JP2006079880A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】各燃料電池セルへの冷却媒体の入口周辺及び出口周辺の冷却効率を均一化し、各燃料電池セルの電極面内の温度差を小さくすることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池セル１０を狭持して、その両端に配置したエンドプレート１３ｉ、１３ｏと、該エンドプレートの狭持方向に、燃料電池セル１０を貫通して冷却媒体を流す貫通路１０３、１０４と、、該貫通路間を接続する冷却媒体流路１０５と、エンドプレート１３ｉに設けた該貫通路の供給口１８Ｂ、１８Ａ、及び、エンドプレート１３ｏに設けた該貫通路の排出口１９Ａ、１９Ｂと、供給口１８Ａ、１８Ｂ又は排出口１９Ａ、１９Ｂにおけるそれぞれの冷却媒体の流通又は遮断を選択する冷媒流通選択手段４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂと、燃料電池セル１０の発電負荷に基づいて該冷媒流通選択手段を制御して、冷却媒体流路１０５の冷却媒体の流通方向を切り替える流通制御手段９と、を備える燃料電池システム。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。特に、固体高分子型燃料電池スタックにおける冷却媒体流路の構造に関する。

従来の固体高分子型燃料電池として、以下のようなものが知られている。

第１マニホールド板、第１面圧発生板、セパレータ本体、第２面圧発生板、第２マニホールド板、第１ガスケット、固体高分子電解質膜、第２ガスケットのそれぞれ上方から別異の経路で燃料ガスと酸化剤ガスとを供給する。一方、前記とは逆に、下方から冷却水を供給する。この冷却水はセパレータ本体内で下方から上方へと上昇し、このような冷却水の流れによって燃料電池セルの温度分布を少なくする（例えば、特許文献１、参照。）。

また、燃料電池の内部に、燃料電池セルの冷却に使用された冷却水を該燃料電池セルの発電機能部の両側に、かつ、その積層方向に沿って巡回させる巡回通路が設けられる。そして、燃料電池の両端には、冷却水の流れ方向を転換させるための第１及び第２エンドプレートが、第１及び第２剛性板を介して配設される。この第１及び第２エンドプレートよって、発電機能部で熱交換が行われて温度が高くなった冷却水が、流れ方向を転換して発電機能部の外方へ流れ、発電機能部の中央部と該発電機能部の外方端部との温度差を小さくする（例えば、特許文献２、参照。）。
国際公開第９６／３７９２０号パンフレット 特開平１０−６４５７５号公報

しかしながら、上記背景技術では、各単位燃料電池セルの電極面内で一定の方向へ冷却媒体が流れるのみであるため、定常状態では、最も冷却効率のよい冷却媒体の供給口（入口）周辺と、最も冷却効率の悪い冷却媒体の排出口（出口）周辺とで温度差が生じるといった問題があった。

そこで本発明は、各単位燃料電池セルへの冷却媒体の入口周辺及び出口周辺の冷却効率を均一化し、各単位燃料電池セルの電極面内の温度差を小さくすることができる燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明は、燃料電池セルを狭持して、その両端に配置したエンドプレートと、前記エンドプレートの狭持方向に、前記燃料電池セルを貫通して冷却媒体を流す複数の貫通路と、前記燃料電池セルに設けられ、前記各貫通路間を接続する冷却媒体流路と、前記エンドプレートの一方に設けた前記貫通路の供給口、及び、前記エンドプレートのもう一方に設けた前記各貫通路の排出口と、前記供給口又は前記排出口におけるそれぞれの冷却媒体の流通又は遮断を選択する冷媒流通選択手段と、前記燃料電池セルの発電負荷に基づいて前記冷媒流通選択手段を制御して、前記冷却媒体流路の冷却媒体の流通方向を切り替える流通制御手段と、を備える。

燃料電池セルの出力の変化量に応じて冷却媒体の流路を切り替える。これにより、各単位燃料電池セルの電極面内における冷却媒体の入口周辺及び出口周辺の冷却効率が均一化し、各単位燃料電池セルの電極面内の温度差を小さくすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は固体高分子型燃料電池に関するものであり、例えば、燃料電池自動車に搭載する。ただし、自動車以外に用いてもよい。

