JP2007048487A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 セルの加湿状態を適切に把握することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム（１００）は、ＭＥＡ（９）を有するセル（８）を備えた燃料電池（４０）と、セル（８）のプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量を測定するサイクリックボルタンメトリ測定手段（５０）と、サイクリックボルタンメトリ測定手段（５０）により測定されたプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量に基づいてＭＥＡ（９）に残留する水分量を検出する第１の検出手段（６０）とを備えることを特徴とする。この場合、ＭＥＡ（９）に残留する水分量を正確に測定することができる。それにより、セル（８）の加湿状態を適切に把握することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギ効率が実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。この燃料電池においては、水素および酸素の発電反応により水が生成される。

例えば、固体高分子型燃料電池では、水分不足によるセルの抵抗増加により出力不足が発生するおそれがある。そこで、燃料電池の水素および酸素の供給マニホールド部分に生成水を蓄え、発電の開始の際に生成水を電気で加熱することによって高温の水蒸気を発生させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、セルの高分子電解質膜を加湿することができる。それにより、出力不足を防止することができる。

特開平８−１９５２１２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、セルを加湿することはできても過剰な水分を除去することはできない。したがって、水分過多による出力低下を防止することができない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、セルの加湿状態を適切に把握することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、ＭＥＡを有するセルを備えた燃料電池と、セルのプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量を測定するサイクリックボルタンメトリ測定手段と、サイクリックボルタンメトリ測定手段により測定されたプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量に基づいてＭＥＡに残留する水分量を検出する第１の検出手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、サイクリックボルタンメトリ測定手段によりセルのプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量が測定され、その測定結果に基づいて、第１の検出手段によりＭＥＡに残留する水分量が検出される。この場合、ＭＥＡに残留する水分量を正確に測定することができる。それにより、本発明に係る燃料電池システムは、セルの加湿状態を適切に把握することができる。

プロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量が小さいほど、ＭＥＡに残留する水分量が少ないと判定する判定手段をさらに備えていてもよい。また、燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、燃料電池を加熱する加熱手段と、ＭＥＡに残留する水分量および燃料電池の温度に基づいて、加熱手段を用いて燃料電池の温度を制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。この場合、燃料電池の温度が温度測定手段により測定され、測定された温度とＭＥＡに残留する水分量とに基づいて加熱手段が制御手段により制御される。それにより、加熱手段による無駄なエネルギ消費を抑制することができる。

制御手段は、温度測定手段による測定温度が所定の温度以下である場合に加熱手段を作動させてもよい。また、制御手段は、ＭＥＡに残留する水分量が少ないほど、加熱量が小さくなるように加熱手段を制御してもよい。この場合、加熱手段による無駄なエネルギ消費を抑制することができる。

燃料電池は、セルが複数積層された構造を有し、加熱手段は、複数のセルのそれぞれに設けられ、制御手段は、複数のセルのそれぞれのＭＥＡに残留する水分量に基づいて加熱手段を制御してもよい。この場合、各セルごとの水分量に応じて加熱手段が制御手段により制御される。それにより、加熱手段による無駄なエネルギ消費を抑制しつつ燃料電池の温度を適切に制御することができる。

燃料電池は、起動前に、アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに不活性ガスが供給された燃料電池であってもよい。この場合、セルのプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量をより正確に測定することができる。それにより、ＭＥＡに残留する水分量をより正確に測定することができる。

燃料電池の開回路電圧を測定する電圧測定手段と、カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスによって不活性ガスの少なくとも一部が置換された場合の燃料電池の開回路電圧立ち上がり時間に基づいて、ＭＥＡの拡散層に残留する水分量を検出する第２の検出手段とをさらに備えていてもよい。この場合、酸素含有ガス供給手段によりカソードに酸素含有ガスが供給され、燃料電池の開回路電圧が電圧測定手段により測定され、開回路電圧立ち上がり時間に基づいて拡散層に残留する水分量が第２の検出手段により検出される。それにより、セル内において残留水が偏在していても正確に残留水量を測定することができる。

判定手段は、開回路電圧立ち上がり時間が小さいほど、拡散層に残留する水分量が少ないと判定してもよい。また、制御手段は、ＭＥＡに残留する水分量および拡散層に残留する水分量のいずれか一方または両方に基づいて、加熱手段を制御してもよい。この場合、セル内において残留水が偏在していても、残留水を確実に加熱することができる。

