(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給室に配設された水供給ノズルを可動にして、燃料電池スタックの各部分に任意の水の量を供給することができ、燃料電池スタックの各部分の湿潤度を均一化して性能分布を均一化することができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができ、システム全体を小型化することができるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続され、前記酸化剤流路の酸化剤入口が各セパレータに形成された燃料電池集合体と、前記酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給室と、該酸化剤供給室内に水を噴射する水供給装置とを有する燃料電池システムであって、前記水供給装置が水を噴射する位置又は噴射する方向を制御する制御装置を備えた。【選択図】図１
2008059756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続され、前記酸化剤流路の酸化剤入口が各セパレータに形成された燃料電池集合体と、
前記酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給室と、
該酸化剤供給室内に水を噴射する水供給装置とを有する燃料電池システムであって、
前記水供給装置が水を噴射する位置又は噴射する方向を制御する制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給装置は水を霧状に噴射する水供給ノズルと、該水供給ノズルを昇降及び回転自在に支持する可動ノズル支持部材とを有し、
前記制御装置は、前記酸化剤入口において水供給ノズルからの水が噴射されるエリアを変化させるように前記可動ノズル支持部材の動作を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水供給ノズルは酸化剤供給室の入口に配設され、前記可動ノズル支持部材は所定の仰俯角度範囲で往復回動する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水供給ノズルは酸化剤供給室の入口に配設され、前記可動ノズル支持部材は重力方向に所定の範囲で直線往復運動する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水供給ノズルは酸化剤供給室の四隅に配設され、前記可動ノズル支持部材は酸化剤供給室への酸化剤の流入方向に所定の範囲で直線往復運動する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記可動ノズル支持部材を周期的に又は酸化剤の供給量に応じて動作させる請求項２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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、純水素を燃料ガスとした固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、出力当たりのシステム体積及び重量を小さくすることができることから、積極的に用いられている。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤な状態に維持する必要があるので、空気流路に水を供給することによって固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２８８５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、特に車両に搭載される場合、スペース上の制約から、空気流路を容積の大きなものとすることができず、水を供給するノズルの位置が制約されるので、燃料電池スタックに対して水を均一に供給することが困難であった。
【０００６】
図２は従来の燃料電池システムが搭載された車両を示す第１の模式断面図、図３は従来の燃料電池システムが搭載された車両を示す第２の模式断面図、図４は従来の燃料電池スタックの空気供給室に配設されたノズルを示す第１の模式斜視図、図５は従来の燃料電池スタックの空気供給室に配設されたノズルを示す第２の模式斜視図、図６は従来の燃料電池スタックの空気供給室に配設されたノズルを示す上面図である。
【０００７】
図において、１０２は車両１０１に搭載された燃料電池スタックであり、１０３は該燃料電池スタック１０２の空気入口側に取り付けられた空気供給室である。燃料電池スタック１０２は、車両１０１に搭載される場合、乗員が搭乗する客室や荷物を搭載する荷室のスペースを確保するために、図２及び３に示されるように、床下又はボンネット内に搭載される。この場合、車両１０１の床下やボンネット内の寸法に限りがあるので、空気供給室１０３の容積を大きくすることができず、特に、空気供給室１０３の上下方向の寸法を大きくすることが困難である。
【０００８】
そのため、図４に示されるように、水を供給するノズル１０７を空気供給室１０３の天井に配設した場合、ノズル１０７から噴射された水が十分に拡散せず、結果として、燃料電池スタック１０２における水が当たる部分が狭くなってしまい、固体高分子電解質膜に水が供給されない部分が発生してしまう。もっとも、ノズル１０７の数を増やすことも考えられるが、水を供給するシステム全体を変更しない限り、ノズル１０７の数を増やすとノズル１０７毎の水圧が低下して各ノズル１０７から十分な量の水が噴射されなくなるので、ノズル１０７の数には限界がある。
【０００９】
