JP4770208B2 - 空冷式燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤ガスを発電及び冷却に使用する空冷式燃料電池を備えた空冷式燃料電池システムの技術分野に関する。

この種の空冷式燃料電池システムとして、電池反応と冷却とに用いられる空気が共通の空気供給路で供給されるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された空冷式燃料電池（以後、「従来の技術」と称する）によれば、ブロアの送風量を制御することによって、燃料電池の温度を速やかに設定値に復元することが可能であるとされている。

尚、この他に、燃料電池の冷却に使用した空気の一部を発電用の空気として使用する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、燃料電池において、反応用の空気と冷却用の空気が化学量論的な比率で送られる技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特公平６−１０１３４７号公報 特開昭６３−２７６８７８号公報 特表２００３−５２９１９５号公報

燃料電池は、高温になり過ぎた場合、酸化剤ガスの供給量が増えるのに応じて発電量が低下することがある。従来の技術では、冷却用の空気量を増加させれば発電用の空気量も増加してしまうから、結局、ブロワの送風量を制御して燃料電池を冷却した場合に、燃料電池が冷却されるのに伴って燃料電池の出力低下を招きかねない。即ち、従来の技術には、出力低下を招くことなく空冷式燃料電池を冷却することが困難であるという技術的な問題点がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、出力低下を招くことなく空冷式燃料電池を冷却することが可能な空冷式燃料電池システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するため本発明に係る空冷式燃料電池システムは、冷却用酸化剤ガスを流すための第１流路部及び発電用酸化剤ガスを流すための第２流路部が、夫々前記冷却用酸化剤ガス及び前記発電用酸化剤ガスが相互に同じ側から流れるように形成されたセルを有する空冷式燃料電池と、酸化剤ガスを供給する供給手段と、前記供給された酸化剤ガスを、前記冷却用酸化剤ガス及び前記発電用酸化剤ガスとして夫々前記第１流路部及び前記第２流路部に分配率可変に分配する分配手段とを具備することを特徴とする。

本発明に係る「空冷式燃料電池」とは、電解質膜を挟持するアノード電極及びカソード電極において生じる電気化学反応によって起電力を得る態様を有する燃料電池を包括する概念であり、特に、酸化剤ガスを冷却に使用する態様のものを指す。例えば、固体高分子型燃料電池を指す。

本発明に係る空冷式燃料電池システムによれば、供給手段によって酸化剤ガスが供給される。ここで、本発明に係る「酸化剤ガス」とは、アノード電極に供給される燃料ガスに含まれる燃料（例えば、水素）との間で電気化学的な反応を起こす結果、起電力を生じさせることが可能な、例えば、酸素を含むガスであり、典型的には空気である。酸化剤ガスが空気である場合には、特別な供給源を設ける必要が生じないから効率的であるが、酸化剤ガスは空気に限定されない。また、「供給手段」とは、例えば、ブロア、ファン、ポンプ、及びコンプレッサなど酸化剤ガスを酸化剤ガスの供給源側から空冷式燃料電池側に送出することが可能な機器又は機構を包括する概念である。

本発明に係る空冷式燃料電池は、第１流路部及び第２流路部が形成されたセルを有している。供給手段により供給された酸化剤ガスは、係る第１流路部及び第２流路部を夫々流れる冷却用酸化剤ガス及び発電用酸化剤ガスとして使用される。尚、「流路部」とは、各酸化剤ガスの通り道たる流路を含み、この流路を規定する物質的な要素（例えば、壁面など）を包括する概念である。これら流路部は、例えばセルにおけるセパレータなどに形成される。また、「セルを有する」とは、本発明に係る空冷式燃料電池に、このようなセルが少なくとも一つ含まれることを表す概念である。即ち、本発明に係る空冷式燃料電池は、このようなセル一個、即ち単セルとして構成されていてもよいし、複数積層されたスタック構造を有していてもよい。また、スタック構造を有する場合、必ずしも全てがこのようなセルでなくともよい。

