(57)【要約】【課題】  小型且つ低コストで且つ制御が容易な燃料電池を冷却すると共に燃料電池のカソード側の送気路に送気する燃料電池の冷却送気方法が提供される。【解決手段】  燃料電池の冷却送気方法においては、第１及び第２の冷却空気流が夫々流れる第１及び第２の冷却流路が燃料電池の第１及び第２の面上に定められ、燃料電池のカソード側送気路を介して第１冷却流路を第２冷却流路に連通させるように燃料電池が筐体に収納されている。第１及び第２冷却流路内の第１及び第２冷却空気流の間に調整可能な圧力差が与えられ、圧力差に従って第１冷却流路から送気路に導入される送気流が調整される。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の冷却風を発生する第１及び第２冷却風発生部と、
複数の送気路を有するカソード流路板、燃料が流通される燃料流路を有するアノード流路板、前記カソード流路板及びアノード流路板間に配置され、前記送気路及び前記燃料流路に接触する膜電極複合体から構成される燃料電池部であって、前記送気路の一端に形成された第１の開口が配置された第１の面及び前記送気路の他端に形成された第２の開口が配置される第２の面を有する燃料電池部と、
前記第１及び第２の冷却風が夫々流れる第１及び第２の冷却流路を前記第１及び第２の面上に定め、前記送気路を介して前記第１冷却流路を前記第２冷却流路に連通させるように前記燃料電池を収納する筐体と、
前記第１及び第２冷却流路内の前記第１及び第２冷却風の間に調整可能な圧力差を与え、前記圧力差に従って前記第１冷却流路から前記送気路に導入される送気流を調整する送気流調整部と、
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記筐体は、前記第１及び第２冷却流路を前記第１及び第２の面上に定める第１及び第２ダクトを備えることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記送気流調整部は、前記第１及び第２冷却風発生部から発生される前記第１及び第２の冷却風の流量を調整する制御部を含むことを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１及び第２冷却風発生部は、前記第１及び第２の冷却風を発生する第１及び第２のファンを含み、
前記送気流調整部は、前記第１及び第２のファンの回転を独立に制御する制御部を含むことを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項５】
前記送気流調整部は、前記燃料電池を冷却するに要する設定冷却量及び前記送気路に流入されるべき設定送気量に従って前記第１及び第２の冷却風の流量を調整する制御部を含むことを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項６】
前記送気流調整部は、前記第１及び第２の冷却流路の一方に設けられ、当該一方の冷却流路における内圧を調整する内圧調整用流路絞りを含む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７】
前記送気流調整部は、前記第１及び第２の冷却流路の一方に設けられ、当該一方の冷却流路から前記送気路に流入する前記送気の配流を均一化する抵抗部を含むことを特徴とした請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記送気流調整部は、前記第１及び第２の冷却流路の一方に設けられ、当該一方の冷却流路を流れる前記冷却風を分流して前記送気路に流入させる整流用抵抗を含む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９】
複数の送気路を有するカソード流路板、燃料が流通される燃料流路を有するアノード流路板、前記カソード流路板及びアノード流路板間に配置され、前記送気路及び前記燃料流路に接触する膜電極複合体から構成される燃料電池部であって、前記送気路に連通する第１の開口が配置された第１の面及び前記送気路に連通する第２の開口が配置される第２の面を有する燃料電池部と、
