JP2000243422A - 燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子型の燃料電池を冷却して過熱を防
止する。 【解決手段】 酸化ガス加湿器２５により加湿された酸
化ガスに水をインジェクタ２８から噴霧する。酸化ガス
中に霧状に噴霧された液滴は、酸化ガスと共に燃料電池
３０に供給され、燃料電池３０内で気化する。このとき
の蒸発潜熱により燃料電池３０は冷却される。燃料電池
温度センサ４４により検出される燃料電池３０の温度に
応じてインジェクタ２８から噴霧する液滴量を制御する
ことにより、燃料電池３０の温度を制御することがで
き、燃料電池３０を過熱から防止することができる。

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
および燃料電池の冷却方法に関し、詳しくは、ガス状の
燃料の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池を
有する燃料電池システムおよび加湿されたガス状の燃料
の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池の冷却
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料電池システムとして
は、単位セルと共に冷却水の流路を備える冷却板を複数
積層して燃料電池を構成すると共に冷却板の流路に冷却
水を供給する循環管路を備えるものが提案されている
（例えば、特開平９−９２３１０号公報など）。この燃
料電池システムでは、冷却水は循環管路に設けられた熱
交換器により冷却されこれにより燃料電池を冷却する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体高
分子型の燃料電池システムでは、燃料電池の運転温度が
低く、外気との温度差が大きくとれないために、熱交換
器が大きくなるという問題があった。この問題は、車両
に燃料電池システムを搭載するように、限られたスペー
スに燃料電池システムを設置する場合にクローズアップ
される。

【０００４】本発明の燃料電池システムは、熱交換器を
大きくすることなく燃料電池を冷却することを目的の一
つとする。また、本発明の燃料電池システムは、冷却水
を循環させる循環管路により燃料電池を冷却するシステ
ムとは異なる手法により燃料電池を冷却する燃料電池シ
ステムを提案することを目的の一つとする。本発明の燃
料電池の冷却方法は、冷却水を循環させる循環管路によ
り燃料電池を冷却するシステムとは異なる手法を提案す
ることを目的の一つとする。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法は、
上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手
段を採った。

【０００６】本発明の燃料電池システムは、ガス状の燃
料の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池を有
する燃料電池システムであって、前記燃料を加湿する加
湿手段と、該加湿された燃料に霧状の液滴を供給する液
滴供給手段とを備えることを要旨とする。

【０００７】この本発明の燃料電池システムでは、液滴
供給手段により燃料に供給された霧状の液滴が燃料と共
に燃料電池に供給されたときに燃料電池内で気化する際
の潜熱により燃料電池を冷却することができる。この結
果、熱交換器を必要としないから燃料電池システムを小
型化することができる。ここで、燃料は、電解質を挟ん
で配置される二つの電極に供給されるものの双方を意味
する。また、液滴は燃料電池内で気化可能な液体による
ものであればよいから、液滴には水からなるものが含ま
れる他、水と他の液体の混合液によるものや水以外の液
体によるものも含まれる。

【０００８】こうした本発明の燃料電池システムにおい
て、前記液滴供給手段は、前記燃料に液滴を噴霧するイ
ンジェクタであるものとすることもできる。

【０００９】また、本発明の燃料電池システムにおい
て、前記液滴供給手段は、前記加湿手段により加湿され
た燃料の水分の一部を凝縮させることにより前記液滴を
形成して前記燃料に供給する手段であるものとすること
もできる。こうすれば、液滴としての水の供給は加湿手
段のみで行なうから、液滴供給用のパイプなどを不要と
し燃料電池システムを小型化することができる。

【００１０】これら各態様を含め本発明の燃料電池シス
テムにおいて、前記燃料電池の状態を検出する状態検出
手段と、該検出された燃料電池の状態に基づいて前記液
滴供給手段による前記燃料への液滴の供給を制御する液
滴供給制御手段とを備えるものとすることもできる。こ
うすれば、燃料電池の状態に応じて燃料電池を冷却する
ことができる。

【００１１】この態様の本発明の燃料電池システムにお
いて、前記状態検出手段は、前記燃料電池の温度を検出
する手段であるものとすることもできる。こうすれば、
燃料電池の温度に基づいて燃料電池を冷却することがで
きる。この態様の燃料電池システムにおいて、前記液滴
供給制御手段は、前記状態検出手段により検出された前
記燃料電池の温度が所定温度以上のときに該燃料電池の
温度に応じて前記液滴を前記燃料に供給するよう前記液
滴供給手段を制御する手段であるものとすることもでき
る。

【００１２】状態検出手段と液滴供給制御手段とを備え
る本発明の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手
段は、前記燃料電池の出力を検出する手段であるものと
することもできる。こうすれば、燃料電池の出力に基づ
いて燃料電池を冷却することができる。この態様の燃料
電池システムにおいて、前記液滴供給制御手段は、前記
状態検出手段により検出された前記燃料電池の出力が所
定出力以上のときに該燃料電池の出力に応じて前記液滴
を前記燃料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する
手段であるものとすることもできる。

