(57)【要約】【課題】どのような運転状況であっても燃料電池の発電を安定させることができ、しかも装置の簡素化および小型化が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質膜を挟んで空気が供給される空気極と水素が供給される水素極とが配置される膜電極接合体がセパレータを介して複数積層された燃料電池１０と、燃料電池１０に冷媒を供給する冷媒供給装置２０と、空気極に空気を供給する空気供給部３０と、冷媒に水素を供給する水素供給部４０と、冷媒に水素を含有させるミキサ５０Ａ〜５０Ｄ、とを備え、冷媒供給装置２０は、水素極に水素を含有した冷媒を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んで酸化剤ガスが供給される酸化剤極と燃料ガスが供給される燃料極とが配置される膜電極接合体がセパレータを介して複数積層された燃料電池と、
前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給装置と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記冷媒に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記冷媒に前記燃料ガスを含有させる含有装置と、を備え、
前記冷媒供給装置は、前記燃料極に燃料ガスを含有した冷媒を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記各膜電極接合体の前記酸化剤極が前記燃料極に対して上側に位置するように鉛直方向に積層されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記含有装置は、前記冷媒供給装置の冷媒流路内に位置し、前記燃料ガスの吐出口が冷媒の流れる方向の下流側に向かって配置され、かつ、前記吐出口には、前記燃料ガスを噴霧するノズルが備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記含有装置は、前記冷媒供給装置の冷媒流路内に位置し、前記燃料ガスの吐出口が冷媒の流れる方向の下流側に向かって配置され、かつ、前記吐出口には、フィルタが備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷媒は、不凍液および前記燃料電池の発電によって得られる生成水を含んで構成され、
前記冷媒に不凍液を供給する不凍液供給装置と、
前記冷媒に生成水を供給する生成水供給装置と、
前記冷媒の不凍液濃度を検出する濃度検出装置と、
前記不凍液濃度が所定値以上か否かを判断する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記不凍液濃度が所定値以上のときに前記生成水供給装置から生成水を供給させ、前記不凍液濃度が所定値未満のときに前記不凍液供給装置から不凍液を供給させることを特徴とする請求項１から請求項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、燃料ガス循環型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、燃料電池に供給する燃料ガスを有効に使用するための技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、エゼクタを用いて、燃料極から排出された未反応の燃料ガス（水素）を、再び燃料極に戻して循環させる技術が提案されている。このような水素循環型の燃料電池システムを車両に適用することで、車両に搭載された高圧水素タンクの圧力エネルギを有効に利用することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８４０９８号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の水素循環型の燃料電池システムでは、燃料電池システムを車両に搭載した場合、車両が減速したとき、あるいは、アイドルストップ等の間欠運転をしたとき、燃料電池への水素（燃料ガス）の供給を停止するものがある。この間、燃料電池は、内部に滞留する酸素（酸化剤ガス）と水素とを反応させて発電させることが行われている。
【０００５】
しかし、燃料電池に新規の水素が供給されないため、燃料電池内で反応によって生成した水は、燃料電池内、詳しくは水素極（燃料極）から排出されなくなる。そのため、加減速を繰り返したり、アイドルストップ等の間欠運転をした場合、生成水が燃料電池内から排出されずに滞留してしまう。このため、水素極の表面が生成水で覆われることにより水素極への水素供給が阻害され、燃料電池の発電安定性が損なわれるという問題がある。
【０００６】
