(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、膜に適切な水分を供給して水分の過不足による発電能力の低下を抑制するとともに、システムの小型化を実現させる。【解決手段】固体高分子電解質膜４４の両側に触媒層４５ａ・４６ａ及び拡散層４６ａ・４６ｂが配置されてなる膜・電極接合体４７と、膜・電極接合体４７を両側から挟持するセパレータ４８ａ・４８ｂと、を有する燃料電池４０を備え、セパレータ４８ａの膜・電極接合体側の面に反応ガスを流通させるための反応ガス流通部５１を設け、反応ガス流通部５１を経由して膜・電極接合体４７に反応ガスを供給して発電を行う燃料電池システム１である。セパレータ４８ａの膜・電極接合体側の面に水を流通させるための水流通部５２を設け、水流通部５１を経由して膜・電極接合体４７に水を供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層が配置されてなる膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体を両側から挟持するセパレータと、を有する燃料電池を備え、前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に反応ガスを流通させるための反応ガス流通部が設けられ、前記反応ガス流通部を経由して前記膜・電極接合体に反応ガスが供給されて発電が行われる燃料電池システムであって、
前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に水を流通させるための水流通部が前記反応ガス流通部とは別に設けられ、前記水流通部を経由して前記膜・電極接合体に水が供給されるように構成されてなる、
燃料電池。
【請求項２】
前記反応ガス流通部は、反応ガス流入部及び反応ガス排出部を有し、
前記水流通部は、前記反応ガス流通部の前記反応ガス流入部近傍に設けられている、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池から排出される水分が前記水流通部に供給されるように構成されてなる、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御手段を備える、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水供給制御手段は、前記反応ガス流路への反応ガスの供給量に応じて、前記水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御するものである、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水供給制御手段は、システムに要求される要求発電量に基づいて、前記水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御するものである、
請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水供給制御手段は、前記燃料電池の実際の発電量と前記要求発電量との偏差に基づいて、前記水流路への水の供給量及び／供給圧力を制御するものである、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層が配置されてなる膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体を両側から挟持するセパレータと、を有する燃料電池を備え、水を流通させるための水流通部と反応ガスを流通させる反応ガス流通部とが前記セパレータの前記膜・電極接合体側の面に各々設けられ、前記水流通部を経由して前記膜・電極接合体に水が供給されるとともに、前記反応ガス流通部を経由して前記膜・電極接合体に反応ガスが供給されて発電が行われる燃料電池システムの制御方法であって、
前記反応ガス流通部への反応ガスの供給量に応じて、前記水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御工程を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記水供給制御工程では、システムに要求される要求発電量に基づいて、前記水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する、
請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記水供給制御工程では、前記燃料電池の実際の発電量と前記要求発電量との偏差に基づいて、前記水流通部への水の供給量及び／供給圧力を制御する、
請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池を備えた燃料電池システムと、そのシステムの制御方法と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの燃料電池として、固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層が配置された膜・電極接合体と、膜・電極接合体を両側から挟持するセパレータと、を有するものが採用されている。
