(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数のセルが積層されて構成された積層体を有する燃料電池と、
前記積層体の積層方向の中間位置において、前記積層体を構成する前記セルの間に挟まれた状態で設けられ、熱交換用の流体が通過する流路を有する熱交換器と、
前記流路を通過した流体を利用して暖房を行なう暖房装置と
を備え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、さらに、
前記流体の温度を検出する温度センサを備える
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる循環回路と、
前記検出された流体の温度に基づいて、前記循環回路を循環する前記冷却媒体の流れを制御する循環制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記循環制御部は、前記検出された流体の温度が所定値を超えていると判定した場合に、前記冷却媒体の循環を開始させる
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池を覆うケースを備え、
前記流体は、気体であり、
前記流体が前記熱交換器の流路に流入するための流入口は、前記ケースの内部空間に設けられている
前記流体が前記熱交換器の流路に流入するための流入口は、前記ケースの内部空間に設けられている
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記流体の水素濃度を検出する水素濃度検出部を備える
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記熱交換器の流路を通過した流体を前記暖房装置へ供給する流体供給部と、
前記検出された水素濃度が所定値を超えているか否かを判定する水素濃度判定部と
を備え、
前記流体供給部は、前記検出された水素濃度が所定値を超えている場合に、前記暖房装置への前記流体の供給を停止する
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記流入口は、前記ケースの内部空間の上方に設けられている
燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システムであって、
複数のセルが積層されて構成された積層体を有する燃料電池と、
前記積層体の積層方向の中間位置において、前記積層体を構成する前記セルの間に挟まれた状態で設けられ、熱交換用の流体が通過する流路を有する熱交換器と、
前記流路を通過した流体を利用して暖房を行なう暖房装置と、
前記流体の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体の温度を検出する第２の温度センサと、
前記検出された冷却媒体の温度と前記検出された流体の温度とに基づいて、前記流体の流量を制御する流量制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部は、前記検出された冷却媒体の温度が所定値を超えていると判定し、かつ、前記検出された流体の温度が所定値を超えていると判定した場合に、前記流体の流量を増加させる
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記熱交換器の流路を通過した流体を前記暖房装置へ供給する流体供給部と、
前記流体供給部に設けられ、前記熱交換器の流路を通過した流体を外部に放出可能なバルブと
を備え、
前記流体は、気体であり、
前記バルブは、前記暖房装置が前記流体を利用した暖房を行なわない場合には開放される
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項３ないし請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記熱交換器には、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体が通過するための貫通孔が設けられている
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項３ないし請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記熱交換器は、前記積層体の積層方向の略中央の位置に設けられている、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項３ないし請求項１３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が要求される出力と前記暖房装置が要求する熱量とに基づいて、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量を設定する酸化剤ガス供給量設定部と、
前記設定された酸化剤ガスの供給量に基づいて、前記燃料電池に対して前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と
を備える燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料電池システムであって、
複数のセルが積層されて構成された積層体を有する燃料電池と、
