JP2008181741A - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の短時間運転を行った場合でも、次回起動時に十分な発電性能を確保することが可能な、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１の発電停止信号が検出されても、燃料電池温度評価手段６２により燃料電池１の温度が所定値以下と判断された場合には、燃料電池１の停止を禁止するとともに、ヒータ駆動部６６により燃焼ヒータ９０を駆動して燃料電池１の温度を上昇させるコントローラ６０を有する。これにより、膜電極構造体内の氷を融解して膜電極構造体の劣化を防止することが可能になり、燃料電池１の発電性能を確保することができる。また燃料電池１を迅速に温度上昇させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。

燃料電池を寒冷地において起動させる場合には、燃料電池の温度が低いため反応が活性化されず、発電性能が低下するという問題がある。そこで特許文献１には、燃料電池の冷却を行う冷却水循環系内に冷却水を所定温度以上に保温、貯蔵する蓄熱装置を設け、燃料電池の低温起動時には、燃料電池を冷却する熱交換器からの冷却水の供給を停止し、蓄熱装置内の保温された冷却水を燃料電池に供給するように冷却水の流路を切り換えて、燃料電池を昇温し発電性能を向上させる技術が開示されている。
特開２００２−４２８４６号公報

しかしながら、燃料電池システムの起動後に、燃料電池内を流れる冷媒等が十分に温まる前に燃料電池システムを停止するような短時間運転を行った場合には、燃料電池の膜電極構造体の内部に氷結した水分が残存することになる。そして、燃料電池の停止後に温度が氷点下になると、膜電極構造体内の水分が凍結して膨張するそのため、膜電極構造体が劣化する。その結果、次回起動時に発電性能が著しく低下するという問題がある。
また上記のような短時間運転を行った場合には、特許文献１の蓄熱装置に対して十分に温まった冷媒を供給することができない。その結果、次回起動時に発電性能を向上させることができないという問題がある。

そこで本発明は、短時間運転を行った場合でも、次回起動時に十分な発電性能を確保することが可能な、燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応ガスを供給して発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記燃料電池の温度を把握する燃料電池温度把握手段（例えば、実施形態における冷媒温度センサ８２）と、前記燃料電池温度把握手段が把握した前記燃料電池の温度が所定値以下か判断する燃料電池温度評価手段（例えば、実施形態における燃料電池温度評価手段６２）と、前記燃料電池の温度を上昇させる燃料電池温度上昇手段（例えば、実施形態における燃焼ヒータ９０およびヒータ駆動部６６）と、前記燃料電池の発電停止信号が検出されても、前記燃料電池温度評価手段により前記燃料電池の温度が所定値以下と判断された場合には、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池温度上昇手段により前記燃料電池の温度を上昇させる制御部（例えば、実施形態におけるコントローラ６０）と、を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池を冷却する冷媒を備え、前記燃料電池温度上昇手段は、前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段（例えば、実施形態における燃焼ヒータ９０）であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池温度上昇手段は、前記反応ガスを燃焼させる燃焼ヒータ（例えば、実施形態における燃焼ヒータ９０）であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池の停止後に前記燃料電池の温度が氷点下になるか予測する燃料電池温度予測手段（例えば、実施形態における燃料電池温度予測手段６３）を備え、前記制御部は、前記燃料電池温度予測手段により前記燃料電池の温度が氷点下になると予測された場合に、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池温度上昇手段により前記燃料電池の温度を上昇させることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記燃料電池を冷却する冷媒と、前記冷媒を冷却する熱交換器（例えば、実施形態におけるラジエータ８８）と、前記燃料電池への前記冷媒の循環量を制限する冷媒循環量制限手段（例えば、実施形態におけるバタフライ弁）とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池における前記冷媒の温度が所定値以下と判断された場合に、前記冷媒循環量制限手段により前記燃料電池への前記冷媒の循環量を制限することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、前記燃料電池を冷却する冷媒と、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷媒を保温しつつ保存する冷媒容器（例えば、実施形態における冷媒タンク８７）と、前記熱交換器から前記燃料電池への前記冷媒の循環を制限するとともに前記冷媒容器から前記燃料電池への前記冷媒の循環を可能にする冷媒循環調整手段（例えば、実施形態における三方弁８５，８６および三方弁制御部６８）とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の運転時において、前記燃料電池における前記冷媒の温度が所定値以上と判断された場合に、前記冷媒循環調整手段により前記燃料電池から前記冷媒容器へ前記冷媒を循環させるとともに、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池における前記冷媒の温度が所定値以下と判断された場合に、前記冷媒循環調整手段により前記冷媒容器から前記燃料電池へ前記冷媒を循環させることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、前記燃料電池の積算発電量を検出する燃料電池積算発電量検出手段（例えば、実施形態における燃料電池積算発電量検出手段６２ａ）と、前記燃料電池の発電時間を検出する燃料電池発電時間検出手段（例えば、実施形態における燃料電池発電時間検出手段６２ｂ）とを備え、前記制御部は、前記燃料電池温度評価手段の判断に代えて、前記燃料電池積算発電量検出手段が検出した積算発電量および前記燃料電池発電時間検出手段が検出した発電時間に基づいて、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池温度上昇手段により前記燃料電池の温度を上昇させることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、反応ガスを供給して発電を行う燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池の発電停止信号が検出されても（例えば、実施形態におけるＳ１２）、前記燃料電池の温度が所定値以下と判断された場合には（例えば、実施形態におけるＳ３４）、前記燃料電池の停止を禁止するとともに（例えば、実施形態におけるＳ１４）、前記燃料電池の温度を上昇させる（例えば、実施形態におけるＳ１５）ことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、短時間運転により燃料電池が低温の場合には燃料電池の停止を禁止するので、膜電極構造体内の氷を融解して水分を外部に排出することが可能になる。これにより、膜電極構造体の劣化を防止して、燃料電池の発電性能を確保することができる。また、燃料電池温度上昇手段により積極的に燃料電池を温度上昇させるので、燃料電池の自己発熱のみで温度上昇させる場合に比べて、迅速に温度上昇させることができる。また、燃料電池の温度上昇に伴って冷媒温度も上昇するので、次回起動時に高温の冷媒を循環させることが可能になり、燃料電池を迅速に温度上昇させることができる。したがって、燃料電池の短時間運転を行った場合でも、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池温度上昇手段により直接的に冷媒の温度を上昇させるので、次回起動時に高温の冷媒を循環させることが可能になり、燃料電池を迅速に温度上昇させることができる。したがって、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池の反応ガスを供給するだけで燃焼ヒータを駆動することが可能であり、電気ヒータのようにバッテリの電力を消費しないので、燃料消費量を低減することができる。

