(57)【要約】【課題】低温起動時に、凍結状態の排出弁の使用を規制することができ、前記排出弁の故障を可及的に阻止して発電性能を向上させるとともに、無駄な燃料ガスの消費を削減して効率的な起動を行うことを可能にする。【解決手段】コントローラ１８は、燃料電池スタック１２の温度を検出する燃料電池温度検出部６０と、前記燃料電池スタック１２の運転状況を検出する運転状況検出部６２と、前記燃料電池スタック１２の起動時温度、及び前記燃料電池スタック１２の運転状況に基づいて、ドレン弁４６が凍結状態であるか否かを判断する凍結判断部６４と、前記ドレン弁４６が凍結状態であると判断された際、前記ドレン弁４６の使用を規制する排出弁制御部６６と、前記燃料電池スタック１２の運転状況に基づいて、パージ弁４８の開閉制御を行うパージ弁制御部６８としての機能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するとともに、生成水を排出する排出弁が配置される燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部と、
前記燃料電池の運転状況を検出する運転状況検出部と、
前記燃料電池温度検出部により検出される前記燃料電池の起動時温度、及び前記運転状況検出部により検出される前記燃料電池の運転状況に基づいて、前記排出弁が凍結状態であるか否かを判断する凍結判断部と、
前記凍結判断部により前記排出弁が凍結状態であると判断された際、前記排出弁の使用を規制する排出弁制御部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給装置は、不純ガスを排出するためのパージ弁を備えるとともに、
前記制御装置は、前記運転状況検出部により検出される前記燃料電池の運転状況に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行うパージ弁制御部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の運転状況は、前記燃料電池の現在温度又は前記燃料電池の積算出力と、
前記燃料電池の発電時間と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の積算出力は、積算電流値又は積算電力値であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の現在温度の閾値又は前記燃料電池の積算出力の閾値と、前記燃料電池の発電時間の閾値とは、前記燃料電池の起動時温度によって変更されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池を氷点下発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を閉塞する第１制御モードと、
前記燃料電池を低温発電させながら、前記排出弁を閉塞し且つ前記パージ弁を使用する第２制御モードと、
前記燃料電池を低温発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を使用する第３制御モードと、
前記燃料電池を常温発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を使用するとともに、前記第３制御モードよりも少ないパージ量に設定される第４制御モードと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するとともに、生成水を排出する排出弁が配置される燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムの起動方法において、
前記燃料電池の起動時温度、及び前記燃料電池の運転状況に基づいて、前記排出弁が凍結状態であるか否かを判断する工程と、
前記排出弁が凍結状態であると判断された際、前記排出弁の使用を規制する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項８】
請求項７記載の起動方法において、前記燃料ガス供給装置は、不純ガスを排出するためのパージ弁を備え、
前記運転状況検出部により検出される前記燃料電池の運転状況に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行う工程を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項９】
請求項７又は８記載の起動方法において、前記燃料電池の運転状況は、前記燃料電池の現在温度又は前記燃料電池の積算出力と、
前記燃料電池の発電時間と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項１０】
請求項９記載の起動方法において、前記燃料電池の積算出力は、積算電流値又は積算電力値であることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の起動方法において、前記燃料電池の現在温度の閾値又は前記燃料電池の積算出力の閾値と、前記燃料電池の発電時間の閾値とは、前記燃料電池の起動時温度によって変更されることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の起動方法において、前記燃料電池の現在温度が閾値以下であると判断された際、前記燃料電池の発電時間が閾値を越えている場合、前記排出弁の使用を許可することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項１３】
請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の起動方法において、前記燃料電池を氷点下発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を閉塞する第１制御モードと、
