(57)【要約】【課題】効率的に燃料電池スタック全体を昇温することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数の燃料電池セル１１ｂが積層され積層方向の両端部にエンドプレート１１ａが配置された燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体をラジエタ３１により冷却して燃料電池セル１１ｂに循環させる冷却媒体循環流路Ｌ１と、冷却媒体循環流路Ｌ１から分岐し冷媒加熱用ヒータ４１により冷却媒体を加熱して冷却媒体循環流路Ｌ１に戻す冷却媒体加熱流路Ｌ３，Ｌ５と、冷却媒体加熱流路Ｌ３から分岐し冷媒加熱用ヒータ４１により加熱した冷却媒体の一部をエンドプレート１１ａに循環させ、当該エンドプレート１１ａに循環させた冷却媒体を冷却媒体循環流路Ｌ１に戻すエンドプレート加熱流路Ｌ４，Ｌ６を備え、冷媒加熱用ヒータ４１により加熱した冷却媒体を直接的にエンドプレート１１ａに循環させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層され積層方向の両端部にエンドプレートが配置された燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックから排出された冷却媒体を冷却手段により冷却して前記燃料電池セルに循環させる冷却媒体循環流路と、
前記冷却媒体循環流路から分岐し加熱手段により冷却媒体を加熱して前記冷却媒体循環流路に戻す冷却媒体加熱流路と、
前記冷却媒体加熱流路から分岐し前記加熱手段により加熱した冷却媒体の一部を前記エンドプレートに循環させ、当該エンドプレートに循環させた冷却媒体を前記冷却媒体循環流路に戻すエンドプレート加熱流路と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セルに循環させる冷却媒体の流れ方向と前記エンドプレートに循環させる冷却媒体の流れ方向とを逆とした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】
前記エンドプレート加熱流路に冷却媒体の流量を調整する第１流量調整バルブを設け、
前記冷却媒体循環流路の冷却媒体流量が少ない場合に前記第１冷却媒体バルブの開度を大きくすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記エンドプレート加熱流路に冷却媒体を循環させるポンプを設け、
前記冷却媒体循環流路の冷却媒体流量が少ない場合に前記ポンプの回転数を高くすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記エンドプレート加熱流路は、前記エンドプレートから排出された冷却媒体を前記冷却媒体循環流路における前記燃料電池セルの入口付近に戻すことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却媒体加熱流路に第２流量調整バルブを設け、
前記冷却媒体加熱流路の冷却媒体流量が少ない場合に前記第２流量調整バルブを閉じることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記エンドプレートから排出された冷却媒体温度を、前記燃料電池セルから排出された冷却媒体温度よりも高くすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記エンドプレートの温度を、前記燃料電池セルから排出された冷却媒体温度よりも高くすることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記エンドプレート付近の燃料電池セルのセル電圧が、前記燃料電池セルの平均セル電圧よりも低下した場合に、前記エンドプレートの温度を上昇させることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項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、燃料電池を発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池の温度を調整する技術として、下記の特許文献１に記載された燃料電池システムが知られている。
【０００３】
この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池スタックと、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルそれぞれに熱媒体を循環させる熱媒体循環経路と、熱媒体を加熱する熱媒体加熱手段とを備える。このような燃料電池システムにおいて、熱媒体循環経路に、熱媒体加熱手段にて加熱された熱媒体の一部或いは全部を燃料電池スタックの両端部或いは当該両端部の近傍に循環させる熱媒体バイパス経路を設けて、燃料電池の両端部を優先的に加熱している。
【特許文献１】特開２００３−３３１８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した燃料電池システムでは、熱媒体循環経路から燃料電池スタックにおける燃料電池セルと当該燃料電池スタックの両端部とに熱媒体を供給する構成として、単一の熱媒体循環流路を分岐して燃料電池セルと燃料電池スタックの両端部に熱媒体を供給していた。したがって、上述した燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックから排出された熱媒体温度以上には昇温させることができないという問題点がある。このように燃料電池スタックの昇温ができないと、燃料電池スタックの発電効率が低下してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、効率的に燃料電池スタック全体を昇温することができる燃料電池システム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】
