(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の湿潤状態を制御することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体５０と、反応ガスが前記膜電極接合体５０の面に沿って一定方向に流れるように設けられた多孔体流路４４、４６と、膜電極接合体５０との間で多孔体流路４４、４６を挟むように設けられたセパレータ４８と冷媒が反応ガスの流れに垂直な方向に流れるように、セパレータ４８に形成された複数の冷媒流路５８と、複数の冷媒流路５８への冷媒の配流を制御する配流制御機構と、を備える。【選択図】図７
2008097952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
反応ガスが前記膜電極接合体の面に沿って一定方向に流れるように設けられたガス流路と、
前記膜電極接合体との間で前記ガス流路を挟むように設けられたセパレータと、
冷媒が前記反応ガスの流れに垂直な方向に流れるように、前記セパレータに形成された複数の冷媒流路と、
前記複数の冷媒流路への冷媒の配流を制御する配流制御機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷媒流路は前記反応ガスの流れ方向に群分けされ、
前記配流制御機構は、前記複数の冷媒流路への冷媒の配流を群単位で制御するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数の冷媒流路は、
前記反応ガスの流れ方向の上流域に位置する複数の冷媒流路からなる第１冷媒流路群と、前記反応ガスの流れ方向の下流域に位置する複数の冷媒流路からなる第２冷媒流路群と、に群分けされていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記配流制御機構は、
冷媒の供給源と各冷媒流路群とを並列に接続する並列接続手段と、
各冷媒流路群に分配される冷媒の冷媒流路群間での流量比を調整する流量比調整手段と、
を含むことを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池における加湿が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段における判定結果に基づいて、前記配流制御機構を制御する制御手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、
加湿が不足していると判定された場合に、前記反応ガスの流れ方向の上流域に位置する冷媒流路群の流量比が大きくなるように前記流量比調整手段を制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を含み、
前記燃料電池の温度が大きいほど、前記反応ガスの流れ方向の上流域に位置する冷媒流路群の流量比が大きくなるように前記流量比調整手段を制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記配流制御機構は、
冷媒の供給源と各冷媒流路群とを並列に接続する並列接続手段と、
前記反応ガスの流れ方向に沿って各冷媒流路群を直列に接続すると共に、最上流の冷媒流路群に冷媒の供給源を接続する直列接続手段と、
冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態を前記並列接続手段による接続形態と前記直列接続手段による接続形態との間で切り替える接続切替手段と、
を含むことを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池における加湿が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段における判定結果に基づいて、前記配流制御機構を制御する制御手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、
加湿が不足していると判定された場合に、冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態を前記並列接続手段による接続形態から前記直列接続手段による接続形態に切り替えるように前記接続切替手段を制御することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池における加湿が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段における判定結果に基づいて、前記配流制御機構を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乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記判定手段は、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を含み、
前記燃料電池の温度が所定値より大きい場合に前記燃料電池における加湿が不足していると判定することを特徴とする請求項９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し、特に、燃料電池の湿潤状態を制御することのできる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。
【０００３】
