(57)【要約】【課題】高負荷運転時における発電性能を向上させ得る常圧の直噴水タイプの燃料電池システム及びその運転方法を提供すること。【解決手段】本発明の燃料電池システム及び運転方法によれば、燃料電池に対する要求負荷量が要求負荷量取得手段によって取得され、そのように取得された要求負荷量に応じて、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが水粒子サイズ変更手段によって変更される。よって、要求負荷量に応じてノズルから噴射される液体水の粒子サイズが変更されるので、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを高負荷運転時に小さくすることができる。その結果、酸素極への酸化剤ガスの流路の閉塞を抑制でき、高負荷運転時において酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができるので、高負荷運転時における発電性能を向上させることができる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、
前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得手段と、
前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水粒子サイズ変更手段は、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量が第１の要求負荷量より大きい第２の要求負荷量であった場合に、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記第１の要求負荷量に対する粒子サイズより小さいサイズと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】
前記燃料電池に対する要求負荷量と前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズとの関係を記憶するサイズ記憶手段と、
前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量と前記サイズ記憶手段に記憶される関係とに基づいて、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを決定するサイズ決定手段とを備え、
前記水粒子サイズ変更手段は、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記サイズ決定手段により決定されたサイズにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ノズルは、液体水を単独で噴射する一流体ノズルであって、噴射される液体水の粒子サイズが該ノズルに供給される液体水の供給圧力に応じて変更自在な構成であり、
前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプをさらに含んで構成され、
前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ノズルは、液体水に気体を混合させて噴射する二流体ノズルであって、噴射される液体水の粒子サイズが該ノズルに供給される液体水の供給圧力と該ノズルに供給される気体の供給圧力とに応じて変更自在な構成であり、
前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプと、前記ノズルに対して気体を圧送する給気ポンプをさらに含んで構成され、
前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプ及び前記給気ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得ステップと、
前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更ステップと、を備えていることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の酸素極に液体水を霧状に噴射する直噴水タイプの燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に、高負荷運転時における発電性能を向上させ得る燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極（水素極、アノード極）と酸素極（空気極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）と酸素極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。
【０００３】
発熱反応を伴う酸素極を冷却すると共に固体高分子電解質の乾燥を防ぎ発電性能を高める目的で、空気極に液体水を霧状に噴射する常圧の直噴水タイプの燃料電池システム（燃料電池装置）がある。
【０００４】
特開２００１−２１０３４８号公報（特許文献１）は、かかる直噴水タイプの燃料電池装置を記載している。この特許文献１に記載される燃料電池装置は、空気極の冷却効果を高めるべく、燃料電池に対する要求負荷を検出し、検出した要求負荷に基づいて空気極へ供給するプロセス空気の供給量を制御する。
【特許文献１】特開２００１−２１０３４８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、直噴水タイプの燃料電池システムでは、燃料電池に対する要求負荷が増大する程、必要空気量が増大するが、空気極では生成する水量が増大するので、高負荷運転時には、空気流路が液体水によって閉塞され易くなる。空気流路が水によって閉塞されると、空気極への空気供給量が不十分となり、発電性能が悪化する。かかる問題は、特に、空気極からの集電を行う集電部材が多孔体から構成される場合に顕著であった。
【０００６】
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、高負荷運転時における発電性能を向上させ得る常圧の直噴水タイプの燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得手段と、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更手段と、を備えている。
【０００８】
請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水粒子サイズ変更手段は、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量が第１の要求負荷量より大きい第２の要求負荷量であった場合に、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記第１の要求負荷量に対する粒子サイズより小さいサイズとする。
【０００９】
請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に対する要求負荷量と前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズとの関係を記憶するサイズ記憶手段と、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量と前記サイズ記憶手段に記憶される関係とに基づいて、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを決定するサイズ決定手段とを備え、前記水粒子サイズ変更手段は、前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを、前記サイズ決定手段により決定されたサイズにする。
【００１０】
請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ノズルは、液体水を単独で噴射する一流体ノズルであって、噴射される液体水の粒子サイズが該ノズルに供給される液体水の供給圧力に応じて変更自在な構成であり、前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプをさらに含んで構成され、前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
【００１１】
