JP4140355B2 - 燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両に用いて好適な燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
氷点下の気候で燃料電池の起動をするためには、発電時に発生する生成水が凍結しないように予め燃料電池を暖機しておく必要がある。しかしながら、例えば車両用燃料電池では、該燃料電池を構成する、複数の単電池の積層体（以下燃料電池スタックと称する）の出力を大きくしなければならないため、該燃料電池スタックの熱容量も大きくなる。
【０００３】
このため、燃料電池スタックを数分割し、初めに第１のスタックを暖機した後発電させ、発電時の熱ロスや発電時の電力を活用しながら第２のスタックを連鎖的に暖機していく方法が提案されている（例えば特許文献１および２参照）。
【０００４】
この方法は、燃料電池スタックを数分割することで、初めにヒータで暖めなければならない燃料電池スタックの熱容量も数分割されるため、小型のヒータで実現できる利点がある。
【０００５】
【先行技術文献１】
特開２０００−２９４２６３号公報（第１頁要約参照）
【先行技術文献２】
特開２００１−２２９９５０号公報（第１頁要約参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池スタックを数分割し、発電するスタックと発電しないスタックとが混在することは、電気負荷への電力供給源を切り替えなければいけないため、電力切り替え器（ブレーカなど）を必要としていた。
【０００７】
一般に車両用燃料電池は高出力を出すため発電電流も数１００Ａとなることが多く、電力切り替え器の容量も数１００Ａを保証しなければいけないためサイズが大型になる。また燃料電池スタックの分割数も多くするほど、連鎖的な暖機が有利になるため、電力切り替え器も数が多くなる傾向にあった。また、発電するスタックと発電しないスタックへのガス供給を切り替えるバルブが必要であった。
【０００８】
一方、例えば車両の場合、走行条件に応じた電力を供給することが必要となるが、燃料電池の電力供給遅れをＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器を介した２次電池を搭載して保証している。また、ガスを供給する供給機器も電力で作動し、その電力供給源としても２次電池を活用している。従って、複数に分割された第１のスタックを起動した後は、起動した電圧が低くなった第１のスタックで電気負荷をまかなわなければならないため、大きな電流が必要となる。このため、燃料電池スタックと２次電池との間にある電圧変換器は高電流で作動させるべく、より大型化する傾向にあった。
【０００９】
本発明は、保存環境が氷点下になるような使われ方をする燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを分割するなどのシステムの変更を無くし、小容量の加温手段（例えば電気ヒータ）で短時間に燃料電池を暖機することが可能な燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明の構成を採用した。即ち、請求項１に記載の発明においては、燃料ガスの導入により発電する燃料電池において、その燃料電池に、互いに独立した複数の熱交換媒体循環通路を内蔵せしめたものである。
【００１１】
この請求項１に記載の発明によれば、複数の独立した通路内に熱交換媒体を循環させる構成であるため、その複数の通路の選択により、燃料電池内における熱交換媒体の循環領域を選択することができるので、例えば暖機時には燃料電池内の一部の領域に熱交換媒体を循環させて該一部の領域を暖機することができ、従って該一部の領域は当然、熱容量も小さいので、熱交換媒体を加温するための加温手段が小容量であっても短時間に該一部の領域を暖機することができる。そして、この一部の領域が暖機されれば、該一部の領域にて発電が開始されることになる。
【００１２】
また、燃料電池そのものに独立した上記通路を内蔵させたから、例えば上記従来技術のように燃料電池スタックを数分割して各スタックを暖機する必要がないため、該スタックを数分割して配置するためのスペースが必要ないし、各スタックから電気負荷への電力供給を切り替える必要もない。
【００１３】
燃料電池は通常は、単電池を複数積層して構成（いわゆる上記燃料電池スタック）されており、このような構成においては、請求項２に記載の発明のように、上記通路は各単電池のうち該単電池の積層方向と交差する方向における面内に互いに独立かつ並列配置し、また該各通路は単電池の隣り合う間において、その列毎に単電池の積層方向で並列接続することができる。
【００１６】
請求項１に記載の発明においては、複数の各単電池の発電面に対応する部位に熱交換媒体が循環する複数の熱交換媒体循環通路が並列配置されており、該通路の一端側は共通の入口部、該通路の他端側は個別の出口部に連通するか、または該通路の一端側は個別の入口部、該通路の他端側は共通の出口部に連通しており、かつ単電池の隣り合う間において各通路が該単電池の積層方向で並列接続されるように、前記各通路の前記入口部どうし、前記各通路の出口部どうしが連結されている。この請求項１に記載の発明によれば、各熱交換媒体循環通路は共通の入口部または共通の出口部にて連通しているため、各通路にて発生する発電に伴う熱量が冷却水を介して他の通路にも伝達させることが可能となり、燃料電池の早期および効果的な昇温が期待できる。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明のように、温度センサと制御部との組合せにより、自動的に燃料電池内部の一部の領域から順次全体の領域に前記加温された熱交換媒体を循環させることができる。この場合、請求項４に記載の発明のように、料電池内部の一部の領域から順次全体の領域に熱交換媒体が循環するように、循環手段は各通路に対応した複数の開放手段および循環ポンプを備えるようにすることがよい。即ち、この請求項４に記載の発明によれば、暖機時には燃料電池内の一部の領域に熱交換媒体を循環させて該一部の領域を暖機し、その後、該一部の領域の暖機が行われたら、順次他の領域の暖機を行うことができるため、請求項１に記載の発明と同様に、従来のように燃料電池スタックを分割することなく燃料電池の内部を複数の領域に分割してその領域を順次暖機することができる。なお、開放手段としては、請求項５、６に記載のようなバルブ、ポンプを採用することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明のように、燃料電池の通路の一部の領域に熱交換媒体を循環させた後に他の領域に熱交換媒体を循環させる際には、その一部の領域に対応するバルブの開度を調整するように該バルブを調整することにより、燃料電池全体の昇温を早くすることができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明のように、単電池の面の面積を調整することが望ましい。これにより、暖機中においても電気負荷の駆動を行う電力を発生させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１〜図５は第１実施形態を示すものである。この第１実施形態において、図１は燃料電池を構成する単電池の積層状態を示している。図２は図１の単電池を積層した状態における熱交換媒体の循環経路を説明するものである。図３は図１のＡ−Ａ断面図である。図１〜図３において、各単電池１００は公知のように固体電解質シート（図示しない）の両端にセパレータ２００を介在し、一方のセパレータ２００と固体電解質シートとの間には燃料ガスである水素を、他方のセパレータ２００と固体電解質シートとの間には燃料ガスである酸素（空気）をそれぞれ循環させる燃料ガス通路が形成されている。また、各セパレータ２００のうち燃料ガス通路が形成されている側とは反対側には熱交換媒体としての冷却水を循環させる通路部分および燃料ガスの入口および出口が形成されている。
【００２５】
図１にはその冷却水を循環させるための通路部分および燃料ガスの入口および出口が示されている。
【００２６】
即ち、図１において、２００ａ〜２００ｎは各単電池１００の冷却水面が示されている。例えば一つの単電池１００を例に挙げると、冷却水面２００ａは各単電池１００の積層方向と交差する方向の拡大面をなしており、この冷却水面２００ａには上記積層方向と直交する方向に伸びる形状を有する複数の独立した冷却水通路２０１が並列的に配置されている。
【００２７】
そして、該各通路２０１の一端側には入口２０２、２０４、２０６、２０８が、他端側には出口２０３、２０５、２０７、２０９がそれぞれ接続されている。これら通路２０１、は単電池１００の一構成をなすセパレータの表面を凹状に加工することにより形成されている。また、入口２０２、出口２０３はセパレータを貫通させて形成されており、各単電池１００の入口どうし、出口どうしは互いに連通している。
【００２８】
上記各単電池１００の各通路２０１は、図１から明らかなように、その列毎に各単電池１００の積層方向にて隣り合うように位置しており、その結果、各通路２０１は各単電池１００を積層した状態では各入口および出口を介して並列接続されている（図２参照）。
【００２９】
各単電池１００には上記の燃料ガスの入口および出口が形成されている。即ち、図１に示したように、２１０、２１１はそれぞれ大気（酸素）の入口、出口を、２１２、２１３はそれぞれ水素の入口、出口を表している。従って、単電池１００を積層した状態では、これら入口、出口を介して上述の燃料ガス通路が並列的に接続されることになる。
【００３０】
