JP2007317559A - 燃料電池の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電電流が変化したとしても燃料電池における作動温度を一定に保つことが可能な燃料電池の温度制御装置を提供する。
【解決手段】温度制御装置１として、燃料電池スタック１１における発電電流値を検出する電流検出器と、燃料電池スタック１１へ供給される冷却水の供給温度を検出する温度検出センサ４と、燃料電池スタック１１から排出される冷却水の排出温度を検出する温度検出センサ５とを備えるとともに、検出された発電電流値、供給温度、及び排出温度にもとづいて、調整弁３における開度を調整することにより燃料電池スタック１１へ供給する冷却水の供給量を調整して、燃料電池スタック１１の温度を制御する制御装置６を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を構成するセルの温度を一定に保つための温度制御装置に関するものである。

たとえば個体高分子電解質膜型燃料電池といった燃料電池の各スタックは、ガス拡散層及び触媒層で構成される燃料電極と酸化剤電極とにより電解質膜を挟持するとともに、燃料電極及び酸化剤電極の外側に、内面に凹溝状のガス流路が設けられたセパレータを設置してなる単セルを、複数積層して構成される。このような燃料電池スタックを用いて発電を行うと、各単セルにおける発電過程にて熱が生じる。したがって、燃料電池スタックには、たとえば特許文献１や特許文献２に記載されているように、セパレータの外面に流路を設け、該流路に冷却水を流すことにより各単セルの冷却を図る冷却機構が設けられている。

特開２００２−５６８６０号公報 特開２００４−１５２５３７号公報

ここで、特許文献１や特許文献２に記載されている冷却機構について、図３をもとに説明する。図３（ａ）は、特許文献１に記載のセパレータ３１の一部を示した説明図であり、図３（ｂ）は、特許文献２に記載のセパレータ４１を示した説明図である。
特許文献１に記載の発明は、セパレータ全体の形状やマニホールドの位置等により冷却水流路の配置や形状に制限がなされ、複数の冷却水流路の形状を同一とすることができない場合に、セパレータ面内で温度分布が生じてしまう問題を解決しようとするものである。そこで、冷却水流路３３に絞り部や屈曲部等の流れ抵抗増大手段３４を設け、冷却水流路３２と冷却水流路３３とで圧力損失が均一となるようにすることにより、各冷却水流路３２、３３での流れを均一化して、セパレータ３１面内における温度分布をも均一化しようしている。
一方、特許文献２に記載の発明は、セパレータ４１面内において中央部分がより高温となりやすいという問題を解決しようとするものである。そこで、セパレータ４１の中央部分を通る冷却水流路４２の幅Ｗ１を、セパレータ４１の左右両側部分を通る冷却水流路４３、４３の幅Ｗ２よりも幅広に形成することにより、セパレータ４１の中央部分により多くの冷却水を導いて、セパレータ４１の中央部分の温度上昇を抑えようとしている。

燃料電池では、一般的に、発電電流が常に一定値となるような発電動作を行うのではなく、電力負荷側からの需要に応じて単位時間当たりの発電電流は変化する。したがって、燃料電池スタックにおける単セルの発熱量は、上記発電電流の変化に応じて変化することになる。しかしながら、上述したような冷却機構では、冷却水流路に常に一定量の冷却水を供給するようにしているため、発電電流の変化に応じた単セルの温度変化には対応することができず、発電電流の変化に応じて単セルの作動温度にばらつきが生じることになる。そのため、所定の発電電流を超えた場合に、単セルのセパレータ面内における温度分布はないものの、燃料電池スタックの作動温度が高くなりすぎてしまい、発電効率が悪化してしまうといった問題や、所定の発電電流よりも小さい場合に、燃料電池スタックの作動温度が低くなりすぎてしまい、発電効率が低下する等の諸問題が生じる。