請求項５記載の燃料電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ノズルは、液体水に気体を混合させて噴射する二流体ノズルであって、噴射される液体水の粒子サイズが該ノズルに供給される液体水の供給圧力と該ノズルに供給される気体の供給圧力とに応じて変更自在な構成であり、前記水供給手段は、前記ノズルに対して前記液体水を圧送する給水ポンプと、前記ノズルに対して気体を圧送する給気ポンプをさらに含んで構成され、前記水粒子サイズ変更手段は、前記給水ポンプ及び前記給気ポンプへの供給電圧を上げることによって前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
【００１２】
請求項６記載の運転方法（燃料電池システムの運転方法）は、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び酸素極とを含んで構成される燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸素極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、液体水を霧状に噴射するノズルを含んで構成され前記ノズルからの噴射によって前記酸素極へ前記液体水を供給する水供給手段と、を備えた燃料電池システムを運転する方法であって、前記燃料電池に対する要求負荷量を取得する要求負荷量取得ステップと、前記要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量に応じて前記ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを調整する水粒子サイズ変更ステップと、を備えている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の燃料電池システムによれば、燃料極に燃料ガス供給手段によって供給される燃料ガスと酸素極に酸化剤ガス供給手段によって供給されて酸化剤ガスとにより発電が行われる固体高分子型燃料電池が含まれており、かかる固体高分子型燃料電池の酸素極には、水供給手段によってノズルから霧状の液体水が噴射される。
【００１４】
ここで、燃料電池に対する要求負荷量が要求負荷量取得手段によって取得され、そのように取得された要求負荷量に応じて、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが水粒子サイズ変更手段によって調整される。
【００１５】
よって、要求負荷量に応じてノズルから噴射される液体水の粒子サイズが調整されるので、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを高負荷運転時に小さくすることができる。高負荷運転時にノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることにより、酸素極への酸化剤ガスの流路の閉塞を抑制でき、高負荷運転時において酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができる。従って、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。
【００１６】
請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムに奏する効果に加えて、次の効果を奏する。要求負荷量取得手段により取得された要求負荷量が第１の要求負荷量より大きい第２の要求負荷量であった場合に、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが、水粒子サイズ変更手段によって第１の要求負荷量に対する粒子サイズより小さいサイズとされるので、要求負荷が高い程、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。
【００１７】
よって、酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった高負荷運転時における酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができ、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。
【００１８】
請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池に対する要求負荷量とノズルから噴射される液体水の粒子サイズとの関係がサイズ記憶手段に記憶されており、要求負荷量取得手段により要求負荷量が取得された場合には、その要求負荷量とサイズ記憶手段に記憶される関係とに基づいて、サイズ決定手段によってノズルから噴射される液体水の粒子サイズが決定され、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが、水粒子サイズ変更手段により、決定されたサイズに水粒子サイズとされる。
【００１９】
よって、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを要求負荷量に応じた最適なサイズとすることができ、高負荷運転時における酸化剤ガス流路の閉塞を有効に抑制することができ、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の燃料電池システムによれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸素極に液体水を霧状に噴射するノズルが、該ノズルに供給される液体水の供給圧力に応じて噴射水の粒子サイズを自在に変更できる一流体ノズルである場合に、水粒子サイズ変更手段は、給水ポンプへの供給電圧を上げてノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
【００２１】
よって、液体水の粒子サイズが比較的大きくても差し支えない低負荷運転時には、給水ポンプへの供給電圧を低く抑えることができる。従って、燃料電池システムにおける全体的な消費電力を抑制することができるという効果がある。
【００２２】
請求項５記載の燃料電池システムによれば、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸素極に液体水を霧状に噴射するノズルが、該ノズルに供給される液体水の供給圧力と該ノズルに供給される気体の供給圧力とに応じて噴射水の粒子サイズを自在に変更できる二流体ノズルである場合に、水粒子サイズ変更手段は、給水ポンプ及び給気ポンプへの供給電圧を上げてノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくする。
【００２３】
よって、液体水の粒子サイズが比較的大きくても差し支えない低負荷運転時には、給水ポンプへの供給電圧を低く抑えることができる。従って、燃料電池システムにおける全体的な消費電力を抑制することができるという効果がある。
【００２４】
請求項６記載の運転方法（燃料電池システムの運転方法）によれば、固体高分子型燃料電池の酸素極に水供給手段によってノズルから霧状の液体水が噴射される燃料電池システムに対し、燃料電池に対する要求負荷量が要求負荷量取得ステップによって取得され、そのように取得された要求負荷量に応じて、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズが水粒子サイズ変更ステップによって調整される。
【００２５】
よって、要求負荷量に応じてノズルから噴射される液体水の粒子サイズが調整されるので、ノズルから噴射される液体水の粒子サイズを高負荷運転時に小さくすることができる。高負荷運転時にノズルから噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることにより、酸素極への酸化剤ガスの流路の閉塞を抑制でき、酸化剤ガスの流路の閉塞によって不足しがちであった高負荷運転時における酸化剤ガスの供給量を十分な量とすることができる。従って、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の第１実施形態を示す系統図である。
【００２７】
この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図４など参照）の燃料極（水素極、アノード極）１３（図４参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極（酸素極、カソード極）１２（図４参照）へ供給するための空気供給系６０と、燃料電池スタック４０の空気極１２へ霧状の液体水を供給して単位セル１０を冷却し湿潤する水供給系８０とを備えている。
