(57)【要約】【課題】空気経路における空気濃度（酸素濃度）をできるだけ均一化して、燃料電池の発電電流のばらつきを抑制することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】両面側に空気極と燃料極とを有する電解質膜１００と、電解質膜１００の両外側に配置された拡散層１０３、１０４と、拡散層の両外側に配置されたセパレータ１０５とを備え、空気極側のセパレータ１０５には、空気が通過する空気経路１０５ｇが上流側の部位と下流側の部位が隣接するように形成された燃料電池において、空気極側の拡散層１０３を、空気経路１０５ｇを通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な厚みを有しているように構成する。また、空気極側の拡散層１０３を、空気経路１０５ｇを通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な空隙率を有しているように構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面側に空気極と燃料極とを有する電解質膜（１００）と、
前記電解質膜（１００）の両外側に配置された拡散層（１０３、１０４）と、
前記拡散層の両外側に配置されたセパレータ（１０５）とを備え、
前記空気極側の前記セパレータ（１０５）には、空気が通過する空気経路（１０５ｇ）が上流側の部位と下流側の部位が隣接するように形成されており、
前記空気極側の前記拡散層（１０３）は、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な厚みを有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気極側の前記拡散層（１０３）は、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させるショートカット領域（Ｓ）に対応する部位の厚みが、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させない非ショートカット領域（Ｎ）に対応する部位の厚みより厚くなっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気極側の前記拡散層（１０３）は、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な空隙率を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
両面側に空気極と燃料極とを有する電解質膜（１００）と、
前記電解質膜（１００）の両外側に配置された拡散層（１０３、１０４）と、
前記拡散層の両外側に配置されたセパレータ（１０５）とを備え、
前記空気極側の前記セパレータ（１０５）には、空気が通過する空気経路（１０５ｇ）が上流側の部位と下流側の部位が隣接するように形成されており、
前記空気極側の前記拡散層（１０３）は、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な空隙率を有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記空気極側の前記拡散層（１０３）は、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させるショートカット領域（Ｓ）に対応する部位の空隙率が、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させない非ショートカット領域（Ｎ）に対応する部位の空隙率より高くなっていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池と、
前記セパレータ（１０５）に冷却水を循環させる冷却水循環経路（２０）と、
前記冷却水による前記燃料電池（１）の冷却量を調整する冷却量調整手段（２１〜２５）とを備え、
前記冷却量調整手段（２１〜２５）による冷却量を調整することで、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気に含まれる水分の凝縮量を調整し、前記空気経路（１０５ｇ）を通過する空気の上流側の部位から隣接する下流側の部位への移動量を調整す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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池と、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいて、シール材料などを用いて供給燃料のショートカットを防止し、燃料電池の発電特性を向上させるものが提案されている（特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０３２５５号公報