そこで、本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであって、発電電流が変化したとしても燃料電池における作動温度を一定に保つことが可能な燃料電池の温度制御装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、冷却媒体を流すための冷却媒体流路を備えてなる燃料電池の温度を制御するための温度制御装置であって、前記燃料電池における発電電流値を検出する電流検出手段と、前記燃料電池へ供給される冷却媒体の供給温度を検出する第一温度検出手段と、前記燃料電池から排出される冷却媒体の排出温度を検出する第二温度検出手段とを備えるとともに、検出された発電電流値、供給温度、及び排出温度にもとづいて、前記燃料電池へ供給する冷却媒体の供給量を調整することにより、前記燃料電池の温度を制御する供給量制御手段を備えていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、供給量制御手段は、燃料電池の冷却媒体流路へ冷却媒体を供給するための供給路の開度を調整可能な調整弁を備えており、該調整弁の開度を調整することにより、前記燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能としたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１の発明において、供給量制御手段は、燃料電池の冷却媒体流路と連通した供給路へ冷却媒体を吐出する吐出装置の吐出量を制御することにより、前記燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能としたことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１の発明において、燃料電池に、複数の独立した冷却媒体流路を設け、使用する冷却媒体流路を切り換えることにより、前記燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池における発電電流値を検出する電流検出手段と、燃料電池へ供給される冷却媒体の供給温度を検出する第一温度検出手段と、燃料電池から排出される冷却媒体の排出温度を検出する第二温度検出手段とを備えるとともに、検出された発電電流値、供給温度、及び排出温度にもとづいて、燃料電池へ供給する冷却媒体の供給量を調整する供給量制御手段を備えており、発電電流値が大きい（発熱量が大きい）場合には、より多くの冷却媒体を供給する一方、発電電流値が小さい場合には、供給する冷却媒体の量を少なくするといった制御を行う。したがって、発電電流の変化に伴う発熱量の変化に拘わらず、燃料電池スの作動温度を一定に保つことができ、効率の良い安定した発電を行うことができる。
また、請求項２及び３に記載の発明によれば、調整弁の開度や吐出装置の吐出量を制御することにより、燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能として、燃料電池の作動温度の調整を図るものであるため、燃料電池に設ける冷却媒体流路に、上記調整を目的とした構成を備える必要がなく、冷却媒体流路の流路パターンを比較的単純なものにすることができる。したがって、燃料電池を安価に提供することができる。またさらに、上述したように燃料電池の冷却媒体流路の流路パターン等を変更するわけではないため、既設の燃料電池に対して後付することができる。したがって、使い勝手が良く、汎用性に富む。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、特に発電電流が小さいような場合に、吐出装置の動作に係る消費電力量を抑えることができる、すなわち燃料電池における内部消費電力を抑えることができるため、総合発電効率を一層向上させることができる、という効果を奏する。
加えて、請求項４に記載の発明によれば、燃料電池への冷却媒体の供給量の調整は、使用する冷却媒体流路の切り換え動作のみでよいため、極めて安価に供給量調整に係る構成を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態となる燃料電池の温度制御装置について図面をもとに説明する。

図１は、温度制御装置１の機構を模式的に示したブロック構成図であり、図２は、燃料電池スタック１１の一部断面を示した断面説明図である。
温度制御装置１は、燃料電池スタック１１に供給する冷却水（冷却媒体）の供給量を調整するための調整弁（供給量制御手段）３、燃料電池スタック１１へ供給する冷却水の供給温度を検出するための温度検出センサ（第一温度検出手段）４、燃料電池スタック１１から排出される冷却水の排出温度を検出するための温度検出センサ（第二温度検出手段）５、及び温度検出センサ４、５が電気的に接続されているとともに調整弁３の開度を制御する制御装置（供給量制御手段）６とを備えてなる。また、制御装置６は、後述の如き燃料電池スタック１１における発電電流の値を検出可能な電流検出器（電流検出手段）を備えている。

ここで、燃料電池スタック１１の構成について説明する。
燃料電池スタック１１は、電解質膜１３と、ガス拡散層及び触媒層から構成され、電解質膜１３を挟持する燃料電極１４及び酸化剤電極１５と、燃料電極１４及び酸化剤電極１５の外面に設置されるセパレータ１６、１６とで構成される単セル１２を、複数積層してなる。

