JP3769882B2 - 燃料電池装置および燃料電池装置の温度調整方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置および燃料電池装置の温度調整方法に関し、詳しくは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置と、その燃料電池装置における温度調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＦＣと略記）は、アノード側に少なくとも水素を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に少なくとも酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応によって起電力を得る装置である。以下に燃料電池で進行する電気化学反応を表わす式を示す。（１）式はアノードにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（３）式に示す反応が進行する。
【０００３】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【０００４】
このように、燃料電池は、燃料電池に供給される燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するものであり、エネルギ効率が非常に高い装置として知られている。しかしながら、実際に燃料電池を運転する際には、上記電気化学反応は１００％の効率で進行することはなく、燃料が有する化学エネルギの内で電気エネルギとして取り出されなかった残りのエネルギは、熱として外部に放出される。従って、燃料電池装置においては、燃料電池の運転中に生じた熱を取り除き、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲に保つための構成が要求される。
【０００５】
燃料電池の運転中に生じた熱を取り除くためには、従来、冷却水が用いられてきた。燃料電池は、通常、単セルを複数積層したスタック構造として構成されているが、このスタック構造内に所定の形状の流路を形成し、この流路内に冷却水を流通させることによって、電気化学反応の進行と共に生じる熱を冷却水によって取り除き、燃料電池の運転温度を所定の範囲に保つ。このように、電気化学反応と共に生じた熱を冷却水によって取り除く従来の燃料電池装置としては、燃料電池内を通過して燃料電池を冷却することによって昇温した冷却水を、ラジエータなどの熱交換部において冷却し、冷却した冷却水を再び燃料電池内の上記流路に供給するものが知られている（例えば、特開平６−１８８０１３号公報等）。このような動作を行なうことによって、燃料電池内の温度が上昇しすぎてしまうのを防ぎ、燃料電池の運転温度を所定の温度以下に保つことが可能となる。
【０００６】
ここで、燃料電池における発熱量は、燃料電池で進行する電気化学反応の量や、燃料電池における発電効率などによって異なってくる。このような場合に、上記した構成の燃料電池装置では、冷却水を冷却するラジエータが備える冷却ファンのオン−オフ状態を制御し、冷却水の冷却状態（冷却量）を変えることによって、発熱量の変動に対応している。すなわち、所定のポンプを用いて燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させつつ、燃料電池の内部温度（あるいは、燃料電池の内部温度に対応する冷却水などの温度）が所定の温度以下の場合には、上記冷却ファンの運転を停止して冷却水の積極的な冷却を停止し、燃料電池の内部温度が所定の温度以上になったときには、上記冷却ファンの運転を行なって冷却水を積極的に冷却することによって、燃料電池の運転温度を所定の温度以下に保っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の燃料電池装置における温度制御では、燃料電池の運転温度を所定の温度以下に保つ制御は可能であるが、燃料電池を構成する各セルの温度を充分に平均化することは困難であり、燃料電池の性能を充分に確保することが難しいという問題がある。すなわち、燃料電池全体の運転温度は所定の温度以下であっても、燃料電池を構成する各単セルの中には、比較的温度が高い単セルと比較的温度が低い単セルとが混在した状態となり、各単セル毎に出力電圧がばらついてしまう場合がある。ここで、燃料電池の運転温度と出力電圧との関係について説明する。
【０００８】
図１１は、燃料電池の出力電流密度を一定に保った場合において、燃料電池の運転温度と燃料電池の出力電圧との間にみられる関係を示す説明図である。図１１に示すように、燃料電池には、その出力電圧値が最大となるような最適運転温度（図１１中のＴａ）がある。この最適運転温度Ｔａは、燃料電池に供給する燃料ガス中の水蒸気濃度が充分な状態であれば、燃料電池に接続された負荷の大きさがある程度変動しても比較的一定した値を保ち、例えば、固体高分子型燃料電池の場合には、約８０℃程度となる。このような運転温度と出力電圧との関係は、燃料電池を構成するそれぞれの単セルにおいてみられるものである。したがって、燃料電池の性能を向上させるためには、燃料電池を構成する各単セルの運転温度が、この最適運転温度Ｔａに、より近い温度で常に均一に保たれることが望ましい。
【０００９】
燃料電池を構成する各単セル間にみられる温度のばらつきは、各単セルで進行する電気化学反応の状態の違いによって生じる他に、外気温の影響によって生じたり、燃料電池において冷却水の入り口側端部と出口側端部との間にみられる温度勾配によって生じたりする。したがって、冷却ファンのオン・オフ状態を切り替えることによって、燃料電池とラジエータとの間を循環する冷却水を積極的に冷却するかどうかを制御するだけでは、各単セルの温度を望ましい温度で平均化することは困難であり、燃料電池内の温度を望ましい温度範囲で平均化するための構成は従来知られていなかった。
【００１０】
本発明の燃料電池装置は、こうした問題を解決し、燃料電池の内部温度を、最適な温度により近い状態で平均化することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池装置は、少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給する冷却液供給手段と、
前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出する温度分布状態検出手段と、
前記温度分布状態検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、所定の不均一状態にあると判断したときには、前記冷却液供給手段を制御して、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させる冷却液供給制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置は、この燃料電池装置が備える燃料電池において、少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る。このとき、前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給し、前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出する。ここで、前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値を検出した結果に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、所定の不均一状態にあると判断したときには、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させる制御を行なう。
【００１３】
また、本発明の燃料電池装置の温度調整方法は、少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池装置における温度調整方法であって、
前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給し、
前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出し、
該検出した値に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、
前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあると判断したときには、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させることを要旨とする。
【００１４】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置、および燃料電池の温度調整方法によれば、燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断されたときには、燃料電池に供給する冷却液の単位時間当たりの流量、すなわち流速を増加させるため、速やかに燃料電池の内部温度を平均化することができる。冷却液の単位時間当たりの流量を増加させることによって、燃料電池における冷却液の流入側端部と排出側端部との間の温度勾配を小さくすることができると共に、燃料電池を構成する単セル間で温度のばらつきがある場合にも、これら各単セルの温度を平均化することができる。さらに、各単セル内で温度のばらつきが生じている場合にも、冷却水の流速を速めることによって温度を平均化することができる。
また、このような構成の燃料電池装置および燃料電池の温度調整方法では、燃料電池に流入する冷却液の温度と、燃料電池から排出される冷却液の温度との差を検出するため、燃料電池における温度の分布状態の検出を容易に行なうことができる。上記温度差が小さいほど、燃料電池内での温度勾配が小さくなるため、上記温度差によって、各単セル温度のばらつきの程度や、各単セル内での温度のばらつきの程度を推定することができる。
【００１５】
ここで、冷却液としては、水を用いることとしてもよく、また、不凍液を用いて低温時に備える構成としてもよい。また、燃料電池における温度の分布状態を反映する値としては、直接に燃料電池内部の温度を測定することとしてもよいし、燃料電池内部の温度を反映する部位の温度を測定することとしてもよい。燃料電池内部の温度を反映する部位の温度としては、例えば、燃料電池内を通過する冷却液の温度を用いることができる。あるいは、温度を測定する代わりに、燃料電池を構成する各単セルの出力電圧を測定することによっても、燃料電池における温度の分布状態を知ることができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池装置において、
前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と、
前記負荷の大きさを判定する負荷状態判定手段と、
前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、
前記負荷状態判定手段が判定した前記負荷の大きさが所定の値以上であるときに、前記冷却液を冷却するように前記冷却液冷却手段を制御する冷却状態制御手段と
をさらに備えることとしてもよい。
【００１９】
以上のように構成された燃料電池装置では、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷の大きさを判定し、判定した負荷の大きさが所定の値以上であるときに、前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する。したがって、負荷の大きさが大きくなって燃料電池における発熱量が増加したときに、燃料電池の温度が上昇しすぎてしまうことがない。冷却液の冷却状態と冷却液の流速とを制御することによって、燃料電池の内部温度を、望ましい所定の温度により近い状態で平均化することができる。
【００２０】
ここで、前記負荷状態判定手段は、前記燃料電池より排出される前記冷却液の温度に基づいて、前記負荷の大きさを判定する構成も好適である。燃料電池から排出される冷却液の温度は、燃料電池の内部温度に近い温度となっており、この排出される冷却水の温度から、燃料電池の内部温度を充分な精度で推定することができる。負荷が大きくなるに従って、燃料電池での発熱量が増大するため燃料電池の内部温度は上昇する。そのため、燃料電池の内部温度を推定することで、負荷の変動に対応することが可能となる。さらに、燃料電池からの出力電流などを直接測定して冷却液の冷却状態を制御する方法よりも、冷却液の温度から燃料電池の内部温度を推定する方が、精度よく燃料電池の内部温度を所望の温度範囲に保つことができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池装置において、
外気温を反映する値を検出する外気温検出手段をさらに備え、
前記冷却状態制御手段は、前記負荷状態判定手段の判定結果に加えて、前記外気温検出手段が検出した前記外気温を反映する値に基づいて、前記冷却液冷却手段を制御することとしてもよい。
【００２２】
このような構成とすれば、より精度よく燃料電池の内部温度を所望の温度範囲に保つことができる。すなわち、燃料電池を冷却する冷却液の温度の変動状態は、外気温の影響を受けるため、冷却液の冷却状態を外気温の状態に応じて調節することによって、外気温が低いときに冷却水温が低下しすぎてしまい、燃料電池の温度が低下しすぎてしまうことがない。ここで、外気温を反映する値は、外気温そのものを測定する必要はない。外気温の影響を、直接、あるいは間接的に受ける数値を基に判断すればよい。例えば、冷却液の温度変化を測定し、冷却液の冷却を行なっていないときに冷却液の温度が低下しているならば、外気温が低いと判断し、前記冷却液冷却手段を制御することとしてもよい。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池装置において、
前記冷却液冷却手段は、前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する空冷式の冷却手段と、該空冷式の冷却手段に冷却風を送る冷却用ファンとを備え、
外部から流入して前記空冷式の冷却手段を通過する外気の流速を反映する値を検出する流入外気状態検出手段と、
前記流入外気状態検出手段が検出する前記外気の流速を反映する値が、所定値以上の場合には、前記空冷式の冷却手段を通過する前記外気の流れを制限する外気制限手段と
をさらに備えることとしてもよい。
【００２４】
このような構成とすれば、燃料電池が過冷却された状態となるのを防止することができる。すなわち、空冷式の冷却手段では、冷却用ファンを停止している場合であっても、この空冷式の冷却手段に対して速い流速で外気が流入する場合には、冷却手段において冷却水の積極的な冷却が行なわれてしまう。このとき、燃料電池における発熱量が少ない場合には、冷却ファンを停止しているにも関わらず、燃料電池の内部温度が低下してしまう。したがって、上記したように、冷却手段を通過する外気の流速が速い場合には、この外気の流れを制限することによって、燃料電池が過冷却されてしまうのを防ぐことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の構成の概略を例示する概略構成図である。本実施例の燃料電池装置２０は、電気自動車に搭載されており、車両駆動用のモータに対して電力を供給可能に構成されている。この燃料電池装置２０は、発電の本体である燃料電池２２と、冷却ファン２４を備えたラジエータ２６と、燃料電池２２内に形成された冷却水の流路とラジエータ２６内に形成された冷却水の流路とを接続する冷却水路２８と、冷却水路２８内で冷却水が循環する駆動力を発生する冷却水ポンプ３０と、制御部５０とを備える。ここで、ラジエータ２６，冷却水路２８，冷却水ポンプ３０および制御部５０は、燃料電池２２の運転温度を所定の範囲内に保つために、燃料電池２２に対して冷却水の給排を行なう冷却水給排部２１を構成している。すなわち、図１では、燃料電池装置２０の構成要素のうち、冷却水給排部２１に関する部分のみを示している。なお、実際の燃料電池装置２０は、冷却水給排部２１の他に、後述する燃料ガス給排部や酸化ガス給排部を備えている。以下に、燃料電池装置２０を構成する各構成要素について順次説明する。
【００２６】
最初に、燃料電池２２の構成およびその動作について説明する。燃料電池２２は、固体高分子電解質型燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。燃料電池２２は、アノード側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に酸素を含有する酸化ガスの供給を受けると、既述した（１）ないし（３）式に示した電気化学反応を進行する。図２は、燃料電池２２を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
【００２７】
アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極に接する片面にだけリブを形成することにしてもよい。
【００２８】
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜４１上にプレスする構成も好適である。
【００２９】
アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード４２およびカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。また、本実施例では、上述したように白金などからなる触媒を電解質膜４１上に付着させる構成としたが、アノード４２およびカソード４３の電解質膜４１と接する側の表面に、白金などからなる触媒のペーストを塗布することとしてもよい。
