JP5103783B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流をモータに供給し、該モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。

そのために、前記燃料電池搭載車両に燃料電池システムが配設され、該燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の蒸気を凝縮させ、ガスと水とに分離させる凝縮器等を備える。

そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数のセルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。前記各セルは、電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層を備えた空気極並びに燃料極を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。

そして、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して、インバータ及びモータを接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが、プロトン（Ｈ⁺ ）の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。一方、前記燃料極で発生した電子がインバータを介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介してインバータ及びモータに供給することができる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３１２５４号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、例えば、運転者がアクセルペダルを踏み込んで燃料電池搭載車両を加速させたり、登坂路で走行させたりする高負荷の走行状態から、アクセルペダルを緩めて燃料電池搭載車両を減速させたり、降坂路で走行させたりする低負荷の走行状態に変化すると、燃料電池が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化するが、それに伴って、セパレータの燃料供給路側の面において水蒸気が凝縮して水滴が付着することがある。特に、出力が大きくされ、積層密度が高くされた燃料電池スタックにおいては、セルが薄くされ、セパレータとしてメタルセパレータが使用されるが、その場合、セルの熱容量が小さくなるので、水蒸気が凝縮しやすくなり、一旦（たん）付着した水滴が、排除されなくなってしまう。

その結果、燃料極において、水素ガスが円滑に流れなくなり、十分に触媒反応が行われなくなるので、出力が小さくなってしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料極において十分に触媒反応が行われ、出力を大きくすることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び空気が供給されて電力を発生させる燃料電池と、供給管、及び該供給管上に配設されたファンを備え、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給系と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、前記燃料電池が、発生させた電力を外部の負荷装置に供給しているかどうかを判断する負荷判定処理手段と、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給していて、待受状態にない場合、ファンの風量を燃料電池に加わる負荷に対応させた風量とし、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給しておらず、待受状態にある場合、ファンの風量を燃料電池が待受状態にない場合より多くし、空気極を乾燥させることによって、燃料極側の水滴を空気極側に排出する風量設定処理手段とを有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記風量設定処理手段は、燃料電池において発生させられた電流が補助蓄電装置に供給され、補助蓄電装置への充電が行われている間にファンの風量を多くする。

本発明の燃料電池システムの運転方法においては、燃料ガス及び空気が供給されて電力を発生させる燃料電池、供給管、及び該供給管上に配設されたファンを備え、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給系、並びに前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系を有する燃料電池システムに適用されるようになっている。

そして、前記燃料電池が、発生させた電力を外部の負荷装置に供給しているかどうかを判断し、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給していて、待受状態にない場合は、ファンの風量を燃料電池に加わる負荷に対応させた風量とし、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給しておらず、待受状態にある場合は、ファンの風量を燃料電池が待受状態にない場合より多くし、空気極を乾燥させることによって、燃料極側の水滴を空気極側に排出する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、燃料ガス及び空気が供給されて電力を発生させる燃料電池と、供給管、及び該供給管上に配設されたファンを備え、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給系と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、前記燃料電池が、発生させた電力を外部の負荷装置に供給しているかどうかを判断する負荷判定処理手段と、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給していて、待受状態にない場合、ファンの風量を燃料電池に加わる負荷に対応させた風量とし、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給しておらず、待受状態にある場合、ファンの風量を燃料電池が待受状態にない場合より多くし、空気極を乾燥させることによって、燃料極側の水滴を空気極側に排出する風量設定処理手段とを有する。

この場合、燃料電池が外部の負荷装置に対して電力を供給しているかどうかが判断され、燃料電池が外部の負荷装置に対して電力を供給していない場合、ファンの風量が多くされるので、燃料極側の水滴を排除することができる。したがって、燃料極側において、燃料が円滑に流れるようになるので、燃料と空気との反応が十分に行われるようになる。その結果、燃料電池の出力を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図である。

