JP4964476B2 - 燃料電池システムと燃料電池の起動方法 - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムと、燃料電池の起動方法に関するものである。
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池では、燃料電池内部で水が凍結すると、流路が閉塞し反応ガスの拡散が阻害されたり有効発電面積が減少するため、常温時よりも反応ガスの消費が減少して発電性能が低下する。そのため、燃料電池を氷点下起動する際には、特別な氷点下起動運転を行って燃料電池を昇温させ、発電性能の回復を図っている。
従来は、燃料電池の温度を検出し、検出された温度に基づいて氷点下起動運転を行うか否かを判断し、氷点下起動運転の時には反応ガスの供給圧力や供給量を常温運転時よりも増大させている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−４４７９５号公報
従来は、燃料電池の温度を検出し、検出された温度に基づいて氷点下起動運転を行うか否かを判断し、氷点下起動運転の時には反応ガスの供給圧力や供給量を常温運転時よりも増大させている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、燃料電池内部の閉塞状況（換言すれば、反応ガスの拡散状態）は燃料電池の温度に必ずしも依存せず、燃料電池の温度が低くても内部が閉塞しておらず反応ガスの拡散状態がよい場合もあれば、燃料電池の温度がそれほど低くなくても燃料電池の内部が閉塞していて反応ガスの拡散状態が悪い場合もあることがある。
燃料電池内部の閉塞状態は燃料電池の温度に必ずしも依存しないにもかかわらず、従来のように燃料電池の温度に基づいて氷点下起動運転実施の有無および反応ガス供給条件を決定すると、本来なら常温時の起動運転でよい状態であるにもかかわらず氷点下起動運転が実施される場合があり、その場合には反応ガスを増量、増圧して供給するため、燃料電池の固体高分子電解質膜に悪影響を及ぼす虞がある。
そこで、この発明は、燃料電池内部の閉塞状況を適正に推測し、その状況に応じた最適な燃料電池の運転条件を選択することができる燃料電池システムを提供するものである。
また、この発明は、起動時あるいは停止時の燃料電池内部の閉塞状況に応じた最適な燃料電池の起動方法を提供するものである。
そこで、この発明は、燃料電池内部の閉塞状況を適正に推測し、その状況に応じた最適な燃料電池の運転条件を選択することができる燃料電池システムを提供するものである。
また、この発明は、起動時あるいは停止時の燃料電池内部の閉塞状況に応じた最適な燃料電池の起動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、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に対する負荷を制御する負荷制御手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３，Ｓ１０８）と、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段（例えば、後述する実施例における電圧センサ３６）と、前記燃料電池の少なくとも前記反応ガスの供給制御を行う燃料電池運転制御手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０８，Ｓ２０４）と、前記負荷制御手段により前記燃料電池に加えられたパルス状の負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出する電圧変化率検出手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０４，Ｓ２０２）と、を備え、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さに基づいて前記燃料電池運転制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
燃料電池内部の閉塞状況（ガス拡散状態）と、パルス状の負荷を取り除いた後の発電電圧の増加速さは相関があり、燃料電池内部の凍結水量が多いときや内部に溜まっている水が多いときには発電電圧の増加速さは小さく、燃料電池内部の凍結水量が少ないときや内部に溜まっている水が少ないときには発電電圧の増加速さが大きい。したがって、パルス状の負荷を取り除いた後の発電電圧の増加速さに基づいて閉塞状況を推測することができる。そして、発電電圧の増加速さに応じて燃料電池の運転を制御することにより、燃料電池に過負荷をかけずに運転することが可能になり、燃料電池の耐久性が向上する。
請求項１に係る発明は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に対する負荷を制御する負荷制御手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３，Ｓ１０８）と、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段（例えば、後述する実施例における電圧センサ３６）と、前記燃料電池の少なくとも前記反応ガスの供給制御を行う燃料電池運転制御手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０８，Ｓ２０４）と、前記負荷制御手段により前記燃料電池に加えられたパルス状の負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出する電圧変化率検出手段（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０４，Ｓ２０２）と、を備え、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さに基づいて前記燃料電池運転制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
