(57)【要約】【課題】  燃料電池システムのシステム効率の低下を抑制しつつ、低温運転時のフラッディング現象に基づく出力低下を防止した燃料電池システムを提供する。【解決手段】  コントロールユニット５０のガス流量制御手段により、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度が所定温度以下のとき、燃料電池スタック１の温度と該所定温度との差に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げ、燃料電池スタック１の温度が該所定温度に達した時に該ガス流量が通常発電時のガス流量となるように、燃料電池スタック１の温度の上昇と共に該ガス流量を下げる制御を行う。【選択図】    図１
2007035567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の温度を検出または予測する温度検知手段と、
前記温度検知手段に基づく前記燃料電池の温度が所定温度以下のとき、前記燃料電池の温度と前記所定温度との差に基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を通常発電時よりも上げ、前記燃料電池の温度が前記所定温度に達した時に該ガス流量が通常発電時のガス流量となるように、前記燃料電池の温度上昇と共に該ガス流量を下げるガス流量制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
起動時に、前記温度検知手段に基づく前記燃料電池の温度が零度以下であって零下発電を行うとき、前記ガス流量制御手段は、該零下発電時の前記燃料電池の取り出し負荷の積分値に基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を通常発電時よりも上げ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。
【請求項３】
起動時に、前記温度検知手段に基づく前記燃料電池の温度が零度以下であって零下発電を行うとき、前記ガス流量制御手段は、該零下発電の起動開始における前記燃料電池の温度に基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を通常発電時よりも上げ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。
【請求項４】
前記燃料電池を加熱する加熱手段を有し、
前記ガス流量制御手段は、前記零下発電において前記加熱手段を使用したか否かに基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を変化させることを特徴とする請求項２または請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス流量制御手段は、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の前記燃料電池の取り出し負荷に基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を通常発電時よりも上げることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス流量制御手段は、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる前記燃料電池の温度、該パージにおけるパージガス流量、或いは、該パージの継続時間の何れかに基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を通常発電時よりも上げることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス流量制御手段は、零下発電時の前記燃料電池の取り出し負荷の積分値、零下発電の起動開始における前記燃料電池の温度、零下発電において前記加熱手段を使用したか否か、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の前記燃料電池の取り出し負荷、或いは、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる前記燃料電池の温度、該パージにおけるパージガス流量、若しくは、該パージの継続時間の何れかに基づき、前記所定温度を変えることを特徴とする請求項２〜請求項６の何れか１項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に係り、特に、燃料電池システムのシステム効率の低下を抑制しつつ、低温運転時のフラッディング現象に基づく出力低下を防止した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。
【０００４】
このように、固体高分子膜は飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能すると共に、水素と酸素とを分離する機能も有するが、固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。したがって、固体高分子電解質型の燃料電池システムでは、外部から水分を供給して積極的に固体高分子膜を加湿する必要があり、例えば燃料電池スタックに供給される酸化ガスを加湿する等、何らかの加湿手段が設けられている。
【０００５】
ただし、運転条件等によっては、加湿された酸化ガスに含まれる水分の一部が凝縮して水滴となったり、更には空気極において生ずる生成水が残留して液滴となり、これらが電極表面に付着して、燃料電池スタック内での水溢れ（いわゆるフラッディング）を引き起こす場合がある。フラッディングは、電極表面に付着した水滴によって電極へのガスの拡散が阻害される現象であり、電圧低下や出力低下の原因となる。
【０００６】
このような問題を解決するものとして、特開２０００−１０６２０６号公報に開示の「燃料電池システム」では、燃料電池システムの運転開始後の比較的早期段階に発生する燃料電極側での急激なフラッディング現象に基づく出力低下の問題を解消するため、電解質膜の雰囲気温度が低く、燃料電池に対する出力要求が所定より大きいときに、反応制限手段により燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を制限（燃料ガスの供給量を制限）し、また、昇温手段により電解質膜の雰囲気温度を上昇させるようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１０６２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、フラッディング発生時に負荷を制限しているのでフラッディングを防止することはできるが、負荷に伴う反応熱が低下してしまうため燃料電池スタックの昇温が遅くなり、迅速な起動ができない。
【０００８】
