燃料電池スタック及び燃料電池システム
【課題】燃料電池スタックの各セルのアノード及びカソードの温度を制御する。
【解決手段】アノード及びカソードを有するセルを複数積層した燃料電池スタック１であって、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路２１Ａと、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路２１Ｂと、燃料ガス流路２１Ａを流れる燃料ガスを冷却する冷却媒体が流れるアノード冷却媒体流路２４と、酸化剤ガス流路２１Ｂを流れる酸化剤ガスを冷却する冷却媒体が流れるカソード冷却媒体流路２５と、を備える。
【解決手段】アノード及びカソードを有するセルを複数積層した燃料電池スタック１であって、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路２１Ａと、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路２１Ｂと、燃料ガス流路２１Ａを流れる燃料ガスを冷却する冷却媒体が流れるアノード冷却媒体流路２４と、酸化剤ガス流路２１Ｂを流れる酸化剤ガスを冷却する冷却媒体が流れるカソード冷却媒体流路２５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電時において水を発生する燃料電池スタック及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックのセル内の冷却水流路は、アノード及びカソードそれぞれに設けられているが、マニホールドで合流させているため、冷却系としては１系統になっている。この場合、アノードとカソードの温度は、略同一となる。カソードで生成した生成水が電解質膜を通してどれだけアノードに移動するかは、フラッディングやドライアップを回避しながら燃料電池の性能を引き出すために重要である。生成水の移動量は、ストイキ比や圧力、温度等、様々な発電条件の影響を受ける。そして、生成水の移動量に影響を及ぼす一つの要因として冷却水温度差がある。
【０００３】
燃料電池スタックの起動時のフラッディングを回避する方法として、燃料電池スタックのカソード側のエンドプレートに燃料電池スタックのアノード側のエンドプレートよりも多量の冷媒を流す方法がある。この方法によれば、燃料電池スタックのカソード側の温度が燃料電池スタックのアノード側よりも高くなり、各セル内の水はカソード側からアノード側に移動し、燃料電池スタックの起動時のフラッディングを回避することができる。
【特許文献１】特開２００３−１７１０５号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５６１号公報
【特許文献３】特開平７−３２０７５５号公報
【特許文献４】特開２００６−１６４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の従来の方法では、各セル内の温度はアノードよりカソードの方が高くなるが、各セル内の温度の絶対値をそろえることができない。すなわち、燃料電池スタックの積層方向にセル間で温度差が生じる。これは、燃料電池スタックのカソード側のエンドプレートのみを冷却するためである。上述の従来の方法を発電中に行った場合、各セルの電圧が大きく異なり、安定した発電ができないという問題がある。本発明は、燃料電池スタックの各セルのアノード及びカソードの温度を制御する技術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】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、アノード及びカソードを有するセルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスを冷却する冷却媒体が流れるアノード冷却媒体流路と、前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを冷却する冷却媒体が流れるカソード冷却媒体流路と、を備える燃料電池スタックである。
【０００６】
本発明では、燃料ガス流路を流れる燃料ガスは、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却され、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスは、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却される。そして、アノードには、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体によって冷却される燃料ガスが供給され、カソードには、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体によって冷却される酸化剤ガスが供給される。したがって、カソード及びアノードを異なる冷却媒体流路を用いて冷却することが可能となる。
【０００７】
また、上記燃料電池スタックは、前記各セルを挟持する挟持体を更に備え、前記挟持体の表裏面の一方に前記アノード冷却媒体流路が形成され、前記挟持体の表裏面の他方に前記カソード冷却媒体流路が形成され、前記アノード冷却媒体流路と前記カソード冷却媒体流路との間に、断熱部材又は空間を有するようにしてもよい。
【０００８】
本発明では、アノード及びカソードを有するセルを挟持する挟持体は、各セルに配置されている。そして、挟持体の表裏面の一方にアノード冷却媒体流路が形成され、挟持体の表裏面の他方にカソード冷却媒体流路が形成されている。したがって、各セルのアノード及びカソードを異なる冷却媒体流路を用いて冷却することが可能となる。また、本発明では、アノード冷却媒体流路とカソード冷却媒体流路との間に、断熱部材又は空間を有することで、アノードに供給される燃料ガスを冷却する冷却媒体と、カソードに供給される酸化剤ガスを冷却する冷却媒体とを断熱することが可能となる。
【０００９】
また、本発明は、上記燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのドライアップを検出する検出手段と、前記燃料電池スタックのドライアップが検出された場合、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池スタックシステムである。
【００１０】
本発明では、燃料電池スタックのドライアップが検出された場合、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及びカソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御し、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度を、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも低くさせる。これにより、カソードに供給される酸化剤ガスの温度が、アノードに供給される燃料ガスの温度よりも高くなる。その結果、アノードからカソードへの逆拡散水の移動量が増大し、ドライアップを回避することが可能となる。
【００１１】
また、本発明では、各セルにアノード冷却媒体流路及びカソード冷却媒体流路が配置されている。そのため、すべてのセルのアノードの温度を均一にすることができ、また、すべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間における電圧に差が生じることを抑制することにより、安定した発電を確保しつつ、ドライアップを回避することが可能となる。
【００１２】
また、本発明は、上記燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングを検出する検出手段と、前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングが検出された場合、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の温度よりも高くなるように、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムである。
【００１３】
本発明では、燃料電池スタックのアノード側のフラッディングが検出された場合、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及びカソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御し、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度を、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも高くさせる。これにより、アノードに供給される燃料ガスの温度が、カソードに供給される酸化剤ガスの温度よりも高くなる。その結果、アノードからカソードへの逆拡散水の移動量が減少し、フラッディングを回避することが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、各セルにアノード冷却媒体流路及びカソード冷却媒体流路が配置さ
れている。そのため、すべてのセルのアノードの温度を均一にすることができ、また、すべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間における電圧に差が生じることを抑制することにより、安定した発電を確保しつつ、フラッディングを回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池スタックの各セルのアノード及びカソードの温度を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
【００１７】
〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを図１及び図２の図面に基いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの説明図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、冷却ファン２を備えたラジエータ３と、燃料電池スタック１内とラジエータ３内との間で冷却液（冷却水）を循環させる冷却液流路４と、冷却液流路４に設けられた冷却液ポンプ５と、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６とを有する。さらに、燃料電池システムは、冷却液流路４と連通する流路であって、冷却液をラジエータ３に経由させずに、燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させるバイパス流路７を有している。また、図１では、燃料電池システムのうち、ガスの供給や排出に関する構成は記載を省略し、冷却液の循環に関する構成部分のみを示している。
【００１８】
燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。図２に示すように、燃料電池スタック１内の各セルは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gasket Assembly）２０と、ＭＥＧＡ２０を挟むように配置された多孔体２１Ａ（本発明の燃料ガス流路に相当）及び多孔体２１Ｂ（本発明の酸化剤ガス流路に相当）と、多孔体２１Ａ及び多孔体２１Ｂを挟むように配置された一対のセパレータ２２とから構成されている。ＭＥＧＡ２０は、電解質膜と、その電解質膜を挟むように形成された２つの触媒層（アノード及びカソード）と、その２つの触媒層を挟むように形成された一対のガス拡散層とから構成されている。また、ＭＥＧＡに代えて、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を用いることも
可能である。
【００１９】
多孔体２１Ａ及び多孔体２１Ｂは、小さい穴が空いた金属材料からなり、多孔体２１Ａの内部を水素（本発明の燃料ガスに相当）が流れ、多孔体２１Ｂの内部を空気（本発明の酸化剤ガスに相当）が流れる。多孔体２１Ａの内部を流れる水素は、水素タンク（図示せず）から供給される。多孔体２１Ｂの内部を流れる空気は、エアーコンプレッサ（図示せず）から供給される。また、多孔体２１Ａ及びセパレータ２２に代えて、水素が流れる流路を備えたセパレータを用いることも可能であり、多孔体２１Ｂ及びセパレータ２２に代えて、空気が流れる流路を備えたセパレータを用いることも可能である。
【００２０】
燃料電池スタック１のアノードには、多孔体２１Ａから水素が供給される。また、燃料電池スタック１のカソードには、多孔体２１Ｂから空気が供給される。
【００２１】
燃料電池スタック１では、水素と空気に含まれる酸素との間で電気化学反応が起こり、電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック１のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。
【００２２】
セパレータ２２の外側に設けられた成型板２３（本発明の挟持体に相当）には、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５が形成されている。図２に示すアノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５の数は例示であって、成型板２３には、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５を任意の数で形成することができる。アノード冷却液流路２４には、多孔体２１Ａを流れる水素を冷却する冷却液が流れる。カソード冷却液流路２５には、多孔体２１Ｂを流れる空気を冷却する冷却液が流れる。
【００２３】
成型板２３は、各セルに設けることができる。そのため、アノード冷却液流路２４を流れる冷却液は、各セルの多孔体２１Ａを流れる水素を冷却することができ、カソード冷却液流路２５を流れる冷却液は、各セルの多孔体２１Ｂを流れる空気を冷却することができる。
【００２４】
図１の説明に戻る。燃料電池スタック１には、冷却液流路４を介してラジエータ３が接続されている。冷却液流路４には、燃料電池スタック１とラジエータ３との間に、冷却液ポンプ５が設けられている。冷却液ポンプ５を駆動させることにより、冷却液が燃料電池スタック１内、冷却液流路４内、ラジエータ３内を循環する。冷却液ポンプ５の駆動は、冷却液ポンプ５と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００２５】
