(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、
前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出経路と、
前記セルスタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記酸化ガスを導入する酸化ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する酸化ガス排出経路と、
前記セルスタックの温度状態を検知する温度状態検知手段と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、前記温度状態検知手段で検知した温度状態に基づいて感知した前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記単セルの燃料極側の圧損増大を抑制する制御を行うコントローラと、
を備え、
前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記燃料極側から前記酸化極側に水蒸気が透過する前に前記燃料極側の水分を酸化ガスにより持ち去ることで前記燃料極側から前記酸化極側への水蒸気透過量を減少させるように前記酸化ガス供給手段からの酸化ガス供給流量を増加させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、
前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出経路と、
前記セルスタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記酸化ガスを導入する酸化ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する酸化ガス排出経路と、
前記セルスタックの温度状態を検知する温度状態検知手段と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、前記温度状態検知手段で検知した温度状態に基づいて感知した前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記単セルの燃料極側の圧損増大を抑制する制御を行うコントローラと、
を備え、
前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、昇温開始から燃料電池の温度が所定の温度に到達するまで前記燃料ガス供給手段からの燃料ガス供給流量を減少させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、
前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出経路と、
前記セルスタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記酸化ガスを導入する酸化ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する酸化ガス排出経路と、
前記セルスタックの温度状態を検知する温度状態検知手段と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、前記温度状態検知手段で検知した温度状態に基づいて感知した前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記単セルの燃料極側の圧損増大を抑制する制御を行うコントローラと、
を備え、
前記セルスタックからの前記酸化ガスのオフガスの酸化ガス流路出口圧力を調整可能な酸化極側排出圧力調整手段をさらに備え、
前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記酸化ガスのオフガスの出口圧力を減少させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、
前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出経路と、
前記セルスタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記酸化ガスを導入する酸化ガス導入経路と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する酸化ガス排出経路と、
前記セルスタックの温度状態を検知する温度状態検知手段と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、前記温度状態検知手段で検知した温度状態に基づいて感知した前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記単セルの燃料極側の圧損増大を抑制する制御を行うコントローラと、
を備え、
前記セルスタックからの前記燃料ガスのオフガスの燃料ガス流路出口圧力を調整可能な燃料極側排出圧力調整手段をさらに備え、
前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記燃料ガスのオフガスの出口圧力を増加させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記単セルとの間の熱交換に供される冷却媒体を前記セルスタックの内部に導入し、前記単セルと熱交換された前記冷却媒体を前記セルスタックの外部に排出させる冷媒流通経路をさらに備え、
