(57)【要約】【課題】効率的な運転が可能な移動体用燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック２の酸化ガス流路１５中を流動する酸化ガスを隣接する冷却水流路１７を流動する流体により温度上昇させて出口から排出されるよう酸化ガス流路１５を形成し、改質器１に供給する改質用空気を加湿する加湿器７に前記酸化ガス流路１５からの排出気体を供給し、排出気体により改質用空気を加湿するようにした。【選択図】　　図１
2004103454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜からなる電解層の両面に電極層を配し、さらにその両外面の一方に燃料ガス流路を、他方に酸化ガス流路を備えたセパレータを配設し、さらに酸化ガス流路に隣接して配置された冷却水流路をもつ冷却層を一組として単セルとし、前記単セルを積層して形成した燃料電池スタックと、燃料を改質した改質ガスを燃料電池スタックに供給する改質器から構成される移動体用燃料電池システムにおいて、
前記酸化ガス流路中を流動する酸化ガスは隣接する前記冷却水流路を流動する流体により温度上昇されて出口から排出されるよう酸化ガス流路を形成し、
前記改質器に供給する改質用空気を加湿する加湿手段に前記酸化ガス流路からの排出気体の少なくとも一部を供給し、排出気体により改質用空気を加湿することを特徴とする移動体用燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは、複数個が改質ガスおよび酸化ガスの供給を受けて作動可能に配置され、
前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つは、前記酸化ガス流路と前記冷却水流路の各流体が、燃料電池スタック内でそれぞれ平行して流れるものであることを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化ガス流路を流動する酸化ガスと冷却水流路を流動する冷却水とは、燃料電池スタックに積層された一部のセルで夫々平行して流れることを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化ガス流路を流動する酸化ガスと冷却水流路を流動する冷却水とは、各セルの酸化ガス流路を設けるセパレータ上の一部において夫々平行して流れることを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化ガス流路は、前記冷却水流路の下流部分に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿手段は、前記酸化ガス流路からの排出気体から改質器に供給する改質用空気に多孔板を介して水の移動を許容するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却水流路の流体の出口温度を、改質器で必要とする水の量に応じて設定し、設定した出口温度となるよう制御することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却水流路からの流体の出口温度は、冷却水の流量を増減することにより制御することを特徴とする請求項７に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項９】
前記冷却水流路からの流体の出口温度は、冷却水を冷却するラジェータの出口温度を調整することにより制御することを特徴とする請求項７に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化ガス流路に投入する酸化ガスは、酸素を富化した空気であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の移動体用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池スタックと燃料電池スタックに燃料を改質した改質ガスを供給する改質器とを備える燃料電池システムに関し、主として移動体、所謂燃料電池自動車等に搭載することを目的とする移動体用燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池スタックに関しては、スタックの冷媒流の最冷領域が隣接するカソード領域として酸素の最高濃度を有する領域と実質的に合致し、かつ、冷媒流の最暖領域が隣接するカソード領域として酸素の最低濃度を有する領域と実質的に合致するように延在させるものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特表平９−５１１３５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に燃料電池の燃料となる水素として改質したガスを燃料電池スタックに供給する改質器を持つ燃料電池システムでは、スタックセル内だけではなく、改質にも水を使用するため、改質器を含めた燃料電池システム全体としての水のマネジメントが重要である。特に水の蒸発および凝縮に関しては大きなエネルギーが必要で、運転効率に大きくかかわってくる点から重要である。