前記燃料電池を低温発電させながら、前記排出弁を閉塞し且つ前記パージ弁を使用する第２制御モードと、
前記燃料電池を低温発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を使用する第３制御モードと、
前記燃料電池を常温発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を使用するとともに、前記第３制御モードよりも少ないパージ量に設定される第４制御モードと、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項１４】
請求項８記載の起動方法において、前記燃料電池の起動時温度が氷点下よりも高温であると判断された際、前記排出弁及び前記パージ弁の使用を許可することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するとともに、生成水を排出する排出弁が配置される燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部と、前記燃料電池の運転状況を検出する運転状況検出部と、制御装置とを備える燃料電池システム及びその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池スタックを起動する方法として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムが知られている。この特許文献１は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系と、前記燃料ガス供給系及び燃料電池内部に蓄積された不純物を燃料ガスとともに系外に排出するパージ手段と、少なくとも前記燃料ガス供給系による燃料ガスの供給動作及び前記パージ手段による排出動作を制御する制御手段とを備え、システム起動時に、前記燃料電池から正常に出力を取り出せる状態にするための起動運転を行う燃料電池システムに関するものである。
【０００５】
そこで、制御手段が、起動運転の開始直後は、パージ手段による排出動作を停止させた状態で、燃料ガス供給系から通常運転時の圧力よりも高い起動時ガス圧力で燃料ガスを供給させる制御を行い、システムの起動が完了した段階で、前記パージ手段による排出動作を開始させるとともに、前記燃料ガス供給系から供給される燃料ガスの圧力を前記起動時ガス圧力から通常運転時の圧力へと漸次低下させる制御を行っている。
【０００６】
これにより、システム起動時における無駄な燃料ガスの排出を極力抑制しながら、短時間で燃料電池から正常に電力を取り出せる状態にして通常運転へと移行することができる、としている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６５０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の燃料電池システムでは、発電時にカソード側電極に発生する生成水がアノード側電極に逆拡散し、このアノード側電極に逆拡散した水分が燃料ガス供給装置内に残存し易い。このため、通常、燃料ガス供給装置には、液状水をこの燃料ガス供給装置から排出するためにドレン弁が設置されている。
【０００９】
しかしながら、燃料電池システムの停止時に、システム環境が氷点下になると、ドレン弁内の液状水が凍結してしまい、前記ドレン弁が開閉できなくなる場合がある。従って、燃料電池システムの起動時に、凍結したドレン弁を強制的に開放させようとすると、このドレン弁が故障する一方、氷の噛み込みによる燃料ガスの漏れが惹起されるおそれがある。これにより、発電性能が低下するとともに、無駄な燃料ガスの消費が発生するという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、低温起動時に、凍結状態の排出弁の使用を規制することができ、前記排出弁の故障を可及的に阻止して発電性能を向上させるとともに、無駄な燃料ガスの消費を削減して効率的な起動を行うことが可能な燃料電池システム及びその起動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】
【００１１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するとともに、生成水を排出する排出弁が配置される燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、制御装置とを備える燃料電池システム及びその起動方法に関するものである。
【００１２】
制御装置は、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部と、前記燃料電池の運転状況を検出する運転状況検出部と、前記燃料電池温度検出部により検出される燃料電池の起動時温度、及び前記運転状況検出部により検出される前記燃料電池の運転状況に基づいて、排出弁が凍結状態であるか否かを判断する凍結判断部と、前記凍結判断部により前記排出弁が凍結状態であると判断された際、前記排出弁の使用を規制する排出弁制御部とを有している。
【００１３】
さらにまた、燃料ガス供給装置は、不純ガスを排出するためのパージ弁を備えるとともに、制御装置は、運転状況検出部により検出される燃料電池の運転状況に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行うパージ弁制御部を有することが好ましい。
【００１４】
また、燃料電池の運転状況は、前記燃料電池の現在温度又は前記燃料電池の積算出力と、前記燃料電池の発電時間とを有することが好ましい。
【００１５】
