JP2008171601A

JP2008171601A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008171601A
Application number: JP2007001792A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Kumei; 秀之久米井; Manabu Kato; 加藤　　学
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】起動性を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池システム（２００）は、少なくとも１つのセル（１０）を備える燃料電池（３０）と、セル（１０）が生成可能な最大電流をセル（１０）の非発電時に取得する電流取得手段（５０）とを備える。燃料電池システムは、非発電時にセルが生成可能な最大電流を求めることができる。したがって、セルの劣化を抑制しつつ、最大電流以下の電流で発電を開始することができる。
【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、一般的には水素およ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ており、また高いエネルギ効率を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。

燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。このうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜がカソードとアノードとにより挟まれた膜電極接合体（ＭＥＡ）がさらにセパレータによって挟まれたセルが複数積層されたスタック構造を有する。固体高分子型燃料電池においては、燃料ガスがアノードに供給され、酸化剤ガスがカソードに供給される。その結果、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して水が生成される。この水が生成されるときに発生する電流が外部に取り出されることにより、燃料電池は発電する。

固体高分子型燃料電池においては、特に低温下で起動するときに燃料電池内の凍結した水が原因となって、反応ガス不足が生じることがある。この場合、反応ガスが不足するセルが劣化するおそれがある。そこで、燃料電池を起動させる際に燃料電池を昇温させる方法が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、燃料電池の発電不調をセル電圧に基づいて推測し、発電不調が推測された場合には、燃料電池を昇温させることにより起動性を向上させる方法が開示されている。

特開２００６−７３４５１号公報。

しかしながら、特許文献１に係る方法では、昇温装置により燃料電池が所望の温度に達するまで燃料電池を始動させることができない。

本発明は、起動性を向上させ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、少なくとも１つのセルを備える燃料電池と、セルが反応ガスを用いて生成可能な最大電流をセルの非発電時に取得する電流取得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よれば、非発電時にセルが生成可能な最大電流を求めることができる。したがって、セルの劣化を抑制しつつ、最大電流以下の電流で発電を開始することができる。この場合、昇温装置を用いることなく、燃料電池を起動することができる。そのため、本発明に係る燃料電池システムの起動性が向上する。また、最大電流で燃料電池が発電している間に、燃料電池が暖機される。それにより、燃料電池の暖機を早期に完了させることができる。

上記構成において、セルの温度を検出する温度検出手段と、セルの開放電圧が所定電圧よりも小さい電圧から所定電圧に到達するまでの到達時間を検出する時間検出手段とをさらに備え、電流取得手段は、温度検出手段および時間検出手段の検出結果に基づいて、最大電流を取得するものであってもよい。この構成によれば、アイドリング時等の非発電時において、セルの最大電流を求めることができる。それにより、燃料電池の暖機後においても、反応ガスが不足しているセルの劣化を抑制することができる。

上記構成において、到達時間は、セルへの反応ガス供給開始時点から開放電圧が所定電圧に到達するまでの時間であってもよい。また、上記構成において、セルの電気抵抗を検出する電気抵抗検出手段をさらに備え、電流取得手段は、電気抵抗検出手段の検出結果に基づいて、最大電流を取得するものであってもよい。

上記構成において、電流取得手段は、セルの一部の領域である第１領域の最大電流を取得するものであってもよい。この場合、最大電流の検出精度が向上する。また、上記構成において、第１領域は、セルにおける反応ガスの出口近傍の領域であってもよい。この場合、反応ガス不足になりやすい箇所の最大電流を検出することができる。また、上記構成において、第１領域は、セルの他の領域と絶縁されているものであってもよい。

上記構成において、セルは、セルにおける燃料ガス入口および酸化剤ガス入口のうち燃料ガス入口に近い第２領域を備え、第１領域は、燃料ガス入口および酸化剤ガス入口のうち酸化剤ガス入口に近い領域であり、電流取得手段は、第１領域および第２領域の最大電流を取得するものであってもよい。この構成によれば、制御手段は、第１領域および第２領域における電圧挙動に応じて、燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかの拡散性が低下しているかを判断することができる。