第１及び第２の冷却風が夫々流れる第１及び第２の冷却流路を前記第１及び第２の面上に定め、前記送気路を介して前記第１冷却流路を前記第２冷却流路に連通させるように前記燃料電池を収納する筐体と、
を具備する燃料電池を冷却すると共に前記送気路に送気する燃料電池の冷却送気方法において、
前記第１及び第２冷却流路内の前記第１及び第２冷却風の間に調整可能な圧力差を与え、前記圧力差に従って前記第１冷却流路から前記送気路に導入される送気流を調整することを特徴とする燃料電池の冷却送気方法。
【請求項１０】
前記第１及び第２の冷却風の流量を調整して前記圧力差を生じさせることを特徴とする請求項９の燃料電池の冷却送気方法。
【請求項１１】
前記燃料電池を冷却するに要する設定冷却量及び前記送気路に流入されるべき設定送気量に従って前記第１及び第２の冷却風の流量を調整することを特徴とする請求項９の燃料電池の冷却送気方法。
【請求項１２】
前記第１及び第２の冷却流路の一方の内圧を調整することを特徴とする請求項９記載の燃料電池の冷却送気方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２の冷却流路の一方を流れる前記冷却風を分流して前記送気路に流入させることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の冷却送気方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を冷却すると共に燃料電池の送気路に送気する燃料電池の冷却送気方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤の化学反応により得られる自由エネルギーの変化を電気として外部に取り出すシステムとして特許文献１〜３に知られている。燃料は、主に水素或いは炭化水素系の有機化合物で、酸化剤は、殆どが酸素である。この燃料と酸化剤の化学反応による自由エネルギー変化を電気エネルギーとして取り出すために、燃料電池は、電子伝導体である２つの電極とイオン伝導体である電解質とを有している。
【０００３】
燃料電池は、燃料或いは電解質の種類により、いくつかのタイプに分類されている。例えば、燃料電池の方式には、直接型メタノール方式（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）、溶融炭酸塩方式（ＭＣＦＣ）、固体高分子方式（ＰＥＦＣ）等がある。
【０００４】
直接型メタノール方式燃料電池セルは、マイナス側電極であるアノード、プラス側電極であるカソード及び両者間に電解質膜が挟まれた構造を有している。燃料電池セルのアノードには、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）及び水（Ｈ2Ｏ）が供給されている。通常、メタノールと水は、メタノール水溶液のように両者が混合されて供給される。一方、燃料電池セルのカソード側には酸素（Ｏ2）が供給される。
【０００５】
燃料電池セルのアノード側では、下記式（１）の反応が生じている。
【０００６】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-−１２１．９ｋＪ／ｍｏｌ      …（１）
燃料電池セルの一方カソード側では、下記式（２）の反応が生じている。
【０００７】
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ＋１４１．９５ｋＪ／ｍｏｌ          …（２）
ここで、燃料電池の電解質膜は、電子（ｅ-）を通さずプロトン（Ｈ+）のみ透過するという選択性を有している。従って、電子（ｅ-）は、燃料電池セル外の外部回路を介してカソード側に向かわざるを得ず、この外部回路に供給される電子（ｅ-）が電気エネルギーとして外部に取り出される。
【０００８】
このように、燃料電池は、プラス側電極に酸素（Ｏ2）を供給することを必要とし、この酸素は、通常、ポンプを用いてプラス側電極に供給される。
【０００９】