図において、１１は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック１１は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両に、エネルギー供給源として搭載される。この場合、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等のように、車両を停車させている間においても電気エネルギーを消費する補機類を多数備え、しかも、多様な走行パターンで走行させられることが多い。

そこで、エネルギー供給源として、燃料電池スタック１１のほかに、補助蓄電装置としてのキャパシタ（コンデンサ）８１が配設される。なお、該キャパシタ８１に代えてバッテリ（２次電池）を使用することができる。

また、１２は前記燃料電池スタック１１に媒体としての空気を供給するための媒体供給系としての空気供給系、１３は前記燃料電池スタック１１からガスを排出するためのガス排出系、１４は前記燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、１６は前記燃料電池スタック１１に水を供給するための冷却媒体機器部としての水供給系である。前記燃料電池スタック１１、空気供給系１２、ガス排出系１３、水素ガス供給系１４及び水供給系１６によって車載燃料電池システムが構成される。

本実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を使用しているが、該固体高分子型の燃料電池に代えて、アルカリ水溶液型の燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型の燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型の燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型の燃料電池、直接メタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。

前記燃料電池スタック１１は、筐（きょう）体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニット２０を備える。そして、該スタックユニット２０は、図示されない複数のモジュール、該各モジュールを挟んで配設され、燃料電池の端子を構成する図示されない一対のターミナル、並びに前記モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料によって形成された図示されないインシュレータを備える。

ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系１４によって水素ガスとして供給された燃料としての水素と、前記空気供給系１２によって酸化剤として供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。この場合、酸化剤として、空気に代えて酸素を供給することができる。そのために、前記モジュールは、燃料電池スタック１１の要素を構成する複数の薄い膜状のセルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成されたセルの集合体から成る。

前記各セルは、水素イオンを透過する固体電解質（固体高分子電解質膜）としての図示されない電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層から成る空気極、並びに反応層及び拡散層から成る燃料極（水素極）を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。

前記各反応層は、前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面に配設され、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合して形成されたペースト状の物質が、ある程度の厚さで均一に分散させられることによって形成された触媒層から成る。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての純酸素を燃料電池スタック１１に供給することもできる。

前記スタックケース内には、前記スタックユニット２０より上方に、空気供給系１２から供給された空気を各空気極に供給し、分配するための、第１のマニホルドとしての供給マニホルド２２が、スタックユニット２０より下方に、空気極内のガスを集め、ガス排出系１３に排出するための、第２のマニホルドとしての排出マニホルド２３が配設される。前記供給マニホルド２２及び排出マニホルド２３は、前記空気供給路と連通させられ、燃料供給路から遮蔽（へい）される。そのために、前記セパレータにおける空気極と対向する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、該各溝によって前記空気供給路が構成される。空気は、供給マニホルド２２に供給された後、各空気供給路に分配され、該各空気供給路を下方に向けて流れ、排出マニホルド２３に排出される。

また、前記セパレータにおける燃料極と対向する側は、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料供給路が形成される。

前記空気供給系１２は、供給マニホルド２２に空気を供給するための供給管２５、該供給管２５上に配設された酸化剤供給装置としての、かつ、送風装置としてのシロッコファン等から成るファン２４、該ファン２４によって吸引される空気を濾（ろ）過する図示されないフィルタ等を備える。前記酸化剤供給装置として、ファン２４に代えて空気ボンベ、空気タンク、酸素ボンベ、酸素タンク等を使用することができる。

また、前記ガス排出系１３は、排出マニホルド２３からガスを排出するための排出管３０、該排出管３０に配設された水回収部材としての凝縮器３１、ガスの温度を検出する温度検出部としての図示されない温度センサ等を備える。

したがって、前記ファン２４を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記供給マニホルド２２に供給することができる。また、排出マニホルド２３から排出されたガスは、排出管３０を介して凝縮器３１に供給され、該凝縮器３１によって、ガス中の蒸気が凝縮されて水になる。そして、水が回収された後のガスは車外に排出される。

