(57)【要約】【課題】  セルの加湿状態を適切に把握することが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（１００）は、起動前にアノード（２）およびカソード（３）の少なくともいずれか一方がパージガスによりパージされる燃料電池（４０）と、燃料電池（４０）の開回路電圧を測定する電圧測定手段（５０）と、燃料電池（４０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（１０，２０）と、燃料ガス供給手段（１０，２０）により供給される燃料ガスによってパージガスの少なくとも一部が置換された場合の燃料電池（４０）の開回路電圧立ち上がり時間に基づいて燃料電池（４０）のセル（８）に残留する水分量を検出する検出手段（６０）とを備えることを特徴とする。この場合、セル（８）に残留する水分量を正確に測定することができる。それにより、セル（８）の加湿状態を適切に把握することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動前に、アノードおよびカソードの少なくともいずれか一方がパージガスによりパージされる燃料電池と、
前記燃料電池の開回路電圧を測定する電圧測定手段と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスによって前記パージガスの少なくとも一部が置換された場合の前記燃料電池の開回路電圧立ち上がり時間に基づいて前記燃料電池のセルに残留する水分量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記開回路電圧立ち上がり時間が小さいほど、前記セルの残留水が少ないと判定する判定手段をさらに備え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３】
前記燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、
前記燃料電池を加熱する加熱手段と、
前記セルに残留する水分量および前記燃料電池の温度に基づいて、前記加熱手段を用いて前記燃料電池の温度を制御する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記温度測定手段による測定温度が所定の温度以下である場合に前記加熱手段を作動させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記セルに残留する水分量が少ないほど、加熱量が小さくなるように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、セルが複数積層された構造を有し、
前記加熱手段は、前記複数のセルのそれぞれに設けられ、
前記制御手段は、前記複数のセルのそれぞれに残留する水分量に基づいて前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項３〜５のいずれか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】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギ効率が実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。この燃料電池においては、水素および酸素の発電反応により水が生成される。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池では、水分不足によるセルの抵抗増加により出力不足が発生するおそれがある。そこで、燃料電池の水素および酸素の供給マニホールド部分に生成水を蓄え、発電の開始の際に生成水を電気で加熱することによって高温の水蒸気を発生させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、セルの高分子電解質膜を加湿することができる。それにより、出力不足を防止することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１９５２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、セルを加湿することはできても過剰な水分を除去することはできない。したがって、水分過多による出力低下を防止することができない。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、セルの加湿状態を適切に把握することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、起動前に、アノードおよびカソードの少なくともいずれか一方がパージガスによりパージされる燃料電池と、燃料電池の開回路電圧を測定する電圧測定手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスによってパージガスの少なくとも一部が置換された場合の燃料電池の開回路電圧立ち上がり時間に基づいて燃料電池のセルに残留する水分量を検出する検出手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池に燃料ガスが燃料ガス供給手段により供給され、その際の燃料電池の開回路電圧立ち上がり時間に基づいてセルに残留する水分量が検出手段により検出される。この場合、セルに残留する水分量を正確に測定することができる。それにより、本発明に係る燃料電池システムは、セルの加湿状態を適切に把握することができる。
【０００９】
