JP2009218113A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃料電池で発生した余剰電力を利用して、燃料電池内の水分の凝縮・滞留を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、発電した電力を負荷側に送電する燃料電池１０と、燃料電池１０と熱交換する冷却水が流通する冷却水流路１２ａと、燃料電池１０で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体１４と、発熱体１４により暖められる流体を蓄える貯留槽１８と、燃料電池１０に前記流体を供給する流体流路２０ａと、燃料電池１０の発電停止時に、冷却水流路１２ａを流通する冷却水を止め、流体流路２０ａを通じて前記流体を燃料電池１０に供給するように流路切り替え制御を行う制御部２４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、燃料電池で発電した余剰電力を有効に利用することができる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟持する一対の電極と、を有し、一方の電極（アノード極）に水素を含有するアノードガスを供給すると共に他方の電極（カソード極）に酸素を含有するカソードガスを供給し、両電極で起きる電気化学反応を利用して電力を得るものである。

燃料電池はその構成上、電力を使用する側の負荷が急に減少した場合には、負荷による電力消費量が燃料電池の発電量よりも小さくなり、燃料電池に余剰電力が発生する。負荷の急な減少は、例えば、燃料電池を電気自動車等の車両用電源として用いた場合、アクセルの踏み込みを戻した場合（アクセルオフ）や、いわゆるエンジンブレーキに相当する車両駆動モータの回生制動状態の場合等により起こる。

余剰電力が発生すると、燃料電池で発電された電力が電力系統に流れ込む逆潮流現象が発生したり、燃料電池の電圧が高電位となって燃料電池の出力特性が低下する問題があった。例えば、特許文献１では、余剰電力を二次電池の充電に使用して、燃料電池の電圧が高電位となることを抑制し、燃料電池の出力特性の向上を図った燃料電池システムが提案されている。

また、例えば、特許文献２では、余剰電力を発熱体に流して熱に変換し、変換した熱で水を温め、給湯や暖房に利用することで、余剰電力が電力系統に流れ込む逆潮流現象を防ぐ燃料電池システムが提案されている。

特開２００７−５０３８号公報 特開２００６−１２５６３号公報

ところで、燃料電池は、両電極で起きる電気化学反応によって水分が生成される。燃料電池内の温度が十分に高いと、生成された水分は気化して、燃料電池から排出され易くなるが、燃料電池内の温度が低いと、凝縮水となって、燃料電池内に滞留する。燃料電池の発電停止時には、燃料電池にガスを供給して燃料電池内の水分を掃気させるが、燃料電池内に多量の凝縮水が滞留していると、凝縮水の掃気に多大な時間を必要としてしまう。また、発電時に燃料電池内に多量の凝縮水が滞留すると、燃料電池に供給されるアノードガス、カソードガスのガス圧損が増大し、燃料電池の出力特性が低下する。

そこで、本発明の目的は、燃料電池で発生した余剰電力を利用して、燃料電池内の水分の凝縮・滞留を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、発電した電力を負荷側に送電する燃料電池と、前記燃料電池と熱交換する冷却水が流通する冷却水流路と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、前記発熱体により暖められる流体を蓄える貯留槽と、前記燃料電池に前記流体を供給する流体流路と、前記燃料電池の発電停止時に、前記冷却水流路を流通する冷却水を止め、前記流体流路を通じて前記流体を前記燃料電池に供給する流路切り替え制御を行う制御部と、を有する。

、
また、前記燃料電池システムにおいて、前記貯留槽に蓄えられた流体の温度を検出する流体温度検出手段を備え、前記燃料電池の発電停止時に、前記流体温度検出手段により検出された流体の温度が、所定値以上である場合、前記制御部により前記流路切り替え制御が行われることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段を備え、前記燃料電池の発電停止時に、前記流体温度検出手段により検出された流体の温度が、前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度より高い場合に、前記制御部による前記流路切り替え制御が行われることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムは、発電した電力を負荷側に送電する燃料電池と、前記燃料電池と熱交換する冷却水が流通する冷却水流路と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、前記発熱体により暖められる流体を蓄える貯留槽と、前記燃料電池に前記流体を供給する流体流路と、前記貯留槽に蓄えられた流体の温度を検出する流体温度検出手段と、前記燃料電池に供給される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記冷却水流路を流通する冷却水を止め、前記流体流路を通じて前記流体を前記燃料電池に供給する流路切り替え制御を行う制御部と、を有し、前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池の温度が、前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度より所定値以上高く、前記流体温度検出手段により検出された流体の温度が、前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度より高い場合に、前記制御部による前記流路切り替え制御が行われる。

また、本発明の燃料電池システムは、単位セルが複数積層され、発電した電力を負荷側に送電する燃料電池と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、を有し、前記発熱体が、前記燃料電池の積層方向両端部のうち、少なくともいずれか一方に配置されている。

