JP2010027217A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを複雑化することなく燃料電池の暖機を行うことにより、低温時における燃料電池の始動を行う。
【解決手段】燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、燃料電池に供給される水素の一部を吸蔵することで発熱し、燃料電池と熱交換可能な水素吸蔵合金と、燃料電池の温度を測定する測定手段と、燃料電池の温度に応じて水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給を開始する制御手段と、を備え、制御手段は、燃料電池への水素の供給が開始された後の燃料電池の温度に応じて水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給圧力を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、発電時において水を発生する燃料電池及び燃料電池システムに関する。

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。例えば、固体高分子電解質膜型の燃料電池は、アノード電極に燃料ガスとして水素を供給し、カソード電極に酸化剤ガスとして酸素又は空気を供給することにより、電気化学反応にて電力を発電する。燃料電池は様々な環境状況にて使用され、氷点下雰囲気においては、燃料電池本体やガス供給流路の凍結を抑制するため、燃料電池本体を昇温させることが行われている。高圧水素タンクと燃料電池との間に水素吸蔵合金タンクを設置し、水素吸蔵合金タンクと燃料電池との間の熱交換を冷却液を介して行う技術がある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４−３０９７９号公報 特開２００４−５３２０８号公報 特開２００５−１７４７２４号公報

従来の技術では、水素吸蔵合金タンクを車体に設置するため、車体重量が重くなるとともに、コスト増にもなる。また、水素吸蔵合金タンクと燃料電池との間の熱交換を冷却液を介して行う場合、システムが複雑化する。本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、システムを複雑化することなく燃料電池の暖機を行うことにより、低温時における燃料電池の始動を行うことを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、燃料電池に供給される水素の一部を吸蔵することで発熱し、燃料電池と熱交換可能な水素吸蔵合金と、燃料電池の温度を測定する第１の測定手段と、燃料電池の温度に応じて水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給を開始する制御手段と、を備え、制御手段は、燃料電池への水素の供給が開始された後の燃料電池の温度に応じて水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給圧力を制御する燃料電池システムである。

上記燃料電池システムによれば、水素吸蔵合金は、燃料電池に供給される水素の一部を吸蔵することで発熱する。そのため、燃料電池への水素の供給を開始した場合、水素吸蔵合金と燃料電池との間で熱交換が行われることにより燃料電池は昇温する。水素吸蔵合金は、水素の印加圧力を増加すると発熱量も増加する傾向にある。水素吸蔵合金は燃料電池に供給される水素の一部を吸蔵するため、燃料電池への水素の供給圧力を増加すれば、水素吸蔵合金に対する水素の印加圧力も増加する。したがって、燃料電池への水素の供給圧力を制御することで、水素吸蔵合金の発熱量を制御することができる。そして、燃料電池への水素の供給圧力を制御することで、燃料電池を所望の温度まで上昇させることが可能となる。

また、上記燃料電池システムは、燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給手段を更に備え、制御手段は、燃料電池内の水素の圧力と空気の圧力とが同圧となるように、空気供給手段から燃料電池への空気の供給圧力を制御するようにしてもよい。上記燃料電池システムによれば、空気供給手段から燃料電池への空気の供給圧力を制御することで、燃
料電池内の水素の圧力と空気の圧力とを同圧にすることができる。これにより、燃料電池内の水素の圧力と空気の圧力との不均衡による燃料電池内の電解質膜の破損を抑制することが可能となる。

また、上記燃料電池システムは、燃料電池から送出される水素の送出を停止する停止手段を更に備え、水素吸蔵合金は燃料電池内に設けられてもよい。上記燃料電池システムによれば、燃料電池から送出される水素の送出を停止することにより、燃料電池内の水素の圧力を上昇させることができる。そして、燃料電池内に水素吸蔵合金が設けられることにより、水素吸蔵合金に対する水素の印加圧力をより速やかに増加することが可能となる。これにより、燃料電池への水素の供給圧力を増加させずに、水素吸蔵合金の発熱量を増加させることができる。

また、上記燃料電池システムは、燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給手段を更に備え、制御手段は、空気供給手段から燃料電池への空気の供給圧力を、水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給圧力と同圧に制御するようにしてもよい。上記燃料電池システムによれば、空気供給手段から燃料電池への空気の供給圧力を、水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給圧力と同圧に制御することで、燃料電池内の水素の圧力と空気の圧力とを同圧にすることができる。これにより、燃料電池内の水素の圧力と空気の圧力との不均衡による燃料電池内の電解質膜の破損を抑制することが可能となる。

