JP2002158023A

JP2002158023A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002158023A
Application number: JP2000354257A
Authority: JP
Inventors: Masaya Kawakado; 昌弥川角; Takashi Shimazu; 孝志満津; Masahiko Asaoka; 賢彦朝岡; Tomo Morimoto; 友森本; Hiroshi Aoki; 博史青木; Kazuo Kawahara; 和生河原
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-05-31

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池シス
テムにおいて、補機による電解質の加湿を不要化するこ
と。また、電解質の含水率を均一化でき、電解質の無加
湿化に要する動力損失が少なく、しかも、電池内部で生
成した水の再利用が容易な燃料電池システムを提供する
こと。【解決手段】固体高分子型燃料電池２０と、固体高分
子型燃料電池２０の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガ
ス供給手段３０と、固体高分子型燃料電池２０の空気極
に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段４０とを備
えた燃料電池システム１０において、酸化剤ガス供給手
段４０には、固体高分子型燃料電池２０に供給される空
気の流れの方向を可逆的に切り替える切替手段４６を設
ける。この場合、酸化剤ガス供給手段に、さらに、再循
環手段６２、７２及び／又はトラップ手段８２、８４を
設けても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、さらに詳しくは、可搬型の小型電源、車載用動
力源、コジェネレーションシステム等として好適な燃料
電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般に、固体
高分子電解質膜の両面に燃料極及び空気極を接合し、そ
の両側を反応ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ
構造を取る。また、燃料極及び空気極は、一般に、拡散
層と触媒層の２層構造になっており、触媒層は、触媒を
担持した担体と固体高分子電解質の複合体からなる。固
体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムは、通
常、このような単電池を多数積層した燃料電池スタック
と、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを
備えている。

【０００３】燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段
を用いて、燃料極及び空気極に、それぞれ、燃料ガス及
び酸化剤ガスを供給すると、燃料が酸化され、水が生成
する。その際に放出される自由エネルギー変化は、集電
体を兼ねたセパレータを介して、直接、電気エネルギー
として取り出すことができる。この時、触媒層に含まれ
る固体高分子電解質は、三相界面においてプロトンの授
受を行い、固体高分子電解質膜は、燃料極で生成したプ
ロトンを空気極側に移動させる役割を果たす。従って、
高い出力を安定して得るためには、膜及び電極の双方に
含まれる電解質には、高プロトン伝導性が要求される。

【０００４】一方、固体高分子型燃料電池に用いられる
電解質には、種々の材料が知られているが、これらは、
いずれもプロトン伝導性を発現するためには水を必要と
する。従って、連続的に供給される反応ガスによって電
解質に含まれる水分が持ち去られると、電解質のプロト
ン伝導性が低下し、燃料電池の出力を低下させる原因と
なる。すなわち、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電
池システムにおいて、高い出力を安定して得るために
は、電解質の含水率を一定に保つ必要がある。

【０００５】従来の燃料電池システムにおいては、この
問題を解決するために、バブラ、ミスト発生器等を用い
て反応ガスを加湿したり、あるいは、セパレータ内部に
形成された反応ガス流路に直接水分を注入する等、補機
を用いて電解質に水分を補給する方法が用いるのが一般
的である。

【０００６】しかしながら、補機を用いた電解質の加湿
は、加湿用の水を貯蔵するための水タンク、加湿器、燃
料電池から排出される水を回収するための凝縮器等、さ
まざまなコンポーネントが必要となり、燃料電池システ
ムが複雑かつ大型化するという問題がある。特に、高出
力密度で発電を行う場合等、発熱が大きい場合には、燃
料電池の温度の上昇によって電解質が乾燥し、電解質の
抵抗が極端に上昇するので、大量の水を用いて電解質を
加湿する必要がある。従って、このような場合には、大
容量の水タンクとその回収システムが必要となり、燃料
電池システムがさらに複雑かつ大型化する。

【０００７】また、補機を用いた電解質の加湿は、余分
な補機動力が必要となり、燃料電池システムの発電効率
を低下させる原因となる。さらに、車載用動力源への応
用を考える場合、冬場に水タンクや燃料電池内部で水が
凍結し、起動不能や、電池の故障の原因となることがあ
る。そのため、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池
システムにおいては、補機による電解質の加湿を軽減又
は不要化することが望まれており、従来から種々の提案
がなされている。

【０００８】例えば、特表平８−５００９３１号公報に
は、固体高分子型燃料電池の空気極に空気を供給する空
気供給管と、空気極から排ガスを排出する排ガス管とを
再循環路で接続し、ガス圧縮器又は空気ジェット圧縮器
を用いて、空気極から排出される排ガスの一部を空気極
供給管に再循環させる燃料電池が開示されている。

