(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの構成を複雑化することなく、電解質の湿潤状態を適切に管理することにより、燃料電池の出力の安定性および耐久性を向上させる。【解決手段】  燃料電池システム１０では、燃料、酸化剤および熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタック２０から排出された冷却水が冷却後に燃料電池スタック２０に投入されることにより、冷却水が循環する。燃料電池スタック２０から排出された冷却水の一部は燃料加湿器４０で熱交換し、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の残りおよび燃料加湿器４０で熱交換した冷却水が、空気加湿器６０でさらに熱交換する。このような構成において、燃料加湿器４０で加湿された燃料の温度、空気加湿器６０で加湿された酸化剤の温度、および熱媒体流路に供給される冷却水の温度が実質的に等しくなるように、冷却水の一部と冷却水の残りの分配比が定められたことを特徴とする。【選択図】        図１
2006156251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含み、前記燃料、前記酸化剤および前記熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、
前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の一部を、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換させる手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の残りおよび前記燃料と前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換した熱媒体を前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段の他方でさらに熱交換させる手段と、
を備え、
前記燃料加湿手段で加湿された燃料の温度、前記酸化剤加湿手段で加湿された酸化剤の温度、および前記熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が実質的に等しくなるように、前記熱媒体の一部と前記熱媒体の残りの分配比が定められたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含み、前記燃料、前記酸化剤および前記熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、
前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の一部を、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換させる手段と、
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の残りおよび前記燃料と前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換した熱媒体を前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段の他方でさらに熱交換させる手段と、
を備え、
前記燃料流路に供給される燃料の露点、前記酸化剤流路に供給される酸化剤の露点、および前記熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が実質的に等しくなるように、前記熱媒体の一部と前記熱媒体の残りの分配比が定められたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックから排出された前記熱媒体の温度を、前記燃料加湿手段または前記酸化剤加湿手段のいずれか一方の上流において調整可能な熱媒体用熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックに供給される前記熱媒体の温度と、前記燃料電池スタックから排出される前記熱媒体の温度との温度差が３℃以内であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
