燃料電池システム
【課題】 燃料電池スタックを備える燃料電池システムの低温始動性を向上させる。
【解決手段】 燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の電流の取り出し部分を切り換えるための切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を備える。そして、低温始動時に、凍結によって発電性能が低下した単セル１２からの電流の取り出しを停止し、発電性能が低下していない単セル１２から電流を取り出す。凍結によって発電性能が低下した単セル１２は、発電性能が低下していない単セル１２からの熱によって昇温する。
【解決手段】 燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の電流の取り出し部分を切り換えるための切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を備える。そして、低温始動時に、凍結によって発電性能が低下した単セル１２からの電流の取り出しを停止し、発電性能が低下していない単セル１２から電流を取り出す。凍結によって発電性能が低下した単セル１２は、発電性能が低下していない単セル１２からの熱によって昇温する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にそれぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを備えた単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。そして、単セルのカソードでは、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。
【０００３】
このような燃料電池スタックを備える燃料電池システムを、氷点下の低温時に始動すると、燃料電池スタック内の一部の単セルにおいて、生成水が凍結して、酸素の拡散が妨げられるか、凍結部が反応しなくなるため、発電性能が低下する場合がある。そして、発電性能が低下した単セルと、発電性能が低下していない単セルとが混在した状態で、要求電力を出力するように発電を継続すると、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかり、その単セルの電解質膜の劣化を招く場合がある。
【０００４】
そこで、従来、燃料電池システムの低温始動時の上記不具合を解決するために、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池システムの氷点下からの低温始動時に、単セルの電圧が所定電圧を下回らない範囲で、取り出し電流を最大に設定する技術が記載されている。これによって、要求電力に関わらず、発電反応が促進され、燃料電池の自己発熱を促進させることができ、暖気時間を短縮できるので、起動時の生成水が凍結するのを抑制することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−７１６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、複数の単セルのうちの最も発電性能が低い単セルに合わせて燃料電池スタック全体から取り出す電流を下げるので、発電性能が低下していない単セルにおける発熱量をも低下させてしまい、燃料電池スタック全体が昇温するまでの時間を十分に短縮することができない場合があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの低温始動性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックが前記単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた該各部分の電圧を検出する電圧検出部と、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時に、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、該検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分に流れる電流が、他の前記部分に流れる電流よりも低い値になるように、前記電流制御部を制御する低温始動制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明では、燃料電池システムの低温始動時に、燃料電池スタックが単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた各部分の電圧をモニタすることによって、その部分に含まれる単セルの生成水の凍結による発電性能の低下を検出する。そして、発電性能が低下していない部分の単セルからは、ほぼ要求された電流を取り出すとともに、発電性能が低下した部分の単セルには、発電性能が低下していない他の部分の単セルよりも低い値の電流を流す。なお、低い値の電流を流すとは、電流値を０にすること、つまり、電流を流さないことも含んでいる。
【００１０】
こうすることによって、低温始動時に、発電性能が低下していない単セルでは、ほぼ要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セルに流す電流を制限するので、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを抑制し、単セルに備えられた電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分に流れる電流を０にするようにしてもよい。
【００１２】
本発明では、発電性能が低下していない部分の単セルからのみ電流を取り出し、発電性能が低下した部分の単セルには電流は流さない。こうすることによって、発電性能が低下していない単セル発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを回避し、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分について、前記検出された電圧値に基づいて、前記単セルに負電圧がかからないように、該部分に流れる電流の値を変更するようにしてもよい。
【００１４】
こうすることによって、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを回避しつつ、発電性能が低下した単セルにおいても発電によって自己発熱するので、電解質膜の劣化を抑制しつつ、燃料電池スタックの昇温時間を短縮することができる。
【００１５】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置されている前記部分のみを、前記流れる電流値を小さくする制御の制御対象とするようにしてもよい。
【００１６】
一般に、燃料電池スタックの積層方向の端部には、エンドプレート等が配設されているため、端部に配置された単セルは、外部への放熱により、中央部に配置された単セルよりも昇温しにくく、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい。一方、中央部に配置された単セルは、発電により発熱する単セル同士が接しているため昇温しやすく、生成水の凍結は生じにくい。
【００１７】
本発明では、燃料電池スタックの端部に配置され、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい単セルのみを、流れる電流を制限する制御の対象とするので、燃料電池システムの構成や、低温始動時の制御を簡略化することができる。
【００１８】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、
前記各部分の温度を検出する温度検出部を備え、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御を行っているときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分について、前記温度検出部によって検出された温度が所定温度以上になったときに、該低温始動時の前記電流制御部の制御を停止するようにしてもよい。
【００１９】
所定温度は、生成水が凍結しない範囲内の温度を任意に設定可能である。本発明によって、上記各部分の温度に基づいて、先に説明した低温始動時の制御から通常温度での制御に切り換えるようにすることができる。
【００２０】
なお、温度検出部の代わりに、上記低温始動時の制御の継続時間を計測するタイマを備えるようにし、上記切り換えを、低温始動時の制御の継続時間が所定時間以上になったか否かに基づいて、行うようにしてもよい。この場合、所定時間は、燃料電池スタックの全ての単セルの温度が、生成水が凍結しない程度に十分に昇温する時間を設定すればよい。
【００２１】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記各部分のうちの一部の部分は、前記単セルとして前記低温始動時にのみ使用するための低温始動用セルによって構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００２２】
ここで、低温始動用セルは、生成水が凍結しにくく低温始動時の発電には適しているが、通常温度での発電には不適な単セルである。このような低温始動用セルとしては、例えば、以下に示すものが挙げられる。
【００２３】
上記燃料電池システムにおいて、
前記単セルは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノードとカソードとを備えており、
前記低温始動用セルは、前記アノード、および、前記カソードのうちの少なくとも前記カソードに、前記発電によって生成された生成水の透過性が、該低温始動用セル以外の前記単セルよりも高い高透過層を備えるようにしてもよい。
【００２４】
発電による生成水は、カソード反応によって生成されるので、生成水の凍結は、アノードよりもカソードで生じやすい。本発明では、低温始動用セルの少なくともカソードに、生成水の透過性が比較的高い高透過層を備えているので、生成水を比較的速やかに排出することができる。したがって、低温始動用セルにおいて、生成水が凍結するまでの時間を延長し、生成水が凍結する前に燃料電池スタック全体の昇温を完了するようにすることができる。
【００２５】
上記燃料電池システムにおいて、
前記単セルは、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記電気化学反応を起こすための触媒層と、前記生成水を撥水するための撥水層と、前記触媒層に反応ガスを拡散させて供給するための拡散層とを、この順序で備えており、
前記低温始動用セルは、前記高透過層として、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記撥水層よりも厚さが薄い前記撥水層、および、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記拡散層よりも厚さが薄い前記拡散層のうちの少なくとも一方を備えるようにしてもよい。
【００２６】
低温始動時に触媒層で生成された生成水は、触媒層の外へ排出される時には過冷却水になっている。この過冷却水は、撥水層を薄くすることによって、透過しやすくすることができる。また、拡散層を薄くすることによっても、過冷却水を透過しやすくすることができる。したがって、本発明によって、生成水を速やかに排出することができる。
【００２７】
なお、過冷却水の透過性の観点から、高透過層において、撥水層は、省略することが好ましい。こうすることによって、過冷却水の透過性をより高くすることができる。
【００２８】
上記低温始動用セルを備えるいずれかの燃料電池システムにおいて、
前記低温始動用セルは、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置された前記部分にのみ備えられているようにしてもよい。
