JP2008103154A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュール内部に存在する低温箇所の温度を把握して氷点突破か否かを判断することにより、氷点下起動時から通常運転に移行する時に発生する可能性が有る燃料電池モジュールの劣化や凍結を防止する。
【解決手段】温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、スタック内の温度が低くなり易い箇所に設置される。始動時、これらの温度センサが示す温度を比較して、最も低い温度（ｔ_mlとする）を選別し、温度ｔ_mlと基準温度ｔ₀（例えば氷点温度）とを比較する過程を、ｔ_mlがｔ₀より大となるまで繰り返す。ｔ_mlがｔ₀より大となった時、燃料電池モジュールの運転条件を通常運転時の運転条件に切り換える。通常運転時では、各温度センサが示す温度を比較して、最も高い温度（ｔ_mhとする）を選別し、以後、この温度ｔ_mhを温度条件とする制御に切り換える。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に低温動作から通常動作に切り換える判断を適正に行える技術に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池モジュール内部の温度を測定し、測定された温度に対応した運転制御が行われている。これは、燃料電池モジュールの損傷（特に、凍結や、電解質膜、樹脂等の劣化）や、発電効率の低下を防止するために必要な技術である。

従来は、この燃料電池の燃料電池モジュール内部の温度測定方法として、燃料電池モジュールから排出される冷却水の温度を測定し、冷却水の温度が低い場合には、燃料電池の発熱量を増大させて温度を上昇させ、温度が十分高くなったと判断されると、燃料電池モジュールに供給されるエア流量を増加させて、発電効率を上げていた。

例えば、特開２００３−３０８８６３号公報には、燃料電池モジュールの端部に発熱体を設け、端部セルの出力電圧値が設定電圧値に達するまで、この発熱体に通電して端部の温度上昇を図る技術が開示されている（特許文献１）。

また、例えば、特開２００２−３１３３８８号公報には、低温起動時には燃料電池に供給する水素ガスの流量または圧力を低下させることにより、発電効率低下による自己発熱量（損失）を増大させ、燃料電池の暖機時間を短縮する技術が開示されている（特許文献２）。

さらに、例えば、特開２００５−４４７９５号公報には、燃料電池の温度が水の凍結温度を突破しているか否かによって燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力を変化させるように制御する技術が開示されている（特許文献３）。
特開２００３−３０８８６３号公報（段落００５５〜００５７等） 特開２００２−３１３３８８号公報（段落００１６、００２６等） 特開２００５−４４７９５号公報（段落００３７〜００３９等）

しかしながら、前特許文献１に開示されている技術の場合、発熱体を設ける必要が有るのでコスト高になったり、発熱体を設置するスペースが必要なために燃料電池の小型化が阻まれたりすることになる。また、端部における単セルの出力電圧値は必ずしも燃料電池モジュール内部の温度指標になるとは限らず、特に、高々一箇所の単セルにおいて温度センサを設けただけでは燃料電池モジュール内部に偏在する低温領域の温度を正しく把握することができないという不都合があった。

また、特許文献２に開示されている技術の場合、低温起動時か否かの判断を行うために必要な燃料電池モジュール内部の温度の具体的な測定方法にまでは開示されていなかった。すなわち、燃料電池モジュール内でも場所によって検出される温度にバラツキがあるため、例えば、燃料電池モジュールのある場所では氷点突破と判断されたとしても、他の場所では氷点以下で水が凍結していることがあった。このため、燃料電池モジュール全体が氷点突破と判断されて氷点突破時に対応した通常運転が始まると、燃料電池モジュールに供給される燃料ガスやエアの増大により燃料電池モジュール内部で生成される水の量が増加し、実際には未だ氷点以下の部分において凍結が生じ、ガス流路が閉塞されてセル電圧が低下したり、燃料電池モジュールの劣化により耐久性が悪くなったりするという不都合を生じることがあった。

