JP5056239B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
外部温度が低い場合には、燃料電池システムの停止後にその内部で発生した水が凍結し、配管や弁などが破損するといった問題や、凍結した水がガス流路を塞いでしまい、次回燃料電池を起動したときにガスの供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しないといった問題が発生する。
このような問題に鑑み、外気温度の低い環境下でシステムの停止要求があった場合に、燃料電池内部の残水量を低減するべく掃気処理を実行することで、配管や弁などの凍結を防止する技術が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。
特開２００５−１０８８３２号公報
ところで、何らかの理由（例えば燃料ガスの残量が少ない等）により、必要十分な掃気処理が行われることなく（別言すれば掃気が不十分な状態で）、システムが停止されてしまうこともある。
このように掃気が不十分な状態で運転を停止し、運転再開後に間もなくして運転を停止するような場合（例えば、近くのスーパーに行く場合など）には、燃料電池が十分暖機されない状態でシステム停止時の掃気処理が行われることになる。このように、燃料電池が十分に暖機されない状態で掃気処理を行ったのでは十分に掃気することができず、発電が安定しないという問題が生ずる。
本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、前回のシステム停止時に必要十分な掃気が行われない場合であっても、今回のシステム運転中に十分な掃気を行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、低温始動の際、燃料電池の関連温度が基準温度に達するまで暖機運転を行う燃料電池システムであって、システム始動の際に低温始動すべきか否かを判定する第１判定手段と、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったか否かを判定する第２判定手段と、前記各判定手段によって、低温始動すべきであり、かつ、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったと判定された場合には、前記燃料電池の関連温度が、前記基準温度よりも高い目標温度に達するまで暖機運転を継続する運転制御手段と、システム停止時に掃気処理を行う掃気手段とを具備することを特徴とする。
かかる構成によれば、システム始動時に低温始動すべきと判定され、かつ、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったと判定された場合には、燃料電池の関連温度が基準温度（例えば、０℃）よりも高い目標温度（例えば、７０℃）に達するまで暖機運転が継続される。このため、短時間で運転を停止するような場合であっても、燃料電池の温度を目標温度まで昇温させた状態で十分な掃気処理を行うことができる。周知のとおり、燃料電池の温度が低い状態で掃気処理を行うと、十分な掃気ができない等の問題が生じるが、上記構成によれば、燃料電池の温度を目標温度まで昇温させた状態で掃気処理を行うため、次回の低温始動に備えて十分な掃気が可能となる。
ここで、上記構成にあっては、前記運転制御手段は、前記暖機運転を終了した後に通常運転に移行し、前記暖機運転は、前記通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転である態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、システム停止時の前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段をさらに備え、前記第２判定手段は、前回システム停止時に測定された前記燃料電池のインピーダンスに基づき、前記掃気処理が不十分であったか否かを判定する態様がさらに好ましい。
さらに、システム停止時に掃気処理を行う掃気手段と、前記システム停止時の掃気時間を測定する掃気時間測定手段をさらに備え、前記第２判定手段は、前回システム停止時に測定された前記掃気時間に基づき、前記掃気処理が不十分であったか否かを判定する態様であっても良い。
さらにまた、システム停止時の前記燃料電池の残水量を推定する推定手段をさらに備え、前記第２判定手段は、前回システム停止時に推定された前記燃料電池の残水量に基づき、前記掃気処理が不十分であったか否かを判定する態様であっても良い。
また、上記いずれかの構成にあっては、前記燃料電池の関連温度は、外気温度、燃料電池周辺の部品温度、燃料電池の冷媒温度の少なくともいずれかを含み、前記第１判定手段は、前記燃料電池の関連温度に基づき低温始動すべきか否かを判定する態様がさらに好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、前回のシステム停止時に必要十分な掃気が行われない場合であっても、今回のシステム運転中に十分な掃気を行うことが可能となる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。先ず、本発明の燃料電池システムの概要について説明する。
Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両１００に搭載できる。ただし、燃料電池システム１は、車両１００以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源、さらには携帯型燃料電池システムにも適用可能である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム１の運転を統括制御する制御装置７と、を備える。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有する。供給路１１は、酸化ガス流路２ａを介して排出路１２に連通する。酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して外気を取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられる。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
燃料電池２の空気極側の背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６によって調整される。背圧調整弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられる。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有する。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられる。
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有する。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有する。温度センサ４７が検出する冷媒温度（燃料電池の関連温度）は、燃料電池２の内部温度（以下、燃料電池２の温度という。）を反映する。なお、温度センサ４７は、冷媒温度の代わりに（あるいは加えて）、燃料電池周辺の部品温度（燃料電池の関連温度）を検出するようにしても良い。また、燃料電池の冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。
制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転の制御及び後述する暖機運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
タイマー７０、電圧センサ７２及び電流センサ７３は、制御装置７に接続される。タイマー７０は、燃料電池システム１の運転を制御するために必要な各種の時間を計測する（詳細は後述）。電圧センサ７２は、燃料電池２の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出する。具体的には、電圧センサ７２は、燃料電池２の多数の単セルの個々が発電する電圧（以下、「セル電圧」という。）を検出する。これにより、燃料電池２の各単セルの状態が把握される。電流センサ７３は、燃料電池２の出力電流（ＦＣ電流）を検出する。
制御装置７は、各種の圧力センサＰ１や温度センサ４６、４７、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温度（燃料電池の関連温度）を検出する外気温センサ５１、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなど、各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、背圧調整弁１６など）に制御信号を出力する。また、制御装置（第２判定手段）７は、低温モードで始動（以下、低温始動）する際、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったか否かを判断し、燃料電池２の残水量を低減する必要があるか否かを判断する。ここで、低温始動するか否かは、制御装置（第１判定手段）７が低温モードフラグ８０のフラグ値に基づき判断する。低温モードフラグ８０のフラグ値は、運転手等によるボタン操作によって低温モードでの始動命令が入力された場合に制御装置７によって「オン」に設定される一方、かかる操作がなされない（初期設定も含む）場合には制御装置７によって「オフ」に設定される。
ここで、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったか否かの判断は、前回システム停止時に測定した燃料電池２のインピーダンスに基づいて行う。詳述すると、まず、制御装置（インピーダンス測定手段）７は、システム停止毎に燃料電池２のインピーダンス測定を行う。燃料電池２のインピーダンス測定を行う際、制御装置７は、電圧センサ７２によって検出される燃料電池２の電圧（ＦＣ電圧）及び電流センサ７３によって検出される燃料電池２の電流（ＦＣ電流）を所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。そして、制御装置７は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池２のインピーダンスを測定する。
