(57)【要約】【課題】適切な水マネージメントを行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】電極に対峙する一面には反応ガスを導く反応ガス流路２を、他面には、加湿水を導く加湿水流路３を形成した、少なくとも一部がポーラスな素材で形成されるセパレータ１を有する燃料電池スタック１０を備える。加湿水流路３を、ドライアウトを生じ易い反応ガス流路２Ａに重なる加湿水流路３Ａと、フラッディングを生じ易い反応ガス流路２Ｂに重なる加湿水流路３Ｂに分割して構成し、それぞれの流路３Ａ、３Ｂに供給する加湿水の温度または流量を独立して調整する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極に対峙する一面には反応ガスを導く反応ガス流路を、他面には、加湿水を導く加湿水流路を形成した、少なくとも一部がポーラスな素材で形成されるセパレータを有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿水流路を流れる加湿水の温度を、前記反応ガス流路の領域に応じて調整する温度調整機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度調整機構として、前記加湿水流路は、前記反応ガス流路の上流領域に重なる領域を流れる一系統以上の上流側加湿水流路と、下流領域に重なる領域を流れる一系統以上の下流側加湿水流路と、に分割して複数の流路に形成され、
各系統の前記加湿水流路に加湿水を供給する手段と、
各系統の前記加湿水流路に供給する加湿水温度を独立して調整可能な温度調整手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加湿水の温度を、前記燃料電池の負荷に応じて調整する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
各系統には、前記加湿水流路にガスが漏洩したことを検知する検知手段を備え、
ガスの漏洩が検知された系統のみ、加湿水温度を低下させる請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
電極に対峙する一面には反応ガスを導く反応ガス流路を、他面には、加湿水を導く加湿水流路を形成した、少なくとも一部がポーラスな素材で形成されるセパレータを備える燃料電池システムにおいて、
前記加湿水流路を流れる加湿水の流量を、前記反応ガス流路の領域に応じて調整する流量調整機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記流量調整機構として、前記加湿水流路は、前記反応ガス流路の上流領域に重なる領域を流れる一系統以上の上流側加湿水流路と、下流領域に重なる領域を流れる一系統以上の下流側加湿水流路と、に分割して複数の流路に形成され、
各系統の前記加湿水流路に供給する加湿水の流量を独立して調整可能な流量調整手段と、を備える請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿水の流量を、前記燃料電池の負荷と温度に応じて調整する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
各系統には、前記加湿水流路にガスが漏洩したことを検知する検知手段を備え、
ガスの漏洩が検知された系統のみ、加湿水流量を増大させる請求項６または７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の水マネージメントを向上するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を挟んで、一方の陽極には水素を含有する燃料ガスを、他方の陰極には酸素を有する酸化剤ガスを供給することで電気化学反応を生じ、電極から電気エネルギを取り出している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
一般に、反応ガスとして乾燥ガスを供給した場合には、燃料電池のセル内は、ガス入口付近の相対湿度は低く膜が乾燥してしまいがちだが、出口に向かうに従って電気生成水によって加湿され、逆に相対湿度１００％に達した後は電気生成水が過剰となってしまい、流路やＧＤＬ（Gas  Diffusion  Layer）を閉塞するフラッディング現象を生じてしまう。