さらに、前述の特許文献３に開示されている技術の場合、同様に、燃料電池の温度が水の凍結温度を突破しているか否かの判断を行うために必要な燃料電池モジュール内部の温度の具体的な測定方法にまでは触れられておらず、同様の不都合を生じていた。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池モジュール内の最低温度を正しく測定し、低温動作から通常動作に切り換えるタイミングの適正化を図ることにより、燃料電池モジュールの劣化を防止し、凍結によるセル電圧の低下を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する単セルが複数積層されて形成された燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記セル積層体内には、選定された特定の複数の単セルの各々に温度センサを備え、前記制御部は、始動時以降に、前記温度センサの各々が示す温度のうち、最も低い温度が、予め設定された基準温度よりも高くなった場合に、前記燃料電池モジュールの運転状態を通常運転状態に切り換えることを特徴とする。

このような構成により、燃料電池モジュール内部に存在する最も低温となりそうな箇所のうち、実際に測定された温度が最も低かった温度が基準温度（例えば氷点）を突破したか否かを判断して通常運転に切り換えるので、通常運転切り換え後に生成される水が凍結しガス流路が閉鎖され単セル電圧を低下させたり、単セルの耐久性を劣化させたりすることを防止することができる。なお、「選定された特定の単セル」は、他の単セルよりも温度が低くなり易い単セルとして選ばれたものであり、例えば燃料電池モジュールの端部に位置する単セルのうち幾つかである。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池モジュールの運転状態が通常運転状態に切り換えられた後は、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を温度条件とする制御を実行することが可能である。

上記構成によれば、低温運転から脱し通常運転状態となった後は、冷媒の温度、すなわち燃料電池モジュール全体の温度に基づいて制御されるので、高い運転効率での運転制御が行える。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記セル積層体内には、選定された特定の複数の単セルの各々に温度センサを備え、前記制御部は、通常運転状態に移行後に、前記温度センサの各々が示す温度のうち、最も高い温度を選別し、前記最も高い温度を温度条件とする制御を実行することは好ましい。

このような構成により、燃料電池モジュール内部に存在する最も高温となりそうな箇所のうち、実際に測定された温度が最も高かった温度を温度条件として通常運転時における制御が行われる。単セルが必要以上に高温になると電解質膜の劣化等の不都合が生じるところ、上記発明によれば、最も温度の高い単セルに適合させて通常運転における制御がされるため、高い運転効率を維持しつつ、耐久性を確保することが可能である。なお、「選定された特定の単セル」とは、他の単セルよりも温度が高くなり易い単セルとして選ばれたものであり、例えば燃料電池モジュールの中央部に位置する単セルのうち幾つかである。

また、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する単セルが複数積層されて形成されるセル積層体を備えた燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記セル積層体内には、他の単セルよりも温度が低くなり易い単セルとして選定された複数の単セルから成る第１のセンサ系と、他のセルよりも温度が高くなり易いセルとして選定された複数のセルから成る第２のセンサ系と、を備え、前記制御部には、始動時以降に、前記第１のセンサ系に属する温度センサの各々が示す温度のうち、最も低い温度を選別する手段と、前記の最も低い温度が、予め設定された基準温度よりも高くなった場合に、前記燃料電池モジュールの運転状態を通常運転状態に切り換える手段と、を備え、さらに、前記制御部には、通常運転時の運転条件に移行後に、前記第２のセンサ系に属する温度センサの各々が示す温度のうち、最も高い温度を選別する手段と、前記制御手段において前記の最も高い温度を温度条件とする制御を実行する手段と、を備えたことを特徴とする。

このような構成により、低温運転時には、燃料電池モジュール内部に存在する最も低温となりそうな箇所のうち、実際に測定された温度が最も低かった温度が基準温度（例えば氷点）を突破したか否かを判断して通常運転に切り換えるので、通常運転切り換え後に生成される水が凍結しガス流路が閉鎖され単セル電圧を低下させたり、単セルの耐久性を劣化させたりすることを防止することができる。また、通常運転時には、燃料電池モジュール内部に存在する最も高温となりそうな箇所のうち、実際に測定された温度が最も高かった温度を温度条件として通常運転時における制御が行われる。単セルが必要以上に高温になると電解質膜の劣化等の不都合が生じるところ、上記発明によれば、最も温度の高い単セルに適合させて通常運転における制御がされるため、高い運転効率を維持しつつ、耐久性を確保することが可能である。