一方、燃料電池では、式（１）及び（２）の反応時における燃料電池内の内部抵抗等で、燃料の持つエネルギー全てを電気エネルギーに変換することは難しく、変換ロスが生じている。そのため大出力の燃料電池では、強制的に放熱する機能が必要となり、冷却ファンで空冷される。即ち、燃料電池は、カソードへの酸素供給のための送気機能並びに燃料電池を冷却するための送気機能の二つを必要とし、多くの燃料電池では、送気ポンプ並びに冷却ファンの二つのファンを備えている。燃料電池システムの小型化及び簡素化の為に送気ポンプ並びに冷却ファンの両者を共通化することも提案されている。
【００１０】
例えば、特許文献１には、容器内に発電部としての燃料電池セルが多段に積み重ねられた構造を有する燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、各燃料電池セルは、膜電極複合体、アノード流路板及びカソード流路板から構成され、容器に開口部が設けられ、容器外に設けたファンから開口部を介して容器内に空気流が流入され、開口部を介して流出されている。ここで、カソード流路板が空気流に接触するように配置され、空気流に含まれる酸素が膜電極複合体に供給されて発電に供されている。
【特許文献１】特開２００７−０９５５８１
【特許文献２】特開２００５−２１６７７７
【特許文献３】特開平１１−６７２４９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記特許文献１には、カソード流路板の一端にマニホールド及び開度調整弁が取り付けられ、カソード流路の内部に強制流が形成されるのを抑制し、しかも、カソードへの送気量を調整する構造も開示されている。
【００１２】
しかし、この特許文献１に開示された方法によれば、温度制御のため冷却パス（流路）の流量を調節すると、それに伴い発電に供するためのカソード流路への流量も変動してしまうという問題がある。この問題を解決するために、特許文献２及び３は、スリット等のメカニカルな機構により、冷却パスとカソード流路へ分配を調節している構造を開示している。
【００１３】
しかし、メカニカルな機構は、部品点数が多くなり、小型化、故障要因の増加並びに高コスト化を招く問題がある。更に、特許文献２及び３に開示された構造では、微小な流路断面積の差で流量を調節するので、流量の制御が難しい問題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、小型且つ低コストで且つ制御が容易な燃料電池を冷却すると共に燃料電池のカソード側の送気路に送気する燃料電池の冷却送気方法及び燃料電池システムを提供するにある。
【００１５】
また、この発明によれば、
第１及び第２の冷却風を発生する第１及び第２冷却風発生部と、
複数の送気路を有するカソード流路板、燃料が流通される燃料流路を有するアノード流路板、前記カソード流路板及びアノード流路板間に配置され、前記送気路及び前記燃料流路に接触する膜電極複合体から構成される燃料電池部であって、前記送気路に連通する第１の開口が配置された第１の面及び前記送気路に連通する第２の開口が配置される第２の面を有する燃料電池部と、
前記第１及び第２の冷却風が夫々流れる第１及び第２の冷却流路を前記第１及び第２の面上に定め、前記送気路を介して前記第１冷却流路を前記第２冷却流路に連通させるように前記燃料電池を収納する筐体と、
前記第１及び第２冷却流路内の前記第１及び第２冷却風の間に調整可能な圧力差を与え、前記圧力差に従って前記第１冷却流路から前記送気路に導入される送気流を調整する送気流調整部と、
を具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１６】
また、この発明によれば、
複数の送気路を有するカソード流路板、燃料が流通される燃料流路を有するアノード流路板、前記カソード流路板及びアノード流路板間に配置され、前記送気路及び前記燃料流路に接触する膜電極複合体から構成される燃料電池部であって、前記送気路に連通する第１の開口が配置された第１の面及び前記送気路に連通する第２の開口が配置される第２の面を有する燃料電池部と、
前記第１及び第２の冷却風が夫々流れる第１及び第２の冷却流路を前記第１及び第２の面上に定め、前記送気路を介して前記第１冷却流路を前記第２冷却流路に連通させるように前記燃料電池を収納する筐体と、
を具備する燃料電池を冷却すると共に前記送気路に送気する燃料電池の冷却送気方法において、
