JP2010027344A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、様々な運転環境の下でも、燃料電池内部の湿潤状態を良好に保つことができるように改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】単位セル１２は、ガス流路入口１６ａと冷却液流路入口１８ａとが近接している。ＭＥＡ１４のガス流路入口１６ａ部分が、乾燥しているか否か、または／および、乾燥するおそれがあるか否か、が検知される。ＭＥＡ１４のガス流路入口１６ａ部分が乾燥しているまたは／および乾燥するおそれがある場合には、冷却液ポンプ３２の回転数が低減され、単位セル１２面内の温度差が拡大される。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば、下記の特許文献１に開示されているように、電解質膜を用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池面内の温度分布を適切に保つように改良された燃料電池システムが知られている。電解質膜やこれを用いて形成された膜電極接合体は、適度な湿潤状態にある場合に良好な電気特性を発揮する。すなわち、電解質膜の湿潤状態を適切に管理することは、燃料電池の発電を行う上で重要な項目の一つである。

電解質膜の湿潤状態は、燃料電池内部の温度に影響を受ける。燃料電池内部の温度が高い場合、電解質膜の表面から水分が放出され易くなる。言い換えれば、ガスによって水分が持ち去られ易くなる。よって、燃料電池内部の温度が高い場合、電解質膜が乾燥しやすい。反対に、燃料電池内部の温度が低すぎる場合には発電反応に伴う生成水が電解質膜上で凝縮し、却って発電を阻害するおそれがある。そこで、上記従来の技術では、これらの乾燥の弊害や凝縮の弊害を防止できるように、燃料電池面内の温度分布を所定範囲内に保つこととしている。

特開平８−１１１２３０号公報 特開２００７−５２０９号公報 特開２００２−３４３３９６号公報

現実的には、燃料電池システムは、様々な環境の下で運転されうる。特に、移動体に搭載される燃料電池システムには、移動体の外部環境の変化や燃料電池システムへの要求出力の変化など様々な運転環境の変化があるなかで、発電を行うことが求められる。このため、運転環境の変化にも柔軟に対応しつつ、電解質膜の湿潤状態を適切に管理できることが好ましい。そこで、本願発明者は、燃料電池内部における乾燥の傾向などを含めた鋭意研究の結果、燃料電池内部の湿潤状態を良好に保つことができる手法に想到した。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内部の湿潤状態を良好に保つことができるように改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質膜と、該電解質膜の表面に接続され内部にカソードガスが流入するガス流路と、内部に該電解質膜の面内を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路と、を備え、該ガス流路の入口と該冷媒流路の入口とが、該冷媒流路に流入する冷媒の温度変化に応じて該電解質膜の該ガス流路入口側部分の含水量が変化する程度に近くに設けられた燃料電池と、
前記冷媒流路の入口に、冷媒を流入させる冷媒供給機構と、
前記冷媒流路の入口に流れ込む冷媒の温度を、調節することができる入口温度調節機構と、
前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が、乾燥しているか否か、または／および、乾燥するおそれがあるか否か、を検知する検知手段と、
前記電解質膜の前記ガス流路入口側部分が乾燥しているまたは／および乾燥するおそれがあると前記検知手段が検知したら、前記冷媒流路の入口に流れ込む冷媒の温度が低下するように前記入口温度調節機構を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ガス流路と前記冷媒流路とが、前記電解質膜の外形のうち１つの辺から他の辺に向かって該電解質膜上を並行に延びるように設けられていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記冷媒供給機構が、前記冷媒流路の入口と出口とに接続して該冷媒流路とともに循環系を形成する管路と、該管路の途中に設けられたラジエータと、を含み、
前記入口温度調節機構が、前記ラジエータを経由して流れる冷媒の流量を調節する流量調節機構を含み、
前記制御手段が、前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が乾燥しているまたは／および乾燥するおそれがあると検知したら、前記冷媒流路に流れ込む冷媒の流量を低減するように前記流量調節機構を制御することを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記燃料電池の前記冷媒流路出口側部分の温度を調節するように前記管路内の冷媒の温度を調節することができる出口温度調節機構と、
前記制御手段が前記冷媒流路に流れ込む冷媒の流量を低減するように前記流量調節機構を制御するときに、前記燃料電池の前記冷媒流路出口側部分の温度が維持されるように前記出口温度調節機構を制御する出口温度維持手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至４の発明のいずれか１つにおいて、
前記検知手段が、前記電解質膜における前記ガス流路入口側部分の発電状態に基づいて、前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が、乾燥しているか否か、または／および、乾燥するおそれがあるか否か、を検知する発電状態検知手段を含むことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至５の発明のいずれか１つにおいて、
前記燃料電池システムの外部環境の情報である外部環境情報を取得する環境取得手段を備え、
前記検知手段が、前記環境取得手段が取得した外部環境情報が所定の運転環境に該当するか否かに基づいて、前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が乾燥するおそれがあるか否かを検知する環境検知手段を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、電解質膜におけるガス流路入口側部分の乾燥が検知された後速やかに、或いは、乾燥を未然に防止するように、ガス流路入口側部分の温度を低下させることができる。電解質膜のガス流路入口側部分は、カソードガスによる水分の持ち去りの影響により、比較的乾燥しやすい部位である。温度が低いほど、ガス流路内を流れるカソードガスが電解質膜から持ち去る水の量（水の持ち去り量）が少なくなる。つまり、ガス流路入口側部分の温度を低下させることにより、電解質膜のガス流路入口側部分を加湿することができる。第１の発明によれば、検知手段の検知により、電解質膜のガス流路入口側部分を対象に、適切なタイミングで加湿作用を発生させることができる。その結果、様々な運転環境の下でも、燃料電池内部の湿潤状態を良好に保つことができる。