図１に燃料電池１の概略構成を示す。ここでは、起電力を生じる単位燃料電池としてのセル１０を複数積層することにより燃料電池１を構成するが、一つのセル１０により燃料電池１を構成してもよい。

燃料電池１を、セル１０の積層方向両端に、それぞれ集電板１１、絶縁板１２及びエンドプレート１３ｉ、１３ｏを配置して構成する。積層したセル１０、集電板１１、絶縁板１２及びエンドプレート１３ｉ、１３ｏは、燃料電池１の内部四隅に貫通した貫通孔に、図示しないタイロッドを挿通して、タイロッドの端部にナット２０を螺合することによって締結する。締結方法は、燃料電池１の内部にタイロッドを貫通する方法に限られず、燃料電池１外部において、エンドプレート１３ｉ及び１３ｏの四隅を４本のタイロッドで縦貫してもよい。

集電板１１を、ガス不透過な導電性部材、例えば、緻密質カーボンや銅板などにより構成する。集電板１１にはそれぞれ、燃料電池１で生じた起電力の取り出し部となる出力端子１１０を設ける。取り出された出力は、後述する出力センサ８によって検出される。

絶縁板１２を、絶縁性部材、例えば、ゴムや樹脂などにより構成する。タイロッドを、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料により構成する。タイロッドの表面は絶縁処理を行っており、セル１０同士の電気的短絡を防止する。

エンドプレート１３ｉには、燃料電池１内に燃料ガス（水素ガス又は水素含有ガス）を供給するための燃料ガス入口１４、及び、燃料電池１内に冷却媒体を導入するための冷却媒体入口（供給口）１８Ｂを一辺に配列して設ける。対向する一辺には、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口１５、及び、燃料電池１内に冷却媒体を導入するための冷却媒体入口１８Ａを配列して設ける。更に他辺中央部には、燃料電池１内に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための酸化剤ガス入口１６、及び、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口１７をそれぞれ設ける。

また、エンドプレート１３ｏには、冷却媒体入口１８Ａと積層方向に対向する位置に、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口（排出口）１９Ｂを設ける。そして、冷却媒体入口１８Ｂと積層方向に対向する位置に、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口１９Ａを設ける。冷却媒体入口１８Ａ、１８Ｂ、及び、冷却媒体出口１９Ａ、１９Ｂは、燃料電池１内部で、後述するセパレータ１０２ａ、１０２ｃに設ける冷却媒体流路１０５ａ、１０５ｃを介してすべて連通している。

図２は、燃料電池１を構成する固体高分子型燃料電池セル１０の概略的な構造を示す斜視図である。

セル１０は、電解質膜１００の両側に、アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃを配置してなる膜−電極接合体を備える。

電解質膜１００としては、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂によりなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いる。この電解質膜１００は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

電解質膜１００は、厚み方向に貫通する孔１０３ｂ、及び、１０４ｂを備える。ここでは、孔１０３ｂ、及び、１０４ｂは、電解質膜１００の面上において略対角上に設けられる。セル１０の積層時には、孔１０３ｂ、及び、１０４ｂは、後述するセパレータ１０２ａ、及び１０２ｃに設けた孔１０３ａ、１０３ｃ、及び、１０４ａ、１０４ｃと組み合わせて、燃料電池１を積層方向に貫通するマニフォールド１０３、１０４を形成する。

アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃを、ガス拡散層、及び、電極触媒層とで構成する。ガス拡散層は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、又は、カーボンフエルト等からなる。電極触媒層は、触媒、例えば、白金又は白金と他の金属からなる合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、前記ガス拡散層の表面に一様に塗布してなる。電極触媒層は、互いに電解質膜１００を介装して対向するように、電解質膜１００の両面に接合する。アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃは、触媒面へのガス拡散機能と電極としての機能を有する。

アノード側電極１０１ａ及びカソード側電極１０１ｃの外周には、図示しないガスケット材を配置する。ガスケット材は、ゴム状弾性材料、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ又はフッ素ゴムなどを用いる。このガスケット材は、前記各部品を積層した際に、電解質膜１００とセパレータ１０２ａ、１０２ｃの隙間を保持し、膜−電極接合体とセパレータ１０２ａ、１０２ｃの間のガスをシールする役割を担う。

