(57)【要約】【課題】多様な燃料電池内部の状態や外部の環境に対応して、燃料電池内部の温度と湿度を発電に最適な環境に制御し、所要の電力を安定して出力することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池に発電部３１と冷却フィン３２とを形成して、発電部３１に隣接する空気供給ファン５２，５３と、冷却フィン３２に隣接する冷却ファン５１とを個別に駆動制御して、発電部３１の温度および湿度を発電に適した温度領域と湿度領域内に収まるように制御する。安定した発電を実現できる温度よりも高温の場合には冷却ファン５１を回転させて発電部３１の冷却を行い、安定した発電を実現できる湿度よりも高湿度の場合には空気供給ファン５２，５３を回転させて発電部３１の乾燥を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸素を含んだ流入気体を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池に冷却用流体を供給する冷却手段とを有し、
前記空気供給手段および前記冷却手段が各々独立に制御されて駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池内部の水分量である残留水分量を算出し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記残留水分量および前記発電温度に基づいて、前記空気供給手段および前記冷却手段を各々独立に制御して駆動す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】
前記燃料電池に流入する前記冷却用流体の温度である吸気温度及び湿度である吸気湿度を測定し、
前記燃料電池から排出される前記流入気体の温度である排気温度及び湿度である排気湿度を測定し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記吸気温度、前記吸気湿度、前記排気温度、前記排気湿度および前記発電温度に基づいて、前記空気供給手段および前記冷却手段を各々独立に制御す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４】
前記燃料電池の温度の範囲として安定温度領域が予め定められ、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも大きいときには前記冷却手段を駆動し、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも小さいときには前記冷却手段を停止す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５】
前記燃料電池内部の水分量の範囲として安定湿度領域が予め定められ、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも大きいときには前記空気供給手段を駆動し、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも小さいときには前記空気供給手段は前記流入気体の供給量を減少又は停止す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６】
前記燃料電池は、カソード電極と伝導体膜とアノード電極とを多階層に積層して、前記燃料電池外部の気体を前記燃料電池内部に流入させることで、発電反応に用いられる酸素を前記カソード電極に供給する開放型スタックセル構造をと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７】
空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池は前記発電部に酸素を含んだ流入気体を供給する空気供給手段と、
前記冷却部に冷却用流体を供給する冷却手段と、
前記流入気体が供給される発電部と、前記冷却用流体が供給される冷却部とを有し、
前記空気供給手段および前記冷却手段が各々独立に制御されて駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記発電部内部の水分量である残留水分量を算出し、
前記発電部の温度である発電温度を測定し、
前記残留水分量および前記発電温度に基づいて、前記空気供給手段および前記冷却手段を各々独立に制御して駆動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】
前記冷却部に流入する前記冷却用流体の温度である吸気温度及び湿度である吸気湿度を測定し、
前記発電部から排出される前記流入気体の温度である排気温度及び湿度である排気湿度を測定し、
前記発電部の温度である発電温度を測定し、
前記吸気温度、前記吸気湿度、前記排気温度、前記排気湿度および前記発電温度に基づいて、前記空気供給手段および前記冷却手段を各々独立に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１０】
前記発電部の温度の範囲として安定温度領域が予め定められ、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも大きいときには前記冷却手段を駆動し、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも小さいときには前記冷却手段を停止することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記発電部内部の水分量の範囲として安定湿度領域が予め定められ、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも大きいときには前記空気供給手段を駆動し、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも小さいときには前記空気供給手段は前記流入気体の供給量を減少又は停止することことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記発電部は、カソード電極と伝導体膜とアノード電極とを多階層に積層して、前記燃料電池外部の気体を前記燃料電池内部に流入させることで、発電反応に用いられる酸素を前記カソード電極に供給する開放型スタックセル構造をと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１３】
