JP4629961B2 - 燃料電池および温度制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および温度制御システムに関し、詳しくは、ヒートプレートを用いた冷却機能を有する燃料電池および温度制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、図１１（ａ）に示すように、燃料電池５０は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）５２ｂを挟んで、一側にカソード極５２ａを区画し、他側にアノード極５２ｃを区画して膜電極構造体（ＭＥＡ）５２が構成されており、カソード極５２ａに供給される空気中の酸素と、アノード極５２ｃに供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応によって、発電するものである。そして、このような燃料電池５０は、発電単位である単セル５１を多数積層した構造のスタックとして構成される。
【０００３】
そして、このような燃料電池５０には、図１１（ｂ）に示すように、水素ガスの入口５３ａと出口５３ａ1、空気の入口５３ｂと出口５３ｂ1が設けられているとともに、冷却水を通流するための、冷却水入口５５ｂと冷却水出口５５ｂ1が設けられている。
【０００４】
図１１（ｃ）は、冷却水を循環通流するための燃料電池５０の冷却系を示した系統図であり、熱交換器であるラジエータ５４と、冷却水流路５５と、冷却水を循環させるためのポンプ５６と、冷態時にラジエータ５４をバイパスさせて冷却水をバイパス流路５５ａに循環させるサーモスタットバルブ５７とを備えている。
【０００５】
冷却水は、ポンプ５６により冷却水流路５５を循環し、冷却水入口５５ｂから燃料電池５０内を通過して冷却水出口５５ｂ1より冷却水流路５５に排出される。その際、冷却水は、図１１（ａ）に示すように、単セル５１のセパレータ５１ａ，５１ｂに形成された溝５１ｃ内を通流する。
冷却水としては、燃料電池５０の液絡現象を防止するため、絶縁性の高いエチレングリコールと純水との混合水などが用いられる。また、燃料電池５０の運転に伴う熱劣化などによって、冷却水に発生するイオンを吸収するため、冷却水流路５５には、図１１（ｃ）に示すように、通常、イオン交換器５８が設けられている。
【０００６】
また、このような燃料電池の分野では、燃料電池を冷却する技術として、熱媒体としての作動液が封入されたヒートパイプを単セル間に介在させて設け、このヒートパイプ内を移動する作動液の自然循環により、燃料電池を冷却したり、また、ヒートパイプに別途にヒータを設けるなどして、燃料電池を加熱（暖機運転）するものが知られている（例えば、特許文献１，２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１２１０８３号公報（［００１２］−［００２３］，図１−図３）
【特許文献２】
特開平１１−２１４０１７号公報（［００１０］−［００２２］，図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図１１各図に示した従来の一般的な燃料電池５０では、冷却水が、燃料電池５０内を直接通流するように構成されていたため、例えば、隣接するセパレータ５１ａ，５１ｂと溝５１ｃとの隙間から冷却水が燃料電池５０内に漏れて燃料電池不調や発電ロスの原因となることがあった。
また、燃料電池５０の液絡現象を防止するためには、イオン交換器５８の性能を維持しなければならず、イオン交換樹脂の定期的な交換が必要になって煩わしいことから、通常の内燃機関利用の自動車に用いられている導電性のあるクーラント（ロングライフクーラント）が冷却水として利用できる燃料電池が望まれている。
さらに、エチレングリコール系の冷却水は、燃料電池５０の冷態時に粘度が著しく上昇する傾向にあり、セパレータ５１ａ，５１ｂの狭い溝５１ｃ内を通流させるためにポンプ５６が高負荷運転となり、効率が悪いという問題があった。
【０００９】
これに対し、前記特許文献１，２に開示された燃料電池は、いずれも、燃料電池内を冷却水が直接通流するように構成されていないので、前記いずれの問題も生じることはない。しかしながら、ヒートパイプは、封入された作動液が内部で自然循環することにより冷却や加熱を行うものであるから、効率の良い冷却や暖機運転を行うことができなかった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、燃料電池内部に熱媒体である冷却水が漏れることなく、導電性クーラントの利用が可能で、しかも冷態時のポンプ効率が低下しにくい燃料電池を提供することにある。
また、その他の課題は、効率の良い暖機運転を行なうことができる燃料電池の温度制御システムを提供することにある。
【００１１】
前記課題を解決した本発明の燃料電池は、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とを備えた燃料電池であって、前記発電部と前記熱媒部とを分離構成させるとともに、前記発電部の前記セパレータと前記発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、前記熱媒部を隣接させて構成し、前記発電部の前記セパレータと前記熱媒部との間を熱交換可能に接続するヒートプレートを備え、前記ヒートプレートの一端が、前記セパレータの前記積層方向において前記セパレータに直接接続されるとともに、他端の接面が前記熱媒部側に延びて前記熱媒部に接続されることで熱交換を行い、前記ヒートプレートは、前記発電部の前記セパレータとの接続部が、前記セパレータの前記積層方向に通電される状態に接続されるとともに、前記ヒートプレートにおける前記熱媒部との接面が、絶縁材で覆われていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とが、分離構成され、発電部のセパレータと発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、熱媒部が隣接されており、ヒートプレートにより、発電部のセパレータと熱媒部との間が熱交換可能に接続されているので、発電部に熱媒体を通流させることなく、ヒートプレートを介して発電部を冷却することができる。したがって、発電部内で熱媒体が漏れるという事態が生じなくなり、熱媒体として導電性クーラントを用いることが可能となる。また純水等を熱媒体として用いた場合でもイオン交換樹脂の定期的な交換が必要とならない。しかも、発電部に熱媒体を通流させる必要がないので、発電部の冷態時にもポンプ効率が低下しにくいという利点が得られる。
【００１３】
ヒートプレートは、発電部のセパレータとの接続部が、セパレータの積層方向に通電される状態に接続されるとともに、ヒートプレートにおける熱媒部との接面が、絶縁材で覆われているので、セパレータとの接続部においては、セパレータの積層方向への通電状態が確保されるとともに、熱媒部との接面においては、絶縁状態が得られることとなる。したがって、漏電に起因する発電ロスを生じることがない。
【００１４】
なお、発電部は、通常、固体高分子型に属するＰＥＭ型のものであるが、他の型式であってもよい。
【００１５】
また、本発明は、ヒートプレートとセパレータとが一体的に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、ヒートプレートとセパレータとの一体化により、通電性および熱交換性を高めることができる。
また、本発明は、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とを備えた燃料電池であって、前記発電部と前記熱媒部とを分離構成させるとともに、前記熱媒部を、前記発電部の前記セパレータと前記発電素子とを含む積層体の積層方向と並列で、かつ、前記積層方向に沿う前記発電部の一側面側と前記一側面側の反対側となる前記発電部の他側面側とにそれぞれ隣接させて構成し、前記セパレータと一側面側の前記熱媒部および他側面側の前記熱媒部との間を熱交換可能に接続するヒートプレートを備え、前記ヒートプレートは、前記セパレータの前記積層方向において前記セパレータに直接接続されるとともに、前記セパレータとの接続部が前記セパレータの前記積層方向に通電される状態に接続され、さらに、前記ヒートプレートの一端の接面が、一側面側の前記熱媒部に接続されるとともに、前記ヒートプレートの他端の接面が、他側面側の前記熱媒部に接続されることで熱交換を行い、前記ヒートプレートの一端および他端の前記接面は、絶縁材でそれぞれ覆われていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の温度制御システムは、前記発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、前記燃焼器により発生する燃焼ガスの熱を用いて前記熱媒体を加熱する加熱手段と、この加熱手段により加熱された前記熱媒体を前記熱媒通路に供給する供給手段と、前記供給手段により供給される前記熱媒体の供給量を前記発電部の温度に基づいて制御する制御手段とを具備したことを特徴とする。ここで、発電部の温度とは、発電部内の温度や発電部により排出されるガスの温度を発電部の温度として捉えることを含む。