アノード側電極１０１ａ、カソード側電極１０１ｃの外側には、それぞれセパレータ１０２ａ、１０２ｃを配置する。セパレータ１０２ａ、１０２ｃを、十分な導電性、強度及び耐食性を有する材料、例えば、カーボン材料をプレスすることにより形成する。セパレータ１０２ａ、１０２ｃは、十分な耐食性が実現可能であれば、金属などの他の材料を用いてもよい。

セパレータ１０２ａの表面には、アノード側電極１０１ａとの間に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するための、図示しない燃料ガス流路を設ける。セパレータ１０２ａのもう一方の表面には、溝状の冷却媒体流路１０５ａを設ける。

また、セパレータ１０２ａは、厚み方向に貫通する孔１０３ａ、及び、１０４ａを備える。ここでは、孔１０３ａ、及び、１０４ａは、セパレータ１０２ａの面上において略対角上に設けられる。セル１０の積層時には、孔１０３ａ、及び、１０４ａは、電解質膜１００、又は、後述するセパレータ１０２ｃに設けた孔１０３ｂ、１０３ｃ、及び、１０４ｂ、１０４ｃと組み合わせて、燃料電池１を積層方向に貫通するマニフォールド１０３、１０４を形成する。

セパレータ１０２ｃの表面には、カソード側電極１０１ｃとの間に酸化剤ガス（酸素含有ガス又は空気）を供給するための、図示しない酸化剤ガス流路を設ける。セパレータ１０２ｃのもう一方の表面には、溝状の冷却媒体流路１０５ｃを設ける。

また、セパレータ１０２ｃは、厚み方向に貫通する孔１０３ｃ、及び、１０４ｃを備える。ここでは、孔１０３ｃ、及び、１０４ｃは、セパレータ１０２ｃの面上において略対角上に設けられる。セル１０の積層時には、孔１０３ｃ、及び、１０４ｃは、電解質膜１００、又は、セパレータ１０２ａに設けた孔１０３ａ、１０３ｂ、及び、１０４ａ、１０４ｂと組み合わせて、燃料電池１を積層方向に貫通するマニフォールド１０３、１０４を形成する。

電解質膜１００に設けた孔１０３ｂ、及び、セパレータ１０２ａ、１０２ｃに設けた孔１０３ａ、１０３ｃは、それぞれ積層方向に重なる位置に設ける。セル１０の積層時には、図４又は図５に示すように、孔１０３ａ〜１０３ｃによって、燃料電池１を積層方向に貫通するマニフォールド１０３が形成される。マニフォールド１０３の一端は、前述したエンドプレート１３ｉに設けた冷却媒体入口１８Ｂに接続され、もう一端は、エンドプレート１３ｏに設けた冷却媒体出口１９Ａに接続される。

また、電解質膜１００に設けた孔１０４ｂ、及び、セパレータ１０２ａ、１０２ｃに設けた孔１０４ａ、１０４ｃは、それぞれ積層方向に重なる位置に設ける。セル１０の積層時には、図４又は図５に示すように、孔１０４ａ〜１０４ｃによって、燃料電池１を積層方向に貫通するマニフォールド１０４が形成される。マニフォールド１０４の一端は、前述したエンドプレート１３ｉに設けた冷却媒体入口１８Ａに接続され、もう一端は、エンドプレート１３ｏに設けた冷却媒体出口１９Ｂに接続される。

なお、図２では、冷却媒体流路１０５ａ、及び、１０５ｃを簡略的なサーペンタイン形状で図示するが、冷却媒体流路１０５ａ、及び、１０５ｃをセパレータ１０２ａ、及び、１０２ｃ全面に対して均等に細かく構成することが好ましい。また、冷却媒体流路１０５ａ、及び、１０５ｃの形状は、サーペンタイン形状に限られない。

次に、単位セル１０内における発電反応について説明する。

燃料ガスを、燃料ガス入口１４から燃料電池１内に導入すると、導入した燃料ガスは、各セル１０のセパレータ１０２ａから燃料ガス流路を介してアノード側電極１０１ａに供給される。そして、アノード側電極１０１ａにおける発電反応により、プロトン及び電子を生成する。プロトンは電解質膜１００を透過してカソード側へ移動し、電子は外部回路へ流れる。反応に利用されなかった余剰の燃料ガスは、エンドプレート１３ｉの燃料ガス出口１５から排出される。

