燃料電池システム
【課題】高温環境下であっても、水の回収性が良く直噴水の不足を防止できる直噴水タイプの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、給気経路における下流側熱交換器より空気取入口側の供給空気、即ち、下流側熱交換器に流入される前の供給空気に対して、第２の水供給手段により液体水を霧状に噴射することができるように構成されている。かかる構成により、下流側熱交換器に流入される供給空気の温度を、噴霧された液体水の蒸発潜熱によって下げることができる。よって、液体水の噴霧された供給空気が冷却媒体として作用し、下流側熱交換器における水の凝縮能力を高めることができる。その結果、かかる下流側熱交換器における液体水の回収性を向上させることができる。
【解決手段】本発明によれば、給気経路における下流側熱交換器より空気取入口側の供給空気、即ち、下流側熱交換器に流入される前の供給空気に対して、第２の水供給手段により液体水を霧状に噴射することができるように構成されている。かかる構成により、下流側熱交換器に流入される供給空気の温度を、噴霧された液体水の蒸発潜熱によって下げることができる。よって、液体水の噴霧された供給空気が冷却媒体として作用し、下流側熱交換器における水の凝縮能力を高めることができる。その結果、かかる下流側熱交換器における液体水の回収性を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む直噴水タイプの燃料電池システムに関する。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
排気系１２０における排気経路上には、凝縮器１２１が設けられている。この凝縮器１２１は、燃料電池スタック１４０の空気極から排出された排気を外気温との熱交換によって冷却し、該排気中に含まれる水分を凝縮して分離する。凝縮器１２１によって分離された液体水は、回収ポンプ１８４によって水タンク１８１へと圧送される。
【０００９】
このように、直噴水タイプの燃料電池システム２００の水供給系１８０は、水タンク１８１に貯留される液体水を燃料電池スタック１４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック１４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１２１によって凝縮して液体水として回収し、回収した液体水を水タンク１８１に戻す循環系として構成されている。
【特許文献１】特開平１１−２４２９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、かかる循環系として構成される水供給系１８０は、外気温が高い場合には、凝縮器１２１と外気との温度差が小さくなるので、凝縮器１２１による熱交換（即ち、冷却）能力が低くなる。その結果、凝縮器１２１による水の凝縮効率が悪くなるため、排気から十分な液体水を回収することができず、燃料電池スタック１４０へ供給する液体水（直噴水）が不足するという問題があった。直噴水が不足すると、燃料電池スタック１４０の冷却及び加湿が不十分となり、発電効率の低下が生じる。
【００１１】
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、高温環境下であっても、水の回収性が良く直噴水の不足を防止できる直噴水タイプの燃料電池システム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】
【００１２】
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、空気取入口を介して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、液体水を貯留する貯水手段と、その貯水手段に貯留されている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第１の水供給手段と、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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、前記上流側熱交換器及び下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、前記給気経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する第２の水供給手段と、を備えている。
【００１３】
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、前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、その水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記第２の水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御手段を備えている。
【００１４】
請求項３記載の燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水手段に貯留される液体水の貯水量を検出する貯水量検出手段を備え、前記水回収性把握手段は、前記貯水量検出手段により検出される貯水量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得する。
【００１５】
請求項４記載の燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、系内における水分量の収支に基づいて、前記水回収手段による液体水の推定回収量を算出する回収量推定手段と、前記水回収性把握手段は、前記回収量推定手段により算出される液体水の推定回収量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得する。
【発明の効果】
【００１６】
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）が給気経路を介して常圧で供給される。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。
【００１７】
このとき、第１の水供給手段により、貯留手段に貯留されている液体水が空気極へ霧状に噴射（噴霧）される。即ち、請求項１記載の燃料電池システムは、直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものであり、かかる霧状の液体水（直噴水）によって空気極が冷却され加湿される。
【００１８】
燃料電池における空気極から排出された排気は、排気経路上に位置する上流側熱交換器及び下流側熱交換器をこの順で通過し、これらの熱交換器によって冷却された後、排気経路の出口から系外へ導出される。ここで、上流側熱交換器及び下流側熱交換器では、それぞれ、熱交換による冷却によって排気中の水分が凝縮して液体水として分離される。
【００１９】
