JP2007128698A

JP2007128698A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007128698A
Application number: JP2005319192A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ijuin; 浩一伊集院
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2025-11-02
Also published as: JP4967311B2

Abstract

【課題】極低温始動時においても確実に動作温度まで昇温することが可能な燃料電池を提供すること。
【解決手段】アノード１４、電解質膜１２、及びカソード１６を含む単位セルを有し、アノード１４に水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソード１６に酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０の温度を取得する温度センサ７８，８０と、単位セルの面内の所定領域に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、を備え、ガス供給手段は、燃料電池１０の始動時の温度が第１の所定値以下の場合は、単位セルの面内の領域Ａのみに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開２００４−２２８０３８号公報には、低温起動時に複数のセルの一部にて発電を行い、その熱により他のセルを加熱して始動性を向上する技術が開示されている。

特開２００４−２２８０３８号公報特開２００３−２７２６７６号公報特開平５−９４８３１号公報特開２００４−２４７２８９号公報特開２００４−２４１２７３号公報

しかしながら、燃料電池の単位セルは面方向に拡がりを有しており、面内の温度分布は均一ではない。このため、低温始動時において、面内では生成水が凍結し易い領域と凍結し難い領域が存在する。上記従来の技術では、低温始動時における単位セルの面内での温度分布、凍結のし易さを考慮していないため、発電による反応熱を単位セルの面内の全域に伝達することが困難である。

このため、発電による生成水が一部の領域で凍結し、流路が閉塞してしまうという問題が生じる。そして、極低温時などの始動において、流路が閉塞した領域が拡大すると、燃料電池の運転がストールしてしまう虞がある。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、低温始動時においても確実に動作温度まで昇温することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノード、電解質膜、及びカソードを含む単位セルを有し、アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池の温度を推定又は取得する温度検知手段と、前記単位セルの面内の所定領域に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、を備え、前記ガス供給手段は、前記燃料電池の始動時の温度が第１の所定値以下の場合は、前記単位セルの面内の第１の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の出力を取得する出力取得手段を備え、前記ガス供給手段は、前記第１の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している際に、前記燃料電池の出力が所定値以下に低下した場合は、前記第１の領域への前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を停止し、前記単位セルの面内の第２の領域のみに前記燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記ガス供給手段は、前記第１の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している際に、前記燃料電池の出力が前記所定値以下に低下しなかった場合は、前記単位セルの面内の全ての領域に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記ガス供給手段は、前記第２の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している際に、前記第１の領域の温度が第２の所定値以上となった場合は、前記単位セルの面内の全ての領域に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記第２の領域が前記第１の領域よりも重力方向の下側に位置するように構成されたことを特徴とする。

第６の発明は、第２〜第５の発明のいずれかにおいて、前記ガス供給手段は、前記第１の領域と接続された第１の燃料ガスマニホールドと、前記第２の領域と接続された第２の燃料ガスマニホールドと、前記第１の領域のみに前記燃料ガスを供給する場合は、前記第１の燃料ガスマニホールドのみに前記燃料ガスを流し、前記第２の領域のみに前記燃料ガスを供給する場合は、前記第２の燃料ガスマニホールドのみに前記燃料ガスを流す燃料ガス供給制御手段と、を有することを特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、前記ガス供給手段は、前記第１の領域と接続された第１の酸化剤ガスマニホールドと、前記第２の領域と接続された第２の酸化剤ガスマニホールドと、前記第１の領域のみに前記酸化剤ガスを供給する場合は、前記第１の酸化剤ガスマニホールドのみに前記酸化剤ガスを流し、前記第２の領域のみに前記酸化剤ガスを供給する場合は、前記第２の酸化剤ガスマニホールドのみに前記酸化剤ガスを流す酸化剤ガス供給制御手段と、を有することを特徴とする。

第８の発明は、第７の発明において、前記第１及び第２の酸化剤ガスマニホールドのそれぞれは、酸化剤供給側マニホールドと、酸化剤排出側マニホールドとを含み、前記第１の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤供給側マニホールドと、前記第２の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤供給側マニホールドとが共通のマニホールドとして構成され、前記酸化剤ガス供給制御手段は、前記第１の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤排出側マニホールド及び前記第２の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤排出側マニホールドにおけるガスの流れを制御することで、前記第１の酸化剤ガスマニホールド又は前記第２の酸化剤ガスマニホールドのみに前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする。