【特許文献２】特開２００５−７１９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術では、燃料電池の発電に伴い、空気経路を通過する空気（酸素）が消費されるので、空気経路の下流側では上流側より空気濃度（酸素濃度）が低くなる。この燃料電池の空気経路に沿った空気濃度（酸素濃度）の低下に伴って、燃料電池での発電電流がばらつき、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑み、空気経路における空気濃度（酸素濃度）をできるだけ均一化して、発電電流のばらつきを抑制することが可能な燃料電池および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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、両面側に空気極と燃料極とを有する電解質膜（１００）と、電解質膜（１００）の両外側に配置された拡散層（１０３、１０４）と、拡散層の両外側に配置されたセパレータ（１０５）とを備える燃料電池において、空気極側のセパレータ（１０５）には、空気が通過する空気経路（１０５ｇ）が上流側の部位と下流側の部位が隣接するように形成されており、空気極側の拡散層（１０３）は、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な厚みを有していることである。これにより、空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を平均化することができ、燃料電池の発電電流のばらつきを抑制して、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【０００６】
本発明の第２の特徴は、空気極側の拡散層（１０３）は、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させるショートカット領域（Ｓ）に対応する部位の厚みが、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させない非ショートカット領域（Ｎ）に対応する部位の厚みより厚くなっていることである。これにより、空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を適正化することができ、より的確に空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を平均化することができる。
【０００７】
本発明の第３の特徴は、空気極側の拡散層（１０３）は、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させることが可能な空隙率を有していることである。これにより、空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を平均化することができ、燃料電池の発電電流のばらつきを抑制して、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【０００８】
本発明の第４の特徴は、空気極側の拡散層（１０３）は、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させるショートカット領域（Ｓ）に対応する部位の空隙率が、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気を上流側の部位から隣接する下流側の部位に移動させない非ショートカット領域（Ｎ）に対応する部位の空隙率より高くなっていることである。これにより、空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を適正化することができ、より的確に空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を平均化することができる。
【０００９】
本発明の第５の特徴は、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池と、セパレータ（１０５）に冷却水を循環させる冷却水循環経路（２０）と、冷却水による燃料電池（１）の冷却量を調整する冷却量調整手段（２１〜２５）とを備える燃料電池システムにおいて、冷却量調整手段（２１〜２５）による冷却量を調整することで、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気に含まれる水分の凝縮量を調整し、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気の上流側の部位から隣接する下流側の部位への移動量を調整することである。
【００１０】
