(57)【要約】【課題】  低温時の起動時間を短縮するとともに、発電効率を向上することができる燃料電池用温度調節装置を提供する。【解決手段】  燃料電池スタック１の両端部には、アノード側エンドプレート２と、カソード側エンドプレート３が設けられ、エンドプレート２、３の内部には、それぞれエンドプレート内冷媒流路２ａ、３ａが形成される。冷媒ポンプ１１から圧送された冷媒は、冷媒供給管１２を介して、エンドプレート内冷媒流路２ａ、３ａへ供給され、エンドプレート２，３と熱交換した後、熱交換器１４で冷却され、冷媒ポンプ１１に戻る。  氷点下における運転停止時には、冷媒制御弁１５を絞り、カソード側のエンドプレート３にアノード側エンドプレート２よりも多量の冷媒を流すことにより、カソード側のエンドプレート３は、アノード側のエンドプレート２よりも停止時の温度低下が遅くなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックの温度を調節する燃料電池用温度調節装置であって、  燃料電池スタックの運転停止時に、前記燃料電池スタックのカソード側からアノード側へ負の温度勾配を形成することを特徴とする燃料電池用温度調節装置。
【請求項２】
燃料電池スタックのカソード側を加熱する加熱手段を備え、
燃料電池スタックの運転停止時に、前記加熱手段により燃料電池スタックのカソード側を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用温度調節装置。
【請求項３】
燃料電池スタックのカソード側における外気との熱交換量が燃料電池スタックのアノード側における熱交換量よりも小である構造を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用温度調節装置。
【請求項４】
燃料電池スタックのアノード側を冷却する冷却手段を備え、
燃料電池スタックの運転停止時に、前記冷却手段により燃料電池スタックのアノード側を冷却することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用温度調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの温度を調節する燃料電池用温度調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の化学反応から電気エネルギーを取り出す固体高分子型燃料電池は、排出物が無害な水だけであることと高効率であることから、発電用途のみならず自動車等の動力源としての利用も考えられている。このような用途では、発電可能な最小の構成であるセルでは必要な電力を確保できないため、セルを積層した燃料電池スタックの形態で使用される。
【０００３】
図６に、燃料電池システムの典型的な構成を示す。単位燃料電池（セル）が複数積層されて燃料電池スタック１が構成されている。燃料電池スタック１の両端には、ボルト等による締結の荷重をスタックに加えるために、アノード側のエンドプレート２、カソード側のエンドプレート３が配置される。燃料タンク８に貯蔵された燃料ガスとしての高圧水素は、水素調圧弁９により減圧及び流量制御されて、吸気管４を介してアノードに供給され、余剰の水素ガスは、排気管５から排出される。カソードには、ポンプ１０で圧縮された酸化剤（空気）が吸気管６を介して供給され、未反応の空気はカソード側の排気管７から排出される。また、図示していないが、各セル内に形成された冷媒流路に冷媒を循環させることで燃料電池スタックを冷却する冷却装置を備える。
【０００４】
上記のようなセルを多数積層して直列接続した燃料電池スタックにおいては、スタック中央部とスタック端部では放熱に差があるため、スタック端部に近いセルの温度はスタック中央部のセルよりも低くなる。温度が低くなると化学反応の速度が小さくなるため、スタック端部に近いセルの効率及び発電能力が低下し、結果として燃料電池スタック全体の出力電流が低下してしまう。
【０００５】
上記のような現象への対策としては、特許文献１のように、燃料電池スタック本体１とエンドプレート２、３の間に熱媒が循環する熱媒室を設ける技術が知られている。この技術によれば、燃料電池スタック中央部よりも温度が低い燃料電池スタック端部を加熱し、燃料電池スタック内部の温度分布を均一化することができるため、燃料電池スタックとしての効率及び発電性能を向上させることができる。
【特許文献１】特開平１１−０９７０４８号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池を自動車の動力源として用いるような場合には、燃料電池は氷点下に放置された状態でも始動することができなくてはならないが、上記の従来例では氷点下起動において以下に示す問題点があった。
【０００７】
上記従来の燃料電池スタックが氷点下で停止、放置されると、エンドプレート２、３に近いスタック端部は、外気による冷却の影響がスタック中央部よりも大きいため、スタック内の温度は、図７のようにスタック中央部で高く、スタック端部で低い分布になる。スタックとして温度分布が存在すると各セル内にも温度分布が形成されるが、各セル内の水は温度の高い領域から低い領域へ移動する。その後、各セル内の水はセル内で偏った分布を形成したまま凍結することになる。
【０００８】