【００２９】
先に説明したように、燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された単セルは、中央部に配置された単セルよりも昇温しにくく、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい。一方、中央部に配置された単セルは、昇温しやすく、生成水の凍結は生じにくい。
【００３０】
本発明では、燃料電池スタックの端部にのみ低温始動用セルを配置するので、燃料電池システムの構成や、低温始動時の制御を簡略化することができる。
【００３１】
なお、本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルと、前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時にのみ使用するための前記単セルである低温始動用セルとを複数積層した燃料電池スタックと、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００３２】
こうすることによっても、上述した燃料電池システムと同様に、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。
【００３３】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００３４】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
Ａ２．低温始動制御：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
Ｂ２．低温始動制御：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．システム構成：
Ｃ２．低温始動制御：
Ｄ．変形例：
【００３６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、切換スイッチ２０，２２と、電圧センサ３０と、温度センサ４０と、負荷５０と、制御ユニット６０とを備えている。
【００３７】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セル１２を所定数積層した積層体である。単セル１２は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを形成したものである。単セル１２の積層数は、要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、本実施例では、燃料電池スタック１０は、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であるものとした。他の燃料電池を用いるものとしてもよい。
【００３８】
燃料電池スタック１０の単セル１２の積層方向の一方の端部には、単セル１２ａ，１２ｂ，１２ｃが、外側からこの順に配置されている。また、燃料電池スタック１０の単セル１２の積層方向の他方の端部には、単セル１２ｄ，１２ｅ，１２ｆが、外側からこの順に配置されている。そして、これらの各単セル１２ａ〜１２ｆには、それぞれ発電時に電流を取り出すための端子が設けられている。
【００３９】
燃料電池スタック１０は、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を介して、負荷５０と接続されている。切換スイッチ２０には、３つの端子ａ，ｂ，ｃが設けられている。また、切換スイッチ２２には、３つの端子ｄ，ｅ，ｆが設けられている。そして、切換スイッチ２０の端子ａ，ｂ，ｃは、それぞれ単セル１２ａ，１２ｂ，１２ｃに接続されている。また、切換スイッチ２２の端子ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ単セル１２ｄ，１２ｅ，１２ｆに接続されている。切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続状態を切り換えることによって、発電時に電流を取り出す部分を切り換えることができる。なお、本実施例では、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２には、それぞれ３つの端子が設けられており、３つの単セル１２と接続されているものとしたが、これに限られず、より多くの端子を設けるようにしてもよい。
【００４０】
電圧センサ３０は、単セル１２ごとに設けられており、各単セル１２の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）Ｖｃを検出する。また、温度センサ４０も、単セル１２ごとに設けられており、各単セル１２の温度Ｔｃを検出する。各単セル１２のセル電圧Ｖｃや、温度Ｔｃをモニタすることによって、各単セル１２の異常を検出することができる。
【００４１】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット６０によって制御される。制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。
【００４２】
本実施例では、制御ユニット６０は、燃料電池システム１００の氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。低温始動時には、カソード反応によって生成された生成水が単セル１２内で凍結して反応ガスの供給を妨げ、単セル１２の発電性能が低下する場合がある。本実施例では、低温始動制御によって、低温始動時に、生成水の凍結によって単セル１２の発電性能が低下しても、燃料電池スタック１０を速やかに昇温して発電性能を回復する。この低温始動制御では、以下に説明するように、電圧センサ３０や、温度センサ４０の出力に基づいて、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を制御する。制御ユニット６０は、本発明における低温始動制御部に相当する。また、切換スイッチ２０，２２は、本発明における電流制御部に相当する。
【００４３】
Ａ２．低温始動制御：
図２は、第１実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の氷点下での低温始動時に、制御ユニット６０のＣＰＵが実行する処理である。本実施例では、燃料電池システム１００の始動時に、いずれかの温度センサ４０の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
【００４４】
低温始動制御開始時の初期状態では、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２は、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに接続されており、単セル１２ａと単セル１２ｄ、すなわち燃料電池スタック１０全体から要求された電流を取り出す（図１参照）。
【００４５】
その後、ＣＰＵは、電圧センサ３０によって、燃料電池スタック１０の端部に配置された最も発電性能が低下しやすい単セル１２のセル電圧Ｖｃを測定する（ステップＳ１００）。低温始動制御直後は、燃料電池スタック１０の両端部に配置されている単セル１２ａ，１２ｄのセル電圧Ｖｃを測定する。また、後述するように、単セル１２ａ，１２ｄによって発電を行っていないときには、発電を行っている単セル１２のうちの最も外側に配置されている単セル１２ｂ，１２ｅのセル電圧Ｖｃを測定する。
【００４６】
そして、ＣＰＵは、セル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。単セル１２の発電性能が低下し、セル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満になった場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、切換スイッチ２０，２２を切り換え（ステップＳ１００）、ステップＳ１００に戻る。例えば、燃料電池スタック１０において最も発電性能が低下しやすい両端の単セル１２ａ，１２ｄのセル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満になった場合には、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を、それぞれ端子ｂ、および、端子ｅに切り換え、単セル１２ｂと単セル１２ｅから要求された電流を取り出す。このとき、単セル１２ａ，１２ｄでは、発電は行われず、単セル１２ａ，１２ｄには、電流は流れない。この状態で発電を継続し、その後、単セル１２ｂ，１２ｅの発電性能が低下して、そのセル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満になった場合には、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続を、それぞれ端子ｃ、および、端子ｆに切り換え、単セル１２ｃと単セル１２ｆから要求された電流を取り出す。このとき、さらに、単セル１２ｂ，１２ｅでは、発電は行われず、単セル１２ａ，１２ｄには、電流は流れない。
【００４７】
ステップＳ１１０において、セル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ以上である場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続状態によって、発電を行っていない単セル１２があるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに接続されており、発電を行っていない単セル１２がない場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、温度センサ４０によって、発電を行っている単セル１２のうちの最も外側の単セル１２の温度Ｔｃを測定し（ステップＳ１８０）、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１９０）。所定温度Ｔｔｈとしては、生成水が凍結しない温度が設定されている。その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、低温始動制御を終了する。一方、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ未満である場合には（ステップＳ１９０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。
【００４８】
ステップＳ１３０において、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄ以外の端子に接続されており、発電を行っていない単セル１２がある場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、その発電を行っていない単セル１２の温度Ｔｃを測定し（ステップＳ１４０）、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ未満である場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。一方、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、切換スイッチ２０，２２を切り換える（ステップＳ１６０）。例えば、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ｃ、および、端子ｆに接続されていて、単セル１２ｂ，（１２ａ，１２ｄ，）１２ｅで発電が行われていない場合に、単セル１２ｂ，１２ｅの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になっていれば、単セル１２ｂ，１２ｅを用いて発電を行っても、生成水は凍結せず、単セル１２ｂ，１２ｅに負電圧はかからないので、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を、それぞれ端子ｂ、および、端子ｅに切り換え、単セル１２ｂ，１２ｅによる発電を再開する。また、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ｂ、および、端子ｅに接続されていて、単セル１２ａ，１２ｄで発電が行われていない場合に、単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になっていれば、単セル１２ａ，１２ｄを用いて発電を行っても、生成水は凍結せず、単セル１２ａ，１２ｄに負電圧はかからないので、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに切り換え、単セル１２ａ，１２ｄによる発電を再開する。
