JP4030063B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法に関する。
近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池という場合もある）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下電解質膜という）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した酸化剤ガス（例えば加湿した空気）を、カソード側に供給する方法などが一般に採用されている。
このように、発電により生成した水や加湿により、燃料電池システム内を流通するガスの含水量は多くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝縮する。ゆえに、冬季や寒冷地で燃料電池システムが使用され、発電後に燃料電池システムが氷点下になると、前記凝縮した水が燃料電池システム内で凍結する場合がある。
このように凍結した後の燃料電池システムの起動において、燃料電池システム内が凍結した状態と、解凍されている状態（非凍結状態）など、燃料電池システムの状態に対応して、燃料電池システムを好適に運転させる技術の開発が望まれている。
このような燃料電池システムの凍結に関連して、例えば、燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス（空気）を加熱するヒータ（空気加熱手段）を設け、燃料電池システムの起動時において外気温度が氷点下である場合に、ヒータを適宜に制御することによって、燃料電池システム内を解氷（解凍）する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、前記した燃料電池システムでは、起動時のシステム温度から燃料電池システム内を解凍するか（低温起動制御をするか）否かを判断していたため、停止中にシステム温度がどのように推移していたとしても、起動時のシステム温度が高ければ低温起動制御を行わなかった。そのため、例えば燃料電池システムの停止中にシステム温度が一度氷点下まで到達し、その次の起動時に燃料電池システムの一部がまだ凍った状態であったり、不安定な状態であっても、起動時のシステム温度が高ければ低温起動制御が行われないので、システムが不安定な状態で発電を開始しなければならないといった問題があった。
そこで、本発明では、燃料電池システムの起動時におけるシステム温度が氷点下よりも高い温度であっても、燃料電池システムの一部が凍結しているおそれがあるときは、低温起動制御を行うことによって良好に燃料電池システムを起動することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、反応ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの停止から起動までの間において、前記燃料電池システムの温度を検出する停止中温度検出手段と、前記停止中温度検出手段で検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記燃料電池の運転時の温度より低い所定温度に達したことがあるか否かを判断する低温判断手段と、前記燃料電池システムの起動時において、前記低温判断手段の判断結果が前記所定温度に達したことがあることを示すものである場合に、前記燃料電池の起動を促進させる低温起動制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、反応ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池システムの停止から起動までの間において、前記燃料電池システムの温度を検出する停止中温度検出工程と、前記停止中温度検出工程で検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記燃料電池の運転時の温度より低い所定温度に達したことがあるか否かを判断する低温判断工程と、前記燃料電池システムの起動時において、前記低温判断工程での判断結果が前記所定温度に達したことがあることを示すものである場合に、前記燃料電池の起動を促進させる低温起動制御工程と、を備えることを特徴とする。
ここで、「燃料電池システムの温度」とは、燃料電池システム自体の温度（一部または各所の温度）を意味する他、外気温度を燃料電池システムの温度とみなす場合には、外気温度をも含んでいる。さらに、低温判断手段による低温判断は、燃料電池システムの停止中に随時行ってもよいし、停止中にタイマーなどにより定期的に低温判断を行ってもよい。また、停止中における温度を後記する記憶手段で記憶させる場合には、起動時に記憶手段の蓄積データを参照することで行ってもよい。
請求項１または請求項４に記載の発明によれば、例えば燃料電池システムの停止中においては、停止中温度検出手段で燃料電池システムの温度が随時検出され、その温度に基づいて、低温判断手段が、停止中に燃料電池システムの温度が所定温度に達したことがあるか否かを随時判断し、その結果を保存する。その後、燃料電池システムを起動させると、低温起動制御手段は、低温判断手段の判断結果が所定温度に達したことがあることを示す場合には、例えば燃料電池のカソード作動圧の増圧や、カソード流量の増大や、アノード圧の増圧といった低温起動制御を行う。また、低温判断手段の判断結果が所定温度に達したことがないことを示す場合には、低温起動制御を行わずに、そのまま通常運転を開始する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記停止中温度検出手段で検出した温度を、蓄積して記憶する記憶手段を備え、前記低温判断手段が、前記記憶手段で蓄積された温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記所定温度に達したことがあるか否かを判断することを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池システムの停止中は、例えば停止中温度検出手段で検出した温度を単に記憶手段に記憶させるだけに留めておくことができる。そして、この場合は、起動時において、記憶手段で蓄積した温度を低温判断手段が参照することで、この低温判断手段がその蓄積した温度に基づいて、停止中にシステム温度が所定温度に達したことがあるかを判断することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記所定温度は、氷点であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、所定温度を氷点とすることで、燃料電池の内部に残留している水が凍結している可能性が高いときに、低温起動制御を可能とするため、安定した燃料電池の起動ができる。
請求項１または請求項４に記載の発明によれば、起動時に燃料電池システムの温度が所定温度でなくとも、停止中に一度でも所定温度となっていれば、燃料電池システムを低温起動制御により起動できるので、起動をスムーズに行うことができ、発電が不安定になるのを防ぐことができる。すなわち、停止中に一旦所定温度（後記する実施形態では氷点）以下となると起動時に所定温度（後記する実施形態では氷点）以下でなくとも燃料電池システム内の一部に凍結した水が存在することがあるが、本発明によれば、このような場合（後記する実施形態では、起動時における温度が氷点よりも高い温度であっても、燃料電池システムの一部が凍結しているおそれがあるとき）でも、良好に燃料電池システムを起動することができる。
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池システムの停止中は、停止中温度検出手段で検出した温度を単に記憶手段に記憶させるだけに留めることが可能なので、停止中における制御を単純にでき、その分停止中における電力消費を抑えることができる。
請求項３に記載の発明によれば、所定温度を氷点とすることで、燃料電池の内部に残留している水が凍結している可能性が高いときに、低温起動制御を可能とするため、安定した燃料電池の起動ができる。
≪第１実施形態≫
次に、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートであり、図３は第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
次に、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートであり、図３は第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、主として、燃料電池自動車の始動時（燃料電池システム１Ａの起動時）に、燃料電池２を好適に発電させて、その自己発熱により燃料電池２を含むシステム１Ａ内を解氷させるシステムである。
また、燃料電池システム１Ａは、燃料電池システム１Ａ内が凍結している場合、燃料電池２を氷点下条件で運転し、解氷後または燃料電池システム１Ａ内が凍結していない場合、燃料電池２を通常運転条件で運転させるシステムである。すなわち、燃料電池システム１Ａは、燃料電池システム１Ａの状態に対応して、燃料電池２を好適に運転させるシステムである。