【００３０】
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直交するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００３１】
図３に、実際に単セル４８が積層される様子を分解斜視図によって表わす。セパレータ４４，４５は、実際のスタック構造では、端部セパレータ６０，６１、中央セパレータ７０、冷却セパレータ８０のいずれかとして構成されている。これらのセパレータは、積層面が正方形状である板状に形成されている。なお、図３においては、端部セパレータ６１は記載されていないが、この端部セパレータ６１は、端部セパレータ６０と同じ形状のセパレータを端部セパレータ６０とは異なる向きに配置するものであり、説明の便宜上、端部セパレータ６１とよぶものである。以下に、上記各セパレータそれぞれの構造について説明する。
【００３２】
端部セパレータ６０，６１、中央セパレータ７０および冷却セパレータ８０には、その周辺部の２カ所（図３中の上部両隅）に、断面が円形の冷却水孔８１，８２が形成されている。この冷却水孔８１，８２は、上記スタックを形成した際、スタックを積層方向に貫通する冷却水の流路を形成する。また、上記三種類のセパレータの積層面の各辺の縁付近には、それぞれの辺に沿って、細長い一対の燃料ガス孔８３，８４および一対の酸化ガス孔８５，８６が形成されている。この燃料ガス孔８３，８４および酸化ガス孔８５，８６は、スタックを形成した際、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスの流路を、スタックの積層方向に貫通して形成する。
【００３３】
端部セパレータ６０の片面（図３中正面側）には、対向する燃料ガス孔８３，８４間を連絡する複数の平行な溝状のリブ６２が形成されている。リブ６２は、スタックを形成した際には隣接するアノード４２との間に既述した燃料ガス流路４４Ｐを形成する。端部セパレータ６０の他面（図３中裏面側）は、溝構造のないフラットな面となっている。
【００３４】
中央セパレータ７０の片面（図３中正面側）には、対向する燃料ガス孔８３，８４間を連絡する複数の平行な溝状のリブ６２が形成されている。リブ６２は、スタックを形成した際には隣接するアノード４２との間に既述した燃料ガス流路４４Ｐを形成する。中央セパレータ７０の他面（図３中裏面側）には、対向する酸化ガス孔８５，８６間を連絡し、リブ６２と直交する複数の溝状のリブ６３が形成されている。リブ６３は、スタックを形成した際には、隣接するカソード４３との間に既述した酸化ガス流路４５Ｐを形成する。
【００３５】
冷却セパレータ８０の片面（図４中裏面側）には、対向する酸化ガス孔８５，８６間を連絡する複数の平行な溝状のリブ６３が形成されている。リブ６３は、スタックを形成した際には隣接するカソード４３との間に既述した酸化ガス流路４５Ｐを形成する。また、冷却セパレータ８０の他面（図３中正面側）には、既述した冷却水孔８１，８２間を連絡する葛折状の溝８７が形成されている。スタックを形成する際には、冷却セパレータ８０は後述するように端部セパレータ６０と隣接するが、このとき溝８７は、端部セパレータ６０のフラットな面との間で冷却水路を形成する。以下、この冷却水路を、冷却水路８７Ｐと呼ぶ。
【００３６】
なお、上記三種類のセパレータは、既述したように緻密質カーボンによって形成することとしたが、導電性を有する他の部材によって形成することとしてもよい。例えば、剛性および伝熱性を重視して、端部セパレータ６０，６１や冷却セパレータ８０を銅合金やアルミニウム合金などの金属で形成してもよい。
【００３７】
上記したセパレータを積層してスタック構造を形成するときには、電解質膜４１をアノード４２およびカソード４３で挟持した構造を、上述した各セパレータでさらに両側から挟持して組み付ける。図３では、端部セパレータ６０，中央セパレータ７０，冷却セパレータ８０を各一枚ずつしか示さなかったが、実際にスタック構造を構成するときには、中央セパレータ７０は、所定の枚数を連続して積層する。この中央セパレータ７０を連続して積層する枚数（あるいは、スタック中における冷却セパレータ８０の割合）は、燃料電池２２に接続される負荷の大きさなどから予想される単セル４８の発熱量，燃料電池２２に供給される冷却水の温度，燃料電池２２に供給される冷却水の流量の範囲などの条件により定まる。本実施例では、中央セパレータ７０が５枚連続する毎に、端部セパレータ６０および冷却セパレータ８０を一組ずつ配置した。したがって、スタック構造を形成する際には、図３における奥側から手前側に対応する方向において、冷却セパレータ８０、端部セパレータ６０，中央セパレータ７０を５枚の順で、各セパレータを繰り返し積層することになる。
【００３８】
なお、上記したように各セパレータを積層してスタック構造を形成する際に、図３の手前側に対応する端部では、連続する５枚の中央セパレータ７０に続いて、端部セパレータ６１が積層される。この端部セパレータ６１は、既述した端部セパレータ６０と同様の構造を備えるものであるが、積層方向に対する向きが、図３に示した端部セパレータ６０とは異なって配設されている。すなわち、フラットな面が上記スタック構造の外側に面しており、リブを形成する面は、スタック構造の内側に面して、隣接するカソード４３と接している。ここで、端部セパレータ６１に形成されたリブは、図３に示す中央セパレータ７０におけるリブ６３と平行であって、カソード４３との間に酸化ガス流路４５Ｐを形成している。
【００３９】
上記したようにセパレータを積層したスタック構造の両端には、さらに集電板９１，９２、絶縁板９３，９４、エンドプレート９５，９６が配設されてスタック構造が完成される。図４は、これら集電板９１，９２、絶縁板９３，９４、エンドプレート９５，９６の構成を表わす分解斜視図である。スタック構造の端部において、上記端部セパレータ６１が配設された側には、集電板９１、絶縁板９３、エンドプレート９５がこの順でさらに積層されて、供給側端部を形成する。また、スタック構造の他端側には、集電板９２、絶縁板９４、エンドプレート９６がこの順でさらに積層されて、排出側端部を形成する。
【００４０】
これら集電板９１，９２、絶縁板９３，９４、エンドプレート９５，９６は、既述した各セパレータと略同一の形状を備えている。また、供給側端部を形成する集電板９１、絶縁板９３、エンドプレート９５には、冷却水孔８１，燃料ガス孔８３，酸化ガス孔８５に対応する位置に、それぞれ、冷却水孔１０１，燃料ガス孔１０２，酸化ガス孔１０３が設けられている。スタック構造のもう一方の端部側に配設される集電板９２、絶縁板９４、エンドプレート９６には、冷却水孔８２，燃料ガス孔８４，酸化ガス孔８６に対応する位置に、それぞれ、冷却水孔１０４，燃料排ガス孔１０５，酸化排ガス孔１０６が設けられている。
【００４１】
集電板９１，９２は、導電性の高い材料、例えば銅などにより形成されている。この集電板９１，９２は、端子９７を備えており、この端子９７を介して燃料電池２２からの出力を外部に取り出すことが可能となっている。絶縁板９３，９４は、絶縁性材料、例えばゴムや樹脂などにより形成されている。この絶縁板９３，９４は、発電の本体である上記スタック構造と、このスタック構造を収容する所定のケーシング構造やエンドプレート９５，９６との間を絶縁するための部材である。エンドプレート９５，９６は、剛性の高い材料、例えば鋼などにより形成されている。このエンドプレート９５，９６は、単セル４８を積層して構成した燃料電池スタックにおいて、外部からその積層方向に加えられる押圧力を、燃料電池スタックの端部において受け止めるための構造である。
【００４２】
単セル４８を積層して構成した燃料電池スタックは、本実施例では所定のケーシング構造に納められ、上記したように、各部材間においてその積層方向に所定の押圧力が加えられた状態で保持される。このようにして構成された燃料電池２２には、既述した冷却水給排部２１と、燃料ガス給排部および酸化ガス給排部が接続される。
【００４３】
燃料ガス給排部は、燃料電池２２に水素リッチな燃料ガスを給排するための装置である。燃料ガスとしては、純度の高い水素ガスを用いることとしてもよいし、炭化水素系の原燃料を改質して得た改質ガスを用いることとしてもよい。燃料ガスとして水素ガスを用いる場合には、燃料ガス給排部は、水素ガス貯蔵部を備える。水素ガスは、所定の大きさのボンベに圧縮貯蔵することとしてもよいし、水素吸蔵合金に吸蔵させて貯蔵することとしてもよい。
【００４４】
燃料ガス給排部は、上記エンドプレート９５が備える燃料ガス孔１０２に接続され、この燃料ガス孔１０２を介して、水素リッチな燃料ガスを燃料電池２２内部に導入する。燃料ガス孔１０２から燃料電池２２内に導入された燃料ガスは、積層されたセパレータが有する燃料ガス孔８３によって形成される燃料ガス流路内に導かれる。この燃料ガス流路内の燃料ガスは、各単セル４８が備える燃料ガス流路４４Ｐから各アノード４２に供給され、（１）式に示した電気化学反応に供される。燃料ガス流路４４Ｐを経由した燃料ガスは、燃料排ガスとして、積層されたセパレータが有する燃料ガス孔８４によって形成される燃料排ガス流路内に導かれる。ここで、燃料ガスが供給されたエンドプレート９５と対向する側のエンドプレート９６が備える燃料排ガス孔１０５にも、燃料ガス給排部が接続されている。電気化学反応に供された後の上記燃料排ガスは、上記燃料排ガス孔１０５を介して燃料電池２２から外部に排出される。
【００４５】
酸化ガス給排部は、燃料電池２２に酸素を含有する酸化ガスを給排するための装置である。酸化ガスとしては、本実施例では、圧縮空気を用いている。酸化ガス給排部は、コンプレッサを備えており、外部から取り込んだ空気をこのコンプレッサによって圧縮して、燃料電池２２に供給する。
【００４６】
酸化ガス給排部は、上記エンドプレート９５が備える酸化ガス孔１０３に接続され、この酸化ガス孔１０３を介して、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池２２内部に導入する。酸化ガス孔１０３から燃料電池２２内に導入された酸化ガスは、積層されたセパレータが有する酸化ガス孔８５によって形成される酸化ガス流路内に導かれる。この酸化ガス流路内の酸化ガスは、各単セル４８が備える酸化ガス流路４５Ｐから各カソード４３に供給され、（２）式に示した電気化学反応に供される。酸化ガス流路４５Ｐを経由した酸化ガスは、酸化排ガスとして、積層されたセパレータが有する酸化ガス孔８６によって形成される酸化排ガス流路内に導かれる。ここで、酸化ガスが供給されたエンドプレート９５と対向する側のエンドプレート９６が備える酸化排ガス孔１０６にも、酸化ガス給排部が接続されている。電気化学反応に供された後の上記酸化排ガスは、上記酸化排ガス孔１０６を介して燃料電池２２から外部に排出される。
【００４７】
冷却水給排部２１は、上記エンドプレート９５が備える冷却水孔１０１に接続され、この冷却水孔１０１を介して、冷却水を燃料電池２２内部に導入する。冷却水孔１０１から燃料電池２２内に導入された冷却水は、積層されたセパレータが有する冷却水孔８１によって形成される冷却水路内に導かれる。この冷却水路内の冷却水は、既述した冷却セパレータ８０が端部セパレータ６０との間に形成する冷却水路８７Ｐ内に供給され、燃料電池内部において熱交換を行なう。冷却水路８７Ｐを経由して昇温した冷却水は、積層されたセパレータが有する冷却水孔８２によって形成される冷却水路内に導かれる。ここで、冷却水が供給されたエンドプレート９５と対向する側のエンドプレート９６が備える冷却水孔１０４にも、冷却水給排部２１が接続されている。燃料電池と熱交換して昇温した上記冷却水は、上記冷却水孔１０４を介して燃料電池２２から外部に排出される。
【００４８】
なお、上記した説明では、単一のスタック構造によって燃料電池２２を構成することとしたが、燃料電池装置２０は、要求される出力に応じて、複数のスタック構造を直列あるいは並列に接続した状態で備えることとしてもよい。また、上記した説明では、燃料電池２２に対する燃料ガス、酸化ガスおよび冷却水の給排において、供給と排出とはそれぞれ対向する端部から行なうこととしたが、同じ側の端部において、供給と排出との両方を行なうこととしてもよい。
【００４９】
次に、本発明の要部に対応する冷却水給排部２１の構成について、図１に基づいて詳しく説明する。ラジエータ２６は、既述したように、上記冷却水給排部２１を構成する部材であり、燃料電池２２に供給されて燃料電池２２内で熱交換することによって昇温した冷却水を降温させるための装置である。ラジエータ２６は、上記昇温した冷却水を導く流路を備える熱交換部として形成されている。この熱交換部は、外気が通過可能な構造を有し、この通過する外気と上記流路内の冷却水との間で熱交換可能となっている。さらに、ラジエータ２６は、既述したように冷却ファン２４を併設している。冷却ファン２４を駆動すると、この冷却ファン２４によって生じる冷却風は、上記熱交換部を通過すると共に、上記流路内を流れる冷却水から熱量を奪い、冷却水の積極的な冷却が行なわれる。したがって、燃料電池装置２０が備えるラジエータ２６および冷却ファン２４は、燃料電池２２の出力電流が最大値（本実施例では、車両の坂道登坂時や急加速時に対応）と最小値（車両のアイドリング時に対応）との間で激しく変動し、燃料電池２２における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２２の運転温度が常に所定温度（例えば８０℃）以下となるように、冷却水を充分に冷却可能な性能を有することが望ましい。この冷却ファン２４は、制御部５０に接続されており、制御部５０によってその駆動状態（オン・オフ）が制御される。
【００５０】
冷却水ポンプ３０は、既述したように、冷却水路２８内で冷却水が循環する駆動力を発生する装置であり、駆動電圧の大きさによってその駆動量（冷却水のポンピング量）を調節可能となっている。その駆動電圧の大きさは、０ボルトから１０ボルトの範囲で変化させることができ、駆動電圧１０ボルトのときに、冷却水路２８内を循環する冷却水の流量が最大となる。本実施例では、このような冷却水ポンプ３０の駆動電圧の大きさを変化させることによって、冷却水のポンピング量を調節し、それによって燃料電池２２内の温度分布状態の平均化を図っている。したがって、燃料電池装置２０に備える冷却水ポンプ３０としては、燃料電池２２の出力電流が激しく変動し、燃料電池２２における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２２内の温度分布状態を充分に平均化できるように、冷却水の流量を調節することが可能な性能を有することが望ましい。この冷却水ポンプ３０は、制御部５０に接続されており、制御部５０によってその駆動電圧の大きさが制御される。
【００５１】
燃料電池２２内の冷却水の流路とラジエータ２６内の冷却水の流路との間に冷却水を循環させる冷却水路２８には、冷却水路２８内の冷却水の温度を検出する温度センサ３２および３４が設けられている。温度センサ３２は、燃料電池２２の端部の既述した冷却水孔１０１と冷却水路２８との接続部付近に設けられており、温度センサ３４は、同じく既述した冷却水孔１０４と冷却水路２８との接続部付近に設けられている。したがって、温度センサ３２は、燃料電池２２に供給される冷却水の温度（入り口部冷却水温Ｔ1 ）を検出し、温度センサ３４は、燃料電池２２から排出される冷却水の温度（出口部冷却水温Ｔ2 ）を検出する。これらの温度センサ３２，３４は制御部５０に接続されており、検出した冷却水の温度に関する情報を制御部５０に入力可能となっている。
【００５２】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５８と、ＣＰＵ５４での演算結果に応じて駆動信号の出力などを行なう入出力ポート５２等を備える。この制御部５０は、既述した温度センサ３２，３４と接続してこれらから既述した冷却水の温度に関する情報を入力し、既述した冷却ファン２４および冷却水ポンプ３０と接続して、これらに駆動信号を出力する。
【００５３】
また、燃料電池装置２０は、既述したように、電気自動車の駆動用モータに電力を供給する装置であるため、燃料電池装置２０の始動時に必要な電力を確保するために、所定の容量を有する２次電池（図示せず）を備えている。この２次電池は、燃料電池装置２０の始動時において、燃料電池２２から充分な電力の供給が得られない間に、既述した冷却水ポンプ３０や冷却ファン２４、あるいは、燃料ガス給排部や酸化ガス給排部を構成する各種ポンプなどを駆動するための電源として利用される。あるいは、この２次電池の容量を充分な大きさにして、所定の時間内であれば２次電池単独で電気自動車を駆動可能な構成としてもよい。このような構成とすれば、燃料電池装置２０の始動時において、燃料電池２２の昇温状態に関わらず電気自動車を走行させることが可能となる。
【００５４】
次に、燃料電池２２の内部を、所定の望ましい温度（図１１のＴａに対応する温度）に近い温度でより均一な状態に保つために、冷却水給排部２１で行なわれる動作について説明する。本実施例の燃料電池装置２０では、冷却水ポンプ３０の駆動電圧の大きさを制御することによって、燃料電池２２の内部温度の平均化を図ると共に、冷却ファン２４の駆動状態を制御することによって、燃料電池２２の内部温度を７０〜８０℃の温度範囲に保つ制御が行なわれる。すなわち、燃料電池２２の内部温度が所定の不均一状態にあると判断されるときには、冷却水ポンプ３０の駆動量を増加させて、流路内を流れる冷却水の単位時間当たりの流量を増大させ（流速を速め）、燃料電池２２の内部温度の平均化を図る。また、燃料電池２２の内部温度が上記温度範囲を超えた場合には、冷却ファン２４を駆動して冷却水を積極的に冷却し、燃料電池２２の内部温度を低下させる。
【００５５】