開回路電圧立ち上がり時間が小さいほど、セルの残留水が少ないと判定する判定手段をさらに備えていてもよい。燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、燃料電池を加熱する加熱手段と、セルに残留する水分量および燃料電池の温度に基づいて、加熱手段を用いて燃料電池の温度を制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。この場合、燃料電池の温度が温度測定手段により測定され、測定された温度とセルに残留する水分量とに基づいて加熱手段が制御手段により制御される。それにより、加熱手段による無駄なエネルギ消費を抑制することができる。
【００１０】
制御手段は、温度測定手段による測定温度が所定の温度以下である場合に加熱手段を作動させてもよい。また、制御手段は、セルに残留する水分量が少ないほど、加熱量が小さくなるように加熱手段を制御してもよい。この場合、加熱手段による無駄なエネルギ消費を抑制することができる。
【００１１】
燃料電池は、セルが複数積層された構造を有し、加熱手段は、複数のセルのそれぞれに設けられ、制御手段は、複数のセルのそれぞれに残留する水分量に基づいて加熱手段を制御してもよい。この場合、各セルごとの水分量に応じて加熱手段が制御手段により制御される。それにより、加熱手段による無駄なエネルギ消費を抑制しつつ燃料電池の温度を適切に制御することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セルの加湿状態を適切に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００について説明するための図である。図１（ａ）は燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図であり、図１（ｂ）は燃料電池４０の概略断面図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、水素供給部１０、エア供給部２０、窒素供給部３０、燃料電池４０、電圧計５０および制御部６０を備える。
【００１５】
水素供給部１０は、制御部６０の指示に従って、燃料電池４０のアノードに水素含有ガスを供給する。水素供給部１０としては、液体水素タンク、圧縮水素タンク、改質器等を用いることができる。エア供給部２０は、制御部６０の指示に従って、エアを燃料電池４０のカソードに供給する。エア供給部２０としては、エアポンプ等を用いることができる。窒素供給部３０は、制御部６０の指示に従って、窒素ガスを燃料電池４０のカソードに供給する。窒素供給部３０としては、窒素ボンベ等を用いることができる。
【００１６】
本実施例においては、燃料電池４０として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた。図１（ｂ）に示すように、燃料電池４０はセル８を備える。セル８は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）９の一面側にセパレータ４が形成され、ＭＥＡ９の他面側にセパレータ５が形成された構造を有する。ＭＥＡ９は、プロトン透過性を有する電解質１の一面側にアノード２が形成され、電解質１の他面側にカソード３が形成された構造を有する。
【００１７】
アノード２は、電解質１側に触媒層２ａが形成され、セパレータ４側に拡散層２ｂが形成された構造を有する。カソード３は、電解質１側に触媒層３ａが形成され、セパレータ５側に拡散層３ｂが形成された構造を有する。図１（ｂ）においては説明を簡単化するためにセル８が１つ示されているが、実際の燃料電池４０は、複数のセル８が積層された構造を有していてもよい。
【００１８】
拡散層２ｂ，３ｂの内部には、複数の電気式ヒータ６が埋め込まれている。また、拡散層３ｂには、温度センサ７が設けられている。電気式ヒータ６は、制御部６０の指示に従って、拡散層２ｂ，３ｂを加熱する。それにより、セル８全体が加熱される。温度センサ７は、拡散層３ｂの温度を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。それにより、制御部６０は、セル８の温度を検出することができる。なお、温度センサ７は、拡散層２ｂに設けられていてもよく、拡散層２ｂ，３ｂの両方に設けられていてもよい。また、温度センサ７は、燃料電池４０の温度を検出することができれば、設けられる場所は限定されない。例えば、温度センサ７は、セパレータ４，５に設けられていてもよい。
【００１９】
電圧計５０は、燃料電池４０の各セル８の発電電圧を検出し、その検出結果を制御部６０に与える。制御部６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、温度センサ７、電圧計５０の検出結果に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。詳細は後述する。
【００２０】
続いて、燃料電池システム１００の低温起動時における動作について説明する。ここでいう低温とは、０℃以下の温度であり、本実施例では例えば−２０℃程度のことをいう。まず、制御部６０は、燃料電池４０のカソード３にパージガスとして機能する窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する。それにより、カソード３に残留する酸素がパージされる。窒素ガスの流量は、例えば、１０ｃｃｍ／ｃｍ２である。カソード３に残留する酸素がパージされた後、制御部６０は、カソード３への窒素の供給が継続されるように窒素供給部３０を制御しつつ、カソード３にエアが供給されるようにエア供給部２０を制御する。
【００２１】
