(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料である水素と酸化剤である空気を反応させて電気を発生させる燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックの冷却チャンネルの入口側に連結された空気流入ラインと、
前記冷却チャンネルの入口部に設置されて前記空気流入ラインを通して冷却チャンネルに流入する空気に水を噴射するための水噴射手段と、
前記燃料電池スタックの後端において、冷却チャンネルの出口側に連結された排出ラインに設置されて冷却チャンネルに吸入力を提供しながら、冷却チャンネルから吸入された空気と蒸気の混合物を圧縮する空気圧縮手段と、
前記空気圧縮手段により圧縮された空気と蒸気の混合物の供給を受けて冷却するための放熱部と、
前記放熱部の出口側で燃料電池スタックの空気チャンネルに連結された空気供給ラインと、を含み、
前記空気圧縮手段の吸入力が作用して冷却チャンネルの内部圧力が負圧に維持された状態で、空気と水が通過する冷却チャンネル内で水が蒸発すると同時に、その蒸発潜熱によりスタックの熱が吸収されながらスタック冷却が行われるように構成され、
前記放熱部から排出される蒸気を含有する加湿空気が前記空気供給ラインを通して燃料電池スタックの空気チャンネルに供給され、燃料電池反応の酸化剤として使用され、
前記放熱部前端の排出ラインで分岐されて前記空気供給ラインに連結され、前記空気圧縮手段から排出された空気と蒸気を循環させるバイパスラインと、
前記排出ラインにおいて、バイパスラインが分岐される位置に設置されて循環量を調節するための弁を更に含むことを特徴とする蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気流入ラインに設置されて冷却チャンネルの内部圧力を調節するための入口弁を更に含むことを特徴とする請求項１記載の蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項３】
前記放熱部の出口側に設置され、放熱部から排出された凝縮水を貯蔵する水タンクを更に含み、
前記水タンクの水が水供給ラインを通して水噴射手段に供給されて空気に噴射される水として再使用されることを特徴とする請求項１又は２記載の蒸発冷却式の燃料電池シテム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの後端で、空気チャンネルの出口側に連結された排気ラインに設置されて排気から蒸気を凝縮させて分離する凝縮器と、
前記排気ラインに設置されて凝縮器による水回収量の調節及び空気チャンネルの内部圧力の調節のための出口弁を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項５】
前記凝縮器は水回収ラインを通して水タンクに連結され、凝縮水が前記水タンクに回収されるように構成されることを特徴とする請求項４記載の蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項６】
前記放熱部が燃料電池車両でのラジエーターであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項７】
前記放熱部が前記空気圧縮手段から排出された空気と蒸気を高温部の熱媒として使用し、低温部を通過して高温部の熱媒と熱交換された温水を配管を通して暖房用または加熱用温水として供給する熱交換器であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項８】
前記冷却チャンネルの内部表面には親水コーティング処理が行われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の蒸発冷却式の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の蒸発冷却式の燃料電池システムを用いて行われ、燃料である水素と酸化剤である空気を反応させて電気を生産する燃料電池スタックを冷却するための方法において、
分離板に空気チャンネルと水素チャンネルと別途に冷却チャンネルを形成した燃料電池スタックを具備し、
燃料電池を運転する際、燃料電池スタックの後端で、冷却チャンネルの出口側に連結された排出ラインの空気圧縮手段を駆動して冷却チャンネルの入口側に連結された空気流入ラインを通して空気を吸入し、冷却チャンネルの入口部に設置された水噴射手段を通して前記空気流入ラインに沿って冷却チャンネルに吸入される空気に水を噴射し、
前記空気圧縮手段の吸入力が作用して冷却チャンネルの内部圧力が負圧に維持された状態で、空気と水が通過する冷却チャンネル内で水が蒸発されると同時に、その蒸発潜熱によりスタックの熱が吸収されながら、スタックの冷却が行われることを特徴とする燃料電池システムの冷却方法。
【請求項１０】
前記空気圧縮手段が冷却チャンネルから吸入して圧縮した後、供給する空気と蒸気の混合物を冷却させる放熱部と、前記放熱部の出口側で燃料電池スタックの空気チャンネルに連結された空気供給ラインを具備し、
前記放熱部から排出される蒸気を含有する加湿空気を前記空気供給ラインを通して燃料電池スタックの空気チャンネルに供給し、燃料電池反応の酸化剤として使用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の冷却方法。
【請求項１１】
前記放熱部から排出される凝縮水を貯蔵し、貯蔵された水を前記水噴射手段に供給するための水タンクを放熱部の出口側に具備し、
前記水タンクの水を水噴射手段を通して空気に噴射される水として再使用することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システムの冷却方法。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックの後端で、空気チャンネルの出口側に連結された排気ラインに設置されて排気から蒸気を凝縮させて分離する凝縮器と、前記排気ラインに設置された出口弁を更に具備し、
前記出口弁の開度量を制御することで、凝縮器による水回収量の調節及び空気チャンネルの内部圧力の調節を行うことを特徴とする請求項１０又は１１記載の燃料電池システムの冷却方法。
【請求項１３】
前記凝縮器は水回収ラインを通して水タンクに連結されて蒸気から生成された凝縮水が前記水タンクに回収されるように構成されることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池システムの冷却方法。
【請求項１４】
前記空気流入ラインには入口弁を設置し、前記入口弁の開度量を調節することで、前記冷却チャンネルの内部圧力の調節を行うことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸発冷却式の燃料電池システムとその冷却方法に係り、より詳しくは、燃料電池スタックで燃料である水素と酸化剤である空気を反応させて電気を生産する燃料電池システムとその冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは燃料がもっている化学エネルギーを燃焼により熱に変えるのではなく、燃料電池スタック内で電気化学的に直接電気エネルギーに変換させる一種の発電システムである。燃料電池システムは大きく電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料である水素を供給する水素供給装置、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気（酸素）供給装置、燃料電池スタックの反応熱をシステム外部に除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御し、水管理機能を行う熱・水管理システム（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ，ＴＭＳ）、及び燃料電池システムの作動全般を制御する燃料電池システム制御装置などを含む。このような構成により燃料電池システムでは燃料である水素と空気中の酸素を反応させて電気を発生させ、反応副産物として熱と水を排出する。
