JP6589702B2

JP6589702B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6589702B2
Application number: JP2016050018A
Authority: JP
Inventors: 加藤　育康; 育康加藤; 和順山田; 祐一坂上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: JP2017168219A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池システムでは、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセルを複数積層されてなる燃料電池を備え、複数のセルに対してセルの積層方向一方側および他方側に第１、第２ヒータを配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。

アイドル運転時に複数のセルのうち積層方向一方側のセル、および積層方向他方側のセルを第１、第２ヒータにより加熱して、アイドル運転の終了後に通常運転を始動する際に生じる燃料電池の出力電圧の低下を抑制したしたものがある。

ここで、アイドル運転とは、燃料電池の出力電力が閾値未満となる低負荷運転のことである。通常運転とは、燃料電池の出力電力が閾値以上になる運転のことである。

特開第５３３３７１７号明細書

上述の特許文献１の燃料電池システムでは、アイドル運転時において、第１、第２ヒータにより積層方向一方側のセル、および積層方向他方側のセルを加熱する。このため、アイドル運転（すなわち、低負荷運転）の終了後に通常運転を始動する際に生じる燃料電池の出力電圧の低下を抑制することができる。

しかし、複数のセルに対して積層方向一方側および他方側に第１、第２ヒータを配置することが必要になり、体格の大型化を招くことになる。

本発明は上記点に鑑みて、体格の大型化を抑えつつ、低負荷運転の終了後に通常運転を始動する際に生じる燃料電池の出力電圧の低下を抑制するようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池スタック（１０）を備え、複数のセルが複数のグループに分けられている燃料電池システムであって、
複数のセルに供給される酸化剤ガスの供給量をグループ毎に調整する調整部（１４）と、
燃料電池スタックの出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続しているか否かを判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
低負荷運転が一定期間以上継続していると判定手段が判定したとき、複数のグループのうち総マイナス電極側セルを含むグループのセルに供給する酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる酸化剤ガスの供給量に比べて少なくすることにより、総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて総マイナス電極側セルの発熱量を増大する発熱制御部（Ｓ１２０）と、を備える。

但し、総マイナス電極側セルとは、複数のセルのうち総マイナス電極側のセルのことである。総マイナス電極とは、複数のセルを１つの電池とみなしたときのマイナス電極のことである。

以上により、ヒータを追加することなく、総マイナス電極側セルの温度を上昇させることができる。したがって、体格の大型化を抑えつつ、低負荷運転の終了後に通常運転を始動する際に生じる燃料電池の出力電圧の低下を抑制することができる。

請求項３に記載の発明では、酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池スタック（１０）を備え、複数のセルが複数のグループに分けられている燃料電池システムであって、
複数のセルのうち総マイナス電極側セルを含むグループのセルに供給される酸化剤ガスの供給量を調整する調整部（１４Ａ）と、
燃料電池スタックの出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続しているか否かを判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
低負荷運転が一定期間以上継続していると判定手段が判定したとき、総マイナス電極側セルを含むグループのセルに供給する酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる酸化剤ガスの供給量に比べて少なくすることにより、総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて総マイナス電極側セルの発熱量を増大する発熱制御部（Ｓ１２０）と、を備える。

請求項６に記載の発明では、酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池スタック（１０）を備える燃料電池システムであって、
複数のセルのうち総マイナス電極側セルのみに供給される酸化剤ガスの供給量を調整する調整部（１４Ｄ、５０、６０）と、
燃料電池スタックの出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続しているか否かを判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
低負荷運転が一定期間以上継続していると判定手段が判定したとき、総マイナス電極側セルのみに供給する酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる酸化剤ガスの供給量に比べて少なくすることにより、総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて総マイナス電極側セルの発熱量を増大する発熱制御部（Ｓ１２０）と、を備える。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。図１のセルの内部構造を示す断面図である。図１の電子制御装置の発電制御処理を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。図４の流量調整弁の構造、およその作動を示す模式図である。図４の流量調整弁の構造、およその作動を示す模式図である。本発明の第３実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。図６の電子制御装置の発電制御処理を示すフローチャートである。本発明の第４実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。図８の制御弁の構造、およその作動を示す模式図である。図８の制御弁の作動を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料電池システム１の第１実施形態について図に基づいて説明する。

本実施形態の燃料電池システム１は、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用されて、車両に搭載された燃料電池１０の発電状態を制御するものである。

燃料電池１０は、水素ガスを含む燃料ガスと酸素ガスを含む酸化剤ガス（本例では、空気）といった反応ガスの電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池１０としては、固体高分子型燃料電池が採用されている。

燃料電池１０は、発電により発生した直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ（図示省略）を介して主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷２０に供給する。

本実施形態の燃料電池１０は、最小単位となるセル１０ａが複数積層されたスタック構造になっており、複数のセル１０ａを電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。

複数のセル１０ａは、図２の断面図に示すように、電解質膜１０１の両側を一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂで挟んで構成される膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対の拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを挟持するセパレータ１１０で構成されている。

電解質膜１０１は、含水性を有する炭化フッ素系や炭化水素系等の高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。

一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極をなすもので、アノード電極を構成するアノード側触媒層１０２ａ、およびカソード電極を構成するカソード側触媒層１０２ｂで構成されている。

触媒層１０２ａ、１０２ｂは、図２の模式図に示すように、触媒作用を発揮する物質（例えば、白金粒子）１０２ｃ、当該物質１０２ｃを担持する担持カーボン１０２ｄ、担持カーボン１０２ｄを被覆するアイオノマー（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。

拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるもので、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス）で構成されている。

セパレータ１１０ａ、１１０ｂは、例えば、導電性を有するカーボン製の基材で構成されている。セパレータ１１０ａには、アノード側触媒層１０２ａに対向する部位に、燃料ガスが流れる水素流路１１１が形成され、セパレータ１１０ｂには、カソード側触媒層１０２ｂに対向する部位に、酸化剤ガスが流れる空気流路１１２が形成されている。

複数のセル１０ａは、それぞれ、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されると、以下に示すように、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

