(57)【要約】【課題】燃料電池が低温環境下で始動する際に、燃料電池内のガス流路における液水の凍結を抑える。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、反応ガス供給部６４と、反応ガス流量制御部２０と、温度センサ２３と、を備える。単セル１１には、セル内ガス流路１３とマニホールド１２ｂとを連通させる連通流路１５が形成されており、温度センサ２３は、連通流路１５の温度を検出するためのセンサである。反応ガス流量制御部２０は、燃料電池１０の発電開始時に、温度センサ２３が検出した温度が氷点下の場合には、燃料電池１０に供給する反応ガスの流量を、温度センサ２３が検出した温度が氷点を超える場合に燃料電池１０に供給する反応ガスの流量よりも増加させる。【選択図】図６
2019053835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
膜電極接合体と、前記膜電極接合体上において反応ガスが流れるセル内ガス流路と、を有する単セルが複数積層された燃料電池であって、複数の前記単セルとの間で前記反応ガスを流通させるマニホールドが設けられた燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記反応ガス供給部を駆動して、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を制御する反応ガス流量制御部と、
温度センサと、
を備え、
前記単セルには、前記セル内ガス流路と前記マニホールドとを連通させる連通流路が形成されており、
前記温度センサは、前記連通流路の温度を検出するためのセンサであり、
前記反応ガス流量制御部は、前記燃料電池の発電開始時に、前記温度センサが検出した前記温度が氷点下の場合には、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を、前記温度センサが検出した前記温度が氷点を超える場合に前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量よりも増加させる
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池内のガス流路が、凝縮水や生成水により閉塞する問題が知られている。そして、このような液水の排水性を向上させるために、例えば、ガス流路を絞ることによりガスの流速を速くする構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２１８９７３号公報
【特許文献２】特開２００８−１２３９２９号公報
【特許文献３】特開２０１６−０９６０７２号公報
【特許文献４】特開２０１７−０５０２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガス流路を絞ってガスの流速を速くしても、燃料電池が氷点下の低温環境下で発電を開始する際に、燃料電池内で液水が凍結してガス流路を閉塞する問題には対応できない場合があった。
【０００５】
燃料電池が発電する際に進行する電気化学反応は発熱を伴うため、燃料電池が発電を開始すると、低温環境下であっても、燃料電池は速やかに昇温する。具体的には、電気化学反応は電極上で進行するため、燃料電池内において電極と積層方向に重なる領域である発電領域は、速やかに昇温する。そのため、発電領域内のガス流路に残存する液水が燃料電池の停止中に凍結した場合であっても、発電開始と共に融解して液水となる。しかし、発電領域の外側の領域では、発電領域に比べて発電開始時の昇温が遅れる。発電領域の外側には、通常、発電領域のガス流路とガスマニホールドとを連通させる連通流路が形成されており、連通流路は、発電領域のガス流路よりも、始動時における昇温速度が遅い。そのため、燃料電池が低温環境下で始動する際に、発電領域のガス流路内の液水が上記連通流路に流入すると、連通流路が十分に昇温していない場合には、連通流路において液水が再凍結する場合がある。このような再凍結が起こると、燃料電池内のガス流路におけるガス流れが妨げられることによる問題が生じ得た。そのため、燃料電池が低温環境下で始動する際に、燃料電池内のガス流路における液水の凍結を抑える技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；膜電極接合体と、前記膜電極接合体上において反応ガスが流れるセル内ガス流路と、を有する単セルが複数積層された燃料電池であって、複数の前記単セルとの間で前記反応ガスを流通させるマニホールドが設けられた燃料電池と；前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と；  前記反応ガス供給部を駆動して、前記燃料電池に供給する反応ガスの流量を制御する反応ガス流量制御部と；温度センサと；を備える。前記単セルには、前記セル内ガス流路と前記マニホールドとを連通させる連通流路が形成されている。前記温度センサは、前記連通流路の温度を検出するためのセンサである。前記反応ガス流量制御部は、前記燃料電池の発電開始時に、前記温度センサが検出した前記温度が氷点下の場合には、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を、前記温度センサが検出した前記温度が氷点を超える場合に前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量よりも増加させる。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電開始時に連通流路の温度が氷点下の場合には、連通流路を流れる反応ガスの流量が、連通流路の温度が氷点を超える場合に連通流路を流れる反応ガスの流量よりも増加される。その結果、連通流路を流れる反応ガスの流速がより速くなり、連通流路の温度が氷点下であっても、連通流路に流入した液水が連通流路内で凍結することを抑えることができる。