空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の乾燥度を制御する乾燥制御手段と、
前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段とを有し、
前記乾燥制御手段および前記温度制御手段が各々独立に制御されて駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池内部の水分量である残留水分量を算出し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記残留水分量および前記発電温度に基づいて、前記乾燥制御手段および前記温度制御手段を各々独立に制御して駆動することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池に流入する前記冷却用流体の温度である吸気温度及び湿度である吸気湿度を測定し、
前記燃料電池から排出される前記流入気体の温度である排気温度及び湿度である排気湿度を測定し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記吸気温度、前記吸気湿度、前記排気温度、前記排気湿度および前記発電温度に基づいて、前記乾燥制御手段および前記温度制御手段を各々独立に制御することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池の温度の範囲として安定温度領域が予め定められ、
前記発電温度が前記安定温度領域内に収束する方向に前記温度制御手段の駆動を制御することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池内部の水分量の範囲として安定湿度領域が予め定められ、
前記残留水分量が前記安定湿度領域内に収束する方向に前記乾燥制御手段の駆動を制御することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池は、カソード電極と伝導体膜とアノード電極とを多階層に積層して、前記燃料電池外部の気体を前記燃料電池内部に流入させることで、発電反応に用いられる酸素を前記カソード電極に供給する開放型スタックセル構造をとることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池に供給される酸素を含んだ流入気体の流量と、
前記燃料電池に供給される冷却用流体の流量とを各々独立に制御することを特徴とする燃料電池運転方法。
【請求項２０】
前記燃料電池内部の水分量である残留水分量を算出し、
前記燃料電池の温度である発電温度を測定し、
前記残留水分量および前記発電温度に基づいて、前記流入気体の流量および前記冷却用流体の流量を独立して制御することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池運転方法。
【請求項２１】
前記燃料電池内部の温度の範囲として安定温度領域を予め定め、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも大きいときには前記冷却用流体を前記燃料電池に供給し、
前記発電温度が前記安定温度領域よりも小さいときには、前記冷却用流体の前記燃料電池への供給を停止することを特徴とする請求項２０記載の燃料電池運転方法。
【請求項２２】
前記燃料電池内部の水分量の範囲として安定湿度領域を予め定め、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも大きいときには前記流入気体を前記燃料電池に供給し、
前記残留水分量が前記安定湿度領域よりも小さいときには、前記流入気体の前記燃料電池への供給を低減することを特徴とする請求項２０記載の燃料電池運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中の酸素と燃料流体を反応させて発電を行う燃料電池システムおよび燃料電池運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる手段であり、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある。燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である水素側電極（アノード）では触媒と高分子電解質層の接触界面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である酸素側電極（カソード）では同様に１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。
【０００３】
このような燃料電池として、発電に用いる酸素を大気中から取り入れる空気開放型のものが提案されている。また、燃料電池は単位素子（単位セル）を複数結合させることにより、出力される電力量を高めることが可能であり、例えば高分子電解質層（伝導体膜）の両面に電極（拡散層）を形成してなる接合体をセパレータで挟みこんで単位素子を形成し、これら単位素子が積層されたスタック構造を有する燃料電池も開発されている。
【０００４】
