JP2009193921A - 燃料電池スタック、及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの構成を簡易化可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池スタック５であって、燃料電池セルを複数重ねた積層体１４と、積層体１４の内部に設けられ、積層体１４の各燃料電池セル１３を冷却する冷媒を流す冷媒流路であって、積層された各燃料電池セル１３へ分流される冷媒又は各燃料電池セル１３から合流された冷媒を流す本流部を有する冷媒流路と、を備え、本流部は、積層体１４の表面に配設される被冷却機器に近接する位置に、本流部を流れる冷媒と被冷却機器との間で熱交換が可能なように配設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタック、及び燃料電池システムに関する。

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。

燃料電池から負荷へ電力を供給するにあたり、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電圧を調整する技術がある（例えば、特許文献１を参照）。また、リレー等の電装品を燃料電池のエンドプレートの付近に配置する技術がある（例えば、特許文献２〜４を参照）。また、ダイオードを燃料電池スタック内の冷却器の部位に配置することで電力損を放散する技術がある（例えば、特許文献５を参照）。また、電子部品と燃料電池との間で熱交換を行う技術がある（例えば、特許文献６を参照）。また、電圧コンバータ等の半導体素子を燃料電池スタックの積層体と一体化する技術がある（例えば、特許文献７〜９を参照）。また、暖機中の燃料電池の出力電圧を昇圧し、高電圧で駆動する補機類の動作を安定させる技術がある（例えば、特許文献１０を参照）。
特開２０００−３６３０８号公報 特開２００４−５５３８４号公報 特開２００２−３６２１６５号公報 特開２００７−１２８７５２号公報 特開２００１−３５７８６６号公報 特許第３９１０５５３号公報 特開２００６−３０２６２９号公報 特表２００３−０６５４８７号公報 特開２００６−３３２０２５号公報 特開２００７−１８４２４３号公報

燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うため、反応熱を適切に制御する必要がある。例えば、電気化学反応が起こるように燃料電池を昇温したり、電気化学反応により発熱する燃料電池を冷却したりする必要がある。ここで、システムの構成を簡易化する観点に鑑みれば、システム内外間で熱交換を行う機器類を削減することが好ましい。

本発明は、係る問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの構成を簡易化することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池スタックとその他の機器との間における熱交換を考慮した機器配置をすることにより、燃料電池システムの構成を簡易化することにした。

詳細には、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池スタックであって、前記燃料ガスと前記酸化ガスとを電気化学反応させる燃料電池セルを複数重ねた積層体と、前記積層体の内部に設けられ、該積層体の各燃料電池セルを冷却する冷媒を流す冷媒
流路であって、積層された該各燃料電池セルへ分流される冷媒又は該各燃料電池セルから合流された冷媒を流す本流部を有する冷媒流路と、を備え、前記本流部は、前記積層体の表面に配設される被冷却機器に近接する位置に、該本流部を流れる前記冷媒と該被冷却機器との間で熱交換が可能なように配設される。

燃料電池セルを複数重ねた積層体の各セルは、燃料ガスと酸化ガスとがそれぞれ供給されることにより電気化学反応を生ずる。ここで、上記積層体は、電気化学反応で発熱する各セルを冷却する冷媒を流す冷媒流路を備えている。冷媒流路は、各セルを略均等に冷却するため、冷媒が各セルへ分流される構成となっていることを前提としており、上記本流部は積層体の内部に設けられる流路であって各セルに設けられる流路同士を繋ぐ。よって、本流部には、各セルを流れる冷媒を合わせた量の冷媒が流れる。なお、本流部とは、積層体の内部に設けられた冷媒流路の一部であって、積層された各燃料電池セルへ分流される冷媒又は各燃料電池セルから合流された冷媒が流れる流路であり、例えば、一の流路を複数の流路に分け或いは複数の流路を一の流路にまとめる、いわゆるマニホールドである。本流部は、各燃料電池セルを流れる冷媒を合わせた量の冷媒が流れる故、多くの熱を輸送可能である。なお、本流部は、各燃料電池セルへ分流される前の冷媒が流れる部分のみであってもよいし、各燃料電池セルから合流した後の冷媒が流れる部分のみであってもよいし、これら両方の部分を含むものであってもよい。

ここで、上記燃料電池スタックは、積層体の表面に冷却を必要とする被冷却機器が配設されることを前提とする。被冷却機器とは、動作時に冷熱を必要とする機器であり、例えば、燃料電池システムの一部を構成する電子機器等が挙げられる。上記燃料電池スタックは、積層体の内部に設けられる本流部がこの被冷却機器に近接する位置に設けられており、自身を流れる冷媒と被冷却機器との間で熱交換を行う。これにより、燃料電池スタックの積層体の表面のうち熱交換可能な領域が有効活用され、被冷却機器を冷却する機器の削減によって燃料電池システムの構成を簡素化することが可能となる。

また、前記本流部は、前記積層体の内部を該積層体の積層方向に貫通する流路であって、該積層体の表面のうち積層方向に対する側方の面に配設される前記被冷却機器に近接する位置に配置してもよい。積層された各セルと分流或いは合流する冷媒を流すには、積層体の内部に設けられる本流部が該積層体の積層方向に貫通する流路であることが構造上合理的だからである。これにより、積層体の表面のうち積層方向に対する側方の面が有効活用され、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能となる。