【００２８】
燃料電池スタック４０は、燃料電池としての単位セル１０（図４など参照）と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０（図４など参照）とを、単位セル１０及びセパレータ２０の厚み方向に積層した構成とされている。なお、燃料電池スタック（各単位セル１０）は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池に該当する。
【００２９】
燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側には、空気を燃料電池スタック４０の空気流路内に導入するための空気マニホールド４１が設けられている。一方、空気流路の下流側には、排気マニホールド４２及び凝縮器４３が設けられており、過剰空気は、排気マニホールド４２を経て、凝縮器４３において水分を凝縮して除去した後、図示されない排気口から大気中へ排気される。
【００３０】
水素ガス供給系５０は、水素源となる水素ボンベ５１と、水素ボンベ５１から供給される水素ガスの流量を調整する調整弁５２〜５６とを含んで構成され、燃料電池スタック４０における図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。また、水素ガス供給系５０は、さらに、ポンプ５８と、循環弁５７とを含んでおり、燃料電池スタック４０から排出された未反応水素ガスを、水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。なお、この水素ガス供給系５０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当する。
【００３１】
空気供給系６０は、シロッコファンやターボファンなどの送風機６１と、空気マニホールド４１に接続される供給管６２とを含んで構成され、送風機６１により取り入れた外気を、供給管６２及び空気マニホールド４１を介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。よって、本実施形態の燃料電池システム１００は、常圧の空気（酸化剤ガス）を燃料電池スタック４０に供給するシステムである。なお、この空気供給系６０は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。
【００３２】
水供給系８０は、水を貯留する水タンク８１と、空気マニホールド４１に配置されたノズル８２と、水タンク８１からノズル８２へ水を圧送する給水ポンプ８３とを備えており、水タンク８１に貯留されている水をノズル８２から空気マニホールド４１へ噴射させる。空気マニホールド４１に噴射された水は、空気供給系６０を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。なお、この水供給系８０は、本発明の燃料電池システムを構成する水供給手段に該当する。
【００３３】
本実施形態の燃料電池システム１００において使用されるノズル８２は、給水ポンプ８３から圧送された水（液体水）を単独で噴射する一流体ノズルである。このノズル８２は、給水ポンプ８３から供給される水の水圧（供給圧力）に応じて、噴射される水の粒子サイズ（例えば、平均粒子径）が変わる構成とされている。具体的には、ノズル８２は、ノズル８２へ供給される水の供給圧力が高くなる程、噴射される水の粒子サイズが小さくなるように構成されている。
【００３４】
なお、水タンク８１と凝縮器４３との間には、ポンプ８４が設けられており、凝縮器４３において凝縮した水分を、水タンク８１へ送り、燃料電池スタック４０を湿潤するための水分として再利用するように構成されている。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気供給系６０の送風機６１を駆動して、空気を空気マニホールド４１から燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０の給水ポンプ８３を駆動により水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０の調整弁５２〜５６を調整して所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。
【００３６】
その結果、燃料電池スタック４０を構成する各燃料電池１０にて水素と酸素とによる水生成反応（電極反応）が行われ、生じた電流が負荷９０へ流れる。かかる燃料電池システム１００の運転中は、霧状となって供給される水によって各燃料電池１０が冷却及び加湿される。
【００３７】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０を備えている。制御装置７０は、中央演算処理装置であるＣＰＵ７１と、ＣＰＵ７１により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるＲＯＭ７２と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するＲＡＭ７３と、これらのＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、及びＲＡＭ７３とバスライン７４を介して接続される入出力ポート７５とから主に構成される。
【００３８】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、制御装置７０の入出力ポート７５が水供給系８０の給水ポンプ８３に接続されている。詳細は後述するが、本実施形態における燃料電池システム１００の制御装置７０は、アクセル開度や走行速度などにより決定される負荷入力量（要求負荷量）に基づいて、ノズル８２から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その最適な粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ８３への電圧制御値を適宜変更するように構成されている。
【００３９】
よって、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、高負荷運転時にはノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができるので、空気流路が水によって閉塞されることを抑制でき、高負荷運転時であっても十分量の空気を燃料電池スタック４０の各空気極１２（図４参照）へ供給することができる。そのため、高負荷運転時における発電性能が向上された燃料電池システム１００を得ることができる。
【００４０】
なお、接続等は図示しないが、制御装置７０は、上述した制御の以外にも、各種センサにより検出される燃料電池スタック４０へ供給されるガス（水素ガス及び空気）の流量や温度、又は、燃料電池スタック４０からの出力電圧などに基づいて、空気供給系６０における送風機６１などの制御や、水素ガス供給系５０における調整弁５２〜５６、ポンプ５８、及び循環弁５７などの制御など、燃料電子システム１００を運転するための各種制御を行う。
【００４１】
次に、図２〜図４を参照して、燃料電池スタック４０の構成について説明する。図２（ａ）は、本実施形態における燃料電池スタック４０を模式的に示す上面図であり、図２（ｂ）は、燃料電池スタック４０を構成するセルモジュール３０を模式的に示す上面図である。なお、図２（ａ）では、２つのセルモジュール３０を代表として図示し、その他のセルモジュール３０の図示を省略している。また、図２（ｂ）では、理解を容易にする目的で、単位セル１０とセパレータ２０との位置関係のみ図示し、具体的構成は省略している。
【００４２】
また、図３（ａ）は、セルモジュール３０を空気極側から見た正面図であり、図３（ｂ）は、セルモジュール３０を燃料極側から見た正面図である。図４（ａ）は、図３（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ矢視要部断面図であり、図４（ｂ）は、図３（ａ）の矢視要部断面図である。
【００４３】
図２（ａ）に示すように、本実施形態における燃料電池スタック４０は、セルモジュール３０を複数積層して構成される。
【００４４】
セルモジュール３０は、図２（ｂ）に示すように、単位セル１０と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０とを、単位セル１０及びセパレータ２０を支持するフレーム１７，１８を１セットとして、厚み方向に複数セット積層して構成される。なお、図２（ｂ）に例示されるセルモジュール３０は、単位セル１０及びセパレータ２０などを含む１セットが１０セット積層されたものである。