負荷電流が小さいほど、前記燃料電池スタックに供給される前記熱媒体の温度と、前記燃料電池スタックから排出される前記熱媒体の温度との温度差が小さくなるように、前記熱媒体の流量を調節する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項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関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）を、他方の面にカソード（空気極）を接合一体化してセル（膜電極接合体）を形成し、アノードに対向する面に凹溝状の燃料流路を設けたプレートと、カソードに対向する面に凹溝状の酸化剤流路を設けたプレートとでセルを挟んで複数積層し、両端部にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付けることにより燃料電池スタックが構成される。そして、燃料流路には燃料（水素又は水素主体の改質ガス）を流通させると共に、酸化剤流路には酸化剤ガス（通常は空気）を流通させ、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発電する。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池において、固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態で適正に機能するため、反応ガス（燃料及び／又は酸化剤）を加湿器等で加湿した後にプレートの流路を流通させ、これにより固体高分子電解質膜を飽和湿潤状態に保持するようにしている。また、固体高分子形燃料電池の作動温度は約８０℃であるが、電気化学反応は発熱反応であるため発電中に温度が上昇する。これを防止するために燃料電池スタック内に冷却プレートを組み込んでそのチャンネルに冷却水を流通させ、燃料電池スタックを作動温度に保持するようにしているのが一般的である。
【０００４】
一方、固体高分子形燃料電池の各セルの出力を一様にするためには、反応ガスを固体高分子形燃料電池内の各反応ガス流路に均一に分配させる必要がある。ところが、反応ガスがマニホールドから各反応ガス流路に分配する手前で結露すると、反応ガス流路の入口を閉塞し、各セルへの反応ガスの分配が不均一になり、出力が不安定になる。このため、反応ガスの露点と固体高分子形燃料電池の温度とを同等にすることが望ましい。ここで、固体高分子形燃料電池の温度は、固体高分子形燃料電池から排出される冷却水の温度で代表される。
【０００５】
反応ガスの露点と冷却水の温度とを連動させる方法として、特許文献１および特許文献２が挙げられる。また、特許文献３には、加湿器に供給するエネルギー量を操作して、反応ガス流量の変化に対して加湿量を追従させる方法が記載されている。
【特許文献１】特開平７−２２６２２２号公報
【特許文献２】特開平７−３２６３７６号公報
【特許文献３】特開平９−５５２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池から排出された冷却水が反応ガス加湿器で熱交換した後に、さらに熱交換器等で冷却された後、燃料電池に戻されているため、燃料電池に流入する冷却水の温度は燃料露点および空気露点と比べて低くなる。このため、従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池に流入する冷却水の温度と燃料の露点と空気の露点とをほぼ同じ温度にしようとすると、システムおよび制御の複雑化を招き、燃料電池に流入する冷却水の温度を電流や反応ガス流量の変化に追従させることが困難になるという問題があった。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムの構成を複雑化することなく、電解質の湿潤状態を適切に管理することにより、燃料電池の出力の安定性および耐久性を向上させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、電解質膜の一方の面にアノードが接合され、電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含み、燃料、酸化剤および熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、燃料を加湿する燃料加湿手段と、酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、燃料電池スタックから排出された熱媒体の一部を、燃料加湿手段または酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換させる手段と、燃料電池スタックから排出された熱媒体の残りおよび燃料と燃料加湿手段または酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換した熱媒体を燃料加湿手段または酸化剤加湿手段の他方でさらに熱交換させる手段と、を備え、燃料加湿手段で加湿された燃料の温度、酸化剤加湿手段で加湿された酸化剤の温度、および熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が実質的に等しくなるように、熱媒体の一部と熱媒体の残りの分配比が定められたことを特徴とする。
【０００９】
なお、上記構成において、燃料流路プレート、酸化剤流路プレートおよび熱媒体流路プレートはそれぞれが別部材であるとは限られず、たとえば、バイポーラプレートの一方の面に燃料流路を設け、他方の面に熱媒体流路を設けることにより、燃料流路プレートと熱媒体流路プレートとがひとつの部材で実現された構成も本発明に含まれる。
