JP2007317553A

JP2007317553A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2007317553A
Application number: JP2006146978A
Authority: JP
Inventors: Keigo Ikezoe; 圭吾池添
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP5151070B2

Abstract

【課題】氷点下の起動時に、発電面内の局部的な電流集中から生じる高温による劣化を防止するとともに、燃料電池システムの暖機時間を短縮する。
【解決手段】温度測定セル９に、カソードガスの上流側温度センサ１０と、カソードガスの下流側温度センサ１１を設ける。燃料電池スタック１の各セル内では、カソードガスと冷却液の流れ方向が同方向となるように、セパレータのガス流路及び冷却液流路が形成されている。氷点下からの起動時に、空気コンプレッサ２から空気を、水素タンク５から水素を供給して燃料電池スタック１から暖機負荷をとる。所定時間後に上流側温度センサ１０の検出値Ｔ１と下流側温度センサ１１の検出値Ｔ２を制御装置１３へ読み込み、Ｔ１とＴ２の温度差が所定値以上の場合、冷却液ポンプ３を駆動して、セル内の上流側冷却液が下流側へ移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動を確実に実現するための技術を提供するものである。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギ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負極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の正極（カソード）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を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。

負極反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
正極反応：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
負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、水素を含有する原燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する原燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。正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。

ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が氷点下の雰囲気にさらされることがあり、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、通常に発電できることが望まれている。しかしながら、０℃以下の低温状態では、セル中に残留した水分が凍結して、反応ガス流路が閉塞したり、電極近傍に残留している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したりして、発電ができなくなるという問題点がある。

燃料電池を氷点下から起動させるためには、発電による反応熱、または、外部ヒーターなどによる加熱によって、燃料電池、特にセパレーター部を０℃以上にできるだけ速く昇温しなければならない。そこで、燃料電池スタックの熱容量を低減することにより昇温速度を速めることができるが、例えば、特許文献１や特許文献２に示されているように、燃料電池スタックから冷却液を抜くことにより燃料電池スタック全体の熱容量を低減する技術が公知となっている。

また、燃料電池スタックから冷却液を抜かない場合には、特許文献３のように、燃料電池の氷点下からの起動時に、冷却液を循環させないことによって、燃料電池外部の例えば配管内などの低温冷却液を燃料電池内に持ち込まないようにし、起動に要する熱量を低減する技術が提案されている。

また、特許文献４では、燃料電池の氷点下からの起動時に、冷却液の循環と停止を交互に繰り返す間欠循環運転を行うことによって、燃料電池スタックの温度が急激に上昇し膜電極構造体などの保証温度を超えて燃料電池スタックを劣化さることを防止する技術も提案されている。
特開２００３−２５７４６０号公報（第７頁、図１０）特開２００４−２２４３６号公報（第６頁、図３）特開２００３−３６８７４号公報（第５頁、図４）特開２００５−２７６５６８号公報（第６頁、図２）

しかしながら、氷点下からの起動時のセル面内の発電分布は必ずしも均一でなく、ある部位は活発に発電しているが、ある部位は全く発電していないという現象が起こる場合がある。しかも、それは燃料電池の起動温度や停止時のパージ時のコンディションによって状況がことなるものであり、均一に発電する場合と不均一に発電する場合がその時々で異なることがわかっている。

したがって、前述した従来例のなかで、燃料電池スタックから冷却液を抜いたり、氷点下からの起動時に冷却液を循環させない方法を実施した場合は、万が一不均一な発電が行われた場合には、活発に発電している部位は、燃料電池から取り出している負荷から計算される温度上昇速度よりも、極めて急激な温度上昇となっており、膜電極構造体などの保証温度を超えて劣化さる虞があるという問題点があった。