【０００９】また、例えば、特開平９−２６６００２号
公報には、固体高分子型燃料電池の空気極に空気を供給
する空気導入路と、空気極から排ガスを排出する空気排
出路とを循環経路で接続し、さらに、空気排出路に、空
気極から排出される排出ガスに含まれる水蒸気を凝縮さ
せる冷却手段を設けた燃料電池発電装置が開示されてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】固体高分子型燃料電池
の場合、空気極側で水が生成するので、燃料電池内部の
水分の大部分は、排ガス（オフガス）と共に空気極側か
ら外部に排出され、一部が燃料極側から排出される。従
って、特に空気極側に循環経路を設け、ガス圧縮器を用
いてオフガスに含まれる水分の一部を空気極に供給され
る酸化剤ガス（インガス）に戻すと、水分の排出量が少
なくなり、補機による電解質の加湿を不要化できる。

【００１１】しかしながら、オフガスの一部を再循環さ
せるためにガス圧縮器を用いると、その動力損失が大き
いという問題がある。また、オフガスの再循環によって
電解質の加湿を行った場合であっても、電解質の含水率
は、空気極の供給側で低く、排出側に行くほど高くなる
傾向がある。電解質の含水率が位置によって不均一であ
ると、電池反応も不均一となり、高い出力や効率は得ら
れない。

【００１２】また、酸化剤ガスとして空気を用いた場合
において、再循環させるオフガス量が多くなると、イン
ガス中の酸素濃度が低下する。従って、一定の空気スト
イキ比を維持するためには、インガスの流量を大きくす
る必要がある。しかしながら、インガスの流量が増大す
ると、電解質の含水率がさらに不均一となり、燃料電池
の出力が低下するという問題がある。

【００１３】さらに、空気排出路に冷却手段を設けた場
合、燃料電池から排出される水分量を最小限に抑えるこ
とができる。しかしながら、排出ガス中の水蒸気を冷却
凝縮して得られる水を電解質に戻すためには、そのため
の機構が別途必要となる。また、冷却凝縮した水を蒸気
化又は霧化して空気供給路に供給しても、電解質の含水
率を均一化することはできず、高い出力は得られない。

【００１４】本発明が解決しようとする課題は、固体高
分子型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、補
機による電解質の加湿を不要化することにある。また、
本発明が解決しようとする他の課題は、電解質の含水率
を均一化でき、電解質の無加湿化に要する動力損失が少
なく、しかも、電池内部で生成した水の再利用が容易な
燃料電池システムを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、固体高分子型燃料電池と、該固体高分子型
燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手
段と、前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池シス
テムにおいて、前記酸化剤ガス供給手段及び／又は前記
燃料ガス供給手段は、前記空気極及び／又は前記燃料極
に供給される反応ガスの流れの方向を可逆的に切り替え
る切替手段を備えていることを要旨とするものである。

【００１６】反応ガスの流れの方向を所定の時間間隔で
切り替えると、オフガスに含まれる水蒸気の一部や、通
路、電極等に溜まった水が、そのまま燃料電池内部に戻
され、電解質の加湿に再利用される。そのため、燃料電
池から排出される水分量が少なくなり、補機による電解
質の加湿を不要化できる。また、反応ガスの流れの方向
を逆転させることによって、電解質の含水率がガスの入
り口と出口で均一化するので、入り口の電解質の乾燥と
出口のフラッディング（水過剰による酸素供給阻害の状
態をいう。）を緩和し、反応を均一化することにより、
高い出力と効率が得られる。さらに、反応ガスの流れの
方向を切り替えるだけで無加湿化が可能となるので、動
力損失も最小限に抑えることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】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に、本発明
の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の概略
構成図を示す。図１において、燃料電池システム１０
は、燃料電池２０と、燃料ガス供給手段３０と、空気供
給手段（酸化剤ガス供給手段）４０と、制御ユニット５
０とを備えている。

【００１８】本実施の形態において、燃料電池２０に
は、固体高分子型燃料電池が用いられる。固体高分子型
燃料電池は、上述したように、固体高分子電解質膜の両
面に燃料極及び空気極を接合して膜電極接合体とし、そ
の両側を燃料流路及び空気流路（いずれも図示せず）が
形成されたセパレータで挟んだ構造を取る。また、燃料
極及び空気極の一部を構成する触媒層は、触媒を担持し
た担体と固体高分子電解質との複合体からなる。燃料電
池２０には、通常、このような構造を備えた単電池が多
数積層されたスタックが用いられる。

【００１９】燃料ガス供給手段３０は、燃料インガス通
路３２と、燃料オフガス通路３４と、流速コントロール
弁３６と、水素供給源３８とを備えている。燃料インガ
ス通路３２の一端は、水素供給源３８に接続され、燃料
インガス通路３２の他端は、燃料電池２０の燃料流路の
一端（以下、これを「Ａ端」という。）に接続されてい
る。また、燃料オフガス通路３４の一端は、燃料電池２
０の燃料流路の他端（以下、これを「Ｂ端」という。）
に接続され、燃料オフガス通路３４の他端は、排気口
（図示せず）に接続されている。

【００２０】さらに、燃料インガス通路３２には、水素
供給源３８から燃料電池２０に供給される燃料流量を制
御するための流速コントロール弁３６が設けられてい
る。なお、水素供給源３８には、純水素を供給する水素
ボンベ、あるいは改質ガスを供給する改質器のいずれで
あっても良く、特に限定されるものではない。また、燃
料オフガス通路３４は、燃料インガス通路３２に接続
し、循環回路を形成しても良い。