本発明によれば、セルの加湿状態を適切に把握することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００について説明するための図である。図１（ａ）は燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図であり、図１（ｂ）は燃料電池４０の概略断面図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、水素供給部１０、エア供給部２０、窒素供給部３０、燃料電池４０、ポテンショスタット５０および制御部６０を備える。

水素供給部１０は、制御部６０の指示に従って、燃料電池４０のアノードに水素含有ガスを供給する。水素供給部１０としては、液体水素タンク、圧縮水素タンク、改質器等を用いることができる。エア供給部２０は、制御部６０の指示に従って、エアを燃料電池４０のカソードに供給する。エア供給部２０としては、エアポンプ等を用いることができる。窒素供給部３０は、制御部６０の指示に従って、窒素ガスを燃料電池４０のカソードに供給する。窒素供給部３０としては、窒素ボンベ等を用いることができる。

本実施例においては、燃料電池４０として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた。図１（ｂ）に示すように、燃料電池４０はセル８を備える。セル８は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）９の一面側にセパレータ４が形成され、ＭＥＡ９の他面側にセパレータ５が形成された構造を有する。ＭＥＡ９は、プロトン透過性を有する電解質１の一面側にアノード２が形成され、電解質１の他面側にカソード３が形成された構造を有する。

アノード２は、電解質１側に触媒層２ａが形成され、セパレータ４側に拡散層２ｂが形成された構造を有する。カソード３は、電解質１側に触媒層３ａが形成され、セパレータ５側に拡散層３ｂが形成された構造を有する。図１（ｂ）においては説明を簡単化するためにセル８が１つ示されているが、実際の燃料電池４０は、複数のセル８が積層された構造を有していてもよい。

拡散層２ｂ，３ｂの内部には、複数の電気式ヒータ６が埋め込まれている。また、拡散層３ｂには、温度センサ７が設けられている。電気式ヒータ６は、制御部６０の指示に従って、拡散層２ｂ，３ｂを加熱する。温度センサ７は、拡散層３ｂの温度を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。なお、温度センサ７は、拡散層２ｂに設けられていてもよく、拡散層２ｂ，３ｂの両方に設けられていてもよい。また、温度センサ７は、燃料電池４０の温度を検出することができれば、設けられる場所は限定されない。例えば、温度センサ７は、セパレータ４，５に設けられていてもよい。

ポテンショスタット５０は、燃料電池４０の各セル８に電圧を印加し、各セル８に流れる電流を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。制御部６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、温度センサ７、ポテンショスタット５０の検出結果に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。詳細は後述する。

続いて、燃料電池システム１００の低温起動時における動作について説明する。ここでいう低温とは、０℃以下の温度であり、本実施例では例えば−２０℃程度のことをいう。まず、制御部６０は、燃料電池４０のカソード３にパージガスとして機能する窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する。それにより、カソード３に残留する酸素がパージされる。

次に、制御部６０は、燃料電池４０のアノード２に水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０を制御する。水素含有ガスおよび窒素ガスの流量は、例えば、１００ｓｃｃｍである。次いで、制御部６０は、ポテンショスタット５０を制御して燃料電池４０の各セル８に電圧を印加する。この場合、ポテンショスタット５０は、アノード２に印加する電圧に対して相対的にプラスの電圧をカソード３に印加する。相対的にプラスの電圧は、例えば、０．０５Ｖ〜１．０Ｖ程度である。

図２は、ポテンショスタット５０によって各セル８に電圧が印加された場合の各セル８におけるプロトンの動作について説明するための図である。図２に示すように、アノード２においては、下記式（１）に示す水素のプロトン化反応と下記式（２）に示すプロトンの水素化反応とが平衡する。一方、カソード３においては、下記式（３）に示すカソード３へのプロトンの吸着反応と下記式（４）に示すカソード３からのプロトンの離脱反応とが平衡する。この場合、セル８を流れる電流を時間積算することによって、カソード３へのプロトンの吸着量を測定することができる。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ （１）
２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２ （２）
Ｐｔ ＋ Ｈ^＋ ＋ ｅ⁻ → Ｐｔ−Ｈ （３）
Ｐｔ−Ｈ → Ｐｔ ＋ Ｈ^＋ ＋ ｅ⁻ （４）

