(57)【要約】【課題】  重力方向に関する下部側での電極の排水性を向上させると同時に、重力方向に関する上部側での電極及び電解質膜の乾燥を抑制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。【解決手段】  反応ガスが通流する反応ガス流路と冷却媒体が通流する冷却媒体流路を備える燃料電池システムであって、前記冷却媒体流路を、燃料電池の重力方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記燃料電池の重力方向に関して下部側の流路領域ほど高いことを特徴とする燃料電池システム。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが通流する反応ガス流路及び冷却媒体が通流する冷却媒体流路を備える燃料電池システムであって、前記冷却媒体流路を、燃料電池の重力方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記燃料電池の重力方向に関して下部側の流路領域ほど高いことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、前記燃料電池の重力方向に関して上部側の冷却系統よりも温度が高い冷却媒体を下部側の冷却系統に通流する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して２つ以上の流路領域に群分けすると共に、さらに、生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、前記重力方向に関して群分けされた少なくとも１つの流路領域において、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記反応ガス流路の通流方向に関して下流側の流路領域ほど高い、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした少なくとも１つの流路領域において、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して下流側ほど高くなるように、前記反応ガス流路の通流方向に関して上流側に前記冷却媒体流路の入口部を設け、前記反応ガス流路の通流方向に関して下流側に前記冷却媒体流路の出口部を設けた、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、当該冷却系統の少なくとも１つにおいて流路入口部を前記反応ガス流路の通流方向に関して上流側に設け、流路出口部を前記反応ガス流路の下流側に設けた、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
生成水を発生する電極側の反応ガス流路の下流側が、当該反応ガス流路の通流方向の上流側から下流側に向かって直線状に規制された請求項１乃至５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の重力方向に関して最も上部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の入口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の入口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であり、
前記燃料電池の重力方向に対して最も上部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の出口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の出口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃である、請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、前記燃料電池の重力方向に関して最も上部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路入口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路の入口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であり、
前記燃料電池の重力方向に対して最も上部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路出口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路出口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃である、請求項７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、燃料電池を冷却する冷却媒体が通流する冷却媒体流路を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した基本構造を有する単セルを複数積層して構成される。各単セルには、燃料極に水素を供給する燃料ガス流路、酸化剤極に酸素を供給する酸化剤ガス流路が備えられており、各電極に反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が供給されることによって電気化学反応が起こり発電する。さらに、上記反応ガス流路の外側には冷却媒体流路が設けられており、この流路に冷却媒体を通流させることにより、電気化学反応に伴う温度上昇を抑制し、燃料電池の温度を作動温度範囲内に維持している。
