JP2008226712A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト且つ軽量な構成で、低温始動を迅速に、しかも効率的に遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、冷却媒体を加熱するヒータ７０を有し、前記冷却媒体を前記燃料電池１２の冷却媒体流路に循環させる循環流路７２と、冷却媒体流量制御装置７４とを備える。冷却媒体流量制御装置７４を構成する制御部８８は、冷却媒体出口温度を温度センサ９０により検出し、低温始動時に、冷却媒体流路の下流側冷却媒体流路部に、前記冷却媒体流路の上流側冷却媒体流路部よりも多量の加熱された冷却媒体を供給し、反応ガスの下流側を集中的に昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差し且つ前記電極面に沿う方向に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。さらに、１又は２以上のセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

ところで、カソード側電極では、発電反応により生成水が生じており、この生成水は、酸化剤ガス流路に沿って下流側に移動するとともに、凝縮して水滴となり易い。このため、酸化剤ガス流路の下流（出口）には、凝縮水が滞留し易く、前記酸化剤ガス流路が閉塞されるとともに、電解質膜の劣化が促進されるおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図１３に示すように、燃料電池１と、前記燃料電池１に熱媒体を循環させる循環流路２と、前記循環流路２に介装されて循環される熱媒体を加熱する加熱器（ヒータ）３と、前記熱媒体を前記燃料電池１内に導入する流路の途中であって、酸化剤ガス流路の出口領域の終了部位付近から前記加熱器３へと熱媒体を戻すバイパス流路４と、このバイパス流路４に設けられた開閉弁５と、前記開閉弁５の制御を行う制御手段６とを備えている。

そして、制御手段６は、燃料電池システムの起動運転時に、燃料電池１に熱媒体を循環させ、且つ、このときに前記開閉弁５を開き、熱媒体を前記燃料電池１の一部領域のみに循環させている。次いで、酸化剤流路の出口領域が、発電可能な温度に上昇した後、開閉弁５を閉じて発電を開始させる、としている。

特開２００３−３０３６０７号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池１内の冷却媒体流路にショートカットを設けることにより、酸化剤流路の出口領域を集中的に加熱するものである。このため、システム側には、専用のバイパス流路４及び開閉弁５を設ける必要がある。一方、燃料電池１内には、専用バイパス冷媒流路及び専用連通口等を形成しなければならない。これにより、燃料電池１全体は、大サイズ且つ重量物となる問題がある。しかも、ヒートマスが増加するとともに、熱媒体から外部への放熱量が増加し易く、熱損失が惹起して熱効率が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ軽量な構成で、低温始動を迅速に、しかも効率的に遂行することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差し且つ前記電極面に沿う方向に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路は、前記単位セルの積層方向に延在する複数の冷却媒体供給連通孔及び複数の冷却媒体排出連通孔に連通する燃料電池と、前記冷却媒体を加熱する加熱手段を有し、前記冷却媒体を前記冷却媒体流路に循環させる循環流路と、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の下流側に対応する下流側冷却媒体流路部に、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の上流側に対応する上流側冷却媒体流路部よりも多量の加熱された前記冷却媒体を供給可能な冷却媒体流量制御装置とを備えている。

また、冷却媒体流量制御装置は、複数の冷却媒体供給連通孔又は複数の冷却媒体排出連通孔の少なくとも１つに対応して配設される冷却媒体流量調整機構を備えることが好ましい。

さらに、冷却媒体流量制御装置は、冷却媒体の出口温度、反応ガス流路の出口温度又は燃料電池の出力電圧に基づいて、上流側冷却媒体流路部及び下流側冷却媒体流路部への加熱された前記冷却媒体の流量割合を調整することが好ましい。

さらにまた、本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差し且つ前記電極面に沿う方向に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路は、前記単位セルの積層方向に延在する複数の冷却媒体供給連通孔及び複数の冷却媒体排出連通孔に連通する燃料電池と、前記冷却媒体を加熱する加熱手段を有し、前記冷却媒体を前記冷却媒体流路に循環させる循環流路とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。

この制御方法は、燃料電池の環境温度を検出する工程と、検出された前記環境温度が設定温度よりも低温であると判断された際、加熱手段を介して冷却媒体を加熱するとともに、加熱された前記冷却媒体を、冷却媒体流路の反応ガス流路の下流側に対応する下流側冷却媒体流路部に、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の上流側に対応する上流側冷却媒体流路部よりも多量に供給する工程とを有している。

