JP4613028B2

JP4613028B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4613028B2
Application number: JP2004100321A
Authority: JP
Inventors: 裕記大河原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005285649A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料極および酸化剤極が電解質を挟んで構成される膜電極接合体と、燃料極に燃料を供給する燃料流路を有するセパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有するセパレータと、温度を制御するために熱媒体が流通する熱媒体流路を有するセパレータとを積層し、燃料流路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、燃料流路から燃料を排出する燃料排出マニホールドと、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドと、熱媒体流路に熱媒体を供給する熱媒体供給マニホールドと、熱媒体流路から熱媒体を排出する熱媒体排出マニホールドと、を備えた燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。

このような燃料電池システムの酸化剤ガス流路においては、酸化剤ガス極での反応により水が生じその結果酸化剤ガス極から排出されるオフガス中には多量の水分が含まれることになる。このため、酸化剤ガス流路に水が結露してフラッディング状態となり、発電能力が低下するという問題がある。そこで、反応ガス（空気）を露点要求に応じて適度に加湿することができる燃料電池用加湿システムが特許文献１に示されている。

この燃料電池加湿システムは、特許文献１の図１に示されているように、反応ガス供給路３であって加湿装置６と燃料電池１のガス入口２との間には燃料電池１内に供給される乾燥エアの露点を測定する露点計１９が設けられている。また、加湿装置６を経て燃料電池１に至る反応ガス供給路３に、加湿装置６をバイパスする反応ガスバイパス路２１が設けられている。ここでこの反応ガスバイパス路２１には、反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁２２が取り付けられ、この流量調整弁２２と前記露点計１９と電圧計２０とが制御装置２３を介して接続されている。露点計１９によって測定された露点に基づいて反応ガスバイパス路２１を流れる乾燥空気の量を調整することで加湿装置６に流れる乾燥空気の量を増減させて、常に最適な露点（要求露点）を維持し、燃料電池１内において結露が生じ発電能力が低下しないよう、最適な状態で燃料電池１が作動するのである。

また、特許文献２の図６に示されているように、固体電解質燃料電池を備えた燃料電池１１と、該燃料電池１１の燃料電池の燃料極へ燃料ガス１２を供給する燃料ガス供給ラインＬ₁と、燃料電池１１から排出される燃料排ガス１３を排出する燃料ガス排出ラインＬ₂と、上記燃料電池１１へ外部から空気１４を供給する空気供給ラインＬ₃と、上記燃料電池１１からの排空気１５を排出する空気排出ラインＬ₄と、上記空気供給ラインＬ₃及び空気排出ラインＬ₄に介装され、供給する空気１４を排空気１５の排熱で予熱する空気予熱器１６と、上記空気供給ラインＬ₃から分枝され、上記空気予熱器１６を迂回して空気を予熱せずに空気を供給するバイパスラインＬ₅と、上記バイパスラインＬ₅が合流した後で燃料電池１１へ供給前の供給空気の温度を測定する温度計１７と、該温度計１７の温度情報によりバイパスラインＬ₅に介装されたバルブＢ₃の調整を行う温度コントローラ１８と、上記空気供給ラインＬ₃に介装され主供給空気の流量を測定する流量計１９及び該流量計１９の情報によりバルブＢ₁の調整を行う流量コントローラ２０とを具備してなる燃料電池運転制御システムがある。このシステムにおいては、必要に応じて燃料電池１１に供給する空気の温度を温度計１７を監視して調整している。

また、特許文献３の図１に示されている燃料電池システムにおいては、第１ポンプ１１の吐出力により、熱媒体である冷却水が第２熱交換器６、第３熱交換器７、第１熱交換器３、燃料電池４の冷却水通路４ｃを介して循環され、熱媒体循環機構部２０を構成している。第２熱交換器６で冷却水はオフガス燃焼器５の排気ガスにより加熱される。第３熱交換器７で冷却水は、第２ポンプ１２により循環されている貯湯槽１４の温水と熱交換している。第１熱交換器３で冷却水は改質ガスと熱交換している。燃料電池４は、冷却水通路４ｃを通過する冷却水により発電に適した温度に制御されている。

また、特許文献４の図１に示されている燃料電池発電システムにおいては、燃料電池８の熱を奪う冷却水が流れる電池冷却通路２２には、ポンプ２２ｐ、熱交換部２３が設けられている。燃料電池発電システム全体で発生する熱を奪って湯として貯留する貯湯部２６が設けられている。貯湯部２６の吐出口２６ｉから延設された熱交換通路３１には、冷却水搬送用のポンプ３１ｐ、凝縮部１０が設けられており、更に適宜の部位に図略の複数の熱交換部が設けられている。従って貯湯部２６から熱交換通路３１を流れた冷却水は、凝縮部１０を経て、更に適宜の部位に設けた図略の複数の熱交換部を流れ、熱交換により加熱され、熱交換部２３を経て、貯湯部２６の吸入口２６ｏに帰還する。
特開２００１−２１６９８４号公報（第３−４頁、第１図）特開２００１−２０２９８１号公報（第１頁、第６図）特開２００３−９２１２７号公報（第３頁、第１図）特開２００３−１９７２４４号公報（第５頁、第１図）

