(57)【要約】【課題】この発明は、車両に搭載して用いるうえで好適な燃料電池システムに関し、燃料電池を効率的に保温する状況と、燃料電池を効率的に冷却する状況とを、適宜切り換えることを目的とする。【解決手段】積層された複数の燃料セルを備える燃料セルスタック１２を設ける。燃料セルスタック１２の周囲を覆う熱伝導層１４を設ける。熱伝導層１４の外周に凹凸を設け、凹部の中に熱伝導性の低い低熱伝導層１６を設ける。低熱伝導層１６は、燃料セルスタック１２が通常運転温度に達した際に熱伝導層１４と密着し、燃料セルスタック１２の温度が通常運転温度から室温に向かって低下する過程で、熱収縮により、熱伝導層１４から離間するように、ケース１８に固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の燃料セルを備える燃料セルスタックと、
前記燃料セルスタックの側面を覆う熱伝導層と、
前記熱伝導層の外側に配置され、前記熱伝導層に比して低い熱伝導性を示す低熱伝導層とを備え、
前記低熱伝導層は、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に前記熱伝導層と密着し、前記燃料セルスタックの温度が前記通常運転温度から室温に向かって低下する過程で、前記熱伝導層との間に間隙が形成されるように固定されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料セルスタック、前記熱伝導層、及び前記低熱伝導層を収納するケースを備え、
前記低熱伝導層は、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に前記熱伝導層と密着するように、前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱伝導層は、その周囲に複数の凹部を備え、
前記低熱伝導層は、前記凹部のそれぞれの中に、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に個々の凹部の壁面と密着するように固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱伝導層と、前記低熱伝導層とは、異なる熱膨張特性を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱伝導層は、前記低熱伝導層に比して小さな熱膨張率を示すことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
積層された複数の燃料セルを備える燃料セルスタックと、
前記燃料セルスタックの側面を覆う熱伝導層と、
前記熱伝導層の外側に配置される通気通路閉塞層と、
前記熱伝導層及び前記通気通路閉塞層の更に外側に、それらを覆うように配置され、前記熱伝導層に比して低い熱伝導性を示す保温層と、
前記燃料セルスタックの両端面を覆うように設けられた２つの端面カバーと、
前記燃料セルスタックの両端面における前記通気孔閉塞層の位置に対応するように、前記２つの端面カバーのそれぞれに設けられた通気孔と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記２つの端面カバーを含み、前記燃料セルスタック、前記熱伝導層、前記通気通路閉塞層、及び前記保温層を収納するケースを備え、
前記通気通路閉塞層は、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に前記熱伝導層と密着するように、前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱伝導層は、その周囲に複数の凹部を備え、
前記通気通路閉塞層は、前記凹部のそれぞれの中に、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に個々の凹部の壁面と密着するように固定されていることを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記熱伝導層と、前記通気通路閉塞層とは、異なる熱膨張特性を有することを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記熱伝導層は、前記通気通路閉塞層に比して小さな熱膨張率を示すことを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記通気孔を開閉する制御弁と、
燃料電池システムの急冷条件の成立を判定する急冷条件判定手段と、