冷却液は、燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１内で熱交換することによって昇温する。ラジエータ３は、冷却液流路４を介して供給された冷却液を降温させる。ラジエータ３は、冷却液が流れる流路を内部に備え、外気が通過可能となっている。通過する外気とラジエータ３内の流路を流れる冷却液との間で熱交換可能となっている。ラジエータ３は、冷却ファン２を備えている。冷却ファン２を駆動することによって生じる冷却風は、ラジエータ３内の流路を流れる冷却液を冷却する。
【００２６】
冷却液流路４は、燃料電池スタック１の上流側において、冷却液ポンプ５と燃料電池スタック１との間で分岐して燃料電池スタック１に接続され、燃料電池スタック１の下流側で合流している。冷却液流路４が分岐する分岐点には、分岐した冷却液流路４を流れる冷却液の流量割合を弁開度に応じて調整するアノード・カソード切り換え弁８が設けられている。この調整は、アノード・カソード切り換え弁８と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００２７】
ここで、燃料電池スタック１の上流側で冷却液流路４から分岐し、燃料電池スタック１内のアノード冷却液流路２４と連通するものをアノード入口冷却液流路９といい、燃料電池スタック１内のカソード冷却液流路２５と連通するものをカソード入口冷却液流路１０という。
【００２８】
また、燃料電池スタック１の下流側で冷却液流路４と合流し、燃料電池スタック１内のアノード冷却液流路２４と連通するものをアノード出口冷却液流路１１といい、燃料電池スタック１内のカソード冷却液流路２５と連通するものをカソード出口冷却液流路１２という。
【００２９】
アノード・カソード切り換え弁８は、アノード入口冷却液流路９及びカソード入口冷却液流路１０を流れる冷却液の流量割合を弁開度に応じて調整する。この調整は、アノード・カソード切り換え弁８と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００３０】
アノード出口冷却液流路１１には、アノード温度センサ１３が設けられている。アノード温度センサ１３は、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度を測定する。また、カソード出口冷却液流路１２には、カソード温度センサ１４が設けられている。カソ
ード温度センサ１４は、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度を測定する。
【００３１】
また、冷却液流路４には、燃料電池スタック１とラジエータ３との間に、バイパス流路７が設けられている。バイパス流路７は、冷却液流路４から分岐して、ラジエータ３を経由せずに、冷却液を燃料電池システム内で循環させるための流路である。
【００３２】
さらに、冷却液流路４とバイパス流路７とが接続されている箇所には、ラジエータバイパス三方弁１５が設けられている。ラジエータバイパス三方弁１５を切り換えることにより、冷却液がラジエータ３を経由して燃料電池システムを循環する経路と、冷却液がラジエータ３を経由せずに燃料電池システムを循環する経路とを切り換えることができる。また、ラジエータバイパス三方弁１５の開度を調整することにより、ラジエータ３を経由する冷却液流量と、ラジエータ３を経由しない冷却液流量とを制御することもできる。このラジエータバイパス三方弁１５の切り替え及び開度は、ラジエータバイパス三方弁１５と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００３３】
ＥＣＵ６は、内部にＣＰＵやＲＯＭ等を備えており、ＣＰＵはＲＯＭに記録される制御プログラムに従って各種の処理を実行する。ＥＣＵ６は、冷却液ポンプ５、アノード・カソード切り替え弁８、アノード温度センサ１３、カソード温度センサ１４及びラジエータバイパス三方弁１５とそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３及びカソード温度センサ１４が測定した冷却液の温度のデータを取得する。ＥＣＵ６は、冷却液ポンプ５、アノード・カソード切り替え弁８及びラジエータバイパス三方弁１５の駆動を制御する。
【００３４】
図３は、ＥＣＵ６における第１の処理のフローチャートである。この処理は、ＣＰＵで実行される制御プログラムによって実行される。また、この処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。ここで、所定時間は、工場出荷時に設定される値、車両を販売する販売店にて設定される値、あるいは、ユーザ設定値等である。
【００３５】
この処理では、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかの判定を行う（Ｓ３０１）。例えば、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかは、冷却液の温度、燃料電池スタック１内の電極間（触媒層間）のインピーダンス、燃料電池スタック１の出力電流に基づき判定する。
【００３６】
第一の処理例として、ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３又はカソード温度センサ１４が測定した冷却液の温度のデータを取得し、その取得した温度のデータから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかを判定する。冷却液の温度が高い場合に、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、冷却液の温度が所定値以上であるか否かを判定し、冷却液の温度が所定値以上である場合、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。
【００３７】
第二の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１内の電極間のインピーダンスのデータを取得し、その取得した燃料電池スタック１内の電極間のインピーダンスのデータから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかを判定する。燃料電池スタック１内の電極間のインピーダンスが高い場合に、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、インピーダンスの値が所定値以上であるか否かを判定し、インピーダンスの値が所定値以上である場合、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が
備えるメモリに記憶しておく。
【００３８】
第三の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１の出力電流のデータを取得し、その取得した燃料電池スタック１の出力電流のデータから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかを判定する。燃料電池スタック１の出力電流が低い場合に、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の出力電流の値が所定値以下であるか否かを判定し、燃料電池スタック１の出力電流の値が所定値以下である場合、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。
【００３９】
燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップである場合（Ｓ３０１の処理で肯定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａを、カソード出口目標温度Ｄｃ−所定温度αに設定する（Ｓ３０２）。
【００４０】
燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップである場合、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量が不足するが、アノードの温度が、カソードの温度よりも低くなる場合、逆拡散水の移動量が増大する。
【００４１】
そこで、アノードの温度を、カソードの温度より低くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を増大させて燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避する。具体的には、アノードに供給される空気を冷却する冷却液の温度を、カソードに供給される水素を冷却する冷却液の温度より所定温度α低くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を増大させて燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避する。
【００４２】
アノード出口目標温度Ｄａは、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避するために、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。カソード出口目標温度Ｄｃは、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避するために、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。所定温度αは、アノード出口目標温度Ｄａとカソード出口目標温度Ｄｃとの差である。
【００４３】
例えば、アノード出口目標温度Ｄａ、カソード出口目標温度Ｄｃ及び所定温度αは、実験又はシミュレーションにより予め求めておく。アノード出口目標温度Ｄａ、カソード出口目標温度Ｄｃ及び所定温度αと、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップとの関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。そして、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａ、カソード出口目標温度Ｄｃ及び所定温度αをマップから算出する。
【００４４】
次に、ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３によって測定された冷却液の温度Ｔａが、カソード温度センサ１４によって測定された冷却液の温度Ｔｃより所定温度α低くなるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ３０３）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃ−所定温度αになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。
【００４５】
以下に、Ｓ３０３の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００４６】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度との差を温度Ｔｄとしたとき、この温度Ｔｄとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、温度Ｔｄとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００４７】
ＥＣＵ６は、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）である温度Ｔｄに対応するアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００４８】
ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータに基づいて、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００４９】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、アノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）となるように、ラジエータバイパス三方弁１５の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ３０４）。
【００５０】
以下に、Ｓ３０４の処理におけるラジエータバイパス三方弁１５の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００５１】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００５２】
ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）であるアノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度に対応するラジエータバイパス三方弁１５の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したラジエータバイパス三方弁１５の開度となるように、ラジエータバイパス三方弁１５を制御する。ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後、温度Ｔａのデータを取得する。
【００５３】
ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータに基づいて、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。
【００５４】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、ラジエータバイパス三方弁１５の開度を補正する。温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータの取得や判定、ラジエータバイパス三方弁１５の開度の補正を繰り返す。
【００５５】
一方、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップでない場合（Ｓ３０１の処理で否定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａを、カソード出口目標温度Ｄｃと同じ値となるように設定する（Ｓ３０５）。