また、下流側冷却媒体流路部に供給される加熱された冷却媒体により、反応ガス流路の下流側が昇温された後、上流側冷却媒体流路部への加熱された前記冷却媒体の供給量を増加させる工程を有することが好ましい。

さらに、下流側冷却媒体流路部に供給される加熱された冷却媒体により、反応ガス流路の下流側が昇温された後、前記冷却媒体の加熱を停止するとともに、冷却媒体流路への前記冷却媒体の供給量を減少させる工程を有することが好ましい。

本発明によれば、特に低温始動時に、加熱された冷却媒体が、冷却媒体流路の反応ガス流路の下流側に対応する下流側冷却媒体流路部に、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の上流側に対応する上流側冷却媒体流路部よりも多量に供給されている。従って、反応ガス流路の下流側は、短時間で、効率的に暖められるため、迅速に発電を開始することができる。しかも、バイパス流路等の専用通路や開口部等が不要になり、システム全体の小型化及び軽量化が容易に遂行可能になるとともに、外部への放熱損失が有効に低減される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１２の斜視説明図であり、図３は、前記燃料電池１２の要部分解概略斜視図である。

図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体１３と、前記電解質膜・電極構造体１３を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを有する単位セル１８備える。各単位セル１８は、矢印Ａ方向に積層されてスタックを構成する。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

図２に示すように、単位セル１８の積層方向両端には、ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ、絶縁プレート２２ａ、２２ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。燃料電池１２は、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

図３に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

単位セル１８の長辺方向の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが設けられる。

単位セル１８の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。

単位セル１８の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給するための、複数、例えば、上下２つの冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａが設けられるとともに、前記単位セル１８の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための、複数、例えば、上下２つの冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１３は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。

カソード側電極３６及びアノード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１３に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４０が形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝４０ａを有する。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１３に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝４２ａを有する。

第２セパレータ１６の面１６ｂと、第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、複数の円柱状突起等からなるエンボス４４ａを設けるとともに、酸化剤ガス流路４０及び燃料ガス流路４２の上流側に対応する上流側冷却媒体流路部４５ａと、前記酸化剤ガス流路４０及び前記燃料ガス流路４２の下流側に対応する下流側冷却媒体流路部４５ｂとを有する。

電解質膜・電極構造体１３と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６との間、並びに前記第１セパレータ１４と前記第２セパレータ１６との間には、図示しないが、シール部材が配設される。

図２に示すように、エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド４６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド４８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド４６ｂ、及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド４８ｂが、上下両端縁部に設けられる。

エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに一体に連通する冷却媒体入口マニホールド５０ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂに一体に連通する冷却媒体出口マニホールド５０ｂとが設けられる。

酸化剤ガス入口マニホールド４６ａ、燃料ガス入口マニホールド４８ａ、酸化剤ガス出口マニホールド４６ｂ、燃料ガス出口マニホールド４８ｂ、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂは、樹脂材で形成されており、それぞれ管路５２ａ、５４ａ、５２ｂ、５４ｂ、５６ａ及び５６ｂを一体に設けている。

エンドプレート２４ａには、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂの少なくとも１つ、例えば、前記冷却媒体供給連通孔３０ａ及び前記冷却媒体排出連通孔３０ｂに対応して冷却媒体流量調整機構６０ａ、６０ｂが配設される。図４及び図５に示すように、冷却媒体流量調整機構６０ａ、６０ｂは、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂにユニットとして装着される。

冷却媒体流量調整機構６０ａ、６０ｂは、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂを備えており、このバタフライバルブ６２ａ、６２ｂの軸部６４は、ユニット壁部６５に回転自在に支持される。軸部６４の一方の端部には、形状記憶合金製のばね部材６６ａが取り付けられ、他方の端部には、一般材料のばね部材６６ｂが取り付けられる。

ばね部材６６ａ、６６ｂは、冷却媒体の温度が設定温度よりも低い際には、冷却媒体の流量を削減するための閉塞側開度位置、例えば、第１開度位置（全閉を含む）Ｐ１にバタフライバルブ６２ａ、６２ｂを配置可能である。一方、冷却媒体の温度が設定温度以上である際には、冷却媒体の流量を増加する開放側開度位置、例えば、第２開度位置（全開を含む）Ｐ２にバタフライバルブ６２ａ、６２ｂを配置可能である。