図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、主として、燃料電池自動車の始動時（燃料電池システム１Ａの起動時）に、燃料電池２を好適に発電させて、その自己発熱により燃料電池２を含むシステム１Ａ内を解氷させるシステムである。
また、燃料電池システム１Ａは、燃料電池システム１Ａ内が凍結している場合、燃料電池２を氷点下条件で運転し、解氷後または燃料電池システム１Ａ内が凍結していない場合、燃料電池２を通常運転条件で運転させるシステムである。すなわち、燃料電池システム１Ａは、燃料電池システム１Ａの状態に対応して、燃料電池２を好適に運転させるシステムである。
燃料電池システム１Ａは、主として、燃料電池２と、燃料電池２のアノード側に燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）を供給するアノード系と、燃料電池２のカソード側に酸化剤ガスとして空気（反応ガス）を供給するカソード系と、燃料電池２を冷却する冷却系と、燃料電池自動車の外気温度を検出する外気用温度センサ４１と、ＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、制御装置）とを備えている。
＜燃料電池＞
燃料電池２（燃料電池スタック）は、主として、電解質膜３の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜３の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などがアノード側流路４、カソード側流路５として機能している。アノード側流路４には燃料ガスとしての水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路５には、酸化剤ガスとしての空気が流通し、この流通する空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池２から大きな電力を取り出し可能となっている。
燃料電池２（燃料電池スタック）は、主として、電解質膜３の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜３の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などがアノード側流路４、カソード側流路５として機能している。アノード側流路４には燃料ガスとしての水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路５には、酸化剤ガスとしての空気が流通し、この流通する空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池２から大きな電力を取り出し可能となっている。
＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池２のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク１１、エゼクタ１２、パージ弁１３、温度センサ１４（燃料ガス温度検出手段）を主に備えている。
アノード系は、燃料電池２のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク１１、エゼクタ１２、パージ弁１３、温度センサ１４（燃料ガス温度検出手段）を主に備えている。
まず、水素ガス供給側を説明すると、水素タンク１１は配管１１ａを介して下流側のエゼクタ１２に接続しており、エゼクタ１２は配管１２ａを介して燃料電池２の水素導入口４ａに接続している。そして、水素タンク１１から、エゼクタ１２を介して、燃料電池２内のアノード側流路４に水素ガスを供給可能となっている。また、水素タンク１１とエゼクタ１２との間の配管１１ａには、エゼクタ１２に向かって、遮断弁、減圧弁（ともに図示しない）が設けられており、水素ガスを適宜に遮断、所定圧に減圧可能となっている。
次に、水素ガス排出側について説明すると、パージ弁１３は、アノード側流路４に連通する水素排出口４ｂに、配管１３ａを介して接続している。配管１３ａはその途中位置で分岐しており、分岐した部分は水素ガス供給側のエゼクタ１２に接続している。これにより、燃料電池２の通常発電時は、パージ弁１３を閉じて、燃料電池２から排出された水素ガス（アノードオフガス、燃料ガス）を水素ガス供給側に戻す（循環させる）ことで水素ガスを効率的に利用可能となっている。一方、発電によりアノードオフガス中の水分が多くなった場合などは、パージ弁１３を開き、含水量の高いアノードオフガスを系外に排出（パージ）可能となっている。
温度センサ１４（停止中温度検出手段）は、配管１３ａに設けられており、アノードオフガスの温度（アノードオフガス温度Ｔ１）を検出可能となっている。また、温度センサ１４は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２（解氷判定手段）に電気的に接続しており、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１を監視可能となっている。
また、温度センサ１４は、後記するＥＣＵ５０の凍結判断部５３と電気的に接続しており、凍結判断部５３は、停止中におけるアノードオフガス温度Ｔ１（＝燃料電池システム１Ａ全体の温度）を監視することが可能となっている。具体的には、温度センサ１４は、前記した解氷判定中（起動中）に限らず、燃料電池システム１Ａの停止中においても作動状態となっていることによって、停止中におけるアノードオフガス温度Ｔ１を検出可能となっている。また、凍結判断部５３は、例えば図示しないイグニッションスイッチのＯＦＦまたはＯＮによって出力される燃料電池システム１Ａの停止指令または起動指令に基づいて、温度センサ１４から出力される信号の取り込みを開始または停止することによって、停止中のアノードオフガス温度Ｔ１を監視することが可能となっている。なお、本実施形態では、アノードオフガス温度Ｔ１を燃料電池システム１Ａ全体の温度とみなしているが、本発明はこれに限定されず、例えば燃料電池システム１Ａの各所に配設した前記温度センサ２２，３３、外気温度センサ４１で検出される温度に基づいて、燃料電池システム１Ａ全体の温度を予測してもよい。
＜カソード系＞
カソード系は、燃料電池２のカソード側に配置し、空気を供給・排出する系であり、ポンプ２１（コンプレッサ）、温度センサ２２（酸化剤ガス温度検出手段）を主に備えている。
カソード系は、燃料電池２のカソード側に配置し、空気を供給・排出する系であり、ポンプ２１（コンプレッサ）、温度センサ２２（酸化剤ガス温度検出手段）を主に備えている。
まず、空気供給側について説明すると、ポンプ２１は、配管２１ａを介して、燃料電池２の空気導入口５ａに接続している。そして、ポンプ２１が外気を適宜に取り込み、カソード側流路５に空気を供給可能となっている。ポンプ２１は、後記するＥＣＵ５０のポンプ制御部５１（反応ガス供給制御手段）と電気的に接続しており、ポンプ制御部５１はポンプ２１の回転速度などを制御し、燃料電池２に供給される空気の量を制御可能となっている。
また、配管２１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池２に供給される空気が加湿されるようになっている。
また、配管２１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池２に供給される空気が加湿されるようになっている。
次に、空気排出側について説明すると、配管２１ｂが、カソード側流路５に連通する燃料電池２の空気排出口５ｂに接続している。よって、燃料電池２から排出された空気（カソードオフガス、酸化剤ガス）は、配管２１ｂを介して系外に排出可能となっている。
温度センサ２２は、配管２１ｂに設けられており、カソードオフガスの温度（カソードオフガス温度Ｔ２）を検出可能となっている。また、温度センサ２２は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２に電気的に接続しており、解氷判定部５２は、カソードオフガス温度Ｔ２を監視可能となっている。
温度センサ２２は、配管２１ｂに設けられており、カソードオフガスの温度（カソードオフガス温度Ｔ２）を検出可能となっている。また、温度センサ２２は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２に電気的に接続しており、解氷判定部５２は、カソードオフガス温度Ｔ２を監視可能となっている。
＜冷却系＞
冷却系は、発電により発熱する燃料電池２が、過剰に昇温しないように冷却する系であり、ラジエータ３１（放熱器）と、ポンプ３２と、温度センサ３３（冷媒温度検出手段）を主に備えている。そして、エチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液（冷媒）が、ポンプ３２の稼動によって、ラジエータ３１と燃料電池２との間で循環するように、適所に配管が設けられている。温度センサ３３は、燃料電池２から排出されたラジエータ液（以下、排出ラジエータ液）が流通する配管に設けられており、温度センサ３３により排出ラジエータ液の温度（排出ラジエータ液温度Ｔ３）を検出可能となっている。また、温度センサ３３は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２と電気的に接続しており、解氷判定部５２は、排出ラジエータ液温度Ｔ３を監視可能となっている。
