JP2007042313A - 燃料電池システム及び蓄電装置の充電量調整方法 - Google Patents

燃料電池システム及び蓄電装置の充電量調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】氷点下時に、イグニッションスイッチがオン状態とされてから短時間後にオフ状態とされた場合においても、燃料電池システムの次回の氷点下起動を確実に行えるようにする。
【解決手段】氷点下時に、イグニッションスイッチがオン状態（ｔ０）とされてから短時間後にオフ状態（ｔ１）とされた場合を検出したとき、キャパシタの充電閾値を充電閾値Ｃと多い量に持ち替えて充電し（ｔ１〜ｔ２）、このキャパシタにより十分な時間掃気処理を行う。そして、燃料電池システムの次回の氷点下起動時に、このキャパシタの電力により燃料電池をヒータ等で速暖させることにより燃料電池システムの起動が確実に行える。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池と、この燃料電池の出力を補助するとともに、この燃料電池の発電電流により充電される蓄電装置とを備える燃料電池システム及び蓄電装置の充電量調整方法に関し、特に、燃料電池システムの発電停止時に、アノード系を空気により掃気して氷点下起動等の低温時起動に備える燃料電池システム及び蓄電装置の充電量調整方法に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。水分は、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因としてアノード電極にも貯留される。
水分がいずれかの電極において過多状態になると、水詰まり状態を起こすことがあり、そこで、このような燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時あるいは運転終了時に、カソード電極ばかりではなくアノード電極にも酸化剤ガスを流通させ、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去する掃気処理技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３３１８９３号公報
ところで、このアノード電極側及び（又は）カソード電極側の掃気処理を行うを行うためには、燃料電池以外のエネルギ源が必要であり、このため、燃料電池システムには、キャパシタやバッテリ等、燃料電池の出力を補助する蓄電装置が搭載されている。
そして、イグニッションスイッチをオフ状態（発電停止要求）としたときに、燃料電池システムでは、次回の再起動に備えて、蓄電装置のエネルギを利用する前記の掃気処理が行われて、燃料電池システムがシステム停止状態とされる。
しかしながら、燃料電池システムのシステム停止後に、外気温が下がり、燃料電池システムを氷点下等の低温時に起動する必要が生じた場合において、掃気処理を行ったこと等を原因とする蓄電装置の残容量の低下のために、氷点下等の低温時に燃料電池システムを再起動することが困難になる場合があることが分かった。
そしてさらに、氷点下等の低温時に燃料電池システムを起動したとき、燃料電池が暖機される前に、運転者の都合等によりイグニッションスイッチがオフ状態にされる可能性もあり、このような、低温時一時起動後停止操作（例えば、氷点下起動後に発電短時間にてシステムを停止させる操作、換言すれば、氷点下でちょっと起動した後すぐに停止させる操作）をした場合には、上記した電解質膜の活性が十分になされないこと等を原因として、上記の掃気処理をさらに長い時間行わないと燃料電池システムが不安定になる場合があることが分かった。したがって、このような、低温時一時起動後停止操作がなされた場合には、蓄電装置のさらなる残容量の低下のために、氷点下等の低温時に燃料電池システムを再起動することが一層困難になる場合があることが分かった。
この発明は、上記した課題を考慮してなされたものであって、低温時一時起動後停止操作が行われた場合であっても、掃気処理が確実に行え、かつ氷点下等の低温時に確実な起動を可能とする燃料電池システム及び蓄電装置の充電量調整方法を提供することを目的とする。
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