なお、前記凝縮器３１に凝縮促進部材としての図示されない冷却ファンを配設することができる。該冷却ファンの回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。

また、前記水素ガス供給系１４は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置としての、かつ、水素供給装置としての燃料タンク４１、該燃料タンク４１に接続され、燃料タンク４１内の液体水素を水素ガスとして排出するための燃料供給路５１、該燃料供給路５１と並列に形成された図示されない燃料帰還路、該燃料帰還路に接続され、水素ガスを排出する図示されない燃料排出路等を備える。

そして、前記燃料供給路５１に、燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力を調整する図示されない調圧弁、水素ガスの燃料電池スタック１１への供給量を調整する図示されない開閉弁、水素ガスの圧力を検出する圧力検出器としての図示されない水素圧センサ等が配設される。

なお、前記燃料タンク４１に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有する。また、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して水素ガスを生成し、該水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、燃料電池搭載車両の高負荷走行時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、前記燃料タンク４１を使用するのが好ましい。

また、前記水供給系１６は、冷却媒体供給源としての水タンク６１、水供給装置としてのポンプ（Ｐ）６２、空気極冷却装置としての噴射装置（インジェクタ）６３、前記水タンク６１から排出された水を噴射装置６３に供給するための供給管６０、排出マニホルド２３の下部に溜（た）まり、該排出マニホルド２３から排出された水、及び凝縮器３１において分離させられた水を回収し、水タンク６１に供給するための水帰還路５９、回収された水を水タンク６１に供給する水回収ポンプ（Ｐ）６５、該水回収ポンプ６５と水タンク６１との間に配設された逆止弁６６等を備える。該逆止弁６６においては、水回収ポンプ６５側から水タンク６１側に水が流れるのを許容し、水タンク６１側から水回収ポンプ６５側に水が流れるのを阻止する。

ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介してインバータ８２、並びに前記燃料電池スタック１１の外部に配設された負荷装置、本実施の形態においては、電動機械としてのモータ７３を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが、プロトンの形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生させられた電子がインバータ８２を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって、電力を表す電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介してインバータ８２及びモータ７３に供給することができる。そして、モータ７３に駆動輪ｗｈが接続され、前記モータ７３に電流を供給することによってモータ７３を駆動すると、モータトルクが発生させられ、該モータトルクが駆動輪ｗｈに伝達される。したがって、燃料電池搭載車両を走行させることができる。

なお、燃料電池スタック１１によって発生させられた電圧Ｖｆｃは、第１の検出部としての電圧センサ７０によって、燃料電池スタック１１によって発生させられた電流は、第２の検出部としての電流センサ７１によって検出される。また、キャパシタ８１の電圧Ｖｃａは、第３の検出部としての電圧センサ８５によって検出される。

本実施の形態において、制御装置７２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の図示されない演算装置、半導体メモリ等の図示されない記憶装置、図示されない入出力インタフェース等を備える。そして、前記制御装置７２に、温度センサ、水位センサ、水素圧センサ、水素濃度センサ、電圧センサ７０、電流センサ７１等の等の検出部としての各センサが接続され、各センサのセンサ出力が送られる。また、前記制御装置７２に、ファン２４、ポンプ６２、水回収ポンプ６５、キャパシタ８１、調圧弁、開閉弁等の各アクチュエータが接続され、制御装置７２は、前記センサ出力に基づいて各アクチュエータの動作を制御する。

例えば、制御装置７２の図示されない送風処理手段は、送風処理を行い、燃料電池スタック１１に加わる負荷を検出し、該負荷に対応させて、ファン２４に印加される電圧を調整して燃料電池スタック１１に供給される空気の風量を制御する。また、制御装置７２の図示されない給水処理手段は、給水処理を行い、前記負荷に対応させて、ポンプ６２に印加される電圧を調整して噴射装置６３に供給される水の圧力を制御する。なお、燃料電池スタック１１に加わる負荷は、燃料電池スタック１１によって発生させられた電圧Ｖｆｃによって表すことができる。