【００５６】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ３０６）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、温度Ｔｃと同じ値（あるいは近似値）となるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度を制御する。
【００５７】
以下に、Ｓ３０６の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００５８】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００５９】
ＥＣＵ６は、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度とが、同じ値（あるいは近似値）である場合のアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００６０】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００６１】
上記処理によれば、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップしている場合、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を制御する。そして、アノードの温度とカソードの温度との間に温度差を設けることにより、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避することが可能となる。
【００６２】
アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度とカソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度との間に、常に温度差を設けることは、温度差による劣化への影響を考えると好ましくない。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップである場合にのみ、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度が、カソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度より低くなるように制御する。そして、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を増加させ、ドライアップから復帰させることにより、電流・電圧性能の低下を抑制することができる。その結果、所望の発電電力を得ることができる。
【００６３】
本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにアノード冷却液流路２４が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのアノードの温度を均一にすることができる。また、本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにカソード冷却液流路２５が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間において電圧に差が生じることを抑制することができ、燃料電池スタック１の安定した発電を確保しつつ、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避することが可能となる。
【００６４】
図４は、ＥＣＵ６における第２の処理のフローチャートである。この処理は、ＣＰＵで実行される制御プログラムによって実行される。また、この処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。ここで、所定時間は、工場出荷時に設定される値、車両を販売する販売店にて設定される値、あるいは、ユーザ設定値等である。
【００６５】
この処理では、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかの判定を行う（Ｓ４０１）。例えば、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかは、燃料電池スタック１内のセル電圧や燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度に基づき判定する。
【００６６】
第一の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１内のセル電圧のデータを取得し、その取得したセル電圧のデータから燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかを判定する。燃料電池スタック１内のセル電圧が低い場合に、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のセル電圧が所定値以下であるか否かを判定し、燃料電池スタック１内のセル電圧が所定値以下である場合、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。例えば、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のセル電圧が負電圧（０Ｖ以下）である場合、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであると判定してもよい。
【００６７】
第二の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度のデータを取得し、その取得したセル電圧の低下速度のデータから燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかを判定する。燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度が速い場合に、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度が所定値以上であるか否かを判定し、燃料電池スタック１内のセル電圧が所定値以上である場合、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。
【００６８】
燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合（Ｓ４０１の処理で肯定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａを、カソード出口目標温度Ｆｃ＋所定温度βに設定する（Ｓ４０２）。
【００６９】
燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量が過多であるが、アノードの温度が、カソードの温度よりも高くなる場合、逆拡散水の移動量が減少する。
【００７０】
そこで、アノードの温度を、カソードの温度より高くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を減少させて燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避する。具体的には、アノードに供給される空気を冷却する冷却液の温度を、カソードに供給される水素を冷却する冷却液の温度より所定温度β高くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を減少させて燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避する。
【００７１】
アノード出口目標温度Ｆａは、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避するために、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。カソード出口目標温度Ｆｃは、燃料電池スタック１内のアノードのフ
ラッディングを回避するために、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。所定温度βは、アノード出口目標温度Ｆａとカソード出口目標温度Ｆｃとの差である。
【００７２】
例えば、アノード出口目標温度Ｆａ、カソード出口目標温度Ｆｃ及び所定温度βは、実験又はシミュレーションにより予め求めておく。アノード出口目標温度Ｆａ、カソード出口目標温度Ｆｃ及び所定温度βと、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングの関係とを、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。そして、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａ、カソード出口目標温度Ｆｃ及び所定温度βをマップから算出する。
【００７３】
次に、ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３によって測定された冷却液の温度Ｔａが、カソード温度センサ１４によって測定された冷却液の温度Ｔｃより所定温度β高くなるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ４０３）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃ＋所定温度βになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。
【００７４】
以下に、Ｓ４０３の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００７５】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度との差を温度Ｔｆとしたとき、この温度Ｔｆとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、温度Ｔｆとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００７６】
ＥＣＵ６は、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）である温度Ｔｆに対応するアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００７７】
ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータに基づいて、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００７８】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、アノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）となるように、ラジエータバイパス三方弁１５の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ４０４）。
【００７９】
以下に、Ｓ４０４の処理におけるラジエータバイパス三方弁１５の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００８０】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５
の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００８１】
ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）であるアノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度に対応するラジエータバイパス三方弁１５の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したラジエータバイパス三方弁１５の開度となるように、ラジエータバイパス三方弁１５を制御する。ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後、温度Ｔａのデータを取得する。
【００８２】
ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータに基づいて、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。
【００８３】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、ラジエータバイパス三方弁１５の開度を補正する。温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータの取得や判定、ラジエータバイパス三方弁１５の開度の補正を繰り返す。
【００８４】
一方、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングでない場合（Ｓ４０１の処理で否定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａを、カソード出口目標温度Ｆｃと同じ値となるように設定する（Ｓ４０５）。
【００８５】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ４０６）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、温度Ｔｃと同じ値（あるいは近似値）となるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度を制御する。
【００８６】
以下に、Ｓ４０６の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００８７】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００８８】
ＥＣＵ６は、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度とが、同じ値（あるいは近似値）である場合のアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００８９】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００９０】
