(57)【要約】【課題】単電池を構成する電解質膜の劣化を抑制して燃料電池の寿命を延ばすことのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれの単電池に供給されることで発電する燃料電池１と、その発電に伴い発生する熱量を冷却水にて冷却する外部冷却装置５とを少なくとも備え、単電池を構成するセパレータの一端縁側に水素ガス入口２３と酸素ガス出口２４と冷却水入口１６を設け、他側縁に水素ガス出口２５と酸素ガス入口２６と冷却水入口１７を設け、これらガス出入り口２３〜２６の近傍に冷却水入口１６，１７を配置させるようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれの単電池に供給されることで発電する燃料電池と、その発電に伴い発生する熱量を冷却媒体で冷却する冷却手段とを、少なくとも備えた燃料電池システムにおいて、
前記単電池を構成するセパレータの一端縁側に燃料ガス及び酸化剤ガスの出入口のどちらか一方を設け、該セパレータの他端縁側に他方の出入り口を設け、さらに、該セパレータの両端縁側に冷却媒体の入口を設け、且つ、これら二つの冷却媒体の入口の間に冷却媒体の出口を設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体の出口を、前記酸化剤ガスの入口よりも出口寄りの位置に近接配置した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体を冷却する冷却装置と、この冷却装置から前記二つの冷却媒体の入口に繋がる冷却媒体流路に配置された冷却水ポンプとを備え、
前記冷却水ポンプから前記二つの冷却媒体の入口の内、前記酸化剤ガスの出口側に近い入口に繋がる冷却媒体流路に３方弁を設けると共に、該冷却水ポンプをバイパスするバイパス流路を前記冷却媒体流路に設け、さらに、前記冷却媒体の出口から前記冷却装置に繋がる冷却媒体流路に締め切り弁を設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体の入口温度が所定温度より低温の場合は、前記３方弁を前記冷却媒体の入口と前記冷却水ポンプの入口を連通する側に切り替え且つ前記締め切り弁を閉じ、
前記冷却媒体の入口温度が所定温度より高温の場合は、前記３方弁を前記冷却媒体の入口と前記冷却水ポンプの出口を連通する側に切り替え且つ前記締め切り弁を開く
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記３方弁及び前記締め切り弁を切り替える所定温度は、前記燃料電池のフラッティングが発生する温度とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記３方弁及び前記締め切り弁を切り替える所定温度は、前記酸化剤ガスが出口で凝縮して燃料ガス流路に移動する水分量が、前記燃料ガス入口で燃料ガスを略飽和するのに必要な水分量を下回る温度とした
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの出入口は、一方のガスの入口が他方のガスの出口近傍に設けられ、燃料電池運転中に、燃料ガスの反応で消費する水素が飽和する場合に含有する水分量を、酸化剤ガスの出口で凝縮する水分量が超えるように、酸化剤ガスの酸素余剰率と酸化剤ガス出口圧力を設定して運転する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体の入口と出口を複数設け、各冷却媒体の入口から流入した冷却媒体が、単電池内で混合せずにそれぞれの冷却媒体の出口から流れ出るように冷却媒体流路に仕切りを設けた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体の入口に接続され、該入口における温度を検出する温度検出手段と、
前記冷却媒体を冷却するラジエータと、
前記ラジエータの出口から前記セパレータ両端縁側に設けられた冷却媒体の各入口に繋がる本流となる第１冷却媒体流路及び第２冷却媒体流路と、
前記第１及び第２冷却媒体流路の圧力損失を可変する第１圧力損失可変手段及び第２圧力損失可変手段と、
前記冷却媒体の出口から前記ラジエータに繋がる流路から分岐して当該ラジエータをバイパスし、前記第１圧力損失可変手段の下流に合流する第１バイパス流路及び前記第２圧力損失可変手段の下流に合流する第２バイパス流路と、
前記第１バイパス流路の圧力損失を可変する第３圧力損失可変手段及び前記第２バイパス流路の圧力損失を可変する第４圧力損失可変手段とを備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環手段と、前記第１圧力損失可変手段及び第２圧力損失可変手段と、前記第３圧力損失可変手段及び第４圧力損失可変手段とを制御して燃料ガス出入口温度及び酸化剤ガス出入口温度を目標温度にする制御値をマップとして持つ制御手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記マップは、前記燃料電池の出力と、前記燃料ガスの出入口及び前記酸化剤ガスの出入口の最適な運転温度を備えている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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し、詳細には、燃料電池の延命技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池の単電池（単セル）は、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electorode Assembly）とセパレータの積層体から構成されている。単電池は、セパレータ−ＭＥＡ−セパレータという積層構造を持っており、この単電池を複数積層させることで燃料電池を構成する。
