(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御装置であって、
燃料電池へのアノードガスの供給を制御するアノードガス供給制御手段を備えており、
前記アノードガス供給制御手段は、
アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定するアノード上下限圧力設定手段と、
少なくとも前記温度検出手段により検出した前記燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定するアノード昇圧速度設定手段と、
アノードガスを供給することによる昇圧であって、前記アノード昇圧速度で、前記アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、前記アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すアノードガス昇降圧制御手段と、
を有しており、
前記アノード昇圧速度設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記燃料電池内の水が凍結した状態であるか否かを判定するための所定温度未満である場合は、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合よりも、前記アノード昇圧速度を遅い速度に設定することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池のアノード残水量を推定するアノード残水量推定手段をさらに備え、
前記アノード昇圧速度設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記所定温度未満である場合は、前記アノード残水量推定手段により推定されたアノード残水量が少ないほど、前記アノード昇圧速度を速い速度に設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の制御装置。
【請求項３】
燃料電池の発電停止継続時間を計測又は推定する発電停止継続時間算出手段をさらに備え、
前記アノード昇圧速度設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記所定温度未満である場合は、前記発電停止継続時間算出手段により計測又は推定された燃料電池の発電停止継続時間が短いほど、前記アノード昇圧速度を速い速度に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記アノード上下限圧力設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記所定温度未満である場合は、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合よりも、前記アノード下限圧力を高い値に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記排出手段が凍結により機能失陥を起こしているか否かを判定するパージ機能失陥判定手段をさらに備え、
前記アノード上下限圧力設定手段は、前記パージ機能失陥判定手段により前記排出手段が機能失陥を起こしていると判定された場合は、前記排出手段が機能失陥を起こしていると判定されなかった場合よりも、前記アノード下限圧力を高い値に設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の温度を検出し、
アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定し、
少なくとも検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定し、
アノードガスを供給することによる昇圧であって、前記アノード昇圧速度で、前記アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、前記アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すように、前記燃料電池へアノードガスを供給し、
検出した燃料電池の温度が前記燃料電池内の水が凍結した状態であるか否かを判定するための所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合よりも、前記アノード昇圧速度を遅い速度に設定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード非循環型の燃料電池システムの運転を制御する制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックから排出された未反応の排アノードガスを循環させて再利用するアノード循環型の燃料電池システムに対し、アノードガスを循環させずに燃料電池スタックに供給するアノード非循環型の燃料電池システムが知られている。
特開２００８−９７９６６号公報は、このようなアノード非循環型の燃料電池システムにおいて、発電中にアノードガスの供給圧力の昇圧および降圧を繰り返し行って、アノードガス流路内に周期的なガス流れを起こすことにより、窒素ガスなどの不活性ガスが燃料電池スタックの一部のセルに滞留することを抑制し、アノード触媒層内における水素分圧不足による発電不良を抑制する技術を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記燃料電池システムを、氷点下環境を含む低温環境下で使用した場合には、燃料電池スタック内の残留水の凍結などの影響により、燃料電池スタック内に滞留した不活性ガスを十分に排出しきれず、その結果、アノード触媒層内における水素分圧が不足して発電不良を起こすことがあった。【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、アノード非循環型の燃料電池システムにおいて、低温環境下であってもアノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良を有効に抑制し、燃料電池の発電特性を向上させることが可能な燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は、燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御装置である。該制御装置は、燃料電池へのアノードガスの供給を制御するアノードガス供給制御手段を備えている。該アノードガス供給制御手段は、アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定するアノード上下限圧力設定手段と、少なくとも温度検出手段により検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定するアノード昇圧速度設定手段と、アノードガスを供給することによる昇圧であって、アノード昇圧速度で、アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すアノードガス昇降圧制御手段と、を有している。上記アノード昇圧速度設定手段は、温度検出手段により検出された燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が燃料電池内の水が凍結した状態であるか否かを判定するための所定温度以上である場合よりも、アノード昇圧速度を遅い速度に設定する。
【０００６】
また、本発明の第２の態様は、燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御方法である。該制御方法は、燃料電池の温度を検出し、アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定し、少なくとも検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定し、アノードガスを供給することによる昇圧であって、アノード昇圧速度で、アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すように燃料電池へアノードガスを供給する。そして、検出した燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が燃料電池内の水が凍結した状態であるか否かを判定するための所定温度以上である場合よりも、アノード昇圧速度を遅い速度に設定する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明を適用した燃料電池システムの概要を示す構成図である。
【図２】図２は、コントローラによる発電制御処理の全体の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、図２のステップＳ１０１の目標発電電流演算処理の詳細を示すフローチャートである。
【図４】図４は、アクセル操作量および車両速度と目標駆動モータ電力との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。
【図５】図５は、燃料電池スタックで発電する目標発電電力および燃料電池スタックの温度と出力取出装置にて燃料電池スタックから取り出す目標発電電流との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。
【図６】図６は、図２のステップＳ１０６の水素制御処理の詳細を示すフローチャートである。
【図７】図７は、目標下限圧力を算出する方法の具体例を説明する制御ブロック図である。
【図８】図８は、アノード昇圧速度を算出する方法の具体例を説明する制御ブロック図である。
【図９】図９は、発電停止継続時間と第５の補正係数との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。