このような制御を行なう際に、本実施例では、燃料電池２２の内部温度の分布状態を、上記入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴの値に基づいて判断している。上記ΔＴの値は、燃料電池２２内における温度勾配の大きさを表わし、この値は、冷却水の流速を速めて、燃料電池２２内を通過する冷却水温度を平均化することによって小さくすることができる。すなわち、冷却水の流速を速めることによって、燃料電池２２全体の温度勾配を小さくして、内部温度の平均化を図ることができる。また、冷却水の流速を速めて、燃料電池２２内を通過する冷却水の温度を平均化することによって、燃料電池を構成する単セルの内で、周囲の単セルとは異なった温度傾向を示す単セルの温度を平均化する効果も上昇する。したがって、上記ΔＴの値が充分小さくなるように、冷却水の流速を制御することによって、燃料電池２２内の温度分布状態を充分に平均化することができる。
【００５６】
本実施例では、上記したように冷却水の流速を制御する際に、上記ΔＴの値が所定の基準値以下となるように、冷却水ポンプ３０の駆動状態を制御している。この基準値は、燃料電池と冷却水間の熱交換効率などに基づいて設定すればよいが、本実施例では、予め実験的に、この基準値を５℃と定めた。すなわち、冷却水の流速と燃料電池内の温度分布状態との関係を調べるために、上記実施例と同様の所定数（例えば１００組）の単セルを積層したスタック構造を組み立て、このスタック構造を構成する各単セルの出力電圧を測定すると共に、上記スタック構造に供給する冷却水の流速を変化させながら、ΔＴの値を測定した。このような測定を行なうと、全体的な傾向としては、冷却水の流速を速めてΔＴの値を小さくするほど、各単セルの出力電圧差を減少させることができる。しかしながら、冷却水の流速を速めるほど、冷却水を循環させる冷却水ポンプで消費する電力量は多くなってしまう。したがって、燃料電池内の温度分布状態を平均化することによって発電効率を向上させても、冷却水ポンプで消費する電力量が増大するために、燃料電池装置全体のエネルギ効率をかえって低下させてしまう場合がある。以上のことより、本実施例では、冷却水ポンプで消費する電力量が許容範囲であって、冷却水の流速を速めることによる効果が充分に得られる状態として、上記基準値を５℃と定め、燃料電池の内部温度の平均化を図った。
【００５７】
また、本実施例では、燃料電池２２内の温度を、上記出口部冷却水温Ｔ2 に基づいて判定している。燃料電池２２から排出された冷却水の温度は、燃料電池２２の内部温度をよく反映しており、燃料電池２２における平均的な内部温度をＴFCとすると、このＴFCの値は、Ｔ2 ＋αで近似することができる。本実施例の燃料電池２２では、このαの値を１０℃として、燃料電池２２内の温度を推定することとした。
【００５８】
燃料電池２２は、既述したように、電気化学反応の進行と共に熱量を生じるため、冷却ファン２４を駆動してラジエータ２６において冷却水の積極的な冷却を行なわない限り、冷却水を循環させていても燃料電池の内部温度ＴFCは徐々に上昇を続ける。従って、本実施例では、上記ＴFCの値が８０℃を超えたときに、このＴFCの値が７０℃より低くなるまで冷却ファン２４を駆動するという制御を行なって、燃料電池の内部温度ＴFCを７０〜８０℃の温度範囲に保っている。
【００５９】
以下に、燃料電池２２が定常状態となっているときに行なわれる制御のようすについて、図５および図６に従って説明する。図５は、本実施例の燃料電池装置２０において、燃料電池２２の運転状態が定常状態に達した後に、所定時間ごとに実行される定常運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。燃料電池装置２０は、その始動時には、後述する始動時の処理が実行されるが、燃料電池２２の運転温度が所定の温度に達して定常状態になったと判断されると、ＣＰＵ５４によって、この定常運転時処理ルーチンが実行されるようになる。また、図６は、上記定常運転時処理ルーチンに従った制御が行なわれるときの、冷却水ポンプ３０および冷却ファン２４の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子を表わす説明図である。図６において横軸は時間軸を表わし、図６（Ａ）は冷却水温の推移の様子を、図６（Ｂ）は冷却水ポンプの駆動電圧の制御の様子を、図６（Ｃ）は、冷却ファン２４のオン・オフ制御の様子を表わす。
【００６０】
定常運転時処理ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５４は、まず、温度センサ３２，３４から、入り口部冷却水温Ｔ1 および出口部冷却水温Ｔ2 を読み込む（ステップＳ２００）。次に、これらの値を基に、入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴと、燃料電池２２の運転温度ＴFC の算出を行なう（ステップＳ２１０）。ここで、ＴFCの値は、上述したように、出口部冷却水温Ｔ2 の値に１０℃加えた値として求めた。
【００６１】
次に、ステップＳ２１０で求めたΔＴの値が、既述した基準となる値である５℃よりも小さいかどうかを判断する（ステップＳ２２０）。ΔＴの値が５℃よりも小さい場合には、燃料電池２２内の温度分布状態は充分に平均化させていると判断して、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を所定時間だけ低下させ（ステップＳ２４０）、冷却水の流速を遅くして消費エネルギの低減を図る。
【００６２】
ステップＳ２２０において、ΔＴの値が５℃以上である場合には、燃料電池２２内の温度分布状態が不均一な状態であると判断して、所定時間だけ冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させ（ステップＳ２３０）、冷却水の流速を速くして、燃料電池内の温度分布状態の平均化を図る。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ1 および経過時間ｔ3 の時点に相当する。冷却水の流速を速くすることによって、上記ΔＴの値は減少する。
【００６３】
このように、冷却水の流速を速くすることによって燃料電池２２の内部温度を平均化した後、あるいは、燃料電池の内部温度がすでに充分に平均化されていると判断されて、ステップＳ２４０において冷却水ポンプ３０における駆動電圧を低下する処理を行なった後には、燃料電池の内部温度の高低、すなわち、燃料電池の内部温度ＴFCが８０℃を超えているかどうかを判断する（ステップＳ２５０）。燃料電池の内部温度ＴFCが８０℃を超えている場合には、燃料電池２２の内部温度が上昇しすぎていると判断し、冷却ファン２４を駆動して（ステップＳ２８０）、冷却水の積極的な冷却を開始し、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ2 の時点に相当する。冷却ファン２４を駆動して冷却水を冷却することによって、燃料電池の内部温度ＴFCは低下を始める。
【００６４】
ステップＳ２５０において、燃料電池の内部温度ＴFCが８０℃以下であると判断された場合には、次に、冷却ファン２４が駆動されている状態にあるかどうかを判断する（ステップＳ２６０）。冷却ファン２４が停止状態にある場合には、燃料電池の内部温度が上昇しすぎておらず、また、冷却水を積極的に冷却していない状態であるため、冷却ファン２４を停止状態としたまま（ステップＳ２７０）、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間０〜ｔ2 および経過時間ｔ4 以降の期間に相当する。冷却ファン２４が停止状態であるため、通常は、燃料電池２２における電気化学反応の進行に伴って、燃料電池の内部温度ＴFCは徐々に上昇を続ける。
【００６５】
ステップＳ２６０において、冷却ファン２４が駆動状態にあると判断された場合には、次に、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃より低いかどうかを判断する（ステップＳ２９０）。ステップＳ２９０において、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上である場合には、燃料電池２２の内部温度ＴFCが一旦８０℃を超えて冷却ファン２４の駆動を開始した後、燃料電池内の運転温度がまだ充分に下降していない状態にあると判断されて、冷却ファン２４を駆動状態としたまま（ステップＳ２７０）、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ2 〜ｔ4の期間に相当する。冷却ファン２４が駆動状態のままであるため、燃料電池の内部温度ＴFCは下降を続ける。
【００６６】
ステップＳ２９０において、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃より低いと判断された場合には、冷却ファン２４を駆動することによって燃料電池の内部温度は充分に低下したと判断されて、冷却ファン２４を停止し（ステップＳ３００）、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ4 の時点に対応する。冷却ファン２４を停止すると、通常は、燃料電池２２における電気化学反応の進行に伴って、燃料電池の内部温度ＴFCは上昇を始める。
【００６７】
以上、燃料電池２２の定常運転時に行なわれる制御について、図５および図６に基づいて説明した。なお、図６（Ｂ）では、既述したステップＳ２４０における冷却水ポンプ３０の駆動電圧を低減する動作については記載を省略しており、上記ΔＴが５℃を超えたときに冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させる制御のみを表わしている。もとより、図６に示したように冷却水ポンプ３０の駆動電圧を４Ｖと６Ｖの間で切り替える制御の代わりに、さらに細かく段階的に冷却水ポンプ３０の駆動電圧を増減して制御を行なうこととしてもよい。また、既述した説明では、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を増減する制御は所定時間だけ行なうこととしたが、上記ΔＴの値をフィードバックさせて、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を増減する時間を制御することとしてもよい。すなわち、ΔＴの値が基準値以下になるまで冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させた状態を保つ、あるいは、ΔＴの値が基準値以下の状態を保つ範囲で、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を下降させた状態を保つという制御を行なってもよい。
【００６８】
以上のように構成された本実施例の燃料電池装置２０によれば、既述した入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との温度差が所定の温度（５℃）以上になったときには、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させて冷却水の流速を速くする制御を行なう。ここで、既述したように、入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との温度差は、燃料電池２２内における温度分布の均一性を反映しているため、上記温度差を検出して冷却水の流速を早めることによって、燃料電池内の温度分布が非所望の不均一状態になった場合にも、速やかに燃料電池２２内の温度分布状態を平均化することができる。
【００６９】
ここで、燃料電池２２内の温度分布状態の平均化に関して、冷却水の流速を速めることによって得られる効果としては、単に、冷却水の入り口部側と出口部側との温度勾配が小さくなるばかりでなく、各単セル間の温度差がより小さくなるとともに、各単セル内の温度差がより小さくなるという効果が得られる。すなわち、周囲の単セルとは異なる温度傾向を示す単セルがあった場合にも、冷却水の流速を速めることによって、この単セル温度を周囲と平均化することができ、所定の単セル内で高温部領域と低温部領域とがあった場合にも、これらの領域を通過する冷却水の流速を速めることによって、この単セル内での温度分布状態を平均化することができる。
【００７０】
さらに、本実施例の燃料電池装置２０では、冷却水給排部２１は、燃料電池２２とラジエータ２６との間で冷却水を循環させる構成となっているため、冷却水の流速を速めることによって、ラジエータ２６における熱交換効率が低下し、ラジエータ２６から燃料電池２２に供給される冷却水の水温が上昇する。したがって、冷却水の流速を速めることによって入り口部冷却水温Ｔ1 の温度が上昇し、より速くΔＴを小さくすることができる。
【００７１】
また、上記実施例では、ステップＳ２２０において入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴの値が５℃より小さいと判断されると、冷却水ポンプ３０における駆動電圧を低下させて、冷却水の流速を遅くする制御を行なう。このように、燃料電池２２の内部温度が充分に平均化されているときには、冷却水の流速を遅くして不要なエネルギの消費を抑えるため、燃料電池装置２０全体でのエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００７２】
なお、上記実施例では、出口部冷却水温Ｔ2 にαを加えた温度を燃料電池２２の内部温度として扱い、このαの値は冷却水の流量に関わらず一定の１０℃としたが、冷却水の流量によって冷却水と燃料電池内部との間の熱交換効率が変化することを考慮して、αの値を補正することとしてもよい。
【００７３】
上記実施例では、燃料電池２２が定常状態に達した後の制御について説明したが、燃料電池装置２０の始動時にも同様の制御が行なわれる。ただし、燃料電池装置２０の始動時は、燃料電池２２の内部温度がまだ充分に昇温していない状態であるため、冷却ファン２４を駆動することによる冷却水の積極的な冷却は行なわれない。燃料電池装置２０の始動時には、電気化学反応を徐々に進行させることによって燃料電池２２内部の昇温を図ると共に、冷却水ポンプ３０の駆動状態を制御することによって、燃料電池２２内部の温度の平均化を図っている。
【００７４】
以下に、燃料電池装置２０の始動時に、燃料電池２２が定常状態に達するまでの間に行なわれる動作を、第２実施例として、図７および図８に従って説明する。
図７は、燃料電池装置２０の始動時に実行される始動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。この始動時処理ルーチンは、燃料電池装置２０を搭載する電気自動車において、所定のスタートスイッチを介して、燃料電池装置２０の始動が使用者によって指示されると実行される。また、図８は、上記始動時処理ルーチンに従った制御が行なわれるときの、冷却水ポンプ３０の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子の一例を表わす説明図である。図８において横軸は時間軸を表わし、図８（Ａ）は冷却水温の推移の様子を、図８（Ｂ）は冷却水ポンプ３０の駆動電圧の制御の様子を表わす。図８（Ｂ）に示すように、燃料電池装置２０の始動時には、冷却水ポンプ３０の駆動電圧は、ΔＴの大きさの変動に伴って、徐々に大きくなるように制御される。上記所定のスタートスイッチを介して燃料電池装置２０の始動が指示されると、冷却水ポンプ３０は、予め設定された所定の始動時駆動電圧（本実施例では１Ｖ）にて駆動される。
【００７５】
始動時処理ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５４は、まず、温度センサ３２，３４から、入り口部冷却水温Ｔ1 および出口部冷却水温Ｔ2 を読み込む（ステップＳ４００）。次に、これらの値を基に、入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴと、燃料電池２２の運転温度ＴFC の算出を行なう（ステップＳ４１０）。ここで、ＴFCの値は、既述したように、出口部冷却水温Ｔ2 の値に１０℃加えた値として求めた。
【００７６】
次に、ステップＳ４１０で求めたΔＴの値が、既述した基準となる値である５℃よりも小さいかどうかを判断する（ステップＳ４２０）。ΔＴの値が５℃よりも小さい場合には、燃料電池２２内の温度分布状態は充分に平均化させていると判断して、冷却水ポンプ３０の出力はそのまま維持する（ステップＳ４５０）。これは、図８における経過時間０〜ｔ5 の期間、ｔ5 〜ｔ 6 の期間、ｔ6 〜ｔ7の期間、ｔ7 〜ｔ8 の期間およびｔ8 以降に相当する。このとき、燃料電池２２では、電気化学反応の量が次第に増加しつつあるため、出口部冷却水温Ｔ2 、入り口部冷却水温Ｔ1 ともに上昇する。また、燃料電池装置２０の始動時には冷却水の温度は低い状態となっているため、電気化学反応の量および発熱量が増大するにしたがって、ΔＴの値も次第に大きくなる。
【００７７】
ステップＳ４２０において、ΔＴの値が５℃以上である場合には、燃料電池２２内の温度分布状態が不均一な状態であると判断されて、冷却水ポンプ３０の出力を所定の１段階（本実施例では１Ｖずつ）増加させ（ステップＳ４３０）、冷却水の流速を速くして、燃料電池内の温度分布状態の平均化を図る。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ5 、ｔ6、ｔ7およびｔ8 の時点に相当する。冷却水の流速を速くすることによって、上記ΔＴの値は減少する。
【００７８】
このように、ΔＴの大きさに応じて冷却水ポンプ３０の駆動状態を制御した後には、燃料電池の内部温度の高低、すなわち、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上であるかどうかを判断する（ステップＳ４４０）。燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃未満の場合には、燃料電池装置２０は、まだ始動状態であると判断されて、ステップＳ４００に戻り、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上となるまで、ΔＴの大きさに応じて冷却水ポンプ３０の駆動電圧を制御する動作を繰り返す。ステップＳ４４０において燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上である場合には、燃料電池装置２０は定常状態に達したと判断されて、本ルーチンを終了し、既述した定常運転時処理ルーチンが起動される。