前記急冷条件の成立時に、前記制御弁を開弁させる急冷制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項６乃至１０の何れか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両に搭載して用いるうえで好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００４−８７３４４号公報に開示されるように、燃料セルスタックを被覆する断熱性部品を有する燃料電池システムが知られている。燃料電池システムを用いて、コジェネレーション発電システムを実現するような場合は、燃料電池が発電時に発生する熱をエネルギーとして利用することが有効である。従って、このような場合には、燃料電池が発生する熱のロスを如何に低減させるかが重要である。
【０００３】
上述した従来のシステムによれば、燃料セルスタックを断熱性部品で被覆することにより、燃料セルスタックから大気中への放熱料を低減して、システム全体としての熱損失を小さくすることができる。このため、このシステムによれば、効率のよい発電システムを実現することが可能である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８７３４４号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料セルスタックが断熱性部品で被覆されていると、効率の良い発電システムが実現できる他、以下のような利益を得ることができる。すなわち、上述した断熱性部品によれば、燃料電池の停止後に、その保温を図ることができる。燃料電池は、適当な運転温度に達することで適正な発電能力を発揮する。従って、燃料電池の停止後に、その温度が高温のまま維持できれば、再始動時には、早期に適正な発電能力を発揮し得る状態が実現できる。この点、上記従来の燃料電池システムは、再始動時の効率を確保するうえでは有利である。
【０００６】
しかしながら、例えば車両に搭載される燃料電池システムについては、その停止後に、燃料電池の温度を早期に低下させたい要求が生ずることがある。具体的には、例えば、車両を長期間停止状態とするような場合は、燃料電池自体や、その周囲に配置される要素の経時劣化を抑制する意味で、燃料電池の温度は早期に低下させることが望ましい。また、燃料電池のメンテナンス作業を行うような場面でも、燃料電池が急冷できれば便利である。
【０００７】
上記従来のシステムは、燃料セルスタックの保温に着目して構築されたものであり、燃料セルスタックからの放熱を抑えることを主目的としている。このため、上記従来のシステムによっては、上記の要求、つまり、燃料電池の急冷要求に応えることはできなかった。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池を効率的に保温する状況と、燃料電池を効率的に冷却する状況とを、適宜切り換えることの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】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
積層された複数の燃料セルを備える燃料セルスタックと、
前記燃料セルスタックの側面を覆う熱伝導層と、
前記熱伝導層の外側に配置され、前記熱伝導層に比して低い熱伝導性を示す低熱伝導層とを備え、
前記低熱伝導層は、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に前記熱伝導層と密着し、前記燃料セルスタックの温度が前記通常運転温度から室温に向かって低下する過程で、前記熱伝導層との間に間隙が形成されるように固定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記燃料セルスタック、前記熱伝導層、及び前記低熱伝導層を収納するケースを備え、
前記低熱伝導層は、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に前記熱伝導層と密着するように、前記ケースに固定されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記熱伝導層は、その周囲に複数の凹部を備え、
前記低熱伝導層は、前記凹部のそれぞれの中に、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に個々の凹部の壁面と密着するように固定されていることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明において、前記熱伝導層と、前記低熱伝導層とは、異なる熱膨張特性を有することを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第４の発明において、前記熱伝導層は、前記低熱伝導層に比して小さな熱膨張率を示すことを特徴とする。
【００１４】
また、第６の発明は、燃料電池システムにおいて、
積層された複数の燃料セルを備える燃料セルスタックと、
前記燃料セルスタックの側面を覆う熱伝導層と、
前記熱伝導層の外側に配置される通気通路閉塞層と、
前記熱伝導層及び前記通気通路閉塞層の更に外側に、それらを覆うように配置され、前記熱伝導層に比して低い熱伝導性を示す保温層と、
