(57)【要約】【課題】燃料電池の運転状態に応じて、冷却水の流れを制御することで、ドライアップやフラッディングの発生を抑制する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、燃料電池は、電解質と、電解質の両側に配置された一対の電極とからなる膜−電極接合体と、一対の電極のうち一方の電極に相対して配置され、冷却媒体を流通させる冷却媒体通路を備えるセパレータとを有する。また、この燃料電池システムは、冷却媒体通路内を流通する冷却媒体の流通方向を、一方の電極に供給される反応ガスの流通方向の上流側から下流側にかけて冷却媒体の温度が高くなる第１方向と、反応ガスの流通方向の下流側から上流側にかけて冷却媒体の温度が高くなる第２方向との間で、逆転させるように切り替える切替手段とを備えている。【選択図】図３
2008277089.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一対の電極とからなる膜−電極接合体と、
前記一対の電極のうち一方の電極に相対して配置され、冷却媒体を流通させる冷却媒体通路を備えるセパレータと、
前記冷却媒体通路内を流通する冷却媒体の流通方向を、前記一方の電極に供給される反応ガスの流通方向の上流側から下流側にかけて前記冷却媒体の温度が高くなる第１方向と、前記反応ガスの流通方向の下流側から上流側にかけて前記冷却媒体の温度が高くなる第２方向との間で、逆転させるように切り替える切替手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記セパレータは、前記冷却媒体通路の一方の端部に接続し、かつ、前記一方の電極に反応ガスを供給する場合の該反応ガスの流通方向において、上流側となる上流孔と、
前記冷却媒体通路の他方の端部に接続し、前記反応ガスの流通方向において、下流側となる下流孔と、を備え、
前記切替手段は、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向を、
前記第１方向にするときには、前記上流孔を冷却媒体の入口とし、前記下流孔を冷却媒体の出口とし、
前記第２方向にするときには、前記下流孔を冷却媒体の入口とし、前記上流孔を冷却媒体の出口とす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】
前記反応ガスは酸化ガスであって、
前記冷却媒体通路内の冷却媒体の温度を検出する温度検出手段と、
前記冷却媒体の温度が基準温度よりも高いか否かを判定する温度判定手段と、
前記切替手段を制御することで、前記冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高いことが認められた場合に、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が前記第２方向となるように制御し、前記冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高いことが認められない場合に、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が前記第１方向となるように制御する制御手段と、
を、更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記膜−電極接合体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンスが基準インピーダンスよりも大きいか否かを判定するインピーダンス判定手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高いことが認められた場合であって、前記インピーダンスが基準インピーダンスよりも大きいことが認められたときは、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が、前記第１方向となるように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応ガスは酸化ガスであって、
前記セパレータは、前記一方の電極に酸化ガスを流通させるための、酸化ガス入口孔と、酸化ガス出口孔とを備え、
前記酸化ガス入口孔は、前記燃料電池システムが設置された状態において、前記酸化ガス出口孔に対して下側となるように配置されることを特徴とする請求項１から４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、電解質とその両側に配置された一対の電極と、一対の電極にそれぞれ相対して配置されるセパレータとを備える燃料電池の運転システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開２００５−３２５６１号公報には、固体高分子型の燃料電池が開示されている。この燃料電池は、電解質膜の一方にカソード極、他方にアノード極を有し、それぞれの電極に水素と空気とを供給することで、酸素と水素とから水を反応させて起電力を得ている。この燃料電池は、電解質膜とカソード極、アノード極とから構成される膜−電極接合体が、セパレータを介して積層されたスタック構造を有している。