第２の発明によれば、ガス流路と冷媒流路とが並行に延びている。ガス流路の流れ方向に向かって、ガス流路内のガスの湿度は上昇していく。また、冷媒は、燃料電池内部を流れる過程で熱せられるので、下流側ほど温度が高くなる。第２の発明によれば、湿度が低いガス流路上流側では冷媒温度が低く、湿度が高いガス流路下流側では冷媒温度が高くなるような状態を、燃料電池内部につくりだすことができる。これにより、電解質膜面内の含水量の分布を、面内において均一な分布に、近づけることができる。

第３の発明によれば、電解質膜における冷媒流路入口側部分の温度と、電解質膜における冷媒流路出口側部分の温度との差を、大きくすることができる。これにより電解質膜における冷媒流路入口側部分の温度を低下させ、結果的に電解質膜におけるガス流路入口側部分を加湿することができる。仮に、電解質膜面内の全域にわたって画一的に温度を下げたとすると、電解質膜面内全域で湿度が上昇してしまう。その結果、フラッディング等の発生が懸念される。これに対し、第３の発明によれば、乾燥対策を施すべき部分すなわち電解質膜面内におけるガス流路入口側部分の湿度を、部分的に上昇させることができる。従って、第３の発明によれば、上述したフラッディング等の弊害を抑制しつつ、電解質膜におけるガス流路入口側部分の乾燥を、抑制することができる。

第４の発明によれば、電解質膜面内におけるガス流路出口側部分の含水量は現状に維持しつつ、電解質膜面内におけるガス流路入口側部分の含水量を増大することができる。

第５の発明によれば、燃料電池の内部の発電状態に基づいて、乾燥が認められるときに速やかに電解質膜を加湿することができる。

第６の発明によれば、燃料電池の外部環境に基づいて、乾燥が予想されるときに未然に電解質膜を加湿しておくことができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、図２の単位セル１２が多数積層されて形成される。燃料電池スタック１０は、アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受け、カソードにカソードガスの供給を受けることにより発電する。カソードガスは、空気或いは酸素などの酸化ガスである。実施の形態１では、カソードガスとして、空気を用いる。

実施の形態１では、燃料電池スタック１０の冷却を行うための冷媒として、液体の冷媒すなわち冷却液を用いる。燃料電池スタック１０の内部には、冷却液（実施の形態１では、Long Life Coolant:ＬＬＣである）を流通させるための冷却液流路が設けられている。冷却液流路の入口には管路２０が接続され、冷却液流路の入口には管路２２が接続されている。管路２０と管路２２は、ラジエータ３０を介して連通している。管路２０には、冷却液ポンプ３２が備えられている。実施の形態１では、燃料電池スタック１０、管路２０、２２およびラジエータ３０によって形成された循環系内に、冷却液を流通させる。ラジエータ３０は、冷却ファン３１を備えている。なお、本発明にかかる燃料電池システムにおける燃料電池冷却用の冷媒は、冷却液すなわち液体の冷媒に限られない。気体の冷媒を用いた冷却、例えば空冷を行ってもよい。