請求項４に係る発明によれば、燃料電池の温度が氷点下になって膜電極構造体内の水分が氷結し、膜電極構造体が劣化して次回起動時に発電性能の低下が懸念される場合のみに、燃料電池の暖機運転を行うことが可能になる。したがって、燃料消費量を低減することができる。

請求項５に係る発明によれば、燃料電池への冷媒の循環量が制限されるので、冷媒による燃料電池の冷却を抑制することが可能になり、燃料電池を迅速に温度上昇させることが可能になる。したがって、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

請求項６に係る発明によれば、冷媒容器に保存された高温の冷媒を燃料電池に供給して、燃料電池を加熱することが可能になり、燃料電池を迅速に温度上昇させることが可能になる。したがって、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

請求項７に係る発明によれば、積算発電量および発電時間を用いることにより、膜電極構造体内の水分の状態を正確に把握することが可能になる。これに基づいて暖機運転を行うことにより、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

請求項８に係る発明によれば、燃料電池の短時間運転を行った場合でも、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
最初に、燃料電池システムの概略構造について説明する。燃料電池システムは、単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を多数積層して電気的に直列接続し、その両側にエンドプレートを配置してタイロッドで締結した燃料電池スタックを備えている。

（燃料電池）
図１は、単位セルの展開図である。単位セル１０は、膜電極構造体２０の両側にセパレータ３０Ａ，３０Ｂを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体２０は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）２１の両側にアノード電極２２とカソード電極２３を配置して構成され、膜電極構造体２０のアノード電極２２に面してアノード側セパレータ３０Ａが、カソード電極２３に面してカソード側セパレータ３０Ｂが配置されている。両セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、例えばカーボン材料等で構成されている。

図１において、膜電極構造体２０および両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの右上隅部には、使役前の燃料ガス（例えば水素ガス）が流通する燃料ガス供給口１１が設けられ、その対角位置である左下隅部には、使役後の燃料ガス（以下「アノードオフガス」という。）が流通するアノードオフガス排出口１２が設けられている。また、膜電極構造体２０および両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの左上隅部には、使役前の酸化剤ガス（例えば空気）が流通する酸化剤ガス供給口１３が設けられ、その対角位置である右下隅部には、使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスという）が流通するカソードオフガス排出口１４が設けられている。さらに、膜電極構造体２０と両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの上側中央部には、使役前の冷媒（冷媒）が流通する冷媒供給口１５が設けられ、その対称位置である下側中央部には、使役後の冷媒が流通する冷媒排出口１６が設けられている。

カソード側セパレータ３０Ｂにおいて、膜電極構造体２０と対向する面には、酸化剤ガスを膜電極構造体２０に沿って流通させるための凹部（５２）が平面視略矩形に形成されている。この凹部が、酸化剤ガス供給口１３およびカソードオフガス排出口１４に接続されて、酸化剤ガス流路５２が形成されている。この酸化剤ガス流路５２内には、酸化剤ガスが上から下へ流れるように案内する複数のガイド突条５３が平行に設けられている。なおカソード側セパレータ３０Ｂにおいて、膜電極構造体２０と反対側の面は、平坦面に形成されている。

また、カソード側セパレータ３０Ｂにおける膜電極構造体２０との対向面には、シール材７０Ｂが設けられている。このシール材７０Ｂは、シリコーン系ゴムやフッソ系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、ブチル系ゴム等の一体成形品として構成されている。シール材７０Ｂは、酸化剤ガス供給口１３、酸化剤ガス流路５２およびカソードオフガス排出口１４の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、冷媒供給口１５および冷媒排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。

なお図示しないが、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、膜電極構造体２０と対向する面には、燃料ガスを膜電極構造体２０に沿って流通させるための凹部が平面視略矩形に形成されている。この凹部が、燃料ガス供給口１１およびアノードオフガス排出口１２に接続されて、燃料ガス流路（５１）が形成されている。

また、アノード側セパレータ３０Ａにおける膜電極構造体２０との対向面には、シール材（７０Ａ）が設けられている。このシール材は、燃料ガス供給口１１、燃料ガス流路およびアノードオフガス排出口１２の外側を一周して囲繞するとともに、酸化剤ガス供給口１３、カソードオフガス排出口１４、冷媒供給口１５および冷媒排出口１６をそれぞれ個別に囲繞している。

一方、アノード側セパレータ３０Ａにおいて、膜電極構造体２０と反対側の面には、冷媒を流通させるための凹部（３２）が平面視略矩形に形成されている。この凹部が、冷媒供給口１５および冷媒排出口１６に接続されて、冷媒流路３２が形成されている。この冷媒流路３２内には、冷媒が上から下へ流れるように案内する複数のガイド突条３３が平行に設けられている。