また、燃料電池に水素を供給するためには、水素の温度調整用の熱交換器、水素極から排出される水を抽出して排水するための気液分離器といった様々な補機類が必要となる。そのため、燃料電池システムの簡素化や小型化が困難となる。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、どのような運転状況であっても燃料電池の発電を安定させることができ、しかも装置の簡素化および小型化が可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電解質を挟んで酸化剤ガスが供給される酸化剤極と燃料ガスが供給される燃料極とが配置される膜電極接合体がセパレータを介して複数積層された燃料電池と、前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記冷媒に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記冷媒に前記燃料ガスを含有させる含有装置と、を備え、前記冷媒供給装置は、前記燃料極に燃料ガスを含有した冷媒を供給することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、燃料ガスを含有させた冷媒を燃料極に供給するシステムにすることで、例えば、燃料ガスの温度調整をするための熱交換器を冷媒の温度調整をするための冷媒供給装置（ラジエータなど）と共有することができ、また反応によって生成した水を抽出して排出するための気液分離器を無くすことができるので、燃料電池システムの簡素化および小型化が可能になる。
【００１０】
また、含有装置によって燃料ガスが冷媒中に含有した状態で燃料電池に供給されるので、燃料極に燃料ガスが適切に供給され、発電を安定して行うことができる。よって、車両の減速時、アイドルストップの間欠運転時などにおいて、燃料電池への水素（燃料ガス）の供給を停止したとしても、発電安定性が損なわれることがない。
【００１１】
ところで、これまでの燃料電池は、電解質膜を挟んで空気極と水素極とが相対して構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、一対の導電性のセパレータで挟み込んで構成した単セルの積層構造からなっている。また、隣り合う単セルと単セルとの間には、空気（酸素）と水素との発熱反応によって燃料電池自身が高温とならないように冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。
【００１２】
本発明によれば、セパレータに冷媒流路を設ける必要がなくなるので、または設けるとしても少量の流路で済むので、セパレータの厚みを薄くすることができ、その結果、燃料電池の積層構造を薄くすることができ、燃料電池の小型化が可能になる。
【００１３】
また、前記燃料電池は、前記各膜電極接合体の前記酸化剤極が前記燃料極に対して上側に位置するように鉛直方向に積層されることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、燃料ガス（例えば、水素）は冷媒（例えば、水＋不凍液など）に比べて比重が軽いので、単セルの積層方向において、酸化剤極を鉛直方向（重力方向）の上側になるように配置することで、冷媒に含まれる燃料ガスを、酸化剤極側に滞留させることができ、酸化剤ガスとの反応がし易くなる。これにより、高効率の発電が可能になる。
【００１５】
また、前記含有装置は、前記冷媒供給装置の冷媒流路内に位置し、前記燃料ガスの吐出口が冷媒の流れる方向の下流側に向かって配置され、かつ、前記吐出口には、前記燃料ガスを噴霧するノズルが備えられていることを特徴とする。
【００１６】
これによれば、燃料ガスの吐出口を冷媒の流れる方向である下流側に向けて含有装置を配置することで、燃料ガスを冷媒に含有させる際に、冷媒が燃料ガスを供給する燃料ガスタンク側に逆流するのを防止できる。
【００１７】
また、燃料ガスを、冷媒が流れる方向である下流側に向けて吐出させるので、冷媒の抵抗を受けることなく燃料ガスを冷媒中に分散させることが可能になる。
【００１８】
また、前記含有装置は、前記冷媒供給装置の冷媒流路内に位置し、前記燃料ガスの吐出口が冷媒の流れる方向の下流側に向かって配置され、かつ、前記吐出口には、フィルタが備えられていることを特徴とする。
【００１９】
これによれば、前記と同様に、燃料ガスの吐出口を冷媒の流れる方向である下流側に向けて含有装置を配置することで、燃料ガスを冷媒に含有させる際に、冷媒が燃料ガスを供給する燃料ガスタンク側に逆流するのを防止できる。また、燃料ガスを、冷媒が流れる方向である下流側に向けて吐出するので、冷媒の抵抗を受けることなく燃料ガスを冷媒中に分散させることが可能になる。
【００２０】
また、前記冷媒は、不凍液および前記燃料電池の発電によって得られる生成水を含んで構成され、前記冷媒に不凍液を供給する不凍液供給装置と、前記冷媒に生成水を供給する生成水供給装置と、前記冷媒の不凍液濃度を検出する濃度検出装置と、前記不凍液濃度が所定値以上か否かを判断する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記不凍液濃度が所定値以上のときに前記生成水供給装置から生成水を供給させ、前記不凍液濃度が所定値未満のときに前記不凍液供給装置から不凍液を供給させることを特徴とする。
【００２１】
ところで、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応によって発生する水により冷媒の不凍液濃度が低くなると、低温時に冷却水が凍る可能性がある。また、冷媒の不凍液濃度が高くなると、冷媒の粘性が上がり、循環がしにくくなる可能性がある。そこで、不凍液濃度を最適に維持できるように濃度検出装置を設け、不凍液濃度が所定範囲内か否かによって、不凍液を供給したり、逆に生成水を供給したりすることにより、冷媒が低温時に凍ることや粘性が上がって循環しにくくなることを防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、どのような運転状況であっても燃料電池の発電を安定させることができ、しかも装置の簡素化および小型化が可能な燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】燃料電池の内部構造を示す断面図であり、（ａ）は本実施形態、（ｂ）は比較例である。
