JP5423892B2 - 燃料電池システム、および燃料電池の運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池に関し、特に、寒冷環境下で燃料電池を運転する技術に関する。
燃料電池としては、電解質膜の両面に電極層を接合した複数の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）と、これら膜電極接合体の各間を隔離するセパレータとを交互に積層したものが知られている。このような燃料電池のセパレータには、ＭＥＡのアノード側に水素ガスを流す流路と、ＭＥＡのカソード側に酸化ガスを流す流路と、燃料電池を冷却する冷却媒体を流す流路とが形成されている。燃料電池による発電が実行されると、水素と酸素との電気化学反応に伴ってＭＥＡのカソード側に生成水が発生する。寒冷環境下では、ＭＥＡに発生した生成水が凍結し、ＭＥＡを著しく劣化させてしまう場合がある。
従来、寒冷環境下で燃料電池を起動する際に、燃料電池の温度が上昇するまで燃料電池に対する冷却水の送出を停止することによって、冷却水による燃料電池の過剰な温度低下を防止する技術が提案されていた（例えば、特許文献１）。
しかしながら、寒冷環境下で燃料電池の温度が上昇するまで冷却水の送出を停止した場合であっても、冷却水の送出が開始されると、一旦上昇した燃料電池の温度が一時的に氷点域にまで低下し、ＭＥＡの生成水が凍結してしまう場合があるという問題があった。
本発明は、上記した課題を踏まえ、寒冷環境下での燃料電池の劣化を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
（適用例１） 適用例１の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、前記燃料電池に冷却媒体を送出する冷却ポンプと、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する除水部とを備えることを特徴とする。適用例１の燃料電池システムによれば、燃料電池に冷却媒体が送出される前に、燃料電池のカソード触媒層に滞留する水分が除去されるため、寒冷環境下で冷却媒体の送出が開始された場合であっても、燃料電池のカソード触媒層における凍結を抑制することができる。その結果、寒冷環境下での燃料電池の劣化を抑制することができる。
（適用例２） 適用例１の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記電解質膜の前記カソード側に酸化ガスを流すカソード流路を含み、前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池の電流を停止した状態で、前記カソード流路に酸化ガスを導入することによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去するとしても良い。適用例２の燃料電池システムによれば、燃料電池に酸化ガスを供給する構成を利用して、カソード触媒層の水分を除去することができる。
適用例２の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池による発電中、前記カソード流路の流れ方向は、重力方向上向きであり、前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池の電流を停止した状態で、重力方向下向きの流れ方向で前記カソード流路に酸化ガスを導入することによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去するとしても良い。これによって、重力を利用してカソード触媒層の水分を効率よく除去することができる。
（適用例３） 適用例１または適用例２の燃料電池システムにおいて、更に、前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知する溶解検知部を備え、前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記溶解検知部が前記水分の溶解を検知した場合、前記カソード触媒層に滞留する水分の除去を開始するとしても良い。適用例３の燃料電池システムによれば、燃料電池の起動時に凍結していたカソード触媒層の水分を効率良く除去することができる。
（適用例４） 適用例３の燃料電池システムにおいて、前記溶解検知部は、前記燃料電池の内部抵抗に基づいて、前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知しても良い。適用例４の燃料電池システムによれば、カソード触媒層の各部に温度センサを設けるよりも簡潔な構成で、カソード触媒層における水分の溶解を検知することができる。
（適用例５） 適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池システムにおいて、更に、前記カソード触媒層における残水量を検知する残水検知部を備え、前記除水部は、前記残水検知部によって検知された残水量に基づいて、前記カソード触媒層に滞留する水分の除去を終了するとしても良い。適用例５の燃料電池システムによれば、カソード触媒層からの水分の除去が不十分な状態で燃料電池に冷却媒体が送出されることを防止できる。
（適用例６） 適用例５の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記電解質膜の前記カソード側に酸化ガスを流すカソード流路を含み、前記残水検知部は、前記カソード流路を流れる酸化ガスの圧力損失に基づいて、前記カソード触媒層における残水量を検知するとしても良い。適用例６の燃料電池システムによれば、カソード触媒層の各部に水分センサを設けるよりも簡潔な構成で、カソード触媒層における残水量を検知することができる。
（適用例７） 適用例５の燃料電池システムにおいて、前記残水検知部は、前記燃料電池の内部抵抗に基づいて、前記カソード触媒層における残水量を検知しても良い。適用例７の燃料電池システムによれば、水分センサを用いるよりも簡潔な構成で、カソード触媒層における残水量を検知することができる。
（適用例８） 適用例１ないし適用例７のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記電解質膜のアノード側に形成されたアノード触媒層と、前記電解質膜の前記アノード側に水素ガスを流すアノード流路とを含み、前記除水部は、前記アノード流路に流れる水素ガスのストイキ比および温度の少なくとも一方を上昇させ、前記カソード触媒層から前記アノード触媒層に移動する水分量を増加させることによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去するとしても良い。適用例８の燃料電池システムによれば、燃料電池に水素ガスを供給する構成を利用して、発電を継続しながらカソード触媒層の水分を除去することができる。
（適用例９） 適用例１ないし適用例８のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部とを含み、更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記冷却ポンプの稼働時よりも減少させる酸化ガス減少部を備えるとしても良い。適用例９の燃料電池システムによれば、冷却媒体の送出に伴って冷却排出部側よりも低温になる冷却導入部側を避けて、冷却排出部側に電気化学反応を集中させて生成水を偏在させることによって、燃料電池のカソード触媒層における凍結を更に抑制することができる。
（適用例１０） 適用例１ないし適用例８のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部とを含み、更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記冷却ポンプの稼働時よりも増加させる酸化ガス増加部を備えるとしても良い。適用例１０の燃料電池システムによれば、冷却媒体の送出に伴って冷却排出部側よりも低温になる冷却導入部側での酸化ガスによる水分の蒸発を促進させると共に、冷却排出部側に電気化学反応を集中させて生成水を偏在させることによって、燃料電池のカソード触媒層における凍結を更に抑制することができる。