燃料電池の発電反応においては、アノードで生成されたプロトンが電解質膜の内部を通過してカソードへ移動する。プロトンの移動には水分が不可欠なため、電解質膜は常に適切な湿潤状態であることが望ましい。このため、例えば、特開２００３−２４９２４３号公報には、酸化ガスの入口部の温度よりも出口部の温度を低くすることのできる燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、より具体的には、通常の冷却用冷媒流路とは別に反応ガスの出口部に調整用の冷媒流路を有し、該調整流路の冷媒により反応ガスを冷却することとしている。かかる構成によれば、酸化ガスの出口部において酸化ガスの温度を低下させ、酸化ガスに含まれる水分を液化して回収することができ、燃料電池内部から多量の水分が排出されることを抑制することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４９２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池セル面内においては、ガス流あるいは燃料電池温度等との関係により、水分が不足しやすい領域と不足し難い領域とが存在する。このため、水分が不足しやすい領域を特定して加湿することができれば、燃料電池セル面内の湿潤状態を常に適切な状態に保つことができ、確実に発電効率の低下を抑制することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、この点、上記従来のシステムにおいては、燃料電池の内部の水分が外部に排出されることを抑制することはできるが、燃料電池セル面内の湿潤状態に関しては、何ら制御できるわけではない。このため、燃料電池セル面内の湿潤状態を領域毎に制御することのできない上記従来のシステムにおいては更なる改善が望まれていた。
【０００７】
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、燃料電池の湿潤状態を制御することの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】
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、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
反応ガスが前記膜電極接合体の面に沿って一定方向に流れるように設けられたガス流路と、
前記膜電極接合体との間で前記ガス流路を挟むように設けられたセパレータと、
冷媒が前記反応ガスの流れに垂直な方向に流れるように、前記セパレータに形成された複数の冷媒流路と、
前記複数の冷媒流路への冷媒の配流を制御する配流制御機構と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記冷媒流路は前記反応ガスの流れ方向に群分けされ、
前記配流制御機構は、前記複数の冷媒流路への冷媒の配流を群単位で制御するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記複数の冷媒流路は、
前記反応ガスの流れ方向の上流域に位置する複数の冷媒流路からなる第１冷媒流路群と、前記反応ガスの流れ方向の下流域に位置する複数の冷媒流路からなる第２冷媒流路群と、に群分けされていることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第２または３の発明において、
前記配流制御機構は、
冷媒の供給源と各冷媒流路群とを並列に接続する並列接続手段と、
各冷媒流路群に分配される冷媒の冷媒流路群間での流量比を調整する流量比調整手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記燃料電池における加湿が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段における判定結果に基づいて、前記配流制御機構を制御する制御手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、
加湿が不足していると判定された場合に、前記反応ガスの流れ方向の上流域に位置する冷媒流路群の流量比が大きくなるように前記流量比調整手段を制御することを特徴とする。
【００１３】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記制御手段は、前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を含み、
前記燃料電池の温度が大きいほど、前記反応ガスの流れ方向の上流域に位置する冷媒流路群の流量比が大きくなるように前記流量比調整手段を制御することを特徴とする。
【００１４】
また、第７の発明は、第２または３の発明において、
前記配流制御機構は、
冷媒の供給源と各冷媒流路群とを並列に接続する並列接続手段と、
前記反応ガスの流れ方向に沿って各冷媒流路群を直列に接続すると共に、最上流の冷媒流路群に冷媒の供給源を接続する直列接続手段と、
冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態を前記並列接続手段による接続形態と前記直列接続手段による接続形態との間で切り替える接続切替手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、第８の発明は、第７の発明において、
前記燃料電池における加湿が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段における判定結果に基づいて、前記配流制御機構を制御する制御手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、
加湿が不足していると判定された場合に、冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態を前記並列接続手段による接続形態から前記直列接続手段による接続形態に切り替えるように前記接続切替手段を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、第９の発明は、第１乃至３の何れか１つの発明において、
前記燃料電池における加湿が不足しているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段における判定結果に基づいて、前記配流制御機構を制御する制御手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【００１７】
また、第１０の発明は、第９の発明において、
前記判定手段は、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得手段を含み、