また、前述した従来例のなかで、氷点下からの起動時に冷却液を間欠循環運転する方法を実施した場合は、前述したような発電が不均一な場合の急激な温度上昇による劣化については防止できるが、仮に発電が均一に行われているような場合には、外部の配管内の冷却液も燃料電池スタックの反応熱で暖めなければならず、結果的に燃料電池スタックの温度上昇速度は遅くなり、燃料電池スタック温度が通常発電可能になるまで上昇する時間（暖機時間）、例えば自動車に搭載した場合には、燃料電池自動車が発進可能になるまでの時間が必要以上にかかるという問題点があった。

そこで、本発明は、氷点下からの燃料電池の起動時に、燃料電池の発電面内の発電量分布に関連する値を測定し、その測定結果に基いて、冷却液の流し方などの起動時の運転条件を変更することによって、上記の問題点を解決する技術を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池スタックの発電面内の発電量分布に関連する値を測定する発電量分布測定手段と、前記燃料電池スタックを氷点下の温度から起動する際に、前記燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しながら起動用電流を取り出した状態で、前記発電量分布測定手段により前記発電量分布に関連する値を測定し、該測定値に基づいて、前記燃料電池スタックの起動時の運転条件を変更する制御装置と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、氷点下からの起動時に、燃料電池の発電面内の発電量分布に関連する値を測定し、この値に基づいて燃料電池スタックの運転条件を変更することができるので、発電量分布に大きな偏りが生じて発電面内の局部的な電流集中による温度上昇の影響を低減することができる。

発電量分布に関連する値としては、発電面内の酸化剤ガス上流側の温度と、同下流側の温度との温度差、或いは、発電面内の酸化剤ガス上流側のセル電圧と、同下流側のセル電圧との電圧差が考えられる。後者の場合、セル電圧測定端子に対向するセパレータは、金属セパレータよりも大きい面方向の電気抵抗を有するカーボンセパレータが好ましい。

また、発電量分布に関連する値が所定値以上であれば、冷却液の流量を増加、燃料電池負荷電流を減少、酸化剤ガス流量の増加等の運転条件変更を行うことにより、発電量分布の偏りによる局部温度上昇を緩和することができる。

本発明によれば、燃料電池の氷点下からの起動時に、発電面内の発電量分布に関連する値を検出し、この検出値に基づいて運転条件を変更するので、発電量分布の偏りが大きいときに、局部的な電流集中から生じる高温による劣化を防止することができるとともに、また、発電量分布の偏りが小さいときには、燃料電池システムの暖機時間を最小限にして通常発電までの時間を短縮することができるという効果がある。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の各実施例で示す燃料電池システムは、特に限定されないが、氷点下の環境で使用可能な燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示す構成図である。同図において、燃料電池システムは、固体高分子電解質を用いた燃料電池スタック１、燃料電池スタック１に酸化剤ガスとして空気（以下、カソードガスと呼ぶ）を供給する空気コンプレッサ２、燃料電池スタック１を冷却する冷却液を循環させる冷却液ポンプ３、冷却液を放熱するラジエータ４、燃料ガスである水素ガス（アノードガス）を貯蔵する水素タンク５、水素タンク５から供給される高圧水素ガスの圧力を燃料電池の運転圧力まで低減する水素圧力調整弁６、ラジエータ４をバイパスするバイパス流路７、冷却液の流れる方向をラジエータ４とバイパス流路７に切り換える三方弁８、温度測定の対象セルである温度測定セル９、温度測定セル９に設けられた上流側温度センサ１０、下流側温度センサ１１、燃料電池スタック１の冷却液出口に設けられた冷却液出口温度センサ１２、制御装置１３とを備えている。

上流側温度センサ１０と下流側温度センサ１１とは、温度測定セル９の発電面内の発電量分布に関連する値を測定する発電量分布測定手段であり、温度測定セル９内の酸化剤ガス流の上流側に上流側温度センサ１０、酸化剤ガス流の下流側に下流側温度センサ１１が配置されている。