（適用例１１） 適用例１ないし適用例１０のいずれかの燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する際に、前記電解質膜のアノード側に移動する水分量よりも前記カソード側に移動する水分量が少なくなる電流値に、前記燃料電池の電流を抑制する電流抑制部を備えても良い。適用例１１の燃料電池システムによれば、燃料電池に冷却媒体が送出される際に、燃料電池のカソード触媒層に滞留する水分量を抑制して発電するため、燃料電池のカソード触媒層における凍結を更に抑制することができる。
（適用例１２） 適用例１２の燃料電池の運転方法は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去することを特徴とする。適用例１２の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池に冷却媒体が送出される前に、燃料電池のカソード触媒層に滞留する水分が除去されるため、寒冷環境下で冷却媒体の送出が開始された場合であっても、燃料電池のカソード触媒層における凍結を抑制することができる。その結果、寒冷環境下での燃料電池の劣化を抑制することができる。
本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池２０を備え、燃料電池システム１０の外部に電力を供給するために燃料電池２０を運転する。本実施例では、燃料電池システム１０の燃料電池２０は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料電池２０で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるが、他の実施形態として、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池２０を備え、燃料電池システム１０の外部に電力を供給するために燃料電池２０を運転する。本実施例では、燃料電池システム１０の燃料電池２０は、固体高分子型の燃料電池であり、水素を含有する燃料ガス、および酸素を含有する酸化ガスを反応ガスとして用いる。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料電池２０で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるが、他の実施形態として、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
燃料電池２０は、反応ガスから直接的に電気を取り出す基本構造を構成する複数の単セル２５を備え、これら複数の単セル２５は、電気的に直列に積層されている。図２は、燃料電池２０における単セル２５の構成を示す説明図である。燃料電池２０の単セル２５は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２１０と、アノードセパレータ２３０と、カソードセパレータ２４０とを備える。単セル２５では、ＭＥＡ２１０は、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２４０との間に挟持されている。
単セル２５のＭＥＡ２１０は、電解質膜２１１と、アノード電極２１３と、カソード電極２１６とを備える。ＭＥＡ２１０のアノード電極２１３は、アノード触媒層２１４と、アノード拡散層２１５とを含み、ＭＥＡ２１０のカソード電極２１６は、カソード触媒層２１７と、カソード拡散層２１８とを含む。電解質膜２１１の一方の面には、アノード触媒層２１４、アノード拡散層２１５の順に積層してアノード電極２１３が接合されている。電解質膜２１１における他方の面には、カソード触媒層２１７、カソード拡散層２１８の順に積層してカソード電極２１６が接合されている。
ＭＥＡ２１０の電解質膜２１１は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体であり、本実施例では、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。ＭＥＡ２１０のアノード触媒層２１４およびカソード触媒層２１７は、ガス透過性，導電性を有し、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）を担持した材料で形成され、本実施例では、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。ＭＥＡ２１０のアノード拡散層２１５およびカソード拡散層２１８は、ガス透過性，導電性を有する材料で形成され、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパで形成することができる。
燃料電池２０のアノードセパレータ２３０は、ＭＥＡ２１０のアノード拡散層２１５の面上に燃料ガスを流す複数のアノード流路２３５を形成し、燃料電池２０のカソードセパレータ２４０は、ＭＥＡ２１０のカソード拡散層２１８の面上に酸化ガスを流す複数のカソード流路２４５を形成する。アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２４０は、ＭＥＡ２１０で生じた電気の集電に十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ２１０に反応ガスを流すのに十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する。本実施例では、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２４０をカーボン樹脂で形成したが、他の実施形態において、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスで形成しても良い。本実施例では、アノード流路２３５およびカソード流路２４５を、ＭＥＡ２１０との間に形成される空隙として構成したが、他の実施形態において、連続した複数の孔を有する多孔体で構成しても良い。本実施例では、アノードセパレータ２３０とカソードセパレータ２４０とを別々に構成したが、他の実施形態において、アノードセパレータ２３０とカソードセパレータ２４０とを一体的に構成しても良い。
図１の説明に戻り、燃料電池システム１０は、燃料電池２０を運転するための構成として、水素ガス給排部３０と、酸化ガス給排部４０と、冷却循環部５０と、電力制御部６０と、主制御部９０とを備える。
燃料電池システム１０の水素ガス給排部３０は、主制御部９０の指示に基づいて動作し、水素ガスを燃料電池２０に供給すると共に、燃料電池２０から排出される使用済みの水素ガスを回収する。本実施例では、水素ガス給排部３０は、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素ガスを供給するが、他の実施形態において、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素ガスを供給しても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素ガスを供給しても良い。本実施例では、水素ガス給排部３０は、燃料電池２０で使用済みの水素ガスを循環して再利用する。
燃料電池システム１０の酸化ガス給排部４０は、主制御部９０の指示に基づいて動作し、酸化ガスを燃料電池２０に供給すると共に、燃料電池２０から排出される使用済みの酸化ガスを回収する。本実施例では、酸化ガス給排部４０は、大気中から取り込んだ空気を酸化ガスとして燃料電池２０に供給する。
燃料電池システム１０の冷却循環部５０は、冷却媒体である冷却水（不凍液）を燃料電池２０の内部に循環させることによって燃料電池２０を冷却する。冷却循環部５０は、冷却ポンプ５４０と、放熱器５６０とを備える。冷却循環部５０の放熱器５６０は、燃料電池２０から回収された冷却水の熱を大気中に発散させるラジエータである。冷却循環部５０の冷却ポンプ５４０は、主制御部９０の指示に基づいて動作し、放熱器５６０で処理された冷却水を燃料電池２０に送出するポンプである。燃料電池２０の起動時における冷却ポンプ５４０の動作についての詳細は後述する。
燃料電池システム１０の電力制御部６０は、パワーコントロールユニットとも呼ばれ、主制御部９０の指示に基づいて動作し、燃料電池２０と電力的負荷との間の接続を入り切りすると共に、燃料電池２０から電力的負荷に出力される電力を制御する。本実施例では、電力制御部６０は、燃料電池２０からの直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える。