本発明は、複数の燃料電池セルが積層され積層方向の両端部にエンドプレートが配置された燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックから排出された冷却媒体を冷却手段により冷却して燃料電池セルに循環させる冷却媒体循環流路と、冷却媒体循環流路から分岐し加熱手段により冷却媒体を加熱して冷却媒体循環流路に戻す冷却媒体加熱流路とを備え、上述の課題を解決するために、冷却媒体加熱流路から分岐し加熱手段により加熱した冷却媒体の一部をエンドプレートに循環させ、当該エンドプレートに循環させた冷却媒体を冷却媒体循環流路に戻すエンドプレート加熱流路を備える。このような燃料電池システムは、加熱手段により加熱した冷却媒体を直接的にエンドプレートに循環させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加熱手段によって加熱された冷却媒体を直接的にエンドプレート加熱流路に供給すると共に、加熱手段によって加熱された冷却媒体を冷却媒体循環流路の冷却媒体と混合して燃料電池セルに供給するので、熱容量が大きいエンドプレートを効率的に昇温させることができ、燃料電池スタック全体を効率的に昇温させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態として示す燃料電池システムについて図面を参照して説明する。
【０００９】
［第１実施形態］
第１実施形態として示す燃料電池システムは、複数の燃料電池セル１１ｂが積層され積層方向の両端部にエンドプレート１１ａが配置された燃料電池スタック１０を備える。複数の燃料電池セル１１ｂには、エンドプレート１１ａと隣接したエンドセル１１ｄが含まれる。
【００１０】
複数の燃料電池セル１１ｂ内には、当該燃料電池スタック１０の発電反応に必要な燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）を供給するためのガス流路（図示せず）と、当該燃料電池スタック１０の冷却のための冷却媒体を流すセル冷却流路１２ｂとが設けられている。エンドプレート１１ａには、当該エンドプレート１１ａ内に冷却媒体を流すためのエンドプレート冷却流路１２ａが設けられている。このエンドプレート冷却流路１２ａは、エンドプレート１１ａ内部に流路を設けた構成であっても、エンドプレート１１ａと隣接する集電板１１ｃ等の部品とシール構造により形成された構成であっても良い。
【００１１】
燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質膜を介して一対の反応極（燃料極および酸化剤極）が対設された燃料電池セル１１ｂを、セパレータを介して複数積層することにより構成される。この燃料電池スタック１０は、アノード（燃料極）に燃料ガス（反応ガス）が供給されるとともに、カソード（酸化剤極）に酸化剤ガス（反応ガス）が供給されることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。燃料電池スタック１０は、アノードに水素ガス、カソードに空気がそれぞれ供給され、以下の（１）、（２）に示す電極の電気化学反応により発電が行われる。
【００１２】
アノード（水素極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−        （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋ (１／２)Ｏ２ →Ｈ２Ｏ        （２）
燃料電池システムには、燃料電池スタック１０に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１０に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１０の温度を調整するための冷却系とが備えられている。これら水素系、空気系及び冷却系は、コントロールユニット１によって動作が制御される。なお、図１においては、水素系及び空気系の図示を省略して冷却系のみを図示しており、主として冷却系の動作について説明する。
【００１３】
コントロールユニット１は、燃料電池システムにおける各センサからのセンサ信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従って各構成部品に制御信号を送り、本システムの制御を行っている。特に、コントロールユニット１は、燃料電池システムの動作命令に従って、水素系を制御して燃料電池スタック１０に供給する水素流量及び水素圧力を調整すると共に酸素系を制御して燃料電池スタック１０に供給する空気流量及び空気圧力を調整する。
【００１４】
冷却系は、コントロールユニット１の制御によって、燃料電池スタック１０を所定温度範囲に調整する。コントロールユニット１は、冷却媒体温度センサ５１により検出されたセンサ信号によって燃料電池スタック１０に供給する冷却媒体の温度を検出し、当該検出した温度に基づいて冷却系における各部を制御することによって燃料電池スタック１０へ供給する冷却媒体温度を調整し、燃料電池スタック１０を所定温度範囲に調整する。
【００１５】
冷却系は、燃料電池スタック１０から排出された冷却媒体を冷却して燃料電池セル１１ｂに循環させる冷却媒体循環流路Ｌ１と、冷却媒体循環流路Ｌ１から分岐し冷却媒体を加熱して冷却媒体循環流路Ｌ１に戻す冷却媒体加熱流路（Ｌ３、Ｌ５）と、冷却媒体加熱流路Ｌ３から分岐し加熱した冷却媒体の一部をエンドプレート１１ａに循環させ、当該エンドプレート１１ａに循環させた冷却媒体を冷却媒体循環流路Ｌ１に戻すエンドプレート加熱流路（Ｌ４、Ｌ６）とを備える。なお、以下の説明において、冷却媒体加熱流路（Ｌ３、Ｌ５）のうちＬ３を「第１冷却媒体加熱流路Ｌ３」と呼び、Ｌ５を「第２冷却媒体加熱流路Ｌ５」と呼ぶ。また、エンドプレート加熱流路（Ｌ４、Ｌ６）のうちＬ４を「第１加熱媒体循環流路Ｌ４」と呼び、Ｌ６を「第２加熱媒体循環流路Ｌ６」と呼ぶ。
【００１６】