前記第１及び第２冷却流路内の前記第１及び第２冷却送気流の間に調整可能な圧力差を与え、前記圧力差に従って前記第１冷却流路から前記送気路に導入される送気流を調整することを特徴とする燃料電池の冷却送気方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、小型で、制御が容易な燃料電池システムおよびその冷却送気方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る燃料電池を説明する。
【００１９】
図１は、この発明の燃料電池を備えた燃料電池システム１００を示し、図２は、図１に示した燃料電池を示す。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池システムおいては、燃料タンク２に燃料として高濃度メタノール溶液、或いは、純メタノール溶液が貯蔵されている。この燃料タンク２から燃料電池７に燃料を供給するために燃料供給部４が燃料電池システム１００に設けられている。燃料電池７には、燃料電池の温度を測定する為の温度センサ６が設けられ、この燃料電池７内における発電に伴う反応に基づいて燃料電池の温度が上昇され、測定された温度が測定信号として制御部１０に入力される。また、燃料電池システム１００は、外気温を測定する温度センサ８を備え、この温度センサ８からの出力信号(測定信号）も制御部１０に入力される。制御部１０には、外部から燃料電池から出力されるべき電力の設定値（目標電力）が入力される。制御部１０においては、温度センサ６、８からの出力信号がデータベース１２内のデータと比較され、両者の比較に基づいて処理部１４で目標電力に対する燃料電池７のアノード側に供給される燃料の供給量が決定される。この決定された燃料供給量が制御信号として燃料供給部４に与えられ、燃料供給部４は、制御信号に基づいて燃料電池７の為に設定された供給量の燃料を燃料電池７に供給する。
【００２１】
図１に示されるように燃料電池７は、第１及び第２の冷却用の空気流（冷却風）を発生する冷却風発生部として第１及び第２のファン１６，１８を備える。この第１及び第２のファン１６，１８を夫々独立に駆動する為のドライバ２１，２２を備えている。制御部１０において、温度センサ６、８からの出力信号がルックアップテーブルを有するデータベース１２内のデータと比較され、両者の比較に基づいて処理部１４で燃料電池７のカソード側に供給される冷却用の空気（冷却風）の送気量が決定される。後述する方法により決定される発電用の空気の送気量と、この冷却用の送気量に基づいて第１及び第２のファン１６，１８の第１及び第２の回転数が決定される。この決定された第１及び第２の回転数で第１及び第２のファン１６，１８が回転されるように制御部１０から第１及び第２のドライバ２１，２２に制御指令が入力される。従って、この第１及び第２のドライバ２１，２２からの駆動信号で第１及び第２のファン１６，１８が駆動され、第１及び第２のファン１６，１８が設定された第１及び第２の回転数で回転され、第１及び第２のファン１６，１８から第１及び第２の発電用および冷却用の空気流が燃料電池７の上部及び下部に供給され、所定の空気量が燃料電池７のカソード側に供給される。なお、「上部」及び「下部」は本実施の形態において説明の便宜のためのものであり、燃料電池７の姿勢に応じて燃料電池７の「左側」及び「右側」等となることを許容する。
【００２２】
図２に示されるように燃料電池７は、複数の燃料電池セル２０をＸ方向(燃料電池の幅方向）に積層した構造を有し、各燃料電池セル２０は、カソード流路板２２及びこのカソード流路板２２に対向されるアノード流路板３２から構成され、カソード流路板２２及びアノード流路板３２間には、膜電極複合体（ＭＥＡ）３０が配置されている。図２においては、図面が複雑化するのを避けるために単一の燃料電池セル２０のみが示されている点に注意されたい。膜電極複合体（ＭＥＡ）３０では、カソード流路板２２にカソード触媒層２４が密着され、また、アノード流路板３２にアノード触媒層２８が密着され、カソード触媒層２４及びアノード触媒層２８間にカソード触媒層２４及びアノード触媒層２８に密着するようにプロトン導電膜（プロトン導電性高分子膜）２６が配置されている。カソード流路板２２には、Ｚ方向（燃料電池の高さ方向）に沿って多数の空気流（送気）の為の送気流路３４が形成され、燃料電池７の上下面７Ａ、７Ｂで開口されている。