前記燃料セルスタックの両端面を覆うように設けられた２つの端面カバーと、
前記燃料セルスタックの両端面における前記通気孔閉塞層の位置に対応するように、前記２つの端面カバーのそれぞれに設けられた通気孔と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記２つの端面カバーを含み、前記燃料セルスタック、前記熱伝導層、前記通気通路閉塞層、及び前記保温層を収納するケースを備え、
前記通気通路閉塞層は、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に前記熱伝導層と密着するように、前記ケースに固定されていることを特徴とする。
【００１６】
また、第８の発明は、第６又は第７の発明において、
前記熱伝導層は、その周囲に複数の凹部を備え、
前記通気通路閉塞層は、前記凹部のそれぞれの中に、前記燃料セルスタックが通常運転温度に達した際に個々の凹部の壁面と密着するように固定されていることを特徴とする。
【００１７】
また、第９の発明は、第６乃至第８の発明の何れかにおいて、前記熱伝導層と、前記通気通路閉塞層とは、異なる熱膨張特性を有することを特徴とする。
【００１８】
また、第１０の発明は、第９の発明において、前記熱伝導層は、前記通気通路閉塞層に比して小さな熱膨張率を示すことを特徴とする。
【００１９】
また、第１１の発明は、第６乃至第１０の発明の何れかにおいて、
前記通気孔を開閉する制御弁と、
燃料電池システムの急冷条件の成立を判定する急冷条件判定手段と、
前記急冷条件の成立時に、前記制御弁を開弁させる急冷制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明によれば、燃料セルスタックの側面は熱伝導層に覆われている。燃料セルスタックが通常運転温度に達している通常の運転中は、熱伝導層の外側に、低熱伝導層が密着している。この場合、燃料セルスタックからの放熱が抑制され、燃料電池の熱損失が小さく抑えられる。燃料電池が停止し、その温度が低下すると、熱収縮の影響で、熱伝導層と低熱伝導層との間の間隙が生ずる。その結果、燃料セルスタックからの放熱が促進され、燃料電池の急冷が実現される。
【００２１】
第２の発明によれば、低熱伝導層がケースに固定されることにより、通常運転温度下での密着状態と、低温時における非密着状態とを確実に作り出すことができる。
【００２２】
第３の発明によれば、低熱伝導層は、熱伝導層の凹部に勘合するように設けられる。このよう構成によれば、熱伝導層の表面積を大きくし、かつ、低熱伝導層と熱伝導層とが対向する部分の面積を大きくすることができる。このため、本発明によれば、低熱伝導層が熱伝導層に密着している状況下で高い保温性を確保しつつ、低熱伝導層が熱伝導層から離間する状況下で高い放熱性を確保することができる。
【００２３】
第４の発明によれば、熱伝導層及び低熱伝導層の何れか一方が、高い熱膨張特性を示す。高い熱膨張特性を示す一方の層は、燃料セルスタックの温度低下に対して迅速な熱収縮を示す。このため、本発明によれば、熱伝導層及び低熱伝導層の材質に関する自由度を過度に制限することなく、燃料電池の保温を優先する状態から、その冷却を優先する状態への切り換えを迅速に実現することができる。
【００２４】
第５の発明によれば、熱伝導層の膨張・収縮率が小さいため、熱伝導層と燃料セルスタックとの間に作用する密着力の変化を抑制することができる。このため、本発明によれば、燃料セルスタックの側面に作用する力を適正範囲に収めつつ、保温優先状態から冷却優先状態への切り換えを迅速に実現する効果を達成することができる。
【００２５】
第６の発明によれば、通常運転温度下では、通気通路閉塞層が熱伝導層に密着した状態が形成される。この場合、熱伝導層の周囲に通気通路が存在しないため、端面カバーに通気孔が存在していても、燃料セルスタックは、さほど冷却されない。従って、燃料電池において高い保温性が確保される。燃料電池の温度が下がると、通気通路閉塞層が熱伝導層から離れて、両者間に通気通路が形成される。このようにして形成される通気通路は、端面カバーの通気孔と連通する。その結果、燃料セルスタックの周囲に、冷却媒体が流通し得る状態となり、燃料電池の冷却促進状態が形成される。
【００２６】
第７の発明によれば、通気通路閉塞層が、ケース（その一部が端面カバーとなる）に固定されることにより、通常運転温度下での密着状態と、低温時における非密着状態とを確実に作り出すことができる。
【００２７】
第８の発明によれば、通気通路閉塞層は、熱伝導層の凹部に嵌め込まれるように設けられる。このような構成によれば、熱伝導層の表面積を大きくし、かつ、通気通路閉塞層と熱伝導層とが対向する部分の面積を大きくすることができる。このため、本発明によれば、通気通路閉塞層が熱伝導層に密着している状況下で高い保温性を確保しつつ、通気通路閉塞層が熱伝導層から離間する状況下で高い放熱性を確保することができる。