【０００３】
このような固体高分子電解質膜を用いた燃料電池においては、固体高分子電解質膜の機能維持のために、稼働中に膜を水により常時湿潤させる必要がある。固体高分子電解質膜を湿潤させるための水は、燃料ガスや酸化ガス等の反応ガスを加湿して燃料電池に供給することにより、拡散層を介して固体高分子電解質膜に供給されるのが一般的である。
【０００４】
また、現在においては、反応ガス流路が設けられたセパレータを多孔質体により形成し、このセパレータを湿潤させ、反応ガス流路を流動する反応ガス中にセパレータ内の水を含有させ、この反応ガスを膜・電極接合体に供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給する技術もされている。また、近年においては、燃料電池内を流通するガス内に、発電中に生成された水（生成水）を拡散させて、固体高分子電解質膜を湿潤させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−３２２５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、水分を気化させて反応ガスに含有させる従来の技術を採用すると、燃料電池に反応ガスを供給する配管系に加湿器等を設けなければならず、燃料電池システムが大型化してしまうという問題があった。また、多孔質体のセパレータを採用する場合には、水を気化させるために十分な表面積が必要であり、さらに強度を確保するためにセパレータが厚くなり易く、この結果、燃料電池の体格が増加し、やはり燃料電池システムが大型化し易かった。
【０００６】
また、前記した特許文献１に記載されたような技術においては、水分を気化させて反応ガスとともに固体高分子電解質膜に供給するため、反応ガス中に含有させる水分量を調整することが容易でなく、膜に適切な量の水分を供給することが困難であった。このため、過剰な水分が供給された場合には水分が燃料電池内に滞留してフラッディングが生じ易くなり、水分が不足する場合には固体高分子電解質膜のイオン交換能が低下しドライアップが生じて膜が劣化し易くなる、という問題があった。
【０００７】
本発明は、固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、膜に適切な水分を供給して水分の過不足による発電能力の低下を抑制するとともに、システムの小型化を実現させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層が配置されてなる膜・電極接合体と、膜・電極接合体を両側から挟持するセパレータと、を有する燃料電池を備え、セパレータの膜・電極接合体側の面に反応ガスを流通させるための反応ガス流通部が設けられ、反応ガス流通部を経由して膜・電極接合体に反応ガスが供給されて発電が行われる燃料電池システムであって、セパレータの膜・電極接合体側の面に水を流通させるための水流通部が反応ガス流通部とは別に設けられ、水流通部を経由して膜・電極接合体に水が供給されるように構成されてなるものである。
【０００９】
かかる構成を採用すると、セパレータの膜・電極接合体側の面に、反応ガス流通部と水流通部とが別々に設けられているため、反応ガスと水分とを別々に膜・電極接合体に供給することができる。従って、反応ガスの供給量とは別に固体高分子電解質膜への水分の供給量を調整することができるので、過剰な水分によるフラッディングや水分の不足によるドライアップ及び膜劣化等を抑制することができ、水分の過不足に起因する燃料電池の発電能力の低下を抑制することが可能となる。また、水分を水流通部から直接的に膜・電極接合体に供給することができるので、水分を気化させるための装備を省くことができる。この結果、燃料電池システムの小型化を実現させることが可能となる。
【００１０】
前記燃料電池システムにおいて、反応ガス流入部及び反応ガス排出部を有する反応ガス流通部を採用し、反応ガス流通部の反応ガス流入部近傍に水流路を設けることが好ましい。
【００１１】
このようにすると、供給される反応ガスの含水量が低く、反応ガスにより膜・電極接合体の水分が奪われ易い反応ガス流通部の反応ガス流入部付近に、水流通部を介して水分を供給することができる。従って、反応ガス流入部近傍における固体高分子電解質膜のドライアップや劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水分が水流通部に供給されるように構成されることが好ましい。
【００１３】
このようにすると、発電によって燃料電池で生成され燃料電池から排出された水分を、水流通部に供給して、固体高分子電解質膜の湿潤に有効利用することができる。従って、システム外部から水分を導入するための装備を別途設ける必要がないため、さらに燃料電池システムの小型化を図ることが可能となる。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御手段を備えることができる。かかる場合において、反応ガス流通部への反応ガスの供給量に応じて、水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御手段を採用することができる。また、システムに要求される要求発電量に基づいて、水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御手段を採用してもよい。さらに、燃料電池の実際の発電量と要求発電量との偏差に基づいて、水流通部への水の供給量及び／供給圧力を制御する水供給制御手段を採用することもできる。
