(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水流路と燃料極及び空気極とが水が透過することができる多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに圧力制御した冷却水を供給する手段と、
前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料電池スタックの暖機が完了したか否かを判断する手段と、
前記燃料電池スタック内で水分の凝縮が生じる燃料電池スタック暖機完了前は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を前記燃料電池システムを定常状態で運転する際に用いる圧力よりも低く、かつ前記燃料極及び空気極の圧力よりも低く制御し、前記燃料電池スタック暖機完了後は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を定常状態で運転する際に用いる圧力に制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段はさらに前記燃料極及び空気極における燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力よりも高い圧力に制御する、
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３】
前記燃料電池スタック入口における前記冷却水流路と前記燃料極及び前記空気極との差圧を測定する手段をさらに備え、
前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力は前記測定された差圧に応じて決定される、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの温度を検出する手段を備え、
前記燃料電池スタックの暖機状態を判断する手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、
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５】
前記燃料電池スタックの温度を検出する手段は、前記燃料電池スタックの内部温度を検出する手段であり、
前記燃料電池スタックの暖機状態を判断する手段は、前記燃料電池スタックの内部温度が燃料電池スタック内で水詰まりを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの温度を検出する手段は、前記燃料電池スタックを構成するセル個々の温度を測定する手段であり、
前記燃料電池スタックの暖気状態を判断する手段は、前記セル個々の温度の平均温度が燃料電池スタック内で水詰まりを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
セル個々の温度分布のばらつきから前記燃料電池スタック内の水詰まりの有無を予測し、
前記燃料電池スタック内に水詰まりがあると予測されるときは前記冷却水の圧力を前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力に制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６に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に供給される流体の前記燃料電池スタック出口における温度を検出する手段を備え、
前記燃料電池の暖機状態を判断する手段は、前記流体の前記燃料電池スタック出口における温度が所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、
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９】
前記燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタック入口及び出口における温度差を検出する手段を備え、
前記燃料電池の暖機状態を判断する手段は、前記流体の前記燃料電池スタック入口と出口における温度差が所定温度差まで拡大したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断する、
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１０】
前記流体が、前記燃料電池スタックに供給される冷却水、燃料ガス、空気のいずれかであることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料電池スタックの電解質膜の加湿状態を判断する手段と、
前記電解質膜が十分に加湿されていない場合は、前記冷却水の圧力を、前記冷却水圧力を低下させた状態から上昇させて燃料極及び空気極から冷却水側への水の排出を抑える手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムを低温状態から起動する際の起動制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応、