上流側熱交換器及び下流側熱交換器において分離された液体水は、水回収手段によって回収され、貯水手段に戻される。それによって、第１の水供給手段によって燃料電池の空気極へ冷却水及び加湿水として供給するための液体水を、水回収手段によって該空気極から排出される排気から回収して循環する系が構成される。
【００２０】
ここで、請求項１記載の燃料電池システムによれば、給気経路における下流側熱交換器より空気取入口側の供給空気、即ち、下流側熱交換器に流入される前の供給空気に対して、第２の水供給手段により液体水を霧状に噴射（噴霧）することができるように構成されている。
【００２１】
かかる構成により、下流側熱交換器に流入される供給空気の温度を、噴霧された液体水の蒸発潜熱によって下げることができる。よって、液体水の噴霧された供給空気が冷却媒体として作用し、下流側熱交換器における水の凝縮能力を高めることができる。その結果、かかる下流側熱交換器における液体水の回収性を向上させることができる。
【００２２】
従って、熱交換器による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、液体水を十分に回収して貯水手段に戻すことができるので、第１の水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができるという効果がある。
【００２３】
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。第２の水供給手段は、噴射制御手段により、水回収性把握手段によって取得された水回収手段による液体水の回収性を示す指標に応じて制御されるように構成されている。
【００２４】
このように、第２の水供給手段による液体水の噴射を必要に応じて行わせることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を必要に応じて高めることができるという効果がある。従って、例えば、水回収性把握手段により取得された指標が水回収性の低さを示す場合に、第２の水供給手段によって液体水の噴射を行わせるよう制御させることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を高めることができ、結果として、第１の水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを好適に防止することができる。
【００２５】
請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項２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。貯水量検出手段により検出される貯水手段の貯水量が、水回収性把握手段により、液体水の回収性を示す指標として取得される。よって、液体水の回収性を示す指標を容易に取得することができるので、噴射制御手段による制御、即ち、液体水の回収性を向上させるための制御を容易に行うことができるという効果がある。
【００２６】
請求項４記載の燃料電池システムによれば、請求項２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。系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により算出された水回収手段による液体水の推定回収量が、水回収性把握手段により、液体水の回収性を示す指標として取得される。よって、液体水の回収性を示す指標が液体水の推定回収量であるので、噴射制御手段による制御、即ち、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御（見込み制御）によって行う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】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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凝縮により分離して回収するものである。
【００４５】
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にて外気温程度に十分に冷却した後、下流側凝縮器１１３へ流入させることができる。
【００４６】
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に流入される前の供給空気に対してノズル８３ｂから液体水を霧状に噴射（噴霧）し、その水の蒸発潜熱を利用して下流側凝縮器１１３に流入される供給空気の温度を外気温以下に下げることによって、下流側凝縮器１１３における水の凝縮能力を高め、水の回収性を向上させるように構成されている。
【００４７】
従って、燃料電池スタック４０から排出された高温の排気が上流側凝縮器１１２にて十分に冷却されたことによって、下流側凝縮器１１３の内部の温度を比較的低い温度に抑制することができる。そのため、高温の気体の高い飽和蒸気圧によって水分が系外へ持ち出されることを防ぐことができると共に、液体水の噴霧によって冷却された供給空気による排気からの水の凝縮を高効率に行うことができる。
【００４８】
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。
【００４９】
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における給水路８１ｃは、本発明の燃料電池システムを構成する第１の水供給手段に該当する。
【００５０】
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。
【００５１】
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８３ａとが順に設けられている。
【００５２】
ノズル８３ａ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８３ａの先端から噴射される。ノズル８３ａ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を流通する供給空気の流れ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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。なお、この水供給系８０における導水路８１ａ，８１ｂは、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に該当する。
【００５５】
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。
【００５６】
このように、水供給系８０は、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｃを介して燃料電池スタック４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１１２，１１３によって凝縮して液体水として分離し、かかる水を導水路８１ａ，８１ｂを介して水タンク８２に戻す循環系として構成されている。