【０００３】
ここで各セパレータは、カソード極に接するカソード面と、隣接する膜−電極接合体のアノード極に接するアノード面とが一体となって構成されている。またアノード面とカソード面との間には冷却水を流通させる冷却水通路が形成されている。冷却水通路は、カソード面のカソード通路内を流れる大気の流通方向の上流側から下流側に向けて冷却水が流れるように形成されている。
【０００４】
更に、この冷却水通路は、冷却水の流通方向の上流側に区画された低温冷却水通路と、低温冷却水通路よりも下流側に区画された冷却水通路とから構成されている。低温冷却水通路と、下流側の冷却水通路とは、それぞれ異なる冷却水入口と冷却水出口とに接続される。低温冷却水通路とその下流の冷却水通路とは、それぞれの入口、出口において異なる冷却水供給経路に接続され異なる温度の冷却水が供給されるように構成されている。具体的に、低温冷却水通路には通常の冷却水より低温の40〜65[℃]程度に制御された冷却水が供給される。一方、冷却水通路には通常の冷却水の温度である60〜80[℃]程度に制御された冷却水が供給される。
【０００５】
上記従来技術によれば、カソード通路の上流側はより乾燥を起こし易い領域となる。このため通常より低温の冷却水でカソード通路内に供給される大気を冷却することで大気を過飽和状態とし、電解質膜を湿潤状態とすることができるとしている。ここで冷却水通路が上流側と下流側とに区画され、各通路に流れる冷却水が異なる経路で冷却されるため、上流側の冷却水は確実に低温に冷却される。従って、冷却水量を増量しなくても、乾燥しやすい上流側の領域を低温で過飽和な状態に維持することができる。また上流側と下流側とが区別されて構成されているため、下流側に過剰な冷却水が供給されることによるカソード通路内の滞留水の増加が抑制される。つまり、上記従来技術によれば、カソード上流側における乾燥による電解質膜の破損を抑えると共に、下流側における滞留水の増加によるシステム効率の悪化を抑えることができるものとしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３２５６１号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２６７６号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２１３３号公報
【特許文献４】特開２００２−１４１０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし上記従来技術によれば、上流側と下流側の冷却水通路の入口から、それぞれ異なる温度に制御された冷却水を供給する必要がある。つまり上流側の低温冷却水通路に低温の冷却水を供給するシステムと、下流側の冷却水通路に通常の温度に制御された冷却水を供給するシステムとの２つの冷却水供給経路が必要となる。このため燃料電池の大型化やシステムの複雑化、更にはコストアップを招くことが考えられるため、より簡易なシステムでの冷却水によりセルの温度制御が望まれる。
【０００８】
また、上記従来技術では、カソード通路の上流側に対応する領域には常に低温の冷却水が供給され、下流側の領域にはそれよりも高い温度の冷却水が供給されることとなる。しかし、電解質膜の乾燥（ドライアップ）の起き易さ、あるいはカソード通路内での水の過度な滞留やフラッディングの起き易さは常に一定のものではなく、燃料電池の運転時の負荷状況等によって変化するものである。従って、ドライアップ防止やフラッディング防止による発電性能の向上のためには、燃料電池の負荷状況に応じた冷却水による温度制御が望まれる。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡易なシステムで、冷却水による冷却を制御できるよう改良した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】
【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一対の電極とからなる膜−電極接合体と、
前記一対の電極のうち一方の電極に相対して配置され、冷却媒体を流通させる冷却媒体通路を備えるセパレータと、
前記冷却媒体通路内を流通する冷却媒体の流通方向を、前記一方の電極に供給される反応ガスの流通方向の上流側から下流側にかけて前記冷却媒体の温度が高くなる第１方向と、前記反応ガスの流通方向の下流側から上流側にかけて前記冷却媒体の温度が高くなる第２方向との間で、逆転させるように切り替える切替手段と、
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、
前記セパレータは、前記冷却媒体通路の一方の端部に接続し、かつ、前記一方の電極に反応ガスを供給する場合の該反応ガスの流通方向において、上流側となる上流孔と、
前記冷却媒体通路の他方の端部に接続し、前記反応ガスの流通方向において、下流側となる下流孔と、を備え、
前記切替手段は、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向を、
