JP3801022B2 - 燃料電池の低温起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池を低温状態から起動させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒およびガス拡散電極層を重ねてアノード、カソードの両極が構成されたＭＥＡと呼ばれる膜と、この両極にそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガスを供給するための流路が溝状に形成されたカーボンまたは金属などの板（バイポーラプレート）を積み重ねて構成されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池で発電を行うためには上記の固体高分子電解質膜に水分が含有されている必要があり、この膜中の水分を保つために燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは通常は加湿され水分を含んでいる。また、カソード側では発電に伴って純水が生成されるため、酸化剤側の流路には水分が含まれている。また、燃料電池には通常、発生した熱を冷却するために冷却液を循環する通路が形成されており、冷却液に純水を用いる場合がある。さらに、冷却液流路と燃料ガス流路および酸化剤ガス流路とを多孔質体を介して連通させることで冷却液流路から各ガスの加湿および生成水の回収をおこなう燃料電池にあっては、冷却液流路と多孔質体内部にも水が含まれる。
【０００４】
このように、燃料電池内部にはさまざまな部位に水が含まれているため、停止状態で氷点下の環境下に長時間放置すると燃料電池内の水が凍結する。そして、この状態から燃料電池を起動する場合、燃料電池内の氷を解凍する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
燃料電池内部の氷を解凍する方法の一つとして、特開2000-315514号に開示されているように、燃料電池内の流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却液流路等）に高温のガス状流体を流通させる方法が考えられる。
【０００６】
しかし、解凍起動処理を開始する直前の燃料電池は低温であるために、高温のガス状流体の一部が流路壁面で急冷され液体となる。この液体が少量でかつ液相であれば、後から来るガス状流体に吹き飛ばされて下流に運搬されるので特に問題にはならないが、多量となるとガス状流体に吹き飛ばされず流路内に停滞し、流路を閉塞する可能性がある。また、この液体がさらに冷却され固相となった場合は流路壁面に付着するが、付着量が多くなると流路を閉塞する可能性がある。流路が閉塞された場合にはその後燃料電池を加温するためのガスを流し込むことができなくなり、燃料電池の起動ができなくなる。
【０００７】
このような流路閉塞の問題は上記の高温のガス状流体に水分が含まれている場合に顕著になると考えられるが、その一方で、水分が含まれている場合のほうが含まれていない場合に比べて燃料電池の昇温効果は大きくなる。なぜなら、高温のガス状流体中に水蒸気として含まれていた水分が燃料電池内部において冷却されて水または氷に変化することにより、相変化の潜熱分の熱量も燃料電池に伝えられるからである。
【０００８】
このように解凍の際に燃料電池に流すガス状流体中の水分は、多量であるほど解凍の効率は良いものの、流路閉塞の可能性が高まるという相反する性質を持っている。本発明はかかる点を考慮してなされたものであり、流路閉塞を起こさずに効率的に燃料電池を解凍するための方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池内の流路に高温のガス状流体を流すことで前記燃料電池内の氷を解凍し、燃料電池を低温状態から起動させる方法において、起動処理開始時、まず前記燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却液流路に前記ガス状流体として乾燥した高温の空気を流し、その後前記燃料電池の温度上昇に応じて前記ガス状流体に含まれる水蒸気の量を増大させることを特徴とするものである。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の温度が所定温度より低い間は乾燥加熱ガスのみからなるガス状流体を前記燃料電池に流し、前記燃料電池の温度が前記所定温度より高くなったら前記乾燥加熱ガス及び水蒸気からなるガス状流体あるいは前記水蒸気のみからなるガス状流体を前記燃料電池に流すことを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、前記の所定温度が、前記燃料電池に水蒸気を流通させた場合に燃料電池内の流路内で前記ガス状流体の水蒸気が凝縮し流路を閉塞する現象が起こらない温度の下限値以上であることを特徴とするものである。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明において、前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を温度上昇に基づき変化させることを特徴とするものである。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明において、前記ガス状流体中の水蒸気量が前記燃料電池内で凝縮による流路閉塞を起こさない量の上限値となる乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を燃料電池の温度に対するテーブルとして予め記憶しておき、前記燃料電池の温度に応じて前記テーブルを参照することで乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を決定することを特徴とするものである。
【００１４】
第６の発明は、第１から第５の発明において、前記燃料電池内の流路の出口における前記ガス状流体の温度を検出し、検出された流路出口における前記ガス状流体の温度から前記燃料電池の温度を判断することを特徴とするものである。
【００１５】
第７の発明は、第１の発明において、起動処理開始からの経過時間に応じて前記ガス状流体の水蒸気の量が増大するように前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
第８の発明は、第７の発明において、起動処理開始時の外気温が低いほど前記ガス状流体の水蒸気の量の増大が緩やかになるように前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御することを特徴とするものである。
【００１７】
【作用及び効果】
したがって、本発明に係る方法によれば、燃料電池を氷点下といった低温状態から起動する際、燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却液流路にガス状流体として乾燥した高温の空気を流すことで燃料電池内の氷の解凍が行われるのであるが、起動処理開始時は乾燥加熱ガスからなるガス状流体を流し、燃料電池の温度上昇に応じて前記ガス状流体に含まれる水蒸気の量が増大するようにしたことにより、水分の凝縮による流路の閉塞を防止しつつ、水分の潜熱によって効率的に燃料電池を加温し解凍することができる。
【００１８】
このとき、燃料電池に流すガス状流体を燃料電池の温度が所定値より低い間は乾燥加熱ガスのみからなる流体とし、燃料電池の温度が前記の所定値より高くなったところで水蒸気または水蒸気及び乾燥加熱ガスよりなる流体に切り替えるようにすれば、上記低温起動方法を単純なメカニズムで構成することができる（第２の発明）。また、そのような切換を行う温度としては、凍結した燃料電池に水蒸気を流通させた際に、流路内で水蒸気が凝縮し流路を閉塞する現象が起こらないための下限以上の温度を設定すれば、水分の凝縮による流路の閉塞を防止しつつ、水分の潜熱によって効率的に燃料電池を加温し解凍することができる（第３の発明）。