また、本発明の燃料電池システムは、発電した電力を負荷側に送電する単位セルが複数積層された燃料電池と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、前記発熱体により暖められる流体を蓄える貯留槽と、前記燃料電池の積層方向両端部のうち、少なくともいずれか一方に配置され、面方向に前記流体が流れる面内流路が形成されたエンドセルと、前記面内流路に前記流体を供給する流体流路と、前記貯留槽に蓄えられた流体の温度を検出する流体温度検出手段と、前記燃料電池の積層方向端部の温度を検出する端部温度検出手段と、前記燃料電池の積層方向中央部の温度を検出する中央部温度検出手段と、前記流体流路を流通する冷却水を止め、前記流体流路を通じて前記流体を前記エンドセルに供給するように流路切り替え制御を行う制御部と、を有し、前記燃料電池の発電時に、前記中央部温度検出手段により検出された温度が、前記端部温度検出手段により検出された温度より所定温度以上高く、前記流体温度検出手段により検出された温度が、前記端部温度検出手段により検出された温度より高い場合に、前記制御部による前記流路切り替え制御が行われる。

本発明によれば、燃料電池で発生した余剰電力を利用して、燃料電池内の水分の凝縮・滞留を抑制することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、冷却水流路１２ａ、１２ｂと、発熱体１４と、熱交換器１６と、貯留槽１８と、流体流路２０ａ、２０ｂと、貯留槽１８内の流体温度を検出することができる流体温度センサ２２と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２４と、ポンプ２６と、三方弁２８ａ、２８ｂとを備えるものである。

本実施形態の冷却水流路は、循環流路となっており、冷却水流路１２ａは、燃料電池１０に形成される入口側冷却水マニホールド（不図示）及び熱交換器１６の出口（不図示）に接続され、冷却水流路１２ｂは熱交換器の入口（不図示）及び燃料電池１０に形成される出口側冷却水マニホールド（不図示）に接続されている。冷却水流路１２ａには、冷却水流路を流れる冷却水又は後述する流体流路を流れる流体を循環させるポンプ２６が設けられる。上記構成によって、燃料電池１０から導出された冷却水が冷却水流路１２ｂを通り熱交換器１６に導入される。熱交換器１６に導入された冷却水は、熱交換器１６と熱交換（例えば冷却水を冷却）して、熱交換器１６から排出され、冷却水流路１２ａを通り燃料電池１０に導入される。燃料電池１０に導入された冷却水は、燃料電池１０の入口側冷却水マニホールドを通り、燃料電池１０を構成する各単位セル１０ａに供給され、出口側冷却水マニホールドから冷却水流路１２ｂへ排出される。冷却水は、燃料電池１０を通過する際に、燃料電池１０と熱交換する（例えば、燃料電池を冷却する）。このような冷却水の循環は、ポンプ２６の稼働により行われる。また、ＥＣＵ２４とポンプ２６との間には信号ケーブルが敷設されており、ポンプ２６の稼働及び停止はＥＣＵ２４により制御される。

本実施形態では、必ずしも上記説明した循環流路に制限されるものではなく、冷却水流路は、燃料電池１０から導出された冷却水が、燃料電池システム外へ排出されるような非循環流路であってもよい。

本実施形態の流体流路は、循環流路となっており、流体流路２０ａは貯留槽１８の出口（不図示）及び冷却水流路１２ａに接続され、流体流路２０ｂは貯留槽１８の入口（不図示）及び冷却水流路１２ｂに接続されている。流体流路２０ａと冷却水流路１２ａとの接続部及び流体流路２０ｂと冷却水流路１２ｂとの接続部には、三方弁２８ａ，２８ｂが備えられる。また、三方弁２８ａ，２８ｂとＥＣＵ２４との間には信号ケーブルが敷設されており、ＥＣＵ２４は三方弁２８ａ，２８ｂに信号を送信して、燃料電池１０に冷却水又は貯留槽１８内の流体が供給されるように流路切り替え制御を行う。

上記構成によって、貯留槽１８から導出された流体が流体流路２０ａを通り燃料電池１０に導入される。後述するが貯留槽１８内の流体は、発熱体１４により暖められているため、流体が流体流路２０ａから燃料電池１０に導入されることによって、燃料電池１０を暖気させることができる。そして、燃料電池１０から排出された流体は、流体流路２０ｂを通り、貯留槽１８に導入される。

図１に示すように、流体流路２０ａ，２０ｂを冷却水流路１２ａ，１２ｂと接続し、冷却水流路の一部を流体流路としているため、燃料電池内に導入された流体は冷却水マニホールドを流れる。したがって、新たに燃料電池１０内に流体を流すためのマニホールドを形成する必要はない。しかし、必ずしも上記構成に制限されるものではなく、燃料電池１０に、入口側流体マニホールド及び出口側流体マニホールドを別途形成し、流体流路２０ａを貯留槽１８の出口（不図示）及び燃料電池１０の入口側流体マニホールド（不図示）に接続し、流体流路２０ｂを燃料電池の出口側流体マニホールド（不図示）及び貯留槽１８の出口（不図示）に接続させ、冷却水流路と独立させてもよい。また、本実施形態の流体流路は、冷却水流路と同様に非循環流路であってもよい。

