(57)【要約】【課題】燃料電池のセルの面内における冷却水の温度制御の適正化により、燃料電池の発電性能を向上させる。【解決手段】燃料電池は、複数のセルを有し、各セルは電解質と電解質の両側に配置された第１電極及び第２電極とを備える。また、第１電極の電解質と接する面とは反対の面には、反応剤を流通させる反応剤流路が形成され、反応剤流路の反応剤が流通する面に平行に冷却水を流通させる冷却水流路が形成されている。冷却水流路は、反応剤の流れの最上流側に対応する冷却水流路内の第１位置に冷却水を流入させる第１冷却水入口と、反応剤の流れの最上流側より下流側であって、反応剤の濃度が、最上流側の反応剤の濃度よりも低い所定濃度範囲となっている位置に対応する冷却水流路内の第２位置に、冷却水を流入させる第２冷却水入口と、冷却水流路の最下流側の出口から、冷却水を排出させる冷却水出口とを備えている。【選択図】図２
2008176974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質の両側に配置された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極の、前記電解質と接する面とは反対の面に、反応剤を流通させる反応剤流路と、
前記反応剤流路の反応剤が流通する面に平行に配置され、冷却水を流通させる冷却水流路と、
を備え、
前記冷却水流路は、
前記反応剤の流れの最上流側に対応する、前記冷却水流路内の第１位置に、前記冷却水を流入させる第１冷却水入口と、
前記反応剤の流れの最上流側より下流側であって、かつ、前記反応剤流路内における前記反応剤の濃度が、前記最上流側の反応剤の濃度よりも低い所定濃度範囲となっている位置に対応する、前記冷却水流路内の第２位置に、前記冷却水を流入させる第２冷却水入口と、
前記冷却水流路の最下流側の出口から、前記冷却水を排出させる冷却水出口と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応剤は大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が15%〜25%である場合に、該第２位置に対応する前記反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、3%〜15%となる位置であ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】
前記反応剤が大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が15%〜25%である場合に、該第２位置に対応する前記反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、5%〜13%となる位置であ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４】
前記反応剤は大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が35%〜45%である場合に、該第２位置に対応する前記反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、6%〜15%となる位置であ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５】
前記反応剤は大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が35%〜45%である場合に、該第２位置に対応する前期反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、8%〜10%となる位置であ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６】
前記第１冷却水入口及び前記第２冷却水入口からの、前記冷却水流路内への冷却水の流入とを制御すると共に、前記第１冷却水入口からの冷却水の流入量が、前記第２冷却水入口からの冷却水の流入量に対して、1〜4倍となるように制御する、冷却水流制御手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却水流路は、前記第２位置と前記出口との間の第３位置に前記冷却水を流入させる、少なくとも１つ以上の第３冷却水入口を、更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１冷却水入口、第２冷却水入口、及び前記第３冷却水入口のそれぞれからの前記冷却水流路内への冷却水の流入を制御すると共に、前記第１冷却水入口からの冷却水の流入量が、前記第１冷却水入口以外の他の冷却水入口からの冷却水の総流入量に対して、1〜4倍となるように制御する、冷却水流制御手段を、更に備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムに対する要求出力を検出する要求出力検出手段と、
