JP2009238390A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池へ供給する空気の温度調整に伴うエネルギー効率の悪化が改善された燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】本発明によれば、冷却量調整手段により、給気経路を流通する供給空気の温度に応じて、上流側熱交換器による排気に対する冷却量が調整されるので、下流側熱交換器へ流入する排気の温度を、給気経路を流通する供給空気の温度に応じた温度に調整することができ、その結果、下流側熱交換器において供給空気の温度を調整することができる。よって、外気温が低い場合に、燃料電池内での生成水の凍結を防止することができる。また、排気の熱量を利用して、供給空気の温度調整を行うことができるので、供給空気の温度調整のために使用する補機による消費電力を抑制でき、供給空気の温度調整に伴うエネルギー効率の悪化を改善できるという効果がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

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）と空気極（酸素極、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）と空気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。

この発電に伴い発熱した空気極を冷却すると共に固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ発電性能を高める目的で、例えば、特開平１１−２４２９６２号公報（特許文献１）において、空気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（燃料電池装置）が提案されている。

ここで、図７を参照して、従来における直噴水タイプの燃料電池システムの概略を説明する。図７は、従来の直噴水タイプの燃料電池システム２００の構成を示すブロック図である。

図７に示すように、従来の燃料電池システム２００は、複数の単位セルが積層されて構成される燃料電池スタック１４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック１４０を構成する各単位セルの燃料極へ供給するための水素ガス供給系１５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック１４０を構成する各単位セルの空気極へ常圧で供給するための空気供給系１６０と、燃料電池スタック１４０の空気極へ霧状の液体水を供給して単位セルを冷却し加湿（湿潤）する水供給系１８０と、燃料電池スタック１４０の空気極から排出された排気を排出する排気系１２０とを備えている。

かかる燃料電池システム２００では、水素供給系１５０において水素貯蔵タンク１５１に貯蔵される水素を燃料電池スタック１４０における各単位セルの燃料極へ供給すると共に、空気供給系１６０において送風機１６１により取り入れた外気（空気）を、空気マニホールド１６２を介して各単位セルの空気極へ常圧で供給することによって発電を行う。

その一方で、水供給系１８０において水タンク１８１に貯留されている液体水を給水ポンプ１８０によってノズル１８２へ圧送し、このノズル１８２から、液体水を空気マニホールド１６２に向けて噴射する。このように空気マニホールド１６２へ噴射された液体水は、空気供給系１６２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１４０に送り込まれ、空気極を冷却し、固体高分子電解質膜を加湿する。

この燃料電池システム２００のように、外気を酸化剤ガスとして利用するシステムでは、外気温が低い場合に、燃料電池スタック１４０において発電の結果として生成される生成水や、ノズル１８２から噴射される加湿水が、燃料電池スタック１４０へ供給された低温の空気によって凍結する虞がある。

そのため、外気温が低い場合には、取り入れた外気を燃料電池スタックへ供給する前に温める必要がある。ここで、図７に示すように、常圧の空気を供給する燃料電池システム２００の場合には、取り込んだ空気の流通経路（給気経路）上にヒータ１６３を設け、かかるヒータ１６３によって予め暖気する方式が一般的である。なお、外気をコンプレッサにより圧送する方式の燃料電池システムでは、空気の圧縮に伴う温度上昇によって、外気が暖められる。
特開平１１−２４２９６２号公報

しかしながら、暖気のためにヒータ１６３等の加熱装置を用いたり、コンプレッサを用いたりすると、かかる加熱装置やコンプレッサがエネルギーを大きく消費するので、それによってエネルギー効率が悪化するという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池（燃料電池スタック）へ供給する空気の温度調整に伴うエネルギー効率の悪化が改善された燃料電池システムを提供することを目的としている。

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空気極とを含んで構成される燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、系外から取り入れた供給空気を、給気経路を介して前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を系外へ導出する排気経路の前記燃料電池側に位置し、前記排気の温度を熱交換によって冷却する上流側熱交換器と、その上流側熱交換器より前記排気経路の出口側に位置すると共に、前記給気経路上に位置し、前記排気及び前記給気経路を流通する供給空気の温度を熱交換によって調整する下流側熱交換器と、前記給気経路を流通する供給空気の温度に応じて、前記上流側熱交換器による前記排気に対する冷却量を調整する冷却量調整手段と、を備えている。

