JP2005150023A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧が低下した燃料電池セルに電流が流れることによる燃料電池性能の悪化を軽減する。
【解決手段】バイパス電源回路８が接続された燃料電池セル７のセル電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、コントロールユニット１０が、この燃料電池セル７に流れる直流電流の一部がバイパス電源回路８に分岐して流れるように制御する。これにより、燃料電池セル７のセル電圧が所定電圧まで低下することによる燃料電池性能の悪化を軽減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、電圧が低下した燃料電池セルに電流が流れることによる燃料電池性能の悪化を軽減する技術に係わる。

従来より、燃料電池セルのセパレータ等、発電によって凝縮水が生じやすい部分に加熱手段を設けた燃料電池システムが知られており、このような燃料電池システムによれば、発電によって生成された凝縮水を加熱手段によって効率的に蒸発させることにより、燃料ガスが触媒層に到達することができない、いわゆるフラッディング現象を速やかに解消することができる（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−３２４５６３号公報（段落［００１６］，図１）

ところで、一般に、氷点以下の低温状態で燃料電池スタックを起動した場合には、発電によって生成された凝縮水がスタック内部で凍結し始めるので、電極触媒反応部に反応ガスが到達することが阻害される。そして、この場合、特にエンドプレート付近の燃料電池セルにおいては、エンドプレートからの放熱によって温度が上昇せず、触媒層が氷に覆われて、セル電圧が０［Ｖ］以下に反転しまうことがある。一方、燃料電池スタックの温度が７０［℃］程度となる通常発電状態の場合にも、凝縮水が触媒層に溜まることにより、フラッディング現象が生じ、セル電圧が低下することがある。

そして、このようにしてセル電圧が低下した場合、燃料電池セルは、電池として機能しなくなり、抵抗体となって電力を無駄に消費してしまう。また、電位の反転によって、触媒層中のカーボンの腐食反応を始めとする燃料電池セルの性能劣化を引き起こすことがある。さらに、燃料電池スタックから電力を取り出す際に、フラディングや氷結を起こした燃料電池セルにも電流が流れてしまうために、燃料電池スタックの性能が低下してしまう。

しかしながら、従来までの燃料電池システムによれば、上記のようにしてセル電圧が低下した場合であっても、隣接する燃料電池セルからの電流がそのままその燃料電池セルに流れる構成になっているために、燃料電池の性能が悪化することがあった。

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、その目的は、電圧が低下した燃料電池セルに電流が流れることによる燃料電池性能の悪化を軽減する燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池セルの電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、その燃料電池セルに流れる電流の少なくとも一部をこの燃料電池セルに並列に接続されたバイパス電源回路に分岐させる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、電圧が低下した燃料電池セルに電流が流れることによる燃料電池性能の悪化を軽減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１〜第３の実施形態となる燃料電池システムの構成及び動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、エンドプレート２によって挟持された燃料電池スタック３と、水素と空気を利用した電気化学反応によって燃料電池スタック３から出力される直流電流を交流電流に変換して負荷４に供給するインバータ５と、負荷４及びインバータ５の動作を制御する制御回路６と、燃料電池スタック３を構成する燃料電池セル７間に並列に挿入されたバイパス電源回路８と、バイパス電源回路８が挿入された燃料電池セル７のセル電圧を計測する電圧計９と、バイパス電源回路８の動作を制御するコントロールユニット１０とを主な構成要素として備える。なお、上記コントロールユニット１０は、本発明に係る制御手段として機能する。

〔燃料電池セルの構成〕
次に、図２を参照して、上記燃料電池セル７の構成について詳しく説明する。

上記燃料セル７は、パーフルオロスルホン酸ポリマーやナフィオン１１２等の固体高分子材料により形成された電解質膜１１と、この電解質膜１１を挟持するように配設された、触媒層１２ａ，ガス拡散層１３ａ，及びセパレータ１４ａから成るアノード（水素極）１５と、触媒層１２ｂ，ガス拡散層１３ｂ，及びセパレータ１４ｂから成るカソード（酸素極）１６とを備える。

また、上記触媒層１２ａ，１２ｂ及びガス拡散層（ＧＤＬ）１３ａ，１３ｂはそれぞれ、カーボン担持白金触媒とナフィオン、及びカーボンペーパーにより形成されている。また、上記セパレータ１４ａ，１４ｂにはそれぞれ、ガス拡散層１３ａに水素を供給するための水素ガス流路１７ａ、及びガス拡散層１３ｂに空気を供給するための空気ガス流路１７ｂが形成されている。