上記構成において、燃料電池は、セルを複数備え、電流取得手段は、それぞれのセルの最大電流を取得するものであってもよい。この場合、最大電流の検出精度が向上する。また、上記構成において、それぞれのセルの開放電圧を測定する電圧測定手段と、電圧測定手段の測定結果に基づいて、複数のセルのうち燃料電池に反応ガスが供給された後の所定時間内に開放電圧が所定電圧に到達しないセルをバイパスするバイパス手段とをさらに備えるものであってもよい。この構成によれば、燃料電池システムの起動性を向上させることができる。

上記構成において、燃料電池は、セルを複数備え、電流取得手段は、複数のセルのうち少なくともいずれか一方端のセルの最大電流を取得するものであってもよい。この構成によれば、各セルに測定手段を設ける必要がなくなるため、燃料電池システムの製造コストが低減される。

上記構成において、セルの発電電流を最大電流以下に制御する電流制御手段をさらに備えるものであってもよい。また、上記構成において、燃料電池の発電電流を、複数のセルの最大電流のうち最小の電流以下に制御する電流制御手段をさらに備えるものであってもよい。この場合、セルの劣化を抑制しつつ、本発明に係る燃料電池システムの起動性が向上する。

本発明によれば、起動性を向上させることができる燃料電池システムを提供することができる。

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２００を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池３０、反応ガス供給手段４０、測定手段６０、バイパス手段７０および制御手段８０を備える。燃料電池３０は、少なくとも１つのセル１０を備える。本実施例においては、燃料電池３０は、複数のセル１０が積層された構造を有する。

セル１０の積層体の両端部には、ターミナル（図示せず）が形成されている。ターミナルは燃料電池３０の発生電力を外部に取り出すための配線等を備えている。ターミナルのセル１０と反対側の面には、絶縁体からなるインシュレータ（図示せず）が形成されている。インシュレータのターミナルセル１０と反対側の面には、エンドプレート２０が形成されている。エンドプレート２０には、反応ガス等を各セル１０に供給するための配管が接続される。

反応ガス供給手段４０は、燃料ガス供給手段４２および酸化剤ガス供給手段４４を備える。燃料ガス供給手段４２は、燃料電池３０に燃料ガスを供給する手段である。酸化剤ガス供給手段４４は、燃料電池３０に酸化剤ガスを供給する手段である。燃料ガスとしては水素が用いられる。酸化剤ガスとしては酸素を含んだエアが用いられる。

制御手段８０は、ＣＰＵ、メモリ等を備え、燃料電池システム２００の動作を制御する。制御手段８０は、電流取得手段５０、電流制御手段５２および電圧制御手段５５を備える。電流取得手段５０は、測定手段６０からの信号を受けて、セル１０が生成可能な最大電流を取得する手段である。なお、電流取得手段５０の詳細については、後述する。

電流制御手段５２は、セル１０の発電電流を制御する手段である。電流制御手段５０は、反応ガス供給手段４０に対して、セル１０の発電電流が最大電流以下になるように指令を送る。また、電圧制御手段５５は、セル１０の開放電圧を制御する手段である。電圧制御手段５５は、反応ガス供給手段４０に対して、燃料電池３０の電圧が所定の値になるように指令を与える。

測定手段６０は、セル１０の温度を検出する温度検出手段、電気抵抗を検出する電気抵抗検出手段および電圧を測定する電圧測定手段を備える。測定手段６０は、セル１０の温度、電気抵抗および電圧を測定し、制御手段８０に対して測定結果を伝える。また、バイパス手段７０は、制御手段８０からの信号を受けて、セル１０をバイパスする手段である。詳細については、後述する。

図２にセル１０の模式的断面図を示す。図２に示すように、セル１０はセパレータ１１０ａ、拡散層１０８ａ、カソード触媒層１０４、電解質膜１０２、アノード触媒層１０６、拡散層１０８ｂおよびセパレータ１１０ｂが順に積層された構造を有する。電解質膜１０２は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなり、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。カソード触媒層１０４は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒層である。アノード触媒層１０６は、水素のプロトン化を促進する触媒層である。カソード触媒層１０４およびアノード触媒層１０６は、例えば、白金担持カーボンからなる。拡散層１０８ａは、酸素を含有する酸化剤ガスを透過する層である。拡散層１０８ｂは水素を含有する燃料ガスを透過する層である。拡散層１０８ａ，１０８ｂは、例えば、カーボンペーパからなる。セパレータ１１０ａには、酸化剤ガス用流路１１２ａが設けられている。セパレータ１１０ｂには、燃料ガス用流路１１２ｂが設けられている。