これにより、空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を燃料電池の運転状態に応じて、適切に平均化することができる。例えば空気経路（１０５ｇ）の上流側と下流側で空気濃度の差が小さい場合には、空気経路（１０５ｇ）の水分の凝縮量を増大させることで、拡散層（１０３）の空孔を凝縮水で満たすことができるので、拡散層（１０３）の圧損が増大し、空気経路（１０５ｇ）を流れる空気のショートカット量を低減できる。また、空気経路（１０５ｇ）の上流側と下流側で空気濃度の差が大きい場合には、空気経路（１０５ｇ）を通過する空気に含まれる水分の凝縮量を減少させることで、拡散層（１０３）の圧損が低下し、空気経路（１０５ｇ）を流れる空気のショートカット量を増大できる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。
【００１３】
図１（ａ）は燃料電池１の斜視図であり、図１（ｂ）はセル１０の構成を示す斜視図である。
【００１４】
本実施形態の燃料電池１は、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられている。この燃料電池１は、図１（ａ）に示すように、複数のセル１０が積層されることでスタック構造となっている。各セル１０は、電気的に直列接続されている。そして、セル１０は、図１（ｂ）に示すように、プロトン伝導性の電解質膜１００と、電解質膜１００の両面側に設けられた触媒層１０１、１０２と、触媒層１０１、１０２の両外側に設けられた拡散層１０３、１０４と、拡散層１０３、１０４の両外側に設けられたセパレータ１０５とから構成されている。
【００１５】
触媒層１０１、１０２は、空気極側の空気極触媒層１０１と燃料極側の燃料極触媒層１０２とから構成されており、電極としても機能する。触媒層１０１、１０２は、白金などの触媒を担持したカーボン粉をペースト化したものを用いることができる。拡散層１０３、１０４は、空気極側の空気極拡散層１０３と燃料極側の燃料極拡散層１０４とから構成されており、たとえば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロスなどにより形成されている。セパレータ１０５は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。
【００１６】
燃料電池１０には、図示しない空気供給装置（例えばコンプレッサ）から空気が供給され、図示しない水素供給装置（例えば水素タンク）から水素が供給されるように構成されている。さらに、燃料電池１０は、図示しない冷却システムから供給される冷却水が内部を循環するように構成されている。
【００１７】
セパレータ１０５は、セル１０内部に空気を導入するための空気入口部１０５ａ、セル１０内部から空気を排出するための空気出口部１０５ｂ、セル１０内部に水素を導入するための水素入口部１０５ｃ、セル１０内部から水素を排出するための水素出口部１０５ｄが設けられている。さらに、セパレータ１０５には、冷却水が流入する冷却水入口部１０５ｅと冷却水が流出する冷却水出口部１０５ｆが設けられている。
【００１８】
セパレータ１０５における空気極拡散層１０３に対向する面には空気が通過する空気経路が形成され、燃料極拡散層１０４に対向する面には水素が通過する水素経路（図示せず）が形成されている。また、セパレータ１０５の内部には、冷却水が通過する冷却水経路（図示せず）が形成されている。
【００１９】
図２は、セパレータ１０５に設けられた空気経路１０５ｇを説明するためのセル１０の透視図である。
【００２０】
図２に示すように、セパレータ１０５には、空気入口部１０５ａと空気出口部１０５ｂとを接続するように空気経路１０５ｇが形成されている。空気経路１０５ｇは、セパレータ１０５における空気極拡散層１０３に対向する面に溝として形成されている。空気経路１０５ｇは２箇所で屈曲する蛇行状に形成されており、上流側と下流側が隣接している。空気入口部１０５ａから空気経路１０５ｇに導入された空気（酸素）は、水素との電気化学反応により消費され、電気化学反応に用いられなかった空気が空気出口部１０５ｂから排出される。
【００２１】
図３は図２のＡ−Ａ断面図である。図３では、電解質膜１００と空気極側の触媒層１０１、拡散層１０３、セパレータ１０５を図示し、燃料極側の触媒層１０２、拡散層１０４、セパレータ１０５の図示を省略している。図３において、左側の空気経路１０５ｇの空気流れ方向は紙面奥方向であり、右側の空気経路１０５ｇの空気流れ方向は紙面手前方向である。また、図３において、左側の空気経路１０５ｇが上流側に位置し、右側の空気経路１０５ｇが下流側に位置している。
【００２２】
図３に示すように、本実施形態では、空気極拡散層１０３の厚みＹが充分な厚みを有するようにすることで、上流側の空気経路１０５ｇを通過する空気が空気極拡散層１０３を介して隣接する下流側の空気経路１０５ｇに移動できるように構成している。これにより、セパレータ１０５で仕切られた隣り合う空気経路１０５ｇを流れる空気が空気極拡散層１０３を介してショートカットして移動可能となる。なお、本実施形態の空気極拡散層１０３は、すべての部位において空隙率を一定としている。
【００２３】
