JP2007213863A - 燃料電池システム及び燃料電池の低温下起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チョイがけ後の氷点下起動時（氷点下起動後に、燃料電池内が暖機されていないうちに、イグニッションスイッチがオフ状態とされ、その後、再度氷点下の状態あるいは氷点下の経験があった状態での起動時）における燃料電池の始動性、発電安定性を向上させる。
【解決手段】チョイがけ後の再起動時に氷点下の場合、通常の氷点下起動制御に比較してさらにアノード電極側の圧力の増圧、カソード電極側の圧力の増圧、カソード電極側の流量の増量を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池を、水の氷点以下の温度で正常に起動させる燃料電池システム及び燃料電池の低温下起動方法に関する。

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、セパレータによって挟んで保持している。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交互に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。

この燃料電池において、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、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。そ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。なお、カソード電極には、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、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード電極では、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下（水の凍結温度以下）で起動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１には、Ｄｕｐｏｎｔ社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）及びＤｏｗ社製の実験用膜（商品番号ＸＵＸ １３２０４．１０）のような電解質膜は、−２０℃の温度であっても十分にイオン的に伝導性を有して燃料電池内で電気化学反応が可能であることが開示されている。

しかしながら、上記の特許文献１では、作動開始後の約４分間、水素の流れる通路が水又は氷により塞がれてしまい、水素の流れが適切に行われていないという問題がある。さらに、４分後に５０アンペアの負荷に接続されると、約４５アンペアの出力が得られたものの、出力電流は約８秒で約１５アンペアまで低下してしまう。これは、生成水が凍結したからである。

このように、特許文献１では、氷点下以下であっても、燃料電池の起動が可能になるものの、氷や生成水の凍結によって所望の発電状態に迅速に移行することが困難であるという問題がある。

この問題を解決する技術が特許文献２に提案されている。

この特許文献２に提案された技術は、水点下の環境において、図７に示すように、特定電圧下で出力電流が両反応ガスのガス圧力によって変動し、電圧降下を誘発することがなく、安定して最大電流を取り出すことができる因果関係を利用している。

すなわち、両反応ガスのガス圧力が高くなるのに比例して、取り出される出力電流が増加する。

さらに、特許文献２に提案された技術は、水の凍結温度以下の環境において、特定電圧下で、両反応ガスのガス圧力の高低と限界負荷とが、図８に示す関係を有し、前記ガス圧力が通常運転条件のガス圧力より高く設定されると、安定して取り出すことができる限界負荷（最大出力電流）が大きくなるという特質が得られるという因果関係を利用している。

すなわち、氷点下起動に際し、残留水が電極触媒やガス拡散層に凍結した状態で存在していると、電極反応面積が低下して反応ガスの拡散性が著しく低下する。そこで、氷点下起動の際に、上記特許文献２に係る従来の低温下起動技術では、供給する反応ガスのガス圧力を高めることにより、電極反応が起こる反応部位に反応ガスを確実に供給することができ、取り出し可能な出力電流が向上するものと考えられる。しかも、氷点下起動の環境において、反応ガスのガス圧力を高めることは、通常運転状態で反応ガスのガス圧力を高めるよりも、発電特性を向上させる効果が大きい。

特表２０００−５１２０６８号公報（図６） 特開２００５−４４７９５号公報（図４）

ところで、氷点下での燃料電池システムの停止時に、イグニッションスイッチをオン状態として燃料電池システムを氷点下で起動したとき、燃料電池の暖機が不十分なまま、運転者等の操作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がある。

このような、氷点下短時間発電後停止要求の操作（氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池システムを停止させる操作、換言すれば、氷点下で燃料電池システムをちょっと起動した後すぐに停止させる操作、いわゆるチョイがけ操作）がなされてシステムが停止させられた後、再度、氷点下での起動（氷点下短時間発電後停止後再起動、換言すればチョイがけ後の再起動）が行われた場合には、上述した特許文献２に記載された従来技術に係る氷点下制御技術により起動した場合であっても、図９に示すように、最初の氷点下起動時の電流・電圧特性に比較して、再起動時の氷点下起動時（氷点下短時間発電後停止後再起動時＝チョイがけ後再起動時）の電流・電圧特性が悪化してしまうことが分かった。