【００５７】
また、 図１に示すように、水供給系８０は、給水路８１ｃにおける給水ポンプ８５より燃料電池スタック４０側から分岐し、水タンク８２に貯留されている水を、下流側凝縮器１１３へ流入する前の空気へ供給するための給水路８１ｅを含んでいる。なお、この水供給系８０における給水路８１ｅは、本発明の燃料電池システムを構成する第２の水供給手段に該当する。
【００５８】
給水路８１ｅは、上述のように給水路８１ｃにおける給水ポンプ８５より燃料電池スタック４０側から分岐した水の流通経路であり、他端側が、空気供給路６３における下流側凝縮器１１３とフィルタ６４との間に接続されている。この給水路８１ｅには、水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、水供給電磁弁８９と、給水路８１ｅからの水の出口となるノズル８３ｂとが順に設けられている。
【００５９】
給水路８１ｅを流通してきた水は、ノズル８３ｂの先端から、空気供給路６３を流通する空気（供給空気）に向けて噴霧される。その結果、噴霧された水の蒸発潜熱によって供給空気が外気温以下に冷却された後、下流側凝縮器１１３に流入される。
【００６０】
よって、下流側凝縮器１１３に流入する供給空気（即ち、系外から取り入れられ、水が噴霧された供給空気）が冷却媒体として作用し、その結果、下流側凝縮器１１３における水の凝縮能力が高まり、下流側凝縮器１１３における水の回収性が向上する。
【００６１】
なお、詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００は、水位センサＳＥ８によって水タンク８２に貯留される貯留水の水位が所定レベル以下となった場合に、水供給電磁弁８９を開放してノズル８３ｂから水を噴霧させ、それによって、下流側凝縮器１１３における水の回収性を向上させるように構成されている。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、水タンク８２に貯留される貯留水の水位を検出する水位センサＳＥ８と、給水路８１ｅ上に設けられている水供給電磁弁８９とに接続されている。
【００６８】
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、水位センサＳＥ８による検出値（即ち、水タンク８２に貯留される貯留水の水位）が所定レベル以下となった場合に、水の回収性が低いと判断し、下流側凝縮器１１３による水の回収性を上げるべく水供給電磁弁８９を開放する。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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（噴霧）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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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、下流側凝縮器１１３からの水の回収性を制御する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水供給電磁弁開閉処理を示すフローチャートである。
【０１０５】
この水供給電磁弁開閉処理は、水位センサＳＥ８による検出値に応じて水供給電磁弁８９を開閉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、この水供給電磁弁開閉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。
【０１０６】
図７に示すように、この供給空気温度調整処理では、まず、水位センサＳＥ８による検出値、即ち、水タンク８２に貯留される貯留水の水位を示す検出値を、液体水の回収性を示す指標として取得する（Ｓ１）。Ｓ１の処理後、取得された指標、即ち、水位センサＳＥ８による検出値が示す水位が、低い側の閾値である第１閾値未満であるか否かを確認する（Ｓ２）。
【０１０７】
Ｓ２の処理により確認した結果、水位が第１閾値未満である場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、水の回収性が低いと判断して、水供給電磁弁８９を開放し（Ｓ３）、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。
【０１０８】
Ｓ３の処理により水供給電磁弁８９が開放されると、ノズル８３ｂから水が空気供給路６３へ向けて霧状に噴射（噴霧）されて、水の蒸発潜熱によって供給空気が冷却される。その結果、そのように冷却された供給空気が下流側凝縮器１１３へ流入されるので、供給空気（即ち、水が噴霧された供給空気）が冷却媒体として作用して、下流側凝縮器１１３における液体水の回収性が向上する。
【０１０９】
一方、Ｓ２の処理により確認した結果、水位が第１閾値以上である場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、Ｓ１の処理によって取得された検出値が示す温度が、高い側の閾値である第２閾値以上であるか否かを確認する（Ｓ４）。
【０１１０】
Ｓ４の処理により確認した結果、水位が第２閾値以上である場合には（Ｓ４：Ｙｅｓ）、水は十分に回収されていると判断して、水供給電磁弁８９を閉鎖し（Ｓ５）、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。Ｓ５の処理により、水供給電磁弁８９が開放されると、ノズル８３ｂからの水の噴霧が停止する。
【０１１１】
一方、Ｓ４の処理により確認した結果、水位が第２閾値未満である場合には（Ｓ４：Ｎｏ）、何も行うことなく、即ち、水供給電磁弁８９の開閉状態を維持したまま、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。
【０１１２】
この水供給電磁弁開閉処理によれば、水供給電磁弁８９の開閉を、水位センサＳＥ８による検出値に応じて制御するように構成されている。よって、下流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対し、水を必要に応じて噴霧することができる。
【０１１３】
また、この水供給電磁弁開閉処理によれば、水位センサＳＥ８による検出値に応じて、水供給電磁弁８９の開閉、即ち、ノズル８３ｂからの水の噴霧を制御するので、水の回収性を向上させるための制御を容易に行うことができる。
【０１１４】
なお、上述した水供給電磁弁開閉処理におけるＳ１の処理が、本発明における水回収性把握手段に該当する一方で、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の処理が、本発明における噴射制御手段に該当する。
【０１１５】