上述した特許文献１に記載のシステムにおいては、加湿装置６をバイパスする反応ガスバイパス路２１、および反応ガスのバイパス流量を調整可能な流量調整弁２２が必要となる。また上述した特許文献２に記載のシステムにおいては、供給する空気１４を排空気１５の排熱で予熱する空気予熱器１６、上記空気供給ラインＬ₃から分枝され上記空気予熱器１６を迂回して空気を予熱せずに空気を供給するバイパスラインＬ₅、および温度計１７の温度情報によりバイパスラインＬ₅に介装されて温度コントローラ１８によって調整されるバルブＢ₃が必要となる。いずれの場合も部品点数が増大しコストアップとなるという問題があった。

また、上述したいずれのシステムにおいては、燃料電池の空気極入口の湿度または温度が最適となるように制御されているが、燃料電池の空気極出口の湿度または温度の制御に関しての記載はない。したがって、空気極出口の湿度が所定湿度より高くなる場合もあれば低くなる場合もあり、空気極出口の温度が所定温度（出口において水蒸気が飽和となる値）より高くなる場合もあれば低くなる場合もある。空気極出口の湿度が所定湿度より高ければ少なくとも出口付近はフラッディング状態となり低ければ少なくとも出口付近は乾燥し、また空気極出口の温度が所定温度より高ければ少なくとも出口付近は乾燥し低ければ少なくとも出口付近はフラッディング状態となるという問題があった。