また、前記本流部は、前記被冷却機器に近接する前記積層体の内部の位置であって、該被冷却機器が必要とする量の冷熱を熱交換可能な位置に配設してもよい。燃料電池システムの構成を簡素化する観点から、被冷却機器の冷却を上記冷媒流路を流れる冷媒だけに依存すると、該冷媒流路を流れる冷媒と十分に熱交換できない場合に該被冷却機器が過熱し得る。そこで、本流部の位置を、熱交換量の観点から決定することで該被冷却機器の冷却を補償することが可能になる。

また、本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、前記燃料ガスと前記酸化ガスとを電気化学反応させる燃料電池セルを複数重ねた積層体を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧機器であって、該出力電圧の昇圧に伴い自身に発生する熱を該燃料電池スタックへ熱伝達可能な昇圧機器と、を備え、前記昇圧機器は、前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧することにより、該出力電圧の昇圧に伴い発生する熱で前記積層体を昇温してもよい。

燃料電池システムは、システムの内外間における熱収支量を削減し、システムを構成する機器間における熱の有効利用を図ることがシステム全体の発電効率の向上に繋がる。こ
こで、燃料電池システムは、発電時の状態によって各機器間の熱バランスが変化する。例えば、燃料電池スタックにおける電気化学反応を促進するため、該燃料電池スタックを加熱することが望ましい場合や、燃料電池スタックを保護するため、該燃料電池スタックを冷却することが望ましい場合等がある。

ところで、燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うが、このような電気化学反応を起こすには、燃料電池スタックの温度が電気化学反応に適した温度に保たれる必要がある。例えば、水素と酸素を用いた高分子電解質膜型燃料電池スタックの場合、電解質膜におけるプロトンの移動等を阻害しないようにするため、燃料電池スタックは水の氷点以上の温度に昇温されることが望ましい。一般的に、電気化学反応の反応速度は、温度に大きく依存することが知られており、通常は温度が高くなるにつれて反応速度が早まる。換言すると、電気化学反応により発電する燃料電池は、温度が低くなると反応速度が低下し、電気出力が低下する。ところが、通常、負荷側の要求する電圧は一定であるため、発電を継続するには燃料電池側の電圧を負荷側よりも高い状態に維持する必要がある。そこで、上記燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧機器を備える。

ここで、燃料電池システムは、上述したように、燃料電池スタックが低温の場合、昇圧機器が動作する。また、昇圧機器のような変換機器は、変換損失によって発熱する。そこで、この熱を低温状態にある燃料電池スタックの昇温に活用する。これにより、昇圧機器を冷却する機器を省略し、燃料電池システムの構成の簡素化を実現することが可能になる。

また、前記昇圧機器は、前記燃料電池スタックの温度が定格運転状態における温度よりも低温であり且つ該燃料電池スタックの出力電圧が前記負荷の要求する電圧よりも低い状態において、該燃料電池スタックの出力電圧を昇圧することにより、該出力電圧の昇圧に伴い発生する熱で前記積層体を昇温してもよい。これにより、燃料電子システムの構成の簡素化を実現しつつ、定格運転状態における温度よりも低温状態にある燃料電池スタックを可及的速やかに昇温することが可能となる。

また、前記昇圧機器は、スイッチとコイルとを有し、該スイッチが該コイルに対してスイッチング動作をすることにより生ずる該コイルの逆起電力で前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧機器であって、該スイッチのスイッチング損失により発熱してもよい。コイルを備えたスイッチング方式の昇圧機器の場合、昇圧比はスイッチング周波数に依存する。ここで、スイッチング損失で発生する熱量は、スイッチング周波数の大小に依存するため、換言すると、昇圧比の大小に応じて発熱量が増減する。よって、上記燃料電池システムによれば、昇圧比の増減と必要加熱量の増減とを、スイッチング周波数の増減によって調整することが可能となる。

また、前記昇圧機器は、前記積層体の積層方向における端部に隣接し且つ該端部の燃料電池セルへ熱伝達可能に配設されてもよい。燃料電池セルを積層した積層体の場合、積層方向における端部に位置する燃料電池セルは、隣接する燃料電池セルから伝わる反応熱が少ないため、加熱されにくい。よって、係る部分に昇圧機器が配設された燃料電池システムであれば、積層体を構成する燃料電池セルのうち特に加熱を必要とする端部の燃料電池セルを可及的速やかに昇温することが可能である。

また、前記燃料電池スタックは、前記積層体の各燃料電池セルを冷却する冷媒を流す冷媒流路であって、積層された該各燃料電池セルへ分流される冷媒又は該各燃料電池セルから合流された冷媒を流す本流部を有する冷媒流路を有し、前記スイッチは、前記積層体の表面のうち前記本流部に近接する位置に配設してもよい。これによれば、各セルをスイッ
チング損失により生ずる熱で昇温することが可能であり、積層体を構成する各燃料電池セルを略均等に昇温することが可能となる。

また、前記本流部は、前記積層体の内部を該積層体の積層方向に貫通する流路であり、前記昇圧機器は、前記スイッチと前記コイルとを有する昇圧回路を複数有する複相の昇圧機器であり、複数ある前記スイッチは、前記積層体の表面のうち前記本流部に近接する位置であって、該積層体の積層方向に沿って整列するように配置してもよい。複相型の昇圧機器の場合、各相の電気的特性にばらつきが生じないようにすることが望ましい。よって、各相のスイッチを本流部に沿って配置することにより、各相の昇圧回路を構成するスイッチを略均等に冷却して各相の電気的特性を略同一にすることが可能となる。

