JP4956567B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の状態に応じて適切に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制御方法に関する。

例えば、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池では、燃料電池の発電停止時に燃料電池のアノードとカソードとの間で電解質膜を介して燃料（アノードガス）と酸化剤（カソードガス）とが透過するクロスリークという現象が発生するものがある。このため発電停止時にアノード側に残留する燃料の量が減少してその濃度が減少することが一般に知られており、燃料電池の起動時には、燃料電池のアノード側に残留しているガスをアノードガスに置換することが行なわれている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３３１８８８号公報（段落００１５〜００１８、図１）

しかしながら、燃料電池の起動時に燃料電池のアノードに残留するアノードガス量は一定ではなく、外部環境や発電停止前の運転状態によって変化するものであるという知見が得られた。つまり、アノード側におけるアノードガスの濃度が高い場合には、起動時の置換に用いられる新規のアノードガス量は少なくて済み、またアノードガスの濃度が低い場合には、置換に用いられる新規のアノードガス量は多く必要になるが、この点についてこれまで検討されてこなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、起動時のアノードガスの置換量を適切に設定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制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記アノードガス供給手段から供給されるアノードガスと置換を行う置換手段と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記置換手段により置換を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池を起動する起動要求があった場合に、燃料電池システムの前回の運転が低温短時間運転であったか否か、および今回の運転が低温起動であるか否かを判定する運転状態判定手段を有し、前記運転状態判定手段は、前回の運転が低温短時間運転であったと判定した場合、今回の運転が低温起動でないと判定したときには、前記置換手段によるアノードガスの置換量を低温短時間運転後の起動に対応した第１マップに基づいて決定し、今回の運転が低温起動であると判定したときには、前記置換手段による前記置換量を前記第１マップに対して前記置換量を増量した第２マップに基づいて決定し、前回の運転が低温短時間運転でなかったと判定した場合、今回の運転が低温起動でないと判定したときには、前記置換手段による前記置換量を通常運転後の起動に対応した第３マップに基づいて決定し、今回の運転が低温起動であると判定したときには、前記置換手段による前記置換量を前記第３マップに対して前記置換量を増量した第４マップに基づいて決定し、前記第１マップによる前記置換量を前記第３マップによる前記置換量よりも減少させることを特徴とする。
なお、第１マップは、後記する実施形態でのマップＡに対応し、第２マップは、同実施形態でのマップＡ１に対応し、第３マップは、同実施形態でのマップＢに対応し、第４マップは、同実施形態でのマップＢ１に対応する。

また、請求項６に係る発明は、アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記アノードガス供給手段から供給されるアノードガスと置換を行う置換手段と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記置換手段により置換を行う燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池を起動する起動要求があった場合に、燃料電池システムの前回の運転が低温短時間運転であったか否か、および今回の運転が低温起動であるか否かを判定し、前回の運転が低温短時間運転であったと判定された場合において、今回の運転が低温起動でないと判定したときに前記置換手段によるアノードガスの置換量を低温短時間運転後の起動に対応した第１マップに基づいて決定するステップと、今回の運転が低温起動であると判定したときに前記置換手段による前記置換量を前記第１マップに対して前記置換量を増量した第２マップに基づいて決定するステップと、前回の運転が低温短時間運転でなかったと判定された場合において、今回の運転が低温起動でないと判定したときに前記置換手段による前記置換量を通常運転後の起動に対応した第３マップに基づいて決定するステップと、今回の運転が低温起動であると判定したときに前記置換手段による前記置換量を前記第３マップに対して前記置換量を増量した第４マップに基づいて決定するステップと、を含み、前記第１マップによる前記置換量を前記第３マップによる前記置換量よりも減少させることを特徴とする。

請求項１および請求項６に係る発明によれば、燃料電池システムの前回の運転が低温短時間運転であった場合には、燃料電池の内部で生成される生成水量は少なく、膜（電解質膜）は低温かつ乾燥状態となる。
請求項２および請求項７に係る発明は、前記第１マップ、前記第２マップ、前記第３マップ、前記第４マップの順に前記置換量を増加させることを特徴とする。

