(57)【要約】【課題】マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、酸化ガスマニホールドの入口付近の酸化ガス入口温度を検知し、この酸化ガス入口温度に基づいて酸化ガスの加湿量を制御することにより、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することができる。【選択図】図６
2008153002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体及びセパレータを備える単セルを積層し、前記単セルに酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールドを備えた燃料電池と、
前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、
前記酸化ガスマニホールドの入口付近に備えた酸化ガス入口温度検知手段と、
前記酸化ガス入口温度検知手段が検知した酸化ガス入口温度Ｔ１に基づいて前記加湿量を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記単セルに冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールドと、
前記冷媒マニホールドの出口付近に備えた冷媒出口温度検知手段と、
を有し、
前記酸化ガス入口温度Ｔ１及び前記冷媒出口温度検知手段が検知した冷媒出口温度Ｔ２に基づいて前記加湿量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記Ｔ２と前記Ｔ１との差が予め設定した基準温度差α（℃）より大きい場合に、前記加湿量を減らすように制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記加湿手段と前記酸化ガスマニホールドとを連結する配管と、
前記加湿手段をバイパスするパイパス配管と、
前記バイパス配管の開閉を行う開閉手段と、
を有し、
前記開閉手段の開閉を制御することにより、前記加湿量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
膜電極接合体及びセパレータを備える単セルを積層した燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法であって、
前記単セルに酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールドの入口付近の酸化ガス入口温度Ｔ１を検知し、
前記酸化ガス入口温度Ｔ１に基づいて前記酸化ガスの加湿量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記単セルに冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールドの出口付近の冷媒出口温度Ｔ２を検知し、
前記酸化ガス入口温度Ｔ１及び前記冷媒出口温度Ｔ２に基づいて前記加湿量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記Ｔ２と前記Ｔ１との差が予め設定した基準温度差α（℃）より大きい場合に、前記加湿量を減らすように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００３】
単位燃料電池（単セル）は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をセパレータ等のセパレータで挟んだものから形成される。単セルは複数積層されて燃料電池スタックとされる。図９に燃料電池の単セル１００の一例の概略上面図を示す。セパレータ１０２には、流体流路が形成され、発電領域１０４に、ＭＥＡ対向面に燃料ガス流路、酸化ガス流路、ＭＥＡ対向面と反対側面に冷媒流路が形成され、非発電領域１０６に、燃料ガスマニホールド１１０、酸化ガスマニホールド１１２、冷媒マニホールド１０８が形成されている。燃料ガスが燃料ガスマニホールド１１０、燃料ガス流路に流され、酸化ガスが酸化ガスマニホールド１１２、酸化ガス流路に流され、冷媒が冷媒マニホールド１０８、冷媒流路に流される。流体流路はまわりから接着剤またはガスケット等のシール材によって外部からシールされる。また、隣接する単セルは、セパレータ間を接着剤またはガスケット等のシール材によってシールされる。
【０００４】
