JP7152373B2 - 燃料電池システムの低温起動方法及び燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムの低温起動方法及び燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、アノード系装置から燃料電池スタックにアノードガスを供給すると共に、カソード系装置から燃料電池スタックにカソードガスを供給することで、燃料電池スタック内で発電を行う。燃料電池スタックは、アノードオフガスとして未反応のアノードガスと発電中に生成される生成水（水蒸気、結露した水）を、パージ弁を介してアノード系装置から排出する（特許文献１参照）。また、特許文献１に開示のアノード系装置は、燃料電池スタックとアノード系装置との間でアノードガスを循環させるアノード循環回路を構成している。
特許第５００３０７３号公報
この種の燃料電池システムは、低温環境（氷点下以下）において起動する際に、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの水蒸気がスタック外で急速に冷却されることにより、パージ弁内のオリフィスを閉塞する場合がある。パージ弁内のオリフィスが凍結すると、アノードガスに含まれる窒素がパージ弁から排出できなくなり、燃料電池のアノード側の窒素濃度が上昇する一方で水素濃度が相対的に低下することになる。場合によっては、アノード側の水素不足により燃料電池スタックが発電できなくなるおそれがある。
特に、従来の燃料電池システムでは、低温起動時にオリフィスの閉塞状態に依らずにパージ弁の開閉を切り替えていたため、オリフィスの閉塞状態に応じた制御や閉塞解消後の水素濃度の調整をスムーズに実施することができなかった。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、低温起動時でも燃料電池スタックの発電を良好に実施させることができる燃料電池システムの低温起動方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックとの間でアノードガスを循環させるアノード系装置と、前記アノード系装置のアノード循環回路に接続されるパージ管と、前記パージ管に設けられ、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させるオリフィスを有するパージ弁とを備える燃料電池システムの低温起動方法であって、前記燃料電池システムの温度を温度センサにより検出し、予め設定された凍結温度閾値と、検出した前記温度とを制御部により比較し、前記温度が前記凍結温度閾値以下の場合に前記パージ弁を常時開状態とする低温制御を行い、前記温度が前記凍結温度閾値を上回る場合に前記パージ弁の開閉を切り替える通常制御を行う。
また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックとの間でアノードガスを循環させるアノード系装置と、前記アノード系装置のアノード循環回路に接続されるパージ管と、前記パージ管に設けられ、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させるオリフィスを有するパージ弁と、前記パージ弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの温度を検出する温度センサを有し、前記制御部は、燃料電池システムの起動時に、予め設定された凍結温度閾値と、検出した前記温度とを比較し、前記温度が前記凍結温度閾値以下の場合に前記パージ弁を常時開状態とする低温制御を行い、前記温度が前記凍結温度閾値を上回る場合に前記パージ弁の開閉を切り替える通常制御を行う。
上記の燃料電池システムの低温起動方法及び燃料電池システムは、温度センサの温度が凍結温度閾値以下である場合にパージ弁を常時開状態とすることで、低温起動時でも燃料電池スタックを良好に発電させることができる。すなわち、燃料電池システムは、低温制御においてアノードオフガスに生じる氷粒によりオリフィスが閉塞する前に、窒素を含むアノードオフガスをパージ弁から継続的且つ円滑に排出することが可能となる。よって、オリフィスが閉塞する段階で、アノード循環回路の水素濃度が充分に高いものとなり、燃料電池スタックはアノード循環回路の水素によって安定的に発電することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 図２Ａは、オリフィスの氷粒状態を示す第１説明図である。図２Ｂは、オリフィスの氷粒状態を示す第２説明図である。図２Ｃは、オリフィスの氷粒状態を示す第３説明図である。図２Ｄは、オリフィスの氷粒状態を示す第４説明図である。 低温起動時における冷媒出口温度、アノード出口温度及び従来の水素濃度の時間変化を示すグラフである。 燃料電池システムの低温起動方法を示すフローチャートである。 低温制御時の各パラメータの変化を示すタイミングチャートである。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池車両１２（燃料電池自動車：以下、単に車両１２という）に搭載される。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４、反応ガス系装置１５（アノード系装置１６、カソード系装置１８）、冷却装置２０及び制御部２２（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を備える。