【０００３】
自動車用として最も注目を受けている燃料電池のタイプは、燃料電池中最も高い電力密度を有するイオン交換膜燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  ＭｅｍｂｒａｎｅもしくはＰｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，ＰＥＭＦＣ）であり、これは低い作動温度により始動時間と電力変換反応時間が早い。
【０００４】
イオン交換膜燃料電池において燃料電池スタックは水素イオンが移動する高分子電解質膜を中心に膜の両側に電気化学反応が起きる電極、触媒層が付着した膜電極接合体（ＭＥＡ）、反応気体を均一に分布させて発生した電気を伝達する役割を行う気体拡散層（ＧＤＬ）、反応気体及び冷却水の気密性と直接締結圧を維持するためのガスケット及び締結器具、そして反応気体及び冷却水を移動させる分離板を含めて構成され、水素と酸素（空気）が供給される時、燃料電池反応により電流を生成する。
【０００５】
上述のような燃料電池スタックで水素は陽極（アノード、‘燃料極’とも言う）に供給され、酸素（空気）は陰極（カソード、‘空気極’若しくは‘酸素極’とも言う）に供給される。陽極に供給された水素は電解質膜の両側に構成された電極層の触媒により水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解され、このうち水素イオン膜が選択的に陽イオン交換膜である電解質膜を通過して陰極に伝達され、同時に電子は導体である気体拡散層と分離板を通して陰極に伝達される。
【０００６】
陰極では電解質膜を通して供給された水素イオンと分離板を通して伝達された電子が空気供給装置により陰極に供給された空気中の酸素と出会い、水を生成する反応を起こす。この時起きる水素イオンの移動に起因し、外部導線を通した電子の流れが発生し、このような電子の流れにより電流が生成される。合せて、水生成反応により熱も付随的に発生する。
【０００７】
このようなイオン交換膜燃料電池の電極反応は、以下の反応式で表される。
［燃料極での反応］２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− 
［空気極での反応］Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  
［全体反応］２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋電気エネルギー＋熱エネルギー  
上記反応において水素イオンは高分子膜を通過しなければならないが、水素の膜透過性は水含有量の関数で決定され、反応が進むにつれて水が発生して反応気体と膜を加湿する。
【０００８】
ガスが乾燥した場合は、反応により生成した水の全量が空気を加湿するのに使われ、高分子膜が乾く。従って、燃料電池を適切に稼動するためには高分子膜が湿った状態を維持しなければならない。何故ならば、水素イオンの透過性は膜に含有された水の関数により決定されるためである。膜が非常に濡れている場合は、気体拡散層（以下、ＧＤＬとする）の気孔が塞がってしまい、反応気体が触媒に接触できない場合が発生し、このような理由により膜の水含有量を適切に維持することが非常に重要である。更に、燃料電池は酸化剤として純粋酸素ではない大気の空気の供給を受けるが、大気の空気湿度は膜を濡らすのに十分ではなく、従って、燃料電池に供給される前に空気は円滑な作動のために十分に加湿されなければならない。
【０００９】
一方、燃料電池スタックは単位セルを反復的に積層した構造であり、この時、単位セルは水素と酸素が反応して電気エネルギーを発生させるための最小限の燃料電池構成要素である。このような単位セル構造は、分離板、ＧＤＬ、ＭＥＡが積層された構造であり、ここで分離板はＭＥＡとＧＤＬの構造的支持、発生した電流の収集及び伝達、反応気体の輸送、反応生成物の輸送及び除去、そして反応熱の除去のための冷却水の輸送などの多様な役割を担当する燃料電池の核心部品である。
【００１０】
燃料電池スタックの冷却及び水分管理と関連した従来技術として、米国特許第５，７００，５９５号（特許文献１）には多孔性の分離板を用いて冷却水によるシステムの冷却及び反応物の加湿、凝縮水の回収が可能となるようにした技術が開示されている。図１は特許文献１に添付された図面であり、多孔性分離板を使用した燃料電池スタックにおいて隣接した２個の燃料セルを表す断面図であり、図２は多孔性分離板を使用した燃料電池スタックで冷却水が空気及び水素を加湿し、凝縮水がポンピングされる状態の概念図である。
【００１１】
特許文献１では、多孔性分離板２６、２６’の冷却水チャンネル３２、３２’を通して流れる冷却水により空気及び水素が加湿されるようにし、更に、燃料電池反応により生成された凝縮水が冷却水（真空圧の形成）に吸水（凝縮水の回収）されるようになっている。このために多孔性分離板２６、２６’の中央に冷却水チャンネル３２、３２’を形成し、その両側に空気チャンネル２９、２９’と水素チャンネル３０、３０’を形成し、冷却水チャンネル３２、３２’には冷却水を循環させ、空気チャンネル２９、２９’と水素チャンネル３０、３０’を通して各々酸化剤である空気と燃料である水素を供給する。
【００１２】
この時、空気と水素は循環する冷却水より高い圧力を形成し、空気極で生成された水が多孔性分離板を通して冷却水の流動場にポンピングされるようにする。更に、多孔性分離板２６、２６’は循環する冷却水により飽和状態となるため、反応物（酸化剤−空気、燃料−水素）を加湿する役割をし、このようにすることで、冷却水がシステムの冷却及び加湿、生成水の除去を行うことができる。このような水分管理システムは燃料電池スタック内でドライアウトやフラッディングなしに、多孔性分離板の冷却水により水素及び空気を加湿することができるため、加湿器を削除することができる。
【００１３】
しかし、前述した燃料電池の水分管理システムでは下記のような問題点がある。すなわち、冷却水は凝縮及び加湿が反復されるため、イオンが除去された純粋の水のみを使用しなければならない。特に、不凍液を冷却水として使用することができない。このように冷却水として不凍液を使用しない場合は、純粋な水が零下の環境下で結氷するため、多孔性分離板を通して入ってきた水が空気極や水素極で結氷してチャンネルを塞ぐため、運転後にはシステム内で水を全て抜かなければならない。
【００１４】
更に、純水を貯蔵しても水タンクで全て結氷するため、零下での低温始動時に氷結した水を溶かすために多くのエネルギーを必要とし、始動時間もまた長くなる。また、純粋な水と関連するバルブなど全ての製品の結氷問題を解消する設計が行われなければならない。すなわち、前記のように純粋な水を冷却水として使用する燃料電池システムでは、運転後に全ての水を抜き、車両（約１２Ｌ）内に保管しなければならず、特に低温始動時に結氷状態の水を全て溶かさなければならず、冷却水と関連した部品（バルブ、配管など）の結氷問題を完全に解決しなければならない。