実施の形態１の燃料電池システムは、バイパス管路４０と、三方弁４２を備えている。三方弁４２を制御することにより、冷却液の一部を、バイパス管路４０を介して、つまりラジエータ３０を介さずに流すことができる。三方弁４２は、バイパス管路４０を流れる冷却液の流量を変更できるように、開度の調節が適宜に可能なものとする。

実施の形態１の燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。また、実施の形態１の燃料電池システムは、管路２２に温度計５２を備えている。また、実施の形態１では、ガス流路１６のガス流れ方向に沿って単位セル１２の電流分布を計測する電流分布センサ５４が設けられている。

ＥＣＵ５０は、温度計５２、電流分布センサ５４および冷却液ポンプ３２に接続している。これにより、ＥＣＵ５０は、温度計５２、電流分布センサ５４のそれぞれの出力信号を受けて、冷却液の温度や単位セル１２の面内の電流分布を検知することがでる。また、ＥＣＵ５０は、冷却液ポンプ３２の回転数を制御することができる。

図２は、燃料電池スタック１０を構成する単位セル１２を模式的に示す平面図である。単位セル１２は、その内部に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）１４を有する。ＭＥＡ１４は、固体高分子電解質膜の両面に、アノード電極触媒層とカソード電極触媒層が設けられたものである。単位セル１２は、アノード電極触媒層に水素を含む燃料ガスの供給を受け、カソード電極触媒層に酸素を含む酸化ガス（空気）の供給を受けることにより、電力を発生する。つまり、単位セル１２は、燃料電池スタック１０に含まれる１単位の燃料電池である。

図２は、単位セル１２をカソード側から見た構成を模式的に図示したものである。単位セル１２のカソード側には、ガス流路１６が設けられている。図２ではガス流路１６を模式的に矢印で示す。ガス流路１６は、例えば、ＭＥＡ１４の紙面手前側に配置されるセパレータに形成した溝とすることができる。或いは、ＭＥＡ１４の紙面手前側に通気性の導電体からなる多孔質体層を設け、この多孔質体層内の連続した気孔をガス流路１６とすることができる。このようなガス流路の構成、並びに、このようなガス流路を用いた単位セルの具体的構造は、既に公知であるため、詳しい説明は省略する。単位セル１２の発電時には、このガス流路１６に空気が流入する。

単位セル１２のカソード側には、冷却液流路１８が設けられている。図２では冷却液流路１８を模式的に矢印で示す。冷却液流路１８は、ＭＥＡ１４の紙面手前側に配置されるセパレータ内に形成されている。

図２に示すように、実施の形態１にかかる単位セル１２では、ＭＥＡ１４の紙面左側に、ガス流路１６の入口であるガス流路入口１６ａと冷却液流路１８の入口である冷却液流路入口１８ａとが隣接して配置されている。更に、単位セル１２では、ＭＥＡ１４の紙面右側に、ガス流路１６の出口であるガス流路出口１６ｂと冷却液流路１８の出口である冷却液流路出口１８ｂとが隣接して配置されている。このような構成により、ＭＥＡ１４の面内を、空気と冷却液とが同一方向（図２の紙面左→右）に並行に流れる。

単位セル１２が図２の紙面を貫通する方向に多数積層されることにより、燃料電池スタック１０が形成される。その際、個々の単位セル１２のガス流路入口１６ａ、ガス流路出口１６ｂ、冷却液流路入口１８ａ、および冷却液流路出口１８ｂが、それぞれ連通することにより、燃料電池スタック１０内に各種マニホールドが形成される。前述した管路２０は冷却液流路入口１８ａのマニホールドに、前述した管路２２は冷却液流路出口１８ｂのマニホールドに、それぞれ連通する。多数の単位セルの積層により燃料電池スタックおよび各種マニホールドを構成する技術は、既に公知であるため、詳しい説明は省略する。

［実施の形態１の動作］
以下、図３乃至図６を用いて、実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明する。ガス流路１６に空気が流入すると、この空気によってＭＥＡ１４の水分の一部が持ち去られる。これにより、ＭＥＡ１４が乾燥してしまうおそれがある。特に、図３に示すＭＥＡ１４のガス流路入口１６ａ近傍の部分Ａは、比較的乾燥しやすい環境にある。ＭＥＡは、適度な湿潤状態にある場合に良好な電気特性を発揮する。すなわち、ＭＥＡの湿潤状態を適切に管理することは、燃料電池の発電を行う上で重要な項目の一つである。現実の燃料電池システムは、様々な環境の下で運転されうる。特に、移動体に搭載される燃料電池システムには、移動体の外部環境の変化や燃料電池システムへの要求出力の変化など様々な運転環境の変化があるなかで、発電を行うことが求められる。

