JP5470815B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、零下起動時の起動性能を改善した燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、燃料電池の起動時、燃料電池の温度が氷点以下の場合には、ポンプを通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池に通常圧力より多い流量、通常圧力より高い圧力で空気（低温用反応ガス）を供給し、燃料電池を高発電させ、発電生成水の燃料電池内凍結を防止する技術が記載されている。
特開２００６−１３４６７４

上記従来の燃料電池システムにおいては、補機が凍結していない、或いは解凍されている一方、燃料電池の温度が氷点下となっている状態で起動した場合には、補機および配管内の凝縮水や残留水が燃料電池に流入し、燃料電池内で凍結により、ガス流路が閉塞するといった不具合を招くおそれがあった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、零下起動時における燃料電池内での凍結によるガス流路の閉塞を回避した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池の温度が氷点下であって、反応ガス供給流路に水が存在した状態で、反応ガス供給手段によって供給ガスの供給を開始する際に、液水量推定手段で推定された水量によって供給ガスの最大流量を制限する場合、液水量推定手段で推定された水量が多い程、燃料電池に供給される供給ガスの最大流量を低下させることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池に流入する水が多いと推定されるほど供給ガス流量を少なくしたので、燃料電池内に流入する水が少なくなるので、凍結によりガス流路を塞ぐ可能性を低減できる。一方、供給ガスが供給されることにより発電ができ、自己発熱等により燃料電池内の解凍が促進できる。従って、ガス流路の閉塞を回避しつつ燃料電池システムを起動することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１において、本実施例１の燃料電池システムは、燃料ガス（供給ガス）と酸化ガス（供給ガス）とが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池５と、燃料電池５の電圧および取り出し電流測定系１５と、燃料電池５の電圧および取り出し電流を制御する電力制御装置１４とを備えている。

また、燃料電池システムは、燃料ガスである水素を貯蔵する水素タンク１３（反応ガス供給手段）と、水素タンク１３から供給される水素の圧力を減圧する減圧弁１と、減圧弁１より供給される水素の圧力を調整し、燃料電池５のアノード入口水素圧力を制御する水素圧力制御弁２と、燃料電池５のアノード入口における水素温度を検出するアノード入口水素温度センサ３と、燃料電池５のアノード入口における水素圧力を検出するアノード入口水素圧力センサ４を備えている。なお、水素タンク１３からアノード入口までに設置された水素タンク１３、減圧弁１、水素圧力制御弁２の補機やバルブ等や流路を総称して反応ガス供給流路とする。

また、燃料電池システムは、燃料電池５のアノード出口より排出される発電生成水と水素を分離するセパレータタンク６と、セパレータタンク６の温度を検出するセパレータタンク温度センサ７と、セパレータタンク６に溜まった発電生成水を燃料電池システム外に排水する排水弁８を備えている。

また、燃料電池システムは、燃料電池５のアノード出口より排出される水素をアノード入口に循環させる水素循環ポンプ９と、水素循環ポンプ９の温度を検出する水素循環ポンプ温度センサ１０と、燃料電池５のアノード触媒層において反応に使われないガスを排出する水素パージ弁１１と、燃料電池５のアノード出口より排出される未使用水素をアノード入口に循環させる配管の温度を検出する水素循環系配管温度センサ１２を備えている。

また、燃料電池システムは、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池５のカソード触媒層に供給するコンプレッサ１６（反応ガス供給手段）と、コンプレッサ１６より供給される空気を加湿する空気加湿器１７と、空気加湿器１７の温度を検出する空気加湿器温度センサ１８と、燃料電池５のカソード入口における空気温度を検出するカソード入口空気温度センサ１９と、燃料電池５のカソード入口における空気圧力を検出するカソード入口空気圧力センサ２０と、燃料電池５のカソード出口より排出された空気の圧力を調整し、燃料電池５のカソード入口空気圧力を制御する空気圧力制御弁２１を備えている。なお、コンプレッサ１６の空気取り込み部からカソード入口までに設置されたコンプレッサ１６、空気加湿器１７、空気圧力制御弁２１の補機やバルブ等や流路を総称して反応ガス供給流路とする。

また、燃料電池システムは、燃料電池５を冷却するための冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ２２と、燃料電池５の入口における冷却水温度を検出する燃料電池入口冷却水温度センサ２３と、燃料電池５の出口における冷却水温度を検出する燃料電池出口冷却水温度センサ２４と、燃料電池５の出口より入口に循環する冷却水を放熱させて冷却する熱交換器２５、ならびにコントロールユニット（図示せず）を備えている。

コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する零下起動制御の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する運転制御手段ならびに水分量推定手段（液水量推定手段）として機能する。なお、水分量推定手段は、少なくても液水量を推定できればよく、氷を含む水分量を推定してもよい。

このような構成要件を備えた燃料電池システムが定常運転した場合の動作を説明する。

先ず、燃料電池５のアノード触媒層に燃料ガスである水素がカソード触媒層に酸化ガスである空気が供給され、以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
（化１）
アノード（水素）極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード（酸素）極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

燃料電池５のアノード触媒層に水素を供給する水素供給系では、水素タンク１３に水素が貯蔵されており、水素タンク１３より供給された高圧水素は減圧弁１によって減圧され、水素圧力制御弁２に供給される。水素圧力制御弁２より供給される水素は水素循環ポンプ９より循環された水素と混合され、燃料電池５のアノード触媒層に供給される。

ここで、燃料電池５のアノード入口における水素温度および圧力は、それぞれアノード入口水素温度センサ３およびアノード入口水素圧力センサ４によって検出される。

水素圧力制御弁２はアノード入口水素圧力センサ４で検出された圧力に基づき、アノード入口水素圧力を制御する。所定の温度および圧力の水素は燃料電池５のアノード入口に供給され、燃料電池５の発電に使われる。発電で使われなかった未反応の水素は燃料電池５のアノード出口より排出された後、水素循環ポンプ９より再び燃料電池５に供給される。

燃料電池５のアノード出口より排出される発電生成水はセパレータタンク６により回収される。セパレータタンク６の発電生成水回収量が所定量を超えた場合には、排水弁８を開けることにより発電生成水を燃料電池システム外に排水する。

燃料電池５のカソードより透過してきた窒素はアノード触媒層における水素濃度を低下させ、スタベーションによる触媒層劣化を引き起こすため、定期的に水素パージ弁１１を開けることにより窒素を燃料電池システム外に排出する。ここで、セパレータタンク６、水素循環ポンプ９および水素循環系配管の温度は、それぞれセパレータタンク温度センサ７、水素循環ポンプ温度センサ１０および水素循環系配管温度センサ１２によって検出される。

一方、燃料電池５のカソード触媒層に空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ１６が外気から空気を吸入し、吸入した空気を加圧して送出する。送出された空気は空気加湿器１７により加湿され、燃料電池５のカソード触媒層に供給される。ここで、燃料電池５のカソード入口における空気温度および圧力は、それぞれカソード入口空気温度センサ１９およびカソード入口空気圧力センサ２０によって検出される。また、空気加湿器１７の温度は、空気加湿器温度センサ１８によって検出される。

発電で使われなかった未反応の空気および発電生成水は、燃料電池５のカソード出口より排出された後、再び空気加湿器１７を通過する。この時、空気加湿器１７を通過した発電生成水の一部（水蒸気）はコンプレッサ１６より吸入された空気の加湿に使われる。空気加湿器１７を通過したカソード出口排出空気は、空気圧力制御弁２１を通過する。空気圧力制御弁２１は、カソード入口空気圧力センサ２０で検出された圧力に基づき、カソード入口空気圧力を制御する。ここで、燃料電池５のガス圧力、すなわちアノード入口水素圧力およびカソード入口空気圧力は可変圧である。

燃料電池５の電力制御装置１４は、取り出し出力（電流）および燃料電池５の温度によって燃料電池５が安定的に発電できるよう適切なガス圧力を設定する。

燃料電池５の温度が高くなりすぎると、アノード触媒層が乾燥し、電圧が急激に低下したり、燃料電池５に使われている高分子膜が急激に軟化し、破断したりすることがある。このため、燃料電池５を冷却するための冷却水が使われている。燃料電池５の反応熱を吸収した冷却水は、熱交換器２５で放熱し、冷却水循環ポンプ２２によって再び燃料電池５に送出される。ここで、燃料電池５の入口および出口における冷却水温度は、それぞれ燃料電池入口冷却水温度センサ２３および燃料電池出口冷却水温度センサ２４によって検出される。熱交換器２５における放熱量は、燃料電池入口冷却水温度センサ２３および燃料電池出口冷却水温度センサ２４で検出された温度に基づき制御される。

