(57)【要約】【課題】  より冷却能力の向上した燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック１００に冷却水を供給する噴射ノズル５５と、噴射ノズル５５に水を供給する供給路５６と供給ポンプ６１と、供給ポンプ６１に水を供給する水タンク５３１と、水タンク５３１に、燃料電池スタック１００から回収された水を供給する回収ポンプ６２とを設け、回収された水は、ラジエタ６３で、冷却した後、水タンク５３１へ送られる。単に回収した水よりも水温が低くなるので、循環して冷却水を使用しても、十分な冷却効果が持続する。【選択図】        図１
2006302594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に挟持される電解質膜とを備えた複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの間にそれぞれ介挿された燃料電池セパレータとを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの各酸素室に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料電池スタックに供給される酸素に水を噴射流入する噴射流入手段と、
前記噴射流入手段に噴射される水を供給する水供給手段と、
前記噴射流入手段に供給される水の水温を下降させる水温降下手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給手段は、前記噴射流入手段により前記燃料電池スタックへ供給された水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段で回収された水を溜める貯水手段と、
前記貯水手段から前記噴射流入手段へ水を供給する送水手段とを備える請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水温降下手段は、前記水回収手段によって回収された水を冷却する冷却手段である請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸素供給手段は、外気を燃料電池スタックへ導入する導入路を備え、
前記冷却手段は、前記導入路に設けられ、前記導入路を通過する外気流によって水を冷却するラジエタを有する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水温低下手段は、前記水供給手段で供給される水の水温よりも低温の水を前記噴射流入手段に供給する低温水供給手段を有し、
前記低温水供給手段は、前記水供給手段から独立して設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水温降下手段は、水の水温を下降させる作用を発揮する作動状態と、水温を降下させる作用を停止した非作動状態とに選択する選択手段を備えた請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックの温度を直接的に又は間接的に検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された燃料電池スタックの温度に応じて、前記選択手段が作動状態を選択するように制御する水温調整手段を有する請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池の酸素室に空気とともに冷却水を噴射する構成を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として外気）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
【０００３】
上記酸素室からは、電力取得後、酸化ガスが排気室（排気マニホールド）に排出される。  
また、上記酸素室への酸化ガスの流入の際、酸素室に、水タンクからの冷却水を噴射流入する。この冷却水は、発電反応により発熱した燃料電池スタックを冷やす作用と、電解質膜を介して反応が可能となるように、電解質膜を湿潤状態に維持する作用がある。
【０００４】
一方、酸素室に噴射された水は、酸素室を介して排気室に到達する。排気室に到達した冷却水は、ポンプにより吸い出され、水タンクに戻すように構成されており、この回収された水は、冷却水として繰り返し利用される（特許文献１）。
【特許文献１】特開平２００４−２５９５３５号公報。
【０００５】
一方、燃料電池スタックへの負荷が増大するに従って、発熱量も増大するため、冷却能力をさらに向上させなければならないが、上記従来の構成では、回収された冷却水は、燃料電池スタックにより暖められているので、この回収水を繰り返し使用する構成では、冷却能力をさらに向上させることは難しいという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事実に鑑み成されたもので、より冷却能力の向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。  
（１）  燃料極に隣接して設けられた燃料室と、酸素極に隣接して設けられた酸素室と、前記燃料極及び酸素極に挟持される電解質膜とを備えた複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの間にそれぞれ介挿された燃料電池セパレータとを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの各酸素室に酸素を供給する酸素供給手段と、
前記燃料電池スタックに供給される酸素に水を噴射流入する噴射流入手段と、
前記噴射流入手段に噴射される水を供給する水供給手段と、
前記噴射流入手段に供給される水の水温を下降させる水温降下手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【０００８】