本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、部品点数を増加することなく、燃料電池の酸化剤ガス流路内を最適湿度に維持することが可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極が電解質を挟んで構成される膜電極接合体と、燃料極に燃料を供給する燃料流路を有するセパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有するセパレータと、温度を制御するために第１熱媒体が流通する熱媒体流路を有するセパレータとを積層し、燃料流路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、燃料流路から燃料を排出する燃料排出マニホールドと、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドと、熱媒体流路に第１熱媒体を供給する熱媒体供給マニホールドと、熱媒体流路から第１熱媒体を排出する熱媒体排出マニホールドと、酸化剤ガス供給マニホールドに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管と酸化剤ガス排出マニホールドから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排気管とに跨って設けられ酸化剤ガス排気管を流れる酸化剤極から排出される酸化剤ガス中の水蒸気を除湿してその水蒸気を酸化剤ガス供給管中を酸化剤極へ供給される酸化剤ガス中に供給して加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池と、酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度を検出する第１温度センサと、燃料電池の発電電流量を検出する発電電流量検出手段と、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度と熱媒体供給マニホールドの入口温度との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて熱媒体供給マニホールド入口の目標温度を演算する熱媒体流路入口目標温度演算手段と、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および発電電流量検出手段によって検出された発電電流量に基づいて燃料電池の酸化剤ガス排出マニホールドから排出される水量を演算する排出水量演算手段と、この排出水量演算手段によって演算された排出水量および飽和水蒸気曲線に基づいて排出水量に対応する飽和温度を導出しその飽和温度を酸化剤ガス排出マニホールドの出口の温度と推定する出口推定温度演算手段と、この出口推定温度演算手段によって演算された酸化剤ガス排出マニホールドの推定出口温度、および酸化剤ガス排出マニホールドの出口温度と熱媒体排出マニホールドの出口温度との相関関係を示す第２のマップまたは演算式に基づいて熱媒体排出マニホールド出口の目標温度を演算する熱媒体流路出口目標温度演算手段と、熱媒体供給マニホールドの入口温度および熱媒体排出マニホールドの出口温度が熱媒体流路入口目標温度演算手段および熱媒体流路出口目標温度演算手段によってそれぞれ演算された熱媒体供給マニホールド入口および熱媒体排出マニホールド出口の各目標温度となるように制御する熱媒体流路温度調整手段とを備えたことである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、燃料極および酸化剤極が電解質を挟んで構成される膜電極接合体と、燃料極に燃料を供給する燃料流路を有するセパレータと、酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有するセパレータと、温度を制御するために第１熱媒体が流通する熱媒体流路を有するセパレータとを積層し、燃料流路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、燃料流路から燃料を排出する燃料排出マニホールドと、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドと、熱媒体流路に第１熱媒体を供給する熱媒体供給マニホールドと、熱媒体流路から第１熱媒体を排出する熱媒体排出マニホールドと、酸化剤ガス供給マニホールドに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管と酸化剤ガス排出マニホールドから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排気管とに跨って設けられ酸化剤ガス排気管を流れる酸化剤極から排出される酸化剤ガス中の水蒸気を除湿してその水蒸気を酸化剤ガス供給管中を酸化剤極へ供給される酸化剤ガス中に供給して加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池と、酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度を検出する第１温度センサと、燃料電池の発電電流量を検出する発電電流量検出手段と、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度と熱媒体供給マニホールドの入口温度との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて熱媒体供給マニホールド入口の目標温度を演算する熱媒体流路入口目標温度演算手段と、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および発電電流量検出手段によって検出された発電電流量に基づいて燃料電池の酸化剤ガス排出マニホールドから排出される水量を演算する排出水量演算手段と、この排出水量演算手段によって演算された排出水量、およびこの排出水量と熱媒体排出マニホールドの出口温度との相関関係を示す第３のマップまたは演算式に基づいて熱媒体排出マニホールド出口の目標温度を演算する熱媒体流路出口目標温度演算手段と、熱媒体供給マニホールドの入口温度および熱媒体排出マニホールドの出口温度が熱媒体流路入口目標温度演算手段および熱媒体流路出口目標温度演算手段によってそれぞれ演算された熱媒体供給マニホールド入口および熱媒体排出マニホールド出口の各目標温度となるように制御する熱媒体流路温度調整手段とを備えたことである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１また請求項２において、熱媒体流路が酸化剤ガス流路の背面に設けられ、熱媒体流路の入口が酸化剤ガス流路の入口と、熱媒体流路の出口が酸化剤ガス流路の出口と同じ側に設けられていることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、熱媒体流路入口目標温度演算手段が、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度と熱媒体供給マニホールドの入口温度との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて熱媒体供給マニホールド入口の目標温度を演算し、排出水量演算手段が、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および発電電流量検出手段によって検出された発電電流量に基づいて燃料電池の酸化剤ガス排出マニホールドから排出される水量を演算し、出口推定温度演算手段が、排出水量演算手段によって演算された排出水量および飽和水蒸気曲線に基づいて排出水量に対応する飽和温度を導出しその飽和温度を酸化剤ガス排出マニホールドの出口の温度と推定し、熱媒体流路出口目標温度演算手段が、出口推定温度演算手段によって演算された酸化剤ガス排出マニホールドの推定出口温度、および酸化剤ガス排出マニホールドの出口温度と熱媒体排出マニホールドの出口温度との相関関係を示す第２のマップまたは演算式に基づいて熱媒体排出マニホールド出口の目標温度を演算し、熱媒体流路温度調整手段が、熱媒体供給マニホールドの入口温度および熱媒体排出マニホールドの出口温度が熱媒体流路入口目標温度演算手段および熱媒体流路出口目標温度演算手段によってそれぞれ演算された熱媒体供給マニホールド入口および熱媒体排出マニホールド出口の各目標温度となるように制御する。これにより、熱媒体供給マニホールドの入口温度および熱媒体排出マニホールドの出口温度がそれぞれ目標温度に調整されることにより、熱媒体供給マニホールドの入口および熱媒体排出マニホールドの出口と温度的に相関関係がある酸化剤ガス供給マニホールドの入口および酸化剤ガス排出マニホールドの出口を有する酸化剤ガス流路の入口温度と出口温度がそれぞれ所定温度に調整される。したがって、燃料電池の酸化剤ガス流路内を最適な温度分布ひいては湿度分布に維持することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、熱媒体流路入口目標温度演算手段が、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度と熱媒体流路の入口温度との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて熱媒体流路入口の目標温度を演算し、排出水量演算手段が、第１温度センサによって検出された酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および発電電流量検出手段によって検出された発電電流量に基づいて燃料電池の空気流路から排出される水量を演算し、熱媒体流路出口目標温度演算手段が、排出水量演算手段によって演算された排出水量、およびこの排出水量と熱媒体流路の出口温度との相関関係を示す第３のマップまたは演算式に基づいて熱媒体流路出口の目標温度を演算し、熱媒体流路温度調整手段が、熱媒体流路の入口温度および出口温度が熱媒体流路入口目標温度演算手段および熱媒体流路出口目標温度演算手段によってそれぞれ演算された熱媒体流路入口および熱媒体流路出口の各目標温度となるように制御する。これにより、熱媒体供給マニホールドの入口温度および熱媒体排出マニホールドの出口温度がそれぞれ目標温度に調整されることにより、熱媒体供給マニホールドの入口および熱媒体排出マニホールドの出口と温度的に相関関係がある酸化剤ガス供給マニホールドの入口および酸化剤ガス排出マニホールドの出口を有する酸化剤ガス流路の入口温度と出口温度がそれぞれ所定温度に調整される。したがって、より簡単に熱媒体排出マニホールド出口の目標温度を演算した上で、燃料電池の酸化剤ガス流路内を最適な温度分布ひいては湿度分布に維持することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、熱媒体流路が酸化剤ガス流路の背面に設けられ、熱媒体流路の入口が酸化剤ガス流路の入口と、熱媒体流路の出口が酸化剤ガス流路の出口と同じ側に設けられていることにより、熱媒体流路の入口および出口が同じ側にそれぞれ配置され、かつ温度的に相関関係がある入口および出口を有する酸化剤ガス流路の入口温度と出口温度がそれぞれ所定温度に調整される。したがって、燃料電池の酸化剤ガス流路内を最適な温度分布ひいては湿度分布に維持することができる。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０、加湿器２０、熱交換器３０、貯湯槽４０およびインバータ５０を備えている。