第１流路部及び第２流路部は、夫々冷却用酸化剤ガス及び発電用酸化剤ガスが相互に同じ側から流れるように形成されている。ここで、「同じ側から流れる」とは、巨視的或いは総体的に見て、これら酸化剤ガスが、各セルの一方の側からそれと対向する側へ流れることを表す概念である。このような概念が担保される限りにおいて、各流路部において各酸化剤ガスが導入される位置は、必ずしもセルにおける同一辺部分になくてもよい。また、このような概念が担保される限りにおいて、第１及び第２流路部における流路の形状は何ら限定されない。例えば、並列に配置された複数の直線的な流路であってもよいし、蛇行する一本の流路であってもよい。更にはサーペンタインと称されるような、渦状の流路であってもよい。

一方、このように冷却用酸化剤ガスと発電用酸化剤ガスとが相互に同じ側から流れるように形成される第１流路部及び第２流路部を有するセルでは、ある程度のセル温度までは、発電用酸化剤ガスのストイキ比に対するセル発電量の変化が小さくなる。ここで、「ストイキ比」とは、発電に必要なガス供給量に対する実際の供給量の比であり、供給されるガスの過剰率である。ストイキ比が「１」である状態とは、即ち、理想的には最も効率的にガスが使用される状態であるが、実際には燃料電池において相応の損失が生じるため、実運転時におけるストイキ比は少なくとも１より大きい領域で設定されて好適である。尚、ストイキ比はガスの供給量が増えるに伴って増加するから、広義には第２流路部を流れる発電用酸化剤ガス量と等価として扱われてもよい。

ここで特に、セル温度がこのような温度より低い（以下の）温度領域の中で上昇する場合には、供給手段による酸化剤ガスの供給量を増量することによって、比較的簡便にセル温度を低下させることが可能となる。然るに、セル温度がこのような温度を超えた温度領域にある場合、発電用酸化剤ガスのストイキ比に対するセル発電量の変化は大きくなる。より具体的には、ストイキ比が大きくなるのに伴いセル発電量は低下する。この為、冷却用酸化剤ガスを増量させるに伴って発電用酸化剤ガスが増量すると、セルの冷却に伴ってセル発電量が低下してしまう。

そこで、本発明に係る空冷式燃料電池システムは、分配手段を備えることによって、係る問題を解決している。即ち、供給手段から供給された酸化剤ガスは、分配手段によって第１流路部及び第２流路部に夫々冷却用酸化剤ガス及び発電用酸化剤ガスとして分配される。この際、分配手段は、供給された酸化剤ガスをこれら流路部に対し分配率可変に分配することができる。

ここで、「分配率可変に」とは、第１流路部及び第２流路部各々に分配される酸化剤ガスの比率を、例えば物理的、機械的、機構的又は電気的な手法により制御し得ることを表す概念である。本発明に係る「分配手段」とは、係る分配を可能とする限りにおいて如何なる態様を有していてもよい。例えば、供給された酸化剤ガスを燃料電池の各セルに導くための吸気側マニホールド内に設けられたバルブなどであってもよい。

尚、可変となる分配率の範囲は、このような分配を何ら行わない場合と比較して幾らかなりとも冷却用酸化剤ガス及び発電用酸化剤ガスの分配率を変化させることが可能となる限りにおいて、何ら限定されない。

本発明に係る空冷式燃料電池システムによれば、このように分配手段の作用によって、セルに対する冷却用酸化剤ガス及び発電用酸化剤ガスの分配率を変更することが可能となり、セル発電量の低下を招くことなくセル温度を低下させることが可能となるのである。

尚、本発明において「発電量」とは、上述した如きストイキ比に対する振舞いが変化しない限りにおいて、係る発電量を規定する他の物理量と置換されてもよい趣旨である。例えば、このような物理量とは電圧であってもよい。

本発明に係る空冷式燃料電池システムの一の態様では、前記セルの温度を検出する温度検出手段と、前記検出された温度が、（i）前記発電用酸化剤ガスのストイキ比の変化に応じた前記セルの発電量の変化が小さい温度領域を規定する閾値温度未満であり且つ該閾値温度未満の温度として予め設定される目標温度よりも高い場合に、前記発電用酸化剤ガス及び前記冷却用酸化剤ガスのうち少なくとも一方が増量されるように前記分配手段及び前記供給手段のうち少なくとも一方を制御し、（ii）前記閾値温度以上である場合に、前記発電用酸化剤ガスの量が増量されず且つ前記冷却用酸化剤ガスの量が増量されるように前記分配手段を制御する制御手段とを更に具備する。