上記処理によれば、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却す
る冷却液の流量を制御する。そして、アノードの温度とカソードの温度との間に温度差を設けることにより、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避することが可能となる。
【００９１】
アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度とカソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度との間に、常に温度差を設けることは、温度差による劣化への影響を考えると好ましくない。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合にのみ、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度が、カソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度より高くなるように制御する。そして、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を減少させることにより、フラッディングから復帰させ、セル電圧低下から復帰させることができる。その結果、所望の発電電力を得ることができる。
【００９２】
本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにアノード冷却液流路２４が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのアノードの温度を均一にすることができる。また、本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにカソード冷却液流路２５が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間において電圧に差が生じることを抑制することができ、燃料電池スタック１の安定した発電を確保しつつ、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避することが可能となる。
【００９３】
〈変形例〉
上記第１実施形態では、アノード冷却系とカソード冷却系とが１系統である燃料電池システムを示した。この場合に、アノード冷却系とカソード冷却系とが２系統である燃料電池システムであって構わない。
【００９４】
図５は、第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムのシステム図である。この燃料電池システムは、図１の場合と比較して、アノード冷却系に冷却ファン２、ラジエータ３、冷却液ポンプ５及びラジエータバイパス三方弁１５が設けられ、アノード冷却系の下流の冷却液流路４には、アノード温度センサ１３が設けられている。また、この燃料電池システムは、図１の場合と比較して、カソード冷却系に冷却ファン４２、ラジエータ４３、冷却液ポンプ４５及びラジエータバイパス三方弁５５が設けられ、カソード冷却系の下流の冷却液流路４には、カソード温度センサ１４が設けられている。すなわち、燃料電池スタック１内のアノードに供給される水素を冷却する冷却液と、燃料電池スタック１内のカソードに供給される空気を冷却する冷却液とが、別々の循環経路を流れる構成となっている。
【００９５】
上記第１実施形態では、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を、アノード・カソード切り換え弁８の開度により制御する。本変形例では、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を、冷却液ポンプ５の駆動量により制御する。冷却液ポンプ５の駆動量は、ＥＣＵ６からの制御信号により制御される。他の構成及び作用は、図１と同様である。
【００９６】
このような構成によって、アノード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液と、カソード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液とが、互いに影響を及ぼすことがない。そのため、アノード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度及びカソード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度の制御が容易になり、アノード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度とカソード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度との差の制御も容易になる。
【００９７】
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図６を参照して説明する。上記第１実施形態では、図２に示すように、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５は、別々の成型板２３に形成されている。第２実施形態に係る燃料電池システムでは、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５を、１枚の成型板３０（本発明の挟持体に相当）に形成する。他の構成及び作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、本燃料電池システムの全体構成は、第１実施形態の場合と同様である。
【００９８】
図６に示すように、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５は、１枚の成型板３０を加工して表裏体で形成されている。本実施形態に係る燃料電池システムにおける成型板３０は、アノードとカソードの熱交換を押さえるために、アノード冷却液流路２４とカソード冷却液流路２５との間に、空気層又は断熱材を設けている。
【００９９】
図７に、成型板３０の詳細図を示す。図７に示すように、成型板３０の一方の面に内部冷却通路２４が形成され、成型板３０の他方の面にカソード冷却液流路２５が形成されている。成型板３０の内部には、シール材３１及び空気層又は断熱材が設けられている。空気層及び断熱材は、アノード冷却液流路２４を流れる冷却液と、カソード冷却液流路２５を流れる冷却液との熱交換を押さえるための断熱効果を有する。
【０１００】
例えば、本実施形態に係る燃料電池システムを車両に搭載した場合、断熱材は、−４０〜１５０℃程度の環境下で使用可能であり、加工が簡単で形状変化に対応可能であればよい。この場合、断熱材として、無イオン系断熱材を用いてもよい。
【０１０１】
本実施形態の燃料電池システムによれば、１枚の成型板３０に、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５が表裏体で形成されているため、１枚の成型板３０でアノードに供給される水素及びカソードに供給される空気を冷却することが可能となる。本実施形態の燃料電池システムによれば、アノード冷却液流路２４とカソード冷却液流路２５との間には、空気層又は断熱材が設けられている。そのため、アノード冷却液流路２４を流れる冷却液と、カソード冷却液流路２５を流れる冷却液との熱交換を押さえ、アノード側とカソード側とを断熱することができる。
【０１０２】
〈変形例〉
上記第１実施形態及び第２実施形態では、燃料電池スタック１のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態にあるか否か、又は、燃料電池スタック１のアノードがフラッディングの状態にあるか否かにより、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を制御した。
【０１０３】
本変形例では、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量に基づいて、燃料電池スタック１のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態にあるか否か、又は、燃料電池スタック１のアノードがフラッディングの状態にあるか否かを判定し、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を制御してもよい。この場合、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流を検知することで、発電量に係るデータを取得できる。また、ＥＣＵ６は、不図示のエアーコンプレッサの駆動量を検知することで、カソードガスの供給量に係るデータを取得できる。さらに、ＥＣＵ６は、不図示の水素タンクからの供給水素量を検知することで、アノードガスの供給量に係るデータを取得できる。
【０１０４】
例えば、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量
と、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップとの関係を実験又はシミュレーションにより予め求めておく。そして、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量と、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップとの関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。ＥＣＵ６は、所定間隔で、燃料電池スタック１の発電量のデータ、アノードガスの供給量のデータ、カソードガスの供給量のデータを取得し、メモリに記憶したマップから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態にあるか否かを判定してもよい。
【０１０５】
また、例えば、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量と、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングとの関係を実験又はシミュレーションにより予め求めておく。そして、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量と、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングとの関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。ＥＣＵ６は、所定間隔で、燃料電池スタック１の発電量のデータ、アノードガスの供給量のデータ、カソードガスの供給量のデータを取得し、メモリに記憶したマップから燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングの状態にあるか否かを判定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】燃料電池スタック１の内部構造例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図６】燃料電池スタック１の内部構造例を示す図である。
【図７】燃料電池スタック１の内部構造例の詳細図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 燃料電池スタック
２、４２ 冷却ファン
３、４３ ラジエータ
４、４４ 冷却液流路
５、４５ 冷却液ポンプ
６ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
７、４７ バイパス流路
８ アノード・カソード切り換え弁
９ アノード入口冷却液流路
１０ カソード入口冷却液流路
１１ アノード出口冷却液流路
１２ カソード出口冷却液流路
１３ アノード温度センサ
１４ カソード温度センサ
１５、５５ ラジエータバイパス三方弁
２０ ＭＥＧＡ
２１Ａ、２１Ｂ 多孔体
２２ セパレータ
２３、３０ 成型板
２４ アノード冷却液流路
２５ カソード冷却液流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電時において水を発生する燃料電池スタック及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックのセル内の冷却水流路は、アノード及びカソードそれぞれに設けられているが、マニホールドで合流させているため、冷却系としては１系統になっている。この場合、アノードとカソードの温度は、略同一となる。カソードで生成した生成水が電解質膜を通してどれだけアノードに移動するかは、フラッディングやドライアップを回避しながら燃料電池の性能を引き出すために重要である。生成水の移動量は、ストイキ比や圧力、温度等、様々な発電条件の影響を受ける。そして、生成水の移動量に影響を及ぼす一つの要因として冷却水温度差がある。
【０００３】
燃料電池スタックの起動時のフラッディングを回避する方法として、燃料電池スタックのカソード側のエンドプレートに燃料電池スタックのアノード側のエンドプレートよりも多量の冷媒を流す方法がある。この方法によれば、燃料電池スタックのカソード側の温度が燃料電池スタックのアノード側よりも高くなり、各セル内の水はカソード側からアノード側に移動し、燃料電池スタックの起動時のフラッディングを回避することができる。
【特許文献１】特開２００３−１７１０５号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５６１号公報
【特許文献３】特開平７−３２０７５５号公報
【特許文献４】特開２００６−１６４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の従来の方法では、各セル内の温度はアノードよりカソードの方が高くなるが、各セル内の温度の絶対値をそろえることができない。すなわち、燃料電池スタックの積層方向にセル間で温度差が生じる。これは、燃料電池スタックのカソード側のエンドプレートのみを冷却するためである。上述の従来の方法を発電中に行った場合、各セルの電圧が大きく異なり、安定した発電ができないという問題がある。本発明は、燃料電池スタックの各セルのアノード及びカソードの温度を制御する技術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】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、アノード及びカソードを有するセルを複数積層した燃料電池スタックであって、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスを冷却する冷却媒体が流れるアノード冷却媒体流路と、前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを冷却する冷却媒体が流れるカソード冷却媒体流路と、を備える燃料電池スタックである。