【図１０】図１０は、コントローラが水素ガス調圧バルブの駆動を行った場合における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の動きの具体例を示すタイムチャートである。
【図１１】図１１は、燃料電池スタックの温度および実水素ガス圧力とパージバルブの開度との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。
【図１２】図１２は、図２のステップＳ１０７の空気制御処理の詳細を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、目標発電電流および実水素ガス圧力と目標空気流量との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。
【図１４】図１４は、目標空気流量および目標空気圧力と空気コンプレッサ指令回転数との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。
【図１５】図１５は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード昇圧速度感度を示す図である。
【図１６】図１６は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード残水量感度を示す図である。
【図１７】図１７は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性の放置時間感度を示す図である。
【図１８】図１８は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード圧力感度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの概要を示す構成図である。この図１に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の駆動源として車載され、燃料電池車両の駆動モータやシステム内部の補機などの電気負荷装置に電力供給するものであり、複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１を備える。
【００１０】
燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルは、例えば、水素ガス（アノードガス）の供給を受ける水素極（アノード）と酸化剤ガスである空気の供給を受ける空気極（カソード）とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。この燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセパレータには、アノード側に水素ガスが流れるアノードガス流路、カソード側には空気が流れる空気流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、各燃料電池セルのアノード側に水素を含有する水素ガスが供給され、カソード側に酸素を含有する空気が供給されることで、下記の式（１）及び式（２）に示す電気化学反応によって発電が行われる。
【００１１】
アノード：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−  ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１のほかに、燃料電池スタック１に水素ガスを供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置３０と、システム全体の動作を統合的に制御するコントローラ４０とを備える。
【００１２】
水素系において、アノードガスである水素ガスは、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素ガス供給路（アノード入口流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素ガス供給路Ｌ１は、一方の端部が燃料タンク１０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１のアノードガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。この水素ガス供給路Ｌ１において、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図示せず）が設けられている。このタンク元バルブが開状態になると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスが、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素ガス調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素ガス圧力、すなわち、燃料電池スタック１のアノードにおける水素ガス圧力（アノード圧力）は、水素ガス調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。
【００１３】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１は、アノードガス排出用マニホールドの外部へ通じる出口側は基本的に閉塞されており、燃料電池スタック１からアノードオフガスの排出が制限されている。つまり、本実施形態の燃料電池システムは、アノードガスである水素ガスを循環させずに燃料電池スタック１に供給する、いわゆるアノード非循環型の燃料電池システムである。ただし、これは厳密な意味での閉塞を指すものではなく、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物をアノードから排出するために、アノードガス排出用マニホールドの出口側を例外的に開放する排出システムが設けられている。具体的には、アノードガス排出用マニホールドの出口側には、アノードオフガス流路Ｌ２が接続されている。アノードオフガス流路Ｌ２は、他方の端部が、後述するカソードオフガス流路Ｌ６に接続されている。
【００１４】
アノードオフガス流路Ｌ２には、所定容積、例えば、燃料電池スタック１を構成する全燃料電池セルに関するアノード側の容積と同程度もしくはその８割程度の容積を内部空間として備える容積部１２が設けられている。この容積部１２は、アノードから排出されるアノードオフガスを一時的に蓄えるバッファとして機能する。容積部１２の鉛直方向の下部には、一方の端部が開放された排水流路Ｌ３が接続されている。この排水路Ｌ３には、排水バルブ１３が設けられている。容積部１２へと流入したアノードオフガスに含まれる液水は、容積部１２の下部に溜まる。溜まった液水は、排水バルブ１３の開閉状態を制御することにより、外部に排出することができる。また、アノードオフガス流路Ｌ２には、容積部１２よりも下流側にパージバルブ（排出手段）１４が設けられている。容積部１２へと流入したアノードオフガス、具体的には、不純物（主として窒素などの不活性ガス）および未反応水素を含むガスは、パージバルブ１４の開閉状態を制御することにより、外部に排出することができる。
【００１５】
一方、空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気が空気コンプレッサ２０にてよって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。空気供給流路Ｌ５は、一方の端部が空気コンプレッサ２０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１における空気供給用マニホールドの入口側に接続されている。また、空気供給流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気を加湿するための加湿装置２１が設けられている。
【００１６】
燃料電池スタック１における空気供給用マニホールドの出口側には、カソードオフガス流路Ｌ６が接続されている。燃料電池スタック１からのカソードオフガスは、カソードオフガス流路Ｌ６を介して外部に排出される。このカソードオフガス流路Ｌ６には、上述した加湿装置２１が設けられており、ここでカソードオフガスの除湿が行われ、発電により生成された水分の一部がカソードオフガスから除去される（この除去した水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、カソードオフガス流路Ｌ６には、加湿装置２１より下流側に、空気調圧バルブ２２が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力、すなわち、燃料電池スタック１のカソードにおける空気圧力（カソード圧力）は、空気調圧バルブ２２の開度を制御することによって調整することができる。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置３０を介して、例えば、車両駆動用の駆動モータ（図示せず）や燃料電池スタック１の発電動作に必要な種々の補機に供給される。また、出力取出装置３０の制御により燃料電池スタック１から取り出された電力は、二次電池（図示せず）にも供給されている。この二次電池はシステムの起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１から供給される電力の不足を補うために備えられている。
【００１８】
コントローラ４０は、システム全体の動作を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。コントローラ４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントローラ４０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、コントローラ４０は、水素ガス調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４、空気コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、出力取出装置３０といった種々の要素を制御し、燃料電池スタック１の発電動作を制御する。