制御装置１３は、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池スタック１の温度が氷点下の状態から起動する場合に、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給しながら起動用電流を取り出した状態で、上流側温度センサ１０及び下流側温度センサ１１により温度測定セル９の発電面内の発電量分布に関連する値を測定し、該測定値に基づいて、燃料電池スタックの起動時の運転条件を変更する制御装置である。

制御装置１３は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースと備えるマイクロプロセッサで構成されている。

ここで、燃料電池スタック１のカソードセパレータ４１は、図２のようにカソード入口マニホールド２１、カソード出口マニホールド２２、アノード入口マニホールド２３、アノード出口マニホールド２４、冷却液入口マニホールド２５、冷却液出口マニホールド２６、カソードガス流路２７を備えている。

セパレータに設けられたカソードガス流路が蛇行（サーペンタイン）流路の場合を図２（ａ）に、同じく直線（ストレート）流路の場合を図２（ｂ）に示した。なお、各セルにおいてカソードガス（酸化剤ガス、空気）と冷却液の流れ方向は同方向である。

次に、温度測定セル９の詳細について説明する。本実施例では温度計測手段として、温度センサ３１，３２，３３を図３に示すように膜電極接合体４３ａに近接して設ける場合と、図４に示すように発電に寄与しなダミーセル４４とに設ける場合とを提案する。温度センサ３１，３２，３３は例えば熱電対・測温抵抗体・サーミスタなどを用いる。

図３に示した膜電極接合体に近接して設けた場合には、電解質膜・触媒層の温度を最も応答性良く把握することができ、より精度の高い発電量分布に関連する値の測定を実施することができる。

また、図４に示したダミーセル４４に設ける場合には、燃料電池スタック１への取り付けが容易でコストを低く抑えることができ、また、ダミーセル４４は発電に寄与しないので、そのセルにはガス供給が不要であり、よって高濃度の水素イオン（酸）に触れることも無いので、高度な信頼性と耐久性が期待できる。

ここで、温度センサ３１，３２，３３のカソードガス流路に対する位置関係は図２の３１ａ，３２ａ，３３ａの位置であり、それぞれ、カソードガス流路の上流側、中流、下流側に設けられている。図１の上流側温度センサ１０に相当するものが図３，４の温度センサ３１であり、図１の下流側温度センサ１１に相当するものが図３，４の温度センサ３３である。

次に、図５のフローチャートを参照して、本実施例における氷点下の起動時の動作を説明する。燃料電池システム始動のトリガー（車両ではキースイッチや始動スイッチ）がオンされると、制御装置１３は、温度センサ３１，３２，３３の検出値を読み込み、これらの何れかが氷点下の温度を示していれば、氷点下からの始動を開始する。氷点下からの起動が開始されると、先ずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、空気コンプレッサ２を起動し、燃料電池スタック１のカソードに空気を供給し始める。それと同時に、水素圧力調整弁６を開き、燃料電池スタック１のアノードに水素ガスの供給を開始する。これらのガス供給によりアノード圧力及びカソード圧力が所定の始動用圧力となったら、燃料電池スタック１の温度を上昇させるための負荷電流（暖機負荷）の取り出しを開始する。この暖機負荷の発電量に対応する反応熱により燃料電池スタック１の温度上昇が始まる。ここで暖機負荷は、燃料電池スタック１の熱容量やシステム構成によって異なるが、例えば、２０〜２００［ｍＡ／ｃｍ² ］程度の発電面における電流密度とすることが好ましい。

次いで、Ｓ１２において、暖機負荷取り出し開始から所定時間後の温度測定セル９内の上流側温度センサ１０（３１）の検出値Ｔ１、及び下流側温度センサ１１（３３）の検出値Ｔ２を制御装置１３が読み込み、Ｓ１４で、両センサの検出値の差の絶対値（｜Ｔ１−Ｔ２｜）が所定値ΔＴｘ１を超えているか否かを判定する。Ｓ１４の判定で、所定値ΔＴｘ１を超えていれば、Ｓ１６へ進み、超えていなければ、Ｓ１８へ進む。

