JP2004030979A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】自立暖機が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池の酸素極に空気を供給する空気供給ファン１１３と、燃料電池スタック１の始動時の温度を検出する温度センサＳ１１と、温度センサＳ１１の検出温度が設定値以下である場合には、空気供給ファン１１３から空気供給量を通常発電時の供給量よりも少なく設定する制御部７４とを設ける。発電始動時において、燃料電池スタック１の温度が低温である場合には、酸素供給量不足によって発熱量を増大させて、燃料電池を暖機する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、低温下での始動を容易とする燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池では、最も効率良く発電することができる温度領域が、５０℃から８０℃ぐらいの間であるとされている。また、これらの温度領域より低い温度では、発電効率が極端に低くなるという特性を有している。従って、燃料電池を作動させてから、十分な電力を燃料電池から得るためには、温度が高効率領域に達するまで暖機が必要となり、燃料電池から電力を得て負荷全体を始動させるまでに長時間を要する。
【０００３】
一方、燃料電池の温度が氷点下である場合には、発電反応によって生じた生成水が電極表面で凍結し、酸素の供給が妨げられ、発電反応を抑制してしまうという問題がある。
そこで、従来では、例えば、特開平７−９４２０２号に記載されているように、燃料電池の発電開始前に、燃料電池自体を暖機するための暖機システムを備えたものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池の暖機システムは、暖機のためのエネルギーを必要とし、システムの全体のエネルギー効率を悪化させるという問題点があった。
さらに、暖機システムを燃料電池システムに組み込むために、燃料電池システムの大型化を招いていた。
また、車両等の移動体に搭載される移動型燃料電池については、搭載スペースが狭く、系外からのエネルギーの供給が図れない環境にあり、上記欠点は、一層不利な要素となる。
この発明は、自立暖機が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的は、以下の本発明によって達成される。
（１）　水素と酸素を反応させることにより電流を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給装置と、
燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記供給装置による酸化剤ガス供給量を調節する供給量調整手段と、
温度検出手段によって検出された燃料電池の検出温度が凍結温度であるか否かを判定する凍結判定手段とを備え、
前記供給量調整手段は、検出温度が凍結温度より低い場合には、同一の負荷に対して高い温度である場合よりも、前記供給装置による酸化剤ガス供給量を少なくして発熱量がより増加するように設定する燃料電池システム。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システム１００について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１００の有する燃料電池スタック１の全体斜視図、図２は燃料電池スタック１の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタック１の平面断面である。本発明の、燃料電池スタック１は、単位セル２と、セパレータ３とを有する発電部６１を備えている。単位セル２は、酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１、３２とを有している。図２及び図３に示されているように、単位セル２とセパレータ３とが交互に積層されて発電部６１が構成される。
【０００７】
