JP2008021572A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の温度管理を容易にする。
【解決手段】燃料電池システムは、冷却媒体流路を有する燃料電池と、流体循環手段と、熱容量調整手段とを備える。流体循環手段は、冷却媒体流路に第１の流体を循環させる。熱容量調整手段は、冷却媒体流路に、第１の流体と単位体積当たりの熱容量が異なる物質を、第１の流体と共に併存させることにより、冷却媒体流路内の媒体全体の熱容量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関し、特に、燃料電池の温度管理に関する。

燃料電池は、発電効率の観点から所定の温度範囲において、運転されることが望ましい。例えば、ある固体高分子型の燃料電池は、４０℃〜８０℃程度の温度範囲で運転されることが望ましい。このような燃料電池を含む燃料電池システムには、燃料電池における電気化学反応により生成される反応熱による燃料電池の温度変化を管理するために冷却システムが備えられている。冷却システムには、燃料電池内部に備えられた冷却媒体流路に、冷却水を循環させるものが知られている。

このような冷却システムにおいて、低温始動時に燃料電池を速やかに昇温させるために、燃料電池内部の冷却媒体流路から冷却水を回収し、燃料電池の熱容量を低下させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−２５７４６０号公報 特開２００５−１０８７５８号公報

しかしながら、上記技術では、燃料電池の温度管理が困難になる場合があった。具体的には、上記技術では、燃料電池がある程度昇温した後に、低温の冷却水を冷却媒体流路に再供給する。かかる冷却水の再供給には、ある程度の時間を要するので、急激に燃料電池が昇温した場合、冷却水の再供給が間に合わず、燃料電池の温度が過度に上昇するおそれがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の温度管理を容易にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池システムを提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、冷却媒体流路を有する燃料電池と、流体循環手段と、熱容量調整手段と、を備える。前記流体循環手段は、前記冷却媒体流路に第１の流体を循環させる。前記熱容量調整手段は、前記冷却媒体流路に、前記第１の流体と単位体積当たりの熱容量が異なる物質を、前記第１の流体と共に併存させることにより、前記冷却媒体流路内の媒体全体の熱容量を調整する。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムによれば、第１の流体と単位体積当たりの熱容量が異なる物質を、第１の流体と共に併存させることにより、冷却媒体流路内の媒体全体の熱容量を調整する。この結果、より柔軟で容易な燃料電池の温度管理を実現することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記熱容量調整手段は、前記冷却媒体流路を循環する前記第１の流体に、前記熱容量が異なる物質を混合することにより、前記冷却媒体流路を循環する流体の熱容量を調整する手段であっても良い。こうすれば、第１の流体に、単位体積当たりの熱容量が異なる物質を混合することにより、容易に冷却媒体の熱容量を調整することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記熱容量が異なる物質は、前記第１の流体より前記熱容量が小さくてもよい。こうすれば、熱容量が異なる物質の第１の流体に対する混合比率を上げれば、冷却媒体流路を循環する流体の熱容量が小さくなり、燃料電池の速やかな昇温が可能になると共に、第２の流体の第１の流体に対する混合比率を下げれば、冷却媒体流路を循環する流体の熱容量が大きくなり、燃料電池の冷却性能が向上する。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記熱容量調整手段は、前記燃料電池の低温始動時に動作しても良い。例えば、前記熱容量調整手段は、前記燃料電池の低温始動時に、前記熱容量が異なる物質の前記第１の流体に対する混合比率を所定値とし、前記燃料電池の始動後に前記燃料電池が昇温するに連れて、前記混合比率を連続的または段階的に低下させても良い。こうすれば、燃料電池の低温始動時に、燃料電池を速やかに昇温できると共に、過剰な昇温を抑制することができる。さらに、冷却媒体流路内の急激な温度変化を抑制し、ヒートショックによる燃料電池内部の損傷を防止または低減することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記流体循環手段は、前記冷却媒体流路の一端から前記第１の流体を供給する供給路と、前記冷却媒体流路の他端から前記第１の流体を排出する排出路とを含み、前記熱容量調整手段は、前記供給路内に前記熱容量が異なる物質を導入する導入手段と、前記排出路内から前記熱容量が異なる物質を除去する除去手段とを含んでも良い。こうすれば、導入手段と、除去手段により、熱容量が異なる物質の第１の流体に対する混合比率を容易に制御することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記熱容量調整手段は、前記冷却媒体流路における、前記熱容量が異なる物質の前記第１の流体に対する混合比率を連続的または段階的に変化させても良い。こうすれば、冷却媒体流路を循環する冷却媒体の熱容量を連続的または段階的に変化させて、スムーズな燃料電池の温度管理をおこなうことができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池または前記冷却媒体流路の冷却媒体の温度を検出するためのセンサを備え、前記熱容量調整手段は、前記検出された温度に基づいて、前記冷却媒体流路を循環する流体の熱容量を調整しても良い。こうすれば、センサにより検出された温度に基づいて、柔軟で容易な燃料電池の温度管理を実現することができる。

