JP4576880B2

JP4576880B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4576880B2
Application number: JP2004146581A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2024-05-17
Also published as: JP2005327672A

Description

本発明は、複数のセルを備える燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムの分野においては、複数のセル（単電池あるいは単セルともいう）を直列に積層したスタックを備え、各セルにおいて供給されるアノードガスやカソードガスが反応することで発電するもの、例えば高分子電解質型燃料電池が知られている。このような燃料電池システムにおいては、各セルが反応により発熱することから、各セルを冷却する目的で冷却水流路が設けられる。この冷却水流路は一般にセル外部に設けたポンプにより冷却水を各セルに循環させるように構成される（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、複数のセルを備える燃料電池システムにおいて、特定のセルのみに冷却水を循環させる着想については提案されていなかった。このため、例えば、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転（例えば氷点下の環境下における暖気運転）している間に冷却水を循環させると、全てのセルに新たな冷却水（通常、昇温途中の冷却水よりも低温である）が循環されて全てのセルが冷えるという問題がある。これは、各セルが発熱するとはいっても全てのセルが均一に昇温するのではなく、例えば、中央部のセルが昇温しやすく端部のセルが昇温しにくい、というようにムラがあるからであり、特定のセル（この場合中央部のセル）のみに冷却水を循環させることができないからである。

なお、本発明に関連すると考えられるものとして、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路のうちの少なくとも一方に、振動板と圧電素子からなる振動手段を備える燃料電池がある（例えば特許文献２参照）。
特開平７−１２２２８０号公報特開２００２−１８４４３０号公報

本発明の課題は、複数のセルを備える燃料電池システムにおいて、特定のセルのみに冷却水を循環させるための技術を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数のセルを備える燃料電池システムであって、前記複数のセルそれぞれに対応する冷却水流路と、前記複数のセルのうち特定のセルのみに対応する冷却水流路に冷却水を循環させる循環手段と、を備える。

本発明によれば、特定のセル（例えば最高温度に達することが予め判明しているセルや、所定温度以上であると判定されたセル）のみに冷却水を循環させることができる。従って、例えば、燃料電池の起動時に、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転（例えば氷点下の環境下における暖気運転）している間に特定のセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、この場合、従来のように、全てのセルに新たな冷却水（通常、昇温途中の冷却水よりも低温である）が循環されて全てのセルが冷えることがなくなる。

また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記循環手段は、各冷却水流路に設けられセル外からセル内への流通のみを許容する逆止弁と、各冷却水流路に設けられセル
内からセル外への流通のみを許容する逆止弁と、該両逆止弁間の冷却水流路中に設けられ通電により容積変化する素子と、を含む。

また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記循環手段は、前記素子が通電により容積変化することでポンプとして機能する。

これは、循環手段の使用例を特定したものである。従って、本発明の循環手段は、ポンプとしてのみ機能するのではなく、他の様々な目的で機能することが可能である。

また、上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記素子は、非通電時にその容積が最大又は最小となるように設定される。

このように、非通電時に容積が最大となるように設定するとすれば、各冷却水流路内の冷却水の保有量が少なくなる（すなわち熱容量が小さくなる）ことから、次回燃料電池を運転（起動）する場合に、各冷却水路内の冷却水の昇温特性を良好にできる。同様に、非通電時に容積が最小となるように設定するとすれば、各冷却水流路内の冷却水の保有量が多くなる（すなわち熱容量が大きくなる）ことから、運転停止後でも比較的冷めにくい燃料電池を得ることが可能になる。

本発明によれば、特定のセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、例えば、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転（例えば氷点下の環境下における暖気運転）している間に所定温度を越えたセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、この場合、従来のように、全てのセルに新たな冷却水（通常、昇温途中の冷却水よりも低温である）が循環されて全てのセルが冷えることがなくなる。

以下、本発明の実施形態である高分子電解質型燃料電池システム（以下単に燃料電池という）について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、複数のセル（単電池あるいは単セルともいう）２０を直列に積層して構成されるスタック３０と、その積層された各セル２０を冷却するための冷却水（冷媒とも呼ばれる）流路４０と、所定値（所定温度）を越えたセル２０を検出する温度検出器５０と、その検出されたセル２０に対応する冷却水流路４０に冷却水を循環させる循環手段６０と、を備えている。なお、図１は、説明の都合上、主にスタック３０を構成するセル２０のうちの一つに着目してその断面を図示したものであり、他のセル２０については図示を省略してある。