燃料電池システムにおいて、イオン伝導性を維持するために、電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。従って、通常燃料ガス及び酸化ガスのうち少なくとも１つを加湿するために加湿器が設けられている。しかし、燃料電池が氷点下等の低温環境下に置かれた場合、加湿された酸化ガス等に含まれる水分（加湿水）及び生成水等が各セル内で凍結することがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１には、ガス出口温度または燃料電池のスタック温度を検出し、この検出温度が低下したときに加湿器の供給水量を減少させるように制御することが記載されている。
【０００６】
一方、セル内での水分等の凍結を防止するためではないが、特許文献２には、加湿器と燃料電池とを連結する配管内での加湿水の結露を防止するために、この配管内に温度センサを設置し、温度センサが検出した温度に基づいて加湿制御することが記載されている。また、特許文献３には、燃料電池内部での乾燥（加湿不足）を防止するために燃料電池の空気（酸化ガス）出口温度と冷却液出口温度との差が大きい場合に加湿量を増やすように、燃料電池内部の加湿を制御することが記載されている。また、特許文献４には、燃料電池スタックの端部に温度検出手段を設置し、燃料電池の暖気時間を短縮することが記載されている。また、特許文献５には、リン酸型燃料電池のマニホールド内の温度を検出する熱電対を設け、その測定結果に基づき、リン酸の凝集を防止することが記載されている。さらに、特許文献６には、燃料電池スタック内の各単セル間の温度差が生じる部分での加湿量の差が生じないように制御することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１９７２３７号公報
【特許文献２】特開２００４−４７１５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３４９０６７号公報
【特許文献４】特開２００４−３１１７６号公報
【特許文献５】特開平９−１６１８２５号公報
【特許文献６】特開２０００−２５１９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
氷点下等の低温環境下において燃料電池の暖機運転を行うと、図９で示す発電領域１０４では発熱のため温度が上昇するが、非発電領域１０６にあるマニホールドでは発熱がないため温度がほとんど上昇しない。特に発電領域１０４から離れ、外気に近いセルの外周部（例えば、図９の斜線部）は温度が低い。その状態で例えば酸化ガスマニホールド１１２に加湿された酸化ガスが流されると、酸化ガスマニホールド１１２の入口内壁の特に温度が低いセル外周側１１４で加湿水等が結露し、燃料電池が再び氷点下環境下に置かれると、酸化ガスマニホールド１１２の内壁でその結露した水が凍結し氷が形成される。燃料電池を氷点下にて始動する際の急速暖機運転では燃料電池スタックが熱膨張するが、ガスケットはこの熱膨張に追従する必要がある。しかし、生成した氷によりガスケットのゴム弾性が阻害され、シール性が低下し、ガスリークが発生するという問題があった。
【０００９】
しかし、特許文献１の制御方法では、ガス出口温度または燃料電池のスタック温度を検出しているため、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することができない。
【００１０】
一方、特許文献２の方法は、加湿器と燃料電池とを連結する配管内での加湿水の結露を防止するものであり、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することができない。特許文献３の方法は、空気出口温度と冷却液出口温度との差が大きい場合に加湿量を増やすように加湿を制御するものであり、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することができない。また、特許文献４〜６の方法でも、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することができない。
【００１１】