【０００３】
前記燃料電池と、この燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する供給手段と、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電した際に生じた熱量を冷却する冷却手段などを備えた燃料電池システムとしては、例えば特許文献１などのように構成されたものが知られている。
【０００４】
この燃料電池システムでは、冷却水路を２つ持ち、第１冷却流路入口と第１冷却流路出口で熱交換する熱交換器を設け、この熱交換器を出た冷却液が第２冷却流路入口に流入することで、燃料電池内の温度分布を均一化する２つの独立する冷却媒体流路を備えた構造となっている。
【特許文献１】特開２００１−２６６９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の燃料電池システムを自動車に適用し燃料電池を比較的高温で運転した場合には、第１及び第２冷却水入口部分の温度が熱交換器に流入する前の冷却水温度に対して上昇するため、飽和でない加湿状態で反応ガスが燃料電池の反応膜に流入した場合、膜を低加湿で高温の状態で用いることになるので、冷却水温度を低温状態で用いた場合に対して膜の劣化が早くなる。そのため、燃料電池の寿命が短くなってしまう。
【０００６】
そこで本発明は、上記した実状に鑑みて提案されたものであり、単電池を構成する電解質膜の劣化を抑制して燃料電池の寿命を延ばすことの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】
【０００７】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれの単電池に供給されることで発電する燃料電池と、その発電に伴い発生する熱量を冷却媒体で冷却する冷却手段とを、少なくとも備えた燃料電池システムである。そして、本発明では、単電池を構成するセパレータの一端縁側に燃料ガス及び酸化剤ガスの出入口のどちらか一方を設け、該セパレータの他端縁側に他方の出入り口を設け、さらに、該セパレータの両端縁側に冷却媒体の入口を設けると共に、これら二つの冷却媒体の入口の間に冷却媒体の出口を設けた構造としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、セパレータの両端縁側にそれぞれ冷却媒体の入口を設けることで燃料ガス及び酸化剤ガスの単電池への出入口における温度を比較的低温にすることができ、酸化剤ガスの出入口における低湿度部分の温度を下げることが可能となる。したがって、単電池を構成する電解質膜の劣化を抑制でき、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な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。
【００１０】
「第１の実施の形態」
図１は第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システムでは、燃料電池１に、コンプレッサ２より空気（酸化剤ガス）が加湿装置３を通じて供給され、また高圧水素タンク４より水素（燃料ガス）が供給される。
【００１１】
燃料電池１は、電解質膜の両面に供給された酸化剤ガスと燃料ガスを反応させることで発電し、その発電に伴い発生する発熱量を冷却水（冷却媒体）で冷却する冷却手段を構成する冷却媒体流路及び外部冷却装置５を備える。冷却水は、ラジエター等の外部冷却装置５により、前記燃料電池１で発生した発熱を大気中に放熱させて冷却水温度を低下させ、冷却水ポンプ６により再び燃料電池１に戻される。
【００１２】
燃料電池１へ供給される空気は、コンプレッサ２で吸入され加湿装置３で加湿された後、空気供給配管７を通して燃料電池１に流入し、空気排出配管８より排出され加湿装置３を通過した後、圧力調整弁９により運転圧力を調整されてシステム外へと排出される。
【００１３】
一方、燃料電池１へ供給される水素は、水素供給配管１０より流入し、水素排出配管１１より排出される。排出された余剰水素は、循環ポンプ１２により供給水素と混合されて再び燃料電池１に供給される。水素供給配管１０には、高圧水素タンク４から燃料電池１へと流れる上流側に締め切り弁３１が設けられ、その下流に調圧弁３２が設けられている。
【００１４】
また、燃料電池１へ供給される冷却水は、燃料電池１に二つ設けられた冷却媒体の入口ＩＮ１、ＩＮ２にそれぞれ繋がる第１冷却水供給流路（冷却媒体流路）１３及び第２冷却水供給流路（冷却媒体流路）１４より流入し、燃料電池１に一つ設けられた冷却媒体の出口ＯＵＴに繋がる冷却水排出流路（冷却媒体流路）１５より排出される。排出されて温度上昇した冷却水は、外部冷却装置５で冷却された後、再び燃料電池１に供給される。
【００１５】
冷却水は、燃料電池１内で単電池のそれぞれに分配して供給される。図２は、単電池１Ａ内の冷却水流路を示す説明図である。
【００１６】
冷却水は、第１冷却水供給流路１３及び第２冷却水供給流路１４を通じて、単電池１Ａに二つ設けられたそれぞれの冷却水入口（冷却媒体の入口）１６、１７よりその内部に流入する。単電池１Ａの内部では、冷却水は、分配領域１８、１９から各冷却水流路２０へと分配されて燃料電池中央に向かって流れ、合流領域２１で合流した後、冷却水出口２２（冷却媒体の出口）より冷却水排出流路１５に流出する。
【００１７】