セル２０は、セパレータ２１、ＭＥＡ(membrane electrode assembly)２２、及びセパレータ２３を積層して構成される。図１中、セパレータ２１は紙面直交方向に延びる複数の凹溝２１ａを有しており、各凹溝２１ａとＭＥＡ２２下面とでカソード流路２１ａを形成する。同様に、セパレータ２３は紙面直交方向に延びる複数の凹溝２３ａを有しており、各凹溝２３ａとＭＥＡ２２上面とでアノード流路２３ａを形成する。セル２０においては、各カソード流路２１ａと各アノード流路２３ａに水素などの燃料であるアノードガスと酸化剤である空気などのカソードガスが供給されＭＥＡ２２において反応することで発電する。なお、アノードガスやカソードガスの供給系については公知であることからその
構成については省略する。

各セル２０はそのセパレータ２１を他のセル２０のセパレータ２３に向き合わせた状態で積層される。この積層された各セル２０が上記反応により発熱することから、各セル２０を冷却する目的で各セル２０間に冷却水流路４０が設けられる（本発明の複数のセルそれぞれに対応する冷却水流路に相当）。冷却水流路４０は、積層された各セル２０間、すなわち、あるセル２０のセパレータ２１とこれに隣接して積層されたセル２０のセパレータ２３との間に設けられる。従って、例えば、５つのセル２０を積層して構成されるスタック３０においては、４つの冷却水流路４０が存在する。これは冷却水流路４０設置の一例であるから、例えば、冷却水通路４０を２セル２０ごとに設けるようにしてもよいし、その他の形態で設置してもよい。

各冷却水流路４０は循環手段６０により冷却水が循環するように構成される。あるいは、外部冷却水ポンプ（図示せず）を持つ場合、平均的なセルの冷却は外部ポンプに任せ、特異的なセル（例えば端セルや最下端セル）のみ、循環手段６０による冷却を行うように構成してもよい。

所定値（所定温度）を越えたセル２０を検出するために温度検出器５０が設けられる。温度検出器５０は、温度センサを含み、例えば冷却水流路４０中に設けられる。あるいは、各セル２０のアノードガス出口にも設けるようにしてもよい。あるいは、セル２０から得られる電圧と電流に基づいてセル２０の温度を推定するようにしてもよい。環境温度（セル２０の温度）により電圧と電流の関係が概ね定まるので、セル２０から得られる電圧と電流に基づいてセル２０の温度を推定することは可能である。

図１は、温度検出器５０を冷却水流路４０中の素子上部に設けた例を示す。温度検出器５０はＣＰＵなどの制御部７０に接続されている。制御部７０は、所定プログラムを実行することにより、温度検出器５０が検出した値（温度）と所定値（警戒温度や上限温度などの所定温度）とを比較し、所定値を越えたか否か（または所定値以上か否か）を判定する。これにより、所定値を越えたセル２０を検出可能となっている。なお、温度検出器５０が冷却水流路４０中に設けられる場合、温度検出器５０が実際に検出するのはセル２０の温度ではなく、冷却水流路４０中の冷却水の温度である。しかしながら、冷却水流路４０中の冷却水の温度は、この冷却水流路４０に隣接するセル２０の温度ともいえる。従って、冷却水流路４０とこれに隣接するセル２０との対応関係をメモリに保持させておけば、特定の冷却水流路４０中の冷却水温度が検出された場合にその対応関係を参照することで、特定のセル２０の温度を検出することが可能である。

冷却水通路４０は冷却水を循環させるための循環手段６０を構成する要素の一つでもある。すなわち、図１に示すように、循環手段６０は、冷却水流路４０（の一端側）に設けられセル２０外からセル２０内への流通のみを許容する逆止弁６１と、冷却水通路４０（の他端側）に設けられセル２０内からセル２０外への流通のみを許容する逆止弁６２と、両逆止弁６１、６２間の冷却水流路４０中に設けられ制御部７０からの制御（通電等）により容積変化する素子６３と、その素子６３を覆い冷却水通路４０中の冷却水と空気層とを仕切る膜６４とを備えている。

例えば、５つのセル２０を積層して構成されるスタック３０においては、４つの冷却水流路４０が存在することになるから、通常、４つの循環手段６０が構成される。この例では、４つの循環手段６０を構成する４つの素子６３は、各素子６４に対応する駆動回路８０を介して制御部７０に接続されている。なお、素子６３の電源としては、セル２０で発生した電圧を得るセルＶ検出回路８１から供給することも考えられるし、外部電源を設けてこれから供給することも考えられる。