燃料電池１０は、主として図２に示すように燃料極１１、空気極１２、および両極１１，１２間が挟んでいる電解質１３とから構成されている膜電極接合体１４を備えている。膜電極接合体１４の両側面、すなわち燃料極面１１ａと空気極面１２ａに当接してセパレータ１５，１６が配置されており、セパレータ１５，１６はその周縁部が接着剤１７によって接合固定されている。膜電極接合体１４、セパレータ１５，１６によってモジュールＭが構成されている。燃料電池１０は各膜電極接合体１４が電気的に直列に接続されるように複数のモジュールＭが積層されて構成されている。各モジュールＭは積層方向に押圧されて密接固定されている。

セパレータ１５は、主として図２に示すように、燃料極１１の燃料極面１１ａに当接する当接面１５ａに凹設されて燃料が流通する燃料流路１５ｂと、当接面１５ａの反対面１５ｃに凹設されて第１熱媒体である冷却水が流通する熱媒体流路１５ｄを備えている。図３および図４に示すように、燃料流路１５ｂは折り返し状に形成され、燃料流路１５ｂの一端および他端は燃料入口１５ｂ１および燃料出口１５ｂ２に連通している。熱媒体流路１５ｄは折り返し状に形成され、熱媒体流路１５ｄの一端および他端は熱媒体入口１５ｄ１および熱媒体出口１５ｄ２に連通している。

セパレータ１６は、主として図２に示すように、酸化剤極である空気極１２の空気極面１２ａに当接する当接面１６ａに凹設されて酸化剤ガスである空気が流通する酸化剤ガス流路である空気流路１６ｂと、当接面１６ａの反対面１６ｃに凹設されて第１熱媒体が流通する熱媒体流路１６ｄを備えている。図５および図６に示すように、空気流路１６ｂは折り返し状に形成され、空気流路１６ｂの一端および他端は空気入口１６ｂ１および空気出口１６ｂ２に連通している。熱媒体流路１６ｄは折り返し状に形成され、熱媒体流路１６ｄの一端および他端は熱媒体入口１５ｄ１および熱媒体出口１５ｄ２に連通している。なお、セパレータ１５およびセパレータ１６の各面１５ｃおよび１６ｃが当接した際にそれぞれの熱媒体流路１５ｄ，１６ｄは合致して同一流路を形成するようになっている。また、セパレータ１５，１６は導電性の材料（例えばカーボン）で形成されている。

熱媒体入口１５ｄ１は、図３〜図６に示すように、燃料入口１５ｂ１および空気入口１６ｂ１と同じ側すなわちセパレータ１５，１６の左側縁に配置されており、熱媒体出口１５ｄ２は、燃料出口１５ｂ２および空気出口１６ｂ２と同じ側すなわちセパレータ１５，１６の右側縁に配置されている。したがって、空気および第１熱媒体は、同じ側に設けた空気入口１６ｂ１および熱媒体入口１５ｄ１から導入され、ほぼ同一経路である空気流路１６ｂおよび熱媒体流路１６ｄおよび１５ｄを同一方向に流れ、同じ側に設けた空気出口１６ｂ２および熱媒体入口１５ｄ２から導出される。また、燃料は、空気入口１６ｂ１および熱媒体入口１５ｄ１と同じ側に設けた燃料入口１５ｂ１から導入され、空気流路１６ｂおよび熱媒体流路１６ｄおよび１５ｄに対して折り返し方向が逆向きの経路である燃料流路１５ｂを折り返し方向にて逆方向に流れ、空気出口１６ｂ２および熱媒体入口１５ｄ２と同じ側に設けた燃料出口１５ｂ２から導出される。

燃料入口１５ｂ１が複数積層されて燃料供給マニホールドが形成され、燃料供給マニホールドの一端は閉止され、他端は改質装置（図示省略）からの改質ガス（水素を多量に含む）が供給される改質ガス供給管６１の一端に接続されている。また燃料出口１５ｂ２が複数積層されて燃料排出マニホールドが形成され、燃料排出マニホールドの一端は閉止され、他端はアノードオフガスを燃焼部（図示省略）に供給するアノードオフガス供給管６２の一端に接続されている。これにより、改質ガス供給管６１から供給された改質ガスは、燃料供給マニホールド（燃料入口１５ｂ１）、燃料通路１５ｂ、燃料排出マニホールド（燃料出口１５ｂ２）を通ってアノードオフガス供給管６２へ導出される。このとき、燃料通路１５ｂは燃料極１１に面して配置されているので、燃料極１１に水素ガスが供給される。したがって燃料極１１においては、供給された水素ガスが下記化１のように反応し、生成物である水素イオンが電解質１３を通って空気極１２に供給されるとともに未反応の水素ガスを含んだアノードオフガスが排出される。

