JP2003151597A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 冷却水流路と燃料ガス流路及び空気流路とが
多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックにお
いて、低温状態からの起動時に燃料極及び空気極内の水
を冷却水側に効率よく排出されるようにし、水収支を保
ちつつ上記水詰まりの問題を解消する。 【解決手段】 燃料電池内で水分の凝縮が生じる低温起
動時、燃料電池スタック暖機完了前は、前記燃料電池ス
タック入口の冷却水圧力を前記燃料電池システムを定常
状態で運転する際に用いる圧力よりも低く制御し、前記
燃料電池スタック暖機完了後は、前記燃料電池スタック
入口の冷却水圧力を定常状態で運転する際に用いる圧力
に制御する。
多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックにお
いて、低温状態からの起動時に燃料極及び空気極内の水
を冷却水側に効率よく排出されるようにし、水収支を保
ちつつ上記水詰まりの問題を解消する。 【解決手段】 燃料電池内で水分の凝縮が生じる低温起
動時、燃料電池スタック暖機完了前は、前記燃料電池ス
タック入口の冷却水圧力を前記燃料電池システムを定常
状態で運転する際に用いる圧力よりも低く制御し、前記
燃料電池スタック暖機完了後は、前記燃料電池スタック
入口の冷却水圧力を定常状態で運転する際に用いる圧力
に制御する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システムに関
し、特に燃料電池システムを低温状態から起動する際の
起動制御に関する。
し、特に燃料電池システムを低温状態から起動する際の
起動制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池システムは、燃料が有するエネ
ルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電
解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素
を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に
酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極
の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応、 陽極反応：Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ- 陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものであ
る（特開平8-106914号公報等）。
ルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電
解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素
を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に
酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極
の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応、 陽極反応：Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ- 陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものであ
る（特開平8-106914号公報等）。
【０００３】陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置
から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して
改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。
水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、
ガソリン等が考えられ、陰極に供給する酸化剤ガスとし
ては、一般的に空気が利用されている。
から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して
改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。
水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、
ガソリン等が考えられ、陰極に供給する酸化剤ガスとし
ては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】こうした燃料電池においては電解質膜の性
能を引き出し、発電効率を向上させるためには、電解質
膜の水分状態を最適に保つ必要があり、このため、燃料
電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われ
る。また前述したように燃料ガスを改質して水素を取り
出す場合においては、改質用に水を利用することが行な
われる。従って、燃料電池を自動車用に利用するために
は、燃料電池あるいは改質器を含めた燃料電池システム
内で水収支が保たれなければならない。これは、水が不
足し定期的な純水の補給が必要となると燃料電池自動車
の実用性が著しく低下するためである。
能を引き出し、発電効率を向上させるためには、電解質
膜の水分状態を最適に保つ必要があり、このため、燃料
電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われ
る。また前述したように燃料ガスを改質して水素を取り
出す場合においては、改質用に水を利用することが行な
われる。従って、燃料電池を自動車用に利用するために
は、燃料電池あるいは改質器を含めた燃料電池システム
内で水収支が保たれなければならない。これは、水が不
足し定期的な純水の補給が必要となると燃料電池自動車
の実用性が著しく低下するためである。
【０００５】電解質膜に水を供給する手段は大きく２つ
存在し、１つは燃料ガスや空気を加湿器によって加湿
し、その水分を利用して電解質膜を加湿する方法であ
る。もう一つは燃料電池セルにおいて燃料極及び空気極
と冷却水流路を多孔質材料で構成されたバイポーラプレ
ートで接続し、冷却水から電解質膜に水を供給して電解
質膜を加湿する方法である。この方法は燃料ガス及び空
気の加湿器を必要としないため、システム構成が簡単に
なる利点がある。
存在し、１つは燃料ガスや空気を加湿器によって加湿
し、その水分を利用して電解質膜を加湿する方法であ
る。もう一つは燃料電池セルにおいて燃料極及び空気極
と冷却水流路を多孔質材料で構成されたバイポーラプレ
ートで接続し、冷却水から電解質膜に水を供給して電解
質膜を加湿する方法である。この方法は燃料ガス及び空
気の加湿器を必要としないため、システム構成が簡単に
なる利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】ところで、燃料
電池システムを低温で起動する場合、燃料電池内部で生
成された水や、燃料及び空気中の水蒸気が燃料電池内部
で凝縮され、燃料及び空気流路を塞ぐことがある（水詰
まり）。水詰まりは燃料電池の効率を低下させるととも
に、特に起動時に発生する水詰まりは燃料電池の起動時
間を長くするという問題がある。自動車などの移動体用
途においては起動操作の頻度が高く、燃料電池システム
の起動時間が長くなることは、燃料電池システムの操作
性を低下させる。
電池システムを低温で起動する場合、燃料電池内部で生