各セパレータ１６は、導電性を有する材料により形成されたものであって、その内面には、凹溝状のガス流路１７が蛇行状に設けられており、該ガス流路１７内へ燃料ガスや酸化剤ガスが供給されると、燃料電極１４や酸化剤電極１５との接触により電気化学反応が起こり、発電となる。一方、各セパレータ１６の外面には、凹溝状の冷却水流路（冷却媒体流路）１８、１９が蛇行状に設けられている。冷却水流路１８と冷却水流路１９とは鏡面対称形状となっており、単セル１２、１２・・を積層する際、隣接するセパレータ１６、１６同士の冷却水流路１８と冷却水流路１９とが向かい合い、セパレータ１６、１６間に一つの冷却水流路が形成されるようになっている。尚、２０は、ガス流路１７内へ供給される各種ガスや冷却水流路１８、１９内へ供給される冷却水の漏洩を防止するために取り付けられた漏洩防止シール材である。

以上のように構成される燃料電池スタック１１を複数備えたものが燃料電池となり、該燃料電池にて発電された発電電流は、各住戸の電力負荷等に分配される。そして、燃料電池は、各住戸の電力負荷側からの需要に応じた発電を行っており、需要の変化に応じて各燃料電池スタック１１における発電電流は変化する。すると、該発電電流の変化に応じて、燃料電池スタック１１における発熱量もまた変化するため、一定量の冷却水を供給（供給する冷却水の温度は一定とする）をしていたのでは、上記発熱量の変化にもとづく単セル１２、１２・・の作動温度を一定に保つことができない。

そこで、温度制御装置１は、以下のようにして燃料電池スタック１１における単セル１２、１２・・の作動温度を一定に保つ。
まず、予め燃料電池スタック１１における発電電流値（Ｉ）と発熱量（Ｑ_I）との関係式（１）を制御装置６に設定しておく。
Ｑ_I＝αＩ ・・・ （１）
尚、αは所定の係数である。

一方、燃料電池スタック１１から排出される熱量である排出熱量（Ｑ_out）は、発熱量（Ｑ_I）から燃料電池スタック１１に残る残熱量（Ｑ_J）を減算したものとなる。ここで、燃料電池スタック１１における単セル１２、１２・・の作動温度を一定に保つためには、残熱量（Ｑ_J）を０とすることが望ましいことは明らかである。したがって、単セル１２、１２・・の作動温度を一定に保つためには、排出熱量（Ｑ_out）＝発熱量（Ｑ_I）となるように、冷却水を用いた排熱を行えばよい。そこで、排出熱量（Ｑ_out）と、冷却水の燃料電池スタック１１への供給量（Ｖ_cyc）、冷却水の供給温度（Ｔ_W1）、及び冷却水の排出温度（Ｔ_W2）との関係式（２）を予め制御装置６に設定しておく。
Ｑ_out＝βＶ_cyc（Ｔ_W2−Ｔ_W1） ・・・（２）
尚、βは所定の係数である。

そして、制御装置６は、検出した発電電流値（Ｉ）から発熱量（Ｑ_I）を算出するとともに、温度検出センサ４、５により検出される冷却水の供給温度（Ｔ_W1）及び排出温度（Ｔ_W2）をもとにして、排出熱量（Ｑ_out）＝発熱量（Ｑ_I）となるように調整弁３により冷却水の供給量（Ｖ_cyc）を調整することにより、燃料電池スタック１１における単セル１２、１２・・の作動温度を一定に保つ。

上述したような温度制御装置１によれば、制御装置６において燃料電池スタック１１における発電電流値（Ｉ）を検出可能としているとともに、温度検出センサ４、５により冷却水の供給温度（Ｔ_W1）及び排出温度（Ｔ_W2）を検出可能としており、発電電流値（Ｉ）に応じて、冷却水の燃料電池スタック１１への供給量（Ｖ_cyc）を調整する。したがって、発電電流の変化に伴う発熱量の変化に拘わらず、燃料電池スタック１１における単セル１２、１２・・の作動温度を一定に保つことができ、効率の良い安定した発電を行うことができる。

また、燃料電池スタック１１への冷却水の供給量を調整弁３にて調整することにより単セル１２、１２・・の作動温度の調整を図るものであるため、各単セル１２のセパレータ１６、１６に設ける冷却水流路１８、１９に、上記調整を目的とした構成を備える必要がなく、比較的単純な流路パターンとすることができる。したがって、各単セル１２、ひいては燃料電池スタック１１を安価に提供することができる。
さらに、温度制御装置１によれば、各単セル１２、１２・・の冷却水流路１８、１９の流路パターン等を変更するわけではないため、燃料電池スタック１１における発電電流値（Ｉ）を検出可能とするとともに、冷却水の供給路に調整弁３を設けることで、既設の燃料電池スタック１１に対して後付することができる。したがって、使い勝手が良く、汎用性に富む。