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、下流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対し、水を霧状に噴射（噴霧）できるように構成されているので、供給空気を水の蒸発潜熱により外気温以下に冷却させてから下流側凝縮器１１３へ流入させることができ、このように冷却された供給空気を冷却媒体として作用させることができる。よって、下流側凝縮器１１３における水の凝縮能力を高めることができ、かかる下流側凝縮器１１３における液体水の回収性を向上させることができる。
【０１１６】
従って、凝縮器（熱交換器）による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、下流側凝縮器１１３による水の回収性を向上させることにより、燃料電池スタック４０から排出される排気から水分を十分に回収し、水タンク８２へ戻すことができる。
【０１１７】
よって、水タンク８２の水量が過剰に減少し、給水路８１ｃを介してノズル８３ａから燃料電池スタック４０へ供給される液体水の量が、燃料電池スタック４０の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができる。その結果、冷却及び加湿不足による燃料電池スタック４０の発電効率の低下が防止される。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
また、上記実施形態では、液体水の回収性を示す指標として水位センサＳＥ８の検出値を使用する構成としたが、系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により液体水の推定回収量を算出し、算出された推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用する構成としてもよい。
【０１２１】
例えば、空気排出路１１１における下流側凝縮器１１３とフィルタ１１４との間に設けられている凝縮器排気温センサ（図示せず）により検出される排気の温度と、系外からの空気の取り入れ量（即ち、空気の供給量）とから水の推定回収量を算出し、その値を液体水の回収性を示す指標として使用することができる。
【０１２２】
この場合には、算出された推定回収量が所定量より低い場合に、水供給電磁弁８９を開放するように制御を行うようにすればよい。なお、所定量としては、ノズル８３ａから噴霧する水量（即ち、燃料電池スタック４０への水の供給量）であったり、その水量に所定のオフセットを加えた値などを採用することができる。
【０１２３】
このように、系内における水分量の収支に基づいて算出される推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用することにより、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御（見込み制御）によって行うことができる。
【０１２４】
また、水位センサＳＥ８の検出値に換えて、水タンク８２の重量など、水タンク８２内の水量を表す値をを液体水の回収性を示す指標とする構成であってもよい。
【０１２５】
また、上記実施形態では、下流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対して噴霧する水（即ち、ノズル８３ｂから噴霧される水）と、燃料電池スタック４０に対して冷却及び加湿のために噴霧する水（即ち、ノズル８３ａから噴霧される水）とが、どちらも同一の水タンク８２から給水されるように構成したが、ノズル８３ｂから噴霧される水と、ノズル８３ａから噴霧される水とが、各々、専用の水タンクから給水される構成としてもよい。なお、上記実施形態のように、水タンク８２を給水源として共用する構成とすることによって、システムの大型化を抑制しつつ、液体水の回収性を向上させることができる。
【０１２６】
また、上記実施形態では、水位センサＳＥ８による検出値が示す水位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水供給電磁弁８９の開閉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水供給電磁弁８９の開閉を制御する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】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。
【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】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。
【図７】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】
【０１２８】
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（第１の水供給手段、水回収手段、第２の水供給手段）
８１ａ 導水路（水回収手段）
８１ｂ 導水路（水回収手段）
８１ｃ 給水路（第１の水供給手段）
８１ｅ 給水路（第２の水供給手段）
８２ 水タンク（貯水手段）
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）
ＳＥ８ 水位センサ（貯水量検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む直噴水タイプの燃料電池システムに関する。
【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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
排気系１２０における排気経路上には、凝縮器１２１が設けられている。この凝縮器１２１は、燃料電池スタック１４０の空気極から排出された排気を外気温との熱交換によって冷却し、該排気中に含まれる水分を凝縮して分離する。凝縮器１２１によって分離された液体水は、回収ポンプ１８４によって水タンク１８１へと圧送される。
【０００９】
このように、直噴水タイプの燃料電池システム２００の水供給系１８０は、水タンク１８１に貯留される液体水を燃料電池スタック１４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック１４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１２１によって凝縮して液体水として回収し、回収した液体水を水タンク１８１に戻す循環系として構成されている。
【特許文献１】特開平１１−２４２９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、かかる循環系として構成される水供給系１８０は、外気温が高い場合には、凝縮器１２１と外気との温度差が小さくなるので、凝縮器１２１による熱交換（即ち、冷却）能力が低くなる。その結果、凝縮器１２１による水の凝縮効率が悪くなるため、排気から十分な液体水を回収することができず、燃料電池スタック１４０へ供給する液体水（直噴水）が不足するという問題があった。直噴水が不足すると、燃料電池スタック１４０の冷却及び加湿が不十分となり、発電効率の低下が生じる。
【００１１】