図３は単電池を構成するセパレータに形成される水素、酸素及び冷却水の出入口を示す配置図である。セパレータ１Ｂの一側縁側には、水素ガス入口２３と、この水素ガス入口２３の左側に酸素ガス出口２４と、その右側に冷却水入口１６とが一列に配置されている。また、セパレータ１Ｂの他側縁側には、水素ガス出口２５と、この水素ガス出口２５の左側に酸素ガス入口２６と、その右側に冷却水入口１７とが一列に配置されている。
【００１８】
次に、アノード（水素）とカソード（酸素）の水移動を図４に示す。単電池を構成する膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１Ｃの左側には酸化剤ガス流路２７と冷却水流路２０が設けられ、右側には水素ガス流路２８と冷却水流路２０が設けられている。
【００１９】
アノード出口でカソード入口に当る領域ＡＯでは、水素ガス流路２８（アノード流路）において、水素の反応に伴う流路方向のガス減少により発生する凝縮水が、図中矢印Ａで示すようにアノードからカソードへ拡散する。一方、アノード入口でカソード出口に当る領域ＣＯでは、カソード出口で凝縮した水分が、図中矢印Ｂで示すようにアノード入口へ拡散する。
【００２０】
冷却水の放熱量に対する感度は、図５に示すように、外部冷却装置５の性能を固定し、冷却風の条件を固定した場合、冷却水流量が増加するとそれに伴って増加する傾向がある。この関係から、燃料電池システムの定格出力時に燃料電池１が発生する熱量Ｗ１を放熱するために必要な冷却水流量（図中Ｑ１）が決まる。また、冷却水流量を増加させると、同出力における燃料電池１の冷却水出入口温度差が小さくなり、冷却水入口温度が下がり、冷却水出口温度も下がることになる。
【００２１】
このため、本発明においては、空気及び水素の入口温度を下げることで、電解質膜（膜電極接合体１Ｃ）の乾燥を防止する。冷却水入口温度は、電解質膜の特性と要求性能で温度が決まり、これを実現する冷却水流量Ｑ２が決まる。以上より、冷却水流量は、Ｑ１より多くＱ２より少ない流量範囲Ｑｓで設定される。
【００２２】
次に、第１の実施の形態の効果について説明する。
【００２３】
本実施の形態によれば、セパレータ１Ｂの一側縁側に水素ガス入口２３と酸素ガス出口２４に近接して冷却水入口１６を設けると共に他側縁側に水素ガス出口２５と酸素ガス入口２６に近接して冷却水入口１７とを設けているので、酸素ガス入口２６及び酸素ガス出口２４付近の両方、水素ガス入口２３及び水素ガス出口２５付近の両方を外部冷却装置５によって温度が低下した冷却水で冷却することができる。したがって、酸素ガス及び水素ガスの入口から流入したガス温度、及び出口から流出するガス温度を低下させることができ、膜電極接合体１Ｃにおける電解質膜の乾燥を防止して寿命を延ばすことができる。
【００２４】
これにより、図６から図８で示す下記の効果が得られる。図６は、冷却水の流れとカソード（空気）の流れが同一方向で且つ並行となるストレート流路とした場合（並行流）において、冷却水の温度変化とカソードを流れる空気の相対湿度変化を示した模式図である。
【００２５】
冷却水は、燃料電池１の反応熱により、冷却水入口から冷却水出口に向かって温度上昇する（図５中実線で示す）。カソードの空気は、加湿装置３により加湿された後に燃料電池１に入り各単電池１Ａに配分されるが、単電池１Ａの空気入口温度は、冷却水入口温度に近い温度になり、相対湿度が定まる。空気温度は、カソード出口に向かって温度上昇し、反応による生成水量と圧力、冷却水の流量により定まる相対湿度になる。
【００２６】
燃料電池１を車輌用等の移動体に用いる場合、冷却水の外部冷却装置５の能力は限られるため、冷却水温度は例えば８０℃以上と高くなり、運転圧力を低圧にするとカソードの出口相対湿度は飽和でなくなり、低相対湿度になる。運転圧は、低圧にするほど、コンプレッサ２の消費電力が小さくなる他、コンプレッサ２を小さくし、発生音を下げられるため、車輌用等の移動体に用いる場合は、低運転圧で運転する効果が大きい。この結果、カソードの出口付近で、比較的高温低相対湿度の領域が発生し、燃料電池１の電解質膜の乾燥・劣化を促進させてしまう。
【００２７】
図７は、冷却水の流れとカソード（空気）の流れが逆向きで且つ並行となるストレート流路とした場合（対向流）において、冷却水の温度変化とカソードを流れる空気の相対湿度変化を示した模式図である。
【００２８】
冷却水は、燃料電池１の反応熱により、冷却水入口から冷却水出口に向かって温度上昇する。カソードの空気は、加湿装置３により加湿された後に燃料電池１に入り、各単電池１Ａに配分されるが、単電池１Ａの空気入口温度は、冷却水出口温度に近い温度になり、相対湿度が定まる。カソード出口に向かうほど、冷却水温度が低くなるため、空気温度が低下し、反応による生成水量と圧力、冷却水の流量により定まる相対湿度になる。冷却水とカソードの空気の流れ方向が同一の場合（図６の並行流の場合）に対し、カソードの出口温度は低くなるため、図６の場合と同じ運転条件では、カソードの空気出口相対湿度は高くなり、飽和となる運転条件範囲（燃料電池出力、運転圧等）も広くなる。
【００２９】
この結果、カソードの出口付近では、比較的温度が低く相対湿度を高くできる。しかし、カソード入口付近は、冷却水出口温度で決まる高温領域となり、比較的高温低相対湿度の領域が発生し、燃料電池１の電解質膜の乾燥・劣化を促進させてしまう。
【００３０】
次に、本実施の形態における冷却水の温度変化とカソードを流れる空気の相対湿度変化を図８に示す。カソードの入口付近には、冷却水の入口が設けられるため、この領域の相対湿度は、図６の冷却水とカソードの空気の流れ方向が同一の場合と同様になり、同運転条件では同じ相対湿度になる。冷却水の出口に向かって冷却水温度は温度上昇し、図８中Ｂ点で最高温度となる。この最高温度は、冷却水流量と燃料電池１の放熱量が同じであれば、図６及び図７と同じ温度（図中Ｂ点）になる。
【００３１】