さらに、燃料電池の積算出力は、積算電流値又は積算電力値であることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、燃料電池の現在温度の閾値又は燃料電池の積算出力の閾値と、前記燃料電池の発電時間の閾値とは、前記燃料電池の起動時温度によって変更されることが好ましい。
【００１７】
また、制御部は、燃料電池を氷点下発電させながら、排出弁及びパージ弁を閉塞する第１制御モードと、前記燃料電池を低温発電させながら、前記排出弁を閉塞し且つ前記パージ弁を使用する第２制御モードと、前記燃料電池を低温発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を使用する第３制御モードと、前記燃料電池を常温発電させながら、前記排出弁及び前記パージ弁を使用するとともに、前記第３制御モードよりも少ないパージ量に設定される第４制御モードとを有することが好ましい。
【００１８】
さらにまた、本発明は、燃料電池の起動時温度、及び前記燃料電池の運転状況に基づいて、排出弁が凍結状態であるか否かを判断する工程と、前記排出弁が凍結状態であると判断された際、前記排出弁の使用を規制する工程とを有している。
【００１９】
また、燃料ガス供給装置は、不純ガスを排出するためのパージ弁を備え、運転状況検出部により検出される燃料電池の運転状況に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行う工程を有することが好ましい。
【００２０】
さらに、燃料電池の現在温度が閾値以下であると判断された際、前記燃料電池の発電時間が閾値を越えている場合、排出弁の使用を許可することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、燃料電池の起動時温度が氷点下よりも高温であると判断された際、排出弁及びパージ弁の使用を許可することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、排出弁が凍結状態であると判断された際、前記排出弁の使用が規制されている。このため、排出弁は、凍結した状態で、強制的に開放されることがない。これにより、低温起動時に、凍結状態の排出弁を使用することがなく、前記排出弁の故障を可及的に阻止して発電性能を向上させるとともに、無駄な燃料ガスの消費を削減して効率的且つ経済的な起動を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る起動方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００２４】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、コントローラ（制御装置）１８とを備える。
【００２５】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、図示しないが、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持する。
【００２６】
燃料電池スタック１２の積層方向一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２２ａと、前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとが形成される。燃料電池スタック１２の積層方向他端部には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２４ａと、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂとが形成される。
【００２７】
酸化剤ガス入口連通孔２２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔２２ｂは、各燃料電池２０を構成する電解質膜・電極構造体と一方のセパレータとの間に形成される酸化剤ガス流路２６に連通する。燃料ガス入口連通孔２４ａ及び燃料ガス出口連通孔２４ｂは、各燃料電池２０を構成する電解質膜・電極構造体と他方のセパレータとの間に形成される燃料ガス流路２８に連通する。
【００２８】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ３０を備え、前記エアコンプレッサ３０が空気供給流路３２に配設される。空気供給流路３２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔２２ａに連通する。
【００２９】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに連通する空気排出流路３４を備える。この空気排出流路３４には、エアコンプレッサ３０から空気供給流路３２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁（背圧弁）３６が設けられる。
【００３０】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク３８を備え、この水素タンク３８は、水素供給流路４０を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。この水素供給流路４０には、エゼクタ４２が設けられる。
【００３１】
エゼクタ４２は、水素タンク３８から供給される水素ガスを、水素供給流路４０を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、前記燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する水素循環流路４４から吸引して前記燃料電池スタック１２に再度供給する。水素循環流路４４には、生成水を排出するためのドレン弁（排出弁）４６と、不純ガスを排出するためのパージ弁４８とが配置される。ドレン弁４６には、図示しないがキャッチタンクが設けられる。
