(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池スタック内部の温度をより好適に把握することを目的とする。【解決手段】燃料電池スタック内における発電面と対向する部分と、前記発電面の位置よりも上方とを通って冷媒が対流するように冷媒通路３３ａ、３３ｂを形成する。そして、前記冷媒通路３３ａ、３３ｂにおける前記発電面の位置よりも上方の部分３３ｂにおける冷媒の温度を検出する温度センサ１８を設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック内における発電面と対向する部分と、前記発電面の位置よりも上方とを通って冷媒が対流するように形成された冷媒通路と、
前記冷媒通路における前記発電面の位置よりも上方の冷媒の温度を検出する温度センサと、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷媒通路が、
燃料電池スタック内における前記発電面と対向する位置に形成された第一冷媒通路と、
前記第一冷媒通路に接続されると共に前記発電面の位置よりも上方に位置する部分を有する第二冷媒通路と、によって形成されており、
前記温度センサが、前記第二冷媒通路の前記発電面の位置よりも上方に位置する部分における冷媒の温度を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第二冷媒通路が燃料電池スタック内に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第二冷媒通路の前記発電面の位置よりも上方に位置する部分が燃料電池スタックの外部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池スタック内に設けられた冷媒通路中の冷媒の温度が０℃以下である状態で該燃料電池スタックが起動されたときに、冷媒通路内における冷媒の循環とその停止とを交互に繰り返す技術が記載されている。この特許文献１においては、燃料電池スタックに流入する冷媒の温度を検出する温度センサ又は燃料電池スタックから流出した冷媒の温度を検出する温度センサによって冷媒通路内の冷媒の温度を測定する。
【０００３】
また、特許文献２には、燃料電池の内部の温度が０℃以下のときに、燃料電池の内部に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるポンプを停止させる技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７６５６８号公報
【特許文献２】特開２００３−０３６８７４号公報
【特許文献３】特開２００４−１７８８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池スタック内部の温度をより好適に把握することが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、燃料電池スタック内における発電面と対向する部分と、前記発電面の位置よりも上方とを通って冷媒が対流するように冷媒通路が形成されている。そして、前記冷媒通路における前記発電面の位置よりも上方の冷媒の温度を検出する。
【０００７】
より詳しくは、本発明に係る燃料電池システムは、
燃料電池スタック内における発電面と対向する部分と、前記発電面の位置よりも上方とを通って冷媒が対流するように形成された冷媒通路と、
前記冷媒通路における前記発電面の位置よりも上方の冷媒の温度を検出する温度センサと、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の構成によれば、燃料電池スタックが起動され、燃料電池スタックの温度が上昇すると、冷媒通路において冷媒の対流が生じる。そのため、冷媒通路における発電面の位置よりも上方に位置する部分（以下、上方部と称する）において冷媒の温度を検出することで、燃料電池スタック内部の温度を把握することが出来る。また、冷媒通路において冷媒を循環させるためにポンプ等の装置を別途設ける必要がない。
【０００９】
また、冷媒通路の上方部において冷媒の温度を検出することで、冷媒通路における発電面と対向する部分（以下、発電面対向部と称する）において冷媒の温度を検出する場合と比較して温度センサをより容易に設置することが出来る。さらに、冷媒通路の上方部において冷媒の温度を検出することで、冷媒通路の発電面対向部において冷媒の温度を検出する場合と比較して温度センサに要求される耐荷重性能を低くすることが出来る。