また、アノード側セパレータ３０Ａにおける膜電極構造体２０と反対側の面には、シール材７０Ｃが設けられている。このシール材７０Ｃは、冷媒供給口１５、冷媒流路３２および冷媒排出口１６の外側を一周して囲繞するとともに、燃料ガス供給口１１、アノードオフガス排出口１２、酸化剤ガス供給口１３およびカソードオフガス排出口１４をそれぞれ個別に囲繞している。

図２は、単位セルを積層した燃料電池スタックであり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。図２に示すように、カソード側セパレータ３０Ｂは、シール材７０Ｂを介して膜電極構造体２０に密着され、アノード側セパレータ３０Ａは、シール材７０Ａを介して膜電極構造体２０に密着されている。これにより、カソード側セパレータ３０Ｂと膜電極構造体２０との間に酸化剤ガス流路５２が形成され、アノード側セパレータ３０Ａと膜電極構造体２０との間に燃料ガス流路５１が形成されている。
また、アノード側セパレータ３０Ａは、シール材７０Ｃを介して、隣接するカソード側セパレータ３０Ｂに密着されている。これにより、両セパレータ３０Ａ，３０Ｂの間に冷媒流路３２が形成されている。

そして、燃料ガス流路５１に燃料ガスとして水素ガス等を供給し、酸化剤ガス流路５２に酸化剤ガスとして酸素を含む空気等を供給すると、アノード電極２２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２１を通過してカソード電極２３まで移動する。この水素イオンがカソード電極２３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なおカソード電極２３側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２１を透過してアノード電極２２側に拡散するため、アノード電極２２側にも生成水が存在する。

一方、膜電極構造体２０および両セパレータ３０Ａ，３０Ｂに形成された燃料ガス供給口１１が相互に連結されて、燃料ガス供給用連通孔７１が形成されている。この燃料ガス供給用連通孔７１は、各単位セル１０の燃料ガス流路５１に連結されている。
同様に、図１に示す各単位セル１０に形成されたアノードオフガス排出口１２が相互に連結されてアノードオフガス排出用連通孔が形成されている。また酸化剤ガス供給口１３が相互に連結されて酸化剤ガス供給用連通孔が形成され、カソードオフガス排出口１４が相互に連結されてカソードオフガス排出用連通孔が形成されている。また冷媒供給口１５が相互に連結されて冷媒供給用連通孔が形成され、冷媒排出口１６が相互に連結されて冷媒排出用連通孔が形成されている。

（燃料電池システム）
図３は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの概略構成図である。上述した燃料電池スタック（以下、燃料電池またはＦＣ（Fuel Cell）という。）１は、水素ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うものである。そこで、燃料電池１の燃料ガス供給用連通孔には燃料ガス供給配管１１３が連結され、その上流端部には水素タンク１３０が接続されている。また、燃料電池１の酸化剤ガス供給用連通孔には酸化剤ガス供給配管１２１が連結され、その上流端部には反応ガス供給手段としてエアポンプ（以下、Ａ／Ｐという。）１０２が接続されている。なお、燃料電池１のアノードオフガス排出用連通孔にはアノードオフガス回収配管１１１が連結され、カソードオフガス排出用連通孔にはカソードオフガス排出配管１２２が連結されている。

水素タンク１３０から燃料ガス供給配管１１３に供給された水素ガスは、レギュレータ１０５により減圧された後、エゼクタ１０６を通り、アノード加湿器１０７により加湿されて、燃料電池１の燃料ガス流路５１に供給される。アノードオフガスは、アノードオフガス回収配管１１１を通ってエゼクタ１０６に吸引され、水素タンク１３０から供給される水素ガスと合流し、再び燃料電池１に供給されて循環するようになっている。
なおアノードオフガス回収配管１１１は、電磁駆動式のパージ弁１０８を介して、アノードオフガス排出配管１１２に接続されている。

また、空気はＡ／Ｐ１０２によって加圧され、カソード加湿器１０３で加湿されて、燃料電池１の酸化剤ガス流路５２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出され、背圧弁１０４を介して大気に放出される。

一方、燃料電池システム１００は、燃料電池内に冷媒を流通させて燃料電池１を冷却する冷却手段８０を備えている。冷却手段８０として、燃料電池１の冷媒供給用連通孔には冷媒供給配管８３が連結され、冷媒排出用連通孔には冷媒排出配管８１が連結されている。冷媒供給配管８３の上流端部および冷媒排出配管８１の下流端部は、ラジエータ（熱交換器）８８に接続されている。冷媒供給配管８３には、燃料電池１とラジエータ８８との間で冷媒を流通させる冷媒供給手段として、ウォータポンプ（以下、Ｗ／Ｐという。）８４が設けられている。Ｗ／Ｐ８４は、Ａ／Ｐ１０２と同軸状に連結され、連動して駆動されるようになっている。また、冷媒排出配管８１には燃料電池冷却後の冷媒温度を検出するため冷媒温度センサ８２が設けられている。なお、燃料電池冷却後の冷媒温度は燃料電池の温度と略一致するため、冷媒温度センサ８２は燃料電池温度把握手段として機能する。

燃料電池１には、燃料電池１によって駆動されるモータ等の負荷４０が接続されている。ここで、燃料電池１から負荷４０へ出力される電圧および電流を検出するため、電圧センサ４１および電流センサ４２が設けられている。
また燃料電池システム１００は、コントローラ６０を備えている。コントローラ６０には、上述した電圧センサ４１、電流センサ４２および冷媒温度センサ８２の検出結果が入力されるようになっている。