そこで、実施の形態１では、下記の項目（i）の含水量増大制御を、下記の項目（ii）の制御タイミングで実行することにより、様々な運転環境の下でも燃料電池スタック１０内部（つまり単位セル１２内部）の湿潤状態を良好に保つこととした。

（i）実施の形態１の含水量増大制御
先ず、実施の形態１にかかる、ＭＥＡ１４の含水量を増大するための制御（換言すればＭＥＡ１４の加湿のための制御）を述べる。以下、この制御を、単に「含水量制御」とも称す。図４は、実施の形態１の含水量制御の内容を説明するための図である。

単位セル１２内の温度が低いと、ＭＥＡ１４に含まれる水分の蒸発スピードが低い。このため、空気によって持ち去られる水の量が少なくなり、ＭＥＡ１４の含水量が増大する。このように、ＭＥＡ１４の湿潤状態は、単位セル１２内部の温度に影響を受ける。

そこで、実施の形態１では、ＭＥＡ１４の含水量を増大する必要が生じた場合には、先ず、冷却液ポンプ３２の回転数が現在の回転数から低減される。その上で、温度計５２により検出される冷却液の温度が同程度に維持されるように、冷却ファン３１の出力増大、或いは、バイパス管路４０内の冷却液流量の減少が行われる。冷却液ポンプ３２の回転数が低減されると、冷却液の流量が減少する。その結果、燃料電池スタック１０に流れ込む冷却液の温度と、燃料電池スタック１０から流れ出る冷却液の温度との差が、拡大する。結果として、燃料電池スタック１０に流れ込む冷却液の温度が低下する。

図４には、このような動作の前後における、単位セル１２内の相対湿度の分布が図示されている。前述したように、実施の形態１では、ガス流路入口１６ａと冷却液流路入口１８ａとが近接している。よって、冷却液の温度低下によって単位セル１２の冷却液流路入口１８ａの近傍の部分を冷やすことにより、図４に矢印で模式的に示すようにＭＥＡ１４のガス流路入口１６ａの近傍の部分の含水量を増加することができる。

また、実施の形態１では、下記に述べる（a）〜（c）の効果も得られる。

（a）含水量分布の均一化
実施の形態１によれば、ＭＥＡ１４面内における含水量分布の均一化効果が得られる。前述したように、実施の形態１では、ガス流路１６と冷却液流路１８とが、ＭＥＡ１４面内を並行に延びている。ガス流路１６内の空気の流れ方向に向かって、ガス流路１６内の空気の湿度は上昇していく。また、冷却液は、単位セル１２内部を流れる過程で熱せられるので、下流側ほど温度が高くなる。その結果、実施の形態１によれば、湿度が低いガス流路１６上流側では冷却液温度が低く、湿度が高いガス流路１６下流側では冷却液温度が高くなるような状態を、単位セル１２内部につくりだすことができる。これにより、ＭＥＡ１４面内における含水量を均一化することができる。

（b）フラッディング抑制
また、特に、実施の形態１によれば、フラッディングを抑制しつつ、上記の含水量増大を行うことができる。前述の動作説明のように、実施の形態１によれば、ＭＥＡ１４における冷却液流路入口１８ａ側部分の温度と、ＭＥＡ１４における冷却液流路出口１８ｂ側部分の温度との差（以下、「温度差ΔＴ」とも称す）を、大きくすることができる。これによりＭＥＡ１４における冷却液流路入口１８ａ側部分の温度を低下させ、結果的にＭＥＡ１４におけるガス流路入口１６ａ側部分を加湿することができる。