【０００５】
しかしながら、前記特表平９−５１１３５６はセル内の固体高分子電解質膜の乾燥防止を目的としたものであり、改質器を用いた燃料電池システムのマネジメントについては言及されていない。例えば、改質器と燃料電池スタックからなる燃料電池システムで、スタックの水収支のために水蒸気を凝縮回収すると、潜熱分をラジェータから排出する必要があるため、効率が下がる。このため、スタックのカソード排気ガスを水回収デバイスとしての加湿器により改質用の空気を加湿すれば、その潜熱分だけ効率が改善する。ただし、通常、カソード排気ガスでは、改質用に用いる全ての水蒸気を持てるほど高温ではないという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、効率的な運転が可能な移動体用燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックの酸化ガス流路中を流動する酸化ガスを隣接する冷却水流路を流動する流体により温度上昇させて出口から排出されるよう酸化ガス流路を形成し、改質器に供給する改質用空気を加湿する加湿手段に前記酸化ガス流路からの排出気体を供給し、排出気体により改質用空気を加湿するようにした。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、燃料電池スタック内で冷却水流路の流体により酸化ガスの温度が上昇され、排出ガス中の飽和水蒸気圧が上昇し、多量の水蒸気を持った排出ガスの供給を受けて加湿手段は改質器に供給される改質用空気を加湿することができる。しかも、改質用空気を加湿するに十分な水を水蒸気の状態で持ち込むことができるため、効率のよいシステムとすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した移動体用燃料電池システムの第１実施形態を示すシステム構成図である。
【００１１】
図１において、移動体用燃料電池システムは、改質器１と、酸化ガスとしての空気および改質器１より改質された燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２および改質器１に空気を供給する空気供給系統３と、燃料電池スタック２を冷却する冷却系統４と、未反応燃料ガスを燃焼させる未反応ガス処理系統５とを備える。前記空気供給系統３は、ブロア６よりの空気を第１加湿器７を経由して改質器１に供給する改質用空気供給ライン８と、ブロア６よりの空気を第２加湿器９から燃料電池スタック２内を経由させて昇温させて前記第１加湿器７に供給する改質空気加湿用空気ライン１０と、ブロア６よりの空気を第２加湿器９から燃料電池スタック２内を経由してコンデンサ１２、第２加湿器９に供給する水収支用空気ライン１１とを備える。
【００１２】
前記改質器１は、オートサーマル改質部１Ａ、高温ＣＯ変性部１Ｂ、低温ＣＯ変性部１Ｃ、ＣＯ除去部１Ｄにより構成し、燃料、水、および、空気の供給を受けて、燃料を水素リッチな改質ガスに改質して燃料電池スタック２に供給する。前記燃料は燃料タンク１３から、水は冷却水タンク１４から、空気は改質用空気供給ライン８から夫々供給される。
【００１３】
前記燃料電池スタック２は、図示しないが、固体高分子膜からなる電解層の両面に電極層を配し、さらにその両外面の一方に改質ガス流路を、他方に酸化ガス流路を備えたセパレータを配設し、さらに前記酸化ガス流路に隣接配置された冷却水流路をもつ冷却層を一組として単セルとし、前記単セルを積層してスタックに形成する。前記酸化ガス流路は、図１において、模式的に示すと、前記改質空気加湿用空気ライン１０に接続する加湿用酸化ガス流路１５と前記水収支用空気ライン１１に接続される水収支用酸化ガス流路１６とは、互に独立して燃料電池スタック２内に配置している。前記加湿用酸化ガス流路１５は、冷却水流路１７の冷却水流れ方向と同じ方向に酸化ガスを流すように配置するか、若しくは、冷却水流路１７の最も温度上昇している下流近辺に隣接して配置する。前記水収支用酸化ガス流路１６は、冷却水流路１７の冷却水流れ方向と逆向きに酸化ガスを流すよう配置するか、若しくは、酸化ガス流路１６の入口から出口に向かって温度が低下してゆくよう配置する。前記冷却層は単セルの電気化学反応による反応熱を吸熱してスタック外に排出するものであり、冷却水の入口側から冷却水流路１７を進むに連れて温度が上昇し出口付近で最も温度が上昇する。
【００１４】
