(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する複数個の単位セルによりセルアセンブリを構成し、該セルアセンブリに反応ガスおよび冷却媒体を供給および／または循環させるために、前記セルアセンブリの少なくとも一部分に前記各単位セルにわたって直列に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路を備え、
前記単位セル間にわたされた部位に、前記反応ガス流路の中、燃料ガスを流通する燃料ガス流路に連通する燃料ガス出入流路が設けられ、
前記燃料ガス出入流路には燃料ガス調節機構が接続され、該燃料ガス調節機構は前記燃料ガスの流量およびその流れ方向を制御することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記単位セル間にわたされた部位に、前記反応ガス流路の中、酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス出入流路がさらに設けられ、
前記酸化剤ガス出入流路には酸化剤ガス調節機構が接続され、該酸化剤ガス調節機構は前記酸化剤ガスの流量およびその流れ方向を制御することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、
前記冷却媒体流路であって、前記単位セル間にわたされた部位に冷却媒体出入流路が設けられ、
前記冷却媒体出入流路には冷却媒体調節機構が接続され、該冷却媒体調節機構は前記冷却媒体の流量およびその流れ方向を制御することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
前記セルアセンブリの前記単位セルが少なくとも２つ並置されてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する複数個の単位セルによりセルアセンブリを構成し、該セルアセンブリに反応ガスおよび冷却媒体を供給および／または循環させるために、前記セルアセンブリの少なくとも一部分に前記各単位セルにわたって直列に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路を備える燃料電池の制御方法であって、
前記反応ガス流路の中、燃料ガス流路を流れる燃料ガスを燃料ガス調節機構の操作によって制御することにより、前記セルアセンブリの温度および相対湿度を調節することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の制御方法において、
前記反応ガス流路の中、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを酸化剤ガス調節機構の操作によって制御することにより、前記セルアセンブリの温度および相対湿度を調節することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項７】
請求項５記載の制御方法において、
前記冷却媒体流路であって、前記単位セル間にわたされた部位に冷却媒体出入流路が設けられ、冷却媒体調節機構の操作によって前記冷却媒体の前記冷却媒体出入流路への供給および／または導出を制御することで、前記セルアセンブリの温度および相対湿度を調節することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記セルアセンブリの始動時には、前記冷却媒体が最初に導入される前記単位セル側を運転するように前記反応ガスおよび冷却媒体を制御することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応ガスと冷却媒体の流量を制御することを可能とした燃料電池およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を採用している。すなわち、この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した接合体（電解質膜・電極構造体）を冷却媒体の流路を含むセパレータ（バイポーラ板）で挟持することにより構成される単位セル（単位発電セル）を備える。通常、この単位セルを複数個積層し、セルアセンブリ（セル組立体）として使用する。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう。）は、触媒電極上でイオン化され、前記電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう。）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水（以下、反応生成水ともいう。）が生成される。
【０００５】
ところで、前記セルアセンブリでは、例えば、車載用として使用する際に、比較的大きな出力が要求される反面、小型化が要求されることから、比較的コンパクトな単位セルを多数個積層する構造が開発されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したセルアセンブリでは、低負荷且つ低温の場合や、高負荷且つ高温の場合のように状況が変化する中で、セルアセンブリの運転状態を反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の入口側単位セルと出口側単位セルとでそれぞれ最適化することができない場合があった。すなわち、単位セルの積層方向に温度分布が発生し易くなるとともに、燃料ガス中や酸化剤ガス中の相対湿度にも変動が生じる。これらの温度分布や相対湿度の変動に基因して、例えば、温度が上昇することによって電解質膜が乾燥してくると、該電解質膜中における水素イオンの移動が阻害されて抵抗体となるために、発電性能が低下するに至る。一方、酸化剤ガス中の相対湿度が高くなると、カソード側電極において、該相対湿度とともに反応生成水により水分過多となり、ガス流路に結露や水詰まりが生じて酸化剤ガスの流れが阻害され、その結果、カソード側電極での反応が起こり難くなり発電性能が低下する。