【特許文献１】米国特許第５，７００，５９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、燃料電池システムの熱・水管理システムと空気供給装置を統合及び最適化（システムの単純化）し、冷却水を使用する既存の冷却ループを除去した状態でシステムの冷却を可能とし、更に別の加湿器なしに空気の加湿を可能とした蒸発冷却式の燃料電池システムと燃料電池システムの冷却方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、燃料である水素と酸化剤である空気を反応させて電気を発生させる燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの冷却チャンネルの入口側に連結された空気流入ラインと、前記冷却チャンネルの入口部に設置されて前記空気流入ラインを通して冷却チャンネルに流入する空気に水を噴射するための水噴射手段（インジェクター）と、前記燃料電池スタックの後端において、冷却チャンネルの出口側に連結された排出ラインに設置されて冷却チャンネルに吸入力を提供しながら、冷却チャンネルから吸入された空気と蒸気の混合物を圧縮する空気圧縮手段（空気ブロワー）と、前記空気圧縮手段により圧縮された空気と蒸気の混合物の供給を受けて冷却するための放熱部（熱交換器、ラジエーター）と、前記放熱部の出口側で燃料電池スタックの空気チャンネルに連結された空気供給ラインと、を含み、前記空気圧縮手段の吸入力が作用して冷却チャンネルの内部圧力が負圧に維持された状態で、空気と水が通過する冷却チャンネル内で水が蒸発すると同時に、その蒸発潜熱によりスタックの熱が吸収されながらスタック冷却が行われるように構成され、前記放熱部から排出される蒸気を含有する加湿空気が前記空気供給ラインを通して燃料電池スタックの空気チャンネルに供給され、燃料電池反応の酸化剤として使用され、前記放熱部前端の排出ラインで分岐されて前記空気供給ラインに連結され、前記空気圧縮手段から排出された空気と蒸気を循環させるバイパスラインと、前記排出ラインにおいて、バイパスラインが分岐される位置に設置されて循環量を調節するための弁を更に含むことを特徴とする。上述の燃料電池システムにおいては、前記空気流入ラインに設置されて冷却チャンネルの内部圧力を調節するための入口弁を更に含むことが好ましい。
【００１７】
また、前記放熱部の出口側に設置され、放熱部から排出された凝縮水を貯蔵する水タンクを更に含み、前記水タンクの水が水供給ラインを通して水噴射手段に供給されて空気に噴射される水として再使用されることが好ましく、さらに、前記燃料電池スタックの後端で、空気チャンネルの出口側に連結された排気ラインに設置されて排気から蒸気を凝縮させて分離する凝縮器と、前記排気ラインに設置されて凝縮器による水回収量の調節及び空気チャンネルの内部圧力の調節のための出口弁を更に含むことが好適であり、また、前記凝縮器は水回収ラインを通して水タンクに連結され、凝縮水が前記水タンクに回収されるように構成されることが好ましい。そして、前記放熱部が燃料電池車両でのラジエーターであることが好ましく、また、前記放熱部が前記空気圧縮手段から排出された空気と蒸気を高温部の熱媒として使用し、低温部を通過して高温部の熱媒と熱交換された温水を配管を通して暖房用または加熱用温水として供給する熱交換器であることが好適であり、さらには、前記冷却チャンネルの内部表面には親水コーティング処理が行われることが好ましい。
【００１８】
また、本発明による燃料電池システムの冷却方法は、上述のような蒸発冷却式の燃料電池システムを用いて行われ、燃料である水素と酸化剤である空気を反応させて電気を生産する燃料電池スタックを冷却するための方法において、分離板に空気チャンネルと水素チャンネルと別途に冷却チャンネルを形成した燃料電池スタックを具備し、燃料電池を運転する際、燃料電池スタックの後端で、冷却チャンネルの出口側に連結された排出ラインの空気圧縮手段を駆動して冷却チャンネルの入口側に連結された空気流入ラインを通して空気を吸入し、冷却チャンネルの入口部に設置された水噴射手段を通して前記空気流入ラインに沿って冷却チャンネルに吸入される空気に水を噴射し、前記空気圧縮手段の吸入力が作用して冷却チャンネルの内部圧力が負圧に維持された状態で、空気と水が通過する冷却チャンネル内で水が蒸発されると同時に、その蒸発潜熱によりスタックの熱が吸収されながら、スタックの冷却が行われることを特徴とする。
【００１９】
上記燃料電池システムの冷却方法において、前記空気圧縮手段が冷却チャンネルから吸入して圧縮した後、供給する空気と蒸気の混合物を冷却させる放熱部と、前記放熱部の出口側で燃料電池スタックの空気チャンネルに連結された空気供給ラインを具備し、前記放熱部から排出される蒸気を含有する加湿空気を前記空気供給ラインを通して燃料電池スタックの空気チャンネルに供給し、燃料電池反応の酸化剤として使用することが好ましく、また、前記放熱部から排出される凝縮水を貯蔵し、貯蔵された水を前記水噴射手段に供給するための水タンクを放熱部の出口側に具備し、前記水タンクの水を水噴射手段を通して空気に噴射される水として再使用することが好適であり、さらに、前記燃料電池スタックの後端で、空気チャンネルの出口側に連結された排気ラインに設置されて排気から蒸気を凝縮させて分離する凝縮器と、前記排気ラインに設置された出口弁を更に具備し、前記出口弁の開度量を制御することで、凝縮器による水回収量の調節及び空気チャンネルの内部圧力の調節を行うことが好ましい。そして、前記凝縮器は水回収ラインを通して水タンクに連結されて蒸気から生成された凝縮水が前記水タンクに回収されるように構成されることが好適であり、また、前記空気流入ラインには入口弁を設置し、前記入口弁の開度量を調節することで、前記冷却チャンネルの内部圧力の調節を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る燃料電池システム及びその冷却方法によると、大気中、吸入される空気に水を噴射して水が混合した空気を高温及び低圧条件に維持される燃料電池スタックの冷却チャンネルに通過させることで、冷却チャンネル内で水の蒸発と同時に蒸発潜熱によりスタックの冷却が行われるようにし、冷却チャンネルから排出された蒸気と空気を放熱部で冷却した後、燃料電池スタックの酸化剤として提供し、スタックの冷却及び空気の加湿が同時に行われるという効果が得られる。
【００２１】
結局、スタック内を循環する冷却水を使用せずにスタックを通過する一つの空気ラインによりスタックの冷却と空気の加湿が同時に行われるため、従来のような冷却水循環式のスタック冷却システムと空気を加湿するための別の加湿器が不必要である。従って、燃料電池システムの構成が単純になり（熱及び水管理システムの縮小など）、部品の縮小、軽量化、小型化、費用節減が可能となる。合せて、冷却水を使用しないため、低温始動時に加熱負荷が軽減する。
【００２２】
更に、スタックの運転圧力及び供給空気の相対湿度の上昇により出力（電力密度）が増大し、システムの制御が容易となる。そして、本発明の燃料電池システムを定置型で構成する場合、熱併合発電が可能となり、建物の暖房及び温水の供給のための加熱システムとして利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る蒸発冷却式の燃料電池システムとその冷却方法の実施例について説明する。
【実施例】
【００２４】
図３は本実施例による燃料電池システムを示した構成図であり、燃料電池車両に適用可能な燃料電池システムの構成を示している。この実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１２０内に具備された冷却チャンネル１２２の入口で、水噴射手段１３０を利用して大気から供給される空気に水を噴射し、水の混合した空気が冷却チャンネル１２２に供給されるようにし、この時、燃料電池スタック１２０の下流側（後端側）に具備された空気圧縮手段１４０を駆動させてその吸入力により水と空気の混合物が冷却チャンネル１２２を通過するようにする。
【００２５】
この時、燃料電池スタック１２０で発生する熱と空気圧縮手段１４０の吸入力によりスタックの冷却チャンネル１２２内には水の蒸発が容易な高温、低圧の環境が作られ、ここに冷却チャンネル１２２を通過する水が蒸発しながら蒸発潜熱によりスタックの冷却が行われる。更に、冷却チャンネル１２２から排出された空気と蒸気を放熱部１５０で冷却した後、放熱部１５０から排出された加湿空気（空気と蒸気の混合状態）を燃料電池スタック１２０の酸化剤として提供することで、スタックを通過する一つの空気ラインによりスタックの冷却と空気の加湿が同時に行われる。
【００２６】