【００１０】
上記構成によれば、加湿後の反応ガスが放熱しないような系において、反応ガスの露点と冷却水の温度とを連動させるための特殊な構造が不要であり、燃料電池システムの構成を複雑化することなく、電解質の湿潤状態を適切に管理することにより、燃料電池の出力の安定性および耐久性を向上させることができる。
【００１１】
本発明の他の態様は、電解質膜の一方の面にアノードが接合され、電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含み、燃料、酸化剤および熱媒体の流れが並行流である燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、燃料を加湿する燃料加湿手段と、酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、燃料電池スタックから排出された熱媒体の一部を、燃料加湿手段または酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換させる手段と、燃料電池スタックから排出された熱媒体の残りおよび燃料と燃料加湿手段または酸化剤加湿手段のいずれか一方で熱交換した熱媒体を燃料加湿手段または酸化剤加湿手段の他方でさらに熱交換させる手段と、を備え、燃料流路に供給される燃料の露点、酸化剤流路に供給される酸化剤の露点、および熱媒体流路に供給される熱媒体の温度が実質的に等しくなるように、熱媒体の一部と熱媒体の残りの分配比が定められたことを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、加湿後の反応ガスが放熱する系において、反応ガスの露点と冷却水の温度とを連動させるための特殊な構造が不要であり、燃料電池システムの構成を複雑化することなく、電解質の湿潤状態を適切に管理することにより、燃料電池の出力の安定性および耐久性を向上させることができる。
【００１３】
上記構成において、燃料電池スタックから排出された熱媒体の温度を、燃料加湿手段または酸化剤加湿手段のいずれか一方の上流において調整可能な熱媒体用熱交換器をさらに備えてもよい。これによれば、燃料電池システム内を流通して温度が上昇した熱媒体を速やかに所望の温度まで冷却することができる。
【００１４】
上記構成において、燃料電池スタックに供給される熱媒体の温度と、燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度との温度差が３℃以内であってもよい。これによれば、燃料電池の出力の安定性および耐久性を向上させることができる。
【００１５】
また、上記構成において、負荷電流が小さいほど、燃料電池スタックに供給される熱媒体の温度と、燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度との温度差が小さくなるように、熱媒体の流量を調節する制御手段をさらに備えてもよい。これによれば、低負荷電流時において燃料電池のセル内が乾燥することが抑制されるので、燃料電池の出力の安定性および耐久性が向上する。
【００１６】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池システムの構成を複雑化することなく、電解質の湿潤状態を適切に管理することにより、燃料電池の出力の安定性および耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、燃料供給手段３０、燃料加湿器４０、空気供給手段５０、空気加湿器６０、熱媒体用熱交換器７０、配管８０、制御バルブ８６、循環ポンプ９０および制御部１００を備える。
【００１９】
燃料電池スタック２０は、高分子電解質膜の一方の面にアノードが接合され、電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含む。燃料電池スタック２０は、公知の構成とすることができ、その典型例として、特開２００４−１８５９３８の図１および図２に示された構成、あるいは特開２００４−１８５９３４号の図１に示された構成が挙げられる。本実施形態の燃料電池スタック２０において、発電に用いられる燃料および空気、ならびにアノードおよび／またはカソードの冷却に用いられる熱媒体の流れの方向は、重力方向の並行流とする。本実施形態では、熱媒体として水が用いられるが、熱の受け渡しが可能であれば、他の液体や気体を用いることができる。以下、熱媒体として用いられる水を冷却水とよぶ。
【００２０】
燃料供給手段３０は、燃料となる水素を供給する手段である。たとえば、燃料供給手段３０は、天然ガスやメタンガス等の炭化水素系ガスを貯留する燃料タンク、燃料タンクから供給される炭化水素系ガスから硫黄成分を除去する脱硫器、および脱硫後の炭化水素系ガスを改質して水素を取り出す改質装置で主に構成される。
【００２１】