Ｓ１６では、冷却液ポンプ３を所定時間ｔｃの間だけ駆動して、冷却液を循環させる。この時間ｔｃは、燃料電池スタック１のセル上流側半分の冷却液量がセル下流側に移動するだけの時間とすることが最も効果的であるが、実際の値は、冷却液ポンプ３の能力や冷却液配管容積などによって異なる。

次いで、Ｓ１８では、上流側温度センサ１０の検出温度Ｔ１または下流側温度センサ１１の検出温度Ｔ２が所定温度Ｔｙ１を超えるまで待機する。Ｔ１またはＴ２が所定温度Ｔｙ１を超えたらＳ２０へ進み、車両発進可能の表示をコンソール等の表示装置に表示し、ブレーキが解除されて、アクセルが踏み込まれると、車両発進を行うことが可能な制御を開始する。

図６は、図５の制御フローを実施した時の温度測定セル９における温度の時間変化を示したものである。図６の横軸がカソードガス及び冷却水の入口からの距離を示し、縦軸が温度である。時刻ｔ０が図５の制御フロー開始時刻であり、順次ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，と時間が経過し、時刻ｔ５がＳ１８からＳ２０へ移る時刻である。

Ｓ１４の判定で上流側温度センサと下流側温度センサの温度差の絶対値（｜Ｔ１−Ｔ２｜）が所定値ΔＴｘ１を超えた状態が時刻ｔ２の時点である。この温度差を検出した後に、冷却液ポンプ３を所定時間ｔｃの間だけ回すことによって、上流側の熱が下流側に移動し、時刻ｔ３の時には、上流側の温度は温度の低い冷却液が入ってくるために下がり、下流側の温度は、上流側の暖かい冷却液が入ってくるので上がるため、セル温度分布は上流から下流まで比較的均一となる。その後、発電面内の上流下流ともにほぼ均一な発電量分布で発電が行われ、発電面内の上流側と下流側が並行して温度が上昇し、時刻ｔ５に至る。

また、図７は同様の制御フローを実施した時の発電面内の電流密度分布の時間変化を示したものであり、時刻ｔ０〜ｔ５は、図６の時刻ｔ０〜ｔ５に対応している。図７において、時刻ｔ２まではパージによって膜や触媒層中の水分が除去されやすい上流側の方がより多く発電しており、時刻ｔ２から冷却液を所定時間ｔｃ流した後は、上流から下流までの電流密度分布が均一になる。これは、触媒層やＧＤＬ内に氷があるためにあまり発電できなかった下流側に、上流側からの暖かい冷却液が供給されることにより、氷が溶けて発電ができるようになったからである。発電面内で発電分布が均一になることにより、発電が過剰に行われている部位（先の例では上流側）の異常な発熱を防止することができ、燃料電池スタックの劣化を防止することができるという効果がある。また、均一に発電できていれば、暖機が完了し高負荷をかけた時のセル電圧低下量が小さいので、例えば車両の場合には、発進加速時に安定した走行が可能となる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２について説明する。実施例２の燃料電池システムの構成、及び温度センサの取り付けについては、図１〜図４に示した実施例１の構成と同様である。

図８は、本実施例における氷点下の起動時の動作を説明する制御フローチャートである。燃料電池システムを始動し、暖機負荷をかけながらカソードガス上流側温度Ｔ１、カソードガス下流側温度Ｔ２を測定するところまでは、実施例１のＳ１０及びＳ１２と同じである。

次いで、Ｓ３０において、上流側温度Ｔ１と下流側温度Ｔ２の温度差Ｔ１−Ｔ２を算出して、これをΔＴとし、図９に示したような予め制御装置１３に記憶した制御マップから温度差ΔＴに対応した冷却液流量Ｑｗを求める。

図９の制御マップは、温度差ΔＴが大きいほど、冷却液流量が多くなるように制御する制御マップであり、試験用の燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動実験データに基づいて、カソードガス上流側温度がある安全度をもって上限温度より低くなるような冷却液流量を求めて、制御マップを作成する。

