JP6972633B2

JP6972633B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6972633B2
Application number: JP2017081860A
Authority: JP
Inventors: 貴志小山; 珠城鈴木; 博道佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: JP2018181688A

Description

本発明は、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池を冷却する為の冷却装置とを有する燃料電池システムに関する。

従来、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが種々開発されている。燃料電池では、発電時の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池は発電効率のため定温（８０℃程度）に維持する必要があり、発電時に発生する熱のほとんどを、冷却水等の熱媒体を介して、ラジエータ（空冷式の冷却装置）により大気に放出している。

このような燃料電池システムに関する技術として、特許文献１に記載された発明が知られている。特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池の化学反応で発生する水を気液分離器で回収し、回収した水を冷却装置であるラジエータに散布するように構成されている。

従って、特許文献１の燃料電池システムは、散布した水の蒸発潜熱によってラジエータの冷却性能を向上させ、高負荷時における燃料電池の温度を一定範囲内に維持している。これにより、当該燃料電池システムは、燃料電池における安定発電に寄与している。

特開２００１−３１３０５４号公報

ここで、燃料電池システムにおいては、燃料電池における安定発電のみならず、燃料電池の発電効率の向上も望まれている。燃料電池における発電効率の向上には、燃料電池における化学反応を促進する必要があり、その為には、水分を含んだ湿潤状態に当該燃料電池をすることが必要となる。

この為、特許文献１のように気液分離器で回収した水を、燃料電池を湿潤状態にする為に利用することが考えられる。この回収した水分を燃料電池に供給する際には、適切な態様で供給することが重要であり、供給態様によっては化学反応を阻害し、燃料電池の発電効率を低下させてしまう場合が想定される。

本発明は、これらの点に鑑みてなされており、化学反応で発生する水を適切に燃料電池に供給することで、燃料電池における発電効率の向上に貢献可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の燃料電池システムは、
水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
化学反応で発生する水分を回収する水分回収部（１０）と、
水分回収部で回収した水分を、燃料電池に散布する電池側散布部（１５）と、
燃料電池に対して前記酸素を含む気体を供給する為の供給経路上であって、電池側散布部による散布位置よりも下流側に配置され、内部を流れる冷却用熱媒体との熱交換により気体を冷却するインタークーラ（１７）と、
電池側散布部及びインタークーラの作動を制御する制御部（１６）と、を有し、
制御部は、
燃料電池が予め定められた状態よりも乾いているか否かを判定する乾き判定部（Ｓ３、Ｓ１３）を有し、
乾き判定部によって燃料電池が乾いていると判定された場合に、インタークーラの冷却性能を下げるように、インタークーラの作動を制御し、
インタークーラの作動を制御した後に、水分回収部で回収した水分について、飽和蒸気圧以下であって、冷却用熱媒体の温度、燃料電池の出力を用いて、燃料電池の発電効率が最も高くなるように定められた量を、燃料電池に対して散布するように、電池側散布部の作動を制御する。

当該燃料電池システムによれば、燃料電池にて水素と酸素とを化学反応させて電力を得ることができ、この化学反応で生成された水分を、水分回収部によって回収して利用することができる。ここで、燃料電池は、一般的に電解質膜を一対の電極で挟み込んだセルを多数組み合わせて構成されており、発電の際には、水素と酸素との化学反応の為に電解質膜を湿潤状態にしておく必要がある。

当該燃料電池システムは、乾き判定部によって燃料電池が乾いていると判定された場合には、電池側散布部の作動によって、水分回収部で回収した水分を燃料電池に対して散布する。これにより、当該燃料電池システムによれば、化学反応によって発生した水分を回収・利用することで、燃料電池の湿潤状態を維持することができる。即ち、燃料電池における化学反応に適した環境を整えることができ、燃料電池による発電効率の向上に貢献できる。

そして、当該燃料電池システムによれば、燃料電池に対して回収水を散布する際に、インタークーラの冷却性能を低下させる為、インタークーラ内における凝縮水の発生を抑制することができる。これにより、当該燃料電池システムによれば、液水状態の凝縮水が燃料電池に供給されることを防止でき、当該凝縮水によって、燃料電池における電気化学反応が阻害されることを防止できる。即ち、当該燃料電池システムは、化学反応により生じる水分を適切に用いて、確実に燃料電池１における発電効率を向上させることができる。

尚、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。第１実施形態に係る燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。第１実施形態における乾き判定用制御マップの一例を示す説明図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
先ず、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照しつつ説明する。第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用されており、走行用電動モータやバッテリ等の電気機器（図示せず）に対して、燃料電池１で発電された電力を供給するように構成されている。

図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を有している。当該燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、多数のセルを組み合わせて構成されている。各セルは、電解質膜を一対の電極で挟み込んで形成されている。