また、上記燃料電池システムは、外気温度を測定する第２の測定手段を更に備え、制御手段は、外気温度に応じて水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給を開始するようにしてもよい。上記燃料電池システムによれば、外気温度を基準として水素貯蔵手段から燃料電池への水素の供給を開始することが可能となる。

本発明によれば、システムを複雑化することなく燃料電池の暖機を行うことにより、低温時における燃料電池の始動を行うが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを図１から図４を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタック１が有する燃料電池セル２を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタック１が有する燃料電池セル２の上面図である。

燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２が積層されて構成されている。燃料電池セル２は、セパレータ３、４、膜電極接合体（ＭＥＡ）５及び水素吸蔵合金６を有する。膜電極接合体５は、セパレータ３とセパレータ４との間に設けられている。水素吸蔵合金６は、膜電極接合体５とセパレータ４との間に設けられている。

膜電極接合体５は、電解質膜７、触媒層８、９及びガス拡散層１０、１１を有する。図１では、触媒層８は電解質膜７の表側に備え付けられており、触媒層９は電解質膜７の裏側に備え付けられている。触媒層９は電解質膜７の裏側に備え付けられているため、図１では図示されていない。

電解質膜７は、例えば、固体高分子膜である。触媒層８、９は、電解質膜７と接するよ
うに電解質膜７の両側にそれぞれ備え付けられる。触媒層８は、カソード（酸素極）として機能する。触媒層９は、アノード（水素極）として機能する。

ガス拡散層１０は、触媒層８と接するように膜電極接合体５とセパレータ３との間に設けられる。セパレータ３には、カソード側内部流路１２が形成されている。セパレータ３とガス拡散層１０とが近接して配置されることで、カソード側内部流路１２の内壁面の一部はセパレータ３によって構成され、カソード側内部流路１２の内壁面の他の一部はガス拡散層１０によって構成される。燃料電池スタック１に供給される空気（カソードガスともいう）は、図１の矢印Ａで示す方向に向かってカソード側内部流路１２を流通する。

ガス拡散層１１は、触媒層９と接するように膜電極接合体５セパレータ４との間に設けられる。セパレータ４には、アノード側内部流路１３が形成されている。セパレータ４と水素吸蔵合金６とが近接して配置されることで、アノード側内部流路１３の内壁面の一部はセパレータ４によって構成され、アノード側内部流路１３の内壁面の他の一部は水素吸蔵合金６によって構成される。燃料電池スタック１に供給される水素は、図１の矢印Ｂで示す方向に向かってアノード側内部流路１３を流通する。

触媒層９には、アノード側内部流路１３を流通する水素が水素吸蔵合金６及びガス拡散層１１を介して供給される。触媒層９では、水素から水素イオンが生成される。触媒層８には、カソード側内部流路１２を流通する空気がガス拡散層１０を介して供給される。燃料電池セル２では、水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。また、触媒層８では、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。

水素吸蔵合金６は、セパレータ４と接するように備え付けられる。例えば、水素吸蔵合金６をセパレータ４に貼り付けるようにしてもよい。また、セパレータ４のうちアノード側内部流路１３が形成されている箇所のみを覆うように水素吸蔵合金６を備え付けるようにしてもよい。

水素吸蔵合金６は、加圧又は冷却することにより水素を吸蔵し、減圧又は加熱することにより水素を放出する。また、水素吸蔵合金６は、水素の吸蔵時に発熱し、水素の放出時に吸熱する。水素吸蔵合金６は、供給される水素の圧力（印加される水素の圧力）が大きくなるにつれて発熱量が増加する。

本実施形態では、水素吸蔵合金６を膜電極接合体５とセパレータ４との間に設けているが、これに替えて、ガス拡散層１１の材料を水素吸蔵合金６としてもよい。すなわち、水素吸蔵合金６がガス拡散層１１の機能を果たすように燃料電池セル２を構成してもよい。水素吸蔵合金６がガス拡散層１１の機能を果たすように燃料電池セル２を構成することで、燃料電池セル２の小型化が可能である。燃料電池セル２を小型化することにより、燃料電池スタック１の小型化が可能である。また、水素吸蔵合金６を触媒層９に溶かし込むことで、水素吸蔵合金６と触媒層９とを一体化してもよい。