【０００７】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、反応ガスの流れおよび冷却媒体の流れを制御することにより、負荷や温度等の状況に応じてセルアセンブリの運転を最適化することが可能な燃料電池およびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する複数個の単位セルによりセルアセンブリを構成し、該セルアセンブリに反応ガスおよび冷却媒体を供給および／または循環させるために、前記セルアセンブリの少なくとも一部分に前記各単位セルにわたって直列に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路を備え、
前記単位セル間にわたされた部位に、前記反応ガス流路の中、燃料ガスを流通する燃料ガス流路に連通する燃料ガス出入流路が設けられ、
前記燃料ガス出入流路には燃料ガス調節機構が接続され、該燃料ガス調節機構は前記燃料ガスの流量およびその流れ方向を制御することを特徴とする（請求項１の発明）。
【０００９】
本発明に係る燃料電池によれば、複数個の単位セルで構成されるセルアセンブリの中、少なくとも一部分に前記各単位セルにわたって直列に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路が備えられる。また、各単位セル間にわたされた部位には、反応ガス流路の中、燃料ガス流路に連通する燃料ガス出入流路が設けられ、前記燃料ガス出入流路には燃料ガス調節機構が接続される。これにより、各単位セル間における燃料ガスの流量およびその流れ方向が制御され、前記各単位セル内での燃料ガス中の温度および相対湿度の変動が抑制されるので、電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、各単位セル内での電気化学反応が安定化し且つ促進されるので、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１０】
この場合、前記単位セル間にわたされた部位に、前記反応ガス流路の中、酸化剤ガスを流通する酸化剤ガス流路に連通する酸化剤ガス出入流路がさらに設けられ、前記酸化剤ガス出入流路には酸化剤ガス調節機構が接続され、該酸化剤ガス調節機構は前記酸化剤ガスの流量およびその流れ方向を制御するとよい（請求項２の発明）。この酸化剤ガスの流量およびその流れ方向の制御によっても、前記各単位セル内での酸化剤ガス中の温度および相対湿度の変動が抑制されるので、電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、各単位セル内での電気化学反応が安定化し且つ促進されるので、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池において、前記冷却媒体流路であって、前記単位セル間にわたされた部位に冷却媒体出入流路が設けられ、前記冷却媒体出入流路には冷却媒体調節機構が接続され、該冷却媒体調節機構は前記冷却媒体の流量およびその流れ方向を制御するとよい（請求項３の発明）。これにより、各単位セル内での積層方向の温度が均一化され、電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、各単位セル内での電気化学反応がより安定化し且つ促進されるので、燃料電池の発電性能をより向上させることができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る燃料電池において、前記セルアセンブリの前記単位セルが少なくとも２つ並置されるとよい（請求項４の発明）。これにより、複数個の単位セルにより構成されるセルアセンブリの中、少なくとも一部分の各単位セルが並置されるので、例えば、各単位セルが一体的に構成される場合に比較して、前記各単位セルが相互に及ぼす温度および相対湿度の影響を極めて小さく抑えられる。その結果、各単位セル内での電気化学反応がより一層安定化し且つ促進され、燃料電池の発電性能を一層向上させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池の制御方法は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される接合体を有する複数個の単位セルによりセルアセンブリを構成し、該セルアセンブリに反応ガスおよび冷却媒体を供給および／または循環させるために、前記セルアセンブリの少なくとも一部分に前記各単位セルにわたって直列に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路を備える燃料電池の制御方法であって、
前記反応ガス流路の中、燃料ガス流路を流れる燃料ガスを燃料ガス調節機構の操作によって制御することにより、前記セルアセンブリの温度および相対湿度を調節することを特徴とする（請求項５の発明）。