なお、低温短時間運転とは、燃料電池の起動要求がされてから、燃料電池の開放端電圧（ＯＣＶ：Open Circuit voltage、燃料電池から発電電流を取り出していないときの電圧）が所定電圧に到達した後に発電を開始するが、発電開始後、燃料電池が暖機温度（所定温度）に到達する前に燃料電池の発電が停止される運転を意味している。また、ここでの暖機温度（所定温度）とは、膜の種類等によって異なるが、燃料電池のカソードからアノードに水分が浸み出し始める温度、つまり発電が安定し始める温度（例えば、３０〜６０℃）である。よって、暖機温度（所定温度）以下では、膜が低温かつ乾燥状態であり、暖機温度を超えると、常温かつ湿潤状態となる。

このように、膜の性質上、低温かつ乾燥状態であると、常温かつ湿潤状態に比べて、アノードとカソードとの間でのクロスリーク量が減少する傾向にあることが見出された。つまり、アノード側におけるアノードガス量（アノードガス濃度）の減少ペースが少なく、起動時においても置換量が少なくて済む。したがって、前回の運転が低温短時間運転であった場合には、今回燃料電池を起動する際にアノードガスの置換量を少なく設定できるので、燃料（アノードガス）の消費量を減らすことができ、燃費の向上を図ることが可能になる。しかも、燃料の消費量を減らすことができるので、置換する時間を短くでき、燃料電池の起動時間の短縮を図ることが可能になる。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池の発電停止時間を測定する発電停止時間計時手段を有し、前記発電停止時間計時手段により得られる前記発電停止時間が長いほど前記置換量を増加させることを特徴とする。

これによれば、発電停止時間が長いほどクロスリークにより、アノードに残留するアノードガスの濃度が減少するので、発電停止時間に応じて置換量を設定することにより、置換量を適切に設定できる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池の発電停止時にアノードを掃気するアノード掃気手段を有し、前記アノード掃気手段によりアノードの掃気を行った場合には、前記置換量を最大量とすることを特徴とする。

ところで、発電停止時のアノードを掃気ガスで掃気するアノード掃気を行った場合には、アノードはすべて掃気ガス（例えば、カソードガス）に置換されることになるため、燃料電池の起動時にアノードに残留するガスを総入れ替えすることが必要になる。よって、アノード掃気を行った場合には、アノードガスの置換量を最大量、つまりアノード側におけるアノードガスがすべてカソードガスに置き換わったときの置換に必要な量に設定することにより、置換量を適切に設定することが可能になり、燃料電池の起動性を確保できる。

請求項５に係る発明は、前記低温短時間運転における発電量を算出する発電量算出手段を有し、前記発電量算出手段による発電量が少ないほど前記置換量を減少させることを特徴とする。

これによれば、低温短時間運転での発電量が少ないほど、膜が低温かつ乾燥状態となるためクロスリーク量は減少し、アノード側におけるアノードガスの濃度低下が少なくて済む。よって、低温短時間運転の発電量が少ないほど置換量を減少させることにより、さらなる燃費向上および起動時間の短縮を図れる。

本発明によれば、起動時のアノードガスの置換量を適切に設定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できる。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。 置換量を決定するマップである。 本実施形態の燃料電池システムの別の起動制御を示すフローチャートである。 置換量を決定するマップである。

以下、本発明の実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、以下では、燃料電池自動車（図示せず）を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、あるいは家庭用や業務用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、掃気系４０、制御系５０などで構成されている。

燃料電池１０は、ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）型の燃料電池であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を一対の導電性のセパレータで挟持してなる単セルを複数積層した構造を有している。ＭＥＡは、固体高分子からなる電解質膜を、触媒を含むアノードおよびカソードで挟持して構成されている。セパレータには、アノードに対向する面に水素（アノードガス）が流通するアノード流路１１が形成され、カソードに対向する面に空気（カソードガス）が流通するカソード流路１２が形成されている。なお、図示していないが、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒が循環する冷媒流路が形成されている。

アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに水素（アノードガス）を供給し、かつ、アノードからアノードオフガスを排出するものであり、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、配管ａ１〜ａ５などで構成されている。

水素タンク２１は、高純度の水素を圧縮充填したものであり、配管ａ１、遮断弁２２、配管ａ２、エゼクタ２３、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード流路１１の入口と接続されている。なお、遮断弁２２は、電磁作動式のものである。

エゼクタ２３は、負圧を発生させることによって燃料電池１０のアノード流路１１の出口から排出された未反応の水素を、配管ａ４を介して吸引して水素タンク２１からの水素と混合し、アノードに再び供給して再循環させるようになっている。

パージ弁２４は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ５を介して配管ａ４と接続されている。燃料電池１０の起動時においては、アノードに残留するガス（空気など）を配管ａ４，ａ５を介して排出し、また燃料電池１０の発電中においては、例えば定期的に開弁され、アノードに残留している不純物を排出するようになっている。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介してアノードに透過した空気中の窒素、生成水などである。

カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに空気（カソードガス）を供給し、かつ、カソードからカソードオフガス（湿潤な空気など）を排出するものであり、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、配管ｃ１，ｃ２などで構成されている。

エアコンプレッサ３１は、例えばモータで駆動される機械式の過給器であり、配管ｃ１を介して燃料電池１０のカソード流路１２の入口と接続されている。このエアコンプレッサ３１は、車外の空気を取り込んで圧縮して燃料電池１０に向けて送り出す機能を有している。

背圧制御弁３２は、例えばバタフライ弁などの開度調節が可能な弁で構成され、配管ｃ２を介してカソード流路１２の出口と接続されている。この背圧制御弁３２は、カソードに供給される空気の圧力（カソード内圧）を調節する機能を有している。

なお、図示していないが、カソード系３０には、エアコンプレッサ３１が取り込んだ空気を加湿する加湿器などが設けられている。

掃気系４０は、燃料電池１０の発電停止時に、エアコンプレッサ３１で取り込んだ空気（カソードガス、掃気ガス）をアノードに供給するものであり、掃気ガス導入配管４１、掃気ガス導入弁４２などで構成されている。

掃気ガス導入配管４１は、上流側の端部が、配管ｃ１の加湿器（不図示）の上流に接続され、下流側の端部が、配管ａ３に接続されている。掃気ガス導入配管４１には、例えば電磁作動式の掃気ガス導入弁４２が設けられ、燃料電池１０の発電停止時にアノードを掃気する際に開弁制御されるようになっている。

なお、本実施形態では、掃気ガス導入配管４１と掃気ガス導入弁４２とエアコンプレッサ３１と後記する制御部５１とで、アノード掃気手段が構成されている。

制御系５０は、制御部５１、温度センサ５２、タイマ５３、電流センサ５４などで構成されている。

制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、遮断弁２２、パージ弁２４、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、掃気ガス導入弁４２と接続され、遮断弁２２、パージ弁２４および掃気ガス導入弁４２を開閉し、エアコンプレッサ３１のモータ回転速度を制御し、背圧制御弁３２の開度を調節する。

また、制御部５１は、前記したパージ弁２４とで置換手段が構成されており、燃料電池１０の起動時に、制御部５１によってパージ弁２４を開弁しつつ、水素タンク２１から水素を供給することにより、燃料電池１０のアノードに残留したガスが水素に置換される。

温度センサ５２は、燃料電池１０の温度を検出するものであり、アノード流路１１の出口近傍の配管ａ４に設けられている。燃料電池１０の温度は、発電停止時に、アノードを掃気するアノード掃気を実施するかどうかの判断、燃料電池１０を低温起動するかどうかの判断に用いられる。