本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記第１の流体は、液体であり、
前記熱容量が異なる物質は、気体であっても良い。

かかる場合において、熱容量調整手段は、前記燃料電池に供給するための酸化ガスを前記熱容量が異なる物質として用いても良い。こうすれば、簡易な構成で、上述した熱容量の調節を実現することができる。

また、熱容量調整手段は、前記第１の流体としての液体と反応して、前記熱容量が異なる物質としての気体を発生させる気体発生物質を、前記第１の流体としての液体に混合させる気体発生物質混合手段を含んでも良い。こうすれば、気体発生物質を用いて、容易に第１の流体に熱容量が異なる物質としての気体を混合することができる。かかる場合において、気体発生物質は、イソシアネートであっても良い。こうすれば、イソシアネートと液体により発生する二酸化炭素を熱容量が異なる物質として混合することができる。さらに、二酸化炭素を発生する反応は、発熱反応であるので、反応熱により冷却媒体流路を流れる流体を暖めることができる。

本発明は、上記第１の態様以外の種々の態様で実現可能であり、例えば、冷却媒体流路を有する燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法などの方法発明として実現することが可能である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。

Ａ．第１実施例：
・燃料電池システムの構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。図２は、燃料電池の内部構成を説明する図である。図３は、エア除去部の概略構成を示す図である。

図１に示すように、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、水素タンク２０と、エアコンプレッサ３０とを備えている。燃料電池１００は、酸化ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素との供給を受け、これらのガスを利用した電気化学反応によって電力を生成する。燃料電池１００は、電解質層として、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、図２にその一部が示されているように、セパレータ１２０と、シール一体型ＭＥＡ１１０とを交互とが交互に積層されたスタック構造を有している。セパレータ１２０は、中間プレート１２４と、中間プレート１２４の一方の面に配置されたアノードプレート１２２と、中間プレート１２４の他方の面に配置されたカソードプレート１２３とから構成されている。セパレータ１２０の内部には、アノードプレート１２２の面１２２ａと、カソードプレート１２３の面１２３ａとの間に冷却媒体が流動するための内部流路が形成されている。シール一体型ＭＥＡ１１０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡの外周に接合されたシール材４とから構成されている。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜１と固体高分子電解質膜１の一方の面に配置されたアノード２と固体高分子電解質膜１の他方の面に配置されたカソード３とから構成される。アノード２およびカソード３は、多孔体により形成され、それぞれ燃料ガス流路２５および酸化ガス流路３５の一部を構成する。

セパレータ１２０およびシール一体型ＭＥＡ１１０には、積層時に、燃料ガス、酸化ガス、および、冷却媒体を供給・排出するための各種マニホールドを形成する開口部が設けられている。図２には、このように形成された冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドが示されている。図２に示すように、上述したセパレータ１２０の内部流路は、一端が冷却媒体供給マニホールドに連通すると共に、他端が冷却媒体排出マニホールドに連通しており、セパレータ１２０の内部流路および冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドにより、冷却媒体流路５５が形成される。同様にして、燃料ガス供給／排出マニホールドおよびアノード２などにより燃料ガス流路２５が形成され、酸化ガス供給／排出マニホールドおよびカソード３などにより酸化ガス流路３５が形成されるが、詳しい説明は省略する。

図１に戻って説明を続ける。水素タンク２０は、燃料ガスとしての水素を貯蔵するタンクであり、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベや、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクである。エアコンプレッサ３０は、酸化ガスとしての空気を大気中から取り込む。

