JP2006260966A - 燃料電池システムおよび燃料電池の温度調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池内を流通する冷却水の温度差に基づく燃料電池の温度制御の精度を向上させる。
【解決手段】 燃料電池システム１０は、燃料電池２０内部のセル間冷却液流路およびこれに冷却液を給排する冷却液流路２４と、冷却液を流通させる冷却液ポンプ２８と、燃料電池２０への入り口部近傍で冷却液温度を検出する第１温度センサ３２と、燃料電池からの出口部近傍で冷却液温度を検出する第２温度センサと、を備える。また、燃料電池２０による発電が停止され、冷却液の温度が所定の均一化状態にあるときに、第１温度センサと第２温度センサとが検出する温度が等しくなるように、第１温度センサまたは第２温度センサの検出値を補正するセンサ補正部を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池を備える燃料電池システム、および燃料電池の温度調節方法に関する。

燃料電池が発電する際には一般に熱が生じるため、燃料電池システムでは、通常は、冷却水を燃料電池内部に流通させることによって生じた熱を取り除いており、これにより、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲に保っている。このような燃料電池システムとして、燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させて、燃料電池で昇温した冷却水をラジエータで冷却する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような公知の構成では、冷却水の流路において、冷却水が燃料電池に流入する入り口部と、冷却水が燃料電池から流出する出口部とで冷却水温度を測定し、上記入り口部と出口部との間の冷却水温度差を利用して、燃料電池の内部温度制御を行なっている。

特開平１０−３４０７３４号公報

しかしながら、冷却水温を測定する温度センサにおいて、例えば経時的に出力値にずれが生じた場合には、冷却水の温度差が正確に測ることができなくなり、温度差を利用した制御の精度が低下するおそれがあった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池内を流通する冷却水の温度差に基づく燃料電池の温度制御の精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部に形成され、前記燃料電池の温度調節用の冷却液が流れる燃料電池内冷却液流路と、
前記燃料電池内冷却液流路に接続され、前記冷却液を前記燃料電池内冷却液流路に対して給排する外部冷却液流路と、
前記燃料電池内冷却液流路および前記外部冷却液流路内で前記冷却液を流通させる冷却液駆動部と、
前記外部冷却液流路を流れる前記冷却液が前記燃料電池内冷却液流路へと流入する入り口部近傍で、前記冷却液の温度を検出する第１温度センサと、
前記燃料電池内冷却液流路を流れる前記冷却液が前記外部冷却液流路へと流出する出口部近傍で、前記冷却液の温度を検出する第２温度センサと、
前記燃料電池による発電が停止され、前記燃料電池内冷却液流路および前記外部冷却液流路内の前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるときに、前記第１温度センサが検出する前記冷却液の温度と、前記第２温度センサが検出する前記冷却液の温度とが等しくなるように、前記第１温度センサの検出値または前記第２温度センサの検出値を補正するセンサ補正部と
を備えることを要旨とする。

以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、第１温度センサが検出する冷却液温度と第２温度センサが検出する冷却液温度との差に基づいて、冷却液の流通状体の制御を行なう際に、温度センサの検出値を補正するため、上記冷却液温度差に基づく燃料電池温度制御の精度を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、
前記センサ補正部は、前記燃料電池システムの起動時において、前記燃料電池による発電を開始する前に、前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるとして前記補正を行なうこととしても良い。

このような構成とすれば、燃料電池が有する熱の影響が抑えられた所定の均一化状態の下で、補正を行なうことができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記センサ補正部は、前記燃料電池による発電が停止されてから所定時間以上経過したときに、前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるとして前記補正を行なうこととしても良い。

このような構成とすれば、補正を行なう際に、燃料電池が有する熱の影響を、より抑えることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内冷却液流路および前記外部冷却液流路は、前記冷却液を内部で循環させる循環流路を形成し、
前記センサ補正部は、前記冷却液駆動部を駆動して、前記循環流路内で前記冷却液を循環させた後に、前記冷却液の温度が前記所定の均一化状態にあるとして前記補正を行なうこととしても良い。