【００２８】
第９の発明によれば、熱伝導層及び通気通路閉塞層の何れか一方が、高い熱膨張特性を示す。高い熱膨張特性を示す一方の層は、燃料セルスタックの温度低下に対して迅速な熱収縮を示す。このため、本発明によれば、熱伝導層及び通気通路閉塞層の材質に関する自由度を過度に制限することなく、燃料電池の保温を優先する状態から、その冷却を優先する状態への切り換えを迅速に実現することができる。
【００２９】
第１０の発明によれば、熱伝導層の膨張・収縮率が小さいため、熱伝導層と燃料セルスタックとの間に作用する密着力の変化を抑制することができる。このため、本発明によれば、燃料セルスタックの側面に作用する力を適正範囲に収めつつ、保温優先状態から冷却優先状態への切り換えを迅速に実現する効果を達成することができる。
【００３０】
第１１の発明によれば、端面カバーに設けられた通気孔を、急冷条件の成立時に限って開くことができる。つまり、本発明によれば、急冷条件の成立時に限って熱伝導層の周囲に通気通路を形成することができる。このため、本発明によれば、燃料電池の停止時において、真にその急冷が求められる場合にのみ、燃料電池の冷却を優先する状態を作り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１０の構成を説明するための斜視断面図である。燃料電池システム１０は、車両に搭載して用いるためのシステムである。このシステムは、燃料セルスタック１２を備えている。燃料セルスタック１２は、積層された複数の燃料セルにより構成されている。図１は、一つの燃料セルの表面に沿って燃料電池システムを切断することで得られる断面図を示している。
【００３２】
燃料セルスタック１２の外側には、燃料セルスタック１２の４つの側面の全てを覆うように熱伝導層１４が設けられている。熱伝導層１４は、熱伝導率が高く、また、熱膨張率が小さい物質で構成される。本実施形態では、熱伝導層１４は、ニッケルにより構成されている。
【００３３】
熱伝導層１４は、その外周側に凹凸を有している。凹部のそれぞれには、低熱伝導層１６が配置されている。低熱伝導層１６は、熱伝導率の低い物質により構成される。本実施形態において、低熱伝導層１６は、アンチモンにより構成される。
【００３４】
燃料セルスタック１２、熱伝導層１４、及び低熱伝導層１６は、ケース１８の中に収納されている。本実施形態において、熱伝導層１４、及び低熱伝導層１６は、ケース１８の内部空間に露出されている。
【００３５】
図２は、低熱伝導層１６の構成を説明するための図である。低熱伝導層１６は、熱膨張部２０と、固定部２２とで構成されている。図２において、熱膨張部２０は、円柱状に表されているが、この形状は説明の便宜のためであり、本実施形態における熱膨張部２０は、現実には、熱伝導層１４の凹部に密着することができるように、四角柱状に形成されているものとする。
【００３６】
低熱伝導層１６の固定部２２は、熱膨張部２０に比して細く、かつ、熱膨張部２０の両側に突出するように形成されている。また、固定部２２と熱膨張部２０は、その中心軸が共通になるように設けられている。低熱伝導層１６は、熱膨張部２０が熱伝導層１４の凹部内に位置し、固定部２２が、熱伝導層１４の長手方向からはみ出すように配置される。そして、低熱伝導層１６の位置は、固定部２２がケース１８に固定されることにより決定される。
【００３７】
燃料セルスタック１２は、発熱を伴って発電を行う。このため、燃料セルスタック１２の温度は、その運転中において、室温に比して十分に高い温度に達する。以下、この温度を「通常運転温度」と称す。本実施形態において、燃料セルスタック１２は、水素分離膜電池（HMFC）により構成されている。このため、通常運転温度は、４００〜４５°Ｃとなる。
【００３８】
燃料セルスタック１２の温度が室温と、通常運転温度との間で変化する過程において、熱伝導層１４及び低熱伝導層１６には、それぞれ熱変形が生ずる。図１は、燃料セルスタック１２が通常運転温度（４００〜４５０°Ｃ）に達している状況下での状態、つまり、熱伝導層１４及び低熱伝導層１６が、それぞれ十分に熱膨張している状況下での状態を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料セルスタック１２が通常運転温度に達した場合に、低熱伝導層１６が熱伝導層１４の凹部内壁に密着するように構成されている。
【００３９】
［実施の形態１の特徴］
図３は、燃料セルスタック１２の温度が、通常運転温度に比して十分に低下した状況下での燃料電池システム１０の状態を説明するための図である。燃料セルスタック１２の温度が低下すると、熱伝導層１４及び低熱伝導層１６の温度が低下し、両者は熱収縮する。低熱伝導層１６は、上述した通りケース１８に固定されている。このため、両者が熱収縮すると、低熱伝導層１６は、熱伝導層１４の凹部から浮き上がった状態となり、両者間に隙間が形成される。
【００４０】