制御装置７は、このようにして測定した燃料電池２のインピーダンス（測定インピーダンス）を、測定インピーダンスメモリ９１に格納し、当該システムを停止する。その後、制御装置（第１判定手段）７は、イグニッションスイッチのＯＮ操作などによってシステムの始動命令が入力され、かつ、低温モードフラグ８０が「ＯＮ」されていることを検知すると、測定インピーダンスメモリ９１に格納されている前回システム停止時の測定インピーダンスＩｍを読み出すとともに、基準インピーダンスメモリ９２に格納されている低温始動目標インピーダンスＩｔを読み出し、両インピーダンスを比較する。
ここで、低温始動目標インピーダンスＩｔは、低温モードで始動する際の燃料電池２の残水量が適正であるか否かを判断するための基準値であり、予め実験などによって求められる。具体的には、実験などによって最適な残水量を得るための測定インピーダンスを求め、これをマップ化して基準インピーダンスメモリ５１に格納しておく。なお、低温始動目標インピーダンスＩｔは固定しても良いが、始動前の燃料電池２の温度等に応じて低温始動目標インピーダンスを適宜変えるようにしても良い。
制御装置（第２判定手段）７は、両インピーダンスを比較した結果、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であり、今回のシステム始動の際に燃料電池２の残水量を低減する必要があると判断すると、制御装置（運転制御手段）７は燃料電池２の温度が始動基準温度Ｔ１（例えば、０℃など）に達した時点で「Ｒｅａｄｙ ＯＮ」させた後、燃料電池２の温度を目標温度Ｔ２（＞Ｔ１；７０℃など）に速やかに昇温するべく、急速暖機運転を行う。ここで、急速暖機運転とは、燃料電池２を自己発熱させることで、通常運転に比して短時間で燃料電池２を昇温可能な運転をいう。このような暖機運転としては、通常運転に比して反応ガスを不足気味にして電力損失を大きくする低効率運転、すなわち燃料電池２の発電効率を低下させて発熱量を増やす低効率運転のほか、燃料電池２の出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる運転が挙げられる。なお、通常運転は比較的発電効率の高い運転であり、低効率運転は比較的発電効率の低い運転であるとも換言できる。なお、本実施形態では急速暖機運転として、低効率運転を例に説明する。
制御装置７は、急速暖機運転によって速やかに目標温度Ｔ２に昇温させると、通常運転に移行する。その後、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作などによってシステムの停止命令が入力されると、制御装置(掃気手段）７は、次回の低温始動に備えて燃料電池２の残水量を適正な値に保持するべく、必要な掃気処理を実行する。
このように、低温始動する際には、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったか否かを判断する。掃気処理が不十分であると判断した場合には、今回のシステム運転中に急速暖機運転を実行することで速やかに昇温する。このように、システム運転を開始した後、速やかに急速暖機運転を行うことで、運転再開後に間もなくして運転を停止するような場合（例えば、近くのスーパーに行く場合など；発明が解決しようとする課題の欄参照）であっても、燃料電池２はすでに十分暖機されているため、十分な掃気が可能となる。これにより、次回システム始動の際には、燃料電池２の残水量を適正に保った状態で発電を開始することができる。以下、燃料電池システム１の運転停止時、および運転始動時における制御について説明する。
＜運転停止時の処理フロー＞
図２は、燃料電池システム１の停止時の処理フローを示すフローチャートである。なお、以下の説明では、車両１００が低温モード（燃料電池２の温度が閾値温度未満など）で走行している場合を想定する。
車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって、燃料電池システム１の運転停止指令が入力されると（ステップＳ１１０）、次回の低温始動に備えるべく、掃気処理を行う(ステップＳ１２０）。
ここで、掃気処理とは、燃料電池システム２の運転終了時に燃料電池２内の水分を外部に排出することで燃料電池２内を掃気することをいい、カソード系統（酸化ガス配管系３）の掃気処理は、燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態でコンプレッサ１４によって酸化ガスを酸化ガス流路２ａに供給し、この供給した酸化ガスによって酸化ガス流路２ａに残る生成水を含む水分を排出路１２へ排出することで行われる。なお、これに加えて（あるいは代えて）アノード系統（燃料ガス配管系４）の掃気処理も行われるが、同様に説明することができるため、ここでは説明を割愛する。
制御装置７は、掃気処理を終了すると、上述したように燃料電池２のインピーダンス測定を行う（ステップＳ１３０）。そして、制御装置７は、インピーダンス測定によって得られた測定インピーダンスを測定インピーダンスメモリ９１に格納した後、当該システムを停止する。
＜運転始動時の処理フロー＞
図４に示すように、例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池システム１の運転開始が指令されると（ステップＳ２１０）、制御装置７は、低温モードフラグ８０を参照し、低温始動すべきか否かを判断する（ステップＳ２２０）。上述したように、低温モードフラグ８０は、運転手等によるボタン操作によって低温モードでの始動命令が入力された場合に制御装置７によって「オン」に設定される一方、かかる操作がなされない（初期設定も含む）場合には制御装置７によって「オフ」に設定される。