冷却液駆動部を駆動して循環流路内で冷却液を循環させることで、循環流路内の冷却液の温度を、より均一化させることができる。このようにして循環流路内の冷却液の温度を所定の均一化状態とした後に補正を行なうことで、補正の精度を向上させることができる。

このような本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記外部冷却液流路内を流通する前記冷却液を冷却するためのラジエータと、
前記外部冷却液流路に連通して設けられ、前記ラジエータを迂回して前記冷却液を導くバイパス路と、
前記冷却液が流れる経路を、前記ラジエータを経由する経路と前記バイパス路を経由する経路との間で切り替える流路切り替え部と、
前記センサ補正部による前記補正を行なう際に、前記流路切り替え部を駆動して、前記冷却液の流れる経路を、前記バイパス路を経由する経路に切り替える切り替え制御部と
を備えることとしても良い。

このような構成とすれば、第１温度センサの検出値または第２温度センサの検出値を補正する際に、冷却液は、ラジエータを経由することなくバイパス路を経由して循環するため、ラジエータで冷却液が降温される影響が排除された所定の均一化状態の下で、補正を行なうことができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを駆動用電源として搭載する移動体や、燃料電池の温度調節方法などの形態で実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．システムの全体構成：
Ｂ．冷却液の温度に基づく制御：
Ｃ．変形例：

Ａ．システムの全体構成：
図１は本発明の実施例である燃料電池システム１０の概略構成を表わす説明図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２０と、ラジエータ２２と、燃料電池２０内とラジエータ２２内との間で冷却液を循環させる冷却液流路２４と、冷却液流路２４に設けられた冷却液ポンプ２８と、制御部３０とを備える。さらに、燃料電池システム１０は、冷却液流路２４と連通する流路であって、ラジエータ２２を経由することなく冷却液を導いて、燃料電池２０との間で冷却液を循環させるバイパス流路２６を備えている。なお、図１では、燃料電池システム１０のうち、ガスの給排に関わる構造は記載を省略して、冷却液の循環に関する部分のみを示している。

燃料電池２０は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セルを複数積層したスタック構造を有している。図２は、燃料電池２０が構成される様子を一つの単セル４０を中心にして表わした分解斜視図である。燃料電池２０を構成する単セル４０は、電解質膜４１を、ガス拡散層４２，４３で挟持し，このサンドイッチ構造をさらに両側からセパレータ６０．７０で挟持することによって構成されている（ただし、ガス拡散層４３は、電解質膜４１の裏面に配設されるため図示せず）。

電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層が設けられている。ガス拡散層４２，４３は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、金属メッシュによって形成することができる。セパレータ６０．７０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。

セパレータ６０．７０の表面には、単セル４０内のガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。図２のセパレータ６０．７０は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、セパレータと電解質膜４１との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。図２に示す単セル４０内では、表面に溝６２が形成されたセパレータ６０と電解質膜４１との間には、水素を含有する燃料ガスの流路である単セル内燃料ガス流路が形成される。また、表面に溝６３が形成されたセパレータ７０と電解質膜４１との間には、酸素を含有する酸化ガスの流路である単セル内酸化ガス流路が形成される。セパレータ７０においては、単セル内酸化ガス流路を形成するための溝６３が形成された表面の裏面には、単セル内燃料ガス流路を形成するための溝６２が形成されており、その両面で単セル４０を形成する。

また、燃料電池２０は、セパレータ６０，７０以外に、さらにセパレータ８０を備えている。セパレータ８０には、セパレータ６０と接する側の表面に、セル間冷却液流路を形成するための溝８７が形成されている。このように、燃料電池２０内においては、所定数のセルを積層する毎に、隣り合う単セル間に、冷却液が流通するセル間冷却液流路が形成されている。セル間冷却液流路は、隣り合う単セル間の全てにおいて設けることとしても良い。

セパレータ６０，７０，８０は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。セパレータ６０，７０，８０を、電解質層４１およびガス拡散層４２，４３と共に積層して燃料電池を組み立てると、各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、セパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。各セパレータに設けられた孔部のうち、孔部８３および孔部８４は、単セル内燃料ガス流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝６２と連通している。また、孔部８５および孔部８６は、単セル内酸化ガス流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝６３と連通している。さらに、孔部８１および孔部８２は、セル間冷却液流路を形成するためにセパレータ表面に設けられた溝８７と連通している。