この発明はこの種の問題を解決するものであり、氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）における電流・電圧特性を良化させることを可能とする燃料電池システム及び燃料電池の低温下起動方法を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムは、供給される反応ガスにより発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、以下の特徴（１）〜（３）を有する。

（１）前記燃料電池の内部温度を検知する内部温度検知手段と、前記燃料電池の停止期間に、前記内部温度が氷点以下の温度になったことを記憶する氷点下経験記憶手段と、前記燃料電池の起動時に、この起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶手段に記憶されていたとき、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第１起動手段と、前記氷点下第１起動手段による起動後の停止時に、前記燃料電池の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断する暖機状態判断手段と、暖機が十分な状態ではないと判断されて停止された後の前記燃料電池の再起動時に、この再起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶手段に記憶されていたとき、前記氷点下第１起動手段による前記反応ガスの圧力をさらに増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第２起動手段とを備えることを特徴とする。

この特徴（１）を有する発明によれば、燃料電池の起動時に、燃料電池が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合、氷点下第１起動手段により、通常起動時に比較して反応ガスの圧力を増圧して前記燃料電池を起動し、前記氷点下第１起動手段による起動後、前記燃料電池の暖機が不十分な状態で発電が停止された後の燃料電池の再起動時（チョイがけ後の再起動時）に、燃料電池が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合、氷点下第２起動手段により、前記氷点下第１起動手段による前記反応ガスの圧力をさらに増圧して前記燃料電池を起動させるようにしているので、氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）における電流・電圧特性を良化させることができる。

（２）前記特徴（１）を有する発明において、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記氷点下第１起動手段による起動時における前記反応ガスの流量は、通常起動時の前記反応ガスの流量に比較して増量され、前記氷点下第２起動手段による再起動時における前記反応ガスの流量は、前記氷点下第１起動手段により増量した流量よりさらに増量されることを特徴とする。

この特徴（２）を有する発明によれば、増加された反応ガスの流量によりカソード電極側の生成水を燃料電池の外部に、より確実に排出することができるので、生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を抑制することができる。

（３）前記特徴（１）又は（２）を有する発明において、前記暖機状態判断手段は、前記氷点下第１起動手段による発電開始時の前記燃料電池の内部温度と、前記氷点下第１起動手段による起動後における発電終了時の内部温度とに基づき前記燃料電池の暖機が十分な状態であるかどうかを判断することを特徴とする。

この特徴（３）を有する発明によれば、氷点下第２起動手段による起動が必要かどうかを、自動的に判断することができる。

この場合、基本的に、発電開始時の内部温度が氷点温度に近い場合には、発電終了時の内部温度が比較的に低くても暖機が十分であると判定し、発電開始時の内部温度が氷点温度に比較して低温である場合には低温になるほど、発電終了時の内部温度がより高い温度でないと暖機が不十分であると判定することができる。

（４）この発明に係る燃料電池の低温下起動方法は、供給される反応ガスにより発電を行う燃料電池の低温下起動方法において、前記燃料電池の内部温度を検知する内部温度検知ステップと、前記燃料電池の停止期間に、前記内部温度が氷点以下の温度になったことを記憶する氷点下経験記憶ステップと、前記燃料電池の起動時に、この起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶ステップで記憶されていたとき、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第１起動ステップと、前記氷点下第１起動ステップによる起動後の停止時に、前記燃料電池の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断する暖機状態判断ステップと、暖機が十分な状態ではないと判断されて停止された後の前記燃料電池の再起動時に、この再起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶ステップで記憶されていたとき、前記氷点下第１起動ステップによる前記反応ガスの圧力をさらに増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第２起動ステップとを備えることを特徴とする。