このような温度差ΔＴの拡大による含水量増加手法は、次のような優れた利点を有している。仮に、冷却液温度の低下を例えば冷却ファン３１の出力増大のみに頼って行ったとすると、温度差ΔＴは変化しないまま単位セル１２面内の温度が画一的に低下する。言い換えれば、単位セル１２面内の温度勾配は維持されたまま、全体的に温度が低下する。ＭＥＡ１４面内の全域にわたって画一的に温度を下げたとすると、ＭＥＡ１４面内全域で湿度が上昇してしまう。そうすると、ガス流路１６下流側が水分過多となり、フラッディング等の発生が懸念される。これに対し、実施の形態１によれば、乾燥対策を施すべき部分（図３の部分Ａ）を部分的に加湿することができる。従って、実施の形態１によれば、フラッディング等の弊害を抑制しつつ、ＭＥＡ１４のガス流路入口１６ａ側部分の乾燥を、抑制することができる。

（c）温度差ΔＴ拡大とガス流路／冷却液流路構造との組み合わせの効果
特に、実施の形態１によれば、ガス流路１６と冷却液流路１８とをＭＥＡ１４面内を並行に延びる構造にされ、なおかつ、温度差ΔＴの拡大が行われる。この２点の組み合わせにより、次の効果が得られる。ガス流路１６と冷却液流路１８とが並行に延びる構造では、冷却液流れ方向の温度分布とガス流れ方向の温度分布とが同じ傾向を示す。従って、実施の形態１において温度差ΔＴが拡大された場合には、ＭＥＡ１４における、ガス流路入口１６ａ側部分の温度とガス流路出口１６ｂ側部分の温度との差も、同様に拡大する。これにより、ＭＥＡ１４におけるガス流路入口１６ａ側部分を積極的に加湿し、かつ、電解質膜におけるガス流路出口１６ｂ側部分は加湿を控えることができる。ガス流路１６の上流は、空気の流入によって比較的乾燥しやすい。また、ガス流路１６の下流は、生成水の影響もあり比較的潤いやすい。実施の形態１によれば、このような単位セル１２内部の乾湿の分布に合わせて、ＭＥＡ１４面内の含水量を均一化することができる。

特に、実施の形態１では、冷却液ポンプ３２の回転数低減とともに、冷却ファン３１の出力増大、或いは、バイパス管路４０内の冷却液流量の減少が行われる。これにより、ＭＥＡ１４面内において、ガス流路出口１６ｂ側部分の温度は現状に維持しつつ、ガス流路入口１６ａ側部分の温度を低下させることができる。その結果、ＭＥＡ１４において、ガス流路出口１６ｂ側部分の含水量は現状に維持しつつ、ガス流路入口１６ａ側部分の含水量を増大することができる。

（ii）実施の形態１の制御タイミング
実施の形態１では、下記に述べる第１、２条件の成立の有無を検知することによって、上記の（i）の含水量増大制御を適切なタイミングで実行する。

第１条件は、電流値に関する条件である。図５は、電流分布センサ５４により得られる単位セル１２の電流分布を示す。ＭＥＡ１４内において水分不足箇所があると、その箇所の電気特性が低下する。ＭＥＡ１４のガス流路入口１６ａ付近が乾燥すれば、図５に矢印で示すように、単位セル１２のガス流路入口１６ａ側の電流値が低下する。そこで、実施の形態１では、単位セル１２のガス流路入口１６ａ側の電流値が、予め定めた閾値を下回った場合に、（a）の含水量制御を実行する。これにより、乾燥が認められたとき、速やかに、ＭＥＡ１４の含水量を増大することができる。

第２条件は、実施の形態１の燃料電池システムを移動体に搭載した場合を想定したものである。図６は、実施の形態１の燃料電池システムを搭載した車両６０の運転環境の変化を示す。車両６０の走行中に運転環境が環境ａから環境ｂに変化した場合、環境ｂの坂路走行においては負荷が増大する。負荷の増大に伴って燃料電池スタック１０の発電量が増大すれば、燃料電池スタック１０の温度も上昇する。温度上昇に伴ってガス流路１６内における水分の持ち去り量が増大し、ＭＥＡ１４がより乾燥しやすくなる。また、燃料電池システムの外気温が高ければ、燃料電池スタック１０の温度も高めになる。

そこで、実施の形態１では、車両６０にナビゲーションシステム６２および外気温センサ６４を搭載し、車両６０がまもなく登坂路にさしかかる場合であって、かつ、外気温が所定値を超えている場合に、含水量制御を実行させる。これにより、ＭＥＡ１４の乾燥を未然に防止するように、含水量制御を実行しておくことができる。

