JP4934985B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムに係り、特に車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開２００４−４７１４９号公報に開示されるように、燃料電池システムが知られている。上記従来のシステムが有する燃料電池は、アノード側およびカソード側に、それぞれ電極層と、拡散層と、複数の通電部と、集電部材とを有している。アノード側の電極層とカソード側の電極層との間には電解質層が設けられている。

アノード側では、拡散層を通じて電極層に水素H₂が供給される。電極層では、水素がイオン化され、電子e^-が生成される。生成された電子e^-は、拡散層を通って通電部に到達し、その後集電部材を介して燃料電池の外部に伝送される。また、水素イオンH^＋は、電解質層を通ってカソード側の電極層に到達する。

カソード側では、拡散層を通じて電極層に空気が供給される。また、カソード側の電極層には、燃料電池の外部から伝送される電子e^-が供給される。その結果、カソード側の電極層では、空気中の酸素O₂と、水素イオンH⁺と、電子e^-とが反応して水H₂Oが生成される。

燃料電池は、アノード側の電極層と、カソード側の電極層とで、それぞれ上述した化学反応を生じさせることによって電気エネルギーを生成する。この化学反応は発熱反応であるため、燃料電池の温度は、起動の後に徐々に上昇する。一方で、燃料電池のエネルギー生成効率は、その温度が高いほど良好となる。このため、燃料電池の始動性は、起動後の温度上昇が早いほど良好となる。

上記従来のシステムでは、燃料電池の起動時に、複数の通電部の一部が拡散層から離される。この場合、アノード側では、電極層で生成された全ての電子e^-は、拡散層との接触を維持している一部の通電部に向かって集中的に移動する。その結果、一部の電子e^-は、全ての通電部が拡散層と接している場合に比して、迂回経路を辿ることになる。このシステムでは、燃料電池の起動時に、カソード側においても一部の通電部が拡散層からはなされる。このため、カソード側においても、電子e^-が迂回経路を辿って移動する現象が生ずる。

電子e^-の移動に伴う発熱効果は、その移動距離が長いほど大きくなる。このため、電子e^-が迂回経路を辿って移動する場合には、その移動が最短距離で行われる場合に比して拡散層を効率的に加熱すること、つまり、燃料電池の温度上昇を速めることができる。従って、上記従来のシステムによれば、燃料電池に対して、良好な始動性を付与することができる。

特開２００４−４７１４９号公報

燃料電池は、通常、複数のセルを積み重ねた構造を有している。また、複数のセルの両側には、それぞれ集電板が配置される。複数のセルは、それぞれ、アノード側およびカソード側に上述した電極層や拡散層を有しており、互いに直列接続の関係となるように積み重ねられる。陽極側の集電板および陰極側の集電板には、それぞれ導電線が接続され、燃料電池で生成された電気エネルギーは、その導電線により外部に取り出される。

集電板および導電線には、優れた導電性が要求される。このため、それらは、銅などの高伝導材料により形成されるのが通常である。ところが、銅などの高伝導材料は、一般に高い熱伝導性を示す。このため、導電線は、一種の放熱板として機能する。その結果、積層されたセルのうち集電板の付近に位置するセルの温度は、積層構造の中央付近に位置するセルの温度に比して低くなりやすい。

低温環境下で燃料電池を良好に起動させるためには、積層構造の中央付近に位置するセルのみならず、集電板の付近に位置するセルの温度も速やかに上昇させることが望ましい。この点、上記従来のシステムは、集電板付近のセルの温度を効率的に上昇させ得るものではなく、起動時における燃料電池の昇温速度を高めるうえで、更なる改良の余地を残すものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、集電板の付近に配置されるセルの温度を効率的に上昇させることのできる燃料電池システム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、燃料電池システムであって、
陽極および陰極の少なくとも一方に、複数の分割集電板からなる集合集電板を備える燃料電池と、
前記燃料電池の外部に配置され、前記分割集電板の全てと導通し得る導電線と、
異なる分割集電板に対応してそれぞれ設けられ、対応する分割集電板と前記導電線とを導通状態又は非導通状態とする複数の導通状態変更機構と、
前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、
前記燃料電池が低温であるほど前記導電線と導通する分割集電板の数が少なくなるように、前記導通状態変更機構を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池の温度に基づいて導通状態とする分割集電板の数を設定する導通数設定手段と、
導通状態とされる分割集電板の数を、前記導通数設定手段によって設定された数に維持しつつ、導通状態とされる分割集電板を順次切り換える切り換え手段と、を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池の起動時温度を検知する起動時温度検知手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の温度上昇に伴って前記導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを、前記起動時温度が低いほど遅らせることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記燃料電池を取り巻く大気温度を検知する大気温度検知手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の温度上昇に伴って前記導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを、前記大気温度が低いほど遅らせることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記燃料電池の作動に伴う水生成量を検知する水量検知手段と、
前記燃料電池の停止時における前記水生成量を停止時水量として記憶する停止時水量記憶手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の温度上昇に伴って前記導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを、前記停止時水量が多いほど遅らせることを特徴とする。

第１の発明によれば、複数の分割集電板の一部を、導電線と導通しない状態とすることができる。この状態が形成されると、導電線と燃料電池との間の電流の授受は、導電線と導通している分割集電板のみを介して行われ、集電板付近に位置するセルには、その分割集電板の付近にのみ集中的に電流が流れる。セルを流れる電流がこのように一部の領域に集中すると、損失が増えて発熱量が増大する。このため、本発明によれば、集電板の近傍に位置するセルの温度を効率的に上昇させることができる。

