JP2009004291A - 燃料電池システムとその性能回復方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の性能を回復する。
【解決手段】アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、発電停止中の燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された温度が所定温度以下か否かを判定する温度判定手段と、温度判定手段の判定結果に基づいて燃料電池の性能を回復させる性能回復制御手段と、燃料電池が安定状態に達したか否かを判定する安定状態判定手段と、安定状態判定手段により安定状態に達したと判定された後の燃料電池の性能を検出する燃料電池性能検出手段と、燃料電池性能検出手段により検出された燃料電池の性能に基づいて性能回復制御手段による性能回復が必要であるか否かを判定する性能回復制御実施可否判定手段と、を有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池システムとその性能回復方法に関するものである。

水素ガス（アノードガス）と空気（カソードガス）を供給し発電をする燃料電池を有する燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止中に燃料電池温度が氷点下以下になる場合には燃料電池内部で生成水が凍結している虞があり、発電性能が低下する虞があるので、このような低温起動時には燃料電池の自己発熱による暖機が完了するまで燃料電池への空気供給量を標準流量よりも増大させる等の制御を行うことにより、燃料電池内部の生成水を解氷し、燃料電池の発電性能を確保することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１６２５７号公報

しかしながら、近年の研究により、燃料電池の発電停止中に、燃料電池温度が氷点下以下にならず、燃料電池内部で生成水が凍結していない場合であっても、氷点下以上であり且つある所定温度（例えば１０゜Ｃ）以下の温度を発電停止中に一度でも経験した後に燃料電池システムを起動した場合に、燃料電池が安定状態に達しているにもかかわらず燃料電池の出力が、前記所定温度以下を経験しないで起動したときの安定後の燃料電池出力と比較して低くなる現象が確認されている。
そこで、この発明は、発電停止中に燃料電池温度が氷点下以下までは下がらないまでも所定温度以下を経験した場合の燃料電池の性能回復が可能な燃料電池システムとその性能回復方法を提供するものである。

この発明に係る燃料電池システムとその性能回復方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）を有する燃料電池システムの性能回復方法であって、発電停止中の前記燃料電池の温度を検出する工程と、検出した燃料電池温度が氷点下より高い温度に設定された所定温度以下を経験したか否かを判定する工程と、前記燃料電池温度が所定温度以下を経験した場合に前記燃料電池の性能を回復させる性能回復制御を行う工程と、を有することを特徴とする燃料電池システムの性能回復方法である。
このように構成することにより、燃料電池が発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下を経験した場合に性能回復制御を行って、燃料電池内部に結露等により発生した水分を除去することが可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池が安定状態に達したか否かを判定する工程と、前記安定状態に達した後の前記燃料電池の性能を検出する工程と、検出した前記燃料電池の性能に応じて前記性能回復制御が必要であるか否かを判定する工程と、をさらに有し、前記性能回復制御が必要であると判定した場合に該性能回復制御を行うことを特徴とする。
このように構成することにより、安定状態に達した後の燃料電池の性能に基づいて必要があると判断された場合に性能回復制御を行うので、発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下になっても燃料電池内部に水が発生しなかった場合や、発電性能が十分に確保されている場合には、性能回復制御の実行を回避することができる。

請求項３に係る発明は、アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）を有する燃料電池システムにおいて、発電停止中の前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述する実施例における温度センサ３９、外気温センサ５１）と、前記温度検出手段により検出された温度が氷点下より高い温度に設定された所定温度以下か否かを判定する温度判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップS１０４）と、前記温度判定手段の判定結果に基づいて前記燃料電池の性能を回復させる性能回復制御手段（例えば、後述する実施例におけるステップS１０７）と、をさらに有することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池が発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下を経験した場合に性能回復制御を行って、燃料電池内部に結露等により発生した水分を除去することが可能となる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記燃料電池が安定状態に達したか否かを判定する安定状態判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップS１０５）と、前記安定状態判定手段により安定状態に達したと判定された後の前記燃料電池の性能を検出する燃料電池性能検出手段（例えば、後述する実施例における電圧計４７、電流計４９）と、前記燃料電池性能検出手段により検出された燃料電池の性能に基づいて前記性能回復制御手段による性能回復が必要であるか否かを判定する性能回復制御実施可否判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップS１０６）と、をさらに有することを特徴とする。
このように構成することにより、安定状態に達した後の燃料電池の性能に基づいて必要があると判断された場合に性能回復制御を行うので、発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下になっても燃料電池内部に水が発生しなかった場合や、発電性能が十分に確保されている場合には、性能回復制御の実行を回避することができる。