成された水や、燃料及び空気中の水蒸気が燃料電池内部
で凝縮され、燃料及び空気流路を塞ぐことがある（水詰
まり）。水詰まりは燃料電池の効率を低下させるととも
に、特に起動時に発生する水詰まりは燃料電池の起動時
間を長くするという問題がある。自動車などの移動体用
途においては起動操作の頻度が高く、燃料電池システム
の起動時間が長くなることは、燃料電池システムの操作
性を低下させる。
【０００７】この水詰まりを解決する方法の一つとし
て、燃料ガスあるいは空気の圧力を高くすることによっ
て、凝縮した水を吹き飛ばす方法がある。しかし、通常
の運転圧力よりも高い燃料ガスあるいは空気を燃料電池
内に送り込むことは、燃料電池内部の電解質材料やシー
リング材料などの耐久性を劣化させ、燃料電池の性能を
低下させたり、あるいは寿命を短くしたりする。特に自
動車などの移動体用燃料電池では、使用頻度による違い
はあるものの数百回から数千回の起動操作を行うことに
なり、上記のような性能低下は著しくなる。また燃料ガ
スおよび空気の圧力を可変にするためには、システム構
成が複雑になる難点がある。
て、燃料ガスあるいは空気の圧力を高くすることによっ
て、凝縮した水を吹き飛ばす方法がある。しかし、通常
の運転圧力よりも高い燃料ガスあるいは空気を燃料電池
内に送り込むことは、燃料電池内部の電解質材料やシー
リング材料などの耐久性を劣化させ、燃料電池の性能を
低下させたり、あるいは寿命を短くしたりする。特に自
動車などの移動体用燃料電池では、使用頻度による違い
はあるものの数百回から数千回の起動操作を行うことに
なり、上記のような性能低下は著しくなる。また燃料ガ
スおよび空気の圧力を可変にするためには、システム構
成が複雑になる難点がある。
【０００８】また別の方法として、燃料電池自体を加熱
することによって水の凝縮量を少なくし水詰まりを起こ
さない、あるいは水詰まりを解消する方法もある。しか
しながら、燃料電池スタックを加熱するためにはシステ
ムが複雑になる難点がある。また加熱に必要なエネルギ
ーが大きくなるため、燃料電池のもつ低環境負荷という
大きな特長が生かされないこと、移動体用としては加熱
に必要な時間が長すぎるといった問題があり好ましくな
い。
することによって水の凝縮量を少なくし水詰まりを起こ
さない、あるいは水詰まりを解消する方法もある。しか
しながら、燃料電池スタックを加熱するためにはシステ
ムが複雑になる難点がある。また加熱に必要なエネルギ
ーが大きくなるため、燃料電池のもつ低環境負荷という
大きな特長が生かされないこと、移動体用としては加熱
に必要な時間が長すぎるといった問題があり好ましくな
い。
【０００９】本発明は、上記技術的課題を鑑みてなされ
たものであり、冷却水流路と燃料ガス流路及び空気流路
とが多孔質板を介して接続されている燃料電池スタック
において、低温状態からの起動時に燃料極及び空気極内
の水を冷却水側に効率よく排出されるようにし、燃料電
池スタックにおける水収支を保ちつつ上記水詰まりの問
題を解消することを目的とする。
たものであり、冷却水流路と燃料ガス流路及び空気流路
とが多孔質板を介して接続されている燃料電池スタック
において、低温状態からの起動時に燃料極及び空気極内
の水を冷却水側に効率よく排出されるようにし、燃料電
池スタックにおける水収支を保ちつつ上記水詰まりの問
題を解消することを目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】第１の発明は、冷却水
流路と燃料極及び空気極とが水が透過することができる
多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに圧力制御した冷却水を供給する
手段と、前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料
電池スタックの暖機が完了したか否かを判断する手段
と、前記燃料電池スタック内で水分の凝縮が生じる燃料
電池スタック暖機完了前は、前記燃料電池スタックの冷
却水圧力を前記燃料電池システムを定常状態で運転する
際に用いる圧力よりも低く制御し、前記燃料電池スタッ
ク暖機完了後は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を
定常状態で運転する際に用いる圧力に制御する制御手段
とを備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
流路と燃料極及び空気極とが水が透過することができる
多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに圧力制御した冷却水を供給する
手段と、前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料
電池スタックの暖機が完了したか否かを判断する手段
と、前記燃料電池スタック内で水分の凝縮が生じる燃料
電池スタック暖機完了前は、前記燃料電池スタックの冷
却水圧力を前記燃料電池システムを定常状態で運転する
際に用いる圧力よりも低く制御し、前記燃料電池スタッ
ク暖機完了後は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を
定常状態で運転する際に用いる圧力に制御する制御手段
とを備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】第２の発明は、第１の発明における制御手
段がさらに前記燃料極及び空気極における燃料ガス及び
酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力より
も高い圧力に制御することを特徴とするものである。
段がさらに前記燃料極及び空気極における燃料ガス及び
酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力より
も高い圧力に制御することを特徴とするものである。
【００１２】第３の発明は、第２の発明において、前記
燃料電池スタック入口における前記冷却水流路と前記燃
料極及び前記空気極との差圧を測定する手段をさらに備
え、前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸
入しない最低圧力が前記測定された差圧に応じて決定さ
れることを特徴とするものである。
燃料電池スタック入口における前記冷却水流路と前記燃
料極及び前記空気極との差圧を測定する手段をさらに備
え、前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸
入しない最低圧力が前記測定された差圧に応じて決定さ
れることを特徴とするものである。
【００１３】第４の発明は、第１の発明において、前記
燃料電池スタックの温度を検出する手段を備え、前記燃
料電池スタックの暖機状態を判断する手段が前記燃料電
池スタックの温度が所定温度まで上昇したときに前記燃
料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴
とするものである。
燃料電池スタックの温度を検出する手段を備え、前記燃
料電池スタックの暖機状態を判断する手段が前記燃料電
池スタックの温度が所定温度まで上昇したときに前記燃
料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴
とするものである。
【００１４】第５の発明は、第４の発明における前記燃
料電池スタックの温度を検出する手段が前記燃料電池ス
タックの内部温度を検出する手段であり、前記燃料電池
スタックの暖機状態を判断する手段が前記燃料電池スタ
ックの内部温度が燃料電池スタック内で水詰まりを起こ
さない所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタッ
クの暖機が完了したと判断することを特徴とするもので
ある。
料電池スタックの温度を検出する手段が前記燃料電池ス