【００４９】
次に、ＣＰＵは、再度、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続状態によって、発電を行っていない単セル１２があるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄ以外の端子に接続されており、発電を行っていない単セル１２がある場合には（ステップＳ１７０ＹＥＳ）、ステップＳ１８０に進む。一方、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに接続されており、発電を行っていない単セル１２がない場合（ステップＳ１７０：ＮＯ）、すなわち、全ての単セル１２の温度が所定温度Ｔｔｈ以上となり、全ての単セル１２を用いて発電を再開した場合には、低温始動制御を終了する。
【００５０】
低温始動制御の終了後は、通常温度での燃料電池スタック１０全体から電流を取り出す制御を行う。
【００５１】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、低温始動時に、発電性能が低下していない単セル１２では、要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック１０全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セル１２には電流を流さないので、発電性能が低下した単セル１２に負電圧がかかることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システム１００の低温始動性を向上させることができる。
【００５２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１０と、可変抵抗２４ａ〜２４ｆと、電圧センサ３０と、温度センサ４０と、負荷５０と、制御ユニット６０Ａとを備えている。第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における切換スイッチ２０，２２の代わりに、可変抵抗２４ａ〜２４ｆを備えること以外は、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【００５３】
燃料電池スタック１０は、可変抵抗２４ａ〜２４ｆを介して、負荷５０と接続されている。図示するように、可変抵抗２４ａ〜２４ｆは、それぞれ単セル１２ａ〜１２ｆに接続されている。可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値を変更することによって、燃料電池スタック１０の各部分に流れる電流、つまり、各部分から取り出す電流値を変更することができる。なお、本実施例では、６つの可変抵抗２４ａ〜２４ｆを用いるものとしたが、これに限られず、より多くの可変抵抗を設けるようにしてもよい。
【００５４】
本実施例では、制御ユニット６０Ａが、燃料電池システム１００Ａの氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。この低温始動制御では、以下に説明するように、電圧センサ３０や、温度センサ４０の出力に基づいて、可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値を制御する。制御ユニット６０Ａは、本発明における低温始動制御部に相当する。また、可変抵抗２４ａ〜２４ｆは、本発明における電流制御部に相当する。
【００５５】
Ｂ２．低温始動制御：
図４は、第２実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ａの氷点下での低温始動時に、制御ユニット６０ＡのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、燃料電池システム１００Ａの始動時に、いずれかの温度センサ４０の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
【００５６】
低温始動制御開始時の初期状態では、可変抵抗２４ａ，２４ｄの各抵抗値は０であり、可変抵抗２４ｂ，２４ｃ，２４ｅ，２４ｆの各抵抗値は無限大である。そして、燃料電池スタック１０全体から要求された電流を取り出す（図３参照）。
【００５７】
その後、ＣＰＵは、電圧センサ３０によって、各単セル１２のセル電圧Ｖｃを測定する（ステップＳ２００）。そして、各セル電圧Ｖｃに基づいて、可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値を設定する（ステップＳ２１０）。このとき、可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値は、各単セル１２に負電圧がかからないように設定される。例えば、燃料電池スタック１０の両端の単セル１２ａ，１２ｄにおいて、生成水が凍結して発電性能が低下した場合には、可変抵抗２４ａ，２４ｄの抵抗値を上げるとともに、可変抵抗２４ｂ，２４ｃ，２４ｅ，２４ｆの抵抗値を下げて、単セル１２ａ，１２ｄに負電圧がかからないようにしつつ、単セル１２ａ，１２ｄにおける発電を継続する。そして、各単セル１２から、セル電圧Ｖｃ、可変抵抗の抵抗値に応じた値の電流を取り出す。
【００５８】
次に、ＣＰＵは、温度センサ４０によって、燃料電池スタック１０の両端部に配置されている各単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃを測定する（ステップＳ２２０）。そして、ＣＰＵは、両端部に配置された単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２３０）。単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上でない場合には（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ステップＳ２００に戻る。一方、単セル１２ａ，１２ｄの温度が所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、低温制御処理を終了する。
【００５９】
低温始動制御の終了後は、通常温度での燃料電池スタック１０全体から電流を取り出す制御を行う。
【００６０】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ａによれば、低温始動時に、発電性能が低下していない単セル１２では、ほぼ要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック１０全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セル１２からの電流の取り出し、すなわち、発電性能が低下した単セル１２に流れる電流を制限するので、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。さらに、第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、発電性能が低下した単セル１２においても負電圧がかからない状態で発電を継続し、自己発熱するので、燃料電池スタック１０全体の昇温時間を第１実施例の燃料電池システム１００よりも短縮することができる。
【００６１】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．システム構成：
図５は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００はＢ、燃料電池スタック１０Ｂと、切換スイッチ２０Ｂ，２２Ｂと、温度センサ４０と、負荷５０と、制御ユニット６０Ｂとを備えている。第３実施例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００における切換スイッチ２０，２２の代わりに、切換スイッチ２０Ｂ，２２Ｂを備えることと、燃料電池スタック１０の代わりに、燃料電池スタック１０Ｂを備えること以外は、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【００６２】
燃料電池スタック１０Ｂの単セル１２の積層方向の両端部には、両端部以外の部分に配置された単セル１２とは内部の膜構成が異なる単セルが配置されている。以下、この燃料電池スタック１０Ｂの両端部に配置された単セルを端セル１２ｅｄｇと呼ぶ。この端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇに隣接する単セル１２には、それぞれ発電時に電流を取り出すための端子が設けられている。単セル１２、および、端セル１２ｅｄｇの膜構成等については、後述する。なお、後述するように、端セル１２ｅｄｇは、低温始動時にのみ用いる単セルであり、本発明における低温始動時用に相当する。
【００６３】
切換スイッチ２０Ｂには、２つの端子ａ，ｂが設けられている。また、切換スイッチ２２Ｂには、２つの端子ｃ，ｄが設けられている。そして、各端セル１２ｅｄｇは、それぞれ切換スイッチ２０Ｂの端子ａ、および、切換スイッチ２２Ｂの端子ｃに接続されている。また、各端セル１２ｅｄｇにそれぞれ隣接する単セル１２は、それぞれ切換スイッチ２０Ｂの端子ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂの端子ｄに接続されている。切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂの接続状態を切り換えることによって、発電時に電流を取り出す部分を切り換えることができる。
【００６４】
本実施例では、制御ユニット６０Ｂが、燃料電池システム１００Ｂの氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。この低温始動制御では、以下に説明するように、温度センサ４０の出力に基づいて、切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂを制御する。制御ユニット６０Ｂは、本発明における発電制御部に相当する。また、切換スイッチ２０Ｂ，２２Ｂは、本発明における電流制御部に相当する。
【００６５】
ここで、端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の膜構成について説明する。図６は、端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の膜構成を示す説明図である。図６（ａ）に、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の断面の一部を示し、図６（ｂ）に、端セル１２ｅｄｇの断面の一部を示した。
【００６６】