【図３】本実施形態のミキサを示す断面図であり、（ａ）はフィルタ型、（ｂ）はノズル型である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、図３の（ａ）および（ｂ）にメッシュフィルタを追加したミキサを示す断面図である。
【図５】燃料電池の内部構造を示す断面図であり、（ａ）は鉛直方向に積層した状態、（ｂ）は水素の挙動を示す模式図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図７】第２実施形態の燃料電池システムにおける制御を示すフローチャートである。
【図８】第３実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図９】第４実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す燃料電池システム１Ａ〜１Ｄは、燃料電池自動車、船舶、航空機、家庭用や業務用の定置式のものなど様々なものに適用することができる。
【００２５】
（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、冷媒供給装置２０、空気供給部（酸化剤ガス供給部）３０、水素供給部（燃料ガス供給部）４０、ミキサ（含有装置）５０Ａ、不凍液供給装置６０、濃度検出装置７０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）８０Ａなどで構成されている。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、燃料電池１０は、例えば固体高分子膜型の燃料電池であり、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１と一対のセパレータ１５，１６とが組み合わされて構成された単セルが厚み方向に複数積層された構造を有している。また、各単セルは、電気的に直列に接続されて大きな電圧を得ることができるようになっている。
【００２７】
膜電極接合体１１は、電解質膜（プロトン伝導膜）１２の一面側に触媒を含む水素極１３、他面側に触媒を含む空気極１４が積層されている。電解質膜１２は、イオン（プロトン；Ｈ＋）伝導性を有する固体高分子電解質膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が用いられ、燃料電池１０の運転時に加湿されて使用される。
【００２８】
なお、水素極１３および空気極１４には、例えばカーボン粒子に触媒（白金など）を担持させて得られた触媒粒子を導電性高分子材料からなるバインダに分散させることで形成されている。バインダとしては、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物などが用いられる。さらに、水素極１３および空気極１４は、それぞれ図示しないカーボンペーパ等からなるガス拡散層が積層されて構成されている。
【００２９】
セパレータ１５は、金属やカーボンなどの導電性材料で板状に形成されたものであり、水素極１３のガス拡散層に対向する面に、水素を含む冷媒が流通するクシ歯形状のアノード流路１５ａが形成されて構成されている。
【００３０】
セパレータ１６は、金属やカーボンなどの導電性材料で板状に形成されたものであり、空気極１４のガス拡散層に対向する面に、例えば、空気（酸素）が流通するクシ歯形状のカソード流路１６ａが形成されて構成されている。
【００３１】
なお、本実施形態では、隣り合う膜電極接合体（ＭＥＡ）１１間におけるセパレータ１５とセパレータ１６とを一枚（共有）のセパレータで構成して、そのセパレータの一面側にアノード流路、他面側にカソード流路をそれぞれ形成するようにしてもよい。
【００３２】
図１に示すように、冷媒供給装置２０は、燃料電池１０に対して水素を含む冷媒を循環させるものであり、ラジエータ２１、循環ポンプ２２、リザーバタンク２３、冷媒配管２４ａ〜２４ｄなどで構成されている。なお、冷媒は、例えば、エチレングリコール、水、耐腐食性を高める添加剤などの混合液からなる。
【００３３】
また、ラジエータ２１の冷媒出口は、冷媒配管２４ａ、循環ポンプ２２、冷媒配管２４ｂを介して燃料電池１０のアノード流路１５ａの入口と接続されている。また、燃料電池１０のアノード流路１５ａの出口は、冷媒配管２４ｃを介してラジエータ２１の冷媒入口と接続されている。
【００３４】
ラジエータ２１は、燃料電池１０の発電によって生じた熱を、冷媒を介して放熱させるものであり、アルミニウム合金などで形成されたチューブおよびチューブの外周面に設けられたフィンなどで構成されている。フィン間に空気を通流させることにより、チューブ内を通過する冷媒が冷却されるようになっている。
【００３５】
循環ポンプ２２は、冷媒を循環させる電動式のモータを備えており、後記するＥＣＵ８０Ａによって、モータの回転速度が制御される。
【００３６】
リザーバタンク２３は、温度変化に伴う冷媒回路（２４ａ〜２４ｃ）内の圧力調整をするものであり、冷媒配管２４ｄの一端が冷媒配管２４ｃと接続され、他端がリザーバタンク２３と接続されて構成されている。なお、図示していないが、冷媒配管２４ｃと冷媒配管２４ｄとの接続部には、圧力調整を行う装置（いわゆるラジエータキャップに相当するもの）が取り付けられ、冷媒の温度が上昇したときに、冷媒回路の冷媒の一部をリザーバタンク２３に排出するようになっている。