また、この発明によれば、燃料電池が低温であるほど、導電線と導通する分割集電板の数を減らすことができる。つまり、集電板の近傍に位置するセルを流れる電流を、低温時ほど集中させることができる。このため、本発明によれば、集電板付近に位置するセルの温度を、低温時ほど効率的に上昇させることができ、燃料電池の低温起動性を改善することができる。

また、この発明によれば、導通状態変更機構が複数設けられていることから、燃料電池の温度上昇に合わせて、導電線と導通する分割集電板の数を多段階に増やすことができる。このため、本発明によれば、燃料電池の低温起動時において、発電効率を不必要に下げることなく、集電板付近に位置するセルの温度を適正に上昇させることができる。

また、この発明によれば、導電線と導通する分割集電板の数を所望の数に保ちつつ、導通状態となる分割集電板を適宜切り換えることができる。このような構成によれば、集電板付近に配置されるセルにおいて、電流の流れる領域を分散させることができ、一部においてのみ多量に水が生成されるのを避けることができ、燃料電池の低温起動性を更に改善することができる。

第２の発明によれば、燃料電池の起動時温度が低いほど、導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを遅らせることができる。燃料電池の温度が特定の温度に上昇するまでに生成される水量は、起動時温度が低いほど多量となる。また、燃料電池内での水の氷結を防ぐ観点から、集電板付近のセルに大きな熱量を発生させる必要性は、燃料電池内の水量が多いほど大きくなる。本発明によれば、導通状態となる分割集電板の数を増やすタイミングを起動時温度に応じて変化させることにより、その必要性に応えることができる。

第３の発明によれば、燃料電池を取り巻く大気温度が低いほど、導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを遅らせることができる。起動時における燃料電池の温度は、大気温度が低いほど上昇し難い。このため、起動時に集電板付近のセルに大きな熱量を発生させる必要性は、燃料電池内の水量が多いほど大きくなる。本発明によれば、導通状態となる分割集電板の数を増やすタイミングを大気温度に応じて変化させることにより、その必要性に応えることができる。

第４の発明によれば、停止時水量が多いほど、つまり、起動の時点で既に燃料電池内に存在している水量が多いほど、導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを遅らせることができる。燃料電池の起動時に集電板付近のセルに大きな熱量を発生させる必要性は、燃料電池内の水量が多いほど大きなものとなる。本発明によれば、導通状態となる分割集電板の数を増やすタイミングを停止時水量の多少に応じて変化させることにより、その必要性に応えることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概要を説明するための図である。本実施形態のシステムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、複数のセル１２が積層された構造を有している。最上段のセル１２の上には集合集電板１４が積層されている。同様に、最下段のセル１２の下にも集合集電板１４が積層されている。集合集電板１４は、互いに分離している複数の分割集電板１６により構成されている。分割集電板１６は、何れも、銅などの高伝導性材料により構成されている。

集合集電板１４の近傍には、それぞれ、燃料電池１０から電力を取り出すための導電線１８が配置されている（下方の導電線は図示省略）。また、集合集電板１４と導電線１８との間には、複数のスイッチ機構２０が配置されている。スイッチ機構２０は、分割集電板１６毎に設けられており、個々の分割集電板１６と導電線１８とを、選択的に導通状態または遮断状態とすることができる。導電線１８およびスイッチ機構２０は、集合集電板１４と同様に、銅などの高伝導性材料により構成されている。

スイッチ機構２０の近傍には、それらの状態を切り換えるためのアクチュエータ（図示省略）が配置されている。それらのアクチュエータには、ECU（Electronic Control Unit)２２が接続されている。ECU２２は、アクチュエータに対して適当な駆動信号を供給することにより、それぞれのスイッチ機構２０の状態を、適宜独立に切り換えることができる。ECU２２には、また、吸気温センサ２４が接続されている。ECU２２は、吸気温センサ２４の出力に基づいて外気温THAを検知することができる。

［セルの構造および動作］
図２は、燃料電池１０が備える一つのセル１２の構造を説明するための断面図である。図２に示すように、セル１２は、電解質層３０を有している。電解質層３０の両側には、それぞれアノード側電極層３２、およびカソード側電極層３４が設けられている。アノード側電極層３２の表面は拡散層３６で覆われている。同様に、カソード側電極層３４の表面は拡散層３８で覆われている。

拡散層３６，３８の表面は、それぞれ通電部４０，４２で覆われている。また、拡散層３６，３８の一部は、それぞれガス流路４４，４６と接している。アノード側のガス流路４４には、水素H₂が流通している。一方、カソード側のガス流路４６には、空気、つまり、酸素O₂を含むガスが流通している。

拡散層３６，３８は、多孔質性の導電物質であり、ガスの流通を許容すると共に電荷の移動を許容する。アノード側のガス流路４４を流れる水素H₂は、拡散層３６を介してアノード側電極層３２に到達する。その結果、アノード側電極層３２では、以下の反応により水素イオンH⁺と電子e^-とが生成される。
H2→2H⁺＋2e^- ・・・（１）

上記の反応により生成された電子e^-は、拡散層３６を通って通電部４０に到達し、そこからセル１２の外部に伝搬される。また、電子e^-と共に生成された水素イオンH⁺は、電解質３０を通ってカソード側電極層３４に到達する。カソード側電極層３４には、更に、セル１２の外部から供給される電子e^-と、ガス流路４６から供給される酸素O₂とが到達する。その結果、カソード側電極層３４では、以下の反応が生ずる。
4H⁺＋4e^-＋O₂→2H₂O ・・・（２）

