(57)【要約】【課題】燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数のセルが積層され且つ端部に圧損の高いセルが位置した燃料電池スタックと、セルが所定温度以下であるときに、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段とを有する。これにより、凍結しやすい端部のセルにおける水の電気分解を促進することができるので、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。【選択図】図１
2007227162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層され且つ積層方向に対して端部のセルを中央のセルよりも圧損の高いセルとした燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なく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】
前記セルの少なくとも一部は、前記端部に向かって徐々に圧損が高くなるように配列している請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
複数のセルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第２の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第１の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
複数のセルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分と、前記燃料電池スタックの他方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第２の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第３の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第１の供給マニホールド部分と前記第２の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記セルが前記所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段をさらに有する請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定温度は０℃である請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【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】
燃料電池スタックを構成するセルは、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。
【０００３】
一般に、燃料電池システムでは、高圧水素タンクから供給される燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給している。
【０００４】
また、燃料電池システムは、電解質膜を湿潤状態にするために加湿器を備える。これにより、水が電解質膜に補充されて、アノード側からのＨ＋の移動を容易にしている。
【０００５】
以上のことをさらに詳しく説明すると、次のようになる。
【０００６】
アノードにおいて、
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
の反応により生じたＨ＋は、Ｈ３Ｏ＋となって電解質膜中を移動した後、カソードで
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
の反応を生じる。
【０００７】
すなわち、両電極間において、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応が起こることによって起電力が発生する。また、このとき、カソード側では水が生成する。
【０００８】
しかし、このような燃料電池システムにおいては、低温環境下で燃料電池を起動する場合に、生成した水が凍結することによって水素と酸素の反応が阻害され、燃料電池の出力電圧が低下してしまうという問題があった。また、水の凍結によって、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ（ＭＥＧＡ；ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）に物理的な破壊が起こるという問題もあった。
【０００９】
これに対して、水を電気分解可能な電力を供給する給電手段を設けた燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムによれば、電気分解により水をガス化して除去するので、水素と酸素の反応が阻害されるのを防いで、低温環境下であっても燃料電池を起動できるとされる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−５０７４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２２５０３号公報
【特許文献３】特開平６−３１０１６１号公報