（アノード側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
本実施形態の複数のセル１０ａは、総プラス電極１１ｘと総マイナス電極１１ｙとの間に挟まれている。

総プラス電極１１ｘは、複数のセル１０ａを１つの電池とみなしたときのプラス電極を構成するターミナルである。総マイナス電極１１ｙは、複数のセル１０ａを１つの電池とみなしたときのマイナス電極を構成するターミナルである。

総プラス電極１１ｘと総マイナス電極１１ｙとの間には、電気負荷２０が接続されている。本実施形態の電気負荷２０としては、走行用電動モータや車載空調装置等の電気機器が採用されている。

なお、図１中の総マイナス側は、積層方向において複数のセル１０ａから総マイナス電極１１ｙに向かう方向である。総プラス側は、積層方向において複数のセル１０ａから総プラス電極１１ｘに向かう方向である。

以下、説明の便宜上、燃料電池１０において複数のセル１０ａが積層される方向を積層方向という。複数のセル１０ａのうち総プラス電極１１ｘ側に位置するセル１０ａを、総プラス電極側セル１０ｘとする。複数のセル１０ａのうち総マイナス電極１１ｙ側に位置するセル１０ａを、総マイナス電極側セル１０ｙ（図３、図７中総マイナス側セルと記す）とする。

本実施形態の複数のセル１０ａは、第１グループ１０Ａ、第２グループ１０Ｂ、および第３グループ１０Ｃに分けられている。

第１グループ１０Ａは、燃料電池１０のうち積層方向にて総プラス電極１１ｘ側に配置されている複数のセル１０ａを備えるグループである。第１グループ１０Ａには、総プラス電極側セル１０ｘが含まれている。

第２グループ１０Ｂは、燃料電池１０のうち積層方向にて総マイナス電極１１ｙ側に配置されている複数のセル１０ａを備えるグループである。第２グループ１０Ｂには、総マイナス電極側セル１０ｙが含まれている。

第３グループ１０Ｃは、燃料電池１０のうちセル１０ａの積層方向において第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａと第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａとの間に配置されている複数のセル１０ａである。

燃料電池１０は、入口側空気マニホルド１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、出口側空気マニホルド１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、背圧調整弁１５、およびポンプ１６を備える。

入口側空気マニホルド１２ａおよびポンプ１６の間には、空気供給配管２０ａが接続されている。入口側空気マニホルド１２ａは、ポンプ１６から空気供給配管２０ａを通して送られる空気流を第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａのそれぞれに分配する。

入口側空気マニホルド１２ｂおよびポンプ１６の間には、空気供給配管２０ｂが接続されている。入口側空気マニホルド１２ｂは、ポンプ１６から空気供給配管２０ｂを通して送られる空気流を第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａのそれぞれに分配する。

入口側空気マニホルド１２ｃおよびポンプ１６の間には、空気供給配管２０ｃが接続されている。入口側空気マニホルド１２ｃは、ポンプ１６から空気供給配管２０ｃを通して送られる空気流を第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａのそれぞれに分配する。

流量調整弁１４ａは、ポンプ１６および入口側空気マニホルド１２ａの間に設けられて、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ａに流れる空気量を調整する。

流量調整弁１４ｂは、ポンプ１６および入口側空気マニホルド１２ｂの間に設けられて、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｂに流れる空気量を調整する。

流量調整弁１４ｃは、ポンプ１６および入口側空気マニホルド１２ｃの間に設けられて、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｃに流れる空気量を調整する。

ここで、流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、流量調整弁毎に、ポンプ１６および入口側空気マニホルド１２ａ、１２ｂ、１２ｃの間の空気流路の開度を調整する弁機構と、この弁機構を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。

本実施形態の流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、複数のセル１０ａに供給する空気量を調整する調整部としての流量調整部１４を構成する。

空気供給配管２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、空気供給配管２０ｄに接続されている。空気供給配管２０ｄには、その最上流部に大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するためのポンプ１６が設けられている。ポンプ１６は、空気を圧送する圧縮機構と圧縮機構を駆動する電動モータからなる電動ポンプである。

出口側空気マニホルド１３ａには、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａからの生成水や不純物を空気とともに外部へ排出するための空気排出配管２１ａが接続されている。

出口側空気マニホルド１３ｂには、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａからの生成水や不純物を空気とともに外部へ排出するための空気排出配管２１ｂが接続されている。

出口側空気マニホルド１３ｃには、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａからの生成水や不純物を空気とともに外部へ排出するための空気排出配管２１ｃが接続されている。

空気排出配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃは空気排出配管２１ｄに接続されており、空気排出配管２１ｄには背圧調整弁１５が接続されている。背圧調整弁１５は、空気排出配管２１ｄのうち空気が排出される空気排出路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。

また、燃料電池１０の総マイナス電極１１ｙには、水素入口部２２ａと水素出口部２２ｂとが設けられている。

水素入口部２２ａは、複数のセル１０ａに燃料ガスを供給するガス入口部を構成している。水素出口部２２ｂは、複数のセル１０ａから未反応水素等を排出させるガス出口部を構成している。

ここで、水素入口部２２ａに水素を供給するための水素供給流路を有する水素供給配管３０が接続されると共に、水素出口部２２ｂから微量な未反応水素等を外部へ排出するための水素排出流路を備える水素排出配管３１が接続されている。

水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク３２が設けられている。水素排出配管３１は、気液分離器３４および循環ポンプ３５を介して水素供給配管３０に接続されている。液分離器３４は、反応水等の廃液と未反応水素等の気体とを分離する。

液分離器３４のうち未反応水素等の気体を排出する出口３４ａは、循環ポンプ３５に接続されている。液分離器３４のうち反応水等の廃液を排出する出口３４ｂは、排気弁３６が接続されている。排気弁３６は、液分離器３４の出口３４ｂを開閉する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。このため、液分離器３４は、排気弁３６とともに、反応水等の廃液を水素排出配管３１から排出させる。