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、液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する水供給手段を備えている。

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、前記給気経路を流通する供給空気の温度を前記下流側熱交換器より前記空気極側にて検出する給気温度検出手段を備え、前記上流側熱交換器は、放熱用のファンを有しており、前記冷却量調整手段は、前記ファンの作動と停止とを、又は、前記ファンの回転数を、前記給気温度検出手段により検出された温度に基づいて制御する。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、固体高分子型燃料電池の燃料極には、燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給される一方で、空気極には、酸化剤ガス供給手段によって系外から取り入れられた空気（供給空気）が常圧で供給される。その結果、燃料電池は、燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電する。

燃料電池における空気極から排出された排気は、発電時の反応熱によって高温であり、排気経路上に位置する上流側熱交換器に流入されて冷却された後、同じく排気経路上に位置する下流側熱交換器に流入されて温度の調節が行われる。そして、下流側熱交換器から流出した排気は、最終的に、排気経路の出口から系外へ導出される。

一方、系外から取り入れられた供給空気は、酸化剤ガス供給手段により燃料電池の空気極へと供給するための流路である給気経路上に位置する下流側熱交換器に流入されて温度の調節が行われた後、最終的に、空気極へと供給される。

ここで、請求項１記載の燃料電池システムによれば、冷却量調整手段により、給気経路を流通する供給空気の温度に応じて、上流側熱交換器による排気に対する冷却量が調整される。従って、上流側熱交換器から流出された後に下流側熱交換器へ流入する排気の温度を、給気経路を流通する供給空気の温度に応じた温度に調整することができる。

下流側熱交換器には、排気と供給空気との両方が流入されるので、流入された排気の温度に応じて、下流側熱交換器における供給空気に対する熱交換量が変化する。よって、冷却量調整手段によって上流側熱交換器による排気の冷却量を調整することによって、下流側熱交換器において供給空気の温度を調整することができる。

従って、例えば、給気経路を流通する供給空気の温度が低い場合には、上流側熱交換器から高い温度の排気が流出されるように、上流側熱交換器による排気に対する冷却量を調整することによって、下流側熱交換器において供給空気の温度を上昇させることができる。同様に、給気経路を流通する供給空気の温度が高い場合には、上流側熱交換器からできるだけ低い温度の排気が流出されるように、上流側熱交換器による排気に対する冷却量を調整することによって、燃料電池へ供給される空気の温度が過剰に上昇することを防ぐことができる。

このように、請求項１記載の燃料電池システムによれば、給気経路を流通する供給空気の温度に応じて、下流側熱交換器において供給空気の温度を調整することができるという効果がある。よって、外気温（環境温度）が低い場合に、燃料電池内での生成水の凍結を防止することができると共に、外気温が高い場合に、燃料電池システム全体の過熱を抑制することができるという効果がある。

また、請求項１記載の燃料電池システムによれば、排気の熱量を利用して、供給空気の温度調整を行うことができるので、供給空気の温度調整のために使用する補機による消費電力を抑制することができ、供給空気の温度調整に伴うエネルギー効率の悪化を改善できるという効果がある。

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の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。水供給手段により、液体水が冷却水及び加湿水として空気極へ霧状に噴射されるので、空気極の冷却と加湿とを行うことができる。外気温が低い場合には、水供給手段によって噴射される水が凍結する虞があるが、請求項２記載の燃料電池システムによれば、給気経路を流通する供給空気の温度が低い場合であっても、下流側熱交換器において供給空気の温度を上昇させることができるので、低温の供給空気による燃料電池内での冷却水の凍結を防止することができるという効果がある。

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。冷却量調整手段によって上流側熱交換器による排気に対する冷却量を調整する場合には、下流側熱交換器より空気極側にて給気温度検出手段によって検出された空気の温度に応じて、上流側熱交換器に設けられた放熱用のファンを作動（オン）又は停止（オフ）するか、又は、該ファンの回転数を制御することによって行われる。

即ち、放熱用のファンを作動させれば、上流側熱交換器による排気に対する冷却量を大きくすることができ、該ファンを停止させれば、該冷却量を小さくすることができる。あるいは、放熱用のファンの回転数を増加させれば、上流側熱交換器による排気に対する冷却量を大きくすることができ、該ファンの回転数を減少させれば、該冷却量を小さくすることができる。