【０００４】
そこで、電極の外側にポーラスタイプのセパレータを配置し、このセパレータの電極側の面には反応ガス流路を、その裏面には加湿水流路を形成したものが知られている。加湿水流路から反応ガス流路に向けて、毛管現象により加湿水が浸透し、反応ガスが加湿される。ただし、フラッディング現象を抑制するため、加湿水圧力は反応ガス圧力よりも小さく設定される。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反応ガスの加湿が必要な領域において、加湿水流路中の水が反応ガス流路側に移動するためには、毛管現象を発生させるキャピラリーフォースが、水のポーラスの中を通過するときの粘性抵抗と、反応ガス流路と加湿水流路の圧力差による抵抗と、の和よりも大きくならなければならない。一方、フラッディングエリアが生じる可能性がある領域において、反応ガス流路中の水が加湿水流路側に移動するためには、反応ガス流路と加湿水流路の圧力差が、キャピラリーフォースと粘性抵抗の和よりも大きくなければならない。
【０００６】
しかしながら、通常、反応ガス流路には流路の圧損があるため、特に大流量を必要とする高負荷時には、上流側が最も高圧となり、下流側が最も低圧となる。仮に加湿水流路の圧力を一定であるとすると、反応ガス流路と加湿水流路との圧力差は上流側で最も大きく、下流側が最も小さくなる。これは、前述した加湿エリアとフラッディングエリアに求められる条件と相反していることになる。加湿を優先させるためにはフラッディング防止能力を低減しなければならず、フラッディングにより反応ガス流路やGDLにおけるガス拡散が妨げられて、反応効率が低下してしまう可能性が生じる。一方、フラッディング防止を優先させると、加湿能力が低下し、特に大流量の無加湿ガスを供給した場合には、ポーラスプレートが乾燥して反応ガスが加湿水流路に漏れるという不具合が生じる。この現象はプレートのドライアウトと呼ばれ、ガスが漏れることにより利用率の低下ばかりではなく、ガスの加湿がされないことにより膜の乾燥が起り、膜が劣化して最悪の場合には発電不能の状態に陥ることもある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、適切な水マネージメントを行う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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電極に対峙する一面には反応ガスを導く反応ガス流路を、他面には、加湿水を導く加湿水流路を形成した、少なくとも一部がポーラスな素材で形成されるセパレータを有する燃料電池を備える。このような燃料電池システムにおいて、前記加湿水流路を流れる加湿水の温度または流量を、前記反応ガス流路の領域に応じて調整する温度調整機構または流量調整機構を備える。
【発明の効果】
【０００９】
このように、反応ガス流路の領域に応じて、加湿水の温度を調整することにより、反応ガスの温度を調整して、反応ガスの含有水量を変化させることができるので、反応ガス流路内の水分状態を調整することができる。また、反応ガス流路の領域に応じて加湿水の流量を調整することにより、水収支がマイナスとなっている領域により多くの水を供給することができ、水分布状態を適切に調整することができる。その結果、燃料電池内の水分状態を適切にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１、図２は第１の実施形態を示すものである。まず、図１において、１０は燃料電池スタックである。カソードライン１１にはコンプレッサ１３により空気が供給され、アノードライン１２には水素タンク１４から水素が供給される。燃料電池スタック１０では、これら水素ガスと酸素を含む空気の供給に基づいて電気化学反応により発電を行う。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セルを積層して構成するもので、各燃料電池セルは、電解質膜を挟んでその両側にアノード極とカソード極からなる電極がそれぞれ配置され、さらにその外側には、後述するセパレータ１が配置される。各セパレータ１には、それぞれ電極側に面して、反応ガスとして一方には水素を含む燃料ガスを、他方には酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ導く反応ガス流路２が形成される。