そして、このような構成を有する燃料電池セル１では、水素ガス流路１７ａを介してアノード１５側に水素が供給されると、アノード１５において以下の反応式に示す触媒層１２ａの白金による触媒反応が生じる。

そして、上記の触媒反応によって生じたプロトン（Ｈ^＋）は、アノード１５からカソード１６側に向かって移動する。カソード１５側に移動したプロトンは、空気ガス流路１７ｂを介してカソード１６に供給された空気（Ｏ_２）と以下の反応式に示す触媒層１２ｂの白金による触媒反応を起こし、水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。これにより、燃料電池セル７は起電力を生じる。

〔バイパス電源回路の構成〕
次に、図３を参照して、上記バイパス電源回路８の構成について説明する。

上記バイパス電源回路８は、図３に示すように、上記燃料電池セル７のアノード１５とカソード１６に接続され、バイパス電源回路８を流れる電流を計測する電流計２１と、接続されている燃料電池セル７のセル電圧を制御する外部電源２２及び可変抵抗素子２３，燃料電池セル７に対するバイパス電源回路８の接続／非接続を切り換えるスイッチ素子２４とを備える。また、この実施形態では、バイパス電源回路８は、燃料電池セル７のセル電圧が０．３［Ｖ］以上になるのに応じて電流を流さない、図４に示すような電流−電圧特性を有するように、コントロールユニット１０によって可変抵抗素子２３の抵抗値が制御される構成となっている。

〔燃料電池システムの動作〕
このような構成を有する燃料電池システムでは、氷点以下での温度からの起動時、コントロールユニット１０が以下に示す制御処理を実行することにより、電圧が低下した燃料電池セル７に電流が流れることによって燃料電池スタック３の性能が低下することを防止する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、この制御処理を実行する際のコントロールユニット１０の動作について説明する。

図５に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、この制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、コントロールユニット１０が、電圧計９の計測値を参照して、バイパス電源回路８が接続されている燃料電池セル７のセル電圧が所定電圧以上であるか否かを判別する。そして、燃料電池セル７のセル電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、コントロールユニット１０は、燃料電池セル７の性能が低下していると判断して、この制御処理をステップＳ１の処理からステップＳ２の処理に進める。

ステップＳ２の処理では、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８内のスイッチ素子２４をオン状態に制御することにより、燃料電池セル７に流れる直流電流の一部がバイパス電源回路８を経由して流れるようにする。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２の処理からステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、コントロールユニット１０が、セル電圧が所定電圧になるように、外部電源２２と可変抵抗素子２３を調整する。具体的には、この実施形態では、外部電源２２（電圧Ｖ０）と可変抵抗素子２３（抵抗Ｒ）は、図３に示すように直列に接続されているので、バイパス電源回路８を流れる電流ｉは、外部電源２２の電圧，可変抵抗素子の抵抗値，及びセル電圧をそれぞれＶ０，Ｒ，Ｖで表すと、ｉ＝（Ｖ−Ｖ０）／Ｒと表現できる。そこで、コントロールユニット１０は、セル電圧Ｖが低下した際には、可変抵抗素子２３の抵抗値Ｒを下げることにより、バイパス電源回路８により多くの直流電流が流れるようにし、燃料電池セル７に流れる電流量を減らす。一般に、燃料電池セル７は、電流量が減るのに応じて電圧が上昇するので、このような処理によれば、燃料電池セル７のセル電圧を所定電圧に保持することができる。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３の処理からステップＳ４の処理に進む。

ステップ４の処理では、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８を流れる電流が所定電流以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、バイパス電源回路８を流れる電流が所定電流以下でない場合、コントロールユニット１０は、この制御処理をステップＳ４の処理からステップＳ３の処理に戻す。一方、バイパス電源回路８を流れる電流が所定電流以下である場合には、コントロールユニット１０は、燃料電池セル７の性能が回復したと判断し、この制御処理をステップＳ４の処理からステップＳ５の処理に進める。

ステップＳ５の処理では、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８内のスイッチング素子２４をオフ状態に制御することにより、燃料電池セル７に流れる直流電流の一部がバイパス電源回路８を経由して流れないようにする。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ５の処理から再びステップＳ１の処理に戻る。