ここで、単セルの各々には、各前記単セルの発電電圧を測定するためのセルモニタ用の突起部が設けられており、前記温度センサは、該セルモニタ用の突起部に設けられているようにしてもよい。このような構成により、温度センサをセルモニタ用の突起部に取り付けるので、温度センサの取り付けが容易である。

また、単セルに冷媒を供給する流路を提供するセパレータが設けられており、前記温度センサは、該セパレータの中央付近に設けられているようにしてもよい。このように冷媒が流れるセパレータの中央付近で温度を検出するので、単セルの実際の温度を的確に把握して制御できる。

さらに、燃料電池モジュールの端部にターミナルが設けられており、前記温度センサは、該ターミナルに設けられているようにすることもできる。このような構成により、金属部材であって熱伝導度が大きいセルの電極端子に表面温度を測定する温度センサを取り付けるので、単セルの実際の温度を一層的確に把握して制御できると共に、温度センサの取付加工が容易である。

さらにまた、燃料電池モジュールの端部にはガスバイパスダミーセルが設けられており、前記温度センサは、該ガスバイパスダミーセルに設けられているようにしてもよい。このような構成により、起電力を有する通常のセルではなく、ガスバイパスダミーセルの中央部に、表面温度を測定する温度センサを取り付けるので、スタック内部の実際の温度を、起電力を有するセルには影響を与えることなく把握して制御することができる。

本発明によれば、燃料電池モジュール内部に存在する最も低温となる箇所の温度によって基準温度（例えば氷点）を突破したか否かを判断するので、通常運転切り換え後に生成される水が凍結しガス流路が閉鎖され単セル電圧を低下させたり、単セルの耐久性を劣化させたりすることを防止することができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

（実施形態１）
この実施形態１は、車載用の燃料電池システムに係り、特に燃料電池の端部の温度が相対的に低くなり易い箇所に複数箇所温度センサを設置し、始動時、各温度センサからの温度を計測し、最も低い検出温度が基準値（例えば氷点温度）を越えた場合に運転条件を切り換える燃料電池システムに関するものである。

図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図１において、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、車載発電システムであり、燃料電池１（燃料電池本体）と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス配管系３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス配管系４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御部７００と、を備えている。

図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの燃料電池１の主要部の構成を示す構成図である。
図２において、本実施形態に係る燃料電池１の主要部（本発明に係る燃料電池モジュール）は、反応ガスの電気化学反応により発電する単セル（以下、単に「セル」とも称する。）２と、該セル２が複数積層されて形成されるセル積層体３と、該セル積層体３の積層方向両端を挟持する一対のエンドプレート８と、両端のエンドプレート８同士を繋ぐテンションプレート９と、複数の弾性体（図示省略）をセル２の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート１２と、酸化ガス（ここではエア）用の出入口マニホールド１５と、燃料ガス（ここでは水素ガス）用の出入口マニホールド１６と、冷却水の出入口マニホールド１７と、を備えて構成されている。

図２に示すように、燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ（図示は省略）を有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

酸化ガス配管系３００は、図１に示すように、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。

酸化ガス供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとして本システム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる水素ガス供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素ガス供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを水素ガス供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、水素ガス供給路１２２に水素ガスが流出するようになっている。水素ガスは、調整弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給されるようになっている。

水素ガス供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８とインジェクタ１２９が設けられている。水素ガスの循環系は、水素ガス供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。

インジェクタ１２９は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。例えば本実施形態のインジェクタ１２９は、水素ガス等を噴射する噴射孔を有する弁座と、水素ガス等を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。インジェクタ１２９の弁体は例えばソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階または多段階に切り替えることができるようになっている。