次に、制御部６０は、燃料電池４０のアノード２に水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０を制御する。水素ガス含有ガスの流量は、例えば、１０ｃｃｍ／ｃｍ２である。それにより、燃料電池４０において発電が行われる。具体的には、アノード２において水素含有ガス中の水素がプロトンに変換される。変換されたプロトンは、電解質１を透過してカソード３に到達する。カソード３においては、アノード２において発生したプロトンとカソード３に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。この場合の窒素ガスの流量は例えば１０ｃｃｍ／ｃｍ２であり、エアの流量は例えば２ｃｃｍ／ｃｍ２である。
【００２２】
燃料電池４０において発電が開始された場合、セル８の開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）は徐々に増加する。ＯＣＶ立ち上がり時間は、セル８に残留する水量に応じて異なり、主に、拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路に残留する水量に応じて異なる。拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水が多い場合には、ＯＣＶ立ち上がり時間は大きくなる。拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水がガス流路、細孔等を閉塞することによりエア中の酸素が拡散する時間が大きくなるからである。逆に、拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水が少ない場合には、ＯＣＶ立ち上がり時間は小さくなる。エア中の酸素が拡散する時間が小さくなるからである。
【００２３】
ここで、セル８の発電電圧が０．４Ｖから０．８Ｖまで増大するために必要な時間をＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１と呼ぶ。図２は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１について説明するための図である。図２の横軸はカソード３にエアが供給されてからの時間を示し、図２の縦軸はセル８の発電電圧を示す。
【００２４】
図２に示すように、カソード３にエアが供給されるとセル８において発電が行われることによってセル８の発電電圧が増大し、所定時間以後はセル８の発電電圧は一定値となる。拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水量が少ない場合には、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１は小さくなる。一方、拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水量が多い場合には、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１は大きくなる。図中の実線は拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水量が多い場合を示し、図中の破線は、拡散層２ｂ，３ｂおよび触媒層２ａ，３ａ／拡散層２ｂ，３ｂ界面等のガス流路の残留水量が少ない場合を示す。
【００２５】
制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１を測定後、電気式ヒータ６を制御してセル８を加熱する。それにより、セル８に残留して凍結した水を液化する。この場合、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１に基づいて電気式ヒータ６による加熱量を複数段階に分けて制御する。例えば、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が２秒以上、１秒以上２秒未満および１秒未満の３段階に分けて電気式ヒータ６の加熱量を制御する。以下に詳細を説明する。
【００２６】
ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が２秒以上であれば、制御部６０は、セル８の残留水量が多いと判断して電気式ヒータ６の加熱量を最大に制御する。それにより、セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。この場合、制御部６０は、エア供給部２０によるカソード３へのエア供給量を増加させずに、燃料電池４０にかかる負荷を図示しない蓄電池等に負担させる。
【００２７】
また、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が１秒以上２秒未満であれば、セル８の残留水量が中程度であると判断して電気式ヒータ６による加熱量を中程度に制御する。この場合、制御部６０は、エア供給部２０によるカソード３へのエア供給量を増加させるとともに、燃料電池４０にかかる負荷の一部を蓄電池等に負担させる。
【００２８】
さらに、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が１秒未満であれば、セル８の残留水量が少ないと判断して電気式ヒータ６による加熱量を最小に制御する。また、制御部６０は、蓄電池等に負荷が負担されないようにエア供給部２０によるカソード３へのエア供給量を増加させる。この場合、セル８内において残留水が凍結していても残留水量が少ないことから、燃料電池４０の発電反応に支障がない。また、セル８内において凍結している残留水は、燃料電池４０による発電反応により生じる熱によって液化する。その結果、電気式ヒータ６によるエネルギ消費を最小限に抑えつつ燃料電池４０を起動させることができる。