燃料電池システム１０は、燃料電池２０の状態を検知するための各種センサとして、交流インピーダンスセンサ８１０と、温度センサ８２０と、アノード圧力センサ８３０と、カソード圧力センサ８４０とを備える。これらのセンサは、主制御部９０に電気的に接続され、センサからの出力信号は、主制御部９０に伝達される。
燃料電池システム１０の交流インピーダンスセンサ８１０は、燃料電池２０に設けられ、単セル２５の内部抵抗（交流インピーダンス）であるセル内部抵抗を検知する。燃料電池システム１０の温度センサ８２０は、燃料電池２０に設けられ、燃料電池２０の温度を検知する。燃料電池システム１０のアノード圧力センサ８３０は、燃料電池２０に設けられ、水素ガスの供給圧力と排出圧力との差圧であるアノード圧力損失を検知する。燃料電池システム１０のカソード圧力センサ８４０は、燃料電池２０に設けられ、酸化ガスの供給圧力と排出圧力との差圧であるカソード圧力損失を検知する。
燃料電池システム１０の主制御部９０は、燃料電池システム１０の各部を制御する。主制御部９０は、燃料電池２０を運転する制御を行う運転制御部９１０と、各種のプログラムやデータを記憶する記憶部９２０と、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続するインタフェース９３０とを備える。
主制御部９０の運転制御部９１０は、除水制御部９１２と、溶解検知部９１３と、残水検知部９１４とを備える。本実施例では、運転制御部９１０が備える各部の機能は、記憶部９２０に記憶されている制御プログラム９２２に基づいて運転制御部９１０のセントラルプロセッシングユニット（Central Processing Unit、ＣＰＵ）が動作することによって実現されるが、他の実施形態において、運転制御部９１０の少なくとも一部の機能は、運転制御部９１０の電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
運転制御部９１０の除水制御部９１２は、燃料電池２０を起動した後、冷却ポンプ５４０によって冷却水を燃料電池２０に送出する前に、燃料電池２０におけるカソード触媒層２１７に滞留する水分を除去する制御を実行する。本実施例では、カソード触媒層２１７に滞留する水分を除去するために、除水制御部９１２は、燃料電池２０を電気的負荷から切り離して燃料電池２０の電流を停止した状態で、燃料電池２０のアノード流路２３５およびカソード流路２４５に反応ガスを導入する制御を実行する。
運転制御部９１０の溶解検知部９１３は、燃料電池２０のカソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知する。本実施例では、溶解検知部９１３は、交流インピーダンスセンサ８１０からの出力信号が示すセル内部抵抗に基づいて、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知する。他の実施形態において、溶解検知部９１３は、温度センサ８２０からの出力信号が示す燃料電池２０の温度に基づいて、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知しても良い。
運転制御部９１０の残水検知部９１４は、燃料電池２０のカソード触媒層２１７に残留する残水量を検知する。本実施例では、残水検知部９１４は、カソード圧力センサ８４０からの出力信号が示すカソード圧力損失に基づいて、カソード触媒層２１７の残水量を検知する。他の実施形態において、残水検知部９１４は、交流インピーダンスセンサ８１０からの出力信号が示すセル内部抵抗に基づいて、カソード触媒層２１７の残水量を検知しても良い。また、他の実施形態におい、残水検知部９１４は、アノード圧力センサ８３０からの出力信号が示すアノード圧力損失に基づいて、カソード触媒層２１７の残水量を検知しても良い。また、他の実施形態において、残水検知部９１４は、カソード触媒層２１７に設けた水分センサからの出力信号が示す水分量に基づいて、カソード触媒層２１７の残水量を検知しても良い。
Ａ−２．燃料電池システムの動作：
図３は、運転制御部９１０が実行する燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。本実施例では、運転制御部９１０は、燃料電池２０を起動する際に、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を開始する。
図３は、運転制御部９１０が実行する燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。本実施例では、運転制御部９１０は、燃料電池２０を起動する際に、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を開始する。
燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を開始すると、運転制御部９１０は、燃料電池２０に対する電気的負荷の接続を電力制御部６０に指示すると共に、燃料電池２０に対する水素ガスおよび酸化ガスの供給を水素ガス給排部３０および酸化ガス給排部４０に指示することによって、燃料電池２０を起動する（ステップＳ１１０）。燃料電池２０を起動すると、燃料電池２０において水素と酸素との電気化学反応による発電が開始され、この電気化学反応に伴う反応熱によって燃料電池２０の温度は上昇する。
燃料電池２０を起動した後（ステップＳ１１０）、運転制御部９１０は、カソード触媒層２１７に残留する水分が凍結する程度の寒冷環境に燃料電池２０が置かれているか否かを判断する（ステップＳ１２０）。本実施例では、運転制御部９１０は、温度センサ８２０からの出力信号が示す燃料電池２０の温度に基づいて寒冷環境であるか否かを判断する。
寒冷環境ではないと判断した場合（ステップＳ１２０：「ＮＯ」）、運転制御部９１０は、冷却水の送出開始を冷却ポンプ５４０に指示することによって、冷却ポンプ５４０を起動する（ステップＳ１６０）。その後、運転制御部９１０は、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を終了し、要求電力に応じて燃料電池２０の運転制御を実行する。
一方、寒冷環境であると判断した場合（ステップＳ１２０：「ＹＥＳ」）、運転制御部９１０は、燃料電池２０による発電を継続させながら、溶解検知部９１３として動作することによって、燃料電池２０のカソード触媒層２１７で凍結した水分が溶解したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。本実施例では、運転制御部９１０は、交流インピーダンスセンサ８１０からの出力信号が示す単セル２５の内部抵抗に基づいて、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知する。
図４は、カソード触媒層温度とセル内部抵抗との関係を示す説明図である。図４では、温度を横軸に設定し、内部抵抗を縦軸に設定して、カソード触媒層２１７の温度であるカソード触媒層温度と、単セル２５の内部抵抗であるセル内部抵抗との関係を図示した。図４に示すように、カソード触媒層温度が０℃よりも低い温度範囲では、セル内部抵抗は、カソード触媒層温度の上昇に応じて低下する。そのままカソード触媒層温度が上昇を続け０℃付近になると、セル内部抵抗は、基準値Ｔｈｚ１にまで急激に低下し、その後、セル内部抵抗の低下量は緩やかに推移する。この０℃付近でのセル内部抵抗の急減は、カソード触媒層２１７近傍の氷が溶解してプロトンの移動抵抗が減少するために起こるものと考えられる。本実施例では、図４に示す燃料電池２０の特性から、運転制御部９１０は、寒冷環境で燃料電池２０を起動した後、交流インピーダンスセンサ８１０からの出力信号が示すセル内部抵抗が基準値Ｔｈｚ１以下になった場合、カソード触媒層２１７で凍結した水分が溶解したものと判断する。
図３の説明に戻り、カソード触媒層２１７における水分の溶解を検知すると（ステップＳ１３０：「ＹＥＳ」）、運転制御部９１０は、除水制御部９１２として動作することによって、カソード触媒層２１７に滞留する水分を除去する除水処理（ステップＳ１４０）を実行する。
