JP2021197293A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの昇温を促進させること。【解決手段】燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタック内の冷媒流路に供給される冷媒が流れる冷媒配管と、前記冷媒配管に配置され、前記冷媒流路と前記冷媒配管との間で前記冷媒を循環させる冷媒循環機と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器によって検出される前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である低温始動において、前記冷媒循環機を制御することで前記冷媒流路と前記冷媒配管との間を循環する前記冷媒の循環方向を周期的に切り替える制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの低温始動後において前記温度検出器によって検出される前記燃料電池スタックの温度が高くなるに従って前記冷媒の循環方向を切り替える周期を長くする、燃料電池システム。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

氷点下での始動において、冷媒の循環を停止させることで燃料電池スタックの昇温を促進させる方法（例えば特許文献１）、及び、冷媒の循環と循環停止を交互に繰り返すことで燃料電池スタックの昇温を促進させる方向（例えば特許文献２）が提案されている。また、冷媒の循環方向を一定周期で切り替えることで燃料電池スタック全体を一様に昇温させる方法が提案されている（例えば特許文献３）。

特開２００３−３６８７４号公報 特開２００５−２７６５６８号公報 特開２０１２−９４２５６号公報

特許文献１に記載の方法では、冷媒の循環を停止しているため、燃料電池スタックに温度分布が生じて燃料電池スタック全体の温度が所望の温度に昇温するまでの時間が長くなってしまう。特許文献２に記載の方法では、冷媒の循環と循環停止を繰り返しているため、燃料電池スタック内の温度分布は小さくなる。しかしながら、冷媒が循環することによって燃料電池スタック内の熱が燃料電池スタックの外部に逃げてしまい、燃料電池スタックの昇温効率が悪い。

特許文献３に記載の方法では、冷媒の循環方向を一定周期で切り替えているため、燃料電池スタック内の熱が燃料電池スタックの外部に逃げることが抑制される。しかしながら、燃料電池スタックの昇温を促進させる点で改善の余地が残されている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池スタックの昇温を促進させることを目的とする。

本発明は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタック内の冷媒流路に供給される冷媒が流れる冷媒配管と、前記冷媒配管に配置され、前記冷媒流路と前記冷媒配管との間で前記冷媒を循環させる冷媒循環機と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器によって検出される前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である低温始動において、前記冷媒循環機を制御することで前記冷媒流路と前記冷媒配管との間を循環する前記冷媒の循環方向を周期的に切り替える制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの低温始動後において前記温度検出器によって検出される前記燃料電池スタックの温度が高くなるに従って前記冷媒の循環方向を切り替える周期を長くする、燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池スタックの昇温を促進させることができる。

図１は、実施例に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２（ａ）は、燃料電池スタックを構成する各セルの分解平面図、図２（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。 図３は、暖気処理の一例を示すフローチャートである。 図４は、燃料電池スタックの冷媒出入口近傍での温度変化の推移の一例を示す図である。 図５は、冷媒の循環方向の切り替え周期と燃料電池スタックの昇温速度との関係の一例を示す図である。 図６は、燃料電池スタックの温度と冷媒の循環方向の切り替え周期との関係の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

［燃料電池システムの概略構成］
燃料電池システムは、燃料電池自動車又は定置用燃料電池装置等に用いられ、要求電力に応じて電力を出力する発電システムである。図１は、実施例に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。図１のように、燃料電池システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０、燃料電池スタック（以下、ＦＣスタックと称す）２０、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、及び冷媒配管系６０を備える。なお、燃料電池システム１００は、コンバータ及びインバータ等を含む電力系も備えるが、図１では図示を省略している。

ＦＣスタック２０は、反応ガスとして空気等の酸化剤ガス（カソードガスとも称される）と水素ガス等の燃料ガス（アノードガスとも称される）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。ＦＣスタック２０は複数のセル２１が積層されたスタック構造をしている。各セル２１には、反応ガス及び冷媒を流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガス及び冷媒は、セパレータによって形成されるガス流路及び冷媒流路を介して各セル２１の発電領域に供給される。

酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をＦＣスタック２０に供給し、ＦＣスタック２０から排出された空気を外部に排気する。酸化剤ガス配管系３０は、ガス供給配管３１、ガス排出配管３２、エアクリーナー３３、エアコンプレッサ３４、インタークーラー３５、及び調圧弁３６を備える。ガス供給配管３１はＦＣスタック２０の酸化剤ガス供給マニホールドに接続される。ガス排出配管３２はＦＣスタック２０の酸化剤ガス排出マニホールドに接続される。エアクリーナー３３、エアコンプレッサ３４、及びインタークーラー３５は、ガス供給配管３１に空気の流れにおいて上流側から順に配置されている。調圧弁３６はガス排出配管３２に設けられている。エアコンプレッサ３４及び調圧弁３６の駆動はＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサ３４の回転速度を制御することによりＦＣスタック２０に供給される空気の流量を調整し、調圧弁３６の開度を制御することによりＦＣスタック２０の背圧を調整する。

燃料ガス配管系４０は、燃料ガスとしての水素ガスをＦＣスタック２０に供給し、ＦＣスタック２０から排出された水素ガスをＦＣスタック２０に循環させる。燃料ガス配管系４０は、タンク５０、ガス供給配管４１、ガス排出配管４２、ガス循環配管４３、タンク弁４４、調圧弁４５、インジェクタ４６、気液分離器４７、排水弁４８、及び循環ポンプ４９を備える。タンク５０とＦＣスタック２０の燃料ガス供給マニホールドとは、ガス供給配管４１により接続される。タンク５０は燃料ガスである水素ガスを貯留する。ガス排出配管４２は、ＦＣスタック２０の燃料ガス排出マニホールドに接続される。ガス循環配管４３は、気液分離器４７とガス供給配管４１とを連通する。タンク弁４４、調圧弁４５、及びインジェクタ４６は、ガス供給配管４１に水素ガスの流れにおいて上流側から順に配置されている。タンク弁４４が開いた状態で調圧弁４５の開度が調整され、インジェクタ４６が水素ガスを噴射する。これにより、ＦＣスタック２０に水素ガスが供給される。

ガス排出配管４２には、気液分離器４７及び排水弁４８が水素ガスの流れに対して上流側から順に配置されている。気液分離器４７は、ＦＣスタック２０から排出された水素ガスから水分を分離し貯留する。気液分離器４７に貯留された水は、排水弁４８が開くことにより、ガス排出配管４２を介して外部へと排出される。ガス循環配管４３は、水素ガスをＦＣスタック２０へ還流させるための配管であり、一端が気液分離器４７に接続され、他端がガス供給配管４１に接続されている。ガス循環配管４３には循環ポンプ４９が配置されている。ＦＣスタック２０から排出された水素ガスは、循環ポンプ４９によって適度に加圧されてガス供給配管４１へ導かれる。タンク弁４４、調圧弁４５、インジェクタ４６、排水弁４８、及び循環ポンプ４９の駆動はＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、インジェクタ４６の噴射時間、噴射回数及び／又は循環ポンプ４９の回転速度を制御することによりＦＣスタック２０に供給される水素ガスの流量を調整する。

冷媒配管系６０は、冷媒を循環させることによりＦＣスタック２０を冷却する。冷媒配管系６０は、冷媒配管６１、ラジエータ６２、三方弁６３、循環ポンプ６４、第１温度センサ６５、及び第２温度センサ６６を備える。冷媒配管６１は、ＦＣスタック２０を冷却する冷媒を循環させるための配管であり、冷媒供給配管６１ａと冷媒排出配管６１ｂとバイパス配管６１ｃとで構成されている。冷媒供給配管６１ａはＦＣスタック２０の冷媒供給マニホールドに接続され、冷媒排出配管６１ｂはＦＣスタック２０の冷媒排出マニホールドに接続される。ラジエータ６２は、冷媒供給配管６１ａと冷媒排出配管６１ｂに接続される。バイパス配管６１ｃは、一端が三方弁６３を介して冷媒供給配管６１ａに接続され、他端が冷媒排出配管６１ｂに接続されている。