【００１５】
かかる構成を採用すると、反応ガス流通部への反応ガスの供給量やシステムに要求される要求発電量に応じて、水流通部への水の供給量や供給圧力を調整することができる。従って、固体高分子電解質膜の含水量を適切に調整することが可能となり、過剰な水分によるフラッディングや水分不足によるドライアップ及び膜劣化等を効果的に抑制して、燃料電池の発電効率を高く維持することが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層及び拡散層が配置されてなる膜・電極接合体と、膜・電極接合体を両側から挟持するセパレータと、を有する燃料電池を備え、水を流通させるための水流通部と反応ガスを流通させる反応ガス流通部とがセパレータの膜・電極接合体側の面に各々設けられ、水流通部を経由して膜・電極接合体に水が供給されるとともに、反応ガス流通部を経由して膜・電極接合体に反応ガスが供給されて発電が行われる燃料電池システムの制御方法であって、反応ガス流通部への反応ガスの供給量に応じて、水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御工程を含むものである。
【００１７】
前記制御方法において、システムに要求される要求発電量に基づいて、水流通部への水の供給量及び／又は供給圧力を制御する水供給制御工程を採用することができる。また、燃料電池の実際の発電量と要求発電量との偏差に基づいて、水流通部への水の供給量及び／供給圧力を制御する水供給制御工程を採用することもできる。
【００１８】
かかる方法を採用すると、反応ガス流通部への反応ガスの供給量やシステムに要求される要求発電量に応じて、水流通部への水の供給量や供給圧力を調整することができる。従って、固体高分子電解質膜の含水量を適切に調整することが可能となり、過剰な水分によるフラッディングや水分不足によるドライアップ及び膜劣化等を効果的に抑制して、燃料電池の発電効率を高く維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、膜に適切な水分を供給して水分の過不足による発電能力の低下を抑制するとともに、システムの小型化を実現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】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２１】
まず、図１〜図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００２２】
燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガスとしての空気等の酸化ガスと水素ガス等の燃料ガスとが供給されて電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガスを供給し酸化オフガスを排出する酸化ガス配管系３と、燃料電池２に燃料ガスを供給し燃料オフガスを排出する燃料ガス配管系４と、燃料電池２の固体高分子電解質膜を湿潤するための水分を供給する水供給配管系５と、システム全体を統括制御する制御部６と、を備えている。
【００２３】
固体高分子電解質型の燃料電池２は、多数の単電池４０が積層されてなるスタック構造を有している。燃料電池２の内部には、図１に示すように、複数のマニホールド４２が積層方向に連続して形成されている。マニホールド４２の端部には、酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４、水供給配管系５の各配管が各々接続されており、各単電池４０と各配管とが連通されている。
【００２４】
燃料電池２の各単電池４０は、図２に示すように、イオン交換膜である固体高分子電解質膜４４と、固体高分子電解質膜４４の両側に配置された白金等からなる触媒層４５ａ、４５ｂと、多孔質体からなる拡散層４６ａ、４６ｂと、から構成される膜・電極接合体４７を有している。また、各単電池４０は、膜・電極接合体４７を両側から挟持するセパレータ４８ａ、４８ｂを有している。セパレータ４８ａ、４８ｂにより膜・電極接合体４４を挟持した状態で構成された単電池４０では、セパレータ４８ａ側の触媒層４５ａが空気極（カソード）となり、セパレータ４８ｂ側の触媒層４５ｂが燃料極（アノード）となっている。
【００２５】
セパレータ４８ａは、金属、樹脂、カーボン等の材料により形成されており、図３に示すように、周縁側には、複数のマニホールド４２を構成するためのマニホールド用貫通孔４２ａ〜４２ｅが厚さ方向に貫通して設けられている。酸化ガス流通用のマニホールド用貫通孔４２ａ、４２ｃは酸化ガス配管系３の配管に連通し、燃料ガス流通用のマニホールド用貫通孔４２ｂ、４２ｄは燃料ガス配管系４の配管に連通し、水流通用のマニホールド用貫通孔４２ｅは水供給配管系５に連通している。