排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼働時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に水素希釈器（図示は省略）に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５、１６６、１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される装置（ここでは移動体）の主動力源を構成する。

補機インバータ１６５、１６６、１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ、１２４ａ、１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５、１６６、１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ、１２４ａ．１４２ａに供給する。補機インバータ１６５、１６６、１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ、１２４ａ、１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

なお、上記電力系６００の構成では、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１の二次側（燃料電池側）に補機インバータ１６５、１６６、１６７が接続されているが、これらの幾つかが高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１の一次側（バッテリ側）に接続されていてもよい。

制御部７００は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。また、ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（、３００、４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

なお、このようなセル２等で構成される燃料電池１は、この実施形態では移動体、より具体的には燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能されるものであるが、これに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）や、ロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとしても用いることが可能である。

図３は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおいて燃料電池１のスタック内部の温度を測定する温度センサの取付け位置の例を示す説明図である。
図３では、図２に示す燃料電池１のスタック（セル積層体）の側面図を示している。
以下の説明で、「運転」なる用語は、制御部７００の制御下での燃料電池モジュールの稼働を示すものとするが、これは、この燃料電池モジュールが搭載される装置（例えば移動体）の運転を示す意味合いも含んでいるものとする。

図３に示すように、スタック内部の相対的に低い温度を測定するための温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、スタック内の４箇所の端部のセルに設置される。この４箇所の端部セルは、外気の影響を受けて他のセルよりも温度が低くなり易いセルとして選ばれたものである。無論、流通する空気や冷媒循環経路により、端部のセルよりも温度が低くなりやすいセルがあれば、そのようなセルを選定することも可能である。

また、燃料電池１の冷媒配管系５００のうち、燃料電池の出口配管付近に温度センサＴ９が設けられている。温度センサＴ９は、冷媒の燃料電池出口温度ｔ９を検出し、通常運転モードにおける温度条件として利用するためのものである。燃料電池１を冷却する冷媒の温度は、スタックを構成する総てのセルの表面を流れ出てくるものであるため燃料電池モジュール全体の平均的な温度を示していると考えられ、多くのセルの実際の温度に近いものと考えられるからである。

また、スタック内部の相対的に高い温度を測定するための温度センサＴ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８は、スタック内の４箇所の中央付近のセルに設置される。この４箇所の中央付近のセルは、積層されたセルの内部であり冷媒以外の放熱先が無いので他のセルよりも温度が高くなり易いセルとして選ばれたものである。無論、発電電圧や放熱構造によって中央付近のセルよりも温度が低くなりやすいセルがあれば、そのようなセルを選定することも可能である。

さらに、冷媒配管系５００における冷媒出口付近に設けられた温度センサＴ９は、通常運転の温度条件として従来より設けられている燃料電池モジュールの全体温度を検出するものである。通常運転時における温度条件として、温度センサＴ５〜８の示す温度を用いるか、温度センサＴ９の示す温度を用いるかは、任意に設定可能である。

次に本実施形態１の動作を説明する。
まず、制御部７００における制御動作の概要を説明する。
始動時以降、制御部７００は、燃料電池１の暖機運転を実施し適正な温度条件となるまでアイドリングする低温運転モードで、システムの運転制御をする。低温運転モードでは、定期的に、この温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４が示す温度（それぞれｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４とする）を検出し、それらを互いに比較して、温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４のうち、最も低い温度を選別する（以下、この温度ｔ_mlとする）。

次に、この温度ｔ_mと基準温度ｔ₀（例えば氷点温度）とを比較し、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っていない場合には、温度が低すぎる（氷点以下）のセルがあると判断し、低温運転を続行し、次の検出のタイミングを待つ。一方、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回ると、総てのセルが適温（氷点上）になったものと判断し、燃料電池モジュールの運転条件を低温運転モードから通常運転モードに切り換える。この過程は、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回るまで繰り返される。