前記第１方向にするときには、前記上流孔を冷却媒体の入口とし、前記下流孔を冷却媒体の出口とし、
前記第２方向にするときには、前記下流孔を冷却媒体の入口とし、前記上流孔を冷却媒体の出口とすることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記反応ガスは酸化ガスであって、
前記冷却媒体通路内の冷却媒体の温度を検出する温度検出手段と、
前記冷却媒体の温度が基準温度よりも高いか否かを判定する温度判定手段と、
前記切替手段を制御することで、前記冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高いことが認められた場合に、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が前記第２方向となるように制御し、前記冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高いことが認められない場合に、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が前記第１方向となるように制御する制御手段と、
を、更に備えることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明は、第３の発明において、
前記膜−電極接合体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンスが基準インピーダンスよりも大きいか否かを判定するインピーダンス判定手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高いことが認められた場合であって、前記インピーダンスが基準インピーダンスよりも大きいことが認められたときは、前記冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が、前記第１方向となるように制御することを特徴とする。
【００１４】
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記反応ガスは酸化ガスであって、
前記セパレータは、前記一方の電極に酸化ガスを流通させるための、酸化ガス入口孔と、酸化ガス出口孔とを備え、
前記酸化ガス入口孔は、前記燃料電池システムが設置された状態において、前記酸化ガス出口孔に対して下側となるように配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、燃料電池システムは、セパレータの冷却媒体通路内を流通させる冷却媒体の流通方向を逆転させるように切り替える切替手段を備えている。これにより冷却媒体の流通方向を、そのときの燃料電池の運転状態等に合わせて切り替えることができる。従って、燃料電池のドライアップやフラッディング等を防止することができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００１６】
第２の発明によれば、冷却媒体通路の両端は、セパレータが相対する一方の電極に反応ガスを供給する場合の反応ガスの流通方向において、上流側となる上流孔と下流側となる下流孔とにそれぞれ接続している。そして、冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向は、上流孔から下流孔へ流れる第１方向と、その逆の第２方向とに切り替えることができる。これにより燃料電池の運転状態に応じて、かつ反応ガスの流通方向に合わせて冷却媒体の流れを切り替えることができる。従って反応ガスの流通による生成水の移動や、反応ガスの流通方向による温度上昇の違い等に合わせて冷却媒体の流れを切り替えることができる。従って、反応ガスの流通や生成水の移動に起因するドライアップやフラッディング等を効果的に防止することができる。
【００１７】
第３の発明によれば、冷却媒体の温度が基準温度よりも高いときには、冷却媒体の流通方向が、酸化ガスの流れの下流側から上流側に向う方向となるように制御される。これにより、冷却媒体の温度が基準温度よりも高くなる運転状態において、酸化ガスの下流側をより積極的に冷却することができる。これにより、酸化ガスの流れの下流付近から酸化ガスに伴って外部に排出される水蒸気（生成水）の量を減少させることができるため、高温での運転状態におけるドライアップを抑制することができる。一方、冷却媒体の温度が基準温度以下となる運転状態では、酸化ガスの流れの上流側から下流側に向う方向に冷却媒体を流通させることができる。これにより下流側の過度な冷却による生成水の滞留を抑え、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００１８】