また、アノード流路板３２には、入出力ポート(図示せず）が端面に設けられ、アノード流路板３２には、入出力ポートに連通するように燃料が流通する為の湾曲した燃料流路（図示せず）が形成され、この燃料流路内において燃料がアノード触媒層２８に接触される。燃料はアノード触媒層２８で反応し、ここで生成したプロトンはプロトン導電膜（プロトン導電性高分子膜）２６を介してカソード触媒層２４に達する。ここで、カソード触媒層２４を通過した空気と反応し、水を生成する。膜電極複合体（ＭＥＡ）３０は、シール、即ち、ガスケット(図示せず）で密閉され、燃料が外部に漏れ出ない構造に形成されている。
【００２３】
尚、図２に示される構造では、複数の燃料電池セル２０がＸ方向(燃料電池の幅方向）に配列されているが、複数の燃料電池セル２０がＹ方向(燃料電池の長手方向）に配列されても良いことは明らかである。
【００２４】
図１に示される負荷回路１５には、制御部１０が燃料電池７から出力されるべき電力（目標電力）を設定する為に負荷を設定する負荷設定指示を与えるとともに燃料電池７から出力される電力が測定されて制御部１０に出力信号を与えて制御部１０が燃料電池７の出力をモニター可能としている。
【００２５】
図２に示された構造においては、図面を簡略化するために１つの燃料電池セル２０のみが示されているが、複数の燃料電池セル２０が積層されている点に注意されたい。
【００２６】
図２に示された燃料電池７は、図３に示すように筐体４０内に収納されている。筐体４０は、燃料電池７の上面７Ａ上に第１ファン１６からの冷却用の空気流（冷却風）を流通させる為の上部流路空間部４２及び燃料電池７の下面７Ｂ上に第２ファン１８からの冷却用の空気流（冷却風）を流通させる為の下部流路空間部４４を定める上部ダクト５０及び下部ダクト５２を備えている。上部ダクト５０及び下部ダクト５２は、夫々流通する冷却用の空気流の流入口４２Ａ、４４Ａ並びに流出口４２Ｂ、４４Ｂを有している。第１及び第２ファン１６、１８は、夫々独立した導入口４６Ａ、４８Ａを有する筐体４６，４８に収納され、筐体４６，４８は、夫々上部及び下部連結ダクト７０，７２によって流入口４２Ａ、４４Ａに連結されている。
【００２７】
このような構造を有する燃料電池７では、第１及び第２ファン１６、１８が回転されると、導入口４６Ａ、４８Ａから冷却用の空気流が導入される。この空気流は、連結ダクト７０，７２を介して上部ダクト５０及び下部ダクト５２内の上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４に流入され、図３及び図４に矢印Ｆで示すように流出口４２Ｂ、４４Ｂに向けられ、流出口４２Ｂ、４４Ｂから流出される。従って、反応によって生じた燃料電池の熱は、上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４を流れる空気流に伝達されて外部に排出される。第１及び第２ファン１６、１８の回転数に応じて、上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４を流通する空気流の流通速度が変化し、上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４を流通する空気流の流通速度に差が生ずる。この速度差に応じて、例えば、上部流路空間部４２を流通する第１の空気流の流通速度が下部流路空間部４４を流通する第２の空気流の流通速度に比べて大きければ、上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４間に気圧差が生じ、燃料電池７の上面７Ａの空気流の流路３４の開口から気流が矢印Ｄで示すように流路３４に流入され、流路３４内に積極的に空気が供給され、燃料電池７での反応が促進される。そして、流路３４に流入された気流は、下部流路空間部４４に流入されてこの下部流路空間部４４を流れる気流と共に流出口４４Ｂから排出される。燃料電池７のカソード側で生じた水分は、流路３４内を流れる空気と共に排出され、燃料電池７のアノード側で生じた二酸化炭素ガスは、アノード流路板３２内の流路を通って出力ポートから排出される。
【００２８】