【００７９】
以上説明した第２実施例の燃料電池装置２０によれば、燃料電池装置２０の始動時に、上記した動作を行なうことによって、燃料電池２２の内部温度を充分に平均化しつつ、定常運転可能な温度（７０℃）にまで燃料電池２２の内部温度を昇温させることができる。また、燃料電池装置２０の始動時には、冷却水ポンプ３０の駆動電圧は低く設定されており、燃料電池２２で進行する電気化学反応の量が少ない間は冷却水の流速が遅いため、効率よく燃料電池２２の内部を昇温させることができる。さらに、燃料電池２２の内部温度が昇温するにしたがって、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させる構成であるため、冷却水ポンプ３０で不必要な電力を消費してしまうことがなく、燃料電池装置２０においてエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００８０】
燃料電池２２においては、電気化学反応の進行に伴って発熱量が増えるため、通常の動作環境では、冷却ファン２４を停止している間は燃料電池２２の内部温度は上昇し続ける。しかしながら、燃料電池装置２０の環境、すなわち、燃料電池装置２０を搭載する電気自動車の使用場所が、外気温の低い地域であったり、この電気自動車が所定の高速で走行することによりラジエータ２６が走行風の影響を受けたり、燃料電池２２に接続される負荷が小さく、電気化学反応に伴う発熱量が小さい場合には、冷却ファン２４を停止していても燃料電池２２が過冷却となってしまう場合がある。このように、冷却ファン２４を停止していても冷却水が降温してしまう場合に、燃料電池２２の過冷却を防止する機能を有した燃料電池装置２０を、第３実施例として以下に説明する。第３実施例の燃料電池装置２０では、冷却ファン２４を停止していても、走行風が強いためにラジエータ２６で冷却水が降温し、燃料電池２２が過冷却となってしまうおそれがある場合に、冷却ファン２４の逆回転を行なって、ラジエータ２６を通過する走行風を妨げる構成となっている。
【００８１】
図９は、第３実施例の燃料電池装置２０において実行される過冷却時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図５に示した定常運転時処理ルーチンと同様に、燃料電池２２の内部温度が所定の温度（７０℃）に達して定常状態になると、所定時間毎に実行される。本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５４は、まず、ΔＴ、ＴFCおよびＴFC-1の値をＲＡＭ５８から読み込む（ステップＳ５００）。なお、ここで読み込むΔＴ、ＴFC、ＴFC-1 の値は、それぞれ、最も最近に実行した定常運転時処理ルーチンにおけるステップＳ２００で読み込んだΔＴの値、同じくＴFCの値およびさらに前回に実行した定常運転時処理ルーチンで読み込んだＴFCの値であり、予めＲＡＭ５８に一時的に記憶されている値である。また、燃料電池装置２０を搭載する電気自動車が備える所定の車速センサから電気自動車の車速Ｖを読み込む（ステップＳ５１０）。
【００８２】
上記読み込みの処理を行なうと、次に、燃料電池２２の内部温度ＴFCが６０℃未満であるかどうか、燃料電池２２の内部温度ＴFCが減少傾向にあるかどうか、車速Ｖが４０ｋｍ／ｈ以上であるかどうかについて判断する（ステップＳ５２０）。ここで、燃料電池２２の内部温度ＴFCが減少傾向にあるかどうかは、ＴFCの値とＴFC-1の値とを比較して判断され、ｄＴFC＝（ＴFC−ＴFC-1）とすると、（ｄＴFC/ｄｔ）の値が負であれば減少傾向にあると判断される。ＴFCが６０℃以上の場合には、燃料電池２２はまだ過冷却にはなっていないと判断される。ＴFCが減少していない場合には、冷却ファン２４を停止することによって充分に燃料電池２２内を昇温可能であると判断される。また、車速が４０ｋｍ／ｈ未満の場合には、走行風の影響が小さいと判断される。したがって、上記した条件の中で当てはまらない条件がある場合には、走行風のために過冷却になった状態ではないと判断されて、そのまま本ルーチンを終了する。
【００８３】
ステップＳ５２０において、上記したすべての条件を満たす場合には、外気温が低かったり負荷が小さいなどの理由で、燃料電池２２における発熱量が小さい状態になっており、走行風が強いために、冷却ファン２４を停止してもラジエータ２６で冷却水が冷却され続けて、燃料電池２２が過冷却になっていると判断さる。したがって、冷却ファン２４の逆回転を行なって（ステップＳ５３０）、本ルーチンを終了する。冷却ファン２４を逆回転することによって、ラジエータ２６を通過する走行風の流れが妨げられる。本実施例では、ステップＳ５３０において冷却ファン２４を逆回転する動作は、所定時間行なうこととした。ここで、燃料電池２２に接続する負荷の大きさや車両の車速Ｖの変化などを考慮して、冷却ファン２４を逆回転させる時間を制御することとしてもよい。
【００８４】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池装置２０によれば、外気温が低かったり負荷が小さい場合に、走行風が強いために、冷却ファン２４を停止してもラジエータ２６で冷却水が冷却され続けて、燃料電池２２が過冷却になる状況に置いて、走行風の影響を減少させることができる。すなわち、冷却ファン２４の逆回転により、ラジエータ２６を通過しようとする走行風が押し戻されるため、ラジエータ２６を通過する冷却水が走行風によって冷却されてしまうのを抑えることができる。
【００８５】
図１０は、冷却ファン２４の通常の駆動と停止による制御だけが行なわれる通常の状態と、走行風の影響で過冷却が起こって冷却ファン２４を逆回転させる制御が行なわれる状態とを表わす説明図である。図１０（Ａ）は、燃料電池２２から排出される出口側冷却水温Ｔ2 の変化の様子を表わし、図１０（Ｂ）は、冷却ファン２４の駆動状態を表わす。通常は、既述したように、冷却ファン２４を停止しているときには燃料電池２２は徐々に昇温するため、出口部冷却水温Ｔ2 が７０℃に達すると、このＴ2 が６０℃に降温するまで冷却ファン２４を駆動する。外気温の低下や負荷の減少によって燃料電池２２における発熱量が減少し、車速Ｖが速いために走行風の影響を受けるようになると、冷却ファン２４を停止しても出口側冷却水温Ｔ2 は降温を続けるようになる（図１０における経過時間ｔ９以降）。このとき、出口側冷却水温Ｔ2 が５０℃以下になると、冷却ファン２４が逆回転されて走行風の影響が抑えられ（図１０における経過時間ｔ１０の時点）、出口側冷却水温Ｔ2 は昇温を始める。
【００８６】
上記第３実施例では、燃料電池装置２０が定常状態で運転している場合について説明したが、燃料電池装置２０の始動時にも同様の制御を行なうことができる。燃料電池装置２０は、既述したように２次電池を備えているが、この２次電池として充分な容量のものを用いれば、燃料電池２２の内部温度が昇温して充分量の電力を取り出すことができるようになる前であっても、車両を走行させることが可能となる。燃料電池２２の始動時には発電量は徐々に増加されるため発熱量は少なく、上記第３実施例のように、車速が速い場合には走行風によって冷却水がラジエータ２６で冷却されてしまい、燃料電池を定常状態に昇温させることができなくなるおそれがある。
【００８７】
燃料電池装置２０の始動時には、第２実施例の始動時処理ルーチンと共に、第３実施例の過冷却時処理ルーチンと同様の処理を実行することとすれば、燃料電池装置２０の始動と共に車両を高速で走行させた場合にも、走行風の影響を抑えて燃料電池２２を昇温させることができる。ここで、燃料電池装置２０の始動時に行なう処理としては、図９の過冷却時処理ルーチンにおけるステップＳ５２０で、出口部冷却水温ＴFCに関する判断だけを省略することとすればよい。
【００８８】
また、上記第３実施例では、走行風の影響で燃料電池２２が過冷却となる場合に、冷却ファン２４を逆回転させる構成としたが、異なる構成によって走行風の影響を抑えることとしてもよい。例えば、冷却ファン２４を逆回転させる代わりに、走行風の流れを妨げる構造を走行風の流路に設けることとしてもよい。車両内を通過する走行風の流路の入り口部、または出口部、あるいは、ラジエータ２６の近傍に、走行風の流路を開閉可能な構造を設け、通常は流路を開状態に保ち、燃料電池２２が過冷却になるときには、冷却ファン２４を逆回転させる代わりに、この開閉構造を閉状態とする。このような構成とすれば、上記第３実施例と同様の効果が得られると共に、冷却ファン２４を逆回転させる場合に比べて、走行風の流れを妨げるために消費する電力量を削減することができる。
【００８９】
あるいは、走行風の影響で燃料電池２２が過冷却となるのを抑える他の構成として、冷却水路２８において、ラジエータ２６をバイパスする流路をさらに設けることとしてもよい。ラジエータ２６内を通過する通常の流路と、上記バイパス流路との接続部位に、制御部５０からの駆動信号によって流路を切り替え可能となる切り替え弁を設けておけば、燃料電池２２が過冷却となるおそれがあるときには、上記バイパス流路内を冷却水が通過するように、上記切り替え弁によって冷却水の流路を切り替えて、燃料電池２２が過冷却となるのを防ぐことができる。このような構成とする場合にも、上記第３実施例と同様の効果が得られると共に、冷却ファン２４を逆回転させる場合に比べて、走行風の流れを妨げるために消費する電力量を削減することができる。
【００９０】
既述した実施例では、燃料電池２２の内部温度ＴFCは、７０℃〜８０℃となるように制御することとしたが、燃料電池の最適な運転温度は、燃料ガスの加湿の状態や、燃料ガスにおける加湿に伴う水素分圧の変化などによっても影響を受ける。したがって、最適な運転温度として設定する温度は、加湿のために消費してしまうエネルギ量などを考慮して、燃料電池装置全体でエネルギ効率が最適な状態により近づくように設定することが望ましい。また、燃料ガスとして炭化水素系の原燃料を改質して得た改質ガスを用いる場合には、改質ガス中の一酸化炭素に起因する触媒被毒により燃料電池の発電効率が影響を受けることがあり、このような場合には、燃料電池の運転温度を上昇させることによって被毒を軽減することができる。したがって、改質ガスを用いる場合には、さらに一酸化炭素の影響を考慮して燃料電池の運転温度を設定することが望ましい。
【００９１】
上記実施例では、燃料電池２２内部を通過して昇温した冷却水は、冷却ファン２４から冷却風を供給されるラジエータ２６内を通過させることによって降温させる構成としたが、他の方法で冷却水の降温を行なうことにしてもよい。例えば、燃料電池に供給する燃料ガスとして水素ガスを用い、この水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させることによって貯蔵する場合には、水素吸蔵合金から水素を取り出す際に水素吸蔵合金を加熱する必要があるが、燃料電池２２を通過することで昇温した上記冷却水の有する熱量を利用して、水素吸蔵合金から水素を放出させることもできる。このような場合にも、燃料電池２２内を通過させる冷却水の流速を制御することによって、燃料電池２２内の温度分布状態を平均化させることができる。
【００９２】
また、燃料電池装置２０では、冷却水給排部２１を構成する冷却水路２８は、燃料電池２２とラジエータ２６との間に冷却水を循環させる閉じた流路としたが、異なる構成とすることもできる。例えば、燃料電池内を通過して昇温した冷却水を用いて、燃料ガスの加湿を行なうこととしてもよい。昇温した冷却水と燃料ガスとを、水蒸気透過性の中空子膜を介して接触させれば、冷却水温および燃料ガス温に応じた量の水蒸気を、冷却水側から燃料ガス側に供給することができる。このような構成の燃料電池装置では、燃料ガスの加湿によって消費した量の冷却水を新たに補うこととすればよい。補う水は、例えば、燃料電池における電気化学反応によって生成される生成水を用いることができる。このような場合にも、燃料電池内を通過させる冷却水の流速を制御することによって、燃料電池内の温度分布状態を平均化させることができる。
【００９３】
また、上記実施例では、燃料電池２２を冷却するための冷却液として冷却水を用いることとしたが、異なる冷却液を用いることとしてもよい。特に、冷却水流路が、既述した実施例のように、燃料電池２２とラジエータ２６との間に冷却水を循環させる閉じた流路として構成されている場合には、冷却液を選択する自由度が増す。例えば、冷却液として不凍液を用いることにすれば、外気温が氷点下になる場合にも、燃料電池装置の停止中に冷却液が凍結してしまうことがない。したがって、次回に燃料電池装置を始動させるときに冷却液を融解させる必要がなく、外気温が低い場合であっても燃料電池装置の立ち上げ時間を短縮することが可能となる。
【００９４】
既述した実施例では、本発明の燃料電池装置２０は、電気自動車に搭載されており、車両駆動用のモータに対して電力を供給する構成としたが、本発明の燃料電池装置２０を異なる用途に用いることもできる。負荷の大きさがある程度変動し、燃料電池における発熱状態が変動する場合には、本発明の構成を適用することによって、燃料電池の内部温度を最適温度により近い状態で平均化することができ、燃料電池の出力状態を良好に保つ上で充分な効果を得ることができる。
【００９５】
また、既述した実施例では、燃料電池装置は固体高分子型燃料電池を備えることとしたが、異なる種類の燃料電池を用いることとしてもよい。例えば、りん酸型燃料電池やアルカリ水溶液電解質型などを用いる場合には、それぞれの運転条件に適した冷媒を選択すれば、燃料電池内を通過させる冷媒の流速を制御することによって、燃料電池内の温度分布状態を平均化させる効果を得ることができる。
【００９６】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の要部の構成の概略を例示する概略構成図である。
【図２】単セル４８の構成を表わす断面模式図である。
【図３】燃料電池２２を構成するスタック構造における積層の様子を表わす分解斜視図である。
【図４】燃料電池２２の端部に配設される部材の構成を表わす分解斜視図である。
【図５】燃料電池装置２０で実行される定常運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】冷却水ポンプ３０および冷却ファン２４の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子を表わす説明図である。
【図７】燃料電池装置２０で実行される始動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図８】冷却水ポンプ３０および冷却ファン２４の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子を表わす説明図である。
【図９】燃料電池装置２０で実行される過冷却時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１０】通常の状態と、冷却ファン２４を逆回転させる制御が行なわれる状態とを表わす説明図である。
【図１１】燃料電池の出力電流密度を一定に保った場合に、燃料電池の運転温度と燃料電池の出力電圧との間にみられる関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２０…燃料電池装置
２１…冷却水給排部
２２…燃料電池
２４…冷却ファン
２６…ラジエータ
２８…冷却水路
３０…冷却水ポンプ
３２，３４…温度センサ
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４，４５…セパレータ
４４Ｐ…燃料ガス流路
４５Ｐ…酸化ガス流路
４８…単セル
５０…制御部
５２…入出力ポート
５４…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５８…ＲＡＭ
６０，６１…端部セパレータ
６２，６３…リブ
７０…中央セパレータ
８０…冷却セパレータ
８１，８２…冷却水孔
８３，８４…燃料ガス孔
８５，８６…酸化ガス孔
８７…溝
８７Ｐ…冷却水路
９１，９２…集電板
９３，９４…絶縁板
９５，９６…エンドプレート
９７…端子
１０１，１０４…冷却水孔
１０２，１０５…燃料ガス孔
１０３，１０６…酸化ガス孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置および燃料電池装置の温度調整方法に関し、詳しくは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置と、その燃料電池装置における温度調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＦＣと略記）は、アノード側に少なくとも水素を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に少なくとも酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応によって起電力を得る装置である。以下に燃料電池で進行する電気化学反応を表わす式を示す。（１）式はアノードにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（３）式に示す反応が進行する。
【０００３】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【０００４】