次に、燃料電池スタック１１を構成する単位ユニットとしてのモジュールについて説明する。

図２は本発明の実施の形態におけるモジュールの要部を示す平面図、図３は本発明の実施の形態におけるモジュールの正面図、図４は本発明の実施の形態におけるモジュールの背面図、図５は本発明の実施の形態におけるセパレータの要部を示す斜視図である。

モジュール１０は、セル１０１、隣接するセル１０１同士を電気的に接続するセパレータ１０２、並びにセル１０１及びセパレータ１０２を支持する２種類のフレーム１１７、１１８から成るセットを、板厚方向に複数重ねて構成される。そして、前記各フレーム１１７、１１８は、セル１０１同士が所定の間隙（げき）を置いて配設されるように、交互にスペーサとして重ねられる。

前記セル１０１は、電解質膜１１１、該電解質膜１１１の一方側に配設された空気極１１２、及び前記電解質膜１１１の他方側に配設された燃料極１１３を備える。

また、前記セパレータ１０２は、セル１０１間で空気と水素とを遮断するガス遮断部材としてのセパレータ基板１１６、該セパレータ基板１１６の一方側に配設され、前記空気極１１２と接触させて配設された第１のコレクタとしての空気極側コレクタ１１４、及びセパレータ基板１１６の他方側に配設され、前記燃料極１１３と接触させて配設された第２のコレクタとしての燃料極側コレクタ１１５を備える。前記空気極側コレクタ１１４は、網目状の導電体から成り、空気及び水の混合流を透過させるために多数の開口１４３が形成され、燃料極側コレクタ１１５は、網目状の導電体から成り、燃料を透過させるために多数の開口１５３が形成される（図５においては、説明の都合上、一部だけに開口１４３及び開口１５３が示される。）。そして、空気極側コレクタ１１４は、セル１０１の空気極１１２の拡散層と接触し、燃料極側コレクタ１１５は燃料極１１３の反応層と接触して、電流を外部に導出する。

本実施の形態において、前記空気極側コレクタ１１４及び燃料極側コレクタ１１５は、板厚が０．２〔ｍｍ〕程度の金属製の薄板（エキスパンドメタル板材）から成り、セパレータ基板１１６は、空気極側コレクタ１１４及び燃料極側コレクタ１１５より薄い金属製の薄板から成り、導電性及び耐蝕（しょく）性を備えた、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に、金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが使用される。また、フレーム１１７、１１８は、適宜の絶縁材料から成る。

前記空気極側コレクタ１１４は、プレス加工によって形成された細かい凸条１２４を備える。また、該凸条１２４は、板材の縦辺（短辺）に対して平行に、かつ、等間隔で形成される。前記凸条１２４の高さは、フレーム１１７の厚さと実質上等しくされ、空気供給路ｆａを確保する。各凸条１２４の底部１４１の平面は、空気極１１２の拡散層と接触する当接部となり、各凸条１２４の頂部１４２は、セパレータ基板１１６との当接部となる。

前記空気極側コレクタ１１４には、親水性処理が施され、処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が採られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）等が使用される。その他の親水性処理としては、金属の表面を粗化する処理、例えば、プラズマ処理がある。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、セル１０１に接触する底部１４１、特に、空気供給路ｆａ側に施される。このように、親水性処理を施すことによって、空気極側コレクタ１１４と空気極１１２の拡散層との当接面の濡れが促進され、水の潜熱による冷却効果を向上させることができる。また、これにより、開口１４３に水が詰まりにくくなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。