集電部材３１、３２は、それぞれ、導電性と耐蝕性を有する材料で構成される。例えば、集電部材３１、３２は、金属材料で構成されている。この構成金属は、集電部材としての機能を果たすために、導電性を有しているもので、かつ、通電状態となることから耐蝕性を有するものが用いられる。例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。また、集電部材３１、３２の構成材料は、金属の他、カーボンブラック等の導電性と耐食性を備えた材料を用いてもよい。集電部材３１、３２を金属板とし、これをプレス加工により薄型に形成することによって、セパレータ３を薄く形成することができるので、燃料電池スタック１自体の大きさを小型化でき、かつ、熱容量を少なくすることができるので、このことによっても燃料電池スタック１を温まりやすい構成とすることができる。
【０００８】
集電部材３１は、酸素極２１に接触し、集電部材３２は、燃料極２２に接触する。図２及び図３に示されているように、集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３１２と、酸素極２１の表面とによって、酸化剤ガスとしての空気が流通する空気流通路３１５が形成される。
【０００９】
凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と酸素極２１の表面とによって、空気流路３１６が形成される。複数の空気流通路３１５は、両端部で空気流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の空気流通路３１５と一対の空気流路３１６とによって、酸素極２１へ酸素を供給する空気保持部が構成される。
【００１０】
空気保持部には、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７とが形成され、空気は空気供給孔３１８から空気保持部内に流入し、空気排出孔３１７から流出する。
このように、空気保持部内の空気は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、空気供給孔３１８と空気排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、空気排出孔３１７が示されている。また、図３には、空気供給孔３１８が示されている。
【００１１】
集電部材３２の、水素極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が水素極２２の表面に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して水素極２２と通電可能となる。溝３２２と、水素極２２の表面とによって、水素が流通する水素流通路３２５が形成される。
【００１２】
凸部３２１の両端には、凸部３２１に直交する方向に溝３２４、３２４が形成され、この溝３２４と水素極２２の表面とによって、水素流路３２６が形成される。複数の水素流通路３２５は、両端部で水素流路３２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水素流通路３２５と一対の水素流路３２６とによって、水素極２２へ水素を供給する水素保持部が構成される。
【００１３】
水素保持部には、水素供給孔と水素排出孔３２７とが形成され、水素は、水素供給孔から水素保持部内に流入し、水素排出孔３２７から流出する。このように、水素保持部内の水素は、常時入れ替わる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水素供給孔と水素排出孔３２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、水素排出孔３２７が示されている。
【００１４】
集電部材３２の、水素極２２に対して反対側の面には、直線状に連続して隆起した凸部４２１が等間隔で複数形成され、該凸部４２１の間には、溝４２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部４２１と溝４２２は、交互に配置された形状となっている。凸部４２１は、最も突出した峰の平面部が集電部材３１の表面に接触する接触部４２３となっており、この接触部４２３を介して隣接する単位セル２の水素極２２と酸素極２１が電気的に接続される。溝４２２と、集電部材３１の平面とによって、水が流通する水流通路４２５が形成される。
【００１５】