一般に、氷点以下の温度からの起動時には、燃料電池セルは、発電直後は図６の曲線Ａに示すような電圧−電流特性を呈するが、時間が経過するのに従って、発電によって生じた凝結水が凍結し始めることによって、電流が５０［Ａ］の時のセル電圧が０．７［Ｖ］から０．３［Ｖ］まで低下し、曲線Ｂのような電圧−電流特性を呈するようになる。そして、通常、この状態のままではセル電圧はさらに低下する。

しかしながら、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムでは、上述のように、セル電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８のスイッチ素子２４をオン状態に制御することにより、電圧が低下した燃料電池スタック７に流れる直流電流の一部がバイパス電源回路８を経由して流れるようにする。より具体的には、この実施形態では、電圧が低下した燃料電池セルに５０［Ａ］の直流電流が流れていた場合、コントロールユニット１０は、図７に示すように、バイパス電源回路８に電流１０［Ａ］が分岐して流れるように制御する。

そして、このような制御処理によれば、図７に示すように、電圧が低下した燃料電池セル７ｂに流れる電流は５０［Ａ］から４０［Ａ］に低減されるので、燃料電池セル７ｂのセル電圧は０．３［Ｖ］に維持され、図６の曲線Ｃに示すような電圧−電流特性を呈するようになる。また、燃料電池セル７ｂのセル電圧が０．３［Ｖ］に維持されている間に燃料電池セル７ｂの温度は上昇し、セル内の氷が溶けて排出されるので、燃料電池セル７ｂの性能は回復し、燃料電池セル７ｂは再び図６の曲線Ａに示す電圧−電流特性を呈するようになる。

このように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、バイパス電源回路８が接続された燃料電池セル７のセル電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、コントロールユニット１０が、この燃料電池セル７に流れる直流電流の一部をバイパス電源回路８を経由して流すように制御する。そして、このような構成によれば、燃料電池セル７のセル電圧を所定電圧に維持することができるので、燃料電池セル７のセル電圧が所定電圧以下に低下することによって、燃料電池セル７が劣化することを防止できる。また、燃料電池セル７は発電を継続することになるので、燃料電池スタック全体としての発電能力の低下や急激な電圧変動を抑えることができる。さらに、燃料電池セル７に電流が流れ続けるので、氷点以下の温度からの起動時には、燃料電池スタック全体を加熱し、通常発電に移行するまでの時間を短縮することができる。

一般に、燃料電池スタックを氷点から起動した際には、図８に示すように、燃料電池スタック中央部付近の燃料電池セルでは、温度がすぐに上昇して氷点以上の温度になるのに対し、燃料電池スタック端部付近の燃料電池セル（以下、エンドセルと表記）では、温度がすぐに上昇しない。そして、このような温度分布状態では、発電により生成された凝縮水がエンドセル付近で氷結することによって、触媒層への燃料ガスの供給が妨げられ、燃料電池スタック全体の性能が低下しやすい。

そこで、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、以下に示すような構成及び動作により、発電により生成された凝縮水がエンドセルで氷結することによって、燃料電池スタック全体の性能が低下することを防止する。以下、図面を参照して、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成及び動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
始めに、図９を参照して、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムでは、バイパス電源回路８が燃料電池スタック３の一方及び他方のエンドセルに接続されている。また、図９に示すように、中央部付近の燃料電池スタック３は、プレート３１（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ），３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ），３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）により２つの燃料電池スタックに分割され、さらに、この２つの燃料電池スタックはそれぞれ、燃料電池スタック３４ａ，３４ｂ及び燃料電池スタック３４ｃ，３４ｄに面分割されている。また、燃料電池スタック３４ａを挟持するプレート３１ａ，３２ａと燃料電池スタック３４ｂを挟持するプレート３１ｂ，３２ｂ、及び燃料電池スタック３４ｃを挟持するプレート３２ａ，３３ａと燃料電池スタック３４ｄを挟持するプレート３２ｃ，３３ｂは、スイッチ素子ＳＷ１によって接続されるように構成されている。