（化１）
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
また、空気入口１６ｂ１が複数積層されて酸化剤ガス供給マニホールドである空気供給マニホールドが形成され、空気供給マニホールドの一端は閉止され、他端は空気が供給される空気供給管６３の一端に接続されている。また空気出口１６ｂ２が複数積層されて酸化剤ガス排出マニホールドである空気排出マニホールドが形成され、空気排出マニホールドの一端は閉止され、他端はカソードオフガスを外部に排気するカソードオフガス排気管６４の一端に接続されている。これにより、空気供給管６１から供給された空気は、空気供給マニホールド（空気入口１６ｂ１）、空気通路１６ｂ、空気排出マニホールド（空気出口１６ｂ２）を通ってカソードオフガス排気管６４へ導出される。このとき、空気通路１６ｂ（および１６ｄ）は空気極１２に面して配置されているので、空気極１２に水素ガスが供給される。したがって空気極１２においては、供給された空気中の酸素および燃料極１１から電解質１３を介して供給された水素イオンが下記化２のように反応し、水（水蒸気）が生成されその水蒸気を含んだカソードオフガスが排出される。

（化２）
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ
そして、燃料極１１で生成された電子は外部に接続されたインバータ５０を通って空気極１２に到達し、空気極１２にてその電子を使用して上記化２に示す反応が生じこれにより燃料電池１０は発電する。インバータ５０は、制御装置８０の指令によって燃料電池１０が出力した直流電圧を交流電圧に変換して出力するものであり、燃料電池１０の掃引電流（発電電流量）を検出してその検出結果を制御装置８０に送出している。

加湿装置２０は、空気供給管６３およびカソードオフガス排気管６４に跨って設けられている。この加湿装置２０は水蒸気交換型であり、カソードオフガス排気管６４中すなわち空気極１２から排出されるカソードオフガス中の水蒸気を除湿してその水蒸気を空気供給管６３中すなわち空気極１２へ供給される空気中に供給して加湿するものである。

空気供給管６３であって加湿装置２０と燃料電池１０との間には、燃料電池１０の空気供給マニホールドの入口温度（空気流路１６ｂの入口温度でもよい。）Ｔ１を検出する第１温度センサ７１が設けられている。第１温度センサ７１によって検出された空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１は制御装置８０に送信されている。

熱媒体入口１５ｄ１が複数積層されて熱媒体供給マニホールドが形成され、熱媒体供給マニホールドの一端は閉止され、他端は第１循環路６５に接続されている。また熱媒体出口１５ｄ２が複数積層されて熱媒体排出マニホールドが形成され、熱媒体排出マニホールドの一端は閉止され、他端は第１循環路６５に接続されている。第１循環路６５は、燃料電池１０と調温装置である熱交換器３０との間に設けられ両部材１０，３０の間に第１熱媒体を循環させるものである。燃料電池１０においては、熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄが第１循環路６５を構成しており、第１熱媒体は、熱媒体供給マニホールド（熱媒体入口１５ｄ１）、熱媒体通路１５ｄおよび１６ｄ、熱媒体排出マニホールド（熱媒体出口１５ｄ２）を流通する。

第１循環路６５には、燃料電池１０の熱媒体供給マニホールドの入口温度（熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの入口温度でもよい。）Ｔ２を検出する第２温度センサ７２が設けられている。第２温度センサ７２によって検出された熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２は制御装置８０に送信されている。第１循環路６５には、燃料電池１０の熱媒体排出マニホールドの出口温度（熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの出口温度でもよい。）Ｔ３を検出する第３温度センサ７３が設けられている。第３温度センサ７３によって検出された熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３は制御装置８０に送信されている。

熱交換器３０には、第１循環路６５が貫設されるとともに、この第１循環路６５を流通する第１熱媒体と熱交換する第２熱媒体である貯湯水が供給される第２循環路６６が貫設されている。第２循環路６６は、熱交換器３０と第２熱媒体を貯留する貯留槽である貯湯槽４０の間に設けられ両部材３０，４０の間に第２熱媒体を循環させるものである。

第１循環路６５上には第１ポンプ７４が設けられており、第１ポンプ７４は制御装置８０の指令によって第１熱媒体の流量を制御して第１熱媒体を所定の流速にて第１循環路６５中を循環させるものである。第２循環路６６上には第２ポンプ７５が設けられており、第２ポンプ７５は制御装置８０の指令によって第２熱媒体の流量を制御して第２熱媒体を所定の流速にて第２循環路６６中を循環させるものである。

なお、熱交換器３０、貯湯槽４０および第２ポンプ７５から調温装置７６が構成されている。この調温装置７６は、第１熱媒体が循環される第１循環路６５が貫設されて同第１循環路６５中を流通する第１熱媒体の温度を調節するものである。

また、上述したインバータ５０、第１〜第３温度センサ７１〜７３、および第１および第２ポンプ７４，７５は制御装置８０に接続されている（図７参照）。制御装置８０は記憶部８１に接続されており、記憶部８１はプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶したり、プログラムの実行に必要な第１から第３のマップまたは演算式および飽和水蒸気曲線（図８〜図１１参照）を記憶したりするものである。制御装置８０はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、図１２のフローチャートに対応したプログラムを実行して、第１温度センサ７１によって検出された空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１および第１のマップに基づいて熱媒体供給マニホールドの入口の目標温度Ｔ２＊を演算し、第１温度センサ７１によって検出された空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１およびインバータ５０によって検出された発電電流量Ｉに基づいて燃料電池１０の空気流路１６ｂからの排出される水量Ｗを演算し、排出水量Ｗおよび飽和水蒸気曲線に基づいて排出水量Ｗに対応する飽和温度を導出しその飽和温度を空気排出マニホールドの出口の温度（空気流路１６ｂの出口の温度でもよい。）と推定し、その推定出口温度および空気排出マニホールドの出口温度と熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３との相関関係を示す第２のマップに基づいて熱媒体排出マニホールドの出口の目標温度Ｔ３＊を演算し、熱媒体供給マニホールド入口および熱媒体排出マニホールド出口の各目標温度Ｔ２＊，Ｔ３＊となるように第１および第２ポンプ７４，７５を制御して第１および第２熱媒体の流量をそれぞれ調整する。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。