前記温度状態検知手段が、前記セルスタックからの出口付近の冷却媒体温度を検出可能な温度センサを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックの制御方法であって、
前記セルスタックの内部に燃料ガスを導入する燃料ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出工程と、
前記セルスタックの内部に酸化ガスを導入する酸化ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスオフガスを前記セルスタックの外部に排出させる酸化ガス排出工程と、
前記単セルの温度上昇を感知する昇温感知工程と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、感知した前記単セルの温度上昇に応じて燃料極側の圧損増大を抑制する工程と、
を有し、
前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記燃料極側から前記酸化極側に水蒸気が透過する前に前記燃料極側の水分を酸化ガスにより持ち去ることで前記燃料極側から前記酸化極側への水蒸気透過量を減少させるように前記酸化ガスの導入量を増加させる工程を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項７】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックの制御方法であって、
前記セルスタックの内部に燃料ガスを導入する燃料ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出工程と、
前記セルスタックの内部に酸化ガスを導入する酸化ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスオフガスを前記セルスタックの外部に排出させる酸化ガス排出工程と、
前記単セルの温度上昇を感知する昇温感知工程と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、感知した前記単セルの温度上昇に応じて燃料極側の圧損増大を抑制する工程と、
を有し、
前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、昇温開始から燃料電池の温度が所定の温度に到達するまで前記燃料ガスの導入量を減少させる工程を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項８】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックの制御方法であって、
前記セルスタックの内部に燃料ガスを導入する燃料ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出工程と、
前記セルスタックの内部に酸化ガスを導入する酸化ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスオフガスを前記セルスタックの外部に排出させる酸化ガス排出工程と、
前記単セルの温度上昇を感知する昇温感知工程と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、感知した前記単セルの温度上昇に応じて燃料極側の圧損増大を抑制する工程と、
を有し、
前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記酸化ガスのオフガスの、前記セルスタックからの排出圧力を減少させる工程を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項９】
電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックの制御方法であって、
前記セルスタックの内部に燃料ガスを導入する燃料ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出工程と、
前記セルスタックの内部に酸化ガスを導入する酸化ガス導入工程と、
前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスオフガスを前記セルスタックの外部に排出させる酸化ガス排出工程と、
前記単セルの温度上昇を感知する昇温感知工程と、
前記セルスタックを備える燃料電池の発電運転中において、前記セルスタックの積層中央部を流れる冷媒温度と積層両端部を流れる冷媒温度との温度差が所定値以上となる条件下で、感知した前記単セルの温度上昇に応じて燃料極側の圧損増大を抑制する工程と、
を有し、
前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記燃料ガスのオフガスの、前記セルスタックからの排出圧力を増加させる工程を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項１０】
請求項６から９のいずれか１項に記載の制御方法において、
前記単セルとの間の熱交換に供される冷却媒体を前記セルスタックの内部に導入し、前記単セルと熱交換された前記冷却媒体を前記セルスタックの外部に排出させる冷媒流通工程をさらに有し、
