(57)【要約】【課題】  積層されたセルがブラケットにより挟持された燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、セル間の温度差を小さくする。【解決手段】  冷却システム２は、熱媒体をブラケット１１、１２に循環可能に構成されている。セル１０ａ〜１０ｎの温度が設定温度よりも高いとき、すなわち、暖気終了後は熱媒体をブラケット１１、１２に循環させてブラケット１１、１２の温度を高めることにより、積層方向両端に位置するセル１０ａ、１０ｎからブラケット１１、１２への熱移動が抑制され、セル１０ａ〜１０ｎ間の温度差を小さくすることができる。したがって、暖気終了後は全てのセル１０ａ〜１０ｎを運転に適した温度に制御することができる。【選択図】        図１
2005141973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセル（１０ａ〜１０ｎ）が積層されるとともに、前記セルの積層方向の両側に配置されたブラケット（１１、１２）により前記セルが挟持された燃料電池（１）と、
前記セルに熱媒体を循環させて前記セルの温度を制御する温度制御手段（２）とを備える燃料電池システムにおいて、
前記温度制御手段は、前記熱媒体を前記ブラケットに循環可能に構成され、前記セルの温度が設定温度よりも低いときには前記ブラケットへの前記熱媒体の循環を停止させ、前記セルの温度が前記設定温度よりも高いときには前記熱媒体を前記ブラケットに循環させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度制御手段（２）は、前記セル（１０ａ〜１０ｎ）を循環した後の前記熱媒体を前記ブラケット（１１、１２）に循環させ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】
前記温度制御手段（２）は、前記熱媒体の温度が前記ブラケット（１１、１２）の温度よりも低いときには前記ブラケットへの前記熱媒体の循環を停止させることを特徴とする請求項１または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、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池のセルは発電に伴って発熱するため、セルに熱媒体を循環させてセルを冷却し、発電効率が高くなる温度にセルの温度を制御するようにしている。その際、セルの積層方向に沿った流路を熱媒体が逆向きに流れるようにして、積層方向に沿ったセル間の温度差を小さくするようにしたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開７−１４２０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池は、複数のセルが積層されるとともに、セルの積層方向の両側に配置されたブラケットによりセルが挟持されているため、両端部に位置するセルはブラケットに熱が奪われる。したがって、図５に破線で示すように、両端部に位置するセルは積層方向中間部のセルよりも温度が低くなってしまい、セル間の温度差が大きくなってしまうという問題があった。換言すると、全てのセルを運転に適した温度に制御することができないため、両端部に位置するセルは発電効率が低くなる等の問題があった。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、積層されたセルがブラケットにより挟持された燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、セル間の温度差を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数のセル（１０ａ〜１０ｎ）が積層されるとともに、セルの積層方向の両側に配置されたブラケット（１１、１２）によりセルが挟持された燃料電池（１）と、セルに熱媒体を循環させてセルの温度を制御する温度制御手段（２）とを備える燃料電池システムにおいて、温度制御手段は、熱媒体をブラケットに循環可能に構成され、セルの温度が設定温度よりも低いときにはブラケットへの熱媒体の循環を停止させ、セルの温度が設定温度よりも高いときには熱媒体をブラケットに循環させることを特徴とする。
【０００６】
これによると、セルの温度が設定温度よりも高いとき、すなわち、暖気終了後は、熱媒体をブラケットに循環させてブラケットの温度を高めることにより、積層方向両端に位置するセルからブラケットへの熱移動が抑制され、セル間の温度差を小さくすることができる。したがって、暖気終了後は全てのセルを運転に適した温度に制御することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、温度制御手段（２）は、セル（１０ａ〜１０ｎ）を循環した後の熱媒体をブラケット（１１、１２）に循環させることを特徴とする。
【０００８】
これによると、セルを循環した後の熱媒体はセルとの熱交換により温度が高くなっているため、ブラケットの温度をより高めることができ、セル間の温度差を一層小さくすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、温度制御手段（２）は、熱媒体の温度がブラケット（１１、１２）の温度よりも低いときにはブラケットへの熱媒体の循環を停止させることを特徴とする。