本願発明の技術思想を採用していない従来の燃料電池システムにおいて、パージして運転を停止した後、零下起動した場合の電圧挙動を図２に示す。ただし、零下起動時の燃料電池出口冷却水温度は０℃以下、アノード入口水素温度、カソード入口空気温度、セパレータタンク温度、水素循環ポンプ温度、水素循環系配管温度および空気加湿器温度は０℃以上とする。

図２において、従来の燃料電池システムでは、上記温度条件で零下起動した場合には、起動とともに（図２の時間Ｔ２後）燃料電池５の電圧が低下し、低下したままの状態で保持される。電圧の低下は、水素循環ポンプ９および空気加湿器１７等の補機および配管における凝縮水が燃料電池５に流入し、燃料電池５内で凍結し、ガス流路が閉塞したことにより水素および空気が阻害されたことによるものである。電圧が低下した場合には、電圧が回復するまで燃料電池出力を取り出すことができないため、零下起動時間が長くなる。

一方、本願を適用した場合の零下起動時の電圧挙動を図３に示す。図３において、本願を適用した場合には、補機および配管内の凝縮水が燃料電池５に流入しないよう起動時供給ガス流量を制限することにより、起動時の電圧低下を抑制しつつ燃料電池出力を取り出す（図３の時間Ｔ３後）ことができるため、零下起動時間を短縮することができる。

次に、図３で示した電圧挙動を実現するための起動時制御の制御手順について、図４に示す制御フローを参照して説明する。

図４において、先ず、パージして運転を停止した後（ステップＳ４０１）、燃料電池５、補機、配管および燃料電池入口ガス温度を検出する（ステップＳ４０２）。ここで、燃料電池温度は燃料電池出口冷却水温度、補機温度はセパレータタンク温度および水素循環ポンプ温度、配管温度は水素循環系配管温度、燃料電池入口温度はアノード入口水素温度およびカソード入口空気温度とする。

各温度の検出の結果、燃料電池温度＜０℃＜補機、配管および燃料電池入口ガス温度の要件が成立したか否かを判別する（ステップＳ４０３）。判別の結果、上記要件が成立していない場合には、起動時の供給ガス流量を制限しない（ステップＳ４０４）。なお、起動後に燃料電池５の温度が０℃以上になった場合には制限を解除する（以下の実施例２〜４でも同様である）。なお、本実施例では、流量制限を実施する条件として、燃料電池の温度を０℃より小さい値としたが、液水が凍結する温度（氷点下）であればよい。また、補機等の温度を０℃より大きい値としたが、液水が存在する温度であればよい。更に、流量制限を解除する条件として、燃料電池の温度を０℃以上としたが、液水が凍結しない温度（解凍温度）としてもよい。

一方、上記要件が成立した場合には、続いて、供給ガス流量を制限するが、零下起動時の供給ガス流量は補機および配管内の凝縮水量に基づき設定されるため、補機および配管内の凝縮水量を推定する（ステップＳ４０５）。凝縮水量は次に示す式（１）および（２）より算出して推定する。
（数１）
飽和水蒸気体積（ｌ）
＝系の体積（ｌ）×｛飽和水蒸気圧（kPa_abs）／１０１．３（kPa_abs）｝ …（１）
凝縮水量（ｇ）
＝１８（g/mol）
×｛（停止パージ時標準状態飽和水蒸気体積（ｌ））
−（零下起動時標準飽和水蒸気体積（ｌ））｝／２２．４（g/mol） …（２）
ここで、式（１）における系の体積はアノードもしくはカソードガス供給系の体積とする。また、飽和水蒸気圧は反応ガス温度のみの関数とし、反応ガス温度は燃料電池入口ガス温度を用いる。

例えば、補機温度、配管温度および燃料電池入口ガス温度にばらつきがあった場合には、停止パージ時の飽和水蒸気圧を表す反応ガス温度はそれら温度の最大値を用い、零下起動時の飽和水蒸気圧を表す反応ガス温度はそれら温度の最小値を用いることとする。