図１に示す状態、つまり、低熱伝導層１６が熱伝導層１４の凹部に密着している状態では、熱伝導層１４の表面の一部（凹部の内壁）が、低熱伝導層１６によって被覆されている。低熱伝導層１６は、熱伝導を妨げ、放熱を妨げる。このため、図１に示す場合、燃料セルスタック１４の発する熱は、主としても、熱伝導層１４の表面のうち、低熱伝導層１６によって被覆されていない部分から放出されることになる。
【００４１】
他方、図３に示す状態、つまり、低熱伝導層１６が熱伝導層１４の凹部から離間している状態では、熱伝導層１４の表面の全てがケース１８内に露出される。このため、この場合においては、燃料セルスタック１４の発する熱が、熱伝導層１４の全表面から放出される。
【００４２】
以上の理由により、図１に示す状態は、図３に示す状態に比して、燃料セルスタック１８の保温に適している。以下、この状態を「保温優先状態」と称す。他方、図３に示す状態は、図１に示す状態に比して、燃料セルスタック１８の冷却に適している。以下、この状態を「冷却優先状態」と称す。
【００４３】
本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料セルスタック１２が４００〜４５０°Ｃの通常運転温度に達することにより、適正な発電能力を発揮する。燃料セルスタック１２は、発電に伴って熱を発生するが、その温度を通常運転温度にまで上昇させ、その後、通常運転温度を維持するためには、燃料セルスタック１２からの放熱を抑え、その保温を図ることが効率的である。従って、燃料電池システム１０の運転中は、保温優先状態が実現されることが望ましい。
【００４４】
他方、燃料電池システム１０を停止させておく場合は、燃料セルスタック１２を高温に維持しておく必要はない。また、種々の構成部材の劣化は、一般的にその部材の置かれた環境が高温であるほど進みやすい。従って、燃料電池システム１０の劣化を抑えるうえでは、システムの停止後速やかに、燃料セルスタック１２の温度は低下させることが望ましい。
【００４５】
更に、燃料電池システム１０に保守・点検・修理等のメンテナンス作業を施す場面では、燃料セルスタック１２の温度が十分に低下していることが必要となる。従って、燃料電池システム１０において良好なメンテナンス性を得るうえでも、システム１０の停止後、燃料セルスタック１２の温度は急低下することが望ましい。このような要求に応えるためには、燃料電池システム１０の停止後に、冷却優先状態を実現することが有効である。
【００４６】
燃料電池システム１０において、再始動時に、燃料セルスタック１２を速やかに通常運転温度に昇温させるためには、システム１０の停止時においても、保温優先状態を維持することが有利である。しかしながら、本実施形態において用いられる水素分離膜電池（HMFC）は、十分な発熱能力を有しているため、システム１０の始動時に、燃料セルスタック１２の温度が十分に低下していたとしても、十分に短い時間でその温度を通常運転温度に上昇させることができる。このため、本実施形態の燃料電池システム１０においては、特に、停止時において冷却優先状態を実現することが有効である。
【００４７】
上述した通り、本実施形態の燃料電池システム１０は、通常運転温度の環境下では、図１に示す状態、つまり、保温優先状態を実現することができる。他方、システム１０が停止して、燃料セルスタック１２の温度が低下してくると、やがては図３に示す状態、つまり、冷却優先状態を実現することができる。このため、本実施形態のシステム１０によれば、運転中における保温の要求、及び停止後における急冷の要求を、共に適切に満たすことができる。
【００４８】
ところで、上述した実施の形態１では、熱伝導層１４をニッケルで構成することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、熱伝導層１４は、熱伝導率が高く、また、熱膨張率が小さい物質で構成されていれば良く、例えば、タングステンやモリブデンで構成することとしてもよい。更に、熱収縮に伴って燃料セルスタック１２に作用する応力が過大にならない限りにおいては、熱膨張率の大きなアルミ等で熱伝導層１４を構成することとしてもよい。この点は、以下に説明する他の実施形態においても同様である。
【００４９】
また、上述した実施の形態１では、低熱伝導層１６を、アンチモンで構成することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、アンチモンは、熱的に安定であり、低い熱膨張率を示す物質であるが、低熱伝導層１６は、低い熱伝導率を有し、かつ、高い熱膨張率を有する樹脂複合体等の物質で構成することとしてもよい。この場合、燃料セルスタック１２の温度低下に伴って、低熱伝導層１６が大きな収縮を示すため、熱伝導層１４と低熱伝導層１６との間に大きな間隙を確保し易い。このため、このような構成によれば、燃料電池の急冷が要求される際に、優れた冷却能力を得ることができる。
【００５０】