水素吸蔵合金６が水素を吸蔵する状態にある場合、水素吸蔵合金６はアノード側内部流路１３を流通する水素を吸蔵する。すなわち、水素吸蔵合金６はアノード側内部流路１３を流通する水素の一部を吸蔵して発熱する。そして、水素吸蔵合金６が水素を吸蔵する際に発生する熱は燃料電池セル２全体に伝達される。すなわち、水素吸蔵合金６が発生する熱は、燃料電池セル２と熱交換される。燃料電池セル２の温度が、水素吸蔵合金６の温度よりも低い場合には、水素吸蔵合金６の水素吸蔵に伴う発熱により燃料電池セル２の温度が上昇する。水素吸蔵合金６が水素を放出する状態にある場合、水素吸蔵合金６から放出される水素は膜電極接合体５及びアノード側内部流路１３に供給される。

図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１、水素タンク２０、アノードガス通路２１、アノードオフガス通路２２、アノードオフガス循環通路２３、入口側水素調圧弁２４、出口側水素調圧弁２５、気液分離器２６、ドレンタンク２７、排気排水弁２８、水素ポンプ２９、フィルタ３０、カソードガス通路３１、エアポンプ３２、入口側空気調圧弁３３、出口側空気調圧弁３４、セル温度センサ３５、圧力センサ３６、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３７、外気温度センサ３８及びカソードオフガス通路３９を備える。

水素タンク２０は、水素を貯蔵するとともに、アノードガス通路２１に水素を供給する。アノードガス通路２１は、水素を燃料電池スタック１に供給するための通路である。燃料電池スタック１に供給される水素は、入口側水素調圧弁２４により所定圧力に調整される。すなわち、燃料電池スタック１への水素の供給圧力は、入口側水素調圧弁２４の開度によって制御される。入口側水素調圧弁２４の開度の制御は、電子制御ユニット３７からの制御信号によって行われる。

燃料電池スタック１に供給された水素のうち未反応の水素及び触媒層８から透過する窒素等を含むガス（以下、アノードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路２２に送出される。アノードオフガス通路２２に送出されるアノードオフガスは、出口側水素調圧弁２５により所定圧力に調整される。すなわち、アノードオフガス通路２２へのアノードオフガスの送出圧力は、出口側水素調圧弁２５の開度によって制御される。出口側水素調圧弁２５の開度の制御は、電子制御ユニット３７からの制御信号によって行われる。

燃料電池スタック１から送出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路２２及びアノードオフガス循環通路２３を通り、水素タンク２０から供給される水素とともに再び燃料電池スタック１へ供給される。また、アノードオフガス通路２２は、燃料電池スタック１から送出されたアノードオフガスを気液分離器２６に供給する。

アノードオフガス通路２２に設けられた気液分離器２６は、燃料電池スタック１から送出されたアノードオフガスに含まれる水と水素とを分離する。気液分離器２６にて水が分離された水素は、水素ポンプ２９によりアノードオフガス循環通路２３を通り、アノードガス通路２１に供給される。アノードオフガス循環通路２３は、水素ポンプ２９から送出される水素をアノードガス通路２１に供給するための通路である。アノードオフガス通路２２及びアノードオフガス循環通路２３により、燃料電池システムの循環経路が構成されている。

ドレンタンク２７は、気液分離器２６が分離した水を貯留する。排気排水弁２８の開閉を行うことにより、ドレンタンク２７に貯留されている水はカソードオフガス通路３９に送出されるとともに、アノードオフガス中の不純物（Ｎ₂）を循環経路から排出すること
が可能である。カソードオフガス通路３９に送出された水は外気に排出される。また、排気排水弁２８は、ドレンタンク２７に貯留される水が溢れないように、あるいは不純物の濃度が高くならないように適度に開閉される。

カソードガス通路３１は、空気を燃料電池スタック１に供給するための通路である。エアポンプ３２が駆動することにより、フィルタ３０を介して燃料電池システム外から吸入される空気が燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される空気は、入口側空気調圧弁３３により所定圧力に調整される。すなわち、燃料電池スタック１への空気の供給圧力は、入口側空気調圧弁３３の開度によって制御される。入口側空気調圧
弁３３の開度の制御は、電子制御ユニット３７からの制御信号によって行われる。