なお、図１において、最終の単電池１００には側板３００が固定されており、該側板３００には他の単電池と同様に通路３０１が形成されている。該通路３０１の両側には各単電池１００の冷却水入口、出口と接続される凹部３０２が形成されている。なお、各単電池１００の燃料ガス通路と接続される凹部３０３も形成されている。
【００３１】
図４は単電池１００を積層して燃料電池として構成した場合における冷却水の循環の仕方を示している。燃料電池の一方向から冷却水を導入し、最終の単電池の反対側を図１のように側板３００により止めておけば、導入された冷却水は単電池１００内を並列的に流れ、最終的に燃料電池の一方向から取り出すことができる。この際、入口２０２から導入した冷却水は出口２０３で、入口２０４から導入した冷却水は出口２０５で取り出される。他の入口、出口も同様である。
【００３２】
図５は冷却システムを含めた燃料電池システムを示したものである。冷却システム内を循環する冷却水は、氷点下以下の温度、例えばマイナス３０℃程度でも凍結しないように不凍液を含んでいる。
【００３３】
図５において、５０１は水素、化石燃料等を燃料とするヒータ、或いは電気ヒータ等の加温手段であり、本実施形態では電気ヒータを用いている。５０２は冷却水を循環させる循環ポンプ、５０３、５０４、５０５は冷却水の流れを止めることのできる開閉バルブである。以上の循環ポンプおよびバルブにて熱交換媒体循環手段を構成している。５０６は制御部、Ｔ２０３は燃料電池の最上部における冷却水出口２０３側に配設した温度センサを示しており、該出口２０３の冷却水温度を検出するためのものである。
【００３４】
上記制御部５０６は温度センサＴ２０３からの電気信号に応じて上記電気ヒータ５０１、上記循環ポンプ５０２、バルブ５０３〜５０５の作動を制御するためのものである。また、制御部５０６は冷却水出口２０３の温度が初回に０℃に到達すると、燃料電池の一方の入口２１０に大気を、他方の位置口２１２に水素を供給する信号をこれらの供給源（図示しない）に対して発する。
【００３５】
そして、制御部５０６は温度センサＴ２０３にて検出された冷却水温が氷点下以下の温度範囲では上記電気ヒータ５０１、循環ポンプ５０２を作動させ、バルブ５０３〜５０５は閉じるよう作動する。次に、氷点下以下の温度から冷却水温が上昇したと制御部５０６が判断した場合は、その上昇の程度に応じてバルブ５０３〜５０５を順次開くよう作動する。
【００３６】
具体的に説明すると、図７のフローチャートにおいて、スタート時にはバルブ５０３〜５０５の閉を確認する。次に、電気ヒータ５０１および循環ポンプ５０２を作動する。これにより、電気ヒータ５０１で加温された冷却水は循環ポンプ５０２の作動により燃料電池の冷却水入口２０２、通路２０１、冷却水出口２０３を循環する。つまり、図６に示すように、燃料電池の領域Ａに加温された冷却水が循環する。そして、冷却水の循環により、図８に示すように、該領域Ａの温度が−３０℃から立ち上がり、所定時間ｔ１後に出口２０３からの冷却水温度が０℃に達すると、燃料電池に対して水素および空気の燃料ガスを供給し、発電させる。これにより、燃料電池の領域Ａが発電を開始し、同時に該領域Ａにて反応熱が発生し、この反応熱は該領域Ａを循環する冷却水に放熱される。このため、該領域Ａを循環する冷却水の温度は上昇し、所定時間ｔ２後に冷却水出口２０３からの冷却水の温度がＴ１以上に到達すると、バルブ５０３を開放する。
【００３７】
バルブ５０３の開放により、冷却水の一部はバイパスして冷却水入口２０４から通路２０１を通って出口２０５に至る領域Ｂを循環することになる。このため、該領域Ｂを循環する冷却水の温度は−３０℃と低いので、この出口２０５からの冷却水と出口２０３からの冷却水との合流により領域Ａの出口２０３からの冷却水温度はＴ１から低下し、所定時間ｔ３経過後は０℃程度になる。しかし一方で、領域Ｂでは冷却水入口２０４から温水が投入されるため、領域Ｂは暖機昇温する。従って領域Ｂからも発電が可能となり、発電に伴う発熱が領域Ｂを循環する冷却水にも伝わり暖機が加速される。所定時間ｔ４経過後に出口２０３からの冷却水温度がＴ２以上に到達するとバルブ５０４を開放する。そして、バルブ５０４の開放により、冷却水が燃料電池の領域Ｃを循環することになる。
【００３８】
次に、バルブ５０４の開放により該領域Ｃを通過する冷却水が合流するため、出口２０３の温度は所定時間ｔ５経過後０℃程度まで下降するが、領域Ｃでの発電による発熱に伴って冷却水温度が再び上昇することになる。
【００３９】
そして、所定時間ｔ６経過後に出口２０３の冷却水温度がＴ３以上となると、バルブ５０５を開放させ、燃料電池の領域Ｄに冷却水を循環させ、該領域Ｄの温度を上昇させ、該領域Ｄを発電させる。該領域Ｄを循環する冷却水の温度は−３０℃と低いので、この出口２０９からの冷却水が合流することにより領域Ａの出口２０３からの冷却水温度はＴ１から低下し、所定時間ｔ７経過後は０℃程度になる。しかし、領域Ｄでの発電に伴う発熱により領域Ｄを循環する冷却水の温度は上昇することになる。
【００４０】
ここで、所定時間ｔ３、ｔ５、ｔ７経過後に０℃とするのは、一旦暖めた領域Ａ、Ｂ、Ｃが再び０℃以下になって再び凍結で発電が阻害されないようにするためで、０℃以上を維持していればよい。そのためには温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の温度は予め実験或いは計算等によって求めておく必要がある。
【００４１】
なお、図９のように、燃料電池の発電電力が所定電力Ｘ（ＫＷ）を上回ると、電気ヒータ５０１への通電を停止させる。
【００４２】
このような制御により図４〜図６から理解されるように、燃料電池の一部の領域Ａから順次全体の領域（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）に、電気ヒータ５０１により加温された冷却水を循環させ、かつ発電させることが可能となる（図６は燃料電池の領域Ａ〜Ｃまでの暖機状態を示している）。また、以上説明したように、発電しながらバルブ５０３、５０４、５０５を順次開放するため、発電による熱源が加速度的に次々と増加し、燃料電池全体の暖機時間を短縮することができる。
【００４３】
燃料電池は、発電によって水素エネルギを電力の他に熱にも変換するため、発電させながら得られる熱も使ってその全体を暖機する方が有利である。
【００４４】
例えば車両用など大出力の燃料電池は、複数個の単電池で構成されるため、熱容量が大きくなる傾向にある。また、電気的に直列に接続しているため、仮にある一部の単電池群だけを暖機したとしても、暖機されていない単電池群の発電ができないため、全体としても発電を行うことができない。そこで、小容量の加温手段（例えば電気ヒータ）で短時間に発電できるようにするためには、燃料電池の一部を単電池間で均等になるように暖機することが有効である。
【００４５】
凍結しない温度を０℃とし、そのときの燃料電池全体の出力が、例えば１００Ｗ得られるとすれば、燃料電池の１０％の面積を凍結しない温度まで暖機すると、約１０Ｗの出力が得ることができる。燃料電池を構成する複数個の単電池がそれぞれ１０％暖機できれば、１０Ｗ×単電池枚数の出力が得ることが可能となる。
【００４６】
発電を行うためには、水素と空気を供給する必要があり、各種補機を稼働させる必要である。発電を行う前には、これら補機の動力を燃料電池スタック以外でまかなう必要があるため、車両においては、バッテリがその有効な手段となっている。しかしながらバッテリの温度も低温であり、その放電能力が低下してしまう傾向がある。従って、発電直後の燃料電池出力（Ｐｆ）、バッテリ出力（Ｐｂａｔ）、初期の暖機と発電に必要な補機動力（Ｐｈ）の関係は、
（数１）
Ｐｆ＞Ｐｂａｔ＞Ｐｈ
を成立させる必要がある。即ち、発電前はバッテリで補機の動力を賄うが、燃料電池の発電が開始されると、直ちに補機動力を燃料電池が賄いかつバッテリにも充電できるようにしなければならない。
【００４７】
これらのことから、燃料電池の初期暖機を（数１）が成立するように燃料電池の暖機面積を決定する必要がある。具体的には、燃料電池の１〜３０％程度の単電池群を初期暖機すれば、通常のシステムで（数１）が成立する。
【００４８】
（第２実施形態）
図１０は燃料電池の領域Ａの冷却水入口に入口温度センサＴ２０２、領域Ｂ、Ｃ、Ｄの冷却水出口に出口温度センサＴ２０３、Ｔ２０５、Ｔ２０７、Ｔ２０９を設置し、これら温度センサＴ２０２、Ｔ２０３、Ｔ２０５、Ｔ２０７、Ｔ２０９にてバルブ５０３〜５０５の開度を調整するようにした実施形態を示すものである。
【００４９】
これについて説明すると、スタート時にはバルブ５０３〜５０５の閉を確認後、電気ヒータ５０１および循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、加温された冷却水が燃料電池の領域Ａを循環し、該領域Ａが暖機され、時間ｔ１の経過後、冷却水出口２０３の温度が０℃以上に到達すると、燃料ガスを燃料電池に供給する。燃料ガスの供給により、領域Ａでの発電が開始される。
【００５０】
発電が開始した後は、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０３の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｂに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。この操作によって、ヒータ５０１と領域Ａで得た熱量は全て領域Ｂに投入されるため、無駄なく領域Ｂの暖機が可能となる。
【００５１】
領域Ｂへの冷却水の循環により該領域Ｂが暖機され、該領域Ｂにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｂの冷却水出口２０５の温度が遅れて上昇することになる。そして、温度センサＴ２０５により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０３を全開にする。