この態様によれば、温度検出手段によってセルの温度が検出される。本発明に係る温度検出手段は、セル温度を検出可能な限りにおいて、如何なる態様を有していてもよい。また、温度検出手段は、必ずしも本発明に係るセルの全てについて温度に備わっていなくともよい。例えば、複数のセルの温度を、任意の或いは何らかの基準に従って決定された一つのセルの温度によって代表的に表してもよい。また、セルの温度に代用可能なものとして冷却用酸化剤ガスの排気温度、発電用酸化剤ガスの排気温度などを利用してもよい。

セル温度が検出されると、制御手段が、この検出されたセル温度に応じて分配手段を制御する。前述したように、冷却用酸化剤ガスと発電用酸化剤ガスとが相互に同じ側から流れるように形成されたセルでは、発電用酸化剤ガスのストイキ比に対するセル発電量の変化が小さい温度範囲が存在する。ここで、「小さい」とは、厳密な数値に対する大小関係に基づいて規定されるものであってもよいし、係る温度範囲におけるセル発電量の変化が、他の温度範囲におけるそれよりも比較的小さいといった相対的な大小関係に基づいて規定されるものであってもよい。このようなセル発電量のストイキ比に対する変化は、概ねセル温度が大きくなるのに伴って大きくなる。即ち、上述の如く規定される温度範囲を超えた温度範囲では、係る変化が大きくなる。本発明に係る空冷式燃料電池システムでは、このような温度範囲を規定する閾値温度が予め設定される。尚、係る閾値温度は、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどによって定められていてもよいし、セルの状態に応じて適宜定められてもよい。

一方、燃料電池の実使用時には無論、効率的な発電状態を維持する観点から、この閾値温度未満となる温度範囲で燃料電池を駆動することが望まれる。従って、本発明に係る空冷式燃料電池を発電させる際の目標温度は、予めこの閾値温度未満に設定されている。尚、係る目標値は、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどによって定められていてもよいし、セルの状態に応じて適宜定められてもよい。尚、「閾値温度未満」とは、閾値の設定如何によって、閾値温度以下と等価な概念として扱われてよい趣旨である。

制御手段は、検出されたセル温度が閾値温度未満であって、且つ目標温度よりも大きい場合には、発電用酸化剤ガス及び冷却用酸化剤ガスのうち少なくとも一方が増量されるように分配手段及び前記供給手段のうち少なくとも一方を制御する。尚、「目標温度よりも大きく」とは、目標温度の設定の態様によっては「目標温度以上」と置換されてよい趣旨である。

セル温度がこのように目標温度より大きく且つ閾値温度未満の温度範囲にある場合、セルを冷却する方法は比較的自由である。冷却用酸化剤ガスの量のみを増やしてもよいし、冷却用酸化剤ガスと発電用酸化剤ガスを共に増量してもよい。また、この温度範囲において、セル発電量がストイキ比に対し幾らかなりとも増加するならば、セル発電量の上昇に伴って発電ロスが低減し、結果的にセル温度が低下するため、発電用酸化剤ガスのみを増量してもよい。また、これらは、分配手段における分配率制御によって実現されてもよいし、単に供給手段による供給量を制御することによって実現されてもよい。或いは、全体としての酸化剤ガスの供給量を増量しつつ、更に分配手段における分配率を制御することによって実現されてもよい。このような冷却に際しての各手段の制御態様は、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて設定されていてもよい。またこの場合、セル温度やストイキ比などに応じて制御方法が定められていてもよい。

制御手段は一方で、セル温度が閾値温度以上である場合に、発電用酸化剤ガスの量が増量されず且つ冷却用酸化剤ガスの量が増量されるように分配手段を制御する。尚、「閾値温度以上」とは、閾値温度の設定の態様によっては、「閾値温度より大きい」と置換され得る概念である。

セル温度が閾値温度以上である場合には、発電用酸化剤ガスを増量すれば、ストイキ比が上昇してセル発電量の低下を招く。従って、分配手段における分配率を、発電用酸化剤ガスが増量されることなく冷却用酸化剤ガスのみが増量されるように制御することによって、効果的にセルを冷却することが可能となる。尚、この際、発電用酸化剤ガスの量は維持されてもよいし減少制御されてもよい。また、分配手段に加え、適宜供給手段が制御されてもよい。このような温度範囲における各手段の制御態様は、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどによって予め設定されていてもよい。