図６（ａ）に示すように、単セル１２では、電解質膜１２０の一方の面に、触媒層１２２ａと、撥水層１２４ａと、拡散層１２６ａとを、この順に積層することによって、アノードが形成されている。また、電解質膜１２０のもう一方の面に、触媒層１２２ｃと、撥水層１２４ｃと、拡散層１２６ｃとを、この順に積層することによって、カソードが形成されている。
【００６７】
一方、端セル１２ｅｄｇでは、単セル１２と同様に、電解質膜１２０の一方の面に、触媒層１２２ａと、撥水層１２４ａと、拡散層１２６ａとを、この順に積層することによって、アノードが形成されている。また、電解質膜１２０のもう一方の面に、触媒層１２２ｃと、拡散層１２６ｃとを、この順に積層することによって、カソードが形成されている。端セル１２ｅｄｇは、カソードの拡散層１２６ｃの厚さが、単セル１２における拡散層１２６ｃの厚さよりも薄い点、カソードに撥水層を備えていない点で、単セル１２と異なっている。
【００６８】
上述した膜構成の違いから、端セル１２ｅｄｇは、以下に示す特徴を有している。
【００６９】
第１の特徴は、氷点下で発電を開始したときに、発電によって生成された生成水が、単セル１２よりも膜内で凍結しにくいことである。先に説明したように、端セル１２ｅｄｇは、カソードに撥水層を備えておらず、さらに、拡散層１２６ｃの厚さも単セル１２の拡散層１２６ｃよりも薄い。このため、端セル１２ｅｄｇは、発電によって生成された生成水が過冷却状態になった過冷却水の透過性が単セル１２よりも高い。したがって、過冷却水を膜内から速やかに排出することができる。
【００７０】
第２の特徴は、通常温度での性能が単セル１２よりも悪いことである。具体的には、端セル１２ｅｄｇは、カソードに撥水層を備えていないので、フラッディングが発生しやすい。フラッディングは、反応ガスの供給を妨げ、発電性能を低下させる。このため、通常温度での発電には不適である。
【００７１】
上述した端セル１２ｅｄｇの２つの特徴を考慮して、本実施例では、以下に説明する低温始動制御が行われる。
【００７２】
Ｃ２．低温始動制御：
図７は、第３実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ｂの氷点下での低温始動時に、制御ユニット６０ＢのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、燃料電池システム１００Ｂの始動時に、いずれかの温度センサ４０の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
【００７３】
低温始動制御開始時の初期状態では、切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂは、それぞれ端子ａ、および、端子ｃに接続されており、燃料電池スタック１０Ｂ全体から電流を取り出す（図５参照）。
【００７４】
その後、ＣＰＵは、端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃを測定し（ステップＳ３００）、端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になったか否かを判断する（ステップＳ３１０）。端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になっていない場合には（ステップＳ３１０：ＮＯ）、ステップ３００に戻る。一方、端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂの接続を、それぞれ端子ｂ、および、端子ｄに切り換え（ステップＳ３２０）、端セル１２ｅｄｇを用いた発電を終了し、低温始動制御を終了する。
【００７５】
低温始動制御の終了後は、端セル１２ｅｄｇ以外の燃料電池スタック１０Ｂから電流を取り出す通常温度での制御を行う。
【００７６】
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１００Ｂによれば、低温始動時に、生成水が凍結しにくい端セル１２ｅｄｇを用いて発電を行うので、端セル１２ｅｄｇの発熱、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の発熱、および、それらの熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック１０Ｂ全体を昇温することができる。この結果、燃料電池システム１００Ｂの低温始動性を向上させることができる。
【００７７】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００７８】
Ｄ１．変形例１：
上記第１、および、第２実施例では、単セル１２ごとにセル電圧Ｖｃを測定し、発電性能の低下を検出するものとしたが、これに限られない。複数の単セル１２によって構成されるブロックごとに電圧を測定し、そのブロックに含まれる単セル１２の発電性能の低下を検出するようにしてもよい。この場合、電流を取り出すための端子は、単セル１２のブロックごとに用意するようにすればよい。
【００７９】
Ｄ２．変形例２：
上記第１、および、第２実施例では、氷点下での低温始動時に、燃料電池スタック１０の端部の単セル１２が、昇温しにくく生成水が凍結しやすいため、両端部の単セル１２、および、両端部に隣接する単セル１２について、取り出す電流を制限する制御を行うものとしたが、これに限られない。他の部分の単セル１２についても、適宜、同様の制御を行うようにしてもよい。
【００８０】
また、上記第３実施例では、燃料電池スタック１０Ｂの両端部に、低温始動用セルを配置するものとしたが、これに限られず、適宜、他の部分にも低温始動用セルを配置するようにしてもよい。
【００８１】
Ｄ３．変形例３：
上記第３実施例では、低温始動用セルである端セル１２ｅｄｇは、カソードに撥水層を備えないものとしたが、単セル１２の撥水層１２４ｃよりも薄い撥水層を備えるようにしてもよい。また、端セル１２ｅｄｇは、カソードの拡散層１２６ｃが単セル１２の拡散層１２６ｃよりも薄いものとしたが、同程度の厚さであってもよい。端セル１２ｅｄｇ、すなわち、低温始動用セルは、過冷却水の透過性が単セル１２よりも高ければよい。
【００８２】
Ｄ４．変形例４：
上記第３実施例では、低温始動用セルである端セル１２ｅｄｇは、カソードに、過冷却水の透過性が単セル１２よりも高い層を備えるものとしたが、さらに、アノードにも過冷却水の透過性が単セル１２よりも高い層を備えるものとしてもよい。
【００８３】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、温度センサ４０によって、端部の単セル１２の温度Ｔｃが所定値Ｔｔｈ以上になったときに、低温始動制御を終了するものとしたが、これに限られない。例えば、低温始動制御の継続時間を計測するタイマを備えるようにし、低温始動制御を終了するか否かを、低温始動制御の継続時間に基づいて行うようにしてもよい。この場合、所定時間は、燃料電池スタックの全ての単セル１２の温度が、生成水が凍結しない程度に十分に昇温する時間を設定すればよい。
【００８４】
Ｄ６．変形例６：
上記第１ないし第３実施例を適宜組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図４】第２実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図６】端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の膜構成を示す説明図である。
【図７】第３実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１０...燃料電池スタック
１０Ｂ...燃料電池スタック
１２ｅｄｇ...端セル
１２，１２ａ〜１２ｆ...単セル
２０，２０Ｂ，２２，２２Ｂ...切換スイッチ
２４ａ〜２４ｆ...可変抵抗
３０...電圧センサ
４０...温度センサ
５０...負荷
６０，６０Ａ，６０Ｂ...制御ユニット
１００，１００Ａ，１００Ｂ...燃料電池システム
１２０...電解質膜
１２２ａ...触媒層
１２２ｃ...触媒層
１２４ａ...撥水層
１２４ｃ...撥水層
１２６ａ...拡散層
１２６ｃ...拡散層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にそれぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを備えた単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。そして、単セルのカソードでは、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。
【０００３】
このような燃料電池スタックを備える燃料電池システムを、氷点下の低温時に始動すると、燃料電池スタック内の一部の単セルにおいて、生成水が凍結して、酸素の拡散が妨げられるか、凍結部が反応しなくなるため、発電性能が低下する場合がある。そして、発電性能が低下した単セルと、発電性能が低下していない単セルとが混在した状態で、要求電力を出力するように発電を継続すると、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかり、その単セルの電解質膜の劣化を招く場合がある。
【０００４】
そこで、従来、燃料電池システムの低温始動時の上記不具合を解決するために、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池システムの氷点下からの低温始動時に、単セルの電圧が所定電圧を下回らない範囲で、取り出し電流を最大に設定する技術が記載されている。これによって、要求電力に関わらず、発電反応が促進され、燃料電池の自己発熱を促進させることができ、暖気時間を短縮できるので、起動時の生成水が凍結するのを抑制することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−７１６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、複数の単セルのうちの最も発電性能が低い単セルに合わせて燃料電池スタック全体から取り出す電流を下げるので、発電性能が低下していない単セルにおける発熱量をも低下させてしまい、燃料電池スタック全体が昇温するまでの時間を十分に短縮することができない場合があった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの低温始動性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックが前記単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた該各部分の電圧を検出する電圧検出部と、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時に、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、該検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分に流れる電流が、他の前記部分に流れる電流よりも低い値になるように、前記電流制御部を制御する低温始動制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明では、燃料電池システムの低温始動時に、燃料電池スタックが単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた各部分の電圧をモニタすることによって、その部分に含まれる単セルの生成水の凍結による発電性能の低下を検出する。そして、発電性能が低下していない部分の単セルからは、ほぼ要求された電流を取り出すとともに、発電性能が低下した部分の単セルには、発電性能が低下していない他の部分の単セルよりも低い値の電流を流す。なお、低い値の電流を流すとは、電流値を０にすること、つまり、電流を流さないことも含んでいる。
【００１０】
