JP2009205967A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に適切な量の酸化ガスを供給し、燃料電池の低温起動の際の暖機を促進する。
【解決手段】燃料と、酸化ガスとを用いて発電を行う１又は２以上の発電部を有する燃料電池を、停止状態から起動する際の起動処理を行う場合に、まず、起動時の目標電流である起動時目標電流を設定し、起動処理において燃料電池に供給する酸化ガス量を、起動時目標電流に応じた起動時酸化ガス量に設定する。更に、起動処理開始後に、発電部の一部が凍結した凍結状態となっているか否かを判定し、凍結状態と判定されている間は、燃料電池に供給する酸化ガス量を、起動時酸化ガス量よりも少ない凍結時酸化ガス量に設定する。
【選択図】図２

Description

この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料と酸化ガスとを用いて発電する燃料電池の起動時の制御を行うシステムとして好適なものである。

従来、例えば特開２００５−７１６２６号公報には、燃料電池から取り出す電流又は電圧を調整する電気回路を有する燃料電池システムが開示されている。このシステムでは、燃料電池の氷点下での起動時には、要求負荷に関わらず、セルを劣化させない範囲で取り出し電流が最大となるように取り出し電力を設定する。この従来技術によれば、取り出し電流を最大とすることで燃料電池の自己発熱が促進されるため、燃料電池の暖機時間を短縮することができ、燃料電池が氷点下で起動される場合にも、発電により発生した生成水が凍結するのを防止することができるものとしている。

特開２００５−７１６２６号公報

しかし、所定の乾燥処理を行って燃料電池を停止した場合であっても、触媒電極に多少の水分が残留している場合がある。触媒電極に水分が残留して停止した後、燃料電池が低温環境下で起動される場合、燃料電池の触媒電極の残留水分が凍結し反応剤（燃料又は酸化ガス）の流路が閉塞された状態となることがある。触媒電極の反応剤の流路が閉塞すると触媒電極の反応点として機能する面積が減少した状態となるため、目標出力に応じた量の反応剤を供給しても、その反応剤に応じた出力を得ることができない事態となることが考えられる。

このような場合、上記従来技術のように取り出し電流を最大電流に設定しても、その最大電流を出力できず、自己発熱を促し燃料電池の起動時の暖機を促進するという効果を十分に得ることができない場合があると考えられる。また、このような場合、触媒電極の反応点として機能する面積が減少した状態であるため、実際の発電には使用されない反応剤を多く燃料電池に供給することとなり、その供給に用いる例えばエアコンプレッサ等の機器の駆動に必な電力が無駄に消費されることとなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の起動において、燃料電池が一部において凍結状態となっている場合においても、適切な量の酸化ガスを供給し、燃料電池の暖機を促進できるよう改良した燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料と、酸化ガスとを用いて発電を行う１又は２以上の発電部を有する燃料電池と、
前記燃料電池を停止状態から起動する際の起動処理を行う場合に、起動時の目標電流である起動時目標電流を設定する起動時目標電流設定手段と、
前記起動処理において、前記燃料電池に供給する酸化ガス量を、前記起動時目標電流に応じた起動時酸化ガス量に設定する起動時酸化ガス量設定手段と、
前記起動処理開始後に、前記発電部の一部が凍結した凍結状態となっているか否かを判定する凍結状態判定手段と、
前記起動処理において前記凍結状態と判定されている間、前記燃料電池に供給する酸化ガス量を、前記起動時酸化ガス量よりも少ない凍結時酸化ガス量に設定する凍結時酸化ガス量設定手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記起動処理における、目標電流の出力に理論的に必要な酸化ガス流量に対する実際に供給する酸化ガス流量の比率として表される酸化ガスのストイキ比を、前記起動時目標電流に応じた起動時ストイキ比に設定する起動時ストイキ比設定手段と、
前記起動処理において前記凍結状態と判定されている間、前記酸化ガスのストイキ比を、前記起動時ストイキ比よりも小さい凍結時ストイキ比に設定する凍結時ストイキ比設定手段と、
を、更に備え、
前記起動時酸化ガス量設定手段は、前記起動時ストイキ比に応じて、前記起動時酸化ガス量を決定し、
前記凍結時酸化ガス量設定手段は、前記凍結時ストイキ比に応じて、前記凍結時酸化ガス量を決定することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の起動が、基準温度以下の低い低温での起動となる低温起動を検出する低温起動検出手段を、更に、備え、
前記起動時酸化ガス量設定手段は、前記低温起動が検出された場合、前記起動時酸化ガス量を、前記燃料電池が前記基準温度より高い温度で起動される場合における酸化ガス量よりも少ないガス量に設定することを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、前記燃料電池の起動が、基準温度以下の低い低温での起動となる低温起動を検出する低温起動検出手段を、更に、備え、
前記起動時ストイキ比設定手段は、前記低温起動が検出された場合、前記起動時ストイキ比を、前記燃料電池が前記基準温度より高い温度で起動される場合における酸化ガスのストイキ比よりも小さい値に設定することを特徴とする。

