燃料電池システム
【課題】 低温起動時に燃料電池の暖気に要する時間を短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】 燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１０）と、燃料電池を経由する経路であって冷媒が流動する冷媒経路（１１，１２，１０１，１０４，１０５）と、冷媒経路内における冷媒の流動容積を変化させる容積可変手段（２５，２６）とを備え、容積可変手段は、燃料電池の低温起動時に燃料電池の通常発電時よりも冷媒経路内における冷媒の流動容積を小さくする。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、燃料電池（１０）と、燃料電池を経由する経路であって冷媒が流動する冷媒経路（１１，１２，１０１，１０４，１０５）と、冷媒経路内における冷媒の流動容積を変化させる容積可変手段（２５，２６）とを備え、容積可変手段は、燃料電池の低温起動時に燃料電池の通常発電時よりも冷媒経路内における冷媒の流動容積を小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。この燃料電池は、発電反応に伴って熱を発生する。このため、燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、発電反応に伴って発生する熱のほとんどが冷媒を介してラジエータにより大気に放出されることが多い。
【０００３】
ところで、低温時に燃料電池を起動する場合には、燃料電池を早期に暖機する必要がある。この場合、冷媒も加熱する必要がある。そこで、冷媒流路にラジエータをバイパスする経路を備え、低温起動時等における燃料電池の発電反応熱の外部への放出を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８３６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、燃料電池を暖機する際に、バイパス経路内を循環する冷媒をすべて加熱する必要があるため、暖機に時間を要する。
【０００６】
本発明は、低温起動時に燃料電池の暖気に要する時間を短くすることが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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を経由する経路であって冷媒が流動する冷媒経路と、冷媒経路内における冷媒の流動容積を変化させる容積可変手段とを備え、容積可変手段は、燃料電池の低温起動時に燃料電池の通常発電時よりも冷媒経路内における冷媒の流動容積を小さくすることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、容積可変手段によって低温起動時に冷媒の流動容積が小さくなる。この場合、燃料電池内を流動する冷媒の熱容量が小さくなる。したがって、燃料電池において発生する熱による冷媒の加熱が効率よく行われる。その結果、燃料電池の暖機にかかる時間が短縮化される。
【０００９】
容積可変手段は、冷媒経路内に配置された中空状の弾性体と弾性体への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、流体出入手段によって流体を弾性体へ導入することによって冷媒の流動容積を小さくしてもよい。この場合、流体の出入だけで冷媒の流動容積を変化させることができる。したがって、バイパス経路等を新たに設ける必要がない。
【００１０】
また、容積可変手段は、通常発電時には、流体出入手段によって弾性体から流体を流出させてもよい。この場合、低温起動時には冷媒の熱容量が低減化されて燃料電池の暖機が容易になるとともに、通常発電時には冷媒の流動圧損が低減化されて燃料電池の温度制御が容易になる。なお、低温起動時においては冷媒経路の圧損は高くても構わない。冷媒の流動速度が小さくても冷媒から燃料電池の温度を正確に計測することができるからである。
【００１１】
容積可変手段は、冷媒経路内に配置されかつ冷媒経路の一部の内壁とともに空間を形成可能な弾性体と空間への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、流体出入手段によって流体を空間へ導入することによって冷媒の流動容積を小さくしてもよい。この場合、流体の出入だけで冷媒の流動容積を変化させることができる。また、容積可変手段は、通常発電時には、流体出入手段によって空間から流体を流出させてもよい。
【００１２】
冷媒経路に接続されたバッファタンクをさらに備え、バッファタンクは、低温起動時に冷媒の一部を貯蔵してもよい。この場合、流体出入手段による流体の導入による冷媒圧増加を抑制することができる。
【００１３】
容積可変手段は、冷媒の一部の流動を停止させる停止手段を備え、停止手段によって冷媒の一部の流動を停止させることによって冷媒経路内における冷媒の流動容積を小さくしてもよい。この場合、一部の冷媒の流動を停止させるだけで冷媒の流動容積を変化させることができる。したがって、冷媒のバイパス経路等を新たに設ける必要がない。
【００１４】
また、停止手段は、冷媒の一部を冷媒経路内において封止することによって、冷媒の一部の流動を停止してもよい。この場合、流動する冷媒の熱容量が小さくなることから、燃料電池において発生する熱によって冷媒の加熱が容易になる。したがって、燃料電池の暖機にかかる時間が短縮化される。
【００１５】
冷媒経路は、ラジエータと、ラジエータをバイパスするバイパス経路とを備え、容積可変手段は、燃料電池の冷媒マニホールドと、バイパス経路と、冷媒マニホールドとバイパス経路との間の経路と、から構成される経路内の冷媒の流動容積を変化させてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低温起動時に燃料電池の暖気に要する時間を短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、冷媒ポンプ２１、ラジエータ２２、三方弁２３，２４、挿入物２５，２６、温度センサ２７、バッファタンク２８、流体タンク３０、流体ポンプ３１および制御部４０を備える。
【００１９】
燃料電池１０は、複数のセルが積層された構造を有する。燃料電池１０は、各セルの冷媒流路に冷媒を導入するための冷媒入口マニホールド１１および各セルの冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口マニホールド１２を備える。冷媒出口マニホールド１２は、配管１０１を介して三方弁２３の入口に接続されている。温度センサ２７は、冷媒の温度を検出するためのセンサであり、配管１０１内に設けられている。三方弁２３の第１出口は、配管１０２を介してラジエータ２２の入口に接続されている。
【００２０】
ラジエータ２２の出口は、配管１０３を介して三方弁２４の第１入口に接続されている。三方弁２４の出口は、配管１０４を介して冷媒入口マニホールド１１に接続されている。配管１０４には、冷媒ポンプ２１が介挿されている。冷媒ポンプ２１は、冷媒を循環させるためのポンプである。本実施例においては、冷媒として、エチレングリコール等のＬＬＣ（ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｃｏｏｌａｎｔ）が用いられている。三方弁２３の第２出口は、配管１０５を介して三方弁２４の第２入口に接続されている。バッファタンク２８は、入口の開閉が可能なタンクであり、配管１０４の途中に接続されている。