なお、温度センサ５２の位置は、燃料電池１０の温度を検出できる位置であれば本実施形態に限定されるものではなく、例えば、カソード流路１２の出口側であってもよく、図示していないが燃料電池１０を循環する冷媒の出口側の温度であってもよく、あるいは燃料電池１０の温度を直接に検出するものであってもよい。

タイマ５３は、燃料電池１０が発電を停止している時間（発電停止時間）を測定するものである。なお、このタイマ５３によって、発電停止時間計時手段が構成されている。

燃料電池１０の発電停止時間とは、燃料電池自動車（車両）のイグニッションスイッチをオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にしてからオン（ＩＧ−ＯＮ）にするまでの時間である。なお、タイマ５３（発電停止時間計時手段）によって、低温短時間運転の運転時間（発電停止時間）が測定される。この運転時間とは、ＩＧ−ＯＮされてからＩＧ−ＯＦＦされるまでの時間である。なお、低温短時間運転とは、ＩＧ−ＯＮされて、燃料電池１０のＯＣＶ（開放端電圧）のチェックが完了（ＯＣＶが所定電圧に到達）した後に発電を開始するが、燃料電池１０の暖機温度が所定温度（例えば、３０℃）に達する前にＩＧ−ＯＦＦされて、発電が停止される運転を意味している。

なお、暖機温度が所定温度以下であると、発電性能が低いため、水分の発生が微量であり、電解質膜が低温かつ乾燥状態になるが、所定温度を超えると、水分が電解質膜を介してアノードに透過し始め、電解質膜が常温かつ湿潤状態になる。

電流センサ５４は、燃料電池１０の発電量の測定に必要な発電電流を測定するものであり、燃料電池１０から外部負荷６０に取り出される電流値を測定する。なお、外部負荷６０とは、走行モータ（不図示）、バッテリ（不図示）、エアコンプレッサ３１などである。測定された発電電流は、制御部５１によって積算され、積算発電電流量を算出することにより、燃料電池１０が発電した発電量を測定することができる。

発電量を測定することにより、燃料電池１０からの生成水量を推定することができ、電解質膜が低温かつ乾燥状態であるか、常温かつ湿潤状態であるかを推定することができる。発電量が少ないほど生成水量が少なく、電解質膜が低温かつ乾燥状態となり、アノードからカソードへの水素のリーク量は減少することになる。なお、本実施形態では、電流センサ５４と制御部５１とで発電量算出手段が構成されている。

次に本実施形態の燃料電池システムの動作（起動制御）について図２および図３（適宜、図１）を参照して説明する。まず、制御部５１は、車両（燃料電池システム１）の前回の運転が低温短時間運転であるかを判定し、低温短時間運転である場合には、低温短時間運転であることを示す履歴（フラグなど）をＥＥＰＲＯＭなどに記憶しておく。

また、制御部５１は、前回の運転後の燃料電池１０の発電停止（ＩＧ−ＯＦＦ）時において、アノード掃気が実施されたか否かを判定し、アノード掃気を実施した場合には、アノード掃気を実施したことを示す履歴（フラグなど）をＥＥＰＲＯＭなどに記憶しておく。

なお、アノード掃気とは、発電停止時に燃料電池１０内のアノード流路１１などに残留する生成水が凍結するのを防止するために、掃気ガスを導入して生成水を排出する処理である。すなわち、制御部５１は、発電停止時において、図示しないバッテリの電力を利用して、パージ弁２４および掃気ガス導入弁４２を開弁し、背圧制御弁３２を必要な開度に設定した状態において、エアコンプレッサ３１のモータを所定の回転速度で駆動することによって、エアコンプレッサ３１から供給された空気（掃気ガス）が、掃気ガス導入配管４１を介してアノード流路１１に供給される。これによって、アノード流路１１に残留している生成水が吹き飛ばされながら、パージ弁２４を介して車外に排出されるようになっている。