この特徴（４）を有する発明によれば、燃料電池が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合の起動時に、氷点下第１起動ステップにより、通常起動時に比較して反応ガスの圧力を増圧して前記燃料電池を起動させ、前記氷点下第１起動ステップによる起動後、前記燃料電池の暖機が不十分な状態で発電が停止された後の燃料電池の再起動時（チョイがけ後の再起動時）に、燃料電池が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合、氷点下第２起動ステップにより、前記氷点下第１起動ステップにおける前記反応ガスの圧力をさらに増圧して前記燃料電池を起動させるようにしているので、氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）における電流・電圧特性を良化させることができる。

この発明によれば、氷点下短時間発電後に停止された後の再起動時に、反応ガスの圧力を、前回の氷点下起動時おける反応ガスの圧力に比較して増加させるようにしているので、氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）における電流・電圧特性を良化させることができる。

また、燃料電池システムの氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）において、従来の氷点下起動制御よりアノード電極側作動圧の増圧、カソード電極側作動圧の増圧、カソード電極側反応ガスの流量の増加を行うため、発電に必要な反応ガスをより燃料電池に配給することができる。

この発明によれば、氷点下起動時における起動性能が向上する。

なお、この実施形態において、上述した「氷点下短時間発電後停止」は、分かりやすさを考慮し、原則として「チョイがけ」という。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の低温下起動方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池（ＦＣ）１２を備える。

燃料電池１２は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを配置した電解質膜・電極構造体を反応ガス流路が形成された一対のセパレータ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１２には、一方の反応ガスである燃料ガス、ここでは水素ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１２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１２に、他方の反応ガスである酸化剤ガス、ここでは空気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１２から排出するための空気排出口２６とが設けられている。

燃料電池システム１０は、燃料ガス供給系２８と、酸化剤ガス供給系３０と、図示しない冷却媒体供給系とを備える。燃料ガス供給系２８は、燃料電池１２に水素ガスを供給する水素供給流路３２と、燃料電池１２から未使用の水素ガスを含む排ガスを排出する水素排出流路３３と、排ガスを水素供給流路３２の途上に戻して燃料電池１２に供給するための水素循環流路３４とを備える。

水素供給流路３２には、高圧水素を貯留する水素タンク３６と、高圧水素を遮断又は開放する遮断弁３７と、水素タンク３６から遮断弁３７を通じて供給される水素ガスの圧力を減圧し圧力を調整する圧力調整弁３８と、減圧された水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路３４から排ガスを吸引して燃料電池１２に戻すためのエゼクタ４０と、燃料電池１２に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力計４２とが設けられる。

水素排出流路３３には、燃料電池１２から排出される排ガスを廃棄するための水素排出弁４４が設けられる一方、水素循環流路３４には、燃料電池１２に供給される水素ガスの流量を制御するための水素ポンプ４６が設けられる。

酸化剤ガス供給系３０は、燃料電池１２に空気を供給する空気供給流路４８と、燃料電池１２から排出される未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路５０とを備える。

空気供給流路４８には、空気を圧縮して供給するためのエアコンプレッサ５２と、燃料電池１２に供給される空気の圧力を検出する圧力計５４とが設けられる。空気排出流路５０には、燃料電池１２の空気出口温度を燃料電池１２の内部温度（パワープラント内温度ともいう。）Ｔｉ［℃］として検知する温度計（内部温度検知手段）５６と、燃料電池１２に供給される空気の圧力を制御するための背圧調整弁５８とが設けられる。

なお、燃料電池１２の内部温度Ｔｉは、空気出口温度に限らず、水素ガス入口温度、水素ガス出口温度、燃料電池１２の筐体温度、冷却媒体の温度のいずれかを使用でき、状況に応じて２つ以上を使用してもよい。また、燃料電池１２の内部温度Ｔｉは、燃料電池システム１０の発電中及び停止中のいずれの期間においても、所定時間毎に測定され、メモリ６１に時刻をアドレスとして連続的に記憶される。

さらに、燃料電池システム１０には、ＣＰＵ（制御装置）６０が設けられる。ＣＰＵ６０は、遮断弁３７及び水素排出弁４４の開弁・閉弁制御（指令）、エアコンプレッサ５２の回転数制御（指令）に基づく吐出空気量（流量）の調整、水素ポンプ４６の回転数制御（指令）に基づく水素ガスの流量の調整、圧力調整弁３８の弁開度の制御（指令）による水素ガス圧力の調整、背圧調整弁５８の弁開度の制御（指令）による酸化剤ガス圧力の調整等を含め、燃料電池システム１０の全ての動作を制御する。