第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、
前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段を、更に、備え、
前記凍結状態判定手段は、検出された電流と、前記起動時目標電流との比較によって、凍結状態の判定を行うことを特徴とする。

第６の発明は、第３又は第４の発明において、
前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段を、更に、備え、
前記凍結状態判定手段は、検出された電流と前記起動時目標電流との差が、第１基準差より大きい場合に、前記凍結状態と判定することを特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、前記凍結状態判定手段は、検出された電流と前記起動時目標電流との差が、第２基準差より小さくなった場合に、前記凍結状態の判定を解除することを特徴とする。

第８の発明は、第１から第７のいずれか１の発明において、
前記起動処理の終了を検出する起動処理終了検出手段と、
前記凍結状態と判定されている間に、前記起動処理の終了が検出された場合に、前記凍結状態となっていることを表示する凍結状態表示手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池の起動処理を行う場合に、起動時目標電流を設定し、これに応じた起動時酸化ガス量に設定すると共に、燃料電池の発電部の一部が凍結した凍結状態となっているかと判定されている間は、燃料電池に供給する酸化ガス量を起動時酸化ガス量よりも少ない凍結時酸化ガス量に設定する。これにより、起動時に発電部の一部が凍結状態となって、触媒として機能する反応点の面積が減少状態となっている場合には、それに応じて酸化ガスの供給量を低減させることができる。これにより、発電部の触媒の状態に対応して適切な量の酸化ガスを供給できると共に、例えば酸化ガスを供給する供給系に電力が必要な場合などには電力の無駄な消費を抑えることができる。

第２の発明によれば、酸化ガスのストイキ比を起動時目標電流に応じた起動時ストイキ比に設定すると共に、燃料電池が凍結状態と判定されている間は起動時ストイキ比よりも小さい凍結時ストイキ比に設定する。その上で、酸化ガス量を設定されたストイキ比に応じて決定する。これにより、確実に凍結状態により発電部の触媒面積が減少状態となっている場合にも、その触媒の状態に対応して適切な量の酸化ガスを供給することができる。

第３の発明によれば、燃料電池の起動が、基準温度より低い低温での起動となる場合に、酸化ガス量を、燃料電池が基準温度以上の高い温度で起動される場合における酸化ガス量よりも少なく設定する。これにより、燃料電池の電力損失を大きくすることができ、起動時の発電部の発熱を促すことができ、低温起動となる場合にも、より短い時間で燃料電池の暖機を行うことができる。

第４の発明によれば、燃料電池の起動が、基準温度より低い低温での起動となる場合に、酸化ガス量又は酸化ガスの起動時ストイキ比を、燃料電池が基準温度以上の高い温度で起動される場合における酸化ガスのストイキ比よりも小さい値に設定する。これにより、供給される酸化ガス量を少なくすることで燃料電池の電力損失を大きくすることができ、起動時の発電部の発熱を促すことができる。これにより、低温起動となる場合にも、より短い時間で燃料電池の暖機を行うことができる。

ところで、上記凍結状態となっている場合、発電部への反応剤（燃料又は酸化ガス）の供給流路が閉塞し、発電部の触媒面積が減少状態となっていることが考えられる。このため、目標電流に応じて設定された酸化ガス量を供給しても、実際の電流は目標電流付近に到達しないことが考えられる。つまり、凍結状態となっている場合、実際に検出される電流と目標電流との差が大きくなっているものと考えられる。従って、第５の発明によれば、実電流と、起動時目標電流との比較によって凍結状態を判定し、第６の発明によれば、電流の検出値と起動時目標電流との差を求めて、判定の基準となる第１基準差より大きいか否かを判断することで凍結状態を判定する。このようにすることにより確実に凍結状態を判断することができ、過剰な酸化ガスの供給を抑制することができる。