陽極反応：Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ-
陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである（特開平8-106914号公報等）。
【０００３】
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられ、陰極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
こうした燃料電池においては電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上させるためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要があり、このため、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。また前述したように燃料ガスを改質して水素を取り出す場合においては、改質用に水を利用することが行なわれる。従って、燃料電池を自動車用に利用するためには、燃料電池あるいは改質器を含めた燃料電池システム内で水収支が保たれなければならない。これは、水が不足し定期的な純水の補給が必要となると燃料電池自動車の実用性が著しく低下するためである。
【０００５】
電解質膜に水を供給する手段は大きく２つ存在し、１つは燃料ガスや空気を加湿器によって加湿し、その水分を利用して電解質膜を加湿する方法である。もう一つは燃料電池セルにおいて燃料極及び空気極と冷却水流路を多孔質材料で構成されたバイポーラプレートで接続し、冷却水から電解質膜に水を供給して電解質膜を加湿する方法である。この方法は燃料ガス及び空気の加湿器を必要としないため、システム構成が簡単になる利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
ところで、燃料電池システムを低温で起動する場合、燃料電池内部で生成された水や、燃料及び空気中の水蒸気が燃料電池内部で凝縮され、燃料及び空気流路を塞ぐことがある（水詰まり）。水詰まりは燃料電池の効率を低下させるとともに、特に起動時に発生する水詰まりは燃料電池の起動時間を長くするという問題がある。自動車などの移動体用途においては起動操作の頻度が高く、燃料電池システムの起動時間が長くなることは、燃料電池システムの操作性を低下させる。
【０００７】
この水詰まりを解決する方法の一つとして、燃料ガスあるいは空気の圧力を高くすることによって、凝縮した水を吹き飛ばす方法がある。しかし、通常の運転圧力よりも高い燃料ガスあるいは空気を燃料電池内に送り込むことは、燃料電池内部の電解質材料やシーリング材料などの耐久性を劣化させ、燃料電池の性能を低下させたり、あるいは寿命を短くしたりする。特に自動車などの移動体用燃料電池では、使用頻度による違いはあるものの数百回から数千回の起動操作を行うことになり、上記のような性能低下は著しくなる。また燃料ガスおよび空気の圧力を可変にするためには、システム構成が複雑になる難点がある。
【０００８】
また別の方法として、燃料電池自体を加熱することによって水の凝縮量を少なくし水詰まりを起こさない、あるいは水詰まりを解消する方法もある。しかしながら、燃料電池スタックを加熱するためにはシステムが複雑になる難点がある。また加熱に必要なエネルギーが大きくなるため、燃料電池のもつ低環境負荷という大きな特長が生かされないこと、移動体用としては加熱に必要な時間が長すぎるといった問題があり好ましくない。
【０００９】
本発明は、上記技術的課題を鑑みてなされたものであり、冷却水流路と燃料ガス流路及び空気流路とが多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックにおいて、低温状態からの起動時に燃料極及び空気極内の水を冷却水側に効率よく排出されるようにし、燃料電池スタックにおける水収支を保ちつつ上記水詰まりの問題を解消することを目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、冷却水流路と燃料極及び空気極とが水が透過することができる多孔質板を介して接続されている燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに圧力制御した冷却水を供給する手段と、前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料電池スタックの暖機が完了したか否かを判断する手段と、前記燃料電池スタック内で水分の凝縮が生じる燃料電池スタック暖機完了前は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を前記燃料電池システムを定常状態で運転する際に用いる圧力よりも低く、かつ前記燃料極及び空気極の圧力よりも低く制御し、前記燃料電池スタック暖機完了後は、前記燃料電池スタックの冷却水圧力を定常状態で運転する際に用いる圧力に制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明における制御手段がさらに前記燃料極及び空気極における燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力よりも高い圧力に制御することを特徴とするものである。