前記積層体の積層方向の中間位置において、前記積層体を構成する前記セルの間に挟まれた状態で設けられ、熱交換用の流体が通過する流路を有する熱交換器と、
前記流路を通過した流体を利用して暖房を行なう暖房装置と
を備え、
前記燃料電池は、電位的に浮いた状態となっており、
前記熱交換器は、抵抗器を介して接地されており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記抵抗器の両端における電位差を検出する電圧検出器を備える
燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料電池の熱を利用して暖房を行なう方法であって、
複数のセルが積層されて構成された積層体を有する燃料電池を準備する工程と、
前記積層体の積層方向の中間位置において、前記積層体を構成する前記セルの間に挟まれた状態で設けられ、熱交換用の流体が通過する流路を有する熱交換器を準備する工程と、
前記流路を通過した流体を利用して暖房を行なう工程と、
前記流体の温度を検出する工程と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる工程と、
前記検出された流体の温度に基づいて、前記冷却媒体の流れを制御する工程と
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の熱を利用して暖房を行なう方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の廃熱を利用する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。【０００３】
しかし、この技術では、燃料電池に発生した熱の利用に関する工夫が十分ではなかった。このような問題は、車両に搭載された燃料電池システムに限らず、燃料電池に発生した熱を利用する燃料電池システム全般に共通する問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４５６２７号公報
【特許文献２】特開２００３−１３０４９１号公報
【特許文献３】特開２００１−１６７７７９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、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に発生する熱を効率よく利用することのできる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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。【０００７】
[適用例１]
燃料電池システムであって、
複数のセルが積層されて構成された積層体を有する燃料電池と、
前記積層体の積層方向の中間位置に設けられ、熱交換用の流体が通過する流路を有する熱交換器と、
前記流路を通過した流体を利用して暖房を行なう暖房装置と
を備える燃料電池システム。【０００８】
この構成によれば、熱交換器は燃料電池の積層体と効率よく熱交換を行なうことができるとともに、暖房装置は、燃料電池に発生する熱を効率よく利用することができる。【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記流体の温度を検出する温度センサを備える
燃料電池システム。【００１０】
この構成によれば、流体の温度は燃料電池の温度と相関関係があるため、検出された流体の温度から燃料電池の温度を推定することができる。【００１１】
[適用例３]
適用例２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる循環回路と、
前記検出された流体の温度に基づいて、前記循環回路を循環する前記冷却媒体の流れを制御する循環制御部と
を備える燃料電池システム。【００１２】
この構成によれば、燃料電池の温度と相関関係のある流体の温度に基づいて、冷却媒体の循環を制御することができる。【００１３】
[適用例４]
適用例３に記載の燃料電池システムであって、
前記循環制御部は、前記検出された流体の温度が所定値を超えていると判定した場合に、前記冷却媒体の循環を開始させる
燃料電池システム。【００１４】
この構成によれば、燃料電池の暖機運転時に、冷却媒体の循環を開始しなくても燃料電池の温度の上昇を検出することができるので、燃料電池の暖機運転に要する時間を短縮することができるとともに、燃料電池が過熱してしまうことを抑制することができる。【００１５】
[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池を覆うケースを備え、
前記流体は、気体であり、
前記流体が前記熱交換器の流路に流入するための流入口は、前記ケースの内部空間に設けられている
燃料電池システム。【００１６】
この構成によれば、熱交換器の流路に異物等が入るのを抑制することができる。【００１７】
[適用例６]
適用例５に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記流体の水素濃度を検出する水素濃度検出部を備える
燃料電池システム。【００１８】
この構成によれば、燃料電池からの水素漏れを検出することができる。【００１９】
[適用例７]
適用例６に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記熱交換器の流路を通過した流体を前記暖房装置へ供給する流体供給部と、