冷却媒体流量調整機構６０ａでは、第１所定温度でバタフライバルブ６２ａが第２開度位置に配置されるとともに、冷却媒体流量調整機構６０ｂでは、第２所定温度（＞第１所定温度）でバタフライバルブ６２ｂが第２開度位置に配置される。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、冷却媒体を加熱する加熱手段、例えば、ヒータ７０を有し、前記冷却媒体を冷却媒体流路４４に循環させる循環流路７２と、冷却媒体流量制御装置７４とを備える。

循環流路７２は、冷却媒体入口マニホールド５０ａの管路５６ａと、冷却媒体出口マニホールド５０ｂの管路５６ｂとに接続される。この循環流路７２の途上には、冷却媒体を循環させるための冷却媒体ポンプ７５と、温度調整弁７６と、切換弁７８とが配設される。温度調整弁７６及び切換弁７８は、三方切換弁を構成しており、循環流路７２をヒータ７０が配置されている熱媒体循環回路８０と、放熱器８２が配置されている冷却媒体循環回路８４と、この冷却媒体循環回路８４をバイパスするバイパス回路８６とに選択的に連通させる。

冷却媒体流量制御装置７４は、制御部８８を備える。この制御部８８は、冷却媒体ポンプ７５、温度調整弁７６及び切換弁７８を制御するとともに、燃料電池１２の冷却媒体出口側に配置される温度センサ９０からの温度情報を検出する。制御部８８は、燃料電池１２の発電時に出力されるセル電圧を検出している。

冷却媒体流量制御装置７４は、制御部８８と冷却媒体流量調整機構６０ａ、６０ｂとを備える。この冷却媒体流量制御装置７４は、温度センサ９０から得られる温度情報に基づいて、後述するように、下流側冷却媒体流路部４５ｂに上流側冷却媒体流路部４５ａよりも多量の加熱された冷却媒体（以下、熱媒体ともいう）を供給可能である。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、第１の実施形態に係る制御方法との関連で、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

先ず、図１に示すように、制御部８８は、温度センサ９０を介して燃料電池１２の冷却媒体出口温度を検出する（図６中、ステップＳ１）。冷却媒体出口温度が、第１所定温度以下であれば（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、冷却媒体流量調整機構６０ａ、６０ｂを構成するバタフライバルブ６２ａ、６２ｂは、第１開度位置Ｐ１に配置される（ステップＳ２）。

制御部８８では、温度調整弁７６を閉塞する一方、切換弁７８を制御することにより、熱媒体循環回路８０を燃料電池１２に連通する。そして、図１に示すように、ヒータ７０の付勢作用下に、循環流路７２内の冷却媒体が加熱されるとともに、冷却媒体ポンプ７５が駆動される。このため、加熱された冷却媒体である熱媒体は、燃料電池１２に取り付けられている冷却媒体入口マニホールド５０ａに供給される（ステップＳ３）。

燃料電池１２では、図７に示すように、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂが第１開度位置Ｐ１に配置されている。このため、冷却媒体供給連通孔３０ａには、熱媒体がほとんど流れることがなく、この熱媒体は、冷却媒体供給連通孔３２ａに集中して供給されている。従って、熱媒体は、冷却媒体供給連通孔３２ａから冷却媒体流路４４の下流側冷却媒体流路部４５ｂに沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に流動し、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出されている。

これにより、下流側冷却媒体流路部４５ｂを流動する熱媒体は、酸化剤ガス流路４０及び燃料ガス流路４２の下流側に集中的に流れるため、該下流側を迅速に昇温させることができる。

そして、燃料電池１２の冷却媒体出口温度が第１所定温度以上になると（ステップ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、前記燃料電池１２による発電が開始される。一方、バタフライバルブ６２ａは、第１開度位置Ｐ１から第２開度位置Ｐ２である全開位置に配置される（ステップＳ６）。

具体的には、図２に示すように、燃料電池１２では、酸化剤ガス入口マニホールド４６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド４８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口マニホールド５０ａに熱媒体が供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、各単位セル１８を構成する酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１３のカソード側電極３６に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、各単位セル１８を構成する燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１３のアノード側電極３８に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、各電解質膜・電極構造体１３では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂから酸化剤ガス出口マニホールド４６ｂに排出される（図２参照）。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂから燃料ガス出口マニホールド４８ｂに排出される。