【特許文献４】特開２００３−１９７２４０号公報
【特許文献５】特開２００４−３１１３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池に接続して電力によって駆動されるモータを有している。また、給電手段は、このモータと燃料電池に接続して起電力を蓄電するバッテリを有している。そして、バッテリからモータに電力を供給するとともに、バッテリから燃料電池に高電圧を印加することによって、発電に伴って生成した水を電気分解している。
【００１２】
このように、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、電気分解を起こすのにバッテリで電力を消費している。したがって、バッテリから燃料電池への給電を行わないときには、燃料電池からバッテリへの充電が必要となる。このため、燃料電池システムの効率が大きく低下してしまうおそれがあった。
【００１３】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の燃料電池システムは、複数のセルが積層され且つ積層方向に対して端部のセルを中央のセルよりも圧損の高いセルとした燃料電池スタックと、
前記セルが所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段とを有することを特徴とするものである。
この場合、前記セルの少なくとも一部は、前記端部に向かって徐々に圧損が高くなるように配列していることが好ましい。
【００１６】
本発明の第２の燃料電池システムは、複数のセルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第２の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第１の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の燃料電池システムは、複数のセルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する供給マニホールドと、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスを排出する排出マニホールドとを有し、
前記供給マニホールドは、前記燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分と、前記燃料電池スタックの他方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第２の供給マニホールド部分と、その他のセルに燃料ガスを供給する第３の供給マニホールド部分とに分岐していて、前記燃料電池スタックの発電中であって前記セルが所定温度以下であるときには、前記第１の供給マニホールド部分と前記第２の供給マニホールド部分を遮断することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第２および第３の燃料電池システムにおいては、前記セルが前記所定温度以下であるときに、前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、前記セルが所定温度より高いときに比べて少なくする制御手段をさらに有することが好ましい。
【００１９】
本発明の第１、第２および第３の燃料電池システムにおいて、前記所定温度は０℃とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの端部に圧損の高いセルが位置するとともに、セルが所定温度以下であるときには、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、セルが所定温度より高いときに比べて少なくするので、凍結しやすい端部のセルにおける水の電気分解を促進することができる。これにより、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。
【００２１】
本発明の第２の燃料電池システムによれば、セルが所定温度以下であるときには、燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分を遮断するので、凍結しやすい端部のセルにおける水の電気分解を促進することができる。これにより、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。
【００２２】
本発明の第３の燃料電池システムによれば、セルが所定温度以下であるときには、燃料電池スタックの両端部とこれらの近傍に配列したセルに燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分および第２の供給マニホールド部分を遮断するので、凍結しやすい両端部のセルにおける水の電気分解を促進することができる。これにより、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
実施の形態１．