一方、燃料極側コレクタ１１５は、プレス加工によって形成された細かい凸条１２５を備える。該凸条１２５は、板材の横辺（長辺）に対して平行に、かつ、等間隔で形成される。また、前記凸条１２５の高さは、フレーム１１８の厚さと実質上等しくされ、燃料供給路ｆｂを確保する。各凸条１２５の底部１５１の平面は、燃料極１１３の拡散層と接触する当接部となり、各凸条１２５の頂部１５２は、セパレータ基板１１６との当接部となる。

前記空気極側コレクタ１１４及び燃料極側コレクタ１１５は、各底部１４１、１５１が外側になるようにセパレータ基板１１６を間に挟んで配設される。このとき、各頂部１４２、１５２がセパレータ基板１１６と当接し、相互に通電可能な状態になる。

そして、前記空気供給路ｆａ内を空気が矢印Ａ方向（縦方向）に、前記燃料供給路ｆｂ内を水素が矢Ｂ方向（横方向）に流れる。

前記セパレータ１０２の外側には、フレーム１１７、１１８がそれぞれ配設される。前記燃料電池スタック１１（図１）においては、最も外側のフレーム１１７以外の各フレーム１１７が、空気極側コレクタ１１４の左右の両端に配設された縦枠部１７１、１７２によって形成され、最も外側のフレーム１１７が、縦枠部１７１、１７２、並びに該縦枠部１７１、１７２の上端及び下端を連結するバックアッププレート１７６、１７７によって形成され、枠状の形状を有する。また、フレーム１１８は、燃料極側コレクタ１１５及びセル１０１の周縁部に配設され、枠状の形状を有する。

そして、前記各縦枠部１７１、１７２は、それぞれ板厚方向に貫通する長孔１７３、１７４を備え、各縦枠部１８１、１８２は、それぞれ板厚方向に貫通する長孔１８３、１８４を備え、フレーム１１７、１１８を積層すると、長孔１７３、１７４、１８３、１８４によって、燃料の流路が形成される。

前記構成の燃料電池スタック１１において、供給マニホルド２２で混合された空気及び水の混合物は、上方から空気極１１２側の空気供給路ｆａに供給され、該空気供給路ｆａ内を矢印Ａ方向に流れる。前記混合物は、空気中に水滴が霧状に混入した状態で空気極１１２に沿って供給されるが、燃料電池スタック１１の定常運転状態では、セル１０１が水素と酸素との反応によって発熱するので、空気供給路ｆａ内で混合物は加熱され、混合物中の水滴の一部は、空気極側コレクタ１１４の網目状部分とセル１０１の空気極１１２に付着し、残りは、空気極側コレクタ１１４と空気極１１２との間の気相中で加熱されることによって、蒸気になり、空気極側コレクタ１１４から蒸発潜熱によって熱を奪う。また、前記蒸気は、電解質膜中の水分が空気極１１２側から蒸発するのを防止し、保湿させる。そして、空気供給路ｆａ中の余剰の空気及び蒸気は、排出マニホルド２３から排出される。

一方、燃料は、順次積層されたフレーム１１７、１１８の各長孔１７３、１８３によって形成される流路を介して、横方から燃料極１１３側の燃料供給路ｆｂに供給され、燃料供給路ｆｂを矢印Ｂ方向に流れる。そして、燃料極１１３に沿って流れる水素のうち、反応に関与しなかった余剰分は、反対側の各長孔１７４、１８４によって形成される流路に排出される。

ところで、例えば、運転者が図示されないアクセルペダルを踏み込んで燃料電池搭載車両を加速させたり、登坂路で走行させたりする高負荷の走行状態から、アクセルペダルを緩めて燃料電池搭載車両を減速させたり、降坂路で走行させたりする低負荷の走行状態に変化すると、燃料電池が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化するが、それに伴って、燃料電池スタック１１の温度が低くなり、セパレータ基板１１６の燃料供給路ｆｂ側の面において水蒸気が凝縮して水滴が付着することがある。特に、出力が大きくされ、積層密度が高くされた燃料電池スタック１１においては、セル１０１が薄くされ、セパレータ１０２としてメタルセパレータが使用されるが、その場合、セル１０１の熱容量が小さくなるので、温度が低下しやすくなり、水蒸気の凝縮量が著しく多くなり、一旦付着した水滴が、排除されなくなってしまう。その結果、燃料極１１３側において、水素ガスが円滑に流れなくなり、十分に触媒反応が行われなくなるので、出力が小さくなってしまう。