従来、燃料電池を冷却する様々な方法が提案されており、例えば、特許文献１や特許文献２に記載の方法等がある。
【０００３】
上記電気化学反応の結果生成される水や、反応ガスと共に燃料電池に供給された水分の残留分は、未反応の反応ガスと共に反応ガス流路を通って排出される。これらの生成水等の水分が液体状態で存在する場合、水分の排出性が悪く、さらには反応ガス流路を塞いでしまうことがある。従って、水分の排出性の点からは、未反応の反応ガス中に気体の状態で水分を含ませることが好ましく、そのためには燃料電池の内部温度を高くする必要がある。特に、固体高分子型燃料電池では、水分が過剰に存在することによって、電極が目詰まりを起こして電池電圧が低下する、いわゆるフラッディングが発生してしまう。その結果、電極へのガスの供給、拡散が不十分となり、電気化学反応の進行が大きく妨げられることになる。このフラッディングは、燃料電池の反応ガス流路の通流方向に関する下流側で発生しやすく、さらに電気化学反応により水が生成する酸化剤極側の電極において特に発生しやすい。
【０００４】
また、高い電池特性を有する固体高分子型燃料電池とするためには、電極の触媒層及び電解質膜が適度な湿度状態を保つことが重要であり、反応ガスを加湿して供給することも行われている。しかしながら、反応ガスを加湿して供給しても反応ガス流路の上流側の位置では電極及び電解質膜が乾燥しやすく、このような電極及び電解質膜の乾燥を防ぐ点からは、加湿された反応ガス中の水蒸気等の電池内に存在する水蒸気が凝集し液体となって電極及び電解質膜を湿潤することが好ましい。そのためには燃料電池の内部温度を低くする必要がある。
特に、自動車用の燃料電池は、運転温度が燃料電池の使用環境や使用状態によって変化するため、外気温程度から１００℃程度まで燃料電池の内部温度は変化する。また、自動車用のように大面積の燃料電池では、同一の単セル内での環境が大きく異なるため、上述したような部分的な乾燥やフラッディングが発生しやすくなる。
【０００５】
以上のような燃料電池における排水性や乾燥を改善するため、燃料電池の冷却システムにより燃料電池面内の温度分布を制御する方法が提案されており、例えば、特許文献３、特許文献４及び特許文献５に記載の方法が挙げられる。具体的には、特許文献３には、反応ガス流路に流入する酸化剤ガス及び燃料ガスの少なくとも一方のガスの通流方向が、単セルの面内温度分布の低い部分側から反応ガス流路に流入し、面内温度分布の高い部分側から排出されるよう形成されてなることを特徴とする固体高分子型燃料電池の反応ガス・冷却媒体通流構造が記載されている。また、特許文献５には、燃料電池の運転状態によって、加熱流体、冷却流体の通流方向を切り替えることで常に単セル面内の温度分布を反応ガス上流側より下流側の方が高くなるようにする固体高分子型燃料電池の運転方法が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１２４７１６号公報
【特許文献２】特開２０００−１８２６３６号公報
【特許文献３】特開平５−１４４４５１号公報
【特許文献４】特開２００３−１７１０５号公報
【特許文献５】特開平８−７８０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したような燃料電池面内に温度分布を形成させる従来の冷却方法は、主に反応ガス流路の上流側で発生する乾燥や下流側で発生するフラッディングを軽減しようとするものである。しかしながら、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池（固体高分子型燃料電池）等は、排水性を高めるために単セルを垂直に立て、水平方向に積層して電池積層体を構成するのが一般的であり、このような構造を有する燃料電池においては、燃料電池の重力方向に関する下部側（以下、重力方向下部ということがある）へ生成水等の水分が自重により移動することによって、重力方向下部では部分的に水分過剰な状態となったり、重力方向上部が乾燥しやすくなることがある。
【０００８】
また、一つの冷却系統で燃料電池面内に温度分布を形成させる方法では、冷却媒体の入口温度と出口温度の差を大きくするためには冷却媒体の流速を小さくするしかなく、このような方法では、反応ガス流路の上流側での膜の乾燥や、反応ガス流路の下流側でのフラッティングが最も問題となる高負荷運転時には冷却能力が不足していまい、十分に対応できない場合がある。これを見越して過剰な冷却システムを付随させることも可能ではあるが、価格、スペースの面で無駄が多く、特に搭載スペースに制限がある自動車の場合には現実的ではない。
【０００９】
本発明は、上記問題を考慮して成し遂げられたものであり、燃料電池の重力方向に関する下部側での電極の排水性を向上させ、同時に重力方向に関する上部側での電極及び電解質膜の乾燥を抑制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】
【００１０】