【００４５】
セルモジュール３０は、隣接する単位セル１０が所定の間隔に離間されて配置されるように、単位セル１０とセパレータ２０とが、２種類のフレーム１７，１８を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されている。
【００４６】
セルモジュール３０における積層方向の一端（図２（ａ）における上端面側）は、図３（ａ）に示すように、セパレータ２０の空気極側コレクタ２２の端面とフレーム１７の端面とで終端している。一方で、セルモジュール３０における積層方向の他端（図２（ａ）における下端面側）は、図３（ｂ）に示すように、セパレータ２０の燃料極側コレクタ２３の端面とフレーム１８の端面とで終端している。
【００４７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、単位セル１０は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質膜１１の一方の面に当接する空気極１２と、固体高分子電解質膜１１の他方の面に当接する燃料極１３とから構成されている。
【００４８】
固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
【００４９】
空気極１２は、空気（酸化剤ガス）を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層（図示せず）と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１に当接される反応層（図示せず）とから構成されている。
【００５０】
燃料極１３は、水素ガス（燃料ガス）を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層（図示せず）と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１に当接される反応層（図示せず）とから構成されている。
【００５１】
なお、空気極１２及び燃料極１３を構成する拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、空気極１２及び燃料極１３を構成する反応層しては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とを含んで構成された反応層（触媒層）を採用することができる。
【００５２】
単位セル１０を構成する部材のうち、空気極１２及び燃料極１３は、それらの支持部材とされるフレーム１８開口部の横方向寸法（短手方向寸法）より若干長い横方向寸法と、開口部の縦方向寸法（長手方向寸法）より若干長い縦方向寸法を有するものとされている。また、固体高分子電解質膜１１は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横方向寸法を有するものとされている。
【００５３】
セパレータ２０は、セパレータ本体２１と、そのセパレータ本体２１の一側に設けられ、単位セル１０の空気極１２の拡散層（図示せず）に当接される空気極側コレクタ２２と、セパレータ本体２１の他側に設けられ、単位セル１０の燃料極１３の拡散層（図示せず）に当接される燃料極側コレクタ２３とから構成される。
【００５４】
セパレータ本体２１は、隣接する単位セル１０間のガス遮断部材として機能する板厚の薄い金属薄板である。セパレータ本体２１を構成する金属としては、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。
【００５５】
空気極側コレクタ２２は、空気極１２と接触して集電すると共に、空気極１２への空気の供給と空気極１２からの生成水の排出とを可能にする多数の孔を有する導電性部材である。また、空気極側コレクタ２２は、放熱板としても機能し、水供給系８０のノズル８２（図１参照）から噴射される水によって冷却される。なお、この空気極側コレクタ２２の詳細構成については、図５などを参照して後述する。
【００５６】
燃料極側コレクタ２３は、燃料極１３と接触して集電すると共に、燃料極１３への水素ガスの供給を可能にする多数の孔を有する導電性部材である。なお、この燃料極側コレクタ２３は、空気極側コレクタ２２と同様に構成できるので、詳細な説明は省略する。
【００５７】
セパレータ２０の外側には、単位セル１０を含めて所定の位置関係に保持できるよう、フレーム１７，１８が配置される。これらのフレーム１７，１８は、絶縁性材料から構成される。
【００５８】
より具体的には、空気極側コレクタ２２の左右両側にフレーム１７が配置され、燃料極側コレクタ２３の周縁部にフレーム１８が設けられている。なお、最も外端に配置されるフレーム１７は、図３に示すように、その上下端が相互にバックアッププレート１７ａ及び１７ｂによって連結されて枠状に構成されている。
【００５９】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、空気極側コレクタ２２側に配置されるフレーム１７は、外端（図４（ａ）における最上端、図４（ｂ）における左端）に配置されるものを除き、空気極側コレクタ２２の短辺に沿う両側に配置される縦枠部１７１から構成されている。このフレーム１７の板厚は、空気極側コレクタ２２の厚みに匹敵する厚さとされている。
【００６０】
縦枠部１７１には、板厚方向に貫通する長孔１７２が水素ガス流路形成のために設けられている。なお、セパレータ本体２１の面における縦横方向寸法は、フレーム１７の面における縦横方向寸法に匹敵する大きさとされ、フレーム１７の長孔１７２に重なる位置に、同様の長孔２１２を備える構成とされている。
【００６１】
かかるフレーム１７の配置により、左右両側の縦枠部１７１の間には、単位セル１０の空気極１２とセパレータ本体２１とで囲まれた空気室が形成される。なお、詳細は後述するが、かかる空気室内には、図４（ａ）における紙面垂直方向に延びる線状のリブ部材２２２（空気極側コレクタ２２の一部）が、複数本、平行に立設されており、かかるリブ部材２２２の設置により、一方向（図４（ａ）における紙面垂直方向）に全通する空気流路が形成される。
【００６２】
一方、図４（ｂ）に示すように、燃料極側コレクタ２３及び単位セル１０を囲むフレーム１８は、左右縦枠部と上下横枠部１８２とを有する枠状部材であり、枠状に構成されたフレーム１７（図３（ａ））と同じ大きさに構成されている。なお、フレーム１８における左右縦枠部は、図４（ａ）の記載範囲よりさらに右側に位置するために図示されていないが、フレーム１７の両縦枠部１７１の左右両側端と同じ位置に両側端を有し、短手方向長さ（幅）が上下横枠部１８２の短手方向長さと略同じに構成されている。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、かかるフレーム１８は、外端（図２（ｂ）における最下端、図３（ｂ）示す面）に配置されるものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ２３の左右端（図４（ａ）における左右方向の端部）に重なる薄板状のバックアッププレート１８ａと厚板状のバックアッププレート１８ｂとから構成されている。なお、フレーム１８の板厚は、燃料極側コレクタ２３の厚みに匹敵する厚さとされている。
【００６４】
バックアッププレート１８ａと縦枠部１７１とにより囲まれる空間が、上述したフレーム１７を板厚方向に貫通する長孔１７２と共に、水素ガス流路形成のための空間を構成している。また、各フレーム１８の内周側に、単位セル１０の燃料極１３とセパレータ本体２１とで囲まれた燃料室が形成される。
【００６５】
なお、かかる燃料室内には、リブ部材２２２と直交する方向（即ち、図４（ｂ）における紙面垂直方向、図４（ａ）における左右方向）に延びる線状のリブ部材２３２（燃料極側コレクタ２３の一部）が、複数本、平行に立設されている。かかるリブ部材２３２の設置により、上述した空気流路に直交する方向に（図４（ｂ）における紙面垂直方向）に全通する水素ガス流路が形成される。
【００６６】
次に、図５を参照して、空気極側コレクタ２２の詳細構成について説明する。図５（ａ）は、空気極側コレクタ２２をセパレータ本体２１側から見た正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶｂ方向から見た側面図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、ベースコレクタ２２１に開口される孔２２１ａ，２２１ｂの図示を省略している。