通常運転モードでは、制御部７００は、今度は、温度センサＴ９が示す温度ｔ９を検出し（以下、この温度ｔ_mcとする）。以後、制御部７００（図１）は、ｔ_mcを温度条件とする通常運転制御に切り換える。

なお、上記の処理では、複数の検出温度を互いに比較し、最も低い温度を選択し、それと基準となる温度とを比較していたが、複数の検出温度をそれぞれ基準となる温度と比較し、複数のうち総ての検出温度が基準となる温度以上となっていた場合に低温運転モードから通常運転モードに切り換えるように制御してもよい。

次に、図５のフローチャートを参照して、具体的な制御部７００の制御処理を説明する。
まず、制御部７００は、ステップＳ１において、低温運転モードにて、始動時の運転を開始させる。総てのインバータに対する給電を抑制して、燃料電池１の内部温度が早期に上昇するように高圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の電圧設定がされる。

次に、ステップＳ２に移行し、制御部７００は、各温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の示す温度の相対値を検出し、検出された温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を互いに比較する。そして、ステップＳ３において、制御部７００は、温度ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４のうち、最も低い温度ｔ_mlを選別する。

次に、ステップＳ４において、制御部７００は、選別された温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っているか否かを検証する。その結果、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っていない場合は（Ｓ４：ＮＯ）ステップＳ２に戻り、次の検出タイミングにおける比較処理（Ｓ２〜Ｓ３）を待つ。一方、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っている場合は（Ｓ４：ＹＥＳ）、制御部７００は、暖機が十分と判断してステップＳ５に移行し、運転モードを低温運転モードから通常運転モードに切り換える。これによって、各インバータに対する給電が解禁され、負荷に対する電力供給ができるようになる。

通常運転モードにおいて、制御部７００は、ステップＳ６に移行し、定期的に温度センサＴ９の示す温度の相対値に基づき冷媒の出口温度ｔ９を検出する。そして、ステップＳ７において、制御部７００は、温度ｔ９を通常運転モードにおける温度条件となる温度ｔ_mcに設定する。

そしてステップＳ８に移行し、制御部７００は、温度ｔ_mcを温度条件として燃料電池システムの運転制御を実施する。

図４は、スタック内部の４箇所の端部のセルに取り付けられた温度センサが描く温度上昇曲線の一例を示すグラフ図である。
図４に示すグラフの場合、温度センサＴ３が示す温度ｔ３は、他の温度ｔ２、ｔ４、ｔ１のいずれよりも常に低い温度を示している。つまり、このグラフ例では、温度センサＴ３が設置された端部セルは、他の温度センサＴ２、Ｔ４、Ｔ１が設置された端部セルのいずれよりも温度が低くなり易いセルであるということが示されている。この場合、前述の温度ｔ_mlとして温度ｔ３が選別されることになる。よって、温度ｔ３が基準温度ｔ₀（ここでは氷点温度）を上回る時点Ｔ₀において、燃料電池モジュールの運転条件は通常運転時の運転条件に切り換えられる。

以上、本実施形態１によれば、燃料電池モジュール内部に存在する最も低温となる箇所の温度によって基準温度ｔ₀（例えば氷点）を突破したか否かを判断するので、氷点下起動時から通常運転に移行する時に発生する可能性が高い燃料電池モジュールの劣化を防止することができる効果が有る。

また、本実施形態１において、通常運転モードに切り換えられた後に、冷媒の温度、すなわち燃料電池モジュール全体の温度に基づいて燃料電池が運転制御されるので、高い運転効率で適正な運転制御が行える。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの構成は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システム１００（図１）の構成とほぼ同じであるが、温度センサの取付け位置が異なる。また、各温度センサにより検出される温度に基づく制御部７００の制御方法も異なる。

図６は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムにおいて燃料電池１のスタック内部の温度を測定する温度センサの取付け位置の例を示す説明図である。
図６では、図２に示す燃料電池１のスタック（セル積層体）の側面図を示している。
図６に示すように、スタック内部の相対的に低い温度を測定するための温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、スタック内の４箇所の端部のセルに設置される。これらについては実施形態１と同様である。

