JP2004031176A

JP2004031176A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004031176A
Application number: JP2002186937A
Authority: JP
Inventors: Munehisa Horiguchi; 堀口　宗久; Koichi Shiraishi; 白石　剛一
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP4556375B2

Abstract

【課題】燃料電池の暖機時間を短縮する。
【解決手段】燃料電池スタック１の各燃料極に水素を供給する水素供給路１２２に水素供給電磁弁１２６を設け、温度センサＳ１１で、検出した始動時温度が、低温である場合には、水素供給を停止し、水素を燃料電池スタック１の燃料極に接触させた状態で滞留させ、ガス排出時の排熱を抑制する。また、電圧センサＳ８により、燃料電池の出力をモニターし、出力電圧が低下した場合には、循環ポンプ１６４により滞留ガスを循環させ、燃料極接触部分の水素ガス濃度を上げるとともに、熱の排出を抑制する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、低温下からの暖機を容易とする燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、最も効率良く発電することができる温度領域が、５０℃から８０℃ぐらいの間であるとされている。また、これらの温度領域より低い温度では、発電効率が極端に低くなるという特性を有している。従って、燃料電池を作動させてから、十分な電力を燃料電池から得るためには、温度が高効率領域に達するまで暖機が必要となり、燃料電池から電力を得て負荷全体を始動させるまでに長時間を要する。
【０００３】
一方、燃料電池の温度が氷点下である場合には、発電反応によって生じた生成水が電極表面で凍結し、酸素の供給が妨げられ、発電反応を抑制してしまうという問題がある。
そこで、従来では、例えば、特開平７−９４２０２号に記載されているように、燃料電池の発電開始前に、燃料電池自体を暖機するための暖機システムを備えたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池の暖機システムは、暖機のためのエネルギーを必要とし、システムの全体のエネルギー効率を悪化させるという問題点があった。さらに、暖機システムを燃料電池システムに組み込むために、燃料電池システムの大型化を招いていた。
【０００５】
また、車両等の移動体に搭載される移動型燃料電池については、搭載スペースが狭く、外系からのエネルギーの供給が図れない環境にあり、上記欠点は、一層不利な要素となる。
また、発電を行うために燃料ガスを供給すると、燃料電池から排出されるガスが、燃料電池から熱を奪うため、暖機の妨げとなるといった問題があった。
この発明は、自立暖機が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）　酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した複数の燃料電池と、隣接する燃料電池の間にそれぞれ介挿された導電性を有するセパレータとを備えた燃料電池スタックと、
燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する燃料保持部と、
前記燃料保持部に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
燃料供給開始時の、前記温度検出手段の検出値が所定温度未満の時に、燃料保持部に燃料ガスが保持された状態を維持する制御手段とを備えた燃料電池システム。
【０００７】
（２）　前記温度検出手段は、前記燃料電池スタックの端部に位置する燃料電池の温度を検出する上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００８】
（３）　前記セパレータは、金属で構成されている上記（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システム１００について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１００の有する燃料電池スタック１の全体斜視図、図２は燃料電池スタック１の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタック１の平面断面である。本発明の燃料電池スタック１は、燃料電池単位セル２と、セパレータ３とを有する発電部６１を備えている。燃料電池単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２とを有している。図２及び図３に示されているように、単位セル２とセパレータ３とが交互に積層されて発電部６１が構成される。
【００１０】