【００３７】
なお、図示していないが、冷媒供給装置２０は、ラジエータ２１をバイパスするバイパス配管と、冷媒の温度に応じて、冷媒をラジエータ側とバイパス通路側との間で冷媒流量を調整するサーモスタット弁とを備えて構成されていてもよい。また、冷媒供給装置２０は、冷媒中のイオン濃度を低減させるイオン交換器を備えていてもよい。
【００３８】
空気供給部３０は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給するものであり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３、配管３４ａ〜３４ｄなどで構成されている。
【００３９】
エアコンプレッサ３１は、配管３４ａ、加湿器３２、配管３４ｂを介して燃料電池１０のカソード流路１６ａの入口と接続されている。また、カソード流路１６ａの出口は、配管３４ｃ、加湿器３２、配管３４ｄを介して背圧弁３３と接続されている。なお、背圧弁３３の下流側は、燃料電池システム１Ａの外部（大気）と連通している。
【００４０】
エアコンプレッサ３１は、例えばモータで駆動される機械式の過給器で構成され、外気（空気）を圧縮して、燃料電池１０の空気極１４に向けて供給する。
【００４１】
加湿器３２は、エアコンプレッサ３１からの空気（低湿潤ガス）を、燃料電池１０の空気極１４から排出されたオフガス（高湿潤ガス、水蒸気＋凝縮水）で加湿する機能を有する。この加湿器３２は、例えば、水分交換膜からなる中空糸膜の束をケース（図示せず）内に収容して、各中空糸膜の内側に低湿潤ガスが、中空糸膜の外側に高湿潤ガスが通流するように構成されている。
【００４２】
背圧弁３３は、例えばバタフライ弁で構成され、弁開度を調整することにより、空気極１４に供給される空気の圧力を調整するようになっている。
【００４３】
水素供給部４０は、燃料電池１０内を循環する冷媒に水素を供給するものであり、高圧水素タンク４１、遮断弁４２、レギュレータ４３、配管４４ａ〜４４ｃなどで構成されている。
【００４４】
高圧水素タンク４１は、高純度の水素を高圧で圧縮充填したものであり、配管４４ａ、遮断弁４２、配管４４ｂ、レギュレータ４３、配管４４ｃを介して冷媒配管２４ｂと接続されている。
【００４５】
遮断弁４２は、例えば電磁作動式のものであり、後記するＥＣＵ８０Ａによって開閉制御される。
【００４６】
レギュレータ４３は、高圧水素タンク４１から供給された水素の圧力（一次圧）を所定の圧力（二次圧）に減圧する機能を有する。なお、レギュレータ４３は、空気極１４側の空気圧を信号圧として作動するものであってもよく、あるいは電気的な信号に応じて作動するものであってもよい。
【００４７】
図３（ａ）に示すように、ミキサ５０Ａは、水素供給部４０から供給された水素を冷媒に含有させるものであり、配管５１と、フィルタ５２とで構成されている。
【００４８】
配管５１は、水素供給部４０の配管４４ｃの先端部であり、冷媒配管２４ｂ（冷媒流路）を貫通して、冷媒配管２４ｂ内に位置している。また、配管５１の先端の吐出口５１ａは、冷媒の流れる方向の下流側（燃料電池１０側）に向けられている。また、配管５１の吐出口５１ａは、冷媒配管２４ｂ内のほぼ中央に位置している。
【００４９】
フィルタ５２は、焼結金属型のものであり、例えば、金属（ステンレスなど）の粉を押し固めてから焼結することで形成され、多孔性を有するものである。フィルタ５２を配管５１の先端に取り付けることにより、高圧水素タンク４１（図１参照）から水素が配管４４ｃを介して供給されたときに、冷媒配管２４ｂ内においてフィルタ５２から水素が拡散しながら冷媒中に放出されるようになっている。
【００５０】
なお、本実施形態の含有装置は、図３（ａ）に示すミキサ５０Ａに限定されるものではなく、図３（ｂ）に示すミキサ５０Ｂ、図４（ａ）および（ｂ）に示すミキサ５０Ｃ、５０Ｄであってもよい。
【００５１】
図３（ｂ）に示すミキサ５０Ｂは、焼結金属型に替えてノズル型としたものであり、水素の吐出口５１ｂが冷媒の流れる方向の下流側に向かって配置され、かつ。冷媒配管２４ｂ内に位置する配管５１の吐出口５１ｂが先細り形状となるノズル５３を備えている。このように、ミキサ５０Ｂでは、ノズル型とすることにより、吐出口５１ｂから下流側に向けて水素が拡散しながら噴霧されるようになっている。
【００５２】
図４（ａ）に示すミキサ５０Ｃは、図３（ａ）に示すミキサ５０Ａとメッシュフィルタ５４とを組み合わせた構成である。メッシュフィルタ５４は、フィルタ５２の下流側に位置して、冷媒配管２４ｂの流路断面全体を覆うように配置されている。フィルタ５２から放出された水素をメッシュフィルタ５４に通過させることにより、メッシュフィルタ５４の下流側において水素をさらに拡散させることができる。
【００５３】
図４（ｂ）に示すミキサ５０Ｄは、図３（ｂ）に示すミキサ５０Ｂとメッシュフィルタ５４とを組み合わせた構成であり、ノズル５３から吐出された水素を、さらに拡散させることができる。
【００５４】
図１に示すように、不凍液供給装置６０は、リザーバタンク２３に不凍液を適宜供給するものであり、不凍液成分タンク６１、開閉弁６２、配管６３ａ，６３ｂなどで構成されている。
【００５５】
不凍液成分タンク６１は、冷媒に含まれる不凍液成分（エチレングリコール）を貯留する容器を有し、配管６３ａ、開閉弁６２、配管６３ｂを介してリザーバタンク２３と接続されている。
【００５６】