次に、図３を参照して本発明による燃料電池システムの構成及び空気の流れについて更に詳しく説明する。大気の空気が燃料電池スタック１２０に連結された上流側（前端側）の空気流入ライン１１０に沿って供給されるようになっており、この時空気流入ライン１１０は燃料電池スタック１２０の内部に形成された冷却チャンネル１２２の入口側に連結されている。従って、大気中の空気が空気流入ライン１１０に沿って入口側のフィルター１１１と入口弁１１２を順に通過した後、燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２に供給される。
【００２７】
冷却チャンネル１２２は燃料電池スタック１２０の各分離板１２１に空気チャンネル１２３と水素チャンネル（図示せず）とは別途に形成された流路であり、冷却チャンネル１２２の内部圧力は燃料電池を運転する際、冷却チャンネル１２２後端の空気圧縮手段１４０が駆動しながらその吸入力が作用する状態、即ち、真空圧（負圧）状態を維持する。そして、空気が流入する燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２の入口部には水タンク１６０の水の供給を受け、空気流入ライン１１０を通して供給される空気に分散させる水噴射手段１３０が設置される。
【００２８】
ここで、水噴射手段１３０は水タンク１６０の水をポンピングして高圧状態にするポンプと、このポンプにより高圧で形成された水を噴射するように冷却チャンネル１２２の入口部に設置されたインジェクターを含む構成となる。水噴射手段１３０は燃料電池システム制御装置１０１が出力する電気的制御シグナルにより水噴射量の制御が可能なものであれば、公知の多様な形態を使用することができ、本実施例では特別に限定しない。
【００２９】
更に、燃料電池スタック１２０の下流側（後端側）には冷却チャンネル１２２から出てくる空気と蒸気の混合物が排出される排出ライン１４１が冷却チャンネル１２２の出口側に連結され、排出ライン１４１は放熱部であるラジエーター１５０に連結される。排出ライン１４１の途中には空気を吸入してポンピングする空気圧縮手段、例えば排出ライン１４１を通して燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２の内部に吸入力を提供する空気ブロワー（若しくは空気ポンプ）１４０が設置される。
【００３０】
好ましい実施例では、燃料電池スタック１２０に空気を供給するための空気ブロワー１４０が、燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２の後端に配置される。空気ブロワー１４０が、燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２の後端で冷却チャンネル１２２の内部の空気を吸入することにより、冷却チャンネル１２２の内部圧力を空気に噴射された水が容易に蒸発して蒸気となる低圧状態にする。
【００３１】
このように空気ブロワー１４０が駆動されると、空気ブロワー１４０の吸入力により大気中の空気が冷却チャンネル１２２前端の空気流入ライン１１０を通して冷却チャンネル１２２の内部に吸入され、更に冷却チャンネル１２２の内部圧力が真空圧（負圧）に維持される。この時、水噴射手段であるインジェクター１３０が冷却チャンネル１２２の入口部で水タンク１６０の水を冷却チャンネル１２２に供給する空気に噴射することで、水と混合された空気が冷却チャンネル１２２の内部に吸入される。
【００３２】
結果的に、冷却チャンネル１２２の内部には、燃料電池スタック１２０自体で発生する熱と空気ブロワー１４０が提供する吸入力により、空気中の水が容易に蒸発することができる環境である高温及び低圧の環境が形成される。即ち、冷却チャンネル１２２の内部でスタック生成熱により温度が高く、空気ブロワー１４０の吸入力により圧力が低い環境が形成され、このような環境で空気の絶対湿度が高くなるため、冷却チャンネル１２２を通過する空気中の水が容易に蒸発する。
【００３３】
上述のように、空気ブロワー１４０の吸入及びスタック生成熱により冷却チャンネル１２２の内部に高温、低圧の条件が形成されると、高温は冷却チャンネル１２２を通過する水の蒸発効果を高め、低圧は空気の絶対湿度を高めるため、結局冷却効果が増大する。従って、本実施例の燃料電池システムでは、冷却チャンネル１２２の内部で水が蒸発しながら水の蒸発潜熱により燃料電池スタック１２０で発生した熱が吸収され、これを通して燃料電池スタック１２０が適正温度まで冷却される。
【００３４】
一方、空気ブロワー１４０の吸入力により燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２から出てきた空気と蒸気の混合物（中温、低圧状態）は、温度が上昇した状態で空気ブロワー１４０により圧縮（高温、高圧状態となる）され、放熱部であるラジエーター１５０に送られ、ラジエーター１５０で空気と蒸気はラジエーター１５０のファン１５２を駆動した時の外気または車両走行時の走行風により冷却される（中温、高圧状態となる）。この時、ラジエーター１５０で高温、高圧の‘空気＋水蒸気’が外気に熱を奪われながら水が凝縮されるが、ラジエーター１５０で温度が低下し、圧力は上昇して絶対湿度が低くなり、空気中の水蒸気が水に凝縮される。
【００３５】
ラジエーター１５０で凝縮された水は、ラジエーター１５０の出口側に別の配管１５１を通して連結された水タンク１６０に移動されて貯蔵された後、冷却チャンネル１２２の入口部でインジェクター１３０により噴射される水として再使用される。更に、ラジエーター１５０で冷却された空気は、蒸気をある程度含む加湿空気状態であり、燃料電池スタック１２０の空気チャンネル（分離板に形成される）１２３に連結された空気供給ライン１５３に排出され、空気供給ライン１５３を通して燃料電池スタックの空気チャンネル１２３及びカソード（陰極、空気極）に送られてスタック反応に使用される。
【００３６】
ラジエーター１５０を通過して燃料電池スタック１２０に供給される空気は蒸気を含み、スタック反応のために適切に加湿された空気であり、燃料電池反応に必要な空気、即ち燃料電池スタックで酸化剤として使用される空気となる。そして、酸化剤として供給された空気は燃料電池スタック１２０で水素と反応して更に水を生成した後、反応を終えた排気が燃料電池スタックを抜け出て、排気ライン１７１に沿って排出され、凝縮器１７０を通過する。燃料電池スタック１２０で反応を終えた空気は反応熱を吸収して温度が上昇した状態でありながら反応時の生成水を含んだ状態であり、以後、冷却水または空気を冷媒として使用する凝縮器１７０を通過しながら冷却される。
【００３７】
凝縮器１７０では、排気が冷媒との熱交換を通して、即ち冷媒により熱を放出して冷却されるが、この時、排気に含まれた蒸気は水に凝縮された後、排出され、水回収ライン１７２を通して水タンク１６０に回収され、残りの排気は排気ライン１７１に設置された出口弁１７３を通して大気に排出される。水タンク１６０に回収された水は水供給ライン１６１を通してインジェクター１３０に供給され、冷却チャンネル１２２で空気に噴射される水として再使用される。
【００３８】
このような燃料電池システムで制御弁である入口弁１１２と出口弁１７３の開度量、インジェクター１３０での水噴射量、空気ブロワー１４０の回転速度（ｒｐｍ）を適切に制御し、適切な熱均衡及び水均衡がとれる運転条件を設定する。入口弁１１２は燃料電池スタック１２０の分離板１２１に形成された冷却チャンネル１２２の内部圧力を調節するのに使用する弁であり、燃料電池を運転する際、空気ブロワー１４０が駆動された状態で入口弁１１２の開度量を減らすほど冷却チャンネル１２２の内部圧力が低くなり、入口弁１１２の開度量を大きくするほど冷却チャンネル１２２の内部圧力は高くなる。
【００３９】
出口弁１７３は凝縮器１７０の水回収量の調節に係る弁であり、燃料電池スタック１２０の空気チャンネル１２３の内部圧力（空気圧）を制御し、凝縮器１７０で水タンク１６０に回収される水の量を制御するのに使用される。凝縮器１７０で水タンク１６０に回収される水の量を減少させる場合は、目標とする水回収量の減少に合せて出口弁１７３の開度量を増加させ、水タンク１６０に回収される水の量を増加させる場合は、目標とする水回収量の増加に合せて出口弁１７３の開度量を減少させる。
【００４０】