【００２１】
挿入物２５は、配管１０１内に設けられている。挿入物２６は、冷媒出口マニホールド１２内に設けられている。挿入物２５，２６の詳細は後述する。流体タンク３０は、気体、液体等の流体を貯蔵するためのタンクである。流体タンク３０は、流体ポンプ３１を介して挿入物２５，２６に接続されている。流体ポンプ３１は、流体を流動させるためのポンプである。制御部４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。また、制御部４０は、起動スイッチ４１に接続されている。
【００２２】
続いて、燃料電池システム１００の動作について説明する。温度センサ２７は、配管１０１を流動する冷媒の温度を検出して、その検出結果を制御部４０に与える。なお、温度センサ２７は、冷媒出口マニホールド１２の出口近傍に設けられていることから、燃料電池１０によって温度変化した冷媒の温度を正確に検出することができる。制御部４０は、温度センサ２７から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム１００の各部を制御する。
【００２３】
冷媒ポンプ２１は、制御部４０の指示に従って、冷媒を循環させる。三方弁２３は、制御部４０の指示に従って、配管１０１から配管１０２に流動する冷媒量と配管１０１から配管１０５に流動する冷媒量とを制御する。三方弁２４は、制御部４０の指示に従って、配管１０５から配管１０４に流動する冷媒量と配管１０３から配管１０４に流動する冷媒量とを制御する。
【００２４】
バッファタンク２８は、制御部４０の指示に従って、入口の開閉動作を行う。それにより、バッファタンク２８は、配管１０４を流動する冷媒をバッファタンク２８内に導入し、または、バッファタンク２８内に貯蔵してある冷媒を配管１０４に戻すことができる。流体ポンプ３１は、制御部４０の指示に従って、流体タンク３０内の流体を挿入物２５，２６内に導入し、または、挿入物２５，２６内の流体を流体タンク３０に戻す。以下、挿入物２５，２６の詳細について説明する。
【００２５】
図２は、挿入物２５の詳細について説明するための図である。図２（ａ）は流体が導入されていない場合の配管１０１の断面図であり、図２（ｂ）は流体が導入されている場合の配管１０１の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、挿入物２５は、配管１０１内に設けられている。挿入物２５は、中空状の弾性体からなる。挿入物２５に用いられる弾性体としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ＮＢＲ（アクリルニトリルブタジエンゴム）等があげられる。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、挿入物２５に流体が導入されていない場合には、挿入物２５の容積が最小になっている。したがって、配管１０１内の冷媒の流動容積は最大になっている。一方、図２（ｂ）に示すように、挿入物２５に流体が導入されると、挿入物２５が膨張することによって配管１０１内の冷媒の流動容積が減少する。
【００２７】
図３は、挿入物２６の詳細について説明するための図である。図３（ａ）は、燃料電池１０に積層されているセパレータ１３の平面図である。図３（ｂ）は流体が導入されていない場合の冷媒出口マニホールド１２の断面図であり、図３（ｃ）は流体が導入されている場合の冷媒出口マニホールド１２の断面図である。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、冷媒入口マニホールド１１は、セパレータ１３の一側辺近傍に形成されている。冷媒出口マニホールド１２は、セパレータ１３の他側辺近傍に形成されている。冷媒入口マニホールド１１と冷媒出口マニホールド１２との間には、冷媒が流動するための冷媒流路１４が形成されている。セパレータ１３は、例えば、カーボン、ステンレス等から構成される。
【００２９】
図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、挿入物２６は、冷媒出口マニホールド１２内に設けられている。挿入物２６は、平板状の弾性体等から構成され、冷媒出口マニホールド１２の内壁とともに空間１５を形成可能なように配置されている。挿入物２６は、挿入物２５と同様の材料からなる。図３（ｂ）に示すように、空間１５に流体が導入されていない場合には、冷媒出口マニホールド１２内の冷媒の流動容積は最大になっている。一方、図３（ｃ）に示すように、空間１５に流体が導入されると、冷媒出口マニホールド１２内の冷媒の流動容積が減少する。
【００３０】
なお、挿入物２６は、冷媒出口マニホールド１２においてセパレータ１３の外縁側の内壁に設けられていることが好ましい。この場合、空間１５に流体が導入された場合に、冷媒とセパレータ１３の外縁側の内壁との接触面積が低減される。したがって、セパレータ１３を介した放熱を抑制することができる。その結果、冷媒を効率よく加熱することができる。
【００３１】
続いて、図１を参照しつつ、低温起動時における制御部４０による燃料電池システム１００の制御について説明する。ここで、低温起動とは、氷点下の気温条件における燃料電池システム１００の起動のことをいう。まず、制御部４０は、燃料電池システム１００を起動するか否かを判定する。制御部４０は、本実施例においては、起動スイッチ４１がオンされると燃料電池システム１００を起動する。
【００３２】
起動スイッチ４１は、例えば、図示しないイグニションキーと連動していてもよい。この場合、起動スイッチ４１は、イグニションキーがオンされるとオンになり、イグニションキーがオフされるとオフになる。なお、燃料電池システム１００が起動すると、図示しない改質器等から燃料電池１０のアノードに水素が供給されるとともに、図示しないポンプ等から燃料電池１０のカソードに酸素が供給される。それにより、燃料電池１０は、発電を開始して発熱する。
【００３３】
次に、制御部４０は、外気温が氷点下にあるか否かを判定する。本実施例においては、制御部４０は、温度センサ２７の検出結果に基づいて外気温を検出する。外気温が氷点下である場合には、制御部４０は、三方弁２３を制御して配管１０１と配管１０５とを開通させるとともに、三方弁２４を制御して配管１０５と配管１０４とを開通させる。この場合、冷媒はラジエータ２２を回避する。それにより、冷媒の熱のラジエータ２２を介した放出が防止される。
【００３４】
次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する。次に、制御部４０は、流体タンク３０に貯蔵されている流体が挿入物２５および空間１５内に導入されるように、流体ポンプ３１を制御する。この場合、挿入物２５および空間１５内に導入された流体の体積分の冷媒が、配管１０４からバッファタンク２８に流入する。次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が閉じるように、バッファタンク２８を制御する。
【００３５】