冷却媒体循環流路Ｌ１には、三方弁２１、ラジエタ３１及びラジエタファン３２、及び冷却媒体ポンプ２２が設けられている。三方弁２１は、冷却媒体をラジエタ３１に通過させる流路又は冷却媒体をラジエタ３１からバイパスするバイパス流路Ｌ２に通過させる。この冷却系において、ラジエタ３１及びラジエタファン３２が冷却手段となる。
【００１７】
三方弁２１は、コントロールユニット１から供給された制御信号に従ってラジエタ３１側又はバイパス流路Ｌ２側が開状態とされ、又は、その開度が調整される。これにより、燃料電池システムは、冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体の温度が調整可能となる。冷却媒体ポンプ２２は、冷却媒体循環流路Ｌ１に冷却媒体を循環させるために、コントロールユニット１によって駆動量が制御される。ラジエタファン３２は、冷却媒体循環流路Ｌ１に流れる冷却媒体を冷却するために、コントロールユニット１によって駆動量が制御される。
【００１８】
このような冷却媒体循環流路Ｌ１において、コントロールユニット１は、三方弁２１の開閉状態、ラジエタファン３２の駆動量及び冷却媒体ポンプ２２の駆動量を制御して、冷却媒体循環流路Ｌ１の冷却媒体温度を調節する。そして、温度調節された冷却媒体は、燃料電池スタック１０における燃料電池セル１１ｂ内のセル冷却流路１２ｂに供給される。
【００１９】
第１冷却媒体加熱流路Ｌ３には、冷却媒体ポンプ２２から吐出された冷却媒体の一部を加熱する加熱手段としての冷媒加熱用ヒータ４１が設けられている。冷媒加熱用ヒータ４１としては、電気式ヒータ、水素燃焼器を用いた熱交換器を用いることができる。冷媒加熱用ヒータ４１による加熱量は、コントロールユニット１によって制御される。
【００２０】
冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体の一部は、第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に流れて、冷却媒体ポンプ２２の上流に戻され、冷却媒体ポンプ２２に戻された加熱された冷却媒体と冷却媒体循環流路Ｌ１の冷却媒体とは混合される。冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体の残りの一部は、第１加熱媒体循環流路Ｌ４に流れて、燃料電池スタック１０のエンドプレート冷却流路１２ａに供給される。エンドプレート冷却流路１２ａを通過した冷却媒体は、第２加熱媒体循環流路Ｌ６を通過して冷却媒体循環流路Ｌ１における燃料電池スタック１０の下流に戻される。
【００２１】
第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に流れる冷却媒体流量は、当該第２冷却媒体加熱流路Ｌ５における第１冷却媒体加熱流路Ｌ３との分岐点Ｐ１での圧力と、当該第２冷却媒体加熱流路Ｌ５における冷却媒体循環流路Ｌ１との接続点Ｐ２での圧力との差、及び当該第２冷却媒体加熱流路Ｌ５の圧力損失とによって決定される。また、エンドプレート冷却流路１２ａに流れる冷却媒体流量は、第１加熱媒体循環流路Ｌ４における第１冷却媒体加熱流路Ｌ３との分岐点Ｐ１での圧力と、当該第２加熱媒体循環流路Ｌ６における冷却媒体循環流路Ｌ１との接続点Ｐ３での圧力との差と、及び第１加熱媒体循環流路Ｌ４、エンドプレート冷却流路１２ａ、第２加熱媒体循環流路Ｌ６の圧力損失とによって決定される。
【００２２】
冷却媒体ポンプ２２が駆動している時には、点Ｐ１での圧力は点Ｐ２での圧力よりも高く、点Ｐ１での圧力は点Ｐ３での圧力よりも高い。そして、点Ｐ１での圧力と点Ｐ３での圧力との関係、各流路自体の圧力損失によって、第１加熱媒体循環流路Ｌ４に流れる加熱された冷却媒体の流量が決まることになる。そして、この燃料電池システムは、図示はしていないが、各流路にオリフィス、配管断面積の変更を加えることによって圧力損失を調整でき、第１加熱媒体循環流路Ｌ４と第２冷却媒体加熱流路Ｌ５とで流れる加熱された冷却媒体の流量を調整することができる。なお、図１のような構成によって、後述する変形例と比較して、Ｐ１とＰ２の圧力差、Ｐ１とＰ３との圧力差を高いものとすることができる。
【００２３】
このような構成により、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱されて第２冷却媒体加熱流路Ｌ５を介して冷却媒体循環流路Ｌ１に供給された冷却媒体は、当該冷却媒体循環流路Ｌ１から燃料電池セル１１ｂに供給される冷却媒体の温度を上昇させることができる。また、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱されて第１加熱媒体循環流路Ｌ４を介してエンドプレート冷却流路１２ａに供給された冷却媒体は、直接的にエンドプレート１１ａを加熱することができる。
【００２４】
第１加熱媒体循環流路Ｌ４を介してエンドプレート冷却流路１２ａに供給される冷却媒体の温度は、第２冷却媒体加熱流路Ｌ５を介して冷却媒体循環流路Ｌ１にて混合された冷却媒体の温度よりも高い。したがって、燃料電池システムは、燃料電池セル１１ｂを加熱する熱量よりも高い熱量によってエンドプレート冷却流路１２ａを昇温させることができる。
【００２５】
以上説明したように、本発明の第１実施形態として示す燃料電池システムによれば、第１加熱媒体循環流路Ｌ４及び第２加熱媒体循環流路Ｌ６を設けると共に、第２冷却媒体加熱流路Ｌ５を設けることによって、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体を直接的にエンドプレート冷却流路１２ａに供給すると共に、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体を冷却媒体循環流路Ｌ１の冷却媒体と混合してセル冷却流路１２ｂに供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、熱容量が大きいエンドプレート１１ａを効率的に昇温させることができ、燃料電池スタック１０全体を効率的に昇温させることができる。