【００１３】また、状態検出手段と液滴供給制御手段と
を備える本発明の燃料電池システムにおいて、前記状態
検出手段は、前記燃料電池の異常を検出する手段である
ものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の異常
に基づいて燃料電池を冷却することができる。この態様
の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手段は、前
記燃料電池の温度の変化率が所定値以上のときに前記燃
料電池の異常を検出する手段であるものとすることもで
きる。こうすれば、燃料電池の温度の変化率により燃料
電池の異常を検出することができ、これに基づいて燃料
電池を冷却することができる。こうした燃料電池の異常
に基づいて燃料電池を冷却する態様の燃料電池システム
において、前記液滴供給制御手段は、前記状態検出手段
により前記燃料電池の異常が検出されたときに前記液滴
を前記燃料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する
手段であるものとすることもできる。

【００１４】これら各態様を含め状態検出手段と液滴供
給制御手段とを備える本発明の燃料電池システムにおい
て、前記加湿手段による前記燃料の加湿の状態を検出す
る加湿状態検出手段を備え、前記液滴供給制御手段は前
記燃料電池の状態に加えて前記加湿状態検出手段により
検出される前記燃料の加湿の状態に基づいて前記液滴供
給手段による前記燃料への前記液滴の供給を制御する手
段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電
池の状態に加えて燃料の加湿状態に基づいて液滴の供給
を制御するから、過剰加湿などをも防止することができ
ると共により適切に燃料電池を冷却することができる。

【００１５】本発明の燃料電池の冷却方法は、加湿され
たガス状の燃料の供給を受けて発電する固体高分子型の
燃料電池の冷却方法であって、前記燃料に霧状の液滴を
供給し、該供給された液滴が前記燃料電池内で気体にな
る際の蒸発潜熱により該燃料電池を冷却することを要旨
とする。

【００１６】この本発明の燃料電池の冷却方法によれ
ば、燃料に供給された霧状の液滴が燃料電池内で気体に
なる際の蒸発潜熱により燃料電池を冷却することができ
る。この燃料電池の冷却方法では熱交換器を用いないか
ら、燃料電池システムを小型化することができる。

【００１７】こうした本発明の燃料電池の冷却方法にお
いて、前記燃料電池の状態を検出し、該検出された状態
に基づいて前記燃料に供給される前記液滴の量を調整し
て前記燃料電池の冷却を制御する手法を採ることもでき
る。こうすれば、燃料電池の状態に応じて燃料電池を冷
却することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図
示するように、実施例の燃料電池システム２０は、水素
を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２
と、この燃料ガス供給装置２２から供給される燃料ガス
を加湿する燃料ガス加湿器２３と、酸素を含有する酸化
ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給装置２４
と、この酸化ガス供給装置２４から供給される酸化ガス
を加湿する酸化ガス加湿器２５と、酸化ガスに霧状の液
滴を供給する液滴供給装置２７と、燃料ガスと酸化ガス
との供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池３０
と、燃料電池３０を冷却する冷却装置５０と、燃料電池
システム２０の運転をコントロールする電子制御ユニッ
ト６０とを備える。

【００１９】燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する
燃料ガスを供給する装置であり、例えば、メタノールや
メタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな
燃料ガスを供給する改質器としてもよく、水素を含有す
る燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵タンクとしてもよ
い。酸化ガス供給装置２４は、酸素を含有する酸化ガス
を供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプ
としてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス
貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置２２
および酸化ガス供給装置２４は、信号ラインで電子制御
ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０
によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御さ
れるようになっている。

【００２０】燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器
２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化させて燃
料ガスや酸化ガスに供給する加湿器であり、例えばバブ
ラーとしてもよい。この燃料ガス加湿器２３および酸化
ガス加湿器２５は、信号ラインで電子制御ユニット６０
に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料
ガスの加湿量や酸化ガスの加湿量が制御されるようにな
っている。

【００２１】液滴供給装置２７は、酸化ガス中に液滴を
噴霧するインジェクタ２８とこのインジェクタ２８によ
る噴霧に必要な水圧を与える液滴供給用ポンプ２９とか
ら構成されている。インジェクタ２８は信号ラインによ
り電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユ
ニット６０によってその開弁タイミングや開弁頻度が制
御されるようになっている。また、液滴供給用ポンプ２
９も信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続され
ており、電子制御ユニット６０による駆動制御を受ける
ようになっている。

【００２２】燃料電池３０は、単電池３１を複数積層し
て構成される固体高分子型の燃料電池である。図２に燃
料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図
示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分
子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電
解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金
の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され
触媒が練り込められた面で電解質膜３２を挟持してサン
ドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード
３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両
側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃
料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣
接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ
３５とにより構成されている。

【００２３】燃料電池３０の出力端子３８，３９には、
燃料電池３０からの出力を検出するための電圧計４０と
電流計４２とが取り付けられている。また、燃料電池３
０には、その内部の温度ＴＦを検出するための燃料電池
温度センサ４４が取り付けられている。

【００２４】冷却装置５０は、燃料電池３０内部に備え
られている冷却板と、この冷却板に形成された冷却水の
流路と共に循環管路を形成する冷却水管路５２と、冷却
水管路５２に取り付けられ外気との熱交換により冷却水
を冷却する熱交換器５６と、冷却水を循環管路に循環さ
せる冷却水用ポンプ５４と、冷却水管路５２の燃料電池
３０の出口付近における冷却水の温度を検出する冷却水
温度センサ５８とを備える。冷却水用ポンプ５４と冷却
水温度センサ５８は信号ラインにより電子制御ユニット
６０に接続されており、燃料電池３０の冷却の制御が電
子制御ユニット６０によって行なわれるようになってい
る。即ち、冷却水温度センサ５８により検出される冷却
水の温度に基づいて冷却水用ポンプ５４が駆動され、冷
却水の循環流量の制御がなされるのである。