【００１９】
また、乾燥加熱ガスから水蒸気に完全に切り替えるのではなく、両者の混合比を温度上昇に基づき変化させるようにすれば、燃料電池の温度が水蒸気のみを流通させることができるほど上昇していない状態においても乾燥加熱ガスと混合することによって水分を燃料電池に供給することができ、より早い時期から水分の潜熱を利用した解凍が可能となる（第４の発明）。このとき、水蒸気の凝縮により流路閉塞を起こさない乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を燃料電池の温度に対するテーブルとして予め用意しておき、テーブル参照により両者の混合比を決定するようにすれば制御システムを簡便に構築できる（第５の発明）。
【００２０】
また、燃料電池の温度を検出するかわりに、燃料電池内流路の出口付近におけるガス状流体の温度を検出し、この検出結果に基づき燃料電池内の温度上昇を判断するようにしても良く、この場合、燃料電池内部に温度センサを設ける必要がなくなり、システムの製作が容易になるという利点がある（第６の発明）。
【００２１】
また、燃料電池の温度を直接検出するかわりに、起動処理開始時からの経過時間、すなわち高温のガス状流体を流し始めてからの時間に応じて前記ガス状流体の水蒸気量が増大するように制御するようにしても良く（第７の発明）、この場合、温度センサを設けなくても同様の解凍起動処理ができるという利点がある。また、起動処理開始時（＝ガス状流体供給開始時）の外気温が低いほど燃料電池に供給するガス状流体の水蒸気量の増大が緩やかになるようにすれば、燃料電池の温度を検出するセンサを省略した場合においても効率よく燃料電池を解凍できる（第８の発明）。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの一部を表し、燃料電池スタック１の燃料ガスライン２、空気ライン３、冷却液ライン４には燃料電池解凍システムが接続されている。
【００２４】
解凍システムは、外気をポンプ５で圧送しヒータ６で加熱して供給する乾燥加熱ガス供給系と、水をボイラ７で加熱して水蒸気にして供給する水蒸気供給系とを備える。ヒータ６、ボイラ７の熱源は、ガソリン、メタノール等の燃料を燃焼させることで賄われるが、車両に搭載した２次電池の電力でヒータ加熱する、あるいは駐車場の外部電源でヒータ加熱するようにしてもよい。
【００２５】
これらの乾燥加熱ガスおよび水蒸気はそれぞれ流量を連続的あるいは段階的に調節することができるバルブ８、９によって流量調整され、混合マニホールド１０において混合された後、切換バルブ１１、１２、１３を介して燃料ガスライン２、空気ライン３、冷却液ライン４に導入される。これらバルブ類の開閉・切替制御はコントローラ２０において行われる。
【００２６】
燃料電池スタック１は冷却液として純水を用い、かつ、冷却液流路が多孔質材料を介して燃料ガス流路、酸化剤ガス流路と連通するという構成を有する。また、燃料電池スタック１の内部温度は温度センサ１４により検出される。
【００２７】
一般に、燃料電池システムを停止させる時は、燃料電池スタック１内の冷却液流路で純水が氷結して膨張することにより燃料電池スタック１が破壊されることを避けるために冷却液ラインから水を外部に排出するが、冷却液ラインから水を外部に排出させてもなお燃料電池スタック１内には多孔質セパレータ、電解質膜内部、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路内部などには水分が残留し、車両を氷点下の環境に放置した場合にはこれらの残留した水が凍結する。
【００２８】
凍結状態にある燃料電池システムを始動させるには、まず、燃料電池スタック１内で凍結した水を解凍する必要があるが、本実施形態において解凍起動処理は以下の手順で行われる。
【００２９】
まず、乾燥加熱ガス供給系のバルブ８を開き、切換バルブ１１、１２、１３を解凍システムからの高温のガス状流体が燃料電池スタックに流入するよう切替えることで、燃料電池スタック１内の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却液流路に高温の空気（乾燥加熱ガス）が供給される。このとき水蒸気供給系のバルブ９はまだ閉じられたままである。
【００３０】
燃料電池スタック１は乾燥加熱ガスによって加温されるが、燃料電池スタック１の内部温度が上昇するにつれてバルブ９の開度を増大させ、燃料電池スタック１に供給される加熱ガスの湿度が上昇するようにする。このときバルブ８は徐々に閉じられ、最終的には水蒸気のみが燃料電池スタック１に供給される。
【００３１】
ここで燃料電池スタック１に水蒸気が導入されると、水蒸気は燃料電池スタック１と熱交換して温度が下がり、凝縮して水または氷となる。水蒸気が水または氷となる際に水はその潜熱を燃料電池スタック１に与えるので、燃料電池スタック１ヘの熱伝達量は同じ温度の乾燥加熱ガスを供給する場合よりも大きくなり、単位時間あたりの温度上昇率は高くなる。しかし、燃料電池スタック１内部で凝縮、氷結する水分量が多くなると氷または水によって燃料ガスライン２、空気ライン３、冷却液ライン４の流路が塞がれてしまい、高温のガス状流体の供給による燃料電池スタック１の加温ができなくなってしまう。
【００３２】
そのため、本実施形態では、燃料電池スタック１の内部温度をモニタし、その時の温度条件下で上記流路閉塞を起こさない量の水蒸気が燃料電池スタック１に供給されるように乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御する。乾燥加熱ガスの流量及び水蒸気の流量の制御は具体的には次のように行われる。
【００３３】
なお、以下の制御を行うにあたっては、あらかじめ燃料電池スタック温度Ｔｓに対応する空気側バルブ８の開度ＶＧｓおよび蒸気側バルブ９の開度ＶＶｓが、図２に示すようなテーブルとしてコントローラ２０内のメモリに記憶されている。バルブ開度ＶＧｓおよびＶＶｓは目標とする水蒸気量Ｒｓを達成するバルブ開度で、水蒸気量Ｒｓはその時の燃料電池スタック温度Ｔｓにおいて前述の燃料電池スタック１内で流路閉塞が起こらない上限の水蒸気量である。これらの値はあらかじめ実験等によって決定される。バルブ開度ＶＧｓおよびＶＶｓは初期値ＶＧ０およびＶＶ０を除けばｎ組定義され、この組数ｎが次に述べる制御の温度ステップ数の最大値となる。
【００３４】
解凍起動処理の制御フローを図３に示す。このフローは低温状態から燃料電池システムを起動する際にコントローラ２０において実行される。
【００３５】
これによると、まず、ステップＳｌで燃料電池システムの起動が開始されると切換バルブ１１、１２、１３は解凍システムからの高温のガス状流体が燃料電池スタックに流入するように切替えられ、ステップＳ２で乾燥加熱ガス供給系バルブ８の開度がＶＧ０、水蒸気供給系バルブ９の開度がＶＶ０に設定される。起動処理開始直後に燃料電池スタック１に流通される水蒸気量が流路閉塞を起こさないような開度ＶＶ０が設定される結果、バルブ８の開度ＶＧ０に応じて高温の空気と共に所定量の水蒸気が燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１の温度が上昇し始める。このときＶＶ０をゼロとして、高温の空気のみを供給して確実に閉塞を防ぐようにしても良い（図４）。
【００３６】
ステップＳ３では温度ステップ数ｓに１が設定され、ステップＳ４では温度ステップ数ｓ＝１に対応する温度設定値Ｔ１が読み込まれる。
【００３７】