燃料電池システムの構成を簡易化することが可能となる。

以下、本願発明の一実施形態に係る燃料電池スタック、及び燃料電池システムについて説明する。

＜実施形態の構成＞
図１は、本願発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。なお、この燃料電池システム１は、本願発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを適用したシステムである。また、この燃料電池システム１は、電動モータを駆動源とする車両２に搭載され、この車両２の駆動モータ（以下、単に「モータ３」という）に電力を供給することを前提とする。車両２は、駆動輪がモータ３によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ３は、いわゆる三相交流モータであり、インバータ４から交流電力の供給を受けて動作する。このインバータ４は、燃料電池システム１のメイン電力源である燃料電池５と二次電池であるバッテリ６とから供給される直流電力を交流電力へ変換し、モータ３へ供給する。

なお、燃料電池システム１は、移動体である車両２に搭載され、この車両２のモータ３へ電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の移動体、或いは移動しない電力消費機器に対しても適用可能である。

ここで、燃料電池５は、水素タンク７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行う。燃料電池５とインバータ４との間には、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣ昇圧コンバータ９が電気的に接続されている。これにより、燃料電池５から出力された電力の電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ９によって任意の電圧に昇圧され、インバータ４に印加される。ＦＣ昇圧コンバータ９の詳細な構成については、後述する。また、バッテリ６は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ６とインバータ４との間に該インバータ４に対して上記ＦＣ昇圧コンバータ９と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１０が電気的に接続されている。これにより、バッテリ６から出力された電力の電圧は、バッテリ昇圧コンバータ１０によって任意の電圧に昇圧され、インバータ４に印加される。尚、図１中に示すように、燃料電池システム１においては、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１０に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主にバッテリ昇圧コンバータ１０を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。

なお、燃料電池５には、電気化学反応に伴い生ずる反応熱を除去するための冷却装置２
２が設けられている。冷却装置２２は、冷媒を空気で冷却するクーラを有しており、クーラと燃料電池５との間で冷媒である水（ＬＬＣ）を循環させる冷媒配管が設けられている。冷媒配管には冷媒を循環させるためのポンプが設けられており、また、クーラには、ＬＬＣの温度に応じて発停する冷却ファンが設けられている。冷却装置２２は、燃料電池システム１が動作中、冷媒を常に循環させることで燃料電池５を冷却する。なお、冷媒である水はいわゆる不凍液である。

車両２には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ１１」という。）が備えられる。ＥＣＵ１１は、上述した各制御対象と電気的に接続されており、システムを構成する各機器を制御する。例えば、車両２には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ１２によって検出され、その検出信号がＥＣＵ１１に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ１１は、モータ３の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ１１でモータ３の回転数が検出される。ＥＣＵ１１は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。

このように構成される燃料電池システム１では、車両２のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ１２によって検出され、ＥＣＵ１１がそのアクセル開度とモータ３の回転数等に基づいて、燃料電池５の発電量やバッテリ６からの充放電量が適宜制御される。ここで、移動体である車両２の燃費を向上させるために、モータ３が高電圧低電流仕様のＰＭモータとなっている。従って、モータ３は、低電流で高トルクを発揮することが可能となるため、モータ内部の巻線やその他の配線での発熱を軽減することが可能となり、またインバータ４の定格出力を小さくすることが可能となる。具体的には、モータ３では低電流で比較的大きなトルク出力を可能とするためにその逆起電圧が比較的高く設定される一方で、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆動が可能となるように、燃料電池システム１からの供給電圧が高く設定される。このとき、燃料電池５とインバータ４の間にＦＣ昇圧コンバータ９を設け、バッテリ６とインバータ４との間にもバッテリ昇圧コンバータ１０を設けることで、インバータ４への供給電圧の高電圧化が図られる。

このように燃料電池システム１を、ＦＣ昇圧コンバータ９を含む構成とすることで、燃料電池５自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、ＦＣ昇圧コンバータ９の昇圧動作によりモータ３を駆動することが可能となる。これにより、燃料電池５のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両２の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。

ここで、ＦＣ昇圧コンバータ９の電気回路の特徴について簡単に説明する。図２は、ＦＣ昇圧コンバータ９の回路図である。なお、図２は、ＦＣ昇圧コンバータ９を中心として、燃料電池システム１の電気的構成を示しているが、説明を簡便にするため、バッテリ６およびバッテリ昇圧コンバータ１０の記載は省略している。

ＦＣ昇圧コンバータ９は、スイッチ素子Ｓ１のスイッチ動作により、コイルＬ１に蓄えられたエネルギをモータ３側（インバータ４側）にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池５の出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池５の高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、該スイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のアノード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。

ここで、スイッチ素子Ｓ１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、いわゆるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、大電力を高速スイッチング可能な半導
体素子である。スイッチ素子Ｓ１は、スイッチング周波数等に比例して発熱量が変化し、また、冷却を必要とするが、コイルＬ１よりも耐熱温度は高いものとする。また、コンデンサＣ３は、昇圧した電力の電圧変動を抑える平滑コンデンサとして機能する。また、ダイオードＤ５は、ＳＩＣダイオード（SIC: Silicon Carbide）であり、スイッチ素子Ｓ１やコイルＬ１よりも耐熱温度が高いものとする。