ここで、酸化ガスの下流側から上流側に向う方向に対応して冷却媒体が流通する場合、その方向における冷却媒体の流通時間が長くなると、過度に下流側の酸化ガスが冷却されることも考えられる。このような場合、下流側が過飽和な状態となり生成水の蒸発量が減少することとなる。その結果、酸化ガスの流れと外部に排出される生成水の量が減少し、下流側に移動した生成水がそのまま酸化ガスの流路に滞留してフラッディングが発生することも考えられる。この点、第４の発明によれば冷却媒体の温度が基準温度よりも高いことが認められた場合であっても、膜−電極接合体のインピーダンスが基準インピーダンスよりも大きい場合には、冷却媒体通路内の冷却媒体の流通方向が第１方向となるように制御される。つまり、インピータンスがある程度高くなった場合には生成水の滞留量が増加したものと判断され、反応ガスの流れの上流側から下流側に向う方向となるように冷却媒体が流通するように制御される。これにより冷却媒体の逆流による酸化ガスの下流側における過度な冷却を抑制し、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００１９】
第５の発明によれば、セパレータは、一方の電極に反応ガスとしての酸化ガスを流通させるための酸化ガス入口孔と酸化ガス出口孔とを備え、酸化ガス入口孔は、燃料電池システムが設置された状態において、酸化ガス出口孔に対して下側となるように配置されている。これにより下流側に滞留した生成水を、重力によって下流側から上流側へ（下側へ）移動させることができ、乾燥しやすい上流側の領域に生成水をある程度移動させることができる。従って、より効果的にドライアップを抑制することができる。
【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。
【００２１】
実施の形態．
[実施の形態のシステムの構成について]
図１は、この発明の実施の形態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１０を備えている。積層されたセル１０の積層方向の両端側には、ターミナルやインシュレータ（図示せず）を介してエンドプレート１２が配置されている。燃料電池２は、エンドプレート１２の外側から締結部材（図示せず）によって、所定の締結圧力で締め付けられている。
【００２２】
燃料電池２に形成された水素導入口には水素供給経路（図示せず）が接続されている。外部の水素供給源（図示せず）から供給される燃料としての水素が水素供給経路を介して水素導入口から燃料電池２内に供給される。水素導入口から供給された水素は、燃料電池２内部の水素供給用のマニホールドを通り、各セル１０の水素通路内に流入する。一方、水素排出口には水素循環経路（図示せず）が接続されている。各セル１０から排出された水素オフガスは、水素排出用のマニホールドを通り水素排出口（H2OUT）に接続された水素循環経路を通過して再び水素供給経路に合流する。
【００２３】
燃料電池２に形成された酸素導入口は、外部から大気を導入することで燃料電池２内に酸化ガスとして酸素を供給するための酸素供給経路に接続されている。酸素供給経路から供給された酸素は、酸素導入口から燃料電池２内に供給され、燃料電池２内の酸素供給用のマニホールドを通り、各セル１０の酸素通路に供給される。一方、各セル１０の酸素通路から排出された酸素オフガスは、酸素排出用のマニホールドを通り酸素排出口（O2OUT）に接続された酸素排出経路を通過して外部に放出される。
【００２４】
燃料電池２は、２つの冷却水（冷却媒体）流通口１４ａ、１４ｂを有している。各冷却水流通口１４ａ、１４ｂには、冷却水を燃料電池２内に循環するための冷却水循環経路１６が接続されている。冷却水循環経路１６はその途中において複数に分岐した配管を含んで構成されている。冷却水循環経路１６の分岐した配管のそれぞれには、第１バルブ１８ａ、第２バルブ１８ｂ、第３バルブ１８ｃ、第４バルブ１８ｄ及び、冷却水を１方向（図１では矢印方向）に押し流すポンプ２０が配置されている。
【００２５】
冷却水循環経路１６の冷却水流通口１４ａ、１４ｂ付近には、それぞれ水温センサ２２ａ、２２ｂが取り付けられている。水温センサ２２ａ、２２ｂは、その設置位置において冷却水循環経路１６内を流通する冷却水の水温に応じた出力を発する。
【００２６】
この燃料電池システムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）２４を備えている。ＥＣＵ２４は、水温センサ２２ａ、２２ｂや燃料電池２の各種のセンサの出力を受けて燃料電池の運転状態に関する情報を検出すると共に、燃料電池２の運転に関する制御信号を発することで、燃料電池２の運転を制御する。具体的に、図１のシステムではＥＣＵ２４は、例えば燃料電池２の第１〜第４バルブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄのそれぞれに制御信号を発することで第１〜第４バルブ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの開閉状態を制御する。
【００２７】
[冷却水の流通方向の切り替えについて]
ところで、このシステムは冷却水循環経路１６中の冷却水の流れる方向を逆転させることができる機能（切替手段）を有している。具体的に、冷却水循環経路１６に配置された第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが閉弁し、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが開弁した状態とされると、ポンプ２０のポンプ力によって、冷却水が冷却水流通口１４ｂから冷却水が排出され、第４バルブ１８ｄ、ポンプ２０、第３バルブ１８ｃが取り付けられている配管を通過して、冷却水流通口１４ａから流れ込む。即ち、この状態では、冷却水流通口１４ａが入口、冷却水流通口１４ｂが出口となって、第１方向（矢印ａ方向）に冷却水が流通する。