次いでＳ３２で、求めた冷却液流量Ｑｗとなるように冷却液ポンプ３を稼動させ、冷却液を流す。次いでＳ３４で温度測定セル９の上流側温度Ｔ１または下流側温度Ｔ２が所定温度Ｔｙ２を超えるまで待機する。Ｔ１またはＴ２が所定温度Ｔｙ２を超えたらＳ３６へ進み、車両発進可能の表示をコンソール等の表示装置に表示し、ブレーキが解除されて、アクセルが踏み込まれると、車両発進を行うことが可能な制御を開始する。

図１０は、図８の制御フローを実施した時の温度測定セル９における温度の時間変化を示したものである。図１０の横軸がカソードガス及び冷却水の入口からの距離を示し、縦軸が温度である。時刻ｔ０が図８の制御フロー開始時刻であり、順次ｔ１，ｔ２，と時間が経過し、時刻ｔ３がＳ３４からＳ３６へ移る時刻である。

図１０の時刻ｔ２の時点でカソード上流側温度とカソード下流側温度の２点間の温度差を元にした量の冷却液を流すことによって、より多く発電し、より多く発熱している上流側の熱を下流側に移動させることができる。マップ図９で求める流量は通常の発電の時の冷却液流量よりも少ないので、氷点下起動の暖機の目的である、スタック温度を上げるということに関しては影響が少ない。また、マップ図９のように、上流と下流の温度差が小さければ、冷却液流量も少ないので、スタック温度の上昇を妨げることなく車両発進可能になるまでの時間を短縮することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３について説明する。実施例３の燃料電池システムの構成、及び温度センサの取り付けについては、図１〜図４に示した実施例１の構成と同様である。

図１１は、本実施例における氷点下の起動時の動作を説明する制御フローチャートである。燃料電池システムを始動し、暖機負荷をかけながらカソードガス上流側温度Ｔ１、カソードガス下流側温度Ｔ２を測定するところまでは、実施例１のＳ１０及びＳ１２と同じである。

次いで、Ｓ４０において、上流側温度Ｔ１と下流側温度Ｔ２の温度差Ｔ１−Ｔ２を算出して、これをΔＴとし、図１２に示したような予め制御装置１３に記憶した制御マップから温度差ΔＴに対応した暖機用負荷Ｌｘを求める。

図１２の制御マップは、温度差ΔＴが大きいほど、暖機用負荷が小さくなるように制御する制御マップであり、試験用の燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動実験データに基づいて、カソードガス上流側温度がある安全度をもって上限温度より低くなるような暖機用負荷を求めて、制御マップを作成する。

次いでＳ４２で、求めた暖機用負荷Ｌｘとなるように、制御装置から図示しない負荷装置へ指示を送り、燃料電池スタック１から取り出す暖機用負荷を調整する。暖機用負荷は、バイパス流路７に設けた図示しないヒータの出力を低下させたり、空気コンプレッサ２の回転速度を低下させたりすることで調整することができる。

次いでＳ４４で温度測定セル９の上流側温度Ｔ１または下流側温度Ｔ２が所定温度Ｔｙ４を超えるまで待機する。Ｔ１またはＴ２が所定温度Ｔｙ４を超えたらＳ４６へ進み、車両発進可能の表示をコンソール等の表示装置に表示し、ブレーキが解除されて、アクセルが踏み込まれると、車両発進を行うことが可能な制御を開始する。

図１３は、図１１の制御フローを実施した時の温度測定セル９における温度の時間変化を示したものである。図１３の横軸がカソードガス及び冷却水の入口からの距離を示し、縦軸が温度である。時刻ｔ０が図１１の制御フロー開始時刻であり、順次ｔ１，ｔ２，と時間が経過し、時刻ｔ３がＳ４４からＳ４６へ移る時刻である。