本発明は、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することできる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、膜電極接合体及びセパレータを備える単セルを積層し、前記単セルに酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールドを備えた燃料電池と、前記単セルに酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールドと、前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、前記酸化ガスマニホールドの入口付近に備えた酸化ガス入口温度検知手段と、前記酸化ガス入口温度検知手段が検知した酸化ガス入口温度Ｔ１に基づいて前記加湿量を制御する制御手段と、を有する燃料電池システムである。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記単セルに冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールドと、前記冷媒マニホールドの出口付近に備えた冷媒出口温度検知手段と、を有し、前記酸化ガス入口温度Ｔ１及び前記冷媒出口温度検知手段が検知した冷媒出口温度Ｔ２に基づいて前記加湿量を制御することが好ましい。
【００１４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記Ｔ２と前記Ｔ１との差が予め設定した基準温度差α（℃）より大きい場合に、前記加湿量を減らすように制御することが好ましい。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記加湿手段と前記酸化ガスマニホールドとを連結する配管と、前記加湿手段をバイパスするパイパス配管と、前記バイパス配管の開閉を行う開閉手段と、を有し、前記開閉手段の開閉を制御することにより、前記加湿量を制御することが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、膜電極接合体及びセパレータを備える単セルを積層した燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法であって、前記単セルに酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールドの入口付近の酸化ガス入口温度Ｔ１を検知し、前記酸化ガス入口温度Ｔ１に基づいて前記酸化ガスの加湿量を制御する。
【００１７】
また、前記燃料電池システムの制御方法において、前記単セルに冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールドの出口付近の冷媒出口温度Ｔ２を検知し、前記酸化ガス入口温度Ｔ１及び前記冷媒出口温度Ｔ２に基づいて前記加湿量を制御することが好ましい。
【００１８】
また、前記燃料電池システムの制御方法において、前記Ｔ２と前記Ｔ１との差が予め設定した基準温度差α（℃）より大きい場合に、前記加湿量を減らすように制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、燃料電池システムにおいて、酸化ガスマニホールドの入口付近の酸化ガス入口温度を検知し、この酸化ガス入口温度に基づいて酸化ガスの加湿量を制御することにより、マニホールドにおける加湿水等の凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池システムの一例の概略を図１に示す。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、加湿手段である加湿器１２と、酸化ガス入口温度検知手段である入口温度センサ１４と、制御手段である制御部１６と、加湿手段をバイパスするバイパス配管２０と、バイパス配管２０の開閉を行う開閉手段であるバイパスバルブ２２とを備える。
【００２２】
本実施形態に係る燃料電池システム１において、加湿器１２の空気入口２４には配管２５によりバルブ２７を介してエアコンプレッサ２３の吐出側が接続されている。加湿器１２の加湿空気出口２６と燃料電池１０の酸化ガスマニホールド入口３０とは配管２８で接続され、燃料電池１０の酸化ガスマニホールド出口３２と加湿器１２の加湿空気入口３６とは配管３４で接続されている。加湿器１２の空気出口３８には配管４０が接続されている。また、配管２５のエアコンプレッサ２３とバルブ２７との間と、配管２８の加湿器１２と燃料電池１０との間にはバイパス配管２０が接続され、バイパス配管２０の途中にはバイパスバルブ２２が備えられている。さらに、燃料電池１０の酸化ガスマニホールド入口３０付近には入口温度センサ１４が設置されている。また、入口温度センサ１４、バイパスバルブ２２及びバルブ２７はそれぞれ制御部１６に接続されている。
【００２３】
