(57)【要約】【課題】  燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止して、燃料電池の性能劣化を防止することが可能な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１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の電圧を検出し且つ検出した電圧値に応じて燃料電池スタック１０の出力電流を制御するコントロールユニット２０とを備えている。コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、検出電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、検出電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。【選択図】      図１
2007035516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜とこの電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極とからなる膜電極接合体、並びに、該膜電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する流路が形成されたセパレータを有する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された電圧値に応じて燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段と、を備え、
前記電流制御手段は、該燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電流制御手段は、出力電流値を小さく制御した後に、前記燃料電池スタックの電圧変化の微分値が正となった場合、出力電流値を前記通常電流値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記電流制御手段は、出力電流値を小さく制御した後に、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池スタックの温度が第１所定温度以上となった場合、出力電流値を前記通常電流値に戻す
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電流制御手段は、出力電流値を小さく制御した後に、前記通常電流値に達するまで出力電流値を徐々に大きくしていくことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックに供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力を制御する圧力制御手段をさらに備え、
前記圧力制御手段は、該燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおける通常のガス圧力よりも、ガス圧力を高くする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧力制御手段は、ガス圧力を高く制御した後に、前記燃料電池スタックの電圧変化の微分値が正となった場合、ガス圧力を前記通常のガス圧力に戻すことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記圧力制御手段は、ガス圧力を高く制御した後に、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池スタックの温度が第１所定温度以上となった場合、ガス圧力を前記通常のガス圧力に戻す
ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックを加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の作動を制御する加熱制御手段とをさらに備え、
前記加熱制御手段は、前記燃料電池スタックが零下時において起動されて前記燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、前記電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値よりも小さい第２所定電圧値未満であるときには、前記加熱手段によって燃料電池スタックを加熱する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記加熱制御手段は、前記温度検出手段により検出された燃料電池スタックの温度が、凍結した水分が溶けるとして予め設定された第２所定温度を超えた場合、前記加熱手段による加熱を停止する
ことを特徴とする請求項８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】
一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、
以下の通りである。 
燃料極    ：      ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−            …（１）
酸化剤極  ：      ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ     …（２）
【０００４】
燃料極に燃料が供給されると、燃料極では（１）式の反応式が進行して水素イ
オンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応式が進行する。この（１）及び（２）式の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【０００５】
ここで、燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０度以下の雰囲気にさらされることがあり、このような状況下でも燃料電池が起動でき、通常に発電できることが望まれている。しかし、０度以下の低温状態では、セルの中に残留した水分が凍結して、反応ガス流路が閉塞したり、電極近傍に残留している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したりして、発電性能が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、燃料電池スタックに残留した水分を除去する燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転終了時後に乾燥空気を供給すると共に加熱した冷却水を導入するので、効果的に燃料電池スタック内に残留した水分を除去することができる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２４６０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水分を過剰に除去してしまうことがある。この場合、電解質膜が乾燥して抵抗値が上昇してしまうため、次回発電時には電流取り出し直後に、抵抗分極が過大となって燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となり、燃料電池の性能劣化を招く可能性があった。