【００１４】
本発明に係る燃料電池の制御方法によれば、複数個の単位セルで構成されるセルアセンブリの中、少なくとも一部分に前記各単位セルにわたって直列に連通する反応ガス流路および冷却媒体流路が備えられ、前記反応ガス流路の中、燃料ガス流路を流れる燃料ガスを燃料ガス調節機構の操作によって制御することにより、前記各単位セル内における燃料ガス中の温度および相対湿度を調節するようにしている。これにより、各単位セル内の電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、各単位セル内での電気化学反応が安定化し且つ促進されるので、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１５】
この場合、前記反応ガス流路の中、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを酸化剤ガス調節機構の操作によって制御することにより、前記セルアセンブリの温度および相対湿度を調節するとよい（請求項６の発明）。この酸化剤ガスを制御することによっても、前記各単位セル内における酸化剤ガス中の温度および相対湿度が調節されるので、各単位セル内の電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、各単位セル内での電気化学反応が安定化し且つ促進されるので、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池の制御方法において、前記冷却媒体流路であって、前記単位セル間にわたされた部位に冷却媒体出入流路が設けられ、冷却媒体調節機構の操作によって前記冷却媒体の前記冷却媒体出入流路への供給および／または導出を制御することで、前記セルアセンブリの温度および相対湿度を調節するようにしている（請求項７の発明）。これにより、各単位セル内での積層方向の温度が制御され、電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、各単位セル内での電気化学反応がより安定化し且つ促進されるので、燃料電池の発電性能をより向上させることができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る燃料電池の制御方法において、前記セルアセンブリの始動時には、前記冷却媒体が最初に導入される前記単位セル側を運転するように前記反応ガスおよび冷却媒体を制御するようにしている（請求項８の発明）。これにより燃料電池が車両等に搭載された際に、該燃料電池の暖気運転が速やかに行われ、始動直後の車両の走行時において、比較的高温側のセルアセンブリの電圧低下によるストール（stall）を回避することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る燃料電池についてその制御方法との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池１０の要部概略構成図である。
【００２０】
燃料電池１０は、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４から構成される。第１セルアセンブリ１２は、酸化剤ガス（反応ガス）と冷却媒体の流れ方向（矢印Ａ方向）上流側のセルアセンブリを構成し、第２セルアセンブリ１４は、酸化剤ガスと冷却媒体の流れ方向下流側のセルアセンブリを構成する。
【００２１】
第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４は、第１および第２接合体１８、２０を備える。第１および第２接合体１８、２０は、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂと、前記固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂを挟んで配設されるカソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂとを有する。固体高分子電解質膜２２ａは低温型電解質膜（例えば、ＨＣ（炭化水素）膜）である一方、固体高分子電解質膜２２ｂは高温型電解質膜（例えば、パーフルオロスルフォン酸膜）であり、前記固体高分子電解質膜２２ａは、前記固体高分子電解質膜２２ｂよりも低温で該固体高分子電解質膜２２ｂと同等の発電性能を発揮する。
【００２２】
カソード側電極２４ａ、２４ｂおよびアノード側電極２６ａ、２６ｂは、カーボンを主体とする基材に貴金属系の触媒電極層を接合して構成されており、その面には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパー等からなるガス拡散層が形成されている。
【００２３】
第１接合体１８では、カソード側電極２４ａが上向き（矢印Ｃ１方向）に配置されるとともに、アノード側電極２６ａが下向き（矢印Ｃ２方向）に配置される。一方、第２接合体２０では、アノード側電極２６ｂが上向き（矢印Ｃ１方向）に配置されるとともに、カソード側電極２４ｂが下向き（矢印Ｃ２方向）に配置される。
【００２４】
第１および第２接合体１８、２０のカソード側電極２４ａ、２４ｂ側に第１セパレータ２８ａ、２８ｂが配設されるとともに、前記第１および第２接合体１８、２０のアノード側電極２６ａ、２６ｂ側に第２セパレータ３０ａ、３０ｂが配設される。
【００２５】
