JP6164187B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関する。
水素ガスと酸素との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路の入口と水素ガス源とを互いに連結する水素ガス供給路と、水素ガス供給路内に配置された水素ガス供給弁と、水素ガス通路の出口に連結されアノードオフガス通路と、アノードオフガス通路と水素ガス供給弁上流の水素ガス供給路を互いに連結する水素ガス戻し通路と、水素ガス戻し通路内に配置された水素ガス戻しポンプと、を備えた、水素循環式の燃料電池システムが公知である。この水素循環式の燃料電池システムでは、燃料電池スタックから流出した未使用の水素ガスが水素ガス戻しポンプにより水素ガス供給路に戻され、したがって水素ガスが有効に利用される。
ところが、水素循環式の燃料電池システムでは、水素ガス戻し通路及び水素ガス戻しポンプが必要であるので、構成が複雑になりコストが増大するばかりか、水素ガス戻し通路及び水素ガス戻しポンプを設置するための空間も必要となる。そこで、燃料電池スタックの水素ガス通路の出口に水素ガス供給路から分離されたパージ通路を連結し、パージ通路内にパージ制御弁を配置した、水素非循環式の燃料電池システムが公知である（特許文献１参照）。この水素非循環式の燃料電池システムでは、水素ガス戻し通路及び水素ガス戻しポンプが省略され、したがって燃料電池スタックから流出した未使用の水素ガスは水素ガス供給路に戻されない。
特開２００９−０５４２９０号公報
ところで、燃料電池スタックにおいて上述の電気化学反応により発電が行なわれると、カソード極において水が発生する。この水の一部は燃料電池スタックの膜電極接合体を透過してアノード極側、すなわち水素ガス通路内に到る。次いで、燃料電池スタックでの発電が停止されると、燃料電池スタックの温度が次第に低下する。その結果、燃料電池スタックの停止中に水素ガス通路内の水蒸気が凝縮する。このため、次いで燃料電池スタックを起動すべきとき、すなわち燃料電池スタックでの発電を開始すべきときに、アノード極が過度に多量の液水によって覆われているおそれがある。一方、カソード極周りには、燃料電池スタックに供給された空気に由来する窒素ガスが存在しており、この窒素ガスも膜電極接合体を透過して水素ガス通路内に到る。この窒素ガスの水素ガス通路への移動は主としてアノード極側とカソード極側との濃度差に起因するので、燃料電池スタックの停止中にも生じる。その結果、燃料電池スタックを起動すべきときに、水素ガス通路内の窒素ガス濃度が過度に高くなっておりしたがって水素ガス濃度が過度に低くなっているおそれがある。アノード極が過度に多量の液水によって覆われていると、又は、水素ガス濃度が過度に低くなっていると、燃料電池スタックの起動が困難となる。
この点、上述した水素ガス循環式の燃料電池システムでは、燃料電池スタックを起動すべきときに水素ガス供給弁を開弁しつつ水素ガス戻しポンプを作動させれば、水素ガス通路内の液水及び窒素ガスが水素ガス戻しポンプにより吸引され、水素ガスが水素ガス通路内に広く供給される。したがって、燃料電池スタックの良好な起動が確保される。
ところが、特許文献１に記載されたような水素ガス非循環式の燃料電池システムでは、水素ガス戻しポンプが設けられておらず、したがって燃料電池スタックの良好な起動を確保するために水素ガス循環式の燃料電池システムとは異なる手立てが必要となる。この点、燃料電池スタックを起動すべきときに水素ガス供給弁を開弁しつつパージ制御弁を一時的に開弁すれば、水素ガス通路内の液水及び窒素ガスが水素ガス通路から排出されると共に水素ガスが水素ガス通路内に広く供給されると考えられる。しかしながら、パージ制御弁が開弁されたときに燃料電池スタックからパージ通路内に流入するガス、すなわちパージガスには未使用の水素ガスが含まれており、このパージガスは大気中に放出される。したがって、パージガスの量を多く設定すると、燃料電池スタックから多量の水素ガスが排出されることになり、水素ガスを有効に利用できない。逆に、パージガスの量を少なく設定すると、水素ガス通路内の液水及び窒素ガスを水素ガス通路から十分に排出させることができない。したがって、水素ガスを有効に利用しつつ燃料電池スタックを確実に起動させることが可能なパージガス量を正確に求める必要がある。
本発明の一観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口と燃料ガス源とを互いに連結する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給器と、前記燃料ガス通路の出口に連結され、前記燃料ガス供給路から分離されたパージ通路と、前記パージ通路内に配置されたパージ制御弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の液水量を表す起動時液水量代表値を獲得する液水量代表値獲得器と、獲得された前記起動時液水量代表値に基づいて第１のパージガス量を算出する第１のパージガス量算出器と、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス濃度を表す起動時燃料ガス濃度代表値を獲得する燃料ガス濃度代表値獲得器と、獲得された前記起動時燃料ガス濃度代表値に基づいて第２のパージガス量を算出する第２のパージガス量算出器と、前記第１のパージガス量と前記第２のパージガス量とのうち多いほうを起動時パージガス量に設定する設定器と、前記燃料電池スタックを起動すべきときに、前記燃料ガス供給器により燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給しつつ、前記起動時パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁するパージ制御器と、を備えた燃料電池システムが提供される。
本発明の別の観点によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口と燃料ガス源とを互いに連結する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給器と、前記燃料ガス通路の出口に連結され、前記燃料ガス供給路から分離されたパージ通路と、前記パージ通路内に配置されたパージ制御弁と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の液水量を表す起動時液水量代表値を獲得し、獲得された前記起動時液水量代表値に基づいて第１のパージガス量を算出し、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス濃度を表す起動時燃料ガス濃度代表値を獲得し、獲得された前記起動時燃料ガス濃度代表値に基づいて第２のパージガス量を算出し、前記第１のパージガス量と前記第２のパージガス量とのうち多いほうを起動時パージガス量に設定し、前記燃料電池スタックを起動すべきときに、前記燃料ガス供給器により燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給しつつ、前記起動時パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁する、燃料電池システムの制御方法が提供される。
