(57)【要約】  氷点下始動時において燃料電池内の排水性を向上させ、燃料電池の出力向上、発電効率の向上を図る。燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、氷点下始動後の燃料電池の温度が０度を超過した段階で燃料電池の出力を測定し、該出力が基準出力値以下である場合にはカソード極に圧力脈動を加えて燃料電池内に滞留する水を排出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給し発電を行う燃料電池スタック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内の温度を測定する温度センサと、
前記カソード極の圧力を測定する圧力センサと、
前記カソード極の圧力を調整する圧力調整器と、
氷点下始動後に前記温度センサにより測定された前記燃料電池スタック内の温度が０度を超過した場合に、前記カソード極の圧力に脈動を加えるよう前記圧力調整器を制御する圧力制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力制御部は、前記圧力調整器によりカソード極の入り口圧力を一旦上昇させた後、基準圧力値を下回らない程度に圧力を低下させて圧力に脈動を加える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの出力を測定する出力測定器を備え、
前記出力測定器により測定された前記燃料電池スタックの出力が要求出力値以下であると判断された場合に、前記圧力制御部は前記圧力調整器を制御する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
さらに、圧力算出部を備え、
前記圧力算出部は、燃料電池の出力値と要求出力値から出力回復に必要な圧力変動幅を算出し、
前記圧力制御部は、前記圧力算出部により算出された圧力変動幅に基づいて、前記圧力調整器を制御する、燃料電池システム。
【請求項５】
アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給し発電を行う燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法において、
始動時に前記燃料電池の温度が氷点下の基準温度以下であるかを判断するステップと、
前記燃料電池の温度が前記基準温度以下である場合に氷点下始動制御を実行するステップと、
前記氷点下始動制御実行後の前記燃料電池の温度が０度を超過したかを判断するステップと、
前記氷点下始動制御実行後の前記燃料電池の温度が０度を超過した場合に、前記燃料電池の前記カソード極の圧力に脈動を加えるステップと、
を有する、燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法において、
さらに、
前記氷点下始動制御実行後の前記燃料電池の温度が０度を超過した場合に前記燃料電池の出力値と所定の出力要求値とを比較するステップと、
前記燃料電池の出力値が出力要求値より低い場合に、両者の差から圧力変動幅を算出するステップと、
を有し、
前記カソード極の圧力に脈動を加えるステップでは、算出された圧力変動幅に基づいて前記カソード極の圧力に脈動を加える、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、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料電池セル（単セル）を複数積層した燃料電池スタックにより構成され、各単セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を、他方の面にカソード極を配してなる膜−電極接合体を有し、この膜−電極接合体をガス流路層とセパレータで挟持して構成される。アノード極には、水素を含有する燃料ガスが供給され、水素が下式（１）に示す酸化反応により燃料ガスからプロトンが生成される。生成されたプロトンは電解質膜を通ってカソード極へ移動する。他方のカソード極には、酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、酸素がアノード極から移動してきたプロトンと反応して下式（２）に示す還元反応により水を生成する。燃料電池セル全体としては（３）式の起電反応となり、これら一対の電極構造体の電解質膜側の表面で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出す。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２e−・・・（１）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２e−→Ｈ２Ｏ・・・（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（３）【０００３】