第１セルアセンブリ１２は、第１接合体１８を構成するカソード側電極２４ａと第１セパレータ２８ａとの間に矢印Ａ方向に延在する第１酸化剤ガス流路３８を備える。この第１酸化剤ガス流路３８は、後述する酸化剤ガス連通路（酸化剤ガス出入流路）４０に連通し、さらに第２セルアセンブリ１４を構成する第２接合体２０のカソード側電極２４ｂと第１セパレータ２８ｂとの間に形成される第２酸化剤ガス流路４２に連通する。
【００２６】
第１酸化剤ガス流路３８と、酸化剤ガス連通路４０と、第２酸化剤ガス流路４２とは、それぞれ酸化剤ガス排出口６２ｂと酸化剤ガス供給口６２ａとを介して第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４にわたって直列に連通している。さらに、酸化剤ガス連通路４０は、酸化剤ガスの温度、相対湿度および流量等を制御するために、後述する酸化剤ガス調節機構（反応ガス調節機構）７８に接続される（図３参照）。
【００２７】
なお、図１中、参照数字３２は、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４に、それぞれ酸化剤ガス供給口６２ａおよび酸化剤ガス排出口６２ｂを介して、酸化剤ガス調節機構７８を接続するための酸化剤ガス循環流路を示す。
【００２８】
第２セルアセンブリ１４は、第２接合体２０を構成するアノード側電極２６ｂと第２セパレータ３０ｂとの間に矢印Ｂ方向に延在する第１燃料ガス流路４４が形成される。この第１燃料ガス流路４４は、後述する燃料ガス連通路（燃料ガス出入流路）４６に連通し、さらに第１セルアセンブリ１２を構成する第１接合体１８のアノード側電極２６ａと第２セパレータ３０ａとの間に形成される第２燃料ガス流路４８に連通する。
【００２９】
第１および第２燃料ガス流路４４、４８は、第２および第１酸化剤ガス流路４２、３８に対して第２および第１接合体２０、１８の両面側に沿って互いに対向流に設定される。第１燃料ガス流路４４と、燃料ガス連通路４６と、第２燃料ガス流路４８とは、それぞれ燃料ガス排出口６０ｂと燃料ガス供給口６０ａとを介して第２セルアセンブリ１４から第１セルアセンブリ１２にわたって直列に連通している。さらに、燃料ガス連通路４６は、燃料ガスの温度、相対湿度および流量等を制御するために、後述する燃料ガス調節機構（反応ガス調節機構）７６に接続される（図２参照）。
【００３０】
なお、図１中、参照数字３４は、第２セルアセンブリ１４および第１セルアセンブリ１２に、それぞれ燃料ガス供給口６０ａおよび燃料ガス排出口６０ｂを介して、燃料ガス調節機構７６を接続するための燃料ガス循環流路を示す。
【００３１】
第１セルアセンブリ１２の第２セパレータ３０ａには、第２燃料ガス流路４８と対向流をなして第１冷却媒体流路５０が形成される。この第１冷却媒体流路５０は、冷却媒体連通路（冷却媒体出入流路）５２に連通し、さらに第２セルアセンブリ１４を構成する第１セパレータ２８ｂの第２酸化剤ガス流路４２と平行流をなす第２冷却媒体流路５４に連通する。
【００３２】
第１冷却媒体流路５０と、冷却媒体連通路５２と、第２冷却媒体流路５４とは、それぞれ冷却媒体排出口６４ｂと冷却媒体供給口６４ａとを介して第１セルアセンブリ１２から第２セルアセンブリ１４にわたって直列に連通している。さらに、冷却媒体連通路５２は、冷却媒体の温度および流量等を制御するために、後述する冷却媒体調節機構８０に接続される（図８参照）。また、図１中、参照数字３６は、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４に、それぞれ冷却媒体供給口６４ａおよび冷却媒体排出口６４ｂを介して、冷却媒体調節機構８０を接続するための冷却媒体循環流路を示す。
【００３３】
なお、本実施の形態では、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４において、第１および第２接合体１８、２０をそれぞれ一組ずつ含む場合を例示して説明した。実際には、燃料電池１０に要求される出力電圧に対応して、第１および第２接合体１８、２０が、前記各流路３８、４８、５０および４２、４４、５４と、前記各セパレータ２８ａ、３０ａおよび２８ｂ、３０ｂとを含んで単位セルを構成し、この単位セルがそれぞれ複数個積層されたセルアセンブリ（１２、１４）として燃料電池１０の使用に供される。
【００３４】
さらに、本実施の形態では、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４は、概ね水平方向に並置された形態を示しているが、この形態に限定されるものではなく、例えば、（鉛直方向に）積み重ねた形態でもよいことは勿論である。
【００３５】
また、前記各循環流路３２、３４および３６と各連通路４０、４６および５２は、一般的なパイプあるいはチューブ等を含む配管手段により構成される。さらに、燃料電池１０は、前記配管手段を介さずに、第１セルアセンブリ１２と第２セルアセンブリ１４とを一体的に構成し、その内部に前記配管手段に代替する流路を設けても構わない。
【００３６】
次に、本実施の形態に係る燃料電池１０における燃料ガス調節機構７６、酸化剤ガス調節機構７８および冷却媒体調節機構８０について説明する。
【００３７】
図２に示すように、燃料ガス調節機構７６は、第１セルアセンブリ１２の燃料ガス排出口６０ｂおよび第２セルアセンブリ１４の燃料ガス供給口６０ａに連結される燃料ガス循環流路３４と、燃料ガスを循環させるための燃料ガスポンプ９０と、水素含有ガス等の燃料ガスを貯蔵する燃料タンク９２と、燃料ガス中の水素、水分および酸素を含む空気を分離する分離器９４と、燃料ガスを加湿するための第１加湿器１００とを備える。