図１３の時刻ｔ２の時点で、図１２の制御マップに基づきカソードガス上流側とカソードガス下流側の温度差が大きいほど、暖機負荷を小さくすることによって、カソードガス上流側の急激な温度上昇を抑制し、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４について説明する。実施例４の燃料電池システムの構成、及び温度センサの取り付けについては、図１〜図４に示した実施例１の構成と同様である。

図１４は、本実施例における氷点下の起動時の動作を説明する制御フローチャートである。燃料電池システムを始動し、暖機負荷をかけながらカソードガス上流側温度Ｔ１、カソードガス下流側温度Ｔ２を測定するところまでは、実施例１のＳ１０及びＳ１２と同じである。

次いで、Ｓ５０において、上流側温度Ｔ１と下流側温度Ｔ２の温度差Ｔ１−Ｔ２を算出して、これをΔＴとし、図１５に示したような予め制御装置１３に記憶した制御マップから温度差ΔＴに対応したカソードガス流量Ｑｃを求める。

図１５の制御マップは、温度差ΔＴが大きいほど、カソードガス流量Ｑｃが多くなるように制御する制御マップであり、試験用の燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動実験データに基づいて、カソードガス上流側温度がある安全度をもって上限温度より低くなるようなカソードガス流量Ｑｃを求めて、制御マップを作成する。

次いでＳ５２で、求めたカソードガス流量Ｑｃとなるように、制御装置１３から空気コンプレッサ２へ指示を送り、空気コンプレッサ２の回転速度を調整する。

次いでＳ５４で温度測定セル９の上流側温度Ｔ１または下流側温度Ｔ２が所定温度Ｔｙ３を超えるまで待機する。Ｔ１またはＴ２が所定温度Ｔｙ３を超えたらＳ５６へ進み、車両発進可能の表示をコンソール等の表示装置に表示し、ブレーキが解除されて、アクセルが踏み込まれると、車両発進を行うことが可能な制御を開始する。

図１６は、図１４の制御フローを実施した時の温度測定セル９における温度の時間変化を示したものである。図１６の横軸がカソードガス及び冷却水の入口からの距離を示し、縦軸が温度である。時刻ｔ０が図１４の制御フロー開始時刻であり、順次ｔ１，ｔ２，と時間が経過し、時刻ｔ３がＳ５４からＳ５６へ移る時刻である。

図１６の時刻ｔ２の時点で、図１５の制御マップに基づき、カソードガス上流側とカソードガス下流側の温度差が大きいほど、酸化剤ガスの流量を増やし、発電が活発に行われている部位については生成水が蒸発して潜熱冷却により温度を下げることができる。

以上の実施例では、セルの発電面内のカソードガス上流・下流の２点の温度を測定し、その温度を元に、冷却液の流し方や負荷や酸化剤ガス流量を調整することとしているが、温度測定点を増やすことにより、より精度の高い制御が期待できる。

上記の実施例１〜４では、燃料電池スタックの発電面内の発電量分布に関連する値を測定する発電量分布測定手段として、カソードガス上流側温度とカソードガス下流側温度を測定する温度計測手段を用いたが、これに限らず、測定対象セルの発電面内のカソードガス上流側セル電圧とカソードガス下流側セル電圧とを測定するセル電圧計測手段を用いることができる。