図２に、本実施形態に係る固体高分子電解質型の燃料電池１０の一例の概略側面図を示す。また、図３に、本実施形態に係る燃料電池１０における単セル４２の一例の概略断面図を示す。図２における各単セル４２は、図３に示すようにＭＥＡ７２と、セパレータ７４との積層体から構成される。本例におけるセパレータ７４は金属製セパレータ（メタルセパレータ）であるが、焼成カーボン等のカーボン系材料等で構成されるセパレータであってもよい。
【００２４】
図３に示すように、ＭＥＡ７２は、電解質膜５８と、電解質膜５８の一方の表面に配置された触媒層６０を含む燃料極（アノード）６４と、電解質膜５８の他方の表面に配置された触媒層６６を含む空気極（カソード）７０とから構成される。触媒層６０及び６６とセパレータ７４との間には、通気性を有するガス拡散層６２，６８がアノード側、カソード側にそれぞれ設けられる。セパレータ７４には、ＭＥＡ７２のアノード側に燃料ガス（通常は水素）を供給するための燃料ガス流路７８が形成され、ＭＥＡ７２のカソード側に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路８０が形成されている。また、セパレータ７４には冷媒（通常は冷却水）を流すための冷媒流路７６も形成されている。
【００２５】
ＭＥＡ７２とＭＥＡ７２の拡散層６２，６８の両外側を挟持するセパレータ７４とを重ねて単セル４２を構成し、図２のように、単セル４２を積層してセル積層体４４とし、セル積層体４４のセル積層方向両端に、ターミナル４６、インシュレータ４８、エンドプレート５０を配置し、セル積層体４４をセル積層方向に締め付け、セル積層体４４の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート）５２、ボルト・ナット５４等にて固定して、燃料電池スタック５６を構成する。なお、セル積層体４４における単セル４２の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。
【００２６】
図４に単セル４２の一例の上面概略図を示す。単セル４２は、中央部にガス流路と冷媒流路と電極が存在し発電を行う発電領域８２を有し、その周囲に位置し発電を行わない非発電領域８４を有する。図５に単セル４２を分解した概略斜視図を示すように、単セル４２において、ＭＥＡ７２とセパレータ７４との間で、非発電領域８４の部位に、枠状の（発電領域８２に対応する領域が中抜きされた）樹脂フレーム９２が設けられており、ＭＥＡ７２は２枚の樹脂フレーム９２で挟まれ、その２枚の樹脂フレーム９２が２枚のセパレータ７４で挟まれる。セパレータ７４と樹脂フレーム９２には、非発電領域８４において、燃料ガスマニホールド８８、酸化ガスマニホールド９０、冷媒マニホールド８６がそれぞれ形成されている。なお、非発電領域８４における燃料ガスマニホールド８８、酸化ガスマニホールド９０及び冷媒マニホールド８６の配置位置は、図４，５の位置に限定されるものではない。
【００２７】
図４，５の燃料ガスマニホールド８８は図３の燃料ガス流路７８と連通しており、酸化ガスマニホールド９０は酸化ガス流路８０と連通しており、冷媒マニホールド８６は冷媒流路７６と連通している。マニホールド８８、９０、８６と発電領域の流体流路７８、８０、７６は、それぞれ図示しない連通路を介して、連通しており、連通路にも流体が流れる。通常、単セル４２において、冷媒流路７６、燃料ガス流路７８及び酸化ガス流路８０は、複数個並列に形成される。
【００２８】
図５において、ＭＥＡ７２を挟んだ一対の樹脂フレーム９２間は接着剤等を用いた接着層によりシールされる。一方、セパレータ７４は、接着剤等を用いた接着層により樹脂フレーム９２とシールされる。隣接する単セル４２間は、ガスケット等によりシールされる。ガスケットは燃料ガスマニホールド８８、酸化ガスマニホールド９０及び冷媒マニホールド８６を流れる各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）を相互にかつ外部から分離した状態で、これらの流体をシールする。ガスケットは、発電領域８２（流体流路７８，８０，７６の存在する領域）まわり、および連通路を除いてマニホールド８８，９０，８６まわりに、配置される。シール材としてガスケットを使用することにより、容易に単セル４２の取り外し分解が可能となる。
【００２９】