【００３８】
また、燃料ガス調節機構７６は、燃料ガス循環流路３４における燃料ガスの流量に応じた負圧により燃料タンク９２から燃料ガスを供給するためのイジェクタポンプ（ejector pump）１０２と、燃料ガス循環流路３４における流路の切り替えを行う電磁バルブ等からなる切替バルブ１０４、１０６、１０８と、燃料ガス中の水分および空気を外気へ放出するためのパージ（purge）バルブ１１０とを備える。なお、燃料ガス循環流路３４には、図示しない流量計や、温度、湿度あるいは圧力等の検出手段、および、燃料ガス流の圧力を調節するレギュレータ等が配置される。また、ここではイジェクタポンプ１０２を用いているが、燃料ガスポンプ９０で充分に燃料ガスが循環するのであれば、他の構成、例えば、レギュレータとそのバイパス通路であってもよい。
【００３９】
図３に示すように、酸化剤ガス調節機構７８は、第１セルアセンブリ１２の酸化剤ガス供給口６２ａおよび第２セルアセンブリ１４の酸化剤ガス排出口６２ｂに連結される酸化剤ガス循環流路３２と、圧縮空気を生成するエアコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１１２および図示しないモータ等が連結されたスーパーチャージャ（Ｓ／Ｃ）１１４とを備える。
【００４０】
この場合、前記酸化剤ガス調節機構７８は、酸化剤ガス中から膜等を通して水分を吸湿することにより燃料ガスを加湿する第２加湿器１１６（図２の第１加湿器１００と共用可）と、酸化剤ガス中から膜等を通して吸湿することにより上流の酸化剤ガスを加湿する第３加湿器１１８と、酸化剤ガス流の圧力を調節するレギュレータ１１９と、酸化剤ガス循環流路３２における流路の切り替えを行う電磁バルブ等からなる切替バルブ１２０、１２２、１２４とを備える。なお、酸化剤ガス循環流路３２には、図示しない流量計や、温度、湿度あるいは圧力等の検出手段等が配置される。
【００４１】
図８に示すように、冷却媒体調節機構８０は、第１セルアセンブリ１２の冷却媒体供給口６４ａと第２セルアセンブリ１４の冷却媒体排出口６４ｂとに連通するループ状の冷却媒体循環流路３６と、冷却媒体を循環させるためのポンプ１２６と、前記ポンプ１２６の出口側に配置されたラジエータ１２８と、流路の切り替えまたは流量の調節機能と温度検出機能とを備えたサーモバルブ（thermo valve）１３０、１３２、１３４とを備える。なお、酸化剤ガス循環流路３２には、図示しない流量計や、温度、湿度あるいは圧力等の検出手段等が配置される。
【００４２】
さらに、本実施の形態に係る燃料電池１０では、前述した燃料ガス調節機構７６、酸化剤ガス調節機構７８および冷却媒体調節機構８０を含めて燃料電池１０を統括して制御するために、図示しない制御部が備えられる。
【００４３】
本実施の形態に係る燃料電池１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について、反応ガス流制御方法および冷却媒体温度制御方法との関連において説明する。
【００４４】
先ず、燃料電池１０の概略動作について図１を参照しながら説明する。
【００４５】
第１セルアセンブリ１２には、一方の酸化剤ガス循環流路３２を介して酸化剤ガス供給口６２ａから空気または酸素含有ガスである酸化剤ガスが供給されるとともに、第２セルアセンブリ１４には、一方の燃料ガス循環流路３４を介して燃料ガス供給口６０ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。また、第１セルアセンブリ１２には、一方の冷却媒体循環流路３６を介して冷却媒体供給口６４ａから純水、エチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００４６】
第１セルアセンブリ１２内に導入された酸化剤ガスは、燃料ガスとの電気化学反応による発電に供される。そして、酸素の一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出口６２ｂから排出された後、酸化剤ガス連通路４０を介して第２セルアセンブリ１４の酸化剤ガス供給口６２ａへ供給される。次いで、第２セルアセンブリ１４内に導入された酸化剤ガスは、燃料ガスとの電気化学反応による発電に供されて酸素が消費された後、酸化剤ガス排出口６２ｂから排出されて、他方の酸化剤ガス循環流路３２へと流通される。
【００４７】
一方、第２セルアセンブリ１４内に導入された燃料ガスは、前記のように酸化剤ガスとの電気化学反応による発電に供される。そして、燃料（水素）の一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス排出口６０ｂから排出された後、燃料ガス連通路４６を介して第１セルアセンブリ１２の燃料ガス供給口６０ａへ供給される。次いで、第１セルアセンブリ１２内に導入された燃料ガスは、酸化剤ガスとの電気化学反応による発電に供され、水素が消費された後、燃料ガス排出口６０ｂから排出されて他方の燃料ガス循環流路３４へと流通される。
【００４８】
また、第１セルアセンブリ１２内に導入された冷却媒体は、第１セルアセンブリ１２の冷却に供された後、冷却媒体排出口６４ｂから排出される。そして、冷却媒体排出口６４ｂから排出された冷却媒体は、冷却媒体連通路５２を介して第２セルアセンブリ１４の冷却媒体供給口６４ａへ供給される。次いで、第２セルアセンブリ１４内に導入された冷却媒体は、第２セルアセンブリ１４の冷却に供された後、冷却媒体排出口６４ｂから排出されて、他方の冷却媒体循環流路３６へと流通される。