【００２６】
具体的には、エンドプレート１１ａは燃料電池スタック１０のうちでも熱容量が大きく放熱度合いも大きい部品であるために、低温起動時には、エンドプレート１１ａの温度上昇が速やかに行われないために、燃料電池スタック１０の電圧低下を招くことがあった。これに対し、燃料電池スタック１０は、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体を冷却媒体循環流路Ｌ１に供給して燃料電池スタック１０全体を昇温させつつ、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体を常にエンドプレート冷却流路１２ａに導入することによって、燃料電池セル１１ｂよりも大きな熱をエンドプレート１１ａに供給して、当該エンドプレート１１ａの昇温を速やかに行うことができる。これによって、燃料電池システムは、低温起動時においてエンドプレート１１ａの温度上昇が遅れることによる燃料電池スタック１０の電圧低下を回避できる。特に、燃料電池スタック１０におけるエンドセル１１ｄでのセル電圧低下を回避できる。
【００２７】
また、単一の冷媒加熱用ヒータ４１を用いて燃料電池スタック１０の全体の加熱とエンドプレート１１ａの加熱の双方を行うことができ、簡単且つ低コストの構成でエンドプレート１１ａの昇温が可能となる。
【００２８】
「第１実施形態として示す燃料電池システムの変形例」
つぎに、上述した第１実施形態として示した燃料電池システムの変形例について、図２乃至図４を参照して説明する。
【００２９】
図２に示す燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムにおける第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に代えて、第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から分岐して燃料電池スタック１０の冷却媒体出口側の冷却媒体循環流路Ｌ１に接続するＬ１１を第１冷却媒体加熱流路としたものである。第１冷却媒体加熱流路Ｌ１１には、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体が供給され、当該加熱された冷却媒体のうち分岐点Ｐ１と接続点Ｐ４との圧力差に応じた流量を冷却媒体循環流路Ｌ１に導入し、残りの加熱された冷却媒体を第１加熱媒体循環流路Ｌ４に導入する。
【００３０】
図３に示す燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムにおける第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に代えて、第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から分岐して冷却媒体ポンプ２２の下流側の燃料電池スタック１０の冷却媒体入口付近における冷却媒体循環流路Ｌ１に接続するＬ１２を第１冷却媒体加熱流路としたものである。第１冷却媒体加熱流路Ｌ１２には、冷媒加熱用ヒータ４１によって加熱された冷却媒体が供給され、当該加熱された冷却媒体のうち分岐点Ｐ１と接続点Ｐ５との圧力差に応じた流量を冷却媒体循環流路Ｌ１に導入し、残りの加熱された冷却媒体を第１加熱媒体循環流路Ｌ４に導入する。なお、図３に示したように燃料電池スタック１０の冷却媒体入口の冷却媒体循環流路Ｌ１に第１冷却媒体加熱流路Ｌ１２を接続する例に限らず、三方弁２１と冷却媒体ポンプ２２との間のバイパス流路Ｌ２に第１冷却媒体加熱流路Ｌ１２を接続しても良い。
【００３１】
図４に示す燃料電池システムは、図３に示した燃料電池システムに対し、第１冷却媒体加熱流路Ｌ１２が冷却媒体循環流路Ｌ１に接続する点Ｐ５と冷却媒体循環流路Ｌ１と第１冷却媒体加熱流路Ｌ３との分岐点との間に、絞り手段としての可変開度弁２３を設けたものである。可変開度弁２３は、コントロールユニット１の制御によって開度が調整可能である。可変開度弁２３の開度を小さくすることにより点Ｐ５の冷却媒体圧力を高くでき、可変開度弁２３の開度を大きくすることにより点Ｐ５の冷却媒体圧力を低くできる。したがって、燃料電池システムは、点Ｐ１と点Ｐ５との冷却媒体圧力差を調整して、第１冷却媒体加熱流路Ｌ１２に流れる加熱された冷却媒体の流量を調整でき、同時に第１加熱媒体循環流路Ｌ４に流れる加熱された冷却媒体の流量を調整できる。これにより、燃料電池システムは、Ｐ１とＰ５との圧力差を大きくすることによって、第１冷却媒体加熱流路Ｌ１２での加熱された冷却媒体の流量を確保できる。なお、冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量を絞るものであれば、可変開度弁２３でなくても、配管断面積の縮小箇所を設けても良く、オリフィスを設けても良い。
【００３２】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３３】
第２実施形態として示す燃料電池システムは、図５に示すように、燃料電池セル１１ｂに循環させる冷却媒体の流れ方向とエンドプレート１１ａに循環させる冷却媒体の流れ方向とを逆としたことを特徴とするものである。この燃料電池システムは、第１冷却媒体加熱流路Ｌ３の点Ｐ１から分岐し、セル冷却流路１２ｂの冷却媒体出口側を、エンドプレート冷却流路１２ａにおける加熱された冷却媒体の入口側とする第１加熱媒体循環流路Ｌ１３と、セル冷却流路１２ｂの冷却媒体入口側を、エンドプレート冷却流路１２ａにおける加熱された冷却媒体の出口側とする第２加熱媒体循環流路Ｌ１４とを備える。
【００３４】
この燃料電池システムは、第２冷却媒体加熱流路Ｌ５におけるＰ１とＰ２との圧力差によって当該第２冷却媒体加熱流路Ｌ５における加熱された冷却媒体の流量が決定され、Ｐ１とＰ３との圧力差によって当該第１加熱媒体循環流路Ｌ１３、エンドプレート冷却流路１２ａ、第２加熱媒体循環流路Ｌ１４における加熱された冷却媒体の流量が決定される。