集電部材３１、３２は、それぞれ、導電性と耐蝕性を有する材料で構成される。例えば、集電部材３１、３２は、金属材料で構成されている。この構成金属は、集電部材としての機能を果たすために、導電性を有しているもので、かつ、通電状態となることから耐蝕性を有するものが用いられる。例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。また、集電部材３１、３２の構成材料は、金属の他、カーボンブラック等の導電性と耐食性を備えた材料を用いてもよい。また、金属板をプレス加工により薄型に形成することによって、セパレータ３を薄く形成することができるので、燃料電池スタック１自体の大きさを小型化でき、かつ、熱容量を少なくすることができるので、このことによっても燃料電池スタック１を温まりやすい構成とすることができる。
【００１１】
集電部材３１は、酸素極２１に接触し、集電部材３２は、燃料極２２に接触する。図２及び図３に示されているように、集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３１２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３１５が形成される。
【００１２】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と酸素極２１の表面とによって、空気流路３１６が形成される。複数の空気流通路３１５は、両端部で空気流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の空気流通路３１５と一対の空気流路３１６とによって、酸素極２１へ酸素を供給する空気保持部が構成される。
【００１３】
空気保持部には、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７とが形成され、空気は空気供給孔３１８から空気保持部内に流入し、空気排出孔３１７から流出する。このように、空気保持部内の空気は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、空気排出孔３１７が示されている。また、図３には、空気供給孔３１８が示されている。
【００１４】
集電部材３２の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２の表面に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３２２と、燃料極２２の表面とによって、水素が流通する水素流通路３２５が形成される。
【００１５】
凸部３２１の両端には、凸部３２１に直交する方向に溝３２４、３２４が形成され、この溝３２４と燃料極２２の表面とによって、水素流路３２６が形成される。複数の水素流通路３２５は、両端部で水素流路３２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水素流通路３２５と一対の水素流路３２６とによって、燃料極２２へ水素を供給する燃料保持部が構成される。
【００１６】
燃料保持部には、水素供給孔と水素排出孔３２７とが形成され、水素は、水素供給孔から燃料保持部内に流入し、水素排出孔３２７から流出する。このように、燃料保持部内の水素は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水素供給孔と水素排出孔３２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、水素排出孔３２７が示されている。
【００１７】
集電部材３２の、燃料極２２に対して反対側の面には、直線状に連続して隆起した凸部４２１が等間隔で複数形成され、該凸部４２１の間には、溝４２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部４２１と溝４２２は、交互に配置された形状となっている。凸部４２１は、最も突出した峰の平面部が集電部材３１の表面に接触する接触部４２３となっており、この接触部４２３を介して隣接する単位セル２の燃料極２２と酸素極２１が電気的に接続される。溝４２２と、集電部材３１の平面とによって、水が流通する水流通路４２５が形成される。
【００１８】
凸部４２１の両端には、凸部４２１に直交する方向に溝４２４、４２４が形成れ、この溝４２４と集電部材３１の平面とによって、水流路４２６が形成される。複数の水流通路４２５は、両端部で水流路４２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水流通路４２５と一対の水流路４２６とによって、冷却部が構成される。
【００１９】
この冷却部には、水供給孔と水排出孔４２７とが形成され、冷媒である水は、水供給孔から冷却部内に流入し、水排出孔４２７から流出する。このように、冷却部内の水は、入れ替わることができる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水供給孔と水排出孔４２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。このような位置に、水供給孔と水排出孔４２７が設けられていることによって、冷却部内の水を均一に交換することができる。図２と図３には、水排出孔４２７が示されている。なお、冷却媒体は、水の他、不凍液を用いることもできる。