また加熱手段によりフラッディング防止を実施しているが、加熱にエネルギが必要となるため燃料電池システムの効率が低下するという事情があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムのシステム効率の低下を抑制しつつ、低温運転時のフラッディング現象に基づく出力低下を防止し得る燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の温度を検出または予測する温度検知手段と、前記温度検知手段に基づく前記燃料電池の温度が所定温度以下のとき、前記燃料電池の温度と前記所定温度との差に基づき、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を通常発電時よりも上げ、前記燃料電池の温度が前記所定温度に達した時に該ガス流量が通常発電時のガス流量となるように、前記燃料電池の温度上昇と共に該ガス流量を下げるガス流量制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の温度が低い場合は燃料ガスまたは酸化剤ガスの少なくとも一方のガス流量を上げることでフラッディングを防止することができ、燃料電池スタックの温度上昇とともに該ガス流量を下げているので、フラッディング防止に必要となる燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量増大を最小限に抑制することができる。結果として、燃料電池の負荷を下げることなくフラッディングを解消しているので、燃料電池の温度が低い状態から、より迅速に燃料電池の温度を上昇させることができ、さらに、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものである。
【００１４】
本実施例の燃料電池システムの概略的構成は、図１に示すように、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック１を備える。なお、燃料電池スタック１の単位セルの概念図を図２に示す。
【００１５】
また、酸化剤ガス供給手段の一部として、酸化剤ガス供給配管１３および酸化剤ガス排出配管１５を備え、燃料ガス供給手段の一部として、燃料ガス供給配管６および燃料ガス排出配管１０を備えている。また、負荷系として負荷制御ユニット６０を備え、さらに制御系として、各構成要素の制御を行うコントロールユニット５０を備えた構成である。
【００１６】
次に、燃料電池スタック１および各系について詳しく説明する。まず、燃料電池スタック１は、酸化剤ガスが供給される酸化剤極と燃料ガスが供給される燃料極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、図２に示すような構成の燃料電池単セルを複数枚積層したものから成っており、燃料電池スタック１の外部の燃料ガス供給手段から供給された燃料ガスと酸化剤ガス供給手段から供給された酸化剤ガスとが、それぞれ燃料ガス流路１０９と酸化剤ガス流路１１０とに供給され、電気化学反応により発電する。
【００１７】
図２において、燃料電池単セル１００は、例えば、固体高分子膜からなる高分子電解質膜１０２の両面に燃料極１０３および酸化剤極１０４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）と、該ＭＥＡの両面にそれぞれ配置された燃料極拡散層１０５および酸化剤極拡散層１０６と、セパレータ１０７，１０８とを有し、セパレータ１０７と燃料極拡散層１０５との間に燃料ガス流路１０９が、セパレータ１０８と酸化剤極拡散層１０６との間に酸化剤ガス流路１１０がそれぞれ設けられた構造を備えている。
【００１８】
高分子電解質膜１０２は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この膜の両面に配設される２つの電極は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層とガス拡散層からなり、触媒の存在する面が高分子電解質膜１０２と接触するように形成されている。ガス流路１０９，１１０は、ガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。
【００１９】
燃料電池スタック１は、以上説明したスタック構造を有して、水素（燃料ガス）と空気中の酸素（酸化剤ガス）とを基にした電気化学反応により、化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。燃料極に水素ガスが、酸化剤極に空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００２０】
（数１）
燃料極    ：      ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-                   （１）
（数２）
酸化剤極  ：      ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ           （２）
すなわち、燃料極１０３に燃料が供給されると、燃料極１０３では式(１)の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型燃料電池の場合は固体高分子電解質膜１０２）を透過（拡散）して酸化剤極１０４に至り、この酸化剤極１０４に酸素含有ガス（例えば空気）が供給されていると、酸化剤極１０４では式(２)の反応式が進行する。これら式(１)および式(２)の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【００２１】
次に、燃料電池スタック１で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極や酸化剤極に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系（燃料ガス供給手段）および空気供給系（酸化剤ガス供給手段）が設けられている。図３に、水素供給系、空気供給系および冷却機構の具体的構成を例示する。
【００２２】
水素供給系は、例えば、水素タンク４、圧力制御弁５、水素供給流路（燃料ガス供給配管）６、エゼクタ７を備える。そして、水素供給源である水素タンク４から供給される水素が、圧力制御弁５で減圧され、水素供給流路６およびエゼクタ７を通って燃料電池スタック１の燃料極に送り込まれるようになっている。燃料電池スタック１の燃料極圧力は圧力センサ８によって検出され、コントロールユニット５０が圧力センサ８の検出値をフィードバックして圧力制御弁５の動作を制御することで、燃料電池スタック１の燃料極圧力が所望の圧力に保たれる。
【００２３】
燃料電池スタック１では、供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素）は、新たに水素タンク４から供給されて水素供給流路６を流れる水素とエゼクタ７にて混合されて、再度燃料電池スタック１の燃料極に供給される。このため、燃料電池スタック１の燃料極出口側には水素循環流路９が接続されており、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素が水素循環流路９を通ってエゼクタ７に環流されるようになっている。エゼクタ７は、水素供給流路６を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素循環流路９を流れる水素を循環させる。
【００２４】
また、燃料電池スタック１の燃料極出口側には、水素循環流路９から分岐するようにして、燃料電池スタック１の燃料極からの水素を空気排出流路１５の圧力制御弁１６の下流へ導入するための水素排気流路（燃料ガス排出配管）１０が接続されており、この水素排気流路１０の水素循環流路９との分岐位置の下流側にパージ弁１１が設けられている。このパージ弁１１は、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素の流路を切り替える機能を有するものであり、水素パージを行う際に開放されて、燃料電池スタック１の燃料極から排出される水素が、水素排気流路１０を介して空気排出流路１５の圧力制御弁１６下流へ導入される。この導入部には図示せぬ水素拡散器により、水素系からパージされた水素は空気系内に希釈されて外部に排出される。
【００２５】