一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス入口１６から燃料電池１内に導入すると、導入した酸化剤ガスは、各セル１０のセパレータ１０２ｃから酸化剤ガス流路を介してカソード側電極１０１ｃに供給される。そして、アノード側の発電反応により生じたプロトン及び外部回路からの電子と、酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。反応に利用されなかった余剰の酸化剤ガスは、反応により生じた生成水とともに、エンドプレート１３ｉの酸化剤ガス出口１７から排出される。

このようなセル１０内における発電は発熱反応であるため、反応が開始すると燃料電池１の温度は上昇する。そこで、燃料電池１を好適な温度に維持するため、燃料電池１内に冷却媒体を循環させて発熱を除去する。冷却媒体としては、ＬＬＣ（Long Life Coolant）、例えば、エチレングリコール（HOCH₂CH₂OH）と水の混合液を用いる。

そこで、図３を参照して、上記燃料電池１にＬＬＣを循環するシステムの構成を説明する。

本システムの循環系の燃料電池１の上流には、燃料電池１にＬＬＣを導入するための貯留タンク２、及び、ポンプ３を設ける。

燃料電池１には、燃料電池１の出力を検出する出力センサ８を設ける。出力センサ８は、電流センサ８１、及び、電圧センサ８２を備え、燃料電池１に要求される発電負荷に対する電圧を、電圧センサ８２によって検出する。

燃料電池１の下流には、燃料電池１から排出されたＬＬＣの温度を放熱するための熱交換器７を設ける。

タンク２に貯留したＬＬＣは、ポンプ３によって昇圧され、燃料電池１に導入される。そして、燃料電池１内の反応熱を吸熱して燃料電池１から排出され、熱交換器７で所定の温度まで放熱してからタンク２に戻る。

燃料電池１の冷却媒体入口１８Ａ、１８Ｂ近傍の上流側には、燃料電池１に導入するＬＬＣの流通方向を制御する入口バルブ４Ａ、４Ｂを設ける。燃料電池１の冷却媒体出口１９Ａ、１９Ｂ近傍の下流側には、燃料電池１から排出されるＬＬＣの流通方向を制御する出口バルブ５Ａ、５Ｂを設ける。燃料電池１に導入し、又は、排出されるＬＬＣの流通方向は、入口バルブ４Ａ、４Ｂ、出口バルブ５Ａ、５Ｂを開き（開状態）、又は、閉じる（閉状態）ことによって制御する。

また、入口バルブ４Ａ、及び、４Ｂ近傍の上流側には、燃料電池１へ導入するＬＬＣの温度を検出する入口温度センサ６ｉを設ける。一方、出口バルブ５Ａ、及び、５Ｂ近傍の下流側には、燃料電池１から排出されるＬＬＣの温度を検出する出口温度センサ６ｏを設ける。

制御ユニット９は、これらの装置が検出した結果に基づいて、各装置に対して信号を出力し、システム全体を制御する。

出力センサ８からは燃料電池１の出力Ｐを取り出して、当該出力Ｐに基づいて、ＬＬＣの流通方向を切り替えるように各バルブを制御する。

また、入口温度センサ６ｉからは燃料電池１に導入されるＬＬＣの温度を取り出して、当該温度が適切か否かを判断して、熱交換器７におけるＬＬＣの放熱を調整する。

また、出口温度センサ６ｏからは、燃料電池１から排出されるＬＬＣの温度ｔを取り出して、ＬＬＣの流通方向を切り替える時間間隔を短くするように各バルブを制御する。

次に、各バルブによるＬＬＣの流通方向の切り替え方法について説明する。

入口バルブ４Ａが開状態で、入口バルブ４Ｂが閉状態のときは、ＬＬＣは、入口バルブ４Ｂにおいて燃料電池１への導入を遮断されるため、入口バルブ４Ａを介して冷却媒体入口１８Ａから燃料電池１へ導入される。そして、燃料電池１内を流通して、冷却媒体出口１９Ａへと達し、開状態の出口バルブ５Ａから排出される。