【００１３】
図２には、電極に対峙する面に反応ガス流路２を有するセパレータ１を示す。なお、反応ガス流路２を、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路のどちらか一方、またはその両方とする。つまり、セパレータ１は、燃料電池セルのアノード側のセパレータ、カソード側のセパレータのどちらか一方、あるいはその両方とする。
【００１４】
セパレータ１をポーラスタイプのプレートより構成する。セパレータ１の電極に接触する一面には、図中の下側に示した、互いに並んで配置されるガスの入口マニホールド２ｉ、出口マニホールド２ｏを、プレートを厚み方向に貫通した孔により構成する。これら入口マニホールド２ｉと出口マニホールド２ｏの反対側、すなわち図中の上側には中間マニホールド２ｍを、プレートを厚み方向に貫通した孔により構成する。入口マニホールド２ｉと中間マニホールド２ｍ、および、中間マニホールド２ｍと出口マニホールド２ｏの間には、反応ガス流路２を備える。
【００１５】
反応ガス流路２は、一定の深さをもつ幅の広い溝としてセパレータ１の表面に設けられる。反応ガス流路２は、入口マニホールド２ｉと中央マニホールド２ｍとを接続する反応ガス流路２Ａと、中間マニホールド２ｍと出口マニホールド２ｏとを接続する反応ガス流路２Ｂを備える。反応ガス流路２は、中間マニホールド２ｍを曲がり部として、全体でＵ字形状の流路となる。これにより、反応ガスを図中右下側から導入し、上方に向けて導き、中間マニホールド２ｍで反転して左下側の出口マニホールド２ｏに向けて導くようになっている。
【００１６】
一方、セパレータ１の反応ガス流路２を設けた面の裏面には、加湿水を流通する加湿水流路３を設ける。
【００１７】
ここで、燃料電池スタック１０に無加湿の反応ガスを導入した場合の反応ガスの湿度変化を図３に示す。
【００１８】
反応ガス流路２入口近傍では、反応ガスの相対湿度は小さく、ドライアウトが発生する可能性がある。このように反応ガスの加湿が要求される領域を加湿エリアＡとする。反応ガス流路２内を進むに従って反応ガスの相対湿度が増大し、やがて１００％に達すると凝縮水が発生する。そこで、このような凝縮水が発生し、フラッディングの抑制が要求される領域をフラッディングエリアＢとする。ここでは、加湿エリアＡを反応ガス流路２Ａが設けられた領域とし、フラッディングエリアＢを反応ガス流路２Ｂが設けられた領域とするが、この限りではない。
【００１９】
加湿エリアＡでは、図４に示すように、加湿水流路３中の水が反応ガス流路２側に移動することが望まれ、毛管現象を発生させるキャピラリーフォースＦｃが、水のポーラスの中を通過するときの粘性抵抗Ｆｖと、反応ガス流路２と加湿水流路３の圧力差による抵抗Ｆｐと、の和よりも大きくならなければならない。一方、フラッディングエリアＢでは、図５に示すように、反応ガス流路２中の水が加湿水流路３側に移動するためには、反応ガス流路２と加湿水流路３の圧力差Ｆｐが、キャピラリーフォースＦｃと粘性抵抗Ｆｖの和よりも大きくなければならない。
【００２０】
しかしながら、通常、反応ガス流路２には流路の圧損があるため、特に大流量を必要とする高負荷時には、反応ガスは上流側が最も高圧に、下流側が最も低圧になる。仮に加湿水流路３の圧力を一定であるとすると、図６に示すように、反応ガス流路２と加湿水流路３との圧力差は上流側で最も大きく、下流側が最も小さくなる。これは、上述した加湿エリアＡとフラッディングエリアＢに求められる条件と相反していることになる。
【００２１】
そこで、燃料電池スタック１０に加湿水を供給する加湿水循環系を複数の独立した系統により構成する。図２の点線で示すように、加湿水流路３を、加湿エリアＡに設けた加湿水流路３Ａと、フラッディングエリアＢに設けた加湿水流路３Ｂとに分割して構成する。図２中では、セパレータ１の右側下方に加湿水の入口マニホールド３Ａｉを、右側上方に加湿水の出口マニホールド３Ａｏを、プレート厚み方向に貫通する孔により構成する。加湿水流路３Ａは、セパレータ１の表面に設けた、入口マニホールド３Ａｉと出口マニホールド３Ａｏを接続する溝により構成する。ここでは、加湿水流路３Ａを、裏面の加湿エリアＡを流れる反応ガスの流通方向に略垂直方向に加湿水を流通させるＵ字形状の流路により形成される。