また、第７の発明によれば、電流の検出値と起動目標電流との差を求めて、判定の基準となる第２基準差より小さくなったか否かを判断することで、凍結状態の判定を解除する。つまり、実際の電流が起動時目標電流に近づいたことを検出することで、燃料電池の暖機により凍結した水分が解凍して反応点として機能する触媒面積が通常の状態に増加していることを確実に検出することができる。これにより発電部の反応点として機能する触媒面積に応じた適切な酸化ガス供給量に戻すことができ、より確実に起動処理を行うことができる。

第８の発明によれば、凍結状態と判定されている間に、燃料電池の起動処理の終了した場合、凍結状態となっていることを表示することができる。これにより、現在燃料電池が凍結状態となっており、燃料電池の起動処理終了後も目標出力を発することができない場合があることを確実に警告し、直ちに認識できる状態とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムを説明するための模式図である。燃料電池システムは、例えば車両等の移動体に搭載して用いることができる。図１の燃料電池システムは燃料電池２を備えている。燃料電池２は積層された複数のセル４を備えている。各セル４は、電解質膜と、その両側に配置された一対の触媒電極であるアノード極及びカソード極とからなる膜−電極接合体（発電部）を有している。後述する反応ガスの供給・排出系によって、燃料電池２のアノード極には燃料としての水素が供給され、カソード極には酸化ガスとしての空気が供給される。膜−電極接合体は、水素と空気との供給を受けて電気化学反応を起こし発電する。

燃料電池２に形成された水素導入口には水素供給経路１２が接続している。水素供給経路１２の上流端部は、高圧の水素が貯留された高圧水素タンク１４に接続している。水素供給経路１２の高圧水素タンク１４下流には、バルブ１６及び調圧バルブ１８が設置されている。燃料電池２の水素排出口には水素循環経路２０が接続している。水素循環経路２０は他端において水素供給経路１２に合流している。水素循環経路２０には気液分離器２２が設置されている。気液分離器２２と水素供給経路１２との合流部との間において、水素循環経路２０にはポンプ２４が設置されている。気液分離器２２には排出管２６が接続され、排出管２６にはバルブ２８が設置されている。

一方、燃料電池２の空気導入口には、空気供給経路３０の下流側の端部が接続している。空気供給経路３０の上流側はエアコンプレッサ３２に接続している。エアコンプレッサ３２の下流において、空気供給経路３０には加湿器３４が設置されている。エアコンプレッサ３２により外部から取り込まれた空気は、加湿器３４を通過した後、空気供給経路３０内を通り、燃料電池２の空気導入口から各セル４のカソード極側の空気流路に供給される。

燃料電池２の空気排出口には空気排出経路３６が接続している。空気排出経路３６は加湿器３４に接続している。空気排出口から排出された空気オフガスは加湿器３６に導かれる。加湿器３６には排出経路３８が接続している。排出管３８には気液分離器２２からの水分や水素オフガスを外部に排出するための排出管２６が合流している。排出管２６を通過して排出される水分や水素オフガスは、図示しない希釈気によって希釈されて、空気オフガスと共に排出される空気と共に外部に排出されることとなる。

また、燃料電池２には冷却水を燃料電池２内に循環させるための冷却水循環経路４０が接続されている。冷却水循環経路４０の途中には冷却水温を検出する水温センサ４２と、冷却水を冷却するラジエター４４と、冷却された冷却水を再び燃料電池２の各セル４に供給するポンプ４６とが設置されている。

この燃料電池システムは制御装置５０を備えている。制御装置５０は、水温センサ４２やセル電圧や電流を検出するセルモニタ５２等の各種のセンサの出力を受けて燃料電池２の運転状態に関する情報を検出すると共に、燃料電池２の運転状態に応じて、例えばバルブ１６、１８、２８や、コンプレッサ３２等に制御信号を発することで、燃料電池２の運転を制御する。

ところで、燃料電池２の発電性能を高めるためには、燃料電池２の起動後より早い段階で所定の動作温度にまで暖機する必要がある。特に、燃料電池２を氷点下付近の低温以下の環境下で起動（以下「低温起動」と称する）する場合、燃料電池２の通常運転を早い段階で開始するためには急速に昇温することが要求される。