また、上述したように、水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がると供に、循環ガスの平均質量が増加するため、エゼクタ７での水素循環流量が低下するので、このような場合には、パージ弁１１を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路８から系外に排出する。
【００２６】
一方、空気供給系は、外気を吸入して燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を圧送するためのコンプレッサ１２および空気供給流路（酸化剤ガス供給配管）１３を備え、コンプレッサ１２によって空気供給流路１３内に空気が送り込まれて、燃料電池スタック１の酸化剤極へと供給されるようになっている。空気供給流路１３には、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサ１２から排出されるオイル等をトラップするフィルタ１４が設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極には、このフィルタ１４で清浄化され、さらに加湿器１７によって加湿された空気が供給されることになる。
【００２７】
また、燃料電池スタック１の酸化剤極出口側には、当該燃料電池スタック１から空気を排出するための空気排気流路（酸化剤ガス排出配管）１５が接続されており、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素および空気中の他の成分は、空気排気流路１５を通して系外に排出されるようになっている。なお、燃料電池スタック１で生成した水分は水分凝縮装置１８によって回収される。
【００２８】
また、空気排気流路１５には圧力制御弁１６が設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力は圧力センサ１９によって検出され、コントロールユニット５０が圧力センサ１９の検出値をフィードバックして圧力制御弁１６の動作を制御することで、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。
【００２９】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を冷却する冷却機構が設けられている。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液循環流路３３および冷却液ポンプ３４を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック１を冷却し、これを最適な温度に維持する。
【００３０】
冷却機構の冷却液循環流路３３中には、ラジエータ３５が設けられている。ラジエータ３５は、コントロールユニット５０によって動作制御される図示しないラジエータファンにより、ラジエータ出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整する。また、ラジエータ３５と並列にバイパス流路３６が設けられると共に、分岐部分にサーモスタット三方切り替え弁３７が設けられており、冷却液の温度に応じてこの三方切り替え弁３７が動作することで冷却液の流路が切り替えられる。なお、三方切り替え弁３７が冷却液の流路を切り替える温度は、例えば５０℃に設定される。
【００３１】
また、燃料電池スタック１の冷却液入口および冷却液出口には、それぞれ温度センサ４１，４２が設置されており、燃料電池スタック１に入る前の冷却液温度が温度センサ４１により検出され、燃料電池スタック１から出た直後の冷却液温度が温度センサ４２により検出される。これら温度センサ４１，４２の検出値はコントロールユニット５０に送られ、燃料電池スタック１に設置された温度センサ３の検出値と共に、燃料電池スタック１の冷却制御に用いられる。
【００３２】
コントロールユニット５０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されている。また、燃料電池スタック１にはセル電圧センサ２および温度センサ（温度検知手段）３が付設されており、コントロールユニット５０は、これら各種センサおよび他の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。
【００３３】
コントロールユニット５０は、構成要素としてガス流量制御手段を備えているが、これはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、ガス流量制御手段は、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度が所定温度以下のとき、燃料電池スタック１の温度と該所定温度との差に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げ、燃料電池スタック１の温度が該所定温度に達した時に該ガス流量が通常発電時のガス流量となるように、燃料電池スタック１の温度上昇と共に該ガス流量を下げる制御を行う。
【００３４】
例えば、燃料電池スタック１を燃料電池車両の動力源として使用する場合、キーオン後に速やかな負荷取り出しが要求されるが、起動時の燃料電池スタック１の温度が比較的低い場合は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの飽和蒸気圧が低いため、上記反応により生成した水分が蒸発せずに酸化剤極１０４内に残留するため、酸化剤極１０４での酸化剤ガスの拡散を阻害して式（２）の反応が阻害され、燃料電池スタック１の電圧が低下する、いわゆるフラッディングが発生しやすくなる。
【００３５】
そこで、本実施例では、燃料電池システム起動時の燃料電池スタック１の温度が比較的低い場合は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流量を上げ、燃料電池スタック１の温度が上昇すると、ガス流量を通常発電時の流量に戻すことで、フラッディングを防止すると共に燃料電池スタック１からの迅速な負荷取り出しを実現し、またガス流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を抑制している。
【００３６】
次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図４〜図６を参照しながら説明する。ここで、図４は本実施例の燃料電池システムの運転制御を説明するフローチャート、図５は実施例１における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図、図６は酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係について実施例１と従来例とを対比して例示する説明図である。
【００３７】
まず、コントロールユニット５０は、温度センサ（温度検知手段）３により燃料電池スタックの温度を検知してスタック温度Ｔstackを取得する（ステップＳ１０１）。
【００３８】
次に、このスタック温度Ｔstackを所定温度Ｔsetと比較して（ステップＳ１０２）、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔset以上のときには、ステップＳ１０６に進んで通常発電制御に移行する。また、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに満たないときには、ステップＳ１０３に進んで酸化剤ガス流量制御を開始する。
【００３９】
