(57)【要約】【課題】水の到達量のムラを減少する。【解決手段】ノズル５５ａから拡散角度αで拡散噴射された水は、短辺ＳＬｂまでの領域Ｒ１に水が到達する。その後、ノズル５５ａからの水の最大到達領域ＭＲ１は短辺ＳＬｂから短辺ＳＬａに漸近する。ノズル５５ｂからは最初は水が噴射しない。その後、最大到達領域ＭＲｂは、短辺ＳＬｂから短辺ＳＬａに漸近する。そして、最大到達領域ＭＲａと最大到達領域ＭＲｂとを一致させるようにして、ノズル５５ａ、５５ｂ各々からの水の到達領域に同時に重なる重なり領域を形成し、最大到達領域ＭＲａと最大到達領域ＭＲｂとが長方形の長辺ＬＬに沿って周期的に移動させようにして、上記重なり領域が移動して開口９４０の全領域をカバーするようにしている。【選択図】図１５
2007294442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
酸化ガスを燃料電池スタックへ送り込む送風手段と、
前記送風手段からのガス流を各導入口へ分配する酸化ガスマニホールドと、
前記送風手段から前記酸化マニホールドへ酸化ガスを導くとともに、横断面積が酸化マニホールドへ向けて増加する導風路と、
前記導入口を覆う導入口被覆領域に向かって水を霧状に噴射する複数のノズルと、
前記複数のノズル各々に水を供給すると共に、供給圧が可変な複数の供給手段と、
前記複数の供給手段を制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記複数のノズル各々は、前記導入口被覆領域を挟んで対向しかつ他のノズルから噴射された水の到達予定領域に隣接する領域に水を到達可能な位置に配置され、
前記制御手段は、前記複数のノズル各々からの水の到達領域に同時に重なる重なり領域があり、かつ、該重なり領域が移動して前記導入口被覆領域をカバーするように、前記複数の供給手段を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電解質膜の温度を推定する推定手段を備え、
前記制御手段は、前記推定手段により推定された前記電解質膜の温度に基づいて、前記噴射された水による前記電解質膜の保湿効果が維持されるように前記複数の供給手段を制御する、
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３】
前記制御手段は、前記推定された温度の変化に従って、前記重なり領域の移動周期及び前記導入口被覆領域への水の到達量の少なくとも一方が変化するように前記複数の供給手段を制御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４】
前記導入口被覆領域の前記導入口面と平行な断面が長方形であり、
前記制御手段は、前記重なり領域が前記長方形の対向する一対の辺に沿って移動するように前記複数の供給手段を制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数のノズル各々は、前記長方形の対向する一対の辺側に配置されると共に、前記長方形の対向する他の一対の辺の中点を通る角度以上の拡散角度で水を噴射することを特徴とする請求項４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、燃料電池システムにかかり、より詳細には、電解質膜を使用すると共に、該電解質膜に水分を供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として空気中の酸素）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。このように電解質膜を介してイオンを取り出している際に、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。よって、良好なイオン伝導を保つために電解質膜に水分を供給する必要がある。
【０００３】
ところで、所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、上記のようにイオンを取り出す際に、酸素極において空気中の酸素と反応して生成された水は、電解質膜中を酸素極から燃料極へ逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好適な湿潤状態に維持することができるため、燃料極側で燃料ガスを加湿する必要がない。しかし、酸素極側において、導入される酸化ガス流により、電解質膜の酸素極側の水分が蒸発するため、電解質膜の酸素極側の水分が不足する。そこで、酸化ガスを加湿して、加湿された酸化ガスで電解質膜の酸素極に水分を供給している。
【０００４】
しかし、電解質膜は燃料電池スタック内に埋もれているので、燃料電池システムの作動中に水が確実に供給されているか否かを外部から確認することは非常に困難である。従って、電解質膜の酸素極に水分が高い蓋然性で供給される必要がある。  