図５は、除水処理（ステップＳ１４０）の詳細を示すフローチャートである。除水処理（ステップＳ１４０）を開始すると、運転制御部９１０は、パージ処理（ステップＳ１４５）を実行する。パージ処理（ステップＳ１４５）では、運転制御部９１０は、燃料電池２０から電気的負荷の一時的な切り離しを電力制御部６０に指示して、燃料電池２０の電流を一時的に停止する。燃料電池２０の電流を一時的に停止している間も引き続き、運転制御部９１０は、燃料電池２０に対する反応ガスの供給を水素ガス給排部３０および酸化ガス給排部４０に指示して、アノード流路２３５に水素ガスを導入すると共に、カソード流路２４５に酸化ガスを導入する。
パージ処理（ステップＳ１４５）では、発電に伴う生成水の発生を一時的に止めた状態で、アノード流路２３５の水分が水素ガスによって取り除かれると共に、カソード流路２４５の水分が酸化ガスによって取り除かれる。このようにアノード流路２３５およびカソード流路２４５から水分が取り除かれるに従って、カソード触媒層２１７に滞留する水分を除去することができる。
本実施例では、パージ処理（ステップＳ１４５）の間も、燃料電池２０による発電は間欠的に実施されるため、反応熱によって燃料電池２０の温度は断続的に上昇を続ける。本実施例では、パージ処理（ステップＳ１４５）において水素ガスおよび酸化ガスの両方を導入したが、他の実施形態において、水素ガスおよび酸化ガスの一方を導入しても良い。
除水処理（ステップＳ１４０）では、運転制御部９１０は、残水検知部９１４として動作することによって、燃料電池２０のカソード触媒層２１７に残留する残水量が基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４８）。本実施例では、運転制御部９１０は、カソード圧力センサ８４０からの出力信号が示す酸化ガスの圧力損失に基づいて、カソード触媒層２１７の残水量を検知する。運転制御部９１０は、カソード触媒層２１７の残水量が基準値以下でない場合（ステップＳ１４８：「ＮＯ」）、除水処理（ステップＳ１４０）を継続し、カソード触媒層２１７の残水量が基準値以下である場合（ステップＳ１４８：「ＹＥＳ」）、除水処理（ステップＳ１４０）を終了する。
図６は、除水処理（ステップＳ１４０）におけるアノード圧力損失、カソード圧力損失およびセル内部抵抗の変化を示す説明図である。図６では、時間を横軸に設定し、圧力損失および内部抵抗を縦軸に設定して、アノード流路２３５の圧力損失であるアノード圧力損失の時間変化、カソード流路２４５の圧力損失であるカソード圧力損失の時間変化、および単セル２５の内部抵抗であるセル内部抵抗の時間変化をそれぞれ図示した。
図６に示すように、カソード圧力損失は、カソード流路２４５に滞留する水分の影響によって、酸化ガスの供給開始から上昇して最大値になり、カソード流路２４５に滞留する水分量の減少に伴って低下する。その後、カソード流路２４５からの除水が完了すると、カソード流路２４５を通じたカソード電極２１６からの除水が始まり、カソード圧力損失は、カソード電極２１６に滞留する水分量の減少に伴って緩やかに低下する。その後、カソード電極２１６におけるカソード触媒層２１７までの除水が完了すると、カソード圧力損失は、基準値Ｔｈｃで安定する。本実施例では、図６に示す燃料電池２０の特性から、運転制御部９１０は、カソード圧力センサ８４０からの出力信号が示す酸化ガスの圧力損失が基準値Ｔｈｃで安定した場合、カソード触媒層２１７に残留する残水量が基準値以下になったものと判断する。
図６に示すように、アノード圧力損失は、アノード流路２３５に滞留する水分の影響によって、水素ガスの供給開始から上昇して最大値になり、アノード流路２３５に滞留する水分量の減少に伴って低下する。その後、カソード流路２４５からの除水完了に続いて、アノード電極２１３および電解質膜２１１を介してカソード電極２１６からの除水が始まり、アノード圧力損失は、カソード電極２１６に滞留する水分量の減少に伴って緩やかに低下する。その後、カソード電極２１６におけるカソード触媒層２１７までの除水が完了すると、アノード圧力損失は、基準値Ｔｈａで安定する。他の実施形態において、図６に示す燃料電池２０の特性から、運転制御部９１０は、アノード圧力センサ８３０からの出力信号が示す水素ガスの圧力損失が基準値Ｔｈａで安定した場合、カソード触媒層２１７に残留する残水量が基準値以下になったものと判断しても良い。図６に示すように、アノード圧力損失よりもカソード圧力損失の方が、カソード電極２１６の水分量に対する変化割合が大きいため、カソード電極２１６の水分量の判断にはカソード圧力損失を利用する方が好ましい。
図６に示すように、セル内部抵抗は、カソード触媒層２１７で凍結した水分が溶解した後、カソード電極２１６からの除水が始まるまで、ＭＥＡ２１０に残留する水分の影響によって一定値で安定する。その後、カソード電極２１６からの除水が始まると、セル内部抵抗は、カソード電極２１６に滞留する水分量の減少に伴って急激に上昇する。セル内部抵抗は、カソード電極２１６におけるカソード触媒層２１７までの除水が完了する時点で基準値Ｔｈｚ２になり、その後、ＭＥＡ２１０における水分量の減少に伴って緩やかに上昇する。他の実施形態において、図６に示す燃料電池２０の特性から、運転制御部９１０は、交流インピーダンスセンサ８１０からの出力信号が示すセル内部抵抗が基準値Ｔｈｚ２以上になった場合、カソード触媒層２１７に残留する残水量が基準値以下になったものと判断しても良い。また、他の実施形態において、アノード圧力損失、カソード圧力損失およびセル内部抵抗の少なくとも二つに基づいてカソード触媒層２１７の残水量を検知しても良い。
図３の説明に戻り、除水処理（ステップＳ１４０）の後、運転制御部９１０は、燃料電池２０の温度が基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。本実施例では、温度センサ８２０からの出力信号が示す燃料電池２０の温度が、冷却水の送出に伴うＭＥＡ２１０の再凍結を回避可能な温度である場合、運転制御部９１０は、燃料電池２０の温度が基準値以上であると判断する。燃料電池２０の温度が基準値未満である場合（ステップＳ１５０：「ＮＯ」）、運転制御部９１０は、除水処理（ステップＳ１４０）を再び実行する。燃料電池２０の温度が基準値以上である場合（ステップＳ１５０：「ＹＥＳ」）、運転制御部９１０は、冷却ポンプ５４０を起動する（ステップＳ１６０）。その後、運転制御部９１０は、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を終了し、要求電力に応じて燃料電池２０の運転制御を実行する。
図７は、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）における燃料電池２０の温度変化を示す説明図である。図７では、時間を横軸に設定し、温度を縦軸に設定して、燃料電池２０における温度の時間変化を図示した。寒冷環境で燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を開始すると（図７のタイミングｔ０）、燃料電池２０の温度は、発電に伴う反応熱によって氷点下域から上昇する。燃料電池２０の温度が０℃を突破し（図７のタイミングｔ１）、カソード触媒層２１７における氷の溶解に応じて除水処理（ステップＳ１４０）を開始した後も、燃料電池２０の温度は上昇を続ける。燃料電池２０の温度が基準値Ｔｈｔを超え（図７のタイミングｔ２）、冷却ポンプ５４０が起動すると、寒冷環境下で冷やされた冷却水が燃料電池２０の内部を循環するため、燃料電池２０の温度は、再び氷点下域にまで急激に低下する（図７のタイミングｔ３）。その後、燃料電池２０の温度は、発電に伴う反応熱によって再び氷点下域から上昇する（図７のタイミングｔ４）。
Ａ−３．第１実施例の効果：
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０に冷却水が送出される前に、燃料電池２０のカソード触媒層２１７に滞留する水分が除去されるため、寒冷環境下で冷却水の送出が開始された場合であっても、燃料電池２０のカソード触媒層２１７における凍結を抑制することができる。その結果、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０に冷却水が送出される前に、燃料電池２０のカソード触媒層２１７に滞留する水分が除去されるため、寒冷環境下で冷却水の送出が開始された場合であっても、燃料電池２０のカソード触媒層２１７における凍結を抑制することができる。その結果、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。