酸化剤ガス流量制御を開始（ステップＳ１０３）して、所定時間経過したら再びスタック温度Ｔstackを取得（ステップＳ１０４）して、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したか否かを判断する（ステップＳ１０５）。スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔset以上のときには、ステップＳ１０６に進んで通常発電制御に移行し、また、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達していないときには、ステップＳ１０３に戻って酸化剤ガス流量制御を継続する。
【００４０】
図５を参照して具体的に説明すると、例えば、燃料電池スタック１を燃料電池車両の動力源として使用する場合、キーオン後に負荷取り出しが要求されるが、図５（ａ）に示すように、起動時のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetよりも低い場合は、酸化剤ガス流量制御（ステップＳ１０３）が開始される。酸化剤ガス流量制御では、図５（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackと所定温度Ｔsetの差に基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００４１】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントロールユニット５０のガス流量制御手段は、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが所定温度Ｔset以下のとき、燃料電池スタック１の温度Ｔstackと該所定温度Ｔsetとの差に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げ、燃料電池スタック１の温度Ｔstackが該所定温度Ｔsetに達した時に該ガス流量が通常発電時のガス流量となるように、燃料電池スタック１の温度Ｔstackの上昇と共に該ガス流量を下げる制御を行う。
【００４２】
燃料電池システム起動時の燃料電池スタック１の温度Ｔstackが低い場合、酸化剤極反応面で水分が過剰となり、図６（ｂ−２）に示すように、燃料電池スタック１の電圧が急激に低下する現象、いわゆるフラッディングが発生しやすくなるが、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を上げることで、図６（ａ−２）に示すように、燃料電池スタック１の電圧をほぼ一定に保ってフラッディングを解消することができる。
【００４３】
また、燃料電池スタック１は、発電することによりスタック温度Ｔstackが上昇し、スタック温度Ｔstackが高いほどフラッディングは解消されるので、スタック温度Ｔstackの上昇とともに（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を下げることで、フラッディングの解消に必要となる（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量増加を最小限に抑制することができる。
【００４４】
したがって、燃料電池スタック１の負荷を下げることなくフラッディングを解消できるため、燃料電池スタック１の温度Ｔstackが低い状態から、より迅速に通常の運転温度まで燃料電池スタック１の温度Ｔstackを上昇させることができる。また、温度上昇とともに（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を下げているので、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【実施例２】
【００４５】
次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１，図２および図３）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００４６】
ただし、起動時に、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下であって零下発電を行うとき、コントロールユニット５０のガス流量制御手段において、該零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げる点が実施例１とは異なる。
【００４７】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図７〜図９を参照しながら説明する。ここで、図７は本実施例の燃料電池システムの運転制御を説明するフローチャート、図８は零下発電前後の負荷の変化と零下発電時の負荷の積分値を例示する説明図、図９は実施例２における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【００４８】
まず、コントロールユニット５０は、温度センサ（温度検知手段）３により燃料電池スタックの温度を検知してスタック温度Ｔstackを取得する（ステップＳ２０１）。
【００４９】
次に、このスタック温度Ｔstackを氷点（０℃）と比較して（ステップＳ２０２）、スタック温度Ｔstackが氷点（０℃）以上のときには、ステップＳ２０６に進み、また、スタック温度Ｔstackが氷点（０℃）に満たないときには、ステップＳ２０３に進んで零下発電制御を開始する。
【００５０】
零下発電制御を開始（ステップＳ２０３）して、所定時間経過したら再びスタック温度Ｔstackを取得（ステップＳ２０４）して、スタック温度Ｔstackが氷点（０℃）に達したか否かを判断する（ステップＳ２０５）。スタック温度Ｔstackが氷点（０℃）以上のときには、ステップＳ２０６に進み、また、スタック温度Ｔstackが氷点（０℃）に達していないときには、ステップＳ２０３に戻って零下発電制御を継続する。
【００５１】
次に、ステップＳ２０６では、スタック温度Ｔstackを所定温度Ｔsetと比較して、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔset以上のときには、ステップＳ２１０に進んで通常発電制御に移行する。また、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに満たないときには、ステップＳ２０７に進んで酸化剤ガス流量制御を開始する。
【００５２】
酸化剤ガス流量制御を開始（ステップＳ２０７）して、所定時間経過したら再びスタック温度Ｔstackを取得（ステップＳ２０８）して、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したか否かを判断する（ステップＳ２０９）。スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔset以上のときには、ステップＳ２１０に進んで通常発電制御に移行し、また、スタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達していないときには、ステップＳ２０７に戻って酸化剤ガス流量制御を継続する。
【００５３】
一般的に、起動時に、燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下のときには、図８に示すように、零下発電を行った後、スタック温度Ｔstackが氷点に達してから通常発電に移行する。このような零下発電を行う場合、本実施例では、図９に示すように、酸化剤ガス流量制御（ステップＳ２０７）の後に通常発電に移行するようにしている。
【００５４】
