JP3879428B2

JP3879428B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3879428B2
Application number: JP2001112613A
Authority: JP
Inventors: 剛谷山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2021-04-11
Also published as: JP2002313379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池システムに係り、特に燃料ガスまたは空気を加湿する加湿器用の水圧制御におけるエネルギ効率を向上させた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学的エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、近年家庭向けの定置式発電システムや、自動車等移動体の動力源などへの利用が広がりつつある。その中でも電解質に高分子イオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純なこと、動作温度が比較的低いことなどの好ましい特徴が多くあり、より一層の技術開発への期待が高まっている。
【０００３】
このような従来の固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を、図１２を用いて説明する。すなわち、イオン導電性を有する固体高分子膜２８を挟んで、アノード電極２９、カソード電極３０が配置され、アノード電極２９に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝３１、カソード電極３０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝３２、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ３３、カソードセパレータ３４、アノードセパレータ３３のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ３５、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝３６が配設されており、２８〜３６によって単位セル電池３７が構成されている。
【０００４】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極２９に燃料ガスを、カソード電極３０に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単にセル電池の一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【０００５】
【数１】
アノード反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード反応：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極２９に水素、カソード電極３０に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極２９では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜２８を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極３０に移動する。
【０００６】
一方、カソード電極３０においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極２９にカソード電極３０においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。
【０００７】
ところで、単位セル電池３７の起電力は１Ｖ以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百枚の単位セル３７を積層した電池スタックを有し、この電池スタックによる発電を行なっている。
【０００８】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜２８としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（Nafion^Ｒ：米国デュポン社）が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【０００９】