図１は、燃料電池スタックを構成するセルの断面模式図である。この図に示すように、セル１は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ（ＭＥＧＡ；ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）２と、反応ガスの流路が形成されたセパレータ３，４とが積層されてなる。膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ２は、イオン交換樹脂からなる電解質膜５と、電解質膜５の一方の面に設けられた触媒層からなるアノード６と、電解質膜５の他方の面に設けられた触媒層からなるカソード７と、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられたガス拡散層８，９とからなる。そして、セパレータ３，４は、ガス拡散層８，９を介して、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられている。
【００２４】
上述したように、燃料電池では、アノード６に供給された水素と、カソード７に供給された酸素との間で
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の反応が起こることによって起電力が発生する。
【００２５】
尚、アノード６に供給する燃料ガスは、水素ガスそのものであってもよいし、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された、水素リッチな改質ガスであってもよい。一方、カソード７に供給する酸化剤ガスは、コンプレッサ（図示せず）によって外気から取り込んだ空気とすることができる。
【００２６】
低温環境下で燃料電池システムを起動した場合、カソード７で生成した水が凍結するおそれがある。この水を除去するには、制御手段によって、セルが所定温度以下であるときに、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、セルが所定温度より高いときに比べて少なくするのがよい。換言すると、低温環境下で燃料電池システムを起動する際には、燃料電池スタックに供給する燃料ガスの量を、通常運転時に供給する燃料ガスの量より少なくすることによって、アノードで水素が不足した状態にするのがよい。この場合、通常運転時であるか否かは、セルの温度で判断することができる。例えば、セルの温度が氷点下、すなわち、０℃以下である場合には、セル内で水が凍結してしまうので、アノードを水素欠状態にする。一方、セルの温度が氷点下より高い場合には、通常運転時と判断して必要な量の燃料ガスを供給する。
【００２７】
図１の例では、カソード７に酸素が十分に存在する状態でアノード６を水素欠状態にする。アノード６に供給する水素の量を少なくすると、不足した水素を補うために、カソード７の水が電解質膜５を通ってアノード６に移動し、アノード６で水の電気分解が進むようになる。したがって、この方法によれば、バッテリなどの外部電源を必要とせずに、水の電気分解を進めることができる。
【００２８】
ところで、一般に、アノードやカソードはカーボン材料によって形成されている。常温において、アノードを水素欠状態にした場合、カーボンと水の反応が進行することによって、アノードやカソードで腐食が発生するおそれがある。しかしながら、本実施の形態は、低温、具体的には、氷点下での水の凍結を問題としている。したがって、水素欠は低温で行えばよく、常温で行う必要はない。カーボンと水との反応は低温では抑制されるので、本実施の形態において、この反応に起因して電極が腐食するおそれはほとんどないと考えられる。さらに、水と反応するおそれの小さい電極材料を用いたり、水電解触媒を利用したりすることによっても、電極の劣化をより低減することが可能である。
【００２９】
水素欠状態は、具体的には、ストイキ比を小さくすることによって実現できる。ここで、ストイキ比とは、燃料電池に供給された水素量（ＱＨ０）と、燃料電池で消費された水素量（ＱＨ１）との比（ＱＨ０／ＱＨ１）を言う。ストイキ比を小さくすると、燃料電池に供給される水素量が少なくなるので、アノードを水素欠状態にすることができる。
【００３０】
図２は、本実施の形態における燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。
【００３１】
本実施の形態においては、燃料電池システム内に熱電対などを設けて温度をモニターする。そして、温度が氷点下である場合には、図１のステップ１に進み、通常運転時より低いストイキ比となるようにする。具体的には、予め用意した低温モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。尚、水の凍結が問題となるのは、主として、低温環境下で燃料電池を起動した場合である。したがって、低温環境下では、ストイキ比を小さくして燃料電池を起動すると言い換えることもできる。
【００３２】
一方、温度が氷点下より高い場合には、図１のステップ２に進み、通常運転時でのストイキ比とする。この場合にも、予め用意した通常モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。
【００３３】
温度をモニターする箇所は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリの近傍とすることが好ましい。また、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いた場合にも、この近傍とすることが好ましい。但し、本発明はこれらに限られるものではなく、セル内のガスの温度や、燃料電池システム内を循環する冷却水の温度を測定できる箇所でモニターし、これらの温度からセル内の温度を推定してもよい。
【００３４】