本実施形態の燃料電池システム１に用いられる燃料電池１０の構成について説明する。燃料電池１０は、水素イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極と、アノード極及びカソード極の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、を有するものを単位セル１０ａとして、当該単位セル１０ａを少なくとも１層以上積層したものである。

図１には示していないが、燃料電池１０には、一般的な燃料電池の構成と同様に、入口側及び出口側アノードガスマニホールド、入口側及び出口側カソードガスマニホールドが形成されている。そして、燃料電池１０に供給されるアノードガス、カソードガスは、入口側アノードガスマニホールド、入口側カソードガスマニホールドを通り、各単位セル１０ａに供給され、各単位セル１０ａの発電に利用される。そして、アノードガス、カソードガスは、出口側アノードガスマニホールド、出口側カソードガスマニホールドを通り、燃料電池１０外へ排出される。

発熱体１４は、切り替えスイッチ３０を介して燃料電池１０と電気的に接続されている。発熱体１４は、燃料電池１０で発電された電力のうち負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換するものである。そして、変換した熱で貯留槽１８内の流体を加熱するものである。貯留槽１８内に収容される流体は、燃料電池を暖気させることができるものであれば、液体、気体どちらでもよい。

発熱体１４としては、例えば、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータであり、貯留槽１８の外周に巻き付けられる。また、例えば、金属パイプの中心に発熱部を挿入し、金属パイプと発熱部との隙間を絶縁材で固めたパイプ型の電気ヒータ（シーズヒータ）であり、貯留槽１８内に投入されるものであってもよい。また、例えば、発熱部を貯留槽の壁内に埋め込み、発熱体１４と貯留槽１８とを一体形成したものであってもよい。

ＥＣＵ２４は、燃料電池１０で余剰電力が発生したとき、余剰電力が発熱体１４に送電されるように切り替えスイッチ３０の切り替えを制御するものである。燃料電池１０の電力を使用する側の負荷が急に減少した場合に、燃料電池１０に余剰電力が発生する。例えば、アクセルの踏み込みを戻した場合（アクセルオフ）や、いわゆるエンジンブレーキに相当する車両駆動モータの回生制動状態の場合等に、燃料電池１０に余剰電力が発生する。例えば、ＥＣＵ２４は、アクセルセンサ等からの信号を受信し、アクセルオフ状態であると判断した場合には、切り替えスイッチ３０を発熱体１４側に切り替え、余剰電力を発熱体１４に送電できるようにし、アクセルオン状態であると判断した場合には、切り替えスイッチ３０を負荷側に切り替え、燃料電池１０で発電された電力を負荷側に送電できるように制御される。上記構成によって、発熱体１４は、燃料電池１０の余剰電力を熱に変換し、変換した熱によって貯留槽１８内の流体を加熱することができる。

また、ＥＣＵ２４は、燃料電池１０の発電時には、冷却水が冷却水流路を通って燃料電池に流れ、流体が流体流路を通って燃料電池に流れないように、流体流路２０ａ，２０ｂ側の弁を閉じて冷却水流路１２ａ，１２ｂ側の弁を開ける流路切り替え制御を行う。また、ＥＣＵ２４は、燃料電池の発電停止時には、流体が流体流路を通って燃料電池に流れ、冷却水が冷却水流路を通って燃料電池に流れないように、冷却水流路１２ａ，１２ｂ側の弁を閉じて流体流路２０ａ，２０ｂ側を開ける流路切り替え制御を行う。ここで、燃料電池１０の発電時とは、燃料電池システム１のスタートスイッチがオンにされ（例えば、イグニッションキーがオン）、燃料電池１０が負荷又は発熱体１４に接続されてから、燃料電池システム１のスタートスイッチがオフにされ（例えば、イグニッションキーがオフ）、燃料電池１０と負荷又は発熱体１４との接続が解除されるまでである。また、燃料電池１０の発電停止時とは、燃料電池システム１のスタートスイッチがオフにされてからオンにされるまでである。上記構成によって、燃料電池１０の発電停止時に、発熱体１４によって加熱された貯留槽１８内の流体が燃料電池１０に供給されるため、燃料電池１０が暖気され、燃料電池１０内の温度を上昇させることができる。その結果、燃料電池１０内では、飽和蒸気圧が上昇し燃料電池内の水分が気化されるため、燃料電池内の水分は燃料電池１０外へ掃気され易くなる。燃料電池１０内の水分の掃気には、燃料電池１０の発電停止時に燃料電池１０内にカソードガス又はアノードガス等のガスを送り込み、燃料電池１０内の水分をガス等と共に掃気させることが好ましい。本実施形態では、燃料電池１０内の水分が気化されやすい状態にあるため、ガスによる水分の掃気が容易となり、掃気時間を短縮させることができる。