【００４９】
そして、前述した燃料ガスおよび酸化剤ガスが第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４に供給されて、電気化学反応により生成された電力は、図示しない集電用電極を介して外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【００５０】
このように、本実施の形態に係る燃料電池１０では、前記各連通路４０、４６および５２、または、前記各循環流路３４、３２および３６の各矢印（図１参照）に示すように、燃料ガスが第２セルアセンブリ１４から第１セルアセンブリ１２へと、酸化剤ガスおよび冷却媒体が第１セルアセンブリ１２から第２セルアセンブリ１４へと、順次供給される。また、冷却媒体が第１セルアセンブリ１２から第２セルアセンブリ１４へと供給されるので、基本的には第１セルアセンブリ１２は第２セルアセンブリ１４に比較して低温側となる。
【００５１】
次に、燃料電池１０において、その負荷状況に応じた反応ガス流制御方法および冷却媒体の流路制御による燃料電池１０の温度制御方法について説明する。なお、ここでは、この燃料電池１０が、例えば、自動車等の車両に搭載された状況において説明する。
【００５２】
先ず、中・高負荷運転状況（車両が、例えば、一定速度で走行しているか、あるいは登坂走行等をしている状況に相当）の場合について説明する。
【００５３】
燃料ガスは、図２に示す矢印の方向にその流れが制御される。すなわち、切替バルブ１０６および１０４の切り替え操作と燃料ガスポンプ９０の付勢により、イジェクタポンプ１０２を介して燃料タンク９２から供給された燃料ガスは、先ず第２セルアセンブリ１４内に導入される。この場合、前記燃料ガスは乾燥されている。なお、第２セルアセンブリ１４は比較的高温となるが、第２セルアセンブリ１４内における電気化学反応による生成水と、第１セルアセンブリ１２から排出された後、第２セルアセンブリ１４内に導入される酸化剤ガス中の水分とにより、電気化学反応に十分な水分が確保される。このため、供給された前記燃料ガスが乾燥されていても、第２セルアセンブリ１４内の固体高分子電解質膜２２ｂの乾燥は回避される。また、前記の通り、第２セルアセンブリ１４は比較的高温となり、水蒸気分圧が上昇するために、第２セルアセンブリ１４内における第１燃料ガス流路４４に結露が生じることが回避される。
【００５４】
第２セルアセンブリ１４内での電気化学反応に供された後、排出された燃料ガスは、燃料ガス連通路４６を介して第１セルアセンブリ１２内に導入される。この第１セルアセンブリ１２は、低温の冷却媒体が最初に供給されるために、比較的低温となっているが、この第１セルアセンブリ１２内に導入された燃料ガスが、第１セルアセンブリ１２内の固体高分子電解質膜２２ａの電気化学反応に十分な水分が確保されていない場合には、切替バルブ１０８の切り替え操作を介して、第１加湿器１００により所定の相対湿度に調節された燃料ガスが燃料ガス連通路４６を介して混合される。そして、第１セルアセンブリ１２内での電気化学反応に供された後、排出された燃料ガスは、第１加湿器１００および燃料ガスポンプ９０を通して切替バルブ１０８へと循環される。
【００５５】
一方、酸化剤ガスは、図３に示す矢印の方向にその流れが制御される。すなわち、切替バルブ１２０、１２２および１２４の切り替え操作とスーパーチャージャ１１４を介してエアコンプレッサ１１２により供給された酸化剤ガスは、第３加湿器１１８を通さずに乾燥した状態で第１セルアセンブリ１２内に導入される。この場合、第１セルアセンブリ１２は、冷却媒体の冷却作用下に比較的低温となっており、第１セルアセンブリ１２内における電気化学反応による生成水と、第２セルアセンブリ１４から排出された後、第１セルアセンブリ１２内に導入された燃料ガス中の水分とにより、電気化学反応に十分な水分が確保される。なお、第１セルアセンブリ１２は比較的低温となっており、第１セルアセンブリ１２内における第１酸化剤ガス流路３８に結露が生じ易い状況であるが、前記酸化剤ガスの乾燥状態はこの結露を回避させる。
【００５６】
第１セルアセンブリ１２内での電気化学反応に供された後、排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス連通路４０を介して第２セルアセンブリ１４内に導入される。この第２セルアセンブリ１４は、比較的高温となっている。この第２セルアセンブリ１４内に導入された酸化剤ガスが、第２セルアセンブリ１４内の固体高分子電解質膜２２ｂの電気化学反応に十分な酸素量が確保されていない場合には、切替バルブ１２０および１２２の切り替え操作により、レギュレータ１１９を介して所定の圧力、すなわち所定の流量に調節された酸化剤ガスが酸化剤ガス連通路４０を介して混合される。そして、第２セルアセンブリ１４内での電気化学反応に供された後、排出された酸化剤ガスは、第２加湿器１１６において燃料ガス中に水分を与えた後、第３加湿器１１８を経て外部へ排出される。
【００５７】
次に、低負荷運転状況（内燃機関が搭載された車両におけるアイドリング運転の状況に相当）の場合について説明する。
【００５８】
