供給される残ガス中の水蒸気量は、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの降下に併せて減少することになる。
【００６４】
よって、バッファータンク１８のガス排出ポート５２からは、水蒸気を飽和状態で混在した残ガスがその時のＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣより所定温度（α）だけ低い温度でＰＥＦＣ１２に供給される。このため、システム停止の場合には、水分が水滴として供給されることがないとともに、ＴＰＥＦＣ＞ＴＴＡＮＫであることから電池内部で水蒸気が凝結して水滴化することもない。従って、システム停止の場合には、電池内部に水分が水滴として残存することがない。
【００６５】
以上説明したように本実施例の燃料電池システム１０では、ＰＥＦＣ１２に水分を水蒸気として供給する水素ガス中の水蒸気混在量の調節を、バッファータンク１８のタンク内部温度ＴＴＡＮＫの調節を経た水蒸気の除去を通して行なう。この結果、本実施例の燃料電池システム１０によれば、水素ガス中の水蒸気混在量の調節を確実に行なうことができ、燃料電池の出力の安定化を図ることができる。
【００６６】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、システム停止の場合に、ＰＥＦＣ１２に水分を水滴として供給せず、しかもＰＥＦＣ１２におけるガス中の水蒸気の凝結を回避する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、システム停止の場合に、電池内部に水分が水滴として残存することがなくＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜／電極接合体の界面に塗布された触媒の劣化や、ＰＥＦＣ１２におけるガス配管の腐食等を確実に回避することができる。
【００６７】
また、システム停止の場合にあっても、水蒸気として水分を供給する。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、不用意な固体高分子電解質膜のいわゆるドライアップを回避し、再起動時における始動特性を向上させることができる。
【００６８】
更に、本実施例の燃料電池システム１０では、システムの立上げ過渡期に、ＰＥＦＣ１２に水分を水滴として供給せず、しかもＰＥＦＣ１２における水素ガス中の水蒸気の凝結を回避する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜に接合する電極表面を水滴で閉塞することがなく膜への水素ガスの透過を阻害しないので、始動特性を向上させることができるとともに、起動初期から早期のうちに適正な出力電圧を得ることができる。
【００６９】
また、システムの立上げ過渡期には、水素ガス中の水蒸気を飽和状態でかつその量を電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇に併せて増加させる。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣの上昇の間に亘っての電池内部の湿潤状態の適正化を通して、ＰＥＦＣ１２をより速く定常運転にすることができる。
【００７０】
加えて、本実施例の燃料電池システム１０では、ＰＥＦＣ１２が定常運転にある場合にあっても、ＰＥＦＣ１２には水分を水滴として供給せず、ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜への水分補給を飽和状態の水蒸気で賄う。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、ＰＥＦＣ１２の固体高分子電解質膜に接合する電極表面を水滴で閉塞することがなく膜への水素ガスの透過を阻害しないので、定常運転時における電極反応の円滑な進行を通して安定した出力を得ることができる。
【００７１】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、ＰＥＦＣ１２が定常運転にある場合に、水素ガス中の水蒸気の混在量を電池内部の湿潤状態に応じて調節する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、電池内部が水分過多や水分不足に至ってＰＥＦＣ１２の出力が低下しても、水素ガス中の水蒸気混在量の調整を通してこの水分過多や水分不足を解消し、安定した出力を得ることができる。
【００７２】
ここで、上記した本実施例の燃料電池システム１０と水蒸気混在量の調節を行なわず水蒸気混在量が一定（定常状態に必要な水蒸気混在量）の水素ガスを供給する従来例の装置との評価試験について説明する。この評価試験は、ＰＥＦＣ１２の定常運転時の出力（電流値）を１００とした場合、その出力を起動からの経過時間毎に測定することで行なった。その結果を図７に示す。
【００７３】
この図７から明らかなように、本実施例の燃料電池システム１０によれば、起動時からスムースに出力が上昇し、１５分を経過すれば定常時の約９０％の出力を得ることができた。しかも、３０分経過後にはほぼ１００％の出力を継続して得ることができた。しかしながら、従来例では、起動初期には急激に出力が立ち上がるものの１０分経過後からは徐々に出力が低下した。しかも、１０分経過時点の出力は定常時の約６７％に過ぎなかった。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、安定した出力を得ることができることが判明した。なお、従来例の装置で観察された出力の様子は、以下のように説明できる。