この場合、冷媒の流動容積は、挿入物２５および空間１５内に導入された流体の体積分小さくなる。それにより、燃料電池１０内を流動する冷媒の熱容量が小さくなる。したがって、燃料電池１０において発生する熱による冷媒の加熱が効率よく行われる。その結果、燃料電池１０の暖機にかかる時間が短縮化される。また、流体を挿入物２５および空間１５に導入するだけで冷媒の流動容積を変化させることができるので、バイパス経路等を新たに設ける必要がない。なお、低温起動時においても燃料電池１０の温度を監視する必要があるので、本実施例のように燃料電池１０内における冷媒の流動は必要である。
【００３６】
制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えるまで、冷媒がラジエータ２２を回避するように三方弁２３，２４を制御するとともに挿入物２５および空間１５内に流体が保持されるように流体ポンプ３１を制御する。制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えると、低温起動を終了して燃料電池１０の通常の発電を制御する。以下、燃料電池１０の通常の発電の制御について説明する。
【００３７】
まず、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する。次に、制御部４０は、流体ポンプ３１を制御して、挿入物２５および空間１５内の流体を流体タンク３０に戻す。それにより、バッファタンク２８に貯蔵されていた冷媒が配管１０４に戻される。この場合、配管１０１および冷媒出口マニホールド１２における冷媒の流動断面積が大きくなることから、冷媒が流動する際の圧損が低減される。また、冷媒の流動容積が増大することから、冷媒の熱容量が増大する。
【００３８】
その後、制御部４０は、温度センサ２７の検出結果に基づいて、三方弁２３，２４を制御してラジエータ２２を経由する冷媒量を制御する。それにより、制御部４０は、燃料電池１０の温度を所望の温度範囲内に制御することができる。なお、冷媒が流動する際の圧損が低減されていることから、燃料電池１０の出力が大きくなった場合においても、低い圧損条件下において十分な量の冷媒を循環させることができる。
【００３９】
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００においては、低温起動時には冷媒の熱容量が低減化されて燃料電池１０の暖機が容易になるとともに、通常発電時には冷媒の流動圧損が低減化されて燃料電池１０の温度制御が容易になる。なお、低温起動時においては冷媒経路の圧損は高くても構わない。冷媒の流動速度が小さくても冷媒から燃料電池１０の温度を正確に計測することができるからである。したがって、高圧損下において冷媒を流動させるための高出力冷媒ポンプを用いる必要がなくなる。
【００４０】
ここで、冷媒経路内に挿入物を設けずに、低温起動時に冷媒を一時的にバッファタンク等に貯蔵することによって、流動する冷媒の熱容量を低減化させることもできる。しかしながら、この場合においては、冷媒経路内の圧力が低下することによって冷媒経路に気体が混入するおそれがある。本実施例においては、挿入物２５，２６を設けることによって、冷媒経路内への気体の混入も抑制することができる。
【００４１】
また、挿入物２５，２６は、配管１０１，１０４，１０５、冷媒入口マニホールド１１および冷媒出口マニホールド１２のいずれかに配置されていれば本発明の効果が得られる。挿入物２５および空間１５内に導入する流体としてエアを用いる場合には、流体タンク３０を設ける必要がなくなる。それにより、コストの低減化を図ることができる。
【００４２】
続いて、低温起動から通常発電に至るまでの制御部４０による制御の一例を表すフローチャートについて説明する。図４は、上記フローチャートの一例を示す図である。制御部４０は、図４のフローチャートを例えば数百ｍｓごとに実行する。図４に示すように、制御部４０は、起動スイッチ４１がオンの状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において起動スイッチ４１がオンの状態にあると判定された場合、制御部４０は、温度センサ２７から冷媒の温度を取得する（ステップＳ２）。
【００４３】
次に、制御部４０は、低温起動中であるか否かを判定する（ステップＳ３）。この場合、制御部４０は、低温起動中のフラグがセットされているか否かによって、低温起動中であるか否かを判定することができる。ステップＳ３において低温起動中であると判定されなかった場合、制御部４０は、冷媒の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において冷媒の温度が氷点下であると判定された場合、制御部４０は、低温起動中の旨のフラグをセットする（ステップＳ５）。
【００４４】
次に、制御部４０は、三方弁２３，２４を制御して、配管１０１、配管１０５および配管１０４を開通させる（ステップＳ６）。次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する（ステップＳ７）。次に、制御部４０は、挿入物２５および空間１５内に流体が導入されるように流体ポンプ３１を制御する（ステップＳ８）。次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が閉じるようにバッファタンク２８を制御する（ステップＳ９）。その後、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
ステップＳ３において低温起動中であると判定された場合、制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において冷媒の温度が０℃を超えたと判定された場合、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する（ステップＳ１１）。次に、制御部４０は、挿入物２５および空間１５内の流体が流体ポンプ３０に戻るように流体ポンプ３１を制御する（ステップＳ１２）。次に、制御部４０は、三方弁２３，２４を制御してラジエータ２２を経由する冷媒量を制御する（ステップＳ１３）。その後、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４６】
なお、ステップＳ１においてステップＳ１において起動スイッチ４１がオンの状態にあると判定されなかった場合、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ４において冷媒の温度が氷点下であると判定されなかった場合、制御部４０は、ステップＳ１３の動作を行う。また、ステップＳ１０において冷媒の温度が０℃を超えたと判定されなかった場合、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４７】
このように、上記フローチャートの実行によって、低温起動時においては冷媒の流動容積を低減化させることができる。また、通常の発電時においては、冷媒の流動容積を増大させることができるとともに冷媒経路の圧損を低減化させることができる。
【００４８】
本実施例においては、配管１０１〜１０５、冷媒入口マニホールド１１および冷媒出口マニホールド１２が冷媒経路に相当し、挿入物２５，２６および流体ポンプ３１が容積可変手段に相当し、流体ポンプ３１が流体出入手段に相当し、配管１０５がバイパス経路に相当する。
【実施例２】
【００４９】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図５は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図５に示すように、燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、バッファタンク２８、流体タンク３０および流体ポンプ３１が設けられていない点および挿入物２５，２６の代わりに容積可変手段２５ａ，２６ａが設けられている点である。