【０００８】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える定置型の発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法、燃料電池の始動方法、および、燃料電池の凍結防止方法等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの概略構成を表わす説明図である。
【図２】単セルの構成の概略を表わす分解斜視図である。
【図３】単セルの平面図である。
【図４】始動時制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。
【図６】水素ポンプの回転数の制御の様子を表わす説明図である。
【図７】水素ポンプの回転数の制御の様子を表わす説明図である。
【図８】始動時の温度および水素ガス流速と凍結との関係を表わす説明図である。
【図９】水素ポンプの回転数の制御の様子を表わす説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を表わす説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化ガス流路部３０と、燃料ガス流路部５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、バッテリ９２と、制御部２０と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載されて、車両の駆動モータを含む負荷９３に対して電力を供給する。なお、燃料電池システム１００は、燃料電池１０の温度を所定範囲に保つために燃料電池１０を冷却する冷媒を燃料電池１０内に流通させる図示しない冷媒循環部を、さらに備えている。
【００１１】
燃料電池１０は、反応ガスとして、水素を含有する燃料ガス（本実施形態では水素）と、酸素を含有する酸化ガス（本実施形態では空気）と、の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極を配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池１０を構成する各単セル１１では、電解質膜を間に介して、アノード側には水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側には酸素が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。燃料電池１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介して、負荷９３およびバッテリ９２に接続されている。なお、燃料電池１０の構造については、後に詳しく説明する。
【００１２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部２０の制御信号を受けて、燃料電池１０の出力状態を変更する機能を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、燃料電池１０が発電する際の出力電圧を設定する機能を有する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、燃料電池１０が発電した電力を負荷９３に供給する際に、出力電圧を所望の電圧に昇圧する機能を有する。
【００１３】
酸化ガス流路部３０は、酸化ガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、第１開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。酸化ガス流路部３０には、燃料電池１０内のカソード側流路が含まれる。
【００１４】
エアコンプレッサ３２は、酸化ガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、酸化ガスとして燃料電池１０に供給する。
【００１５】
第１開閉弁３３は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、酸化ガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、第１開閉弁３３は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管３１に供給されたときに開く。
【００１６】
カソードオフガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側流路から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、カソードオフガス配管４１におけるカソードオフガスの圧力（燃料電池１０のカソード側流路の背圧）を調整する。
【００１７】
燃料ガス流路部５０は、燃料ガス配管５１と、水素タンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、水素ポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。燃料ガス流路部５０には、燃料電池１０内のアノード側流路が含まれる。以下では、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池１０内のアノード側流路と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器７０と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池１０のアノードオフガス（未消費の水素）を燃料電池１０に循環させるための流路である。燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。なお、以下では、水素タンク５２から供給される水素ガスだけでなく、循環流路６５を循環して燃料電池１０に供給されるアノードオフガスを含めて、「水素ガス」ともいう。