前記燃料電池の温度が所定値より大きい場合に前記燃料電池における加湿が不足していると判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明によれば、燃料電池には、冷媒が反応ガスの流れ方向に垂直な方向に流れるように形成された複数の冷媒流路と、当該冷媒流路への冷媒の配流を制御するための機構が備えられている。ここで、ある冷媒流路に冷媒が流れると、該冷媒流路に対応する領域の、燃料電池面内に存在する反応ガスが冷却される。これにより、該反応ガスの水蒸気分圧の低下が抑制され、該燃料電池からの水分の蒸発が抑制される。このため、本発明によれば、燃料電池面内における冷媒の配流を制御することにより、燃料電池の領域毎の湿潤状態を制御することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、冷媒流路が反応ガスの流れ方向に沿って群分けされ、冷媒流路への冷媒の配流を群単位で制御するように構成されている。このため、本発明によれば、燃料電池面内における冷媒の配流を群単位で制御することにより、燃料電池の湿潤状態を各冷媒流路群に対応する領域毎に制御することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、冷媒流路は、反応ガスの流れ方向の上流域に位置する複数の冷媒流路からなる第１冷媒流路群と、反応ガスの流れ方向の下流域に位置する複数の冷媒流路からなる第２冷媒流路群とに群分けされている。このため、本発明によれば、燃料電池面内における冷媒の配流を制御することにより、燃料電池の湿潤状態を第１冷媒流路群および第２冷媒流路群各群に対応する領域毎に制御することができる。
【００２１】
第４の発明によれば、冷媒の供給源と各冷媒流路群とが並列に接続され、各冷媒流路群に分配される冷媒の冷媒流路群間での流量比を調整することができるように構成されている。冷媒が多量に流れるほど、該冷媒により冷却される量は大きくなる。このため、本発明によれば、各冷媒流路群に分配される冷媒の冷媒流路群間での流量比を調整することで、燃料電池の湿潤状態を各冷媒流路群に対応する領域毎に制御することができる。
【００２２】
第５の発明によれば、冷媒の供給源と各冷媒流路群とが並列に接続され、各冷媒流路群に分配される冷媒の冷媒流路群間での流量比を調整することができるように構成されている燃料電池システムにおいて、燃料電池における加湿が不足していると判定された場合に、反応ガスの流れ方向に沿って最上流の冷媒流路群に分配される冷媒の流量比が大きくなるように制御される。燃料電池においては、反応ガスのガス流或いは温度等との関係により、ガス流路の上流域において水分が不足しやすい。このため、本発明によれば、燃料電池における加湿が不足していると判定された場合に、加湿の不足が発生している領域が適切な湿潤状態となるように制御することができる。
【００２３】
第６の発明によれば、燃料電池の温度が大きいほど、反応ガスの流れ方向の上流域に位置する冷媒流路群に分配される冷媒の流量比が大きくなるように制御される。燃料電池の温度が大きいほど燃料電池内部の水分が不足しやすい。このため、本発明によれば、燃料電池における加湿の不足度に応じて、適切な湿潤状態となるように制御することができる。
【００２４】
第７の発明によれば、冷媒の供給源と各冷媒流路群とが並列に接続される並列接続形態と、反応ガスの流れ方向に沿って各冷媒流路群を直列に接続される共に、最上流の冷媒流路群と冷媒の供給源とが接続される直列接続形態とを備え、冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態をこれらの接続形態の間で切り替えることができるように構成されている。並列接続形態に冷媒を流すこととすると、各冷媒流路群に対応する領域毎に燃料電池の湿潤状態を制御することができる。一方、直列接続形態に冷媒を流すこととすると、上流の冷媒流路群ほど温度の低い冷媒が流れるため、上流の冷媒流路群に対応する領域を優先して冷却することができる。このため、本発明によれば、冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態を切り替えて冷媒の配流を制御することにより、種々の状況に応じた燃料電池の湿潤状態を制御することができる。
【００２５】
第８の発明によれば、冷媒の供給源と各冷媒流路群とが並列に接続される並列接続形態と、反応ガスの流れ方向に沿って各冷媒流路群を直列に接続される共に、最上流の冷媒流路群と冷媒の供給源とが接続される直列接続形態とを、冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態をこれらの接続形態の間で切り替えることができるように構成されている燃料電池システムにおいて、燃料電池における加湿の不足が判定された場合に、冷媒の供給源と各冷媒流路群との接続形態を並列接続形態から直列接続形態に切り替えて冷媒の配流を変化させることができる。燃料電池においては、反応ガスのガス流或いは温度等との関係により、ガス流路の上流域において水分が不足しやすい。このため、本発明によれば、燃料電池における加湿が不足していると判定された場合に、加湿が不足している上流の冷媒流路群に対応する領域を優先して冷却し、適切な湿潤状態となるように制御することができる。
【００２６】
第９の発明によれば、燃料電池における加湿が不足していると判定された場合に、冷媒の配流制御を実施することができる。燃料電池における加湿が不足している場合には、該燃料電池の発電効率が低下する。このため、本発明によれば、燃料電池における加湿が不足していると判定された場合に、加湿が不足している領域が適切な湿潤状態となるように、配流制御機構を制御することができる。
【００２７】
第１０の発明によれば、燃料電池の温度が大きいほど燃料電池内部の水分が不足しやすいので、燃料電池温度が所定値以上の場合に、燃料電池における加湿が不足していると判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２９】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セル４０を積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。燃料電池セルの構造に関しては詳細を後述する。
【００３０】
燃料電池スタック１０には、アノードガス（水素）を供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １６に接続され、その下流には調圧弁１８が配置されている。アノードガスは調圧弁１８で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。
【００３１】