冷却系は、発電により発熱する燃料電池２が、過剰に昇温しないように冷却する系であり、ラジエータ３１（放熱器）と、ポンプ３２と、温度センサ３３（冷媒温度検出手段）を主に備えている。そして、エチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液（冷媒）が、ポンプ３２の稼動によって、ラジエータ３１と燃料電池２との間で循環するように、適所に配管が設けられている。温度センサ３３は、燃料電池２から排出されたラジエータ液（以下、排出ラジエータ液）が流通する配管に設けられており、温度センサ３３により排出ラジエータ液の温度（排出ラジエータ液温度Ｔ３）を検出可能となっている。また、温度センサ３３は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２と電気的に接続しており、解氷判定部５２は、排出ラジエータ液温度Ｔ３を監視可能となっている。
＜外気用温度センサ＞
外気用温度センサ４１は、燃料電池自動車の適所に設けられている。なお、この外気用温度センサ４１は、本実施形態では使用しないが、前記したように温度センサ１４の代わりに、停止中温度検出手段として利用してもよい。
外気用温度センサ４１は、燃料電池自動車の適所に設けられている。なお、この外気用温度センサ４１は、本実施形態では使用しないが、前記したように温度センサ１４の代わりに、停止中温度検出手段として利用してもよい。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、燃料電池２の発電を制御する機能、燃料電池システム１Ａの停止中における外気温度を監視する機能、停止中のアノードオフガス温度Ｔ１に基づいて燃料電池システムが起動時において凍結しているか否かを判断する機能、燃料電池システム１Ａ全体が解氷したか否かを判定する機能を主に有している。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、ポンプ制御部５１（反応ガス供給制御手段）と、解氷判定部５２（解氷判定手段）と、凍結判断部５３（低温判断手段）とを主に備えている。
ＥＣＵ５０は、燃料電池２の発電を制御する機能、燃料電池システム１Ａの停止中における外気温度を監視する機能、停止中のアノードオフガス温度Ｔ１に基づいて燃料電池システムが起動時において凍結しているか否かを判断する機能、燃料電池システム１Ａ全体が解氷したか否かを判定する機能を主に有している。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、ポンプ制御部５１（反応ガス供給制御手段）と、解氷判定部５２（解氷判定手段）と、凍結判断部５３（低温判断手段）とを主に備えている。
［ポンプ制御部］
ポンプ制御部５１は、カソード側のポンプ２１と電気的に接続しており、ポンプ２１の稼動（回転速度など）を適宜に制御可能となっている。
ポンプ制御部５１には、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とが設定されており、適宜に切り換え可能となっている。
ここで、「通常運転条件」とは、ポンプ２１を通常の回転速度（起動時における回転速度として予め設定されている所定の回転速度）で通常に稼動させて、燃料電池２に通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給し、燃料電池２を通常に発電させる条件である。これに対し、「氷点下運転条件」とは、ポンプ２１を前記通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池２に、前記通常流量より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気（低温用反応ガス）を供給し、燃料電池２を高発電させる条件である。
したがって、燃料電池２の氷点下運転条件における自己発熱量は、通常運転条件における自己発熱量より高くなっており、ポンプ制御部５１は、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とを適宜に切り換えて、燃料電池２の自己発熱量を制御可能となっている。
ポンプ制御部５１は、カソード側のポンプ２１と電気的に接続しており、ポンプ２１の稼動（回転速度など）を適宜に制御可能となっている。
ポンプ制御部５１には、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とが設定されており、適宜に切り換え可能となっている。
ここで、「通常運転条件」とは、ポンプ２１を通常の回転速度（起動時における回転速度として予め設定されている所定の回転速度）で通常に稼動させて、燃料電池２に通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給し、燃料電池２を通常に発電させる条件である。これに対し、「氷点下運転条件」とは、ポンプ２１を前記通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池２に、前記通常流量より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気（低温用反応ガス）を供給し、燃料電池２を高発電させる条件である。
したがって、燃料電池２の氷点下運転条件における自己発熱量は、通常運転条件における自己発熱量より高くなっており、ポンプ制御部５１は、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とを適宜に切り換えて、燃料電池２の自己発熱量を制御可能となっている。
［凍結判断部−凍結判断機能］
凍結判断部５３は、アノードオフガス温度を検出する温度センサ１４と電気的に接続しており、この温度センサ１４から出力されてくる燃料電池システム１Ａの停止中におけるアノードオフガス温度を監視する機能を有している。さらに、この凍結判断部５３は、温度センサ１４から出力されてくるアノードオフガス温度に基づいて、燃料電池システム１Ａの停止中にアノードオフガス温度が氷点下（所定温度）に達したか否か（０℃以下となったか否か）を判断する機能を有している。そして、凍結判断部５３は、アノードオフガス温度が氷点下に達したと判断した場合には、フラグを立てる（フラグに「１」を入れる）機能を有している。
凍結判断部５３は、アノードオフガス温度を検出する温度センサ１４と電気的に接続しており、この温度センサ１４から出力されてくる燃料電池システム１Ａの停止中におけるアノードオフガス温度を監視する機能を有している。さらに、この凍結判断部５３は、温度センサ１４から出力されてくるアノードオフガス温度に基づいて、燃料電池システム１Ａの停止中にアノードオフガス温度が氷点下（所定温度）に達したか否か（０℃以下となったか否か）を判断する機能を有している。そして、凍結判断部５３は、アノードオフガス温度が氷点下に達したと判断した場合には、フラグを立てる（フラグに「１」を入れる）機能を有している。
［解氷判定部−解氷判定機能］
解氷判定部５２は、燃料電池システム１Ａの起動時において、凍結判断部５３の判断結果（フラグが立っているかどうか）を参照し、その判断結果に基づいて、ポンプ制御部５１に「通常運転条件」と「氷点下運転条件」のどちらを選択するかを指示する機能を有している。これにより、燃料電池システム１Ａの状態（非凍結状態、凍結状態）に対応して、「通常運転条件」または「氷点下運転条件」下で、燃料電池２を好適に運転することが可能となっている。ここで、解氷判定部５２は、「低温起動制御手段」に相当する。
具体的に第１実施形態では、解氷判定部５２は、燃料電池システム１Ａの起動時にフラグが「１」の場合は、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部は凍結状態であると判定し、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示するように設定されている。一方、燃料電池システム１Ａの起動時にフラグが「０」の場合は、燃料電池システム１Ａ全体は非凍結状態であると判定し、「通常運転条件」を指示するように設定されている。
解氷判定部５２は、燃料電池システム１Ａの起動時において、凍結判断部５３の判断結果（フラグが立っているかどうか）を参照し、その判断結果に基づいて、ポンプ制御部５１に「通常運転条件」と「氷点下運転条件」のどちらを選択するかを指示する機能を有している。これにより、燃料電池システム１Ａの状態（非凍結状態、凍結状態）に対応して、「通常運転条件」または「氷点下運転条件」下で、燃料電池２を好適に運転することが可能となっている。ここで、解氷判定部５２は、「低温起動制御手段」に相当する。