上述のように、燃料電池は水を生成（図１において生成水を符号３０と示す）するため、氷点下等の低温環境下においては燃料電池内に存在する生成水が凍結すると共に、一旦凍結した生成水が燃料電池の駆動熱により溶融し、再び水として燃料電池内に滞留するおそれがある。このように燃料電池内の水の凍結、滞留が生じると、反応ガス流路が閉塞されガス拡散を阻害し、燃料電池の出力低下を引き起こす。上記問題に鑑み、特開２００５−４４７９５号公報には、氷点下始動時に燃料電池スタックに供給される反応ガスの圧力を通常運転圧力よりも高めに制御することにより、発電特性を向上させることが開示されている。反応ガスの供給圧を高めることによりガスを反応面に強制的に供給し、ガス拡散性の低下を補うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４４７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、反応ガスを通常時に比して多く供給することによりガス拡散性の低下を抑制し、反応面に十分にガスを供給することを可能とする技術であり、燃料電池温度が氷点下の場合には効果を奏す。しかしながら、燃料電池温度が０度を超過した段階で凍結していた氷が解凍し生成水が急激に生じた場合には、生成水がガス流路を閉塞するため十分に生成水を排水することができず、反応面へ供給されるガス量が低下するおそれがある。また氷点下始動時に燃料電池内に存在する氷はガス流路のみならず、膜−電極接合体内、触媒層内にも存在し、これらが０度を超過した時点で一斉に融解するため急激な出力低下が生じる。特許文献１の技術では反応ガスの供給圧を高めることによりガス入口付近の生成水についてはある程度は排水することが可能であっても、燃料電池セル内部、特に膜−電極接合体内や触媒層内からの排水、ガス出口付近も含め燃料電池セル全体からの排水を十分に実施することは困難である。膜−電極接合体内や触媒層内に生成水が滞留した場合、生成水により反応ガスの供給が阻害、燃料電池反応が妨げられ、燃料電池温度の上昇が抑制される。燃料電池温度の上昇が抑制されると生成水の蒸発、流動効率を低下させるために、反応ガスの拡散が阻害され、燃料電池の発電反応が妨げられる。すなわち、燃料電池温度が低温であって、且つ膜−電極接合体内や触媒層内に生成水が滞留する場合には、ガス拡散性と燃料電池温度との間で悪循環を引き起こし、燃料電池の発電反応の進行を妨げて出力低下を引き起こすおそれがある。【０００６】
本発明は低温環境下で始動する燃料電池において、凍結する氷が融解することにより生成する水を良好に排出し、燃料電池の出力を向上させることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの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】
【０００７】
本発明は、アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給し発電を行う燃料電池スタック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内の温度を測定する温度センサと、前記カソード極の圧力を測定する圧力センサと、前記カソード極の圧力を調整する圧力調整器と、氷点下始動後に前記温度センサにより測定された前記燃料電池スタック内の温度が０度を超過した場合に、前記カソード極の圧力に脈動を加えるよう前記圧力調整器を制御する圧力制御部と、を備えることを特徴とする。【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、氷点下始動後に燃料電池内で凍結していた水が解凍された際に、カソード極側の圧力に脈動を加えることによって滞留する水を効果的に排出することが可能である。単にガスを流動させるだけでなく、圧力の勾配を利用してガス流動を行うことができるため、ガス流路内に滞留する水と共に、膜−電極接合体内や触媒層内でガス流路を閉塞している水をも確実に排出することが可能となる。また圧力上昇に伴って燃料電池セル内の温度も上昇するため燃料電池セルの暖機効果も得られる。なお、本発明における圧力の脈動とは、圧力の増減を瞬間的に変化させることである。【０００９】
上記構成の燃料電池システムにおいて、前記圧力制御部は、前記圧力調整器によりカソード極の入り口圧力を一旦上昇させた後、基準圧力値を下回らない程度に圧力を低下させて圧力に脈動を加えることが好ましい。【００１０】
カソード極の入口圧力を上昇、下降させることにより入口付近に滞留する水を優先的に排出でき、カソード極に供給されるガス量を増加させることが可能である。また、基準圧力値以上で圧力脈動を加えるため、圧力を低下させたときでも出力が低下することを抑制できる。【００１１】