ステップＳ５では温度センサ１４にて燃料電池スタック１の内部温度Ｔが検出され、ステップＳ６では燃料電池スタック１の温度ＴがＴ１と比較される。比較の結果、燃料電池スタック１の温度ＴがＴ１より低い場合は、再び温度検出ステップＳ５に戻るが、燃料電池スタック１の温度Ｔが設定値Ｔ１まで上昇するとステップＳ７に進み、バルブ８、９の開度がテーブルから読み込まれた値ＶＧ１、ＶＶ１に変更され、燃料電池スタック１に供給されるガス状流体の水蒸気量がＲ１に設定される。この結果、水分の潜熱による温度上昇が加わり、初期値としてＶＶ０をゼロとした場合、燃料電池スタック１の温度の上昇速度は水蒸気を加える前よりも高くなる。
【００３８】
ステップＳ８では温度ステップ数ｓが１ステップだけインクリメントされる。ステップＳ９では新しい温度ステップ数ｓがテーブルに定義されたステップ数の最大値ｎと比較され、温度ステップ数ｓがｎ以下であればステップＳ４に戻る。
【００３９】
温度ステップ数ｓが２になると、燃料電池スタック１の温度ＴがＴ２に上昇したところでバルブ８、９の開度がそれぞれテーブルを参照して得られるＶＧ２、ＶＶ２に制御され、その結果として燃料電池スタック１に供給される水蒸気量はＲ２に設定される。燃料電池スタック１の温度が上昇したことにより、水分の凝縮による流路閉塞を起こさずに燃料電池スタック１に送り込める水蒸気量が増えることから、水蒸気側バルブ９の開度ＶＶ２は前のステップの値ＶＶ１よりも大きく設定され、水蒸気量Ｒ２は前のステップの値Ｒｌより大きく設定される。燃料電池スタック１に供給される水蒸気量が多くなったことにより、潜熱によって燃料電池スタック１が加熱される割合が増え、燃料電池スタック１の温度上昇速度はさらに高められる。
【００４０】
以後、温度ステップ数ｓが最大ステップ数ｎを超えるまでステップＳ４からＳ８が繰り返され、燃料電池スタック１の内部温度の上昇に応じて燃料電池スタック１に供給されるガス状流体の湿度が高められ、温度ステップ数ｓが最大ステップ数ｎを超えたところで解凍起動処理は終了する。なお、バルブ開度のテーブルは、温度ステップ数がｎに達するまでに燃料電池スタック１内の氷が十分に解凍され発電が開始できる状態になるように設定される。
【００４１】
上記解凍起動処理を行ったときの様子を図４に示す。（ａ）は燃料電池スタック１の温度、（ｂ）は燃料電池スタック１に供給される乾燥加熱ガス中の水蒸気量、（ｃ）は乾燥加熱ガス供給系バルブ８の開度、（ｄ）は水蒸気供給系バルブ９の開度をそれぞれ表している。
【００４２】
これに示されるように、水蒸気供給系バルブ９は起動処理開始直後は流路閉塞を起こさないような開度（本例においては全閉）であるが、燃料電池スタック１の温度が設定値Ｔｌ、Ｔ２…、に到達したタイミングで開度が段階的に大きくなり、これによって燃料電池スタック１に供給される水蒸気量も増大して燃料電池スタック１の温度の上昇速度も増大する。
【００４３】
また、本実施形態ではバルブ８、９の開度は全開、全閉を２値的に切り替えるのではなく、全開と全閉の間で連続的に切り替えられるが、このように中間値をとるように制御することにより以下のような利点がある。
【００４４】
図５は図４と同様にバルブ８、９の開度、水蒸気量、燃料電池スタック１の温度の時間変化を示したタイムチャートである。バルブ開度を連続的に制御した状態を実線５１から５４で示し、バルブ８、９の開度を全開、全閉のいずれかしか取らないように制御した場合の状態を破線５５から５８で示す。
【００４５】
前者の場合は、燃料電池スタック１の温度の上昇に応じてバルブ開度５１、５２が段階的に切り替えられ、水蒸気量が徐々に増大されるのに対し、後者の場合は、燃料電池スタック１が水蒸気のみを送り込むことが可能になる温度Ｔｘに到達するまではバルブ８を全開、バルブ９を全閉として乾燥加熱ガスのみが送り込まれ、Ｔｘに到達した時点でバルブ８を全閉、バルブ９を全開として水蒸気のみが送り込まれる。
【００４６】
これに示されるように、後者の場合は、温度Ｔｘに到達するまで乾燥加熱ガスによる緩やかな温度上昇効果しか得られず、燃料電池スタック１の昇温、解凍に前者の場合に比べて時間がかかってしまうが、燃料電池スタック１の温度に応じてバルブ開度を段階的に制御する前者の場合は、効率的に燃料電池スタック１を解凍できるという利点がある。当然、温度と開度の相関曲線に基づいてさらにきめ細かく連続的な制御を行うこともできる。
【００４７】
なお、本実施形態では冷却液に純水を用い、かつ、加湿と生成水回収のために冷却液流路と燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路とが多孔質材料を介して連通している燃料電池スタック１を対象としているが、それ以外の構成の燃料電池スタックにも同様の解凍起動方法を適用することができる。
【００４８】
例えば、冷却液に不凍液を用い、かつ、冷却液流路と燃料ガス、酸化剤ガス流路は連通せず、完全に独立している燃料電池スタックを対象とした場合には以下のようになる。
【００４９】
この場合、冷却液は凍結の恐れがないためシステム停止時に燃料電池スタックから冷却液の排出は行われないため、停止時に燃料電池スタック内に残存し凍結する水分は電解質膜内部に含有される水分、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に残存する加湿のための水分および生成水となり、起動時にはこれらを解凍すればよい。したがって、このような燃料電池スタックに対応する解凍システムは、基本構成は上記冷却液に純水を用いた場合と略同様であるが、解凍のためのガスは冷却液ラインには供給されなくなり、切替バルブ１３も不要になる。
【００５０】
なお、この構成の場合、上述した解凍起動システムに加え、加熱した不凍液を燃料電池スタック１内部に循環する構成を追加すれば、さらに燃料電池スタック１内の氷を効果的に解凍することができる。
【００５１】
また、制御の簡略化を優先させる場合には、起動処理開始当初は乾燥加熱ガス供給系バルブ８を開き、水蒸気供給系バルブ９を閉じて乾燥加熱ガスのみを燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１の温度が所定温度に到達したらバルブ９、８の開度を調節して燃料電池スタック１に供給するガス状流体の組成を水蒸気のみ、あるいは水蒸気と乾燥加熱ガスよりなるガスに切り換えるようにしてもよい。この場合、切換を行う所定温度として、例えば、流路内で水分が凝固しない温度のうち最も低い温度（もしくは、それ以上の温度）を設定すれば、水分の凝縮による流路の閉塞を防止しつつ、水分の潜熱によって効率的に燃料電池を加温し解凍することができる。
【００５２】
続いて本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図６は第２の実施形態を示す。基本構成は先の実施形態の場合と同様であるが、燃料電池スタック１内部の温度センサ１４に代えて燃料ガスライン２の燃料電池スタック１の出口付近に温度センサ１５が設けられている点で相違する。
【００５４】
解凍起動時に燃料ガスライン２の燃料電池スタック１出口から排出されるガス状流体の温度は、燃料電池スタック１の内部温度と一致するわけではないものの、燃料電池スタック１の内部温度の上昇にしたがって上昇する特性を有する。したがって、燃料電池スタック１出口から排出されるガス状流体の温度から燃料電池スタック１の内部温度の上昇をある程度正確に判断することができ、温度に対するバルブ開度のテーブルの各値をセンサの位置の違いに合わせて設定すれば、先の実施形態と同様の制御が可能であり、流路閉塞を防止しつつ効率的に燃料電池スタック１を解凍起動することができる。
【００５５】
特に、先の実施形態では燃料電池スタック１の内部に温度センサを設ける構成のため、細い流路を避けて薄いバイポーラプレート内に電気的なショートを防止するように温度センサを設置する必要があり、製作が複雑であったが、本実施形態では燃料電池スタック１から外部に突出している配管の一部に温度センサを設けるだけでよいため製作が容易になる。
【００５６】