【００２２】
また、図２中では、セパレータ１の左側上方に加湿水の入口マニホールド３Ｂｉを、左側下方に加湿水の出口マニホールド３Ｂｏを、プレート厚み方向に貫通する孔により構成する。加湿水流路３Ｂは、セパレータ１の表面に設けた、入口マニホールド３Ｂｉと出口マニホールド３Ｂｏとを接続する溝により構成する。ここでは、加湿水流路３Ｂは、裏面のフラッディングエリアＢを流れる反応ガスの流通方向に略垂直方向に加湿水を流通させるＵ字形状の流路により形成される。
【００２３】
つまり、加湿水流路３Ａは、反応ガス流路２の上流領域である反応ガス流路２Ａの温度を調整し、加湿水流路３Ｂは、反応ガス流路２の下流領域である反応ガス流路２Ｂの温度を調整する。
【００２４】
加湿水流路３Ａ、３Ｂそれぞれは、一定の深さをもつ幅の広い溝として形成される。また、入口マニホールド３Ａｉ、３Ｂｉ、出口マニホールド３Ａｏ、３Ｂｏとの間には、途中まで伸びる隔壁が設けられ、加湿水流路３Ａ、３Ｂ中を、それぞれ加湿水が途中でＵターンして戻るように流れる。なお、加湿水流路３Ａ、３Ｂは、セパレータ１表面に設けた複数の溝により構成してもよい。加湿水流路３を流れる加湿水の一部は、毛管現象により、ポーラスなセパレータ１を浸透して反応ガス流路２表面に到達し、反応ガス流路２を流れる反応ガスを加湿する。
【００２５】
図１に戻って、加湿水流路３Ａ、３Ｂそれぞれに加湿水を循環する水供給ライン１５Ａ、１５Ｂを備える。また、加湿水を貯蔵する水タンク１７と、水タンク１７の水をそれぞれ加湿水流路３Ａ、３Ｂに供給するポンプ１６Ａ、１６Ｂを備える。さらに、このような二系統よりなる加湿水循環系に対して、それぞれ加湿水流路３Ａ、３Ｂに導入する加湿水の温度を調整する温度調整手段１８Ａ、１８Ｂを備える。温度調整手段１８Ａ、１８Ｂとしては、例えば、外気との熱交換により加湿水を冷却可能なラジエータ等を備える。
【００２６】
このように、本実施形態では、反応ガス流路２の領域に応じて独立して加湿水を供給し、流通する複数の系統よりなる加湿水循環系を備える。ここでは、反応ガス流路２の加湿エリアＡとフラッディングエリアＢに独立して加湿水を供給、流通させる二系統を備える。
【００２７】
次に、燃料電池システムにおける作用について、図７を用いて説明する。図７は、燃料電池スタックにおける水分布の一般例を示す。
【００２８】
反応ガスに沿って、入口から出口に向けて、一つ系統からなる加湿水循環系で加湿水を供給する場合の典型的な水分布を「通常時」として図７（ａ）に示す。この場合、反応ガス流路の入口側では水が不足し、出口側では水分が過剰になる。入口側で水分不足が顕著になると、セパレータを構成するポーラスプレートが乾燥してガス漏れが発生し易くなる。
【００２９】
これに対して、本実施形態のように、独立した二系統からなる加湿水循環系で加湿水を供給する場合、温度調整手段１８Ａ、１８Ｂにより、各系統が供給する加湿水の温度を調整することができる。
【００３０】
ドライアウトが生じる可能性がある加湿エリアＡに設けられた加湿水流路３Ａに導入する加湿水温度を、温度調整手段１８Ａによって選択的に低下させる。この時の水分布の例を「ドライアウト回避時」として図７（ｂ）に示す。この場合、「通常時」に比較して反応ガス流路２の入口側近傍で、反応ガスの相対湿度が１００％となる。つまり、反応ガス流路２の上流側の温度を低下させることにより、燃料電池セル内の水バランスを平準化して、水移動の遅れが補われてドライアウトが抑制される。また、下流側のフラッディングエリアにおいては、加湿水流路３Ｂを流れる比較的高温の加湿水により反応ガス温度が上昇するので、反応ガス中に含まれる水分量が増大して、フラッディングが抑制される。
【００３１】
なお、ここでは、加湿循環系を二系統により構成したがこの限りではなく、三系統、四系統・・・により構成することができる。例えば、加湿水循環系を三系統により構成した場合を図８に示す。ここでは、加湿エリアＡには加湿水流路３Ａ−１、３Ａ−２を設けて、独立した二系統を備える。フラッディングエリアＢには加湿水流路３Ｂを設けて、一系統を備える。つまり、入口マニホールド３Ａｉ−１、加湿水流路３Ａ−１、出口マニホールド３Ａｏ−１からなる、反応ガス流路２Ａの最上流領域に重なる系統と、入口マニホールド３Ａｉ−２、加湿水流路３Ａ−２、出口マニホールド３Ａｏ−２からなる反応ガス流路２Ａのその他の領域に重なる系統と、入口マニホールド３Ｂｉ、加湿水流路３Ｂ、出口マニホールド３Ｂｏからなる反応ガス流路２Ｂに重なる系統と、で加湿水循環系を構成し、それぞれの系統の加湿水温度を独立して設定する。