燃料ガスは、図４に示す矢印の方向にその流れが制御される。すなわち、切替バルブ１０６および１０４の切り替え操作と、燃料ガスポンプ９０の付勢と、イジェクタポンプ１０２の動作とによって燃料タンク９２から供給された燃料ガスは、第１加湿器１００により予め加湿された燃料ガス（第１セルアセンブリ１２から循環された燃料ガス）と混合された後、第２セルアセンブリ１４内に導入される。この場合、第２セルアセンブリ１４内における電気化学反応による生成水と、第１セルアセンブリ１２から排出された後、第２セルアセンブリ１４内に導入された酸化剤ガス中の水分とが少ないために予め燃料ガスを加湿する。これにより、第２セルアセンブリ１４内における固体高分子電解質膜２２ｂの電気化学反応に十分な水分が確保され、固体高分子電解質膜２２ｂの乾燥が回避される。
【００５９】
第２セルアセンブリ１４内での反応に供された後、排出された燃料ガスは、燃料ガス連通路４６を介して第１セルアセンブリ１２内に導入される。第１セルアセンブリ１２が比較的低温となっており、この第１セルアセンブリ１２内に導入された燃料ガスは、第１セルアセンブリ１２内における固体高分子電解質膜２２ａの電気化学反応に十分な水分が確保されているために、切替バルブ１０８の切り替え操作による燃料ガスの混合は行われない。そして、第１セルアセンブリ１２内での電気化学反応に供された後、排出された燃料ガスは、第１加湿器１００、燃料ガスポンプ９０を通り、イジェクタポンプ１０２を介して燃料タンク９２から供給された燃料ガスと混合されて循環される。
【００６０】
一方、酸化剤ガスは、図５に示す矢印の方向にその流れが制御される。すなわち、切替バルブ１２０、１２２および１２４の切り替え操作と、スーパーチャージャ１１４の付勢下にエアコンプレッサ１１２により供給された酸化剤ガスは、第３加湿器１１８により加湿された後、第１セルアセンブリ１２内に導入される。この場合、第１セルアセンブリ１２内における電気化学反応による生成水と、第２セルアセンブリ１４から排出された後第１セルアセンブリ１２内に導入された燃料ガス中の水分とが少ないために予め酸化剤ガスを加湿する。これにより、第１セルアセンブリ１２内における固体高分子電解質膜２２ａの反応に十分な水分が確保され、固体高分子電解質膜２２ａの乾燥が回避される。
【００６１】
第１セルアセンブリ１２内での反応に供された後、排出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス連通路４０を介して第２セルアセンブリ１４内に導入される。第２セルアセンブリ１４は比較的高温となっているが、この第２セルアセンブリ１４内に導入された酸化剤ガスは、第２セルアセンブリ１４内においても固体高分子電解質膜２２ｂの電気化学反応に十分な酸素が確保されているために、切替バルブ１２２の切り替え操作による酸化剤ガスの混合は行われない。そして、第２セルアセンブリ１４内での反応に供された後、排出された酸化剤ガスは、第２加湿器１１６を経て第３加湿器１１８において水分が吸湿された後、外部へ排出される。
【００６２】
続いて、始動時暖気運転状況（内燃機関が搭載された車両における暖気運転の状況に相当）の場合について説明する。
【００６３】
燃料ガスは、図６に示す矢印の方向にその流れが制御される。すなわち、燃料ガスポンプ９０からの付勢によって、燃料タンク９２から供給された燃料ガスは、切替バルブ１０６、１０４および１０８の切り替え操作により、第１セルアセンブリ１２内に導入される。第１セルアセンブリ１２から排出された燃料ガスは、第１加湿器１００により所定の相対湿度に調節された後、前記矢印の方向に循環される。
【００６４】
一方、酸化剤ガスは、図７に示す矢印の方向にその流れが制御される。すなわち、スーパーチャージャ１１４の付勢を介してエアコンプレッサ１１２から供給された酸化剤ガスは、切替バルブ１２０の切り替え操作により、第３加湿器１１８を通さずに乾燥した状態で第１セルアセンブリ１２内に導入される。第１セルアセンブリ１２から排出された酸化剤ガスは、切替バルブ１２２および１２４の切り替え操作により、第２加湿器１１６において燃料ガス中から水分を吸湿し、第３加湿器１１８を経て外部へ排出される。
【００６５】
このように、始動時暖気運転状況の場合には、比較的低温である第１セルアセンブリ１２のみを運転する。その結果、燃料電池１０の暖気運転が速やかに行われ、始動直後の車両の走行時において、比較的高温である第２セルアセンブリ１４の電圧低下によるストール（所謂エンジン停止に相当）を回避することができる。
【００６６】
次に、冷却媒体の流路制御による燃料電池１０の温度制御について説明する。
【００６７】
車両が中・高負荷運転状況の場合、例えば、図８に示す実線矢印の方向に冷却媒体の流れが制御される。すなわち、ポンプ１２６の付勢により循環される冷却媒体は、サーモバルブ１３０の切り替え操作によりラジエータ１２８側へ流される。そして、ラジエータ１２８により冷却された冷却媒体は、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４にそれぞれ導入される。なお、第１セルアセンブリ１２から排出された冷却媒体は、サーモバルブ１３２の切り替え操作によりポンプ１２６側へ循環される。
【００６８】
また、低負荷運転状況の場合には、前記中・高負荷運転状況の場合において、サーモバルブ１３２の切り替え操作により第２セルアセンブリ１４側へ流され、ラジエータ１２８から流された冷却媒体と合流させる（図８に示す白抜き矢印の方向参照）。さらに、始動時暖気運転状況の場合には、前記中・高負荷運転状況の場合において、サーモバルブ１３０の切り替え操作によりラジエータ１２８をバイパスして流される（図８に示す破線矢印の方向参照）。
【００６９】