この態様によれば、制御手段が分配手段を制御することにより、効率的且つ効果的に空冷式燃料電池を冷却することが可能となる。

尚、この態様では、前記空冷式燃料電池の状態に応じて前記目標温度を設定する目標温度設定手段を更に具備してもよい。

上記説明したような、ストイキ比に対するセル発電量の変化の特性は、燃料電池自体の変化によって、或いは燃料電池の周囲環境によって経時的に変化する可能性がある。このような場合には、目標温度が固定値であると、目標値で発電することが必ずしも効率的とはならない場合がある。そこで、このように目標値設定手段によって空冷式燃料電池の状態に応じて目標値が定められる場合、空冷式燃料電池を効率的に使用可能となって好適である。

尚、このように温度検出手段及び制御手段を備える態様では、前記空冷式燃料電池の状態に応じて前記閾値温度を設定する閾値温度設定手段を更に具備してもよい。

目標値と同様に、閾値も変化する可能性があるため、このように閾値温度設定手段が備われば好適である。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態により明らかにされる。

＜発明の実施形態＞
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

＜実施形態の構成＞
始めに、図１乃至図３を適宜参照して、本発明の実施形態に係る空冷式燃料電池システムの構成について説明する。ここに、図１は、空冷式燃料電池システム１０の模式的斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ’線視断面図である。また、図３は、図１におけるＢ−Ｂ’線視断面図である。

図１において、空冷式燃料電池システム１０は、制御装置１００、エア供給系２００、燃料電池スタック３００、可変バルブ４００及び温度センサ５００を備える。

制御装置１００は、空冷式燃料電池システム１０の動作を制御する制御ユニットであり、本発明に係る「制御手段」の一例として機能するように構成されている。

エア供給系２００は、エア供給装置２１０及びエア供給管２２０を備える。

エア供給装置２１０は、燃料電池スタック５００に対して、本発明に係る「酸化剤ガス」の一例たる空気を供給する装置であり、本発明に係る「供給手段」の一例である。エア供給装置２１０は、不図示のファンを備え、制御装置１００によって係るファンの回転量が制御されることにより、空気の供給量を変化させることが可能に構成されている。供給管２２０は、エア供給装置２１０と、後述するエアインテークマニホールド３２０とを連結する管路である。尚、エア供給装置２１０における供給管２２０と反対側には、外部から空気を取り込んでエア供給装置２１０に供給する供給源が存在するが、図示は省略されている。

燃料電池スタック３００は、複数の燃料電池セル３１０（図１においては不図示）、エアインテークマニホールド３２０、エアエキゾーストマニホールド３３０、水素インテークマニホールド３４０及び水素エキゾーストマニホールド３５０を備えた、本発明に係る「空冷式燃料電池」の一例である。

エアインテークマニホールド３２０は、供給管２２０と連通しており、エア供給装置２１０から供給される空気をプールし、各燃料電池セル３１０に供給することが可能に構成されている。エアエキゾーストマニホールド３３０は、各燃料電池セル３１０において使用された空気をプールし、不図示のエア排気系に供給することが可能に構成されている。水素インテークマニホールド３４０は、不図示の水素ガス供給系から供給される水素ガスをプールし、各燃料電池セル３１０に供給することが可能に構成されている。水素エキゾーストマニホールド３５０は、各燃料電池セル３１０において使用された水素ガスをプールし、不図示の水素ガス排気系へ供給することが可能に構成されている。

図２において、燃料電池セル（以下、適宜「セル」と称する）３１０は、図示する積層方向に順次配列しており、夫々が本発明に係る「セル」の一例を構成している。

セル３１０は、ＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly：膜電極接合体）３１１、セパレータ３１２、水素ガス流路部３１３、発電用空気流路部３１４及び冷却用空気流路部３１５を備える。

ＭＥＡ３１１は、アノード電極、カソード電極及びこれら一対の電極に挟持された電解質膜を備え、カソード電極に供給される空気とアノード電極に供給される水素ガスとを電解質膜を介して電気化学的に反応させることによって起電力を発生することが可能に構成されている。

セパレータ３１２は、一部に導電性を有する部材であり、その内部に水素ガス流路部３１３、発電用空気流路部３１４及び冷却用空気流路部３１５が夫々相互に独立して形成されている。

