JP5067524B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は燃料電池に対して各種反応ガスを給排する技術の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、このような燃料電池に加え、当該燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するための配管系、電力を充放電する電力系、システム全体を統括制御する制御系などによって燃料電池システムが構成されている。

このような燃料電池を含む燃料電池システムとしては、例えば、燃料ガス（水素ガス）の供給系に可変レギュレータを備え、当該燃料ガスの設定圧を調整制御できるようにしたもの等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１３９９８４号公報

しかしながら、燃料電池や各種バルブにおけるシール部材、さらには電解質などの温度に関する耐久性が考慮されないまま反応ガスが供給され、あるいはガス圧を高めることが行われているため、これらシール部材や電解質の劣化が進行するおそれがある。

そこで、本発明は、燃料電池の起動性向上を図りつつ、電解質やシール部材の耐久温度特性を考慮してこれらが劣化するのを抑制できるようにした燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。一般に、燃料電池の起動時に燃料ガス（例えば水素ガス）配管系の圧力を高めることは、当該燃料ガスを燃料極へと速やかに送り込み、反応を促進させて起動性を向上させやすくするという点で重要な技術である。ところがその一方で、燃料電池に使われるゴム等のシール部材、電解質などといった部材の強度は必ずしも強くはないという側面もある。この点、本発明者は、燃料電池の耐圧性能を決定する因子であるゴムや樹脂、膜状部材などは温度に対する感度が高く、高温下で強度が著しく変化するものであるにもかかわらず、耐圧の面において温度が考慮されていないことに着目した。そして、高温下では強度が落ちるシール部材や電解質の温度に対する強度を新たに考慮しつつ、特に起動性を向上させたい低温時に従来よりも圧力を高めることについてさらに検討を重ねた結果、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。

本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、発電要求に応じて前記反応ガスの供給状態を変更するガス供給制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度に応じてガス供給量を変更することを特徴とするものである。

また、本発明は、燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、発電要求に応じて前記反応ガスの供給状態を変更するガス供給制御装置と、を備えた燃料電池システムにおける前記反応ガスの供給量ないしはガス圧力を制御するための制御方法であって、前記燃料電池の温度に応じてガス供給量を変更することを特徴とするものである。

一般に、ゴム部材（例えばゴム製のシール部材）や電解質といった部材に関しては、高温になるにつれて強度が低下していく傾向がある（図８参照）。このような性質を考慮し、本発明においては燃料電池の温度に応じて各種反応ガスの供給量を変更することとしている。すなわち、起動時における当該燃料電池の温度をパラメータとし、このパラメータを利用して、当該温度下で燃料電池の起動性を向上させうる燃料ガス圧力値（圧力範囲）を求める。そうしたら、当該求められた圧力範囲（レンジ）内となるように燃料ガス配管系の圧力を高めれば、当該燃料ガスを燃料極へと速やかに送り込み、反応を促進させて起動性を向上させることが可能である。しかも、当該燃料電池の温度をパラメータとしているため、当該起動時の温度状況下にてゴム部材や電解質に対する負担を効果的に抑えることが可能である。

ここで、前記反応ガスが通過するガス通路を形成する通路部材の耐久温度特性に応じてガス供給量を変更することが好ましい。ガス通路を形成する部材、例えばゴム製や樹脂製のシール部材、あるいは電解質といったような高温環境下で強度が低下するような部材に関しては、耐久温度特性に応じてガス供給量（およびガス圧力値）を調整することによって負担を効果的に抑え、劣化を抑制することができる。

この場合には、前記通路部材が複数の異なる部材であって、各部材の温度特性のうち最小値を選択することがさらに好ましい。例えばガス通路を形成する部材としてシール部材や電解質といった複数の異なる部材がある場合、これら部材の温度特性（温度に対する強度変化）は種類によって当然に異なりうる。この点、本発明のごとく最小値の温度特性を選択したうえでガス供給量を調整することとすれば、燃料電池の起動性を向上させつつ、ゴム部材や電解質といった部材に対する負担を抑えて劣化を最小にとどめることができる。