このように、燃料電池は、燃料電池に供給される燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するものであり、エネルギ効率が非常に高い装置として知られている。しかしながら、実際に燃料電池を運転する際には、上記電気化学反応は１００％の効率で進行することはなく、燃料が有する化学エネルギの内で電気エネルギとして取り出されなかった残りのエネルギは、熱として外部に放出される。従って、燃料電池装置においては、燃料電池の運転中に生じた熱を取り除き、燃料電池の運転温度を所定の温度範囲に保つための構成が要求される。
【０００５】
燃料電池の運転中に生じた熱を取り除くためには、従来、冷却水が用いられてきた。燃料電池は、通常、単セルを複数積層したスタック構造として構成されているが、このスタック構造内に所定の形状の流路を形成し、この流路内に冷却水を流通させることによって、電気化学反応の進行と共に生じる熱を冷却水によって取り除き、燃料電池の運転温度を所定の範囲に保つ。このように、電気化学反応と共に生じた熱を冷却水によって取り除く従来の燃料電池装置としては、燃料電池内を通過して燃料電池を冷却することによって昇温した冷却水を、ラジエータなどの熱交換部において冷却し、冷却した冷却水を再び燃料電池内の上記流路に供給するものが知られている（例えば、特開平６−１８８０１３号公報等）。このような動作を行なうことによって、燃料電池内の温度が上昇しすぎてしまうのを防ぎ、燃料電池の運転温度を所定の温度以下に保つことが可能となる。
【０００６】
ここで、燃料電池における発熱量は、燃料電池で進行する電気化学反応の量や、燃料電池における発電効率などによって異なってくる。このような場合に、上記した構成の燃料電池装置では、冷却水を冷却するラジエータが備える冷却ファンのオン−オフ状態を制御し、冷却水の冷却状態（冷却量）を変えることによって、発熱量の変動に対応している。すなわち、所定のポンプを用いて燃料電池とラジエータとの間で冷却水を循環させつつ、燃料電池の内部温度（あるいは、燃料電池の内部温度に対応する冷却水などの温度）が所定の温度以下の場合には、上記冷却ファンの運転を停止して冷却水の積極的な冷却を停止し、燃料電池の内部温度が所定の温度以上になったときには、上記冷却ファンの運転を行なって冷却水を積極的に冷却することによって、燃料電池の運転温度を所定の温度以下に保っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の燃料電池装置における温度制御では、燃料電池の運転温度を所定の温度以下に保つ制御は可能であるが、燃料電池を構成する各セルの温度を充分に平均化することは困難であり、燃料電池の性能を充分に確保することが難しいという問題がある。すなわち、燃料電池全体の運転温度は所定の温度以下であっても、燃料電池を構成する各単セルの中には、比較的温度が高い単セルと比較的温度が低い単セルとが混在した状態となり、各単セル毎に出力電圧がばらついてしまう場合がある。ここで、燃料電池の運転温度と出力電圧との関係について説明する。
【０００８】
図１１は、燃料電池の出力電流密度を一定に保った場合において、燃料電池の運転温度と燃料電池の出力電圧との間にみられる関係を示す説明図である。図１１に示すように、燃料電池には、その出力電圧値が最大となるような最適運転温度（図１１中のＴａ）がある。この最適運転温度Ｔａは、燃料電池に供給する燃料ガス中の水蒸気濃度が充分な状態であれば、燃料電池に接続された負荷の大きさがある程度変動しても比較的一定した値を保ち、例えば、固体高分子型燃料電池の場合には、約８０℃程度となる。このような運転温度と出力電圧との関係は、燃料電池を構成するそれぞれの単セルにおいてみられるものである。したがって、燃料電池の性能を向上させるためには、燃料電池を構成する各単セルの運転温度が、この最適運転温度Ｔａに、より近い温度で常に均一に保たれることが望ましい。
【０００９】
燃料電池を構成する各単セル間にみられる温度のばらつきは、各単セルで進行する電気化学反応の状態の違いによって生じる他に、外気温の影響によって生じたり、燃料電池において冷却水の入り口側端部と出口側端部との間にみられる温度勾配によって生じたりする。したがって、冷却ファンのオン・オフ状態を切り替えることによって、燃料電池とラジエータとの間を循環する冷却水を積極的に冷却するかどうかを制御するだけでは、各単セルの温度を望ましい温度で平均化することは困難であり、燃料電池内の温度を望ましい温度範囲で平均化するための構成は従来知られていなかった。
【００１０】
本発明の燃料電池装置は、こうした問題を解決し、燃料電池の内部温度を、最適な温度により近い状態で平均化することを目的としてなされ、次の構成を採った。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池装置は、少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給する冷却液供給手段と、
前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出する温度分布状態検出手段と、
前記温度分布状態検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、所定の不均一状態にあると判断したときには、前記冷却液供給手段を制御して、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させる冷却液供給制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置は、この燃料電池装置が備える燃料電池において、少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る。このとき、前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給し、前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出する。ここで、前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値を検出した結果に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、所定の不均一状態にあると判断したときには、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させる制御を行なう。
【００１３】
また、本発明の燃料電池装置の温度調整方法は、少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池装置における温度調整方法であって、
前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給し、
前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出し、
該検出した値に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、
前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあると判断したときには、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させることを要旨とする。
【００１４】
以上のように構成された本発明の燃料電池装置、および燃料電池の温度調整方法によれば、燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断されたときには、燃料電池に供給する冷却液の単位時間当たりの流量、すなわち流速を増加させるため、速やかに燃料電池の内部温度を平均化することができる。冷却液の単位時間当たりの流量を増加させることによって、燃料電池における冷却液の流入側端部と排出側端部との間の温度勾配を小さくすることができると共に、燃料電池を構成する単セル間で温度のばらつきがある場合にも、これら各単セルの温度を平均化することができる。さらに、各単セル内で温度のばらつきが生じている場合にも、冷却水の流速を速めることによって温度を平均化することができる。
また、このような構成の燃料電池装置および燃料電池の温度調整方法では、燃料電池に流入する冷却液の温度と、燃料電池から排出される冷却液の温度との差を検出するため、燃料電池における温度の分布状態の検出を容易に行なうことができる。上記温度差が小さいほど、燃料電池内での温度勾配が小さくなるため、上記温度差によって、各単セル温度のばらつきの程度や、各単セル内での温度のばらつきの程度を推定することができる。
【００１５】
ここで、冷却液としては、水を用いることとしてもよく、また、不凍液を用いて低温時に備える構成としてもよい。また、燃料電池における温度の分布状態を反映する値としては、直接に燃料電池内部の温度を測定することとしてもよいし、燃料電池内部の温度を反映する部位の温度を測定することとしてもよい。燃料電池内部の温度を反映する部位の温度としては、例えば、燃料電池内を通過する冷却液の温度を用いることができる。あるいは、温度を測定する代わりに、燃料電池を構成する各単セルの出力電圧を測定することによっても、燃料電池における温度の分布状態を知ることができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池装置において、
前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と、
前記負荷の大きさを判定する負荷状態判定手段と、
前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、
前記負荷状態判定手段が判定した前記負荷の大きさが所定の値以上であるときに、前記冷却液を冷却するように前記冷却液冷却手段を制御する冷却状態制御手段と
をさらに備えることとしてもよい。
【００１９】
以上のように構成された燃料電池装置では、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷の大きさを判定し、判定した負荷の大きさが所定の値以上であるときに、前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する。したがって、負荷の大きさが大きくなって燃料電池における発熱量が増加したときに、燃料電池の温度が上昇しすぎてしまうことがない。冷却液の冷却状態と冷却液の流速とを制御することによって、燃料電池の内部温度を、望ましい所定の温度により近い状態で平均化することができる。
【００２０】
ここで、前記負荷状態判定手段は、前記燃料電池より排出される前記冷却液の温度に基づいて、前記負荷の大きさを判定する構成も好適である。燃料電池から排出される冷却液の温度は、燃料電池の内部温度に近い温度となっており、この排出される冷却水の温度から、燃料電池の内部温度を充分な精度で推定することができる。負荷が大きくなるに従って、燃料電池での発熱量が増大するため燃料電池の内部温度は上昇する。そのため、燃料電池の内部温度を推定することで、負荷の変動に対応することが可能となる。さらに、燃料電池からの出力電流などを直接測定して冷却液の冷却状態を制御する方法よりも、冷却液の温度から燃料電池の内部温度を推定する方が、精度よく燃料電池の内部温度を所望の温度範囲に保つことができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池装置において、
外気温を反映する値を検出する外気温検出手段をさらに備え、
前記冷却状態制御手段は、前記負荷状態判定手段の判定結果に加えて、前記外気温検出手段が検出した前記外気温を反映する値に基づいて、前記冷却液冷却手段を制御することとしてもよい。
【００２２】
このような構成とすれば、より精度よく燃料電池の内部温度を所望の温度範囲に保つことができる。すなわち、燃料電池を冷却する冷却液の温度の変動状態は、外気温の影響を受けるため、冷却液の冷却状態を外気温の状態に応じて調節することによって、外気温が低いときに冷却水温が低下しすぎてしまい、燃料電池の温度が低下しすぎてしまうことがない。ここで、外気温を反映する値は、外気温そのものを測定する必要はない。外気温の影響を、直接、あるいは間接的に受ける数値を基に判断すればよい。例えば、冷却液の温度変化を測定し、冷却液の冷却を行なっていないときに冷却液の温度が低下しているならば、外気温が低いと判断し、前記冷却液冷却手段を制御することとしてもよい。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池装置において、
前記冷却液冷却手段は、前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する空冷式の冷却手段と、該空冷式の冷却手段に冷却風を送る冷却用ファンとを備え、
外部から流入して前記空冷式の冷却手段を通過する外気の流速を反映する値を検出する流入外気状態検出手段と、
前記流入外気状態検出手段が検出する前記外気の流速を反映する値が、所定値以上の場合には、前記空冷式の冷却手段を通過する前記外気の流れを制限する外気制限手段と
をさらに備えることとしてもよい。
【００２４】
このような構成とすれば、燃料電池が過冷却された状態となるのを防止することができる。すなわち、空冷式の冷却手段では、冷却用ファンを停止している場合であっても、この空冷式の冷却手段に対して速い流速で外気が流入する場合には、冷却手段において冷却水の積極的な冷却が行なわれてしまう。このとき、燃料電池における発熱量が少ない場合には、冷却ファンを停止しているにも関わらず、燃料電池の内部温度が低下してしまう。したがって、上記したように、冷却手段を通過する外気の流速が速い場合には、この外気の流れを制限することによって、燃料電池が過冷却されてしまうのを防ぐことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の構成の概略を例示する概略構成図である。本実施例の燃料電池装置２０は、電気自動車に搭載されており、車両駆動用のモータに対して電力を供給可能に構成されている。この燃料電池装置２０は、発電の本体である燃料電池２２と、冷却ファン２４を備えたラジエータ２６と、燃料電池２２内に形成された冷却水の流路とラジエータ２６内に形成された冷却水の流路とを接続する冷却水路２８と、冷却水路２８内で冷却水が循環する駆動力を発生する冷却水ポンプ３０と、制御部５０とを備える。ここで、ラジエータ２６，冷却水路２８，冷却水ポンプ３０および制御部５０は、燃料電池２２の運転温度を所定の範囲内に保つために、燃料電池２２に対して冷却水の給排を行なう冷却水給排部２１を構成している。すなわち、図１では、燃料電池装置２０の構成要素のうち、冷却水給排部２１に関する部分のみを示している。なお、実際の燃料電池装置２０は、冷却水給排部２１の他に、後述する燃料ガス給排部や酸化ガス給排部を備えている。以下に、燃料電池装置２０を構成する各構成要素について順次説明する。
【００２６】
最初に、燃料電池２２の構成およびその動作について説明する。燃料電池２２は、固体高分子電解質型燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。燃料電池２２は、アノード側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に酸素を含有する酸化ガスの供給を受けると、既述した（１）ないし（３）式に示した電気化学反応を進行する。図２は、燃料電池２２を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
【００２７】
アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図２ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極に接する片面にだけリブを形成することにしてもよい。
【００２８】
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜４１上にプレスする構成も好適である。
【００２９】
アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード４２およびカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。また、本実施例では、上述したように白金などからなる触媒を電解質膜４１上に付着させる構成としたが、アノード４２およびカソード４３の電解質膜４１と接する側の表面に、白金などからなる触媒のペーストを塗布することとしてもよい。
【００３０】
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直交するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
【００３１】
図３に、実際に単セル４８が積層される様子を分解斜視図によって表わす。セパレータ４４，４５は、実際のスタック構造では、端部セパレータ６０，６１、中央セパレータ７０、冷却セパレータ８０のいずれかとして構成されている。これらのセパレータは、積層面が正方形状である板状に形成されている。なお、図３においては、端部セパレータ６１は記載されていないが、この端部セパレータ６１は、端部セパレータ６０と同じ形状のセパレータを端部セパレータ６０とは異なる向きに配置するものであり、説明の便宜上、端部セパレータ６１とよぶものである。以下に、上記各セパレータそれぞれの構造について説明する。
【００３２】
端部セパレータ６０，６１、中央セパレータ７０および冷却セパレータ８０には、その周辺部の２カ所（図３中の上部両隅）に、断面が円形の冷却水孔８１，８２が形成されている。この冷却水孔８１，８２は、上記スタックを形成した際、スタックを積層方向に貫通する冷却水の流路を形成する。また、上記三種類のセパレータの積層面の各辺の縁付近には、それぞれの辺に沿って、細長い一対の燃料ガス孔８３，８４および一対の酸化ガス孔８５，８６が形成されている。この燃料ガス孔８３，８４および酸化ガス孔８５，８６は、スタックを形成した際、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化ガスの流路を、スタックの積層方向に貫通して形成する。