そこで、空気マニホールドを挟んで対向するように一対のノズルを２組並べるとともに、この２組のノズル対の噴射された水の到達予定領域によってカバーできない領域をカバーしかつ互いの到達予定領域が隣接するように一対のノズルを、対向すると共にずらして配置する水直噴射型燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平11−317235号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記水直噴射型燃料電池システムでは、２組のノズル対各々は、各ノズルの水の到達予定領域が重なるように、水の噴射方向の中心軸を一致させて配置しているのに対し、この２組のノズル対の水の到達予定領域によってカバーできない領域をカバーするように更に設けられた一対のノズルは、各ノズルの水の到達予定領域が重ならず隣接するように、水の噴射方向の中心軸をずらして配置しているので、２組のノズル対各々の到達予定領域と、この２組のノズル対によってカバーできない領域をカバーするように更に設けられた一対のノズルの水の到達予定領域とでは、それぞれの領域に到達する水の量が異なる。よって、水の到達量にムラが生ずる。  
本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、水の到達量のムラを減少可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。  
（１）    燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
酸化ガスを燃料電池スタックへ送り込む送風手段と、
前記送風手段からのガス流を各導入口へ分配する酸化ガスマニホールドと、
前記送風手段から前記酸化マニホールドへ酸化ガスを導くとともに、横断面積が酸化マニホールドへ向けて増加する導風路と、
前記導入口を覆う導入口被覆領域に向かって水を霧状に噴射する複数のノズルと、
前記複数のノズル各々に水を供給すると共に、供給圧が可変な複数の供給手段と、
前記複数の供給手段を制御する制御手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記複数のノズル各々は、前記導入口被覆領域を挟んで対向しかつ他のノズルから噴射された水の到達予定領域に隣接する領域に水を到達可能な位置に配置され、
前記制御手段は、前記複数のノズル各々からの水の到達領域に同時に重なる重なり領域があり、かつ、該重なり領域が移動して前記導入口被覆領域をカバーするように、前記複数の供給手段を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【０００７】
（２）  前記電解質膜の温度を推定する推定手段を備え、
前記制御手段は、前記推定手段により推定された前記電解質膜の温度に基づいて、前記噴射された水による前記電解質膜の保湿効果が維持されるように前記複数の供給手段を制御する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００８】
（３）  前記制御手段は、前記推定された温度の変化に従って、前記重なり領域の移動周期及び前記導入口被覆領域への水の到達量の少なくとも一方が変化するように前記複数の供給手段を制御することを特徴とする上記（２）に記載の燃料電池システム。
【０００９】
（４）  前記導入口被覆領域の前記導入口面と平行な断面が長方形であり、
前記制御手段は、前記重なり領域が前記長方形の対向する一対の辺に沿って移動するように前記複数の供給手段を制御する、
ことを特徴とする上記（１）乃至（３）の何れかに記載の燃料電池システム。
【００１０】
（５）    前記複数のノズル各々は、前記長方形の対向する一対の辺側に配置されると共に、前記長方形の対向する他の一対の辺の中点を通る角度以上の拡散角度で水を噴射することを特徴とする上記（４）に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、複数のノズル各々からの水の到達領域に同時に重なる重なり領域があり、かつ、該重なり領域が移動して導入口被覆領域をカバーするようにしているので、導入口被覆領域に到達する水の量のムラを減少させることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明によれば、電解質膜の温度に基づいて、電解質膜の保湿効果を維持しているので、電解質膜のイオン伝導の効果を維持することができる。  
請求項３記載の発明によれば、前記推定された温度の変化に従って、前記重なり領域の移動周期及び前記導入口被覆領域への水の到達量の少なくとも一方を変化させているので、電解質膜の保湿効果を維持することができ、電解質膜のイオン伝導の効果を維持することができる。  
請求項４記載の発明によれば、被覆領域の導入口面と平行な断面が長方形であり、上記重なり領域が該長方形の対向する一対の辺に沿って移動するようにしているので、導入口被覆領域に到達する水の量のムラを減少させることができる。  