次に、起動時供給ガス流量の制限値をマップを参照して推定し（ステップＳ４０６）、推定した制限値にしたがってシステムを起動する。

起動時供給ガス流量の制限値−凝縮水量との関係を表す上記推定の際に使用するマップを図５（ａ）および同図（ｂ）に示す。図５（ａ）に示すように、起動時供給ガス流量の制限値は補機および配管内の凝縮水量が多くなる程低下する。補機および配管構成によっては、図５（ｂ）に示すように補機および配管内の凝縮水量によらず、起動時供給ガス流量が一定になる領域が存在してもよい。これは、燃料電池の構成上、例えばガス配管がくねくねして蛇行しているような配管で凝縮水が飛びにくい（排出されにくい）場合には、ある程度凝縮水が残留していても凝縮水が飛ばないため、ガス流量制限を必要としないガス流量域が想定されるからである。

起動時供給ガス流量の制限値、つまり凝縮水が燃料電池内に流入しないガス流量は、凝縮水量以外のパラメータの影響も受ける。例えば、上記式（１）および（２）で推定された凝縮水量が少なくても、補機および配管内において凝縮水の溜まりやすい箇所が構造上存在した場合には、部分的に凝縮水量が飛びやすく（排出しやすく）なる箇所があることを考慮して起動時供給ガス流量を選択する必要がある。また、配管等の断面積が小さい箇所では部分的にガス流速が速くなるため、凝縮水が飛びやすくなる。

また、停止パージ後放置した場合には、放置時間の経過とともにアノードガス供給系に空気が混入し、ガス密度が増大する。ガス密度が増大した場合には、ガス流速が速くなるため、凝縮水が飛びやすくなる。

このように、起動時供給ガス流量の制限値は、補機および配管構成、ガス密度によって影響を受けるため、予め実験等を実施して実験的に求め、その結果をマップ等として作成して予め用意し、コントロールユニットの記憶装置に記憶させて必要に応じて参照する。

このように、この実施例１では、燃料電池温度＜０℃＜補機温度の温度状態で零下起動する場合には、補機および配管内の凝縮水量が多い程、起動時の供給ガス流量を制限することにより、補機および配管内の凝縮水が燃料電池５に流入することを抑制し、燃料電池５内で水分が凍結したり、凍結した水分でガス流路が閉塞することを防ぐことができる。

前回システム停止時の供給ガス温度と零下起動時の供給ガス温度との差に基づいて、補機および配管内の凝縮水量を推定することで、凝縮水量を容易かつ簡便に推定することができる。

補機および配管内のガス温度に温度分布がある場合でも、前回システム停止時の供給ガス温度を補機および配管温度の最大値とし、今回零下起動時の供給ガス温度を補機および配管温度の最小値とすることで、凝縮水量の最大値を推定することが可能となり、適切に供給ガスの流量を制限することができる。

燃料電池の温度を、起動前に燃料電池５に冷却水を循環させた際の燃料電池出口の冷却水温度に代表させることで、燃料電池内に温度分布がある場合でも平均的な燃料電池温度を推定することが可能となり、適切に供給ガスの流量を制限することができる。

燃料電池温度が確実に０℃以上になった後、供給ガス流量の制限を解除することで、確実に燃料電池内で凍結、ガス流路の閉塞を回避して、安定運転を行うことができる。

次に、この発明の実施例２について説明する。先の実施例１では、停止パージした後に零下起動するようにしているが、この実施例２では、パージせずに運転停止した後、零下起動する制御手法を採用しており、先の実施例１との相違点は、補機および配管内の凝縮水量のみでなく、残留水量も考慮する点である。なお、燃料電池システムの構成は先の図１と同様であるので説明は省略し、図６に示すフローチャートを参照して制御手順を説明する。

図６において、先ず燃料電池、補機、配管および燃料電池入口ガス温度を検出する（ステップＳ６０１）。ここで、燃料電池温度は燃料電池出口冷却水温度、補機温度はセパレータタンク温度および水素循環ポンプ温度、配管温度は水素循環系配管温度、燃料電池入口温度はアノード入口水素温度およびカソード入口空気温度とする。

各温度の検出の結果、燃料電池温度＜０℃＜補機、配管および燃料電池入口ガス温度の要件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ６０２）。判別の結果、上記要件が成立していない場合には、起動時に供給ガス流量を制限しない（ステップＳ６０３）。

一方、上記要件が成立した場合には、続いて、供給ガス流量を制限するが、零下起動時の供給ガス流量は補機および配管内の凝縮水量に基づき設定されるため、補機および配管内の凝縮水量を推定する（ステップＳ６０４）。凝縮水量は、先の実施例１と同様にして推定する。引き続いて、補機および配管内の残留水量を、図７に示すようなマップを参照して推定する（ステップＳ６０５）。