【００１０】
本発明においては、冷媒通路を、燃料電池スタック内における発電面と対向する位置に形成された第一冷媒通路と、第一冷媒通路に接続されると共に発電面の位置よりも上方に位置する部分を有する第二冷媒通路と、によって形成してもよい。この場合、温度センサは、第二冷媒通路の前記発電面の位置よりも上方に位置する部分における冷媒の温度を検出する。
【００１１】
上記のような構成によれば、第一冷媒通路と第二冷媒通路とを通って冷媒が対流する。
【００１２】
上記の場合、第二冷媒通路を燃料電池スタック内に形成してもよい。この場合、第二冷媒通路の容量を可及的に小さくすることが出来る。その結果、燃料電池スタックの昇温時に第一冷媒通路と第二冷媒通路とを通って対流する冷媒の熱容量を可及的に小さくすることが出来る。そのため、燃料電池スタックをより速やかに昇温させることが出来る。
【００１３】
また、上記の場合、第二冷媒通路の上方部を燃料電池スタックの外部に形成してもよい。これによれば、温度センサをより容易に設置することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池スタック内部の温度をより好適に把握することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】実施例に係る燃料電池スタックを構成するセルの概略構成を示す図である。
【図３】実施例に係る冷却水通路が形成されたセパレータの概略構成を示す図である。
【図４】実施例に係る氷点下で燃料電池スタックを起動させたときの制御フローを示すフローチャートである。
【図５】実施例の変形例に係る第二冷却水通路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１７】
＜実施例＞
（概略構成）
図１は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。図２は、本実施例に係る燃料電池スタックを構成するセルの概略構成を示す図である。図３は、冷却水通路が形成されたセパレータの概略構成を示す図である。尚、図１において、実線の矢印は、空気、水素ガス又は冷却水の流れを表している。また、図２及び３においては、図の上方が重力方向上方となっている。
【００１８】
燃料電池スタック１は、複数のセル６が積層されることで構成された固体高分子型燃料電池である。燃料電池スタック１には、空気入口、空気出口、水素ガス入口及び水素ガス出口が形成されている。
【００１９】
燃料電池スタック１における空気入口及び空気出口には、空気管２、３がそれぞれ接続されている。空気管２から燃料電池スタック１に酸化剤ガスとして空気が供給される。また、燃料電池スタック１において発電に供されなかった空気が空気管３に排出される。  燃料電池スタック１における水素ガス入口及び水素ガス出口には、水素ガス管４、５がそ
れぞれ接続されている。水素ガス管４から燃料電池スタック１に燃料ガスとして水素ガス（又は水素混合ガス）が供給される。また、燃料電池スタック１において発電に供されなかった水素ガスが水素ガス管５に排出される。
【００２０】
さらに、燃料電池スタック１には冷却水循環通路１１が接続されている。冷却水循環通路１１には、冷却水の流れに沿って上流側から順に、第一冷却水温度センサ１７、冷却水循環ポンプ１３及びラジエータ１２が設けられている。
【００２１】
冷却水循環ポンプ１３が駆動することで、冷却水循環通路１１及び燃料電池スタック１を通って冷却水が循環する。燃料電池スタック１においては、後述する、各セル６のセパレータ３３に形成された冷却水マニホールド３３ｃ、第一冷却水通路３３ａ及び第二冷却水通路３３ｂを通って冷却水が流れる。第一冷却水温度センサ１７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。
【００２２】
また、冷却水循環通路１１には、ラジエータ１２をバイパスするバイパス通路１４が接続されている。冷却水循環通路１１とバイパス通路１４の一端との接続部分には冷却水の循環経路を切り替える切り替え弁１５が設けられている。切り替え弁１５によってバイパス通路１４が開通された場合、冷却水はラジエータ１２を通らずにバイパス通路１４を通って循環する。
【００２３】