このように、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４におけるそれぞれの温度状況に対応させるために、サーモバルブ１３０、１３２および１３４による冷却媒体の温度検出情報に基づき、前述した図示しない制御部において制御された指令によってサーモバルブ１３０、１３２の切り替えを行う。これにより、第１セルアセンブリ１２および第２セルアセンブリ１４の温度を最適に制御することが可能となる。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池１０およびその制御方法によれば、第１および第２接合体１８、２０が複数個重ね合わされたセルアセンブリ１２、１４の中、一方のセルアセンブリ１２を比較的低温で運転し、他方のセルアセンブリ１４を比較的高温で運転する。また、前記セルアセンブリ１２と１４との間には、第１および第２酸化剤ガス流路３８、４２と、第１および第２燃料ガス流路４４、４８と、第１および第２冷却媒体流路５０、５４とにそれぞれ連通する酸化剤ガス連通路４０と、燃料ガス連通路４６と、冷却媒体連通路５２とを設けている。さらに、燃料ガス調節機構７６の操作により燃料ガス連通路４６における燃料ガスの流路を制御し、酸化剤ガス調節機構７８の操作により酸化剤ガス連通路４０における酸化剤ガスの流路を制御し、しかも、冷却媒体調節機構８０の操作により冷却媒体連通路５２における冷却媒体の流路を制御する。さらにまた、前記各セルアセンブリ１２、１４内の温度、燃料ガス中の相対湿度および酸化剤ガス中の相対湿度をそれぞれ調節するようにしている。
【００７１】
これにより、それぞれのセルアセンブリ１２、１４内での第１および第２接合体１８、２０の積層方向の温度が制御され、且つ燃料ガス中の相対湿度および酸化剤ガス中の相対湿度も制御されるので、固体高分子電解質膜２２ａ、２２ｂの乾燥や水分過多による第１および第２燃料ガス流路４４、４８、および、第１および第２酸化剤ガス流路３８、４２の結露や水詰まりが回避される。その結果、各セルアセンブリ１２、１４内での電気化学反応が安定化し且つ促進されるので、燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。
【００７２】
また、セルアセンブリ１２と１４とが概ね水平方向に並置された場合には、例えば、セルアセンブリ１２と１４とが一体的に構成される場合に比較して、セルアセンブリ１２と１４とが相互に及ぼす温度および相対湿度の影響を極めて小さく抑えられるので、各セルアセンブリ１２、１４内での電気化学反応がより一層安定化し且つ促進され、燃料電池１０の発電性能を一層向上させることができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００７４】
すなわち、セルアセンブリ内の温度が制御され、且つ反応ガス中の相対湿度も制御されるので、固体高分子電解質膜の乾燥、あるいは水分過多による反応ガス流路の結露や水詰まりが回避される。その結果、セルアセンブリ内での電気化学反応が安定化し且つ促進されるので、燃料電池の各負荷状況に応じて発電効率を高められ、セルアセンブリの運転を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池の要部概略構成図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料ガス調節機構の中・高負荷運転状況における説明図である。
【図３】本実施の形態に係る酸化剤ガス調節機構の中・高負荷運転状況における説明図である。
【図４】本実施の形態に係る燃料ガス調節機構の低負荷運転状況における説明図である。
【図５】本実施の形態に係る酸化剤ガス調節機構の低負荷運転状況における説明図である。
【図６】本実施の形態に係る燃料ガス調節機構の始動時暖気運転状況における説明図である。
【図７】本実施の形態に係る酸化剤ガス調節機構の始動時暖気運転状況における説明図である。
【図８】本実施の形態に係る冷却媒体調節機構の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池                      １２…第１セルアセンブリ
１４…第２セルアセンブリ            １８、２０…接合体
２２ａ、２２ｂ…固体高分子電解質膜  ２４ａ、２４ｂ…カソード側電極
２６ａ、２６ｂ…アノード側電極
２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ…セパレータ
３２…酸化剤ガス循環流路            ３４…燃料ガス循環流路
３６…冷却媒体循環流路              ３８、４２…酸化剤ガス流路
４０…酸化剤ガス連通路（燃料ガス出入流路）
４４、４８…燃料ガス流路
４６…燃料ガス連通路（酸化剤ガス出入流路）
５０、５４…冷却媒体流路
５２…冷却媒体連通路（冷却媒体出入流路）
６０ａ…燃料ガス供給口              ６０ｂ…燃料ガス排出口
６２ａ…酸化剤ガス供給口            ６２ｂ…酸化剤ガス排出口
６４ａ…冷却媒体供給口              ６４ｂ…冷却媒体排出口
【図１】
0003699063.tif 000002
【図２】
0003699063.tif 000003
【図３】
0003699063.tif 000004
【図４】
0003699063.tif 000005
【図５】
0003699063.tif 000006
【図６】
0003699063.tif 000007
【図７】
0003699063.tif 000008
【図８】
0003699063.tif 000009