JP4884604B2 - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の冷却装置に関するものであり、特に、液冷式の冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素ガス通路と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気通路と、冷却液が供給される冷却液通路とを備えたものがある。以下、燃料ガスと酸化剤ガスを総称して反応ガスという。この燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。
【０００３】
ところで、燃料電池の発電には発熱を伴うが、燃料電池には作動温度範囲があるため燃料電池が上限温度以上に昇温しないように冷却する必要がある。そのため、燃料電池の前記冷却液通路に冷媒を流して熱を奪い燃料電池を冷却する冷却装置が設けられている。
この燃料電池の冷却装置には、特開平１０−３４０７３４号公報に開示されているように、冷媒としての冷却液を循環ポンプにより燃料電池と放熱器（ラジエータ）との間で循環させるようにしたものがある。この冷却装置では、燃料電池から熱を奪って熱せられた冷却液が放熱器を流れる際に、冷却液の熱を外気に放熱して冷却液を冷却している。
【０００４】
前記公報にも開示されているように、従来は燃料電池の内部温度が均一になるように冷却するのがシステム上、好ましいとされており、そのため、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を極力少なくなるように、冷却液の循環量を制御していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を少なくするということは、冷却液出口温度を下げる方向にすることであり、したがって、冷却液の循環量を増大することとなり、循環ポンプの消費電力が増大するので、エネルギーマネージメント上、不利であった。
【０００６】
また、前述したように、燃料電池は発電に際して水が生成されるが、この水は未反応の反応ガス、すなわちオフガス中に水蒸気として気相で存在するものもあれば、液体となってオフガスから分離し液相で存在するものもある。水蒸気としてオフガス中に存在する水分はオフガスとともに燃料電池から排出されるので問題となることはないが、液状のものは場合によっては反応ガス路の一部を塞ぐ虞があり好ましい形態とは言えない。そこで、生成水等の水分の排出という観点からすると、燃料電池の内部温度が高い方が露点を上げることができ、水分を気相（水蒸気）でオフガス中に多く含ませることができ、オフガスとともに排出できる水分量を増大できるので好ましい。しかしながら、従来は、前述したように、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を少なくして冷却液出口温度を下げる方向に制御しているので、オフガス中の水分が液相になり易く、水分の排出性という点では改良の余地があった。
【０００７】
一方で、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、固体高分子電解質膜のイオン導電性を所定の状態に確保して良好な発電状態を維持するために、燃料電池に供給される反応ガス（水素ガスおよび空気）を加湿器で加湿しており、この加湿された反応ガスが燃料電池内で凝縮して固体高分子電解質膜に付着することにより、固体高分子電解質膜のイオン導電性を向上させている。このように燃料電池に対する加湿という観点からすると、燃料電池の内部温度は低い方が反応ガス中の水蒸気が凝結し易く好ましいこととなる。
このような事情から、燃料電池に対する加湿性と前述した水分の排出性を両立させて燃料電池の内部温度を制御するのは、極めて困難であった。
【０００８】
そこで、この発明は、反応ガスと冷却液の流れ方向が略同一方向にされた構造の燃料電池における内部温度分布に積極的に温度差を確保することにより、燃料電池における水分の排出性に優れた燃料電池の冷却装置を提供するものである。
また、この発明は、反応ガスと冷却液の流れ方向が略同一方向にされた構造の燃料電池における内部温度分布に積極的に温度差を確保することにより、燃料電池における水分の排水性の向上と固体高分子電解質膜に対する加湿性の向上の両立を図ることができる燃料電池の冷却装置を提供するものである。
【００１１】
請求項１に記載した発明は、燃料ガス（例えば、後述する各実施の形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、後述する各実施の形態における空気）を反応ガスとして発電を行う燃料電池（例えば、後述する各実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出される反応オフガスに含まれている水分により水蒸気透過膜を介して加湿する加湿器（例えば、後述する各実施の形態におけるカソード加湿器３およびアノード加湿器７）と、循環ポンプ（例えば、後述する各実施の形態におけるウォーターポンプ１５）により冷却液を前記燃料電池と放熱器（例えば、後述する各実施の形態におけるラジエータ１１）との間で循環させ、前記燃料電池内で冷却液を前記反応ガスと略同一方向となる一方向に流して該燃料電池を冷却し、前記放熱器で冷却液から熱を外部に放熱する冷却手段（例えば、後述する各実施の形態における冷却液回路１２）と、前記燃料電池から排出された前記冷却液によって前記加湿器を加熱する加熱手段（例えば、後述する第１，第２の実施の形態における第２室３ｄ，７ｄ、および、第３の実施の形態におけるウォータージャケット３ｅ，７ｅ）と、前記燃料電池の冷却液入口温度が予め設定された上限温度を下回っている場合に、前記燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保されるように前記循環ポンプの出力を制御する制御手段（例えば、後述する第１の実施の形態におけるステップＳ１０３，１０５，１０６、および、第２の実施の形態におけるステップＳ２０８，２０９，２１０、および、第４の実施の形態におけるステップＳ３０５，３０７，３０８）と、を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置である。
【００１２】
このように構成することにより、前記制御手段による循環ポンプの制御で、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保されるので、冷却液出口温度が高めに制御されることとなり、さらに、燃料電池内では反応ガスと冷却液が略同一方向に流れることから、オフガスの燃料電池出口温度を高くすることができ、その結果、オフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させることが可能になる。
【００１３】
また、加熱手段が冷却液で加湿器を加熱しているので、燃料電池に供給される反応ガスの温度が高まり、加湿器における反応ガスに対する加湿が促進される。しかも、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保され、燃料電池内では反応ガスと冷却液が略同一方向に流れることから、前記加湿器で加熱・加湿された反応ガスは燃料電池に供給された直後に冷却液によって冷却され、反応ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなり、燃料電池を加湿し易くなる。
さらに、冷却液出口温度を高めに制御するようになることから、冷却液の循環量を減少させることができる。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１記載の発明において、前記燃料電池の高出力領域における前記温度差の目標値を、低出力領域における前記温度差の目標値よりも大きく設定したことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池が低出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を小さく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を増加させることが可能になり、一方、燃料電池が高出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を大きく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を減少させることが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の冷却装置（単に冷却装置ということもある）の実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の冷却装置に適用した態様である。
【００１６】
〔第１参考形態〕
この発明に係る燃料電池の冷却装置の第１参考形態を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は冷却装置の概略構成図である。初めに、冷却対象となる燃料電池１について説明する。燃料電池１は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図２に示すように、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード５２とカソード５３とで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ５４，５４で挟持して形成されたセル５５を複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素ガス通路５６と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気通路５７と、冷却液が供給される冷却液通路５８とを備えている。そして、アノード５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を通過してカソード５３まで移動して、カソード５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池１が上限温度を越えないように、前記冷却液通路５８を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
【００１７】
また、この燃料電池１においては、水素ガス通路５６と空気通路５７と冷却液通路５８が互いに平行して設けられている。図３は、これら通路５６，５７，５８を模式的に示した斜視図であり、これら通路５６，５７，５８はいずれも、セル５５の左上部の入口から右下部の出口まで同一形態に蛇行して設けられている。したがって、この参考形態では、水素ガス通路５６と空気通路５７と冷却液通路５８はその全長に亘ってそれぞれの流体の流れ方向を同一方向にされている。
【００１８】
次に、冷却装置を各流体の流れに沿って説明する。
外気はエアコンプレッサ２によって加圧され、カソード加湿器３で加湿されて燃料電池１の空気通路５７に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁４を介して大気に放出される。エアコンプレッサ２は、燃料電池１に要求されている出力に応じた質量の空気が燃料電池１に供給されるように回転数制御され、また、圧力制御弁４は、燃料電池１への空気の供給圧が燃料電池１の運転状態に応じた圧力値となるように開度制御される。
【００１９】
カソード加湿器３は、ケーシング３ａの内部が水蒸気透過膜３ｂによって上下二室に離隔されており、上側の第１室３ｃにエアコンプレッサ２および燃料電池１の空気通路５７入口が接続され、下側の第２室３ｄには後述するように燃料電池１から排出された冷却液が循環するようになっている。水蒸気透過膜３ｂは、該水蒸気透過膜３ｂを境にして水蒸気圧の高い方から水蒸気圧の低い方へ水蒸気だけを透過させる機能を有するものである。