本発明により提供される燃料電池システムは、反応ガスが通流する反応ガス流路及び冷却媒体が通流する冷却媒体流路を備える燃料電池システムであって、前記冷却媒体流路を、燃料電池の重力方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記燃料電池の重力方向に関して下部側の流路領域ほど高いことを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の重力方向に関して下部側の流路領域ほど高温の冷却媒体を通流させることによって、燃料電池の重力方向に関する下部（以下、重力方向下部ということがある）の内部温度を高めに設定することができる。燃料電池の重力方向下部は、自重により水分が移動してくるため過剰な水分が存在するが、本発明によれば、重力方向下部に存在する過剰な水分が高めの温度設定によって蒸発しやすくなり、水蒸気として存在する水分量を増加させることができるため、未反応の反応ガス（以下、未反応ガスということがある）と共に過剰な水分が単セルの外に排出されやすくなる。
【００１２】
一方、燃料電池の重力方向に関して上部側の流路領域ほど低温の冷却媒体を通流させることによって、燃料電池の重力方向に関する上部（以下、重力方向上部ということがある）は内部温度が低めに設定されるため、水分が凝縮しやすくなり液体状態で存在する水分量を増加させることができる。従って、重力方向上部の電極や電解質膜を適度な湿潤状態とし、乾燥するのを防ぐことができる。
すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、電極及び電解質膜の重力方向における水分分布を制御し、部分的な乾燥やフラッディングの発生を抑制することが可能である。
【００１３】
上記のように、冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を流路領域ごとに効率良く制御し、また、燃料電池の広い運転温度範囲に対応するためには、前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、前記燃料電池の重力方向に関して上部側の冷却系統よりも温度が高い冷却媒体を下部側の冷却系統に通流することが好ましい。
【００１４】
さらに、前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して２つ以上の流路領域に群分けすると共に、さらに、生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、前記重力方向に関して群分けされた少なくとも１つの流路領域において、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記反応ガス流路の通流方向に関して下流側の流路領域ほど高くすることが好ましい。このように、重力方向の下部側ほど高温である温度分布を電池面内に形成した上で、さらに反応ガス流路の通流方向に関して下流側（以下、反応ガス流路下流側ということがある）ほど高温の冷却媒体を通流させることによって、電極及び電解質膜の重力方向における上部又は下部で発生する部分的な乾燥やフラッディングを抑制すると同時に、反応ガス流路の通流方向における水分分布を制御し、部分的な乾燥やフラッディングの発生を抑制することが可能である。
【００１５】
このような、反応ガス流路の通流方向に関して群分けされた流路領域を通流する冷却媒体の温度を流路領域ごとに効率良く制御するためには、前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした少なくとも１つの流路領域において、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して下流側ほど高くなるように、前記反応ガス流路の通流方向に関して上流側に前記冷却媒体流路の入口部を設け、前記反応ガス流路の通流方向に関して下流側に前記冷却媒体流路の出口部を設けることが好ましい。前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設けた場合には、当該冷却系統の少なくとも１つにおいて、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して下流側ほど高くなるように、流路入口部を前記反応ガス流路の通流方向に関して上流側に設け、流路出口部を前記反応ガス流路の下流側に設けることが好ましい。
【００１６】
特に、前記燃料電池の重力方向に関して最も上部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の入口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の入口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であり、前記燃料電池の重力方向に対して最も上部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の出口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の出口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であるように各流路領域の冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を制御した場合、上記のような過剰な水分の排出性能及び乾燥の防止効果が高くなるため好ましい。