タックの内部温度を検出する手段であり、前記燃料電池
スタックの暖機状態を判断する手段が前記燃料電池スタ
ックの内部温度が燃料電池スタック内で水詰まりを起こ
さない所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタッ
クの暖機が完了したと判断することを特徴とするもので
ある。
【００１５】第６の発明は、第４の発明における燃料電
池スタックの温度を検出する手段が前記燃料電池スタッ
クを構成するセル個々の温度を測定する手段であり、前
記燃料電池スタックの暖気状態を判断する手段が前記セ
ル個々の温度の平均温度が燃料電池スタック内で水詰ま
りを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃料電
池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とす
るものである。
池スタックの温度を検出する手段が前記燃料電池スタッ
クを構成するセル個々の温度を測定する手段であり、前
記燃料電池スタックの暖気状態を判断する手段が前記セ
ル個々の温度の平均温度が燃料電池スタック内で水詰ま
りを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃料電
池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とす
るものである。
【００１６】第７の発明は、第６の発明において、セル
個々の温度分布のばらつきから前記燃料電池スタック内
の水詰まりの有無を予測し、前記燃料電池スタック内に
水詰まりがあると予測されるときは前記冷却水の圧力を
前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入し
ない最低圧力に制御する手段をさらに備えたことを特徴
とするものである。
個々の温度分布のばらつきから前記燃料電池スタック内
の水詰まりの有無を予測し、前記燃料電池スタック内に
水詰まりがあると予測されるときは前記冷却水の圧力を
前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入し
ない最低圧力に制御する手段をさらに備えたことを特徴
とするものである。
【００１７】第８の発明は、第１の発明において、前記
燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタ
ック出口における温度を検出する手段を備え、前記燃料
電池の暖機状態を判断する手段が、前記流体の前記燃料
電池スタック出口における温度が所定温度まで上昇した
ときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断す
ることを特徴とするものである。
燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタ
ック出口における温度を検出する手段を備え、前記燃料
電池の暖機状態を判断する手段が、前記流体の前記燃料
電池スタック出口における温度が所定温度まで上昇した
ときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断す
ることを特徴とするものである。
【００１８】第９の発明は、第１の発明において、前記
燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタ
ック入口及び出口における温度差を検出する手段を備
え、前記燃料電池の暖機状態を判断する手段が前記流体
の前記燃料電池スタック入口と出口における温度差が所
定温度差まで拡大したときに前記燃料電池スタックの暖
機が完了したと判断することを特徴とするものである。
燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタ
ック入口及び出口における温度差を検出する手段を備
え、前記燃料電池の暖機状態を判断する手段が前記流体
の前記燃料電池スタック入口と出口における温度差が所
定温度差まで拡大したときに前記燃料電池スタックの暖
機が完了したと判断することを特徴とするものである。
【００１９】第１０の発明は、第８、第９の発明におい
て、前記流体が、前記燃料電池スタックに供給される冷
却水、燃料ガス、空気のいずれかであることを特徴とす
るものである。
て、前記流体が、前記燃料電池スタックに供給される冷
却水、燃料ガス、空気のいずれかであることを特徴とす
るものである。
【００２０】第１１の発明は、第１から第１０の発明に
おいて、前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料
電池スタックの電解質膜の加湿状態を判断する手段と、
前記電解質膜が十分に加湿されていない場合は、前記冷
却水の圧力を、前記冷却水圧力を低下させた状態から上
昇させて燃料極及び空気極から冷却水側への水の排出を
抑える手段とをさらに備えたことを特徴とするものであ
る。
おいて、前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料
電池スタックの電解質膜の加湿状態を判断する手段と、
前記電解質膜が十分に加湿されていない場合は、前記冷
却水の圧力を、前記冷却水圧力を低下させた状態から上
昇させて燃料極及び空気極から冷却水側への水の排出を
抑える手段とをさらに備えたことを特徴とするものであ
る。
【００２１】
【作用及び効果】したがって、本発明に係る燃料電池シ
ステムでは、低温状態からシステムを起動させる際、燃
料電池スタックの暖機が完了するまでは燃料電池スタッ
クに供給される冷却水の圧力が通常運転時の圧力よりも
低く設定されるので、燃料極及び空気極で凝縮した水が
冷却水側へと排出されるようになり、燃料極及び空気極
において水詰まりが生じるのを防止することができる。
冷却水圧力を低下させることによって燃料電池スタック
の冷却性能は低下するが、暖機完了前はそれ程高い冷却
性能も要求されないので特にこれが問題となることはな
い。また、排出される水は冷却水流路に戻されるので燃
料電池スタックにおける水収支を保つことができる。
ステムでは、低温状態からシステムを起動させる際、燃
料電池スタックの暖機が完了するまでは燃料電池スタッ
クに供給される冷却水の圧力が通常運転時の圧力よりも
低く設定されるので、燃料極及び空気極で凝縮した水が
冷却水側へと排出されるようになり、燃料極及び空気極
において水詰まりが生じるのを防止することができる。
冷却水圧力を低下させることによって燃料電池スタック
の冷却性能は低下するが、暖機完了前はそれ程高い冷却
性能も要求されないので特にこれが問題となることはな
い。また、排出される水は冷却水流路に戻されるので燃
料電池スタックにおける水収支を保つことができる。
【００２２】また、冷却水圧力を下げると冷却水流路と
燃料極、空気極との差圧が大きくなり、この差圧が過大
となると燃料ガスあるいは酸化剤ガスが多孔質板を通過
して冷却水に入り込み、発電性能に悪影響を与えるが、
冷却水圧力をこれらのガスが冷却水流路に浸入しない最
低圧力よりも高い圧力に制御することで燃料電池スタッ
クの破壊を防止できる（第２、第３の発明）。
燃料極、空気極との差圧が大きくなり、この差圧が過大
となると燃料ガスあるいは酸化剤ガスが多孔質板を通過
して冷却水に入り込み、発電性能に悪影響を与えるが、
冷却水圧力をこれらのガスが冷却水流路に浸入しない最
低圧力よりも高い圧力に制御することで燃料電池スタッ
クの破壊を防止できる（第２、第３の発明）。
【００２３】燃料電池スタックの暖機完了を判断する方
法としては、燃料電池スタックの内部温度を検出して内
部温度の上昇から判断する方法、燃料電池スタックを構
成する各単セルの温度を検出して単セルの平均温度の上
昇から判断する方法、燃料電池スタックに供給される流
体（冷却水、燃料ガス、空気）の燃料電池スタック入口