【００３３】
端部セパレータ６０の片面（図３中正面側）には、対向する燃料ガス孔８３，８４間を連絡する複数の平行な溝状のリブ６２が形成されている。リブ６２は、スタックを形成した際には隣接するアノード４２との間に既述した燃料ガス流路４４Ｐを形成する。端部セパレータ６０の他面（図３中裏面側）は、溝構造のないフラットな面となっている。
【００３４】
中央セパレータ７０の片面（図３中正面側）には、対向する燃料ガス孔８３，８４間を連絡する複数の平行な溝状のリブ６２が形成されている。リブ６２は、スタックを形成した際には隣接するアノード４２との間に既述した燃料ガス流路４４Ｐを形成する。中央セパレータ７０の他面（図３中裏面側）には、対向する酸化ガス孔８５，８６間を連絡し、リブ６２と直交する複数の溝状のリブ６３が形成されている。リブ６３は、スタックを形成した際には、隣接するカソード４３との間に既述した酸化ガス流路４５Ｐを形成する。
【００３５】
冷却セパレータ８０の片面（図４中裏面側）には、対向する酸化ガス孔８５，８６間を連絡する複数の平行な溝状のリブ６３が形成されている。リブ６３は、スタックを形成した際には隣接するカソード４３との間に既述した酸化ガス流路４５Ｐを形成する。また、冷却セパレータ８０の他面（図３中正面側）には、既述した冷却水孔８１，８２間を連絡する葛折状の溝８７が形成されている。スタックを形成する際には、冷却セパレータ８０は後述するように端部セパレータ６０と隣接するが、このとき溝８７は、端部セパレータ６０のフラットな面との間で冷却水路を形成する。以下、この冷却水路を、冷却水路８７Ｐと呼ぶ。
【００３６】
なお、上記三種類のセパレータは、既述したように緻密質カーボンによって形成することとしたが、導電性を有する他の部材によって形成することとしてもよい。例えば、剛性および伝熱性を重視して、端部セパレータ６０，６１や冷却セパレータ８０を銅合金やアルミニウム合金などの金属で形成してもよい。
【００３７】
上記したセパレータを積層してスタック構造を形成するときには、電解質膜４１をアノード４２およびカソード４３で挟持した構造を、上述した各セパレータでさらに両側から挟持して組み付ける。図３では、端部セパレータ６０，中央セパレータ７０，冷却セパレータ８０を各一枚ずつしか示さなかったが、実際にスタック構造を構成するときには、中央セパレータ７０は、所定の枚数を連続して積層する。この中央セパレータ７０を連続して積層する枚数（あるいは、スタック中における冷却セパレータ８０の割合）は、燃料電池２２に接続される負荷の大きさなどから予想される単セル４８の発熱量，燃料電池２２に供給される冷却水の温度，燃料電池２２に供給される冷却水の流量の範囲などの条件により定まる。本実施例では、中央セパレータ７０が５枚連続する毎に、端部セパレータ６０および冷却セパレータ８０を一組ずつ配置した。したがって、スタック構造を形成する際には、図３における奥側から手前側に対応する方向において、冷却セパレータ８０、端部セパレータ６０，中央セパレータ７０を５枚の順で、各セパレータを繰り返し積層することになる。
【００３８】
なお、上記したように各セパレータを積層してスタック構造を形成する際に、図３の手前側に対応する端部では、連続する５枚の中央セパレータ７０に続いて、端部セパレータ６１が積層される。この端部セパレータ６１は、既述した端部セパレータ６０と同様の構造を備えるものであるが、積層方向に対する向きが、図３に示した端部セパレータ６０とは異なって配設されている。すなわち、フラットな面が上記スタック構造の外側に面しており、リブを形成する面は、スタック構造の内側に面して、隣接するカソード４３と接している。ここで、端部セパレータ６１に形成されたリブは、図３に示す中央セパレータ７０におけるリブ６３と平行であって、カソード４３との間に酸化ガス流路４５Ｐを形成している。
【００３９】
上記したようにセパレータを積層したスタック構造の両端には、さらに集電板９１，９２、絶縁板９３，９４、エンドプレート９５，９６が配設されてスタック構造が完成される。図４は、これら集電板９１，９２、絶縁板９３，９４、エンドプレート９５，９６の構成を表わす分解斜視図である。スタック構造の端部において、上記端部セパレータ６１が配設された側には、集電板９１、絶縁板９３、エンドプレート９５がこの順でさらに積層されて、供給側端部を形成する。また、スタック構造の他端側には、集電板９２、絶縁板９４、エンドプレート９６がこの順でさらに積層されて、排出側端部を形成する。
【００４０】
これら集電板９１，９２、絶縁板９３，９４、エンドプレート９５，９６は、既述した各セパレータと略同一の形状を備えている。また、供給側端部を形成する集電板９１、絶縁板９３、エンドプレート９５には、冷却水孔８１，燃料ガス孔８３，酸化ガス孔８５に対応する位置に、それぞれ、冷却水孔１０１，燃料ガス孔１０２，酸化ガス孔１０３が設けられている。スタック構造のもう一方の端部側に配設される集電板９２、絶縁板９４、エンドプレート９６には、冷却水孔８２，燃料ガス孔８４，酸化ガス孔８６に対応する位置に、それぞれ、冷却水孔１０４，燃料排ガス孔１０５，酸化排ガス孔１０６が設けられている。
【００４１】
集電板９１，９２は、導電性の高い材料、例えば銅などにより形成されている。この集電板９１，９２は、端子９７を備えており、この端子９７を介して燃料電池２２からの出力を外部に取り出すことが可能となっている。絶縁板９３，９４は、絶縁性材料、例えばゴムや樹脂などにより形成されている。この絶縁板９３，９４は、発電の本体である上記スタック構造と、このスタック構造を収容する所定のケーシング構造やエンドプレート９５，９６との間を絶縁するための部材である。エンドプレート９５，９６は、剛性の高い材料、例えば鋼などにより形成されている。このエンドプレート９５，９６は、単セル４８を積層して構成した燃料電池スタックにおいて、外部からその積層方向に加えられる押圧力を、燃料電池スタックの端部において受け止めるための構造である。
【００４２】
単セル４８を積層して構成した燃料電池スタックは、本実施例では所定のケーシング構造に納められ、上記したように、各部材間においてその積層方向に所定の押圧力が加えられた状態で保持される。このようにして構成された燃料電池２２には、既述した冷却水給排部２１と、燃料ガス給排部および酸化ガス給排部が接続される。
【００４３】
燃料ガス給排部は、燃料電池２２に水素リッチな燃料ガスを給排するための装置である。燃料ガスとしては、純度の高い水素ガスを用いることとしてもよいし、炭化水素系の原燃料を改質して得た改質ガスを用いることとしてもよい。燃料ガスとして水素ガスを用いる場合には、燃料ガス給排部は、水素ガス貯蔵部を備える。水素ガスは、所定の大きさのボンベに圧縮貯蔵することとしてもよいし、水素吸蔵合金に吸蔵させて貯蔵することとしてもよい。
【００４４】
燃料ガス給排部は、上記エンドプレート９５が備える燃料ガス孔１０２に接続され、この燃料ガス孔１０２を介して、水素リッチな燃料ガスを燃料電池２２内部に導入する。燃料ガス孔１０２から燃料電池２２内に導入された燃料ガスは、積層されたセパレータが有する燃料ガス孔８３によって形成される燃料ガス流路内に導かれる。この燃料ガス流路内の燃料ガスは、各単セル４８が備える燃料ガス流路４４Ｐから各アノード４２に供給され、（１）式に示した電気化学反応に供される。燃料ガス流路４４Ｐを経由した燃料ガスは、燃料排ガスとして、積層されたセパレータが有する燃料ガス孔８４によって形成される燃料排ガス流路内に導かれる。ここで、燃料ガスが供給されたエンドプレート９５と対向する側のエンドプレート９６が備える燃料排ガス孔１０５にも、燃料ガス給排部が接続されている。電気化学反応に供された後の上記燃料排ガスは、上記燃料排ガス孔１０５を介して燃料電池２２から外部に排出される。
【００４５】
酸化ガス給排部は、燃料電池２２に酸素を含有する酸化ガスを給排するための装置である。酸化ガスとしては、本実施例では、圧縮空気を用いている。酸化ガス給排部は、コンプレッサを備えており、外部から取り込んだ空気をこのコンプレッサによって圧縮して、燃料電池２２に供給する。
【００４６】
酸化ガス給排部は、上記エンドプレート９５が備える酸化ガス孔１０３に接続され、この酸化ガス孔１０３を介して、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池２２内部に導入する。酸化ガス孔１０３から燃料電池２２内に導入された酸化ガスは、積層されたセパレータが有する酸化ガス孔８５によって形成される酸化ガス流路内に導かれる。この酸化ガス流路内の酸化ガスは、各単セル４８が備える酸化ガス流路４５Ｐから各カソード４３に供給され、（２）式に示した電気化学反応に供される。酸化ガス流路４５Ｐを経由した酸化ガスは、酸化排ガスとして、積層されたセパレータが有する酸化ガス孔８６によって形成される酸化排ガス流路内に導かれる。ここで、酸化ガスが供給されたエンドプレート９５と対向する側のエンドプレート９６が備える酸化排ガス孔１０６にも、酸化ガス給排部が接続されている。電気化学反応に供された後の上記酸化排ガスは、上記酸化排ガス孔１０６を介して燃料電池２２から外部に排出される。
【００４７】
冷却水給排部２１は、上記エンドプレート９５が備える冷却水孔１０１に接続され、この冷却水孔１０１を介して、冷却水を燃料電池２２内部に導入する。冷却水孔１０１から燃料電池２２内に導入された冷却水は、積層されたセパレータが有する冷却水孔８１によって形成される冷却水路内に導かれる。この冷却水路内の冷却水は、既述した冷却セパレータ８０が端部セパレータ６０との間に形成する冷却水路８７Ｐ内に供給され、燃料電池内部において熱交換を行なう。冷却水路８７Ｐを経由して昇温した冷却水は、積層されたセパレータが有する冷却水孔８２によって形成される冷却水路内に導かれる。ここで、冷却水が供給されたエンドプレート９５と対向する側のエンドプレート９６が備える冷却水孔１０４にも、冷却水給排部２１が接続されている。燃料電池と熱交換して昇温した上記冷却水は、上記冷却水孔１０４を介して燃料電池２２から外部に排出される。
【００４８】
なお、上記した説明では、単一のスタック構造によって燃料電池２２を構成することとしたが、燃料電池装置２０は、要求される出力に応じて、複数のスタック構造を直列あるいは並列に接続した状態で備えることとしてもよい。また、上記した説明では、燃料電池２２に対する燃料ガス、酸化ガスおよび冷却水の給排において、供給と排出とはそれぞれ対向する端部から行なうこととしたが、同じ側の端部において、供給と排出との両方を行なうこととしてもよい。
【００４９】
次に、本発明の要部に対応する冷却水給排部２１の構成について、図１に基づいて詳しく説明する。ラジエータ２６は、既述したように、上記冷却水給排部２１を構成する部材であり、燃料電池２２に供給されて燃料電池２２内で熱交換することによって昇温した冷却水を降温させるための装置である。ラジエータ２６は、上記昇温した冷却水を導く流路を備える熱交換部として形成されている。この熱交換部は、外気が通過可能な構造を有し、この通過する外気と上記流路内の冷却水との間で熱交換可能となっている。さらに、ラジエータ２６は、既述したように冷却ファン２４を併設している。冷却ファン２４を駆動すると、この冷却ファン２４によって生じる冷却風は、上記熱交換部を通過すると共に、上記流路内を流れる冷却水から熱量を奪い、冷却水の積極的な冷却が行なわれる。したがって、燃料電池装置２０が備えるラジエータ２６および冷却ファン２４は、燃料電池２２の出力電流が最大値（本実施例では、車両の坂道登坂時や急加速時に対応）と最小値（車両のアイドリング時に対応）との間で激しく変動し、燃料電池２２における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２２の運転温度が常に所定温度（例えば８０℃）以下となるように、冷却水を充分に冷却可能な性能を有することが望ましい。この冷却ファン２４は、制御部５０に接続されており、制御部５０によってその駆動状態（オン・オフ）が制御される。
【００５０】
冷却水ポンプ３０は、既述したように、冷却水路２８内で冷却水が循環する駆動力を発生する装置であり、駆動電圧の大きさによってその駆動量（冷却水のポンピング量）を調節可能となっている。その駆動電圧の大きさは、０ボルトから１０ボルトの範囲で変化させることができ、駆動電圧１０ボルトのときに、冷却水路２８内を循環する冷却水の流量が最大となる。本実施例では、このような冷却水ポンプ３０の駆動電圧の大きさを変化させることによって、冷却水のポンピング量を調節し、それによって燃料電池２２内の温度分布状態の平均化を図っている。したがって、燃料電池装置２０に備える冷却水ポンプ３０としては、燃料電池２２の出力電流が激しく変動し、燃料電池２２における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２２内の温度分布状態を充分に平均化できるように、冷却水の流量を調節することが可能な性能を有することが望ましい。この冷却水ポンプ３０は、制御部５０に接続されており、制御部５０によってその駆動電圧の大きさが制御される。
【００５１】
燃料電池２２内の冷却水の流路とラジエータ２６内の冷却水の流路との間に冷却水を循環させる冷却水路２８には、冷却水路２８内の冷却水の温度を検出する温度センサ３２および３４が設けられている。温度センサ３２は、燃料電池２２の端部の既述した冷却水孔１０１と冷却水路２８との接続部付近に設けられており、温度センサ３４は、同じく既述した冷却水孔１０４と冷却水路２８との接続部付近に設けられている。したがって、温度センサ３２は、燃料電池２２に供給される冷却水の温度（入り口部冷却水温Ｔ1 ）を検出し、温度センサ３４は、燃料電池２２から排出される冷却水の温度（出口部冷却水温Ｔ2 ）を検出する。これらの温度センサ３２，３４は制御部５０に接続されており、検出した冷却水の温度に関する情報を制御部５０に入力可能となっている。
【００５２】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５８と、ＣＰＵ５４での演算結果に応じて駆動信号の出力などを行なう入出力ポート５２等を備える。この制御部５０は、既述した温度センサ３２，３４と接続してこれらから既述した冷却水の温度に関する情報を入力し、既述した冷却ファン２４および冷却水ポンプ３０と接続して、これらに駆動信号を出力する。
【００５３】
また、燃料電池装置２０は、既述したように、電気自動車の駆動用モータに電力を供給する装置であるため、燃料電池装置２０の始動時に必要な電力を確保するために、所定の容量を有する２次電池（図示せず）を備えている。この２次電池は、燃料電池装置２０の始動時において、燃料電池２２から充分な電力の供給が得られない間に、既述した冷却水ポンプ３０や冷却ファン２４、あるいは、燃料ガス給排部や酸化ガス給排部を構成する各種ポンプなどを駆動するための電源として利用される。あるいは、この２次電池の容量を充分な大きさにして、所定の時間内であれば２次電池単独で電気自動車を駆動可能な構成としてもよい。このような構成とすれば、燃料電池装置２０の始動時において、燃料電池２２の昇温状態に関わらず電気自動車を走行させることが可能となる。
【００５４】
次に、燃料電池２２の内部を、所定の望ましい温度（図１１のＴａに対応する温度）に近い温度でより均一な状態に保つために、冷却水給排部２１で行なわれる動作について説明する。本実施例の燃料電池装置２０では、冷却水ポンプ３０の駆動電圧の大きさを制御することによって、燃料電池２２の内部温度の平均化を図ると共に、冷却ファン２４の駆動状態を制御することによって、燃料電池２２の内部温度を７０〜８０℃の温度範囲に保つ制御が行なわれる。すなわち、燃料電池２２の内部温度が所定の不均一状態にあると判断されるときには、冷却水ポンプ３０の駆動量を増加させて、流路内を流れる冷却水の単位時間当たりの流量を増大させ（流速を速め）、燃料電池２２の内部温度の平均化を図る。また、燃料電池２２の内部温度が上記温度範囲を超えた場合には、冷却ファン２４を駆動して冷却水を積極的に冷却し、燃料電池２２の内部温度を低下させる。
【００５５】
このような制御を行なう際に、本実施例では、燃料電池２２の内部温度の分布状態を、上記入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴの値に基づいて判断している。上記ΔＴの値は、燃料電池２２内における温度勾配の大きさを表わし、この値は、冷却水の流速を速めて、燃料電池２２内を通過する冷却水温度を平均化することによって小さくすることができる。すなわち、冷却水の流速を速めることによって、燃料電池２２全体の温度勾配を小さくして、内部温度の平均化を図ることができる。また、冷却水の流速を速めて、燃料電池２２内を通過する冷却水の温度を平均化することによって、燃料電池を構成する単セルの内で、周囲の単セルとは異なった温度傾向を示す単セルの温度を平均化する効果も上昇する。したがって、上記ΔＴの値が充分小さくなるように、冷却水の流速を制御することによって、燃料電池２２内の温度分布状態を充分に平均化することができる。
【００５６】
本実施例では、上記したように冷却水の流速を制御する際に、上記ΔＴの値が所定の基準値以下となるように、冷却水ポンプ３０の駆動状態を制御している。この基準値は、燃料電池と冷却水間の熱交換効率などに基づいて設定すればよいが、本実施例では、予め実験的に、この基準値を５℃と定めた。すなわち、冷却水の流速と燃料電池内の温度分布状態との関係を調べるために、上記実施例と同様の所定数（例えば１００組）の単セルを積層したスタック構造を組み立て、このスタック構造を構成する各単セルの出力電圧を測定すると共に、上記スタック構造に供給する冷却水の流速を変化させながら、ΔＴの値を測定した。このような測定を行なうと、全体的な傾向としては、冷却水の流速を速めてΔＴの値を小さくするほど、各単セルの出力電圧差を減少させることができる。しかしながら、冷却水の流速を速めるほど、冷却水を循環させる冷却水ポンプで消費する電力量は多くなってしまう。したがって、燃料電池内の温度分布状態を平均化することによって発電効率を向上させても、冷却水ポンプで消費する電力量が増大するために、燃料電池装置全体のエネルギ効率をかえって低下させてしまう場合がある。以上のことより、本実施例では、冷却水ポンプで消費する電力量が許容範囲であって、冷却水の流速を速めることによる効果が充分に得られる状態として、上記基準値を５℃と定め、燃料電池の内部温度の平均化を図った。