燃料電池による発電では、化学反応に伴うプロトンの伝導を高分子電解質層が行うため、効率の良い発電反応を継続して行うためには高分子電解質層の湿潤状態や温度状態を管理する必要がある。また、発電に伴う発熱と発電により生成した水による湿度は発電量と使用環境により常に変化する。特に外気が低湿度かつ高温度な環境下で低電流の発電を行った場合には、発電によって生成される水分量が少なく、燃料電池における発電反応は発熱反応であり、発電反応が活発に行われる部分は高温となり易いために発電体の高分子電解質層が乾燥し、燃料電池における安定した発電に支障をきたす場合がある。一方、外気が高湿度かつ低温度な環境下で高電流の発電を行った場合には、発電によって生成される水分量が多いために、セパレータに形成された燃料ガスの流路に水が蓄積されて発電体の拡散層が水没し、燃料電池による発電を十分に行うことができない問題点が生じることになる。
【０００５】
従来の空気開放型の燃料電池システムでは、高分子電解質層の湿潤状態保持と温度状態管理のために、燃料電池に空気を取り込むための空気供給口にファンを設けている。このファンを回転させて燃料電池外部から空気の供給を行うことで、発電に必要な酸素を取り入れると同時に、発電反応によって生成した燃料電池内部の水分除去と発電反応によって生じた熱の放出とを行う。
【０００６】
しかしながら、燃料電池への空気の供給を単独のファンによって行い、燃料電池の乾燥と冷却の両機能を単独のファンが兼ねているため、燃料電池が低温度かつ高湿度の状況下でファンによる送風を行うと、湿度は低下するが温度は更に低下してしまい発電効率が低下してしまうという問題があった。同様に、燃料電池が高温度かつ低湿度の状況下でファンによる送風を行うと、温度は低下するが湿度は更に低下してしまい発電効率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
上述した問題点は、燃料電池による発電の際にかかる燃料電池の温度上昇の抑制と燃料電池に含まれる水分量の制御を両立させることが困難であることを示しており、これら問題点を同時に解決することができる技術が求められている。特に、スタック構造を有する燃料電池では、複数のセパレータに形成された流路に円滑に燃料ガスを流動させると共に燃料電池を構成する接合体を適度に吸湿させた状態とするようにかかる燃料電池の外部から酸素を含む空気を取り込み、所要の電力を安定して出力することができる技術が求められている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって上述した課題を解決するために本願発明は、多様な燃料電池内部の状態や外部の環境に対応して、燃料電池内部の温度と湿度を発電に最適な環境に制御し、所要の電力を安定して出力することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池運転方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池システムは、空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池に酸素を含んだ流入気体を供給する空気供給手段と、前記燃料電池に冷却用流体を供給する冷却手段とを有し、前記空気供給手段および前記冷却手段が各々独立に制御されて駆動されることを特徴とする
【００１０】
燃料電池システムが空気供給手段と冷却手段とを有することにより、発電に用いる酸素の燃料電池への供給および燃料電池内部の乾燥と、燃料電池への冷媒の供給を別系統で行うことが出来る。また、空気供給手段および冷却手段を各々独立に制御して駆動することで、燃料電池内部の水分調整と燃料電池の温度調整を独立して行うことができ、燃料電池の温度環境と湿度環境を微細に制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００１１】
また、燃料電池内部の水分量である残留水分量を算出し、燃料電池の温度である発電温度を測定し、残留水分量および発電温度に基づいて、空気供給手段および冷却手段を各々独立に制御して駆動することにより、燃料電池内部の水分調整と燃料電池の温度調整を微細に制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００１２】
また、燃料電池に流入する冷却用流体の温度である吸気温度及び湿度である吸気湿度を測定し、燃料電池から排出される流入気体の温度である排気温度及び湿度である排気湿度を測定し、燃料電池の温度である発電温度を測定し、吸気温度、吸気湿度、排気温度、排気湿度および発電温度に基づいて、空気供給手段および冷却手段を各々独立に制御することにより、燃料電池の発電に適した環境を維持して発電効率を高めることが可能となる。
【００１３】
また、燃料電池の温度の範囲として安定温度領域が予め定められ、発電温度が安定温度領域よりも大きいときには冷却手段を駆動し、発電温度が安定温度領域よりも小さいときには冷却手段を停止することにより、燃料電池の温度が安定温度領域よりも高いときには燃料電池を冷却して、燃料電池の温度が安定温度領域よりも低いときには燃料電池の発電反応に伴う発熱で安定温度領域内に収束させることができる。これにより、燃料電池の発電に適した環境を維持して発電効率を高めることが可能となる。
【００１４】
また、燃料電池内部の水分量の範囲として安定湿度領域が予め定められ、残留水分量が安定湿度領域よりも大きいときには空気供給手段を駆動し、残留水分量が安定湿度領域よりも小さいときには空気供給手段は流入気体の供給量を減少又は停止することにより、燃料電池の湿度が安定湿度領域よりも高いときには流入気体を供給して燃料電池を乾燥させ、燃料電池の湿度が安定湿度領域よりも低いときには燃料電池の発電反応に伴う生成水で安定湿度領域内に収束させることができる。これにより、燃料電池の発電に適した環境を維持して発電効率を高めることが可能となる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池システムは、空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池は前記発電部に酸素を含んだ流入気体を供給する空気供給手段と、前記冷却部に冷却用流体を供給する冷却手段と、前記流入気体が供給される発電部と、前記冷却用流体が供給される冷却部とを有し、前記空気供給手段および前記冷却手段が各々独立に制御されて駆動されることを特徴とする。