以上説明したように、実施の形態１の燃料電池システムによれば、乾燥が検知された後速やかに、或いは、乾燥を未然に防止するように、含水量制御を行うことができる。これにより、様々な運転環境の下でも、燃料電池スタック１０内部の湿潤状態を良好に保つことができる。

特に、実施の形態１の燃料電池システムには、次のような優位性がある。従来の燃料電池システムでは、一般的に、ＭＥＡ面内の含水量にムラがあったとしても燃料電池の発電状態が許容範囲であれば、他の条件に基づいてシステムの制御内容を決定することが多い。しかしながら、そのような決定基準では、例えば図６の環境ｂのような場合に、ＭＥＡ面内の一部が早期に過乾燥してしまうおそれがある。このため、燃料電池システムの運転状態を良好に維持したまま、燃料電池システムの運転を長時間継続することが難しい。この点、実施の形態１では、ＭＥＡ１４の面内を均一に湿らせるような含水量制御が実行されるので、環境ｂのような場合でも長い時間運転を継続することができる。

［実施の形態１の具体的処理］
以下、図７を用いて、実施の形態１の燃料電池システムにおいて実行される具体的処理を説明する。図７は、実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図７のルーチンは、実施の形態１の燃料電池システムが車両６０に搭載されている状態を想定して作成されたものである。

図７に示すルーチンでは、先ず、含水量制御が必要か否かが検知される（ステップＳ１００）。このステップでは、前述の第１条件と、前述の第２条件のうち、少なくとも一方の条件が成立しているか否かが検知される。第１、２条件がいずれも成立していない場合には、今回のルーチンが終了する。

第１、２条件のうち少なくとも一方の条件が成立している場合には、冷却液ポンプ３２の回転数が低減される（ステップＳ１０２）。

次いで、冷却液の出口温度を一定に保つように、冷却ファン３１または／および三方弁４２が制御される（ステップＳ１０３）。このステップでは、燃料電池スタック１０から流れ出る冷却液の温度がステップＳ１０２実行前と同じ温度に維持されるように、温度計５２の出力値に基づいて冷却ファン３１または／および三方弁４２が制御される。その後、今回のルーチンが終了する。

尚、上述した実施の形態１では、単位セル１２が、前記第１の発明における「燃料電池」に、ＭＥＡ１４の電解質膜が、前記第１の発明における「電解質膜」に、ガス流路１６が、前記第１の発明における「ガス流路」に、冷却液流路１８が、前記第１の発明における「冷媒流路」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１では、管路２０、２２、ラジエータ３０が、前記第１の発明における「冷媒供給機構」に、冷却液ポンプ３２、冷却ファン３１、バイパス管路４０および三方弁４２が、前記第１の発明における「入口温度調節機構」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１では、図７のルーチンのステップＳ１００が実行されることにより、前記第１の発明における「検知手段」が、図７のルーチンのステップＳ１０２が実行されることにより、前記第１の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１では、冷却ファン３１、バイパス管路４０および三方弁４２が、前記第４の発明における「出口温度調節機構」に相当し、図７のルーチンのステップＳ１０３が実行されることにより、前記第４の発明における「出口温度維持手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１では、電流分布センサ５４が、前記第５の発明における「発電状態検知手段」に相当している。また、上述した実施の形態１では、ナビゲーションシステム６２および外気温センサ６４が、前記第６の発明における「環境取得手段」に相当している。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、冷却液ポンプ３２の回転数低減により、冷却液流路１８に流れ込む冷却液の温度を低下させた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。冷却液ポンプ３２の回転数は変化させず、冷却ファン３１または／および三方弁４２によって冷却液流路１８に流れ込む冷却液の温度を低下させてもよい。

（第２変形例）
実施の形態１の単位セル１２では、ガス流路１６と冷却液流路１８とがＭＥＡ１４面内を並行に延びるように、それぞれの流路の入口と出口が近くに設けられている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ガス流路入口１６ａと冷却液流路入口１８ａのみを近くに配置してもよい。

（第３変形例）
実施の形態１では、第１、２条件のうち少なくとも一方の条件が成立しているか否かを検知することにより、含水量制御の実行時期を決定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ステップＳ１００において、第１条件のみ、または、第２条件のみの検知を行っても良い。

また、第１条件の検知は、次のように変形してもよい。実施の形態１では、電流分布センサ５４を利用して、単位セル１２面内の電流分布を計測した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。単位セル１２のガス流路入口１６ａ付近に、例えば特開２００７−５２０９号公報にも開示されているような、部分電流センサを取り付けても良い。この部分電流センサによりガス流路入口１６ａ付近における電流を局所的に計測し、閾値との比較判定を行っても良い。