燃料電池内部の閉塞状況（ガス拡散状態）と、パルス状の負荷を取り除いた後の発電電圧の増加速さは相関があり、燃料電池内部の凍結水量が多いときや内部に溜まっている水が多いときには発電電圧の増加速さは小さく、燃料電池内部の凍結水量が少ないときや内部に溜まっている水が少ないときには発電電圧の増加速さが大きい。したがって、パルス状の負荷を取り除いた後の発電電圧の増加速さに基づいて閉塞状況を推測することができる。そして、発電電圧の増加速さに応じて燃料電池の運転を制御することにより、燃料電池に過負荷をかけずに運転することが可能になり、燃料電池の耐久性が向上する。
なお、発電電圧の増大は、負荷を減少させたときにいったん低下した電位が開回路電圧もしくは元の電位に戻ろうとするときに生じたものであり、その変化は有効発電面積に依存する。したがって、負荷を減少させたときの発電電圧の増加速さは燃料電池内部の閉塞状況を反映し易く、閉塞状況を精度良く推測することができる。
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２３）を備え、前記電圧変化率検出手段による発電電圧の増加速さの検出は、前記温度検出手段により前記燃料電池の温度が０゜Ｃ以下を検出したときに行うことを特徴とする。
氷点下（０゜Ｃ以下）の場合には燃料電池の電極面に水が凍結し固定しているため、閉塞状況のパラメータとなる発電電圧の増加速さに顕著に現れる。したがって、燃料電池内部の閉塞状況を精度良く推測することができる。
氷点下（０゜Ｃ以下）の場合には燃料電池の電極面に水が凍結し固定しているため、閉塞状況のパラメータとなる発電電圧の増加速さに顕著に現れる。したがって、燃料電池内部の閉塞状況を精度良く推測することができる。
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記燃料電池運転制御手段は、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さが小さいほど前記燃料電池に加える負荷を低減する制御を行うことを特徴とする。
発電電圧の増加速さが小さい場合は、燃料電池内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池の内部に溜まっている水が多い状態であると推測され、燃料電池へ加える負荷を小さくし最適化することで、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となる。
発電電圧の増加速さが小さい場合は、燃料電池内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池の内部に溜まっている水が多い状態であると推測され、燃料電池へ加える負荷を小さくし最適化することで、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となる。
請求項４に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記燃料電池運転制御手段は、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さが大きくなるほど前記反応ガスの供給量を低減する制御を行うことを特徴とする。
発電電圧の増加速さが大きい場合は、燃料電池内部の凍結水量が少ない状態か、あるいは、燃料電池の内部に溜まっている水が少ない状態であると推測され、水を吹き飛ばすエネルギーも小さくてよいので、反応ガス供給量を低減する。これにより、反応ガスの消費量を減少することができ、経済的である。
発電電圧の増加速さが大きい場合は、燃料電池内部の凍結水量が少ない状態か、あるいは、燃料電池の内部に溜まっている水が少ない状態であると推測され、水を吹き飛ばすエネルギーも小さくてよいので、反応ガス供給量を低減する。これにより、反応ガスの消費量を減少することができ、経済的である。
また、この発明に係る燃料電池の起動方法では、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５に係る発明は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）の起動方法であって、前記燃料電池の起動直後に前記燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出し、検出された発電電圧の増加速さが小さいほど前記燃料電池に加える負荷を低減して運転を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法である。
発電電圧の増加速さが小さい場合は、燃料電池内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池の内部に溜まっている水が多い状態であると推測され、燃料電池へ加える負荷を小さくすることで、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となる。
請求項５に係る発明は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）の起動方法であって、前記燃料電池の起動直後に前記燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出し、検出された発電電圧の増加速さが小さいほど前記燃料電池に加える負荷を低減して運転を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法である。
発電電圧の増加速さが小さい場合は、燃料電池内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池の内部に溜まっている水が多い状態であると推測され、燃料電池へ加える負荷を小さくすることで、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となる。