【００２５】電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中
心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとし
て構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６
４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力
ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット
６０には、図示しない流量計や温度計などからの燃料ガ
ス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から供給される
燃料ガスや酸化ガスの供給量や温度や燃料ガス加湿器２
３や酸化ガス供給装置２４の運転状態，燃料電池温度セ
ンサ４４からの燃料電池の温度ＴＦ，電圧計４０からの
燃料電池３０の出力電圧Ｖ，電流計４２からの燃料電池
３０の出力電流Ｉ，冷却水温度センサ５８からの冷却水
の温度などが入力ポートを介して入力されている。ま
た、電子制御ユニット６０からは、燃料ガス供給装置２
２や酸化ガス供給装置２４への駆動信号，燃料ガス加湿
器２３や酸化ガス加湿器２５への駆動信号，インジェク
タ２８への駆動信号，液滴供給用ポンプ２９への駆動信
号，冷却水用ポンプ５４への駆動信号などが出力ポート
を介して出力されている。

【００２６】次に、こうして構成された燃料電池システ
ム２０の動作、特に燃料電池３０の冷却の制御について
説明する。図３は、実施例の燃料電池システム２０の電
子制御ユニット６０により実行される冷却制御ルーチン
の一例を示すフローチャートである。このルーチンは、
燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が
停止されるまで所定時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り
返し実行される。実施例の燃料電池３０の冷却は冷却装
置５０によって行なわれているが、この冷却制御ルーチ
ンは冷却装置５０による冷却に加えて行なわれるもので
あり、酸化ガスに水の液滴を噴霧し、この液滴の燃料電
池３０内部で気化する際の蒸発潜熱により燃料電池３０
を冷却するためのものである。

【００２７】この冷却制御ルーチンが実行されると、Ｃ
ＰＵ６２は、まず燃料電池温度センサ４４により検出さ
れる燃料電池３０の温度ＴＦを読み込み（ステップＳ１
０２）、読み込んだ温度ＴＦを閾値ＴＦｒｅｆと比較す
る（ステップＳ１０４）。閾値ＴＦｒｅｆは、燃料電池
３０の冷却が必要とされる温度またはこの温度より若干
低い温度として設定されるものである。燃料電池３０の
温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置５
０による冷却で燃料電池３０は冷却されていると判断し
て、インジェクタ２８を閉弁し（ステップＳ１０６）、
液滴供給用ポンプ２９の駆動を停止して（ステップＳ１
０８）、本ルーチンを終了する。このルーチンでは、イ
ンジェクタ２８や液滴供給用ポンプ２９の状態に拘わら
ずインジェクタ２８を閉弁し液滴供給用ポンプ２９を停
止するようになっているが、インジェクタ２８が閉弁状
態であったり、液滴供給用ポンプ２９が駆動していない
ときには、何もしないでこのルーチンを終了するものと
してもよいのは勿論である。

【００２８】燃料電池３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ
より大きいときには、冷却装置５０による冷却に加えて
燃料電池３０の冷却が必要と判断して、燃料電池３０に
供給される酸化ガスにインジェクタ２８から噴霧する水
の液滴量ＱＷを求めると共に（ステップＳ１１０）、求
めた液滴量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定
する（ステップＳ１１２）。インジェクタ２８から酸化
ガスへ噴霧する水の液滴量ＱＷは、燃料電池３０を冷却
するために必要な熱量と水の蒸発潜熱とにより定まるも
のである。実施例では燃料電池３０の温度ＴＦと燃料電
池３０を冷却するのに必要な水分量（インジェクタ２８
から噴霧する液滴量ＱＷ）との関係を図４に例示するよ
うなマップとして電子制御ユニット６０のＲＯＭ６４に
予め記憶させておき、燃料電池３０の温度ＴＦが与えら
れるとＲＯＭ６４に記憶させたマップから液滴量ＱＷを
導出するものとした。インジェクタ２８の開弁時間は、
単位時間あたりにインジェクタ２８から噴霧される液滴
量がステップＳ１１０で求められた液滴量ＱＷとなるた
めの単位時間あたりの開弁時間を意味し、水圧とこの水
圧を受けているときにインジェクタ２８による噴霧量と
に基づいて定められる。

【００２９】インジェクタ２８の開弁時間が設定される
と、液滴供給用ポンプ２９を駆動してインジェクタ２８
による噴霧に必要な水圧を確保すると共に（ステップＳ
１１４）、設定された単位時間あたりの開弁時間となる
ようインジェクタ２８を開弁駆動して（ステップＳ１１
６）、本ルーチンを終了する。こうした処理で酸化ガス
に水の液滴が単位時間あたり液滴量ＱＷの割合で供給さ
れ、この液滴が酸化ガスと共に燃料電池３０に供給され
て燃料電池３０内で気化する。燃料電池３０は、この液
滴の気化の際の蒸発潜熱により冷却される。図５に導入
される水分量（液滴量）と燃料電池３０の必要な放熱量
との関係の一例を示す。なお、図中ハッチ部は、液滴を
酸化ガスに噴霧することにより得られる冷却の効果を示
している。