燃料電池１には、空気通路２を介して、酸素を含む空気が供給される。この空気通路２には、エアポンプ６が配置されており、エアポンプ６の作動によって空気を圧送して、燃料電池１に供給することができる。又、燃料電池１には、水素通路３を介して水素が供給される。

そして、燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。従って、当該燃料電池１は、本発明における燃料電池として機能する。この電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素及び水素は、排気ガス及び排気水素として燃料電池１から排出される。
（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
当該電気化学反応の為には、燃料電池１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。当該燃料電池システム１００は、燃料電池１に供給される空気及び水素に加湿を行い、これらの加湿されたガスを燃料電池１に供給することで、燃料電池１内の電解質膜を加湿するように構成されている。

又、燃料電池１では、発電の際の電気化学反応により熱及び水分が発生する。当該燃料電池１の発電効率を考慮すると、燃料電池１は、燃料電池システム１００が作動している間、一定温度（例えば８０℃程度）に維持されている必要がある。又、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されてしまう。この為、燃料電池１の温度が許容温度以下となるようにしておく必要がある。

図１に示すように、当該燃料電池システム１００には、冷却水回路が配置されており、熱媒体としての冷却水を用いて、燃料電池１を冷却して当該燃料電池１の温度を制御している。この熱媒体である冷却水としては、低温時における凍結を防止する為に、例えば、エチレングリコールと水の混合溶液を用いることができる。

当該冷却水回路は、ラジエータ４と、ファン５と、冷却水流路７と、ウォータポンプ８とを有して構成されており、燃料電池１とラジエータ４の間で冷却水を循環させることで、燃料電池１で発生した熱を系外へ放出するように構成されている。

ラジエータ４は、燃料電池１で発生した熱を系外に放熱するように構成された熱交換器である。当該燃料電池システム１００においては、冷却水回路の冷却水は、燃料電池１を流れる過程で、電気化学反応で発生した熱を吸熱して流出し、冷却水流路７を介して、ラジエータ４へ流入する。ラジエータ４では、冷却水と大気との熱交換が行われ、冷却水の熱が大気に放熱される。その後、冷却水は、ラジエータ４から燃料電池１へ向かって流れ、冷却水回路の冷却水流路７を循環する。

即ち、ラジエータ４は、熱媒体としての冷却水との熱交換によって、燃料電池１の電気化学反応で生じた熱を放熱して、燃料電池１を冷却している。従って、当該ラジエータ４は、本発明における冷却装置として機能する。

又、当該ラジエータ４は、ファン５を有している。ファン５は、ラジエータ４における熱交換対象である外気をラジエータ４に送風することで、ラジエータ４における冷却水の熱交換を補助している。

ウォータポンプ８は、燃料電池１とラジエータ４を含む循環径路としての冷却水流路７に配置されており、冷却水を圧送することで、冷却水流路７内において冷却水を循環させている。

当該燃料電池システム１００では、冷却水回路における冷却水の温度制御は、ウォータポンプ８による流量制御、ファン５の送風量制御によって行われる。そして、冷却水流路７における燃料電池１の出口側には、水温センサ９が配置されている。当該水温センサ９は、燃料電池１の出口側から流出する冷却水温度を検出する。

当該燃料電池システム１００において、燃料電池１による発電の際に発生した水分は、燃料電池１から空気通路２を介して、空気に含まれた状態で排出される。この為、空気通路２における燃料電池１の下流側には、気液分離器１０が配置されている。

当該気液分離器１０は、燃料電池１での発電の際に発生した水分を、空気通路２から排出された空気と共に回収し、水蒸気と水に分離する。そして、気液分離器１０で分離された水蒸気は、燃料電池システム１００の外部に排出される。一方、気液分離器１０で分離された水は、凝縮により温度が下げられた状態で気液分離器１０内に一旦貯留される。即ち、気液分離器１０は、本発明における水分回収部として機能する。

当該燃料電池システム１００において、気液分離器１０内に貯留された回収水は、後述するように、燃料電池１における電解質膜の加湿と、ラジエータ４の冷却に用いられる。気液分離器１０の下部には、当該気液分離器１０内に貯留されている回収水を利用する為の回収水用流路１１が接続されている。

図１に示すように、この回収水用流路１１は、気液分離器１０の下部と流量調整弁１３とを接続しており、当該回収水用流路１１には、散布用ポンプ１２が配置されている。従って、当該燃料電池システム１００においては、散布用ポンプ１２を作動させることによって、気液分離器１０内に貯留されている回収水を、流量調整弁１３へ圧送することができる。

流量調整弁１３には、ラジエータ側流路１４と、加湿用流路１５とが接続されている。ラジエータ側流路１４は、散布用ポンプ１２の作動によって、気液分離器１０内部から流量調整弁１３を介して圧送された回収水をラジエータ４に散布する為の流路である。従って、散布用ポンプ１２、流量調整弁１３、ラジエータ側流路１４は、本発明における冷却装置側散布部として機能する。