前記要求出力が基準出力以上であるか否かを判定する要求出力判定手段と、
前記要求出力が前記基準出力以上であることが認められない場合、前記第１冷却水入口のみから冷却水を流入させるように制御する冷却水流制御手段と、
を、更に備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか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】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料電池の発電を制御する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００５−２５１４１６号公報には、メインラジエータとサブラジエータとを備え、これらの２つのラジエータにより冷却水による燃料電池の冷却を制御する燃料電池システムが開示されている。このシステムは、２つのラジエータを共にバイパスする冷却水の通路と、メインラジエータのみをバイパスする通路と、メインラジエータ及びサブラジエータを共に通過する通路とをそれぞれ有し、各通路の流通状態をバルブにより制御して冷却水の流れを制御することができる。
【０００３】
具体的に、燃料電池が所定温度より低い場合、冷却水は２つのラジエータを共にバイパスする通路を循環して燃料電池内に供給される。これにより燃料電池内の余分な熱の放出が防止される。また、燃料電池の温度が所定温度より高く冷却が必要な場合には、冷却水は２つのラジエータの両方、またはメインラジエータのみを通過する通路を循環する。具体的に、各セルの酸素流路（カソード流路）の最上流側付近に冷却水入口が設けられ、冷却水入口からは、メインラジエータとサブラジエータの２つのラジエータを通過する通路を流通した温度の低い冷却水がセル内の冷却水流路に供給される。一方、酸素流路途中の地点付近の冷却水流路には、メインラジエータのみを通過する流通した冷却水が供給される。
【０００４】
このシステムでは、酸素流路の入口側により冷却された温度の低い冷却水を供給することで、酸化ガスの入口側と出口側での温度差を大きくし酸化ガスの入口側の相対湿度を高めている。これにより酸素流路の上流側における電解質膜の乾燥を防止し、発電効率を高めている。またこのシステムではサブラジエータをバイパスする冷却水の通路を設けて、サブラジエータをバイパスした冷却水は入口より下流側でセル内の冷却水流路に流入するように構成されている。これにより、全ての冷却水を低温にする場合に比べ、ラジエータの小型化が図られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５１４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池の反応剤の濃度とその濃度で発電する電流密度との関係は、温度によって異なるものとなる。具体的に、例えば、反応剤となる酸化剤として大気を用いる場合、酸素濃度がある程度高い領域ではある程度温度が高い方が発電性能は高くなっている。一方、燃料電池の発電の際には、酸素流路中の反応剤の濃度はその流路の上流側で高く下流側では低くなっていることが予想される。従って、酸素流路の上流側ではその温度をある程度高温に保つことで発電性能を向上させることができるものと考えられる。
【０００７】
しかし、例えば、冷却水流路が一箇所の入口から下流側の出口まで連続して形成されている場合には、入口付近が最も冷却されて低温となり、出口側に近づくにつれて反応熱により冷却水の温度が高まるため、出口側付近で温度が高い状態となる。また、上記従来技術のシステムにおいても、酸素流路入口付近には２つのラジエータを通過してより低温にされた冷却水を供給することで、酸素流路入口付近をより低温にして、カソード入口付近の湿度を高めている。つまり酸素流路入口近傍がより低温に冷却されるように構成されている。
【０００８】
つまり、従来の燃料電池においては、冷却水の温度制御は、発電性能を向上させるため反応剤の濃度との関係で、反応剤流路の温度を適切に制御するように設定されたものではない。しかし、今後の燃料電池の高出力化の要求を考慮すると、冷却水流路中の冷却水の温度を、供給される反応剤の濃度との関係で適正に制御することが望ましい。
【０００９】
従って、この発明は上記課題を解決することを目的とし、冷却水の制御により反応剤の温度の適正化を図ることで、高い発電性能を発揮するよう改良した燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって
電解質と、
前記電解質の両側に配置された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極の、前記電解質と接する面とは反対の面に、反応剤を流通させる反応剤流路と、