具体的に第１実施形態では、解氷判定部５２は、燃料電池システム１Ａの起動時にフラグが「１」の場合は、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部は凍結状態であると判定し、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示するように設定されている。一方、燃料電池システム１Ａの起動時にフラグが「０」の場合は、燃料電池システム１Ａ全体は非凍結状態であると判定し、「通常運転条件」を指示するように設定されている。
また、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１を検出する温度センサ１４と、カソードオフガス温度Ｔ２を検出する温度センサ２２と、排出ラジエータ液温度Ｔ３を検出する温度センサ３３と電気的に接続している。解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示して燃料電池システム１Ａを起動した後、各温度センサ１４，２２，３３からの信号（少なくとも２つの信号）に基づいて燃料電池システム１Ａ全体が解氷したか否かを判定する機能を有している。そして、解氷判定部５２は、解氷したと判定したとき、「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示する機能を有している。
具体的に第１実施形態では、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１、カソードオフガス温度Ｔ２、および排出ラジエータ液温度Ｔ３のうち少なくとも２つの温度を参照し、それらの温度が０℃を超えた場合に、燃料電池システム１Ａ全体が解氷したと判定するように設定されている。このように、少なくとも２つの温度を判定対象とすることで、誤判定を防止可能となっている。
具体的に第１実施形態では、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１、カソードオフガス温度Ｔ２、および排出ラジエータ液温度Ｔ３のうち少なくとも２つの温度を参照し、それらの温度が０℃を超えた場合に、燃料電池システム１Ａ全体が解氷したと判定するように設定されている。このように、少なくとも２つの温度を判定対象とすることで、誤判定を防止可能となっている。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について、図１に加えて、図２および図３を併せて参照しつつ説明する。
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について、図１に加えて、図２および図３を併せて参照しつつ説明する。
まず、燃料電池システム１Ａの停止時における動作について図１および図２を参照して説明する。
図２に示すように、燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（以下、「ＩＧＳＷ」という）がＯＦＦされると（スタート）、ＥＣＵ５０は、水素ガスの供給・停止を切り替える図示せぬ遮断弁を閉じたり、ポンプ２１を停止させることによって燃料電池システム１Ａを停止させる（Ｓ２１）。そして、ステップＳ２１の後、ＥＣＵ５０は、温度センサ１４で検出したアノードオフガス温度を、凍結判断部５３に取り込む（Ｓ２２）。
図２に示すように、燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（以下、「ＩＧＳＷ」という）がＯＦＦされると（スタート）、ＥＣＵ５０は、水素ガスの供給・停止を切り替える図示せぬ遮断弁を閉じたり、ポンプ２１を停止させることによって燃料電池システム１Ａを停止させる（Ｓ２１）。そして、ステップＳ２１の後、ＥＣＵ５０は、温度センサ１４で検出したアノードオフガス温度を、凍結判断部５３に取り込む（Ｓ２２）。
ステップＳ２２の後、凍結判断部５３は、取り込んできたアノードオフガス温度に基づいて、燃料電池システム１Ａの停止中にアノードオフガス温度が氷点下に達したか否かを判断する（Ｓ２３）。そして、このステップＳ２３において、凍結判断部５３は、アノードオフガス温度が氷点下に達していない（０℃よりも高い温度である）と判断したときは（Ｎｏ）、フラグをそのままの状態に維持して（Ｓ２４）、次の処理（Ｓ２５）に移行する。また、ステップＳ２３において、凍結判断部５３は、アノードオフガス温度が氷点下に達したと判断したときは（Ｙｅｓ）、氷点下の経験があることを示すフラグを立てて（Ｓ２６）、次の処理（Ｓ２５）に移行する。
そして、ステップＳ２５において、ＥＣＵ５０は、ＩＧＳＷがＯＮされたか否かを判断し、ＯＮされていないと判断した場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２４（またはＳ２６）の処理を繰り返し、また、ＯＮされたと判断した場合は（Ｙｅｓ）、このフローを終了して（エンド）、起動時におけるフローに移行する。
続いて、燃料電池システム１Ａの起動時における動作について図１および図３を参照して説明する。
図３に示すように、前記した停止時におけるフロー（図２参照）が終了すると（スタート）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２に進んで凍結判断を行う。なお、ＥＣＵ５０は、起動時のフローに移行するのに連動して、アノード側の遮断弁（図示しない）などを開放して、燃料電池２のアノード側に水素ガスを供給する。
図３に示すように、前記した停止時におけるフロー（図２参照）が終了すると（スタート）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２に進んで凍結判断を行う。なお、ＥＣＵ５０は、起動時のフローに移行するのに連動して、アノード側の遮断弁（図示しない）などを開放して、燃料電池２のアノード側に水素ガスを供給する。
＜凍結判断＞
ステップＳ２においては、解氷判定部５２が、凍結判断部５３の判断結果（フラグが「１」であるか否か）を参照し、その判断結果に基づいて、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態であるか否かを判断する。
すなわち、ステップＳ２において、解氷判定部５２は、フラグが「１」である（氷点下の経験がある）と判定した場合には（Ｙｅｓ）、「燃料電池システム１Ａの少なくとも一部は凍結状態である」と判断して、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ３に進む。なお、「１」であったフラグは、このステップＳ２で「Ｙｅｓ」と判定された後、「０」に戻される。
一方、ステップＳ２において、解氷判定部５２は、フラグが「０」である（氷点下の経験がない）と判定した場合には（Ｎｏ）、「燃料電池システム１Ａ全体が凍結状態でない」と判断して、ポンプ制御部５１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ５に進む。
ステップＳ２においては、解氷判定部５２が、凍結判断部５３の判断結果（フラグが「１」であるか否か）を参照し、その判断結果に基づいて、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態であるか否かを判断する。
すなわち、ステップＳ２において、解氷判定部５２は、フラグが「１」である（氷点下の経験がある）と判定した場合には（Ｙｅｓ）、「燃料電池システム１Ａの少なくとも一部は凍結状態である」と判断して、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ３に進む。なお、「１」であったフラグは、このステップＳ２で「Ｙｅｓ」と判定された後、「０」に戻される。
一方、ステップＳ２において、解氷判定部５２は、フラグが「０」である（氷点下の経験がない）と判定した場合には（Ｎｏ）、「燃料電池システム１Ａ全体が凍結状態でない」と判断して、ポンプ制御部５１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ５に進む。
＜低温用反応ガス供給−氷点下運転条件＞
ステップＳ３においては、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。具体的には、ポンプ制御部５１がポンプ２１を制御して、「通常運転条件」より多流量・高圧力の空気（低温用反応ガス）を燃料電池２に供給する。これにより、燃料電池２は「通常運転条件」より高出力で発電する。したがって、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２の自己発熱量は、「通常運転条件」の自己発熱量より高くなり、この高い自己発熱量により、燃料電池２内が速やかに解氷し始めるとともに、この燃料電池２の発熱により燃料電池システム１Ａ全体も解氷し始めることとなる。
このように燃料電池２を「氷点下運転条件」で発電させた後、ステップＳ４に進む。
ステップＳ３においては、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。具体的には、ポンプ制御部５１がポンプ２１を制御して、「通常運転条件」より多流量・高圧力の空気（低温用反応ガス）を燃料電池２に供給する。これにより、燃料電池２は「通常運転条件」より高出力で発電する。したがって、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２の自己発熱量は、「通常運転条件」の自己発熱量より高くなり、この高い自己発熱量により、燃料電池２内が速やかに解氷し始めるとともに、この燃料電池２の発熱により燃料電池システム１Ａ全体も解氷し始めることとなる。