同様の観点から、前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設けた場合には、前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、前記燃料電池の重力方向に関して最も上部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路入口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路の入口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であり、前記燃料電池の重力方向に対して最も上部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路出口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路出口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であるように各冷却系統の冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を制御することが好ましい。
【００１７】
さらに、反応ガス流路内に存在する過剰な水分の排出性を高めるためには、生成水を発生する電極側の反応ガス流路の下流側が、当該反応ガス流路の通流方向の上流側から下流側に向かって直線状に規制されていることが好ましい。このような形状のガス流路を設けることによって、反応ガスの反応ガス流路間への回り込みを防止し、凝縮した生成水等の過剰な液体状の水分をガス圧によって速やかに燃料電池外に押し出すことができるので、効率良く排水することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池面内に重力方向の温度分布を形成することによって、固体高分子型燃料電池に代表されるような燃料電池が抱える燃料電池面内の水分分布の偏りを原因とする問題を解決することができる。すなわち、自重による水分の重力方向下部への移動を原因とする重力方向下部における過剰な水分の排出性を向上させ、フラッディングを抑制し、同時に、重力方向上部における電極及び電解質膜の乾燥を改善することが可能である。従って、発電有効面積が大きく、高い発電性能を発揮する燃料電池が得られる。
【００１９】
特に、冷却系統を２つ以上設けた場合、各冷却系統を通流する冷却媒体の温度を調節することにより、燃料電池面内の温度分布を容易に、且つ細かく形成することができる。また、冷却媒体の流量を調節しなくても、燃料電池面内に温度分布を形成することができるため、高負荷運転時にも十分な温度管理能力を発揮する。しかも、冷却系統毎に冷却媒体の温度や流量等を調節することによって、燃料電池の運転条件に合わせて適した温度分布を形成することが可能である。
【００２０】
さらに、燃料電池面内に反応ガス流路の通流方向に関する温度分布を形成した場合には、電極及び電解質膜の重力方向における水分分布を改善すると同時に、反応ガス流路の上流側における乾燥、並びに、反応ガス流路の下流側におけるフラッディングも抑制することが可能である。
【００２１】
また、反応ガス流路の通流方向の下流側において、反応ガス通流方向の上流側から下流側に向かって反応ガス流路を直線状に規制することによって、液体状態で存在する水分が燃料電池外に排出されやすいようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
まず、図１及び図２を用いて、本発明の燃料電池システムを説明する。
なお、図１には本発明の燃料電池システムの一構成例、図２は固体高分子型燃料電池の概略を示す断面図である。
燃料電池９は、図２に示すように、固体高分子電解質膜１の一方の面に燃料極２、及び他方の面に酸化剤極３を接合し、さらにその外側を一対のセパレータ４、５で挟持した単セルを複数積層して構成されたスタックからなる。セパレータ４、５には燃料極２に水素を供給する燃料ガス流路６及び酸化剤極３に酸素を供給する酸化剤ガス流路７と、冷却媒体が通流する冷却媒体流路８とが形成されている。固体高分子型燃料電池は、通常、図２のように、単セルを垂直方向に立てた状態で水平方向に積層されるが、本発明において燃料電池の積層方向は、単セルを垂直方向に立てた状態で水平方向に積層する方向に限定されない。
【００２３】
燃料電池９には、この燃料電池９の温度が発電に伴って上昇し、燃料電池の作動温度範囲を超えないようにするため冷却システムが備えられている。図１は、２つの冷却系統を設けた場合の冷却システムである。燃料電池９を冷却する冷却媒体は、循環ポンプ１０、１１により昇圧されてラジエータ１２、１３に供給され、ラジエータ１２、１３において外部に放熱することにより冷却される。その後冷却された冷却媒体は、冷却媒体流路入口部から燃料電池９に供給され、燃料電池９内の冷却媒体流路を通流しながら、燃料電池９の熱を奪って燃料電池９を冷却する。冷却媒体流路出口部から排出された熱を吸収した冷却媒体は、循環ポンプ１０、１１を介してラジエーター１２、１３に供給され、再び冷却される。各冷却系統間には混合バルブ１４、１５を設けることができる。混合バルブを設けた場合には、混合バルブを通して冷却媒体を混合し、各冷却系統を通流する冷却媒体温度や各冷却系統を通流する冷却媒体間の温度差を調整することが可能である。なお、本発明においては冷却媒体として、水等の液体や、空気等の気体を使用することができる。
【００２４】
本発明は、反応ガスが通流する反応ガス流路及び冷却媒体が通流する冷却媒体流路を備える燃料電池システムであって、前記冷却媒体流路を、燃料電池の重力方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記燃料電池の重力方向に関して下部側の流路領域ほど高いことを特徴とする燃料電池システムである。
【００２５】