（２）  前記水供給手段は、前記噴射流入手段により前記燃料電池スタックへ供給された水を回収する水回収手段と、
前記水回収手段で回収された水を溜める貯水手段と、
前記貯水手段から前記噴射流入手段へ水を供給する送水手段とを備える上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００９】
（３）  前記水温降下手段は、前記水回収手段によって回収された水を冷却する冷却手段である上記（２）に記載の燃料電池システム。
【００１０】
（４）  前記酸素供給手段は、外気を燃料電池スタックへ導入する導入路を備え、
前記冷却手段は、前記導入路に設けられ、前記導入路を通過する外気流によって水を冷却するラジエタを有する上記（３）に記載の燃料電池システム。
【００１１】
（５）  前記水温降下手段は、前記水供給手段で供給される水の水温よりも低温の水を前記噴射流入手段に供給する低温水供給手段を有し、
前記低温水供給手段は、前記水供給手段から独立して設けられている上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。
【００１２】
（６）  前記水温降下手段は、水の水温を下降させる作用を発揮する作動状態と、水温を降下させる作用を停止した非作動状態とに選択する選択手段を備えた上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【００１３】
（７）  前記燃料電池スタックの温度を直接的に又は間接的に検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された燃料電池スタックの温度に応じて、前記選択手段が作動状態を選択するように制御する水温調整手段を有する上記（６）に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、水温降下手段によって、噴射流入手段によって供給される水の温度を、噴射流入前に降下させることができるので、燃料電池セパレータの冷却能力を強化することができる。  
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタックへ供給された水を回収し、これを繰り返し使用する構成においては、回収された水は、燃料電池スタックによって暖められているため、十分な冷却効果が得られない場合があり、この水の水温を、水温降下手段によって、噴射前に降下させることができるので、冷却効果を維持、強化できる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、水温降下手段は、水を冷却する冷却手段であるので、回収した水をそのまま循環させて使用することができ、水の追加供給などの必要がなく、メンテナンスを簡略化することができる。  
請求項４に記載の発明によれば、冷却手段を、導入される外気により水を冷却するラジエタとしたので、冷却するためのエネルギー源を必要としないので、冷却手段を設けることによる、システム全体の消費エネルギーの増加を抑制できる。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、予め低温の水を供給する低温水供給手段を水供給手段から独立して設けることにより、噴射水に供給する水を冷却する構成が不要となるので、冷却のためのエネルギー消費を抑制することができる。  
請求項６に記載の発明によれば、選択手段により水温降下手段を作動状態と、非作動状態とに切り換え可能とすることにより、要時にのみ水温を下降させることができ、冷却作用を効率良く発揮させることが可能となる。
【００１７】
請求項７に記載の発明によれば、燃料電池スタックの温度に応じて、水温降下手段を作動させることができるので、特に冷却が必要な高温状態の場合に、水温降下手段を作動させ、冷却能力を強く維持することができ、冷却作用をより効率よく発揮させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００１９】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池セルとしての単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、同じく部分断面側面図（図２及び図３におけるＢ−Ｂ断面図）、図５は、燃料電池セパレータ１３の部分断面側面図（図２及び図３におけるＣ−Ｃ断面図）、図６は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図である。
【００２０】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９とを備えている。集電板である集電部材３、４は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。  
集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。 
凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。
【００２１】
集電部材３の両端部には、流通孔３５が形成され、セパレータ１３を積層した場合に、この流通孔３５によって水素供給路が構成される。  
集電部材４は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、板材の長辺方向へ等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっており、中空部４１の両端は、閉鎖されている。
【００２２】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３及び図５に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０を通過する空気中に含有される酸素である。