【００３２】
燃料電池スタック１２には、内部温度を検出するための第１温度センサ５０ａと、発電電流を検出するための電流センサ５２とが配設される。酸化剤ガス供給装置１４を構成する空気排出流路３４には、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに近接して第２温度センサ５０ｂが配置される。燃料ガス供給装置１６を構成する水素循環流路４４には、燃料電池スタック１２の燃料ガス出口連通孔２４ｂに近接して第３温度センサ５０ｃが配置される。
【００３３】
コントローラ１８は、燃料電池スタック１２（燃料電池２０）の温度を検出する燃料電池温度検出部６０と、前記燃料電池スタック１２の運転状況を検出する運転状況検出部６２と、前記燃料電池温度検出部６０により検出される前記燃料電池スタック１２の起動時温度、及び前記運転状況検出部６２により検出される前記燃料電池スタック１２の運転状況に基づいて、ドレン弁４６が凍結状態であるか否かを判断する凍結判断部６４と、前記凍結判断部６４により前記ドレン弁４６が凍結状態であると判断された際、前記ドレン弁４６の使用を規制する排出弁制御部６６と、前記運転状況検出部６２により検出される前記燃料電池スタック１２の運転状況に基づいて、パージ弁４８の開閉制御を行うパージ弁制御部６８としての機能を有する。
【００３４】
燃料電池スタック１２の運転状況は、第１温度センサ５０ａ〜第３温度センサ５０ｃの少なくともいずれかを介して燃料電池温度検出部６０により検出される前記燃料電池スタック１２の現在温度と、前記燃料電池スタック１２の発電時間とを有する。コントローラ１８は、現在温度の閾値及び発電時間の閾値に応じて異なる制御を行う。
【００３５】
具体的には、図２に示すように、燃料電池スタック１２を氷点下発電させながら、ドレン弁４６及びパージ弁４８を閉塞する第１制御モードＭ１と、前記燃料電池スタック１２を低温発電させながら、前記ドレン弁４６を閉塞し且つ前記パージ弁４８を使用する第２制御モードＭ２と、前記燃料電池スタック１２を低温発電させながら、前記ドレン弁４６及び前記パージ弁４８を使用する第３制御モードＭ３と、前記燃料電池スタック１２を常温発電させながら、前記ドレン弁４６及び前記パージ弁４８を使用するとともに、前記第３制御モードＭ３よりも少ないパージ量に設定される通常（常温）制御モードである第４制御モードＭ４とを有する。
【００３６】
燃料電池スタック１２の現在温度の閾値と、前記燃料電池スタック１２の発電時間の閾値とは、燃料電池スタック１２の起動時温度によって変更する。図２に示すように、燃料電池スタック１２の起動時温度によって、現在温度の閾値及び発電時間の閾値を示す閾値曲線Ｃ１〜Ｃ３等が設定され、マップとして予め記憶されている。閾値曲線Ｃ１〜Ｃ３では、それぞれの温度閾値Ｔ１〜Ｔ３及び時間閾値ｔ１〜ｔ３が補正されている。
【００３７】
なお、燃料電池スタック１２の運転状況は、前記燃料電池スタック１２の現在温度に代えて、前記燃料電池スタック１２の積算出力を有することができる。燃料電池スタック１２の積算出力は、出力電流の積算値である積算電流値又は出力電力の積算値である積算電力値であり、電流センサ５２の検出値又は前記検出値と出力電圧により演算される。
【００３８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本発明の実施形態に係る起動方法との関連で、図３に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３９】
先ず、燃料電池システム１０の図示しないイグニッション（又はスイッチ）がＯＮされると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、燃料電池温度検出部６０は、第１温度センサ５０ａを介して燃料電池スタック１２が氷点下起動であるか否かを判断する。
【００４０】
燃料電池スタック１２が氷点下起動であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、前記燃料電池スタック１２の起動時温度に基づいて、各種閾値の設定が行われる。ここで、図２に示すように、例えば、閾値曲線Ｃ２が読み出されるとともに、燃料電池スタック１２の起動が行われる。
【００４１】
図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ３０が駆動される。このエアコンプレッサ３０から供給される圧縮空気は、空気供給流路３２を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔２２ａに供給される。一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク３８から供給される水素ガスは、エゼクタ４２を介し水素供給流路４０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔２４ａに供給される。
【００４２】
燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池２０では、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに供給された空気（酸化剤ガス）は、酸化剤ガス流路２６に導入されて図示しないカソード側電極の電極面に沿って移動した後、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。
【００４３】