なお、図４において、１０４は空気供給室１０３に接続された空気導入ダクトであり、１０５は空気供給ファンであり、１０６は該空気供給ファン１０５によって供給された空気の流れを示す矢印である。
【００１０】
また、図５に示されるように、水を供給するノズル１０７を空気供給室１０３における空気導入ダクト１０４側の上方に配設した場合、空気供給室１０３の上下方向の寸法が小さくてもノズル１０７を容易に配設することはできるが、ノズル１０７から噴射された水が到達する距離範囲が狭いので、燃料電池スタック１０２における水が当たる部分が狭くなってしまい、固体高分子電解質膜に水が供給されない部分が発生してしまう。
【００１１】
さらに、図６に示されるように、水を供給するノズル１０７を直方体状の空気供給室１０３における四隅に配設した場合、水が空気供給ファン１０５によって供給された空気に流されるので、燃料電池スタック１０２における水が当たる部分が空気供給量によって変化する。特に、車両１０１に搭載された燃料電池スタック１０２では、負荷が変動することによって空気供給量が変動し、結果として、燃料電池スタック１０２における水が当たる部分が大きく変動してしまう。
【００１２】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料電池スタックの酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給室に配設された水供給ノズルを可動にして、燃料電池スタックの各部分に任意の水の量を供給することができ、燃料電池スタックの各部分の湿潤度を均一化して性能分布を均一化することができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができ、システム全体を小型化することが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】
【００１３】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続され、前記酸化剤流路の酸化剤入口が各セパレータに形成された燃料電池集合体と、前記酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給室と、該酸化剤供給室内に水を噴射する水供給装置とを有する燃料電池システムであって、前記水供給装置が水を噴射する位置又は噴射する方向を制御する制御装置を備えた。
【００１４】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給装置は水を霧状に噴射する水供給ノズルと、該水供給ノズルを昇降及び回転自在に支持する可動ノズル支持部材とを有し、前記制御装置は、前記酸化剤入口において水供給ノズルからの水が噴射されるエリアを変化させるように前記可動ノズル支持部材の動作を制御する。
【００１５】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給ノズルは酸化剤供給室の入口に配設され、前記可動ノズル支持部材は所定の仰俯角度範囲で往復回動する。
【００１６】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給ノズルは酸化剤供給室の入口に配設され、前記可動ノズル支持部材は重力方向に所定の範囲で直線往復運動する。
【００１７】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給ノズルは酸化剤供給室の四隅に配設され、前記可動ノズル支持部材は酸化剤供給室への酸化剤の流入方向に所定の範囲で直線往復運動する。
【００１８】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記可動ノズル支持部材を周期的に又は酸化剤の供給量に応じて動作させる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成され、酸素極に沿って酸化剤流路が形成されたセパレータを介して複数電気的に接続され、前記酸化剤流路の酸化剤入口が各セパレータに形成された燃料電池集合体と、前記酸化剤入口に酸化剤を供給する酸化剤供給室と、該酸化剤供給室内に水を噴射する水供給装置とを有する燃料電池システムであって、前記水供給装置が水を噴射する位置又は噴射する方向を制御する制御装置を備えた。
【００２０】
この場合、燃料電池スタックの各部分に水を噴射することができるので、噴射された水が、各々、酸化剤入口より酸化剤とともに流路に導入され、セパレータ又は酸素極を潜熱冷却させ、燃料電池スタックの各部分の湿潤度を均一化して性能分布を均一化することができ、燃料電池スタックの出力を向上させることができ、システム全体を小型化することができる。
【００２１】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給装置は水を霧状に噴射する水供給ノズルと、該水供給ノズルを昇降及び回転自在に支持する可動ノズル支持部材とを有し、前記制御装置は、前記酸化剤入口において水供給ノズルからの水が噴射されるエリアを変化させるように前記可動ノズル支持部材の動作を制御する。
【００２２】
この場合、燃料電池スタックの各部分に噴射される水を適切に制御することができ、燃料電池スタックの各部分の湿潤度をより均一にすることができる。
【００２３】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給ノズルは酸化剤供給室の入口に配設され、前記可動ノズル支持部材は所定の仰俯角度範囲で往復回動する。
【００２４】
この場合、簡単な構成で水供給ノズルが水を噴射する方向を制御することができ、燃料電池スタックの酸化剤入口のすべてのエリアに適切に水を噴射することができる。