【００２３】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（空気室）として機能する。空気流路４０に流入した霧状の水は、セパレータ１３や酸素極１５ｂを冷却し、各空気流路４０で水による冷却が施されることによって、燃料電池スタック１００全体が冷却される。このような冷却は、供給噴射された水の温度が燃料電池スタック１００の温度よりも低く設定されていることから、水と燃料電池スタック１００との熱エネルギーの交換により行われ、さらに、セパレータ１３や酸素極１５ｂに付着した水が、気化する場合に燃料電池スタック１００から奪う潜熱により行われる。
【００２４】
また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。各中空部４１でも、各空気流路４０内と同様に、流入した霧状の水によって、燃料電池スタック１００の冷却作用が発揮される。
【００２５】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、集電部材３と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部３２を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材３の流通孔３５に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３と窓８１との間には、集電部材３に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
【００２６】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部４２を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、枠体８の孔８３に合致する位置に孔９３が形成されている。枠体８の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体８の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材３、４に重ねることによって、空気流通路９４、９５が構成される構造となっている。空気流通路９４の一端は、枠体８の長辺側の端面に形成された開口９４１に接続され、他端は空気流路４０の導入口４３に接続されている。
【００２７】
上流側の空気流通路９４は、開口９４１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９４２となっており、後述する空気マニホールド５４から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路９５の一端は、空気流路４０の導出口４４に接続され、他端は、枠体８の長辺側端面に形成された開口９５１に接続されている。空気流通路９５は、開口９５１側から空気流路４０側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面９５２となっている。燃料電池スタック１００が傾いた際にも、このテーパー面９５２によって、水の排出が維持される。   また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。
【００２８】
図７は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。
【００２９】
空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（Ｔｉ Ｏ2）等が挙げられる。
【００３０】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図８は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、水噴射手段であるノズル５５から噴射された水が同時に流入する。導入口４３から流入した空気と水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。
【００３１】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。  
燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００３２】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。  
空気導入路１２３内には、空気マニホールド５４内の直前位置に、冷却水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。
【００３３】
空気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の導出口４４に接続され、導出口４４から流出した空気を合流させ、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。
【００３４】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、凝縮器５１から水タンク５３１へ向けて、回収ポンプ６２、ラジエタ６３が順に設けられている。回収ポンプ６２は、燃料電池スタック１００に対して噴射された冷却水と、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。ラジエタ６３は、導水路５７を通過する水を冷却する冷却手段であり、回収された水の熱を外気へ放熱して冷却する。
【００３５】