上記セパレータを含む部材を所定の順序で積層して燃料電池２０を組み立てると、孔部８３は、各単セル内燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドを形成する。また、孔部８４は、各単セル内燃料ガス流路から排出されるアノード排ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する。同様に、孔部８５は酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部８６は酸化ガス排出マニホールドを形成する。さらに、孔部８１は、各セル間冷却液流路に冷却液を分配する冷却液供給マニホールドを形成し、孔部８２は、各セル間冷却液流路から排出される冷却液が集合する冷却液排出マニホールドを形成する。

燃料電池２０の端部においては、上記した各マニホールドの端部である開口部が形成されている。燃料ガス供給マニホールドの端部開口部には、水素を含有する燃料ガスを吐出する燃料ガス供給部が接続され、電気化学反応に供された後のアノード排ガスは、燃料ガス排出マニホールドの端部開口部から、燃料電池外部に排出される。同様に、酸化ガス供給マニホールドの端部開口部には、空気を吐出する酸化ガス供給部が接続され、電気化学反応に供された後のカソード排ガスは、酸化ガス排出マニホールドの端部開口部から、燃料電池外部に排出される。また、冷却液供給マニホールドの端部開口部には、図１に示したように冷却液流路２４の上流側が接続され、冷却液排出マニホールドの端部開口部には、冷却液流路２４の下流側が接続される。

図１の燃料電池システム１０では、冷却液流路２４において、上記冷却液供給マニホールドの端部開口部との接続部付近に、冷却液の温度を検出するための第１温度センサ３２が設けられている。また、冷却液流路２４において、冷却液排出マニホールドの端部開口部との接続部付近に、冷却液の温度を検出するための第２温度センサ３３が設けられている。第１温度センサ３２は、燃料電池２０に供給される冷却液の温度（第１冷却液温度ｔ1 ）を検出し、第２温度センサ３３は、燃料電池２０から排出される冷却液の温度（第２冷却液温度ｔ2 ）を検出する。

ラジエータ２２は、燃料電池２０に供給されて燃料電池２０内で熱交換することによって昇温した冷却液を降温させるための装置である。ラジエータ２２は、上記昇温した冷却液を導く流路を備えると共に、外気が通過可能な構造を有し、この通過する外気と上記流路内の冷却液との間で熱交換可能となっている。さらに、ラジエータ２２は、冷却ファン２３を併設している。冷却ファン２３を駆動すると、この冷却ファン２３によって生じる冷却風は、上記熱交換部を通過すると共に、上記流路内を流れる冷却液から熱を奪い、冷却液の積極的な冷却が行なわれる。

冷却液ポンプ２８は、冷却液流路２４内で冷却液が循環する駆動力を発生する装置であり、駆動電圧の大きさによってその駆動量（冷却液のポンピング量）を調節可能となっている。

さらに、燃料電池システム１０においては、冷却液流路２４から分岐して、ラジエータ２２を経由しないバイパス流路２６が設けられている。また、冷却液流路２４とバイパス流路２６との接続部には、流路切り替え弁２７が設けられている。この流路切り替え弁２７を切り替えることによって、燃料電池２０内を通過した冷却液が流れる流路を、ラジエータ２２を経由する流路と、ラジエータ２２を経由することなくバイパス流路２６を通過する流路との間で切り替えることができる。あるいは、流路切り替え弁２７によって、ラジエータ２２を経由する冷却液流量と、バイパス流路２６を経由する冷却液流量とを調節可能としても良い。

制御部３０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、ＣＰＵでの演算結果に応じて駆動信号の出力などを行なう入出力ポート等を備える。この制御部３０は、既述した温度センサ３２，３３と接続してこれらから既述した冷却液の温度に関する情報を入力し、既述した冷却ファン２３、流路切り替え弁２７および冷却液ポンプ２８と接続して、これらに駆動信号を出力する。