第９の発明は、第８の発明において、前記アノードへ前記燃料ガスを供給する第１の流路、前記カソードへ前記酸化剤ガスを供給する第２の流路及び冷却媒体が流れる第３の流路が前記単位セルの面内で同一の所定方向に延在し、前記第１及び第２の燃料ガスマニホールドのそれぞれは、燃料ガス供給側マニホールドと、燃料ガス排出側マニホールドとを含み、前記第３の流路に冷却媒体を供給する冷却媒体マニホールドを備え、前記冷却媒体マニホールドは、冷却媒体供給側マニホールドと、冷却媒体排出側マニホールドとを含み、前記単位セルの面直方向の平面的な配置において、前記燃料ガス排出側マニホールド、前記酸化剤ガス供給側マニホールド及び前記冷却媒体供給側マニホールドは前記第１、第２及び第３の流路の一端において前記所定方向と直交する方向に延在する第１のマニホールド領域に配列され、前記燃料ガス供給側マニホールド、前記酸化剤ガス排出側マニホールド及び前記冷却媒体排出側マニホールドは前記第１、第２及び第３の流路の他端において前記所定方向と直交する方向に延在する第２のマニホールド領域に配列され、前記酸化剤ガス供給側マニホールドは前記第１のマニホールド領域の長手方向の略中央に配置され、前記酸化剤ガス排出側マニホールドは前記第２のマニホールド領域の長手方向の両端部に配置され、前記冷却媒体供給側マニホールドは前記第１のマニホールド領域の長手方向の両端部に配置され、前記冷却媒体排出側マニホールドは前記第２のマニホールド領域の長手方向の略中央に配置され、前記燃料ガス供給側マニホールドは前記第２のマニホールド領域において、隣接する前記冷却媒体排出側マニホールドと前記酸化剤ガス排出側マニホールドの間に配置され、前記燃料ガス排出側マニホールドは前記第１のマニホールド領域において、隣接する前記酸化剤ガス供給側マニホールドと前記冷却媒体供給側マニホールドの間に配置されたことを特徴とする。

第１の発明によれば、単位セルの面内の一部の領域のみで発電を行うことができるため、低温始動時に燃料電池を局所的に加熱することができ、生成水の凍結により燃料電池がストールしてしまうことを確実に回避することができる。

第２の発明によれば、第１の領域のみに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給している際に燃料電池の出力が所定値以下に低下した場合は、生成水の凍結により第１の領域で流路が閉塞していることが想定できるため、第２の領域での発電に切り換えることにより、燃料電池がストールしてしまうことを抑えることができる。また、第２の領域は、第１の領域の発電による反応熱で暖機されているため、第２の領域で発電を行った際に生成水の凍結を抑えることができる。

第３の発明によれば、第１の領域のみに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給している際に、燃料電池の出力が所定値以下に低下しなかった場合は、生成水の凍結による影響が小さいと判断できるため、単位セルの面内の全ての領域に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することで、燃料電池の全体を動作温度に到達させることができる。

第４の発明によれば、第２の領域のみに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給している際に、第１の領域の温度が第２の所定値以上となった場合は、第１の領域が所定レベルまで暖機されたと判断できるため、単位セルの面内の全ての領域に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することで、燃料電池の全体を動作温度に到達させることができる。

第５の発明によれば、燃料電池の運転終了後は内部に残留する水分が重力方向の下側に移動するため、低温始動時に、重力方向の上側に位置する第１の領域から発電を行うことで、生成水の凍結を最小限に抑えることができ、低温起動性を向上することが可能となる。また、重力方向の下側に位置する第２の領域では、低温始動時に既に凍結により閉塞していることが想定できるため、凍結による閉塞が生じていない第１の領域に燃料ガス、酸化剤ガスを供給することで、ガスを供給する補機の駆動力を軽減できる。

第６の発明によれば、第１及び第２の燃料ガスマニホールドから第１及び第２の領域のそれぞれに燃料ガスを供給することができる。従って、第１の燃料ガスマニホールドのみに燃料ガスを流すことで第１の領域のみに燃料ガスを供給することができ、第２の燃料ガスマニホールドのみに燃料ガスを流すことで第２の領域のみに燃料ガスを供給することができる。

第７の発明によれば、第１及び第２の酸化剤ガスマニホールドから第１及び第２の領域のそれぞれに酸化剤ガスを供給することができる。従って、第１の酸化剤ガスマニホールドのみに酸化剤ガスを流すことで第１の領域のみに酸化剤ガスを供給することができ、第２の酸化剤ガスマニホールドのみに燃料ガスを流すことで第２の領域のみに酸化剤ガスを供給することができる。

第８の発明によれば、第１の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤供給側マニホールドと、第２の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤供給側マニホールドとを共通のマニホールドとして構成したため、マニホールドのスペースを縮小することができるとともに、酸化剤供給側マニホールドに接続される配管、制御バルブ等の構成を簡素にすることができる。