循環ポンプ３５は、水素排出配管３１および水素供給配管３０の間で燃料ガスを循環させる流れを発生させる電動ポンプである。

水素供給配管３０および水素排出配管３１の接続部３０ａと高圧水素タンク３２との間には、インジェクタ３７が配置されている。インジェクタ３７は、水素供給配管３０のうち水素が流れる水素流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の電気的構成について説明する。

電子制御装置４０は、マイクロコンピュータやメモリ等から構成されて、予めメモリに記憶されたコンピュータプログラムにしたがって、発電制御処理を実行する。

電子制御装置４０は、発電制御処理の実行に伴って、流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、背圧調整弁１５、ポンプ１６、循環ポンプ３５、排気弁３６、インジェクタ３７等を制御する。

発電制御処理は、運転者の足によって操作れるアクセルペダルの操作量などに応じて燃料電池１０の目標発電量を算出し、この算出される目標発電量に応じて燃料電池１０の発電量を制御するとともに、総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧降下を抑制するために総マイナス電極側セル１０ｙを発熱させる処理である。

以下、電子制御装置４０の発電制御処理の詳細の説明に先立って、総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧降下について説明する。

燃料電池１０において複数のセル１０ａのうち総マイナス電極側セル１０ｙでは、カソード（空気極）側の空気流路１１２の温度よりもアノード（水素極）側の水素流路１１１内の温度が2℃程度低く、その温度差によりカソード側の空気流路１１２からアノード側の水素流路１１１へ水蒸気が透過する。この透過した水蒸気は飽和条件下で凝集して凝縮水になる。

ここで、低負荷運転の実施時において、アノード側の水素流路１１１内の燃料ガスとして水素ガスは質量が小さく、水素ガスの流れにより水素流路１１１から凝縮水を排水する排水エネルギが小さく凝縮水が排出されず水素流路１１１内に滞留しやすく、水素流路１１１内の圧損を増加させる。

この状態で自動車の通常運転を始動するために燃料電池１０への燃料ガスの供給量を増加しようとしても、上記圧損により、総マイナス電極側セル１０ｙへの水素供給量が不足して、総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧の低下を引き起こす。

この場合の出力電圧の低下は、部分水素欠によるものであり、総マイナス電極側セル１０ｙの不可逆的劣化（すなわち、カソード側触媒層１０２ｂの担持カーボン１０２ｄの侵食）を引き起こす。

そこで、本実施形態では、後述するように、総マイナス電極側セル１０ｙの温度を上昇させる。このため、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて、カソード側の空気流路１１２からアノード側の水素流路１１１へ水蒸気が透過して移動すること抑制する。

すなわち、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて、カソード側の空気流路１１２からアノード側の水素流路１１１に移動する水蒸気の移動量を減らすことができる。

このため、総マイナス電極側セル１０ｙにおける水蒸気の移動量を、複数のセル１０ａのうち主セル１０ａにおける水蒸気の移動量に近づけることができる。主セル１０ａは、燃料電池１０を構成する複数のセル１０ａのうち積層方向中央側の複数のセル１０ａ（すなわち、第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａ）である。

したがって、総マイナス電極側セル１０ｙへの燃料ガスの供給量を円滑に増加させることができる。このため、総マイナス電極側セル１０ｙに十分な水素供給量が供給されるため、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて電圧低下を引き起こすことが抑制される。

次に、本実施形態の電子制御装置４０の発電制御処理について図３を参照して説明する。図３は、電子制御装置４０の発電制御処理を示すフローチャートである。

まず、ステップ１００において、通常制御部として通常運転を実行する。具体的には、アクセルペダルの操作量などに応じて燃料電池１０の目標発電量を算出し、この算出される目標発電量に燃料電池１０の実際の発電量を近づけるために、流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、ポンプ１６、循環ポンプ３５、インジェクタ３７等を制御する。目標発電量は、アクセルペダルの操作量が大きくなるほど、大きくなる。

この際に、インジェクタ３７が高圧水素タンク３２からの水素を水素供給配管３０を通して燃料電池１０に吐出する。循環ポンプ３５は、水素供給配管３０→燃料電池１０の複数のセル１０ａ→水素排出配管３１→水素供給配管３０の順に循環する燃料ガスの流れを発生させる。

これに伴い、気液分離器３４は、燃料電池１０の複数のセル１０ａから排出された反応水等の廃液を排気弁３６を通して排出する。

流量調整弁１４ａは、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ａを通して第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに供給される空気量を調整する。

流量調整弁１４ｂは、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｂを通して第３グループ１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される空気量を調整する。

流量調整弁１４ｃは、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｃを通して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を調整する。

ここで、流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、グループ毎に、複数のセル１０ａに供給される空気量を目標発電量に応じて必要な空気量に同じになるように入口側空気マニホルド１２ａ、１２ｂ、１２ｃに供給される空気量を制御する。

このようにグループ毎に複数のセル１０ａに供給される空気量が制御されると、グループ毎に複数のセル１０ａからの空気が出口側空気マニホルド１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、空気排出配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、および空気排出配管２１ｄ、および背圧調整弁１５を通して流れる。

このように複数のセル１０ａに供給される空気量と燃料ガス量とが制御されると、複数のセル１０ａは、それぞれ、水素ガスおよび酸素ガスの電気化学反応により電気エネルギを発生する。この際に、燃料電池１０の出力電力が閾値以上となる。このため、総プラス電極１１ｘから電気負荷２０を通して総マイナス電極１１ｙに電流が流れる。

次に、判定手段として、低負荷運転が一定時間Ｔａ以上継続しているか否かを判定する（ステップ１１０）。低負荷運転とは、燃料電池１０の出力電力が閾値未満となる燃料電池１０の運転である。

低負荷運転が継続している時間が一定時間Ｔａ未満であるとして、ステップ１１０でＮＯと判定すると、ステップ１００に戻る。その後、低負荷運転が継続している時間が一定時間Ｔａ未満であるとして、ステップ１１０でＮＯと判定すると、通常運転（ステップ１００）が継続される。

その後、低負荷運転が継続している時間が一定時間Ｔａ以上であるとして、ステップ１１０でＹＥＳと判定すると、次のステップ１２０の低効率運転（発熱制御部）の実行を開始する。