【００５０】
容積可変手段２５ａ，２６ａは、制御部４０の指示に従って動作を行う。以下、容積可変手段２５ａ，２６ａの詳細について説明する。図６は、容積可変手段２６ａの詳細を説明するための図である。図６（ａ）〜図６（ｃ）は、冷媒出口マニホールド１２の模式的断面図である。図６（ａ）は容積可変手段２６ａの初期状態を示し、図６（ｂ）は容積可変手段２６ａが動作途中である場合を示し、図６（ｃ）は容積可変手段２６ａの動作が終了した場合を示す。
【００５１】
図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、容積可変手段２６ａは、回転駆動部５１、支持棒５２および簾部５３を備える。回転駆動部５１は、冷媒出口マニホールド１２のいずれかの内壁に固定されている。支持棒５２の一端は回転駆動部５１に接続され、支持棒５２の他端は簾部５３の先端部に接続されている。簾部５３の末端は、冷媒出口マニホールド１２のいずれかの内壁に固定されている。
【００５２】
回転駆動部５１は、制御部４０の指示に従って、回転駆動部５１が中心となってかつ支持棒５２の他端が略扇形を描くように、支持棒５２を移動させる。この場合、簾部５３が簾状に広がって冷媒出口マニホールド１２が２つの領域に仕切られる。それにより、簾部５３よりも回転駆動部５１側の領域においては、冷媒の流動が停止する。簾部５３と冷媒出口マニホールド１２の壁によって封止されるからである。その結果、冷媒の流動容積が小さくなる。
【００５３】
本実施例においては、制御部４０は、低温起動時に回転駆動部５１を制御して、冷媒の一部の流動を停止する。この場合、流動する冷媒の量が少なくなることから、流動する冷媒の熱容量が小さくなる。それにより、燃料電池１０において発生する熱によって冷媒の加熱が容易になって、燃料電池１０の暖機にかかる時間が短縮化される。その結果、低温起動時に冷媒をすばやく０℃以上に昇温させることができる。
【００５４】
このように、冷媒の一部の流動を停止させることによって、冷媒の流動容積を小さくすることができる。したがって、第１実施例のように冷媒以外の流体を容積可変手段２５ａ，２６ａ内に供給しなくても、低温起動時間を短縮化することができる。また、冷媒の一部の流動を停止するだけで冷媒の流動容積を変化させることができることから、バイパス経路等を新たに設ける必要がない。
【００５５】
また、制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えた場合には、初期状態になるように回転駆動部５１を制御してもよい。この場合、停止していた冷媒の流動が再開される。それにより、冷媒の流動断面積が増大する。その結果、冷媒が流動する際の圧損が低減される。また、冷媒の流動容積が増大することから、冷媒の熱容量が増大する。したがって、本実施例に係る燃料電池システム１００ａにおいても、低温起動時には冷媒の熱容量が低減化されて燃料電池１０の暖機が容易になるとともに、通常発電時には冷媒の流動圧損が低減化されて燃料電池１０の温度制御が容易になる。
【００５６】
なお、流動している冷媒から停滞している冷媒への熱移動が抑制されることが好ましい。流動する冷媒の加熱を容易にするためである。したがって、簾部５３は、テトラフルオロエチレン等の断熱性の高い材料から構成されることが好ましい。また、容積可変手段２５ａは、配管１０１内において容積可変手段２６ａと同様の構成を有する。また、簾部５３は、冷媒を完全に封止する必要はない。一部の冷媒の流動を抑制するだけでも流動する冷媒の熱容量を低下させることができるからである。
【００５７】
本実施例においては、配管１０１〜１０５、冷媒入口マニホールド１１および冷媒出口マニホールド１２が冷媒経路に相当し、簾部５３が停止手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】挿入物の詳細について説明するための図である。
【図３】挿入物の詳細について説明するための図である。
【図４】制御部による制御を表すフローチャートの一例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図６】容積可変手段の詳細を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 燃料電池
１１ 冷媒入口マニホールド
１２ 冷媒出口マニホールド
２２ ラジエータ
２３，２４ 三方弁
２５，２６ 挿入物
２５ａ，２６ａ 容積可変手段
２８ バッファタンク
３１ 流体ポンプ
４０ 制御部
５３ 簾部
１００ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。この燃料電池は、発電反応に伴って熱を発生する。このため、燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、発電反応に伴って発生する熱のほとんどが冷媒を介してラジエータにより大気に放出されることが多い。
【０００３】
ところで、低温時に燃料電池を起動する場合には、燃料電池を早期に暖機する必要がある。この場合、冷媒も加熱する必要がある。そこで、冷媒流路にラジエータをバイパスする経路を備え、低温起動時等における燃料電池の発電反応熱の外部への放出を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８３６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、燃料電池を暖機する際に、バイパス経路内を循環する冷媒をすべて加熱する必要があるため、暖機に時間を要する。
【０００６】
本発明は、低温起動時に燃料電池の暖気に要する時間を短くすることが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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を経由する経路であって冷媒が流動する冷媒経路と、冷媒経路内における冷媒の流動容積を変化させる容積可変手段とを備え、容積可変手段は、燃料電池の低温起動時に燃料電池の通常発電時よりも冷媒経路内における冷媒の流動容積を小さくすることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、容積可変手段によって低温起動時に冷媒の流動容積が小さくなる。この場合、燃料電池内を流動する冷媒の熱容量が小さくなる。したがって、燃料電池において発生する熱による冷媒の加熱が効率よく行われる。その結果、燃料電池の暖機にかかる時間が短縮化される。
【０００９】
容積可変手段は、冷媒経路内に配置された中空状の弾性体と弾性体への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、流体出入手段によって流体を弾性体へ導入することによって冷媒の流動容積を小さくしてもよい。この場合、流体の出入だけで冷媒の流動容積を変化させることができる。したがって、バイパス経路等を新たに設ける必要がない。
【００１０】