燃料ガス用流路１１２ｂには、燃料ガス供給手段４２から燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、拡散層１０８ｂを透過してアノード触媒層１０６に到達する。燃料ガスに含まれる水素は、アノード触媒層１０６の触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１０２を伝導してカソード触媒層１０４に到達する。

一方、酸化剤ガス用流路１１２ａには、酸化剤ガス供給手段４４から酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、拡散層１０８ａを透過してカソード触媒層１０４に到達する。カソード触媒層１０４においては、触媒を介してプロトンと酸素とが反応する。それにより、発電が行われるとともに、水が生成される。

発電によって生成された水は、主として酸化剤ガス用流路１１２ａおよび燃料ガス用流路１１２ｂを通って外部へ排出される。しかしながら、生成された水の一部は、酸化剤ガス用流路１１２ａおよび燃料ガス用流路１１２ｂに滞留する。この場合、反応ガスの拡散性が低下する。低温起動時においては、滞留水が凍結して反応ガスの拡散性が特に低下する。その結果、発電に必要な反応ガスが不足することがある。この場合、発電が継続されると、反応ガスが不足しているセルの電圧が負になる。その結果、そのセルが劣化するおそれがある。この問題を解決するために、本実施例に係る燃料電池システム２００は、電流取得手段５０を備えている。

続いて、電流取得手段５０について説明する。まず、図３に、あるセル温度において、セル１０に反応ガスが供給されている場合に、セル１０の開放電圧とセル１０の開放電圧が所定電圧に到達するまでの時間との関係を表す模式図を示す。図３において、縦軸は各セル１０の開放電圧（Ｖ）を表し、横軸は時間（ｓ）を表す。なお、図３においては、セル１０と同様の構造を有するセル１２ａ，１２ｂ，１２ｃについての関係が示されている。

図３に示すように、セル１２ａの開放電圧が所定電圧に到達するまでの時間は、セル１２ｂ，１２ｃに比較して大きくなっている。したがって、セル１２ａにおける反応ガスの拡散性は、セル１２ｂ，１２ｃに比較して低下していることがわかる。この場合、セル１２ａが生成可能な最大電流は、セル１２ｂ，１２ｃに比較して小さくなる。なお、図３の関係は、燃料電池３０の最大電流取得時の温度にも依存する。

電流取得手段５０は、最大電流取得時のセル１０の温度と、それぞれの温度におけるセル１０の開放電圧が所定電圧に到達するまでの到達時間（以下、所定電圧到達時間と称する）と、それぞれの温度および所定電圧到達時間に対応した最大電流値との関係を記憶している。表１に、上記所定電圧を０．９Ｖに設定した場合の最大電流値の例を示す。これらの値は、あらかじめ測定して電流取得手段５０に記憶させてもよい。

測定手段６０は、それぞれのセル１０について、温度および所定電圧到達時間を測定する。次に、測定手段６０は、電流取得手段５０に測定結果を伝える。その結果、電流取得手段５０は、測定したセル温度および所定電圧到達時間から、表１に示すようなマップを参照して、それぞれのセル１０が生成可能な最大電流を求める。

電流取得手段５０は、それぞれのセル１０の最大電流のうち、最小の電流値を選び出す。電流取得手段５０は、この最小の電流値を電流制御手段５２に伝える。そして、電流制御手段５２は、この最小の電流値が燃料電池３０に流れるように反応ガス供給手段４０に指令を与え、燃料電池システム２００を起動させる。この場合、いずれのセル１０においても、各セル１０が生成可能な最大電流以下の電流が流れる。

電流取得手段５０による最大電流の計算方法の具体例を以下に示す。例えば、複数のセル１０のうち、一つのセル１０の温度が−１０℃であり、そのセル１０の開放電圧が反応ガス供給開始時点から所定電圧に至るまでに１０ｓ要したとする。このとき、電流取得手段５０は、表１から、上記セル１０の最大電流は０．３０Ａ／ｃｍ^２であると判断する。一方、他のセル１０の温度が−１０℃であり、そのセル１０の開放電圧が反応ガス供給開始時点から所定電圧に至るまで２０ｓ要したとする。このとき、電流取得手段５０は、表１から、そのセル１０の最大電流は０．２７Ａ／ｃｍ^２であると判断する。電流取得手段５０は、同様の手順に従って各セル１０について行う。各セル１０の最大電流のうち最小の値が、例えば０．２１Ａ／ｃｍ^２であったとする（−１０℃、３０ｓ）。このとき、電流取得手段５０は、燃料電池３０に流すことができる最大電流として０．２１Ａ／ｃｍ^２を選択する。