この発明に係る燃料電池システム（１０）は、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池の出力を補助するとともに、前記燃料電池により充電される蓄電装置（１６）と、前記蓄電装置の出力により、低温時に前記燃料電池を起動できるようにする低温時起動対策手段（７０，６４，５４）と、前記燃料電池が起動されて発電運転中に発電停止要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度が所定温度（Ｔｔｈ２）以下であって、かつ前記発電停止要求に先立つ前記起動が低温時起動されたときであるときに、前記発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定する低温時一時起動後停止判定手段（７０）と、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定されたとき、前記蓄電装置の発電停止時における充電量を、常温運転停止時に比較して多くする充電量調整手段（７０）と、を備える。
この発明によれば、燃料電池が起動されて発電運転中に発電停止要求を受けた場合に、低温時一時起動後停止判定手段は、前記燃料電池の温度が所定温度以下であって、かつ前記発電停止要求に先立つ起動が、低温時起動されたときであるときに、前記発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定する。そして、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定されたとき、充電量調整手段が、蓄電装置の発電停止時における充電量を、常温運転停止時に比較して多くするように調整しているので、低温時一時起動後停止操作が行われた場合であっても、蓄電装置により掃気処理が確実に行え、かつ氷点下等の低温時における次回の起動を確実に行える。
なお、充電量調整手段による充電量を、「低温時一時起動後停止時充電量（Ｃ）＞低温時起動後停止時充電量（Ｂ）＞常温運転停止時充電量（Ａ）」の大小関係に設定することで、各判定条件下で、発電停止要求を受けた後の蓄電装置の充電時間を必要最小限の時間に設定することができる。
上記の低温時一時起動後停止判定手段は、さらに、前記発電停止要求に先立つ前記起動時における前記燃料電池の温度（Ｔｘｓｔａｒｔ）が、第１閾値温度（Ｔｔｈ１）以下であって、かつ前記発電停止要求を受けたときの前記燃料電池の前記温度Ｔｘｓｔｏｐが、前記第１閾値温度を上回る第２閾値温度（Ｔｔｈ２）以下である場合に、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定することで、より確実に判定することができる。
この発明に係る蓄電装置の充電量調整方法は、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池の出力を補助するとともに、前記燃料電池により充電される蓄電装置（１６）と、前記蓄電装置の出力により、低温時に前記燃料電池を起動できるようにする低温時起動対策手段（７０，６４，５４）と、を備える燃料電池システムにおける前記蓄電装置の充電量調整方法であって、前記燃料電池が起動されて発電運転中に発電停止要求を受けた場合に（Ｓ５；ＹＥＳ）、前記燃料電池の温度が所定温度（Ｔｔｈ２）以下であって、かつ前記発電停止要求に先立つ前記起動が低温時起動されたときであるときに、前記発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定する低温時一時起動後停止判定ステップ（Ｓ１０ａ，Ｓ１０ｂ；ＹＥＳ，Ｓ１０ｃ）と、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定されたとき、前記蓄電装置の発電停止時における充電量を、常温運転停止時に比較して多くする充電量調整ステップ（Ｓ１０ｆ）と、を備える。
この発明によれば、燃料電池が起動されて発電運転中に発電停止要求を受けた場合に、低温時一時起動後停止判定ステップにおいて、燃料電池の温度が所定温度以下であって、かつ前記発電停止要求に先立つ起動が、低温時起動されたときであるときに、前記発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定する。そして、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定されたとき、充電量調整ステップにおいて、蓄電装置の発電停止時における充電量を、常温運転停止時に比較して多くするように調整しているので、低温時一時起動後停止操作が行われた場合であっても、蓄電装置により掃気処理が確実に行え、かつ氷点下等の低温時における次回の起動を確実に行える。