前記冷却系統４は、冷却ファン２０により空冷されるラジエータ２１と、ラジエータ２１により冷却した冷却水を前記燃料電池スタック２の冷却水流路１７に供給するポンプ２２と、冷却水流路１７から排出された冷却水をその温度に応じてラジエータ２１またはポンプ２に戻すサーモスタット２３とを備える。サーモスタット２３は冷却水温度が予め設定した温度以下の場合にはポンプ２２に還流させ、予め設定した温度を超えている場合にはラジエータ２１に戻すように機能している。
【００１５】
前記未反応ガス処理系統５は、燃料電池スタック２内の改質ガス流路１８から排出された未反応燃料ガスをバーナー２６で燃焼させ、コンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は排ガス中の水を凝縮させ冷却水タンク１４に回収する。
【００１６】
前記改質用空気供給ライン８は、ブロア６よりの空気を第１加湿器７を経由させて改質器１のオートサーマル改質部１Ａに供給する。第１加湿器７を通過することで改質器１に供給される空気は加湿される。
【００１７】
前記改質空気加湿用空気ライン１０は、ブロア６よりの空気を第２加湿器９を介して燃料電池スタック２の加湿用酸化ガス流路１５に供給し、燃料電池スタック２から排出された排空気を第１加湿器７を経由して排気する。加湿用空気は、第２加湿器９により加湿され、燃料電池スタック２の加湿用酸化ガス流路１５を通過する際に温度上昇されて飽和水蒸気圧を高めて水蒸気を含み、第１加湿器７を通過することで含んでいる水蒸気を改質用空気供給ライン８の空気に供給する。
【００１８】
前記水収支用空気ライン１１は、ブロア６よりの空気を第２加湿器９を介して燃料電池スタック６の水収支用酸化ガス流路１６に供給し、燃料電池スタック２からの排気の一部はコンデンサ１２で水を凝縮させ冷却水タンク１４に回収する。また、排気の残りの一部は第２加湿器９を経由して排気する。
【００１９】
前記第１、２加湿器７、９は、水蒸気を含んだ加湿用空気と被加湿空気とを多孔板を介して流動させ、加湿用空気から被加湿用空気へ水分を受け渡すよう構成している。
【００２０】
以上の構成になる移動体用燃料電池システムは、改質器１に燃料タンク１３からの燃料、および、冷却水タンク１４からの水を供給する一方、ブロア６を作動させて改質用空気供給ライン８からの空気を供給することで作動を開始させる。そして、改質器１よりの改質ガスと加湿用酸化ガス流路１５および水収支用酸化ガス流路１６にブロア６より改質空気加湿用空気ライン１０および水収支用空気ライン１１からの空気との供給を受け、冷却系統４を作動させることで燃料電池スタック２の作動を開始させる。燃料電池スタック２からの排出される未反応ガスは、未反応ガス処理系統５により燃焼され、温度調節された後、コンデンサ１２により排ガス中の水を凝縮して冷却水タンク１４に回収する。
【００２１】
上記作動中において、前記水収支用空気ライン１１を通過する空気は、第２加湿器９により加湿されて燃料電池スタック２の水収支用酸化ガス流路１６に供給される。水収支用酸化ガス流路１６は、例えば、冷却水流路１７の冷却水流れ方向と逆向きに酸化ガスが流れるよう配置しているため、システムの水収支をとり易くする流れ方向であり、排気の一部はコンデンサ１２で水を凝縮させ冷却水タンク１４に回収する。また、排気の残りの一部は第２加湿器９に供給し、第２加湿器９により前記改質空気加湿用空気ライン１０および水収支用空気ライン１１に供給する空気を加湿する。
【００２２】
前記改質空気加湿用空気ライン１０を通過する空気は、第２加湿器９により加湿され、燃料電池スタック２の加湿用酸化ガス流路１５を流通するに連れて温度上昇され飽和水蒸気圧が上昇されるため、燃料電池スタック２の出口では温度および湿度の高い空気が排出される。これにより、第１加湿器７には非常に多くの水が水蒸気の状態で導入され、改質用空気供給ライン８の第１加湿器７を通過する空気に水蒸気の状態で水を渡し、改質器１に供給することができる。従って、改質用に十分な水を蒸気の状態で持ち込むことができるため、効率のよいシステムとすることができる。
【００２３】
図２は、上記燃料電池スタック２の水収支用酸化ガス流路１６、加湿用酸化ガス流路１５を複数の燃料電池スタック２Ａ〜２Ｃに分担させて配置したものであり、システムの燃料電池スタック２の部分のみを抜き出して図示したものである。
【００２４】
図２においては、３組の燃料電池スタック２Ａ〜２Ｃが図示されており、第１の燃料電池スタック２Ａには改質ガスを流通させる改質ガス流路１８と改質用空気を加湿するための加湿用酸化ガス流路１５とを配置し、第２、３の燃料電池スタック２Ｂ、２Ｃには改質ガスを流通させる改質ガス流路１８と水収支用酸化ガス流路１６とを配置したものである。このように、一部の燃料電池スタック２Ａのみに改質用空気を加湿するための加湿用酸化ガス流路１５を配置するのみで、効率的な運転かつ水収支がとれる構成とできる。
【００２５】