こうすることによって、低温始動時に、発電性能が低下していない単セルでは、ほぼ要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セルに流す電流を制限するので、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを抑制し、単セルに備えられた電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分に流れる電流を０にするようにしてもよい。
【００１２】
本発明では、発電性能が低下していない部分の単セルからのみ電流を取り出し、発電性能が低下した部分の単セルには電流は流さない。こうすることによって、発電性能が低下していない単セル発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを回避し、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分について、前記検出された電圧値に基づいて、前記単セルに負電圧がかからないように、該部分に流れる電流の値を変更するようにしてもよい。
【００１４】
こうすることによって、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを回避しつつ、発電性能が低下した単セルにおいても発電によって自己発熱するので、電解質膜の劣化を抑制しつつ、燃料電池スタックの昇温時間を短縮することができる。
【００１５】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記電流制御部は、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置されている前記部分のみを、前記流れる電流値を小さくする制御の制御対象とするようにしてもよい。
【００１６】
一般に、燃料電池スタックの積層方向の端部には、エンドプレート等が配設されているため、端部に配置された単セルは、外部への放熱により、中央部に配置された単セルよりも昇温しにくく、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい。一方、中央部に配置された単セルは、発電により発熱する単セル同士が接しているため昇温しやすく、生成水の凍結は生じにくい。
【００１７】
本発明では、燃料電池スタックの端部に配置され、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい単セルのみを、流れる電流を制限する制御の対象とするので、燃料電池システムの構成や、低温始動時の制御を簡略化することができる。
【００１８】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、
前記各部分の温度を検出する温度検出部を備え、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御を行っているときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分について、前記温度検出部によって検出された温度が所定温度以上になったときに、該低温始動時の前記電流制御部の制御を停止するようにしてもよい。
【００１９】
所定温度は、生成水が凍結しない範囲内の温度を任意に設定可能である。本発明によって、上記各部分の温度に基づいて、先に説明した低温始動時の制御から通常温度での制御に切り換えるようにすることができる。
【００２０】
なお、温度検出部の代わりに、上記低温始動時の制御の継続時間を計測するタイマを備えるようにし、上記切り換えを、低温始動時の制御の継続時間が所定時間以上になったか否かに基づいて、行うようにしてもよい。この場合、所定時間は、燃料電池スタックの全ての単セルの温度が、生成水が凍結しない程度に十分に昇温する時間を設定すればよい。
【００２１】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記各部分のうちの一部の部分は、前記単セルとして前記低温始動時にのみ使用するための低温始動用セルによって構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００２２】
ここで、低温始動用セルは、生成水が凍結しにくく低温始動時の発電には適しているが、通常温度での発電には不適な単セルである。このような低温始動用セルとしては、例えば、以下に示すものが挙げられる。
【００２３】
上記燃料電池システムにおいて、
前記単セルは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノードとカソードとを備えており、
前記低温始動用セルは、前記アノード、および、前記カソードのうちの少なくとも前記カソードに、前記発電によって生成された生成水の透過性が、該低温始動用セル以外の前記単セルよりも高い高透過層を備えるようにしてもよい。
【００２４】
発電による生成水は、カソード反応によって生成されるので、生成水の凍結は、アノードよりもカソードで生じやすい。本発明では、低温始動用セルの少なくともカソードに、生成水の透過性が比較的高い高透過層を備えているので、生成水を比較的速やかに排出することができる。したがって、低温始動用セルにおいて、生成水が凍結するまでの時間を延長し、生成水が凍結する前に燃料電池スタック全体の昇温を完了するようにすることができる。
【００２５】
上記燃料電池システムにおいて、
前記単セルは、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記電気化学反応を起こすための触媒層と、前記生成水を撥水するための撥水層と、前記触媒層に反応ガスを拡散させて供給するための拡散層とを、この順序で備えており、
前記低温始動用セルは、前記高透過層として、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記撥水層よりも厚さが薄い前記撥水層、および、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記拡散層よりも厚さが薄い前記拡散層のうちの少なくとも一方を備えるようにしてもよい。
【００２６】
低温始動時に触媒層で生成された生成水は、触媒層の外へ排出される時には過冷却水になっている。この過冷却水は、撥水層を薄くすることによって、透過しやすくすることができる。また、拡散層を薄くすることによっても、過冷却水を透過しやすくすることができる。したがって、本発明によって、生成水を速やかに排出することができる。
【００２７】
なお、過冷却水の透過性の観点から、高透過層において、撥水層は、省略することが好ましい。こうすることによって、過冷却水の透過性をより高くすることができる。
【００２８】
上記低温始動用セルを備えるいずれかの燃料電池システムにおいて、
前記低温始動用セルは、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置された前記部分にのみ備えられているようにしてもよい。
【００２９】
先に説明したように、燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された単セルは、中央部に配置された単セルよりも昇温しにくく、生成水の凍結によって発電性能が低下しやすい。一方、中央部に配置された単セルは、昇温しやすく、生成水の凍結は生じにくい。
【００３０】
本発明では、燃料電池スタックの端部にのみ低温始動用セルを配置するので、燃料電池システムの構成や、低温始動時の制御を簡略化することができる。
【００３１】
なお、本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルと、前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時にのみ使用するための前記単セルである低温始動用セルとを複数積層した燃料電池スタックと、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備えるようにしてもよい。
【００３２】
こうすることによっても、上述した燃料電池システムと同様に、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。
【００３３】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００３４】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
Ａ２．低温始動制御：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
Ｂ２．低温始動制御：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．システム構成：
Ｃ２．低温始動制御：
Ｄ．変形例：
【００３６】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、切換スイッチ２０，２２と、電圧センサ３０と、温度センサ４０と、負荷５０と、制御ユニット６０とを備えている。
【００３７】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セル１２を所定数積層した積層体である。単セル１２は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを形成したものである。単セル１２の積層数は、要求される出力に応じて任意に設定可能である。なお、本実施例では、燃料電池スタック１０は、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であるものとした。他の燃料電池を用いるものとしてもよい。
【００３８】
燃料電池スタック１０の単セル１２の積層方向の一方の端部には、単セル１２ａ，１２ｂ，１２ｃが、外側からこの順に配置されている。また、燃料電池スタック１０の単セル１２の積層方向の他方の端部には、単セル１２ｄ，１２ｅ，１２ｆが、外側からこの順に配置されている。そして、これらの各単セル１２ａ〜１２ｆには、それぞれ発電時に電流を取り出すための端子が設けられている。
【００３９】
燃料電池スタック１０は、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を介して、負荷５０と接続されている。切換スイッチ２０には、３つの端子ａ，ｂ，ｃが設けられている。また、切換スイッチ２２には、３つの端子ｄ，ｅ，ｆが設けられている。そして、切換スイッチ２０の端子ａ，ｂ，ｃは、それぞれ単セル１２ａ，１２ｂ，１２ｃに接続されている。また、切換スイッチ２２の端子ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ単セル１２ｄ，１２ｅ，１２ｆに接続されている。切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続状態を切り換えることによって、発電時に電流を取り出す部分を切り換えることができる。なお、本実施例では、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２には、それぞれ３つの端子が設けられており、３つの単セル１２と接続されているものとしたが、これに限られず、より多くの端子を設けるようにしてもよい。
【００４０】
電圧センサ３０は、単セル１２ごとに設けられており、各単セル１２の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）Ｖｃを検出する。また、温度センサ４０も、単セル１２ごとに設けられており、各単セル１２の温度Ｔｃを検出する。各単セル１２のセル電圧Ｖｃや、温度Ｔｃをモニタすることによって、各単セル１２の異常を検出することができる。
【００４１】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット６０によって制御される。制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。