また、熱媒体は、冷却媒体入口マニホールド５０ａ内で冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに分流された後、図８に示すように、第１及び第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４４に導入される。その際、冷却媒体排出連通孔３０ｂは、バタフライバルブ６２ｂにより略閉塞されている。従って、熱媒体は、下流側冷却媒体流路部４５ｂの他、上流側冷却媒体流路部４５ａ側の一部を通って冷却媒体排出連通孔３２ｂから冷却媒体出口マニホールド５０ｂに排出される。このため、酸化剤ガス流路４０及び燃料ガス流路４２は、下流側の他、上流側の一部が加熱される。

次いで、ステップＳ７に進んで、燃料電池１２の冷却媒体出口温度が第２所定温度以上になると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、バタフライバルブ６２ｂが第１開度位置Ｐ１から第２開度位置Ｐ２に配置される（ステップＳ８）。これにより、図３に示すように、冷却媒体排出連通孔３０ｂが全開され、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに供給される熱媒体は、冷却媒体流路４４の上流側冷却媒体流路部４５ａ及び下流側冷却媒体流路部４５ｂを通って、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂに排出される。従って、酸化剤ガス流路４０及び燃料ガス流路４２は、発電面全体にわたって昇温される。

そして、制御部８８を介して、燃料電池１２から出力されるセル電圧が安定している、すなわち、出力電圧の時間的変化が少ないと判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、ヒータ７０による冷却媒体の加熱が停止される。

従って、制御部８８は、温度調整弁７６及び切換弁７８を制御し、循環流路７２をバイパス回路８６又は冷却媒体循環回路８４に連通させる。これにより、燃料電池１２の冷却媒体流路４４に冷却媒体が供給され、通常の冷却制御が開始される（ステップＳ１１）。

この場合、第１の実施形態では、低温始動時（第１所定温度以下）に、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂにより冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂが略閉塞されるとともに、循環流路７２には、ヒータ７０を介して加熱された冷却媒体である熱媒体が循環供給されている。

このため、図７に示すように、冷却媒体流路４４の下流側冷却媒体流路部４５ｂには、上流側冷却媒体流路部４５ｂよりも多量の熱媒体が供給されている。従って、特に、生成水が滞留し易い酸化剤ガス流路４０の下流側に対応して、熱媒体が集中的に流動するため、前記酸化剤ガス流路４０の下流側を短時間で効率的に昇温することができる。

さらに、燃料電池１２が発電可能な温度になった際には、この燃料電池１２の発電を開始する一方、バタフライバルブ６２ａの開放作用下に、酸化剤ガス流路４０の下流側から上流側に向けて、順次、加熱を行う。そして、酸化剤ガス流路４０の発電面全面の昇温が完了した後、ヒータ７０の駆動が停止されて冷却媒体が供給されることにより、通常の冷却制御が行われている。

これにより、燃料電池システム１０は、低温始動時に迅速に発電を開始することが可能になるという効果が得られる。しかも、燃料電池システム１０では、バイパス流路等の専用通路やバイパス開口部等が不要になり、前記燃料電池システム１０全体の小型化及び軽量化が容易に遂行されるとともに、外部への放熱損失が有効に低減されるという利点がある。

次に、本発明の第２の実施形態に係る制御方法を、図９に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、図６に示す第１の実施形態に係る制御方法と同様の工程については、その詳細な説明は省略する。

この第２の実施形態では、冷却媒体流量調整機構６０ａ、６０ｂを構成するバタフライバルブ６２ａ、６２ｂは、第１所定温度でそれぞれ第１開度位置Ｐ１から第２開度位置Ｐ２に配置されるように構成される。

図１に示すように、制御部８８は、温度センサ９０を介して燃料電池１２の冷却媒体出口温度を測定し、その出口温度が第１所定温度以下であると判断されると（図９中、ステップＳ２１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２２からステップＳ２４に進む。

そして、燃料電池１２の冷却媒体出口温度が、第１所定温度以上になると判断されると（ステップＳ２４中、ＹＥＳ）、ステップＳ２５に進んで、ヒータ７０の駆動を停止して冷却媒体の加熱を停止するとともに、循環流路７２に供給される冷却媒体流量を第１所定位置に低減させる。冷却媒体が循環することによる過冷却を防止するためである。

さらに、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂは、第１開度位置Ｐ１から第２開度位置Ｐ２に配置され、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂが全開される一方、燃料電池１２の発電が開始される（ステップＳ２６及びステップＳ２７）。