【００２９】
凍結した残留水を電気式ヒータ６によって液化させた後、制御部６０は、カソード３への窒素供給が停止されるように窒素供給部３０を制御する。以上の動作により、燃料電池４０が起動する。なお、セル８内の残留水の状態は、温度センサ７による検出結果に基づいて判断することができる。例えば、温度センサ７によって検出される燃料電池４０の温度が０℃以上になった場合に、制御部６０は、セル８内の残留水が液化したと判断することができる。
【００３０】
以上のことから、本実施例に係る燃料電池システム１００は、各セル８の加湿状態を適切に把握することができるとともに、無駄な電力を消費することなく効率よく燃料電池４０を起動させることができる。
【００３１】
続いて、制御部６０が燃料電池システム１００を低温起動させる際のフローチャートの一例について説明する。図３は、制御部６０が燃料電池システム１００を低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。図３に示すように、まず、制御部６０は、温度センサ７の検出温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。
【００３２】
ステップＳ１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定されなかった場合、アノード２に水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０を制御するとともに、カソード３に窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する（ステップＳ２）。次に、制御部６０は、所定期間待機する（ステップＳ３）。それにより、カソード３に残留する酸素をパージすることができる。
【００３３】
次いで、制御部６０は、カソード３にエアが供給されるようにエア供給部２０を制御する（ステップＳ４）。次いで、制御部６０は、電圧計５０からの検出結果に基づいてＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１を計算する（ステップＳ５）。次に、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が２秒以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００３４】
ステップＳ６においてＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が２秒以上であると判定された場合、制御部６０は、電気式ヒータ６による加熱量が最大になるように電気式ヒータ６を制御する（ステップＳ７）。次に、制御部６０は、温度センサ７の検出温度が０℃以上にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は、電気式ヒータ６への通電を停止する（ステップＳ９）。次に、制御部６０は、カソード３への窒素ガスの供給が停止されるように窒素供給部３０を制御するとともに、カソード３へのエア供給量が増加するようにエア供給部２０を制御する（ステップＳ１０）。それにより、燃料電池４０は起動する。その後、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。
【００３５】
ステップＳ６においてＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が２秒以上であると判定されなかった場合、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が１秒以上２秒未満であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１０においてＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が２秒以上であると判定された場合、制御部６０は、電気式ヒータ６による加熱量が中程度になるように電気式ヒータ６を制御する（ステップＳ１２）。次に、制御部６０は、ステップＳ８の動作を行う。
【００３６】
ステップＳ１１においてＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１が１秒以上２秒未満であると判定されなかった場合、制御部６０は、電気式ヒータ６による加熱量が最小になるように電気式ヒータ６を制御する（ステップＳ１３）。次に、制御部６０は、ステップＳ８の動作を行う。なお、ステップＳ１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。
【００３７】
以上のフローチャートに従うことにより、燃料電池システム１００は、各セル８の加湿状態を適切に把握することができる。また、燃料電池システム１００は、セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。さらに、燃料電池システム１００は、無駄な電力を消費することなく燃料電池４０を起動させることができる。
【００３８】
なお、本実施例においては窒素によってカソード３に残留する酸素がパージされることによって燃料電池４０の発電反応を停止させているが、その他の手段により燃料電池４０の発電反応を停止させてもよい。例えば、カソード３に窒素の代わりにアルゴン等の不活性ガスをパージガスとして供給してもよく、アノード２にエアをパージガスとして供給してもよい。
【００３９】