【００３０】以上説明した実施例の燃料電池システム２
０によれば、燃料電池３０に供給される酸化ガスに液体
状の水を噴霧することにより燃料電池３０を冷却するこ
とができる。しかも、燃料電池３０の温度ＴＦに基づい
て酸化ガスに噴霧する液滴量ＱＷを調節することにより
燃料電池３０の冷却の程度を調節することができる。こ
の結果、冷却装置５０の熱交換器５６を小さなものとす
ることができるから、燃料電池システム２０をコンパク
トなものとすることができる。

【００３１】実施例の燃料電池システム２０では、燃料
電池３０に取り付けられた燃料電池温度センサ４４を用
いて燃料電池３０の温度ＴＦを検出し、この温度ＴＦに
基づいて燃料電池３０を冷却するものとしたが、冷却装
置５０が備える冷却水温度センサ５８により検出される
冷却水の温度に基づいて燃料電池３０の温度ＴＦを推定
し、推定された燃料電池３０の温度ＴＦに基づいて燃料
電池３０を冷却するものとしてもよい。

【００３２】実施例の燃料電池システム２０では、燃料
電池３０の温度ＴＦに基づいて燃料電池３０を冷却する
ものとしたが、燃料電池３０の出力ＰＦに基づいて燃料
電池３０を冷却するものとしてもよい。このシステムで
は、図３の冷却制御ルーチンに代えて図６に例示する冷
却制御ルーチンを実行する。以下に、図６に例示する冷
却制御ルーチンを用いて燃料電池３０の出力ＰＦに基づ
いて燃料電池３０を冷却する処理について説明する。

【００３３】このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２
は、まず燃料電池３０の出力ＰＦを読み込み（ステップ
Ｓ２０２）、読み込んだ出力ＰＦを閾値ＰＦｒｅｆと比
較する（ステップＳ２０４）。ここで、燃料電池３０の
出力ＰＦは、電圧計４０により検出される出力電圧Ｖと
電流計４２により検出される出力電流Ｉとの積として求
められるから、ステップＳ２０２の処理は、出力電圧Ｖ
と出力電流Ｉとを読み込んでこれらの積をとって出力Ｐ
Ｆとしてもよく、図示しない出力演算ルーチンにより出
力電圧Ｖと出力電流Ｉとの積を演算して出力ＰＦを求め
てＲＡＭ６６の所定アドレスに記憶させたものを読み込
むものとしてもよい。また、閾値ＰＦｒｅｆは、燃料電
池３０の冷却が必要とされる出力またはこの出力より若
干低い出力として設定されるものである。

【００３４】燃料電池３０の出力ＰＦが閾値ＰＦｒｅｆ
より大きいときには、冷却装置５０による冷却に加えて
燃料電池３０の冷却が必要と判断して、燃料電池３０の
出力ＰＦに基づいてインジェクタ２８から噴霧する水の
液滴量ＱＷを求めると共に（ステップＳ２１０）、求め
た液滴量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定し
（ステップＳ２１２）、液滴供給用ポンプ２９を駆動す
ると共に（ステップＳ２１４）、インジェクタ２８を開
弁駆動する（ステップＳ２１６）。インジェクタ２８か
ら酸化ガスへ噴霧する水の液滴量ＱＷは、前述したとお
りであり、実施例では燃料電池３０の出力ＰＦと燃料電
池３０を冷却するのに必要な水分量との関係を図７に例
示するようなマップとして電子制御ユニット６０のＲＯ
Ｍ６４に予め記憶させておき、燃料電池３０の出力ＰＦ
が与えられるとＲＯＭ６４に記憶させたマップから液滴
量ＱＷを導出するものとした。なお、ステップＳ２１２
ないしＳ２１６の処理は、図３の冷却制御ルーチンにお
けるステップＳ１１２ないしＳ１１６の処理と同一であ
るから、その詳細な説明は省略する。

【００３５】一方、燃料電池３０の出力ＰＦが閾値ＰＦ
ｒｅｆ以下のときには、冷却装置５０による冷却で燃料
電池３０は冷却されていると判断して、インジェクタ２
８を閉弁し（ステップＳ２０６）、液滴供給用ポンプ２
９の駆動を停止して（ステップＳ２０８）、本ルーチン
を終了する。このステップＳ２０６およびＳ２０８の処
理も図３の冷却制御ルーチンにおけるステップＳ１０６
およびＳ１０８の処理と同一であるから、その詳細な説
明は省略する

【００３６】以上説明した図６の冷却制御ルーチンを実
行する変形例の燃料電池システム２０によれば、燃料電
池３０の出力ＰＦに基づいて酸化ガスに噴霧する液滴量
ＱＷを調節することにより燃料電池３０の冷却の程度を
調節することができる。もとより、燃料電池３０に供給
される酸化ガスに液体状の水を噴霧することにより燃料
電池３０を冷却することができ、燃料電池システム２０
をコンパクトなものとすることもできる。