図３において、符号１１３は空気流量センサーを示し、空気流量センサー１１３は空気流入ライン１１０を通して供給される空気の流量を検出するセンサーであり、空気の流量を検出して検出値による電気的シグナルを燃料電池システム制御装置に伝達する。燃料電池システム制御装置は空気流量センサー１１３により検出された空気の流量に基づいて空気ブロワー１４０の回転速度と入口弁１１２の開度量などの運転条件を適切に制御する。
【００４１】
一方、表１は図３の燃料電池システムに適用される運転条件での運転状態及び状態量を例示した表である。
【表１】
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図３のシステムを表１の条件で運転すると、熱均衡は（−）を、水均衡は（＋）を維持できるため、膜加湿器などの別の加湿器やスタックを冷却するための別の冷却ループがなくても運転可能である。
【００４２】
前述したとおり、燃料電池スタック１２０の各分離板１２１に形成した冷却チャンネル１２２の内部環境をスタック後端に装着した空気ブロワー１４０を利用して水が容易に蒸発することができる低圧状態に維持した状態で、冷却チャンネル１２２に吸入される空気にインジェクター１３０で水を噴射し、空気と水の混合物が冷却チャンネル１２２を通過するようにすることで、冷却チャンネル１２２内で水が蒸発しながらその蒸発潜熱によりスタックの生成熱が吸収されるようにし、これを通してスタックの冷却が行われる。
【００４３】
更に、燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２を通過した空気と蒸気の混合物が、スタック後端の空気ブロワー１４０により高温、高圧で圧縮された後、ラジエーター１５０で冷却され、蒸気の一部は凝縮された状態で水タンク１６０に貯蔵されるようにし、その他の残りの蒸気を含有する加湿空気は燃料電池スタックの空気チャンネル１２３に供給し、燃料電池反応に必要な酸化剤として使用されるようにする。このように空気に噴射された水の蒸発潜熱を利用してスタックの冷却が行われ、蒸気を含む空気を再び燃料電池反応の酸化剤として活用することができるようにすることで、従来のような別の加湿器及び冷却ループなしで、一つの空気ラインを利用してスタック冷却及び空気加湿が行われる。
【００４４】
本実施例による燃料電池システムにおいて、冷却チャンネル１２２の真空圧力（空気ブロワー１４０及び入口弁１１２などにより調節）及び温度、空気チャンネル１２３の圧力（出口弁１７３などにより調節）及び温度などの燃料電池スタック１２０の運転温度及び圧力を適切に調節し、冷却チャンネル１２２の内部で水が十分に蒸発されながらスタック生成熱を吸収するようにし、更に、排気での凝縮水の回収量が適切に調節されるようにすることができる。
【００４５】
冷却チャンネル１２２の内部で圧力が低く温度が高いほど、絶対湿度は急激に増加し、反対に、高温／低圧の飽和水蒸気を加圧して温度を下げると、同一の飽和状態でも絶対湿度が急激に減少し、その差が水に凝縮される。この原理を利用して冷却チャンネル１２２の内部で高温、低圧状態を維持させて水を蒸発させながら、燃料電池スタック１２０を冷却した後、飽和した空気を空気ブロワー１４０及びラジエーター１５０に通過させ、加圧及び冷却させると（ラジエーター１５０の出口条件）、絶対湿度が急激に減少しながら水が凝縮される。
【００４６】
この状態での空気は燃料電池スタック１２０で所望する十分な湿度を維持している状態（加湿された状態）であるため、ラジエーター１５０の出口を通して出てくる空気を燃料電池スタックに供給して反応に活用することができる。従って、冷却水を使用する既存のスタック１２０の冷却ループ及び加湿器が必要なくなる。
【００４７】
参考として、上述のような燃料電池システムにおける、熱均衡及び水均衡について説明する。
まず相対湿度と絶対湿度は下記数１及び数２で表すことができる。
［数１］
Φ＝Ｐｗ／Ｐｓａｔ
［数２］
ω＝Ｍｗ／Ｍａ＝０．６２２×（Ｐｗ／Ｐａ）＝０．６２２×Ｐｗ／（Ｐｔｏｔａｌ−Ｐｗ）
【００４８】
ここで、Ｐｗは混合物内の水蒸気分圧を、Ｐｓａｔは同一温度で水蒸気の飽和蒸気圧を、Ｍｗは混合物中に含まれた水の質量を、Ｍａは混合物中に含まれた乾空気の質量を、Ｐａは混合物内の乾空気の分圧（＝Ｐｔｏｔａｌ−Ｐｗ）を、Ｐｔｏｔａｌは混合物の全体圧力を示す。水の蒸発比率はＰｗとＰｓａｔの圧力差に直接的に比例する［水の蒸発比率∝（Ｐｓａｔ−Ｐｗ）］。
【００４９】
一般的に、燃料電池スタックのチャンネル（相対的に断面積が小さく長さが長い）はとても優れた加湿性能を示し、相対湿度もほぼ１００％まで蒸発が可能である。ＲＨ１００％の状態で、同一圧力で温度が上昇すると、Ｐｗは一定の値を維持するが、Ｐｓａｔ（温度のみの関数）は増加して相対湿度が１００％以下に下がり、一方、同一圧力で温度が降下すると、Ｐｗは一定であるが、Ｐｓａｔが低くなり、ＲＨは１００％を維持するが水が凝縮される。
【００５０】
更に、絶対湿度は一定質量の乾空気中に含まれた水の質量を示す関数であり、相対湿度が一定であっても、温度／圧力によってその値が大きく変わる。即ち、一般的に同一相対湿度１００％（空気がスタックや冷却チャンネル１２２を通過する時、相対湿度はほぼ１００％に近接する）であっても、温度が高く圧力が低いほど絶対湿度の値は増加する。
【００５１】
例えば、温度が７０％であり、相対湿度が１００％である条件で、圧力が１００ｋＰａ＿ａｂｓから９０ｋＰａ＿ａｂｓに変わると、絶対湿度は０．２８１４ｋｇ＿Ｈ２Ｏ／ｋｇ＿ａｉｒから０．３２９２ｋｇ＿Ｈ２Ｏ／ｋｇ＿ａｉｒに変わる（１７％増加）。更に、同一相対湿度１００％、圧力１００ｋＰａ＿ａｂｓであっても、温度が６０℃から７０℃に変わると、絶対湿度は０．１５４７４ｋｇ＿Ｈ２Ｏ／ｋｇ＿ａｉｒから０．２８１４ｋｇ＿Ｈ２Ｏ／ｋｇ＿ａｉｒに変わる（８２％増加）。
【００５２】
図４及び図５は、温度及び圧力の変化による絶対湿度の変化の別の例を示したグラフであり、図４は温度６７．５℃での圧力変化による絶対湿度の変化を示したものであり、図５は圧力１ａｔｍでの温度変化による絶対湿度の変化を示したものである。図４と図５から分かるように、空気は温度が増加するほど、圧力が低くなるほど絶対湿度の値が急激に増加し、これは同一空気量であっても圧力と温度を調節すると、空気が含有する水蒸気の量を調節することができることを意味する。従って、本発明のように、燃料電池スタック１２０の冷却チャンネル１２２で温度と圧力を適切に制御すると、空気に噴射された水の蒸発を利用してスタックを冷却することができ、更に、冷却チャンネル１２２の水蒸気により加湿された空気をスタックのカソード（空気極）に供給して反応させるシステムの具現が可能となる。
【００５３】
図６は本実施例による燃料電池システムに供給される空気の各位置別の状態を例示したグラフであり、システムの各位置による温度及び圧力変化、そして温度及び圧力変化による絶対湿度の変化を示している。即ち、大気中の空気、冷却チャンネル１２２の出口の空気、ラジエーター１５０の出口の空気、燃料電池スタックの空気チャンネル１２３（カソード）の出口の空気に対して、圧力、温度、絶対湿度の変化を示している。
【００５４】
図６に示すとおり、空気圧縮手段（空気ブロワー１４０）の駆動時、冷却チャンネル１２２の入口部でインジェクターにより噴射された水と共に、大気中の空気（１００ｋＰａ／２０℃／ＲＨ５０％）が燃料電池スタックの冷却チャンネル１２２に吸入された後、通過し、冷却チャンネル１２２の内部が空気圧縮手段の吸入力により低圧に維持された状態で空気中に混合された水が蒸発しながら、燃料電池スタックの熱を吸収した後、水が蒸発した水蒸気と空気の混合物が中温、低圧状態（８０ｋＰａ／７１℃／ＲＨ９８％）で冷却チャンネル１２２の出口を通して排出される。
【００５５】
このように、燃料電池スタックで発生した熱（燃料電池反応により生成された熱）が加えられると同時に、空気圧縮手段の吸入力により低圧に維持される冷却チャンネル１２２の内部環境で、空気に噴射された水が蒸発しながら、その蒸発潜熱によりスタックの熱が吸収されてスタックの冷却が行われる。この時、熱を吸収した水蒸気の混合された空気が冷却チャンネル１２２の出口から排出される時、空気の温度は高くなるが、圧力は低くなるため、絶対湿度は大気中の空気より非常に高くなる。