また、燃料電池スタック１に供給された空気のうち未反応の空気（カソードオフガスともいう）は、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９に送出される。カソードオフガス通路３９に送出される空気は、出口側空気調圧弁３４により所定圧力に調整される。すなわち、カソードオフガス通路３９への空気の送出圧力は、出口側空気調圧弁３４の開度によって制御される。出口側空気調圧弁３４の開度の制御は、電子制御ユニット３７からの制御信号によって行われる。

電子制御ユニット３７は、入口側水素調圧弁２４、出口側水素調圧弁２５、入口側空気調圧弁３３、出口側空気調圧弁３４、セル温度センサ３５、圧力センサ３６及び外気温度センサ３８とそれぞれ電気的に接続されている。電子制御ユニット３７は、その内部にＣＰＵ（Central Processing Unit）や不揮発性のＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えて
おり、ＣＰＵはＲＯＭに記録される制御プログラムに従って各種の処理を実行する。電子制御ユニット３７は、セル温度センサ３５、圧力センサ３６及び外気温度センサ３８の駆動を制御する。また、電子制御ユニット３７は、入口側水素調圧弁２４、出口側水素調圧弁２５、入口側空気調圧弁３３及び出口側空気調圧弁３４の駆動及び開度を制御する。

セル温度センサ３５は、燃料電池セル２の温度を継続的又は定期的に測定する。セル温度センサ３５によって測定される燃料電池セル２の温度のデータは、電子制御ユニット３７に送られる。燃料電池セル２が複数ある場合、電子制御ユニット３７に送られる燃料電池セル２の温度のデータは、個々のデータ、平均値のデータであってもよい。また、セル温度センサ３５は、燃料電池スタック１の温度を測定することにより、複数の燃料電池セル２の温度として、電子制御ユニット３７にデータを送るようにしてもよい。

圧力センサ３６は、燃料電池セル２内の圧力を継続的又は定期的に測定する。より詳細には、圧力センサ３６は、アノード側内部流路１３の内圧及びカソード側内部流路１２の内圧を継続的又は定期的に測定する。圧力センサ３６によって測定されるアノード側内部流路１３の内圧のデータは、電子制御ユニット３７に送られる。また、圧力センサ３６によって測定されるカソード側内部流路１２の内圧のデータは、電子制御ユニット３７に送られる。

外気温度センサ３８は、外気温度を継続的又は定期的に測定する。外気温度センサ３８によって測定される外気温度のデータは、電子制御ユニット３７に送られる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムによる燃料電池スタック１の暖機処理（以下、単に「暖機処理」という）の原理について説明する。暖機処理は、燃料電池スタック１内の燃料電池セル２の温度を上昇させる処理である。なお、暖機処理を行っている間は、燃料電池スタック１の発電は行わないようにしておく。以下、燃料電池スタック１に発電を行わせる処理を発電処理という。

暖機処理を行う場合、電子制御ユニット３７は、入口側水素調圧弁２４の開度を制御し、アノードガス通路２１から燃料電池スタック１へ水素を供給する。そして、電子制御ユニット３７は、出口側水素調圧弁２５の開度を制御し、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路２２へのアノードオフガスの送出を停止する。

燃料電池スタック１からアノードオフガス通路２２へのアノードオフガスの送出を停止した状態で、アノードガス通路２１から燃料電池スタック１へ水素を供給すると、燃料電池セル２のアノード側内部流路１３の内圧が上昇する。すなわち、アノード側内部流路１３を流通する水素の圧力が上昇する。燃料電池セル２のアノード側内部流路１３の内圧が
一定値を超えると、水素吸蔵合金６はアノード側内部流路１３を流通する水素を吸蔵して発熱する。水素吸蔵合金６が発生する熱は燃料電池セル２に伝達される。燃料電池セル２の温度が、水素吸蔵合金６の温度よりも低い場合には燃料電池セル２の温度が上昇する。

暖機処理における燃料電池スタック１への水素の供給について説明する。暖機処理の開始時の燃料電池スタック１への水素の供給圧力は所定圧力Ｐ１とする。所定圧力Ｐ１は、燃料電池セル２のアノード側内部流路１３の内圧が上昇し、水素吸蔵合金６が発熱を開始する場合の水素の供給圧力の下限値である。所定圧力Ｐ１は、予め実験又はシミュレーションによって求めておけばよい。所定圧力Ｐ１のデータは、電子制御ユニット３７が備えるＲＯＭに記録しておく。