【００３７】実施例の燃料電池システム２０では燃料電
池３０の温度ＴＦのみに基づいて燃料電池３０を冷却
し、変形例の燃料電池システム２０では燃料電池３０の
出力ＰＦのみに基づいて燃料電池３０を冷却したが、燃
料電池３０の温度ＴＦに基づく冷却と燃料電池３０の出
力ＰＦに基づく冷却とを複合して行なってもよい。

【００３８】さらに、実施例の燃料電池システム２０
は、燃料電池３０の温度ＴＦに加えて酸化ガス加湿器２
５による加湿量ＨＦにも基づいて燃料電池３０を冷却す
るものとしてもよい。このシステムでは、図３の冷却制
御ルーチンに代えて図８に例示する冷却制御ルーチンを
実行する。以下に、図８に例示する冷却制御ルーチンを
用いて燃料電池３０の温度ＴＦと加湿量ＨＦとに基づい
て燃料電池３０を冷却する処理について説明する。

【００３９】このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２
は、まず燃料電池３０の温度ＴＦを読み込み（ステップ
Ｓ３０２）、読み込んだ温度ＴＦを閾値ＴＦｒｅｆと比
較する（ステップＳ３０４）。燃料電池３０の温度ＴＦ
が閾値ＴＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置５０による
冷却で燃料電池３０は冷却されていると判断して、イン
ジェクタ２８を閉弁し（ステップＳ３０６）、液滴供給
用ポンプ２９の駆動を停止して（ステップＳ３０８）、
本ルーチンを終了する。なお、これらの処理は図３のス
テップＳ１０２ないしＳ１０８の処理と同一である。

【００４０】燃料電池３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ
より大きいときには、冷却装置５０による冷却に加えて
燃料電池３０の冷却が必要と判断して、まず酸化ガス加
湿器２５による酸化ガスの加湿量ＨＦを読み込む処理を
実行する（ステップＳ３０９）。実施例では、電子制御
ユニット６０の出力ポートから酸化ガス加湿器２５に出
力されている駆動信号を読み込むことにより加湿量ＨＦ
を読み込むものとした。そして、温度ＴＦと加湿量ＨＦ
とに基づいてインジェクタ２８から噴霧する水の液滴量
ＱＷを求めると共に（ステップＳ３１０）、求めた液滴
量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定し（ステ
ップＳ３１２）、液滴供給用ポンプ２９を駆動すると共
に（ステップＳ３１４）、インジェクタ２８を開弁駆動
する（ステップＳ３１６）。インジェクタ２８から酸化
ガスへ噴霧する水の液滴量ＱＷは、加湿過剰とならない
範囲内で決定され、実施例では、燃料電池３０の温度Ｔ
Ｆを用いて図４に示したマップから液滴量を求め、この
液滴量から加湿量ＨＦの大小に基づいて定まる若干量を
増減して液滴量ＱＷを算出するものとした。なお、ステ
ップＳ３１２ないしＳ３１６の処理は、図３の冷却制御
ルーチンにおけるステップＳ１１２ないしＳ１１６の処
理と同一である。

【００４１】以上説明した図８の冷却制御ルーチンを実
行する変形例の燃料電池システム２０によれば、酸化ガ
ス加湿器２５による酸化ガスの加湿量ＨＦを考慮するか
ら、燃料電池３０の過剰加湿を防止することができる。
もとより、燃料電池３０に供給される酸化ガスに液体状
の水を噴霧することにより燃料電池３０を冷却すること
ができ、燃料電池システム２０をコンパクトなものとす
ることもできる。

【００４２】図８の冷却制御ルーチンを実行する変形例
の燃料電池システム２０では、燃料電池３０の温度ＴＦ
に加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量ＨＦにも基づ
いて燃料電池３０を冷却するものとしたが、燃料電池３
０の出力ＰＦに加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量
ＨＦにも基づいて燃料電池３０を冷却するものとしても
よく、燃料電池３０の温度ＴＦに基づく冷却と燃料電池
３０の出力ＰＦに基づく冷却とを複合して行なう冷却に
加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量ＨＦにも基づい
て燃料電池３０を冷却するものとしてもよい。

【００４３】実施例の燃料電池システム２０は、こうし
た冷却制御の他に燃料電池３０の異常時の制御も行な
う。以下に、この燃料電池３０の異常時の制御について
説明する。図９は、燃料電池３０の異常を検出すると共
に燃料電池３０の異常時の制御の一例を示す異常時制御
ルーチンである。このルーチンは、燃料電池システム２
０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定
時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り返し実行される。な
お、燃料電池３０の異常時の処理として後述するように
燃料電池３０を冷却するが、通常、燃料電池３０が異常
のときには、燃料電池３０の温度管理ができなくなり、
燃料電池３０の温度ＴＦが上昇することに基づいてい
る。

【００４４】この異常時制御ルーチンが実行されると、
ＣＰＵ６２は、まず燃料電池温度センサ４４により検出
される燃料電池３０の温度ＴＦを読み込み（ステップＳ
４０２）、読み込んだ温度ＴＦから前回このルーチンが
起動されたときに読み込んだ燃料電池３０の温度ＴＦを
減じて偏差ΔＴＦをを求める（ステップＳ４０３）。そ
して、求めた偏差ΔＴＦを閾値Ｔｒｅｆと比較する（ス
テップＳ４０４）。閾値Ｔｒｅｆは、燃料電池３０が正
常に動作しているときに許容される温度上昇率の上限値
またはこの上限値より若干低い値として設定されるもの
であり、燃料電池３０の特性や異常時制御ルーチンの起
動される頻度などによって定められる。偏差ΔＴＦが閾
値Ｔｒｅｆ以下のときには、燃料電池３０は正常に動作
していると判断して、インジェクタ２８を閉弁し（ステ
ップＳ４０６）、液滴供給用ポンプ２９の駆動を停止し
て（ステップＳ４０８）、本ルーチンを終了する。これ
らの処理は図３のステップＳ１０２ないしＳ１０８の処
理と同一である。