次に、カソード入口から流入した空気は、図４を参照して前記したようにアノードからカソードへ電解質膜を通じて水分が拡散してくるため、カソード入口付近の相対湿度が高くなる。図７の対向流の場合は、カソード入口及びアノードの出口の温度が高くなるため、この付近で凝縮する水分量が少なくなり、このアノードからカソードへの水分拡散の効果は小さくなる。
【００３２】
カソードの冷却水出口付近では、冷却水温度の上昇に対応してカソード空気温度も高くなるめ、空気の相対湿度は低くなる。しかし、この冷却水出口に至るまでの領域で発生した発電に伴う生成水が、空気中に拡散する。また、上述した冷却水入口付近のアノードからの水分拡散により相対湿度の低下は抑えられ、図７の対向流の場合に比べて相対湿度は高くなる。
【００３３】
カソードの出口付近では、冷却水入口から流入する比較的低温の冷却水により、空気温度が低下し、空気相対湿度が高くなる。同じ運転条件であれば、図６の並行流、図７の対向流の場合に対して、カソード流れ方向の出口から離れた位置で空気が飽和の状態になる。
【００３４】
この結果、本実施の形態では、カソードの入口及び出口において、比較的高温で低湿度の状態を発生させないため、燃料電池１の電解質膜が乾燥し、劣化促進するのを抑制することができる。また、アノードの水素の温度と相対湿度の傾向も、カソードの空気の温度と相対湿度の関係と同様となり、アノード側でも燃料電池１の電解質膜が乾燥し、劣化促進するのを抑制する効果がある。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、アノードの出口及びカソードの出口の両方が冷却水によって冷やされるため、アノードの出口及びカソードの出口での凝縮水量が増加する。これにより、カソードの酸素余剰率（以下、カソードＳＲという）に応じて運転圧を設定することにより、燃料電池１の電解質膜が水透過容易な素材の場合、アノード出口で凝縮しカソードへ拡散した水でカソードの入口付近の空気を略飽和水蒸気状態にし、カソード出口からアノード入口へ拡散する水の量でアノード入口を略飽和水蒸気状態にすることができる。よって、本実施の形態によれば、燃料電池１の電解質膜の乾燥を防ぐことができ、当該電解質膜の寿命を延ばすことができる。
【００３６】
前記したカソードＳＲと水循環達成圧との関係は、図９に示すような傾向になり、カソードＳＲが大きくなるほどカソード入口空気が飽和になる空気（カソード）入口圧力は高くなる。また、外部冷却装置５が無い場合を図中Ｌ１とすると、外部冷却装置５を設けた場合は、図９中Ｌ２のようにカソード入口空気が飽和になる圧力が、外部冷却装置５で加湿する水分量が多くなるほど低くなる。
【００３７】
さらに、水素ガス出口２５付近に冷却水入口１７を設けることで、アノード出口温度を下げられ、アノード排ガスの温度が比較的低いので、アノード循環ガスの体積流量を抑え、循環ポンプ１２を小容量化できる。冷却水流量を、図５のＱｓの範囲に設定することにより、必要な外部冷却装置５の放熱量を確保しながら、電解質膜の乾燥を防止し膜の劣化を抑制することができる。
【００３８】
「第２の実施の形態」
次に、本発明を適用した第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の構成についてはその説明を省略し変更点のみ説明するものとする。
【００３９】
図１０は、第２の実施の形態を説明する構成図である。冷却水出口２２は、酸素ガス入口（カソード入口）２６よりも酸素ガス出口（カソード出口）２４寄りの位置に近接して配置される。また、図１１で示すように、カソード出口から冷却水出口までの距離は、アノード流路の燃料ガスがカソードからアノードに拡散する水分により、電解質膜が乾燥しないために十分な相対湿度まで加湿されるのに十分な距離Ｄｓを確保するように設定される。
【００４０】
このように、冷却水出口２２がカソード流路中央（図１１の燃料電池センター位置ＣＬ）より酸素ガス出口２４に近い位置にあるため、酸素ガス出口２４では、この出口までに発生する生成水量が中央付近より多く、また燃料電池１の発電反応により空気中の酸素が消費され、カソードを流れるドライ空気流量が小さくなる。このため、空気温度が比較的高温となる冷却水出口２２付近で空気相対湿度を高くできることによって、より電解質膜の乾燥を防止することができ、当該電解質膜の劣化を抑制できる。
【００４１】
「第３の実施の形態」
次に、本発明を適用した第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の構成についてはその説明を省略し変更点のみ説明するものとする。
【００４２】
図１２は、第３の実施の形態を説明する構成図である。単電池１Ａは、冷却水入口１６、１７の２箇所と、冷却水出口２２、２９の２箇所と、冷却水流路２０を二つに仕切る仕切り部３０とを備える。２つの冷却水入口１６、１７は、単電池１Ａの対角線上にそれぞれ設けられる。また、冷却水出口２２、２９は、単電池１Ａの左右にそれぞれ設けられる。
【００４３】
そして、この単電池１Ａでは、一方の冷却水入口１６より流入した冷却水は、冷却水流路２０の仕切り部３０まで流れ、この仕切り部３０で転向し、一方の冷却水出口２２より流出する。また、他方の冷却水入口１７より流入した冷却水は、冷却水流路２０の仕切り部３０まで流れて、この仕切り部３０で転向し、他方の冷却水出口２９より流出する。これら２つの冷却水入口１６、１７からそれぞれ流入した冷却水は、仕切り部３０で流れを仕切られ、混合することなく、夫々の出口２２、２９より流出する。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、この２つの冷却水入口１６、１７から流入した流れは、仕切り部３０で流れを仕切られ、混合することなく、夫々の出口２２、２９より流出するため、冷却水が混合することで発生する圧力損失を無くすことができ、燃料電池内の冷却水流路圧損を低下させることができる。したがって、冷却水ポンプ６の仕事量を小さくし、消費電力を小さくすることができ、燃料電池システム効率を向上させることが可能となる。