燃料電池１０の各セル１２は、上記（１）および（２）の反応を生じさせることにより、水を生成しながら電気エネルギーを発生する。この反応は発熱反応であるため、その反応が継続する限り、燃料電池１０の温度は起動後に徐々に上昇する。燃料電池１０は、温度の上昇に伴って発電力を向上させる。このため、良好な起動特性を得るためには、燃料電池１０の起動後に、その温度Tを迅速に上昇させることが望ましい。

特に、燃料電池１０の起動時温度が氷点下である場合は、カソード側電極層３４において生成された水が氷結してその表面を覆う事態が生じ得る。カソード側電極層３４の表面が氷で覆われた状況下では、ガス流路４６から供給される酸素O₂がカソード側電極層３４に到達することができないため、上記（２）の反応が起こり得ない。この場合、発熱が生じないため氷の溶解も進まない。その結果、燃料電池の作動が停止することになる。このため、極低温の環境下で燃料電池１０を起動させるためには、セル１２の内部で水の氷結が起こらないように、燃料電池１０の温度Tを素早く上昇させることが必要である。

上述したように、燃料電池１０は、積層されたセル１２の両側に、高導電材料で構成された集合集電板１４を有している。高導電材料は、電気を効率良く伝搬すると同時に、熱も良く伝えるという特性を有している。このため、集合集電板１４は、それ自身放熱板として機能する。その結果、燃料電池１０においては、集合集電板１４の近傍に配置されるセル１２の温度が、積層構造の中央付近に位置するセル１２に比して上昇し難いという現象が生ずる。このため、燃料電池１０の起動性を向上させるためには、集合集電板１４の近傍に配置されるセル１２の温度を効率的に上昇させることが特に重要である。

［スイッチ機構２０の動作］
本実施形態のシステムでは、上述した通り、個々の分割集電板１６が、スイッチ機構２０を介して導電線１８と接続される。図１は、陽極側も陰極側も、３つのスイッチ機構２０のうち、Ch１のスイッチ機構２０だけがON状態とされ、Ch２およびCh３のスイッチ機構２０がOFF状態とされた状態を示している。

この場合、導電線１８には、Ch１の分割集電板２０が導通し、燃料電池２０と導電線２０との間での電流の授受は、Ch１の分割集電板２０を介してのみ行われることになる。その結果、集合集電板１４の近傍に配置されたセル１２においては、その内部を流れる電流が、Ch１の分割集電板２０の近傍に集中する。つまり、Ch１のスイッチ機構２０だけがON状態とされる状態では、図１に示すように、積層構造の中央付近に位置するセル１２には広くその全域に電流が流通するが、セル１２の位置が集合集電板１４に近づくにつれて、電流の流通する領域が狭まり、電流密度が上昇するという事態が生ずる。

電流の流通に伴う損失は、つまり、電流の流通に伴う発熱量は、電流密度が上がるほど大きくなる。このため、セル１２を流れる電流量が同じであれば、その電流が局所に集中して電流密度が上がるほど、セル１２の発する熱量は大きくなる。従って、図１に示す状態によれば、集合集電板１４の直下に位置するセル１２に、積層構造の中央付近に位置するセル１２に比して大きな熱量を発生させることができ、更に、集合集電板１４の直下に位置するセル１２においては、その熱量を、Ch１の分割集電板１６の直下の領域に集中させることができる。以上の理由により、図１に示す状態によれば、集合集電板１４の直下に位置するセル１２を効率的に加熱することができ、低温始動時の氷結を避けるうえで有利な状況を作り出すことができる。

燃料電池１０は、その温度Tが低い場合は、大きな電力を作り出すことができない。このため、燃料電池１０の起動後、温度Tが低い環境下では、１つのChのスイッチ機構２０のみをONさせた状態であっても、電流の伝送に伴う損失はさほど大きくならない。しかしながら、燃料電池１０の温度Tがある程度上昇してくると、電力の生成量が増えて、単一のスイッチ機構２０のみをONとするだけでは、電流の伝送に伴う損失を適当な量に抑えることが困難となる。

そこで、本実施形態では、燃料電池１０が低温で起動された場合は、その温度Tの上昇に伴って、ON状態とされるスイッチ機構２０の数を増やすこととした。より具体的には、温度Tが−１０°Ｃを下回る領域では、ONとするスイッチ機構２０の数が１つとされ、その温度Tが−１０°Ｃに達したら、ONとするスイッチ機構２０の数が２つとされる。そして、温度Tが０°Ｃに達したら、全てのスイッチ機構２０がON状態とされる。このような制御によれば、集合集電板１４の近傍におけるセル１２を効率的に発熱させながら、電流の流通に伴う損失が不当に大きくなるのをさせることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０に対して、良好な起動性を付与することができる。

ところで、燃料電池１０が備える個々のセル１２は、上述した（１）および（２）の反応が生じる領域において水と電力を生成する。従って、図１に示すように、Ch１のスイッチ機構２０だけがON状態とされている場合には、集合集電板１４の直下では、Ch１の分割集電板１６の直下において集中的に水が生成される。

セル１２は、局部的に多量の水が生成され続けた場合、その水を十分に処理することができなくなり、やがて適正に作動できない状態に陥ることがある。つまり、燃料電池１０の低温起動時に、図１に示す状態が長期間に渡って維持された場合、Ch1の直下に多量の水が滞留して、燃料電池１０が適正に機能しない状態となることがある。