スタック中央よりもスタックのアノード側に位置するセルにおいては、図８のようにセル内の水はセルのアノード側に移動し、スタック中央よりもスタックのカソード側に位置するセルにおいては、図９のようにセル内の水はセルのカソード側に移動する。そのため、氷点下での起動時にスタック中央よりもスタックのカソード側のセルのカソードにおいては、反応による生成水と凍結したまま保持されていた水が合わさることで水が過剰に存在する状態になるので、ガスの流路が水により閉塞してしまうフラッディングの現象が発生する。したがって、フラッディングが発生することにより燃料電池スタックの発電の効率は低下し、氷点下での起動時間が長くなるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池スタックの温度を調節する燃料電池用温度調節装置であって、燃料電池スタックの運転停止時に、前記燃料電池スタックのカソード側からアノード側へ負の温度勾配を形成することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池スタックの氷点下での停止時に、スタックカソード側の温度がスタックアノード側よりも高い状態にあるため、各セル内の水は高温のセルカソード側から低温のセルアノード側に移動して凍結するようになる。このため、燃料電池システムの再起動時に、生成水により水分量が多くなりがちなセルカソード側に水が保持されなくなることから、各セルのカソードでのフラッディングを抑制することができ、燃料電池スタックの発電量が増えるため、燃料電池スタックの氷点下における起動時間の短縮や発電の効率向上が図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下の各実施例は、氷点下にも駐車可能な燃料電池車両に好適な燃料電池用温度調節装置である。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池スタック１の両端部には、アノード側エンドプレート２と、カソード側エンドプレート３が設けられている。アノード側エンドプレート２、カソード側エンドプレート３の内部には、それぞれエンドプレート内冷媒流路２ａ、３ａが形成されている。
【００１３】
燃料ガスとしての水素は、水素タンク８に高圧で貯蔵されている。水素タンク８の高圧水素は、水素調圧弁９により燃料電池の運転圧力まで減圧されて、水素供給管４を介してアノードへ供給される。アノードで反応しなかった水素は、水素排出管５を介して排出される。
【００１４】
酸化剤ガスとしての空気は、空気供給管６を介してコンプレッサ１０に供給され、燃料電池の運転圧力まで圧縮されて、カソードに供給される。カソードで反応しなかった空気は、空気排出管７を介して排出される。
【００１５】
燃料電池システムの冷却系は、冷媒ポンプ１１、冷媒供給管１２、冷媒排出管１３、熱交換器１４及び冷媒制御弁１５を備えている。冷却系の冷媒には、例えば、燃料電池の保管最低温度に応じた濃度に調製したエチレングリコール水溶液等の不凍液を用いる。
【００１６】
冷媒ポンプ１１から圧送された冷媒は、冷媒供給管１２を介して、エンドプレート内冷媒流路２ａ、３ａへ供給され、エンドプレート２，３と熱交換した後、冷媒排出管１３を介して熱交換器１４に入る。熱交換器１４で外気と熱交換した冷媒は、冷媒ポンプ１１に戻る。
【００１７】
冷媒供給管１２は２系統に分岐しているが、スタックアノード側のエンドプレート２に繋がる枝管には、冷媒の流量を制御するための冷媒制御弁１５が設けられている。
【００１８】
実施例１では、燃料電池システムの運転中は、燃料電池スタック１を冷却するために、冷媒ポンプ１１を作動させてエンドプレート２、３に冷媒を流しておく。このとき、冷媒は、燃料電池の運転による反応熱を外部へ放熱するために、例えば、９０［℃］程度の比較的高温になっている。そして、氷点下における燃料電池システムの運転停止時には、冷媒制御弁１５を絞ることにより、スタックカソード側のエンドプレート３にスタックアノード側エンドプレート２よりも多量の冷媒が流れるようにする。
【００１９】
このように運転停止時に冷媒を循環させると、燃料電池スタック１のカソード側のエンドプレート３は、アノード側のエンドプレート２よりも流量の多い高温冷媒と接触することで、停止時の温度低下が遅くなる。このため、図２のように燃料電池スタック全体でスタックカソード側の方がスタックアノード側よりも温度が高くなる温度分布となる。この燃料電池スタック１の温度分布は、各セルについて見ると、セルカソード側がセルアノード側より温度が高い温度分布となっている。
【００２０】
したがって、燃料電池スタックの全てのセルにおいて、セル内の水はセルアノード側に移動して凍結するようになり、氷点下起動時のフラッディング発生が抑制される。
【００２１】
本実施例によれば、燃料電池スタックの氷点下での停止時に、スタックカソード側の温度がスタックアノード側よりも高い状態にあるため、各セル内の水は高温のセルカソード側から低温のセルアノード側に移動して凍結するようになり、生成水により水分量が多くなりがちなセルカソード側に水が保持されなくなることから、再起動時のフラッディングを抑制し、燃料電池スタックの発電量が増えるため、燃料電池スタックの氷点下における起動時間の短縮や発電の効率向上が図れるという効果がある。
【００２２】
なお、本発明における燃料電池スタックの温度分布を制御する手段は、本実施例の形態に限られる訳ではない。
【実施例２】
【００２３】
図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を示すシステム構成図である。図３において、スタックカソード側エンドプレート３を加熱するための電熱ヒータ１６と、電熱ヒータ１６に電力を供給するための電源１７と、電熱ヒータ１６へ供給する電力を調整する制御装置１８とが設けられている。これら以外の構成は、図６の従来例と同様である。
【００２４】
実施例２では、氷点下における燃料電池の停止時には、電源１７から電熱ヒータ１６に電力を供給して、スタックカソード側エンドプレート３を加熱する。制御装置１８は、例えば一定の通電時間後に、電熱ヒータ１６への通電を停止する。この他に、燃料電池スタック１のエンドプレート２，３に、それぞれ図示しない温度センサを備えて、これら２つの温度センサが検出した温度の差が一定温度に達したら、電源１７から電熱ヒータ１６への通電を停止するようにしてもよい。
