(57)【要約】  耐久性低下防止と始動性低下防止とを両立することができる燃料電池システム及び該システムにおける始動時制御方法を提供する。  燃料電池スタック２と、燃料ガスを燃料電池スタック２に供給する燃料ガス配管系４とを含み、氷点下での始動時には、循環ポンプ２４を回転させつつ常温での始動時よりも低いエアストイキ比で発電を行なう急速暖気運転を選択的に実施可能な燃料電池システム１であって、凍結によって燃料電池スタック２内の燃料ガス流路あるいは燃料ガス配管系４に詰まりが発生しているか否かを判定する詰まり判定部７と、詰まりが生じている場合に、急速暖気運転において循環ポンプ２４を停止させるとともに、詰まり量に応じて急速暖気運転の終了条件を変更する。
2010150337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス配管系と、
燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス配管系と、を備えると共に、
前記燃料ガス配管系が、燃料ガス供給源から前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れる供給路と、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを前記供給路に戻すための循環路と、前記循環路内の燃料オフガスを前記供給路に圧送する循環ポンプと、を有してなり、
氷点下での始動時には、前記循環ポンプを回転させつつ、常温での始動時よりも低いエアストイキ比で発電を行なう急速暖気運転を選択的に実施可能な燃料電池システムであって、
氷点下での始動時に、凍結によって前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路あるいは前記燃料ガス配管系に詰まりが生じているか否かを判定する詰まり判定部と、
詰まりが生じていると判定された場合に、前記急速暖気運転において前記循環ポンプを停止させるとともに、詰まりの程度に応じて前記急速暖気運転の終了条件を変更する急速暖気運転制御部を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記急速暖気運転制御部は、前記詰まりの程度が大きい場合程、前記燃料電池スタックがより高温になるまで前記急速暖気運転を続ける、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記詰まりの程度を、少なくとも２段階の詰まり状態に分けて判定する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記詰まり状態の一つは、前記循環ポンプに対して回転指令を与えた場合に該循環ポンプの回転が正常であるか否かにより判断する、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記詰まり状態の他の一つは、前記急速暖気運転を行った場合に前記燃料電池スタックのセル電圧の降下により判定する、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記急速暖気運転制御部は、前記循環ポンプの停止中に、前記燃料電池スタックの発熱量、発電電流の絶対値及び増加レートを制限する、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び該システムにおける始動時制御方法に関する。特に、本発明は燃料電池スタックの温度が水の凍結温度以下（氷点下）の場合における始動制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを始動させる際、燃料電池スタックの温度が水の氷結温度以下（氷点下）であることが検出された場合、通常始動用の制御マップを氷点下始動用制御マップに変更し、該氷点下始動用マップに沿って燃料電池を始動させることが行われている。この場合、発電部位を急速に昇温させ氷点下温度を突破させる急速暖気運転を実施して始動性を向上させるという技術がある。【０００３】
急速暖気運転（低効率発電）とは、燃料電池に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく、かつ通常発電に比して電力損失が大きい発電をいい、エアストイキ比を絞った状態で燃料電池を運転する。このように、敢えて電力損失を大きく設定する事で、燃料電池を急速暖気することが可能となる。一方、通常発電の際には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を所定値以上に設定した状態で燃料電池を運転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２８６９８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６４７３６号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の氷点下始動時の急速暖気運転では、発電の均一化のため、アノードガス循環ポンプを回転させた状態で始動している。燃料電池内の水素ガス分布を均一化させて耐久性を向上させるためである。【０００６】
しかしながら、アノード流路に凍結閉塞したセルが存在すると、閉塞されたセルにおいては、流入したガスから水素が逐次消費されるため、最終的に不純物である窒素が堆積する。このため、水素不足でセル電圧が低下し、始動不可能となってしまう現象が生じる場合がある。
これを防止して始動性を向上させるには、アノードガス循環ポンプを停止させればよいが、上記のように耐久性が低下するという問題を有する。【０００７】