ところで、燃料電池スタックは、複数のセルが積層された構造を有している。そして、各セルに供給される水素の量にはばらつきがある。例えば、内部に水が残存したセルでは、圧損が高くなるために内部に水素が入り難い。また、カソードに供給される空気に含まれる窒素が、電解質膜を介してアノード側へ移動し滞留した場合にも、内部に水素が入り難くなる。
【００３５】
こうした水素が入り難いセルは、燃料電池スタックの端部に配置されたセルに見られる。一方、端部に配置されたセルほど、低温時に凍結が起こりやすい。ストイキ比を小さくすると、各セルに供給される水素量は全般的に少なくなるが、端部に配置されたセルは元々水素が入り難いセルであるために、特に水素の供給量が少なくなる。したがって、ストイキ比を小さくしただけで、凍結が起こりやすいセルほど水素欠の状態にすることができる。これにより、凍結しやすいセルで水の電気分解が特に促進される結果となり、燃料電池スタック内で凍結が起こるのを効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
また、セルに供給される水素の量は、セルの構造の違いによってもばらつく。但し、ここで言う「セルの構造の違い」とは、セルの製造工程で生じた、良品として許容される範囲の違いを言い、意図的に設けた違いまでを含むものではない。また、セルの構造の違いは、具体的にはセルの圧損に反映される。
【００３７】
そこで、本実施の形態においては、凍結しやすいセルの位置に、予め圧損の高いセルを配置しておくことを特徴とする。例えば、燃料電池スタックの端部から順に圧損の高いセルが並ぶように配置する。また、セルの少なくとも一部が、端部に向かって徐々に圧損が高くなるように配列していてもよい。このようにすることによって、ストイキ比を小さくしたときに、端部のセルほど一層水素欠が起こりやすい状態となる。したがって、凍結が起こりやすいセルにおける水の電気分解をさらに促進することができる。
【００３８】
ところで、セルに供給される水素の量が少なくなると発電電圧が低下する。ストイキ比を小さくすることによって、全てのセルの電圧がマイナスになってしまうと、燃料電池が起動できなくなる。そこで、セル電圧をモニターし、燃料電池スタックの端部に位置するセルの電圧がマイナスになったとしても、セル全体としてはプラスになるようにストイキ比を調整することが好ましい。
【００３９】
また、上述した各セルに供給される水素量のばらつきは、カソード側でも見られる。すなわち、カソードで生成した水が残存したセルでは、圧損が高くなるために、内部に空気が入り難い。また、空気中の窒素がセル内に滞留した場合にも空気が入り難くなる。このため、カソードに必要な酸素が供給されないこととなって、カソードで酸欠が起こりやすくなる。それ故、ストイキ比を小さくしてアノードを水素欠にすると、両極で反応ガスが不足するおそれがある。
【００４０】
そこで、本実施の形態においては、セル全体の電圧をモニターし、所定値より電圧が低くなった時点で発電を停止するようにする。例えば、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２である場合に、電圧が−２．１Ｖより低くなった時点で発電を停止するようにすることができる。
【００４１】
また、本実施の形態においては、各セルの電圧を個別にモニターし、所定値より電圧が低くなったセルをバイパスして燃料電池スタックから電流を取り出すなどの手段で、所定値より電圧が低くなったセルについてのみ発電を停止するようにしてもよい。
【００４２】
以上述べたように、ストイキ比を小さくして水の電気分解を促すことにより、水の凍結を防止することができる。また、この状態を続けると、燃料電池スタックの温度は次第に上昇して行く。燃料電池では、起電力を生じる際に熱も発生するからである。そして、水が凍結しない温度、具体的には、氷点下より高い温度まで上昇したところで、燃料電池システムの起動は終了したと判断して通常運転時のストイキ比とする。
【００４３】
実施の形態２．
図３は、本実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す概念図である。この図に示すように、燃料電池スタックは、複数のセル１１が積層された構造を有している。ここで、セル１１の構造は、図３では省略されているが、実施の形態１で説明した図１と同様である。尚、セルの総数は、図３の例に限定されるものではなく、燃料電池スタックの仕様に応じて適宜設定することができる。
【００４４】
また、燃料電池スタックには、各セル１１に燃料ガスを分配する供給マニホールド１２と、各セル１１からの燃料オフガスをまとめて排出する排出マニホールド１３とが設けられている。本実施の形態においては、供給マニホールド１２が、さらに、燃料電池スタックの端部およびその近傍（以下、本実施の形態においては端部等と称す。）に配列されたセル１１に燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分１２ａと、その他のセル１１に燃料ガスを供給する第２の供給マニホールド部分１２ｂとに分岐していることを特徴とする。また、第１の供給マニホールド部分１２ａにはバルブ１４が設けられており、バルブ１４を閉じることによって、第１の供給マニホールド部分１２ａを遮断して、端部等のセル１１への燃料ガスの供給を停止できるようになっている。尚、図３では、端部等のセル１１に斜線を付している。また、矢印は、燃料ガスの流れる方向を示している。
【００４５】
尚、燃料ガスは、水素ガスそのものであってもよいし、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された、水素リッチな改質ガスであってもよい。一方、酸化剤ガスは、コンプレッサ（図示せず）によって外気から取り込んだ空気とすることができる。