さらに、本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池２０によって充電可能であって、燃料電池２０と同様に負荷に対して電力を供給可能となる図示しない２次電池を備えている。この２次電池は、燃料電池システム１０の始動時において、燃料電池２０から充分な電力の供給が得られない間に、既述した冷却液ポンプ２８、流路切り替え弁２７、冷却ファン２３、あるいは、燃料ガス給排部や酸化ガス給排部を構成する各種ポンプなどを駆動するための電源として利用することができる。あるいは、燃料電池２０が定常状態で発電可能であるときには、燃料電池２０と共に電源として用いたり、燃料電池２０との間で切り替えて電源として用いることができる。このような燃料電池システム１０は、例えば、電気自動車に搭載して車両の駆動用電源として用いることができる。

Ｂ．冷却液の温度に基づく制御：
図３は、燃料電池システム１０の始動時（例えば、燃料電池システム１０を搭載する車両におけるスタートスイッチが使用者によりオンにされたとき）に制御部３０で実行される温度センサ補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンを実行する際には、制御部３０は、第１温度センサ３２と第２温度センサ３３の検出値を補正するセンサ補正部として機能する。

本ルーチンが起動されると、制御部３０は、まず、流路切り替え弁２７を駆動して、燃料電池２０内を通過した冷却液の流路をバイパス流路２６側に切り替える（ステップＳ１００）。また、制御部３０は、冷却液ポンプ２８に対して駆動信号を出力し、冷却液ポンプ２８を予め設定した回転数で駆動させる（ステップＳ１１０）。その後、制御部３０は、冷却液ポンプ２８の駆動を開始してからの経過時間が、基準値を超えたか否かを判断する（ステップＳ１２０）。

ここで、ステップＳ１１０で冷却液ポンプ２８を駆動する際の回転数や、ステップＳ１２０で判断する冷却液ポンプ２８の駆動時間は、冷却液流路２４およびバイパス流路２６内を循環する冷却液温度が充分に均一化できる条件として予め設定され、制御部３０内に記憶されたものである。この条件は、冷却液が循環する流路の容積に応じて、始動後数秒以内に、冷却液が２〜１０回程度、好ましくは４〜６回程度冷却液流路内を循環する条件とすればよい。なお、ステップＳ１１０においては、冷却液ポンプ２８を、最大出力よりも低い出力となるように駆動しても良い。例えば、１００（ｌ／ｍｉｎ）の流量で冷却液を循環させる能力を有する冷却液ポンプを備える場合に、ステップＳ１１０では、２０〜３０（ｌ／ｍｉｎ）程度の流量で冷却液を循環させても良い。

ステップＳ１２０において経過時間が基準値を超えたと判断すると、制御部３０は、冷却液の温度が所定の均一化状態になったものとして、第１温度センサ３２から第１冷却液温度ｔ1を取得すると共に、第２温度センサ３３から第２冷却液温度ｔ2を取得する（ステップＳ１３０）。その後、制御部３０は、第２冷却液温度ｔ2と第１冷却液温度ｔ1との差である補正値αを算出して（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。

上記のように本実施例では、燃料電池システム１０の始動時に冷却液を循環させて冷却液温度を全体で均一化し、その後、第２冷却液温度ｔ2と第１冷却液温度ｔ1との差を算出することで、補正値αを得ている。第１温度センサ３２および第２温度センサ３３において誤差（検出温度におけるずれ）が全く生じていなければ、冷却液温度が等しいときには上記温度ｔ2およびｔ1は等しい値となるはずであるが、センサに誤差が生じていれば両者は異なる値を示す。本実施例では、ステップＳ１４０で算出した第１冷却液温度ｔ1と第２冷却液温度ｔ2との差である補正値αを、第１温度センサ３２の検出値と第２温度センサ３３の検出値との間に生じた相対的なずれとして取り扱っている。そして、以後の制御において、ステップＳ１４０において算出した補正値αを用いて温度センサの検出値の補正を行なった上で、冷却液温度の制御を行なっている。