図３は、上記の不都合を回避するために、本実施形態のシステムが実行する制御の内容を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、燃料電池１０の温度Tが−１０°Ｃを下回る環境下（例えば−３０°℃の環境下）で実行される制御の内容を表している。以下、この制御を「１CHモード」と称す。また、図３（Ｂ）は、温度Tが−１０°Ｃ以上、０°Ｃ未満の環境下（例えば−１０°Ｃの環境下）で実行される制御の内容を表している。以下、この制御を「２CHモード」と称す。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に、CH１〜CH３の符号と共に示されている波形は、Ch１〜Ch３のスイッチ機構２０のON/OFF状態を表している。１CHモードでは、図３（Ａ）に示すように、ON状態となるスイッチ機構２０を切り換えつつ、１つのスイッチ機構２０がON状態となる状態が維持される。一方、２CHモードでは、図３（Ｂ）に示すように、２つのスイッチ機構２０がON状態となる状態が維持されるように、ON状態となるスイッチ機構２０が切り換えられる。

これらの制御によれば、燃料電池１２の温度Tが上昇する過程で、集合集電板１４の近傍に位置するセル１２において、電流の集中する領域、つまり、集中的に水が生成される領域が、順次切り換えられることになる。その結果、上記の制御によれば、セル１２の一部に集中的に電流を流通させながら、水の生成される領域をセル１２の全体に分散させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０の低温起動時に、集合集電板１４の近傍に位置するセル１２の一部において、集中的に水が生成されるのを避けつつ、そのセル１２の温度を効率的に上昇させることが可能である。

［実施の形態１における具体的処理］
上記の機能は、ECU２２が、以下に説明する図４および図５に示すルーチンを実行することにより実現することができる。図４は、具体的には、燃料電池１０の起動時に、同時にON状態とするスイッチ機構１０の数を決定するためにECU２２が実行するルーチンのフローチャートである。

図４に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の起動が要求されたか否かが判別される（ステップ１００）。燃料電池１０の起動が要求されるまでは、上記ステップ１００の処理が繰り返し実行される。そして、その起動が要求されると、次に、燃料電池１０の起動時温度Tintが検出される（ステップ１０２）。

燃料電池１０の温度は、十分な停止時間が経過することにより外気温THAに収束する。このため、本実施形態では、燃料電池１０の起動時における外気温THAを起動時温度Tintとして取り扱うこととしている。上記ステップ１０２では、具体的には、吸気温センサ２４により検出された外気温THAが、燃料電池１０の起動時温度Tintとして検出される。

次に、燃料電池１０の電流I_FCおよび電圧V_FCに関する情報が取得される（ステップ１０４）。続いて、燃料電池１０の温度Tが算出される（ステップ１０６）。電流I_FCおよび電圧V_FCは、燃料電池１０の発熱量と相関を有している。このため、起動時温度Tintと共に電流I_FCおよび電圧V_FCが判ると、公知の手法によって燃料電池１０の温度Tを推定することが可能である。

次に、燃料電池１０の温度Tが−１０°Ｃを下回っているかが判別される（ステップ１０８）。その結果、T＜−１０°Ｃの成立が認められた場合は、燃料電池１０の発熱量を増やす必要性が極めて高いと判断できる。この場合は、電流の集中を最大限に生じさせるため、１CHモードの実行、つまり、ON状態とするスイッチ機構２０の数を１つにすることが決定される（ステップ１１０）。その後、上記ステップ１０４以降の処理が再び実行される。

上記ステップ１０８において、T＜−１０°Ｃの成立が否定された場合、つまり、温度Tが−１０°Ｃ以上であると判断された場合は、次に、その温度Tが０°Ｃを下回っているかが判別される（ステップ１１２）。その結果、T＜０°Ｃの成立が判断された場合は、燃料電池１０の発熱量を増大させる必要が、未だ残存していると判断できる。この場合は、２CHモードの実行が決定され、同時にONとするスイッチ機構２０の数が２つに設定される（ステップ１１４）。その後、上記ステップ１０４以降の処理が再び実行される。

上記ステップ１１２において、T＜０°Ｃの不成立が判別された場合は、燃料電池１０の内部で水の氷結が生ずる可能性が低いと判断できる。この場合は、全てのスイッチ機構２０をONとするべく、３CHモードの実行が決定される（ステップ１１６）。

図５は、CH1〜CH３のスイッチ機構２０の状態を適宜切り換えるためにECU２２が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、カウンタCONがインクリメントされる（ステップ１２０）。カウンタCONは、スイッチ機構２０のON時間を計数するためのカウンタである。CONの値は、イニシャル処理によりゼロにリセットされている。

次に、１CHモードが設定されているか否かが判別される（ステップ１２２）。燃料電池１０の温度Tが−１０°Ｃを下回っている場合は、１CHモードの設定がなされるため、本ステップ１２２の条件が成立する。この場合は、次に、カウンタCONの計数値が判定値t0より小さいかが判別される（ステップ１２４）。

判定値t0は、CH1モードにおいて、同一のスイッチ機構２０をON状態に維持するべき時間として設定された値である。ここでは、CON＜t0が成立する期間を、CH１のスイッチ機構２０をONとする期間と予め設定している。このため、その条件の成立が認められた場合は、CH１のスイッチ機構２０のみをONとする処理が実行される（ステップ１２６）。以後、１CHモードが維持される限り、CON＜t0が不成立となるまで、繰り返しステップ１２０〜１２６の処理が実行される。その結果、判定値t0に対応する時間だけ、CH１のスイッチ機構２０だけが継続してON状態に維持される。