【００２０】
燃料電池スタック１内には、セパレータ３の積層方向に、空気と水素と水を導通させる導通路が形成されている。導通路は、それぞれ供給用の導通路と、排出用の導通路とを有している。図１に示されているように、供給用の空気導通路５１、水素導通路５３、水導通路５５は、燃料電池スタック１の片側にまとめて配置され、排出用の空気導通路５２、水素導通路５４、水導通路５６は、供給用の導通路が配置された側に対して、反対側に配置され、その間に、空気保持部、燃料保持部、冷却部を挟むように構成されている。
【００２１】
従って、排出用の空気導通路５２は各空気保持部の空気排出孔３１７にそれぞれ連通し、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部の空気供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部に空気を分配する空気マニホールドとして機能する。
また、排出用の水素導通路５４は各燃料保持部の水素排出孔３２７にそれぞれ連通し、供給用の水素導通路５３は、各燃料保持部の水素供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水素導通路５３は、各燃料保持部に水素を分配する燃料マニホールドとして機能する。
さらに、排出用の水導通路５６は各冷却部の水排出孔４２７にそれぞれ連通し、供給用の水導通路５５は、各水保持部の水供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水導通路５５は、各水保持部に水を分配する水マニホールドとして機能する。
【００２２】
以上のように構成された発電部６１の両端には、セパレータ３と単位セル２の積層方向において、端部セパレータ３から外側へ向けて、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側に接続されている。これらの積層された各部材と、発電部６１は、対向する側面に付設された保持部材６６によって一体として保持される。また、集電体６３ａ、６３ｂには、燃料電池スタック１の端子として端子６７ａ、６７ｂが設けられている。
【００２３】
片方のエンドプレート６５ａには、後述する空気供給系１１、水素供給系１２、冷却系１３の各経路が接続されている。詳しくは、空気供給系１１の空気供給路１１０は供給用の空気導通路５１に、空気排出路１１１は排出用の空気導通路５２にそれぞれ接続され、水素供給系１２の供給路１２２は供給用の水素導通路５３に、排出路１２３は排出用の水素導通路５４にそれぞれ接続され、冷却系１３の冷却液供給路１３３は供給用の水導通路５５に、冷却液排出路１３１は排出用の水導通路５６にそれぞれ接続されている。
【００２４】
次に、燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム１００の構成について、説明する。図４は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、移動体のひとつである電気自動車に搭載されるものであり、後述する負荷系の蓄電手段（キャパシタ等）１４６とともに駆動モータ１４３の電源を構成している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１へ対して、空気を供給する空気供給系１１と、同じく、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系１２と、同じく冷却液を供給する冷却系１３と、負荷系１４と、酸素供給系１１に水分を供給する加湿系１５とを備えている。
【００２５】
空気供給系１１は、空気供給路１１０と、空気排出路１１１を備えている。空気供給路１１０には、上流側から順に、外気の粉塵などの不純物を除去するフィルタ１１２、外気温度センサＳ１、空気の供給量を調整する空気供給ファン１１３、供給する空気を加湿する加湿器１５１が接続され、最終的に燃料電池スタック１の供給用空気導通路５１が接続されている。
【００２６】
空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池スタック１の排出用空気導通路５２に接続され、下流へ向けて順に、燃料電池スタックの代表温度を測るための空気出口温度センサＳ３、空気供給系からの空気流が酸素極２１から持ち去った水を回収する凝縮器１５２、外気から不純物が逆流して燃料電池スタックに進入するのを防止するフィルタ１１５が接続され、最終的に系の外部に空気を排出する。以上のように、空気供給系１１は、燃料電池スタック１内に設けられている空気保持部に空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給する。酸素供給手段は、空気供給路１１０と、空気供給ファン１１３により構成される。酸素の供給量の調整は、空気供給ファン１１３からの吐出量を調整することにより行われる。吐出量の調整は、羽根の回転数を調整することによりなされる。