【００２５】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給ノズルは酸化剤供給室の入口に配設され、前記可動ノズル支持部材は重力方向に所定の範囲で直線往復運動する。
【００２６】
この場合、簡単な構成で水供給ノズルが水を噴射する位置を制御することができ、燃料電池スタックの酸化剤入口のすべてのエリアに適切に水を噴射することができる。
【００２７】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記水供給ノズルは酸化剤供給室の四隅に配設され、前記可動ノズル支持部材は酸化剤供給室への酸化剤の流入方向に所定の範囲で直線往復運動する。
【００２８】
この場合、簡単な構成で水供給ノズルが水を噴射する位置を制御することができ、燃料電池スタックの酸化剤入口のすべてのエリアに適切に水を噴射することができる。
【００２９】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御装置は、前記可動ノズル支持部材を周期的に又は酸化剤の供給量に応じて動作させる。
【００３０】
この場合、燃料電池スタック内の各部分における湿潤状態を最適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】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３２】
図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図、図８は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図、図９は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの空気入口側に取り付けられた空気供給流路を示す図である。
【００３３】
図において、１１は複数の燃料電池セル（ＦＣ）から構成される燃料電池集合体としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池スタック１１と、バッテリ、リチウムイオン電池などの２次電池、キャパシタ等から成る蓄電手段としての２次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００３４】
そして、燃料電池セルは、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００３５】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００３６】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極とし、該燃料極表面に接する燃料流路を介し前記燃料極に燃料ガスとして水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極とし、酸素極表面に接する酸化剤流路としての空気流路を介し前記酸素極に酸化剤として空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。なお、本実施の形態において、前記燃料電池スタック１１はいわゆる常圧型の燃料電池であり、前記空気流路には常圧の空気が流通する。ここで、常圧とは、大気圧から大気圧より１００〔ｍｍＡｑ〕程度高い圧力までの範囲である。
【００３７】
例えば、本実施の形態においては、一例として、ＰＥＭ型燃料電池であり、例えば、１００枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池セルに直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。
【００３８】
ここで、前記燃料貯蔵手段は、水素吸蔵合金を格納した容器や、デカリンのような水素吸蔵液体を格納した容器、水素ガスボンベのように水素ガスを格納した容器等である。これにより、水素ガスがほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池セルは車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池セルの出力インピーダンスは極めて低く、０に近似させることが可能である。
【００３９】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、図７に示されるように、複数のセルモジュール４１を有する。なお、図７における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。セルモジュール４１は、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される水素ガスの流路と酸化剤としての空気とを分離するセパレータと、単位セル及びセパレータを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。セルモジュール４１は、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
【００４０】
単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極から構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して集電する集電体としての燃料極側コレクタとを有する。
【００４１】