なお、ここでは温度センサを燃料ガスライン２の燃料電池スタック出口付近に設けているが、同様に空気ライン３の燃料電池スタック出口付近１６、または冷却液ライン４の燃料電池スタック出口付近１７に温度センサを設置し、これによる検出結果に基づき燃料電池スタック１の内部温度の上昇を判断するようにしてもよく、この場合も同様の制御が可能である。
【００５７】
続いて本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５８】
図７、図８はコントローラ６内のメモリに記憶されたバルブ開度設定用テーブルと、コントローラ６が行う燃料電池スタック１の解凍起動処理の内容を示した制御フローである。コントローラ２０が行う制御以外は第１の実施形態（図１）と同様である。
【００５９】
バルブ開度設定用テーブルは、第１の実施形態では燃料電池スタック１の温度Ｔに対して定義されていたのに対し、この実施形態では図７に示すように起動処理を開始してからの時刻（経過時刻ｔ）に対して定義されている。また、バルブ開度設定テーブルは外気温度に応じて複数（６１から６３）用意されている。
【００６０】
そして、乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比、すなわち燃料電池スタック１に供給されるガス状流体中の水蒸気量が図８に示す制御フローに従い制御される。
【００６１】
これによると、まず、ステップＳ２ｌで燃料電池スタック１の解凍起動処理が開始されると、ステップＳ２２で車両周辺の外気温度が検出され、ステップＳ２３で外気温度に応じて複数のテーブル６１から６３の中からその外気温度に対して最も適切なテーブルが選択される。
【００６２】
ステップＳ２４ではバルブ１１から１３が開かれるとともに、バルブ８、９の開度がそれぞれテーブルに記載された初期値ＶＧ０、ＶＶ０に設定される。ステップＳ２５ではコントローラ２０内部のタイマｔがゼロにリセットされ、その後変数ｔは時間の経過に応じて増加する。また、ステップＳ２６で時間ステップ数ｓが１に設定される。
【００６３】
ステップＳ２７では時間ステップ数ｓに応じた時刻設定値ｔｓがテーブルより読み込まれ、最初はステップ数ｓ＝１に対応するｔ１が読み込まれる。ステップＳ２８では経過時間ｔと時刻設定値ｔｌとを比較し、経過時間が時刻設定値ｔ１に到達すれば次のステップＳ２９に進む。ステップＳ２９ではその時の時間ステップ数（この場合はｓ＝１）に応じたバルブ開度ＶＧｌ、ＶＶｌがテーブルから読み込まれ、バルブ８、９の開度がそれぞれＶＧ１、ＶＶ１に設定される。
【００６４】
その後、先の実施形態と同様にステップＳ３０で時刻ステップ数ｓをインクリメントし、ステップＳ３１で終了の判定をし、まだ残された時間ステップが存在する場合はステップＳ２７に戻ってステップＳ２７からＳ３１の処理が繰り返される。
【００６５】
このように、この実施形態では解凍起動処理を開始してからの経過時間ｔに応じてテーブル参照によりバルブ８、９の開度が制御されるのであるが、テーブルにおける時刻ｔｓとバルブ開度ＶＧｓ、ＶＶｓは以下のような考え方に従い予め定義される。
【００６６】
燃料電池スタック１の温度は燃料電池スタック１に高温の流体を流し込み始めてからの時間に応じて増加するので、燃料電池スタック１の温度は時刻から判断することができる。そこで、解凍起動処理を開始してから燃料電池スタック１が全て解凍されるまでの期間を時間ステップに適宜分割し、各時刻設定値における燃料電池スタック１の温度を推定する。
【００６７】
そして、この推定された燃料電池スタック１の温度から、このときに水分の凝縮による流路閉塞を起こさずに燃料電池スタック１に流通させることが可能な水蒸気量の最大量を割り出し、この水蒸気割合を実現するための上記バルブ開度ＶＶｓ、ＶＧｓをそれぞれ割り出してテーブル上の数値とする。
【００６８】
凍結した燃料電池スタック１にガス状流体を送り込んだときの温度履歴は燃料電池スタック１の初期温度によって異なるが、燃料電池スタック１にガス状流体を流通させる前の初期温度は外気温度に依存し、一般的には外気温度とほぼ同じといえる。したがって、起動処理開始時点の外気温度に応じてテーブルを複数用意しておけば、燃料電池スタック１の初期温度の違いにも対応することができる。
【００６９】
もちろん、システムを単純化するために外気温度に応じたテーブルの使い分けを省略することも可能であり、この場合は現実的に考えられる最も低い外気温度に応じて設定されたテーブルで全ての温度条件をカバーするようにすればよい。
【００７０】
このように燃料電池スタック１の温度を検出する代わりに時刻を基準にして制御を行っても第１の実施形態の場合と同様の効果が得られ、燃料電池スタック１の温度変化に応じて適切な水蒸気量のガス状流体を燃料電池スタック１に流通させることで流路閉塞を防止しつつ、水蒸気の潜熱を用いて効果的に燃料電池スタック１を解凍起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システム及びその解凍システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタック温度とバルブ開度との関係を規定するテーブルの模式図である。
【図３】燃料電池スタックの解凍起動処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】本発明による燃料電池スタックの解凍起動処理の様子を示したタイムチャートである。
【図５】同じく本発明による燃料電池スタックの解凍起動処理の様子を示したタイムチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態を示し、燃料電池システム及びその解凍システムの概略構成図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示し、解凍起動処理を開始してからの経過時間及び外気温度とバルブ開度との関係を規定するテーブルの模式図である。
【図８】燃料電池スタックの解凍起動処理の内容を示した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 燃料ガスライン
３ 空気ライン
４ 冷却液ライン
５ ポンプ
６ ヒータ
７ ボイラ
８、９ 流量調整バルブ
１０ 混合マニホールド
１１、１２、１３ 切換バルブ
１４，１５ 温度センサ
２０ コントローラ
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池を低温状態から起動させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒およびガス拡散電極層を重ねてアノード、カソードの両極が構成されたＭＥＡと呼ばれる膜と、この両極にそれぞれ燃料ガス、酸化剤ガスを供給するための流路が溝状に形成されたカーボンまたは金属などの板（バイポーラプレート）を積み重ねて構成されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池で発電を行うためには上記の固体高分子電解質膜に水分が含有されている必要があり、この膜中の水分を保つために燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは通常は加湿され水分を含んでいる。また、カソード側では発電に伴って純水が生成されるため、酸化剤側の流路には水分が含まれている。また、燃料電池には通常、発生した熱を冷却するために冷却液を循環する通路が形成されており、冷却液に純水を用いる場合がある。さらに、冷却液流路と燃料ガス流路および酸化剤ガス流路とを多孔質体を介して連通させることで冷却液流路から各ガスの加湿および生成水の回収をおこなう燃料電池にあっては、冷却液流路と多孔質体内部にも水が含まれる。
【０００４】