一方、発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するために、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給することが一般的に行われている。
【００１０】
以上述べてきたような固体高分子電解質型燃料電池システムの従来技術として、特開２０００−３４８７５１号公報や、特開２０００−１８８１１９号公報に示されているものが知られている。これらは、燃料供給管および酸化剤供給管の一方または両方に加湿手段を設け、タンク内に貯蔵されている水を前記加湿手段に供給することにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを予め加湿してから、燃料電池スタックに供給する構成になっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のような従来の固体高分子電解質型燃料電池システムでは、次のような問題点があった。
【００１２】
燃焼ガスおよび酸化剤ガスの加湿手段として、一般的には高分子の膜を介してガスと水を接触させる方式を採っている。この方式では膜の両面の圧力差による膜の劣化を防止するために、ガスと水の圧力差をある所定の範囲に調整しなければならない。一般的にシステムの負荷が高くなっていくにつれてガスの圧力を高くするが、加湿性能を維持するためだけの水量とした場合には、水側の圧力の上昇の傾きはガスよりも緩いことが多い。このため、水とガスとの圧力差を所定以内に保持するために、加湿のための要求水量以上の量を加湿水ポンプで送出する、または加湿水循環路の加湿器下流側に絞り弁を設けてこれを閉じていくことで、水側の圧力を高めることになる。よって結果として、加湿水ポンプの駆動に必要以上のエネルギを消費させることになり、燃料電池システム全体のエネルギ効率が向上しないという問題点があった。
【００１３】
本発明は上記従来の問題点に鑑み、システムの運転負荷が高まり加湿手段に供給されるガス側の圧力が高くなった場合でも、加湿水ポンプの駆動力の増加を必要最低限に抑えながら、加湿手段に供給されるガスと水の圧力差を適正な範囲に調節することができ、結果としてシステム全体のエネルギ効率を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は上記目的を達成するため、固体高分子からなる電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前記燃料ガスと酸化剤ガスの両方または、どちらか一方を加湿する加湿手段と、前記加湿手段に加湿水を供給する加湿水供給管と、前記加湿水を加圧しつつ送出する加湿水加圧手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記加湿水を前記加湿水加圧手段へ供給するとともに、前記燃料供給管または前記酸化剤供給管から分岐したタンクガス供給管により燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入可能なタンクと、前記タンクガス供給管上に設けられ前記タンクへのガスの流入又は流出量の少なくともいずれか一方が制御可能な調整弁と、システムの運転状態が高負荷になるにつれて、前記タンクの内圧が高くなるように、前記調整弁の開度を調整する制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記タンクに、内部の圧力を外気に逃がすための圧力逃がし弁を備えたことを要旨とする。
【００１７】
請求項３記載の発明は上記目的を達成するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記タンクの内部圧力を検出する圧力検出手段を備え、該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記制御手段が前記調整弁を制御することを要旨とする。
【００１８】
請求項４記載の発明は上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システム内から回収される水を溜める回収水タンクと前記タンクとを回収水通路により連通させるとともに、該回収水通路に前記制御手段の制御により開度調整可能な回収水調整弁を設け、前記回収水タンクから直接系外に回収水を放出する水放出弁を設けたことを要旨とする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、固体高分子からなる電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前記燃料ガスと酸化剤ガスの両方または、どちらか一方を加湿する加湿手段と、前記加湿手段に加湿水を供給する加湿水供給管と、前記加湿水を加圧しつつ送出する加湿水加