【０００６】
本発明では、燃料ガス流路を流れる燃料ガスは、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却され、酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスは、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却される。そして、アノードには、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体によって冷却される燃料ガスが供給され、カソードには、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体によって冷却される酸化剤ガスが供給される。したがって、カソード及びアノードを異なる冷却媒体流路を用いて冷却することが可能となる。
【０００７】
また、上記燃料電池スタックは、前記各セルを挟持する挟持体を更に備え、前記挟持体の表裏面の一方に前記アノード冷却媒体流路が形成され、前記挟持体の表裏面の他方に前記カソード冷却媒体流路が形成され、前記アノード冷却媒体流路と前記カソード冷却媒体流路との間に、断熱部材又は空間を有するようにしてもよい。
【０００８】
本発明では、アノード及びカソードを有するセルを挟持する挟持体は、各セルに配置されている。そして、挟持体の表裏面の一方にアノード冷却媒体流路が形成され、挟持体の表裏面の他方にカソード冷却媒体流路が形成されている。したがって、各セルのアノード及びカソードを異なる冷却媒体流路を用いて冷却することが可能となる。また、本発明では、アノード冷却媒体流路とカソード冷却媒体流路との間に、断熱部材又は空間を有することで、アノードに供給される燃料ガスを冷却する冷却媒体と、カソードに供給される酸化剤ガスを冷却する冷却媒体とを断熱することが可能となる。
【０００９】
また、本発明は、上記燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのドライアップを検出する検出手段と、前記燃料電池スタックのドライアップが検出された場合、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池スタックシステムである。
【００１０】
本発明では、燃料電池スタックのドライアップが検出された場合、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及びカソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御し、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度を、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも低くさせる。これにより、カソードに供給される酸化剤ガスの温度が、アノードに供給される燃料ガスの温度よりも高くなる。その結果、アノードからカソードへの逆拡散水の移動量が増大し、ドライアップを回避することが可能となる。
【００１１】
また、本発明では、各セルにアノード冷却媒体流路及びカソード冷却媒体流路が配置されている。そのため、すべてのセルのアノードの温度を均一にすることができ、また、すべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間における電圧に差が生じることを抑制することにより、安定した発電を確保しつつ、ドライアップを回避することが可能となる。
【００１２】
また、本発明は、上記燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングを検出する検出手段と、前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングが検出された場合、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の温度よりも高くなるように、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムである。
【００１３】
本発明では、燃料電池スタックのアノード側のフラッディングが検出された場合、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及びカソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御し、アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度を、カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも高くさせる。これにより、アノードに供給される燃料ガスの温度が、カソードに供給される酸化剤ガスの温度よりも高くなる。その結果、アノードからカソードへの逆拡散水の移動量が減少し、フラッディングを回避することが可能となる。
【００１４】
また、本発明では、各セルにアノード冷却媒体流路及びカソード冷却媒体流路が配置さ
れている。そのため、すべてのセルのアノードの温度を均一にすることができ、また、すべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間における電圧に差が生じることを抑制することにより、安定した発電を確保しつつ、フラッディングを回避することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池スタックの各セルのアノード及びカソードの温度を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
【００１７】
〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを図１及び図２の図面に基いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの説明図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、冷却ファン２を備えたラジエータ３と、燃料電池スタック１内とラジエータ３内との間で冷却液（冷却水）を循環させる冷却液流路４と、冷却液流路４に設けられた冷却液ポンプ５と、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６とを有する。さらに、燃料電池システムは、冷却液流路４と連通する流路であって、冷却液をラジエータ３に経由させずに、燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させるバイパス流路７を有している。また、図１では、燃料電池システムのうち、ガスの供給や排出に関する構成は記載を省略し、冷却液の循環に関する構成部分のみを示している。
【００１８】
燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。図２に示すように、燃料電池スタック１内の各セルは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gasket Assembly）２０と、ＭＥＧＡ２０を挟むように配置された多孔体２１Ａ（本発明の燃料ガス流路に相当）及び多孔体２１Ｂ（本発明の酸化剤ガス流路に相当）と、多孔体２１Ａ及び多孔体２１Ｂを挟むように配置された一対のセパレータ２２とから構成されている。ＭＥＧＡ２０は、電解質膜と、その電解質膜を挟むように形成された２つの触媒層（アノード及びカソード）と、その２つの触媒層を挟むように形成された一対のガス拡散層とから構成されている。また、ＭＥＧＡに代えて、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を用いることも
可能である。
【００１９】
多孔体２１Ａ及び多孔体２１Ｂは、小さい穴が空いた金属材料からなり、多孔体２１Ａの内部を水素（本発明の燃料ガスに相当）が流れ、多孔体２１Ｂの内部を空気（本発明の酸化剤ガスに相当）が流れる。多孔体２１Ａの内部を流れる水素は、水素タンク（図示せず）から供給される。多孔体２１Ｂの内部を流れる空気は、エアーコンプレッサ（図示せず）から供給される。また、多孔体２１Ａ及びセパレータ２２に代えて、水素が流れる流路を備えたセパレータを用いることも可能であり、多孔体２１Ｂ及びセパレータ２２に代えて、空気が流れる流路を備えたセパレータを用いることも可能である。
【００２０】
燃料電池スタック１のアノードには、多孔体２１Ａから水素が供給される。また、燃料電池スタック１のカソードには、多孔体２１Ｂから空気が供給される。
【００２１】
燃料電池スタック１では、水素と空気に含まれる酸素との間で電気化学反応が起こり、電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック１のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。
【００２２】
セパレータ２２の外側に設けられた成型板２３（本発明の挟持体に相当）には、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５が形成されている。図２に示すアノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５の数は例示であって、成型板２３には、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５を任意の数で形成することができる。アノード冷却液流路２４には、多孔体２１Ａを流れる水素を冷却する冷却液が流れる。カソード冷却液流路２５には、多孔体２１Ｂを流れる空気を冷却する冷却液が流れる。
【００２３】
成型板２３は、各セルに設けることができる。そのため、アノード冷却液流路２４を流れる冷却液は、各セルの多孔体２１Ａを流れる水素を冷却することができ、カソード冷却液流路２５を流れる冷却液は、各セルの多孔体２１Ｂを流れる空気を冷却することができる。
【００２４】
図１の説明に戻る。燃料電池スタック１には、冷却液流路４を介してラジエータ３が接続されている。冷却液流路４には、燃料電池スタック１とラジエータ３との間に、冷却液ポンプ５が設けられている。冷却液ポンプ５を駆動させることにより、冷却液が燃料電池スタック１内、冷却液流路４内、ラジエータ３内を循環する。冷却液ポンプ５の駆動は、冷却液ポンプ５と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００２５】
冷却液は、燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１内で熱交換することによって昇温する。ラジエータ３は、冷却液流路４を介して供給された冷却液を降温させる。ラジエータ３は、冷却液が流れる流路を内部に備え、外気が通過可能となっている。通過する外気とラジエータ３内の流路を流れる冷却液との間で熱交換可能となっている。ラジエータ３は、冷却ファン２を備えている。冷却ファン２を駆動することによって生じる冷却風は、ラジエータ３内の流路を流れる冷却液を冷却する。
【００２６】
冷却液流路４は、燃料電池スタック１の上流側において、冷却液ポンプ５と燃料電池スタック１との間で分岐して燃料電池スタック１に接続され、燃料電池スタック１の下流側で合流している。冷却液流路４が分岐する分岐点には、分岐した冷却液流路４を流れる冷却液の流量割合を弁開度に応じて調整するアノード・カソード切り換え弁８が設けられている。この調整は、アノード・カソード切り換え弁８と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００２７】
ここで、燃料電池スタック１の上流側で冷却液流路４から分岐し、燃料電池スタック１内のアノード冷却液流路２４と連通するものをアノード入口冷却液流路９といい、燃料電池スタック１内のカソード冷却液流路２５と連通するものをカソード入口冷却液流路１０という。
【００２８】
また、燃料電池スタック１の下流側で冷却液流路４と合流し、燃料電池スタック１内のアノード冷却液流路２４と連通するものをアノード出口冷却液流路１１といい、燃料電池スタック１内のカソード冷却液流路２５と連通するものをカソード出口冷却液流路１２という。
【００２９】
アノード・カソード切り換え弁８は、アノード入口冷却液流路９及びカソード入口冷却液流路１０を流れる冷却液の流量割合を弁開度に応じて調整する。この調整は、アノード・カソード切り換え弁８と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００３０】
アノード出口冷却液流路１１には、アノード温度センサ１３が設けられている。アノード温度センサ１３は、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度を測定する。また、カソード出口冷却液流路１２には、カソード温度センサ１４が設けられている。カソ
ード温度センサ１４は、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度を測定する。
【００３１】
また、冷却液流路４には、燃料電池スタック１とラジエータ３との間に、バイパス流路７が設けられている。バイパス流路７は、冷却液流路４から分岐して、ラジエータ３を経由せずに、冷却液を燃料電池システム内で循環させるための流路である。
【００３２】
さらに、冷却液流路４とバイパス流路７とが接続されている箇所には、ラジエータバイパス三方弁１５が設けられている。ラジエータバイパス三方弁１５を切り換えることにより、冷却液がラジエータ３を経由して燃料電池システムを循環する経路と、冷却液がラジエータ３を経由せずに燃料電池システムを循環する経路とを切り換えることができる。また、ラジエータバイパス三方弁１５の開度を調整することにより、ラジエータ３を経由する冷却液流量と、ラジエータ３を経由しない冷却液流量とを制御することもできる。このラジエータバイパス三方弁１５の切り替え及び開度は、ラジエータバイパス三方弁１５と電気的に接続されたＥＣＵ６からの制御信号により制御される。
【００３３】
