(57)【要約】【課題】燃料電池の内部温度を精度良く把握することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システム１であって、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有する温度測定部８１と、温度測定部８１の温度を測定する温度センサ８５，９５と、温度測定部８１の温度に基づいて燃料電池２０の運転を制御する制御部５０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池と同等の熱容量及び放熱係数を有する温度測定部と、
前記温度測定部の温度を測定する温度センサと、
前記温度測定部の温度に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備えている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記温度測定部は、前記燃料電池と別体の外部モジュールである燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記温度測定部は、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させる配管の一部を断熱材によって覆ったものである燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記温度測定部の温度に基づく前記燃料電池の運転の制御をシステム始動時に行う燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
【０００３】
この種の燃料電池システムには、燃料電池を構成するスタック内へ冷却水を循環させて冷却する冷却手段を有している。この冷却水の温度は、燃料電池の運転中は燃料電池の内部の温度と同等になるため、燃料電池の内部温度の把握その他の用途に用いられることがある。
【０００４】
例えば、このような冷却手段を備えた燃料電池システムにおいて、冷却水の許容上限温度を推定することにより、燃料電池の発電量を補正し、また、目標ＳＯＣ値を算出するものがあり、このシステムでは、走行中における燃料電池の冷却水温を予測している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池へ供給するガス量と圧力変化から燃料電池の温度を推定するものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、単位電池の全てが正常値を示した状態にて起動するシステムがあり、このシステムでは、燃料電池の両端部に温度センサを装着し、これら温度センサの検出結果に基づいて、燃料電池の温度を推定している（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−５３０５１号公報
【特許文献２】特開２００７−３５５６３号公報
【特許文献３】特開２００６−２４４９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献１のシステムは、冷却水そのものの温度を燃料電池の内部温度と推定しているが、始動前などの冷却水が流れていない運転停止時では、燃料電池の内部温度と冷却水の入口及び出口の温度とが食い違い、燃料電池の内部温度を精度良く把握することが困難であった。
【０００９】
また、特許文献２のシステムでは、燃料電池へ供給するガス量と圧力変化から燃料電池の温度を推定するので、その圧力を維持する必要があるが、燃料電池のスタック内部におけるクロスリークなどの影響により圧力を維持することが難しく、よって、燃料電池の温度推定の精度が低いものであった。しかも、このシステムでは、供給ガスの流量を測定する流量計などを要するため、構成の複雑化を招いてしまう。
【００１０】
さらに、特許文献３のシステムは、燃料電池の両端部に装着した温度センサの検出結果に基づいて、燃料電池の温度を推定するものであるが、燃料電池の両端部は放熱し易く、したがって、これら温度センサの検出結果からでは、燃料電池の内部温度を精度良く把握することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の内部温度を精度良く把握することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池と同等の熱容量及び放熱係数を有する温度測定部と、前記温度測定部の温度を測定する温度センサと、前記温度測定部の温度に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御部と、を備えている。
【００１３】
かかる構成によれば、温度測定部が燃料電池と同等の熱容量及び放熱係数を有するので、温度測定部の温度履歴が燃料電池の内部温度履歴と一致することになる。このため、システム停止後であっても、この温度測定部の温度から燃料電池の内部温度を精度良く把握することができる。
【００１４】
また、前記温度測定部は、前記燃料電池と別体の外部モジュールであっても良いし、前記燃料電池内に冷却媒体を循環させる配管の一部を断熱材によって覆ったものであっても良い。
前者の場合には、温度測定部を設置する際のレイアウト上の制約を軽減することが可能となる。後者の場合には、燃料電池システムの一部として元々存在する構成（配管）を利用することができるので、コスト増を抑制することが可能となる。
【００１５】
前記制御部は、前記温度測定部の温度に基づく前記燃料電池の運転の制御をシステム始動時に行ってもよい。
例えば燃料電池を冷却する冷却媒体から燃料電池の内部温度を推定するシステムの場合、一般的には冷却媒体の循環を始めてから所定時間経過した後でないと、燃料電池の内部温度と冷却媒体の温度が一致しないため、システム始動直後は燃料電池の内部温度を高精度に推定することができない。これに対し、上記構成によれば、システム停止後であっても温度測定部と燃料電池内部の各温度履歴が一致することになるので、システム始動時であっても燃料電池の内部温度を高精度に把握（推定）することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の内部温度を精度良く把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】温度測定部を構成する外部モジュールの断面図である。