【００１２】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃料電池スタック入口における前記冷却水流路と前記燃料極及び前記空気極との差圧を測定する手段をさらに備え、前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力が前記測定された差圧に応じて決定されることを特徴とするものである。
【００１３】
第４の発明は、第１の発明において、前記燃料電池スタックの温度を検出する手段を備え、前記燃料電池スタックの暖機状態を判断する手段が前記燃料電池スタックの温度が所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とするものである。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明における前記燃料電池スタックの温度を検出する手段が前記燃料電池スタックの内部温度を検出する手段であり、前記燃料電池スタックの暖機状態を判断する手段が前記燃料電池スタックの内部温度が燃料電池スタック内で水詰まりを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とするものである。
【００１５】
第６の発明は、第４の発明における燃料電池スタックの温度を検出する手段が前記燃料電池スタックを構成するセル個々の温度を測定する手段であり、前記燃料電池スタックの暖気状態を判断する手段が前記セル個々の温度の平均温度が燃料電池スタック内で水詰まりを起こさない所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とするものである。
【００１６】
第７の発明は、第６の発明において、セル個々の温度分布のばらつきから前記燃料電池スタック内の水詰まりの有無を予測し、前記燃料電池スタック内に水詰まりがあると予測されるときは前記冷却水の圧力を前記燃料ガス及び酸化剤ガスが前記冷却水流路に浸入しない最低圧力に制御する手段をさらに備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
第８の発明は、第１の発明において、前記燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタック出口における温度を検出する手段を備え、前記燃料電池の暖機状態を判断する手段が、前記流体の前記燃料電池スタック出口における温度が所定温度まで上昇したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とするものである。
【００１８】
第９の発明は、第１の発明において、前記燃料電池スタックに供給される流体の前記燃料電池スタック入口及び出口における温度差を検出する手段を備え、前記燃料電池の暖機状態を判断する手段が前記流体の前記燃料電池スタック入口と出口における温度差が所定温度差まで拡大したときに前記燃料電池スタックの暖機が完了したと判断することを特徴とするものである。
【００１９】
第１０の発明は、第８、第９の発明において、前記流体が、前記燃料電池スタックに供給される冷却水、燃料ガス、空気のいずれかであることを特徴とするものである。
【００２０】
第１１の発明は、第１から第１０の発明において、前記燃料電池スタックの運転状態から前記燃料電池スタックの電解質膜の加湿状態を判断する手段と、前記電解質膜が十分に加湿されていない場合は、前記冷却水の圧力を、前記冷却水圧力を低下させた状態から上昇させて燃料極及び空気極から冷却水側への水の排出を抑える手段とをさらに備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
【作用及び効果】
したがって、本発明に係る燃料電池システムでは、低温状態からシステムを起動させる際、燃料電池スタックの暖機が完了するまでは燃料電池スタックに供給される冷却水の圧力が通常運転時の圧力よりも低く、かつ前記燃料極及び空気極の圧力よりも低く設定されるので、燃料極及び空気極で凝縮した水が冷却水側へと排出されるようになり、燃料極及び空気極において水詰まりが生じるのを防止することができる。冷却水圧力を低下させることによって燃料電池スタックの冷却性能は低下するが、暖機完了前はそれ程高い冷却性能も要求されないので特にこれが問題となることはない。また、排出される水は冷却水流路に戻されるので燃料電池スタックにおける水収支を保つことができる。
【００２２】
また、冷却水圧力を下げると冷却水流路と燃料極、空気極との差圧が大きくなり、この差圧が過大となると燃料ガスあるいは酸化剤ガスが多孔質板を通過して冷却水に入り込み、発電性能に悪影響を与えるが、冷却水圧力をこれらのガスが冷却水流路に浸入しない最低圧力よりも高い圧力に制御することで燃料電池スタックの破壊を防止できる（第２、第３の発明）。
【００２３】
燃料電池スタックの暖機完了を判断する方法としては、燃料電池スタックの内部温度を検出して内部温度の上昇から判断する方法、燃料電池スタックを構成する各単セルの温度を検出して単セルの平均温度の上昇から判断する方法、燃料電池スタックに供給される流体（冷却水、燃料ガス、空気）の燃料電池スタック入口及び出口の温度差の拡大や燃料電池スタック出口における温度上昇から判断する方法がある（第４から第６の発明、第８から第１０の発明）