すなわち、図９（ａ−１）に示すように、零下起動完了後の発電開始時に酸化剤ガス流量制御（ステップＳ２０７）が開始される。酸化剤ガス流量制御では、図９（ｂ−１）に示すように、零下発電時の零下発電を開始してから燃料電池スタック１の温度Ｔstackが氷点（０℃）に達するまでの燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値（図８中のＡ）に基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００５５】
なお、図９（ａ−２）および（ｂ−２）に示すように、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａが大きいほど、燃料電池スタック１の温度が氷点（０℃）に達した後の酸化剤ガス流量を大きく設定している。
【００５６】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、起動時に、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下であって零下発電を行うとき、コントロールユニット５０のガス流量制御手段において、該零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａに基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げるようにしている。
【００５７】
燃料電池スタック１を零下から起動させた後は、燃料電池スタック１の電極により多くの水分が蓄積されているため、燃料電池スタック１の温度が氷点以上の比較的低い温度である場合はフラッディングが発生しやすくなる。また、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａが大きいほど、零下発電により生成した水分が多いことから、酸化剤極に蓄積されている水分がより多く、零下発電後のフラッディングが発生しやすくなる。
【００５８】
本実施例では、燃料電池スタック１の零下発電時の取り出し負荷の積分値Ａに基づき、零下発電によって燃料電池スタック１の電極に蓄積された水分を予測し、該取り出し負荷の積分値Ａに基づいて（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を制御する（上げる）ことで、零下発電後に酸化剤極に蓄積された水分量に基づいて（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を制御していることとなり、必要に応じた最低限の（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量に増大させることが可能となるので、より効果的にフラッディングを解消し、零下からの迅速な起動を可能にすると共に、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【実施例３】
【００５９】
次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１，図２および図３）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００６０】
ただし、起動時に、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下であって零下発電を行うとき、コントロールユニット５０のガス流量制御手段において、該零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げる点が実施例１とは異なる。
【００６１】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図１０を参照しながら説明する。ここで、図１０は実施例３における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。なお、動作制御の手順は実施例２（図７）と同一である。
【００６２】
本実施例では、図１０（ａ−１）に示すように、零下起動完了後の発電開始時に酸化剤ガス流量制御（図７のステップＳ２０７）が開始される。酸化剤ガス流量制御では、図１０（ｂ−１）に示すように、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstackに基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００６３】
なお、図１０（ａ−２）および（ｂ−２）に示すように、燃料電池スタック１の温度Ｔstackが低いほど、燃料電池スタック１の温度Ｔstackが氷点（０℃）に達した後の酸化剤ガス流量を大きく設定している。
【００６４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、起動時に、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下であって零下発電を行うとき、コントロールユニット５０のガス流量制御手段において、該零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstackに基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げるようにしている。
【００６５】
燃料電池スタック１の零下からの起動において、起動開始の燃料電池スタック１の温度Ｔstackにより燃料電池スタック１の零下での運転時間が変わり、燃料電池スタック１の電極に蓄積される水分量も変わることになる。つまり、零下発電開始温度が低いほど、氷点（０℃）に達するまでの時間が長くなるため、零下発電において酸化剤極に蓄積される水分量は多くなるので、零下発電後にフラッディングが発生しやすくなる。
【００６６】
本実施例では、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstackに基づき、零下発電によって燃料電池スタック１の電極に蓄積される水分量を予測評価し、該起動開始時の燃料電池スタック１の温度Ｔstackに基づいて（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を制御する（上げる）ことで、零下発電後に酸化剤極に蓄積された水分量に基づいて（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量を制御していることとなり、実施例２と比較してより簡素な制御手順で、必要に応じた最低限の（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量に増大させることが可能となるので、より効果的にフラッディングを解消し、零下からの迅速な起動を可能にすると共に、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【実施例４】
【００６７】
次に、本発明の実施例４に係る燃料電池システムについて説明する。図１１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、実施例４の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１，図２および図３）とほぼ同等であるが、コントロールユニット５１の制御の下で燃料電池スタック１を加熱する加熱手段７０を備えた点が異なる。なお、コントロールユニット５１は、実施例１のコントロールユニット５０と同様にマイクロコンピュータとして構成されている。
【００６８】