【０００８】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止して、燃料電池の性能劣化を防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜とこの電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極とからなる膜電極接合体、並びに、膜電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する流路が形成されたセパレータを有する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された電圧値に応じて燃料電池スタックの出力電流を制御する電流制御手段とを備えている。また、電流制御手段は、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上となるときには、電圧検出手段により検出された電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池スタックの電圧を検出し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合に、検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合には、検出した電圧値が第１所定電圧値以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。ここで、電解質膜が乾燥すると水素が酸化剤極へ透過する（クロスオーバー）量の減少により反応ガス導入後の燃料電池スタックの電圧が高くなる。このため、反応ガス導入後の燃料電池スタックの電圧を検知することにより電解質膜の含水状態を検知することができる。そして、検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合、すなわち、電解質膜が乾燥している場合は、出力電流値を小さくすることで、抵抗分極により燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止する。従って、燃料電池の性能劣化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】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略するものとする。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、概略的に説明すると、燃料電池スタック１０と、コントロールユニット（電圧検出手段、電流制御手段）２０と、負荷制御ユニット３０とからなっている。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、燃料供給配管４１から送り込まれた燃料ガスである水素と酸化剤供給配管４２から送り込まれた酸化剤ガスである空気との電気化学反応によって発電し、発電によって消費されなかった残余ガスを燃料排出配管４３及び酸化剤排出配管４４から排出する構成となっている。また、燃料電池スタック１０は、発電機能を有する単位セル（燃料電池）が複数積層された構成となっている。
【００１４】
図２は、図１に示した燃料電池スタック１０を構成する固体高分子電解質型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。同図に示すように、燃料電池スタック１０の一単位であるセルは、固体高分子膜からなる高分子電解質膜１０１と高分子電解質膜１０１を挟持するように電解質膜の両面に配設される燃料極１０２及び酸化剤極１０３とからなる膜電極接合体１１０、並びに、これら両電極の外側に配置された燃料極拡散層１０４、酸化剤極拡散層１０５、燃料ガス流路１０６、及び酸化剤ガス流路１０７より構成される。
【００１５】
高分子電解質膜１０１は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この高分子電解質膜１０１の両面に配設される燃料極１０２及び酸化剤極１０３は、白金又は白金及びその他の金属からなる触媒層と、ガス拡散層とからなり、触媒の存在する面が電解質膜１０１と接触するように形成されている．
燃料ガス流路１０６及び酸化剤ガス流路１０７は、ガス不透過である緻密性カーボン材等による燃料極セパレータ１０８及び酸化剤極セパレータ１０９の片面又は両面に配置されたに多数のリブにより形成され、酸化剤ガス及び燃料ガスはそれぞれの図示しないガス入口から供給され、図示しないガス出口から排出される。
【００１６】
再度、図１を参照する。コントロールユニット２０は、燃料電池システム１を制御するものである。また、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧を検出し、検出した電圧値に応じて燃料電池スタック１０の出力電流を負荷制御ユニット３０を介して制御する機能を有している。
【００１７】
このような燃料電池システム１においては、まず、供給配管４１，４２を通じて燃料電池スタック１０に反応ガスが導入される。このとき、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧値を検出する。そして、検出した電圧値が第１所定電圧値以上であるか否かを判断する。
【００１８】
ここで、コントロールユニット２０は、検出した電圧値が第１所定電圧値以上であるか否かを判断することにより、燃料電池スタック１０の電解質膜１０１の含水状態を判断している。すなわち、電解質膜１０１が乾燥すると水素が酸化剤極１０３へ透過する（クロスオーバー）量の減少により反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧が高くなる。このため、反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧を検知することにより電解質膜１０１の含水状態を検出することができる。また、電解質膜１０１が乾燥して抵抗値が上昇してしまうと、抵抗分極が過大となってしまう。このように抵抗分極が過大となると次回発電時に燃料電池スタック１０の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となり、燃料電池の性能劣化を招く可能性がある。そこで、コントロールユニット２０は、検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合、燃料電池スタック１０の出力電流を小さくする。
【００１９】
図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すグラフであり、（ａ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電圧状態を示し、（ｂ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電流状態を示している。また、（ｃ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電圧状態を示し、（ｄ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電流状態を示している。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示す例では、時刻ｔ１において反応ガスを導入した後の電圧値Ｖｓｔａｃｋは第１所定電圧値Ｖ１以上となっていない。このとき、電解質膜１０１は適度な含水状態にあると考えられ、コントロールユニット２０は通常の処理を行う。すなわち、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ２から出力電流を通常の電流値とする。