当該燃料電池システム１００において、当該流量調整弁１３は、ラジエータ側流路１４に対する弁開度と、加湿用流路１５に対する弁開度を独立して調整可能に構成されており、ラジエータ側流路１４における回収水の散布流量と、加湿用流路１５における回収水の散布流量を調整する。

そして、加湿用流路１５は、散布用ポンプ１２の作動によって、気液分離器１０内部から流量調整弁１３を介して圧送された回収水を燃料電池１に散布する為の流路である。具体的には、当該加湿用流路１５は、空気通路２におけるエアポンプ６の下流側に回収水を散布して、空気通路２の空気と共に燃料電池１に供給するように配置されている。即ち、散布用ポンプ１２、流量調整弁１３、加湿用流路１５は、本発明における電池側散布部として機能する。尚、ラジエータ側流路１４及び加湿用流路１５の端部には、水を霧状に散布（噴射）する為の散水ノズルが配置されている。

更に、当該燃料電池システム１００は、空気通路２上におけるエアポンプ６及び、加湿用流路１５の散水ノズルよりも下流側に、インタークーラ１７を有している。当該インタークーラ１７は、エアポンプ６による断熱圧縮で高温となった空気通路２上の空気を冷却する為の熱交換器である。

そして、当該インタークーラ１７には、インタークーラ用熱媒体配管１８が接続されている。インタークーラ用熱媒体配管１８は、高温となった空気通路２上の空気を冷却する為の冷却用熱媒体をインタークーラ１７内部に供給する流路として機能する。インタークーラ１７内部を流れた冷却用熱媒体は、インタークーラ用熱媒体配管１８を介して、インタークーラ１７外部に流出する。

当該燃料電池システム１００においては、インタークーラ用熱媒体配管１８は、ラジエータ４、冷却水流路７等を含む冷却水回路に接続されており、インタークーラ１７は、当該冷却水回路において、燃料電池１に並列に接続されている。従って、当該インタークーラ１７には、冷却用熱媒体として冷却水が供給される。

インタークーラ１７の流入口側に接続されたインタークーラ用熱媒体配管１８には、電磁弁１９が配置されている。当該電磁弁１９は、インタークーラ用熱媒体配管１８内部の流路を全閉可能に構成されており、制御装置１６によってその作動が制御される。即ち、当該燃料電池システム１００によれば、電磁弁１９の作動を制御することによって、インタークーラ１７に対する冷却水の供給を停止することができる。

当該燃料電池システム１００によれば、空気通路２上でエアポンプ６の断熱圧縮によって高温となった空気を、インタークーラ１７で冷却した状態で燃料電池１に供給することができる為、高温の空気による燃料電池１の熱損を防止できる。

そして、図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、制御装置１６を有している。当該制御装置１６は、燃料電池システム１００を構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部であり、本発明における制御部として機能する。当該制御装置１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。

制御装置１６の入力側には、燃料電池１及び水温センサ９が接続されている。従って、制御装置１６は、燃料電池１の出力や水温センサ９による冷却水温度を取得することができる。

又、制御装置１６の出力側には、散布用ポンプ１２、流量調整弁１３や電磁弁１９等の各制御対象機器が接続されている。従って、当該制御装置１６のＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、燃料電池システム１００の作動を制御することができる。そして、制御装置１６のＲＯＭには、後述する回収水の散布に関する制御プログラムや乾き判定に関する制御マップも記憶されている。この制御プログラム等の内容については後述する。

続いて、第１実施形態に係る燃料電池システム１００において、気液分離器１０による回収水を利用する場合の作動制御について、図面を参照しつつ説明する。燃料電池システム１００の作動が開始されると、制御装置１６は、図２に示す制御プログラムをＲＯＭから読み出して、ＣＰＵによって実行する。

ステップＳ１において、燃料電池システム１００の作動が開始されると、先ず、燃料電池１が図示しない加熱手段によって発電可能温度まで加熱される。燃料電池１が発電可能温度になると、エアポンプ６の作動が開始され、空気通路２を介して、燃料電池１に酸素を含む空気の供給が開始される。同時に、水素通路３を介して。燃料電池１に対する水素の供給が開始される。これにより、燃料電池１における発電が開始される。

この発電時における電気化学反応によって燃料電池１では水分と熱が発生する。水分は空気通路２を介して空気に含まれた状態で燃料電池１から排出された後、気液分離器１０で水蒸気と水に分離される。水蒸気は気液分離器１０から燃料電池システム１００の外部に排出され、回収された水は気液分離器１０内部に貯留される。燃料電池１で発生した熱は、冷却水流路７内の冷却水を介して、ラジエータ４から大気中に放出される。

又、気液分離器１０内部の回収水は、以下の制御により、発電効率の向上や高負荷時における安定発電の為に用いられる。この時、当該燃料電池システム１００では、電磁弁１９が所定の開度に調整されており、インタークーラ１７に対する冷却水の供給が許容されている。