燃料ガスを有効に利用しつつ燃料電池スタックを確実に起動させることができる。
燃料電池システムの全体図である。 本発明による実施例の停止制御及び起動制御を説明するタイムチャートである。 スタック温度ＴＳの変化を示すタイムチャートである。 燃料電池スタックの状態の変化を説明する線図である。 第１のパージガス量ＱＰＧ１の第１の算出例における第１のパージガス量ＱＰＧ１のマップを示す図である。 第１のパージガス量ＱＰＧ１の第２の算出例における第１のパージガス量ＱＰＧ１のマップを示す図である。 水素ガス分圧ＨＰＰの変化を示すタイムチャートである。 第２のパージガス量ＱＰＧ２の第１の算出例における第２のパージガス量ＱＰＧ２のマップを示す図である。 第２のパージガス量ＱＰＧ２の第２の算出例における第２のパージガス量ＱＰＧ２のマップを示す図である。 停止制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。 起動制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。
図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向ＬＳに沿って互いに積層された複数の燃料電池単セル１０ａを備える。各燃料電池単セル１０ａは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。
燃料電池単セル１０ａのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。
また、各燃料電池単セル１０ａ内には、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素ガス流通路３０ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気流通路４０ａとがそれぞれ形成され、互いに隣接する２つの燃料電池単セル１０ａ同士間には燃料電池単セル１０ａに冷却水を供給するための冷却水流通路５０ａが形成される。複数の燃料電池単セル１０ａの水素ガス流通路３０ａ、空気流通路４０ａ、及び冷却水流通路５０ａをそれぞれ並列に接続することにより、燃料電池スタック１０内に水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０の入口及び出口はそれぞれ、燃料電池スタック１０の積層方向ＬＳ一端に配置される。
図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス流通路３０ａの入口及び出口と、空気流通路４０ａの出口及び入口がそれぞれ隣接配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ逆向きになっている。すなわち、燃料電池スタック１０は向流式の燃料電池スタックから構成される。図示しない別の実施例では、水素ガス流通路３０ａの入口及び出口と、空気流通路４０ａの入口及び出口がそれぞれ隣接配置され、したがって水素ガス流通路３０ａ内を流れる水素ガスの向きと、空気流通路４０ａ内を流れる空気の向きとが互いにほぼ同じ向きになっている。この場合、燃料電池スタック１０は並流式の燃料電池スタックから構成される。
水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給路３１が連結され、水素ガス供給路３１は水素ガス源、例えば水素タンク３２に連結される。水素ガス供給路３１内には上流側から順に、電磁式の遮断弁３３と、水素ガス供給路３１内の圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガス供給器３５と、が配置される。図１に示される燃料電池システムＡでは水素ガス供給器３５は電磁式の水素ガス供給弁から構成される。一方、水素ガス通路３０の出口にはバッファタンク３６を介してパージ通路３７が連結される。パージ通路３７内には電磁式のパージ制御弁３８が配置される。遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁されると、水素ガス源３２内の水素ガスが水素ガス供給路３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはバッファタンク３６内に流入し、バッファタンク３６内に蓄積される。パージ制御弁３８は通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁３８が開弁されると、バッファタンク３６内のアノードオフガスがパージ通路３７を介して大気に排出され、すなわちパージ処理が行われる。
図１に示される燃料電池システムＡでは、パージ通路３７の出口は大気に連通されている。すなわち、水素ガス通路３０の出口は水素ガス供給路３１に連通されず、したがって水素ガス供給路３１から分離されている。このことは、水素ガス通路３０の出口から流出するアノードオフガスが水素ガス供給路３１に戻されない、ということを意味している。図示しない別の実施例では、水素ガス通路３０の出口が水素ガス戻し通路を介して例えばレギュレータ３４と水素ガス供給弁３５との間の水素ガス供給路３１に連結される。水素ガス戻し通路内には上流側から順に、気液分離器と、気液分離器により分離された水素ガスを水素ガス供給路３１に送り込む水素ガス戻しポンプと、が配置される。この場合、水素ガスを含むアノードオフガスが水素ガス戻し通路を介して水素ガス供給路３１に戻される。その結果、水素ガス源３２からの水素ガスと水素ガス戻し通路からの水素ガスとの混合体が水素ガス供給弁３５から燃料電池スタック１０に供給される。この図示しない別の実施例との比較において、図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス戻し通路、水素ガス戻しポンプ等が省略されているということになる。その結果、図１に示される燃料電池システムＡでは、構成が簡素化され、コストが低減され、水素ガス戻し通路等のための空間を必要としない。