電子制御ユニット３７は、セル温度センサ３５から燃料電池セル２の温度のデータを所定間隔で取得する。また、電子制御ユニット３７は、セル温度センサ３５から燃料電池セル２の温度のデータを連続的に取得してもよい。そして、電子制御ユニット３７は、燃料電池セル２の温度が上昇しているか否かを判定する。燃料電池セル２の温度が上昇している場合には、燃料電池スタック１への水素の供給圧力を維持する。

一方、燃料電池セル２の温度が上昇していない場合には、燃料電池スタック１への水素の供給圧力を増加する。燃料電池スタック１への水素の供給圧力を増加することにより、水素吸蔵合金６への水素の印加圧力（供給圧力）が増加する。そのため、燃料電池スタック１への水素の供給圧力を増加する前よりも、水素吸蔵合金６の発熱量は増加する。

電子制御ユニット３７は、入口側水素調圧弁２４の開度を制御することにより、燃料電池スタック１への水素の供給圧力を増加させる。この場合、燃料電池セル２の温度が上昇するように、燃料電池スタック１への水素の供給圧力を増加させる。すなわち、電子制御ユニット３７は、セル温度センサ３５から取得する燃料電池セル２の温度のデータを参照しながら、燃料電池スタック１への水素の供給圧力の増加の制御を行う。

なお、暖機処理の開始時の燃料電池スタック１への水素の供給圧力を、電解質膜７の破損等が起こらない範囲で可能な限り高く設定してもよい。高圧の水素を燃料電池スタック１へ供給するほど、水素吸蔵合金６の発熱量が増加し、燃料電池セル２の温度上昇が速やかに行われる。

また、暖機処理を行う場合、電子制御ユニット３７は、入口側空気調圧弁３３の開度を制御し、カソードガス通路３１から燃料電池スタック１へ空気を供給する。そして、電子制御ユニット３７は、出口側空気調圧弁３４の開度を制御し、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９のカソードオフガスの送出を停止する。なお、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９のカソードオフガスの送出を停止しないようにしてもよい。

燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９へのカソードオフガスの送出を停止した状態で、カソードガス通路３１から燃料電池スタック１へ空気を供給すると、燃料電池セル２のカソード側内部流路１２の内圧が上昇する。すなわち、燃料電池セル２のカソード側内部流路１２を流通する空気の圧力が上昇する。

この場合、アノード側内部流路１３の内圧とカソード側内部流路１２の内圧とが同圧となるようにする。アノード側内部流路１３の内圧がカソード側内部流路１２の内圧よりも高い場合又はカソード側内部流路１２の内圧がアノード側内部流路１３の内圧よりも高い場合、電解質膜７が破損する可能性がある。アノード側内部流路１３の内圧とカソード側内部流路１２の内圧とが同圧となるようにすることにより、電解質膜７の破損を回避する
ことが可能となる。

電子制御ユニット３７は、圧力センサ３６からアノード側内部流路１３の内圧のデータ及びカソード側内部流路１２の内圧のデータを取得する。電子制御ユニット３７は、アノード側内部流路１３の内圧のデータとカソード側内部流路１２の内圧のデータとを比較する。

そして、電子制御ユニット３７は、入口側空気調圧弁３３の開度を制御し、アノード側内部流路１３の内圧とカソード側内部流路１２の内圧とが同圧となるように、空気の供給圧力を調整する。また、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９へのカソードオフガスの送出を停止しない状態で、カソードガス通路３１から燃料電池スタック１へ空気を供給する場合も、電子制御ユニット３７は同様の制御を行う。

暖機処理を終了して燃料電池スタック１の通常運転を開始する場合、電子制御ユニット３７は、出口側水素調圧弁２５の開度を制御し、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路２２へのアノードオフガスの送出を開始する。そして、電子制御ユニット３７は、出口側空気調圧弁３４の開度を制御し、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９へのカソードオフガスの送出を開始する。

なお、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路２２へのアノードオフガスの送出を停止しない状態で、アノードガス通路２１から燃料電池スタック１へ水素を供給してもよい。この場合、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路３９へのカソードオフガスの送出を停止しない状態で、カソードガス通路３１から燃料電池スタック１へ空気を供給する。

そして、上記の場合、電子制御ユニット３７は、燃料電池スタック１への空気の供給圧力が水素の供給圧力と同圧となるように、空気の供給圧力を制御する。燃料電池スタック１への空気の供給圧力については、水素吸蔵合金６の発熱によって燃料電池セル２が昇温するのに必要十分な値となるように、入口側空気調圧弁３３の開度を調整すればよい。