【００２１】
一方、図３（ｃ）に示す例では、時刻ｔ１において反応ガスを導入した後の電圧値Ｖｓｔａｃｋは第１所定電圧値Ｖ１以上となっている。このとき、電解質膜１０１は乾燥状態にあると考えられ、コントロールユニット２０は、少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならないように出力電流を抑える。すなわち、図３（ｄ）に示すように、出力電流を通常電流値よりも小さい電流値Ｉ１に制御する。このように、出力電流値を小さくすることで、抵抗分極により燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止している。
【００２２】
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を説明する。図４は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、燃料電池システム１を起動すると、燃料電池スタック１０に反応ガスが導入される（ＳＴ１）。そして、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧値を検出する（ＳＴ２）。次いで、コントロールユニット２０は、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であるか否かを判断する（ＳＴ３）。
【００２３】
ここで、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上でないと判断した場合（ＳＴ３：ＮＯ）、図４に示す処理は終了し、その後、燃料電池システム１は通常の発電を行っていく。一方、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であると判断した場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は低負荷電流を取り出す（ＳＴ４）。すなわち、図３（ｄ）に示したように、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値よりも小さい電流値Ｉ１に制御する。
【００２４】
図５は、電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となる場合における電圧値及び電流値を示すグラフであって、（ａ）は出力電流を通常電流とした場合における電圧状態を示し、（ｂ）は出力電流を通常電流とした場合における電流状態を示している。また、（ｃ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示し（ｄ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電流状態を示している。
【００２５】
まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、時刻ｔ１において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となり、時刻ｔ２において出力電流を通常電流値としたとする。このとき、図５（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋは０Ｖを下回ることがあり、燃料電池の性能劣化を招くこととなる。
【００２６】
これに対し、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、時刻ｔ１において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となり、時刻ｔ２において出力電流を通常電流値よりも低い電流値Ｉ１としたとする。このとき、図５（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋは０Ｖを下回らず、燃料電池の性能劣化を防止することとなる。
【００２７】
再度、図４を参照する。低負荷電流を取り出した後（ＳＴ４の後）、コントロールユニット２０は、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっているか否かを判断する（ＳＴ５）。電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっていないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、正となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となったと判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は負荷電流を増大させる（ＳＴ６）。すなわち、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値に戻す。その後、図４に示す処理は終了して、燃料電池システム１は通常の発電を行っていくこととなる。
【００２８】
図６は、出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示すグラフである。同図に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値は負であるか「０」である。ところが、時刻ｔ２において出力電流を電流値Ｉ１とした後、電圧値Ｖｓｔａｃｋは少しずつ上昇していく。このため、電圧変化の微分値が正となる。ここで、電流値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となる場合、電解質膜１０１が徐々に含水することにより抵抗値が低下しているといえる。このため、出力電流値を大きくしても燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となり難くなっている。よって、コントロールユニット２０は、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となったと判断した場合、負荷電流を増大させることとしている。
【００２９】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０の電圧を検出し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合に、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であるときには、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上でないときにおいて出力される通常電流値よりも、出力電流値を小さくする。ここで、電解質膜１０１が乾燥すると水素が酸化剤極へ透過する（クロスオーバー）量の減少により反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧が高くなる。このため、反応ガス導入後の燃料電池スタック１０の電圧を検知することにより電解質膜１０１の含水状態を検知することができる。そして、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上である場合、すなわち、電解質膜１０１が乾燥している場合は、出力電流値を小さくすることで、抵抗分極により燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止する。従って、燃料電池の性能劣化を防止することができる。