制御装置７は、低温始動すべきでないと判断した場合には（ステップＳ２２０；ＮＯ）、ステップＳ２６０に進み、通常運転を開始する。一方、制御装置７は、低温始動すべきであると判断すると（ステップＳ２２０；ＹＥＳ）、前回のシステム停止時における燃料電池２の残水量を把握し、前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断する（ステップＳ２３０）。具体的には、上述したように、測定インピーダンスメモリ９１に格納されている前回システム停止時の測定インピーダンスＩｍと、基準インピーダンスメモリ９２に格納されている低温始動目標インピーダンスＩｔとを比較する。
制御装置７は、比較の結果、測定インピーダンスＩｍが低温始動目標インピーダンスＩｔ以上であることから、前回システム停止時の掃気処理が十分であったと判断すると（ステップＳ２３０；ＮＯ）、ステップＳ２６０に進み、通常運転を開始する。一方、制御装置７は、比較の結果、測定インピーダンスＩｍが低温始動目標インピーダンスＩｔを下回っていることから、前回システム停止時の掃気処理が不十分であったと判断すると（ステップＳ２３０；ＹＥＳ）、燃料電池２の温度が始動基準温度Ｔ１（例えば、０℃など）に達した時点で「Ｒｅａｄｙ ＯＮ」した後、燃料電池２の温度を目標温度Ｔ２（＞Ｔ１；７０℃など）に速やかに昇温するべく、急速暖機運転を開始する（ステップＳ２４０）。
その後、制御装置７は、急速暖機運転によって目標温度Ｔ２に昇温したか否かを判断する（ステップＳ２５０）。制御装置７は目標温度Ｔ２まで昇温していないと判断すると、ステップＳ２４０に戻り、急速暖機運転を継続する。一方、制御装置７は、目標温度Ｔ２まで昇温したと判断すると、ステップＳ２６０に進み、通常運転を行う。
その後、制御装置７は、燃料電池システム１の運転停止が指令されたか否かを判断する（ステップＳ２７０）。制御装置７は燃料電池システム１の運転停止が指令されていない場合には、ステップＳ２６０に戻り、通常運転を継続する。一方、制御装置７は、運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって燃料電池システム１の運転停止が指令されたことを検知すると(ステップＳ２７０；ＹＥＳ）、次回の低温始動に備えて燃料電池２の残水量を十分に低減するべく、掃気処理を行った後（ステップＳ２８０）、処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、システム始動時に低温始動すべきと判定され、かつ、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったと判定された場合には、今回のシステム運転中に急速暖機運転を行うことで、燃料電池２の温度を速やかに目標温度Ｔ２まで昇温し、その後、当該システムの運転停止が指令された場合には掃気処理を行う。このため、短時間で運転を停止するような場合であっても、燃料電池２の温度を目標温度Ｔ２まで昇温させた状態で十分な掃気処理を行うことができる。周知のとおり、燃料電池２の温度が低い状態で掃気処理を行うと、十分な掃気ができない等の問題が生じるが、上記構成によれば、燃料電池２の温度を目標温度Ｔ２まで昇温させた状態で掃気処理を行うため、次回の低温始動に備えて十分な掃気が可能となる。
Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、測定インピーダンスを利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断したが、掃気時間を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断しても良い。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム１’の構成を示す図である。なお、図１に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
測定掃気時間メモリ９１ａはシステム停止時に実行した掃気処理の時間（測定掃気時間）Ｔｍを記憶するメモリであり、基準掃気時間メモリ９２ａは掃気時間の上限値（以下、掃気上限時間）Ｔｔを記憶するメモリである。掃気上限時間Ｔｔは、本実施形態に係る低温始動目標インピーダンスＩｔと同様、低温モード始動する際の燃料電池２の残水量が適正であるか否かを判断するための基準値であり、予め実験などによって求められる。
図５は、第２実施形態に係る燃料電池システム１’の停止時の処理フローを示すフローチャートであり、前掲図２に対応するフローチャートである。なお、前掲図２と対応するステップには、同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。また、以下の説明では、第１実施形態と同様、車両１００が低温モード（燃料電池２の温度が閾値温度未満など）で走行している場合を想定する。
車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって、燃料電池システム１の運転停止指令が入力されると（ステップＳ１１０）、次回の低温始動に備えるべく、掃気処理を行う(ステップＳ１２０）。
さらに、制御装置（掃気時間測定手段）７は、タイマー７０を利用して掃気処理開始から掃気処理終了までの時間（掃気時間）Ｔｍを計測し（ステップＳ１３０’）、計測した掃気時間を測定掃気時間メモリ９１ａに格納した後（ステップＳ１４０’）、処理を終了する。