開閉弁６２は、例えば電磁作動式のものであり、後記するＥＣＵ８０Ａによって開閉制御される。開閉弁６２が開となることにより、不凍液成分タンク６１から不凍液がリザーバタンク２３に供給されるようになっている。
【００５７】
濃度検出装置７０は、冷媒中の不凍液濃度を検出するものであり、オリフィス７１、圧力計７２，７３、温度計７４などで構成されている。なお、濃度検出装置７０は、光学的に不凍液濃度を検出するものでもよい。
【００５８】
オリフィス７１は、不凍液濃度を検出するために設けられた絞りであり、冷媒配管２４ｃに設けられている。
【００５９】
圧力計７２は、オリフィス７１の入口側に位置し、オリフィス７１に導入される前の冷媒の圧力Ｐｉｎを検出するものである。圧力計７３は、オリフィス７１の出口側に位置し、オリフィス７１から排出された後の冷媒の圧力Ｐｏｕｔを検出するものである。このように、オリフィス７１の前後の圧力差（圧力損失：ΔＰ＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を検出することにより、不凍液濃度を算出することができる。
【００６０】
温度計７４は、サーミスタなどを用いて冷媒の温度を検出するものであり、燃料電池１０のアノード流路１５ａの出口側に設けられている。この温度計７４は、例えば、不凍液濃度を補正するために用いられる。これは、冷媒の温度によって水の密度が変化することによる。
【００６１】
なお、冷媒の不凍液濃度を検出する手段としては、オリフィス７１を用いて、オリフィス７１の前後に差圧を発生させる構成に限定されるものではなく、オリフィス７１を設けずに、燃料電池１０のアノード流路１５ａの入口側（冷媒配管２４ｂ）と出口側（冷媒配管２４ｃ）にそれぞれ圧力計を設けて、圧力差を検出する構成であってもよい。なお、この場合に用いられる温度計は、燃料電池１０のアノード流路１５ａの入口側に設けられる。
【００６２】
また、不凍液濃度の検出は、圧損体の前後に圧力計を用いて圧力差を検出するものに限定されず、屈折率計を用いて光学的に検出するようにしてもよい。これにより、圧力計のセンサ類を不要にできる。
【００６３】
ＥＣＵ８０Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、濃度検出装置７０によって検出された不凍液濃度が不足していると判断したときに、開閉弁６２を開弁して、不凍液成分タンク６１からリザーバタンク２３に不凍液を供給する。
【００６４】
また、ＥＣＵ８０Ａは、遮断弁４２および開閉弁６２を開閉し、循環ポンプ２２およびエアコンプレッサ３１の各モータの回転速度を制御し、背圧弁３３の開度を調整し、圧力計７２，７３から各圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔ、温度計７４から温度Ｔをそれぞれ取得する。
【００６５】
次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について説明する。すなわち、燃料電池システム１Ａの運転が開始されると、ＥＣＵ８０Ａは、循環ポンプ２２の駆動を開始することで、冷媒が燃料電池１０とラジエータ２１との間を循環する。また、ＥＣＵ８０Ａは、遮断弁４２を開弁することにより、高圧水素タンク４１から供給された水素がレギュレータ４３で減圧され、ミキサ５０Ａによって冷媒中に拡散しながら供給される。同時に、ＥＣＵ８０Ａは、エアコンプレッサ３１、加湿器３２を通って供給された加湿空気は、カソード流路１６ａを介して空気極１４に供給される。
【００６６】
そして、アノード流路１５ａに水素を含む冷媒が供給されることにより、水素極１３の表面に冷媒中の水素が供給され、空気極１４に空気中の酸素が供給されることで、発電が可能となる。発電電力は、外部負荷（エアコンプレッサ３１などの補機）に供給される。
【００６７】
また、燃料電池１０のアノード流路１５ａから排出された未消費の水素は、高温の冷媒とともに冷媒配管２４ｃを介してラジエータ２１に導入され、ラジエータ２１において冷媒が冷却される。
【００６８】
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、水素（燃料ガス）を含有させた冷媒を水素極１３に供給することで、水素の温度調整をするための水素用熱交換器を冷媒の温度調整をするためのラジエータ２１と共有することができ、また、発電によって生成された水を抽出して排水するための気液分離器を不要にできるので、燃料電池システム１Ａを簡素化および小型化することが可能になる。
【００６９】
ところで、図２（ｂ）の比較例に示す燃料電池１００は、これまでの一般的な内部構造を示しており、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１が一対のセパレータ１０１，１０２で挟まされて単セルが構成され、この単セルが複数積層されて構成されている。すなわち、セパレータ１０１には、ＭＥＡ１１と対向する面に水素が通流するアノード流路１０１ａが形成され、反対側の面に冷媒が流通する流路１０１ｂが形成されている。また、セパレータ１０２には、ＭＥＡ１１と対向する面に空気（酸素）が通流するカソード流路１０２ａが形成され、反対側の面に冷媒が流通する流路１０２ｂが形成されている。また、隣接するセパレータ１０１の流路１０１ｂとセパレータ１０２の流路１０２ｂとで冷媒が通流する冷媒流路が形成されている。
【００７０】