ここで、空気経路１０５ｇの厚みＸと空気極拡散層１０３の厚みＹとの関係について説明する。図４は、空気極拡散層１０３の厚みＹの空気経路１０５ｇの厚みＸに対する比と、セル１０の平均電流値に対する面内の電流ばらつきの最大値との関係を示している。図４に示すように、空気極拡散層１０３の厚みＹの空気経路１０５ｇの厚みＸに対する比が０．６程度の場合に、セル１０の平均電流値に対する面内の電流ばらつきが最も小さくなることが分かる。そこで、本実施形態では、空気経路１０５ｇの厚みＸと空気極拡散層１０３の厚みＹとの比がＸ：Ｙ＝３：２となるように、空気極拡散層１０３の厚みを設定している。
【００２４】
次に、本実施形態の燃料電池１の作動を説明する。まず、燃料電池１には、外部から水素と空気が供給され、水素はセパレータ１０５の水素経路（図示せず）を通過し、空気はセパレータ１０５の空気経路１０５ｇを通過する。そして、燃料電池１の各セル１０では、水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応が起こり、発電する。燃料電池１での発電に伴い、水素経路を通過する水素が消費され、空気経路１０５ｇを通過する空気（酸素）が消費される。
【００２５】
このとき、空気経路１０５ｇの上流側より下流側の方が空気濃度が低く、また空気圧力も低くなるが、本実施形態では、空気極拡散層１０３の厚みを厚くすることで、空気経路１０５ｇの上流側を流れる空気が下流側に移動可能としている。この結果、空気経路１０５ｇの上流側を流れる空気が空気極拡散層１０３を介してショートカットして下流側に流れることができ、空気経路１０５ｇにおける流路全体での空気密度をできるだけ均一にすることができる。
【００２６】
燃料電池１の発電電流のばらつきは、主に空気経路１０５ｇの酸素濃度に支配される。例えば酸素濃度が２１％から５％に低減すると、燃料電池１の発電電流が６０％程度低減することがわかっている。このため、本実施形態のように、空気極拡散層１０３を介して空気経路１０５ｇをショートカットさせることで、燃料電池１を構成するセル１０の面内での電流密度を平均化することができる。
【００２７】
図５は、セル１０の面内における電流密度のばらつきを説明するための図であり、（ａ）は縦軸が電流密度で横軸がセル１０の電流密度測定位置を示す特性図であり、（ｂ）はセパレータ１０５の空気経路１０５ｇと電流密度測定位置との関係を示す図である。図５（ａ）の横軸の数字が、図５（ｂ）のセル１０の各部位に書き込まれた数字に対応している。
【００２８】
図５（ａ）では、○が本実施形態の構成を有するセル１０の電流密度を示しており、△が比較例として一般的な空気極拡散層１０３の厚みを有するセルの電流密度を示している。△で示したセルでは、空気経路１０５ｇの厚みＸと空気極拡散層１０３の厚みＹとの比をＸ：Ｙ＝３０：１としている。
【００２９】
図５（ａ）に示すように、△で示す比較例では、空気経路１０５ｇの上流側から下流側に向かって電流密度が低下しているのに対し、○で示す本実施形態のセル１０では、空気経路１０５ｇの上流側から下流側に向かって電流密度のばらつきが少なくなっている。この結果、△で示す比較例では、平均電流密度に対するばらつきが最大２０．５％であったのに対し、○で示し本実施形態のセル１０では、平均電流密度に対するばらつきが最大９．６％であり、発電電流のばらつきが大幅に低減された。
【００３０】
以上説明したように、セル１０の空気経路１０５ｇに隣接する空気極拡散層１０３の厚みを空気経路１０５ｇを通過する空気がショートカット可能な厚みとすることで、燃料電池１の発電電流のばらつきを抑制することができ、燃料電池１の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
本実施形態の構成は、燃料電池１の発電電流がばらつきやすい燃料電池１の高負荷運転時に特に効果がある。そして、空気経路１０５ｇを流れる空気を多くショートカットさせる必要がある燃料電池１の高負荷運転時には、空気経路１０５ｅに供給される空気の流速が大きいので、ショートカットする空気量が増大する。また、空気経路１０５ｇを流れる空気をショートカットさせる必要がない燃料電池１の低負荷運転時には、空気経路１０５ｅに供給される空気の流速が小さいので、ショートカットする空気量が低減する。
【００３２】
また、空気経路１０５ｇで空気をショートカットさせるように構成することで、空気経路１０５ｇを空気が通過する際の圧損が小さくなる。この結果、空気供給装置の動力を低減することができ、燃料電池１の補機損失を低減することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図６、図７に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、空気極拡散層１０３の構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３４】