【００１８】
この発明によれば、発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料を燃焼器により燃焼させ、発生した燃焼ガスの熱を用いて熱媒体が加熱される。すなわち、熱媒体は、高温の燃焼ガスにより加熱されることとなる。加熱された熱媒体は、制御手段により発電部の温度に基づいて熱媒通路への供給量が制御され、供給手段により熱媒通路に供給される。すなわち、発電部の温度に基づいた適量の熱媒体が熱媒通路に供給されることとなる。これにより、ヒートプレートを介して発電部のセパレータが加熱されることとなり、効率の良い暖機運転を行うことができる。
【００１９】
また、本発明は、前記熱媒通路に接続されて前記発電部の冷却と加熱とを行うことが可能な熱媒体を通流する第１の流路と、この第１の流路とは別の流路として設けられ、前記熱媒通路に接続されて前記発電部の冷却と加熱とを行うことが可能な熱媒体を通流する第２の流路と、前記熱媒通路に対し、前記第１の流路あるいは前記第２の流路の少なくとも一方を任意に選択して接続制御する接続制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、熱媒通路に対して接続される第１の流路と第２の流路とを、接続制御手段によって、任意に選択することができる。
したがって、発電部を冷却あるいは加熱するために熱媒通路に通流される熱媒体を任意に選択することができ、発電部の温度状態に適合した冷却あるいは加熱を行うことができるようになる。
例えば、発電部に対して２つの熱媒部を設けて、これら２つの熱媒部に対して第１の流路と第２の流路とが別々に接続されるように構成することもできるようになり、この場合には、熱媒部ごとに、あるいは、２つの熱媒部に対して同時に熱媒体を通流させるように制御することも可能となり、発電部の温度状態により一層適合した冷却あるいは加熱を行うことができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第一の実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は、隣接する２つの単セルを図１（ａ）のｂ−ｂ線で切断したときの断面図である。
【００２２】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、燃料電池ＦＣ１は、発電部１と、この発電部１と分離構成され、発電部１の上部に載置された熱媒部２と、発電部１と熱媒部２との熱交換を行うヒートプレート３とを備えている。なお、本実施形態の燃料電池ＦＣ１は、図２に示すように、発電部１と熱媒部２とヒートプレート３を含む構造を単セルとして、複数枚積層（11，１2，１3，…１n）された積層構造として構成され、図示しない自動車（燃料電池自動車）の床部等に搭載されるものである。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、発電部１の単セル１1は、電解質膜１ｂを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に、例えば、白金系の触媒を含んだ電極が設けられて、カソード電極１ａおよびアノード電極１ｃが形成された膜電極構造体（ＭＥＡ発電素子）１ｄを有している。
電解質膜１ｂとしては、固体高分子膜、例えば、プロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が用いられている。この電解質膜１ｂは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより、常温で２０Ω‐以下の低い比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能する。
【００２４】
膜電極構造体１ｄのカソード電極１ａの外側には、セパレータ１１ａが設けられ、また、反対側のアノード電極１ｃの外側には、セパレータ１１ｃが設けられている。セパレータ１１ａには、カソード電極１ａに酸化剤ガスとしての供給空気（酸素含有ガス）を通流する酸素供給路１２ａが設けられている。また、セパレータ１１ｃには、アノード電極１ｃに燃料ガスとしての水素（原燃料）を通流する水素供給路１２ｃが設けられている。
図１（ａ）に示すように、発電部１の両側部には、この酸素供給路１２ａの入口通路１２ａ1および出口通路１２ａ2が形成されており、また、水素供給路１２ｃの入口通路１２ｃ1および出口通路１２ｃ2が形成されている。そして、酸素供給路１２ａの入口通路１２ａ1および出口通路１２ａ2は、図示しない空気供給装置に接続され、また、水素供給路１２ｃの入口通路１２ｃ1および出口通路１２ｃ2は、図示しない水素供給装置に接続されている。
【００２５】
このような発電部１は、酸素供給路１２ａに供給空気が通流され、水素供給通路１２ｃに供給水素が供給されると、アノード電極１ｃで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成され、この生成されたプロトンは、電解質膜１ｂ中を移動してカソード電極１ａに到達する。そして、カソード電極１ａに到達したプロトンは、供給空気の酸素と反応して水を生成する。生成された水および未使用の酸素を含む供給空気は、排出空気として発電部１のカソード極側の図示しない出口から排出される。また、アノード電極１ｃでは、水素がイオン化する際に、電子ｅ‐が生成されるが、この生成された電子ｅ‐は、図示しないモータなどの外部負荷を経由してカソード電極１ａに到達する。
【００２６】
熱媒部２は、図１（ａ）に示すように、入口通路２ａと、出口通路２ｂと、熱交換通路２ｃとからなる熱媒通路２０を備え、全体が絶縁部材２１により囲まれて形成されている。ここで、絶縁部材２１としては、例えば、フェノール等の熱硬化性樹脂材やＰＰＳ樹脂等の熱可塑性樹脂材が用いられる。
入口通路２ａと熱交換通路２ｃとの連結口および熱交換通路２ｃと出口通路２ｂとの連結口には、熱媒体としての冷却水の流れを整流する作用をなす複数枚の整流板２ｄが上下方向に間隔を隔てて設けられている。
【００２７】
熱媒通路２０の入口通路２ａと出口通路２ｂとには、図３に示すように、冷却水を循環供給する冷却系の冷却水流路５５が接続されている。この冷却系は、熱交換器であるラジエータ５４と、冷却水を循環させるためのポンプ５６と、冷態時にラジエータ５４をバイパスさせて冷却水をバイパス流路５５ａに迂回させるサーモスタットバルブ５７とを備えている。このような冷却系に循環される冷却水は、絶縁性の高い純水やエチレングリコールと純水との混合水などを用いてもよいが、後記するように通常の内燃機関の冷却に用いられる導電性のクーラントを利用するのが好摘である。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、ヒートプレート３は、導電性および熱伝導性を備えた部材、例えば、カーボン材や金属材で形成されたプレートであり、発電部１と熱媒部２とにわたって設けられ、これらの間で熱交換を行うようになっている。ヒートプレート３と発電部１の単セル１1について、その接続構造を説明すると、ヒートプレート３の下部３ｂ側がセパレータ１１ｃの側方に密着した状態で、セパレータ１１ｃの積層方向に通電される状態に接続されている。そして、ヒートプレート３の下部３ｂ側は、隣接する単セル１2のセパレータ１１ａとの間に挟み込まれた状態に積層される。また、ヒートプレート３の上部３ａ側は、熱媒部２の熱媒通路２０の熱交換通路２ｃに、絶縁材としての絶縁皮膜３ａ1で被覆された（接面が覆われた）状態で臨むように配置される。絶縁皮膜３ａ1としては、例えば、ポリイミド皮膜を形成する。なお、本実施形態では、熱交換通路２ｃにヒートプレート３の上部３ａ側が絶縁皮膜３ａ1を介して直接的に接続されるように構成したが、例えば、熱伝導性の別部材を介して熱交換通路２ｃに間接的に接続されるように構成することもできる。
【００２９】
このような燃料電池ＦＣ１によれば、発電部１と、この発電部１を冷却するための冷却水が流れる熱媒通路２０が形成された熱媒部２とが分離構成されているので、発電部１に冷却水を通流させることなく、ヒートプレート３を介して発電部１を冷却することができる。つまり、熱伝導性の良いヒートプレート３が、燃料電池ＦＣ１の発電による熱を冷却水へ効率良く排出する。したがって、発電部１内で冷却水が漏れるという事態が生じなくなり、前出の導電性クーラントを用いても燃料電池の不調や発電ロスを起こすことがない。この場合は、イオン交換器を設ける必要がなくシステムとして好摘である。あるいは、純水等を用いたときには、図示しないイオン交換樹脂の定期的な交換が必要とならない。もしくは、定期的な交換の間隔を延ばすことができる。しかも、発電部１に冷却水を通流させる必要がないので、発電部１の冷態時にもポンプ効率が低下しにくいという利点が得られる。