また、第２条件の検知は、次のように変形してもよい。現在の運転環境が、燃料電池スタック１０の温度上昇が予想される所定の運転環境に該当するか否かを検知してもよい。例えば高負荷運転領域では、燃料電池スタック１０の温度が高くなる。したがって、高負荷での運転が予想される環境を予め特定しておき、車両６０の外部環境が、特定した高負荷予想環境に該当するか否かを検知してもよい。

なお、実施の形態１では、冷却液流路１８に流れ込む冷却液の温度を低下させるための処理（すなわちステップＳ１０２）と、冷却液流路１８から流れ出る冷却液の温度を維持するための処理（すなわちステップＳ１０３）の、両方の処理が実行される。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ステップＳ１０２の処理のみを実行しても良い。

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成図である。 実施の形態１の単位セルの構成を模式的に示す平面図である。 実施の形態１における、ＭＥＡの乾燥状態を説明するための図である。 実施の形態１の含水量制御の内容を説明するための図である。 実施の形態１において電流分布センサ５４により得られる単位セル１２の電流分布を示す図である。 実施の形態１の燃料電池システムを搭載した車両６０の運転環境の変化を示す図である。 実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２ 単位セル
１４ 膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）
１６ ガス流路
１６ａ ガス流路入口
１６ｂ ガス流路出口
１８ 冷却液流路
１８ａ 冷却液流路入口
１８ｂ 冷却液流路出口
２０、２２ 管路
３０ ラジエータ
３１ 冷却ファン
３２ 冷却液ポンプ
４０ バイパス管路
４２ 三方弁
５２ 温度計
５４ 電流分布センサ
６０ 車両
６２ ナビゲーションシステム
６４ 外気温センサ

Claims (6)

1. 電解質膜と、該電解質膜の表面に接続され内部にカソードガスが流入するガス流路と、内部に該電解質膜の面内を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路と、を備え、該ガス流路の入口と該冷媒流路の入口とが、該冷媒流路に流入する冷媒の温度変化に応じて該電解質膜の該ガス流路入口側部分の含水量が変化する程度に近くに設けられた燃料電池と、
   前記冷媒流路の入口に、冷媒を流入させる冷媒供給機構と、
   前記冷媒流路の入口に流れ込む冷媒の温度を、調節することができる入口温度調節機構と、
   前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が、乾燥しているか否か、または／および、乾燥するおそれがあるか否か、を検知する検知手段と、
   前記電解質膜の前記ガス流路入口側部分が乾燥しているまたは／および乾燥するおそれがあると前記検知手段が検知したら、前記冷媒流路の入口に流れ込む冷媒の温度が低下するように前記入口温度調節機構を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ガス流路と前記冷媒流路とが、前記電解質膜の外形のうち１つの辺から他の辺に向かって該電解質膜上を並行に延びるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒供給機構が、前記冷媒流路の入口と出口とに接続して該冷媒流路とともに循環系を形成する管路と、該管路の途中に設けられたラジエータと、を含み、
   前記入口温度調節機構が、前記ラジエータを経由して流れる冷媒の流量を調節する流量調節機構を含み、
   前記制御手段が、前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が乾燥しているまたは／および乾燥するおそれがあると検知したら、前記冷媒流路に流れ込む冷媒の流量を低減するように前記流量調節機構を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の前記冷媒流路出口側部分の温度を調節するように前記管路内の冷媒の温度を調節することができる出口温度調節機構と、
   前記制御手段が前記冷媒流路に流れ込む冷媒の流量を低減するように前記流量調節機構を制御するときに、前記燃料電池の前記冷媒流路出口側部分の温度が維持されるように前記出口温度調節機構を制御する出口温度維持手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記検知手段が、前記電解質膜における前記ガス流路入口側部分の発電状態に基づいて、前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が、乾燥しているか否か、または／および、乾燥するおそれがあるか否か、を検知する発電状態検知手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの外部環境の情報である外部環境情報を取得する環境取得手段を備え、
   前記検知手段が、前記環境取得手段が取得した外部環境情報が所定の運転環境に該当するか否かに基づいて、前記電解質膜の前記ガス流路入口部分が乾燥するおそれがあるか否かを検知する環境検知手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。

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