また、容積可変手段は、通常発電時には、流体出入手段によって弾性体から流体を流出させてもよい。この場合、低温起動時には冷媒の熱容量が低減化されて燃料電池の暖機が容易になるとともに、通常発電時には冷媒の流動圧損が低減化されて燃料電池の温度制御が容易になる。なお、低温起動時においては冷媒経路の圧損は高くても構わない。冷媒の流動速度が小さくても冷媒から燃料電池の温度を正確に計測することができるからである。
【００１１】
容積可変手段は、冷媒経路内に配置されかつ冷媒経路の一部の内壁とともに空間を形成可能な弾性体と空間への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、流体出入手段によって流体を空間へ導入することによって冷媒の流動容積を小さくしてもよい。この場合、流体の出入だけで冷媒の流動容積を変化させることができる。また、容積可変手段は、通常発電時には、流体出入手段によって空間から流体を流出させてもよい。
【００１２】
冷媒経路に接続されたバッファタンクをさらに備え、バッファタンクは、低温起動時に冷媒の一部を貯蔵してもよい。この場合、流体出入手段による流体の導入による冷媒圧増加を抑制することができる。
【００１３】
容積可変手段は、冷媒の一部の流動を停止させる停止手段を備え、停止手段によって冷媒の一部の流動を停止させることによって冷媒経路内における冷媒の流動容積を小さくしてもよい。この場合、一部の冷媒の流動を停止させるだけで冷媒の流動容積を変化させることができる。したがって、冷媒のバイパス経路等を新たに設ける必要がない。
【００１４】
また、停止手段は、冷媒の一部を冷媒経路内において封止することによって、冷媒の一部の流動を停止してもよい。この場合、流動する冷媒の熱容量が小さくなることから、燃料電池において発生する熱によって冷媒の加熱が容易になる。したがって、燃料電池の暖機にかかる時間が短縮化される。
【００１５】
冷媒経路は、ラジエータと、ラジエータをバイパスするバイパス経路とを備え、容積可変手段は、燃料電池の冷媒マニホールドと、バイパス経路と、冷媒マニホールドとバイパス経路との間の経路と、から構成される経路内の冷媒の流動容積を変化させてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低温起動時に燃料電池の暖気に要する時間を短くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、冷媒ポンプ２１、ラジエータ２２、三方弁２３，２４、挿入物２５，２６、温度センサ２７、バッファタンク２８、流体タンク３０、流体ポンプ３１および制御部４０を備える。
【００１９】
燃料電池１０は、複数のセルが積層された構造を有する。燃料電池１０は、各セルの冷媒流路に冷媒を導入するための冷媒入口マニホールド１１および各セルの冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒出口マニホールド１２を備える。冷媒出口マニホールド１２は、配管１０１を介して三方弁２３の入口に接続されている。温度センサ２７は、冷媒の温度を検出するためのセンサであり、配管１０１内に設けられている。三方弁２３の第１出口は、配管１０２を介してラジエータ２２の入口に接続されている。
【００２０】
ラジエータ２２の出口は、配管１０３を介して三方弁２４の第１入口に接続されている。三方弁２４の出口は、配管１０４を介して冷媒入口マニホールド１１に接続されている。配管１０４には、冷媒ポンプ２１が介挿されている。冷媒ポンプ２１は、冷媒を循環させるためのポンプである。本実施例においては、冷媒として、エチレングリコール等のＬＬＣ（ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｃｏｏｌａｎｔ）が用いられている。三方弁２３の第２出口は、配管１０５を介して三方弁２４の第２入口に接続されている。バッファタンク２８は、入口の開閉が可能なタンクであり、配管１０４の途中に接続されている。
【００２１】
挿入物２５は、配管１０１内に設けられている。挿入物２６は、冷媒出口マニホールド１２内に設けられている。挿入物２５，２６の詳細は後述する。流体タンク３０は、気体、液体等の流体を貯蔵するためのタンクである。流体タンク３０は、流体ポンプ３１を介して挿入物２５，２６に接続されている。流体ポンプ３１は、流体を流動させるためのポンプである。制御部４０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。また、制御部４０は、起動スイッチ４１に接続されている。
【００２２】
続いて、燃料電池システム１００の動作について説明する。温度センサ２７は、配管１０１を流動する冷媒の温度を検出して、その検出結果を制御部４０に与える。なお、温度センサ２７は、冷媒出口マニホールド１２の出口近傍に設けられていることから、燃料電池１０によって温度変化した冷媒の温度を正確に検出することができる。制御部４０は、温度センサ２７から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム１００の各部を制御する。
【００２３】
冷媒ポンプ２１は、制御部４０の指示に従って、冷媒を循環させる。三方弁２３は、制御部４０の指示に従って、配管１０１から配管１０２に流動する冷媒量と配管１０１から配管１０５に流動する冷媒量とを制御する。三方弁２４は、制御部４０の指示に従って、配管１０５から配管１０４に流動する冷媒量と配管１０３から配管１０４に流動する冷媒量とを制御する。
【００２４】
バッファタンク２８は、制御部４０の指示に従って、入口の開閉動作を行う。それにより、バッファタンク２８は、配管１０４を流動する冷媒をバッファタンク２８内に導入し、または、バッファタンク２８内に貯蔵してある冷媒を配管１０４に戻すことができる。流体ポンプ３１は、制御部４０の指示に従って、流体タンク３０内の流体を挿入物２５，２６内に導入し、または、挿入物２５，２６内の流体を流体タンク３０に戻す。以下、挿入物２５，２６の詳細について説明する。
【００２５】
図２は、挿入物２５の詳細について説明するための図である。図２（ａ）は流体が導入されていない場合の配管１０１の断面図であり、図２（ｂ）は流体が導入されている場合の配管１０１の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、挿入物２５は、配管１０１内に設けられている。挿入物２５は、中空状の弾性体からなる。挿入物２５に用いられる弾性体としては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ＮＢＲ（アクリルニトリルブタジエンゴム）等があげられる。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、挿入物２５に流体が導入されていない場合には、挿入物２５の容積が最小になっている。したがって、配管１０１内の冷媒の流動容積は最大になっている。一方、図２（ｂ）に示すように、挿入物２５に流体が導入されると、挿入物２５が膨張することによって配管１０１内の冷媒の流動容積が減少する。
【００２７】
図３は、挿入物２６の詳細について説明するための図である。図３（ａ）は、燃料電池１０に積層されているセパレータ１３の平面図である。図３（ｂ）は流体が導入されていない場合の冷媒出口マニホールド１２の断面図であり、図３（ｃ）は流体が導入されている場合の冷媒出口マニホールド１２の断面図である。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、冷媒入口マニホールド１１は、セパレータ１３の一側辺近傍に形成されている。冷媒出口マニホールド１２は、セパレータ１３の他側辺近傍に形成されている。冷媒入口マニホールド１１と冷媒出口マニホールド１２との間には、冷媒が流動するための冷媒流路１４が形成されている。セパレータ１３は、例えば、カーボン、ステンレス等から構成される。