【００２８】
一方、第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが開弁し、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが閉弁した状態とされると、ポンプ２０のポンプ力によって冷却水流通口１４ａから冷却水が排出され、第１バルブ１８ｄ、第２バルブ１８ｃが設置されている配管を通過して、冷却水流通口１４ｂから燃料電池２内に流れ込む。即ち、この状態では、冷却水流通口１４ｂが入口、冷却水流通口１４ａが出口となって、第２方向（矢印ｂ方向）に冷却水が流通する。
【００２９】
[燃料電池システムのセパレータについて]
図２は、燃料電池のセパレータについて説明するための図である。図２（ａ）はセパレータの水素流通方向、及び酸素流通方向を説明するための図であり、図２（ｂ）は冷却水循環経路１６に接続するセパレータ内の冷却水通路について説明するための図であり、冷却水の流通方向を説明するため、便宜的に、燃料電池２に接続された冷却水循環経路を同図に表している。
【００３０】
図２(ａ)、（ｂ）に示すセパレータは、電解質膜（電解質）とその両側の一対の電極（カソード極とアノード極）で形成される膜−電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を挟んだ状態でＭＥＡの両側に配置される。具体的に２つのＭＥＡの間に配置されるセパレータは、一方のＭＥＡのカソード極に接するカソード面を含む部分と、他方のＭＥＡのアノード極に接するアノード面を含む部分と、その間に配置された冷却水が流通する部分とが一体となって形成されている。
【００３１】
このセパレータの下側の長辺に沿って、セパレータを貫通する３つの酸素入口孔３０が配置され、下辺に対向する上側の長辺に沿って、セパレータを貫通する３つの酸素出口孔３２が配置されている。一方、酸素出口孔３２の横には、セパレータを貫通して水素入口孔３４が形成されている。酸素入口孔３０の横、かつ水素入口孔３４の対角側には、セパレータを貫通する水素出口孔３６が形成されている。また、セパレータのアノード面には、水素入口孔３４及び水素出口孔３６のそれぞれに接続する水素導入路３８が形成されている。
【００３２】
セパレータの短辺の一方には、酸素出口孔３２に比較的近い位置に冷却水流通用の下流孔４０ｂが形成されている。この短辺に対向する短辺側の酸素入口孔３０に比較的近い位置に、上流孔４０ａが形成されている。図２（ｂ）に示すように、１のセパレータのアノード面とカソード面の間の部分には、冷却水通路４２（冷却媒体通路）が形成されている。冷却水通路４２は、その両端が上流孔４０ａと下流孔４０ｂとにそれぞれ接続されている。冷却水通路４２は、酸素入口孔３０から酸素出口孔３２に向けて（図２（ｂ）では下から上の方向に向けて）、蛇行するようにして配置されている。
【００３３】
ここで、酸素入口孔３０及び酸素出口孔３２は、互いに隣接するセパレータ同士がガスケット等を介して接続することで連結し、酸素供給用のマニホールドと酸素排出用のマニホールドとを構成する。酸素供給用のマニホールドは燃料電池２の酸素導入口において酸素供給経路に連結し、酸素排出用のマニホールドは酸素排出口において燃料電池２の酸素排出経路に連結する。従って、酸素供給経路から供給される酸素（大気）は、酸素供給用のマニホールドを通過する際に、各酸素入口孔３０から各セパレータに接するＭＥＡのカソード極側に導入される。排出された大気オフガスは、酸素出口孔３２から、酸素排出用のマニホールドを通過して、酸素排出口から、酸素排出経路に排出される。
【００３４】
同様に、水素入口孔３４及び水素出口孔３６は、互いに隣接するセパレータ同士がガスケット等を介して接続することで連結し、水素供給用のマニホールドと、水素排出用のマニホールドとを構成する。この水素供給用のマニホールドは、燃料電池２の水素導入口において水素供給経路に接続し、水素排出用のマニホールドは、燃料電池２の水素排出口において水素循環経路に連結する。従って、水素供給経路から供給される水素は、水素供給用のマニホールドを通過しながら、各水素入口孔３４から各セパレータの水素導入路３８内に流通し、ＭＥＡのアノード極に導入される。一方、ＭＥＡのアノード極から排出される水素オフガスは、水素導入路３８を介して回収され水素出口孔３６から水素排出用のマニホールドを通過して、水素排出口から水素循環経路に排出される。
【００３５】
図２（ａ）には、上記のように供給される水素及び酸素の流通方向がそれぞれ矢印で表されている。図２（ａ）ではその流通方向を説明するため、一面に酸素の流れ及び水素の流れを同時に表している。しかし、実際には１のセパレータの一面（カソード面）側に酸素が流通し、他方の面（アノード面）側に水素が供給される。図２（ａ）に示すように、酸素は酸素入口孔３０から酸素出口孔３２の方向に向けて流れている（図２（ａ）では、上向きの矢印方向）。また、水素は、水素入口孔３４から水素導入路３８を通過しつつ、水素出口孔３６に接続する水素導入路３８に向けて流れている（図２（ａ）では、下向きの矢印方向）。