前記反応剤流路の反応剤が流通する面に平行に配置され、冷却水を流通させる冷却水流路と、
を備え、
前記冷却水流路は、
前記反応剤の流れの最上流側に対応する、前記冷却水流路内の第１位置に、前記冷却水を流入させる第１冷却水入口と、
前記反応剤の流れの最上流側より下流側であって、かつ、前記反応剤流路内における前記反応剤の濃度が、前記最上流側の反応剤の濃度よりも低い所定濃度範囲となっている位置に対応する、前記冷却水流路内の第２位置に、前記冷却水を流入させる第２冷却水入口と、
前記冷却水流路の最下流側の出口から、前記冷却水を排出させる冷却水出口と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記反応剤は大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が15%〜25%である場合に、該第２位置に対応する前記反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、3%〜15%となる位置であることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明において、前記反応剤が大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が15%〜25%である場合に、該第２位置に対応する前記反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、5%〜13%となる位置であることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第１の発明において、前記反応剤は大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が35%〜45%である場合に、該第２位置に対応する前記反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、6%〜15%となる位置であることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明において、前記反応剤は大気であって、
前記第２位置は、前記反応剤の前記最上流側の相対湿度が35%〜45%である場合に、該第２位置に対応する前期反応剤流路内の位置における、酸素と窒素との総量に対する酸素量が、8%〜10%となる位置であることを特徴とする。
【００１５】
第６の発明は、第１から５のいずれかの発明において、前記第１冷却水入口及び前記第２冷却水入口からの、前記冷却水流路内への冷却水の流入とを制御すると共に、前記第１冷却水入口からの冷却水の流入量が、前記第２冷却水入口からの冷却水の流入量に対して、1〜4倍となるように制御する、冷却水流制御手段を、更に備えることを特徴とする。
【００１６】
第７の発明は、第１から６のいずれかの発明において、前記冷却水流路は、前記第２位置と前記出口との間の第３位置に前記冷却水を流入させる、少なくとも１つ以上の第３冷却水入口を、更に備えることを特徴とする。
【００１７】
第８の発明は、第７の発明において、前記第１冷却水入口、第２冷却水入口、及び前記第３冷却水入口のそれぞれからの前記冷却水流路内への冷却水の流入を制御すると共に、前記第１冷却水入口からの冷却水の流入量が、前記第１冷却水入口以外の他の冷却水入口からの冷却水の総流入量に対して、1〜4倍となるように制御する、冷却水流制御手段を、更に備えることを特徴とする。
【００１８】
第９の発明は、第１から８のいずれかの発明において、
前記燃料電池システムに対する要求出力を検出する要求出力検出手段と、
前記要求出力が基準出力以上であるか否かを判定する要求出力判定手段と、
前記要求出力が前記基準出力以上であることが認められない場合、前記第１冷却水入口のみから冷却水を流入させるように制御する冷却水流制御手段と、
を、更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明によれば、燃料電池の冷却水流路において、反応剤の最上流側位置に対応する冷却流路内の第１位置と、反応剤の濃度が所定範囲となっている位置に対応する第２位置に、それぞれ２つの冷却水入口が設けられている。これにより、反応剤の濃度がある程度高い範囲にある上流側の第１冷却水入口から流入される冷却水量を通常よりも少なくすることができ、反応剤の濃度が高い部分を比較的高温にして、発電効率を高めることができる。また、第２位置からの冷却水の流入により、全体の温度が過度に高温になることを防止することができる。
【００２０】