ステップＳ２においては、水温センサ９によって検出された冷却水温度と、燃料電池１の出力が制御装置１６に入力される。

そして、ステップＳ３では、燃料電池１の乾き判定が行われる。この乾き判定は、燃料電池１の電解質膜が乾燥した乾き状態であるか湿潤状態であるかを判断する処理である。燃料電池１が乾き状態であると判断された場合には、ステップＳ４に進み、一方、燃料電池１が乾き状態でない（つまり、湿潤状態である）と判断された場合には、ステップＳ８に移行する。従って、ステップＳ３を実行する制御装置１６は、本発明における乾き判定部として機能する。

具体的には、ステップＳ３における乾き判定は、ステップＳ２で取得した冷却水温度及び燃料電池１の出力と、ＲＯＭに記憶されている乾き判定用制御マップを参照して行われる。図３に示すように、この乾き判定用制御マップは、水温センサ９で検出される冷却水温度と、燃料電池１の出力とを対応付けて構成されている。

そして、ステップＳ３では、乾き判定用制御マップ上において、燃料電池１の出力値に対応付けられている判定基準値よりも水温センサ９の冷却水温度が高い場合に、燃料電池１が乾き状態であると判断される。この判定基準値は、燃料電池１の電解質膜における乾き状態と湿潤状態との境界を示しており、本発明における燃料電池の予め定められた状態に相当する。

ステップＳ４に移行すると、電磁弁１９の作動を制御することで、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる。具体的に、第１実施形態においては、電磁弁１９の作動を制御して、インタークーラ用熱媒体配管１８内の流路を全閉にすることで、インタークーラ１７に対する冷却水の供給を停止する。

次に、ステップＳ５においては、気液分離器１０内の回収水が燃料電池１に対して散布される。具体的には、制御装置１６が散布用ポンプ１２、流量調整弁１３を制御することによって、気液分離器１０内の回収水が加湿用流路１５から空気通路２におけるエアポンプ６の下流側に散布される。

ここで、加湿用流路１５から回収水が散布された場合、インタークーラ１７を通過する直前の空気は、エアポンプ６による断熱圧縮された高温空気に対して、加湿用流路１５から回収水が散布されたものとなる。即ち、水蒸気を含む空気がインタークーラ１７を通過して、燃料電池１に向かって流れることになる。

この時、インタークーラ１７に冷却水が供給されていると、インタークーラ１７を通過する際に、空気における水蒸気が凝縮して液水となり、この液水の状態で燃料電池１に供給されてしまう場合が生じる。この場合、当該液水が燃料電池１の電解質膜における触媒層表面を被覆して、電解質膜における電気化学反応を阻害してしまう虞がある。

当該燃料電池システム１００においては、ステップＳ５の燃料電池１に対する回収水の散布に先んじて、ステップＳ４でインタークーラ１７の冷却性能を低下させることで、インタークーラ１７内における凝縮水の発生を抑制することができる。凝縮水の発生を抑制することで、燃料電池１における電気化学反応の阻害要因をなくすことになる為、燃料電池１における発電効率の低下を抑制することができる。

これにより、散布された回収水が、空気通路２を流れる空気と共に、燃料電池１の電解質膜に適切に供給される為、電気化学反応を阻害することなく、燃料電池１を湿潤状態にすることができ、燃料電池１の発電効率を向上させることができる。

又、空気通路２を流れる空気は、エアポンプ６における断熱圧縮によって高温となっている。回収水を空気通路２におけるエアポンプ６の下流側に散布すると、当該回収水の蒸発潜熱によって、空気通路２を流れる空気を冷却することができる。これにより、高温空気の流入による燃料電池１の熱損を抑制することができる。

尚、流量調整弁１３における加湿用流路１５側への回収水流量（即ち、燃料電池１に対して供給される回収水の散布量）は、飽和蒸気圧以下とし、燃料電池１の発電効率が最も高くなる任意の量に定められる。具体的には、水温センサ９の冷却水温度や燃料電池１の出力等に基づいて燃料電池１に対する必要流量が算出され、これに応じた散布用ポンプ１２、流量調整弁１３の制御が行われる。

この回収水流量は、回収水が液水のままで燃料電池１に流入すると、当該液水が燃料電池１における触媒層表面を覆ってしまい電気化学反応を阻害する場合があり、液水による電気化学反応の阻害を防止する為、上述した条件のもとで定められる。

ステップＳ６に移行すると、水温センサ９で取得された冷却水温度が予め定められた基準温度以上であるか否かが判断される。この基準温度は、燃料電池１における発電に伴って燃料電池１が高温状態となっている場合の冷却水温度を示しており、例えば、９０℃である。冷却水温度が基準温度以上である場合はステップＳ７に進み、冷却水温度が基準温度以上でない場合はステップＳ８に移行する。