燃料電池スタック１４は、アノード系装置１６から供給されるアノードガス（水素ガス等の燃料ガス）と、カソード系装置１８から供給されるカソードガス（エア等の酸化剤ガス）との電気化学反応により発電する複数の発電セル２４を有する。複数の発電セル２４は、電極面を立位姿勢にして車両１２の車幅方向に沿って積層されている。なお、複数の発電セル２４は、車両１２の前後方向や重力方向に積層されていてもよい。
発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６（以下、「ＭＥＡ２６」という）と、ＭＥＡ２６を挟持する２つのセパレータ２８（第１セパレータ２８ａ、第２セパレータ２８ｂ）とで構成される。ＭＥＡ２６は、電解質膜３０（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜３０の一方の面に設けられたアノード電極３２と、電解質膜３０の他方の面に設けられたカソード電極３４とを有する。第１セパレータ２８ａは、アノード電極３２と対向し合う面にアノードガスを流動させるアノード流路３６を形成する。第２セパレータ２８ｂは、カソード電極３４と対向し合う面にカソードガスを流動させるカソード流路３８を形成する。また、第１及び第２セパレータ２８ａ、２８ｂ同士が対向し合う面は、冷媒を流動させる冷媒流路４０を形成する。
さらに、燃料電池スタック１４は、アノードガス、カソードガス及び冷媒を発電セル２４の積層方向に沿って流動させ、アノード流路３６、カソード流路３８及び冷媒流路４０に流通させる複数の連通孔（不図示）を備える。各連通孔は、燃料電池スタック１４に接続されるアノード系装置１６、カソード系装置１８及び冷却装置２０の配管に連通している。
カソード系装置１８は、配管として、燃料電池スタック１４にカソードガスを供給するカソード供給管４２と、燃料電池スタック１４で発電に使用されたカソードオフガスを排出するカソード排出管４４とを有する。
また冷却装置２０は、配管として、燃料電池スタック１４に冷媒を供給する冷媒供給管４６と、燃料電池スタック１４から冷媒を排出する冷媒排出管４８とを有する。冷媒排出管４８には、燃料電池スタック１４から排出される冷媒の温度を検出する冷媒出口温度センサ４９が設けられている。冷媒出口温度センサ４９は、燃料電池スタック１４の近傍位置に設けられ、発電セル２４の温度調整を行った冷媒の温度を検出することで、実質的に燃料電池スタック１４自体の温度を検出していると見なすことができる。なお、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４自体の温度を直接検出する構成でもよい。
アノード系装置１６は、配管として、燃料電池スタック１４にアノードガスを供給するアノード供給管５０と、燃料電池スタック１４で発電に使用されたアノードオフガスを排出するアノード排出管５２とを有する。また、アノード供給管５０とアノード排出管５２の間には、アノード排出管５２のアノードオフガスに含まれる水素ガス（アノードガス）をアノード供給管５０に戻すためのバイパス管５４が接続されている。すなわち、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４、アノード供給管５０、アノード排出管５２及びバイパス管５４により、アノードガスを循環させるアノード循環回路５５を形成している。
また、アノード系装置１６は、燃料電池スタック１４にアノードガスを供給するための補機として、アノード供給管５０の上流から下流に向かって順に、水素タンク５６、インジェクタ５８、エジェクタ６０を備える。水素タンク５６は、アノード供給管５０の一端に接続され、貯留しているアノードガス（高圧水素ガス）をアノード供給管５０に供給する。インジェクタ５８は、アノード供給管５０において上流側で減圧されたアノードガスを所定の噴出圧で下流側に噴出する。エジェクタ６０は、インジェクタ５８から噴出したアノードガスの流動により発生する負圧に基づき、バイパス管５４からアノードガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１４にアノードガスを供給する。
さらに、アノード系装置１６は、燃料電池スタック１４からアノードオフガスを排出するための補機として、アノード出口温度センサ６２及び気液分離部６４をアノード排出管５２に備える。アノード出口温度センサ６２は、燃料電池スタック１４の近傍位置に設けられ、排出されるアノードオフガスの温度を検出する。
気液分離部６４は、アノードオフガスに含まれる発電に使用されていない未反応の水素ガス（気体）及びカソード側から電解質膜３０を透過して侵入する窒素ガスと、燃料電池スタック１４の発電で生じた生成水（液体）とを分離する。気液分離部６４には、バイパス管５４が接続されると共に、排水弁６６ａを介して排水管６６が接続されている。