及び出口の温度差の拡大や燃料電池スタック出口におけ
る温度上昇から判断する方法がある（第４から第６の発
明、第８から第１０の発明）また、燃料電池スタックの
各単セルの温度分布にばらつきがあり燃料電池スタック
内に水詰まりが発生していることが予測される場合に
は、冷却水の圧力を最低圧力まで下げるようにすれば燃
料極、空気極から冷却水側への水の排出効率を最大限に
高めることができ、水詰まりを早期に解消することがで
きる（第７の発明）。
法としては、燃料電池スタックの内部温度を検出して内
部温度の上昇から判断する方法、燃料電池スタックを構
成する各単セルの温度を検出して単セルの平均温度の上
昇から判断する方法、燃料電池スタックに供給される流
体（冷却水、燃料ガス、空気）の燃料電池スタック入口
及び出口の温度差の拡大や燃料電池スタック出口におけ
る温度上昇から判断する方法がある（第４から第６の発
明、第８から第１０の発明）また、燃料電池スタックの
各単セルの温度分布にばらつきがあり燃料電池スタック
内に水詰まりが発生していることが予測される場合に
は、冷却水の圧力を最低圧力まで下げるようにすれば燃
料極、空気極から冷却水側への水の排出効率を最大限に
高めることができ、水詰まりを早期に解消することがで
きる（第７の発明）。
【００２４】また、燃料電池スタックの電解質膜が十分
に加湿されていないときに上記圧力を下げた状態から冷
却水の圧力を上昇させるようにすれば、燃料極及び空気
極から冷却水側への水の排出を抑え、電解質膜の加湿を
優先させることができる（第１１の発明）。
に加湿されていないときに上記圧力を下げた状態から冷
却水の圧力を上昇させるようにすれば、燃料極及び空気
極から冷却水側への水の排出を抑え、電解質膜の加湿を
優先させることができる（第１１の発明）。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施の形態について説明する。
発明の実施の形態について説明する。
【００２６】図１は本発明に係る燃料電池システムの概
略構成図であり、燃料電池システムは、多数の単セルか
ら構成される燃料電池スタック１、圧力センサ５、６、
７、冷却水ポンプ１２、冷却水タンク１３、熱交換器１
４、コントローラ１６を備えている。また、燃料電池ス
タック１の内部には燃料電池スタック１の内部温度を測
定するための温度センサ１５が設けられており、その計
測信号はコントローラ１６に入力される。
略構成図であり、燃料電池システムは、多数の単セルか
ら構成される燃料電池スタック１、圧力センサ５、６、
７、冷却水ポンプ１２、冷却水タンク１３、熱交換器１
４、コントローラ１６を備えている。また、燃料電池ス
タック１の内部には燃料電池スタック１の内部温度を測
定するための温度センサ１５が設けられており、その計
測信号はコントローラ１６に入力される。
【００２７】圧力センサ５，６、７はそれぞれ燃料電池
スタック１に空気を供給する空気流路８、冷却水を供給
する冷却水流路９、燃料ガスを供給する燃料ガス流路１
０の燃料電池スタック１入口付近の圧力を測定するセン
サである。
スタック１に空気を供給する空気流路８、冷却水を供給
する冷却水流路９、燃料ガスを供給する燃料ガス流路１
０の燃料電池スタック１入口付近の圧力を測定するセン
サである。
【００２８】コントローラ１６は、圧力センサ５、６、
７からの信号により、燃料電池スタック１入口における
冷却水と空気極２、燃料極３との圧力差を計算する。ま
た、システムを起動させる際、コントローラ１６は温度
センサ１５によって検出される燃料電池スタック１の内
部温度に応じて冷却水の圧力を決定し、減圧弁１１の開
度、及び冷却水ポンプ１２の回転速度を決定する。
７からの信号により、燃料電池スタック１入口における
冷却水と空気極２、燃料極３との圧力差を計算する。ま
た、システムを起動させる際、コントローラ１６は温度
センサ１５によって検出される燃料電池スタック１の内
部温度に応じて冷却水の圧力を決定し、減圧弁１１の開
度、及び冷却水ポンプ１２の回転速度を決定する。
【００２９】具体的には、燃料電池スタック１の内部温
度が低く、空気極２、燃料極３で凝縮した水による水詰
まりが起こる可能性がある場合（燃料電池スタック１の
暖機完了前）は、冷却水の圧力が定常状態で用いられる
圧力よりも低く制御される。これにより、空気極２及び
燃料極３に凝縮する水を多孔質板４の孔を通して効率的
に冷却水流路９に圧力差を利用して排出させることがで
き、水詰まりが起こるのを防止できる。冷却水圧力を下
げることによって燃料電池スタック１の冷却性能は低下
するが、燃料スタック１の暖機が完了する前であるので
これが問題となることはなく、逆に、燃料電池スタック
１の冷却を抑え、その暖機を促進させることができる。
また、水は空気流路８及び燃料ガス流路１０から外部に
排出されないため、燃料電池スタック１の水収支は保た
れる。
度が低く、空気極２、燃料極３で凝縮した水による水詰
まりが起こる可能性がある場合（燃料電池スタック１の
暖機完了前）は、冷却水の圧力が定常状態で用いられる
圧力よりも低く制御される。これにより、空気極２及び
燃料極３に凝縮する水を多孔質板４の孔を通して効率的
に冷却水流路９に圧力差を利用して排出させることがで
き、水詰まりが起こるのを防止できる。冷却水圧力を下
げることによって燃料電池スタック１の冷却性能は低下
するが、燃料スタック１の暖機が完了する前であるので
これが問題となることはなく、逆に、燃料電池スタック
１の冷却を抑え、その暖機を促進させることができる。
また、水は空気流路８及び燃料ガス流路１０から外部に
排出されないため、燃料電池スタック１の水収支は保た
れる。
【００３０】その後、燃料電池スタック１の内部温度が
上昇して水詰まりが起こる可能性がなくなると（燃料電
池スタック１の暖機完了後）、冷却水の圧力が定常状態
での圧力に制御され、燃料電池スタック１の冷却性能が
確保される。
上昇して水詰まりが起こる可能性がなくなると（燃料電
池スタック１の暖機完了後）、冷却水の圧力が定常状態
での圧力に制御され、燃料電池スタック１の冷却性能が
確保される。
【００３１】図２は起動処理の内容を示したフローチャ
ートであり、燃料電池システムを起動する際にコントロ
ーラ１６において実行される。
ートであり、燃料電池システムを起動する際にコントロ
ーラ１６において実行される。
【００３２】これによると、まず、ステップＳ１１では
燃料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入
が開始される。
燃料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入
が開始される。
【００３３】ステップＳ１２では燃料電池スタック１の
内部温度が測定され、ステップＳ１３では測定された内
部温度と所定温度とが比較される。所定温度は燃料電池
スタック内部のガスや空気、冷却水の流路形状や、シス
テムの構成に応じて設定され、例えば、燃料電池スタッ
ク１の燃料極及び空気極内で凝縮される水による水詰ま
りが発生しない温度のうち最も低い温度に設定される。
本出願人による実験では４０℃以上で水詰まりが発生し
なくなり、冷却水圧力を通常圧力とした運転が可能であ
った。
内部温度が測定され、ステップＳ１３では測定された内
部温度と所定温度とが比較される。所定温度は燃料電池
スタック内部のガスや空気、冷却水の流路形状や、シス
テムの構成に応じて設定され、例えば、燃料電池スタッ
ク１の燃料極及び空気極内で凝縮される水による水詰ま
りが発生しない温度のうち最も低い温度に設定される。
本出願人による実験では４０℃以上で水詰まりが発生し
なくなり、冷却水圧力を通常圧力とした運転が可能であ
った。
【００３４】そして、内部温度が所定温度よりも低い場
合は燃料極及び空気極に凝縮した水による水詰まりが起
こると判断し、ステップＳ１４に進んで冷却水圧力を所
定の低圧力に制御し、空気極２、燃料極３から冷却水流
路９に凝縮した水を排出させる。