【００６７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施形態の空気極側コレクタ２２は、ベースコレクタ２２１と、複数本のリブ部材２２２とから構成される。
【００６８】
ベースコレクタ２２１は、単位セル１０の空気極１２に当接され、空気極１２から集電する導電性の板状体である。かかるベースコレクタ２２１は、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものから作製される。
【００６９】
また、ベースコレクタ２２１は、多数の孔が開口された多孔体、例えば、エキスパンドメタルやパンチングメタルなどから構成される。なお、ベースコレクタ２２１に開口される孔の形状は、本実施形態では図示を省略するが、例えば、菱形や、正方形や、六角形や、円形等の形状を適宜採用することができる。
【００７０】
ベースコレクタ２２１に開口される孔は、その形状が菱形である場合には、例えば、短い方の対角寸法を約０．７ｍｍ〜約１．３ｍｍ程度に、長い方の対角寸法を約０．８ｍｍ〜約２．８ｍｍ程度に設計することができる。また、ベースコレクタ２２１に開口される孔の開口率は、約３０〜約５０％程度であることが好ましい。
【００７１】
一方、複数本のリブ部材２２２は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、各々、矩形状の断面を有する線状体であり、これらのリブ部材２２２は、ベースコレクタ２２１における空気極１２との当接面とは反対側の面に、互いに略平行に配列された状態で立設される。リブ部材２２２は、例えば、拡散接合によってベースコレクタ２２１の表面に接合される。
【００７２】
このように、ベースコレクタ２２１上に立設されたリブ部材２２２は、空気極側コレクタ２２において、ベースコレクタ２２１とセパレータ本体２１との間に介挿されて、空気流路（空気室）となる空間を形成する。
【００７３】
燃料電池における高効率発電を実現すると共に、補機の動力損失を抑えるためには、空気流路の空気流れ抵抗を極力低くすることが好ましい。よって、単位セル１０に空気を供給する流路の高さ、即ち、リブ部材２２２の高さ寸法を適切に確保する必要がある一方で、燃料電池スタック４０の小型化、即ち、セルモジュール３０の小型化を図るためには、リブ部材２２２の高さ寸法は低ければ低いほど好ましい。従って、リブ部材２２２の高さ寸法は、これらの条件を両立する高さに設定され、例えば、約０．５ｍｍ〜約０．９ｍｍ程度に設定される。
【００７４】
このリブ部材２２２は、導電性と耐蝕性とを有する金属から構成されている。なお、リブ部材２２２を構成する材料（材質）は、上述したベースコレクタ２２１と同材料であっても、相違する材料であってもよい。また、リブ部材２２２の断面形状は、図５（ｂ）に示した矩形状に限らず、例えば、三角形や円形など、他の形状であってもよい。
【００７５】
なお、燃料極側コレクタ２３も、空気極側コレクタ２２と同様に構成することができる。即ち、燃料極側コレクタ２３を、ベースコレクタ２２１に相当するベースコレクタ２３１（図４（ｂ）参照）と、リブ部材２２２に相当するリブ部材２３２（図４（ｂ）参照）とから構成すればよい。
【００７６】
次に、図６及び図７を参照して、上記構成を有する燃料電池システム１００において燃料電池に対する要求負荷量に応じた制御について説明する。図６（ａ）は、要求負荷量とノズル８２から噴射される水（液体水）の粒子サイズとの関係を示す要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａの内容を示す模式図であり、図６（ｂ）は、給水ポンプ８３の水圧（供給圧力）とノズル８２から噴射される水の粒子サイズとの関係を示す給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂの内容を示す模式図である。
【００７７】
図６（ａ）に示すように、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａは、アクセル開度や走行速度などにより決定される要求負荷量（負荷入力量）に対する、ノズル８２から噴射される液体水として最適な粒子サイズとを関連付けるマップであり、運転制御処理（図７）において使用される。なお、この要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａは、制御装置７０内のＲＯＭ７２に記憶されており、例えば、予備実験によって得られた値を基に作成される。
【００７８】
この要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａにおいて、横軸は、燃料電池スタック４０（各単位セル１０）に対する要求負荷量を示す軸であり、向かって右側に向かう程、要求負荷量が大きいことを示す。一方で、縦軸は、ノズル８２から噴射される液体水として最適な粒子サイズ（単位：μｍ）を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。ここで、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａにおけるノズル８２から噴射される液体水として最適な粒子サイズの範囲を、本実施形態では、約１０μｍ〜約１００μｍ程度に設定している。
【００７９】
図６（ａ）に示すように、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａによれば、要求負荷量が大きい程、ノズル８２から噴射される液体水として最適とされる最適粒子サイズが小さい。そのため、後述する運転制御処理（図７）において、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが選択されることになる。
【００８０】
一方、図６（ｂ）に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂは、給水ポンプ８３の水圧（供給圧力）とノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズとの相関関係を示すマップであり、運転制御処理（図７）において使用される。なお、この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂは、制御装置７０内のＲＯＭ７２に記憶されており、例えば、予備実験によって得られた値や、ノズル８２の製品カタログなどを基にして作成される。
【００８１】
この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂにおいて、横軸は、給水ポンプ８３の水圧を示す軸であり、向かって右側に向かう程、給水ポンプ８３の水圧が高いことを示す。一方で、縦軸は、ノズル８２から噴射される液体水として最適な粒子サイズ（単位：μｍ）を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。
【００８２】
図６（ｂ）に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂによれば、給水ポンプ８３の水圧を大きくする程、ノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。なお、本実施形態では、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂにおける給水ポンプ８３の水圧の最大値を約５ＭＰａに設定している。
【００８３】
本実施形態の燃料電池システム１００では、制御装置７０により、アクセル開度や走行速度などから要求負荷量を算出し、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａを用いて、算出された要求負荷量から、ノズル８２から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その後、決定された粒子サイズの液体水を噴射するための給水ポンプ８３の水圧を給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂから取得し、給水ポンプ８３の水圧を制御する。  
上述したように、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａによれば、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが選択されることになるので、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂによれば、要求負荷量が大きい程（高負荷運転である程）、より小さい粒子サイズの液体水がノズル８２から霧状に噴射されることになる。