【００４５】
「第４の実施の形態」
次に、本発明を適用した第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は、第１の実施の形態と同様の構成についてはその説明を省略し変更点のみを説明するものとする。
【００４６】
図１３は、第４の実施の形態を説明する構成図である。本実施の形態では、冷却水ポンプ６の出口に第１の冷却水配管３３と３方弁３４を設けると共に、３方弁３４と冷却水ポンプ６の入口を接続して当該冷却水ポンプ６をバイパスする第２の冷却水配管３５を設ける。また、冷却水排出流路１５には、締め切り弁３６を設ける。
【００４７】
３方弁３４は、カソード出口に近い側の第１冷却水供給流路１３と冷却水ポンプ６の入口を連通させるか、この第１冷却水供給流路１３と冷却水ポンプ６の出口を連通させるかを切り替える。言い換えれば、３方弁３４は、外部冷却装置５から燃料電池１へ供給する冷却水を、冷却水ポンプ６をバイパスさせ第２の冷却水配管３５を介して第１冷却水供給流路１３へと送るか、或いは、外部冷却装置５から第２の冷却水配管３５を通らずに直接第１の冷却水配管３３を介して第１冷却水供給流路１３へと送る。
【００４８】
冷却水の入口温度（燃料電池１への入口温度）が所定温度以下の場合の冷却水流路を図１４で示し、所定温度以上の場合の冷却水流路を図１５で示す。
【００４９】
冷却水の入口温度が所定温度以下の場合は、図１４に示すように、３方弁３４を第１冷却水供給流路１３と冷却水ポンプ６の入口を連通させる側に切り替え、冷却水排出流路１５に設けた締め切り弁３６を閉にする。これにより、冷却水は、外部冷却装置５から冷却水ポンプ６をバイパスして第２の冷却水配管３５から第１冷却水供給流路１３へと流れ燃料電池１に供給されるが、当該燃料電池１からは冷却水排出流路１５へは排水されない。
【００５０】
一方、冷却水の入口温度が所定温度以上の場合は、図１５に示すように、３方弁３４を第１冷却水供給流路１３と冷却水ポンプ６の出口を連通させる側に切り替え、冷却水排出流路１５に設けた締め切り弁３６を開にする。これにより、冷却水は、外部冷却装置５から第２の冷却水配管３５を通らずに冷却水ポンプ６によって直接第１冷却水供給流路１３へと流れ燃料電池１に供給された後、冷却水排出流路１５へと排水される。
【００５１】
前記冷却水の入口温度の所定温度は、燃料電池１のフラッティング（水によってガス拡散層が機能せず、反応がし難くなる現象）が発生しにくくなる温度条件を実験等で評価し確認した温度で、しかも、燃料電池１で、カソード出口で発生する凝縮水がアノード側に拡散することにより、アノード入口にて、燃料ガスが略飽和まで加湿される上限以下の温度とする。
【００５２】
このアノード入口の水素が略飽和する状態が達成できなくなる温度は、燃料電池１の単電池電圧の低下と冷却水温度及び運転条件の関係を事前に実験評価して、温度条件を求めておくか、運転中の燃料電池単電池電圧を測定することにより、決めることができる。
【００５３】
本実施の形態によれば、冷却水の入口温度の所定温度で、冷却水とカソードの空気流れを、並行流から本発明の冷却水入口２箇所に切り替えることで、燃料電池システムが起動直後で冷却水温度が低い場合、カソード出口温度が低温だと、燃料電池１内に留まる凝縮水量が増加し、フラッティングし易くなるが、この冷却水流路切り替えで、暖機前は冷却水とカソード流れを並行流とすることで、カソード出口温度を比較的上げることができるので、フラッティングしにくくなる。また、カソードの凝縮水流量が少なくなった場合に、冷却水流路を切り替えることで、電解質膜の乾燥を防止し、当該電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００５４】
「第５の実施の形態」
次に、本発明を適用した第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の構成についてはその説明を省略し変更点のみを説明するものとする。また、第１の実施の形態と同一の構成部分に関しては、同一の符号を付しその説明は省略するものとする。
【００５５】
図１６は、第５の実施の形態を説明する構成図である。第５の実施の形態では、燃料電池１に燃料ガスと酸化剤ガスを供給する各ガス供給機構は第１の実施の形態と同様であるが、冷却水を供給する冷却水供給機構が第１の実施の形態とは相違する。
【００５６】
本実施の形態では、冷却水は、ラジエータなどの外部冷却装置５の出口から燃料電池１における冷却媒体の各入口ＩＮ１、ＩＮ２に繋がる本流となる第１冷却水供給流路（第１冷却媒体流路）１３及び第２冷却水供給流路（第２冷却媒体流路）１４を通じて、前記した図２で示す単電池１Ａの冷却水入口（冷却媒体の入口）１６、１７よりその内部に流入する。単電池１Ａの内部では、冷却水は、分配領域１８、１９から各冷却水流路２０へと分配されて燃料電池中央に向かって流れ、合流領域２１で合流した後、冷却水出口２２（冷却媒体の出口）より冷却水排出流路１５に流出する。排出された冷却水は、冷却水ポンプ（冷却媒体循環手段）６により再循環され、外部冷却装置５へと戻されて所定温度に再び冷却される。
【００５７】
第１冷却水供給流路１３には、この第１冷却水供給流路１３の圧力損失を可変する第１流量調整バルブ（第１圧力損失可変手段）４０が設けられている。同様に、第２冷却水供給流路１４には、この第２冷却水供給流路１４の圧力損失を可変する第２流量調整バルブ（第２圧力損失可変手段）４１が設けられている。
【００５８】