よって、上流側熱交換器に設けられた放熱用のファンを用いて供給空気の温度調整を行うので、供給空気の温度調整を省電力にて行うことができ、供給空気の温度調整に伴うエネルギー効率の悪化を好適に改善できるという効果がある。また、上流側熱交換器に設けられた放熱用のファンのオン／オフ又は回転数の制御によって供給空気の温度調整を行うので、一般的な熱交換器を使用することができ、供給空気の温度調整に伴う設備コストの増大を抑制することができるという効果がある。

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の一実施形態を示すブロック図である。

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を構成する各単位セル１０の空気極１２へ霧状の液体水を供給して単位セル１０を冷却し加湿する水供給系８０と、燃料電池スタック４０（各単位セル１０の空気極１２）から排出される排気を系外へ排出する排気系１１０とを備えている。

なお、図１に示す燃料電池システム１００では、空気（供給空気、排気）の流通経路（空気供給路６３や空気排出路１１１など）を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路（水素ガス供給流路５１ａやガス導出路５１ｄなど）を次に太い実線で表しており、水の流通経路（導水路８１ａや給水路８１ｃなど）を点線で表している。また、燃料電池スタック４０からの電気的な出力経路を二点鎖線で表している。

燃料電池スタック４０は、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４０（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。

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し、水素源となる水素ボンベである水素貯蔵タンク５２と、その水素貯蔵タンク５２に一端側が接続される水素ガス供給流路５１ａと、その水素ガス供給流路５１ａに一端側が接続され、他端側が燃料電池スタック４０のガス取入口４１に接続される水素ガス供給流路５１ｂとを含んで構成される。

なお、水素ガス供給流路５１ａには、水素貯蔵タンク５２の側から水素ガスの流通方向に向かって、水素元電磁弁（図示せず）と、一次圧センサ（図示せず）と、レギュレータ（図示せず）と、二次圧センサＳＥ１と、並列接続される水素調圧弁５３ａ及び水素起動電磁弁（図示せず）と、ガス供給弁５３ｂと、三次圧センサＳＥ２とが順に設けられている。

また、水素ガス供給系５０は、燃料電池スタック４０のガス排出口４２に一端側が接続されるガス排出流路５１ｃと、そのガス排出流路５１ｃの他端側に接続され、ガス排出口４２から排出された水素ガスに含まれる水を回収するためのトラップ５４とを含んでいる。

さらに、水素ガス供給系５０は、トラップ５３に一端側が接続され、他端側が後述する排気流路１１１に接続されて、燃料電池スタック４０から排出された水素ガスを系外へ導出するためのガス導出路５１ｄを含んでいる。このガス導出路５１ｄには、排気電磁弁５３ｆが設けられている。

加えて、水素ガス供給系５０は、トラップ５３に一端側が接続されて、燃料電池スタック４０から排出された水素ガスを循環させる循環流路５１ｅを有している。なお、この循環流路５１ｅには、トラップ５４の側からガスの流通方向に向かって、循環ポンプ５５と、循環調圧弁５３ｃとが順に設けられている。

また、水素ガス供給系５０は、一端側が水素ガス供給流路５１ｂに接続される外気導入路５１ｇを有している。この外気導入路５１ｇの他端側は外部に開口している。外気導入路５１ｇには、開口側から順に、フィルタ５６と、外気導入電磁弁５３ｄとが設けられている。なお、循環流路５１ｅにおけるガスの出口側の端部は、外気導入路５１ｇにおける外気導入電磁弁５３ｄよりも水素ガス供給流路５１ｂの側に接続されている。

また、水素ガス供給系５０は、減圧排出路５１ｆを有している。この減圧排出路５１ｆは、循環流路５１ｅにおける循環ポンプ５５と循環調圧弁５３ｃとの間に一端側が接続され、他端側が後述する排気流路１１１に接続されている。この減圧排出路５１ｆには、減圧電磁弁５３ｅが設けられている。

空気供給系６０は、給気経路である空気供給路６３と、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設けられ、空気供給路６３の出口側の端部が接続される空気マニホールド６２とを含んで構成される。