【００１８】
水素タンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側流路に接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、およびインジェクタ５５は、燃料ガス配管５１において、上流側（水素タンク５２に近い側）からこの順序で配置されており、制御部２０によって駆動制御される。燃料ガス流路部５０において、水素タンク５２に貯蔵された水素ガスは、燃料ガス配管５１の第２開閉弁５３の流路開閉と、第２レギュレータ５４での減圧を経て、インジェクタ５５から、燃料電池１０のアノード側流路に供給される。
【００１９】
アノードオフガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側流路の出口と気液分離器７０とを接続する配管であり、アノードオフガスを気液分離器７０へと導く。気液分離器７０の下部には、排気排水弁６０が設けられており、排気排水弁６０を開弁することで、気液分離器７０に貯水された水の排水と、気液分離器７０内のアノードオフガスの排気と、が行なわれる。これにより、循環流路６５内を循環する水素ガス中の不純物（水蒸気や窒素など）が流路外に排出されて、燃料電池１０に供給される水素ガス中の不純物濃度の上昇が抑制される。上記した排気排水弁６０の開閉のタイミングは、制御部２０によって調節される。本実施形態では、排気排水弁６０が設けられた流路は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された水およびアノードオフガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。
【００２０】
循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には水素ポンプ６４が設けられており、水素ポンプ６４によって、循環流路６５を循環する水素の流速が調節される。水素ポンプ６４およびインジェクタ５５の駆動量は、負荷要求に応じて制御部２０によって調節される。水素ポンプ６４は、「反応ガス供給部」とも呼ぶ。
【００２１】
バッテリ９２は、充放電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池で構成することができる。バッテリ９２は、燃料電池１０と共に燃料電池システム１００の電力源として機能して、負荷９３に対して電力を供給する。
【００２２】
負荷９３は、燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両の駆動モータの他、エアコンプレッサ３２や水素ポンプ６４等の燃料電池システム１００に含まれる補機、あるいは、燃料電池車両が備える空調設備（エアコン）等の車両補機を含むことができる。これらの負荷９３は、図示しないインバータを介して、燃料電池１０またはバッテリ９２から、あるいは、燃料電池１０およびバッテリ９２の双方から同時に、電力供給が可能となっている。
【００２３】
燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池１０のスタック温度を検出する温度センサ２３を備える。温度センサ２３は、例えば、燃料電池１０を冷却する冷媒を燃料電池１０内に流通させる冷媒流路において、燃料電池１０から冷媒が排出される出口部に設けた温度センサとすることができる。
【００２４】
制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品等が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。すなわち、制御部２０には、燃料電池システム１００を搭載する燃料電池車両に設けられた図示しないセンサ群（例えば、アクセル開度センサや車速センサ、あるいは、燃料電池１０からの出力を検出する電流センサや温度センサ２３を含む）からの検出信号が入力されると共に、燃料電池車両の各部に駆動信号を出力する。そして、ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、燃料電池車両の走行制御を行なう。なお、燃料電池車両の走行制御を行なう制御部は、燃料電池システム１００の駆動制御を行なう制御部２０とは別体で設けて、相互に情報をやり取り可能としてもよい。本実施形態の制御部２０は、「反応ガス流量制御部」として機能する。
【００２５】
（Ａ−２）燃料電池の構造：
図２は、単セル１１の構成の概略を表わす分解斜視図である。単セル１１は、一対のガスセパレータ８０，８１と、一対のガスセパレータ８０，８１の間に配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ガスセパレータ８０，８１の間において、ＭＥＡの外周に接してＭＥＡの外側に配置された樹脂シート８２と、を備えている。
【００２６】
ＭＥＡは、既述したように、電解質膜の両面に電極を配置した構造である。ＭＥＡにおいて、アノードおよびカソードのそれぞれの上には、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されたガス拡散層が配置されている。ＭＥＡに一対のガス拡散層が積層された構造を、膜電極ガス拡散層接合体（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly：ＭＥＧＡ）１８とも呼ぶ。本実施形態の単セル１１では、ＭＥＧＡ１８を構成する各部は、いずれも矩形形状に形成されている。なお、アノードおよびカソードに対するガス供給時にガスを十分に拡散可能であれば、ガス拡散層は必須ではない。
【００２７】
樹脂シート８２は、熱可塑性樹脂を用いて枠状に成形され、その中央の開口部をＭＥＡ（ＭＥＧＡ１８）の保持領域とする。樹脂シート８２は、内周部において、ＭＥＧＡ１８の外周部と接着されている。樹脂シート８２は、ガスセパレータ８０，８１と接することにより、アノード側流路およびカソード側流路のシール性を確保する。図２に示すように、樹脂シート８２には複数のスリット部８３が設けられているが、スリット部８３については、後に詳しく説明する。