凸部４２１の両端には、凸部４２１に直交する方向に溝４２４、４２４が形成れ、この溝４２４と集電部材３１の平面とによって、水流路４２６が形成される。複数の水流通路４２５は、両端部で水流路４２６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の水流通路４２５と一対の水流路４２６とによって、冷却部が構成される。
【００１６】
この冷却部には、水供給孔と水排出孔４２７とが形成され、冷媒である水は、水供給孔から冷却部内に流入し、水排出孔４２７から流出する。このように、冷却部内の水は、入れ替わることができる構成となっている。この実施形態では、集電部材３２は、矩形であり、水供給孔と水排出孔４２７は、集電部材３２の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。このような位置に、水供給孔と水排出孔４２７が設けられていることによって、冷却部内の水を均一に交換することができる。図２と図３には、水排出孔４２７が示されている。なお、冷却媒体は、水の他、不凍液を用いることもできる。
【００１７】
燃料電池スタック１内には、セパレータ３の積層方向に、空気と水素と水を導通させる導通路が形成されている。導通路は、それぞれ供給用の導通路と、排出用の導通路とを有している。図１に示されているように、供給用の空気導通路５１、水素導通路５３、水導通路５５は、燃料電池スタック１の片側にまとめて配置され、排出用の空気導通路５２、水素導通路５４、水導通路５６は、供給用の導通路が配置された側に対して、反対側に配置され、その間に、空気保持部、水素保持部、冷却部を挟むように構成されている。
【００１８】
従って、排出用の空気導通路５２は各空気保持部の空気排出孔３１７にそれぞれ連通し、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部の空気供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の空気導通路５１は、各空気保持部に空気を分配する空気マニホールドとして機能する。
また、排出用の水素導通路５４は各水素保持部の水素排出孔３２７にそれぞれ連通し、供給用の水素導通路５３は、各水素保持部の水素供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水素導通路５３は、各水素保持部に水素を分配する水素マニホールドとして機能する。
さらに、排出用の水導通路５６は各冷却部の水排出孔４２７にそれぞれ連通し、供給用の水導通路５５は、各水保持部の水供給孔にそれぞれ連通している。このように、供給用の水導通路５５は、各水保持部に水を分配する水マニホールドとして機能する。
【００１９】
以上のように構成された発電部６１の両端には、セパレータ３と単位セル２の積層方向において、端部セパレータ３から外側へ向けて、集電体６３ａ、６３ｂ、絶縁部材６４ａ、６４ｂ、エンドプレート６５ａ、６５ｂが、それぞれが両側に接続されている。これらの積層された各部材と、発電部６１は、対向する側面に付設された保持部材６６によって一体として保持される。また、集電体６３ａ、６３ｂには、燃料電池スタック１の端子として端子６７ａ、６７ｂが設けられている。
【００２０】
片方のエンドプレート６５ａには、後述する空気供給系１１、水素供給系１２、冷却系１３の各経路が接続されている。詳しくは、空気供給系１１の空気供給路１１０は供給用の空気導通路５１に、空気排出路１１１は排出用の空気導通路５２にそれぞれ接続され、水素供給系１２の供給路１２２は供給用の水素導通路５３に、排出路１２３は排出用の水素導通路５４にそれぞれ接続され、冷却系１３の冷却液供給路１３３は供給用の水導通路５５に、冷却液排出路１３１は排出用の水導通路５６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
次に、燃料電池スタック１を用いた燃料電池システム１００の構成について、説明する。図４は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、移動体のひとつである電気自動車に搭載されるものであり、後述する負荷系の蓄電手段（キャパシタ等）１４６とともに駆動モータ１４３の電源を構成している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１へ対して、空気を供給する空気供給系１１と、同じく、水素を供給する水素供給系１２と、同じく冷却液を供給する冷却系１３と、負荷系１４と、酸素供給系１１に水分を供給する加湿系１５とを備えている。