【００３０】
ヒートプレート３は、セパレータ１１ｃ（１１ａ）との接続部となる下部３ｂ側が、セパレータ１１ｃ（１１ａ）の積層方向に接続されるとともに、上部３ａ側の接面が、熱媒通路２０の熱交換通路２ｃを流れる冷却水に接続されるようになっているので、発電部１のセパレータ１１ｃ（１１ａ）を熱交換通路２ｃに流れる冷却水で冷却することができる。
【００３１】
さらに、ヒートプレート３は、その下部３ｂ側がセパレータ１１ｃ（１１ａ）の積層方向に通電される状態に接続されるようになっているので、各単セル11，１2，１3，…１nの積層方向の通電を確保することができる。また、ヒートプレート３の上部３ａ側の接面が、絶縁皮膜３ａ1で被覆されているので、冷却液との絶縁状態が保持されるようになっている。したがって、漏電に起因する発電ロスを生じるおそれがない。
なお、発電部１は、通常、固体高分子型に属するＰＥＭ型のものであるが、他の型式のものも採用することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、燃料電池ＦＣ１を構成する各単セル11，１2，１3，…１nは、図４（ａ）に示すように、直立状態にして、かつ、図４（ｂ）に示すように、水平方向に積層（横積み）されたものとして説明したが、これに限らず、図４（ｃ）に示すように、各単セル11，１2，１3，…１nを倒伏状態にして、垂直方向に積層（縦積み）されるように構成しても良い。
【００３３】
さらに、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ヒートプレート３に、セパレータ１１ａあるいはセパレータ１１ｃの一方、あるいは両方を一体的に形成しても良い。ヒートプレート３をこのような一体的構造とすることにより、より確実性の高い導電性および熱伝導性が得られるようになる。また、組立時の工数削減や部品数を削減、さらには管理費を削減することができるという利点が得られる。
なお、図５（ｃ）に示すように、ヒートプレート３は、表面部３ｃだけを導電性および熱伝導性を有する部材で形成しても良い。
【００３４】
次に、このような燃料電池ＦＣ１を用いた温度制御システムについて説明する。図６は、燃料電池ＦＣ１を用いた温度制御システムを説明するための構成図である。
同図において、この温度制御システム３０は、燃料電池ＦＣ１およびその冷却系と、燃焼器３１と、加熱手段としての熱交換器３２と、供給手段としての供給配管３３および切換弁３４と、制御手段としての制御部３５とを備えている。
【００３５】
燃焼器３１は、水素を燃焼させて燃焼ガスを発生するものであり、発電部１により排出されるオフガスあるいは前記水素供給路１２ｃ1（図１（ａ）参照）から分岐された図示しない供給配管を通じて水素が供給されるようになっている。
熱交換器３２は、燃焼器３１により発生した燃焼ガスの熱を用いて、熱媒体としての冷却水を加熱するようになっている。なお、燃焼には、燃料ガス、アノードのオフガス、専用の燃料を用いることができる。
供給配管３３は、熱交換器３２と冷却系の冷却水流路５５との間を連結する配管であり、例えば、暖機時に、熱交換器３２により加熱された冷却水を熱媒部２の熱媒通路２０における入口側（入口通路２ａ側）に供給し、切換弁３４を介して熱媒部２の熱媒通路２０の出口側（出口通路２ｂ）から排出された冷却水を熱交換器３２に戻す循環系統を構成している。
切換弁３４は、冷却系のポンプ５６の出口（吐出）側に設けられており、作動時に熱媒部２の熱媒通路２０の出口側（出口通路２ｂ）から排出された冷却水を供給配管３３へ流す役割をなす。
制御部３５は、供給配管３３により冷却系に供給される、加熱された冷却水の供給量を、発電部１の温度に基づいて制御する役割をなし、温度制御システム３０の動作を統括的に制御する。
【００３６】
次に、温度制御システム３０の動作の一例を、図７を参照して説明する（適宜図１（ａ）（ｂ），図６参照）。ここで、図７は、温度制御システム３０における制御フローを示すフローチャートである。
【００３７】
まず、図示しない燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチをＯＮにして、燃料電池電気自動車を始動する（Ｓ１）。すると、図６に示したセンサ３６によって燃料電池ＦＣ１の出口側における排気空気の温度Ｔ（発電部１の温度）が検出され、暖機運転を必要とするか否かを判断する（Ｓ２）。ここで、排気空気の温度としては、目安として、例えば、５０℃以下であるかどうかを判断することにより、暖機状態が必要であるか否かの判定をすることができる。
【００３８】
判定の結果、排気空気の温度Ｔが５０℃を超えている場合には（Ｎｏ）、暖機が終了に近づいていると判断し、定常運転モードへ移行する（Ｓ３）。ここで、通常運転モードとは、暖機運転を必要とせず、通常の発電が燃料電池ＦＣ１により行われるモードを言う。
また、排気空気の温度Ｔが５０℃以下である場合には（Ｙｅｓ）、暖機が必要であると判断し、暖機運転モードへ移行する（Ｓ４）。
【００３９】
暖機運転モードに移行すると、水素を供給するためのポンプ３７を作動するとともに、燃焼器３１が作動する（Ｓ５）。そして、切換弁３４を切り換えて、冷却系のポンプ５６を作動する（Ｓ６）。これにより、冷却系にある冷却水が供給配管３３を通じて熱交換器３２側へ流れるようになる。そして、熱交換器３２で冷却水が加熱され、加熱された冷却水は、供給配管３３を通じて熱媒部２の熱媒通路２０に供給され、ヒートプレート３を介して発電部１が加熱される。
【００４０】
そして、燃料電池ＦＣ１の出口側における排気空気の温度Ｔを再び読み取り（Ｓ７）、暖機運転を継続するか否かを判断する（Ｓ８）。判断の結果、排気空気の温度Ｔが５０℃以下である場合には（Ｙｅｓ）、さらに暖機運転が必要であると判断して、ステップＳ７に戻って、暖機運転を継続する。
これに対して、排気空気の温度Ｔが５０℃を超えている場合には（Ｎｏ）、暖機運転が充分行われたと判断し、ポンプ３７と燃焼器３１とを停止する（Ｓ９）。これとともに、切換弁３４を切り換えて、冷却系のポンプ５６を停止する（Ｓ１０）。これにより、定常運転モードへ移行する（Ｓ１１）。
【００４１】
このような温度制御システム３０によれば、発電部１により排出されるオフガスや水素燃料を用いて燃焼器３１を燃焼させることができ、この燃焼器３１により発生した高温の燃焼ガスの熱を用いて冷却水を加熱することができる。したがって、冷却水を効率良く加熱することができる。加熱された冷却水は、制御部３５の制御により、熱媒通路２０へ適量が供給されるので、適切な暖機運転を行うことができ、その結果、燃料電池ＦＣ１の適切な動作状態を得ることができるようになる。
【００４２】
［第二の実施形態］
次に、第二の実施形態に係る燃料電池を説明する。なお、前記第一の実施形態と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、図８は、第二の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は隣接する２つの単セルを図８（ａ）のｃ−ｃ線で切断したときの断面図である。
【００４３】
本実施形態の燃料電池ＦＣ２は、発電部１の下部にも熱媒部２が設けられており、下部の熱媒部２にヒートプレート３が延設されて接続された構造となっている点が前記第一の実施形態と異なる。すなわち、燃料電池ＦＣ２は、２つの熱媒部２，２の間に発電部１を配置した構造となっている。
発電部１の下部に設けられた熱媒部２は、各部が、発電部１の上部に設けられた熱媒部２と対称位置に設けられており、ヒートプレート３の延設部３ｄ側の接面が、熱交換通路２ｃ内に絶縁皮膜３ａ1を介して臨むように構成されている。
【００４４】
このような燃料電池ＦＣ２によれば、発電部１の下部にも熱媒部２が設けられているので、ヒートプレート３を介して、この下部の熱媒部２に設けられた熱媒通路２０に流れる冷却水で、発電部１のセパレータ１１ｃ（１１ａ）を冷却することができる。すなわち、発電部１のセパレータ１１ｃ（１１ａ）は、上部と下部とに配置された２つの熱媒部２，２により同時に冷却されることが可能となる。したがって、より効率の良い冷却を実現することができる。
【００４５】
また、燃料電池ＦＣ２は、各単セル２11，２１2，２１3，…２１nを、図９（ａ）に示すように、直立状態にして、かつ、図９（ｂ）に示すように、水平方向に積層（横積み）されるようにして構成しても良いし、また、図９（ｃ）に示すように、各単セル２11，２１2，２１3，…２１nを倒伏した状態にして、垂直方向に積層（縦積み）されるようにして構成しても良い。