このように、燃料電池内部にはさまざまな部位に水が含まれているため、停止状態で氷点下の環境下に長時間放置すると燃料電池内の水が凍結する。そして、この状態から燃料電池を起動する場合、燃料電池内の氷を解凍する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
燃料電池内部の氷を解凍する方法の一つとして、特開2000-315514号に開示されているように、燃料電池内の流路（燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却液流路等）に高温のガス状流体を流通させる方法が考えられる。
【０００６】
しかし、解凍起動処理を開始する直前の燃料電池は低温であるために、高温のガス状流体の一部が流路壁面で急冷され液体となる。この液体が少量でかつ液相であれば、後から来るガス状流体に吹き飛ばされて下流に運搬されるので特に問題にはならないが、多量となるとガス状流体に吹き飛ばされず流路内に停滞し、流路を閉塞する可能性がある。また、この液体がさらに冷却され固相となった場合は流路壁面に付着するが、付着量が多くなると流路を閉塞する可能性がある。流路が閉塞された場合にはその後燃料電池を加温するためのガスを流し込むことができなくなり、燃料電池の起動ができなくなる。
【０００７】
このような流路閉塞の問題は上記の高温のガス状流体に水分が含まれている場合に顕著になると考えられるが、その一方で、水分が含まれている場合のほうが含まれていない場合に比べて燃料電池の昇温効果は大きくなる。なぜなら、高温のガス状流体中に水蒸気として含まれていた水分が燃料電池内部において冷却されて水または氷に変化することにより、相変化の潜熱分の熱量も燃料電池に伝えられるからである。
【０００８】
このように解凍の際に燃料電池に流すガス状流体中の水分は、多量であるほど解凍の効率は良いものの、流路閉塞の可能性が高まるという相反する性質を持っている。本発明はかかる点を考慮してなされたものであり、流路閉塞を起こさずに効率的に燃料電池を解凍するための方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池内の流路に高温のガス状流体を流すことで前記燃料電池内の氷を解凍し、燃料電池を低温状態から起動させる方法において、起動処理開始時、まず前記燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却液流路に前記ガス状流体として乾燥した高温の空気を流し、その後前記燃料電池の温度上昇に応じて前記ガス状流体に含まれる水蒸気の量を増大させることを特徴とするものである。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料電池の温度が所定温度より低い間は乾燥加熱ガスのみからなるガス状流体を前記燃料電池に流し、前記燃料電池の温度が前記所定温度より高くなったら前記乾燥加熱ガス及び水蒸気からなるガス状流体あるいは前記水蒸気のみからなるガス状流体を前記燃料電池に流すことを特徴とするものである。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、前記の所定温度が、前記燃料電池に水蒸気を流通させた場合に燃料電池内の流路内で前記ガス状流体の水蒸気が凝縮し流路を閉塞する現象が起こらない温度の下限値以上であることを特徴とするものである。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明において、前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を温度上昇に基づき変化させることを特徴とするものである。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明において、前記ガス状流体中の水蒸気量が前記燃料電池内で凝縮による流路閉塞を起こさない量の上限値となる乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を燃料電池の温度に対するテーブルとして予め記憶しておき、前記燃料電池の温度に応じて前記テーブルを参照することで乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を決定することを特徴とするものである。
【００１４】
第６の発明は、第１から第５の発明において、前記燃料電池内の流路の出口における前記ガス状流体の温度を検出し、検出された流路出口における前記ガス状流体の温度から前記燃料電池の温度を判断することを特徴とするものである。
【００１５】
第７の発明は、第１の発明において、起動処理開始からの経過時間に応じて前記ガス状流体の水蒸気の量が増大するように前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御することを特徴とするものである。
【００１６】
第８の発明は、第７の発明において、起動処理開始時の外気温が低いほど前記ガス状流体の水蒸気の量の増大が緩やかになるように前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御することを特徴とするものである。
【００１７】
【作用及び効果】
したがって、本発明に係る方法によれば、燃料電池を氷点下といった低温状態から起動する際、燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却液流路にガス状流体として乾燥した高温の空気を流すことで燃料電池内の氷の解凍が行われるのであるが、起動処理開始時は乾燥加熱ガスからなるガス状流体を流し、燃料電池の温度上昇に応じて前記ガス状流体に含まれる水蒸気の量が増大するようにしたことにより、水分の凝縮による流路の閉塞を防止しつつ、水分の潜熱によって効率的に燃料電池を加温し解凍することができる。
【００１８】
このとき、燃料電池に流すガス状流体を燃料電池の温度が所定値より低い間は乾燥加熱ガスのみからなる流体とし、燃料電池の温度が前記の所定値より高くなったところで水蒸気または水蒸気及び乾燥加熱ガスよりなる流体に切り替えるようにすれば、上記低温起動方法を単純なメカニズムで構成することができる（第２の発明）。また、そのような切換を行う温度としては、凍結した燃料電池に水蒸気を流通させた際に、流路内で水蒸気が凝縮し流路を閉塞する現象が起こらないための下限以上の温度を設定すれば、水分の凝縮による流路の閉塞を防止しつつ、水分の潜熱によって効率的に燃料電池を加温し解凍することができる（第３の発明）。
【００１９】
また、乾燥加熱ガスから水蒸気に完全に切り替えるのではなく、両者の混合比を温度上昇に基づき変化させるようにすれば、燃料電池の温度が水蒸気のみを流通させることができるほど上昇していない状態においても乾燥加熱ガスと混合することによって水分を燃料電池に供給することができ、より早い時期から水分の潜熱を利用した解凍が可能となる（第４の発明）。このとき、水蒸気の凝縮により流路閉塞を起こさない乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を燃料電池の温度に対するテーブルとして予め用意しておき、テーブル参照により両者の混合比を決定するようにすれば制御システムを簡便に構築できる（第５の発明）。
【００２０】
また、燃料電池の温度を検出するかわりに、燃料電池内流路の出口付近におけるガス状流体の温度を検出し、この検出結果に基づき燃料電池内の温度上昇を判断するようにしても良く、この場合、燃料電池内部に温度センサを設ける必要がなくなり、システムの製作が容易になるという利点がある（第６の発明）。
【００２１】