つまり、ステップＳ６では、水温センサ９からの冷却水温度を介して、燃料電池１の温度状態を判定している。従って、ステップＳ６を実行する制御装置１６は、本発明における温度判定部として機能する。

ステップＳ７では、気液分離器１０内の回収水がラジエータ４に対して散布される。具体的には、制御装置１６が散布用ポンプ１２、流量調整弁１３を制御することによって、気液分離器１０内の回収水がラジエータ側流路１４からラジエータ４に散布される。この時、制御装置１６は、水温センサ９で検出された冷却水温度等から、ラジエータ４に対する回収水の必要散布量を算出し、これに基づいて散布用ポンプ１２及び流量調整弁１３を作動させる。

これにより、当該燃料電池システム１００では、気液分離器１０の回収水がラジエータ４に散布（供給）される。そして、当該燃料電池システム１００は、散布された回収水の蒸発潜熱（吸熱）によって、ラジエータ４の放熱能力を向上させて、効果的に冷却水流路７を循環する冷却水の温度を低下させることができる。この結果、当該燃料電池システム１００は、高負荷時におけるラジエータ４の放熱能力を向上させることができるので、高負荷時における燃料電池１による発電を安定して行うことができる。

ここで、気液分離器１０に貯留されている回収水は凝縮により低温状態で生成されている。低温の回収水をラジエータ４に散布することで、冷却水との温度差が広がり、効果的に冷却水の冷却を行うことができる。又、気液分離器１０内に水を貯留しておくことで、冷却のため緊急に大量の水が必要な場合でも対応できる。

ステップＳ８においては、燃料電池システム１００の作動を停止するか否かが判断される。この判断処理は、例えば、燃料電池システム１００の作動停止に関する操作が行われたか否かに基づいて判断される。作動停止に関する操作には、例えば、電気自動車（燃料電池車両）に対するキーオフ操作が含まれる。燃料電池システム１００の作動を停止させる場合には、この制御プログラムの実行を終了する。一方、燃料電池システム１００の作動を停止させない場合には、ステップＳ２に戻り、上述した各ステップを実行する。

この制御プログラムに従って、燃料電池システム１００の作動を制御することにより、電気化学反応で発生した水分を気液分離器１０で回収した回収水を、燃料電池１の状態に対応する態様で利用することができる。

具体的には、燃料電池１の電解質膜が乾き状態である場合には、ステップＳ５で回収水を燃料電池１に散布することで、燃料電池１を加湿すると共に冷却することができる。これにより、当該燃料電池システム１００は、燃料電池１を湿潤状態にすることができ、燃料電池１における発電効率を向上させることができる。

そして、ステップＳ５で燃料電池１に対して回収水を散布する前に、ステップＳ４においてインタークーラ１７に対する冷却水の供給を停止して、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる。これにより、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１に対する回収水の散布に際して、インタークーラ１７内における凝縮水の発生を抑制することができる。そして、インタークーラ１７による凝縮水の発生を抑制することで、燃料電池１における電気化学反応の阻害要因をなくし、燃料電池１における発電効率を向上させることができる。

又、冷却水温度から燃料電池１が高温状態と判断される場合には、ステップＳ７で回収水をラジエータ４に対して散布することで、ラジエータ４を回収水の蒸発潜熱で冷却してラジエータ４の放熱能力を高めることができる。これにより、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１の発電に係る高負荷に対して、ラジエータ４の放熱能力の向上によって対応することができ、高負荷時の燃料電池１による発電の安定性を高めることができる。

そして、図２に示すように、ステップＳ３〜ステップＳ５による燃料電池１に対する回収水の散布に関する処理は、ステップＳ６、ステップＳ７によるラジエータ４に対する回収水の散布に関する処理に先んじて行われる。

燃料電池１に対する回収水の散布では、燃料電池１における電解質膜の加湿による発電効率の向上に加えて、散布した回収水の蒸発による冷却効果を期待することができる。そして、この冷却効果によって燃料電池１が冷却された場合には、ラジエータ４に対する回収水の散布水量を少なくしたり、なくしたりすることも可能となる。従って、このような優先順位で処理を行うように構成することで、気液分離器１０内の回収水を有効に利用しつつ、燃料電池１による発電効率の向上と、高負荷時における燃料電池１の発電の安定性の向上を図ることができる。

以上説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１が乾き状態である場合には、燃料電池１の電気化学反応で発生した水分が気液分離器１０で回収され、気液分離器１０内の回収水として燃料電池１に対して散布される。

これにより、燃料電池１における電解質膜を湿潤状態に保つことができるので、燃料電池１における発電効率を向上させることができる。同時に、燃料電池１に散布された回収水の蒸発潜熱によって冷却することもできる為、燃料電池１の温度を一定範囲内に維持することができ、燃料電池１における安定発電にも貢献できる。