【００２８】
ガスセパレータ８０，８１は、それぞれ、ＭＥＡ上のいずれかのガス拡散層に接するように積層される。ガスセパレータ８０は、アノードとの間にアノード側流路を形成し、ガスセパレータ８１は、カソードとの間にカソード側流路を形成する。
【００２９】
なお、隣り合う単セル１１間において、一方の単セル１１のガスセパレータ８０と、他方の単セル１１のガスセパレータ８１との間には、図示しないガスケットが設けられている。隣り合う単セル１１間には冷媒流路（以下、セル間冷媒流路とも呼ぶ）が形成されており、このセル間冷媒流路は、図示しないガスケットによってシールされる。
【００３０】
ガスセパレータ８０，８１および樹脂シート８２には、各々の外周近傍において、ＭＥＡおよびガスセパレータ８０，８１を含む部材の積層方向（単セル１１の積層方向でもあり、単に積層方向とも呼ぶ）に互いに重なる位置に、マニホールドを形成するためのマニホールド孔１２ａ，１２ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが設けられている。マニホールドは、ガスセパレータ８０，８１および樹脂シート８２を貫通し、反応ガスまたは冷媒が流れる流路である。本実施形態では、マニホールド孔１２ａ，１２ｂは、アノード側流路との間で燃料ガスの給排を行なう流路を形成する。また、マニホールド孔１７ａ，１７ｂは、カソード側流路との間で酸化ガスの給排を行なう流路を形成する。また、マニホールド孔１６ａ，１６ｂは、単セル間に形成される冷媒流路との間で冷媒の給排を行なう流路を形成する。なお、以下では、マニホールド孔１２ａ，１２ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが形成する流路を、それぞれ、マニホールド１２ａ，１２ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂとも呼ぶ。
【００３１】
図３は、本実施形態における単セル１１の平面図である。以下では、図３に基づき、単セル１１内において燃料ガスが流通する流路について説明する。
【００３２】
単セル１１は、燃料ガスが流通する流路として、マニホールド１２ａおよびマニホールド１２ｂと、アノード側流路と、を備える。マニホールド１２ａには、燃料ガス配管５１が接続されており、マニホールド１２ｂには、アノードオフガス配管６１が接続されている。アノード側流路は、樹脂シート８２の内周側で露出するＭＥＡ（ＭＥＧＡ１８）と積層方向に重なる領域に形成された水素流路１３と、水素流路入口部１３ａと、水素流路出口部１３ｂと、を備える。水素流路１３は、ガスセパレータ８０の表面に設けられた複数の溝によってガス拡散層との間に形成される流路である。水素流路入口部１３ａおよび水素流路出口部１３ｂは、樹脂シート８２に設けられたスリット部８３（図２参照）と、ガスセパレータ８０に設けられた凹凸構造とによって形成される流路である。なお、水素流路１３と、カソード側流路であって樹脂シート８２の内周側で露出するＭＥＡ（ＭＥＧＡ１８）と積層方向に重なる領域に形成された流路とは、「セル内ガス流路」とも呼ぶ。
【００３３】
図２に示すように、樹脂シート８２において、スリット部８３は、マニホールド孔１２ａ，１２ｂの各々の近傍であって、ＭＥＧＡ１８寄りの位置に設けられている。各々のスリット部８３は、マニホールド孔１２ａ，１２ｂの外周近傍からＭＥＧＡ１８の外周近傍に向かって延びる細長い複数の貫通孔であるスリットを備える。各々のスリットは、樹脂シート８２がガスセパレータ８０，８１に挟持されたときに、単セル１１内において、マニホールド１２ａ，１２ｂと水素流路１３とを連通させる連通流路１５を形成する。単セル１１では、マニホールド１２ａから分配される水素ガスは、水素流路入口部１３ａ(複数の連通流路１５）を介して水素流路１３に流入し、ＭＥＡで進行する電気化学反応に供される。水素流路１３を通過した水素ガスは、水素流路出口部１３ｂ（複数の連通流路１５）を介してマニホールド１２ｂに排出される。
【００３４】
なお、複数の連通流路１５は、樹脂シート８２に設けた貫通孔であるスリットによって形成する他、樹脂シート８２に設けられて樹脂シート８２を貫通しない溝構造や、ガスセパレータ８０の表面に設けられた溝構造によって形成することとしてもよい。複数の連通流路１５は、水素流路１３（セル内ガス流路）とマニホールド１２ａ，１２ｂとを連通させる流路であればよい。
【００３５】
（Ａ−３）始動時の動作：
図４は、燃料電池システム１００の始動時において、制御部２０のＣＰＵで実行される、始動時制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。この始動時制御処理ルーチンは、低温環境下で燃料電池１０の発電を開始する際に、燃料電池１０内で液水が凍結することを抑えるための処理である。
【００３６】
燃料電池システム１００の始動時には、制御部２０は、まず、温度センサ２３からスタック温度ＴＦＣを取得する（ステップＳ１００）。燃料電池システム１００の始動時には、燃料電池システム１００全体が、環境温度とほぼ等しい温度になっていると考えられ、この場合には、始動時に最初に取得されるスタック温度ＴＦＣは、外気温とほぼ同じとなる。
【００３７】
次に、制御部２０は、ステップＳ１００で取得したスタック温度ＴＦＣが、氷点下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。常圧の環境下では、スタック温度ＴＦＣが０℃以下であるか否かを判断する。大気圧がより低い高地等で燃料電池車両を用いる場合には、使用環境の大気圧に応じて、ステップＳ１１０における比較対象としての氷点を、適宜変更すればよい。使用環境における大気圧は、燃料電池システム１００に大気圧センサを設けて直接検出してもよく、あるいは、燃料電池車両の位置情報に基づいて、燃料電池車両が位置する場所の標高から推定してもよい。
【００３８】