この燃料電池システムでは、燃料電池２の起動が低温起動となる場合、燃料電池２に供給する空気を通常の起動時よりも少ない状態に絞って供給する起動処理を行う。一般に、燃料電池２の通常運転では、燃料電池に供給される空気流量の、目標出力を得るのに必要な理論的な空気流量に対する比（以下、「ストイキ比」と称する）が、1.0よりも大きくなるように設定されている。つまり理論的に発電に必要となる空気量よりも多くの空気を供給しており、これにより燃料電池の発電効率を高く維持している。

これに対して、燃料電池の低温起動時には熱損失を増大させることで迅速な暖気を行うため、ストイキ比を通常運転時のストイキ比よりも小さな値に設定する。つまり、低温起動時にはカソード極に供給される空気流量が絞られる。その結果、電力損失（熱損失）を増大させることができ、発熱量を積極的に増大させることができる（以下「高発熱運転」と称する）。

高発熱運転を行う場合の起動時ストイキ比ST1の具体的な値は実験によって求められ、起動時の目標電流Irefと燃料電池２の温度Tと、起動時ストイキ比ST1との関係を定める起動時マップ１として制御装置５０に予め記憶されている。低温起動時には、起動時ストイキ比ST1は、設定された起動時目標電流Irefと水温Tとに応じて設定される。

ところで、停止時にアノード極やカソード極に残留する水分を除去するよう乾燥処理を行って停止した場合であっても、各セル４のアノード極やカソード極に多少の水分が残留している場合がある。このような状態で燃料電池２が氷点下の低温に晒されて低温起動されると、アノード極やカソード極の触媒の反応点で残留水分が凍結し、凍結した水分によってその反応点へのガス流路が閉塞される場合がある。その結果、燃料電池２の低温環境下での起動（低温起動）時には、アノード極又はカソード極の反応点として機能する触媒の面積が減少しているような状態（以下「触媒面積減少状態」と称する）となる場合がある。

このように、凍結による流路閉塞による触媒面積減少状態となっている場合、空気のストイキ比を通常運転時のストイキ比よりも小さい起動時ストイキ比に設定して、供給する空気の流量を絞ることで、電力損失増大による暖機を狙っても、空気不足による電力損失が発生せず、また、目標電流Irefにまで電流を上昇させることができない事態となることが考えられる。その結果、高発熱運転を効率的に実行することができず燃料電池２の暖機を促進できないことが考えられる。

また、このように触媒面積減少状態となった場合、実際には発電には使用されない空気が無駄に供給されることとなる。したがって、不使用の空気供給分、エアコンプレッサ３２の駆動等に要する電力が無駄に消費されていることとなる。従って、このような電力の無駄な消費を抑えて、発電性能を向上させることが望まれる。

このため、この実施の形態では、空気流量が設定されたストイキ比に応じた空気量に達しても目標電流に達しない場合、凍結状態により触媒面積減少状態が発生していると判断する。この場合、空気のストイキ比を低温起動時の起動時ストイキ比ST1よりも更に小さな凍結時ストイキ比ST2に再設定し、供給する空気流量を更に少なく絞る。

より具体的には、検出される電流Imesが目標電流Irefまで上昇していない場合に、凍結状態（即ち、触媒面積減少状態）となっていると判断する。この場合、空気のストイキ比を低温起動時の起動時ストイキ比ST1より更に小さな凍結時ストイキ比ST2に切り替える。この凍結時ストイキ比ST2は、起動時ストイキ比ST1と同様に、目標電流Iref及び燃料電池２の水温Tに応じたものであり、凍結時ストイキ比ST2の値と、目標電流Irefと温度Tとの関係は、予め実験等により求めて、凍結時マップ２として制御装置５０に記憶しておく。凍結状態と判断された場合には、低温起動時の起動時マップ１から凍結時マップ２に切り替えて、凍結時マップ２に基づいて設定されたストイキ比ST2に応じて、空気流量を決定する。

これにより、減少状態となった触媒面積、即ち、実際に触媒の反応点として機能している触媒面積に応じて、高発熱運転が実行できる程度の空気流量を供給することができる。したがって、凍結状態により触媒面積減少状態となっている場合にも、効果的に発熱量を増大させ燃料電池２の暖機を促進することができる。

