JP2006156181A - 燃料電池の低温起動方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水の凍結温度以下でも迅速な始動が確実に遂行され、かつ低温起動時における燃料電池の発電性能を向上させる。
【解決手段】起動時に、燃料電池スタックの温度が水の凍結温度以下であることが検出された際（ステップＳ３）、検出した起動時冷媒温度の値に従って、通常運転時に比較して圧力を増圧するための複数の圧力マップ中、適切な圧力マップを選択する（ステップＳ４）。選択した圧力マップに従い、冷媒温度と目標発電電流とから水素目標圧力を決定する（ステップＳ５）。決定した目標ガス圧力にて燃料電池に反応ガスを供給する。圧力マップを起動時冷媒温度に応じて持ち替えているので、低温起動時に、不必要な増圧に伴うエネルギ損失を削減することができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、一対の電極間に電解質を配した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を、水の凍結温度以下で起動させるための燃料電池の低温起動方法及び燃料電池システムに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）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ている。この種の燃料電池は、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使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在している。このため、燃料電池を氷点下（水の凍結温度以下）で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分が凍結し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１には、Ｄｕｐｏｎｔ社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）及びＤｏｗ社製の実験用膜（商品番号ＸＵＸ １３２０４．１０）のような電解質膜は、−２０℃の温度であっても十分にイオン的に伝導性を有して燃料電池内で電気化学反応が可能であることが開示されている。

この特許文献１では、上記の電解質膜を用いることにより、水の凝固温度よりも低い温度から燃料電池電力発生装置の作動を開始するための方法を開示している。電力発生装置は、外部電気回路に対して電流を供給するために前記外部電気回路に接続可能な燃料電池堆積体を有している。堆積体は、少なくとも一つの燃料電池を有し、前記燃料電池が、正極と、負極と、これらの間に挿入された水透過性イオン交換膜とを備えた膜電極組立品を具備するとともに、前記膜電極組立品の少なくとも一部の温度が水の凝固温度より低い。そして、この方法は、膜電極組立品の一部の温度が水の凝固温度を超過するように、堆積体から外部電気回路に電流を供給する工程を含んでいる。

特表２０００−５１２０６８号公報（図３、図６）

上記の特許文献１において、コア温度が−２３℃で４個の堆積体が作動を開始した積層体電圧と時間（分）との関係（プロットＸ）と、堆積体コア温度と時間（分）との関係（プロットＹ）とが、図７のように示されている。

しかしながら、上記の特許文献１では、図７から分かるように、作動開始後の約４分間、水素の流れる通路が水又は氷により塞がれてしまい、水素の流れが適切に行われていないという問題がある。さらに、４分後に５０アンペアの負荷に接続されると、約４５アンペアの出力が得られたものの、出力電流は約８秒で約１５アンペアまで低下してしまう。これは、生成水が凍結したからである。

このように、特許文献１では、水の凝固温度以下であっても、燃料電池の作動が可能になるものの、氷や生成水の凍結によって所望の始動状態に迅速に移行することが困難であるという問題がある。

この発明はこの種の問題を解決するものであり、特に水の凍結温度以下の環境で、迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に効率的に移行することが可能な燃料電池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。

また、この発明では、特に水の凍結温度以下の環境で、迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に効率的に移行する際に、エネルギ損失を削減すること、換言すれば、必要最小限のエネルギにより始動及び効率的な通常運転への移行を可能とする燃料電池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。

この出願人の出願に係る特願２００４−２００１９２号明細書によれば、以下のことが記載されており、この発明は、これらの知見を基礎としている。

すなわち、特願２００４−２００１９２号明細書によれば、水の凍結温度以下の環境において、図８に示すように、特定の電圧下で出力電流がガス圧力によって変動し、電圧降下を惹起することがなく、安定して最大電流を取り出すことができることを見出した。その際、ガス圧力が高くなるのに比例して、取り出される出力電流が向上した。