プロトンの動きやすさは、ＭＥＡ９に残留する水の量に応じて変化する。ＭＥＡ９に残留する水の量が多い場合、プロトンはＭＥＡ９を移動しやすく、カソード３におけるプロトン吸着量は増加する。一方、ＭＥＡ９に残留する水の量が少ない場合、プロトンはＭＥＡ９を移動しにくくなり、カソード３におけるプロトン吸着量は減少する。このカソード３におけるプロトン吸着量を利用してＭＥＡ９の残留水量を評価することができる。

また、各セル８に印加する電圧を増大させると、下記式（５）に示すカソード３における酸化被膜生成反応と上記式（２）に示すプロトンの水素化反応とが平衡する。セル８を流れる電流を時間積算することによって、カソード３における酸化被膜生成電気量を測定することができる。このカソード３における酸化被膜生成電気量を利用してＭＥＡ９の残留水量を測定することもできる。以下に、ポテンショスタット５０を用いたＭＥＡ９の残留水量の評価について説明する。
Ｐｔ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｐｔ−ＯＨ ＋ Ｈ^＋ ＋ ｅ⁻ （５）

図３は、ポテンショスタット５０によって検出されたサイクリックボルタンメトリを示すグラフである。図３の横軸はセル８に印加した電圧値を示し、図３の横軸はセル８を流れる電流値を示す。サイクリックボルタンメトリ法に従って、ポテンショスタット５０は、例えば、セル８に印加する電圧を０．０５Ｖから１．０Ｖまで５０ｍＶ／ｓｅｃの割合で増加させ、その後、１．０Ｖから０．０５Ｖまで５０ｍＶ／ｓｅｃの割合で減少させる。

図３に示すように、セル８を流れる電流は、セル８に印加される電圧が増大するとともに増大し、最大値Ｉ１を超えた後は徐々に減少し、極小値Ｉ２を超えた後は再度増大する。この極小値Ｉ２における電圧値以下の電圧範囲において極小値Ｉ２以上の電流値となる範囲の面積Ｓを求めることによって、プロトン脱離電気量が求まる。面積Ｓが大きいとＭＥＡ９における残留水量が多く、面積Ｓが小さいとＭＥＡ９における残留水量が少なくなる。また、極小値Ｉ２における電圧以上の電圧範囲において極小値Ｉ２以上の電流値となる範囲の面積Ｒを求めることによって、酸化被膜生成電気量を求めることができる。面積Ｒが大きいとＭＥＡにおける残留水量が多く、面積Ｒが小さいとＭＥＡにおける残留水量が少なくなる。

ここで、ＭＥＡ９内の残留水量を変化させた場合のプロトン脱離電気量および酸化被膜生成電気量の変化について説明する。図４は、ＭＥＡ９内の残留水量とプロトン脱離電気量および酸化被膜生成電気量との関係を示す図である。図４の縦軸はセル８に印加した電圧値を示し、図４の横軸はセル８を流れる電流値を示す。また、図４の太線は、ＭＥＡ９内の残留水率が７８％である場合の燃料電池システム１００（サンプル１）のサイクリックボルタンメトリを示し、図４の細線は、ＭＥＡ９内の残留水率が１００％である場合の燃料電池システム１００（サンプル２）のサイクリックボルタンメトリを示す。ここで、残留水率とは、十分に含水させた場合のＭＥＡ９の残留水に対する各サンプルのＭＥＡ９の残留水の比率のことをいう。

なお、図４のサイクリックボルタンメトリを測定する際において、０．１Ｍｐａの圧力下、セル８の温度は−２０℃であり、水素供給部１０によるアノード２への水素供給量および窒素供給部３０によるカソード３への窒素供給量は１００ｓｃｃｍであり、セル８に印加する電圧は０．０５Ｖ〜１．０Ｖであり、電圧変化率は５０ｍＶ／ｓｅｃである。

図４に示すように、サンプル２のプロトン脱離電気量を示す面積Ｓ２は、サンプル１のプロトン脱離電気量を示す面積Ｓ１に比較して大きくなっている。このように、残留水率が高ければ脱離電気量は大きくなる。また、サンプル２の酸化被膜生成電気量を示す面積Ｒ２は、サンプル１の酸化被膜生成電気量を示す面積Ｒ１に比較して大きくなっている。このように、残留水率が高ければ酸化被膜生成電気量は大きくなる。なお、水素含有ガスおよび窒素ガスの供給は、必ずしも継続している必要はない。例えば、アノード２およびカソード３にそれぞれ水素含有ガスおよび窒素ガスが充満した後に、水素含有ガスおよび窒素ガスの供給を停止させてもよい。