なお、このように、凍結時ストイキ比ST2に設定することで空気流量が制限され燃料電池２の暖機が進み、実電流が目標電流Irefに近くまで増加した場合、凍結状態でなくなり、実際に反応点として機能する触媒面積が、通常の面積に戻っていると推測される。従って、空気のストイキ比は起動時ストイキ比ST1に再設定し、空気流量は通常の低温起動時の空気流量とする。

また、このようなストイキ比の再設定より前に、起動処理が完了したものと判断される場合がある。この場合、起動処理が終了した状態においても、一部において凍結による触媒面積減少状態となっているものと考えられる。このため、ウォーニング点灯の処理を行い、要求通りの発電量を出力できない状態となっていることを警告する。

この場合には、燃料電池２の出力Pの変化と、燃料電池２の温度Tの変化のモニタリングを継続し、出力Pが基準電力P0に達したことが確認されるか、又は温度Tが基準温度T0に達したことが確認されると、ウォーニングを消灯する処置が採られる。

図２及び図３は、この発明の実施の形態においてシステムが実行する具体的な制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図２のルーチンは、燃料電池２の起動処理時に一定時間ごとに繰り返されるルーチンである。図２のルーチンでは、まず、燃料電池の起動指示があると、まず、燃料電池２の起動が低温起動となるか否かが判定される（Ｓ１００）。具体的にここでは、判定の基準温度を氷点下とし、低温起動か否かは検出される外気温が氷点下であるか基づいて判断される。ここで低温起動であることが認められない場合には、このルーチンは終了する。

次に、フラグF1がOFFとなっているか否かが判定される（Ｓ１０２）。フラグF1はONとなっている場合に触媒面積減少状態と判定されていることを示すものであり、後述する処理によりON/OFFが制御される。

一方、ステップＳ１００において低温起動であることが認められ、ステップＳ１０２において、フラグF1がOFFとなっていることが認められると、起動時の目標電流Irefが高発熱運転時の電流に設定される（Ｓ１０４）。低温起動時の目標電流Irefは、燃料電池２の暖機を早めるよう高い値に設定される。このような起動時に暖機を促進する目標電流Irefは、その燃料電池のI-V性能において最低限の電圧で出力できる電流であり、燃料電池の温度に応じて決定されるものである。目標電流Irefは、予め実験等により求められて制御装置５０に記憶されている。次に、燃料電池の冷却水の温度Tが検出される（Ｓ１０６）。温度Tは、水温センサ４２の出力が制御装置５０に取り込まれることで求められる。

次に、目標電流Irefと水温Tとに応じて、空気のストイキ比ST1が設定される（Ｓ１０８）。ここで設定される起動時ストイキ比ST1は、現在の燃料電池２の温度Tにおいて目標電流Irefを出力するのに必要な空気量であって、かつ、これにより高発熱運転を行うために絞られた空気流量を決定するものであり、燃料電池２の通常運転時の空気のストイキ比よりも小さな値である。上記のように目標電流Irefと水温Tと起動時ストイキ比ST1との関係は予め実験等により求められ、起動時マップ１として制御装置５０に記憶されている。ここでは、この起動時マップ１に従って、目標電流Irefと水温Tに応じた起動時ストイキ比ST1が演算される。つまり、ステップＳ１０４で設定される目標電流Irefは、通常運転時よりも小さな起動時ストイキ比ST1に設定されることで各セル４に供給される空気流量が少なくなるため、セル抵抗が大きくなりことで実現する大きな電流である。このように燃料電池２の電力損失を増大させることで発熱が促され、燃料電池２の暖機が促進される。

次に、起動時ストイキ比ST1と目標電流Irefに応じて、供給する空気流量Qが演算される（Ｓ１１０）。具体的には、空気流量Qは次式（１）により演算される。
空気流量Q＝a×目標電流Iref×ストイキ比ST1 ・・・・（１）

ここで、aは係数であり、ファラデー定数の逆数を、O₂電荷と空気中の酸素比率で割ったものである。即ち、ファラデー定数F=96500、O₂電荷=4、空気中の酸素比率=0.21とすると、係数aは、次式（２）で表される。
a=(1／96500)／4／0.21 ・・・・（２）