【００３６】
冷却水用の上流孔４０ａ及び下流孔４０ｂは連結して、それぞれ冷却水用のマニホールドを構成する。上流孔４０ａにより構成されるマニホールドは、冷却水流通口１４ａにおいて、冷却水循環経路１６に接続している。一方、下流孔４０ｂにより構成されるマニホールドは、冷却水流通口１４ｂにおいて、冷却水循環経路１６に接続している。
【００３７】
［セパレータの冷却水通路内の冷却水の流れの制御について］
ここで、上記のように冷却水循環経路１６内の冷却水の流れは、各バルブ１８ａ〜１８ｄの開閉状態が制御されることで、第１方向（矢印ａ）とその逆の第２方向（矢印ｂ）とに切り替えられるようになっている。このときのセパレータの冷却水通路４２内における冷却水の流れを説明する。
【００３８】
第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが閉弁し、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが開弁して冷却水循環経路１６に第１方向で冷却水が流通する場合、冷却水流通口１４ｂが出口、冷却水流通口１４ａが入口となる。従って、図２（ｂ）に示すように、冷却水流通口１４ａから、上流孔４０ａにより構成されるマニホールドに冷却水が供給されると、各セパレータの上流孔４０ａから冷却水通路４２内に冷却水が流入する。冷却水は冷却水通路４２を第１方向（矢印Ａ）に流れて、下流孔４０ｂからその下流孔４０ｂによって構成されるマニホールドを通り、冷却水流通口１４ｂを介して、冷却水循環経路１６に排出される。
【００３９】
一方、第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが開弁し、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが閉弁した状態では、冷却水流通口１４ａが出口、冷却水流通口１４ｂが入口となり、第２方向に冷却水が流通する。従って、冷却水は、下流孔４０ｂで構成されるマニホールドを介して、各セパレータの下流孔４０ｂから流入し、冷却水通路４２内を第２方向（矢印Ｂ）に流れ、上流孔４０ａから排出される。排出された冷却水は上流孔４０ａによって構成されるマニホールドを通り、冷却水流通口１４ａを介して、冷却水循環経路１６に排出される。
【００４０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、この発明の実施の形態における燃料電池２の冷却水の流通方向と、その場合の冷却水の温度について説明するための図である。図３（ａ）は、冷却水が第１方向で流通させる場合であり、図３（ｂ）は冷却水を第２方向で流通させる場合を表している。
【００４１】
燃料電池２は酸化ガスとして大気が供給されるが、その供給においては、大気中の酸素分圧が低いためある程度高い圧力で大量の大気が導入される。従って、特に、酸素入口孔３０付近において電解質膜が乾燥した状態となる。一方、燃料電池の電気化学反応によってカソード極側には水が生成される。この生成水は酸素の供給の流れによって酸素出口孔３２側に押し流されるため、酸素出口孔３２付近では生成水が多く滞留し、比較的高い湿潤状態となっている。
【００４２】
ここで、燃料電池２の運転負荷が小さく、低〜中温の領域（常温〜70[℃]）では、燃料電池２の電気化学反応の反応熱による温度上昇が小さく、大気の導入量も少ない。従って、生成水が水蒸気となって酸素出口孔３２に酸素オフガスと共に持ち去られる量が小さくなるため、酸素の流れの下流側は高い湿潤状態が保たれる。また、酸素入口孔３０付近での大気導入による乾燥の程度も小さくなる。同時に、下流側の湿潤状態が高いため滞留する生成水が重力によって下方に移動し、酸素入口孔３０付近の湿潤状態も比較的高い状態となる。従って、この状態では過度な乾燥（ドライアップ）を起こしにくい。
【００４３】
一方、この状態では、反応熱による温度上昇が小さいため、生成水が水蒸気となって排出される量が少ない。従って、特に酸素の流通方向の下流側では、生成水が滞留しやすい状態となる。従って、過度に滞留した水が酸素の通路を塞ぐ現象（フラッディング）の発生を抑える必要がある。
【００４４】
従って、低〜中温の温度領域では、酸素の流れの上流側では、電解質膜の乾燥を抑制するため冷却水の温度を低くし、一方、上流側では、フラッディングを防止するため冷却水の温度を高くすることが好ましい。従って、この温度域では、図３（ａ）に示すように、冷却水は第１方向（矢印Ａ）方向に流される。つまり、第１、第２バルブを閉じ、第３、第４バルブを開いた状態とする。
【００４５】
一方、燃料電池２の負荷が大きく、高温領域(70[℃]以上)で運転される場合には、酸素の流れが強くなる。また、反応熱による温度上昇も大きく、燃料電池２のＭＥＡが全体に高温となる。従って、生成水が水蒸気となって、酸素の流れと共に外部に排出されやすい。従って、ＭＥＡ全面において水分が不足した状態となり、特に酸素入口孔３０付近は過度な乾燥状態（ドライアップ）を起こし易い。