カウンタCONの計数値が判定値t0に達すると、上記ステップ１２４の条件が不成立となる。この場合、次に、CONが判定値２t0より小さいかが判別される（ステップ１２８）。本実施形態では、t0≦CON＜２t0の期間を、CH２のスイッチ機構２０のON期間と定めている。このため、上記ステップ１２８において、CON＜２t0の成立が認められた場合は、次に、CH２のスイッチ機構２０のみをONとする処理が実行される（ステップ１３０）。以後、１CHモードが維持される限り、CON＜２t0が不成立となるまで、ステップ１２０−１２４，１２８および１３０の処理が繰り返される。その結果、判定値t0（＝２t0−t0）に対応する時間だけ、CH２のスイッチ機構２０だけが継続してON状態に維持される。

カウンタCONの計数値が判定値２t0に達すると、上記ステップ１２８の条件が不成立となる。この場合、次に、CONが判定値３t0より小さいかが判別される（ステップ１３２）。本実施形態では、２t0≦CON＜３t0の期間を、CH３のスイッチ機構２０のON期間と定めている。このため、上記ステップ１３２において、CON＜３t0の成立が認められた場合は、CH３のスイッチ機構２０のみをONとする処理が実行される（ステップ１３４）。以後、１CHモードが維持される限り、CON＜３t0が不成立となるまで、ステップ１２０−１２４，１２８，１３２および１３４の処理が繰り返される。その結果、判定値t0（＝３t0−２t0）に対応する時間だけ、CH３のスイッチ機構２０だけが継続してON状態に維持される。

カウンタCONの計数値が判定値３t0に達すると、上記ステップ１３２の条件が不成立となる。この場合、CONの計数値が０にリセットされる（ステップ１３６）。以後、１CHモードの設定が維持される限り、上述したステップ１２０〜１３６の処理が繰り返され、CH１〜CH３のスイッチ機構２０が、一つずつ順次ON状態とされる。この場合、水の集中を防止しつつ、集合集電板１４の付近に位置するセル１２に最も高い効率で熱を発生させることができる。

燃料電池１０の温度Tが−１０°Ｃ以上となると、１CHモードの設定が解除されるため、上記ステップ１２２の条件が成立しなくなる。この場合は、次に、実行モードが２CHモードであるかが判別される（ステップ１３８）。

温度Tが０°Ｃに満たない間は、ステップ１３８において、実行モードが２CHモードであると判断される。この場合、次に、カウンタCONの計数値が判定値t0より小さいかが判別される（ステップ１４０）。

２CHモードでは、０≦CON＜t0の期間が、CH３とCH１のスイッチ機構２０をONとする期間に設定されている。このため、上記ステップ１４０において、CON＜t0の成立が判定された場合は、CH３とCH１のスイッチ機構２０をONとする処理が実行される（ステップ１４２）。以後、２CHモードが維持される限り、CON＜t0が不成立となるまで、繰り返し上記の処理が実行される。

カウンタCONの計数値が判定値t0に達すると、上記ステップ１４０の条件が不成立となる。この場合、次に、CONが判定値２t0より小さいかが判別される（ステップ１４４）。本実施形態では、t0≦CON＜２t0の期間が、CH１とCH２のスイッチ機構２０をONとする期間に設定されている。このため、上記ステップ１４４において、CON＜２t0の成立が判定された場合は、CH１とCH２のスイッチ機構２０をONとする処理が実行される（ステップ１４６）。以後、２CHモードが維持される限り、CON＜２t0が不成立となるまで、繰り返し上記の処理が実行される。

カウンタCONの計数値が判定値２t0に達すると、上記ステップ１４４の条件が不成立となる。この場合、次に、CONが判定値３t0より小さいかが判別される（ステップ１４８）。本実施形態では、２t0≦CON＜３t0の期間が、CH２とCH３のスイッチ機構２０をONとする期間に設定されている。このため、上記ステップ１４８において、CON＜３t0の成立が判定された場合は、CH２とCH３のスイッチ機構２０をONとする処理が実行される（ステップ１５０）。以後、２CHモードが維持される限り、CON＜３t0が不成立となるまで、繰り返し上記の処理が実行される。

カウンタCONの計数値が判定値３t0に達すると、上記ステップ１４８の条件が不成立となる。この場合、CONの計数値が０にリセットされる（ステップ１３６）。以後、２CHモードの設定が維持される限り、上述したステップ１２０，１２２，１３８〜１５０および１３６の処理が繰り返される。その結果、ON状態となるスイッチ機構２０を順次切り換えつつ、常に２つのスイッチ機構２０をON状態に維持することができる。この場合、局所的な水の集中を回避しながら、集合集電板１４の付近に位置するセル１２に効率良く熱を発生させることができる。

燃料電池１０の温度Tが０°Ｃに達すると、実行モードが３CHモードとされる。この場合、ステップ１３８において、条件不成立の判定がなされ、ECU２２は、全てのCHのスイッチ機構２０をONとして（ステップ１５２）、図５に示すルーチンの実行を終了する。以上の処理によれば、燃料電池１０の温度Tが０°Ｃに達した段階で、集合集電板１４の全面を導電線１８に常時導通させ、燃料電池１０が、最も高い効率で電力を生成し得る状態を作り出すことができる。