また、上記プレート３１ｂ，３２ｂはそれぞれ、スイッチ素子ＳＷ２のオン／オフを切り換えることにより、燃料電池スタック３の一方のエンドセルを挟持するエンドプレート２及びプレート３５ａに接続され、燃料電池スタック３４ｂを一方のエンドセルに接続されたバイパス電源回路８の電源として利用できるように構成されている。また同様に、上記プレート３３ｂ，３２ｃはそれぞれ、スイッチ素子ＳＷ２のオン／オフを切り換えることにより、燃料電池スタック３の他方のエンドセルを挟持するエンドプレート２及びプレート３５ｂに接続され、燃料電池スタック３４ｄを他方のエンドセルに接続されたバイパス電源回路８の電源として利用できるように構成されている。なお、燃料電池スタック３４ｂ，３４ｄを構成する燃料電池セルの数は、バイパス電源回路８を接続するエンドセルの数よりも少ないことが望ましい。

さらに、プレート３１ｂとプレート３１ｃ間，プレート３２ｂとプレート３２ｃ間，及びプレート３３ｂとプレート３３ｃ間にはそれぞれ、テフロン（登録商標）等の絶縁材３６ａ，３６ｂ，３６ｃが挿入され、燃料電池スタック３４ｂ及び燃料電池スタック３４ｄに隣接する燃料電池セルからの直流電流が燃料電池スタック３４ｂ及び燃料電池スタック３４ｄに流れこまないように構成されている。

なお、この実施形態では、中央部付近の燃料電池スタックを同じ割合で面分割してバイパス電源回路８の電源として利用する燃料電池スタックを構成しているが、バイパス電源回路の電源として用いる燃料電池スタックの面積の割合を小さくしてもよい。また、この実施形態では、中央部付近の燃料電池スタックを２つの領域に分割し、各領域を２つの燃料電池スタックに面分割することにより、面分割された燃料電池スタックの一方をバイパス電源回路８の電源として利用するが、中央部付近の燃料電池スタックを３つに面分割し、面分割された燃料電池スタックのうちの２つをバイパス電源回路８の電源として利用してもよい。また、バイパス電源回路８の電源として使用する燃料電池スタックの性能が低下した場合には、コントロールユニット１０は、外部電源を補助電源として使用するようにしてもよい。

さらに、この実施形態では、中央部付近の燃料電池セルは上下別々に積層しているが、図１０に示すように、２つに面分割されたカーボンプレート４１上にそれぞれ水素ガス流路４９及び空気ガス流路４７が形成されたアノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４３によって、カーボンプレート４１に対応する位置に触媒層５０及びガス拡散層５１が形成された電解質膜４４を有するシール材４５を挟持することにより燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルを積層するようにしてもよい。なお、図１０中、符号４６ａ，４６ｂはそれぞれ空気導入口及び空気排出口を示し、符号４８ａ，４８ｂはそれぞれ水素導入口及び水素排出口を示す。

〔燃料電池システムの動作〕
このような構成を有する燃料電池システムでは、氷点以下の温度からの起動時、コントロールユニット１０が以下に示す制御処理を実行することにより、発電により生成された凝縮水がエンドセル付近で氷結することによって、燃料電池スタック全体の性能が低下することを防止する。以下、図１１に示すフローチャートを参照して、制御処理を実行する際のコントロールユニット１０の動作について説明する。

図１１に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、この制御処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、コントロールユニット１０が、電圧計９の計測値を参照して、バイパス電源回路８が接続されたエンドセルのセル電圧が所定電圧以上であるか否かを判別する。そして、エンドセルのセル電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、コントロールユニット１０は、エンドセルの性能が低下していると判断し、この制御処理をステップＳ１１の処理からステップＳ１２の処理に進める。

ステップＳ１２の処理では、コントロールユニット１０が、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２をそれぞれオフ状態及びオン状態に制御することにより、燃料電池スタック３４ａ及び燃料電池スタック３４ｄをエンドセルに接続されたバイパス電源回路８の電源として使用し、エンドセルに流れる直流電流の一部がバイパス電源回路８を経由して流れるように制御する。

なお、一般に、エンドセルの電圧とバイパス電源回路８の電源として使用される燃料電池スタックの電圧は同じなるが、両者に流れる電流の割合はそれぞれの電池性能、セル数、面積によって決定される。従って、電圧が低下することによってエンドセルの性能が低下した場合には、バイパス電源回路８に流れる電流の割合は相対的に増加する。これにより、このステップＳ１２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１２の処理からステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３の処理では、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８に流れる電流が所定電流以下になったか否かを判別する。そして、バイパス電源回路８に流れる電流が所定電流以下になるのに応じて、コントロールユニット１０は、エンドセルの性能が回復しと判断し、この制御処理をステップＳ１３の処理からステップＳ１４の処理に進める。