【００２５】
本実施例によれば、燃料電池スタックの暖機中に運転を停止するような場合にも、任意に燃料電池スタック１のカソード側エンドプレート３を加熱して、図２のように燃料電池スタック全体でスタックカソード側の方がスタックアノード側よりも温度が高くすることができる。したがって、燃料電池スタック１を構成する全てのセルにおいて、セル内の水はセルアノード側に移動して凍結するようになり、燃料電池スタックの氷点下起動時のフラッディング発生が抑制される。
【００２６】
実施例２によれば、運転停止前に燃料電池スタックの暖機が完了していない場合でも、加熱手段により任意に燃料電池スタックのカソード側を加熱して、スタックカソード側の温度がスタックアノード側よりも高い温度分布を形成することができるため、運転停止前の燃料電池スタックの状態に影響されることなく、燃料電池スタックの氷点下起動時のフラッディング抑制のための停止処理を行うことが可能となる。
【００２７】
なお、本発明におけるスタックカソード側エンドプレート３を加熱する手段は、電熱ヒータに限られる訳ではない。
【実施例３】
【００２８】
図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を示すシステム構成図である。図４において、燃料電池スタック１のカソード側が断熱槽１９で被われている。断熱槽１９は、例えば、合成樹脂の発泡体、ガラス繊維、合成樹脂の繊維等の断熱材を外装ケースに納めたものである。その他の構成は、図６の従来例と同様である。
【００２９】
実施例３においては、燃料電池スタックの発電停止時に、断熱槽１９により燃料電池スタックのカソード側の放熱が抑制され、電力等のエネルギーを消費することなく、スタックカソード側の温度がスタックアノード側よりも高い状態で維持されるようになる。したがって、燃料電池スタック１を構成する全てのセルにおいて、セル内の水はセルアノード側に移動して凍結するようになり、燃料電池スタックの氷点下起動時のフラッディング発生が抑制される。
【００３０】
実施例３によれば、燃料電池スタックのカソード側が外気と断熱されているため、スタックカソード側の放熱が抑制され、スタックカソード側の温度がスタックアノード側よりも高い状態で維持されるので、燃料電池スタックの氷点下起動時のフラッディング抑制のための停止処理におけるエネルギー消費を抑制することができるという効果がある。
【実施例４】
【００３１】
図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を示すシステム構成図である。図５において、燃料電池スタック１のアノード側エンドプレート２には、内部にエンドプレート内冷媒流路２ａが設けられている。
【００３２】
冷媒ポンプ２０は、冷媒を加圧して冷媒供給管２１を介して、エンドプレート内冷媒流路２ａへ冷媒を供給する。また、エンドプレート内冷媒流路２ａから流出した冷媒は、冷媒排出管２２上に配置された熱交換器２３により系外へ放熱されて、温度が下がって、冷媒ポンプ２０へ戻る。
【００３３】
実施例４では、燃料電池スタックの氷点下における停止時に、冷媒ポンプ２０を動作させ、スタックアノード側エンドプレート２に冷媒を供給する。このように冷媒を循環させると、燃料電池スタックのアノード側の冷却を促進しながら、スタック全体で図２のようなスタックカソード側の温度がスタックアノード側の温度よりも高い温度分布が形成することができる。したがって、燃料電池スタックの中央よりもカソード側のセルにおいても、セル内の水はセルアノード側に移動して凍結するようになり、燃料電池スタックの氷点下起動時のフラッディング発生が抑制される。さらに、セル内の水がセルのアノード側に移動して凍結するまでの時間が短縮される。
【００３４】
実施例４によれば、運転停止時に燃料電池スタックのアノード側を冷却することで、スタックカソード側の温度がスタックアノード側よりも高い温度分布を燃料電池スタックに形成するので、セル内の水がセルのアノード側に移動して凍結するまでの時間が短縮されるため、燃料電池スタックの氷点下起動時のフラッディング抑制のための停止処理が短時間で可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１における燃料電池スタック内部の温度分布図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明するシステム構成図である。
【図６】従来例の燃料電池システムの構成図である。
【図７】従来例における燃料電池スタック内部の温度分布図である。
【図８】セル内水移動の説明図である。
【図９】セル内水移動の説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：燃料電池スタック
２：アノード側エンドプレート
３：カソード側エンドプレート
２ａ、３ａ：エンドプレート内冷媒流路
４：水素供給管
５：水素排出管
６：空気供給管
７：空気排出管
８：水素タンク
９：水素調圧弁
１０：コンプレッサ
１１：冷媒ポンプ
１２：冷媒供給管
１３：冷媒排出管
１４：熱交換器
１５：冷媒制御弁
１６：電熱ヒータ
１７：電源
１８：制御装置
１９：断熱槽
２０：冷媒ポンプ
２１：冷媒供給管
２２：冷媒排出管
２３：熱交換器
【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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