水素ガス流路部３１３は、セパレータ３１２における積層方向の一方端部分において発電用の水素ガスを流すための流路として機能するように構成されている。尚、水素ガス流路部３１３における流路は、図２における矢線Ｃ方向に向かって延在する複数の直線状流路として形成されている。水素インテークマニホールド３４０から流入した水素ガスは、水素ガス流路部３１３を介して水素エキゾーストマニホールド３５０へと排気される構成となっている。

発電用空気流路部３１４は、セパレータ３１２における積層方向の他方端部分において発電用の空気を流すための流路として機能するように構成された、本発明に係る「第２流路部」の一例である。冷却用空気流路部３１５は、水素ガス流路部３１３と発電用空気流路部３１４との間に形成されており、セル３１０を冷却する冷却用の空気を流すための流路として機能するように構成された、本発明に係る「第１流路部」の一例である。冷却用空気流路部３１５は、相互に隣接する２個のセル３１０間で共用される。発電用空気流路部３１４及び冷却用空気流路部３１５における流路は、夫々図２において紙面と直交する方向に延在する複数の直線状の流路として形成されている。

図３において、図３（ａ）は発電用空気流路部３１４を表す断面であり、図３（ｂ）は、冷却用空気流路部３１５を表す断面である。尚、図３では、便宜的にこれら２つの断面を図１におけるＢ−Ｂ’線視断面として表すこととする。

図３（ａ）において、発電用空気流路部３１４は、セパレータ３１２における面部分３１２ａにエアインテークマニホールド３２０と連通する連通口３１４ａを有し、セパレータ３１２における面部分３１２ｂにエアエキゾーストマニホールド３３０と連通する連通口３１４ｂを有しており、連通口３１４ａから流入した発電用の空気が直線状の流路を介して図示矢線ａに示す流れで連通口３１４ｂへと流れる構造となっている。

図３（ｂ）において、冷却用空気流路部３１５は、セパレータ３１２における面部分３１２ａにエアインテークマニホールド３２０と連通する連通口３１５ａを有し、セパレータ３１２における面部分３１２ｂにエアエキゾーストマニホールド３３０と連通する連通口３１５ｂを有しており、連通口３１５ａから流入した冷却用の空気が直線状の流路を介して図示矢線ｂに示す流れで連通口３１５ｂへと流れる構造となっている。

図３から明らかなように、各流路部は、発電用の空気と冷却用の空気とがいずれも巨視的に見てセパレータ３１２の面部分３１２ａから面部分３１２ｂへと流れるように構成されている。即ち、発電用の空気と冷却用の空気とは、各セル３１０において相互に同じ側から流れる構成となっている。

可変バルブ４００は、エアインテークマニホールド３２０内に設置されており、制御装置１００の制御に従って可動する可動弁である。可変バルブ４００の可動範囲は、図示する位置ｄと位置ｅによって規定されており、可変バルブ４００が位置ｄに近付く程相対的に冷却用の空気量が増え、位置ｅに近付く程相対的に発電用の空気量が増えるようになっている。即ち、可変バルブ４００は、その停止位置によって、発電用空気流路部３１４と冷却用空気流路部３１５とに流れる空気の分配率が変化するように構成されている。

図１に戻り、温度センサ５００は、任意の一セル３１０の温度を検出可能に構成された本発明に係る「温度検出手段」の一例である。本実施形態では、温度センサ５００によって検出されるセル温度が、燃料電池スタック３００を構成する全てのセル３１０の温度として採用される。

＜実施形態の動作＞
次に、上記構成を有する空冷式燃料電池システム１０の動作について説明する。

＜空冷式燃料電池システム１０の基本動作＞
始めに、空冷式燃料電池システム１０の基本的な動作について説明する。

空冷式燃料電池システム１０を動作させるに際し、制御装置１００は、水素ガスを供給するための水素ガス供給系を制御して、水素インテークマニホールド３４０に水素ガスを供給する。この供給された水素ガスは、水素インテークマニホールド３４０からセパレータ３１２における水素ガス流路部３１３に供給される。水素ガス流路部３１３に供給された水素ガスは、ＭＥＡ３１１を構成するアノード電極内の拡散層内を拡散してアノード側触媒に到達する。