合は燃料極及び空気極に凝縮した水による水詰まりが起
こると判断し、ステップＳ１４に進んで冷却水圧力を所
定の低圧力に制御し、空気極２、燃料極３から冷却水流
路９に凝縮した水を排出させる。
【００３５】ここで、凝縮した水の排出効率を高めるた
めには冷却水圧力を空気極２、燃料極３に対してできる
だけ低くすることが望ましいが、冷却水流路と空気極、
燃料極との差圧が大きくなり過ぎると差圧によって燃料
ガスもしくは酸化剤ガスが冷却水流路に浸入する。さら
に悪くすると電解質膜や単セルの内部構造が壊れてしま
う場合がある。そこで、冷却水圧力は可能な限り低く制
御されるが、冷却水流路と空気極２、燃料極３との差圧
が燃料ガスもしくは酸化剤ガスが冷却水流路に浸入しな
い最低圧力よりも高くなるように制御される。
めには冷却水圧力を空気極２、燃料極３に対してできる
だけ低くすることが望ましいが、冷却水流路と空気極、
燃料極との差圧が大きくなり過ぎると差圧によって燃料
ガスもしくは酸化剤ガスが冷却水流路に浸入する。さら
に悪くすると電解質膜や単セルの内部構造が壊れてしま
う場合がある。そこで、冷却水圧力は可能な限り低く制
御されるが、冷却水流路と空気極２、燃料極３との差圧
が燃料ガスもしくは酸化剤ガスが冷却水流路に浸入しな
い最低圧力よりも高くなるように制御される。
【００３６】燃料電池スタック１の内部温度が所定温度
よりも低い間はステップＳ１２，Ｓ１３、Ｓ１４が繰り
返され、その後、燃料電池スタック１の暖機が進んで内
部温度が所定温度を超えると、燃料電池内部での水の凝
縮量は十分に少なく凝縮した水による水詰まりは生じな
いと判断してステップＳ１５に進む。
よりも低い間はステップＳ１２，Ｓ１３、Ｓ１４が繰り
返され、その後、燃料電池スタック１の暖機が進んで内
部温度が所定温度を超えると、燃料電池内部での水の凝
縮量は十分に少なく凝縮した水による水詰まりは生じな
いと判断してステップＳ１５に進む。
【００３７】ステップＳ１５に進むと、冷却水圧力が定
常運転で通常用いられる圧力に制御され、以後、冷却水
はこの通常圧力に制御され、燃料電池スタック１の冷却
性能が確保される。
常運転で通常用いられる圧力に制御され、以後、冷却水
はこの通常圧力に制御され、燃料電池スタック１の冷却
性能が確保される。
【００３８】なお、ここでは冷却水流路９と空気極２、
燃料極３との差圧を求め、これに基づき冷却水圧力の下
限を設定しているが、あらかじめ低冷却水圧力運転用の
圧力値（固定値）を定めておき、ステップＳ１４で低冷
却水圧力運転を行う時には冷却水圧力を直ちにこの予め
設定しておいた圧力値に切り換えるようにすれば、シス
テム構成の簡略化および制御の応答性の向上を図ること
ができる。
燃料極３との差圧を求め、これに基づき冷却水圧力の下
限を設定しているが、あらかじめ低冷却水圧力運転用の
圧力値（固定値）を定めておき、ステップＳ１４で低冷
却水圧力運転を行う時には冷却水圧力を直ちにこの予め
設定しておいた圧力値に切り換えるようにすれば、シス
テム構成の簡略化および制御の応答性の向上を図ること
ができる。
【００３９】なお、燃料電池スタック１の内部温度が０
℃以下の場合は水が凍結している可能性があるため、検
出された内部温度が０℃以下の場合は予めヒータ加熱や
燃料電池スタック１内の流路に高温ガスを流通させるこ
とによって内部の水を解凍し、その後で上記処理を行う
必要がある。
℃以下の場合は水が凍結している可能性があるため、検
出された内部温度が０℃以下の場合は予めヒータ加熱や
燃料電池スタック１内の流路に高温ガスを流通させるこ
とによって内部の水を解凍し、その後で上記処理を行う
必要がある。
【００４０】また、燃料電池スタック１は水を含有する
電解質膜を有するため、電解質膜の加湿状態を検知し、
電解質膜の含水率が所定値よりも小さい場合、冷却水流
路の圧力を通常の運転圧力よりも低く、かつステップＳ
１４で設定される圧力よりも高い圧力に制御するように
してもよい。これにより、電解質膜中の水分までもが冷
却水側に移動してしまうのを防止でき、電解質膜の加湿
状態を良好に維持することができる。
電解質膜を有するため、電解質膜の加湿状態を検知し、
電解質膜の含水率が所定値よりも小さい場合、冷却水流
路の圧力を通常の運転圧力よりも低く、かつステップＳ
１４で設定される圧力よりも高い圧力に制御するように
してもよい。これにより、電解質膜中の水分までもが冷
却水側に移動してしまうのを防止でき、電解質膜の加湿
状態を良好に維持することができる。
【００４１】電解質膜の加湿状態を検出するには、例え
ば起電力、起電圧の変化、燃料電池スタック１の水収支
といった燃料電池スタック１の性能変化から予測するこ
とができる。より直接的に予測するには後述する実施形
態に示すように燃料電池スタック１を構成する単セル毎
に温度を検出し、単セルの温度分布や、単セルの面方向
の温度分布を計測し、これに基づき予測すればよい。
ば起電力、起電圧の変化、燃料電池スタック１の水収支
といった燃料電池スタック１の性能変化から予測するこ
とができる。より直接的に予測するには後述する実施形
態に示すように燃料電池スタック１を構成する単セル毎
に温度を検出し、単セルの温度分布や、単セルの面方向
の温度分布を計測し、これに基づき予測すればよい。
【００４２】続いて本発明の第２の実施形態について説
明する。
明する。
【００４３】図３は第２の実施形態の燃料電池システム
の構成図である。第１の実施形態と異なる点は、燃料電
池スタック１を構成する各セル毎に温度を測定する温度
センサ２１が設けられている点と、コントローラ１６に
おいて行われる処理である。なお、図３には簡単のため
センサ２１は３個だけ示してある。
の構成図である。第１の実施形態と異なる点は、燃料電
池スタック１を構成する各セル毎に温度を測定する温度
センサ２１が設けられている点と、コントローラ１６に
おいて行われる処理である。なお、図３には簡単のため
センサ２１は３個だけ示してある。
【００４４】コントローラ１６は、単セルの温度分布か
ら水詰まりを予測し、冷却水の圧力制御を行う。また、
単セル温度の平均値を計算し、冷却水と空気極２、燃料
極３の燃料電池スタック入口圧力の差圧と、単セル温度
の平均値から冷却水の圧力の制御も行う。
ら水詰まりを予測し、冷却水の圧力制御を行う。また、
単セル温度の平均値を計算し、冷却水と空気極２、燃料
極３の燃料電池スタック入口圧力の差圧と、単セル温度
の平均値から冷却水の圧力の制御も行う。
【００４５】具体的には、コントローラ１６は、単セル
の温度の分布のばらつき（偏り）から水詰まりを予測
し、例えば、一部のセルだけ温度が低い等の温度分布に
偏りがあって水詰まりの可能性が予測される場合には、
直ちに冷却水の圧力を燃料ガスもしくは酸化剤ガスの冷
却水流路への浸入が起こらない最低圧力まで低下させ、
空気極２、燃料極３から冷却水側への水の排出効率を最
大に高めて水詰まりの早期解消を図る。
の温度の分布のばらつき（偏り）から水詰まりを予測
し、例えば、一部のセルだけ温度が低い等の温度分布に
偏りがあって水詰まりの可能性が予測される場合には、
直ちに冷却水の圧力を燃料ガスもしくは酸化剤ガスの冷
却水流路への浸入が起こらない最低圧力まで低下させ、
空気極２、燃料極３から冷却水側への水の排出効率を最
大に高めて水詰まりの早期解消を図る。
【００４６】また、水詰まりが解消した後であっても、
単セルの平均温度が所定温度よりも低く、燃料電池スタ
ック１内で水詰まりが起こる可能性がある場合は（燃料
電池スタック１の暖機完了前）、先の実施形態同様に冷
却水の圧力が定常運転での圧力よりも低く制御され、空
気極２及び燃料極３で凝縮する水が多孔質板４の孔を通
して効率的に冷却水流路９に排出される。
単セルの平均温度が所定温度よりも低く、燃料電池スタ
ック１内で水詰まりが起こる可能性がある場合は（燃料
電池スタック１の暖機完了前）、先の実施形態同様に冷
却水の圧力が定常運転での圧力よりも低く制御され、空
気極２及び燃料極３で凝縮する水が多孔質板４の孔を通
して効率的に冷却水流路９に排出される。