循環ポンプ６４は、冷媒供給配管６１ａにおいてバイパス配管６１ｃの接続箇所よりも下流側に配置されている。循環ポンプ６４は、例えばウォーターポンプであり、冷媒配管６１とＦＣスタック２０との間で冷媒（例えば冷却液）を循環させる。循環ポンプ６４は、回転方向を正転と反転とで切り替え可能な構成であり、正転時には図示する右回り（矢印方向）に冷媒を循環させることができ、反転時には図示しない左回りに冷媒を循環させることができる。以下において、正転時の右回りの冷媒の流れを順流と称し、反転時の左回りの冷媒の流れを逆流と称す場合がある。ラジエータ６２は、ＦＣスタック２０から排出された冷媒を外気と熱交換することにより冷却する。三方弁６３の開閉及び循環ポンプ６４の駆動はＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、三方弁６３の開閉を制御することにより、バイパス配管６１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ６２への冷媒の流入量を制御する。循環ポンプ６４は冷媒循環機の一例である。

第１温度センサ６５は冷媒供給配管６１ａに取り付けられ、第２温度センサ６６は冷媒排出配管６１ｂに取り付けられている。第１温度センサ６５及び第２温度センサ６６は、ＦＣスタック２０の温度と相関がある冷媒の温度を検出し、ＥＣＵ１０はその検出結果を取得する。ＥＣＵ１０は、第１温度センサ６５及び／又は第２温度センサ６６の検出値からＦＣスタック２０の温度を取得する。第１温度センサ６５及び第２温度センサ６６の検出結果は、例えば後述する暖気処理に用いられる。第１温度センサ６５及び第２温度センサ６６は温度検出器の一例である。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサ３４、調圧弁３６、タンク弁４４、調圧弁４５、インジェクタ４６、排水弁４８、循環ポンプ４９、三方弁６３、循環ポンプ６４、第１温度センサ６５、及び第２温度センサ６６に電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０への要求電力に応じて、エアコンプレッサ３４を制御して空気の流量を調整し、インジェクタ４６及び／又は循環ポンプ４９を制御して水素ガスの流量を調整する。また、ＥＣＵ１０は氷点下始動時において暖気処理を実行する。暖気処理については後述する。

［燃料電池スタックを構成するセル］
図２（ａ）は、ＦＣスタックを構成する各セルの分解平面図、図２（ｂ）は、膜電極ガス拡散層接合体の断面図である。図２（ａ）のように、セル２１は、アノードセパレータ２７ａと、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２６と、ＭＥＧＡ２６を囲む絶縁フレーム５５と、カソードセパレータ２７ｃと、を備える。ＭＥＧＡ２６及び絶縁フレーム５５は、アノードセパレータ２７ａとカソードセパレータ２７ｃとで挟持されている。アノードセパレータ２７ａ及びカソードセパレータ２７ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばステンレス鋼、アルミニウム、又はチタン等の金属部材、或いは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボン等のカーボン部材、によって形成される。絶縁フレーム５５は、ゴム又はエラストマー樹脂等の弾性部材によって形成される。

アノードセパレータ２７ａのＭＥＧＡ２６に対向する面には、燃料ガス供給マニホールド７１と燃料ガス排出マニホールド７２とを連通し、水素ガスが流れるアノードガス流路２８ａが形成されている。カソードセパレータ２７ｃのＭＥＧＡ２６に対向する面には、酸化剤ガス供給マニホールド７３と酸化剤ガス排出マニホールド７４とを連通し、空気が流れるカソードガス流路２８ｃが形成されている。アノードセパレータ２７ａの隣接するセル２１のカソードセパレータ２７ｃに対向する面及び／又はカソードセパレータ２７ｃの隣接するセル２１のアノードセパレータ２７ａに対向する面には、冷媒供給マニホールド７５と冷媒排出マニホールド７６とを連通し、冷媒が流れる冷媒流路２９が形成されている。