一方、制御装置１００は、エア供給装置２１０を制御して、エアインテークマニホールド３２０に空気を供給する。この供給された空気は、エアインテークマニホールド３２０からセパレータ３１２における発電用空気流路部３１４及び冷却用空気流路部３１５に供給される。この際、発電用空気流路部３１４と冷却用空気流路部３１５との間の空気の分配率は、可変バルブ４００の位置によって制御される。通常、制御装置１００は、可変バルブ４００の位置を、図３における位置ｅに近い位置に設定している。即ち、可変バルブ４００は、発電用空気流路部３１４に流入する空気量の方が多くなる位置に制御されている。発電用空気流路部３１４に流入した空気は、ＭＥＡ３１１を構成するカソード電極内の拡散層を拡散してカソード側触媒に到達する。

アノード側触媒に到達した水素ガスは、下記化学式（１）に示す如き反応により電子とプロトンに分離される。係る電子は、アノード電極から外部回路を通ってカソード電極に到達すると共に、係るプロトンは、電解質膜を介してカソード電極に移動する。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・・・化学式（１）
一方、カソード電極では、下記化学式（２）に示す如き反応が生じる。即ち、拡散層に供給される空気内の酸素分子が、外部回路を通ってきた電子を受け取って酸素イオンとなると共に、更に水素イオンと結合して水となって排出される。

２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ・・・・・化学式（２）
各燃料電池セル３１０内では、この様な電気化学反応によって起電力が生じる。この起電力は、所定の負荷を介して、最終的に燃料電池スタック３００の出力として取り出される。

＜空冷式燃料電池システム１０における温度制御＞
上記発電を行う過程でセル３１０は発熱する。ここで、図４を参照して、セル温度とセル電圧の関係を説明する。ここに、図４は、セル３１０における温度毎のセル電圧の特性図である。

図４において、縦軸はセル電圧であり、横軸は発電用の空気のストイキ比である。尚、縦軸に示されるセル電圧によって、本発明に係る「セルの発電量」が代替的に表されるものとする。図４に示される通り、セル温度の上昇に伴ってセル電圧は全体的に低下の傾向がある。従って、空冷式燃料電池システム１０においてセル温度は適切に制御される必要がある。空冷式燃料電池システム１０では、制御装置１００が温度制御処理を実行しており、係る温度制御処理によって、セル３１０の温度が制御されている。尚、セル３１０は、通常、ストイキ比が１より大きい領域で動作している。

ここで、図５を参照して、温度制御処理の詳細について説明する。ここに、図５は、温度制御処理のフローチャートである。

図５において、始めに制御装置１００はセル温度を取得する（ステップＡ１０）。制御装置１００は一定のタイミングで温度センサ５００の出力を監視しており、係る出力をセル温度として取得する。セル温度を取得すると、制御装置１００は、セル温度が目標温度Ｔａよりも大きいか否かを判別する（ステップＡ１１）。

ここで、再び図４を参照して目標温度について説明する。空冷式の燃料電池セルでは、本実施形態のように発電用の空気と冷却用の空気とが相互に同じ側から流れるように構成されている場合、発電用の空気のストイキ比に対するセル電圧の変化が比較的小さい温度Ｔ１、Ｔ２及びＴ３（Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１）を含む温度領域（図示「温度群ＴＧ１」）と、係るセル電圧の変化が比較的大きい温度Ｔ４及びＴ５（Ｔ５＞Ｔ４＞Ｔ３）を含む温度領域（図示「温度群ＴＧ２」）とが存在する。

セル３１０をこの温度群ＴＧ２に属する温度（例えば、温度Ｔ４又はＴ５など）で動作させた場合には、セル電圧は不安定となり易い。本実施形態では、このような温度群ＴＧ１と温度群ＴＧ２との境界を規定する温度として、閾値温度Ｔｔｈ（Ｔ３＜Ｔｔｈ＜Ｔ４）が定められている。閾値温度Ｔｔｈは、予め制御装置１００が参照可能な形で記憶されている。本実施形態において、セル３１０の目標温度Ｔａは、この閾値温度Ｔｔｈよりも低い温度として定められている。目標温度Ｔａも、閾値温度Ｔｔｈと同様に、制御装置１００が参照可能な形で記憶されている。尚、目標温度Ｔａは、閾値温度Ｔｔｈよりも低い温度範囲の中で、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて最適な値に設定されている。