【００２７】
加湿系１５は、燃料電池スタック１に供給される空気に湿度を加える加湿器１５１と、排出された空気から水分を回収する凝縮器１５２と、加湿水タンク１５０と、加湿水タンク１５０から加湿水を加湿器１５１へ供給する水供給路１５３と、加湿水を加湿器１５１に送り出す加湿水ポンプ１５４と、加湿水ポンプ１５４の下流側に設けられ、電磁弁１５５と、凝縮器１５２で回収された水を加湿水タンク１５０へ回収する回収路１５６と、回収した水を加湿水タンク１５０へ送る回収ポンプ１５７と、加湿水タンク１５０内に設けられた凍結防止用ヒータ１５０ａと、加湿水タンク１５０内の加湿水の温度を検出する加湿水温度センサＳ４、同じく水位を検出する加湿水水位センサＳ５を備えている。
【００２８】
また、水供給路１５３と回収路１５６とには、それぞれ不純物を除去するフィルタ１５８、１５９が設けられている。電磁弁１５５は、ポンプ１５４非駆動時には閉状態となり、経路内の水の流動を防止する。加湿系１５は、燃料電池スタック１へ送られる空気を加湿するために設けられる。この加湿系１５の加湿器１５１によって加湿された空気は、燃料電池スタック１の酸素極２１を湿潤状態（水分で潤った状態）に維持する。
【００２９】
水素供給系１２は、水素貯蔵容器としての高圧水素容器１２１と、高圧水素容器１２１から、燃料電池スタック１の供給用水素導通路５３へ水素を供給する水素供給路１２２と、燃料電池スタック１の排出用水素導通路５４から外部へ水素を排出する水素排出路１２３と、水素供給路１２２と水素排出路１２３とを連通する連通手段である連通路１６１を備えている。水素供給路１２２には、水素を外部の水素源から高圧水素容器１２１に充填するための水素充鎮口１２４が接続され、高圧水素容器１２１内の水素圧を測るための水素１次圧センサＳ６が接続され、燃料極に供給する水素の圧力（量）を調整するための水素調圧弁１２５と、水素の供給量を制御する水素供給電磁弁１２６と、燃料極にかかる水素圧を測定する水素２次圧センサＳ７が、下流へ向けて、それぞれ順に接続されている。水素調圧弁１２５と、水素供給電磁弁１２６は、水素２次圧センサＳ７の検出値に基づき制御される。さらに、水素排出路１２３には、下流へ向けて順に、逆流を防止する逆止弁１２７、水素の排出をコントロールする水素排気電磁弁１２８が接続されている。水素は運転中、連続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。
【００３０】
連通路１６１には、水素排出路１２３に接続されている端から順に、逆止弁１６２、フィルタ１６３、循環ポンプ１６４が設けられている。循環ポンプ１６４から、水素供給路１２２との接続端へ向けてガスを吐出する。逆止弁１６２は、水素供給路１２２から直接水素排出路１２３への水素の流入を防止する。フィルタ１６３は、循環する水素ガスから不純物を除去する。連通路１６１と、供給用水素導通路５４と、燃料電池スタック内の燃料保持部と、水素排出路１２３とによって、循環経路が構成される。循環ポンプ１６４は、水素ガスを循環経路内で循環させる作用を有する。水素供給路１２２と供給用の水素導通路５３とで燃料導入手段として機能し、水素排出路１２３と排出用の水素導通路５４とで燃料導出手段として機能する。水素供給電磁弁１２６と高圧水素容器１２１で水素供給手段として機能する。
【００３１】
冷却系１３は、燃料電池スタック１が高温でヒートアップしてしまうのを防止するために配設されていて、燃料電池スタック１内に冷却媒体である冷却液を流通させ、これを循環させることにより冷却する。この実施形態では、冷却液として不凍液が用いられ、例えばエチレングリコール水溶液が使用される。この他、冷却液としては、水やその他の熱媒体を用いることもできる。燃料電池スタック１の温度は、例えば燃料電池スタック１に取り付けられた温度センサＳ１１で検出することができる。燃料電池スタック１の温度を検出するセンサＳ１１が、燃料電池の温度を検出する温度検出手段として機能する。
【００３２】
冷却系１３は燃料電池スタック１の排出側水導通路５６に接続された冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３を基本として構成され、冷却液は、前記冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって燃料電池スタック１の供給側水導通路５５に送り込まれる。また、冷却液排出路１３１と冷却液供給路１３３との間には、ラジエター１３２をバイパスするラジエターバイパス路１３５が接続されている。
【００３３】
冷却液排出路１３１、冷却液供給路１３３にそれぞれ配設された冷却液出口温度センサＳ９、冷却液入口温度センサＳ１０によって検出された冷却液の温度に応じて電磁弁ＳＶ１、ＳＶ３の開閉を制御して、冷却系１３における冷却液の流れを制御する。ラジエター１３２にはファン１３２ａが設けられており、ファンの風量を調節することにより、冷却能力を調整することができる。
【００３４】