この実施形態において、ＣＰＵ６０は、圧力計４２、５４からの圧力、温度計５６からの内部温度、図示しないイグニッションスイッチのオンオフ操作等の各種入力に基づきメモリ６１に記憶されているプログラムを実行することで、上記の各種弁３７、３８、４４、５８、エアコンプレッサ５２、水素ポンプ４６を制御して各種の機能を実現する機能手段としても動作する。

なお、メモリ６１には、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭが含まれ、メモリ６１のＥＥＰＲＯＭは、氷点下経験記憶手段として機能する。

この実施形態において、ＣＰＵ６０は、氷点下第１起動手段、暖機状態判断手段（低温下起動後短時間発電判断手段）、及び氷点下第２起動手段の一部又は全部として機能する他、計時手段（カウンタ・タイマ）等として機能する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、図２、図３に示すフローチャート及び図４Ａ〜図４Ｅに示すチョイがけ経験有無判定タイムチャートに沿って以下に説明する。なお、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｆは、チョイがけ経験有りの場合のタイムチャート、図４Ｃ、図４Ｄ、図４Ｅは、チョイがけ経験無しの場合のタイムチャートを示している。

図４Ａ〜図４Ｅのタイムチャート中、時点ｔ０まで燃料電池システム１０が常温（周囲温度が０［℃］以上）で発電を行い、その時点ｔ０でイグニッションスイッチがオン状態からオフ状態にされた後の燃料電池システム１０の停止中、いわゆるソーク中（燃料電池１２の停止期間中）に、時点ｔ１に示すように、ステップＳ１において、イグニッションスイッチがオフ状態からオン状態になったことが検知されると、ステップＳ２において、燃料電池１２の氷点下起動制御が必要かどうかが判断される。

このステップＳ２の判断は、時点ｔ０〜時点ｔ１のソーク中に、温度計５６により測定されている燃料電池１２の内部温度Ｔｉが氷点下以下の温度となった経験があるかどうか（Ｔｉ＜０℃）、又は時点ｔ１での内部温度Ｔｉ｛発電開始時の内部温度Ｔｓという（Ｔｉ＝Ｔｓ）。｝が氷点下以下の温度であるかどうか（Ｔｉ＝Ｔｓ＜０℃）により判断される。

ステップＳ２の判断が成立しないときには、氷点下起動制御が不要とされ、ステップＳ３において、通常の起動制御が行われる。通常の起動制御とは、圧力調整弁３８の水素ガスの圧力制御による燃料電池１２内のアノード電極の作動圧が通常、水素ポンプ４６の回転数制御による燃料電池１２内の水素ガスの流量が通常、背圧調整弁５８の背圧制御による燃料電池１２内のカソード電極の空気の圧力が通常、エアコンプレッサ５２の回転数制御による燃料電池１２内のカソード電極の空気の流量が通常と、それぞれが通常の状態で制御されることをいう。

ステップＳ２の判断において、氷点下起動制御が必要と判断された場合、ステップＳ４において、チョイがけフラグＦがセット（Ｆ＝１）されているかどうかが判断される。チョイがけフラグＦの設定処理については後述する。

チョイがけフラグＦがセットされていない場合には（Ｆ＝０）、ステップＳ５において氷点下第１起動手段による初回起動時氷点下制御が行われ、その一方、チョイがけフラグＦがセットされている場合には（Ｆ＝１）、ステップＳ６において氷点下第２起動手段による再起動時氷点下制御が行われる。

初回起動時氷点下制御又は再起動時氷点下制御が行われて発電が行われているときに、ステップＳ７において、イグニッションスイッチがオン状態からオフ状態にされたかどうかが検知される。