ところで、反応剤が大気である場合、酸素濃度がある程度高い領域における発電性能は、温度の影響を受けやすい。この点、第２〜第５のいずれかの発明によれば、温度の影響が小さくなる酸素濃度の範囲を、大気の湿度と酸素濃度との関係で求め、第２位置は、その酸素濃度範囲となるように、第１位置より下流側の位置に設定される。従って、温度の影響を受けやすい第１位置から第２位置付近までの領域は、発電効率の高くなる適正な温度に維持することができ、高い発電性能の燃料電池を得ることができる。また、温度の影響が小さい酸素濃度となった第２位置から冷却水を流入させることができるようにすることで、発電効率の向上をはかりつつ、全体の温度が許容範囲を越えて高温にあることを防ぐことができる。
【００２１】
第６の発明によれば、第１冷却水入口からの冷却水の流入量が、第２冷却水入口からの冷却水の流入量に対して、1〜4倍となるように制御される。これにより、発電性能が高い領域において、効率的に発電できる温度に維持しつつ、燃料電池全体で過度に高温になることを防ぐことができる。
【００２２】
第７の発明によれば、冷却水流路には、第２位置の下流側に更に１つ以上の第３冷却水入口が設けられる。これにより、第２位置に流入される冷却水を減量することができ、第２位置において急激に反応剤流路が低温となるのを防ぐことができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２３】
第８の発明によれば、第１冷却水入口からの冷却水の流入量が、その他の冷却水入口からの冷却水の流入量に対して、1〜4倍となるように制御される。これにより、発電性能が高い領域を効率的に発電できる温度に維持しつつ、燃料電池全体で過度に高温になることを防ぐことができる。
【００２４】
第９の発明によれば、要求出力が小さい場合には、入口側の第１冷却水入口のみから冷却水を流入させることができる。従って、高出力が要求され発電による発熱量が大きくなる場合に、効果的に反応剤流路の温度を適正な温度に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムを説明するための模式図である。図１に示すように、このシステムは燃料電池２を備えている。燃料電池２は積層された複数のセル４を有するスタックが２つ並列に配置されて構成されている。各セル４は固体高分子膜である電解質膜と、電解質膜を挟んで配置されたカソード（第１の電極）とアノード（第２の電極）とを有している。カソードとアノードの外側にはそれぞれセパレータが配置されている。セパレータのアノード側に接する面には水素流路が設けられている。水素流路には外部から供給される水素が流通する。また、各セル４のセパレータのカソード側に接する面には酸素流路（反応剤流路）が設けられている。酸素流路には外部から反応剤として大気が供給される。また、各セパレータの酸素流路が形成された面と反対側の面には、後述するように冷却水が流通する冷却水流路が設けられている。
【００２７】
この燃料電池システムは、冷却水流路に接続され、燃料電池内に冷却水を循環させる冷却水配管１０を有している。具体的に、冷却水配管１０は一端において、燃料電池２のエンドプレートに形成された冷却水の排出口に接続されている。冷却水配管１０は、この排出口への接続部の下流側において、冷却配管１０ａとバイパス管１０ｂに分岐している。冷却配管１０ａの途中には、冷却水を冷却するためのラジエータ１２が設置されている。一方、バイパス管１０ｂはこのラジエータ１２をバイパスする。冷却配管１０ａとバイパス管１０ｂとは、バルブ１４に接続し１の冷却水配管１０に集合する。冷却水配管１０のバルブ１４よりも下流側にはバルブ１６が設けられている。バルブ１６において冷却水配管１０は、再び第１配管１０ｃと第２配管１０ｄに分岐して、燃料電池１０のエンドプレートに形成された異なる入口にそれぞれ接続されている。また第１配管１０ｃには内部を流通する冷却水の温度に応じた出力を発する水温センサ１１が設置されている。
【００２８】
この燃料電池システムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１８を備えている。ＥＣＵ１８は、水温センサ１１や燃料電池の各種のセンサの出力を受けて内燃機関の運転状態に関する情報を検出すると共に、燃料電池２のバルブ１４、１６に制御信号を発することでバルブ１４、１６を制御する。
【００２９】
図２は、この発明の実施の形態１における燃料電池の各セルの冷却水流路について説明するための模式図である。燃料電池２は、上述したカソードとアノードの外側を図２のようなセパレータ２０により狭持されて構成される各セル４が積層されて構成されている。具体的にセパレータ２０の図示した面とは反対側の裏面には酸素流路が形成され、この酸素流路が形成された面がカソードに接するように配置される。一方、セパレータ２０の図２に示される面側には、隣接するセルのアノード側に配置されるセパレータが接するように配置される。
【００３０】
図２に示す冷却水流路形成面において、セパレータ２０には溝状の冷却水流路２２が形成されている。セパレータ２０の外周部には、第１冷却水入口３１、第２冷却水入口３２及び冷却水出口４０が設けられている。冷却水流路２２は、セル面内の冷却水流路２２の最上流側となる第１位置(IN1)付近において第１冷却水入口３１に接続し、冷却水流路２２の途中の第２位置(IN2)付近において第２冷却水入口３２に接続し、冷却水流路２２の最下流側となる出口(OUT)において冷却水出口４０に接続している。