【００３２】
このように、反応ガスの流通方向について温度が段階的に変化するように、加湿水循環系を構成する複数の系統で、独立して加湿水温度を調整する。これにより、フラッディングを避けつつ、ドライアウトが生じるのを抑制することができる。
【００３３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３４】
電極に対峙する一面には反応ガスを導く反応ガス流路２を、他面には、加湿水を導く加湿水流路３を形成した、少なくとも一部がポーラスな素材で形成されるセパレータ１を有する燃料電池スタック１０を備える。このような燃料電池システムにおいて、加湿水流路３を流れる加湿水の温度を、反応ガス流路２の領域に応じて調整する温度調整機構を備える。
【００３５】
これにより、反応ガス流路２内の水分布に応じて加湿水温度を調整することができるので、ドライアウトを生じ易い箇所の温度を低下させて、セパレータ１の乾燥を避けることができる。その結果、フラッディングを生じ易くすることなく、ドライアウトを抑制することができ、適切な水分布状態に調整することができる。
【００３６】
ここでは、温度調整機構として、加湿水流路３は、反応ガス流路２の上流領域に重なる領域を流れる一系統以上の上流側加湿水流路３Ａと、下流領域に重なる領域を流れる一系統以上の下流側加湿水流路３Ｂと、に分割して複数の流路に形成される。また、各系統の加湿水流路３Ａ、３Ｂに加湿水を供給するポンプ１６Ａ、１６Ｂと、各系統の加湿水流路３Ａ、３Ｂに供給する加湿水温度を独立して調整可能な温度調整手段１８Ａ、１８Ｂと、を備える。これにより、反応ガス流路２Ａを設けた加湿エリアＡにおいては、加湿水の温度を比較的低くすることによりドライアウトを抑制することができ、反応ガス流路２Ｂを設けたフラッディングエリアＢにおいては、加湿水の温度を比較的高くすることによりフラッディングを抑制することができる。
【００３７】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３８】
ここでは、ドライアウトを生じ易い状態を予めマップ等に記憶しておき、ドライアウト発生を予知して、必要に応じて加湿水温度を調整することにより、ドライアウトを回避する。図９に、ドライアウト発生マップの例を示す。燃料電池システムの運転範囲のうち、水収支がマイナスとなる運転領域においては、ドライアウトを起こしやすい。このような場合には、反応ガス流路２Ａに重なる領域（加湿エリアＡ）に導入する加湿水温度を下げる。
【００３９】
具体的には、燃料電池スタック１０の温度と、燃料電池スタック１０に対する出力要求等から求められる負荷電流値と、を検出する。燃料電池スタック１０の温度が高く、負荷電流値が大となったときに、温度調整手段１８Ａを調整することにより、加湿エリアＡに導入する加湿水の温度を低下させる。
【００４０】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態の効果と異なるもののみを説明する。
【００４１】
加湿水の温度を、燃料電池スタック１０の負荷に応じて調整する。このように、負荷による温度分布の違いを考慮して、負荷毎にドライアウトが起り難い状態に先行して温度を制御することが可能となり、ドライアウトを避けた適切な運転状態を維持することができる。
【００４２】
次に、第３の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４３】
図１０に示すように、水供給ライン１５の燃料電池スタック１０下流側に、気泡検知手段１９を備える。ここでは、各水供給ライン１５Ａ、１５Ｂに、気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂを備える。なお、気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂは、燃料電池スタック１０に対して、垂直方向上方に設置されるのが好ましい。気泡検知手段１９は、図１１に示す超音波センサのほか、光センサ等も適用可能である。