本発明は上記事情に鑑み、耐久性低下防止と始動性低下防止とを両立することができる燃料電池システム及び該システムにおける始動時制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス配管系と、燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス配管系と、を備えると共に、前記燃料ガス配管系が、燃料ガス供給源から前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れる供給路と、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを前記供給路に戻すための循環路と、前記循環路内の燃料オフガスを前記供給路に圧送する循環ポンプと、を有してなり、氷点下での始動時には、前記循環ポンプを回転させつつ、常温での始動時よりも低いエアストイキ比で発電を行なう急速暖気運転を選択的に実施可能な燃料電池システムであって、氷点下での始動時に、凍結によって前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路あるいは前記燃料ガス配管系に詰まりが生じているか否かを判定する詰まり判定部と、詰まりが生じていると判定された場合に、前記急速暖気運転において前記循環ポンプを停止させるとともに、詰まりの程度に応じて前記急速暖気運転の終了条件を変更する急速暖気運転制御部を備えている。【０００９】
後述のように、例えば、燃料ガス配管系が詰まっている場合や燃料電池スタックの大部分のセルが詰まっている場合と、燃料電池スタックの少数のセルのみが詰まっている場合とで、急速暖気運転の終了条件、例えば燃料電池温度に基づいて終了判定を行なう場合にはその判定基準値を変える。これにより、循環ポンプの運転を停止させる時間を詰まりの程度に応じて最適化することができ、始動性の低下も抑制可能である。【００１０】
前記急速暖気運転制御部は、前記詰まりの程度が大きい場合程、前記燃料電池スタックがより高温になるまで前記急速暖気運転を続けるようにすることができる。【００１１】
前記詰まりの程度を、少なくとも２段階の詰まり状態に分けて判定してもよい。【００１２】
前記詰まり状態の一つは、前記循環ポンプに対して回転指令を与えた場合に該循環ポンプ回転が正常であるか否かにより判断することができる。例えば、指示回転数と実回転数との回転偏差や指示回転数に対する想定消費電力が所定の基準値を超えた場合には、回転指令に対して実際の回転数が指令通りに上昇していないので、燃料ガス配管系や燃料電池スタックの大部分のセルに詰まりが発生していると判断することができる。【００１３】
前記詰まり状態の他の一つは、前記急速暖気運転を行った場合に前記燃料電池スタックのセル電圧の降下により判定することができる。所定時間内にセル電圧が所定値よりも降下した場合、そのセルが詰まっていると判断することができる。または、セル電圧の降下勾配が所定よりも大きい場合にも、そのセルが詰まっていると判断することができる。
これらの場合は、上記のように燃料ガス配管系や燃料電池スタックの大部分のセルに詰まりが発生している場合と比較して、詰まりの程度が顕著ではないことから、燃料電池スタック中の少数のセルが詰まっていると判断でき、上記のように急速暖気運転の終了条件を異ならせる（例えば緩和する）ことができる。【００１４】
前記急速暖気運転制御部は、前記循環ポンプの停止中に、前記燃料電池スタックの発熱量、発電電流の絶対値及び増加レートを制限してもよい。循環ポンプの停止中は発電が不均一となり、温度分布が大きくなり、耐久性が低下する虞があるため、上記のような制限を課して燃料電池スタックへの燃料ガス供給圧の上昇を抑えることで、耐久性の低下を抑制する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、循環ポンプを止める時間を燃料ガス配管系や燃料電池スタック内における詰まり状態に応じて最適化することができる。したがって、耐久性の低下を抑えつつ、始動性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る始動時制御方法の手順を示したフロー図である。
【図３】本実施形態に係る始動時制御方法の手順を示したフロー図である。
【図４】アノード流路の詰まりを判定するためのマップを示した図である。
【図５】本実施形態に係る始動時制御方法の手順を示したフロー図である。
【図６】本実施形態に係る始動時制御方法の手順を示したフロー図である。
【図７】本実施形態に係る始動時制御方法の手順を示したフロー図である。
【図８】セルの詰まりを判定するマップを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）などの車両に搭載することができるが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１８】
図１に示した燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）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に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部（詰まり判定部、急速暖気運転制御部）７と、を備えている。
【００１９】
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（セルスタック）を備えている。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している。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。
【００２０】