燃料電池システム１０では、上記温度センサ補正処理ルーチンを行ないつつ、燃料電池２０による発電を行なうための準備を進行している。例えば、燃料供給部を起動して、燃料電池２０のアノード側に対する燃料ガスの供給を開始すると共に、酸化ガス供給部を起動して、燃料電池２０のカソード側に対する空気の供給を開始する。燃料電池２０が発電を開始すると、発電に伴って燃料電池２０では熱が発生するため、制御部３０は、燃料電池２０の運転温度および燃料電池２０内部での温度分布状態を望ましい状態に保つための冷却液の温度制御を開始する。

図４は、制御部３０において、燃料電池２０が定常状態で発電を行なう間に繰り返し実行される温度分布均一化制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンを実行する際には、制御部３０は、第１温度センサ３２の検出温度と第２温度センサ３３の検出温度との差が所定の範囲となるように、冷却液ポンプ２８の駆動量の制御を行なう冷却液温度制御部として機能する。

本ルーチンが起動されると、制御部５０は、まず、第１温度センサ３２から第１冷却液温度ｔ1を取得すると共に、第２温度センサ３３から第２冷却液温度ｔ2を取得する（ステップＳ２００）。その後、制御部３０は、取得した第１冷却液温度ｔ1を、入り口部冷却液温度Ｔ1として設定する（ステップＳ２１０）。また、制御部３０は、第２冷却液温度ｔ2から、ステップＳ１４０で算出した補正値αを減じて、出口部冷却液温度Ｔ2として設定する（ステップＳ２２０）。これにより、第１温度センサ３２の検出値と第２温度センサ３３の検出値との間に生じている相対的なずれを補正した値として、出口部冷却液温度Ｔ2を設定することができる。

次に制御部３０は、出口部冷却液温度Ｔ2と入り口部冷却液温度Ｔ1との差であるΔＴの値を算出する（ステップＳ２３０）。その後、制御部３０は、算出したΔＴの値が、予め設定した基準値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。ステップＳ２４０で用いる基準値は、燃料電池２０の内部温度の分布状態が充分に均一であることを示す値として予め設定した値である。この値は、例えば４〜１０℃の範囲から、適宜設定することができる。

ステップＳ２４０において、ΔＴが基準値を超えていると判断したときには、制御部３０は、冷却液ポンプ２８の駆動電圧を上昇させて冷却液ポンプ２８の駆動量を増加させる制御を行なって（ステップＳ２５０）、本ルーチンを終了する。駆動量を増加させることで、冷却液の流速が速くなる。また、ステップＳ２４０において、ΔＴが基準値以下であると判断したときには、制御部３０は、冷却液ポンプ２８の駆動電圧を低下させて冷却液ポンプ２８の駆動量を減少させる制御を行なって（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。駆動量を減少させることで、冷却液の流速が遅くなり、ΔＴが小さくなりすぎることを抑制する。

ここで、燃料電池２０内を通過する冷却液は、発電に伴って発熱する燃料電池２０と熱交換しながら昇温するため、入り口部冷却液温度Ｔ1に比べて出口部冷却液温度Ｔ2の方が高くなる。このとき、出口部と入り口部との間の冷却液の温度差であるΔＴの値は、燃料電池２０内における温度勾配の大きさを反映することとなり、燃料電池２０の内部温度を均一化するために、ΔＴを小さくする制御を行なう。すなわち、冷却液の流速を速めて（流量を多くして）、燃料電池２０内を通過する冷却液温度を均一化することによってΔＴの値を小さくし、燃料電池２０の内部温度の均一化を図っている。

なお、燃料電池２０に関する温度制御の際には、上記のように出口部と入り口部との間の冷却液の温度差であるΔＴに基づく制御の他に、燃料電池２０の内部温度の高低に関わる制御、すなわち、内部温度を所定の温度範囲にするための制御が行なわれる。このような制御は、例えば、燃料電池２０の内部温度を良く反映する値となる出口部冷却液温度Ｔ2が所定範囲となるように行なえばよい。出口部冷却液温度Ｔ2が所定範囲を超える場合には、冷却ファン２３を駆動することで冷却液を積極的に冷却して、燃料電池２０の内部温度の上昇を抑えればよい。また出口部冷却液温度Ｔ2が所定範囲を下回る場合には、冷却ファン２３を停止することで冷却液の積極的な冷却を停止して、燃料電池２０の内部温度の低下を抑えればよい。なお、出口部冷却液温度Ｔ2が低い場合には、流路切り替え弁２７を調節して、冷却液の少なくとも一部を、ラジエータ２２で冷却されないようにバイパス流路２６に導いて、冷却液の過冷却を防止することとしても良い。