また、空気通路４０の入口には空気供給路４１が連結され、空気供給路４１は空気源、例えば大気４２に連結される。空気供給路４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス通路４６が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給路４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路４６内に流入する。カソードオフガス通路４６内には上流側から順に、カソードオフガス通路４６内を流れるカソードオフガスの量を制御する電磁式のカソードオフガス制御弁４７と、希釈器４８とが配置される。この希釈器４８には上述したパージ通路３７が連結される。その結果、パージ通路３７からのパージガス中の水素ガスがカソードオフガスによって希釈される。
更に図１を参照すると、冷却水通路５０の入口には冷却水供給路５１の一端が連結され、冷却水供給路５１の出口には冷却水供給路５１の他端が連結される。冷却水供給路５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給路５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給路５１とはラジエータバイパス通路５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス通路５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス通路５４の出口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給路５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給路５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス通路５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。
電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する電圧計１６ｖ及び電流計１６ｉと、水素ガス通路３０内の水素濃度を検出する水素濃度センサ１７とが燃料電池スタック１０に設けられる。水素濃度センサ１７は例えば、水素ガス通路３０の入口及び出口から最も離れた位置にある燃料電池単セル１０ａ内の水素ガス流通路３０ａに設けられる。また、水素ガス通路３０の入口に隣接する水素ガス供給路３１には水素ガス通路３０の入口における圧力を検出する水素圧力センサ１８ｈが取り付けられ、空気通路４０の入口に隣接する空気供給路４１には空気通路４０の入口における圧力を検出する空気圧力センサ１８ａが取り付けられる。水素ガス通路３０の入口における圧力は水素ガス流通路３０ａ内の圧力を表しており、空気通路４０の入口における圧力は空気流通路４０ａ内の圧力を表している。更に、冷却水通路５０の出口に隣接する冷却水供給路５１には冷却水通路５０から流出する冷却水の温度を検出する温度センサ１９が取り付けられる。冷却水通路５０から流出する冷却水の温度は燃料電池スタック１０ないし水素ガス通路３０の温度を表している。電圧計１６ｖ、電流計１６ｉ、水素濃度センサ１７、圧力センサ１８ｈ，１８ａ、及び温度センサ１９の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５にそれぞれ入力される。なお、ＣＰＵ６４は時刻を算出するタイマ機能を備えている。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガス供給弁３５、パージ制御弁３８、コンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、冷却水ポンプ５２、及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。
燃料電池スタック１０を起動すべきとき、すなわち燃料電池スタック１０での発電すべきときには遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池スタック１０において電気化学反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−，（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。なお、燃料電池スタック１０で発電すべきときにカソードオフガス制御弁４７も開弁される。
一方、燃料電池スタック１０を停止すべきとき、すなわち燃料電池スタック１０での発電を停止すべきときには、遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が閉弁され、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給が停止される。また、パージ制御弁３８が閉弁状態に保持される。その結果、水素ガス供給弁３５からパージ制御弁３８までの水素ガス供給路３１、水素ガス通路３０、バッファタンク３６、及びパージ通路３７により密封空間が形成される。なお、この密封空間の温度、圧力、水素ガス濃度等は水素ガス通路３０の温度、圧力、水素ガス濃度等であると考えることができる。一方、燃料電池スタック１０を停止すべきときには、コンプレッサ４４が停止され、燃料電池スタック１０への空気の供給が停止される。また、カソードオフガス制御弁４７が閉弁される。なお、図１に示される実施例では、カソードオフガス制御弁４７が閉弁されても、わずかな量の空気がカソードオフガス制御弁４７を通過して空気通路４０に流入することが可能になっている。また、コンプレッサ４４が停止されているときに、わずかな量の空気がコンプレッサ４４を通過して空気通路４０内に流入することが可能になっている。
さて、冒頭で述べたように、燃料電池スタック１０を起動すべきときに、アノード極が過度に多量の液水によって覆われているおそれがあり、あるいは、水素ガス通路３０内の水素ガス濃度が過度に低くなっているおそれがある。この場合、燃料電池スタックの起動が困難となる。
そこで本発明による実施例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときに、水素ガス供給弁３５を開弁しつつ、パージ制御弁３８を一時的に開弁し、それによりパージ処理を一時的に行うようにしている。その結果、水素ガス通路３０内の水及び窒素ガスが水素ガス通路３０外に排出されるのが促進されると共に、水素ガス通路３０内に水素ガスが広く供給されるのが促進される。その結果、燃料電池スタック１０を確実に起動させることができる。
すなわち、図２に示されるように、時刻ｔＳにおいて燃料電池スタック１０を停止すべき信号が発せられると、燃料電池スタック１０への水素ガス及び空気の供給が停止され、したがって燃料電池スタック１０での発電が停止される。続く時刻ｔＡにおいて燃料電池スタック１０を起動すべき信号が発せられると、まず、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給が開始されつつ、パージ制御弁３８が開弁される。このとき燃料電池スタック１０への空気の供給は停止され続ける。次いで、時刻ｔＧになると、すなわちパージ制御弁３８が開弁されてからあらかじめ設定された起動時パージ時間ｄｔＰＧが経過すると、パージ制御弁３８が閉弁される。また、燃料電池スタック１０への空気の供給が開始される。その結果、燃料電池スタック１０での発電が開始される。