【００３１】
冷却水流路２２は、セパレータ２０の反対側の面に形成された酸素流路内の大気の流れに沿って形成されている。つまり、第１位置(IN1)の裏側に位置する部分が、セル面内における酸素流路の最上流側（大気入口）となり、冷却水流路２２と同様に酸素流路は蛇行して、出口の裏側に位置する部分が、酸素流路の最下流側（大気出口）となるように、冷却水流路２２が形成されている。
【００３２】
また、第１冷却水入口３１は、セル４が積層されて隣接するセルのセパレータ同士が接着することで、共通の第１冷却水供給マニホールドを構成する。この第１冷却水供給マニホールドの入口側は、燃料電池のエンドプレートにおいて第１配管１０ｃに接続している。同様に、セパレータ同士の接続により、第２冷却水入口３２は共通の第２冷却水供給マニホールドを構成し、この第２冷却水供給マニホールドの入口側は、エンドプレートにおいて第２配管１０ｄに接続している。冷却水出口４０は、セパレータ同士の接続により共通の冷却水排出マニホールドを構成し、この排出マニホールドの出口がエンドプレートにおいて冷却水配管１０に接続している。
【００３３】
バルブ１４は三方向弁である。バルブ１４は、ＥＣＵ１８からの制御信号によって、冷却水配管１０から流入する冷却水を冷却側配管１０ａ側に流入させるか、あるいはバイパス管１０ｂ側に流入させるかを切り替える機能を有する。
【００３４】
バルブ１６は、ロータリーバルブである。ロータリーバルブ１６はＥＣＵ１８からの制御信号によってその開度が制御される。その結果、第１配管１０ｃ及び第２配管１０ｄとに流入させる冷却水の水量の割合を制御することができる。
【００３５】
ところで、このように構成された燃料電池において、カソード触媒で起きる電気化学反応を促進するためには、燃料電池内がある程度高温に保たれることが好ましい。しかし一方で、カソードでの電気化学反応においては発熱を伴うため、酸素流路の下流側に行くにつれてその温度上昇が大きくなる。従って、酸素流路上流側の温度が高い状態に設定されると、その下流側での温度は過度に高くなり、セルの劣化等の原因となる。従って、通常は、冷却水出口付近の水温が８５度以下となるように、最上流側の冷却水入口からは、ある程度低い状態にまで冷却された冷却水が供給されるように設定されている。このため、冷却水路上流側付近の酸素流路内の温度も低温となり、電気化学反応が促進され難い状態となっていると考えられる。
【００３６】
図３は、酸素流路中の酸素濃度と燃料電池の電流密度と水温との関係を説明するための図である。図３から、以下のことを読み取ることができる。
（１）酸素流路中の酸素濃度が7%〜10%以上となる領域では、温度による電流密度のバラツキが大きく、例えば80度、あるいは85℃の温度では電流密度が高くなっている。
（２）酸素流路中の酸素濃度が10%以下、特に8%以下と低くなるにつれて温度の電流密度に対する影響は小さくなり、更に5%以下では電流密度に対する温度の影響は殆ど見られない。
【００３７】
ここで、酸素流路中の酸素濃度は、発電に用いられるため上流側から下流側に流れるに連れて次第に小さくなっている。従って、上記（１）、（２）を考慮すれば、酸素濃度が濃い上流側の領域では、冷却を控えてその付近の温度が85℃程度に維持されるようにすることが好ましい。一方、下流側において酸素濃度が10〜5%程度以下になる付近では、温度がある位程度低下しても発電効率には大きな影響はない。
【００３８】
このため、実施の形態１の燃料電池の冷却水流路２２は、図２のように、２つの冷却水入口３１、３２から冷却水を流入させることができるように構成されている。つまり、最上流側から供給される冷却水の水量をある程度少なくすることで、酸素流路中の酸素濃度が高い領域の冷却を控えて、酸素流路内の温度がある程度高く維持されるようにする。一方、酸素濃度がある程度低くなったところで、第２冷却水入口からの冷却水が供給されるようにして、発電効率を低下させずに、下流側での過度な温度上昇を防ぐようにする。
【００３９】
図４は、総面積500cm2、酸素流路入口の相対湿度が40%の燃料電池において、冷却水入口温度が70℃、冷却水入口（第１位置IN1）と出口（OUT）との温度差ΔT=15℃の条件下で、第２位置を、酸素流路内の酸素濃度が9.6%、11%、12%となる位置の裏面側の位置にそれぞれ設定し、更に、第１冷却水入口３１から流入させる水量（第１水量X1）と第２冷却水入口３２から流入させる水量（第２水量X2）との割合を変化させた場合における、総発電力と第２位置直前の冷却水温との測定結果を示している。
【００４０】
ここで、第２冷却水入口を設けない場合（つまり第２冷却水入口からの冷却水を流入させない場合）、上記の条件下での総発電力は、0.6Vで215Wである。一方、第２位置を酸素濃度11%となる位置とし、第１水量X1と第２水量X2との割合をX1:X2＝2:1とした場合には、0.6Vで233.9Wの発電力を得ることができる。また、このとき、第２位置付近の温度は87℃となっている。