このように構成されるＦＣ昇圧コンバータ９は、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を調整することで、ＦＣ昇圧コンバータ９による昇圧比、即ちＦＣ昇圧コンバータ９に入力される燃料電池５の出力電圧に対する、インバータ４にかけられるＦＣ昇圧コンバータ９の出力電圧の比が制御される。

次に、燃料電池５について説明する。図３は燃料電池５の上面図であり、図４は燃料電池５の斜視図である。図３及び図４に示すように、燃料電池５は、移動媒体に適する高分子電解質形の燃料電池スタックであり、複数の燃料電池セル１３を積層した積層体１４を備える。積層体１４は、その両端にあるエンドセル１５が図示しないテンションプレートで挟持されており、各セルに積層方向の締結力が加わるように構成される。積層体１４の一端側にあるエンドセル１５には、積層体１４の内部に冷媒や燃料ガス、酸化ガスを供給するための配管の接続口が設けられている。燃料ガスを受け入れる接続口の上流側には水素タンク７が接続され、酸化ガスを受け入れる接続口の上流側にはコンプレッサ８が接続される。また、冷媒配管の接続口には冷却装置２２の冷媒循環配管が接続される。

図５は、燃料電池５の分解斜視図である。図５に示すように、燃料電池５は、燃料電池セル１３を複数積層するように構成されている。燃料電池セル１３は、高分子電解質膜を触媒電極層やガス拡散層膜で挟持するように接合した膜電極接合体（以下、ＭＥＡ１６という）、及びセパレータ１７で構成される。高分子電解質膜は、ポリフルオロカーボンなどの固体の高分子を主鎖とし、電荷を運ぶためにスルホン基やカルボン酸基などの側鎖を付けたイオン交換能を有する導電性の物質で構成される。また、触媒電極膜は、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンブラック等で構成される。ＭＥＡ１６は、ガス拡散層膜に燃料ガスおよび酸化ガスが供給されることで電気化学反応を起こし、両電極間に電位差を発生させる。燃料電池セル１３のセパレータ１７は、３種類で構成されており、陰極側の面に冷媒を流す凹部を有し且つ陽極側の面に燃料ガスを流す凹部１８Ｈを有する第一セパレータ１７Ａ、陰極側の面に酸化ガスを流す凹部を有し且つ陽極側の面に燃料ガスを流す凹部１８Ｈを有する第二セパレータ１７Ｂ、及び陰極側の面に酸化ガスを流す凹部を有し且つ陽極側の面に冷媒を流す凹部１８Ｌを有する第三セパレータ１７Ｃで構成される。燃料電池セル１３は、第一セパレータ１７Ａ、ＭＥＡ１６、第二セパレータ１７Ｂ、ＭＥＡ１６、及び第三セパレータ１７Ｃを重ねることで単一のセルを構成している。セパレータ１７Ａ，Ｂ，Ｃには、陽極側のエンドセル１５の配管と連通されることで燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒を流すための孔１９Ｈ，Ｏ，Ｌがそれぞれ設けられている。セパレータ１７Ａ，Ｂ，Ｃの各孔１９Ｌが一致するように多数のＭＥＡ１６が積層されることで、本願発明でいう本流部に相当する冷媒流路が形成される。なお、以下、孔１９Ｌで構成される冷媒流路の本流部のうち、孔１９Ｌ（Ｈ）で構成される上流側の本流部を上流側マニホールド２０（積層された各燃料電池セルへ分流される冷媒を流す分流部であり、本発明でいう本流部の一部または全部に相当する）といい、孔１９Ｌ（Ｌ）で構成される下流側の本流部を下流側マニホールド２１（積層された各燃料電池セルから合流された冷媒を流す合流部であり、本発明でいう本流部の一部または全部に相当する）という。上流側マニホールド２０では、接続配管から流れる冷媒が各セパレータ１７の凹部１８Ｌへ分配され、下流側マニホールド２１では、各セパレータ１７の凹部１８Ｌへ分配された冷媒が合流する。

図６は、上流側マニホールド２０、凹部１８Ｌ、及び下流側マニホールド２１を流れる冷媒の流れを示す燃料電池５の透過上面図であり、図７は透過斜視図である。図６、及び
図７が示すように、冷媒は、積層体１４の表面付近を通りながら各セパレータ１７の凹部１８Ｌへ分流され、再び積層体１４の表面付近で合流する。よって、積層体１４の表面のうち、上流側マニホールド２０の付近が最も冷却されやすく、下流側マニホールド２１の付近がもっとも冷却されにくくなる。

ここで、上記ＦＣ昇圧コンバータ９を構成する電子素子は、コイルＬ１が最も冷熱を必要とし、次いでスイッチ素子Ｓ１、ダイオードＤ５の順に冷熱を必要とすることは上述した通りである。また、スイッチ素子Ｓ１がスイッチング周波数に比例して発熱量が変化することも上述した通りである。そこで、本実施形態に係る燃料電池５は、積層体１４の表面のうち、上流側マニホールド２０に近接する位置（図３の冷却位置Ａ）にコイルＬ１を配設し、スイッチ素子Ｓ１をエンドセル（図３の冷却位置Ｂ，Ｂ’）、ダイオードＤ５を下流側マニホールド２１に近接する位置（図３の冷却位置Ｃ）に配設している。コイルＬ１、スイッチ素子Ｓ１、及びダイオードＤ５は、熱伝導性を有し且つ電気絶縁性を有する材料によって積層体１４とそれぞれ接合されており、ＦＣ昇圧コンバータ９の全ての動作領域において積層体１４の内部を流れる冷媒により耐熱温度以下に冷却されるように構成されている。被冷却機器であるコイルＬ１、スイッチ素子Ｓ１、及びダイオードＤ５は、積層体表面の温度分布に応じてこのように適切な位置にそれぞれ配設されることにより、冷媒の冷熱を効率的に享受することが可能になる。