【００４６】
本実施の形態においても、燃料電池システム内に熱電対などを設けて温度をモニターする。温度をモニターする箇所は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリの近傍とすることが好ましい。また、膜−電極アッセンブリを用いた場合にも、この近傍とすることが好ましい。但し、本発明はこれらに限られるものではなく、セル内のガスの温度や、燃料電池システム内を循環する冷却水の温度を測定できる箇所でモニターし、これらの温度からセル内の温度を推定してもよい。
【００４７】
温度が所定温度、例えば、氷点下（０℃以下）より高い場合には、第１の供給マニホールド部分１２ａに設けられたバルブ１４を開いた状態にする。これにより、全てのセル１１に燃料ガスが供給されることとなる。そして、各セル１１のアノードに供給された燃料ガスは、カソードに供給された空気などの酸化ガスと電解質膜を介して電気化学反応を起こす。その後、未反応の燃料ガスは、排出マニホールド１３から燃料電池スタックの外部に排出される。
【００４８】
一方、温度が氷点下である場合には、第１の供給マニホールド部分１２ａに設けられたバルブ１４を閉じる。ここで、水の凍結が問題となるのは、主として、低温環境下で燃料電池を起動した場合である。したがって、低温環境下では、バルブ１４を閉じて燃料電池を起動すると言い換えることもできる。
【００４９】
バルブ１４を閉じると、端部等のセル１１には燃料ガスが供給されなくなるので、これらのセルのアノードは水素欠状態となる。一方、その他のセル１１には、第２の供給マニホールド部分１２ｂから燃料ガスが供給される。
【００５０】
実施の形態１で述べたように、燃料電池スタックの端部等に配置されたセルでは、低温時に凍結が起こりやすい。そこで、図３のようにして、低温時には端部等のセルに燃料ガスが供給されないようにすると、不足した水素を補うために、カソードの水が電解質膜を通ってアノードに移動し、アノードで水の電気分解が進むようになる。したがって、これらのセルで水の凍結が起こるのを防ぐことができる。尚、この方法では、バルブの開閉に電力が消費されるものの、バッテリなどを用いて水の電気分解を進める場合に比べると、その消費量は格段に小さいもので済む。したがって、燃料電池システムの効率を大きく低下させずに生成水の凍結を防ぐことができる。
【００５１】
尚、アノードを水素欠状態にした場合、カーボンと水の反応が進行することによって、アノードやカソードで腐食が発生するおそれがある。しかしながら、本実施の形態は、低温、具体的には、氷点下での水の凍結を問題としている。カーボンと水との反応は低温では抑制されるので、本実施の形態において、この反応に起因して電極が腐食するおそれはほとんどないと考えられる。さらに、水と反応するおそれの小さい材料を用いることにより、電極の劣化をより低減することが可能である。
【００５２】
ところで、セルに供給される水素の量が少なくなると発電電圧が低下する。一方、燃料電池を起動するには、セル全体として電圧がプラスになる必要がある。したがって、セル電圧をモニターし、燃料電池スタックの端部に位置するセルの電圧がマイナスになっても、セル全体としてはプラスになるようにすることが好ましい。具体的には、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比となるように調整することが好ましい。しかしながら、セル電圧が所定値より低くなった場合には、その時点で発電を停止するようにする。例えば、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２である場合に、電圧が−２．１Ｖより低くなった時点で発電を停止するようにすることができる。尚、この場合、各セルの電圧を個別にモニターし、所定値より電圧が低くなったセルについてのみ発電を停止するようにしてもよい。
【００５３】
図３では、燃料電池スタックの一方の端部とその近傍に配列したセルについてのみ、低温時における燃料ガスの供給を停止できるようにしている。しかしながら、本実施の形態においては、燃料電池スタックの両端部とこれらの近傍（以下、本実施の形態においては両端部等と称す。）に配列したセルについて、低温時における燃料ガスの供給を停止できるようにしてもよい。
【００５４】
図４は、本実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す概念図の他の例である。尚、セルの総数は、図４の例に限定されるものではなく、燃料電池スタックの仕様に応じて適宜設定することができる。
【００５５】
図４において、燃料電池スタックには、各セル２１に燃料ガスを分配する供給マニホールド２２と、各セル２１からの燃料オフガスをまとめて排出する排出マニホールド２３とが設けられている。そして、供給マニホールド２２は、燃料電池スタックの一方の端部等に配列されたセル２１に燃料ガスを供給する第１の供給マニホールド部分２２ａと、他方の端部等に配列されたセル２１に燃料ガスを供給する第２の供給マニホールド部分２２ｂと、その他のセル２１に燃料ガスを供給する第３の供給マニホールド部分２２ｃとに分岐している。第１の供給マニホールド部分２２ａおよび第２の供給マニホールド部分２２ｂには、それぞれ第１のバルブ２４と第２のバルブ２５が設けられており、これらのバルブを閉じることによって、第１の供給マニホールド部分２２ａと第２の供給マニホールド部分２２ｂを遮断して、両端部等のセル１１への燃料ガスの供給を停止できるようになっている。