圧手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記加湿水を前記加湿水加圧手段へ供給するとともに、前記燃料供給管または前記酸化剤供給管から分岐したタンクガス供給管により燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入可能なタンクと、前記タンクガス供給管上に設けられ前記タンクへのガスの流入又は流出量の少なくともいずれか一方が制御可能な調整弁と、システムの運転状態が高負荷になるにつれて、前記タンクの内圧が高くなるように、前記調整弁の開度を調整する制御手段と、を備えたことにより、システムの運転中に負荷の要求値が高くなり、前記加湿手段に供給されるガス側の圧力を高くする場合でも、前記タンクの内圧を前記調整弁で高めることで、加湿水循環路内の基準圧力を高くすることができ、これにより高負荷化に対応する前記加湿水加圧手段での揚程増加は、前記加湿手段における被加湿ガスへの加湿性能を満足させる水量に対応する分だけで十分となる。つまり、前記加湿水加圧手段の駆動力の増加を必要最低限に抑えながら、前記加湿手段に供給されるガスと水の圧力差を適正な範囲に調整することができ、結果としてシステム全体のエネルギ効率を向上することができるという効果がある。
【００２０】
又、運転負荷が高負荷から中〜低負荷に移行する場合の、タンク内圧を下げる必要が生じた条件下では、タンク内圧をガス供給管側へ徐々にリークして低下させ、外部（大気）へ燃料ガス等をリークして燃費等を悪化させることなく、同様の目的を達成することが出来る。
【００２１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記タンクに、内部の圧力を外気に逃がすための圧力逃がし弁を備えたことにより、システムの運転状態や被加湿ガスの供給時の状態が変化した場合でかつ、前記加圧タンク内圧を低下させるべき場合に、前記圧力逃がし弁の開度を調整することで、目標のタンク内圧まで素早く低下させることが可能となるため、システムの運転性がより良好となるという効果がある。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加えて、前記タンクの内部圧力を検出する圧力検出手段を備え、該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記制御手段が前記調整弁を制御することにより、前記タンク内圧を直接検出できるため、より正確な弁開度制御信号を前記調整弁に送出することが可能となり、前記タンク内圧、つまり加湿水循環路内の基準圧力の調整の精度を向上することができる。結果としてシステムの運転性、エネルギ効率のさらなる改善が期待できるという効果がある。
【００２４】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３の発明の効果に加えて、燃料電池システム内から回収される水を溜める回収水タンクと前記タンクとを回収水通路により連通させるとともに、該回収水通路に前記制御手段の制御により開度調整可能な回収水調整弁を設け、前記回収水タンクから直接系外に回収水を放出する水放出弁を設けたことにより、加湿水を蓄積している前記タンク内の水の残量が少なくなった場合に、システムの排気等などから凝縮して回収される水を前記タンクに注ぎ足すことが可能となるため、システム全体の水収支が良好になり、系外からの水の補給の必要性がなくなるため、システムを運転するときの作業工数を大幅に低減することができるという効果がある。
【００２５】
さらに必要以上の回収水が前記回収水タンクに溜まった場合には、系外に捨てることもできるため、燃料電池システムを車両等に搭載するときに、総重量を必要最低限に維持しつつ走行させることができるため、車両の運転性が向上し、燃費も低く抑えることができるという効果がある。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態を示す概略構成図であり、請求項１記載の発明に対応する。
【００２７】
同図において、燃料電池スタック２は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極との間に配置した単電池を所望の出力電圧を得るために一つ以上積層した燃料電池スタックである。加湿器１には、加湿水流路４と燃料ガスあるいは酸化剤ガスの通路となるガス供給管３が接続されており、加湿器１で加湿されたガスが燃料電池スタック２に供給される構成となっている。
【００２８】
加湿器１に加湿水を送出するために、加湿水流路４の循環系には加湿水加圧手段である加湿水ポンプ５が設けられ、ガスを加湿するにつれて減少していく水分を加湿水流路４に補充するために、加圧タンク６内に蓄えられた水が、加湿水ポンプ５の吸入部付近に供給されるようになっている。