また、燃料電池の温度を直接検出するかわりに、起動処理開始時からの経過時間、すなわち高温のガス状流体を流し始めてからの時間に応じて前記ガス状流体の水蒸気量が増大するように制御するようにしても良く（第７の発明）、この場合、温度センサを設けなくても同様の解凍起動処理ができるという利点がある。また、起動処理開始時（＝ガス状流体供給開始時）の外気温が低いほど燃料電池に供給するガス状流体の水蒸気量の増大が緩やかになるようにすれば、燃料電池の温度を検出するセンサを省略した場合においても効率よく燃料電池を解凍できる（第８の発明）。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの一部を表し、燃料電池スタック１の燃料ガスライン２、空気ライン３、冷却液ライン４には燃料電池解凍システムが接続されている。
【００２４】
解凍システムは、外気をポンプ５で圧送しヒータ６で加熱して供給する乾燥加熱ガス供給系と、水をボイラ７で加熱して水蒸気にして供給する水蒸気供給系とを備える。ヒータ６、ボイラ７の熱源は、ガソリン、メタノール等の燃料を燃焼させることで賄われるが、車両に搭載した２次電池の電力でヒータ加熱する、あるいは駐車場の外部電源でヒータ加熱するようにしてもよい。
【００２５】
これらの乾燥加熱ガスおよび水蒸気はそれぞれ流量を連続的あるいは段階的に調節することができるバルブ８、９によって流量調整され、混合マニホールド１０において混合された後、切換バルブ１１、１２、１３を介して燃料ガスライン２、空気ライン３、冷却液ライン４に導入される。これらバルブ類の開閉・切替制御はコントローラ２０において行われる。
【００２６】
燃料電池スタック１は冷却液として純水を用い、かつ、冷却液流路が多孔質材料を介して燃料ガス流路、酸化剤ガス流路と連通するという構成を有する。また、燃料電池スタック１の内部温度は温度センサ１４により検出される。
【００２７】
一般に、燃料電池システムを停止させる時は、燃料電池スタック１内の冷却液流路で純水が氷結して膨張することにより燃料電池スタック１が破壊されることを避けるために冷却液ラインから水を外部に排出するが、冷却液ラインから水を外部に排出させてもなお燃料電池スタック１内には多孔質セパレータ、電解質膜内部、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路内部などには水分が残留し、車両を氷点下の環境に放置した場合にはこれらの残留した水が凍結する。
【００２８】
凍結状態にある燃料電池システムを始動させるには、まず、燃料電池スタック１内で凍結した水を解凍する必要があるが、本実施形態において解凍起動処理は以下の手順で行われる。
【００２９】
まず、乾燥加熱ガス供給系のバルブ８を開き、切換バルブ１１、１２、１３を解凍システムからの高温のガス状流体が燃料電池スタックに流入するよう切替えることで、燃料電池スタック１内の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却液流路に高温の空気（乾燥加熱ガス）が供給される。このとき水蒸気供給系のバルブ９はまだ閉じられたままである。
【００３０】
燃料電池スタック１は乾燥加熱ガスによって加温されるが、燃料電池スタック１の内部温度が上昇するにつれてバルブ９の開度を増大させ、燃料電池スタック１に供給される加熱ガスの湿度が上昇するようにする。このときバルブ８は徐々に閉じられ、最終的には水蒸気のみが燃料電池スタック１に供給される。
【００３１】
ここで燃料電池スタック１に水蒸気が導入されると、水蒸気は燃料電池スタック１と熱交換して温度が下がり、凝縮して水または氷となる。水蒸気が水または氷となる際に水はその潜熱を燃料電池スタック１に与えるので、燃料電池スタック１ヘの熱伝達量は同じ温度の乾燥加熱ガスを供給する場合よりも大きくなり、単位時間あたりの温度上昇率は高くなる。しかし、燃料電池スタック１内部で凝縮、氷結する水分量が多くなると氷または水によって燃料ガスライン２、空気ライン３、冷却液ライン４の流路が塞がれてしまい、高温のガス状流体の供給による燃料電池スタック１の加温ができなくなってしまう。
【００３２】
そのため、本実施形態では、燃料電池スタック１の内部温度をモニタし、その時の温度条件下で上記流路閉塞を起こさない量の水蒸気が燃料電池スタック１に供給されるように乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御する。乾燥加熱ガスの流量及び水蒸気の流量の制御は具体的には次のように行われる。
【００３３】
なお、以下の制御を行うにあたっては、あらかじめ燃料電池スタック温度Ｔｓに対応する空気側バルブ８の開度ＶＧｓおよび蒸気側バルブ９の開度ＶＶｓが、図２に示すようなテーブルとしてコントローラ２０内のメモリに記憶されている。バルブ開度ＶＧｓおよびＶＶｓは目標とする水蒸気量Ｒｓを達成するバルブ開度で、水蒸気量Ｒｓはその時の燃料電池スタック温度Ｔｓにおいて前述の燃料電池スタック１内で流路閉塞が起こらない上限の水蒸気量である。これらの値はあらかじめ実験等によって決定される。バルブ開度ＶＧｓおよびＶＶｓは初期値ＶＧ０およびＶＶ０を除けばｎ組定義され、この組数ｎが次に述べる制御の温度ステップ数の最大値となる。
【００３４】
解凍起動処理の制御フローを図３に示す。このフローは低温状態から燃料電池システムを起動する際にコントローラ２０において実行される。
【００３５】
これによると、まず、ステップＳｌで燃料電池システムの起動が開始されると切換バルブ１１、１２、１３は解凍システムからの高温のガス状流体が燃料電池スタックに流入するように切替えられ、ステップＳ２で乾燥加熱ガス供給系バルブ８の開度がＶＧ０、水蒸気供給系バルブ９の開度がＶＶ０に設定される。起動処理開始直後に燃料電池スタック１に流通される水蒸気量が流路閉塞を起こさないような開度ＶＶ０が設定される結果、バルブ８の開度ＶＧ０に応じて高温の空気と共に所定量の水蒸気が燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１の温度が上昇し始める。このときＶＶ０をゼロとして、高温の空気のみを供給して確実に閉塞を防ぐようにしても良い（図４）。
【００３６】
ステップＳ３では温度ステップ数ｓに１が設定され、ステップＳ４では温度ステップ数ｓ＝１に対応する温度設定値Ｔ１が読み込まれる。
【００３７】
ステップＳ５では温度センサ１４にて燃料電池スタック１の内部温度Ｔが検出され、ステップＳ６では燃料電池スタック１の温度ＴがＴ１と比較される。比較の結果、燃料電池スタック１の温度ＴがＴ１より低い場合は、再び温度検出ステップＳ５に戻るが、燃料電池スタック１の温度Ｔが設定値Ｔ１まで上昇するとステップＳ７に進み、バルブ８、９の開度がテーブルから読み込まれた値ＶＧ１、ＶＶ１に変更され、燃料電池スタック１に供給されるガス状流体の水蒸気量がＲ１に設定される。この結果、水分の潜熱による温度上昇が加わり、初期値としてＶＶ０をゼロとした場合、燃料電池スタック１の温度の上昇速度は水蒸気を加える前よりも高くなる。
【００３８】
ステップＳ８では温度ステップ数ｓが１ステップだけインクリメントされる。ステップＳ９では新しい温度ステップ数ｓがテーブルに定義されたステップ数の最大値ｎと比較され、温度ステップ数ｓがｎ以下であればステップＳ４に戻る。
【００３９】
温度ステップ数ｓが２になると、燃料電池スタック１の温度ＴがＴ２に上昇したところでバルブ８、９の開度がそれぞれテーブルを参照して得られるＶＧ２、ＶＶ２に制御され、その結果として燃料電池スタック１に供給される水蒸気量はＲ２に設定される。燃料電池スタック１の温度が上昇したことにより、水分の凝縮による流路閉塞を起こさずに燃料電池スタック１に送り込める水蒸気量が増えることから、水蒸気側バルブ９の開度ＶＶ２は前のステップの値ＶＶ１よりも大きく設定され、水蒸気量Ｒ２は前のステップの値Ｒｌより大きく設定される。燃料電池スタック１に供給される水蒸気量が多くなったことにより、潜熱によって燃料電池スタック１が加熱される割合が増え、燃料電池スタック１の温度上昇速度はさらに高められる。
【００４０】