ところが、パージ処理が行われたときにパージ通路３７内を流通するガス、すなわちパージガスには未使用の水素ガスが含まれており、このパージガスは大気中に放出される。このため、起動時パージ時間ｄｔＰＧに対応する起動時パージガス量ＱＰＧＡを多く設定すると、燃料電池スタック１０から多量の水素ガスが排出されることになり、水素ガスを有効に利用できない。逆に、起動時パージガス量ＱＰＧＡを少なく設定すると、水素ガス通路３０内の液水及び窒素ガスを水素ガス通路３０から十分に排出させることができない。
そこで本発明による実施例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の液水量を表す起動時液水量代表値が獲得され、獲得された起動時液水量代表値に基づいて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。また、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の水素ガス濃度を表す起動時水素ガス濃度代表値が獲得され、獲得された起動時水素ガス濃度代表値に基づいて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。その上で、第１のパージガス量ＱＰＧ１と第２のパージガス量ＱＰＧ２とのうち多いほうが起動時パージガス量ＱＰＧＡに設定される。
この場合、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の液水量と、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の水素ガス濃度との両方を考慮して起動時パージガス量ＱＰＧＡが設定される。したがって、水素ガス通路３０内の液水及び窒素ガスを水素ガス通路３０から十分に排出させることが可能となる。しかも、第１のパージガス量ＱＰＧ１と第２のパージガス量ＱＰＧ２とのうち多いほうが起動時パージガス量ＱＰＧＡに設定されるので、例えば第１のパージガス量ＱＰＧ１と第２のパージガス量ＱＰＧ２との合計が起動時パージガス量ＱＰＧＡに設定される場合に比べて、起動時パージガス量ＱＰＧＡが少なく設定される。したがって、水素ガスが有効に利用される。
更に、本発明による実施例では、第１のパージガス量ＱＰＧ１は、水素ガス通路３０内の液水量をあらかじめ定められた目標量まで減少させるのに必要なパージガス量である。また、第２のパージガス量ＱＰＧ２は、水素ガス通路３０内の水素ガス濃度をあらかじめ定められた目標濃度まで増大させるのに必要なパージガス量である。その結果、水素ガス通路３０内の液水及び窒素ガスが確実に要求レベルまで減少され、したがって燃料電池スタック１０が確実に起動される。
次に、第１のパージガス量ＱＰＧ１の種々の算出例を説明する。
図３は、燃料電池スタック１０が停止されてから起動されるまでの、燃料電池スタック１０の温度であるスタック温度ＴＳの変化を示している。図３において、ｔＳは燃料電池スタック１０が停止された時刻を、ＴＳＳは燃料電池スタック１０が停止されたときのスタック温度ＴＳを、それぞれ示している。燃料電池スタック１０が停止されるとスタック温度ＴＳはＴＳＳから低下し、燃料電池スタック１０が停止されてからの経過時間が長くなるとスタック温度ＴＳは更に低下する。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべき時刻ｔＡにおいて、スタック温度ＴＳはＴＳＡまで低下する。すなわち、燃料電池スタック１０が停止された時刻ｔＳから経過時間ΔｔＳ（＝ｔＡ−ｔＳ）だけ経過すると、スタック温度ＴＳはスタック温度低下量ΔＴＳ（＝ＴＳＳ−ＴＳＡ）だけ低下する。
一方、図４には、燃料電池スタック１０が停止されたときの燃料電池スタック１０の状態Ｓと、燃料電池スタック１０を起動すべきときの燃料電池スタック１０の状態Ａとが示されている。ここで、燃料電池スタック１０の状態は、スタック温度ＴＳと、水素ガス通路３０内の水がすべて水蒸気であると仮定したときの水素ガス通路３０内における水蒸気分圧ＷＶＰＰとの組み合わせによって表される。すなわち、図４に点Ｓで示されるように、燃料電池スタック１０が停止されたときのスタック温度ＴＳ及び水蒸気分圧ＷＶＰＰはそれぞれＴＳＳ及びＷＶＰＰＳである。燃料電池スタック１０が停止されると、上述したようにスタック温度ＴＳが低下する。これに対し、水蒸気分圧ＷＶＰＰは燃料電池スタック１０の停止中にほとんど変わらない。その結果、図４に点Ａで示されるように、燃料電池スタック１０を起動すべきときのスタック温度ＴＳ及び水蒸気分圧ＷＶＰＰはそれぞれＴＳＡ及びＷＶＰＰＳとなる。
図４には更に、スタック温度ＴＳに応じて定まる飽和水蒸気圧が曲線Ｘでもって示されている。図４に示される例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときの飽和水蒸気圧ＳＷＶＰは、このときのスタック温度ＴＳＡに応じて定まるＳＷＶＰＡである。この飽和水蒸気圧ＳＷＶＰＡは水蒸気分圧ＷＶＰＰＳよりも差圧ΔＷＶＰＰ（＝ＷＶＰＰＳ−ＳＷＶＰＡ）だけ低い。したがって、燃料電池スタック１０が停止されたときから起動されるべきときまでの間に、すなわち燃料電池スタック１０の状態が点Ｓから点Ａまで変化したときに、水素ガス通路３０内の水蒸気が差圧ΔＷＶＰＰに対応する分だけ凝縮する。この凝縮により生成された液水の量は、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の液水量を表している。したがって、上述の差圧ΔＷＶＰＰは燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の液水量を表している。一方、燃料電池スタック１０を起動すべきときの飽和水蒸気圧ＳＷＶＰが水蒸気分圧ＷＶＰＰＳよりも高いときには、水素ガス通路３０内で水蒸気の凝縮は生じない。
ところで、水素ガス通路３０における相対湿度ＲＨ（％）は、飽和水蒸気圧ＳＷＶＰに対する、水素ガス通路３０内の水がすべて水蒸気であると仮定したときの水素ガス通路３０内における水蒸気分圧ＷＶＰＰの比に１００を掛け算して表される（＝ＷＶＰＰ／ＳＷＶＰ・１００）。したがって、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０における相対湿度ＲＨＡは、ＷＶＰＰＳ／ＳＷＶＰＡ・１００で表される。この相対湿度ＲＨＡが１００％よりも低いときには、燃料電池スタック１０が停止されたときから起動されるべきときまでに、水素ガス通路３０内において水蒸気は凝縮しない。一方、燃料電池スタック１０を起動すべきときの相対湿度ＲＨＡが１００％よりも高いときには、燃料電池スタック１０が停止されたときから起動されるべきときまでに水素ガス通路３０内において水蒸気が凝縮しており、相対湿度ＲＨＡが高くなるにつれて凝縮した水蒸気の量が多くなっている。したがって、燃料電池スタック１０を起動すべきときの相対湿度ＲＨＡは、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の液水量を表している。