＜実施形態の動作フロー＞
次に、燃料電池５の制御について説明する。図８は、燃料電池５の制御フロー図である。以下、図８の制御フロー図を参照しつつ、燃料電池５の制御フローについて説明する。

（ステップＳ１０１：発電モード判定）燃料電池システム１が起動されると、ＥＣＵ１１は、燃料電池５に取り付けられた図示しない温度センサにより燃料電池５の昇温が必要であるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ１１は、燃料電池５の温度がメモリ等に予め設定されている既定の温度（以下、Ｔｃという）以上であれば通常発電モードで発電を行い（Ｓ１０２の処理を実行し）、燃料電池５の温度がＴｃ未満であれば低効率発電モードで発電を行う（Ｓ１０３の処理を実行する）。ここで、既定の温度（Ｔｃ）は、燃料電池５に燃料ガスおよび酸化ガスを送気した場合に、該燃料電池５が発電開始直後から定格出力で発電できる状態であるか否かにより決定される燃料電池５の温度の値であり、例えば、燃料電池５の中に残留している生成水が凍結する温度（０℃或いはそれ以下の温度）である。なお、ＥＣＵ１１は、燃料電池５に取り付けられた温度センサで発電モードを判定してもよいが、外気温度や冷媒温度等で判定してもよい。また、燃料電池システム１の動作中、ＥＣＵ１１は、本ステップＳ１０１の判定処理を繰り返し実行しており、発電中の燃料電池５の温度がＴｃ以上の温度（例えば１０℃）に上がった場合、発電モードをステップＳ１０３からステップＳ１０２へ切り替える。

（ステップＳ１０２：通常発電モード）ステップＳ１０１の処理で通常発電モードを選択したＥＣＵ１１は、以下の処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ１１は、水素タンク７やコンプレッサ８を制御して燃料ガスである水素や酸化ガスである酸素を燃料電池５へ供給する。なお、燃料電池５へ供給する燃料ガスおよび酸化ガスの流量は、アクセルペダルセンサ１２によって検知される要求トルク、バッテリ６の入出力電流、モータ３の消費電流等に基づいて算出される要求発電量に応じて決定される。すなわち、ＥＣＵ１１に予め記憶されている燃料電池５の運転モデルから要求発電量に対する消費水素量や消費酸素量を決定し、決定した量の水素および酸素が燃料電池５へ供給されるように水素タンク７の出口弁の開度やコンプレッサ８の回転数を制御する。これにより、燃料電池５で水素と酸素の電気化学反応が始まり、発電が開始される。

（ステップＳ１０３：低効率発電モード）ステップＳ１０１の処理で低効率発電モード
を選択したＥＣＵ１１は、以下の処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ１１は、水素タンク７やコンプレッサ８を制御して燃料ガスである水素や酸化ガスである酸素を燃料電池５へ供給するが、このとき供給する両ガスの割合を変えることで燃料電池５の発電効率を低下させる。すなわち、ＥＣＵ１１は、燃料電池５の運転モデルから要求発電量に対する消費水素量や消費酸素量を決定し、決定したパラメータを補正して酸化ガスに対する燃料ガスの割合を上述したステップＳ１０２の通常発電モードの時よりも低くする。これにより、燃料電池５では酸化ガスに対し燃料ガスが不足した状態となってシステム全体の発電効率が低下し、低効率の発電によって増加する燃料電池５や補機類の余熱によって燃料電池５の加熱が促進され、燃料電池５が速やかに昇温される。

以上、燃料電池システム１が起動されることにより上記ステップＳ１０１からステップＳ１０３の処理が繰り返し実行され、発電が継続される。

次に、燃料電池システム１のＦＣ昇圧コンバータ９の制御について説明する。図９は、ＦＣ昇圧コンバータ９の制御フロー図である。以下、図９の制御フローに沿って燃料電池システム１の動作を説明する。本ＦＣ昇圧コンバータ９の制御フローは、上述した燃料電池５の制御と並行して実行される。

（ステップＳ２０１）ＥＣＵ１１は、エンコーダによって検出されたモータ３の実際の回転数に対応する、該モータ３が最大出力し得る最大トルクを算出する。具体的には、モータ３の回転数とそれに対応した最大トルクとが関連付けられているマップをＥＣＵ１１が有しており、検出された回転数に従って該マップにアクセスすることでモータ３の最大トルクが算出される。ＥＣＵ１１は、本ステップＳ２０１の処理を終了すると、Ｓ２０２の処理を実行する。

（ステップＳ２０２）ＥＣＵ１１は、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に基づいて、モータ３に出力要求されている要求トルクを算出する。アクセルペダルの全開が、モータ３の現時点での回転数における最大トルクを要求していると定義すると、全開時の係数を１００％、全閉時の係数を０％として、以下の式に従って要求トルクが算出される。ＥＣＵ１１は、本ステップＳ２０２の処理を終了すると、Ｓ２０３の処理を実行する。
（要求トルク）＝（上記最大トルク）×（アクセルペダルの開度に応じた係数）