ステップＳ１３０において、スタック温度ＴＦＣが氷点下ではないと判断されたときには、制御部２０は、通常発電モードによる発電を開始して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。通常発電モードとは、燃料電池１０に対する負荷要求に対応する電力を燃料電池１０が発電する運転モードである。
【００３９】
図５は、燃料電池１０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を模式的に示す説明図である。以下では、通常運転モードについて説明する。本実施形態では、通常運転モードにおける燃料電池１０の発電量は、燃料電池１０の出力電圧を調節して、所望の出力電流を得ることにより制御される。図５に示す出力電流と出力電力との関係から分かるように、燃料電池１０においては、出力すべき電力ＰＦＣが定まれば、そのときの燃料電池１０の出力電流の大きさＩＦＣが定まる。そして、図５に示す電流−電圧特性（ＩＶ特性）から分かるように、燃料電池１０の出力電流ＩＦＣが定まれば、そのときの燃料電池１０の出力電圧ＶＦＣが定まる。通常運転モードが選択されているときには、制御部２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０に対して、このようにして求めた出力電圧ＶＦＣを目標電圧として指令することによって、燃料電池１０の発電量が所望量となるように制御する。
【００４０】
図６は、燃料電池システム１００における水素ポンプ６４の回転数の制御の様子を表わす説明図である。図６に示すように、燃料電池１０の発電時に通常発電モードが選択されるときには、水素ポンプ６４は、燃料電池１０の出力電流が増加するにしたがって、すなわち、燃料電池１０の出力電力が増加するにしたがって、水素ポンプ６４の回転数も増加するように駆動制御される。これにより、燃料電池１０において、負荷要求に応じた電力を得るために必要な量の水素の供給が確保される。燃料電池１０が負荷要求に応じた発電を行なう際には、このようにして設定された回転数に応じた量の水素ガスと、十分量の酸化ガスとが燃料電池に１０に供給される。
【００４１】
ステップＳ１１０において、スタック温度ＴＦＣが氷点下であると判断されたときには、制御部２０は、氷点下始動モードによる発電を開始する（ステップＳ１２０）。氷点下始動モードとは、燃料電池１０に供給する水素ガスの流量を、スタック温度ＴＦＣが氷点を超える場合に出力電流に対して設定される水素ガスの流量よりも増加させる運転モードである。図６に示すように、本実施形態では、氷点下始動モードが選択されるときには、制御部２０は、水素ポンプ６４の回転数を、一定値である回転数ＲＳ１に設定する。このように、通常発電モードにおいて負荷要求に応じて設定される水素ガスの流量に比べて過剰量の水素ガスと、十分量の酸化ガスとが供給されて、燃料電池１０は、負荷要求に応じた発電を行なう。
【００４２】
ステップＳ１２０において、氷点下始動モードで発電を開始すると、制御部２０は、ステップＳ１００に戻り、スタック温度ＴＦＣの取得と、スタック温度ＴＦＣが氷点下であるか否かを判断する動作（ステップＳ１１０）とを繰り返す。燃料電池１０の発電開始時に外気温が氷点下であっても、燃料電池１０の発電開始と共に燃料電池１０は昇温する。燃料電池１０の内部では、発電の場である電極上で発熱反応が進行するため、燃料電池１０が発電を開始すると、ＭＥＡおよびＭＥＡ上に形成されるセル内ガス流路(例えば水素流路１３）は、速やかに昇温し、氷点を超える温度となる。そして、例えば水素流路１３に残留する水が凍結していた場合であっても、凍結した水は速やかに融解する。しかしながら、燃料電池１０の内部において、ＭＥＡと積層方向に重ならない外周部は、ＭＥＡと積層方向に重なる部位に比べて昇温が遅れる。
【００４３】
燃料電池１０が発電する際には、カソード上で生成水が生じ、生じた生成水は、電解質膜を介してアノード側流路にも拡散する。このような生成水は、水素流路１３の温度が比較的低い場合には、水素流路１３内で凝縮して液水となる場合がある。また、水素流路１３内には、既述したように、発電開始直後に融解した液水が存在する場合がある。これらの液水は、通常は、水素ガスの流れによって下流側（マニホールド１２ｂ側）へと導かれる。このような液水が連通流路１５に流入したときに、連通流路１５の温度が氷点下であれば、流入した液水は連通流路１５内で凍結し得る。
【００４４】
本実施形態において、ステップＳ１００で取得するスタック温度ＴＦＣとは、上記した連通流路１５の温度である。燃料電池１０から排出される冷媒温度は、燃料電池１０の昇温と共に昇温するが、ＭＥＡの温度よりは低く、連通流路１５の温度とほぼ等しいと考えられる。そのため、本実施形態では、燃料電池１０からの出口部における冷媒温度であるスタック温度ＴＦＣを、連通流路１５の温度としている。燃料電池１０からの出口部における冷媒温度と連通流路１５の温度との間の差異が無視できない程度である場合には、例えば、発電開始時における上記冷媒温度と連通流路１５の温度との関係を予め実験的に調べておき、この関係を利用して、温度センサ２３の検出温度から連通流路１５の温度を推定して用いることとしてもよい。また、燃料電池１０の内部において、連通流路１５の近傍に温度センサを配置して、連通流路１５の温度を直接検出することとしてもよい。
【００４５】
本実施形態では、ステップＳ１１０においてスタック温度ＴＦＣが０℃を超えたと判断されるまで（連通流路１５の温度が氷点を超えたと判断されるまで）、氷点下始動モードによる発電制御を続行する。すなわち、燃料電池１０に供給する水素ガスの流量を、通常発電モードにおいて負荷要求に応じて供給される水素ガスの流量よりも増加させる制御を続行する。このように、水素ガスの流量を増加させることにより、氷点下始動モード時の連通流路１５においては、通常発電モード時に比べて、水素ガスの流速が増加する。ステップＳ１１０において、スタック温度ＴＦＣが０℃を超えたと判断されると、制御部２０は、通常発電モードに移行して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。