【００３０】
また、出力電流値を小さく制御した後に、燃料電池スタック１０の電圧変化の微分値が正となった場合、出力電流値を通常電流値に戻すこととしている。ここで、電圧変化の微分値が正となった場合とは、電解質膜１０１が徐々に含水して抵抗値が低下した場合と言える。このため、出力電流値を大きくしても燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならず、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、零下時における使用においては電流値を素早く増大させて昇温を速やかに行うことができる。
【００３１】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００３２】
図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム２の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図７に示すステップＳＴ１１〜ＳＴ１４の処理は図４に示すステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理と同様であるため、説明を省略する。出力電流を小さくする制御をした後（ＳＴ４の後）、コントロールユニット２０は、通常電流値に達するまで、出力電流を徐々に大きくしていく（ＳＴ１５）。そして、電流値が通常電流値に達すると図７に示す処理は終了して、燃料電池システム２は通常の発電を行っていくこととなる。
【００３３】
ここで、ステップＳＴ１５のように出力電流値を徐々に大きくしていった場合、上記（２）式の反応によって生成される水の量が多くなっていく。このため、生成される水によって電解質膜１０１を湿潤とすることができ、電解質膜１０１の抵抗を下げることとなる。よって、燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならないようにして燃料電池の性能劣化を防止しつつも、燃料電池スタックの昇温を速やかに行うこととなる。
【００３４】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができる。
【００３５】
さらに、第２実施形態によれば、出力電流値を小さく制御した後には、通常電流値に達するまで出力電流値を徐々に大きくしていくこととしている。ここで、出力電流値を徐々に大きくしていった場合、上記（２）式の反応によって生成される水の量が多くなっていく。このため、生成される水によって電解質膜１０１を湿潤とすることができ、電解質膜１０１の抵抗を下げることとなる。よって、燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならないようにして燃料電池の性能劣化を防止しつつも、燃料電池スタックの昇温を速やかに行うことができる。
【００３６】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システム３は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００３７】
図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム３の構成図である。同図に示すように、燃料電池システム３は、新たに温度センサ（温度検出手段）５０を備えている。温度センサ５０は、燃料電池スタック１０の温度を検出するものであって、コントロールユニット２０に接続されている。このため、本実施形態のコントロールユニット２０は、温度センサ５０からの信号に基づいて、燃料電池システム３の制御を行うようになっている。
【００３８】
図９は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図９に示すステップＳＴ２１〜ＳＴ２４の処理は図４に示すステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００３９】
出力電流を小さくする制御をした後（ＳＴ２４の後）、コントロールユニット２０は、温度センサ５０から信号を読み込んで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを検出する（ＳＴ２５）。次いで、コントロールユニット２０は、温度センサ５０により検出された燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であるか否かを判断する（ＳＴ２６）。
【００４０】
ここで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上でないと判断した場合（ＳＴ２６：ＮＯ）、第１所定温度Ｔ１以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であると判断した場合（ＳＴ２６：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値に戻す（ＳＴ２７）。その後、図９に示す処理は終了して、燃料電池システム３は通常の発電を継続していくこととなる。
【００４１】
このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができる。
【００４２】
さらに、第３実施形態によれば、出力電流値を小さく制御した後に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上となった場合、出力電流値を通常電流値に戻すこととしている。ここで、温度が高くなると電解質膜１０１は抵抗が小さくなる傾向がある。このため、燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓｔａｃｋを一定時間監視してその微分値を求めることなく、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを基準とすることで、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、より簡素な構成で燃料電池スタック１０の昇温を速やかに行うことができる。
【００４３】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システム４は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００４４】
図１０は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム４の構成図である。同図に示すように、燃料電池システム４は、新たにコンプレッサ６１，６２及び圧力制御弁６３，６４を備えている。
【００４５】
コンプレッサ６１，６２は、燃料供給配管４１及び酸化剤供給配管４２にそれぞれ設けられ、水素及び空気を圧縮して燃料電池スタック１０に送り込むものである。圧力制御弁６３，６４は、燃料排出配管４３及び酸化剤排出配管４４にそれぞれ設けられ、燃料電池スタック１０からの水素及び空気の排出量を調整する構成となっている。この圧力制御弁６３，６４の排出量の調整によって、燃料電池スタック１０のガス圧力が制御されることとなる。なお、コンプレッサ６１，６２及び圧力制御弁６３，６４の制御は、コントロールユニット２０によって行われるようになっている。このため、本実施形態においてコントロールユニット２０は圧力を制御する手段として機能することとなる。