空気供給路６３には、外気の取入口側から空気の流通方向に向かって、フィルタ６４と、外気温センサＳＥ６と、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン６１と、空気入口温度センサＳＥ５とが順に設けられている。なお、空気入口温度センサＳＥ５は、本発明の燃料電池システムにおける給気温度検出手段に該当する。

かかる構成を有する空気供給系６０は、空気ファン６１の駆動によって系外から取り入れた外気を、空気供給路６３及び空気マニホールド６２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。

また、図１に示すように、空気供給路６３の経路上（具体的には、フィルタ６４と空気ファン６１との間）に、下流側熱交換器としての下流側凝縮器１１３が配設されている。詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００では、空気供給路６３の経路上に、下流側凝縮器１１３を配設したことにより、燃料電池スタック４０へ供給する空気の温度調整を省エネルギーで行うことができるように構成されている。

排気系１１０は、燃料電池スタック４０における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される排気経路として空気排出路１１１を含んで構成される。

この空気排出路１１１の経路上には、燃料電池スタック４０の側から空気（排気）の流通方向に向かって、排気温度センサＳＥ９と、上流側熱交換器としての上流側凝縮器１１２と、下流側熱交換器としての下流側凝縮器１１３と、凝縮器排気温センサ（図示せず）と、フィルタ１１４とが順に設けられ、フィルタ１１４を通過した排気が系外へと排出される。

上流側凝縮器１１２及び下流側凝縮器１１３は、どちらも、外気温との熱交換によって排気の温度を冷却（調整）し、排気中に含まれる水分を分離して回収するものである。なお、ノズル８３から噴射された水も、これらの凝縮器１１２，１１３により回収される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００では、上流側凝縮器１１２の容量の方が、下流側凝縮器１１３の容量より大きく、それによって、上流側凝縮器１１２の熱交換容量の方が、下流側凝縮器１１３の熱交換容量より大きくなるように構成されている。

よって、燃料電池スタック４０から排出された高温の排気を、まず、上流側凝縮器１１２にて十分に冷却した後、下流側凝縮器１１３へ流入させることができる。詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００では、下流側凝縮器１１３において、排気の温度を利用して、燃料電池スタック４０へ供給する空気（供給空気）の温度調整を行うので、燃料電池スタック４０から排出された高温の排気を上流側凝縮器１１２にて十分に冷却することによって、下流側凝縮器１１３における供給空気の温度制御を容易に行うことが可能となる。

図１に示すように、上流側凝縮器１１２には、放熱用のファン１１２ａが設けられている。かかるファン１１２ａにより上流側凝縮器１１２からの熱の放出量を調整することができる。

水供給系８０は、水タンク８２と、その水タンク８２に一端側が接続され、水タンク８２に貯留されている水を燃料電池スタック４０へ供給するための給水路８１ｃを含んで構成される。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。

水タンク８２は、燃料電池スタック４０へ冷却水及び加湿水となる水を供給するための水を貯留するものであり、この水タンク８２には、水温センサＳＥ７と、水位センサＳＥ８とが設けられている。

給水路８１ｃには、水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、フィルタ８４と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、給水路８１ｃからの水の出口となるノズル８３とが順に設けられている。

ノズル８３の先端は、空気マニホールド６２に向けられており、給水路８１ｃを介して水タンク８２から導かれた水は、ノズル８３の先端から噴射される。ノズル８３から空気マニホールド６２へ向けて噴射された水は、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。この霧状に噴射された水は、各単位セル１０（図４など参照）の空気極１２へと流れ込み、燃料電池スタック４０に対する冷却水及び加湿水として作用する。

また、給水路８１ｃにおける水タンク８２とフィルタ８４との間には、外気取入路８１ｄが接続されており、この外気取入路８１には、外気取入電磁弁８７が設けられている。

図１に示すように、水供給系８０はまた、上流側凝縮器１１２により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ａと、下流側凝縮器１１３により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ｂとを含んでいる。

導水路８１ａは、その一端側が上流側凝縮器１１２に接続され、他端側が水タンク８２に接続された経路であり、この導水路８１ａには、回収ポンプ８８が設けられている。また、導水路８１ｂは、その一端側が下流側凝縮器１１３に接続され、他端側が導水路８１ａにおける上流側凝縮器１１２と回収ポンプ８８との間に接続されている。