水素タンク２０は、燃料ガス供給路２４を介して燃料電池１００の燃料ガス流路２５の一端と接続されている。燃料ガス供給路２４上には、圧力調整バルブ２２０が配置されている。燃料ガス流路２５の他端は、燃料ガス排出路２６と接続されている。燃料ガス排出路上には、排出バルブ２４０が配置されている。燃料ガス排出路２６の排出バルブ２４０より上流側には、循環流路２８の一端が接続されている。循環流路２８の他端は、燃料ガス供給路２４の圧力調整バルブ２２０より下流側に接続されている。循環流路２８上には、燃料ガスポンプ２５０が配置されている。

水素タンク２０に貯蔵された水素ガスは、燃料ガス供給路２４に放出された後、圧力調整バルブ２２０によって所定の圧力に調整（減圧）されて、燃料ガスとして燃料電池１００の燃料ガス流路２５に供給される。燃料電池１００の燃料ガス流路２５の他端から排出される燃料ガスは、燃料ガスポンプ２５０によって燃料ガス排出路２６および循環流路２８を流動させられ、再び燃料ガス供給路２４に流入する。このように燃料電池から排出された燃料ガス中の残余の水素は、燃料ガス供給路２４の一部と燃料ガス流路２５と燃料ガス排出路２６の一部と循環流路２８とから成る経路を循環して、再度燃料電池１００に供給される。また、排出バルブ２４０を開状態とすることで、水分および不純物を含む燃料ガスの一部が、燃料ガス排出路２６から外部に排出される。

エアコンプレッサ３０は、酸化ガス供給路３４を介して燃料電池１００の酸化ガス流路３５の一端に接続されている。酸化ガス供給路３４上には、エア制御バルブ５１０が配置されている。酸化ガス供給路３４には、エア制御バルブ５１０を介して、分岐流路５１が接続されている。酸化ガス流路３５の他端には、酸化ガス排出路３６が接続されている。

エアコンプレッサ３０は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路３４に供給する。エア制御バルブ５１０は、エアコンプレッサ３０により酸化ガス供給路３４に供給された空気を、エア制御バルブ５１０より下流側の酸化ガス供給路３４と、分岐流路５１とに振り分ける。エア制御バルブ５１０は、エアコンプレッサ３０から供給された空気の全部を、エア制御バルブ５１０より下流側の酸化ガス供給路３４に流すこともでき、分岐流路５１に流すこともできる。さらに、エア制御バルブ５１０は、エアコンプレッサ３０から供給された空気の一部をエア制御バルブ５１０より下流側の酸化ガス供給路３４に流し、他の一部を分岐流路５１に流すこともできる。エア制御バルブ５１０より下流側の酸化ガス供給路３４に振り分けられた空気は、酸化ガスとして燃料電池１００の酸化ガス流路３５の一端に供給される。酸化ガス流路３５の他端から排出された酸化ガスは、酸化ガス排出路３６を介して、大気中に放出される。分岐流路５１に振り分けられた空気の流れについては、後述する。

燃料電池システム１０００は、さらに、冷却媒体供給部５００を備えている。冷却媒体供給部５００は、冷却媒体を燃料電池１００の上述した冷却媒体流路５５に循環させるシステムであり、図示しない循環ポンプやラジエータを備えている。冷却媒体は、本実施例では、エチレングリコールなどの冷却液が混合された冷却液と、後述するように冷却液に混合される空気とから構成される。冷却媒体供給部５００は、冷却媒体流路５５の一端と、冷却媒体供給路５４を介して接続され、冷却媒体流路５５の他端と、冷却媒体排出路５６を介して接続されている。冷却媒体供給路５４には、上述した分岐流路５１の他端が接続されている。冷却媒体排出路５６上には、冷却媒体の温度を測定する温度センサ５２０と、エア除去部５３０とが配置されている。

冷却媒体供給部５００は、冷却液を加圧して冷却媒体供給路５４に供給する。冷却媒体供給路５４に供給された冷却液は、冷却媒体流路５５に供給される。ここで、上述したように、エア制御バルブ５１０を介して、分岐流路５１に空気が供給されている場合には、冷却媒体流路５５内に分岐流路５１から空気が導入され、冷却媒体流路５５に供給される前の冷却液に空気が混合される。冷却媒体流路５５の他端から排出された冷却液は、冷却媒体排出路５６を通って、冷却媒体供給部５００に戻る。ここで、冷却液に空気が混合されている場合には、冷却媒体排出路５６上に配置されたエア除去部５３０により、冷却媒体排出路５６から空気が除去される。この結果、エア除去部５３０より下流側の冷却媒体排出路５６を流れる冷却液には、空気は混合されていない。