【００２１】空気供給手段４０は、第１空気通路４２ａ
と、第２空気通路４２ｂと、第３空気通路４２ｃと、第
４空気通路４２ｄと、空気ポンプ４４と、切替手段４６
とを備えている。第１空気通路４２ａの一端は、空気を
取り込むための吸気口（図示せず）に接続され、第１空
気通路４２ａの他端は、切替手段４６に接続されてい
る。第１空気通路４２ａには、さらに、空気ポンプ４４
が設けられ、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池２０の
空気流路に送り込むようになっている。

【００２２】また、第２空気通路４２ｂの一端は、切替
手段４６に接続され、第２空気通路４２ｂの他端は、燃
料電池２０の空気流路の一端（以下、これを「Ｂ端」と
いう。）に接続されている。また、第３空気通路４２ｃ
の一端は、燃料電池２０の空気流路の他端（以下、これ
を「Ａ端」という。）に接続され、第３空気通路４２ｃ
の他端は、切替手段４６に接続されている。さらに、第
４空気通路４２ｄの一端は、切替手段４６に接続され、
第４空気通路４２ｄの他端は、排気口（図示せず）に接
続されている。

【００２３】切替手段４６は、燃料電池２０の空気流路
に供給される空気の流れの方向を可逆的に切り替えるた
めのものである。すなわち、切替手段４６は、空気流路
のＢ端からＡ端に向かって空気を流す（図１中、点線で
表示）時には、第１空気通路４２ａから供給される空気
を第２空気通路４２ｂに導き、空気流路のＡ端から排出
される空気を、第３空気通路４２ｃから第４空気通路４
２ｄに導く機能を備えている。また、切替手段４６は、
空気流路のＡ端からＢ端に向かって空気を流す（図１
中、実線で表示）時には、第１空気通路４２ａから供給
される空気を第３空気通路４２ｃに導き、空気流路のＢ
端から排出される空気を、第２空気通路４２ｂから第４
空気通路４２ｄに導く機能を備えている。

【００２４】図２に、このような機能を備えた切替手段
４６の一例を示す。図２に例示する切替手段４６は、２
つの３方向バルブ４８ａ、４８ｂを備えている。第１空
気通路４２ａは、一方の３方向バルブ（以下、これを
「第１バルブ」という。）４８ａに接続され、第４空気
通路４２ｄは、他方の３方向バルブ（以下、これを「第
２バルブ」という。）４８ｂに接続されている。また、
第２空気通路４２ｂは、第１バルブ４８ａに接続され、
さらに、バイパス通路４２ｆを介して第２バルブ４８ｂ
にも接続されている。同様に、第３空気通路４２ｃは、
第２バルブ４８ｂに接続され、さらに、バイパス通路４
２ｇを介して第１バルブ４８ａにも接続されている。

【００２５】従って、このような構造を備えた切替手段
４６において、第１バルブ４８ａを第２空気通路４２ｂ
側に、かつ、第２バルブ４８ｂを第３空気通路４２ｃ側
に切り替えれば、図２（ａ）に示すように、空気ポンプ
４４から供給される空気を燃料電池２０の空気流路のＢ
端からＡ端に向かって流すことができる。逆に、第１バ
ルブ４８ａを第３空気通路４２ｃ側に、かつ、第２バル
ブ４８ｂを第２空気通路４２ｂ側に切り替えれば、図２
（ｂ）に示すように、空気を燃料電池２０の空気流路の
Ａ端からＢ端に向かって流すことができる。

【００２６】制御ユニット５０は、燃料電池システム１
０の制御に必要な情報（例えば、燃料電池２０の電圧、
電流、出力、抵抗等。）を受信する信号受信手段（図示
せず）と、入力信号に基づいてシステム内にある各装置
の制御量を算出する演算手段（図示せず）と、算出され
た制御量をシステム内の各装置に送信する信号送信手段
（図示せず）を備えている。演算手段は、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭには、切替手段４
６の切り替え方向及び切り替えタイミングを制御するた
めの制御プログラムや、要求される出力が得られるよう
に燃料流量及び空気流量を制御する制御プログラムな
ど、燃料電池システム１０全体を制御するための各種の
制御プログラムが格納されている。

【００２７】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１０の運転方法について説明する。まず、燃料電池シ
ステム１０に対して燃料電池２０の出力の増減を指示す
る制御信号が入力されると、制御ユニット５０は、要求
される出力を得るために必要な燃料流量及び空気流量を
算出する。次いで、算出された燃料流量及び空気流量が
得られるように、流量コントロール弁３６の開度及び空
気ポンプ４４の出力を調節する。

【００２８】この場合、燃料極インガスは、常に燃料流
路のＡ端から供給され、燃料極オフガスは、常に燃料流
路のＢ端から排出される。一方、空気極インガスは、ま
ず、第１空気通路４２ａから切替手段４６に導かれ、次
いで、切替手段４６の切り替え方向に応じて、空気流路
のＡ端又はＢ端のいずれか一方に供給される。また、Ａ
端又はＢ端の他方から排出された空気極オフガスは、切
替手段４６を介して第４空気通路４２ｄに導かれる。