第９の発明によれば、第１のマニホールド領域の中央から第２のマニホールド領域の両端に向けて酸化剤ガスを流すことができ、単位セルの面内に均等に酸化剤ガスを供給することができる。また、第２のマニホールド領域の中央から第１のマニホールド領域の両端に向けて冷却媒体を流すことができ、単位セルの面内に均等に冷却媒体を供給することができる。また、燃料ガス供給側マニホールドを第２のマニホールド領域の隣接する冷却媒体排出側マニホールドと酸化剤ガス排出側マニホールドの間に配置し、燃料ガス排出側マニホールドを第１のマニホールド領域の隣接する酸化剤ガス供給側マニホールドと冷却媒体供給側マニホールドの間に配置したため、燃料ガス供給側マニホールド及び燃料ガス排出側マニホールドが第１及び第２のマニホールド領域内で偏って配置されることがなく、単位セルの面内に均等に燃料ガスを供給することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１０を示す模式図であって、単位セルの積層方向に沿った断面を示している。図１に示すように、燃料電池１０は固体電解質膜１２の裏面側にアノード１４を配し、表面側にカソード１６を配したセル板１８と、セル板１８を挟むように配置されたプレート２０、およびプレート２２を有して構成されている。燃料電池１０の単位セルは、固体電解質膜１２、アノード１４、およびカソード１６から構成され、固体電解質膜１２の面方向に拡がる所定範囲に構成されている。

図１に示すように、プレート２０，２２は、プレス加工により断面形状が凹凸状に形成された金属板から成り、プレート２０とアノード１４の間には燃料ガス（水素ガス、アノードガス）の流路２４が設けられている。また、プレート２２とカソード１６の間には酸化剤ガス（酸素を含むガス、カソードガス）の流路２６が設けられている。更に、プレーム２０とプレート２２の間には、冷却水の流路２８が設けられている。このように、プレート２０，２２はメタルセパレータを構成しており、本実施形態の燃料電池１０は、プレート２０，２２の表裏面に燃料ガスの流路２４、または酸化剤ガスの流路２６と冷却水の流路２８が設けられた表裏一体構造を有している。

燃料電池１０のアノード１４では、燃料ガスが送り込まれると、この燃料ガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソード１６は、酸化剤ガスが送り込まれると、この酸化剤ガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１０内では電力が発生する。また、これと同時にカソード１６において、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１０内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、主としてカソードオフガス中に含まれて排出される。

燃料電池１０は、図１に示す構成を単位セルの積層方向に繰り返し配置することで構成されている。そして、図１に示すように、各流路２４，２６，２８のそれぞれは、単位セルの積層方向に沿った各階層において、独立した流路として構成されている。

図２は、燃料電池１０の平面構成を示す模式図であって、単位セルの積層方向（単位セルの面直方向）から燃料電池１０を見た状態を模式的に示している。各流路２４，２６，２８は単位セルの積層方向に沿って重なるように設けられているため、図２では各流路２４，２６，２８を破線で略式に示している。図２に示すように、各流路２４，２６，２８は燃料電池１０の一端から他端に向けて直線状に延在している。

このように本実施形態では、各流路２４，２６，２８がプレート２０，２２に対して表裏一体に設けられた構造の燃料電池１０において、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を同一方向に流しているため、単位セルの積層方向の厚さを低減することができ、燃料電池１０の小型化を達成することができる。

各流路２４，２６，２８の両端には、各流路２４，２６，２８のそれぞれと個別に接続される分配部（ディンプル）３０ａ，３０ｂ，３０ｃが単位セルの積層方向に重なるように設けられている。分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、各流路２４，２６，２８の両端部において、積層されたセル板１８及びプレート２０，２２の間に隙間を設けることで構成されている。分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの更に外側には、マニホールド領域３２が設けられている。

マニホールド領域３２には、燃料ガス供給側マニホールド３４、燃料ガス排出側マニホールド３６、冷却水供給側マニホールド３８、冷却水排出側マニホールド４０、酸化剤ガス供給側マニホールド４２、酸化剤ガス排出側マニホールド４４が設けられている。各マニホールド３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４は、積層されたセル板１８とプレート２０，２２の両端部において、セル板１８及びプレート２０，２２を貫通するように単位セルの積層方向に延在する流路として設けられている。

燃料ガスの流路２４の両端には燃料ガスの分配部３０ａが設けられており、図２の左側の分配部３０ａは、接続流路３５を介して燃料ガス供給側マニホールド３４と接続されている。また、図２の右側の分配部３０ａは、接続流路３７を介して燃料ガス排出側マニホールド３６と接続されている。