請求項６に係る発明は、反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）の起動方法であって、前記燃料電池の起動直後に前記燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出し、検出された発電電圧の増加速さが大きいほど前記燃料電池への反応ガスの供給量を低減して運転を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法である。
燃料電池の起動時に燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の発電電圧の増加速さに基づいて燃料電池内部の閉塞状況を推測することができ、発電電圧の増加速さが大きいほど燃料電池内部の閉塞が少ないと推測されるので、そのときには反応ガス供給量を低減して、反応ガスの消費量を減少することができる。
燃料電池の起動時に燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の発電電圧の増加速さに基づいて燃料電池内部の閉塞状況を推測することができ、発電電圧の増加速さが大きいほど燃料電池内部の閉塞が少ないと推測されるので、そのときには反応ガス供給量を低減して、反応ガスの消費量を減少することができる。
請求項１に係る発明によれば、燃料電池に過負荷をかけずに運転することが可能になり、燃料電池を保護することができ、燃料電池の耐久性が向上する。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池内部の閉塞状況を精度良く推測することができ、閉塞状況に応じたきめ細かい燃料電池の運転制御が可能になる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となるので、燃料電池の耐久性が向上する。
請求項４に係る発明によれば、反応ガスの浪費を防止することができ、経済的である。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となるので、燃料電池の耐久性が向上する。
請求項６に係る発明によれば、燃料電池の起動時に反応ガスの浪費を防止しつつ、燃料電池内部の閉塞状況に応じた起動運転が可能になる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池内部の閉塞状況を精度良く推測することができ、閉塞状況に応じたきめ細かい燃料電池の運転制御が可能になる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となるので、燃料電池の耐久性が向上する。
請求項４に係る発明によれば、反応ガスの浪費を防止することができ、経済的である。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池にダメージを与えずに発電可能となるので、燃料電池の耐久性が向上する。
請求項６に係る発明によれば、燃料電池の起動時に反応ガスの浪費を防止しつつ、燃料電池内部の閉塞状況に応じた起動運転が可能になる。
以下、この発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法および停止方法の実施例を図１から図７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、この発明に係る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形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード側の燃料ガス流通路（反応ガス流通路）５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側の酸化剤ガス流通路（反応ガス流通路）６に酸化剤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。
初めに、この発明に係る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形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード側の燃料ガス流通路（反応ガス流通路）５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側の酸化剤ガス流通路（反応ガス流通路）６に酸化剤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。
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８を通って燃料電池１の酸化剤ガス流通路６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９に排出され、圧力制御弁１０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１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１７、遮断弁２０を流通し、レギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、エゼクタ１９を通って燃料電池１の燃料ガス流通路５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１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５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の燃料ガス流通路５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１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。