また、実施例２および実施例３と同様に、起動時に、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下のときに零下発電を行うが、コントロールユニット５１のガス流量制御手段において、零下発電において加熱手段７０を使用したか否かに基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を変化させる点が異なる。
【００６９】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図１２を参照しながら説明する。ここで、図１２は実施例４における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。なお、動作制御の手順は実施例２（図７）と同一である。
【００７０】
本実施例では、図１２（ａ−１）に示すように、零下起動完了後の発電開始時に酸化剤ガス流量制御（図７のステップＳ２０７）が開始される。酸化剤ガス流量制御では、零下発電時に加熱手段７０を使用しなかった場合には、図１０（ｂ−１）に示すように、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａ、或いは、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstackに基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００７１】
また、零下発電において加熱手段７０を使用した場合には、図１２（ａ−２）および（ｂ−２）に示すように、加熱手段７０を使用しなかった場合よりも酸化剤ガス流量を小さく設定して、同様のガス圧力制御を行う。
【００７２】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、起動時に、温度センサ（温度検知手段）３に基づく燃料電池スタック１の温度Ｔstackが零度以下であって零下発電を行うとき、コントロールユニット５０のガス流量制御手段において、零下発電時に加熱手段７０を使用したか否かに基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を変化させるようにしている。
【００７３】
燃料電池スタック１の零下からの起動においては、加熱手段７０による外部加熱の有無は燃料電池スタック１の零下での発電時間に大きく影響するので、外部加熱を使用したか否かによって（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を変化させることで、より最適なガス流量制御が可能となる。
【００７４】
つまり、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）制御因子として、実施例２および実施例３のような燃料電池スタックの電極に蓄積されている水分量のみではなく、加熱手段７０による外部加熱の有無も付加しているため、より緻密な制御が可能となる。
【実施例５】
【００７５】
次に、本発明の実施例５に係る燃料電池システムについて説明する。実施例５の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１，図２および図３）または実施例４の構成（図１１，図２および図３）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００７６】
ただし、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げる点が異なる。
【００７７】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図１３を参照しながら説明する。ここで、図１３は実施例５における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。なお、動作制御の手順は実施例１（図４）または実施例２（図７）と同一である。
【００７８】
本実施例では、図１３（ａ−１）に示すように、酸化剤ガス流量制御（図４のステップＳ１０３または図７のステップＳ２０７）が開始されると、図１３（ｂ−１）に示すように、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷、並びに、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackと所定温度Ｔsetの差（実施例１参照）、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａ（実施例２参照）、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstack（実施例３参照）、或いは、加熱手段７０による外部加熱の有無（実施例４参照）に基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００７９】
なお、図１３（ａ−２）および（ｂ−２）に示すように、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷が大きいほど、酸化剤ガス流量制御開始時の酸化剤ガス流量を大きく設定している。
【００８０】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントロールユニット５０または５１のガス流量制御手段は、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷に基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げるようにしている。
【００８１】
燃料電池スタック１に残留・蓄積される水分量は、前回発電時の負荷の状態（停止条件）により変動するので、前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷に基づき、該取り出し負荷が大きいほど（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を大きく上げることにより、必要に応じた最低限の（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量に増大させることが可能となるので、より効果的にフラッディングを解消し、零下または比較的低い温度からの迅速な起動を可能にすると共に、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【実施例６】
【００８２】
次に、本発明の実施例６に係る燃料電池システムについて説明する。実施例６の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１，図２および図３）または実施例４の構成（図１１，図２および図３）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００８３】
ただし、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、或いは、該パージの継続時間の何れかに基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げる点が異なる。
【００８４】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図１４を参照しながら説明する。ここで、図１４は実施例６における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。なお、動作制御の手順は実施例１（図４）または実施例２（図７）と同一である。