従って、改質器１への加湿に供する燃料電池スタック２Ａとそれ以外の燃料電池スタック２Ｂ、２Ｃとを分ける事ができ、それぞれの燃料電池スタック２Ａ〜２Ｃで独立した設計ができ、また燃料電池スタック２Ａ〜２Ｃを別体にできるため車積時、車両レイアウト上の自由度が増すシステムとできる。
【００２６】
図３は、上記燃料電池スタック２の水収支用酸化ガス流路１６、加湿用酸化ガス流路１５を燃料電池スタック２の複数のセルに分担させて配置したものであり、システムの燃料電池スタック２の部分のみを抜き出し、冷却水流路１７と酸化ガス流路１５、１６のみを概念的に図示したものである。
【００２７】
図３において、燃料電池スタックの３組のセルの冷却水流路１７Ａ〜１７Ｃとそのセルの酸化ガス流路１５、１６とが示され、第１のセルの酸化ガス流路は冷却水流路１７Ａに沿って同一方向に流れるよう配置して改質用空気を加湿するための加湿用酸化ガス流路１５に構成し、第２、３のセルの酸化ガス流路は冷却水流路１７Ｂ、１７Ｃとは逆方向に流れるよう配置して水収支用酸化ガス流路１６に構成している。このように、一部のセルのみに改質用空気を加湿するための加湿用酸化ガス流路１５を配置するのみで、効率的な運転かつ水収支がとれる構成とできる。
【００２８】
これにより単セルのスタッキングを同じ配列の繰り返しとし、酸化ガスのマニホールドへの接続状態を変更するのみで、改質空気加湿用とそれ以外のものとにセルを分ける事ができ、設計効率の向上ができる。
【００２９】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３０】
（ア）燃料電池スタック２の酸化ガス流路中を流動する酸化ガスは隣接する冷却水流路１７を流動する流体により温度上昇されて出口から排出されるよう酸化ガス流路１５を形成し、改質器１に供給する改質用空気を加湿する加湿手段としての加湿器７に前記酸化ガス流路１５からの排出気体を供給し、排出気体により改質用空気を加湿するようにしている。
【００３１】
このため、燃料電池スタック２内で冷却水流路１７の流体により酸化ガスの温度が上昇されるため、排出ガス中の飽和水蒸気圧が上昇し、多量の水蒸気を持った排出ガスの供給を受けて加湿手段としての加湿器７は改質器１に供給される改質用空気を加湿することができる。しかも、改質用空気を加湿するに十分な水を水蒸気の状態で持ち込むことができるため、効率のよいシステムとすることができる。
【００３２】
（イ）図２に示す移動体用燃料電池システムの燃料電池スタック２は、複数個が改質ガスおよび酸化ガスの供給を受けて作動可能に配置され、前記複数の燃料電池スタック２Ａ〜２Ｃの少なくとも一つは、前記酸化ガス流路１５と前記冷却水流路１７の各流体が、それぞれの燃料電池スタック２内の入口から出口まで同一方向に流れるものである。
【００３３】
このため、改質器１への加湿に供するスタック２Ａとそうでないスタック２Ｂ、２Ｃに分ける事ができ、それぞれのスタック２Ａ〜２Ｃで独立した設計ができ、また、スタック２Ａ〜２Ｃを別体にできるため、車積時、車両レイアウト上の自由度が増すシステムとできる。
【００３４】
（ウ）図３に示す移動体用燃料電池システムでは、酸化ガス流路１５を流動する酸化ガスと冷却水流路１７を流動する冷却水とが同一方向に流れる部分は、燃料電池スタック２に積層された一部のセルであるため、単セルのスタッキングを同じ配列の繰り返しとし、ガスのマニホールド長の設計で、改質空気加湿用とそうでないものとに分ける事ができ、設計効率の向上ができる。
【００３５】
（エ）加湿手段としての第１加湿器７は、改質器１に供給する改質用空気と前記酸化ガス流路１５からの排出気体とを多孔板を介して水の移動を許容するものであるため、よりコンパクトなシステムとすることができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図４〜９は、本発明を適用した移動体用燃料電池システムの第２実施形態を示し、燃料電池スタック２の水収支用酸化ガス流路１６および加湿用酸化ガス流路１５を複数の燃料電池スタックやセルに分担させて配置することに代えて各セル毎に夫々を配置するようにしたものである。図４〜６に示す実施形態は水収支用酸化ガス流路１６および加湿用酸化ガス流路１５を夫々冷却水流路１７に沿って配置したセルの正面図であり、図７〜９に示す実施形態は水収支用酸化ガス流路１６を冷却水流路１７の上流側に、また、加湿用酸化ガス流路１５を冷却水流路１７の下流側に夫々配置したセルの正面図である。なお、図中の実線は加湿用酸化ガス流路１５および水収支用酸化ガス流路１６を示し、破線は隣接する冷却水流路１７を示す。
【００３７】
図４に示す移動体用燃料電池システムでは、冷却水流路１７は冷却層において、冷却水入口１７Ｄから対向する端面近傍に至って端面近傍で折返し、入口１７Ｄ側の端面近傍まで至って折り返し、再び対向する端面近傍に至って折り返すことを繰り返してジグザグ状に蛇行して冷却水出口１７Ｅに至るよう配列している。
【００３８】