この場合、セル電圧計測手段に対向するセパレータ（図３では、カソードセパレータ４１）には、金属セパレータではなく、カーボンセパレータを用いる方が、セパレータ抵抗値が大きく、セル電圧分布を検出しやすくなる。そして、実施例１〜４において、上流側温度を上流側セル電圧、下流側温度を下流側セル電圧、温度差をこれら両セル電圧間の電圧差と読み替えることにより、実施例１〜４の制御内容をセル電圧計測手段を用いた場合にも適用することができ、ほぼ同様の効果を奏することができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示す図である。（ａ）カソードガス流路が蛇行流路の場合の本発明の燃料電池のセル形状と温度計測部位を示す図、（ｂ）カソードガス流路が直線流路の場合の本発明の燃料電池のセル形状と温度計測部位を示す図である。本発明における温度測定セルの実施形態を示す図である。本発明における温度測定セルの実施形態を示す図である。実施例１の制御装置による氷点下起動時の動作を示すフローチャートである。実施例１の制御を実施した場合の、セル温度分布の時間変化の一例を示す図である。実施例１の制御を実施した場合の、セル発電分布の時間変化の一例を示す図である。実施例２の制御装置による氷点下起動時の動作を示すフローチャートである。上流側温度と下流側温度の温度差から冷却液流量を求める制御マップ例である。実施例２の制御を実施した場合の、セル温度分布の時間変化の一例を示す図である。実施例３の制御装置による氷点下起動時の動作を示すフローチャートである。上流側温度と下流側温度の温度差から暖機負荷を求める制御マップ例である。実施例３の制御を実施した場合の、セル温度分布の時間変化の一例を示す図である。実施例４の制御装置による氷点下起動時の動作を示すフローチャートである。上流側温度と下流側温度の温度差から酸化剤ガス流量を求める制御マップ例である。実施例４の制御を実施した場合の、セル温度分布の時間変化の一例を示す図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：空気コンプレッサ
３：冷却液ポンプ
４：ラジエータ
５：水素タンク
６：水素圧力調整弁
７：バイパス流路
８：三方弁
９：温度測定セル
１０：上流側温度センサ
１１：下流側温度センサ
１２：冷却液温度センサ
１３：制御装置

Claims

固体高分子電解質を用いた燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
前記燃料電池スタックの発電面内の発電量分布に関連する値を測定する発電量分布測定手段と、
前記燃料電池スタックを氷点下の温度から起動する際に、前記燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しながら起動用電流を取り出した状態で、前記発電量分布測定手段により前記発電量分布に関連する値を測定し、該測定値に基づいて、前記燃料電池スタックの起動時の運転条件を変更する制御装置と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記発電量分布測定手段は、前記燃料電池スタック中の少なくとも１セルに、発電面内の酸化剤ガスの流れる方向に沿って少なくとも２ヶ所に設けた温度計測手段であり、
前記制御装置は、前記温度計測手段が計測した酸化剤ガス上流側温度と酸化剤ガス下流側温度の温度差が大きいほど、前記発電量分布の偏りが大きいと推定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。
前記燃料電池スタックを冷却液により冷却する冷却システムを備え、
前記制御装置は、前記温度計測手段が測定した温度の差に基づいて、氷点下起動時の前記冷却システムによる冷却液の流し方を変更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。
前記制御装置は、前記温度計測手段が測定した温度の差に基づいて、氷点下起動時に燃料電池スタック中の冷却液を所定量移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。
前記燃料電池スタックのセル内における酸化剤ガスの流れる方向と冷却液の流れる方向が同じであり、前記制御装置は、前記セル内の酸化剤ガスの流れの上流側が高温となった場合に、この上流側の冷却液を前記燃料電池スタック内の下流側に移動させ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。
前記冷却液の移動時の移動量は、前記燃料電池スタック内の発電面における酸化剤ガス上流側半分の領域に対応する冷却液が下流側半分の領域に対応する位置に移動する程度の量と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。
前記制御装置は、前記温度計測手段が測定した温度の差が大きいほど、氷点下起動時の冷却液の流量が多くなるように制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記温度計測手段が測定した温度の差が大きいほど、暖機用の燃料電池負荷が小さくなるように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記温度計測手段が測定した温度の差が大きいほど、酸化剤ガスの供給量が多くなるように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記発電量分布測定手段は、前記燃料電池スタック中の少なくとも１セルに、発電面内の酸化剤ガスの流れる方向に沿って少なくとも２ヶ所に設けたセル電圧計測手段であり、
前記制御装置は、前記セル電圧計測手段が計測した電圧の差が大きいほど、前記発電量分布の偏りが大きいと推定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。