【００４５】偏差ΔＴＦが閾値Ｔｒｅｆより大きいとき
には、燃料電池３０に異常が発生したと判断して、イン
ジェクタ２８から噴霧する水の液滴量ＱＷに所定値ＱＷ
１を設定して（ステップＳ４１０）、設定した液滴量Ｑ
Ｗからインジェクタ２８の開弁時間を設定し（ステップ
Ｓ４１２）、液滴供給用ポンプ２９を駆動すると共に
（ステップＳ４１４）、インジェクタ２８を開弁駆動す
る（ステップＳ４１６）。ここで、所定値ＱＷ１は、燃
料電池３０を初期冷却するのに十分な液滴量として設定
されるものであり、燃料電池３０の大きさや燃料電池３
０の特性などによって定められる。なお、ステップＳ４
１２ないしＳ４１６の処理は、図３の冷却制御ルーチン
におけるステップＳ１１２ないしＳ１１６の処理と同一
である。

【００４６】以上説明した燃料電池システム２０によれ
ば、燃料電池３０の異常時にインジェクタ２８から酸化
ガスに水を噴霧することにより、燃料電池３０を冷却す
ることができ、燃料電池３０を過熱状態とすることから
防止することができる。

【００４７】実施例の燃料電池システム２０では、燃料
電池３０の温度ＴＦの前回の温度ＴＦとの偏差ΔＴＦに
より燃料電池３０の異常を検出したが、燃料電池３０の
温度ＴＦが所定温度以上のときに燃料電池３０の異常を
検出するものとしてもよく、燃料電池３０の出力ＰＦが
所定出力以上のときに燃料電池３０の異常を検出するも
のとしてもよい。また、燃料電池３０の出力ＰＦの変化
量が所定変化量以上のときに燃料電池３０の異常を検出
するものとしてもよい。

【００４８】次に、本発明の第２の実施例としての燃料
電池システム１２０について説明する。図１０は、第２
実施例の燃料電池システム１２０の概略の構成を示す構
成図である。図示するように、第２実施例の燃料電池シ
ステム１２０は、液滴供給装置２７に代えて凝縮装置１
７０を備える点を除いて第１実施例の燃料電池システム
２０と同一の構成をしている。そこで、第２実施例の燃
料電池システム１２０の構成のうち第１実施例の燃料電
池システム２０の構成と同一の構成については１００を
加えた符号を付し、その説明を省略する。なお、その他
の符号についても第１実施例の燃料電池システム２０の
説明で用いた符号は同じ意味で用いる。

【００４９】第２実施例の燃料電池システム１２０は、
酸化ガスの供給管に取り付けられた凝縮装置１７０を備
える。凝縮装置１７０は、燃料電池１３０に供給される
酸化ガスの温度を一定に保つ熱交換器として構成されて
おり、冷却媒体（例えば、水など）により酸化ガスを冷
却する第１熱交換器１７２と、外気と熱交換して冷却媒
体を冷却する第２熱交換器１７４と、第１熱交換器１７
２と第２熱交換器１７４とを連絡して冷却媒体の循環管
路を形成する冷却媒体管路１７６と、冷却媒体を循環管
路に循環させる冷却媒体用ポンプ１７８と、冷却媒体管
路１７６の第１熱交換器１７２の出口付近における冷却
媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサ１７９とを備
える。冷却媒体用ポンプ１７８と冷却媒体温度センサ１
７９は信号ラインにより電子制御ユニット１６０に接続
されており、電子制御ユニット１６０によって燃料電池
１３０に供給される酸化ガスの温度が燃料電池１３０に
適した温度となるよう制御される。したがって、酸化ガ
ス加湿器１２５による酸化ガスの加湿量によっては過剰
加湿となる状態とすることができ、この過剰加湿の酸化
ガスを凝縮装置１７０によって冷却することにより、酸
化ガス中に液体状態の水を霧状として含ませることがで
きる。

【００５０】こうして構成された第２実施例の燃料電池
システム１２０の動作、特に燃料電池１３０の加湿と冷
却の制御について説明する。図１１は、第２実施例の燃
料電池システム１２０の電子制御ユニット１６０により
実行される加湿冷却制御ルーチンの一例を示すフローチ
ャートである。このルーチンは、燃料電池システム１２
０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定
時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り返し実行される。な
お、第２実施例の燃料電池１３０の冷却も冷却装置１５
０によって行なわれているが、この加湿冷却制御ルーチ
ンは冷却装置１５０による冷却に加えて行なわれるもの
であるのは、第１実施例と同様である。