また、バイパス管５４には、アノード排出管５２（気液分離部６４）のアノードオフガスをアノード供給管５０に循環させるポンプ６８が設けられる。さらに、バイパス管５４において気液分離部６４とポンプ６８の間には、パージ管７０が接続されている。パージ管７０は、排水管６６と合流すると共に車両１２の図示しない排出部に延在しており、気液分離部６４を通過したアノードオフガスを排出する。
そして、パージ管７０には、当該パージ管７０の流路を開閉するパージ弁７２が設けられている。すなわち、燃料電池システム１０は、パージ弁７２を開状態とすることにより、アノード循環回路５５からのアノードオフガスの排出を行う一方で、パージ弁７２を閉状態とすることによりアノード循環回路５５内でアノードガスを循環させる。
このパージ弁７２は、内部の流路７２ａを開閉する図示しないプランジャやダイヤフラム等を有し、また流路７２ａの開閉箇所の近傍には流路断面積（直径）が他の流路部よりも小さいオリフィス７４（絞り部）が形成されている。図１中では、便宜的に、パージ弁７２の近傍にオリフィス７４を記載している。このオリフィス７４は、アノードオフガスの流速を高めると共に、圧力を低下させる。
また、燃料電池システム１０の制御部２２は、車両１２の始動操作に基づき起動して、各装置（アノード系装置１６、カソード系装置１８、冷却装置２０）の動作を制御し、燃料電池スタック１４による発電を行う。この制御部２２は、図示しないプロセッサ、メモリ、入出力インタフェースを有するコンピュータに構成されている。
以上の燃料電池システム１０は、車両１２が低温環境下（例えば、－１０℃以下）にある場合にも起動して、燃料電池スタック１４による発電を実施する。制御部２２は、メモリに記憶されたプログラムをプロセッサが実行処理することで、所定の機能部（不図示）を構築して低温起動方法を実施する。次に、燃料電池システム１０の低温起動時に、アノード循環回路５５のパージ弁７２に生じる事象について説明する。
燃料電池スタック１４内では、発電時におけるアノードガス及びカソードガスの反応により生成水が生じる。この生成水は、燃料電池スタック１４内で結露して液体となるものもあるが、水蒸気（気体）としてアノードオフガスに混じり、燃料電池スタック１４から排出される。
ここで、低温起動時に、水蒸気を含んだアノードオフガスは、燃料電池スタック１４とアノード系装置１６のアノード排出管５２を含む補機との温度差により、燃料電池スタック１４から排出されたところで急激に冷却される。これにより図２Ａに示すように、アノードオフガス内には微小な氷粒が生じ（水蒸気が昇華し）、この氷粒は、アノード循環回路５５内を浮遊して移動する。この氷粒は、パージ管７０に入り込むと、パージ管７０に設けられたパージ弁７２にも流動する。そして低温起動の初期時には、オリフィス７４を構成しているパージ弁７２の温度も低いことで、浮遊している氷粒がアノードオフガスと共にオリフィス７４を通過する。
燃料電池システム１０の駆動によりパージ弁７２（オリフィス７４）が昇温していくと、図２Ｂに示すように、一部の氷粒が溶けてオリフィス７４を囲う壁部７６に付着することで、他の氷粒が壁部７６に着氷する。このため、氷粒がオリフィス７４において蓄積されていき、オリフィス７４を徐々に閉塞する（詰まらせる、流路断面積を小さくする）事象が生じる。
またオリフィス７４の昇温が継続すると、図２Ｃに示すように、オリフィス７４の入口側に着氷した氷粒が溶ける一方で、オリフィス７４の出口側に氷粒が着氷した状態となる。この状態では、溶けた氷粒の液体が詰まった氷粒によって留まり、オリフィス７４を完全に閉塞するように作用する。この事象により、アノードオフガスはパージ弁７２から排出されなくなる。
そして、燃料電池システム１０の駆動に伴いオリフィス７４がさらに昇温すると、図２Ｄに示すように、オリフィス７４を閉塞していた氷粒が殆ど解凍して液体になる。このため、パージ弁７２内では、アノードオフガスがオリフィス７４を流動可能となり、このアノードオフガスにより解凍した液体がオリフィス７４から排出される。
従って、燃料電池システム１０は、図２Ｄの状態以降において、パージ弁７２によりアノードオフガスの排出及び排出停止を切り替えることで、アノード循環回路５５の水素濃度を調整することができる。その一方で、氷粒がオリフィス７４を閉塞していく閉塞進行状態（図２Ｂの事象）では、パージ弁７２によるアノード循環回路５５からのアノードオフガスの排出が低下する。特に氷粒がオリフィス７４を完全に閉塞した閉塞確定状態（図２Ｃの事象）ではアノードオフガスの排出停止に至る。このため、仮に氷粒が発生中にパージ弁７２を開閉しても、アノードオフガスが充分に排出されずに、アノードオフガスに含まれる窒素ガスの濃度がアノード循環回路５５で高まる。そして既述したように、アノード循環回路５５内の水素の不足によって、燃料電池スタック１４の発電性能が低下し発電停止となる可能性がある（後記の図３中の時点ｔ２～時点ｔ３の水素濃度低下は、通常制御中にオリフィス７４が閉塞した際の変化を示している）。
以上のように、アノードオフガスの氷粒は、燃料電池スタック１４の温度に対してアノード系装置１６の補機（アノード排出管５２等）の温度が低いことで発生する。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、冷媒出口温度センサ４９の冷媒出口温度と、アノード出口温度センサ６２のアノード出口温度とを制御部２２が取得し、取得した温度とパージガス量からオリフィス７４を通過する氷粒量を監視する構成としている。また制御部２２は、低温起動時に氷粒量から算出されるオリフィス７４の閉塞状態に応じて適宜の処理を行うことで、アノード循環回路５５の水素濃度の低下を抑制する。