燃料電池５の取り出し出力（電流）が増大するとともに発電生成水量が増大し、発電生成水量がセパレータタンク６の回収量を上回った場合には、セパレータタンク６で回収できなかった発電生成水が残留水としてアノードガス供給系に残留する。このような補機および配管内の残留水量と運転停止時の燃料電池取り出し出力（電流）との関係は例えば図７に示すようになる。

次に、図６に戻って、起動時供給ガス流量の制限値を推定し（ステップＳ６０６）、推定した制限値にしたがってシステムを起動する。

起動時供給ガス流量の制限値は、図８（ａ）に示すように、（凝縮水量＋残留水量）が多くなる程低下する。なお、補機および配管の構成によっては、図８（ｂ）に示すように、補機および配管内の（凝縮水量＋残留水量）によらず、起動時供給ガス流量が一定になる領域が存在してもよい。

起動時供給ガス流量の制限値、つまり凝縮水ならびに残留水が燃料電池内に流入しないガス流量は、凝縮水量および残留水量以外のパラメータの影響も受ける。例えば先の実施例１で触れた式（１）および（２）で推定された凝縮水量、ならびに図７に示すような関係を有する残留水量が、少なくても補機および配管内において溜まりやすい箇所が存在した場合には、部分的に凝縮水量および残留水が飛びやすくなる箇所があることを考慮して起動時供給ガス流量を選択する必要がある。

また、配管等の断面積が小さい箇所では部分的にガス流速が速くなるため、凝縮水および残留水が飛びやすくなる。さらに、停止後放置した場合は、放置時間の経過とともにアノードガス供給系に空気が混入してガス密度が増大する。ガス密度が増大すると、ガス流速が速くなるため、凝縮水および残留水が飛びやすくなる。このように、起動時供給ガス流量の制限値は補機および配管構成、ガス密度によって影響を受けるため、予め実験等を実施して実験的に求め、その結果をマップ等として作成して予め用意し、コントロールユニットの記憶装置に記憶させて必要に応じて参照する。

このように、この実施例２においては、上記実施例１で得られる効果に加えて、前回システム停止前の燃料電池取り出し電流に基づいて補機および配管内の残留水量を推定することが可能となる。これにより、凝縮水量と残留水量の総和となる補機ならびに配管に存在する水分量を推定することができ、システム停止時にパージ処理を行わない場合であっても、適切に供給ガス流量を制限することが可能となる。

次に、この発明の実施例３について説明する。前述した実施例１，２では、零下起動時に凝縮水および残留水が燃料電池内に流入しないようにするために、供給ガスの流量を制限する制御手法を採用しているが、この実施例３では、実施例２で採用した流量の制限に加えて供給ガスの圧力上昇速度を制限する制御手法を採用している。

燃料電池システムの構成は、実施例１で示した図１と同様なので省略し、図９に示すフローチャートを参照して制御手順を説明する。

図９において、先ず先の図４に示す実施例１の制御手順（ステップＳ４０１〜ステップＳ４０６）と同様な制御手順（ステップＳ９０１〜ステップＳ９０６）を実行する。

その後、上記実行の結果得られた、起動時供給ガス流量制限値に基づいて、起動時ガス圧力上昇速度制限値を推定し（ステップＳ９０７）、推定された制限値にしたがってシステムを起動する。

システムを起動した初期では、水素分圧が低いため、アノード入口水素圧力を速やかに上げて、アノード触媒層における水素濃度を高めることにより、スタベーションによる触媒層劣化を防止する必要がある。この時、水素パージ弁１１を開けることにより、カソード側からアノード側に透過してきた窒素を燃料電池システム外に排出する。アノード入口水素圧力のみ上昇させた場合には、アノード側からカソード側に透過してきた水素により、カソード触媒層における酸素濃度が低下するとともに、アノードとカソードにおける膜・電極接合体間の差圧が大きくなり、膜・電極接合体が破損するおそれがある。このため、アノード入口水素圧力と同様の圧力上昇速度でカソード入口空気圧力を上昇させる必要がある。

一方、零下起動時間を短縮するため、上述したようにアノード入口水素圧力およびカソード入口空気圧力を速やかに上げたいが、起動時ガス圧力上昇速度を速くするには、起動時供給ガス流量を増大させる必要がある。しかし、先の実施例１および２において説明したように、起動時供給ガス流量に制限があるため、起動時ガス圧力上昇速度についても制限が生じる。