図２に示すように、各セル６においては、ＭＥＡ３０がセパレータ３１、３２によって挟持されている。さらに、セパレータ３１、３２の外側にはセパレータ３３が設けられている。図２におけるＭＥＡ３０の斜線部分は発電面（電極が形成されている部分）３０ａを表している。
【００２４】
セパレータ３１におけるＭＥＡ３０の発電面３０ａと接する部分にはＭＥＡ３０に空気を供給する空気供給通路３１ａが形成されている（つまり、ＭＥＡ３０のセパレータ３１側の発電面３０ａはカソード電極である）。一方、セパレータ３２におけるＭＥＡ３０の発電面３０ａと接する部分にはＭＥＡ３０に水素ガスを供給する水素ガス供給通路３２ａが形成されている（つまり、ＭＥＡ３０のセパレータ３２側の発電面３０ａはアノード電極である）。
【００２５】
また、セパレータ３３には、冷却水が流れる第一冷却水通路３３ａ及び第二冷却水通路３３ｂが形成されている。図３は、図２におけるセパレータ３３のＡＡ´断面を示している。図３における破線は、ＭＥＡ３０の発電面３０ａの位置を表している。図３に示すように、セパレータ３３において、第一冷却水通路３３ａはＭＥＡ３０の発電面３０ａと対向する位置に形成されている。
【００２６】
セパレータ３３には、冷却水マニホールド３３ｃが形成されており、第一冷却水通路３３ａの両端部分は冷却水マニホールド３３ｃに接続されている。冷却水マニホールド３３ｃは、セパレータ３３のみならずセパレータ３１、３２をも貫通しており、他のセル６におけるセパレータ３１、３２、３３に形成された冷却水マニホールド３３ｃと連通している。そして、該冷却水マニホールド３３ｃが冷却水循環通路１１に接続されている。
【００２７】
また、セパレータ３３には、冷却水マニホールド３３ｃ及び第一冷却水通路３３ａの他に第二冷却水通路３３ｂが形成されている。第二冷却水通路３３ｂは、セパレータ３３における第一冷却水通路３３ａよりも上方に形成されると共に、その両端部分は第一冷却水通路３３ａの両端部分に接続されている。第二冷却水通路３３ｂは、このように形成されることで、ＭＥＡ３０の発電面３０ａの位置よりも上方に位置する部分（以下、上方部と称する）を有している。また、第二冷却水通路３３ｂの上方部は、隣り合う他のセル６の
セパレータ３３に形成された第二冷却水通路３３ｂの上方部と連通している。尚、第二冷却水通路３３ｂを、冷却水マニホールド３３ｃのように、セパレータ３３のみならずセパレータ３１、３２をも貫通するように形成してもよい。
【００２８】
そして、燃料電池スタック１には、第二冷却水通路３３ａの上方部内の冷却水の温度を検出する第二冷却水温度センサ１８が設けられている。尚、本実施例では、第二冷却水温度センサ１８は、燃料電池スタック１を構成する複数のセル６のうちの一のセルに対応して一つ設けられているのみである。しかしながら、複数のセルに対応するように複数の第二冷却水温度センサを設けてもよい。
【００２９】
本実施例に係る燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２０を備えて
いる。ＥＣＵ２０には、第一冷却水温度センサ１７及び第二冷却水温度センサ１８等の各種センサが電気的に接続されている。これらのセンサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。
【００３０】
また、ＥＣＵ２０には、冷却水循環ポンプ１３及び切り替え弁１５が電気的に接続されている。これらがＥＣＵ２０によって制御される。
【００３１】
（燃料電池スタック内部温度の検出）
冷却水循環ポンプ１３が駆動しており、燃料電池スタック１及び冷却水循環通路１１を通って冷却水が循環している場合、第一冷却水温度センサ１７の出力値に基づいて燃料電池スタック１内部の温度を推定することが出来る。しかしながら、このような冷却水の循環が停止しているときは、燃料電池スタック１から冷却水循環通路１１に冷却水が排出されない。そのため、第一冷却水温度センサ１７の出力値に基づいて燃料電池スタック１内部の温度を推定することが困難となる。
【００３２】
そこで、本実施例では、第二冷却水温度センサ１８によって燃料電池スタック１内部の温度を把握する。燃料電池スタック１が起動され、燃料電池スタック１の温度が上昇すると、その内部に溜まった冷却水が加熱される。その結果、第一冷却水通路３３ａ及び第二冷却水通路３３ｂを通る冷却水の対流が生じる。
【００３３】