なお、充電量調整ステップにおける充電量を、低温時一時起動後停止時充電量（Ｃ）＞低温時起動後停止時充電量（Ｂ）＞常温運転停止時充電量（Ａ）の大小関係に設定することで、各判定条件下で、発電停止要求を受けた後の蓄電装置の充電時間を必要最小限の時間に設定することができる。
上記の低温時一時起動後停止判定ステップでは、さらに、前記発電停止要求に先立つ前記起動時における前記燃料電池の温度（Ｔｘｓｔａｒｔ）が、第１閾値温度（Ｔｔｈ１）以下であって、かつ前記発電停止要求を受けたときの前記燃料電池の前記温度Ｔｘｓｔｏｐが、前記第１閾値温度を上回る第２閾値温度（Ｔｔｈ２）以下である場合に、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定することで、より確実に判定することができる。
この発明によれば、燃料電池システムにおいて、低温時一時起動後停止操作が行われた場合に、蓄電装置の充電量を通常発電停止よりも多くするようにしているので、掃気処理が確実に行え、かつ氷点下等の低温時に次回の起動が確実に行える。
その結果、常温時の発電停止時における掃気時間は、必要最小限まで短縮することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を備える燃料電池車両１２の概略構成図である。
この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４の発電電流Ｉｆにより充電される蓄電装置であるキャパシタ１６と、走行用の駆動モータ等の負荷１８と、エアコンプレッサ３６等の補機とから構成される。蓄電装置としては、キャパシタ１６以外にバッテリに代替することも可能であり、両方を用いることもできる。
燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。
燃料電池１４には、この燃料電池１４に燃料ガス、例えば水素（Ｈ2）ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２２と、燃料電池１４に、酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ2）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。
なお、水素排出口２２と空気排出口２６の近傍には、水素排出口２２内のガスの温度Ｔｈと、空気排出口２６内のガスの温度Ｔｏを測定する温度センサ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ）７１、７２が取り付けられている。また、図示はしないが、燃料電池１４内には冷媒通路も設けられており、この冷媒通路の出口側近傍にも前記冷媒の温度を測定する温度センサが取り付けられている。
水素供給口２０には、水素供給流路２８が連通される。この水素供給流路２８には、エゼクタ４８が設けられ、このエゼクタ４８は、高圧水素を貯留する水素タンク４２から水素供給弁４４を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路２８及び水素供給口２０を通じて燃料電池１４に供給するとともに、燃料電池１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを水素排出口２２に連通する水素循環流路４６から吸引して燃料電池１４に再供給する。
水素循環流路４６には、アノード電極に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に混入した窒素ガスを含む燃料ガスを水素パージ流路３２及び図示しない希釈ボックスを介して外部に排出して発電安定性を確保するため通常発電運転時に適宜開放される水素パージ弁３０が設けられる他、水素循環流路４６の図示しないキャッチタンクに溜まった水を水排出流路５２を介して大気に排出するためのドレイン弁５０や、アノード電極やセパレータに留まる水や残留燃料ガスを掃気処理時に水素供給口２０から取り入れた空気とともに水素排出口２２から空気排出流路５８を通じて外気に排出するために開放される空気排出弁５６が設けられている。
なお、空気排出弁５６、空気導入弁５４、及び水素パージ弁３０は、それぞれオンオフ弁である。