【００２２】
空気供給系１１は、空気供給路１１０と、空気排出路１１１を備えている。空気供給路１１０には、上流側から順に、外気の粉塵などの不純物を除去するフィルタ１１２、外気温度センサＳ１、空気の供給量を調整する空気供給ファン１１３、供給する空気を加湿する加湿器１５１が接続され、最終的に燃料電池スタック１の供給用空気導通路５１が接続されている。
【００２３】
空気排出路１１１の上流側端は、燃料電池スタック１の排出用空気導通路５２に接続され、下流へ向けて順に、燃料電池スタックの代表温度を測るための空気出口温度センサＳ３、空気供給系からの空気流が酸素極２１から持ち去った水を回収する凝縮器１５２、外気から不純物が逆流して燃料電池スタックに進入するのを防止するフィルタ１１５が接続され、最終的に系の外部に空気を排出する。
以上のように、空気供給系１１は、燃料電池スタック１内に設けられている空気保持部に空気を送り込み、空気中の酸素を酸素極２１に供給する。供給装置は、空気供給路１１０と、空気供給ファン１１３により構成される。酸素の供給量の調整は、空気供給ファン１１３からの吐出量を調整することにより行われる。吐出量の調整は、羽根の回転数を調整することによりなされる。
【００２４】
加湿系１５は、燃料電池スタック１に供給される空気に湿度を加える加湿器１５１と、排出された空気から水分を回収する凝縮器１５２と、加湿水タンク１５０と、加湿水タンク１５０から加湿水を加湿器１５１へ供給する水供給路１５３と、加湿水を加湿器１５１に送り出す加湿水ポンプ１５４と、加湿水ポンプ１５４の下流側に設けられ、電磁弁１５５と、凝縮器１５２で回収された水を加湿水タンク１５０へ回収する回収路１５６と、回収した水を加湿水タンク１５０へ送る回収ポンプ１５７と、加湿水タンク１５０内に設けられた凍結防止用ヒータ１５０ａと、加湿水タンク１５０内の加湿水の温度を検出する加湿水温度センサＳ４、同じく水位を検出する加湿水水位センサＳ５を備えている。また、水供給路１５３と回収路１５６とには、それぞれ不純物を除去するフィルタ１５８、１５９が設けられている。電磁弁１５５は、ポンプ１５４非駆動時には閉状態となり、経路内の水の流動を防止する。加湿系１５は、燃料電池スタック１へ送られる空気を加湿するために設けられる。この加湿系１５の加湿器１５１によって加湿された空気は、燃料電池スタック１の酸素極２１を湿潤状態（水分で潤った状態）に維持する。
【００２５】
水素供給系１２は、水素貯蔵タンク１２１と、水素貯蔵タンク１２１から、燃料電池スタック１の供給用水素導通路５３へ水素を供給する水素供給路１２２と、燃料電池スタック１の排出用水素導通路５４から外部へ水素を排出する水素排出路１２３とを備えている。水素供給路１２２には、水素を外部の水素源から水素貯蔵タンク１２１に充填するための水素充鎮口１２４が接続され、水素貯蔵タンク１２１内の水素圧を測るための水素１次圧センサＳ６が接続され、燃料極に供給する水素の圧力（量）を調整するための水素調圧弁１２５と、水素の供給量を制御する水素供給電磁弁１２６と、燃料極にかかる水素圧を測定する水素２次圧センサＳ７が、下流へ向けて、それぞれ順に接続されている。水素調圧弁１２５と、水素供給電磁弁１２６は、水素２次圧センサＳ７の検出値に基づき制御される。さらに、水素排出路１２３には、下流へ向けて順に、逆流を防止する逆止弁１２７、水素の排出をコントロールする水素排気電磁弁１２８が接続されている。水素は運転中、連続して供給されてもよいし、間欠的に供給されてもよい。
【００２６】
冷却系１３は、燃料電池スタック１が高温でヒートアップしてしまうのを防止するために配設されていて、燃料電池スタック１内に冷却媒体である冷却液を流通させ、これを循環させることにより冷却する。この実施形態では、冷却液として不凍液が用いられ、例えばエチレングリコール水溶液が使用される。この他、冷却液としては、水やその他の熱媒体を用いることもできる。燃料電池スタック１の温度は、例えば燃料電池スタック１に取り付けられた温度センサＳ１１で検出することができる。燃料電池スタック１の温度を検出するセンサＳ１１が、燃料電池の温度を検出する温度検出手段として機能する。
【００２７】