次に、設定された空気流量Qに空気流量が制御される（Ｓ１１２）。ここでは制御装置５０から制御信号がエアコンプレッサ３２に発信され、空気流量が制御される。次に、燃料電池２の実際の電流Imesが検出される（Ｓ１１４）。燃料電池２の実電流Imesはセルモニタ５２の出力に基づいて検出される。次に、電流差ΔＩが演算される（Ｓ１１６）。電流差ΔＩは目標電流Irefから実電流Imesを減算した値である。

次に、空気流量Qと実電流Imesの比率が、基準値より大きいか否かが判断される（Ｓ１１８）。空気流量Qと実電流Imesとの比率が基準値より大きい場合、空気流量Qが設定されたストイキ比に応じた流量にまで上昇しているものと判断される。従って、空気流量Qと実電流Imesの比率が基準値より大きいことが認められない場合、ステップＳ１１２に戻り、実電流Imesと電流差ΔIの検出を繰り返し行われ、空気流量Qが電流差ΔＩに基づいてフィードバック制御されながら（Ｓ１２０）、設定された空気流量Qにまで上げられる。

一方、ステップＳ１１８において、空気流量Qと実電流Imesとの比率が基準値より大きいことが認められると、次に、電流差ΔIが第１基準差I1以下か否かが判断される（Ｓ１２２）。電流差ΔI≦第１基準差I1の成立が認められる場合、実電流Imesが設定された目標電流Irefに近い値となっており、空気流量Qに応じた実電流Imesが出力されていることがわかる。

従って、ステップＳ１２２においてΔI≦第１基準差I1の成立が認められると、今回のルーチンは終了する。その後、起動処理の完了が認められるまで、上記の処理が一定時間ごとに繰り返し実行されることとなる。

一方、ステップＳ１２２において電流差ΔI≦第１基準差の成立が認められない場合、空気流量Qが設定されたストイキ比ST1に応じた流量にまで上昇しているにもかかわらず、要求される目標電流Irefの出力が得られていないことがわかる。つまり、この場合、燃料電池２において凍結による触媒面積減少状態が発生していることが推測される。従って、ステップＳ１２２において電流差ΔI≦第１基準差の成立が認められない場合、又は、ステップＳ１０２においてフラグF1がOFFであることが認められない場合（つまり、触媒面積減少状態であることが判定されている場合）には、起動時ストイキ比ST1よりも小さく設定された凍結時マップ2により空気流量が設定されることとなる。

具体的に、まず、燃料電池２の温度Tが検出される（Ｓ１２４）。次に、検出された温度T及び目標電流Irefに応じて、ストイキ比が凍結時ストイキ比ST2に再設定される（Ｓ１２６）。凍結時ストイキ比ST2は、予め制御装置５０に記憶された凍結時マップ２に従って、温度T及び目標電流Irefに応じた値として設定される。

次に、凍結時ストイキ比ST2に応じて空気流量Qが再演算される（Ｓ１２８）。空気流量Qの演算式は上記（１）式の起動時ストイキ比ST1に替えて、凍結時ストイキ比ST2の値が用いられる点を除き式（１）と同じものであり、a×目標電流Iref×ストイキ比ST2により求められる。次に、再設定された空気流量Qに制御される（Ｓ１３０）。

次に実電流Imesが検出され（Ｓ１３２）、目標電流Irefから実電流Imesを減算した値である電流差ΔIが求められる（Ｓ１３４）。次に電流差ΔIが第２基準差I2より小さいか否かが判断される（Ｓ１３６）。第２基準差I2は第１基準差I1よりも大きな値である。

ステップＳ１３６において、電流差ΔI＜第２基準差I2の成立が認められた場合、実電流Imesは目標電流Irefにある程度近い値まで達していると判断される。即ち、触媒表面の凍結部分が減少し、アノード極、カソード極全体が触媒として機能している状態と考えられる。この場合、フラグF1がOFFとされ（Ｓ１３８）、今回の処理が終了する。その後、起動処理が完了するまでの間、再び、このルーチンが定期的に実行される。なお、このルーチンの繰り返しにおいて、凍結時ストイキ比ST2とした空気流量制御の状態から、ステップＳ１０６〜Ｓ１２２の起動時ストイキ比ST1とする処理に戻る場合、設定される空気流量が急激に変化しないように、所謂なまし制御を実行することとしてもよい。