【００３５】
ここで、燃料電池スタック１０の発電時において、当該燃料電池スタック１０の発熱により複数の燃料電池セル１１ｂ内のセル温度及び冷却媒体温度は、セル冷却流路１２ｂの上流から下流となるに従い高くなる。そこで、エンドプレート冷却流路１２ａの冷却媒体の流れ方向を、セル冷却流路１２ｂの冷却媒体の流れ方向とは逆にする。これにより、燃料電池セル１１ｂとエンドプレート１１ａとが熱交換をすることにより、当該燃料電池セル１１ｂ及びエンドプレート１１ａの冷却媒体の出入口付近においては、エンドプレート１１ａの温度を燃料電池セル１１ｂの温度よりも高くしつつ、燃料電池セル１１ｂとエンドプレート１１ａとの熱交換によって燃料電池セル１１ｂとエンドプレート１１ａとの温度差を小さくできる。したがって、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０の全体を安定して昇温でき、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００３６】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３７】
第３実施形態として示す燃料電池システムは、図６に示すように、第１加熱媒体循環流路Ｌ４に、冷却媒体流量を調整する流量調整手段としての第１流量調整バルブ２４を設けた点で、第１実施形態として示した燃料電池システムとは異なる。このような燃料電池システムは、コントロールユニット１によって第１流量調整バルブ２４の開度が調整される。
【００３８】
ここで、冷却媒体循環流路Ｌ１によって循環させている冷却媒体温度は、燃料電池スタック１０の発電電力に応じた発熱量によって変動する。そして、燃料電池スタック１０の発電電力に応じた発熱量が大きいほど、燃料電池スタック１０を冷却する必要があるために、冷却媒体流量は多くなる。また、冷却媒体温度が高く又は低くなった場合には、当該冷却媒体温度を所望の温度範囲とするように、コントロールユニット１の制御によって、冷却媒体流量は変動される。
【００３９】
そして、冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量が少ない場合には、第１流量調整バルブ２４の開度を大きくする。これにより、第１流量調整バルブ２４による圧損が少なくなりエンドプレート１１ａへの加熱した冷却媒体の流量を多くする。逆に、冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量が多い場合には、第１流量調整バルブ２４の開度を小さくする。これにより、エンドプレート１１ａへの加熱された冷却媒体の流量を少なくする。このように燃料電池システムは、エンドプレート冷却流路１２ａへの加熱された冷却媒体流量を調整でき、エンドプレート１１ａの温度を制御することができる。したがって、燃料電池システムは、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００４０】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４１】
第４実施形態として示す燃料電池システムは、図７に示すように、第１加熱媒体循環流路Ｌ４に、冷却媒体流量を調整する加熱媒体用ポンプ２５を設けた点で、第１実施形態として示した燃料電池システムとは異なる。このような燃料電池システムは、コントロールユニット１によって加熱媒体用ポンプ２５の駆動量が調整される。この加熱媒体用ポンプ２５の駆動量を調整して、加熱された冷却媒体の流量を調整することができ、第１加熱媒体循環流路Ｌ４，エンドプレート冷却流路１２ａ、第２加熱媒体循環流路Ｌ６の通水抵抗や、Ｐ１とＰ３との圧力差に拘わらずエンドプレート１１ａへの加熱された冷却媒体の供給流量を制御することができる。
【００４２】
そして、燃料電池スタック１０が低発電電力である時、すなわち冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量が多い時のポンプ回転数に対し、燃料電池スタック１０が低発電電力である時、すなわち冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量が少ない時のポンプ回転数を高くする。これにより、燃料電池スタック１０の発熱量が少ない時には、エンドプレート１１ａに対する加熱された冷却媒体の供給流量を多くし、燃料電池スタック１０の発熱量が多い時には、エンドプレート１１ａに対する加熱された冷却媒体の供給流量を少なくする。このように燃料電池システムは、エンドプレート冷却流路１２ａへの加熱された冷却媒体流量を調整でき、エンドプレート１１ａの温度を制御することができる。したがって、燃料電池システムは、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００４３】
［第５実施形態］
つぎに、第５実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４４】
第５実施形態として示す燃料電池システムは、図８に示すように、図７に示した燃料電池システムにおける第２加熱媒体循環流路Ｌ６に代えて、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体を冷却媒体循環流路Ｌ１における燃料電池スタック１０の冷却媒体入口付近に接続した第２加熱媒体循環流路Ｌ１５を備えたものである。すなわち、エンドプレート１１ａから排出された冷却媒体を冷却媒体循環流路Ｌ１における燃料電池セル１１ｂの入口付近に戻している。
【００４５】
このように構成された燃料電池システムは、エンドプレート１１ａにて熱交換された冷却媒体を燃料電池セル１１ｂに戻すことになり、これによって、燃料電池セル１１ｂに供給する冷却媒体温度を高くすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、更に効率的に燃料電池スタック１０の全体を昇温させることができる。したがって、燃料電池システムは、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００４６】