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、空気ファン６１を駆動させ、系外から取り入れた外気（空気）を燃料電池スタック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８５を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０の各電磁弁（電磁弁５１ａ〜５１ｇなど）を調整し、水素ガスを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。

その結果、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル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、生じた電流が負荷系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単位セル１０が冷却及び加湿される。

上記構成を有する燃料電池システム１００には、負荷系９０が接続されており、燃料電池スタック４０から出力される電力は、この負荷系９０に供給される。燃料電池スタック４０の電極は、配線９１を介して、リレー９２，９３に接続されている。さらに、これらのリレー９２，９３には、インバータ９４を介してモータ９５に接続されている。また、インバータ９４には、出力制御装置９５を介して補助電源９６が接続されている。この負荷系９０には、燃料電池スタック４０の出力電圧を検出する電圧センサＳＥ４と、燃料電池スタック４０の出力電流を検出する電流センサＳＥ３とが設けられている。

図１に示すように、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をさらに有している。この制御装置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。

この制御装置７０の入出力ポート７５には、図示されない配線によって、各センサ（センサＳＥ１〜ＳＥ９など）、各電磁弁（電磁弁５１ａ〜５１ｆ，８６，８７など）、各ポンプ８５，８８、空気ファン６１、インバータ９４、及び出力制御装置９５などに接続されている。制御装置７０は、各センサからの検出値の入力に基づいて、各電磁弁（電磁弁５１ａ〜５１ｆ，８６，８７など）、各ポンプ８５，８８、空気ファン６１、インバータ９４、及び出力制御装置９５などの制御等、燃料電池システム１００を運転するための各種制御を行う。

また、図１に示すように、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、空気供給系６０における空気入口温度センサＳＥ５と、排気系１１０における上流側凝縮器１１２に設けられている放熱用のファン１１２ａとに接続されている。

詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置７０は、空気入口温度センサＳＥ５により検出された温度（即ち、空気供給路６３を流通する燃料電池スタック４０への供給空気の温度）に応じて、ファン１１２ａをオン／オフするように構成されている。かかる制御によって、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量が調整されて、この上流側凝縮器１１２から排出される排気の温度、延いては、下流側凝縮器１１３へ流入する排気の温度を調整することができる。

ここで、下流側凝縮器１１３へ流入する排気の温度は、同じく下流側凝縮器１１３へ流入する供給空気の熱交換量に影響するので、結果として、空気入口温度センサＳＥ５により検出された温度に応じて、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量を調整することによって、燃料電池スタック４０へ供給する供給空気の温度もまた調整できる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量を、空気入口温度センサＳＥ５により検出された温度に応じて調整し、それによって、燃料電池スタック４０へ供給する供給空気の温度を調整するように構成されているので、燃料電池スタック４０から排出される高温の排気を利用して、燃料電池スタック４０へ供給する空気の温度調整を行うことができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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８３（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、図６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、燃料電池スタック４０へ供給する空気（供給空気）の温度を調整する制御方法について説明する。図６は、燃料電池システム１００における制御装置７０において実行される供給空気温度調整処理を示すフローチャートである。なお、図６に示す供給空気温度調整処理は、本発明の燃料電池システムにおける冷却量調整手段に該当する。

この供給空気温度調整処理は、空気入口温度センサＳＥ５により検出された温度に応じて、燃料電池スタック４０へ供給する供給空気の温度を調整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（例えば、０．５ｓ間隔で）繰り返し実行される。なお、この供給空気温度調整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。

図６に示すように、この供給空気温度調整処理では、まず、空気入口温度センサＳＥ５による検出値、即ち、空気供給路６３を流通する空気（供給空気）の温度を示す検出値を取得し（Ｓ１）、取得された検出値が示す温度が第１閾値（例えば、０°）未満であるか否かを確認する（Ｓ２）。

Ｓ２の処理により確認した結果、温度が第１閾値未満である場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａをオフし（Ｓ３）、この供給空気温度調整処理を終了する。