図２（ｂ）のように、ＭＥＧＡ２６は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２２と、ＭＥＡ２２の一方の面に設けられたアノードガス拡散層２５ａと、ＭＥＡ２２の他方の面に設けられたカソードガス拡散層２５ｃと、を含む。ＭＥＡ２２は、電解質膜２３と、電解質膜２３の一方の面に設けられたアノード触媒層２４ａと、電解質膜２３の他方の面に設けられたカソード触媒層２４ｃと、を含む。電解質膜２３は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成される固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層２４ａ及びカソード触媒層２４ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金等）を担持するカーボン担体（カーボンブラック等）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。アノードガス拡散層２５ａ及びカソードガス拡散層２５ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えば炭素繊維又は黒鉛繊維等の多孔質の繊維部材によって形成される。

［暖気処理］
氷点下でＦＣスタック２０を始動させる場合、ＦＣスタック２０の昇温を促進させるための暖気処理が行われる。図３は、暖気処理の一例を示すフローチャートである。図３の暖気処理は、燃料電池システム１００が搭載された燃料電池自動車又は定置用燃料電池装置等の始動スイッチがオンされると開始する。図３のように、ＥＣＵ１０は、始動スイッチがオンされると、ＦＣスタック２０を起動する（ステップＳ１０）。すなわち、ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサ３４を駆動してＦＣスタック２０に空気を供給し、タンク弁４４、調圧弁４５、インジェクタ４６、及び循環ポンプ４９を駆動してＦＣスタック２０に水素ガスを供給することで、ＦＣスタック２０を起動（発電を開始）する。

次いで、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度を取得する（ステップＳ１２）。例えば、ＥＣＵ１０は、第１温度センサ６５及び／又は第２温度センサ６６の検出値に基づいてＦＣスタック２０の温度を取得する。なお、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度を取得し、その後にＦＣスタック２０を起動してもよい。

次いで、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度が所定温度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。所定温度は、例えば０℃である。ステップＳ１４の判定は、ＦＣスタック２０の温度が氷点下未満のような低温であるか否かの判定を、冷媒配管６１中の冷媒の温度に基づいて行うものである。ステップＳ１４はＦＣスタック２０が低温状態にあるか否かを判定するものであることから、所定温度は０℃の場合に限られず、例えば−２℃又は−４℃のような０℃より低い温度としてもよいし、１℃又は２℃のような０℃よりも若干高い温度としてもよい。

ステップＳ１４において、ＦＣスタック２０の温度が所定温度以上であると判定された場合（Ｎｏの場合）、ＥＣＵ１０は、暖気処理を終了し、循環ポンプ６４を正転で回転させて、図１のように、冷媒を通常の順流方向で循環させ続ける。一方、ＦＣスタック２０の温度が所定温度未満であると判定された場合（Ｙｅｓの場合）、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６において、ＥＣＵ１０は、循環ポンプ６４の回転方向を正転と反転とで周期的に切り替えることで、冷媒の循環方向を順流と逆流とで周期的に切り替えて冷媒を循環させる（ステップＳ１６）。このとき、三方弁６３はバイパス配管６１ｃ側に開いているものとする。三方弁６３がバイパス配管６１ｃ側に開いていない場合には、ＥＣＵ１０は、三方弁６３を制御して、三方弁６３をバイパス配管６１ｃ側に開かせる。このように、暖気処理においては、ラジエータ６２で冷媒を冷やすことなく冷媒を循環させる。