図３に示すように、エア除去部５３０は、冷却媒体排出路５６の途中に設けられたバッファ容器５３１と、キャップ５３２から構成される。キャップ５３２には、孔Ｈが設けられている。バッファ容器５３１より上流の冷却媒体排出路５６から空気ＡＲを含む冷却液がバッファ容器５３１に流入してくると、冷却液中に混合された空気ＡＲが冷却液からバッファ容器５３１の上方に分離される。分離された空気ＡＲは、キャップ５３２の孔Ｈから順次に外部に放出される。この結果、バッファ容器５３１より下流の冷却媒体排出路５６には、空気ＡＲが除去された冷却液が流出していく。

燃料電池システム１０００は、さらに、制御部４００を備えている。この制御部は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力ポート等を備える周知の計算機を用いて構成され、燃料電池システム１０００全体を制御する。制御部４００は、各種センサ（例えば、温度センサ５２０）から情報を収集する機能や、燃料電池システム１０００の各部の動作を制御する機能を始め、燃料電池システム１０００全体を制御するための様々な機能を備えるが、図１においては、本実施例の説明に必要な機能部を選択的に図示し、本明細書では、その機能部について選択的に説明する。制御部４００は、エア制御部４１０を備えている。エア制御部４１０は、上述したエアコンプレッサ３０およびエア制御バルブ５１０を適切に動作させることにより、冷却媒体流路５５を流れる冷却液に対する空気の混合比率（エア混合比率）を制御する。

・燃料電池システムの動作：
図４および図５を参照して、燃料電池システム１０００の低温始動時における動作（低温始動動作）について説明する。図４は、低温始動動作の動作ステップを示すフローチャートである。図５は、低温始動時におけるエア混合比率と燃料電池温度を示すグラフである。

低温始動動作は、燃料電池１００の温度が低温動作温度であるときに、制御部４００が燃料電池１００の始動要求を受け付けた場合に実行される。低温動作温度は、例えば、０℃より低い温度とされる。燃料電池１００の温度としては、例えば、温度センサ５２０により測定された冷却液の温度を用いることができる。あるいは、他の温度センサ、例えば、外気温センサや、燃料電池１００に直接取り付けられた温度センサにより測定された温度を用いても良い。始動要求は、例えば、燃料電池１００が自動車の動力として用いられている場合には、ドライバーが始動ボタンを押下したときに、制御部４００に伝達される。

低温始動動作が開始されると、制御部４００は、冷却媒体供給部５００を制御して、冷却液の循環を開始する（ステップＳ１０）。冷却液の循環を開始すると、直ちに、制御部４００のエア制御部４１０は、冷却液に対する空気の混合を開始する（ステップＳ２０）。具体的には、エア制御部４１０は、エアコンプレッサ３０の動作を開始すると共に、エア制御バルブ５１０を制御して、分岐流路５１に空気を流入させる。この結果、冷却媒体供給路５４を流れる冷却液に空気が混合される。なお、この時点では、エアコンプレッサ３０により取り込まれた空気は、全て分岐流路５１に流入させられ、燃料電池１００に酸化ガスとして供給されていない。水の温度を１℃上昇させるために必要な単位体積当たりの熱エネルギーは、空気の温度を１℃上昇させるために必要な単位体積当たりの熱エネルギーの１０００倍以上である。このような単位体積当たりの熱容量の違いにより、冷却媒体において、冷却液に空気を混合することにより、冷却媒体全体の単位体積当たりの熱容量を調整することができる。すなわち、エア混合比率を低くすれば、冷却媒体の単位体積当たりの熱容量は大きくなり、エア混合比率を高くすれば、冷却媒体の単位体積当たりの熱容量は小さくなる。なお、以下では、単に「熱容量」と記述するとき、「単位体積当たりの熱容量」を表すものとする。