このため、起動時ガス圧力上昇速度は、図１０示すような、零下起動時ガス圧力上昇速度−零下起動時供給ガス流量の関係を示す制限値マップに基づいて設定される。図１０に示すように、起動時ガス圧力上昇速度は、起動時供給ガス流量の制限値が増大するとともに速くなる。なお、図１０に示すマップは、実験等を実施した結果をマップとして作成して予め用意し、コントロールユニットの記憶装置に記憶させて必要に応じて参照する。

このように、この実施例３では、先の実施例２で得られる効果に加えて、起動時の供給ガス流量に基づいて起動時のガス圧力上昇速度を制限することで、燃料電池５のアノード内の窒素濃度を低減した状態で発電を開始することが可能となり、燃料電池５の解凍を促進することができる。

次に、この発明の実施例４について説明する。この実施例４では、先の実施例１、２で採用した供給ガスの流量や圧力上昇速度を制限する制御手法に加えて、起動時における燃料電池から取り出す発電出力（電流）を制限する制御手法を採用している。

燃料電池システムの構成は、実施例１で示した図１と同様なので省略し、図１１に示すフローチャートを参照して制御手順を説明する。

図１１において、先ず先の図４に示す実施例３の制御手順（ステップＳ９０１〜ステップＳ９０７）と同様な制御手順（ステップＳ１１０１〜ステップＳ１１０７を実行する。

その後、上記実行の結果得られた、起動時供給ガス流量制限値、ならびにガス圧力と燃料電池温度に基づいて、燃料電池取り出し出力制限値を推定する（ステップＳ１１０８）。

システムを起動した初期は、燃料電池温度が低く、電解質の膜抵抗が高いため、燃料電池取り出し出力を増大させることができない。このため、図１２〜１４のマップに示すようなガス流量の制限値、ガス圧力ならびに燃料電池温度に対して燃料電池取り出し出力の制限を設け、このマップを参照して図１２〜図１４に示す関係をすべて満足させる出力の最大値を選択することで出力の制限値を推定し（ステップＳ１１０９）、推定した出力制限値で出力を制限して運転する。

燃料電池取り出し出力は、図１２〜図１４に示すように、起動時供給ガス流量、ガス圧力および燃料電池温度が増加するとともに増大させる。なお、図１２〜図１４に示すマップは、前述したマップと同様に実験的に求めて作成する。ここで、燃料電池温度とは燃料電池入口冷却水温度および燃料電池出口冷却水温度のことを指している。

次に、燃料電池温度が０℃以上になったか否かを判別する（ステップＳ１１０９）。判別の結果、燃料電池温度が０℃以上になった場合には、ガス流量の制限を解除して、予め本燃料電池システムの仕様に応じて設定された通常時の発電制御を実施する（ステップＳ１１１０）。

このような制御手順を実行して零下起動した場合と、実行せずに零下起動を実施した場合との供給ガス流量、ガス圧力、燃料電池温度、補機温度および燃料電池取り出し出力の各諸量の起動時間変化について図１５に示し、同図（ａ１）〜（ａ４）は実行した場合を示し、同図（ｂ１）〜（ｂ４）は実行しなかった場合を示す。

この実施例４で採用した制御手順を実行した場合には、起動時供給ガス流量が制限されるため、通常零下起動した場合（この実施例４の制御手順を実行しなかった場合）のような大流量のガスを流すことができない。起動時供給ガス流量が制限された場合には、ガス圧力上昇速度および目標ガス圧力も制限されるため、ガス圧力上昇速度および目標ガス圧力は通常零下起動した場合よりも低くなる。また、供給ガス流量およびガス圧力制限を実施した場合には、燃料電池取り出し出力も制限されるため、燃料電池取り出し出力は通常起動した場合よりも低くなる。

このように、供給ガス流量、ガス圧力および燃料電池取り出し出力制限を実施して起動すると、通常零下起動した場合に比べて燃料電池温度が０℃以上になるためにかかる時間が長くなる（図１５（ａ３）に示すＴ１５ａ＞同図（ｂ３）に示すＴ１５ｂ）。ただし、通常零下起動する場合の燃料電池温度、補機、配管および燃料電池入口ガス温度は全て０℃以下とする。