さらに、水の凍結温度以下の環境において、特定の電圧下で、ガス圧力の高低と限界負荷とが、図９に示す関係を有し、前記ガス圧力が通常運転条件のガス圧力より高く設定されると、安定して取り出すことができる限界負荷（最大出力電流）が大きくなるという特質が得られることを見出した。

すなわち、氷点下起動に際し、残留水が電極触媒やガス拡散層に凍結した状態で存在していると、電極反応面積が低下して反応ガスの拡散性が著しく低下する。ところが、供給する反応ガスのガス圧力を高めることにより、電極反応が起こる反応部位に反応ガスを確実に供給することができ、取り出し可能な出力電流が向上するものと考えられる。しかも、氷点下起動の環境において、反応ガスのガス圧力を高めることは、通常運転状態で反応ガスのガス圧力を高めるよりも、発電特性を向上させる効果が大きい。

また、燃料電池の温度が凍結温度以下であることが検出された際、少なくとも酸化剤ガスの流量制御マップを、氷点下起動用制御マップに変更することが好ましい。

さらに、氷点下起動用制御マップのガス流量は、通常起動用制御マップのガス流量よりも大きく設定されることが好ましい。

さらにまた、酸化剤ガスは、コンプレッサにより加圧されるとともに、燃料電池の発電電力によって前記コンプレッサを駆動することが好ましい。自己発熱が促進されて昇温が迅速に行われるからである。

また、燃料電池に供給されて該燃料電池から排出された燃料ガスは、前記燃料電池に循環供給されることが好ましい。排ガス（燃料ガス）の熱量を利用して昇温が迅速に行われるからである。

以上の知見が、特願２００４−２００１９２号明細書に記載されている。

この発明は、これらの知見をも考慮してなされたものである。

この発明に係る燃料電池の低温起動方法及び燃料電池システムでは、一対の電極間に電解質を配した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を、水の凍結温度以下の温度で起動させる際に、前記凍結温度以下の温度での起動が必要か否かを判定し、この判定結果において、前記凍結温度以下の温度での起動が必要と判定された場合、前記燃料電池の現在温度と発電電流に応じて目標ガス圧力を決定し、決定した目標ガス圧力にて前記燃料電池に反応ガスを供給するようにしている。

このため、この発明によれば、低温起動の際に、目標ガス圧力を不必要な程度まで増圧するエネルギ損失が削減でき、必要最小限のエネルギにより始動及び効率的な通常運転への移行ができる。なお、水の凍結温度以下の温度で起動させる際に、反応ガスのガス圧力は、発電電流が一定の条件下で、通常運転時のガス圧力に比較して増圧する必要がある。

目標ガス圧力を決定する際に、制御マップを用いて決定することで、簡単な構成で低温起動が行える。

なお、より好ましくは、制御マップは、前記燃料電池の起動開始温度毎に異なる複数の制御マップを用いるようにする。このようにすれば、起動時において、前記反応ガスを供給する際に、前記複数の制御マップから前記起動開始温度に応じた制御マップを選択すればよいことになり、よりエネルギの損失を少なくできる。

前記燃料電池の起動開始温度は、例えば、燃料電池の内部に流通させて冷却する冷却媒体の出口温度、燃料電池の燃料ガスの出口温度、あるいは酸化剤ガスの出口温度を用いることで、その燃料電池システムに適合した簡素な増圧制御が可能となる。

この際、起動後の暖機昇温過程において、これらの温度毎に、燃料ガスの圧力を規定した制御マップに従い、通常の発電運転時よりも増圧した条件で発電を行う。

例えば、起動開始温度が、−５［℃］からの起動後に０［℃］に到達したときの発電状況に比較して、起動開始温度が−２０［℃］からの起動後に０［℃］に到達したときの発電状況の方が発電安定性が悪い。この事情を考慮し、低温起動時の燃料ガスの圧力の増圧マップ自体も、低温起動時の起動開始温度毎に選択できるようにしているので、発電状況に適した燃料ガス系のガス圧力制御ができる。結果として、不必要な増圧を原因とするエネルギ損失、例えばアノード電極とカソード電極の極間差圧保護のためのカソード電極側の増圧に伴うコンプレッサ等の電力を削減することができる。