アノードオフガス流路１８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２３が設けられている。この実施例では、この温度センサ２３で検出されるアノードオフガス温度を燃料電池１の内部温度（システム温度）とみなす。
アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐している。排出弁２１は、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）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。排出弁２１から排出されたアノードオフガスは前記排気処理装置へ排出され、排気処理装置においてアノードオフガスは圧力制御弁１０から排出される空気によって希釈される。
アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐している。排出弁２１は、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）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。排出弁２１から排出されたアノードオフガスは前記排気処理装置へ排出され、排気処理装置においてアノードオフガスは圧力制御弁１０から排出される空気によって希釈される。
また、燃料電池１には温水流通路４が設けられており、この温水流通路４には、温水ポンプ３１、ヒータ３２を備えた温水循環流路３０が接続されている。この燃料電池システムでは、ヒータ３２で暖めた温水を温水ポンプ３１によって温水流通路４に供給し、燃料電池１を積極的に加温することができるように構成されている。
燃料電池１は負荷３５に電気的に接続され、燃料電池１で発電した電気を負荷３５に給電可能である。また、燃料電池１の発電電圧を検出するための電圧センサ３６が設けられている。なお、この実施例における負荷３５は、図示しない走行用駆動モータやコンプレッサ７など補機類からなる。
燃料電池１は負荷３５に電気的に接続され、燃料電池１で発電した電気を負荷３５に給電可能である。また、燃料電池１の発電電圧を検出するための電圧センサ３６が設けられている。なお、この実施例における負荷３５は、図示しない走行用駆動モータやコンプレッサ７など補機類からなる。
この燃料電池システムでは、燃料電池１の内部の閉塞状況（反応ガスの拡散状態）を燃料電池１の電圧変化率に基づいて推測し、電圧変化率に応じて燃料電池１の起動時や停止時等の運転条件を決定する。そのために、燃料電池システムの電子制御装置（ＥＣＵ）４０には、イグニッションスイッチ（ＩＧ-ＳＷ）３９のＯＮ／ＯＦＦ信号、電圧センサ３６の出力信号が入力され、ＥＣＵ４０は、電圧センサ３６の出力信号に基づいて電圧変化率を算出し、その電圧変化率に応じて燃料電池１を最適な運転状態となるように、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、温水ポンプ３１、ヒータ３２、負荷３５を制御する。
初めに、この燃料電池システムにおける燃料電池１の起動方法を説明する。
図２は、燃料電池１に負荷を瞬時にパルス状に加えたときの燃料電池１の発電電圧の挙動を示したものである。燃料電池１に前記パルス状の負荷を加えると負荷が加えられている間は燃料電池１の発電電圧は下がるが、前記負荷を取り除くと発電電圧は増大し、負荷を加える前の電圧値に戻ってくる。
燃料電池１に内部閉塞がなくガス拡散状態が良好な場合は追従性がよいので、前記負荷を取り除くと燃料電池１の発電電圧が迅速に増大する。しかしながら、燃料電池１の内部が凍結していたり水が溜まっていて反応ガス流路が閉塞されていると、反応ガスの拡散状態が悪く発電状態が悪いので、追従性が悪くなって、前記負荷を取り除いたときの発電電圧の増大する速さが遅くなる。したがって、前記パルス状の負荷を取り除いた後の燃料電池１の発電電圧の増加速さ、換言すると発電電圧の変化率（以下、電圧変化率と略す）から燃料電池１内部の閉塞状況（反応ガス拡散状態）を推測することができる。
図２は、燃料電池１に負荷を瞬時にパルス状に加えたときの燃料電池１の発電電圧の挙動を示したものである。燃料電池１に前記パルス状の負荷を加えると負荷が加えられている間は燃料電池１の発電電圧は下がるが、前記負荷を取り除くと発電電圧は増大し、負荷を加える前の電圧値に戻ってくる。
燃料電池１に内部閉塞がなくガス拡散状態が良好な場合は追従性がよいので、前記負荷を取り除くと燃料電池１の発電電圧が迅速に増大する。しかしながら、燃料電池１の内部が凍結していたり水が溜まっていて反応ガス流路が閉塞されていると、反応ガスの拡散状態が悪く発電状態が悪いので、追従性が悪くなって、前記負荷を取り除いたときの発電電圧の増大する速さが遅くなる。したがって、前記パルス状の負荷を取り除いた後の燃料電池１の発電電圧の増加速さ、換言すると発電電圧の変化率（以下、電圧変化率と略す）から燃料電池１内部の閉塞状況（反応ガス拡散状態）を推測することができる。
特に、加える負荷が瞬時の負荷の場合には、その負荷による水の発生が殆どないので、現在の燃料電池１内部の閉塞状況をより精度良く推測することができる。
発電電圧の増大は、負荷を瞬時に取り除いたとき（減少させたとき）に、いったん低下した電位が開回路電圧もしくは元の電位に戻ろうとするときに生じたものであり、その変化は、ガスの拡散性、反応可能な状態を示す有効発電面積に依存する。したがって、負荷を取り除いたとき（減少させたとき）の発電電圧の増加率は燃料電池１内部の閉塞状況を反映し易く、閉塞状況を精度良く推測することができる。
発電電圧の増大は、負荷を瞬時に取り除いたとき（減少させたとき）に、いったん低下した電位が開回路電圧もしくは元の電位に戻ろうとするときに生じたものであり、その変化は、ガスの拡散性、反応可能な状態を示す有効発電面積に依存する。したがって、負荷を取り除いたとき（減少させたとき）の発電電圧の増加率は燃料電池１内部の閉塞状況を反映し易く、閉塞状況を精度良く推測することができる。