【００４７】図４は燃料電システムの起動処理の内容を
示したフローチャートであり、システム起動時にコント
ローラ１６において実行される。
示したフローチャートであり、システム起動時にコント
ローラ１６において実行される。
【００４８】これによると、まずステップＳ２１では燃
料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が
開始され、ステップＳ２２では燃料電池スタック１の各
単セルの温度が測定される。
料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が
開始され、ステップＳ２２では燃料電池スタック１の各
単セルの温度が測定される。
【００４９】ステップＳ２３では単セル温度の分布から
水詰まりを予測する。具体的には一部の単セルの温度だ
け他の単セルの温度に比べて低い場合はその温度の低い
単セルの部分で水詰まりを起こしている可能性があると
予想される。水詰まりがあると予測される場合は、ステ
ップＳ２４に進んで冷却水圧力を最低圧力として運転を
行う。最低圧力は燃料ガスあるいは酸化剤ガスの冷却水
流路への浸入が起こらない最低圧力であり、先の実施形
態同様に冷却水流路と空気極２、燃料極３との差圧に基
づき設定される。冷却水圧力を最低圧力まで下げること
によって空気極２、燃料極３から冷却水側に凝縮した水
が排出される作用が最大にまで高められ、水詰まりを早
期に解消することができる。
水詰まりを予測する。具体的には一部の単セルの温度だ
け他の単セルの温度に比べて低い場合はその温度の低い
単セルの部分で水詰まりを起こしている可能性があると
予想される。水詰まりがあると予測される場合は、ステ
ップＳ２４に進んで冷却水圧力を最低圧力として運転を
行う。最低圧力は燃料ガスあるいは酸化剤ガスの冷却水
流路への浸入が起こらない最低圧力であり、先の実施形
態同様に冷却水流路と空気極２、燃料極３との差圧に基
づき設定される。冷却水圧力を最低圧力まで下げること
によって空気極２、燃料極３から冷却水側に凝縮した水
が排出される作用が最大にまで高められ、水詰まりを早
期に解消することができる。
【００５０】温度分布の偏りがなくなって燃料電池スタ
ック１内の水詰まりが解消されたと判断されるとステッ
プＳ２５に進み、今度は単セルの平均温度が計算され
る。
ック１内の水詰まりが解消されたと判断されるとステッ
プＳ２５に進み、今度は単セルの平均温度が計算され
る。
【００５１】ステップＳ２６では先の実施形態と同様に
所定温度（凝縮による水詰まりが発生しない温度の最低
温度）とが比較され、単セル平均温度が所定温度よりも
低い場合はステップＳ２７に進んで先の実施形態のステ
ップＳ１４と同じく冷却水圧力を定常運転時よりも下げ
て運転を行われる。そして、その後単セル平均温度が所
定温度になったらステップＳ２８に進み、以後、冷却水
圧力を定常運転で通常用いられる圧力として運転が行わ
れる。
所定温度（凝縮による水詰まりが発生しない温度の最低
温度）とが比較され、単セル平均温度が所定温度よりも
低い場合はステップＳ２７に進んで先の実施形態のステ
ップＳ１４と同じく冷却水圧力を定常運転時よりも下げ
て運転を行われる。そして、その後単セル平均温度が所
定温度になったらステップＳ２８に進み、以後、冷却水
圧力を定常運転で通常用いられる圧力として運転が行わ
れる。
【００５２】このように、本実施形態では単セル温度を
測定し、単セル温度分布から水詰まりの有無の判断し、
水詰まりがあると判断された場合は冷却水の圧力を最低
圧力まで下げて空気極２及び燃料極３から冷却水流路９
への水の排出を最優先させるので、燃料電池スタック１
内部の水詰まりを早期に解消することができる。また、
水詰まり解消後は、単セル平均温度に応じて先の実施形
態同様の起動処理が可能であり、その後も水詰まりを起
こすことなく燃料電池システムを起動することができ
る。
測定し、単セル温度分布から水詰まりの有無の判断し、
水詰まりがあると判断された場合は冷却水の圧力を最低
圧力まで下げて空気極２及び燃料極３から冷却水流路９
への水の排出を最優先させるので、燃料電池スタック１
内部の水詰まりを早期に解消することができる。また、
水詰まり解消後は、単セル平均温度に応じて先の実施形
態同様の起動処理が可能であり、その後も水詰まりを起
こすことなく燃料電池システムを起動することができ
る。
【００５３】さらに、本実施形態では、単セル温度分布
と起電力の変化から電解質膜の加湿状態を高い精度で予
測することができることから、燃料電池スタック１の電
解質膜の加湿が不十分であれば、冷却水圧力を上げて燃
料極及び空気極から冷却水への水の移動を少なくし、電
解質膜の加湿を補助することも可能である。
と起電力の変化から電解質膜の加湿状態を高い精度で予
測することができることから、燃料電池スタック１の電
解質膜の加湿が不十分であれば、冷却水圧力を上げて燃
料極及び空気極から冷却水への水の移動を少なくし、電
解質膜の加湿を補助することも可能である。
【００５４】続いて本発明の第３の実施形態について説
明する。
明する。
【００５５】図３は第３の実施形態の構成図を示す。第
１の実施形態の構成と略同じであるが、冷却水流路９の
燃料電池入口と出口にそれぞれ温度センサ３１、３２が
設けられている点で相違する。また、コントローラ１６
が行うシステムの起動処理の内容も異なる。
１の実施形態の構成と略同じであるが、冷却水流路９の
燃料電池入口と出口にそれぞれ温度センサ３１、３２が
設けられている点で相違する。また、コントローラ１６
が行うシステムの起動処理の内容も異なる。
【００５６】コントローラ１６は、冷却水の燃料電池入
口−出口における温度差を計算し、この温度差から、燃
料電池内部における反応進行状況を把握し、水詰まりの
予測及び冷却水圧力制御を行う。なお、冷却水温度の測
定には例えば冷却水流路に熱電対を設置することで測定
でき、燃料電池スタック１内部にセンサを設けて燃料電
池スタック１の内部温度を測定するよりも比較的容易に
温度測定を行うことができる。
口−出口における温度差を計算し、この温度差から、燃
料電池内部における反応進行状況を把握し、水詰まりの
予測及び冷却水圧力制御を行う。なお、冷却水温度の測
定には例えば冷却水流路に熱電対を設置することで測定
でき、燃料電池スタック１内部にセンサを設けて燃料電
池スタック１の内部温度を測定するよりも比較的容易に
温度測定を行うことができる。
【００５７】図６は燃料電池システムの起動処理の内容
を示したフローチャートであり、コントローラ１６にお
いて実行される。
を示したフローチャートであり、コントローラ１６にお
いて実行される。
【００５８】これによると、まずステップＳ３１では燃
料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が
開始される。
料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が
開始される。
【００５９】ステップＳ３２では燃料電池スタック１の
入口及び出口における冷却水温度が測定され、ステップ
Ｓ３３では冷却水の燃料電池スタック１の入口及び出口
における温度差が演算される。
入口及び出口における冷却水温度が測定され、ステップ
Ｓ３３では冷却水の燃料電池スタック１の入口及び出口
における温度差が演算される。
【００６０】ステップＳ３４では、この温度差と予め設
定した温度差とが比較され、温度差があらかじめ設定し
た温度差よりも小さい場合はまだ燃料電池スタック１の
暖機が完了しておらず、燃料電池スタック１内で水の凝
縮による水詰まりが生じうると判断して、ステップＳ３
５に進んで冷却水圧力を低く設定する。
定した温度差とが比較され、温度差があらかじめ設定し
た温度差よりも小さい場合はまだ燃料電池スタック１の
暖機が完了しておらず、燃料電池スタック１内で水の凝
縮による水詰まりが生じうると判断して、ステップＳ３
５に進んで冷却水圧力を低く設定する。