請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記燃料電池のアノードガス流路（例えば、後述する実施例におけるアノードガス流路３）とカソードガス流路（例えば、後述する実施例におけるカソードガス流路５）の少なくとも一方を掃気ガスで掃気を行う掃気手段を有し、前記性能回復制御手段は前記掃気手段であることを特徴とする。
このように構成することにより、掃気手段による掃気を行うことで燃料電池内部の水分を迅速に排出することが可能となり、性能回復だけでなく、次回の起動が氷点下起動になってしまうような場合にも燃料電池内部での水の凍結を防ぐことが可能となる。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の発明において、前記掃気手段によりアノードガス流路とカソードガス流路のいずれか一方を掃気する時間は、前記温度検出手段により検出された発電停止中の燃料電池温度に基づいて設定されることを特徴とする。
発電停止中に燃料電池が経験する温度に応じて燃料電池内部で結露する水分量が異なるが、発電停止中に経験した温度に応じて掃気時間を変更することにより、掃気を行うためのエネルギー消費を低減することが可能となる。また、掃気による騒音の発生時間を短縮することが可能となる。

請求項７に係る発明は、請求項５または請求項６に記載の発明において、前記燃料電池の運転状態に基づいて掃気が可能であるか否かを判定する掃気可能判定手段（例えば、後述する実施例におけるステップS２０３）を有し、前記掃気可能判定手段により掃気が可能であると判定された際に前記掃気手段による掃気を行うことを特徴とする。
このように構成することにより、アイドリングストップ中や発電停止時など掃気が可能なときに限って掃気を行うことができる。

請求項８に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記燃料電池の出力を上昇させる燃料電池出力上昇制御手段（例えば、後述する実施例におけるステップS３０３）を有し、前記性能回復制御手段は前記燃料電池出力上昇制御手段であることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の出力を上昇させることで燃料電池温度が上昇し、燃料電池内部の水分を蒸発させ易くなる。そして、燃料電池内部を流通するアノードガスやカソードガスの飽和水蒸気量が上昇するため、水分を燃料電池の外へ排出させ易くなる。したがって、燃料電池内部の水分を排出することが可能となり、性能回復だけでなく、次回の起動が氷点下起動になってしまうような場合にも燃料電池内部での水の凍結を防ぐことが可能となる。
また、通常の発電運転を行いながらでも性能回復制御を行うことが可能である。

請求項９に係る発明は、請求項８に記載の発明において、前記燃料電池出力上昇制御手段により上昇させられる燃料電池出力は、前記温度検出手段により検出された発電停止中の燃料電池温度に基づいて設定されることを特徴とする。
発電停止中に燃料電池が経験する温度に応じて燃料電池内部で結露する水分量が異なるが、発電停止中に経験した温度に応じて燃料電池出力の上昇程度を変更することにより、出力上昇のためのエネルギー消費を低減することが可能となる。

請求項１に係る発明によれば、発電停止中に燃料電池内部に結露等により発生した水分を除去することが可能となるので、燃料電池の所定の発電性能を確保することができる。

請求項２に係る発明によれば、発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下になっても燃料電池内部に水分が発生しなかった場合や、発電性能が十分に確保されている場合には、性能回復制御の実行を回避することができるので、不要なエネルギー消費を抑えることができる。