その後、図３に示すように、例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって燃料電池システム１の運転開始が指令されると（ステップＳ２１０）、制御装置７は、低温モードフラグ８０を参照し、低温始動すべきか否かを判断する（ステップＳ２２０）。制御装置７は、低温始動すべきであると判断すると（ステップＳ２２０；ＹＥＳ）、前回のシステム停止時における燃料電池２の残水量を把握し、前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断する（ステップＳ２３０）。本実施形態では、前回システム停止時の掃気時間に基づき該掃気処理が不十分であったか否かを判断する。詳述すると、制御装置７は、測定掃気時間メモリ９１ａに格納されている前回システム停止時の測定掃気時間Ｔｍと、基準掃気時間メモリ９２ａに格納されている掃気上限時間Ｔｔとを比較する。制御装置（第２判定手段）７は、比較の結果、測定掃気時間Ｔｍが掃気上限時間Ｔｔ以上であることから、前回システム停止時の掃気処理が不十分であったと判断すると（ステップＳ２３０；ＹＥＳ）、急速暖機運転を実行する（ステップＳ２４０）。なお、その他の動作については、上述した本実施形態と同様に説明することができるため、これ以上の説明は割愛する。
このように、掃気時間を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断しても良い。なお、測定インピーダンスを利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断するとともに（第１実施形態）、掃気時間を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断し（第２実施形態）、これら両方の判断結果に基づいて（例えば、ＯＲ条件やＡＮＤ条件）、急速暖機運転を実行するか否かを判断しても良い。
Ｃ．第３実施形態
第２実施形態では掃気時間を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断したが、残留水推定値を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断しても良い。
図６は、第３実施形態に係る燃料電池システム１’’の構成を示す図である。なお、図４に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。
残水量推定値メモリ９１ｂはシステム停止時における燃料電池２の残水量の推定値（以下、残水量推定値）Ｗｅを記憶するメモリであり、始動時目標残水量メモリ９２ｂはシステム始動時の目標となる残水量（以下、始動時目標残水量）Ｗｔを記憶するメモリである。始動時目標残水量Ｗｔは、第２実施形態に係る掃気上限時間Ｔｔと同様、低温モード始動する際の燃料電池２の残水量が適正であるか否かを判断するための基準値であり、予め実験などによって求められる。
図７は、第３実施形態に係る燃料電池システム１’’の停止時の処理フローを示すフローチャートであり、前掲図５に対応するフローチャートである。なお、前掲図５と対応するステップには、同一符号を付し、詳細な説明は割愛する。また、以下の説明では、第２実施形態と同様、車両１００が低温モード（燃料電池２の温度が閾値温度未満など）で走行している場合を想定する。
車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって、燃料電池システム１の運転停止指令が入力されると（ステップＳ１１０）、次回の低温始動に備えるべく、掃気処理を行う(ステップＳ１２０）。
さらに、制御装置（推定手段）７は、コンプレッサ１４によって燃料電池２に供給される酸化ガスの供給量、燃料電池２の発電に伴って生成される水分量（生成水量）、外部加湿水分量の積分値などを利用して残水量推定値Ｗｅを導出し（ステップＳ１３０’’）、導出した残水量推定値Ｗｅを残水量推定値メモリ７０ｂに格納した後（ステップＳ１４０’’）、処理を終了する。
その後、図４に示すように、例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって燃料電池システム１の運転開始が指令されると（ステップＳ２１０）、制御装置７は、低温モードフラグ８０を参照し、低温始動すべきか否かを判断する（ステップＳ２２０）。制御装置７は、低温始動すべきであると判断すると（ステップＳ２２０；ＹＥＳ）、前回のシステム停止時における燃料電池２の残水量を把握し、前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断する（ステップＳ２３０）。第３実施形態では、前回システム停止時に導出した残水量推定値に基づき該掃気処理が不十分であったか否かを判断する。詳述すると、制御装置７は、残水量推定値メモリ９１ｂに格納されている前回システム停止時に導出した残水量推定値Ｗｅと、始動時目標残水量メモリ９２ｂに格納されている始動時目標残水量Ｗｔとを比較する。制御装置（第２判定手段）７は、比較の結果、残水量推定値Ｗｅが始動時目標残水量Ｗｔ以上であることから、前回システム停止時の掃気処理が不十分であったと判断すると（ステップＳ２３０；ＹＥＳ）、急速暖機運転を実行する（ステップＳ２４０）。なお、その他の動作については、上述した本実施形態と同様に説明することができるため、これ以上の説明は割愛する。