そして、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１に対して気液分離器１０で回収した回収水を散布する際に、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる為、インタークーラ１７内における凝縮水の発生を抑制することができる。これにより、当該燃料電池システム１００によれば、液水状態の凝縮水が燃料電池１に供給されることを防止でき、当該凝縮水によって、燃料電池１における電気化学反応が阻害されることを防止できる。即ち、当該燃料電池システム１００は、化学反応により生じる水分を適切に用いて、確実に燃料電池１における発電効率を向上させることができる。

又、冷却水温度から燃料電池１が高負荷に伴う高温状態であると判定された場合、気液分離器１０内の回収水がラジエータ４に対して散布される。これにより、当該燃料電池システム１００は、高負荷時におけるラジエータ４の放熱能力を向上させることができ、高負荷時における燃料電池１の温度を一定範囲内に維持することができる。即ち、当該燃料電池システム１００によれば、高負荷時における燃料電池１の発電を安定させることができる。

即ち、第１実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、電気化学反応で発生する水を燃料電池１の状態に応じた態様で利用することで、高負荷時の燃料電池１における安定発電と、燃料電池１における発電効率の向上に貢献することができる。

又、第１実施形態のステップＳ３において、燃料電池１の乾き状態に関する判定は、燃料電池１の出力と、ラジエータ４による燃料電池１の冷却に用いられる冷却水の冷却水温度とに基づいて行われる。

従って、当該燃料電池システム１００によれば、燃料電池１の乾き状態に関する判定を精度よく行うことができ、もって、適切なタイミングで、燃料電池１に対する回収水の散布を行って、燃料電池１の発電効率を高めることができる。又、燃料電池１の出力や冷却水温度は、燃料電池システムで一般的に取得されているパラメータである為、特別な検出部を追加することなく、本発明を燃料電池システムに適用することができる。

（第２実施形態）
続いて、上述した第１実施形態とは異なる第２実施形態について、図面を参照しつつ説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、制御プログラムの処理内容を除いて、基本的に第１実施形態と同様の構成である。従って、以下の説明において、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１００において、気液分離器１０による回収水を利用する場合の作動制御について、図４を参照しつつ説明する。燃料電池システム１００の作動が開始されると、制御装置１６は、図４に示す制御プログラムをＲＯＭから読み出して、ＣＰＵによって実行する。

先ず、ステップＳ１１においては、燃料電池システム１００の作動が開始されると、燃料電池システム１００を構成する各制御機器の作動が開始される。このステップＳ１１における処理内容は、第１実施形態におけるステップＳ１と同様である為、詳細な説明は省略する。

ステップＳ１２では、水温センサ９によって検出された冷却水温度と、燃料電池１における電解質膜の膜抵抗であるインピーダンスが制御装置１６に入力される。ここで、燃料電池１の電解質膜は、乾き状態が進行する程に、その膜抵抗（即ち、インピーダンス）が増加する傾向を示す。即ち、当該インピーダンスは、燃料電池１の乾き状態を判定する為のパラメータとして用いることができる。

尚、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においては、周知の交流インピーダンス法により、燃料電池１における電解質膜のインピーダンスが検出されている。この点、制御装置１６が電解質膜のインピーダンスを取得することができればよく、その取得方法は適宜変更可能である。例えば、インピーダンスに相関を有する一又は複数の物理量を用いて、電解質膜のインピーダンスを算出する構成としても良い。

ステップＳ１３においては、取得した電解質膜のインピーダンス（以下、取得インピーダンスという）が予め定められた基準インピーダンス以上であるか否かが判断される。基準インピーダンスは、燃料電池１の電解質膜における乾き状態と湿潤状態との境界を示しており、本発明における燃料電池の予め定められた状態に相当する。

即ち、ステップＳ１３は、燃料電池１の電解質膜が乾き状態であるか湿潤状態であるかを判断する為の処理であり、ステップＳ１３を実行する制御装置１６は、本発明における乾き判定部として機能する。

取得インピーダンスが基準インピーダンス以上であると判断された場合には、燃料電池１が乾き状態である為、ステップＳ１４に進む。一方、取得インピーダンスが基準インピーダンス以上でないと判断された場合には、燃料電池１が湿潤状態である為、ステップＳ１８に移行する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１の電解質膜の状態を電解質膜のインピーダンスから直接的に把握することができるので、燃料電池１の乾き状態を精度よく判断することができる。

ステップＳ１４に移行すると、電磁弁１９の作動を制御することで、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる。具体的に、第１実施形態のステップＳ４と同様に、電磁弁１９の作動を制御して、インタークーラ用熱媒体配管１８内の流路を全閉にすることで、インタークーラ１７に対する冷却水の供給を停止する。

続くステップＳ１５では、燃料電池１に対する回収水の散布が行われる。具体的には、制御装置１６が散布用ポンプ１２、流量調整弁１３を制御することによって、気液分離器１０内の回収水が空気通路２におけるエアポンプ６の下流側に散布される。このステップＳ１５の処理内容は、第１実施形態に係るステップＳ５と同様である為、詳細な説明は省略する。