【００４６】
以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１００によれば、連通流路１５の温度が氷点下の場合には、氷点下始動モードを採用して、水素ポンプ６４の駆動制御を行なう。すなわち、燃料電池１０に供給する水素ガスの流量を、連通流路１５の温度が氷点を超える場合に供給される水素ガスの流量よりも増加させる制御を行ない、連通流路１５における水素ガスの流速を、より速くする。その結果、発電開始時に連通流路１５に流入した液水が連通流路１５内で凍結することを抑えることができる。
【００４７】
連通流路１５内で液水が凍結すると、連通流路１５が閉塞される可能性があり、連通流路１５が閉塞されると、アノードへの水素ガスの供給が妨げられることにより、単セル１１において、正常な電気化学反応が妨げられる、あるいは、発電が停止される、等の不都合が生じ得る。特に、下流側の連通流路１５、すなわち、マニホールド１２ｂの近傍に設けられた連通流路１５内で液水が凍結して連通流路１５が閉塞される場合には、閉塞した連通流路１５を有する単セル１１が負電圧となる可能性がある。単セル１１が負電圧になると、アノード触媒における酸化被膜の形成や、アノードに含まれるカーボンの酸化が進行してアノード触媒が劣化し、発電性能の低下が引き起こされる可能性がある。また、負電圧がさらに進行すると、電解質膜が損傷される可能性がある。連通流路１５が閉塞されることに起因して単セル１１における発電が妨げられる問題は、上流側の連通流路１５、すなわち、マニホールド１２ａの近傍に設けられた連通流路１５内で液水が凍結する場合にも生じ得る。本実施形態では、連通流路１５における水素ガスの流速を速くして、連通流路１５における液水の凍結を抑えるため、上記した不都合を抑制することができる。
【００４８】
なお、本実施形態において、氷点下始動モード採用時の水素ポンプ６４の回転数として設定される回転数ＲＳ１は、例えば、燃料電池システム１００において水素ポンプ６４の回転数として設定し得る最大値とすることができる。なお、本明細書において、水素ポンプ６４の回転数として設定し得る最大回転数ＲＳ１は、通常発電モードにおいて水素ポンプ回転数として設定される最大値を超えていてもよい。
【００４９】
あるいは、氷点下始動モード採用時の水素ポンプ６４の回転数として設定される回転数は、水素ポンプ６４の回転数として設定し得る最大値よりも小さくてもよい。発電開始時の連通流路１５の温度が氷点を超える場合に比べて、連通流路１５を流れる水素ガスの流速を速くすることができれば、連通流路１５の閉塞を抑える効果が得られる。
【００５０】
Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、氷点下始動モードを採用するときには、負荷要求の大きさにかかわらず、水素ポンプ６４の回転数を、一定値である回転数ＲＳ１に設定したが、異なる構成としてもよい。以下に、第２実施形態として、異なる制御を行なう例を示す。第２実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成を有するため、詳しい説明は省略する。また、第２実施形態の燃料電池システム１００は、始動時には、図４と同様の始動時制御処理を実行する。
【００５１】
図７は、第２実施形態の燃料電池システム１００における水素ポンプ６４の回転数の制御の様子を表わす説明図である。第２実施形態では、氷点下始動モードが選択されるときには、燃料電池１０からの出力電流を、電流Ａ１で制限する。具体的には、燃料電池１０に対する負荷要求の大きさが、出力電流Ａ１に対応する大きさ以下のときには、負荷要求に応じた出力電流となるように発電制御しつつ、水素ポンプ６４の回転数を、通常発電モードにおいて負荷要求に応じて設定される回転数よりも大きな一定値である回転数ＲＳ１に設定する。そして、負荷要求の大きさが、出力電流Ａ１に対応する大きさを超えるときには、燃料電池１０の駆動状態を、図７に示す状態Ｐ１で維持する。すなわち、負荷要求の大きさにかかわらず出力電流を電流Ａ１で維持して（出力電流を電流Ａ１に制限して）、水素ポンプ６４の回転数を回転数ＲＳ１に設定する。なお、このように燃料電池１０からの出力電力を制限する際には、負荷要求に対して不足する電力は、例えばバッテリ９２から供給することとすればよい。
【００５２】
このような構成とすれば、燃料電池１０からの出力を制限することにより、連通流路１５における水素ガスの流速を、より十分に確保して、連通流路１５の凍結を抑える効果を高めることができる。燃料電池１０の発電時には、発電量に応じた量の水素が消費される。そのため、水素ポンプ６４の回転数を、通常発電モードで設定される回転数を超える回転数ＲＳ１に設定する場合であっても、発電量（出力電流）が増加するに従って水素消費量が増加し、その結果、連通流路１５における水素ガスの流量（流速）が減少する。本実施形態のように発電量（出力電流）を制限することにより、負荷要求が大きいときであっても、連通流路１５における水素ガスの流量（流速）を確保することができる。
【００５３】
また、第２実施形態によれば、燃料電池１０の発電量を制限することにより、連通流路１５における水素ガスの流速を確保するため、連通流路１５の凍結を抑制可能な水素ガスの流速を確保するために、より大きな（性能の高い）水素ポンプ６４を用いる必要がない。すなわち、水素ポンプ６４は、通常発電モードにおいて要求される性能に基づいて選択すればよく、始動時のみのために、より性能の高いポンプを用いる必要がない。そのため、燃料電池システム１００をコンパクト化し、低コスト化することができる。
【００５４】
以下では、−３０℃の低温環境下で燃料電池１０の発電を開始する場合であっても連通流路１５の凍結を抑制できるように、燃料電池１０の出力を制限する駆動状態である状態Ｐ１を設定する方法の例について説明する。
【００５５】