【００５２】
次に、時間ｔ２経過後、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０４の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｃに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。
【００５３】
領域Ｃへの冷却水の循環により該領域Ｃが暖機され、該領域Ｃにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｃの冷却水出口２０７の温度が上昇することになる。そして、温度センサＴ２０７により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０４を全開にする。
【００５４】
次に、時間ｔ３経過後、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０５の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｄに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。
【００５５】
領域Ｄへの冷却水の循環により該領域Ｄが暖機され、該領域Ｄにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｄの冷却水出口２０９の温度が上昇することになる。そして、温度センサＴ２０９により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０５全開にする。
【００５６】
以上の作動による燃料電池の温度と電力との関係を図１２に示す。
【００５７】
本実施形態２によれば、各温度センサＴ２０３、２０５、２０７、２０９により各領域Ａ〜Ｄの出口側の冷却水温度をダイレクトに検出して各バルブ５０３〜５０５の開度を調整し、各領域Ａ〜Ｄへの冷却水流量を調整できる結果、実施形態１に比較して各領域Ａ〜Ｄの暖機を素早く行うことができ、従って燃料電池として発電できるまでの時間を短縮することができるという利点がある。
【００５８】
（第３実施形態）
図１３は上記第２実施形態における開度調整式バルブに代えて流量可変ポンプ６０１〜６０３を採用したものであり、作動は実施形態２と同じである。
【００５９】
（第４実施形態）
図１４は上記第３実施形態における流量可変ポンプを各領域Ｂ〜Ｄの入口側に設置することに代えて出口側に設置したものであり、作動は実施形態２と同じである。
【００６０】
（第５実施形態）
上記各第１実施形態１〜３は、何れも各単電池の積層方向と交差する方向における拡大面内（発電面）に各通路２０１を独立して配置した例を示しているが、本第５実施形態ではこれら通路の入口側を共通とし、出口側は各通路に対応させて独立させるようにしたものである。
【００６１】
具体的に説明すると、図１５および図１５のＡ−Ａ断面を示す図１６において、各単電池１００の各通路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの熱交換媒体入口側を共通の１つの入口２０２に連通させ、各通路の出口側はそれぞれ出口２０３〜２０９に連通させたものである。
【００６２】
図１５の積層タイプの単電池で構成される燃料電池システムを図１７に示す。この燃料電池システムの作動フローチャートを図１８に示す。
【００６３】
図１８において、図１７を参照しながら作動を説明する。
【００６４】
ステップＳ１においては、バルブ５０３−１が開、その他のバルブ５０３、５０４、５０５が閉であることを確認する。
【００６５】
ステップＳ２においては、電気ヒータ５０１を作動させ、ステップＳ３において循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、燃料電池の通路２０１ａのみに加温された冷却水が循環する経路が形成されるため、燃料電池の一部（２０１ａ）のみが昇温することになる。
【００６６】
次に、ステップＳ４において、通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度が０℃を超えているか否かを判断する。温度は出口２０３側の循環路に配置した温度センサＴ２０３にて求める。そして、ステップＳ４で０℃を下回っている場合は、戻る。０℃を超えている場合はステップＳ５に進み、燃料ガス（水素、空気）を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の一部（図７の領域Ａ）での発電が開始される。
【００６７】
ステップＳ６では、通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１（０℃以上）を超えているか否かを判断する。出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１を下回っていると判断された場合は、ステップＳ６に戻る。
【００６８】
ステップＳ６で出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１を超えていると判断されると、通路２０１ｂの出口のバルブ５０３を開き、通路２０１ｂ内にも冷却水を循環させる。これにより、通路２０１ｂ内への冷却水の循環により通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度が低下するので、ステップＳ７では、出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。
【００６９】
ステップＳ８においては、通路２０１ｂの出口２０５の冷却水温度Ｔ２が目標設定温度Ｔ２を超えているか否かを判断する。温度は出口２０５側の循環路に配置した温度センサＴ２０５にて求める。ステップＳ７に基き、バルブ５０３が開放されると、通路２０１ｂ内に冷却水が循環し、該通路２０１ｂが昇温される。そして、通路２０１ｂの出口２０５の冷却水温度が目標設定温度Ｔ２を超えたと判断された場合は、ステップＳ９に進む。目標設定温度Ｔ２を下回ると判断された場合はステップＳ８に戻る。
【００７０】
ステップＳ９においては通路２０１ｃの出口２０７のバルブ５０４を開き、同時に出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。バルブ５０４の開放により、冷却水は通路２０１ｃにも循環し、該通路２０１ｃに対応する個所が昇温する。
【００７１】
次に、ステップＳ１０に進み、バルブ５０４の出口２０７の冷却水温度が目標温度Ｔ３を超えているか否かを判断する。温度は出口２０７側の循環路に配置した温度センサＴ２０７にて求める。通路２０１ｃの出口２０７の冷却水温度が目標設定温度Ｔ３を超えたと判断された場合は、ステップＳ１１に進む。目標設定温度Ｔ３を下回ると判断された場合はステップＳ１０に戻る。
【００７２】
ステップＳ１１においては通路２０１ｄの出口２０９のバルブ５０５を開き、同時に出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。バルブ５０５の開放により、冷却水は通路２０１ｄにも循環し、該通路２０１ｄに対応する個所が昇温する。
【００７３】
以上のようにして、燃料電池の全体が昇温されることになる。
【００７４】
このように、本第５実施形態によれば、各通路２０１ａ〜２０１ｄにより形成される通路は入口側（符号２０２）にて連通しているため、各通路にて発生する発電に伴う熱量が冷却水を介して他の拡大面にも伝達させることが可能となり、燃料電池の早期および効果的な昇温が期待できる。
【００７５】
（第６実施形態）
図１９〜図２１は第５実施形態の変形例である第６実施形態を示すものである。この第６実施形態によれば、単電池の通路を３つとしたものであり、作動は第５実施形態と同じである。
【００７６】
（第７実施形態）
図２２〜図２４は第５実施形態の変形例である第７実施形態を示すものである。この第７実施形態によれば、単電池の通路を２つとしたものであり、作動は第５実施形態と同じである。
【００７７】
（第８実施形態）
図２５〜図２７は第８実施形態を示すものである。この実施形態８は第５実施形態が各通路の入口側を共通とし、出口側を独立としたのに対して、通路の出口側を共通とし、入口側を独立としたものである。
【００７８】
具体的に説明すると、図２５において、各単電池１００の各通路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの熱交換媒体出口側を共通の１つの出口２０９に連通させ、各通路の入口側はそれぞれ入口２０２、２０４、２０６、２０８に連通させたものである。
【００７９】
図２５の積層タイプの単電池で構成される燃料電池システムを図２６に示す。この燃料電池システムの作動フローチャートを図２７に示す。
【００８０】
図２７において、図２６を参照しながら作動を説明する。
【００８１】
ステップＳ１においては、バルブ５０３−１が開、その他のバルブ５０３、５０４、５０５が閉であることを確認する。
【００８２】
ステップＳ２においては、電気ヒータ５０１を作動させ、ステップＳ３において循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、燃料電池の通路２０１ａのみに加温された冷却水が循環する経路が形成されるため、燃料電池の一部（２０１ａ）のみが昇温することになる。
【００８３】
次に、ステップＳ４において、通路２０１ａを循環して出口２０９から排出された冷却水温度を出口２０９側の循環路に配置した温度センサＴ２０５−１にて検出し、その冷却水温度が０℃を超えているか否かを判断する。０℃を下回っている場合は、戻る。０℃を超えている場合はステップＳ５に進み、燃料ガス（水素、空気）を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の一部（図７の領域Ａ）での発電が開始される。