このように、ＬＬＣが、冷却媒体入口１８Ａから導入され冷却媒体出口１９Ａから排出される経路によって燃料電池１内を流通する状態を、「通常状態」とする。

「通常状態」のＬＬＣの流動経路について、図４を用いて説明する。

エンドプレート１３ｉに設ける冷却媒体入口１８Ａから導入されたＬＬＣは、マニフォールド１０４を流通して、各セル１０の冷却媒体流路１０５に分配される。そして、ＬＬＣは、冷却媒体流路１０５内を孔１０４から孔１０３に向かって流れ、電極の反応面を冷却する。そして、冷却媒体流路１０５からマニフォールド１０３へ回収され、冷却媒体出口１９Ａから排出される。

「通常状態」では、ＬＬＣの温度が低い状態でマニフォールド１０４から導入されるため、セパレータ１０２に接する電極面においても、図２に示す孔１０４ａ、１０４ｃの近傍領域１０７の冷却効率が最もよい。一方、セル１０内の反応熱を吸熱しながら冷却媒体流路１０５を流れるＬＬＣは、導入時と比較して温度が上昇した状態でマニフォールド１０３から排出される。そのため、セパレータ１０２に接する電極面においても、図２に示す孔１０３ａ、１０３ｃの近傍領域１０６の冷却効率が最も悪くなる。

一方、入口バルブ４Ａが閉状態で、入口バルブ４Ｂが開状態のときは、ＬＬＣは、入口バルブ４Ａにおいて燃料電池１への導入を遮断されるため、入口バルブ４Ｂを介して冷却媒体入口１８Ｂから燃料電池１へ導入される。そして、燃料電池１内を流通して、冷却媒体出口１９Ｂへと達し、開状態の出口バルブ５Ｂから排出される。

このように、ＬＬＣが、冷却媒体入口１８Ｂから導入され冷却媒体出口１９Ｂから排出される経路によって燃料電池１内を流通する状態を、「反転状態」とする。

「反転状態」のＬＬＣの流動経路について、図５を用いて説明する。

エンドプレート１３ｉに設ける冷却媒体入口１８Ｂから導入されたＬＬＣは、マニフォールド１０３を流通して、各セル１０の冷却媒体流路１０５に分配される。そして、ＬＬＣは、冷却媒体流路１０５内を孔１０３から孔１０４に向かって流れ、電極の反応面を冷却する。そして、冷却媒体流路１０５からマニフォールド１０３へ回収され、冷却媒体出口１９Ａから排出される。

「反転状態」では、ＬＬＣの温度が低い状態でマニフォールド１０３から導入されるため、セパレータ１０２に接する電極面においても、図２に示す孔１０３ａ、１０３ｃの近傍領域１０６の冷却効率が最もよい。一方、セル１０内の反応熱を吸熱しながら冷却媒体流路１０５を流れるＬＬＣは、導入時と比較して温度が上昇した状態でマニフォールド１０４から排出される。そのため、セパレータ１０２に接する電極面においても、図２に示す孔１０４ａ、１０４ｃの近傍領域１０７の冷却効率が最も悪くなる。

次に、ＬＬＣの流通方向の制御方法を、図６に示したフローチャートを用いて説明する。

燃料電池１の起動時には、燃料電池１内の温度（例えば、各単位セル１０の電極１０１ａ、１０１ｃに接しているセパレータ１０２ａ、１０２ｃの表面温度）が、所定の温度に達するまで、燃料電池１を暖機する。このとき、入口バルブ４Ａ、４Ｂ、及び、出口バルブ５Ａ、５Ｂは、いずれも閉状態である。この状態を「初期状態」とする。

燃料電池１内が所定の温度に達すると、要求負荷に応じた電流の取り出しを開始する。このとき、入口バルブ４Ａ、及び、出口バルブ５Ａを開状態とする。なお、入口バルブ４Ｂ、及び、出口バルブ５Ｂは閉状態のままである。各バルブをこのような状態とすることによって、ＬＬＣは「通常状態」で燃料電池１内を流通する。

ＬＬＣが「通常状態」で燃料電池１内を流動し始めると、電流センサ８１、及び、電圧センサ８２（図３参照）によって求められる出力に基づいて、一定時間Ｔ₀［sec］（例えば、６０［sec］）内の燃料電池１の平均出力Ｐを算出する。そして、当該平均出力Ｐと所定の値Ｐ₀［kw］（例えば、燃料電池１の定格出力の８０％程度）とを比較して、平均出力ＰがＰ₀に達していないときは、「通常状態」を維持しながら燃料電池１の運転を継続する。