以上のように冷却系１３は、燃料電池の通常発電時においては、燃料電池の反応熱によるオーバーヒートを防止するため作動する。この場合、冷却系１３は、冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３と、冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって構成される循環系が用いられる。従って、この場合には、電磁バルブＳＶ１が開、電磁バルブＳＶ３は閉状態となっている。冷却液は、冷却液供給路１３３から、燃料電池スタック１の供給側水導通路５５、各セパレータ３の冷却部、排出側水導通路５６を経て、熱交換された冷却液は、冷却液排出路１３１から、ラジエター１３２へ到達し、ラジエター１３２で冷やされ、電磁弁ＳＶ１を経て、循環ポンプ１３４へ戻る。冷却液入口温度センサＳ１０で検出される冷却液の温度と、冷却液出口温度センサＳ９で検出された排出冷却液の温度との差に応じて、ラジエター１３２の冷却能力を調整し、また、循環ポンプ１３４の吐出量を調整し、燃料電池スタック１を適正な温度に維持する。
【００３５】
負荷系１４は、燃料電池スタック１に接続されている。負荷系１４の出力コード１４７は、端子６７ａ、６７ｂにそれぞれ接続され、出力コード１４７は、負荷への電力の供給、遮断を行う出力リレー１４４、インバータ１４２を介してモータ１４３に電力を供給する。また、出力コード１４７には、逆電流を防止するダイオード１４８と電流センサＳ２が設けられている。出力リレー１４４とインバータ１４２との間には補助電源１４６が出力制御回路１４５を介して接続されている。さらに、出力コード１４７には、燃料電池スタック１の出力を検出するための電圧センサＳ８が並列に接続されている。
【００３６】
補助電源は例えば、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置であり、車両低速時にはモータ１４３の回生電力を貯蔵し、加速時や高負荷時などにおいて、燃料電池スタックからの出力では不足する場合には、負荷に電力を供給する。出力制御回路１４５は、モータ１４３へ供給する電力について、燃料電池スタック１と補助電源１４６の出力の割合を制御する。電圧センサＳ８が電圧検出手段として機能する。
【００３７】
図５は、燃料電池システム１００の発電開始時の制御を行う制御回路を示すブロック図である。制御部７４には、電流センサＳ２の検出値、電圧センサＳ８の検出値、温度センサＳ１１の検出値が供給される。また、制御部７４は、空気供給ファン１１３の始動および停止と、水素供給電磁弁１２６の開閉と、水素排気電磁弁１２８の開閉と、リレー１４４のオン／オフと、循環ポンプの始動と停止とをそれぞれ制御する。
この制御部７４は、燃料電池スタック１の温度および出力電圧に応じて、水素ガスの供給や、水素ガスの循環を制御し、燃料電池スタック１の暖機効率が上がるように調整する作用を有する。
【００３８】
以下、燃料電池システム１００の作用について、図６および図７に示されているフローチャートに基づいて説明する。
最初に燃料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開始する場合のメインフローチャト（図６）について、説明する。まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステップＳ１０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１１３の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタック１に空気が供給される。
【００３９】
次に、水素置換パージ処理が行われる（ステップＳ１０３）。水素置換パージ処理は、停止状態において、燃料電池スタック１内の燃料保持部に満たされている水素ガス以外のガスを排出し、燃料保持部を水素ガスで満たす処理である。図７には、サブルーチンとして水素置換パージ処理のフローチャートが示されている。水素置換パージ処理において、水素供給電磁弁が開かれる（ステップＳ２０１）。これにより、水素供給路１２２と高圧水素容器１２１とが連通する。次に、水素排気電磁弁１２８が開かれる（ステップＳ２０３）。これにより、高圧水素容器１２１と、水素供給路１２２と、燃料電池スタック１と、水素排出路１２３とが連通し、水素ガスは、この順序で、燃料電池スタック１内の、つまり燃料保持部内のガスを外部へ押出しつつ、燃料保持部内に充填されて行く。
【００４０】
電圧センサＳ８の値をモニターし、設定電圧Ａより大きいか判断する（ステップＳ２０５）。水素ガスの供給開始により、燃料保持部内の水素ガス濃度が上昇すると、燃料電池スタック１の出力電圧も上昇するので、この出力電圧が設定電圧以上に達した時点で、水素ガス濃度が十分な値となったものと判断できる。設定電圧Ａは、水素ガス濃度が負荷に供給する電力を発電するために必要な濃度に達したことを意味する。
従って、設定電圧Ａに達さない場合には、設定電圧Ａに到達するまで、ステップＳ２０１、Ｓ２０３を繰り返す。設定電圧Ａに達した場合には、十分に水素ガス濃度が上がったことになるので、水素排気電磁弁を閉じ（ステップＳ２０７）にリターンされる。
【００４１】