一方、空気供給口２４には、空気供給流路３４が連通され、この空気供給流路３４には、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となったエアコンプレッサ３６が接続される。
また、空気排出口２６には、エアコンプレッサ３６から空気供給流路３４及び空気供給口２４を通じて燃料電池１４に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁３８が設けられ、燃料電池１４の空気排出口２６は、この背圧制御弁３８を介し空気排出流路４０を通じて大気に連通している。
さらに、燃料電池１４の水素供給流路２８と空気供給流路３４との間には、空気導入流路５３を介して水素供給口２０に圧縮空気を導入する、いわゆるアノード掃気処理時に開放される空気導入弁５４が設けられる。
さらに、燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２には、制御装置７０が設けられ、この制御装置７０により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の全ての動作が制御される。
制御装置７０は、コンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置７０は、低温時起動対策手段、低温時一時起動後停止判定手段、充電量調整手段、閾値持替手段、キャパシタ残容量検出（算出）手段、計時手段（カウンタ・タイマ）等として機能する。
なお、図１において、太い実線は電力線を示し、点線は制御線等の信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。
燃料電池システム１０の通常発電運転時には、制御装置７０による弁制御により、基本的には、水素供給弁４４は開放され背圧制御弁３８が適量に開いた状態になっており、水素パージ弁３０及びドレイン弁５０は適宜開かれるが通常は閉じた状態となっており、さらに、空気導入弁５４及び空気排出弁５６は、閉じた状態になっている。
この通常発電運転時において、燃料電池１４のカソード電極にエアコンプレッサ３６から空気（酸素）が供給される一方、アノード電極に高圧水素タンク４２から水素ガスが供給されると、アノード電極側で水素がイオン化され、水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に発生した電子が外部回路に発電電流Ｉｆとして取り出される。
このようにして、供給される両反応ガスにより燃料電池１４が発電する通常発電運転時に、燃料電池１４から取り出された発電電流Ｉｆは、燃料電池１４の電流・電圧センサ６０を介して負荷（電気負荷）１８及びエアコンプレッサ３６（のエアコンプレッサ用駆動モータ）に供給されるとともに、キャパシタ１６の電流・電圧センサ６２を介してキャパシタ１６に供給されキャパシタ１６が充電される。なお、キャパシタ１６の残容量は、電流・電圧センサ６２の出力に基づき制御装置７０に管理され、記憶される。
キャパシタ１６は、例えば電気二重層コンデンサとされ、制御装置７０の制御下に、燃料電池１４の発電電流Ｉｆで充電される。そして、主に、燃料電池１４の発電停止時に、キャパシタ１６に蓄えられた電力が負荷１８及びエアコンプレッサ３６に供給されるとともに、次回の氷点下等の低温起動時に燃料電池１４を暖めるヒータ６４に供給されるように制御され、燃料電池１４の出力を補助する。なお、燃料電池車両１２の減速時に駆動輪から負荷１８である駆動用モータに駆動力が伝達されると、駆動モータは発電機として機能し、いわゆる回生制動力を発生する。これにより、車体の運動エネルギを電気エネルギとして回収することができ、負荷１８側からキャパシタ１６に電気エネルギが回生（蓄電）される。
通常発電運転時に、この燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２において、制御装置７０は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速Ｖｓ等から必要電力を算出し、この算出した必要電力に基づいて燃料電池１４、負荷１８、エアコンプレッサ３６及び背圧制御弁３８等にそれぞれ制御信号を送出する等の各種制御を行う。また、制御装置７０は、負荷１８の制御及び氷点下起動制御等の低温時起動制御を確実に実施するために、電流・電圧センサ６０、６２、キャパシタ１６の温度センサ７３（蓄電装置温度検出手段）、外気温センサ７４及び温度センサ７１、７２から、それぞれ、発電電流Ｉｆ、キャパシタ１６に流れ込む電流、キャパシタ１６の電圧Ｖｃ、キャパシタ１６の温度Ｔｃ、外気温Ｔａ、水素排出口２２内のガス温度Ｔｈ、空気排出口２６内のガスの温度Ｔｏの各信号を取り込む。これらの信号に基づき、制御装置７０は、キャパシタ１６の残容量及び必要残容量を、常時把握するようにしている。