【００２９】制御ユニット５０は、この状態で燃料電池
２０の運転を続けながら、燃料電池２０の電圧及び抵抗
をモニタする。一般に、電解質のドライアップが発生す
ると、一定の電圧に対する電流が減少し、抵抗の増大と
なって現れる。そのため、少なくとも燃料電池２０の電
圧及び抵抗をモニタすれば、電解質の含水状態を判定す
ることができる。次いで、制御ユニット５０は、電圧及
び抵抗から推定される電解質の含水率があるしきい値を
下回ったと判定した場合には、切替手段４６により空気
の流れ方向を反対方向に切り替える。以後、燃料電池シ
ステム１０の運転を停止させるまで、このようなフィー
ドバック制御が繰り返される。

【００３０】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ムの作用について説明する。固体高分子型燃料電池の場
合、空気極側では、電池反応により水が生成する。ま
た、プロトンが空気極側に移動する際に、電気浸透によ
り水分子も同時に空気極側に移動する。一方、燃料極側
においては、水は生成せず、空気極側にある水の一部
が、バックディフュージョンにより燃料極側に移動す
る。

【００３１】すなわち、燃料電池２０の内部では、燃料
極側よりも空気極側の方がより多くの水分を含んだ状態
にある。従って、反応ガスを一方向に流しながら発電を
行うと、燃料電池内部の水分の大部分は、オフガスと共
に空気極側から外部に排出される。この排出される水分
量は、通常、電池反応による生成水量より多いので、反
応ガスに対する加湿量が少ないと、電解質の含水率が低
下し、出力低下を引き起こす。

【００３２】これに対し、本実施の形態に係る燃料電池
システム１０は、空気の流れの方向を可逆的に切り替え
る切替手段４６を備えているので、空気の流れの方向を
逆転させた時に、空気極オフガスに含まれている水分の
一部がそのまま燃料電池２０内部に戻され、燃料電池２
０から排出される水分量が減少する。燃料電池２０内部
に戻された水分は、そのまま電解質の加湿に再利用され
るので、電池反応による生成水のみでも電解質の含水率
を一定の水準に維持することができる。そのため、補機
を用いて電解質の加湿を行わなくても、発電を行うこと
ができる。

【００３３】また、例えば、空気流路のＢ端からＡ端に
向かって空気を一方向に流す場合、空気は、空気流路内
の水分によって徐々に加湿される。そのため、空気の湿
度は、Ｂ端側で低く、Ａ端側に行くほど高くなる。ま
た、これに応じて電解質の含水率もＡ端側に行くほど高
くなる傾向があり、Ｂ端では乾燥による抵抗増大が、ま
た、Ａ端では水分の増大によるフラッディングが生じや
すくなる。このように、電解質の含水率が位置によって
不均一であると、電池反応も不均一となり、高い出力は
得られない。

【００３４】これに対し、空気流路のＢ端からＡ端に向
かって空気を流した後、切替手段４６を用いて空気の流
れの方向を逆転させると、低湿度の空気が流れていたＢ
端側に高湿度の空気が流れ込む。そのため、所定の時間
間隔で空気の流れの方向を可逆的に切り替えると、電解
質膜の含水率が均一化し、高い出力が得られる。

【００３５】さらに、燃料電池２０の作動状況をモニタ
しながら切替手段４６の切り替え方向及び切り替えタイ
ミングをフィードバック制御すると、電解質の含水率を
高い精度で制御することができ、高い出力が安定して得
られる。また、切替手段４６を用いた空気の流れの方向
の切替には、大きな圧力損失を伴わないので、電解質の
無加湿化に伴う動力損失も最小限に抑えることができ
る。

【００３６】なお、本実施の形態において、切替手段４
６は、空気極側にのみ設けられているが、水分の一部
は、燃料電池２０の燃料極側からも排出される。従っ
て、切替手段４６は、燃料極側に設けても良く、あるい
は、空気極側及び燃料極側の双方に設けても良い。

【００３７】次に、本発明の第２の実施の形態に係る燃
料電池システムについて説明する。図３に、本実施の形
態に係る燃料電池システム１２の概略構成図を示す。図
３において、燃料電池システム１２は、燃料電池２０
と、燃料ガス供給手段３０と、空気供給手段６０と、制
御ユニット５２とを備えている。

【００３８】ここで、燃料電池２０及び燃料ガス供給手
段３０は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１
０と同一であるので説明を省略する。また、空気供給手
段６０は、第１〜第４空気通路４２ａ〜４２ｄ、空気ポ
ンプ４４及び切替手段４６を備えている点は、第１の実
施の形態に係る燃料電池システム１０の空気供給手段４
０と同一であるが、再循環手段６２をさらに備えている
点が異なっている。