また、燃料電池スタック１０には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス流路２０と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２２が接続されている。カソードガス流路２０の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ２４が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ２６が配置されている。コンプレッサ２６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２０を介して燃料電池スタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路２２には、調圧弁２８が配置されている。調圧弁２８は、燃料電池スタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２２に排気される。
【００３２】
本実施の形態１の燃料電池システムは、循環系の冷却システムを備えている。後述するとおり、燃料電池スタック１０は、冷媒が流通するための冷媒流路、２つの冷媒入口マニホールド、および１つの冷媒出口マニホールドを内部に有している。このため、冷媒出口マニホールドに接続された冷媒流路８０は、分岐点８２において冷媒流路８４および８６に分岐した後、燃料電池スタック１０の各冷媒入口マニホールドに接続されている。また、分岐点８２の上流には冷却器３４およびポンプ３６が配置されている。また、ポンプ３６の上流には燃料電池スタック１０内の熱を吸収して排出された冷媒の温度を検知する温度センサ３８が配置されている。また、冷媒流路８６には絞り弁３２が配置されている。絞り弁３２は任意の比率で開閉し、その結果、実質的に任意の開度を実現する制御弁である。
【００３３】
本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ECU(Electronic Control Unit)９０を備えている。上述した温度センサ３８の出力等はECU９０に供給されている。ECU９０はこれらのセンサ出力に基づいて、絞り弁３２の制御等の処理を行う。
【００３４】
［燃料電池スタックの構成］
次に、図２および３を参照して、本実施の形態の燃料電池スタック１０の構成について説明する。図２は、図１に示す燃料電池スタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。図２に示すとおり、燃料電池スタック１０は単位セル４０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル４０は、発電体４２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路４４および４６、隣接する発電体４２を隔離するセパレータ４８によって構成されている。発電体４２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称す）５０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００３５】
多孔体流路４４および４６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路４４および４６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路４４および４６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ５０のアノードおよびカソードに供給される。
【００３６】
図２に示すとおり、燃料電池セル４０には空間が形成されており、これらが単位セル４０の積層方向に延在することにより、カソード系入口マニホールド６０、およびカソード系出口マニホールド６２が形成されている。上述した多孔体流路４４は、上記カソード系入口マニホールド６０とカソード系出口マニホールド６２との間に介在するように設けられている。同様に、燃料電池スタック１０には、図示しないアノード系入口マニホールド、およびアノード系出口マニホールドが形成されている。そして、上述した多孔体流路４６は、上記アノード系入口マニホールドとアノード系出口マニホールドとの間に介在するように設けられている。
【００３７】
セパレータ４８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路４４と接触するカソードプレート５２と、多孔体流路４６と接触するアノードプレート５４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート５６とから構成されている。図２に示すとおり、中間プレート５６には複数の溝（図中では６本）が形成されている。これにより、セパレータ４８内部に複数の冷媒流路５８が形成されている。
【００３８】
図３は、図２に示す燃料電池スタック１０の積層方向からみた単位セル４０の一部を示す模式図である。図３に示すとおり、燃料電池セル４０には空間が形成されており、これらが単位セル４０の積層方向に延在することにより、２つの冷却系入口マニホールド６８および７０と、１つの冷却系出口マニホールド７２が形成されている。上述した複数の冷媒流路５８の内、上半分の流路から構成される冷媒流路群（以下、「冷媒流路群５８ａ」とする）の一端は冷却系入口マニホールド６８に連通しており、下半分の冷媒流路群（以下、「冷媒流路群５８ｂ」とする）の一端は冷却系入口マニホールド７０に連通している。一方、冷媒流路群５８ａ、５８ｂの他端は、すべて冷却系出口マニホールド７２に連通している。
【００３９】
［実施の形態１における動作］
次に、図４乃至６を参照して、本実施の形態の動作について説明する。図４は、燃料電池スタック１０の単位セル４０内を流れるカソードガスの流れ方向を示す模式図である。図４に示すとおり、カソード系入口マニホールド６０へ送られたカソードガスは、ＭＥＡ５０の面に沿って上部から下部へ通過し、各単位セル４０のカソード面へ均一に送られる。そして、反応後のカソードガスは、カソードオフガスとして再び多孔体流路４４を通過し、カソード系出口マニホールド６２へ送られ、更にカソードオフガス流路２２へ送られて、燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００４０】