また、前記燃料電池のアノード側とカソード側におけるガス供給状態の差圧を考慮することも好ましい。燃料電池の起動時、燃料ガス側（アノード側）のみ一方的にガス供給するとすればアノード−カソード間の差圧が大きくなり、場合によっては電解質が当該差圧に耐えられなかったり、クロスリークが生じたりといったことが起こりかねない。このような場合、例えば酸化ガスをも同時に供給し、差圧を抑えつつアノード側のガス圧力値を調整することとすれば、こういった問題を抑えつつ燃料電池の起動性を向上させることが可能となる。

また、前記ガス供給制御装置は例えばガス供給源と前記燃料電池との間の前記ガス通路上に設けられた圧力調整装置である。各種弁、可変調圧レギュレータ、インジェクタ等により、発電要求に応じて反応ガスの供給状態（さらには反応ガスの圧力）を変更することができる。

本発明によれば、シール部材や電解質といった部材の耐久温度特性を考慮して供給ガス圧を調整するので、燃料電池の起動性向上を図りつつ、これら部材が劣化するのを抑制することが可能である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図７に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１００は、燃料電池１に反応ガスを供給するためのガス配管系３００，４００と、発電要求に応じて反応ガスの供給状態を変更するガス供給制御装置１１４，１１６，１２６〜１２９とを備えているものであり、燃料電池１の温度に応じてガス供給量を変更することにより、燃料電池１の起動性向上を図りつつもゴムや樹脂などからなる部材（例えば膜−電極アッセンブリやシール部材など）が劣化するのを抑制することとしている。

以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成、ならびに燃料電池１を構成するセル２の構成について説明し、その後、燃料電池１の起動性向上を図りつつもゴムや樹脂などからなる部材が劣化するのを抑制するための構成について説明する。

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１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。

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、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０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２０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、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。水素ガスは、調圧弁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。

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の稼動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図示省略した水素希釈器に排出される。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が搭載される例えば車両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。

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。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。

続いて、図２に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は順次積層されてセル積層体３を構成している（図３参照）。また、このように形成されたセル積層体３は、例えばその両端を一対のエンドプレート８で挟まれ、さらにこれらエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート９が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

なお、このようなセル２等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能な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、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図２においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）等で構成されている（図２参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図２参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されたいわゆるメタルセパレータである。この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されていることが好ましい。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図２参照）。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図２中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図２参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図２参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図２参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

燃料電池１の構成について簡単に説明すると以下のとおりである（図３等参照）。本実施形態における燃料電池１は、複数の単セル２を積層したセル積層体３を有し、セル積層体３の両端に位置する単セル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７およびエンドプレート８が各々配置された構造となっている（図３参照）。このようなセル積層体３はテンションプレート９によって積層状態で拘束されている。テンションプレート９は両エンドプレート８，８間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対がセル積層体３の両側に対向するように配置される。なお、符合１２は、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である。

続いて、本実施形態の燃料電池システム１００において、燃料電池１（ないしは当該燃料電池システム１００）の起動性の向上を図りつつもゴムや樹脂などからなる部材が劣化するのを抑制するための構成について説明する（図４等参照）。

燃料電池１（燃料電池システム１００）の起動時、水素ガス（燃料ガス）を燃料極（アノード）へと速やかに送り込み、反応を促進させて起動性を向上させるという観点からすれば、既述のように燃料ガス配管系４００におけるガス圧力を高めることが好ましい。しかし、燃料電池１に使われるシール部材（例えば第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃ）やＭＥＡ３０などといった部材の温度特性は必ずしも優れているわけではない。そこで、本実施形態においては、起動性の向上を図りつつ、ゴムや樹脂などからなる部材が劣化するのを抑制することとしている（図４等参照）。