請求項５記載の発明によれば、複数のノズル各々は、上記長方形の対向する一対の辺側に配置されると共に、上記長方形の対向する他の一対の辺の中点を通る角度以上の拡散角度で水を噴射するので、導入口被覆領域に到達する水の量のムラをより減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００１４】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図、図５は、集電部材３、４及び隔壁７の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
【００１５】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９と、集電部材3、４の間に介挿された隔壁７とを備えている。隔壁７によって、燃料ガスと酸化ガスの直接の接触(混合)が阻止される。集電板である集電部材３、４と隔壁７は、金属で構成されている。集電部材３、４と隔壁７の構成金属は、それぞれ導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。耐食導電処理としては、例えば、金メッキなどか挙げられる。集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。
【００１６】
凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、図３に示されているように、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、図５に示されているように、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材３の両端部は、セパレータ１３を積層した場合に形成される水素供給路(１７a又は１７b)に及んでいる。
【００１７】
集電部材４は、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行(鉛直方向)に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。集電部材４は、網体であるため当接部４２１が接触する部分においても孔４２０を介して酸化ガス(空気中の酸素)を供給することができる。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっている。
【００１８】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３は、それぞれ隔壁７の表裏面に当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。また、中空部４１からは、集電部材４の網目を介して酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０、中空部４１を通過する空気中に含有される酸素である。
【００１９】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及び流入開放口４５から流出開放口４６までの中空部４１、並びにこれらの集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（酸化ガス室）として機能する。
【００２０】
隔壁７の両端部には、通気孔７３が形成されており、通気孔７３の長辺は、集電部材３の短辺と同じ長さに形成されており、通気孔７３は、水素供給路(１７a又は１７b)を構成する。
【００２１】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材３を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３を収容する凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、交互に配された複数の水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
【００２２】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８及び隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材４を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔９３ａ、９３ｂが形成されている。  
枠体９の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体９の対向する一対の長辺に沿って溝９４１、９５１がそれぞれ形成され、溝９４１、９５１内に集電部材４の上下端部が収容される。溝９４１、９５１と集電部材４で構成された通路は、酸素室に連通している。
【００２３】