【００４１】
また、図４に示されるように、第２位置を酸素濃度がより低くなる位置に設定し、あるいは、第２冷却水入口３２から供給される第２水量の割合が大きくなるように設定した方が、総発電力は大きくなる。しかし、この場合、第２位置直前における水温が過剰に高くなってしまう。従って、水温上昇の許容範囲を考慮した上で、第２位置の設定位置、及び第１水量X1と第２水量X2との割合を設定する必要がある。
【００４２】
例えば、第２位置は、様々な実験データを元に、以下のように湿度との関係で設定することができる。
（１）酸素流路入口の相対湿度が15％〜25%の条件下で運転される燃料電池の場合には、酸素流路内における酸素濃度（ここでは酸素と窒素との総量に対する酸素の割合とし、以下同様の場合には、単位に「%-dry」と表示する）が3%〜15%-dry程度になる位置、より好ましくは5%〜13%-dry程度になる位置とする。
（２）酸素流路入口の相対湿度が35%〜45%の条件下で運転される燃料電池の場合には、酸素流路内における酸素濃度が6%〜15%-dry程度になる位置、より好ましくは8〜10%-dry程度になる位置とする。
ただし、上記の条件は、セル内での水温の許容範囲等によっても異なるものとなるため、第２位置の設定は、その燃料電池が使用される条件に応じて適宜設定する。
【００４３】
また、第２冷却水の割合を増すと発電性能は上がるものの、温度が過度に高温となりセルの劣化等の原因となることが考えられる。従って、例えば、冷却水出口での目標水温を85℃として、第２水量X2に対する第１水量X1は、1〜4倍の範囲となるようにし、より好ましくは、2〜3倍の範囲内とする。この範囲内で、酸素流路入口付近（つまり、第１冷却水入口３１付近）での水温が高いほど、第１水量X1の割合が増加するようバルブ１６の開度を制御する。第１水量X1と第２水量X2との割合X1:X2は、ロータリーバルブ１６の開度によって制御することができる。ただし、この条件についても、セル内での水温の許容範囲等によって異なるものとなるため、水量の割合は、その燃料電池の使用条件に応じて適宜設定する。
【００４４】
図５は、この発明の実施の形態１においてＥＣＵ１８が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図５のルーチンにおいて、まず、燃料電池２の発電要求があるか、あるいは発電中であるか否かが判定される（Ｓ１０２）。発電要求及び発電中であることが共に認められない場合には今回の処理は終了する。
【００４５】
一方、ステップＳ１０２において発電要求があること又は発電中であることが認められた場合、次に燃料電池２の要求出力が検出される（Ｓ１０４）。要求出力はＥＣＵ１８に取り込まれた各種センサからの出力に基づいて演算される。次に、要求出力が基準出力以上であるか否かが判定される（Ｓ１０６）。基準出力は、例えば90kW以上の高出力であり、予め、上記温度制御により高い発電効率で発電を行う必要がある出力として燃料電池ごとにＥＣＵ１８に記憶されている。
【００４６】
ステップＳ１０４において、要求出力≧基準出力の成立が認められない場合には、特に冷却水の制御を行わなくても、通常の発電で対応することができるため、配管１０ｄ側の開度がゼロとされる（Ｓ１０８）。つまり配管１０ｄ側からの冷却水の流入は停止され、第２冷却水入口３２からの冷却水の流入は行われず、第１冷却水入口３１からのみ冷却水を供給するようにする。
【００４７】
一方、ステップＳ１０８において要求出力≧基準出力の成立が認められた場合、次に、冷却水の温度が検出される（Ｓ１１０）。冷却水の温度は、第１配管１０ｃに設置された水温センサ１１の出力がＥＣＵ１８に取り込まれることで検出することができる。
【００４８】
次に、ステップＳ１１０において検出された水温に応じて、ロータリーバルブ１６の開度が設定される（Ｓ１１２）。ロータリーバルブ１６の開度と水温との関係は予め実験等により定められてマップとしてＥＣＵ１８に記憶されており、ロータリーバルブ１６の開度は、このマップに従って検出された水温に応じて決定される。これにより、第１配管１０ｃからの冷却水流路に流入する水量（即ち第１水量X1）と、第２配管１０ｄからの冷却水流路に流入する水量（即ち第２水量X2）との割合が決定されることとなる。
【００４９】
その後、ロータリーバルブ１６の開度が設定された開度に制御される（Ｓ１１４）。これにより、第１水量X1と第２水量X2とが、水温に応じた割合に制御された状態で、それぞれ第１、第２冷却水入口３１、３２から冷却水流路に冷却水が流入する。
【００５０】
以上のように、実施の形態１によれば、温度が発電に影響を与えない程度に酸素濃度が低下した位置に、冷却水入口を設けることで、より多くの発電が行われる酸素流路入口側の冷却を抑えることができる。これにより、発電効率を高めることができると共に、下流側付近での温度の過度な上昇を抑えて、セルの劣化を防止することができる。