前記昇温感知工程が、前記セルスタックの外部に排出された前記冷却媒体の温度を検知する工程を含むことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セルを複数積層させてなるセルスタックを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを構成する燃料電池の構成の概略について説明する。図５は、一般的な燃料電池の構成の概略について、その一例を示す図である。なお、図５においては、一部の構成については省略し、または簡略な記載にとどめた。
【０００３】
図５において、燃料電池５０は、所定の電池性能を有する単セル１１を複数積層させることにより、所望の発電性能を獲得することが可能となるよう構成されている。燃料電池５０は一般に、積層させた単セル１１の積層端をそれぞれ集電板１２，１３で挟み込み、さらにその外側に絶縁板１４，１５およびエンドプレート１６，１７で順に挟持して、その外側から例えば図示しないボルト等による締結などの方法により全体を積層方向に押圧保持し、固定されている。このように燃料電池５０は、複数の単セル１１が積層された構成を有しているため、単セル１１と区別するためにセルスタックと称する場合もある。
【０００４】
また、図５において、単セル１１のそれぞれを貫通する冷媒供給マニホールド１８ａおよび冷媒排出マニホールド１８ｂがそれぞれ独立して形成されている。また、各単セル１１間にそれぞれセル冷媒流路１０が形成され、冷媒供給マニホールド１８ａおよび冷媒排出マニホールド１８ｂを連通させている。矢印３０に示すように燃料電池５０の外部から導入された冷却媒体（冷媒）が、矢印３０ａに示すように分岐して各セル冷媒流路１０に分配され、各単セル１１と熱交換される。各単セル１１において熱交換された使用済みの冷却媒体は矢印３１ａに示すように冷媒排出マニホールド１８ｂに流れ込んで合流し、矢印３１のように燃料電池５０の外部に排出される。
【０００５】
次に、図５に示した単セル１１につき、その要部の構成について説明する。図６に例示したように、電解質膜１の一方の面にアノード触媒層２（アノード極または燃料極ともいう）と、もう一方の面にカソード触媒層３（カソード極または酸化極ともいう）とを電解質膜１を挟んで対面するように設け、さらにアノード触媒層２の外側にアノード拡散層４を、またカソード触媒層３の外側にカソード拡散層５を、それぞれ設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）が構成されている。また、アノード拡散層４の外側には、燃料ガス流路８およびセル冷媒流路１０が形成されたアノード側セパレータ６が、カソード拡散層５の外側には、酸化ガス流路９およびセル冷媒流路１０が形成されたカソード側セパレータ７が、例えば、接着などにより一体化されて、単セル１１が形成される。
【０００６】
図６に示すアノード触媒層２に改質ガスや水素ガス等の少なくとも水素を含有する燃料ガスを、カソード触媒層３に空気や酸素ガス等の少なくとも酸素を含有する酸化ガスを、それぞれ供給して発電する。この単セル１１を複数枚積層させることにより、図５に示すような、所望の発電性能を有する燃料電池が形成される。このような燃料電池は通常、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、燃料電池の過熱を防止するために前述した冷却媒体を流通または循環させ、例えば６０℃から１００℃程度の好適な温度範囲となるように制御されている。
【０００７】
ところで、図５において、燃料電池５０における発電時の単セル積層方向に対する温度分布は、必ずしも一様でない。すなわち、積層端部１１ａ，１１ｃおよびその近傍に位置する単セル１１では、一般に金属などからなる集電板１２，１３および外部と接触しているエンドプレート１６，１７からの放熱などにより、積層中央部１１ｇの単セル１１と比較して低温となる場合がある。このとき、積層中央部１１ｇと比較すると、積層端部１１ａ，１１ｃおよびその近傍において、発電性能が十分に発揮されず、セル電圧が低下する場合がある。
【０００８】
例えば積層端部など、セルスタックの特定部位での電圧低下を抑制する技術については、例えば特許文献１〜４に記載されている。
【０００９】
特許文献１には、燃料電池スタック内を循環した後の冷却水をエンドプレート内に流通させ、端部セルを加温する技術について記載されている。
【００１０】
特許文献２，３には、アノードガスとカソードガスとの圧力差を制御して電極部位の水分量を調節する技術について記載されている。
【００１１】
特許文献４には、端部セル内での発熱量を増やして低温起動時の端部セル内での凍結を防止する技術について記載されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−６８１４１号公報
【特許文献２】特開２０００−３４０２４１号公報
【特許文献３】特開２００４−１２７９１４号公報
【特許文献４】特開２００５−８５５３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図５において、燃料電池５０における単セル１１の積層中央部１１ｇと積層端部１１ａ，１１ｃにおける温度勾配が大きくなると、積層中央部と積層端部における単セル１１間の温度差にとどまらず、一枚の単セル１１におけるアノード側とカソード側との温度差が無視できない程度となってしまう場合がある。例えば図５において、マイナス側積層端部単セル１１ａおよびその近傍では、燃料電池５０のより外側、つまりエンドプレート１７側に位置するアノード側の温度が、カソード側の温度より低くなる場合がある。このとき、アノード側とカソード側との間の温度差に基づいて、電解質膜を挟んで対面するガス流路間に水蒸気分圧の差が生じ、この分圧差に基づいてカソード側から電解質膜を介してアノード側に水蒸気が透過し、アノード側の水分量が増加する場合がある。