【００２９】
またガス供給管３と加圧タンク６の上部とは、タンク内圧調整弁７を介して連通しており、タンク内圧調整弁７はシステム運転時の負荷に応じて、制御手段であるコントロールユニット８からの制御信号によって開閉または開度が制御される。これにより、ガス供給管３の圧力がタンク内圧調整弁７により調整されて加圧タンク６に加えられるようになっている。
【００３０】
図２は、本発明の第一実施形態における加圧タンク内圧と運転負荷との関係を説明する図である。
【００３１】
図２（ａ）より、負荷に対して燃料電池スタックに供給する反応ガス流量Ｑgasはほぼ比例の関係があり、反応ガス流量Ｑgasと燃料電池スタックへのガス供給圧Ｐgasともほぼ比例関係である。このことから、結果的に負荷と反応ガス圧Ｐgasもほぼ比例関係にあることが一般的である。
【００３２】
図２（ｂ）より、負荷に対してガスを加湿するのに必要な加湿水流量Ｑwaterもほぼ比例関係であり、加湿水流量Ｑwaterと加湿水ポンプの揚程（または吐出圧）ΔＰheadともほぼ比例関係である。このことから、結果的に負荷と加湿水ポンプ揚程ΔＰheadとの関係もほぼ比例となるが、その傾きはガスの場合に比べて小さくなることが多い。
【００３３】
図２（ａ），（ｂ）の両方の図を重ねることで、ガス供給圧と加湿水供給圧の関係を示したものが図２（ｃ）である。加湿器１に供給される加湿水の圧力はガスとの差圧を適正に保つために、ガス供給圧を基準としたある許容差圧範囲内に収まる必要がある。しかし、加湿に必要な水量だけを加湿水ポンプ５で送出する場合には、図のように負荷が高くなるにつれて差圧が許容範囲より下側に外れて、加湿水圧力がガス供給圧を大きく下回ることになり、加湿器１を劣化させる可能性がある。
【００３４】
そこで本発明では負荷が高くなるにつれて、図２（ｃ）の破線ハッチングのように加圧タンク６の内圧を高めるように、タンク内圧調整弁７の開度を調整し、ガス供給管３からガスを加圧タンク６に送り込むことにより、ガス供給圧と加湿水圧力との差圧を許容範囲内に収めている。
【００３５】
図３は、本発明の第一実施形態における加湿水量と加湿水圧力の同時調整方法を説明する図である。
【００３６】
図３（ａ）のように加湿水流量Ｑwaterは加湿水のポンプ揚程ΔＰheadとほぼ比例関係にあり、ΔＰheadを変化させることで調整され、図２の（ｂ）のように負荷とΔＰheadは比例関係にあることが基本である。しかしながら、スタック内部の固体高分子電解質膜の湿り状態によっては、加湿水流量Ｑwaterを増減させる必要性が生じるときがある。この場合でも本発明によれば、図３（ｂ）のように加湿器１への加湿水の供給圧Ｐwaterは許容差圧範囲内に一定に保ちつつ、加圧タンク内圧Ｐtankと加湿水ポンプ揚程ΔＰheadの配分を変化させることができる。
【００３７】
以上のような本実施形態の作用は以下の通りである。すなわち、システムの負荷が高くなった場合の加湿水量の調整は、加湿器１における加湿性能を維持できる分だけとし、その加湿水量に対応する加湿水ポンプ揚程で加湿水ポンプ５を運転するとともに、被加湿ガス圧を基準とした許容差圧範囲内に加湿水供給圧が収まるように、加圧タンク内圧をタンク内圧調整弁７の開度調整によって合わせる。また燃料電池スタック２の電解質膜の湿り状態に応じて、ポンプ揚程を変化させて加湿水供給量を変化させるとともに、加圧タンク内圧を調整して加湿水供給圧をほぼ一定に保つ。
【００３８】
逆に運転負荷が低くなった場合の加湿水量の調整は上記の場合とは逆に、高くなったタンク内圧を徐々に低下させるべくタンク内圧調整弁７の開度調整により加圧タンク６側からガス供給管３側へ圧力をリークさせて、結果的に加湿水供給量を減少させる。即ちリリーフ弁を適用せず、燃料や空気を系外に放出することなく、燃費や効率を悪化させずに所望の加湿水の供給を制御する。
【００３９】
以上のような本実施形態によれば、システムの負荷やスタック内部の膜の湿り状態が変化した場合でも、加湿水加圧のための加湿水ポンプ５の駆動力の増加を必要最低限に抑えながら、加湿器１に供給されるガスと水の圧力差を適正な範囲に調節することができ、結果としてシステム全体のエネルギ効率が向上することができる。
【００４０】
図４は、請求項２記載の発明に対応する、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を示す概略構成図であり、図１の第一実施形態の構成に対して異なる部分のみを示したものである。
【００４１】
本実施の形態は、前述の第一実施形態に対し、加圧タンク６に、タンク内部の圧力を外気に逃がすための大気開放通路１０と、この大気開放通路１０を開閉する圧力逃がし弁であるリリーフ弁９とが追加された構成となっている。これにより、システム運転時の負荷と吸気状態（被加湿ガス供給時の状態）に対応するタンク内圧の目標値が現状より低くなった場合に、リリーフ弁９の開度を調整することで、目標のタンク内圧まで負荷の急激な低下に伴い素早く低下させることができる。