（第１実施形態）
図４は、第１実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成図である。なお第１実施形態に係る燃料電池システム１０１は、図３に示す燃料電池システム１００の概略構成に加えて、図４に示す特徴構成を備えている。以下の実施形態および変形例に係る燃料電池システムについても同様である。

第１実施形態に係る燃料電池システム１０１は、冷媒排出配管８１に燃焼ヒータ９０が設けられている。燃焼ヒータ９０は、反応ガスを燃焼させて対象物を加熱するヒータである。本実施形態の燃焼ヒータ９０は、冷媒を加熱する冷媒加熱手段として機能する。なお冷媒加熱手段として、電熱線（電気ヒータ）等を採用することも可能である。また、加熱された冷媒が燃料電池に循環して燃料電池の温度を上昇させるため、本実施形態の燃焼ヒータ９０は燃料電池温度上昇手段として機能する。なお燃料電池温度上昇手段として、反応ガスを加熱する反応ガス加熱手段を採用することも可能である。

また、水素タンク１３０から燃料ガス供給配管１１３が延設され、その燃料ガス供給配管１１３から燃料ガス配管９２が分岐されている。この燃料ガス配管９２は、バルブ９１を介して燃焼ヒータ９０に接続されている。またＡ／Ｐ１０２から酸化剤ガス供給配管１２１が延設され、その酸化剤ガス供給配管１２１から酸化剤ガス配管９４が分岐されている。この酸化剤ガス配管９４は、バルブ９３を介して燃焼ヒータ９０に接続されている。これらの配管９２，９４により、燃料電池１の反応ガスを燃焼ヒータ９０に供給しうるようになっている。またバルブ９１，９３の開度を調節することにより、燃焼ヒータ９０に供給される反応ガス流量を調整しうるようになっている。

なお、アノードオフガス排出配管１１２およびカソードオフガス排出配管１２２は、希釈ボックス９８に接続されている。希釈ボックス９８は、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスを排出する前に、カソードオフガス等の希釈ガスを用いて希釈するものである。燃焼ヒータ９０から延設されたオフガス配管９６も同様に、希釈ボックス９８に接続されている。これにより、未反応の水素ガスを含む燃焼ヒータ９０のオフガスを希釈し、水素濃度を低減してから排出しうるようになっている。

一方、冷媒排出配管８１と冷媒供給配管８３とを連結するバイパス配管８９が設けられている。このバイパス配管８９と冷媒供給配管８３との交点には、三方弁８５が設けられている。この三方弁８５は、冷媒の循環路としてラジエータ８８およびバイパス配管８９のいずれかを選択するものである。なおＷ／Ｐ８４の回転数を制限することにより、燃料電池１への冷媒循環量を制限することが可能である。そのため本実施形態では、Ｗ／Ｐ８４が冷媒循環量制限手段として機能する。

コントローラ６０には、燃料電池温度評価手段６２、燃料電池温度予測手段６３、燃料電池駆動部６４、ヒータ駆動部６６および三方弁制御部６８が設けられている。
燃料電池温度評価手段６２は、燃料電池の温度が所定値以下か否かを判断するものである。なお判断基準となる「所定値」については後述する。この燃料電池温度評価手段６２には、冷媒温度センサ８２により検出された冷媒温度が入力されるようになっている。燃料電池温度評価手段６２は、入力された冷媒温度を燃料電池の温度として把握する。
なおアノードオフガス排出配管１１２および／またはカソードオフガス排出配管１２２にオフガス温度センサを設け、燃料電池温度評価手段６２にはオフガス温度センサにより検出されたオフガス温度が入力される構成としてもよい。この場合、燃料電池温度評価手段６２は、入力されたオフガス温度を燃料電池の温度として把握する。

燃料電池温度予測手段６３は、燃料電池１の停止後に燃料電池１の温度が氷点下になるか否かを予測するものである。この予測は、外気温や天気予報等に基づいて行われる。

燃料電池駆動部６４は、イグニッションスイッチ等から燃料電池１の運転開始信号および運転停止信号を受信し、受信した信号に基づいて燃料電池１の運転を制御するものである。
ヒータ駆動部６６は、燃焼ヒータ９０に対して運転開始信号および運転停止信号を出力するとともに、バルブ９１，９３に対して開度制御信号を出力するものである。これによりヒータ駆動部６６は、燃焼ヒータ９０の運転を制御しうるようになっている。
三方弁制御部６８は、三方弁８５に対して冷媒流通路の選択信号を出力するものである。これにより三方弁制御部６８は、ラジエータ８８から燃料電池１への冷媒流通を制限しうるようになっている。

（燃料電池の運転方法）
次に、上記燃料電池システムを使用した燃料電池の運転方法について説明する。
図５は、第１実施形態に係る燃料電池の運転方法のフローチャートである。最初に、燃料電池停止時の処理について説明する。まずＳ１２において、コントローラ６０の燃料電池駆動部６４が、イグニッションスイッチのＯＦＦ信号を検出したか判断する。判断がＹｅｓの場合はＳ３０に進み、燃料電池停止前の暖機運転が必要か判断する。

図６は、停止前暖機必要判断サブルーチンのフローチャートである。まずＳ３２において、コントローラ６０の燃料電池温度評価手段６２に対して、冷媒温度センサ８２により検出された冷媒温度が入力される。次にＳ３４において、燃料電池温度評価手段６２は、入力された冷媒温度が所定値以下か否かを判断する。