次いで、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度を取得する（ステップＳ１８）。ＦＣスタック２０の温度は、ステップＳ１０でＦＣスタック２０を起動したことにより次第に上昇する。このことから、ステップＳ１８でのＦＣスタック２０の温度の取得は、循環ポンプ６４が正転で回転して冷媒の流れが順流である状態において、ＦＣスタック２０の排出口側に取り付けられた第２温度センサ６６の検出値に基づき取得する。なお、ＦＣスタック２０の温度を、循環ポンプ６４が反転で回転して冷媒の流れが逆流である状態において、ＦＣスタック２０の供給口側に取り付けられた第１温度センサ６５の検出値に基づき取得してもよい。

図４は、ＦＣスタックの冷媒出入口近傍での温度変化の推移の一例を示す図である。図４の横軸はＦＣスタック２０を起動させてからの経過時間、縦軸は第１温度センサ６５及び第２温度センサ６６で検出される温度である。ＦＣスタック２０の冷媒供給マニホールドに接続する冷媒供給配管６１ａに取り付けられた第１温度センサ６５の検出結果を実線で示し、冷媒排出マニホールドに接続する冷媒排出配管６１ｂに取り付けられた第２温度センサ６６の検出結果を破線で示している。図４のように、循環方向を順流と逆流とで周期的に切り替えて冷媒を循環させることで、第１温度センサ６５の検出値と第２温度センサ６６の検出値はそれぞれ、温度上昇と温度下降とを繰り返しながら全体としては次第に上昇する。第１温度センサ６５の検出値及び第２温度センサ６６の検出値のグラフにおいて、山（谷）の箇所で冷媒の循環方向が切り替わっている。温度上昇はＦＣスタック２０の発電による熱を吸熱した冷媒が対応する温度センサ付近を流れるために起こり、温度下降は冷媒の循環方向が切り替わって冷媒配管６１で冷やされた冷媒が対応する温度センサ付近を流れるために起こる。

第１温度センサ６５の検出値と第２温度センサ６６の検出値は同様な推移で上昇する。したがって、ＦＣスタック２０内の温度分布が小さく抑えられながら、ＦＣスタック２０の温度は上昇する。しかしながら、冷媒の循環方向の切り替えをＦＣスタック２０の温度によらずに一定の周期で行った場合、ＦＣスタック２０を効率的に昇温させることが難しい。このことについて以下に説明する。

図５は、冷媒の循環方向の切り替え周期とＦＣスタックの昇温速度との関係の一例を示す図である。図５の横軸は冷媒の循環方向の切り替え周期であり、右側ほど周期が短い。縦軸はＦＣスタック２０の昇温速度であり、上側ほど昇温速度が速い。図５のように、冷媒の循環方向の切り替え周期を短くするほどＦＣスタック２０の昇温速度は速くなる。これは、ＦＣスタック２０の発電による熱を吸熱した冷媒がＦＣスタック２０の外部に流出する量が少なくなりＦＣスタック２０内の熱がＦＣスタック２０の外部に逃げることが抑制されるため、及び、冷媒配管６１からの冷たい冷媒がＦＣスタック２０内に流入する量が少なく抑えられるためである。しかしながら、循環方向の切り替え周期を過剰に短くすると、ＦＣスタック２０の発熱に対して冷媒が吸熱しきれずに、ＦＣスタック２０内で局所的な発熱が発生することがある。例えば、図５の一点鎖線よりも右側では、ＦＣスタック２０の発熱量によっては冷媒で吸熱しきれずに局所発熱が発生することがある。局所発熱が発生すると高温になる箇所が生じるため、ドライアップによる発電性能の低下を招き、その結果、ＦＣスタック２０の昇温が遅くなることがある。