同様に、酸化剤ガスの流路２６の両端には、酸化剤ガスの分配部３０ｂが設けられており、図２の右側の分配部３０ｂは、接続流路４３を介して酸化剤ガス供給側マニホールド４２と接続されている。また、図２の左側の分配部３０ｂは、接続流路４５を介して酸化剤ガス排出側マニホールド４４と接続されている。

同様に、冷却水の流路２８の両端には冷却水の分配部３０ｃが設けられており、図２の右側の分配部３０ｃは、接続流路３９を介して冷却水供給側マニホールド３８と接続されている。また、図２の左側の分配部３０ｃは、接続流路４１を介して冷却液排出側マニホールド４０と接続されている。

図２において、酸化剤ガスは、図２の右側のマニホールド領域３２の酸化剤ガス供給側マニホールド４２（１箇所）から分配部３０ｂを経由して流路２６に入る。そして、反応が行われた後、流路２６内の酸化剤ガスは、図２の左側の分配部３０ｂから酸化剤ガス排出側マニホールド４４（２箇所）へ流れて排出される。ここで、１箇所に設けられた酸化剤ガス供給側マニホールド４２は図２の右側のマニホールド領域３２の中心部分に配置され、２箇所に設けられた酸化剤ガス排出側マニホールド４４は図２の左側のマニホールド領域３２の両端に配置されている。

また、冷却水は、図２の右側のマニホールド領域３２の冷却水供給側マニホールド３８（２箇所）から分配部３０ｃを経由して流路２８に入る。そして、流路２８内の冷却水は、図２の左側の分配部３０ｃから冷却水排出側マニホールド４０（１箇所）へ流れて排出される。ここで、２箇所に設けられた冷却水供給側マニホールド３８は図２の右側のマニホールド領域３２の両端に配置され、１箇所に設けられた冷却水排出側マニホールド４０は図２の左側のマニホールド領域３２の中心部分に配置されている。

また、燃料ガスは、図２の左側のマニホールド領域３２の燃料ガス供給側マニホールド３４（２箇所）から分配部３０ａを経由して流路２４に入る。そして、反応が行われた後、流路２４内の燃料ガスは、図２の右側の分配部３０ａから燃料ガス排出側マニホールド３６（２箇所）へ流れて排出される。

図２に示すように、左側のマニホールド領域３２に設けられた２つの燃料ガス供給側マニホールド３４のそれぞれには、燃料ガスの配管５４，５６が接続されている。各配管５４，５６は水素ボンベ５８に接続されている。また、各配管５４，５６には燃料ガスの流量を調整するための制御弁６０，６２が設けられている。

図２の右側のマニホールド領域３２に設けられた２つの燃料ガス排出側マニホールド３６のそれぞれには、配管６４，６６が接続されている。燃料ガス排出側マニホールド３６に排出された反応後の燃料ガスは、これらの配管６４，６６から排出される。

右側のマニホールド領域３２に設けられた酸化剤ガス供給側マニホールド４２には、酸化剤ガスの配管６８が接続されている。配管６８にはエアポンプが接続されており、エアポンプから供給された酸化剤ガスは、配管６８を経由して酸化剤ガス供給側マニホールド４２へ送られる。

また、左側のマニホールド領域３２に設けられた２つの酸化剤ガス排出側マニホールド４４には、それぞれ配管７０，７２が接続されている。各配管７０，７２には、流量を調整するための制御弁７４，７６が設けられている。酸化剤ガス排出側マニホールド４４に排出された反応後の酸化剤ガスは、これらの配管７０，７２から排出される。

燃料電池１０には、温度センサ７８及び温度センサ８０が設けられている。温度センサ７８は、図２に示す領域Ａにおける燃料電池１０の温度を検出する。また、温度センサ８０は、図２に示す領域Ｂにおける燃料電池１０の温度を検出する。なお、外気温センサの検出値から燃料電池１０の温度を推定しても良い。

燃料電池１０は制御装置（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）、図１及び図２において不図示）によって制御される。制御装置には、温度センサ７８，８０などシステムが備える各種センサ、および燃料電池１０の出力を検出するセンサの出力が供給されている。また、制御装置には制御弁６０，６２，７４，７６が接続されている。このような構成によれば、各センサの出力に基づいて燃料ガス、酸化剤ガスの流量を制御することができ、燃料電池１０を所望の運転状態で運転することができる。

図２に示すように、右側のマニホールド領域３２には仕切り板５０が設けられている。また、左側のマニホールド領域３２には仕切り板５２が設けられている。仕切り板５０は、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃを横断するように設けられており、流路２４，２６，２８の端部から酸化剤ガス供給側マニホールド４２に達する範囲に設けられている。