図７は、燃料電池停止時の温度と次回氷点下起動性能との関係を示すグラフである。燃料電池の氷点下起動時に、発電に伴って生成された水の一部が、膜電極構造体の内部で氷結する。燃料電池の温度が上昇すれば膜電極構造体内の氷は融解し、燃料電池停止時の掃気処理等により燃料電池の外部に排出される。しかしながら、燃料電池停止時の温度が低い場合には、膜電極構造体の内部に水分が残留することになる。その水分が氷点下で氷結することにより、膜電極構造体（特に触媒膜）を劣化させるとともに、次回起動時に有効発電面積を低下させる。その結果、次回起動時において発電性能が低下するという問題がある。

最新の研究によれば、燃料電池の温度が３０℃程度まで上昇しても、膜電極構造体内には氷が残存していることが確認されている。また温度が４０℃程度まで上昇しても、膜電極構造体内の水分は十分に燃料電池外部に排出されない。温度が５０〜７０℃程度まで上昇すれば、膜電極構造体内の氷はほぼ完全に融解し、水分はオフガスとともに燃料電池外部に排出されて、安定した発電が可能な乾燥状態となる。そのため、燃料電池停止時の温度が５０〜７０℃を超えていれば、次回氷点下起動時における膜電極構造体内の水分氷結の影響を最小限に抑えることが可能になる。したがって、燃料電池停止時の温度が５０〜７０℃を超えていれば、図７に示すように、次回氷点下起動時に十分な発電性能を確保することができる。

そこで図６のＳ３４では、燃料電池温度が冷媒温度に等しいとみなして、冷媒温度が５０〜７０℃の所定値以下か否かを判断する。判断がＮｏの場合には、燃料電池温度が高く次回氷点下起動性能を確保することが可能であるから、燃料電池停止前の暖機運転は不要である（Ｓ３５）。

これに対して、Ｓ３４の判断がＹｅｓの場合には、燃料電池温度が低く次回氷点下起動性能を確保することが困難であるから、燃料電池停止前の暖機運転が必要と考えられる。しかしながら、燃料電池の温度が氷点下になる可能性がなければ、膜電極構造体内の水分が氷結して膜電極構造体が劣化するおそれもないから、燃料電池の暖機運転は不要である。そこでＳ３４の判断がＹｅｓの場合には、Ｓ３６において次回低温（氷点下）起動となるか判断する。この判断は、外気温や天気予報等に基づいて行うことが可能である。Ｓ３６の判断がＮｏの場合には、燃料電池停止前の暖機運転は不要である（Ｓ３５）。Ｓ３６の判断がＹｅｓの場合には、燃料電池停止前の暖機運転が必要である（Ｓ３７）。

図５のＳ３０に戻り、燃料電池停止前の暖機運転が必要と判断した場合には、まずＳ１４において、コントローラ６０の燃料電池駆動部６４が、燃料電池システムの停止を禁止する。なお冷媒の流通停止のみを禁止し、燃料電池１の発電停止は許可してもよい。
次にＳ１５において、コントローラ６０のヒータ駆動部６６が燃焼ヒータ９０を駆動して冷媒を加熱する。具体的には、図４に示すバルブ９１，９３を開いて反応ガスを燃焼ヒータ９０に供給し、燃焼ヒータ９０の運転を開始して、冷媒排出配管８１を流れる冷媒を加熱する。これにより温度上昇した冷媒が燃料電池を流通するので、燃料電池の温度を上昇させることができる。その際、三方弁８５をバイパス配管８９側に切り換えて、冷媒のラジエータ８８への流通を阻止すれば、冷媒温度および燃料電池温度の上昇を短時間で行うことができる。

次に図５のＳ１６において、冷媒温度が所定値以上に上昇したか判断する。その所定値は、Ｓ３４の所定値と同じ５０〜７０℃に設定されている。Ｓ１６の判断がＮｏの場合には、燃料電池停止前の暖機運転を継続する（Ｓ１４，Ｓ１５）。

Ｓ１６の判断がＹｅｓの場合（またはＳ３０の判断がＮｏの場合）には、燃料電池停止前の暖機運転を終了する。具体的には、まずＳ１８において、コントローラ６０の燃料電池駆動部６４が燃料電池システムの停止を許可する。次にＳ１９において、燃料電池駆動部６４が燃料電池システムの停止処理をする。燃料電池システムの停止時に必要な処理として、反応ガス流路の掃気処理等を行う。掃気処理は、発電に伴って生成され反応ガス流路に残留する水分を外部に排出するため、反応ガス流路に酸化剤ガス等を流通させることによって行う。

次に、燃料電池再起動時の処理について説明する。
まずＳ２２において、コントローラ６０の燃料電池駆動部６４が、イグニッションスイッチのＯＮ信号を検出したか判断する。判断がＹｅｓの場合は、Ｓ２４に進んで冷媒温度が所定値以上か否かを判断する。冷媒温度が高くＳ２４の判断がＹｅｓの場合には、Ｓ２６に進んで通常通りラジエータ８８から燃料電池１への冷媒循環を行う。具体的には、コントローラ６０の三方弁制御部６８が三方弁８５をラジエータ８８側に切り換えて、ラジエータ８８から燃料電池１に冷媒を流通させる。