一方、実電流差ΔI＜第２基準差I2の成立が認められない場合、フラグF1がONとされ（Ｓ１４０）、今回の処理が終了する。これにより、フラグF1がONとされている間、この起動処理のルーチンが繰り返される場合、触媒面積減少状態にあると判断され、空気流量は凍結時ストイキ比ST2に設定される。

図３のルーチンは燃料電池２の起動処理開始後一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンにおいて、起動処理の完了が検出されると（Ｓ１５０）、次に、フラグF1がONとなっているか否かが判定される（Ｓ１５２）。フラグF1がONとなっていることが認められない場合には、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ１５２においてフラグF1がONとなっていることが認められた場合、触媒面積減少状態のまま、起動処理の完了が認められたと判断される。従って、次に、燃料電池２の凍結により触媒面積減少状態となっていることを知らせるウォーニングが点灯される（Ｓ１５４）。その後、燃料電池２の温度T及び出力Pが検出される（Ｓ１５６、Ｓ１５８）。次に、温度Tが基準温度T0より高いか、又は、出力Pが基準出力P0より大きいか否かが判断される（Ｓ１６０）。

ステップＳ１６０において、温度T＞基準温度T0、及び、出力P＞基準出力P0のいずれの条件の成立も認められない場合には、触媒面積減少状態となっていると判断される。この場合には、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ１６０において、温度T＞基準温度T0、又は、出力P＞基準出力P0のいずれかの条件成立が認められた場合、ウォーニングが消灯される（Ｓ１６２）。その後、触媒面積減少状態を示すフラグF1がOFFとされ（Ｓ１６４）、今回の処理が終了する。

以上説明したように、この実施の形態によれば、凍結により触媒面積減少状態が判定される場合に、ストイキ比を凍結時マップ2に切り替えることで、供給する空気流量Qをより減少させることができる。これにより反応点として機能できる触媒面積に対して、供給される空気流量が絞られた状態とすることができ、空気流量不足による高発熱運転を実現することができる。従って、触媒電極が凍結状態となり触媒面積減少状態となっている場合にも、燃料電池２の自己発熱により暖機を促進することができ、短時間での暖機を可能とすることができる。また、空気流量Qを更に絞ることで、エアコンプレッサ等の消費電力を低減することができる。

なお、実施の形態では、空気流量の制御を、予め記憶されたストイキ比のマップ１,２に従って行う場合について説明した。しかし、この発明の燃料電池システムはこれに限るものではなく、例えば、起動時及び凍結時それぞれの場合の、目標電流と、空気量又は空気流量との関係を定めたマップを予め準備しておいて、これに基づいて、空気量又は空気流量を直接設定するものであってもよい。また、空気量又は空気流量が、起動時及び凍結時のそれぞれの場合に対応するものとして適切に設定されるものであれば、他の方法により設定されるものであってもよい。

また実施の形態では、起動時に起動ストイキ比ST1に基づいて空気流量を設定することで高発熱運転を行い、凍結状態となっている場合にストイキ比をより小さな凍結時ストイキ比ST2に切り替える場合について説明した。しかしこの発明の燃料電池システムはこれに限るものではなく、他の起動処理を行う場合に、触媒面積減少状態となっていることが検出された場合にも適用することができる。この場合にもその起動処理における通常の空気流量から、その流量よりも少ない凍結時の空気流量に切り替えるように切り替えることで、エアコンプレッサの電力消費を抑えることができる。また、この切替処理における空気流量の制御は、例えば、通常時の空気流量のストイキ比のマップから、凍結時のストイキ比のマップに切り替えることで実行するものであってもよく、直接空気流量を設定するようなマップを用いるものなどであってもよい。

また、実施の形態では、触媒面積減少状態で起動処理が完了した場合、燃料電池２の温度が基準温度T0まで上昇するか、あるいは出力が基準出力P0に達するまではウォーニング点灯状態とする場合について説明した（図３参照）。これにより燃料電池２の起動処理完了後にも目標出力が得られない場合があることを知らせて注意を喚起することができる。しかしながらこの発明の燃料電池システムは必ずしもこのようなウォーニング点灯処理を実行するものに限らず、ウォーニング点灯に替えて他の警告を行うものであってもよい。またこのような触媒面積の減少状態を知らせる処理を行わないものであってもよい。