具体的には、流量調整弁１４ｃを制御してポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｃを通して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を少なくする。

このことにより、第１、第３グループ１０Ａ、１０Ｃの複数のセル１０ａに供給される空気量を目標発電量に応じて必要な空気量に同一にした状態で、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を目標発電量に応じて必要な空気量に比べて少なくなる。

これに伴い、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａにおいて発電効率が低下して発熱量が増大化する。つまり、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて発電効率が低下して発熱量が増大化する。

次に、ステップ１３０において、低負荷運転が継続しているか否かを判定する。

このとき、低負荷運転が継続しているとしてステップ１３０においてＹＥＳと判定すると、ステップ１２０に戻る。このため、低負荷運転が継続される限り、ステップ１２０の低効率運転、およびステップ１３０のＹＥＳが繰り返される。

その後、燃料電池１０の出力電力が閾値以上なり低負荷運転が終了したとしてステップ１３０においてＮＯと判定すると、流量調整弁１４ｃを制御してポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｃを通して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を増大化させる。

このことにより、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を目標発電量に応じて必要な空気量と同一になる。これにより、低効率運転が停止されて通常運転が開始される。

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１は、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル１０ａを複数積層されてなる燃料電池１０を備え、複数のセル１０ａが第１、第２、第３グループ１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに分けられている。流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、複数のセル１０ａに供給される空気の供給量をグループ毎に調整する。

電子制御装置４０は、燃料電池１０の出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続していると判定したとき、総マイナス電極側セル１０ｙを含む第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給する酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる酸化剤ガスの供給量に比べて少なくする。これにより、総マイナス電極側セル１０ｙの発電効率を低下させて総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量を増大させることができる。

以上により、ヒータを追加することなく、総マイナス電極側セル１０ｙの温度を上昇させることができる。したがって、燃料電池システム１にいて、体格の大型化を抑えつつ、低負荷運転の終了後に、通常運転を始動する際に生じる燃料電池１０の出力電圧の低下を抑制することができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、３つの流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃによって複数のセル１０ａに供給される空気の供給量をグループ毎に調整した例について説明したが、これに代えて、１つの分配器（調整部）１４Ａによって複数のセル１０ａに供給される空気の供給量をグループ毎に調整する本第２実施形態について説明する。

図４に本実施形態の燃料電池システム１の全体構成を示す。図４において図１と同一の符号は同一のものを示し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１では、図１の流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃに代えて１つの分配器１４Ａが用いられている。分配器１４Ａは、ステッピングモータ４１によって駆動される。ステッピングモータ４１は電子制御装置４０によって制御される。

分配器１４Ａは、ロータ１４０、およびステータ１５０を備える。ロータ１４０は、ステータ１５０の内周面１５５の内側において回転自在に支持されている。ロータ１４０は、ステッピングモータ４１によって駆動される。

ロータ１４０は、主ガス流路１４１、および分配ガス流路１４２、１４３、１４４を形成している。

主ガス流路１４１、および分配ガス流路１４２、１４３、１４４は、ロータ１４０の回転中心を中心点とする十字状に形成されている。

主ガス流路１４１は、ポンプ１６から空気供給配管２０ｄを通して導入される空気を流すガス流路である。主ガス流路１４１は、径方向外側から径方向内側に空気を流す流路である。

分配ガス流路１４３は、主ガス流路１４１から第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに分配する第１分配ガス流路である。分配ガス流路１４３は、径方向内側から径方向外側に空気を流す流路である。

分配ガス流路１４２は、主ガス流路１４１から第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに分配する第２分配ガス流路である。分配ガス流路１４２は、径方向内側から径方向外側に空気を流す流路である。

分配ガス流路１４４は、主ガス流路１４１から第３グループ１０Ｃのセルに分配する第３分配ガス流路である。分配ガス流路１４４は、径方向内側から径方向外側に空気を流す流路である。

ステータ１５０は、入力ポート１５１、および出力ポート１５２、１５３、１５４を形成している。入力ポート１５１、出力ポート１５２、１５３、１５４は、それぞれ、ステータ１５０の内周面１５５から外側に連通するように形成されている。

入力ポート１５１は、ポンプ１６から空気供給配管２０ｄを通して導入される空気をロータ１４０の主ガス流路１４１に導くポートである。

出力ポート１５２は、分配ガス流路１４２から流れる空気を入口側空気マニホルド１２ａに導く第１ポートである。出力ポート１５３は、分配ガス流路１４３から流れる空気を入口側空気マニホルド１２ｃに導く第２ポートである。出力ポート１５４は、分配ガス流路１４４から流れる空気を入口側空気マニホルド１２ｂに導く第３ポートである。

入力ポート１５１、および出力ポート１５４の流路断面積は、出力ポート１５２、１５３の流路断面積に比べて大きい。入力ポート１５１の流路断面積は、主ガス流路１４１の流路断面積よりも大きい。出力ポート１５２の流路断面積は、分配ガス流路１４２の流路断面積よりも大きい。出力ポート１５３の流路断面積は、分配ガス流路１４３の流路断面積よりも大きい。出力ポート１５４の流路断面積は、分配ガス流路１４４の流路断面積よりも大きい。

このように構成される本実施形態では、通常運転を実施する際には、電子制御装置４０がステッピングモータ４１を制御してロータ１４０を回転させて、図５Ａに示す状態にする。

この際に、入力ポート１５１が主ガス流路１４１に連通する。出力ポート１５２が分配ガス流路１４２に連通する。出力ポート１５３が分配ガス流路１４３に連通する。出力ポート１５４が分配ガス流路１４４に連通する。

その後、低効率運転を実施する際には、電子制御装置４０がステッピングモータ４１を制御してロータ１４０を回転させて、図５Ｂに示す状態にする。

この際に、入力ポート１５１および主ガス流路１４１の間で連通するガス流路の断面積は、通常運転時と同じである。出力ポート１５４および分配ガス流路１４４の間で連通するガス流路の断面積は、通常運転時と同じである。