次に、図３のグラフを参照して、冷媒出口温度及びアノード出口温度による氷粒状態（オリフィス７４の閉塞進行状態又は閉塞確定状態）の監視方法について説明する。なお、図示例のグラフは、横軸が時間であり、縦軸が温度及び水素濃度である。このグラフにおいて、太線は冷媒出口温度の時間変化を示し、細線はアノード出口温度の時間変化を示し、１点鎖線はアノード循環回路５５の水素濃度を示す。
グラフから理解可能なように、燃料電池システム１０の低温起動の実施前において、燃料電池スタック１４及びアノード循環回路５５は、相互に同程度の低温状態（例えば、－１０℃以下）にある。この状態において、制御部２２は、起動に伴いアノード系装置１６、カソード系装置１８及び冷却装置２０を制御して、燃料電池スタック１４にアノードガス、カソードガスを供給すると共に冷媒を循環させる。これにより低温起動の初期でも、燃料電池スタック１４内でのアノードガスとカソードガスの反応により発電がなされる。そして、燃料電池スタック１４の発電に伴い、アノード排出管５２には未反応の水素ガス及び窒素ガスと共に生成水（水蒸気、又は結露した液水）が排出される。
燃料電池スタック１４は、起動開始時点ｔ０から発電に伴いスタック自体の温度を上昇させる。従って、燃料電池スタック１４から排出される冷媒の冷媒出口温度も上昇する。その一方で、アノード出口温度は、低温起動初期時にアノード循環回路５５の温度の上昇速度が低い状態で推移する。そして、低温起動初期時の時点ｔ１から氷点下（０℃以下）の状態なので、アノードオフガスに含まれる生成水の水蒸気が氷粒に昇華する。
アノードオフガスの氷粒は、冷媒出口温度（燃料電池スタック１４の温度）が０℃より高くなっても、アノード出口温度（アノード循環回路５５の温度）が０℃以下であれば発生する。また上記したように、アノードオフガスの氷粒は、パージ弁７２に向かってオリフィス７４の壁部７６に着氷し、オリフィス７４を徐々に閉塞していく。
アノード循環回路５５では、パージ弁７２に向かう氷粒の量（氷粒量Ｉ）が所定量以上になる時点ｔ２において、オリフィス７４を氷粒が完全に閉塞することになる。ここで、オリフィス７４に蓄積される氷粒量Ｉは、以下の理論により近似的に算出することが可能であり、本実施形態に係る制御部２２は、算出した氷粒量Ｉに基づき時点ｔ２のタイミングを推定（認識）する構成となっている。
すなわち、パージ弁７２に向かう単位時間当たりの氷粒量は、燃料電池スタック１４内の飽和水蒸気量（スタック飽和水蒸気量ＳＷ）からアノード循環回路５５の飽和水蒸気量（アノード飽和水蒸気量ＡＷ）を減算したものに相当する。そして、スタック飽和水蒸気量ＳＷは、冷媒出口温度からスタック飽和水蒸気圧を求め、さらにスタック飽和水蒸気圧とパージガス量ＰＧにより算出することができる。例えば、制御部２２は、冷媒出口温度とスタック飽和水蒸気圧を対応させたマップ（不図示）を有し、冷媒出口温度に基づきスタック飽和水蒸気圧を適宜抽出する。
また、パージガス量ＰＧは、氷粒がオリフィス７４を閉塞している割合であるオリフィス７４の閉塞率Ａと、パージ弁７２の流量ｆとに基づき、下記の式（１）により算出することが可能である。
ＰＧ＝（１－Ａ）×ｆ …（１）
ここで、オリフィス７４の閉塞率Ａは、閉塞進行状態において１００％より低い値（すなわち、０≦Ａ＜１の範囲）で変動する。一方、オリフィス７４の閉塞確定状態において、閉塞率Ａは最大（１００％＝１）となる。なお、閉塞進行状態における閉塞率Ａは、固定値（例えば０．５）を適用してもよく、算出した氷粒量Ｉに基づきリアルタイムに変化する変動値を適用してもよい。また、パージ弁７２の流量ｆは、アノード系装置１６のアノードガスの供給量に基づき適宜に式により算出する（又はマップ等から抽出する）ことができる。
一方、アノード飽和水蒸気量ＡＷは、アノード出口温度からアノード飽和水蒸気圧を求め、さらにこのアノード飽和水蒸気圧とパージガス量ＰＧにより算出することができる。例えば、制御部２２は、スタック飽和水蒸気圧と同様に、アノード出口温度とアノード飽和水蒸気圧を対応させたマップ（不図示）を有し、アノード出口温度に基づき適宜のアノード飽和水蒸気圧を抽出する。また、パージガス量ＰＧの算出については、上記と同様の手段を採用する。
そして、オリフィス７４に蓄積される氷粒量Ｉは、上記のスタック飽和水蒸気量ＳＷからアノード飽和水蒸気量ＡＷを減算した値（パージ弁７２に向かう単位時間当たりの氷粒量Ｉ）を時点ｔ１から積算することによって得ることができる。つまり、蓄積される氷粒量Ｉは、下記の式（２）によって計算される。
Ｉ＝Σ（ＳＷ－ＡＷ） …（２）
そして、制御部２２は、算出した氷粒量Ｉに基づきオリフィス７４の閉塞進行状態又は閉塞確定状態を監視することができる。すなわち、オリフィス７４を氷粒が完全に閉塞するタイミング（図３中の時点ｔ２）とは、パージ弁７２に向かう氷粒量Ｉが所定以上となることである。制御部２２は、実験等により予め設定された氷粒量閾値Ｉｔｈ（氷粒がオリフィス７４を閉塞する量の情報）を保有し、氷粒量Ｉと氷粒量閾値Ｉｔｈを比較することで時点ｔ２を推定することができる。よって制御部２２は、氷粒量Ｉが氷粒量閾値Ｉｔｈを下回る期間（図３中の時点ｔ１～時点ｔ２）は閉塞進行状態を判定し、氷粒量Ｉが氷粒量閾値Ｉｔｈ以上となることを判定すると（時点ｔ２）、オリフィス７４の閉塞確定状態を認識する。