ここで、第１及び第２ファン１６、１８からの空気流は、燃料電池７を冷却するとともに燃料電池で消費される酸素の供給源に相当している。燃料電池７の発熱が大きく、十分に冷却する必要がある場合には、第１及び第２ファン１６、１８の回転数が上昇され、燃料電池７の発熱が小さく、十分に冷却する必要がない場合には、両ファン１６、１８の回転数が減少される。また、燃料電池における電気化学反応を促進させる為に酸素を十分に供給する場合には、両ファン１６、１８の回転数に差が与えられて上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４間に大きな気圧差が与えられて、流路３４内に十分な空気が供給される。燃料電池における電気化学反応を抑える為に酸素の供給を抑える場合には、第１及び第２ファン１６、１８の回転数に差が減少されて上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４間の気圧差が減少されて、流路３４内に供給される空気が減少される。
【００２９】
次に、図５に基づいて燃料電池システム１００の制御動作を説明する。
【００３０】
図１に示される燃料電池システム１００においては、ステップＳ１に示すように発電開始に先立って外気温センサ８からのセンサ信号で外気温が制御部において測定される。また、外部の入力装置で制御部１０に設定電力(目標電力）が指示され、内部のメモリ(図示せず）に格納される。その後、負荷回路１５に負荷が設定されて燃料電池７の発電が開始される。この発電に伴い、負荷回路１５に発電された電力の供給が開始されると共に、燃料電池７の温度が上昇され、初期回転数で第１及び第２ファン１６，１８が回転駆動される。発電される電力が安定した時点で、ステップＳ１に示すように温度センサ６からの測定信号が制御部１０に与えられると共にステップＳ２に示すように発電された電力が測定されて測定電力信号が制御部１０に与えられて設定電力(目標電力）と比較される。制御部１０においては、外気温度及び燃料電池温度でデータベース１２に格納された冷却風量データ(ルックアップテーブル）が参照される。そして、ステップＳ３に示すように冷却風量データから外気温度及び燃料電池温度を基にした上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４に供給すべき設定電力に応じた冷却風量が夫々処理部１４で計算される。また、測定電力信号で同様にデータベース１２に格納されたカソード送気量データ(ルックアップテーブル）が参照されてステップＳ４に示すように測定電力信号を基にして設定電力に応じたカソード送気量が処理部１４で計算される。従って、外気温度及び燃料電池温度を基にしてステップＳ３に示すように上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４に供給すべき冷却風量が夫々処理部１４で計算される。
【００３１】
制御部１０は、計算した冷却風量及び計算したカソード送気量から第１及び第２のファン１６，１８の回転数を求め、この第１及び第２のファン１６，１８の回転数に応じた第１及び第２の駆動電圧をステップＳ５、Ｓ６で計算する。この求められた第１及び第２の駆動電圧にドライバ２１、２２が設定されてステップＳ７、Ｓ８に示すように求められた回転数でファン１６，１８が回転される。従って、上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４に第１及び第２のファン１６，１８から第１及び第２の空気流が供給されて燃料電池７が冷却され、第１及び第２の空気流の差に応じて流路３４内に空気が流入し、燃料電池７に酸素が供給される。その結果、所定温度に維持された状態で燃料電池に所定の電気化学反応が生じ、燃料電池からは、設定した電力が発電される。
【００３２】
図６（ａ）は、図３に示される第１及び第２ファン１６，１８から供給される総空気流の風量［Ｌ／min］と上部ダクト５０及び下部ダクト５２に与えられる第１及び第２気圧Ｐａ１［Ｐａ］、Ｐａ２［Ｐａ］の例を示している。第１及び第２気圧Ｐａ１［Ｐａ］、Ｐａ２［Ｐａ］に基づいて流路３４内に空気が流入される。即ち、燃料電池７のカソード側に供給される空気量（送気量）を調整可能であることを示している。
【００３３】