図７及び８に示される燃料電池スタック１１においては、複数のセルモジュール４１が図における横方向に重ねられて積層され、左右両端から保持部材としてのエンドプレートによって挟まれている。また、図７及び８に示される例においては、単位セル及びセパレータのセットを１０個積層して１つのセルモジュール４１を形成し、該セルモジュール４１を１０個積層して１つの燃料電池スタック１１を形成している。なお、単位セルの両側には必ずセパレータが配設されるようになっているので、１つのセルモジュール４１におけるセパレータの数は１１枚である。
【００４２】
この場合、燃料電池スタック１１は、全体として扁（へん）平な直方体状の形状を有し、内部における空気の流れは、図７における図面に垂直な方向としての重力方向であり、上から下に直線状になっている。また、水素ガスの流れは、図７において矢印で示されるように、重力方向とほぼ直交する水平面内において、セルモジュール４１毎に折り返すサーペンタイン状に、すなわち、蛇行状になっている。そして、一方のエンドプレートに水素ガスの入口管４２が形成され、他方のエンドプレートに水素ガスの出口管４３が形成されている。
【００４３】
また、各セルモジュール４１は、全体として直方体状の形状を有し、前述のように、１１枚のセパレータを備える。なお、該セパレータは、長手方向両端近傍に形成された長孔（あな）を有する。各セパレータは、相互に密着し、かつ、長孔同士が相互に整列するように積層され、これにより、長孔はセパレータの積層方向に貫通する水素ガス流路を形成する。そして、各セルモジュール４１内における水素ガスの流れは、並列である。
【００４４】
本実施の形態において、燃料電池システムは、図９に示されるように、燃料電池スタック１１に酸化剤としての常圧の空気を供給するために、酸化剤供給源としての空気供給ファンユニット３１を有する。該空気供給ファンユニット３１は、例えば、シロッコファンやターボファンで構成され、ファン駆動用モータ３２によって駆動される羽根車として図示されない遠心式の多翼ファンを備える。該多翼ファンの回転軸は、鉛直方向（図９における上下方向）に延伸するように、すなわち、水平面内において回転するように配設される。この場合、前記空気供給ファンユニット３１は、回転する多翼ファンの中心に上方から空気を吸引し、前記多翼ファンの外周側に空気を排出し、該空気を前記多翼ファンの周囲に配設された概略渦巻状の昇圧ダクトを通過させて、空気供給ファンユニット３１の外部に常圧の空気を吐出する。
【００４５】
また、該空気供給ファンユニット３１の上面には、エアフィルタ３３が配設され、前記空気供給ファンユニット３１に吸引される空気中の塵埃（じんあい）、汚染物質、有害成分等を除去するようになっている。そして、前記空気供給ファンユニット３１から吐出された空気は、該空気供給ファンユニット３１の空気吹出口に接続された空気導入ダクト２４を通って、燃料電池スタック１１の上側、すなわち、酸化剤入口側としての空気入口側に取り付けられた酸化剤供給室としての空気供給室１７内に供給される。この場合、前記空気導入ダクト２４及び空気供給室１７は酸化剤供給流路として機能する。なお、前記空気導入ダクト２４は、前記空気供給ファンユニット２６の昇圧ダクトと一体的に形成されたものであってもよいし、別個に形成されて接続されたものであってもよい。また、燃料電池スタック１１の下側、すなわち、酸化剤出口側としての空気出口側には、酸化剤排出流路としての空気排出室１９が接続されている。
【００４６】
そして、前記空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部、すなわち、空気供給室１７の入口には、水をスプレーするための水供給装置として、水供給ノズル５１が複数個配設されている。該水供給ノズル５１には図示されない水供給管路が接続されており、図示されない水タンクに貯留された水が、水ポンプによって圧送され、前記水供給管路を介して水供給ノズル５１に供給される。
【００４７】
また、燃料電池スタック１１の空気供給室１７の上面の高さは、その上を覆うように配設される車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り低くすることが望ましい。さらに、前記燃料電池スタック１１の空気排出室１９の下面も、前記燃料電池スタック１１の取付位置及び車室や荷室の床板の高さを低くするために、できる限り下方に突出しないことが望ましい。すなわち、前記空気排出室１９の厚さはできる限り薄いことが望ましい。
【００４８】
なお、前記空気排出室１９内又はその下流側には、図示されない凝縮器ユニットが配設されている。該凝縮器ユニットは、燃料電池スタック１１から排出された空気に含まれる水分を凝縮して分離するためのものであり、前記燃料電池スタック１１から排出された空気を冷却して、水分を凝縮するようになっている。これにより、燃料電池スタック１１から空気排出室１９内に排出された空気は、凝縮器ユニット内に導入される。そして、前記空気は、凝縮器ユニット内を通過する間に冷却され、凝縮した水分を分離して、凝縮器ユニットの排気口から大気中に放出される。なお、分離された水は、図示されない配水管を通って、水タンクに回収されるようになっていることが望ましい。
【００４９】
本実施の形態において、燃料電池システムは図示されない制御装置を有する。該制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ、その他のセンサから燃料電池セルに供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファンユニット３１、燃料圧力調整弁、燃料供給電磁弁、燃料排出電磁弁等の動作を制御する。そして、前記制御装置は、後述される可動ノズル支持部材５２及び５９の動作を制御して、燃料電池スタック１１の酸化剤入口において水供給ノズル５１からの水が噴射されるエリアを変化させる。さらに、前記制御装置は、他の制御装置と連携して、燃料電池システムの動作を統括的に制御する。なお、前記制御装置は、他の制御装置と一体的に構成されてもよい。
【００５０】