そこで、この燃料電池システムでは燃料電池１を起動するときには、燃料電池１に負荷を瞬時にパルス状に加え、この負荷を取り除いた直後の燃料電池１の電圧変化率を検出し、検出された電圧変化率に基づいてこの起動時に最適な燃料電池１の暖機方法（外部加温か自立発電か）、反応ガスの供給圧力および供給流量、燃料電池１に印加可能な最大負荷量を決定し、燃料電池１の最適な起動時運転状態を確保するとともに、燃料電池１の保護を図った。
燃料電池１の起動方法の実施例を図３に示すフローチャートに従って説明する。図３のフローチャートに示す起動制御ルーチンは、イグニッションスイッチ３９のＯＮ信号入力を開始条件として、ＥＣＵ４０によって実行される。
まず、ステップＳ１０１において、温度センサ２３で検出した燃料電池１の温度が０゜Ｃ以下（すなわち、氷点下）か否かを判定する。ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃより高い）である場合は、本ルーチンの実行を終了し、常温起動運転へ移行する。
まず、ステップＳ１０１において、温度センサ２３で検出した燃料電池１の温度が０゜Ｃ以下（すなわち、氷点下）か否かを判定する。ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（０゜Ｃより高い）である場合は、本ルーチンの実行を終了し、常温起動運転へ移行する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（０゜Ｃ以下）である場合は、ステップＳ１０２に進み、反応ガス（水素ガスと空気）を燃料電池１に供給する。このときの反応ガスの流量および圧力は予め設定されたイニシャル値とする。
次に、ステップＳ１０３に進み、燃料電池１に対し所定の大きさの負荷を瞬時にパルス状に１回加える。負荷の加え方に特に規制はないが、例えば、暖機の間はコンプレッサ７の電源を図示しないバッテリーとし、ステップＳ１０３の処理を実行するときだけコンプレッサ７の電源を燃料電池１に切り換え、ステップＳ１０３の処理が終了したら再び前記バッテリーに切り換えてもよい。
次に、ステップＳ１０３に進み、燃料電池１に対し所定の大きさの負荷を瞬時にパルス状に１回加える。負荷の加え方に特に規制はないが、例えば、暖機の間はコンプレッサ７の電源を図示しないバッテリーとし、ステップＳ１０３の処理を実行するときだけコンプレッサ７の電源を燃料電池１に切り換え、ステップＳ１０３の処理が終了したら再び前記バッテリーに切り換えてもよい。
次に、ステップＳ１０４に進み、電圧センサ３６で検出される燃料電池１の発電電圧に基づいて、前記ステップ状の負荷を取り除いた直後の電圧変化率を検出する。
さらに、ステップＳ１０５に進み、検出した電圧変化率が予め設定した所定値よりも大きいか否かを判定する。この所定値は予め実験を行い、燃料電池１が発電を維持して自立暖機（自己発電暖機）が可能な状態における電圧変化率の下限値に設定する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（電圧変化率が所定値以下）である場合は、自立暖機では熱量が不足するので、ステップＳ１０６に進み外部加温制御を実行する。外部加温制御は、温水ポンプ３１とヒータ３２を運転して燃料電池１の温水流通路４に温水を供給することにより実現される。ステップＳ１０６の処理を実行した後、ステップＳ１０３に戻る。すなわち、外部加温制御を実行している間も、燃料電池１にはイニシャル圧力、イニシャル流量で反応ガスが供給され、発電が行われる。
さらに、ステップＳ１０５に進み、検出した電圧変化率が予め設定した所定値よりも大きいか否かを判定する。この所定値は予め実験を行い、燃料電池１が発電を維持して自立暖機（自己発電暖機）が可能な状態における電圧変化率の下限値に設定する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（電圧変化率が所定値以下）である場合は、自立暖機では熱量が不足するので、ステップＳ１０６に進み外部加温制御を実行する。外部加温制御は、温水ポンプ３１とヒータ３２を運転して燃料電池１の温水流通路４に温水を供給することにより実現される。ステップＳ１０６の処理を実行した後、ステップＳ１０３に戻る。すなわち、外部加温制御を実行している間も、燃料電池１にはイニシャル圧力、イニシャル流量で反応ガスが供給され、発電が行われる。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（電圧変化率が所定値より大）である場合は、ステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０４で検出した電圧変化率に応じて燃料電池１への印加可能電流と、反応ガス供給量、供給圧力を設定する。
次に、ステップＳ１０８に進み、ステップＳ１０５で設定した反応ガス供給量、供給圧力に制御して燃料電池１を運転するとともに、ステップＳ１０５で設定した印加可能電流を越えないように電流制御を実行する。
次に、ステップＳ１０８に進み、ステップＳ１０５で設定した反応ガス供給量、供給圧力に制御して燃料電池１を運転するとともに、ステップＳ１０５で設定した印加可能電流を越えないように電流制御を実行する。
図４は、電圧変化率から反応ガスの供給量、供給圧力を算出するためのマップである。このマップは、燃料電池１の電極に劣化を生じさせない反応ガス流量および圧力の最大値をマップ化したものである。実際には反応ガス供給量マップと反応ガス供給圧力マップは別々に存在するが、電圧変化率に対する変化の傾向はいずれも同様であるので、図４では１つのマップで示している。
電圧変化率が小さい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が多い状態であると推測されるので、電圧変化率が小さくなるにしたがって反応ガス供給量および供給圧力を増大し、水素および酸素の固体高分子電解質膜への接触率を増大させて発電を促進するとともに、水の排出を促進する。