ステップＳ１４の処理では、コントロールユニット１０が、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２をそれぞれオン状態及びオフ状態に制御することにより、燃料電池スタック３４ａ及び燃料電池スタック３４ｄをそれぞれ、燃料電池スタック３４ｂ及び燃料電池スタック３４ｃと接続し、燃料電池スタック３４ａ及び燃料電池スタック３４ｄを負荷４に電力を供給するための電源として使用する。これにより、このステップＳ１４の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１４の処理から再びステップＳ１１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントロールユニット１０は、燃料電池スタック３の一部をバイパス電源回路８の電源として使用するので、外部電源に依存することなく発電を行うことができる。

また、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、バイパス電源回路８は、エンドセルに接続され、中央部付近の燃料電池スタックを二つ以上に面分割させて独立させたものを電源と使用するので、氷点以下の温度から起動する場合やフラッディング現象が生じている場合であっても、燃料電池システムを確実に起動することができる。

次に、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成及び動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
始めに、図１２を参照して、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムは、図１２に示すように、第２の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、電圧計９ａ，９ｂによって計測されたエンドセルの電圧値に応じて、燃料電池スタック３内で生成された直流電流をエンドセルを経由しないで負荷４に流すように制御するスイッチ素子ＳＷ３を備える。

〔燃料電池システムの動作〕
このような構成を有する燃料電池システムでは、氷点以下の温度からの起動時、コントロールユニット１０が以下に示す制御処理を実行することにより、エンドセルの性能が低下したと際にエンドセルに電流が流れることによって、電力が無駄に消費されることを防止する。以下、図１３に示すフローチャートを参照して、この制御処理を実行する際のコントロールユニット１０の動作について説明する。

図１３に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、この制御処理はステップＳ２１の処理に進む。

ステップＳ２１の処理では、コントロールユニット１０が、電圧計９の計測値を参照して、エンドセルのセル電圧が所定電圧以上であるか否かを判別する。そして、エンドセルのセル電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、コントロールユニット１０は、エンドセルの性能が低下したと判断して、この制御処理をステップＳ２１の処理からステップＳ２２の処理に進める。

ステップＳ２２の処理では、コントロールユニット１０が、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２をそれぞれオフ状態及びオン状態に制御することにより、燃料電池スタック３４ａ及び燃料電池スタック３４ｄをエンドセルに接続されたバイパス電源回路８の電源として使用し、エンドセルに流れる直流電流の一部がバイパス電源回路８を経由して流れるように制御する。これにより、このステップＳ２２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２２の処理からステップＳ２３の処理に進む。

ステップＳ２３の処理では、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８に流れる電流が第１の所定電流以上であるか否かを判別する。そして、バイパス電源回路８に流れる電流が第１の所定電流以上である場合、コントロールユニット１０は、この制御処理をステップＳ２３の処理からステップＳ２６の処理に進める。一方、バイパス電源回路８を流れる電流が第１の所定電流以上でない場合には、コントロールユニット１０は、この制御処理をステップＳ２３の処理からステップＳ２４の処理に進める。

ステップＳ２４の処理では、コントロールユニット１０が、バイパス電源回路８に流れる電流が第２の所定電流以下であるか否かを判別する。そして、バイパス電源回路８に流れる電流が第２の所定電流以下でない場合、コントロールユニット１０は、この制御処理をステップＳ２４の処理からステップＳ２３の処理に戻す。一方、バイパス電源回路８を流れる電流が第２の所定電流以下である場合には、コントロールユニット１０は、この制御処理をステップＳ２４の処理からステップＳ２５の処理に進める。

ステップＳ２５の処理では、コントロールユニット１０が、スイッチ素子ＳＷ１及びスイッチ素子ＳＷ２をそれぞれオン状態及びオフ状態に制御することにより、燃料電池スタック３４ａ及び燃料電池スタック３４ｄをそれぞれ燃料電池スタック３４ｂ及び燃料電池スタック３４ｃと接続し、燃料電池スタック３４ａ及び燃料電池スタック３４ｄを負荷４に電力を供給するための電源として使用する。これにより、このステップＳ２５の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２５の処理からステップＳ２１の処理に戻る。