給水路５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、水温センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。凝縮器５１と、導水路５７と、回収ポンプ６２とによって、水回収手段が構成される。
【００３６】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。  
この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００３７】
図９は、本発明の燃料電池システムの制御系の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９２０、２２、２７、各ポンプ２５、６１、６２、ファン１２２、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）２００を備えている。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【００３８】
図１０に示すように、上記のように構成された燃料電池システム１は、車両１６１の底部に搭載される。  
車両１６１は、駆動部１６２、車室１６３、前車輪Ｗ１、後車輪Ｗ２を備えている。なお、車両１６１の前進方向（図１０中右側）を前、その反対側（同図中左側）を後とする。駆動部６２には、駆動モータが接続され、モータを駆動することによって、車輪Ｗ１を駆動輪として回転させることができる。そして、燃料電池システム１は、車室１６３の図示されない床の直下の前車輪Ｗ１と後車輪Ｗ２との間に、水平に配設される。そのために、燃料電池システム１は比較的偏平な形状にされ、燃料電池システム１を構成する各要素は、トレイ１６６の上に配設される。
【００３９】
すなわち、図１１にも示すように、トレイ１６６上に、車両１６１を前進走行させる方向、すなわち、走行方向における上流側から下流側にかけて、ファンＡｓｓｙ１３８、燃料電池スタック１００、及び凝縮器５１が配設される。なお、１３６はダクト構造を有する排気管であり、該排気管１３６により、空気が排気される。
【００４０】
燃料電池スタック１００と凝縮器５１との間には、水補機箱１６８が配設され、水補機箱１６８内には、前述した供給ポンプ６１、６２、フィルタ６４等が収容される。また、水補機箱１６８に隣接させて水素補機箱１６９が配設され、水素補機箱１６９内に排気電磁弁２７等の水素供給系１０の備える電磁バルブセンサ等の補機が収容される。
【００４１】
また、燃料電池スタック１００と凝縮器５１との間には、バッテリＢ１〜Ｂ３から成るバッテリユニット１７１、バッテリＢ４〜Ｂ９から成るバッテリユニット１７２が配設される。各バッテリユニット１７１、１７２は燃料電池スタック１００に対して補助電源７６として使用され、モータの負荷が大きい場合に、バッテリユニット１７１、１７２から電流を供給することができる。また、水タンク５３１は、水補機箱１６８に隣接して設けられ、トレイ１６６の外側端に配置される。水タンク５３１は、冷却が容易となるように、走行中に外気に触れ易い位置に配置される。特に、水タンク５３１の外側には、フィン５３１ｆが複数配置され、フィン５３１ｆに当たる外気流による冷却効果の促進が図られている。
【００４２】
また、水タンク５３１の後側には、ラジエタ６３が配置されている。ラジエタ６３は、ファン６３１を回転させて生じる空気流を、複数に分けられた配管の間を通過させることにより、該配管内を通過する水を冷やす機能を有するものである。その場合、熱源となる燃料電池スタック１００に対して、反対側（後側）から外気を導入するようにファン６３１が配置される。また、ファン６３１により送られる送風は、ラジエタ６３内を抜けて、水タンク５３１に当たるため、これによるも水タンク５３１の冷却効果が発揮される。ラジエタ６３は、これに代えて、電動ポンプにより冷媒を圧縮、断熱膨張させることにより冷却作用を生じる冷却装置、あるいは、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子等を用いてもよい。
【００４３】
また、トレイ１６６の下には、燃料電池スタック１００の全ての導出口４４をカバー（収容）するように、排気マニホールド５４１が設けられ、その下流側に空気ダクト１２４が接続される。排気マニホールド５４１は、複数の導出口４４から排出された空気を束ね、空気ダクト１２４へ送るとともに、各導出口４４から落下する冷却水を受ける。溜められた水は、水タンク５３１へ回収される。
【００４４】
車外から取り込まれた空気は、図１０の破線の矢印で示されるように、ファンＡｓｓｙ１３８内を流れた後、燃料電池スタック１００に送られ、該燃料電池スタック１００内を垂直方向に上から下に向けて流れ、続いて、燃料電池スタック１００から排出されたガスは、空気ダクト１２４を介して、凝縮器５１に送られ、該凝縮器５１内を流れた後、排気管１３６を介して排出される。
【００４５】
以上のように構成された燃料電池システム１の水供給系１０の作用について説明する。噴射ノズル５５から噴射された水は、燃料電池スタック１００に設けられた複数の空気流路４０と中空部４１を通過する際、燃料電池スタック１００を冷却し、開口９５１から下側へ、空気と共に排出される。
【００４６】
排出された水は、排気マニホールド５４１で受けられ凝縮器５１を介して、又は直接、ポンプ６２により回収され、ラジエタ６３内を通過した後、水タンク５３１に、一旦回収される。水タンク５３１内の水の温度は、センサＳ５によって検出される。水タンク５３１内の水は、フィルタ６４を通り、ポンプ６１により給水路５６を介して噴射ノズル５５から噴射される。
【００４７】
制御装置２００は、ラジエタ６３のファン６３１の駆動を制御する。図１２は、制御装置２００の制御内容を示すフローチャートである。制御装置２００は、センサＳ９を介して、燃料電池スタック１００の温度Ｔｓを間接に取得し（ステップS１０１）、次に水タンク５３１の水温Ｔｗを、センサＳ５を介して取得する（ステップＳ１０３）。
【００４８】