【００４２】
本実施例では、制御ユニット６０は、燃料電池システム１００の氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。低温始動時には、カソード反応によって生成された生成水が単セル１２内で凍結して反応ガスの供給を妨げ、単セル１２の発電性能が低下する場合がある。本実施例では、低温始動制御によって、低温始動時に、生成水の凍結によって単セル１２の発電性能が低下しても、燃料電池スタック１０を速やかに昇温して発電性能を回復する。この低温始動制御では、以下に説明するように、電圧センサ３０や、温度センサ４０の出力に基づいて、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を制御する。制御ユニット６０は、本発明における低温始動制御部に相当する。また、切換スイッチ２０，２２は、本発明における電流制御部に相当する。
【００４３】
Ａ２．低温始動制御：
図２は、第１実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の氷点下での低温始動時に、制御ユニット６０のＣＰＵが実行する処理である。本実施例では、燃料電池システム１００の始動時に、いずれかの温度センサ４０の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
【００４４】
低温始動制御開始時の初期状態では、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２は、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに接続されており、単セル１２ａと単セル１２ｄ、すなわち燃料電池スタック１０全体から要求された電流を取り出す（図１参照）。
【００４５】
その後、ＣＰＵは、電圧センサ３０によって、燃料電池スタック１０の端部に配置された最も発電性能が低下しやすい単セル１２のセル電圧Ｖｃを測定する（ステップＳ１００）。低温始動制御直後は、燃料電池スタック１０の両端部に配置されている単セル１２ａ，１２ｄのセル電圧Ｖｃを測定する。また、後述するように、単セル１２ａ，１２ｄによって発電を行っていないときには、発電を行っている単セル１２のうちの最も外側に配置されている単セル１２ｂ，１２ｅのセル電圧Ｖｃを測定する。
【００４６】
そして、ＣＰＵは、セル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。単セル１２の発電性能が低下し、セル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満になった場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、切換スイッチ２０，２２を切り換え（ステップＳ１００）、ステップＳ１００に戻る。例えば、燃料電池スタック１０において最も発電性能が低下しやすい両端の単セル１２ａ，１２ｄのセル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満になった場合には、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を、それぞれ端子ｂ、および、端子ｅに切り換え、単セル１２ｂと単セル１２ｅから要求された電流を取り出す。このとき、単セル１２ａ，１２ｄでは、発電は行われず、単セル１２ａ，１２ｄには、電流は流れない。この状態で発電を継続し、その後、単セル１２ｂ，１２ｅの発電性能が低下して、そのセル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ未満になった場合には、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続を、それぞれ端子ｃ、および、端子ｆに切り換え、単セル１２ｃと単セル１２ｆから要求された電流を取り出す。このとき、さらに、単セル１２ｂ，１２ｅでは、発電は行われず、単セル１２ａ，１２ｄには、電流は流れない。
【００４７】
ステップＳ１１０において、セル電圧Ｖｃが所定電圧Ｖｔｈ以上である場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続状態によって、発電を行っていない単セル１２があるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに接続されており、発電を行っていない単セル１２がない場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、温度センサ４０によって、発電を行っている単セル１２のうちの最も外側の単セル１２の温度Ｔｃを測定し（ステップＳ１８０）、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１９０）。所定温度Ｔｔｈとしては、生成水が凍結しない温度が設定されている。その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、低温始動制御を終了する。一方、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ未満である場合には（ステップＳ１９０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。
【００４８】
ステップＳ１３０において、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄ以外の端子に接続されており、発電を行っていない単セル１２がある場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、その発電を行っていない単セル１２の温度Ｔｃを測定し（ステップＳ１４０）、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ未満である場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。一方、その単セル１２の温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、切換スイッチ２０，２２を切り換える（ステップＳ１６０）。例えば、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ｃ、および、端子ｆに接続されていて、単セル１２ｂ，（１２ａ，１２ｄ，）１２ｅで発電が行われていない場合に、単セル１２ｂ，１２ｅの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になっていれば、単セル１２ｂ，１２ｅを用いて発電を行っても、生成水は凍結せず、単セル１２ｂ，１２ｅに負電圧はかからないので、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を、それぞれ端子ｂ、および、端子ｅに切り換え、単セル１２ｂ，１２ｅによる発電を再開する。また、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ｂ、および、端子ｅに接続されていて、単セル１２ａ，１２ｄで発電が行われていない場合に、単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になっていれば、単セル１２ａ，１２ｄを用いて発電を行っても、生成水は凍結せず、単セル１２ａ，１２ｄに負電圧はかからないので、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２を、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに切り換え、単セル１２ａ，１２ｄによる発電を再開する。
【００４９】
次に、ＣＰＵは、再度、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２の接続状態によって、発電を行っていない単セル１２があるか否かを判断する（ステップＳ１７０）。切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄ以外の端子に接続されており、発電を行っていない単セル１２がある場合には（ステップＳ１７０ＹＥＳ）、ステップＳ１８０に進む。一方、切換スイッチ２０、および、切換スイッチ２２が、それぞれ端子ａ、および、端子ｄに接続されており、発電を行っていない単セル１２がない場合（ステップＳ１７０：ＮＯ）、すなわち、全ての単セル１２の温度が所定温度Ｔｔｈ以上となり、全ての単セル１２を用いて発電を再開した場合には、低温始動制御を終了する。
【００５０】
低温始動制御の終了後は、通常温度での燃料電池スタック１０全体から電流を取り出す制御を行う。
【００５１】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、低温始動時に、発電性能が低下していない単セル１２では、要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック１０全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セル１２には電流を流さないので、発電性能が低下した単セル１２に負電圧がかかることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システム１００の低温始動性を向上させることができる。
【００５２】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．システム構成：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１０と、可変抵抗２４ａ〜２４ｆと、電圧センサ３０と、温度センサ４０と、負荷５０と、制御ユニット６０Ａとを備えている。第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における切換スイッチ２０，２２の代わりに、可変抵抗２４ａ〜２４ｆを備えること以外は、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【００５３】
燃料電池スタック１０は、可変抵抗２４ａ〜２４ｆを介して、負荷５０と接続されている。図示するように、可変抵抗２４ａ〜２４ｆは、それぞれ単セル１２ａ〜１２ｆに接続されている。可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値を変更することによって、燃料電池スタック１０の各部分に流れる電流、つまり、各部分から取り出す電流値を変更することができる。なお、本実施例では、６つの可変抵抗２４ａ〜２４ｆを用いるものとしたが、これに限られず、より多くの可変抵抗を設けるようにしてもよい。
【００５４】
本実施例では、制御ユニット６０Ａが、燃料電池システム１００Ａの氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。この低温始動制御では、以下に説明するように、電圧センサ３０や、温度センサ４０の出力に基づいて、可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値を制御する。制御ユニット６０Ａは、本発明における低温始動制御部に相当する。また、可変抵抗２４ａ〜２４ｆは、本発明における電流制御部に相当する。
【００５５】
Ｂ２．低温始動制御：
図４は、第２実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ａの氷点下での低温始動時に、制御ユニット６０ＡのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、燃料電池システム１００Ａの始動時に、いずれかの温度センサ４０の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