なお、本発明の燃料電池の温度制御装置に係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、燃料電池、供給量制御手段、及び冷却媒体等に係る構成ついて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、冷却媒体の供給量を調整するための構成として、冷却媒体の供給路に、その開度を調整するための調整弁を設ける構成を採用しているが、冷却媒体を供給路へ吐出するポンプ等といった吐出装置の動作を制御する（たとえば、ポンプからの冷却媒体の吐出量を調整可能とする）ことにより、燃料電池への冷却媒体の供給量を調整するような構成とすることも可能である。該構成を採用することにより、特に発電電流が小さいような場合に、吐出装置の動作に係る消費電力量を抑えることができる、すなわち燃料電池における内部消費電力を抑えることができるため、総合発電効率を一層向上させることができる、という効果を奏する。

また、上記の如く冷却媒体の供給路への供給量を調整するのではなく、燃料電池内、すなわち単セルのセパレータ外面等に複数の独立した冷却媒体流路を設け、発電電流値に応じてどれだけの冷却媒体流路へ冷却媒体を供給するのかを切り換えたり、燃料電池に最大供給量（すなわち、流路パターン）の異なる複数の冷却媒体流路を設け、発電電流値に応じて使用する冷却媒体流路を切り換えるような構成とすることも可能である。尚、冷却媒体流路やガス流路等の流路パターンとして、上記実施形態では蛇行状パターンを採用しているが、たとえば平行状や並行状といったパターンを採用することは当然可能である。

さらに、冷却媒体流路を、セパレータの外面以外に、単セルの外側に設置されるエンドプレート等に設けることも可能であるし、冷却媒体として、冷却水ではなく冷却ガス等を利用しても何ら問題はない。
加えて、複数の燃料電池スタックへの冷却媒体の供給量を同時に調整可能とするような構成（すなわち、各燃料電池スタックからのびる供給路を一つにまとめた部分に調整弁を設ける構成等）としてもよいし、各燃料電池スタックそれぞれを燃料電池として考えることは当然可能である。

温度制御装置の機構を模式的に示したブロック構成図である。 燃料電池スタックの一部断面を示した断面説明図である。 （ａ）は、従来のセパレータの一例を示した説明図であり、（ｂ）は、従来のセパレータの別例を示した説明図である。

符号の説明

１・・温度制御装置、３・・調整弁、４・・温度検出センサ、５・・温度検出センサ、６・・制御装置、１１・・燃料電池スタック、１２・・単セル、１６・・セパレータ、１８、１９・・冷却水流路。

Claims (4)

1. 冷却媒体を流すための冷却媒体流路を備えてなる燃料電池の温度を制御するための温度制御装置であって、
   前記燃料電池における発電電流値を検出する電流検出手段と、前記燃料電池へ供給される冷却媒体の供給温度を検出する第一温度検出手段と、前記燃料電池から排出される冷却媒体の排出温度を検出する第二温度検出手段とを備えるとともに、
   検出された発電電流値、供給温度、及び排出温度にもとづいて、前記燃料電池へ供給する冷却媒体の供給量を調整することにより、前記燃料電池の温度を制御する供給量制御手段を備えていることを特徴とする燃料電池の温度制御装置。
2. 供給量制御手段は、燃料電池の冷却媒体流路へ冷却媒体を供給するための供給路の開度を調整可能な調整弁を備えており、該調整弁の開度を調整することにより、前記燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の温度制御装置。
3. 供給量制御手段は、燃料電池の冷却媒体流路と連通した供給路へ冷却媒体を吐出する吐出装置の吐出量を制御することにより、前記燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の温度制御装置。
4. 燃料電池に、複数の独立した冷却媒体流路を設け、使用する冷却媒体流路を切り換えることにより、前記燃料電池への冷却媒体の供給量を調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の温度制御装置。

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