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、高温環境下であっても、水の回収性が良く直噴水の不足を防止できる直噴水タイプの燃料電池システム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】
【００１２】
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、空気取入口を介して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、液体水を貯留する貯水手段と、その貯水手段に貯留されている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第１の水供給手段と、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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、前記上流側熱交換器及び下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、前記給気経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する第２の水供給手段と、を備えている。
【００１３】
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、前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、その水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記第２の水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御手段を備えている。
【００１４】
請求項３記載の燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記貯水手段に貯留される液体水の貯水量を検出する貯水量検出手段を備え、前記水回収性把握手段は、前記貯水量検出手段により検出される貯水量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得する。
【００１５】
請求項４記載の燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、系内における水分量の収支に基づいて、前記水回収手段による液体水の推定回収量を算出する回収量推定手段と、前記水回収性把握手段は、前記回収量推定手段により算出される液体水の推定回収量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得する。
【発明の効果】
【００１６】
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）が給気経路を介して常圧で供給される。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。
【００１７】
このとき、第１の水供給手段により、貯留手段に貯留されている液体水が空気極へ霧状に噴射（噴霧）される。即ち、請求項１記載の燃料電池システムは、直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものであり、かかる霧状の液体水（直噴水）によって空気極が冷却され加湿される。
【００１８】
燃料電池における空気極から排出された排気は、排気経路上に位置する上流側熱交換器及び下流側熱交換器をこの順で通過し、これらの熱交換器によって冷却された後、排気経路の出口から系外へ導出される。ここで、上流側熱交換器及び下流側熱交換器では、それぞれ、熱交換による冷却によって排気中の水分が凝縮して液体水として分離される。
【００１９】
上流側熱交換器及び下流側熱交換器において分離された液体水は、水回収手段によって回収され、貯水手段に戻される。それによって、第１の水供給手段によって燃料電池の空気極へ冷却水及び加湿水として供給するための液体水を、水回収手段によって該空気極から排出される排気から回収して循環する系が構成される。
【００２０】
ここで、請求項１記載の燃料電池システムによれば、給気経路における下流側熱交換器より空気取入口側の供給空気、即ち、下流側熱交換器に流入される前の供給空気に対して、第２の水供給手段により液体水を霧状に噴射（噴霧）することができるように構成されている。
【００２１】
かかる構成により、下流側熱交換器に流入される供給空気の温度を、噴霧された液体水の蒸発潜熱によって下げることができる。よって、液体水の噴霧された供給空気が冷却媒体として作用し、下流側熱交換器における水の凝縮能力を高めることができる。その結果、かかる下流側熱交換器における液体水の回収性を向上させることができる。
【００２２】
従って、熱交換器による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、液体水を十分に回収して貯水手段に戻すことができるので、第１の水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができるという効果がある。
【００２３】
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。第２の水供給手段は、噴射制御手段により、水回収性把握手段によって取得された水回収手段による液体水の回収性を示す指標に応じて制御されるように構成されている。
【００２４】
このように、第２の水供給手段による液体水の噴射を必要に応じて行わせることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を必要に応じて高めることができるという効果がある。従って、例えば、水回収性把握手段により取得された指標が水回収性の低さを示す場合に、第２の水供給手段によって液体水の噴射を行わせるよう制御させることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を高めることができ、結果として、第１の水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを好適に防止することができる。
【００２５】
請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項２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。貯水量検出手段により検出される貯水手段の貯水量が、水回収性把握手段により、液体水の回収性を示す指標として取得される。よって、液体水の回収性を示す指標を容易に取得することができるので、噴射制御手段による制御、即ち、液体水の回収性を向上させるための制御を容易に行うことができるという効果がある。
【００２６】