【００２０】
一方、図示しない高圧水素タンクから放出された水素ガスは燃料供給制御弁５により減圧された後、エゼクタ６を通り、アノード加湿器７で加湿されて燃料電池１の水素ガス通路５６に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路８を通ってエゼクタ６に吸引され、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスと合流し再び燃料電池１に供給されるようになっている。
【００２１】
燃料供給制御弁５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアコンプレッサ２から供給される空気の圧力を信号圧として空気信号導入路９を介して入力され、燃料供給制御弁５出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。
水素オフガス回収路８はパージ弁１０を備えており、パージ弁１０は所定条件が満たされたときに開弁制御されて、燃料電池１の水素ガス通路５６に水が溜まらないように外部へ排水する。
【００２２】
アノード加湿器７は、カソード加湿器３と同様の構造をなしており、ケーシング７ａの内部が水蒸気透過膜７ｂによって上下二室に離隔されており、上側の第１室７ｃにエゼクタ６およびおよび燃料電池１の水素ガス通路５６入口が接続され、下側の第２室７ｄには後述するように燃料電池１から排出された冷却液が循環するようになっている。
ここで、前記カソード加湿器３は水蒸気透過膜３ｂを透過した冷却液の蒸気により空気を加湿し、加湿した空気を燃料電池１に供給し、また、アノード加湿器７は水蒸気透過膜７ｂを透過した冷却液の蒸気により水素ガスを加湿し、加湿した水素ガスを燃料電池１に供給する。これにより、燃料電池１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００２３】
また、燃料電池１を冷却するための冷却液は、循環ポンプであるウォーターポンプ（ＷＰ）１５によって昇圧されてラジエータ（放熱器）１１に供給され、ラジエータ１１において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、その後、燃料電池１に供給され、燃料電池１内の冷却液通路５８を通る際に燃料電池１から熱を奪って燃料電池１を冷却し、これにより熱せられた冷却液はウォーターポンプ１５を介して再びラジエータ１１に戻り冷却されるようになっている。すなわち、冷却液は、燃料電池１とウォーターポンプ１５とラジエータ１１とを閉回路に接続する冷却液回路（冷却手段）１２を循環するようになっている。
【００２４】
冷却液回路１２において燃料電池１からウォーターポンプ１５に向かう冷却液主流路（すなわち、燃料電池１の下流であってウォーターポンプ１５の上流に位置する冷却液流路）１２ａには制限オリフィス１３が設けられている。冷却液主流路１２ａにおいてオリフィス１３の上流（すなわち、燃料電池１寄り）および下流（すなわち、ラジエータ１１寄り）はそれぞれ冷却液副流路１４ａ，１４ｂによってカソード加湿器３の第２室３ｄに接続されるとともに、冷却液副流路１４ｃ，１４ｄによってアノード加湿器７の第２室７ｄに接続されている。これにより、冷却液主流路１２ａを流れる冷却液の一部は冷却液副流路１４ａ，１４ｃを通ってカソード加湿器３の第２室３ｄおよびアノード加湿器７の第２室７ｄに導入され、冷却液副流路１４ｂ，１４ｄを通って冷却液主流路１２ａに戻るようになっている。なお、この第１参考形態においてカソード加湿器３の第２室３ｄとアノード加湿器７の第２室７ｄは加熱手段を構成する。
【００２５】
また、冷却液回路１２において燃料電池１の入口側には、燃料電池１に供給される冷却液の温度（以下、冷却液入口温度という）を検出する入口温度センサ（ＴＩ）１６が設けられており、冷却液回路１２において燃料電池１の出口側には、燃料電池１から排出される冷却液の温度（以下、冷却液出口温度という）を検出する出口温度センサ（ＴＩ）１７が設けられている。電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）２０は、これら温度センサ１６，１７の出力信号に基づいてウォーターポンプ１５の出力を制御する。
【００２６】
燃料電池１から取り出される発電電流は、発電電流を計測する発電電流計測装置１８を介して、走行用モータやエアコンプレッサ２を駆動するモータ等の電気負荷１９に接続されている。
【００２７】
次に、この第１参考形態における燃料電池の冷却装置の作用を説明する。
この参考形態における冷却装置では、燃料電池１の冷却液出口温度が冷却液入口温度よりも所定温度だけ高くなるように、換言すれば、冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定温度差が確保されるように、ウォーターポンプ１５の出力を制御する。
図４は、冷却液入口温度の上限温度を８０゜Ｃとし、冷却液出口温度と冷却液入口温度との目標温度差を１０ｄｅｇｒｅｅ（以下、「ｄｅｇ」と略す）とした場合における冷却液の温度制御フローチャートを示しており、これに従って温度制御処理を説明する。
【００２８】
まず、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７で検出した冷却液入口温度Ｔ１と冷却液出口温度Ｔ２を読み込み（ステップＳ１０１）、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度（８０゜Ｃ）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ１０３）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、冷却液入口温度Ｔ１は下げる方向に制御されることとなる。
【００２９】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ未満）である場合は、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴを算出し（ステップＳ１０４）、算出された温度差ΔＴが目標温度差（１０ｄｅｇ）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ１０５）。
判定結果が「ＮＯ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ１０３）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、温度差ΔＴは小さくなる方向に制御されることとなる。
【００３０】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ未満）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を低減して（ステップＳ１０６）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が減少し、温度差ΔＴは大きくなる方向に制御されることとなる。
以上の温度制御処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は８０゜Ｃ以下に収束するようになり、且つ、温度差ΔＴは目標温度差（１０ｄｅｇ）に収束するようになる。また、このように冷却液温度を制御すると、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度を超えない範囲で冷却液出口温度Ｔ２が高めに制御されることとなる。
【００３１】
そして、この冷却装置では、燃料電池１から熱を奪って温度上昇した冷却液がカソード加湿器３の第２室３ｄに供給されるので、カソード加湿器３の第１室３ｃ内の空気が加熱され、該空気の相対湿度が下がり、該空気の露点を上げることができる。その結果、第２室３ｄ内の冷却液の一部が水蒸気となって水蒸気透過膜３ｂを透過し、第１室３ｃ内の空気に対する加湿を促進する。
【００３２】
しかも、燃料電池１の冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との間に所定の温度差（目標温度差１０ｄｅｇ）が確保されるように温度制御されており、燃料電池１における冷却液入口位置と空気入口位置が同一でその流れ方向が同一方向であるので、カソード加湿器３で加熱・加湿された空気は燃料電池１に供給された直後に冷却液によって冷却されることとなり、該空気中の蒸気が凝結して液状になり易くなる。その結果、燃料電池１の固体高分子電解質膜５１を加湿し易くなる。
【００３３】
アノード加湿器７についても同様であり、燃料電池１から排出された冷却液がアノード加湿器７の第２室７ｄに供給されることにより、第１室７ｃ内の空気に対する加湿が促進される。そして、アノード加湿器７で加熱・加湿された水素ガスは燃料電池１に供給された直後に冷却液によって冷却されるので、水素ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなり、固体高分子電解質膜５１を加湿し易くなる。
したがって、固体高分子電解質膜５１のイオン導電性が所定の状態に確実に確保されるようになり、燃料電池１に対する加湿性が向上する。
【００３４】
また、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度を超えない範囲で冷却液出口温度Ｔ２が高めに制御され、さらに、燃料電池１内では水素ガス及び空気と冷却液が同一方向に流れながら熱交換が行われるので、水素オフガスおよび空気オフガスの燃料電池１出口での温度を高くすることができる。その結果、これらオフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させることができる。したがって、燃料電池１における水分の排出性が向上し、水素ガス通路５６および空気通路５７において水閉塞が起こり難くなる。
【００３５】
また、冷却液出口温度Ｔ２を高めに制御していることから、冷却液の循環量を減少させることができ、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができる。
【００３６】
なお、燃料電池１における水素ガス通路５６、空気通路５７、冷却液通路５８の配置は図３に示す形態に限るものではない。例えば、図５に示すように、水素ガス通路５６はセル５５の左上部の入口から右下部の出口に向かって蛇行して設けられ、空気通路５７はセル５５の右上部の入口から左下部の出口に向かって蛇行して設けられ、冷却液通路５８はセル５５の上部から下部に向かって直線的に設けられていてもよい。この場合、水素ガスと空気は蛇行しながらもセル５５の上位から下位に向かって流れているので、その流れ方向は、上から下に向かって流れる冷却液の流れ方向と略同一方向であると言うことができる。
【００３７】
〔第２参考形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却装置の第２参考形態を図６および図７の図面を参照して説明する。第２参考形態における冷却装置が第１参考形態のものと相違する点は以下の通りである。
冷却液回路１２には、ラジエータ１１の下流であって入口温度センサ１６の上流に、流量制御弁Ｖ１が設けられている。また、冷却液回路１２には、ウォーターポンプ１５の下流と入口温度センサ１６の上流とを接続しラジエータ１１および流量制御弁Ｖ１を迂回するバイパス通路２１が設けられており、バイパス通路２１には流量制御弁Ｖ２が設けられている。その他の構成については第１参考形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