また、前記冷却水ポンプ６の下流且つ外部冷却装置５の上流である冷却水排出流路１５には、外部冷却装置５をバイパスし、第１流量調整バルブ４０の下流に合流する第１バイパス流路４２及び第２流量調整バルブ４１の下流に合流する第２バイパス流路４３が接続されている。第１バイパス流路４２には、この第１バイパス流路４２の圧力損失を可変する第３流量調整バルブ（第３圧力損失可変手段）４４が設けられている。同様に、第２バイパス流路４３には、この第２バイパス流路４３の圧力損失を可変する第４流量調整バルブ（第４圧力損失可変手段）４５が設けられている。
【００５９】
また、本実施の形態では、燃料電池１の冷却媒体各入口ＩＮ１、ＩＮ２に接続され、該入口ＩＮ１、ＩＮ２における温度を検出する冷却水温度センサ（温度検出手段）４７、４８がそれぞれ設けられている。そして、この実施の形態では、冷却水ポンプ６と、第１流量調整バルブ４０と、第２流量調整バルブ４１と、第３流量調整バルブ４４と、第４流量調整バルブ４５とを制御してそれぞれの流路１３、１４、４２、４３に流れる冷却水の流量を制御する。これらの制御は、燃料電池１に２つ設けた冷却媒体の各入口ＩＮ１、ＩＮ２の温度を検出する冷却水温度センサ４７、４８の測定結果を基にして予め運転パターンを決めて置いたマップに従い、前記各バルブ４０、４１、４４、４５の開度を調整する制御装置（制御手段）４６にて運転制御される。
【００６０】
マップは、図１７に示すように、酸化剤ガス（カソードガス）と燃料ガス（アノードガス）の燃料電池１への出入口におけるあり得る状態（現象）を全て書き出し、その組み合わせを表に纏め、各現象のときに最適な運転状態が得られるように各流路に配置された各バルブ４０、４１、４４、４５と冷却水ポンプ６を制御する動作（対応）を求めた運転温度のマップである。また、このマップは、燃料電池の出力と、燃料ガスの出入口と、酸化剤ガスの出入口の最適な運転温度を備えている。
【００６１】
なお、図１７では、バルブの開閉状態として表記しているが、実際には、そのバルブの開閉値は具体的な数値で表される。その具体的な数値は、実験やシュミレーションで求められる。また、図１７では、各バルブを開閉したときの冷却媒体の入口の流量を流量増、流量減、変化無しと表記しているが、実際には、冷却媒体の入口温度で表される。
【００６２】
例えば、図１７の一番上の現象、すなわちカソードガス入口で低加湿（電解質膜の加湿状態が不十分な状態）、カソードガス出口でドライアウト（水収支が取れずどんどん水が無くなり乾燥した状態）、アノードガス出口でドライアウト、アノードガス入口で低加湿である場合は、カードガス出入口及びアノードガス出入口どちらもドライアウト若しくは低加湿であるため、ガス温度を低下させる必要があることから第１バイパス流路４２と第２バイパス流路４３に冷却水を流さず、冷却水の全流量を外部冷却装置５で冷却して冷却媒体入口ＩＮ１、ＩＮ２に供給して冷却水の流量を増加させる。
【００６３】
これを実現するために、第１流量調整バルブ４０と第２流量調整バルブ４１を共に開き、第３流量調整バルブ４４と第４流量調整バルブ４５を閉じ気味にする。このように各バルブ４０、４１、４４、４５の開度を調整することで、冷却水の流量を増やし燃料電池１の冷却媒体入口ＩＮ１、ＩＮ２に入る冷却水温度を低くできる。このとき、バルブ４０、４１、４４、４５だけで温度を低下させることが出来ない場合は、冷却水ポンプ６を制御して冷却水の流量を増やすことで冷却水全体の温度を下げて対応する。
【００６４】
なお、カソードと違い生成水が供給され難いアノードの方がドライアウトになり易いため、水の移動（電気浸透水）はアノードからカソードなのでバルブ開度としては、第１流量調整バルブ４０＞第２流量調整バルブ４１とする。
【００６５】
逆に、カソードガス入口で高加湿（電解質膜の加湿状態が充分な状態）、カソードガス出口でフラッディング（水によってガス拡散層が機能せず、反応がし難くなる現象）、アノードガス出口でフラッディング、アノードガス入口で高加湿である場合は、カードガス出入口及びアノードガス出入口どちらもフラッディング若しくは高加湿であるため、ガス温度を上昇させる必要があることから外部冷却装置５を通らない冷却水を増やし、冷却媒体入口ＩＮ１、ＩＮ２に供給する冷却水の温度を高くする。
【００６６】
これを実現するために、第１流量調整バルブ４０と第２流量調整バルブ４１を共に開じ気味にし、第３流量調整バルブ４４と第４流量調整バルブ４５を開き気味にする。このように各バルブ４０、４１、４４、４５の開度を調整することで、外部冷却装置５を通る冷却水の流量を減らし燃料電池１の冷却媒体入口ＩＮ１、ＩＮ２に入る冷却水温度を高くできる。このとき、バルブ４０、４１、４４、４５だけで温度を上昇させることが出来ない場合は、冷却水ポンプ６を制御して冷却水の流量を減らすことで冷却水全体の温度を上げて対応する。
【００６７】
制御装置４６は、冷却水温度センサ４７、４８からの測定結果により、予め求めて置いた運転パターンを記憶したマップからカソードガス出入口とアノードガス出入口の各状態（現象）に応じて各バルブ４０、４１、４４、４５を開閉操作し、また必要に応じて冷却水ポンプ６の駆動を制御する。この他、制御装置４６は、燃料電池１の現在の運転状態（発電電力、運転圧力、空気流量、水素流量などの緒条件）を検出する機能もする。この運転制御に際しては、ドライアウト防止、低加湿防止、フラッディング防止の順に優先度を決めて、高温低加湿状態での電解質膜の劣化を極力抑制するようにする。
【００６８】