このように第１実施形態によれば、冷媒中に水素を含有させて水素極１３に水素を含む冷媒を供給することにより、図２（ｂ）に示す冷媒流路１０１ｂ，１０２ｂを不要にできるので、図２（ａ）に示すように、セパレータ１５，１６の厚みを薄くすることができる。その結果、セパレータ１５，１６とＭＥＡ１１とから構成される単セルを薄型化できて、燃料電池１０の積層寸法を短くすることが可能になり、燃料電池１０の小型化が可能になる。
【００７１】
また、第１実施形態によれば、水素の吐出口５１ａ（５１ｂ）が冷媒の流れる方向の下流側に向くようにミキサ５０Ａ（５０Ｂ〜５０Ｄ）を配置したので、水素を冷媒中に含有させる際に、冷媒が高圧水素タンク４１側に逆流するのを防止できる。さらに、水素を冷媒が流れる方向の下流側に向けて吐出させているので、冷媒の抵抗を受けることなく、水素を冷媒中に分散させることが可能になる。
【００７２】
また、第１実施形態によれば、循環させる冷媒に不凍液を含ませることにより、従来からあった低温時（例えば、氷点下時）における水素極１３側（アノード系）の凍結課題を解決可能となる。ところで、水素極１３側は、湿度１００％となるため、空気極１４側からの生成水の逆拡散は少なくなるが、燃料電池システム１Ａを長期運転すると不凍液濃度が下がる可能性がある。そこで、第１実施形態では、オリフィス７１の前後の差圧（ΔＰ）および冷媒の温度（Ｔ）により不凍液濃度を算出して、適宜不凍液の成分を冷媒に注入することにより、不凍液濃度が低下するのを防止でき、水素極１３側の凍結を防止できる。
【００７３】
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、図５（ａ）に示すように、燃料電池１０の各膜電極接合体１１の空気極（酸化剤極）１４が水素極（燃料極）１３に対して上側に位置するように鉛直方向に単セルを積層するようにしてもよい。
【００７４】
これにより、水素が冷媒（水など）に比べて比重が非常に軽いので、セパレータ１５に形成されたアノード流路１５ａに水素を含む冷媒を、セパレータ１６に形成されたカソード流路１６ａに空気（酸素）をそれぞれ供給したときに、図５（ｂ）に示すように、冷媒に含まれる水素が、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１の空気極（酸化剤極）１４側に滞留し易くなり、空気中の酸素と反応し易くなる。その結果、高効率の発電が可能になる。
【００７５】
なお、図５（ａ）に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１の厚み方向が鉛直方向を向くように単セルを平積みにした場合には、水素を冷媒中に拡散させる必要がなくなるので、図３（ａ）に示すフィルタ５２、図３（ｂ）に示すノズル５３、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すメッシュフィルタ５４を不要にできる。
【００７６】
（第２実施形態）
図６は第２実施形態の燃料電池システム１Ｂを示す全体構成図である。この燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａに生成水供給装置９０を追加した構成である。なお、その他の構成については、第１実施形態の燃料電池システム１Ａと同様の符号を付して重複する説明は省略する。
【００７７】
生成水供給装置９０は、冷媒に生成水を供給するものであり、気液分離器９１、開閉弁９２、配管９３ａ，９３ｂなどで構成されている。
【００７８】
気液分離器９１は、例えば、燃料電池１０のカソード流路１６ａから排出される生成水（凝縮水）と、空気（ガス）とを分離して、生成水（凝縮水）を貯留する容器を有する。また、気液分離器９１は、加湿器３２と背圧弁３３との間に設けられ、配管３４ｄ１を介して加湿器３２と接続され、配管３４ｄ２を介して背圧弁３３と接続されている。
【００７９】
また、気液分離器９１は、配管９３ａ、開閉弁９２および配管９３ｂを介してリザーバタンク２３と接続されている。また、ＥＣＵ８０Ｂは、第１実施形態における制御に加えて、開閉弁９２を開閉制御する。
【００８０】
図７に示すように、ＥＣＵ（制御装置）８０Ｂは、ステップＳ１０において、濃度検出装置７０により冷媒の不凍液濃度を検出し、記憶する。このときの不凍液濃度は、圧力計７２によって検出される圧力Ｐｉｎと、圧力計７３によって検出される圧力Ｐｏｕｔとの圧力差（圧力損失）ΔＰによって算出することができる。例えば、ΔＰが大きくなるにつれて、不凍液濃度が高くなる。また、冷媒の温度によって水の密度が変わることから、不凍液濃度を温度Ｔ（例えば、１０℃ごと）によって補正してもよい。
【００８１】
なお、不凍液濃度を検出するタイミングは、タイマを用いて所定時間毎に検出してもよく、または燃料電池の起動時や停止時などに検出してもよい。
【００８２】
そして、ステップＳ２０において、ＥＣＵ８０Ｂは、記憶した不凍液濃度（ステップＳ１０において検出された不凍液濃度）が、所定値Ａ以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２５に進む。なお、所定値Ａは、低温時（氷点下時、例えば、マイナス２０℃）に冷媒が凍結するのを防止できる濃度に設定される。
【００８３】
ステップＳ２５において、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ１０において検出された不凍液濃度が、所定値Ｂ以下と判断した場合には（Ｙｅｓ）、スタートに戻って再度不凍液濃度を監視する。ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ１０において検出された不凍液濃度が、所定値Ｂより高いと判断した場合には（Ｓ２５、Ｎｏ）、ステップＳ３０に進む。なお、所定値Ｂは、高温時（沸点時、例えば、１００℃）に冷媒が沸騰し、粘性が高くなるのを防止できる濃度に設定される。