次に、上述した燃料電池システムの作動について図１２を参照して説明する。制御装置８０は図示しない起動スイッチがオンされると、図１２に示すプログラムを所定の短時間毎に実行する。制御装置８０は、このプログラムが開始される毎に、第１温度センサ７１によって燃料電池１０の空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１を検出し（ステップ１０２）、発電電流量検出手段であるインバータ５０によって燃料電池１０の発電電流量Ｉを検出する（ステップ１０４）。

制御装置８０は、ステップ１０６において、第１温度センサ７１によって検出された空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１、および空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１と熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて熱媒体供給マニホールドの入口の目標温度Ｔ２＊を演算する（熱媒体流路入口目標温度演算手段）。上述したように、空気流路１６ｂの入口と熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの入口は近接しているので、温度的によい相関性があり、空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１と熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２との相関関係は図８に示すような第１のマップまたは演算式で表される。

制御装置８０は、ステップ１０８において、第１温度センサ７１によって検出された空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１、およびインバータ５０によって検出された発電電流量Ｉに基づいて燃料電池１０の酸化剤ガス排出マニホールド（空気流路１６ｂ）から排出される水量（排出水量）Ｗは燃料電池１０による生成水量Ｗ１と燃料電池１０への供給水量Ｗ２から下記数１により演算する（排出水量演算手段）。

（数１）
排出水量Ｗ＝燃料電池による生成水量Ｗ１＋燃料電池への供給水量Ｗ２

生成水量Ｗ１は下記数２により演算される。

（数２）
Ｗ１＝（Ｉ×ｎ×６０）／（２×ファラデー定数）
生成水量Ｗ１を導出する上記数２は次のように算出される。燃料電池１０は、燃料極１１と空気極１２が電解質１３を挟んだ構造体であるセル（単セル）がｎ個（セル総数がｎ個）電気的に直列に接続されて積層されたものである。燃料電池１０が全体としてＷ１（ｍｏｌ／ｍｉｎ）の水を生成すると、単セル毎ではＷ１／ｎ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）ずつの水が生成されることになり、このとき上記化２に示すように、電子ｅ⁻が２・Ｗ１／ｎ（ｍｏｌ／ｍｉｎ）だけ使われる。すなわち燃料電池１０の両極１１，１２間を流れる電気量Ｑは（２・Ｗ１・ファラデー定数）／ｎ（Ｃ）となる。また、この電気量Ｑ（Ｃ）は電流すなわち発電電流量Ｉ（Ａ）と時間ｔ（ｓ）の積で表されるので、下記数３が導出される。
（数３）
（２・Ｗ１・ファラデー定数）／ｎ＝Ｉ・ｔ
ここで、ｔ＝１秒（ｓ）であるとして、Ｗ１を求めて単位を分（ｍｉｎ）に合わせると、上記数２が導出される。

供給水量Ｗ２は、燃料電池１０に供給される空気は飽和状態であるとして、先に検出した空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１および図９に示す飽和水蒸気曲線に基づいて導出される。

制御装置８０は、ステップ１１０において、ステップ１０８にて演算された排出水量Ｗおよび飽和水蒸気曲線（図９参照）に基づいて排出水量に対応する飽和温度を導出しその飽和温度を空気排出マニホールドの出口温度（空気流路１６ｂの出口の温度でもよい。推定出口温度）Ｔ４＊と推定する（出口推定温度演算手段）。ステップ１１２において、ステップ１１０にて演算された空気排出マニホールドの推定出口温度Ｔ４＊、および空気排出マニホールドの出口温度（空気流路１６ｂの出口温度でもよい。）Ｔ４と熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３との相関関係を示す第２のマップまたは演算式に基づいて熱媒体排出マニホールドの出口の目標温度（熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの出口の目標温度でもよい。）Ｔ３＊を演算する（熱媒体流路出口目標温度演算手段）。

制御装置８０は、ステップ１１４において、第３温度センサ７３によって検出された熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３がステップ１１２にて演算された目標温度Ｔ３＊となるように、第１ポンプ７４を制御することにより第１熱媒体の流量を調整する（熱媒体流路出口温度調整手段）。ステップ１１６において、第２温度センサ７２によって検出された熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２がステップ１０６にて演算された目標温度Ｔ２＊となるように、第２ポンプ７５を制御することにより第２熱媒体の流量を調整する（熱媒体流路入口温度調整手段）。