また、上述した実施の形態１では、低熱伝導層１４に凹凸を設けたうえで、個々の凹部の中に低熱伝導層１６を配置することとしているが、凹部の中に配置される部材は、必ずしも熱伝導率の小さなものでなくてもよい。すなわち、凹部の中には、低熱伝導層１６に変えて、高い熱伝導率と高い熱膨張率を有するアルミ部材などを配置することとしてもよい。
【００５１】
熱伝導層１４の凹部にアルミ部材が配置された場合、通常の運転温度下では、アルミ部材が熱伝導層１６の凹部に密着し、両者は、外周面に凹凸を有しない一体的な構造物を構成する。この場合、その構造物の表面積が燃料セルスタック１２にとっての放熱面積となる。他方、アルミ部材が熱収縮して熱伝導層１６の凹部から離間すると、熱伝導層１６の表面積が燃料セルスタック１２にとっての放熱面積となる。
【００５２】
熱伝導層１６は、その外周面に凹凸を有している分だけ、上記の構造物に比して、大きな表面積を有する。従って、低熱伝導層１６の代わりにアルミ部材を配置した場合、燃料セルスタック１２にとっての放熱面積は、通常の運転温度下では小さく、低温環境下では大きくなる。このため、このような構成を用いることによっても、実施の形態１のシステムの場合と同様に、燃料電池システム１０の運転中には保温優先の状況を作り出し、かつ、燃料電池システム１０の停止中には冷却優先の状況を作り出すことが可能である。
【００５３】
また、上述した実施の形態１においては、燃料セルスタック１２が、水素分離膜電池（HMFC）に限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、燃料セルスタック１２は、他のタイプの燃料電池により構成されるものであってもよい。この点も、以下に説明する他の実施の形態において同様である。
【００５４】
また、上述した実施の形態１においては、熱伝導層１４の外周面に凹凸を設けて、その凹部の中に低熱伝導層１６を配置することとしているが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。すなわち、熱伝導層１４の外周面を平坦とし、その平坦な面を覆うように低熱伝導層１６を配置することとしてもよい。
【００５５】
実施の形態２．
次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
［実施の形態２の構成］
図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム３０の構成を説明するための斜視断面図である。図４において、図１に示す構成要素と同じ要素については、共通する符号を付して、その説明を省略又は簡略する。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システム３０は、実施の形態１における低熱伝導層１６に代えて、通気通路閉塞層３２を備えている。通気通路閉塞層３２は、低熱伝導層１６と同様に、熱伝導層１４の凹部の中に配置されている。通気通路閉塞層３２は、熱膨張率の大きな物質（熱伝導率は高くても低くてもよい）で構成される。本実施形態では、通気通路閉塞層３２は、アルミや黄銅などにより構成される。
【００５７】
通気通路閉塞層３２は、実施の形態１における低熱伝導層１６と同様に、凹部に収納されるべき熱膨張部と、熱膨張部の両側に突出する固定部とを有しており（図２参照）、その固定部においてケース１８に固定されている。そして、通気通路閉塞層３２は、燃料セルスタック１２が通常運転温度に達した場合に、熱伝導層１４の凹部内壁に密着するように構成されている。
【００５８】
熱伝導層１４及び通気通路閉塞層３２と、ケース１８との間には、保温層３４が設けられている。保温層３４は、熱伝導層１４に比して熱伝導率の低い物質、例えば、アンチモンにより構成されている。保温層３４は、より具体的には、図１に示す状況下で、つまり、燃料セルスタック１２が通常運転温度に達している状況下で、熱伝導層１４、通気通路閉塞層３２、及びケース２０の内壁の全てと密着するように設けられている。
【００５９】
図５は、ケース２０の一端面を示す斜視図である。ケース２０は、図５に示すような端面カバー３６を、その両端面に有している。端面カバー３６には、通気通路閉塞層３２の端面の位置と対応する箇所に、複数の通気孔３８が設けられている。従って、通気通路閉塞層３２の両端面は、通気孔３８を介して、それぞれカバー１８の外部雰囲気に晒されている。
【００６０】
［実施の形態２の特徴］
図６は、燃料セルスタック１２の温度が、通常運転温度に比して十分に低下した状況下での燃料電池システム３０の状態を説明するための図である。燃料セルスタック１２の温度が低下すると、熱伝導層１４、通気通路閉塞層３２、及び保温層３４の温度が低下し、それらが熱収縮する。この際、大きな熱膨張率を有する通気通路閉塞層３２には、特に大きな熱収縮が生ずる。通気通路閉塞層３２は、ケース１８に固定されているため、熱収縮を起こすと、熱伝導層１４の凹部及び保温層３４の双方から浮き上がった状態となる。その結果、図６に示すように、通気通路閉塞層３２の周囲には、燃料セルスタック１２の長手方向に延在する通気通路が形成される。