イグニッションスイッチがオフ状態にされたことが検知されると、ステップＳ８においてチョイがけフラグＦの設定処理が行われる。

ステップＳ８のチョイがけフラグＦの設定処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。

チョイがけフラグＦの設定は、燃料電池システム１０（燃料電池１２）の氷点下起動（第１氷点下起動手段又は第２氷点下起動手段による起動）後、燃料電池１２の暖機が十分な状態となった後にイグニッションスイッチがオフ状態とされて燃料電池システム１０（燃料電池１２）が停止されたかどうかにより判断される。

この暖機状態判断は、図５に示す、氷点下起動制御における発電開始時と発電終了時の内部温度Ｔｉ（発電開始時内部温度Ｔｓ、発電終了時内部温度Ｔｅ）に基づき予め設定されているチョイがけ経験有無判定マップ１００が参照されて自動的に行われる。

チョイがけ経験有無判定マップ１００は、暖機不十分範囲（チョイがけ経験が有りと判断される範囲）１０２と暖機十分範囲（チョイがけ経験が無いと判断される範囲）１０４とに範囲が分かれており、燃料電池１２の起動が可能な最低温度（起動可能最低温度）Ｔｃｏｌｄ（おおよそ、−２０℃〜−１０℃）と、氷点下起動制御を行う最高内部温度、すなわち０℃と、起動可能最低温度Ｔｃｏｌｄにおける発電終了時の暖機十分の有無を判断する発電終了時最低内部温度Ｔｅｍｉｎ（この実施形態ではＴｅｍｉｎ＝３０℃）との３点で囲まれる三角形の範囲が、暖機不十分範囲１０２とされる。

したがって、温度計５６により測定される発電開始時（例えば、時点ｔ１）における発電開始時内部温度Ｔｓと、発電終了時（例えば、時点ｔ２）における発電終了時内部温度Ｔｅとによる座標点（Ｔｓ，Ｔｅ）から暖機が十分であったかどうかを簡単に判断することができる。

暖機不十分範囲１０２と暖機十分範囲１０４を分ける閾値温度Ｔｔｈは、一次式である次の（１）式で決定される。

Ｔｔｈ＝｛（Ｔｅｍｉｎ−Ｔｃｏｌｄ）／Ｔｃｏｌｄ｝×Ｔｓ＋Ｔｃｏｌｄ …（１）

Ｔｔｈ：閾値温度であり関数、
Ｔｅｍｉｎ：起動可能最低温度Ｔｃｏｌｄにおける暖機十分とされる発電終了時最低内部温度であり定数、
Ｔｓ：発電開始時の内部温度であり変数（測定値）。

このチョイがけ経験有無判定マップ１００の閾値温度Ｔｔｈの負の傾斜から、発電開始時の内部温度Ｔｓが氷点より低い程、発電終了時の内部温度Ｔｅが高い温度になっていないと暖機が十分であると判断されないことが分かる。

図４Ａ〜図４Ｅの時点ｔ１の氷点下起動時（初回）における発電開始時の内部温度Ｔｉ＝Ｔｓが０℃を下回る温度であって（Ｔｉ＝Ｔｓ＜０℃）、図４Ｃ、図４Ｅに示すように、時点ｔ２のイグニッションスイッチオフ時の発電終了時の内部温度Ｔｉ＝Ｔｅが閾値温度Ｔｔｈを上回る温度であった場合には（Ｔｉ＝Ｔｅ＞Ｔｔｈ）、暖機十分範囲１０４内と判断してステップＳ８ｂにおいてチョイがけ経験無しと判断し、ステップＳ８ｄにおいてチョイがけフラグＦをリセットする（Ｆ←０）。

一方、図４Ａ〜図４Ｅの時点ｔ１の氷点下起動時（初回）における発電開始時の内部温度Ｔｉ＝Ｔｓが０℃を下回る温度であって（Ｔｉ＝Ｔｓ＜０℃）、図４Ａ、図４Ｂに示すように、時点ｔ２のイグニッションスイッチオフ時の発電終了時の内部温度Ｔｉ＝Ｔｅが閾値温度Ｔｔｈを下回る温度であった場合には（Ｔｉ＝Ｔｅ＜Ｔｔｈ）、暖機不十分範囲１０２と判断して、ステップＳ８ｂにおけるチョイがけ経験有りとし、ステップＳ８ｃにおいてチョイがけフラグＦをセットする（Ｆ←１）。