加湿用酸化ガス流路１５と水収支用酸化ガス流路１６とは同一平面上にあり、加湿用酸化ガス流路１５は冷却水流路１７の入口１７Ｄ側端面に沿ってジグザグ状に蛇行して配置しており、冷却水流路１７の上流側から下流側に向かって酸化ガスが流れるようその入口１５Ｄと出口１５Ｅとを配置している。水収支用酸化ガス流路１６は冷却水流路１７の出口１７Ｅ側端面に沿ってジグザグ状に蛇行して配置しており、冷却水流路１７の下流側から上流側に向かって酸化ガスが流れるようにその入口１６Ｄと出口１６Ｅとを配置している。
【００３９】
従って、加湿用酸化ガス流路１５を流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の下流側に隣接し、温度上昇される）に対応して、入口１５Ｄから出口１５Ｅに向かって流れるに連れて温度上昇される。また、水収支用酸化ガス流路１６に流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の上流側に隣接し、温度低下される）に対応して、入口１６Ｄから出口１６Ｅに向かって流れるに連れて温度低下される。
【００４０】
図５に示す移動体用燃料電池システムでは、加湿用酸化ガス流路１５と水収支用酸化ガス流路１６の構成は図４の移動体用燃料電池システムと同様であるが、冷却水流路１７が２系統に分割され、そのうちの１系統を加湿用酸化ガス流路１５に隣接させて配置して冷却水が加湿用酸化ガス流路１５と同一方向に流れるよう入口１７Ｆと出口１７Ｇとを配置している。冷却水流路１７の他の１系統は水収支用酸化ガス流路１６に隣接させて配置して冷却水が水収支用酸化ガス流路１６とは逆方向に流れるよう入口１７Ｈと出口１７Ｊとを配置している。
【００４１】
この移動体用燃料電池システムにおいても、加湿用酸化ガス流路１５を流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の下流側に隣接し、温度上昇される）に対応して、入口１５Ｄから出口１５Ｅに向かって流れるに連れて温度上昇される。また、水収支用酸化ガス流路１６に流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の上流側に隣接し、温度低下される）に対応して、入口１６Ｄから出口１６Ｅに向かって流れるに連れて温度低下される。
【００４２】
図６に示す移動体用燃料電池システムでは、図５に示す移動体用燃料電池システムの分離された２つの冷却水流路１７を水収支用酸化ガス流路１６に隣接する冷却水流路１７を上流部とし、加湿用酸化ガス流路１５に隣接する冷却水流路１７を下流部として連結したものである。加湿用酸化ガス流路１５を入口１５Ｄから出口１５Ｅに流れる酸化ガスの流動方向と冷却水の流動方向とが同一方向となり、水収支用酸化ガス流路１６を入口１６Ｄから出口１６Ｅに流れる酸化ガスの流動方向と冷却水の流動方向も同一方向となっている。
【００４３】
この移動体用燃料電池システムにおいては、加湿用酸化ガス流路１５を流れる酸化ガスは、燃料電池の反応熱を吸熱して温度が上昇している冷却水を流動させている冷却水流路１７の下流部に隣接して温度上昇が比較的大きい。しかも、冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の下流側に隣接し、温度上昇される）に対応して、入口１５Ｄから出口１５Ｅに向かって流れるに連れて温度上昇される。他方、水収支用酸化ガス流路１６に流れる酸化ガスは、流動する冷却水の温度が比較的上昇されていない冷却水流路１７の上流部に隣接し、温度上昇は比較的小さい。
【００４４】
図７に示す移動体用燃料電池システムでは、冷媒層の冷却水流路１７を入口１７Ｄから出口１７Ｅに向かってジグザグ状に配置し、加湿用酸化ガス流路１５は、下流側の少なくとも最後の折り返し部を含む前後の冷却水流路１７に隣接させて熱交換が促進されるようジグザグ状に配置している。図示例では、加湿用酸化ガス流路１５の入口１５Ｄが冷却水流路１７の入口１７Ｄと近接した部位に配置されているため、入口１５Ｄと加湿用酸化ガス流路１５を接続する流路は冷却水流路１７を横断して冷却水温度が低い部分と並流する部分を減らしている。水収支用酸化ガス流路１６は、前記加湿用酸化ガス流路１５が配置されていない冷却水流路１７に隣接させて配置しており、酸化ガスの入口１６Ｄが冷却水流路１７の下流側に、出口１６Ｅが冷却水流路１７の上流側に夫々配置している。
【００４５】
この移動体用燃料電池システムにおいても、加湿用酸化ガス流路１５を流れる酸化ガスは、燃料電池の反応熱を吸熱して温度が上昇している冷却水を流動させている冷却水流路１７の下流部に隣接して流れるために温度上昇が比較的大きい。他方、水収支用酸化ガス流路１６を流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の上流側に隣接し、温度低下される）に対応して、入口１６Ｄから出口１６Ｅへ流れるに連れて温度低下される。
【００４６】