図６は本第２実施形態のセル１０の透視図であり、図７は図６のＢ−Ｂ断面図である。図６において、一点鎖線で囲んだＳとＮのうち、Ｓは空気経路１０５ｇを流れる空気をショートカットさせるショートカット領域を示し、Ｎは空気経路１０５ｇを流れる空気をショートカットさせない非ショートカット領域を示している。ショートカット領域Ｓは、空気経路１０５ｇの上流側を流れる空気と下流側を流れる空気の濃度差が大きくなる領域であり、非ショートカット領域Ｎは、空気経路１０５ｇの上流側を流れる空気と下流側を流れる空気の濃度差が大きくならない領域である。ショートカット領域Ｓでショートカットさせた空気が直ちに空気出口部１０５ｂから流出するのを防ぐため、ショートカット領域Ｓで空気をショートカットさせる下流側は、空気出口部１０５ｂからある程度離れている部位に設定する必要がある。本実施形態のショートカット領域Ｓは、空気経路１０５ｇにおける空気入口部１０５ａ近傍と流路行程の２／３程度の部位とを接続するように設定されている。
【００３５】
図６、図７に示すように、本実施形態の空気極拡散層１０３では、ショートカット領域Ｓに対応する部位の厚みＹ１と非ショートカット領域Ｎに対応する部位の厚みＹ２を異ならせている。具体的には、ショートカット領域Ｓでは空気極拡散層１０３の厚みＹ１を厚くし、非ショートカット領域Ｎでは空気極拡散層１０３の厚みＹ２を薄くしている。本実施形態では、ショートカット領域Ｓにおける空気経路１０５ｇの厚みＸ１と空気極拡散層１０３の厚みＹ１の比をＸ１：Ｙ１＝３：２に設定し、非ショートカット領域Ｎにおける空気経路１０５ｇの厚みＸ２と空気極拡散層１０３の厚みＹ２の比をＸ１：Ｙ１＝２０：１に設定している。これにより、ショートカット領域Ｓでは空気経路１０５ｇを流れる空気が上流側から下流側にショートカットすることを積極的に促進でき、非ショートカット領域Ｓでは空気経路１０５ｇを流れる空気が上流側から下流側にショートカットすることを抑制できる。
【００３６】
以上のように、必要に応じて空気経路１０５ｇをショートカットさせることで、空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を適正化することができ、より的確に空気経路（１０５ｇ）の空気濃度（酸素濃度）を平均化することができる。これにより、燃料電池１の発電電流のばらつきを抑制することができ、燃料電池１の耐久性を向上させることができる。
【００３７】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図８に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、空気極拡散層１０３の構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３８】
図８は、本第３実施形態のセル１０の断面構成を示しており、図６のＢ−Ｂ断面図となっている。本実施形態では、空気経路１０５ｇの厚みと空気極拡散層１０３の厚みの比を２０：１程度にしている。
【００３９】
図８に示すように、本実施形態の空気極拡散層１０３では、ショートカット領域Ｓに対応する部位と非ショートカット領域Ｎに対応する部位の空隙率を異ならせている。具体的には、ショートカット領域Ｓでは空気極拡散層１０３の空隙率を高くし、非ショートカット領域Ｎでは空気極拡散層１０３の空隙率を低くしている。
【００４０】
本実施形態では、ショートカット領域Ｓにおける空気極拡散層１０３の空隙率を、非ショートカット領域Ｎにおける空気極拡散層１０３の空隙率の２０倍程度に設定している。空気極拡散層１０３では、空隙率が高い方が圧損が小さくなるので、空気極拡散層１０３のショートカット領域Ｓに対応する部位では空気が透過しやすくなる。空気極拡散層１０３の空隙率は、拡散層を製造する際に調整することができる。
【００４１】
これにより、上記第２実施形態と同様、ショートカット領域Ｓでは空気経路１０５ｇを流れる空気が上流側から下流側にショートカットすることを積極的に促進でき、非ショートカット領域Ｓでは空気経路１０５ｇを流れる空気が上流側から下流側にショートカットすることを抑制できる。
【００４２】
以上の構成により、上記第１実施形態と同様、空気経路１０５ｇにおける空気濃度を平均化し、燃料電池１の発電電流のばらつきを抑制することができ、燃料電池１の耐久性を向上させることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を図９に基づいて説明する。以下、上記第１実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００４４】
図９は、本第４実施形態の燃料電池システムの構成を示している。図９に示すように、セパレータ１０５には、冷却水が通過する冷却水経路１０５ｈが設けられている。冷却水経路１０５ｈは、空気経路１０５ｇに対応した構成となっており、冷却水経路１０５ｈにおける冷却水の流れ方向は空気経路１０５ｈにおける空気の流れ方向と同一となっている。
【００４５】