このように燃料電池２を「氷点下運転条件」で発電させた後、ステップＳ４に進む。
＜解氷判定＞
ステップＳ４においては、解氷判定部５２が、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２を含む燃料電池システム１Ａ全体が解氷したか否かを判定する。具体的には、アノードオフガス温度Ｔ１、カソードオフガス温度Ｔ２、および排出ラジエータ液温度Ｔ３のうち少なくとも２つの温度を参照し、それらの温度が０℃を超えた場合に、燃料電池システム１Ａ全体が解氷したと判定する。
「燃料電池システム１Ａ全体は解氷した」と判定した場合（Ｓ４、Ｙｅｓ）、解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ５に進む。一方、「燃料電池システム１Ａ全体は解氷していない」と判定した場合（Ｓ４、Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ２１の稼動は継続される。
ステップＳ４においては、解氷判定部５２が、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２を含む燃料電池システム１Ａ全体が解氷したか否かを判定する。具体的には、アノードオフガス温度Ｔ１、カソードオフガス温度Ｔ２、および排出ラジエータ液温度Ｔ３のうち少なくとも２つの温度を参照し、それらの温度が０℃を超えた場合に、燃料電池システム１Ａ全体が解氷したと判定する。
「燃料電池システム１Ａ全体は解氷した」と判定した場合（Ｓ４、Ｙｅｓ）、解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ５に進む。一方、「燃料電池システム１Ａ全体は解氷していない」と判定した場合（Ｓ４、Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ２１の稼動は継続される。
＜通常用反応ガス供給−通常運転条件＞
ステップＳ５においては、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。これにより、燃料電池２は通常に発電する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池システム１Ａの起動時の凍結判断、解氷判定は終了する。
ステップＳ５においては、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。これにより、燃料電池２は通常に発電する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池システム１Ａの起動時の凍結判断、解氷判定は終了する。
このように第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池システム１Ａの停止中にアノードオフガス温度が一度でも氷点下となった場合には「氷点下運転条件」で燃料電池２を発電させるので、例えば停止中に氷点下となったことによって燃料電池システム１Ａの一部が凍結し、起動時においてまだ凍結しているのにも関わらずアノードオフガス温度だけが氷点下ではなくなった場合であっても、良好に起動することができる。
また、燃料電池システム１Ａの起動時に燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態である場合、自己発熱量の高い「氷点下運転条件」で燃料電池２を発電させることによって燃料電池システム１Ａ全体を速やかに解氷した状態にすることができる。
また、一般の燃料電池システムが備えるカソード側ポンプを有効利用するため、従来のカソード側のヒータなどの特別な機器などを備えずに、燃料電池システム１Ａを構成することができる。すなわち、燃料電池システム１Ａを構成するに際し、重量化・大型化などすることもない。
さらに、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態の場合は「氷点下運転条件」で、非凍結状態の場合は「通常運転条件」で、燃料電池２を好適に運転することができる。
さらにまた、解氷後は速やかに「通常運転条件」に切り換えることで、無駄なく空気（反応ガス）を燃料電池２に供給することができる。
また、燃料電池システム１Ａの起動時に燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態である場合、自己発熱量の高い「氷点下運転条件」で燃料電池２を発電させることによって燃料電池システム１Ａ全体を速やかに解氷した状態にすることができる。
また、一般の燃料電池システムが備えるカソード側ポンプを有効利用するため、従来のカソード側のヒータなどの特別な機器などを備えずに、燃料電池システム１Ａを構成することができる。すなわち、燃料電池システム１Ａを構成するに際し、重量化・大型化などすることもない。
さらに、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態の場合は「氷点下運転条件」で、非凍結状態の場合は「通常運転条件」で、燃料電池２を好適に運転することができる。
さらにまた、解氷後は速やかに「通常運転条件」に切り換えることで、無駄なく空気（反応ガス）を燃料電池２に供給することができる。
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図４から図８を参照して説明する。この実施形態は第１の実施形態を一部変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図５は、解氷前後のアノードオフガスの温度を示すグラフである。図６は、燃料電池の発電量に基づいて、自己発熱量を算出するための自己発熱量データの一例を示すグラフである。図７は、燃料電池内が非凍結状態である場合、燃料電池の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの非凍結温度上昇率を算出するための非凍結温度上昇率データの一例を示すグラフである。図８は、第２実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図４から図８を参照して説明する。この実施形態は第１の実施形態を一部変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図５は、解氷前後のアノードオフガスの温度を示すグラフである。図６は、燃料電池の発電量に基づいて、自己発熱量を算出するための自己発熱量データの一例を示すグラフである。図７は、燃料電池内が非凍結状態である場合、燃料電池の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの非凍結温度上昇率を算出するための非凍結温度上昇率データの一例を示すグラフである。図８は、第２実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
≪燃料電池システムの構成≫
図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂは、主として、第１実施形態に係るＥＣＵ５０に代えて、ＥＣＵ６０を備えており、解氷判定方法が異なる。また、燃料電池システム１Ｂは、流量計１５と、電流電圧検出器４２とをさらに備えている。その他、燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態に係る温度センサ２２、３３を備えていない。
図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂは、主として、第１実施形態に係るＥＣＵ５０に代えて、ＥＣＵ６０を備えており、解氷判定方法が異なる。また、燃料電池システム１Ｂは、流量計１５と、電流電圧検出器４２とをさらに備えている。その他、燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態に係る温度センサ２２、３３を備えていない。
＜流量計＞
流量計１５は、アノード側の配管１３ａに設けられており、アノードオフガスの流量を検出可能となっている。また、流量計１５は、後記するＥＣＵ６０の非凍結温度上昇率算出部６５Ａと電気的に接続しており、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、アノードオフガスの流量を監視可能となっている。
流量計１５は、アノード側の配管１３ａに設けられており、アノードオフガスの流量を検出可能となっている。また、流量計１５は、後記するＥＣＵ６０の非凍結温度上昇率算出部６５Ａと電気的に接続しており、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、アノードオフガスの流量を監視可能となっている。
＜電流電圧検出器＞