そこで第１のパージガス量ＱＰＧ１の第１の算出例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときの相対湿度ＲＨＡが求められ、相対湿度ＲＨＡに基づいて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。具体的には、第１のパージガス量ＱＰＧ１は図５に示されるように、相対湿度ＲＨＡが１００％よりも低いときにはゼロに維持され、相対湿度ＲＨＡが１００％よりも高いときには相対湿度ＲＨＡが高くなるにつれて多くなる。この第１のパージガス量ＱＰＧ１は図５に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。
更に説明すると、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第１の算出例では、燃料電池スタック１０の作動中において、燃料電池スタック１０内、すなわち膜電極接合体２０内、水素ガス通路３０内、及び空気通路４０内の水の量ＱＷが逐次算出されており、この水の量ＱＷに基づいて上述の水蒸気分圧ＷＶＰＰが逐次算出されている。具体的には、燃料電池スタック１０内の水の量ＱＷの単位時間当たりの増大分ｑｗｉ及び減少分ｑｗｄがそれぞれ繰り返し算出され、これら増大分ｑｗｉ及び減少分ｑｗｄが積算されることにより水の量ＱＷが算出される（ＱＷ＝ＱＷ０＋（ｑｗｉ−ｑｗｄ），ＱＷ０は前回値）。増大分ｑｗｉは燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発電量に基づいて算出される。燃料電池スタック１０の発電量は燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流に基づいて算出され、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流は電圧計１６ｖ及び電流計１６ｉによりそれぞれ検出される。減少分ｑｗｄは単位時間当たりにカソードオフガスと共に燃料電池スタック１０から流出する水の量に相当し、空気通路４０に供給される空気量及び空気通路４０内の圧力に基づいて算出される。空気通路４０に供給される空気量はコンプレッサ４４の出力に基づいて算出され、空気通路４０内の圧力は空気圧力センサ１８ａにより検出される。その上で、燃料電池スタック１０が停止されるときの水蒸気分圧ＷＶＰＰが上述の水蒸気分圧ＷＶＰＰＳとして記憶される。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべきときに、温度センサ１９によりスタック温度ＴＳが上述のＴＳＡとして検出される。次いで、スタック温度ＴＳＡから、燃料電池スタック１０を起動すべきときの飽和水蒸気圧ＳＷＶＰＡが算出される。なお、スタック温度ＴＳと飽和水蒸気圧ＳＷＶＰとの関係は図４に示されるマップの形でＲＯＭ６２内に記憶されている。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべきときの相対湿度ＲＨＡが算出される（ＲＨＡ＝ＷＶＰＰＳ／ＳＷＶＰＡ・１００）。次いで、図５のマップを用いて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。
一方、図４からわかるように、スタック温度低下量ΔＴＳが大きくなるにつれて、差圧ΔＷＶＰＰが大きくなる。したがって、スタック温度低下量ΔＴＳも燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の液水量を表している。
そこで、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第２の算出例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときにスタック温度低下量ΔＴＳが求められ、スタック温度低下量ΔＴＳに基づいて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。具体的には、第１のパージガス量ＱＰＧ１は図６に示されるように、スタック温度低下量ΔＴＳがしきい量ΔＴＳｘよりも小さいときにはゼロに維持され、スタック温度低下量ΔＴＳがしきい量ΔＴＳｘよりも大きいときにはスタック温度低下量ΔＴＳが大きくなるにつれて多くなる。この第１のパージガス量ＱＰＧ１は図６に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。
更に説明すると、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第２の算出例では、燃料電池スタック１０が停止されるときに、温度センサ１９によりスタック温度ＴＳが上述のＴＳＳとして検出される。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべきときに、温度センサ１９によりスタック温度ＴＳが上述のＴＳＡとして検出される。次いで、スタック温度低下量ΔＴＳが算出され（ΔＴＳ＝ＴＳＳ−ＴＳＡ）、図６のマップを用いて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。
そうすると、上述した起動時液水量代表値は、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第１の算出例では燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０における相対湿度ＲＨＡであり、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第２の算出例では燃料電池スタック１０が停止されたときの燃料電池スタックの温度ＴＳＳに対する、燃料電池スタック１０を起動すべきときの燃料電池スタックの温度ＴＳＡの変化量ΔＴＳである、ということになる。
図示しない別の実施例では、図４を参照して説明した差圧ΔＷＶＰＰが求められ、差圧ΔＷＶＰＰに基づいて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。この場合、第１のパージガス量ＱＰＧ１は差圧ΔＷＶＰＰが大きくなるにつれて多くなる。また、この場合の起動時液水量代表値は差圧ΔＷＶＰＰである。
次に、第２のパージガス量ＱＰＧ２の種々の算出例を説明する。