図８に示す移動体用燃料電池システムでは、水収支用酸化ガス流路１６および加湿用酸化ガス流路１５の構成を単純なジグザグ状の形状に構成して、冷却水流路１７の入口１７Ｄ側に水収支用酸化ガス流路１６を配置し、冷却水流路１７の出口１７Ｅ側に加湿用酸化ガス流路１５を配置するようにした。冷却水流路１７は、入口１７Ｄと出口１７Ｅとを結ぶ直線とは直交方向に流路が延び且つ折り返されるジグザグ状に配置して、前記酸化ガス流路の形状単純化を可能としている。冷却水流路１７は、上流側においては主に水収支用酸化ガス流路１６と斜め方向に交差し、中流域においては水収支用酸化ガス流路１６と加湿用酸化ガス流路１５の両方と斜め方向に交差し、下流域においては主に加湿用酸化ガス流路１５と斜め方向に交差する。
【００４７】
この移動体用燃料電池システムにおいても、加湿用酸化ガス流路１５を流れる酸化ガスは、燃料電池の反応熱を吸熱して温度が上昇している冷却水を流動させている冷却水流路１７の下流部に隣接して流れるために温度上昇が比較的大きい。他方、水収支用酸化ガス流路１６を流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の上流側に隣接し、温度低下される）に対応して、入口１６Ｄから出口１６Ｅへ流れるに連れて温度低下される。
【００４８】
図９に示す移動体用燃料電池システムでは、冷却水流路１７は図８に示すのと同様に、入口１７Ｄと出口１７Ｅとを結ぶ直線とは直交方向に流路が延び且つ折り返されるジグザグ状に配置している。水収支用酸化ガス流路１６は、入口１６Ｄから冷却水流路１７に沿い冷却水流路１７の中流部から上流部の出口１６Ｅに向かって配置している。加湿用酸化ガス流路１５は、冷却水流路１７の下流部に交差するようジグザグ状に配置している。
【００４９】
この移動体用燃料電池システムにおいても、加湿用酸化ガス流路１５を流れる酸化ガスは、燃料電池の反応熱を吸熱して温度が上昇している冷却水を流動させている冷却水流路１７の下流部に隣接して流れるために温度上昇が比較的大きい。他方、水収支用酸化ガス流路１６を流れる酸化ガスは、隣接する冷却水流路１７の温度変化（下流に移行するに連れて冷却水流路１７の上流側に隣接し、温度低下される）に対応して、入口１６Ｄから出口１６Ｅへ流れるに連れて温度低下される。
【００５０】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（エ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。
【００５１】
（オ）図４〜図６に示す移動体用燃料電池システムでは、酸化ガス流路１５を流動する酸化ガスと冷却水流路１７を流動する冷却水とが同一方向に流れる部分は、各セルの酸化ガス流路１５、１６を設けるセパレータ上の一部に設けるため、改質空気加湿用とそうでないものの酸化ガスのマニホールドを、同一方向に揃えたり、互いに反対の位置にする事ができる等、設計自由度が増える。
【００５２】
（カ）図７〜図９に示す移動体用燃料電池システムでは、酸化ガス流路１５は、前記冷却水流路１７の高温部分に少なくとも一部が隣接して配置されているため、燃料電池スタック２内で、必ずしも酸化ガス流路１５と冷却水流路１７が同一方向に流れる構造となっていなくても、酸化ガス温度が上昇するため、飽和水蒸気圧が上昇し、多量の水蒸気を持ったガスを燃料電池スタック２の出口から出すことができる。このガスにより水回収デバイスとしての加湿器７を用いて改質ガスを加湿すると、改質用に十分な水を、蒸気の状態で持ち込むことができるため、効率のよいシステムとすることができる。
【００５３】
（第３実施形態）
図１０、１１は、本発明を適用した移動体用燃料電池システムの第３実施形態を示し、改質器で必要とする水の量に応じて冷却水の燃料電池スタックからの出口温度を制御して加湿用酸化ガスの飽和水蒸気圧を変化させる制御フローチャートであり、図１０は冷却水ポンプ２２による冷却水流量の制御により出口温度を制御し、図１１は冷却ファン２０の回転数を調整することで冷却水の出口温度を制御する。
【００５４】
図１０は図示しないコントローラにより定時的に実行される制御フローチャートを示し、燃料電池スタック２の冷却水の出口温度を冷却水ポンプ２２による冷却水流量により制御するものである。以下、制御フローチャートにより冷却水の出口温度制御の制御手順を説明する。
【００５５】
先ず、ステップ１によりアクセル開度を検知し、次に、ステップ２によりその時の燃料電池スタック２の冷却水出口温度（Ｔｅ）を水温センサＴＣ１により検知する。水温センサＴＣ１は冷却水流路１７の出口近傍、例えば、図１に示す冷却水流路１７の出口近傍に配置する。また、ステップ３により冷却水ポンプ２２の回転数等により現在のポンプ吐出流量を判断する。
【００５６】