請求項４記載の燃料電池システムによれば、請求項２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。系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により算出された水回収手段による液体水の推定回収量が、水回収性把握手段により、液体水の回収性を示す指標として取得される。よって、液体水の回収性を示す指標が液体水の推定回収量であるので、噴射制御手段による制御、即ち、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御（見込み制御）によって行う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】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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凝縮により分離して回収するものである。
【００４５】
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にて外気温程度に十分に冷却した後、下流側凝縮器１１３へ流入させることができる。
【００４６】
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に流入される前の供給空気に対してノズル８３ｂから液体水を霧状に噴射（噴霧）し、その水の蒸発潜熱を利用して下流側凝縮器１１３に流入される供給空気の温度を外気温以下に下げることによって、下流側凝縮器１１３における水の凝縮能力を高め、水の回収性を向上させるように構成されている。
【００４７】
従って、燃料電池スタック４０から排出された高温の排気が上流側凝縮器１１２にて十分に冷却されたことによって、下流側凝縮器１１３の内部の温度を比較的低い温度に抑制することができる。そのため、高温の気体の高い飽和蒸気圧によって水分が系外へ持ち出されることを防ぐことができると共に、液体水の噴霧によって冷却された供給空気による排気からの水の凝縮を高効率に行うことができる。
【００４８】
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。
【００４９】
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における給水路８１ｃは、本発明の燃料電池システムを構成する第１の水供給手段に該当する。
【００５０】
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。
【００５１】
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８３ａとが順に設けられている。
【００５２】
ノズル８３ａ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８３ａの先端から噴射される。ノズル８３ａ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を流通する供給空気の流れ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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。なお、この水供給系８０における導水路８１ａ，８１ｂは、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に該当する。
【００５５】
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。
【００５６】
このように、水供給系８０は、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｃを介して燃料電池スタック４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１１２，１１３によって凝縮して液体水として分離し、かかる水を導水路８１ａ，８１ｂを介して水タンク８２に戻す循環系として構成されている。
【００５７】
また、 図１に示すように、水供給系８０は、給水路８１ｃにおける給水ポンプ８５より燃料電池スタック４０側から分岐し、水タンク８２に貯留されている水を、下流側凝縮器１１３へ流入する前の空気へ供給するための給水路８１ｅを含んでいる。なお、この水供給系８０における給水路８１ｅは、本発明の燃料電池システムを構成する第２の水供給手段に該当する。
【００５８】
給水路８１ｅは、上述のように給水路８１ｃにおける給水ポンプ８５より燃料電池スタック４０側から分岐した水の流通経路であり、他端側が、空気供給路６３における下流側凝縮器１１３とフィルタ６４との間に接続されている。この給水路８１ｅには、水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、水供給電磁弁８９と、給水路８１ｅからの水の出口となるノズル８３ｂとが順に設けられている。
【００５９】
給水路８１ｅを流通してきた水は、ノズル８３ｂの先端から、空気供給路６３を流通する空気（供給空気）に向けて噴霧される。その結果、噴霧された水の蒸発潜熱によって供給空気が外気温以下に冷却された後、下流側凝縮器１１３に流入される。
【００６０】
よって、下流側凝縮器１１３に流入する供給空気（即ち、系外から取り入れられ、水が噴霧された供給空気）が冷却媒体として作用し、その結果、下流側凝縮器１１３における水の凝縮能力が高まり、下流側凝縮器１１３における水の回収性が向上する。
【００６１】
なお、詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム１００は、水位センサＳＥ８によって水タンク８２に貯留される貯留水の水位が所定レベル以下となった場合に、水供給電磁弁８９を開放してノズル８３ｂから水を噴霧させ、それによって、下流側凝縮器１１３における水の回収性を向上させるように構成されている。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、水タンク８２に貯留される貯留水の水位を検出する水位センサＳＥ８と、給水路８１ｅ上に設けられている水供給電磁弁８９とに接続されている。
【００６８】
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、水位センサＳＥ８による検出値（即ち、水タンク８２に貯留される貯留水の水位）が所定レベル以下となった場合に、水の回収性が低いと判断し、下流側凝縮器１１３による水の回収性を上げるべく水供給電磁弁８９を開放する。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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（噴霧）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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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、下流側凝縮器１１３からの水の回収性を制御する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水供給電磁弁開閉処理を示すフローチャートである。