【００１４】
アノード側は一般に凝縮水を排出する駆動源ともなる、流通する燃料ガスのガスエネルギーが、カソード側を流通する酸化ガスのガスエネルギーと比較して小さい。このため、アノード側の水分量が増加し、残存する水分が液水としてアノード側の流路内に凝縮すると、排水が滞り、流路内の圧損を増加させる場合がある。このため、マイナス側積層端部単セル１１ａおよびその近傍では、アノード側での燃料ガス供給量の減少に伴う電圧低下、さらにはＭＥＡの劣化促進に繋がるおそれがあった。
【００１５】
本発明は、セルスタック昇温に伴う発電性能の低下を防止または抑制することが可能となる燃料電池システムおよびその制御方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１７】
（１）電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入経路と、前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出経路と、前記セルスタックに酸化ガスを供給するための酸化ガス供給手段と、前記酸化ガス供給手段から前記セルスタックの内部に前記酸化ガスを導入する酸化ガス導入経路と、前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する酸化ガス排出経路と、前記セルスタックの温度状態を検知する温度状態検知手段と、前記温度状態検知手段で検知した温度状態に基づいて感知した前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記単セルの燃料極側の圧損増大を抑制する制御を行うコントローラと、を備える、燃料電池システム。
【００１８】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記酸化ガス供給手段からの酸化ガス供給流量を増加させる制御を行う、燃料電池システム。
【００１９】
（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガス供給流量を減少させる制御を行う、燃料電池システム。
【００２０】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記セルスタックからの前記酸化ガスのオフガスの酸化ガス流路出口圧力を調整可能な酸化極側排出圧力調整手段をさらに備え、前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記酸化ガスのオフガスの出口圧力を減少させる制御を行う、燃料電池システム。
【００２１】
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記セルスタックからの前記燃料ガスのオフガスの燃料ガス流路出口圧力を調整可能な燃料極側排出圧力調整手段をさらに備え、前記コントローラが、前記セルスタックの温度上昇に応じて、前記燃料ガスのオフガスの出口圧力を増加させる制御を行う、燃料電池システム。
【００２２】
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記単セルとの間の熱交換に供される冷却媒体を前記セルスタックの内部に導入し、前記単セルと熱交換された前記冷却媒体を前記セルスタックの外部に排出させる冷媒流通経路をさらに備え、前記温度状態検知手段が、前記セルスタックからの出口付近の冷却媒体温度を検出可能な温度センサを含む、燃料電池システム。
【００２３】
（７）電解質膜を挟んで対面する燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックの制御方法であって、前記セルスタックの内部に燃料ガスを導入する燃料ガス導入工程と、前記セルスタックの内部に導入された前記燃料ガスの、前記燃料極の流通に伴う燃料ガスのオフガスを前記セルスタックの外部に排出する燃料ガス排出工程と、前記セルスタックの内部に酸化ガスを導入する酸化ガス導入工程と、前記セルスタックの内部に導入された前記酸化ガスの、前記酸化極の流通に伴う酸化ガスオフガスを前記セルスタックの外部に排出させる酸化ガス排出工程と、前記単セルの温度上昇を感知する昇温感知工程と、感知した前記単セルの温度上昇に応じて燃料極側の圧損増大を抑制する工程と、を有する、制御方法。
【００２４】
（８）上記（７）に記載の制御方法において、前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記酸化ガスの導入量を増加させる工程を含む、制御方法。
【００２５】
（９）上記（７）または（８）に記載の制御方法において、前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記燃料ガスの導入量を減少させる工程を含む、制御方法。
【００２６】
（１０）上記（７）から（９）のいずれか１つに記載の制御方法において、前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記酸化ガスのオフガスの、前記セルスタックからの排出圧力を減少させる工程を含む、制御方法。