ドライアウトを最優先とするのは、乾燥によって電解質膜の劣化に即刻繋がるからである。低加湿をその次に優先とするのは、膜の低加湿により水を伴って電解質膜の膜内を移動する水素の移動量が低下し、結果Ｉ−Ｖ性能（燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して燃料電池コントローラより電流取り出しの指示を出した場合に取り出せる電流と電圧の関係）が低下するためである。フラッディングよりも優先度が高いのは、ドライアウトに繋がり易いためである。フラッディングでは、電解質膜を水が覆うため、燃料ガスの膜への移動が困難となり、Ｉ−Ｖ性能が低下する。
【００６９】
例えば、カソードガス出入口とアノードガス出入口の一方がドライアウト状態で、他方が高加湿状態であった場合、ドライアウト解消のために第３流量調整バルブ４４及び第４流量調整バルブ４５を閉じ、本流の第１流量調整バルブ４０及び第２流量調整バルブ４１を開放して燃料電池１への冷却媒体入口ＩＮ１、ＩＮ２における冷却水温度を低下させる。
【００７０】
図１８は、マップを作成するためにカソードガス入口とアノードガス出口における状態を判断するフローチャート、図１９は、同様にカソードガス出口とアノードガス入口における状態を判断するフローチャートである。
【００７１】
図１８のフローチャートでは、カソードガス入口とアノードガス出口における状態を判断するには、先ず、ステップＳ１の処理で燃料電池１の一方の冷却媒体（冷却水）入口ＩＮ１における温度を測定する。かかる温度測定は、一方の冷却水温度センサ４７から求める。次に、ステップＳ２の処理で制御装置４６から現在の燃料電池１の運転情報を求める。かかる運転情報は、燃料電池１の発電電力と発電に必要な運転圧力、空気流量、水素流量などの緒条件である。
【００７２】
そして、ステップＳ３の処理では、カソード及びアノードの湿度を最適値に保つために、予め持っている出力と運転圧力に応じた最適な温度マップ（図１７のマップ）と、その前のステップＳ１、Ｓ２で得た燃料電池１のカソード及びアノードの温度を比較する。
【００７３】
次に、ステップＳ４の処理では、冷却水温度センサ４７で求めた冷却水入口温度がカソード入口最適温度の閾値以上であるか否かを判断する。前記判断がＹＥＳであれば、ステップＳ５でカソード入口は低加湿状態であると判断し、ＮＯであれば、ステップＳ６でカソード入口は最適な加湿状態であると判断する。
【００７４】
そして、ステップＳ７の処理では、冷却水温度センサ４７で求めた冷却水入口温度がアノード出口最適温度の閾値以上であるか否かを判断する。前記判断がＹＥＳであれば、ステップＳ８でアノード出口はドライアウト状態である判断し、ＮＯであれば、ステップＳ９でさらに、冷却水温度センサ４７で求めた冷却水入口温度がアノード出口最適温度の閾値以下であるか否かを判断する。前記判断がＹＥＳであれば、ステップＳ１０でアノード出口はフラッディング状態であると判断し、ＮＯであれば、ステップＳ１１でアノード出口は最適な加湿状態であると判断する。
【００７５】
同様に、図１９のフローチャートでは、カソードガス出口とアノードガス入口における状態を判断するには、先ず、ステップＳ１２の処理で燃料電池１の他方の冷却媒体入口ＩＮ２における温度を測定する。かかる温度測定は、他方の冷却水温度センサ４８から求める。次に、ステップＳ１３の処理で制御装置４６から現在の燃料電池１の運転情報を求める。
【００７６】
そして、ステップＳ１４の処理では、カソード及びアノードの湿度を最適値に保つために、予め持っている出力と運転圧力に応じた最適な温度マップ（図１７のマップ）と、その前のステップＳ１２、Ｓ１３で得た燃料電池１のカソード及びアノードの温度を比較する。
【００７７】
次に、ステップＳ１５の処理では、冷却水温度センサ４８で求めた冷却水入口温度がアノード入口最適温度の閾値以上であるか否かを判断する。前記判断がＹＥＳであれば、ステップＳ１６でアノード入口は低加湿状態であると判断し、ＮＯであれば、ステップＳ１７でアノード入口は最適な加湿状態であると判断する。
【００７８】
そして、ステップＳ１８の処理では、冷却水温度センサ４８で求めた冷却水入口温度がカソード出口最適温度の閾値以上であるか否かを判断する。前記判断がＹＥＳであれば、ステップＳ１９でカソード出口はドライアウト状態である判断し、ＮＯであれば、ステップＳ２０でさらに、冷却水温度センサ４８で求めた冷却水入口温度がカソード出口最適温度の閾値以下であるか否かを判断する。前記判断がＹＥＳであれば、ステップＳ２１でカソード出口はフラッディング状態であると判断し、ＮＯであれば、ステップＳ２２でカソード出口は最適な加湿状態であると判断する。
【００７９】
本実施の形態では、図１８及び図１９で求めたカソードガス出入口及びアノードガス出入口の各状態の取り得る全てのパターンを図１７のマップとし、制御装置４６が、そのマップを基に電解質膜を最適な温度及び湿度として燃料電池１を運転する。このとき、制御装置４６は、燃料電池１の出力と冷却水温度センサ４７、４８より酸化剤ガス出口の湿度状況を予測し、低加湿状況にあると判断した場合は酸素余剰率を低下させ、燃料電池１の出口圧力を上げる指令を与えると共に、回転数の低下と圧力比の増加の指令をコンプレッサ２（正確にはコンプレッサ２に備えてあるコンプレッサコントローラ）に与える。逆に、高加湿、凝縮水が発生する状況にある場合は、制御装置４６がコンプレッサ２に対して回転数の増加と圧力比の低下の指令を与える。
【００８０】
本実施の形態によれば、燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガスそれぞれの該燃料電池への出入口温度を比較的低温にすることができるため、酸化剤ガス出入口と燃料ガス出入口において水素と酸素による反応が最も進む最適な湿度を確保することができる。
【００８１】
また、本実施の形態によれば、燃料ガス出口における燃料ガス温度を比較的低温にすることができるため、アノード循環ガスの体積流量を抑え、水素を循環させる循環ポンプ１２を小型化することができる。
【００８２】