制御部７０は、駆動回路８０を介して特定の素子６３を制御する。例えばその素子６３が通電非通電により容積変化する圧電素子で有れば、通電非通電（オンオフ）を繰り返す。するとその制御された素子６３は、容積変化を繰り返す（図１中実線で示す形状又は波線で示す形状を繰り返す）ので、この素子６３を覆う膜６４も連動して上下動する。従って、図１中、冷却水流路４０中の冷却水は左（逆止弁６１）から右（逆止弁６２）へ流れる。すなわち、冷却水流路４０はポンプとして機能するのである。この意味では循環手段６０はポンプともいえる。これにより、特定のセル２０のみに冷却水を循環させることが可能となる。なお、通電非通電（オンオフ）の間隔を適宜に設定することで、循環させる冷却水の流量も調整可能となる。なお、素子６３としては例えば人工筋肉など、通電非通電により長さあるいは容積が変化するものを適用可能である。また、膜６４としては例えばゴムやステンレスなどの薄膜を適用可能である。

なお、氷点下の環境下で燃料電池１０を運転することを想定すれば、非通電時（電源オフ時）に最も容積が大きくなるように素子６３を設定する（例えば無通電時に元の形状に復帰するように素子６３を作っておく）のが望ましい。このようにすれば、各冷却水流路４０内の冷却水の保有量が少なくなる（すなわち熱容量が小さくなる）ことから、次回燃料電池１０を運転する場合に、各冷却水路４０内の冷却水の昇温特性を良好にできる。この観点からは、素子６３は必ずしも圧電素子のように通電等により体積変化するものである必要はなく、例えば、バルーンであってもよい。一方、運転停止後も冷めにくい燃料電池１０を得たいという要請があれば、非通電時（電源オフ時）に最も容積が小さくなるように素子６３を設定するのが望ましい。このようにすれば、各冷却水流路４０内の冷却水の保有量が多くなる（すなわち熱容量が大きくなる）ことから、運転停止後でも比較的冷めにくい燃料電池を得ることが可能になる。

次に、上記構成の燃料電池１０の動作について図２を参照しながら説明する。

燃料電池１０において、アノードガスやカソードガスが供給され発電を開始すると（Ｓ１０）、各セル２０（又は最高温度になることが予め判明しているセル２０などの、特定セル）の温度を検知する（Ｓ１１）。この温度検知は例えば各温度検出器５０が行う。

本実施形態では、温度検知の対象とされるセル２０が監視セルリスト９０に設定されている。監視セルリスト９０とは、セル２０とそのセル２０が温度検知の対象とされるセルか否かを示す識別子との対応関係である。監視セルリスト９０は制御部７０がアクセス可能なメモリに保持される。

制御部７０は、所定プログラムを実行することにより、監視セルリスト９０を参照し、温度検知の対象とされるセルであることを示す識別子が設定されているセル２０について、温度検出器５０が検出した値と所定値（警戒温度）とを比較し、所定値を越えたか否かを判定する。これにより、所定値（警戒温度）を越えたセル２０を検出可能となっている（本発明の検出手段に相当）。

その結果、制御部７０は、所定値（警戒温度）を越えたセル２０を検出した場合には、そのセル２０に対応する冷却水流路４０のみをポンプとして機能させる（Ｓ１２）。すなわち、制御部７０は、そのセル２０に対応する駆動回路８０を介して、そのセル２０に対応する冷却水流路４０中の素子６３を制御する（例えば通電非通電を繰り返す）。するとその制御された素子６３は、容積変化を繰り返す（図１中実線で示す形状又は波線で示す形状を繰り返す）ので、この素子６３を覆う膜６４も連動して上下動する。従って、図１中、冷却水流路４０中の冷却水は左（逆止弁６１）から右（逆止弁６２）へ流れる。すなわち、冷却水流路４０はポンプとして機能するのである。これにより、所定値（警戒温度
）を越えたセル２０のみに冷却水を循環させることが可能となる。所定値を越えない他のセル２０には循環しない。

このように、各セル２０ごとの冷却水を個別に循環させることができることから、例えば、次の効果を奏する。

第１に、従来のように、全てのセル２０に新たな冷却水（通常、昇温途中の冷却水よりも低温である）が循環されて全てのセル２０が冷えることがなくなる。第２に、燃料電池１０を所定温度まで比較的早期に昇温させること（例えば氷点下の環境下における暖気運転の早期完了）が可能となる。第３に、各セル２０を均一な温度に調整することが可能となる。第４に、セル２０の積層数を変えても冷却水ポンプを新たに開発する必要がない。第５に、駆動回路８０をセルＶ検出回路８１と統合することで、ポンプドライバー（駆動回路８０）の小型化が可能となる。第６に、スタック３０の性能によっては、外部ポンプが不要となる。第７に、冷却水ポンプの消費電力分、ＦＣ出力ケーブル、コンタクタの負荷を下げることが可能である。