図１の本実施形態に係る燃料電池システム１において、エアコンプレッサ２３により吐出された乾燥空気（酸化ガス）は、バルブ２７が「開」状態、バイパスバルブ２２が「閉」状態の場合には、配管２５を通り加湿器１２に導入され、燃料電池１０から排出された加湿空気との水交換により加湿される。加湿器において加湿された加湿空気は、加湿空気出口２６から配管２８を通って燃料電池１０の酸化ガスマニホールド入口３０から図４の酸化ガスマニホールド９０を通り、図３の各単セル４２の酸化ガス流路８０へ供給される。その後、生成水等を含んだ加湿空気は酸化ガス流路８０、酸化ガスマニホールド９０を通り、図１の酸化ガスマニホールド出口３２から排出され、配管３４を通り、加湿空気入口３６から加湿器１２に導入される。加湿空気は加湿器１２において乾燥空気と水交換され、空気出口３８から配管４０を通って、外部へ放出される。一方、乾燥空気（酸化ガス）は、バルブ２７が「閉」状態、バイパスバルブ２２が「開」状態の場合には、バイパス配管２０を通り、加湿器１２を経ずに燃料電池１０に導入される。
【００３０】
図３に示す各単セル４２において、例えば、燃料極６４に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極７０に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極６４の触媒層６０において、
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋＋４ｅ−
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ２）から水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。電子（ｅ−）は拡散層６２から外部回路を通り、空気極７０の拡散層６８から触媒層６６に到達する。触媒層６６において、供給される空気中の酸素（Ｏ２）と、電解質膜５８を通過した水素イオン（Ｈ＋）と、外部回路を通じて触媒層６６に到達した電子（ｅ−）により、
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極６４及び空気極７０において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。図６に、本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例のフローチャートを示す。
【００３２】
例えば、燃料電池システムの起動時にまず、酸化ガスマニホールド入口３０付近の酸化ガス入口温度Ｔ１（℃）を検知する（Ｓ１０）。
【００３３】
制御部１６は、酸化ガス入口温度Ｔ１（℃）が予め設定した基準温度Ｔ（℃）より低い場合には、バルブ２７を「閉」状態、バイパスバルブ２２を「開」状態とし、加湿を行わないように制御する（Ｓ１２）。再びステップＳ１０でＴ１を検知し、Ｔ１≧Ｔとなった場合は、ステップＳ１４でバルブ２７を「開」状態、バイパスバルブ２２を「閉」状態とし、加湿を行う。再びＴ１＜Ｔとなった場合は、バルブ２７の「閉」状態、バイパスバルブ２２の「開」状態を続け、加湿を行わないように制御する。
【００３４】
一方、Ｔ１の値が予め設定した基準温度Ｔ（℃）以上であった場合には、バルブ２７を「開」状態、バイパスバルブ２２を「閉」状態とし、加湿を行うように制御する（Ｓ１４）。このように、制御部１６は、酸化ガス入口温度Ｔ１に基づいて加湿器１２による加湿量を制御する。ここでは、酸化ガス入口温度Ｔ１が基準温度Ｔより低い場合に加湿を行わないように制御している。
【００３５】
制御部１６によるバルブ２７及びバイパスバルブ２２の制御は、単なる「開」状態及び「閉」状態の制御（すなわち加湿のＯＮ／ＯＦＦ制御）だけではなく、各バルブの流量を調整して、加湿量を制御しても良い。すなわち、酸化ガス入口温度Ｔ１が低い場合には酸化ガス入口温度Ｔ１が高い場合よりも酸化ガスの加湿量を減らすように制御する。この場合、Ｔ１の値と必要な加湿量との関係を予めマップ化しておくことが好ましい。
【００３６】
また、本実施形態において、バイパス配管２０、バイパスバルブ２２、バルブ２７を設けずに、制御部１６により直接加湿器１２のＯＮ／ＯＦＦや加湿器１２における加湿量の調整を制御しても良い。
【００３７】