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。上記溝９４１の集電部材４の上端に有する開口部の集合体によって、燃料電池スタック１００の上面には、矩形状の開口９４０（導入口被覆領域（断面は長方形））が形成され、この開口９４０に、空気マニホールド５４から空気が流入する。
【００２４】
図６は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ2）等が挙げられる。
【００２５】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図７は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、第１及び第２のノズル５５a、５５bから噴射された水が同時に流入する。この第１及び第２のノズル５５a、５５bは、水を液滴の状態（霧状）で、燃料電池スタック１００に供給する。導入口４３から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。また、燃料電池スタック１００の底面には、図7に示されている導入口４３に対向する位置に、多数の導出口４４が開口し、この導出口４４から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口４３は、燃料電池スタック１００の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口４４は、燃料電池スタック１００の底面に、縦横に多数開口することとなる。
【００２６】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口には、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００２７】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。  
空気導入路１２３の下流側では、空気マニホールド５４内の直前位置に、各々上記開口９４０へ冷却水を霧状に噴射する第1のノズル５５aと、第1のノズル５５aに対して、開口９４０を挟んで反対側に第2のノズル５５bと、が設けられている。この第１及び第２のノズル５５a、５５bは、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。フィルタ１２１から空気マニホールド５４への具体的構成は後述する。
【００２８】
燃料電池スタック１００の導出口４４には、排気マニホールド５３Ａ１が接続され、導出口４４から排出された空気は、排気マニホールド５３Ａ１によって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。なお、排気マニホールド５３Ａの導出口４４側には、導出口４４から排出された空気の温度を検出するセンサS１１が設けられている。なお、導出口４４から排出された空気は、高分子電解質膜１５ａに接触した後に排出されるので、その温度を検出することは、高分子電解質膜１５ａの温度を推定することに相当する。
【００２９】
空気ダクト１２４は、導出口４４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。
【００３０】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水を第１及び第２のノズル５５ａ、５５ｂへ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、フィルタ６４が設けられると共に、供給手段である、第１のノズル５５ａに水を供給する第１のポンプ６１ａ及び第２のノズル５５ｂに水を供給する第２のポンプ６１ｂが順に設けられている。水タンク５３１には、水位センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。
【００３１】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００３２】
次に、空気供給系１２の具体的構成について説明する。図８は空気供給系１２の構成を示す全体斜視図、図９は、同じく全体平面図、図１０は同じく全体側面図である。既述の通り、空気供給系１２は、導風路としての空気導入路１２３を内側に画成する導風管１２６を有し、導風管１２６の空気導入側端部の取入口１２６ｓには、送風手段としての空気ファン１２２（エアブロア）の送風口１２２ｅが接続されている。空気ファン１２２の吸引口には、エアフィルタ１２１が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン１２２は、回転翼（インペラー）を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータＭ１が、回転翼の回転軸に接続されている。導風管１２６の取入口１２６ｓは、送風口１２２ｅと同じ形状に構成され、縦横の辺の長さが略等しい矩形に構成されている。