【００４４】
気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂにより、燃料電池スタック１０から回収された加湿水中に気泡を検知した場合に、検知された系統の加湿水温度を低下させる。これにより、気泡の増加、即ちドライアウトを回避する。
【００４５】
なお、加湿水温度および圧力は、燃料電池スタック１０との間で熱交換を行った際に、加湿水が気相に変換するのを避けることができる範囲に設定する。
【００４６】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４７】
各系統には、加湿水流路３Ａ、３Ｂにガスが漏洩したことを検知する気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂを備え、ガスの漏洩が検知された系統のみ、加湿水温度を低下させる。これにより、ドライアウトが生じて反応ガスの漏れが生じた場合にも、その箇所へ供給する加湿水の温度を下げることにより、ガス漏れが発生した箇所を水で再度含浸させてガス漏れを止めることができる。
【００４８】
次に、第４の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
図１２を参照して、燃料電池システムの構成を説明する。
【００５０】
第１の実施形態においては、ドライアウトを回避するために加湿水温度を系統毎に個別に調整可能に構成したが、本実施形態では、加湿水流量を系統毎に別個に調整可能に構成する。つまり、各系統に流量調整手段を備える。ここでは、流量調整手段を、ポンプ１６Ａ、１６Ｂおよび、燃料電池スタック１０に供給される加湿水量を検出する流量センサ２０Ａ、２０Ｂから構成する。流量センサ２０Ａ、２０Ｂを、ポンプ１６Ａ、１６Ｂの吐出口と燃料電池スタック１０の入口マニホールド３Ａｉ、３Ｂｉと、の間に、それぞれ配置する。ここでは、流量センサ２０Ａ、２０Ｂの出力に基づいてポンプ１６Ａ、１６Ｂの負荷をフィードバック制御することにより加湿水流量を調整する。
【００５１】
次に、燃料電池スタック１０内の水分布について、図１３を参照して説明する。
【００５２】
一系統により、反応ガス流路の入口から出口に向かって、反応ガスと並行に加湿水を流す場合を「通常時」とする。このような場合は、無加湿の反応ガスが反応ガス流路に導入されることにより、加湿水流路に供給された加湿水の一部が反応ガス流路側に移動して反応ガス中に蒸発する。これにより、図１３（ａ）に示すように、供給されてからしばらくの間は加湿水流量が徐々に低下する。やがて、反応ガスの湿度が１００％に達すると、反応に伴う生成水により反応ガス流路に凝縮水が生じて、反応ガス流路から加湿水流路へ水が移動する。これにより、加湿水流路を流れる加湿水流量が徐々に増大する。
【００５３】
このように、加湿水を反応ガスに並行に流通させる場合、入口側近傍で水分が不足する傾向があり、出口側では水分が過剰となる傾向がある。入口側で水分不足が顕著になると、セパレータ１を構成するポーラスプレートが乾燥してガス漏れが発生する。そこで、水不足を解消するために、図１３（ｂ）に示すように、加湿水流路に導入する加湿水流量を増大する。これにより、水収支がマイナスとなるのを解消し、ドライアウトを回避することができる。
【００５４】
ここで、通常時には、加湿水流量は燃料電池スタック１０の負荷に応じて設定される。ドライアウト回避時に、加湿水流量を通常時に比べて増大するには、加湿水を循環させるポンプの負荷を増大する必要がある。特に、ドライアウトは高負荷時に生じ易いため、ポンプに要求される最大負荷が増大して大型化してしまう。
【００５５】
そこで、本実施形態のように、二系統以上からなる加湿水循環系を備え、それぞれに加湿水を供給するポンプ１６Ａ、１６Ｂを備える。また、ポンプ１６Ａ、１６Ｂの運転を調整するために、加湿水流路３Ａ、３Ｂそれぞれに供給される加湿水流量を検出する流量センサ２０Ａ、２０Ｂを備える。これにより、ドライアウトの生じ易い加湿エリアＡに沿って流れる加湿水を選択的に増大することができる。このとき、ポンプ１６Ａの負荷を通常時に比較して増大する必要があるが、加湿水流路３Ａの圧損は一系統で構成したときに比較して小さくなるので、負荷増加量を抑制することができる。
【００５６】