この第２参考形態の冷却装置では、ＥＣＵ２０は、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７の出力信号に基づいて、ウォーターポンプ１５の出力と、流量制御弁Ｖ１，Ｖ２の開度を制御する。
図７は、冷却液入口温度の上限温度を８０゜Ｃとし、冷却液入口温度の目標温度（以下、目標冷却液入口温度という）を６５゜Ｃとし、冷却液出口温度と冷却液入口温度との目標温度差を１０ｄｅｇとした場合における冷却液の温度制御フローチャートを示している。
【００３９】
この場合の温度制御処理では、まず、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７で検出した冷却液入口温度Ｔ１と冷却液出口温度Ｔ２を読み込み（ステップＳ２０１）、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度（８０゜Ｃ）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２０２）。判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大し、流量制御弁Ｖ１の開度を増大し、流量制御弁Ｖ２の開度を減少させて（ステップＳ２０３）、本ルーチンの実行を一旦終了する。このようにすると、燃料電池１を循環する冷却液の流量が増大し、ラジエータ１１を通過する冷却液の流量が増大し、バイパス通路２１を通過する冷却液の流量が減少するので、冷却液入口温度Ｔ１は急速に下がる方向に制御されることとなる。
【００４０】
ステップＳ２０２における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ未満）である場合は、冷却液入口温度Ｔ１が目標冷却液入口温度（６５゜Ｃ）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０４）。
判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が６５゜Ｃ以下）である場合は、流量制御弁Ｖ１の開度を減少し、流量制御弁Ｖ２の開度を増大させる（ステップＳ２０５）。このようにすると、ラジエータ１１を通過する冷却液の流量が減少し、バイパス通路２１を通過する冷却液の流量が増大するので、冷却液入口温度Ｔ１は上がる方向に制御されることとなる。
【００４１】
ステップＳ２０４における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が６５゜Ｃより高い）である場合は、流量制御弁Ｖ１の開度を増大し、流量制御弁Ｖ２の開度を減少させる（ステップＳ２０６）。このようにすると、ラジエータ１１を通過する冷却液の流量が増大し、バイパス通路２１を通過する冷却液の流量が減少するので、冷却液入口温度Ｔ１は下がる方向に制御されることとなる。
すなわち、ステップＳ２０５あるいはステップＳ２０６の処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は目標冷却液入口温度（６５゜Ｃ）に収束すべく制御されることとなる。
【００４２】
ステップＳ２０５あるいはステップＳ２０６の後、ステップＳ２０７に進み、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴを算出し、算出された温度差ΔＴが目標温度差（１０ｄｅｇ）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ２０８）。
判定結果が「ＮＯ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ２０９）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、温度差ΔＴは小さくなる方向に制御されることとなる。
【００４３】
ステップＳ２０８における判定結果が「ＹＥＳ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ未満）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を低減して（ステップＳ２１０）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が減少し、温度差ΔＴは大きくなる方向に制御されることとなる。
以上の温度制御処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は６５゜Ｃに収束するようになり、且つ、温度差ΔＴは目標温度差（１０ｄｅｇ）に収束するようになる。
この第２参考形態の冷却装置においても、第１参考形態と同様の作用があり、したがって、燃料電池１に対する加湿性の向上、燃料電池１における水分排出性の向上、ウォーターポンプ１５の消費電力の減少を実現することができる。
【００４４】
〔第１の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却装置の第１の実施の形態を図８の図面を参照して説明する。なお、以下の説明は、第１の実施の形態と第１参考形態との相違点だけに留め、第１参考形態のものと同一構成部分については図中、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
第１の実施の形態では、カソード加湿器３が空気供給経路と空気オフガス経路に跨って設けられており、アノード加湿器７が水素ガス供給経路と水素オフガス経路に跨って設けられている。詳述すると、カソード加湿器３は、空気供給経路においてはエアコンプレッサ２の下流であり、空気オフガス経路においては圧力制御弁４の上流に設けられている。アノード加湿器７は、水素ガス供給経路においてはエゼクタ６の下流であり、水素オフガス経路においてはパージ弁１０の上流に設けられている。
【００４５】
カソード加湿器３は、ケーシング３ａの内部が水蒸気透過膜３ｂによって上下二室に離隔されている点において第１参考形態のカソード加湿器３と同一構成であるが、第１の実施の形態では、下側の第２室３ｄにエアコンプレッサ２および燃料電池１の空気通路５７入口が接続され、上側の第１室３ｃに燃料電池１の空気通路５７出口および圧力制御弁４が接続されている。したがって、エアコンプレッサ２から供給された空気はカソード加湿器３の第２室３ｄを通って燃料電池１の空気通路５７に供給され、燃料電池１から排出された空気オフガスはカソード加湿器３の第１室３ｃを通って圧力制御弁４から大気に排出されることとなる。また、第１の実施の形態のカソード加湿器３は、ケーシング３ａの外側にウォータージャケット３ｅを形成するアウターケーシング３ｆを備えている。そして、このウォータージャケット３ｅに冷却液副流路１４ａ，１４ｂが接続されており、燃料電池１から排出された冷却液がウォータージャケット３ｅを循環可能になっている。
【００４６】
したがって、この第１の実施の形態のカソード加湿器３においては、燃料電池１から熱を奪って温度上昇した冷却液がウォータージャケット３ｅを循環することにより、第２室３ｄ内の空気と第１室３ｃ内の空気オフガスが加熱される。第２室３ｄ内の空気が加熱されると、該空気の相対湿度が下がり、該空気の露点を上げることができ、第２室３ｄ内の空気は加湿され易い状態となる。一方、第１室３ｃ内の空気オフガスが加熱されると、空気オフガスに含まれている液状の水の蒸発を促進することができ、この蒸発によって発生した蒸気と空気オフガスに元々気相として含まれていた水蒸気が水蒸気透過膜３ｂを透過して第２室３ｄ内に移動し、第２室３ｄ内の空気を加湿する。すなわち、ウォータージャケット３ｅに温度の高い冷却液を循環することにより、第２室３ｄ内の空気に対する加湿を促進することができる。
【００４７】
また、アノード加湿器７もカソード加湿器３と同様に構成されており、下側の第２室７ｄにエゼクタ６および燃料電池１の水素ガス通路５６入口が接続され、上側の第１室７ｃに燃料電池１の水素ガス通路５６出口および水素オフガス回収路８が接続されている。したがって、エゼクタ６から供給された水素ガスはアノード加湿器７の第２室７ｄを通って燃料電池１の水素オフガス通路５６に供給され、燃料電池１から排出された水素オフガスはアノード加湿器７の第１室７ｃを通って水素オフガス回収路８に排出されることとなる。そして、ケーシング７ａとアウターケーシング７ｆの間に設けられたウォータージャケット７ｅに冷却液副流路１４ｃ，１４ｄが接続され、燃料電池１から排出された冷却液がウォータージャケット７ｅを循環可能になっている。
【００４８】
したがって、この第１の実施の形態のアノード加湿器７においては、燃料電池１から熱を奪って温度上昇した冷却液がウォータージャケット７ｅを循環することにより、第２室７ｄ内の水素ガスと第１室７ｃ内の水素オフガスが加熱される。第２室７ｄ内の水素ガスが加熱されると、該水素ガスの相対湿度が下がり、該水素ガスの露点を上げることができ、第２室７ｄ内の水素ガスは加湿され易い状態となる。一方、第１室７ｃ内の水素オフガスが加熱されると、水素オフガスに含まれている液状の水の蒸発を促進することができ、この蒸発によって発生した蒸気と水素オフガスに元々気相として含まれていた水蒸気が水蒸気透過膜７ｂを透過して第２室７ｄ内に移動し、第２室７ｄ内の空気を加湿する。すなわち、ウォータージャケット７ｅに温度の高い冷却液を循環することにより、第２室７ｄ内の水素ガスに対する加湿を促進することができる。
なお、この第１の実施の形態においてカソード加湿器３のウォータージャケット３ｅとアノード加湿器７のウォータージャケット７ｅは加熱手段を構成する。
【００４９】
そして、この第１の実施の形態の冷却装置においても、第１参考形態の場合と同様に、燃料電池１の冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との間に所定の温度差（例えば、目標温度差１０ｄｅｇ）が確保されるように温度制御する。このようにすると第１の実施の形態の冷却装置によっても第１参考形態の冷却装置と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５０】
すなわち、燃料電池１の冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との間に所定の温度差（目標温度差１０ｄｅｇ）が確保されるように温度制御されており、燃料電池１における冷却液入口位置と反応ガス入口位置が同一でその流れ方向が同一方向であるので、カソード加湿器３およびアノード加湿器７で加熱・加湿された反応ガスは燃料電池１に供給された直後に冷却液によって冷却されることとなり、該反応ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなる。その結果、燃料電池１の固体高分子電解質膜５１を加湿し易くなる。
【００５１】
また、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度を超えない範囲で冷却液出口温度Ｔ２が高めに制御され、さらに、燃料電池１内では水素ガス及び空気と冷却液が同一方向に流れながら熱交換が行われるので、水素オフガスおよび空気オフガスの燃料電池１出口での温度を高くすることができる。その結果、これらオフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させることができる。したがって、燃料電池１における水分の排出性が向上し、水素ガス通路５６および空気通路５７において水閉塞が起こり難くなる。
【００５２】
さらに、冷却液出口温度Ｔ２を高めに制御していることから、冷却液の循環量を減少させることができ、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができる。