そこで、燃料電池スタック１１が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化したとき、例えば、アイドリング時に、燃料供給路ｆｂ側の面に付着した水滴を排除するようにしている。

なお、燃料電池システムにおいては、低負荷の運転状態で、キャパシタ８１への充電を行うようになっているので、キャパシタ８１への充電と併せて水滴の排除を行う。

図６は本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。

まず、制御装置７２の図示されない充電条件判定処理手段は、充電条件判定処理を行い、キャパシタ８１への充電を行うための第１の充電条件が成立したかどうかを、モータ７３において回生が行われていないかどうかによって判断する。該回生が行われていて、第１の充電条件が成立していない場合、前記送風処理手段の風量設定処理手段は、風量設定処理を行い、制御装置７２に内蔵された風量マップを参照し、ファン２４の風量を燃料電池スタック１１に加わる負荷に対応させたものにする。なお、前記風量マップにおいて前記負荷は、燃料電池スタック１１によって発生させられた電圧Ｖｆｃで表され、該電圧Ｖｆｃと風量とが対応させて記録される。

一方、回生が行われておらず、第１の充電条件が成立している場合、前記充電条件判定処理手段は、第２の充電条件が成立したかどうかを、燃料電池スタック１１が待受状態にあるかどうかによって判断する。この場合、前記充電条件判定処理手段は負荷判定処理手段として機能し、負荷判定処理を行い、燃料電池スタック１１に加わる負荷が小さいかどうかを、本実施の形態においては、燃料電池スタック１１がモータ７３に対して電力を供給しているかどうかによって判断する。そして、燃料電池スタック１１が待受状態にある場合、燃料電池スタック１１がモータ７３に対して電力を供給していないと判断し、燃料電池スタック１１が待受状態にない場合、燃料電池スタック１１がモータ７３に対して電力を供給していると判断する。

なお、前記待受状態は、運転者がアクセルペダルから足を離し、燃料電池スタック１１がアイドリング状態に置かれている状態をいう。燃料電池スタック１１が待受状態になく、第２の充電条件が成立していない場合、前記風量設定処理手段は、ファン２４の風量を燃料電池スタック１１に加わる負荷に対応させた風量に設定する。

これに対して、燃料電池スタック１１が待受状態にあり、第２の充電条件が成立している場合、制御装置７２の図示されない充電処理手段は、充電処理を行い、燃料電池スタック１１において発生させられた電流をキャパシタ８１に送り、該キャパシタ８１への充電を行う。

なお、本実施の形態においては、モータ７３において回生が行われていない場合に燃料電池スタック１１からキャパシタ８１への電力の供給である充電が行われ、モータ７３において回生が行われている場合、燃料電池スタック１１からキャパシタ８１への充電が行われないので、キャパシタ８１が過充電になるのを防止することができる。

続いて、前記風量設定処理手段は、ファン２４に印加される電圧を高くするか、又はファン２４に供給される電流を大きくしてファン２４の回転速度を高くし、ファン２４の風量を多くする。これに伴って、供給マニホルド２２を介して空気供給路ｆａに供給される空気の量が多くされ、空気極側コレクタ１１４及び空気極１１２を乾燥させる。その結果、燃料極１１３側の水滴は、拡散及び毛細管現象によって、燃料極１１３、電解質膜１１１及び空気極１１２を伝って移動し、空気供給路ｆａに排出される。