上記説明したように、燃料電池１０の発電停止時には常に貯留槽１８内の流体が燃料電池１０に供給されるように制御されてもよい。しかし、貯留槽１８内の流体が十分に加熱されていないまま、燃料電池１０に供給されることを避けるために、貯留槽１８内の流体の温度を検出することができる流体温度センサ２２を備えることが好ましい。流体温度センサ２２とＥＣＵ２４との間には信号ケーブルが敷設されており、ＥＣＵ２４は流体温度センサ２２からの温度データを受信する。そして、ＥＣＵ２４は、流体温度に基づいて以下のような流路切り替え制御を行う。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図である。図２に示す燃料電池システムの動作は、図１に示す燃料電池システム１を用いて説明する。図２に示すように、まず、ステップＳ１０では、燃料電池システム１のスタートスイッチがオンにされ、燃料電池１０の発電が行われる。この際、ＥＣＵ２４により負荷側に切り替えスイッチ３０が接続され、また、ＥＣＵ２４によりポンプ２６を稼働させると共に三方弁２８ａ，２８ｂの流体流路２０ａ，２０ｂ側の弁が閉じられ冷却水流路１２ａ，１２ｂ側の弁が開けられる。そして、冷却水が冷却水流路１２ａを通って燃料電池１０に供給される。その後、アクセルオフ、車両駆動モータの回生制動状態等で、燃料電池１０に余剰電力が発生した場合には、ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４により発熱体１４側に切り替えスイッチ３０が切り替えられる。これによって、発熱体１４が余剰電力を熱に変換し、変換した熱によって貯留槽１８内の流体が加熱される。なお、余剰電力が発熱体１４により消費された後は、負荷側に切り替えスイッチ３０が切り替えられる。次に、ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４に燃料電池システム１の発電停止指令（スタートスイッチがオフ）が入力されると、ＥＣＵ２４は燃料電池１０の発電を停止させる。そして、ステップＳ１６では、燃料電池１０の発電停止時に、流体温度センサ２２により貯留槽１８内の流体の温度が検出される。そして、ＥＣＵ２４により、流体温度が所定値以上であると判定された場合には、ステップＳ１８において、ＥＣＵ２４により、ポンプ２６を稼働させると共に三方弁２８ａ，２８ｂの冷却水流路側の弁が閉じられ流体流路側の弁が開けられる。そして、貯留槽１８内の流体が燃料電池１０に供給される。ステップＳ２０では、燃料電池１０内にカソードガス又はアノードガス等のガスを送り込み、燃料電池１０内の水分をガス等と共に掃気させる。

また、流体温度センサ２２により検出された温度が所定値未満であると判定された場合には、貯留槽１８内の流体を燃料電池１０に供給することなく、ステップＳ２０の処理に進む。

図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。図３に示す燃料電池システム２は、図１に示す燃料電池システム１の構成に加え、燃料電池１０に供給される冷却水の温度を検出することができる冷却水温度センサ３２を備える。燃料電池１０に供給される冷却水の温度を検出するために、冷却水流路１２ａに冷却水温度センサ３２が設置されている。特に、燃料電池１０付近の冷却水流路１２ａに冷却水温度センサ３２が設置されることが好ましい。冷却水温度センサ３２とＥＣＵ２４との間には信号ケーブルが敷設されており、ＥＣＵ２４は冷却水温度センサ３２からの温度データを受信する。また、ＥＣＵ２４は、冷却水温度及び流体温度に基づいて以下のような流路切り替え制御を行う。

図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフロー図である。図４に示す燃料電池システムの動作は、図３に示す燃料電池システム２を用いて説明する。図４に示すステップＳ３０〜３４の処理は、図２に示すステップＳ１０〜１４の処理と同様である。ステップＳ３６では、燃料電池の発電停止時に、流体温度センサ２２により貯留槽１８内の流体の温度が検出され、冷却水温度センサ３２により燃料電池１０に供給される冷却水温度が検出される。そして、ＥＣＵ２４により流体温度が冷却水温度より高いと判定された場合には、ステップＳ３８において、ＥＣＵ２４により、ポンプ２６を稼働させると共に三方弁２８ａ，２８ｂの冷却水流路側の弁が閉じられ流体流路側の弁が開けられる。そして、貯留槽１８内の流体が燃料電池１０に供給される。ステップＳ４０では、燃料電池１０内にカソードガス又はアノードガス等のガスを送り込み、燃料電池１０内の水分をガス等と共に掃気させる。