図７は、燃料電池スタック１０が停止されてから起動されるまでの、水素ガス通路３０内の水素ガス分圧ＨＰＰの変化を示している。図７において、ｔＳは燃料電池スタック１０が停止された時刻を、ＨＰＰＳは燃料電池スタック１０が停止されたときの水素ガス分圧ＨＰＰを、それぞれ示している。燃料電池スタック１０が停止されると水素ガス分圧ＨＰＰはＨＰＰＳから低下し、燃料電池スタック１０が停止されてからの経過時間が長くなると水素ガス分圧ＨＰＰは更に低下する。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべき時刻ｔＡにおいて、水素ガス分圧ＨＰＰはＨＰＰＡまで低下する。これは、空気通路４０内の窒素ガスが濃度差により膜電極接合体２０を透過して水素ガス通路３０内に移動し、したがって水素ガス通路３０内の窒素ガス分圧が上昇するからである。この場合、燃料電池スタック１０が停止されてからの経過時間が長くなるにつれて、水素ガス分圧ＨＰＰは低くなる。したがって、燃料電池スタック１０が停止されたときから燃料電池スタック１０を起動すべきときまでの経過時間ΔｔＳは、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス分圧ＨＰＰを表している。
そこで、第２のパージガス量ＱＰＧ２の第１の算出例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときに経過時間ΔｔＳが求められ、経過時間ΔｔＳに基づいて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。具体的には、第２のパージガス量ＱＰＧ２は図８に示されるように、経過時間ΔｔＳがしきい時間Δｔｘよりも短いときにはゼロに維持され、経過時間ΔｔＳがしきい時間Δｔｘよりも長いときには経過時間ΔｔＳが長くなるにつれて多くなる。この第２のパージガス量ＱＰＧ２は図８に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。
更に説明すると、第２のパージガス量ＱＰＧ２の第１の算出例では、燃料電池スタック１０が停止されるときに、このときの時刻ｔＳが検出され、記憶される。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべきときに時刻ｔＡが検出され、経過時間ΔｔＳ（＝ｔＳ−ｔＡ）が算出される。次いで、図８のマップを用いて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。
次に、第２のパージガス量ＱＰＧ２の第２の算出例を説明する。
第２のパージガス量ＱＰＧ２の第２の算出例では、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス分圧ＨＰＰＡが求められ、水素ガス分圧ＨＰＰＡに基づいて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。具体的には、第２のパージガス量ＱＰＧ２は図９に示されるように、水素ガス分圧ＨＰＰＡがしきい分圧ＨＰＰＡｘよりも低いときにはゼロに維持され、水素ガス分圧ＨＰＰＡがしきい分圧ＨＰＰＡｘよりも高いときには水素ガス分圧ＨＰＰＡが高くなるにつれて多くなる。この第２のパージガス量ＱＰＧ２は図９に示されるマップの形であらかじめＲＯＭ６２内に記憶されている。
燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス分圧ＨＰＰＡは例えば次のようにして算出ないし推定される。すなわち、燃料電池スタック１０の作動中において、水素ガス通路３０内の水素ガス分圧ＨＰＰが逐次算出されている。具体的には、水素圧力センサ１８ｈにより検出された水素ガス通路３０内の圧力と、空気圧力センサ１８ａにより検出された空気通路４０内の圧力との差と、フィックの法則とに基づいて、単位時間当たりに空気通路４０から膜電極接合体２０を透過して水素ガス通路３０に移動した窒素ガス量が逐次算出される。次いで、この窒素ガス量と、水素ガス通路３０内の圧力とに基づいて、水素ガス通路３０内の窒素ガス分圧ＮＰＰが算出される。次いで、水素ガス通路３０内の圧力から窒素ガス分圧ＮＰＰを引き算することにより、水素ガス分圧ＨＰＰが算出される。その上で、燃料電池スタック１０が停止されるときの水素ガス分圧ＨＰＰが図７を参照して説明した水素ガス分圧ＨＰＰＳとして記憶される。また、燃料電池スタック１０が停止されるときに時刻ｔＳが検出され、記憶される。次いで、燃料電池スタック１０を起動すべきときに時刻ｔＡが検出され、経過時間ΔｔＳ（＝ｔＳ−ｔＡ）が算出される。次いで、燃料電池スタック１０が停止されたときから起動すべきときまでに、すなわち経過時間ΔｔＳの間に、水素ガス通路３０から膜電極接合体２０を透過して空気通路４０内に流出した水素ガス量と、空気通路４０から膜電極接合体２０を透過して水素ガス通路３０に流入した窒素ガス量とが、経過時間ΔｔＳ及びフィックの法則に基づいてそれぞれ算出される。なお、燃料電池スタック１０の停止中に空気通路４０内に移動した水素ガスは空気通路４０内の酸素と反応して水を生成すると仮定する。次いで、燃料電池スタック１０が停止されたときの水素ガス分圧ＨＰＰＳと、経過時間ΔｔＳの間に水素ガス通路３０から流出した水素ガス量及び水素ガス通路３０内に流入した窒素ガス量とに基づいて、燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス分圧ＨＰＰＡが算出される。次いで、図９のマップを用いて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。
そうすると、上述した起動時水素ガス濃度代表値は、第２のパージガス量ＱＰＧ２の第１の算出例では燃料電池スタック１０が停止されたときから起動されるべきときまでの経過時間ΔｔＳであり、第２のパージガス量ＱＰＧ２の第２の算出例では燃料電池スタック１０を起動すべきときの水素ガス通路３０内の水素ガス分圧ＨＰＰＡである、ということになる。
図示しない別の実施例では、水素濃度センサ１７により検出された水素ガス濃度に基づいて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。
ところで、図２を参照して上述したように、燃料電池スタック１０を起動すべきときには、パージ制御弁３８の一時的な開弁が終了した後に、燃料電池スタック１０への空気の供給が開始される。言い換えると、パージ処理が完了する前には、燃料電池スタック１０への空気の供給が行なわれず、したがって燃料電池スタック１０での発電が行われない。このようにしているのは、パージ作用が完了する前に燃料電池スタック１０に空気を供給しても、燃料電池スタック１０において良好な発電が行われないおそれがあるからである。したがって、本発明による実施例では、燃料電池スタック１０に供給された空気を有効に利用することができる。