請求項３に係る発明によれば、発電停止中に燃料電池内部に結露等により発生した水分を除去することが可能となるので、燃料電池の所定の発電性能を確保することができる。

請求項４に係る発明によれば、発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下になっても燃料電池内部に水分が発生しなかった場合や、発電性能が十分に確保されている場合には、性能回復制御の実行を回避することができるので、不要なエネルギー消費を抑えることができる。

請求項５に係る発明によれば、燃料電池の性能回復を行うことができるだけでなく、次回の起動が氷点下起動になってしまうような場合にも燃料電池内部での生成水の凍結を防ぐことが可能となるので、低温起動性も向上する。

請求項６に係る発明によれば、掃気時間を変更することにより、掃気を行うためのエネルギー消費を低減することが可能となる。また、掃気による騒音の発生時間を短縮することが可能となる。

請求項７に係る発明によれば、アイドリングストップ中や発電停止時など掃気が可能なときに限って掃気を行うことができるので、掃気による燃料電池の運転への影響を低減することが可能となる。

請求項８に係る発明によれば、燃料電池の性能回復を行うことができるだけでなく、次回の起動が氷点下起動になってしまうような場合にも燃料電池内部での水の凍結を防ぐことが可能となるので、低温起動性も向上する。また、通常の発電運転を行いながらでも性能回復制御を行うことが可能となるので、早急に燃料電池の性能回復を行うことができる。

請求項９に係る発明によれば、燃料電池出力の上昇程度を変更することにより、出力上昇のためのエネルギー消費を低減することが可能となる。

以下、この発明に係る燃料電池システムとその性能回復方法の実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様である。

初めに、燃料電池システムの概略構成を図１を参照して説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路３とカソードガス流路５を備えてなるセルを複数積層して構成されており、アノードガス流路３にアノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路５にカソードガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。なお、図１では、単一のセルのアノードガス流路３とカソードガス流路５を代表して示している。

空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路９、流路切替弁１１を通って燃料電池１のカソードガス流路５に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路１３に排出され、圧力制御弁１５を介して図示しない排気処理装置へ排出される。

一方、水素タンク２１から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路２３、遮断弁２５、エゼクタ２７を通って燃料電池１のアノードガス流路３に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２９を通ってエゼクタ２７に吸引され、水素タンク２１から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１のアノードガス流路３に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２９、エゼクタ２７、およびエゼクタ２７よりも下流の水素ガス供給流路２３を通って、燃料電池１を循環する。

アノードオフガス流路２９からは、排出弁３１を備えたアノードオフガス排出流路３３が分岐している。排出弁３１は燃料電池１の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを前記排気処理装置へ排出する。そして、アノードオフガスは排気処理装置において圧力制御弁１５から排出される空気によって希釈される。

また、空気供給流路９の流路切替弁１１は、バイパス流路３５を介して、エゼクタ２７よりも下流の水素ガス供給流路２３に接続されている。流路切替弁１１は、コンプレッサ７から送られる空気を空気供給流路９を介して燃料電池１のカソードガス流路５に供給可能とする流路と、コンプレッサ７から圧送された空気をバイパス流路３５および水素ガス供給流路２３を介して燃料電池１のアノードガス流路３に供給可能とする流路のいずれか一方に切り替える。なお、燃料電池１の発電時において、流路切替弁１１は空気を燃料電池１のカソードガス流路５へ供給可能とする流路に切り替える。

空気供給流路９には、コンプレッサ７出口の空気圧力を検出する圧力センサ３７が設けられ、アノードオフガス流路２９には燃料電池１から排出されるアノードオフガスの温度を検出する温度センサ((温度検出手段))３９が設けられており、これらセンサ３７，３９は検出値に応じた出力信号を電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）７０へ出力する。
温度センサ３９により検出されたアノードオフガス温度は、燃料電池１の発電中において燃料電池１の温度として用いられる。また、燃料電池１の停止中において燃料電池１の温度として用いることも可能である。