【００２６】
セパレータ４８ａの膜・電極接合体４４側の面には、図３に示すように、マニホールド用貫通孔４２ａ、４２ｃ間を連続するように屈曲した溝からなる反応ガス流通部５１が設けられている。また、同じくセパレータ４８ａの膜・電極接合体４４側の面には、マニホールド用貫通孔４２ｅから連続する水流通部５２が設けられている。本実施形態においては、水流通部５２が反応ガス流通部５１の反応ガス流入部（反応ガスが導入されるマニホールド用貫通孔４２ｃ側の部分）の近傍位置に設けられている。一方、セパレータ４８ａの膜・電極接合体４４側と反対側の面には、溝状に冷却水通路５５が設けられており、燃料電池２の外部に設けられた図示しない冷却水循環路と連通して冷却水が循環するように構成されている。
【００２７】
セパレータ４８ａを膜・電極接合体４４に隣接させると、反応ガス流通部５１の表面側の開口部が膜・電極接合体４４の拡散層４６ａで覆われることにより、マニホールド用貫通孔４２ａ、４２ｃ間を連続する中空の反応ガス流路５３が形成される。また、水流通部５２の表面側の開口部が拡散層４６ａで覆われることにより、マニホールド用貫通孔４２ｅから連続する中空の水流路５４が形成される。反応ガス流路５３と水流路５４とは相互に独立しており、反応ガス流路５３の内部空間と水供給口５４の内部空間との間で水分とガスとが直接流通しない非連通状態となっている。
【００２８】
セパレータ４８ｂは、水流通部５２を有さず、反応ガス流通部５１がマニホールド用貫通孔４２ｂ、４２ｄ間を連続するように形成されている他は、セパレータ４８ａと同様に構成されている。
【００２９】
酸化ガス配管系３は、図１に示すように、燃料電池２のマニホールド４２に接続されて燃料電池２に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流通する酸化オフガス排出流路１２と、を備えている。
【００３０】
酸化ガス供給流路１１には、フィルタ１３と、図示されていないモータの駆動により空気（酸化ガス）を取り込むコンプレッサ１４と、が設けられている。本実施形態における酸化ガス供給流路１１には、取り込まれた空気を加湿するための加湿器等の装置は設けられておらず、取り込まれた空気が燃料電池２のマニホールド４２に直接供給されるようになっている。
【００３１】
酸化オフガス排出流路１２には、気液分離器１５が設けられている。気液分離器１５は、燃料電池２からの酸化オフガスを気液分離し、分離気体を排気流路１７から排出するように構成されている。排気流路１７には、燃料電池２内の酸化ガスを所定圧に維持する背圧調整弁１６が設けられている。なお、排気流路１７には図示されていない希釈器が設けられており、排気流路１７内の酸化オフガスを燃料オフガスと希釈器で合流させて燃料オフガスを希釈し、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気するようになっている。
【００３２】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路２２と、燃料電池２から排出された燃料オフガスが流通する燃料オフガス排出流路２３と、燃料オフガス排出流路２３に接続され燃料オフガス中に含まれる水と燃料ガスとを分離する気液分離器３０と、気液分離器３０で分離された気体を燃料ガス供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２５と、を備えている。
【００３３】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。遮断弁２６を開き、水素供給源２１から燃料ガス供給流路２２に水素ガスが流出し、レギュレータ２７や電磁式の開閉弁２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給されるようになっている。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。
【００３４】
気液分離器３０には、分離された水を燃料オフガスの一部とともに排出可能な排気排水弁３１が設けられ、排気排水弁３１には排出される水及び燃料オフガスを図示されていない希釈器に送る排気排水流路３２が接続されている。循環流路２５には、気液分離器３０で分離されて燃料ガスが含まれる分離気体を燃料ガス供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４が設けられている。
【００３５】
水供給配管系５は、酸化ガス配管系３に設けられた気液分離器１５と、燃料電池２のマニホールド４２と、の間に設けられた水供給路１８を備えており、気液分離器１５により分離された水を燃料電池２へ供給することができるように構成されている。水供給路１８には水ポンプ１９が設けられている。制御部６の制御の下で水ポンプ１９が作動することにより、燃料電池２への水の供給量及び供給圧力を制御することができるようになっている。すなわち、制御部６及び水ポンプ１９は、本発明における水供給制御手段の一実施形態を構成する。
【００３６】