【００１６】
燃料電池が発電部と冷却部を有し、発電部に空気を供給する空気供給手段と、冷却部に冷媒を供給する冷却手段とを有することにより、発電に用いる酸素の発電部への供給および燃料電池内部の乾燥と、冷却部への冷媒の供給を別系統で行うことが出来る。また、空気供給手段および冷却手段を各々独立に制御して駆動することで、発電部内部の水分調整と燃料電池の温度調整を独立して行うことができ、燃料電池の温度環境と湿度環境をきめ細かく制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００１７】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池システムは、空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の乾燥度を制御する乾燥制御手段と、前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段とを有し、前記乾燥制御手段および前記温度制御手段が各々独立に制御されて駆動されることを特徴とする。
【００１８】
乾燥制御手段により燃料電池の乾燥程度を制御し、温度制御手段により燃料電池の温度を制御することにより、燃料電池の温度環境と湿度環境をきめ細かく制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００１９】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池運転方法は、空気中の酸素と燃料流体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池に供給される酸素を含んだ流入気体の流量と、前記燃料電池に供給される冷媒である冷却用流体の流量とを各々独立に制御することを特徴とする。
【００２０】
流入気体の流量および冷却用流体の流量とを各々独立に制御して駆動することで、燃料電池内部の水分調整と燃料電池の温度調整を独立して行うことができ、燃料電池の温度環境と湿度環境を微細に制御することが可能となり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明を適用した燃料電池システムおよび燃料電池運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本実施の形態では、カソード電極と伝導体膜とアノード電極からなる発電体を多階層に積層して、燃料電池外部の空気を燃料電池内部に流入させることで、発電反応に用いられる酸素をカソード電極に供給する開放型スタックセル構造の燃料電池について述べる。
【００２２】
図１は本願発明の燃料電池システムを用いた燃料電池モジュール１の一例を示す分解斜視図である。燃料電池モジュール１は、筐体１０、制御基板２０、燃料電池３０、冷却ファン５１、空気供給ファン５２，５３、水素パージバルブ５４、レギュレータ５５及び手動バルブ５６を備える。また、燃料電池モジュール１は、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスを燃料として使用して発電を行う。以下では水素ガスを燃料として使用する例を示して説明を行うが、燃料としてメタノール等の燃料流体を使用してもよい。
【００２３】
筐体１０の一方の側面には、開口部である排気口１１，１２及び１３が形成されている。排気口１１，１２及び１３からは、燃料電池３０を冷却するために燃料電池モジュール１内で流動された空気と燃料電池３０による発電反応後の空気とが排出される。また、筐体１０の排気口１１，１２及び１３に対向する面には吸気口が形成され、燃料電池３０を冷却するための空気と燃料電池３０による発電反応に供される酸素とを含む空気とが燃料電池モジュール１内に取り込まれる。また、筐体１０の一の端面には燃料電池モジュール１と外部との間で各種信号を送受信するための配線が通される接続孔１６が形成されている。
【００２４】
制御基板２０は燃料電池モジュール１を構成する各種機器を制御するための制御回路が形成され、燃料電池モジュール１に配設された基板である。制御回路の詳細については図中において詳細に示さないが、例えば冷却ファン５１及び空気供給ファン５２，５３の駆動の制御、或いは水素パージバルブ５４の開閉動作の制御回路、燃料電池３０により出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータの如き電圧変換回路、さらに後述するセンサにて検知された温度や湿度などの各種環境条件を取得することにより各種機器の駆動に関する指示を制御基板２０に実装された回路に行わせることもできる。また、本例の燃料電池モジュール１においてはかかる燃料電池モジュール１内に制御基板２０が配設されるが、燃料電池モジュール１の外部に配設されていても良く、例えば、燃料電池モジュール１から駆動用の電力が提供される各種電子機器が制御基板２０を備えることもできる。
【００２５】
冷却ファン５１は、制御基板２０から送出される制御信号により回転数の制御が行われるファンであり、空気を冷却用流体として燃料電池３０に対して供給する冷却手段または温度制御手段として機能する。また、空気供給ファン５２，５３は、制御基板２０から送出される制御信号により回転数の制御が行われるファンであり、酸素を含んだ流入気体としての空気を燃料電池３０に対して供給する空気供給手段および燃料電池３０の乾燥度を制御する乾燥制御手段として機能する。
【００２６】
水素パージバルブ５４は、燃料電池３０内部の燃料が流れる流路に蓄積された水を排出する水排出手段であり、流路を大気開放することで流路から水を排出することができる。また、水素パージバルブ５４を例えば電磁力を用いた駆動方式により駆動することも可能であり、水素パージバルブ５４を駆動させるための電力を燃料電池３０から供給するようにしても良い。