【００８４】
図７は、制御装置７０において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、燃料電池システム１００の運転を制御するための処理であり、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。
【００８５】
図７に示すように、この運転制御処理では、まず、図示されないセンサ装置等から取得されるアクセル開度や走行速度などに基づいて要求負荷量を算出する（Ｓ１１）。なお、このＳ１１は、本発明の燃料電池システムにおける要求負荷量取得手段に該当すると共に、本発明の燃料電池システムの運転方法における要求負荷量取得ステップに該当する。
【００８６】
Ｓ１１の処理後、算出された要求負荷量に応じた最適風量を取得する（Ｓ１２）。なお、要求負荷量に応じた最適風量は、これらのパラメータを関連付けた図示されないマップとしてＲＯＭ１２に記憶されており、かかるマップを基に取得される。なお、要求負荷量に対する最適風量を関連付けた関数に基づいて最適風量を取得するように構成してもよい。
【００８７】
Ｓ１２の処理後、取得した最適風量を得るための送風機６１の電圧制御値を取得し（Ｓ１３）、取得された電圧制御値を送風機６１へ出力する（Ｓ１４）。Ｓ１４の処理の結果、送風機６１の風量（送風量）は、燃料電池スタック４０に対する要求負荷量に応じた最適風量となるように調節される。
【００８８】
Ｓ１４の処理後、Ｓ１１の処理によって取得された要求負荷量に基づき、ノズル８２から噴射される液体水の最適な粒子サイズ（最適粒子サイズ）を取得する（Ｓ１５）。本実施形態では、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａを用いて最適粒子サイズを取得する。よって、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが最適粒子サイズとして取得される。なお、このＳ１５は、本発明の燃料電池システムにおけるサイズ決定手段に該当する。
【００８９】
Ｓ１５の処理後、取得した最適粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ８３の電圧制御値を取得する（Ｓ１６）。具体的には、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂを用いて、最適粒子サイズの液体水をノズル８２から噴射させるのに必要な給水ポンプ８３の水圧を取得し、取得された水圧を得るための給水ポンプ８３の電圧制御値を取得する。よって、最適粒子サイズが小さい程（即ち、要求負荷量が大きい程）、給水ポンプ８３の水圧を大きくする必要があり、給水ポンプ８３の電圧制御値は大きくなる。
【００９０】
Ｓ１６の処理後、取得された電圧制御値を給水ポンプ８３へ出力する（Ｓ１７）。Ｓ１７の処理の結果、給水ポンプ８３の水圧（供給圧力）は、ノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズが、燃料電池スタック４０に対する要求負荷量に応じた最適粒子サイズとなるように調節される。なお、上述したＳ１５〜Ｓ１７は、本発明の燃料電池システムにおける水粒子サイズ変更手段に該当すると共に、本発明の燃料電池システムの運転方法における水粒子サイズ変更ステップに該当する。
【００９１】
Ｓ１７の処理後、水素極１３への水素供給量を制御する水素供給量制御処理を実行し（Ｓ１８）、この運転制御処理を終了する。なお、水素供給量制御処理については、本発明の要旨ではないので省略する。
【００９２】
ここで、図８を参照して、要求負荷量に応じてノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズを変更することによって得られる効果について説明する。図８は、要求負荷量と、空気極１２に供給される実質的な空気の供給量（実質的な空気供給量）との関係を模式的に示すグラフである。この図８において、横軸は、燃料電池スタックに対する要求負荷量を示す軸であり、向かって右側に向かう程、要求負荷量が大きいことを示す。一方で、縦軸は、空気極１２に供給される実質的な空気供給量を示す軸であり、上側に向かう程、空気極１２に実質的に供給される空気量が多いことを示す。
【００９３】
図８において、実線Ａは、要求負荷量に応じてノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズを変更する本実施形態の燃料電池システム１００を用いた場合を示し、破線Ｂは、要求負荷量に応じてノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズを変更しない燃料電池システムを用いた場合を示す。
【００９４】
図８に示すように、要求負荷量に応じてノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズを変更しない場合（破線Ｂ）において、高負荷運転時における空気極１２への実質的な空気の供給量が比較的低くなるのに対し、本実施形態の燃料電池システム１００を用いた場合（実線Ａ）には、高負荷運転時においても空気極１２への実質的な空気の供給量が改善される。
【００９５】
運転制御処理（図７参照）におけるＳ１２〜Ｓ１４の処理によって制御される送風機６１の風量は、燃料電池スタック４０に対する要求負荷量が大きい程、多量とされる。一方で、Ｓ１５〜Ｓ１７の処理によって制御される給水ポンプ８３の水圧は、燃料電池スタック４０への要求負荷量が大きい程、高圧とされる。よって、空気極１２へ供給される空気量及び水量は共に、燃料電池スタック４０に対する要求負荷量が大きい程、多い。
【００９６】
よって、高負荷運転時には、発電のために空気極１２へ供給される空気量が多く必要とされるにもかかわらず、供給される水量や空気極１２で生成される水量も増えるために、空気流路、特に、空気極側コレクタ２２のベースコレクタ２２１に開口された孔が液体水によって閉塞され易く、空気極１２へ実質的に供給することのできる空気量が不足しがちになる傾向にある。
【００９７】
しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック４０への要求負荷量が大きい程、ノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズが小さくなるように給水ポンプ８３が制御されるので、噴射された液体水による酸素極１２への空気流路（酸化剤ガスの流路）の閉塞を抑制することができる。そのため、高負荷運転時（要求負荷量が大きい場合）においても十分な量の空気を空気極１２へ供給することができるので、高負荷運転時における発電性能を向上させることができるのである。
【００９８】
次に、図９〜図１１を参照して、第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、空気極１２へ液体水を霧状に噴射するノズルとして、一流体ノズルであるノズル８２を使用したが、この第２実施形態では、二流体ノズルであるノズル１８２を使用する。なお、上記した第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００９９】
図９は、第２実施形態の燃料電池システム５００を示す系統図である。なお、この第２実施形態の燃料電池システム５００もまた、本発明の燃料電池システムに該当する。
【０１００】
図９に示すように、第２実施形態の燃料電池システム５００は、第１実施形態の水供給系８０に対応する水供給系８００が、水タンク８１と、ポンプ８４と、空気マニホールド４１に配置された二流体ノズルであるノズル１８２と、水タンク８１からノズル１８２へ水を圧送する給水ポンプ８３と、図示されない装置によって外界から取り込んだ空気をノズル１８２へ圧送する給気ポンプ８５とを含んで構成されている。
【０１０１】
かかる水供給系８００は、水タンク８１に貯留されている水をノズル１８２から空気マニホールド４１へ噴射させる。空気マニホールド４１に噴射された水は、空気供給系６０を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。
【０１０２】
ノズル１８２は、給水ポンプ８３から圧送された水（液体水）に給気ポンプ８５から圧送された空気を混合させて噴射する二流体ノズルである。このノズル１８２は、給水ポンプ８３から供給される水の水圧（供給圧力）と、給気ポンプ８５から供給される空気の圧力（供給圧力）とに応じて、噴射される水の粒子サイズが変わる構成とされている。具体的には、ノズル１８２は、ノズル１８２へ供給される水の供給圧力又は空気の供給圧力の少なくとも一方が高くなる程、噴射される水の粒子サイズが小さくなるように構成されている。