また、この燃料電池システムによれば、加熱媒体用ポンプ２５の駆動量を制御することによって、加熱された冷却媒体がエンドプレート１１ａに供給される流量を調整してエンドプレート１１ａの温度を制御すると共に、冷却媒体循環流路Ｌ１５から燃料電池セル１１ｂに供給する加熱された冷却媒体の流量も制御して当該燃料電池セル１１ｂの温度を制御することができる。
【００４７】
［第６実施形態］
つぎに、第６実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４８】
第６実施形態として示す燃料電池システムは、図９に示すように、図１に示した燃料電池システムに対して、第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に流量調整手段としての第２流量調整バルブ２６を備えるものである。このような燃料電池システムは、コントロールユニット１によって第２流量調整バルブ２６の開度が調整される。この第２流量調整バルブ２６の開度を調整して、加熱された冷却媒体の流量を調整する。このとき、冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量が少ない時の第２流量調整バルブ２６の開度を、当該冷却媒体循環流路Ｌ１における冷却媒体流量が多い時における第２流量調整バルブ２６の開度よりも小さくする（閉じる）。
【００４９】
第２流量調整バルブ２６の開度を閉側に駆動して第２冷却媒体加熱流路Ｌ５の冷却媒体流量を少なくした場合には、冷媒加熱用ヒータ４１下流における冷却媒体温度が上昇する。同時に、冷媒加熱用ヒータ４１下流の冷却媒体圧力が上昇して、第１加熱媒体循環流路Ｌ４の冷却媒体流量が増加する。これにより、高い温度の冷却媒体の流量を高くしてエンドプレート冷却流路１２ａに供給できる。
【００５０】
このような燃料電池システムは、起動時の外気温度が零下である時のように燃料電池スタック１０の温度が非常に低い発電開始初期に、コントロールユニット１の制御によって、第２流量調整バルブ２６の開度を小さくする。これにより、燃料電池セル１１ｂに加熱された冷却媒体を要求する流量は小さくなるものの、熱容量が大きいエンドプレート１１ａに対して優先して、より高い温度の加熱された冷却媒体を供給できる。そして、エンドセル１１ｄの温度に対してその他の燃料電池セル１１ｂの温度の差が過大とならないように、第２流量調整バルブ２６の開度を開側に変更していく。したがって、燃料電池システムは、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００５１】
［第７実施形態］
つぎに、第７実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５２】
第７実施形態として示す燃料電池システムは、図１０に示すように、図１に示した燃料電池システムに対して、冷却媒体循環流路Ｌ１における燃料電池スタック１０の出口付近における冷却媒体温度を検出するスタック出口温度センサ５２と、第２加熱媒体循環流路Ｌ６におけるエンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体温度を検出するエンドプレート出口温度センサ５３とを備える。
【００５３】
このような燃料電池システムにおいて、スタック出口温度センサ５２によって検出されたセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度を示すセンサ信号及びエンドプレート出口温度センサ５３によって検出されたエンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を示すセンサ信号は、コントロールユニット１によって読み込まれる。コントロールユニット１は、セル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度よりも、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を高くする。このために、コントロールユニット１は、冷媒加熱用ヒータ４１の発熱量を高くして、エンドプレート１１ａにより高い温度の冷却媒体を供給することによって、エンドプレート１１ａの温度を高くする。
【００５４】
また、図９に示したように第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に第２流量調整バルブ２６を設けた構成の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１は、第２流量調整バルブ２６の開度を制御して、セル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度よりも、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を高くする。この時、コントロールユニット１は、第２流量調整バルブ２６の開度を小さくして第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から冷却媒体循環流路Ｌ１に流れる加熱された冷却媒体の流量を少なくし、第１加熱媒体循環流路Ｌ４からエンドプレート１１ａに流れる加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００５５】