図５は、燃料電池スタック１０の単位セル４０内を流れるアノードガスの流れ方向を示す模式図である。図５に示すとおり、アノード系入口マニホールド６４へ送られたカソードガスは、ＭＥＡ５０の面に沿って上部から下部へ通過し、各単位セル４０のアノード面へ均一に送られる。そして、反応後のアノードガスは、アノードオフガスとして再び多孔体流路４６を通過し、アノード系出口マニホールド６６へ送られ、更にアノードオフガス流路１４へ送られて、燃料電池スタック１０の外部に排出される。
【００４１】
一方、図６は、燃料電池スタック１０の単位セル４０内を流れる冷媒の流れ方向を示す模式図である。図６に示す冷却系入口マニホールド６８は、図１に示す冷媒流路８２の下流端に、冷却系入口マニホールド７０は冷媒流路８４の下流端に接続されている。また、冷却系出口マニホールド７２は、冷媒流路８０の上流端に接続されている。ポンプ３６の作動によって燃料電池スタック１０内の冷却系入口マニホールド６８に供給された冷媒は、各単位セル４０の冷媒流路群５８ａの内部をそれぞれ図６において右部から左部へ通過し、冷却系出口マニホールド７２に送られて燃料電池スタック１０の外部に排出される。これにより、ＭＥＡ５０面内の上側領域（以下、「ＭＥＡ上領域」と称す）を冷却することができる。同様に、冷却系入口マニホールド７０に供給された冷媒は、各単位セル４０の冷媒流路群５８ｂの内部をそれぞれ右部から左部へ通過し、冷却系出口マニホールド７２に送られて燃料電池スタック１０の外部に排出される。これにより、ＭＥＡ５０面内の下側領域（以下、「ＭＥＡ下領域」と称す）を冷却することができる。
【００４２】
このように、本実施の形態の燃料電池システムによれば、冷却系入口マニホールドが２つに分割されているため、単位セル４０面内における冷媒流路群５８ａおよび５８ｂに並列に冷媒が供給される。このため、冷媒流路８６に配置されている絞り弁３２の開度を制御することにより、冷媒流路群５８ａと冷媒流路群５８ｂとに流れる冷媒の流量比を変化させることができ、ＭＥＡ上領域とＭＥＡ下領域との冷却量（冷媒が吸収する単位時間当たりの熱量）を個別に制御することが可能となる。
【００４３】
［実施の形態１における特徴的動作］
次に、図７を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。燃料電池の電気化学反応においては、アノードで生成されたプロトンが電解質膜の内部を通過してカソードへ移動する。ここで、プロトン伝導性は電解質膜の湿潤状態に依存しているため、ＭＥＡ５０の一部において水分が不足すると発電効率が低下してしまう。このため、加湿器等により加湿されたカソードガスを燃料電池スタック１０に供給し、ＭＥＡ５０への水分の供給を効果的に行うこととしている。
【００４４】
しかしながら、発電反応により燃料電池スタック１０が高温（例えば、７０℃以上）となっている場合、カソードガスはカソード系入口マニホールド６０内を通過する間に昇温される。このため、かかる昇温により水蒸気分圧が低下したカソードガスが多孔体流路４４に導入されると、流路の入口付近において水分が蒸発し、ＭＥＡ５０面内において水分が不足する領域が発生するおそれがある。
【００４５】
そこで、本実施の形態においては、燃料電池スタック１０の温度が所定温度以上となった場合に、ＭＥＡ上領域の冷却量が増大するように冷媒の配流を制御することとする。図７は、燃料電池スタック１０の一部を積層方向から見た図であり、燃料電池スタック１０内の冷媒流路群５８ａおよび５８ｂを流通する冷媒の流量を模式的に示した図である。ここで、図７（ａ）に示すとおり、燃料電池スタック１０の温度が低・中温（例えば、７０℃未満）である場合、ＭＥＡ上領域の水分不足が顕著に表れることはない。かかる場合においては、絞り弁３２の開度が全開に制御され、冷媒流路群５８ａおよび冷媒流路群５８ｂに同量の冷媒が供給される。
【００４６】
一方、図７（ｂ）は、燃料電池スタック１０の温度が高温（例えば、７０℃以上）である場合を示している。上述したとおり、発電反応により燃料電池スタック１０が高温である場合、水蒸気分圧が低下したカソードガスが多孔体流路に導入される。このため、流路入口付近、すなわちＭＥＡ上領域において、水分が蒸発することによる水分不足が発生し発電効率が低下する。したがって、本実施の形態においては、図７（ｂ）に示すとおり、冷媒流路群５８ａを流れる冷媒流量を、冷媒流路群５８ｂを流れる流量よりも増大させることとする。より具体的には、絞り弁３２により冷媒流路８４の開口率を小さくすることとする。これにより、冷媒流路群５８ａに多量の冷媒を供給することができ、ＭＥＡ上領域が適切な湿潤状態となるように制御することができる。
【００４７】
［実施の形態１における具体的処理］
図８は、この発明の実施の形態１において、システムが燃料電池スタック１０の冷却制御を実施するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図８のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図８に示すルーチンでは、先ず、冷媒温度が検出される（ステップ１００）。冷媒は燃料電池スタック１０内の熱を吸収するため、かかる冷媒温度は燃料電池スタック１０内部の温度とみなすことができる。ここでは、具体的には、冷媒流路８０に設けられた温度センサ３８の出力信号に基づいて、燃料電池スタック１０から排出された冷媒の温度が取得される。
【００４８】
次に、冷媒流路群５８ａと冷媒流路群５８ｂとに流れる冷媒の流量比が算出される（ステップ１０２）。燃料電池スタック１０の温度が高いほどＭＥＡ上領域の加湿が不足する。このため、燃料電池スタック１０の温度が高いほど、冷媒流路群５８ｂを流れる流量に対する冷媒流路群５８ａの流量の比が大きくなるように流量比が設定される。図９は、冷媒温度に対する流量比を規定するマップである。このマップによれば、所定温度（例えば、７０℃）未満は流量比が１とされ、その後冷媒温度Twが高くなるにつれ、流量比がステップ上に上昇する関係を示している。ここでは、具体的には、かかるマップに従って、上記ステップ１００にて検出された冷媒温度Twに対応する流量比が設定される。
【００４９】