また、本実施の形態によれば、ラジエータから燃料電池への本流に圧力損失を調整する装置を持ち、冷却媒体をラジエータからバイパスさせるバイパス流路とそのバイパス流路の圧力損失を可変（調整）する装置をもつことで、温度の違う冷却媒体を異なる流量で循環させることができるので、燃料電池への冷却媒体入口温度を目標とする温度に調整することができる。同時に、各装置それぞれが独自に動くことが可能であるので、冷却媒体の温度と流量を自在にコントロールすることができる。
【００８３】
また、本実施の形態によれば、冷却媒体が流れる本流とバイパス流路をそれぞれ２つに分岐した流路を持つので、燃料電池の両端に入る冷却媒体の温度をそれぞれ独立して制御することができる。
【００８４】
また、本実施の形態によれば、予め燃料電池両端の出力に対するそれぞれの目標温度（出力に対してアノードガス及びカソードガスの湿度を適正に保つために最適な冷却媒体温度を目標温度とする）と各流路（本流及びバイパス流路）の圧力損失を変化させる装置の制御値をマップで持つので、状況に応じてすばやく冷却媒体を目標温度として燃料電池の冷却媒体入口に供給し、電解質膜の膜乾燥と劣化を抑制することができる。
【００８５】
また、本実施の形態によれば、電解質膜が乾燥するカソード入口、アノード入口では、逆流路（カソードの逆流路はアノード、アノードの逆流路はカソード）の出口側で飽和に必要な凝縮水を発生させる、膜中の水分拡散により流入したガスに持ち去られる水分を供給することで、膜乾燥を防止する。例えば、カソード入口が乾燥しているときは、その逆流路にあるアノード出口で凝縮水を発生させて膜乾燥を防止する。
【００８６】
また、本実施の形態によれば、予め燃料電池の出力とアノードガス出入口（燃料ガスの出入口）、カソードガス出入口（酸化剤ガスの出入口）の最適な運転温度マップを備えるので、それぞれの出入口状態の判断を行いたい場合は、燃料電池への冷却媒体入口温度のみを想定すれば出入口状態を判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態における単電池内の冷却水流路を示す説明図である。
【図３】第１の実施の形態における単電池の流体出入口位置を示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態においてアノードとカソードの水移動を示す説明図である。
【図５】第１の実施の形態における冷却水流量を設定するための説明図である。
【図６】従来構成の問題点を示す説明図である。
【図７】従来構成の問題点を示す説明図である。
【図８】第１の実施の形態の効果を示す説明図である。
【図９】第１の実施の形態の効果を示す説明図である。
【図１０】第２の実施の形態における単電池内の冷却水流路を示す説明図である。
【図１１】第２の実施の形態においてアノードとカソードの水移動を示す説明図である。
【図１２】第３の実施の形態における単電池内の冷却水流路を示す説明図である。
【図１３】第４の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図１４】第４の実施の形態において、冷却水の入口温度が所定温度以下の場合の運転方法を示す説明図である。
【図１５】第４の実施の形態において、冷却水の入口温度が所定温度以上の場合の運転方法を示す説明図である。
【図１６】第５の実施の形態を説明する構成図である。
【図１７】燃料電池を最適な条件で運転するためのマップである。
【図１８】カソードガス入口とアノードガス出口における状態を判断するフローチャートである。
【図１９】カソードガス出口とアノードガス入口における状態を判断するフローチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
１…燃料電池
１Ａ…単電池
１Ｂ…セパレータ
１Ｃ…膜電極接合体（電解質膜）
２…コンプレッサ
３…加湿装置
４…高圧水素タンク
５…外部冷却装置
６…冷却水ポンプ
７…空気供給配管
８…空気排出配管
１３…第１冷却水供給流路（冷却媒体流路）
１４…第２冷却水供給流路（冷却媒体流路）
１５…冷却水排出流路（冷却媒体流路）
１６，１７…冷却水入口（冷却媒体の入口）
２２，２９…冷却水出口
２３…水素ガス入口
２４…酸素ガス出口
２５…水素ガス出口
２６…酸素ガス入口
２７…酸化剤ガス流路
２８…水素ガス流路
３３…第１の冷却水配管
３４…３方向弁
３５…第２の冷却水配管
３６…締め切り弁
４０…第１流量調整バルブ（第１圧力損失可変手段）
４１…第２流量調整バルブ（第２圧力損失可変手段）
４２…第１バイパス流路
４３…第２バイパス流路
４４…第３流量調整バルブ（第３圧力損失可変手段）
４５…第４流量調整バルブ（第４圧力損失可変手段）
４６…制御装置（制御手段）
４７、４８…冷却水温度センサ（温度検出手段）
ＡＯ…アノード出口付近
ＣＯ…カソード出口付近
Ｑ１…放熱限界冷却水流量
Ｑ２…電解質膜乾燥限界流量
Ｑｓ…冷却水流量設定範囲
Ｗ１…燃料電池発生熱量
ＣＬ…カソード流路中央
Ｄｓ…アノード入口ガスの加湿に必要な距離
【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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【図１４】
2007087918.tif 000016
【図１５】
2007087918.tif 000017
【図１６】
2007087918.tif 000018
【図１７】
2007087918.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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