また、アノード掃気を実施するタイミングは、燃料電池１０の温度によって判断され、例えば、検出された温度が所定温度（例えば、５℃）以下のときに実施される。したがって、ＩＧ−ＯＦＦしたときに、燃料電池１０の温度が所定温度以下であると判断された場合には、直ちにアノード掃気が行われる。

なお、アノード掃気を実施する条件としては、燃料電池１０の温度に限定されるものではなく、外気温度に基づいて判断してもよく、気象情報などに基づいて判断してもよい。

また、本発明は、アノード掃気のみが行われた場合に限定されるものではなく、アノードとともにカソードの掃気が実施された場合にも、アノード掃気を実施したことを示す履歴をＥＥＰＲＯＭなどに記憶する。なお、アノードとカソードの両側を掃気する場合には、片側ずつ掃気しても、または両側を同時に掃気してもよい。

また、ＩＧ−ＯＦＦされた場合には、制御部５１は、低電圧補機用のバッテリ（不図示）の電力を利用して、タイマ５３を起動して、ＩＧ−ＯＦＦからの時間の計測を開始する。

そして、運転者によってＩＧ−ＯＮされ、制御部５１は、ＩＧ−ＯＮ信号（起動要求）を検出すると、図２のステップＳ１００において、発電停止中にアノード掃気を実施したか否かを判断する。これは、前記したように、アノード掃気を実施したことを示す履歴をＥＥＰＲＯＭから参照することによって判断できる。

ステップＳ１００において、制御部５１は、発電停止中にアノード掃気またはアノードとカソードの両側掃気（以下、アノード掃気等と表記する）を実施していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０に進み、アノード掃気等を実施したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０に進む。

アノード掃気等を実施した場合には、ステップＳ１１０において、制御部５１は、タイマ５３を用いて、ＩＧ−ＯＦＦからＩＧ−ＯＮまでの発電停止時間を検出する。

そして、ステップＳ１２０に進み、制御部５１は、燃料電池システム１の前回の運転が、低温短時間運転であったか否かを判定し、前回の運転が低温短時間運転であったと判定されていない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１３０に進み、前回の運転が低温短時間運転であったと判定された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進む。なお、ステップＳ１２０が、本実施形態における運転状態判定手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ１３０において、制御部５１は、図３において実線Ｂで示す通常起動用の置換量を決定するＭＡＰ（マップ）を採用する。通常起動とは、前回の運転が低温短時間運転でない場合の起動であり、電解質膜が常温かつ湿潤状態で燃料電池１０の起動が行なわれる場合である。なお、実線Ｂで示すＭＡＰは、予め実験等によって求められたものである。

図３において実線Ｂに示すように、置換に必要な水素量（置換量）は、発電停止時間が長くなるにつれて増加するようになっている。これは、発電停止時間が長くなるにつれて、クロスリークによってアノード側における水素濃度が減少するので、その分置換量が増加するためである。

一方、ステップＳ１４０において、制御部５１は、図３において実線Ａで示す低温短時間運転後起動用の置換量を決定するＭＡＰを採用する。低温短時間運転後起動とは、前回の運転が低温短時間運転である場合の起動であり、電解質膜が低温かつ乾燥状態で燃料電池１０の起動が行なわれる場合である。なお、実線Ａで示すＭＡＰは、予め実験等によって求められたものである。

図３において実線Ａに示すように、置換に必要な水素量（置換量）は、発電停止時間が長くなるにつれて増加し、かつ、低温短時間運転でない場合（通常起動）と比べて少ない置換量となるように設定されている。このように低温短時間運転後起動の置換量（実線Ａ）が通常起動の置換量（実線Ｂ）に比べて少ないのは、起動時の電解質膜の状態が低温かつ乾燥状態であるので、前回の運転が低温短時間運転ではない場合（電解質膜の状態が常温かつ湿潤状態）と比べてクロスリークによるアノード側の水素濃度の減少ペースが少なくなることが理由のひとつと考えられる。