一方、燃料電池１の負荷電流が多くなり、燃料電池１の一定時間Ｔ₀［sec］の平均出力Ｐが所定の値Ｐ₀［kw］以上になると、図６に示す制御処理を実行する。

まず、出口バルブ５Ａ近傍の下流側に設ける出口温度センサ６ｏによって、燃料電池１から排出されるＬＬＣの温度を検出する。そして、当該検出した温度ｔと所定の温度ｔ₀［℃］（例えば、８０℃〜１２０℃）を比較して（Ｓ１）、検出温度ｔがｔ₀に達していないときは、ステップＳ３に移行して処理を継続する。

一方、検出した温度ｔが所定の温度ｔ₀［℃］以上になると、「通常状態」と「反転状態」とを切り替える後述する時間間隔Ｔ［sec］を短く設定する（Ｓ２）。短縮後の時間Ｔ［sec］としては、Ｔ／２（１０［sec］）と設定してもよく、また、温度ｔに反比例する値、例えば、５／（ｔ−ｔ₀)と設定してもよい。

ステップＳ３においては、開状態であった入口バルブ１８Ａ、及び、出口バルブ１９Ａを閉じる。このとき、燃料電池１は一時的に初期状態となり、排出されていないＬＬＣが燃料電池１内に残るが、ＬＬＣの温度は燃料電池１の温度よりも低いため、ＬＬＣによって燃料電池１の温度が上昇することはない。

そして、ステップＳ４において、閉状態であった入口バルブ１８Ｂ、及び、出口バルブ１９Ｂを開く。これによって、ＬＬＣは「反転状態」（図５参照）で燃料電池１内を流通する。

その後、「反転状態」を維持しつつ、入口バルブ１８Ｂ、及び、出口バルブ１９Ｂを開いたステップＳ４の時点からの経過時間Ｔ₁［sec］に、所定時間Ｔ_A［sec］を加算する（Ｓ５）。そして、ステップＳ６においてＴ₁［sec］と所定時間Ｔ［sec］（例えば、２０［sec］）とを比較して、Ｔ₁［sec］がＴ［sec］に達するまで、ステップＳ５に戻ってＴ₁［sec］へのＴ_A［sec］の加算処理を継続する。

そして、Ｔ₁［sec］がＴ［sec］に達すると、入口バルブ４Ｂ、及び、出口バルブ５Ｂを閉じる（Ｓ７）。なお、入口バルブ４Ａ、及び、出口バルブ５Ａは閉状態のままであるため、燃料電池１は一時的に初期状態となる。

そして、ステップＳ８において、閉状態であった入口バルブ１８Ａ、及び、出口バルブ１９Ａを開く。これによって、ＬＬＣは「通常状態」（図４参照）で燃料電池１内を流通する。

その後、「通常状態」を維持しつつ、入口バルブ１８Ａ、及び、出口バルブ１９Ａを開いたステップＳ８の時点からの経過時間Ｔ₂［sec］に所定時間Ｔ_B［sec］を加算する（Ｓ９）。そして、ステップＳ１０においてＴ₂［sec］と所定時間Ｔ［sec］とを比較して、Ｔ₂［sec］がＴ［sec］に達するまで、ステップＳ９に戻ってＴ₂［sec］へのＴ_B［sec］の加算処理を継続する。

そして、Ｔ₂［sec］がＴ［sec］に達すると、一定時間Ｔ₀［sec］内の燃料電池１の平均出力Ｐを算出する。そして、当該平均出力Ｐと所定の値Ｐ₀［kw］とを比較して、平均出力ＰがＰ₀以上のときは、「通常状態」を維持しつつ、ステップＳ１に戻り、燃料電池１の制御処理を継続する。

一方、平均出力Ｐが所定の値Ｐ₀［kw］よりも小さい値になると、燃料電池１の制御処理を終了する。

このように、燃料電池１の一定時間の平均出力Ｐに応じて、ＬＬＣの流動経路を切り替えることによって、定格出力時における各セル１０内の電極１０１ａ及び１０１ｃ面の温度差を小さくすることができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