【００８４】
ステップＳ６では、通路２０１ｂの入口側のバルブ５０３を全開する。
【００８５】
ステップＳ７では通路２０１ｂに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。
【００８６】
ステップＳ７で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ８に進み、通路２０１ｂの入口側のバルブ５０３の開度を調整し、通路２０１ｂを循環する冷却水量を調整する。
【００８７】
次にステップＳ９にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ８に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ６に進む。
【００８８】
ステップＳ７で出口２０９の温度が０℃を超えていると判断された場合は、ステップ１０に進み、入口２０６のバルブ５０４を全開にし、通路２０１ｃにも冷却水を循環させる。
【００８９】
ステップＳ１１では通路２０１ｃに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。ステップＳ１１で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１２に進み、通路２０１ｃの入口側のバルブ５０４の開度を調整し、通路２０１ｃを循環する冷却水量を調整する。
【００９０】
次にステップＳ１３にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ１２に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ１０に進む。
【００９１】
ステップＳ１１で出口２０９の温度が０℃を超えていると判断された場合は、ステップ１４に進み、入口２０８のバルブ５０５を全開にし、通路２０１ｄにも冷却水を循環させる。
【００９２】
ステップＳ１５では通路２０１ｄに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。ステップＳ１５で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１６に進み、通路２０１ｄの入口側のバルブ５０５の開度を調整し、通路２０１ｄを循環する冷却水量を調整する。
【００９３】
次にステップＳ１７にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ１６に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ１４に進む。
【００９４】
以上が第８実施形態の作動である。
【００９５】
（第９実施形態）
図２８〜図３０は第８実施形態の変形例である第９実施形態を示すものである。この第９実施形態によれば、単電池の通路を３つとしたものであり、作動は第８実施形態と同じである。
【００９６】
（第１０実施形態）
図３１〜図３３は第８実施形態の変形例である第１０実施形態を示すものである。この第１０実施形態によれば、単電池の通路を２つとしたものであり、作動は第８実施形態と同じである。
【００９７】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態〜第１０実施形態では何れも燃料電池への燃料ガスの供給は一定量であるが、例えば燃料電池の各領域Ａ〜Ｄに対する熱交換媒体の循環の仕方にリンクさせて燃料ガスの供給量を順次増大させる制御を採用することができる。これにより、暖機された各領域Ａ〜Ｄでの発電に見合った燃料ガス供給量となるため、領域Ａでの発電を行う際に領域Ｂ〜Ｄまでの領域分も含めた容量の燃料ガスを供給する場合に比較して消費されずに排出される燃料ガス量を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における単電池と冷却水の通路、入口、出口の関係を示す斜視図である。
【図２】冷却水の循環経路を説明する図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１実施形態における単電池の積層状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は燃料電池の各領域の暖機状態を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態における作動フローを説明するフローチャートである。
【図８】第１実施形態における燃料電池の温度と電力との関係を示す特性図である。
【図９】第１実施形態のおける暖機工程終了の作動フローを説明するフローチャートである。
【図１０】第２実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１１】第２実施形態における作動フローを説明するフローチャートである。
【図１２】第２実施形態における燃料電池の温度と電力との関係を示す特性図である。
【図１３】第３実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１４】第４実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１５】第５実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ断面図である。
【図１７】第５実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１８】第５実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図１９】第６実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２０】第６実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２１】第６実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２２】第７実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２３】第７実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２４】第７実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２５】第８実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２６】第８実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２７】第８実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２８】第９実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２９】第９実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図３０】第９実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図３１】第１０実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図３２】第１０実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図３３】第１０実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１００ 単電池
２０１ ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ 通路
２０２、２０４、２０６、２０８ 入口
２０３、２０５、２０７、２０９ 出口
５０１ 電気ヒータ
５０２ 循環ポンプ
５０３、５０４、５０５ バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両に用いて好適な燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
氷点下の気候で燃料電池の起動をするためには、発電時に発生する生成水が凍結しないように予め燃料電池を暖機しておく必要がある。しかしながら、例えば車両用燃料電池では、該燃料電池を構成する、複数の単電池の積層体（以下燃料電池スタックと称する）の出力を大きくしなければならないため、該燃料電池スタックの熱容量も大きくなる。
【０００３】
このため、燃料電池スタックを数分割し、初めに第１のスタックを暖機した後発電させ、発電時の熱ロスや発電時の電力を活用しながら第２のスタックを連鎖的に暖機していく方法が提案されている（例えば特許文献１および２参照）。
【０００４】
この方法は、燃料電池スタックを数分割することで、初めにヒータで暖めなければならない燃料電池スタックの熱容量も数分割されるため、小型のヒータで実現できる利点がある。
【０００５】
【先行技術文献１】
特開２０００−２９４２６３号公報（第１頁要約参照）
【先行技術文献２】
特開２００１−２２９９５０号公報（第１頁要約参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池スタックを数分割し、発電するスタックと発電しないスタックとが混在することは、電気負荷への電力供給源を切り替えなければいけないため、電力切り替え器（ブレーカなど）を必要としていた。