【００４６】
このような状態となる場合には、酸素出口孔３２付近を積極的に冷却することで、出口付近を重点的に冷却し、酸素と共に排出される水蒸気量を減少させることが好ましい。このため高温領域では、図３（ｂ）に示すように第２方向（矢印Ｂ）方向に冷却水を流通させる。つまり第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂを開き、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが閉弁状態とする。この結果、酸素出口孔３２付近は、冷却水通路４２に流入した低温の冷却水によってある程度低温に冷却され、生成水が滞留することとなる。従って、下流側付近でのドライアップが防止される。また、滞留した生成水が重力により押されて、下方、即ち酸素の流れの上流側に移動する。このため酸素入口付近の特にドライアップしやすい領域にも水を移動させることができ、ドライアップの発生を抑制することができる。
【００４７】
また、図３（ｂ）に示す第２方向の流れを長く維持しようとすると、酸素出口孔３２の冷却が過剰な状態となる場合がある。このように冷却が過剰となれば、酸素出口孔３２付近では生成水の滞留量が増加するため、フラッディングを起こす場合がある。このため高温領域の場合、冷却水の流れを、第２方向に切り替えた後フラッディングが予測される状態となった場合には、再び第１方向に切り替える。具体的には、各セルのインピーダンスを測定して抵抗を算出し、抵抗がある程度高くなったところでフラッディングがある程度大きくなっているものと判断し、第１方向に切り替える。
【００４８】
［実施の形態の燃料電池システムの具体的な制御のルーチン］
図４はこの発明の実施の形態においてＥＣＵ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４に示すルーチンは燃料電池の運転中に定期的に繰り返し実行される。図４のルーチンでは、まずステップＳ１０２において燃料電池の運転中であることが確認されると、次に、水温が検出される（Ｓ１０４）。水温としては、そのときの冷却水の流通方向において下流側となる方の冷却水流通口１４ａ、１４ｂ付近に配置された水温センサ２２ａ、２２ｂの値が検出される。
【００４９】
次に、検出された水温が基準温度(70[℃])より高いか否かが判断される（Ｓ１０６）。ステップＳ１０６において水温＞70℃の成立が認められない場合には、ドライアップを起こしにくい状態であると判断される。従って、ステップＳ１０８において第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが閉弁状態、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが開弁状態とされる。その結果、冷却水は冷却水通路４２内を酸素の流れに対して上流側から下流側となる第１方向（矢印Ａ）に流れることとなる。その後、今回のルーチンが終了する。
【００５０】
一方、ステップＳ１０６において水温＞70℃の成立が認められた場合、ドライアップを起こし易い状態であると判断される。従って、次に、セルのインピーダンスが検出される（Ｓ１１０）。ここでは予め複数のセルごとにインピーダンス測定器（図示せず）の端子を取り付けておいて、そのインピーダンスを検出し、その平均値を求めることで全体のインピーダンスとする。
【００５１】
次に、検出されたインピーダンスが基準インピーダンスより大きいか否かが判定される（Ｓ１１２）。ここで、インピーダンスが基準インピーダンスよりも大きいと判定される場合には、フラッディングが発生しやすい状態となっていると予想される。従って、インピーダンスが基準インピーダンスよりも大きいと判定された場合には、第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが閉弁状態され、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが開弁状態とされる（Ｓ１１４）。その後、今回の処理が終了する。この結果、冷却水は、酸素の流れに対して上流側から下流側となる第１方向（矢印Ａ）に流れることとなる。つまり冷却水の逆流（第２方向）が禁止される。これにより、酸素の流れに対して下流側の領域が過度に冷却されるのを防止することができる。従って、生成水の滞留量を減少させることができ、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００５２】
一方、ステップＳ１１２においてインピーダンスが基準インピーダンスより大きいことが認められなかった場合には、フラッディングの発生の可能性が小さいと判断される。この場合には、次に、第１、第２バルブ１８ａ、１８ｂが開弁状態とされ、第３、第４バルブ１８ｃ、１８ｄが閉弁状態とされる（Ｓ１１６）。その後、今回の処理が終了する。これにより、冷却水は、酸素流路の下流側から上流側となる第２方向（矢印Ｂ）に流れることとなる。その結果、酸素出口孔３２付近が冷却されるため、生成水の蒸発が抑えられ下流側付近に多くの生成水を滞留させることができる。また、これにより酸素出口孔３２より下方にある酸素入口孔３０付近にも生成水がある程度移動するため、酸素入口孔３０付近におけるドライアップを防止することができる。