仕切り板５０は、酸化剤ガス供給側マニホールド４２の長手方向、すなわち単位セルの積層方向に沿って、各層内に設けられている。このため、図２の右側に積層されている分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、仕切り板５０によってその中央部分で分断されている。

仕切り板５２は、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃを横断するように設けられており、流路２４，２６，２８の端部から冷却水排出側マニホールド４０に達する範囲に設けられている。仕切り板５２も単位セルの積層方向に沿って各層内に設けられている。このため、図２の左側に積層されている分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、仕切り板５２によってその中央部分で分断されている。

従って、仕切り板５０，５２によれば、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃ内における燃料ガス、酸化剤ガス、冷却液の流れを分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃの中央部分で遮断することができる。なお、仕切り板５０，５２は、各層毎にアクリル板等を挿入することで構成しても良いし、プレート２０，２２と一体のリブ等から構成しても良い。

そして、このような構成によれば、制御弁６０，６２，７４，７６の開閉状態を制御することで、図２に示す領域Ａ、領域Ｂの一方のみに燃料ガス、および酸化剤ガスを流すことができ、領域Ａ、領域Ｂの一方のみで発電を行うことが可能となる。ここで、領域Ａ、領域Ｂは、仕切り板５０，５２を結ぶ直線であって流路２４，２６，２８と直交する方向に燃料電池１０を２等分する中心線Ｃの位置で燃料電池１０を分割して得られる２つの領域である。

例えば、領域Ａのみで発電を行う場合は、制御弁６０が開かれ、制御弁６２が閉じられる。これにより、配管５６内の燃料ガスの流れが停止し、水素ボンベ５８から供給された燃料ガスは配管５４を通って領域Ａ内の燃料ガス供給側マニホールド３４へ送られる。

領域Ａ内の燃料ガス供給側マニホールド３４へ送られた燃料ガスは、接続流路３５を通って燃料ガスの分配部３０ｂヘ送られる。このとき、分配部３０ｂは仕切り板５２によって分断されているため、分配部３０ｂに送られた燃料ガスが領域Ｂ側へ送られることはない。従って、領域Ａの流路２４のみに燃料ガスを供給することができる。領域Ａの流路２４から排出された反応後の燃料ガスは、領域Ａの燃料ガス排出側マニホールド３６へ送られて排出される。

また、領域Ａのみで発電を行う場合は、制御弁７４が開かれ、制御弁７６が閉じられる。これにより、配管７２内のガスの流れが停止し、領域Ｂ内の流路２６からの酸化剤ガスの排出が停止するため、領域Ｂ内の流路２６への酸化剤ガスの供給が停止する。一方、制御弁７４を開くことにより配管７０内ではガスが流れるため、領域Ａ内の流路２６からは酸化剤ガスが排出される。そして、エアポンプから配管６８を経由して酸化剤ガスが送り込まれるため、領域Ａ内の流路２４には酸化剤ガスが供給される。従って、領域Ａのみに酸化剤ガスを流すことができる。

このように、領域Ａのみで発電を行う場合は、制御弁６０を開き、制御弁６２を閉じることで領域Ａのみに燃料ガスを供給し、また、制御弁７４を開き、制御弁７６を閉じることで領域Ｂのみに酸化剤ガスを供給する。これにより、領域Ａ内のみで発電を行うことができる。

同様の方法で、領域Ｂのみで発電を行う場合は、制御弁６０を閉じ、制御弁６２を開くことで領域Ｂのみに燃料ガスを供給する。また、制御弁７４を閉じ、制御弁７６を開くことで領域Ｂのみに酸化剤ガスを供給する。これにより、領域Ｂ内のみで発電を行うことができる。

従って、本実施形態の燃料電池１０によれば、単位セルの面方向において、一部の領域のみで部分発電を行うことができる。このため、運転条件、環境条件等に応じて発電を行う領域を決定することで、燃料電池１０の運転状態を最適に制御することが可能となる。

特に、本実施形態では、低温始動時に燃料電池１０の一部の領域のみで発電を行うことで、燃料電池１０内の水分の凍結を抑え、低温時の始動性を向上させるようにしている。

上述したように燃料電池１０内では発電に伴って水が生成されるが、−３０℃程度の低温時に始動した場合、燃料電池１０内で生成された水分が凍結してしまい、流路２６，２８が閉塞してしまう場合がある。

このため、本実施形態では、低温時の始動の際は領域Ａ、領域Ｂの一方の領域のみで発電を行うとともに、発電による反応熱で他方の領域を暖機し、領域Ａ、領域Ｂの暖機状態に応じて発電を行う領域を適宜切り換えるようにしている。