【０００７】
一般に車両用燃料電池は高出力を出すため発電電流も数１００Ａとなることが多く、電力切り替え器の容量も数１００Ａを保証しなければいけないためサイズが大型になる。また燃料電池スタックの分割数も多くするほど、連鎖的な暖機が有利になるため、電力切り替え器も数が多くなる傾向にあった。また、発電するスタックと発電しないスタックへのガス供給を切り替えるバルブが必要であった。
【０００８】
一方、例えば車両の場合、走行条件に応じた電力を供給することが必要となるが、燃料電池の電力供給遅れをＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器を介した２次電池を搭載して保証している。また、ガスを供給する供給機器も電力で作動し、その電力供給源としても２次電池を活用している。従って、複数に分割された第１のスタックを起動した後は、起動した電圧が低くなった第１のスタックで電気負荷をまかなわなければならないため、大きな電流が必要となる。このため、燃料電池スタックと２次電池との間にある電圧変換器は高電流で作動させるべく、より大型化する傾向にあった。
【０００９】
本発明は、保存環境が氷点下になるような使われ方をする燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを分割するなどのシステムの変更を無くし、小容量の加温手段（例えば電気ヒータ）で短時間に燃料電池を暖機することが可能な燃料電池、燃料電池システム、および燃料電池の加温方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明の構成を採用した。即ち、請求項１に記載の発明においては、燃料ガスの導入により発電する燃料電池において、その燃料電池に、互いに独立した複数の熱交換媒体循環通路を内蔵せしめたものである。
【００１１】
この請求項１に記載の発明によれば、複数の独立した通路内に熱交換媒体を循環させる構成であるため、その複数の通路の選択により、燃料電池内における熱交換媒体の循環領域を選択することができるので、例えば暖機時には燃料電池内の一部の領域に熱交換媒体を循環させて該一部の領域を暖機することができ、従って該一部の領域は当然、熱容量も小さいので、熱交換媒体を加温するための加温手段が小容量であっても短時間に該一部の領域を暖機することができる。そして、この一部の領域が暖機されれば、該一部の領域にて発電が開始されることになる。
【００１２】
また、燃料電池そのものに独立した上記通路を内蔵させたから、例えば上記従来技術のように燃料電池スタックを数分割して各スタックを暖機する必要がないため、該スタックを数分割して配置するためのスペースが必要ないし、各スタックから電気負荷への電力供給を切り替える必要もない。
【００１３】
燃料電池は通常は、単電池を複数積層して構成（いわゆる上記燃料電池スタック）されており、このような構成においては、請求項２に記載の発明のように、上記通路は各単電池のうち該単電池の積層方向と交差する方向における面内に互いに独立かつ並列配置し、また該各通路は単電池の隣り合う間において、その列毎に単電池の積層方向で並列接続することができる。
【００１６】
請求項１に記載の発明においては、複数の各単電池の発電面に対応する部位に熱交換媒体が循環する複数の熱交換媒体循環通路が並列配置されており、該通路の一端側は共通の入口部、該通路の他端側は個別の出口部に連通するか、または該通路の一端側は個別の入口部、該通路の他端側は共通の出口部に連通しており、かつ単電池の隣り合う間において各通路が該単電池の積層方向で並列接続されるように、前記各通路の前記入口部どうし、前記各通路の出口部どうしが連結されている。この請求項１に記載の発明によれば、各熱交換媒体循環通路は共通の入口部または共通の出口部にて連通しているため、各通路にて発生する発電に伴う熱量が冷却水を介して他の通路にも伝達させることが可能となり、燃料電池の早期および効果的な昇温が期待できる。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明のように、温度センサと制御部との組合せにより、自動的に燃料電池内部の一部の領域から順次全体の領域に前記加温された熱交換媒体を循環させることができる。この場合、請求項４に記載の発明のように、料電池内部の一部の領域から順次全体の領域に熱交換媒体が循環するように、循環手段は各通路に対応した複数の開放手段および循環ポンプを備えるようにすることがよい。即ち、この請求項４に記載の発明によれば、暖機時には燃料電池内の一部の領域に熱交換媒体を循環させて該一部の領域を暖機し、その後、該一部の領域の暖機が行われたら、順次他の領域の暖機を行うことができるため、請求項１に記載の発明と同様に、従来のように燃料電池スタックを分割することなく燃料電池の内部を複数の領域に分割してその領域を順次暖機することができる。なお、開放手段としては、請求項５、６に記載のようなバルブ、ポンプを採用することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明のように、燃料電池の通路の一部の領域に熱交換媒体を循環させた後に他の領域に熱交換媒体を循環させる際には、その一部の領域に対応するバルブの開度を調整するように該バルブを調整することにより、燃料電池全体の昇温を早くすることができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明のように、単電池の面の面積を調整することが望ましい。これにより、暖機中においても電気負荷の駆動を行う電力を発生させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１〜図５は第１実施形態を示すものである。この第１実施形態において、図１は燃料電池を構成する単電池の積層状態を示している。図２は図１の単電池を積層した状態における熱交換媒体の循環経路を説明するものである。図３は図１のＡ−Ａ断面図である。図１〜図３において、各単電池１００は公知のように固体電解質シート（図示しない）の両端にセパレータ２００を介在し、一方のセパレータ２００と固体電解質シートとの間には燃料ガスである水素を、他方のセパレータ２００と固体電解質シートとの間には燃料ガスである酸素（空気）をそれぞれ循環させる燃料ガス通路が形成されている。また、各セパレータ２００のうち燃料ガス通路が形成されている側とは反対側には熱交換媒体としての冷却水を循環させる通路部分および燃料ガスの入口および出口が形成されている。
【００２５】
図１にはその冷却水を循環させるための通路部分および燃料ガスの入口および出口が示されている。
【００２６】
即ち、図１において、２００ａ〜２００ｎは各単電池１００の冷却水面が示されている。例えば一つの単電池１００を例に挙げると、冷却水面２００ａは各単電池１００の積層方向と交差する方向の拡大面をなしており、この冷却水面２００ａには上記積層方向と直交する方向に伸びる形状を有する複数の独立した冷却水通路２０１が並列的に配置されている。
【００２７】
そして、該各通路２０１の一端側には入口２０２、２０４、２０６、２０８が、他端側には出口２０３、２０５、２０７、２０９がそれぞれ接続されている。これら通路２０１、は単電池１００の一構成をなすセパレータの表面を凹状に加工することにより形成されている。また、入口２０２、出口２０３はセパレータを貫通させて形成されており、各単電池１００の入口どうし、出口どうしは互いに連通している。
【００２８】
上記各単電池１００の各通路２０１は、図１から明らかなように、その列毎に各単電池１００の積層方向にて隣り合うように位置しており、その結果、各通路２０１は各単電池１００を積層した状態では各入口および出口を介して並列接続されている（図２参照）。
【００２９】
各単電池１００には上記の燃料ガスの入口および出口が形成されている。即ち、図１に示したように、２１０、２１１はそれぞれ大気（酸素）の入口、出口を、２１２、２１３はそれぞれ水素の入口、出口を表している。従って、単電池１００を積層した状態では、これら入口、出口を介して上述の燃料ガス通路が並列的に接続されることになる。
【００３０】
なお、図１において、最終の単電池１００には側板３００が固定されており、該側板３００には他の単電池と同様に通路３０１が形成されている。該通路３０１の両側には各単電池１００の冷却水入口、出口と接続される凹部３０２が形成されている。なお、各単電池１００の燃料ガス通路と接続される凹部３０３も形成されている。
【００３１】
図４は単電池１００を積層して燃料電池として構成した場合における冷却水の循環の仕方を示している。燃料電池の一方向から冷却水を導入し、最終の単電池の反対側を図１のように側板３００により止めておけば、導入された冷却水は単電池１００内を並列的に流れ、最終的に燃料電池の一方向から取り出すことができる。この際、入口２０２から導入した冷却水は出口２０３で、入口２０４から導入した冷却水は出口２０５で取り出される。他の入口、出口も同様である。
【００３２】
図５は冷却システムを含めた燃料電池システムを示したものである。冷却システム内を循環する冷却水は、氷点下以下の温度、例えばマイナス３０℃程度でも凍結しないように不凍液を含んでいる。
【００３３】
図５において、５０１は水素、化石燃料等を燃料とするヒータ、或いは電気ヒータ等の加温手段であり、本実施形態では電気ヒータを用いている。５０２は冷却水を循環させる循環ポンプ、５０３、５０４、５０５は冷却水の流れを止めることのできる開閉バルブである。以上の循環ポンプおよびバルブにて熱交換媒体循環手段を構成している。５０６は制御部、Ｔ２０３は燃料電池の最上部における冷却水出口２０３側に配設した温度センサを示しており、該出口２０３の冷却水温度を検出するためのものである。
【００３４】