これに対して、電圧変化率が大きい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が少ない状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が少ない状態であると推測され、水を吹き飛ばすエネルギーも小さくてよいので、電圧変化率が大きくなるにしたがって反応ガス供給量および供給圧力を低減し、常温起動時の値に近づけていく。
電圧変化率が小さい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が多い状態であると推測されるので、電圧変化率が小さくなるにしたがって反応ガス供給量および供給圧力を増大し、水素および酸素の固体高分子電解質膜への接触率を増大させて発電を促進するとともに、水の排出を促進する。
これに対して、電圧変化率が大きい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が少ない状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が少ない状態であると推測され、水を吹き飛ばすエネルギーも小さくてよいので、電圧変化率が大きくなるにしたがって反応ガス供給量および供給圧力を低減し、常温起動時の値に近づけていく。
図５は、電圧変化率から燃料電池１の印加可能電流を算出するためのマップである。このマップは、燃料電池１の電極に劣化を生じさせない最大印加電流をマップ化したものである。
電圧変化率が小さい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が多い状態であると推測されるので、電圧変化率が小さくなるにしたがって印加可能電流を低減し、過負荷による燃料電池１の電極劣化を防止し、燃料電池１の保護を図る。
これに対して、電圧変化率が大きい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が少ない状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が少ない状態であると推測されるので、電圧変化率が大きくなるにしたがって、負荷制限を緩和すべく印加可能電流を増大する。
これにより、燃料電池内部が閉塞されているときには、負荷制限を大きくし、負荷の量を小さくすることで、燃料電池の電極に劣化を生じさせることがないため、換言すると燃料電池１にダメージを与えずに発電可能となるため、燃料電池の耐久性が向上する。
電圧変化率が小さい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が多い状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が多い状態であると推測されるので、電圧変化率が小さくなるにしたがって印加可能電流を低減し、過負荷による燃料電池１の電極劣化を防止し、燃料電池１の保護を図る。
これに対して、電圧変化率が大きい場合は、燃料電池１内部の凍結水量が少ない状態か、あるいは、燃料電池１の内部に溜まっている水が少ない状態であると推測されるので、電圧変化率が大きくなるにしたがって、負荷制限を緩和すべく印加可能電流を増大する。
これにより、燃料電池内部が閉塞されているときには、負荷制限を大きくし、負荷の量を小さくすることで、燃料電池の電極に劣化を生じさせることがないため、換言すると燃料電池１にダメージを与えずに発電可能となるため、燃料電池の耐久性が向上する。
ステップＳ１０８の処理を実行した後、ステップＳ１０９に進み、暖機が完了したか否かを判定する。暖機完了は、温度センサ２３で検出した燃料電池１の温度が所定値以上になったときとすることができる。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＹＥＳ」（暖機完了）である場合は、本ルーチンの実行を終了し、常温起動運転へ移行する。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＮＯ」（暖機未了）である場合は、ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０３〜Ｓ１０９の処理を繰り返し実行する。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＹＥＳ」（暖機完了）である場合は、本ルーチンの実行を終了し、常温起動運転へ移行する。
ステップＳ１０９における判定結果が「ＮＯ」（暖機未了）である場合は、ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０３〜Ｓ１０９の処理を繰り返し実行する。
以上説明するように、この実施例の燃料電池１の起動方法によれば、燃料電池１の電圧変化率から燃料電池１内部の閉塞状況を推測し、その状況に応じて、自立暖機か外部加温による暖機かを決定し、さらに、自立暖機の場合には、燃料電池１の電極を劣化させない範囲で反応ガス供給量、供給圧力、印加可能電流を最大に設定して燃料電池１の暖機運転を制御するので、燃料電池１を保護しつつ迅速な暖機および排水が可能になり、燃料電池１の低温起動を迅速に行うことができる。また、これにより、燃料電池１の耐久性も向上する。
なお、この実施例では、氷点下起動のときだけステップＳ１０２〜Ｓ１０９の処理を実行するようにしている。それは、氷点下の際には燃料電池１の電極面に水が凍結し固定しているため、閉塞状況のパラメータとなる電圧変化率に顕著に現れるからである。ただし、常温起動のときにステップＳ１０２〜Ｓ１０９の処理を実行することも可能である。その場合には、図３に示す起動制御ルーチンにおいてステップＳ１０１の処理を除けばよい。
また、この実施例では、ステップＳ１０６の外部加温制御を実行した場合にもステップＳ１０７，Ｓ１０８の処理を実行し、ステップＳ１０９において暖機完了判定を行っているが、外部加温制御を実行してステップＳ１０５において肯定判定（ＹＥＳ）されたときには本ルーチンの実行を終了して常温起動運転へ移行するようにしてもよい。
また、この実施例では、ステップＳ１０６の外部加温制御を実行した場合にもステップＳ１０７，Ｓ１０８の処理を実行し、ステップＳ１０９において暖機完了判定を行っているが、外部加温制御を実行してステップＳ１０５において肯定判定（ＹＥＳ）されたときには本ルーチンの実行を終了して常温起動運転へ移行するようにしてもよい。