【００４２】
図５は、本発明の第二実施形態におけるリリーフ弁の動作と、加湿水圧力の調整方法を説明する図である。
【００４３】
特に酸化剤ガスとしての空気を外気から取り込むという一般的な燃料電池システムの場合、システムの運転中に吸気時の湿度が低くなった場合には、システム負荷が同じであっても、加湿器１において空気を加湿するための加湿水の要求量が増加することになる。
【００４４】
図５（ａ）によると、加湿水供給量をＱwater1→Ｑwater2にするためには、加湿水ポンプ５での揚程をΔＰhead1→ΔＰhead2にしなければならない。このとき加圧タンク６の内圧が同じであると、加湿器１へ供給される加湿水圧Ｐwaterが高くなりすぎて、ガス圧力を基準とした許容差圧範囲を超えてしまうおそれがある。このため、本実施形態では、図５（ｂ）のようにリリーフ弁９の開度を調整することで加圧タンク６の内圧の一部を開放し、Ｐtank1→Ｐtank2に下げることで、Ｐtank2とΔＰhead2との和である加湿水圧Ｐwaterはほぼ一定に保持することが可能となる。
【００４５】
図６は、本発明の第二実施形態におけるタンク内圧と加湿水供給量を制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００４６】
まず、ステップＳ１１でシステムの運転状態、吸気状態に対応する要求加湿水量と加湿水圧をコントロールユニット８にて算出して決定し、ステップＳ１２に移って、現在の加湿水供給量Ｑwaterに対して増量する必要性があるかどうかを判断する。増量の必要性がない場合は再びステップＳ１１に戻るが、必要性がある場合には次のステップＳ１３に移る。ステップＳ１３では加湿水供給量Ｑwaterを増量させるために加湿水ポンプ揚程ΔＰheadを増加させた場合に、加湿水供給圧力Ｐwaterが許容差圧範囲内に収まるのかどうかについて判定する。
【００４７】
許容範囲内に収まるならば、次のステップＳ１４にて必要分だけΔＰheadを増加させてＱwaterを増量させる。ステップＳ１３にて許容差圧範囲内から外れると判定したときは、ステップＳ２４にて空気ラインと接続されているタンク内圧調整弁７を全閉にして遮断し、ステップＳ２５にてリリーフ弁９の開度を調整しながら、Ｐwaterがほぼ一定に保たれるようにポンプ揚程ΔＰheadを増加させていく。次いで、ステップＳ２６にて目標のΔＰheadに到達したかを判定し、到達した場合にのみステップＳ２７に移ってリリーフ弁９を全閉にするとともに、ポンプ揚程ΔＰheadの増加を停止する。
【００４８】
本実施形態の作用のうち、第一実施形態と異なるところは、次の通りである。上述の図６の制御フローに従って、ガス供給圧を一定にした状態で加湿器１への加湿水供給量を増加させる必要性が生じた場合に、リリーフ弁９の開度と加湿水ポンプ５でのポンプ揚程を同時に変化させることで対応させる。
【００４９】
以上のような本実施形態によれば、前述の第一実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、システムの負荷と吸気状態の関係により要求加湿水量が増加した場合でも、目標のタンク内圧まで素早く低下させることが可能となり、外的入力に対する追従性が向上するため、システムの運転性がより良好となる。
【００５０】
図７は、請求項３記載の発明に対応する、本発明の第三実施形態を示す概略構成図である。
【００５１】
本実施の形態は、前述までの第一、第二実施形態に対し、図外の加湿器へ燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給する被加湿ガス供給管３から加圧タンク６へ被加湿ガスを供給する加圧タンクガス供給管１９を分岐する分岐点２０を、被加湿ガスを高圧ボンベ１１から供給する形式の場合は高圧ボンベ１１の出口１１ａ付近、被加湿ガスを圧縮機１１で圧縮して加圧供給する形式の場合はガスの圧縮機１１の出口１１ａ付近に配置させていることが特徴であり、それ以外の構成は前述までの実施形態と同様である。
【００５２】
図８は、本発明の第三実施形態の構成による効果を説明する図である。
【００５３】
被加湿ガスの供給、排出ライン全体を考えると、最もガス圧が高くなるのは高圧ボンベあるいは圧縮機１１の出口部であり、加圧タンク６の内部に導入できるガス圧の最高値が高いほど加圧タンク内圧の調整可能範囲が広く取れることになる。
【００５４】
本実施形態の作用のうち、第一、第二実施形態と異なるところは、上述の図８の説明にあるように、タンク内圧調整弁７の開度を調整することによる加圧タンク６の内圧の調整可能範囲を最大限広くすることができる。
【００５５】