上記制御部５０６は温度センサＴ２０３からの電気信号に応じて上記電気ヒータ５０１、上記循環ポンプ５０２、バルブ５０３〜５０５の作動を制御するためのものである。また、制御部５０６は冷却水出口２０３の温度が初回に０℃に到達すると、燃料電池の一方の入口２１０に大気を、他方の位置口２１２に水素を供給する信号をこれらの供給源（図示しない）に対して発する。
【００３５】
そして、制御部５０６は温度センサＴ２０３にて検出された冷却水温が氷点下以下の温度範囲では上記電気ヒータ５０１、循環ポンプ５０２を作動させ、バルブ５０３〜５０５は閉じるよう作動する。次に、氷点下以下の温度から冷却水温が上昇したと制御部５０６が判断した場合は、その上昇の程度に応じてバルブ５０３〜５０５を順次開くよう作動する。
【００３６】
具体的に説明すると、図７のフローチャートにおいて、スタート時にはバルブ５０３〜５０５の閉を確認する。次に、電気ヒータ５０１および循環ポンプ５０２を作動する。これにより、電気ヒータ５０１で加温された冷却水は循環ポンプ５０２の作動により燃料電池の冷却水入口２０２、通路２０１、冷却水出口２０３を循環する。つまり、図６に示すように、燃料電池の領域Ａに加温された冷却水が循環する。そして、冷却水の循環により、図８に示すように、該領域Ａの温度が−３０℃から立ち上がり、所定時間ｔ１後に出口２０３からの冷却水温度が０℃に達すると、燃料電池に対して水素および空気の燃料ガスを供給し、発電させる。これにより、燃料電池の領域Ａが発電を開始し、同時に該領域Ａにて反応熱が発生し、この反応熱は該領域Ａを循環する冷却水に放熱される。このため、該領域Ａを循環する冷却水の温度は上昇し、所定時間ｔ２後に冷却水出口２０３からの冷却水の温度がＴ１以上に到達すると、バルブ５０３を開放する。
【００３７】
バルブ５０３の開放により、冷却水の一部はバイパスして冷却水入口２０４から通路２０１を通って出口２０５に至る領域Ｂを循環することになる。このため、該領域Ｂを循環する冷却水の温度は−３０℃と低いので、この出口２０５からの冷却水と出口２０３からの冷却水との合流により領域Ａの出口２０３からの冷却水温度はＴ１から低下し、所定時間ｔ３経過後は０℃程度になる。しかし一方で、領域Ｂでは冷却水入口２０４から温水が投入されるため、領域Ｂは暖機昇温する。従って領域Ｂからも発電が可能となり、発電に伴う発熱が領域Ｂを循環する冷却水にも伝わり暖機が加速される。所定時間ｔ４経過後に出口２０３からの冷却水温度がＴ２以上に到達するとバルブ５０４を開放する。そして、バルブ５０４の開放により、冷却水が燃料電池の領域Ｃを循環することになる。
【００３８】
次に、バルブ５０４の開放により該領域Ｃを通過する冷却水が合流するため、出口２０３の温度は所定時間ｔ５経過後０℃程度まで下降するが、領域Ｃでの発電による発熱に伴って冷却水温度が再び上昇することになる。
【００３９】
そして、所定時間ｔ６経過後に出口２０３の冷却水温度がＴ３以上となると、バルブ５０５を開放させ、燃料電池の領域Ｄに冷却水を循環させ、該領域Ｄの温度を上昇させ、該領域Ｄを発電させる。該領域Ｄを循環する冷却水の温度は−３０℃と低いので、この出口２０９からの冷却水が合流することにより領域Ａの出口２０３からの冷却水温度はＴ１から低下し、所定時間ｔ７経過後は０℃程度になる。しかし、領域Ｄでの発電に伴う発熱により領域Ｄを循環する冷却水の温度は上昇することになる。
【００４０】
ここで、所定時間ｔ３、ｔ５、ｔ７経過後に０℃とするのは、一旦暖めた領域Ａ、Ｂ、Ｃが再び０℃以下になって再び凍結で発電が阻害されないようにするためで、０℃以上を維持していればよい。そのためには温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の温度は予め実験或いは計算等によって求めておく必要がある。
【００４１】
なお、図９のように、燃料電池の発電電力が所定電力Ｘ（ＫＷ）を上回ると、電気ヒータ５０１への通電を停止させる。
【００４２】
このような制御により図４〜図６から理解されるように、燃料電池の一部の領域Ａから順次全体の領域（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）に、電気ヒータ５０１により加温された冷却水を循環させ、かつ発電させることが可能となる（図６は燃料電池の領域Ａ〜Ｃまでの暖機状態を示している）。また、以上説明したように、発電しながらバルブ５０３、５０４、５０５を順次開放するため、発電による熱源が加速度的に次々と増加し、燃料電池全体の暖機時間を短縮することができる。
【００４３】
燃料電池は、発電によって水素エネルギを電力の他に熱にも変換するため、発電させながら得られる熱も使ってその全体を暖機する方が有利である。
【００４４】
例えば車両用など大出力の燃料電池は、複数個の単電池で構成されるため、熱容量が大きくなる傾向にある。また、電気的に直列に接続しているため、仮にある一部の単電池群だけを暖機したとしても、暖機されていない単電池群の発電ができないため、全体としても発電を行うことができない。そこで、小容量の加温手段（例えば電気ヒータ）で短時間に発電できるようにするためには、燃料電池の一部を単電池間で均等になるように暖機することが有効である。
【００４５】
凍結しない温度を０℃とし、そのときの燃料電池全体の出力が、例えば１００Ｗ得られるとすれば、燃料電池の１０％の面積を凍結しない温度まで暖機すると、約１０Ｗの出力が得ることができる。燃料電池を構成する複数個の単電池がそれぞれ１０％暖機できれば、１０Ｗ×単電池枚数の出力が得ることが可能となる。
【００４６】
発電を行うためには、水素と空気を供給する必要があり、各種補機を稼働させる必要である。発電を行う前には、これら補機の動力を燃料電池スタック以外でまかなう必要があるため、車両においては、バッテリがその有効な手段となっている。しかしながらバッテリの温度も低温であり、その放電能力が低下してしまう傾向がある。従って、発電直後の燃料電池出力（Ｐｆ）、バッテリ出力（Ｐｂａｔ）、初期の暖機と発電に必要な補機動力（Ｐｈ）の関係は、
（数１）
Ｐｆ＞Ｐｂａｔ＞Ｐｈ
を成立させる必要がある。即ち、発電前はバッテリで補機の動力を賄うが、燃料電池の発電が開始されると、直ちに補機動力を燃料電池が賄いかつバッテリにも充電できるようにしなければならない。
【００４７】
これらのことから、燃料電池の初期暖機を（数１）が成立するように燃料電池の暖機面積を決定する必要がある。具体的には、燃料電池の１〜３０％程度の単電池群を初期暖機すれば、通常のシステムで（数１）が成立する。
【００４８】
（第２実施形態）
図１０は燃料電池の領域Ａの冷却水入口に入口温度センサＴ２０２、領域Ｂ、Ｃ、Ｄの冷却水出口に出口温度センサＴ２０３、Ｔ２０５、Ｔ２０７、Ｔ２０９を設置し、これら温度センサＴ２０２、Ｔ２０３、Ｔ２０５、Ｔ２０７、Ｔ２０９にてバルブ５０３〜５０５の開度を調整するようにした実施形態を示すものである。
【００４９】
これについて説明すると、スタート時にはバルブ５０３〜５０５の閉を確認後、電気ヒータ５０１および循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、加温された冷却水が燃料電池の領域Ａを循環し、該領域Ａが暖機され、時間ｔ１の経過後、冷却水出口２０３の温度が０℃以上に到達すると、燃料ガスを燃料電池に供給する。燃料ガスの供給により、領域Ａでの発電が開始される。
【００５０】
発電が開始した後は、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０３の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｂに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。この操作によって、ヒータ５０１と領域Ａで得た熱量は全て領域Ｂに投入されるため、無駄なく領域Ｂの暖機が可能となる。
【００５１】
領域Ｂへの冷却水の循環により該領域Ｂが暖機され、該領域Ｂにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｂの冷却水出口２０５の温度が遅れて上昇することになる。そして、温度センサＴ２０５により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０３を全開にする。
【００５２】
次に、時間ｔ２経過後、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０４の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｃに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。
【００５３】
領域Ｃへの冷却水の循環により該領域Ｃが暖機され、該領域Ｃにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｃの冷却水出口２０７の温度が上昇することになる。そして、温度センサＴ２０７により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０４を全開にする。
【００５４】
次に、時間ｔ３経過後、領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように、バルブ５０５の開度を調整する。これにより、冷却水の一部が燃料電池の領域Ｄに循環するが、その循環量は領域Ａの冷却水入口２０２の温度が０℃になるように調量される。
【００５５】
領域Ｄへの冷却水の循環により該領域Ｄが暖機され、該領域Ｄにて発電されるため、その発熱が冷却水に放熱される結果、領域Ｄの冷却水出口２０９の温度が上昇することになる。そして、温度センサＴ２０９により検出された温度が０℃以上に到達すると、バルブ５０５全開にする。
【００５６】