【００５６】
低温始動制御開始時の初期状態では、可変抵抗２４ａ，２４ｄの各抵抗値は０であり、可変抵抗２４ｂ，２４ｃ，２４ｅ，２４ｆの各抵抗値は無限大である。そして、燃料電池スタック１０全体から要求された電流を取り出す（図３参照）。
【００５７】
その後、ＣＰＵは、電圧センサ３０によって、各単セル１２のセル電圧Ｖｃを測定する（ステップＳ２００）。そして、各セル電圧Ｖｃに基づいて、可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値を設定する（ステップＳ２１０）。このとき、可変抵抗２４ａ〜２４ｆの各抵抗値は、各単セル１２に負電圧がかからないように設定される。例えば、燃料電池スタック１０の両端の単セル１２ａ，１２ｄにおいて、生成水が凍結して発電性能が低下した場合には、可変抵抗２４ａ，２４ｄの抵抗値を上げるとともに、可変抵抗２４ｂ，２４ｃ，２４ｅ，２４ｆの抵抗値を下げて、単セル１２ａ，１２ｄに負電圧がかからないようにしつつ、単セル１２ａ，１２ｄにおける発電を継続する。そして、各単セル１２から、セル電圧Ｖｃ、可変抵抗の抵抗値に応じた値の電流を取り出す。
【００５８】
次に、ＣＰＵは、温度センサ４０によって、燃料電池スタック１０の両端部に配置されている各単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃを測定する（ステップＳ２２０）。そして、ＣＰＵは、両端部に配置された単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ２３０）。単セル１２ａ，１２ｄの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上でない場合には（ステップＳ２３０：ＮＯ）、ステップＳ２００に戻る。一方、単セル１２ａ，１２ｄの温度が所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、低温制御処理を終了する。
【００５９】
低温始動制御の終了後は、通常温度での燃料電池スタック１０全体から電流を取り出す制御を行う。
【００６０】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ａによれば、低温始動時に、発電性能が低下していない単セル１２では、ほぼ要求通りの発電を行うようにし、その発熱、および、熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック１０全体を昇温することができる。また、生成水の凍結によって発電性能が低下した単セル１２からの電流の取り出し、すなわち、発電性能が低下した単セル１２に流れる電流を制限するので、発電性能が低下した単セルに負電圧がかかることを抑制し、電解質膜の劣化を抑制することができる。この結果、燃料電池システムの低温始動性を向上させることができる。さらに、第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、発電性能が低下した単セル１２においても負電圧がかからない状態で発電を継続し、自己発熱するので、燃料電池スタック１０全体の昇温時間を第１実施例の燃料電池システム１００よりも短縮することができる。
【００６１】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．システム構成：
図５は、本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００はＢ、燃料電池スタック１０Ｂと、切換スイッチ２０Ｂ，２２Ｂと、温度センサ４０と、負荷５０と、制御ユニット６０Ｂとを備えている。第３実施例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００における切換スイッチ２０，２２の代わりに、切換スイッチ２０Ｂ，２２Ｂを備えることと、燃料電池スタック１０の代わりに、燃料電池スタック１０Ｂを備えること以外は、第１実施例の燃料電池システム１００とほぼ同じである。
【００６２】
燃料電池スタック１０Ｂの単セル１２の積層方向の両端部には、両端部以外の部分に配置された単セル１２とは内部の膜構成が異なる単セルが配置されている。以下、この燃料電池スタック１０Ｂの両端部に配置された単セルを端セル１２ｅｄｇと呼ぶ。この端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇに隣接する単セル１２には、それぞれ発電時に電流を取り出すための端子が設けられている。単セル１２、および、端セル１２ｅｄｇの膜構成等については、後述する。なお、後述するように、端セル１２ｅｄｇは、低温始動時にのみ用いる単セルであり、本発明における低温始動時用に相当する。
【００６３】
切換スイッチ２０Ｂには、２つの端子ａ，ｂが設けられている。また、切換スイッチ２２Ｂには、２つの端子ｃ，ｄが設けられている。そして、各端セル１２ｅｄｇは、それぞれ切換スイッチ２０Ｂの端子ａ、および、切換スイッチ２２Ｂの端子ｃに接続されている。また、各端セル１２ｅｄｇにそれぞれ隣接する単セル１２は、それぞれ切換スイッチ２０Ｂの端子ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂの端子ｄに接続されている。切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂの接続状態を切り換えることによって、発電時に電流を取り出す部分を切り換えることができる。
【００６４】
本実施例では、制御ユニット６０Ｂが、燃料電池システム１００Ｂの氷点下での低温始動時に、後述する低温始動制御を実行する。この低温始動制御では、以下に説明するように、温度センサ４０の出力に基づいて、切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂを制御する。制御ユニット６０Ｂは、本発明における発電制御部に相当する。また、切換スイッチ２０Ｂ，２２Ｂは、本発明における電流制御部に相当する。
【００６５】
ここで、端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の膜構成について説明する。図６は、端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の膜構成を示す説明図である。図６（ａ）に、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の断面の一部を示し、図６（ｂ）に、端セル１２ｅｄｇの断面の一部を示した。
【００６６】
図６（ａ）に示すように、単セル１２では、電解質膜１２０の一方の面に、触媒層１２２ａと、撥水層１２４ａと、拡散層１２６ａとを、この順に積層することによって、アノードが形成されている。また、電解質膜１２０のもう一方の面に、触媒層１２２ｃと、撥水層１２４ｃと、拡散層１２６ｃとを、この順に積層することによって、カソードが形成されている。
【００６７】
一方、端セル１２ｅｄｇでは、単セル１２と同様に、電解質膜１２０の一方の面に、触媒層１２２ａと、撥水層１２４ａと、拡散層１２６ａとを、この順に積層することによって、アノードが形成されている。また、電解質膜１２０のもう一方の面に、触媒層１２２ｃと、拡散層１２６ｃとを、この順に積層することによって、カソードが形成されている。端セル１２ｅｄｇは、カソードの拡散層１２６ｃの厚さが、単セル１２における拡散層１２６ｃの厚さよりも薄い点、カソードに撥水層を備えていない点で、単セル１２と異なっている。
【００６８】
上述した膜構成の違いから、端セル１２ｅｄｇは、以下に示す特徴を有している。
【００６９】
第１の特徴は、氷点下で発電を開始したときに、発電によって生成された生成水が、単セル１２よりも膜内で凍結しにくいことである。先に説明したように、端セル１２ｅｄｇは、カソードに撥水層を備えておらず、さらに、拡散層１２６ｃの厚さも単セル１２の拡散層１２６ｃよりも薄い。このため、端セル１２ｅｄｇは、発電によって生成された生成水が過冷却状態になった過冷却水の透過性が単セル１２よりも高い。したがって、過冷却水を膜内から速やかに排出することができる。
【００７０】
第２の特徴は、通常温度での性能が単セル１２よりも悪いことである。具体的には、端セル１２ｅｄｇは、カソードに撥水層を備えていないので、フラッディングが発生しやすい。フラッディングは、反応ガスの供給を妨げ、発電性能を低下させる。このため、通常温度での発電には不適である。
【００７１】
上述した端セル１２ｅｄｇの２つの特徴を考慮して、本実施例では、以下に説明する低温始動制御が行われる。
【００７２】
Ｃ２．低温始動制御：
図７は、第３実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ｂの氷点下での低温始動時に、制御ユニット６０ＢのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、燃料電池システム１００Ｂの始動時に、いずれかの温度センサ４０の出力が氷点下である場合に、この制御を実行する。
【００７３】
低温始動制御開始時の初期状態では、切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂは、それぞれ端子ａ、および、端子ｃに接続されており、燃料電池スタック１０Ｂ全体から電流を取り出す（図５参照）。
【００７４】
その後、ＣＰＵは、端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃを測定し（ステップＳ３００）、端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になったか否かを判断する（ステップＳ３１０）。端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上になっていない場合には（ステップＳ３１０：ＮＯ）、ステップ３００に戻る。一方、端セル１２ｅｄｇの温度Ｔｃが所定温度Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、切換スイッチ２０Ｂ、および、切換スイッチ２２Ｂの接続を、それぞれ端子ｂ、および、端子ｄに切り換え（ステップＳ３２０）、端セル１２ｅｄｇを用いた発電を終了し、低温始動制御を終了する。
【００７５】
低温始動制御の終了後は、端セル１２ｅｄｇ以外の燃料電池スタック１０Ｂから電流を取り出す通常温度での制御を行う。
【００７６】
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１００Ｂによれば、低温始動時に、生成水が凍結しにくい端セル１２ｅｄｇを用いて発電を行うので、端セル１２ｅｄｇの発熱、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の発熱、および、それらの熱伝導によって、速やかに燃料電池スタック１０Ｂ全体を昇温することができる。この結果、燃料電池システム１００Ｂの低温始動性を向上させることができる。
【００７７】
Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００７８】
Ｄ１．変形例１：
上記第１、および、第２実施例では、単セル１２ごとにセル電圧Ｖｃを測定し、発電性能の低下を検出するものとしたが、これに限られない。複数の単セル１２によって構成されるブロックごとに電圧を測定し、そのブロックに含まれる単セル１２の発電性能の低下を検出するようにしてもよい。この場合、電流を取り出すための端子は、単セル１２のブロックごとに用意するようにすればよい。
【００７９】
Ｄ２．変形例２：
上記第１、および、第２実施例では、氷点下での低温始動時に、燃料電池スタック１０の端部の単セル１２が、昇温しにくく生成水が凍結しやすいため、両端部の単セル１２、および、両端部に隣接する単セル１２について、取り出す電流を制限する制御を行うものとしたが、これに限られない。他の部分の単セル１２についても、適宜、同様の制御を行うようにしてもよい。