上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２および熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３がそれぞれ目標温度Ｔ２＊およびＴ３＊に調整されることにより、熱媒体供給マニホールドの入口および熱媒体排出マニホールドの出口と温度的に相関関係がある空気供給マニホールドの入口および空気排出マニホールドの出口を有する空気流路１６ｂの入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ４がそれぞれ所定温度に調整される。したがって、燃料電池の空気流路１６ｂ内を最適な温度分布ひいては湿度分布に維持することができる。

また、熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄが空気流路１６ｂの背面に設けられ、熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの入口が空気流路１６ｂの入口と、熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの出口が空気流路１６ｂの出口と同じ側に設けられていることにより、熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの入口および出口が同じ側にそれぞれ配置され、かつ温度的に相関関係がある入口および出口を有する空気流路１６ｂの入口温度と出口温度がそれぞれ所定温度に調整される。したがって、燃料電池１０の空気流路１６ｂ内を最適な温度分布ひいては湿度分布に維持することができる。

また、熱媒体流路出口温度調整手段が、第３温度センサ７３によって検出された熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３が熱媒体流路出口目標温度演算手段によって演算された目標温度Ｔ３＊となるように、第１ポンプ７１を制御することにより第１熱媒体の流量を調整し、熱媒体流路入口温度調整手段が、第２温度センサ７２によって検出された熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２が熱媒体流路入口目標温度演算手段によって演算された目標温度Ｔ２＊となるように、第２ポンプ７５を制御することにより第２熱媒体の流量を調整することにより、従来のシステム（特許文献３または特許文献４に記載のシステム）に部品を追加することなく、確実に熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２と熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３をそれぞれ目標温度Ｔ２＊，Ｔ３＊に調整することができる。

なお、上述した実施の形態においては、ステップ１１０および１１２の処理に代えて図１３に示すステップ１５０の処理を行うようにしてもよい。制御装置は、ステップ１５０において、ステップ１０８にて演算された排出水量Ｗ、およびこの排出水量Ｗと熱媒体排出マニホールドの出口温度Ｔ３との相関関係を示す第３のマップまたは演算式に基づいて熱媒体排出マニホールドの出口の目標温度Ｔ３＊を演算する（熱媒体流路出口目標温度演算手段）。これによれば、より簡単に熱媒体排出マニホールドの出口の目標温度Ｔ３＊を演算した上に、燃料電池１０の空気流路１６ｂ内を最適な温度分布ひいては湿度分布に維持することができる。

また、上述した実施の形態においては、調温装置７６を熱交換器３０、貯湯槽４０および第２ポンプ７５から構成するようにしたが、第１熱媒体が循環される第１循環路６５が貫設されて同第１循環路６５中を流通する第１熱媒体の温度を調節するものであれば他の構成または装置でもよい。

また、上述した実施の形態においては、空気流路１６ｂの入口と熱媒体流路１５ｄおよび１６ｄの入口を近接するように構成したが、これに限らず、空気供給マニホールドの入口温度Ｔ１と熱媒体供給マニホールドの入口温度Ｔ２とが、図８に示すような第１のマップまたは演算式で表されるよい相関性を有する構成であれば本発明を適用することができる。

また、上述した実施の形態においては、一面に燃料流路１５ｂが形成され、燃料流路１５ｂの背面に熱媒体流路１５ｄが形成されたセパレータ１５と、一面に空気流路１６ｂが形成され、空気流路１６ｂの背面に熱媒体流路１６ｄが形成されたセパレータ１６とが積層されているが、一面に燃料流路１５ｂが形成され、燃料流路１５ｂの背面に流路が形成されてないセパレータと、一面に空気流路１６ｂが形成され、空気流路１６ｂの背面に流路が形成されてないセパレータと、一面に熱媒体流路が形成され、熱媒体流路の背面に流路が形成されてないセパレータとが積層されるようにしてもよい。

本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。図１に示す燃料電池を構成するセルおよびセパレータを示す断面図である。セパレータに設けられた燃料流路を示す下面図である。セパレータに設けられた熱媒体流路を示す上面図である。セパレータに設けられた空気流路を示す上面図である。セパレータに設けられた熱媒体流路を示す下面図である。図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。空気供給マニホールドの入口温度と熱媒体供給マニホールドの入口の目標温度との相関関係を示すマップまたは演算式である。飽和水蒸気曲線である。空気排出マニホールドの出口温度と熱媒体排出マニホールドの出口の目標温度との相関関係を示すマップまたは演算式である。燃料電池の排出水量と熱媒体排出マニホールドの出口の目標温度との相関関係を示すマップまたは演算式である。図７に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。図７に示した制御装置にて実行される制御プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…燃料極、１２…空気極、１３…電解質、１４…セル、１５，１６…セパレータ、１５ｂ…燃料流路、１５ｄ，１６ｄ…熱媒体流路、１６ｂ…空気流路、２０…加湿装置、３０…熱交換器、４０…貯湯槽、５０…インバータ、７１〜７３…第１〜第３温度センサ、７４…第１ポンプ、７５…第２ポンプ、８０…制御装置。