これに対して、冷媒温度が低くＳ２４の判断がＮｏの場合には、Ｓ２５に進んで冷媒循環量の制限を行う。具体的には、まずコントローラ６０の三方弁制御部６８が、三方弁８５をラジエータ８８側からバイパス配管８９側に切り換えて、ラジエータ８８から燃料電池１への冷媒循環を制限し、バイパス配管８９から燃料電池１への冷媒循環を可能にする。さらにＷ／Ｐの回転数を減少させ、燃料電池１への冷媒の循環量を制限する。ここでは、燃料電池１への冷媒循環を完全に遮断してもよく、冷媒循環を部分的に制限してもよい。これにより、冷媒による燃料電池１の冷却を抑制することが可能になり、燃料電池１を迅速に温度上昇させることが可能になる。したがって、燃料電池の起動時に十分な発電性能を確保することができる。また、冷媒温度がＳ２４の所定値以上となるまで、燃料電池１への冷媒循環量を制限することが望ましい。また、燃焼ヒータ９０により冷媒を加熱しつつ循環させてもよい。

ところで、図５のＳ１６および図６のＳ３４における冷媒温度の「所定値」は、膜電極構造体の劣化可能性を判断するものであり、上述したＳ２４における冷媒温度の「所定値」は、起動時における発電性能の向上を図るものである。そこでＳ２４における冷媒温度の「所定値」は、Ｓ１６およびＳ３４における冷媒温度の「所定値」（５０〜７０℃）とは異なり、例えば３０℃程度に設定することが望ましい。

以上に詳述したように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１の発電停止信号が検出されても、燃料電池温度評価手段６２により燃料電池１の温度が所定値以下と判断された場合には、燃料電池１の停止を禁止するとともに、ヒータ駆動部６６により燃焼ヒータ９０を駆動して燃料電池１の温度を上昇させる構成とした。
この構成によれば、短時間運転により燃料電池１が低温の場合には燃料電池１の停止を禁止するので、膜電極構造体内の氷を融解して水分を外部に排出することが可能になる。これにより、膜電極構造体の劣化を防止して、燃料電池１の発電性能を確保することができる。また、燃焼ヒータ９０により積極的に燃料電池１を温度上昇させるので、燃料電池１の自己発熱のみで温度上昇させる場合に比べて、迅速に温度上昇させることができる。また、燃料電池１の温度上昇に伴って冷媒温度も上昇するので、次回起動時に高温の冷媒を循環させることが可能になり、燃料電池１を迅速に温度上昇させることができる。したがって、燃料電池１の短時間運転を行った場合でも、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

また、燃焼ヒータ９０により直接的に冷媒を加熱する構成としたので、次回起動時に高温の冷媒を循環させることが可能になり、燃料電池１を迅速に温度上昇させることができる。したがって、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。
また燃焼ヒータ９０は、燃料電池１の反応ガスを供給するだけで駆動することが可能であり、電気ヒータのようにバッテリの電力を消費しないので、燃料消費量を低減することができる。

また、燃料電池温度予測手段６３により燃料電池１の温度が氷点下になると予測された場合に、燃料電池１の停止を禁止するとともに、ヒータ駆動部６６により燃焼ヒータ９０を駆動して燃料電池１の温度を上昇させる構成とした。これにより、燃料電池１の温度が氷点下になって膜電極構造体内の水分が氷結し、膜電極構造体が劣化して次回起動時に発電性能の低下が懸念される場合のみに、燃料電池１の暖機運転を行うことが可能になる。したがって、燃料消費量を低減することができる。

また、燃料電池１の起動時において、燃料電池１における冷媒の温度が所定値以下と判断された場合に、Ｗ／Ｐ８４の回転数を制限することにより、燃料電池１への冷媒循環量を制限する構成とした。これにより、冷媒による燃料電池１の冷却を抑制することが可能になり、燃料電池１を迅速に温度上昇させることが可能になる。したがって、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。
なお、本実施形態ではＷ／Ｐ８４が冷媒循環量制限手段として機能したが、Ｗ／Ｐ８４がＡ／Ｐ１０２と連動する場合には、冷媒循環量制限手段としてバタフライ弁を採用することが望ましい。バタフライ弁は、Ｗ／Ｐ８４から独立して燃料電池１への冷媒循環量を自在に調整しうるものであり、例えば冷媒供給路８３におけるＷ／Ｐ８４と燃料電池１との間に設ければよい。これにより、燃料電池１への冷媒循環量を確実に制限することが可能になり、燃料電池１を迅速に温度上昇させることができる。

（変形例）
図８は、第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの特徴構成図である。第１実施形態ではコントローラに燃料電池温度評価手段を備えていたが、この変形例ではコントローラ６０に燃料電池積算発電量検出手段６２ａおよび燃料電池発電時間検出手段６２ｂを備えている点で相違している。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

燃料電池積算発電量検出手段６２ａは、燃料電池の積算発電量を検出するものである。また燃料電池発電時間検出手段６２ｂは、燃料電池の運転継続時間を検出するものである。燃料電池積算発電量検出手段６２ａおよび燃料電池発電時間検出手段６２ｂは、燃料電池の電圧センサ４１および電流センサ４２に接続され、燃料電池１から出力される電圧、電流または電力から、積算発電量および運転継続時間を検出しうるようになっている。

この変形例に係る燃料電池の運転方法は、第１実施形態と同様に、図５のフローチャートに基づいて行うことが可能である。すなわち、Ｓ１２においてイグニッションスイッチのＯＦＦ信号を検出したら、Ｓ１３０において燃料電池停止前の暖機運転が必要か判断する。

図９（ａ）は、第１実施形態の変形例における停止前暖機必要判断サブルーチンのフローチャートである。この変形例では、まずＳ１３２ａにおいて、コントローラ６０の燃料電池積算発電量検出手段６２ａが、燃料電池の積算発電量を算出する。次にＳ１３２ｂにおいて、コントローラ６０の燃料電池発電時間検出手段６２ｂが、燃料電池の運転継続時間を算出する。