【００８０】
また、上記第３実施例では、燃料電池スタック１０Ｂの両端部に、低温始動用セルを配置するものとしたが、これに限られず、適宜、他の部分にも低温始動用セルを配置するようにしてもよい。
【００８１】
Ｄ３．変形例３：
上記第３実施例では、低温始動用セルである端セル１２ｅｄｇは、カソードに撥水層を備えないものとしたが、単セル１２の撥水層１２４ｃよりも薄い撥水層を備えるようにしてもよい。また、端セル１２ｅｄｇは、カソードの拡散層１２６ｃが単セル１２の拡散層１２６ｃよりも薄いものとしたが、同程度の厚さであってもよい。端セル１２ｅｄｇ、すなわち、低温始動用セルは、過冷却水の透過性が単セル１２よりも高ければよい。
【００８２】
Ｄ４．変形例４：
上記第３実施例では、低温始動用セルである端セル１２ｅｄｇは、カソードに、過冷却水の透過性が単セル１２よりも高い層を備えるものとしたが、さらに、アノードにも過冷却水の透過性が単セル１２よりも高い層を備えるものとしてもよい。
【００８３】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、温度センサ４０によって、端部の単セル１２の温度Ｔｃが所定値Ｔｔｈ以上になったときに、低温始動制御を終了するものとしたが、これに限られない。例えば、低温始動制御の継続時間を計測するタイマを備えるようにし、低温始動制御を終了するか否かを、低温始動制御の継続時間に基づいて行うようにしてもよい。この場合、所定時間は、燃料電池スタックの全ての単セル１２の温度が、生成水が凍結しない程度に十分に昇温する時間を設定すればよい。
【００８４】
Ｄ６．変形例６：
上記第１ないし第３実施例を適宜組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図４】第２実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図６】端セル１２ｅｄｇ、および、端セル１２ｅｄｇ以外の単セル１２の膜構成を示す説明図である。
【図７】第３実施例における低温始動制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１０...燃料電池スタック
１０Ｂ...燃料電池スタック
１２ｅｄｇ...端セル
１２，１２ａ〜１２ｆ...単セル
２０，２０Ｂ，２２，２２Ｂ...切換スイッチ
２４ａ〜２４ｆ...可変抵抗
３０...電圧センサ
４０...温度センサ
５０...負荷
６０，６０Ａ，６０Ｂ...制御ユニット
１００，１００Ａ，１００Ｂ...燃料電池システム
１２０...電解質膜
１２２ａ...触媒層
１２２ｃ...触媒層
１２４ａ...撥水層
１２４ｃ...撥水層
１２６ａ...拡散層
１２６ｃ...拡散層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックが前記単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた該各部分の電圧を検出する電圧検出部と、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時に、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、該検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分に流れる電流が、他の前記部分に流れる電流よりも低い値になるように、前記電流制御部を制御する低温始動制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分に流れる電流を０にする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分について、前記検出された電圧値に基づいて、前記単セルに負電圧がかからないように、該部分に流れる電流の値を変更する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電流制御部は、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置されている前記部分のみを、前記流れる電流値を小さくする制御の制御対象とする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記各部分の温度を検出する温度検出部を備え、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御を行っているときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分について、前記温度検出部によって検出された温度が所定温度以上になったときに、該低温始動時の前記電流制御部の制御を停止する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの前記各部分のうちの一部の部分は、前記単セルとして前記低温始動時にのみ使用するための低温始動用セルによって構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記単セルは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノードとカソードとを備えており、
前記低温始動用セルは、前記アノード、および、前記カソードのうちの少なくとも前記カソードに、前記発電によって生成された生成水の透過性が、該低温始動用セル以外の前記単セルよりも高い高透過層を備える、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記単セルは、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記電気化学反応を起こすための触媒層と、前記生成水を撥水するための撥水層と、前記触媒層に反応ガスを拡散させて供給するための拡散層とを、この順序で備えており、
前記低温始動用セルは、前記高透過層として、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記撥水層よりも厚さが薄い前記撥水層、および、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記拡散層よりも厚さが薄い前記拡散層のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記低温始動用セルは、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置された前記部分にのみ備えられている、
燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックが前記単セルの積層方向に沿って複数の部分に区分けされた該各部分の電圧を検出する電圧検出部と、
前記各部分に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記燃料電池システムの氷点下での低温始動時に、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、該検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分に流れる電流が、他の前記部分に流れる電流よりも低い値になるように、前記電流制御部を制御する低温始動制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分に流れる電流を０にする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御において、前記電圧検出部によって、前記複数の部分のうちのいずれかの電圧が所定値未満となったことが検出されたときに、さらに、該検出された電圧が前記所定値未満になった前記部分について、前記検出された電圧値に基づいて、前記単セルに負電圧がかからないように、該部分に流れる電流の値を変更する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電流制御部は、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置されている前記部分のみを、前記流れる電流値を小さくする制御の制御対象とする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記各部分の温度を検出する温度検出部を備え、
前記低温始動制御部は、前記低温始動時の前記電流制御部の制御を行っているときに、前記電圧検出部によって検出された電圧が前記所定値未満となった前記部分について、前記温度検出部によって検出された温度が所定温度以上になったときに、該低温始動時の前記電流制御部の制御を停止する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの前記各部分のうちの一部の部分は、前記単セルとして前記低温始動時にのみ使用するための低温始動用セルによって構成されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記低温始動用セルの温度を検出する温度検出部と、
前記低温始動時に、前記温度検出部によって、前記低温始動用セルの温度が所定温度以上になったことが検出されたときに、前記低温始動用セルによる発電を停止するように、前記電流制御部を制御する発電制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記単セルは、所定の電解質膜の両面に、それぞれアノードとカソードとを備えており、
前記低温始動用セルは、前記アノード、および、前記カソードのうちの少なくとも前記カソードに、前記発電によって生成された生成水の透過性が、該低温始動用セル以外の前記単セルよりも高い高透過層を備える、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記単セルは、前記電解質膜の両面に、それぞれ前記電気化学反応を起こすための触媒層と、前記生成水を撥水するための撥水層と、前記触媒層に反応ガスを拡散させて供給するための拡散層とを、この順序で備えており、
前記低温始動用セルは、前記高透過層として、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記撥水層よりも厚さが薄い前記撥水層、および、前記低温始動用セル以外の前記単セルの前記拡散層よりも厚さが薄い前記拡散層のうちの少なくとも一方を備える、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記低温始動用セルは、前記燃料電池スタックの前記積層方向の端部に配置された前記部分にのみ備えられている、
燃料電池システム。
【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２００７−２６６７８（Ｐ２００７−２６６７８Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０２４３５（Ｐ２００５−２０２４３５）
【出願日】平成１７年７月１２日（２００５．７．１２）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【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１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１２日（２００５．７．１２）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【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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