一方、分配ガス流路１４２は、その一部がステータ１５０の内周面１５５に塞がれる。このため、出力ポート１５２および分配ガス流路１４２の間で連通するガス流路の断面積は、通常運転時に比べて少なくなる。このため、ポンプ１６から分配器１４Ａおよび入口側空気マニホルド１２ａを通して第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに供給される空気量が通常運転時に比べて少なくなる。

これにより、上記第１実施形態と同様に、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａに供給される空気量を目標発電量に応じて必要な空気量に比べて少なくさせることになる。これに伴い、第１グループ１０Ａの複数のセル１０ａにおいて発電効率が低下して発熱量が増大化することができる。

さらに、分配ガス流路１４３は、その一部がステータ１５０の内周面１５５に塞がれる。このため、出力ポート１５３および分配ガス流路１４３の間で連通するガス流路の断面積は、通常運転時に比べて少なくする。このため、ポンプ１６から分配器１４Ａおよび入口側空気マニホルド１２ｃを通して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量が通常運転時に比べて少なくなる。

これにより、上記第１実施形態と同様に、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を目標発電量に応じて必要な空気量に比べて少なくなる。これに伴い、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａにおいて発電効率が低下して発熱量が増大化することができる。これにより、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａの温度を上昇させることができる。

以上により、ヒータを追加することなく、総マイナス電極側セル１０ｙの温度を上昇させることができる。したがって、燃料電池システム１において、体格の大型化を抑えつつ、低負荷運転の終了後に通常運転を始動する際に生じる燃料電池１０の出力電圧の低下を抑制することができる。

（第３実施形態）
本第３実施形態では、上記第１実施形態において、電子制御装置４０が低効率運転時に、総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量を制御する例について図６、図７を参照して説明する。

図６に本実施形態の燃料電池システム１の全体構成を示す。図６において図１と同一の符号は同一のものを示し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１は、図１の燃料電池システム１にセル電圧監視モニタ（電圧監視部）４２が追加されている。セル電圧監視モニタ４２は、総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧をモニタしてそのモニタ結果が電子制御装置４０に出力される。

次に、本実施形態の電子制御装置４０の発電制御処理について図７を参照して説明する。図７は、電子制御装置４０の発電制御処理を示すフローチャートである。図７は、図３において、ステップ１２０に代えてステップ２００、２１０、２２０が用いられている。

本実施形態では、ステップ１１０においてＹＥＳと判定すると、ステップ２００において、決定部として、低効率運転時における総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧の狙い値Ｖｍを算出する。

ここで、目標発電量に応じて必要な空気量が総マイナス電極側セル１０ｙに供給される場合における総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧を出力電圧Ｖａとすると、出力電圧Ｖａ（＞狙い値Ｖｍ）と総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧との差分が大きいほど、総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量が大きくなる。

そこで、本実施形態では、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて必要とする発熱量と目標発電量とに応じて、低効率運転時における総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧の狙い値Ｖｍを算出することになる。以下、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて必要とする発熱量を必要発熱量という。目標発電量は、上述の如く、運転者の足によって操作れるアクセルペダルの操作量などによって算出される。

ここで、出力電圧の狙い値Ｖｍと必要発熱量と目標発電量とは１対１対１で特定される関係になる。出力電圧の狙い値Ｖｍと必要発熱量と目標発電量との関係は予めメモリに記憶されている。必要発熱量とは、総マイナス電極側セル１０ｙにおいて、低負荷運転の終了後に通常運転を始動する際に燃料電池１０の出力電圧が低下することを抑制するのに必要となる熱量（すなわち、加熱量）である。

必要発熱量は、燃料電池１０の周辺温度や燃料電池１０の発電状態によって決まる。例えば、燃料電池１０の発電電力が低くなるほど、必要発熱量が大きくなる。燃料電池１０の周辺温度が低くなるほど、必要発熱量が大きくなる。燃料電池１０の周辺温度は、燃料電池１０の周辺温度を検出する温度センサによって検出される。

次に、ステップ２１０において、セル電圧監視モニタ４２の監視結果に応じて、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧を狙い値Ｖｍに近づけるために、流量調整弁１４ｃを制御して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を調整する。

例えば、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧が狙い値Ｖｍよりも低いときには、流量調整弁１４ｃを制御して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を増大する。

一方、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧が狙い値Ｖｍよりも高いときには、流量調整弁１４ｃを制御して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を減少する。

その後、ステップ２２０において、セル電圧監視モニタ４２の監視結果に応じて、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧が狙い値Ｖｍに一致したか否かを判定する。

このとき、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧が狙い値Ｖｍに不一致であるとしてステップ２２０においてＮＯと判定すると、ステップ２１０に戻る。

このため、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧が狙い値Ｖｍに不一致である限り、ステップ２１０の空気量調整処理、およびステップ２２０のＮＯ判定を繰り返す。

その後、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧が狙い値Ｖｍに一致すると、ステップ２２０でＹＥＳと判定してステップ１３０に移行する。

このとき、低負荷運転が継続しているとしてステップ１３０においてＹＥＳと判定すると、ステップ２００に戻る。このため、低負荷運転が継続される限り、ステップ２００の狙い値の算出処理、ステップ２１０の空気量調整処理、ステップ２２０の判定処理、ステップ１３０のＹＥＳが繰り返される。

その後、燃料電池１０の出力電力が閾値以上となり低負荷運転が終了したとしてステップ１３０においてＮＯと判定すると、流量調整弁１４ｃを制御してポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｃを通して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を増大化させる。

以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１では、電子制御装置４０は、低効率運転時における総マイナス電極側セル１０ｙの出力電圧の狙い値Ｖｍを算出する。電子制御装置４０は、セル電圧監視モニタ４２の監視結果に応じて、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の出力電圧を狙い値Ｖｍに近づけるために、流量調整弁１４ｃを制御して第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量を調整する。これにより、第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａに供給される空気量が通常運転時に比べて少なくなる。この結果、総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量が制御されて、総マイナス電極側セル１０ｙの実際の発熱量を目標発熱量に近づけることができる。