【００５１】この加湿冷却制御ルーチンが実行される
と、ＣＰＵ１６２は、まず燃料電池温度センサ１４４に
より検出される燃料電池１３０の温度ＴＦと、酸化ガス
の供給量ＱＯとを読み込み（ステップＳ５０２）、読み
込んだ温度ＴＦを閾値ＴＦｒｅｆと比較する（ステップ
Ｓ５０４）。酸化ガスの供給量ＱＯは、電子制御ユニッ
ト１６０から酸化ガス供給装置１２４へ出力されている
駆動信号から読み込むこともできるし、酸化ガス供給装
置１２４に流量計を設けてこの流量計により検出される
流量を読み込むこともできる。燃料電池１３０の温度Ｔ
Ｆが閾値ＴＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置１５０に
よる冷却で燃料電池１３０は冷却されていると判断して
液滴量ＱＷに値０を設定し（ステップＳ５０６）、燃料
電池１３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆより大きいとき
には、冷却装置１５０による冷却に加えて燃料電池１３
０の冷却が必要と判断して、燃料電池１３０に供給され
る酸化ガス中に凝縮させる液滴量ＱＷを求める（ステッ
プＳ５０８）。第２実施例では、液滴量ＱＷを第１実施
例で用いた図４に例示するマップにより求めた。

【００５２】そして、酸化ガスの供給量ＱＯと液滴量Ｑ
Ｗとに基づいて酸化ガス加湿器１２５による酸化ガスの
加湿量ＨＦを設定し（ステップＳ５１０）、酸化ガス加
湿器１２５により酸化ガスが設定した加湿量ＨＦで加湿
されるよう酸化ガス加湿器１２５を制御して（ステップ
Ｓ５１２）、本ルーチンを終了する。第２実施例では、
加湿量ＨＦは、酸化ガスの供給量ＱＯによって定まる通
常の加湿量に液滴量ＱＷを加えたものとして設定した。
このように燃料電池１３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ
より大きいときには酸化ガス加湿器１２５により酸化ガ
スを過剰加湿とし、凝縮装置１７０で液滴量ＱＷに相当
する分だけ凝縮させることにより、凝縮した液滴が、酸
化ガスと共に燃料電池１３０に供給されて燃料電池１３
０内で気化し、その蒸発潜熱により燃料電池１３０を冷
却するのである。

【００５３】以上説明した第２実施例の燃料電池システ
ム１２０によれば、凝縮装置１７０により酸化ガス中の
水蒸気を凝縮させることにより、燃料電池１３０を冷却
することができる。しかも、燃料電池１３０の温度ＴＦ
に基づいて酸化ガスの加湿量を調節すると共に酸化ガス
中の水蒸気の凝縮量を調節することにより燃料電池１３
０の冷却の程度を調節することができる。この結果、冷
却装置１５０の熱交換器１５６を小さなものとすること
ができるから、燃料電池システム１２０をコンパクトな
ものとすることができる。また、第２実施例の燃料電池
システム１２０を第１実施例の燃料電池システム２０と
比べれば、インジェクタ２８へ供給される水の配管を不
要とすることができる。

【００５４】第２実施例の燃料電池システム１２０で
は、燃料電池１３０の温度ＴＦに基づいて燃料電池１３
０を冷却するものとしたが、燃料電池１３０の出力ＰＦ
に基づいて燃料電池１３０を冷却するものとしてもよ
く、さらに、燃料電池１３０の温度ＴＦに基づく冷却と
燃料電池１３０の出力ＰＦに基づく冷却とを複合して行
なってもよい。

【００５５】第１実施例の燃料電池システム２０や第２
実施例の燃料電池システム１２０では、酸化ガスに霧状
の水の液滴を供給して燃料電池３０，１３０を冷却した
が、水以外の液体を霧状の液滴として酸化ガスに供給す
るものとしてもよい。

【００５６】また、第１実施例の燃料電池システム２０
や第２実施例の燃料電池システム１２０では、酸化ガス
に霧状の水の液滴を供給して燃料電池３０，１３０を冷
却したが、水の液滴や水以外の液体の液滴を燃料ガスに
供給して燃料電池１３０を冷却するものとしてもよく、
あるいは、水の液滴や水以外の液体の液滴を酸化ガスと
燃料ガスの双方に供給して燃料電池１３０を冷却するも
のとしてもよい。

【００５７】第１実施例の燃料電池システム２０や第２
実施例の燃料電池システム１２０では、冷却装置５０，
１５０を備え、冷却装置５０，１５０により燃料電池３
０，１３０を冷却するものとしたが、冷却装置５０，１
５０を備えず、酸化ガスに液滴を供給するもののみを備
え、酸化ガスに液滴を供給することにより燃料電池３
０，１３０を冷却するものとしてもよい。この場合、常
に燃料電池３０，１３０の冷却が必要になるから、この
通常の冷却に必要な液滴量を図４や図７のマップから導
出される液滴量ＱＷに加えて液滴量の制御を行なえばよ
い。

【００５８】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である燃料電池システムの
構成の概略を示す構成図である。

【図２】 燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構
成を示す構成図である。

【図３】 実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユ
ニット６０により実行される冷却制御ルーチンの一例を
示すフローチャートである。