【００５３】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却装置の第２の実施の形態を図９および図１０の図面を参照して説明する。
前述した各参考形態、及び第１の実施の形態の冷却装置では、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴの目標温度差（目標値）を一定（例えば、１０ｄｅｇ）にしているが、第２の実施の形態の冷却装置では、温度差ΔＴの目標温度差を可変にし、燃料電池１の出力（発電量）に応じて目標温度差を変化させるようにする。
【００５４】
初めに、目標温度差を可変にする理由について説明する。
燃料電池１の発熱量は燃料電池１の出力（発電電流）に応じて異なり、低出力（発電電流が小さい）領域では発熱量が小さく、高出力（発電電流が大きい）領域では発熱量が大きい。そのため、低出力領域では燃料電池１を冷却する冷却液の流量は少なくて済み、高出力領域では冷却液の流量が多く必要になる。
【００５５】
ここで、低出力領域において冷却液の流量が少なくなると、燃料電池１における冷却液流路構造のばらつきや燃料電池１におけるセル位置の関係により、全セルに対して均一な冷却状態の確保が困難になり、セル間あるいはセル位置に対する温度ばらつきが発生し、部分的に高温領域（ヒートポイント）が生じ、固体高分子電解質膜５１などを痛める虞がある。
したがって、燃料電池１の低出力領域においては、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴを小さく設定して冷却液流量を増加させた方が、ヒートポイントを生じにくくなり、燃料電池１にとって好ましい。
【００５６】
一方、高出力領域において冷却液の流量が多くなると、燃料電池１における冷却液流路構造のばらつきがあっても、各セルでほぼ均一な冷却状態が確保できるのでヒートポイントが発生することはない。しかしながら、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴを燃料電池１の低・中出力領域のときと同じ温度差ΔＴに確保しようとすると、冷却液流量が大きくなるためウォーターポンプ１５の出力が大きくなって、ウォーターポンプ１５の消費電力が大きくなってしまう。ここで、ウォーターポンプ１５の電力は燃料電池１の発電によって賄われることから、結果的に発電効率が低下することとなる。
したがって、燃料電池１の高出力領域においては、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴを大きく設定して冷却液流量を減少させた方が、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができ、エネルギーマネージメント上、好ましい。
そこで、この第２の実施の形態の冷却装置では、燃料電池１の出力に応じて目標温度差を変化させて、冷却液の温度制御を実行することにした。
【００５７】
次に、第２の実施の形態の冷却装置について具体的に説明する。以下の説明では、冷却装置の構成については図１に示すものと同じとしてその説明は省略する。
図９は、冷却液入口温度の上限温度を８０゜Ｃとし、冷却液出口温度と冷却液入口温度との目標温度差を燃料電池１の出力に応じた目標温度差ΔＴαにする場合における冷却液の温度制御フローチャートを示しており、これに従って温度制御処理を説明する。
【００５８】
まず、燃料電池１の出力（発電量）を知るために、発電電流計測装置１８で検出した燃料電池１の発電電流を読み込む（ステップＳ３０１）。
次に、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との目標温度差ΔＴαを燃料電池１の発電電流に応じて算出する（ステップＳ３０２）。目標温度差ΔＴαは、例えば図１０に示すような目標温度差マップを参照して算出してもよいし、あるいは、発電電流と目標温度差ΔＴαとの関係式に基づいて計算により算出してもよい。
【００５９】
ここで、図１０の目標温度差マップについて説明すると、発電電流がＩＡ１以下では目標温度差ΔＴαはΔＴ１で一定であり、発電電流がＩＡ１を越えてＩＡ２以下では目標温度差ΔＴαはΔＴ１からΔＴ２まで漸次大きくなり、発電電流がＩＡ２を越えてＩＡ３未満では目標温度差ΔＴαはΔＴ２からΔＴ３まで漸次大きくなり、発電電流がＩＡ３以上では目標温度差ΔＴαはΔＴ３で一定になっている。なお、発電電流がＩＡ１〜ＩＡ２における目標温度差ΔＴαの上昇率は、発電電流がＩＡ２〜ＩＡ３における目標温度差ΔＴαの上昇率よりも大きく設定されている。
【００６０】
このようにして燃料電池１の発電電流に応じた目標温度差ΔＴαを算出した後、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７で検出した冷却液入口温度Ｔ１と冷却液出口温度Ｔ２を読み込み（ステップＳ３０３）、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度（８０゜Ｃ）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３０４）。判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ３０５）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、冷却液入口温度Ｔ１は下げる方向に制御されることとなる。
【００６１】
ステップＳ３０４における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ未満）である場合は、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴを算出し（ステップＳ３０６）、算出された温度差ΔＴが目標温度差ΔＴαよりも小さいか否か判定する（ステップＳ３０７）。
判定結果が「ＮＯ」（温度差ΔＴが目標温度差ΔＴα以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ３０５）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、温度差ΔＴは小さくなる方向に制御されることとなる。
【００６２】
ステップＳ３０７における判定結果が「ＹＥＳ」（温度差ΔＴが目標温度差ΔＴα未満）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を低減して（ステップＳ３０８）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が減少し、温度差ΔＴは大きくなる方向に制御されることとなる。
以上の温度制御処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は８０゜Ｃ以下に収束するようになり、且つ、温度差ΔＴは燃料電池１の出力に応じた目標温度差ΔＴαに収束するようになる。
【００６３】
したがって、燃料電池１の出力が低いときには、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴが小さい温度差に制御されるようになり、その結果、燃料電池１に流れる冷却液流量を比較的に大きくすることができるようになって、ヒートポイントを生じにくくすることができ、燃料電池１の損傷を防止することができる。
一方、燃料電池１の出力が高いときには、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴが大きい温度差に制御されるようになり、その結果、燃料電池１に流れる冷却液流量を比較的に小さくすることができるようになって、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができ、燃料電池１の発電効率が向上する。
【００６４】
なお、この第２の実施の形態の冷却装置においても、第１参考形態と同様の作用があり、したがって、燃料電池１に対する加湿性の向上、燃料電池１における水分排出性の向上、ウォーターポンプ１５の消費電力の減少を実現することができる。
また、上述のように燃料電池１の出力に応じて目標温度差を変えて実行する冷却液の温度制御は、図６あるいは図８に示される構成の冷却装置にも適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
また、請求項１に記載した発明によれば、オフガスの燃料電池出口温度を高くすることができ、その結果、オフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させて、これをオフガスとともに燃料電池から排出することができるので、燃料電池における水分の排出性が向上するという優れた効果が奏される。
【００６７】
また、請求項１に記載した発明によれば、加熱手段が冷却液で加湿器を加熱しているので、燃料電池に供給される反応ガスの温度が高まり、加湿器における反応ガスに対する加湿が促進され、しかも、加熱・加湿された反応ガスは燃料電池に供給された直後に冷却液によって冷却され、反応ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなり、燃料電池を加湿し易くなるので、燃料電池に対する加湿性が向上するという優れた効果が奏される。
【００６８】
さらに、請求項１に記載した発明によれば、冷却液出口温度を高めに制御するようになることから、冷却液の循環量を減少させることができるので、循環ポンプの消費電力を減少させることができるという効果もある。
【００６９】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池が低出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を小さく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を増加させることができるので、燃料電池内にヒートポイントを生じにくくすることができ、燃料電池の損傷を防止することができ、一方、燃料電池が高出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を大きく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を減少させることができるので、循環ポンプの消費電力を減少させることができ、燃料電池の発電効率が向上するという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第１参考形態の概略構成図である。
【図２】 第１参考形態における燃料電池の概略断面図である。
【図３】 第１参考形態における燃料電池の反応ガス通路および冷却液通路の模式図である。
【図４】 第１参考形態における冷却液の温度制御フローチャートである。
【図５】 燃料電池の反応ガス通路および冷却液通路の他の例を示す模式図である。
【図６】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第２参考形態の概略構成図である。
【図７】 第２参考形態における冷却液の温度制御フローチャートである。
【図８】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第１の実施の形態の概略構成図である。
【図９】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第２の実施の形態の冷却液温度制御フローチャートである。