図５は、上記サンプル１，２に燃料ガスを供給した場合のセル発電電圧とセル電流密度との関係を示す図である。図５の縦軸はセル８の発電電圧を示し、図５の横軸はセル８の電流密度を示す。図５に示すように、サンプル２のセル電流密度は、サンプル１のセル電流密度に比較して小さくなっている。したがって、残留水率が高ければ電流密度が小さくなることがわかる。残留水率が高いと、ＭＥＡ９のカソード３側において閉塞が発生するからである。以上のことから、残留水率が高いと燃料電池４０の発電能力が低下することがわかる。

本実施例においては、制御部６０は、プロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量に基づいてＭＥＡ９の残留水量を測定することができる。したがって、本実施例に係る燃料電池システム１００は、各セル８の加湿状態を適切に把握することができる。

図１の制御部６０は、上述したサイクリックボルタンメトリ法に基づいて、ＭＥＡ９の残留水量が多いか少ないかを判断する。制御部６０は、例えば、ＭＥＡ９内の残留水率が９０％以上の場合に残留水量が多いと判断し、ＭＥＡ９内の残留水率が９０％未満の場合に残留水量が少ないと判断する。

制御部６０は、ＭＥＡ９における残留水量が多いと判断した場合には、燃料電池４０に負荷を与えずに、図１の電気式ヒータ６に通電することによって各セル８を加熱する。それにより、燃料電池４０を加熱することができるとともに、セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。なお、電気式ヒータ６に供給される電力は、図示しない蓄電池等によって供給される。セル８内の残留水が液化した後に、制御部６０は、窒素供給部３０を制御して窒素ガスの燃料電池４０への供給を停止させ、水素供給部１０およびエア供給部２０を制御することによって燃料電池４０にエアおよび水素含有ガスを供給する。それにより、燃料電池４０において発電が行われる。この場合、セル８の温度が十分に大きくなっていることから、発電により生じた水の凍結を防止することができる。

以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００は、燃料電池４０を効率よく起動させることができる。なお、セル８内の残留水の状態は、温度センサ７による検出結果に基づいて判断することができる。例えば、温度センサ７によって検出される燃料電池４０の温度が０℃以上になった場合に、制御部６０は、セル８内の残留水が液化したと判断することができる。

一方、制御部６０は、ＭＥＡ９における残留水量が少ないと判断した場合には、窒素ガスの燃料電池４０への供給が停止するように窒素供給部３０を制御し、燃料電池４０にエアおよび水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０およびエア供給部２０を制御する。この場合、ＭＥＡ９内の残留水量が少ないことから、燃料電池４０の発電反応に支障がない。また、セル８内において凍結している残留水は、燃料電池４０による発電反応により生じる熱によって液化する。その結果、電気式ヒータ６に通電することなく燃料電池４０を起動させることができる。以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００は、無駄な電力を消費することなく燃料電池４０を起動させることができる。

続いて、制御部６０が燃料電池システム１００を低温起動させる際のフローチャートの一例について説明する。図６は、制御部６０が燃料電池システム１００を起動させる際のフローチャートの一例を示す。図６に示すように、まず、制御部６０は、温度センサ７の検出温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定されなかった場合、アノード２に水素含有ガスを供給されるように水素供給部１０を制御するとともに、カソード３に窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する（ステップＳ１２）。次に、制御部６０は、所定期間待機する（ステップＳ１３）。それにより、カソード３を窒素で満たすことができる。

次いで、制御部６０は、各セル８のサイクリックボルタンメトリを測定するようにポテンショスタット５０を制御する（ステップＳ１４）。次いで、制御部６０は、プロトン脱離電気量に基づいて、各ＭＥＡ９の残留水率を計算する（ステップＳ１５）。次に、制御部６０は、各ＭＥＡ９の残留水率が９０％以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６において各ＭＥＡ９の残留水率が９０％以上であると判定された場合、制御部６０は、電気式ヒータ６に通電する（ステップＳ１７）。次に、制御部６０は、温度センサ７による検出温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定されなかった場合、制御部６０は、待機する。ステップＳ１８において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は、電気式ヒータ６への通電を停止する（ステップＳ１９）。

次に、制御部６０は、カソード３への窒素ガスの供給を停止するように窒素供給部３０を制御するとともに、カソード３へエアが供給されるようにエア供給部２０を制御する（ステップＳ２０）。それにより、燃料電池４０は起動する。その後、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。なお、ステップＳ１６において各ＭＥＡ９の残留水量が９０％以上であると判定されなかった場合、制御部６０は、ステップＳ２０の動作を行う。また、ステップＳ１１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。