次に、この燃料電池システムにおける燃料電池１の停止方法を説明する。
図６は、燃料電池１に加えられていた負荷を取り除いたときの燃料電池１の発電電圧の挙動を示したものである。燃料電池１に加えられていた負荷を取り除くと、発電電圧が増大する。
燃料電池１の内部閉塞がなくガス拡散状態が良好な場合は追従性がよいので、前記負荷を取り除くと燃料電池１の発電電圧が急速に増大する。しかしながら、燃料電池１の内部に水が溜まっていて反応ガス流路が閉塞されていると、反応ガスの拡散状態が悪く発電状態が悪いので、追従性が悪くなって、前記負荷を取り除いたときの発電電圧の増大する速さが遅くなる。したがって、負荷を取り除いた後の燃料電池１の発電電圧の増加速さ、換言すると発電電圧の変化率（電圧変化率）から燃料電池１内部の閉塞状況（反応ガス拡散状態）を推測することができる。
図６は、燃料電池１に加えられていた負荷を取り除いたときの燃料電池１の発電電圧の挙動を示したものである。燃料電池１に加えられていた負荷を取り除くと、発電電圧が増大する。
燃料電池１の内部閉塞がなくガス拡散状態が良好な場合は追従性がよいので、前記負荷を取り除くと燃料電池１の発電電圧が急速に増大する。しかしながら、燃料電池１の内部に水が溜まっていて反応ガス流路が閉塞されていると、反応ガスの拡散状態が悪く発電状態が悪いので、追従性が悪くなって、前記負荷を取り除いたときの発電電圧の増大する速さが遅くなる。したがって、負荷を取り除いた後の燃料電池１の発電電圧の増加速さ、換言すると発電電圧の変化率（電圧変化率）から燃料電池１内部の閉塞状況（反応ガス拡散状態）を推測することができる。
そこで、この燃料電池システムでは燃料電池１を停止するときには、燃料電池１に対する負荷を取り除いた直後の電圧変化率を検出し、検出された電圧変化率に基づいてこの停止時に最適な掃気運転条件を決定し、燃料電池１の保護を図りつつ、次回の起動をし易くした。
燃料電池１の停止方法の実施例を図７に示すフローチャートに従って説明する。図７のフローチャートに示す停止制御ルーチンはＥＣＵ４０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ２０１において、燃料電池１の発電を停止する停止信号があるか否かを判定する。なお、この実施例では、ＥＣＵ４０にイグニッションスイッチ３９のＯＦＦ信号が入力された時と、車両駆動用電源を燃料電池１から図示しないバッテリーに切り換えた時（所謂アイドル時）と、アイドルストップの指令信号が入力された時は、燃料電池１の停止信号ありと判定される。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＮＯ」（停止信号なし）である場合は、本ルーチンの実行を終了する。
まず、ステップＳ２０１において、燃料電池１の発電を停止する停止信号があるか否かを判定する。なお、この実施例では、ＥＣＵ４０にイグニッションスイッチ３９のＯＦＦ信号が入力された時と、車両駆動用電源を燃料電池１から図示しないバッテリーに切り換えた時（所謂アイドル時）と、アイドルストップの指令信号が入力された時は、燃料電池１の停止信号ありと判定される。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＮＯ」（停止信号なし）である場合は、本ルーチンの実行を終了する。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＹＥＳ」（停止信号あり）である場合は、ステップＳ２０２に進み、電圧センサ３６で検出される燃料電池１の発電電圧に基づいて、燃料電池１に対する負荷が取り除かれた直後の電圧変化率を検出する。
次に、ステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０２で検出した電圧変化率に応じて、燃料電池１への印加可能電流と、掃気ガス供給量、供給圧力を設定する。なお、この実施例において掃気ガスは空気であり、コンプレッサ７を運転して供給する。電圧変化率から燃料電池１への印加可能電流を算出するためのマップは図５のマップと同様である。
次に、ステップＳ２０４に進み、コンプレッサ７および圧力制御弁１０を制御し、ステップＳ２０３で設定した掃気ガス供給量、供給圧力に制御して、燃料電池１に掃気ガスとしての空気を供給し、燃料電池１内部に残留する残留水等を排出するとともに、ステップＳ２０３で設定した印加可能電流を越えないように電流制御を実行する。なお、掃気ガスを燃料電池１の燃料ガス流通路５にも供給できるように構成しておき、カソード側の掃気と同時にアノード側も掃気できるようにすることも可能であり、そのようにする方が好ましい。
次に、ステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０２で検出した電圧変化率に応じて、燃料電池１への印加可能電流と、掃気ガス供給量、供給圧力を設定する。なお、この実施例において掃気ガスは空気であり、コンプレッサ７を運転して供給する。電圧変化率から燃料電池１への印加可能電流を算出するためのマップは図５のマップと同様である。
次に、ステップＳ２０４に進み、コンプレッサ７および圧力制御弁１０を制御し、ステップＳ２０３で設定した掃気ガス供給量、供給圧力に制御して、燃料電池１に掃気ガスとしての空気を供給し、燃料電池１内部に残留する残留水等を排出するとともに、ステップＳ２０３で設定した印加可能電流を越えないように電流制御を実行する。なお、掃気ガスを燃料電池１の燃料ガス流通路５にも供給できるように構成しておき、カソード側の掃気と同時にアノード側も掃気できるようにすることも可能であり、そのようにする方が好ましい。
次に、ステップＳ２０５に進み、掃気が所定時間実行されたか否か判定する。ステップＳ２０５における判定結果が「ＮＯ」（所定時間未満）である場合はステップＳ２０３に進み、掃気処理を継続する。