（第４実施形態）
上記第１実施形態では、総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量を増大化するために第２グループ１０Ｂの複数のセル１０ａへの空気量を減らした例について説明したが、これに代えて、総マイナス電極側セル１０ｙのみへの空気量を減らして総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量を増大化する本第４実施形態について説明する。

図８に本実施形態の燃料電池システム１の全体構成を示す。図８において図１と同一の符号は同一のものを示し、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１では、入口側空気マニホルド１２ａ、１２ｂ、１２ｃに代わる入口側空気マニホルド１２ｄを備える。

入口側空気マニホルド１２ｄは、ポンプ１６から送られる空気を燃料電池１０における複数のセル１０ａに分配する。

本実施形態の総プラス電極１１ｘには、空気入口（第１入口）７０が設けられている。総マイナス電極１１ｙには、空気入口７１（第２入口）が設けられている。

本実施形態の燃料電池システム１では、図１の流量調整弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃに代えて流量調整弁１４Ｃ、１４Ｄが用いられている。

流量調整弁１４Ｃは、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７０に供給される空気量を調整する。流量調整弁１４Ｄは、ポンプ１６から入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７１に供給される空気量を調整する。

本実施形態では、図９Ａ、図９Ｂに示すように、入口側空気マニホルド１２ｄおよび総マイナス電極１１ｙには、弁体５０を収納する収納部５５が設けられている。

弁体５０は、収納部５５内にて、積層方向にスライド移動可能に、入口側空気マニホルド１２ｄおよび総マイナス電極１１ｙによって支持されている。

弁体５０は、空気入口７１側に開口する空気入口（弁入口）５２を有し、かつ図９Ａ、図９Ｂ中左側（すなわち、積層方向の総プラス側）に凹む凹状に形成されている。空気入口５２は、流量調整弁１４Ｄから空気入口７１を通して流れる空気流が導入される入口である。

弁体５０の側壁には、空気出口（弁出口）５１が設けられている。空気出口５１は、図９Ａ、図９Ｂ中下側（すなわち、出口側空気マニホルド１３ｄ側）に開口している。空気出口５１は、空気入口５２を介して流入された空気流を総マイナス電極側セル１０ｙに導く出口である。

弁体５０のうち底部５３は、流量調整弁１４Ｃから入口側空気マニホルド１２ｄ内に流れる空気流Ｇａの空気圧を受ける受圧面５３ａと空気入口５２を介して流入される空気流Ｇｂの空気圧を受ける受圧面５３ｂとを構成する。受圧面５３ａに加わる空気流Ｇａの圧力としての空気圧の方向は、受圧面５３ｂに加わる空気流Ｇｂの圧力としての空気圧の方向と逆方向になる。

本実施形態の収納部５５内には、バネ６０が配置されている。バネ６０は、その弾性力によって弁体５０を積層方向の総マイナス側（すなわち、空気入口７１側）に押圧する弾性部材である。

バネ６０がその弾性力によって弁体５０を押し出す方向は、空気流Ｇａの空気圧が受圧面５３ａを押し出す方向と同一方向である。

なお、本実施形態の弁体５０、バネ６０、および流量調整弁１４Ｄが請求項６、７の調整部を構成する。

本実施形態の燃料電池システム１では、出口側空気マニホルド１３ａ、１３ｂ、１３ｃに代わる出口側空気マニホルド１３ｄを備える。出口側空気マニホルド１３ｄは、燃料電池１０における複数のセル１０ａを通過した空気を背圧調整弁１５に導く。

このように構成される本実施形態の燃料電池システム１と上記第１実施形態の燃料電池システム１とは、複数のセル１０ａに燃料ガスを分配するための作動は共通し、複数のセル１０ａに空気流を分配するための空気分配作動が相違する。そこで、以下、本実施形態の燃料電池システム１の空気分配作動について説明する。

まず、電子制御装置４０は、図３のステップ１００の通常運転を実行する際に、流量調整弁１４Ｃを制御してポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７０との間を開ける。これに加えて、電子制御装置４０が流量調整弁１４Ｄを制御してポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７１との間を閉じる。

この場合、ポンプ１６の空気出口からの空気流が流量調整弁１４Ｃ、空気入口７０を通して入口側空気マニホルド１２ｄに流れる。この際に、入口側空気マニホルド１２ｄ内に流れる空気流Ｇａの空気圧が弁体５０の受圧面５３ａに加わる。このため、弁体５０が総マイナス電極側セル１０ｙよりも空気入口７１側に押される。換言すれば、弁体５０が総マイナス電極側セル１０ｙよりも積層方向の総マイナス側（すなわち、所定方向一方側）に押されることになる。

この場合、弁体５０の空気入口５２が収納部５５内の下壁５５ａによって塞がれる。これに加えて、入口側空気マニホルド１２ｄは、空気入口７０を通して流入される空気流を、燃料電池１０を構成する複数のセル１０ａのそれぞれに分配する。

すなわち、入口側空気マニホルド１２ｄは、空気入口７０を通して流入される空気流を、総マイナス電極側セル１０ｙや総プラス電極側セル１０ｘを含む複数のセル１０ａに分配する。

このように複数のセル１０ａのそれぞれに分配された空気流は、複数のセル１０ａを通過してから出口側空気マニホルド１３ｄで集められて背圧調整弁１５を通して排出される。

次に、電子制御装置４０は、図３のステップ１２０の低効率運転を実行する際に、流量調整弁１４Ｄを制御してポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７１との間を開ける。このため、流量調整弁１４Ｃがポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７０との間を開け、かつ流量調整弁１４Ｄがポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７１との間を開けた状態になる。

この場合、ポンプ１６の空気出口からの空気流が流量調整弁１４Ｄ、空気入口７１を通して入口側空気マニホルド１２ｄ側に流れる。この際に、入口側空気マニホルド１２ｄ側に流れる空気流の空気圧が弁体５０の受圧面５３ｂに加わる。

このため、弁体５０が積層方向の総プラス側（すなわち、所定方向他方側）に押されて、バネ６０が弾性変形により圧縮されて弁体５０を積層方向の総マイナス側（すなわち、図９Ｂ中右側）に押す弾性力を発生させる。