【００５１】
なお、実施の形態１のシステムにおいては、燃料として水素を供給し、酸化剤として大気を供給する固体高分子型燃料電池の場合について説明した。従って、反応熱が発生する酸素流路側の流れに沿って、第１、第２冷却水入口を設定する場合について説明した。しかし、この発明はこのような燃料電池に限るものではない。例えば、アノード側で発熱反応が起きる燃料電池の場合には、アノード側の燃料の流路に合わせて、その濃度と温度と発電性能との関係、更に耐熱温度との関係に基づいて、適切な位置に冷却水が導入されるようにすれば良い。
【００５２】
また、実施の形態１のシステムにおいては第１配管１０ｃと第２配管１０ｄとの合流部にロータリーバルブ１６を設ける場合について説明した。しかし、この発明において用いるバルブはロータリーバルブに限るものではない。例えばロータリーバルブ１６に替えて、ＯＮ/ＯＦＦバルブを設けるものであってもよい。この場合には、例えば第１配管１０ｃ、第２配管１０ｄの内径を予め異なるものとし、第２配管１０ｄにバルブを設けて、バルブをＯＮとすることで第２配管１０ｄ側への冷却水の流入を開始すると共に、このときの水量を第２配管の内径に応じた固定の割合とすることができる。
【００５３】
あるいは、ロータリーバルブ１６に替えて、サーモスタットを用いることもできる。サーモスタットを用いた場合、ある温度でバルブが開くため、出力量が増加して高温となった場合にバルブが開き、第２冷却水入口からの流入を開始して高出力となるようにすることができる。より具体的には、例えば、サーモスタットが開く温度として、高出力時に期待される燃料電池の温度±5℃の温度を設定する。例えば、温度センサ１１の出力に基づく温度が燃料電池の温度として、低出力運転時の温度が60℃、高出力運転時の温度が70℃以上である場合には、サーモスタットの開く温度が65℃〜75℃、より好ましくは、68℃〜72℃となるように設計すればよい。また、このようにサーモスタットを用いる場合にも第２配管１０ｄと第１配管１０ｃとの内径を異なるものとしておくことで、各配管からの水量を所定の割合に制御することができる。
【００５４】
実施の形態２
図６は、この発明の実施の形態２におけるセパレータについて説明するための図である。実施の形態２の燃料電池はセパレータの冷却水流路入口が異なる点を除いて、実施の形態１と同様の構成を有している。つまり、実施の形態２の燃料電池は実施の形態１と同様に複数のセルを有する。各セルは、電解質とアノードとカソードとを有し、アノード側に水素流路が形成されたセパレータが配置され、カソード側には図６に示すセパレータ２００が配置される。
【００５５】
図６に示すセパレータ２００は冷却水流路２４を備えている。冷却水流路２４は、セパレータ２００の裏面に形成された酸素流路（反応剤流路）の酸素の流れに沿って、溝状に形成されている。この冷却水流路２４の面内の形状は、実施の形態１のセパレータ２０の冷却水流路２２の形状と同じである。
【００５６】
セパレータ２００の外周部には、第１、第２冷却水入口３１、３２に加えて、第３冷却水入口３３が形成されている。冷却水入口３１、３２は、実施の形態１のセパレータ２０と同一の位置において冷却水流路２４に接続している。つまり、冷却水路入口３１、３２は、酸素流路の最上流側の第１位置(IN1)と、酸素流路の入口の湿度と酸素濃度との関係で決定された第２位置(IN2)において、それぞれ冷却水流路に接続している。第３冷却水入口３３は第２位置より更に下流側の第３位置(IN3)において、冷却水流路２４に接続している。
【００５７】
実施の形態２の燃料電池システムでは、図１に示す第２配管１０ｄは、バルブ１６の下流で更に２つの配管に分岐している。この配管が、燃料電池の第２冷却水入口３２より構成される冷却水供給マニホールドの入口と、第３冷却水入口３３により構成される冷却水供給マニホールドの入口とにそれぞれ接続されている。これにより、各セルの冷却水流路２４の第２位置、第３位置に冷却水が流入される。このセパレータ２００の冷却水流路２４への冷却水の供給は、バルブの切り替えにより制御することができる。
【００５８】
図７は、各冷却水入口からそれぞれ冷却水を流入させた場合の冷却水流路内の水温変化について説明するための図である。図７は、冷却水流路最上流側、即ち、温度センサ１１により検出される温度が70℃、冷却水流路２４の出口温度が85℃となる例を示している。また、図７の実線(a)は、冷却水入口３１、３２のみから冷却水を流入した場合を表している。この場合、実線(a)に示すように、水温７０℃の第１位置から下流側に流れるにつれて反応熱により冷却水の温度が上昇する。その後、第２位置で冷却水入口３２から冷却水が流入する。このとき出口温度が85℃となるように、その後の反応熱による水温上昇分を考慮した温度にまで冷却水の温度は低下する。
【００５９】