さらに、制御装置７０には、燃料電池車両１２及び燃料電池システム１０の起動信号（始動信号）及び停止信号を出力するイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ；ＩＧＮ）７６が接続されている。
基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２の動作について、図２、図３に示すフローチャート及び図４に示すタイムチャートに基づいて説明する。なお、図４に示すタイムチャートは、後述するように、低温時一時起動後停止判定手段による判定が成立した場合の動作説明に供されるタイムチャートである。
ステップＳ１において、制御装置７０が燃料電池システム１０（燃料電池車両１２）の起動信号であるイグニッションスイッチ７６のオン信号（オフからオンに遷移する信号）を検出したとき（タイムチャートの時点ｔ０参照）、ステップＳ２において、運転開始時刻（起動時刻）ｔｓｔａｒｔ＝ｔ０を記憶する（タイマをスタートさせる）とともに、この起動時における温度Ｔｘｓｔａｒｔ（上述した水素排出口２２内のガスの温度Ｔｈ、空気排出口２６内のガスの温度Ｔｏ又は、図示していない冷媒通路の出口側近傍の前記冷媒の温度のいずれか、又は複数）を温度センサ７１、７２から取り込む。ここでは、水素排出口内ガス温度（起動時温度という。）Ｔｈを測定して取り込み、起動時温度Ｔｈ＝Ｔｘｓｔａｒｔとする。
次いで、ステップＳ３において、上述した燃料電池１４の通常発電動作が実施される。なお、外気温センサ７４により外気温Ｔａが氷点下であることが確認された氷点下起動等の低温下起動時にはキャパシタ１６の電力によりヒータ６４が一定期間通電され燃料電池１４を速暖するようにする。
燃料電池１４の通常発電時には、ステップＳ４において、常時、掃気処理が必要か否か、具体的に、この実施形態では停止時に実施する氷点下対策用掃気処理が必要か否かが判定される。
すなわち、この実施形態において、掃気処理は、燃料電池車両１２の次回の氷点下時等の低温時における円滑な起動性を確保するため、燃料電池システム１０の停止時、すなわちイグニッションスイッチ７６がオン状態からオフ状態になった時に、次回の起動が低温時起動になることが現在の外気温Ｔａ等により予測された場合に実施される。
そこで、このステップＳ４の掃気要否判定処理では、イグニッションスイッチ７６がオン状態になっている場合の燃料電池車両１２の外気温センサ７４で検出される外気温Ｔａの最低値が、所定値以下の場合には、イグニッションスイッチ７６のオフ後、外気温Ｔａが氷点下になる可能性があるため掃気処理が必要と判断し、掃気フラグを立てる。
次に、ステップＳ５において、イグニッションスイッチ７６がオン状態からオフ状態に切り替えられたかどうかが判定される。
ステップＳ５の判定において、イグニッションスイッチ７６がオン状態からオフ状態に切り替えられたことが確認されたとき（時点ｔ１）、ステップＳ６において、運転停止要求時刻（停止要求時刻）ｔｓｔｏｐ＝ｔ１を記憶する（あるいは上記ステップＳ２でスタートされたタイマをストップさせる）とともに、このイグニッションスイッチ７６のオフ時における温度（発電停止要求時温度という。）Ｔｘｓｔｏｐ、ここでは、水素排出口内ガス温度Ｔｈ＝Ｔｘｓｔｏｐを測定して取り込む。
次に、ステップＳ７において、掃気処理要求が存在するかどうかを、掃気フラグが立っているかどうかにより判定する。
ステップＳ７において、掃気フラグが立っていなくて掃気処理が不要と判定された場合には、キャパシタ１６を発電電流Ｉｆにより充電する充電閾値Ｃｔｈを通常時の充電閾値Ａ（図４参照）とし、ステップＳ８において、キャパシタ１６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、すなわち残容量［％］が、充電閾値Ａとなるまで充電する。なお、充電閾値Ａ等は、残容量ＳＯＣの他、充電電力量［Δ×Ｗｈ］、あるいはキャパシタ１６はその構造上、基本的に、残容量が充電電圧（端子電圧）に比例するので、充電電圧を充電閾値Ａ等としてもよい。