【００６１】
図４に示す状態、つまり、通気通路閉塞層３２が熱伝導層１４の凹部並びに保温層３２に密着している状態では、燃料セルスタック１２の周囲に、通気通路は存在しない。この場合、通気通路閉塞層３２の両端において通気孔３８が開口していても、燃料セルスタック１２の周囲に冷却媒体（空気）が流通することはない。従って、この場合、燃料セルスタック１２の保温に適した状態、つまり、保温優先状態が実現される。
【００６２】
他方、図６に示すように、通気通路閉塞層３２の周囲に通気通路が形成されると、その通気通路を介して、カバー２０の両側に設けられた通気孔３８が互いに連通した状態となる。この状態によれば、燃料セルスタック１２の周囲に冷却媒体（空気）を流通させることが可能である。従って、図６に示す状態によれば、燃料セルスタック１２の冷却に適した状態、つまり、冷却優先状態が実現される。
【００６３】
以上説明した通り、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、実施の形態１の場合と同様に、通常運転温度の環境下では、保温優先状態を実現し、かつ、システム１０が停止して、燃料セルスタック１２の温度が低下してくると、冷却優先状態を実現することができる。このため、本実施形態のシステム３０によれば、実施の形態１のシステムと同様に、運転中における保温の要求、及び停止後における急冷の要求を、共に適切に満たすことができる。
【００６４】
ところで、上述した実施の形態２においては、通気通路閉塞層３２を、アルミや黄銅で構成することとしているが、その材質はそれらに限定されるものではない。すなわち、通気通路閉塞層３２は、熱伝導層１４の凹部及び保温層３４との間に通気通路を形成し得るものであれば良く、アンチモンのような低熱膨張率、低熱伝導率の部材であっても、ニッケル、タングステン、モリブデンのような低熱膨張率、高熱伝導率の部材であっても、更には、樹脂複合体のような高熱膨張率、低熱伝導率の部材であってもよい。但し、大きな通気通路を確保し易いという意味では、通気通路閉塞層３２は、高熱膨張率の部材で構成することが望ましい。
【００６５】
また、上述した実施の形態２においては、保温層３４を、アンチモンで構成することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、保温層３４は、熱伝導率の低い物質で構成されていればよく、例えば、樹脂複合体などで保温層３４を構成することとしてもよい。
【００６６】
また、上述した実施の形態２においては、熱伝導層１４の外周面に凹凸を設けて、その凹部の中に通気通路閉塞層３２を配置することとしているが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。すなわち、熱伝導層１４の外周面を平坦とし、その平坦な面を覆うよう通気通路閉塞層３２を配置することとしてもよい。
【００６７】
実施の形態３．
次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
［実施の形態３の構成］
図７は、本発明の実施の形態３の燃料電池システム５０の構成を説明するための斜視断面図である。図７に示す構成要素のうち、実施の形態２において既に説明した構成要素については、共通する符号を付して、その説明を省略または簡略する。
【００６８】
本実施形態のシステムは、図７に示すように、それぞれの通気孔３８を閉塞するための制御弁５２を備えている。制御弁５２は、その中心軸を中心として回動することにより、通気孔３８を開閉させることができる。
【００６９】
本実施形態のシステムは、更に、ECU（Electronic Control Unit）６０を備えている。ECU６０には、車両のイグニッションスイッチ（IG）６２、及び急冷要求スイッチ(S/W）６４が接続されている。ECU６０は、それらのスイッチの出力に応じて、制御弁５２を適宜開閉させることができる。
【００７０】
［実施の形態３の動作］
図８は、ECU６０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、車両のIGスイッチ６２がオフとされているかが判別される（ステップ１００）。IGスイッチ６２がオフでない場合は、燃料電池システム５０が作動中であり、保温優先状態を実現すべきと判断できる。この場合は、制御弁５２を開く必要がないため、以後速やかに今回の処理サイクルが終了される。
【００７１】
一方、IGスイッチ６２がオフであると判断された場合は、燃料電池システム５０が停止中であると判断できる。この場合、次に、急冷要求S/W６４がONであるかが判別される（ステップ１０２）。
【００７２】