【００１９】
コントローラ４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。システムの状態を検出するためのセンサとしては、例えば、水素ガス圧力センサ４１と、空気圧力センサ４２と、スタック温度センサ４３と、パージバルブ温度センサ４４とが挙げられる。水素ガス圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を検出する。空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する。スタック温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度を検出する。パージバルブ温度センサ４４は、パージバルブ１４近傍の温度を検出する。
【００２０】
本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０による制御に従って水素系からアノードガスである水素ガス、空気系から酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック１に供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。この場合、コントローラ４０は、燃料電池スタック１へと供給される水素ガスおよび空気の圧力が所望の運転圧力となるように水素ガスおよび空気の供給を制御する。ここで、コントローラ４０は、燃料電池スタック１へ供給される水素ガスの圧力、つまりアノード圧力を、カソード側との圧力差が許容耐圧以下となるように設定された上限圧力と下限圧力との間で昇降圧させることで、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物をアノードオフガス流路Ｌ２に設けられた容積部１２に効率よく排出できるようにしている。そして、特に本実施形態では、コントローラ４０がアノード圧力を昇降圧させる際に、スタック温度センサ４３からのセンサ信号に基づいて、燃料電池スタック１の温度が氷点下状態を含む低温状態にあることを示す所定温度未満となっているか否かを判断し、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満となっている場合には、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合と比べて、アノード昇圧速度を遅い速度に設定するようにしている。以下、このコントローラ４０による制御内容について、さらに詳しく説明する。
【００２１】
図２は、コントローラ４０による発電制御処理の全体の流れを示すフローチャートである。この図２のフローチャートで示す処理は、所定時間周期（例えば１０［ｍｓ］周期）ごとに繰り返し実行されるものである。
【００２２】
図２のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ１０１において、燃料電池車両のドライバが要求する駆動力を実現するために、駆動モータ、及び、燃料電池スタック１の発電を補助するための補機などの消費電力から、燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流を演算する。
【００２３】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０２において、燃料電池スタック１が氷点下状態であるか否か、すなわち、燃料電池スタック１内に残留した水の一部又は全部が燃料電池セルの内部で凍結した状態となっているか否かの判定を行う。具体的には、スタック温度センサ４３による温度検出値が、第１の閾値（所定温度）未満となっているか否かを判定する。そして、温度検出値が第１の閾値未満ならば、燃料電池スタック１が氷点下状態であると判断して、氷点下フラグに１を代入し、温度検出値が第１の閾値以上であれば、燃料電池スタック１が氷点下状態にないと判断し、氷点下フラグに０を代入する。ここで、燃料電池スタック１が氷点下状態であるか否かを判定するための第１の閾値は、当該判定をより正確に行うために、燃料電池スタック１に対するスタック温度センサ４３の取り付け位置による誤差やスタック温度センサ４３自体の検出誤差を加味して、氷点温度＋誤差の温度に設定しておくことが望ましい。
【００２４】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０３において、パージバルブ１４が凍結などの要因により閉固着している状態であるか否かの判定を行う。具体的には、パージバルブ温度センサ４４による温度検出値が第２の閾値未満となっているか否かを判定して、第２の閾値未満ならばパージバルブ１４が閉固着している可能性があると判断してパージ機能失陥フラグに１を代入し、第２の閾値以上であればパージ機能失陥フラグに０を代入する。ここで、パージバルブ１４が凍結などの要因により閉固着している状態であるか否かを判定するための第２の閾値は、当該判定をより正確に行うために、パージバルブ１４に対するパージバルブ温度センサ４４の取り付け位置による誤差やパージバルブ温度センサ４４自体の検出誤差分を加味して、氷点温度＋誤差の温度に設定しておくことが望ましい。
【００２５】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０４において、燃料電池スタック１の残水量状態の判定を行う。この判定は、例えば燃料電池システムの起動時であれば、前回の発電停止処理中に燃料電池スタック１に残留した生成水を排出する乾燥処理を行ったか否かを監視することにより行うことができる。すなわち、次回の起動時に燃料電池スタック１を氷点下状態から発電させる必要がある場合などには、前回の発電停止処理中に空気コンプレッサ２０から燃料電池スタック１に空気を供給することで、燃料電池スタック１に残留した生成水を排出する乾燥処理が行われるが、前回の発電停止処理中にこのような乾燥処理が実施されなかった場合は、燃料電池スタック１の残留水が多い状態であると判断して湿潤フラグに１を代入し、前回の発電停止処理中に乾燥処理が実施された場合は湿潤フラグに０を代入する。なお、燃料電池スタック１の残水量状態の判定は、以上のような乾燥処理の実施状況に応じた判定に限らず、例えば、燃料電池スタック１に高周波数成分の交流電流信号を印加することで、その電圧信号との挙動との関係よりインピーダンスを推定する交流インピーダンス法を用いて、燃料電池スタック１の固体高分子膜の抵抗値を推定し、その固体高分子膜の抵抗値に基づいて固体高分子膜の湿潤状態を判断し、湿潤フラグの値を決定するといった方法を用いるようにしてもよい。
【００２６】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０５において、燃料電池スタック１の発電停止状態の継続時間を取得する。なお、発電停止継続時間は、前回の発電停止時から次回の発電開始時までの時間を実際に計測するようにしてもよいし、発電開始時における燃料電池スタック１の状態から発電停止継続時間を推定するようにしてもよい。
【００２７】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０１で算出した目標発電電流、及び、ステップＳ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５で算出した氷点下フラグ、パージ機能失陥フラグ、湿潤フラグ、発電停止状態の継続時間の結果に基づき、目標水素ガス圧力を算出し、水素ガス圧力センサ４１にて検出した実水素ガス圧力が目標水素ガス圧力に追従するように、水素ガス調圧バルブ１１の開度を制御し、また、パージバルブ１４の開閉動作を繰り返すことで、窒素ガスなどの不活性ガスを排出する。
【００２８】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０７において、空気コンプレッサ２０を用いてカソードに空気を供給し、アノード側とカソード側との圧力差を、燃料電池スタック１の差圧許容値以下とするように、空気調圧バルブ２２の開度を制御する。
【００２９】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０１で算出した目標発電電流に基づき、燃料電池スタック１から電流が取り出されるように出力取出装置３０を制御する。以上で発電制御処理を終了する。
【００３０】
なお、コントローラ４０は、図１に示したように、低温状態判定手段５１、パージ機能欠陥判定手段５２、アノード残水量推定手段５３、発電停止継続時間算出手段５４、およびアノードガス制御手段５５を含んでおり、例えば、上記ステップＳ１０２は低温状態判定手段５１により、上記ステップＳ１０３はパージ機能欠陥判定手段５２により、上記ステップＳ１０４はアノード残水量推定手段５３により、上記ステップＳ１０５は発電停止継続時間算出手段５４により、上記ステップＳ１０６はアノードガス制御手段５５により、各々実行することができる。
【００３１】
図３は、図２のステップＳ１０１の目標発電電流演算処理の詳細を示すフローチャートである。以下、この図３のフローチャートに沿って、出力取出装置３０により燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の演算内容を、さらに詳しく説明する。
【００３２】
図３のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ２０１において、燃料電池車両に設置されているアクセルセンサの出力に基づいて、ドライバのアクセル操作量を検出する。
【００３３】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０２において、燃料電池車両に設置されている車速センサの出力に基づいて、燃料電池車両の速度を検出する。