【００２７】
レギュレータ５５は、燃料流体である水素ガスの圧力制御を行う圧力制御手段であり、水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスの圧力を所要の圧力になるように調整し、燃料電池３０に送り出す。例えば、水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスの圧力が０．８〜１．０ＭＰａ程度である場合、レギュレータ５５はこれら水素ガスの圧力を０．０５〜０．１０ＭＰａ程度の圧力に減圧し燃料電池３０に供給することができる。
【００２８】
手動バルブ５６は、燃料流体である水素ガスを燃料電池３０に供給するガス供給手段であり、燃料電池３０にて発電を行う際に水素吸蔵カートリッジ６０から燃料電池３０に水素ガスを供給するための流路を開放する。
【００２９】
次に、図１に示した燃料電池モジュール１の燃料電池３０部分の空気開放型の燃料電池スタック構造について、図２および図３を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は燃料電池３０の構造を示す上面図であり、燃料電池３０に取り付けられた冷却ファン５１および空気供給ファン５２，５３を取り付けた状態での空気の流れを示した模式図である。図２（ｂ）は、燃料電池３０を図２（ａ）中の矢印Ａ−Ａ位置で切断した正面断面図である。図２（ｃ）は図２（ｂ）中で実線楕円で囲んだ領域を拡大した部分拡大断面図である。
【００３０】
燃料電池３０は、発電部３１と冷却フィン３２と保持部材３３とから構成されており、発電部３１と冷却フィン３２とは一体に形成されている。保持部材３３は発電部３１と冷却フィン３２の正面部分に固定して取り付けられた部材であり、冷却ファン５１と空気供給ファン５２，５３とを固定して保持する部材である。冷却ファン５１は保持部材３３に取り付けられることで冷却フィン３２の直横に位置し、空気供給ファン５２，５３は保持部材３３に取り付けられることで発電部３１の直横に位置することとなる。また、保持部材３３には空気の流出入が可能な開口部３４，３５及び３６が形成されており、それぞれ冷却ファン５１および空気供給ファン５２，５３が回転して空気の流れを生じさせた場合に、冷却ファン５１と冷却フィン３２との間、および空気供給ファン５２，５３と発電部３１との間での空気の流れが確保される構造となっている。
【００３１】
発電部３１は発電反応を行って燃料と酸素から電流を取り出す部分であり、集電板３７、カソード電極３８、伝導体膜３９およびアノード電極４０が多階層に積層されてなる部材であり、各層は伝導体膜３９の一方の面にカソード電極３８が密接して重ね合わせて形成され、他方の面にアノード電極４０が密接して重ね合わせて形成されている。カソード電極３８およびアノード電極４０の伝導体膜３９と反対側の面には、集電板３７が形成されている。
【００３２】
集電板３７のカソード電極３８と接する面には、カソード電極３８に酸素を含んだ空気を供給するための流路である空気供給孔４１が形成されている。空気供給孔４１は発電部３１の正面から発電部３１の後面にわたって貫通してストライプ状に形成されており、空気供給ファン５２，５３が駆動すると、発電部３１後面から流入した空気は空気供給孔４１を通過して、発電部３１正面に抜けて保持部材３３の開口部３５，３６から排出されていく。ここで、燃料電池３０の空気供給ファン５２，５３が配置されている側面を正面として、正面の反対側の側面を後面と表現した。
【００３３】
集電板３７のアノード電極４０と接する面には、アノード電極４０に燃料である水素を供給するための流路である水素流路４２が形成されている。水素流路４２は水素吸蔵カートリッジ６０から供給される水素ガスを各層のアノード電極４０に供給するような形態で形成されている。
【００３４】
水素吸蔵カートリッジ６０から供給された水素ガスが水素流路４２を通過する過程でアノード電極４０に供給されて、酸素を含んだ空気が発電部３１後面から流入して空気供給孔４１を通過して正面から排出される過程で酸素がカソード電極３８に供給される。各層では、拡散層であるアノード電極４０で触媒と伝導体膜３９の接触界面において、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の如き反応が生ずる。また各層で、拡散層であるカソード電極３８で同様に１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−＝Ｈ２Ｏの如き反応が起こり起電力が取り出されて水が生成される。
【００３５】
空気供給孔４１を空気が通過していく際には、発電反応に用いられる酸素がカソード電極３８に供給されると共に、発電に伴って生成された生成水は水蒸気として空気に含有され、燃料電池モジュール１の排気と共に外部に排出される。
【００３６】
冷却フィン３２は、多階層に積層された集電板３７の各層に一体として形成された金属製の複数枚の板であり、各冷却フィン３２の板は互いに空隙を確保して配置されている。各冷却フィン３２の板の間には空隙が設けられているため、当該空隙部分では空気が流れることが可能となっている。したがって、冷却ファン５１が駆動すると燃料電池３０の後面から空気が流入して、冷却フィン３２の空隙を流れて保持部材３３に形成された開口部３４から空気が排出される。冷却フィン３２を構成する各板の表面と空気が接触するため、冷却フィン３２が保有する熱は排出される空気に受け渡されて燃料電池モジュール１外部に放出される。
【００３７】
冷却フィン３２を熱伝導に優れた材質とすることで、発電部３１での発電反応に伴う熱を有効に排出して発電部３１の冷却を行うことができ、冷却フィン３２は燃料電池３０の冷却部として機能する。ここでは、冷却フィン３２を集電板３７と一体に形成された構成で説明したが、発電部３１と冷却フィン３２との間で効率よく熱の授受が行われればよいので、発電部３１とは独立して冷却フィン３２を形成して熱伝導性に優れた接合方法で接合するとしても良い。また、冷却フィン３２を独立した複数枚の板として形成する必要はなく、外部から流入した空気が冷却フィン３２から有効に熱を奪える構造であればよい。