また、除水処理（ステップＳ１４０）において、水素ガスをアノード流路２３５に導入すると共に、酸化ガスをカソード流路２４５に導入することによって、カソード触媒層２１７から水分を除去するため（ステップＳ１４５）、燃料電池２０に反応ガスを供給する構成を利用して、カソード触媒層２１７の水分を除去することができる。
また、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知して（ステップＳ１３０）、除水処理（ステップＳ１４０）を開始するため、燃料電池２０の起動時に凍結していたカソード触媒層２１７の水分を効率良く除去することができる。また、燃料電池２０の内部抵抗に基づいて、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知するため、カソード触媒層２１７の各部に温度センサを設けるよりも簡潔な構成で、カソード触媒層２１７における水分の溶解を検知することができる。
また、カソード触媒層２１７の残水量を検知して（ステップＳ１４５）、除水処理（ステップＳ１４０）を終了するため、カソード触媒層２１７からの水分の除去が不十分な状態で燃料電池２０に冷却水が送出されることを防止できる。また、カソード流路２４５を流れる酸化ガスの圧力損失に基づいて、カソード触媒層２１７の残水量を検知するため、カソード触媒層２１７の各部に水分センサを設けるよりも簡潔な構成で、カソード触媒層２１７における残水量を検知することができる。
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システム１０は、パージ処理（ステップＳ１４５）においてカソード流路２４５に酸化ガスを流す方向が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図８は、第２実施例において反応ガスを流す方向を示す説明図である。図８には、通常発電時に反応ガスを流す方向と、パージ処理（ステップＳ１４５）において反応ガスを流す方向とを図示した。燃料電池２０による発電中、アノード流路２３５に水素ガスを流す方向は、重力方向Ｇに向かう重力方向下向きであり、カソード流路２４５に酸化ガスを流す方向は、重力方向Ｇとは逆に向かう重力方向上向きである。第２実施例では、パージ処理（ステップＳ１４５）において、アノード流路２３５に水素ガスを流す方向は重力方向下向きのまま、カソード流路２４５に酸化ガスを流す方向を重力方向下向きに切り換える。本実施例では、酸化ガス給排部４０と燃料電池２０とを接続する配管を切り換えることによって、カソード流路２４５に酸化ガスを流す方向を重力方向下向きに切り換える。
第２実施例の燃料電池システム１０は、パージ処理（ステップＳ１４５）においてカソード流路２４５に酸化ガスを流す方向が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図８は、第２実施例において反応ガスを流す方向を示す説明図である。図８には、通常発電時に反応ガスを流す方向と、パージ処理（ステップＳ１４５）において反応ガスを流す方向とを図示した。燃料電池２０による発電中、アノード流路２３５に水素ガスを流す方向は、重力方向Ｇに向かう重力方向下向きであり、カソード流路２４５に酸化ガスを流す方向は、重力方向Ｇとは逆に向かう重力方向上向きである。第２実施例では、パージ処理（ステップＳ１４５）において、アノード流路２３５に水素ガスを流す方向は重力方向下向きのまま、カソード流路２４５に酸化ガスを流す方向を重力方向下向きに切り換える。本実施例では、酸化ガス給排部４０と燃料電池２０とを接続する配管を切り換えることによって、カソード流路２４５に酸化ガスを流す方向を重力方向下向きに切り換える。
以上説明した第２実施例における燃料電池システム１０によれば、第１実施例と同様に、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。また、パージ処理（ステップＳ１４５）において重力方向下向きに酸化ガスを流すため、重力を利用してカソード触媒層２１７の水分を効率よく除去することができる。
Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池システム１０は、除水処理（ステップＳ１４０）の動作が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図９は、第３実施例における除水処理（ステップＳ１４０）の詳細を示すフローチャートである。第３実施例の除水処理（ステップＳ１４０）は、カソード触媒層２１７から水分を除去する手法が異なる点を除き、第１実施例と同様である。除水処理（ステップＳ１４０）を開始すると、運転制御部９１０は、燃料電池２０による発電を継続させながら、水素ガスのストイキ比の上昇を水素ガス給排部３０に指示することによって、カソード触媒層２１７からアノード触媒層２１４に移動する水分量を増加させる（ステップＳ１４６）。なお、水素ガスのストイキ比とは、発電量に必要な最小のガス量に対する実際に供給されるガス量の比率であり、ストイキ比が大きくなる程、供給過大であること示す。
第３実施例の燃料電池システム１０は、除水処理（ステップＳ１４０）の動作が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図９は、第３実施例における除水処理（ステップＳ１４０）の詳細を示すフローチャートである。第３実施例の除水処理（ステップＳ１４０）は、カソード触媒層２１７から水分を除去する手法が異なる点を除き、第１実施例と同様である。除水処理（ステップＳ１４０）を開始すると、運転制御部９１０は、燃料電池２０による発電を継続させながら、水素ガスのストイキ比の上昇を水素ガス給排部３０に指示することによって、カソード触媒層２１７からアノード触媒層２１４に移動する水分量を増加させる（ステップＳ１４６）。なお、水素ガスのストイキ比とは、発電量に必要な最小のガス量に対する実際に供給されるガス量の比率であり、ストイキ比が大きくなる程、供給過大であること示す。
図１０は、第３実施例における除水処理（ステップＳ１４０）の様子を示す説明図である。図１０には、除水処理前および除水処理中における電解質膜２１１近傍を図示した。アノード触媒層２１４は、触媒担持カーボン２２４で形成され、触媒担持カーボン２２４同士の間には隙間が形成されている。カソード触媒層２１７も、アノード触媒層２１４と同様に、触媒担持カーボン２２７で形成され、触媒担持カーボン２２７同士の間には隙間が形成されている。カソード触媒層２１７の触媒担持カーボン２２７には、発電に伴う生成水が発生する。
図１０に示すように、除水処理前では、カソード触媒層２１７における触媒担持カーボン２２７同士の隙間に水分が滞留した状態である。除水処理（ステップＳ１４０）を開始すると、水素ガスのストイキ比が上昇して水素ガスの流量が増加するため、水素ガスがアノード触媒層２１４から奪う水分量も増加する。これに伴って、カソード触媒層２１７に滞留していた水分は、電解質膜２１１を透過してアノード触媒層２１４に移動する。
以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０によれば、第１実施例と同様に、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。また、除水処理（ステップＳ１４０）において、水素ガスのストイキ比を上昇させ、カソード触媒層２１７からアノード触媒層２１４に移動する水分量を増加させることによって、カソード触媒層２１７から水分を除去するため（ステップＳ１４６）、燃料電池２０に水素ガスを供給する構成を利用して、発電を継続しながらカソード触媒層２１７の水分を除去することができる。
Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池システム１０は、水素ガス給排部３０に関する構成、および除水処理（ステップＳ１４０）の動作が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図１１は、第４実施例における水素ガス給排部３０を示す説明図である。第４実施例の燃料電池システム１０の構成は、水素ガス給排部３０から燃料電池２０に供給される水素ガスを加熱する加熱部３７０を備える点を除き、第１実施例と同様である。本実施例では、加熱部３７０は、水素ガスを供給する配管の周囲に配置された電熱器であり、運転制御部９１０からの指示に基づいて動作する。