ステップＳ８での、発電電流Ｉｆによるキャパシタ１６の充電が通常充電閾値Ａまで終了したとき、ステップＳ９において発電を停止する。この発電停止処理では、エアコンプレッサ３６が作動停止される他、水素供給弁４４並びに全ての弁５４、３０、５０、５６、３８が閉じられ（ノーマルクローズ状態）、図示はしないが負荷１８も図示しないコンタクタを通じて切り離され、ステップＳ１４において、燃料電池システム１０のシステムが停止され、次回のイグニッションスイッチ７６からの起動信号の待ち状態となる。
一方、ステップＳ７において、掃気フラグが立っていて掃気処理要求があると判定された場合には、ステップＳ１０において、燃料電池１４によりキャパシタ１６を充電するときの充電閾値Ｃｔｈを図４に示す充電閾値Ｂあるいは充電閾値Ｃとし、常温（常温とは、燃料電池１４の内部温度が０［℃］以上の温度をいう。）時の充電閾値Ａと比較して大きな値に持ち替える閾値持替処理及び持ち替えた閾値による充電処理を行う。
図３は、ステップＳ１０における閾値持替処理・持ち替えた閾値によるキャパシタ１６に対する充電処理の詳細フローチャートを示している。
この場合、まず、図３に示すステップＳ１０ａにおいて、イグニッションスイッチ７６がオン状態とされた運転開始時刻ｔｓｔａｒｔ＝ｔ０から、イグニッションスイッチ７６がオフ状態とされた運転停止要求時刻ｔｓｔｏｐ＝ｔ１までの時間（一時起動後停止判定時間という。）ｔｉｎｔ（図４参照）が、数分程度の所定の短時間ｔｓｈｏｒｔ以内の時間であったかどうかが、換言すれば発電開始直後であったかどうかが判定され、同時に、ステップＳ２で取り込んだ起動時温度Ｔｘｓｔａｒｔが、図４に示す第１温度閾値Ｔｔｈ１（例えば、氷点温度である０［℃］）以下の温度であったかどうかが判定される。
このステップＳ１０ａの判断は、一時起動後停止判定時間ｔｉｎｔが所定の短時間ｔｓｈｏｒｔ以内の時間（ｔｉｎｔ≦ｔｓｈｏｒｔ）であって、かつ起動時温度Ｔｘｓｔａｒｔが第１温度閾値Ｔｔｈ１以下の温度（Ｔｘｓｔａｒｔ≦Ｔｔｈ１）であるときに肯定的とされる。
このとき、さらにステップＳ１０ｂにおいて、イグニッションスイッチ７６がオフ状態にされた時点ｔ１の発電停止要求時温度Ｔｘｓｔｏｐが、未だ、燃料電池１４が通常の状態には立ち上がっていないとみなす所定の第２温度閾値Ｔｔｈ２（図４参照、例えば、Ｔｔｈ２＝１０［℃］）以下の温度（Ｔｘｓｔｏｐ≦Ｔｔｈ２）であったかどうかが判定される。
この判定が肯定的であった場合（例えば、図４に示す温度Ｔｘの変化であった場合）、ステップＳ１０ｃにおいて、時点ｔ１でのイグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作が、低温時一時起動後停止判定の成立する条件での操作であるものとみなされ、低温時一時起動後停止判定フラグＦｓが立てられる（Ｆｓ＝１、図４時点ｔ１参照）。
その一方、ステップＳ１０ａの判定が否定的（発電開始直後あるいは起動時温度Ｔｘｓｔａｒｔが第１温度閾値Ｔｔｈ１以下）、又はステップＳ１０ｂの判定が否定的（イグニッションスイッチ７６のオフ時の発電停止要求時温度Ｔｘｓｔｏｐが第２温度閾値Ｔｔｈ２≦）であった場合には、ステップＳ１０ｄにおいて、時点ｔ１でのイグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作が、低温時一時起動後停止判定の成立する条件での操作ではないものとみなされ、低温時一時起動後停止判定フラグＦｓが下げられたままとなる（Ｆｓ＝０の継続）。
次いで、ステップＳ１０ｅにおいて、低温時一時起動後停止判定が成立しているかどうかが低温時一時起動後停止判定フラグＦｓの値により判定され、成立している場合（Ｆｓ＝１）には、ステップＳ１０ｆにおいて、図４に示すように、時点ｔ１で充電閾値Ｃｔｈが、もっとも多い値である充電閾値Ｃに持ち替えられ、ステップＳ１０ｈにおいて、キャパシタ１６が燃料電池１４から出力される発電電流Ｉｆにより充電閾値Ｃまで充電される（時点ｔ２参照）。
その一方、ステップＳ１０ｅの判定において、低温時一時起動後停止判定フラグＦｓの値により、低温時一時起動後停止判定が成立していない場合（Ｆｓ＝０）には、ステップＳ１０ｇにおいて、時点ｔ１で充電閾値Ｃｔｈが、通常の氷点下等の低温時起動用の充電閾値Ｂに持ち替えられ、ステップＳ１０ｆにおいて、キャパシタ１６が燃料電池１４から出力される発電電流Ｉｆにより充電閾値Ｂまで充電される。