なお、燃料電池スタック１０の下流側に、それぞれ加湿水流路３Ａ、３Ｂ内の圧力を調整するバルブ等の圧力調整手段を備え、ポンプ１６Ａの負荷を増大した際にバルブを負荷に応じた開度に固定してもよい。この場合には、加湿水流路３Ａ内の圧力が増大するため、加湿水流路３Ａから反応ガス流路２Ａ側に水が移動し易くなるので、ドライアウトがより適切に抑制される。反対に、フラッディングエリアＢでフラッディングが生じる場合には、バルブを負荷に応じた開度に固定した状態で、ポンプ１６Ｂの負荷を抑制する。これにより、フラッディングエリアＢで、反応ガス流路２Ｂと加湿水流路３Ｂの差圧が大きくなり、反応ガス流路２Ｂから加湿水流路３Ｂ側への水の移動を促進し、フラッディングを抑制することができる。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００５８】
電極に対峙する一面には反応ガスを導く反応ガス流路２を、他面には、加湿水を導く加湿水流路３を形成した、少なくとも一部がポーラスな素材で形成されるセパレータ１を備える。このような燃料電池システムにおいて、加湿水流路３を流れる加湿水の流量を、反応ガス流路２の領域に応じて調整する流量調整機構を備える。これにより、水収支がマイナスとなる領域に供給する加湿水流量を増大して水不足を解消することができる。その結果、フラッディングを増大することなく、ドライアウトを抑制することができ、適切な水分布状態に調整することができる。
【００５９】
ここでは、流量調整機構として、加湿水流路３は、反応ガス流路２の上流領域に重なる領域を流れる一系統以上の上流側加湿水流路３Ａと、下流領域に重なる領域を流れる一系統以上の下流側加湿水流路３Ｂと、に分割して複数の流路に形成される。また、各系統の加湿水流路３Ａ、３Ｂに供給する加湿水の流量を独立して調整可能な流量調整手段を備える。ここでは流量調整手段２０として、ポンプ１６と流量センサ２０を備え、フィードバック制御によりポンプ１６を制御することにより、加湿水流量を調整する。これにより、水収支がマイナスになり易い反応ガス流路２Ａを設けた加湿エリアＡにおいては、加湿水の流量を比較的多くすることにより水不足を解消してドライアウトを抑制することができる。
【００６０】
次に、第５の実施形態について説明する。以下、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６１】
ここでは、ドライアウトを生じ易い状態を予めマップ等に記憶しておき、ドライアウト発生を予知して、必要に応じて加湿水流量を調整することにより、ドライアウトを回避する。図９に、ドライアウト発生マップの例を示す。燃料電池システムの運転範囲のうち、水収支がマイナスとなる運転領域においては、ドライアウトを起こしやすい。このような運転領域であると判断された場合には、反応ガス流路２Ａに重なる領域（加湿エリアＡ）に導入する加湿水流量を増大するために、ポンプ１６Ａの負荷を通常より大きく設定する。
【００６２】
ここでは、燃料電池スタック１０の温度と、燃料電池スタック１０に対する出力要求等から求められる負荷電流値と、を検出する。燃料電池スタック１０の温度が高く、負荷電流値が大となったときに、加湿エリアＡに導入する加湿水の流量を増大する。
【００６３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第４の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６４】
加湿水の流量を、燃料電池スタック１０の負荷と温度に応じて調整する。これにより、燃料電池スタック１０の運転状態に応じた水バランスを考慮して、加湿水流量の増減を、系統毎に個別に行うことができ、ドライアウトを避けた適切な水分布に調整することができる。
【００６５】
次に、第６の実施形態について説明する。以下、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６６】
図１４に示すように、水供給ライン１５の燃料電池スタック１０下流側に、気泡検知手段１９を備える。ここでは、各水供給ライン１５Ａ、１５Ｂに、気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂを備える。なお、気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂは、燃料電池スタック１０に対して、垂直方向上方に設置されるのが好ましい。気泡検知手段１９は、図１１に示す超音波センサのほか、光センサ等も適用可能である。