第４実施例の燃料電池システム１０は、水素ガス給排部３０に関する構成、および除水処理（ステップＳ１４０）の動作が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図１１は、第４実施例における水素ガス給排部３０を示す説明図である。第４実施例の燃料電池システム１０の構成は、水素ガス給排部３０から燃料電池２０に供給される水素ガスを加熱する加熱部３７０を備える点を除き、第１実施例と同様である。本実施例では、加熱部３７０は、水素ガスを供給する配管の周囲に配置された電熱器であり、運転制御部９１０からの指示に基づいて動作する。
図１２は、第４実施例における除水処理（ステップＳ１４０）の詳細を示すフローチャートである。第４実施例の除水処理（ステップＳ１４０）は、カソード触媒層２１７から水分を除去する手法が異なる点を除き、第１実施例と同様である。除水処理（ステップＳ１４０）を開始すると、運転制御部９１０は、燃料電池２０による発電を継続させながら、水素ガスの加熱を加熱部３７０に指示することによって、カソード触媒層２１７からアノード触媒層２１４に移動する水分量を増加させる（ステップＳ１４７）。除水処理（ステップＳ１４０）を開始すると、水素ガスの温度が上昇して水素ガスの飽和蒸気分圧が増加するため、水素ガスがアノード触媒層２１４から奪う水分量も増加する。これに伴って、図１０に示した第３実施例と同様に、カソード触媒層２１７に滞留していた水分は、電解質膜２１１を透過してアノード触媒層２１４に移動する。
以上説明した第４実施例の燃料電池システム１０によれば、第１実施例と同様に、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。また、除水処理（ステップＳ１４０）において、水素ガスの温度を上昇させ、カソード触媒層２１７からアノード触媒層２１４に移動する水分量を増加させることによって、カソード触媒層２１７から水分を除去するため（ステップＳ１４７）、燃料電池２０に水素ガスを供給する構成を利用して、発電を継続しながらカソード触媒層２１７の水分を除去することができる。
Ｅ．第５実施例：
第５実施例の燃料電池システム１０は、ＭＥＡ２０に対する酸化ガスの流し方が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図１３は、第５実施例における積層方向から見た単セル２５を示す説明図である。単セル２５は、積層方向に貫通する孔をそれぞれ形成する六個の孔部２６１〜２６６を備える。孔部２６１，２６２，２６３は、長方形の単セル２５における一方の短辺に沿って設けられ、孔部２６４，２６５，２６６は、長方形の単セル２５における他方の短辺に沿って設けられている。
第５実施例の燃料電池システム１０は、ＭＥＡ２０に対する酸化ガスの流し方が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図１３は、第５実施例における積層方向から見た単セル２５を示す説明図である。単セル２５は、積層方向に貫通する孔をそれぞれ形成する六個の孔部２６１〜２６６を備える。孔部２６１，２６２，２６３は、長方形の単セル２５における一方の短辺に沿って設けられ、孔部２６４，２６５，２６６は、長方形の単セル２５における他方の短辺に沿って設けられている。
孔部２６１は、単セル２５に冷却水を導入する冷却水導入部であると共に、燃料電池２０における複数の単セル２５の各々に導入するための冷却水を流す流路の一部を構成する。孔部２６２は、単セル２５から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部であると共に、燃料電池２０における複数の単セル２５の各々から排出された酸化ガスを流す流路の一部を構成する。孔部２６３は、単セル２５に水素ガスを導入する水素ガス導入部であると共に、燃料電池２０における複数の単セル２５の各々に導入するための水素ガスを流す流路の一部を構成する。
孔部２６４は、単セル２５から水素ガスを排出する水素ガス排出部であると共に、燃料電池２０における複数の単セル２５の各々から排出された水素ガスを流す流路の一部を構成する。孔部２６５は、単セル２５に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部であると共に、燃料電池２０における複数の単セル２５の各々に導入するための酸化ガスを流す流路の一部を構成する。孔部２６６は、単セル２５から冷却水を排出する冷却水排出部であると共に、燃料電池２０における複数の単セル２５の各々から排出された冷却水を流す流路の一部を構成する。
本実施例では、水素ガスの流れは、酸化ガスの流れに対向し、単セル２５の水素ガス上流部２７１から水素ガス下流部２７２へと流れる。図１３には、白抜きの矢印を用いて酸化ガスの流れを図示し、波線を用いて冷却水の流れを図示した。図１３に示すように、酸化ガスは、水素ガスの流れに対向して水素ガス下流部２７２から水素ガス上流部２７１へと流れ、冷却水は、酸化ガスの流れに対向して水素ガス上流部２７１から水素ガス下流部２７２に流れる。
図１４は、第５実施例における燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。第５実施例の燃料電池起動処理（ステップＳ１０）は、カソード触媒層２１７における水分の溶解を検知すると（ステップＳ１３０：「ＹＥＳ」）、燃料電池２０による発電時における酸化ガスの流量を通常発電時よりも少ない流量に設定する点（ステップＳ１３５）を除き、第１実施例と同様である。これによって、水素と酸素との電気化学反応を、冷却水が流入する水素ガス上流部２７１側ではなく、水素ガス下流部２７２側に集中させ、発電に伴う生成水を水素ガス下流部２７２側に偏在させることができる。
以上説明した第５実施例の燃料電池システム１０によれば、第１実施例と同様に、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。また、冷却水の送出に伴って水素ガス下流部２７２側よりも低温になる水素ガス上流部２７１側を避けて、水素ガス下流部２７２側に電気化学反応を集中させて生成水を偏在させるため、燃料電池２０のカソード触媒層２１７における凍結を更に抑制することができる。
Ｆ．第６実施例：
第６実施例の燃料電池システム１０は、ＭＥＡ２０に対する酸化ガスおよび冷却水の流し方が異なる点を除き、第５実施例と同様である。図１５は、第６実施例における積層方向から見た単セル２５を示す説明図である。単セル２５の構成は、冷却水を流す方向が第５実施例とは逆である点を除き、第５実施例と同様である。第６実施例では、孔部２６１は、単セル２５から冷却水を排出する冷却水排出部であり、孔部２６６は、単セル２５に冷却水を導入する冷却水導入部である。第６実施例では、水素ガスおよび酸化ガスの流れ方向は、第５実施例と同様であり、冷却水は、酸化ガスの流れと同様に水素ガス下流部２７２から水素ガス上流部２７１に流れる。
第６実施例の燃料電池システム１０は、ＭＥＡ２０に対する酸化ガスおよび冷却水の流し方が異なる点を除き、第５実施例と同様である。図１５は、第６実施例における積層方向から見た単セル２５を示す説明図である。単セル２５の構成は、冷却水を流す方向が第５実施例とは逆である点を除き、第５実施例と同様である。第６実施例では、孔部２６１は、単セル２５から冷却水を排出する冷却水排出部であり、孔部２６６は、単セル２５に冷却水を導入する冷却水導入部である。第６実施例では、水素ガスおよび酸化ガスの流れ方向は、第５実施例と同様であり、冷却水は、酸化ガスの流れと同様に水素ガス下流部２７２から水素ガス上流部２７１に流れる。
図１６は、第６実施例における燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。第６実施例の燃料電池起動処理（ステップＳ１０）は、カソード触媒層２１７における水分の溶解を検知すると（ステップＳ１３０：「ＹＥＳ」）、燃料電池２０による発電時における酸化ガスの流量を通常発電時よりも多い流量に設定する点（ステップＳ１３６）を除き、第１実施例と同様である。これによって、冷却水が流入する水素ガス下流部２７２側での酸化ガスによる水分の蒸発を促進させると共に、水素と酸素との電気化学反応を水素ガス上流部２７１側に集中させることができる。
以上説明した第６実施例の燃料電池システム１０によれば、第１実施例と同様に、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。また、冷却水の送出に伴って水素ガス上流部２７１側よりも低温になる水素ガス下流部２７２側での酸化ガスによる水分の蒸発を促進させると共に、水素ガス上流部２７１側に電気化学反応を集中させて生成水を偏在させるため、燃料電池２０のカソード触媒層２１７における凍結を更に抑制することができる。