ステップＳ２６の処理では、コントロールユニット１０が、エンドセルの性能が低下していると判断し、スイッチ素子ＳＷ３を制御することにより直流電流をエンドセルを経由しないで負荷４に流すように制御する。これにより、このステップＳ２６の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２６の処理からステップＳ２７の処理に進む。

ステップＳ２７の処理では、コントロールユニット１０が、エンドセルの電圧（開放端）が所定電圧以上であるか否かを判別する。そして、エンドセルの電圧が所定電圧以上になるのに応じて、コントロールユニット１０は、この制御処理をステップＳ２７の処理からステップＳ２８の処理に進める。

ステップＳ２８の処理では、コントロールユニット１０が、エンドセルの性能が回復したと判断し、スイッチ素子ＳＷ３を制御することにより直流電流をエンドセルを経由して負荷４に流すように制御する。これにより、このステップＳ２８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２８の処理から再びステップＳ２３の処理に戻る。

なお、この実施形態では、コントロールユニット１０は、エンドセルの電圧が所定電圧以上になるのに応じて、エンドセルの性能が回復したと判断して、エンドセルに直流電流が流れるように制御したが、エンドセルの温度を測定し、エンドセルの温度が氷点以上の所定温度になるのに応じて、エンドセルに直流電流を流すようにしてもよい。また、コントロールユニット１０は、エンドセルに流す燃料ガスの圧損や電解質膜の抵抗に基づいて、エンドセルの性能が回復したか否かを判断してもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムによれば、エンドセルの電圧が低下し、エンドセルの性能が低下したと判断した場合、コントロールユニット１０が、スイッチ素子ＳＷ３を切り換えることにより、エンドセルに電流を流さないように制御するので、エンドセルに電流が流れて、電力が無駄に消費されることを防止できる。

また、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムによれば、エンドセルの電圧又は温度が、所定電圧又は所定温度以上になるのに応じて、コントロールユニット１０が、スイッチ素子ＳＷ３を切り換えることにより、エンドセルに再び電流を流すように制御するので、エンドセルの温度が上昇し、エンドセルの触媒層に存在する氷が溶けることにより、エンドセルの性能を回復させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示す燃料電池セルの構成を示す図である。 図１に示すバイパス電源回路の構成を示す図である。 図１に示すバイパス電源回路の電流−電圧特性を示す図である。 氷点以下の温度から起動する際の図１に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャート図である。 時間経過に応じて燃料電池セルの電圧−電流特性が変化する様子を示す図である。 燃料電池セルの電圧が低下した際のバイパス電源回路の動作を説明するための図である。 氷点から起動した際に燃料電池スタックの温度分布が時間経過と共に変化する様子を示す図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す図である。 図９に示す燃料電池セルの応用例を示す図である。 氷点以下の温度から起動する際の図９に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャート図である。 本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す図である。 氷点以下の温度から起動する際の図１２に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：エンドプレート
３：燃料電池スタック
７：燃料電池セル
８：バイパス電源回路
９：電圧計
２１：電流計
２２：外部電源
２３：可変抵抗素子
２４，ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３：スイッチ素子

Claims (7)

1. 燃料ガスを利用した電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   所定の燃料電池セル間の電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、所定の燃料電池セル間を流れる電流の少なくとも一部を、所定の燃料電池セルに対し並列に挿入された電流路に分岐させること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスを利用した電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   所定の燃料電池セル間に並列に挿入された、電源を有するバイパス電源回路と、
   前記所定の燃料電池セル間の電圧が所定電圧まで低下するのに応じて、所定の燃料電池セル間を流れる電流の少なくとも一部が前記バイパス電源回路に分岐して流れるように前記電源を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記電源は、外部電源により構成されてい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。
4. 前記電源は、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの一部により構成されていることを請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定の燃料電池セルは、前記燃料電池スタック両端部の燃料電池セルであり、前記電源は、燃料電池スタックの中央部の燃料電池セルを少なくとも二つに面分割して独立させた燃料電池スタックであ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。
6. 前記制御手段は、前記バイパス電源回路に流れる電流が所定電流以上になるのに応じて、前記所定の燃料電池セル間に電流を流さないように制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記所定の燃料電池セル間の電圧及び／又は温度が所定電圧及び／又は所定温度以上になるのに応じて、前記所定の燃料電池セル間に再び電流を流すように制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

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