ついで、燃料電池１００の冷却媒体流路５５におけるエア混合比率が所定値になったところで、制御部４００は、燃料電池１００の発電を開始する（ステップＳ３０）。すなわち、制御部４００は、圧力調整バルブ２２０を制御して、燃料電池１００に燃料ガスとしての水素の供給を開始すると共に、エアコンプレッサ３０およびエア制御バルブ５１０を制御して、燃料電池１００に酸化ガスとしての空気の供給を開始する。エア混合比率の所定値は、例えば、２０〜５０％程度とされ、本実施例では、図５に示すように４０％とする。燃料電池１００の発電が開始されると、電気化学反応の反応熱が生成されるため、燃料電池１００の温度は、徐々に上昇していく。図５の下側のグラフにおける曲線ＥＭは、本実施例における燃料電池１００の温度変化を示している。制御部４００は、冷却媒体（冷却液＋空気）の温度を温度センサ５２０を用いて検出することにより、燃料電池１００の温度を認識することができる。

エア制御部４１０は、冷却媒体の温度に応じて、エア混合率を制御する（ステップＳ４０）。本実施例では、図５に示すように、燃料電池の温度（≒冷却媒体の温度）が０℃を超えた時点から、エア混合率を段階的に減少させている。ついで、エア制御部４１０は、冷却媒体の温度が所定の閾値以上まで上昇したか否かを判断する（ステップＳ５０）。所定の閾値は、例えば、５０℃〜６０℃程度に設定される。エア制御部４１０は、冷却媒体の温度が所定の閾値以上まで上昇していないと判断すると（ステップＳ５０：ＮＯ）、ステップＳ４０に戻って、冷却媒体温度に応じたエア混合比率の制御を続ける。一方、エア制御部４１０は、冷却媒体の温度が所定の閾値以上まで上昇したと判断すると（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、冷却液に対する空気の混合を停止する（ステップＳ６０）。具体的には、エア制御部４１０は、エア制御バルブ５１０を制御して、エアコンプレッサ３０により取り込まれた空気を、全てエア制御バルブ５１０より下流の酸化ガス供給路３４に供給し、分岐流路５１へは供給しないようにする。こうして低温始動動作は終了され、この後、燃料電池１００は、通常の制御によりその動作を制御される。

以上、説明した第１実施例における燃料電池システム１０００によれば、図５の下側のグラフにおいて曲線ＥＭで示すように、低温始動時において、燃料電池１００の温度を、効率良く発電可能な温度（本実施例では、７０℃）まで、速やかに上昇させることができる。第１比較例として、冷却液に空気を混合せずに、冷却液のみを冷却媒体流路５５に循環させながら、燃料電池１００を始動した場合の燃料電池１００の温度変化を、図５の下側のグラフにおいて曲線ＣＭ１で示す。第１比較例では、冷却媒体（冷却液）の熱容量が大きく、燃料電池１００の反応熱の大部分が冷却媒体に吸収されてしまうため、燃料電池１００が効率良く発電可能な温度まで上昇するのに、第１実施例と比較して長い時間を要する。

さらに、第２比較例として、冷却液を冷却媒体流路５５から冷却媒体供給部５００に回収し、空気を冷却媒体流路５５に充填して、燃料電池１００を始動した場合の燃料電池１００の温度変化を、図５の下側のグラフにおいて曲線ＣＭ２で示す。第２比較例では、冷却媒体（空気）の熱容量が小さく、燃料電池１００の温度が急激に上昇し、発電可能な温度範囲を超えてしまう。この結果、燃料電池１００がドライアップして、燃料電池１００の起電力が低下し、燃料電池１００の始動は失敗してしまう。第２比較例において、燃料電池１００が発電を開始した直後に、冷却媒体供給部５００から冷却媒体流路５５へ冷却液の循環を開始したとしても、冷却液が循環するまでにはある程度の時間を要するので、冷却液の循環が間に合わず、燃料電池１００の温度の急上昇は避けられない。第１実施例に係る燃料電池システム１０００では、冷却液に対するエア混合率を調整することにより冷却媒体の熱容量を調整してこのような過剰な燃料電池１００の温度上昇を抑制し、効率良い発電が可能な温度に燃料電池１００を容易にコントロールすることができる。

また、第２比較例では、燃料電池１００の温度がある程度上昇したところに、低温の冷却液を循環させることになるので、冷却媒体流路５５付近に急激な温度変化が生じる。この温度変化により、冷却媒体流路５５近傍のシール材などが損傷を受ける場合がある（いわゆるヒートショック）。第１実施例に係る燃料電池システム１０００では、最初から冷却液を循環させながらエア混合比率を制御することにより、燃料電池１００の温度上昇と共に冷却液の温度も徐々に上昇するので、急激な温度変化を抑制し、ヒートショックを防止または低減することができる。