すなわち、本実施形態では、発電要求に応じて反応ガスの供給状態を変更することができるガス供給制御装置を備え、燃料電池１の温度に応じてガス供給量を変更するようにしている。つまり、起動時における当該燃料電池１の温度をパラメータとし、このパラメータを利用して、当該温度下で燃料電池１の起動性を向上させうる燃料ガス圧力値（圧力範囲）を求める。圧力値（圧力範囲）を求めたら、当該求められた圧力範囲内となるように燃料ガス配管系４００の圧力を高め、燃料ガス（水素ガス）を燃料電池１の燃料極へと速やかに送り込み、反応を促進させて起動性を向上させる。

以上について図を用いて具体的に説明すると以下のとおりである（図４等参照）。すなわち、例えばシール部材１３ａ〜１３ｃ（あるいはＭＥＡ３０）の温度特性（温度に対する強度の変化）に基づき、各温度における圧力の上限（加圧許容値）を求める（図４中の実線参照）。さらに、燃料電池１の起動性を向上させうる圧力の下限（加圧下限値）を求める（図４中の一点鎖線参照）。この結果、各温度における圧力値の上限と下限が定まるので、圧力値が当該範囲内となるようにガス供給量を制御・変更する。

ただし、この場合、当該求められた圧力範囲（レンジ）の中でもより低い値、つまり加圧下限値（図４中の一点鎖線参照）に近くなるように圧力値を制御することが好ましい。これによれば、燃料電池１の起動性向上を図りながらも、シール部材１３ａ〜１３ｃやＭＥＡ３０に及ぶ影響をさらに抑えることが可能となるから、劣化抑制の観点から好ましい。

なお、燃料電池１の温度はいずれか特定箇所のものに限定されるわけではない。例示すれば、冷媒配管系５００のうち燃料電池１からの出口部分での水温（出口水温）、冷媒配管系５００のうち燃料電池１へと冷媒を送り込む入口部分での水温（入口水温）、水素オフガスの循環路１２３のうち燃料電池１からの出口部分での温度（出口水素オフガス温度）、酸化オフガスが流れる排出路１１２のうち燃料電池１からの出口部分での温度（出口酸化オフガス温度）などを当該燃料電池１の温度として用いることが可能である（図１等参照）。

また、ガス発電要求に応じて反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給状態（各種反応ガスの圧力を含む）を変更するガス供給制御装置は、種々の装置によって構成することができるものである。例えば、水素供給源（ガス供給源）１２１と燃料電池１との間の水素ガス供給路（ガス通路）１２２に設けられた各種装置、本実施形態の燃料電池システム１００であれば元弁１２６、調圧弁１２７、遮断弁１２８、インジェクタ１２９などでガス供給制御装置を構成することができる（図１等参照）。

加えて、反応ガス（水素ガスや酸化ガス）の圧力値を調整する際には、反応ガスが通過するガス通路を形成する通路部材の耐久温度特性に応じつつこれら反応ガスの供給量を変更することが好ましい。ガス通路を形成する部材、例えばゴムや樹脂などで構成されたシール部材、あるいはＭＥＡ３０といったような部材は、高温環境下で強度が低下することから、耐久温度特性に応じてガス供給量（およびガス圧力値）を調整することによって負担を効果的に抑えることが可能である。なお、ここでいうガス通路には水素ガス供給路（ガス通路）１２２や酸化ガス供給路１１１などの流路はもちろんのこと、反応ガスに化学反応を起こさせるための領域や、当該反応ガスのリークを防ぐためのシール材によって形成された領域なども含まれる。したがって、上述した各シール部材１３ａ〜１３ｃやＭＥＡ３０などはそれぞれガス通路を形成する通路部材でもある。

また、本実施形態のように通路部材として複数の異なる部材がある場合には、各部材の温度特性のうち最小値を選択して水素ガス（反応ガス）の供給量を変更することが好ましい。通路部材が複数あればこれら部材の温度特性（温度に対する強度変化）は種類によって当然に異なりうるので、このような場合には複数ある温度特性のうちの最小値を選択したうえでガス供給量を調整することとすれば、燃料電池１の起動性向上を図りつつ、例えばゴムや樹脂などからなる通路部材にかかる負担を最小限にとどめることが可能となる。具体例を挙げて説明すると、例えば通路部材としてＭＥＡ３０とゴム製のシール部材１３ａ，１３ｂ、さらには樹脂フレーム４０などがある場合に、これら各部材の温度特性のうち最小値を選択し、これを僅かながらも上回る程度のガス加圧値を設定する（図５等参照）。