一方、３つの冷却水入口３１、３２、３３からの冷却水の流入を利用する場合、２つの冷却水入口３１、３２の場合に第２位置から流入させる第２水量X2を、更に２つに分岐する。つまり、第２位置から流入させる第２水量X2と第３位置から流入させる第３水量を、1:1としている。この場合、第１位置からの水量X1は実線(a)の場合と同じであり、実線(b)に示すように、水温は第１位置から第２位置までの間は実線(a)の場合と同様に上昇する。その後、第２位置から冷却水が流入する。このときの第２水量X2は実線(a)の場合の半分の量となる。従って、第２位置における温度低下は実線(a)の場合よりも小さい。その後、第３位置から再び冷却水が流入されることで、出口温度が目標温度85℃以下となるように再び冷却される。
【００６０】
このように、冷却水入口を３つとすることで、第２位置から第３位置までの温度の急激な低下を防ぎ、冷却水入口が２つの場合に比べてこの間の温度を高く保つことができる。第２位置から第３位置では酸素濃度が低下しているものの、温度によりその反応性に影響がある場合もある。従って、この間の温度をより高くすることで、より効率の良い発電を行うことができる。
【００６１】
なお、冷却水入口３２、３３へ冷却水を供給する配管は、図１の第２配管１０ｄを更に２方向に分岐するものとして説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、第２配管１０ｄの分岐部にバルブを設置してもよい。これにより、例えば、より高い出力が要求される場合にのみ冷却水入口３３からも冷却水が流入するように制御することができる。また、この際、例えばロータリーバルブを用いて、第２冷却水入口３２からの第２水量と、第３冷却水入口３３からの第３水量とを所定の割合に制御することもできる。
【００６２】
また、実施の形態２では、冷却水入口３１からの第１水量X1と、冷却水入口３２及び３３からの総水量(X2+X3)との割合が、実施の形態１の場合と同様に設定される場合について説明した。これは実施の形態２において第１位置、第２位置は、それぞれ実施の形態１と同様の位置に決定されているため、実施の形態１と同様に、第１位置から流入する必要がある冷却水量を確保するためである。しかし、第２位置の設定位置が、第３位置からの冷却水流入を考慮して他の位置に決定されていれば、その位置との関係で、酸素濃度による発電量とセル内の温度上昇との関係で、その水量の割合を適宜設定することができる。
【００６３】
また、実施の形態２では、冷却水流路を３つの入口から流入させる場合について説明した。しかし、この発明において冷却水流路の入口は２つあるいは３つに限るものではなく、更に多くの箇所から冷却水を流入させる構造とすることができる。配管の設置スペースや構造の複雑化等を考慮して許容範囲で冷却水入口の数を増加させることで、反応性を考慮したより複雑な温度制御を実現することができる。
【００６４】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００６５】
なお、以上の実施の形態において、ステップＳ１０４が実行されることで、この発明の「要求出力検出手段」が実現し、ステップＳ１０６が実行されることで「要求出力判定手段」が実現し、ステップＳ１０８及びＳ１１４が実行されることで「冷却水流制御手段」が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】この発明の実施の形態１における燃料電池システムを説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１における燃料電池の各セルのセパレータの構造を説明するための模式図である。
【図３】酸素濃度と電流密度と水温との関係を説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態１における冷却水の流入箇所及び２つの冷却水入口からの各冷却水量の割合と、発電量及び温度との関係を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１においてシステムが実行する制御のルーチンである。
【図６】この発明の実施の形態２における燃料電池の各セルのセパレータの構造を説明するための模式図である。
【図７】この発明の実施の形態２における冷却水流路内の位置と冷却水の温度濃度との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６７】
２  燃料電池
４  セル
１０  配管
１１  水温センサ
１２  ラジエータ
１４  バルブ
１６  バルブ
１８  ＥＣＵ
２０、２００  セパレータ
２２、２４  冷却水流路
３１、３２、３３  冷却水入口
４０  冷却水出口
【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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