具体的には、低温時の始動直後は領域Ａのみで発電を行う。発電を開始した当初は、領域Ａ内の流路２４，２６に生成水が生じていないため、凍結により流路２４，２６が閉塞してしまうことがなく、発電を確実に行うことができる。また、発電による反応熱は隣接する領域Ｂに伝達されるため、領域Ｂの温度を昇温することができる。

一方、この状態で発電を継続すると、反応によって生成された水分が領域Ａの流路２４，２６内で凍結し始め、流路２４，２６の一部が閉塞する。そして、流路２４，２６が閉塞している領域が拡大していくと、燃料電池１０の出力が次第に低下し、燃料電池１０の発電がストールする場合がある。

このため、本実施形態では、燃料電池１０がストールする以前のタイミングで発電を行う領域を切り換える操作を行う。具体的には、燃料電池１０の出力が所定のしきい値よりも低下した場合は、領域Ａでの発電を停止し、領域Ｂでの発電に切り換える。領域Ｂは、領域Ａの発電による反応熱で所定のレベルまで暖機されており、始動時よりも低温起動性が向上している。従って、領域Ｂ内の流路２４，２６における生成水の凍結が抑えられ、燃料電池１０がストールしてしまうことを確実に抑えることができる。そして、領域Ｂの発電による反応熱によって領域Ｂ、領域Ａの双方が昇温していく。

これにより、領域Ｂの発電によって領域Ａの温度を昇温することができ、領域Ａ内で凍結していた水分が溶け出す。そして、生成水の凍結が進行しない温度（例えば−１５℃程度）まで領域Ａの温度が上昇した場合は、領域Ｂと領域Ａの双方に燃料ガス、酸化剤ガスを供給し、領域Ａ、領域Ｂの双方で発電を行う。これにより、燃料電池１０全体が暖機され、燃料電池１０が動作温度に到達した後は通常運転を行うことができる。

このように、本実施形態の手法によれば、燃料電池１０内の複数の領域毎に発電を行うようにしたため、生成水の凍結により流路２４，２６が閉塞することが想定される場合は、発電を行う領域を切り換えることで、凍結により燃料電池１０の運転がストールしてしまうことを回避できる。そして、各領域毎に順次に発電を行うことで、燃料電池１０を暖機することができ、燃料電池１０をストールさせることなく動作温度に昇温することができる。従って、−３０℃程度の極低温からの始動であっても、燃料電池１０を確実に動作温度まで昇温することが可能となる。

また、仕切り板５０，５２を設けたことにより、領域Ａと領域Ｂの双方にガスを供給した場合に、分配部３０ａ，３０ｂに沿って領域Ａと領域Ｂの間で相互に燃料ガス、または酸化剤ガスが流れることがないため、燃料ガス、または酸化剤ガスが分配部３０ａ，３０ｂに沿って流れる距離を最小限に抑えることができる。従って、分配部３０ａ，３０ｂ，３０ｃで発生する圧力損失を最小限に抑えることが可能となり、領域Ａ、領域Ｂの全域にほぼ均等に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を供給することが可能となる。これにより、燃料電池１０の発電効率を高めることが可能となる。

図２は、単位セルの面方向が重力方向となるように燃料電池１０を配置した例を示している。始動時に最初に発電を行う領域は領域Ａ、領域Ｂのいずれであっても構わないが、図２のように単位セルの面方向を重力方向とした場合は、上側に位置する領域Ａの発電を先に行い、その後、下側に位置する領域Ｂの発電に切り換えることが好適である。図２の配置の場合は、運転終了後に燃料電池１０内に残存する水分が重力方向に移動し、領域Ｂ内に溜まるため、低温始動時に領域Ｂから発電を行うと、水分の多い領域Ｂで流路の閉塞がより生じ易くなるためである。従って、水分の少ない領域Ａの発電を先に行うことで、凍結による流路２４，２６の閉塞を確実に抑えた状態で燃料電池１０を昇温することができる。

なお、図２の構成は、領域Ａと領域Ｂの双方に１つの酸化剤ガス供給側マニホールド４２から酸化剤ガスを供給しているが、領域Ａ，Ｂのそれぞれに酸化剤ガスを供給するため、酸化剤ガス供給側マニホールド４２を２つに分割しても良い。図３は、２つの酸化剤ガス供給側マニホールド４２ａ，４２ｂを設けた例を示す模式図である。図３において、酸化剤ガス供給側マニホールド４２ａは接続流路４３ａを介して領域Ａの分配部３０ａと接続されている。また、酸化剤ガス供給側マニホールド４２ｂは接続流路４３ｂを介して領域Ｂの分配部３０ａと接続されている。図３の構成によれば、酸化剤ガス供給側マニホールド４２ａから領域Ａのみに酸化剤ガスを供給することができる。この場合、反応後の酸化剤ガスは、領域Ａの酸化剤ガス排出側マニホールド４４から排出される。また、酸化剤ガス供給側マニホールド４２ｂから領域Ｂのみに酸化剤ガスを供給することができ、反応後の酸化剤ガスは、領域Ｂの酸化剤ガス排出側マニホールド４４から排出される。