冷却系１３は燃料電池スタック１の排出側水導通路５６に接続された冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３を基本として構成され、冷却液は、前記冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって燃料電池スタック１の供給側水導通路５５に送り込まれる。また、冷却液排出路１３１と冷却液供給路１３３との間には、ラジエター１３２をバイパスするラジエターバイパス路１３５が接続されている。
【００２８】
冷却液排出路１３１、冷却液供給路１３３にそれぞれ配設された冷却液出口温度センサＳ９、冷却液入口温度センサＳ１０によって検出された冷却液の温度に応じて電磁弁ＳＶ１、ＳＶ３の開閉を制御して、冷却系１３における冷却液の流れを制御する。ラジエター１３２にはファン１３２ａが設けられており、ファンの風量を調節することにより、冷却能力を調整することができる。
【００２９】
以上のように冷却系１３は、燃料電池の通常発電時においては、燃料電池の反応熱によるオーバーヒートを防止するため作動する。この場合、冷却系１３は、冷却液排出路１３１と、ラジエター１３２と、冷却液供給路１３３と、冷却液供給路１３３に配設された循環ポンプ１３４によって構成される循環系が用いられる。従って、この場合には、電磁バルブＳＶ１が開、電磁バルブＳＶ３は閉状態となっている。冷却液は、冷却液供給路１３３から、燃料電池スタック１の供給側水導通路５５、各セパレータ３の冷却部、排出側水導通路５６を経て、熱交換された冷却液は、冷却液排出路１３１から、ラジエター１３２へ到達し、ラジエター１３２で冷やされ、電磁弁ＳＶ１を経て、循環ポンプ１３４へ戻る。冷却液入口温度センサＳ１０で検出される冷却液の温度と、冷却液出口温度センサＳ９で検出された排出冷却液の温度との差に応じて、ラジエター１３２の冷却能力を調整し、また、循環ポンプ１３４の吐出量を調整し、燃料電池スタック１を適正な温度に維持する。
【００３０】
負荷系１４は、燃料電池スタック１に接続されている。負荷系１４の出力コード１４７は、端子６７ａ、６７ｂにそれぞれ接続され、出力コード１４７は、負荷への電力の供給、遮断を行う出力リレー１４４、インバータ１４２を介してモータ１４３に電力を供給する。また、出力コード１４７には、逆電流を防止するダイオード１４８と電流センサＳ２が設けられている。出力リレー１４４とインバータ１４２との間には補助電源１４６が出力制御回路１４５を介して接続されている。さらに、出力コード１４７には、燃料電池スタック１の総出力を検出するための電圧センサＳ８が並列に接続されている。補助電源は例えば、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置であり、車両低速時にはモータ１４３の回生電力を貯蔵し、加速時や高負荷時などにおいて、燃料電池スタックからの出力では不足する場合には、負荷に電力を供給する。出力制御回路１４５は、モータ１４３へ供給する電力について、燃料電池スタック１と補助電源１４６の出力の割合を制御する。
【００３１】
図５は、燃料電池システム１００の発電開始時の制御を行う制御回路を示すブロック図である。供給量調整手段としての制御部７４は、発電開始時において、温度センサＳ１１で取得した燃料電池スタック１の温度に基いて空気供給ファン１１３の吐出量を制御する。制御部７４には、その他、電流センサＳ２、電圧センサＳ８の検出値が供給される。さらに、制御部７４は、水素供給電磁弁１２６の開閉と、リレー１４４のオン・オフを制御する。
【００３２】
制御部７４は、発電開始時において、燃料電池スタック１の自立暖機を行うために、通常の発電反応時の供給量に比較して、供給する酸素の量を少なくする制御を行うものである。図６は、燃料電池の出力電流に対する、燃料電池の出力電圧、出力電力、発電反応によって発生する発熱量のそれぞれの関係を示すグラフである。このグラフにおいては、通常発電時における酸素供給量を供給した場合の、電流・電圧曲線ＬＶ、電流・電力曲線ＬＰ、電流・発熱量曲線ＬＴと、通常発電時における供給量よりも少ない酸素供給量とした場合の、電流・電圧曲線ｌＶ、電流・電力曲線ｌＰ、電流・発熱量曲線ｌＴを示した。
【００３３】
以下、図６に示されているグラフに基いて説明する。空気供給ファン１１３などの補機を駆動させるため必要な最低限の出力電力（要求負荷電力Ｐ１）を得るためには、通常の空気供給量では、出力電力は点ＱＰ１で、電流Ｉ１となり、電圧は点ＱＶ１で電圧Ｖ１となる。この状態で、空気供給ファン１１３は、通常状態で駆動しており、発熱量は点ＱＴ１となる。一方、要求負荷電力Ｐ１が得られる最低の空気供給量まで、供給量を減らすと、出力電力は点ＱＰ２となり、この時、電流Ｉ２で、電圧は点ＱＶ２で電圧Ｖ２となる。また、この時、発熱量は点ＱＴ２となる。