図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して始動開始の処理が行われた場合に図４の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがＯＮにされた場合、電子制御ユニット３７は、燃料電池システムの始動開始の指令があったと判断し、図４の処理を実効してもよい。

セル温度センサ３５は、燃料電池セル２の温度の測定を開始する。外気温度センサ３８は、外気温度の測定を開始する（Ｓ０１）。セル温度センサ３５による燃料電池セル２の温度の測定の開始は、電子制御ユニット３７からの開始信号によって行われる。また、外気温度センサ３８による外気温度の測定の開始は、電子制御ユニット３７からの開始信号によって行われる。電子制御ユニット３７は、セル温度センサ３５が測定した燃料電池セル２の温度のデータをセル温度センサ３５から取得する。また、電子制御ユニット３７は、外部温度センサが測定した外気温度のデータを外気温度センサ３８から取得する。

そして、電子制御ユニット３７は、燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ１以下であるか否かを判定する（Ｓ０２）。例えば、所定の閾値Ｔ１を０℃としてもよい。燃料電池セル２内部に存在する水が凍結すると、触媒層８への空気の供給及び触媒層９への水素の供給が妨げられ、発電効率が低下又は発電が行われなくなる。したがって、所定の閾値Ｔ１を、燃料電池セル２内部に存在する水が凍結する温度範囲の上限値としてもよい。燃料電池セル２内部に存在する水が凍結する温度範囲は、予め実験又はシミュレーションにより
求めておけばよい。

燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ１以下である場合（Ｓ０２の処理でＹＥＳ）、電子制御ユニット３７は、暖機処理を開始する（Ｓ０３）。

一方、燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ１以下でない場合（Ｓ０２の処理でＮＯ）、電子制御ユニット３７は、外気温度が所定の閾値Ｔ２以下であるか否かを判定する（Ｓ０４）。例えば、所定の閾値Ｔ２を０℃としてもよい。また、所定の閾値Ｔ２を、燃料電池セル２内部に存在する水が凍結する温度範囲の上限値としてもよい。

外気温度が所定の閾値Ｔ２以下である場合（Ｓ０４の処理でＹＥＳ）、Ｓ０３の処理に進む。すなわち、電子制御ユニット３７は、暖機処理を開始する。

一方、外気温度が所定の閾値Ｔ２以下でない場合（Ｓ０４の処理でＮＯ）、電子制御ユニット３７は、暖機処理を行わずに燃料電池スタック１の通常運転を開始する（Ｓ０５）。

暖機処理を開始する場合、電子制御ユニット３７は、セル温度センサ３５が測定した燃料電池セル２の温度のデータをセル温度センサ３５から取得する。次に、電子制御ユニット３７は、燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ３以上であるか否かを判定する（Ｓ０６）。

所定の閾値Ｔ３を、燃料電池セル２内部に存在する水が凍結しない温度範囲の下限値としてもよい。また、所定の閾値Ｔ３を、燃料電池スタック１から定格出力を得ることができる温度範囲の下限値としてもよい。また、所定の閾値Ｔ３を、燃料電池スタック１から定格出力を得ることができる温度範囲の下限値と、燃料電池セル２内部に存在する水が凍結しない温度範囲の下限値の間に設定してもよい。

燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ３以上である場合（Ｓ０６の処理でＹＥＳ）、電子制御ユニット３７は、暖機処理を終了する（Ｓ０７）。そして、電子制御ユニット３７は、燃料電池スタック１の通常運転を開始する（Ｓ０８）。

一方、燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ３以上でない場合（Ｓ０７の処理でＮＯ）、燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ３以上となるまで、電子制御ユニット３７は、燃料電池セル２の温度のデータの取得及び燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ３以上であるか否かの判定を繰り返す。

なお、電子制御ユニット３７の処理で、図４のＳ０２及びＳ０４の処理の双方が必須ということではなく、いずれか一方だけの判定にしたがって、暖機処理を開始するようにしてもよい。

本実施形態によれば、暖機処理を開始した場合、水素吸蔵合金６が発熱状態となる圧力の空気が燃料電池スタック１に供給される。水素吸蔵合金６の発熱により燃料電池セル２が昇温する。したがって、燃料電池セル２内部に存在する水が凍結するような低温時であっても、燃料電池スタック１の暖機を速やかに行うことができる。そして、本実施形態形態は、燃料電池セル２内に水素吸蔵合金６を備えるという簡易な構造であるとともに、燃料電池セル２に供給する水素の圧力を制御するため、燃料電池システムを複雑化することなしに、燃料電池セル２を所望の温度まで上昇させることが可能となる。