以上説明したように、図４および図５に示すルーチンによれば、燃料電池１０の起動時に、温度Tが低い場合には、集合集電板１０の近傍に位置するセル１２が、局所的な水の集中を避けながら効率的に熱を発する状態を作り出すことができる。そして、温度Tの上昇に伴って、燃料電池１０の状態を、それらのセル１２が効率的に電力を発生する状態に変化させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、集合集電板１４による放熱作用の存在に関わらず、燃料電池１０に、優れた低温起動性を付与することができる。

ところで、上述した実施の形態１では、個々のスイッチ機構２０が、ON状態とOFF状態を選択的に実現するものに限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、個々のスイッチ２０は、分割集電板１６と導電線１８との導通状態を、無段階に連続的に変化させるものでもよい。この場合、個々の分割集電板１６と導電線１８との導通状態は、温度Tの上昇に合わせて無段階に連続的に変化させることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、１CHモードや２CHモードの際に、ON状態とするスイッチ機構２０を順次切り換えることとしているが、水の局所的な発生が、燃料電池１０の動作に影響を与えない場合には、その切り換えを省略することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、スイッチ機構２０および分割集電板１６を、CH１〜CH３の３組み設けることとしているが、それらの数は３つに限定されるものではなく、より小数、或いは多数のCHを設けることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、陽極側および陰極側の双方において、スイッチ機構２０のON/OFF制御を行うこととしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、スイッチ機構２０のON/OFF制御は、少なくとも一方の集電板の側で実行することとすればよい。

また、上述した実施の形態１では、起動時温度Tintと電流I_FCおよび電圧V_FCの情報とに基づいて温度Tを推定し、その温度Tに基づいてON状態とするスイッチ機構２０の数を決定することとしているが、その決定の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、燃料電池１０の温度Tは、起動後の経過時間の関数であるものとして、ON状態とするスイッチ機構２０の数は、起動時温度Tintと、その経過時間とに基づいて決定することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、燃料電池１０の温度Tが０°Ｃに達した時点で、全てのスイッチ機構２０をON状態とすることとしているが、その温度は０°Ｃに限定されるものではない。すなわち、全てのスイッチ機構２０をONとする温度は、燃料電池１０の発熱を促す必要性に基づいて設定するべき値であり、システムの仕様に応じて、適宜設定すればよい。

尚、上述した実施の形態１では、個々のスイッチ機構２０と、そのスイッチ機構２０を駆動するためのアクチュエータとの組み合わせが、前記第１の発明における「導通状態変更機構」に相当している。

また、上述した実施の形態１では、ECU２２が、上記ステップ１０２〜１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「温度検知手段」が、上記ステップ１０８〜１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」、並びに前記第１の発明における「導通数設定手段」が、それぞれ実現されている。更に、ECU２２が、上記ステップ１２４〜１３４、または上記ステップ１４０〜１５０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「切り換え手段」が実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムにおいて、ECU２２に、上記図４に示すルーチンに代えて、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態１のシステムは、燃料電池１０の起動時に、導電線１８と導通させる分割集電板１６の数を、燃料電池１０の温度Tに基づいて決定することとしている。つまり、実施の形態１のシステムでは、集合集電板１４の近傍に位置するセル１２に流れる電流の密度を、燃料電池１０の温度Tに基づいて変化させることとしている。

ところで、燃料電池１０の内部に発生している水の量は、必ずしも燃料電池１０の温度Tそのものとは対応していない。例えば、燃料電池１０の温度が−５°Ｃまで上昇してきた時点で発生している水の量は、起動時温度Tintが−２０°Ｃであった場合と、−１０°Ｃであった場合とで同じではない。つまり、これらの場合を比較すると、温度Tを−２０°Ｃから−５°Ｃに引き上げる場合の方が、より多くの発熱反応を必要とし、その結果、燃料電池１０の内部でより多くの水が生成されていると推測できる。

低温起動時にセル１２の発熱効率を高める目的は、主として水の氷結を防止することである。また、低温起動時におけるセル１２の氷結は、水の発生量が多いほど生じ易い。このため、燃料電池１０の温度Tが同じであっても、セル１２の発熱効率を高めることについての必要性は、水の発生量が多いほど大きなものとなる。そこで、本実施形態のシステムは、導電線２０と導通する分割集電板１６の数（以下、「導通集電板数」とする）を、燃料電池１０の温度Tの上昇に応じて増加させると同時に、水の発生量が多いと予測されるほど、つまり、起動時温度Tintが低い場合ほど、温度Tの上昇に伴って導通集電板数を増やすタイミングを遅らせることとした。

［実施の形態２における具体的処理］
図６は、本実施形態においてECU２２が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンは、ステップ１０６の直後にステップ１６０が挿入されている点、およびステップ１０８，１１２が、それぞれステップ１６２，１６４に置き換えられている点を除いて、図４に示すルーチンと同様である。以下、図６において、図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図６に示すルーチンでは、燃料電池１０の起動時に、温度Tの算出（ステップ１００〜１０６）に続いて、次式に従って補正温度F(T, Tint)が算出される（ステップ１６０）。
F(T, Tint)=T+0.2*(Tint+20) ・・・（３）

上記（３）式において、0.2*(Tint+20)は、起動時の発生水量を補正温度F(T, Tint)に反映させるための補正値である。この補正値は、起動時温度Tintが−２０°Ｃであった場合にゼロとなり、Tintが−２０°Ｃより低かった場合は負の値、−２０°Ｃより高かった場合は正の値となる。つまり、補正温度F(T, Tint)は、起動時温度Tintが−２０°Ｃより低かった場合は現実の温度Tより低い値とされ、一方、起動時温度Tintが−２０°Ｃより高かった場合は温度Tより高い値とされる。