ＦＣスタック２０の発熱量は、ＦＣスタック２０の温度が上昇してＩＶ特性（電流−電圧特性）が向上することに伴い増加する。したがって、ＦＣスタック２０が低温で起動した直後においては、ＩＶ特性が悪いため、ＦＣスタック２０の発熱量は小さい。ＦＣスタック２０が起動してからの経過時間が長くなるに従って、ＦＣスタック２０の温度が上昇してＩＶ特性が向上するため、ＦＣスタック２０の発熱量は大きくなる。したがって、ＦＣスタック２０の温度が低いときは、ＦＣスタック２０の発熱量が小さいために局所発熱は起こり難いことから、ＦＣスタック２０内の熱が外部に逃げること及びＦＣスタック２０内への冷たい冷媒の流入量が多くなることを抑制するため、冷媒の循環方向の切り替え周期を短くすることが好ましい。一方、ＦＣスタック２０の温度が高いときは、ＦＣスタック２０の発熱量が大きいことから、局所発熱の発生を抑制するために、ＦＣスタック２０内への冷たい冷媒の流入量を増やしてＦＣスタック２０の発熱に対して冷媒で吸熱できるように、冷媒の循環方向の切り替え周期を長くすることが好ましい。

図６は、ＦＣスタックの温度と冷媒の循環方向の切り替え周期との関係の一例を示す図である。図６の横軸はＦＣスタック２０の温度であり、右側ほど温度が高い。縦軸は冷媒の循環方向の切り替え周期であり、上側ほど周期が長い。図６のように、ＦＣスタック２０の温度が低いときは冷媒の循環方向の切り替え周期を短くし、ＦＣスタック２０の温度が高くなるに従って冷媒の循環方向の切り替え周期を長くする。これにより、ＦＣスタック２０の熱が外部に逃げること及びＦＣスタック２０内への冷たい冷媒の流入量が多くなることを抑制してＦＣスタック２０の昇温を促進させること、並びに、ＦＣスタック２０の局所発熱による発電性能の低下を抑制してＦＣスタック２０の昇温を促進させること、の両方を実現できる。

例えば、ＦＣスタック２０の温度が低いときは、ＦＣスタック２０の熱が外部に逃げること及びＦＣスタック２０内への冷たい冷媒の流入量が多くなることを抑制するために、ＦＣスタック２０の冷媒供給マニホールド７５の入口付近（又は冷媒排出マニホールド７６の出口付近）にある冷媒が冷媒排出マニホールド７６の出口付近（又は冷媒供給マニホールド７５の入口付近）に移動する位のタイミングで循環方向が切り替わるようにする。例えば、ＦＣスタック２０の温度が高いときは、ＦＣスタック２０の発電による熱が冷媒で吸熱されて局所発熱が生じ難くなるように、冷媒が冷媒流路２９及び冷媒配管６１を１周する位のタイミングで循環方向が切り替わるようにする。

図３に戻り、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１８で取得したＦＣスタック２０の温度に基づき、冷媒の循環方向の切り替え周期の変更が必要か否かを判定する（ステップＳ２０）。例えば、ＥＣＵ１０は、図６のような、ＦＣスタック２０に局所発熱が起き難く且つＦＣスタック２０の昇温速度が速くなるような切り替え周期をＦＣスタック２０の温度毎に定めたデータをメモリに記憶しておく。そして、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度が予め定めた温度に到達した段階で切り替え周期の変更が必要と判定する。

ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度が上昇して、切り替え周期の変更が必要と判定した場合（ステップＳ２０でＹｅｓの場合）、冷媒の循環方向の切り替え周期が長くなるように変更して（ステップＳ２２）、ステップＳ１６に戻る。例えば、ＥＣＵ１０は、メモリに予め記憶した図６のようなデータに基づき、冷媒の循環方向の切り替え周期を変更する。切り替え周期は、図６のように、ＦＣスタック２０の温度上昇に伴って、２次関数的に長くなっていってもよい。