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０を通過する冷却液の入り口部温度と出口部温度との差に基づいて燃料電池２０の内部温度を制御する際に、用いる温度センサの検出値の補正を行なうため、温度分布状態の制御の精度を向上させることができる。これにより、燃料電池２０の内部温度を所定の温度範囲にする制御を、より正確に行なうことが可能となる。

ここで、補正値αを算出するために各温度センサを用いて冷却液温度を検出する動作は、燃料電池２０が発電を行なっていないシステム始動時に行なっているため、冷却液ポンプ２８を駆動することで、冷却液温度を容易に均一化することができる。さらに、このような冷却液温度検出の際には、切り替え弁２７を切り替えてラジエータ２２を経由しないように冷却液を循環させるため、外気による冷却の影響を抑え、冷却液温度をより均一な状態にすることができる。したがって、補正値αとして、より適切な値を算出することが可能となる。

上記のように温度センサの検出値の補正を行ないつつ、入り口部と出口部との間で冷却液の温度差が所定範囲となるように制御することで、燃料電池の信頼性と耐久性を向上させることができる。燃料電池の内部温度の分布状態が不均一であると、燃料電池スタック全体や各構成部材に歪みが生じる可能性がある。このような歪みは、燃料電池においてガスの漏れの原因となる可能性があり、燃料電池の強度低下の原因となる可能性もある。本実施例のように、入り口部と出口部との間の冷却液温度の差が所定範囲となるように精度良く制御することで、上記した問題の発生を抑制することができる。また、燃料電池の内部温度を、温度分布の均一性を保ちつつ、所定範囲とすることで、燃料電池を構成する全ての単セルの温度を、望ましい運転温度に近づけて維持することができるため、燃料電池全体の発電効率を向上させることが可能となる。

特に、燃料電池セルの面方向における冷却液の流れ方向が、燃料電池セルの面方向における酸化ガスの流れ方向と同じである場合には、ΔＴを精度良く制御できることによる効果が大きい。ここで、燃料電池内を通過する酸化ガスは、燃料電池の入り口部側よりも出口部側の方が、より多くの水分を含有している。これは、燃料電池ではカソードにおいて生成水が生じ、生じた生成水が下流に運ばれるためである。そのため、燃料電池の内部温度を、酸化ガスの上流側ではより低く、酸化ガスの下流側ではより高くすることによって、上流側における電解質膜の乾燥や下流側におけるフラッディングを防止して、酸化ガス中の水分バランスを良好に維持することが可能となる。ここで、既述したように、燃料電池内を通過する冷却液は出口部側の方が温度が高くなっているため、ΔＴが大きな値となるように制御すれば、上記のような水分制御が可能となる。しかしながら、ΔＴを大きくすることは、既述したように燃料電池の信頼性や耐久性の低下につながる可能性があるため、燃料電池の信頼性及び耐久性と、燃料電池内部の水分バランスとを両立可能となるΔＴの値は、極めて狭い範囲となる。本実施例のように、センサの検出値の補正を行なうことで、ΔＴの値をこのような狭い範囲にする制御を精度良く行なうことが可能となる。

また、上記実施例では、温度分布均一化処理において、ΔＴの値が一定の基準値以上か否かによって、冷却液ポンプ２８の駆動量を増減させているが、異なる構成としても良い。例えば、冷却液ポンプ２８の駆動量を増加させる場合と、減少させる場合とで、異なる基準値を用いても良い。例えば、ΔＴが第１の基準値である１０℃を超えるときには冷却液ポンプ２８の駆動量を増加させ、ΔＴが第２の基準値である５℃を下回るときには冷却液ポンプ２８の駆動量を減少させる制御を行なっても良い。