図６に示すルーチンでは、次に、補正温度F(T, Tint)が、−１０°Ｃを下回っているかが判別される（ステップ１６２）。その結果、F(T, Tint)＜−１０°Ｃの成立が認められた場合は、燃料電池１０の発熱量を増やす必要性が極めて高いと判断され、ステップ１１０において、１CHモードの実行が決定される。

一方、上記ステップ１６２において、F(T, Tint)＜−１０°Ｃの不成立が認められた場合は、次に、補正温度F(T, Tint)が０°Ｃを下回っているかが判別される（ステップ１６４）。その結果、F(T, Tint)＜０°Ｃの成立が認められた場合は、燃料電池１０の発熱量を増大させる必要が未だ残存していると判断され、ステップ１１４において、２CHモードの実行が決定される。

これに対して、上記ステップ１６４において、F(T, Tint)T＜０°Ｃの不成立が判別された場合は、燃料電池１０の内部で水の氷結が生ずる可能性が低いと判断できる。この場合は、全てのスイッチ機構２０をONとするべく、ステップ１１６において、３CHモードの実行が決定される。

以上説明した通り、図６に示すルーチンでは、モードの選択、つまり、導通集電板数の決定が、補正温度F(T, Tint)に基づいて行われる。そして、補正温度F(T, Tint)は、温度Tが同じであるとすれば、起動時温度Tintが低いほど低い値に算出される。このため、図６に示すルーチンによれば、起動時温度Tintが低いほど、導通集電板数が増やされる温度Tが高い値にシフトすることになる。従って、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０の内部に存在する水が多量である場合ほど、セル１２の発熱効率を重視した状態を長期に渡って維持することができる。その結果、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０の内部における水の量の相違に関わらず、燃料電池１０を、常に良好に起動させることができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、導通集電板数を３段階に変化させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、導通集電板数は、より多段階に切り換えることとしてもよい。或いは、個々のスイッチ機構２０を無段階に導通状態を変化させ得るものとして、集合集電板１６と導電線１８との導通状態を、無段階に変化させることとしてもよい。

また、上述した実施の形態２においては、起動時温度Tintの影響を補正温度F(T, Tint)に反映させることにより、温度Tの上昇に対する導通集電板数の増加の傾向を変化させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、起動時温度Tintを、判定温度（ここでは−１０°Ｃ、および０°Ｃ）の側に反映させることにより同様の機能を実現することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ECU２２が、図６に示すステップ１０２を実行することにより前記第２の発明における「起動時温度検知手段」が、上記ステップ１６０〜１６４の処理を実行することにより前記第２の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムにおいて、ECU２２に、上記図４に示すルーチンに代えて、後述する図７に示すルーチン、および図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

実施の形態２の説明において述べた通り、集合集電板１４の付近に位置するセル１２の発熱量を増大させる必要性は、燃料電池１０の内部に生じている水量が多いほど大きなものとなる。この水量は、燃料電池１０の起動後に発生した水量と、燃料電池１０の起動時に既に存在していた水量とで決定される。また、起動時に存在する水の量は、燃料電池１０の停止時に存在していた水の量とみなすことができる。このため、本実施形態では、燃料電池１０の停止時に存在していた水の量を、その後の起動時における導通集電板数の制御に反映させることとした。

［実施の形態３における具体的処理］
（停止時水量Aw0の検出）
図７は、本実施形態におけるECU２２が、停止時において燃料電池１０の内部に存在している水量を検出するために実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、燃料電池１０の作動中、所定の時間間隔で繰り返し起動されるルーチンである。

このルーチンでは、先ず、燃料電池１０の抵抗R_FCに関する情報が取得される（ステップ１７０）。次に、吸気温センサ４２の出力に基づいて、外気温THAが検出される（ステップ１７２）。更に、燃料電池１０の発生している電流I_FCに関する情報が取得される（ステップ１７４）。

燃料電池１０が生成する水の量は、電流I_FCと相関を有している。また、燃料電池１０の内部に存在する水の量は、燃料電池１０の抵抗R_FCと外気温THAの関数として求めることができる。このため、抵抗R_FCと、外気温THAと、電流IFCとが判ると、個々の瞬間において、燃料電池１０の内部に存在する水の総量を推定刷ることが可能である。ECU２２は、ステップ１５４の処理に続いて、それらの検出値に基づいて、公知の手法により、燃料電池１０内の水量Awを算出する（ステップ１７６）。

次に、燃料電池１０の停止が要求されたか否かが判別される（ステップ１７８）。その結果、停止の要求が生じていないと判別された場合は、そのまま今回の処理が修了される。一方、停止の要求が認められた場合は、その時点で算出されていた水量Awが、停止時水量Aw0として記憶される（ステップ１８０）。

（起動時における導通集電板数の制御）
図８は、本実施形態において、ECU２２が、燃料電池１０の起動時に導通集電板数を決定するために実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンは、ステップ１０２の後にステップ１９０および１９２が挿入されている点、ステップ１６０の後にステップ１９４が挿入されている点、およびステップ１６２，１６４が、それぞれステップ１９６，１９８に置き換えられている点を除いて、図６に示すルーチンと同様である。以下、図８において、図６に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