【００３８】
次に、燃料電池モジュール１の運転を制御するために必要な情報を収集する各種センサーの配置について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、燃料電池３０の構造を示す上面図であり、燃料電池３０に取り付けられた冷却ファン５１および空気供給ファン５２，５３を取り付けた状態での空気の流れと、温度センサーおよび湿度センサーの設置位置を示した模式図である。図３（ｂ）は、温度センサーおよび湿度センサーの設置位置を示した正面図である。図３（ｃ）は、温度センサー及び湿度センサーの設置位置を示した側面図である。
【００３９】
図示するように、燃料電池モジュール１は吸気温度センサー６１と、吸気湿度センサー６２と、発電部温度センサー６３と、排気温度センサー６４と、排気湿度センサー６５とを備えている。
【００４０】
吸気温度センサー６１は、冷却フィン３２の外気が流入してくる燃料電池３０後面に配置された温度を測定する機器であり、冷却フィン３２とは接触しないように配置されて、燃料電池３０に流入してくる空気の温度を測定する。吸気湿度センサー６２は、冷却フィン３２の外気が流入してくる燃料電池３０後面に配置された湿度を測定する機器であり、冷却フィン３２とは接触しないように配置されて、燃料電池３０に流入してくる空気の湿度を測定する。
【００４１】
発電部温度センサー６３は、発電部３１の上面中央付近に配置された温度を測定する機器であり、発電部３１と接触するように配置されて、発電部３１の温度を測定する。排気温度センサー６４は、保持部材３３に形成された開口部３６に配置された温度を測定する機器であり、燃料電池３０から排出される空気の温度を測定する。排気湿度センサー６５は、保持部材３３に形成された開口部３５に配置された湿度を測定する機器であり、燃料電池３０から排出される空気の湿度を測定する。各センサーは制御基板２０に接続されており、測定した結果を制御基板２０に対して受け渡す。
【００４２】
図４は、本願発明の燃料電池モジュール１での制御に関する信号の流れを説明するブロック図である。吸気温度センサー６１が冷却フィン３２に流入する空気の吸気温度Ｔｉｎを測定して制御基板２０に伝達し、吸気湿度センサー６２が冷却フィン３２に流入する空気の吸気湿度Ｒｈｉｎを測定して制御基板２０に伝達し、発電部温度センサー６３が発電部３１のスタックセル温度Ｔｃｅｌを測定して制御基板２０に伝達し、排気温度センサー６４が発電部３１から排出される空気の排気温度Ｔｏｕｔを測定して制御基板２０に伝達し、排気湿度センサー６５が発電部３１から排出される空気の排気湿度Ｒｈｏｕｔを測定して制御基板２０に伝達する。また、発電部３１における発電反応によって生じた電流に関して、出力電圧Ｖｏｕｔと出力電流値Ｉｏｕｔが制御基板に伝達される。
【００４３】
制御基板２０は、吸気温度Ｔｉｎ、吸気湿度Ｒｈｉｎ、スタックセル温度（発電温度）Ｔｃｅｌ、排気温度Ｔｏｕｔ、排気湿度Ｒｈｏｕｔ、出力電圧Ｖｏｕｔおよび出力電流値Ｉｏｕｔに基づいて所定の手順に基づいて情報処理を行い、空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１に対して独立した制御信号を送出して、それぞれ独立した駆動を行う。図５は各ファンの回転速度と駆動による効果を示したグラフである。
【００４４】
図５（ａ）は横軸に空気供給ファン５２，５３の回転数を示し、縦軸に発電によって生じた生成水が燃料電池３０外部に排出される量を示したグラフであり、空気供給ファン５２，５３の回転数に比例して排出される水分量が増加することが分かる。図５（ｂ）は横軸に冷却ファン５１の回転数を示し、縦軸に発電部３１の温度を示したグラフであり、冷却ファン５１の回転数に応じて一定の割合で温度が下がっていくことがわかる。ここで図５（ａ）に示した空気供給ファン５２，５３の回転数と排出水分量との関係、および図５（ｂ）に示した冷却ファン５１の回転数と発電部３１の温度との関係が予め制御基板２０に記録されているとする。
【００４５】
したがって、図３に示したように各種センサーを配置して、図４に示したように空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に駆動制御すると、冷却ファン５１の個別駆動による回転数に応じて発電部３１を冷却し、空気供給ファン５２，５３の個別駆動による回転数に応じて発電部３１から排出される排出水分量を調節することができる。
【００４６】
次に、制御基板２０が空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１に対して個別に駆動信号を送出して個別の駆動を行う制御ルーチンについて、図６に示すフローチャートを用いて手順を説明する。
【００４７】
ステップ１は空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に制御する制御信号を生成するための制御ルーチンの開始であり、制御基板２０により実行され、自動的にステップ２に移行する。
【００４８】
ステップ２は計測ステップであり、燃料電池３０に流入してくる空気に関して、吸気温度センサー６１が冷却フィン３２に流入する空気の吸気温度Ｔｉｎを測定し、吸気湿度センサー６２が冷却フィン３２に流入する空気の吸気湿度Ｒｈｉｎを測定し、発電部温度センサー６３が発電部３１のスタックセル温度Ｔｃｅｌを測定して制御基板２０に伝達し、排気温度センサー６４が発電部３１から排出される空気の排気温度Ｔｏｕｔを測定し、排気湿度センサー６５が発電部３１から排出される空気の排気湿度Ｒｈｏｕｔを測定して制御基板２０に伝達する。また、発電部３１における発電反応によって生じた電流に関して、出力電圧Ｖｏｕｔと出力電流値Ｉｏｕｔが制御基板に伝達される。各センサーによる測定値を制御基板２０が受け取った後、制御ルーチンはステップ３に移行する。