これにより、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においても、乾き状態の燃料電池１に対して、気液分離器１０内の回収水を散布することができる。即ち、第２実施形態においても、燃料電池１における電解質膜を湿潤状態に保つことができるので、燃料電池１における発電効率を向上させることができる。同時に、燃料電池１に散布された回収水の蒸発潜熱によって冷却することもできる為、燃料電池１の温度を一定範囲内に維持することができ、燃料電池１における安定発電にも貢献できる。

又、ステップＳ１５の燃料電池１に対する回収水の散布に先んじて、ステップＳ１４でインタークーラ１７の冷却性能を低下させることで、インタークーラ１７内における凝縮水の発生を抑制することができる。凝縮水の発生を抑制することで、燃料電池１における電気化学反応の阻害要因をなくすことになる為、第２実施形態においても、燃料電池１における発電効率の低下を抑制することができる。

ステップＳ１６においては、水温センサ９で取得された冷却水温度が予め定められた基準温度以上であるか否かが判断される。このステップＳ１６の判断処理は、第１実施形態におけるステップＳ６と同様の内容である為、詳細な説明は省略する。冷却水温度が基準温度以上である場合はステップＳ１７に進み、冷却水温度が基準温度以上でない場合はステップＳ１８に移行する。

そして、第２実施形態におけるステップＳ１６は、水温センサ９からの冷却水温度を介して、燃料電池１の温度状態を判定している。従って、ステップＳ１６を実行する制御装置１６は、本発明における温度判定部として機能する。

ステップＳ１７では、気液分離器１０内の回収水がラジエータ４に対して散布される。具体的には、制御装置１６が散布用ポンプ１２、流量調整弁１３を制御することによって、気液分離器１０内の回収水がラジエータ側流路１４からラジエータ４に散布される。当該ステップＳ１７の処理内容は、第１実施形態におけるステップＳ７と同様である為、詳細な説明は省略する。

これにより、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、高負荷時におけるラジエータ４の放熱能力を向上させることができ、高負荷時における燃料電池１の温度を一定範囲内に維持することができる。即ち、当該燃料電池システム１００によれば、高負荷時における燃料電池１の発電を安定させることができる。

ステップＳ１８では、燃料電池システム１００の作動を停止するか否かが判断される。この判断処理は、第１実施形態におけるステップＳ８と同様の処理である為、その説明を省略する。

以上説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１が乾き状態である場合には、燃料電池１の電気化学反応で発生した水分が気液分離器１０で回収され、気液分離器１０内の回収水として燃料電池１に対して散布される。

そして、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においても、燃料電池１に対して気液分離器１０で回収した回収水を散布する際に、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる為、インタークーラ１７内における凝縮水の発生を抑制することができる。これにより、当該燃料電池システム１００によれば、液水状態の凝縮水が燃料電池１に供給されることを防止でき、当該凝縮水によって、燃料電池１における電気化学反応が阻害されることを防止できる。即ち、当該燃料電池システム１００は、化学反応により生じる水分を適切に用いて、確実に燃料電池１における発電効率を向上させることができる。

又、冷却水温度から燃料電池１が高負荷に伴う高温状態であると判定された場合、気液分離器１０内の回収水がラジエータ４に対して散布される。これにより、当該燃料電池システム１００は、高負荷時におけるラジエータ４の放熱能力を向上させることで、燃料電池１の発電を安定させることができる。

即ち、第２実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、電気化学反応で発生する水を燃料電池１の状態に応じた態様で利用することで、高負荷時の燃料電池１における安定発電と、燃料電池１における発電効率の向上に貢献することができる。

又、第２実施形態のステップＳ１３において、燃料電池１の乾き状態に関する判定は、燃料電池１における電解質膜のインピーダンスが予め定められた基準インピーダンス以上である場合に、燃料電池１が予め定められた状態よりも乾き状態であると判定される。

燃料電池１における電解質膜のインピーダンスは、乾き状態が進行する程に増加する傾向を示す。従って、第２実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池１の乾き状態に関する判定を、燃料電池１のインピーダンスを用いて行うことで、より高い精度で判定することができ、もって、より適切なタイミングで、燃料電池１に対する回収水の散布を行って、燃料電池１の発電効率を高めることができる。

（他の実施形態）
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではない。即ち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。例えば、上述した各実施形態を適宜組み合わせても良いし、上述した実施形態を種々変形することも可能である。

（１）上述した実施形態においては、燃料電池１として、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いていたが、この態様に限定されるものではない。本発明における燃料電池としては、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等を用いることも可能である。

（２）又、上述した実施形態においては、ステップＳ６、ステップＳ１６で、水温センサ９にて検出された冷却水温度を用いて、燃料電池１の温度状態を判定していたが、この態様に限定されるものではない。燃料電池１の温度に相関を有する他の物理量に基づいて、燃料電池１の温度状態を判定しても良いし、燃料電池１の温度を測定して判定しても良い。