図８は、燃料電池１０において、始動時の温度および水素ガス流速と、連通流路１５の凍結との関係を調べた結果を表わす説明図である。ここでは、燃料電池システム１００に組み込む燃料電池１０と同じ形状の燃料電池１０を恒温槽内に配置して、氷点下の種々の温度環境下で発電を開始させた。その際、燃料電池１０に供給する水素ガスの流量を変化させると共に、発電量を変化させた。そして、発電開始の動作の後に燃料電池１０の単セル１１を分解して、連通流路１５内に凍結が生じているか否かを確認した。
【００５６】
図８では、横軸を、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の温度としており、縦軸を、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の流速としている。水素流路出口部１３ｂの温度は、連通流路１５の近傍に温度センサを設けて測定した。水素流路出口部１３ｂの流速は、マニホールド１２ｂを流れる水素ガスの流量と、連通流路１５の断面積を用いて算出した。また、上記した種々の条件で行なった各実験において、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）に流入する液水の温度を求めた。連通流路１５に流入する液水の温度は、燃料電池１０における発熱量および放熱量をコンピュータで解析することにより求めた。
【００５７】
図８では、水素流路出口部１３ｂの連通流路１５に流入する液水の温度ごとに、連通流路１５の温度に対して、連通流路１５内で凍結が生じ始めるときの連通流路１５における水素ガスの流速をプロットした結果を示す。図８では、水素流路出口部１３ｂの連通流路１５に流入する液水の温度が５℃のときと、１０℃のときと、２０℃のときの結果を示す。図中、各グラフよりも右側（５℃のグラフにはハッチングを付した）領域の条件では、連通流路１５で凍結が生じないことを示す。
【００５８】
燃料電池１０の始動時の環境温度が氷点下であっても、燃料ガスおよび酸化ガスを燃料電池１０に供給して発電を開始すると、既述したようにＭＥＧＡ１８と積層方向に重なる水素流路１３の温度は速やかに上昇する。そのため、水素流路１３に残留していた凍結水や生成水は、液水の状態で下流に流れ、連通流路１５に流入する。発電開始時の環境温度が低いほど、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の温度、および、連通流路１５に流入する液水の温度は低くなる。また、発電開始時の発電量が多いほど、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の温度、および、連通流路１５に流入する液水の温度は高くなる。燃料電池１０における発熱量および放熱量を解析した結果に基づくと、環境温度が−３０℃であっても、連通流路１５に流入する液水の水温は速やかに５℃以上になることがわかった。また、実験の結果、環境温度が−３０℃であっても、燃料電池１０の始動時としての通常の発電量が出力されると、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の温度は、速やかに−１５℃以上になることが分かった。
【００５９】
図８からは、発電開始時の環境温度が−３０℃であるときに対応する条件、すなわち、水素流路出口部１３ｂの温度が−１５℃であって、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）に流入する液水の温度が５℃であっても、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の流速を１０ｍ／ｓ以上とすることで、連通流路１５における凍結を抑えることができることが理解できる。このような燃料電池１０を用いる場合には、燃料電池１０の出力を制限する駆動状態である状態Ｐ１は、水素流路出口部１３ｂ（連通流路１５）の流速が１０ｍ／ｓ以上になるように設定すればよい。具体的には、例えば図７に示す回転数ＲＳ１が、水素ポンプ６４の回転数として設定し得る最大回転数ＲＳ１である場合に、出力電流Ａ１に対応する量の水素を消費した場合であっても、流速１０ｍ／ｓを実現できる流量の水素が連通流路１５に流入するように、出力電流Ａ１を設定すればよい。これにより、−３０℃の低温環境下で燃料電池１０の発電を開始する場合であっても、連通流路１５の凍結を抑制することができる。
【００６０】
Ｃ．第３実施形態：
以下に、第３実施形態として、氷点下始動モードにおいてさらに異なる制御を行なう例を示す。第３実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様の構成を有するため、詳しい説明は省略する。また、第３実施形態の燃料電池システム１００は、始動時には、図４と同様の始動時制御処理を実行する。
【００６１】
図９は、第３実施形態の燃料電池システム１００における水素ポンプ６４の回転数の制御の様子を表わす説明図である。第３実施形態では、氷点下始動モードが選択されるときには、第２実施形態と同様に、燃料電池１０における発電量を制限する。ただし、第２実施形態とは異なり、温度センサ２３が測定する発電開始時の連通流路１５の温度によって、負荷要求に対する水素ポンプ６４の回転数の設定のパターンを変更して、発電量（出力電流）の制限値を異ならせている。
【００６２】
図８に基づいて説明したように、連通流路１５における凍結を抑制可能となる連通流路１５における水素ガスの流速は、連通流路１５の温度および連通流路１５に流入する液水の温度により異なる。発電開始時の連通流路１５の温度に対して、連通流路１５における凍結を抑制可能となる連通流路１５における水素ガスの流速は、図８に基づいて説明したように、例えば実験的に求めることができる。連通流路１５の温度が高いほど、連通流路１５の凍結を抑制するために確保すべき水素ガスの流速は、より遅くてもよい。したがって、発電開始時の連通流路１５の温度が高いほど、連通流路１５の凍結を抑制するための水素ポンプ回転数として、通常発電モードにおける回転数に対して上乗せする量は、より少なくてよい。
【００６３】