【００２７】
（１１）上記（７）から（１０）のいずれか１つに記載の制御方法において、前記燃料極側の圧損増大を抑制する工程が、前記燃料ガスのオフガスの、前記セルスタックからの排出圧力を増加させる工程を含む、制御方法。
【００２８】
（１２）上記（７）から（１１）のいずれか１つに記載の制御方法において、前記単セルとの間の熱交換に供される冷却媒体を前記セルスタックの内部に導入し、前記単セルと熱交換された前記冷却媒体を前記セルスタックの外部に排出させる冷媒流通工程をさらに有し、前記昇温感知工程が、前記セルスタックの外部に排出された前記冷却媒体の温度を検知する工程を含む、制御方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、セルスタック昇温に伴う発電性能の低下を防止または抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する各図面において、図５，６に示す構成と同様のものについては同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池５０（セルスタック）と、少なくとも水素を含む燃料ガスを、燃料電池５０の燃料極側（アノード側）に、燃料ガス導入経路１９ａを介して供給するための燃料ガス供給装置１９（燃料ガス供給手段）と、少なくとも酸素を含む酸化ガスを、燃料電池５０の酸化極側（カソード側）に、酸化ガス導入経路２０ａを介して供給するための酸化ガス供給装置２０（酸化ガス供給手段）と、燃料電池５０の運転状態を監視し、必要に応じて所定の運転制御を行うコントローラ２９と、を備える。
【００３２】
図１において、例えば改質器や水素ボンベなどの、燃料ガス供給装置１９からの供給流量または流速が適切に調整された燃料ガスは、必要に応じて加湿器２１を通じて適切な水分量に湿度調整され、燃料電池５０の内部に導入される。燃料電池５０の内部に導入された燃料ガスは、図６に示す各単セル１１の燃料ガス流路８からアノード拡散層４を経由してアノード触媒層２に到達し、燃料ガスに含まれる水素が電解質膜１を介しての電池反応に供される。その後、余剰となった水素ガスや水蒸気、場合によっては二酸化炭素などを含む燃料ガスのオフガスが、燃料ガス排出経路１９ｂから、必要に応じて圧力調整弁２３（排出圧力調整手段）により所定の排出ガス圧力（実施の形態において、燃料ガスのオフガスの排出ガス圧力は、圧力センサ２５を用いて測定することができる）に調整され、燃料電池５０の外部へ排出される。
【００３３】
一方、図１において、例えばブロワ、エアポンプ、空気ボンベまたは酸素ボンベなどの、酸化ガス供給装置２０からの供給流量または流速が適切に調整された酸化ガスは、必要に応じて加湿器２２を通じて適切な水分量に湿度調整され、燃料電池５０の内部に導入される。燃料電池５０の内部に導入された酸化ガスは、図６に示す各単セル１１の酸化ガス流路９からカソード拡散層５を経由してカソード触媒層３に到達し、酸化ガスに含まれる酸素が電解質膜１を介しての電極反応に供される。その後、余剰となった酸素ガスや水蒸気、場合によっては窒素ガスなどを含む酸化ガスのオフガスが、酸化ガス排出経路２０ｂから、必要に応じて圧力調整弁２４（排出圧力調整手段）により所定の排出ガス圧力（実施の形態において、酸化ガスのオフガスの排出ガス圧力は、圧力センサ２６を用いて測定することができる）に調整され、燃料電池５０の外部へ排出される。
【００３４】
また、図１において、図示しない循環ポンプと放熱部とを含む冷却媒体循環装置２７を備え得る。単セルとの間の熱交換に供される、水やエチレングリコールなどの冷却媒体は、冷媒導入経路２７ａを通り、図５に示す冷媒供給マニホールド１８ａを経由して燃料電池５０の内部に導入され、単セル１１と熱交換される。単セル１１との熱交換により加熱された冷却媒体は、図５に示す冷媒排出マニホールド１８ｂを経由し、図１に示す冷媒排出経路２７ｂを通じて燃料電池５０の外部に排出され、冷却媒体循環装置２７の図示しない放熱部において放熱、再生された後、再び冷却媒体として利用される。以下、冷媒導入経路２７ａ、冷媒排出経路２７ｂを含む一連の経路をまとめて、冷媒流通経路と称する場合がある。なお、図１において、冷却媒体の流通は循環系として示したが、他の実施の形態では、例えば上水道から分岐させた水道水などを冷却媒体として使用し、循環させることなく連続して燃料電池５０の冷却に供することも可能である。
【００３５】
さらに、図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池５０の温度状態を検知する温度センサ２８（温度状態検知手段）を備える。実施の形態において、温度センサ２８は、例えば燃料電池５０が昇温状態にあるのか、定常状態に到達したのかを判断するために１箇所以上の定点における温度状態を検知する。具体的には、図１に示すように冷媒排出経路２７ｂの、燃料電池５０からの出口付近に備えられ、燃料電池５０の内部から排出された直後の冷却媒体の温度を燃料電池５０の温度とみなすことができるが、燃料電池５０の温度状態を的確に反映するものであればこれに限らず、例えば図５に示す絶縁板１５や、エンドプレート１７の温度を検知する構成や、単セル１１の温度を直接測定する構成など、さまざまな構成を採用することが可能である。
【００３６】