そして、ステップＳ１５０に進み、制御部５１は、図３に示すＭＡＰに基づいて、発電停止時間に応じた置換に必要な水素量（置換量）を決定する。すなわち、通常起動用のＭＡＰを採用した場合には、図３の実線Ｂで示すＭＡＰに基づいて置換量が決定され、低温短時間運転後起動用のＭＡＰを採用した場合には、図３の実線Ａで示すＭＡＰに基づいて置換量が決定される。

なお、低温短時間発電における発電量を測定しておき、低温短時間運転での発電量が少ないほど置換量を減少させるようにしてもよい。つまり、発電量が少なくなるほど生成水の発生量が減少するので、電解質膜がより低温かつ乾燥状態となって、アノードとカソードとの間でのクロスリーク量が減少して、アノード側における水素濃度の減少ペースがさらに少なくなるからである。

そして、ステップＳ１７０に進み、制御部５１は、置換制御を実施する。すなわち、制御部５１は、パージ弁２４を開弁しつつ、遮断弁２２を開弁して水素タンク２１から水素をアノードに供給するとともに、エアコンプレッサ３１を駆動してカソードに空気を供給する。

パージ弁２４を開弁しつつ水素を供給することにより、アノード流路１１に残留していたガス（空気など）が水素に徐々に置換されて水素濃度が高まり、燃料電池１０のＯＣＶが徐々に上昇する。そして、ＯＣＶが所定電圧に達すると、燃料電池１０と外部負荷６０とが電気的に接続され、図示しない電力制御装置の制御によって、燃料電池１０から発電電力（発電電流）の取り出しが開始される。

また、ステップＳ１００において、制御部５１は、ＥＥＰＲＯＭに記録された履歴を参照して、発電停止中にアノード掃気等を実施したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０に進む。アノード掃気等を実施することにより、アノード側の水素がすべて空気（掃気ガス）に置換される。

ステップＳ１６０において、制御部５１は、置換に必要な水素量（置換量）を最大に設定する。置換量が最大とは、図３において破線Ｃで示すように、アノード掃気等によってアノード側の水素量がすべて空気に置き換わった状態で起動するときに必要な置換量である。なお、アノード掃気等を実施した場合には、発電停止時間に関わらず、一定量（最大量）となる。また、このときの最大量は、予め実験等によって求められた量に設定される。

そして、ステップＳ１７０に進み、制御部５１は、前記と同様に、置換制御を実施する。すなわち、制御部５１は、置換量が最大量となるように、例えばパージ弁２４を長く開弁しながら、水素タンク２１から新鮮な水素をより多く供給することで、最大の置換量となるように制御する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１における前回の運転が低温短時間運転であった場合には、前記の運転が低温短時間運転ではなかった場合に比べて置換量を減少させるので、水素（燃料）の消費量削減によって燃費を向上することができる。しかも、置換する時間を短くできるので、燃料電池１０（燃料電池システム１）の起動時間の短縮を図ることが可能になる。起動時間とは、燃料電池１０から電力を取り出すことが可能になるまでの時間である。

例えば、図３に示すように、燃料電池１０の発電停止時間が時刻ｔである場合には、常に通常起動用のＭＡＰで起動制御を行った場合と比べて、差分Ｓ１の水素量（置換量）を削減することができ、燃費向上および起動時間の短縮が可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の発電停止時間（低温短時間運転の運転時間、ＩＧ−ＯＦＦ〜ＩＧ−ＯＮ）が長いほど、クロスリークによってアノードの水素濃度が減少するので、発電停止時間が長いほど置換量を増加させることで、置換量を適切に設定することが可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、アノード掃気等を実施した場合には、ＩＧ−ＯＦＦ時にアノードに残留していた水素のすべてが空気（掃気ガス）に置換されるので（水素濃度がゼロになるので）、置換量を最大に設定してガスの総入れ替えを行うことにより、置換量を適切に設定することができ、燃料電池１０の起動性を確保することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１によれば、低温短時間運転による発電量が少ないほど電解質膜がより低温かつ乾燥状態になってクロスリーク量が減少するので、低温短時間運転での発電量が少ないほど置換量を減少させることにより、さらなる燃費向上および起動時間の短縮を図ることが可能になる。