図９では、発電開始時の連通流路１５の温度が−５℃であるときに採用される制御パターンを、「−５℃氷点下始動モード」として示し、発電開始時の連通流路１５の温度が−１５℃であるときに採用される制御パターンを、「−１５℃氷点下始動モード」として示している。いずれの場合にも、水素ポンプ６４の回転数が回転数ＲＳ１（例えば、水素ポンプ６４の回転数として設定し得る最大回転数ＲＳ１）に達するまでは、出力電流の増加と共に、水素ポンプ６４の回転数も増加する。そして、より高温の−５℃で発電開始する場合の方が、−１５℃で発電開始する場合に比べて、通常発電モードに比べた水素ポンプ回転数の増加の程度が小さい。そのため、−１５℃氷点下始動モードでは、負荷要求に対応する出力電流がＡ２を超える場合には、燃料電池１０の駆動状態は、出力電流がＡ２であって水素ポンプ回転数がＲＳ１である状態Ｐ２で維持される。これに対して、−５℃氷点下始動モードでは、負荷要求に対応する出力電流が、Ａ２を超えるＡ３に達するまでは、負荷要求の増加に応じて水素ポンプ回転数も増加させる。そして、負荷要求に対応する出力電流がＡ３を超える場合には、燃料電池１０の駆動状態は、出力電流がＡ３であって水素ポンプ回転数がＲＳ１である状態Ｐ３で維持される。
【００６４】
このような構成とすれば、燃料電池１０からの出力を制限することにより、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、連通流路１５の温度に応じて、負荷要求に対する水素ポンプ回転数の設定のパターンを変更して、連通流路１５の温度が高いほど、通常発電モード選択時に比べて水素ポンプ回転数を増加させる程度を小さくしている。そのため、氷点下起動時であっても、連通流路１５の温度が比較的高いときには、負荷要求がより大きい範囲まで、負荷要求に応じた発電が可能になる。また、連通流路１５の温度が比較的高いときには、同じ負荷要求に対して設定される水素ポンプ回転数がより小さくなるため、水素ポンプ６４が消費する電力を削減し、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００６５】
なお、上記説明では、それぞれの制御パターンを、連通流路１５の温度が−５℃であるとき、あるいは−１５℃であるときに採用されるパターンとして説明したが、例えば、ステップＳ１２０において、連通流路１５の温度（スタック温度ＴＦＣ）が０℃以下且つ−５℃を超えるときには−５℃氷点下始動モードを選択し、−５℃以下且つ−１５℃を超えるときには−１５℃氷点下始動モードを選択することとすればよい。この場合、連通流路１５の温度が−１５℃以下であるときには、例えば、図７と同様のパターンを選択することとしてもよい。また、負荷要求に対する水素ポンプ回転数の設定のパターンは、図９とは異なる数を用意してもよい。
【００６６】
なお、連通流路１５の温度が氷点を超えるまで、負荷要求に対する水素ポンプ回転数の設定のパターンとして、最初に選択したパターンを用いてもよいが、連通流路１５の温度が上昇するに従って、連通流路１５の温度に応じて用いるパターンを変更してもよい。これにより、氷点下始動モードであっても、より大きな負荷要求に対応する発電が可能になり、システム全体のエネルギ効率を向上させることが可能になる。
【００６７】
Ｄ．他の実施形態：
第１ないし第３実施形態では、アノード側流路に連通流路１５を設けたが、アノード側流路に加えて、あるいはアノード側流路に代えて、カソード側流路において同様の連通流路を設けてもよい。この場合には、水素ポンプ回転数に代えてエアコンプレッサ３２を反応ガス供給部として、氷点下始動モードにおいて、発電量（出力電流）に対してエアコンプレッサ３２の駆動量を、各実施形態で説明した水素ポンプ回転数と同様のパターンで制御すればよい。
【００６８】
第１ないし第３実施形態では、燃料電池システム１００を車両の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。車両以外の移動体の駆動用電源としてもよく、また、燃料電池システムを、定置型電源として用いても良い。いずれの場合であっても、本願発明を適用することにより、連通流路の凍結に起因する問題を抑える同様の効果が得られる。
【００６９】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…燃料電池
１１…単セル
１２ａ，１２ｂ，１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ…マニホールド孔
１３…水素流路
１３ａ…水素流路入口部
１３ｂ…水素流路出口部
１５…連通流路
１８…ＭＥＧＡ
２０…制御部
２３…温度センサ
３０…酸化ガス流路部
３１…酸化ガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…第１開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…燃料ガス流路部
５１…燃料ガス配管
５２…水素タンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
６０…排気排水弁
６１…アノードオフガス配管
６３…循環配管
６４…水素ポンプ
６５…循環流路
７０…気液分離器
８０，８１…ガスセパレータ
８２…樹脂シート
８３…スリット部
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…バッテリ
９３…負荷
１００…燃料電池システム
【図１】
2019053835.tif 000003
【図２】
2019053835.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019053835.tif 000006
【図５】
2019053835.tif 000007
【図６】
2019053835.tif 000008
【図７】
2019053835.tif 000009
【図８】
2019053835.tif 000010
【図９】
2019053835.tif 000011