【００５７】
また、本実施例では、燃料電池２２内の温度を、上記出口部冷却水温Ｔ2 に基づいて判定している。燃料電池２２から排出された冷却水の温度は、燃料電池２２の内部温度をよく反映しており、燃料電池２２における平均的な内部温度をＴFCとすると、このＴFCの値は、Ｔ2 ＋αで近似することができる。本実施例の燃料電池２２では、このαの値を１０℃として、燃料電池２２内の温度を推定することとした。
【００５８】
燃料電池２２は、既述したように、電気化学反応の進行と共に熱量を生じるため、冷却ファン２４を駆動してラジエータ２６において冷却水の積極的な冷却を行なわない限り、冷却水を循環させていても燃料電池の内部温度ＴFCは徐々に上昇を続ける。従って、本実施例では、上記ＴFCの値が８０℃を超えたときに、このＴFCの値が７０℃より低くなるまで冷却ファン２４を駆動するという制御を行なって、燃料電池の内部温度ＴFCを７０〜８０℃の温度範囲に保っている。
【００５９】
以下に、燃料電池２２が定常状態となっているときに行なわれる制御のようすについて、図５および図６に従って説明する。図５は、本実施例の燃料電池装置２０において、燃料電池２２の運転状態が定常状態に達した後に、所定時間ごとに実行される定常運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。燃料電池装置２０は、その始動時には、後述する始動時の処理が実行されるが、燃料電池２２の運転温度が所定の温度に達して定常状態になったと判断されると、ＣＰＵ５４によって、この定常運転時処理ルーチンが実行されるようになる。また、図６は、上記定常運転時処理ルーチンに従った制御が行なわれるときの、冷却水ポンプ３０および冷却ファン２４の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子を表わす説明図である。図６において横軸は時間軸を表わし、図６（Ａ）は冷却水温の推移の様子を、図６（Ｂ）は冷却水ポンプの駆動電圧の制御の様子を、図６（Ｃ）は、冷却ファン２４のオン・オフ制御の様子を表わす。
【００６０】
定常運転時処理ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５４は、まず、温度センサ３２，３４から、入り口部冷却水温Ｔ1 および出口部冷却水温Ｔ2 を読み込む（ステップＳ２００）。次に、これらの値を基に、入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴと、燃料電池２２の運転温度ＴFC の算出を行なう（ステップＳ２１０）。ここで、ＴFCの値は、上述したように、出口部冷却水温Ｔ2 の値に１０℃加えた値として求めた。
【００６１】
次に、ステップＳ２１０で求めたΔＴの値が、既述した基準となる値である５℃よりも小さいかどうかを判断する（ステップＳ２２０）。ΔＴの値が５℃よりも小さい場合には、燃料電池２２内の温度分布状態は充分に平均化させていると判断して、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を所定時間だけ低下させ（ステップＳ２４０）、冷却水の流速を遅くして消費エネルギの低減を図る。
【００６２】
ステップＳ２２０において、ΔＴの値が５℃以上である場合には、燃料電池２２内の温度分布状態が不均一な状態であると判断して、所定時間だけ冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させ（ステップＳ２３０）、冷却水の流速を速くして、燃料電池内の温度分布状態の平均化を図る。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ1 および経過時間ｔ3 の時点に相当する。冷却水の流速を速くすることによって、上記ΔＴの値は減少する。
【００６３】
このように、冷却水の流速を速くすることによって燃料電池２２の内部温度を平均化した後、あるいは、燃料電池の内部温度がすでに充分に平均化されていると判断されて、ステップＳ２４０において冷却水ポンプ３０における駆動電圧を低下する処理を行なった後には、燃料電池の内部温度の高低、すなわち、燃料電池の内部温度ＴFCが８０℃を超えているかどうかを判断する（ステップＳ２５０）。燃料電池の内部温度ＴFCが８０℃を超えている場合には、燃料電池２２の内部温度が上昇しすぎていると判断し、冷却ファン２４を駆動して（ステップＳ２８０）、冷却水の積極的な冷却を開始し、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ2 の時点に相当する。冷却ファン２４を駆動して冷却水を冷却することによって、燃料電池の内部温度ＴFCは低下を始める。
【００６４】
ステップＳ２５０において、燃料電池の内部温度ＴFCが８０℃以下であると判断された場合には、次に、冷却ファン２４が駆動されている状態にあるかどうかを判断する（ステップＳ２６０）。冷却ファン２４が停止状態にある場合には、燃料電池の内部温度が上昇しすぎておらず、また、冷却水を積極的に冷却していない状態であるため、冷却ファン２４を停止状態としたまま（ステップＳ２７０）、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間０〜ｔ2 および経過時間ｔ4 以降の期間に相当する。冷却ファン２４が停止状態であるため、通常は、燃料電池２２における電気化学反応の進行に伴って、燃料電池の内部温度ＴFCは徐々に上昇を続ける。
【００６５】
ステップＳ２６０において、冷却ファン２４が駆動状態にあると判断された場合には、次に、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃より低いかどうかを判断する（ステップＳ２９０）。ステップＳ２９０において、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上である場合には、燃料電池２２の内部温度ＴFCが一旦８０℃を超えて冷却ファン２４の駆動を開始した後、燃料電池内の運転温度がまだ充分に下降していない状態にあると判断されて、冷却ファン２４を駆動状態としたまま（ステップＳ２７０）、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ2 〜ｔ4の期間に相当する。冷却ファン２４が駆動状態のままであるため、燃料電池の内部温度ＴFCは下降を続ける。
【００６６】
ステップＳ２９０において、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃より低いと判断された場合には、冷却ファン２４を駆動することによって燃料電池の内部温度は充分に低下したと判断されて、冷却ファン２４を停止し（ステップＳ３００）、本ルーチンを終了する。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ4 の時点に対応する。冷却ファン２４を停止すると、通常は、燃料電池２２における電気化学反応の進行に伴って、燃料電池の内部温度ＴFCは上昇を始める。
【００６７】
以上、燃料電池２２の定常運転時に行なわれる制御について、図５および図６に基づいて説明した。なお、図６（Ｂ）では、既述したステップＳ２４０における冷却水ポンプ３０の駆動電圧を低減する動作については記載を省略しており、上記ΔＴが５℃を超えたときに冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させる制御のみを表わしている。もとより、図６に示したように冷却水ポンプ３０の駆動電圧を４Ｖと６Ｖの間で切り替える制御の代わりに、さらに細かく段階的に冷却水ポンプ３０の駆動電圧を増減して制御を行なうこととしてもよい。また、既述した説明では、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を増減する制御は所定時間だけ行なうこととしたが、上記ΔＴの値をフィードバックさせて、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を増減する時間を制御することとしてもよい。すなわち、ΔＴの値が基準値以下になるまで冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させた状態を保つ、あるいは、ΔＴの値が基準値以下の状態を保つ範囲で、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を下降させた状態を保つという制御を行なってもよい。
【００６８】
以上のように構成された本実施例の燃料電池装置２０によれば、既述した入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との温度差が所定の温度（５℃）以上になったときには、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させて冷却水の流速を速くする制御を行なう。ここで、既述したように、入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との温度差は、燃料電池２２内における温度分布の均一性を反映しているため、上記温度差を検出して冷却水の流速を早めることによって、燃料電池内の温度分布が非所望の不均一状態になった場合にも、速やかに燃料電池２２内の温度分布状態を平均化することができる。
【００６９】
ここで、燃料電池２２内の温度分布状態の平均化に関して、冷却水の流速を速めることによって得られる効果としては、単に、冷却水の入り口部側と出口部側との温度勾配が小さくなるばかりでなく、各単セル間の温度差がより小さくなるとともに、各単セル内の温度差がより小さくなるという効果が得られる。すなわち、周囲の単セルとは異なる温度傾向を示す単セルがあった場合にも、冷却水の流速を速めることによって、この単セル温度を周囲と平均化することができ、所定の単セル内で高温部領域と低温部領域とがあった場合にも、これらの領域を通過する冷却水の流速を速めることによって、この単セル内での温度分布状態を平均化することができる。
【００７０】
さらに、本実施例の燃料電池装置２０では、冷却水給排部２１は、燃料電池２２とラジエータ２６との間で冷却水を循環させる構成となっているため、冷却水の流速を速めることによって、ラジエータ２６における熱交換効率が低下し、ラジエータ２６から燃料電池２２に供給される冷却水の水温が上昇する。したがって、冷却水の流速を速めることによって入り口部冷却水温Ｔ1 の温度が上昇し、より速くΔＴを小さくすることができる。
【００７１】
また、上記実施例では、ステップＳ２２０において入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴの値が５℃より小さいと判断されると、冷却水ポンプ３０における駆動電圧を低下させて、冷却水の流速を遅くする制御を行なう。このように、燃料電池２２の内部温度が充分に平均化されているときには、冷却水の流速を遅くして不要なエネルギの消費を抑えるため、燃料電池装置２０全体でのエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００７２】
なお、上記実施例では、出口部冷却水温Ｔ2 にαを加えた温度を燃料電池２２の内部温度として扱い、このαの値は冷却水の流量に関わらず一定の１０℃としたが、冷却水の流量によって冷却水と燃料電池内部との間の熱交換効率が変化することを考慮して、αの値を補正することとしてもよい。
【００７３】
上記実施例では、燃料電池２２が定常状態に達した後の制御について説明したが、燃料電池装置２０の始動時にも同様の制御が行なわれる。ただし、燃料電池装置２０の始動時は、燃料電池２２の内部温度がまだ充分に昇温していない状態であるため、冷却ファン２４を駆動することによる冷却水の積極的な冷却は行なわれない。燃料電池装置２０の始動時には、電気化学反応を徐々に進行させることによって燃料電池２２内部の昇温を図ると共に、冷却水ポンプ３０の駆動状態を制御することによって、燃料電池２２内部の温度の平均化を図っている。
【００７４】
以下に、燃料電池装置２０の始動時に、燃料電池２２が定常状態に達するまでの間に行なわれる動作を、第２実施例として、図７および図８に従って説明する。
図７は、燃料電池装置２０の始動時に実行される始動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。この始動時処理ルーチンは、燃料電池装置２０を搭載する電気自動車において、所定のスタートスイッチを介して、燃料電池装置２０の始動が使用者によって指示されると実行される。また、図８は、上記始動時処理ルーチンに従った制御が行なわれるときの、冷却水ポンプ３０の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子の一例を表わす説明図である。図８において横軸は時間軸を表わし、図８（Ａ）は冷却水温の推移の様子を、図８（Ｂ）は冷却水ポンプ３０の駆動電圧の制御の様子を表わす。図８（Ｂ）に示すように、燃料電池装置２０の始動時には、冷却水ポンプ３０の駆動電圧は、ΔＴの大きさの変動に伴って、徐々に大きくなるように制御される。上記所定のスタートスイッチを介して燃料電池装置２０の始動が指示されると、冷却水ポンプ３０は、予め設定された所定の始動時駆動電圧（本実施例では１Ｖ）にて駆動される。
【００７５】
始動時処理ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５４は、まず、温度センサ３２，３４から、入り口部冷却水温Ｔ1 および出口部冷却水温Ｔ2 を読み込む（ステップＳ４００）。次に、これらの値を基に、入り口部冷却水温Ｔ1 と出口部冷却水温Ｔ2 との差であるΔＴと、燃料電池２２の運転温度ＴFC の算出を行なう（ステップＳ４１０）。ここで、ＴFCの値は、既述したように、出口部冷却水温Ｔ2 の値に１０℃加えた値として求めた。
【００７６】
次に、ステップＳ４１０で求めたΔＴの値が、既述した基準となる値である５℃よりも小さいかどうかを判断する（ステップＳ４２０）。ΔＴの値が５℃よりも小さい場合には、燃料電池２２内の温度分布状態は充分に平均化させていると判断して、冷却水ポンプ３０の出力はそのまま維持する（ステップＳ４５０）。これは、図８における経過時間０〜ｔ5 の期間、ｔ5 〜ｔ 6 の期間、ｔ6 〜ｔ7の期間、ｔ7 〜ｔ8 の期間およびｔ8 以降に相当する。このとき、燃料電池２２では、電気化学反応の量が次第に増加しつつあるため、出口部冷却水温Ｔ2 、入り口部冷却水温Ｔ1 ともに上昇する。また、燃料電池装置２０の始動時には冷却水の温度は低い状態となっているため、電気化学反応の量および発熱量が増大するにしたがって、ΔＴの値も次第に大きくなる。
【００７７】
ステップＳ４２０において、ΔＴの値が５℃以上である場合には、燃料電池２２内の温度分布状態が不均一な状態であると判断されて、冷却水ポンプ３０の出力を所定の１段階（本実施例では１Ｖずつ）増加させ（ステップＳ４３０）、冷却水の流速を速くして、燃料電池内の温度分布状態の平均化を図る。このような動作が行なわれるのは、図６における経過時間ｔ5 、ｔ6、ｔ7およびｔ8 の時点に相当する。冷却水の流速を速くすることによって、上記ΔＴの値は減少する。
【００７８】
このように、ΔＴの大きさに応じて冷却水ポンプ３０の駆動状態を制御した後には、燃料電池の内部温度の高低、すなわち、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上であるかどうかを判断する（ステップＳ４４０）。燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃未満の場合には、燃料電池装置２０は、まだ始動状態であると判断されて、ステップＳ４００に戻り、燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上となるまで、ΔＴの大きさに応じて冷却水ポンプ３０の駆動電圧を制御する動作を繰り返す。ステップＳ４４０において燃料電池の内部温度ＴFCが７０℃以上である場合には、燃料電池装置２０は定常状態に達したと判断されて、本ルーチンを終了し、既述した定常運転時処理ルーチンが起動される。
【００７９】
以上説明した第２実施例の燃料電池装置２０によれば、燃料電池装置２０の始動時に、上記した動作を行なうことによって、燃料電池２２の内部温度を充分に平均化しつつ、定常運転可能な温度（７０℃）にまで燃料電池２２の内部温度を昇温させることができる。また、燃料電池装置２０の始動時には、冷却水ポンプ３０の駆動電圧は低く設定されており、燃料電池２２で進行する電気化学反応の量が少ない間は冷却水の流速が遅いため、効率よく燃料電池２２の内部を昇温させることができる。さらに、燃料電池２２の内部温度が昇温するにしたがって、冷却水ポンプ３０の駆動電圧を上昇させる構成であるため、冷却水ポンプ３０で不必要な電力を消費してしまうことがなく、燃料電池装置２０においてエネルギ効率が低下してしまうことがない。
【００８０】
燃料電池２２においては、電気化学反応の進行に伴って発熱量が増えるため、通常の動作環境では、冷却ファン２４を停止している間は燃料電池２２の内部温度は上昇し続ける。しかしながら、燃料電池装置２０の環境、すなわち、燃料電池装置２０を搭載する電気自動車の使用場所が、外気温の低い地域であったり、この電気自動車が所定の高速で走行することによりラジエータ２６が走行風の影響を受けたり、燃料電池２２に接続される負荷が小さく、電気化学反応に伴う発熱量が小さい場合には、冷却ファン２４を停止していても燃料電池２２が過冷却となってしまう場合がある。このように、冷却ファン２４を停止していても冷却水が降温してしまう場合に、燃料電池２２の過冷却を防止する機能を有した燃料電池装置２０を、第３実施例として以下に説明する。第３実施例の燃料電池装置２０では、冷却ファン２４を停止していても、走行風が強いためにラジエータ２６で冷却水が降温し、燃料電池２２が過冷却となってしまうおそれがある場合に、冷却ファン２４の逆回転を行なって、ラジエータ２６を通過する走行風を妨げる構成となっている。