さらには、燃料電池１の燃料極（アノード）側と酸素極（カソード）側におけるガス供給状態の差圧を考慮することも好ましい。燃料電池１の起動時、燃料ガスだけを一方的に供給するとすればアノード−カソード間の差圧が大きくなり、場合によってはＭＥＡ３０が当該差圧に耐えられなかったり、クロスリークが生じたりするおそれがある。そこでこのような場合には、アノード側における圧力（例えばゲージ圧）とカソード側における圧力（例えばゲージ圧）の両方を参照し、差圧を考慮しながら燃料ガスの供給量を変更することで、上述のような問題を避けつつ燃料電池１の起動性を向上させることができる。

加えて、燃料ガスのみならず、酸化ガスをも同時に供給し、差圧を抑えながらアノード側のガス圧力値を調整することも好ましい。例えば、アノード側を４００ｋＰａまで加圧したいが、ＭＥＡ３０の耐圧性能が３００ｋＰａしかないというような場合、カソード側に酸化ガスを供給してゲージ圧を差圧分の１００ｋＰａとする。これにより、ＭＥＡ３０の耐圧性能を超えない範囲でアノード側の圧力値を４００ｋＰａまで上げることが可能となる。

これについて、グラフを使って説明すれば以下のとおりである（図６参照）。すなわち、例えば図６に示すように極低温の環境下（温度Ｔ１）にて燃料電池１を起動する場合、圧力上限（加圧許容値）Ｐ１まで加圧しても、燃料電池１の起動性を向上させうる圧力の下限（加圧下限値）Ｐ２に届かないようなときには、酸化ガスをも同時に供給し、両極間の差圧を抑えながらアノード側のガス圧力値を調整することとする。こうした場合には、差圧を抑えながらもアノード側の圧力上限（加圧許容値）が上にシフトすることになるから、換言すれば圧力上限（加圧許容値）を示すライン（図中の実線Ａ）が上方にシフトしたのと同様の結果となる（図中の二点鎖線）。したがって、酸化ガスの供給量をも調整しつつ燃料ガスの供給量を変更すれば、ＭＥＡ３０の損傷やクロスリークが生じるのを回避しつつ起動性を向上させることが可能である（図６参照）。なお、図６中における破線Ｂは、カソード側における酸化ガスの圧力（加圧値）が最大となった場合の仮想ラインである。

さらに別のグラフを使って説明すれば以下のとおりである（図７参照）。すなわち、コンプレッサ（ガス供給制御装置）１１４を利用することによってカソード側において採りうる圧力範囲がＸであり、調圧弁（ガス供給制御装置）１２７等を利用することによってアノード側において採りうる圧力範囲がＹであり、さらに、ＭＥＡ３０の耐圧性能（耐圧力）がΔＰであるような場合、アノード側の加圧値は耐圧力ΔＰを超えることができない（図中Ａの場合）。しかし、この場合にカソード側にもガス供給すれば、差圧を抑えながらアノード側の圧力上限（加圧許容値）を上にシフトさせることができる。例えば、カソード圧力範囲いっぱいの値Ｘまでカソード側を加圧すれば、図中Ｂとして示すように耐圧力ΔＰがそのままＸの大きさ分だけ上方にシフトすることとなり、アノード側に加えうる圧力値が太い矢印で示すように増大する（図７参照）。