図６（ｂ）は、燃料電池７のカソード側に供給される空気量（送気量）を一定、例えば、送気量１．１Ｌ／minに設定した場合において、燃料電池７を冷却する為に第１及び第２ファン１６，１８から供給される総空気流の風量［Ｌ／min］の例を示している。図６（ｂ）に示した［Ａ］の例では、第１及び第２ファン１６，１８から供給される総空気流の風量が５５Ｌ／min（＝第１ファン１６の風量＋第２ファン１８の風量）である場合（第１ファン１６の風量＞第２ファン１８の風量）における第１及び第２気圧（吐出圧）Ｐａ１［Ｐａ］、Ｐａ２［Ｐａ］を示している。［Ｂ］の例では、第１及び第２ファン１６，１８から供給される総空気流の風量が４０Ｌ／min（＝第１ファン１６の風量＋第２ファン１８の風量）である場合（第１ファン１６の風量＞第２ファン１８の風量）における第１及び第２気圧（吐出圧）Ｐａ１［Ｐａ］、Ｐａ２［Ｐａ］を示している。［Ｃ］の例では、第１及び第２ファン１６，１８から供給される総空気流の風量が２５Ｌ／min（＝第１ファン１６の風量＋第２ファン１８の風量）である場合（第１ファン１６の風量＞第２ファン１８の風量）における第１及び第２気圧（吐出圧）Ｐａ１［Ｐａ］、Ｐａ２［Ｐａ］を示している。［Ａ］、［Ｂ］及び［Ｃ］の例の比較から明らかなようにファン１６，１８の電圧を調整して回転数を調整することによって燃料電池７のカソード側に供給される空気量（送気量）を一定、送気量１．１Ｌ／minに維持したまま、総冷却流量に相当する総空気流を可変することができる。従って、図６（ｂ）は、燃料電池を様々な状態に冷却することができることをしめしている。
【００３４】
図７、図８及び図９は、図３及び図４に示した燃料電池７の変形例を示している。図７、図８及び図９においては、図３及び図４に示した符号と同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
図７に示される燃料電池においては、上部ダクト５０には、上部ダクト５０の内圧を調整する調整バルブ６０が設けられている。この圧力調整バルブ６０は、制御部１０からの制御信号に従って上部ダクト５０内の流路抵抗を調整することができ、ファン１６の回転数のみでなく、上部ダクト５０内の流路内の流路抵抗を調整することによって上部ダクト５０内に供給される空気流を精細に調整することができる。
【００３６】
また、図７に示される燃料電池においては、ファン１６、１８の回転数を一定として圧力調整バルブ６０によって上部ダクト５０内に供給される空気流を調整して流路３４に流入される送気を調整しても良い。図４に示された燃料電池７においては、上部ダクト５０から下部ダクト５２に向けて矢印Ｄで示すようにカソード側流路３４に流入される送気を調整する場合には、第１ファン１６の電圧が上昇され、第２ファン１８の電圧が低下されることとなる。第１ファン１６には定格より大きい電流が与えられることとなり、第２ファン１６は、定格より小さい電流が与えられることになる。このようなファン１６、１８の駆動は、動作効率（風量／ファン消費電力）が良好でない問題がある。これに対して、図７に示される燃料電池においては、第１及び第２ファン１６が効率の良い定格で動作され、ファン１６，１８の消費電力を低下させた状態で、圧力調整バルブ６０によって上部流路空間部４２の内圧を高めることができ、効率的なファン１６，１８の稼働が可能となる。
【００３７】
図８に示される燃料電池においては、上部ダクト５０内の上部流路空間部４２に流体抵抗６６が設けられ、上部ダクト５０から下部ダクト５２に向けて矢印Ｄで示すようにカソード側の複数の流路３４に流入される配流が均一化される。ここで、上部流路空間部４２に代えて下部ダクト５２内の下部流路空間部４４に流体抵抗６６が設けられても良く、或いは、上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４に夫々流路抵抗が異なる流体抵抗６６が設けられても良い。冷却の為に上部流路空間部４２及び下部流路空間部４４を流れる空気流１の風量は、カソード側流路３４に流入される送気によりも桁違いに大きい。従って、上部流路空間部４２内のＡ１地点からＢ１地点、若しくは、下部流路空間部４４内のＡ２地点からＢ２地点への圧力損失がカソード送気のＡ１地点からＡ２地点及びＢ１地点からＢ２地点への圧力損失よりも非常に大きい。上部ダクト５０及び下部ダクト５２内の冷却の為の送気が同じ流量の場合は問題ないが、風量が変わるとカソード送気量がＡ１地点からＡ２地点間とＢ１地点からＢ２地点間で大きく異なってしまう。そこで、Ａ１地点からＢ１地点、若しくは、Ａ２地点からＢ２地点への圧力損失を上回る圧力損失をカソード側流路３４への送気に付加するために、流体抵抗５４が設けられ、カソード側流路３４に流入される配流が均一化される。