【００３４】
空気の供給量を減らすと、通常時（定格出力時）に比べて発熱量がＴｓだけ大きくなる。この増加した発熱量を自立暖機のための熱量として用いる。このように、発電反応時の発熱を暖機に用いれば、冷媒等を介して燃料電池スタック１を暖機する場合に比較して、燃料電池自身が発熱する点で熱損失が少なく、熱効率が格段に向上する。また、供給量を減らすので、空気供給ファン１１３を駆動させる電力も少なくできる。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池システム１００において、発電始動する場合の作用について、図７に示されているフローチャートに基づき説明する。
【００３６】
燃料電池システム１００の始動時、つまり発電運転を開始する場合、まずシステム全体の状態をチェックし、異常が検知されなかった場合、空気供給を開始する（ステップＳ１０１）。空気供給は、空気供給ファン１１３を駆動させることにより開始される。空気供給ファン１１３の作動によって、空気供給系１１から燃料電池スタック１に空気が供給される。
【００３７】
次に、水素供給が開始される（ステップＳ１０３）。水素供給電磁弁１２６の開閉を制御することによって、水素調圧弁１２５によって調圧された水素圧の水素ガスが燃料電池スタック１に供給される。このステップＳ１０１とステップＳ１０３とによって、燃料電池スタック１に水素と、空気中の酸素が供給され、燃料電池スタック１では、水素と酸素が発電可能な状態となる。
【００３８】
リレー１４４をオンする（ステップＳ１０５）。これにより、燃料電池スタック１は、負荷系１４に電気的に接続され、発電が開始される。発電の開始とともに、発電時の反応熱により、各単位セル２から熱が発生する。電流センサＳ２と電圧センサＳ８により燃料電池スタック１からの出力電流の値と、出力電圧の値の検出が可能となる。リレー１４４をオンした時の燃料電池出力電流値Ｉｆｃを電流センサＳ２から取得し、また、このときの燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃを、温度検出手段としての温度センサＳ１１から取得する（ステップＳ１０７）。
【００３９】
燃料電池温度Ｔｆｃが所定の設定温度Ｔａより高いか判断する（ステップＳ１０９）。凍結判定手段は、ステップＳ１０９により構成される。設定温度Ｔａは、発電反応によって生ずる生成水が、電極付近で凍結する温度の範囲の中で、上限の値に設定されている。例えば、この実施形態では、摂氏５度に設定されている。生成水の凍結が生じると、固体高分子電解質膜２３への酸素の供給が、凍結した生成水によって妨げられ、発電しなくなる（又は、出力が極端に低下してしまう。）。このため、凍結が起こる温度範囲内で、この発明のシステムを作用させることが最も効果的である。設定温度Ｔａは、燃料電池から定格出力が得られる温度範囲の下限値に設定されていてもよい。この場合には、定格出力が得られる温度領域まで、燃料電池スタックの温度が到達する時間が短縮される。また、設定温度Ｔａは、燃料電池から定格出力が得られる温度範囲の下限値と、凍結が起こる温度範囲の上限値の間の値に設定されていてもよい。
【００４０】
燃料電池温度Ｔｆｃが設定温度Ｔａより高い場合には、図８に示されている電流密度と最適空気供給量の関係を示すマップにより、空気供給量を決定する（ステップＳ１１１）。図８は、燃料電池から出力される電流密度と、燃料電池に供給される空気供給量の関係を示すグラフである。電流密度・空気供給量曲線Ａは、最も発電効率の良い空気供給量を示す曲線である。燃料電池の発電効率は、電圧が高いほど良い。通常、燃料電池は、運転温度や電極の湿潤状態及び反応ガスの供給量などを調整して、発電効率が高くなるように制御される。ところが、出力電圧を高くするために、空気供給量を上げ過ぎると、空気を供給するために駆動している空気供給ファンなどの補機の消費電力が増大し、燃料電池システム全体の効率が低下する。そこで、最適な空気供給量が示されているのが、電流密度・空気供給量曲線Ａである。電流密度・空気供給量曲線Ｂは、燃料電池出力を空気供給ファン１１３等の補機に供給できる電圧を確保した上で、発熱量がより多く得られる空気供給量を示す曲線である。空気供給量は、発電反応必要量（ストイキ比１）に、設定空気ストイキ比を乗じて算出される。ここで、空気ストイキ比とは、燃料電池の発電に必要最低限の空気量を１とした場合の比である。