図５に戻り、セル温度が目標温度Ｔａ以下である場合（ステップＡ１１：ＮＯ）、制御装置１００は処理をステップＡ１０に戻し、セル温度の取得を繰り返すと共に、セル温度が目標温度Ｔａより大きくなった場合には（ステップＡ１１：ＹＥＳ）、制御装置１００は、セル温度が閾値温度Ｔｔｈ未満であるか否かを判別する（ステップＡ１２）。

セル温度が閾値温度Ｔｔｈ未満である場合（ステップＡ１２：ＹＥＳ）、制御装置１００は、エア供給装置２１０を制御して、空気の供給量を増加させる（ステップＡ１３）。供給される空気量が増加することによって、エアインテークマニホールド３２０に供給される空気量が増え、必然的に冷却用空気流路部３１５に流入する空気量が増加する。従ってセル３１０が冷却され、セル温度が低下する。

一方、このように空気の供給量を増加させた場合、発電用の空気も増量されることになる。ここで、目標温度Ｔａより大きく且つ閾値温度Ｔｔｈ未満であるセル温度とは、図４において温度群ＴＧ１に属する温度である。温度群ＴＧ１に属する温度では、セル３１０における発電用の空気のストイキ比に対するセル電圧の変化は比較的小さい。従って、冷却用の空気が増量されるに伴って発電用の空気が増量されても、セル３１０の発電状態は問題となる程に変化しない。更に、例えば、温度Ｔ１などにおいては、ストイキ比に対するセル電圧は増加の傾向にあり、この場合には、発電用の空気が増量されることによってセル電圧が上昇し、セルの発電ロスが低減してセル温度が低下する。即ち効率的にセルを冷却することができる。

図５に戻り、セル温度が閾値温度Ｔｔｈ以上であった場合（ステップＡ１２：ＮＯ）、制御装置１００は、可変バルブ４００を制御して、供給される空気の分配率を変更する（ステップＡ１４）。

ここで、閾値温度Ｔｔｈ以上であるセル温度とは、図４における温度群ＴＧ２に属する温度である。温度群ＴＧ２に属する温度では、ストイキ比に対するセル電圧の変化が比較的大きく、ストイキ比の増加に伴ってセル電圧は比較的大きく低下する。従って、この場合、ステップＡ１３に係る処理のように、単に供給される空気全体を増量すると、セル電圧の低下を防ぐことが困難である。そこで、制御装置１００は可変バルブ４００を制御して、エアインテークマニホールド３２０に供給される空気の分配率を、冷却用空気流路部３１５に流入する空気が増量されるように変更する。この際、可変バルブ４００の位置は、図３における位置ｄに近付くように制御される。これに伴い冷却用空気流路部３１５に流入する空気量が増加することによって、セル３１０の冷却が促進され、セル温度は速やかに低下する。また、この際、発電用空気流路部３１４に流入する空気量は減少するが、図４から明らかなように、発電用の空気が減少しても、セル電圧が悪化することはないため、何ら問題は生じない。

ステップＡ１３又はステップＡ１４に係る処理によって、セル３１０の冷却が促進されると、処理はステップＡ１０に戻り、セル温度の監視が継続される。

このように、本実施形態に係る空冷式燃料電池システム１０によれば、ストイキ比に対するセル電圧の変化が大きい温度領域においても、可変バルブ４００の作用によって、セル電圧を低下させることなくセル温度を低下させることが可能となるのである。

尚、予めセル温度と目標温度Ｔａとの差分と、エア供給装置２１０による空気の供給量とが予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて対応付けられ、制御装置１００による参照が可能な形式で記憶されていてもよい。この場合、ステップＡ１３に係る処理において、制御装置１００が適宜この対応関係に基づいてエア供給装置２１０を制御してもよい。或いは、単に現状よりも空気量が増量されるように、制御装置１００がエア供給装置２１０を制御してもよい。この場合にも、ステップＡ１０から始まる一連のループ処理によって、セル温度を目標温度Ｔａに収束させることが容易にして可能である。