また、図２の構成は、単位セルの面内を２つの領域Ａ，Ｂに分割しているが、単位セルの面内をより多くの領域に分割して、各領域毎に順次に発電を行っても良い。また、領域Ａのみの発電、領域Ｂのみの発電を順次に繰り返し行うことで領域Ａ、領域Ｂの双方を昇温しても良い。

次に、図４のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順について説明する。先ず、ステップＳ１では、燃料電池１０の始動が行われたか否かを判定する。燃料電池１０の始動が行われた場合はステップＳ２へ進み、始動が行われていない場合は処理を終了する(RETURN)。

ステップＳ２では、燃料電池１０に燃料ガス、酸化剤ガスを供給する。次のステップＳ３では、低温下の始動であるか否かを判定する。ここでは、温度センサ７８，８０の検出値に基づいて、燃料電池１０の温度が所定値（例えば−１５℃）以下の場合は低温下の始動であると判定する。低温下の始動の場合はステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、制御弁６０および制御弁７４を開き、制御弁６２および制御弁７６を閉じることで、領域Ａのみに燃料ガス、酸化剤ガスを供給し、領域Ａのみで発電を行う。

一方、ステップＳ３で低温下の始動ではないと判定された場合は、ステップＳ８へ進む。この場合、凍結により燃料電池１０がストールする虞がないため、通常に燃料電池１０を起動することができる。従ってステップＳ８では、領域Ａ、領域Ｂの双方で発電を行う。

ステップＳ４の後はステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、燃料電池１０の出力が所定値以下に低下したか否かを判定し、出力が所定値以下に低下した場合はステップＳ６へ進む。

ステップＳ６に進んだ場合は、領域Ａの発電により生成された水分が凍結して流路２４，２６が閉塞していることが想定されるため、領域Ｂでの発電に切り換える。すなわち、ここでは、制御弁６０および制御弁７４を閉じ、制御弁６２および制御弁７６を開く。これにより、領域Ｂのみに燃料ガス、酸化剤ガスが供給され、領域Ｂのみで発電が行われる。領域Ｂでは発電による水分が生成されておらず、また領域Ｂは領域Ａの発電により暖機されているため、領域Ｂの発電に切り換えることで、発電による出力を確保することができる。

一方、ステップＳ５で出力が所定値以下に低下しない場合は、ステップＳ８へ進む。この場合、低温下の始動ではあるものの、燃料電池１０がストールするレベルまでは凍結が進行しないと考えることができる。従って、ステップＳ８では、領域Ａ、領域Ｂの双方で発電を行い、通常の方法で燃料電池１０を暖機する。

ステップＳ６の後はステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、領域Ａの温度を温度センサ７８で検出し、領域Ａの温度が所定温度（例えば−１５℃）以上に昇温しているか否かを判定する。領域Ａの温度が所定温度以上に昇温している場合は、領域Ｂの発電により領域Ａの温度が十分に昇温しており、凍結のおそれが生じないため、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、領域Ａ、領域Ｂの双方で発電を行う。ステップＳ８の後は処理を終了する(RETURN)。一方、ステップＳ７で領域Ａの温度が所定温度以上に昇温していない場合は、ステップＳ７で待機し、領域Ｂでの発電を継続する。

以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池１０内の複数の領域毎に発電を行うようにしたため、生成水の凍結により流路２４，２６が閉塞することが想定される場合は、発電を行う領域を切り換えることで、燃料電池１０がストールしてしまうことを回避できる。従って、低温始動時であっても、燃料電池１０を確実に動作温度まで昇温することが可能となり、燃料電池１０の低温始動性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の断面を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池の平面構成を示す模式図である。酸化剤ガス供給側マニホールドを２つ設けた例を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るシステムの処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池
１２固体電解質膜
１４アノード
１６カソード
２０，２２プレート（メタルセパレータ）
２４燃料ガスの流路
２６酸化剤ガスの流路
２８冷却水の流路
３２マニホールド領域
３４燃料ガス供給側マニホールド
３６燃料ガス排出側マニホールド
３８冷却水供給側マニホールド
４０冷却水排出側マニホールド
４２酸化剤ガス供給側マニホールド
４４酸化剤ガス排出側マニホールド
６０，６２，７４，７６制御弁
７８，８０温度センサ