Claims

燃料極および酸化剤極が電解質を挟んで構成される膜電極接合体と、前記燃料極に燃料を供給する燃料流路を有するセパレータと、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有するセパレータと、温度を制御するために第１熱媒体が流通する熱媒体流路を有するセパレータとを積層し、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、前記燃料流路から燃料を排出する燃料排出マニホールドと、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、前記酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドと、前記熱媒体流路に第１熱媒体を供給する熱媒体供給マニホールドと、前記熱媒体流路から第１熱媒体を排出する熱媒体排出マニホールドと、前記酸化剤ガス供給マニホールドに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管と前記酸化剤ガス排出マニホールドから前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排気管とに跨って設けられ前記酸化剤ガス排気管を流れる前記酸化剤極から排出される前記酸化剤ガス中の水蒸気を除湿してその水蒸気を前記酸化剤ガス供給管中を前記酸化剤極へ供給される前記酸化剤ガス中に供給して加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池と、
前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度を検出する第１温度センサと、
前記燃料電池の発電電流量を検出する発電電流量検出手段と、
前記第１温度センサによって検出された前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度と前記熱媒体供給マニホールドの入口温度との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて前記熱媒体供給マニホールド入口の目標温度を演算する熱媒体流路入口目標温度演算手段と、
前記第１温度センサによって検出された前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および前記発電電流量検出手段によって検出された発電電流量に基づいて前記燃料電池の酸化剤ガス排出マニホールドから排出される水量を演算する排出水量演算手段と、
該排出水量演算手段によって演算された排出水量および飽和水蒸気曲線に基づいて前記排出水量に対応する飽和温度を導出しその飽和温度を前記酸化剤ガス排出マニホールドの出口の温度と推定する出口推定温度演算手段と、
該出口推定温度演算手段によって演算された前記酸化剤ガス排出マニホールドの推定出口温度、および前記酸化剤ガス排出マニホールドの出口温度と前記熱媒体排出マニホールドの出口温度との相関関係を示す第２のマップまたは演算式に基づいて前記熱媒体排出マニホールド出口の目標温度を演算する熱媒体流路出口目標温度演算手段と、
前記熱媒体供給マニホールドの入口温度および前記熱媒体排出マニホールドの出口温度が前記熱媒体流路入口目標温度演算手段および熱媒体流路出口目標温度演算手段によってそれぞれ演算された前記熱媒体供給マニホールド入口および熱媒体排出マニホールド出口の各目標温度となるように制御する熱媒体流路温度調整手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
燃料極および酸化剤極が電解質を挟んで構成される膜電極接合体と、前記燃料極に燃料を供給する燃料流路を有するセパレータと、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有するセパレータと、温度を制御するために第１熱媒体が流通する熱媒体流路を有するセパレータとを積層し、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、前記燃料流路から燃料を排出する燃料排出マニホールドと、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、前記酸化剤ガス流路から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドと、前記熱媒体流路に第１熱媒体を供給する熱媒体供給マニホールドと、前記熱媒体流路から第１熱媒体を排出する熱媒体排出マニホールドと、前記酸化剤ガス供給マニホールドに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管と前記酸化剤ガス排出マニホールドから前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排気管とに跨って設けられ前記酸化剤ガス排気管を流れる前記酸化剤極から排出される前記酸化剤ガス中の水蒸気を除湿してその水蒸気を前記酸化剤ガス供給管中を前記酸化剤極へ供給される前記酸化剤ガス中に供給して加湿する加湿装置と、を備えた燃料電池と、
前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度を検出する第１温度センサと、
前記燃料電池の発電電流量を検出する発電電流量検出手段と、
前記第１温度センサによって検出された前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度と前記熱媒体供給マニホールドの入口温度との相関関係を示す第１のマップまたは演算式に基づいて前記熱媒体供給マニホールド入口の目標温度を演算する熱媒体流路入口目標温度演算手段と、
前記第１温度センサによって検出された前記酸化剤ガス供給マニホールドの入口温度、および前記発電電流量検出手段によって検出された発電電流量に基づいて前記燃料電池の酸化剤ガス排出マニホールドから排出される水量を演算する排出水量演算手段と、
該排出水量演算手段によって演算された排出水量、および該排出水量と前記熱媒体排出マニホールドの出口温度との相関関係を示す第３のマップまたは演算式に基づいて前記熱媒体排出マニホールド出口の目標温度を演算する熱媒体流路出口目標温度演算手段と、
前記熱媒体供給マニホールドの入口温度および前記熱媒体排出マニホールドの出口温度が前記熱媒体流路入口目標温度演算手段および熱媒体流路出口目標温度演算手段によってそれぞれ演算された前記熱媒体供給マニホールド入口および熱媒体排出マニホールド出口の各目標温度となるように制御する熱媒体流路温度調整手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１また請求項２において、前記熱媒体流路が前記酸化剤ガス流路の背面に設けられ、前記熱媒体流路の入口が前記酸化剤ガス流路の入口と、前記熱媒体流路の出口が前記酸化剤ガス流路の出口と同じ側に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。