一方、燃料ガス入口連通孔２４ａに供給された水素ガス（燃料ガス）は、各燃料電池２０の図示しないアノード側電極の電極面に沿って移動した後、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。従って、各燃料電池２０では、カソード側電極に供給される空気中の酸素と、アノード側電極に供給される水素とが反応して発電が行われる。
【００４４】
燃料電池スタック１２の燃料ガス出口連通孔２４ｂには、水素循環流路４４が連通している。このため、この水素循環流路４４に排出された排ガス（未使用水素を含む排出燃料ガス）は、エゼクタ４２の吸引作用下に水素供給流路４０の途上に戻された後、再度、燃料ガスとして燃料電池スタック１２に供給される。
【００４５】
上記のように、各燃料電池２０で発電が行われることにより、燃料電池スタック１２は、自己発熱して暖機が行われる。その際、燃料電池温度検出部６０は、例えば、第２温度センサ５０ｂ（又は、第３温度センサ５０ｃ）を介して、燃料電池スタック１２の現在温度を検出し、この検出された現在温度が第１温度（閾値）Ｔ１以下であるか否かが判断される（ステップＳ４）。
【００４６】
燃料電池スタック１２の現在温度が、第１温度Ｔ１以下であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、燃料電池スタック１２の発電時間が第１時間ｔ１未満であるか否かが判断される。
【００４７】
そして、燃料電池スタック１２の発電時間が、第１時間ｔ１未満であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、第１制御モードＭ１に設定される。この第１制御モードＭ１では、燃料電池スタック１２が氷点下発電する一方、ドレン弁４６及びパージ弁４８が閉塞（使用不可状態）されている。第１制御モードＭ１では、燃料電池スタック１２が氷点下発電中であり、発電量も少なく、燃料ガス供給装置１６の経路内（水素循環流路４４内）に発生する窒素量も少ない。このため、パージ弁４８によるパージを行う必要がなく、しかも、パージによる放熱を防止することができる。一方、ドレン弁４６は、凍結している可能性が高く、このドレン弁４６を使用不可状態に維持している。
【００４８】
第１制御モードＭ１による発電が継続されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ４に戻って、燃料電池スタック１２の現在温度が温度閾値である第１温度Ｔ１と比較される。
【００４９】
その際、燃料電池スタック１２の現在温度が、第１温度Ｔ１よりも高くなると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、この現在温度が第２温度Ｔ２以下であるか否かが判断される。この第２温度Ｔ２は、第２制御モードＭ２と第３制御モードＭ３とを切り換えるための温度閾値であり、現在温度が第２温度Ｔ２以下であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。このステップＳ９では、燃料電池スタック１２の発電時間が、第２時間ｔ２未満であるか否かが判断される。この第２時間ｔ２は、同様に、第２制御モードＭ２と第３制御モードＭ３とを切り換えるための時間閾値である。
【００５０】
そして、発電時間が第２時間ｔ２未満であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、燃料電池システム１０は、第２制御モードＭ２に切り換えられる。第２制御モードＭ２では、燃料電池スタック１２を低温発電させながら、ドレン弁４６を閉塞し且つパージ弁４８を使用する。燃料電池スタック１２は、低温起動中であるものの、発電が進行しており、発生する窒素量も多くなるため、パージ弁４８によるパージが必要となるからである。
【００５１】
一方、発電によりカソード側に発生する生成水は、アノード側に逆拡散して水素循環流路４４に導入されてくるが、ドレン弁４６は、凍結中であると判断されている。このため、ドレン弁４６の使用が規制されている。
【００５２】
ところで、ステップＳ５において、燃料電池スタック１２の発電時間が、第１時間ｔ１を越えていると判断されると、この燃料電池スタック１２の現在温度が第１温度Ｔ１以下であっても、ステップＳ８に進み、上記のように、第２制御モードＭ２に移行することができる。
【００５３】
また、ステップＳ８において、燃料電池スタック１２の現在温度が第２温度Ｔ２を越えていると判断された際（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、及び前記現在温度が前記第２温度Ｔ２以下であってもこの燃料電池スタック１２の発電時間が第２時間ｔ２を越えていると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進むことができる。
【００５４】
ここで、燃料電池スタック１２の現在温度が、第３温度Ｔ３以下であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、前記燃料電池スタック１２の発電時間が第３時間ｔ３未満であるか否かが判断される。
【００５５】
そして、発電時間が、第３時間ｔ３未満であると判断されると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、第３制御モードＭ３に切り換えられる。第３温度Ｔ３及び第３時間ｔ３は、第４制御モードＭ４と第３制御モードＭ３とを切り換えるための閾値である。
【００５６】
この第３制御モードＭ３では、燃料電池スタック１２を低温発電させながら、ドレン弁４６及びパージ弁４８が使用される。この状態では、ドレン弁４６が解凍していると判断され、このドレン弁４６が使用されることにより、水素循環流路４４に導入される生成水を外部に排出することが可能になる。
【００５７】