ＥＣＵ６は、内部にＣＰＵやＲＯＭ等を備えており、ＣＰＵはＲＯＭに記録される制御プログラムに従って各種の処理を実行する。ＥＣＵ６は、冷却液ポンプ５、アノード・カソード切り替え弁８、アノード温度センサ１３、カソード温度センサ１４及びラジエータバイパス三方弁１５とそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３及びカソード温度センサ１４が測定した冷却液の温度のデータを取得する。ＥＣＵ６は、冷却液ポンプ５、アノード・カソード切り替え弁８及びラジエータバイパス三方弁１５の駆動を制御する。
【００３４】
図３は、ＥＣＵ６における第１の処理のフローチャートである。この処理は、ＣＰＵで実行される制御プログラムによって実行される。また、この処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。ここで、所定時間は、工場出荷時に設定される値、車両を販売する販売店にて設定される値、あるいは、ユーザ設定値等である。
【００３５】
この処理では、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかの判定を行う（Ｓ３０１）。例えば、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかは、冷却液の温度、燃料電池スタック１内の電極間（触媒層間）のインピーダンス、燃料電池スタック１の出力電流に基づき判定する。
【００３６】
第一の処理例として、ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３又はカソード温度センサ１４が測定した冷却液の温度のデータを取得し、その取得した温度のデータから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかを判定する。冷却液の温度が高い場合に、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、冷却液の温度が所定値以上であるか否かを判定し、冷却液の温度が所定値以上である場合、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。
【００３７】
第二の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１内の電極間のインピーダンスのデータを取得し、その取得した燃料電池スタック１内の電極間のインピーダンスのデータから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかを判定する。燃料電池スタック１内の電極間のインピーダンスが高い場合に、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、インピーダンスの値が所定値以上であるか否かを判定し、インピーダンスの値が所定値以上である場合、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が
備えるメモリに記憶しておく。
【００３８】
第三の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１の出力電流のデータを取得し、その取得した燃料電池スタック１の出力電流のデータから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであるかを判定する。燃料電池スタック１の出力電流が低い場合に、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の出力電流の値が所定値以下であるか否かを判定し、燃料電池スタック１の出力電流の値が所定値以下である場合、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。
【００３９】
燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップである場合（Ｓ３０１の処理で肯定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａを、カソード出口目標温度Ｄｃ−所定温度αに設定する（Ｓ３０２）。
【００４０】
燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップである場合、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量が不足するが、アノードの温度が、カソードの温度よりも低くなる場合、逆拡散水の移動量が増大する。
【００４１】
そこで、アノードの温度を、カソードの温度より低くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を増大させて燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避する。具体的には、アノードに供給される空気を冷却する冷却液の温度を、カソードに供給される水素を冷却する冷却液の温度より所定温度α低くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を増大させて燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避する。
【００４２】
アノード出口目標温度Ｄａは、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避するために、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。カソード出口目標温度Ｄｃは、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避するために、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。所定温度αは、アノード出口目標温度Ｄａとカソード出口目標温度Ｄｃとの差である。
【００４３】
例えば、アノード出口目標温度Ｄａ、カソード出口目標温度Ｄｃ及び所定温度αは、実験又はシミュレーションにより予め求めておく。アノード出口目標温度Ｄａ、カソード出口目標温度Ｄｃ及び所定温度αと、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップとの関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。そして、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａ、カソード出口目標温度Ｄｃ及び所定温度αをマップから算出する。
【００４４】
次に、ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３によって測定された冷却液の温度Ｔａが、カソード温度センサ１４によって測定された冷却液の温度Ｔｃより所定温度α低くなるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ３０３）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃ−所定温度αになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。
【００４５】
以下に、Ｓ３０３の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００４６】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度との差を温度Ｔｄとしたとき、この温度Ｔｄとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、温度Ｔｄとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００４７】
ＥＣＵ６は、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）である温度Ｔｄに対応するアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００４８】
ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータに基づいて、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度αと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００４９】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、アノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）となるように、ラジエータバイパス三方弁１５の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ３０４）。
【００５０】
以下に、Ｓ３０４の処理におけるラジエータバイパス三方弁１５の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００５１】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００５２】
ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）であるアノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度に対応するラジエータバイパス三方弁１５の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したラジエータバイパス三方弁１５の開度となるように、ラジエータバイパス三方弁１５を制御する。ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後、温度Ｔａのデータを取得する。
【００５３】
ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータに基づいて、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。
【００５４】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、ラジエータバイパス三方弁１５の開度を補正する。温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｄａと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータの取得や判定、ラジエータバイパス三方弁１５の開度の補正を繰り返す。
【００５５】
一方、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップでない場合（Ｓ３０１の処理で否定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｄａを、カソード出口目標温度Ｄｃと同じ値となるように設定する（Ｓ３０５）。
【００５６】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ３０６）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、温度Ｔｃと同じ値（あるいは近似値）となるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度を制御する。
【００５７】
以下に、Ｓ３０６の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００５８】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００５９】
ＥＣＵ６は、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度とが、同じ値（あるいは近似値）である場合のアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００６０】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００６１】
上記処理によれば、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップしている場合、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を制御する。そして、アノードの温度とカソードの温度との間に温度差を設けることにより、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避することが可能となる。
【００６２】
アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度とカソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度との間に、常に温度差を設けることは、温度差による劣化への影響を考えると好ましくない。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップである場合にのみ、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度が、カソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度より低くなるように制御する。そして、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を増加させ、ドライアップから復帰させることにより、電流・電圧性能の低下を抑制することができる。その結果、所望の発電電力を得ることができる。
【００６３】
本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにアノード冷却液流路２４が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのアノードの温度を均一にすることができる。また、本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにカソード冷却液流路２５が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間において電圧に差が生じることを抑制することができ、燃料電池スタック１の安定した発電を確保しつつ、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップを回避することが可能となる。