次に、絞り弁３２の開度が制御される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において取得された流量比に基づいて、絞り弁３２の開度が取得される。流量比と開度の関係は、実験などによる適合作業により図示しないマップにより規定されている。ここでは、かかるマップに従って、設定された流量比を実現するための絞り弁３２の開度が取得される。次いで、取得された開度に基づいて絞り弁３２が制御され、本ルーチンは終了される。
【００５０】
以上説明したとおり、実施の形態１のシステムでは、燃料電池スタック１０の冷媒温度Twが高いほど、ＭＥＡ上領域の冷却量が増大するように、絞り弁３２の開度が制御される。これにより、ＭＥＡ５０面内の加湿が不足している領域が適切な湿潤状態になるように制御することができ、加湿が不足することによる発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００５１】
ところで、上述した実施の形態１においては、燃料電池スタック１０の加湿の不足度を判断するために、冷媒温度Twを使用しているが、かかる判断に使用する値は冷媒温度Twに限られない。すなわち、ＭＥＡ上領域における加湿の不足度を判断できるのであれば、カソードガスの温度を直接検出して使用することとしてもよいし、発電開始からの時間や発電量の変化等により、加湿の不足度を推定することとしてもよい。
【００５２】
また、上述した実施の形態１においては、冷媒流路８４に配置された絞り弁３２を開閉制御することにより、ＭＥＡ上領域の冷却量を変化させることとしているが、かかる流量制御の手法はこれに限られない。すなわち、冷媒流路群５８ａと冷媒流路群５８ａとに流れる冷媒の流量比を調整することができるのであれば、各冷媒流路群の冷媒流路に流量制御装置を備え、各経路に流れる冷媒流量を独立して制御することとしてもよい。
【００５３】
また、上述した実施の形態１においては、２つの冷却系入口マニホールド６８、７０を備えることにより、冷媒流路が冷媒流路群５８ａと冷媒流路群５８ｂとに分割された燃料電池スタック１０により各流路の冷媒流量制御を実施することとしているが、冷媒流路の構成はこれに限られない。すなわち、３つ以上の冷却系入口マニホールドを備えることにより、更に詳細に冷媒流路を分割し、各流路の冷媒流量制御を実施することとしてもよい。
【００５４】
また、上述した実施の形態１においては、図９に示すマップに従い流量比を算出し、各冷媒流路群に流れる冷媒流量が算出された流量比となるように絞り弁３２の開度を調整することとしているが、流量比の調整手法はこれに限られない。すなわち、加湿が不足しているか否かを判定し、加湿が不足していると判定された場合に、全開に開弁されていた絞り弁の開度を調整する構成としてもよい。また、図９に示すマップに代えて、冷媒温度と絞り弁３２の開度との関係を規定したマップに従って、絞り弁３２を制御することとしてもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態１においては、単位セル４０に導入されるカソードガスを冷却することにより、ＭＥＡ５０における水分の不足を抑制することとしているが、冷却の対象となる反応ガスはカソードガスに限られない。すなわち、アノードガスに関しても、本実施の形態のように、カソードガスと同様の方向に流通する構成であれば、同様の効果を奏する。
【００５６】
尚、上述した実施の形態１においては、ＭＥＡ５０が前記第１の発明における「膜電極接合体」に、多孔体流路４４および４６が前記第１の発明における「ガス流路」に相当している。
【００５７】
また、上述した実施の形態１においては、冷媒流路群５８ａが前記第３の発明における「第１冷媒流路群」に、冷媒流路群５８ｂが前記第３の発明における「第２冷媒流路群」に相当している。
【００５８】
また、上述した実施の形態１においては、絞り弁３２が前記第４の発明における「流量比調整手段」に相当している。
【００５９】
また、上述した実施の形態１においては、ECU９０が、前記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第５の発明における「制御手段」が、前記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第６の発明における「温度取得手段」が、それぞれ実現されている。
【００６０】
また、上述した実施の形態１においては、ECU９０が、前記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第９の発明における「制御手段」が、前記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「温度取得手段」が、それぞれ実現されている。
【００６１】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図１０乃至１２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１０に示すハードウェア構成を用いて、ECU９０に後述する図１２に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。尚、図１０に示す燃料電池システムにおいて、図１に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００６２】
図１０は、本実施の形態２の構成を説明するための図を示す。図１０に示すとおり、冷媒流路８０の温度センサ３８上流には分岐点９２が設けられている。以下、分岐点９２を境に冷媒流路８０の上流側を冷媒流路８０ａ、下流側を冷媒流路８０ｂと称す。また、冷媒流路８６の絞り弁３２下流には分岐点９４が設けられている。以下、分岐点９４を境に冷媒流路８６の上流側を冷媒流路８０ａ、下流側を冷媒流路８０ｂと称す。また、分岐点９２と分岐点９４との間には、冷媒流路８８が接続されている。冷媒流路８０ａ、８８には、それぞれ開閉弁９６、９８が配置されている。
【００６３】
［実施の形態２の特徴的動作］
上述した実施の形態１においては、燃料電池スタック１０の冷媒温度Twが高いほど、ＭＥＡ上領域の冷却量が増大するように、冷媒流路群５８ａの冷媒供給量を増大させることとしている。これに対し、本実施の形態２においては、ＭＥＡ上領域において加湿が不足していると判定された場合に、燃料電池スタック１０に供給される冷媒が、冷媒流路群５８ａを通過した後に冷媒流路群５８ｂに導入されるように冷媒の配流を切り替えることとする。
【００６４】