【００３８】
流路抵抗体としては、例えばカーボンペーパーなどの多孔質体やニッケル微粒子のの焼結メタルを用いることができる。
【００３９】
図９に示される燃料電池においては、上部ダクト５０内の上部流路空間部４２及び下部ダクト５２内の下部流路空間部４４に遮蔽板６２、６４が配置され、冷却の為の送気をこの遮蔽板６２で分流して分岐し、分流をカソード側流路３４に送気が配流されている。遮蔽板６２による分流は、図４に示される冷却用の空気流に比べて流量が小さいため、Ｃ１地点及びＤ１地点間及びＣ２地点及びＤ２地点間の圧力損失は、Ａ１地点及びＢ１地点間並びにＡ２地点及びＢ２地点間の圧力損出よりも小さく、カソード側流路３４の配流を均一化させることができる。ここで、遮蔽板６２は、カソード側送気路３４の開口上に配置され、流入口４２Ａ側で開口し、流出口４２Ｂで閉じられた構造を有し、比較的大きな流路抵抗を有している。従って、遮蔽板６２で分岐され、カソード側送気路３４の開口上に流入した冷却風の一部のみがカソード側送気路３４に導入される。また、遮蔽板６４も同様にカソード側送気路３４の開口上に配置され、流出口４４Ｂ側で開口し、流入口４４Ａで閉じられた構造を有し、比較的大きな流路抵抗を有している。従って、遮蔽板６４内にカソード側送気路３４から流入した送気は、遮蔽板６４から流出口４４Ｂに向けられ、排出される。遮蔽板６４から流出口４４Ｂに向けられる送気は、冷却流に合流されずにそのまま外部に放出されても良い。
【００４０】
以上のように、この発明によれば、小型且つ低コストでかつ制御が容易な冷却風の一部によるカソード送気方法及びこの送気方法を実現する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図２】図１に示される燃料電池のセル構造を概略的に示す斜視図である。
【図３】図２に示される燃料電池の配置を概略的に示す斜視図である。
【図４】図２に示される燃料電池の断面構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図１に示される燃料電池システムにおける制御動作を示す制御ブロック図である。
【図６】（ａ）は、図４に示される燃料電池におけるカソード側に供給される送気量と第１及び第２ファンからの送気量との関係を示す表であり、（ｂ）は、図４に示される燃料電池におけるカソード側に供給される送気量を一定に設定した際の燃料電池を冷却する為に第１及び第２ファンから供給される総空気流の風量の例を示すグラフである。
【図７】図４に示される燃料電池の変形例に係る断面構造を概略的に示す断面図である。
【図８】図４に示される燃料電池の他の変形例に係る断面構造を概略的に示す断面図である。
【図９】図４に示される燃料電池の更に他の変形例に係る断面構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
２．．．燃料タンク、４．．．燃料供給部、６、８．．．温度センサ、７．．．燃料電池、１０．．．制御部、１２．．．データベース、１４．．．処理部、１５．．．負荷回路、１６，１８．．．ファン、２１、２２．．．ドライバ、２０．．．燃料電池セル、２２．．．カソード流路板、２４．．．カソード触媒層、２６．．．プロトン導電膜、２８．．．アノード触媒層、３０．．．膜電極複合体（ＭＥＡ）、３２．．．アノード流路板、４０、４６，４８．．．筐体、４２．．．上部流路空間部、４４．．．下部流路空間部、４８、７０．．．連結ダクト、５０．．．上部ダクト、５２．．．下部ダクト
【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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