（ステップＳ２０３）ＥＣＵ１１は、Ｓ２０１とＳ２０２での算出結果に基づいて、モータ３に要求されている出力である要求出力を、以下の式に従って算出する。ＥＣＵ１１は、本ステップＳ２０３の処理を終了すると、Ｓ２０４の処理を実行する。
（要求出力）＝（要求トルク）×（モータの回転数）

（ステップＳ２０４）ＥＣＵ１１は、Ｓ２０３で算出した要求出力とモータ３の回転数に基づいて、必要な電力がモータ３に供給されるように、インバータ４に印加されるべき電圧であるモータ必要電圧（Ｖｍｏｔ）を算出する。具体的には、ＥＣＵ１１は、モータ３の回転数（ｒｐｍ）と上記要求出力（Ｐ）で形成される関数Ｆと、モータ必要電圧とが関連付けられているモータ必要電圧マップを有しており、モータの回転数と要求出力とに従ってこのマップにアクセスすることでモータ必要電圧を算出する。モータ必要電圧マップは、実験等によって予め決定され得るもので、その一例としては、モータ３の回転数が高くなるに従いその逆起電圧が高くなるため要求電圧値は高くなるべきであり、要求出力が高くなるとその出力をより少ない電流で達成するために要求電圧値は高くなるべきであるので、これらの点が関数Ｆとモータ必要電圧との相関に反映されている。ＥＣＵ１１は、Ｓ２０４の処理を終了すると、Ｓ２０５の処理を実行する。

（ステップＳ２０５）ＥＣＵ１１は、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に従って発電が行われている燃料電池５の出力電圧（Ｖｆｃ）を検出する。この検出は、図示されない電圧センサを介して行われる。

（ステップＳ２０６）ステップＳ２０５の処理が終了すると、ＥＣＵ１１は、Ｓ２０４で算出したモータ必要電圧を、Ｓ２０５で検出した燃料電池５の出力電圧で除して昇圧比Ｒｔ（＝Ｖｍｏｔ／Ｖｆｃ）を算出する。

（ステップＳ２０７）ＥＣＵ１１は、ＦＣ昇圧コンバータ９の動作が必要か否かを判定する。即ち、ＥＣＵ１１は、上記Ｓ２０６の処理において算出された昇圧比Ｒｔが１以上であれば、燃料電池５の出力電力を昇圧させる必要があると判定し、Ｓ２０８の処理を実行する。一方、ＥＣＵ１１は、上記Ｓ２０６の処理において算出された昇圧費Ｒｔが１未満であれば燃料電池５の出力電圧を昇圧させる必要は無いと判定し、Ｓ２０９の処理を実行する。

ここで、本ステップＳ２０７の判定処理について詳述する。図１０Ａは、モータ必要電圧（Ｖｍｏｔ）と燃料電池５の出力電圧（Ｖｆｃ）とを、車両の速度に応じて示した相関図である。図１０ＡのＶｍｏｔで示すように、モータ３の逆起電圧は車両２の速度が上昇していくに従い増加していくため、モータ必要電圧も車両速度の増加とともに増加していく。ここで、燃料電池５の出力電圧Ｖｆｃとモータ必要電圧Ｖｍｏｔとの相関において、Ｖｆｃが、車両２の全ての速度領域におけるＶｍｏｔよりも高くなるようにシステム構成することが考えられるが、この場合、燃料電池５の体格増大等を招くため、本実施形態ではＦＣ昇圧コンバータ９を設けることで燃料電池５の出力電圧とモータ３の要求電圧との調整を図っている。すなわち、このように設計された燃料電池システム１では、車両２の速度がＶＳ０に至るまでの間は、燃料電池５からの出力電圧が、モータ３を駆動するためのモータ必要電圧よりも高いため、ＦＣ昇圧コンバータ９の昇圧動作が無くとも燃料電池５からの直接の出力電圧によって該モータ３を駆動することが可能となる。換言すると、この条件下では、ＦＣ昇圧コンバータ９によるスイッチング動作を停止させて、燃料電池５からの出力電圧をインバータ４に印加することで、モータ３の駆動を確保できることになる。一方、車両２の車両速度がＶＳ０以上となると、逆にモータ３を駆動するためのモータ必要電圧が、燃料電池５からの出力電圧よりも高くなるため、ＦＣ昇圧コンバータ９による昇圧動作が必要となる。なお、図１０Ａにおいて、ＦＣ昇圧コンバータ９による昇圧動作が必要な領域をハッチングで示す。以上が、本ステップＳ２０７における判定処理の内容である。

（ステップＳ２０８）ＥＣＵ１１は、Ｓ２０７で肯定判定した場合、ＦＣ昇圧コンバータ９を作動させて燃料電池５の出力電力を昇圧し、昇圧した電力をインバータ４に印加させる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ９のスイッチ素子Ｓ１やコイルＬ１、ダイオードＤ５に電流が流れ、スイッチング損失等により発熱する。