【０１０３】
この第２実施形態における制御装置７０の入出力ポート７５が水供給系８００の給水ポンプ８３及び給気ポンプ８５に接続されている。後述するように、本実施形態における燃料電池システム５００の制御装置７０は、アクセル開度や走行速度などにより決定される負荷入力量（要求負荷量）に基づいて、ノズル１８２から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その最適な粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ８３の制御電圧値及び給気ポンプ８５の制御電圧値を適宜変更するように構成されている。
【０１０４】
また、第２実施形態における制御装置７０のＲＯＭ７２には、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｂに換えて、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃと、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄとが記憶されている。なお、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａは、第１実施形態と同様、ＲＯＭ７２に記憶されている。
【０１０５】
ここで、図１０（ａ）は、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃの内容を示す模式図であり、図１０（ｂ）は、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄの内容を示す模式図である。
【０１０６】
図１０（ａ）に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃは、給水ポンプ８３の水圧（供給圧力）とノズル８２から噴射される液体水の粒子サイズとの相関関係を示すマップであり、第２実施形態の運転制御処理（図１１）において使用される。なお、この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃは、例えば、予備実験によって得られた値や、ノズル１８２の製品カタログなどを基にして作成される。
【０１０７】
この給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃにおいて、横軸は、給水ポンプ８３の水圧を示す軸であり、向かって右側に向かう程、給水ポンプ８３の水圧が高いことを示す。一方で、縦軸は、ノズル１８２から噴射される液体水として最適な粒子サイズ（単位：μｍ）を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。
【０１０８】
図１０（ａ）に示すように、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃによれば、給水ポンプ８３の水圧を大きくする程、ノズル１８２から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。なお、第２実施形態では、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃにおける給水ポンプ８３の水圧の最大値を約０．２ＭＰａに設定している。
【０１０９】
一方、図１０（ｂ）に示すように、給気ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｄは、給気ポンプ８５から圧送する空気の圧力（供給圧力）とノズル１８２から噴射される液体水の粒子サイズとの相関関係を示すマップであり、第２実施形態の運転制御処理（図１１）において使用される。なお、この給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄは、例えば、予備実験によって得られた値や、ノズル１８２の製品カタログなどを基にして作成される。
【０１１０】
この給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄにおいて、横軸は、給気ポンプ８５から圧送する空気の圧力を示す軸であり、向かって右側に向かう程、給気ポンプ８３から供給される空気の圧力が高いことを示す。一方で、縦軸は、ノズル１８２から噴射される液体水として最適な粒子サイズ（単位：μｍ）を示す軸であり、上側に向かう程、粒子サイズが大きいことを示す。
【０１１１】
図１０（ｂ）に示すように、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄによれば、給気ポンプ８５から圧送する空気の圧力を大きくする程、ノズル１８２から噴射される液体水の粒子サイズを小さくすることができる。なお、本実施形態では、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄにおける給気ポンプ８５の供給圧力の最大値を約０．２ＭＰａに設定している。
【０１１２】
本実施形態の燃料電池システム５００では、制御装置７０により、アクセル開度や走行速度などから要求負荷量を算出し、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａを用いて、算出された要求負荷量から、ノズル１８２から噴射される液体水の最適な粒子サイズを決定し、その後、決定された粒子サイズの液体水を噴射するための給水ポンプ８３及び給気ポンプ８５の供給圧力を、それぞれ、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃ及び給気ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｄから取得し、給水ポンプ８３の水圧と給気ポンプ８５から圧送する空気の圧力とを制御する。
【０１１３】
上述したように、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａによれば、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが選択されることになるので、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃ給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄによれば、要求負荷量が大きい程（高負荷運転である程）、より小さい粒子サイズの液体水がノズル１８２から霧状に噴射されることになる。
【０１１４】
図１１は、第２実施形態における運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池システム５００の運転を制御するための処理であり、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。
【０１１５】
図１１に示すように、この運転制御処理では、まず、図示されないセンサ装置等から取得されるアクセル開度や走行速度などに基づいて要求負荷量を算出し（Ｓ１１）、算出された要求負荷量に応じた最適風量を取得し（Ｓ１２）、取得した最適風量を得るための送風機６１の電圧制御値を取得し（Ｓ１３）、取得された電圧制御値を送風機６１へ出力する（Ｓ１４）。
【０１１６】
Ｓ１４の処理後、Ｓ１１の処理によって取得された要求負荷量に基づき、ノズル１８２から噴射される液体水の最適な粒子サイズ（最適粒子サイズ）を取得する（Ｓ１５）。この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａを用いて最適粒子サイズを取得する。よって、要求負荷量が大きい程、小さな粒子サイズが最適粒子サイズとして取得される。
【０１１７】
Ｓ１５の処理後、取得した最適粒子サイズを得るのに必要な給水ポンプ８３の電圧制御値を取得し（Ｓ１６）、取得された電圧制御値を給水ポンプ８３へ出力する（Ｓ１７）。なお、第２実施形態では、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップ７２ｃ（図１０（ａ）参照）を用いて、最適粒子サイズの液体水をノズル１８２から噴射させるのに必要な給水ポンプ８３の水圧を取得し、取得された水圧を得るための給水ポンプ８３の電圧制御値を取得する。
【０１１８】