氷点下等の低温環境下において燃料電池の暖機運転を行うと、発電時には燃料電池スタック５６の発電領域８２は昇温しやすく、非発電領域８４、特に燃料ガスマニホールド８８及び酸化ガスマニホールド９０は昇温しにくい。その状態で例えば酸化ガスマニホールド９０に加湿された酸化ガスが流されると、酸化ガスマニホールド９０の入口内壁の特に温度が低いセル外周側で、加湿された酸化ガスに含まれる水分（加湿水）や生成水等の液体水や水蒸気等の結露が誘発される。そして燃料電池が再び氷点下等の低温環境下に置かれた場合、結露した水分がマニホールド内壁面で凍ってしまうことがある。そこで、本実施形態では、酸化ガスマニホールド入口３０付近の酸化ガス入口温度Ｔ１を検知し、この酸化ガス入口温度Ｔ１に基づいて、例えばこの酸化ガス入口温度Ｔ１が予め設定した基準温度より低い場合に、酸化ガス入口温度が高い場合よりも酸化ガスの加湿量を減らすように制御することにより、マニホールド壁面での結露、低温時のマニホールドでの氷の生成を抑制することができる。また、燃料電池を氷点下にて始動する際の急速暖機運転では燃料電池スタックが熱膨張するが、氷の形成が抑制されるため、ガスケットがこの熱膨張に追従することができ、燃料電池のシール性を向上させることができる。例えば、酸化ガスマニホールド入口３０の壁面温度が基準温度以上となるまでは、酸化ガスを加湿せずに、または加湿量を減らして供給するように制御すればよい。
【００３８】
ここで、エンドプレート５０の酸化ガスマニホールド入口３０付近の酸化ガス入口温度は、氷点下等の低温環境下での暖気運転時における燃料電池スタック５６の温度が比較的低い部分の温度を示す。したがって、酸化ガス入口温度を検知し、その温度に基づいて加湿量を制御することにより結露を防止することができる。一方、酸化ガスマニホールド出口付近の酸化ガス出口温度に基づいて制御する方法では、結露を防止することができない。
【００３９】
基準温度Ｔ（℃）は、予め決めておけばよく特に制限はない。
【００４０】
本実施形態において、燃料ガスを加湿する場合には、燃料ガスマニホールド入口付近にも温度センサ等の燃料ガス入口温度検知手段を設置して、検知した温度（燃料ガス入口温度）及び酸化ガス入口温度に基づいて加湿量を制御しても良い。
【００４１】
本実施形態に係る燃料電池システムの他の例の概略を図７に示す。燃料電池システム３は、燃料電池１０と、加湿器１２と、酸化ガス入口温度検知手段である入口温度センサ１４と、制御部１６と、冷媒出口温度検知手段である出口温度センサ１８と、加湿手段をバイパスするバイパス配管２０と、バイパス配管２０の開閉を行う開閉手段であるバイパスバルブ２２とを備える。
【００４２】
本実施形態に係る燃料電池システム３では、上記燃料電池システム１にさらに燃料電池１０の冷媒マニホールド出口（図示せず）付近に出口温度センサ１８が設置されている。また、入口温度センサ１４、出口温度センサ１８、バイパスバルブ２２及びバルブ２７はそれぞれ制御部１６に接続されている。
【００４３】
本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。図８に、本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例のフローチャートを示す。
【００４４】
例えば、燃料電池システムの起動時にまず、酸化ガスマニホールド入口３０付近の酸化ガス入口温度Ｔ１（℃）、及び冷媒マニホールド８６の出口付近の冷媒出口温度Ｔ２（℃）を検知する（Ｓ２０）。
【００４５】
制御部１６は、［冷媒出口温度Ｔ２（℃）］−［酸化ガス入口温度Ｔ１（℃）］を算出し、その値が予め設定した基準温度差α（℃）より大きい場合には、バルブ２７を「閉」状態、バイパスバルブ２２を「開」状態とし、加湿を行わないように制御する（Ｓ２２）。再びステップＳ２０でＴ１及びＴ２を検知し、（Ｔ２−Ｔ１）≦αとなった場合は、ステップＳ２４でバルブ２７を「開」状態、バイパスバルブ２２を「閉」状態とし、加湿を行う。再び（Ｔ２−Ｔ１）＞αとなった場合は、バルブ２７の「閉」状態、バイパスバルブ２２の「開」状態を続け、加湿を行わないように制御する。
【００４６】
一方、（Ｔ２−Ｔ１）値が予め設定した基準温度差α（℃）以下であった場合には、バルブ２７を「開」状態、バイパスバルブ２２を「閉」状態とし、加湿を行うように制御する（Ｓ２４）。このように、制御部１６は、酸化ガス入口温度Ｔ１及び冷媒出口温度Ｔ２に基づいて加湿器１２による加湿量を制御する。ここでは、（Ｔ２−Ｔ１）値が基準温度差αより大きい場合に加湿を行わないように制御している。
【００４７】
制御部１６によるバルブ２７及びバイパスバルブ２２の制御は、単なる「開」状態及び「閉」状態の制御（すなわち加湿のＯＮ／ＯＦＦ制御）だけではなく、各バルブの流量を調整して、加湿量を制御しても良い。すなわち、（Ｔ２−Ｔ１）が大きい場合には（Ｔ２−Ｔ１）が小さい場合よりも酸化ガスの加湿量を減らすように制御する。この場合、（Ｔ２−Ｔ１）の値と必要な加湿量との関係を予めマップ化しておくことが好ましい。
【００４８】