【００３３】
導風管１２６の他端開口部１２６ｅは、空気マニホールド５４の空気流入口５４１と同形状の扁平な矩形状に形成され、該空気流入口５４１に接続されている。また、導風管１２６で構成された空気導入路１２３の下流側端部には、第１のノズル５５ａと、該第１のノズル５５に水を配水するための水配管５５ｗが設けられている。第１のノズル５５ａの噴出口は、下流側（燃料電池スタック側）へ向けられ、少なくとも、空気マニホールド５５の横断面における長辺方向（単位セルの積層方向）に沿って、水滴を拡散させて噴射する構成となっている。空気マニホールド５４は、前述した開口９４０の全面を覆って設けられている。第１のノズル５５ａの配置位置に対し開口部９４０を挟んで反対側には、前述したように第２のノズル５５ｂが設けられており、また、第２のノズル５５ｂに配水する図示しない水道管が設けられている。
【００３４】
図１１に示すように、燃料電池システム１の制御系は、上記高分子電解質膜１５ａの温度を推定するために、導出口４４から排出された空気の温度を検出するセンサS１１の検出値が入力され、第１のポンプ６１ａ、第２のポンプ６１ｂを制御する制御手段としての制御装置５５５を備えている。なお、この制御装置５５５には、他のセンサＳ０〜Ｓ４、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０や、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９、２０、２２、２６、２７、他のポンプ２５、６２、空気ファン１２２、凝縮器５１のファン、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５が接続されている。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【００３５】
詳細には後述するが、本実施の形態では、第１のノズル５ａと第２のノズル５５ｂ各々からの水の到達領域には重なり領域が存在し、該重なり領域が移動して開口９４０をカバーするように、第１のポンプ６１ａ、第２のポンプ６１ｂを制御する。このような制御のため、制御装置５５５は、図１２に示すように、該重なり領域の移動周期Ｔ及びポンプに供給する電圧の大きさ（振幅Ｐ）と、高分子電解質膜１５ａの温度との関係を示す関係を記憶する図示しない記憶装置を備えている。なお、この関係は、図１２に示すようなマップとして記憶したり、データテーブルとして記憶したり、更には関係式として記憶するようにしてもよい。
【００３６】
上記のように第１のノズル５ａと第２のノズル５５ｂ各々からの水の到達領域における重なり領域が移動して開口９４０をカバーするように、第１のポンプ６１ａ、第２のポンプ６１ｂを制御するため、制御装置５５５は、具体的には、第１のポンプ６１ａ、第２のポンプ６１ｂに印加する電圧を制御して、第１のノズル５５ａ及び第２のノズル５５ｂからの水の吐水圧を周期的に変化させる。このように第１のポンプ６１ａ、第２のポンプ６１ｂに印加する電圧を周期的に変化すると、第１のノズル５５ａ及び第２のノズル５５ｂからの水の吐水圧が周期的変化するが、本実施の形態では、図１３に示すように、第１のポンプ６１ａ及び第２のポンプ６１ｂの一方への印加電圧を高くするに従って他方への印加電圧を低くすることで、一方のポンプに対応するノズルからの水の到達位置を長くし、かつ、他方のポンプに対応するノズルからの水の到達位置を短する。これにより、重なり領域が移動して開口９４０（導入口被覆領域）をカバーすることができる。
【００３７】
次に、図１４を参照して、制御装置５５５が実行する水供給制御ルーチンを説明する。上記図示しないイグニッションスイッチがオンされ、車両を駆動させる駆動モータの駆動の指示信号が入力されるとスタートし、ステップＳ１で、センサＳ１１からの検出値を取り込むことにより、高分子電解質１５ａの温度ｔを計測し、ステップＳ２で、上記図１２に示した関係から、ポンプへの印加電圧の変化の周期、即ち、重なり領域の移動周期Ｔを、ステップＳ３で、同様に上記図１２に示した関係から、各ポンプへの印加電圧の最大値（振幅Ｐ）をそれぞれ取得し決定する。
【００３８】
ここで、上記のように、重なり領域の移動周期Ｔ及び導入口被覆領域への水の到達量に対応するポンプに供給する電圧の大きさ（振幅Ｐ）と、高分子電解質膜１５ａの温度との関係を記憶しているが、この関係は、温度が高くなるに従って、周期が短くなりかつ振幅が大きくなっている。これは、温度が高くなると、それだけ高分子電解質膜１５ａが乾きやすくなるので、それだけ多くの水分が必要となると共に、上記のように、重なり領域が移動するので、通過した重なり領域が再度到達するまでの時間を短くする必要があるからである。これにより、電解質膜の温度が変化しても、高分子電解質膜の保湿効果を維持することができ、電解質膜のイオン伝導の効果を維持することができる。
【００３９】