本発明では、まず、冷却媒体を通流させる燃料電池内の冷却媒体流路を、重力方向に関する位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けをする。このときの群分けは、当該燃料電池内の重力方向における水分分布の状態等を考慮して行えばよい。ここで、本発明の燃料電池システムにおける冷却媒体流路の構成として、図３に示す冷却媒体流路を例示することができる。なお、図３ａは、冷却媒体流路を重力方向に関して２つの流路領域に群分けし、当該２つの流路領域に互いに独立した２つ冷却系統を設けた場合である。本発明において冷却媒体流路の群分けは、図３ａに示したような方法に限られず、例えば、重力方向に関する位置が異なる流路領域が２つ以上あれば、重力方向に関する位置が同じ群が２つ以上あってもよい。また、反応ガス流路は、図３ｂに示す形態（反応ガス流路の通流方向、入口及び出口の設置位置など）に限られない。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、上記のように、各流路領域の重力方向に関する位置によって、流路領域の冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を変えるものであり、冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を流路領域ごとに効率良く制御し、さらに、広い温度範囲における燃料電池の運転を可能とするためには、冷却媒体流路を燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、前記燃料電池の重力方向に関して上部側の冷却系統よりも温度が高い冷却媒体を下部側の冷却系統に通流することが好ましい。このように、各流路領域に互いに独立した冷却系統を設けることによって、冷却系統ごとに冷却媒体の流量や冷却媒体流路入口部での温度等を調節することができるため、各流路領域を通流する冷却媒体の温度を容易に制御することが可能であり、従って、燃料電池面内の温度分布を容易に、且つ細かく形成することができ、燃料電池の運転条件に合わせて適した温度分布を形成することが可能である。また、冷却媒体の流量を調節しなくても、各冷却系統の冷却媒体流路入口部での温度を調節することによって、燃料電池面内に温度分布を形成することができるため、高負荷運転時にも十分な温度管理能力を発揮する。
【００２７】
図３に示すような冷却流路の場合、上部流路領域Ａと下部流路領域Ｂをそれぞれ通流する冷却媒体ａ、ｂの温度Ｔａ及びＴｂは、Ｔａ＜Ｔｂとなるように制御される。各流路領域に図３のように独立した冷却系統が設けられている場合には、冷却系統の燃料電池の冷却媒体流路入口部に流入する時点で、下部流路領域Ｂの冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を、上部流路領域Ａの冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度よりも高く（Ｔａ＜Ｔｂ）設定する。
【００２８】
このように冷却媒体流路の重力方向における位置によって各冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を設定することで、冷却される燃料電池面内に温度分布、すなわち重力方向に関して上部側では低く、下部側では高いという温度差を生じさせる。このとき、低温領域である重力方向上部側では、反応ガス中の水蒸気が凝縮しやすく、この凝縮した液状の水分が電極及び電解質膜を湿潤し、重力方向上部で発生しやすい電極及び電解質膜の乾燥を防止することができる。一方、高温領域である重力方向下部側では、電極及び電解質膜中の過剰な水分や未反応ガスと共に排出されるべき水分が反応ガス流路で凝縮してしまったような液状の水分などが、蒸発して水蒸気となりやすく、水蒸気となることで未反応ガスとともに排出されやくなるため、重力方向下部で発生しやすいフラッディングや排水性の問題を改善することができる。
【００２９】
以上のように、冷却媒体の温度をその通流する冷却媒体流路の重力方向に対する位置によって変えることにより、重力方向の上部側から下部側に向かうほど高くなる温度分布を燃料電池面内に形成することで、上部側では水分の凝縮、下部側では水分の蒸発をそれぞれ促し、燃料電池面内の水分分布が最適になるように調整することができる。各流路領域を通流する冷却媒体の温度は、冷却媒体流路領域の群分けの方法、燃料電池の構成、燃料電池の面積、発電量、電解質膜特性等の諸条件を考慮して設定すればよく、例えば、自動車用燃料電池において、図３のように２つの流路領域に群分けした場合には、上部流路領域Ａに通流させる冷却媒体の流路入口部温度と、下部冷却媒体流路Ｂに通流させる冷却媒体の流路入口部温度との間に１０〜２０℃程度の差を設けることが好ましい。
【００３０】
冷却媒体流路入口部から燃料電池面内の冷却媒体流路に流入した冷却媒体は、燃料電池の発電に伴う熱を奪いながら冷却媒体流路を通流し冷却媒体流路出口部から排出されるため、冷却媒体の温度は冷却媒体流路入口側で低く、冷却媒体流路出口側で高くなる。その結果、冷却される燃料電池面内の温度分布も冷却媒体流路入口側の部分で低く、冷却媒体流路出口側の部分で高くなる。このような燃料電池面内における冷却媒体の通流方向の温度分布は、冷却媒体の流量を調節することにより調整することができる。例えば、冷却媒体流路入口側と出口側との温度差を大きくする、すなわち、出口側の温度を高くするには流量を小さくし、上記温度差を小さくする、すなわち、出口側の温度を低くするには流量を大きくすればよい。