【００７４】
従来例では、水蒸気混在量が調節されていないので、燃料電池にはその温度が低いものの大量の水蒸気が供給される。このため、一時的にセル抵抗が低下して急激に出力が上がる。しかし、その後は、過剰な水蒸気が燃料電池内部で凝結して水滴化し、電極を閉塞したりセル抵抗の上昇を招く。このため、定常時の出力まで上昇することなく徐々に出力が低下する。
【００７５】
また、本実施例の燃料電池システム１０によれば、次のような利点がある。即ち、本実施例の燃料電池システム１０では、バッファータンク１８で水蒸気が水滴化した水を、循環用ポンプ５８により水循環管路６０を経て水タンク３０に返送し、メタノール改質装置２０に供給する水として循環させる。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、水の利用効率を高めることができる。
【００７６】
次に、他の実施例について説明する。まず、第２実施例について説明する。この第２実施例の燃料電池システムは、上記した燃料電池システム１０におけるバッファータンク１８の冷却媒体を酸素ガス供給管路１４を経てＰＥＦＣ１２に供給される酸素含有ガス（空気）とした点で、その構成が相違する。即ち、図８に示すように、ＰＥＦＣ１２に空気を供給する酸素ガス供給管路１４には、その上流側から空気の圧送ポンプ８０が設けられており、当該ポンプの下流においては、この酸素ガス供給管路１４は、バッファータンク１８の下流で合流する分岐管路１４ａ，１４ｂとされている。各分岐管路１４ａ，１４ｂには、当該管路を通過する流量を調整する流量調整バルブ８１，８２が設けられている。なお、圧送ポンプ８０としてはコンプレッサーによる大気加圧供給装置を例示することができる。また、圧送ポンプ８０の外には、例えば高圧空気ガスボンベや液体空気タンクを用いたガス供給装置を用いることもできる。
【００７７】
流量調整バルブ８２が設けられた側の分岐管路１４ｂは、バッファータンク１８の外部配管６３（図２参照）と接続されており、この分岐管路１４ｂを通過する空気がバッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通する間に水素ガスとの熱交換に供される。また、この酸素ガス供給管路１４には、管路を通過する空気を加湿する加湿器８３が各分岐管路の合流点下流に設けられている。なお、この加湿器８３は、管路を通過する空気を加湿することができればいかような構成でも良く、バブリング法による加湿器の他、水を直接ガス気流中で霧化する方式の加湿器や、気体状の水（水蒸気）は通すが液体状の水は通さない多孔質膜を用いて加湿する方式の加湿器など、いずれの加湿器を採用しても良い。このように加湿器８３により加湿することで空気温度が低下する場合には、加熱手段を加湿器と併用することにより、ＰＥＦＣ１２には所定温度まで昇温させた空気を供給することができる。
【００７８】
上記構成の第２実施例の燃料電池システムでは、電子制御装置７０からの制御信号により各分岐管路１４ａ，１４ｂの流量調整バルブ８１，８２を駆動制御することで、例えばその流量比を制御することで、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する空気の流量を調節できる。このため、第２実施例の燃料電池システムによれば、バッファータンク１８のタンク内部温度の調節を通した水素ガス中の水蒸気混在量の調節による燃料電池出力の安定化に加え、ＰＥＦＣ１２にはバッファータンク１８で昇温させた空気を供給できる。よって、空気温度の昇温調節を通して、より一層電極反応を円滑化させて安定した出力を得ることができる。また、ＰＥＦＣ１２に供給する空気を昇温させるための特別な装置を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
【００７９】
次に、第３実施例について説明する。この第３実施例の燃料電池システムは、上記した燃料電池システム１０におけるバッファータンク１８の冷却媒体をＰＥＦＣ１２の冷却水とした点で、その構成が相違する。即ち、図９に示すように、ＰＥＦＣ１２の図示しない冷却水流路に冷却水を循環供給する冷却水循環管路８４には、電池側温度センサ７２（図１参照）の検出したＰＥＦＣ１２の電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣに応じて冷却水循環管路８４の冷却水流量を調整する冷却水ポンプ８５と、当該管路の冷却水を放熱を通して所定温度に冷却（維持）する放熱器８６とが設けられている。また、冷却水循環管路８４には、バッファータンク１８の外部配管６３（図２参照）に接続されたタンク冷却水循環管路８７が、冷却水ポンプ８５の下流で冷却水循環管路８４から分岐し放熱器８６の上流で冷却水循環管路８４と合流するよう設けられている。そして、このタンク冷却水循環管路８７には、当該管路を通過する流量を調整する流量調整バルブ８８が設けられている。
【００８０】