そして、ステップＳ４及びステップＳ５で、第１のポンプ６１ａ及び第２のポンプ６１ｂを制御する。具体的には、図１３に示すように、まず、第１のポンプ６１ａについては、本ステップＳ４の開始時に上記最大値（振幅Ｐ）を印加し、この開始時から半周期（Ｔ／２）経過するまで徐々に印加電圧を減少させ、開始時から半周期（Ｔ／２）経過した時に印加電圧を０にし、その後、このときから印加電圧を徐々に増加させ、本ステップＳ４の開始時から１周期（Ｔ）経過した時に印加電圧を上記最大値にする。一方、第２のポンプ６１ｂについては、本ステップＳ５の開始時に印加電圧を０にし、この開始時から半周期（Ｔ／２）経過するまで徐々に印加電圧を増加させ、開始時から半周期（Ｔ／２）経過した時に印加電圧を上記最大値（振幅Ｐ）にし、その後、このときから印加電圧を徐々に減少させ、本ステップＳ５の開始時から１周期（Ｔ）経過した時に印加電圧を０にする。
【００４０】
以上を半周期分について図１５を参照して更に詳細に説明する。なお、本実施の形態では、開口９４０の導入口４３面と平行な断面は長方形となっており、第１のノズル５５ａと第２のノズル５５ｂは、該長方形の対向する一対の辺、本実施の形態では、短辺ＳＬ側に配置されると共に、該長方形の対向する他の一対の辺（長辺ＬＬ）の中点ＣＰを通る角度α以上（本実施の形態では角度）の一定の拡散角度で水を噴射する。
【００４１】
第１のポンプ６１ａについて、本ステップＳ４の開始時に上記最大値（振幅Ｐ）を印加すると、第１のノズル５５ａからは、本実施の形態では、図１５（Ａ）に示すように、上記拡散角度αで拡散すると共に、上記長方形の短辺ＳＬｂ（第２のノズル５５ｂが配置される側）までの領域Ｒ１（到達予定領域）に水が到達する。なお、最大到達領域を領域ＭＲ１とする。なお、上記のように拡散角度αで水を噴射すると、図１５（Ａ）に示すように、水が到達しない領域ｒ１が形成されてしまう。なお、何らかの原因で該領域ｒ１に水が予定外に到達することもある。
【００４２】
この開始時から半周期（Ｔ／２）経過するまで、第１のポンプ６１ａへの印加電圧を徐々に減少させる。これに伴い、図１５（Ｂ）〜図１５（Ｅ）に示すように、第１のノズル５５ａからの水の最大到達領域ＭＲ１は、上記長方形の短辺ＳＬｂから、他方の短辺ＳＬａ（第１のノズル５５ａが配置される側）に漸近する。
【００４３】
一方、第２のポンプ６１ｂについては、ステップＳ５の開始時（ほぼステップＳ４の開始時に一致する）に印加電圧を０にするので、図１５（Ａ）に示すように、第２のノズル５５ｂからは水が噴射しない。しかし、この開始時から半周期（Ｔ／２）経過するまで徐々に印加電圧を増加させるので、図１５（Ｂ）〜図１５（Ｅ）に示すように、第２のノズル５５ｂから水が噴射され、領域R２（到達予定領域）に水が到達し、その最大到達領域ＭＲｂは、上記長方形の短辺ＳＬｂから、他方の短辺ＳＬａに漸近する。そして、開始時から半周期（Ｔ／２）経過した時に印加電圧を上記最大値（振幅Ｐ）にするので、図１５（Ｅ）に示すように、最大到達領域ＭＲｂは、上記長方形の短辺ＳＬａに到達する。なお、上記のように拡散角度αで水を噴射すると、図１５（Ｅ）に示すように、水が到達しない領域ｒ２が形成されてしまう。
【００４４】
上記のように、図１５（Ａ）に示すように、第１のノズル５５ａでは水を到達させることができない領域ｒ１が存在し、図１５（Ｅ）に示すように、第２のノズル５５ｂでは水を到達させることができない領域ｒ２が存在してしまう。  
しかし、上記のように、第１のノズル５５ａでは水を到達させることができない領域ｒ１は、図１５（Ｅ）に示すように、第２のノズル５５ｂにより水を到達させることができる。同様に、第２のノズル５５ｂでは水を到達させることができない領域ｒ２は、図１５（Ａ）に示すように、第１のノズル５５ａにより水を到達させることができる。
【００４５】
更に本実施の形態では、図１５（Ａ）〜図１５（Ｅ）に示すように、第１のノズル５５ａの最大到達領域ＭＲａと、第２のノズル５５ｂの最大到達領域ＭＲｂとは一致させている。即ち、第１のノズル５５ａ及び第２のノズル５５ｂ各々からの水の到達領域に同時に重なる重なり領域がある。そして、最大到達領域ＭＲａと最大到達領域ＭＲｂとを長方形の長辺ＬＬに沿って周期的に移動させている。よって、上記重なり領域が移動して開口９４０の全領域をカバーするようにしている。
【００４６】
そして、最大到達領域ＭＲａと最大到達領域ＭＲｂとにおける水の到達量に着目すると、図１５に示すように、最大到達領域ＭＲａと最大到達領域ＭＲｂとが長方形の長辺ＬＬに沿って周期的に移動すると（図１５（Ａ）〜図１５（Ｅ））、それに伴って、最大到達領域ＭＲａと最大到達領域ＭＲｂにおける水の到達量は、図１５（Ｆ）で点線や一点差線で示すように、増加・減少する。例えば、図１５（Ａ）〜図１５（Ｅ）に示す状態に順になるに従って、図１６に示されているように、最大到達領域ＭＲａにおける水の到達量は、Ｐ４、Ｐ３、Ｐ２、Ｐ１と減少し、最大到達領域ＭＲｂにおける水の到達量は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と増加する。しかし、それらを合計すると、図１５（Ｆ）で直線で示すように一定となる。