また上記したように、氷粒は、燃料電池システム１０（車両１２）の周辺環境の温度が所定以下の場合に発生するものである。そのため、制御部２２は、氷粒が発生する温度の閾値（凍結温度閾値Ｃｔｈ：図１参照）を有し、アノード出口温度が凍結温度閾値Ｃｔｈ以下となった場合に、低温制御を実施しこの低温制御において閉塞進行状態又は閉塞確定状態を監視する構成となっている。
さらに図３中に示すように、アノード出口温度が所定以上となった時点ｔ３では、氷粒が解凍することで、氷粒によるオリフィス７４の閉塞が解消される（このため時点ｔ３以降は、窒素濃度の低下に伴い水素濃度が相対的に上昇している）。従って、制御部２２は、氷粒が解凍する温度の閾値（解凍温度閾値Ｄｔｈ：図１参照）を有し、アノード出口温度が解凍温度閾値Ｄｔｈ以上となった場合に、氷粒状態の監視（低温制御）を終了して通常制御を実施する。
またさらに、制御部２２は、通常制御時に、パージガス量ＰＧに基づきアノード循環回路５５の水素濃度を推定する水素濃度推定制御を実施するように構成されている。例えば、水素濃度は、アノード系装置１６のインジェクタ５８からの水素供給量と、燃料電池スタック１４の発電量、パージガス量ＰＧ等に基づき周知の算出方法により推定され得る。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、燃料電池システム１０の低温起動方法について図４に示すフローチャートを参照して説明する。
燃料電池システム１０は、車両１２のユーザによる運転開始の始動操作に伴って起動される。これにより制御部２２は、アノード系装置１６を動作させて、燃料電池スタック１４にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１４からアノードオフガスを排出させる。また制御部２２は、カソード系装置１８を動作させて、燃料電池スタック１４にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１４からカソードオフガスを排出させる。これにより燃料電池スタック１４は、アノードガスとカソードガスが内部で反応して発電する。また、制御部２２は、冷却装置２０を動作させて冷媒を循環させ、燃料電池スタック１４の温度調整を行う。
この燃料電池スタック１４の発電開始後に低温起動方法を行う。低温起動方法において、制御部２２は、まず燃料電池スタック１４のアノード出口温度センサ６２から検出信号を取得し、アノード出口温度と凍結温度閾値Ｃｔｈとの比較を行う（ステップＳ１０）。氷粒の発生に応じた低温制御を行うか否かを判定するためである。つまり、制御部２２は、アノード出口温度が凍結温度閾値Ｃｔｈ以下の場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）にステップＳ１１に進んで低温制御を実施する。一方、アノード出口温度が凍結温度閾値Ｃｔｈよりも高い場合（ステップＳ１０：ＮＯ）にステップＳ１８に進んで通常制御を実施する。
低温制御では、氷粒がオリフィス７４を閉塞する過程中の閉塞進行状態に応じた処理と、氷粒がオリフィス７４を完全に閉塞する閉塞確定状態に応じた処理とを順次実施する。そのため、閉塞進行状態であるステップＳ１１において、制御部２２は、パージ弁７２（図示しないパージ弁駆動部）に開指令を出力しパージ弁７２を常時開状態とする。つまり、低温制御では、通常制御のようにパージ弁７２の開閉の切り替えを行わないようにし、パージ弁７２の開放した状態を継続する。
また、制御部２２は、オリフィス７４の閉塞率Ａと、パージ弁７２のガス流量に基づき、上記の式（１）を用いてパージガス量ＰＧを算出する（ステップＳ１２）。上記したように、閉塞率Ａは、固定値を用いているが、氷粒量Ｉに基づき変動値を用いてもよい。
さらに、制御部２２は、冷媒出口温度センサ４９、アノード出口温度センサ６２からそれぞれ取得した冷媒出口温度、アノード出口温度、及び算出したパージガス量ＰＧに基づき上記の式（２）を用いて氷粒量Ｉを算出する（ステップＳ１３）。すなわち、オリフィス７４に蓄積される氷粒の増加量（閉塞進行状態の期間）は、スタック飽和水蒸気量ＳＷとアノード飽和水蒸気量ＡＷの差分を積算（総和）していくことで推定する。
その後、制御部２２は、算出した氷粒量Ｉと、氷粒量閾値Ｉｔｈとを比較する（ステップＳ１４）。氷粒量Ｉが氷粒量閾値Ｉｔｈよりも少ない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）には、ステップＳ１１に戻り閉塞進行状態の処理を継続する一方で、氷粒量Ｉが氷粒量閾値Ｉｔｈ以上の場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）には、ステップＳ１５に進んで閉塞確定状態の処理を行う。