以上のことから、燃料電池システム１００は、燃料電池４０を効率よく加熱することができるとともに、各セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。また、燃料電池システム１００は、無駄な電力を消費することなく燃料電池４０を起動させることができる。なお、上記フローチャートにおいてはプロトン脱離電気量に基づいて各セル８の残留水量が求められているが、酸化被膜生成電気量に基づいて各セル８の残留水量が求められていても良い。

また、本実施例においてはＭＥＡ９の残留水量の多少を判断するための残留水率は上記数値に限定されず、燃料電池４の構成等によって決定することができる。また、ＭＥＡ９の残留水量の多少を判断するための残留水率が複数設定されていてもよい。この場合、制御部６０は、残留水率が大きくなるにつれて、電気式ヒータ６に供給する電力を段階的に大きくする。それにより、残留水率に応じて電気式ヒータ６に供給される電力を調整することができる。その結果、無駄な電力消費を防止することができる。さらに、制御部６０は、ＭＥＡ９の残留水量に応じて電気式ヒータ６に供給する電力を連続的に制御してもよい。それにより、燃料電池４０を効率よく加熱することができるとともに、無駄な電力消費を防止することができる。

本実施例においては、ポテンショスタット５０がサイクリックボルタンメトリ測定手段に相当し、制御部６０が第１の検出手段、判定手段および制御手段に相当し、電気式ヒータ６が加熱手段に相当し、温度センサ７が温度測定手段に相当する。

続いて、第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。燃料電池システム１００ａの構成は、図１の燃料電池システム１００と同様である。したがって、燃料電池システム１００ａの図面は省略する。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、制御部６０による燃料電池１００ａの制御である。以下、制御部６０による制御について説明する。

まず、セル８の発電可能時間ｔについて説明する。ここで、発電可能時間ｔとは、セル８が発電を開始してから発電不能になるまでの時間のことをいう。図７は、セル８の発電可能時間ｔとＭＥＡ９の残留水率との関係を示すマップである。図７の縦軸は発電可能時間ｔを示し、図７の横軸はＭＥＡ９の残留水率を示す。図７に示すように、セル８の発電可能時間ｔはＭＥＡ９の残留水率が増加するにつれて低下する。これは、発電によって生成された水がカソード３において凍結することによって、エア中の酸素がカソード３に到達することができなくなるからである。制御部６０は、図７のマップに基づいてＭＥＡ９の残留水率からセル８の発電可能時間ｔを計算することができる。

次に、セル８の発電時における発熱率について説明する。図８は、所定の温度における低温起動時のセル８の発電電圧と発電電流との関係を示す特性図である。図８の縦軸はセル８の発電電圧を示し、図８の横軸はセル８の発電電流を示す。図８に示すように、発電電流が増加するにつれて発電電圧は低下する。

ここで、図８の点Ｐにおけるセル８の発熱率について考える。セル８が点Ｐの特性を示している場合、セル８は図８のＷに相当する電力を生成している。これに伴って、セル８は図８のＱに相当する発熱率で発熱を行っている。セル８によって生じる熱は、セル８自身の温度上昇に寄与する。その結果、セル８において凍結している残留水が液化する。なお、セル８の発熱率は、セル８が生成する電力の大きさに基づいて変化し、セル８が生成する電力が大きくなると大きくなる。

本実施例に係る制御部６０は、セル８の発熱量がセル８の熱容量以上になるように水素供給部１０、エア供給部２０および負荷電流を制御する。具体的には、制御部６０は、セル８の発熱率Ｑと発電可能時間ｔとの積がセル８の熱容量以上になるように水素供給部１０、エア供給部２０および負荷電流を制御する。また、制御部６０は、セル８の発熱だけで凍結水を液化させることができない場合には、不足する熱量を電気式ヒータ６によって補う。この場合、ＭＥＡ９の残留水率、セル８の熱容量、セル８の温度、電気式ヒータ６の出力等に基づいて、制御部６０は電気式ヒータ６を適切に制御することができる。

続いて、制御部６０が燃料電池システム１００ａを低温起動させる際のフローチャートの一例について説明する。図９は、制御部６０が燃料電池システム１００ａを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。図９に示すように、まず、制御部６０は、温度センサ７の検出温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。