【００４６】
図１１は、第４実施形態に係る燃料電池システム４の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図１１に示すステップＳＴ３１〜ＳＴ３３の処理は図４に示すステップＳＴ１〜ＳＴ３の処理と同様であるため、説明を省略する。
【００４７】
電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上であると判断した後（ＳＴ３３にて「ＹＥＳ」と判断した後）、コントロールユニット２０は燃料電池スタック１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスのガス圧力を増大させる（ＳＴ３４）。すなわち、コントロールユニット２０は、検出された電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上でないときにおける通常のガス圧力よりも、ガス圧力を高くする。
【００４８】
ここで、ガス圧力を高くすると拡散分極を低減することができる。このため、拡散分極を小さくして燃料電池スタック１０のセル電圧が０Ｖ以下となること一層防止することができる。
【００４９】
次いで、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値よりも小さい電流値Ｉ１に制御する（ＳＴ３５）。その後、コントロールユニット２０は、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっているか否かを判断する（ＳＴ３６）。電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となっていないと判断した場合（ＳＴ３６：ＮＯ）、正となったと判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、電圧値Ｖｓｔａｃｋの微分値が正となったと判断した場合（ＳＴ３６：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は、ガス圧力を通常のガス圧力に戻す（ＳＴ３７）。
【００５０】
そして、コントロールユニット２０は、負荷電流を増大させる（ＳＴ３８）。すなわち、コントロールユニット２０は出力電流を通常電流値に戻す。その後、図１１に示す処理は終了して、燃料電池システム４は通常の発電を継続していくこととなる。
【００５１】
このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができ、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、零下時における使用においては電流値を素早く増大させて昇温を速やかに行うことができる。
【００５２】
さらに、第４実施形態によれば、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上である場合には出力電流値を小さくするだけでなく、ガス圧力を高くすることとしている。ここで、ガス圧力を高くすると拡散分極を低減することができる。このため、拡散分極を小さくして燃料電池スタック１０のセル電圧が０Ｖ以下となること一層防止することができる。従って、燃料電池の性能劣化を一層防止することができる。
【００５３】
また、ガス圧力を高く制御した後に、燃料電池スタック１０の電圧変化の微分値が正となった場合、ガス圧力を通常のガス圧力に戻すこととしている。ここで、微分値が正である場合、電解質膜１０１が徐々に湿潤状態となっており、抵抗分極は低下している。このため、ガス圧力を戻しても燃料電池スタック１０の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下とならず、燃料電池の性能劣化を防止しつつも昇温を速やかに行うことができる。また反応ガスの圧力を下げるため、ガス圧力を上昇させるのに必要となるエネルギーを節約することができる。
【００５４】
次に、本発明の第５実施形態を説明する。第５実施形態に係る燃料電池システム５は、上記実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、上記実施形態との相違点を説明する。
【００５５】
図１２は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システム５の構成図である。同図に示すように、燃料電池システム５は、加熱部（加熱手段）７０を備えている。加熱部７０は、燃料電池スタック１０を加熱するものであり、コントロールユニット２０によって制御されるようになっている。このため、本実施形態においてコントロールユニット２０は、加熱を制御する手段として機能することとなる。
【００５６】
図１３は、第５実施形態に係る燃料電池システム５の詳細動作を示すフローチャートである。図１３に示すように、まず、コントロールユニット２０は、温度センサ５０からの信号を読み込んで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが水分凍結温度（例えば０度）以下であるか否かを判断する（ＳＴ４１）。燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが水分凍結温度以下でないと判断した場合（ＳＴ４１：ＮＯ）、図１３に示す処理は終了し、燃料電池システム５は通常の発電を行っていく。
【００５７】
一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが水分凍結温度以下であると判断した場合（ＳＴ４１：ＹＥＳ）、ステップＳＴ４２，ＳＴ４３において図４のステップＳＴ１，ＳＴ２と同様の処理が実行される。そして、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１よりも小さい第２所定電圧値Ｖ２未満であるか否かを判断する（ＳＴ４４）。
【００５８】
ここで、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満であると判断した場合（Ｓ４４：ＹＥＳ）、ステップＳＴ４５〜ＳＴ４７において図１１のステップＳＴ３３〜ＳＴ３５と同様の処理が実行される。
【００５９】
次いで、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを検出し、検出した燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であるか否かを判断する（ＳＴ４８）。燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上でないと判断した場合（ＳＴ４８：ＮＯ）、第１所定温度Ｔ１以上であると判断されるまで、この処理が繰り返される。
【００６０】
他方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上であると判断した場合（ＳＴ４８：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０はガス圧力を低下させ（ＳＴ４９）、出力電流を通常電流値に戻し（ＳＴ５０）、その後、図１３に示す処理は終了する。これにより、燃料電池システム５は通常の発電処理を行っていくこととなる。