また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

なお、この実施の形態においてステップＳ１０４が実行されることで、この発明の「起動時目標電流設定手段」が実現し、ステップＳ１０８が実行されることで「起動時ストイキ比設定手段」が実現し、ステップＳ１１０が実行されることで「起動時酸化ガス量設定手段」が実現し、ステップＳ１１４又はＳ１３２が実行されることで「電流検出手段」が実現し、ステップＳ１２２が実行されることで「凍結状態判定手段」が実現し、ステップＳ１２６が実行されることで「凍結時ストイキ比設定手段」が実現し、ステップＳ１２８が実行されることで「凍結時酸化ガス量設定手段」が実現し、ステップＳ１５０が実行されることで「起動処理終了検出手段」が実現し、ステップＳ１５４が実行されることで「凍結状態表示手段」が実現する。

この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１において、システムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態１において、システムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

符号の説明

２ 燃料電池
４ セル
１２ 水素供給経路
１４ 水素タンク
１６ バルブ
１８ 調圧バルブ
２０ 水素循環経路
２２ 気液分離器
２４ ポンプ
２６ 排出管
３０ 空気供給経路
３２ エアコンプレッサ
３４ 加湿器
３６ 空気排出経路
３８ 排出管
４０ 冷却水循環経路
４２ 水温センサ
４４ ラジエター
４６ ポンプ
５０ 制御装置

Claims (8)

1. 燃料と、酸化ガスとを用いて発電を行う１又は２以上の発電部を有する燃料電池と、
   前記燃料電池を停止状態から起動する際の起動処理を行う場合に、起動時の目標電流である起動時目標電流を設定する起動時目標電流設定手段と、
   前記起動処理において、前記燃料電池に供給する酸化ガス量を、前記起動時目標電流に応じた起動時酸化ガス量に設定する起動時酸化ガス量設定手段と、
   前記起動処理開始後に、前記発電部の一部が凍結した凍結状態となっているか否かを判定する凍結状態判定手段と、
   前記起動処理において前記凍結状態と判定されたとき、前記燃料電池に供給する酸化ガス量を、前記起動時酸化ガス量よりも少ない凍結時酸化ガス量に設定する凍結時酸化ガス量設定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記起動処理における、目標電流の出力に理論的に必要な酸化ガス流量に対する実際に供給する酸化ガス流量の比率として表される酸化ガスのストイキ比を、前記起動時目標電流に応じた起動時ストイキ比に設定する起動時ストイキ比設定手段と、
   前記起動処理において前記凍結状態と判定されたとき、前記酸化ガスのストイキ比を、前記起動時ストイキ比よりも小さい凍結時ストイキ比に設定する凍結時ストイキ比設定手段と、
   を、更に備え、
   前記起動時酸化ガス量設定手段は、前記起動時ストイキ比に応じて、前記起動時酸化ガス量を決定し、
   前記凍結時酸化ガス量設定手段は、前記凍結時ストイキ比に応じて、前記凍結時酸化ガス量を決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の起動が、基準温度以下の低い低温での起動となる低温起動を検出する低温起動検出手段を、更に、備え、
   前記起動時酸化ガス量設定手段は、前記低温起動が検出された場合、前記起動時酸化ガス量を、前記燃料電池が前記基準温度より高い温度で起動される場合における酸化ガス量よりも少ないガス量に設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の起動が、基準温度以下の低い低温での起動となる低温起動を検出する低温起動検出手段を、更に、備え、
   前記起動時ストイキ比設定手段は、前記低温起動が検出された場合、前記起動時ストイキ比を、前記燃料電池が前記基準温度より高い温度で起動される場合における酸化ガスのストイキ比よりも小さい値に設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段を、更に、備え、
   前記凍結状態判定手段は、検出された電流と、前記起動時目標電流との比較によって、凍結状態の判定を行うことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段を、更に、備え、
   前記凍結状態判定手段は、検出された電流と前記起動時目標電流との差が、第１基準差より大きい場合に、前記凍結状態と判定することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
7. 前記凍結状態判定手段は、検出された電流と前記起動時目標電流との差が、第２基準差より小さくなった場合に、前記凍結状態の判定を解除することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記起動処理の終了を検出する起動処理終了検出手段と、
   前記凍結状態と判定されている間に、前記起動処理の終了が検出された場合に、前記凍結状態となっていることを表示する凍結状態表示手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の燃料電池システム。

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