【図１０】 第２の実施の形態における目標温度差マップの一例である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の冷却装置に関するものであり、特に、液冷式の冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素ガス通路と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気通路と、冷却液が供給される冷却液通路とを備えたものがある。以下、燃料ガスと酸化剤ガスを総称して反応ガスという。この燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。
【０００３】
ところで、燃料電池の発電には発熱を伴うが、燃料電池には作動温度範囲があるため燃料電池が上限温度以上に昇温しないように冷却する必要がある。そのため、燃料電池の前記冷却液通路に冷媒を流して熱を奪い燃料電池を冷却する冷却装置が設けられている。
この燃料電池の冷却装置には、特開平１０−３４０７３４号公報に開示されているように、冷媒としての冷却液を循環ポンプにより燃料電池と放熱器（ラジエータ）との間で循環させるようにしたものがある。この冷却装置では、燃料電池から熱を奪って熱せられた冷却液が放熱器を流れる際に、冷却液の熱を外気に放熱して冷却液を冷却している。
【０００４】
前記公報にも開示されているように、従来は燃料電池の内部温度が均一になるように冷却するのがシステム上、好ましいとされており、そのため、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を極力少なくなるように、冷却液の循環量を制御していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を少なくするということは、冷却液出口温度を下げる方向にすることであり、したがって、冷却液の循環量を増大することとなり、循環ポンプの消費電力が増大するので、エネルギーマネージメント上、不利であった。
【０００６】
また、前述したように、燃料電池は発電に際して水が生成されるが、この水は未反応の反応ガス、すなわちオフガス中に水蒸気として気相で存在するものもあれば、液体となってオフガスから分離し液相で存在するものもある。水蒸気としてオフガス中に存在する水分はオフガスとともに燃料電池から排出されるので問題となることはないが、液状のものは場合によっては反応ガス路の一部を塞ぐ虞があり好ましい形態とは言えない。そこで、生成水等の水分の排出という観点からすると、燃料電池の内部温度が高い方が露点を上げることができ、水分を気相（水蒸気）でオフガス中に多く含ませることができ、オフガスとともに排出できる水分量を増大できるので好ましい。しかしながら、従来は、前述したように、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を少なくして冷却液出口温度を下げる方向に制御しているので、オフガス中の水分が液相になり易く、水分の排出性という点では改良の余地があった。
【０００７】
一方で、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、固体高分子電解質膜のイオン導電性を所定の状態に確保して良好な発電状態を維持するために、燃料電池に供給される反応ガス（水素ガスおよび空気）を加湿器で加湿しており、この加湿された反応ガスが燃料電池内で凝縮して固体高分子電解質膜に付着することにより、固体高分子電解質膜のイオン導電性を向上させている。このように燃料電池に対する加湿という観点からすると、燃料電池の内部温度は低い方が反応ガス中の水蒸気が凝結し易く好ましいこととなる。
このような事情から、燃料電池に対する加湿性と前述した水分の排出性を両立させて燃料電池の内部温度を制御するのは、極めて困難であった。
【０００８】
そこで、この発明は、反応ガスと冷却液の流れ方向が略同一方向にされた構造の燃料電池における内部温度分布に積極的に温度差を確保することにより、燃料電池における水分の排出性に優れた燃料電池の冷却装置を提供するものである。
また、この発明は、反応ガスと冷却液の流れ方向が略同一方向にされた構造の燃料電池における内部温度分布に積極的に温度差を確保することにより、燃料電池における水分の排水性の向上と固体高分子電解質膜に対する加湿性の向上の両立を図ることができる燃料電池の冷却装置を提供するものである。
【００１１】
請求項１に記載した発明は、燃料ガス（例えば、後述する各実施の形態における水素ガス）と酸化剤ガス（例えば、後述する各実施の形態における空気）を反応ガスとして発電を行う燃料電池（例えば、後述する各実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出される反応オフガスに含まれている水分により水蒸気透過膜を介して加湿する加湿器（例えば、後述する各実施の形態におけるカソード加湿器３およびアノード加湿器７）と、循環ポンプ（例えば、後述する各実施の形態におけるウォーターポンプ１５）により冷却液を前記燃料電池と放熱器（例えば、後述する各実施の形態におけるラジエータ１１）との間で循環させ、前記燃料電池内で冷却液を前記反応ガスと略同一方向となる一方向に流して該燃料電池を冷却し、前記放熱器で冷却液から熱を外部に放熱する冷却手段（例えば、後述する各実施の形態における冷却液回路１２）と、前記燃料電池から排出された前記冷却液によって前記加湿器を加熱する加熱手段（例えば、後述する第１，第２の実施の形態における第２室３ｄ，７ｄ、および、第３の実施の形態におけるウォータージャケット３ｅ，７ｅ）と、前記燃料電池の冷却液入口温度が予め設定された上限温度を下回っている場合に、前記燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保されるように前記循環ポンプの出力を制御する制御手段（例えば、後述する第１の実施の形態におけるステップＳ１０３，１０５，１０６、および、第２の実施の形態におけるステップＳ２０８，２０９，２１０、および、第４の実施の形態におけるステップＳ３０５，３０７，３０８）と、を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置である。
【００１２】
このように構成することにより、前記制御手段による循環ポンプの制御で、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保されるので、冷却液出口温度が高めに制御されることとなり、さらに、燃料電池内では反応ガスと冷却液が略同一方向に流れることから、オフガスの燃料電池出口温度を高くすることができ、その結果、オフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させることが可能になる。
【００１３】
また、加熱手段が冷却液で加湿器を加熱しているので、燃料電池に供給される反応ガスの温度が高まり、加湿器における反応ガスに対する加湿が促進される。しかも、燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保され、燃料電池内では反応ガスと冷却液が略同一方向に流れることから、前記加湿器で加熱・加湿された反応ガスは燃料電池に供給された直後に冷却液によって冷却され、反応ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなり、燃料電池を加湿し易くなる。
さらに、冷却液出口温度を高めに制御するようになることから、冷却液の循環量を減少させることができる。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１記載の発明において、前記燃料電池の高出力領域における前記温度差の目標値を、低出力領域における前記温度差の目標値よりも大きく設定したことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池が低出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を小さく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を増加させることが可能になり、一方、燃料電池が高出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を大きく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を減少させることが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の冷却装置（単に冷却装置ということもある）の実施の形態を図１から図１０の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の冷却装置に適用した態様である。
【００１６】
〔第１参考形態〕
この発明に係る燃料電池の冷却装置の第１参考形態を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は冷却装置の概略構成図である。初めに、冷却対象となる燃料電池１について説明する。燃料電池１は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、図２に示すように、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜５１をアノード５２とカソード５３とで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータ５４，５４で挟持して形成されたセル５５を複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素ガス通路５６と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気通路５７と、冷却液が供給される冷却液通路５８とを備えている。そして、アノード５２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜５１を通過してカソード５３まで移動して、カソード５３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池１が上限温度を越えないように、前記冷却液通路５８を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
【００１７】
また、この燃料電池１においては、水素ガス通路５６と空気通路５７と冷却液通路５８が互いに平行して設けられている。図３は、これら通路５６，５７，５８を模式的に示した斜視図であり、これら通路５６，５７，５８はいずれも、セル５５の左上部の入口から右下部の出口まで同一形態に蛇行して設けられている。したがって、この参考形態では、水素ガス通路５６と空気通路５７と冷却液通路５８はその全長に亘ってそれぞれの流体の流れ方向を同一方向にされている。
【００１８】
次に、冷却装置を各流体の流れに沿って説明する。
外気はエアコンプレッサ２によって加圧され、カソード加湿器３で加湿されて燃料電池１の空気通路５７に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁４を介して大気に放出される。エアコンプレッサ２は、燃料電池１に要求されている出力に応じた質量の空気が燃料電池１に供給されるように回転数制御され、また、圧力制御弁４は、燃料電池１への空気の供給圧が燃料電池１の運転状態に応じた圧力値となるように開度制御される。
【００１９】
カソード加湿器３は、ケーシング３ａの内部が水蒸気透過膜３ｂによって上下二室に離隔されており、上側の第１室３ｃにエアコンプレッサ２および燃料電池１の空気通路５７入口が接続され、下側の第２室３ｄには後述するように燃料電池１から排出された冷却液が循環するようになっている。水蒸気透過膜３ｂは、該水蒸気透過膜３ｂを境にして水蒸気圧の高い方から水蒸気圧の低い方へ水蒸気だけを透過させる機能を有するものである。
【００２０】