前記検出された水素濃度が所定値を超えているか否かを判定する水素濃度判定部と
を備え、
前記流体供給部は、前記検出された水素濃度が所定値を超えている場合に、前記暖房装置への前記流体の供給を停止する
燃料電池システム。【００２０】
この構成によれば、燃料電池からの水素漏れが検出された場合に、暖房装置へ水素が供給されるのを抑制することができる。【００２１】
[適用例８]
適用例６または適用例７に記載の燃料電池システムであって、
前記流入口は、前記ケースの内部空間の上方に設けられている
燃料電池システム。【００２２】
燃料電池から漏れ出した水素は、ケースの上方に溜まりやすいので、この構成によれば、燃料電池からの水素漏れを感度良く検出することができる。【００２３】
[適用例９]
適用例２ないし適用例８のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体の温度を検出する第２の温度センサと、
前記検出された冷却媒体の温度と前記検出された流体の温度とに基づいて、前記流体の流量を制御する流量制御部と
を備える燃料電池システム。【００２４】
この構成によれば、流体の流量を制御することによって、燃料電池の温度を調整することができる。【００２５】
[適用例１０]
適用例９に記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部は、前記検出された冷却媒体の温度が所定値を超えていると判定し、かつ、前記検出された流体の温度が所定値を超えていると判定した場合に、前記流体の流量を増加させる
燃料電池システム。【００２６】
この構成によれば、燃料電池の過熱を抑制することができ、燃料電池に含まれる電解質膜の乾燥を抑制することができる。【００２７】
[適用例１１]
適用例９または適用例１０に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記熱交換器の流路を通過した流体を前記暖房装置へ供給する流体供給部と、
前記流体供給部に設けられ、前記熱交換器の流路を通過した流体を外部に放出可能なバルブと
を備え、
前記流体は、気体であり、
前記バルブは、前記暖房装置が前記流体を利用した暖房を行なわない場合には開放される
燃料電池システム。【００２８】
この構成によれば、暖房装置が流体を利用した暖房を行なわない場合に、熱交換器の流路を通過した流体を外部に放出することが可能となる。【００２９】
[適用例１２]
適用例１ないし適用例１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記熱交換器には、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体が通過するための貫通孔が設けられている
燃料電池システム。【００３０】
この構成によれば、熱交換器は冷却媒体と熱交換をすることができる。【００３１】
[適用例１３]
適用例１ないし適用例１２のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記熱交換器は、前記積層体の積層方向の略中央の位置に設けられている、
燃料電池システム。【００３２】
積層体の略中央の位置は、積層体の他の部分に比べて比較的高温になるので、この構成によれば、熱交換器が燃料電池の積層体と効率よく熱交換をすることができる。【００３３】
[適用例１４]
適用例１ないし適用例１３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が要求される出力と前記暖房装置が要求する熱量とに基づいて、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量を設定する酸化剤ガス供給量設定部と、
前記設定された酸化剤ガスの供給量に基づいて、前記燃料電池に対して前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と
を備える燃料電池システム。【００３４】
この構成によれば、燃料電池が要求される出力と暖房装置が要求する熱量とを満たすように、適切な量の酸化剤ガスを燃料電池に対して供給することができる。【００３５】
［適用例１５］
適用例１ないし適用例１４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、電位的に浮いた状態となっており、
前記熱交換器は、抵抗器を介して接地されており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記抵抗器の両端における電位差を検出する電圧検出器を備える
燃料電池システム。【００３６】
燃料電池に絶縁破壊が生じると、抵抗器の両端に電位差が発生するので、この構成によれば、燃料電池の絶縁破壊を検出することができる。【００３７】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の熱を利用した暖房を行なう方法および装置、それらの方法または装置の機能を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の起動時における冷却水の循環開始のタイミングを示す説明図である。
【図３】燃料電池１００の出力特性とエアストイキ比との関係を示す説明図である。
【図４】第２実施例における燃料電池システム１０ｂの構成の要部を示す説明図である。
【図５】第２実施例における熱交換器１７０ｂの構成を示す説明図である。