【図３】燃料電池の外部に設けた温度センサでの温度及び燃料電池の内部温度の温度変化を示すグラフ図である。
【図４】外部モジュールの温度及び燃料電池の内部温度の温度変化を示すグラフ図である。
【図５】温度測定部の他の実施形態を示す斜視図である。
【図６】図５に示す温度測定部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成を説明する。この燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムであるが、車載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１９】
図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、制御部５０によって駆動制御される。
【００２０】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、及び圧力調整弁Ａ４が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
【００２１】
圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２２】
燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。
【００２３】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００２４】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２５】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２６】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２７】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２８】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２９】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００３０】
また、上記の燃料電池システム１は、温度測定部８１を備えており、この温度測定部８１は、燃料電池２０から離れた位置に配設されている。
【００３１】
図２に示すように、この温度測定部８１は、球体からなるコア８２と、このコア８２を覆う断熱材８３とからなる、燃料電池２０とは別体の外部モジュール８４を備えている。この外部モジュール８４は、コア８２を断熱材８３によって囲うことにより、その熱抵抗が調整され、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有している。
【００３２】
また、この温度測定部８１の外部モジュール８４には、燃料電池２０の冷却水が排出される冷却路７３から分岐されたバイパス路７３ａが通され、このバイパス路７３ａがコア８２に接するように配設されている。バイパス路７３ａを画成する配管は、冷却路７３の配管よりも細径とされていてもよい。
【００３３】
また、外部モジュール８４には、コア８２に接するように温度センサ８５が設けられており、温度センサ８５によって外部モジュール８４の温度が検出可能とされている。この温度センサ８５も制御部５０に接続されており、この制御部５０へ温度センサ８５の検出結果が送信される。
【００３４】
ここで、外部モジュール８４の断熱材８３は、例えば、ポリエチレン樹脂から形成されたもので、その厚さＴは、次式にて表わされる。
【００３５】
Ｔ＝コア８２の表面積×断熱材８３の熱伝導率×燃料電池２０の熱抵抗
【００３６】
したがって、例えば、コア８２の半径を０．１ｍ、断熱材８３の熱伝導率を０．３４Ｗ／ｍＫ、燃料電池２０の熱抵抗を０．１Ｋ／Ｗとすると、断熱材８３の厚さＴは、次の通りとなる。
【００３７】
Ｔ＝０．１２５６×０．３４×０．１＝０．００４３ｍ＝０．４３ｃｍ
【００３８】
上記燃料電池システム１の制御部５０は、例えば氷点下などの低温始動時に燃料電池２０の暖気運転を行なう。具体的には、例えば燃料電池２０の発電効率を敢えて落とす低効率運転を実施することにより燃料電池２０の発熱量を増大させ、これにより燃料電池２０の暖気促進を図る。そして、制御部５０は、燃料電池２０の温度が所定温度まで上昇したことを検知すると暖気運転を終了させ、発電効率を重視した通常の運転を開始する。
【００３９】
この暖気運転を行うか否かの判定は、燃料電池システム１の始動時、つまり、冷却水の循環が始まる前に行われる。しかしながら、温度センサＴ１，Ｔ２の検出結果が燃料電池２０の内部温度と一致するのは、冷却水の循環が始まってから所定時間経過した後であるから、始動時に冷却水温度から燃料電池２０の内部温度を正確に把握することはできない。このため、始動時における暖気運転の要否判定を冷却水温度から高精度に行なうことは困難であった。
【００４０】
そこで、本実施形態の燃料電池システム１においては、制御部５０が暖気運転を行うか否かの判定と、一旦開始した暖気運転をどのタイミングで終了させるかの判定を、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有する外部モジュール８４を備えた温度測定部８１の温度を測定する温度センサ８５からの検出結果に基づいて行う。つまり、暖気運転の要否判定と終了判定は、燃料電池２０の内部温度に基づき行なうべきものであるところ、本実施形態では、燃料電池２０の内部温度と温度変化の履歴が一致する温度測定部８１の測定温度を用いてこれらの判定を行なう。
【００４１】
ここで、燃料電池２０は、前述したように、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層し、これらセルの両側からエンドプレートを締め付けてスタックとした構造とされているので、このスタック構造の燃料電池２０の内部に温度センサを設けることは困難である。
その対策として、燃料電池２０の外部に温度測定器を設け、この温度測定器によって燃料電池２０の内部温度を把握することも考えられるが、単に温度測定器を設けただけでは、この温度測定器が燃料電池２０の熱容量及び放熱係数と異なることから、図３に示すように、運転終了後、燃料電池２０の内部温度ｔｎと温度測定器での計測温度ｔａとが次第に乖離することとなる。