また、燃料電池１は蓄電装置４５を充電可能であり、燃料電池１と蓄電装置４５は、インバータを備えたパワードライブユニット（以下、ＰＤＵと略す）４１を介して走行用モータ４３に接続されている。走行用モータ４３は燃料電池１または蓄電装置４５から電力の供給を受け駆動される。
燃料電池１は、出力電圧と出力電流を検出する電圧計４７と電流計４９を備え、これらは検出値に応じた出力信号をＥＣＵ７０へ出力する。
さらに、ＥＣＵ７０には、外気温センサ(温度検出手段)５１から外気温に応じた出力信号が入力されるとともに、イグニッションスイッチ５３のＯＮ／ＯＦＦ信号が入力される。外気温センサ５１で検出された外気温は、燃料電池１の発電停止中において燃料電池１の温度として用いることができる。

ＥＣＵ７０は、各種センサや計器類からの入力信号等に基づいて、コンプレッサ７、流路切替弁１１、圧力制御弁１５，遮断弁２５、ＰＤＵ４１、走行用モータ４３、蓄電装置４５を制御する。
例えば、この燃料電池システムでは、定期的に排出弁３１を開いてアノードオフガスを排出し、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなるのを抑制する。また、低温起動時や後述する性能回復制御時に掃気ガスとしての空気を燃料電池１のアノードガス流路３に流す場合には、空気が空気供給流路９からバイパス流路３５および水素ガス供給流路２３に流れるように流路切替弁１１を切り替えるとともに、排出弁３１を開く。また、走行用モータ４３の要求出力に応じてＰＤＵ４１を制御するとともに、燃料電池１と蓄電装置４５の電力分配を制御する。

とろこで、前述したように、燃料電池１の発電停止中に、燃料電池１の温度が氷点下以下にならず、燃料電池１の内部で生成水が凍結していない場合であっても、氷点下以上であり且つある所定温度（例えば１０゜Ｃ）以下の温度を燃料電池１が発電停止中に一度でも経験すると、その後に燃料電池システムを起動した場合に、燃料電池１が安定状態に達しているにもかかわらず燃料電池１の出力が、前記所定温度以下を経験しないで起動したときの安定後の燃料電池１の出力と比較して低い場合がある。そして、この現象には、発電停止中に燃料電池１が経験した温度が低いほど出力低下の度合いが大きく、また、低出力側よりも高出力側の方が出力低下の度合いが大きいという傾向がある。

この出願の発明者はこの現象の原因を次のように推察するとともに、燃料電池１の性能回復に有効な対策を考えた。
燃料電池１の内部には発電停止前の発電の過程で生成された生成水が残っている場合があり、あるいは発電停止中に前記所定温度以下となったため燃料電池１が冷却され、燃料電池１内部の気体中の水分が凝縮して水となる場合がある。このようになると、これらの水が固体高分子電解質膜や、アノードおよびカソードの触媒層あるいは拡散層、あるいはこれら各層間の隙間に入り込み、フラッディング状態になっていることが予想される。特に、触媒層および拡散層は微細な細孔を有するので、この細孔に水が溜まると細孔から水がなかなか抜けない状況になることが予想される。このようにフラッディング状態になると、反応ガス（水素ガスおよび空気）の供給が阻害され、発電性能が低下することが予想される。

そこで、発明者は、このようになったときに燃料電池１の性能を回復させるためには、燃料電池１の内部に溜まっている水を積極的に且つ迅速に排出することが必要であると考えた。そして、その方法として、燃料電池１の内部に掃気ガスを流通させて燃料電池１内部を乾燥させる方法と、燃料電池１の出力を通常よりも増大させて自己発熱を促進し、燃料電池１内部の水を気化させて排出する方法を考えた。

以下、燃料電池システムの性能回復方法を具体的に説明する。
初めに、燃料電池システムの起動制御を図２のフローチャートに従って説明する。図２に示すフローチャートは、燃料電池システム起動制御ルーチンを示すものであり、この燃料電池システム起動制御ルーチンはＥＣＵ７０によって実行される。