また、燃料電池スタックの各単セルの温度分布にばらつきがあり燃料電池スタック内に水詰まりが発生していることが予測される場合には、冷却水の圧力を最低圧力まで下げるようにすれば燃料極、空気極から冷却水側への水の排出効率を最大限に高めることができ、水詰まりを早期に解消することができる（第７の発明）。
【００２４】
また、燃料電池スタックの電解質膜が十分に加湿されていないときに上記圧力を下げた状態から冷却水の圧力を上昇させるようにすれば、燃料極及び空気極から冷却水側への水の排出を抑え、電解質膜の加湿を優先させることができる（第１１の発明）。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は本発明に係る燃料電池システムの概略構成図であり、燃料電池システムは、多数の単セルから構成される燃料電池スタック１、圧力センサ５、６、７、冷却水ポンプ１２、冷却水タンク１３、熱交換器１４、コントローラ１６を備えている。また、燃料電池スタック１の内部には燃料電池スタック１の内部温度を測定するための温度センサ１５が設けられており、その計測信号はコントローラ１６に入力される。
【００２７】
圧力センサ５，６、７はそれぞれ燃料電池スタック１に空気を供給する空気流路８、冷却水を供給する冷却水流路９、燃料ガスを供給する燃料ガス流路１０の燃料電池スタック１入口付近の圧力を測定するセンサである。
【００２８】
コントローラ１６は、圧力センサ５、６、７からの信号により、燃料電池スタック１入口における冷却水と空気極２、燃料極３との圧力差を計算する。また、システムを起動させる際、コントローラ１６は温度センサ１５によって検出される燃料電池スタック１の内部温度に応じて冷却水の圧力を決定し、減圧弁１１の開度、及び冷却水ポンプ１２の回転速度を決定する。
【００２９】
具体的には、燃料電池スタック１の内部温度が低く、空気極２、燃料極３で凝縮した水による水詰まりが起こる可能性がある場合（燃料電池スタック１の暖機完了前）は、冷却水の圧力が定常状態で用いられる圧力よりも低く制御される。これにより、空気極２及び燃料極３に凝縮する水を多孔質板４の孔を通して効率的に冷却水流路９に圧力差を利用して排出させることができ、水詰まりが起こるのを防止できる。冷却水圧力を下げることによって燃料電池スタック１の冷却性能は低下するが、燃料スタック１の暖機が完了する前であるのでこれが問題となることはなく、逆に、燃料電池スタック１の冷却を抑え、その暖機を促進させることができる。また、水は空気流路８及び燃料ガス流路１０から外部に排出されないため、燃料電池スタック１の水収支は保たれる。
【００３０】
その後、燃料電池スタック１の内部温度が上昇して水詰まりが起こる可能性がなくなると（燃料電池スタック１の暖機完了後）、冷却水の圧力が定常状態での圧力に制御され、燃料電池スタック１の冷却性能が確保される。
【００３１】
図２は起動処理の内容を示したフローチャートであり、燃料電池システムを起動する際にコントローラ１６において実行される。
【００３２】
これによると、まず、ステップＳ１１では燃料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が開始される。
【００３３】
ステップＳ１２では燃料電池スタック１の内部温度が測定され、ステップＳ１３では測定された内部温度と所定温度とが比較される。所定温度は燃料電池スタック内部のガスや空気、冷却水の流路形状や、システムの構成に応じて設定され、例えば、燃料電池スタック１の燃料極及び空気極内で凝縮される水による水詰まりが発生しない温度のうち最も低い温度に設定される。本出願人による実験では４０℃以上で水詰まりが発生しなくなり、冷却水圧力を通常圧力とした運転が可能であった。
【００３４】
そして、内部温度が所定温度よりも低い場合は燃料極及び空気極に凝縮した水による水詰まりが起こると判断し、ステップＳ１４に進んで冷却水圧力を所定の低圧力に制御し、空気極２、燃料極３から冷却水流路９に凝縮した水を排出させる。
【００３５】
ここで、凝縮した水の排出効率を高めるためには冷却水圧力を空気極２、燃料極３に対してできるだけ低くすることが望ましいが、冷却水流路と空気極、燃料極との差圧が大きくなり過ぎると差圧によって燃料ガスもしくは酸化剤ガスが冷却水流路に浸入する。さらに悪くすると電解質膜や単セルの内部構造が壊れてしまう場合がある。そこで、冷却水圧力は可能な限り低く制御されるが、冷却水流路と空気極２、燃料極３との差圧が燃料ガスもしくは酸化剤ガスが冷却水流路に浸入しない最低圧力よりも高くなるように制御される。
【００３６】
燃料電池スタック１の内部温度が所定温度よりも低い間はステップＳ１２，Ｓ１３、Ｓ１４が繰り返され、その後、燃料電池スタック１の暖機が進んで内部温度が所定温度を超えると、燃料電池内部での水の凝縮量は十分に少なく凝縮した水による水詰まりは生じないと判断してステップＳ１５に進む。
【００３７】
ステップＳ１５に進むと、冷却水圧力が定常運転で通常用いられる圧力に制御され、以後、冷却水はこの通常圧力に制御され、燃料電池スタック１の冷却性能が確保される。
【００３８】