Ｇ．第７実施例：
第７実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）の動作が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図１７は、第７実施例における燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。第７実施例では、冷却ポンプ５４０を起動する際（ステップＳ１６０）、運転制御部９１０は、電力制御部６０に指示することによって、燃料電池２０の電流を電流値Ｔｈｉに抑制する（ステップＳ１５５）。電流値Ｔｈｉは、カソード電極２１６側に移動する水分量がアノード電極２１３側に移動する水分量よりも少なくなる電流値である。
第７実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池起動処理（ステップＳ１０）の動作が異なる点を除き、第１実施例と同様である。図１７は、第７実施例における燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を示すフローチャートである。第７実施例では、冷却ポンプ５４０を起動する際（ステップＳ１６０）、運転制御部９１０は、電力制御部６０に指示することによって、燃料電池２０の電流を電流値Ｔｈｉに抑制する（ステップＳ１５５）。電流値Ｔｈｉは、カソード電極２１６側に移動する水分量がアノード電極２１３側に移動する水分量よりも少なくなる電流値である。
図１８は、氷点下域におけるＭＥＡ２１０の電流密度とカソード触媒層２１７の損傷時間との関係を示す説明図である。図１８では、電流密度を横軸に設定し、時間を縦軸に設定して、氷点下域におけるＭＥＡ２１０の電流密度とカソード触媒層２１７の損傷時間との関係を図示した。図１８に示すように、カソード触媒層２１７が損傷に至るまでの時間は、ＭＥＡ２１０の電流密度が減少するに従って延び、ＭＥＡ２１０の電流密度が基準値ＣＤ１よりも減少すると飛躍的に延びる。
図１９は、ＭＥＡ２１０において水分が移動する様子を示す説明図である。図１９には、ＭＥＡ２１０の電流密度が基準値ＣＤ１である場合の状態と、ＭＥＡ２１０の電流密度が基準値ＣＤ１よりも大きい基準値ＣＤ２である場合の状態とを図示した。図１９に示す電気浸透水Ｗ１は、アノード触媒層２１４側からカソード触媒層２１７側へと電解質膜２１１をプロトンと共に移動する水分であり、ＭＥＡ２１０の電流密度の増加に従って増加する。図１９に示す逆拡散水Ｗ２は、水蒸気分圧差によってカソード触媒層２１７側からアノード触媒層２１４側へと電解質膜２１１を移動する水分である。
図１９に示すように、ＭＥＡ２１０の電流密度が基準値ＣＤ１である場合、電気浸透水Ｗ１が逆拡散水Ｗ２よりも少ない。これによって、カソード触媒層２１７に移動して凍結する水分量が抑制され、カソード触媒層２１７が損傷に至るまでの時間が延びると考えられる。ＭＥＡ２１０の電流密度が基準値ＣＤ２である場合、電気浸透水Ｗ１は逆拡散水Ｗ２よりも多い。そのため、カソード触媒層２１７へと移動する水分が次々にカソード触媒層２１７で凍結し、カソード触媒層２１７の損傷を促進させてしまうと考えられる。
図２０は、第７実施例における燃料電池２０の温度変化を示す説明図である。図２０では、時間を横軸に設定し、温度および電流を縦軸に設定して、燃料電池２０における温度および電流の時間変化を図示した。図２０では、燃料電池２０の温度を実線で図示し、燃料電池２０の電流を一点鎖線で図示した。燃料電池２０の温度変化は、図７に示した第１実施例と同様である。
図２０に示すように、寒冷環境で燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を開始すると（図２０のタイミングｔ０）、燃料電池２０の電流は上昇し始める。その後、冷却ポンプ５４０の起動する際（図２０のタイミングｔ２）、燃料電池２０の電流は、燃料電池２０の電流抑制（ステップＳ１５５）によって、ＭＥＡ２１０の電流密度が基準値ＣＤ１となる電流値Ｔｈｉに抑制される。燃料電池２０の電流抑制（ステップＳ１５５）を実行するタイミングは、冷却水の送出に伴って燃料電池２０の温度が再び氷点下域にまで低下するタイミング（図２０のタイミングｔ３）よりも前であれば良く、本実施例では、冷却ポンプ５４０の起動（ステップＳ１６０）を実行する前であるが、他の実施形態において、冷却ポンプ５４０の起動（ステップＳ１６０）を実行する後であっても良い。燃料電池起動処理（ステップＳ１０）を終了すると、燃料電池２０の電流は、要求電力に応じた電流値へと上昇する。
以上説明した第７実施例の燃料電池システム１０によれば、第１実施例と同様に、寒冷環境下での燃料電池２０の劣化を抑制することができる。また、燃料電池２０に冷却水が送出される際に、燃料電池２０のカソード触媒層２１７に滞留する水分量を抑制して発電するため、燃料電池２０のカソード触媒層２１７における凍結を更に抑制することができる。
Ｈ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、第１実施例ないし第７実施例の少なくとも二つの実施例を適宜組み合わせて適用しても良い。また、上述の実施例では、除水処理（ステップＳ１４０）を、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知した後（ステップＳ１３０）に開始したが、他の実施形態において、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を待つことなく、燃料電池２０の起動に合わせて除水処理（ステップＳ１４０）を開始しても良い。これによって、燃料電池２０の起動後に発生する生成水を早期に除去することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、第１実施例ないし第７実施例の少なくとも二つの実施例を適宜組み合わせて適用しても良い。また、上述の実施例では、除水処理（ステップＳ１４０）を、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を検知した後（ステップＳ１３０）に開始したが、他の実施形態において、カソード触媒層２１７で凍結した水分の溶解を待つことなく、燃料電池２０の起動に合わせて除水処理（ステップＳ１４０）を開始しても良い。これによって、燃料電池２０の起動後に発生する生成水を早期に除去することができる。
Claims (14)
- 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却媒体を送出する冷却ポンプと、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを判断する判断部と、
前記判断部が前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する除水部と
を備え、
更に、前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知する溶解検知部を備え、
前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記溶解検知部が前記水分の溶解を検知した場合、前記カソード触媒層に滞留する水分の除去を開始する、燃料電池システム。 - 前記溶解検知部は、前記燃料電池の内部抵抗に基づいて、前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知する、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却媒体を送出する冷却ポンプと、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを判断する判断部と、
前記判断部が前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する除水部と
を備え、
前記燃料電池は、
前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、
前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、