また、流体温度が冷却水温度以下と判定された場合には、貯留槽１８内の流体を燃料電池１０に供給することなく、ステップＳ４０の処理に進む。

本実施形態では、冷却水より高い温度の流体が燃料電池に供給されるため、燃料電池１０が暖気され、燃料電池１０内の温度を上昇させることができる。その結果、燃料電池１０内では、飽和蒸気圧が上昇し燃料電池内の水分が気化されるため、燃料電池内の水分が燃料電池１０外へ掃気され易くなり、掃気時間を短縮させることができる。

図５は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。図５に示す燃料電池システム３は、図１に示す燃料電池システム１の構成に加え、燃料電池１０に供給される冷却水の温度を検出することができる冷却水温度センサ３２と、燃料電池１０の温度を検出することができる燃料電池温度センサ３４と、を備える。燃料電池温度センサ３４は、燃料電池１０の外周又は単位セル１０ａ間等に設けられる。燃料電池温度センサ３４とＥＣＵ２４との間には信号ケーブルが敷設されており、ＥＣＵ２４は燃料電池温度センサ３４からの温度データを受信する。そして、ＥＣＵ２４は、冷却水温度、流体温度及び燃料電池温度に基づいて以下のような流路切り替え制御を行う。

図６は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフロー図である。図６に示す燃料電池システムの動作は、図５に示す燃料電池システム３を用いて説明する。図６に示すように、ステップＳ５０では、燃料電池システム１のスタートスイッチがオンにされ、燃料電池１０の発電が行われる。この際、ＥＣＵ２４により負荷側に切り替えスイッチ３０が接続され、また、ＥＣＵ２４によりポンプ２６を稼働させると共に三方弁２８ａ，２８ｂの流体流路２０ａ，２０ｂ側の弁が閉じられ冷却水流路１２ａ，１２ｂ側の弁が開けられる。そして、冷却水が冷却水流路１２ａを通って燃料電池１０に供給される。また、アクセルオフ、車両駆動モータの回生制動状態等で、燃料電池１０に余剰電力が発生する場合には、ＥＣＵ２４により発熱体１４側に切り替えスイッチ３０が切り替えられる。これによって、発熱体１４が余剰電力を熱に変換し、変換した熱によって貯留槽１８内の流体が加熱される。ステップＳ５２では、燃料電池の発電時に、流体温度センサ２２により貯留槽１８内の流体温度が検出され、冷却水温度センサ３２により燃料電池１０に供給される冷却水温度が検出され、燃料電池温度センサ３４により燃料電池１０の温度が検出される。そして、ＥＣＵ２４により、燃料電池温度が冷却水温度より所定温度以上高く、流体温度が冷却水温度より高いと判定された場合には、ステップ５４において、ＥＣＵ２４により、ポンプ２６を稼働させると共に三方弁２８ａ，２８ｂの冷却水流路側の弁が閉じられ流体流路側の弁が開けられる。そして、貯留槽１８内の流体が燃料電池１０に供給される。

燃料電池温度が冷却水温度より所定温度以上高くなると、燃料電池１０の積層方向中央部（以下燃料電池中央部と呼ぶ場合がある）の単位セル内で気化した水分が、燃料電池の積層方向端部（以下燃料電池端部と呼ぶ場合がある）の単位セルで凝縮し滞留する。しかし、本実施形態では、燃料電池温度が冷却水温度より所定温度以上高くなった場合には、上記説明したように冷却水の供給を停止して、冷却水より高い温度を有する貯留槽１８内の流体を燃料電池１０に供給するため、燃料電池端部の単位セルの温度を上昇させるか又は燃料電池端部の単位セルと燃料電池中央部の単位セルとの温度差を縮小させることができる。その結果、燃料電池端部の単位セルに水分が滞留することを抑制することができるため、燃料電池１０に供給されるアノードガス、カソードガスのガス圧損が低下し、燃料電池１０の発電時における電圧を安定化させることができる。燃料電池温度と冷却水温度との所定温度差は、燃料電池１０内の水分が燃料電池端部の単位セルで凝縮し滞留する際の燃料電池温度と冷却水温度との温度差であり、予め適宜設定されるものである。

ＥＣＵ２４により、燃料電池温度が冷却水温度より所定温度以上高くないか又は流体温度が冷却水温度より低いと判定された場合には、貯留槽１８内の流体を燃料電池１０に供給することなく、次の処理に進む。

次に、ＥＣＵ２４により燃料電池の発電停止指令（スタートスイッチがオフ）が入力されているか否かが判別され、発電停止指令が入力されていれば、ステップＳ５６において、ＥＣＵ２４により燃料電池１０の発電を停止させる。発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ５２の処理に戻る。また、燃料電池システムの発電停止時には、例えば、図２に示すステップＳ１６〜Ｓ２０又は図４に示すステップＳ３６〜Ｓ４０のように、ＥＣＵ２４による制御を行ってもよい。