次に、出力リレーをオンする（ステップＳ１０５）。これにより負荷系１４に、燃料電池スタック１の出力が供給される。温度センサＳ１１から燃料電池スタック１の温度を取得し、設定温度より大きい値か判断する（ステップＳ１０７）。設定温度は、発電開始時において、反応生成水が凍結する温度範囲内で最も高い値を中心として、その値に近い値に設定され、そのような温度としては、例えば、摂氏５度に設定することができる。尚、この設定温度は、他の温度、例えば発電効率が最も高くなる温度範囲内で、最も低い値（例えば、摂氏５０度）を中心として、その値に近い値に設定してもよい。または、負荷を駆動させるための出力を得るために必要な最適温度範囲内で、最も低い値を中心として、その値に近い値に設定してもよい。この発明は、始動時において、燃料電池スタック１の温度が、上記各設定温度に到達するまでの時間が短縮されるという効果がある。
【００４２】
燃料電池スタック１の温度が、設定温度より低い場合には、発電時に反応生成水が凍結する可能性がある。そこで、水素排気電磁弁１２８を閉じたまま維持する。これにより、水素ガスは、燃料電池スタック１の燃料保持部内に留まり、滞留する。燃料電池スタック１への、暖められていない水素ガスの供給が止まり、これにより燃料電池スタック１からの水素ガスの流出がなくなるので、水素ガスが燃料電池スタック１から熱を奪うことによる、系外への熱の排出が抑制される。この間、燃料保持部内に滞留している水素ガスと、空気供給ファン１１３により供給された空気内の酸素とが反応し、発電がなされる。同時に、発電反応により熱が発生する。この熱により燃料電池スタック１は、自立暖機される。
そして、燃料電池スタック１の温度が設定温度より高くなるまで、この状態が維持され、設定温度より高くなったとき、循環ポンプ１６４がオンされ（ステップＳ１０９）、以後通常運転が開始される。
【００４３】
ここで、燃料電池スタック１が暖機されている状態（ステップＳ１０７において、判断がＮｏの状態）では、以下のような動作を加えることもできる。
燃料電池スタック１の温度が、設定温度より低い状態では、燃料保持部内の水素ガスは、発電反応の継続により、水素濃度が減少する。この状態では、水素ガスの供給が断たれているから、水素濃度は減少し、燃料電池スタック１からの出力電圧は下降していく。そこで、燃料電池スタック１の出力電圧が、設定電圧Ｂより低いか判断する。設定電圧Ｂは、設定電圧Ａより小さな値に設定されている。設定電圧Ｂより高い場合には、ステップＳ１０７を再度実行し、燃料保持部に水素ガスが滞留した状態を維持する。設定電圧Ｂより低い場合には、循環ポンプ１６４の駆動を開始し、循環経路内の水素循環を開始する。
【００４４】
循環を開始する直前は、発電反応によって、燃料保持部内の水素ガス濃度は減少した状態となっているが、循環経路を構成する、水素供給路１２２、水素排出路１２３、連通路１６１などに滞留している水素濃度は、それ程低下していない。そこで、循環経路内の水素ガスを循環させることにより、水素ガス濃度の高いガスを混合し、燃料保持部内の水素ガス濃度を上げる。また、一度燃料極に接触したガスを繰り返し接触させることとなるので、水素ガス濃度が薄くなった状態で、水素を反応させることができ、水素を無駄に排出することなく、燃料の消費効率が向上させることができる。
【００４５】
さらに、発電反応が進めば、一層水素ガス濃度が低下し、燃料電池スタック１の出力電圧が低下してくる。そこで、さらに、燃料電池スタック１の出力電圧が、設定電圧Ｃより低いか判断する。ここで、設定電圧Ｃは、設定電圧Ｂより小さい値に設定されている。設定電圧Ｃは、燃料電池スタック１が出力できる最低値に近い値に設定されている。
即ち、出力電圧が設定電圧Ｃとなった場合には、循環経路を循環しているガスの水素ガス濃度が、発電に必要な水素ガス濃度の最低値に近づいたことを意味する。そこで、循環ポンプ１６４を停止して、水素の循環を停止し、ステップＳ１０３と同じ水素置換パージ処理を実行する。
【００４６】
これらの動作は、燃料電池スタック１の温度が設定温度を越えるまで繰り返される。要するに、燃料電池スタック１の温度が低温である場合には、出力電圧が、設定電圧Ｂより大きい場合では、燃料保持部内に水素ガスを滞留（気体の流動のない状態）させ、設定電圧Ｃより大きく設定電圧Ｂ以下の場合には、水素ガスを循環させて、一度反応させたガスを繰り返し燃料極に接触させる動作を行い、設定電圧Ｃ以下では、新たに水素ガスを供給する。
【００４７】
設定温度が、燃料電池の発電時生成水が凍結する温度範囲の上限値である場合には、設定温度に到達することによって、生成水の凍結の恐れがなくなるので、その後は、通常発電時の水素供給制御が開始される。
また、設定温度が、最も効率良く発電し得る温度範囲の下限値である場合には、その後は、この温度範囲に保つために冷却が必要となるので、暖機のための制御は不要となる。この場合、燃料電池スタック１の温度を、高い効率で発電できる領域まで、短時間で到達させることができるという利点がある。さらに、設定温度を、負荷を駆動させるための出力を得るために必要な最適温度範囲の下限値とした場合も同様の効果がある。
以上のステップＳ１０７が、燃料保持部に燃料ガスが保持された状態を維持する制御手段として機能する。