さらに、前記燃料電池スタックの出力を測定する出力測定器を備え、前記出力測定器により測定された前記燃料電池スタックの出力が要求出力値以下であると判断された場合に、前記圧力制御部は前記圧力調整器を制御することが好ましい。なお、要求出力値とは運転に必要とされる出力値のことを示し、任意に設定可能な値である。【００１２】
氷点下始動後、凍結していた水の解凍により出力が低下した場合にのみ圧力脈動を行うこと、また出力回復に必要な最小限の脈動を加えることにより、燃料電池内の水を効果的に排出し、過剰に圧力脈動を加えて出力を低下させることを抑制できる。これにより圧力脈動実施後の圧力状態やガス流動状態を早期に安定させることができる。【００１３】
また、本発明は、アノード極に燃料ガスを、カソード極に酸化剤ガスを供給し発電を行う燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法において、始動時に前記燃料電池の温度が氷点下の基準温度以下であるかを判断するステップと、前記燃料電池の温度が前記基準温度以下である場合に氷点下始動制御を実行するステップと、前記氷点下始動制御実行後の前記燃料電池の温度が０度を超過したかを判断するステップと、前記氷点下始動制御実行後の前記燃料電池の温度が０度を超過した場合に、前記燃料電池の前記カソード極の圧力に脈動を加えるステップと、を有することを特徴とする。【００１４】
さらに、前記制御方法において、前記氷点下始動制御実行後の前記燃料電池の温度が０度を超過した場合に前記燃料電池の出力値と所定の出力要求値とを比較するステップと、前記燃料電池の出力値が出力要求値より低い場合に、両者の差から圧力変動幅を算出するステップと、を有し、前記カソード極の圧力に脈動を加えるステップでは、算出された圧力変動幅に基づいて前記カソード極の圧力に脈動を加えることが好ましい。【００１５】
上記構成の燃料電池システムの制御方法によれば、氷点下始動時に氷点下始動制御を行い、その後氷が解凍したと判断された時点でカソード極に圧力脈動を加えることによって燃料電池内に滞留する水を排出することが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低温環境下で始動する燃料電池において、凍結する氷が融解することにより生成する水を良好に排出し、燃料電池の出力を向上させることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池セルを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】図２に示す燃料電池システムにおける酸化剤ガス供給の運転制御処理を示すフローチャートである。
【図４】圧力変動と出力回復の関係を示す図である。
【図５】圧力脈動による出力変動および温度変動を示す図である。
【図６】氷点下始動制御時の制御マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜３に基づいて説明する。図１は燃料電池セル１０を示す。燃料電池セル１０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４、カソード触媒層１６、アノード拡散層１８、カソード拡散層２０から構成される。電解質膜１２はイオン交換膜からなり、プロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４とカソード触媒層１６は電解質膜１２の両側に配置され、さらにアノード触媒層１４の電解質膜１２と反対側にはアノード拡散層１８が、カソード触媒層１６の電解質１２と反対側にはカソード拡散層２０が配置されて膜電極接合体２２が形成される。そして、膜電極接合体２２の両側にはセパレータ２５が配されて燃料電池セル１０が形成され、燃料電池セル１０が複数積層されて燃料電池スタック１が形成される。セル１０外部から供給された燃料ガスは燃料ガス流路２６を通過してアノード拡散層１８、アノード触媒層１４へ供給され、酸化剤ガスは酸化剤ガス流路２８を通過してカソード拡散層２０、カソード触媒層１６へ供給される。
【００１９】
図２は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム４０は燃料電池スタック１のカソード極（燃料電池セルのアノード側の室）には酸化剤ガスとして圧縮空気が供給される。すなわち、フィルタ３２から吸入された空気が、コンプレッサ４１で圧縮された後、配管５１から燃料電池スタック１へ供給される。空気の供給圧力は、圧力センサ４２によって検出され、例えば１５０ｋＰａなど所定の基準圧力に制御される。カソード極（燃料電池セルのカソード側の室）からの排気は、配管５２および希釈器４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧は配管５１に設けられた圧力センサ４２によって検出され、背圧弁４５によって調節される。背圧弁４５の開度を大きくすると出口圧力が低減し、入口圧力と出口圧力との差に差圧が発生する。