また、上記実施例では、算出した補正値αを用いて出口部冷却液温度Ｔ2を設定しているが、補正値αを用いて入り口部冷却液温度Ｔ1を設定しても良い。すなわち、第１冷却液温度ｔ1に補正値αを加えて、入り口部冷却液温度Ｔ1を設定しても良い。温度分布均一化処理は、入り口部と出口部との冷却液温度差に基づく制御であるため、入り口側と出口側のいずれの冷却液温度について補正を行なっても良く、結果的に相対的な差が補正されればよい。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
実施例では、温度センサの検出値の補正を、システムを起動する毎に行なっているが、異なる構成としても良い。温度センサの検出値のずれは、主として経時的に生じると考えられるため、例えば、前回に補正値αを算出する動作を行なってからの経過時間が所定時間を超えたときに、次回のシステム起動時に再び補正値αの算出を行なうこととしても良い。経過時間は、制御部３０が備えるタイマを用いて計測すればよい。

また、システム起動時に温度センサの検出値の補正を行なう場合であっても、前回に燃料電池システム１０を停止してからの経過時間が所定時間を超えた場合にだけ、次回のシステム起動時に、実施例と同様の補正の処理を行なうこととしても良い。前回システムを停止してからの経過時間が短いと、燃料電池２０が充分に降温していないために、冷却液ポンプ２８を駆動して冷却液温度を均一化しようとする際に、燃料電池２０が有する熱の影響を受ける可能性がある。上記経過時間が所定値を超える場合にだけ補正の処理を行なうことで、燃料電池２０が有する熱の影響を受けることなく補正の処理を行なうことができ、補正時における冷却液温度の均一性を、より充分に確保して、補正の精度を向上させることが可能となる。

Ｃ２．変形例２：
ただし、燃料電池２０の温度が充分に降温していない状態であっても、補正の動作を行なうことは可能である。例えば、燃料電池システム１０は停止していないが、燃料電池２０の発電は休止しており、２次電池によって負荷に電力供給を行なう運転状態となる場合が考えられる。このように、燃料電池２０がいつでも発電可能な状態で休止している状態のときに、実施例と同様に補正値αを算出する処理を行なっても良い。燃料電池２０の温度が高い場合には、補正に先立って冷却液を循環させる動作をより充分に行なって、冷却液温度の均一化を図っても良い。このような場合には、燃料電池２０の運転温度に近い温度で補正の処理を行なうことができるため、燃料電池２０が発電している時に冷却液温度差を制御するために用いる補正値の精度を、さらに高めることが可能となる。燃料電池２０が発電停止（休止）状態であって、燃料電池が発熱しない状態のときであれば、冷却液を循環させて冷却液温度を均一化することにより、同様の補正の動作が可能になる。

Ｃ３．変形例３：
あるいは、冷却液流路内の冷却液の温度が、全体として充分に均一であると考えられる場合には、冷却液ポンプ２８を駆動することなく、補正の処理を行なうこととしても良い。例えば、燃料電池システムの起動時には、冷却液温度が所定の均一化状態にあるとみなして、冷却液の循環を行なわずに補正を行なうこととしても良い。

また、前回にシステムを停止してからの時間を測定して、システム停止時間が基準時間以上（例えば４８時間以上）であれば、冷却液温度がシステム内で平衡状態となっている（冷却液の温度が所定の均一化状態にある）と判断してもよい。この場合には、システム停止時間が基準時間を超えたときに、あるいは、システム停止時間が基準時間を超えた後の次回システムを起動時に、冷却液ポンプ２８を駆動することなく補正の動作を行なうこととすれば良い。

Ｃ４．変形例４：
また、補正の処理のために冷却液を循環させたときに、冷却液の循環を開始する前後で、温度センサが検出する冷却液温度の変化の幅が基準値よりも大きい場合には、冷却液温度を充分に均一化できないと判断して、補正の処理を行なわないこととしても良い。例えば、発電停止中の燃料電池２０の温度が特に高い場合や、外気温が特に低いために冷却液流路からの放熱量が多い場合には、冷却液ポンプ２８の駆動を開始したときに、温度センサの検出値が基準値以上の幅で変動する場合が考えられる。このような場合には、冷却液温度を充分に均一化できないために補正の精度が不十分となる場合があるため、補正の動作を取りやめることにより、冷却液温制御の精度を保つこととしてもよい。なお、補正の動作を取りやめる場合には、前回補正を行なったときの値を用いて、温度分布均一化処理を実行すればよい。