従って、タンク冷却水循環管路８７を通過する燃料電池冷却水がバッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通する間に水素ガスとの熱交換に供される。このため、第３実施例の燃料電池システムでは、電子制御装置７０からの制御信号によりタンク冷却水循環管路８７の流量調整バルブ８８を駆動制御することで、バッファータンク１８の冷却媒体流路６２を通過する冷却水の流量を調節できる。この結果、第３実施例の燃料電池システムによれば、既述した第１実施例と同様に、バッファータンク１８のタンク内部温度の調節を通して水素ガス中の水蒸気混在量を調節し、燃料電池出力の安定化を図ることができる。また、バッファータンク１８における熱交換媒体の供給を行なうためだけの特別な装置を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
【００８１】
次に、第４実施例の燃料電池システムについて説明する。この第４実施例の燃料電池システムは、熱交換により水素ガス中の水蒸気を凝結・水滴化して水素ガス中の水蒸気混在量を調整するバッファータンク１８に代わり、吸水性高分子樹脂や多孔質体粒子等を内蔵しこれらにガス中の水蒸気を吸着して水素ガス中の水蒸気を除去する除湿装置を用いた点で、その構成が相違する。即ち、図１０に示すように、ＰＥＦＣ１２に水素ガスを供給する水素ガス供給管路１６は、メタノール改質装置２０とＰＥＦＣ１２との間において、メタノール改質装置２０の下流で分岐しＰＥＦＣ１２手前で合流する分岐管路１６ａ，１６ｂとされている。各分岐管路１６ａ，１６ｂには、当該管路を通過する流量を調整する流量調整バルブ８９，９０が設けられている。そして、分岐管路１６ｂには、流量調整バルブ９０の下流にガス中の水蒸気を吸着して水素ガス中の水蒸気を除去する除湿装置９１が設けられている。この除湿装置９１は、内蔵する吸水性高分子樹脂等の量や性質により、当該装置を通過する水素ガスの単位流量当たり一定の水蒸気を除湿する能力を有する。このため、除湿装置９１を通過する水素ガスの流量を変えることで、水蒸気除去量を調節することができる。
【００８２】
上記構成の第４実施例の燃料電池システムでは、電子制御装置７０からの制御信号により各分岐管路１６ａ，１６ｂの流量調整バルブ８９，９０を駆動制御することで、例えばその流量比を制御することで、各分岐管路が合流してＰＥＦＣ１２に至る水素ガス中の水蒸気混在量を除湿装置９１による水蒸気除去を通して調節できる。このため、第４実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池出力の安定化を図ることができる。なお、分岐管路１６ａにも、流量調整バルブ８９の下流に分岐管路１６ｂの除湿装置９１と異なる除湿能力を有する除湿装置を設け、電子制御装置７０からの制御信号により各分岐管路１６ａ，１６ｂの流量調整バルブ８９，９０を駆動制御するよう構成することもできる。
【００８３】
以上本発明の一実施例について説明したが、本発明はこの様な実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００８４】
例えば、システム停止過渡期処理において、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下でその温度差が適正（α）となるよう降温制御したが（ステップＳ１５８，１６０）、タンク内部温度ＴＴＡＮＫを電解質膜近傍温度ＴＰＥＦＣ以下の温度となるよう降温制御するよう構成することもできる。つまり、システム停止過渡期処理におけるステップＳ１５８を省略し、ステップＳ１５４で否定判断した場合にはステップＳ１６０に移行すればよい。
【００８５】
なお、上記した実施例では、水素ガス中の水蒸気混在量を水素ガス管路中から除去することで調節したが、燃料電池の出力の安定化を図るには、水蒸気除去と水蒸気混入を併用して次のように構成することもできる。
【００８６】
即ち、水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置であって、
炭化水素化合物を水蒸気改質して、水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する改質手段と、
該生成された水素ガスを前記水蒸気とともに前記燃料電池に供給する供給手段と、
前記燃料電池の運転状態を判断する運転状態判断手段と、
該判断した運転状態に基づいて前記燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
前記燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を、前記判定した湿潤状態に応じて増減調節する水蒸気混在量増減調節手段とを備える。
【００８７】
この場合、水蒸気混在量を増減調節する水蒸気混在量増減調節手段は、上記した各実施例におけるバッファータンク１８や除湿装置９１等の水蒸気除去装置と、加湿装置等の水蒸気混入装置を併用することで実現される。
【００８８】
この燃料電池装置では、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節するに当たり、水素ガス中に水蒸気を混入したり除去することで水蒸気混在量を増減調節する。そして、この増減調整を燃料電池の運転状態に基づいて判定した燃料電池内部の湿潤状態に応じて行なう。このため、燃料電池内部の湿潤が過多であれば、供給される水素ガス中の水蒸気混在量を、水蒸気の除去により少なめに調節して湿潤過多を回避することができる。一方、燃料電池内部の湿潤が不足していれば、供給される水素ガス中の水蒸気混在量を、水蒸気の添加により多めに調節して湿潤不足を回避することができる。この結果、常に燃料電池内部を好適な湿潤状態におくことを通して、安定した出力を得ることができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の燃料電池装置では、燃料電池に水分を水蒸気として供給する水素ガス中の水蒸気混在量の調節を水蒸気の除去を通して確実に行なう。この結果、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池内部を好適な湿潤状態におくことができ、燃料電池の出力の安定化を図ることができる。また、加湿器等を別途必要としないので、その構成の簡略化を図ることもできる。