一方、図示しない高圧水素タンクから放出された水素ガスは燃料供給制御弁５により減圧された後、エゼクタ６を通り、アノード加湿器７で加湿されて燃料電池１の水素ガス通路５６に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路８を通ってエゼクタ６に吸引され、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスと合流し再び燃料電池１に供給されるようになっている。
【００２１】
燃料供給制御弁５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアコンプレッサ２から供給される空気の圧力を信号圧として空気信号導入路９を介して入力され、燃料供給制御弁５出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。
水素オフガス回収路８はパージ弁１０を備えており、パージ弁１０は所定条件が満たされたときに開弁制御されて、燃料電池１の水素ガス通路５６に水が溜まらないように外部へ排水する。
【００２２】
アノード加湿器７は、カソード加湿器３と同様の構造をなしており、ケーシング７ａの内部が水蒸気透過膜７ｂによって上下二室に離隔されており、上側の第１室７ｃにエゼクタ６およびおよび燃料電池１の水素ガス通路５６入口が接続され、下側の第２室７ｄには後述するように燃料電池１から排出された冷却液が循環するようになっている。
ここで、前記カソード加湿器３は水蒸気透過膜３ｂを透過した冷却液の蒸気により空気を加湿し、加湿した空気を燃料電池１に供給し、また、アノード加湿器７は水蒸気透過膜７ｂを透過した冷却液の蒸気により水素ガスを加湿し、加湿した水素ガスを燃料電池１に供給する。これにより、燃料電池１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００２３】
また、燃料電池１を冷却するための冷却液は、循環ポンプであるウォーターポンプ（ＷＰ）１５によって昇圧されてラジエータ（放熱器）１１に供給され、ラジエータ１１において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、その後、燃料電池１に供給され、燃料電池１内の冷却液通路５８を通る際に燃料電池１から熱を奪って燃料電池１を冷却し、これにより熱せられた冷却液はウォーターポンプ１５を介して再びラジエータ１１に戻り冷却されるようになっている。すなわち、冷却液は、燃料電池１とウォーターポンプ１５とラジエータ１１とを閉回路に接続する冷却液回路（冷却手段）１２を循環するようになっている。
【００２４】
冷却液回路１２において燃料電池１からウォーターポンプ１５に向かう冷却液主流路（すなわち、燃料電池１の下流であってウォーターポンプ１５の上流に位置する冷却液流路）１２ａには制限オリフィス１３が設けられている。冷却液主流路１２ａにおいてオリフィス１３の上流（すなわち、燃料電池１寄り）および下流（すなわち、ラジエータ１１寄り）はそれぞれ冷却液副流路１４ａ，１４ｂによってカソード加湿器３の第２室３ｄに接続されるとともに、冷却液副流路１４ｃ，１４ｄによってアノード加湿器７の第２室７ｄに接続されている。これにより、冷却液主流路１２ａを流れる冷却液の一部は冷却液副流路１４ａ，１４ｃを通ってカソード加湿器３の第２室３ｄおよびアノード加湿器７の第２室７ｄに導入され、冷却液副流路１４ｂ，１４ｄを通って冷却液主流路１２ａに戻るようになっている。なお、この第１参考形態においてカソード加湿器３の第２室３ｄとアノード加湿器７の第２室７ｄは加熱手段を構成する。
【００２５】
また、冷却液回路１２において燃料電池１の入口側には、燃料電池１に供給される冷却液の温度（以下、冷却液入口温度という）を検出する入口温度センサ（ＴＩ）１６が設けられており、冷却液回路１２において燃料電池１の出口側には、燃料電池１から排出される冷却液の温度（以下、冷却液出口温度という）を検出する出口温度センサ（ＴＩ）１７が設けられている。電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）２０は、これら温度センサ１６，１７の出力信号に基づいてウォーターポンプ１５の出力を制御する。
【００２６】
燃料電池１から取り出される発電電流は、発電電流を計測する発電電流計測装置１８を介して、走行用モータやエアコンプレッサ２を駆動するモータ等の電気負荷１９に接続されている。
【００２７】
次に、この第１参考形態における燃料電池の冷却装置の作用を説明する。
この参考形態における冷却装置では、燃料電池１の冷却液出口温度が冷却液入口温度よりも所定温度だけ高くなるように、換言すれば、冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定温度差が確保されるように、ウォーターポンプ１５の出力を制御する。
図４は、冷却液入口温度の上限温度を８０゜Ｃとし、冷却液出口温度と冷却液入口温度との目標温度差を１０ｄｅｇｒｅｅ（以下、「ｄｅｇ」と略す）とした場合における冷却液の温度制御フローチャートを示しており、これに従って温度制御処理を説明する。
【００２８】
まず、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７で検出した冷却液入口温度Ｔ１と冷却液出口温度Ｔ２を読み込み（ステップＳ１０１）、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度（８０゜Ｃ）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ１０３）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、冷却液入口温度Ｔ１は下げる方向に制御されることとなる。
【００２９】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ未満）である場合は、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴを算出し（ステップＳ１０４）、算出された温度差ΔＴが目標温度差（１０ｄｅｇ）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ１０５）。
判定結果が「ＮＯ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ１０３）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、温度差ΔＴは小さくなる方向に制御されることとなる。
【００３０】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ未満）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を低減して（ステップＳ１０６）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が減少し、温度差ΔＴは大きくなる方向に制御されることとなる。
以上の温度制御処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は８０゜Ｃ以下に収束するようになり、且つ、温度差ΔＴは目標温度差（１０ｄｅｇ）に収束するようになる。また、このように冷却液温度を制御すると、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度を超えない範囲で冷却液出口温度Ｔ２が高めに制御されることとなる。
【００３１】
そして、この冷却装置では、燃料電池１から熱を奪って温度上昇した冷却液がカソード加湿器３の第２室３ｄに供給されるので、カソード加湿器３の第１室３ｃ内の空気が加熱され、該空気の相対湿度が下がり、該空気の露点を上げることができる。その結果、第２室３ｄ内の冷却液の一部が水蒸気となって水蒸気透過膜３ｂを透過し、第１室３ｃ内の空気に対する加湿を促進する。
【００３２】
しかも、燃料電池１の冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との間に所定の温度差（目標温度差１０ｄｅｇ）が確保されるように温度制御されており、燃料電池１における冷却液入口位置と空気入口位置が同一でその流れ方向が同一方向であるので、カソード加湿器３で加熱・加湿された空気は燃料電池１に供給された直後に冷却液によって冷却されることとなり、該空気中の蒸気が凝結して液状になり易くなる。その結果、燃料電池１の固体高分子電解質膜５１を加湿し易くなる。
【００３３】
アノード加湿器７についても同様であり、燃料電池１から排出された冷却液がアノード加湿器７の第２室７ｄに供給されることにより、第１室７ｃ内の空気に対する加湿が促進される。そして、アノード加湿器７で加熱・加湿された水素ガスは燃料電池１に供給された直後に冷却液によって冷却されるので、水素ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなり、固体高分子電解質膜５１を加湿し易くなる。
したがって、固体高分子電解質膜５１のイオン導電性が所定の状態に確実に確保されるようになり、燃料電池１に対する加湿性が向上する。
【００３４】
また、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度を超えない範囲で冷却液出口温度Ｔ２が高めに制御され、さらに、燃料電池１内では水素ガス及び空気と冷却液が同一方向に流れながら熱交換が行われるので、水素オフガスおよび空気オフガスの燃料電池１出口での温度を高くすることができる。その結果、これらオフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させることができる。したがって、燃料電池１における水分の排出性が向上し、水素ガス通路５６および空気通路５７において水閉塞が起こり難くなる。
【００３５】
また、冷却液出口温度Ｔ２を高めに制御していることから、冷却液の循環量を減少させることができ、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができる。
【００３６】
なお、燃料電池１における水素ガス通路５６、空気通路５７、冷却液通路５８の配置は図３に示す形態に限るものではない。例えば、図５に示すように、水素ガス通路５６はセル５５の左上部の入口から右下部の出口に向かって蛇行して設けられ、空気通路５７はセル５５の右上部の入口から左下部の出口に向かって蛇行して設けられ、冷却液通路５８はセル５５の上部から下部に向かって直線的に設けられていてもよい。この場合、水素ガスと空気は蛇行しながらもセル５５の上位から下位に向かって流れているので、その流れ方向は、上から下に向かって流れる冷却液の流れ方向と略同一方向であると言うことができる。
【００３７】
〔第２参考形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却装置の第２参考形態を図６および図７の図面を参照して説明する。第２参考形態における冷却装置が第１参考形態のものと相違する点は以下の通りである。
冷却液回路１２には、ラジエータ１１の下流であって入口温度センサ１６の上流に、流量制御弁Ｖ１が設けられている。また、冷却液回路１２には、ウォーターポンプ１５の下流と入口温度センサ１６の上流とを接続しラジエータ１１および流量制御弁Ｖ１を迂回するバイパス通路２１が設けられており、バイパス通路２１には流量制御弁Ｖ２が設けられている。その他の構成については第１参考形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
この第２参考形態の冷却装置では、ＥＣＵ２０は、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７の出力信号に基づいて、ウォーターポンプ１５の出力と、流量制御弁Ｖ１，Ｖ２の開度を制御する。