【００６１】その後燃料電池スタック１の暖機が進んで
温度差が予め設定した温度差よりも大きくなると、燃料
電池スタック１の暖機が完了したとしてステップＳ３６
に進み、以後、冷却水圧力が定常運転で通常用いられる
圧力に制御される。
温度差が予め設定した温度差よりも大きくなると、燃料
電池スタック１の暖機が完了したとしてステップＳ３６
に進み、以後、冷却水圧力が定常運転で通常用いられる
圧力に制御される。
【００６２】このように冷却水の燃料電池スタック１の
入口及び出口における温度差に基づき燃料電池スタック
１の暖機完了を判断するようにしても先の実施形態と同
様の起動処理が可能である。
入口及び出口における温度差に基づき燃料電池スタック
１の暖機完了を判断するようにしても先の実施形態と同
様の起動処理が可能である。
【００６３】なお、ここでは燃料電池スタック１の入口
及び出口の冷却水の温度差に基づき燃料電池スタック１
の暖気状態を判断したが、燃料電池スタック１の入口及
び出口の燃料ガスあるいは空気の温度差（燃料電池スタ
ック１に供給する流体と燃料電池スタック１から排出さ
れる流体の温度差）に基づき燃料電池スタック１の暖気
状態を判断するようにしてもよい。
及び出口の冷却水の温度差に基づき燃料電池スタック１
の暖気状態を判断したが、燃料電池スタック１の入口及
び出口の燃料ガスあるいは空気の温度差（燃料電池スタ
ック１に供給する流体と燃料電池スタック１から排出さ
れる流体の温度差）に基づき燃料電池スタック１の暖気
状態を判断するようにしてもよい。
【００６４】また、ここでは入口側と出口側の両方に温
度センサを設けて入口側と出口側の温度差に基づき燃料
電池スタック１の暖気状態を判断しているが、入口側の
センサを省略し、出口側の温度の流体（冷却水、燃料ガ
ス、空気）の上昇度合いから燃料電池スタック１の暖気
状態を判断するようにすることも可能である。例えば、
冷却水の出口側温度が所定温度まで上昇したことをもっ
て燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断するよう
にすれば、システム構成が簡略化されることに加え、制
御内容も単純化される。
度センサを設けて入口側と出口側の温度差に基づき燃料
電池スタック１の暖気状態を判断しているが、入口側の
センサを省略し、出口側の温度の流体（冷却水、燃料ガ
ス、空気）の上昇度合いから燃料電池スタック１の暖気
状態を判断するようにすることも可能である。例えば、
冷却水の出口側温度が所定温度まで上昇したことをもっ
て燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断するよう
にすれば、システム構成が簡略化されることに加え、制
御内容も単純化される。
【００６５】また、この実施形態においても、起電力等
から燃料電池スタック１の電解質膜の加湿状態を予測
し、電解質膜の加湿が不十分であれば、冷却水圧力をス
テップＳ３５で設定される圧力よりも冷却水圧力を上げ
て燃料極及び空気極から冷却水への水の移動を抑え、電
解質膜の加湿を助けるようにしてもよい。
から燃料電池スタック１の電解質膜の加湿状態を予測
し、電解質膜の加湿が不十分であれば、冷却水圧力をス
テップＳ３５で設定される圧力よりも冷却水圧力を上げ
て燃料極及び空気極から冷却水への水の移動を抑え、電
解質膜の加湿を助けるようにしてもよい。
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成図であ
る。
る。
【図２】燃料電池システムの起動処理の内容を示したフ
ローチャートである。
ローチャートである。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの構成図であ
る。
る。
【図４】第２実施形態における起動処理の内容を示した
フローチャートである。
フローチャートである。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの構成図であ
る。
る。
【図６】第３実施形態における起動処理の内容を示した
フローチャートである。
フローチャートである。
１ 燃料電池スタック
２ 空気極
３ 燃料極
４ 多孔質板
５、６、７ 圧力センサ
８ 空気流路
９ 冷却水流路
１０ 燃料ガス流路
１１ 減圧弁
１２ 冷却水ポンプ
１３ 冷却水タンク
１４ 熱交換器
１５ 温度センサ
１６ コントローラ
２１、３１、 ３２ 温度センサ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5H026 AA06
5H027 AA06 BA01 CC06 KK00 KK02
KK05 KK08 KK11 KK46 KK48
MM16
Claims (11)
- 【請求項１】冷却水流路と燃料極及び空気極とが水が透
過することができる多孔質板を介して接続されている燃
料電池スタックと、 前記燃料電池スタックに圧力制御した冷却水を供給する
手段と、 前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料電池スタ
ックの暖機が完了したか否かを判断する手段と、 前記燃料電池スタック内で水分の凝縮が生じる燃料電池
スタック暖機完了前は、前記燃料電池スタックの冷却水
圧力を前記燃料電池システムを定常状態で運転する際に
用いる圧力よりも低く制御し、前記燃料電池スタック暖
機完了後は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を定常
状態で運転する際に用いる圧力に制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】前記制御手段はさらに前記燃料極及び空気
極における燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に
浸入しない最低圧力よりも高い圧力に制御する、ことを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３】前記燃料電池スタック入口における前記冷
却水流路と前記燃料極及び前記空気極との差圧を測定す
る手段をさらに備え、 前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入し
ない最低圧力は前記測定された差圧に応じて決定され
る、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項４】前記燃料電池スタックの温度を検出する手
段を備え、 前記燃料電池スタックの暖機状態を判断する手段は、前
記燃料電池スタックの温度が所定温度まで上昇したとき
に前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】前記燃料電池スタックの温度を検出する手
段は、前記燃料電池スタックの内部温度を検出する手段
であり、 前記燃料電池スタックの暖機状態を判断する手段は、前
記燃料電池スタックの内部温度が燃料電池スタック内で
水詰まりを起こさない所定温度まで上昇したときに前記
燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、ことを
特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 - 【請求項６】前記燃料電池スタックの温度を検出する手
段は、前記燃料電池スタックを構成するセル個々の温度
を測定する手段であり、 前記燃料電池スタックの暖気状態を判断する手段は、前
記セル個々の温度の平均温度が燃料電池スタック内で水
詰まりを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃
料電池スタックの暖機が完了したと判断する、ことを特
徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 - 【請求項７】セル個々の温度分布のばらつきから前記燃