また、本実施形態２では、スタック内部の相対的に高い温度を測定するための温度センサＴ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８が、スタック内の４箇所の中央付近のセルに設置されている。この４箇所の中央付近のセルは、積層されたセルの内部であり冷媒以外の放熱先が無いので他のセルよりも温度が高くなり易いセルとして選ばれたものである。無論、発電電圧や放熱構造によって中央付近のセルよりも温度が低くなりやすいセルがあれば、そのようなセルを選定することも可能である。

次に本実施形態２の動作を説明する。
まず、制御部７００における制御動作の概要を説明する。
始動時以降の低温運転モードにおける制御部７００の処理及び低温運転モードから通常運転モードへの切り換えについては、上記実施形態１と同様である。ここで簡単のため、温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４からなる低温検出のための温度センサ群を「センサ系１」と称する。

本実施形態２では、通常運転モードにおいて、今度は、温度センサＴ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８が示す温度ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８を検出し、それらを互いに比較して、温度ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８のうち、最も高い温度を選別する（以下、この温度ｔ_mhとする）。以後、制御部７００（図１）は、ｔ_mhを温度条件とする通常運転制御に切り換える。ここで簡単のため、温度センサＴ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８からなる高温検出のための温度センサ群を「センサ系２」と称する。

なお、上記の処理では、複数の検出温度を互いに比較し、最も低い温度を選択し、それと基準となる温度とを比較していたが、複数の検出温度をそれぞれ基準となる温度と比較し、複数のうち総ての検出温度が基準となる温度以上となっていた場合に低温運転モードから通常運転モードに切り換えるように制御してもよい。

次に、図７のフローチャートを参照して、具体的な制御部７００の制御処理を説明する。
まず、制御部７００は、ステップＳ２１において、低温運転モードにて、始動時の運転を開始させる。総てのインバータに対する給電を抑制して、燃料電池１の内部温度が早期に上昇するように高圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の電圧設定がされる。

次に、ステップＳ２２に移行し、制御部７００は、センサ系１に含まれる各温度センサによって検出された温度を互いに比較する。そして、ステップＳ２３において、制御部７００は、センサ系１によって検出された温度のうち、最も低い温度ｔ_mlを選別する。

次に、ステップＳ２４において、制御部７００は、選別された温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っているか否かを検証する。その結果、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っていない場合は（Ｓ２４：ＮＯ）ステップＳ２２に戻り、次の検出タイミングにおける比較処理（Ｓ２２〜Ｓ２３）を待つ。一方、温度ｔ_mlが基準温度ｔ₀を上回っている場合は（Ｓ２４：ＹＥＳ）、制御部７００は、暖機が十分と判断してステップＳ２５に移行し、運転モードを低温運転モードから通常運転モードに切り換える。これによって、各インバータに対する給電が解禁され、負荷に対する電力供給ができるようになる。

通常運転モードにおいて、制御部７００は、ステップＳ２６に移行し、定期的にセンサ系２に含まれる各温度センサＴ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８の示す温度の相対値を検出し、検出した温度ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８を互いに比較する。そして、ステップＳ２７において、制御部７００は、温度ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８のうち、最も高い温度ｔ_mhを選別する。

そしてステップＳ２８に移行し、制御部７００は、選別された温度ｔ_mhを燃料電池システムの温度条件として設定し、燃料電池システムの運転制御に利用する。

以上、本実施形態２によれば、センサ系１に係る温度検出の動作については、上記実施形態１と同様の作用効果がある。

また、本実施形態２によれば、通常運転モードに切り換えられた後に、中央付近のセルに設けられたセンサ系２の温度センサの各々が示す温度を参照するので、スタック中の相対的に高温部において温度検出がされる。そしてそのような複数のセルから検出される温度のうち最も高い温度に基づいて制御されるので、電解質膜の劣化させるような温度に達することを防止でき、高い運転効率を維持しつつ、耐久性を確保することが可能である。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システム１００（図１）の構成において、温度センサの取付け位置の変形例に関する。