【００８５】
本実施例では、図１４（ａ−１）に示すように、酸化剤ガス流量制御（図４のステップＳ１０３または図７のステップＳ２０７）が開始されると、図１４（ｂ−１）に示すように、当該燃料電池システムの前回運転停止時の水素パージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、或いは、該パージの継続時間の何れか、並びに、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackと所定温度Ｔsetの差（実施例１参照）、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａ（実施例２参照）、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstack（実施例３参照）、加熱手段７０による外部加熱の有無（実施例４参照）、或いは、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷（実施例５参照）に基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００８６】
なお、図１４（ａ−２）および（ｂ−２）に示すように、前回運転停止時の水素パージによる燃料電池スタック１の温度が低いほど、また、該パージにおけるパージガス流量が少ないほど、また、該パージの継続時間が短いほど、酸化剤ガス流量制御開始時の酸化剤ガス流量を大きく設定している。
【００８７】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントロールユニット５０または５１のガス流量制御手段は、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、或いは、該パージの継続時間の何れかに基づき、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を通常発電時よりも上げるようにしている。
【００８８】
燃料電池スタック１に蓄積される水分量は、前回運転停止時のパージ条件により変動する。本実施例では、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、或いは、該パージの継続時間の何れかに基づき、前回運転停止時の水素パージによる燃料電池スタック１の温度が低いほど、また、該パージにおけるパージガス流量が少ないほど、また、該パージの継続時間が短いほど、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスの（少なくとも一方の）ガス流量を大きく上げることにより、必要に応じた最低限の（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量に増大させることが可能となるので、より効果的にフラッディングを解消し、零下または比較的低い温度からの迅速な起動を可能にすると共に、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【実施例７】
【００８９】
次に、本発明の実施例７に係る燃料電池システムについて説明する。実施例７の燃料電池システムの構成は、実施例４の構成（図１１，図２および図３）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。
【００９０】
ただし、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａ（実施例２参照）、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度（実施例３参照）、零下発電において加熱手段７０を使用したか否か（実施例４参照）、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷（実施例５参照）、或いは、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、若しくは、該パージの継続時間（実施例６参照）の何れかに基づき、所定温度Ｔsetを変える点が異なる。
【００９１】
次に、本実施例の燃料電池システムの運転時の動作について、図１５を参照しながら説明する。ここで、図１５は実施例７における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。なお、動作制御の手順は実施例２（図７）と同一である。
【００９２】
本実施例では、図１５（ａ−１）に示すように、零下起動完了後の発電開始時に酸化剤ガス流量制御（図７のステップＳ２０７）が開始される。酸化剤ガス流量制御では、図１５（ｂ−１）に示すように、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackと所定温度Ｔsetの差（実施例１参照）、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａ（実施例２参照）、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度Ｔstack（実施例３参照）、加熱手段７０による外部加熱の有無（実施例４参照）、或いは、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷（実施例５参照）、或いは、当該燃料電池システムの前回運転停止時の水素パージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、若しくは、該パージの継続時間（実施例６参照）の何れかに基づき、発電開始時の酸化剤ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定し、該酸化剤ガス流量に相応する酸化剤極圧力が設定されて、圧力センサ１９の検出値フィードバックによる圧力制御弁１６の制御により、燃料電池スタック１の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。その後、燃料電池スタック１の温度は発電継続とともに上昇していくが、酸化剤ガス流量は燃料電池スタック１の温度上昇とともに低下させ、燃料電池スタック１のスタック温度Ｔstackが所定温度Ｔsetに達したときに通常運転時の酸化剤ガス流量となるように制御する。
【００９３】
なお、本実施例では、例えば、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａが図１５（ａ−１）および（ｂ−１）よりも大きい場合には、図１５（ａ−２）に示すように、所定温度Ｔsetより高い所定温度Ｔset’を設定し、また図１５（ｂ−２）に示すように、酸化剤ガス流量制御開始時の酸化剤ガス流量もより大きな値に設定される。
【００９４】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントロールユニット５０または５１のガス流量制御手段は、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａ（実施例２参照）、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度（実施例３参照）、零下発電において加熱手段７０を使用したか否か（実施例４参照）、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷（実施例５参照）、或いは、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる燃料電池スタック１の温度、該パージにおけるパージガス流量、若しくは、該パージの継続時間（実施例６参照）の何れかに基づき、所定温度Ｔsetを変えるようにしている。