【００３９】再循環手段６２は、再循環通路６４と、動
差圧発生器６６と、流量制御バルブ６８とを備えてい
る。動差圧発生器６６は、第１空気通路４２ａ上であっ
て、空気ポンプ４４と切替手段４６の中間に設けられ
る。また、流量制御バルブ６８は、第４空気通路４２ｄ
上に設けられる。さらに、動差圧発生器６６と流量制御
バルブ６８とは、再循環通路６４により連結されてい
る。

【００４０】動差圧発生器６６は、空気極オフガスの一
部を流速の違いに基づく動差圧を利用して、空気極イン
ガスに引き込む機能を備えている。図４に、このような
機能を備えた動差圧発生器６６の一例を示す。図４に例
示する動差圧発生器６６は、本体６６ａと、その内部に
設けられたノズル６６ｂとを備えている。本体６６ａ
は、第１空気通路４２ａ上に設けられ、本体６６ａの側
面には、再循環通路６４が接続されている。また、ノズ
ル６６ｂは、空気極インガスの流れの方向に沿って設け
られ、その尾端は、空気ポンプ４４側の第１空気通路４
２ａに接続されている。

【００４１】流量制御バルブ６８は、第４空気通路４２
ｄに排出された空気極オフガスの一部を再循環通路６４
に分配するためのものであり、流量制御バルブ６８の開
度を調節することによって、再循環通路６４に流入する
再循環オフガスの流量を可変できるようになっている。

【００４２】制御ユニット５２は、信号受信手段、演算
手段、及び信号送信手段を備えている点、及び、演算手
段には燃料電池システム１２を制御するための各種の制
御プログラムが格納されている点は、第１の実施の形態
と同様であるが、演算手段には、さらに、電解質の含水
状態に応じて、流量制御バルブ６８の開度を調節するた
めの制御プログラムが格納されている点が異なってい
る。

【００４３】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１２の作用について説明する。空気ポンプ４４から第
１空気通路４２ａに空気を送り込むと、動差圧発生器６
６において動差圧が発生する。例えば、図４に示す構造
を備えた動差圧発生器６６の場合、空気ポンプ４４から
供給される空気がノズル６６ｂ先端から噴射されると、
ノズル６６ｂの先端に動差圧が発生する。この動差圧に
よって、空気極オフガスの一部が再循環オフガスとして
再循環通路６４に引き込まれ、この再循環オフガスが、
再循環通路６４を通って本体６６ａ内部に流れ込む。

【００４４】この時、電解質の含水率に応じて流量制御
バルブ６８の開度を調節すれば、本体６６ａ内部に引き
込まれる再循環オフガス量を制御することができる。具
体的には、まず、燃料電池２０の電圧及び抵抗をモニタ
し、電解質の含水率を判定する。次いで、電解質の含水
率が過少であると判定された場合には、流量制御バルブ
６８の開度を大きくし、再循環オフガス量を増加させれ
ば良い。一方、電解質の含水率が過剰であると判定され
た場合には、流量制御バルブ６８の開度を小さくし、再
循環オフガス量を減少させれば良い。

【００４５】本実施の形態に係る燃料電池システム１２
は、このような再循環手段６２に加えて、さらに切替手
段４６を備えているので、空気極オフガスに含まれる水
分の一部が燃料電池２０内部に戻され、電解質の加湿に
再利用される。そのため、補機による電解質の加湿を行
わなくても、電解質の含水率が一定の水準に維持され、
発電を継続することができる。また、燃料電池２０の作
動環境に基づいて、再循環手段６０による再循環オフガ
ス量、並びに、切替手段４６の切り替え方向及び切り替
えタイミングをフィードバック制御すれば、燃料電池２
０から排出される水分量をより細かく制御することがで
きる。

【００４６】さらに、切替手段４６により空気の流れの
方向が切り替えられることに加え、再循環手段６２によ
り空気極インガスが加湿されるので、電解質の含水率が
さらに均一化し、高い出力が安定して得られる。また、
空気極オフガスを再循環させるために動差圧発生装置６
６を用いているので、簡素な構成となり、しかも、再循
環に要する動力損失を最小限に抑えることができる。

【００４７】なお、本実施の形態において、切替手段４
６及び再循環手段６２は、空気極側に設けられている
が、これらの手段を燃料極側に設けても良く、あるい
は、空気極及び燃料極側の双方に設けても良い。

【００４８】次に、本発明の第３の実施の形態に係る燃
料電池システムについて説明する。図５に、本実施の形
態に係る燃料電池システム１４の概略構成図を示す。図
５において、燃料電池システム１４は、燃料電池２０
と、燃料ガス供給手段３０と、空気供給手段７０と、制
御ユニット５４とを備えている。

【００４９】ここで、燃料電池２０及び燃料ガス供給手
段３０は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１
０と同一であるので説明を省略する。また、空気供給手
段７０は、第１〜第４空気通路４２ａ〜４２ｄ、空気ポ
ンプ４４及び切替手段４６を備えている点は、第１の実
施の形態に係る燃料電池システム１０の空気供給手段４
０と同一であるが、再循環手段７２をさらに備えている
点が異なっている。