【図６】熱交換器１７０ｂ及びその周辺の断面を拡大して示す説明図である。
【図７】空調装置１５０ｂにおける処理を示すフローチャートである。
【図８】第３実施例における燃料電池システム１０ｃの構成の要部を示す説明図である。
【図９】第４実施例における燃料電池システム１０ｄの構成の要部を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００４０】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。本実施例における燃料電池システム１０は、車両に搭載されており、主として、燃料電池１００と、当該車両の客室１２内における暖房や冷房等を行なう空調装置１５０と、燃料電池システム１０の全体の制御を行なう制御ユニット２００とを備えている。
【００４１】
燃料電池１００は、複数のセルが積層されて構成された積層体１４０と、当該積層体１４０の積層方向の中間位置に設けられた熱交換器１７０と、積層体１４０を挟持するエンドプレート１１０とを備えている。
【００４２】
制御ユニット２００は、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体の循環を制御する循環制御部２１０と、燃料電池１００に供給される酸化剤ガス（空気）の量を調整する酸化剤ガス調整部２２０とを備えている。これらの詳細については、後述する。
【００４３】
燃料電池１００には、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、シャットバルブ５１、レギュレータ５２、配管５３を介して、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。燃料電池１００において利用されなかった燃料ガス（アノードオフガス）は、排出配管６３を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料電池システム１０は、アノードオフガスを配管５３側に再循環させる再循環機構を有するとしてもよい。
【００４４】
燃料電池１００には、また、エアポンプ６０および配管６１を介して、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃料電池１００において利用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）は、排出配管５４を介して燃料電池１００の外部に排出される。なお、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、反応ガスとも呼ばれる。
【００４５】
さらに、燃料電池１００には、燃料電池１００を冷却するため、ウォーターポンプ７１および配管７２を介して、ラジエータ７０により冷却された冷却媒体が供給される。燃料電池１００に供給された冷却媒体は、燃料電池１００の内部に形成されたマニホールド１４２内を循環し、燃料電池１００から排出される。なお、図示は省略するが、冷却媒体は、積層体１４０を構成する各セル内においても流通する。燃料電池１００から排出された冷却媒体は、配管７３を介してラジエータ７０に循環する。冷却媒体としては、例えば水、エチレングリコール等の不凍液、空気などが用いられる。
【００４６】
また、配管７３及び配管７２には、ラジエータ７０をバイパスするための配管７４が接続されている。循環制御部２１０は、配管７２に設けられた三方弁７５を切り替えることによって、冷却媒体の流路を切り替えることができる。例えば、冷間時など燃料電池１００の冷却を行なわない場合には、循環制御部２１０は、冷却媒体が配管７４に流入するように、すなわち、冷却媒体がラジエータ７０側には流入しないように、三方弁７５を切り替える。
【００４７】
熱交換器１７０は、積層体１４０の積層方向の中間位置に設けられているため、積層体１４０と効率よく熱交換を行なうことができる。なお、本明細書において「中間位置」とは、積層体１４０の中央位置に限らず、積層体１４０を構成するセルの間に挟まれた任意の位置を意味する。熱交換器１７０の内部には、熱交換用の流体（熱媒体）が通過する流路１７１が形成されている。このため、燃料電池１００が発電を行なって発熱すると、熱交換器１７０及び流路１７１内の熱媒体の温度は上昇する。なお、本実施例では、熱媒体として、不凍液が用いられている。
【００４８】
なお、この熱媒体と、上述した燃料電池１００を冷却するための冷却媒体とを明確に区別するため、以下では、熱交換器１７０内の流路１７１を通過する流体を「熱媒体」と呼び、燃料電池１００を冷却するための冷却媒体を「冷却水」と呼ぶ。
【００４９】
熱交換器１７０は、本実施例のように、積層体１４０の積層方向の略中央の位置に設けられていることが好ましい。この理由は次のとおりである。燃料電池１００が発電を開始すると、積層体１４０の中央付近は、エンドプレート１１０による放熱の影響を受けにくいため、周囲よりも早く温まり、かつ、周囲よりも比較的高温となる。したがって、本実施例のように、熱交換器１７０を、積層体１４０の積層方向の略中央の位置に設ければ、さらに効率的に熱交換を行なうことができる。ただし、熱交換器１７０は、積層体１４０の中間位置のうち、エンドプレート１１０のいずれか一方に偏った位置に設けられていてもよい。
【００５０】
流路１７１の流出口１７２には、流路１７４が接続されており、流路１７１の流入口１７３には、流路１７５が接続されている。流路１７４及び流路１７５は、空調装置１５０が有する熱交換器１５２に接続されている。