【００２９】
図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、挿入物２６は、冷媒出口マニホールド１２内に設けられている。挿入物２６は、平板状の弾性体等から構成され、冷媒出口マニホールド１２の内壁とともに空間１５を形成可能なように配置されている。挿入物２６は、挿入物２５と同様の材料からなる。図３（ｂ）に示すように、空間１５に流体が導入されていない場合には、冷媒出口マニホールド１２内の冷媒の流動容積は最大になっている。一方、図３（ｃ）に示すように、空間１５に流体が導入されると、冷媒出口マニホールド１２内の冷媒の流動容積が減少する。
【００３０】
なお、挿入物２６は、冷媒出口マニホールド１２においてセパレータ１３の外縁側の内壁に設けられていることが好ましい。この場合、空間１５に流体が導入された場合に、冷媒とセパレータ１３の外縁側の内壁との接触面積が低減される。したがって、セパレータ１３を介した放熱を抑制することができる。その結果、冷媒を効率よく加熱することができる。
【００３１】
続いて、図１を参照しつつ、低温起動時における制御部４０による燃料電池システム１００の制御について説明する。ここで、低温起動とは、氷点下の気温条件における燃料電池システム１００の起動のことをいう。まず、制御部４０は、燃料電池システム１００を起動するか否かを判定する。制御部４０は、本実施例においては、起動スイッチ４１がオンされると燃料電池システム１００を起動する。
【００３２】
起動スイッチ４１は、例えば、図示しないイグニションキーと連動していてもよい。この場合、起動スイッチ４１は、イグニションキーがオンされるとオンになり、イグニションキーがオフされるとオフになる。なお、燃料電池システム１００が起動すると、図示しない改質器等から燃料電池１０のアノードに水素が供給されるとともに、図示しないポンプ等から燃料電池１０のカソードに酸素が供給される。それにより、燃料電池１０は、発電を開始して発熱する。
【００３３】
次に、制御部４０は、外気温が氷点下にあるか否かを判定する。本実施例においては、制御部４０は、温度センサ２７の検出結果に基づいて外気温を検出する。外気温が氷点下である場合には、制御部４０は、三方弁２３を制御して配管１０１と配管１０５とを開通させるとともに、三方弁２４を制御して配管１０５と配管１０４とを開通させる。この場合、冷媒はラジエータ２２を回避する。それにより、冷媒の熱のラジエータ２２を介した放出が防止される。
【００３４】
次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する。次に、制御部４０は、流体タンク３０に貯蔵されている流体が挿入物２５および空間１５内に導入されるように、流体ポンプ３１を制御する。この場合、挿入物２５および空間１５内に導入された流体の体積分の冷媒が、配管１０４からバッファタンク２８に流入する。次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が閉じるように、バッファタンク２８を制御する。
【００３５】
この場合、冷媒の流動容積は、挿入物２５および空間１５内に導入された流体の体積分小さくなる。それにより、燃料電池１０内を流動する冷媒の熱容量が小さくなる。したがって、燃料電池１０において発生する熱による冷媒の加熱が効率よく行われる。その結果、燃料電池１０の暖機にかかる時間が短縮化される。また、流体を挿入物２５および空間１５に導入するだけで冷媒の流動容積を変化させることができるので、バイパス経路等を新たに設ける必要がない。なお、低温起動時においても燃料電池１０の温度を監視する必要があるので、本実施例のように燃料電池１０内における冷媒の流動は必要である。
【００３６】
制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えるまで、冷媒がラジエータ２２を回避するように三方弁２３，２４を制御するとともに挿入物２５および空間１５内に流体が保持されるように流体ポンプ３１を制御する。制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えると、低温起動を終了して燃料電池１０の通常の発電を制御する。以下、燃料電池１０の通常の発電の制御について説明する。
【００３７】
まず、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する。次に、制御部４０は、流体ポンプ３１を制御して、挿入物２５および空間１５内の流体を流体タンク３０に戻す。それにより、バッファタンク２８に貯蔵されていた冷媒が配管１０４に戻される。この場合、配管１０１および冷媒出口マニホールド１２における冷媒の流動断面積が大きくなることから、冷媒が流動する際の圧損が低減される。また、冷媒の流動容積が増大することから、冷媒の熱容量が増大する。
【００３８】
その後、制御部４０は、温度センサ２７の検出結果に基づいて、三方弁２３，２４を制御してラジエータ２２を経由する冷媒量を制御する。それにより、制御部４０は、燃料電池１０の温度を所望の温度範囲内に制御することができる。なお、冷媒が流動する際の圧損が低減されていることから、燃料電池１０の出力が大きくなった場合においても、低い圧損条件下において十分な量の冷媒を循環させることができる。
【００３９】
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００においては、低温起動時には冷媒の熱容量が低減化されて燃料電池１０の暖機が容易になるとともに、通常発電時には冷媒の流動圧損が低減化されて燃料電池１０の温度制御が容易になる。なお、低温起動時においては冷媒経路の圧損は高くても構わない。冷媒の流動速度が小さくても冷媒から燃料電池１０の温度を正確に計測することができるからである。したがって、高圧損下において冷媒を流動させるための高出力冷媒ポンプを用いる必要がなくなる。
【００４０】
ここで、冷媒経路内に挿入物を設けずに、低温起動時に冷媒を一時的にバッファタンク等に貯蔵することによって、流動する冷媒の熱容量を低減化させることもできる。しかしながら、この場合においては、冷媒経路内の圧力が低下することによって冷媒経路に気体が混入するおそれがある。本実施例においては、挿入物２５，２６を設けることによって、冷媒経路内への気体の混入も抑制することができる。
【００４１】
また、挿入物２５，２６は、配管１０１，１０４，１０５、冷媒入口マニホールド１１および冷媒出口マニホールド１２のいずれかに配置されていれば本発明の効果が得られる。挿入物２５および空間１５内に導入する流体としてエアを用いる場合には、流体タンク３０を設ける必要がなくなる。それにより、コストの低減化を図ることができる。
【００４２】
続いて、低温起動から通常発電に至るまでの制御部４０による制御の一例を表すフローチャートについて説明する。図４は、上記フローチャートの一例を示す図である。制御部４０は、図４のフローチャートを例えば数百ｍｓごとに実行する。図４に示すように、制御部４０は、起動スイッチ４１がオンの状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において起動スイッチ４１がオンの状態にあると判定された場合、制御部４０は、温度センサ２７から冷媒の温度を取得する（ステップＳ２）。