【００３４】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０３において、ステップＳ２０１及びステップＳ２０２で検出したアクセル操作量と車両速度とに基づいて、図４に示すマップデータを用いて目標駆動モータ電力を算出する。
【００３５】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０４において、実際に補機で消費されている電力（実補機消費電力）を演算する。この実補機消費電力とは、燃料電池スタック１の発電を行うための各補機の電圧および電流を検出し、これらを乗じて演算した補機消費電力であり、例えば、空気コンプレッサ２０などであれば、回転数とトルクとを検出し、これらを乗じて得た値に損失電力を加えて演算したものである。この損失電力は、損失マップデータへ回転数とトルクを入力して推定したものである。
【００３６】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０５において、燃料電池スタック１で発電する目標発電電力を演算する。この目標発電電力とは、ステップＳ２０３で算出した目標駆動モータ電力とステップＳ２０４で算出した実補機消費電力とを加算した電力値である。
【００３７】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０６において、スタック温度センサ４３のセンサ信号を読み込んで、燃料電池スタック１の温度を検出する。
【００３８】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０５で算出した燃料電池スタック１で発電する目標発電電力と、ステップＳ２０６で検出した燃料電池スタック１の温度とに基づいて、図５に示すマップデータを用いて出力取出装置３０にて燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流を算出する。以上で、目標発電電流演算の処理を終了する。
【００３９】
なお、以上は、燃料電池システムが起動した後の通常動作時における目標発電電流演算の処理について説明したが、燃料電池システムの起動時においては、ステップＳ２０５で算出する目標発電電力が実補機消費電力のみとなる。すなわち、燃料電池システムの起動時においては、ステップＳ２０１でアクセル操作量が０、ステップＳ２０２で車両速度が０とされ、ステップＳ２０３で目標駆動モータ電力が０と算出される。そして、ステップＳ２０４で算出された実補機消費電力が、ステップＳ２０５においてそのまま目標発電電力として算出されることになる。
【００４０】
図６は、図２のステップＳ１０６の水素制御処理の詳細を示すフローチャートである。以下、この図６のフローチャートに沿って、水素ガス調圧バルブ１１及びパージバルブ１４を駆動させてアノードへの水素ガス供給を制御する方法について、さらに詳しく説明する。
【００４１】
図６のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ３０１において、燃料電池スタック１に水素ガス供給を行う上での上限圧力の目標値（目標水素ガス圧力の上限値で、目標上限圧力またはアノード上限圧力という）を算出する。ここでは、燃料電池スタック１の許容耐圧の上限値を目標上限圧力（アノード上限圧力）として設定し、これにより、水素ガス調圧バルブ１１を用いて可能な限り高いアノード圧力まで水素ガス供給を行い、アノード触媒層内の水素分圧不足による燃料電池スタック１の発電不良を抑制するようにした。また、例えば、目標発電電流が低くなると、発電に必要な水素消費量も小さくなることから、アノード触媒層内の水素濃度を低くしても発電に必要な水素分圧を確保できる傾向となるので、空気コンプレッサ２０の消費電力を抑制するために、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えた上で、空気運転圧力を低く抑えたい要求などがある場合には、目標上限圧力は、アノード触媒層内に必要な水素濃度を確保できるレベルで、目標発電電流に基づいて可変に設定してもよい。
【００４２】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３０２において、燃料電池スタック１の水素ガス供給を行う上での下限圧力の目標値（目標水素ガス圧力の下限値で、目標下限圧力またはアノード下限圧力という）を算出する。ここでは、図２のステップＳ１０２で算出した氷点下フラグの値と、図２のステップＳ１０３で算出したパージ機能失陥フラグの値とに基づき、下限圧力の目標値を設定する。
【００４３】
ここで、目標下限圧力（アノード下限圧力）を算出する方法の具体例について、図７の制御ブロック図を用いて説明する。
【００４４】
アノード下限圧力を算出するために、まず、基準目標下限圧力の算出を行う（図７のブロック１０１）。ここでの基準とは、氷点下フラグ、パージ失陥フラグがともに０の状態にあることを意味しており、従って、基準目標下限圧力とは、燃料電池スタック１が氷点下状態になく、かつ、パージバルブ１４が閉固着していないときの目標下限圧力を意味する。そして、基準目標下限圧力には、燃料電池スタック１が氷点下状態になく、かつ、パージバルブ１４が閉固着していない状況において、燃料電池スタック１から目標発電電流を取り出すときに、アノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良が生じない最も低い圧力を設定する。また、例えば、目標発電電流が低くなると発電に必要な水素消費量も小さくなることから、アノード触媒層内の水素濃度を低くしても発電に必要な水素分圧を確保できる傾向となるので、空気コンプレッサ２０の消費電力を抑制するために、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えた上で、空気運転圧力を低く抑えたい要求などがある場合には、基準目標下限圧力は、アノード触媒層内に必要な水素濃度を確保できるレベルで、目標発電電流に基づいて可変に設定してもよい。さらに、例えば、燃料電池スタック１が、パージバルブ１４の開閉操作によって窒素ガスなどの不活性ガスを充分外部に排出できている状態では、発電不良を起こさない範囲で目標下限圧力をより低く設定することができるので、空気コンプレッサ２０の消費電力を抑制するために、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えた上で、空気運転圧力を低く抑えたい要求などがある場合には、基準目標下限圧力は、水素ガス圧力センサ４１とパージバルブ１４の開閉状態から求まるパージバルブ１４からの排出量積算値、もしくは、水素ガス供給開始からの継続時間を入力とするマップデータを用いて、可変に設定してもよい。
【００４５】
次に、氷点下フラグが１の場合の目標下限圧力の算出を行う（図７のブロック１０２）。ここでは、ブロック１０１で算出した基準目標下限圧力に対して第１の補正係数を乗算することで、氷点下フラグが１の場合の目標下限圧力を算出するようにしている。ここで、第１の補正係数は、１よりも大きな固定値に設定される。これにより、氷点下フラグが１の場合の目標下限圧力としては、基準目標下限圧力よりも高い値が算出されることになる。氷点下フラグが１であるとき、すなわち、燃料電池スタック１が氷点下状態であるときは、アノードに残留した水が凍結して排出困難になっていることや、温度低下によってガス拡散性が低下していることなどの要因により、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなっている。第１の補正係数は、これらの要因によってアノード触媒層の水素分圧が低下した分、目標下限圧力を高く設定することで、当該発電不良を抑制できる値に設定される。ここでは、燃料電池スタック１が想定される下限温度（例えば−２０℃）環境下においても燃料電池として成立できるように、第１の補正係数を、実験もしくは設計に基づいて設定する。また、例えば、第１の補正係数を、スタック温度センサ４３による温度検出値に基づくマップデータに基づいて可変に設定することで、温度が高くなるにつれてガス拡散性が向上する影響を加味して、温度が高くなるほど第１の補正係数が小さくなるようにしてもよい。
【００４６】
次に、氷点下フラグの値に基づいて、ブロック１０１で算出された基準目標下限圧力とブロック１０２で算出された目標下限圧力とのいずれかを選択する（図７のブロック１０３）。すなわち、ブロック１０３では、氷点下フラグの値が１の場合は、ブロック１０２で算出された目標下限圧力を出力し、氷点下フラグの値が０の場合は、ブロック１０１で算出された基準目標下限圧力を出力する。
【００４７】
次に、パージ失陥フラグが１の場合の目標下限圧力の算出を行う（図７のブロック１０４）。ここでは、ブロック１０３で選択した目標下限圧力に対して第２の補正係数を乗算することで、パージ失陥フラグが１の場合の目標下限圧力を算出するようにしている。ここで、第２の補正係数は、１よりも大きな固定値に設定される。これにより、パージ失陥フラグが１の場合の目標下限圧力としては、ブロック１０３で選択した目標下限圧力よりも高い値が算出されることになるので、パージバルブ１４が凍結などの影響により閉固着している場合においても、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良を抑制することができる。パージ失陥フラグが１であるとき、すなわち、パージバルブ１４が閉固着しているときは、燃料電池スタック１の発電による自己発熱などでパージバルブ１４が暖められて解凍するまでの間、カソード側からアノード側に窒素ガスなどの不活性ガスが透過してくることによって、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなる。第２の補正係数は、補正後の目標下限圧力が、パージバルブ１４の解凍に必要な最長時間が経過するまでの間に、カソード側からアノード側に不活性ガスが透過してきたときでも、アノード触媒層の水素分圧を確保して発電不良を抑制できる圧力となるよう、実験もしくは設計に基づいて設定する。