【００５６】
更に、空気圧縮手段により高温、高圧状態で圧縮された後、放熱部であるラジエーター１５０に移動して冷却（熱放出）されると、ラジエーター１５０の出口では中温、高圧状態（１５５ｋＰａ／６５℃／ＲＨ９８％）で排出されるが、温度は低くなり、圧力は高くなった状態であるため、絶対湿度は著しく低くなる。この時、凝縮された水の一部が水タンク１６０に移動されて貯蔵され、空気は残りの水蒸気を含む状態であり、十分に加湿された状態で燃料電池スタックのカソードに供給され、燃料電池反応に酸化剤として使用される。
【００５７】
更に、燃料電池スタックのカソードを通過した後、酸化剤として使用され、残った中温、高圧状態の空気（１４５ｋＰａ／７１℃／ＲＨ９８％）は空気チャンネル１２３（カソード）の出口を通して凝縮器１７０に排出され、凝縮器１７０で冷却水または空気により放熱が行われながら水蒸気が凝縮されると、この時生成された凝縮水が水タンク１６０に移動されて貯蔵されると同時に、残りの空気は出口弁１７３を通して大気に排出される。この時、大気中の空気の絶対湿度とカソード（空気チャンネル１２３）の出口から排出される空気の絶対湿度との差は水排出量に関係しており、‘生成水≧排出水’となるように制御されなければならない。
【００５８】
図６によると、各位置で空気の温度と圧力が変化するに従って絶対湿度が異なることが分かり、これは同一空気量であっても、圧力と温度を調節すると空気が含有する水蒸気（水）の量を調節することができることを意味する。更に、大気中の空気に比べて冷却チャンネル１２２の出口位置の空気が相対的に温度が高く、圧力が低く、そして絶対湿度も急激に増加することが分かる。これは冷却チャンネル１２２で水が蒸発しながら、その蒸発潜熱により燃料電池スタックで発生した熱が冷却チャンネル１２２を通過する流体により吸収されることを意味する。
【００５９】
更に、冷却チャンネル１２２の出口で多量の水蒸気を含む空気が放熱部であるラジエーター１５０の熱放出作用により冷却されながら、一部水蒸気が凝縮されて分離され、この時、残りの水蒸気により適切に湿度が調節されて十分に加湿された状態の空気を燃料電池スタックのカソードに供給して燃料電池反応の酸化剤として使用することができることを意味する。従って、本実施例ではインジェクターを利用して水を噴射して水を混合させた空気を燃料電池スタックの冷却チャンネル１２２を通して通過させると、水の蒸発潜熱により燃料電池スタックが冷却される。
【００６０】
更に、燃料電池スタックを冷却させた水蒸気が含まれた空気をラジエーター１５０に通過させて熱を放出させると、水蒸気の量が調節された加湿空気が燃料電池スタックの酸化剤として供給される。結局、スタックを冷却するための別途の冷却ループや、空気を加湿するための別途の加湿器がなくとも、燃料電池スタックの冷却チャンネル１２２、空気圧縮手段、ラジエーター１５０、燃料電池スタックの空気チャンネル１２３、凝縮器１７０からなる空気ラインにより燃料電池システム内の熱均衡及び水均衡が維持されながら、所望するスタックの冷却と空気の加湿を同時に達成することができる。
【００６１】
従って、本実施例では燃料電池システムで必要とする空気のみを利用して燃料電池スタックの冷却チャンネル１２２、ラジエーター１５０、燃料電池スタックの空気チャンネル１２３で空気の温度と圧力を適切に調節し（絶対湿度の変化を誘導）、この時発生する水の蒸発と凝縮を利用して燃料電池スタックの熱除去及び燃料電池反応に必要な空気の適切な加湿を同時に解決することができる。
【００６２】
特に、空気圧縮手段である空気ブロワー１４０（または空気ポンプ）を燃料電池スタックの冷却チャンネル１２２後端に配置し、冷却チャンネル１２２内の圧力を真空圧（負圧）に維持することで、冷却チャンネル１２２に供給された水がより容易に蒸発することができるようにし、更に、スタックの反応に必要な空気のみで十分な蒸発効果を得ることができるようにし、追加空気供給なしにスタックの放熱及び冷却が可能となる。数２から分かるように、スタック熱の吸収程度に関係する水の蒸発量は冷却チャンネル１２２の圧力が低いほど増加する。
【００６３】
更に、ラジエーター１５０を空気ブロワー１４０後端に配置することで、ラジエーター１５０に流入する‘空気＋蒸気’の混合物は温度と圧力が上昇して供給される。その後、ラジエーター１５０で空気は外気により冷却され、圧力は空気ブロワー１４０の出口圧力と類似した大気圧以上の圧力を維持し、これにより相対湿度が１００％を超える。即ち、相対湿度１００％を超過するということは、水に凝縮されることを意味する。ラジエーター１５０内で圧力の上昇［数２において、Ｐｔｏｔａｌ↑、Ｐｗ↑］と合せて、温度低下により水の凝縮効果を極大化させることができ、これもまたスタックの反応に必要な空気のみで十分な凝縮効果を得ることができる理由である。
【００６４】
そして、ラジエーター１５０からスタックの空気チャンネル１２３（カソード）に供給される‘空気＋蒸気’の混合物は水素と反応して更に水を生成した後、スタックから排出されるが、排気に含まれた水は凝縮器１７０で凝縮、回収され、ラジエーター１５０で凝縮された水と合せて水タンク１６０に送られて冷却チャンネル１２２で空気に噴射される水として再使用される。
【００６５】
結果的に、本実施例の燃料電池システムでは、凝縮器１７０とインジェクター１３０が追加されるが、加湿器、スタック冷却用水ポンプ（制御装置含む）、サーモスタット、冷却水配管ループなどが削除されて軽量化、原価節減及びシステム単純化が可能となり、更に冷却水を使用しないため、燃料電池システムの低温始動時に熱の負荷を減らすことができる。
【００６６】
図７は本実施例による燃料電池システムの各位置別状態量を示した図である。図８は本実施例による燃料電池システムにおける燃料電池スタックの内部構造を示した断面図であり、図９は本実施例による燃料電池システムにおける燃料電池スタックの横断面図である。符号１２５ａは電解質膜を、符号１２５ｂと１２５ｃは電解質膜１２５に接合された電極、即ち、アノード１２５ｂとカソード１２５ｃを各々示す。図９は図８に示した燃料電池スタック１２０の横断面の構造を示しており、高分子電解質燃料電池においてＭＥＡ１２５及びＧＤＬ１２６を間に置いて組み立てられた２つの分離板１２１の接合部を詳しく示したものである。右側の円内にはアノード１２５ｂとカソード１２５ｃとの間の通常のイオン及び電子伝達状態を示す。
【００６７】
図８、９に示したとおり、燃料電池スタック１２０は複数の分離板１２１がＭＥＡ１２５とＧＤＬ１２６を介在した状態で積層された構造となっており、エンドプレート１２７とタイロッド１２８などにより締結されて組み立てられている。各々の分離板１２１には酸化剤である空気の流路となる空気チャンネル１２３と、燃料である水素の流路となる水素チャンネル１２４が各々形成されており、これと合せて本実施例において、大気中の空気がインジェクター１３０により噴射された水と共に混合された状態でスタック１２０を冷却させるために、通過する冷却チャンネル１２２が形成されている。
【００６８】
ここで、空気圧縮手段の吸入力により大気中の空気が、インジェクター１３０により噴射された水と混合された状態で、燃料電池スタック１２０の入口マニホールド１２２ａを通して吸入されると、その後、各分離板１２１の冷却チャンネル１２２に分岐されてスタック１２０を冷却させた後、‘空気＋蒸気’の混合状態で出口マニホールド１２２ｂを通して排出され、その後、空気圧縮手段で圧縮されてラジエーター１５０に移動する。
【００６９】
更に、冷却後、ラジエーター１５０から出てくる加湿空気（‘空気＋蒸気’）が燃料電池スタック１２０の入口マニホールド１２３ａを通して供給されると、その後、各分離板１２１の空気チャンネル１２３で分岐されて流れながら、カソード１２５ｃに供給され、空気チャンネル１２３及びカソード１２５ｃを経た排気（‘空気＋蒸気’）は出口マニホールド１２３ｂを通して排出されて凝縮器１７０に移動する。