【００５０】再循環手段７２は、再循環通路７４と、２
つの可変動差圧発生器７６、７８とを備えている。一方
の可変動差圧発生器（以下、これを「第１可変動差圧発
生器」という。）７６は、第２空気通路４２ｂ上に設け
られ、他方の可変動差圧発生器（以下、これを「第２可
変動差圧発生器」という。）７８は、第３空気通路４２
ｃ上に設けられている。また、第１可変動差圧発生器７
６及び第２動差圧発生器７８は、再循環通路７４により
連結されている。

【００５１】第１及び第２可変動差圧発生器７６、７８
は、その内部に空気極インガスが流れる際に動差圧を発
生させ、しかも、発生する動差圧を可変できる機能を備
えている。図６に、このような機能を備えた第１可変動
差圧発生器７６の一例を示す。図６に例示する第１可変
動差圧発生器７６は、本体７６ａと、その内部に設けら
れた可変ノズル７６ｂとを備えている。本体７６ａは、
第２空気通路４２ｂ上に設けられ、本体７６ａの側面に
は、再循環通路７４が接続されている。また、可変ノズ
ル７６ｂは、空気極インガスの流れの方向に沿って設け
られ、その尾端は、切替手段４６側の第２空気通路４２
ａに接続されている。さらに、可変ノズル７６ｂは、そ
の先端の長さを可変できるようになっている。第３空気
通路４２ｃに設けられる第２可変動差圧発生装置７８
も、これと同様の構成を有している。

【００５２】制御ユニット５４は、信号受信手段、演算
手段、及び信号送信手段を備えている点、及び、演算手
段には、燃料電池システム１４を制御するための各種の
制御プログラムが格納されている点は、第１の実施の形
態と同様であるが、演算手段には、さらに、電解質膜の
含水状態及び空気の流れの方向に応じて、第１及び第２
可変動差圧発生器７６、７８の可変ノズル７６ｂ、７８
ｂの長さを調節するための制御プログラムが格納されて
いる点が異なっている。

【００５３】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１４の作用について説明する。空気流路のＢ端からＡ
端に向かって空気を流す場合には、第１可変動差圧発生
器７６は、図６（ａ）に示すように、可変ノズル７６ａ
の先端を長く伸ばす。また、第２可変動差圧発生器７８
は、図６（ｂ）に示すように、可変ノズル７８ｂの先端
を短くする。この状態で第１可変動差圧発生器７６にイ
ンガスを流すと、可変ノズル７６ａ先端でより大きな動
差圧が発生する。そのため、空気極オフガスの一部が再
循環オフガスとして再循環通路７４に引き込まれ、この
再循環オフガスが再循環通路７４を通って第１可変動作
圧発生器の本体７６ａに流れ込む。

【００５４】また、空気流路のＡ端からＢ端に向かって
空気を流す場合には、逆に、第２可変動差圧発生器７８
は、図６（ａ）に示すように、可変ノズル７８ａの先端
を長く伸ばす。また、第１可変動差圧発生器７６は、図
６（ｂ）に示すように、可変ノズル７６ｂの先端を短く
する。この状態で第２可変動差圧発生器７８にインガス
を流すと、可変ノズル７８ｂ先端でより大きな動差圧が
発生する。そのため、空気極オフガスの一部が再循環オ
フガスとして再循環通路７４に引き込まれ、この再循環
オフガスが再循環通路７４を通って第２可変動差圧発生
器７８の本体７６ａに流れ込む。

【００５５】この時、各可変ノズル７６ｂ、７８ｂの長
さを調節すると、発生する動差圧及び再循環通路７４へ
の流入抵抗が変化し、その結果として、再循環オフガス
量を制御することができる。具体的には、まず、燃料電
池２０の電圧及び抵抗をモニタし、電解質の含水率を判
定する。次いで、電解質の含水率が過少であると判定さ
れた場合には、インガス側に発生する動差圧が大きく、
及び／又は、オフガス側の流入抵抗が小さくなるよう
に、各可変ノズル７６ｂ、７８ｂの長さを調節する。こ
れにより、再循環オフガス量を増加させることができ
る。一方、電解質の含水率が過剰であると判定された場
合には、インガス側に発生する動差圧が小さく、及び／
又は、オフガス側の流入抵抗が大きくなるように、各可
変ノズル７６ｂ、７８ｂの長さを調節する。これによ
り、再循環オフガス量を減少させることができる。

【００５６】本実施の形態に係る燃料電池システム１４
は、このような再循環手段７２に加えて、さらに、切替
手段４６を備えているので、空気極オフガスに含まれる
水分の一部が燃料電池２０内部に戻され、電解質の加湿
に再利用される。そのため、補機による電解質の加湿を
行わなくても、電解質の含水率が一定の水準に維持さ
れ、発電を継続することができる。また、燃料電池２０
の作動環境に基づいて、再循環手段７０による再循環オ
フガス量、並びに、切替手段４６の切り替え方向及び切
り替えタイミングをフィードバック制御すれば、燃料電
池２０から排出される水分量をより細かく制御すること
ができる。