図８は、本発明の実施形態３に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図であり、図８（ａ）はスタックの側面図、図８（ｂ）はスタックの正面図を、それぞれ示すものである。
図８に示すように、温度センサＴ１０は、端部付近のセパレータ２Ａにおいてセルモニタ取付用突起部２１に取り付けられる。よって、本実施形態３は、セルモニタ取付用の突起部が存在する燃料電池モジュールの場合に適用されるものである。

本実施形態３において、制御部７００（図１）は、温度センサＴ１〜Ｔ４に代えて、この温度センサＴ１０が示す温度ｔ１０に基づいて燃料電池システムの運転をすることになる。なお、図８では、温度センサをセルモニタの端部一箇所に設けたが、実施形態１と同様に、燃料電池の端部付近の複数のセルモニタの突起部に設けてもよい。

以上、本実施形態３によれば、セルモニタ用の突起部が存在する燃料電池モジュールにおいて、温度センサ（ここでは温度センサＴ１０）を、セルモニタ用の突起部（ここではセルモニタ取付用突起部２１）の端部に取り付けるので、上記実施形態１と同様の効果を奏する他、温度センサの取り付けが容易となる効果が有る。

（実施形態４）
本発明の実施形態４は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システム１００（図１）の構成において、温度センサの取付け位置の他の変形例に関する。
図９は、本発明の実施形態４に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図である。
図９に示すように、セルモニタ取付用突起部２１には、温度センサとして熱電対２２を、コネクタ２３を介して取り付ける。この熱電対は、端部セル付近でセパレータ２５にコネクタを介して取り付けられる。なお、熱電対２２を取り付けるセルとしては、上記実施形態１で説明したように、最も低温になることが予想されるセルが選択される。

この熱電対２２は、端部セル付近で冷媒の流路となるセパレータ２５の中央部に設定された温度測定端２４の温度に対応した検出電圧を発生する。制御部７００は、セパレータにおける検出温度に基づいて燃料電池システムの動作処理を行う。

以上、本実施形態４によれば、セルモニタ用の突起部が存在する燃料電池モジュールにおいて、熱電対２２を取り付けてセルの中央部の冷媒流路上の温度を測定するので、セルの実際の温度を的確に把握して制御できる効果が有る。

（実施形態５）
本発明の実施形態５は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システム１００（図１）の構成において、温度センサの取付け位置のさらに他の変形例に関する。
図１０は、本発明の実施形態５に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図である。
図１０に示すように、熱電対２２は、燃料電池１のスタック端部に設けられる電極ターミナル２Ｂにコネクタ２３を介して取り付けられる。この熱電対２２は、温度測定端２４が、電極ターミナル２Ｂの中央端部に設定される。

電極ターミナル２Ｂは、燃料電池１のスタック端部に位置し熱伝導率も高いため、一般に燃料電池の中で温度が低めの部位である。制御部７００は、この電極ターミナル２Ｂにおける検出温度に基づいて燃料電池システムの動作処理を行う。

以上、本実施形態５によれば、電極ターミナル２Ｂにおいて温度を検出するので、最も低い燃料電池の温度として利用に適する。また、電極ターミナル２Ｂは金属部材であるので温度測定端２４の取付加工が容易となる効果がある。

（実施形態６）
本発明の実施形態６は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システム１００（図１）の構成において、温度センサの取付け位置のさらにまた他の変形例に関する。
図１１は、本発明の実施形態６に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図である。
図１１に示すように、熱電対２２は、通常の発電を行うセル２ではなく、ガス流通の便宜のため等に用いられるガスバイパスダミーセル２Ｃにコネクタを介して取り付けられる。この熱電対２２は、ガスバイパスダミーセル２Ｃの中央部に設定された温度測定端２４の温度に対応する電圧を発生する。制御部７００は、ガスバイパスダミーセル２Ｃにおける検出温度に基づいて燃料電池システムの動作処理を行う。