【００４９】
ステップ３は飽和水蒸気圧を求めるステップであり、制御基板２０はＴｅｎｔｅｎｓの式として知られる近似式である式１に基づいて、式１中のＴに吸気温度Ｔｉｎを代入して吸気飽和水蒸気圧Ｐｓａｔ，ｉｎを算出し、式１中のＴに排気温度Ｔｏｕｔを代入して排気飽和水蒸気圧Ｐｓａｔ，ｏｕｔを算出しステップ４に移行する。
【式１】
2004192974.tif 000003
【００５０】
ステップ４は水蒸気圧を求めるステップであり、制御基板２０はステップ３で算出した値を用いて式２に示す飽和水蒸気圧と相対湿度との乗算を行う。具体的には、Ｐｓａｔに吸気飽和水蒸気圧Ｐｓａｔ，ｉｎを代入し、Ｒｈに吸気湿度Ｒｈｉｎを代入して吸気水蒸気圧Ｐｓ，ｉｎを算出し、Ｐｓａｔに排気飽和水蒸気圧Ｐｓａｔ，ｏｕｔを代入し、Ｒｈに排気湿度Ｒｈｏｕｔを代入して排気水蒸気圧Ｐｓ，ｏｕｔを算出しステップ５に移行する。
【式２】
2004192974.tif 000004
【００５１】
ステップ５は空気中に水蒸気の形態で混入している水分量である絶対湿度を求めるステップである。制御基板２０はステップ４で算出した値を用いて、水の分子量と気体の状態方程式から得られる式３に示す計算を行う。具体的には、Ｐｓに吸気水蒸気圧Ｐｓ，ｉｎを代入し、Ｔに吸気温度Ｔｉｎを代入して吸気絶対湿度Ｈｉｎ［ｇ／ｍ３］を算出し、Ｐｓに排気水蒸気圧Ｐｓ，ｏｕｔを代入し、Ｔに排気温度Ｔｏｕｔを代入して排気絶対湿度Ｈｏｕｔ［ｇ／ｍ３］を算出しステップ６に移行する。
【式３】
2004192974.tif 000005
【００５２】
ステップ６は空気の供給・排出に伴って単位時間当たりに水蒸気の形態で燃料電池２外部に持ち出される水分量である排出水分量を求めるステップである。制御基板２０はステップ５で算出した値である排気絶対湿度Ｈｏｕｔ、吸気絶対湿度Ｈｉｎを用いて式４に示す計算を行って排出水分量Ｗｏ［ｇ／ｓ］を算出する。式４中のＶは発電部３１を流れる空気の流量であり、空気供給ファン５２，５３の回転数に応じて定まる数値であって予め制御基板２０に記録されている。Ｈｉｎ×Ｖによって燃料電池モジュール１内部に流入する空気に含まれている吸気水分量が計算され、Ｈｏｕｔ×Ｖによって燃料電池モジュール１内部から排出される空気に含まれている排気水分量が計算され、その差を求めることで排出水分量Ｗｏが求められる。排出水分量を算出した後、制御ルーチンはステップ７に移行する。
【式４】
2004192974.tif 000006
【００５３】
ステップ７は燃料電池の電極反応に伴い生成される単位時間あたりの水分量である生成水分量を求めるステップである。制御基板２０はファラデー定数をＦ、水の分子量を１８、燃料電池３０のセル数をｎとして、出力電流Ｉｏｕｔを用いて式５に示す計算を行って生成水分量Ｗｇ［ｇ／ｓ］を算出しステップ８に移行する。
【式５】
2004192974.tif 000007
【００５４】
ステップ８は温度による条件分岐のステップである。燃料電池３０の発電反応に適した環境の温度範囲を安定温度領域として予め定義しておき、発電部温度センサー６３が測定した発電部３１のスタックセル温度Ｔｃｅｌが安定温度領域よりも高温であるか否かを判定し、高温である場合にはステップ９に移行し、高温でない場合にはステップ１０に移行する。
【００５５】
ステップ９は冷却ファン５１を駆動するステップであり、スタックセル温度Ｔｃｅｌと安定温度領域との差および図５（ｂ）に示したグラフに基づいて、冷却ファン５１に対して回転数を制御する制御信号を送出して、冷却ファン５１の駆動を行いステップ１１に移行する。冷却ファン５１が回転することで、冷却フィン３２の空隙を空気が通過して発電部３２から熱を奪い、燃料電池３０の外部に排熱を行って冷却が行われる。
【００５６】
ステップ１０は自己発熱を行うステップであり、冷却ファン５１に対して回転を止める制御信号を送出して冷却ファン５１の回転を止めてステップ１２に移行する。冷却ファン５１の回転が停止している間は、冷却フィン３２の空隙を空気が流れないために発電部３１の冷却は行われず、発電に伴う発熱により発電部３１の温度が上昇する。
【００５７】
ステップ１１は湿度による条件分岐ステップである。燃料電池３０の発電反応に適した環境の湿度範囲を安定湿度領域として予め定義しておき、ステップ６で算出した排出水分量Ｗｏの積算値とステップ７で算出した生成水分量Ｗｇの積算値との差である水分量の収支を算出して、発電部３１内部に存在する残留水分量が安定湿度領域よりも高湿度であるか否かを判定し、高湿度である場合にはステップ１２に移行し、高湿度でない場合にはステップ１３に移行する。
【００５８】
ステップ１２は空気供給ファン５２，５３を駆動するステップであり、排出水分量Ｗｏの積算値と生成水分量Ｗｇの積算値との差と安定温度領域との差および図５（ａ）に示したグラフに基づいて、空気供給ファン５２，５３に対して回転数を制御する制御信号を送出して、空気供給ファン５２，５３の駆動を行いステップ１４に移行する。空気供給ファン５２，５３が回転することで、発電部３１に形成されている空気供給孔４１を空気が通過して発電部３２から水分を奪い、燃料電池３０の外部に水蒸気の形で排出を行って乾燥が行われる。
【００５９】
ステップ１３は自己加湿を行うステップであり、空気供給ファン５２，５３に対して回転を下げる制御信号を送出して空気供給ファン５２，５３の回転を減速してステップ１４に移行する。空気供給ファン５２，５３の回転が減速している間は、空気供給孔４１から空気が排出されないために発電部３１の乾燥は行われず、発電に伴う水の生成により発電部３１の湿度が上昇する。空気供給ファン５２，５３を完全に停止させずに、発電に必要な酸素を発電部３１に供給する程度の低速の回転としてもよい。
【００６０】
ステップ１４は制御ルーチンの回帰ステップであり、制御ルーチンは一定期間経過後にステップ１に移行して、再び空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１の個別制御を行う。