図７は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。図７に示すように、燃料電池システム４は、燃料電池１０と、冷却水流路１２ａ，１２ｂと、発熱体３６と、熱交換器１６と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２４と、ポンプ２６と、を備えるものである。本実施形態に係る燃料電池システム４において、図１に示す燃料電池システム１と同様の構成については同一の符合を付している。

本実施形態の発熱体３６は、燃料電池１０の積層方向両端部のうち、少なくともいずれか一方に配置されるものであるが、少なくとも燃料電池１０の総マイナス側の端部に配置されることが好ましく、積層方向両端部に配置されることがより好ましい。発熱体３６は、切り替えスイッチ３０を介して燃料電池と電気的に接続されている。発熱体３６は、燃料電池１０で発電された電力のうち負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換するものである。そして、変換した熱で燃料電池端部を加熱する。

発熱体３６としては、例えば、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータ、金属パイプの中心に発熱部を挿入し、金属パイプと発熱部との隙間を絶縁材で固めたパイプ型の電気ヒータ（シーズヒータ）等が用いられ、当該電気ヒータはテープ等で燃料電池端部に固定される。また、例えば、当該電気ヒータは金属ケース等の熱伝導性のよいケース（図７に示すケース３８）に収容され、燃料電池の積層方向端部に設置されてもよい。

ＥＣＵ２４は、切り替えスイッチ３０の切り替えを制御し、燃料電池に余剰電力が発生したとき、負荷側から発熱体３６に送電されるように切り替えスイッチ３０の切り替えを制御するものである。

燃料電池端部の単位セル１０ａは、外気の影響により、燃料電池中央部の単位セル１０ａと比較して温度が低下し易い。そのため、燃料電池中央部の単位セル内の水分が気化しても、燃料電池端部の単位セル内で凝縮し滞留する。しかし、本実施形態のように、負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体を燃料電池の積層方向端部に配置することによって、燃料電池端部の単位セルを加熱することができるため、燃料電池端部の単位セルで水分が凝縮し滞留することを抑制することができる。その結果、燃料電池１０に供給されるアノードガス、カソードガスのガス圧損が低下し、燃料電池１０の発電時における電圧を安定化させることができる。

図８は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。図８に示すように燃料電池システム５は、燃料電池１０と、冷却水流路１２ａ，１２ｂと、発熱体１４と、熱交換器１６と、貯留槽１８と、流体流路４０ａ，４０ｂと、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２４と、ポンプ２６ａ，２６ｂと、エンドセル４２と、流体温度センサ２２と、中央部温度センサ４４と、端部温度センサ４６と、を備える。

エンドセル４２は、燃料電池１０の積層方向両端部のうち、少なくともいずれか一方に配置されるが、少なくとも燃料電池１０の総マイナス側の端部に配置されることが好ましく、積層方向両端部に配置されることがより好ましい。図９は、エンドセルの構成の一例を示す模式平面図である。図９に示すエンドセル４２は、燃料電池１０側の面である。エンドセル４２は、金属等の板から構成されるものであり、エンドセル４２には、流体入口４８及び出口５０、冷却水入口５２、アノードガス入口５４、カソードガス入口５６が形成され、また、燃料電池１０側のエンドセル４２の面に、流体入口４８及び出口５０を連通する面内流路５８が形成されている。エンドセル４２は、一枚の板から構成されるものを例としたが、これに制限されるものではなく、エンドセル４２は複数の板を積層したものでもよい。この場合、板同士が向かい合う面に流体入口４８及び出口５０を連通する面内流路５８が形成されることが好ましい。また、面内流路５８は板内部に形成され、流体入口４８及び出口５０を連通させるものでもよい。エンドセル４２に設けられる各口の構成及び配置は、特に制限されるものではなく、各ガスの入口だけでなく、例えば、各ガスの入口及び出口が形成されていてもよい。

図８に示す流体流路４０ａは、貯留槽１８の出口（不図示）及び図９に示すエンドセル４２の流体入口４８に接続される。流体流路４０ｂは、貯留槽１８の入口（不図示）及び図９に示すエンドセル４２の流体出口５０に接続される。上記構成によって、貯留槽１８内の流体が流体流路４０ａを通り、エンドセル４２の流体入口４８を介して面内流路５８内を流れる。面内流路５８を流れる流体は、流体出口５０を介して流体流路４０ｂを通り、貯留槽１８に収容される。このような貯留槽１８内の流体の循環は、ポンプ２６ａの稼働により行われる。ＥＣＵ２４とポンプ２６ａとの間には信号ケーブルが敷設されており、ポンプ２６ａの稼働及び停止はＥＣＵ２４により制御される。