【００７０】
そして、燃料として使用される水素が燃料電池スタック１２０の入口マニホールド１２４ａを通して供給されると、その後、各分離板１２１の水素チャンネル１２４で分岐されて流れながら、アノード１２５ｂに供給され、水素チャンネル１２４及びアノード１２５ｂを経た水素が出口マニホールド１２４ｂを通して排出される。
【００７１】
このような燃料電池スタック１２０の分離板１２１において冷却チャンネル１２２の内部では、インジェクター１３０により噴射されて空気と共に混合された状態で通過する水が蒸発しながらスタックの発生熱を吸収するが、冷却チャンネル１２２の内側面に親水コーティングをする場合、蒸発効果を極大化することができ、十分な冷却効果を得ることができる。
【００７２】
冷却チャンネル１２２は燃料電池スタック１２０の後端側に配置された空気ブロワー（図３の図面符号１４０）の吸入部であり、真空圧が形成される部分であり、本発明の好ましい実施例において冷却チャンネル１２２の内部表面に水の蒸発、及び水の蒸発によるスタックの冷却を極大化するために、親水性コーティング処理を行う。
【００７３】
図１０は本実施例による燃料電池システムにおいて、スタックを冷却するための各構成要素の制御方法を示した順序図であり、図１１はスタックを冷却するための装置の構成を示したブロック図である。本実施例の燃料電池システムでは運転温度と運転圧力をシステムの負荷と外部条件に合せて調節し、空気圧縮手段（空気ブロワー１４０または空気ポンプなど）の運転速度の制御などにより制御要素を最小化することで、システムの制御を容易に行うことができる。
【００７４】
図１１に示すように、燃料電池システム制御装置１０１がセンサーなどの各圧力部から燃料電池システムの状態データの入力を受け、これに基づいて空気ブロワー１４０、出口弁１７３、入口弁１１２、インジェクター１３０などの駆動部を制御する。ここで、圧力部としては、燃料電池スタックでの冷却チャンネル１２２の出口温度（または空気チャンネル１２３の出口温度）を検出するための温度センサー１８１、冷却チャンネル１２２の出口圧力を検出するための冷却チャンネル圧力センサー１８２、空気流入ライン１１０に設置されて冷却チャンネル１２２に供給される空気の流量を検出するための空気流量センサー１１３、燃料電池スタックで空気チャンネル１２３（カソード）の出口圧力を建設するための空気チャンネル圧力センサー１８３、水タンク１６０の内部の水位を検出するための水位センサー１８４を含む。
【００７５】
図１０の例において、燃料電池システム制御装置１０１は、各センサーの検出値など燃料電池システムの状態データの入力を受け（Ｓ１０９）、現在の冷却チャンネル１２２の出口温度、冷却チャンネル１２２の出口圧力、冷却チャンネル１２２に供給される空気流量、空気チャンネル１２３（カソード）の出口圧力、水タンク１６０の水位、そしてその他に入口弁１１２及び出口弁１７３の現在の開度量、インジェクター１３０の水噴射量などの入力データを基に各駆動部を制御する。
【００７６】
また、図１０の例において、燃料電池システム制御装置１０１は、水位センサー１８４のシグナルから水タンク１６０の現在の水位が予め設定された下限水位値以下である場合、スタック出力及びインジェクター１３０の水噴射量を下げ、入口弁１１２を更に少し開放すると共に、出口弁１７３は少し閉じる（Ｓ１１０、Ｓ１１１）。出口弁１７３の開度量を減らし凝縮器１７０で水タンク１６０に回収される水の量を増やすと共に、水噴射量を減らすことで、水タンク１６０の水位を高める。反面、水タンク１６０の現在の水位が下限水位値を超過する正常的な状態では、温度センサーのシグナルから現在の運転温度である冷却チャンネル１２２の出口温度Ｔを運転目標温度（Ｔｓ±α）と比較する（Ｓ１２０）。
【００７７】
ここで、現在の冷却チャンネル１２２の出口温度が運転目標温度を超過する場合（Ｔ＞Ｔｓ±α）には、冷却チャンネル１２２の出口温度Ｔを予め設定された最大温度値（Ｔｍａｘ）と比較し（Ｓ１２１）、最大温度未満の場合（Ｔ＜Ｔｍａｘ）、インジェクター１３０の水噴射量を増加させると共に、水噴射量の増加に合せて入口弁１１２の開度量を減らすことで、冷却チャンネル１２２内の圧力を下げるようになる（Ｓ１２３）。即ち、冷却チャンネル１２２の空気に混合される水の量を増加させ、冷却チャンネル１２２内の圧力を下げることで、水の蒸発効果を増大させ、これを通して冷却チャンネル１２２の出口温度を運転目標温度に合せて下げる。
【００７８】
一方、冷却チャンネル１２２の出口温度が最大温度以上である場合（Ｔ≧Ｔｍａｘ）、空気ブロワー１４０の回転速度を増加させてＳＲ（Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ  Ｒａｔｉｏ）の空気量を増加させ、インジェクター１３０の水噴射量を増加させると共に、水噴射量の増加に合せて入口弁１１２の開度量を減らす（Ｓ１２２）。更に、水タンク１６０の現在の水位が、水位下限値より高い状態で現在の冷却チャンネル１２２の出口温度が運転目標温度未満である場合（Ｔ＜Ｔｓ±α）には、インジェクター１３０の水噴射量を減少させ、水噴射量の減少に合せて入口弁１１２の開度量を増加させる（Ｓ１２４）。即ち、冷却チャンネル１２２の空気に混合される水の量を減少させ、冷却チャンネル１２２内の圧力を高めることで、水の蒸発効果を減少させ、これを通して冷却チャンネル１２２の出口温度を運転目標温度に合せて高める。
【００７９】
そして、水タンク１６０の現在の水位が水位下限値より高い状態で現在の冷却チャンネル１２２の出口温度が運転目標温度である場合（Ｔ＝Ｔｓ±α）には、水位センサーのシグナルから水タンク１６０の現在の水位を予め設定された基準水位と比較する（Ｓ１３０）。ここで、現在の水タンク１６０の水位が基準水位を超過する場合は、現在の水タンク１６０の水位を予め設定された最大水位値と比較し（Ｓ１３１）、最大水位値未満の場合、水回収量の減少のために出口弁１７３の開度量を増加させる（Ｓ１３２）。即ち、出口弁１７３の開度量を増加させて大気に排出される排気量を増加させることで、凝縮器１７０から水タンク１６０に回収される水の量を減らし、水タンク１６０の水位を基準水位に合せて下げる。
【００８０】
一方、現在の水タンク１６０の水位が最大水位値以上の場合、空気ブロワー１４０の回転速度を増加させてＳＲ空気量を増加させ、インジェクター１３０の水噴射量を増加させると同時に、水噴射量の増加に合せて入口弁１１２の開度量を減らす（Ｓ１２２）。更に、現在の水タンク１６０の水位が基準水位未満の場合は、水噴射量の増加のために、出口弁１７３の開度量を減少させる（Ｓ１３３）。即ち、出口弁１７３の開度量を減少させて凝縮器１７０から水タンク１６０に回収される水の量を増加させることで、水タンク１６０の水位を基準水位に合せて高める。
【００８１】
図１２は燃料電池システムにおいての空気ブロワー１４０を通過した‘空気＋蒸気’の混合物がラジエーター１５０を通過せずに循環される構成例を示した図面である。図１２に示したとおり、ラジエーター１５０前端側の排出ライン１４１で分岐する空気供給ライン１５３に連結される別のバイパスライン１４２を更に設置し、排出ライン１４１においてバイパスライン１４２が分岐する位置には弁、例えば３ウェイ弁１４３を設置する。
【００８２】
３ウェイ弁１４３は燃料電池システム制御装置１０１の制御シグナルによって作動してバイパスライン１４２の入口を一部開放する弁であり、燃料電池システム制御装置１０１が外気温センサー（図１１の図面符号１０２）のシグナルから、外気温が基準温度未満の非常に低い状態であることを判断すると、３ウェイ弁１４３を動作させてバイパスライン１４２の入口を一部開放させる。即ち、外気温が低い場合、バイパスライン１４２の入口を一部開放させて空気ブロワー１４０から出てくる‘空気＋蒸気’の混合物の一部を循環させ、循環された混合物がラジエーター１５０を通過した混合物と再び合流し、燃料電池スタック１２０の空気チャンネル（カソード）１２３に供給されるようにする。
【００８３】