制御部６は、車両に設けられた各種負荷装置の動作を制御可能に構成されている。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水ポンプ１９，水素ポンプ２４等の各モータ、各部の弁等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３７】
制御部６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。
【００３８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。
【００３９】
燃料電池システム１の発電時には、空気（酸化ガス）が酸化ガス配管系３から燃料電池２の酸化ガス流通用のマニホールド４２へ供給されるとともに、水素ガス（燃料ガス）が燃料ガス配管系４から燃料電池２の燃料ガス用のマニホールド４２へ供給される。同時に、水が水供給配管系５から燃料電池２の水流通用のマニホールド４２へ供給される。
【００４０】
燃料電池２では、各マニホールド４２から各単電池４０に空気、水素ガス及び水が供給されることにより発電が行われる。各単電池４０では、水流通用のマニホールド用貫通孔４２ｅからセパレータ４８ａ側の水流路５４に水が導入され、水流路５４から膜・電極接合体４７の空気極（カソード）側の拡散層４６ａに水が供給される。その際、水流路５４に導入される水は気化させる必要はなく、液体状態のまま水流路５４から直接拡散層４６ａに供給される。水が拡散層４６ａに供給されると、拡散層４６ａの全体が湿潤され、さらに触媒層４５ａを介して固体高分子電解質膜４４がイオン交換能を十分に発揮できる程度に十分に湿潤される。
【００４１】
また、酸化ガス流通用のマニホールド用貫通孔４２ｃからセパレータ４８ａ側の反応ガス流路５３に酸化ガスが導入され、反応ガス流路５３から膜・電極接合体４７の空気極（カソード）側の拡散層４６ａに酸化ガスが供給される。一方、燃料ガス流通用のマニホールド用貫通孔４２ｄからセパレータ４８ｂ側の反応ガス流路５３に燃料ガスが導入され、反応ガス流路５３から膜・電極接合体４７の燃料極（アノード）側の拡散層４６ｂに燃料ガスが供給される。そして、各単電池４０において、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電が行われる。なお、かかる電機化学反応により生成された水は、過剰に供給された酸化ガス及び燃料ガスとともに、マニホールド用貫通孔４２ａ、４２ｂを経由して燃料電池２の外部に排出される。
【００４２】
本実施形態においては、酸化ガス流通用のマニホールド４２から酸化オフガス排出流路１２に排出された酸化オフガスが気液分離器１５で気液分離され、分離気体が排気流路１７から排出され、分離液としての水が水供給配管系５に供給される。そして、水供給配管系５において、水ポンプ１９により水供給路１８を通して水が燃料電池２に供給される。酸化ガス配管系３に設けた気液分離器１５で分離した過剰な水を、排気流路１７から分離気体とともに排出することもできる。なお、燃料ガス流通用のマニホールド４２から燃料オフガス排出流路２３に排出された燃料オフガスは気液分離器３０で気液分離され、分離気体が循環路２５により燃料ガス供給流路２２に返送され、分離液は燃料オフガスの一部とともに排気排水路３２から排出される。
【００４３】
続いて、図４のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の水供給制御について説明する。
【００４４】
まず、制御部６は、図示していないアクセル等から入力された各種操作信号に基づいて、燃料電池システム１に要求される発電量（要求発電量）を設定する（要求発電量設定工程：Ｓ１）。次いで、制御部６は、設定した要求発電量に基づいて、コンプレッサ１４による酸化ガス供給量を算出する（酸化ガス供給量算出工程：Ｓ２）。そして、制御部６は、実際のガス供給量が算出した酸化ガス供給量となるように、例えば図示しない流量センサ等を用いて監視しながらコンプレッサ１４を制御して酸化ガスの供給量を調整する。なお、燃料ガス供給流路２２から供給される燃料ガスもまた適宜制御を実施して供給することができ、例えば、所定圧範囲や所定濃度範囲に維持したり、酸化ガス供給量に対応させて変化させたりすることができる。
【００４５】
次いで、制御部６は、酸化ガス供給量算出工程Ｓ２で算出した酸化ガス供給量に基づいて、水供給配管系５から各単電池４０に供給する水の流量（必要水量）を算出するとともに、水ポンプ１９により燃料電池２に供給する水の圧力（必要水圧）を算出する（水量・水圧算出工程：Ｓ３）。必要水量及び必要水圧は予め設定された相関関係に基づいて算出することができる。そして、制御部６は、実際の水圧が必要水圧となるように、例えば図示しない水圧力センサ等を用いて監視しながら水ポンプ１９を制御して水の供給量を調整する（水供給量調整工程：Ｓ４）。
【００４６】
このようにして酸化ガス及び水の供給量を調整することにより、適切な水分を各単電池４０の固体高分子電解質膜４４に供給しつつ、所望の発電を行うことが可能である。本実施形態では、最適な水分を供給しつつ、システム要求電力をより確実に発電するために、さらに、次のような制御を行う。
【００４７】