〈変形例〉
図４に示す燃料電池システムの処理におけるＳ０７の処理では、燃料電池セル２の温度が所定の閾値Ｔ３以上である場合、暖機処理を終了させた。これに替えて、暖機処理の開始からの経過時間が所定時間ｈに達した場合、暖機処理を終了させるようにしてもよい。

この場合、暖機処理の開始時における燃料電池スタック１に供給する水素の供給圧力を所定圧力Ｐ２に変更する。所定圧力Ｐ２は、燃料電池スタック１に供給する水素の供給圧力を電解質膜７の破損等が起こらない範囲で可能な限り高く設定した値である。所定圧力Ｐ２は、予め実験又はシミュレーションによって求めておけばよい。所定圧力Ｐ２のデータは、電子制御ユニット３７が備えるＲＯＭに記録しておく。

ここで、電子制御ユニット３７は、所定時間ｈを次のように算出してもよい。まず、所定の閾値Ｔ１に相当する温度から所定の閾値Ｔ３に相当する温度まで燃料電池セル２を昇温させるのに必要な熱量ＨＭ１を算出する。例えば、熱量ＨＭ１は、燃料電池セル２の温度を上昇させるのに必要な熱量（ｋＪ／℃）に、所定の閾値Ｔ３から所定の閾値Ｔ１を引いた値をかけることにより算出する。

そして、熱量ＨＭ１（ｋＪ）を熱量ＨＭ２（ｋＪ／ｈ）で割ることにより所定時間ｈを算出する。熱量ＨＭ２（ｋＪ／ｈ）は、所定圧力Ｐ２で燃料電池スタック１に水素を供給する場合の単位時間当たりの水素吸蔵合金６の発熱量（ｋＪ）である。熱量ＨＭ２（ｋＪ／ｈ）は、予め実験又はシミュレーションによって求めておけばよい。熱量ＨＭ２（ｋＪ／ｈ）のデータは、電子制御ユニット３７が備えるＲＯＭに記録しておく。

本実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタック１が有する燃料電池セル２を示す斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池スタック１が有する燃料電池セル２の上面図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの処理の流れを示す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 燃料電池セル
３、４ セパレータ
５ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
６ 水素吸蔵合金
７ 電解質膜
８、９ 触媒層
１０、１１ ガス拡散層
１２ カソード側内部流路
１３ アノード側内部流路
２０ 水素タンク
２１ アノードガス通路
２２ アノードオフガス通路
２３ アノードオフガス循環通路
２４ 入口側水素調圧弁
２５ 出口側水素調圧弁
２６ 気液分離器
２７ ドレンタンク
２８ 排気排水弁
２９ 水素ポンプ
３０ フィルタ
３１ カソードガス通路
３２ エアポンプ
３３ 入口側空気調圧弁
３４ 出口側空気調圧弁
３５ セル温度センサ
３６ 圧力センサ
３７ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３８ 外気温度センサ
３９ カソードオフガス通路

Claims (5)

1. 水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
   水素を貯蔵する水素貯蔵手段と、
   前記燃料電池に供給される水素の一部を吸蔵することで発熱し、前記燃料電池と熱交換可能な水素吸蔵合金と、
   前記燃料電池の温度を測定する第１の測定手段と、
   前記燃料電池の温度に応じて前記水素貯蔵手段から前記燃料電池への水素の供給を開始する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池への水素の供給が開始された後の前記燃料電池の温度に応じて前記水素貯蔵手段から前記燃料電池への水素の供給圧力を制御する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池内の水素の圧力と空気の圧力とが同圧となるように、前記空気供給手段から前記燃料電池への空気の供給圧力を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池から送出される空気の送出を停止する停止手段を更に備え、
   前記水素吸蔵合金は前記燃料電池内に設けられる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池に酸素を含む空気を供給する空気供給手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記空気供給手段から前記燃料電池への空気の供給圧力を、前記水素貯蔵手段から前記燃料電池への水素の供給圧力と同圧に制御する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 外気温度を測定する第２の測定手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記外気温度に応じて前記水素貯蔵手段から前記燃料電池への水素の供給を開始する請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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