図１０は、本発明による実施例の停止制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図１０を参照すると、ステップ１００では燃料電池スタック１０を停止すべきか否かが判別される。燃料電池スタック１０を停止すべきでないときには処理サイクルを終了する。燃料電池スタック１０を停止すべきときには次いでステップ１０１に進み、必要なデータが記憶される。続くステップ１０２では燃料電池スタック１０の停止処理が行われる。すなわち、遮断弁３３、水素ガス供給弁３５、パージ制御弁３８、及び、カソードオフガス制御弁４７が閉弁され、コンプレッサ４４が停止される。
図１１は本発明による実施例の起動制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図１１を参照すると、ステップ２００では燃料電池スタック１０を起動すべきか否かが判別される。燃料電池スタック１０を起動すべきでないときには処理サイクルを終了する。燃料電池スタック１０を起動すべきときには次いでステップ２０１に進み、第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。続くステップ２０２では第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。続くステップ２０３では第１のパージガス量ＱＰＧ１が第２のパージガス量ＱＰＧ２よりも多いか否かが判別される。ＱＰＧ１＞ＱＰＧ２のときには次いでステップ２０４に進み、第１のパージガス量ＱＰＧ１が起動時パージガス量ＱＰＧＡに設定される。次いでステップ２０６に進む。これに対し、ＱＰＧ１≦ＱＰＧ２のときにはステップ２０３からステップ２０５に進み、第２のパージガス量ＱＰＧ２が起動時パージガス量ＱＰＧＡに設定される。次いでステップ２０６に進む。
ステップ２０６では遮断弁３３及び水素ガス供給弁３５が開弁され、したがって燃料電池スタック１０への水素ガスの供給が開始される。続くステップ２０７では起動時パージガス量ＱＰＧＡがゼロよりも多いか否かが判別される。ＱＰＧＡ≦０のときにはステップ２０７からステップ２０９にジャンプする。ＱＰＧＡ＞０のとき、すなわちパージ処理を行うべきときにはステップ２０７からステップ２０８に進み、パージガスが起動時パージガス量ＱＰＧＡだけパージされるようにパージ制御弁３８が一時的に開弁される。次いでステップ２０９に進む。ステップ２０９ではコンプレッサ４４が作動され、カソードオフガス制御弁４７が開弁される。その結果、燃料電池スタック１０への空気の供給が開始される。したがって、燃料電池スタック１０が起動され、すなわち燃料電池スタック１０において発電が開始される。
なお、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第１の算出例では、図１０のステップ１０１において、水蒸気分圧ＷＶＰＰＳが読み込まれ、記憶される。また、図１１のステップ２０１において、スタック温度ＴＳＡが検出され、飽和水蒸気圧ＳＷＶＰＡが算出され、図４のマップを用いて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。一方、第１のパージガス量ＱＰＧ１の第２の算出例では、図１０のステップ１０１において、スタック温度ＴＳＳが検出され、記憶される。また、図１１のステップ２０１において、スタック温度ＴＳＡが検出され、スタック温度低下量ΔＴＳが算出され、図６のマップを用いて第１のパージガス量ＱＰＧ１が算出される。
第２のパージガス量ＱＰＧ２の第１の算出例では、図１０のステップ１０１において、時刻ｔＳが検出され、記憶される。また、図１１のステップ２０２において、時刻ｔＡが検出され、経過時間ΔｔＳが算出され、図８のマップを用いて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。一方、第２のパージガス量ＱＰＧ２の第２の算出例では、図１０のステップ１０１において、水素ガス分圧ＨＰＰＳが読み込まれ、記憶される。また、図１１のステップ２０２において、時刻ｔＡが検出され、経過時間ΔｔＳが算出され、経過時間ΔｔＳの間に水素ガス通路３０から流出した水素ガス量及び水素ガス通路３０内に流入した窒素ガス量が算出され、水素ガス分圧ＨＰＰＡが算出され、図９のマップを用いて第２のパージガス量ＱＰＧ２が算出される。
図示しない別の実施例では、例えばインタークーラ４５下流の空気供給路４１と、カソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス通路４６とを互いに連結するスタックバイパス通路と、コンプレッサ４４から吐出された空気量のうち、燃料電池スタック１０に供給される空気量と、スタックバイパス通路を介しカソードオフガス通路４６内に流入する空気量、すなわち燃料電池スタック１０を迂回する空気量とを制御するスタックバイパス制御弁とが設けられる。この別の実施例では、図２の時間ｔＡから時間ｔＧまでの間、すなわちパージ処理が行われている間、コンプレッサ４４が作動されると共に、スタックバイパス制御弁によりコンプレッサ４４から吐出された空気のすべてがスタックバイパス通路内に送られる。その結果、燃料電池スタック１０への空気の供給が停止されつつ、希釈器４８内に空気が供給される。したがって、パージ処理によりパージ通路３７を介して希釈器４８内に流入した水素ガスがこの空気によって希釈される。
Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
３０ 水素ガス通路
３１ 水素ガス供給路
３２ 水素ガス源
３５ 水素ガス供給弁
３７ パージ通路
３８ パージ制御弁

Claims (9)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口と燃料ガス源とを互いに連結する燃料ガス供給路と、
    前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給器と、
    前記燃料ガス通路の出口に連結され、前記燃料ガス供給路から分離されたパージ通路と、
    前記パージ通路内に配置されたパージ制御弁と、
    を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の液水量を表す起動時液水量代表値を獲得する液水量代表値獲得器と、
    獲得された前記起動時液水量代表値に基づいて第１のパージガス量を算出する第１のパージガス量算出器と、
    前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス濃度を表す起動時燃料ガス濃度代表値を獲得する燃料ガス濃度代表値獲得器と、
    獲得された前記起動時燃料ガス濃度代表値に基づいて第２のパージガス量を算出する第２のパージガス量算出器と、
    前記第１のパージガス量と前記第２のパージガス量とのうち多いほうを起動時パージガス量に設定する設定器と、