ＥＣＵ１０は、切り替え周期の変更は不要と判定した場合（ステップＳ２０でＮｏの場合）、ＦＣスタック２０の温度が所定温度以上になったか否かを判定する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４における所定温度は、ステップＳ１４における所定温度と同じ温度の場合でもよいし、ステップＳ１４における所定温度よりも高い温度の場合でもよい。ＦＣスタック２０の温度が所定温度未満（例えば０℃未満）の場合（ステップＳ２４でＮｏの場合）は、ステップＳ１６に戻る。ＦＣスタック２０の温度が所定温度以上になった場合（ステップＳ２０でＹｅｓの場合）は、暖気処理を終了し、ＥＣＵ１０は、循環ポンプ６４を正転で回転させて、図１のように、冷媒を通常の順流方向で循環させ続ける。

実施例によれば、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の温度が所定温度未満である低温始動において、循環ポンプ６４を制御することで冷媒流路２９と冷媒配管６１との間を循環する冷媒の循環方向を周期的に切り替える。このときに、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の低温始動後において第１温度センサ６５又は第２温度センサ６６によって検出されるＦＣスタック２０の温度が高くなるに従って冷媒の循環方向を切り替える周期を長くする。これにより、ＦＣスタック２０の温度が低いときでは、切り替え周期が短いために、ＦＣスタック２０内の熱が外部に逃げること及びＦＣスタック２０内への冷たい冷媒の流入量が多くなることを抑制でき、ＦＣスタック２０の昇温を促進させることができる。ＦＣスタック２０の温度が高いときでは、切り替え周期が長いために、ＦＣスタック２０内への冷たい冷媒の流入量が増えることによってＦＣスタック２０の局所発熱による発電性能の低下を抑制でき、ＦＣスタック２０の昇温を促進させることができる。

実施例では、第１温度センサ６５及び第２温度センサ６６が冷媒配管６１内の冷媒の温度を検出することで、ＦＣスタック２０の温度を間接的に検出する場合を例に示したが、その他の方法によってＦＣスタック２０の温度を検出してもよい。例えば、ＦＣスタック２０の内部に温度センサを設けて、この温度センサがＦＣスタック２０の温度を直接的に検出する場合でもよい。また、冷媒の循環方向の切り替えが可能な冷媒循環機として循環ポンプ６４の場合を例に示したが、その他の場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ＥＣＵ
２０ 燃料電池スタック
２１ セル
２２ 膜電極接合体
２３ 電解質膜
２４ａ アノード触媒層
２４ｃ カソード触媒層
２５ａ アノードガス拡散層
２５ｃ カソードガス拡散層
２６ 膜電極ガス拡散層接合体
２７ａ アノードセパレータ
２７ｃ カソードセパレータ
２８ａ アノードガス流路
２８ｃ カソードガス流路
２９ 冷媒流路
３０ 酸化剤ガス配管系
４０ 燃料ガス配管系
６０ 冷媒配管系
６１ 冷媒配管
６１ａ 冷媒供給配管
６１ｂ 冷媒排出配管
６１ｃ バイパス配管
６２ ラジエータ
６３ 三方弁
６４ 循環ポンプ
６５ 第１温度センサ
６６ 第２温度センサ
７１ 燃料ガス供給マニホールド
７２ 燃料ガス排出マニホールド
７３ 酸化剤ガス供給マニホールド
７４ 酸化剤ガス排出マニホールド
７５ 冷媒供給マニホールド
７６ 冷媒排出マニホールド
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタック内の冷媒流路に供給される冷媒が流れる冷媒配管と、
   前記冷媒配管に配置され、前記冷媒流路と前記冷媒配管との間で前記冷媒を循環させる冷媒循環機と、
   前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、
   前記温度検出器によって検出される前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である低温始動において、前記冷媒循環機を制御することで前記冷媒流路と前記冷媒配管との間を循環する前記冷媒の循環方向を周期的に切り替える制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの低温始動後において前記温度検出器によって検出される前記燃料電池スタックの温度が高くなるに従って前記冷媒の循環方向を切り替える周期を長くする、燃料電池システム。
   

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