【００４８】
次に、パージ失陥フラグの値に基づき、ブロック１０３で選択した目標下限圧力とブロック１０４で算出された目標下限圧力とのいずれかを選択する（図７のブロック１０５）。すなわち、ブロック１０５では、パージ失陥フラグの値が１の場合は、ブロック１０４で算出された目標下限圧力を出力し、パージ失陥フラグの値が０の場合は、ブロック１０３で選択した目標下限圧力を出力する。
【００４９】
次に、ステップＳ３０１で算出した目標上限圧力以上の値を目標下限圧力として出力しないように、ブロック１０５の出力を目標上限圧力にて制限する（図７のブロック１０６）。
【００５０】
以上のように目標下限圧力を算出すると、コントローラ４０は、次にステップＳ３０３において、燃料電池スタック１の水素ガス供給を行う上での目標昇圧速度（目標水素ガス圧力を昇圧させる際の昇圧速度の目標値で、以下、アノード昇圧速度ともいう）を算出する。ここでは、図２のステップＳ１０２で算出した氷点下フラグの値と、図２のステップＳ１０４で算出した湿潤フラグの値と、図２のステップＳ１０５で算出した発電停止継続時間の値と、に基づいて、アノード昇圧速度を設定する。
【００５１】
ここで、アノード昇圧速度を算出する方法の具体例について、図８の制御ブロック図を用いて説明する。
【００５２】
アノード昇圧速度を算出するためには、まず、基準昇圧速度の算出を行う（図８のブロック２０１）。ここでの基準とは、氷点下フラグが０の状態にあることを意味しており、従って、基準昇圧速度とは、燃料電池スタック１が氷点下状態にないときのアノード昇圧速度を意味する。ここで、燃料電池システムの起動時において燃料電池スタック１のアノード、カソード共に酸素が混入している状態から水素ガス供給を開始すると、アノード内に水素が存在する領域と存在しない領域（以下、水素フロント）が形成される。すると、アノードに水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、カソード側の電位が立つ。一方、アノードに水素が存在しない領域では、これに対峙するカソード側で、下記式（３）に示す反応が生じ、その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食などが発生してしまうことになる。
【００５３】
Ｃ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ−  ・・・（３）
そこで、燃料電池システムの起動時に、水素フロントが形成される期間をできる限り短縮して、上記現象によるカーボン腐食が生じることを抑制するために、基準昇圧速度は、水素ガス調圧バルブ１１で制御可能な最速の値に設定することが望ましい。また、氷点下フラグが０の状態にあるときは、燃料電池スタック１に残留している水は液体の状態で存在していると考えられ、この液体の状態の残留水を効率的に排出する観点からも、基準昇圧速度は、できる限り速い値に設定することが望ましい。
【００５４】
次に、氷点下フラグが１の状態にある場合のアノード昇圧速度の算出を行う（図８のブロック２０２〜２０５）。
【００５５】
具体的には、まず、湿潤フラグが０の状態でのアノード昇圧速度を算出する（図８のブロック２０２）。ここでは、ブロック２０１で算出した基準昇圧速度に対して第３の補正係数を乗算することで、湿潤フラグが０の場合のアノード昇圧速度を算出するようにしている。ここで、第３の補正係数は、１よりも小さな固定値に設定される。これにより、湿潤フラグが０の場合のアノード昇圧速度としては、ブロック２０１で算出した基準昇圧速度よりも遅い速度が算出されることになる。氷点下フラグが１で、かつ、湿潤フラグが０であるとき、すなわち、前回発電停止処理中に燃料電池スタック１に残留した生成水を排除する乾燥処理を行っている場合において、起動時燃料電池スタック１が氷点下状態であるときは、アノードに残留した水が凍結して排出困難になっていることや、温度低下によってガス拡散性が低下していることなどの要因により、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなっている。第３の補正係数は、想定される下限温度（例えば−２０℃）環境下において上記の状況になったとしても、燃料電池スタック１が燃料電池として成立できるように、実験もしくは設計に基づいて設定する。アノード昇圧速度を抑えることで、燃料電池スタック１に残留した窒素ガスなどの不活性ガスを容積部１２に排出する時間を延ばすことができ、また、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給する際、各燃料電池セル間の圧損バラツキによる供給水素ガス流量のバラツキを抑制することにより、アノード触媒層の水素分圧低下による発電不良を抑制することができる。
【００５６】
次に、湿潤フラグが１の状態でのアノード昇圧速度を算出する（図８のブロック２０３）。ここでは、ブロック２０２で算出したアノード昇圧速度に対して第４の補正係数を乗算することで、湿潤フラグが１の場合のアノード昇圧速度を算出するようにしている。ここで、第４の補正係数は、１よりも小さな固定値に設定される。これにより、湿潤フラグが１の場合のアノード昇圧速度としては、湿潤フラグが０の場合よりも遅い速度が算出されることになる。氷点下フラグが１で、かつ、湿潤フラグが１であるとき、すなわち、前回発電停止処理中に燃料電池スタック１に残留した生成水を排除する乾燥処理を行っていなかった場合において、起動時燃料電池スタック１が氷点下状態であるときは、湿潤フラグが０のときよりも更に多くの水がアノードに残留しかつ凍結して排出困難になっていることなどの要因により、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなっている。第４の補正係数は、想定される下限温度（例えば−２０℃）環境下において上記の状況になったとしても、燃料電池スタック１が燃料電池として成立できるように、実験もしくは設計に基づいて設定する。アノード昇圧速度を抑えることで、燃料電池スタック１に残留した窒素ガスなどの不活性ガスを容積部１２に排出する時間を延ばすことができ、また、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給する際、各燃料電池セル間の圧損バラツキによる供給水素ガス流量のバラツキを抑制することにより、アノード触媒層の水素分圧低下による発電不良を抑制することができる。
【００５７】
次に、湿潤フラグの値に基づいて、ブロック２０２で算出されたアノード昇圧速度とブロック２０３で算出されたアノード昇圧速度とのいずれかを選択する（図８のブロック２０４）。すなわち、ブロック２０４では、湿潤フラグの値が１の場合は、ブロック２０３で算出されたアノード昇圧速度を出力し、湿潤フラグの値が０の場合は、ブロック２０２で算出されたアノード昇圧速度を出力する。
【００５８】
次に、ブロック２０４で選択されたアノード昇圧速度に対して、発電停止継続時間に応じた補正を行う（図８のブロック２０５）。ここでは、ブロック２０４の出力に対して第５の補正係数を乗算することでアノード昇圧速度の補正を行うようにしている。ここで、第５の補正係数は、図９に示すような発電停止継続時間に基づくマップデータを用いて１を越えない範囲の値に設定される。これにより、長期放置など想定以上に発電停止継続時間が長くなった場合には、アノード昇圧速度が低く抑えられるようになる。燃料電池スタック１が発電を停止した後は、発電停止継続時間の経過に伴って、燃料電池スタック１内の水分布が変化していくことにより、よりアノード触媒層内に水素が供給されにくい状況が生まれるが、アノード昇圧速度を抑えることにより、より多くの不活性ガスを容積部１２に排出でき、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良を抑制することができる。
【００５９】
次に、氷点下フラグの値に基づいて、ブロック２０１で算出された基準昇圧速度とブロック２０５で算出されたアノード昇圧速度とのいずれかを選択する（図８のブロック２０６）。すなわち、ブロック２０６では、氷点下フラグが１の場合は、ブロック２０５で算出されたアノード昇圧速度を出力し、氷点下フラグが０の場合は、ブロック２０１で算出された基準昇圧速度を出力する。
【００６０】
なお、算出されたアノード昇圧速度は、氷点下フラグが１であり、湿潤フラグが１であり、かつ、発電停止継続時間が長くなったとき、基準昇圧速度に第３〜第５の補正係数のすべてを乗じた値（アノード昇圧速度＝基準昇圧速度×第３の補正係数×第４の補正係数×第５の補正係数）となり、最小値となる。この最小値は、想定される下限温度（例えば−２０℃）環境下において上記の状況になったとしても、燃料電池スタック１が燃料電池として成立できるように、実験もしくは設計に基づいて設定する。この最小値は、起動後の燃料電池スタック１からの電流の取り出し方や、個々の燃料電池スタック１の構造的特徴（構成・レイアウト、燃料電池セルの枚数、ガス流路長さなど）等に応じて異なるものとなる。例えば、この最小値として、０．５［ｓｅｃ］程度の間に、０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］までアノード圧力を昇圧させることで、燃料電池を成立させることができる。
【００６１】
以上のようにアノード昇圧速度（目標昇圧速度）を算出すると、コントローラ４０は、次にステップＳ３０４において、水素ガス圧力センサ４１のセンサ信号を読み込んで、実水素ガス圧力を検出する。
【００６２】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３０５において、ステップＳ３０１で設定した目標上限圧力（アノード上限圧力）と、ステップＳ３０２で設定した目標下限圧力（アノード下限圧力）と、ステップＳ３０３で設定した目標昇圧速度（アノード昇圧速度）と、ステップＳ３０４で検出した実水素ガス圧力とを用いて、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行う。
【００６３】