【００５１】
流路１７４には、熱交換器１７０から流出した熱媒体の温度を検出する温度センサ１７８と、熱交換器１７０から流出した熱媒体を空調装置１５０の熱交換器１５２に供給するための循環ポンプ１７９とが設けられている。流路１７４を流れる熱媒体の温度は、燃料電池１００の温度と相関関係があるため、温度センサ１７８によって流路１７４を流れる熱媒体の温度を検出すれば、燃料電池１００の温度を推定することができる。さらに、上述したように、熱交換器１７０が積層体１４０の積層方向の略中央の位置に設けられていれば、燃料電池１００において最も高温となる箇所の温度を検出することが可能となる。
【００５２】
空調装置１５０は、熱交換器１５２の熱を利用して、客室１２の暖房（例えば、デフロスタからの送風等）を行なう。換言すれば、空調装置１５０は、熱交換器１７０の流路１７１を通過した熱媒体を利用して、客室１２の暖房を行なう。上述したように、熱交換器１７０は、燃料電池１００と効率よく熱交換を行なうことができるので、空調装置１５０は、燃料電池１００の熱を効率よく利用して暖房を行なうことができる。
【００５３】
なお、熱交換器１７０と空調装置１５０とを接続する流路１７４及び流路１７５としては、例えば、弾性ゴム等の柔軟な素材で形成された冷却水用ホースを採用することができる。こうすれば、燃料電池１００及び空調装置１５０を車両に搭載する際のレイアウトの自由度を増すことができる。特に、燃料電池１００を車両の進行方向における前部（いわゆるエンジンコンパートメント内）に搭載する場合に効果的である。
【００５４】
循環制御部２１０は、温度センサ１７８によって検出された熱媒体の温度に基づいて、燃料電池１００を冷却するための冷却水の流れを制御する。具体的には、循環制御部２１０は、燃料電池１００の起動時における冷却水の循環開始の制御を行なう。燃料電池１００を冷却するための冷却水の流れの制御を、温度センサ１７８によって検出された熱媒体の温度に基づいて行なうことができる理由は、上述したように、燃料電池１００の温度が、熱媒体の温度と相関関係があるためである。
【００５５】
図２は、燃料電池１００の起動時における冷却水の循環開始のタイミングを示す説明図である。この図２において、横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池１００の温度及び熱媒体の温度を示している。
【００５６】
循環制御部２１０は、温度センサ１７８によって検出された熱媒体の温度が、所定値Ｔｔｈを超えているか否かを判定し、熱媒体の温度が所定値Ｔｔｈを超えていると判定した場合に、ウォーターポンプ７１を始動させて、冷却水の循環を開始させる。図２に示すように、冷却水の循環が開始されると、燃料電池１００の温度は低下し始める。このように、熱媒体の温度に基づいて冷却水の循環の開始を判定する理由は、以下のとおりである。
【００５７】
燃料電池１００の起動時における暖機運転では、燃料電池１００の温度が早期に好適な運転温度（例えば、７０℃程度）となるように、すなわち、暖気運転に要する時間を低減するために、冷却水の循環を行なわないことが好ましい。しかし、冷却水の温度に基づいて冷却水の循環の開始を判定する構成では、冷却水の循環が行なわれていないと、冷却水の温度から燃料電池１００の温度を推定することが困難となる。この結果、冷却水の循環の開始のタイミングを正確に定めることが困難となり、燃料電池１００が過熱するおそれがある。そこで、本実施例のように、熱媒体の温度に基づいて冷却水の循環の開始を判定すれば、燃料電池１００の温度に基づいた適切なタイミングで冷却水の循環を開始することができ、燃料電池１００の過熱を抑制することが可能となる。
【００５８】
さらに、燃料電池１００が熱交換器１７０内の熱媒体に奪われる熱量は、冷却水を循環させた場合に奪われる熱量と比較して少ないため、燃料電池１００の起動時にエンドプレート１１０や積層体１４０の端側におけるセルを温めることを省略することもできる。しかも、燃料電池１００の温度が早期に好適な運転温度に近づいていくため、寒冷地等における低温起動時においてもセル電圧の低下を抑制することができ、より多くの出力電流を得ることができる。この結果、燃料電池１００の発熱量も増大し、低温環境化における燃料電池１００の起動性を高めることができる。
【００５９】
さらに、低温環境下における燃料電池１００の起動性が高まるため、燃料電池１００の停止時における掃気処理を低減することもできる。なお、掃気処理とは、低温環境下において、停止後の燃料電池１００内における水分が凍るのを抑制するために、燃料電池１００内を掃気して燃料電池１００内を乾燥させる処理である。
【００６０】
なお、暖機運転時に燃料電池１００に生じた熱は、熱交換器１７０に奪われることになるが、燃料電池１００の暖機運転に要する時間は、積層体１４０の端に位置するセルの温度が所定値まで上昇したか否かで決まるため、熱交換器１７０に熱を奪われることによって暖機運転の時間が長くなるという影響はない。
【００６１】
図３は、燃料電池１００の出力特性とエアストイキ比との関係を示す説明図である。酸化剤ガス調整部２２０は、燃料電池１００に供給される酸化剤ガスの供給量を調整することによって、エアストイキ比を調整する。
【００６２】