なお、ここでは冷却水流路９と空気極２、燃料極３との差圧を求め、これに基づき冷却水圧力の下限を設定しているが、あらかじめ低冷却水圧力運転用の圧力値（固定値）を定めておき、ステップＳ１４で低冷却水圧力運転を行う時には冷却水圧力を直ちにこの予め設定しておいた圧力値に切り換えるようにすれば、システム構成の簡略化および制御の応答性の向上を図ることができる。
【００３９】
なお、燃料電池スタック１の内部温度が０℃以下の場合は水が凍結している可能性があるため、検出された内部温度が０℃以下の場合は予めヒータ加熱や燃料電池スタック１内の流路に高温ガスを流通させることによって内部の水を解凍し、その後で上記処理を行う必要がある。
【００４０】
また、燃料電池スタック１は水を含有する電解質膜を有するため、電解質膜の加湿状態を検知し、電解質膜の含水率が所定値よりも小さい場合、冷却水流路の圧力を通常の運転圧力よりも低く、かつステップＳ１４で設定される圧力よりも高い圧力に制御するようにしてもよい。これにより、電解質膜中の水分までもが冷却水側に移動してしまうのを防止でき、電解質膜の加湿状態を良好に維持することができる。
【００４１】
電解質膜の加湿状態を検出するには、例えば起電力、起電圧の変化、燃料電池スタック１の水収支といった燃料電池スタック１の性能変化から予測することができる。より直接的に予測するには後述する実施形態に示すように燃料電池スタック１を構成する単セル毎に温度を検出し、単セルの温度分布や、単セルの面方向の温度分布を計測し、これに基づき予測すればよい。
【００４２】
続いて本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４３】
図３は第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。第１の実施形態と異なる点は、燃料電池スタック１を構成する各セル毎に温度を測定する温度センサ２１が設けられている点と、コントローラ１６において行われる処理である。なお、図３には簡単のためセンサ２１は３個だけ示してある。
【００４４】
コントローラ１６は、単セルの温度分布から水詰まりを予測し、冷却水の圧力制御を行う。また、単セル温度の平均値を計算し、冷却水と空気極２、燃料極３の燃料電池スタック入口圧力の差圧と、単セル温度の平均値から冷却水の圧力の制御も行う。
【００４５】
具体的には、コントローラ１６は、単セルの温度の分布のばらつき（偏り）から水詰まりを予測し、例えば、一部のセルだけ温度が低い等の温度分布に偏りがあって水詰まりの可能性が予測される場合には、直ちに冷却水の圧力を燃料ガスもしくは酸化剤ガスの冷却水流路への浸入が起こらない最低圧力まで低下させ、空気極２、燃料極３から冷却水側への水の排出効率を最大に高めて水詰まりの早期解消を図る。
【００４６】
また、水詰まりが解消した後であっても、単セルの平均温度が所定温度よりも低く、燃料電池スタック１内で水詰まりが起こる可能性がある場合は（燃料電池スタック１の暖機完了前）、先の実施形態同様に冷却水の圧力が定常運転での圧力よりも低く制御され、空気極２及び燃料極３で凝縮する水が多孔質板４の孔を通して効率的に冷却水流路９に排出される。
【００４７】
図４は燃料電システムの起動処理の内容を示したフローチャートであり、システム起動時にコントローラ１６において実行される。
【００４８】
これによると、まずステップＳ２１では燃料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が開始され、ステップＳ２２では燃料電池スタック１の各単セルの温度が測定される。
【００４９】
ステップＳ２３では単セル温度の分布から水詰まりを予測する。具体的には一部の単セルの温度だけ他の単セルの温度に比べて低い場合はその温度の低い単セルの部分で水詰まりを起こしている可能性があると予想される。水詰まりがあると予測される場合は、ステップＳ２４に進んで冷却水圧力を最低圧力として運転を行う。最低圧力は燃料ガスあるいは酸化剤ガスの冷却水流路への浸入が起こらない最低圧力であり、先の実施形態同様に冷却水流路と空気極２、燃料極３との差圧に基づき設定される。冷却水圧力を最低圧力まで下げることによって空気極２、燃料極３から冷却水側に凝縮した水が排出される作用が最大にまで高められ、水詰まりを早期に解消することができる。
【００５０】
温度分布の偏りがなくなって燃料電池スタック１内の水詰まりが解消されたと判断されるとステップＳ２５に進み、今度は単セルの平均温度が計算される。
【００５１】
ステップＳ２６では先の実施形態と同様に所定温度（凝縮による水詰まりが発生しない温度の最低温度）とが比較され、単セル平均温度が所定温度よりも低い場合はステップＳ２７に進んで先の実施形態のステップＳ１４と同じく冷却水圧力を定常運転時よりも下げて運転を行われる。そして、その後単セル平均温度が所定温度になったらステップＳ２８に進み、以後、冷却水圧力を定常運転で通常用いられる圧力として運転が行われる。
【００５２】