まず、ステップＳ１０１において、発電停止中の燃料電池１の温度を連続的にあるいは一定時間毎に検出し、発電停止中に燃料電池１が経験した最低温度を記憶媒体に記憶する。最低温度は連続する発電停止期間の中で更新され、発電期間を挟んで次の発電停止期間に入ったときには、前回の発電停止期間中の最低温度はキャンセルされて、新たに最低温度を更新していく。なお、この実施例では外気温センサ５１（または温度センサ３９）により検出された温度を燃料電池１の温度と見なすが、燃料電池１に温度センサを設けて直接、燃料電池１の温度を検出してもよい。

次に、ステップＳ１０２に進み、イグニッションスイッチ５３がＯＮか否かを判定する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（ＯＦＦ）である場合には、ステップＳ１０１に戻り、燃料電池温度の監視を続ける。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（ＯＮ）である場合には、ステップＳ１０３に進み、燃料電池１に対する起動制御を開始する。

次に、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０１において記憶媒体に記憶された燃料電池１の最低温度が、一度でも氷点下以上であって所定温度以下の温度になったか否かを判定する。換言すると、燃料電池１は発電停止中に一度でも氷点下以上であって所定温度以下の温度を経験したか否かを判定する。
ここで、前記所定温度は、氷点下以上であって、燃料電池１内の水分が、固体高分子電解質膜や、アノードおよびカソードの触媒層あるいは拡散層、あるいはこれら各層間の隙間に溜まりフラッディング状態になると予想される温度とし、具体的には、例えば５〜２５゜Ｃに設定することができ、好ましくは５〜１５゜Ｃに設定することができる。

ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（所定温度以下の経験なし）である場合には、性能回復処理を実行する必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。つまり、この場合には、ステップＳ１０３において燃料電池１の起動制御を開始した後は、通常の処理を経て発電運転に移行する。

ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（所定温度以下の経験あり）である場合には、ステップＳ１０５に進み、燃料電池１の出力が安定状態になっているか否かを判定する。燃料電池１の安定状態とは、燃料電池１の出力電圧が所定の一定値以上で安定していることをいう。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（安定状態でない）である場合には、燃料電池１が安定状態となるまで現在の運転状態を維持して待機する。

ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（安定状態）である場合には、ステップＳ１０６に進み、出力安定後の燃料電池１の性能が基準性能以上か否かを判定する。燃料電池１の性能は、燃料電池１への供給水素量に対する燃料電池１の出力電力に基づいて評価し、出力電力は電圧計９７と電流計４９の検出結果に基づいて算出する。基準性能は、発電停止中に燃料電池１が前記所定温度以下を経験しないで燃料電池１の発電を開始したときに出る性能を予め実験的に求めておき、これを基準性能としてもよいし、あるいは、発電停止前の前回発電時における発電性能を基準性能としてもよい。

ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（基準性能より大）である場合には、既に基準性能を満たしており、性能回復処理を実行する必要がないので、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（基準性能より小）である場合には、ステップＳ１０７に進み、性能回復制御を実行して、本ルーチンの実行を一旦終了する。

なお、この実施例において、ＥＣＵ７０がステップS１０４の処理を実行することにより温度判定手段が実現され、ステップS１０５の処理を実行することにより安定状態判定手段が実現され、ステップS１０６の処理を実行することにより性能回復制御実施可否判定手段が実現され、ステップS１０７の処理を実行することにより性能回復制御手段が実現される。

次に、燃料電池システムの性能回復制御を図３および図４のフローチャートに従って説明する。
性能回復処理には、燃料電池１のアノードガス流路３とカソードガス流路５の少なくとも一方のガス流路に掃気ガスを流して性能回復を図る方法（以下、掃気法と称す）と、燃料電池１の出力を通常よりも上昇させて運転し性能回復を図る方法（以下、出力上昇法と称す）があり、いずれの方法を採用しても性能回復が可能である。ただし、車両に搭載した燃料電池システムの場合には、掃気法と出力上昇法いずれも実行可能に構成しておき、燃料電池システムの運転状況に応じて実行可能な方法を採用するのが好ましい。