【００２０】
燃料電池スタック１のアノード極には、水素タンク４６に貯蔵された水素ガスが配管５３を通って供給される。水素タンク４６に高圧で貯蔵された水素ガスは、出口に設けられたシャットバルブ４７、レギュレータ４８、バルブ４９によって圧力および供給量が調整されてアノードに供給される。アノードからの排気は配管５４に流出し、途中で二手に分かれる。一方は水素ガスを外部に排出するための配管５５、希釈器４３に接続され、空気により希釈された後に外部へ排出される。他方は加圧ポンプ５０を介して配管５６に接続されて再度燃料電池スタック１へ循環される。
【００２１】
燃料電池スタック１を冷却する冷却水は、ポンプ６０によって冷却用の配管６１を流れ、ラジエータ６２で冷却されて燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の冷却水出口には、冷却水温度を検出するための温度センサ６４が設けられている。冷却水は燃料電池スタック１内を循環するため、温度センサ６４にて測定された冷却水温度は燃料電池温度として用いることが可能である。なお、燃料電池温度は、燃料電池スタックに温度センサを直接取り付けたりして検出してもよい。
【００２２】
燃料電池システム４０には、燃料電池システム４０の制御を行う制御部（ＥＣＵ）６６が設けられる。制御部６６には圧力センサ４２や温度センサ６４などの検出信号が入力され、背圧弁４５やバルブ４９、コンプレッサ４１などに制御信号を供給する。セルモニタ７０により検出される電圧値や電流値も制御部６６に入力される。また、制御部６６にはイグニッションスイッチ６８が接続され、イグニッションＯＮ、ＯＦＦの信号が入力される。なお、制御部６６に入出力される信号の一部を図中に点線で示す。
【００２３】
次に燃料電池システムの制御方法について図３に基づいて説明する。図３は図２に示す燃料電池システムの制御の処理内容を示すフローチャートである。まず、イグニッションスイッチ６８がＯＦＦからＯＮに切り換わると運転開始信号が入力され（ＩＧ−ＯＮ）、ステップＳ１０１に進む。
【００２４】
ステップＳ１０１では、温度センサ６４により燃料電池スタック１内の温度Ｔ１が測定され、制御部６６へ入力される。制御部６６では温度Ｔ１が０度以上であるか否かを判定し、温度Ｔ１が０度より大きい場合にはステップＳ１０９へ進み、常温始動制御を実施する。温度Ｔが０度以下である場合にはステップＳ１０２へ進み氷点下用始動制御を実施する。
【００２５】
ここで氷点下始動制御について述べる。氷点下始動制御は常温始動制御に比べて低効率発電を行いつつ、燃料電池スタックの温度を上昇させながら始動することが一般的に知られている。低効率発電とは燃料電池に供給される反応ガス、特に酸化剤ガスが通常発電時に対して少なく、これによって電力損失が大きい発電をいう。例えば常温始動制御時に比してエアストイキ比を１．０付近に絞った状態で燃料電池を運転する。このように、電力損失を大きく設定することで、燃料電池を急速暖機することが可能となる。なお、常温始動制御時には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、例えばストイキ比１．５以上に設定した状態で燃料電池を運転する。
【００２６】
氷点下始動制御の中にも種々の手法があるが、具体的な一例を以下に挙げる。始動時の燃料電池温度と燃料電池内の残水量との関係から、燃料電池状態を三段階に区分けし、燃料電池状態に応じて三段階の制御を行う。図６に始動時の燃料電池温度と残水量から燃料電池状態を三段階に区分けした図を示す。このマップに基づき、（Ｉ）燃料電池温度が高く、残水量が少ない場合、（ＩＩ）燃料電池温度が低く、残水量が多い場合、（ＩＩＩ）上述以外、すなわち燃料電池温度が低く、残水量が少ない場合、および燃料電池温度が高く、残水量が多い場合、の３つに分けて制御を行う。燃料電池温度が高く、残水量が少ない場合（Ｉ）は、冷却水を循環させつつ反応ガスの供給量を増加させて急速暖機を実施する。燃料電池温度が低く、残水量が多い場合（ＩＩ）は、冷却水を循環させず、反応ガスの供給量を低下させた状態で急速暖機を実施する。燃料電池温度が低く、残水量が多い場合、および燃料電池温度が高く、残水量が少ない場合（ＩＩＩ）は、冷却水および反応ガスを循環させつつ急速暖機を実施する。このように、燃料電池スタックの温度と内部に滞留する水分量との兼ね合いから循環させる冷却水量を変化させることにより、燃料電池を良好に始動させることが可能である。
【００２７】