【０１０５】
この水供給電磁弁開閉処理は、水位センサＳＥ８による検出値に応じて水供給電磁弁８９を開閉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、この水供給電磁弁開閉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。
【０１０６】
図７に示すように、この供給空気温度調整処理では、まず、水位センサＳＥ８による検出値、即ち、水タンク８２に貯留される貯留水の水位を示す検出値を、液体水の回収性を示す指標として取得する（Ｓ１）。Ｓ１の処理後、取得された指標、即ち、水位センサＳＥ８による検出値が示す水位が、低い側の閾値である第１閾値未満であるか否かを確認する（Ｓ２）。
【０１０７】
Ｓ２の処理により確認した結果、水位が第１閾値未満である場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、水の回収性が低いと判断して、水供給電磁弁８９を開放し（Ｓ３）、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。
【０１０８】
Ｓ３の処理により水供給電磁弁８９が開放されると、ノズル８３ｂから水が空気供給路６３へ向けて霧状に噴射（噴霧）されて、水の蒸発潜熱によって供給空気が冷却される。その結果、そのように冷却された供給空気が下流側凝縮器１１３へ流入されるので、供給空気（即ち、水が噴霧された供給空気）が冷却媒体として作用して、下流側凝縮器１１３における液体水の回収性が向上する。
【０１０９】
一方、Ｓ２の処理により確認した結果、水位が第１閾値以上である場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、Ｓ１の処理によって取得された検出値が示す温度が、高い側の閾値である第２閾値以上であるか否かを確認する（Ｓ４）。
【０１１０】
Ｓ４の処理により確認した結果、水位が第２閾値以上である場合には（Ｓ４：Ｙｅｓ）、水は十分に回収されていると判断して、水供給電磁弁８９を閉鎖し（Ｓ５）、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。Ｓ５の処理により、水供給電磁弁８９が開放されると、ノズル８３ｂからの水の噴霧が停止する。
【０１１１】
一方、Ｓ４の処理により確認した結果、水位が第２閾値未満である場合には（Ｓ４：Ｎｏ）、何も行うことなく、即ち、水供給電磁弁８９の開閉状態を維持したまま、この水供給電磁弁開閉処理を終了する。
【０１１２】
この水供給電磁弁開閉処理によれば、水供給電磁弁８９の開閉を、水位センサＳＥ８による検出値に応じて制御するように構成されている。よって、下流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対し、水を必要に応じて噴霧することができる。
【０１１３】
また、この水供給電磁弁開閉処理によれば、水位センサＳＥ８による検出値に応じて、水供給電磁弁８９の開閉、即ち、ノズル８３ｂからの水の噴霧を制御するので、水の回収性を向上させるための制御を容易に行うことができる。
【０１１４】
なお、上述した水供給電磁弁開閉処理におけるＳ１の処理が、本発明における水回収性把握手段に該当する一方で、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の処理が、本発明における噴射制御手段に該当する。
【０１１５】
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、下流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対し、水を霧状に噴射（噴霧）できるように構成されているので、供給空気を水の蒸発潜熱により外気温以下に冷却させてから下流側凝縮器１１３へ流入させることができ、このように冷却された供給空気を冷却媒体として作用させることができる。よって、下流側凝縮器１１３における水の凝縮能力を高めることができ、かかる下流側凝縮器１１３における液体水の回収性を向上させることができる。
【０１１６】
従って、凝縮器（熱交換器）による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、下流側凝縮器１１３による水の回収性を向上させることにより、燃料電池スタック４０から排出される排気から水分を十分に回収し、水タンク８２へ戻すことができる。
【０１１７】
よって、水タンク８２の水量が過剰に減少し、給水路８１ｃを介してノズル８３ａから燃料電池スタック４０へ供給される液体水の量が、燃料電池スタック４０の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができる。その結果、冷却及び加湿不足による燃料電池スタック４０の発電効率の低下が防止される。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
また、上記実施形態では、液体水の回収性を示す指標として水位センサＳＥ８の検出値を使用する構成としたが、系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により液体水の推定回収量を算出し、算出された推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用する構成としてもよい。
【０１２１】
例えば、空気排出路１１１における下流側凝縮器１１３とフィルタ１１４との間に設けられている凝縮器排気温センサ（図示せず）により検出される排気の温度と、系外からの空気の取り入れ量（即ち、空気の供給量）とから水の推定回収量を算出し、その値を液体水の回収性を示す指標として使用することができる。
【０１２２】
この場合には、算出された推定回収量が所定量より低い場合に、水供給電磁弁８９を開放するように制御を行うようにすればよい。なお、所定量としては、ノズル８３ａから噴霧する水量（即ち、燃料電池スタック４０への水の供給量）であったり、その水量に所定のオフセットを加えた値などを採用することができる。
【０１２３】
このように、系内における水分量の収支に基づいて算出される推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用することにより、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御（見込み制御）によって行うことができる。
【０１２４】
また、水位センサＳＥ８の検出値に換えて、水タンク８２の重量など、水タンク８２内の水量を表す値をを液体水の回収性を示す指標とする構成であってもよい。
【０１２５】
また、上記実施形態では、下流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対して噴霧する水（即ち、ノズル８３ｂから噴霧される水）と、燃料電池スタック４０に対して冷却及び加湿のために噴霧する水（即ち、ノズル８３ａから噴霧される水）とが、どちらも同一の水タンク８２から給水されるように構成したが、ノズル８３ｂから噴霧される水と、ノズル８３ａから噴霧される水とが、各々、専用の水タンクから給水される構成としてもよい。なお、上記実施形態のように、水タンク８２を給水源として共用する構成とすることによって、システムの大型化を抑制しつつ、液体水の回収性を向上させることができる。