燃料電池セル１０を狭持して、その両端に配置したエンドプレート１３ｉ、１３ｏと、エンドプレート１３ｉ、１３ｏの狭持方向に、燃料電池セル１０を貫通して冷却媒体を流す貫通路１０３、１０４と、燃料電池セル１０に設けられ、各貫通路間１０３、１０４を接続する冷却媒体流路１０５と、エンドプレート１３ｉに設けた１０３、１０４貫通路の供給口１８Ｂ、１８Ａ、及び、エンドプレート１３ｏに設けた各貫通路１０３、１０４の排出口１９Ａ、１９Ｂと、供給口１８Ａ、１８Ｂ又は排出口１９Ａ、１９Ｂにおけるそれぞれの冷却媒体の流通又は遮断を選択する冷媒流通選択手段４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂと、燃料電池セル１０の発電負荷に基づいて冷媒流通選択手段４Ａ、４Ｂ、５Ａ、５Ｂを制御して、冷却媒体流路１０５の冷却媒体の流通方向を切り替える流通制御手段９と、を備える。

これにより、各単位セル１０の電極１０１ａ及び１０１ｃ面内における冷却媒体の入口周辺１０６（又は１０７）の温度が上昇し、出口周辺１０７（又は１０６）の温度が抑制されるため、当該入口周辺及び出口周辺の冷却効率が均一化し、各単位セル１０の電極１０１ａ及び１０１ｃ面内の温度差を小さくすることができる。

また、燃料電池１から排出される冷却媒体の温度ｔを検出することによって、燃料電池１内の温度を的確に把握することができる。

また、燃料電池１から排出される冷却媒体の温度ｔを検出することによって、燃料電池１内の発熱状態を的確に把握することができる。

また、温度ｔに応じて、「通常状態」と「反転状態」とを切り替える周期を短縮することによって、より効果的に冷却効率を均一化して、電極１０１ａ及び１０１ｃ面内の温度差を小さくすることができる。

なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。

本発明は、燃料電池スタックに適用することができる。特に、各単位燃料電池セルの電極面内の温度差を小さくする必要がある固体高分子型燃料電池スタックに適用することができる。

燃料電池スタック示す斜視図である。 単位燃料電池セルの構造を示す斜視図である。 燃料電池システムを示す構成図である。 通常状態における冷却媒体の流通方向を示す斜視図である。 反転状態における冷却媒体の流通方向を示す斜視図である。 燃料電池スタックの冷却媒体の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
４Ａ、Ｂ 入口バルブ
５Ａ、Ｂ 出口バルブ
６ｉ、６ｏ 温度センサ
８ 出力センサ
７ 熱交換器
１０ 単位燃料電池セル
１１０ 出力端子
１３ｉ、ｃ エンドプレート
１８Ａ、Ｂ 冷却媒体入口
１９Ａ、Ｂ 冷却媒体出口
１０１ａ、ｃ 電極
１０２ａ、ｃ セパレータ
１０３ａ〜ｃ、１０４ａ〜ｃ マニフォールド
１０５ａ、ｃ 冷却媒体流路

Claims (4)

1. 燃料電池セルを狭持して、その両端に配置したエンドプレートと、
   前記エンドプレートの狭持方向に、前記燃料電池セルを貫通して冷却媒体を流す複数の貫通路と、
   前記燃料電池セルに設けられ、前記各貫通路間を接続する冷却媒体流路と、
   前記エンドプレートの一方に設けた前記貫通路の供給口、及び、前記エンドプレートのもう一方に設けた前記各貫通路の排出口と、
   前記供給口又は前記排出口におけるそれぞれの冷却媒体の流通又は遮断を選択する冷媒流通選択手段と、
   前記燃料電池セルの発電負荷に基づいて前記冷媒流通選択手段を制御して、前記冷却媒体流路の冷却媒体の流通方向を切り替える流通制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流通制御手段は、前記一方の貫通路の供給口から流入した冷却媒体を前記他方の貫通路の排出口から排出させ、また、前記他方の貫通路の供給口から流入した冷却媒体を前記一方の貫通路の排出口から排出させるように、前記冷媒流通選択手段を交互に切り換え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。
3. 前記流通制御手段は、前記発電負荷が所定値を超えることによって前記冷媒流通選択手段による切り換えを行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記排出口の近傍に前記冷却媒体の温度を検出する手段を備え、
   前記流通制御手段は、前記検出した冷却媒体の温度に基づいて前記冷媒流通選択手段による切り換え周期を補正することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

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