【００５７】さらに、切替手段４６により空気の流れの
方向が切り替えられることに加え、再循環手段７２によ
り空気極インガスが加湿されるので、電解質の含水率が
さらに均一化し、高い出力が安定して得られる。また、
空気極オフガスを再循環させるために可変動差圧発生装
置７６、７８を用いているので、簡素な構成となり、し
かも、再循環に要する動力損失を最小限に抑えることが
できる。

【００５８】なお、切替手段４６及び再循環手段７２を
空気極側に設ける代わり燃料極側に設けても良い点、及
び、これらの手段を空気極及び燃料極側の双方に設けて
も良い点は、第２の実施の形態に係る燃料電池システム
１２と同様である。

【００５９】次に、本発明の第４の実施の形態に係る燃
料電池システムについて説明する。図７に、本実施の形
態に係る燃料電池システム１６の概略構成図を示す。図
７において、燃料電池システム１６は、燃料電池２０
と、燃料ガス供給手段３０と、空気供給手段８０と、制
御ユニット５６とを備えている。

【００６０】ここで、燃料電池２０及び燃料ガス供給手
段３０は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１
０と同一であるので説明を省略する。また、空気供給手
段８０は、第１〜第４空気通路４２ａ〜４２ｄ、空気ポ
ンプ４４及び切替手段４６を備えている点は、第１の実
施の形態に係る燃料電池システム１０の空気供給手段４
０と同一であるが、トラップ手段８２、８４をさらに備
えている点が異なっている。

【００６１】トラップ手段８２、８４は、反応ガスの流
れの方向が可逆的に切り替えられる通路、すなわち、第
２空気通路４２ｂ及び第３空気通路４２ｃにそれぞれ設
けられている。トラップ手段８２は、切替手段４６によ
って第２空気通路４２ｂ内に空気極オフガスが流れてい
る場合には、空気極オフガス中の水分をトラップし、第
２空気通路４２ｂ内に空気極インガスが流れている場合
には、トラップされた水分を空気極インガス中に放出す
る機能を備えているものである。トラップ手段８４も同
様であり、空気極オフガス中の水分をトラップし、トラ
ップされた水分を空気極インガス中に放出する機能を備
えている。

【００６２】このような機能を備えたトラップ手段とし
ては、例えば、加熱・冷却手段を備えた水蒸気凝縮器、
雰囲気中の湿度や温度に応じて水分を吸蔵・放出する吸
水材（例えば、吸湿性の樹脂、シリカゲル、ナノメート
ルの細孔を有する多孔材料等。）が好適な一例として挙
げられる。特に、吸水材は、簡素な構成によって水分の
吸蔵・放出ができるので、トラップ手段８２、８４とし
て好適である。

【００６３】制御ユニット５６は、信号受信手段、演算
手段、及び信号送信手段を備えている点、及び、演算手
段には、燃料電池システム１６の動作を制御するための
各種の制御プログラムが格納されている点は、第１の実
施の形態と同様である。また、演算手段には、必要に応
じて、トラップ手段８２、８４の動作を制御するための
制御プログラムが格納される。

【００６４】次に、本実施の形態に係る燃料電池システ
ム１６の作用について説明する。本実施の形態に係る燃
料電池システム１６において、例えば、第２空気通路４
２ｂがオフガス通路として機能している時には、トラッ
プ手段８２は、空気極オフガスから水分を回収する。一
方、第２空気通路４２ｂがインガス通路として機能して
いる時には、トラップ手段８２は、空気極インガスに対
してトラップした水分を放出する。放出された水分は、
そのまま空気極に運ばれ、電解質の加湿に再利用され
る。第３空気通路４２ｃに設けられたトラップ手段８４
も同様である。そのため、補機による加湿を行わなくて
も、電解質の含水率が一定の水準に維持され、発電を継
続することができる。

【００６５】さらに、切替手段４６により空気の流れの
方向が切り替えられることに加え、トラップ手段８２、
８４により空気極インガスが加湿されるので、電解質の
含水率がさらに均一化し、高い出力が安定して得られ
る。

【００６６】なお、本実施の形態において、トラップ手
段８２、８４は、第２空気通路４２ｂ及び第３空気通路
４２ｃの２か所に設けられているが、いずれか一方にの
みトラップ手段を設けても良い。また、切替手段４６及
びトラップ手段８２、８４は、空気極側に設けられてい
るが、これらを燃料極側に設けても良く、あるいは、空
気極側及び燃料極側の双方に設けても良い。さらに、ト
ラップ手段８２、８４は、切替手段４６を備えた燃料電
池システムに対して、単独で用いても良く、あるいは、
上述した再循環手段６２、７２と併用しても良い。