図９（ｂ）は、燃料電池停止前の暖機運転要否の判断テーブルである。積算発電量が多いほど、また運転継続時間が長いほど、膜電極構造体内の氷が融解して水分が外部に排出されているものと考えられる。しかしながら、積算発電量が多くても運転継続時間が短い場合や、運転継続時間が長くても積算発電量が少ない場合には、氷の融解や水分の排出が不十分であると考えられる。そこで図９（ｂ）では、積算発電量を横軸にとり、運転継続時間を縦軸にとって、停止前暖機の必要領域および不要領域を設定している。すなわち、積算発電量と運転継続時間との積が、所定値以下となる領域が停止前暖機の必要領域に設定され、所定値を超える領域が停止前暖機の不要領域に設定されている。

そこで、図９（ａ）のＳ１３４では、燃料電池積算発電量検出手段６２ａが検出した積算発電量と燃料電池発電時間検出手段６２ｂが検出した発電時間との組み合わせが、図９（ｂ）の判断テーブルにおいて停止前暖機の必要領域に該当するか否かを判断する。Ｓ１３４の判断がＮｏの場合には、燃料電池１の停止前暖機は不要である（Ｓ１３５）。
一方、Ｓ１３４の判断がＹｅｓの場合には、Ｓ１３６において次回低温起動となるか判断する。Ｓ１３６の判断がＮｏの場合には停止前暖機は不要であり（Ｓ１３５）、Ｓ１３６の判断がＹｅｓの場合には停止前暖機が必要である（Ｓ１３７）。

以上に詳述したように、第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムでは、燃料電池積算発電量検出手段６２ａが検出した積算発電量および燃料電池発電時間検出手段６２ｂが検出した発電時間に基づいて、燃料電池１の停止を禁止するとともに、ヒータ駆動部６６により燃焼ヒータ９０を駆動して燃料電池１の温度を上昇させる構成とした。
これにより、膜電極構造体内の氷が融解しているか、水分が外部に排出されているかなど、膜電極構造体内の水分の状態を正確に把握することが可能になる。これに基づいて停止前暖機の要否を判断することにより、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる。

（第２実施形態）
図１０は、第２実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成図である。第２実施形態では冷媒を保温しつつ保存する冷媒タンク（冷媒容器）８７を備えている点で、第１実施形態と相違している。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態では、ラジエータ８８と並列に冷媒タンク８７が設けられている。冷媒タンク８７は、冷媒を保温するため、熱伝導率の低い材料によって形成されている。また冷媒タンク８７は、燃料電池１を流通する全冷媒量の１割程度を貯留可能な大きさに形成されている。

一方、冷媒排出配管８１の下流端部には、三方弁８６の流入口が接続されている。三方弁８６の２つの流出口は、それぞれ冷媒タンク８７およびラジエータ８８に接続されている。三方弁８６は、燃料電池１から流入する冷媒の循環路として、冷媒タンク８７およびラジエータ８８のいずれかを選択するものである。また冷媒供給配管８３の上流端部には、三方弁８５の流出口が接続されている。三方弁８５の２つの流入口は、それぞれ冷媒タンク８７およびラジエータ８８に接続されている。三方弁８５は、燃料電池１に流出する冷媒の循環路として、冷媒タンク８７またはラジエータ８８のいずれかを選択するものである。そしてコントローラ６０の三方弁制御部６８は、三方弁８５，８６に対して冷媒循環路の選択信号を出力するようになっている。

図１１は、第２実施形態に係る燃料電池の運転方法のフローチャートである。最初に、燃料電池停止時の処理について説明する。第２実施形態でも第１実施形態と同様に、燃料電池温度評価手段６２により燃料電池１の温度が所定値以下と判断された場合に（Ｓ３４）、燃料電池駆動部６４が燃料電池１の発電停止を禁止するとともに（Ｓ１４）、ヒータ駆動部６６が燃焼ヒータ９０を駆動して燃料電池１の暖機運転を実施する（Ｓ１５）。次にＳ１６において、燃料電池１における冷媒温度が所定値（５０〜７０℃）以上に上昇したか判断する。判断がＮｏの場合には暖機運転を継続する。

これに対して、Ｓ１６の判断がＹｅｓの場合（またはＳ３０の判断がＮｏの場合）には、Ｓ１７において冷媒タンク８７に冷媒を溜める。具体的には、コントローラ６０の三方弁制御部６８が三方弁８５，８６に対して冷媒流通路の選択信号を出力し、燃料電池１から冷媒タンク８７に冷媒を循環させる。これにより、高温の冷媒が冷媒タンク８７に保存される。その後、Ｓ１８において燃料電池システムの停止を許可し、Ｓ１９において燃料電池システムの停止処理をする。

次に、燃料電池再起動時の処理について説明する。
まず、Ｓ２４において燃料電池１における冷媒温度が所定値以上か否かを判断する。冷媒温度が高くＳ２４の判断がＹｅｓの場合には、Ｓ２８に進んで通常通りラジエータ８８から燃料電池１に冷媒を循環させる。具体的には、コントローラ６０の三方弁制御部６８が、三方弁８５，８６をラジエータ８８側に切り換えて、ラジエータ８８から燃料電池１に冷媒を循環させる。

これに対して、冷媒温度が低くＳ２４の判断がＮｏの場合には、Ｓ２７に進んで冷媒タンク８７から燃料電池１に冷媒を循環させる。具体的には、コントローラ６０の三方弁制御部６８が三方弁８５を冷媒タンク８７側に切り換えて、ラジエータ８８から燃料電池１への冷媒循環を制限するとともに、冷媒タンク８７から燃料電池１への冷媒循環を可能にする。なお、三方弁８５を所定の時間割合だけ冷媒タンク８７側に切り換えて、冷媒タンク８７およびラジエータ８８の両方から燃料電池１に冷媒を循環させてもよい。