【００６７】
気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂにより、燃料電池スタック１０から回収された燃料電池スタック１０中に気泡を検知した場合に、検知された系統の加湿水流量を増大させる。これにより、気泡の増加、即ちドライアウトを回避する。
【００６８】
なお、加湿水温度、圧力は、燃料電池スタック１０との間で熱交換を行った際に、加湿水が気相に変換するのを避けることができる範囲に設定する。
【００６９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第４の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７０】
各系統には、加湿水流路３Ａ、３Ｂにガスが漏洩したことを検知する気泡検知手段１９Ａ、１９Ｂを備え、ガスの漏洩が検知された系統のみの加湿水流量を増大させる。これにより、水不足によりドライアウトが生じて反応ガスの漏れが生じた場合にも、その箇所へ供給する加湿水の流量を増大することにより、ガス漏れが発生した箇所を水で再度含浸させてガス漏れを止めることができる。
【００７１】
なお、第２〜第６の何れの実施形態においても、第１の実施形態に示した様に図８に示すセパレータを用いた燃料電池システムや、その他複数の加湿水循環系を有する燃料電池システムに適用することができる。
【００７２】
また、燃料電池スタック１０の下流側に、それぞれ加湿水流路３Ａ、３Ｂ内の圧力を調整するバルブ等の圧力制御手段を備え、加湿水流路３Ａ内の圧力を比較的高く制御し、加湿水流路３Ｂ内の圧力を比較的低く制御することにより、ドライアウトおよびフラッディングをさらに抑制してもよい。
【００７３】
さらに、加湿エリアＡとフラッディングエリアＢは、それぞれ反応ガス流路２の上流半分が形成された領域、下流半分が形成された領域としているが、この限りではない。例えば、実験等により、ドライアウトやフラッディングの生じ易い領域を求めて、加湿エリアＡ、フラッディングエリアＢとしてもよい。
【００７４】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、ポーラスプレートを用いた燃料電池に、無加湿状態の反応ガスを導入する燃料電池システムに適用することで、適切な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】第１の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態によるセパレータの平面図である。
【図３】反応ガス流路内の相対湿度の特性を示す図である。
【図４】加湿エリアの水移動の状態を示す図である。
【図５】フラッディングエリアの水移動の状態を示す図である。
【図６】反応ガス流路に沿った反応ガスと加湿水の圧力状態を示す図である。
【図７】反応ガス流路における水生成量と温度を示す図である。
【図８】第１の実施形態によるセパレータの別の例を示す平面図である。
【図９】運転状態に応じた水収支のマップの特性を示す図である。
【図１０】第３の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図１１】第３の実施形態による気泡検知手段の概略構成図である。
【図１２】第４の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図１３】反応ガス流路における水生成量と温度を示す図である。
【図１４】第６の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００７７】
１    セパレータ
２    反応ガス流路
３    加湿水流路
１０  燃料電池スタック
１６  ポンプ（加湿水を供給する手段、加湿水流量調整手段）
１８  加湿水温度調整手段
１９  気泡検知手段
２０  流量センサ（加湿水流量調整手段）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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