料電池スタック内の水詰まりの有無を予測し、 前記燃料電池スタック内に水詰まりがあると予測される
ときは前記冷却水の圧力を前記燃料ガス及び酸化剤ガス
が前記冷却水流路に浸入しない最低圧力に制御する手段
をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料
電池システム。 - 【請求項８】前記燃料電池スタックに供給される流体の
前記燃料電池スタック出口における温度を検出する手段
を備え、 前記燃料電池の暖機状態を判断する手段は、前記流体の
前記燃料電池スタック出口における温度が所定温度まで
上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了した
と判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電
池システム。 - 【請求項９】前記燃料電池スタックに供給される流体の
前記燃料電池スタック入口及び出口における温度差を検
出する手段を備え、 前記燃料電池の暖機状態を判断する手段は、前記流体の
前記燃料電池スタック入口と出口における温度差が所定
温度差まで拡大したときに前記燃料電池スタックの暖機
が完了したと判断する、ことを特徴とする請求項１に記
載の燃料電池システム。 - 【請求項１０】前記流体が、前記燃料電池スタックに供
給される冷却水、燃料ガス、空気のいずれかであること
を特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項１１】前記燃料電池スタックの運転状態から前
記燃料電池スタックの電解質膜の加湿状態を判断する手
段と、 前記電解質膜が十分に加湿されていない場合は、前記冷
却水の圧力を、前記冷却水圧力を低下させた状態から上
昇させて燃料極及び空気極から冷却水側への水の排出を
抑える手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項
１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
Priority Applications (7)
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|---|---|---|---|
| JP2001342937A JP3840956B2 (ja) | 2001-11-08 | 2001-11-08 | 燃料電池システム |
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| EP02802699A EP1442493B1 (en) | 2001-11-08 | 2002-10-16 | Fuel cell system and its startup control |
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| JP2001342937A JP3840956B2 (ja) | 2001-11-08 | 2001-11-08 | 燃料電池システム |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP2006059734A (ja) * | 2004-08-23 | 2006-03-02 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池システム及びその起動・停止方法 |
| JP2006147550A (ja) * | 2004-10-19 | 2006-06-08 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池システムとその停止保管起動方法、停止保管起動プログラム |
| JP2007317634A (ja) * | 2006-04-28 | 2007-12-06 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP2007317553A (ja) * | 2006-05-26 | 2007-12-06 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2008091314A (ja) * | 2006-09-06 | 2008-04-17 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池制御システム及びその冷却媒体制御方法 |
| JP2008300304A (ja) * | 2007-06-04 | 2008-12-11 | Toshiba Corp | 燃料電池発電システム |
| JP2012209070A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Seiko Instruments Inc | 燃料電池装置 |
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| JP2017157284A (ja) * | 2016-02-29 | 2017-09-07 | ダイハツ工業株式会社 | 燃料電池システムの運転方法 |
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| KR101084078B1 (ko) * | 2009-03-20 | 2011-11-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 |
| DE112009004990B4 (de) * | 2009-06-22 | 2023-01-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren beim Starten des Brennstoffzellensystems |
| KR101439058B1 (ko) * | 2013-10-29 | 2014-11-04 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 차량의 냉시동 제어 방법 및 장치 |
| DE102014221976A1 (de) * | 2014-10-28 | 2016-04-28 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems |
| DE102014224380A1 (de) * | 2014-11-28 | 2016-06-02 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Verfahren zum prädiktiven Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem |
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| WO1996037920A1 (fr) * | 1995-05-25 | 1996-11-28 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Pile a combustible et procede permettant de la reguler |
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-
2001
- 2001-11-08 JP JP2001342937A patent/JP3840956B2/ja not_active Expired - Fee Related
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2002
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