そのため、セパレータ３３の上部に形成された第二冷却水通路３３ｂの上方部内の冷却水の温度を第二冷却水温度センサ１８によって検出することで、燃料電池スタック１内部の温度を把握することが出来る。また、上記のような冷却水の対流は冷却水が加熱されることで生じるため、第一冷却水通路３３ａと第二冷却水通路３３ｂとを通して冷却水を循環させるためにポンプ等の装置を別途設ける必要がない。
【００３４】
また、第二冷却水通路３３ｂの上方部において冷却水の温度を検出することで、第一冷却水通路３３ａ内の冷媒の温度を検出する場合と比較して冷却水温度センサをより容易に設置することが出来る。
【００３５】
また、第一冷却水通路３３ａはＭＥＡ３０の発電面３０ａに対向する部分に形成されているため、その積層方向の幅が非常に小さい。さらに、ＭＥＡ３０の発電面３０ａにおける発電性能を確保するために、第一冷却水通路３３ａが形成される部分には高い面圧がかかっている。そのため、第一冷却水通路３３ａ内の冷却水の温度を直接検出するセンサを設置しようとした場合、そのセンサを非常に小型且つ耐荷重性能の高いものとする必要がある。
【００３６】
これに比較して、第二冷却水通路３３ｂの上方部においては、センサを設置するためのスペースをより大きいものとすることが出来る。また、第二冷却水通路３３ｂの上方部が
形成される部分にかかる面圧は、第一冷却水通路３３ａが形成される部分にかかる面圧に比べて低いため、センサに要求される耐荷重性能をより低くすることが出来る。
【００３７】
また、本実施例においては、第二冷却水通路３３ｂの上方部が、隣り合う他のセル６のセパレータ３３に形成された第二冷却水通路３３ｂの上方部と連通している。これにより、各セル６の第二冷却水通路３３ｂ内における冷却水の温度をより均一化することが出来る。その結果、燃料電池スタック１に設けられる第二冷却水温度センサ１８が１つのみであっても、燃料電池スタック１内部の温度をより正確に把握することが出来る。
【００３８】
尚、本実施例においては、第一冷却水通路３３ａ及び第二冷却水通路３３ｂが本発明に係る冷媒通路に相当する。また、第一冷却水通路３３ａが本発明に係る第一冷媒通路に相当し、第二冷却水通路３３ｂが本発明に係る第二冷媒通路に相当する。また、第二冷却水温度センサ１８が本発明に係る温度センサに相当する。
【００３９】
（燃料電池スタックの氷点下起動）
ここで、本実施例において燃料電池スタック１を氷点下で起動させるときの冷却水の循環制御について説明する。燃料電池スタック１を氷点下で起動させる場合、燃料電池スタック１内部での生成水の凍結による発電の阻害を抑制するために、燃料電池スタック１を速やかに昇温させる必要がある。このとき、ラジエータ１２をバイパスさせて冷却水を循環させることが考えられる。しかしながら、この場合であっても、冷却水循環通路１１及びバイパス通路１４内の冷却水が燃料電池スタック１内部に供給されることになるため、燃料電池スタック１の昇温が抑制されることになる。
【００４０】
そこで、本実施例においては、燃料電池スタック１を氷点下で起動させる場合、冷却水循環ポンプ１３の駆動を禁止し、燃料電池スタック１及び冷却水循環通路１１を通る冷却水の循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック１をより速やかに昇温させることが可能となる。
【００４１】
一方、燃料電池スタック１の温度が過度に上昇すると、各セル６の電解質膜における温度分布のばらつきが大きくなり、ドライアップ部分が発生する場合がある。ドライアップ部分が発生すると、ドライアップしていない部分に発電が集中することになる。その結果、電解質膜が損傷したり、燃料電池スタック１の破損が生じたりする虞がある。
【００４２】
そのため、冷却水の循環を停止した状態で燃料電池スタック１を起動させた場合、燃料電池スタック１の過昇温の発生を抑制すべく、燃料電池スタック１内部の温度が十分に上昇したときには冷却水の循環を開始する必要がある。
【００４３】
ここで、上述したように、燃料電池スタック１及び冷却水循環通路１１を通る冷却水の循環を停止させた状態では、第一冷却水温度センサ１７の出力値に基づいて燃料電池スタック１内部の温度を推定することは困難である。そこで、本実施例では、氷点下において冷却水の循環を停止した状態で燃料電池スタック１を起動させた場合、第二冷却水温度センサ１８の出力値に基づいて冷却水の循環を開始するタイミングを決定する。これにより、冷却水の循環を好適なタイミングで開始することが出来るため、燃料電池スタック１の過昇温の発生を抑制することが出来る。
【００４４】
（制御フロー）