【００４８】
以上のように構成において、燃料電池スタック１の温度センサＳ１１は、燃料電池スタック１の端部、又は端部の近傍の温度を検出する構成としてもよい。これの燃料電池システムでは、積層された各燃料電池セルの反応熱で暖機する構成であるため、端部に位置する燃料電池セルは、発熱しない集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂなどに熱を奪われ、中央部に比較して、温度上昇が遅い。従って、この部分の温度を検出すれば、他の部分の温度は、検出値以上であり、燃料電池スタック１全体の温度が、設定温度以上でると判定することができる。同様に、燃料電池の出力電圧も、燃料電池スタック１の端部又はその近傍に位置する１又は直列に接続された２以上の燃料電池セルの出力電圧を検出する構成とすることができる。
【００４９】
この場合も、温度センサＳ１１と同様に、燃料電池スタック１の端部の温度が低いため、この部分の燃料電池セルの出力電圧が、他の部分に比較して低くなっている。従って、この部分の電圧を検出すれば、他の部分の電圧は、検出値以上であり、燃料電池スタック１全体の電圧が、設定電圧以上でると確実に判定することができる。
【００５０】
また、セパレータ３を金属で構成することによって、燃料電池スタックの熱容量が小さくなり、燃料電池スタックの暖機を一層促進させることができる。特に、反応熱量に限界がある為、各燃料電池セルの反応熱を利用する暖機方法では、セパレータを、熱容量が小さい金属で構成することは、特に有用である。
【００５１】
以上のような本発明の燃料電池システム１００は、暖機のための独立した装置が不要であり、例えば、搭載スペースが少なく、かつ系外から他の電源の得られない、車両等の移動体の電源として特に有用である。
なお、上記燃料電池システムは、燃料電池セル自体の反応熱で暖機する構成を前提に説明したが、例えば、ヒータ等の暖機用発熱手段を別個に設けた燃料電池に用いてもよい。この場合によも同様に、水素ガスの供給を制限することで、燃料電池からの熱排出を抑制し、暖機時間が短縮できる。
【００５２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、水素ガスが燃料保持部に保持された状態が維持され、水素ガスの排出による、燃料電池スタックからの排熱が抑制されるので、暖機時間を短縮することができる。特に、発電時の反応熱による自立暖機を行う場合には、暖められていない新しい水素ガスの流入がなくなり、暖機のための熱効率が向上するので、特に有用である。
また、燃料供給開始時の温度が、燃料電池生成水の凍結が起こる温度領域である場合には、燃料電池からの排熱を少なくすることで、凍結を抑制することができる。
【００５３】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池スタックの中央部に比較して温度上昇の遅い端部の温度を検出することで、燃料電池スタック１全体の温度が、検出温度以上であると、確実に判定することができる。
請求項３に記載の発明によれば、セパレータを金属で構成することによって、熱容量を小さくでき、燃料電池の暖機時間を一層短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池スタックの全体斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの平面断面図である。
【図４】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】燃料電池システムの発電開始時の制御を行う制御回路を示すブロック図である。
【図６】フローチャートである。
【図７】フローチャートである。
【符号の説明】
１００　燃料電池システム
１　燃料電池スタック
１６４　循環ポンプ
２　単位セル
３　セパレータ
３１　集電部材
３２　集電部材
６１　発電部
６３　集電体
６４　絶縁部材
６５　エンドプレート
Ｓ８　電圧センサ
Ｓ１１　温度センサ

Claims

酸素極と燃料極とで固体高分子電解質を挟持した複数の燃料電池と、隣接する燃料電池の間にそれぞれ介挿された導電性を有するセパレータとを備えた燃料電池スタックと、
燃料極に燃料ガスが接触し得る状態で燃料ガスを保持する燃料保持部と、
前記燃料保持部に燃料ガスを導く燃料導入手段と、
前記燃料保持部から燃料ガスを排出する燃料導出手段と、
前記燃料導入手段を介して、燃料保持部に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
燃料供給開始時の、前記温度検出手段の検出値が所定温度未満の時に、燃料保持部に燃料ガスが保持された状態を維持する制御手段とを備えた燃料電池システム。
前記温度検出手段は、前記燃料電池スタックの端部に位置する燃料電池の温度を検出する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記セパレータは、金属で構成されている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。