【００４３】
次に、制御部４０は、低温起動中であるか否かを判定する（ステップＳ３）。この場合、制御部４０は、低温起動中のフラグがセットされているか否かによって、低温起動中であるか否かを判定することができる。ステップＳ３において低温起動中であると判定されなかった場合、制御部４０は、冷媒の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４において冷媒の温度が氷点下であると判定された場合、制御部４０は、低温起動中の旨のフラグをセットする（ステップＳ５）。
【００４４】
次に、制御部４０は、三方弁２３，２４を制御して、配管１０１、配管１０５および配管１０４を開通させる（ステップＳ６）。次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する（ステップＳ７）。次に、制御部４０は、挿入物２５および空間１５内に流体が導入されるように流体ポンプ３１を制御する（ステップＳ８）。次いで、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が閉じるようにバッファタンク２８を制御する（ステップＳ９）。その後、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４５】
ステップＳ３において低温起動中であると判定された場合、制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０において冷媒の温度が０℃を超えたと判定された場合、制御部４０は、バッファタンク２８の入口が開くようにバッファタンク２８を制御する（ステップＳ１１）。次に、制御部４０は、挿入物２５および空間１５内の流体が流体ポンプ３０に戻るように流体ポンプ３１を制御する（ステップＳ１２）。次に、制御部４０は、三方弁２３，２４を制御してラジエータ２２を経由する冷媒量を制御する（ステップＳ１３）。その後、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４６】
なお、ステップＳ１においてステップＳ１において起動スイッチ４１がオンの状態にあると判定されなかった場合、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ４において冷媒の温度が氷点下であると判定されなかった場合、制御部４０は、ステップＳ１３の動作を行う。また、ステップＳ１０において冷媒の温度が０℃を超えたと判定されなかった場合、制御部４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００４７】
このように、上記フローチャートの実行によって、低温起動時においては冷媒の流動容積を低減化させることができる。また、通常の発電時においては、冷媒の流動容積を増大させることができるとともに冷媒経路の圧損を低減化させることができる。
【００４８】
本実施例においては、配管１０１〜１０５、冷媒入口マニホールド１１および冷媒出口マニホールド１２が冷媒経路に相当し、挿入物２５，２６および流体ポンプ３１が容積可変手段に相当し、流体ポンプ３１が流体出入手段に相当し、配管１０５がバイパス経路に相当する。
【実施例２】
【００４９】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図５は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図５に示すように、燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、バッファタンク２８、流体タンク３０および流体ポンプ３１が設けられていない点および挿入物２５，２６の代わりに容積可変手段２５ａ，２６ａが設けられている点である。
【００５０】
容積可変手段２５ａ，２６ａは、制御部４０の指示に従って動作を行う。以下、容積可変手段２５ａ，２６ａの詳細について説明する。図６は、容積可変手段２６ａの詳細を説明するための図である。図６（ａ）〜図６（ｃ）は、冷媒出口マニホールド１２の模式的断面図である。図６（ａ）は容積可変手段２６ａの初期状態を示し、図６（ｂ）は容積可変手段２６ａが動作途中である場合を示し、図６（ｃ）は容積可変手段２６ａの動作が終了した場合を示す。
【００５１】
図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、容積可変手段２６ａは、回転駆動部５１、支持棒５２および簾部５３を備える。回転駆動部５１は、冷媒出口マニホールド１２のいずれかの内壁に固定されている。支持棒５２の一端は回転駆動部５１に接続され、支持棒５２の他端は簾部５３の先端部に接続されている。簾部５３の末端は、冷媒出口マニホールド１２のいずれかの内壁に固定されている。
【００５２】
回転駆動部５１は、制御部４０の指示に従って、回転駆動部５１が中心となってかつ支持棒５２の他端が略扇形を描くように、支持棒５２を移動させる。この場合、簾部５３が簾状に広がって冷媒出口マニホールド１２が２つの領域に仕切られる。それにより、簾部５３よりも回転駆動部５１側の領域においては、冷媒の流動が停止する。簾部５３と冷媒出口マニホールド１２の壁によって封止されるからである。その結果、冷媒の流動容積が小さくなる。
【００５３】
本実施例においては、制御部４０は、低温起動時に回転駆動部５１を制御して、冷媒の一部の流動を停止する。この場合、流動する冷媒の量が少なくなることから、流動する冷媒の熱容量が小さくなる。それにより、燃料電池１０において発生する熱によって冷媒の加熱が容易になって、燃料電池１０の暖機にかかる時間が短縮化される。その結果、低温起動時に冷媒をすばやく０℃以上に昇温させることができる。
【００５４】
このように、冷媒の一部の流動を停止させることによって、冷媒の流動容積を小さくすることができる。したがって、第１実施例のように冷媒以外の流体を容積可変手段２５ａ，２６ａ内に供給しなくても、低温起動時間を短縮化することができる。また、冷媒の一部の流動を停止するだけで冷媒の流動容積を変化させることができることから、バイパス経路等を新たに設ける必要がない。
【００５５】
また、制御部４０は、冷媒の温度が０℃を超えた場合には、初期状態になるように回転駆動部５１を制御してもよい。この場合、停止していた冷媒の流動が再開される。それにより、冷媒の流動断面積が増大する。その結果、冷媒が流動する際の圧損が低減される。また、冷媒の流動容積が増大することから、冷媒の熱容量が増大する。したがって、本実施例に係る燃料電池システム１００ａにおいても、低温起動時には冷媒の熱容量が低減化されて燃料電池１０の暖機が容易になるとともに、通常発電時には冷媒の流動圧損が低減化されて燃料電池１０の温度制御が容易になる。
【００５６】
なお、流動している冷媒から停滞している冷媒への熱移動が抑制されることが好ましい。流動する冷媒の加熱を容易にするためである。したがって、簾部５３は、テトラフルオロエチレン等の断熱性の高い材料から構成されることが好ましい。また、容積可変手段２５ａは、配管１０１内において容積可変手段２６ａと同様の構成を有する。また、簾部５３は、冷媒を完全に封止する必要はない。一部の冷媒の流動を抑制するだけでも流動する冷媒の熱容量を低下させることができるからである。
【００５７】