次に、燃料電池スタック１００の温度Ｔｓと水温Ｔｗとの温度差（Ｔｓ−Ｔｗ）を算出し、予め定められた閾値Ｑと比較し、Ｑより小さいか否か判断する（ステップＳ１０５）。温度差（Ｔｓ−Ｔｗ）の値が大きい程、冷却効果が発揮され、小さい程、冷却効果が低下する。閾値Ｑは、冷却効果が十分に発揮できる値として設定される。小さい場合には、冷却作用を上げるためにラジエタ６３のファン６３１を駆動させて、ラジエタ６３の冷却動作を開始し、水温降下手段を作動状態とする（ステップＳ１０７）。大きい場合には、現在の水温で、冷却作用が足りているので、ラジエタ６３のファン６３１は非作動状態とし、水温降下手段を非作動状態とする（ステップＳ１０９）。
【００４９】
ステップＳ１０５の構成としては、この他、水温Ｔｗのみをモニターし、燃料電池スタック１００の上限許容温度Ｔｐに基づいて設定された水温Ｔ0（＜Ｔｐ）と比較して、Ｔ0より高いか否か判断してもよい。高い場合には、冷却効果が十分に発揮されないので、ラジエタ６３を作動させ、低い場合には、非作動とする。
【００５０】
次に、システムが停止されたか判断し（ステップＳ１１１）、停止された場合には、制御を中止し、停止されていない場合には、リターンする。  
以上のように、冷却能力を補強する必要が生じたときのみ、水温降下手段を作動させることにより、システム全体の消費エネルギーの増加を抑制することができる。
【００５１】
図１３は、制御装置２００の他の制御内容を示すフローチャートである。制御装置２００は、センサＳ３により、電流値を取得し（ステップＳ２０１）、燃料電池スタック１００内の電流密度Ｉｄを算出する（ステップＳ２０３）。図１４に示されているように、電流密度が所定値Ｆより大きくなると、冷却水を循環させて使用するのみでは、発電効率が悪化するため、循環水よりも低温の水を冷却水として使用する必要がある。そこで、電流密度Ｉｄが、所定値Ｆ以上か否か判断し（ステップＳ２０５）、以上である場合には、冷却作用を上げるためにラジエタ６３のファン６３１を駆動させて、ラジエタ６３の冷却動作を開始し、水温降下手段を作動状態とする（ステップＳ２０７）。所定値Ｆより小さい場合には、現在の水温で、冷却作用が足りているので、ラジエタ６３のファン６３１は非作動状態とし、水温降下手段を非作動状態とする（ステップＳ２０９）。次に、システムが停止されたか判断し（ステップＳ２１１）、停止された場合には、制御を中止し、停止されていない場合には、リターンする。この構成例によれば、出力される電流値により、冷却の要、不要を判断するので、温度を検出する方式と比較して、外気温度などによる検出値の誤差が生じにくい、といった利点がある。
【００５２】
図１５は、他の実施形態を示す模式図である。この実施形態では、空気導入路１２３の中に、給水路５６が配置され、冷却部５６１が設けられている。この冷却部５６１は、空気導入路１２３内の外気流が接触する位置に配置された給水路５６で構成されている。このような構成とすることにより、外気を導入している状態では、常時、冷却水が冷却されていることとなる。この空気導入路１２３内の給水路５６、つまり冷却部５６１を構成する給水路５６は、管体の外側被覆を薄く、又は削除した状態とし、外気流による冷却作用を向上させるような構成とすることができる。また配管の断面形状を扁平にして、外気との接触面積を広く採り、冷却効果を向上させるように構成してもよい。
【００５３】
図１６は、水温降下手段の他の構成例を示す、燃料電池システム１のブロック図である。この実施形態では、水供給系５０の導水路５７と、給水路５６の間に、水タンク５３１を迂回するバイパス路５８が設けられ、該バイパス路５８には冷水タンク５３２が設けられている。冷水タンク５３２は、水タンク５３１に溜められている水よりも、水温の低い水が収容されている。また、バイパス路５８と、導水路５７の接続部には、電磁切換弁６５が設けられている。電磁切換弁６５は、回収ポンプ６２から送られてきた水の送水先を、水タンク５３１と冷水タンク５３２の間で選択する。
【００５４】
また、バイパス路５８と、給水路５６の接続部には、電磁切換弁６６が設けられている。電磁切換弁６６は、供給ポンプ６１への水の供給源を、水タンク５３１と冷水タンク５３２の間で選択する。図９において、想像線で示されているように、電磁切換弁６５、６６は、制御装置２００に接続され、該装置によって、切換制御がなされる。また、冷水タンク５３２の貯水量は、センサＳ１１で検出され、水温はセンサＳ１２で検出され、各検出値は、制御装置２００にそれぞれ供給される。制御装置２００は、冷水タンク５３２の貯水量をモニターし、所定値より低くなった場合には、電磁切換弁６５を切り換えて、回収ポンプ６２から送られる水を冷水タンク５３２に供給するように制御する。
【００５５】
図１２は、水タンク５３１と冷水タンク５３２の配置位置関係を示す、燃料電池システム１の全体斜視図である。水タンク５３１は、燃料電池スタック１００の後側に配置され、さらにその後側に冷水タンク５３２が配置される。各タンク５３１、５３２の表面には、冷却フィン５３１ｆ、５３２ｆが設けられ、外気によるタンクの冷却効果が上がるように構成されている。また、冷水タンク５３２は、水タンク５３１の後側に位置しているので、熱源である燃料電池スタック１００よりも遠く、水温が上昇する要素がより少ない位置に配置されている。
【００５６】
冷水タンク５３２は、図１５の想像線で示すように、燃料電池スタック１００の前方に配置されていてもよい。車両の走行中は、前方より後方へ向けて外気が流れるので、燃料電池スタック１００の周囲の暖められた雰囲気は、後方に流れ去ることとなるので、暖かい雰囲気による影響が最も少なく、かつ、暖まる前の外気が当たるので、より高い冷却作用が発揮される。
【００５７】
以上のような構成において、図１２に示される制御フローチャートに基づいて、水供給系５０が制御される。通常運転状態の場合には、電磁切換弁６５は、水タンク５３１に回収した水を送る状態に設定され、電磁切換弁６６は、水タンク５３１から水を供給する状態に設定されている。従って、冷水タンク５３２には、回収された水（暖まった水）は供給されないので、冷水タンク５３２内の水は、外気流により冷やされた状態に保たれている。