冷媒タンク８７には、前回の燃料電池停止時に高温の冷媒が充填され保温されている。なお冷媒タンク８７内の冷媒温度は、燃料電池１の停止中に低下したとしても、ラジエータ８８内の冷媒温度以上である。そこで、ラジエータ８８から燃料電池への冷媒循環を制限するとともに、冷媒タンク８７から燃料電池１への冷媒循環を可能にすることにより、燃料電池１を迅速に温度上昇させることができる。なお、冷媒温度がＳ２４の所定値以上となるまで、ラジエータ８８から燃料電池１への冷媒循環を制限することが望ましい。また、燃焼ヒータ９０により冷媒を加熱しつつ循環させてもよい。

以上に詳述したように、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池１の運転時において、燃料電池１における冷媒の温度が所定値以上と判断された場合に、燃料電池１から冷媒タンク８７へ冷媒を循環させるとともに、燃料電池１の起動時において、燃料電池１における冷媒の温度が所定値以下と判断された場合に、冷媒タンク８７から燃料電池１へ冷媒を循環させる構成とした。
これにより、冷媒タンクに保存された高温の冷媒を燃料電池１に供給して、燃料電池１を加熱することが可能になり、燃料電池１を迅速に温度上昇させることが可能になる。したがって、次回起動時に十分な発電性能を確保することができる

なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、燃料電池における反応ガス流路や冷媒流路の形状は、上述した実施形態に限られるものではなく、任意の形状とすることが可能である。

単位セルの展開図である。 単位セルを積層した燃料電池スタックの側面断面図である。 燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池の運転方法のフローチャートである。 停止前暖機必要判断サブルーチンのフローチャートである。 燃料電池停止時の温度と次回氷点下起動性能との関係を示すグラフである。 第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの特徴構成図である。 （ａ）は停止前暖機必要判断サブルーチンのフローチャートであり、（ｂ）は燃料電池停止前の暖機運転要否の判断テーブルである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの特徴構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池の運転方法のフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池 ６０…コントローラ（制御部） ６２…燃料電池温度評価手段 ６２ａ…燃料電池積算発電量検出手段 ６２ｂ…燃料電池発電時間検出手段 ６３…燃料電池温度予測手段 ６６…ヒータ駆動部（燃料電池温度上昇手段） ６８…三方弁制御部（冷媒循環調整手段） ８２…冷媒温度センサ（燃料電池温度把握手段） ８５…三方弁（冷媒循環調整手段） ８６…三方弁（冷媒循環調整手段） ８７…冷媒タンク（冷媒容器） ８８…ラジエータ（熱交換器） ８９…バイパス配管（冷媒循環調整手段） ９０…燃焼ヒータ（燃料電池温度上昇手段、冷媒加熱手段）

Claims (8)

1. 反応ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を把握する燃料電池温度把握手段と、
   前記燃料電池温度把握手段が把握した前記燃料電池の温度が所定値以下か判断する燃料電池温度評価手段と、
   前記燃料電池の温度を上昇させる燃料電池温度上昇手段と、
   前記燃料電池の発電停止信号が検出されても、前記燃料電池温度評価手段により前記燃料電池の温度が所定値以下と判断された場合には、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池温度上昇手段により前記燃料電池の温度を上昇させる制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を冷却する冷媒を備え、
   前記燃料電池温度上昇手段は、前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段であ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。
3. 前記燃料電池温度上昇手段は、前記反応ガスを燃焼させる燃焼ヒータであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の停止後に前記燃料電池の温度が氷点下になるか予測する燃料電池温度予測手段を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池温度予測手段により前記燃料電池の温度が氷点下になると予測された場合に、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池温度上昇手段により前記燃料電池の温度を上昇させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池を冷却する冷媒と、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記燃料電池への前記冷媒の循環量を制限する冷媒循環量制限手段とを備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池における前記冷媒の温度が所定値以下と判断された場合に、前記冷媒循環量制限手段により前記燃料電池への前記冷媒の循環量を制限することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池を冷却する冷媒と、前記冷媒を冷却する熱交換器と、前記冷媒を保温しつつ保存する冷媒容器と、前記熱交換器から前記燃料電池への前記冷媒の循環を制限するとともに前記冷媒容器から前記燃料電池への前記冷媒の循環を可能にする冷媒循環調整手段とを備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の運転時において、前記燃料電池における前記冷媒の温度が所定値以上と判断された場合に、前記冷媒循環調整手段により前記燃料電池から前記冷媒容器へ前記冷媒を循環させるとともに、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池における前記冷媒の温度が所定値以下と判断された場合に、前記冷媒循環調整手段により前記冷媒容器から前記燃料電池へ前記冷媒を循環させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の積算発電量を検出する燃料電池積算発電量検出手段と、前記燃料電池の発電時間を検出する燃料電池発電時間検出手段とを備え、
   前記制御部は、前記燃料電池温度評価手段の判断に代えて、前記燃料電池積算発電量検出手段が検出した積算発電量および前記燃料電池発電時間検出手段が検出した発電時間に基づいて、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池温度上昇手段により前記燃料電池の温度を上昇させることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 反応ガスを供給して発電を行う燃料電池の運転方法であって、
   前記燃料電池の発電停止信号が検出されても、前記燃料電池の温度が所定値以下と判断された場合には、前記燃料電池の停止を禁止するとともに、前記燃料電池の温度を上昇させることを特徴とする燃料電池の運転方法。

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