図１１は、燃料電池スタック１０の一部を積層方向から見た図であり、燃料電池スタック１０内の冷媒流路群５８ａおよび冷媒流路群５８ｂを流通する冷媒の流れ方向を模式的に示した図である。ここで、図１１（ａ）に示すとおり、燃料電池スタック１０の温度が低・中温（例えば、７０℃未満）である場合においては、実施の形態１にて上述したとおり、ＭＥＡ上領域の水分が不足することはない。かかる場合においては、開閉弁９８を閉弁、開閉弁９６を開弁することにより、図１に示す燃料電池システムと同様の構成とされる。そして、絞り弁３２が全開に開弁され、冷媒流路群５８ａおよび冷媒流路群５８ｂに同量の冷媒が供給される。
【００６５】
一方、図１１（ｂ）は、燃料電池スタック１０の温度が高温（例えば、７０℃以上）である場合を示している。実施の形態１にて上述したとおり、発電反応により燃料電池スタック１０が高温である場合においては、流路入口付近、すなわちＭＥＡ上領域において、水分が不足し発電効率が低下する。このため、本実施の形態においては、図１１（ｂ）に示すとおり、燃料電池スタック１０に供給される冷媒が、冷媒流路群５８ａを通過した後に冷媒流路群５８ｂに導入されるように冷媒の配流を切り替えることとする。より具体的には、開閉弁９８が開弁、および開閉弁９６と絞り弁３２とが閉弁されることにより、冷媒の配流が変更される。
【００６６】
図１１（ｂ）に示すとおり、絞り弁３２が閉弁されると、冷媒流路８０ｂを流れる冷媒はすべて冷媒流路８４を通過し冷却系入口マニホールド６８に供給されることとなる。供給された冷媒は、冷媒流路群５８ａを通過する際にＭＥＡ上領域の熱を吸収して昇温し、冷却系出口マニホールド７２に導入される。ここで、冷却系出口マニホールド７２と冷媒流路８０ａとの連通は遮断されているため、導入された冷媒は冷媒流路群５８ｂを逆流して冷却系入口マニホールド７０に導入される。この際、冷媒はＭＥＡ下領域の熱を吸収してさらに昇温する。冷却系入口マニホールド７０から冷媒流路８６ｂに排出された冷媒は、冷媒流路８８を通過して再び冷媒流路８０ｂに循環される。
【００６７】
このように、本実施の形態２によれば、燃料電池スタック１０が所定温度以上である場合に、ＭＥＡ上領域の加湿が不足していると判定され、冷媒供給源と冷媒流路群との接続形態が並列から直列に変更される。これにより、燃料電池スタック１０に供給される冷媒を、冷媒流路群５８ａ、冷媒流路群５８ｂの順に流通させることができ、ＭＥＡ上領域を優先して冷却することができる。
【００６８】
［実施の形態２における具体的処理］
図１２は、この発明の実施の形態２において、システムが燃料電池スタック１０の冷却制御を実施するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図１２のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図１２に示すルーチンでは、先ず、冷媒温度Twが検出される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、図８に示すステップ１００と同様の処理が実行される。
【００６９】
次に、冷媒温度Twが加湿不足判定温度（ここでは７０℃とする）以上か否かが判定される（ステップ２０２）。加湿不足判定温度は、ＭＥＡ５０における加湿が不足する冷媒温度として予め設定された値である。ここでは、具体的には、上記ステップ２００において検出された冷媒温度Twが加湿不足判定温度以上か否かが判定される。
【００７０】
上記ステップ２０２においてTw≧７０℃の成立が認められた場合、次に、各冷媒流路群への冷媒の配流を、並列から直列に切り替える処理が実施される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、開閉弁９６が閉弁、絞り弁３２が閉弁、および開閉弁９８が開弁される。これにより、燃料電池スタック１０の内部には、冷却系入口マニホールド６８→冷媒流路群５８ａ→冷却系出口マニホールド７２→冷媒流路群５８ａ→冷却系入口マニホールド７０の順に冷媒が流通する冷媒経路が形成される。
【００７１】
一方、上記ステップ２０２においてTw≧７０℃の成立が認められない場合、次に、冷媒温度Twが加湿不足判定下限温度（ここでは６０℃とする）未満か否かが判定される（ステップ２０６）。加湿不足判定下限温度はＭＥＡ５０における加湿が不足するおそれのない冷媒温度として予め設定された値である。ここでは、具体的には、上記ステップ２００において検出された冷媒温度Twが加湿不足判定下限温度未満か否かが判定される。
【００７２】
上記ステップ２０２においてTw＜６０℃の成立が認められた場合、次に、各冷媒流路群への冷媒の配流を、直列から並列に切り替える処理が実施される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、開閉弁９６が開弁、絞り弁３２が開弁、および開閉弁９８が閉弁される。これにより、燃料電池スタック１０の内部には、冷却系入口マニホールド６８→冷媒流路群５８ａ→冷却系出口マニホールド７２の順に冷媒が流通する冷媒経路と、冷却系入口マニホールド７０→冷媒流路群５８ａ→冷却系出口マニホールド７２の順に冷媒が流通する冷媒経路とが形成される。一方、上記ステップ２０６においてTw＜６０℃の成立が認められない場合、本ルーチンは速やかに終了される。
【００７３】
以上説明したとおり、実施の形態２のシステムでは、燃料電池スタック１０の冷媒温度Twが高いほど、ＭＥＡ上領域の冷却量が増大するように、冷媒供給源と冷媒流路群との接続形態が変更される。これにより、ＭＥＡ５０面内の加湿が不足している領域が適切な湿潤状態になるように制御することができ、加湿が不足することによる発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００７４】
ところで、上述した実施の形態２においては、燃料電池スタック１０の加湿状態を判断するために、冷媒温度Twを使用しているが、かかる判断に使用する値は冷媒温度Twに限られない。すなわち、ＭＥＡ上領域における加湿が不足しているか否かを判定できるのであれば、カソードガスの温度を直接検出して使用することとしてもよいし、発電開始からの時間或いは発電量等により、加湿が不足していることを推定することとしてもよい。
【００７５】