Claims

アノード、電解質膜、及びカソードを含む単位セルを有し、アノードに水素を含む燃料ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を推定又は取得する温度検知手段と、
前記単位セルの面内の所定領域に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、を備え、
前記ガス供給手段は、前記燃料電池の始動時の温度が第１の所定値以下の場合は、前記単位セルの面内の第１の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の出力を取得する出力取得手段を備え、
前記ガス供給手段は、前記第１の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している際に、前記燃料電池の出力が所定値以下に低下した場合は、前記第１の領域への前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの供給を停止し、前記単位セルの面内の第２の領域のみに前記燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記ガス供給手段は、前記第１の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している際に、前記燃料電池の出力が前記所定値以下に低下しなかった場合は、前記単位セルの面内の全ての領域に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記ガス供給手段は、前記第２の領域のみに前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している際に、前記第１の領域の温度が第２の所定値以上となった場合は、前記単位セルの面内の全ての領域に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
前記第２の領域が前記第１の領域よりも重力方向の下側に位置するように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記ガス供給手段は、
前記第１の領域と接続された第１の燃料ガスマニホールドと、
前記第２の領域と接続された第２の燃料ガスマニホールドと、
前記第１の領域のみに前記燃料ガスを供給する場合は、前記第１の燃料ガスマニホールドのみに前記燃料ガスを流し、前記第２の領域のみに前記燃料ガスを供給する場合は、前記第２の燃料ガスマニホールドのみに前記燃料ガスを流す燃料ガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記ガス供給手段は、
前記第１の領域と接続された第１の酸化剤ガスマニホールドと、
前記第２の領域と接続された第２の酸化剤ガスマニホールドと、
前記第１の領域のみに前記酸化剤ガスを供給する場合は、前記第１の酸化剤ガスマニホールドのみに前記酸化剤ガスを流し、前記第２の領域のみに前記酸化剤ガスを供給する場合は、前記第２の酸化剤ガスマニホールドのみに前記酸化剤ガスを流す酸化剤ガス供給制御手段と、
を有することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
前記第１及び第２の酸化剤ガスマニホールドのそれぞれは、酸化剤供給側マニホールドと、酸化剤排出側マニホールドとを含み、
前記第１の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤供給側マニホールドと、前記第２の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤供給側マニホールドとが共通のマニホールドとして構成され、
前記酸化剤ガス供給制御手段は、前記第１の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤排出側マニホールド及び前記第２の酸化剤ガスマニホールドの酸化剤排出側マニホールドにおけるガスの流れを制御することで、前記第１の酸化剤ガスマニホールド又は前記第２の酸化剤ガスマニホールドのみに前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
前記アノードへ前記燃料ガスを供給する第１の流路、前記カソードへ前記酸化剤ガスを供給する第２の流路及び冷却媒体が流れる第３の流路が前記単位セルの面内で同一の所定方向に延在し、
前記第１及び第２の燃料ガスマニホールドのそれぞれは、燃料ガス供給側マニホールドと、燃料ガス排出側マニホールドとを含み、
前記第３の流路に冷却媒体を供給する冷却媒体マニホールドを備え、前記冷却媒体マニホールドは、冷却媒体供給側マニホールドと、冷却媒体排出側マニホールドとを含み、
前記単位セルの面直方向の平面的な配置において、前記燃料ガス排出側マニホールド、前記酸化剤ガス供給側マニホールド及び前記冷却媒体供給側マニホールドは前記第１、第２及び第３の流路の一端において前記所定方向と直交する方向に延在する第１のマニホールド領域に配列され、前記燃料ガス供給側マニホールド、前記酸化剤ガス排出側マニホールド及び前記冷却媒体排出側マニホールドは前記第１、第２及び第３の流路の他端において前記所定方向と直交する方向に延在する第２のマニホールド領域に配列され、
前記酸化剤ガス供給側マニホールドは前記第１のマニホールド領域の長手方向の略中央に配置され、前記酸化剤ガス排出側マニホールドは前記第２のマニホールド領域の長手方向の両端部に配置され、
前記冷却媒体供給側マニホールドは前記第１のマニホールド領域の長手方向の両端部に配置され、前記冷却媒体排出側マニホールドは前記第２のマニホールド領域の長手方向の略中央に配置され、
前記燃料ガス供給側マニホールドは前記第２のマニホールド領域において、隣接する前記冷却媒体排出側マニホールドと前記酸化剤ガス排出側マニホールドの間に配置され、前記燃料ガス排出側マニホールドは前記第１のマニホールド領域において、隣接する前記酸化剤ガス供給側マニホールドと前記冷却媒体供給側マニホールドの間に配置されたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。