図８に示す冷却水流路１２ａは、熱交換器１６の出口（不図示）及び図９に示すエンドセル４２に形成された冷却水入口５２に接続されている。冷却水入口５２は、燃料電池１０に形成される入口側冷却水マニホールド（不図示）と連通している。冷却水流路１２ｂは、燃料電池１０に形成される出口側冷却水マニホールド（不図示）及び熱交換器１６の入口（不図示）に接続されている。上記構成によって、燃料電池１０から導出された冷却水が冷却水流路１２ｂを通り熱交換器１６に導入される。熱交換器１６に導入された冷却水は、熱交換器１６と熱交換（例えば、冷却水を冷却）して、熱交換器１６から排出され、冷却水流路１２ａを通り、エンドセル４２に形成された冷却水入口５２を介して燃料電池１０に導入される。燃料電池１０に導入された冷却水は、燃料電池１０の入口側冷却水マニホールドを通り、各単位セル１０ａに供給され、出口側冷却水マニホールドから冷却水流路１２ｂへ排出される。このような冷却水の循環は、ポンプ２６ｂの稼働により行われる。ＥＣＵ２４とポンプ２６ｂとの間には信号ケーブルが敷設されており、ポンプ２６ｂの稼働及び停止はＥＣＵ２４により制御される。

また、燃料電池１０には、一般的な燃料電池の構成と同様に、入口側及び出口側アノードガスマニホールド（不図示）、入口側及び出口側カソードガスマニホールド（不図示）が形成されている。エンドセル４２のアノードガス入口５４は燃料電池１０の入口側アノードガスマニホールドと連通し、カソードガス入口５６は入口側カソードガスマニホールドと連通している。上記構成によって、燃料電池１０に供給されるアノードガス、カソードガスは、エンドセル４２に形成されたアノードガス入口５４、カソードガス入口５６を介して燃料電池１０に導入される。燃料電池１０に導入されたアノードガス及びカソードガスは、入口側アノードガスマニホールド、入口側カソードガスマニホールドを通り、各単位セル１０ａに供給され、各単位セル１０ａの発電に利用される。そして、アノードガス、カソードガスは、出口側アノードガスマニホールド、出口側カソードガスマニホールドを通り、燃料電池１０外へ排出される。

流体温度センサ２２は、貯留槽１８内の流体温度を検出するものであり、貯留槽１８内に設けられる。中央部温度センサ４４は、燃料電池中央部の温度を検出するものであり、積層方向中央の単位セル１０ａ間等に設けられる。端部温度センサ４６は、燃料電池端部の温度を検出するものであり、積層方向端部の単位セル１０ａ、エンドセル４２又は冷却水流路１２ａ等に設けられる。流体温度センサ２２、中央部温度センサ４４及び端部温度センサ４６それぞれとＥＣＵ２４との間には信号ケーブルが敷設されており、ＥＣＵ２４は各センサからの温度データを受信する。そして、ＥＣＵ２４は、流体温度、燃料電池の中央部及び端部温度に基づいて以下のような流路切り替え制御を行う。

図１０は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフロー図である。図１０に示す燃料電池システムの動作は、図８に示す燃料電池システム５を用いて説明する。図１０に示すように、まず、ステップＳ６０では、燃料電池システムのスタートスイッチがオンにされ、燃料電池１０の発電が行われる。この際、ＥＣＵ２４により負荷側に切り替えスイッチ３０が接続され、また、ＥＣＵ２４によりポンプ２６ｂを稼働させ、冷却水が冷却水流路１２ａを通って燃料電池１０に供給される。また、アクセルオフ、車両駆動モータの回生制動状態等で、燃料電池１０に余剰電力が発生した場合には、ＥＣＵ２４により発熱体１４側に切り替えスイッチ３０が切り替えられる。これによって、発熱体１４が余剰電力を熱に変換し、変換した熱によって貯留槽１８内の流体が加熱される。次に、ステップＳ６２では、燃料電池１０の発電時に、流体温度センサ２２により貯留槽１８内の流体の温度が検出され、中央部温度センサ４４及び端部温度センサ４６により燃料電池の中央部及び端部の温度が検出される。そして、ＥＣＵ２４により、燃料電池中央部の温度が燃料電池端部の温度より所定温度以上高く、流体温度が燃料電池端部の温度より高いと判定された場合には、ステップＳ６４において、ＥＣＵ２４によりポンプ２６ｂの稼働を停止させると共にポンプ２６ａを稼働させることによって、貯留槽１８内の流体がエンドセル４２に供給される。

燃料電池中央部の温度が燃料電池端部の温度より所定温度以上高くなると、燃料電池中央部の単位セルで水分が気化しても、燃料電池端部の単位セル内で凝縮して滞留する。しかし、本実施形態では、燃料電池中央部の温度が燃料電池端部の温度より所定温度以上高くなった場合には、上記説明したように冷却水の供給を停止して、燃料電池端部の温度より高い温度を有する貯留槽１８内の流体を燃料電池端部に設けられたエンドセル４２に供給するため、燃料電池端部の単位セルの温度を上昇させることができる。その結果、燃料電池端部の単位セルでの水分の凝縮・滞留が抑制され、燃料電池１０のガス圧損を低下させることができ、燃料電池１０の発電時における電圧を安定化させることができる。燃料電池中央部の温度と燃料電池端部の温度との所定温度差は、燃料電池１０内の水分が燃料電池端部の単位セルで凝縮し滞留する際の燃料電池中央部の温度と端部の温度との温度差であり、予め適宜設定されるものである。