【００９０】
しかも、本発明の燃料電池装置では、燃料電池には水分を水滴として供給せず、燃料電池への水分補給を飽和状態の水蒸気で賄う。この結果、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池における電極を水滴で閉塞することがなく、電解質膜への水素ガスの透過を阻害しないので、電極反応の円滑な進行を通して安定した出力を得ることができる。
【００９１】
しかも、本発明の燃料電池装置では、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気の混在量を燃料電池内部の湿潤状態に応じて調節する。このため、本発明の燃料電池装置によれば、電池内部が水分過多や水分不足に至って出力が低下しても、水素ガス中の水蒸気混在量の調整を通してこの水分過多や水分不足を解消し、安定した出力を得ることができる。
【００９２】
また、本発明の燃料電池装置では、燃料電池に供給される酸素含有ガスとの熱交換を通して緩衝容器の内部温度を制御し、燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する。このため、本発明の燃料電池装置によれば、水素ガス中の水蒸気混在量の調節に加え、酸素含有ガスの温度をも調節することができるので、電極反応のより一層の円滑化を通して出力の安定化を図ることができる。また、燃料電池に供給する酸素含有ガスを昇温させるための特別な装置を必要とせず、構成の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の燃料電池装置を適用した燃料電池システムのブロック図。
【図２】第１実施例の燃料電池システムにおけるバッファータンク１８の概略断面図。
【図３】燃料電池システム１０において行なわれる燃料電池システム運転ルーチンのフローチャート。
【図４】燃料電池運転ルーチンにおけるシステム立上げ過渡期処理の詳細フローチャート。
【図５】燃料電池運転ルーチンにおける定常運転時処理の詳細フローチャート。
【図６】燃料電池運転ルーチンにおけるシステム停止過渡期処理の詳細フローチャート。
【図７】実施例の燃料電池システム１０と従来例の装置との評価の結果を示すグラフ。
【図８】第２実施例の燃料電池システムの要部ブロック図。
【図９】第３実施例の燃料電池システムの要部ブロック図。
【図１０】第４実施例の燃料電池システムの要部ブロック図。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
１２…ＰＥＦＣ
１４…酸素ガス供給管路
１４ａ，１４ｂ…分岐管路
１６…水素ガス供給管路
１６ａ，１６ｂ…分岐管路
１８…バッファータンク
２０…メタノール改質装置
２６…メタノールタンク
２８…圧送ポンプ
３０…水タンク
３２…圧送ポンプ
５３…タンク側温度センサ
５８…循環用ポンプ
６０…水循環管路
６２…冷却媒体流路
６３…外部配管
６５…流量調整バルブ
６６…球状充填物
７０…電子制御装置
７２…電池側温度センサ
７４…電圧計
７６…インピーダンス計
８０…圧送ポンプ
８１，８２…流量調整バルブ
８３…加湿器
８４…冷却水循環管路
８５…冷却水ポンプ
８６…放熱器
８７…タンク冷却水循環管路
８８…流量調整バルブ
８９，９０…流量調整バルブ
９１…除湿装置
Claims (3)
- 水素ガスを燃料ガスとする燃料電池を備え、該燃料電池に前記水素ガスを供給する燃料電池装置であって、
炭化水素化合物を水蒸気改質して、水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する改質手段と、
該生成された水素ガスを前記水蒸気とともに前記燃料電池に供給する供給手段と、
該供給される水素ガスの経路において前記水蒸気を除去し、前記燃料電池に供給される水素ガス中の水蒸気混在量を調節する水蒸気混在量調節手段と、
前記燃料電池が運転されている運転状態を判断する運転状態判断手段と、
該判断した運転状態に基づいて、前記燃料電池内部の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
該判定した湿潤状態に応じて前記水蒸気混在量調節手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池装置。 - 請求項１記載の燃料電池装置であって、
前記水蒸気混在量調節手段は、
前記水素ガスの経路に設けられ、水素ガスが水蒸気とともに流入するようにして、該流入した水素ガス中の水蒸気混在量を調節するための緩衝容器と、
該緩衝容器の内部温度を制御する温度制御部とを有する燃料電池装置。 - 請求項２記載の燃料電池装置であって、
前記緩衝容器は、前記燃料電池に供給される酸素含有ガスが通過する流体経路を容器内部との間で熱交換が行なえるように構成され、
前記温度制御部は、前記流体経路を通過する前記酸素含有ガス量を制御するものである燃料電池装置。
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