さらに、第１実施例に係る燃料電池システム１０００では、冷却液におけるエア混合率を段階的に変化させるので、急激な温度変化を抑制し、上述したヒートショックを抑制すると共に、冷却媒体供給部５００のポンプ制御による冷却液の流速制御だけでは実現できない細やかでスムーズな、燃料電池１００の温度管理が実現できる。

さらに、第１実施例に係る燃料電池システム１０００では、温度センサ５２０に基づいて、エア混合比率を制御するので、燃料電池１００の温度管理を容易に実現できる。

さらに、第１実施例に係る燃料電池システム１０００では、冷却媒体排出路５６にエア除去部５３０を設けて、冷却媒体流路５５において冷却液に混合されている空気を除去している。これにより、エア混合比率の増減をエア制御バルブ５１０の制御により容易に実現できると共に、冷却媒体供給部５００の液体用ポンプがエア噛みにより動作不良に陥ることを防止することができる。

さらに、第１実施例に係る燃料電池システム１０００では、エアコンプレッサ３０により取り込まれた酸化ガスとしての空気を、冷却液に混合するための空気として用いるので、冷却媒体の熱容量を調整するための部品点数の増加を抑制し、簡易な構成で冷却媒体の熱容量の調整を実現することができる。

Ｂ．第２実施例：
図６〜図７を参照して、第２実施例について説明する。図６は、第２実施例に係る燃料電池システムの概略構成を表す説明図である。図７は、発泡剤導入部の概略構成を示す図である。

第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例に係る燃料電池システム１０００と異なり、エア制御バルブ５１０および分岐流路５１を備えていない。第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例に係る燃料電池システム１０００と異なり、発泡剤導入部５５０を備えている。発泡剤導入部５５０は、発泡剤導入路５８を介して、冷却媒体供給路５４に接続されている。

発泡剤導入部５５０は、図７に示すように、混合部５５５と、バルブ５５２とを備えている。混合部５５５には、発泡剤が充填された発泡剤カートリッジＣＬが装着される。発泡剤には、水と反応すると気体を発生する気体発生物質が用いられる。具体的には、本実施例では、水と反応すると二酸化炭素を発生するイソシアネートの粉末が発泡剤として用いられる。

発泡剤カートリッジＣＬが冷却媒体流路５５に装着されると、混合部５５５の内部には、発泡剤カートリッジＣＬから発泡剤が導入される。発泡剤カートリッジＣＬが混合部５５５に装着された状態で、バルブ５５２が開状態にされると、混合部５５５に冷却液が流入し、混合部５５５内の発泡剤を冷却媒体供給路５４に流出させる。冷却媒体供給路５４に流出したイソシアネートは、冷却液と反応して二酸化炭素を生成する。この結果、冷却媒体供給路５４において、冷却液に二酸化炭素が混合される。バルブ５５２の開度を調整することにより、発泡剤の流出量を制御することができる。発泡剤の流出量を制御することにより、冷却液に対する二酸化炭素の混合量（混合比率）を調整することができる。

図６に戻って説明を続ける。第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａの制御部４００は、第１実施例に係る燃料電池システム１０００Ａの制御部４００におけるエア制御部４１０に代えて、発泡剤導入制御部４２０を備えている。発泡剤導入制御部４２０は、上述した発泡剤導入部５５０のバルブ５５２を制御することにより、冷却媒体流路５５における冷却液に対する二酸化炭素の混合比率を制御する。

以上の説明から解るように、第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａでは、第１実施例における空気に代えて、二酸化炭素を冷却液に混合することにより、冷却媒体流路５５における冷却媒体の熱容量を調整している。第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａのその他の構成は、図１を参照して説明した第１実施例に係る燃料電池システム１０００の構成と同一であるので、同一の構成要素については図６において図１と同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａにおいても、冷却液に混合される流体が空気ではなく二酸化炭素であることを除いて、第１実施例に係る燃料電池システム１０００と同様に、図４および図５を参照して説明した低温始動動作が実行される。