以上の作動による燃料電池の温度と電力との関係を図１２に示す。
【００５７】
本実施形態２によれば、各温度センサＴ２０３、２０５、２０７、２０９により各領域Ａ〜Ｄの出口側の冷却水温度をダイレクトに検出して各バルブ５０３〜５０５の開度を調整し、各領域Ａ〜Ｄへの冷却水流量を調整できる結果、実施形態１に比較して各領域Ａ〜Ｄの暖機を素早く行うことができ、従って燃料電池として発電できるまでの時間を短縮することができるという利点がある。
【００５８】
（第３実施形態）
図１３は上記第２実施形態における開度調整式バルブに代えて流量可変ポンプ６０１〜６０３を採用したものであり、作動は実施形態２と同じである。
【００５９】
（第４実施形態）
図１４は上記第３実施形態における流量可変ポンプを各領域Ｂ〜Ｄの入口側に設置することに代えて出口側に設置したものであり、作動は実施形態２と同じである。
【００６０】
（第５実施形態）
上記各第１実施形態１〜３は、何れも各単電池の積層方向と交差する方向における拡大面内（発電面）に各通路２０１を独立して配置した例を示しているが、本第５実施形態ではこれら通路の入口側を共通とし、出口側は各通路に対応させて独立させるようにしたものである。
【００６１】
具体的に説明すると、図１５および図１５のＡ−Ａ断面を示す図１６において、各単電池１００の各通路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの熱交換媒体入口側を共通の１つの入口２０２に連通させ、各通路の出口側はそれぞれ出口２０３〜２０９に連通させたものである。
【００６２】
図１５の積層タイプの単電池で構成される燃料電池システムを図１７に示す。この燃料電池システムの作動フローチャートを図１８に示す。
【００６３】
図１８において、図１７を参照しながら作動を説明する。
【００６４】
ステップＳ１においては、バルブ５０３−１が開、その他のバルブ５０３、５０４、５０５が閉であることを確認する。
【００６５】
ステップＳ２においては、電気ヒータ５０１を作動させ、ステップＳ３において循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、燃料電池の通路２０１ａのみに加温された冷却水が循環する経路が形成されるため、燃料電池の一部（２０１ａ）のみが昇温することになる。
【００６６】
次に、ステップＳ４において、通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度が０℃を超えているか否かを判断する。温度は出口２０３側の循環路に配置した温度センサＴ２０３にて求める。そして、ステップＳ４で０℃を下回っている場合は、戻る。０℃を超えている場合はステップＳ５に進み、燃料ガス（水素、空気）を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の一部（図７の領域Ａ）での発電が開始される。
【００６７】
ステップＳ６では、通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１（０℃以上）を超えているか否かを判断する。出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１を下回っていると判断された場合は、ステップＳ６に戻る。
【００６８】
ステップＳ６で出口２０３の冷却水温度Ｔ１が所定値Ｔ１を超えていると判断されると、通路２０１ｂの出口のバルブ５０３を開き、通路２０１ｂ内にも冷却水を循環させる。これにより、通路２０１ｂ内への冷却水の循環により通路２０１ａの出口２０３の冷却水温度が低下するので、ステップＳ７では、出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。
【００６９】
ステップＳ８においては、通路２０１ｂの出口２０５の冷却水温度Ｔ２が目標設定温度Ｔ２を超えているか否かを判断する。温度は出口２０５側の循環路に配置した温度センサＴ２０５にて求める。ステップＳ７に基き、バルブ５０３が開放されると、通路２０１ｂ内に冷却水が循環し、該通路２０１ｂが昇温される。そして、通路２０１ｂの出口２０５の冷却水温度が目標設定温度Ｔ２を超えたと判断された場合は、ステップＳ９に進む。目標設定温度Ｔ２を下回ると判断された場合はステップＳ８に戻る。
【００７０】
ステップＳ９においては通路２０１ｃの出口２０７のバルブ５０４を開き、同時に出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。バルブ５０４の開放により、冷却水は通路２０１ｃにも循環し、該通路２０１ｃに対応する個所が昇温する。
【００７１】
次に、ステップＳ１０に進み、バルブ５０４の出口２０７の冷却水温度が目標温度Ｔ３を超えているか否かを判断する。温度は出口２０７側の循環路に配置した温度センサＴ２０７にて求める。通路２０１ｃの出口２０７の冷却水温度が目標設定温度Ｔ３を超えたと判断された場合は、ステップＳ１１に進む。目標設定温度Ｔ３を下回ると判断された場合はステップＳ１０に戻る。
【００７２】
ステップＳ１１においては通路２０１ｄの出口２０９のバルブ５０５を開き、同時に出口２０３の冷却水温度が所定範囲内Ｒ（０℃以上の範囲内）に収まるようにバルブ５０３−１の開度を調整する。バルブ５０５の開放により、冷却水は通路２０１ｄにも循環し、該通路２０１ｄに対応する個所が昇温する。
【００７３】
以上のようにして、燃料電池の全体が昇温されることになる。
【００７４】
このように、本第５実施形態によれば、各通路２０１ａ〜２０１ｄにより形成される通路は入口側（符号２０２）にて連通しているため、各通路にて発生する発電に伴う熱量が冷却水を介して他の拡大面にも伝達させることが可能となり、燃料電池の早期および効果的な昇温が期待できる。
【００７５】
（第６実施形態）
図１９〜図２１は第５実施形態の変形例である第６実施形態を示すものである。この第６実施形態によれば、単電池の通路を３つとしたものであり、作動は第５実施形態と同じである。
【００７６】
（第７実施形態）
図２２〜図２４は第５実施形態の変形例である第７実施形態を示すものである。この第７実施形態によれば、単電池の通路を２つとしたものであり、作動は第５実施形態と同じである。
【００７７】
（第８実施形態）
図２５〜図２７は第８実施形態を示すものである。この実施形態８は第５実施形態が各通路の入口側を共通とし、出口側を独立としたのに対して、通路の出口側を共通とし、入口側を独立としたものである。
【００７８】
具体的に説明すると、図２５において、各単電池１００の各通路２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄの熱交換媒体出口側を共通の１つの出口２０９に連通させ、各通路の入口側はそれぞれ入口２０２、２０４、２０６、２０８に連通させたものである。
【００７９】
図２５の積層タイプの単電池で構成される燃料電池システムを図２６に示す。この燃料電池システムの作動フローチャートを図２７に示す。
【００８０】
図２７において、図２６を参照しながら作動を説明する。
【００８１】
ステップＳ１においては、バルブ５０３−１が開、その他のバルブ５０３、５０４、５０５が閉であることを確認する。
【００８２】
ステップＳ２においては、電気ヒータ５０１を作動させ、ステップＳ３において循環ポンプ５０２を作動させる。これにより、燃料電池の通路２０１ａのみに加温された冷却水が循環する経路が形成されるため、燃料電池の一部（２０１ａ）のみが昇温することになる。
【００８３】
次に、ステップＳ４において、通路２０１ａを循環して出口２０９から排出された冷却水温度を出口２０９側の循環路に配置した温度センサＴ２０５−１にて検出し、その冷却水温度が０℃を超えているか否かを判断する。０℃を下回っている場合は、戻る。０℃を超えている場合はステップＳ５に進み、燃料ガス（水素、空気）を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の一部（図７の領域Ａ）での発電が開始される。
【００８４】
ステップＳ６では、通路２０１ｂの入口側のバルブ５０３を全開する。
【００８５】
ステップＳ７では通路２０１ｂに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。
【００８６】
ステップＳ７で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ８に進み、通路２０１ｂの入口側のバルブ５０３の開度を調整し、通路２０１ｂを循環する冷却水量を調整する。
【００８７】
次にステップＳ９にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ８に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ６に進む。
【００８８】
ステップＳ７で出口２０９の温度が０℃を超えていると判断された場合は、ステップ１０に進み、入口２０６のバルブ５０４を全開にし、通路２０１ｃにも冷却水を循環させる。
【００８９】
ステップＳ１１では通路２０１ｃに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。ステップＳ１１で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１２に進み、通路２０１ｃの入口側のバルブ５０４の開度を調整し、通路２０１ｃを循環する冷却水量を調整する。
【００９０】
次にステップＳ１３にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ１２に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ１０に進む。