このようにしてチョイがけフラグＦが設定される。

そこで、ステップＳ２の氷点下起動判断が成立していて、ステップＳ４において、チョイがけフラグＦが設定されていなかった場合には（Ｆ＝０）、ステップＳ５における氷点下第１起動手段による初回起動時における氷点下制御が行われる。

この氷点下第１起動手段による氷点下起動制御（初回氷点下制御）では、上述した通常の起動制御に比較して、出力電流が大きくとれるように、圧力調整弁３８による水素ガスの圧力制御によりアノード電極圧力を増圧し、水素ポンプ４６の回転数制御による燃料電池１２内の水素ガスの流量は通常と同じか増量し、背圧調整弁５８の背圧制御によるカソード電極の空気圧力を増圧し、エアコンプレッサ５２の回転数制御によるカソード電極の空気の流量は通常と同じとする他、水素排出弁４４の使用マップの変更する、発電セル電圧保護閾値を通常より小さい値に持ち替える等の制御が行われる。

このように、図４Ａ、図４Ｃの時点ｔ１における２つの氷点下起動制御、及び図４Ｃの時点ｔ３における１つの氷点下制御は、第１氷点下起動手段による起動制御が行われる。

その一方、ステップＳ２の氷点下起動判断が成立していて、ステップＳ４において、チョイがけフラグＦが設定されていた場合には（Ｆ＝１）、ステップＳ６における氷点下第２起動手段による再起動時における氷点下制御が行われる。

この氷点下第２起動手段による氷点下起動制御（チョイがけ用氷点下制御という。）では、上述した氷点下第１起動手段による起動制御に比較して、出力電流がより大きくとれるように、圧力調整弁３８の圧力制御による水素ガスの圧力をさらに増圧し、水素ポンプ４６の回転数制御による水素ガスの流量を通常と同じかさらに増量し、背圧調整弁５８の背圧制御による空気の圧力をさらに増圧し、エアコンプレッサ５２の回転数制御による空気の流量をさらに増量し、水素排出弁４４の使用マップは氷点下第１起動手段による氷点下起動制御と同様にする、発電セル電圧保護閾値は氷点下第１起動手段による氷点下起動制御と同様にする等の制御を行う。

このように、図４Ｃ中、時点ｔ３における氷点下起動制御は、第２氷点下起動手段による再起動時の氷点下制御が行われる。

この結果、図６に示すように、燃料電池システム１０で、チョイがけ後の再起動時に氷点下の場合、チョイがけ用氷点下制御（第２氷点下起動手段による再起動時の氷点下制御）を用いることで、従来の氷点下制御よりも起動性能が向上し、電流・電圧特性が良化し、発電安定性がよくなることが分かる。

以上説明したように上述した実施形態によれば、供給される反応ガス（水素ガスと空気）により発電を行う燃料電池１２を備える燃料電池システム１０において、内部温度検知手段としての温度計５６により燃料電池１２の内部温度Ｔｉを検知する。氷点下経験記憶手段としてのメモリ６１は、燃料電池１２の停止期間であるソーク中に、内部温度Ｔｉが氷点以下の温度になったことを記憶する。氷点下第１起動手段としてのＣＰＵ６０は、燃料電池１２の起動時に、この起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことがメモリ６１に記憶されていたとき、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して燃料電池１２を起動させる。暖機状態判断手段（低温下起動後短時間発電判断手段）としてのＣＰＵ６０は、氷点下第１起動手段による起動後の停止時に、燃料電池１２の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断し、氷点下第２起動手段としてのＣＰＵ６０は、暖機が十分な状態ではないと判断して停止された後の燃料電池１２の再起動時に、この再起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことがメモリ６１に記憶されていたとき、前記氷点下第１起動手段による前記反応ガスの圧力をさらに増圧して燃料電池１２を起動させる。