ステップＳ２０５における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過）である場合は、本ルーチンの実行を終了し、掃気ガスの供給を停止する。
ステップＳ２０５における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過）である場合は、本ルーチンの実行を終了し、掃気ガスの供給を停止する。
以上説明するように、この実施例の燃料電池１の停止方法によれば、燃料電池１の電圧変化率から燃料電池１内部の閉塞状況を推測し、その状況に応じて、燃料電池１への印加可能電流と、掃気ガスの供給量、供給圧力を設定して、コンプレッサ７等を制御するので、燃料電池１を保護しつつ燃料電池１内部の残留水等を確実に且つ迅速に排出することができ、燃料電池１を次回起動し易くすることができる。
この停止制御は常温時は勿論であるが、氷点下時に行ってもよい。氷点下時に行うことにより、燃料電池１内部での水の凍結を防止することができ、燃料電池１の低温起動性を向上させることができる。
この停止制御は常温時は勿論であるが、氷点下時に行ってもよい。氷点下時に行うことにより、燃料電池１内部での水の凍結を防止することができ、燃料電池１の低温起動性を向上させることができる。
この実施例の燃料電池１の停止時の掃気ガスの供給条件決定方法は、燃料電池１を運転中において燃料電池１内部の生成水を除去する際の反応ガス供給条件決定にも応用することができる。その場合には、例えば、アクセルペダルの回動量が低下したとき（すなわち、燃料電池１の負荷低減時）の電圧変化率を検出するか、前述した起動方法の場合と同様に負荷を瞬時にパルス状に加え、その負荷を取り除いた直後の電圧変化率を検出し、検出した電圧変化率が所定値を越えた場合に、その電圧変化率に応じて燃料電池１の電極を劣化させない範囲で反応ガス（水素ガスと空気）の供給量および供給圧力を決定し、その供給量、供給圧力に制御して燃料電池１内部に溜まった水分を排出する。
なお、この実施例において、ＥＣＵ４０がステップＳ１０３，Ｓ１０８の処理を実行することにより負荷制御手段が実現され、ステップＳ１０８，２０４の処理を実行することにより燃料電池運転制御手段が実現され、ステップＳ１０４，Ｓ２０２の処理を実行することにより電圧変化率検出手段が実現される。
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池システムは車両に搭載されるものに限らず、他の移動体に搭載されてもよいし、固定式であってもよい。
また、前述した実施例では、燃料電池１の温度としてアノードオフガス温度を代用したが、燃料電池１から排出される空気の温度を代用してもよいし、燃料電池１の温度を直接検出してもよい。
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池システムは車両に搭載されるものに限らず、他の移動体に搭載されてもよいし、固定式であってもよい。
また、前述した実施例では、燃料電池１の温度としてアノードオフガス温度を代用したが、燃料電池１から排出される空気の温度を代用してもよいし、燃料電池１の温度を直接検出してもよい。
１ 燃料電池
２３ 温度センサ（温度検出手段）
３６ 電圧センサ（電圧検出手段）
２３ 温度センサ（温度検出手段）
３６ 電圧センサ（電圧検出手段）
Claims (6)
- 反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に対する負荷を制御する負荷制御手段と、
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の少なくとも前記反応ガスの供給制御を行う燃料電池運転制御手段と、
前記負荷制御手段により前記燃料電池に加えられたパルス状の負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出する電圧変化率検出手段と、
を備え、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さに基づいて前記燃料電池運転制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記電圧変化率検出手段による発電電圧の増加速さの検出は、前記温度検出手段により前記燃料電池の温度が０゜Ｃ以下を検出したときに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。 - 前記燃料電池運転制御手段は、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さが小さいほど前記燃料電池に加える負荷を低減する制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池運転制御手段は、前記電圧変化率検出手段により検出された発電電圧の増加速さが大きくなるほど前記反応ガスの供給量を低減する制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
- 反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池の起動方法であって、
前記燃料電池の起動直後に前記燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出し、検出された発電電圧の増加速さが小さいほど前記燃料電池に加える負荷を低減して運転を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法。 - 反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池の起動方法であって、
前記燃料電池の起動直後に前記燃料電池にパルス状の負荷を加え、該負荷を取り除いた後の前記燃料電池の発電電圧の増加速さを検出し、検出された発電電圧の増加速さが大きいほど前記燃料電池への反応ガスの供給量を低減して運転を行うことを特徴とする燃料電池の起動方法。
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