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、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるバイパス路１７と、を有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。また、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。
【００２１】
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。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。
【００２２】
燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された調圧弁１６によって調圧される。調圧弁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が設けられている。酸化オフガスは、調圧弁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。
【００２３】
燃料ガス配管系（アノード流路系）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に圧送する水素ポンプ（ガス循環ポンプ）２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。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が設けられている。
【００２４】
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、を有している。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、を有している。
【００２５】
温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度（以下、ＦＣ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）や燃料電池周辺の外気温度（燃料電池の関連温度）を検出するようにしてもよい。また、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。
【００２６】
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。
【００２７】
バッテリ（蓄電器）６２は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ等により構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ６２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電池、例えばキャパシタを用いてもよい。
【００２８】
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（動力発生装置）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に連結されている。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。
【００２９】
制御部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気運転の制御等、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。
【００３０】
タイマー７０、電圧センサ７２及び電流センサ７３は、制御部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。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の全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。
【００３１】
制御部７は、ガス系統（酸化ガス配管系３，燃料ガス配管系４）や冷媒系統５に用いられる圧力センサＰ１及び温度センサ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の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、調圧弁１６及びバイパス弁１８など）に制御信号を出力する。また、制御部７は、所定のタイミングで燃料電池２の水分の診断等を行い、診断結果に基づいて燃料電池２の水分制御を行う。
【００３２】
本実施形態では、燃料電池システム１の始動時（例えば氷点下始動時）、必要に応じて低効率発電を実施し、燃料電池２に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく尚かつ通常発電に比して電力損失が大きくなるようにし、これによって急速暖気を行うようにしている。ここで、低効率発電とは、燃料電池２に供給される反応ガス（本実施形態では酸化ガス）が通常発電時に比して少なく（言い換えれば、少なくとも常温発電時に比して少なく）、かつ通常発電に比して電力損失が大きい発電（言い換えれば、少なくとも常温発電時に比して電力損失が大きい発電）をいい、例えばエアストイキ比を１．０付近（理論値）に絞った状態で燃料電池２を運転する。
【００３３】