電流電圧検出器４２は、燃料電池２の発電量（詳細には出力電流、出力電圧）を検出する機器であり、電流計、電圧計などで構成され、燃料電池２の出力端子に接続している。また、電流電圧検出器４２は、後記するＥＣＵ６０の自己発熱量算出部６４Ａと接続しており、自己発熱量算出部６４Ａは、燃料電池２の発電量（出力電流、出力電圧）を監視可能となっている。
電流電圧検出器４２は、燃料電池２の発電量（詳細には出力電流、出力電圧）を検出する機器であり、電流計、電圧計などで構成され、燃料電池２の出力端子に接続している。また、電流電圧検出器４２は、後記するＥＣＵ６０の自己発熱量算出部６４Ａと接続しており、自己発熱量算出部６４Ａは、燃料電池２の発電量（出力電流、出力電圧）を監視可能となっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、ポンプ制御部６１（反応ガス供給制御手段）と、解氷判定部６２（解氷判定手段）と、実測温度上昇率算出部６３（温度上昇率算出手段）と、自己発熱量算出部６４Ａ（自己発熱量算出手段）と、自己発熱量データ記憶部６４Ｂ（自己発熱量算出手段）と、非凍結温度上昇率算出部６５Ａ（非凍結温度上昇率算出手段）と、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂ（非凍結温度上昇率算出手段）と、凍結判断部６６とを備えている。
なお、ポンプ制御部６１、凍結判断部６６は、第１実施形態に係るポンプ制御部５１、凍結判断部５３と同様であるため、ここでの説明は省略する。
ＥＣＵ６０は、ポンプ制御部６１（反応ガス供給制御手段）と、解氷判定部６２（解氷判定手段）と、実測温度上昇率算出部６３（温度上昇率算出手段）と、自己発熱量算出部６４Ａ（自己発熱量算出手段）と、自己発熱量データ記憶部６４Ｂ（自己発熱量算出手段）と、非凍結温度上昇率算出部６５Ａ（非凍結温度上昇率算出手段）と、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂ（非凍結温度上昇率算出手段）と、凍結判断部６６とを備えている。
なお、ポンプ制御部６１、凍結判断部６６は、第１実施形態に係るポンプ制御部５１、凍結判断部５３と同様であるため、ここでの説明は省略する。
［解氷判定部−解氷判定機能］
解氷判定部６２は、第１実施形態と同様に解氷判定機能、解氷判定または凍結判断部６６の判断結果に基づくポンプ制御部６１への指示機能を有している。ところが、解氷判定部６２による解氷判定方法は第１実施形態とは異なっているため、図５を参照して、解氷判定方法に係る理論について説明する。
解氷判定部６２は、第１実施形態と同様に解氷判定機能、解氷判定または凍結判断部６６の判断結果に基づくポンプ制御部６１への指示機能を有している。ところが、解氷判定部６２による解氷判定方法は第１実施形態とは異なっているため、図５を参照して、解氷判定方法に係る理論について説明する。
凍結した燃料電池２に水素ガス、空気（反応ガス）を供給し、燃料電池２を発電させると、自己発熱により燃料電池２内が徐々に解氷する。そうすると、図５に示すように、アノードオフガス温度Ｔ１は、燃料電池２内が凍結している状態では温度上昇率ΔＴａ（以下、凍結温度上昇率という）で上昇し、自己発熱量が氷の融解熱に置き換わる状態では０℃で略一定となり、解氷後の非凍結状態では温度上昇率ΔＴｂ（以下、非凍結温度上昇率という）で上昇する。凍結温度上昇率ΔＴａと、非凍結温度上昇率ΔＴｂとは一致せず、第２実施形態では「凍結温度上昇率ΔＴａ＜非凍結温度上昇率ΔＴｂ」の関係にある。
なお、図５に示すグラフにおいて「凍結温度上昇率ΔＴａ＜非凍結温度上昇率ΔＴｂ」となる理由としては、燃料電池２が凍結状態にあり、その内部に氷を含む場合、燃料電池２を構成するセパレータ、筺体なども低温であるため、発電により生じた熱がセパレータなどに吸収されるからと考えられる。
したがって、氷点（０℃）の前後において、自己発熱による燃料電池２の温度上昇率は、「凍結状態（０℃以下）の燃料電池２自体の温度上昇率＜非凍結状態（０℃より上）の燃料電池２自体の温度上昇率」の関係にあると考えられる。
したがって、氷点（０℃）の前後において、自己発熱による燃料電池２の温度上昇率は、「凍結状態（０℃以下）の燃料電池２自体の温度上昇率＜非凍結状態（０℃より上）の燃料電池２自体の温度上昇率」の関係にあると考えられる。
したがって、（１）非凍結状態の燃料電池２を種々の条件で発電させて、燃料電池２の自己発熱量とアノードオフガス温度Ｔ１の「非凍結温度上昇率ΔＴ（ΔＴｂ）」との関係（以下、非凍結温度上昇率データという）を事前に求めておき、（２）燃料電池２の実際の自己発熱量から、その燃料電池２内が非凍結であるとした場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出し、（３）実際に燃料電池２から排出されるアノードオフガスの「温度上昇率ΔＴ１（以下、実測温度上昇率ΔＴ１という）」を求め、（４）「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しい場合、燃料電池２は非凍結状態であり、一致しない場合、燃料電池２は凍結状態であると、判定することができる。
これにより、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とを、経時的に対比することにより、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しくなったとき、燃料電池２内が解氷したと判定することができる。
これにより、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とを、経時的に対比することにより、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しくなったとき、燃料電池２内が解氷したと判定することができる。
図４に戻って説明を続ける。
第２実施形態に係る解氷判定部６２は、このような理論に基づいて、実測温度上昇率算出部６３が算出した「実測温度上昇率ΔＴ１」と、非凍結温度上昇率算出部６５Ａが算出した「非凍結温度上昇率ΔＴ」とを比較して、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する機能を有している。
具体的に第２実施形態では、解氷判定部６２は、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しい場合、言い換えると、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」との差の絶対値が閾値ｔ（ｔ≒０）以下の場合に、燃料電池２内が解氷したと判定するように設定されている（図８、ステップＳ１４参照）。
第２実施形態に係る解氷判定部６２は、このような理論に基づいて、実測温度上昇率算出部６３が算出した「実測温度上昇率ΔＴ１」と、非凍結温度上昇率算出部６５Ａが算出した「非凍結温度上昇率ΔＴ」とを比較して、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する機能を有している。
具体的に第２実施形態では、解氷判定部６２は、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しい場合、言い換えると、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」との差の絶対値が閾値ｔ（ｔ≒０）以下の場合に、燃料電池２内が解氷したと判定するように設定されている（図８、ステップＳ１４参照）。
［実測温度上昇率算出部］
実測温度上昇率算出部６３は、アノードオフガス温度Ｔ１を検出する温度センサ１４と電気的に接続している。したがって、実測温度上昇率算出部６３は、実際に燃料電池２から排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔＴ１」を算出可能となっている。そして、この「実測温度上昇率ΔＴ１」は、解氷判定部６２に送られるようになっている。
実測温度上昇率算出部６３は、アノードオフガス温度Ｔ１を検出する温度センサ１４と電気的に接続している。したがって、実測温度上昇率算出部６３は、実際に燃料電池２から排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔＴ１」を算出可能となっている。そして、この「実測温度上昇率ΔＴ１」は、解氷判定部６２に送られるようになっている。
［自己発熱量算出部、自己発熱量データ記憶部］
自己発熱量算出部６４Ａおよび自己発熱量データ記憶部６４Ｂは、燃料電池２の発電量（電流と電圧）に基づいて、燃料電池２の自己発熱量を算出する部分（自己発熱量算出手段）である。
さらに説明すると、自己発熱量算出部６４Ａは、電流電圧検出器４２と電気的に接続しており、発電する燃料電池２の発電量を監視可能となっている。また、自己発熱量算出部６４Ａは、自己発熱量データ記憶部６４Ｂと電気的に接続しており、後記する自己発熱量データを適宜参照可能となっている。
自己発熱量算出部６４Ａおよび自己発熱量データ記憶部６４Ｂは、燃料電池２の発電量（電流と電圧）に基づいて、燃料電池２の自己発熱量を算出する部分（自己発熱量算出手段）である。