一方、燃料電池２０は、低温時に窒素タフネスが低下するため、後述する通常時（常温時）よりも多量のパージを行う必要があり、パージ弁４８の開閉制御が比較的頻繁に行われる。
【００５８】
また、ステップＳ１１において、燃料電池スタック１２の現在温度が、第３温度Ｔ３を越えていると判断された際（ステップＳ１１中、ＮＯ）、あるいは、現在温度が第３温度Ｔ３以下であるものの、前記燃料電池スタック１２の発電時間が、第３時間ｔ３を越えていると判断されると（ステップＳ１２中、ＮＯ）、ステップＳ１４に進んで、第４制御モードＭ４に切り換えられる。この第４制御モードＭ４は、通常（常温）制御モードであり、ドレン弁４６及びパージ弁４８が使用されるとともに、第３制御モードＭ３よりも少ないパージ量に設定される。
【００５９】
一方、ステップＳ２において、燃料電池スタック１２が氷点下起動でないと判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ１４に直接進んで、上記の第４制御モードＭ４が行われる。そして、第４制御モードＭ４による発電が終了すると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、燃料電池システム１０の運転が停止される。
【００６０】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１２の起動時温度及び前記燃料電池スタック１２の運転状況に基づいて、ドレン弁４６が凍結状態であるか否かを判断し、前記ドレン弁４６が凍結状態であると判断された際、該ドレン弁４６の使用が規制されている。このため、ドレン弁４６は、凍結した状態で強制的に開放されることがない。
【００６１】
これにより、燃料電池スタック１２の低温起動時に、凍結状態のドレン弁４６を使用することがなく、前記ドレン弁４６の故障を可及的に阻止して発電性能を向上させることができるという効果が得られる。しかも、凍結しているドレン弁４６を強制的に開放させることによる氷の噛み込み等が惹起されることがなく、燃料ガスの漏れを防止して無駄な燃料ガスの消費を削減することができ、効率的且つ経済的な起動を行うことが可能になる。
【００６２】
また、本実施形態では、ドレン弁４６が凍結している際に、パージ弁４８の使用を規制する第１制御モードＭ１と、前記パージ弁４８の使用を許可する第２制御モードＭ２とを設定している。従って、燃料電池２０から窒素及び生成水が水素循環流路４４に排出されても、パージ弁４８が開放されることにより、前記水素及び前記生成水を外部に良好に排出することができ、発電性能を確保することが可能になる。
【００６３】
さらにまた、燃料電池スタック１２の起動時温度によって、前記燃料電池スタック１２の現在温度の閾値と、前記燃料電池スタック１２の発電時間の閾値とが変更されている。具体的には、図２に示すように、閾値曲線Ｃ１〜Ｃ３等が設定されている。すなわち、燃料電池スタック１２の起動時温度が低くなる程、ドレン弁４６の凍結が多くなるため、この起動時温度に応じて閾値曲線Ｃ１〜Ｃ３に切り換えることにより、凍結量に応じた閾値を得ることができる。従って、ドレン弁４６の凍結量を正確に把握することが可能になり、開放判断を正確に行うことができ、起動処理が効率的に遂行される。
【００６４】
さらに、例えば、ステップＳ８において、燃料電池スタック１２の現在温度が、第２温度Ｔ２以下であると判断された際に、ステップＳ９に進み、前記燃料電池スタック１２の発電時間が、第２時間ｔ２を越えていると判断されると、ステップＳ１３以降を行って第３制御モードＭ３を行うことができる。
【００６５】
このため、燃料電池スタック１２の発電状態を検出するセンサ類、例えば、第１温度センサ５０ａ〜第３温度センサ５０ｃに故障が発生した場合に、ドレン弁４６が開放されているにも係わらず、このドレン弁４６の使用が禁止されるおそれがない。これにより、燃料電池スタック１２の発電時間が、所定の時間閾値である第２時間ｔ２を越えている場合には、ドレン弁４６を用いた排水制御を行うことが可能になる。
【００６６】
また、ステップＳ２において、燃料電池スタック１２の起動時温度が、氷点下を越えていると判断されると、通常（平常）、制御モードである第４制御モードＭ４に直接切り換えられてドレン弁４６及びパージ弁４８の使用が許可されている。従って、窒素等の不純ガスを効率よく排出するとともに、生成水の排出が良好に行われ、発電性能を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態に係る起動方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムの制御モードの説明図である。
【図３】前記起動方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ                  ２０…燃料電池
２６…酸化剤ガス流路                ２８…燃料ガス流路
３０…エアコンプレッサ              ３２…空気供給流路
３４…空気排出流路                  ３６…背圧制御弁
３８…水素タンク                    ４０…水素供給流路
４２…エゼクタ                      ４４…水素循環流路
４６…ドレン弁                      ４８…パージ弁
５０ａ〜５０ｃ…温度センサ          ５２…電流センサ
６０…燃料電池温度検出部            ６２…運転状況検出部
６４…凍結判断部                    ６６…排出弁制御部
６８…パージ弁制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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