【００５３】
以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、燃料電池２の発電の状態に応じて冷却水の流れを第１方向と第２方向とで切り替えることができる。従って、簡易なシステムで燃料電池の運転状態に応じた温度制御をすることができ、その運転状態に応じて発生しやすいフラッディングやドライアップの発生を抑えることができる。
【００５４】
図５は、この発明の実施の形態の燃料電池と、従来の燃料電池の、冷却水の出口温度に対する、セル電圧又はセル抵抗を比較説明するためのグラフである。図５において横軸は冷却水の出口温度[℃]、縦軸はセル電圧[V]又はセル抵抗[mΩ・cm2]を表している。また、図５において、点線は、従来の燃料電池のものであり、実線は実施の形態の燃料電池の場合を表している。
【００５５】
図５から、従来の場合には、冷却水の出口温度80〜90[℃]の領域では、その温度の上昇に伴い、セル抵抗の上昇及びセル電圧が低下が大きくなっているのに対して、実施の形態の燃料電池２においては、冷却水の出口温度が80〜90[℃]と高くなっている場合にも、セル抵抗の上昇及びセル電圧の低下が抑えられていることが確認される。
【００５６】
なお、実施の形態においては、70℃より高い場合に冷却水の流れを逆方向に切り替える場合について説明した。しかし、この発明において第１方向と第２方向の切り替えの基準となる温度は70℃に限るものではない。この温度は、その燃料電池ごとにドライアップやフラッディングの起き易さを考慮して設定することができる。また、切り替えの判断基準を冷却水の温度に限るものでもない。例えば、セル電圧を基準としてある程度セル電圧が高くなった場合に、第２方向に切り替えることとしてもよい。
【００５７】
また、実施の形態では、基準温度より高い場合であっても、インピーダンスが基準値より大きい場合にはドライアップを起こしているものと判断して、冷却水を第１方向に流す場合について説明した。しかし、この発明ではその切り替えの判断をインピーダンスに基づいて行なうものでなくてもよい。例えば、冷却水が基準温度よりも高くなった場合に、第２方向に切り替えて、この切り替え開始から一定時間が経過した後、再び第１方向に切り替えるようにし、このような時間のカウントによる切り替えを繰り返すようにすることもできる。ここでの一定時間は、予め実験等により設定することが可能である。
【００５８】
また、冷却水の温度が基準温度より高く、冷却水の流れを逆転させる環境下で、さらに第１方向と第２方向を切り替えて運転する場合に限るものでもない。つまり、基準温度よりも高いと判定された場合には、温度が再び基準温度以下の低温域となるまで、第２方向での冷却水の逆流を続けるようにしたものであってもよい。
【００５９】
また、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。
【００６０】
なお、例えば、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「温度検出手段」が実現し、ステップＳ１０６が実行されることで「温度判定手段」が実現し、ステップＳ１１０が実行されることで「インピーダンス検出手段」が実現し、ステップＳ１１２が実行されることで「インピーダンス判定手段」が実現し、ステップＳ１０８、Ｓ１１４又はＳ１１６が実行されることで「制御手段」実現する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について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における燃料電池のセパレータについて説明するための断面模式図である。
【図３】この発明の実施の形態における燃料電池の運転時の冷却水の流通方向について説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態において、システム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】この発明の実施の形態における燃料電池と従来の燃料電池のセル電圧及びセル抵抗の比較結果を表す図である。
【符号の説明】
【００６２】
２  燃料電池
４  ＥＣＵ
１０  セル
１２  エンドプレート
１４ａ、１４ｂ  冷却水流通口
１６  冷却水循環経路
１８ａ  第１バルブ
１８ｂ  第２バルブ
１８ｃ  第３バルブ
１８ｄ  第４バルブ
２０  ポンプ
２２ａ、２２ｂ  水温センサ
２４  ＥＣＵ
３０  酸素入口孔
３２  酸素出口孔
３４  水素入口孔
３６  水素出口孔
３８  水素導入路
４０ａ  上流孔
４０ｂ  下流孔
４２  冷却水通路
【図１】
2008277089.tif 000003
【図２】
2008277089.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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