【００４１】
このように、ステップＳ１１１では、ステップＳ１０７で取得した燃料電池出力電流値Ｉｆｃと、電流密度・空気供給量曲線Ａから、空気供給量を決定する。
燃料電池温度Ｔｆｃが設定温度Ｔａより低い場合には、図８に示されているマップの電流密度・空気供給量曲線Ｂと、ステップＳ１０７で取得した燃料電池出力電流値Ｉｆｃとから、高い発熱量が得られる空気供給量を決定する（ステップＳ１１３）。燃料電池に対して同一の負荷電力が要求されている場合、低温状態では、空気供給量を低下し、効率を悪化させ発熱量を大きくする。
【００４２】
このような空気供給量とすることにより、燃料電池スタック１の温度が早期に上昇し、生成水の凍結が抑制される。なお、空気供給量の調節は、空気供給ファン１１３の吐出量を調整することにより行われる。燃料電池スタック１に送り込まれる空気の流量の低下は、燃料電池スタック１から流出する空気による排熱を抑制するので、このことによっても燃料電池スタック１の暖機が促進される。供給量調整手段は、ステップＳ１１３により構成される。
停止要求があったか判断する（ステップＳ１１５）。停止要求がない場合には、ステップＳ１０７からステップＳ１１３を実行する。停止要求があった場合には、停止処理ルーチンを実行する。
【００４３】
以上のような本発明の燃料電池システム１００は、暖機のための装置が不要であり、通常発電時に駆動している空気供給ファン１１３の吐出量を調整するのみで、暖機が可能となる。従って、搭載スペースの少ない車両等の移動体の電源として特に有用である。
尚、セパレータを金属で構成することによって、燃料電池スタック全体の熱容量が減少し、自立暖機が一層容易となるとともに、金属は、熱伝導率も高いため、燃料電池スタック全体を均一に暖め易くなるという利点がある。このような金属製セパレータを用いることで、本発明の効果が一層確実に発揮される。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、自立暖機が可能となるので、暖機のための装置を別個に設けることなく、生成水の凍結を抑制することができる。また、燃料電池自体が発熱することにより暖機が行われるので、全体を均一に温めることができ、熱媒体を介して暖機する従来の構成に比較して熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池スタックの全体斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの部分断面側面図である。
【図３】燃料電池スタックの平面断面図である。
【図４】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】燃料電池システムの発電開始時の制御を行う制御回路を示すブロック図である。
【図６】燃料電池の出力電流に対する、燃料電池の出力電圧、出力電力、発電反応によって発生する発熱量のそれぞれの関係を示すグラフである。
【図７】フローチャートである。
【図８】
電流密度と最適空気供給量の関係を示すマップである。
【符号の説明】
１００　燃料電池システム
１　燃料電池スタック
１１３　空気供給ファン
２　単位セル
３　セパレータ
３１　集電部材
３２　集電部材
６１　発電部
６３　集電体
６４　絶縁部材
６５　エンドプレート
Ｓ１１　温度センサ

Claims (1)

1. 水素と酸素を反応させることにより電流を発生させる燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給装置と、
   燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記供給装置による酸化剤ガス供給量を調節する供給量調整手段と、
   温度検出手段によって検出された燃料電池の検出温度が凍結温度であるか否かを判定する凍結判定手段とを備え、
   前記供給量調整手段は、検出温度が凍結温度より低い場合には、同一の負荷に対して高い温度である場合よりも、前記供給装置による酸化剤ガス供給量を少なくして発熱量がより増加するように設定する燃料電池システム。

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