【００８４】
ステップＳ３０において、ＥＣＵ８０Ｂは、開閉弁９２を開弁して、気液分離器９１に貯留された生成水をリザーバタンク２３に、配管９３ａ，９３ｂを介して供給する。リザーバタンク２３に生成水が供給されることにより、冷媒の不凍液濃度が最適な状態に調整され、低温時に冷媒が凍結するのを防止できる。
【００８５】
なお、リザーバタンク２３に供給する生成水の量は、算出された不凍液濃度に応じた供給量を予め実験等によって算出して、これをマップとして記憶しておき、算出された不凍液濃度に応じた生成水量を供給することができる。
【００８６】
また、ステップＳ２０において、ＥＣＵ８０Ｂは、不凍液濃度が所定値Ａ未満であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４０に進み、開閉弁６２を開弁して、不凍液成分タンク６１からリザーバタンク２３に不凍液を供給する。そして、ステップＳ４５に進み、ＥＣＵ８０Ｂは、濃度検出装置７０により不凍液を供給後の冷媒の不凍液濃度を検出し、記憶する。このとき、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ１０において記憶した不凍液濃度に、ステップＳ４５において検出された不凍液濃度を上書きする。
【００８７】
ステップＳ２５において、ＥＣＵ８０Ｂは、記憶した不凍液濃度（ステップＳ４５において検出された不凍液濃度）が、所定値Ｂ以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、スタートに戻って再度不凍液濃度を監視する。ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ４５において検出された不凍液濃度が、所定値Ｂより高いと判断した場合には（Ｓ２５、Ｎｏ）、ステップＳ３０に進み、開閉弁９２を開弁して、気液分離器９１に貯留された生成水をリザーバタンク２３に供給する。
【００８８】
なお、リザーバタンク２３に供給する不凍液の量は、算出された不凍液濃度に応じた供給量を予め実験等によって算出して、これをマップとして記憶しておき、算出された不凍液濃度に応じた不凍液量を供給することができる。
【００８９】
第２実施形態の燃料電池システム１Ｂによれば、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの効果に加え、不凍液濃度を最適な濃度に維持できるように生成水供給装置９０および濃度検出装置７０を設けたことにより、不凍液濃度が所定範囲内となるように、気液分離器９１から生成水を供給するべきか、不凍液成分タンク６１から不凍液を供給するべきかを判断することができ、低温時に冷媒が凍結するのを確実に防止できるとともに、濃度が高くなり循環しにくくなるのを確実に防止できる。
【００９０】
また、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、冷媒に不凍液を含ませることにより、アノード系の凍結課題を解決できる。ところで、水素極１３側（アノード系）は湿度１００％となるため、空気極１４側（カソード側）に水が逆拡散し、循環する冷媒の水分濃度が低下し、不凍液濃度が上昇する可能性がある。そこで、第２実施形態では、カソード側に設けた気液分離器９１で捕水し、オリフィス７１の前後差圧（ΔＰ）および冷媒温度（Ｔ）により不凍液濃度を算出し、気液分離器９１から冷媒に生成水を注入することにより、冷媒の不凍液濃度（水分濃度）を適切に維持することができ、冷媒の凍結を防止することが可能になる。
【００９１】
なお、第２実施形態では、濃度検出装置７０により検出する度に検出した不凍液濃度を上書きして記憶する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、不凍液が供給された場合と供給されなかった場合での不凍液濃度を記憶し、フラグを用いてどちらの不凍液濃度を参酌するかを判断しても良い。具体的には、不凍液濃度が所定値Ａ未満と判断されて不凍液が供給された場合にはフラグを１にし、不凍液濃度が所定値Ａ以上と判断されて不凍液が供給されなかった場合にはフラグを０にする。不凍液濃度が所定値Ｂ未満か以上かを判断するときに、ＣＰＵは、フラグが１の場合は不凍液供給後の不凍液濃度を参酌し、フラグが０の場合はスタート時の不凍液濃度を参酌する。
【００９２】
（第３実施形態）
図８は第３実施形態の燃料電池システム１Ｃを示す全体構成図である。この燃料電池システム１Ｃは、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの冷媒供給装置２０の冷媒回路上に背圧弁２５を追加した構成である。なお、その他の構成については、第２実施形態と同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００９３】
背圧弁２５は、バタフライ弁などで構成され、ラジエータ２１の冷媒入口とオリフィス７１との間の冷媒配管２４ｃに設けられている。また、背圧弁２５は、その開度がＥＣＵ（制御装置）８０Ｃによって制御される。
【００９４】