燃料電池システム１０の概略構成を表わす説明図である。 燃料電池２０が構成される様子を表わす分解斜視図である。 温度センサ補正処理ルーチンを表わすフローチャートである。 温度分布均一化制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２２…ラジエータ
２３…冷却ファン
２４…冷却液流路
２６…バイパス流路
２７…流路切り替え弁
２８…冷却液ポンプ
３０…制御部
３２…第１温度センサ
３３…第２温度センサ
４０…単セル
４１…電解質膜
４２，４３…ガス拡散層
５０…制御部
６０，７０，８０…セパレータ
６２，６３，８７…溝
８１，８２，８３，８４，８５，８６…孔部

Claims (6)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の内部に形成され、前記燃料電池の温度調節用の冷却液が流れる燃料電池内冷却液流路と、
   前記燃料電池内冷却液流路に接続され、前記冷却液を前記燃料電池内冷却液流路に対して給排する外部冷却液流路と、
   前記燃料電池内冷却液流路および前記外部冷却液流路内で前記冷却液を流通させる冷却液駆動部と、
   前記外部冷却液流路を流れる前記冷却液が前記燃料電池内冷却液流路へと流入する入り口部近傍で、前記冷却液の温度を検出する第１温度センサと、
   前記燃料電池内冷却液流路を流れる前記冷却液が前記外部冷却液流路へと流出する出口部近傍で、前記冷却液の温度を検出する第２温度センサと、
   前記燃料電池による発電が停止され、前記燃料電池内冷却液流路および前記外部冷却液流路内の前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるときに、前記第１温度センサが検出する前記冷却液の温度と、前記第２温度センサが検出する前記冷却液の温度とが等しくなるように、前記第１温度センサの検出値または前記第２温度センサの検出値を補正するセンサ補正部と
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記センサ補正部は、前記燃料電池システムの起動時において、前記燃料電池による発電を開始する前に、前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるとして前記補正を行なう
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記センサ補正部は、前記燃料電池による発電が停止されてから所定時間以上経過したときに、前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるとして前記補正を行なう
   燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内冷却液流路および前記外部冷却液流路は、前記冷却液を内部で循環させる循環流路を形成し、
   前記センサ補正部は、前記冷却液駆動部を駆動して、前記循環流路内で前記冷却液を循環させた後に、前記冷却液の温度が前記所定の均一化状態にあるとして前記補正を行なう
   燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記外部冷却液流路内を流通する前記冷却液を冷却するためのラジエータと、
   前記外部冷却液流路に連通して設けられ、前記ラジエータを迂回して前記冷却液を導くバイパス路と、
   前記冷却液が流れる経路を、前記ラジエータを経由する経路と前記バイパス路を経由する経路との間で切り替える流路切り替え部と、
   前記センサ補正部による前記補正を行なう際に、前記流路切り替え部を駆動して、前記冷却液の流れる経路を、前記バイパス路を経由する経路に切り替える切り替え制御部と
   を備える燃料電池システム。
6. 燃料電池と、前記燃料電池の温度調節用の所定の冷却液が前記燃料電池へと流入する入り口部近傍で、前記冷却液の温度を検出する第１温度センサと、前記冷却液が前記燃料電池から流出する出口部近傍で、前記冷却液の温度を検出する第２温度センサと、を備える燃料電池システムにおける燃料電池の温度調節方法であって、
   前記燃料電池による発電が停止され、前記冷却液の温度が所定の均一化状態にあるときに、前記第１温度センサが検出する前記冷却液の温度と、前記第２温度センサが検出する前記冷却液の温度とが等しくなるように、前記第１温度センサの検出値または前記第２温度センサの検出値を補正する工程を備える
   燃料電池の温度調節方法。

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