ステップＳ２１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定されなかった場合、アノード２に水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０を制御するとともに、カソード３に窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する（ステップＳ２２）。次に、制御部６０は、所定期間待機する（ステップＳ２３）。それにより、カソード３に残留する酸素をパージすることができる。

次いで、制御部６０は、各セル８のサイクリックボルタンメトリを測定するようにポテンショスタット５０を制御する（ステップＳ２４）。次に、制御部６０は、プロトン脱離電気量に基づいて、各ＭＥＡ９の残留水率を計算する（ステップＳ２５）。次いで、制御部６０は、上記計算結果に基づいて発電セル８の発電可能時間ｔを計算する（ステップＳ２６）。この場合、制御部６０は、図７のマップに従って発電可能時間ｔを計算することができる。

次に、制御部６０は、セル８の発熱率Ｑと発電可能時間ｔとの積がセル８の熱容量以上になるように、水素供給部１０、エア供給部２０および窒素供給部３０を制御する（ステップＳ２７）。ステップＳ２７においては、制御部６０は、図８のマップに従う。その後、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。なお、ステップＳ２１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。

以上のフローチャートに従うことにより、燃料電池システム１００ａは、各セル８の加湿状態を適切に把握することができる。また、燃料電池システム１００ａは、セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。さらに、燃料電池システム１００ａは、無駄な電力を消費することなく燃料電池４０を起動させることができる。なお、上記フローチャートにおいてはプロトン脱離電気量に基づいて各セル８の残留水量が求められているが、酸化被膜生成電気量に基づいて各セル８の残留水量が求められていても良い。

また、図７の発電可能時間ｔおよび図８の特性図は、セル８の材質、構造、大きさ等の仕様により決定される。したがって、制御部６０は、セル８の仕様とセル８の残留水率とに基づいて、水素供給部１０、エア供給部２０および電気式ヒータ６を制御することができる。

本実施例においては、セル８および電気式ヒータ６が加熱手段に相当する。

図１０は、第３実施例に係る燃料電池システム１００ｂの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ｂが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、電圧計７０をさらに備える点である。電圧計７０は、燃料電池４０の各セル８の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。

続いて、燃料電池システム１００ｂの低温起動時における動作について説明する。まず、制御部６０は、上記第２実施例で説明したように、サイクリックボルタンメトリ法によりプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量を求めるとともに、セル８の発電可能時間ｔを求める。次に、制御部６０は、カソード３への窒素の供給が継続されるように窒素供給部３０を制御しつつ、カソード３にエアが供給されるようにエア供給部２０を制御する。それにより、燃料電池４０の発電が開始される。

具体的には、アノード２において水素含有ガス中の水素がプロトンに変換される。変換されたプロトンは、電解質１を透過してカソード３に到達する。カソード３においては、アノード２において発生したプロトンとカソード３に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。この場合の窒素ガスの流量は例えば１０ｃｃｍ／ｃｍ^２であり、エアの流量は例えば２ｃｃｍ／ｃｍ^２である。

燃料電池４０において発電が開始された場合、セル８の開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）は徐々に増加する。ＯＣＶ立ち上がり速度は、セル８に残留する水量に応じて異なり、主に、拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路に残留する水量に応じて異なる。拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水が多い場合には、ＯＣＶ立ち上がり時間は大きくなる。拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水がガス流路、細孔等を閉塞することによりエア中の酸素が拡散する時間が大きくなるからである。逆に、拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水が少ない場合には、ＯＣＶ立ち上がり時間は小さくなる。エア中の酸素が拡散しやすくなるからである。

ここで、セル８の発電電圧が０Ｖから所定の電圧値まで増大する速度のことをＯＣＶ立ち上がり変位と呼ぶ。このＯＣＶ立ち上がり変位からもセル８の発電可能時間ｔを求めることができる。図１１は、ＯＣＶ立ち上がり変位と発電可能時間ｔとの関係を示す図である。図１１の縦軸は発電可能時間ｔを示し、図１１の横軸はセル８のＯＣＶ立ち上がり変位を示す。図１１に示すように、セル８の発電可能時間ｔはＯＣＶ立ち上がり変位が増加するにつれて低下する。これは、セル８の発電によって生成された水がカソード３において凍結することによって、エア中の酸素がカソード３に到達することができなくなるからである。制御部６０は、図１１のマップに基づいてセル８のＯＣＶ立ち上がり変位からセル８の発電可能時間ｔを計算することができる。