また、本実施例においては電気式ヒータ６の加熱量を３段階に設定しているが、それに限られない。電気式ヒータ６の加熱量は、２段階に設定されていてもよく４段階以上に設定されていてもよい。さらに、ＯＣＶ立上がり時間ｔ１に基づいて電気式ヒータ６の加熱量が連続的に制御されてもよい。以下の第２実施例においては、電気式ヒータ６の加熱量を連続的に制御する場合について説明する。
【００４０】
なお、本実施例においては、電圧計５０が電圧測定手段に相当し、水素供給部１０およびエア供給部２０が燃料ガス供給手段に相当し、制御部６０が検出手段、判定手段および制御手段に相当し、温度センサ７が温度測定手段に相当し、電気式ヒータ６が加熱手段に相当する。
【実施例２】
【００４１】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。燃料電池システム１００ａの構成は、図１の燃料電池システム１００と同様である。したがって、燃料電池システム１００ａの図面は省略する。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、制御部６０による燃料電池システム１００ａの制御である。
【００４２】
第１実施例と同様に、制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１を測定後、電気式ヒータ６を制御してセル８を加熱する。それにより、セル８に残留して凍結した水を液化する。本実施例においては、制御部６０は、図４のマップに従って電気式ヒータ６の加熱量および燃料電池４０にかかる負荷を変化させる。
【００４３】
図４は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１と電気式ヒータ６の加熱量および燃料電池４０に負担させる負荷との関係を示す図である。図４の横軸はＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１を示し、図４の左側の縦軸は燃料電池４０に負担させる負荷を示し、図４の右側の縦軸は電気式ヒータ６の出力を示す。
【００４４】
図４の実線に示すように、電気式ヒータ６の出力はＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１に比例して増加する。また、図４の破線に示すように、燃料電池４０が負担する負荷はＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１に比例して減少する。制御部６０は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１を求めた後に、図４のマップに従って電気式ヒータ６の出力を制御するとともに、燃料電池４０にかかる負荷を制御する。具体的には、制御部６０は、電気式ヒータ６に供給する電力を制御するとともに、水素供給部１０による水素含有ガス供給量およびエア供給部２０によるエア供給量を制御する。
【００４５】
このように、本実施例に係る燃料電池システム１００ａにおいては、図４のマップを用いることにより、電気式ヒータ６の加熱量および燃料電池４０に負担させる負荷は、ＯＣＶ立ち上がり時間ｔ１に基づいて適切に決定される。したがって、電気式ヒータ６による無駄なエネルギ消費を抑制することができる。
【００４６】
制御部６０は、図３のフローチャートにおいて、ステップＳ６，Ｓ７，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３の代わりに図４のマップに従って電気式ヒータ６の加熱量を制御するステップとするフローチャートに従うことにより、上記の制御を行うことができる。
【実施例３】
【００４７】
続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池システム１００ｂについて説明する。燃料電池システム１００ｂの構成は、図１の燃料電池システム１００と同様である。したがって、燃料電池システム１００ｂの図面は省略する。燃料電池システム１００ｂが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、制御部６０による燃料電池システム１００ｂの制御である。
【００４８】
まず、セル８の発電可能時間Ｔについて説明する。ここで、発電可能時間Ｔとは、セル８が発電を開始してから、生成された水の凍結により発電不能になるまでの時間のことをいう。図５は、セル８の発電可能時間Ｔとセル８のＯＣＶ立ち上がり変位との関係を示すマップである。ここで、ＯＣＶ立ち上がり変位とは、単位時間当たりにセルのＯＣＶが０Ｖから所定値まで立ち上がる速度のことをいう。したがって、ＯＣＶ立ち上がり変位が大きくなるとＯＣＶ立ち上がり時間は小さくなり、ＯＣＶ立ち上がり変位が小さくなるとＯＣＶ立ち上がり時間は大きくなる。
【００４９】
図５の縦軸は発電可能時間Ｔを示し、図５の横軸はセル８のＯＣＶ立ち上がり変位を示す。図５に示すように、セル８の発電可能時間ＴはＯＣＶ立ち上がり変位が増加するにつれて低下する。これは、発電によって生成された水が凍結することによって酸素がカソード３に到達することができなくなるからである。制御部６０は、図５のマップに基づいてセル８のＯＣＶ立ち上がり変位からセル８の発電可能時間Ｔを計算することができる。したがって、セル８の加湿状態を適切に把握することができる。
【００５０】
次に、セル８の発電時における発熱率について説明する。図６は、所定の温度における低温起動時のセル８の発電電圧と発電電流との関係を示す特性図である。図６の縦軸はセル８の発電電圧を示し、図６の横軸はセル８の発電電流を示す。図６に示すように、発電電流が増加するにつれて発電電圧は低下する。
【００５１】