ステップＳ１０２にて氷点下用始動制御を実施した後は、ステップＳ１０３に進み、再度温度センサ６４により燃料電池スタック１内の温度Ｔ２が測定される。ステップＳ１０１と同様に、測定された温度Ｔ２は制御部６６へ入力され、制御部６６は温度Ｔ２が０度以上であるか否かを判定する。温度Ｔ２が０度より大きい場合にはステップＳ１０４へ進み、温度Ｔ２が０度以下である場合にはステップＳ１０２へ戻り氷点下用始動制御を継続する。すなわち、燃料電池スタック１の温度Ｔ２が０度を上回るまで、ステップＳ１０２の氷点下始動制御が行われ、温度Ｔ２が０度を超えたことで氷点下始動を終了する。
【００２８】
ステップＳ１０４では、制御部６６は、セルモニタ７０により検出される電圧値Ｖおよび電流値Ｉから出力値Ｗを算出し、出力値Ｗが要求出力値Ｗ０より大きいか否かを判定する。すなわち、燃料電池スタック１における各燃料電池セルが十分な発電を行っているか否かをその出力により判定する。出力値Ｗが要求出力値Ｗ０より大きい場合には十分な発電が行われていると判定しステップＳ１０９へ進み、常温始動制御へ切り替える。一方、出力値Ｗが要求出力値Ｗ０以下である場合には、温度が０度を超えたことで水が生じ、その水が燃料電池セル内に滞留していると判断し、ステップＳ１０５へ進む。要求出力値Ｗ０とは任意に設定可能な値であり、低温始動制御から常温始動制御にスムーズに切り替えが可能なセル状態での出力値、本実施形態に係る燃料電池スタック１では、例えば１．５ｋＷなどに設定される。
【００２９】
ステップＳ１０５では、圧力センサ４２によりカソード極の入口側圧力Ｐ１が測定され、制御部６６へ入力される。
【００３０】
ステップＳ１０６にて制御部６６は、カソード極の出口側圧力を調整する背圧弁４５を閉弁し、カソード極の圧力を上昇させる。
【００３１】
ステップＳ１０７では、閉弁後のカソード極入口側圧力Ｐ２が測定され、制御部６６へ入力される。制御部６６は、閉弁前の圧力Ｐ１と閉弁後の圧力Ｐ２と圧力変動幅αを比較し、Ｐ２＞Ｐ１＋αを満たすかどうかを判定する。すなわち、Ｐ２が閉弁前の圧力Ｐ１からαｋＰａ上昇したかどうかを判定する。Ｐ２＞Ｐ１＋αを満たせばステップＳ１０８に進み、満たさなければステップＳ１０７を繰り返し、Ｐ２＞Ｐ１＋αまで待つ。ここで、αは任意に設定することが可能であり、燃料電池スタック１の構造などによっても異なるため、対象とする燃料電池スタック１について、実験を行い、適切な値を決定することが好ましい。
【００３２】
また図４（ａ）に示すように、予め圧力変動幅αと出力回復量との関係を測定、マップ化しておき、出力量の不足分（Ｗ１−Ｗ）と該マップから必要な圧力変動幅αを算出することも可能である。すなわち、出力の不足分が大きいときに圧力変動幅αを大きくすることで水の効果的な排出が行える。
【００３３】
ステップＳ１０８では、制御部６６は背圧弁４５を開弁し、カソード極の圧力を開放する。このとき、制御部６６はカソード極の圧力が基準圧力値Ｐ０以下まで低下しないよう背圧弁４５を制御する。すなわち、基準圧力値Ｐ以上を維持した状態で、背圧弁４５を開閉することによりカソード極に圧力脈動を加える。なお、基準圧力値Ｐとは、燃料電池セル内部に一定の反応ガスを供給するために必要な圧力値を指し、任意に設定することが可能である。
【００３４】
図示のように、燃料電池スタック１のカソード極の出口に圧力センサを設けておき、カソード極の出口における圧力が基準圧力値Ｐ以下にならないように、背圧弁４５の開弁を制御する。ただし、カソード極におけるガス圧について所定の脈動が与えられるように開弁は急激に行うことが好適である。
【００３５】
ここで、水が多く滞留している場合には、出力回復のために、なるべく大きな圧力変化を与えたいという要求がある。しかし、カソード極におけるガス圧力をあまり高くすることはできない。そこで、大きな圧力変化幅を得る場合には、下限圧力となる基準圧力値Ｐを比較的低く設定することになる。燃料電池セルにおいて十分な反応を生起するためには十分な反応ガスが必要であり、比較的高い圧力とすることが好適である。
【００３６】
そこで、出力回復に必要な圧力変動幅を算出し、該圧力変動幅が大きいときには、高い上限圧力、低い下限圧力を用いて、圧力変動幅を大きくするが、出力に必要な圧力変動幅が比較的小さいときには、基準圧力値Ｐ０を高くして、圧力変動幅を小さくすることが好適である。また、出力に必要な圧力変動幅が比較的小さいときに、上限圧力を低く、下限圧力を高く変更してもよい。
【００３７】
このようにして、カソード極に脈動を与える際に、反応ガスの量の減少を抑制して、カソード極における反応を十分なものに維持することができる。
【００３８】
なお、対象とするシステムにおいて、背圧弁４５を閉じた際に、どのくらい圧力が上昇するかは実験等によって推定することができる。そこで、Ｓ１０７における処理を一定時間経過したかという処理にすることも可能である。
【００３９】
いずれにしても、背圧弁４５を周期的に開閉することでカソード極の圧力を周期的に上下することで、カソード極に溜まった水を効果的に排出することができる。