燃料ガスの圧力を増圧して供給することにより、燃料電池内の燃料ガス流路内の水素濃度が増大し、低温起動時における燃料電池の発電安定性が向上する。

また、反応ガスとしての燃料ガスは、圧力調整手段を介して圧力が調整されるレギュレータを通じて前記燃料電池に供給するようにすることが好ましい。

ここで、前記圧力調整手段をインジェクタとし、このインジェクタの開閉をデューティ制御することにより、前記レギュレータから出力される燃料ガスの圧力を正確かつ簡易に調整することができる。

この発明によれば、特に水の凍結温度以下の環境で、迅速な始動が確実に遂行され、通常運転に効率的に移行することができる。また、低温起動の際に、目標ガス圧力を不必要な程度まで増圧することを原因とするエネルギ損失が削減でき、必要最小限のエネルギにより始動及び効率的な通常運転への移行ができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池の低温起動方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池１２を備える。

燃料電池１２は、模式的断面を描いているように、電解質、例えば固体高分子電解質膜１４の両側にそれぞれアノード電極１６とカソード電極１８を設けた電解質膜・電極構造体２０を、一対のセパレータ２２、２４によって挟んで保持するとともに、アノード電極１６とセパレータ２４との間に燃料ガス流路２６を形成する一方、カソード電極１８とセパレータ２２との間に酸化剤ガス流路２８を形成し、さらに、セパレータ２２とセパレータ２４の間には、冷却媒体流路３０を形成した燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

燃料電池１２には、この燃料電池１２の燃料ガス流路２６に、燃料ガスである水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給流路４０と、燃料電池１２の燃料ガス流路２６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出流路４２と、燃料電池１２の酸化剤ガス流路２８に、圧縮空気を供給するための空気供給流路４４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１２の酸化剤ガス流路２８から排出するための空気排出流路４６と、燃料電池１２の冷却媒体流路３０に、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路４８と、冷却媒体流路３０から冷却媒体を循環させるために排出するための冷却媒体排出流路５０とが外部から接続されている。

水素供給流路４０の燃料電池１２に対する水素供給口側と、水素排出流路４２の燃料電池１２に対する水素排出口側と、空気排出流路４６の燃料電池１２に対する空気排出口側と、冷却媒体排出流路５０の燃料電池１２に対する冷却媒体排出口側とには、それぞれが温度検出手段である、燃料ガスの入口温度Ｔ４を検出する温度センサ７４、燃料ガスの出口温度Ｔ３を検出する温度センサ７３、酸化剤ガスの出口温度Ｔ２を検出する温度センサ７２、及び冷却媒体の出口温度Ｔ１を検出する温度センサ７１が設けられている。

水素供給流路４０の燃料電池１２に対する水素供給口側には、燃料ガスの圧力（圧力値）ＰＨを検知する圧力検知手段としての圧力センサ５２が設けられるとともに、水素供給流路４０にはエゼクタ５４が接続される。このエゼクタ５４は、高圧水素を貯留する水素タンク５６から水素供給弁５８及び圧力制御手段としてのレギュレータ６０を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路４０を通じて燃料電池１２内の燃料ガス流路２６に供給するとともに、燃料電池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水素排出流路４２に連通する水素循環流路６２から吸引して燃料電池１２に再供給する。

実際上、水素排出流路４２と水素循環流路６２との間には、水とガスとを分離する気液分離器（不図示）が設けられ、この気液分離器に溜まった水は、ドレイン弁（不図示）を通じて大気に排出される。

一方、空気供給流路４４には、大気からの空気を圧縮して供給するコンプレッサ用モータと一体となったコンプレッサ（エアコンプレッサ）８０が接続される。

コンプレッサ８０からの圧縮空気は、空気供給流路４４を通じて燃料電池１２の酸化剤ガス流路２８に供給されるとともに、圧力流体供給流路７５を通じて、レギュレータ６０のパイロット室７８に供給される。パイロット室７８には、図示しないダイヤフラムが設けられる。このパイロット室７８は、圧力調整手段としてのインジェクタ（エアインジェクタ）７６に連通している。この実施形態において、レギュレータ６０は、パイロット室７８に信号圧が印加されていないときに図示しないばね圧力により弁が閉じる、いわゆるノーマルクローズタイプのものを使用している。