また、予めセル温度と目標温度Ｔａとの差分と、可変バルブ４００による分配率（若しくは係る分配率を実現する制御量）とが、予め実験的に、経験的に、或いはシミュレーションなどに基づいて対応付けられ、制御装置１００による参照が可能な形式で記憶されていてもよい。この場合、ステップＡ１４に係る処理において、制御装置１００がこの対応関係に基づいて可変バルブ４００を制御してもよい。或いは、単に現状よりも冷却用空気流路３１５に流入する空気量が増加するように、制御装置１００が可変バルブ４００を制御してもよい。この場合にも、ステップＡ１０から開始される一連のループ処理によって、セル温度を目標温度Ｔａに収束させることが容易にして可能である。

尚、前述のステップＡ１４において、制御装置１００は、可変バルブ４００に加え、エア供給装置２１０を制御し、空気の供給量自体を増加させてもよい。この際、エア供給装置２１０に起因する発電用空気流路部３１４への流入空気量の増加分が、可変バルブ４００に起因する発電用空気流路部３１４への流入空気量の減少分と相殺するように、エア供給装置２１０が制御されることによって、発電用の空気を増加させることなく効果的に冷却用の空気を増量することも可能である。また、前述のステップＡ１３では、エア供給装置２１０に加え、可変バルブ４００が制御され、エアインテークマニホールド３２０内の空気の分配率が変更されてもよい。

尚、本実施形態では、目標温度Ｔａ及び閾値温度Ｔｔｈは予め設定された固定値であるが、セル３１０の性能は経時的に変化し易いから、これらが固定値であると効率的なセルの冷却が困難になる場合がある。そのような場合に備え、制御装置１００によって目標温度Ｔａ及び閾値温度Ｔｔｈを適宜設定可能にシステムが構成されていてもよい。即ち、制御装置１００は、本発明に係る「目標温度設定手段」及び「閾値温度設定手段」の夫々一例として機能するように構成されていてもよい。この場合、例えば、セル温度及びセル電圧の履歴などが管理されることによって、現時点でのセル３１０の状態に最適な目標温度及び閾値温度が新たに設定されてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う空冷式燃料電池システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態に係る空冷式燃料電池システムの模式的斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ’線視断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ’線視断面図である。 図１の空冷式燃料電池システムに備わる燃料電池セルにおける、温度毎のセル電圧の特性図である。 図１の空冷式燃料電池システムで実行される温度制御処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…空冷式燃料電池システム、１００…制御装置、２００…エア供給系、２１０…エア供給装置、３００…燃料電池スタック、３１０…燃料電池セル、３１４…発電用空気流路部、３１５…冷却用空気流路部、３２０…エアインテークマニホールド、４００…可変バルブ、５００…温度センサ。

Claims (4)

1. 冷却用酸化剤ガスを流すための第１流路部及び発電用酸化剤ガスを流すための第２流路部が、夫々前記冷却用酸化剤ガス及び前記発電用酸化剤ガスが相互に同じ側から流れるように形成されたセルを有する空冷式燃料電池と、
   酸化剤ガスを供給する供給手段と、
   前記供給された酸化剤ガスを、前記冷却用酸化剤ガス及び前記発電用酸化剤ガスとして夫々前記第１流路部及び前記第２流路部に分配率可変に分配する分配手段と
   を具備することを特徴とする空冷式燃料電池システム。
2. 前記セルの温度を検出する温度検出手段と、
   前記検出された温度が、（i）前記発電用酸化剤ガスのストイキ比の変化に応じた前記セルの発電量の変化が小さい温度領域を規定する閾値温度未満であり且つ該閾値温度未満の温度として予め設定される目標温度よりも高い場合に、前記発電用酸化剤ガス及び前記冷却用酸化剤ガスのうち少なくとも一方が増量されるように前記分配手段及び前記供給手段のうち少なくとも一方を制御し、（ii）前記閾値温度以上である場合に、前記発電用酸化剤ガスの量が増量されず且つ前記冷却用酸化剤ガスの量が増量されるように前記分配手段を制御する制御手段と
   を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空冷式燃料電池システム。
3. 前記空冷式燃料電池の状態に応じて前記目標温度を設定する目標温度設定手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項２に記載の空冷式燃料電池システム。
4. 前記空冷式燃料電池の状態に応じて前記閾値温度を設定する閾値温度設定手段を更に具備する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の空冷式燃料電池システム。
   
   

Images