（３）そして、上述した実施形態においては、燃料電池１に対して回収水を散布する際に、加湿用流路１５の散水ノズルを介して、空気通路２におけるエアポンプ６の下流側に、回収水を散布していたが、この態様に限定されるものではない。燃料電池１の電解質膜を加湿することができれば、空気通路２を流れる空気を利用することなく、燃料電池１に対して直接的に回収水を散布しても良い。

（４）又、上述した実施形態では、ラジエータ４に対して回収水を散布する際に、ラジエータ側流路１４の散水ノズルを介して、回収水を散布していたが、この態様に限定されるものではない。

回収水をラジエータ４に散布する際、回収水がラジエータ４にて蒸発する際の蒸発潜熱によりラジエータ４の放熱能力を向上させ、効果的に冷却水の温度を低下させることができれば、種々の方法を採用することができる。例えば、回収水を水滴状態でラジエータ４本体に散布しても良いし、回収水を霧状にしてラジエータ４本体に散布（噴霧）しても良い。

（５）又、上述した実施形態においては、インタークーラ１７に供給される冷却用熱媒体として、冷却水流路７を流れる冷却水を利用するように構成していたが、この態様に限定されるものではない。空気通路２におけるエアポンプ６の下流側において、インタークーラ１７を通過する空気と熱交換可能な熱媒体であれば、他の熱媒体を利用することも可能である。

（６）そして、ステップＳ４、ステップＳ１４では、燃料電池１に対する回収水の散布に先んじて、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる為に、インタークーラ１７に対する冷却水の供給を停止していたが、この態様に限定されるものではない。インタークーラ１７による冷却性能を低下させることができれば、種々の作動制御を採用することができ、例えば、インタークーラ１７に対する冷却水の供給量（即ち、インタークーラ１７を通過する冷却水の流量）を減少させてもよい。

又、上述した実施形態においては、インタークーラ１７の冷却性能を低下させる為に、インタークーラ用熱媒体配管１８に配置された電磁弁１９を全閉していたが、この態様に限定されるものではない。インタークーラ１７に対する冷却用熱媒体の供給を停止する態様としては、種々の方式を採用することができる。

例えば、冷却用熱媒体を圧送するポンプ等の作動を停止しても良いし、冷却用熱媒体の流路を切り替えることで、インタークーラに対する冷却用熱媒体の供給を停止することも可能である。

１燃料電池
２空気通路
３水素通路
４ラジエータ
１０気液分離器
１２散布用ポンプ
１３流量調整弁
１４ラジエータ側流路
１５加湿用流路
１６制御装置

Claims

水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
前記化学反応で発生する水分を回収する水分回収部（１０）と、
前記水分回収部で回収した水分を、前記燃料電池に散布する電池側散布部（１５）と、
前記燃料電池に対して前記酸素を含む気体を供給する為の供給経路上であって、前記電池側散布部による散布位置よりも下流側に配置され、内部を流れる冷却用熱媒体との熱交換により前記気体を冷却するインタークーラ（１７）と、
前記電池側散布部及び前記インタークーラの作動を制御する制御部（１６）と、を有し、
前記制御部は、
前記燃料電池が予め定められた状態よりも乾いているか否かを判定する乾き判定部（Ｓ３、Ｓ１３）を有し、
前記乾き判定部によって前記燃料電池が乾いていると判定された場合に、前記インタークーラの冷却性能を下げるように、前記インタークーラの作動を制御し、
前記インタークーラの作動を制御した後に、前記水分回収部で回収した水分について、飽和蒸気圧以下であって、前記冷却用熱媒体の温度、前記燃料電池の出力を用いて、前記燃料電池の発電効率が最も高くなるように定められた量を、前記燃料電池に対して散布するように、前記電池側散布部の作動を制御する燃料電池システム。
熱媒体を用いて熱交換することで前記燃料電池を冷却する冷却装置（４）と、
前記水分回収部で回収した水分を、前記冷却装置に散布する冷却装置側散布部（１４）と、を有し、
前記制御部は、
前記燃料電池の温度が予め定められた基準温度以上であるか否かを判定する温度判定部（Ｓ６、Ｓ１６）と、を有し、
前記温度判定部によって前記燃料電池の温度が予め定められた基準温度以上であると判定された場合に、前記冷却装置に対して前記水分回収部で回収した水分を散布するように、前記冷却装置側散布部の作動を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記乾き判定部は、前記燃料電池の出力と、前記冷却装置にて前記燃料電池の冷却に用いられる熱媒体の温度とに基づいて、前記燃料電池が予め定められた状態よりも乾いているか否かを判定する請求項２に記載の燃料電池システム。
前記乾き判定部は、前記燃料電池のインピーダンスが予め定められた基準値以上である場合に、前記燃料電池が予め定められた状態よりも乾いていると判定する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。