このため、空気入口７０を通して入口側空気マニホルド１２ｄに流れる空気流Ｇａの空気圧と、空気入口７１を通して入口側空気マニホルド１２ｄ側に流れる空気流Ｇｂの空気圧と、バネ６０から弁体５０に加わる弾性力とがバランスして弁体５０が積層方向の総プラス側に押される。

したがって、弁体５０の空気出口５１と総マイナス電極側セル１０ｙの空気入口とが連通する。このため、弁体５０は、空気入口７１から空気入口５２を通して流入した空気流を空気出口５１から総マイナス電極側セル１０ｙに案内する。

以上により、ポンプ１６から流量調整弁１４Ｄ、空気入口７１、弁体５０の空気入口５２、および空気出口５１を通過した空気流Ｇｂが総マイナス電極側セル１０ｙに流れる。

一方、ポンプ１６から流量調整弁１４Ｃ、空気入口７０、および入口側空気マニホルド１２ｄを通過した空気流Ｇａが複数のセル１０ａのうち総マイナス電極側セル１０ｙ以外の複数のセル１０ａに分配される。

このように流量調整弁１４Ｄがポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７１との間を開ける場合には、流量調整弁１４Ｄがポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７１との間を閉じる場合に比べて、総マイナス電極側セル１０ｙに流れる空気量が減る。すなわち、低効率運転を実行する場合には、通常運転を実行する場合に比べて総マイナス電極側セル１０ｙに流れる空気量が減ることになる。

これにより、低効率運転を実行する際には、総マイナス電極側セル１０ｙの発電効率を低下させて総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量を増大させることができる。

以上説明した本実施形態によれば、電子制御装置４０は、低効率運転を実行する際に、流量調整弁１４Ｃ、１４Ｄを制御して、ポンプ１６の空気出口と入口側空気マニホルド１２ｄの空気入口７０との間を開け、かつポンプ１６および空気入口７１の間の空気供給配管２０ｂを開けた状態にする。

この際に、ポンプ１６の空気出口から流量調整弁１４Ｄ、空気入口７１を通して入口側空気マニホルド１２ｄ側に流れる空気流Ｇｂの空気圧が弁体５０の受圧面５３ｂに加わる。ポンプ１６の空気出口から流量調整弁１４Ｃ、空気入口７０を通して入口側空気マニホルド１２ｄに流れる空気流Ｇａの空気圧が弁体５０の受圧面５３ａに加わる。

受圧面５３ａで受けた空気圧力と受圧面５３ｂで受けた空気圧力とバネ６０から弁体５０に加わる弾性力とがバランスして弁体５０が積層方向の総プラス側に移動する。このとき、弁体５０の弁出口５１および総マイナス電極側セル１０ｙの間が連通する。このため、ポンプ１６から流量調整弁１４Ｄ、空気入口７１、弁体５０の空気入口５２、および空気出口５１を通過した空気流Ｇｂが総マイナス電極側セル１０ｙに流れる。

ポンプ１６から流量調整弁１４Ｃ、空気入口７０、および入口側空気マニホルド１２ｄを通過した空気流Ｇａが複数のセル１０ａのうち総マイナス電極側セル１０ｙ以外の複数のセル１０ａに分配される。このため、弁体５０の弁出口５１を通して総マイナス電極側セル１０ｙに供給される空気の供給量を目標発電量に応じて必要とされる空気の供給量よりも少なくなる。したがって、低効率運転を実行する際に、総マイナス電極側セル１０ｙの発電効率を低下させて総マイナス電極側セル１０ｙの発熱量を増大することができる。

以上により、ヒータを追加することなく、総マイナス電極側セル１０ｙの温度を上昇させることができる。したがって、燃料電池システム１にいて、体格の大型化を抑えつつ、低負荷運転の終了後に通常運転を始動する際に生じる燃料電池１０の出力電圧の低下を抑制することができる。

（他の実施形態）
（１）上記第１〜第４実施形態では、本発明の燃料電池システム１を燃料電池車両に適用した例について説明したが、これに代えて、本発明の燃料電池システム１を設置型の発電機に適用してもよい。

（２）上記第２実施形態では、分配器１４Ａのロータ１４０をステッピングモータ４１によって駆動した例について説明したが、これに代えて、ステッピングモータ４１以外の電動アクチュエータによって分配器１４Ａのロータ１４０を駆動してもよい。

（３）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１燃料電池システム
１０燃料電池
１０ａセル
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ入口側空気マニホルド
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ出口側空気マニホルド
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ流量調整弁
１５背圧調整弁
１６ポンプ
４０電子制御装置