以上のような冷却媒体の温度が冷却媒体入口側と冷却媒体出口側とで異なることを利用すれば、図４に示すような一系統の冷却系統により、冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、燃料電池の重力方向に関して下部側の流路領域ほど高くすることもできる。
【００３１】
燃料電池面内における不均一な水分分布には、上記のような重力方向のものと、反応ガス流路の上流側で乾燥しやすく、下流側で水分が過剰となる反応ガス流路の通流方向のものがある。例えば、図３に示すような冷却媒体流路と反応ガス流路の組み合わせにおいては、反応ガス流路の通流方向に関して上流側（以下、反応ガス流路上流側ということがある。）と重力方向上部、反応ガス流路下流側と重力方向下部が一致する（反応ガス流路の通流方向と重力方向が同じになる）。従って、冷却媒体流路の上部流路領域Ａと下部流路領域Ｂをそれぞれ通流する冷却媒体の温度を、Ｔａ＜Ｔｂとなるように制御することにより、重力方向上部及び反応ガス流路上流側では、水分が凝縮するため、電解質膜及び電極の乾燥を抑制することができ、それと同時に、重力方向下部及び反応流路下流側では、過剰な水分が水蒸気となって排出されやすくなり、重力方向及び反応ガス流路の通流方向に関する水分分布を同時に調整することができる。
【００３２】
一方、反応ガス流路の通流方向が重力方向と異なる関係にあるような場合には、燃料電池面内に重力方向の水分分布と反応ガス流路通流方向の水分分布とがそれぞれ形成される。従って、電極及び電解質膜は、重力方向上部に位置する流路領域の中でも反応ガス流路の上流側に位置する部分で特に乾燥しやすくなり、重力方向下部に位置する流路領域の中でも反応ガス流路の下流側に位置する部分で特に水分が過剰となり、フラッディングが発生しやすくなる。このような問題を改善するためには、低温領域とする重力方向上部の中でも反応ガス流路の上流側に位置する部分を特に低温にし、一方、高温領域とする重力方向下部の中でも反応ガス流路の下流側に位置する部分を特に高温にする必要がある。生成水によるフラッディングの発生をより効果的に抑制できる点から、反応ガス流路の通流方向として、電気化学反応により水が生成する電極側に供給される反応ガスの反応ガス流路の通流方向を考慮して、このような温度制御をすることが好ましい。
【００３３】
すなわち、本発明の燃料電池冷却システムにおいて、燃料電池面内に重力方向の温度分布を形成すると同時に、反応ガス流路の通流方向の温度分布を形成するためには、上記のように前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して２つ以上の流路領域に群分けすると共に、さらに、生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して位置が異なる２つ以上の流路領域に群分けし、前記重力方向に関して群分けされた少なくとも１つの流路領域において、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記反応ガス流路の通流方向に関して下流側の流路領域ほど高くすることが好ましい。
【００３４】
低温領域である重力方向上部の冷却媒体流路において、通流する冷却媒体の温度を反応ガス流路の上流側ほど低くすることによって、重力方向上部の中でも反応ガス流路の上流側で反応ガス中の水蒸気が凝縮しやすくなり、電極及び電解質膜の乾燥を防止することができる。一方、高温領域である重力方向に対して下部側の冷却媒体流路において、冷却媒体の温度を反応ガス流路の下流側ほど高くすることによって、重力方向下部の中でも反応ガス流路の下流側で電極及び電解質膜の過剰な水分や、未反応ガスと共に排出されるべき水分が反応ガス流路で凝縮してしまったような液状の水分等が、蒸発して水蒸気となりやすくなるため、フラッディングや排水性の問題を改善することができる。
燃料電池全面に亘って良好な水分分布を形成するためには、上記燃料電池の重力方向に関して群分けされた全ての流路領域において、各冷却媒体流路を通流する冷却媒体温度を上記のように反応ガス流路の通流方向を考慮して制御することが好ましい。
【００３５】
燃料電池面内に重力方向の温度分布を形成すると共に、反応ガス流路の通流方向の温度分布を形成する方法は特に限られないが、冷却媒体の温度が冷却媒体流路の入口側と冷却媒体流路の出口側とで異なることを利用することができる。上述したように、冷却媒体は、燃料電池の熱を奪いながら冷却媒体流路を通流するため、冷却媒体の温度は冷却媒体入口側で低く、冷却媒体出口側で高くなる。すなわち、前記冷却媒体流路を前記重力方向に関して群分けした少なくとも１つの流路領域において、当該冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度が、前記生成水を発生する電極側の反応ガス流路の通流方向に関して下流側ほど高くなるように、前記反応ガス流路の通流方向に関して上流側に前記冷却媒体流路の入口部を設け、前記反応ガス流路の通流方向に関して下流側に前記冷却媒体流路の出口部を設けることが好ましい。また、冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設けた場合には、当該冷却系統の少なくとも１つにおいて、各冷却系統の流路入口部を前記反応ガス流路の通流方向に関して上流側に設け、各冷却系統の流路出口部を前記反応ガス流路の下流側に設けることが好ましい。
特に、燃料電池面内の全面に亘って良好な水分分布を形成するためには、燃料電池の重力方向に関して群分けされた全ての流路領域又は各流路領域に設けられた互いに独立した全ての冷却系統において、反応ガス流路の通流方向を考慮した上記のような冷却媒体流路を設けることが好ましい。