ここで、図６の点Ｐにおけるセル８の発熱率について考える。セル８が点Ｐの特性を示している場合、セル８は図６のＷに相当する電力を生成している。これに伴って、セル８は図６のＱに相当する発熱率で発熱を行っている。セル８によって生じる熱は、セル８自身の温度上昇に寄与する。その結果、セル８において凍結している残留水が液化する。なお、セル８の発熱率は、セル８が生成する電力の大きさに基づいて変化し、セル８が生成する電力が大きくなると大きくなる。
【００５２】
本実施例に係る制御部６０は、セル８の発熱量がセル８の熱容量以上になるように水素供給部１０およびエア供給部２０を制御する。具体的には、制御部６０は、セル８の発熱率Ｑと発電可能時間Ｔとの積がセル８の熱容量以上になるように水素供給部１０およびエア供給部２０を制御する。また、制御部６０は、セル８の発熱だけで凍結水を液化させることができない場合には、不足する熱量を電気式ヒータ６によって補う。
【００５３】
なお、図５の発電可能時間Ｔおよび図６の特性図は、セル８の材質、構造、大きさ等の仕様により決定される。したがって、制御部６０は、セル８の仕様とセル８の残留水量とに基づいて、水素供給部１０、エア供給部２０、電気式ヒータ６および負荷電流を制御することができる。
【００５４】
続いて、制御部６０が燃料電池システム１００ｂを低温起動させる際のフローチャートの一例について説明する。図７は、制御部６０が燃料電池システム１００ｂを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。図７に示すように、まず、制御部６０は、温度センサ７の検出温度が０℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。
【００５５】
ステップＳ２１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定されなかった場合、アノード２に水素含有ガスが供給されるように水素供給部１０を制御するとともに、カソード３に窒素ガスが供給されるように窒素供給部３０を制御する（ステップＳ２２）。次に、制御部６０は、所定期間待機する（ステップＳ２３）。それにより、カソード３に残留する酸素をパージすることができる。
【００５６】
次いで、制御部６０は、カソード３にエアが供給されるようにエア供給部２０を制御する（ステップＳ２４）。次いで、制御部６０は、電圧計５０からの検出結果に基づいてＯＣＶ立ち上がり変位を計算する（ステップＳ２５）。次に、制御部６０は、上記計算結果に基づいて発電セル８の発電可能時間Ｔを計算する（ステップＳ２６）。この場合、制御部６０は、図５のマップに従って発電可能時間Ｔを計算することができる。
【００５７】
次いで、制御部６０は、セル８の発熱率Ｑと発電可能時間Ｔとの積がセル８の熱容量以上になるように、水素供給部１０、エア供給部２０、窒素供給部３０および負荷電流を制御する（ステップＳ２７）。ステップＳ２７においては、制御部６０は、図６のマップに従う。その後、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。なお、ステップＳ２１において温度センサ７の検出温度が０℃以上であると判定された場合、制御部６０は起動動作を終了させ、通常の運転状態になるように燃料電池４０を制御する。
【００５８】
以上のフローチャートに従うことにより、燃料電池システム１００ｂは、各セル８の加湿状態を適切に把握することができる。また、燃料電池システム１００ｂは、セル８内において凍結している残留水を効率よく液化させることができる。さらに、燃料電池システム１００ｂは、無駄な電力を消費することなく燃料電池４０を起動させることができる。
【００５９】
上記第１実施例〜第３実施例においては説明を簡単化するためにセル８が１つ示されているが、複数のセル８が積層された構造の場合においては制御部６０は、それぞれのセル８の加湿状態に応じて、それぞれのセル８に内蔵される電気式ヒータ６を個別に制御してもよい。また、上記実施例は、低温起動時に限定されず、残留水が凍結するおそれがない温度における起動時にも適用することができる。この場合、効率よく燃料電池４０を起動させることができる。
【００６０】
本実施例においては、電気式ヒータ６およびセル８が加熱手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池システムについて説明するための図である。
【図２】ＯＣＶ立ち上がり時間について説明するための図である。
【図３】制御部が燃料電池システムを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。
【図４】ＯＣＶ立ち上がり時間と電気式ヒータの加熱量および燃料電池に負担させる負荷との関係を示す図である。
【図５】セルの発電可能時間とセルのＯＣＶ立ち上がり変位との関係を示すマップである。
【図６】所定の温度における低温起動時のセルの発電電圧と発電電流との関係を示す特性図である。
【図７】制御部が燃料電池システムを低温起動させる際のフローチャートの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
２ｂ，３ｂ  拡散層
６  電気式ヒータ
７  温度センサ
８  セル
１０  水素供給部
２０  エア供給部
３０  窒素供給部
４０  燃料電池
５０  電圧計
６０  制御部
１００，１００ａ，１００ｂ  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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【図７】
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