【００５８】
ここで、ステップＳ１０５において、「作動状態に切換」と判断した場合には、電磁切換弁６６を切り換えて、冷水タンク５３２から、循環水よりも低い温度の水を供給ポンプ６１に供給する。これにより、噴射ノズル５５から供給される冷却水は、より低い温度の水となり、燃料電池スタック１００を冷却する効果が向上する。燃料電池スタック１００を通過して回収された水は、冷水タンク５３２が空となるまで、水タンク５３１に回収される。暖まった回収水を冷水タンク５３２に戻すと、冷水タンク５３２内の水温が上昇し、冷却水により冷却効果が半減するからである。水位センサＳ１１により、水位をモニターし、冷水タンク５３２内の水位が所定量より少なくなった時点で、電磁切換弁６５を切り換え、回収水を冷水タンク５３２へ供給する。同時に、電磁切換弁６６を切り換え、水タンク５３１から水を供給する状態とする。さらに、水位センサＳ１１により、水位をモニターし、冷水タンク５３２内の水位が所定量より大きくなった時点で、電磁切換弁６５を切り換え、回収水を水タンク５３１へ供給し、通常状態に戻す。
【００５９】
ステップＳ１０５において、「非作動状態に切換」と判断した場合には、電磁切換弁６６を切り換えず、通常状態のまま維持する。  
他の制御例として、ステップＳ１０５において、「作動状態に切換」と判断した場合に、電磁切換弁６５、６６を同時に切り換えて、冷水タンク５３２から水を供給し、回収された水は、冷水タンク５３２に戻す循環経路を構成するように制御してもよい。この切り換った循環経路により水が供給されている間は、水タンク５３１には、回収水は供給されず、フィン５３１ｆなどにより、タンク内の水は冷却されるので、水温は下降する。そして、冷却タンク５３２は、暖まった回収水が、随時供給されるので、水温は上昇する。両タンク５３１、５３２の水温をセンサＳ５、Ｓ１１でモニターし、水温が逆転した場合（つまり、冷水タンク５３２内の水温が、水タンク５３１内の水温より高くなった場合）、再度電磁切換弁６５、６６を同時に切り換えて、水タンク５３１から水を供給するように制御する。この電磁切換弁６５、６６を同時に切り換えるタイミングは、水温が逆転した場合ではなく、水を供給していない方のタンクの水温が、所定値以下となった場合としてもよい。この所定値は、冷却効果が十分発揮できる程度に低い値であり、例えば、燃料電池スタック１００の許容安全駆動温度範囲の上限値よりも５度低い温度などに設定することができる。
【００６０】
この構成は、第１の水タンク（水タンク５３１）と第２の水タンク（冷水タンク５３２）を有し、回収水を供給する回収経路と、噴射ノズル５５に水を供給する供給経路があり、第１と第２の水タンクは、それぞれ切換弁を介して、回収経路と供給経路とに各々接続されており、各タンクの水温を検出するセンサをそれぞれ備え、より低い方の水温のタンクで、噴射と回収からなる循環路が構成され、循環路を構成しない側のタンクでは、フィンなどの冷却手段によって、水の冷却が行われていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面側面図（Ｂ‐Ｂ断面図）である。
【図５】燃料電池セパレータの部分断面側面図（Ｃ‐Ｃ断面図）である。
【図６】燃料電池用セパレータの全体背面図である。
【図７】単位セルの断面図である。
【図８】燃料電池スタックの部分平面図である。
【図９】燃料電池スタックの制御系の構成を示すブロック図である。
【図１０】燃料電池システムの燃料電池搭載車両への搭載状態を示す側面透視図である。
【図１１】燃料電池システムの斜視図である。
【図１２】燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。
【図１３】他の制御内容を示すフローチャートである。
【図１４】低温水で冷却した場合の発電効率を示す、電流密度−電圧曲線図である。
【図１５】水供給系５０の他の構成を示すブロック図である。
【図１６】他の実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図１７】他の実施形態における燃料電池システムの斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
１      燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１５    単位セル
１３    燃料電池セパレータ
５３１    水タンク
５３２    冷水タンク
５４      空気マニホールド
５４１    排気マニホールド
５５      噴射ノズル
５６      供給路
６１      供給ポンプ
６３      ラジエタ
２００    制御装置
【図１】
2006302594.tif 000003
【図２】
2006302594.tif 000004
【図３】
2006302594.tif 000005
【図４】
2006302594.tif 000006
【図５】
2006302594.tif 000007
【図６】
2006302594.tif 000008
【図７】
2006302594.tif 000009
【図８】
2006302594.tif 000010
【図９】
2006302594.tif 000011
【図１０】
2006302594.tif 000012
【図１１】
2006302594.tif 000013
【図１２】
2006302594.tif 000014
【図１３】
2006302594.tif 000015
【図１４】
2006302594.tif 000016
【図１５】
2006302594.tif 000017
【図１６】
2006302594.tif 000018
【図１７】
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