【００４６】
次に、このような燃料電池ＦＣ２を用いた温度制御システム４０について説明する。図１０は、燃料電池ＦＣ２を用いた温度制御システム４０を説明するための構成図である。
同図において、この温度制御システム４０は、第一の実施形態で説明した温度制御システム３０（図６参照）を発展させたものであり、熱交換器３２を通過した冷却液を燃料電池ＦＣ２の上部の熱媒部２の熱媒通路２０に供給する供給配管３３と、燃焼器３１で燃焼された燃焼ガスを燃料電池ＦＣ２の下部の熱媒部２の熱媒通路２０に導く排気配管３１ａと、供給配管３３に供給される冷却液と排気配管３１ａに供給される排気ガスとの供給を制御する制御部３５とを備えている。すなわち、制御部３５の制御により、供給配管３３には、冷却液が供給されるとともに、排気配管３１ａには、燃焼器３１で燃焼された排気ガスが供給される。ここで、供給配管３３，排気配管３１ａは、本発明の特許請求の範囲に言う「第１の流路」，「第２の流路」に相当し、また、制御部３５は、同じく「接続制御手段」に相当する。
【００４７】
燃焼器３１から排気配管３１ａに供給された排気ガスは、下部の熱媒部２の熱媒通路２０の入口側（入口通路２ａ側）に供給され、熱交換通路２ｃを通じて出口側（出口通路２ｂ）から排気配管３１ａを通って排気されるようになっている。
制御部３５は、供給配管３３に供給される冷却液と排気配管３１ａに供給される排気ガスとの供給を任意に制御することが可能に構成されており、例えば、暖機運転時、上部と下部との熱媒部２，２ごとに、あるいは、２つの熱媒部２，２に対して同時に、加熱された冷却液または排気ガスが通流するように制御することも可能となっている。したがって、発電部１の温度状態に、より一層適合した加熱を行うことが可能である。
なお、燃焼器３１を作動させない状態で、供給配管３３に冷却液を供給したときには、上部の熱媒部２の冷媒通路２０に冷却液が通流し、発電部１を冷却することができる。すなわち、冷却液による冷却は、冷却系によるものと、この供給配管３３を利用したものとを選択的に使用することができる。この場合、ラジエータ５４と熱交換器３２との容量に差を持たせることにより、冷却効率の異なる冷却を実現することができる。
また、燃焼器３１を作動させない状態で、排気配管３１ａに空気が通流するように構成することにより、排気配管３１ａを冷却用として利用することもできる。
【００４８】
このような温度制御システム４０によれば、例えば、暖機運転時、発電部１の上部の熱媒部２には、加熱された冷却水が供給されるとともに、発電部１の下部の熱媒部２には、排気配管３１ａを通じて燃焼ガスが供給されることとなる。したがって、上部と下部の両方の熱媒部２，２を利用した暖機運転を行うことができるようになり、より効率の良い暖機運転が実現される。これにより、暖機運転に要する時間が短縮される。また、燃焼ガスの熱を一層有効利用することができるようになる。
【００４９】
なお、前記燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２は、前記燃料電池電気自動車に用いられるものに限定されるものではなく、例えば、家庭用として設置される燃料電池機器等としても利用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とが、分離構成され、発電部のセパレータと発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、熱媒部が隣接されており、ヒートプレートにより、発電部のセパレータと熱媒部との間が熱交換可能に接続されているので、発電部に熱媒体を通流させることなく、ヒートプレートを介して発電部を冷却することができる。したがって、発電部内で熱媒体が漏れるという事態が生じなくなり、熱媒体として導電性クーラントを用いることが可能となる。また純水等を熱媒体として用いた場合でもイオン交換樹脂の定期的な交換が必要とならない。しかも、発電部に熱媒体を通流させる必要がないので、発電部の冷態時にもポンプ効率が低下しにくいという利点が得られる。
【００５１】
また、本発明によれば、ヒートプレートとセパレータとが一体的に形成されているので、通電性および熱交換性を高めることができるようになる。
【００５２】
さらに、本発明によれば、発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料による燃焼ガスの熱を用いて熱媒体が加熱され、制御手段の供給量制御により、この加熱された熱媒体が、発電部の温度に基づいて熱媒通路に供給されるので、発電部の温度に基づいた適量の熱媒体が熱媒通路に供給されることとなり、ヒートプレートを介した効率の良い暖機運転を行うことができる。
【００５３】
また、本発明によれば、熱媒通路に対して接続される第１の流路と第２の流路とが、接続制御手段によって、任意に選択されて接続制御されるようになっているので、発電部を冷却あるいは加熱するために熱媒通路に通流される熱媒体を任意に選択することができ、発電部の温度状態に適合した冷却あるいは加熱を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は、隣接する２つの単セルを図１（ａ）のｂ−ｂ線で切断したときの断面図である。
【図２】第一の実施形態に係る燃料電池の模式斜視図である。
【図３】第一の実施形態に係る燃料電池の冷却系を示す系統図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、第一の実施形態に係る燃料電池の積層構造を説明するための模式図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第一の実施形態に係る燃料電池のヒートプレートの変形例を示す模式図である。
【図６】第一の実施形態に係る燃料電池を用いた温度制御システムを説明するための系統図である。
【図７】第一の実施形態に係る燃料電池を用いた温度制御システムを説明するためのフローチャートである。
【図８】第二の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は、隣接する２つの単セルを図８（ａ）のｃ−ｃ線で切断したときの断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、第一の実施形態に係る燃料電池の積層構造を説明するための模式図である。
【図１０】第二の実施形態に係る燃料電池を用いた温度制御システムを説明するための系統図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１ 発電部
１ｄ 膜電極構造体
２ 熱媒部
３ ヒートプレート
３1 絶縁皮膜（絶縁材）
１１ａ セパレータ
１１ｃ セパレータ
２０ 熱媒通路
３０ 温度制御システム
３１ 燃焼器
３１ａ 排気配管（第２の流路）
３２ 熱交換器（加熱手段）
３３ 供給配管（供給手段，第１の流路）
３４ 切換弁
３５ 制御部（制御手段，接続制御手段）
４０ 温度制御システム
ＦＣ１ 燃料電池
ＦＣ２ 燃料電池
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および温度制御システムに関し、詳しくは、ヒートプレートを用いた冷却機能を有する燃料電池および温度制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、図１１（ａ）に示すように、燃料電池５０は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）５２ｂを挟んで、一側にカソード極５２ａを区画し、他側にアノード極５２ｃを区画して膜電極構造体（ＭＥＡ）５２が構成されており、カソード極５２ａに供給される空気中の酸素と、アノード極５２ｃに供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応によって、発電するものである。そして、このような燃料電池５０は、発電単位である単セル５１を多数積層した構造のスタックとして構成される。
【０００３】
そして、このような燃料電池５０には、図１１（ｂ）に示すように、水素ガスの入口５３ａと出口５３ａ1、空気の入口５３ｂと出口５３ｂ1が設けられているとともに、冷却水を通流するための、冷却水入口５５ｂと冷却水出口５５ｂ1が設けられている。
【０００４】
図１１（ｃ）は、冷却水を循環通流するための燃料電池５０の冷却系を示した系統図であり、熱交換器であるラジエータ５４と、冷却水流路５５と、冷却水を循環させるためのポンプ５６と、冷態時にラジエータ５４をバイパスさせて冷却水をバイパス流路５５ａに循環させるサーモスタットバルブ５７とを備えている。
【０００５】