また、本実施形態において、バイパス配管２０、バイパスバルブ２２、バルブ２７を設けずに、制御部１６により直接加湿器１２のＯＮ／ＯＦＦや加湿器１２における加湿量の調整を制御しても良い。
【００４９】
本実施形態では、酸化ガスマニホールド入口３０付近の酸化ガス入口温度Ｔ１及び冷媒マニホールド８６の出口付近の冷媒出口温度Ｔ２を検知し、この酸化ガス入口温度Ｔ１及び冷媒出口温度Ｔ２に基づいて、例えば（Ｔ２−Ｔ１）値が予め設定した基準温度差αより大きい場合に、（Ｔ２−Ｔ１）値が小さい場合よりも酸化ガスの加湿量を減らすように制御することにより、マニホールド壁面での結露、低温時のマニホールドでの氷の生成を抑制することができる。また、燃料電池を氷点下にて始動する際の急速暖機運転では燃料電池スタックが熱膨張するが、氷の形成が抑制されるため、ガスケットがこの熱膨張に追従することができ、燃料電池のシール性を向上させることができる。例えば、（Ｔ２−Ｔ１）値が基準温度差以下となるまでは、酸化ガスを加湿せずに、または加湿量を減らして供給するように制御すればよい。
【００５０】
ここで、エンドプレート５０の酸化ガスマニホールド入口３０付近の酸化ガス入口温度は、氷点下等の低温環境下での暖気運転時における燃料電池スタック５６の温度が比較的低い部分の温度を示す。また、冷媒マニホールド８６の出口付近の冷媒出口温度は、燃料電池スタック５６から排出される酸化ガス等の温度を示し、これに基づいて排出される酸化ガス等の湿度を判断することができる。したがって、酸化ガス入口温度及び冷媒出口温度を検知し、それらの温度に基づいて加湿量を制御することにより結露を防止することができる。一方、上記の通り、酸化ガス出口温度に基づいて制御する方法では結露を防止することができない。
【００５１】
基準温度差α（℃）は、予め決めておけばよく特に制限はない。
【００５２】
本実施形態において、燃料ガスを加湿する場合には、燃料ガスマニホールド入口付近にも温度センサ等の燃料ガス入口温度検知手段を設置して、検知した温度（燃料ガス入口温度）、酸化ガス入口温度及び冷媒出口温度に基づいて加湿量を制御しても良い。
【００５３】
以上の燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法により、低温時のマニホールドでの氷の生成を抑制することができる。また、燃料電池のシール性を向上させることができる。
【００５４】
本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の一例を示す概略側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例の概略上面図を示す。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの一例を分解した概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの他の例を示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の他の例を示すフローチャートである。
【図９】従来の燃料電池システムの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，３  燃料電池システム、１０  燃料電池、１２  加湿器、１４  入口温度センサ、１６  制御部、１８  出口温度センサ、２０  バイパス配管、２２  バイパスバルブ、２３  エアコンプレッサ、２４  空気入口、２５，２８，３４，４０  配管、２６  加湿空気出口、２７  バルブ、３０  酸化ガスマニホールド入口、３２  酸化ガスマニホールド出口、３６  加湿空気入口、３８  空気出口、４２，１００  単セル、４４  セル積層体、４６  ターミナル、４８  インシュレータ、５０  エンドプレート、５２  締結部材、５４  ボルト・ナット、５６  燃料電池スタック、５８  電解質膜、６０，６６  触媒層、６２，６８  拡散層、６４  燃料極（アノード）、７０  空気極（カソード）、７２  ＭＥＡ、７４，１０２  セパレータ、７６  冷媒流路（冷却水流路）、７８  燃料ガス流路、８０  酸化ガス流路、８２，１０４  発電領域、８４，１０６  非発電領域、８６，１０８  冷媒マニホールド、８８，１１０  燃料ガスマニホールド、９０，１１２  酸化ガスマニホールド、９２  樹脂フレーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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