本実施例に係る燃料電池システム２００によれば、燃料電池システム２００が起動する前、すなわち、セル１０の非発電時にセル１０が生成可能な最大電流を求めることができる。それにより、セル１０の電位が負になることが防止される。その結果、セル１０の劣化を抑制することができる。また、昇温装置を使用して燃料電池３０を暖機することなく、燃料電池システム２００を起動することができる。そのため、燃料電池３０を暖機するために要する時間が不要となる結果、燃料電池システム２００の起動性が向上する。また、最大電流で燃料電池システム２００が稼動している間に、燃料電池３０が暖機される。それにより、燃料電池システム２００の暖機を早期に完了させることができる。

続いて、バイパス手段７０について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、バイパス手段７０を説明するための図である。説明を簡単にするため、セル１０ａ，１０ｂ，１０ｃが積層された燃料電池３０を例として、バイパス手段７０について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、セル１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれには、電圧測定手段６２ａ，６２ｂ，６２ｃが接続されている。また、セル１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれにはバイパス手段７２ａ，７２ｂ，７２ｃが接続されている。バイパス手段７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、例えば、スイッチ等から構成される。

図４（ａ）に示すように、電圧測定手段６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、セル１０ａ，１０ｂ，１０ｃのそれぞれの開放電圧を測定し、制御手段８０に伝える。ここで、制御手段８０は、反応ガスを供給してから所定時間が経過するまでにセル１０ａ，１０ｂ，１０ｃの開放電圧が所定電圧に達したと判断した場合は、バイパス手段７２ａ，７２ｂ，７２ｃを起動させない。

一方、図４（ｂ）に示すように、制御手段８０が、反応ガスを供給してから所定時間経過してもいずれかのセルの開放電圧が所定電圧に達しないと判断した場合には、制御手段８０は、そのセルのバイパス手段を起動させる。バイパス方法としては、例えば、セルのアノードとカソードとを短絡させる方法を用いればよい。その結果、バイパスされていないセルについての最大電流を求めることにより、短絡されたセルの回復を待つことなく、燃料電池システム２００を早期に起動させることができる。

本実施例に係る燃料電池システム２００においては、昇温装置を使用して所定電圧に到達しないセルを回復させる必要がない。そのため、燃料電池システム２００の起動性を向上させることができる。

続いて、燃料電池３０の発電開始までの動作について説明する。図５は、その場合のフローチャートの一例である。まず、燃料電池システム２００のスイッチがオンされると、制御手段８０は、反応ガスが燃料電池３０に供給されるように反応ガス供給手段４０を制御する（ステップＳ１）。続いて、制御手段８０は、測定手段６０からそれぞれのセル１０の開放電圧を取得する（ステップＳ２）。

次に、制御手段８０は、各セル１０の開放電圧が所定電圧に到達したか否かを判定する（ステップＳ３）。所定電圧は、特に限定されないが、本実施例においては、０．９Ｖである。また、セル１０の開放電圧が所定電圧に到達したか否かを判断するにあたっては、例えば、反応ガスを供給してから所定の時間経過後（例えば、３０ｓ後）に、セル１０の開放電圧が所定電圧に到達したか否かによって判定することができる。

ステップＳ３において各セル１０の開放電圧が所定電圧に到達したと判定された場合には、電流取得手段５０は、各セル１０が生成可能な最大電流を求め、電流制御手段５２に各最大電流値を伝える（ステップＳ４）。この場合、電流取得手段５０は、表１のような関係に基づいて各最大電流を求めることができる。電流制御手段５２は、各セル１０の発電電流が各最大電流のうち最小の電流以下になるように反応ガス供給手段４０を制御する（ステップＳ５）。それにより、燃料電池３０の発電が開始される。

一方、ステップＳ３において、各セル１０の開放電圧が所定電圧に到達したと判定されなかった場合、制御手段８０は、所定電圧が得られないセル１０を特定する（ステップＳ６）。次に、制御手段８０は、所定電圧が得られないセル１０をバイパスするようバイパス手段７０を制御する（ステップＳ７）。続いて、制御手段８０は、ステップＳ４を実行する。