ここで、「エアストイキ比」とは、燃料電池１００に供給される酸化剤ガス（空気）の量と、燃料電池１００において発電に利用されるべき酸化剤ガス（空気）の量と、の比を示している。燃料電池１００に供給される酸化剤ガス中の酸素ガスがすべて発電に利用される場合には、エアストイキ比は１．０である。燃料電池システム１０を動作させる際には、エアストイキ比は、通常、１．０よりも大きな値（例えば１．８等）に設定される。この図３から理解できるように、燃料電池１００の出力電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係は、エアストイキ比によって変化する。
【００６３】
酸化剤ガス調整部２２０は、燃料電池１００が要求される出力Ｗfcと、空調装置１５０が要求する熱量Ｑhとに基づいて、燃料電池１００に供給される酸化剤ガスの供給量を設定する。具体的には、例えば、酸化剤ガス調整部２２０は、以下の式（１）及び式（２）から、出力電圧Ｖ（式（３）参照）及び出力電流Ｉ（式（４）参照）を算出する。そして、酸化剤ガス調整部２２０は、算出された出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉを満たすエアストイキ比を設定し、酸化剤ガスの供給量を設定する。
Ｗfc＝Ｉ×Ｖ  …（１）
Ｑh＝Ｉ×（Ｖ0−Ｖ）…（２）
Ｖ＝Ｗfc×Ｖ0／（Ｑh＋Ｗfc）…（３）
Ｉ＝（Ｑh＋Ｗfc）／Ｖ0…（４）
ここで、Ｖ0は、電流Ｉが０の場合における燃料電池１００の出力電圧を示す。
【００６４】
なお、本実施例では、各エアストイキ比における出力電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係が、予めメモリに格納されている。酸化剤ガス調整部２２０は、メモリに格納された各エアストイキ比における出力電圧Ｖと出力電流Ｉとの関係を参照することによって、出力電圧Ｖと出力電流Ｉを満たすエアストイキ比を選択するとともに、酸化剤ガスの供給量を設定する。
【００６５】
酸化剤ガスの供給量が設定されると、酸化剤ガス調整部２２０は、設定された量の酸化剤ガスが燃料電池１００に供給されるように、エアポンプ６０を制御する。このようにすれば、燃料電池１００が要求される出力と、空調装置１５０の要求熱量を満たす制御を実現することができる。
【００６６】
このように、本実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１００に生じる熱を効率よく利用することができるとともに、燃料電池１００に生じる熱を効率よく利用した暖房をすることができる。
【００６７】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池システム１０ｂの構成の要部を示す説明図である。図１に示した第１実施例との違いは、主に以下の点であり、他の構成は第１実施例と同じである。
・熱交換器１７０ｂ内の流路１７１ｂを流れる熱媒体が気体（外気）である点。
・空調装置１５０ｂは、熱交換器１７０ｂ内の流路１７１ｂを通過した熱媒体（気体）を客室１２の送風口から排出して暖房を行なう点。
・制御ユニット２００は、ブロア３０２を制御することによって熱媒体の風量を制御する風量制御部２２５をさらに備える点。
・冷却水が通過する配管に冷却水の温度を検出する温度センサ１８５が設けられている点。
【００６８】
上述したように、本実施例では、熱媒体として気体（外気）を利用し、空調装置１５０ｂは、当該熱媒体を送風口から排出するため、空調装置１５０ｂにおける熱交換器を省略することができる。
【００６９】
次に、熱交換器１７０ｂの周辺における電位について説明する。熱交換器１７０ｂの流出口１７２ｂには、絶縁性のダクト１８１が接続されており、ダクト１８１には、配管１８２が接続されている。配管１８２は、車両のボディに接続されて接地されている。このため、燃料電池１００の電位が外部に伝わることを抑制することができる。
【００７０】
さらに、熱交換器１７０ｂの流入口１７３ｂ側は、抵抗器１８３を介して車両のボディに接続されて接地されている。そして、抵抗器１８３の両端における電位差を検出する電圧検出器１８４が、抵抗器１８３に並列に接続されている。燃料電池１００は、電位的に浮いた状態（フローティング状態）となっているため、燃料電池１００に絶縁破壊が生じると、抵抗器１８３の両端に電位差が生じることになる。したがって、この抵抗器１８３の両端における電位差を検出すれば、燃料電池１００の絶縁破壊を検出することができる。
【００７１】
図５は、第２実施例における熱交換器１７０ｂの構成を示す説明図である。熱交換器１７０ｂの内部の略中央には、熱媒体としての気体が通過するための流路１７１ｂが形成されている。この流路１７１ｂは、燃料電池１００の積層方向に垂直な方向となるように形成されている。
【００７２】
流路１７１ｂの両側には、冷却水が通過するための貫通孔１９１，１９２と、反応ガスが通過するための貫通孔１９３，１９４，１９５，１９６とが形成されている。本実施例のように、熱交換器１７０ｂに、冷却水が通過するための貫通孔１９１，１９２を形成すれば、冷却水の熱を、熱交換器１７０ｂに伝えることができるため、熱交換器１７０ｂをさらに効率よく温めることが可能となる。しかも、冷却水が通過するための流路を別途設ける必要がないため、省スペース化を実現することができる。なお、冷却水が通過するための貫通孔１９１，１９２は、冷却水と接触する面積が小さいため、冷却水の劣化を抑制するための貫通孔１９１，１９２内の洗浄を省略することもできる。
【００７３】