更に、図６に示したように第１加熱媒体循環流路Ｌ４に第１流量調整バルブ２４を設けた構成の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１は、第１流量調整バルブ２４の開度を制御して、セル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度よりも、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を高くする。この時、コントロールユニット１は、第１流量調整バルブ２４の開度を大きくして第１加熱媒体循環流路Ｌ４からエンドプレート１１ａに流れる加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００５６】
更にまた、図７に示したように第１加熱媒体循環流路Ｌ４に加熱媒体用ポンプ２５を設けた構成の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１は、加熱媒体用ポンプ２５の駆動量を制御して、セル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度よりも、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を高くする。この時、コントロールユニット１は、加熱媒体用ポンプ２５の駆動量を高くして、第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から冷却媒体循環流路Ｌ１に流れる加熱された冷却媒体の流量を少なくし、第１加熱媒体循環流路Ｌ４からエンドプレート１１ａに流れる加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００５７】
なお、第１流量調整バルブ２４、加熱媒体用ポンプ２５、第２流量調整バルブ２６の少なくとも一つの手段を制御することによってセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度よりも、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を高くできれば良い。
【００５８】
したがって、この燃料電池システムによれば、エンドプレート冷却流路１２ａから排出された冷却媒体の温度を、確実にセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体の温度よりも高くすることができ、確実にエンドプレート１１ａの温度が燃料電池セル１１ｂの温度よりも高くすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００５９】
［第８実施形態］
つぎに、第８実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６０】
第８実施形態として示す燃料電池システムは、図１１に示すように、図１０に示した燃料電池システムに対して、一対のエンドプレート１１ａのそれぞれにエンドプレート温度センサ５４を備えている。
【００６１】
このような燃料電池システムにおいて、エンドプレート温度センサ５４によって検出されたエンドプレート１１ａの温度を示すセンサ信号は、それぞれコントロールユニット１によって読み込まれる。コントロールユニット１は、エンドプレート１１ａの温度を、スタック出口温度センサ５２によって検出されている燃料電池セル１１ｂのセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体温度よりも高くする。このために、コントロールユニット１は、冷媒加熱用ヒータ４１の発熱量を高くして、エンドプレート１１ａにより高い温度の冷却媒体を供給することによって、エンドプレート１１ａの温度を高くする。
【００６２】
また、図９に示したように第２冷却媒体加熱流路Ｌ５に第２流量調整バルブ２６を設けた構成の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１は、第２流量調整バルブ２６の開度を制御して、エンドプレート１１ａの温度を、燃料電池セル１１ｂのセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体温度よりも高くする。この時、コントロールユニット１は、第２流量調整バルブ２６の開度を小さくして第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から冷却媒体循環流路Ｌ１に流れる加熱された冷却媒体の流量を少なくし、第１加熱媒体循環流路Ｌ４からエンドプレート１１ａに流れる加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００６３】
更に、図６に示したように第１加熱媒体循環流路Ｌ４に第１流量調整バルブ２４を設けた構成の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１は、第１流量調整バルブ２４の開度を制御して、エンドプレート１１ａの温度を、燃料電池セル１１ｂのセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体温度よりも高くする。この時、コントロールユニット１は、第１流量調整バルブ２４の開度を大きくして第１加熱媒体循環流路Ｌ４からエンドプレート１１ａに流れる加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００６４】
更にまた、図７に示したように第１加熱媒体循環流路Ｌ４に加熱媒体用ポンプ２５を設けた構成の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１は、加熱媒体用ポンプ２５の駆動量を制御して、エンドプレート１１ａの温度を、燃料電池セル１１ｂのセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体温度よりも高くする。この時、コントロールユニット１は、加熱媒体用ポンプ２５の駆動量を高くして、第１冷却媒体加熱流路Ｌ３から冷却媒体循環流路Ｌ１に流れる加熱された冷却媒体の流量を少なくし、第１加熱媒体循環流路Ｌ４からエンドプレート１１ａに流れる加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００６５】