このように、敢えて電力損失を大きく設定する事で、燃料電池２を急速暖気することが可能となる。一方、少なくとも常温時の発電を含む通常発電の際には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、例えばエアストイキ比を２．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する。制御部７は、必要に応じ、燃料電池２に供給される反応ガスが通常発電に比して少なくなおかつ通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電を実行する発電制御部として機能する。
【００３４】
次に、インピーダンス測定等について説明しておく。
まず、制御部７は、燃料電池２の水分状態を診断すべきタイミング（以下，診断のタイミング）が到来したか否かを判断する。診断タイミングは，例えば燃料電池システム１の運転終了時や始動時の他、運転中も適宜診断が行われる。本実施形態の制御部７は、例えば車両１００のドライバー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の運転終了指令が入力されたことを検知し、診断タイミングが到来したと判断する。
【００３５】
制御部７は、燃料電池２のインピーダンス測定を行い，測定結果に基づき燃料電池２の水分状態を診断する。本実施形態の制御部７は、電圧センサ７２によって検出されるＦＣ電圧及び電流センサ７３によって検出される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、制御部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電流信号で除する等して燃料電池２のインピーダンスを測定する。
【００３６】
そして、制御部７は、内蔵する基準インピーダンスメモリに格納されている基準インピーダンスを読み出し，読み出した基準インピーダンスと測定したインピーダンスとを比較する。
【００３７】
ここで、基準インピーダンスは、燃料電池２が乾燥状態にあるか否かを判断するための基準値であり，予め実験等によって求められる。具体的には、実験等によって燃料電池２が乾燥状態にあるか否かを判断するための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に格納しておく。
【００３８】
また、制御部７は、温度センサ４７によって検知されるＦＣ温度（以下，検知ＦＣ温度）と、内蔵する基準ＦＣ温度メモリに格納されている基準ＦＣ温度とを比較する。ここで、基準ＦＣ温度は、燃料電池２が低効率発電を許可するか否かを判断するための判定基準値であり，予め実験等によって求められる。具体的には、実験等によって低効率発電を許可するか否かを判断するためのＦＣ温度を求め，これをマップ化して基準ＦＣ温度メモリに格納しておく。
【００３９】
次に、本実施形態の燃料電池システム１における、寒冷時の始動時制御の具体例を説明する。
まず、アノード循環配管ラインまたは水素ポンプ２４内で閉塞が生じている、あるいは、燃料電池２のセルスタックが多チャンネルで閉塞している（例えば、ほぼすべてのセルが閉塞している）か否かを判定する（以下、この判定を「アノード流路詰まり判定１」と呼ぶ）。次いで、燃料電池２のセルスタックが少数チャンネルで閉塞している（少数のセルが閉塞している）か否かを判定する（以下、この判定を「アノード流路詰まり判定２」と呼ぶ）。これら各判定状況に応じて、制御部７が適切な始動運転を切り替える。その工程をフローを用いて以下に示す。
【００４０】
まず、図２を用いてアノード流路詰まり判定１について説明する。同図のフローに示したように、ユーザが車両を始動させると（ステップＳＴ１）、続くステップＳＴ２で制御部７は常温始動の可否を判定する。すなわち、システム各部の温度から外気温を推定し、ある閾値Ｔ１に満たない場合、氷結の可能性があると判定する。ここでは、直接外気温を測定し、外気温が所定温度Ｔ２に満たない場合に氷結の可能性があると判定してもよい。
【００４１】
ステップＳＴ２で氷結の可能性が無いと判定された場合は、常温始動（通常の始動）を開始する（ステップＳＴ３）。氷結の可能性があると判定された場合、まず、ステップＳＴ４で水素ポンプ２４に対して所定の回転数Ｘで駆動させるための回転指令を与え、ステップＳＴ５で実際の水素ポンプ２４の回転数を確認する。
【００４２】
水素ポンプ２４が指令値通り問題なく回転している場合、燃料ガス配管系４及び燃料電池２内の燃料ガス流路（以下、これらを「アノード流路」と総称する。）での大きな詰まり等が生じているとは考えられないため、アノード流路詰まり判定１は否と判定される（この場合図３の符号Ａに続き、アノード流路詰まり判定２が行われる）。この判定は、より詳細には指示回転数と実回転数との回転偏差、または指示回転数と消費電力との関係から判定することができる。
【００４３】
例えば、制御部７は図４に示したマップをあらかじめ保持しており、指示回転数と比較して消費電力が元々想定されている規定値よりも大きい場合に水素ポンプ２４が正常に回転していないと判定し、詰まりが顕著であるとみなし、次のステップ（図５のフローＢ）に進む。
【００４４】
また、アノード流路詰まり判定１の変形例として、水素導入後のΔtの間にセル電圧が所定のＯＣＶ判定値まで上がらない場合に、詰まっていると判定してもよい。図８に示したように、燃料ガス流路に詰まりのあるセルではセル電圧が十分に上昇しないことから、詰まりの有無を判定できる。これはセル毎に判定可能である。
【００４５】
図３は、アノード流路詰まり判定２を示したフローである。アノード流路詰まり判定１にてアノード流路に大きな詰まりが生じていないと判定された場合、続いて本フローで示したアノード流路詰まり判定２が行われる。
【００４６】