Ｓ１７の処理後、Ｓ１５の処理によって取得した最適粒子サイズを得るのに必要な給気ポンプ８５の電圧制御値を取得し（Ｓ２１）、取得された電圧制御値を給気ポンプ８５へ出力し（Ｓ２２）、水素供給量制御処理を実行して（Ｓ１８）、この運転制御処理を終了する。
【０１１９】
なお、Ｓ２１の処理では、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップ７２ｄ（図１０（ｂ）参照）を用いて、最適粒子サイズの液体水をノズル１８２から噴射させるのに必要な給気ポンプ８５の供給圧力を取得し、取得された供給圧力を得るための給気ポンプ８５の電圧制御値を取得する。
【０１２０】
Ｓ１７及びＳ２２の処理の結果、給水ポンプ８３の水圧（供給圧力）及び給気ポンプ８５の供給圧力は、ノズル１８２から噴射される液体水の粒子サイズが、燃料電池スタック４０に対する要求負荷量に応じた最適粒子サイズとなるように調節される。なお、上述したＳ１５〜Ｓ１７，Ｓ２１，Ｓ２２は、本発明の燃料電池システムにおける水粒子サイズ変更手段に該当すると共に、本発明の燃料電池システムの運転方法における水粒子サイズ変更ステップに該当する。
【０１２１】
従って、この第２実施形態の燃料電池システム５００によれば、上述した第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に、燃料電池スタック４０への要求負荷量が大きい程、ノズル１８２から噴射される液体水の粒子サイズが小さくなるように給水ポンプ８３及び給気ポンプ８５が制御されるので、噴射された液体水による酸素極１２への空気流路（酸化剤ガスの流路）の閉塞を抑制することができる。従って、高負荷運転時（要求負荷量が大きい場合）においても十分な量の空気を空気極１２へ供給することができ、高負荷運転時における発電性能を向上させることができる。
【０１２２】
なお、第２実施形態の燃料電池システム５００において使用するノズル１８２は、空気の圧力を利用する二流体ノズルであるので、液体水を圧送するための圧力を得やすいという利点がある。一方で、第１実施形態の燃料電池システム１００において使用するノズル８２は、給水ポンプ８３から圧送された液体水を単独で噴射する一流体ノズルであるので、給気ポンプ８５などが不要となるので、システム構成の小型化に有利であると共に、給気ポンプ８５などが不要になる分だけ、消費電力を抑制することができるという利点がある。
【０１２３】
以上、各実施形態により説明したように、本発明の燃料電池システム１００，５００及びその運転方法（運転制御処理）によれば、要求負荷量が大きい程、ノズル８２，１８２から噴射される液体水の粒子サイズを小さくするので、液体水の供給量増大に伴う空気流路の液体水による閉塞によって不足しがちであった高負荷運転時における空気供給量を十分な量とすることができる。その結果、高負荷運転時における発電性能を向上させることができる。
【０１２４】
なお、上記各実施形態の燃料電池システム１００，５００によれば、燃料電池スタック４０に対する要求負荷量とノズル８２，１８２から噴射される液体水の粒子サイズとの関係がＲＯＭ７２（要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａ）に記憶されているので、ノズル８２，１８２から噴射される液体水の粒子サイズを要求負荷量に応じた最適なサイズとすることができるので、高負荷運転時における空気流路の閉塞の抑制がより有効に実現される。
【０１２５】
さらに、上記各実施形態の燃料電池システム１００，５００によれば、液体水の粒子サイズが比較的大きくても差し支えない低負荷運転時には、給水ポンプ８３や給気ポンプ８５への供給電圧を低く抑えることができる。従って、燃料電池システムにおける全体的な消費電力を抑制することができる。
【０１２６】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【０１２７】
例えば、上記各実施形態では、要求負荷量と最適な粒子サイズとの関係が一次関数的に減少する関係にある要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａ（図６（ａ））を例示したが、高負荷運転時における粒子サイズが、低負荷運転時における粒子サイズより小さくなる関係のものであれば、両者の関係は一次的な比例関係でなくてもよい。
【０１２８】
例えば、要求負荷量が大きくなる程、最適粒子サイズが小さくなるような曲線を描くマップや、要求負荷量が大きくなるにつれ、段階的に最適粒子サイズが小さくなるようなマップや、所定の要求負荷量を閾値として、要求負荷量が閾値より大きい場合には、要求負荷量が大きくなる程、最適粒子サイズが小さくなり、要求負荷量が閾値より小さい場合には、一定の粒子サイズを最適粒子サイズとするようなマップであってもよい。
【０１２９】
あるいは、高負荷運転であるか低負荷運転であるかのみを判断し、低負荷運転であれば所定の粒子サイズ（１サイズ）を最適粒子サイズとし、高負荷運転であれば、低負荷運転の場合よりも小さい粒子サイズ（１サイズ）を最適粒子サイズとするように構成してもよい。かかる構成を取る場合には、所定の要求負荷量を閾値として、要求負荷量が閾値より小さい場合には、第１の粒子サイズを最適粒子サイズとし、要求負荷量が閾値より小さい場合には、第１の粒子サイズより小さい第２の粒子サイズを最適粒子サイズとするようなマップを用いることができる。
【０１３０】
また、上記各実施形態では、要求負荷量−粒子サイズマップ７２ａを要求負荷量の大きさに関係なく使用するように構成したが、かかるマップ７２ａを、要求負荷量が所定量より大きい場合にのみに使用するように構成してよい。なお、かかるマップ７２ａを使用しない低負荷運転時には予め決められている粒子サイズとするようにすればよい。
【０１３１】
また、上記各実施形態において、所望の値（例えば、最適な粒子サイズ）を得るために各マップ７２ａ〜７２ｄを使用する構成としたが、各マップ７２ａ〜７２ｄにおける横軸で表されるパラメータと縦軸で表されるパラメータとを関連付けた関数に基づいて所望の値を得るように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明の燃料電池システムの第１実施形態を示す系統図である。
【図２】（ａ）は、燃料電池スタックを模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックを構成するセルモジュールを模式的に示す上面図である。
【図３】（ａ）は、セルモジュールを空気極側から見た正面図であり、（ｂ）は、セルモジュールを燃料極側から見た正面図である。
【図４】（ａ）は、図３（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ矢視要部断面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の矢視要部断面図である。
【図５】（ａ）は、空気極側コレクタをセパレータ本体側から見た正面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶｂ方向から見た側面図である。
【図６】（ａ）は、要求負荷量−粒子サイズマップの内容を示す模式図であり、（ｂ）は、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップの内容を示す模式図である。
【図７】制御装置において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。
【図８】要求負荷量と、空気極に供給される実質的な空気の供給量との関係を模式的に示すグラフである。
【図９】第２実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図１０】（ａ）は、給水ポンプ水圧−粒子サイズマップの内容を示す模式図であり、（ｂ）は、給気ポンプ圧力−粒子サイズマップの内容を示す模式図である。
【図１１】第２実施形態における運転制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３３】
１０              単位セル（燃料電池）
１１              固体高分子電解質膜
１２              空気極（酸素極）
１３              燃料極
４０              燃料電池スタック
７２ａ            要求負荷量−粒子サイズマップ（サイズ記憶手段）
８２，１８２      ノズル
１００，５００    燃料電池システム
【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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