    前記燃料電池スタックを起動すべきときに、前記燃料ガス供給器により燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給しつつ、前記起動時パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁するパージ制御器と、
    を備えた燃料電池システム。
  2. 前記第１のパージガス量が、前記燃料ガス通路内の液水量をあらかじめ定められた目標量まで減少させるのに必要なパージガス量である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第２のパージガス量が、前記燃料ガス通路内の燃料ガス濃度をあらかじめ定められた目標濃度まで増大させるのに必要なパージガス量である、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記起動時液水量代表値が、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路における相対湿度である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記起動時液水量代表値が、前記燃料電池スタックが停止されたときの前記燃料電池スタックの温度に対する、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料電池スタックの温度の変化量である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記起動時燃料ガス濃度代表値が、前記燃料電池スタックが停止されたときから起動されるべきときまでの経過時間である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記起動時燃料ガス濃度代表値が、前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス分圧である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックを起動すべきときには、前記パージ制御弁の一時的な開弁が終了した後に、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給が開始される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口と燃料ガス源とを互いに連結する燃料ガス供給路と、
    前記燃料ガス供給路内に配置され、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給器と、
    前記燃料ガス通路の出口に連結され、前記燃料ガス供給路から分離されたパージ通路と、
    前記パージ通路内に配置されたパージ制御弁と、
    を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の液水量を表す起動時液水量代表値を獲得し、
    獲得された前記起動時液水量代表値に基づいて第１のパージガス量を算出し、
    前記燃料電池スタックを起動すべきときの前記燃料ガス通路内の燃料ガス濃度を表す起動時燃料ガス濃度代表値を獲得し、
    獲得された前記起動時燃料ガス濃度代表値に基づいて第２のパージガス量を算出し、
    前記第１のパージガス量と前記第２のパージガス量とのうち多いほうを起動時パージガス量に設定し、
    前記燃料電池スタックを起動すべきときに、前記燃料ガス供給器により燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給しつつ、前記起動時パージガス量だけパージされるように前記パージ制御弁を一時的に開弁する、
    燃料電池システムの制御方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6608405B2 (ja) * 2017-07-19 2019-11-20 矢崎総業株式会社 電圧変換ユニット
JP6958287B2 (ja) 2017-11-24 2021-11-02 トヨタ自動車株式会社 電力制御システムおよび車両
CN110649283B (zh) * 2018-06-26 2023-10-27 国家电投集团氢能科技发展有限公司 燃料电池系统及其低温启动方法
US11088385B2 (en) * 2019-04-29 2021-08-10 Hyundai Motor Company Fuel cell system and method of replacing stack module of fuel cell system
CN111864238B (zh) * 2020-06-28 2021-12-21 江苏大学 一种燃料电池水含量的检测装置及控制方法
DE102023200579A1 (de) 2023-01-25 2024-07-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3564742B2 (ja) * 1994-07-13 2004-09-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池発電装置
WO2008075460A1 (ja) * 2006-12-18 2008-06-26 Daiichi Sankyo Company, Limited 薬液充填封入シリンジ製剤用シリンジ外筒およびその製造方法
JP4825125B2 (ja) 2006-12-27 2011-11-30 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの起動時の水素パージ方法
JP2008293824A (ja) 2007-05-25 2008-12-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5309602B2 (ja) * 2007-06-20 2013-10-09 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP2009054290A (ja) 2007-08-23 2009-03-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2012004032A (ja) * 2010-06-18 2012-01-05 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP5877492B2 (ja) * 2010-07-21 2016-03-08 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転方法

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