閉塞確定状態であるステップＳ１５において、制御部２２は、閉塞進行状態から継続してパージ弁７２（図示しないパージ弁駆動部）に開指令を出力し、パージ弁７２をそのまま常時開状態とする。また、オリフィス７４は、凍結により閉塞していると言えるため、制御部２２は、閉塞率Ａを１００％に設定することで、上記の式（１）からパージガス量ＰＧとして０を算出する（ステップＳ１６）。
さらに、制御部２２は、取得したアノード出口温度が解凍温度閾値Ｄｔｈ以上か否かを判定する（ステップＳ１７）。そしてアノード出口温度が解凍温度閾値Ｄｔｈより低い場合（ステップＳ１７：ＮＯ）には、氷粒によるオリフィス７４の閉塞状態が継続していることになるため、ステップＳ１５に戻り閉塞確定状態の処理を繰り返す。一方、アノード出口温度が解凍温度閾値Ｄｔｈ以上の場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）にはオリフィス７４を閉塞していた氷粒が解凍したと言える。このため制御部２２は閉塞確定状態の処理を終了してステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８において、制御部２２は、燃料電池システム１０の通常制御を実施する。この場合、制御部２２は、通常制御に応じてパージガス量ＰＧを算出し、算出したパージガス量ＰＧ及び水素濃度に基づきパージ弁７２を開閉する制御を行う。そのため、アノードオフガスは、パージ弁７２の開放時にアノード循環回路５５から排出され、パージ弁７２の閉塞時にアノード循環回路５５を循環する。
また、制御部２２は、ステップＳ１８（通常制御）において、パージガス量ＰＧを用いて所定の手法によって水素濃度推定制御を実施する。低温制御から通常制御に移行した際に、制御部２２は、低温制御（閉塞進行状態、閉塞確定状態）時にパージガス量ＰＧを精度よく算出（監視）していることで、この水素濃度推定制御の精度を大幅に高めた状態で実行することができる。従って、低温制御から通常制御に移行した際の燃料電池システム１０の発電安定性を確保することが可能となる。
次に、以上の燃料電池システム１０の低温起動方法を実施した際における各パラメータの設定・変化、及びアノード循環回路５５の水素濃度の変化について、図５のタイミングチャートを参照して説明する。
燃料電池システム１０は、車両１２のユーザの始動操作に基づき時点Ｔ１０において起動すると、上記したように制御部２２の制御下に燃料電池スタック１４の発電を行う。そして、制御部２２は、燃料電池スタック１４の発電開始後の時点Ｔ１１において、アノード出口温度と凍結温度閾値Ｃｔｈを比較する（図４中のステップＳ１０参照）。これによりアノード出口温度が凍結温度閾値Ｃｔｈ以下であれば、制御部２２は、低温制御の閉塞進行状態の処理を開始する。
制御部２２は、氷粒状態を監視するためのステータスレジスタをメモリに有しており、閉塞進行状態のステータス（図示例では１）をセットする。そして、閉塞進行状態のステータスにおいて、パージ弁７２が常時開状態となりパージ弁７２を介してアノード循環回路５５からアノードオフガスが排出される。この際、オリフィス７４の閉塞率Ａは、所定の値（０≦Ａ＜１）となり、これに応じてパージガス量ＰＧも０より大きな値で推移する。
また、アノードオフガスに氷粒が発生するので、制御部２２が算出する氷粒量Ｉも徐々に増加していく。そして閉塞進行状態において、アノード循環回路５５の水素濃度は、パージ弁７２を介してアノード循環回路５５から窒素が排出されるため、スムーズに（比較的急に）上昇していく。
時点Ｔ１１後に、制御部２２は、氷粒量Ｉを監視し、氷粒量Ｉが氷粒量閾値Ｉｔｈ以上になる時点Ｔ１２において（図４中のステップＳ１４参照）、閉塞確定状態のステータス（図示例では２）をステータスレジスタにセットする。これにより閉塞確定状態の処理に移行する。
閉塞確定状態のステータスにおいて、制御部２２は、パージ弁７２の常時開状態を継続する。ただし、オリフィス７４の閉塞率Ａは１００％となり、これに応じてパージガス量ＰＧも０となる。すなわち、アノード循環回路５５のアノードオフガスはパージ弁７２から排出されなくなる。
従って、アノード循環回路５５から窒素も排出されなくなるため、アノード循環回路５５の水素濃度は徐々に低下していく。しかしながら、閉塞進行状態にパージ弁７２を常時開状態としていたことで、時点Ｔ１２では、水素濃度が充分に高いものとなっており、閉塞確定状態の処理時の水素濃度の低下を充分に許容することができる。
そして燃料電池システム１０は、アノード出口温度が解凍温度閾値Ｄｔｈ以上となる時点Ｔ１３において、通常制御のステータス（図示例では３）をステータスレジスタにセットする。これにより通常制御に移行する。制御部２２は、通常制御においてパージ弁７２を開閉することで、アノード循環回路５５からアノードオフガスの排出と循環を切り替える。従って、水素濃度は、燃料電池スタック１４の発電に適切な濃度付近で上下するようになる。