以後、温度ステップ数ｓが最大ステップ数ｎを超えるまでステップＳ４からＳ８が繰り返され、燃料電池スタック１の内部温度の上昇に応じて燃料電池スタック１に供給されるガス状流体の湿度が高められ、温度ステップ数ｓが最大ステップ数ｎを超えたところで解凍起動処理は終了する。なお、バルブ開度のテーブルは、温度ステップ数がｎに達するまでに燃料電池スタック１内の氷が十分に解凍され発電が開始できる状態になるように設定される。
【００４１】
上記解凍起動処理を行ったときの様子を図４に示す。（ａ）は燃料電池スタック１の温度、（ｂ）は燃料電池スタック１に供給される乾燥加熱ガス中の水蒸気量、（ｃ）は乾燥加熱ガス供給系バルブ８の開度、（ｄ）は水蒸気供給系バルブ９の開度をそれぞれ表している。
【００４２】
これに示されるように、水蒸気供給系バルブ９は起動処理開始直後は流路閉塞を起こさないような開度（本例においては全閉）であるが、燃料電池スタック１の温度が設定値Ｔｌ、Ｔ２…、に到達したタイミングで開度が段階的に大きくなり、これによって燃料電池スタック１に供給される水蒸気量も増大して燃料電池スタック１の温度の上昇速度も増大する。
【００４３】
また、本実施形態ではバルブ８、９の開度は全開、全閉を２値的に切り替えるのではなく、全開と全閉の間で連続的に切り替えられるが、このように中間値をとるように制御することにより以下のような利点がある。
【００４４】
図５は図４と同様にバルブ８、９の開度、水蒸気量、燃料電池スタック１の温度の時間変化を示したタイムチャートである。バルブ開度を連続的に制御した状態を実線５１から５４で示し、バルブ８、９の開度を全開、全閉のいずれかしか取らないように制御した場合の状態を破線５５から５８で示す。
【００４５】
前者の場合は、燃料電池スタック１の温度の上昇に応じてバルブ開度５１、５２が段階的に切り替えられ、水蒸気量が徐々に増大されるのに対し、後者の場合は、燃料電池スタック１が水蒸気のみを送り込むことが可能になる温度Ｔｘに到達するまではバルブ８を全開、バルブ９を全閉として乾燥加熱ガスのみが送り込まれ、Ｔｘに到達した時点でバルブ８を全閉、バルブ９を全開として水蒸気のみが送り込まれる。
【００４６】
これに示されるように、後者の場合は、温度Ｔｘに到達するまで乾燥加熱ガスによる緩やかな温度上昇効果しか得られず、燃料電池スタック１の昇温、解凍に前者の場合に比べて時間がかかってしまうが、燃料電池スタック１の温度に応じてバルブ開度を段階的に制御する前者の場合は、効率的に燃料電池スタック１を解凍できるという利点がある。当然、温度と開度の相関曲線に基づいてさらにきめ細かく連続的な制御を行うこともできる。
【００４７】
なお、本実施形態では冷却液に純水を用い、かつ、加湿と生成水回収のために冷却液流路と燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路とが多孔質材料を介して連通している燃料電池スタック１を対象としているが、それ以外の構成の燃料電池スタックにも同様の解凍起動方法を適用することができる。
【００４８】
例えば、冷却液に不凍液を用い、かつ、冷却液流路と燃料ガス、酸化剤ガス流路は連通せず、完全に独立している燃料電池スタックを対象とした場合には以下のようになる。
【００４９】
この場合、冷却液は凍結の恐れがないためシステム停止時に燃料電池スタックから冷却液の排出は行われないため、停止時に燃料電池スタック内に残存し凍結する水分は電解質膜内部に含有される水分、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路に残存する加湿のための水分および生成水となり、起動時にはこれらを解凍すればよい。したがって、このような燃料電池スタックに対応する解凍システムは、基本構成は上記冷却液に純水を用いた場合と略同様であるが、解凍のためのガスは冷却液ラインには供給されなくなり、切替バルブ１３も不要になる。
【００５０】
なお、この構成の場合、上述した解凍起動システムに加え、加熱した不凍液を燃料電池スタック１内部に循環する構成を追加すれば、さらに燃料電池スタック１内の氷を効果的に解凍することができる。
【００５１】
また、制御の簡略化を優先させる場合には、起動処理開始当初は乾燥加熱ガス供給系バルブ８を開き、水蒸気供給系バルブ９を閉じて乾燥加熱ガスのみを燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１の温度が所定温度に到達したらバルブ９、８の開度を調節して燃料電池スタック１に供給するガス状流体の組成を水蒸気のみ、あるいは水蒸気と乾燥加熱ガスよりなるガスに切り換えるようにしてもよい。この場合、切換を行う所定温度として、例えば、流路内で水分が凝固しない温度のうち最も低い温度（もしくは、それ以上の温度）を設定すれば、水分の凝縮による流路の閉塞を防止しつつ、水分の潜熱によって効率的に燃料電池を加温し解凍することができる。
【００５２】
続いて本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５３】
図６は第２の実施形態を示す。基本構成は先の実施形態の場合と同様であるが、燃料電池スタック１内部の温度センサ１４に代えて燃料ガスライン２の燃料電池スタック１の出口付近に温度センサ１５が設けられている点で相違する。
【００５４】
解凍起動時に燃料ガスライン２の燃料電池スタック１出口から排出されるガス状流体の温度は、燃料電池スタック１の内部温度と一致するわけではないものの、燃料電池スタック１の内部温度の上昇にしたがって上昇する特性を有する。したがって、燃料電池スタック１出口から排出されるガス状流体の温度から燃料電池スタック１の内部温度の上昇をある程度正確に判断することができ、温度に対するバルブ開度のテーブルの各値をセンサの位置の違いに合わせて設定すれば、先の実施形態と同様の制御が可能であり、流路閉塞を防止しつつ効率的に燃料電池スタック１を解凍起動することができる。
【００５５】
特に、先の実施形態では燃料電池スタック１の内部に温度センサを設ける構成のため、細い流路を避けて薄いバイポーラプレート内に電気的なショートを防止するように温度センサを設置する必要があり、製作が複雑であったが、本実施形態では燃料電池スタック１から外部に突出している配管の一部に温度センサを設けるだけでよいため製作が容易になる。
【００５６】
なお、ここでは温度センサを燃料ガスライン２の燃料電池スタック出口付近に設けているが、同様に空気ライン３の燃料電池スタック出口付近１６、または冷却液ライン４の燃料電池スタック出口付近１７に温度センサを設置し、これによる検出結果に基づき燃料電池スタック１の内部温度の上昇を判断するようにしてもよく、この場合も同様の制御が可能である。
【００５７】
続いて本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５８】
図７、図８はコントローラ６内のメモリに記憶されたバルブ開度設定用テーブルと、コントローラ６が行う燃料電池スタック１の解凍起動処理の内容を示した制御フローである。コントローラ２０が行う制御以外は第１の実施形態（図１）と同様である。
【００５９】
バルブ開度設定用テーブルは、第１の実施形態では燃料電池スタック１の温度Ｔに対して定義されていたのに対し、この実施形態では図７に示すように起動処理を開始してからの時刻（経過時刻ｔ）に対して定義されている。また、バルブ開度設定テーブルは外気温度に応じて複数（６１から６３）用意されている。
【００６０】
そして、乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比、すなわち燃料電池スタック１に供給されるガス状流体中の水蒸気量が図８に示す制御フローに従い制御される。
【００６１】
これによると、まず、ステップＳ２ｌで燃料電池スタック１の解凍起動処理が開始されると、ステップＳ２２で車両周辺の外気温度が検出され、ステップＳ２３で外気温度に応じて複数のテーブル６１から６３の中からその外気温度に対して最も適切なテーブルが選択される。
【００６２】