次に、前記水供給ノズル５１を回転運動させるための構成について説明する。
【００５１】
図１は本発明の第１の実施の形態における水供給ノズルを回転運動させるための構成を示す斜視図である。
【００５２】
本実施の形態においては、複数の水供給ノズル５１が共通の可動ノズル支持部材５２に取り付けられ、燃料電池スタック１１の幅方向に一列に並ぶように配置されている。そして、前記可動ノズル支持部材５２は、空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部を横断するように、燃料電池スタック１１の幅方向に延在する回転軸５４に取り付けられている。なお、該回転軸４５の両端は、例えば、空気導入ダクト２４又は空気供給室１７の側壁に形成された図示されない支持孔を貫通した状態で、回転可能に支持されている。また、前記回転軸５４は、ノズル駆動モータ５３の駆動力を、例えば、ピニオンギヤ等を備えるギヤ列を介して受けることによって、所定の角度範囲で往復回動させられる。そのため、前記水供給ノズル５１は、矢印Ａで示されるように、前記回転軸５４を中心として所定の角度範囲で上下方向に往復回動、すなわち、揺動する。
【００５３】
なお、前記水供給ノズル５１は、水の噴射方向が空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部を向くように配設されている。そして、前記水供給ノズル５１が揺動すると、水の噴射方向は、燃料電池スタック１１の空気入口側の面と平行に最も近い角度と、前記空気入口側の面と垂直に最も近い角度との間を往復動する。また、前記水供給ノズル５１は、空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部において、空気供給室１７の天井面にできる限り近い部位に配設されていることが望ましい。
【００５４】
そして、ノズル駆動モータ５３によって水供給ノズル５１を揺動させると、燃料電池スタック１１の空気入口側の面における水供給ノズル５１から噴射された水が当たるエリアとしての水噴射エリア１８が、矢印Ｂで示されるように、往復動する。すなわち、水の噴射方向が燃料電池スタック１１の空気入口側の面と平行に最も近い角度のとき、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部に最も近い位置（図１における最も右側の位置）になり、水の噴射方向が燃料電池スタック１１の空気入口側の面と垂直に最も近い角度のとき、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４側の端部に最も近い位置（図１における最も左側の位置）になる。
【００５５】
そのため、水供給ノズル５１を、周期的に、又は、空気供給ファンユニット３１からの空気の供給量、すなわち、空気流量に応じて、上下方向に揺動させることによって、燃料電池スタック１１の空気入口側の面におけるすべてのエリアに水供給ノズル５１から噴射された水が当たるようにすることができる。
【００５６】
次に、前記構成の燃料電池システムにおける水供給ノズル５１を揺動させる動作について説明する。
【００５７】
図１０は本発明の第１の実施の形態における水噴射エリアの位置と空気流量との関係を説明する斜視図、図１１は本発明の第１の実施の形態における車両の負荷と空気流量との関係を説明するグラフ、図１２は本発明の第１の実施の形態における水供給ノズルの位置を制御する動作を説明するフローチャートである。
【００５８】
図１０に示されるように、空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部に水供給ノズル５１を配設した場合、水の噴射方向が一定であると、空気供給ファンユニット３１からの空気流量に応じて水噴射エリア１８が変化する。これは、空気導入ダクト２４から噴射された水が流通する空気によって流されるためである。
【００５９】
例えば、空気供給ファンユニット３１からの空気流量がゼロである場合、すなわち、無風である場合には、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４側の端部に近い位置、すなわち、図において１８ａで示される位置となる。また、例えば、空気供給ファンユニット３１からの空気流量が最大である場合には、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部に近い位置、すなわち、図において１８ｂで示される位置となる。
【００６０】
このように、水の噴射方向が一定であっても、空気供給ファンユニット３１からの空気流量が多いほど、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部により近い位置となる。
【００６１】
また、車両に搭載された燃料電池システムでは、図１１に示されるように、車両の負荷に比例して空気供給ファンユニット３１からの空気流量が増加する。すなわち、車両の負荷が増加すると燃料電池スタック１１に供給すべき空気流量が増加する。なお、車両の負荷と空気流量との関係は、燃料電池スタック１１の温度に応じて変化し、温度が高いほど、負荷に対応する空気流量が増加する。
【００６２】
そのため、空気供給ファンユニット３１からの空気流量は、あらかじめ作成された車両の負荷及び燃料電池スタック１１の温度と空気流量との関係を示す制御マップに従って決定される。
【００６３】
そこで、空気流量に応じて水供給ノズル５１を揺動させる場合、まず、制御装置は、車両の負荷及び燃料電池スタック１１の温度を測定する（ステップＳ１）。そして、前記制御装置は、あらかじめ作成され、記憶手段に格納されている車両の負荷及び燃料電池スタック１１の温度と空気流量との関係を示す制御マップに従って、空気供給ファンユニット３１からの空気流量を決定する（ステップＳ２）。