図１において、コントローラ２９は、温度センサ２８で検知される燃料電池５０の温度状態や圧力センサ２５，２６でそれぞれ検知される酸化ガスおよび／または燃料ガスのオフガスの排出圧力、燃料電池５０の運転状態などの情報に基づいて、燃料ガス供給装置１９により供給される燃料ガスの供給量および／または酸化ガス供給装置２０により供給される酸化ガスの供給量、ならびに圧力調整弁２３，２４により調整される燃料ガスおよび／または酸化ガスのオフガスの排出圧力（背圧）を制御可能に構成されている。
【００３７】
このような燃料電池システムにおいて、運転停止時における燃料電池５０の温度は、外気温またはセルスタックが収容されるスタックケースの周囲温度と同等程度に維持されている。一方、燃料電池５０を始動させると、温度が次第に上昇し、例えば数分から数十分程度かけて、定常運転が行われる規定温度（例えば、８０℃）まで到達する。
【００３８】
図２は、図５に示す燃料電池５０の定常運転時における、単セルの積層方向の状態を比較したグラフである。図２において、横軸はいずれも単セルの積層方向を示している。横軸の方向は図５に示した燃料電池５０の形状に対応しており、左側端部はカソード集電板１２側（プラス側とも称する）の積層端部を、右側端部はアノード集電板１３側（マイナス側とも称する）の積層端部を、それぞれ示している。
【００３９】
図２（ａ）は、燃料電池５０の定常運転時における、単セルの積層方向の温度分布の概略を示したグラフである。図２（ａ）において、縦軸は各単セル間のセル冷媒流路１０を流通する冷却媒体（本実施の形態では冷却水を使用）の温度を示している。図２（ａ）に示すように、図５に示した燃料電池５０における積層両端部およびその近傍（例えば積層端部単セルから数枚から十枚程度まで）の冷却水温度は、積層中央部の冷却水温度Ｔｘと比較して、低くなる場合がある。このとき、各単セルを挟んで対向する冷却水温度について、カソード側の冷却水温度（プラス側冷却水温度）とアノード側の冷却水温度（マイナス側冷却水温度）との差（ΔＴ）について、単セルの積層方向の分布は、図２（ｂ）に示すようになる。図２（ｂ）に示すように、マイナス側の積層端部およびその近傍においては、ΔＴが正になる。
【００４０】
このように、ΔＴが正になる条件下において、マイナス側の積層端部およびその近傍においては、上述したように、単セル内におけるアノード側とカソード側との温度差により水蒸気分圧に差が生じ、カソード側からアノード側に水蒸気が透過してアノード側で凝縮水が生成し、アノード側の圧損が増大する（図２（ｃ））。
【００４１】
図３は、従来の燃料電池システムにおける燃料電池５０の昇温時における、単セルの積層方向の状態を比較したグラフである。図３において、横軸はいずれも図２に対応している。また、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）の縦軸はそれぞれ、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に対応している。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、昇温時には燃料電池の積層両端部およびその近傍において、その冷却水温度と、積層中央部の冷却水温度Ｔｘ’との差が、図２（ａ）に示した定常運転時よりも大きくなっている。その結果、図３（ｂ）に示すようにマイナス側の積層端部およびその近傍においてΔＴが大きくなり（例えばΔＴ＝５〜１０℃程度になり得る）、アノード側とカソード側との分圧差が例えば数ｋＰａ〜数十ｋＰａ程度にもなり得る。この大きな水蒸気分圧差に基づいて、カソード側からアノード側に水蒸気が大量に透過するため、図３（ｃ）に示すようにアノード側の圧損分布が大きくなり、特にマイナス側端部およびその近傍のアノードガス流路の分配流量が減少して電圧低下が発生しやすくなる。
【００４３】
これに対し、図３（ｃ）に対応する、図４（ｃ）の破線で示される従来のシステムにおけるアノード側の圧損に比較して、図４（ｃ）の実線で示すようにアノード側の圧損の増大を抑制し、積層中央部におけるアノード側の圧損に極力近づけるような制御を行うことにより、積層中央部と積層端部およびその近傍との冷却水温度の差、つまり単セル間の温度差が従来と同様に大きいままであっても（図４（ａ）および（ｂ）参照）、昇温に伴う電圧低下を防止または抑制することが可能となることが明らかとなった。以下、マイナス側積層端部およびその近傍におけるアノード側の圧損の増大を抑制することが可能になる、より具体的な実施の形態について説明する。
【００４４】
［実施の形態１］
図１において、温度センサ２８により燃料電池５０の温度状態をモニタし、昇温開始から燃料電池の温度が所定の温度に到達するまで、コントローラ２９により酸化ガス供給装置２０からの酸化ガスの供給量を増大させる制御を行う。具体的には、定常運転時の酸化ガス供給量に対して例えば１．２〜２倍程度、より好ましくは１．５〜２倍程度に設定することが可能であるがこれに限らない。本実施の形態によれば、カソード側に供給する酸化ガス流量を増やすことにより、カソード側からアノード側に水蒸気が透過する前にカソード側の水分を酸化ガスにより持ち去ることでカソード側からアノード側への水蒸気透過量を減少させ、結果的に図５に示すマイナス側積層端部１１ａおよびその近傍の単セル１１におけるアノード側の圧損の上昇を抑制することが可能になる。
【００４５】
［実施の形態２］