【図４】 燃料電池３０の温度ＴＦと燃料電池３０を冷
却するのに必要な水分量との関係を例示するマップであ
る。

【図５】 導入される水分量と燃料電池３０の必要な放
熱量との関係の一例を示す説明図である。

【図６】 変形例の冷却制御ルーチンの一例を示すフロ
ーチャートである。

【図７】 燃料電池３０の出力ＰＦと燃料電池３０を冷
却するのに必要な水分量との関係を例示するマップであ
る。

【図８】 変形例の冷却制御ルーチンの一例を示すフロ
ーチャートである。

【図９】 実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユ
ニット６０により実行される異常時制御ルーチンの一例
を示すフローチャートである。

【図１０】 第２実施例の燃料電池システム１２０の構
成の概略を示す構成図である。

【図１１】 第２実施例の燃料電池システム１２０の電
子制御ユニット１６０により実行される加湿冷却制御ル
ーチンの一例を示すフローチャートである。

【符号の説明】

２０，１２０ 燃料電池システム、２２，１２２ 燃料
ガス供給装置、２３，１２３ 燃料ガス加湿器、２４，
１２４ 酸化ガス供給装置、２５，１２５ 酸化ガス加
湿器、２７ 液滴供給装置、２８ インジェクタ、２９
液滴供給用ポンプ、３０，１３０ 燃料電池、３１
単電池、３２ 電解質膜、３３ アノード、３４ カソ
ード、３５ セパレータ、３６，３７ 流路、３８，３
９，１３８，１３９ 出力端子、４０，１４０ 電圧
計、４２，１４２ 電流計、４４，１４４ 燃料電池温
度センサ、５０，１５０ 冷却装置、５２，１５２ 冷
却水管路、５４，１５４ 冷却水用ポンプ、５６，１５
６ 熱交換器、５８，１５８冷却水温度センサ、６０，
１６０ 電子制御ユニット、６２，１６２ ＣＰＵ、６
４，１６４ ＲＯＭ、６６，１６６ ＲＡＭ、１７０
凝縮装置、１７２第１熱交換器、１７４ 第２熱交換
器、１７６ 冷却媒体管路、１７８ 冷却媒体用ポン
プ、１７９ 冷却媒体温度センサ。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス状の燃料の供給を受けて発電する固
   体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであっ
   て、 前記燃料を加湿する加湿手段と、 該加湿された燃料に霧状の液滴を供給する液滴供給手段
   とを備える燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記液滴供給手段は、前記燃料に液滴を
   噴霧するインジェクタである請求項１記載の燃料電池シ
   ステム。
3. 【請求項３】 前記液滴は水からなる液滴である請求項
   １または２記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記液滴供給手段は、前記加湿手段によ
   り加湿された燃料の水分の一部を凝縮させることにより
   前記液滴を形成して前記燃料に供給する手段である請求
   項１記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電
   池システムであって、 前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、 該検出された燃料電池の状態に基づいて前記液滴供給手
   段による前記燃料への液滴の供給を制御する液滴供給制
   御手段とを備える燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記状態検出手段は、前記燃料電池の温
   度を検出する手段である請求項５記載の燃料電池システ
   ム。
7. 【請求項７】 前記液滴供給制御手段は、前記状態検出
   手段により検出された前記燃料電池の温度が所定温度以
   上のときに該燃料電池の温度に応じて前記液滴を前記燃
   料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段であ
   る請求項６記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】 前記状態検出手段は、前記燃料電池の出
   力を検出する手段である請求項５記載の燃料電池システ
   ム。
9. 【請求項９】 前記液滴供給制御手段は、前記状態検出
   手段により検出された前記燃料電池の出力が所定出力以
   上のときに該燃料電池の出力に応じて前記液滴を前記燃
   料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段であ
   る請求項８記載の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 前記状態検出手段は、前記燃料電池の
    異常を検出する手段である請求項５記載の燃料電池シス
    テム。
11. 【請求項１１】 前記状態検出手段は、前記燃料電池の
    温度の変化率が所定値以上のときに前記燃料電池の異常
    を検出する手段である請求項１０記載の燃料電池システ
    ム。
12. 【請求項１２】 前記液滴供給制御手段は、前記状態検
    出手段により前記燃料電池の異常が検出されたときに前
    記液滴を前記燃料に供給するよう前記液滴供給手段を制
    御する手段である請求項１０または１１記載の燃料電池
    システム。
13. 【請求項１３】 請求項５ないし１２いずれか記載の燃
    料電池システムであって、 前記加湿手段による前記燃料の加湿の状態を検出する加
    湿状態検出手段を備え、 前記液滴供給制御手段は、前記燃料電池の状態に加えて
    前記加湿状態検出手段により検出される前記燃料の加湿
    の状態に基づいて前記液滴供給手段による前記燃料への
    前記液滴の供給を制御する手段である燃料電池システ
    ム。
14. 【請求項１４】 加湿されたガス状の燃料の供給を受け
    て発電する固体高分子型の燃料電池の冷却方法であっ
    て、 前記燃料に霧状の液滴を供給し、該供給された液滴が前
    記燃料電池内で気体になる際の蒸発潜熱により該燃料電
    池を冷却する燃料電池の冷却方法。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の燃料電池の冷却方法
    であって、 前記燃料電池の状態を検出し、該検出された状態に基づ
    いて前記燃料に供給される前記液滴の量を調整して前記
    燃料電池の冷却を制御する燃料電池の冷却方法。