図６は、熱交換器１７０ｂ及びその周辺の断面の一例を拡大して示す説明図である。積層体１４０を構成する各セル１４１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）１４２と、ＭＥＡ１４２を挟持するセパレータ１４３，１４４とを備えている。セパレータ１４３には、燃料ガスとしての水素ガスが通過するための流路が形成されており、セパレータ１４４には、酸化剤ガスとしての空気が通過するための流路が形成されている。各セル１４１の間には、冷却水が通過するための流路が形成されている。
【００７４】
本実施例では、熱交換器１７０ｂと接している冷却水の流路には、冷却水が供給されていない。この理由は、熱交換器１７０ｂの両側に配置されたセル１４１の熱は、熱交換器１７０ｂに伝わるため、冷却水を省略しても、熱交換器１７０ｂの両側に配置されたセル１４１を冷却することが可能であるためである。なお、第１実施例においても同様に、熱交換器１７０と接している流路への冷却水の供給を省略することとしてもよい。
【００７５】
図７は、熱媒体の風量の制御を示すフローチャートである。風量制御部２２５は、図７に示す処理を所定期間毎に繰り返し実行することによって、燃料電池１００の温度の上昇を抑制する。
【００７６】
ステップＳ１００では、風量制御部２２５は、温度センサ１８５によって検出された冷却水の温度が所定値を超えているか否かを判定する。検出された冷却水の温度が所定値を超えていると判定した場合（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）には、風量制御部２２５は、温度センサ１７８によって検出された熱媒体の温度が所定値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。検出された熱媒体の温度が所定値を超えていると判定した場合（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）には、風量制御部２２５は、ブロア３０２を制御し、熱交換器１７０ｂを通過する熱媒体の風量を増加させると共に（ステップＳ１２０）、再びステップＳ１１０における判定を実行する。
【００７７】
一方、ステップＳ１００において冷却水の温度が所定値を超えていないと判定した場合及びステップＳ１１０において熱媒体の温度が所定値を超えていないと判定した場合には、風量制御部２２５は、処理を終了する。
【００７８】
このように、冷却水の温度及び熱媒体の温度に基づいて熱媒体の風量の制御を行なえば、燃料電池１００の温度の上昇を抑制することができるので、ＭＥＡ１４２を構成する電解質膜の温度の上昇を抑制し、電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００７９】
なお、空調装置１５０ｂからの暖房要求がない場合には、バルブ３０３が開放される。こうすれば、ブロア３０２が動作状態であっても、空調装置１５０ｂへの熱媒体の供給を停止させることができる。すなわち、熱交換器１７０ｂ内の熱媒体の流れを維持しつつ、空調装置１５０ｂからの熱媒体の送出を停止させることができる。
【００８０】
このように、本実施例の燃料電池システム１０ｂによれば、上記実施例と同様の効果を奏することができるとともに、熱媒体として気体（外気）を利用して効率よく暖房を行なうことができる。
【００８１】
Ｃ．第３実施例：
図８は、第３実施例における燃料電池システム１０ｃの構成の要部を示す説明図である。図４に示した第２実施例との違いは、主に以下の点であり、他の構成は第２実施例と同じである。
・燃料電池１００を覆うケース３００が設けられている点。
・熱交換器１７０ｂの流路１７１ｂの流入口１７３ｂがケース３００の内部空間に位置している点。
・熱交換器１７０ｂと空調装置１５０ｂとを接続する配管上に、水素ディテクタ３０１が設けられている点。
【００８２】
本実施例では、燃料電池１００を覆うケース３００が設けられており、熱交換器１７０ｂの流路１７１ｂの流入口１７３ｂがケース３００の内部空間に設けられているので、熱交換器１７０ｂの流入口１７３ｂから水滴やほこり等の異物が流入するのを抑制することができる。また、熱交換器１７０ｂの防水処置を省略することもできる。
【００８３】
さらに、本実施例のように、熱交換器１７０ｂと空調装置１５０ｂとを接続する配管上に、水素ディテクタ３０１が設けられていることが好ましい。この理由は以下の通りである。
【００８４】
燃料電池１００から燃料ガスとしての水素ガスが漏れ出した場合には、漏れ出した水素ガスは、ケース３００内に充満する。ケース３００内に充満した水素ガスは、熱交換器１７０ｂの流路１７１ｂを通過し、熱交換器１７０ｂと空調装置１５０ｂとを接続する配管を通過して、空調装置１５０ｂに供給される。したがって、熱交換器１７０ｂと空調装置１５０ｂとを接続する配管上に、水素ディテクタ３０１が設けられていれば、燃料電池１００からの燃料ガス（水素ガス）の漏れを検出することができる。
【００８５】
本実施例における制御ユニット２００は、水素濃度判定部２３０をさらに備えている。水素濃度判定部２３０は、水素ディテクタ３０１によって検出された水素濃度が所定値を超えているか否かを判定し、検出された水素濃度が所定値を超えている場合には、ブロア３０２を停止させて、空調装置１５０ｂへの熱媒体の供給を停止する。このようにすれば、空調装置１５０ｂへ水素ガスが供給されることを抑制することができ、客室１２内へ水素ガスが送り込まれてしまうことを抑制することができる。
【００８６】