このように、残水量推定値を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断しても良い。なお、測定インピーダンスを利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断するとともに（第１実施形態）、掃気時間を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断し（第２実施形態）、さらには残水量推定値を利用して前回システム停止時の掃気処理が不十分であったか否かを判断し（第３実施形態）、これら３つのパラメータの判断結果に基づいて（例えば、ＯＲ条件やＡＮＤ条件）、急速暖機運転を実行するか否かを判断しても良い。
なお、以上説明した各実施形態では、運転手等によるボタン操作によって低温モードでの始動命令が入力された場合に低温始動すべきと判断したが、温度センサ４６、４７や外気温センサ５１によって検出される燃料電池２の関連温度に基づき、低温始動すべきか否かを自動判定しても良い。詳述すると、制御装置（第１判定手段）７は、温度センサ４６、４７や外気温度センサ５１によって検出される燃料電池２の関連温度と、予めメモリなどに格納されている始動判定基準温度（例えば、０℃）とを比較する。制御装置７は、検出される燃料電池２の関連温度が、始動判定基準温度を下回っている場合には低温始動すべきと判断し、低温モードフラグ８０を「オフ」から「オン」に切り換える。このように、運転手等によるボタン操作によらず、燃料電池２の関連温度に基づき、低温始動すべきか否かを自動判定しても良い。
第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 同実施形態に係るシステム停止時の処理フローを示すフローチャートである。 同実施形態に係るシステム始動時の処理フローを示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 同実施形態に係るシステム停止時の処理フローを示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 同実施形態に係るシステム停止時の処理フローを示すフローチャートである。
符号の説明
１，１’，１’’・・・燃料電池システム、２・・・燃料電池、７・・・制御装置、５１・・・外気温センサ、７０・・・タイマー、７２・・・電圧センサ、７３・・・電流センサ、８０・・・低温モードフラグ、９１・・・測定インピーダンスメモリ、９２・・・基準インピーダンスメモリ、９１ａ・・・測定掃気時間メモリ、９２ａ・・・基準掃気時間メモリ、９１ｂ・・・残水量推定値メモリ、９２ｂ・・・始動時目標残水量メモリ。

Claims (6)

  1. 低温始動の際、燃料電池の関連温度が基準温度に達するまで暖機運転を行う燃料電池システムであって、
    システム始動の際に低温始動すべきか否かを判定する第１判定手段と、
    前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったか否かを判定する第２判定手段と、
    前記各判定手段によって、低温始動すべきであり、かつ、前回のシステム停止時に実施された掃気処理が不十分であったと判定された場合には、前記燃料電池の関連温度が、前記基準温度よりも高い目標温度に達するまで暖機運転を継続する運転制御手段と、
    システム停止時に掃気処理を行う掃気手段と
    を具備することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記運転制御手段は、前記暖機運転を終了した後に通常運転に移行し、
    前記暖機運転は、前記通常運転に比して電力損失の大きな低効率運転であ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. システム停止時の前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段をさらに備え、
    前記第２判定手段は、前回システム停止時に測定された前記燃料電池のインピーダンスに基づき、前記掃気処理が不十分であったか否かを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記システム停止時の掃気時間を測定する掃気時間測定手段をさらに備え、
    前記第２判定手段は、前回システム停止時に測定された前記掃気時間に基づき、前記掃気処理が不十分であったか否かを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  5. システム停止時の前記燃料電池の残水量を推定する推定手段をさらに備え、
    前記第２判定手段は、前回システム停止時に推定された前記燃料電池の残水量に基づき、前記掃気処理が不十分であったか否かを判定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池の関連温度は、外気温度、燃料電池周辺の部品温度、燃料電池の冷媒温度の少なくともいずれかを含み、
    前記第１判定手段は、前記燃料電池の関連温度に基づき低温始動すべきか否かを判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
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