冷却水は、ポンプ５６により冷却水流路５５を循環し、冷却水入口５５ｂから燃料電池５０内を通過して冷却水出口５５ｂ1より冷却水流路５５に排出される。その際、冷却水は、図１１（ａ）に示すように、単セル５１のセパレータ５１ａ，５１ｂに形成された溝５１ｃ内を通流する。
冷却水としては、燃料電池５０の液絡現象を防止するため、絶縁性の高いエチレングリコールと純水との混合水などが用いられる。また、燃料電池５０の運転に伴う熱劣化などによって、冷却水に発生するイオンを吸収するため、冷却水流路５５には、図１１（ｃ）に示すように、通常、イオン交換器５８が設けられている。
【０００６】
また、このような燃料電池の分野では、燃料電池を冷却する技術として、熱媒体としての作動液が封入されたヒートパイプを単セル間に介在させて設け、このヒートパイプ内を移動する作動液の自然循環により、燃料電池を冷却したり、また、ヒートパイプに別途にヒータを設けるなどして、燃料電池を加熱（暖機運転）するものが知られている（例えば、特許文献１，２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１２１０８３号公報（［００１２］−［００２３］，図１−図３）
【特許文献２】
特開平１１−２１４０１７号公報（［００１０］−［００２２］，図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図１１各図に示した従来の一般的な燃料電池５０では、冷却水が、燃料電池５０内を直接通流するように構成されていたため、例えば、隣接するセパレータ５１ａ，５１ｂと溝５１ｃとの隙間から冷却水が燃料電池５０内に漏れて燃料電池不調や発電ロスの原因となることがあった。
また、燃料電池５０の液絡現象を防止するためには、イオン交換器５８の性能を維持しなければならず、イオン交換樹脂の定期的な交換が必要になって煩わしいことから、通常の内燃機関利用の自動車に用いられている導電性のあるクーラント（ロングライフクーラント）が冷却水として利用できる燃料電池が望まれている。
さらに、エチレングリコール系の冷却水は、燃料電池５０の冷態時に粘度が著しく上昇する傾向にあり、セパレータ５１ａ，５１ｂの狭い溝５１ｃ内を通流させるためにポンプ５６が高負荷運転となり、効率が悪いという問題があった。
【０００９】
これに対し、前記特許文献１，２に開示された燃料電池は、いずれも、燃料電池内を冷却水が直接通流するように構成されていないので、前記いずれの問題も生じることはない。しかしながら、ヒートパイプは、封入された作動液が内部で自然循環することにより冷却や加熱を行うものであるから、効率の良い冷却や暖機運転を行うことができなかった。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、燃料電池内部に熱媒体である冷却水が漏れることなく、導電性クーラントの利用が可能で、しかも冷態時のポンプ効率が低下しにくい燃料電池を提供することにある。
また、その他の課題は、効率の良い暖機運転を行なうことができる燃料電池の温度制御システムを提供することにある。
【００１１】
前記課題を解決した本発明の燃料電池は、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とを備えた燃料電池であって、前記発電部と前記熱媒部とを分離構成させるとともに、前記発電部の前記セパレータと前記発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、前記熱媒部を隣接させて構成し、前記発電部の前記セパレータと前記熱媒部との間を熱交換可能に接続するヒートプレートを備え、前記ヒートプレートの一端が、前記セパレータの前記積層方向において前記セパレータに直接接続されるとともに、他端の接面が前記熱媒部側に延びて前記熱媒部に接続されることで熱交換を行い、前記ヒートプレートは、前記発電部の前記セパレータとの接続部が、前記セパレータの前記積層方向に通電される状態に接続されるとともに、前記ヒートプレートにおける前記熱媒部との接面が、絶縁材で覆われていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とが、分離構成され、発電部のセパレータと発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、熱媒部が隣接されており、ヒートプレートにより、発電部のセパレータと熱媒部との間が熱交換可能に接続されているので、発電部に熱媒体を通流させることなく、ヒートプレートを介して発電部を冷却することができる。したがって、発電部内で熱媒体が漏れるという事態が生じなくなり、熱媒体として導電性クーラントを用いることが可能となる。また純水等を熱媒体として用いた場合でもイオン交換樹脂の定期的な交換が必要とならない。しかも、発電部に熱媒体を通流させる必要がないので、発電部の冷態時にもポンプ効率が低下しにくいという利点が得られる。
【００１３】
ヒートプレートは、発電部のセパレータとの接続部が、セパレータの積層方向に通電される状態に接続されるとともに、ヒートプレートにおける熱媒部との接面が、絶縁材で覆われているので、セパレータとの接続部においては、セパレータの積層方向への通電状態が確保されるとともに、熱媒部との接面においては、絶縁状態が得られることとなる。したがって、漏電に起因する発電ロスを生じることがない。
【００１４】
なお、発電部は、通常、固体高分子型に属するＰＥＭ型のものであるが、他の型式であってもよい。
【００１５】
また、本発明は、ヒートプレートとセパレータとが一体的に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、ヒートプレートとセパレータとの一体化により、通電性および熱交換性を高めることができる。
また、本発明は、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とを備えた燃料電池であって、前記発電部と前記熱媒部とを分離構成させるとともに、前記熱媒部を、前記発電部の前記セパレータと前記発電素子とを含む積層体の積層方向と並列で、かつ、前記積層方向に沿う前記発電部の一側面側と前記一側面側の反対側となる前記発電部の他側面側とにそれぞれ隣接させて構成し、前記セパレータと一側面側の前記熱媒部および他側面側の前記熱媒部との間を熱交換可能に接続するヒートプレートを備え、前記ヒートプレートは、前記セパレータの前記積層方向において前記セパレータに直接接続されるとともに、前記セパレータとの接続部が前記セパレータの前記積層方向に通電される状態に接続され、さらに、前記ヒートプレートの一端の接面が、一側面側の前記熱媒部に接続されるとともに、前記ヒートプレートの他端の接面が、他側面側の前記熱媒部に接続されることで熱交換を行い、前記ヒートプレートの一端および他端の前記接面は、絶縁材でそれぞれ覆われていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の温度制御システムは、前記発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、前記燃焼器により発生する燃焼ガスの熱を用いて前記熱媒体を加熱する加熱手段と、この加熱手段により加熱された前記熱媒体を前記熱媒通路に供給する供給手段と、前記供給手段により供給される前記熱媒体の供給量を前記発電部の温度に基づいて制御する制御手段とを具備したことを特徴とする。ここで、発電部の温度とは、発電部内の温度や発電部により排出されるガスの温度を発電部の温度として捉えることを含む。
【００１８】
この発明によれば、発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料を燃焼器により燃焼させ、発生した燃焼ガスの熱を用いて熱媒体が加熱される。すなわち、熱媒体は、高温の燃焼ガスにより加熱されることとなる。加熱された熱媒体は、制御手段により発電部の温度に基づいて熱媒通路への供給量が制御され、供給手段により熱媒通路に供給される。すなわち、発電部の温度に基づいた適量の熱媒体が熱媒通路に供給されることとなる。これにより、ヒートプレートを介して発電部のセパレータが加熱されることとなり、効率の良い暖機運転を行うことができる。
【００１９】
また、本発明は、前記熱媒通路に接続されて前記発電部の冷却と加熱とを行うことが可能な熱媒体を通流する第１の流路と、この第１の流路とは別の流路として設けられ、前記熱媒通路に接続されて前記発電部の冷却と加熱とを行うことが可能な熱媒体を通流する第２の流路と、前記熱媒通路に対し、前記第１の流路あるいは前記第２の流路の少なくとも一方を任意に選択して接続制御する接続制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、熱媒通路に対して接続される第１の流路と第２の流路とを、接続制御手段によって、任意に選択することができる。