次いで、燃料電池１２の冷却媒体出口温度が、第２所定温度未満であると判断されると（ステップＳ２８中、ＮＯ）、ステップＳ２９に進んで、循環流路７２を循環する冷却媒体流量が低減される。また、出口温度が第２所定温度以上であると判断されると（ステップＳ２８中、ＹＥＳ）、ステップＳ３０に進んで、冷却媒体ポンプ７５を介して循環流路７２を循環される冷却媒体流量が増大される。

さらに、冷却媒体流量が第２所定値（＞第１所定値）以上であると判断されると（ステップＳ３１中、ＹＥＳ）、ステップＳ３２に進んで、冷却媒体による通常の冷却制御に移行される。

なお、第１及び第２の実施形態では、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂにバタフライバルブ６２ａ、６２ｂを取り付けているが、これに限定されるものではない。例えば、冷却媒体供給連通孔３２ａ及び冷却媒体排出連通孔３２ｂ側にも、図示しないバタフライバルブを取り付けて、冷却媒体流路４４の下部側から上部側に供給される冷却媒体流量を段階的に調整することもできる。

さらにまた、第１及び第２の実施形態では、２つの冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａを設けているが、３つ以上の冷却媒体供給連通孔を設け、少なくとも最上部に位置する冷却媒体供給連通孔にバタフライバルブを取り付けてもよい。また、温度センサ９０により冷却媒体出口温度を測定しているが、酸化剤ガス出口温度又は燃料ガス出口温度を検出してもよい。なお、以下に説明する第３の実施形態においても、同様である。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システム１００の説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１００を構成する燃料電池１０２は、エンドプレート（又は該エンドプレートに隣接するマニホールド部材）１０４に、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに対応して冷却媒体流量調整機構１０６ａ、１０６ｂが配設される。

冷却媒体流量調整機構１０６ａ、１０６ｂは、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂと、前記バタフライバルブ６２ａ、６２ｂを所望の開度位置に位置調整可能な回転駆動源、例えば、サーボモータ１０８ａ、１０８ｂとを備える。サーボモータ１０８ａ、１０８ｂは、制御部１１０によって駆動制御されるとともに、この制御部１１０は、燃料電池システム１００の運転制御を行う。

制御部１１０には、例えば、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される冷却媒体の温度を検出する温度センサ１１２からの温度情報が入力されるとともに、前記制御部１１０は、燃料電池システム１００の出力電圧及び出力電流に基づいて発電出力を算出する機能を有する。制御部１１０及び温度センサ１１２により冷却媒体流量制御装置が構成される。

このように構成される燃料電池システム１００では、例えば、温度センサ１１２により検出される冷却媒体温度に基づいて、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂの開度が調整される。具体的には、図１１に示すように、冷却媒体温度が低い場合には、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂの開度が全閉乃至全閉に近似する第１開度に調整されることにより、冷却媒体供給連通孔３０ａから冷却媒体流路４４の上流側冷却媒体流路部４５ａに供給される冷却媒体流量が大幅に削減される。

そして、冷却媒体の温度が上昇するのに伴って、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂの開度が、第２開度から全開まで調整されることにより、冷却媒体流路４４の上流側冷却媒体流路部４５ａに供給される冷却媒体流量が増量調整される。

これにより、生成水の凝縮を阻止するとともに、セル温度を精度よく調整することができ、燃料電池システム１００の発電性能を長期間にわたって良好に維持することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、第３の実施形態では、図１２に示すように、燃料電池１０２の発電出力に応じて、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂの開度調整を行うこともできる。すなわち、燃料電池１０２の発電出力が小さいときには、ガス流速が低くなり、フラッディングが発生し易い。

従って、発電出力が低い際には、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂの開度を第１開度に調整することにより、冷却媒体流路４４の下流側冷却媒体流路部４５ｂに供給される冷却媒体流量を増加させることができ、フラッディングを有効に阻止することが可能になる。これにより、燃料電池１０２の発電出力に基づいて、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂの開度調整を行うことによって、上記と同様の効果が得られる。