次いで、ステップＳ１１において、発電運転を停止し（時点ｔ２参照、発電電流Ｉｆがゼロ値になる。）、ステップＳ９と同様の発電停止処理を行う。そして、発電運転を停止した時点で、エアコンプレッサ３６の作動が、燃料電池１４による駆動からキャパシタ１６による駆動に切り換えられる。
次に、ステップＳ１２において、一定時間、タイマにより時間を監視して、掃気処理を行う。
すなわち、このステップＳ１２における掃気処理では、キャパシタ１６の電力により駆動されているエアコンプレッサ３６からの圧縮空気をアノード電極側にも導入するために、まず、水素供給弁４４を閉じることで水素ガスの供給を停止し、次いで、空気導入流路５３に設けられている空気導入弁５４を開放し、水素供給口２０と空気供給口２４の両方から燃料電池１４のアノード電極とカソード電極に圧縮空気を導入する。圧縮空気は、燃料電池１４内を流通し、水素排出口２２及び空気排出口２６から排出される。このとき、水素パージ弁３０を一定時間開放して水素パージを行った後、水素パージ弁３０を閉じる。
次に、ドレイン弁５０と空気排出弁５６とを一定時間開放し、導入した掃気用の空気により、燃料電池１４内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を確実に除去する。この場合、カソード電極側では生成水等が空気排出口２６から背圧制御弁３８及び空気排出流路４０を介して大気に掃気用の空気とともに排出されるとともに、アノード電極側では、水が水素排出口２２から空気排出弁５６及び空気排出流路５８（及びドレイン弁５０、水排出流路５２）を通じて大気に掃気用の空気とともに排出される。
この掃気処理を行った後、ステップＳ１４においてシステムの停止状態とされる。
このシステムの停止処理では、ステップＳ９と同様な処理が実施され、エアコンプレッサ３６が作動停止される他、水素供給弁４４並びに全ての弁５４、３０、５０、５６、３８が閉じられる（ノーマルクローズ状態）。
以上説明したように、上述した実施形態によれば、燃料電池１４が起動されて発電運転中に発電停止要求であるイグニッションスイッチ７６のオン状態からオフ状態への遷移信号を制御装置７０受けた場合に、低温時一時起動後停止判定手段としての制御装置７０は、ステップＳ１０ａの判定において、発電停止要求に先立つ起動が、低温時起動されたときであると判定し、かつ発電停止要求時における燃料電池１４の水素排出口２２内のガスの温度Ｔｈが、第２閾値温度Ｔｈ２以下であるときに、発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定し、低温時一時起動後停止判定フラグＦｓをＦｓ＝１に立てる。
このとき、充電量調整手段としての制御装置７０は、キャパシタ１６の発電停止時における充電量を、充電閾値Ｃに設定し、常温運転停止時に比較して多くするように調整しているので、低温時一時起動後停止操作が行われた場合であっても、キャパシタ１６により掃気処理が確実に行え、かつ氷点下等の低温時における次回の起動を確実に行える。
なお、充電量調整手段としての制御装置７０による充電量を、低温時一時起動後停止時充電量に対応する充電閾値Ｃ＞低温時起動後停止時充電量に対応する充電閾値Ｂ＞常温運転停止時充電量に対応する充電閾値Ａの大小関係に設定しているので、各判定条件下で、発電停止要求を受けた後のキャパシタ１６の充電時間を必要最小限の時間に設定することができる。
実際上、低温時一時起動後停止判定手段としての制御装置７０は、発電停止要求に先立つ起動時における燃料電池１４の水素排出口２２内のガス温度Ｔｈ＝Ｔｘｓｔａｒｔが、第１閾値温度Ｔｔｈ１以下であって、かつ発電停止要求を受けたときの燃料電池１４の水素排出口２２内のガス温度Ｔｈ＝Ｔｘｓｔｏｐが、第１閾値温度Ｔｔｈ１を上回る第２閾値温度Ｔｔｈ２以下である場合に、低温時一時起動後停止の要求であると判定することで、より確実に判定することができる。
このように上述した実施形態においては、氷点下等の低温時に、イグニッションスイッチがオン状態（ｔ０）とされてから短時間後にオフ状態（ｔ１）とされた場合を検出したとき、キャパシタ１６の充電閾値Ｃｔｈを充電閾値Ｃと多い量に持ち替えて充電し（ｔ１〜ｔ２）、このキャパシタ１６により十分な時間掃気処理を行う。そして、燃料電池システム１０の次回の氷点下等の低温下での起動時に、このキャパシタ１６の電力により燃料電池１４をヒータ６４等で速暖させることにより燃料電池システム１０の起動が確実に行える。