ここで、コントローラ４０が、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行った場合における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の動きの具体例について、図１０のタイムチャートを用いて説明する。図１０（ａ）は、氷点下フラグが１、パージ欠陥フラグが１、湿潤フラグが０となる条件下における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の変化を示す。図１０（ｂ）は、氷点下フラグが０、パージ欠陥フラグが０となる条件下における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の変化を示す。なお、目標発電電流など他の条件は、（ａ）（ｂ）共通である。図中、実線が目標水素ガス圧力の変化を、破線が実水素ガス圧力の変化を示す。
【００６４】
図１０（ａ）において、まず、時刻Ｔ１にて水素ガス供給を開始すると、目標水素ガス圧力をステップＳ３０１で設定した目標上限圧力ＰＵまで、ステップＳ３０３で設定したアノード昇圧速度で段階的に上げていく。そして、目標水素ガス圧力に対して実水素ガス圧力が一致するように、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行う。ここでは、目標水素ガス圧力と実水素ガス圧力の偏差に基づき、ＰＩ制御などのフィードバック制御を用いて、水素ガス調圧バルブ１１の開閉駆動を制御した。
【００６５】
次に、時刻Ｔ２にて実水素ガス圧力を降圧させるように目標水素ガス圧力を下げる処理を行う。ここでは、目標上限圧力ＰＵと実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧力を、目標下限圧力ＰＬ１に下げる。目標水素ガス圧力を目標下限圧力ＰＬ１に下げた後は、発電による水素消費により、燃料電池スタック１内の実水素ガス圧力が降下していく。
【００６６】
次に、時刻Ｔ３にて実水素ガス圧力を再び昇圧させるように目標水素ガス圧力を上げる処理を行う。ここでは、目標下限圧力ＰＬ１と実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧力をステップＳ３０１で設定した目標上限圧力ＰＵまで、ステップＳ３０３で設定したアノード昇圧速度を守りながら上げていく。
【００６７】
その後は、時刻Ｔ２，Ｔ３と同様の処理を繰り返すことで、昇降圧運転を繰り返し行う。なお、ここでは、目標水素ガス圧力を低下させる場合に、目標上限圧力ＰＵから目標下限圧力ＰＬ１まで瞬時に低下させるようにしているが、降圧側においても降圧速度を制限しながら目標水素ガス圧力を低下させるようにしてもよい。このように降圧速度を制限することで、容積部１２の降圧時の単位時間あたりの圧力変化を抑えることができるため、容積部１２のガスの乱れを押さえることができ、結果として、窒素ガスなどの不活性ガスが燃料電池スタック１に逆流することを防止でき、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良を抑制することにつながる。
【００６８】
図１０（ｂ）においては、氷点下フラグが０、パージ欠陥フラグが０であるので、目標下限圧力ＰＬ２は基準目標下限圧力となり、アノード昇圧速度は基準昇圧速度となる。そして、まず、時刻Ｔ１にて水素ガス供給を開始すると、目標水素ガス圧力をステップＳ３０１で設定した目標上限圧力ＰＵまで、ステップＳ３０３で設定した基準昇圧速度で瞬時に上げる。そして、目標水素ガス圧力に対して実水素ガス圧力が一致するように、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行う。
【００６９】
次に、時刻Ｔ２にて実水素ガス圧力を降圧させるように目標水素ガス圧力を下げる処理を行う。ここでは、目標上限圧力ＰＵと実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧力を、目標下限圧力ＰＬ２、すなわち基準目標下限圧力に下げる。
【００７０】
次に、時刻Ｔ３にて実水素ガス圧力を再び昇圧させるように目標水素ガス圧力を上げる処理を行う。ここでは、目標下限圧力ＰＬ２と実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧をステップＳ３０３で設定した基準昇圧速度で上げる。
【００７１】
その後は、時刻Ｔ２，Ｔ３と同様の処理を繰り返すことで、昇降圧運転を繰り返し行う。なお、アノード昇圧速度は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が大きいので、Ｔ１からＴ２に至るまでの時間は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が短くなる傾向がある。一方、目標下限圧力ＰＬ２はＰＬ１より小さいので、Ｔ２からＴ３に至るまでの時間は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が長くなる傾向がある。
【００７２】
なお、本実施形態では、目標上限圧力までの昇圧（または目標下限圧力までの降圧）を一定の昇圧速度（または降圧速度）で行っているが、昇圧（または降圧）のパターンはこれに限らず、例えば、目標上限圧力（または目標下限圧力）に至るまでの昇圧（または降圧）の途中で、一回または複数回、昇圧速度（または降圧速度）を変化させることにより、アノード圧力が滑らかに変化するようにしてもよい。また、昇圧速度は、目標下限圧力から目標上限圧力に至るまで（降圧速度は、目標上限圧力から目標下限圧力に至るまで）の間のアノード圧力の平均変化率として、或いは、ある特定の時点におけるアノード圧力の単位時間当たりの変化率として、定義することができる。
【００７３】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ３０６において、容積部１２に排出した窒素ガスなどの不活性ガスをパージバルブ１４の開閉動作により大気に排出させる。ここでは、パージ失陥フラグが１の場合は、閉固着によりパージバルブ１４から窒素ガスなどの不活性ガスの排出ができない可能性があるため、水素を無駄に排出させないためにパージバルブ１４に閉指令を与える。一方、パージ失陥フラグが０の場合は、常時、充分に窒素ガスなどの不活性ガスを大気に排出できる時間だけ、パージバルブ１４に開指令を与えるようにしている。また、充分に窒素ガスなどの不活性ガスを燃料電池スタック１から排出させるための時間が経過した後は、図１１に示すように、スタック温度センサ４３により検出した燃料電池スタック１の温度、水素ガス圧力センサ４１により検出した実水素ガス圧力に基づき、パージバルブ１４の開閉動作を制御することで、カソードから透過してくる窒素ガスを、水素排出は必要最低限に抑えた上で排出することができ、燃費向上に繋がる。以上で、水素制御処理を終了する。
【００７４】
なお、コントローラ４０のアノードガス制御手段５５は、図１に示したように、アノード上下限圧力設定手段６１、アノード昇圧速度設定手段６２、およびアノードガス昇降圧制御手段６３を含んでおり、例えば、上記ステップＳ３０１およびステップＳ３０２はアノード上下限圧力設定手段６１により、上記ステップＳ３０３はアノード昇圧速度設定手段６２により、上記ステップＳ３０５はアノードガス昇降圧制御手段６３により、各々実行することができる。
【００７５】
図１２は、図２のステップＳ１０７の空気制御処理の詳細を示すフローチャートである。以下、この図１２のフローチャートに沿って、カソードへの空気供給を制御する方法についてさらに詳しく説明する。
【００７６】
図１２のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ４０１において、目標空気圧力の算出を行う。ここでは、耐久性の向上を目的として、図６のステップＳ３０１で算出した目標上限圧力とステップＳ３０２で算出した目標下限圧力との平均値を目標空気圧力とすることで、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えるようにしている。
【００７７】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ４０２において、目標空気流量の算出を行う。ここでは、図１３に示すように、図２のステップＳ１０１で算出した目標発電電流と、図６のステップＳ３０４で検出した実水素ガス圧力に基づくマップデータを用いることで、燃料電池スタック１の発電に必要な空気を供給しながら、パージバルブ１４からの排出されるガスの水素濃度を可燃濃度以下として大気に排出できる空気流量を目標空気流量として求めるようにしている。
【００７８】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ４０３において、ステップＳ４０２で算出した目標空気流量とステップＳ４０１で算出した目標空気圧力とに基づいて、図１４に示すマップデータを用いて空気コンプレッサ指令回転数を算出する。なお、このマップデータは、空気コンプレッサ２０の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定されている。ここで算出した空気コンプレッサ指令回転数に従って空気コンプレッサ２０が駆動されることで、燃料電池スタック１のカソードに供給される空気流量が制御される。
【００７９】
次に、コントローラ４０は、ステップＳ４０４において、空気の圧力制御を行う。ここでは、ステップＳ４０１で算出した目標空気圧力に対して、空気圧力センサ４２より検出される実空気圧力が一致するように、目標空気圧力と実空気圧力の偏差に基づくフィードバック制御を行って空気調圧バルブ２２の開閉動作を行う。以上で、空気制御処理を終了する。