本実施例においては、配管１０１〜１０５、冷媒入口マニホールド１１および冷媒出口マニホールド１２が冷媒経路に相当し、簾部５３が停止手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】挿入物の詳細について説明するための図である。
【図３】挿入物の詳細について説明するための図である。
【図４】制御部による制御を表すフローチャートの一例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図６】容積可変手段の詳細を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 燃料電池
１１ 冷媒入口マニホールド
１２ 冷媒出口マニホールド
２２ ラジエータ
２３，２４ 三方弁
２５，２６ 挿入物
２５ａ，２６ａ 容積可変手段
２８ バッファタンク
３１ 流体ポンプ
４０ 制御部
５３ 簾部
１００ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を経由する経路であって、冷媒が流動する冷媒経路と、
前記冷媒経路内における前記冷媒の流動容積を変化させる容積可変手段とを備え、
前記容積可変手段は、前記燃料電池の低温起動時に前記燃料電池の通常発電時よりも前記冷媒経路内における前記冷媒の流動容積を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記容積可変手段は、前記冷媒経路内に配置された中空状の弾性体と前記弾性体への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、前記流体出入手段によって前記流体を前記弾性体へ導入することによって前記冷媒の流動容積を小さくす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】
前記容積可変手段は、前記通常発電時には、前記流体出入手段によって前記弾性体から流体を流出させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記容積可変手段は、前記冷媒経路内に配置されかつ前記冷媒経路の一部の内壁とともに空間を形成可能な弾性体と前記空間への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、前記流体出入手段によって前記流体を前記空間へ導入することによって前記冷媒の流動容積を小さくす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５】
前記容積可変手段は、前記通常発電時には、前記流体出入手段によって前記空間から流体を流出させる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】
前記冷媒経路に接続されたバッファタンクをさらに備え、
前記バッファタンクは、前記低温起動時に、前記冷媒の一部を貯蔵することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記容積可変手段は、前記冷媒の一部の流動を停止させる停止手段を備え、前記停止手段によって前記冷媒の一部の流動を停止させることによって前記冷媒経路内における前記冷媒の流動容積を小さくす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８】
前記停止手段は、前記冷媒の一部を前記冷媒経路内において封止することによって、前記冷媒の一部の流動を停止させることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記冷媒経路は、ラジエータと、前記ラジエータをバイパスするバイパス経路とを備え、
前記容積可変手段は、前記燃料電池の冷媒マニホールドと、前記バイパス経路と、前記冷媒マニホールドと前記バイパス経路との間の経路と、から構成される経路内の前記冷媒の流動容積を変化させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を経由する経路であって、冷媒が流動する冷媒経路と、
前記冷媒経路内における前記冷媒の流動容積を変化させる容積可変手段とを備え、
前記容積可変手段は、前記燃料電池の低温起動時に前記燃料電池の通常発電時よりも前記冷媒経路内における前記冷媒の流動容積を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記容積可変手段は、前記冷媒経路内に配置された中空状の弾性体と前記弾性体への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、前記流体出入手段によって前記流体を前記弾性体へ導入することによって前記冷媒の流動容積を小さくす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】
前記容積可変手段は、前記通常発電時には、前記流体出入手段によって前記弾性体から流体を流出させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記容積可変手段は、前記冷媒経路内に配置されかつ前記冷媒経路の一部の内壁とともに空間を形成可能な弾性体と前記空間への流体の出し入れを行う流体出入手段とを含み、前記流体出入手段によって前記流体を前記空間へ導入することによって前記冷媒の流動容積を小さくす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５】
前記容積可変手段は、前記通常発電時には、前記流体出入手段によって前記空間から流体を流出させる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】
前記冷媒経路に接続されたバッファタンクをさらに備え、
前記バッファタンクは、前記低温起動時に、前記冷媒の一部を貯蔵することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記容積可変手段は、前記冷媒の一部の流動を停止させる停止手段を備え、前記停止手段によって前記冷媒の一部の流動を停止させることによって前記冷媒経路内における前記冷媒の流動容積を小さくす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８】
前記停止手段は、前記冷媒の一部を前記冷媒経路内において封止することによって、前記冷媒の一部の流動を停止させることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記冷媒経路は、ラジエータと、前記ラジエータをバイパスするバイパス経路とを備え、
前記容積可変手段は、前記燃料電池の冷媒マニホールドと、前記バイパス経路と、前記冷媒マニホールドと前記バイパス経路との間の経路と、から構成される経路内の前記冷媒の流動容積を変化させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−４３７１（Ｐ２００８−４３７１Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７２４５５（Ｐ２００６−１７２４５５）
【出願日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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