【００１０】
これによると、ブラケットから熱媒体への熱移動を防止して、セル間の温度差の拡大を回避することができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１３】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する固体高分子電解質型の燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。燃料電池１は、基本単位となるセル１０ａ〜１０ｎが複数個（ｎ個）積層された積層体として構成されており、各セル１０ａ〜１０ｎは電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００１４】
燃料電池１では、図示しない水素供給装置から水素が供給され、図示しない空気供給装置から空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１５】
（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
積層されたセル１０ａ〜１０ｎの両外側には一対のブラケット１１、１２が配置されており、このブラケット１１、１２を図示しないボルトとナット等により固定することにより、積層されたセル１０ａ〜１０ｎをブラケット１１、１２により挟持している。
【００１６】
燃料電池１では発電の際の化学反応により熱が発生するため、発電効率が高くなる温度（例えば８０℃）に燃料電池１の温度を制御する冷却システム２が設けられている。冷却システム２は、不凍液冷却水等の熱媒体を燃料電池１に循環させて燃料電池１の温度を制御するものであり、冷却システム２は本発明の温度制御手段に相当する。
【００１７】
より詳細には、冷却システム２は、熱媒体を燃料電池１に循環させるための主経路２０、主経路２０に熱媒体を循環させるポンプ２１、熱媒体を冷却するためのラジエータ２２、ラジエータ２２に送風を行うファン２３を備えている。主経路２０を循環する熱媒体は、燃料電池１を構成する各セル１０ａ〜１０ｎを通過するように構成されている。
【００１８】
また、冷却システム２には、熱媒体をブラケット１１、１２に循環させるためのバイパス経路２４が設けられている。バイパス経路２４は、主経路２０における燃料電池１よりも下流側で且つラジエータ２２よりも上流側の部位Ａから分岐して、ブラケット１１、１２内の経路（詳細後述）を通過した後、前述の分岐部位Ａに合流している。
【００１９】
バイパス経路２４は、主経路２０から分岐した後、２つのブラケット１１、１２に熱媒体を循環させるために２つの経路２４ａ、２４ｂに分岐し、ブラケット１１、１２を通過した後、再び１つの経路２４となる。
【００２０】
バイパス経路２４における、分岐部位Ａから２つの経路２４ａ、２４ｂに至るまでの間には、バイパス経路２４を開閉する開閉弁２５が設けられている。また、バイパス経路２４における、ブラケット１１、１２の下流側で１つの経路２４となった部位には、逆止弁２６が設けられている。この逆止弁２６は、開閉弁２５からブラケット１１、１２を通過して分岐部位Ａに戻る熱媒体の流れを許容し、それと逆向きの熱媒体の流れを阻止する。
【００２１】
ここで、ブラケット１１、１２における熱媒体等の流れについて、図２に基づいて説明する。図２は熱媒体流入方向からみて手前側（図１中の左側）に位置する第１のブラケット１１の斜視図である。
【００２２】
図２に示すように、第１のブラケット１１には、バイパス経路２４を循環する熱媒体が通過するブラケット内バイパス経路１１０が平行に複数（本例では３本）形成されている。さらに、第１のブラケット１１には、ポンプ２１の吐出側と接続されて熱媒体が通過するブラケット内主経路入口部１１１と、各セル１０ａ〜１０ｎを通過した熱媒体が流入するブラケット内主経路出口部１１２が形成されている。
【００２３】
第２のブラケット１２は、第１のブラケット１１におけるブラケット内バイパス経路１１０に相当するものが形成され、第１のブラケット１１におけるブラケット内主経路入口部１１１およびブラケット内主経路出口部１１２に相当するものは形成されていない。
【００２４】
次に、各セル１０ａ〜１０ｎにおける熱媒体等の流れについて、図３に基づいて説明する。図３は第１のブラケット１１に隣接する第１のセル１０ａの斜視図であり、第１のセル１０ａには、第１のブラケット１１におけるブラケット内主経路入口部１１１と連通するセル内主経路入口部１００と、第１のブラケット１１におけるブラケット内主経路出口部１１２と連通するセル内主経路出口部１０１とが形成されている。さらに、第１のセル１０ａには、セル内主経路入口部１００とセル内主経路出口部１０１とを連通するセル内連通経路１０２が形成されており、セル内主経路入口部１００に流入した熱媒体は、セル内連通経路１０２を通ってセル内主経路出口部１０１に流れるようになっている。
【００２５】
他のセルも第１のセル１０ａと同様の構成であり、隣接するセルは、セル内主経路入口部１０１同士が連通するとともに、セル内主経路出口部１０２同士が連通するようになっている。