【００８０】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が図６に示した水素制御処理を実行する中で、スタック温度センサ４３により検出した燃料電池スタック１の温度に応じてアノード昇圧速度（ステップＳ３０３で算出する目標昇圧速度）を可変とし、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード昇圧速度を遅い速度に設定するようにしているので、氷点下状態を含む低温環境下であってもアノードガスの供給により燃料電池スタック１内部の不活性ガスを適切に燃料電池スタック１外部の容積部１２に排出することができ、アノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良を有効に抑制して、燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【００８１】
詳述すると、アノード非循環型システムにおいては、外部へ排出される水素濃度を可燃濃度以下としなければならないこと、加えて、不純物を排出するためのパージバルブ１４に凍結などの影響による機能失陥が起きる場合があることを考えると、窒素ガスなどの発電不良を引き起こす不純物を短時間で排出することは困難であるが、そのような場合においても、水素ガスを供給することで、燃料ガス供給前の窒素ガスをはじめとする不純物を、燃料電池スタック１の下流の容積部１２に押し込めば、良好な発電性能が得ることができる。
【００８２】
しかしながら、氷点下環境を含む低温環境下では、残留水凍結などの影響により、ガス拡散層（ＧＤＬ）内部などに詰まった水の排出が困難になる。この場合、アノードガス流路にアノードガスを供給しても、上記残留水の存在が障害となって、アノード触媒層に水素が圧送されにくくなるとともに、アノード触媒層内に残留している不活性ガスもアノードガス流路側に拡散しづらくなる。さらに、残留水の量にセル間バラツキがあると、水素ガス供給時にセル間の圧損差がつきやすくなる。従って、許容耐圧以下の圧力でしか水素ガスを供給できないアノード非循環型システムにおいて、アノードガスの供給速度を速くしすぎると、供給されたアノードガスが、ガス拡散層内部に充分浸透しないまま、また、アノード触媒層内に残留する不活性ガスと充分置換されずに、ガス拡散層の表層を上滑りしてアノードガス流路内を流れていくため、アノード触媒層内の不純物を燃料電池下流の容積部に充分押し込めなくなり、そのため、アノード触媒層内における水素分圧不足による発電不良が生じやすくなる。
【００８３】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が氷点下状態を含む低温状態であることを示す所定温度未満の場合は、アノード昇圧速度を遅い速度に設定しているので、同じ水素ガス供給量に対して、アノード触媒層内に残留する不活性ガスをアノードガス流路側へ拡散させつつアノードガス流路下流に押し流す時間を長くとれる。また、アノード内のガス流れの流速が低くなることにより、アノードガス流路内のガス流れの圧損とガス拡散層内のガス流れの圧損との差が小さくなることから、アノードガスが、アノード触媒層内に残留する不活性ガスと充分置換しつつアノード触媒層内に浸透することができる。従って、本実施形態の燃料電池システムによれば、低温状態での発電不良となる要因を抑制することができ、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上することができる。
【００８４】
図１５は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード昇圧速度感度を示す図であり、（ａ）は、瞬時に（例えば、０．５［ｓｅｃ］程度の間に、０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］まで）、アノード圧力を昇圧させた場合の発電特性を、（ｂ）は、徐々に（例えば、１０［ｓｅｃ］程度の間に、０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］まで）、アノード圧力を昇圧させた場合の発電特性を示す。図１５中の細い実線は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの電圧（セル電圧）の変化を示す。図１５中の太い実線は、電流密度（全燃料電池セルの電流密度の平均値：燃料電池スタック１から取り出す電流を各燃料電池セルの発電領域の総面積で除した値）の変化を示す。この電流密度のパターンは、（ａ）（ｂ）共通である。図１５中の太い破線は、各燃料電池セルの面積比抵抗（セル電圧の平均値を上記電流密度で除した値）の変化を示す。図１５から、（ａ）より（ｂ）の方がセル電圧のセル間のバラツキが小さく、面積比抵抗についても（ａ）より（ｂ）の方が終始大きな値で安定して推移しており、低温環境下でアノード昇圧速度を遅い速度に設定することによって、燃料電池スタック１の発電特性が向上することがわかる。
【００８５】
また、燃料電池システムの起動時に、アノード、カソード共に酸素が混入している状態から水素ガス供給を開始する場合は、アノード内に水素フロントが形成され、アノードに水素が供給されている領域においては通常の動作状態と同様の反応が起こり、カソード側の電位が立つ一方、アノードに水素が存在しない領域では、これに対峙するカソード側で上記式（３）に示した反応が生じ、その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食などが発生する。上記式（３）の反応は、低温状態では電極の活性が低いため、上記カーボン腐食は、低温状態では起こりにくい。一方、上記式（３）の反応は、温度が高くなるほど、電極の活性が高くなるため、上記カーボン腐食も、温度が高くなるほど起こりやすくなる傾向にある。
【００８６】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合は、アノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、燃料電池スタック１の水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を抑制することができ、燃料電池スタック１の発電特性を向上することができる。
【００８７】
すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が氷点下状態を含む低温状態であることを示す所定温度未満の場合はアノード昇圧速度を遅い速度に設定し、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合はアノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、燃料電池スタック１の水素フロント形成によるカーボン腐食劣化の抑制と、低温状態で発電不良となる要因の抑制と、を両立することができ、低温環境下で使用される燃料電池スタック１の発電特性を向上することができる。
【００８８】
また、一般に、アノード非循環型システムでは、アノード内のガス流れを長時間継続させて発電時間を長くとるために、燃料電池スタック１下流の容積部の容積を大きく取ることが要請されるが、本実施形態の燃料電池システムによれば、アノード昇圧速度を遅い速度に設定するので、同じ水素ガス供給量に対して、アノード内のガス流れを比較的長時間継続させることができ、従って、燃料電池スタック１下流の容積部を小型化し、システム全体をコンパクトにすることができる。
【００８９】
さらに、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が水素制御処理を実行する前に燃料電池スタック１の残水量状態を判定し（図２のステップＳ１０４）、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満のためアノード昇圧速度を遅い速度に設定する場合には、アノード残水量が少ない程、アノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、低温環境下でもアノード残水量が少ない状況では燃料電池スタック１の発電応答性を高め、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【００９０】
図１６は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード残水量感度を示す図であり、図１５（ａ）と同様に、瞬時に（例えば、０．５［ｓｅｃ］程度の間に０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］まで）、アノード圧力を昇圧させた場合の発電特性を示す。図１６と図１５（ａ）との相違点は、図１６では、前回の発電停止処理中の乾燥処理を、図１５（ａ）の場合よりも長い時間実施した点にある。図１５と同様に、図１６中の細い実線は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの電圧（セル電圧）の変化を示し、図１６中の太い実線は、電流密度の変化を示し、図１６中の太い破線は、各燃料電池セルの面積比抵抗の変化を示す。また、図１６の電流密度のパターンは、図１５（ａ）（ｂ）のそれと共通である。図１６から、図１５（ａ）より図１６の方がセル電圧のセル間のバラツキが小さく、面積比抵抗についても図１５（ａ）より図１６の方が終始大きな値で安定して推移しており、低温環境下でも、アノード残水量が少ない状況では、アノード昇圧速度を速い速度に設定することによって、より優れた燃料電池スタック１の発電特性を得ることができることがわかる。
【００９１】
また、本実施形態の燃料電池スタック１では、発電を停止した後は、燃料電池スタック１内に新たに発電による生成水が生じることはないが、発電停止後の時間の経過に伴って、燃料電池スタック１内の残留している水が拡散、流動等により燃料電池スタック１内を移動するため、燃料電池スタック１内の水分布が変化する。発電停止からの経過時間が長くなればなるほど、この水分布の変化は大きくなり、残留水は、燃料電池セルの発電領域のより広い範囲に広がっていく。すなわち、発電停止後、燃料電池スタック１が氷点下状態に至るまでの時間が長いほど、燃料電池セルの発電領域のより広い範囲に凍結した残留水が分布することになる。