Claims

酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池スタック（１０）を備え、前記複数のセルが複数のグループに分けられている燃料電池システムであって、
前記複数のセルに供給される酸化剤ガスの供給量をグループ毎に調整する調整部（１４）と、
前記燃料電池スタックの出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続しているか否かを判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
前記低負荷運転が一定期間以上継続していると前記判定手段が判定したとき、前記複数のグループのうち総マイナス電極側セルを含むグループのセルに供給する前記酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる前記酸化剤ガスの供給量に比べて少なくすることにより、前記総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて前記総マイナス電極側セルの発熱量を増大する発熱制御部（Ｓ１２０）と、
を備える燃料電池システム。
前記総マイナス電極側セルの出力電圧を監視する電圧監視部（４２）と、
前記総マイナス電極側セルの出力電圧の目標値である目標電圧値を総マイナス電極側セルの目標発熱量に応じて定める決定部（Ｓ２００）と、を備え、
前記発熱制御部は、前記複数のグループのうち前記総マイナス電極側セルを含むグループのセルに供給する前記酸化剤ガスの供給量を調整して前記電圧監視部によって監視される総マイナス電極側セルの出力電圧を前記目標電圧値に近づけることにより、前記総マイナス電極側セルの発熱量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池スタック（１０）を備え、前記複数のセルが複数のグループに分けられている燃料電池システムであって、
前記複数のセルのうち総マイナス電極側セルを含む前記グループのセルに供給される酸化剤ガスの供給量を調整する調整部（１４Ａ）と、
前記燃料電池スタックの出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続しているか否かを判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
前記低負荷運転が一定期間以上継続していると前記判定手段が判定したとき、前記総マイナス電極側セルを含むグループの前記セルに供給する前記酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる前記酸化剤ガスの供給量に比べて少なくすることにより、前記総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて前記総マイナス電極側セルの発熱量を増大する発熱制御部（Ｓ１２０）と、
を備える燃料電池システム。
前記複数のセルのうち総マイナス電極側に配置されているセルを備え、少なくとも前記総マイナス電極側セルを含む前記グループを第１グループとし、前記複数のセルのうち総プラス電極側に配置されているセルを備える前記グループを第２グループとし、前記複数のセルの積層方向において前記第１グループのセルと前記第２グループのセルとの間に配置されているセルを備える前記グループを第３グループとし、
前記調整部は、前記第１グループの前記セルに供給される酸化剤ガスの供給量と前記第２グループの前記セルに供給される酸化剤ガスの供給量とをそれぞれ調整する分配器である請求項３に記載の燃料電池システム。
前記複数のセルに向けて流れる酸化剤ガスの流れを発生させるポンプ（１６）と、を備え、
前記分配器は、
前記ポンプから導入される酸化剤ガスを流す主ガス流路（１４１）と、前記主ガス流路から前記第１グループのセルに分配する第１分配ガス流路（１４３）と、前記主ガス流路から前記第２グループのセルに分配する第２分配ガス流路（１４２）と、前記主ガス流路から前記第３グループのセルに分配する第３分配ガス流路（１４４）とを形成し、回転自在に支持されているロータ（１４０）と、
前記第１分配ガス流路から流れる酸化剤ガスを前記第１グループのセルに導く第１ポート（１５３）と、前記第２分配ガス流路から流れる酸化剤ガスを前記第２グループのセルに導く第２ポート（１５２）と、前記第３分配ガス流路から流れる酸化剤ガスを前記第３グループのセルに導く第３ポート（１５４）とを形成するステータ（１５０）と、を備え、
前記ロータの回転に伴って、前記第１分配ガス流路および前記第１ポートの間の連通流路の断面積を調整することにより、前記第１グループのセルに供給される酸化剤ガスの供給量を調整し、
前記ロータの回転に伴って、前記第２分配ガス流路および前記第２ポートの間の連通流路の断面積を調整することにより、前記第２グループのセルに供給される酸化剤ガスの供給量を調整する請求項４に記載の燃料電池システム。
酸素を含む酸化剤ガスと水素を含む燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル（１０ａ）を複数積層されてなる燃料電池スタック（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記複数のセルのうち総マイナス電極側セルのみに供給される酸化剤ガスの供給量を調整する調整部（１４Ｄ、５０、６０）と、
前記燃料電池スタックの出力電力が閾値未満である低負荷運転が一定期間以上継続しているか否かを判定する判定手段（Ｓ１１０）と、
前記低負荷運転が一定期間以上継続していると前記判定手段が判定したとき、前記総マイナス電極側セルのみに供給する前記酸化剤ガスの供給量を目標発電量に応じて必要とされる前記酸化剤ガスの供給量に比べて少なくすることにより、前記総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて前記総マイナス電極側セルの発熱量を増大する発熱制御部（Ｓ１２０）と、を備える燃料電池システム。
前記複数のセルに向けて流れる酸化剤ガスの流れを発生させるポンプ（１６）と、
前記ポンプから供給される酸化剤ガスが導入される第１入口（７０）を通して導入される酸化剤ガスを前記複数のセルのそれぞれに分配するマニホルド（１２ｄ）と、を備え、
前記調整部は、
前記ポンプから供給される酸化剤ガスが導入される第２入口（７１）を通して導入される酸化剤ガスが入る弁入口（５２）と前記弁入口から導入される酸化剤ガスを排出する弁出口（５１）と、前記第１入口から導入された酸化剤ガスの圧力を受ける第１受圧部（５４）と、前記第２入口から導入される酸化剤ガスの圧力を受ける第２受圧部（５３）とを形成し、かつ所定方向にスライド移動可能に構成されて、前記第１受圧部に受ける圧力の方向と前記第２受圧部に受ける圧力の方向とは互いに逆方向となる弁体（５０）と、
弾性変形により圧縮して弾性力を前記弁体に与える弾性部材であって、前記第２受圧部に加わる圧力の方向と逆方向に前記弾性力を前記弁体に与える弾性部材（６０）と、
前記ポンプおよび前記第２入口の間の前記酸化剤ガスの流路を開閉する制御弁（１４Ｄ）と、
前記制御弁を制御して前記ポンプおよび前記第２入口の間の前記酸化剤ガスの流路を閉じたとき、前記第１受圧部で受けた圧力によって前記弁体が所定方向一方側に移動して前記弁体の弁出口および前記総マイナス電極側セルの間を閉じた状態で前記マニホルドが前記複数のセルのそれぞれに分配して前記総マイナス電極側セルに供給される前記酸化剤ガスの供給量を前記目標発電量に応じて必要とされる前記酸化剤ガスの供給量と同一量にする通常運転を実施する通常制御部（Ｓ１００）と、を備え、
前記発熱制御部が前記制御弁を制御して前記ポンプおよび前記第２入口の間の前記酸化剤ガスの流路を開けたとき、前記第１受圧部で受けた圧力と前記第２受圧部で受けた圧力と前記弾性部材から前記弁体に加わる弾性力とがバランスして前記弁体が所定方向他方側に移動して前記弁体の弁出口および前記総マイナス電極側セルの間を開けた状態で前記マニホルドが前記複数のセルのうち前記総マイナス電極側セル以外の複数のセルのそれぞれに分配して、前記弁体の弁出口を通して前記総マイナス電極側セルに供給される前記酸化剤ガスの供給量を前記目標発電量に応じて必要とされる前記酸化剤ガスの供給量に比べて少なくして前記総マイナス電極側セルの発電効率を低下させて前記総マイナス電極側セルの発熱量を増大する請求項６に記載の燃料電池システム。