Ｓ３の処理の結果、ファン１１２ａが停止し、上流側凝縮器１１２からの放熱量が小さくなる。それによって、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量が小さくなるので、上流側凝縮器１１２から流出する排気の温度が上昇する。このように、上流側凝縮器１１２から流出する排気の温度が上昇するので、下流側凝縮器１１３へ流入する排気の温度も上昇する。よって、燃料電池スタック４０へ供給すべく取り入れられた外気は、下流側凝縮器１１３内にて、それ以前に比べて高温となって流入した排気と接触するので、その温度を上昇させることができ、燃料電池スタック４０へ供給する供給空気の温度を上昇させることができる。

一方、Ｓ２の処理により確認した結果、温度が第１閾値以上である場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、取得された検出値が示す温度が第２閾値（例えば、５０°）以上であるか否かを確認する（Ｓ４）。

Ｓ４の処理により確認した結果、温度が第２閾値以上である場合には（Ｓ４：Ｙｅｓ）、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａをオンし（Ｓ５）、この供給空気温度調整処理を終了する。

Ｓ５の処理の結果、ファン１１２ａが作動し、上流側凝縮器１１２からの放熱量が大きくなる。それによって、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量が大きくなるので、上流側凝縮器１１２から流出する排気の温度が低下する。このように、上流側凝縮器１１２から流出する排気の温度が低下するので、下流側凝縮器１１３へ流入する排気の温度も低下する。よって、燃料電池スタック４０へ供給すべく取り入れられた外気は、下流側凝縮器１１３内にて、それ以前に比べて冷却された排気と接触するので、その温度の上昇を抑制することができる。従って、過剰に高温の空気が燃料電池スタック４０へ供給されることを抑制できる。

一方、Ｓ４の処理により確認した結果、温度が第２閾値未満である場合には（Ｓ４：Ｎｏ）、何も行うことなく、即ち、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａの作動状態を維持したまま、この供給空気温度調整処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、給気経路としての空気供給路６３を流通する供給空気の温度（即ち、給気温度検出手段としての空気入口温度センサＳＥ５により検出される温度）に応じて、上流側熱交換器としての上流側凝縮器１１２に設けられている放熱用のファン１１２ａが制御され、それによって、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量が調整される。よって、下流側熱交換器としての下流側凝縮器１１３へ流入する排気の温度が調整されることになり、その結果として、下流側凝縮器１１３内を流通する供給空気の温度を調整することができる。

具体的には、空気供給路６３を流通する供給空気の温度が予め決められた温度（第１閾値）より低い場合には、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａをオフし、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量を小さくすることによって、上流側凝縮器１１２から、それ以前に比べて高い温度の排気を流出させて、下流側凝縮器１１３において供給空気の温度を上昇させる。

よって、外気温（環境温度）が低い場合であっても、燃料電池スタック４０内で生じる電気化学的反応の結果として生じる生成水の凍結を防止することができる。また、本実施形態の燃料電池システム１００は、ノズル８３から噴射する液体水によって、燃料電池４０の冷却と加湿を行う直噴水タイプのシステムであるので、かかる冷却水や加湿水の凍結も防止される。

一方で、空気供給路６３を流通する供給空気の温度が予め決められた温度（第２閾値）以上である場合には、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａをオンし、上流側凝縮器１１２による排気に対する冷却量を大きくすることによって、上流側凝縮器１１２から、それ以前より比べて冷却された排気を流出させて、下流側凝縮器１１３において供給空気の温度を調整する。その結果、燃料電池スタック４０へ供給される空気の温度が過剰に上昇することを防ぐことができる。よって、外気温（環境温度）が高い場合に、燃料電池システム１００全体の過熱を抑制することができる。

このように、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から排出される排気の熱量を利用して、供給空気の温度調整を行うことができるので、かかる供給空気の温度調整のために使用する補機による消費電力を抑制することができ、供給空気の温度調整に伴うエネルギー効率の悪化を改善できる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、上流側凝縮器１１２に設けられている放熱用のファン１１２ａを用いて、下流側凝縮器１１３内を流通する供給空気の温度を調整するので、供給空気の温度調整を省電力にて行うことができ、温度調整に伴うエネルギー効率の悪化が好適に改善される。また、上流側凝縮器１１２に設けられている放熱用のファン１１２ａを用いた制御であるので、放熱用のファンを有する一般的な熱交換器を使用することができ、供給空気の温度調整に伴う設備コストの増大を抑制できる。