初めに、掃気法による性能回復制御を説明する。
図１の燃料電池システム構成図に基づいて掃気手段を説明する。この実施例では、コンプレッサ７により加圧した空気を掃気ガスとし、この掃気ガスを燃料電池１のカソードガス流路５あるいはアノードガス流路３に流通させて行う。
カソードガス流路５に掃気ガスを流すときには、流路切替弁１１によりバイパス流路３５を閉塞し、空気を空気供給流路９を介して燃料電池１のカソードガス流路５に供給可能にし、圧力制御弁１５を開く。これにより、コンプレッサ７の加圧空気が燃料電池１のカソードガス流路５を通過して圧力制御弁１５から排出される。このときにはアノードガス流路３に掃気ガスは流れない。

アノードガス流路３に掃気ガスを流すときには、遮断弁２５を閉ざし、流路切替弁１１によりバイパス流路３５を開通させ、空気を流路切替弁１１からバイパス流路３５に流し、水素ガス供給流路２３を介して燃料電池１のアノードガス流路３に供給可能にし、排出弁３１を開く。これにより、コンプレッサ７の加圧空気が燃料電池１のアノードガス流路３を通過して排出弁３１から排出される。このときにはカソードガス流路５に掃気ガスは流れない。

この掃気手段による掃気を行うことで燃料電池１内部の水分を迅速に排出することが可能となり、燃料電池１の性能を回復することができる。また、次回の起動が氷点下起動になってしまうような場合にも燃料電池１内部での水の凍結を防ぐことが可能となり、低温起動性も向上する。

なお、この性能回復のための掃気は、アノードガス流路３とカソードガス流路５の両方に対して行ってもよいし、いずれか一方の流路のみ行うことも可能である。いずれか一方のガス流路を掃気する場合には、発電時に生成水が多く生じるカソードガス流路５を行うのが好ましい。また、両ガス流路３，５を掃気する場合には、初めにカソードガス流路５の掃気を行い、その後でアノードガス流路３の掃気を行うのが好ましい。
また、掃気ガスの温度が高い方が燃料電池１の内部が乾き易く効果的であるので、図示しない加熱手段（例えば、電気ヒータや触媒ヒータなど）を流路切替弁１１の上流に設け、掃気ガスを加熱してもよい。

掃気法による性能回復制御を図３に示すフローチャートに従って説明する。なお、図３に示す掃気法による性能回復制御ルーチンはＥＣＵ７０によって実行される。
まず、ステップＳ２０１において、発電停止中に燃料電池１が経験した最低温度を読み込む。
次に、ステップＳ２０２に進み、ステップＳ２０１で読み込んだ最低温度に基づいて掃気時間を算出する。ここで、発電停止中における最低温度が低いほど燃料電池１内で凝縮する水の量が多くなると予想されるので、最低温度が低いほど掃気時間を長く設定する。逆に最低温度が高いほど掃気時間を短く設定する。これにより、掃気を行うためのエネルギー消費を低減することが可能となり、また、掃気による騒音の発生時間を短縮することが可能となる。

次に、ステップＳ２０３に進み、掃気運転が可能か否かを判定する。例えば、燃料電池１の発電停止中や、車両が信号待ち等したときに一時的に燃料電池１へのガス供給を停止するアイドリングストップ中や、蓄電装置４５の電力だけで走行用モータ４３を駆動し走行するＥＶ走行中であれば、燃料電池１のガス流路に掃気ガスを流すことができるので掃気運転可能と判定する。一方、燃料電池１が発電運転をしている場合には掃気運転は不可能と判定する。これにより、掃気による燃料電池１の運転への影響を低減することが可能となる。