ＥＣＵ２４により、燃料電池中央部の温度が燃料電池端部の温度より所定温度以上高くないか又は流体温度が燃料電池端部の温度より低いと判定された場合には、貯留槽１８内の流体を燃料電池１０に供給することなく、次の処理に進む。

次に、ＥＣＵ２４により燃料電池システムの発電停止指令（スタートスイッチがオフ）が入力されているか否かが判別され、発電停止指令が入力されていれば、ステップＳ６６において、ＥＣＵ２４により燃料電池１０の発電を停止させる。発電停止指令が入力されていなければ、再度ステップＳ６２の処理に戻る。

上記本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、定置用電源等として使用することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフロー図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフロー図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの構成の他の一例を示す模式図である。 エンドセルの構成の一例を示す模式平面図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１〜５ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１０ａ 単位セル、１２ａ，１２ｂ 冷却水流路、１４，３６ 発熱体、１６ 熱交換器、１８ 貯留槽、２０ａ，２０ｂ，４０ａ，４０ｂ 流体流路、２２ 流体温度センサ、２６，２６ａ，２６ｂ ポンプ、２８ａ，２８ｂ 三方弁、３０ 切り替えスイッチ、３２ 冷却水温度センサ、３４ 燃料電池温度センサ、３８ ケース、４２ エンドセル、４４ 中央部温度センサ、４６ 端部温度センサ、４８ 流体入口、５０ 流体出口、５２ 冷却水入口、５４ アノードガス入口、５６ カソードガス入口、５８ 面内流路。

Claims (6)

1. 発電した電力を負荷側に送電する燃料電池と、
   前記燃料電池と熱交換する冷却水が流通する冷却水流路と、
   前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、
   前記発熱体により暖められる流体を蓄える貯留槽と、
   前記燃料電池に前記流体を供給する流体流路と、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記冷却水流路を流通する冷却水を止め、前記流体流路を通じて前記流体を前記燃料電池に供給する流路切り替え制御を行う制御部と、を有す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であって、前記貯留槽に蓄えられた流体の温度を検出する流体温度検出手段を備え、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記流体温度検出手段により検出された流体の温度が、所定値以上である場合、前記制御部により前記流路切り替え制御が行われることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段を備え、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記流体温度検出手段により検出された流体の温度が、前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度より高い場合に、前記制御部による前記流路切り替え制御が行われることを特徴とする燃料電池システム。
4. 発電した電力を負荷側に送電する燃料電池と、前記燃料電池と熱交換する冷却水が流通する冷却水流路と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、前記発熱体により暖められる流体を蓄える貯留槽と、前記燃料電池に前記流体を供給する流体流路と、前記貯留槽に蓄えられた流体の温度を検出する流体温度検出手段と、前記燃料電池に供給される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記冷却水流路を流通する冷却水を止め、前記流体流路を通じて前記流体を前記燃料電池に供給する流路切り替え制御を行う制御部と、を有し、
   前記燃料電池の発電時に、前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池の温度が、前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度より所定値以上高く、前記流体温度検出手段により検出された流体の温度が、前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度より高い場合に、前記制御部による前記流路切り替え制御が行われることを特徴とする燃料電池システム。
5. 発電した電力を負荷側に送電する単位セルが複数積層された燃料電池と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、を有し、
   前記発熱体が、前記燃料電池の積層方向両端部のうち、少なくともいずれか一方に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 発電した電力を負荷側に送電する単位セルが複数積層された燃料電池と、前記燃料電池で発電した電力のうち前記負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体と、前記発熱体により暖められる流体を蓄える貯留槽と、前記燃料電池の積層方向両端部のうち、少なくともいずれか一方に配置され、面方向に前記流体が流れる面内流路が形成されたエンドセルと、前記面内流路に前記流体を供給する流体流路と、前記燃料電池の積層方向端部の温度を検出する端部温度検出手段と、前記燃料電池の積層方向中央部の温度を検出する中央部温度検出手段と、前記流体流路を流通する冷却水を止め、前記流体流路を通じて前記流体を前記エンドセルに供給する流路切り替え制御を行う制御部と、を有し、
   前記燃料電池の発電時に、前記中央部温度検出手段により検出された温度が、前記端部温度検出手段により検出された温度より所定温度以上高く、前記流体温度検出手段により検出された温度が、前記端部温度検出手段により検出された温度より高い場合に、前記制御部による前記流路切り替え制御が行われることを特徴とする燃料電池システム。

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