図１において、温度センサ２８をモニタし、昇温開始から燃料電池の温度が所定の温度に到達するまで、コントローラ２９により燃料ガス供給装置１９からの燃料ガスの供給量を減少させる制御を行う。具体的には、定常運転時の燃料ガス供給量に対して例えば０．７〜０．９倍程度に設定することが可能であるがこれに限らない。本実施の形態によれば、アノード側に供給する燃料ガス流量を減らすことにより、アノード側の水分の燃料ガスによる持ち去り量を低減させることでカソード側からアノード側への水蒸気の透過を抑制し、結果的に図５に示すマイナス側積層端部１１ａおよびその近傍の単セル１１におけるアノード側の圧損の上昇を抑制することが可能になる。
【００４６】
［実施の形態３］
図１において、温度センサ２８をモニタし、昇温開始から燃料電池の温度が所定の温度に到達するまで、コントローラ２９によりカソード側圧力調整弁２４について、酸化ガスのオフガスの排出圧力を低下させる制御を行う。具体的には、定常時に排出される酸化ガスのオフガスの排出圧力に対し例えばゲージ圧で０．２〜０．９倍程度に低下させることが可能であるがこれに限らない。本実施の形態によれば、排出圧力を低下させることでカソード側から排出される酸化ガス流量を増やすことにより、カソード側からアノード側に水蒸気が透過する前にカソード側の水分を持ち去ることができ、カソード側からアノード側への水蒸気透過量を減少させ、結果的に図５に示すマイナス側積層端部１１ａおよびその近傍の単セル１１におけるアノード側の圧損の上昇を抑制することが可能になる。
【００４７】
［実施の形態４］
図１において、温度センサ２８をモニタし、昇温開始から燃料電池の温度が所定の温度に到達するまで、コントローラ２９によりアノード側圧力調整弁２３について、燃料ガスのオフガスの排出圧力を上昇させる制御を行う。具体的には、定常時に排出される燃料ガスのオフガスの排出圧力に対し例えばゲージ圧で１．２〜２倍程度、好ましくは１．５〜２倍程度に上昇させることが可能であるがこれに限らない。本実施の形態によれば、排出圧力を上昇させることでアノード側から排出される燃料ガス流量を減らすことにより、アノード側の水分の燃料ガスによる持ち去り量を低減させることでカソード側からアノード側への水蒸気の透過を抑制し、結果的に図５に示すマイナス側積層端部１１ａおよびその近傍の単セル１１におけるアノード側の圧損の上昇を抑制することが可能になる。
【００４８】
［実施の形態５］
実施の形態１〜４のうち、２つ以上を組み合わせることも好適である。上述した実施の形態１〜４は、それぞれが互いに相反しない異なる制御であるため、例えば実施の形態１，２、実施の形態１，３，４など、２つ以上の制御を組み合わせて行うことが可能である。本実施の形態は、例えば頻繁に起動と停止を繰り返す燃料電池システムや、車両その他の移動体に搭載し、細かい運転制御が要求される燃料電池システムなどにおいて特に顕著な効果を得ることが可能となる。
【００４９】
上述した各実施の形態において、燃料電池の「所定の温度」とは、例えば８０℃など、図１に示す燃料電池５０が定常運転に到達する温度とすることが可能であり、好適であるが、他の実施の形態において、積層端部の断熱性が比較的良好なセルスタックにおいては、例えば６０℃など、定常運転時よりも幾分低い温度に設定することも可能である。さらに別の実施の形態として、所定の時間、例えば数ミリ秒から数十秒程度の間の温度の差分に基づいて昇温状態にあるか否かを感知することも好適である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、定置用、移動体搭載用を問わず、特に昇温時において、積層中央部単セルと積層端部単セルとの間に温度差が生じ得るセルスタックを備える燃料電池システムにおいて好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。
【図２】燃料電池の定常運転時における、単セルの積層方向の状態を比較したグラフである。
【図３】従来の燃料電池の昇温時における、単セルの積層方向の状態を比較したグラフである。
【図４】燃料電池の昇温時における、単セルの積層方向の状態を比較したグラフである。
【図５】燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。
【図６】単セルの要部の構成の概略について説明する図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  電解質膜、２  アノード触媒層、３  カソード触媒層、４  アノード拡散層、５  カソード拡散層、６  アノード側セパレータ、７  カソード側セパレータ、８  燃料ガス流路、９  酸化ガス流路、１０  セル冷媒流路、１１  単セル、１１ａ  マイナス側積層端部（単セル）、１１ｃ  プラス側積層端部（単セル）、１１ｇ  積層中央部（単セル）、１２  カソード側集電板、１３  アノード側集電板、１４，１５  絶縁板、１６，１７  エンドプレート、１８ａ  冷媒供給マニホールド、１８ｂ  冷媒排出マニホールド、１９  燃料ガス供給装置、２０  酸化ガス供給装置、２０ａ  酸化ガス導入経路、２０ｂ  酸化ガス排出経路、２１，２２  加湿器、２３，２４  圧力調整弁、２５，２６  圧力センサ、２７  冷却媒体循環装置、２８  温度センサ、２９  コントローラ、５０  燃料電池（セルスタック）、１００  燃料電池システム。
【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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