ステップＳ２０３における判定結果が「ＮＯ」（掃気運転不可）である場合には、掃気運転可能と判定されるまで待機する。
ステップＳ２０３における判定結果が「ＹＥＳ」（掃気運転可能）である場合には、ステップＳ２０４に進み、前述した掃気手段により掃気運転を実行する。
次に、ステップＳ２０５に進み、ステップＳ２０２において設定した掃気時間が経過したか否かを判定する。

ステップＳ２０５における判定結果が「ＮＯ」（掃気時間前）である場合には、ステップＳ２０３に戻り、掃気時間に達するまで掃気運転を継続する。この場合、例えば掃気運転をアイドルストップ中に実行していて、掃気時間が経過する前に車両が走行状態になって燃料電池１が発電運転に切り替わってしまったときには、次のアイドルストップとなったときに、残り時間の掃気運転を行う。

ステップＳ２０５における判定結果が「ＹＥＳ」（掃気時間経過）である場合には、ステップＳ２０６に進み、掃気運転を停止して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
なお、この実施例においては、ＥＣＵ７０がステップS２０３の処理を実行することにより掃気可能判定手段が実現される。

次に、出力上昇法による性能回復制御を説明する。出力上昇法は、燃料電池１の出力を通常運転時の燃料電池出力よりも高くなるように制御し、出力上昇させることで自己発熱を促進して燃料電池温度を上昇させ、燃料電池１内部に残存している水分の蒸発を促進することで、燃料電池内部を流通するアノードガスやカソードガスの飽和水蒸気量を上昇させ、蒸発させた水分をガスとともに燃料電池１の外へ排出する。

したがって、出力上昇法によっても燃料電池１内部の水分を排出することが可能となり、燃料電池１の性能を回復することができる。また、次回の起動が氷点下起動になってしまうような場合にも燃料電池１内部での水の凍結を防ぐことが可能となるので、低温起動性も向上する。また、通常の発電運転を行いながらでも性能回復制御を行うことが可能となるので、早急に燃料電池１の性能回復を行うことができる。

出力上昇法による性能回復制御を図４に示すフローチャートに従って説明する。なお、図４に示す出力上昇法による性能回復制御ルーチンはＥＣＵ７０によって実行される。
まず、ステップＳ３０１において、発電停止中に燃料電池１が経験した最低温度を読み込む。
次に、ステップＳ３０２に進み、ステップＳ３０１で読み込んだ最低温度に基づいて燃料電池１の出力上昇値を算出する。ここで、この出力上昇値とは、通常運転時の燃料電池１の出力を基準にした出力増大量であり、発電停止中において最低温度が低いほど燃料電池１内で凝縮する水の量が多くなると予想されるので、最低温度が低いほど出力上昇値を大きく設定し、最低温度が高いほど出力上昇値を小さく設定する。これにより、出力上昇のためのエネルギー消費を低減することが可能となる。

次に、ステップＳ３０３に進み、ステップS３０２で算出した出力上昇値だけ上昇させた出力上昇運転を実行する。燃料電池１の出力上昇は、例えば、コンプレッサ７等の補機負荷を増大させたり、走行用モータ４３の電源である蓄電装置４５と燃料電池１の出力配分比を設定する際に蓄電装置４５の出力配分を減少して燃料電池１の出力配分を増加させる、などの方法により実行する。

次に、ステップＳ３０４に進み、燃料電池１の性能を検出する。燃料電池１の性能は、燃料電池１への供給水素量に対する燃料電池１の出力電力に基づいて評価し、出力電力は電圧計９７と電流計４９の検出結果に基づいて算出する。
次に、ステップＳ３０５に進み、検出された燃料電池１の性能が、基準性能以上か否かを判定する。換言すると、燃料電池１の性能が回復したか否かを判定する。基準性能は、発電停止中に燃料電池１が前記所定温度以下を経験しないで燃料電池１の発電を開始したときに出る性能を予め実験的に求めておき、これを基準性能としてもよいし、あるいは、発電停止前の前回発電時における発電性能を基準性能としてもよい。