まず、水素ポンプ２４を回転させつつエアストイキ比を１．０付近に抑えた状態で燃料電池２を運転させる、通常の氷点下始動（急速暖気）が行われる（ステップＳＴ６）。そして、所定の始動可否判定時間ｔ１が経過するまでの間、セル電圧を監視し、セル電圧が負電圧Ｖ１以下まで低下した場合には、始動不可として警告を表示する（ステップＳＴ７、ＳＴ８）。これにより、燃料電池２の入口側の詰まりが判定される。
【００４７】
次いで、所定の詰まり判定時間ｔ２（ｔ２＞ｔ１）が経過するまでの間、セル電圧を測定する。閉塞したセルは窒素が多い状態であるため負電圧が生じる。このことから、セル電圧が負電圧Ｖ２以下まで低下したセルがあるか否かを測定し、その場合、セルスタックの一部に詰まりが生じていると判定される（ステップＳＴ９）。この場合は図６のフローＣに続く。
【００４８】
一方、ステップＳＴ９の判定が否であれば、アノード流路に詰まりは生じていないと考えられ、通常の氷点下始動を開始する。この場合、図７のフローＤに続く。
このようにして各状況が判定され、この状況により図５から図７に示した各フローによる始動が行われる。以下、判定された状況毎に場合を分けて説明する。
【００４９】
（Ｂ）アノード流路詰まり判定１にてアノード流路に大きな詰まりが生じていると判定された場合（図５）：
この場合は、アノード無循環氷点下始動を開始する（ＳＴ１０）。すなわち、水素ポンプ２４は停止状態とし、アノード圧力を増加させ（またパージ頻度を増大させ）た状態で急速暖気運転を行う。これにより、圧力と熱によって氷結によるアノード流路での大きな詰まりを解消する。
【００５０】
詰まりがある程度解消されたと考えられる温度に達した場合、すなわちスタック温度が所定の温度Ｔ３または水素ポンプ温度が所定の温度Ｔ４となった場合に、水素ポンプ２４を回転させる（ＳＴ１１）。
そして、スタック温度が更に上昇して所定の温度Ｔ５（Ｔ５＞Ｔ３）となった場合に、通常の運転を開始する（ＳＴ１２）。
【００５１】
（Ｃ）アノード流路詰まり判定２にて少数のセルに詰まりが生じていると判定された場合（図６）：
この場合も、アノード無循環氷点下始動を開始する（ＳＴ２０）。すなわち、水素ポンプ２４は停止状態とし、アノード圧力を増加させ（またパージ頻度を増大させ）た状態で急速暖気運転を行う（継続する）。これにより、圧力と熱によって氷結による少数セルでの詰まりを解消する。
【００５２】
詰まりがある程度解消されたと考えられる温度に達した場合、すなわちスタック温度が所定の温度Ｔ６（Ｔ６≦Ｔ３）または水素ポンプ温度が所定の温度Ｔ７（Ｔ７≦Ｔ４）となった場合に、水素ポンプ２４を回転させる（ＳＴ２１）。
そして、スタック温度が更に上昇して所定の温度Ｔ８（Ｔ８＞Ｔ６）となった場合に、通常の運転を開始する（ＳＴ２２）。
【００５３】
（Ｄ）アノード流路詰まり２が生じていない場合（図７）：
この場合は、ステップＳＴ６で開始した通常の氷点下始動をそのまま継続する（ＳＴ３０）。
そして、スタック温度が上昇して所定の温度Ｔ９となった場合に、それまで１．０付近に絞られていたエアストイキ比を例えば２．０以上に設定し、通常の運転を開始する（ＳＴ３１）。
【００５４】
上記において、通常の運転を開始するスタック温度Ｔ５，Ｔ８，Ｔ９は、
Ｔ５≧Ｔ８≧Ｔ９
の関係にある。すなわち、詰まりの程度が顕著なほど、燃料電池２がより高い温度になるまで暖気運転を継続する。
【００５５】
このように、本実施の形態では、詰まり状態に応じて通常の運転に移行する条件、言い換えれば、急速暖機運転の終了条件を変えているため、水素ポンプ２４の運転を停止させている時間を詰まりの状態に応じて最適化して、始動時間を最短にすることができる。したがって、燃料電池２の耐久性の低下を抑えつつ、始動性を高めることができる。
【００５６】
なお、水素ポンプ２４を回転させるタイミングは、始動後の経過時間、スタックの発熱量からの推定温度、発電電流値、パージ時の圧力変化（詰まりが解消されて圧力が正しく低下する）から判断してもよい。
【００５７】
また、上記においては、アノード流路詰まり１及びアノード流路詰まり２が発生した場合に水素ポンプ２４を停止させた状態で急速暖機運転を行うため、その間は発電が不均一となり、温度分布が大きくなって燃料電池２の耐久性に不利となる虞がある。そこで、耐久性の低下を抑制するために、スタック発熱量、発電電流の絶対値及び増加レートを制限してもよい。
【００５８】
また、氷点下始動時にアノード流路に詰まりが生じていた場合は、前回（例えば前日）の運転停止の際に行った掃気運転が十分でなかったと考えることができる。ここで、掃気運転とは、燃料電池２の発電が停止されたときに燃料電池２内の水分を外部に排出することで燃料電池２内の残留水分を除去する処理を行なうことをいう。例えば、燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態で酸化ガスをコンプレッサ１４から供給路１１に供給する。
【００５９】
そこで、上記のように氷点下始動時にアノード流路に詰まりが生じていた場合は、次に実施する運転停止時の掃気運転を、より燃料電池２内を乾燥させる方向へシフトさせることとし、次回始動までの間の凍結を回避できるように残水を減らすようにしてもよい。具体的には、掃気運転をより長時間行う、インピーダンスから残水を測定する場合にはインピーダンスの閾値を変更する、等の手段をとることができる。
【００６０】
また、このように掃気運転を行う場合、二次電池の残存容量が不足していると掃気運転に必要な電力が二次電池から得られず、掃気不足となる可能性がある。
そこで、このような場合には、掃気運転前の燃料電池運転目標温度を上げ、終了時温度を高くしておく。掃気運転時の燃料電池温度が高い場合、乾燥が速いため、掃気電力量が少なくても、乾燥掃気が可能となる。
【００６１】
その処理は、例えば以下のように行う。