【００６７】

【実施例】（実施例１）図３に示すように、空気極側に
切替手段４６及び再循環手段６２を設けた燃料電池シス
テム１２を作製し、定常運転試験を行った。作動条件
は、両極無加湿、セル温度：７０℃、空気過剰率：１．
８、水素過剰率：１．２、圧力：１．２ａｔａとした。
また、再循環オフガス量は、３０％一定となるように設
定した。さらに、空気の流れの方向は、燃料電池２０の
電圧及び抵抗から判定される電解質の含水率に基づい
て、切替手段４６により周期的に反転させた。このよう
な条件下で定常運転を行ったところ、０．７Ａ／ｃｍ^２
の電流密度で、０．６２Ｖと高い電圧を示し、燃料電池
２０は安定して作動した。

【００６８】（実施例２）実施例１で作製した燃料電池
システム１２を用いて、セル温度を８０℃から９５℃ま
で変化させながら発電試験を行った。作動条件は、両極
無加湿、空気過剰率：１．８、水素過剰率１．２、圧
力：１．５ａｔａとした。また、再循環オフガス量は、
出力電圧をモニタしながら、空気過剰率１．８が維持さ
れるように制御した。さらに、空気の流れの方向は、燃
料電池２０の電圧及び抵抗から判定される電解質の含水
率に基づいて、切替手段４６により周期的に反転させ
た。このような条件下で運転を行ったところ、セル温度
が高くなるほど再循環オフガス量は多くなるが、燃料電
池２０は、いずれの温度でも安定して作動した。

【００６９】（比較例１）再循環オフガス量を０とし、
切替手段４６による空気の流れの方向の切り替えを行わ
なかった以外は、実施例１と同一の条件下で、定常運転
試験を行った。両極無加湿であるために、運転直後に
は、電圧が０．５２Ｖに低下した。また、しばらくする
と電解質が乾燥して運転できなくなった。

【００７０】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。

【００７１】例えば、上記実施の形態では、酸化剤ガス
として空気を用いた例について主に説明したが、酸化剤
ガスとして酸素を用いてもよい。また、本発明による電
解質の無加湿化の手法は、特に、固体高分子型燃料電池
を備えた燃料電池システムに対して好適であるが、これ
らの手法は、電解質の水管理が必須である他の種類の燃
料電池（例えば、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電
池等）を備えた燃料電池システムに対しても同様に適用
することができる。

【００７２】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池システムは、固体
高分子型燃料電池に供給される反応ガスの流れの方向を
可逆的に切り替える切替手段が設けられているので、燃
料電池から排出される水分量が少なくなり、補機による
電解質の加湿を不要化できるという効果がある。また、
反応ガスの流れの方向を逆転させることによって、電解
質の含水率が均一化し、局所的なフラッディングや乾燥
を抑制し、高い出力と効率が得られるという効果があ
る。さらに、反応ガスの流れの方向を切り替えるだけ電
解質の無加湿化が可能となるので、動力損失も最小限に
抑えることができるという効果がある。

【００７３】また、一方の電極から排出されるオフガス
の一部を、その電極に供給されるインガスに戻す再循環
手段をさらに設けた場合には、燃料電池から排出される
水分を電解質の加湿に容易に再利用でき、電解質の無加
湿化がさらに容易化されるという効果がある。

【００７４】さらに、反応ガスの流れの方向が可逆的に
切り替えられる通路の少なくとも１つに、オフガス中の
水分をトラップし、トラップされた前記水分をインガス
中に放出するトラップ手段を設けた場合には、燃料電池
から排出される水分を電解質の加湿に容易にかつ効率的
に再利用でき、電解質の無加湿化がさらに容易化される
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池シ
ステムの概略構成図である。

【図２】切替手段の一例を示す概略構成図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池シ
ステムの概略構成図である。

【図４】動差圧発生器の一例を示す概略構成図であ
る。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池シ
ステムの概略構成図である。

【図６】可変動差圧発生器の一例を示す概略構成図で
ある。

【図７】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池シ
ステムの概略構成図である。

【符号の説明】

１０、１２、１４、１６燃料電池システム２０燃料電池（固体高分子型燃料
電池）３０燃料ガス供給手段４０、６０，７０、８０酸化剤ガス供給手段（空気供
給手段）４６切替手段６２、７２再循環手段８２、８４トラップ手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者朝岡賢彦愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者森本友愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者青木博史愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者河原和生愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA13 BA19 BC19 MM03 MM08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子型燃料電池と、該固体高分子
型燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給
手段と、前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池シ
ステムにおいて、前記酸化剤ガス供給手段及び／又は前記燃料ガス供給手
段は、前記空気極及び／又は前記燃料極に供給される反
応ガスの流れの方向を可逆的に切り替える切替手段を備
えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記酸化剤ガス供給手段及び／又は前記
燃料ガス供給手段は、一方の電極から排出されるオフガ
スの一部を、その電極に供給されるインガスに戻す再循
環手段をさらに備えている請求項１に記載の燃料電池シ
ステム。
【請求項３】前記酸化剤ガス供給手段及び／又は前記
燃料ガス供給手段は、前記反応ガスの流れの方向が可逆
的に切り替えられる通路の少なくとも１つに、オフガス
中の水分をトラップし、トラップされた前記水分をイン
ガス中に放出するトラップ手段をさらに備えている請求
項１又は２に記載の燃料電池システム。