なお、第３の実施形態では、バタフライバルブ６２ａ、６２ｂを回転駆動制御するために、サーボモータ１０８ａ、１０８ｂを用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、ステッピィングモータを用いてもよい。また、冷却媒体温度により開度調整を行う際には、例えば、バイメタルや熱膨張体（サーモワックス）、形状記憶合金等を用いることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の斜視説明図である。 前記燃料電池の要部分解概略斜視図である。 前記燃料電池を構成するエンドプレートに冷却媒体流量調整機構が装着された状態の概略斜視説明図である。 冷却媒体流量調整機構の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。 冷却媒体流路の下流側冷却媒体流路部に熱媒体が流れる際の説明図である。 前記冷却媒体流路の上流側冷却媒体流路部の一部に前記熱媒体が流れる際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの説明図である。 冷却媒体温度による開度調整の説明図である。 発電出力による開度調整の説明図である。 特許文献１に係る燃料電池システムの説明図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池システム １２、１０２…燃料電池
１３…電解質膜・電極構造体 １４、１６…セパレータ
１８…単位セル ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…燃料ガス供給連通孔 ２８ｂ…燃料ガス排出連通孔
３０ａ、３２ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ、３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…カソード側電極
３８…アノード側電極 ４０…酸化剤ガス流路
４２…燃料ガス流路 ４４…冷却媒体流路
４６ａ…酸化剤ガス入口マニホールド ４６ｂ…酸化剤ガス出口マニホールド
４８ａ…燃料ガス入口マニホールド ４８ｂ…燃料ガス出口マニホールド
５０ａ…冷却媒体入口マニホールド ５０ｂ…冷却媒体出口マニホールド
６０ａ、６０ｂ、１０６ａ、１０６ｂ…冷却媒体流量調整機構
６２ａ、６２ｂ…バタフライバルブ ６６ａ、６６ｂ…ばね部材
７０…ヒータ ７２…循環流路
７４…冷却媒体流量制御装置 ７５…冷却媒体ポンプ
７６…温度調整弁 ７８…切換弁
８８、１１０…制御部 ９０、１１２…温度センサ
１０８ａ、１０８ｂ…サーボモータ

Claims (7)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差し且つ前記電極面に沿う方向に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路は、前記単位セルの積層方向に延在する複数の冷却媒体供給連通孔及び複数の冷却媒体排出連通孔に連通する燃料電池と、
   前記冷却媒体を加熱する加熱手段を有し、前記冷却媒体を前記冷却媒体流路に循環させる循環流路と、
   前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の下流側に対応する下流側冷却媒体流路部に、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の上流側に対応する上流側冷却媒体流路部よりも多量の加熱された前記冷却媒体を供給可能な冷却媒体流量制御装置と、
   を備えることを特徴とす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において、前記冷却媒体流量制御装置は、前記複数の冷却媒体供給連通孔又は前記複数の冷却媒体排出連通孔の少なくとも１つに対応して配設される冷却媒体流量調整機構を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記冷却媒体流量制御装置は、前記冷却媒体の出口温度、前記反応ガス流路の出口温度又は前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記上流側冷却媒体流路部及び前記下流側冷却媒体流路部への加熱された前記冷却媒体の流量割合を調整することを特徴とする燃料電池システム。
4. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層される複数の単位セルを備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差し且つ前記電極面に沿う方向に冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成され、前記冷却媒体流路は、前記単位セルの積層方向に延在する複数の冷却媒体供給連通孔及び複数の冷却媒体排出連通孔に連通する燃料電池と、
   前記冷却媒体を加熱する加熱手段を有し、前記冷却媒体を前記冷却媒体流路に循環させる循環流路と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の環境温度を検出する工程と、
   検出された前記環境温度が設定温度よりも低温であると判断された際、前記加熱手段を介して前記冷却媒体を加熱するとともに、加熱された前記冷却媒体を、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の下流側に対応する下流側冷却媒体流路部に、前記冷却媒体流路の前記反応ガス流路の上流側に対応する上流側冷却媒体流路部よりも多量に供給する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項４記載の制御方法において、前記下流側冷却媒体流路部に供給される加熱された前記冷却媒体により、前記反応ガス流路の下流側が昇温された後、前記上流側冷却媒体流路部への加熱された前記冷却媒体の供給量を増加させる工程を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項４記載の制御方法において、前記下流側冷却媒体流路部に供給される加熱された前記冷却媒体により、前記反応ガス流路の下流側が昇温された後、前記冷却媒体の加熱を停止するとともに、前記冷却媒体流路への前記冷却媒体の供給量を減少させる工程を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の制御方法において、前記冷却媒体の出口温度、前記反応ガス流路の出口温度又は前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記上流側冷却媒体流路部及び前記下流側冷却媒体流路部への加熱された前記冷却媒体の流量割合を調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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