第２実施例に係る燃料電池システム１０００Ａによれば、第１実施例に係る燃料電池システム１０００と同様の作用・効果を実現することができる。さらに、イソシアネートと冷却液から二酸化炭素が発生する反応は発熱反応であるので、かかる反応熱により低温起動時の昇温をより速やかに実現することができる。

Ｃ．変形例：
・第１変形例：
上記実施例では、低温始動時において、冷却液に冷却液より熱容量の小さい気体（第１実施例では空気、第２実施例では二酸化炭素）を混合しているが、他の状況においてこれらの気体を混合しても良い。例えば、冷却媒体供給部５００のポンプには、仕様により最低駆動圧力が存在し、最低駆動圧力以下での運転はできない。例えば、燃料電池１００を低出力で運転しているときには、燃料電池１００の電気化学反応による反応熱が少ない。このため、冷却媒体供給部５００のポンプを最低駆動圧力にして冷却液の循環速度を最低に制御しても、燃料電池１００の運転温度が徐々に低下してしまい、燃料電池１００を最適な温度に維持できない場合が起こり得る。かかる場合に、冷却液に気体を混合して冷却媒体流路５５における冷却媒体の熱容量を下げれば、冷却媒体による冷却能力を低く抑えることができ、燃料電池１００を最適な温度に維持することができる。

・第２変形例：
上記実施例では、熱容量が比較的大きい冷却液に、冷却液より熱容量の小さい気体を混合しているが、これに代えて、熱容量が比較的小さい流体に熱容量が比較的大きい流体を混合する構成としても良い。そして、燃料電池１００を高出力で運転しているとき、すなわち、燃料電池１００の電気化学反応による反応熱が大きいときに、熱容量が比較的小さい流体に熱容量が比較的大きい流体を混合して、冷却能力を高くすることができる。一方、燃料電池１００を低出力で運転しているときには、熱容量が比較的大きい流体の混合を停止し、冷却能力を抑制し燃料電池１００が過剰冷却されることを防止または抑制することができる。このように、２種類の流体の混合比率を調整し、冷却媒体の熱容量をコントロールすることにより、燃料電池１００に対する冷却能力を柔軟に調整し、柔軟でスムーズな温度管理を実現することができる。

・第３変形例：
上記第１実施例では、燃料電池１００の酸化ガスとしての空気を燃料電池１００に供給するためのエアコンプレッサ３０を用いて、冷却液に混合するための空気を分岐流路５１に送り込んでいるが、これに代えて独立した専用エアコンプレッサを用いて、冷却液に空気を混合しても良い。こうすれば、１つのエアコンプレッサ３０を用いて、燃料電池１００用の酸化ガスと冷却液に混合する空気の両方を供給するより、制御が容易になる。しかし、第１実施例のように、１つのエアコンプレッサ３０を用いて、燃料電池１００用の酸化ガスと冷却液に混合する空気の両方を供給すれば、部品点数を削減でき、燃料電池システム１０００を小型化できる利点がある。

・第４変形例：
上記実施例では、冷却液に気体を混合しているが、これに代えて、冷却液より熱容量の小さい液体、ゲル状体など、他の流体を混合しても良いし、冷却液より熱容量の小さい固体を混合しても良い。ただし、気体を混合する場合には、上記実施例に示すエア除去部５３０のように簡易な構成で、冷却液から混合された気体を除去できる利点がある。

・第５変形例：
上記実施例では、図５に示すように、燃料電池１００の発電開始後に、エア混合率を、冷却媒体の温度に基づいて段階的に減少させているが、これに限られない。例えば、エア混合率を冷却媒体の温度に基づいて、連続的に減少させても良い。また、燃料電池１００自体に温度センサを設け、冷却媒体の温度に代えて、燃料電池１００の温度に基づいて、エア混合率を制御しても良い。

・第６変形例：
上記実施例では、冷却液に、気体を混合することにより、冷却媒体の熱容量を調整している。これに代えて、複数の独立した冷却媒体流路を燃料電池１００に備え、複数の冷却媒体流路のうちの一部の冷却媒体を冷却液から気体に置換することにより、燃料電池１００の冷却媒体流路を流れる冷却媒体全体の熱容量を調整することとしても良い。一般的に言えば、燃料電池の冷却媒体流路全体において、冷却液と気体とを併存させれば、冷却媒体全体の熱容量を調整することができる。