【００６４】
続いて、前記制御装置は、ノズル位置、すなわち、水供給ノズル５１の水の噴射方向を決定する（ステップＳ３）。この場合、空気流量の値が大きいほど、水の噴射方向が燃料電池スタック１１の空気入口側の面と垂直に近くなるようにする。
【００６５】
続いて、前記制御装置は、現ノズル位置、すなわち、現時点における水供給ノズル５１の水の噴射方向を測定する（ステップＳ４）。そして、決定された水供給ノズル５１の水の噴射方向と測定された現時点における水供給ノズル５1 の水の噴射方向との差分に基づいて制御量を算出する。
【００６６】
続いて、前記制御装置は、算出した制御量に基づいて、ノズル位置制御指令を行い（ステップＳ５）、ノズル駆動モータ５３を作動させる。この場合、該ノズル駆動モータ５３の回転量及び回転方向は、前記制御量に基づいて決定される。これにより、水供給ノズル５１の水の噴射方向は、空気供給ファンユニット３１からの空気流量に対応したものとなり、水供給ノズル５１から噴射された水が、燃料電池スタック１１の空気入口側の面におけるすべてのエリアに当たるようになる。
【００６７】
このように、本実施の形態においては、燃料電池スタック１１の空気入口に空気を供給する酸化剤供給流路としての空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部に配設された水供給ノズル５１が可動になっている。具体的には、上下方向、すなわち、所定の仰俯角度範囲で往復回動させることができる。
【００６８】
これにより、燃料電池スタック１１の空気入口側の面におけるすべてのエリアに水供給ノズル５１から噴射された水が当たるようにすることができる。したがって、燃料電池スタック１１の各部分に任意の水の量を供給することができ、燃料電池スタック１１の各部分の湿潤度を均一化して性能分布を均一化することができ、燃料電池スタック１１の出力を向上させることができ、燃料電池システム全体を小型化することができる。
【００６９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００７０】
図１３は本発明の第２の実施の形態における水供給ノズルを直線運動させるための構成を示す斜視図である。
【００７１】
本実施の形態においては、複数の水供給ノズル５１が共通の可動ノズル支持部材５２に取り付けられ、燃料電池スタック１１の幅方向に一列に並ぶように配置されている。そして、前記可動ノズル支持部材５２は、空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部を横断するように配設されるとともに、上下方向に延在するガイドレール５７にスライド可能に取り付けられている。なお、両側のガイドレール５７は、例えば、空気導入ダクト２４又は空気供給室１７の側壁に固定され、前記可動ノズル支持部材５２の両端面に形成された縦溝内に前記ガイドレール５７がスライド可能に嵌（かん）入している。また、前記可動ノズル支持部材５２は、ノズル駆動モータ５３の駆動力を上下方向の運動に変換する、例えば、カム、プランジャー等を備えるアクチュエータ５６によって、往復直線運動させられる。なお、該アクチュエータ５６の周囲においては、空気漏れを防止するために、空気導入ダクト２４又は空気供給室１７にゴム膜等を取り付けることが望ましい。そして、前記水供給ノズル５１は、矢印Ｃで示されるように、所定の範囲で上下方向に往復直線運動する。
【００７２】
なお、前記水供給ノズル５１は、水の噴射方向が空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部を向くように配設されている。水の噴射方向は不変であるが、水供給ノズル５１は、上下方向、すなわち、重力方向に往復動する。そして、前記水供給ノズル５１は、空気導入ダクト２４と空気供給室１７との境界部に配設され、空気供給室１７の天井面にできる限り近い部位にまで上昇可能であることが望ましい。
【００７３】
そして、ノズル駆動モータ５３を作動させ、アクチュエータ５６によって水供給ノズル５１を上下方向に往復動させると、燃料電池スタック１１の空気入口側の面における水供給ノズル５１から噴射された水が当たるエリアとしての水噴射エリア１８が、矢印Ｂで示されるように、往復動する。すなわち、水供給ノズル５１が最も高い位置にあるとき、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部に最も近い位置（図１３における最も右側の位置）になり、水供給ノズル５１が最も低い位置にあるとき、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４側の端部に最も近い位置（図１３における最も左側の位置）になる。
【００７４】
そのため、水供給ノズル５１を、周期的に、又は、空気供給ファンユニット３１からの空気の供給量、すなわち、空気流量に応じて、上下方向に往復動させることによって、燃料電池スタック１１の空気入口側の面におけるすべてのエリアに水供給ノズル５１から噴射された水が当たるようにすることができる。
【００７５】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。また、作用効果の点についても同様であるので、説明を省略する。
【００７６】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００７７】
図１４は本発明の第３の実施の形態における四隅に配設された水供給ノズルを直線運動させるための構成を示す斜視図である。
【００７８】