さらに説明すると、自己発熱量算出部６４Ａは、電流電圧検出器４２と電気的に接続しており、発電する燃料電池２の発電量を監視可能となっている。また、自己発熱量算出部６４Ａは、自己発熱量データ記憶部６４Ｂと電気的に接続しており、後記する自己発熱量データを適宜参照可能となっている。
自己発熱量データ記憶部６４Ｂには、予備試験等により求められた「自己発熱量データ」が記憶されている。「自己発熱量データ」とは、非凍結状態である燃料電池２が発電した場合における、発電量（詳細には電流、電圧）と、その発電量における燃料電池２の自己発熱量とが関連付けられたデータ（例えば、計算式Ａ）である（図６参照）。なお、図６に示すように、燃料電池２が高電流・低電圧で発電するほど、燃料電池２の自己発熱量が高くなるという関係を有している。
したがって、自己発熱量算出部６４Ａは、燃料電池２の発電量（電流と電圧）に基づいて、燃料電池２の自己発熱量を算出可能となっている（図６、矢印Ａ１参照）。
［非凍結温度上昇率算出部、非凍結温度上昇率データ記憶部］
非凍結温度上昇率算出部６５Ａ、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂは、燃料電池２の自己発熱量に基づいて、燃料電池２内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出する部分（非凍結温度上昇率算出手段）である。
非凍結温度上昇率算出部６５Ａ、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂは、燃料電池２の自己発熱量に基づいて、燃料電池２内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出する部分（非凍結温度上昇率算出手段）である。
さらに説明すると、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、自己発熱量算出部６４Ａ、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂおよび解氷判定部６２と、電気的に接続している。また、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、流量計１５と電気的に接続しており、アノードオフガスの流量を監視可能となっている。
非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂには、予備試験等により求められた「非凍結温度上昇率データ」が記憶されている。「非凍結温度上昇率データ」とは、非凍結状態の燃料電池２が発電した場合における、燃料電池２の自己発熱量と、アノードオフガスの非凍結温度上昇率ΔＴと、アノードオフガスの流量とが関連付けられたデータ（例えば、計算式Ｂ）である（図７参照）。なお、図７に示すように、アノードオフガスの流量が小さく、かつ、燃料電池２の自己発熱量が大きいほど、アノードオフガスの非凍結温度上量率ΔＴが大きくなるという関係を有している。
したがって、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、自己発熱量算出部６４Ａが算出した燃料電池２の自己発熱量と、アノードオフガスの流量とに基づいて、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂの「非凍結温度上昇率データ」を参照し、燃料電池２内が非凍結状態であるとした場合の「アノードオフガスの非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出可能となっている。そして、算出された「アノードオフガスの非凍結温度上昇率ΔＴ」は、解氷判定部６２に送られるようになっている。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂの動作について、図８を主に参照して説明する。
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂの動作について、図８を主に参照して説明する。
燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＮされると（スタート）、ＥＣＵ５０はステップＳ２に進んで、凍結判断を行う。
＜凍結判断＞
ステップＳ２においては、解氷判定部６２が、凍結判断部６６の判断結果（氷点下の経験があるか否か）に基づいて、燃料電池２内（燃料電池システム１Ａの少なくとも一部）が凍結状態であるか否かを判定する。
「氷点下の経験がある」と判定した場合（Ｓ２、Ｙｅｓ）、解氷判定部６２は、ポンプ制御部６１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ３に進む。一方、「氷点下の経験がない」と判定した場合（Ｓ２、Ｎｏ）、解氷判定部６２は、ポンプ制御部６１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ５に進む。なお、ステップＳ２でフラグが「１」である場合は、第１の実施形態と同様に、「Ｙｅｓ」の判定後、フラグが「０」に戻される。
ステップＳ２においては、解氷判定部６２が、凍結判断部６６の判断結果（氷点下の経験があるか否か）に基づいて、燃料電池２内（燃料電池システム１Ａの少なくとも一部）が凍結状態であるか否かを判定する。
「氷点下の経験がある」と判定した場合（Ｓ２、Ｙｅｓ）、解氷判定部６２は、ポンプ制御部６１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ３に進む。一方、「氷点下の経験がない」と判定した場合（Ｓ２、Ｎｏ）、解氷判定部６２は、ポンプ制御部６１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ５に進む。なお、ステップＳ２でフラグが「１」である場合は、第１の実施形態と同様に、「Ｙｅｓ」の判定後、フラグが「０」に戻される。
＜低温用反応ガス供給−氷点下運転条件＞
ステップＳ３においては、第１実施形態と同様に、ポンプ制御部６１が、ポンプ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。
その後、処理はステップＳ１１に進む。
ステップＳ３においては、第１実施形態と同様に、ポンプ制御部６１が、ポンプ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。
その後、処理はステップＳ１１に進む。
＜自己発熱量の算出＞
ステップＳ１１においては、自己発熱量算出部６４Ａが、自己発熱量データ記憶部６４Ｂの自己発熱量データを参照しつつ、電流電圧検出器４２が検出した燃料電池２の発電量（電流、電圧）から、燃料電池２の自己発熱量を算出する（図６、矢印Ａ１参照）。
そして、処理はステップＳ１２に進む。
ステップＳ１１においては、自己発熱量算出部６４Ａが、自己発熱量データ記憶部６４Ｂの自己発熱量データを参照しつつ、電流電圧検出器４２が検出した燃料電池２の発電量（電流、電圧）から、燃料電池２の自己発熱量を算出する（図６、矢印Ａ１参照）。
そして、処理はステップＳ１２に進む。
＜非凍結温度上昇率ΔＴの算出＞
ステップＳ１２においては、非凍結温度上昇率算出部６５Ａが、燃料電池２の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの流量を考慮して、燃料電池２内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出する（図７、矢印Ａ２参照）。
そして、処理はステップＳ１３に進む。
ステップＳ１２においては、非凍結温度上昇率算出部６５Ａが、燃料電池２の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの流量を考慮して、燃料電池２内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出する（図７、矢印Ａ２参照）。
そして、処理はステップＳ１３に進む。
＜実測温度上昇率ΔＴ１の算出＞
ステップＳ１３においては、実測温度上昇率算出部６３が、実際のアノードオフガス温度Ｔ１に基づいて、実際に排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔＴ１」を算出する。
そして、処理はステップＳ１４に進む。
ステップＳ１３においては、実測温度上昇率算出部６３が、実際のアノードオフガス温度Ｔ１に基づいて、実際に排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔＴ１」を算出する。
そして、処理はステップＳ１４に進む。
＜解氷判定＞
ステップＳ１４においては、解氷判定部６２が、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する。具体的には、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」との差の絶対値が閾値ｔ（略ゼロ）以下の場合に、燃料電池２内が解氷したと判定する。なお、第２実施形態では、このような燃料電池２内の解氷を、燃料電池システム１Ｂ全体の解氷とみなしている。