すなわち、制御部６は、必要水量に達した後、電圧モニター等により燃料電池２の電圧を監視することにより、燃料電池２の発電量が要求発電量未満であるか否かを検出する（発電量判定工程：Ｓ５）。次いで、制御部６は、燃料電池２の発電量が要求発電量未満である場合には、要求発電量に対応する電圧と燃料電池２の発電量に対応する電圧との偏差を算出し、この偏差に基づいて必要水量及び必要水圧を補正し、この補正した必要水圧に基づいて水ポンプ１９を制御して水の供給量を最適な量に再び調整する。以上の工程群（要求発電量設定工程Ｓ１、酸化ガス供給量算出工程Ｓ２、水量・水圧算出工程Ｓ３、水供給量調整工程Ｓ４、発電量判定工程Ｓ５）は、本発明における水供給制御工程の一実施形態を構成する。
【００４８】
なお、水量・水圧算出工程Ｓ３において算出された必要水量が増加する場合は、水の供給量を増加すればよいが、必要水量が減少する場合には、各単電池４０には既に必要水量以上の水が拡散層４６ａに含まれているため、水を排出する必要がある。かかる場合には、酸化ガスの供給圧力より水の供給圧力より低くすることにより、圧力差により拡散層４６ａ中の水を排出することができ、拡散層４６ａに含まれる水の量を調整することが可能である。
【００４９】
以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、セパレータ４８ａの膜・電極接合体４７側の面に、反応ガス流通部５１と水流通部５２とが別々に設けられているため、反応ガスと水分とを別々に膜・電極接合体４７に供給することができる。従って、反応ガスの供給量とは別に固体高分子電解質膜４４への水分の供給量を調整することができるので、過剰な水分によるフラッディングや水分の不足によるドライアップ及び膜劣化等を抑制することができ、水分の過不足に起因する燃料電池２の発電能力の低下を抑制することが可能となる。また、水分を水流路５４から直接的に膜・電極接合体４７に供給することができるので、水分を気化させるための装備を省くことができる。この結果、燃料電池システム１の小型化を実現させることが可能となる。
【００５０】
また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、反応ガス流通部５１流路の反応ガス流入部近傍に水流通部５２を設けているので、供給される反応ガスの含水量が低く反応ガスにより膜・電極接合体４７の水分が奪われ易い反応ガス流入部付近に水分を供給することができる。従って、反応ガス流入部近傍における固体高分子電解質膜４４のドライアップや劣化を効果的に抑制することが可能となる。
【００５１】
また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２から排出される水分を水流路５４に供給する水供給配管系５を採用しているため、発電によって燃料電池２で生成され燃料電池２から排出された水分を固体高分子電解質膜４４の湿潤に有効利用することができる。従って、システム外部から水分を導入するための装備を別途設ける必要がないため、さらに燃料電池システム１の小型化を図ることが可能となる。
【００５２】
また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、水流路５４への水の供給量及び供給圧力を制御する水供給制御手段（制御部６及び水ポンプ１９）を備えており、反応ガス流路５３への反応ガスの供給量やシステムに要求される要求発電量に応じて、水流路５４への水の供給量や供給圧力を調整することができる。従って、固体高分子電解質膜４４の含水量を適切に調整することが可能となり、過剰な水分によるフラッディングや水分不足によるドライアップ及び膜劣化等を効果的に抑制して、燃料電池２の発電効率を高く維持することが可能となる。
【００５３】
なお、以上の実施形態においては、酸化ガス流通用の反応ガス流路５３が形成されるセパレータ４８ａに水流通部５２を設け、この水流通部５２に水を供給する水供給配管系５をカソード側に設けた例について説明したが、燃料ガス流通用の反応ガス流路５３が形成されるセパレータ４８ｂに水流通部を設け、この水流通部に水を供給する水供給配管系をアノード側に設けることもできる。
【００５４】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の単電池の部分断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池のセパレータの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの水供給制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（水供給制御手段）、１９…水ポンプ（水供給制御手段）、４０…単電池、４４…固体高分子電解質膜、４５ａ・４５ｂ…触媒層、４６ａ・４６ｂ…拡散層、４７…膜・電極接合体、４８ａ…セパレータ、５１…反応ガス流通部、５２…水流通部、５３…反応ガス流路、５４…水流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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