急冷要求S/W６４は、長期間に渡る停止が予想される場合、或いは、メンテナンス作業が必要な場面などに、マニュアル操作されるべきスイッチである。従って、急冷要求S/W６４がオンとされていない場合は、燃料電池システム５０の急冷が求められていないと判断することができる。このような状況下では、良好な再始動性を得るうえで、燃料電池システム５０の停止後においても、保温優先状態を維持することが望ましい。従って、急冷要求S/W６４がオンでないと判断された場合は、制御弁５２を開くことなく、今回の処理サイクルが終了される。
【００７３】
本実施形態のシステム５０では、制御弁５２が閉じられていれば、通気通路閉塞層１６の周囲に通気通路が形成されても、その通路に冷却媒体（空気）が流通することはない。従って、その通気通路の有無に関わらず、燃料セルスタック１２の保温に適した状態、つまり、保温優先状態が維持される。従って、本実施形態の構成によれば、燃料電池システム５０の急冷が必要でない状況下では、そのシステム５０の停止後においても、保温優先状態を維持することができる。
【００７４】
図８に示すルーチン中、上記ステップ１０２において、急冷要求スイッチ６４がオンであると判断された場合は、燃料電池システム５０の急冷が求められていると判断できる。この場合、次に、制御弁５２が開弁状態とされる（ステップ１０４）。制御弁５２が開くと、通気孔３８が開口し、実施の形態２の場合と同様の状態が実現される。つまり、この状態によれば、燃料セルスタック１２の温度が低下するのに伴って、冷却優先状態が実現される。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池システム５０の急冷が求められる状況下では、確実にその要求を満たすことができる。
【００７５】
ECU６０は、次に、燃料電池システム５０の冷却が完了したか否かを判断する（ステップ１０６）。ここでは、例えば、燃料セルスタック１２の温度が、所定の判定値を下回ったか、或いは、制御弁５２の開弁時間が所定の判定時間に達したかが判定される。そして、それらの判定が肯定されると、冷却完了との判断がなされる。
【００７６】
上記ステップ１０６において、冷却完了の判定が否定された場合は、制御弁５２が開かれたまま今回の処理サイクルが終了される。他方、その判定が肯定されると、制御弁５２が閉弁状態とされる（ステップ１０８）。
【００７７】
以上説明した通り、図８に示すルーチンによれば、燃料電池システム５０の作動中は、常に保温優先状態を実現し、そのシステム５０の停止中は、急冷の要求される場面でのみ、冷却優先状態を実現することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、システム５０の運転中における保温の要求、再始動性の改善に関する要求、並びに、真に必要な場面での急冷の要求を、何れも適切に満たすことができる。
【００７８】
ところで、上述した実施の形態３においては、燃料電池システム５０の急冷要求を、マニュアル操作でECU６０に与えることとしているが、その手法はこれに限定されるものではない。すなわち、急冷要求の有無は、規定の条件の成否に基づいて自動的に判断することとしてもよい。
【００７９】
尚、上述した実施の形態３においては、ECU６０が、ステップ１００及び１０２の処理を実行することにより、前記第１１の発明における「急冷条件判定手段」が、ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１１の発明における「急冷制御手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための斜視断面図である。
【図２】図１に示す低熱伝導層の構造を説明するための図である。
【図３】実施の形態１の燃料電池システムの、低温環境下での状態を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための斜視断面図である。
【図５】図４に示す燃料電池システムの端部の構成を説明するための図である。
【図６】実施の形態２の燃料電池システムの、低温環境下での状態を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態３の燃料電池システムの端部の構成を説明するための斜視断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８１】
１０；３０；５０  燃料電池システム
１２  燃料セルスタック
１４  熱伝導層
１６  低熱伝導層
１８  ケース
３２  通気通路閉塞層
３４  保温層
３６  端面カバー
３８  通気孔
５２  制御弁
６０  ECU（Electronic Control Unit）
【図１】
2007207664.tif 000003
【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】
2007207664.tif 000009
【図８】
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