以上のような本実施形態によれば、前述の第一、第二実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、加圧ポンプ５での揚程つまり加湿水量に対して、独立に制御可能な加湿器１への加湿水の供給圧の幅を広くすることができるため、結果として幅広いシステムの運転状態に適合させることが可能となる。
【００５６】
図９は、請求項４記載の発明に対応する、本発明の第四実施形態を示す概略構成図である。
【００５７】
本実施の形態は、前述の第二実施形態に対し、加圧タンク６にタンク内圧を常時検出する圧力センサ１２が備わっており、この圧力センサ１２からの信号はコントロールユニット８に送られるという構成になっている。上記以外の構成は、第二実施形態と同様である。
【００５８】
本実施形態の作用のうち、第二実施形態と異なるところは、加圧タンク６の内圧を直接検出することができるため、加圧タンク６の内圧を制御するタンク内圧調整弁７およびリリーフ弁９へ与えるバルブ開度制御信号をより正確に、より早くコントロールユニット８内にて算出、決定することができる。
【００５９】
以上のような本実施形態によれば、前述までの第一、第二実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、加圧タンク６の内圧、つまり加湿水循環路内の基準圧力の調整の精度を向上することができ、結果としてシステムの運転性、エネルギ効率のさらなる改善が期待できる。
【００６０】
図１０は、請求項５記載の発明に対応する、本発明の第五実施形態を示す概略構成図である。
【００６１】
本実施の形態は、前述の第四実施形態に対して異なる点は次の通りである。燃料電池システムからの排気などから凝縮によって回収される水を貯蔵するために回収水タンク１５を備え、この貯蔵水量を検出する回収水タンク水位センサ１６が回収水タンク１５に設けられている。前述の加圧タンク６にも貯蔵水量を検出する加圧タンク水位センサ１７が設けられ、上記２つの水位センサからの水位信号はコントロールユニット８に送られる構成になっている。回収水タンク１５と加圧タンク６とは回収水通路１４によって連結されており、この回収水通路１４には回収水調整弁１３が設けられており、また回収水タンク１５から直接系外に回収水を放出する通路を設け、その放出通路に回収水放出弁１８が備わっている。前述の回収水調整弁１３と回収水放出弁１８とは、コントロールユニット８からのバルブ制御信号によって開度調整される。上述以外の構成は、第一〜第四実施形態と同様である。
【００６２】
図１１は本発明の第五実施形態におけるタンク内圧、加湿水供給量、回収水の量を制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００６３】
まず、ステップＳ３１にて加圧タンク６内の貯蔵量が所定の下限値以下かどうかを判定し、下限値以下と判定された時には、ステップＳ３２に移ってタンク内圧調整弁７を全閉にして、加湿水加圧ポンプでの揚程ΔＰheadを許容差圧範囲内で増加させていく。次のステップＳ３３では加圧タンク６の内圧Ｐtankが大気圧以下になっているかどうかを判定し、大気圧以下になっている場合には、ステップＳ３４にて回収水調整弁１３を開くことで、回収水タンク１５内に貯蔵された水を回収水通路１４を経由して加圧タンク６へ注入することを開始する。
【００６４】
次いで、ステップＳ３５では加圧タンク６内の水量が基準値以上かどうかを判定し、基準値以上と判定された場合には、ステップＳ３７にて回収水調整弁１３を閉じる。ステップＳ３５で基準値に達していないと判定されたときには、ステップＳ３６に移って、引き続き回収水タンク１５の水量が空かどうかを調べる。回収水タンク１５が空でない場合は回収水の注入を続けた状態のままステップＳ３５に戻される。ステップＳ３６で回収水タンク１５が空になったと判定された場合には、加圧タンク６内の水位によらないで、ステップＳ３７にて回収水調整弁１３を閉じる。その後ステップＳ３８に移って、タンク内圧調整弁７の開度と加湿水ポンプ５の揚程ΔＰheadとを、システムの運転状態、吸気状態に適合する値に調整する。
【００６５】
ステップＳ３３にてＰtankが大気圧より高いと判定されたときには、加圧タンク内圧と回収水タンクの圧力差の関係上、加圧タンク内に回収水を注ぎ込むことができないため、以下のような手順によって、Ｐtankを大気圧以下に下げることになる。ステップＳ４０では加圧タンク６のリリーフ弁９を開き、ステップＳ４１にてＰtankが大気圧に到達したかどうかを調べ、到達した場合には次のステップＳ４２に移ってリリーフ弁９を閉じるとともに、ステップＳ３３に戻る。
【００６６】