この発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。 図１例の動作説明に供される全体フローチャートである。 図２の全体フローチャート中、イグニッションスイッチがオフ状態とされた後の充電閾値持ち替え処理及び持ち替え閾値による充電処理の説明に供される詳細フローチャートである。 低温時一時起動後停止要求があった場合の動作説明に供されるタイムチャートである。
符号の説明
１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 １６…キャパシタ
１８…負荷 ３６…エアコンプレッサ
５４…空気導入弁 ５６…空気排出弁
７０…制御装置 ７１〜７３…温度センサ
７４…外気温センサ ７６…イグニッションスイッチ

Claims (6)

  1. 供給される両反応ガスにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の出力を補助するとともに、前記燃料電池により充電される蓄電装置と、
    前記蓄電装置の出力により、低温時に前記燃料電池を起動できるようにする低温時起動対策手段と、
    前記燃料電池が起動されて発電運転中に発電停止要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度が所定温度以下であって、かつ前記発電停止要求に先立つ前記起動が低温時起動されたときであるときに、前記発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定する低温時一時起動後停止判定手段と、
    前記低温時一時起動後停止の要求であると判定されたとき、前記蓄電装置の発電停止時における充電量を、常温運転停止時に比較して多くする充電量調整手段と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記充電量調整手段による充電量が、低温時一時起動後停止時充電量＞低温時起動後停止時充電量＞常温運転停止時充電量の大小関係に設定されている
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記低温時一時起動後停止判定手段は、
    さらに、前記発電停止要求に先立つ前記起動時における前記燃料電池の温度が、第１閾値温度以下であって、かつ前記発電停止要求を受けたときの前記燃料電池の前記温度が、前記第１閾値温度を上回る第２閾値温度以下である場合に、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 供給される両反応ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力を補助するとともに、前記燃料電池により充電される蓄電装置と、前記蓄電装置の出力により、低温時に前記燃料電池を起動できるようにする低温時起動対策手段と、を備える燃料電池システムにおける前記蓄電装置の充電量調整方法であって、
    前記燃料電池が起動されて発電運転中に発電停止要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度が所定温度以下であって、かつ前記発電停止要求に先立つ前記起動が低温時起動されたときであるときに、前記発電停止要求が低温時一時起動後停止の要求であると判定する低温時一時起動後停止判定ステップと、
    前記低温時一時起動後停止の要求であると判定されたとき、前記蓄電装置の発電停止時における充電量を、常温運転停止時に比較して多くする充電量調整ステップと、
    を備える蓄電装置の充電量調整方法。
  5. 請求項４記載の蓄電装置の充電量調整方法において、
    前記充電量調整ステップにおける充電量が、低温時一時起動後停止時充電量＞低温時起動後停止時充電量＞常温運転停止時充電量の大小関係に設定されている
    ことを特徴とする蓄電装置の充電量調整方法。
  6. 請求項４記載の蓄電装置の充電量調整方法において、
    前記低温時一時起動後停止判定ステップは、
    さらに、前記発電停止要求に先立つ前記起動時における前記燃料電池の温度が、第１閾値温度以下であって、かつ前記発電停止要求を受けたときの前記燃料電池の前記温度が、前記第１閾値温度を上回る第２閾値温度以下である場合に、前記低温時一時起動後停止の要求であると判定する
    ことを特徴とする蓄電装置の充電量調整方法。
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