このように、上記フローチャートに従った制御により、燃料電池システム２００の起動性を向上させることができる。

（変形例１）
なお、電流取得手段５０は、燃料電池３０が発電を行った後に、各セル１０の最大電流を新たに取得してもよい。例えば、電流取得手段５０は、燃料電池システム２００が搭載された車両がアイドリング状態にある場合等の燃料電池３０の発電が停止している場合に、各セル１０の最大電流を取得する。まず、電圧制御手段５５は、各セル１０の開放電圧が所定電圧よりも小さくなるように反応ガス供給手段４０を制御する。その後、電圧制御手段５５は、各セル１０の開放電圧が増加するように反応ガス供給手段４０を制御する。この場合、反応ガスの拡散性が低下しているセルにおいては、開放電圧が所定電圧に戻るまでの時間が長くなる。その詳細を図６に示す。

図６は、ある温度において、セル１０の開放電圧が所定電圧から一旦低下させられてから再度所定電圧に戻るまでのセル１０の開放電圧と時間との関係を表す模式図である。図６において、縦軸は各セル１０の開放電圧（Ｖ）を表し、横軸は時間（ｓ）を表す。また、所定電圧は、例えば、０．９Ｖである。なお、図６においては、セル１０と同様の構造を有するセル１２ｄ，１２ｅ，１２ｆについての関係が示されている。

図３に示すように、セル１２ｄの開放電圧が所定電圧から一旦低下してから再度所定電圧に戻るまでの時間は、セル１２ｅ，１２ｆに比較して大きくなっている。したがって、セル１２ｄにおける反応ガスの拡散性は、セル１２ｅ，１２ｆに比較して低下していることがわかる。この場合、セル１２ｄが生成可能な最大電流は、セル１２ｅ，１２ｆに比較して小さくなる。なお、図６の関係は、燃料電池３０の発電開始の温度にも依存する。

本例においては、電流取得手段５０は、最大電流取得時のセル１０の温度と、セル１０の開放電圧が所定電圧よりも小さい値から所定電圧に到達するまでの所定電圧到達時間と、それぞれの温度および所定電圧到達時間に対応した最大電流値との関係を記憶している。これらの値は、あらかじめ測定して電流取得手段５０に記憶させてもよい。

本例によれば、アイドリング時等の無負荷状態において、各セル１０の最大電流を求めることができる。それにより、燃料電池３０の暖機後においても、反応ガスが不足しているセルを早期に発見することができる。上記制御は、燃料電池３０の起動後において暖機が完了していない場合に燃料電池３０の発電が停止して生成水が凍結した場合等に特に有効である。

（変形例２）
また、電流取得手段５０は、各セル１０の電気抵抗値から、各セル１０が生成可能な最大電流を取得してもよい。各セル１０の最大電流は、電解質膜の電気抵抗値に依存するからである。図７に、各セル１０の電気抵抗値と電圧と生成可能電流との関係を示す。図７において、縦軸は各セル１０の電圧（Ｖ）を表し、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を表す。

図７に示すように、セル１０の電気抵抗値によって、セル電圧と電流密度との関係が異なっている。したがって、セル１０の電気抵抗値を測定することにより、セル１０の生成可能な最大電流を検出することができる。なお、図７において、曲線が横軸と交わる点が、それぞれの電気抵抗値においてセル１０が生成可能な最大電流となる。本例においては、電流取得手段５０は、各セル１０の電気抵抗値と、各電気抵抗値に対応した最大電流値との関係を記憶している。表２に最大電流値の例を示す。これらの値は、あらかじめ測定して電流取得手段５０に記憶させてもよい。

測定手段６０は、それぞれのセル１０について、電気抵抗値を測定する。次に、測定手段６０は、電流取得手段５０に測定結果を伝える。その結果、電流取得手段５０は、測定した電気抵抗値から表２に示すようなマップを参照して、それぞれのセル１０が生成可能な最大電流を求める。

電流取得手段５０は、それぞれのセル１０の最大電流のうち、最小の電流値を選び出す。電流取得手段５０は、この最小の電流値を電流制御手段５２に伝える。そして、電流制御手段５２は、この最小の電流が燃料電池３０に流れるように反応ガス供給手段４０に指示を与える。この場合、いずれのセル１０においても、生成可能な最大電流以下の電流が流れる。