【００３６】
このような冷却媒体流路としては、図５を例示することができる。なお、図５は、２つの冷却流路に互いに独立した冷却系統を設けた場合の例である。上部流路領域Ａと下部流路領域Ｂを通流する冷却媒体ａ、ｂの温度は、冷却系統の流路入口部においてＴain＜Ｔbinに制御され、各冷却系統の流路入口部は反応ガス流路の上流側に設け、流路出口部は反応ガス流路の下流側に設けられている。図５において、下部流路領域Ｂを通流する冷却媒体ｂの流路入口部温度Ｔbinは、上部流路領域Ａを通流して温度が上昇した冷却媒体ａの流路出口部における温度Ｔaoutよりも高くすることが好ましい。
【００３７】
燃料電池面内の冷却媒体流路の入口側で冷却媒体温度が低く、出口側で冷却媒体温度が高くなるという温度分布は、冷却媒体の流量を調節等することにより調整することができる。例えば、出口側の温度を高くするには流量を小さくし、出口側の温度を低くするには流量を大きくすればよい。また、冷却媒体の冷却媒体流路の入口部温度及び出口部温度は、冷却媒体流路の群分けの方法、燃料電池の構成、燃料電池の面積、発電量、電解質膜特性等の諸条件を考慮して設定すればよいが、例えば、自動車用燃料電池においては、同一流路領域内又は同一冷却系統内の冷却媒体の流路入口部温度と流路出口部温度との間に１０〜２０℃程度の温度差を設けることが好ましい。
【００３８】
冷却媒体流路を燃料電池の重力方向に関して群分けした複数の流路領域において、反応ガス流路の上流側に冷却媒体流路の入口部、下流側に冷却媒体流路の出口部を設ける場合、各流路領域間の冷却媒体の流路入口部温度差、及び各流路領域間の冷却媒体の流路出口部温度差は、上記のような燃料電池の諸条件に応じて設定すればよいが、電極や電解質膜の乾燥又はフラッディング等の発生をより効果的に抑制できる観点から、前記燃料電池の重力方向に関して最も上部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の入口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の入口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であり、前記燃料電池の重力方向に対して最も上部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の出口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域の冷却媒体流路の出口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であるように各流路領域の冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を制御することが好ましい。前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設けた場合には、前記冷却媒体流路を前記燃料電池の重力方向に関して群分けした前記の各流路領域に互いに独立した冷却系統を設け、前記燃料電池の重力方向に関して最も上部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路入口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路の入口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であり、前記燃料電池の重力方向に対して最も上部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路出口部における冷却媒体温度と、前記燃料電池の重力方向に対して最も下部側に位置する流路領域に設けられた冷却系統の流路出口部における冷却媒体温度との差が１０〜２０℃であるように各冷却系統の冷却媒体流路を通流する冷却媒体の温度を制御することが好ましい。
【００３９】
また、冷却系統は異なるが重力方向に対する上下位置が同じ２つ以上の流路領域に互いに独立した冷却系統を設けている場合には、より反応ガス流路の下流側に位置する冷却媒体流路を有する冷却系統の冷却媒体入口温度ほど高くすることによって、上記したような反応ガス流路の通流方向に対する温度分布を形成することができる。
【００４０】
なお、本発明において、冷却媒体流路の具体的な形態は特に限定されるものではなく、図に示した場合に限られないが、当該冷却媒体流路が隣接する反応ガス流路の形態によって水分が凝縮しやすい部分、電極及び電解質膜が乾燥しやすい部分は異なってくるため、重力方向下部側の流路領域ほど高温の冷却媒体を通流させる、或いは、重力方向下部側の流路領域ほど高温の冷却媒体を通流させると共に、反応ガス流路下流側ほど高温の冷却媒体を通流させた上で、反応ガス流速が小さい部分、反応ガス流路のターン部等、水分が凝縮しやすい部分に高温の冷却媒体が流れるように、冷却媒体流路を設定することが好ましい。
【００４１】