図７は、冷却液入口温度の上限温度を８０゜Ｃとし、冷却液入口温度の目標温度（以下、目標冷却液入口温度という）を６５゜Ｃとし、冷却液出口温度と冷却液入口温度との目標温度差を１０ｄｅｇとした場合における冷却液の温度制御フローチャートを示している。
【００３９】
この場合の温度制御処理では、まず、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７で検出した冷却液入口温度Ｔ１と冷却液出口温度Ｔ２を読み込み（ステップＳ２０１）、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度（８０゜Ｃ）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２０２）。判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大し、流量制御弁Ｖ１の開度を増大し、流量制御弁Ｖ２の開度を減少させて（ステップＳ２０３）、本ルーチンの実行を一旦終了する。このようにすると、燃料電池１を循環する冷却液の流量が増大し、ラジエータ１１を通過する冷却液の流量が増大し、バイパス通路２１を通過する冷却液の流量が減少するので、冷却液入口温度Ｔ１は急速に下がる方向に制御されることとなる。
【００４０】
ステップＳ２０２における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ未満）である場合は、冷却液入口温度Ｔ１が目標冷却液入口温度（６５゜Ｃ）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０４）。
判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が６５゜Ｃ以下）である場合は、流量制御弁Ｖ１の開度を減少し、流量制御弁Ｖ２の開度を増大させる（ステップＳ２０５）。このようにすると、ラジエータ１１を通過する冷却液の流量が減少し、バイパス通路２１を通過する冷却液の流量が増大するので、冷却液入口温度Ｔ１は上がる方向に制御されることとなる。
【００４１】
ステップＳ２０４における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が６５゜Ｃより高い）である場合は、流量制御弁Ｖ１の開度を増大し、流量制御弁Ｖ２の開度を減少させる（ステップＳ２０６）。このようにすると、ラジエータ１１を通過する冷却液の流量が増大し、バイパス通路２１を通過する冷却液の流量が減少するので、冷却液入口温度Ｔ１は下がる方向に制御されることとなる。
すなわち、ステップＳ２０５あるいはステップＳ２０６の処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は目標冷却液入口温度（６５゜Ｃ）に収束すべく制御されることとなる。
【００４２】
ステップＳ２０５あるいはステップＳ２０６の後、ステップＳ２０７に進み、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴを算出し、算出された温度差ΔＴが目標温度差（１０ｄｅｇ）よりも小さいか否か判定する（ステップＳ２０８）。
判定結果が「ＮＯ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ２０９）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、温度差ΔＴは小さくなる方向に制御されることとなる。
【００４３】
ステップＳ２０８における判定結果が「ＹＥＳ」（温度差ΔＴが１０ｄｅｇ未満）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を低減して（ステップＳ２１０）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が減少し、温度差ΔＴは大きくなる方向に制御されることとなる。
以上の温度制御処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は６５゜Ｃに収束するようになり、且つ、温度差ΔＴは目標温度差（１０ｄｅｇ）に収束するようになる。
この第２参考形態の冷却装置においても、第１参考形態と同様の作用があり、したがって、燃料電池１に対する加湿性の向上、燃料電池１における水分排出性の向上、ウォーターポンプ１５の消費電力の減少を実現することができる。
【００４４】
〔第１の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却装置の第１の実施の形態を図８の図面を参照して説明する。なお、以下の説明は、第１の実施の形態と第１参考形態との相違点だけに留め、第１参考形態のものと同一構成部分については図中、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
第１の実施の形態では、カソード加湿器３が空気供給経路と空気オフガス経路に跨って設けられており、アノード加湿器７が水素ガス供給経路と水素オフガス経路に跨って設けられている。詳述すると、カソード加湿器３は、空気供給経路においてはエアコンプレッサ２の下流であり、空気オフガス経路においては圧力制御弁４の上流に設けられている。アノード加湿器７は、水素ガス供給経路においてはエゼクタ６の下流であり、水素オフガス経路においてはパージ弁１０の上流に設けられている。
【００４５】
カソード加湿器３は、ケーシング３ａの内部が水蒸気透過膜３ｂによって上下二室に離隔されている点において第１参考形態のカソード加湿器３と同一構成であるが、第１の実施の形態では、下側の第２室３ｄにエアコンプレッサ２および燃料電池１の空気通路５７入口が接続され、上側の第１室３ｃに燃料電池１の空気通路５７出口および圧力制御弁４が接続されている。したがって、エアコンプレッサ２から供給された空気はカソード加湿器３の第２室３ｄを通って燃料電池１の空気通路５７に供給され、燃料電池１から排出された空気オフガスはカソード加湿器３の第１室３ｃを通って圧力制御弁４から大気に排出されることとなる。また、第１の実施の形態のカソード加湿器３は、ケーシング３ａの外側にウォータージャケット３ｅを形成するアウターケーシング３ｆを備えている。そして、このウォータージャケット３ｅに冷却液副流路１４ａ，１４ｂが接続されており、燃料電池１から排出された冷却液がウォータージャケット３ｅを循環可能になっている。
【００４６】
したがって、この第１の実施の形態のカソード加湿器３においては、燃料電池１から熱を奪って温度上昇した冷却液がウォータージャケット３ｅを循環することにより、第２室３ｄ内の空気と第１室３ｃ内の空気オフガスが加熱される。第２室３ｄ内の空気が加熱されると、該空気の相対湿度が下がり、該空気の露点を上げることができ、第２室３ｄ内の空気は加湿され易い状態となる。一方、第１室３ｃ内の空気オフガスが加熱されると、空気オフガスに含まれている液状の水の蒸発を促進することができ、この蒸発によって発生した蒸気と空気オフガスに元々気相として含まれていた水蒸気が水蒸気透過膜３ｂを透過して第２室３ｄ内に移動し、第２室３ｄ内の空気を加湿する。すなわち、ウォータージャケット３ｅに温度の高い冷却液を循環することにより、第２室３ｄ内の空気に対する加湿を促進することができる。
【００４７】
また、アノード加湿器７もカソード加湿器３と同様に構成されており、下側の第２室７ｄにエゼクタ６および燃料電池１の水素ガス通路５６入口が接続され、上側の第１室７ｃに燃料電池１の水素ガス通路５６出口および水素オフガス回収路８が接続されている。したがって、エゼクタ６から供給された水素ガスはアノード加湿器７の第２室７ｄを通って燃料電池１の水素オフガス通路５６に供給され、燃料電池１から排出された水素オフガスはアノード加湿器７の第１室７ｃを通って水素オフガス回収路８に排出されることとなる。そして、ケーシング７ａとアウターケーシング７ｆの間に設けられたウォータージャケット７ｅに冷却液副流路１４ｃ，１４ｄが接続され、燃料電池１から排出された冷却液がウォータージャケット７ｅを循環可能になっている。
【００４８】
したがって、この第１の実施の形態のアノード加湿器７においては、燃料電池１から熱を奪って温度上昇した冷却液がウォータージャケット７ｅを循環することにより、第２室７ｄ内の水素ガスと第１室７ｃ内の水素オフガスが加熱される。第２室７ｄ内の水素ガスが加熱されると、該水素ガスの相対湿度が下がり、該水素ガスの露点を上げることができ、第２室７ｄ内の水素ガスは加湿され易い状態となる。一方、第１室７ｃ内の水素オフガスが加熱されると、水素オフガスに含まれている液状の水の蒸発を促進することができ、この蒸発によって発生した蒸気と水素オフガスに元々気相として含まれていた水蒸気が水蒸気透過膜７ｂを透過して第２室７ｄ内に移動し、第２室７ｄ内の空気を加湿する。すなわち、ウォータージャケット７ｅに温度の高い冷却液を循環することにより、第２室７ｄ内の水素ガスに対する加湿を促進することができる。
なお、この第１の実施の形態においてカソード加湿器３のウォータージャケット３ｅとアノード加湿器７のウォータージャケット７ｅは加熱手段を構成する。
【００４９】
そして、この第１の実施の形態の冷却装置においても、第１参考形態の場合と同様に、燃料電池１の冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との間に所定の温度差（例えば、目標温度差１０ｄｅｇ）が確保されるように温度制御する。このようにすると第１の実施の形態の冷却装置によっても第１参考形態の冷却装置と同様の作用・効果を得ることができる。
【００５０】
すなわち、燃料電池１の冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との間に所定の温度差（目標温度差１０ｄｅｇ）が確保されるように温度制御されており、燃料電池１における冷却液入口位置と反応ガス入口位置が同一でその流れ方向が同一方向であるので、カソード加湿器３およびアノード加湿器７で加熱・加湿された反応ガスは燃料電池１に供給された直後に冷却液によって冷却されることとなり、該反応ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなる。その結果、燃料電池１の固体高分子電解質膜５１を加湿し易くなる。
【００５１】
また、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度を超えない範囲で冷却液出口温度Ｔ２が高めに制御され、さらに、燃料電池１内では水素ガス及び空気と冷却液が同一方向に流れながら熱交換が行われるので、水素オフガスおよび空気オフガスの燃料電池１出口での温度を高くすることができる。その結果、これらオフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させることができる。したがって、燃料電池１における水分の排出性が向上し、水素ガス通路５６および空気通路５７において水閉塞が起こり難くなる。
【００５２】
さらに、冷却液出口温度Ｔ２を高めに制御していることから、冷却液の循環量を減少させることができ、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができる。
【００５３】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却装置の第２の実施の形態を図９および図１０の図面を参照して説明する。
前述した各参考形態、及び第１の実施の形態の冷却装置では、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴの目標温度差（目標値）を一定（例えば、１０ｄｅｇ）にしているが、第２の実施の形態の冷却装置では、温度差ΔＴの目標温度差を可変にし、燃料電池１の出力（発電量）に応じて目標温度差を変化させるようにする。
【００５４】