すなわち、図８に示すルーチンにおいては、燃料電池１０の起動時に、起動時温度Tintの読み込み処理（ステップ１０２）に続いて、停止時水量Aw0の読み込み処理が実行される（ステップ１９０）。続いて、その停止時水量Aw0に基づいて、水量補正値K=f(Aw0)が算出される（ステップ１９２）。ここで、水量補正値Kは、停止時水量Aw0がゼロである場合に最小値ゼロとなり、Aw0が多量であるほど大きな値に設定される。

また、図８に示すルーチンでは、ステップ１６０において補正温度F(T, Tint)が算出された後に、次式に従って、最終補正温度F'が算出される（ステップ１９４）。その結果、最終補正温度F'は、補正温度F(T, Tint)より水量補正値Kだけ低い値に算出される。 F'=F(T, Tint)-K ・・・（４）

図８に示すルーチンでは、以後、最終補正温度F'が−１０°Ｃを下回っているか（ステップ１９６）、或いは、０°Ｃを下回っているか（ステップ１９８）に基づいて、１CHモード、２CHモード、或いは３CHモードの設定が成される（ステップ１１０，１１４，１１６）。つまり、ここでは、最終補正温度F'に基づいて、導通集電板数の設定がなされる。

最終補正温度F'は、温度Tおよび起動時温度Tintが同じであれば、水量補正値Kが大きな値であるほど低い値に算出される。つまり、最終補正温度F'は、停止時水量Aw0が多量であるほど低い値に算出される。従って、図８に示すルーチンによれば、起動時において導通集電板数が増やされる温度Tが、停止時水量Aw0が多いほど高温側にシフトすることになる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０の内部に存在する水が多量である場合ほど、セル１２の発熱効率を重視した状態を長期に渡って維持することができる。その結果、本実施形態のシステムによれば、停止時における水量の多少に関わらず、燃料電池１０を、常に良好に起動させることができる。

ところで、上述した実施の形態１乃至３のシステムにおいては、燃料電池１０の起動時温度Tintは、大気温度THAと等しいことを前提としている。しかしながら、十分な停止時間が確保されていない場合には、燃料電池１０の起動時温度Tintが、大気温度THAより高温となることがある。このような事態に対処するためには、燃料電池１０の温度Tを実測する温度センサを設けて、そのセンサの出力値により停止時温度Tintを検知することとすればよい。

また、そのような場合においては、停止時温度Tintが同じであっても、大気温度THAが異なれば、燃料電池１０の起動時における昇温特性に差異が発生する。つまり、停止時温度Tintが同じであっても、燃料電池１０に所望の温度上昇を生じさせる際に発生する水の量は、大気温度THAが低いほど多量となる。燃料電池１０の起動時には、水が多量に発生する場合ほど、セル１２の発熱を確保する必要性が高まる。このため、起動時温度Tintと大気温度THAとが異なる場合には、燃料電池１０の起動時に導通集電板数を増やす温度Tを、大気温度THAが低いほど、高温側にシフトさせることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、ECU２２が、大気温度THAを検出することにより前記第３の発明における「大気温度検知手段」を実現することができる。また、ECU２２が、導通集電板数を増やす温度Tを、大気温度THAが低いほど高温側にシフトさせることにより、前記第３の発明における「制御手段」を実現することができる。

更に、ここでは、ECU２２が、上記ステップ１７０〜１７６の処理を実行することにより前記第４の発明における「水量検知手段」が、上記ステップ１７８および１８０の処理を実行することにより前記第４の発明における「停止時水量記憶手段」が、上記ステップ１９０，１９２，１９４，１９６および１９８の処理を実行することにより前記第４の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１の全体構成を説明するための図である。 図１に示す燃料電池のセル構造を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１において導通集電板数を決定するために実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１においてスイッチ機構を制御するために実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において導通集電板数を決定するために実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において、停止時水量を検出するために実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３において、導通集電板数を制御するために実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ セル
１４ 集合集電板
１６ 分割集電板
１８ 導電線
２０ スイッチ機構
２２ ECU(Electronic Control Unit)
Tint 起動時温度
T 燃料電池の温度
THA 外気温
Aw0 停止時水量
６６ スライド導電部
６８ スライド低熱伝導部

Claims (4)

1. 陽極および陰極の少なくとも一方に、複数の分割集電板からなる集合集電板を備える燃料電池と、
   前記燃料電池の外部に配置され、前記分割集電板の全てと導通し得る導電線と、
   異なる分割集電板に対応してそれぞれ設けられ、対応する分割集電板と前記導電線とを導通状態又は非導通状態とする複数の導通状態変更機構と、
   前記燃料電池の温度を検知する温度検知手段と、
   前記燃料電池が低温であるほど前記導電線と導通する分割集電板の数が少なくなるように、前記導通状態変更機構を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記燃料電池の温度に基づいて導通状態とする分割集電板の数を設定する導通数設定手段と、
   導通状態とされる分割集電板の数を、前記導通数設定手段によって設定された数に維持しつつ、導通状態とされる分割集電板を順次切り換える切り換え手段と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の起動時温度を検知する起動時温度検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の温度上昇に伴って前記導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを、前記起動時温度が低いほど遅らせることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池を取り巻く大気温度を検知する大気温度検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の温度上昇に伴って前記導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを、前記大気温度が低いほど遅らせることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の作動に伴う水生成量を検知する水量検知手段と、
   前記燃料電池の停止時における前記水生成量を停止時水量として記憶する停止時水量記憶手段とを備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の温度上昇に伴って前記導電線と導通する分割集電板の数を増やすタイミングを、前記停止時水量が多いほど遅らせることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。

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