なお、通常制御の開始時に、制御部２２は、パージ弁７２の開放を継続することが好ましい。これにより、低温制御から通常制御に切り替わる際に、解凍したパージ弁７２を介して窒素を含むアノードオフガスが排出されるので、閉塞確定状態で減少していた水素濃度を上昇させることができる。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、本実施形態において制御部２２は、アノード出口温度と凍結温度閾値Ｃｔｈを比較して、低温制御又は通常制御の実施を判定した。しかしながら制御部２２は、冷媒出口温度と凍結温度閾値Ｃｔｈとを比較して、低温制御又は通常制御の実施を判定してもよい。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の第１の態様は、燃料電池スタック１４と、燃料電池スタック１４との間でアノードガスを循環させるアノード系装置１６と、アノード系装置１６のアノード循環回路５５に接続されるパージ管７０と、パージ管７０に設けられ、燃料電池スタック１４から排出されるアノードオフガスを流通させるオリフィス７４を有するパージ弁７２とを備える燃料電池システム１０の低温起動方法であって、燃料電池システム１０の温度を温度センサ（アノード出口温度センサ６２）により検出し、予め設定された凍結温度閾値Ｃthと、検出した温度とを制御部２２により比較し、温度が凍結温度閾値Ｃth以下の場合にパージ弁７２を常時開状態とする低温制御を行い、温度が凍結温度閾値Ｃthを上回る場合にパージ弁７２の開閉を切り替える通常制御を行う。
上記の燃料電池システム１０は、温度センサ（アノード出口温度センサ６２）の温度が凍結温度閾値Ｃｔｈ以下である場合にパージ弁７２を常時開状態とすることで、低温起動時でも燃料電池スタック１４を良好に発電させることができる。すなわち、燃料電池システム１０は、低温制御においてアノードオフガスに生じる氷粒によりオリフィス７４が閉塞する前に、窒素を含むアノードオフガスをパージ弁７２から継続的且つ円滑に排出することが可能となる。よって、オリフィス７４が閉塞する段階で、アノード循環回路５５の水素濃度が充分に高いものとなり、燃料電池スタック１４はアノード循環回路５５の水素によって安定的に発電することができる。
また、低温制御時に、制御部２２によりアノードオフガスに生じた氷粒によりオリフィス７４に蓄積される氷粒量Ｉを算出し、氷粒量Ｉに基づき当該パージ弁７２の閉塞進行状態又は閉塞確定状態を判定する。これにより、アノードオフガスの氷粒によるパージ弁７２の閉塞状態を精度よく認識することができ、低温制御終了後において制御部２２が水素濃度推定制御を実施する際にその精度を大幅に高めることが可能となる。
また、閉塞確定状態の場合に、予め設定された解凍温度閾値Ｄｔｈと燃料電池システム１０の温度とを制御部２２により比較し、温度が解凍温度閾値Ｄｔｈよりも低い場合にパージ弁７２の常時開状態を維持し、温度が解凍温度閾値Ｄｔｈ以上の場合に通常制御に移行する。燃料電池システム１０は、温度が解凍温度閾値Ｄｔｈ以上になった場合に、低温制御から通常制御に移行することで、燃料電池スタック１４の発電時における水素濃度の調整をスムーズに行うことができる。
また、氷粒量Ｉは、オリフィス７４を通過する飽和水蒸気量の積算に基づいて算出する。これにより、制御部２２は、氷粒量Ｉを簡単に算出することができ、閉塞進行状態又は閉塞確定状態の判定精度を高めることが可能となる。
また、燃料電池システム１０は、温度センサとして、燃料電池スタック１４から冷媒を排出する冷媒排出管４８に冷媒出口温度センサ４９を備えると共に、燃料電池スタック１４からアノードオフガスを排出するアノード排出管５２にアノード出口温度センサ６２を備え、飽和水蒸気量の積算は、冷媒出口温度センサ４９が検出する冷媒出口温度とアノード出口温度センサ６２が検出するアノード出口温度の差に基づいて行う。これにより、制御部２２は、飽和水蒸気量の積算を容易に行うことができる。
また、飽和水蒸気量の積算は、冷媒出口温度とパージ弁７２のパージガス量ＰＧとに基づき算出したスタック飽和水蒸気量ＳＷ、及びアノード出口温度とパージガス量ＰＧとに基づき算出したアノード飽和水蒸気量ＡＷを用いて算出し、パージガス量ＰＧは、オリフィス７４の閉塞率Ａに基づき算出する。オリフィス７４の閉塞率Ａを用いることで、制御部２２は、スタック飽和水蒸気量ＳＷ及びアノード飽和水蒸気量ＡＷを一層精度よく算出することができる。
また、制御部２２は、アノード出口温度と凍結温度閾値Ｃｔｈとを比較して低温制御又は通常制御の実施を判定する。これにより、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４から排出され氷粒が生じるアノードオフガスの温度に基づき、低温制御又は通常制御の実施を良好に判定することができる。
また、本発明の他の態様は、燃料電池スタック１４と、燃料電池スタック１４との間でアノードガスを循環させるアノード系装置１６と、アノード系装置１６のアノード循環回路５５に接続されるパージ管７０と、パージ管７０に設けられ、燃料電池スタック１４から排出されるアノードオフガスを流通させるオリフィス７４を有するパージ弁７２と、パージ弁７２の開閉を制御する制御部２２とを備える燃料電池システム１０であって、燃料電池システム１０の温度を検出する温度センサ（アノード出口温度センサ６２）を有し、制御部２２は、燃料電池システム１０の起動時に、予め設定された凍結温度閾値Ｃｔｈと、検出した温度とを比較し、温度が凍結温度閾値Ｃｔｈ以下の場合にパージ弁７２を常時開状態とする低温制御を行い、温度が凍結温度閾値Ｃｔｈを上回る場合にパージ弁７２の開閉を切り替える通常制御を行う。