まず、運転停止前に二次電池の温度と充電量を取得する。次に、取得した温度と充電量からマップを参照する等して、掃気運転に使用することができる電力量（掃気可能電力量）を算出する。
そして、掃気可能電力量に応じて、掃気可能電力量が小さいほど、通常運転時の目標温度（Ｔｔ１）を上げる。
【００６２】
また、二次電池の状況、例えば不具合により所定の出力が得られない等の状況が発生している場合では、燃料電池出力の制限もかかり、このような場合も掃気不足となる。したがって、以下の判定を行う。
まず、二次電池温度から掃気可能電力を取得する。そして、掃気可能電力に応じて、掃気可能電力量が小さいほど、通常運転時の目標温度（Ｔｔ２）を上げる。
このようにして算出した運転目標温度Ｔｔ１、Ｔｔ２について、いずれか大きい方の温度を実際の運転目標温度とする。
【００６３】
また、燃料電池２を目標温度に向けて運転する代わりに、燃料電池２の目標インピーダンスを上げるようにしてもよい。すなわち、上記と同様に、燃料電池温度を上昇させる代わりに、二次電池の充電量が低い場合に目標インピーダンスを上げることにより、掃気電力量が少なくても乾燥掃気を可能とする。
【００６４】
さらにまた、燃料電池２を目標温度に向けて運転する代わりに、燃料電池２の目標含水量を下げるようにしてもよい。すなわち、上記と同様に、燃料電池温度を上昇させる代わりに、二次電池の充電量が低い場合には目標含水量を下げ、掃気電力量が少なくても乾燥掃気を可能とする。燃料電池２の含水量は、インピーダンスその他の数値に基づき、総合的に算出する。
【符号の説明】
【００６５】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部（詰まり判定部、急速暖気運転制御部、掃気制御部）、２４…水素ポンプ（アノードガス循環ポンプ）
【図１】
2010150337.tif 000003
【図２】
2010150337.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010150337.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010150337.tif 000008
【図７】
2010150337.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年6月7日(2010.6.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス配管系と、
燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス配管系と、を備えると共に、
前記燃料ガス配管系が、燃料ガス供給源から前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスが流れる供給路と、前記燃料電池スタックから排出された燃料オフガスを前記供給路に戻すための循環路と、前記循環路内の燃料オフガスを前記供給路に圧送する循環ポンプと、を有してなり、
氷点下での始動時には、前記循環ポンプを回転させつつ、常温での始動時よりも低いエアストイキ比で発電を行なう急速暖機運転を選択的に実施可能な燃料電池システムであって、
氷点下での始動時に、前記循環ポンプを回転させながら、凍結によって前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路あるいは前記燃料ガス配管系に詰まりが生じているか否かを判定する詰まり判定部と、
前記判定部によって前記急速暖機運転中に詰まりが生じていると判定された場合には、前記循環ポンプを停止させるとともに、詰まりの程度に応じて前記循環ポンプの停止の終了条件を変更する急速暖機運転制御部を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記詰まりの程度に応じて前記急速暖機運転の終了条件を変更する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記急速暖機運転制御部は、前記詰まりの程度が大きい場合程、前記燃料電池スタックがより高温になるまで前記循環ポンプの運転を続ける、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記急速暖機運転制御部は、前記詰まりの程度が大きい場合程、前記燃料電池スタックがより高温になるまで前記急速暖機運転を続ける、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記詰まりの程度を、少なくとも２段階に分けて判定する、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記少なくとも２段階に分けた詰まりの程度は、前記循環ポンプに対して回転指令を与えた場合に該循環ポンプの回転が正常であるか否かにより判断する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記少なくとも２段階に分けた詰まりの程度は、前記急速暖機運転を行った場合に前記燃料電池スタックのセル電圧の降下により判定する、請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記急速暖機運転制御部は、前記循環ポンプの停止中に、前記燃料電池スタックの発熱量、発電電流の絶対値及び増加レートを制限する、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2010150337.tif 000011
2010150337.tif 000012
2010150337.tif 000013
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