図４は本実施形態の燃料電池システムの別の起動制御を示すフローチャート、図５は置換量を決定するマップである。なお、図４に示す起動制御のフローチャートは、図２に示す起動制御のフローチャートに、ステップＳ１０〜Ｓ１２，Ｓ１２１，Ｓ１２２，Ｓ１３１，Ｓ１４１の処理を追加したものであり、同一の処理については同一のステップ符号を付して重複した説明を省略する。

まず、制御部５１は、ＩＧ−ＯＮ信号（起動要求）を検出すると、ステップＳ１０において、燃料電池１０を低温起動するかどうかを判断する。低温起動するかどうかは、例えば、温度センサ５２で検出される燃料電池１０の温度（以下、ＦＣ（Fuel Cell）温度と表記する）、あるいは外気温度センサ（不図示）で検出される外気温度などによって判断され、ＦＣ温度や外気温度が所定温度（例えば、１０℃）以下である場合に低温起動を行うと判断する。

そして、ステップＳ１０において、制御部５１は、燃料電池１０を低温起動すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に進み、フラグを「１」に設定してＲＡＭに記憶し、燃料電池１０を低温起動しないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２に進み、フラグを「０」に設定してＲＡＭに記憶する。

また、ステップＳ１２０において、制御部５１は、燃料電池システム１（車両）の前回の運転が低温短時間運転ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２１に進み、フラグが「１」に設定されているか否かを判断する。制御部５１は、ＲＡＭを参照してフラグが「１」であると判断した場合には（Ｓ１２１、Ｙｅｓ）、ステップＳ１３１に進み、通常起動用で、かつ、低温起動用の置換量を決定するＭＡＰを採用する。

すなわち、ステップＳ１５０において、制御部５１は、図５において実線Ｂで示すＭＡＰを破線Ｂ１で示すＭＡＰに持ち替えて、発電停止時間に応じた置換量を決定する。つまり、低温起動する場合には、置換に必要な水素量を低温起動しない場合よりも増加させて、実線Ｂで示す通常起動の場合よりも、起動時におけるアノード側の水素濃度を高めることによって、暖機性能をより高めるようになっている。

また、ステップＳ１２０において、制御部５１は、燃料電池システム１（車両）の前回の運転が低温短時間運転であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２２に進み、フラグが「１」に設定されているか否かを判断する。制御部５１は、ＲＡＭを参照してフラグが「１」であると判断した場合には（Ｓ１２２、Ｙｅｓ）、ステップＳ１４１に進み、低温短時間運転後起動用で、かつ、低温起動用の置換量を決定するＭＡＰを採用する。

すなわち、ステップＳ１５０において、制御部５１は、図５において実線Ａで示すＭＡＰを破線Ａ１で示すＭＡＰに持ち替えて、発電停止時間に応じた置換量を決定する。つまり、低温起動する場合には、置換に必要な水素量を低温起動しない場合よりも増加させて、実線Ａで示す低温短時間運転後起動の場合よりも、起動時におけるアノード側の水素濃度を高めることによって、暖機性能を高めるようになっている。

なお、制御部５１は、ステップＳ１２１において、フラグが「０」であると判断した場合には（Ｎｏ）、前記したように、実線Ｂで示すＭＡＰに基づいて置換量を決定する（Ｓ１５０）。また、制御部５１は、ステップＳ１２２において、フラグが「０」であると判断した場合には（Ｎｏ）、実線Ａで示すＭＡＰに基づいて置換量を決定する（Ｓ１５０）。