これにより燃料電池システム１０は、アノードオフガスに氷粒が発生する温度であっても燃料電池スタック１４の発電を良好に実施させることができる。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両（車両）
１４…燃料電池スタック １６…アノード系装置
２２…制御部 ４８…冷媒排出管
４９…冷媒出口温度センサ ５５…アノード循環回路
６２…アノード出口温度センサ ７２…パージ弁
７４…オリフィス Ｃｔｈ…凍結温度閾値
Ｄｔｈ…解凍温度閾値 Ｉｔｈ…氷粒量閾値

Claims (8)

  1. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックとの間でアノードガスを循環させるアノード系装置と、
    前記アノード系装置のアノード循環回路に接続されるパージ管と、
    前記パージ管に設けられ、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させるオリフィスを有するパージ弁とを備える燃料電池システムの低温起動方法であって、
    前記燃料電池システムの温度を温度センサにより検出し、
    予め設定された凍結温度閾値と、検出した前記温度とを制御部により比較し、前記温度が前記凍結温度閾値以下の場合に前記パージ弁を常時開状態とする低温制御を行い、前記温度が前記凍結温度閾値を上回る場合に前記パージ弁の開閉を切り替える通常制御を行う
    燃料電池システムの低温起動方法。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムの低温起動方法において、
    前記低温制御時に、前記制御部により前記アノードオフガスに生じた氷粒により前記オリフィスに蓄積される氷粒量を算出し、前記氷粒量に基づき当該パージ弁の閉塞進行状態又は閉塞確定状態を判定する
    燃料電池システムの低温起動方法。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムの低温起動方法において、
    前記閉塞確定状態の場合に、予め設定された解凍温度閾値と前記燃料電池システムの前記温度とを前記制御部により比較し、前記温度が前記解凍温度閾値よりも低い場合に前記パージ弁の常時開状態を維持し、前記温度が前記解凍温度閾値以上の場合に前記通常制御に移行する
    燃料電池システムの低温起動方法。
  4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムの低温起動方法において、
    前記氷粒量は、前記オリフィスを通過する飽和水蒸気量の積算に基づいて算出する
    燃料電池システムの低温起動方法。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムの低温起動方法において、
    前記燃料電池システムは、前記温度センサとして、前記燃料電池スタックから冷媒を排出する冷媒排出管に冷媒出口温度センサを備えると共に、前記燃料電池スタックから前記アノードオフガスを排出するアノード排出管にアノード出口温度センサを備え、
    前記飽和水蒸気量の積算は、前記冷媒出口温度センサが検出する冷媒出口温度と前記アノード出口温度センサが検出するアノード出口温度の差に基づいて行う
    燃料電池システムの低温起動方法。
  6. 請求項５記載の燃料電池システムの低温起動方法において、
    前記飽和水蒸気量の積算は、前記冷媒出口温度と前記パージ弁のパージガス量とに基づき算出したスタック飽和水蒸気量、及び前記アノード出口温度と前記パージガス量とに基づき算出したアノード飽和水蒸気量を用いて算出し、
    前記パージガス量は、前記オリフィスの閉塞率に基づき算出する
    燃料電池システムの低温起動方法。
  7. 請求項５又は６記載の燃料電池システムの低温起動方法において、
    前記制御部は、前記アノード出口温度と前記凍結温度閾値とを比較して前記低温制御又は前記通常制御の実施を判定する
    燃料電池システムの低温起動方法。
  8. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックとの間でアノードガスを循環させるアノード系装置と、
    前記アノード系装置のアノード循環回路に接続されるパージ管と、
    前記パージ管に設けられ、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを流通させるオリフィスを有するパージ弁と、
    前記パージ弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムの温度を検出する温度センサを有し、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、予め設定された凍結温度閾値と、検出した前記温度とを比較し、前記温度が前記凍結温度閾値以下の場合に前記パージ弁を常時開状態とする低温制御を行い、前記温度が前記凍結温度閾値を上回る場合に前記パージ弁の開閉を切り替える通常制御を行う
    燃料電池システム。
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