ここで、図７のマップに基づいて求めた発電可能時間をｔ１とし、図１１のマップに基づいて求めた発電可能時間をｔ２とする。セル８において残留水が均一に分散している場合には、発電可能時間ｔ１と発電可能時間ｔ２とはほぼ等しい値になる。したがって、セル８の発電可能時間として発電可能時間ｔ１および発電可能時間ｔ２のいずれを採用してもよい。

しかしながら、セル８の残留水がセル８のいずれかの箇所に偏在する場合には、発電可能時間ｔ１と発電可能時間ｔ２との間に差が生じることになる。したがって、いずれか一方の値を発電可能時間として採用すると誤差が生じる可能性がある。本実施例に係る制御部６０は、発電可能時間ｔ１と発電可能時間ｔ２とを比較し、小さい方の値を発電可能時間ｔとして採用する。

その後、制御部６０は、セル８の発熱量がセル８の熱容量以上になるように水素供給部１０、エア供給部２０および負荷電流を制御する。具体的には、制御部６０は、セル８の発熱率Ｑと発電可能時間ｔとの積がセル８の熱容量以上になるように水素供給部１０、エア供給部２０および負荷電流を制御する。また、制御部６０は、セル８の発熱だけで凍結水を液化させることができない場合には、不足する熱量を電気式ヒータ６によって補う。

このように、本実施例においては発電可能時間ｔ１，ｔ２の両方のパラメータを用いてセル８の加熱を行うことから、セル８のいずれかの箇所に残留水が偏在している場合においても、確実にセル８の残留水を液化することができる。したがって、本実施例に係る燃料電池システム１００ｂは、効率よく燃料電池４０を起動させることができる。

続いて、制御部６０が燃料電池システム１００ｂを低温起動させる際のフローチャートの一例について説明する。図１２は、制御部６０が燃料電池システム１００ａを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。図１２に示すように、まず、制御部６０は、温度センサ７の検出温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。

ステップＳ３１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定されなかった場合、アノード２に水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０を制御するとともに、カソード３に窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する（ステップＳ３２）。次に、制御部６０は、所定期間待機する（ステップＳ３３）。それにより、カソード３に残留する酸素をパージすることができる。

次いで、制御部６０は、各セル８のサイクリックボルタンメトリを測定するようにポテンショスタット５０を制御する（ステップＳ３４）。次に、制御部６０は、プロトン脱離電気量に基づいて、各ＭＥＡ９の残留水率を計算する（ステップＳ３５）。次いで、制御部６０は、上記計算結果に基づいて発電セル８の発電可能時間ｔ１を計算する（ステップＳ３６）。この場合、制御部６０は、図７のマップに従って発電可能時間ｔ１を計算することができる。

次に、制御部６０は、カソード３にエアが供給されるようにエア供給部２０を制御する（ステップＳ３７）。次いで、制御部６０は、電圧計７０からの検出結果に基づいてＯＣＶ立ち上がり変位を計算する（ステップＳ３８）。次に、制御部６０は、上記計算結果に基づいて発電セル８の発電可能時間ｔ２を計算する（ステップＳ３９）。この場合、制御部６０は、図１１のマップに従って発電可能時間ｔ２を計算することができる。

次いで、制御部６０は、発電可能時間ｔ１が発電可能時間ｔ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４０）。ステップＳ４０において発電可能時間ｔ１が発電可能時間ｔ２よりも大きいと判定された場合、制御部６０は、セル８の発熱率Ｗと発電可能時間ｔ２との積がセル８の熱容量以上になるように、水素供給部１０、エア供給部２０および窒素供給部３０を制御する（ステップＳ４１）。ステップＳ４１においては、制御部６０は、図８のマップに従う。

ステップＳ４０において発電可能時間ｔ１が発電可能時間ｔ２よりも大きいと判定されなかった場合、制御部６０は、セル８の発熱率Ｗと発電可能時間ｔ１との積がセル８の熱容量以上になるように、水素供給部１０、エア供給部２０、窒素供給部３０および負荷電流を制御する（ステップＳ４２）。ステップＳ４２においては、制御部６０は、図８のマップに従う。

その後、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。なお、ステップＳ３１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。