一方、本願を適用する場合は、燃料電池温度＜０℃＜補機、配管および燃料電池入口ガス温度である。このような温度条件下において、上記制御手順を実行せずに実施例１で説明した電圧低下状態で起動する場合には、スタベーションによりアノード触媒層が劣化するため、燃料電池より出力を取り出すことができず、起動できない。また、電圧低下が回復した後起動するために要する時間は、上記制御手順を実行して起動した場合に要する時間よりもはるかに長くなる。したがって、結果的には、上述したこの実施例４で採用した制御手順を実行して起動することで、零下起動時間を短縮することができる。

このように、この実施例４においては、先の実施例３で得られる効果に加えて、起動時の供給ガス流量、供給ガス圧力ならびに燃料電池温度に基づいて、起動時の燃料電池取り出し電流を制限することで、スタベーションおよび燃料電池触媒層の拡散性能の低下による発電効率の低下を防ぎつつ、燃料電池の解凍を促進することができる。

実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池ガス流路が閉塞した場合の零下起動時における電圧挙動を示す図である。 実施例１における零下起動時の電圧挙動を示す図である。 実施例１に係る制御手順を示すフローチャートである。 実施例１における零下起動時の供給ガス流量制限値−凝縮水量のマップを示す図である。 実施例２に係る制御手順を示すフローチャートである。 実施例２における補機および配管内残留水量と燃料電池取り出し出力との関係を示す図である。 実施例２における零下起動時の供給ガス流量制限値−凝縮水量＋残留水量のマップを示す図である。 実施例３に係る制御手順を示すフローチャートである。 実施例３における零下起動時のガス圧力上昇速度−零下起動時供給ガス流量制限値のマップを示す図である。 実施例４に係る制御手順を示すフローチャートである。 実施例４における零下起動時の燃料電池取り出し出力−供給ガス流量制限値のマップを示す図である。 実施例４における零下起動時の燃料電池取り出し出力−ガス圧力のマップを示す図である。 実施例４における零下起動時の燃料電池取り出し出力−燃料電池温度のマップを示す図である。 零下起動時における諸パラメータの起動時間の変化を示す図である。

符号の説明

１…減圧弁
２…水素圧力制御弁
３…アノード入口水素温度センサ
４…アノード入口水素圧力センサ
５…燃料電池
６…セパレータタンク
７…セパレータタンク温度センサ
８…排水弁
９…水素循環ポンプ
１０…水素循環ポンプ温度センサ
１１…水素パージ弁
１２…水素循環系配管温度センサ
１３…水素タンク
１４…電力制御装置
１５…電流測定系
１６…コンプレッサ
１７…空気加湿器
１８…空気加湿器温度センサ
１９…カソード入口空気温度センサ
２０…カソード入口空気圧力センサ
２１…空気圧力制御弁
２２…冷却水循環ポンプ
２３…燃料電池入口冷却水温度センサ
２４…燃料電池出口冷却水温度センサ
２５…熱交換器

Claims (9)

1. 反応ガス供給手段により供給される供給ガスによって電気化学反応で発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池への反応ガス供給流路に存在する起動時における水量を推定する液水量推定手段と、
   前記燃料電池の温度が氷点下であって、前記反応ガス供給流路に水が存在した状態で、前記反応ガス供給手段によって供給ガスの供給を開始する際に、前記液水量推定手段で推定された水量によって供給ガスの最大流量を制限する場合、前記液水量推定手段で推定された水量が多い程、前記燃料電池に供給される供給ガスの最大流量を低下させる運転制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記液水量推定手段は、前回停止時の供給ガス温度と今回起動時の供給ガス温度との差が大きいほど、水量が多いと推定する
   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. 前回停止時の供給ガス温度は、前記反応ガス供給流路における最大温度とし、今回起動時の供給ガス温度は、前記反応ガス供給流路における最小値温度とする
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記液水量推定手段は、前回停止時の前記燃料電池から取り出した取り出し電流が大きいほど水量が多いと推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記水量は、凝縮水量と残留水量との総和である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記運転制御手段は、起動時供給ガス流量が制限されているほど起動時における供給ガスの圧力上昇速度を制限する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記運転制御手段は、起動時供給ガス流量、供給ガス圧力ならびに燃料電池温度に基づいて、起動時における前記燃料電池から取り出される取り出し電流を制限する
   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. 前記燃料電池温度は、前記燃料電池の出口冷却水温度に代表させる
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の温度が解凍温度になった場合には、供給ガス流量の制限を解除する
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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