セル１０の冷却水経路１０５ｈは、燃料電池１に冷却水を循環させるための冷却水循環経路２０と接続されている。冷却水循環経路２０には、ファン２１を備えたラジエータ２２と、冷却水循環経路２０に冷却水を循環させるための循環ポンプ２３が設けられている。また、冷却水循環経路２０には、冷却水をラジエータ２２をバイパスさせるバイパス経路２４が設けられている。冷却水循環経路２０とバイパス経路２４との分岐点には三方弁２５が設けられ、三方弁２５により冷却水循環経路２０とバイパス経路２４のそれぞれを流れる冷却水流量が調整される。
【００４６】
燃料電池１で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ２２で系外に排出される。このような冷却系によって、循環ポンプ２３による流量制御、ファン２１による風量制御、三方弁２５によるバイパス量制御で、燃料電池１の冷却量制御を行うことができる。なお、ラジエータ２１、ファン２２、循環ポンプ２３、バイパス経路２４、三方弁２５が本発明の冷却量調整手段に相当している。
【００４７】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）３０が設けられている。制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部３０は、燃料電池１への要求電力信号などが入力され、ファン２１、循環ポンプ２３、三方弁２５等に制御信号を出力するように構成されている。
【００４８】
本実施形態の燃料電池システムでは、セル１０の空気経路１０５ｇを流れる空気をショートカットさせる必要がない低負荷運転時（例えばセル１０の電流密度が０．３Ａ／ｃｍ2以下）には、制御部３０で燃料電池１の冷却量を増大させるように制御する。例えば、ファン２２の回転数を増大させたり、冷却水流量を増大させればよい。
【００４９】
これにより、空気経路１０５ｇを流れる空気に含まれる水分が凝縮し、空気極拡散層１０３の空孔が凝縮水で満たされることとなる。このため、空気極拡散層１０３の圧損が増大し、空気経路１０５ｇを流れる空気のショートカット量を低減できる。
【００５０】
燃料電池１の低負荷運転時には空気（酸素）の消費量が少なく、空気経路１０５ｇの上流側と下流側で空気濃度の差が小さい。このため、燃料電池１の低負荷運転時に空気経路１０５ｇを流れる空気のショートカット量が多いと、空気経路１０５ｇの上流側より下流側の方が空気濃度が高くなり、燃料電池１の発電電流がばらつくことがある。
【００５１】
このため、本実施形態のように、燃料電池１の低負荷運転時にセル１０の冷却量を増大させて、空気経路１０５ｇを流れる空気のショートカット量を低減することで、空気経路１０５ｇの空気濃度を平均化することができる。これにより、燃料電池１の低負荷運転時に空気経路１０５ｇの上流側より下流側の方が空気濃度が高くなって発電電流がばらつくことを抑制できる。
【００５２】
また、燃料電池１の高負荷運転時には、制御部３０で燃料電池１の冷却量を減少させるように制御する。例えば、ファン２２の回転数を低下させたり、冷却水流量を低下させればよい。これにより、供給空気に含まれる水分の凝縮量が減少し、空気極拡散層１０３の空孔が凝縮水で満たされることがない。このため、空気極拡散層１０３の圧損が減少し、空気経路１０５ｇを流れる空気のショートカット量が増大する。
【００５３】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、独立して実施できることはもちろんのこと、適宜組み合わせて実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（ａ）は各実施形態の燃料電池の斜視図であり、（ｂ）は各実施形態のセルの斜視図である。
【図２】セパレータに設けられた空気経路を説明するためのセルの透視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】空気極拡散層の厚みの空気経路の厚みに対する比と、セルの平均電流値に対する面内の電流ばらつきの最大値との関係を示す特性図である。
【図５】セルの面内における電流密度のばらつきを説明するための図であり、（ａ）は縦軸が電流密度で横軸がセルの電流密度測定位置を示す特性図であり、（ｂ）はセパレータの空気経路と電流密度測定位置との関係を示す図である。
【図６】第２実施形態のセルの透視図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】第３実施形態のセルの断面構成を示す図６のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】第４実施形態の燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池、１０…セル、２０…冷却水循環経路、２２…ラジエータ、２３…循環ポンプ、３０…制御部、１００…電解質膜、１０１、１０２…触媒層、１０３、１０４…拡散層、１０５…セパレータ、１０５ｇ…空気経路。
【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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