【００８１】
図９は、第３実施例の燃料電池装置２０において実行される過冷却時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図５に示した定常運転時処理ルーチンと同様に、燃料電池２２の内部温度が所定の温度（７０℃）に達して定常状態になると、所定時間毎に実行される。本ルーチンが起動されると、ＣＰＵ５４は、まず、ΔＴ、ＴFCおよびＴFC-1の値をＲＡＭ５８から読み込む（ステップＳ５００）。なお、ここで読み込むΔＴ、ＴFC、ＴFC-1 の値は、それぞれ、最も最近に実行した定常運転時処理ルーチンにおけるステップＳ２００で読み込んだΔＴの値、同じくＴFCの値およびさらに前回に実行した定常運転時処理ルーチンで読み込んだＴFCの値であり、予めＲＡＭ５８に一時的に記憶されている値である。また、燃料電池装置２０を搭載する電気自動車が備える所定の車速センサから電気自動車の車速Ｖを読み込む（ステップＳ５１０）。
【００８２】
上記読み込みの処理を行なうと、次に、燃料電池２２の内部温度ＴFCが６０℃未満であるかどうか、燃料電池２２の内部温度ＴFCが減少傾向にあるかどうか、車速Ｖが４０ｋｍ／ｈ以上であるかどうかについて判断する（ステップＳ５２０）。ここで、燃料電池２２の内部温度ＴFCが減少傾向にあるかどうかは、ＴFCの値とＴFC-1の値とを比較して判断され、ｄＴFC＝（ＴFC−ＴFC-1）とすると、（ｄＴFC/ｄｔ）の値が負であれば減少傾向にあると判断される。ＴFCが６０℃以上の場合には、燃料電池２２はまだ過冷却にはなっていないと判断される。ＴFCが減少していない場合には、冷却ファン２４を停止することによって充分に燃料電池２２内を昇温可能であると判断される。また、車速が４０ｋｍ／ｈ未満の場合には、走行風の影響が小さいと判断される。したがって、上記した条件の中で当てはまらない条件がある場合には、走行風のために過冷却になった状態ではないと判断されて、そのまま本ルーチンを終了する。
【００８３】
ステップＳ５２０において、上記したすべての条件を満たす場合には、外気温が低かったり負荷が小さいなどの理由で、燃料電池２２における発熱量が小さい状態になっており、走行風が強いために、冷却ファン２４を停止してもラジエータ２６で冷却水が冷却され続けて、燃料電池２２が過冷却になっていると判断さる。したがって、冷却ファン２４の逆回転を行なって（ステップＳ５３０）、本ルーチンを終了する。冷却ファン２４を逆回転することによって、ラジエータ２６を通過する走行風の流れが妨げられる。本実施例では、ステップＳ５３０において冷却ファン２４を逆回転する動作は、所定時間行なうこととした。ここで、燃料電池２２に接続する負荷の大きさや車両の車速Ｖの変化などを考慮して、冷却ファン２４を逆回転させる時間を制御することとしてもよい。
【００８４】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池装置２０によれば、外気温が低かったり負荷が小さい場合に、走行風が強いために、冷却ファン２４を停止してもラジエータ２６で冷却水が冷却され続けて、燃料電池２２が過冷却になる状況に置いて、走行風の影響を減少させることができる。すなわち、冷却ファン２４の逆回転により、ラジエータ２６を通過しようとする走行風が押し戻されるため、ラジエータ２６を通過する冷却水が走行風によって冷却されてしまうのを抑えることができる。
【００８５】
図１０は、冷却ファン２４の通常の駆動と停止による制御だけが行なわれる通常の状態と、走行風の影響で過冷却が起こって冷却ファン２４を逆回転させる制御が行なわれる状態とを表わす説明図である。図１０（Ａ）は、燃料電池２２から排出される出口側冷却水温Ｔ2 の変化の様子を表わし、図１０（Ｂ）は、冷却ファン２４の駆動状態を表わす。通常は、既述したように、冷却ファン２４を停止しているときには燃料電池２２は徐々に昇温するため、出口部冷却水温Ｔ2 が７０℃に達すると、このＴ2 が６０℃に降温するまで冷却ファン２４を駆動する。外気温の低下や負荷の減少によって燃料電池２２における発熱量が減少し、車速Ｖが速いために走行風の影響を受けるようになると、冷却ファン２４を停止しても出口側冷却水温Ｔ2 は降温を続けるようになる（図１０における経過時間ｔ９以降）。このとき、出口側冷却水温Ｔ2 が５０℃以下になると、冷却ファン２４が逆回転されて走行風の影響が抑えられ（図１０における経過時間ｔ１０の時点）、出口側冷却水温Ｔ2 は昇温を始める。
【００８６】
上記第３実施例では、燃料電池装置２０が定常状態で運転している場合について説明したが、燃料電池装置２０の始動時にも同様の制御を行なうことができる。燃料電池装置２０は、既述したように２次電池を備えているが、この２次電池として充分な容量のものを用いれば、燃料電池２２の内部温度が昇温して充分量の電力を取り出すことができるようになる前であっても、車両を走行させることが可能となる。燃料電池２２の始動時には発電量は徐々に増加されるため発熱量は少なく、上記第３実施例のように、車速が速い場合には走行風によって冷却水がラジエータ２６で冷却されてしまい、燃料電池を定常状態に昇温させることができなくなるおそれがある。
【００８７】
燃料電池装置２０の始動時には、第２実施例の始動時処理ルーチンと共に、第３実施例の過冷却時処理ルーチンと同様の処理を実行することとすれば、燃料電池装置２０の始動と共に車両を高速で走行させた場合にも、走行風の影響を抑えて燃料電池２２を昇温させることができる。ここで、燃料電池装置２０の始動時に行なう処理としては、図９の過冷却時処理ルーチンにおけるステップＳ５２０で、出口部冷却水温ＴFCに関する判断だけを省略することとすればよい。
【００８８】
また、上記第３実施例では、走行風の影響で燃料電池２２が過冷却となる場合に、冷却ファン２４を逆回転させる構成としたが、異なる構成によって走行風の影響を抑えることとしてもよい。例えば、冷却ファン２４を逆回転させる代わりに、走行風の流れを妨げる構造を走行風の流路に設けることとしてもよい。車両内を通過する走行風の流路の入り口部、または出口部、あるいは、ラジエータ２６の近傍に、走行風の流路を開閉可能な構造を設け、通常は流路を開状態に保ち、燃料電池２２が過冷却になるときには、冷却ファン２４を逆回転させる代わりに、この開閉構造を閉状態とする。このような構成とすれば、上記第３実施例と同様の効果が得られると共に、冷却ファン２４を逆回転させる場合に比べて、走行風の流れを妨げるために消費する電力量を削減することができる。
【００８９】
あるいは、走行風の影響で燃料電池２２が過冷却となるのを抑える他の構成として、冷却水路２８において、ラジエータ２６をバイパスする流路をさらに設けることとしてもよい。ラジエータ２６内を通過する通常の流路と、上記バイパス流路との接続部位に、制御部５０からの駆動信号によって流路を切り替え可能となる切り替え弁を設けておけば、燃料電池２２が過冷却となるおそれがあるときには、上記バイパス流路内を冷却水が通過するように、上記切り替え弁によって冷却水の流路を切り替えて、燃料電池２２が過冷却となるのを防ぐことができる。このような構成とする場合にも、上記第３実施例と同様の効果が得られると共に、冷却ファン２４を逆回転させる場合に比べて、走行風の流れを妨げるために消費する電力量を削減することができる。
【００９０】
既述した実施例では、燃料電池２２の内部温度ＴFCは、７０℃〜８０℃となるように制御することとしたが、燃料電池の最適な運転温度は、燃料ガスの加湿の状態や、燃料ガスにおける加湿に伴う水素分圧の変化などによっても影響を受ける。したがって、最適な運転温度として設定する温度は、加湿のために消費してしまうエネルギ量などを考慮して、燃料電池装置全体でエネルギ効率が最適な状態により近づくように設定することが望ましい。また、燃料ガスとして炭化水素系の原燃料を改質して得た改質ガスを用いる場合には、改質ガス中の一酸化炭素に起因する触媒被毒により燃料電池の発電効率が影響を受けることがあり、このような場合には、燃料電池の運転温度を上昇させることによって被毒を軽減することができる。したがって、改質ガスを用いる場合には、さらに一酸化炭素の影響を考慮して燃料電池の運転温度を設定することが望ましい。
【００９１】
上記実施例では、燃料電池２２内部を通過して昇温した冷却水は、冷却ファン２４から冷却風を供給されるラジエータ２６内を通過させることによって降温させる構成としたが、他の方法で冷却水の降温を行なうことにしてもよい。例えば、燃料電池に供給する燃料ガスとして水素ガスを用い、この水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させることによって貯蔵する場合には、水素吸蔵合金から水素を取り出す際に水素吸蔵合金を加熱する必要があるが、燃料電池２２を通過することで昇温した上記冷却水の有する熱量を利用して、水素吸蔵合金から水素を放出させることもできる。このような場合にも、燃料電池２２内を通過させる冷却水の流速を制御することによって、燃料電池２２内の温度分布状態を平均化させることができる。
【００９２】
また、燃料電池装置２０では、冷却水給排部２１を構成する冷却水路２８は、燃料電池２２とラジエータ２６との間に冷却水を循環させる閉じた流路としたが、異なる構成とすることもできる。例えば、燃料電池内を通過して昇温した冷却水を用いて、燃料ガスの加湿を行なうこととしてもよい。昇温した冷却水と燃料ガスとを、水蒸気透過性の中空子膜を介して接触させれば、冷却水温および燃料ガス温に応じた量の水蒸気を、冷却水側から燃料ガス側に供給することができる。このような構成の燃料電池装置では、燃料ガスの加湿によって消費した量の冷却水を新たに補うこととすればよい。補う水は、例えば、燃料電池における電気化学反応によって生成される生成水を用いることができる。このような場合にも、燃料電池内を通過させる冷却水の流速を制御することによって、燃料電池内の温度分布状態を平均化させることができる。
【００９３】
また、上記実施例では、燃料電池２２を冷却するための冷却液として冷却水を用いることとしたが、異なる冷却液を用いることとしてもよい。特に、冷却水流路が、既述した実施例のように、燃料電池２２とラジエータ２６との間に冷却水を循環させる閉じた流路として構成されている場合には、冷却液を選択する自由度が増す。例えば、冷却液として不凍液を用いることにすれば、外気温が氷点下になる場合にも、燃料電池装置の停止中に冷却液が凍結してしまうことがない。したがって、次回に燃料電池装置を始動させるときに冷却液を融解させる必要がなく、外気温が低い場合であっても燃料電池装置の立ち上げ時間を短縮することが可能となる。
【００９４】
既述した実施例では、本発明の燃料電池装置２０は、電気自動車に搭載されており、車両駆動用のモータに対して電力を供給する構成としたが、本発明の燃料電池装置２０を異なる用途に用いることもできる。負荷の大きさがある程度変動し、燃料電池における発熱状態が変動する場合には、本発明の構成を適用することによって、燃料電池の内部温度を最適温度により近い状態で平均化することができ、燃料電池の出力状態を良好に保つ上で充分な効果を得ることができる。
【００９５】
また、既述した実施例では、燃料電池装置は固体高分子型燃料電池を備えることとしたが、異なる種類の燃料電池を用いることとしてもよい。例えば、りん酸型燃料電池やアルカリ水溶液電解質型などを用いる場合には、それぞれの運転条件に適した冷媒を選択すれば、燃料電池内を通過させる冷媒の流速を制御することによって、燃料電池内の温度分布状態を平均化させる効果を得ることができる。
【００９６】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池装置２０の要部の構成の概略を例示する概略構成図である。
【図２】単セル４８の構成を表わす断面模式図である。
【図３】燃料電池２２を構成するスタック構造における積層の様子を表わす分解斜視図である。
【図４】燃料電池２２の端部に配設される部材の構成を表わす分解斜視図である。
【図５】燃料電池装置２０で実行される定常運転時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】冷却水ポンプ３０および冷却ファン２４の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子を表わす説明図である。
【図７】燃料電池装置２０で実行される始動時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図８】冷却水ポンプ３０および冷却ファン２４の駆動制御の様子と、それに伴う冷却水温の推移の様子を表わす説明図である。
【図９】燃料電池装置２０で実行される過冷却時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１０】通常の状態と、冷却ファン２４を逆回転させる制御が行なわれる状態とを表わす説明図である。
【図１１】燃料電池の出力電流密度を一定に保った場合に、燃料電池の運転温度と燃料電池の出力電圧との間にみられる関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２０…燃料電池装置
２１…冷却水給排部
２２…燃料電池
２４…冷却ファン
２６…ラジエータ
２８…冷却水路
３０…冷却水ポンプ
３２，３４…温度センサ
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４，４５…セパレータ
４４Ｐ…燃料ガス流路
４５Ｐ…酸化ガス流路
４８…単セル
５０…制御部
５２…入出力ポート
５４…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５８…ＲＡＭ
６０，６１…端部セパレータ
６２，６３…リブ
７０…中央セパレータ
８０…冷却セパレータ
８１，８２…冷却水孔
８３，８４…燃料ガス孔
８５，８６…酸化ガス孔
８７…溝
８７Ｐ…冷却水路
９１，９２…集電板
９３，９４…絶縁板
９５，９６…エンドプレート
９７…端子
１０１，１０４…冷却水孔
１０２，１０５…燃料ガス孔
１０３，１０６…酸化ガス孔
Claims (6)
- 少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給する冷却液供給手段と、
前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出する温度分布状態検出手段と、
前記温度分布状態検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、所定の不均一状態にあると判断したときには、前記冷却液供給手段を制御して、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させる冷却液供給制御手段と
を備える燃料電池装置。 - 請求項１記載の燃料電池装置であって、
前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と、
前記負荷の大きさを判定する負荷状態判定手段と、
前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、
前記負荷状態判定手段が判定した前記負荷の大きさが所定の値以上であるときに、前記冷却液を冷却するように前記冷却液冷却手段を制御する冷却状態制御手段と
をさらに備える燃料電池装置。 - 前記負荷状態判定手段は、前記燃料電池より排出される前記冷却液の温度に基づいて、前記負荷の大きさを判定する
請求項２記載の燃料電池装置。 - 請求項２または３記載の燃料電池装置であって、
外気温を反映する値を検出する外気温検出手段をさらに備え、
前記冷却状態制御手段は、前記負荷状態判定手段の判定結果に加えて、前記外気温検出手段が検出した前記外気温を反映する値に基づいて、前記冷却液冷却手段を制御する
燃料電池装置。 - 請求項２ないし４いずれか記載の燃料電池装置であって、
前記冷却液冷却手段は、前記燃料電池に供給する前記冷却液を冷却する空冷式の冷却手段と、該空冷式の冷却手段に冷却風を送る冷却用ファンとを備え、
外部から流入して前記空冷式の冷却手段を通過する外気の流速を反映する値を検出する流入外気状態検出手段と、
前記流入外気状態検出手段が検出する前記外気の流速を反映する値が、所定値以上の場合には、前記空冷式の冷却手段を通過する前記外気の流れを制限する外気制限手段と
をさらに備える燃料電池装置。 - 少なくとも水素を含有する燃料ガスと、少なくとも酸素を含有する酸化ガスとの供給を受け、前記両ガスを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池装置における温度調整方法であって、
前記燃料電池内を通過することによって前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記燃料電池に供給し、
前記燃料電池における温度の分布状態を反映する値として、前記燃料電池内に流入する前記冷却液の温度と、前記燃料電池から排出される前記冷却液の温度との差を検出し、
該検出した値に基づいて、前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあるか否かを判断する際に、検出された前記差が所定の値以上になると、前記燃料電池内における温度の分布状態が所定の不均一状態であると判断し、
前記燃料電池における温度の分布状態が所定の不均一状態にあると判断したときには、前記燃料電池に供給する前記冷却液の単位時間当たりの流量を増加させる
燃料電池装置の温度調節方法。
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