なお、第１流量調整バルブ２４、加熱媒体用ポンプ２５、第２流量調整バルブ２６の少なくとも一つの手段を制御することによってエンドプレート１１ａの温度を、燃料電池セル１１ｂのセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体温度よりも高くできれば良い。
【００６６】
したがって、この燃料電池システムによれば、エンドプレート１１ａの温度を、確実に燃料電池セル１１ｂのセル冷却流路１２ｂから排出された冷却媒体温度よりも高くすることができ、確実にエンドプレート１１ａの温度が燃料電池セル１１ｂの温度よりも高くすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００６７】
［第９実施形態］
つぎに、第９実施形態として示す燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６８】
第９実施形態として示す燃料電池システムは、図１２に示すように、図１１に示した燃料電池システムに対して、第１加熱媒体循環流路Ｌ４に、冷却媒体流量を調整する第１流量調整バルブ２４を設け、燃料電池セル１１ｂのセル電圧を測定するセル電圧センサ１１ｆを備えたものである。
【００６９】
このような燃料電池システムは、コントロールユニット１によって第１流量調整バルブ２４の開度が調整される。
【００７０】
セル電圧センサ１１ｆは、複数の燃料電池セル１１ｂのうちのエンドセル１１ｄのセル電圧を含む２以上の燃料電池セル１１ｂのセル電圧を検出する。このセル電圧センサ１１ｆが検出するセル電圧数は、当該検出した複数のセル電圧によって正確な燃料電池スタック１０の平均セル電圧が計算可能な数となっている。セル電圧センサ１１ｆによって検出された複数のセル電圧は、コントロールユニット１によって読み込まれる。なお、平均セル電圧を検出するためには、セル電圧センサ１１ｆに限らず、燃料電池スタック１０全体の発電電圧を読み取る電圧センサを備え、当該燃料電池スタック１０全体の発電電圧を燃料電池セル１１ｂの数で割った電圧をセル電圧としても良い。
【００７１】
このような燃料電池システムは、エンドセル１１ｄのセル電圧が、燃料電池セル１１ｂの平均セル電圧よりも低下した場合に、エンドプレート１１ａの温度を上昇させる。
【００７２】
このエンドセル１１ｄ付近の燃料電池セルのセル電圧が、燃料電池セル１１ｂの平均セル電圧よりも低下したことは、コントロールユニット１によって判定され、コントロールユニット１は、エンドプレート１１ａの温度を高くする。この時、コントロールユニット１は、エンドプレート温度センサ５４により検出されているエンドプレート１１ａの温度を参照して、第１流量調整バルブ２４の開度を大きくして、エンドプレート冷却流路１２ａに供給する加熱された冷却媒体の流量を多くする。
【００７３】
このような燃料電池システムによれば、エンドプレート１１ａの温度を高くすることによって、エンドセル１１ｄのセル電圧を上昇させることができ、低温起動時におけるセル電圧の低下を回避でき、起動性能を向上させることができる。
【００７４】
なお、燃料電池システムは、エンドセル１１ｄのセル電圧が平均セル電圧に対して所定値以上に低下した場合にエンドプレート１１ａの温度を上昇させても良い。この所定値は、セル電圧及び平均セル電圧の計測誤差を考慮し、燃料電池スタック１０の温度が安定しないことによる燃料電池スタック１０の発電性能が低下していると判定される設定値である。
【００７５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態として示す燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態として示す燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態として示す燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第３実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第５実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第６実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第７実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第８実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第９実施形態として示す燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  コントロールユニット
１０  燃料電池スタック
１１ａ  エンドプレート
１１ｂ  燃料電池セル
１１ｃ  集電板
１１ｄ  エンドセル
１１ｆ  セル電圧センサ
１２ａ  エンドプレート冷却流路
１２ｂ  セル冷却流路
２１  三方弁
２２  冷却媒体ポンプ
２３  可変開度弁
２４  第１流量調整バルブ
２５  加熱媒体用ポンプ
２６  第２流量調整バルブ
３１  ラジエタ
３２  ラジエタファン
４１  冷媒加熱用ヒータ
５１  冷却媒体温度センサ
５２  スタック出口温度センサ
５３  エンドプレート出口温度センサ
５４  エンドプレート温度センサ
Ｌ１  冷却媒体循環流路
Ｌ２  バイパス流路
Ｌ３  第１冷却媒体加熱流路
Ｌ４  第１加熱媒体循環流路
Ｌ５  第２冷却媒体加熱流路
Ｌ６  第２加熱媒体循環流路
Ｌ１１、Ｌ１２  第１冷却媒体加熱流路
Ｌ１３  第１加熱媒体循環流路
Ｌ１４、Ｌ１５  第２加熱媒体循環流路
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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