【００４２】
したがって、前述の低温始動時において、この温度測定器の計測温度ｔａに基づいて、暖気運転を行うか否かの判定及び暖気運転を終了させるか否かの判定を行うと、その判定が不正確となり、低温始動時における燃料電池２０の良好な運転制御が困難となる。
【００４３】
これに対して、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有する外部モジュール８４を備えた温度測定部８１の測定温度を用いる本実施形態によれば、運転中にバイパス路７３ａを通る冷却水によって燃料電池２０と同一温度に温められたコア８２を断熱材８３で覆ってなる外部モジュール８４の温度ｔｍが、図４に示すように、運転終了後も燃料電池２０の内部温度ｔｎと同等に変化することとなる。
【００４４】
したがって、システム停止後の所定時間経過後、燃料電池２０および冷却水が自然に冷却された結果、システム停止直後は同一温度であった燃料電池２０の内部と冷却水配管内の冷却水温度との間に温度差が生じていたとしても、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有する外部モジュール８４は燃料電池２０と同じように温度が低下するので、この外部モジュール８４の温度ｔｍを測定することにより、燃料電池２０の内部温度ｔｎを精度良く把握（推定）することができる。
【００４５】
すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、暖気運転を行うか否かの判定及び暖気運転を終了させるか否か判定を、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有する外部モジュール８４を備えた温度測定部８１からの検出温度に基づいて行うことにより、その判定精度を高めて燃料電池２０での始動を適切に行うことができ、特に、氷点下などの低温時における始動性を向上させることができる。
【００４６】
しかも、コア８２を断熱材８３によって覆うことにより、大型化を招くことなく、外部モジュール８４の熱容量及び放熱係数を燃料電池２０と同一にすることができる。
【００４７】
また、外部モジュール８４は、燃料電池２０と別体であるので、配置の自由度を高めることができる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、温度測定部８１のコア８２にバイパス路７３ａを接するように配設し、運転時において燃料電池２０から送り出される冷却水によってコア８２を燃料電池２０と同一温度に温めるようにしたが、例えば、コア８２を温めるヒータを設け、このヒータによって運転時においてコア８２を燃料電池２０と同一温度に温めるようにしても良い。
【００４９】
また、上記実施形態では、温度測定部８１の外部モジュール８４の温度と燃料電池２０の内部温度との温度変化が同一になるように設定したが、これら外部モジュール８４の温度と燃料電池２０の内部温度とに一定の相関関係を持たせ、外部モジュール８４の温度から燃料電池２０の内部温度を割り出すようにしても良い。
【００５０】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図５及び図６は、他の構造の温度測定部を示すものである。
図５及び図６に示すように、この温度測定部９１は、燃料電池２０とラジエータＣ２との間における、燃料電池２０から冷却水が排出される冷却路７３に設けられている。
【００５１】
この温度測定部９１は、冷却路７３を構成する配管９２の一部（以下、単に「配管９２」という。）と、この配管９２を覆う断熱材９３とから構成されている。そして、この温度測定部９１は、配管９２を断熱材９３によって囲うことにより、その熱抵抗が調整され、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有している。
【００５２】
また、配管９２には、温度センサ９５が設けられており、冷却水が流される配管９２の温度が検出可能とされている。この温度センサ９５も制御部５０に接続されており、この制御部５０へ温度センサ９５の検出結果が送信される。
【００５３】
ここで、断熱材９３は、例えば、ポリエチレン樹脂から形成されたもので、その内径ｒ１、外径ｒ２、長さＬ、熱伝導率ｋ及び熱抵抗の間には、次式が成立する。
【００５４】
断熱材９３の熱抵抗＝ｌｎ（ｒ２／ｒ１）／（２×３．１４×Ｌ×ｋ）
【００５５】
したがって、この断熱材９３の熱抵抗と燃料電池２０の熱抵抗とが同等となるように断熱材９３の厚さＴ（Ｔ＝ｒ２−ｒ１）及び長さＬを調整する。
【００５６】
例えば、断熱材９３の熱伝導率を０．３４Ｗ／ｍＫ、燃料電池２０の熱抵抗を０．１Ｋ／Ｗとした場合、次式のようになる。
【００５７】
ｌｎ（０．０４／０．０３５９）／（２×３．１４×０．５×０．３４）＝０．１
【００５８】
上式より、断熱材９３は、その厚さをＴ＝０．００４１ｍ＝０．４１ｃｍ、長さをＬ＝０．５ｍ＝５０ｃｍとすれば良いこととなる。
【００５９】
そして、上記のような温度測定部９１を備えた場合も、温度測定部９１が、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有するので、この温度測定部９１は、運転中に冷却路７３を通る冷却水によって燃料電池２０と同一温度に温められ、運転終了後の温度変化（温度低下）も燃料電池２０の内部温度の温度変化と同等となる。
【００６０】
したがって、この温度測定部９１の温度を測定することにより、燃料電池２０の内部温度を精度良く把握（推定）することができる。
【００６１】
すなわち、本実施形態においても、暖気運転を行うか否かの判定及び暖気運転を終了させるか否かの判定を、燃料電池２０と同等の熱容量及び放熱係数を有する温度測定部９１からの検出温度に基づいて行うことにより、その判定の精度を高め、燃料電池２０での始動を適切に行うことができ、特に、氷点下などの低温時における始動性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…燃料電池システム、２０…燃料電池、５０…制御部、８１，９１…温度測定部、８４…外部モジュール、８５，９５…温度センサ、９２…配管、９３…断熱材。
【図１】
2010186702.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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