【００２６】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。図１において、燃料電池１に水素および空気の供給を開始すると、燃料電池１が発電を開始する。一方、冷却システム２は、まずポンプ２１が作動を開始する。開閉弁２５によりバイパス経路２４が閉じられている状態では、熱媒体は主経路２０を介して各セル１０ａ〜１０ｎのみに循環される。具体的には、熱媒体は、主経路２０から第１のブラケット１１のブラケット内主経路入口部１１１を通って、各セル１０ａ〜１０ｎのセル内主経路入口部１００に流入し、セル内連通経路１０２を通ってセル内主経路出口部１０１に至り、第１のブラケット１１のブラケット内主経路出口部１１２を通って主経路２０に戻る。
【００２７】
そして、運転開始直後は、発電の際の化学反応により発生する熱により各セル１０ａ〜１０ｎの暖気が行われるとともに、その熱により各セル１０ａ〜１０ｎ内を通過する熱媒体が加熱される。暖気終了後は、ラジエータ２２にて適宜温度に調整された熱媒体により、各セル１０ａ〜１０ｎは発電効率が高くなる温度に制御（冷却）される。
【００２８】
次に、上記した燃料電池システムの運転中に行われるブラケット１１、１２の温度制御について、図４に基づいて説明する。なお、図４は図示しない制御部（ＥＣＵ）にて実行される制御処理のうち、ブラケット１１、１２の温度制御処理の流れ図である。
【００２９】
図４において、燃料電池システムの運転が開始されると、図示しない温度センサによって検出されたセルの温度を読み込む（Ｓ１０１）。なお、このとき読み込む温度は、セル１０ａ〜１０ｎのうち、積層方向中間部に位置するセルの温度（以下、中間部セル温度という）である。
【００３０】
そして、中間部セル温度が設定温度（例えば１０℃）よりも低いときは（Ｓ１０２がＹＥＳ）、ブラケット１１、１２を加熱できるほどには熱媒体の温度が上昇していないと推定されるため、開閉弁２５を閉弁させてブラケット１１、１２への熱媒体の循環を停止させる。
【００３１】
暖気が進んで中間部セル温度が設定温度よりも高くなると（Ｓ１０２がＮＯ）、熱媒体の温度も十分に上昇していると推定されるため、開閉弁２５を開弁させてブラケット１１、１２へ熱媒体を循環させ、ブラケット１１、１２を加熱する。
【００３２】
具体的には、開閉弁２５を開弁させると、分岐部位Ａからバイパス経路２４にも熱媒体が流れるようになり、その熱媒体は、２つの経路２４ａ、２４ｂを通って両ブラケット１１、１２のブラケット内バイパス経路１１０に流入し、ブラケット内バイパス経路１１０を通過後バイパス経路２４および逆止弁２６を通過して分岐部位Ａに戻る。
【００３３】
そして、高温の熱媒体がブラケット１１、１２を循環することによりブラケット１１、１２が加熱され、ブラケット１１、１２の温度が上昇する。これにより、積層方向両端部のセル１０ａ、１０ｎからブラケット１１、１２への熱移動が抑制され、その結果、図５に示すように、セル１０ａ〜１０ｎ間の温度差が小さくなる。したがって、全てのセル１０ａ〜１０ｎを発電効率が高くなる温度に制御することができる。
【００３４】
また、各セル１０ａ〜１０ｎを循環した後で且つラジエータ２２で冷却される前の熱媒体は、各セル１０ａ〜１０ｎとの熱交換により、各セル１０ａ〜１０ｎに流入する時点よりも相対的に温度が高くなっており、その高温になった熱媒体をブラケット１１、１２に循環させるようにしているため、ブラケット１１、１２の温度を効率よく高めることができ、各セル１０ａ〜１０ｎ間の温度差を一層小さくすることができる。
【００３５】
（他の実施形態）
上記実施形態では、中間部セル温度が設定温度よりも高くなるとブラケット１１、１２へ熱媒体を循環させるようにしたが、中間部セル温度が設定温度より高くても、熱媒体の温度がブラケット１１、１２の温度よりも低いときには、ブラケット１１、１２への熱媒体の循環を停止するのが望ましい。これによると、ブラケット１１、１２から熱媒体への熱移動を防止して、各セル１０ａ〜１０ｎ間の温度差の拡大を回避することができる。ただし、熱媒体の温度がブラケット１１、１２の温度より低くても、ブラケット１１、１２の温度が各セル１０ａ〜１０ｎの制御目標温度を超えている場合には、ブラケット１１、１２へ熱媒体を循環させてブラケット１１、１２を冷却するのが望ましい。
【００３６】
また、上記実施形態では、中間部セル温度が設定温度よりも高くなるとブラケット１１、１２へ熱媒体を循環させるようにしたが、中間部セル温度が設定温度よりも高く、且つ熱媒体の温度がブラケット１１、１２の温度よりも高いときにのみ、ブラケット１１、１２へ熱媒体を循環させるようにしてもよい。
【００３７】
また、上記実施形態における逆止弁２６の代わりに、バイパス経路２４を開閉する開閉弁を用いてもよいし、あるいは逆止弁２６とその開閉弁をともに用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態になる燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１のブラケットの斜視図である。
【図３】図１のセルの斜視図である。
【図４】ブラケットの温度制御処理の流れ図である。
【図５】セルの配置位置とセル温度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池、２…冷却システム（温度制御手段）、１０ａ〜１０ｎ…セル、１１、１２…ブラケット。
【図１】
2005141973.tif 000003
【図２】
2005141973.tif 000004
【図３】
2005141973.tif 000005
【図４】
2005141973.tif 000006
【図５】
2005141973.tif 000007