次に、前記充電条件判定処理手段は、前記電圧Ｖｆｃ、Ｖｃａを読み込み、第３の充電条件が成立しているかどうかを、電圧Ｖｆｃが電圧Ｖｃａより高いかどうかによって判断する。電圧Ｖｆｃが電圧Ｖｃａより高く、第３の充電条件が成立している場合、前記充電処理手段は、キャパシタ８１への充電を継続し、前記風量設定処理手段は、ファン２４の風量を多くした状態に保持する。

そして、電圧Ｖｆｃと電圧Ｖｃａとが等しくなり、第３の充電条件が成立すると、前記充電処理手段は、キャパシタ８１の充電を停止させ、前記風量設定処理手段は、ファン２４の風量を燃料電池スタック１１に加わる負荷に対応させた風量に設定する。

このように、燃料電池スタック１１が低負荷の運転状態にあるときに、供給マニホルド２２に供給される空気の量が多くされるので、燃料供給路ｆｂ側の面に付着した水滴を排除することができる。したがって、燃料極１１３において、水素ガスが円滑に流れるようになるので、十分に触媒反応が行われるようになり、燃料電池スタック１１の出力を大きくすることができる。

次にフローチャートについて説明する。
ステップＳ１ 回生が行われているかどうかを判断する。回生が行われている場合はステップＳ６に進み、行われていない場合はステップＳ２に進む。
ステップＳ２ 燃料電池スタック１１が待受状態にあるかどうかを判断する。燃料電池スタックは１１が待受状態にある場合はステップＳ３に進み、待受状態にない場合はステップＳ６に進む。
ステップＳ３ キャパシタ８１への充電を行う。
ステップＳ４ ファン２４の風量を多くする。
ステップＳ５ 電圧Ｖｆｃが電圧Ｖｃａより高いかどうかを判断する。電圧Ｖｆｃが電圧Ｖｃａより高い場合はステップＳ３に戻り、電圧Ｖｆｃと電圧Ｖｃａとが等しい場合はステップＳ６に進む。
ステップＳ６ 風量を負荷に対応させて、リターンする。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図である。 本発明の実施の形態におけるモジュールの要部を示す平面図である。 本発明の実施の形態におけるモジュールの正面図である。 本発明の実施の形態におけるモジュールの背面図である。 本発明の実施の形態におけるセパレータの要部を示す斜視図である。 本発明の実施の形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１１ 燃料電池スタック
１２ 空気供給系
１３ ガス排出系
１４ 水素ガス供給系
１６ 水供給系
７２ 制御装置
８１ キャパシタ
１０１ セル
１０２ セパレータ
１１１ 電解質膜
１１２ 空気極
１１３ 燃料極

Claims (3)

1. 燃料ガス及び空気が供給されて電力を発生させる燃料電池と、
   供給管、及び該供給管上に配設されたファンを備え、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給系と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系と、
   前記燃料電池が、発生させた電力を外部の負荷装置に供給しているかどうかを判断する負荷判定処理手段と、
   前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給していて、待受状態にない場合、ファンの風量を燃料電池に加わる負荷に対応させた風量とし、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給しておらず、待受状態にある場合、ファンの風量を燃料電池が待受状態にない場合より多くし、空気極を乾燥させることによって、燃料極側の水滴を空気極側に排出する風量設定処理手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記風量設定処理手段は、燃料電池において発生させられた電流が補助蓄電装置に供給され、補助蓄電装置への充電が行われている間にファンの風量を多くする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガス及び空気が供給されて電力を発生させる燃料電池、供給管、及び該供給管上に配設されたファンを備え、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給系、並びに前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給系を有する燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池が、発生させた電力を外部の負荷装置に供給しているかどうかを判断し、
   前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給していて、待受状態にない場合は、ファンの風量を燃料電池に加わる負荷に対応させた風量とし、前記燃料電池が、発生させた電力を前記負荷装置に供給しておらず、待受状態にある場合は、ファンの風量を燃料電池が待受状態にない場合より多くし、空気極を乾燥させることによって、燃料極側の水滴を空気極側に排出することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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