次に、制御部７０は、その循環手段６０がポンプとして起動しているセル２０を監視セルリスト９０から除く（Ｓ１３）。すなわち、制御部７０は、監視セルリスト９０を参照し、その循環手段６０がポンプとして起動しているセル２０が温度検知の対象とされるセルであることを示す識別子を、そのような対象とされないセルであることを示す識別子に書き換える。なお、監視セルリスト９０から全てのセル２０が除かれた場合には（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、本フローチャートの処理（起動モード）を終了する（Ｓ１７）。

一方、監視セルリスト９０から全てのセル２０が除かれていない場合には（Ｓ１４：Ｎｏ）、制御部７０は、所定プログラムを実行することにより、温度検出器５０が検出した値と所定値（上限温度）とを比較し、所定値に達したか否かを判定する（Ｓ１５）。その結果、制御部７０は、所定値（上限温度）に達したセル２０が存在すると判定した場合には（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、外部冷却水ポンプ（図示せず）を作動させる（Ｓ１６）ことで、各冷却水流路４０に冷却水を供給する（外部冷却水ポンプが設けられている場合）。これにより、上限温度に達したセルを保護することが可能となる。

一方、制御部７０は、所定値（上限温度）に達したセル２０が存在すると判定しない場合には（Ｓ１５：Ｎｏ）、Ｓ１１以降の処理を繰り返し行う。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池１０によれば、特定のセル２０のみに冷却水を循環させることが可能となる。

（変形例）
上記実施形態の燃料電池システムにおいては、外部冷却水ポンプが設けられている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、外部冷却水ポンプを設けることなく、燃料電池１０を構成しても良い。この場合、上記Ｓ１５及びＳ１６の処理は不要となる。

また、上記実施形態の燃料電池システムにおいては、監視セルリスト９０に温度検知の対象とされるセルであることを示す識別子が設定されているセル２０について、温度検出器５０が検出した値と所定値（所定温度）を比較し、所定値を越えたセル２０に対応する冷却水流路４０をポンプとして機能させるように説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、特定のセル（最高温度に達することが予め判明している、例えば中央部のセル）２０については、温度検出器５０による温度検出（さらにはその検出した値と所定値（所定温度）を比較）することなく、常に、燃料電池１０始動初期（例えば燃料電池１０
起動後所定時間）はその特定のセル２０のみに対応する冷却水流路４０をポンプとして機能させるようにしてもよい（Ｓ１２）。この場合、検出手段５０は不要となる。このようにすれば、燃料電池１０始動時にまず特定のセル２０についてのみ冷却水を循環させることが可能となる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。

本発明によれば、特定のセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、例えば、燃料電池を所定温度まで昇温させる目的で運転（例えば氷点下の環境下における暖気運転）している間に、所定温度を越えたセルのみに冷却水を循環させることが可能となる。従って、従来のように、全てのセルに新たな冷却水（通常、昇温途中の冷却水よりも低温である）が循環されて全てのセルが冷えることがなくなる。

本発明の実施形態である高分子電解質型燃料電池の概略構成を説明するための図である。本発明の実施形態である高分子電解質型燃料電池の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池
２０セル
３０スタック
４０冷却水流路
５０温度検出器
６０循環手段
７０制御部
８０駆動回路
９０監視セルリスト

Claims

複数のセルを備える燃料電池システムであって、
各セル間に設けられる冷却水流路と、
各冷却水流路に設けられ、前記複数のセルのうち特定のセルのみに対応する冷却水流路に冷却水を循環させる循環手段と、
を備える燃料電池システム。
前記特定のセルは所定温度以上であると判定されたセルである請求項１に記載の燃料電池システム。
前記循環手段は、
セル外からセル内への流通のみを許容する逆止弁と、各冷却水流路に設けられセル内からセル外への流通のみを許容する逆止弁と、該両逆止弁間の冷却水流路中に設けられ通電により容積変化する素子と、
を含む請求項１に記載の燃料電池システム。
前記循環手段は、前記素子が通電により容積変化することでポンプとして機能する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
前記素子は、非通電時にその容積が最大又は最小となるように設定される請求項３に記載の燃料電池システム。