したがって、発電部を冷却あるいは加熱するために熱媒通路に通流される熱媒体を任意に選択することができ、発電部の温度状態に適合した冷却あるいは加熱を行うことができるようになる。
例えば、発電部に対して２つの熱媒部を設けて、これら２つの熱媒部に対して第１の流路と第２の流路とが別々に接続されるように構成することもできるようになり、この場合には、熱媒部ごとに、あるいは、２つの熱媒部に対して同時に熱媒体を通流させるように制御することも可能となり、発電部の温度状態により一層適合した冷却あるいは加熱を行うことができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第一の実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は、隣接する２つの単セルを図１（ａ）のｂ−ｂ線で切断したときの断面図である。
【００２２】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、燃料電池ＦＣ１は、発電部１と、この発電部１と分離構成され、発電部１の上部に載置された熱媒部２と、発電部１と熱媒部２との熱交換を行うヒートプレート３とを備えている。なお、本実施形態の燃料電池ＦＣ１は、図２に示すように、発電部１と熱媒部２とヒートプレート３を含む構造を単セルとして、複数枚積層（11，１2，１3，…１n）された積層構造として構成され、図示しない自動車（燃料電池自動車）の床部等に搭載されるものである。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、発電部１の単セル１1は、電解質膜１ｂを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に、例えば、白金系の触媒を含んだ電極が設けられて、カソード電極１ａおよびアノード電極１ｃが形成された膜電極構造体（ＭＥＡ発電素子）１ｄを有している。
電解質膜１ｂとしては、固体高分子膜、例えば、プロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が用いられている。この電解質膜１ｂは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより、常温で２０Ω‐以下の低い比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能する。
【００２４】
膜電極構造体１ｄのカソード電極１ａの外側には、セパレータ１１ａが設けられ、また、反対側のアノード電極１ｃの外側には、セパレータ１１ｃが設けられている。セパレータ１１ａには、カソード電極１ａに酸化剤ガスとしての供給空気（酸素含有ガス）を通流する酸素供給路１２ａが設けられている。また、セパレータ１１ｃには、アノード電極１ｃに燃料ガスとしての水素（原燃料）を通流する水素供給路１２ｃが設けられている。
図１（ａ）に示すように、発電部１の両側部には、この酸素供給路１２ａの入口通路１２ａ1および出口通路１２ａ2が形成されており、また、水素供給路１２ｃの入口通路１２ｃ1および出口通路１２ｃ2が形成されている。そして、酸素供給路１２ａの入口通路１２ａ1および出口通路１２ａ2は、図示しない空気供給装置に接続され、また、水素供給路１２ｃの入口通路１２ｃ1および出口通路１２ｃ2は、図示しない水素供給装置に接続されている。
【００２５】
このような発電部１は、酸素供給路１２ａに供給空気が通流され、水素供給通路１２ｃに供給水素が供給されると、アノード電極１ｃで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成され、この生成されたプロトンは、電解質膜１ｂ中を移動してカソード電極１ａに到達する。そして、カソード電極１ａに到達したプロトンは、供給空気の酸素と反応して水を生成する。生成された水および未使用の酸素を含む供給空気は、排出空気として発電部１のカソード極側の図示しない出口から排出される。また、アノード電極１ｃでは、水素がイオン化する際に、電子ｅ‐が生成されるが、この生成された電子ｅ‐は、図示しないモータなどの外部負荷を経由してカソード電極１ａに到達する。
【００２６】
熱媒部２は、図１（ａ）に示すように、入口通路２ａと、出口通路２ｂと、熱交換通路２ｃとからなる熱媒通路２０を備え、全体が絶縁部材２１により囲まれて形成されている。ここで、絶縁部材２１としては、例えば、フェノール等の熱硬化性樹脂材やＰＰＳ樹脂等の熱可塑性樹脂材が用いられる。
入口通路２ａと熱交換通路２ｃとの連結口および熱交換通路２ｃと出口通路２ｂとの連結口には、熱媒体としての冷却水の流れを整流する作用をなす複数枚の整流板２ｄが上下方向に間隔を隔てて設けられている。
【００２７】
熱媒通路２０の入口通路２ａと出口通路２ｂとには、図３に示すように、冷却水を循環供給する冷却系の冷却水流路５５が接続されている。この冷却系は、熱交換器であるラジエータ５４と、冷却水を循環させるためのポンプ５６と、冷態時にラジエータ５４をバイパスさせて冷却水をバイパス流路５５ａに迂回させるサーモスタットバルブ５７とを備えている。このような冷却系に循環される冷却水は、絶縁性の高い純水やエチレングリコールと純水との混合水などを用いてもよいが、後記するように通常の内燃機関の冷却に用いられる導電性のクーラントを利用するのが好摘である。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、ヒートプレート３は、導電性および熱伝導性を備えた部材、例えば、カーボン材や金属材で形成されたプレートであり、発電部１と熱媒部２とにわたって設けられ、これらの間で熱交換を行うようになっている。ヒートプレート３と発電部１の単セル１1について、その接続構造を説明すると、ヒートプレート３の下部３ｂ側がセパレータ１１ｃの側方に密着した状態で、セパレータ１１ｃの積層方向に通電される状態に接続されている。そして、ヒートプレート３の下部３ｂ側は、隣接する単セル１2のセパレータ１１ａとの間に挟み込まれた状態に積層される。また、ヒートプレート３の上部３ａ側は、熱媒部２の熱媒通路２０の熱交換通路２ｃに、絶縁材としての絶縁皮膜３ａ1で被覆された（接面が覆われた）状態で臨むように配置される。絶縁皮膜３ａ1としては、例えば、ポリイミド皮膜を形成する。なお、本実施形態では、熱交換通路２ｃにヒートプレート３の上部３ａ側が絶縁皮膜３ａ1を介して直接的に接続されるように構成したが、例えば、熱伝導性の別部材を介して熱交換通路２ｃに間接的に接続されるように構成することもできる。
【００２９】
このような燃料電池ＦＣ１によれば、発電部１と、この発電部１を冷却するための冷却水が流れる熱媒通路２０が形成された熱媒部２とが分離構成されているので、発電部１に冷却水を通流させることなく、ヒートプレート３を介して発電部１を冷却することができる。つまり、熱伝導性の良いヒートプレート３が、燃料電池ＦＣ１の発電による熱を冷却水へ効率良く排出する。したがって、発電部１内で冷却水が漏れるという事態が生じなくなり、前出の導電性クーラントを用いても燃料電池の不調や発電ロスを起こすことがない。この場合は、イオン交換器を設ける必要がなくシステムとして好摘である。あるいは、純水等を用いたときには、図示しないイオン交換樹脂の定期的な交換が必要とならない。もしくは、定期的な交換の間隔を延ばすことができる。しかも、発電部１に冷却水を通流させる必要がないので、発電部１の冷態時にもポンプ効率が低下しにくいという利点が得られる。
【００３０】
ヒートプレート３は、セパレータ１１ｃ（１１ａ）との接続部となる下部３ｂ側が、セパレータ１１ｃ（１１ａ）の積層方向に接続されるとともに、上部３ａ側の接面が、熱媒通路２０の熱交換通路２ｃを流れる冷却水に接続されるようになっているので、発電部１のセパレータ１１ｃ（１１ａ）を熱交換通路２ｃに流れる冷却水で冷却することができる。
【００３１】
さらに、ヒートプレート３は、その下部３ｂ側がセパレータ１１ｃ（１１ａ）の積層方向に通電される状態に接続されるようになっているので、各単セル11，１2，１3，…１nの積層方向の通電を確保することができる。また、ヒートプレート３の上部３ａ側の接面が、絶縁皮膜３ａ1で被覆されているので、冷却液との絶縁状態が保持されるようになっている。したがって、漏電に起因する発電ロスを生じるおそれがない。
なお、発電部１は、通常、固体高分子型に属するＰＥＭ型のものであるが、他の型式のものも採用することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、燃料電池ＦＣ１を構成する各単セル11，１2，１3，…１nは、図４（ａ）に示すように、直立状態にして、かつ、図４（ｂ）に示すように、水平方向に積層（横積み）されたものとして説明したが、これに限らず、図４（ｃ）に示すように、各単セル11，１2，１3，…１nを倒伏状態にして、垂直方向に積層（縦積み）されるように構成しても良い。