第３実施形態の燃料電池システム１Ｃによれば、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂによる効果に加えて、水素極１３側を循環する冷媒の圧力を背圧弁２５によって調整することが可能になる。例えば、燃料電池システム１Ｃを車両に搭載した場合、加速時（増圧時）には循環ポンプ２２のモータの回転速度を上げるとともに背圧弁２５の開度を閉めることで圧力を上昇させることが可能となり、減速時には、背圧弁２５の開度を開き、循環ポンプ２２の回転は維持しつつ回転速度を下げることで減圧することが可能となる。
【００９５】
このように、減速時にも、水素を含有した冷媒の循環が維持されるので、図２（ｂ）を参照して説明した比較例の燃料電池１００を備えたシステムのように、減速時に水素の循環ができなくなり、末端の単セルへの水素供給が不足するといった課題、また、生成水の蓄積によって流路が部分的に閉塞するといった課題を解決することができる。
【００９６】
なお、背圧弁２５の位置については、圧力を調整できる位置であれば、第３実施形態に示す位置に限定されるものではない。
【００９７】
（第４実施形態）
図９は第４実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システム１Ｄは、冷媒の圧力を調整する手段として、第３実施形態の背圧弁２５に替えてバランスタンク２６とした構成である。
【００９８】
バランスタンク２６は、冷媒を貯留する容器を有し、この容器内に冷媒を貯留する空間Ｓ１とその上部の空間Ｓ２を仕切るダイアフラム２６ａを備えている。このように、ダイアフラム２６ａで仕切ることにより、冷媒中の水素と空気とが混まざることなく冷媒圧力を調整できる。
【００９９】
また、バランスタンク２６の空間Ｓ２には、信号圧配管３４ｅの一端が接続され、信号圧配管３４ｅの他端が燃料電池１０のカソード流路１６ａの出口と加湿器３２との間の配管３４ｃに接続されている。
【０１００】
第４実施形態の燃料電池システム１Ｄによれば、例えば、燃料電池システム１Ｄを車両に搭載した場合、加速時（増圧時）にはエアコンプレッサ３１のモータの回転速度が高められることにより、信号圧配管３４ｅを介してバランスタンク２６の空間Ｓ２に導入される信号圧が高められる。空間Ｓ２の圧力が高められることにより、バランスタンク２６の空間Ｓ１内の冷媒が冷媒配管２４ｄを介して冷媒配管２４ｃに導入され、冷媒回路（冷媒配管２４ａ〜２４ｄ）の圧力が高められる。また、減速時には、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度が低下することにより、空間Ｓ２内の圧力が低下し、冷媒回路（冷媒配管２４ａ〜２４ｃ）を通流する冷媒が、冷媒配管２４ｄを介してバランスタンク２６の空間Ｓ１内に引き込まれ、冷媒回路の圧力が低下する。
【０１０１】
なお、第４実施形態では、ダイアフラム２６ａを用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、シール機能を有するピストンであってもよい。また、信号圧の取り出し位置およびバランスタンク２６の位置は、第４実施形態に示す位置に限定されるものではなく、それぞれ燃料電池１０の入口側であってもよい。
【０１０２】
本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではない。例えば、水素が上流側から下流側に流れるにつれて、水素が消費されることにより水素の量が減少する。そこで、単セルを平積みにした燃料電池（図５（ａ）参照）の場合、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１に対向するアノード流路１５ａの溝の深さを、上流側から下流側に向けて浅くなるように流路を傾斜する構成とすることにより、上流側から順に水素が消費されて下流側において水素量が上流側と比べて減少したとしても、下流に向けて溝が浅く形成されることによって水素を膜電極接合体１１に滞留し易くできる。その結果、膜電極接合体１１の全面において効率的な反応が可能となり、高効率な発電が可能となる。
【符号の説明】
【０１０３】
１Ａ〜１Ｄ  燃料電池システム
１０    燃料電池
１１    膜電極接合体
１２    電解質膜（電解質）
１３    水素極（燃料極）
１４    空気極（酸化剤極）
１５，１６  セパレータ
１５ａ  アノード流路
１６ａ  カソード流路
２０    冷媒供給装置
２１    ラジエータ
２２    循環ポンプ
２３    リザーバタンク
２４ａ〜２４ｄ  冷媒配管（冷媒流路）
３０    空気供給部（酸化剤ガス供給部）
４０    水素供給部（燃料ガス供給部）
５０Ａ〜５０Ｄ  ミキサ（含有装置）
５２    フィルタ
５３    ノズル
５４    メッシュフィルタ
６０    不凍液供給装置
６１    不凍液成分タンク
６２    開閉弁
７０    濃度検出装置
７１    オリフィス
７２，７３  圧力計
７４    温度計
８０Ｂ，８０Ｃ  ＥＣＵ（制御装置）
９０    生成水供給装置
９１    気液分離器
９２    開閉弁
【図１】
2011113660.tif 000003
【図２】
2011113660.tif 000004
【図３】
2011113660.tif 000005
【図４】
2011113660.tif 000006
【図５】
2011113660.tif 000007
【図６】
2011113660.tif 000008
【図７】
2011113660.tif 000009
【図８】
2011113660.tif 000010
【図９】
2011113660.tif 000011