このように、図４および図５に示す実施形態では、燃料電池システム１の起動時に、低温起動するか否かの判定を追加することにより、起動時の置換量をさらに適切に設定することが可能になり、さらなる燃費向上および起動時間の短縮が可能になる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路
１２ カソード流路
２１ 水素タンク（アノードガス供給手段）
２２ 遮断弁
２４ パージ弁（置換手段）
３１ エアコンプレッサ（アノード掃気手段）
３２ 背圧弁
４１ 掃気ガス導入配管（アノード掃気手段）
４２ 掃気ガス導入弁（アノード掃気手段）
５１ 制御部（置換手段、運転状態判定手段、アノード掃気手段、発電量算出手段）
５２ 温度センサ
５３ タイマ（発電停止時間計時手段）
５４ 電流センサ（発電量算出手段）
ａ１〜ａ５ 配管
ｃ１，ｃ２ 配管

Claims (7)

1. アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記アノードガス供給手段から供給されるアノードガスと置換を行う置換手段と、を有し、
   前記燃料電池の起動時に前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記置換手段により置換を行う燃料電池システムであって、
   前記燃料電池を起動する起動要求があった場合に、燃料電池システムの前回の運転が低温短時間運転であったか否か、および今回の運転が低温起動であるか否かを判定する運転状態判定手段を有し、
   前記運転状態判定手段は、
   前回の運転が低温短時間運転であったと判定した場合、
   今回の運転が低温起動でないと判定したときには、前記置換手段によるアノードガスの置換量を低温短時間運転後の起動に対応した第１マップに基づいて決定し、
   今回の運転が低温起動であると判定したときには、前記置換手段による前記置換量を前記第１マップに対して前記置換量を増量した第２マップに基づいて決定し、
   前回の運転が低温短時間運転でなかったと判定した場合、
   今回の運転が低温起動でないと判定したときには、前記置換手段による前記置換量を通常運転後の起動に対応した第３マップに基づいて決定し、
   今回の運転が低温起動であると判定したときには、前記置換手段による前記置換量を前記第３マップに対して前記置換量を増量した第４マップに基づいて決定し、
   前記第１マップによる前記置換量を前記第３マップによる前記置換量よりも減少させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１マップ、前記第２マップ、前記第３マップ、前記第４マップの順に前記置換量を増加させ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。
3. 前記燃料電池の発電停止時間を測定する発電停止時間計時手段を有し、
   前記発電停止時間計時手段により得られる前記発電停止時間が長いほど前記置換量を増加させ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。
4. 前記燃料電池の発電停止時にアノードを掃気するアノード掃気手段を有し、
   前記アノード掃気手段によりアノードの掃気を行った場合には、前記置換量を最大量とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記低温短時間運転における発電量を算出する発電量算出手段を有し、
   前記発電量算出手段による発電量が少ないほど前記置換量を減少させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. アノードガスとカソードガスとが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記アノードガス供給手段から供給されるアノードガスと置換を行う置換手段と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記燃料電池のアノードに残留するガスを前記置換手段により置換を行う燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池を起動する起動要求があった場合に、燃料電池システムの前回の運転が低温短時間運転であったか否か、および今回の運転が低温起動であるか否かを判定し、前回の運転が低温短時間運転であったと判定された場合において、今回の運転が低温起動でないと判定したときに前記置換手段によるアノードガスの置換量を低温短時間運転後の起動に対応した第１マップに基づいて決定するステップと、今回の運転が低温起動であると判定したときに前記置換手段による前記置換量を前記第１マップに対して前記置換量を増量した第２マップに基づいて決定するステップと、前回の運転が低温短時間運転でなかったと判定された場合において、今回の運転が低温起動でないと判定したときに前記置換手段による前記置換量を通常運転後の起動に対応した第３マップに基づいて決定するステップと、今回の運転が低温起動であると判定したときに前記置換手段による前記置換量を前記第３マップに対して前記置換量を増量した第４マップに基づいて決定するステップと、を含み、前記第１マップによる前記置換量を前記第３マップによる前記置換量よりも減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 前記第１マップ、前記第２マップ、前記第３マップ、前記第４マップの順に前記置換量を増加させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。

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