本実施の形態においては、４つの水供給ノズル５１が左右の可動ノズル支持部材５９に取り付けられ、略直方体状の空気供給室１７の四隅に各々配置されている。そして、前記可動ノズル支持部材５９は、空気供給室１７の側壁に沿って、燃料電池スタック１１の長手方向に延在するとともに、スライド可能に取り付けられている。例えば、可動ノズル支持部材５９の上下には、図示されない溝を備えるガイド部材が配設され、可動ノズル支持部材５９の上下端縁は、前記溝内にスライド可能に嵌入している。
【００７９】
また、ノズル支持部材５９の下端縁にはラックが形成され、該ラックは、ノズル駆動モータ５３の回転する出力軸５７に取り付けられたピニオンギヤ５８と噛（か）み合っている。そのため、ノズル駆動モータ５３が作動して出力軸５７が回転すると、可動ノズル支持部材５９に取り付けられた水供給ノズル５１は、矢印Ｄで示されるように、所定の範囲で前後方向に往復直線運動する。
【００８０】
なお、前記水供給ノズル５１の各々は、水の噴射方向が空気供給室１７の中心部を向くように配設されている。水の噴射方向は不変であるが、水供給ノズル５１は、前後方向、すなわち、水平方向であって、空気導入ダクト２４からの空気が流入する方向に往復動する。
【００８１】
そして、ノズル駆動モータ５３を作動させて水供給ノズル５１を前後方向に往復動させると、燃料電池スタック１１の空気入口側の面における水供給ノズル５１から噴射された水が当たるエリアとしての水噴射エリア１８が、矢印Ｂで示されるように、往復動する。すなわち、水供給ノズル５１が空気導入ダクト２４と反対側の端部に最も近い位置にあるとき、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４と反対側の端部に最も近い位置（図１４における最も右側の位置）になり、水供給ノズル５１が空気導入ダクト２４側の端部に最も近い位置にあるとき、水噴射エリア１８は、空気供給室１７における空気導入ダクト２４側の端部に最も近い位置（図１４における最も左側の位置）になる。
【００８２】
そのため、水供給ノズル５１を、周期的に、又は、空気供給ファンユニット３１からの空気の供給量、すなわち、空気流量に応じて、前後方向に往復動させることによって、燃料電池スタック１１の空気入口側の面におけるすべてのエリアに水供給ノズル５１から噴射された水が当たるようにすることができる。
【００８３】
なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。また、作用効果の点についても同様であるので、説明を省略する。
【００８４】
さらに、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８５】
また、本実施の形態では、燃料電池集合体として、燃料電池がセパレータを挟んで複数積層された燃料電池スタックを用いた場合について説明したが、チューブ状の燃料電池を複数束ねた燃料電池モジュールを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態における水供給ノズルを回転運動させるための構成を示す斜視図である。
【図２】従来の燃料電池システムが搭載された車両を示す第１の模式断面図である。
【図３】従来の燃料電池システムが搭載された車両を示す第２の模式断面図である。
【図４】従来の燃料電池スタックの空気供給室に配設されたノズルを示す第１の模式斜視図である。
【図５】従来の燃料電池スタックの空気供給室に配設されたノズルを示す第２の模式斜視図である。
【図６】従来の燃料電池スタックの空気供給室に配設されたノズルを示す上面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す平面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの空気入口側に取り付けられた空気供給流路を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における水噴射エリアの位置と空気流量との関係を説明する斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における車両の負荷と空気流量との関係を説明するグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における水供給ノズルの位置を制御する動作を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における水供給ノズルを直線運動させるための構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における四隅に配設された水供給ノズルを直線運動させるための構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８７】
１１    燃料電池スタック
１７    空気供給室
５１    水供給ノズル
５２    可動ノズル支持部材
【図１】
2008059756.tif 000003
【図２】
2008059756.tif 000004
【図３】
2008059756.tif 000005
【図４】
2008059756.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008059756.tif 000008
【図７】
2008059756.tif 000009
【図８】
2008059756.tif 000010
【図９】
2008059756.tif 000011
【図１０】
2008059756.tif 000012
【図１１】
2008059756.tif 000013
【図１２】
2008059756.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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