【００６１】
図７は空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に制御して発電部３１の温度と湿度を制御する動作の概念を示す概念図である。燃料電池３０が発電を行うのに適した温度および湿度の範囲を安定領域として、発電部３１の温度および湿度が安定領域の範囲内に収束するように空気供給ファン５２，５３および冷却ファン５１を個別に駆動する。ここで、安定領域は単純に温度範囲と湿度範囲によって定まる範囲であるとは限らず、温度および湿度の関数として表現される領域内であるとしてもよい。この場合、前述の安定温度領域は湿度に依存し、安定湿度領域は温度に依存するものとなる。
【００６２】
発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも高温度かつ高湿度の場合には、空気供給ファン５２，５３と冷却ファン５１の双方を回転させて、発電部３１の冷却と乾燥を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。また、発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも高温度かつ低湿度の場合には、冷却ファン５１を回転させて、空気供給ファン５２，５３の回転を減速し、発電部３１の冷却と自己加湿を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。
【００６３】
発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも低温度かつ高湿度の場合には、空気供給ファン５２，５３を回転させて、冷却ファン５１の回転を停止し、発電部３１の自己発熱と乾燥を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。また、発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも低温度かつ低湿度の場合には、空気供給ファン５２，５３の回転を減速して冷却ファンの回転を停止し、発電部３１の自己発熱と自己加湿を同時に行い、発電部３１の温度と湿度を安定領域内になるような制御を行う。
【００６４】
発電部３１の温度と湿度が安定領域よりも低温度かつ低湿度の場合には、自己発熱と自己加湿を促進するために、発電反応を増大させて燃料電池３０が供給する電流値Ｉｏｕｔを大きくすることも可能である。具体的には、燃料電池３０が電流を供給する回路にダミーの負荷として抵抗Ｒを配置しておき、抵抗Ｒに電流を流すことで電流値Ｉｏｕｔを大きくすることや、リチウム電池等の二次電池に対して充電動作を行って電流値Ｉｏｕｔを大きくすることが考えられる。二次電池に充電動作を行う場合には、発電部３１での発電による電流供給の補助として二次電池からの放電を用いることが出来るようになる。
【００６５】
【発明の効果】
上述した様に、本願発明の燃料電池システムおよび燃料電池駆動方法では、空気供給ファン５２，５３の駆動制御と冷却ファン５１の駆動制御を個別におこなうことができるため、多様な燃料電池内部の状態や外部の環境に対応して、発電部３１の温度と湿度を発電に最適な領域内に制御し、所要の電力を安定して出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の燃料電池システムを用いた燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池部分の空気開放型の燃料電池スタック構造について示す図であり、図２（ａ）は燃料電池の構造を示す上面図であり、図２（ｂ）は、燃料電池を（ａ）中の矢印Ａ−Ａ位置で切断した正面断面図であり、図２（ｃ）は（ｂ）中で実線楕円で囲んだ領域を拡大した部分拡大断面図である。
【図３】燃料電池部分の空気開放型の燃料電池スタック構造について示す図であり、図３（ａ）は、温度センサーおよび湿度センサーの設置位置を示した上面図であり、図３（ｂ）は正面図であり、図３（ｃ）は側面図である。
【図４】本願発明の燃料電池モジュールでの制御に関する信号の流れを説明するブロック図である。
【図５】図５は各ファンの回転速度と駆動による効果を示したグラフであり、図５（ａ）は空気供給ファンの回転数と排出水分量との関係を示し、図５（ｂ）は冷却ファンの回転数と発電部の温度との関係を示している。
【図６】制御基板が空気供給ファンおよび冷却ファンに対して個別に駆動信号を送出して個別の駆動を行う制御ルーチンを説明するフローチャートである。
【図７】空気供給ファンおよび冷却ファンの個別制御によって発電部の温度と湿度を制御する動作の概念を示す概念図である。
【符号の説明】
１    燃料電池モジュール
１０    筐体
１１，１２    排気口
１６    接続孔
２０    制御基板
３０    燃料電池
３１    発電部
３２    冷却フィン
３３    保持部材
３４，３５，３６    開口部
３７    集電板
３８    カソード電極
３９    伝導体膜
４０    アノード電極
４１    空気供給孔
４２    水素流路
５１    冷却ファン
５２，５３    空気供給ファン
５４    水素パージバルブ
５５    レギュレータ
５６    手動バルブ
６０    水素吸蔵カートリッジ
６１    吸気温度センサー
６２    吸気湿度センサー
６３    発電部温度センサー
６４    排気温度センサー
６５    排気湿度センサー
【図１】
2004192974.tif 000008
【図２】
2004192974.tif 000009
【図３】
2004192974.tif 000010
【図４】
2004192974.tif 000011
【図５】
2004192974.tif 000012
【図６】
2004192974.tif 000013
【図７】
2004192974.tif 000014