このように、燃料電池１２の起動時に、燃料電池１２が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合、氷点下第１起動手段により、通常起動時に比較して反応ガスの圧力を増圧して燃料電池１２を起動し、前記氷点下第１起動手段による起動後、燃料電池１２の暖機が不十分な状態で発電が停止された後の燃料電池１２の再起動時（チョイがけ後の再起動時）に、燃料電池１２が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合、前記氷点下第２起動手段により、前記氷点下第１起動手段による前記反応ガスの圧力をさらに増圧して燃料電池１２を起動させるようにしているので、氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）における電流・電圧特性を良化させることができる。

なお、上記の「暖機状態判断手段としてのＣＰＵ６０は、氷点下第１起動手段による起動後の停止時に、燃料電池１２の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断し、氷点下第２起動手段としてのＣＰＵ６０は、暖機が十分な状態ではないと判断して停止された後の燃料電池１２の再起動時に、」は、「低温下起動後短時間発電判断手段としてのＣＰＵ６０は、氷点下第１起動手段による起動後、短時間発電後に燃料電池１２を停止したと判断し、この判断がなされたとき、氷点下第２起動手段としてのＣＰＵ６０は、停止された後の燃料電池１２の再起動時に、」としてもよい。

この場合、前記氷点下第１起動手段による起動時における前記反応ガスの流量も、通常起動時の前記反応ガスの流量に比較して増量し、前記氷点下第２起動手段による再起動時における前記反応ガスの流量を、前記氷点下第１起動手段により増量した流量よりさらに増量することで、増加された反応ガスの流量によりカソード電極側の生成水が燃料電池１２の外部に、より確実に排出することができるので、生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を抑制され、機動性が向上する。

なお、チョイがけ後の暖機状態が十分であるかどうかの判断は、前記氷点下第１起動手段による発電開始時の燃料電池１２の内部温度Ｔｓと、前記氷点下第１起動手段による起動後における発電終了時の内部温度Ｔｅとに基づき自動的に判断することができる。

この場合、図５のチョイがけ経験有無判定マップ１００から分かるように、基本的に、発電開始時の内部温度Ｔｓが氷点温度０℃に近い場合には、発電終了時の内部温度Ｔｅが比較的に低くても暖機が十分である暖機十分範囲１０４と判定し、発電開始時の内部温度Ｔｓが氷点温度０℃に比較して低温である場合には低温になるほど、発電終了時の内部温度Ｔｅがより高い温度でないと暖機不十分範囲１０２にあると判定するようにしていることができる。

また、この実施形態に係る燃料電池１２の低温下起動方法は、供給される反応ガスにより発電を行う燃料電池１２の低温下起動方法において、燃料電池１２の内部温度Ｔｉを検知する内部温度検知ステップと、燃料電池１２の停止期間に、内部温度Ｔｉが氷点以下の温度になったことを記憶する氷点下経験記憶ステップと、燃料電池１２の起動時に、この起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが氷点下経験記憶ステップで記憶されていたとき（Ｓ２：ＹＥＳ）、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して燃料電池１２を起動させる氷点下第１起動ステップ（Ｓ５）と、氷点下第１起動ステップによる起動後の停止時に、燃料電池１２の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断する暖機状態判断ステップ（Ｓ８ｂ）と、暖機が十分な状態ではないと判断されて停止された後の燃料電池１２の再起動時に、この再起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶ステップで記憶されていたとき、前記氷点下第１起動ステップによる前記反応ガスの圧力をさらに増圧して燃料電池１２を起動させる氷点下第２起動ステップ（Ｓ６）とを備える。

この実施形態に係る燃料電池１２の低温下起動方法によれば、燃料電池１２が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合の起動時に、前記氷点下第１起動ステップ（Ｓ５）により、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して燃料電池１２を起動し、前記氷点下第１起動ステップによる起動後、燃料電池１２の暖機が不十分な状態で発電が停止された後の燃料電池１２の再起動時（チョイがけ後の再起動時）に、燃料電池１２が氷点下状態にあった場合、又は氷点下状態にある場合、氷点下第２起動ステップ（Ｓ６）により、前記氷点下第１起動ステップにおける前記反応ガスの圧力をさらに増圧して燃料電池を起動させるようにしているので、氷点下短時間発電後停止後再起動時（チョイがけ後の再起動時）における電流・電圧特性を良化させることができる。結果、チョイがけ後の氷点下起動時（氷点下起動後に、燃料電池１２内が暖機されていないうちに、イグニッションスイッチがオフ状態とされ、その後、再度氷点下の状態あるいは氷点下の経験があった状態での起動時）における始動性、発電安定性が向上する。