最初のステップＳ３１にて加圧タンク内の水量がまだ十分あると判定された場合は、次のステップＳ４３にて回収水タンク１５が満水状態にないかどうかを調べる。満水に達していない場合は正常な運転状態を維持できるとして終わるが、もし満水と判定された場合は、ステップＳ４４で回収水放出弁１８を全開にして、回収水の系外への放出を開始する。回収水の放出をしながら、ステップＳ４５では回収水タンク１５の水位が基準値以下に戻ったかどうかを調べ、まだの場合は放出を継続する一方、基準値以下に戻ったときには、ステップＳ４６にて回収水放出弁１８を全閉にして、回収水の放出を停止する。
【００６７】
本実施形態の作用のうち、第一〜第四実施形態に対して特徴的なところは、加湿器１におけるガスの加湿により、加圧タンク６内および加湿水流路４内の加湿水が次第に減少していくのに応じて、システムの排気等から回収される水を加えていくことで、水量を維持できることである。
【００６８】
以上のような本実施形態によれば、系外からの水の補給の必要性がなくなり、システム全体の水収支が良好になり、これによりシステムを運転するときの作業工数が大幅に低減される。また、回収水タンク１５から直接系外に水を放出可能な回収水放出弁１８を備えたので、必要以上の回収水が前記回収水タンク１５に溜まった場合には系外に捨てることができる。このため、燃料電池システムを車両等に搭載するときに、総重量を必要最低限に維持しつつ走行させることができるようになり、車両の運転性が向上し、燃費も低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態における加圧タンク内圧と運転負荷との関係を説明する図である。
【図３】本発明の第一実施形態における加湿水量と加湿水圧力の同時調整方法を説明する図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第二実施形態におけるタンク内圧逃がし弁の動作と、加湿水圧力の調整方法を説明する図である。
【図６】本発明の第二実施形態におけるタンク内圧と加湿水供給量の制御を説明するフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態を示す概略構成図である。
【図８】本発明の第三実施形態の構成による効果を説明する図である。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態を示す概略構成図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムの第五実施形態を示す概略構成図である。
【図１１】本発明の第五実施形態におけるタンク内圧、加湿水供給量、回収水の量を制御するためのフローチャートである。
【図１２】従来の固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１加湿器
２燃料電池スタック
３ガス供給管
４加湿水流路
５加湿水ポンプ
６加圧タンク
７タンク内圧調整弁
８コントロールユニット
９リリーフ弁
１０大気開放通路

Claims

固体高分子からなる電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前記燃料ガスと酸化剤ガスの両方または、どちらか一方を加湿する加湿手段と、前記加湿手段に加湿水を供給する加湿水供給管と、前記加湿水を加圧しつつ送出する加湿水加圧手段を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿水を前記加湿水加圧手段へ供給するとともに、前記燃料供給管または前記酸化剤供給管から分岐したタンクガス供給管により燃料ガスまたは酸化剤ガスが流入可能なタンクと、
前記タンクガス供給管上に設けられ前記タンクへのガスの流入又は流出量の少なくともいずれか一方が制御可能な調整弁と、
システムの運転状態が高負荷になるにつれて、前記タンクの内圧が高くなるように、前記調整弁の開度を調整する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記タンクに、内部の圧力を外気に逃がすための圧力逃がし弁を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記タンクの内部圧力を検出する圧力検出手段を備え、
該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて前記制御手段が前記調整弁を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
燃料電池システム内から回収される水を溜める回収水タンクと前記タンクとを回収水通路により連通させるとともに、該回収水通路に前記制御手段の制御により開度調整可能な回収水調整弁を設け、前記回収水タンクから直接系外に回収水を放出する水放出弁を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システム。