【００９５】
燃料電池スタック１に蓄積される水分量によって、フラッディングが発生する燃料電池スタック１の温度は変動するため、上記諸量に応じて所定温度Ｔsetを変えることにより、必要に応じた最低限の（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量に増大させることが可能となるので、より効果的にフラッディングを解消し、零下または比較的低い温度からの迅速な起動を可能にすると共に、（燃料ガスまたは）酸化剤ガスのガス流量増大に伴う燃料電池システムの効率低下を最小限に抑制することができる。
【００９６】
すなわち、零下発電時の燃料電池スタック１の取り出し負荷の積分値Ａが大きいほど（実施例２参照）所定温度をより高く設定すると共にガス流量を上げ、また、零下発電の起動開始における燃料電池スタック１の温度が低いほど（実施例３参照）所定温度をより高く設定すると共にガス流量を上げ、零下発電において加熱手段７０を使用した場合には（実施例４参照）所定温度をより低く設定すると共にガス流量をより低く設定し、当該燃料電池システムの前回運転時における停止直前の燃料電池スタック１の取り出し負荷が高いほど（実施例５参照）所定温度をより高く設定すると共にガス流量を上げ、さらに、当該燃料電池システムの前回運転停止時のパージによる燃料電池スタック１の温度が低いほど、該パージにおけるパージガス流量が少ないほど、若しくは、該パージの継続時間が短いほど（実施例６参照）所定温度をより高く設定すると共にガス流量を上げるようにすることにより、発電開始前から酸化剤極に蓄積されている水分量を元に、ガス流量と所定温度の両方を制御しているので、より最適な制御が可能となり、より確実にフラッディングを回避することができる。
【００９７】
〔変形例〕
以上説明した各実施例においては、燃料電池スタック１の温度Ｔstackを検出または予測する温度検知手段として、温度センサ３を用いたが、コントロールユニット５０内に燃料電池スタック１の温度Ｔstackを予測する温度予測手段を備えた構成としても良い。この場合、燃料電池スタック１の温度Ｔstackを予測する手法としては、公知のものを用いれば良く、例えば、燃料電池スタック１の発熱量および冷却機構の冷却性能に基づき予測する手法、燃料電池スタック１の電圧または電流に基づき予測する手法、燃料電池スタック１の冷却液出口の冷却液温度に基づき予測する手法、或いは、冷却液ポンプ３４の運転状態に基づき予測する手法など、種々の手法が考えられる。
【００９８】
また、各実施例では、コントロールユニット５０のガス流量制御手段において、燃料電池スタック１の温度Ｔstackが所定温度Ｔset以下のときに、酸化剤ガスのガス流量を制御する（図４のステップＳ１０３および図７のステップＳ２０７）ようにしたが、それぞれの実施例において括弧書きで示したように、燃料ガスのガス流量を制御するようにしても良い。この場合、発電開始時の燃料ガス流量を（通常発電時の流量よりも大きいガス流量に）決定すると、該燃料ガス流量に相応する燃料極圧力が設定されて、圧力センサ８の検出値フィードバックによる圧力制御弁５の制御により、燃料電池スタック１の燃料極圧力が所望の圧力に保たれることとなる。
【００９９】
さらに、ガス流量制御をガス圧力制御によって実現したが、直接的にガス流量制御を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池スタック１の単位セルの概念図である。
【図３】水素供給系、空気供給系および冷却機構の具体的構成を例示する構成図である。
【図４】実施例１の燃料電池システムの運転制御を説明するフローチャートである。
【図５】実施例１における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【図６】酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係について実施例１と従来例とを対比して例示する説明図である。
【図７】実施例２の燃料電池システムの運転制御を説明するフローチャートである。
【図８】零下発電前後の負荷の変化と零下発電時の負荷の積分値を例示する説明図である。
【図９】実施例２における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【図１０】実施例３における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【図１１】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成図である。
【図１２】実施例４における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【図１３】実施例５における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【図１４】実施例６における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【図１５】実施例７における酸化剤ガス流量変化と燃料電池スタック温度の関係を例示する説明図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１    燃料電池スタック
２    セル電圧センサ
３    温度センサ
４    水素タンク
５，１６，３１    圧力制御弁
６    水素供給流路（燃料ガス供給配管）
７    エゼクタ
８，１９，３０    圧力センサ
９    水素循環流路
１０    水素排気流路（燃料ガス排出配管）
１１    パージ弁
１２    コンプレッサ
１３    空気供給流路（酸化剤ガス供給配管）
１４    フィルタ
１５    空気排気流路（酸化剤ガス排出配管）
１７    加湿器
１８    水分凝縮装置
３３    冷却液循環流路
３４    冷却液ポンプ
３５    ラジエータ
３６    バイパス流路
３７    サーモスタット三方切替弁
３９    イオンフィルタ
４１，４２    温度センサ
５０．５１    コントロールユニット（制御手段）
６０    負荷制御ユニット
７０    加熱手段
１００    燃料電池単セル
１０２    高分子電解質膜
１０３    燃料極
１０４    酸化剤極
１０５    燃料極拡散層
１０６    酸化剤極拡散層
１０７，１０８    セパレータ
１０９    燃料ガス流路
１１０    酸化剤ガス流路
【図１】
2007035567.tif 000003
【図２】
2007035567.tif 000004
【図３】
2007035567.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007035567.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007035567.tif 000009
【図８】
2007035567.tif 000010
【図９】
2007035567.tif 000011
【図１０】
2007035567.tif 000012
【図１１】
2007035567.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2007035567.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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