ところで、本ステップＳ２０８が実行される速度領域を図１０Ａの相関図において示したが、図１０Ａの相関図は燃料電池５が定格出力で発電している場合の相関関係を示しており、燃料電池５が定格出力に満たない運転状態の場合、燃料電池５の出力電圧とモータ要求電圧との相関関係は変わる。例えば、車両２が極寒冷地等にある場合、起動直後の燃料電池５の燃料電池セルが凍結等していることにより燃料電池５の出力電圧が下がり、図１０Ｂの相関図に示すような関係になる場合がある。燃料電池５が低温の場合、上述したように低効率発電モード（Ｓ１０３）で制御されることにより燃料電池５の昇温が促進されるわけであるが、昇温が完了するまでは図１０Ｂに示すように、燃料電池５の出力電圧が低い状態が続く。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１は、ＦＣ昇圧コンバータ９のスイッチ素子Ｓ１やダイオードＤ５、コイルＬ１が燃料電池５の積層体１４の表面に熱交換可能に取り付けられている。よって、ＦＣ昇圧コンバータ９の動作により燃料電池５の積層体１４が加熱される。図１１は、燃料電池５の発熱状態を示す図である。図１１に示すように、低温状態にある燃料電池５の積層体１４がＦＣ昇圧コンバータ９の熱により加熱される。特に、隣接するセルからの入熱が少ない端部セル付近がスイッチ素子Ｓ１のスイッチング損失による発熱で効率的に加熱される。また、上流側マニホールド２０の付近に配設されるコイルＬ１の発熱により各燃料電池セル１３が加熱され、燃料電池５の積層体１４が図１２に示すように全体的に加熱される。これにより、燃料電池５の昇温が促進され、定格出力運転への移行が速やかに完了する。なお、低効率発電モードから通常発電モードへの発電モードの変更処理は、図９に示す処理フローと並行して実行される図８の処理フローのＳ１０１の条件分岐において適宜為される。

（ステップＳ２０９）一方、ＥＣＵ１１は、Ｓ２０７で否定判定した場合、ＦＣ昇圧コンバータ９を停止し、燃料電池５からの出力電圧をインバータ４に直接印加させる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ９のスイッチ素子Ｓ１やコイルＬ１、ダイオードＤ５の発熱が止まる。ＦＣ昇圧コンバータ９の停止により、燃料電池５の発熱領域は図１３に示すように積層体１４だけとなる。

なお、上記Ｓ２０１からＳ２０９の処理の説明においては、説明の簡便化のため、燃料電池５とモータ３との相関にのみ着目して説明したが、本燃料電池システム１は、モータ３に対してバッテリ６からの電力供給も可能である。バッテリ６から電力供給される場合は、バッテリ６からの出力電圧がバッテリ昇圧コンバータ１０によって昇圧された上で、インバータ４に印加されることになる。ここで、バッテリ昇圧コンバータ１０は、いわゆる昇圧コンバータであるため、バッテリ６からインバータ４に電力供給を行うためには、バッテリ昇圧コンバータ１０の出口電圧（インバータ４側の電圧であり、ＦＣ昇圧コンバータ９の出口電圧と同等）が、その入口電圧（バッテリ６側の電圧）と比較して同じか、又はより高い状態でなければならない。

＜実施形態の効果＞
以上、本実施形態によれば、ＦＣ昇圧コンバータのような発熱機器の熱を、燃料電池の中を流れる冷媒で冷却しているため、これら発熱機器に冷却フィンや冷却ファンといった専用の冷却装置を設ける必要がなくなり、システムの簡易化を実現し得る。また、燃料電池が低温であることにより昇温、及び出力電力の昇圧を必要とする場合において、ＦＣ昇圧コンバータの熱を利用することで昇温と昇圧とを兼用させることにより極めて効率的な熱エネルギの利用を図ることが可能となり、熱エネルギの有効利用によって燃費の改善等が図られる。

＜変形例＞
なお、上述した実施形態においては、燃料電池５の出力電力を昇圧型のコンバータで昇圧していたが、昇圧動作および降圧動作の両方を実行可能な昇降圧型コンバータを採用できることはいうまでもない。また、上記実施形態においては、スイッチ素子Ｓ１を冷却位置Ｂ，Ｂ’に配置等しているが、これらの機器はこのようなレイアウトに限定されるものでなく、素子の耐熱温度等に応じて適宜レイアウトすることが可能である。例えば、ＦＣ昇圧コンバータ９のスイッチＳ１を冷却位置Ａ等に配置してもよい。スイッチＳ１を配置すれば低温状態にある燃料電池５の各燃料電池セル１３を均等に加熱することが可能である。また、上記実施形態では、燃料電池５の積層体１４に配設される被冷却機器として昇圧コンバータを例示しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、昇圧コンバータ以外の被冷却機器であってもよい。なお、燃料電池５の積層体１４は、積層方向における両端部分が図１４に示すようにテンションプレートで挟持されているので、冷却位置Ｂ，
Ｂ’に被冷却機器を取り付ける際は積層体１４との間で熱交換可能なようにするため、エンドセルとテンションプレートとの間に被冷却機器が配置されるようにする。