【００３３】
さらに、図５（ａ）（ｂ）に示すように、ヒートプレート３に、セパレータ１１ａあるいはセパレータ１１ｃの一方、あるいは両方を一体的に形成しても良い。ヒートプレート３をこのような一体的構造とすることにより、より確実性の高い導電性および熱伝導性が得られるようになる。また、組立時の工数削減や部品数を削減、さらには管理費を削減することができるという利点が得られる。
なお、図５（ｃ）に示すように、ヒートプレート３は、表面部３ｃだけを導電性および熱伝導性を有する部材で形成しても良い。
【００３４】
次に、このような燃料電池ＦＣ１を用いた温度制御システムについて説明する。図６は、燃料電池ＦＣ１を用いた温度制御システムを説明するための構成図である。
同図において、この温度制御システム３０は、燃料電池ＦＣ１およびその冷却系と、燃焼器３１と、加熱手段としての熱交換器３２と、供給手段としての供給配管３３および切換弁３４と、制御手段としての制御部３５とを備えている。
【００３５】
燃焼器３１は、水素を燃焼させて燃焼ガスを発生するものであり、発電部１により排出されるオフガスあるいは前記水素供給路１２ｃ1（図１（ａ）参照）から分岐された図示しない供給配管を通じて水素が供給されるようになっている。
熱交換器３２は、燃焼器３１により発生した燃焼ガスの熱を用いて、熱媒体としての冷却水を加熱するようになっている。なお、燃焼には、燃料ガス、アノードのオフガス、専用の燃料を用いることができる。
供給配管３３は、熱交換器３２と冷却系の冷却水流路５５との間を連結する配管であり、例えば、暖機時に、熱交換器３２により加熱された冷却水を熱媒部２の熱媒通路２０における入口側（入口通路２ａ側）に供給し、切換弁３４を介して熱媒部２の熱媒通路２０の出口側（出口通路２ｂ）から排出された冷却水を熱交換器３２に戻す循環系統を構成している。
切換弁３４は、冷却系のポンプ５６の出口（吐出）側に設けられており、作動時に熱媒部２の熱媒通路２０の出口側（出口通路２ｂ）から排出された冷却水を供給配管３３へ流す役割をなす。
制御部３５は、供給配管３３により冷却系に供給される、加熱された冷却水の供給量を、発電部１の温度に基づいて制御する役割をなし、温度制御システム３０の動作を統括的に制御する。
【００３６】
次に、温度制御システム３０の動作の一例を、図７を参照して説明する（適宜図１（ａ）（ｂ），図６参照）。ここで、図７は、温度制御システム３０における制御フローを示すフローチャートである。
【００３７】
まず、図示しない燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチをＯＮにして、燃料電池電気自動車を始動する（Ｓ１）。すると、図６に示したセンサ３６によって燃料電池ＦＣ１の出口側における排気空気の温度Ｔ（発電部１の温度）が検出され、暖機運転を必要とするか否かを判断する（Ｓ２）。ここで、排気空気の温度としては、目安として、例えば、５０℃以下であるかどうかを判断することにより、暖機状態が必要であるか否かの判定をすることができる。
【００３８】
判定の結果、排気空気の温度Ｔが５０℃を超えている場合には（Ｎｏ）、暖機が終了に近づいていると判断し、定常運転モードへ移行する（Ｓ３）。ここで、通常運転モードとは、暖機運転を必要とせず、通常の発電が燃料電池ＦＣ１により行われるモードを言う。
また、排気空気の温度Ｔが５０℃以下である場合には（Ｙｅｓ）、暖機が必要であると判断し、暖機運転モードへ移行する（Ｓ４）。
【００３９】
暖機運転モードに移行すると、水素を供給するためのポンプ３７を作動するとともに、燃焼器３１が作動する（Ｓ５）。そして、切換弁３４を切り換えて、冷却系のポンプ５６を作動する（Ｓ６）。これにより、冷却系にある冷却水が供給配管３３を通じて熱交換器３２側へ流れるようになる。そして、熱交換器３２で冷却水が加熱され、加熱された冷却水は、供給配管３３を通じて熱媒部２の熱媒通路２０に供給され、ヒートプレート３を介して発電部１が加熱される。
【００４０】
そして、燃料電池ＦＣ１の出口側における排気空気の温度Ｔを再び読み取り（Ｓ７）、暖機運転を継続するか否かを判断する（Ｓ８）。判断の結果、排気空気の温度Ｔが５０℃以下である場合には（Ｙｅｓ）、さらに暖機運転が必要であると判断して、ステップＳ７に戻って、暖機運転を継続する。
これに対して、排気空気の温度Ｔが５０℃を超えている場合には（Ｎｏ）、暖機運転が充分行われたと判断し、ポンプ３７と燃焼器３１とを停止する（Ｓ９）。これとともに、切換弁３４を切り換えて、冷却系のポンプ５６を停止する（Ｓ１０）。これにより、定常運転モードへ移行する（Ｓ１１）。
【００４１】
このような温度制御システム３０によれば、発電部１により排出されるオフガスや水素燃料を用いて燃焼器３１を燃焼させることができ、この燃焼器３１により発生した高温の燃焼ガスの熱を用いて冷却水を加熱することができる。したがって、冷却水を効率良く加熱することができる。加熱された冷却水は、制御部３５の制御により、熱媒通路２０へ適量が供給されるので、適切な暖機運転を行うことができ、その結果、燃料電池ＦＣ１の適切な動作状態を得ることができるようになる。
【００４２】
［第二の実施形態］
次に、第二の実施形態に係る燃料電池を説明する。なお、前記第一の実施形態と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、図８は、第二の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は隣接する２つの単セルを図８（ａ）のｃ−ｃ線で切断したときの断面図である。
【００４３】
本実施形態の燃料電池ＦＣ２は、発電部１の下部にも熱媒部２が設けられており、下部の熱媒部２にヒートプレート３が延設されて接続された構造となっている点が前記第一の実施形態と異なる。すなわち、燃料電池ＦＣ２は、２つの熱媒部２，２の間に発電部１を配置した構造となっている。
発電部１の下部に設けられた熱媒部２は、各部が、発電部１の上部に設けられた熱媒部２と対称位置に設けられており、ヒートプレート３の延設部３ｄ側の接面が、熱交換通路２ｃ内に絶縁皮膜３ａ1を介して臨むように構成されている。
【００４４】
このような燃料電池ＦＣ２によれば、発電部１の下部にも熱媒部２が設けられているので、ヒートプレート３を介して、この下部の熱媒部２に設けられた熱媒通路２０に流れる冷却水で、発電部１のセパレータ１１ｃ（１１ａ）を冷却することができる。すなわち、発電部１のセパレータ１１ｃ（１１ａ）は、上部と下部とに配置された２つの熱媒部２，２により同時に冷却されることが可能となる。したがって、より効率の良い冷却を実現することができる。
【００４５】
また、燃料電池ＦＣ２は、各単セル２11，２１2，２１3，…２１nを、図９（ａ）に示すように、直立状態にして、かつ、図９（ｂ）に示すように、水平方向に積層（横積み）されるようにして構成しても良いし、また、図９（ｃ）に示すように、各単セル２11，２１2，２１3，…２１nを倒伏した状態にして、垂直方向に積層（縦積み）されるようにして構成しても良い。
【００４６】
次に、このような燃料電池ＦＣ２を用いた温度制御システム４０について説明する。図１０は、燃料電池ＦＣ２を用いた温度制御システム４０を説明するための構成図である。
同図において、この温度制御システム４０は、第一の実施形態で説明した温度制御システム３０（図６参照）を発展させたものであり、熱交換器３２を通過した冷却液を燃料電池ＦＣ２の上部の熱媒部２の熱媒通路２０に供給する供給配管３３と、燃焼器３１で燃焼された燃焼ガスを燃料電池ＦＣ２の下部の熱媒部２の熱媒通路２０に導く排気配管３１ａと、供給配管３３に供給される冷却液と排気配管３１ａに供給される排気ガスとの供給を制御する制御部３５とを備えている。すなわち、制御部３５の制御により、供給配管３３には、冷却液が供給されるとともに、排気配管３１ａには、燃焼器３１で燃焼された排気ガスが供給される。ここで、供給配管３３，排気配管３１ａは、本発明の特許請求の範囲に言う「第１の流路」，「第２の流路」に相当し、また、制御部３５は、同じく「接続制御手段」に相当する。
【００４７】
燃焼器３１から排気配管３１ａに供給された排気ガスは、下部の熱媒部２の熱媒通路２０の入口側（入口通路２ａ側）に供給され、熱交換通路２ｃを通じて出口側（出口通路２ｂ）から排気配管３１ａを通って排気されるようになっている。
制御部３５は、供給配管３３に供給される冷却液と排気配管３１ａに供給される排気ガスとの供給を任意に制御することが可能に構成されており、例えば、暖機運転時、上部と下部との熱媒部２，２ごとに、あるいは、２つの熱媒部２，２に対して同時に、加熱された冷却液または排気ガスが通流するように制御することも可能となっている。したがって、発電部１の温度状態に、より一層適合した加熱を行うことが可能である。