このように、本実施形態では単セル温度を測定し、単セル温度分布から水詰まりの有無の判断し、水詰まりがあると判断された場合は冷却水の圧力を最低圧力まで下げて空気極２及び燃料極３から冷却水流路９への水の排出を最優先させるので、燃料電池スタック１内部の水詰まりを早期に解消することができる。また、水詰まり解消後は、単セル平均温度に応じて先の実施形態同様の起動処理が可能であり、その後も水詰まりを起こすことなく燃料電池システムを起動することができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、単セル温度分布と起電力の変化から電解質膜の加湿状態を高い精度で予測することができることから、燃料電池スタック１の電解質膜の加湿が不十分であれば、冷却水圧力を上げて燃料極及び空気極から冷却水への水の移動を少なくし、電解質膜の加湿を補助することも可能である。
【００５４】
続いて本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５５】
図３は第３の実施形態の構成図を示す。第１の実施形態の構成と略同じであるが、冷却水流路９の燃料電池入口と出口にそれぞれ温度センサ３１、３２が設けられている点で相違する。また、コントローラ１６が行うシステムの起動処理の内容も異なる。
【００５６】
コントローラ１６は、冷却水の燃料電池入口−出口における温度差を計算し、この温度差から、燃料電池内部における反応進行状況を把握し、水詰まりの予測及び冷却水圧力制御を行う。なお、冷却水温度の測定には例えば冷却水流路に熱電対を設置することで測定でき、燃料電池スタック１内部にセンサを設けて燃料電池スタック１の内部温度を測定するよりも比較的容易に温度測定を行うことができる。
【００５７】
図６は燃料電池システムの起動処理の内容を示したフローチャートであり、コントローラ１６において実行される。
【００５８】
これによると、まずステップＳ３１では燃料電池スタック１への燃料ガス、空気、冷却水の導入が開始される。
【００５９】
ステップＳ３２では燃料電池スタック１の入口及び出口における冷却水温度が測定され、ステップＳ３３では冷却水の燃料電池スタック１の入口及び出口における温度差が演算される。
【００６０】
ステップＳ３４では、この温度差と予め設定した温度差とが比較され、温度差があらかじめ設定した温度差よりも小さい場合はまだ燃料電池スタック１の暖機が完了しておらず、燃料電池スタック１内で水の凝縮による水詰まりが生じうると判断して、ステップＳ３５に進んで冷却水圧力を低く設定する。
【００６１】
その後燃料電池スタック１の暖機が進んで温度差が予め設定した温度差よりも大きくなると、燃料電池スタック１の暖機が完了したとしてステップＳ３６に進み、以後、冷却水圧力が定常運転で通常用いられる圧力に制御される。
【００６２】
このように冷却水の燃料電池スタック１の入口及び出口における温度差に基づき燃料電池スタック１の暖機完了を判断するようにしても先の実施形態と同様の起動処理が可能である。
【００６３】
なお、ここでは燃料電池スタック１の入口及び出口の冷却水の温度差に基づき燃料電池スタック１の暖気状態を判断したが、燃料電池スタック１の入口及び出口の燃料ガスあるいは空気の温度差（燃料電池スタック１に供給する流体と燃料電池スタック１から排出される流体の温度差）に基づき燃料電池スタック１の暖気状態を判断するようにしてもよい。
【００６４】
また、ここでは入口側と出口側の両方に温度センサを設けて入口側と出口側の温度差に基づき燃料電池スタック１の暖気状態を判断しているが、入口側のセンサを省略し、出口側の温度の流体（冷却水、燃料ガス、空気）の上昇度合いから燃料電池スタック１の暖気状態を判断するようにすることも可能である。例えば、冷却水の出口側温度が所定温度まで上昇したことをもって燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断するようにすれば、システム構成が簡略化されることに加え、制御内容も単純化される。
【００６５】
また、この実施形態においても、起電力等から燃料電池スタック１の電解質膜の加湿状態を予測し、電解質膜の加湿が不十分であれば、冷却水圧力をステップＳ３５で設定される圧力よりも冷却水圧力を上げて燃料極及び空気極から冷却水への水の移動を抑え、電解質膜の加湿を助けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池システムの起動処理の内容を示したフローチャートである。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図４】第２実施形態における起動処理の内容を示したフローチャートである。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第３実施形態における起動処理の内容を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  空気極
３  燃料極
４  多孔質板
５、６、７  圧力センサ
８  空気流路
９  冷却水流路
１０  燃料ガス流路
１１  減圧弁
１２  冷却水ポンプ
１３  冷却水タンク
１４  熱交換器
１５  温度センサ
１６  コントローラ
２１、３１、  ３２  温度センサ
【図１】
0003840956.tif 000002
【図２】
0003840956.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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