本発明では、さらにフラッディングの発生を防止するために、電気化学反応により生成水を発生する電極側の反応ガス流路の下流側が、当該反応ガス流路の通流方向の上流側から下流側に向かって直線状に規制されていることが好ましい。このように、反応ガス流路の下流側において、反応ガスが流路と流路との間に回り込めるような部分のない反応ガス流路とすることによって、凝縮した生成水等の過剰な液体状の水分をガス圧によって速やかに燃料電池外に押し出し、排出することができる。このような反応ガス流路の形態としては、図３ａに示す冷却媒体流路を設ける場合には、図６に示すような形態が挙げられる。図６において反応ガス流路の上流側は、圧力損出防止の点から隔壁の平面配置が格子状であり、上流側から下流側に向かって平行に設けられた複数の流路と、当該上流側から下流側に向かって平行に設けられている流路と直交する複数の流路（バイパス流路）が設けられている。反応ガス流路の下流側の隔壁を上流側と同じように格子状配置とした場合には、凝縮した生成水等がバイパス流路に回りこみやすく、これら生成水の排出性が悪くなる。そのため、反応ガス流路の下流側を図６のように横方向へのバイパスがない直線状に形成することにより、反応ガス等の回りこみが発生しない、排水性に優れた反応ガス流路とすることができる。
【００４２】
以上のように、本発明の燃料電池システムは、燃料電池面内に温度分布を形成することによって燃料電池面内の水分分布を最適化し、電極及び電解質膜の部分的な乾燥及びフラッディングを防止することができる。従って、電燃料電池全面に亘って、高い発電性能を発揮する燃料電池とすることが可能である。
【実施例】
【００４３】
（実験例）
＜膜／電極接合体の作製＞
白金を重量比で４０％担持したカーボン１４ｇと市販のナフィオン５重量％溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製）２００ｇとを混練し、電極インクを調製した。カーボンクロス（厚み３００μｍ、Ｅ−ｔｅｋ社製、ＬＴ１４００Ｗ）の表面に、白金塗布量が０．５ｍｇ／ｃｍ２になるように、得られた電極インクを塗布・乾燥することによって、電極を形成した。得られた電極２枚で、電極インクの塗布面が電解質膜側となるように電解質膜（厚さ５０μｍ、ナフィオン膜Ｎ１１２、ＤｕＰｏｎｔ製）を挟み、加熱プレス（１２０℃、圧力０．１ＭＰａ、２０分）することによって膜／電極接合体とした。
【００４４】
＜発電評価試験＞
得られた膜／電極接合体を用いて、図２に示すようなスタックを構成する燃料電池評価用単セルを組立て、燃料ガスとして加湿した水素ガス、酸化剤ガスとして加湿した空気ガスを用い、セル温度一定（６０℃、７０℃、８０℃、９０℃）とし、以下の条件で発電試験を行った。
燃料ガス（水素ガス）：流量０．５Ｌ／ｍｉｎ、加湿温度６０℃
酸化剤ガス（空気ガス）：流量１Ｌ／ｍｉｎ、加湿温度６０℃
電極面積：２５ｃｍ２
【００４５】
＜試験結果＞
結果を図６、図７に示す。セル内温度を６０℃にした場合、０．８Ａ／ｃｍ2まで運転することができた。一方、セル内温度を７０℃とした場合には、０．５Ａ／ｃｍ2より高負荷域では、生成水の凝縮により重度のフラッディングが発生し、運転することができなかった。セル内温度を６０℃から７０℃に高くしたにもかかわらず、フラッディングが発生したのは、温度を高くすることによって重力方向上部側の電極及び電解質膜が乾燥したために発電面積が減少し、その結果、生成水が重力方向下部側において局所的に発生し、この生成水が蒸発するほどセル温度が高温ではなかったためと考えられる。
【００４６】
また、セル内温度を８０℃とした場合には、０．６Ａ／ｃｍ2までは良好な発電性能を示していたが、０．６Ａ／ｃｍ2より高負荷域で急激に発電性能が低下した。これは、セル内温度を７０℃とした場合と比べて局所的に発生した生成水が蒸発しやすくなったため、フラッディングの程度は軽くなったものの、高負荷域では、重力方向上部側での電極及び電解質膜の乾燥がひどくなり、発電面積が減少したためと考えられる。また、他のセル温度と比較して、セル温度を９０℃とした場合では、低負荷域から高負荷域まで、特に高負荷域において、発電性能が低くかった。
以上の結果により、本発明のように燃料電池のセル温度を重力方向下部に位置する部分ほど高めに設定することによって、重力方向での水分分布を制御し、重力方向上部での電極及び電解質膜の乾燥を防止すると同時に、重力方向で発生しやすいフラッディングを抑制することが可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の燃料電池システムの一構成例を示す図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の概略を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の燃料電池システムにおける冷却媒体流路（３ａ）と反応ガス流路（３ｂ）の一構成例を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池システムにおける冷却媒体流路の一形態例を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池システムにおける冷却媒体流路の一形態例を示す図である。
【図６】本発明の反応ガス流路の一形態例を示す図である。
【図７】実験例における発電試験結果を示す図である。
【図８】実験例における発電試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…固体高分子電解質膜
２…燃料極
３…酸化剤極
４…セパレータ
５…セパレータ
６…燃料ガス流路
７…酸化剤ガス流路
８…冷却媒体流路
９…燃料電池
１０…循環ポンプ
１１…循環ポンプ
１２…ラジエータ
１３…ラジエータ
１４…混合バルブ
１５…混合バルブ
【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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