【００６１】
ところで、燃料電池スタック１０の電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満でないと判断した場合（Ｓ４４：ＮＯ）、コントロールユニット２０は、加熱部７０によって燃料電池スタック１０を加熱させる（ＳＴ５１）。ここで、零下時（水分凍結温度以下の状況下）において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満である場合、触媒層の反応サイトが凍結した水分で覆われて電圧が低下していると考えられる。このため、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０を加熱し、凍結した水分を溶かすこととしている。これにより、凍結水分による発電性能の低下を防止している。また、加熱部７０による加熱によって、燃料電池スタックを昇温させてから電流を取り出すことにより、電流取り出し直後に燃料電池スタック内の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止している。
【００６２】
次いで、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えるか否かを判断する（ＳＴ５２）。ここで、第２所定温度Ｔ２は、凍結水分が充分に溶ける温度である。
【００６３】
燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えないと判断した場合（ＳＴ５２：ＮＯ）、超えると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えると判断した場合（ＳＴ５２：ＹＥＳ）、コントロールユニット２０は、加熱部７０による加熱を停止する（ＳＴ５３）。そして、図１３に示す処理は終了し、燃料電池システム５は通常の発電処理を行っていくこととなる。
【００６４】
このようにして、第５実施形態に係る燃料電池システム５によれば、上記実施形態と同様に、燃料電池の性能劣化を防止することができ、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、より簡素な構成で燃料電池スタック１０の昇温を速やかに行うことができる。また、燃料電池の性能劣化を一層防止することができる。
【００６５】
さらに、第５実施形態によれば、ガス圧力を高く制御した後に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第１所定温度Ｔ１以上となった場合、ガス圧力を通常のガス圧力に戻すこととしている。ここで、温度が高くなると電解質膜１０１は抵抗が小さくなる傾向がある。このため、燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓｔａｃｋを一定時間監視してその微分値を求めることなく、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋを基準とすることで、燃料電池の性能劣化を防止しつつも、より簡素な構成で燃料電池スタックの昇温を速やかに行うことができる。また反応ガスの圧力を下げるため、ガス圧力を上昇させるのに必要となるエネルギーを節約することができる。
【００６６】
また、燃料電池スタック１０が零下時において起動されて燃料電池スタック１０に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、検出した電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１よりも小さい第２所定電圧値Ｖ２未満であるときには、燃料電池スタック１０を加熱することとしている。ここで、零下時において電圧値Ｖｓｔａｃｋが第２所定電圧値Ｖ２未満である場合、触媒層の反応サイトが凍結した水分で覆われて電圧が低下していると考えられる。このため、燃料電池スタックを加熱することで、凍結した水分を溶かして、凍結水分による発電性能の低下を防止することができる。また、加熱部７０による加熱によって、燃料電池スタック１０を昇温させてから電流を取り出すことにより、電流取り出し直後に燃料電池スタック１０の少なくとも一つのセルの電圧が０Ｖ以下となることを防止することができる。従って、発電性能の低下を防止しつつ、燃料電池の性能劣化を防止することができる。
【００６７】
また、燃料電池スタック１０の温度Ｔｓｔａｃｋが第２所定温度Ｔ２を超えた場合、加熱を停止することとしている。このため、凍結した水分を溶かした後に加熱を行わないこととし、加熱に必要となるエネルギーを節約することができる。
【００６８】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池スタックを構成する固体高分子電解質型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すグラフであり、（ａ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電圧状態を示し、（ｂ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上でない場合の電流状態を示し、（ｃ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電圧状態を示し、（ｄ）は検出した電圧値が第１所定電圧値以上である場合の電流状態を示している。
【図４】第１実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を示すフローチャートである。
【図５】電圧値Ｖｓｔａｃｋが第１所定電圧値Ｖ１以上となる場合における電圧値及び電流値を示すグラフであって、（ａ）は出力電流を通常電流とした場合における電圧状態を示し、（ｂ）は出力電流を通常電流とした場合における電流状態を示し、（ｃ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示し（ｄ）は出力電流を電流Ｉ１とした場合における電流状態を示している。
【図６】出力電流を電流Ｉ１とした場合における電圧状態を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図９】第３実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図１１】第４実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図１３】第５実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７０】
１〜５…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…コントロールユニット（電流制御手段、圧力制御手段、加熱制御手段）
３０…負荷制御ユニット
４１…燃料供給配管
４２…酸化剤供給配管
４３…燃料排出配管
４４…酸化剤排出配管
５０…温度センサ（温度検出手段）
６１，６２…コンプレッサ
６３，６４…圧力制御弁
７０…加熱部（加熱手段）
１０１…高分子電解質膜
１０２…燃料極
１０３…酸化剤極
１１０…膜電極接合体
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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