【００５６】
温度が氷点下である場合には、第１のバルブ２４および第２のバルブ２５を閉じる。これにより、両端部等のセル１１には燃料ガスが供給されなくなるので、これらのセルのアノードは水素欠状態となる。一方、その他のセル１１には、第３のマニホールド２２ｃから燃料ガスが供給される。
【００５７】
図３の構成によれば、一方の端部等のセルだけでなく、他方の端部等のセルについても、水の凍結が起こるのを防ぐことができる。但し、図２に比較するとやや複雑な構成となるので、双方のメリットおよびデメリットを比較考量して、いずれの構成とするか選択するのがよい。
【００５８】
また、図３において、第１のバルブ２４と第２のバルブ２５は、必ずしも開閉が同時でなくてもよい。例えば、燃料電池が搭載される車両の位置によっては、両端部でセルの温度に差が生じる場合もある。こうしたときには、先に、凍結を起こしやすい方の端部等に接続する供給マニホールド部分に設けられたバルブを閉じ、次いで、他方のバルブを閉じるようにすることが好ましい。
【００５９】
ところで、図３および図４の例では、燃料電池スタックの端から３番目までのセルを端部等のセルとして扱った。しかしながら、本実施の形態はこれに限られるものではなく、例えば、端から１０番目までのセルを端部等のセルとしてもよく、２０番目までのセルを端部等のセルとしてもよい。凍結を起こしやすいセルの範囲は、燃料電池スタックの構造、車両が通常走行する環境（寒冷地または温暖地）および起動時に想定される最低温度などに応じて変わるので、これらから総合的に判断して、端部等のセルの範囲を決定するのがよい。
【００６０】
しかしながら、上記のようにして端部等のセルの範囲を決定したとしても、この範囲を超えて凍結を起こすセルが発生することも予想される。そこで、本実施の形態においても、実施の形態１で説明した図２のフローチャートにしたがって、燃料電池システムを動作させることが好ましい。すなわち、温度が氷点下である場合には、端部等のセルに接続するマニホールドに設けられたバルブを閉じるとともに、通常運転時より低いストイキ比となるようにする。具体的には、予め用意した低温モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。
【００６１】
一方、温度が氷点下より高い場合には、端部等のセルに接続するマニホールドに設けられたバルブを開くとともに、通常運転時でのストイキ比とする。この場合にも、予め用意した通常モードでのストイキ比マップにしたがって、燃料電池に要求される発電電力に応じたストイキ比とする。
【００６２】
低ストイキ比での運転でも、発電に伴う発熱で燃料電池スタックの温度は次第に上昇していく。そして、水が凍結しない温度、具体的には、氷点下より高い温度まで上昇したところで、燃料電池システムの起動は終了したと判断して通常運転時のストイキ比とする。
【００６３】
このように、ストイキ比を変えることによって、端部等に配列されたセル以外のセルに供給される燃料ガスの量も少なくすることができる。これにより、全てのセルにおいて、水の分解を促進することが可能となるので、端部等のセル以外のセルで水の凍結が起こるのを抑制することができる。
【００６４】
尚、この場合にも、セル全体として電圧がプラスになるようにストイキ比を調整することが好ましい。そして、セル電圧が所定値より低くなった場合には、その時点で発電を停止するようにする。例えば、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２である場合に、電圧が−２．１Ｖより低くなった時点で発電を停止するようにすることができる。また、各セルの電圧を個別にモニターし、所定値より電圧が低くなったセルについてのみ発電を停止するようにしてもよい。
【００６５】
本発明は上記各実施の形態に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、種々変形して実施することができる。
【００６６】
例えば、実施の形態１〜３のいずれにおいても、端部または端部およびその近傍のセルに対し、水の電気分解を促進させることのできる触媒を含有した電極を用い、電極内で電気化学反応が進行する領域では水の電気分解が起こらないようにしてもよい。これにより、水の電気分解によって電位が上昇し、電極反応に関与する触媒が劣化して燃料電池の特性が低下するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】実施の形態１におけるセルの断面模式図である。
【図２】実施の形態１における燃料電池システムの動作方法のフローチャートである。
【図３】実施の形態２における燃料電池スタックの構成を示す概念図の一例である。
【図４】実施の形態２における燃料電池スタックの構成を示す概念図の他の例である。
【符号の説明】
【００６８】
１，１１，２１  セル
２  膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ
３，４  セパレータ
５  電解質膜
６  アノード
７  カソード
８，９  ガス拡散層
１２，２２  供給マニホールド
１３，２３  排出マニホールド
１４  バルブ
２４  第１のバルブ
２５  第２のバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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