【００９１】
ステップＳ１１で出口２０９の温度が０℃を超えていると判断された場合は、ステップ１４に進み、入口２０８のバルブ５０５を全開にし、通路２０１ｄにも冷却水を循環させる。
【００９２】
ステップＳ１５では通路２０１ｄに冷却水が循環することにより、出口２０９の冷却水温度が変化するので、これを検出して出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断する。ステップＳ１５で０℃を下回っていると判断された場合は、ステップＳ１６に進み、通路２０１ｄの入口側のバルブ５０５の開度を調整し、通路２０１ｄを循環する冷却水量を調整する。
【００９３】
次にステップＳ１７にて出口２０９の温度が０℃を超えているか否かを判断し、０℃を下回っている場合は、ステップＳ１６に戻る。０℃を超えている場合は、ステップＳ１４に進む。
【００９４】
以上が第８実施形態の作動である。
【００９５】
（第９実施形態）
図２８〜図３０は第８実施形態の変形例である第９実施形態を示すものである。この第９実施形態によれば、単電池の通路を３つとしたものであり、作動は第８実施形態と同じである。
【００９６】
（第１０実施形態）
図３１〜図３３は第８実施形態の変形例である第１０実施形態を示すものである。この第１０実施形態によれば、単電池の通路を２つとしたものであり、作動は第８実施形態と同じである。
【００９７】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態〜第１０実施形態では何れも燃料電池への燃料ガスの供給は一定量であるが、例えば燃料電池の各領域Ａ〜Ｄに対する熱交換媒体の循環の仕方にリンクさせて燃料ガスの供給量を順次増大させる制御を採用することができる。これにより、暖機された各領域Ａ〜Ｄでの発電に見合った燃料ガス供給量となるため、領域Ａでの発電を行う際に領域Ｂ〜Ｄまでの領域分も含めた容量の燃料ガスを供給する場合に比較して消費されずに排出される燃料ガス量を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における単電池と冷却水の通路、入口、出口の関係を示す斜視図である。
【図２】冷却水の循環経路を説明する図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１実施形態における単電池の積層状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は燃料電池の各領域の暖機状態を示す斜視図である。
【図７】第１実施形態における作動フローを説明するフローチャートである。
【図８】第１実施形態における燃料電池の温度と電力との関係を示す特性図である。
【図９】第１実施形態のおける暖機工程終了の作動フローを説明するフローチャートである。
【図１０】第２実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１１】第２実施形態における作動フローを説明するフローチャートである。
【図１２】第２実施形態における燃料電池の温度と電力との関係を示す特性図である。
【図１３】第３実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１４】第４実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１５】第５実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ断面図である。
【図１７】第５実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図１８】第５実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図１９】第６実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２０】第６実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２１】第６実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２２】第７実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２３】第７実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２４】第７実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２５】第８実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２６】第８実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図２７】第８実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図２８】第９実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図２９】第９実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図３０】第９実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【図３１】第１０実施形態における単電池の積層状態を示す図である。
【図３２】第１０実施形態における燃料電池システムを示す図である。
【図３３】第１０実施形態作動フローを説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１００ 単電池
２０１ ２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ 通路
２０２、２０４、２０６、２０８ 入口
２０３、２０５、２０７、２０９ 出口
５０１ 電気ヒータ
５０２ 循環ポンプ
５０３、５０４、５０５ バルブ
Claims (8)
- 単電池を複数積層して構成され、燃料ガスの導入により発電する燃料電池において、前記各単電池の発電面に対応する部位に熱交換媒体が循環する複数の熱交換媒体循環通路が並列配置されており、該通路の一端側は共通の入口部、該通路の他端側は個別の出口部に連通するか、または該通路の一端側は個別の入口部、該通路の他端側は共通の出口部に連通しており、かつ前記単電池の隣り合う間において前記各通路が該単電池の積層方向で並列接続されるように、前記各通路の前記入口部どうし、前記各通路の出口部どうしが連結されていることを特徴とする燃料電池。
- 燃料ガスの導入により発電する燃料電池の内部に、加温された熱交換媒体を循環させるようにした燃料電池システムにおいて、請求項１に記載の構成を備えた燃料電池と、前記通路に熱交換媒体を循環せしめる熱交換媒体循環手段と、前記熱交換媒体を加温する加温手段と、前記熱交換媒体の温度を検出するセンサと、該センサで検出された前記熱交換媒体の温度に基づいて前記循環手段の作動を制御する制御部とを備え、該制御部において前記温度センサにより検出された前記熱交換媒体の温度が氷点以下の温度であると判断された場合には、前記制御部は前記燃料電池内部の前記通路の一部の領域に前記加温された熱交換媒体を循環させるよう前記循環手段に作動信号を付与し、前記制御部において前記温度センサにより検出された前記熱交換媒体の温度が前記氷点以下の温度から上昇したと判断された場合にはその上昇の程度に応じて前記燃料電池内部の前記通路の前記一部の領域から順次前記通路の全体の領域に前記加温された熱交換媒体を循環させるよう前記循環手段に作動信号を付与することを特徴とする燃料電池システム。
- 前記氷点下以下の温度は−３０℃であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスの導入により発電する燃料電池の内部に、加温された熱交換媒体を循環させるようにした燃料電池システムにおいて、請求項１に記載の構成を備えた燃料電池と、前記通路に熱交換媒体を循環せしめる熱交換媒体循環手段と、前記熱交換媒体を加温する加温手段と、を包含し、前記循環手段は、前記燃料電池内部の前記通路の一部の領域から順次前記通路の全体の領域に前記熱交換媒体が循環するように、前記複数の通路のうち一通路から順次他の通路を開放するよう各通路に対応した複数の開放手段および循環ポンプを備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 前記開放手段は、バルブであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
- 前記開放手段は、ポンプであることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
- 前記温度センサおよび前記バルブは前記熱交換媒体の前記燃料電池の出口側に配置されており、前記燃料電池内部の前記通路の前記一部の領域に対応する前記バルブを開放してから順次前記全体の領域に対応する前記バルブを開放して前記加温された熱交換媒体を循環させる際には、前記一部の領域に対応する前記バルブの開度を調整するよう前記バルブを制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
- 前記単電池の前記面の面積が、前記燃料電池内部の前記通路の前記一部の領域に前記熱交換媒体を循環させている状態において該一部の領域にて発生する発電力が電気負荷の駆動に必要な電力以上となるような大きさを備えていることを特徴とする請求項２〜７の何れか１つに記載の燃料電池システム。
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