ステップＳ２４ではバルブ１１から１３が開かれるとともに、バルブ８、９の開度がそれぞれテーブルに記載された初期値ＶＧ０、ＶＶ０に設定される。ステップＳ２５ではコントローラ２０内部のタイマｔがゼロにリセットされ、その後変数ｔは時間の経過に応じて増加する。また、ステップＳ２６で時間ステップ数ｓが１に設定される。
【００６３】
ステップＳ２７では時間ステップ数ｓに応じた時刻設定値ｔｓがテーブルより読み込まれ、最初はステップ数ｓ＝１に対応するｔ１が読み込まれる。ステップＳ２８では経過時間ｔと時刻設定値ｔｌとを比較し、経過時間が時刻設定値ｔ１に到達すれば次のステップＳ２９に進む。ステップＳ２９ではその時の時間ステップ数（この場合はｓ＝１）に応じたバルブ開度ＶＧｌ、ＶＶｌがテーブルから読み込まれ、バルブ８、９の開度がそれぞれＶＧ１、ＶＶ１に設定される。
【００６４】
その後、先の実施形態と同様にステップＳ３０で時刻ステップ数ｓをインクリメントし、ステップＳ３１で終了の判定をし、まだ残された時間ステップが存在する場合はステップＳ２７に戻ってステップＳ２７からＳ３１の処理が繰り返される。
【００６５】
このように、この実施形態では解凍起動処理を開始してからの経過時間ｔに応じてテーブル参照によりバルブ８、９の開度が制御されるのであるが、テーブルにおける時刻ｔｓとバルブ開度ＶＧｓ、ＶＶｓは以下のような考え方に従い予め定義される。
【００６６】
燃料電池スタック１の温度は燃料電池スタック１に高温の流体を流し込み始めてからの時間に応じて増加するので、燃料電池スタック１の温度は時刻から判断することができる。そこで、解凍起動処理を開始してから燃料電池スタック１が全て解凍されるまでの期間を時間ステップに適宜分割し、各時刻設定値における燃料電池スタック１の温度を推定する。
【００６７】
そして、この推定された燃料電池スタック１の温度から、このときに水分の凝縮による流路閉塞を起こさずに燃料電池スタック１に流通させることが可能な水蒸気量の最大量を割り出し、この水蒸気割合を実現するための上記バルブ開度ＶＶｓ、ＶＧｓをそれぞれ割り出してテーブル上の数値とする。
【００６８】
凍結した燃料電池スタック１にガス状流体を送り込んだときの温度履歴は燃料電池スタック１の初期温度によって異なるが、燃料電池スタック１にガス状流体を流通させる前の初期温度は外気温度に依存し、一般的には外気温度とほぼ同じといえる。したがって、起動処理開始時点の外気温度に応じてテーブルを複数用意しておけば、燃料電池スタック１の初期温度の違いにも対応することができる。
【００６９】
もちろん、システムを単純化するために外気温度に応じたテーブルの使い分けを省略することも可能であり、この場合は現実的に考えられる最も低い外気温度に応じて設定されたテーブルで全ての温度条件をカバーするようにすればよい。
【００７０】
このように燃料電池スタック１の温度を検出する代わりに時刻を基準にして制御を行っても第１の実施形態の場合と同様の効果が得られ、燃料電池スタック１の温度変化に応じて適切な水蒸気量のガス状流体を燃料電池スタック１に流通させることで流路閉塞を防止しつつ、水蒸気の潜熱を用いて効果的に燃料電池スタック１を解凍起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システム及びその解凍システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタック温度とバルブ開度との関係を規定するテーブルの模式図である。
【図３】燃料電池スタックの解凍起動処理の内容を示したフローチャートである。
【図４】本発明による燃料電池スタックの解凍起動処理の様子を示したタイムチャートである。
【図５】同じく本発明による燃料電池スタックの解凍起動処理の様子を示したタイムチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態を示し、燃料電池システム及びその解凍システムの概略構成図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示し、解凍起動処理を開始してからの経過時間及び外気温度とバルブ開度との関係を規定するテーブルの模式図である。
【図８】燃料電池スタックの解凍起動処理の内容を示した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 燃料ガスライン
３ 空気ライン
４ 冷却液ライン
５ ポンプ
６ ヒータ
７ ボイラ
８、９ 流量調整バルブ
１０ 混合マニホールド
１１、１２、１３ 切換バルブ
１４，１５ 温度センサ
２０ コントローラ
Claims (8)
- 燃料電池内の流路に高温のガス状流体を流すことで前記燃料電池内の氷を解凍し、燃料電池を低温状態から起動させる方法において、
起動処理開始時、まず前記燃料電池の燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却液流路に前記ガス状流体として乾燥した高温の空気を流し、
その後前記燃料電池の温度上昇に応じて前記ガス状流体に含まれる水蒸気の量を増大させる、ことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。 - 前記燃料電池の温度が所定温度より低い間は乾燥加熱ガスのみからなるガス状流体を前記燃料電池に流し、
前記燃料電池の温度が前記所定温度より高くなったら前記乾燥加熱ガス及び水蒸気からなるガス状流体あるいは前記水蒸気のみからなるガス状流体を前記燃料電池に流す、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の低温起動方法。 - 前記の所定温度は、前記燃料電池に水蒸気を流通させた場合に燃料電池内の流路内で前記ガス状流体の水蒸気が凝縮し流路を閉塞する現象が起こらない温度の下限値以上である、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の低温起動方法。
- 前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を温度上昇に基づき変化させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の低温起動方法。
- 前記ガス状流体中の水蒸気量が前記燃料電池内で凝縮による流路閉塞を起こさない量の上限値となる乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を燃料電池の温度に対するテーブルとして予め記憶しておき、前記燃料電池の温度に応じて前記テーブルを参照することで乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を決定する、ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の低温起動方法。
- 前記燃料電池内の流路の出口における前記ガス状流体の温度を検出し、検出された流路出口における前記ガス状流体の温度から前記燃料電池の温度を判断する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載の燃料電池の低温起動方法。
- 起動処理開始からの経過時間に応じて前記ガス状流体の水蒸気量が増大するように前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の低温起動方法。
- 起動処理開始時の外気温が低いほど前記ガス状流体の水蒸気量の増大が緩やかになるように前記ガス状流体における乾燥加熱ガスと水蒸気の混合比を制御する、ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の低温起動方法。
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