【００９２】
図１７は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性の放置時間（発電停止後、燃料電池スタック１が氷点下状態に至るまでの時間）感度を示す図であり、図中の細い実線は、放置時間０分後に起動した時の平均セル電圧（セル電圧の平均値）の変化を、破線は、放置時間９０分後に起動した時の平均セル電圧の変化を、太い実線は、一晩放置後に起動した時の平均セル電圧の変化を、それぞれ示す。なお、その他の運転条件（電流密度のパターン、アノード圧力およびその昇圧速度等）は、各ケース共通である。図１７に示されているように、起動時の平均セル電圧は、発電停止からの経過時間が長くなればなるほど低くなっており、燃料電池スタック１内の残留水分布の変化が、燃料電池スタック１の発電特性に影響したものと推測される。
【００９３】
本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が水素制御処理を実行する前に燃料電池スタック１の発電停止継続時間を計測または推定し（図２のステップＳ１０５）、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満のためアノード昇圧速度を遅い速度に設定する場合には、燃料電池スタック１の発電停止継続時間が短い程、アノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、低温環境下でも発電停止継続時間が短い状況では燃料電池スタック１の発電応答性を高め、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【００９４】
また、一般に、ガスの拡散量は次式（４）で求められる。
ガス拡散量 ＝ − 拡散係数（Ｄ）× 濃度勾配・・・（４）
ここで、拡散係数（Ｄ）は、一般的に温度（Ｔ）と次式（５）の関係を有している。
拡散係数（Ｄ） ∝ 温度（Ｔ）^２／３ ／ 衝突積分（ΩＤ）・・・（５）
燃料電池スタック１の使用環境として想定される下限温度（例えば−２０℃）環境下では、拡散係数（Ｄ）は、式（５）から通常の温度（例えば２０℃）環境下における拡散係数の約６０％程度まで減少すると予想され、また、ガス拡散量も、式（４）から拡散係数と同程度の割合で減少すると考えられる。さらに、燃料電池スタック１が、アノード残留水が完全に除去されていない状態で氷点下状態に至った場合には、残留水の凍結によって、水素ガスが拡散できるアノード触媒層の範囲（面積）が減少するため、アノード触媒層に到達する水素の量は、上記ガス拡散量の減少分以上に減少することが考えられる。
【００９５】
本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が図６に示した水素制御処理を実行する中で、スタック温度センサ４３により検出した燃料電池スタック１の温度に応じてアノード下限圧力（ステップＳ３０２で算出する目標下限圧力）を可変とし、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード下限圧力を高い値に設定するようにしているので、燃料電池スタック１が低温状態の場合にも、よりアノード触媒層内に水素が到達しやすくなるため、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【００９６】
図１８は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード圧力感度を示す図であり、（ａ）は、アノード圧力を１５０［ｋＰａＧ］まで昇圧させた場合の発電特性を、（ｂ）は、アノード圧力を２００［ｋＰａＧ］まで昇圧させた場合の発電特性を示す。なお、この昇圧にかけた時間は、（ａ）（ｂ）ともに、図１５（ａ）と同様、０．５［ｓｅｃ］程度である。図１５および図１６と同様に、図１８中の細い実線は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの電圧（セル電圧）の変化を示し、図１８中の太い実線は、電流密度の変化を示し、図１８中の太い破線は、各燃料電池セルの面積比抵抗の変化を示す。また、図１８の電流密度のパターンは、図１５および図１６のそれと共通である。図１８から、（ａ）より（ｂ）の方がセル電圧のセル間のバラツキが小さく、面積比抵抗についても（ａ）より（ｂ）の方が終始大きな値で安定して推移しており、低温環境下でアノード下限圧力を高めに設定することによって、燃料電池スタック１の発電特性が向上することがわかる。
【００９７】
一方、カソード−アノード間のガス透過量は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど増加する傾向にあるため、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、短時間でカソード側からアノード側に透過した窒素ガスや水蒸気ガスなどの発電を阻害する不純物を排出しなければ、アノード触媒層内の水素分圧不足により発電不良が生じる虞がある。
【００９８】
本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合はアノード下限圧力を低い圧力に設定するようにしているので、アノード上限圧力との圧力差を大きくとって、アノード内部の窒素ガスや水蒸気ガスなどの不純物を短時間で効率よく下流の容積部１２に排出することができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度に合わせてアノード触媒層の水素分圧を効率よく確保し、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【００９９】
また、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード下限圧力を高い値に設定し、アノード圧力を比較的高い値で維持するようにしているので、容積部１２に押し込んだ不純物がアノード内部に逆流することを有効に抑制し、不純物の逆流による水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を抑制しつつ、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【０１００】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が水素制御処理を実行する前にパージバルブ１４が凍結により機能失陥を起こしているか否かを判定し（図２のステップＳ１０３）、アノード下限圧力を設定する際に、パージバルブ１４が機能失陥を起こしていると判定した場合は、機能失陥を起こしていないと判定した場合に比べてアノード下限圧力を高い圧力に設定するようにしているので、パージバルブ１４が機能失陥を起こしている場合に懸念される、アノードガスの逆流に起因する燃料電池スタック１の水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を有効に抑制しつつ、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【０１０１】
すなわち、アノード下流に設置したパージバルブ１４が凍結により機能失陥を起こしている場合は、燃料電池スタック１下流の容積部１２に押し込んだ窒素ガス、水蒸気ガスなどの不純物をパージバルブ１４の下流側に適切に排出できなくなる。その場合は、時間が経過するにつれて、上記不純物が、繰り返されるアノード圧力の昇降圧やガス拡散などの影響によりアノード内部に逆流してしまう傾向になり、この不純物の逆流によって、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良や、水素フロント形成によるカーボン腐食劣化などが発生してしまう可能性がでてくる。
【０１０２】
本実施形態の燃料電池システムによれば、パージバルブ１４が機能失陥を起こしていると判定した場合はアノード下限圧力を高い圧力に設定し、アノード圧力を比較的高い値で維持するようにしているので、容積部１２に押し込んだ不純物がアノード内部に逆流することを有効に抑制し、不純物の逆流による水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を抑制しつつ、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
【０１０３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は、それらの実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
【０１０４】
本出願は、２００９年９月１６日に出願された日本国特許願第２００９−２１４３２１号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明によれば、燃料電池の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード昇圧速度が遅い速度に設定されるので、氷点下状態を含む低温環境下であってもアノードガスの供給により燃料電池内部の不活性ガスを適切に燃料電池外部の容積部に排出することができ、アノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良を有効に抑制して、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１  燃料電池スタック
１１  水素ガス調圧バルブ
１２  容積部
１４  パージバルブ
４０  コントローラ
４１  水素ガス圧力センサ
４３  スタック温度センサ
４４  パージバルブ温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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