なお、このガスバイパスダミーセル２Ｃは、例えば、複数の弾性体をセル２の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート１２（図２）であってもよい。

以上、本実施形態６によれば、通常、燃料電池モジュールの端部に設けられるガスバイパスダミーセルに熱電対２２を取り付けるので、スタック内部の最も低い温度として利用に適する。また、実際に発電するセルには影響を与えることなく温度検出が可能という効果が有る。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態１では温度センサの設置箇所をセルの両端としたが、スタック内で最も温度が低くなる箇所、若しくは温度が低くなり易い箇所が、実験等により、このセルの前記両端以外の箇所として確定しているならば、該確定箇所に取り付けることができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの燃料電池１の主要部の構成を示す構成図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおいて燃料電池１のスタック内部の温度センサの取付け位置を示す説明図である。 スタック内部の４箇所の端部セルに取り付けられた温度センサが描く温度上昇曲線の一例を示すグラフ図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおける制御部の、温度条件による制御動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムにおいて燃料電池１のスタック内部の温度センサの取付け位置を示す説明図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムにおける制御部の、温度条件による制御動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図であり、図８（ａ）はスタックの側面図、図８（ｂ）はスタックの正面図を、それぞれ示すものである。 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態５に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態６に係る燃料電池システムにおける温度センサの取り付け箇所の一例を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル（単セル）、３…セル種層体、８…エンドプレート、９…テンションプレート、１２…プレッシャプレート、２１…セルモニタ取付用突起部、２２…熱電対、２３…コネクタ、２４…温度測定端、２５…セパレータ、Ｔ１〜Ｔ５…温度センサ、２Ａ…セルモニタ突起部付きセル、２Ｂ…電極ターミナル、２Ｃ…ガスバイパスダミーセル

Claims (8)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する単セルが複数積層されて形成された燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、
   前記セル積層体内には、選定された特定の複数の単セルの各々に温度センサを備え、
   前記制御部は、
   始動時以降に、前記温度センサの各々が示す温度のうち、最も低い温度が、予め設定された基準温度よりも高くなった場合に、前記燃料電池モジュールの運転状態を通常運転状態に切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池モジュールの運転状態が通常運転状態に切り換えられた後は、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を温度条件とする制御を実行する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記セル積層体内には、選定された特定の複数の単セルの各々に温度センサを備え、
   前記制御部は、
   通常運転状態に移行後に、前記温度センサの各々が示す温度のうち、最も高い温度を選別し、前記最も高い温度を温度条件とする制御を実行する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 反応ガスの電気化学反応により発電する単セルが複数積層されて形成されるセル積層体を備えた燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、
   前記セル積層体内には、
   他の単セルよりも温度が低くなり易い単セルとして選定された複数の単セルから成る第１のセンサ系と、他のセルよりも温度が高くなり易いセルとして選定された複数のセルから成る第２のセンサ系と、を備え、
   前記制御部には、
   始動時以降に、前記第１のセンサ系に属する温度センサの各々が示す温度のうち、最も低い温度を選別する手段と、
   前記の最も低い温度が、予め設定された基準温度よりも高くなった場合に、前記燃料電池モジュールの運転状態を通常運転状態に切り換える手段と、を備え、
   さらに、前記制御部には、
   通常運転時の運転条件に移行後に、前記第２のセンサ系に属する温度センサの各々が示す温度のうち、最も高い温度を選別する手段と、
   前記制御手段において前記の最も高い温度を温度条件とする制御を実行する手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記単セルの各々には、各前記単セルの発電電圧を測定するためのセルモニタ用の突起部が設けられており、
   前記温度センサは、該セルモニタ用の突起部に設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記単セルに冷媒を供給する流路を提供するセパレータが設けられており、
   前記温度センサは、該セパレータの中央付近に設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池モジュールの端部にターミナルが設けられており、
   前記温度センサは、該ターミナルに設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池モジュールの端部にはガスバイパスダミーセルが設けられており、
   前記温度センサは、該ガスバイパスダミーセルに設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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