次に、ステップ４〜６により冷却水温度Ｔｅが閾値ａ、ｂ間の適正温度範囲に存在するか、適正温度範囲ａ以下か、適正温度範囲ｂを超えているかを判断し、ポンプ流量を補正する。即ち、出口温度Ｔｅが所定温度ａ以下の場合は、ステップ４で改質ガスを加湿するには十分な冷却水温度になっていないと判断し、ポンプ２２からの冷却水吐出量を減らし、冷却水温度を上げる。出口温度Ｔｅが所定温度ａより大きくｂ以下である場合は、ステップ５で改質ガスを加湿するのに適正な冷却水温度範囲であると判断し、ポンプ２２からの冷却水吐出量をそのまま維持し、冷却水温度を維持する。出口温度Ｔｅが所定温度ｂ以上の場合は、ステップ６で改質ガスを加湿するには十分な冷却水温度であるが、燃料電池スタック２を冷却するには温度が高いと判断し、ポンプ２２からの冷却水吐出量を増やし、冷却水温度を下げる。
【００５７】
ステップ７では、ステップ４〜６を経て、燃料、空気・水の必要量を計算する。特に、ステップ４を経た場合は、改質器１に水蒸気として持ち込む水の量が減少するため、他の部分からの水の補填が必要になる。従って、それに応じた燃料を追加し、燃料電池スタック２による冷却水出口温度を高める必要が生じる。
【００５８】
ステップ８では、図示しない燃料ポンプおよび水ポンプ、空気ブロア６の吐出量を決定し、夫々を作動させる。
【００５９】
一般に、改質に必要となる水の量は、改質器１で発生させる水素の量に応じて決定することができる。本実施形態においては、改質器１で必要とする水の量に応じて、冷却水の燃料電池スタック２からの出口温度を冷却水の流量により制御するため、非常に簡便に出口温度を制御することができる。
【００６０】
図１１は図示しないコントローラにより定時的に実行される制御フローチャートの他の例を示し、燃料電池スタック２の冷却水の出口温度をラジエータ２１の冷却ファン２０の回転数を調整することにより制御するものである。以下、制御フローチャートにより冷却水の出口温度制御の処理手順を説明する。
【００６１】
先ず、ステップ１１により、アクセル開度、その時の燃料電池スタック２の出口温度（Ｔｅ）を温度センサＴＣ１により検知する、また、ラジェータ２１からの冷却水出口温度（Ｔｒ）を温度センサＴＣ２により検知する。温度センサＴＣ２はラジエータ２１の冷却水出口近傍に配置する。
【００６２】
次に、ステップ１２により、アクセル開度および燃料電池スタック２の負荷により冷却水温度がどう変化するかを演算する（冷却水出口推定温度Ｔｇの算出）。また、ステップ１３によりラジエータファン２０の回転数等により現在のラジエータファン２０の動作状態を判断する。
【００６３】
次に、ステップ１４〜１６により燃料電池スタック２からの冷却水出口推定温度Ｔｇが閾値ｘ、ｙ間の適正温度範囲に存在するか、適正温度範囲ｘ以下か、適正温度範囲ｙを超えているかを判断し、ラジエータファン２０の回転数を補正する。即ち、ステップ１４では、冷却水出口推定温度Ｔｇが所定温度ｘ以下であり燃料電池スタック２の負荷が小さく、冷却水温度が下がる場合であると判断し、その補正をするためにラジェータファン２０の駆動電力を減らし、ラジエータファン２０の回転数を下げる。ステップ１５では、冷却水出口推定温度Ｔｇが所定温度ｘより大きく適正温度範囲ｙ以下であり、冷却水温度は改質ガスを加湿するのに適正な冷却水温度範囲であると判断し、ラジェータファン２０の駆動電力をそのまま維持し、冷却水温度を維持する。ステップ１６では、冷却水出口推定温度Ｔｇが所定温度ｙ以上であり、改質ガスを加湿するには十分な冷却水温度であるが、燃料電池スタック２を冷却するには温度が高いと判断し、ラジェータファン２０の駆動電力を増やし、冷却水温度を下げる。
【００６４】
ステップ１７では、ステップ１４〜１６を経て、燃料、空気、水の必要量を計算する。特にステップ１４を経た場合は、図１０の例と同様に、改質器１に水蒸気として持ち込む水の量が減少するため、他の部分からの水の補填が必要になる。従って、それに応じた燃料および空気を追加し、燃料電池スタック２の運転レベルを上昇させ冷却水温度を上昇させ、結果として水を蒸発させる必要が生じる。
【００６５】
ステップ１８では、図示しない燃料ポンプおよび水ポンプ、空気ブロア６の吐出量を決定し、夫々を作動させる。
【００６６】
この実施の形態では、図１０の実施の形態に比較して、ラジェータファン２０の駆動状態、外気温度等も加味した制御ができ、より一層きめ細かい制御を行うことができる。
【００６７】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（エ）および第２実施形態における効果（オ）、（カ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６８】
（キ）冷却水流路１７の流体の出口温度を、改質器１で必要とする水の量に応じて設定し、設定した出口温度となるよう制御するため、改質に必要となる水の量を充分に供給することができ、しかも、水蒸気の状態で水を改質器に供給することができる。
【００６９】