前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、
前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部と
を含み、
更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記冷却ポンプの稼働時よりも減少させる酸化ガス減少部を備える燃料電池システム。 - 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却媒体を送出する冷却ポンプと、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを判断する判断部と、
前記判断部が前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する除水部と
を備え、
前記燃料電池は、
前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、
前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、
前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、
前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部と
を含み、
更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記冷却ポンプの稼働時よりも増加させる酸化ガス増加部を備える燃料電池システム。 - 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に冷却媒体を送出する冷却ポンプと、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを判断する判断部と、
前記判断部が前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する除水部と
を備え、
更に、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する際に、前記電解質膜のアノード側に移動する水分量よりも前記カソード側に移動する水分量が少なくなる電流値に、前記燃料電池の電流を抑制する電流抑制部を備える燃料電池システム。 - 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記電解質膜の前記カソード側に酸化ガスを流すカソード流路を含み、
前記除水部は、前記燃料電池が起動した後、前記冷却ポンプが前記冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池の電流を停止した状態で、前記カソード流路に酸化ガスを導入することによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去する、燃料電池システム。 - 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記カソード触媒層における残水量を検知する残水検知部を備え、
前記除水部は、前記残水検知部によって検知された残水量に基づいて、前記カソード触媒層に滞留する水分の除去を終了する、燃料電池システム。 - 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記電解質膜の前記カソード側に酸化ガスを流すカソード流路を含み、
前記残水検知部は、前記カソード流路を流れる酸化ガスの圧力損失に基づいて、前記カソード触媒層における残水量を検知する、燃料電池システム。 - 前記残水検知部は、前記燃料電池の内部抵抗に基づいて、前記カソード触媒層における残水量を検知する、請求項７に記載の燃料電池システム。
- 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記電解質膜のアノード側に形成されたアノード触媒層と、
前記電解質膜の前記アノード側に水素ガスを流すアノード流路と
を含み、
前記除水部は、前記アノード流路に流れる水素ガスのストイキ比および温度の少なくとも一方を上昇させ、前記カソード触媒層から前記アノード触媒層に移動する水分量を増加させることによって、前記カソード触媒層に滞留する水分を除去する、燃料電池システム。 - 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを、判断し、
前記カソード触媒層で凍結した水分の溶解を検知し、
前記寒冷環境下であると判断した場合であって、前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に冷却媒体を送出する前に、前記カソード触媒層で凍結した前記水分の溶解を検知した場合、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去する、燃料電池の運転方法。 - 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、
前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、
前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、
前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部と
を含む燃料電池を、運転する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを、判断し、
前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去し、
前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記燃料電池に前記冷却媒体を送出する稼働時よりも減少させる、燃料電池の運転方法。 - 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
前記電解質膜の面方向に沿って形成されたカソード流路に酸化ガスを導入する酸化ガス導入部と、
前記酸化ガス導入部に対向する位置に設けられ、前記カソード流路から酸化ガスを排出する酸化ガス排出部と、
前記酸化ガス導入部に対応する側に設けられ、前記電解質膜の面方向に沿って形成された冷却流路に冷却媒体を導入する冷却導入部と、
前記酸化ガス排出部に対応する側に設けられ、前記冷却流路から冷却媒体を排出する冷却排出部と
を含む燃料電池を、運転する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを、判断し、
前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去し、
前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に前記冷却媒体を送出する前に、前記酸化ガス導入部に導入される酸化ガスの流量を、前記燃料電池に前記冷却媒体を送出する稼働時よりも増加させる、燃料電池の運転方法。 - 水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池を運転する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の起動時に前記冷却媒体の送出を開始すると前記燃料電池内の水分が凍結する寒冷環境下であるか否かを、判断し、
前記寒冷環境下であると判断した場合、前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に冷却媒体を送出する前に、前記燃料電池における電解質膜のカソード側に形成されたカソード触媒層に滞留する水分を除去し、
前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池に前記冷却媒体を送出する際に、前記電解質膜のアノード側に移動する水分量よりも前記カソード側に移動する水分量が少なくなる電流値に、前記燃料電池の電流を抑制する、燃料電池の運転方法。
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