【００４７】
以上説明したように第１及び第２ののポンプ６１ａ、６１ｂを１周期分制御すると、処理はステップＳ６に移行し、上記図示しないイグニッションスイッチがオフされ、車両を停止させる駆動モータの停止の指示信号が入力されたか否かを判断することにより、終了指示があったか否かを判断する。終了指示があった場合には、本ルーチンを終了し、終了指示がないと判断されると、ステップＳ７で、本制御ルーチンがスタートしてから、乃至、本ステップＳが前回肯定判定されたときから一定時間経過したか否かを判断する。一定時間経過していなければ、高分子電解質膜１５ａの温度は変化していないと判断でき、上記ステップＳ２、Ｓ３で決定された周期Ｔ、振幅Ｐで、第１及び第２ののポンプ６１ａ、６１ｂを制御しても問題はないので、ステップＳ４に戻って、以上の処理（ステップＳ４〜Ｓ７）を実行する。一方、本制御ルーチンがスタートしてから一定時間経過したと判断された場合には、高分子電解質膜１５ａの温度は変化していると判断でき、上記ステップＳ２、Ｓ３で決定された周期Ｔ、振幅Ｐで、第１及び第２ののポンプ６１ａ、６１ｂを制御すると、保湿効果の点で問題があるので、ステップＳ１に戻って、温度を計測して周期Ｔ及び振幅Ｐを再度決定するため、ステップＳ１に戻って以上の処理（ステップＳ１〜Ｓ７）を実行する。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態では、２つのノズル各々からの水の到達領域に同時に重なる重なり領域があり、かつ、該重なり領域が移動して開口をカバーするようにしているので、開口に到達する水の量のムラを減少させることができる。  
また、本実施の形態では、高分子電解質膜の温度に基づいて、電解質膜の保湿効果を維持しているので、電解質膜のイオン伝導の効果を維持することができる。
【００４９】
以上説明した実施の形態では、第１のノズル５５ａと第２のノズル５５ｂは、上記長方形の対向する一対の短辺ＳＬ側に配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、長辺ＬＬ側に配置するようにしてもよい。なお、この場合は、各ノズルの拡散角は、長方形の対向する短辺ＳＬの中点を通る角度以上の一定の拡散角度で水を噴射する。  
なお、上記制御ルーチンでは、該制御ルーチンがスタート等してから一定時間経過する毎に温度を計測して上記周期Ｔ及び振幅Ｐを決定しているが、本発明はこれに限定されず、第１及び第２ののポンプ６１ａ、６１ｂを１周期制御する毎に、温度を計測して上記周期Ｔ及び振幅Ｐを決定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータの全体背面図である。
【図５】集電部材及び隔壁の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
【図６】単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。
【図７】燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。
【図８】空気供給系の構成を示す全体斜視図である。
【図９】空気供給系の構成を示す全体平面図である。
【図１０】空気供給系の構成を示す全体側面図である。
【図１１】主として水を供給する制御系のブロック図である。
【図１２】高分子電解質膜の温度と、ノズルへの水の供給圧の最大値（振幅）と、ノズル、の水の供給圧を変化させる周期と、の関係を示した図である。
【図１３】高分子電解質膜が所定温度のときに、図１１に示す関係から求められた各ノズルへの水の供給圧の変化の様子を示した図である。
【図１４】制御装置が実行する水供給制御ルーチンを示したフローチャートである。
【図１５】水供給制御時における各ノズルの最大到達領域の変化の様子を示した図である。
【図１６】水供給の半周期における各ノズルの最大到達領域における水の到達量を説明する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１      燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１２３    空気導入路
５３１    水タンク
５３Ａ１    排気マニホールド
５４      空気マニホールド
５５ａ、５５ｂ      ノズル
６１ａ、６１ｂ      供給ポンプ
５５５      制御装置
９４０      開口
【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】
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【図１５】
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【図１６】
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