「燃料電池２内は解氷した」と判定した場合（Ｓ１４、Ｙｅｓ）、解氷判定部５２は、ポンプ制御部６１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ５に進む。一方、「燃料電池２内は解氷していない」と判定した場合（Ｓ１４、Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ２１の稼動は継続される。
ステップＳ１４においては、解氷判定部６２が、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する。具体的には、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」との差の絶対値が閾値ｔ（略ゼロ）以下の場合に、燃料電池２内が解氷したと判定する。なお、第２実施形態では、このような燃料電池２内の解氷を、燃料電池システム１Ｂ全体の解氷とみなしている。
「燃料電池２内は解氷した」と判定した場合（Ｓ１４、Ｙｅｓ）、解氷判定部５２は、ポンプ制御部６１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ５に進む。一方、「燃料電池２内は解氷していない」と判定した場合（Ｓ１４、Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ２１の稼動は継続される。
＜通常用反応ガス供給−通常運転条件＞
ステップＳ５においては、第１実施形態と同様に、ポンプ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池２の起動時の凍結判断、解氷判定は終了する。
ステップＳ５においては、第１実施形態と同様に、ポンプ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池２の起動時の凍結判断、解氷判定は終了する。
このように第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、解氷判定の対象としてアノードオフガスの温度上昇率に着目するため、瞬間的に高温のアノードオフガスが排出されても、解氷判定はその影響を受けにくい。したがって、第１実施形態に係る温度センサ２２、２３およびこれに付随する配線などを省略することができる。これにより、温度センサ等の部品点数を削減することができ、燃料電池システム１Ｂを簡略化するこができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
前記した各実施形態では、停止中温度検出手段として、アノードオフガス温度を燃料電池システム１Ａ，１Ｂの温度として検出する温度センサ１４を採用したが、停止中温度検出手段はこれに限定されず、例えば、燃料電池２の筺体に取り付けられた温度センサや、燃料電池システム１Ａの各所に配置した温度センサ２２，２３、外気温度センサ４１であってもよい。
前記した第２実施形態では、アノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」と、「実測温度上昇率ΔＴ１」とを比較することで、解氷判定を行ったが、本発明はこれに限定されず、燃料電池２から排出された空気（酸化剤ガス）、ラジエータ液（冷媒）などの「非凍結温度上昇率」と、「実測温度上昇率」とを比較することで解氷判定を行ってもよい。
前記した各実施形態では、燃料電池自動車に搭載する燃料電池システム１Ａ，１Ｂに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されず、例えば家庭用の燃料電池システムなどに本発明を適用してもよい。
前記した第１実施形態では、温度センサ１４を燃料電池システム１Ａの起動中および停止中の両方で作動させるようにしたが、本発明はこれに限定されず、例えば解氷判定を２つの温度センサ２２，３３だけで行うようにすることで、温度センサ１４を燃料電池システム１Ａの停止中のみにおいて作動させるようにしてもよい。この場合は、ＩＧＳＷのＯＦＦまたはＯＮ信号によって、温度センサ１４のＯＮまたはＯＦＦを切り替えればよい。
前記した各実施形態では、燃料電池システム１Ａ，１Ｂの停止中に凍結判断部５３が氷点下の経験があるか否かを判断し、起動時に解氷判定部５２が凍結判断部５３の判断結果を参照することで凍結判断を行っているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１の実施形態を一部変更した図９に示す構造のように、停止中におけるアノードオフガス温度を蓄積して記憶する停止中温度データ記憶部５４（記憶手段）を設けるとともに、解氷判定部５２に凍結判断部５３の機能を含めるように構成することで、起動時に凍結判断部５３が停止中温度データ記憶部５４内の温度の蓄積データに基づいて凍結判断を行うようにしてもよい。これによれば、燃料電池システム１Ａの停止中は、温度センサ１４で検出した温度を単に停止中温度データ記憶部５４に記憶させるだけに留めておくことができるので、停止中における制御を単純にでき、その分停止中における電力消費を抑えることができる。
また、本実施形態では、氷点を所定温度としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池が次回の起動において安定して起動ができなくなりうる温度（燃料電池の通常発電時のシステム温度より低い温度）を所定温度としてもよい。
また、本実施形態では、氷点を所定温度としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池が次回の起動において安定して起動ができなくなりうる温度（燃料電池の通常発電時のシステム温度より低い温度）を所定温度としてもよい。
１Ａ 燃料電池システム
２ 燃料電池
１１ 水素タンク
１２ エゼクタ
１３ パージ弁
１４ 温度センサ（停止中温度検出手段）
１５ 流量計
２１ ポンプ
２２ 温度センサ
３１ ラジエータ
３３ 温度センサ
４１ 外気用温度センサ
５０ ＥＣＵ
５１ ポンプ制御部（暖機手段）
５２ 解氷判定部（低温起動制御手段）
５３ 凍結判断部（低温判断手段）
５４ 停止中温度データ記憶部（記憶手段）
２ 燃料電池
１１ 水素タンク
１２ エゼクタ
１３ パージ弁
１４ 温度センサ（停止中温度検出手段）
１５ 流量計
２１ ポンプ
２２ 温度センサ
３１ ラジエータ
３３ 温度センサ
４１ 外気用温度センサ
５０ ＥＣＵ
５１ ポンプ制御部（暖機手段）
５２ 解氷判定部（低温起動制御手段）
５３ 凍結判断部（低温判断手段）
５４ 停止中温度データ記憶部（記憶手段）
Claims (4)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの停止から起動までの間において、前記燃料電池システムの温度を検出する停止中温度検出手段と、
前記停止中温度検出手段で検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記燃料電池の運転時の温度より低く、前記燃料電池システムが凍結したか否かの判断基準となる所定温度に達したことがあるか否かを判断する低温判断手段と、
前記燃料電池システムの起動時において、前記低温判断手段の判断結果が前記所定温度に達したことがあることを示すものである場合に、前記燃料電池の起動を促進させるべく、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプを、通常運転条件よりも多流量・高圧力で酸化剤ガスを供給するように制御するポンプ制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記停止中温度検出手段で検出した温度を、蓄積して記憶する記憶手段を備え、
前記低温判断手段が、前記記憶手段で蓄積された温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記所定温度に達したことがあるか否かを判断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。 - 前記所定温度は、氷点であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムの停止から起動までの間において、前記燃料電池システムの温度を検出する停止中温度検出工程と、
前記停止中温度検出工程で検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記燃料電池の運転時の温度より低く、前記燃料電池システムが凍結したか否かの判断基準となる所定温度に達したことがあるか否かを判断する低温判断工程と、
前記燃料電池システムの起動時において、前記低温判断工程での判断結果が前記所定温度に達したことがあることを示すものである場合に、前記燃料電池の起動を促進させるべく、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプを、通常運転条件よりも多流量・高圧力で酸化剤ガスを供給するように制御する低温起動制御工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
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