【０１２６】
また、上記実施形態では、水位センサＳＥ８による検出値が示す水位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水供給電磁弁８９の開閉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水供給電磁弁８９の開閉を制御する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】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。
【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】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。
【図７】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】
【０１２８】
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（第１の水供給手段、水回収手段、第２の水供給手段）
８１ａ 導水路（水回収手段）
８１ｂ 導水路（水回収手段）
８１ｃ 給水路（第１の水供給手段）
８１ｅ 給水路（第２の水供給手段）
８２ 水タンク（貯水手段）
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）
ＳＥ８ 水位センサ（貯水量検出手段）
【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、
空気取入口を介して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、
液体水を貯留する貯水手段と、
その貯水手段に貯留されている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第１の水供給手段と、
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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、
前記上流側熱交換器及び下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、
前記給気経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する第２の水供給手段と、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】
前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、
その水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記第２の水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御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。
【請求項３】
前記貯水手段に貯留される液体水の貯水量を検出する貯水量検出手段を備え、
前記水回収性把握手段は、前記貯水量検出手段により検出される貯水量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
系内における水分量の収支に基づいて、前記水回収手段による液体水の推定回収量を算出する回収量推定手段と、
前記水回収性把握手段は、前記回収量推定手段により算出される液体水の推定回収量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【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、
空気取入口を介して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、
液体水を貯留する貯水手段と、
その貯水手段に貯留されている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第１の水供給手段と、
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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離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、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、
前記上流側熱交換器及び下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、
前記給気経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する第２の水供給手段と、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】
前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、
その水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記第２の水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御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。
【請求項３】
前記貯水手段に貯留される液体水の貯水量を検出する貯水量検出手段を備え、
前記水回収性把握手段は、前記貯水量検出手段により検出される貯水量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
系内における水分量の収支に基づいて、前記水回収手段による液体水の推定回収量を算出する回収量推定手段と、
前記水回収性把握手段は、前記回収量推定手段により算出される液体水の推定回収量を、前記液体水の回収性を示す指標として取得することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２３８３９１（Ｐ２００９−２３８３９１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７９２６０（Ｐ２００８−７９２６０）
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２５日（２００８．３．２５）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]