また、上述した実施の形態２における冷媒配流制御は、上述した実施の形態１における冷媒流量制御と組み合わせて実行することとしてもよい。すなわち、実施の形態２において、冷媒流路群５８ａと５８ｂとに並列して冷媒が供給されている状態の場合に、絞り弁３２の開度を制御して、実施の形態１における冷媒流量制御を実施することとしてもよい。
【００７６】
また、上述した実施の形態２においては、２つの冷却系入口マニホールド６８、７０を備えることにより、冷媒流路が冷媒流路群５８ａと冷媒流路群５８ｂとに分割された燃料電池スタック１０により各冷媒流路群への冷媒配流制御を実施することとしているが、冷媒流路の構成はこれに限られない。すなわち、複数の冷却系入口マニホールドおよび冷却系出口マニホールドを備えることにより、更に冷媒流路を直列に連通させる経路としてもよい。
【００７７】
また、上述した実施の形態１においては、単位セル４０に導入されるカソードガスを冷却することにより、ＭＥＡ５０における水分の不足を抑制することとしているが、冷却の対象となる反応ガスはカソードガスに限られない。すなわち、アノードガスに関しても、本実施の形態のように、カソードガスと同様の方向に流通する構成であれば、同様の効果を奏する。
【００７８】
尚、上述した実施の形態２においては、ＭＥＡ５０が前記第１の発明における「膜電極接合体」に、多孔体流路４４および４６が前記第１の発明における「ガス流路」に相当している。
【００７９】
また、上述した実施の形態２においては、開閉弁９６、絞り弁３２、および開閉弁９８が前記第２の発明における「配流制御機構」に相当している。
【００８０】
また、上述した実施の形態２においては、冷媒流路群５８ａが前記第３の発明における「第１冷媒流路群」に、冷媒流路群５８ｂが前記第３の発明における「第２冷媒流路群」に相当している。
【００８１】
また、上述した実施の形態２においては、開閉弁９６が閉弁、絞り弁３２が閉弁、および開閉弁９８が開弁されることで、前記第７の発明における「並列接続手段」が、開閉弁９６が開弁、絞り弁３２が開弁、および開閉弁９８が閉弁されることで、前記第５の発明における「直列接続手段」が、それぞれ実現されている。
【００８２】
また、上述した実施の形態２においては、ECU９０が、前記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第８の発明における「判定手段」が、前記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第８の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００８３】
また、上述した実施の形態２においては、ECU９０が、前記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第９の発明における「判定手段」が、前記ステップ２０４または２０８の処理を実行することにより、前記第９の発明における「制御手段」が、前記ステップ２００の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「温度取得手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施１の構成を説明するための図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタック１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。
【図３】図２に示す燃料電池スタック１０の積層方向からみた単位セル４０の一部を示す模式図である。
【図４】燃料電池スタック１０の単位セル４０内を流れるカソードガスの流れ方向を示す模式図である。
【図５】燃料電池スタック１０の単位セル４０内を流れるアノードガスの流れ方向を示す模式図である。
【図６】燃料電池スタック１０の単位セル４０内を流れる冷媒の流れ方向を示す模式図である。
【図７】燃料電池スタック１０内の冷媒流路群５８ａおよび５８ｂを流通する冷媒の流量を模式的に示した図である。
【図８】本実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】冷媒温度Twに対する流量比を規定するマップである。
【図１０】本実施の形態２の構成を説明するための図である。
【図１１】燃料電池スタック１０内の冷媒流路群５８ａおよび５８ｂを流通する冷媒の流れ方向を模式的に示した図である。
【図１２】本実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８５】
１０  燃料電池スタック
１２  アノードガス流路
１４  アノードオフガス流路
１８  調圧弁
２０  カソードガス流路
２２  カソードオフガス流路
２４  エアクリーナ
２６  コンプレッサ
２８  調圧弁
３２  絞り弁
３４  冷却器
３６  ポンプ
３８  温度センサ
４０  単位セル
４２  発電体
４４、４６  多孔体流路
４８  セパレータ
５０  ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)
５２  カソードプレート
５４  アノードプレート
５６  中間プレート
５８、５８ａ、５８ｂ  冷媒流路
６０  カソード系入口マニホールド
６２  カソード系出口マニホールド
６４  アノード系入口マニホールド
６６  アノード系出口マニホールド
６８、７０  冷却系入口マニホールド
７２  冷却系出口マニホールド
８０、８０ａ、８０ｂ、８４、８６、８６ａ、８６ｂ、８８  冷媒流路
８２、９２、９４  分岐点
９６、９８  開閉弁
９０  ECU(Electronic Control Unit)
Tw  冷媒温度
【図１】
2008097952.tif 000003
【図２】
2008097952.tif 000004
【図３】
2008097952.tif 000005
【図４】
2008097952.tif 000006
【図５】
2008097952.tif 000007
【図６】
2008097952.tif 000008
【図７】
2008097952.tif 000009
【図８】
2008097952.tif 000010
【図９】
2008097952.tif 000011
【図１０】
2008097952.tif 000012
【図１１】
2008097952.tif 000013
【図１２】
2008097952.tif 000014