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。

例えば、上記実施形態では、上流側凝縮器１１２と下流側凝縮器１１３とを各々別体の凝縮器として構成した。これに換えて、１の凝縮器の内部を２区画に分離し、外気の導入部を２区画のうち、排気経路の出口側（即ち、排気経路の下流側）に位置する区画から導入するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、空気入口温度センサＳＥ５により検出される温度に応じて、放熱用のファン１１２ａを制御する構成としたが、放熱用のファン１１２ａを制御するために参照される供給空気の温度の検出位置は、空気入口温度センサＳＥ５の設置位置に限定されず、外気温センサＳＥ６の設置位置などであってもよい。

なお、放熱用のファン１１２ａを制御するために参照される供給空気の温度の検出位置は、空気入口温度センサＳＥ５のように、下流側凝縮器１１３より燃料電池スタック４０（空気極１２）側であることが好ましい。かかる検出位置を下流側凝縮器１１３より燃料電池スタック４０（空気極１２）側にすることにより、燃料電池スタック４０の空気極１２に実際に供給される空気の温度が、過剰な低温又は過剰な高温とされることを防止することができる。よって、系外から取り入れた空気を好適な温度で燃料電池に供給することができる。

また、上記実施形態では、空気入口温度センサＳＥ５により検出される温度に応じて、放熱用のファン１１２ａをオン／オフ制御するように構成した。即ち、上記実施形態では、空気入口温度センサＳＥ５により検出される温度に応じて、放熱用のファン１１２ａを作動させて回転させるか、その回転数をゼロ（即ち、停止）させるかのいずれかとする構成であった。これに換えて、空気入口温度センサＳＥ５により検出される温度に応じて、回転を維持したまま回転数を増減する構成としてもよい。

具体的には、空気入口温度センサＳＥ５により検出される温度が予め決められた温度（第１閾値）より低い場合には、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａの回転数を下げ、その一方で、かかる検出温度が予め決められた温度（第２閾値）以上である場合には、上流側凝縮器１１２における放熱用のファン１１２ａの回転数を上げるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、空気入口温度センサセンサＳＥ５による検出値が示す温度と比較する閾値として、第１閾値と第２閾値との２つの閾値を用いる構成としたが、１つの閾値のみを用いて、その閾値以上であるか以下であるかに応じてファン１１２ａのオン／オフを制御するように構成してもよい。あるいは、２つ以上の閾値を用いてファン１１２ａのオン／オフをを制御する構成であってもよい。

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。 （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。 （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。 （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。 （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。 制御装置において実行される供給空気温度調整処理を示すフローチャートである。 従来の直噴水タイプの燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 単位セル（燃料電池）
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
４０ 燃料電池スタック（燃料電池）
５０ 水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０ 空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
６３ 空気供給経路（給気経路）
８０ 水供給系（水供給手段）
１００ 燃料電池システム
１１１ 空気排出路（排気経路）
１１２ 上流側凝縮器（上流側熱交換器）
１１２ａ 放熱用のファン
１１３ 下流側凝縮器（下流側熱交換器）
ＳＥ５ 空気入口温度センサ（給気温度検出手段）

Claims (3)

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空気極とを含んで構成される燃料電池と、
   燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
   系外から取り入れた供給空気を、給気経路を介して前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を系外へ導出する排気経路の前記燃料電池側に位置し、前記排気の温度を熱交換によって冷却する上流側熱交換器と、
   その上流側熱交換器より前記排気経路の出口側に位置すると共に、前記給気経路上に位置し、前記排気及び前記給気経路を流通する供給空気の温度を熱交換によって調整する下流側熱交換器と、
   前記給気経路を流通する供給空気の温度に応じて、前記上流側熱交換器による前記排気に対する冷却量を調整する冷却量調整手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する水供給手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記給気経路を流通する供給空気の温度を前記下流側熱交換器より前記空気極側にて検出する給気温度検出手段を備え、
   前記上流側熱交換器は、放熱用のファンを有しており、
   前記冷却量調整手段は、前記ファンの作動と停止とを、又は、前記ファンの回転数を、前記給気温度検出手段により検出された温度に基づいて制御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。
   
   
   
   
   
   

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