ステップＳ３０５における判定結果が「ＮＯ」（回復せず）である場合には、ステップＳ３０４に戻り、燃料電池１の出力上昇運転を継続する。
ステップＳ３０５における判定結果が「ＹＥＳ」（回復）である場合には、ステップＳ３０６に進み、燃料電池１の出力上昇運転を停止し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
なお、この実施例においては、ＥＣＵ７０がステップS３０３の処理を実行することにより、燃料電池出力上昇制御手段が実現される。

以上説明するように、この実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池１が発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下を経験した場合には、掃気法あるいは出力上昇法による性能回復制御を行うので、燃料電池１内部に結露等により発生した水分を除去することが可能となり、燃料電池１の発電性能を基準値以上に確保することができる。

また、燃料電池１が安定状態に達した後の燃料電池１の性能に基づいて必要があると判断された場合に性能回復制御を行うので、発電停止中に燃料電池温度が所定温度以下になっても燃料電池内部に水が発生せず、発電性能が十分に確保されている場合には、性能回復制御の実行を回避することができる。したがって、不要なエネルギー消費を抑えることができる。

この発明に係る燃料電池システムの一実施例における概略構成図である。 前記実施例における燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。 前記実施例の燃料電池システムにおいて掃気法による性能回復制御を示すフローチャートである。 前記実施例の燃料電池システムにおいて出力上昇法による第２の性能回復制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
３ アノードガス流路
５ カソードガス流路
３９ 温度センサ(温度検出手段)
４７ (燃料電池性能検出手段)
４９ (燃料電池性能検出手段)
５１ 外気温センサ(温度検出手段)

Claims (9)

1. アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池を有する燃料電池システムの性能回復方法であって、
   発電停止中の前記燃料電池の温度を検出する工程と、
   検出した燃料電池温度が氷点下より高い温度に設定された所定温度以下を経験したか否かを判定する工程と、
   前記燃料電池温度が所定温度以下を経験した場合に前記燃料電池の性能を回復させる性能回復制御を行う工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの性能回復方法。
2. 前記燃料電池が安定状態に達したか否かを判定する工程と、
   前記安定状態に達した後の前記燃料電池の性能を検出する工程と、
   検出した前記燃料電池の性能に応じて前記性能回復制御が必要であるか否かを判定する工程と、
   をさらに有し、前記性能回復制御が必要であると判定した場合に該性能回復制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの性能回復方法。
3. アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、
   発電停止中の前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された温度が氷点下より高い温度に設定された所定温度以下か否かを判定する温度判定手段と、
   前記温度判定手段の判定結果に基づいて前記燃料電池の性能を回復させる性能回復制御手段と、
   をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記燃料電池が安定状態に達したか否かを判定する安定状態判定手段と、
   前記安定状態判定手段により安定状態に達したと判定された後の前記燃料電池の性能を検出する燃料電池性能検出手段と、
   前記燃料電池性能検出手段により検出された燃料電池の性能に基づいて前記性能回復制御手段による性能回復が必要であるか否かを判定する性能回復制御実施可否判定手段と、
   をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池のアノードガス流路とカソードガス流路の少なくとも一方を掃気ガスで掃気を行う掃気手段を有し、前記性能回復制御手段は前記掃気手段であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記掃気手段によりアノードガス流路とカソードガス流路のいずれか一方を掃気する時間は、前記温度検出手段により検出された発電停止中の燃料電池温度に基づいて設定されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の運転状態に基づいて掃気が可能であるか否かを判定する掃気可能判定手段を有し、
   前記掃気可能判定手段により掃気が可能であると判定された際に前記掃気手段による掃気を行うことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の出力を上昇させる燃料電池出力上昇制御手段を有し、前記性能回復制御手段は前記燃料電池出力上昇制御手段であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池出力上昇制御手段により上昇させられる燃料電池出力は、前記温度検出手段により検出された発電停止中の燃料電池温度に基づいて設定されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。

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