また、上記実施形態では、単相の昇圧コンバータを例示したが、本発明はこれに限定されるものでなく、燃料電池の出力電力やモータの要求電力、要求周波数等に応じて複相の昇圧コンバータを適宜採用し、上記実施形態に適用することも可能である。図１５において、３相型の昇圧コンバータを採用し、燃料電池５の積層体１４に取り付けた場合の斜視図を示す。図１５において示すように、燃料電池５の陽極と電気的に接続されるバスバーにダイオードＤ５等の耐熱性の高い部品を取り付け、燃料電池５の陰極と電気的に接続されるバスバーにコイルＬ１やスイッチ素子Ｓ１等の耐熱性の低い部品を取り付ける。陽極と接続されるバスバーの近傍には下流側マニホールド２１が配設され、陰極と接続されるバスバーの近傍には上流側マニホールド２０が配設される。なお、図面を簡素化するため、図１５に示す変形例は、冷媒配管の接続口の位置を上記実施形態のものと変更しているが、この位置は適宜変更し得る。各相のスイッチング素子等をこのように燃料電池５の積層体１４との相対距離が略同一になるように配列することで素子の温度が各相毎にバラつくことがなくなり、また、燃料電池５から離れた位置にスイッチング素子を配列する場合に比べ、燃料電池５とＦＣ昇圧コンバータ９との間の電気経路の距離を短くすることが可能となる。昇圧前の電力は昇圧後の電力よりも大電流であるため、燃料電池５とＦＣ昇圧コンバータ９とを繋ぐ電路を短くすることで電路の電気抵抗による損失を最小限に抑えることが可能となる。また、各相のスイッチング素子等が極めて近接した位置に並列に配置されるので各相の昇圧回路のスイッチングのズレ等が小さくなり、良好な波形の昇圧電力を給電することが可能になる。

燃料電池システムの構成図。 ＦＣ昇圧コンバータの回路図。 燃料電池の上面図。 燃料電池の斜視図。 燃料電池の分解斜視図。 燃料電池の冷媒の流れを示す透過上面図。 燃料電池の冷媒の流れを示す透過斜視図。 発電モードの制御フロー図。 ＦＣ昇圧コンバータの制御フロー図。 ＦＣ昇圧コンバータの動作を説明するグラフ。 ＦＣ昇圧コンバータの動作を説明するグラフ。 燃料電池の発熱状態を示す図。 燃料電池の発熱状態を示す図。 燃料電池の発熱状態を示す図。 変形例に係る燃料電池の上面図。 変形例に係る燃料電池の外観斜視図。

符号の説明

１・・・燃料電池システム
２・・・車両
３・・・モータ
４・・・インバータ
５・・・燃料電池
６・・・バッテリ
７・・・水素タンク
８・・・コンプレッサ
９・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１０・・・バッテリ昇圧コンバータ
１１・・・ＥＣＵ
１２・・・アクセルペダルセンサ
１３・・・燃料電池セル
１４・・・積層体
１５・・・エンドセル
１６・・・ＭＥＡ
１７・・・セパレータ
１８・・・凹部
１９・・・孔
２０・・・上流側マニホールド
２１・・・下流側マニホールド
２２・・・冷却装置

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池スタックであって、
   前記燃料ガスと前記酸化ガスとを電気化学反応させる燃料電池セルを複数重ねた積層体と、
   前記積層体の内部に設けられ、該積層体の各燃料電池セルを冷却する冷媒を流す冷媒流路であって、積層された該各燃料電池セルへ分流される冷媒又は該各燃料電池セルから合流された冷媒を流す本流部を有する冷媒流路と、を備え、
   前記本流部は、前記積層体の表面に配設される被冷却機器に近接する位置に、該本流部を流れる前記冷媒と該被冷却機器との間で熱交換が可能なように配設される、
   燃料電池スタック。
2. 前記本流部は、前記積層体の内部を該積層体の積層方向に貫通する流路であって、該積層体の表面のうち積層方向に対する側方の面に配設される前記被冷却機器に近接する位置に配置される、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記本流部は、前記被冷却機器に近接する前記積層体の内部の位置であって、該被冷却機器が必要とする量の冷熱を熱交換可能な位置に配設される、
   請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料ガスと前記酸化ガスとを電気化学反応させる燃料電池セルを複数重ねた積層体を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧機器であって、該出力電圧の昇圧に伴い自身に発生する熱を該燃料電池スタックへ熱伝達可能な昇圧機器と、を備え、
   前記昇圧機器は、前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧することにより、該出力電圧の昇圧に伴い発生する熱で前記積層体を昇温する、
   燃料電池システム。
5. 前記昇圧機器は、前記燃料電池スタックの温度が定格運転状態における温度よりも低温であり且つ該燃料電池スタックの出力電圧が前記負荷の要求する電圧よりも低い状態において、該燃料電池スタックの出力電圧を昇圧することにより、該出力電圧の昇圧に伴い発生する熱で前記積層体を昇温する、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記昇圧機器は、スイッチとコイルとを有し、該スイッチが該コイルに対してスイッチング動作をすることにより生ずる該コイルの逆起電力で前記燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧機器であって、該スイッチのスイッチング損失により発熱する、
   請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記昇圧機器は、前記積層体の積層方向における端部に隣接し且つ該端部の燃料電池セルへ熱伝達可能に配設される、
   請求項４から６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池スタックは、前記積層体の各燃料電池セルを冷却する冷媒を流す冷媒流路であって、積層された該各燃料電池セルへ分流される冷媒又は該各燃料電池セルから合流された冷媒を流す本流部を有する冷媒流路を有し、
   前記スイッチは、前記積層体の表面のうち前記本流部に近接する位置に配設される、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記本流部は、前記積層体の内部を該積層体の積層方向に貫通する流路であり、
   前記昇圧機器は、前記スイッチと前記コイルとを有する昇圧回路を複数有する複相の昇圧機器であり、
   複数ある前記スイッチは、前記積層体の表面のうち前記本流部に近接する位置であって、該積層体の積層方向に沿って整列するように配置される、
   請求項８に記載の燃料電池システム。

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