このように加湿空気の一部がラジエーター１５０を通過せずに循環した後、ラジエーター１５０を通過した加湿空気と混合するようにすることで、加湿空気の過冷却を防止すると同時に、適正温度の加湿空気が燃料電池スタック１２０の空気チャンネル１２３に供給される。図１３は燃料電池システムの別の応用例を示した図であり、図３の燃料電池システムが車両用として設定されたものであるのに対して、図１３の燃料電池システムは定置型冷房システムに応用された例である。
【００８４】
図１３に示したとおり、放熱部１５０としてラジエーターの代りに熱交換器を設置し、空気ブロワー１４０で圧縮された高温、高圧の‘空気＋蒸気’の混合物が熱交換器１５０を通過するようにする。この時、空気ブロワー１４０を熱交換器１５０の高温部１５０ａの入口側に連結し、熱交換器１５０の高温部１５０ａの出口側に空気供給ライン１５３を連結し、熱交換器１５０の高温部１５０ａを通過して熱を放出した‘空気＋蒸気’の混合物が空気供給ライン１５３を通して燃料電池スタック１２０の空気チャンネル１２３に供給されるようにする。
【００８５】
熱交換器１５０の高温部１５０ａを通過する‘空気＋蒸気’の混合物は低温部１５０ｂを通過する流体を加熱するための熱媒として使用されるが、熱交換器１５０の高温部１５０ａを通過する過程で、低温部１５０ｂを通過する流体に熱を放出する熱交換を行う。この熱交換により低温部１５０ｂの流体が加熱され、結局低温部１５０ｂから高温の暖房用または加熱用流体が供給される。
【００８６】
熱交換器１５０の高温部１５０ａの出口側から排出される‘空気＋蒸気’の混合物から水蒸気の一部は凝縮されて水タンク１６０に貯蔵される。残りの水蒸気を含む加湿空気（‘空気＋蒸気’）は空気供給ライン１５３を通して燃料電池スタック１２０の空気チャンネル１２３に供給されて燃料電池反応の酸化剤として使用される。
【００８７】
この実施例では、燃料電池スタック１２０の空気チャンネル１２３後端に設置された凝縮器１７０を別の水供給ライン１７４を通して熱交換器１５０の低温部１５０ｂの入口側に連結し、凝縮器１７０の冷媒として使用された水が水供給ライン１７４を通して熱交換器１５０の低温部１５０ｂに供給される。更に、熱交換器１５０の低温部１５０ｂの出口側には建物の暖房用配管、生活温水用配管、外部放熱器に連結される配管２００などを連結する。結局、凝縮器１７０から供給される水は熱交換器１５０の低温部１５０ｂを通過する間、高温部１５０ａの‘空気＋蒸気’の混合物と熱交換され、この時、高温部１５０ａから熱の供給を受けると同時に、高温部１５０ａの混合物を冷却する。
【００８８】
低温部１５０ｂを通過する間、加熱された水は建物の暖房用配管、生活温水用配管、外部放熱器の配管２００に供給され、暖房用または加熱用温水として使用され、温水として使用された水は別途の回収ライン１７５を通して再び凝縮器１７０に移動する。このように凝縮器１７０に移動した水は再び排気の蒸気を凝縮させる冷媒として使用された後、凝縮器１７０で再び熱交換器１５０の低温部１５０ｂに供給されて加熱され、凝縮器１７０、熱交換器１５０、温水配管２００を循環する。
【００８９】
このように燃料電池システムを家庭用暖房システムとして使用することができ、この時燃料電池システムを発電用として使用すると同時に、燃料電池スタックの熱を暖房用として活用するため、エネルギーの活用度を極大化することができる。既存のＰＥＭＦＣの場合、運転温度が約７０℃であり、これを熱交換させて温水を供給することは困難であったが、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１２０から出てくる約７０℃の‘空気＋蒸気’の混合物を空気ブロワー１４０で圧縮して温度を上昇させ、これを直接暖房用熱源として使用することができる。
【００９０】
空気ブロワー１４０の出口（Ｄ）で圧縮された高温、高圧の空気は約１９０℃の高温であるため、この高温、高圧の空気を熱交換器１５０で熱交換させる場合、温水を供給することが可能となる。これと同一構成の燃料電池システムは車両暖房用途として適用することができる。即ち、通常の燃料電池車両では冷却用温度が低いため、ＰＴＣヒーターなどの別の補助装置を使用して車内を暖房するが、本発明の燃料電池システムは従来のヒーターなどの補助装置を代替して車内を暖房するための用途として十分に活用が可能である。
【００９１】
もちろん、本発明の燃料電池システムは前記暖房用途以外に、車両に装着された既存の数種ヒーターを代替する加熱装置として多様に活用することができる。このように本発明の燃料電池システムを適用すると、冷却水を使用する別のスタック冷却システム、加湿器及びヒーターなどが省略されるため、システムの単純化及び構成費用の節減などが可能となる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】多孔性分離板を使用した燃料電池スタックにおいて、隣接した２個の燃料セルを示す断面図である。
【図２】多孔性分離板を使用した燃料電池スタックにおいて、冷却水が空気及び水素を加湿し、凝縮水がポンピングされる状態を示す概念図である。
【図３】本発明の好ましい実施例による燃料電池システムを図示した構成図である。
【図４】温度及び圧力の変化による絶対湿度の変化の例を示すグラフである。
【図５】温度及び圧力の変化による絶対湿度の変化の例を示すグラフである。
【図６】本発明による燃料電池システムに供給される空気の各位置別の状態を例示したグラフである。
【図７】本発明による燃料電池システムにおいての蒸発式冷却システムの各位置別状態量を示すまた別の例示図である。
【図８】本発明による燃料電池システムにおける燃料電池スタックの内部構造を示す断面図である。
【図９】本発明による燃料電池システムにおける燃料電池スタックの横断面図である。
【図１０】本発明による燃料電池システムにおけるスタックを冷却するための各構成要素の制御方法を示す順序図である。
【図１１】本発明による燃料電池システムにおけるスタックを冷却するための装置構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明による燃料電池システムにおけるバイパスラインを設置した実施例の構成図である。
【図１３】本発明による燃料電池システムの別の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００９３】
２６、２６’  多孔性分離板
２９、２９’  空気チャンネル
３０、３０’  水素チャンネル
３２、３２’  冷却水チャンネル
１０１  燃料電池システム制御装置
１１０  空気流入ライン
１１２  入口弁
１１３  空気流量センサー
１２０  燃料電池スタック
１２１  分離板
１２２  冷却チャンネル
１２２ｂ、１２３ｂ、１２４ｂ  出口マニホールド
１２３  空気チャンネル
１２２ａ、１２３ａ、１２４ａ  入口マニホールド
１２４  水素チャンネル
１２５  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２５ａ  電解質膜
１２５ｂ  アノード
１２５ｃ  カソード
１２６  気体拡散層（ＧＤＬ）
１２７  エンドプレート
１２８  タイロッド
１３０  インジェクター（水噴射手段）
１４０  空気ブロワー（空気圧縮手段）
１４１  排出ライン
１４２  バイパスライン
１４３  ３ウエイ弁
１５０  放熱部、熱交換器、ラジエーター
１５０ａ  高温部
１５０ｂ  低温部
１５１  配管
１５３  空気供給ライン
１６０  水タンク
１６１  水供給ライン
１７０  凝縮器
１７１  排気ライン
１７３  出口弁
１７５  回収ライン
１８１  温度センサー
１８２  冷却チャンネル圧力センサー
１８３  空気チャンネル圧力センサー
１８４  水位センサー
２００  温水配管
【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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【図１３】
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