本例においても、燃料電池３０の発電開始前にセル１０が生成可能な最大電流を求めることができる。そのため、燃料電池システム２００の起動性を向上させることが可能となる。

なお、燃料電池３０はセル１０が直列に積層されたものであるため、燃料電池３０全体の電気抵抗値に基づいて最大電流を推測することは可能である。反応ガスの拡散性が低下しているセルにおいては電気抵抗値が他のセルの電気抵抗値に比較して大幅に大きくなるからである。したがって、各々のセル１０の電気抵抗値ではなく、燃料電池３０全体の電気抵抗値を検出することによって、燃料電池３０の最大電流を推測することが可能である。

続いて、図８に、本例に係るフローチャートの一例を示す。まず、燃料電池システム２００のスイッチがオンされると、制御手段８０は、測定手段６０のから、それぞれのセル１０の電気抵抗値を取得する（ステップＳ１１）。次に、制御手段８０は、各セル１０の電気抵抗値が所定の値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この場合の所定値は、特に限定されないが、本例においては、９０ｍΩである。

ステップＳ１２において各セル１０の電気抵抗値が所定値以下であると判定された場合には、電流取得手段５０は、各セル１０が生成可能な最大電流を求め、電流制御手段５２に最大電流値を伝える（ステップＳ１３）。この場合、電流取得手段５０は、表２のような関係に基づいて最大電流を求めることができる。次に、電流制御手段５２は、各セル１０の発電電流が最大電流以下になるように反応ガス供給手段４０を制御する（ステップＳ１４）。それにより、燃料電池３０が発電を開始する。

一方、ステップＳ１２において、各セル１０の電気抵抗値が所定値以下であると判定されなかった場合、制御手段８０は、測定手段６０の測定結果に基づいて、電気抵抗値が所定値以下ではないセル１０を特定する（ステップＳ１５）。次に、制御手段８０は、電気抵抗値が所定値以下ではないセル１０をバイパスするようバイパス手段７０を制御する（ステップＳ１６）。続いて、制御手段８０は、ステップＳ１３を実行する。

（変形例３）
なお、測定手段６０は、各セル１０の一部の領域（以下、第１領域１３０と称する）の所定電圧到達時間または電気抵抗値を測定してもよい。図９（ａ）は、セル１０の平面図である。第１領域１３０は、反応ガスの出口側に配置されていることが好ましい。反応ガスの出口側に、発電によって生成された水が滞留しやすいからである。図９（ｂ）は、セル１０の断面図である。図９（ｂ）に示すように、第１領域１３０は、絶縁部材１２０ａ，１２０ｂによって、他の領域と絶縁されている。

ここで、セル１０は、一部にガス拡散性が低下した領域を有していても、全体として良好な所定電圧到達時間または電気抵抗値を有する場合がある。他の領域において良好な発電が行われるからである。本例においては、各セル１０のガス拡散性が低下しやすい箇所の所定電圧到達時間または電気抵抗が測定される。それにより、各セル１０の最大電流の検出精度が向上する。

（変形例４）
また、測定手段６０は、各セル１０の複数の領域（以下、第１領域１３１および第２領域１３２と称する）の所定電圧到達時間を測定してもよい。図１０は、セル１０の平面図である。第１領域１３１は、燃料ガス入口に比較して酸化剤ガス入口に近い箇所に設けられている。第２領域１３２は、酸化剤ガス入口に比較して燃料ガス入口に近い箇所に設けられている。第１領域１３１および第２領域１３２は、セル１０において他の領域と絶縁されている。

本例においては、反応ガス供給開始後、第１領域１３１には燃料ガスに比較して酸化剤ガスが先に到達し、第２領域１３２には酸化剤ガスに比較して燃料ガスが先に到達する。この場合、燃料ガスの拡散性および酸化剤ガスの拡散性のいずれも良好であれば、第１領域１３１および第２領域１３２における開放電圧は、略同様に立ち上がる。