【００６４】
図４は、ＥＣＵ６における第２の処理のフローチャートである。この処理は、ＣＰＵで実行される制御プログラムによって実行される。また、この処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。ここで、所定時間は、工場出荷時に設定される値、車両を販売する販売店にて設定される値、あるいは、ユーザ設定値等である。
【００６５】
この処理では、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかの判定を行う（Ｓ４０１）。例えば、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかは、燃料電池スタック１内のセル電圧や燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度に基づき判定する。
【００６６】
第一の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１内のセル電圧のデータを取得し、その取得したセル電圧のデータから燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかを判定する。燃料電池スタック１内のセル電圧が低い場合に、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のセル電圧が所定値以下であるか否かを判定し、燃料電池スタック１内のセル電圧が所定値以下である場合、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。例えば、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のセル電圧が負電圧（０Ｖ以下）である場合、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであると判定してもよい。
【００６７】
第二の処理例として、ＥＣＵ６は、不図示のセンサが測定した燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度のデータを取得し、その取得したセル電圧の低下速度のデータから燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであるかを判定する。燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度が速い場合に、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングの状態である可能性が高い。したがって、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１内のセル電圧の低下速度が所定値以上であるか否かを判定し、燃料電池スタック１内のセル電圧が所定値以上である場合、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングであると判定してもよい。この所定値は、実験又はシミュレーションで求めておき、ＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。
【００６８】
燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合（Ｓ４０１の処理で肯定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａを、カソード出口目標温度Ｆｃ＋所定温度βに設定する（Ｓ４０２）。
【００６９】
燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量が過多であるが、アノードの温度が、カソードの温度よりも高くなる場合、逆拡散水の移動量が減少する。
【００７０】
そこで、アノードの温度を、カソードの温度より高くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を減少させて燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避する。具体的には、アノードに供給される空気を冷却する冷却液の温度を、カソードに供給される水素を冷却する冷却液の温度より所定温度β高くすることにより、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を減少させて燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避する。
【００７１】
アノード出口目標温度Ｆａは、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避するために、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。カソード出口目標温度Ｆｃは、燃料電池スタック１内のアノードのフ
ラッディングを回避するために、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度を調整するための目標となる温度である。所定温度βは、アノード出口目標温度Ｆａとカソード出口目標温度Ｆｃとの差である。
【００７２】
例えば、アノード出口目標温度Ｆａ、カソード出口目標温度Ｆｃ及び所定温度βは、実験又はシミュレーションにより予め求めておく。アノード出口目標温度Ｆａ、カソード出口目標温度Ｆｃ及び所定温度βと、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングの関係とを、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。そして、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａ、カソード出口目標温度Ｆｃ及び所定温度βをマップから算出する。
【００７３】
次に、ＥＣＵ６は、アノード温度センサ１３によって測定された冷却液の温度Ｔａが、カソード温度センサ１４によって測定された冷却液の温度Ｔｃより所定温度β高くなるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ４０３）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃ＋所定温度βになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。
【００７４】
以下に、Ｓ４０３の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００７５】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度との差を温度Ｔｆとしたとき、この温度Ｔｆとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、温度Ｔｆとアノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００７６】
ＥＣＵ６は、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）である温度Ｔｆに対応するアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００７７】
ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータに基づいて、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとの差が、所定温度βと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００７８】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、アノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）となるように、ラジエータバイパス三方弁１５の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ４０４）。
【００７９】
以下に、Ｓ４０４の処理におけるラジエータバイパス三方弁１５の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００８０】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度とラジエータバイパス三方弁１５
の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００８１】
ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）であるアノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度に対応するラジエータバイパス三方弁１５の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したラジエータバイパス三方弁１５の開度となるように、ラジエータバイパス三方弁１５を制御する。ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後、温度Ｔａのデータを取得する。
【００８２】
ＥＣＵ６は、ラジエータバイパス三方弁１５の開度制御後に取得した温度Ｔａのデータに基づいて、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。
【００８３】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、ラジエータバイパス三方弁１５の開度を補正する。温度Ｔａがアノード出口目標温度Ｆａと同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータの取得や判定、ラジエータバイパス三方弁１５の開度の補正を繰り返す。
【００８４】
一方、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングでない場合（Ｓ４０１の処理で否定の場合）、ＥＣＵ６は、アノード出口目標温度Ｆａを、カソード出口目標温度Ｆｃと同じ値となるように設定する（Ｓ４０５）。
【００８５】
次に、ＥＣＵ６は、温度Ｔａ＝温度Ｔｃになるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する（Ｓ４０６）。すなわち、ＥＣＵ６は、温度Ｔａが、温度Ｔｃと同じ値（あるいは近似値）となるように、アノード・カソード切り替え弁８の開度を制御する。
【００８６】
以下に、Ｓ４０６の処理におけるアノード・カソード切り替え弁８の開度のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御について詳細に説明する。
【００８７】
アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。このマップは、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度と、アノード・カソード切り替え弁８の開度との対応関係を段階的に示したものである。
【００８８】
ＥＣＵ６は、アノード出口冷却液流路１１を流れる冷却液の温度と、カソード出口冷却液流路１２を流れる冷却液の温度とが、同じ値（あるいは近似値）である場合のアノード・カソード切り替え弁８の開度をマップから算出する。ＥＣＵ６は、算出したアノード・カソード切り替え弁８の開度となるように、アノード・カソード切り替え弁８を制御する。ＥＣＵ６は、アノード・カソード切り替え弁８の開度制御後、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータを取得する。
【００８９】
ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっているかを判定する。ＥＣＵ６は、温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）になっていない場合、アノード・カソード切り替え弁８の開度を補正する。温度Ｔａと温度Ｔｃとが、同じ値（あるいは近似値）となるまで、ＥＣＵ６は、温度Ｔａのデータ及び温度Ｔｃのデータの取得や判定、アノード・カソード切り替え弁８の開度の補正を繰り返す。
【００９０】
上記処理によれば、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却す
る冷却液の流量を制御する。そして、アノードの温度とカソードの温度との間に温度差を設けることにより、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避することが可能となる。
【００９１】
アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度とカソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度との間に、常に温度差を設けることは、温度差による劣化への影響を考えると好ましくない。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングである場合にのみ、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の温度が、カソードに供給される空気を冷却する冷却液の温度より高くなるように制御する。そして、カソードからアノードへの逆拡散水の移動量を減少させることにより、フラッディングから復帰させ、セル電圧低下から復帰させることができる。その結果、所望の発電電力を得ることができる。
【００９２】
本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにアノード冷却液流路２４が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのアノードの温度を均一にすることができる。また、本実施形態では、燃料電池スタック１内の各セルにカソード冷却液流路２５が設けられているため、燃料電池スタック１内のすべてのセルのカソードの温度を均一にすることができる。その結果、セル間において電圧に差が生じることを抑制することができ、燃料電池スタック１の安定した発電を確保しつつ、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングを回避することが可能となる。