燃料加湿器４０は、燃料供給手段３０から供給される燃料を加湿する。具体的には、燃料加湿器４０は、燃料加湿タンク４２および燃料用熱交換器４４を含み、燃料加湿タンク４２に入れられ、燃料用熱交換器４４によって昇温された水を用いて、バブリング方式により燃料を加湿して、燃料の相対湿度を１００％ＲＨにする。
【００２２】
空気供給手段５０は、酸化剤となる酸素を含む空気を供給する手段である。たとえば、空気供給手段５０は、外気を取り込むブロア、および必要に応じて設けられるエアフィルタで構成される。
【００２３】
空気加湿器６０は、空気供給手段５０から供給される空気を加湿する。具体的には、空気加湿器６０は、空気加湿タンク６２を含み、空気加湿タンク６２に入れられた水を用いて、バブリング方式により空気を加湿して、空気の相対湿度を１００％ＲＨにする。
【００２４】
熱媒体用熱交換器７０は、外気などとの熱交換により、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を下げる。熱媒体用熱交換器７０により、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を効率的に下げることができる。
【００２５】
配管８０は、燃料電池スタック２０に設けられた熱媒体流路を流通して排出された冷却水が再び熱媒体流路に供給されるような冷却水の循環が可能な構成を備える。具体的には、燃料電池スタック２０から排出された冷却水は、熱媒体用熱交換器７０にまず導かれ、熱媒体用熱交換器７０の下流に設けられた分岐点８２において、燃料加湿器４０に向かうラインと、空気加湿器６０に向かうラインとに所定の分配比で分岐する。燃料電池スタック２０から排出された冷却水の一部は、燃料加湿器４０が有する燃料用熱交換器４４を流通し、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の残りは、空気加湿器６０に直接供給される。燃料用熱交換器４４を流通した後の冷却水は、空気加湿器６０の上流で上述した空気加湿器６０に向かうラインを流れる冷却水と合流点８４で合流する。合流後の冷却水は、空気加湿器６０の空気加湿タンク６２を流通した後、空気加湿器６０から排出される。循環ポンプ９０は、空気加湿器６０から排出された冷却水を汲み上げて、所定の水量の冷却水として燃料電池スタック２０に送り込む。
【００２６】
制御バルブ８６は、分岐点８２の合流点８４との間に設けられた開閉度が可変のバルブである。制御バルブ８６の開度を調節することにより、冷却水の分配比を補正することができる。なお、制御バルブ８６の設置は不可欠ではなく、運転条件によって冷却水の分配比を補正する必要がない場合には不要である。
【００２７】
制御部１００は、燃料電池スタック２０による発電量を制御する他、制御バルブ８６の開度や、循環ポンプ９０を調節して冷却水の水量を制御する。また、制御部１００は、必要に応じて、燃料供給手段３０からの燃料供給量および空気供給手段５０からの空気供給量を制御する。
【００２８】
次に、高分子電解質膜を適切な湿潤状態に保つための構成について説明する。以下の説明では、燃料電池スタック２０に設けられた冷却水の入口付近の温度を、冷却水入口温度（Ｔ１）と呼び、燃料電池スタック２０に設けられた冷却水の出口付近の温度を、冷却水出口温度（Ｔ２）と呼ぶ。また、燃料加湿器４０で加湿された燃料の温度を加湿燃料温度（Ｔ３）と呼び、空気加湿器６０で加湿された空気の温度を加湿空気温度（Ｔ４）と呼ぶ。さらに、燃料電池スタック２０に設けられた燃料の入口付近の露点を燃料露点（Ｔ５）と呼び、燃料電池スタック２０に設けられた空気の入口付近の露点を空気露点（Ｔ６）と呼ぶ。なお、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５およびＴ６は、必要に応じて図示しない温度センサにより計測され、計測された値は制御部１００に送信される。
【００２９】
本実施形態の燃料電池システム１０は、加湿後の燃料および空気が燃料電池スタック２０に到達するまでに放熱しない理想的な系、または放熱がほとんど無視できるような系を備え、加湿燃料温度（Ｔ３）と燃料露点（Ｔ５）がほぼ等しく、加湿空気温度（Ｔ４）と空気露点（Ｔ６）とがほぼ等しい。本実施形態では、冷却水入口温度（Ｔ１）、加湿燃料温度（Ｔ３）、および加湿空気温度（Ｔ４）がほぼ同じ温度になるように、分岐点８２における冷却水の分配比が定められる。分配比の決定方法については後述する。
【００３０】
これにより、冷却水入口温度（Ｔ１）、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の温度がほぼ同等になるため、燃料電池スタック２０のマニホールドから各反応ガス流路に分配する手前で燃料または空気が結露することが抑制され、各反応ガス流路への燃料および空気の分配が均一化される。この結果、高分子電解質膜が乾燥することなく、適切な湿潤状態に維持されるため、高分子電解質膜の耐久性が向上するとともに、発電安定性が向上する。
【００３１】
なお、冷却水の分配比は、燃料露点（Ｔ５）と空気露点（Ｔ６）とが熱バランスするように設定される必要があるが、これは、熱交換量などの諸条件に依存するため、使用する燃料電池システムの構成毎に最適化される必要がある。