この発明の実施形態に係る燃料電池の低温下起動方法を実施するための燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記低温下起動方法のフローチャートである。 図２中、チョイがけフラグ設定処理の詳細フローチャートである。 初回の氷点下起動と、チョイがけ後氷点下起動の説明に供されるタイムチャートであり、図４Ａは２回目の氷点下起動がチョイがけ後氷点下起動の説明、図４Ｂはその場合のフラグの状態の説明、図４Ｃは２回目の氷点下起動も初回の氷点下起動の説明、図４Ｄはその場合のフラグの状態の説明、図４Ｅはイグニッションスイッチのオンオフ状態の説明に供されるタイムチャートである。 チョイがけ経験有無マップの説明図である。 チョイがけ後の再起動時における従来の氷点下制御後の電流・電圧特性とチョイがけ用氷点下制御後の電流・電圧特性との比較図である。 水の凍結温度以下の環境における出力電流とガス圧力との関係図である。 水の凍結温度以下の環境におけるガス圧力の高低と限界負荷との関係図である。 従来の氷点下制御での起動時における電流・電圧特性と従来の氷点下制御でのチョイがけ後の再起動時の電流・電圧特性との比較図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
５６…温度計 ６０…ＣＰＵ
６１…メモリ １００…チョイがけ経験有無判定マップ
１０２…暖機不十分範囲 １０４…暖機十分範囲

Claims (4)

1. 供給される反応ガスにより発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の内部温度を検知する内部温度検知手段と、
   前記燃料電池の停止期間に、前記内部温度が氷点以下の温度になったことを記憶する氷点下経験記憶手段と、
   前記燃料電池の起動時に、この起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶手段に記憶されていたとき、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第１起動手段と、
   前記氷点下第１起動手段による起動後の停止時に、前記燃料電池の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断する暖機状態判断手段と、
   暖機が十分な状態ではないと判断されて停止された後の前記燃料電池の再起動時に、この再起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶手段に記憶されていたとき、前記氷点下第１起動手段による前記反応ガスの圧力をさらに増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第２起動手段と
   を備えることを特徴とす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、
   前記氷点下第１起動手段による起動時における前記反応ガスの流量は、通常起動時の前記反応ガスの流量に比較して増量され、前記氷点下第２起動手段による再起動時における前記反応ガスの流量は、前記氷点下第１起動手段により増量した流量よりさらに増量される
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記暖機状態判断手段は、前記氷点下第１起動手段による発電開始時の前記燃料電池の内部温度と、前記氷点下第１起動手段による起動後における発電終了時の内部温度とに基づき前記燃料電池の暖機が十分な状態であるかどうかを判断する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 供給される反応ガスにより発電を行う燃料電池の低温下起動方法において、
   前記燃料電池の内部温度を検知する内部温度検知ステップと、
   前記燃料電池の停止期間に、前記内部温度が氷点以下の温度になったことを記憶する氷点下経験記憶ステップと、
   前記燃料電池の起動時に、この起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶ステップで記憶されていたとき、通常起動時に比較して前記反応ガスの圧力を増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第１起動ステップと、
   前記氷点下第１起動ステップによる起動後の停止時に、前記燃料電池の暖機が十分な状態で停止されたかどうかを判断する暖機状態判断ステップと、
   暖機が十分な状態ではないと判断されて停止された後の前記燃料電池の再起動時に、この再起動時前の停止期間に氷点下の温度になったことが前記氷点下経験記憶ステップで記憶されていたとき、前記氷点下第１起動ステップによる前記反応ガスの圧力をさらに増圧して前記燃料電池を起動させる氷点下第２起動ステップと
   を備えることを特徴とする燃料電池の低温下起動方法。

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