【００９３】
〈変形例〉
上記第１実施形態では、アノード冷却系とカソード冷却系とが１系統である燃料電池システムを示した。この場合に、アノード冷却系とカソード冷却系とが２系統である燃料電池システムであって構わない。
【００９４】
図５は、第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムのシステム図である。この燃料電池システムは、図１の場合と比較して、アノード冷却系に冷却ファン２、ラジエータ３、冷却液ポンプ５及びラジエータバイパス三方弁１５が設けられ、アノード冷却系の下流の冷却液流路４には、アノード温度センサ１３が設けられている。また、この燃料電池システムは、図１の場合と比較して、カソード冷却系に冷却ファン４２、ラジエータ４３、冷却液ポンプ４５及びラジエータバイパス三方弁５５が設けられ、カソード冷却系の下流の冷却液流路４には、カソード温度センサ１４が設けられている。すなわち、燃料電池スタック１内のアノードに供給される水素を冷却する冷却液と、燃料電池スタック１内のカソードに供給される空気を冷却する冷却液とが、別々の循環経路を流れる構成となっている。
【００９５】
上記第１実施形態では、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を、アノード・カソード切り換え弁８の開度により制御する。本変形例では、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を、冷却液ポンプ５の駆動量により制御する。冷却液ポンプ５の駆動量は、ＥＣＵ６からの制御信号により制御される。他の構成及び作用は、図１と同様である。
【００９６】
このような構成によって、アノード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液と、カソード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液とが、互いに影響を及ぼすことがない。そのため、アノード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度及びカソード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度の制御が容易になり、アノード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度とカソード冷却系の下流の冷却液流路４を流れる冷却液の温度との差の制御も容易になる。
【００９７】
〈第２実施形態〉
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図６を参照して説明する。上記第１実施形態では、図２に示すように、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５は、別々の成型板２３に形成されている。第２実施形態に係る燃料電池システムでは、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５を、１枚の成型板３０（本発明の挟持体に相当）に形成する。他の構成及び作用は、第１実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、本燃料電池システムの全体構成は、第１実施形態の場合と同様である。
【００９８】
図６に示すように、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５は、１枚の成型板３０を加工して表裏体で形成されている。本実施形態に係る燃料電池システムにおける成型板３０は、アノードとカソードの熱交換を押さえるために、アノード冷却液流路２４とカソード冷却液流路２５との間に、空気層又は断熱材を設けている。
【００９９】
図７に、成型板３０の詳細図を示す。図７に示すように、成型板３０の一方の面に内部冷却通路２４が形成され、成型板３０の他方の面にカソード冷却液流路２５が形成されている。成型板３０の内部には、シール材３１及び空気層又は断熱材が設けられている。空気層及び断熱材は、アノード冷却液流路２４を流れる冷却液と、カソード冷却液流路２５を流れる冷却液との熱交換を押さえるための断熱効果を有する。
【０１００】
例えば、本実施形態に係る燃料電池システムを車両に搭載した場合、断熱材は、−４０〜１５０℃程度の環境下で使用可能であり、加工が簡単で形状変化に対応可能であればよい。この場合、断熱材として、無イオン系断熱材を用いてもよい。
【０１０１】
本実施形態の燃料電池システムによれば、１枚の成型板３０に、アノード冷却液流路２４及びカソード冷却液流路２５が表裏体で形成されているため、１枚の成型板３０でアノードに供給される水素及びカソードに供給される空気を冷却することが可能となる。本実施形態の燃料電池システムによれば、アノード冷却液流路２４とカソード冷却液流路２５との間には、空気層又は断熱材が設けられている。そのため、アノード冷却液流路２４を流れる冷却液と、カソード冷却液流路２５を流れる冷却液との熱交換を押さえ、アノード側とカソード側とを断熱することができる。
【０１０２】
〈変形例〉
上記第１実施形態及び第２実施形態では、燃料電池スタック１のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態にあるか否か、又は、燃料電池スタック１のアノードがフラッディングの状態にあるか否かにより、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を制御した。
【０１０３】
本変形例では、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量に基づいて、燃料電池スタック１のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態にあるか否か、又は、燃料電池スタック１のアノードがフラッディングの状態にあるか否かを判定し、アノードに供給される水素を冷却する冷却液の流量及びカソードに供給される空気を冷却する冷却液の流量を制御してもよい。この場合、ＥＣＵ６は、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流を検知することで、発電量に係るデータを取得できる。また、ＥＣＵ６は、不図示のエアーコンプレッサの駆動量を検知することで、カソードガスの供給量に係るデータを取得できる。さらに、ＥＣＵ６は、不図示の水素タンクからの供給水素量を検知することで、アノードガスの供給量に係るデータを取得できる。
【０１０４】
例えば、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量
と、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップとの関係を実験又はシミュレーションにより予め求めておく。そして、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量と、燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０のドライアップとの関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。ＥＣＵ６は、所定間隔で、燃料電池スタック１の発電量のデータ、アノードガスの供給量のデータ、カソードガスの供給量のデータを取得し、メモリに記憶したマップから燃料電池スタック１内のＭＥＧＡ２０がドライアップの状態にあるか否かを判定してもよい。
【０１０５】
また、例えば、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量と、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングとの関係を実験又はシミュレーションにより予め求めておく。そして、燃料電池スタック１の発電量、アノードガスの供給量、カソードガスの供給量と、燃料電池スタック１内のアノードのフラッディングとの関係を、マップにしてＥＣＵ６が備えるメモリに記憶しておく。ＥＣＵ６は、所定間隔で、燃料電池スタック１の発電量のデータ、アノードガスの供給量のデータ、カソードガスの供給量のデータを取得し、メモリに記憶したマップから燃料電池スタック１内のアノードがフラッディングの状態にあるか否かを判定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】燃料電池スタック１の内部構造例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図６】燃料電池スタック１の内部構造例を示す図である。
【図７】燃料電池スタック１の内部構造例の詳細図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１ 燃料電池スタック
２、４２ 冷却ファン
３、４３ ラジエータ
４、４４ 冷却液流路
５、４５ 冷却液ポンプ
６ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
７、４７ バイパス流路
８ アノード・カソード切り換え弁
９ アノード入口冷却液流路
１０ カソード入口冷却液流路
１１ アノード出口冷却液流路
１２ カソード出口冷却液流路
１３ アノード温度センサ
１４ カソード温度センサ
１５、５５ ラジエータバイパス三方弁
２０ ＭＥＧＡ
２１Ａ、２１Ｂ 多孔体
２２ セパレータ
２３、３０ 成型板
２４ アノード冷却液流路
２５ カソード冷却液流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードを有するセルを複数積層した燃料電池スタックであって、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスを冷却する冷却媒体が流れるアノード冷却媒体流路と、
前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを冷却する冷却媒体が流れるカソード冷却媒体流路と、を備える燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各セルを挟持する挟持体を更に備え、
前記挟持体の表裏面の一方に前記アノード冷却媒体流路が形成され、前記挟持体の表裏面の他方に前記カソード冷却媒体流路が形成され、前記アノード冷却媒体流路と前記カソード冷却媒体流路との間に、断熱部材又は空間を有する請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのドライアップを検出する検出手段と、
前記燃料電池スタックのドライアップが検出された場合、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池スタックシステム。
【請求項４】
前記請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングを検出する検出手段と、
前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングが検出された場合、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の温度よりも高くなるように、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池スタックシステム。
【請求項１】
アノード及びカソードを有するセルを複数積層した燃料電池スタックであって、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスを冷却する冷却媒体が流れるアノード冷却媒体流路と、
前記酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスを冷却する冷却媒体が流れるカソード冷却媒体流路と、を備える燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各セルを挟持する挟持体を更に備え、
前記挟持体の表裏面の一方に前記アノード冷却媒体流路が形成され、前記挟持体の表裏面の他方に前記カソード冷却媒体流路が形成され、前記アノード冷却媒体流路と前記カソード冷却媒体流路との間に、断熱部材又は空間を有する請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのドライアップを検出する検出手段と、
前記燃料電池スタックのドライアップが検出された場合、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の温度よりも低くなるように、前記アノード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却媒体流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池スタックシステム。
【請求項４】
前記請求項１又は２に記載の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングを検出する検出手段と、
前記燃料電池スタックのアノード側のフラッディングが検出された場合、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の温度が前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の温度よりも高くなるように、前記アノード冷却流路を流れる冷却媒体の流量及び前記カソード冷却流路を流れる冷却媒体の流量を制御する制御手段と、を備える燃料電池スタックシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−５９６５０（Ｐ２００９−５９６５０Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２７６３８（Ｐ２００７−２２７６３８）
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【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２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【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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