一方、燃料ガスの拡散性が低下していれば、第１領域１３１に燃料ガスが到達しにくくなる。したがって、第１領域１３１の開放電圧は、第２領域１３２に比較して所定の電圧に到達しにくい。また、酸化剤ガスの拡散性が低下していれば、第２領域１３２に酸化剤ガスが到達しにくい。したがって、第２領域１３２の開放電圧は、第１領域１３１に比較して所定電圧に到達しにくい。以上のことから、制御手段８０は、第１領域１３１および第２領域１３２における電圧挙動に応じて、燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかの拡散性が低下しているか判断することができる。

なお、第１領域１３１および第２領域１３２のいずれかにおいて、開放電圧が所定時間経過後において所定電圧に到達しない場合、制御手段８０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれかが拡散していないと判断することができる。この場合、制御手段８０は、バイパス手段７０を制御して、開放電圧が所定電圧に到達しないセル１０をバイパスする。それにより、反応ガスの拡散性が低下したセルにおける電位が負になることを抑制することができる。

なお、実施例１および変形例１〜変形例４において、電流取得手段５０は、必ずしも燃料電池３０を構成する各セル１０の最大電流を取得しなくてもよい。例えば、電流取得手段５０は、複数のセル１０のうち、１以上のセル１０の最大電流を取得してもよい。ただし、電流取得手段５０は、各セル１０のうち少なくともいずれか一方端のセル１０の最大電流を取得することが好ましい。端部のセル１０においては、放熱等によって生成水が滞留しやすいからである。この場合、各セル１０に測定手段６０を設ける必要がなくなるため、燃料電池システム２００の製造コストが低減される。

第１実施例に係る燃料電池システムのブロック図である。セルの模式的断面図である。セルの開放電圧の時間変化を示す図である。バイパス手段の模式図である。第１実施例に係るフローチャートを示す図である。セルの開放電圧の時間変化を示す図である。セルの電気抵抗値と電圧と電流密度との関係を示す図である。変形例２に係るフローチャートを示す図である。変形例３に係るセルの平面図である。変形例４に係るセルの平面図である。

符号の説明

１０セル
３０燃料電池
４０反応ガス供給手段
５０電流取得手段
５２電流制御手段
５５電圧制御手段
６０測定手段
７０バイパス手段
８０制御手段
１３０第１領域
１３２第２領域
２００燃料電池システム

Claims

少なくとも１つのセルを備える燃料電池と、
前記セルが反応ガスを用いて生成可能な最大電流を前記セルの非発電時に取得する電流取得手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記セルの温度を検出する温度検出手段と、
前記セルの開放電圧が所定電圧よりも小さい電圧から前記所定電圧に到達するまでの到達時間を検出する時間検出手段とをさらに備え、
前記電流取得手段は、前記温度検出手段および前記時間検出手段の検出結果に基づいて、前記最大電流を取得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。
前記到達時間は、前記セルへの反応ガス供給開始時点から前記開放電圧が前記所定電圧に到達するまでの時間であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記セルの電気抵抗を検出する電気抵抗検出手段をさらに備え、
前記電流取得手段は、前記電気抵抗検出手段の検出結果に基づいて、前記最大電流を取得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。
前記電流取得手段は、前記セルの一部の領域である第１領域の最大電流を取得する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。
前記第１領域は、前記セルにおける前記反応ガスの出口近傍の領域であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記第１領域は、前記セルの他の領域と絶縁されていることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
前記セルは、前記セルにおける燃料ガス入口および酸化剤ガス入口のうち前記燃料ガス入口に近い第２領域を備え、
前記第１領域は、前記燃料ガス入口および前記酸化剤ガス入口のうち前記酸化剤ガス入口に近い領域であり、
前記電流取得手段は、前記第１領域および前記第２領域の最大電流を取得することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、前記セルを複数備え、
前記電流取得手段は、それぞれの前記セルの最大電流を取得することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
それぞれの前記セルの開放電圧を測定する電圧測定手段と、
前記電圧測定手段の測定結果に基づいて、前記複数のセルのうち前記燃料電池に反応ガスが供給された後の所定時間内に前記開放電圧が前記所定電圧に到達しないセルをバイパスするバイパス手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、前記セルを複数備え、
前記電流取得手段は、前記複数のセルのうち少なくともいずれか一方端のセルの最大電流を取得することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記セルの発電電流を前記最大電流以下に制御する電流制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の発電電流を、前記複数のセルの最大電流のうち最小の電流以下に制御する電流制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項９または１０記載の燃料電池システム。