以上のフローチャートに従うことにより、燃料電池システム１００ｂは、各セル８の加湿状態を適切に把握することができる。また、燃料電池システム１００ｂは、セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。さらに、燃料電池システム１００ｂは、無駄な電力を消費することなく燃料電池４０を起動させることができる。また、セル８のいずれかの箇所に残留水が偏在している場合においても、確実にセル８の残留水を液化することができる。なお、上記フローチャートにおいてはプロトン脱離電気量に基づいて各セル８の残留水量が求められているが、酸化被膜生成電気量に基づいて各セル８の残留水量が求められていても良い。

また、図１１の発電可能時間は、セル８の材質、構造、大きさ等の仕様により決定される。したがって、制御部６０は、セル８の仕様とセル８の残留水率とに基づいて、水素供給部１０、エア供給部２０および電気式ヒータ６を制御することができる。さらに、本実施例においては発電可能時間ｔ１および発電可能時間ｔ２のいずれか小さい方の値を採用しているが、両者の平均値をセル８の発電可能時間として採用することもできる。

また、セル８のＯＣＶ立ち上がり変位に基づいて、拡散層２ｂ，３ｂの残留水率を求めることもできる。この場合、拡散層２ｂ，３ｂの残留水率と第１実施例で求めたセル８の残留水率とに基づいて、電気式ヒータ６を制御する構成としてもよい。

本実施例においては、電圧計７０が電圧測定手段に相当し、エア供給部２０が酸素含有ガス供給手段に相当し、制御部６０が第２の検出手段に相当し、電気式ヒータ６およびセル８が加熱手段に相当する。

なお、上記各実施例においては燃料電池として固体高分子型燃料電池が用いられているが、アルカリ型燃料電池またはリン酸型燃料電池を用いることもできる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムについて説明するための図である。 ポテンショスタットによって各セルに電圧が印加された場合の各セルにおけるプロトンの動作について説明するための図である。 ポテンショスタットによって検出されたサイクリックボルタンメトリを示すグラフである。 電解質内の残留水量と脱離電気量との関係を示す図である。 上記サンプル１，２に燃料ガスを供給した場合のセル発電電圧とセル電流密度との関係を示す図である。 制御部が燃料電池システムを起動させる際のフローチャートの一例を示す。 セルの発電可能時間と電解質の残留水率との関係を示すマップである。 所定の温度における低温起動時のセルの発電電圧と発電電流との関係を示す特性図である。 制御部が燃料電池システムを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。 第３実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 ＯＣＶ立ち上がり変位と発電可能時間との関係を示す図である。 制御部が燃料電池システムを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

２ｂ，３ｂ 拡散層
６ 電気式ヒータ
７ 温度センサ
８ セル
１０ 水素供給部
２０ エア供給部
３０ 窒素供給部
４０ 燃料電池
５０ ポテンショスタット
６０ 制御部
７０ 電圧計
１００，１００ａ，１００ｂ 燃料電池システム

Claims (10)

1. ＭＥＡを有するセルを備えた燃料電池と、
   前記セルのプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量を測定するサイクリックボルタンメトリ測定手段と、
   前記サイクリックボルタンメトリ測定手段により測定されたプロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量に基づいて前記ＭＥＡに残留する水分量を検出する第１の検出手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記プロトン脱離電気量または酸化被膜生成電気量が小さいほど、前記ＭＥＡに残留する水分量が少ないと判定する判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、
   前記燃料電池を加熱する加熱手段と、
   前記ＭＥＡに残留する水分量および前記燃料電池の温度に基づいて、前記加熱手段を用いて前記燃料電池の温度を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記温度測定手段による測定温度が所定の温度以下である場合に前記加熱手段を作動させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記ＭＥＡに残留する水分量が少ないほど、加熱量が小さくなるように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池は、前記セルが複数積層された構造を有し、
   前記加熱手段は、前記複数のセルのそれぞれに設けられ、
   前記制御手段は、前記複数のセルのそれぞれの前記ＭＥＡに残留する水分量に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池は、起動前に、アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに不活性ガスが供給された燃料電池であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の開回路電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記カソードに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
   前記酸素含有ガス供給手段により供給される酸素含有ガスによって前記不活性ガスの少なくとも一部が置換された場合の前記燃料電池の開回路電圧立ち上がり時間に基づいて、前記ＭＥＡの拡散層に残留する水分量を検出する第２の検出手段とをさらに備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記判定手段は、前記開回路電圧立ち上がり時間が小さいほど、前記拡散層に残留する水分量が少ないと判定することを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記ＭＥＡに残留する水分量および前記拡散層に残留する水分量のいずれか一方または両方に基づいて、前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池システム。
    
    

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