【００３２】
本実施形態は、加湿後の燃料および空気の放熱が無視できる系を対象としたが、加湿後の燃料および空気が燃料電池スタック２０に到達するまでに放熱する場合には、冷却水入口温度（Ｔ１）、燃料露点（Ｔ５）、および空気露点（Ｔ６）がほぼ同じ温度になるように、分岐点８２における冷却水の分配比が定められる。このため、加湿燃料温度（Ｔ３）および加湿空気温度（Ｔ４）は、放熱による温度低下を見越して、冷却水入口温度（Ｔ１）よりも高めに設定される。
【００３３】
（燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の冷却水分配比率依存性）
冷却水の分配比率（＝燃料加湿器への冷却水の分配量／総冷却水量）に応じて、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）がどのように変化するかを熱収支計算により調べた。
【００３４】
図２は、上述した燃料電池システム１０において、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の冷却水分配比率依存性を調べたときの実験条件を記載した表である。本実験条件では、簡単のため、系全体で放熱が無視できるものとした。このため、空気加湿器６０から排出された冷却水の温度は、冷却水入口温度（Ｔ１）と等しい。また、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の冷却水分配比率依存性は、積層セル数および電流に依存しないので、実験を簡単にするために、電流を1A、セル数を１セルとした。この条件の下、分配比率を変えながら、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）を測定した。図３は、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の冷却水分配比率依存性を表す。図３からも明らかなように、燃料露点（Ｔ５）と空気露点（Ｔ６）とが交わる点（以下、平衡点と呼ぶ）に冷却水分配比率を設定することにより、燃料露点（Ｔ５）と空気露点（Ｔ６）とが熱的にバランスするが、平衡点より冷却水分配比率が小さいと、燃料露点（Ｔ５）＜空気露点（Ｔ６）となり、平衡点より冷却水分配比率が大きいと、燃料露点（Ｔ５）＞空気露点（Ｔ６）となる。この温度差は、燃料および空気が各反応ガス流路に分配する手前で結露する要因となりうるため、冷却水分配比率を平衡点に設定する必要がある。
【００３５】
燃料電池システム１０における冷却水の熱収支の式は、下式で表される。
Ｈ１＝Ｈ２＋Ｈ３＋Ｈ４
ここで、Ｈ１は燃料電池との交換熱量であり、Ｈ２は、熱媒体用熱交換器７０での交換熱量であり、Ｈ３は、は燃料加湿器４０での交換熱量、すなわち、燃料ガスを露点温度Ｔ５に加湿するのに必要な熱量（Ｔ５の関数）であり、Ｈ４は、空気加湿器での交換熱量、すなわち空気を露点温度Ｔ６に加湿するのに必要な熱量（Ｔ６の関数）である。
【００３６】
Ｈ１は、次式により求められる。
Ｈ１＝投入熱量−（排出熱量＋発電電力）
ここで、投入熱量は、燃焼エンタルピー含む燃料ガスのエンタルピー（温度Ｔ５、湿度１００％ＲＨ）と空気のエンタルピー（温度Ｔ６、湿度１００％ＲＨ）で定まる。排出熱量は、排出燃料のエンタルピー（温度Ｔ２、湿度１００％ＲＨ）と、排出空気のエンタルピー（温度Ｔ２、湿度１００％ＲＨ）で定まる。なお、今回の実験条件では、排出燃料と排出空気の露点がＴ２以下なので、一部は凝縮水（液）として排出される。発電電力は、電流×電圧で定められる。
【００３７】
このような熱収支を備える燃料電池システム１０のより好ましい形態として下記項目が挙げられる。
（１）冷却水入口温度（Ｔ１）と燃料露点（Ｔ５）と空気露点（Ｔ６）との差を小さくするために、冷却水出入口温度差ΔＴ(＝Ｔ２-Ｔ１)を小さくすること、すなわち、冷却水流量を多くすることが好ましい。これにより、燃料電池スタック２０の出力の安定性および耐久性が向上する。たとえば、制御部１００は、冷却水出入口温度差ΔＴが３℃以下になるように、循環ポンプ９０を制御して冷却水の流量を調節することが好適である。
（２）燃料加湿器４０および空気加湿器６０での吸熱量を小さくするために、燃料加湿器４０に供給される燃料の露点および空気加湿器６０に供給される空気の露点が高いことが望ましい。この場合、特開２００４-１８５９３８号に開示された全熱交換器を組み合わせると、より効果がある。これにより、冷却水の分配比率の変化に対する燃料露点（Ｔ５）の変化が小さくなるため、分配比率を固定した場合の許容範囲が広くなり、分配比率を変えるための制御バルブの調節などの制御を必要としなくて済む。
（３）蒸気圧は温度の上昇に対して指数関数的に増加するため、システム全体の温度が低いほど、蒸発潜熱が少なくなる分だけ望ましい。つまり、燃料電池の運転温度(一般に、冷却水出口温度Ｔ２で代表する)は低いほうが望ましい。冷却水出口温度Ｔ２の典型的な値は、７０℃である。
【００３８】