以下、本実施例に係る氷点下で燃料電池スタックを起動させたときの制御フローについて図４に示すフローチャートに基づいて説明する。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって実行される。
【００４５】
本フローでは、先ずステップＳ１０１において、燃料電池スタック１の起動要求があったか否かを判別する。起動要求があった場合、燃料電池スタック１への空気と水素ガスの供給が開始され、発電が開始される。そして、本フローにおいては、次にステップＳ１０２の処理が実行される。
【００４６】
ステップＳ１０２においては、第二冷却水温度センサ１８によって検出される冷却水の温度Ｔｗｓが０℃以下であるか否か、即ち、氷点下での起動である否かが判別される。尚、第二冷却水温度センサ１８の検出値Ｔｗｓに代えて、第一冷却水温度センサ１７の検出値又は外気の温度に基づいて氷点下での起動である否かの判別をしてもよい。ステップＳ１０２において肯定判定された場合、次に、ステップＳ１０３の処理が実行される。
【００４７】
ステップＳ１０３においては、冷却水循環ポンプ１３の駆動が禁止される。
【００４８】
次に、ステップＳ１０４において、第二冷却水温度センサ１８によって検出される冷却水の温度Ｔｗｓが所定温度Ｔｗ０以上であるか否かを判別する。ここで、所定温度Ｔｗ０は、冷却水の循環による冷却が必要と判断できる閾値である。該所定温度Ｔｗ０は実験等に基づいて予め定められており、ＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ１０４において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０５の処理が実行され、否定判定された場合、ステップＳ１０３の処理に戻る。
【００４９】
ステップＳ１０５においては、冷却水循環ポンプ１３の駆動が開始され、燃料電池スタック１及び冷却水循環通路１１を通る冷却水の循環が開始される。
【００５０】
尚、本実施例においては、氷点下で燃料電池スタック１を起動させたときにおける、第二冷却水温度センサ１８の検出値と燃料電池スタック１内部の最高温度との相関を実験等に基づいて求め、これらの関係をＥＣＵ２０に記憶させておいてもよい。そして、第二冷却水温度センサ１８の検出値に基づいて燃料電池スタック１内部の最高温度を導出し、その温度に基づいて冷却水の循環を開始するタイミングを決定してもよい。これによれば、燃料電池スタック１の過昇温の発生をより高い確率で抑制することが出来る。
【００５１】
（変形例）
図５は、本実施例の変形例に係る第二冷却水通路３３ｂの構成を示す図である。本変形例においては、図５に示すように、第二冷却水通路３３ｂの上方部が、セパレータ３３の外部、即ち燃料電池スタック１の外部に形成されている。第二冷却水通路３３ｂをこのように形成した場合であっても、冷却水が加熱されると、第一冷却水通路３３ａ及び第二冷却水通路３３ｂを通って冷却水が対流する。従って、図２及び３に示すような構成とした場合と同様、第二冷却水通路３３ｂの上方部内の冷却水の温度を第二冷却水温度センサ１８によって検出することで、燃料電池スタック１内部の温度を把握することが出来る。
【００５２】
図３に示すように、第二冷却水通路３３ｂの全てを燃料電池スタック１内に形成した場合、第二冷却水通路３３ｂの容量を可及的に小さくすることが出来る。その結果、燃料電池スタック１の昇温時に第一冷却水通路３３ａと第二冷却水通路３３ｂとを通って対流する冷却水の熱容量を可及的に小さくすることが出来る。従って、燃料電池スタック１をより速やかに昇温させることが出来る。
【００５３】
一方、図５に示すように、第二冷却水通路３３ｂの上方部を燃料電池スタック１の外部に形成した場合、第二冷却水温度センサ１８をより容易に設置することが可能となる。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・燃料電池スタック
６・・・セル
１８・・第二冷却水温度センサ
３０・・ＭＥＡ
３０ａ・・発電面
３１、３２、３３・・セパレータ
３１ａ・・空気供給通路
３２ａ・・水素ガス供給通路
３３ａ・・第一冷却水通路
３３ｂ・・第二冷却水通路
３３ｃ・・冷却水マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010272394.tif 000005
【図４】
2010272394.tif 000006
【図５】
2010272394.tif 000007