初めに、目標温度差を可変にする理由について説明する。
燃料電池１の発熱量は燃料電池１の出力（発電電流）に応じて異なり、低出力（発電電流が小さい）領域では発熱量が小さく、高出力（発電電流が大きい）領域では発熱量が大きい。そのため、低出力領域では燃料電池１を冷却する冷却液の流量は少なくて済み、高出力領域では冷却液の流量が多く必要になる。
【００５５】
ここで、低出力領域において冷却液の流量が少なくなると、燃料電池１における冷却液流路構造のばらつきや燃料電池１におけるセル位置の関係により、全セルに対して均一な冷却状態の確保が困難になり、セル間あるいはセル位置に対する温度ばらつきが発生し、部分的に高温領域（ヒートポイント）が生じ、固体高分子電解質膜５１などを痛める虞がある。
したがって、燃料電池１の低出力領域においては、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴを小さく設定して冷却液流量を増加させた方が、ヒートポイントを生じにくくなり、燃料電池１にとって好ましい。
【００５６】
一方、高出力領域において冷却液の流量が多くなると、燃料電池１における冷却液流路構造のばらつきがあっても、各セルでほぼ均一な冷却状態が確保できるのでヒートポイントが発生することはない。しかしながら、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴを燃料電池１の低・中出力領域のときと同じ温度差ΔＴに確保しようとすると、冷却液流量が大きくなるためウォーターポンプ１５の出力が大きくなって、ウォーターポンプ１５の消費電力が大きくなってしまう。ここで、ウォーターポンプ１５の電力は燃料電池１の発電によって賄われることから、結果的に発電効率が低下することとなる。
したがって、燃料電池１の高出力領域においては、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴを大きく設定して冷却液流量を減少させた方が、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができ、エネルギーマネージメント上、好ましい。
そこで、この第２の実施の形態の冷却装置では、燃料電池１の出力に応じて目標温度差を変化させて、冷却液の温度制御を実行することにした。
【００５７】
次に、第２の実施の形態の冷却装置について具体的に説明する。以下の説明では、冷却装置の構成については図１に示すものと同じとしてその説明は省略する。
図９は、冷却液入口温度の上限温度を８０゜Ｃとし、冷却液出口温度と冷却液入口温度との目標温度差を燃料電池１の出力に応じた目標温度差ΔＴαにする場合における冷却液の温度制御フローチャートを示しており、これに従って温度制御処理を説明する。
【００５８】
まず、燃料電池１の出力（発電量）を知るために、発電電流計測装置１８で検出した燃料電池１の発電電流を読み込む（ステップＳ３０１）。
次に、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との目標温度差ΔＴαを燃料電池１の発電電流に応じて算出する（ステップＳ３０２）。目標温度差ΔＴαは、例えば図１０に示すような目標温度差マップを参照して算出してもよいし、あるいは、発電電流と目標温度差ΔＴαとの関係式に基づいて計算により算出してもよい。
【００５９】
ここで、図１０の目標温度差マップについて説明すると、発電電流がＩＡ１以下では目標温度差ΔＴαはΔＴ１で一定であり、発電電流がＩＡ１を越えてＩＡ２以下では目標温度差ΔＴαはΔＴ１からΔＴ２まで漸次大きくなり、発電電流がＩＡ２を越えてＩＡ３未満では目標温度差ΔＴαはΔＴ２からΔＴ３まで漸次大きくなり、発電電流がＩＡ３以上では目標温度差ΔＴαはΔＴ３で一定になっている。なお、発電電流がＩＡ１〜ＩＡ２における目標温度差ΔＴαの上昇率は、発電電流がＩＡ２〜ＩＡ３における目標温度差ΔＴαの上昇率よりも大きく設定されている。
【００６０】
このようにして燃料電池１の発電電流に応じた目標温度差ΔＴαを算出した後、入口温度センサ１６と出口温度センサ１７で検出した冷却液入口温度Ｔ１と冷却液出口温度Ｔ２を読み込み（ステップＳ３０３）、冷却液入口温度Ｔ１が上限温度（８０゜Ｃ）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３０４）。判定結果が「ＮＯ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ３０５）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、冷却液入口温度Ｔ１は下げる方向に制御されることとなる。
【００６１】
ステップＳ３０４における判定結果が「ＹＥＳ」（冷却液入口温度Ｔ１が８０゜Ｃ未満）である場合は、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１の温度差ΔＴを算出し（ステップＳ３０６）、算出された温度差ΔＴが目標温度差ΔＴαよりも小さいか否か判定する（ステップＳ３０７）。
判定結果が「ＮＯ」（温度差ΔＴが目標温度差ΔＴα以上）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を増大して（ステップＳ３０５）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が増大し、温度差ΔＴは小さくなる方向に制御されることとなる。
【００６２】
ステップＳ３０７における判定結果が「ＹＥＳ」（温度差ΔＴが目標温度差ΔＴα未満）である場合は、ウォーターポンプ１５の出力を低減して（ステップＳ３０８）、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却液の循環量が減少し、温度差ΔＴは大きくなる方向に制御されることとなる。
以上の温度制御処理を実行することにより、冷却液入口温度Ｔ１は８０゜Ｃ以下に収束するようになり、且つ、温度差ΔＴは燃料電池１の出力に応じた目標温度差ΔＴαに収束するようになる。
【００６３】
したがって、燃料電池１の出力が低いときには、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴが小さい温度差に制御されるようになり、その結果、燃料電池１に流れる冷却液流量を比較的に大きくすることができるようになって、ヒートポイントを生じにくくすることができ、燃料電池１の損傷を防止することができる。
一方、燃料電池１の出力が高いときには、冷却液出口温度Ｔ２と冷却液入口温度Ｔ１との温度差ΔＴが大きい温度差に制御されるようになり、その結果、燃料電池１に流れる冷却液流量を比較的に小さくすることができるようになって、ウォーターポンプ１５の消費電力を減少させることができ、燃料電池１の発電効率が向上する。
【００６４】
なお、この第２の実施の形態の冷却装置においても、第１参考形態と同様の作用があり、したがって、燃料電池１に対する加湿性の向上、燃料電池１における水分排出性の向上、ウォーターポンプ１５の消費電力の減少を実現することができる。
また、上述のように燃料電池１の出力に応じて目標温度差を変えて実行する冷却液の温度制御は、図６あるいは図８に示される構成の冷却装置にも適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
また、請求項１に記載した発明によれば、オフガスの燃料電池出口温度を高くすることができ、その結果、オフガスの露点を高くすることができ、オフガス中に気相（水蒸気）で存在する水分量を増大させて、これをオフガスとともに燃料電池から排出することができるので、燃料電池における水分の排出性が向上するという優れた効果が奏される。
【００６７】
また、請求項１に記載した発明によれば、加熱手段が冷却液で加湿器を加熱しているので、燃料電池に供給される反応ガスの温度が高まり、加湿器における反応ガスに対する加湿が促進され、しかも、加熱・加湿された反応ガスは燃料電池に供給された直後に冷却液によって冷却され、反応ガス中の蒸気が凝結して液状になり易くなり、燃料電池を加湿し易くなるので、燃料電池に対する加湿性が向上するという優れた効果が奏される。
【００６８】
さらに、請求項１に記載した発明によれば、冷却液出口温度を高めに制御するようになることから、冷却液の循環量を減少させることができるので、循環ポンプの消費電力を減少させることができるという効果もある。
【００６９】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池が低出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を小さく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を増加させることができるので、燃料電池内にヒートポイントを生じにくくすることができ、燃料電池の損傷を防止することができ、一方、燃料電池が高出力のときには、冷却液出口温度と冷却液入口温度との温度差を大きく設定して、燃料電池を流れる冷却液流量を減少させることができるので、循環ポンプの消費電力を減少させることができ、燃料電池の発電効率が向上するという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第１参考形態の概略構成図である。
【図２】 第１参考形態における燃料電池の概略断面図である。
【図３】 第１参考形態における燃料電池の反応ガス通路および冷却液通路の模式図である。
【図４】 第１参考形態における冷却液の温度制御フローチャートである。
【図５】 燃料電池の反応ガス通路および冷却液通路の他の例を示す模式図である。
【図６】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第２参考形態の概略構成図である。
【図７】 第２参考形態における冷却液の温度制御フローチャートである。
【図８】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第１の実施の形態の概略構成図である。
【図９】 この発明に係る燃料電池の冷却装置における第２の実施の形態の冷却液温度制御フローチャートである。
【図１０】 第２の実施の形態における目標温度差マップの一例である。
Claims (2)
- 燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記反応ガスを、前記燃料電池から排出される反応オフガスに含まれている水分により水蒸気透過膜を介して加湿する加湿器と、
循環ポンプにより冷却液を前記燃料電池と放熱器との間で循環させ、前記燃料電池内で冷却液を前記反応ガスと略同一方向となる一方向に流して該燃料電池を冷却し、前記放熱器で冷却液から熱を外部に放熱する冷却手段と、
前記燃料電池から排出された前記冷却液によって前記加湿器を加熱する加熱手段と、
前記燃料電池の冷却液入口温度が予め設定された上限温度を下回っている場合に、前記燃料電池の冷却液出口温度と冷却液入口温度との間に所定の温度差が確保されるように前記循環ポンプの出力を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の冷却装置。 - 前記燃料電池の高出力領域における前記温度差の目標値を、低出力領域における前記温度差の目標値よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001203938A JP4884604B2 (ja) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | 燃料電池の冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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