図４は、他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料供給手段３０および燃料加湿器４０と、空気供給手段５０および空気加湿器６０との配置が入れ替えられている他は、図１の構成と同様である。このようなシステム構成についても、冷却水入口温度（Ｔ１）、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の温度がほぼ同等にるように、冷却水の分配比率を最適化することによって、燃料電池スタック２０のマニホールドから各反応ガス流路に分配する手前で燃料または空気が結露することが抑制され、各反応ガス流路への燃料および空気の分配が均一化される。
【００３９】
図５は、さらに他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図４に示したシステム構成において、燃料用熱交換器４４と燃料電池スタック２０との間に第２の熱媒体用熱交換器１１０を備える。これによれば、加湿後の燃料および空気の温度が放熱により低下する場合に、熱媒体用熱交換器１１０を用いて燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度を調節することにより、冷却水入口温度（Ｔ１）、燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の温度をほぼ同等にすることができる。
【００４０】
図６は、さらに他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図５に示したシステム構成について、循環ポンプ９０を分岐点８２の上流側に設置し、さらに熱媒体用熱交換器１１０と循環ポンプ９０との間に、冷却水タンク１２０を備えることを特徴とする。これによれば、冷却水タンク１２０に予備的に貯留された冷却水の分だけ、冷却水の水量調節が可能になるため、循環ポンプ９０による冷却水の水量調節に柔軟性を持たせることができる。
【００４１】
次に、循環ポンプ９０による冷却水の水量調節に好適な形態について説明する。高負荷電流時と低負荷電流時とで、冷却水出入口温度差（ΔＴ）を一定とすると、負荷電流が小さいほど、反応生成水量が低下するため、低負荷電流時の燃料電池のセル内はやや乾燥気味の状態になりやすい。特に、本実施形態のように、冷却水流れと空気流とが並行流の場合には、冷却水出口側でセル温度が上昇するため、電池温度または冷却水出口温度Ｔ２を高く設定しすぎると、この部分でＭＥＡが乾燥しやすくなり、その結果、出力低下や耐久性の低下が生じる。このため、負荷電流が小さいほど冷却水出入口温度差（ΔＴ）が小さくなるように冷却水の水量を制御することが好ましい。
【００４２】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、上述した燃料電池システムにおける負荷電流と冷却水量との関係、負荷電流と冷却水出入口温度差（ΔＴ）との関係をそれぞれ示す。この例では、燃料電池の最大負荷電流を２５（Ａ）とし、定格負荷電流を２０（Ａ）とする。また、定格時の冷却水出入口温度差（ΔＴ）を３℃とする。図７は、定格負荷電流を高負荷電流時とし、負荷電流が７（Ａ）のときを低負荷電流時として例示する。冷却水出入口温度差（ΔＴ）を一定に保つ場合には、冷却水の水量を点線２００のように負荷電流に正比例するように制御されるが、本実施形態では、実線２１０に示すように、低負荷電流時の冷却水の水量を点線２００よりも高く設定することにより、定格時の冷却水出入口温度差（ΔＴ）が２℃になる。
【００４３】
これにより、低負荷電流時において燃料電池のセル内が乾燥することが抑制されるので、燃料電池の出力が安定するとともに、耐久性が向上する。
【００４４】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の冷却水分配比率依存性を調べたときの実験条件を記載した表である。
【図３】燃料露点（Ｔ５）および空気露点（Ｔ６）の冷却水分配比率依存性を示すグラフである。
【図４】他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図５】さらに他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図６】さらに他の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図７】図７（Ａ）は負荷電流と冷却水量との関係を表すグラフであり、図７（Ｂ）は負荷電流と冷却水出入口温度差（ΔＴ）との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池スタック、３０  燃料供給手段、４０  燃料加湿器、５０  空気供給手段、６０  空気加湿器、７０  熱媒体用熱交換器、８０  熱媒体配管、８６  制御バルブ、９０  循環ポンプ、１００  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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