（ク）図１０に示す移動体用燃料電池システムでは、冷却水流路１７からの流体の出口温度は、冷却水の流量を増減することにより制御するため、非常に簡便に出口温度を制御することができる。
【００７０】
（ケ）図１１に示す移動体用燃料電池システムでは、冷却水流路１７からの流体の出口温度を、冷却水を冷却するラジェータ２１の出口温度により制御するため、ラジェータファン２０の駆動状態、外気温度等も加味した制御ができ、よりきめ細かい制御を行うことができる。
【００７１】
（第４実施形態）
図１２は、本発明を適用した移動体用燃料電池システムの第４実施形態を示し、加湿用酸化ガス流路に供給する酸化ガスを酸素を富化した空気としたものであり、図は燃料電池システムのシステム構成図である。なお、図１と同一部品には同一符号を付し、説明は省略若しくは簡略化する。
【００７２】
図１２において、改質空気加湿用空気ライン１０は、エアポンプ３０より加圧された空気を酸素富化膜３１を経由させて燃料電池スタック２の加湿用酸化ガス流路１５に供給するよう構成している。酸素富化膜３１は、加圧された空気が通過するとき、酸素の通過をより許容して、通過した空気中に含まれる酸素濃度を上昇させるよう機能する。
【００７３】
未反応ガス処理系統５は、燃料電池スタック２の改質ガス流路１８を通過した未反応ガスを第３加湿器３４を経由させ、バーナー２６で燃焼するよう構成している。未反応ガスの第３加湿器３４の通過により、図示のように、水収支用空気ライン１１の空気を加湿する。なお、図示していないが、第３加湿器３４に、前記改質空気加湿用空気ライン１０の空気を加湿するようにしてもよい。
【００７４】
この移動体用燃料電池システムにおいては、改質空気加湿用空気ライン１０よりの空気が、ポンプ３０により加圧された状態で酸素富化膜３１を通過させることで、酸素濃度を高めた状態で、加湿用酸化ガス流路１５に供給される。このため、加湿用酸化ガス流路１５に導入された空気の反応が進み、温度上昇による水分の水蒸気分圧が上昇したとしても、導入酸素の分圧が高いため、燃料電池スタック２の加湿用酸化ガス流路１５の出口部分まで所望の反応を進めることができる。
【００７５】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（エ）および第２実施形態における効果（オ）、（カ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００７６】
（コ）酸化ガス流路１５に投入する酸化ガスは、酸素を富化した空気であるため、相対的な酸素濃度の低下率を酸素富化により補い、スタック２の効率低下を回避することができる。なお、酸化ガス温度がスタック２内で上昇した場合は、それが下降した場合に比べ、水蒸気分圧が高くなるため、相対的に酸素濃度の低下率が大きくなるものであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す移動体用燃料電池システムのシステム構成図。
【図２】燃料電池スタックの水収支用酸化ガス流路、加湿用酸化ガス流路を複数の燃料電池スタックに分担させて配置した概略構成図。
【図３】燃料電池スタックの水収支用酸化ガス流路、加湿用酸化ガス流路を単一の燃料電池スタックの複数のセルに分担させて配置した概念図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す移動体用燃料電池システムの水収支用酸化ガス流路および加湿用酸化ガス流路を夫々冷却水流路に沿って配置したセルの正面図。
【図５】図４の変形例のセルの正面図。
【図６】図４の更に変形例のセルの正面図。
【図７】水収支用酸化ガス流路を冷却水流路の上流側に、また、加湿用酸化ガス流路を冷却水流路の下流側に夫々配置したセルの正面図。
【図８】図７の変形例のセルの正面図。
【図９】図７の更に変形例のセルの正面図。
【図１０】本発明の第３実施形態を示す移動体用燃料電池システムの制御方法を示す制御フローチャート。
【図１１】図１０の変形例を示す移動体用燃料電池システムの制御方法を示す制御フローチャート。
【図１２】本発明の第４実施形態を示す移動体用燃料電池システムのシステム構成図。
【符号の説明】
１　改質器
２、２Ａ〜２Ｃ　燃料電池スタック
３　空気供給系統
４　冷却系統
５　未反応ガス処理系統
６　ブロア
７　加湿手段としての第１加湿器
８　改質用空気供給ライン
９　第２加湿器
１０　改質空気加湿用空気ライン
１１　水収支用空気ライン
１５　加湿用酸化ガス流路
１６　水収支用酸化ガス流路
１７　冷却水流路
１８　改質ガス流路
２０　ラジエータファン
２１　ラジエータ
２２　冷却水ポンプ
３０　エアポンプ
３１　酸素富化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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