ここまで説明したように、一般に、燃料電池１におけるゴム部材（例えばゴム製のシール部材）や電解質といった部材に関しては高温になるにつれて強度が低下していく傾向があるが、本実施形態における燃料電池システム１においてはこのような性質を考慮し、起動時における当該燃料電池１の温度に応じて各種反応ガスの供給量を変更することとしているため、燃料電池１の起動性向上を図りつつこれら部材が劣化するのを抑制することが可能である。しかも、燃料電池１の温度をパラメータとしているため、起動時においていずれの温度状況下になっていても、ゴム部材等に対する負担を効果的に抑えることが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では起動に関する時間については説明しなかったが、起動性を向上させうる範囲で短時間とすることも好ましい。再起動時、アノード側に窒素が充填されている場合であれば、これを燃料ガス（水素ガス）に置換するのに足る程度の時間（例えば３０秒程度）とすれば、各部材への影響を抑えるという観点からも好ましい。

本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 セル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。 燃料電池スタックの構造例を概略的に示す斜視図である。 シール部材等の温度特性のひとつである加圧許容値（実線）と、燃料電池の起動性を向上させうる加圧下限値（一点鎖線）とを概略的に示すグラフである。 セル積層体のうちセパレータに積層された部分の構造の一例を示す断面図である。 燃料ガスのみならず酸化ガスをも同時に供給し、差圧を抑えながらアノード側のガス圧力値を調整することについて説明するためのグラフであり、シール部材等の温度特性のひとつである加圧許容値（実線、二点鎖線、破線）と、燃料電池の起動性を向上させうる加圧下限値（一点鎖線）との関係について示したものである。 燃料ガスのみならず酸化ガスをも同時に供給し、差圧を抑えながらアノード側のガス圧力値を調整することについて説明するための別のグラフである。 ゴム部材や電解質膜の強度と温度との関係を示すグラフで、横軸を温度、縦軸を引張強さとした場合の両者の関係を概略的に示したものである。

符号の説明

１…燃料電池、１３ａ〜１３ｃ…シール部材（通路部材）、３０…ＭＥＡ（通路部材）、１００…燃料電池システム、１１１…酸化ガス供給路（ガス通路）、１１４…コンプレッサ（ガス供給制御装置）、１１６…背圧調整弁（ガス供給制御装置）、１２１…水素供給源（ガス供給源）、１２２…水素ガス供給路（ガス通路）、１２６…元弁（ガス供給制御装置）、１２７…調圧弁（ガス供給制御装置）、１２８…遮断弁（ガス供給制御装置）、１２９…インジェクタ（ガス供給制御装置）、３００…酸化ガス配管系（ガス配管系）、４００…燃料ガス配管系（ガス配管系）

Claims (7)

1. 燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、発電要求に応じて前記反応ガスの供給状態を変更するガス供給制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度に応じ、当該温度下で前記燃料電池の起動性を向上させうる燃料ガス圧力となるようにガス供給量を変更し、
   前記反応ガスが通過するガス通路を形成する通路部材の耐久温度特性に応じ、高温環境下で強度が低下する当該部材に対して負担を抑えるようにガス供給量を変更することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記通路部材が複数の異なる部材であって、各部材の温度特性のうち最小値を選択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。
3. 前記燃料電池のアノード側とカソード側におけるガス供給状態の差圧を考慮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。
4. 前記ガス供給制御装置はガス供給源と前記燃料電池との間の前記ガス通路上に設けられた圧力調整装置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。
5. 燃料電池に反応ガスを供給するためのガス配管系と、発電要求に応じて前記反応ガスの供給状態を変更するガス供給制御装置と、を備えた燃料電池システムにおける前記反応ガスの供給量ないしはガス圧力を制御するための制御方法であって、
   前記燃料電池の温度に応じ、当該温度下で前記燃料電池の起動性を向上させうる燃料ガス圧力となるようにガス供給量を変更し、
   前記反応ガスが通過するガス通路を形成する通路部材の耐久温度特性に応じ、高温環境下で強度が低下する当該部材に対して負担を抑えるようにガス供給量を変更する
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 複数の互いに異なる前記通路部材の温度特性のうち最小値を選択する請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する際、カソード側に酸化ガスを同時に供給し、前記アノード側の圧力上限を上にシフトさせる請求項５または６に記載の燃料電池システムの制御方法。

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