以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

第１実施例に係る燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。 燃料電池の内部構成を説明する図である。 エア除去部の概略構成を示す図である。 低温始動動作の動作ステップを示すフローチャートである。 低温始動時におけるエア混合比率と燃料電池温度を示すグラフである。 第２実施例に係る燃料電池システムの概略構成を表す説明図である。 発泡剤導入部の概略構成を示す図である。

符号の説明

１…固体高分子電解質膜
２…アノード
３…カソード
４…シール材
２０…水素タンク
２４…燃料ガス供給路
２５…燃料ガス流路
２６…燃料ガス排出路
２８…循環流路
３０…エアコンプレッサ
３４…酸化ガス供給路
３５…酸化ガス流路
３６…酸化ガス排出路
５１…分岐流路
５４…冷却媒体供給路
５５…冷却媒体流路
５６…冷却媒体排出路
５８…発泡剤導入路
１００…燃料電池
１２０…セパレータ
１２２…アノードプレート
１２３…カソードプレート
１２４…中間プレート
２２０…圧力調整バルブ
２４０…排出バルブ
２５０…燃料ガスポンプ
４００…制御部
４１０…エア制御部
４２０…発泡剤導入制御部
５００…冷却媒体供給部
５１０…エア制御バルブ
５２０…温度センサ
５３０…エア除去部
５３１…バッファ容器
５３２…キャップ
５５０…発泡剤導入部
５５２…バルブ
５５５…混合部
１０００、１０００Ａ…燃料電池システム
１１０…シール一体型ＭＥＡ
ＣＬ…発泡剤カートリッジ

Claims (13)

1. 燃料電池システムであって、
   冷却媒体流路を有する燃料電池と、
   前記冷却媒体流路に第１の流体を循環させる流体循環手段と、
   前記冷却媒体流路に、前記第１の流体と単位体積当たりの熱容量が異なる物質を、前記第１の流体と共に併存させることにより、前記冷却媒体流路内の媒体全体の熱容量を調整する熱容量調整手段と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱容量調整手段は、前記冷却媒体流路を循環する前記第１の流体に、前記熱容量が異なる物質を混合することにより、前記冷却媒体流路を循環する流体の熱容量を調整する手段である燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱容量が異なる物質は、前記第１の流体より前記熱容量が小さい、燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱容量調整手段は、前記燃料電池の低温始動時に動作する、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱容量調整手段は、前記燃料電池の低温始動時に、前記熱容量が異なる物質の前記第１の流体に対する混合比率を所定値とし、前記燃料電池の始動後に前記燃料電池が昇温するに連れて、前記混合比率を連続的または段階的に低下させる、燃料電池システム。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体循環手段は、前記冷却媒体流路の一端から前記第１の流体を供給する供給路と、前記冷却媒体流路の他端から前記第１の流体を排出する排出路とを含み、
   前記熱容量調整手段は、前記供給路内に前記熱容量が異なる物質を導入する導入手段と、前記排出路内から前記熱容量が異なる物質を除去する除去手段とを含む、燃料電池システム。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記熱容量調整手段は、前記冷却媒体流路における、前記熱容量が異なる物質の前記第１の流体に対する混合比率を連続的または段階的に変化させる、燃料電池システム。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムは、さらに、
   前記燃料電池または前記冷却媒体流路の冷却媒体の温度を検出するためのセンサを備え、
   前記熱容量調整手段は、前記検出された温度に基づいて、前記冷却媒体流路を循環する流体の熱容量を調整する、燃料電池システム。
9. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の流体は、液体であり、
   前記熱容量が異なる物質は、気体である、燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記熱容量調整手段は、前記燃料電池に供給するための酸化ガスを前記熱容量が異なる物質として用いる、燃料電池システム。
11. 請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記熱容量調整手段は、前記第１の流体としての液体と反応して、前記熱容量が異なる物質としての気体を発生させる気体発生物質を、前記第１の流体としての液体に混合させる気体発生物質混合手段を含む、燃料電池システム。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記気体発生物質は、イソシアネートである、燃料電池システム。
13. 冷却媒体流路を有する燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法であって、
    前記冷却媒体流路に第１の流体を循環させ、
    前記冷却媒体流路に、前記第１の流体と単位体積当たりの熱容量が異なる物質を、前記第１の流体と共に併存させることにより、前記冷却媒体流路内の媒体全体の熱容量を調整する、燃料電池システムの制御方法。

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