なお、燃焼器３１を作動させない状態で、供給配管３３に冷却液を供給したときには、上部の熱媒部２の冷媒通路２０に冷却液が通流し、発電部１を冷却することができる。すなわち、冷却液による冷却は、冷却系によるものと、この供給配管３３を利用したものとを選択的に使用することができる。この場合、ラジエータ５４と熱交換器３２との容量に差を持たせることにより、冷却効率の異なる冷却を実現することができる。
また、燃焼器３１を作動させない状態で、排気配管３１ａに空気が通流するように構成することにより、排気配管３１ａを冷却用として利用することもできる。
【００４８】
このような温度制御システム４０によれば、例えば、暖機運転時、発電部１の上部の熱媒部２には、加熱された冷却水が供給されるとともに、発電部１の下部の熱媒部２には、排気配管３１ａを通じて燃焼ガスが供給されることとなる。したがって、上部と下部の両方の熱媒部２，２を利用した暖機運転を行うことができるようになり、より効率の良い暖機運転が実現される。これにより、暖機運転に要する時間が短縮される。また、燃焼ガスの熱を一層有効利用することができるようになる。
【００４９】
なお、前記燃料電池ＦＣ１，ＦＣ２は、前記燃料電池電気自動車に用いられるものに限定されるものではなく、例えば、家庭用として設置される燃料電池機器等としても利用することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とが、分離構成され、発電部のセパレータと発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、熱媒部が隣接されており、ヒートプレートにより、発電部のセパレータと熱媒部との間が熱交換可能に接続されているので、発電部に熱媒体を通流させることなく、ヒートプレートを介して発電部を冷却することができる。したがって、発電部内で熱媒体が漏れるという事態が生じなくなり、熱媒体として導電性クーラントを用いることが可能となる。また純水等を熱媒体として用いた場合でもイオン交換樹脂の定期的な交換が必要とならない。しかも、発電部に熱媒体を通流させる必要がないので、発電部の冷態時にもポンプ効率が低下しにくいという利点が得られる。
【００５１】
また、本発明によれば、ヒートプレートとセパレータとが一体的に形成されているので、通電性および熱交換性を高めることができるようになる。
【００５２】
さらに、本発明によれば、発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料による燃焼ガスの熱を用いて熱媒体が加熱され、制御手段の供給量制御により、この加熱された熱媒体が、発電部の温度に基づいて熱媒通路に供給されるので、発電部の温度に基づいた適量の熱媒体が熱媒通路に供給されることとなり、ヒートプレートを介した効率の良い暖機運転を行うことができる。
【００５３】
また、本発明によれば、熱媒通路に対して接続される第１の流路と第２の流路とが、接続制御手段によって、任意に選択されて接続制御されるようになっているので、発電部を冷却あるいは加熱するために熱媒通路に通流される熱媒体を任意に選択することができ、発電部の温度状態に適合した冷却あるいは加熱を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は、隣接する２つの単セルを図１（ａ）のｂ−ｂ線で切断したときの断面図である。
【図２】第一の実施形態に係る燃料電池の模式斜視図である。
【図３】第一の実施形態に係る燃料電池の冷却系を示す系統図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、第一の実施形態に係る燃料電池の積層構造を説明するための模式図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第一の実施形態に係る燃料電池のヒートプレートの変形例を示す模式図である。
【図６】第一の実施形態に係る燃料電池を用いた温度制御システムを説明するための系統図である。
【図７】第一の実施形態に係る燃料電池を用いた温度制御システムを説明するためのフローチャートである。
【図８】第二の実施形態に係る燃料電池を示す図で、（ａ）は、燃料電池の内部構造を模式的に表した正面図、（ｂ）は、隣接する２つの単セルを図８（ａ）のｃ−ｃ線で切断したときの断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、第一の実施形態に係る燃料電池の積層構造を説明するための模式図である。
【図１０】第二の実施形態に係る燃料電池を用いた温度制御システムを説明するための系統図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１ 発電部
１ｄ 膜電極構造体
２ 熱媒部
３ ヒートプレート
３1 絶縁皮膜（絶縁材）
１１ａ セパレータ
１１ｃ セパレータ
２０ 熱媒通路
３０ 温度制御システム
３１ 燃焼器
３１ａ 排気配管（第２の流路）
３２ 熱交換器（加熱手段）
３３ 供給配管（供給手段，第１の流路）
３４ 切換弁
３５ 制御部（制御手段，接続制御手段）
４０ 温度制御システム
ＦＣ１ 燃料電池
ＦＣ２ 燃料電池
Claims (5)
- セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とを備えた燃料電池であって、
前記発電部と前記熱媒部とを分離構成させるとともに、
前記発電部の前記セパレータと前記発電素子とを含む積層体の積層方向と並列に、前記熱媒部を隣接させて構成し、
前記発電部の前記セパレータと前記熱媒部との間を熱交換可能に接続するヒートプレートを備え、
前記ヒートプレートの一端が、前記セパレータの前記積層方向において前記セパレータに直接接続されるとともに、他端の接面が前記熱媒部側に延びて前記熱媒部に接続されることで熱交換を行い、
前記ヒートプレートは、前記発電部の前記セパレータとの接続部が、前記セパレータの前記積層方向に通電される状態に接続されるとともに、
前記ヒートプレートにおける前記熱媒部との接面が、絶縁材で覆われていることを特徴とする燃料電池。 - 前記ヒートプレートと前記セパレータとが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
- セパレータと発電素子とを複数積層してなる発電部と、この発電部を冷却するための熱媒体が通流する熱媒通路を有する熱媒部とを備えた燃料電池であって、
前記発電部と前記熱媒部とを分離構成させるとともに、
前記熱媒部を、前記発電部の前記セパレータと前記発電素子とを含む積層体の積層方向と並列で、かつ、前記積層方向に沿う前記発電部の一側面側と前記一側面側の反対側となる前記発電部の他側面側とにそれぞれ隣接させて構成し、
前記セパレータと一側面側の前記熱媒部および他側面側の前記熱媒部との間を熱交換可能に接続するヒートプレートを備え、
前記ヒートプレートは、前記セパレータの前記積層方向において前記セパレータに直接接続されるとともに、前記セパレータとの接続部が前記セパレータの前記積層方向に通電される状態に接続され、
さらに、前記ヒートプレートの一端の接面が、一側面側の前記熱媒部に接続されるとともに、前記ヒートプレートの他端の接面が、他側面側の前記熱媒部に接続されることで熱交換を行い、
前記ヒートプレートの一端および他端の前記接面は、絶縁材でそれぞれ覆われていることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池に用いられる温度制御システムであって、
前記発電部により排出されるオフガスあるいは原燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、
前記燃焼器により発生する燃焼ガスの熱を用いて前記熱媒体を加熱する加熱手段と、
この加熱手段により加熱された前記熱媒体を前記熱媒通路に供給する供給手段と、
前記供給手段により供給される前記熱媒体の供給量を前記発電部の温度に基づいて制御する制御手段とを具備したことを特徴とする燃料電池の温度制御システム。 - 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池に用いられる温度制御システムであって、
前記熱媒通路に接続されて前記発電部の冷却と加熱とを行うことが可能な熱媒体を通流する第１の流路と、
この第１の流路とは別の流路として設けられ、前記熱媒通路に接続されて前記発電部の冷却と加熱とを行うことが可能な熱媒体を通流する第２の流路と、
前記熱媒通路に対し、前記第１の流路あるいは前記第２の流路の少なくとも一方を任意に選択して接続制御する接続制御手段とを具備したことを特徴とする燃料電池の温度制御システム。
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