【００４０】
図４（ｂ）にはステップＳ１０６からステップＳ１０８における圧力変動の様子を示す。閉弁前の大気開放状態から、ステップＳ１０６にて背圧弁４５を閉弁することにより圧力を上昇させる。圧力変動幅αｋＰａ分上昇させた後、ステップＳ１０８にて背圧弁４５を開弁することにより圧力を低下させるが、このとき基準圧力値Ｐを下回らない程度に圧力を低下させることが好ましい。氷点下始動後であって、０度を超過した際に圧力を基準圧力値Ｐ以下まで低下させた場合には、セル内部の反応ガス量が低下するために出力回復が不十分となり、性能低下を引き起こすおそれがある。圧力低下時においても基準圧力値Ｐを下回らないように圧力に脈動を加えることで、効率的な出力回復が可能となる。
【００４１】
ステップＳ１０５からＳ１０８にて出力回復制御を実施した後は、ステップＳ１０４へ戻る。出力値Ｗが要求出力値Ｗ０を満たしていない場合には出力回復制御（ステップＳ１０５からＳ１０８）を繰り返し、ステップＳ１０４において、出力Ｗが要求出力値Ｗ０を超えた時点でステップＳ１０９の常温始動制御へ移行する。
【００４２】
図５に、本発明の実施の形態における燃料電池システムを備え、該燃料電池システムの制御方法を実施した場合（実施時）と、実施しなかった場合（未実施時）とを比較して、燃料電池の出力値および温度をグラフに示す。氷点下始動開始後、Ａ秒経過しすると燃料電池温度が０度を超える。この時点で燃料電池の出力値Ｗが要求出力値Ｗ０以下であった場合に先に述べた出力回復制御（図３におけるステップＳ１０５からＳ１０８）が実施される。Ａ秒経過後において、本発明の制御を実施した場合は未実施の場合に比べて出力および温度が急激に上昇しており、その後の回復具合も格段に向上することが分かる。実施の形態に係る制御を実施した場合（ステップＳ１０５からＳ１０８までの出力回復制御を１サイクル実施した場合）には、実施しなかった場合に比べて、出力向上時間および温度上昇時間が約２０％短縮できることが確認された。
【００４３】
また、変形例として、ステップＳ１０６からＳ１０８にてカソード極の圧力を変化させる際に、コンプレッサ４１を調整することにより空気の圧縮率を変化させることも可能である。コンプレッサ４１の回転数を変化させて、０度超過後に酸化剤ガスの流量を急激に増減させることによっても、背圧弁４５の開閉時と同様に圧力脈動を加えることができ、排水性向上、出力向上、燃料電池セルの温度向上などの効果が得られる。なお、背圧弁４５とともにコンプレッサ４１を制御してカソード極入口側の圧力を上昇させることも可能であり、カソード極の入口側と出口側の圧力増減量や増減時間、タイミングを調整することでより効率的に圧力脈動を加えて出力、排水性、温度の向上を図ることができる。
【００４４】
以上、本実施の形態による燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法によれば、氷点下始動時に燃料電池内部にて凍結している水を、解凍された段階で速やかに排出することが可能である。０度を超えた時点で圧力を増減し脈動を加えることにより、単にガスを流動させるだけでなく圧力の勾配を利用して効率的にガス流動を行うことができる。これによりガス流路内に滞留する水と共に、触媒層内、拡散層内で滞留しガス流路を閉塞している水も確実に排出することが可能となる。また、ガス圧力の増加に伴い燃料電池セル内の温度が上昇するため、暖機効果も得られる。本発明による効果は圧力脈動時のみならず、その後の燃料電池稼動時の排水性能、セル温度および出力の向上も得られ、短時間での性能回復が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池スタック、１０  燃料電池セル、１２  電解質膜、１４  アノード触媒層、１６  カソード触媒層、１８  アノード拡散層、２０  カソード拡散層、２１，２３  矢印、２２  膜電極接合体、２５  セパレータ、２６  燃料ガス流路、２８  酸化剤ガス流路、３０  生成水、３２  フィルタ、４０  燃料電池システム、４１  コンプレッサ、４２  圧力センサ、４３  希釈器、４５  背圧弁、４６  水素タンク、４７  シャットバルブ、４８  レギュレータ、４９  バルブ、５０  加圧ポンプ、５１，５２，５３，５４，５５，５６  配管、６０  ポンプ、６２  ラジエータ、６４  温度センサ、６６  制御部、６８  イグニッションスイッチ、７０  セルモニタ。
【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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【国際調査報告】
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