このように、本実施例の燃料電池システム１０ｃによれば、上記実施例と同様の効果を奏することができるとともに、燃料電池１００からの水素ガスの漏れを検出することができる。
【００８７】
Ｄ．第４実施例：
図９は、第４実施例における燃料電池システム１０ｄの構成の要部を示す説明図である。この図９は、燃料電池１００の積層方向に垂直な面における熱交換器１７０ｄ及びケース３００の断面図である。図８に示した第３実施例との違いは、熱媒体の流入口１７３ｄがケース３００の内部空間の上方に設けられている点だけであり、他の構成は第３実施例と同じである。
【００８８】
燃料ガスとしての水素ガスは空気よりも軽いため、燃料電池１００から水素ガスが漏れ出した場合には、当該水素ガスは、ケース３００の内部空間の上方に溜まることになる。したがって、熱交換器１７０ｄの流入口１７３ｄがケース３００の内部空間の上方に設けられていれば、ケース３００の内部空間の上方に溜まった水素ガスを水素ディテクタ３０１に送り込むことができるので、水素ガスがケース３００内の全体に充満するよりも早期に、そして感度良く、水素ガスの漏れを検出することが可能となる。
【００８９】
なお、流入口１７３ｄは、熱交換器１７０ｄの一部分として形成されていてもよく、また、熱交換器とは別部材として設けられていてもよい。例えば、熱交換器の周囲に設けられたダクトの流入口を、流入口１７３ｄとしてもよい。
【００９０】
このように、本実施例の燃料電池システム１０ｄによれば、上記実施例と同様の効果を奏することができるとともに、燃料電池１００からの水素ガスの漏れを感度良く検出することができる。
【００９１】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は、上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９２】
変形例１：
上記第１実施例では、循環制御部２１０は、温度センサ１７８によって検出された熱媒体の温度に基づいて、燃料電池１００の起動時における冷却水の循環開始の制御を行なっていたが、循環制御部２１０は、これに加えて、冷却水の流路を変更するための三方弁７５の制御や、冷却水の流速の制御等を、熱媒体の温度に基づいて行なうこととしてもよい。また、循環制御部２１０は、冷却水の温度に基づいて、冷却水の循環の制御を行なってもよい。
【００９３】
変形例２：
上記第２実施例では、風量制御部２２５は、冷却水の温度及び熱媒体の温度に基づいて、熱媒体の風量を増加させていたが、冷却水の温度及び熱媒体の温度に基づいて、熱媒体の風量を減少させる制御をさらに行なってもよい。このようにすれば、燃料電池１００の温度を適宜調整することができる。
【００９４】
変形例３：
上記第３実施例では、水素ディテクタ３０１は、熱交換器１７０ｂと空調装置１５０ｂとを接続する配管上に設けられていたが、水素ディテクタ３０１は、熱媒体の水素濃度を検出可能な場所に設けられていればよい。例えば、水素ディテクタ３０１は、熱交換器１７０ｂの流路１７１ｂ内に設けられていてもよい。
【００９５】
変形例４：
上記各実施例では、車両に搭載された燃料電池システムについて説明したが、本発明は、家庭用や業務用等の据え置き型の燃料電池システムに対しても適用することができる。また、本発明の燃料電池システムは、航空機等の他の移動体に搭載することもできる。
【００９６】
変形例５：
上記各実施例においてソフトウェアで実現されている機能の一部をハードウェアで実現してもよく、あるいは、ハードウェアで実現されている機能の一部をソフトウェアで実現してもよい。
【００９７】
変形例６：
上記各実施例において説明された構成は、各実施例に対して適宜適用することが可能であり、また適宜省略することも可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１０…燃料電池システム
１０ｂ…燃料電池システム
１０ｃ…燃料電池システム
１０ｄ…燃料電池システム
１２…客室
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…排出配管
６０…エアポンプ
６１…配管
６３…排出配管
７０…ラジエータ
７１…ウォーターポンプ
７２…配管
７３…配管
７４…配管
７５…三方弁
１００…燃料電池
１１０…エンドプレート
１４０…積層体
１４１…セル
１４２…マニホールド
１４３…セパレータ
１４４…セパレータ
１５０…空調装置
１５０ｂ…空調装置
１５２…熱交換器
１７０…熱交換器
１７０ｂ…熱交換器
１７０ｄ…熱交換器
１７１…流路
１７１ｂ…流路
１７２…流出口
１７２ｂ…流出口
１７３…流入口
１７３ｂ…流入口
１７３ｄ…流入口
１７４…流路
１７５…流路
１７８…温度センサ
１７９…循環ポンプ
１８１…ダクト
１８２…配管
１８３…抵抗器
１８４…電圧検出器
１８５…温度センサ
１９１…貫通孔
１９３…貫通孔
２００…制御ユニット
２１０…循環制御部
２２０…酸化剤ガス調整部
２２５…風量制御部
２３０…水素濃度判定部
３００…ケース
３０１…水素ディテクタ
３０２…ブロア
３０３…バルブ
【図１】
0005387762.tif 000002
【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】
0005387762.tif 000008
【図８】
0005387762.tif 000009
【図９】
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