インジェクタ７６は、制御装置８２により弁が開閉制御（オンオフ制御）され、弁が開かれているときに、コンプレッサ８０から圧力流体供給流路７５を通じてレギュレータ６０のパイロット室７８に供給された圧縮空気が、空気排出口７９を通じて大気に排出される。

圧縮空気が大気に排出されることにより、パイロット室７０内の信号圧（パイロット圧）が下降し、結果として、レギュレータ６０から増圧した燃料ガスがエゼクタ５４及び水素供給流路４０を通じて燃料電池１２の燃料ガス流路２６に供給される。その一方、インジェクタ７６の弁が閉じられているときにパイロット室７８の信号圧が上昇し、レギュレータ６０から減圧した燃料ガスがエゼクタ５４を通じて燃料電池１２に供給される。

すなわち、インジェクタ７６が開いている期間のデユーティに応じた信号圧がレギュレータ６０のパイロット室７８に供給される。そして、レギュレータ６０は、パイロット室７８に供給された信号圧に応じた圧力に調整された燃料ガスを水素タンク５６、水素供給弁５８、レギュレータ６０を通じて、エゼクタ５４に供給する。

この実施形態においては、レギュレータ６０を介して出力される燃料ガスの連続的な増圧制御（減圧制御）をインジェクタ７６の弁の開閉によるデューティ制御により行っているので、制御が簡単であり、かつパイロット室７８での信号圧は積分的に変化するので、滑らかに増圧制御（減圧制御）を行うことができる。

この場合、制御装置８２は、圧力センサ５２により検出される燃料ガスの入口圧力ＰＨが所定の目標圧力になるようにインジェクタ７６の開閉を制御する。

一方、空気排出流路４６には、コンプレッサ８０から空気供給流路４４を通じて燃料電池１２の酸化剤ガス流路２８に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁８６が設けられ、燃料電池１２の空気排出流路４６は、この背圧制御弁８６を介し空気排出流路８８を通じて大気に連通している。

さらに、冷却媒体排出流路５０と冷却媒体供給流路４８との間には、冷却媒体を冷却するためのラジエータ９０及び冷却媒体（冷媒ともいう。）を循環させる循環ポンプ９２が設けられている。

さらにまた、燃料電池システム１０には、制御装置８２が設けられ、この制御装置８２により、点線で示す制御線を介して燃料電池システム１０の全ての動作が制御される。制御装置８２には、燃料電池システム１０の起動信号（始動信号）及び停止信号を出力するイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）９４や図示しないアクセルペダル等が接続されている。

ここで、制御装置８２は、ＣＰＵ、メモリ、タイマ等からなるコンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されている各種マップを参照し、かつメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。具体的に、この実施形態において、制御装置８２は、水の凍結温度以下の温度で燃料電池１２を起動する低温起動手段として動作し、この低温起動手段として動作するときに、低温起動要否判定手段、目標ガス圧力決定手段としても動作し、さらにレギュレータ６０及びインジェクタ７６と協働して反応ガス供給手段等としても動作する。なお、図１において、上述したように点線は制御線等の信号線を示し、二重線は、各種配管を示している。

燃料電池システム１０の通常発電運転時には、燃料電池１２のカソード電極１８にコンプレッサ８０から空気供給流路４４及び酸化剤ガス流路２８を通じて空気（酸素）が供給される一方、アノード電極１６に水素タンク５６から水素ガスが供給されると、アノード電極１６側で水素がイオン化され、水素イオンが固体高分子電解質膜１４を介してカソード電極１８の方に移動する。この間に発生した電子が発電電流Ｉｆとして負荷９６（燃料電池システム１０が車両に搭載された燃料電池車両においては、駆動用モータ、エアコンディショナあるいは蓄電装置等）に供給される。発電電流Ｉｆの一部は、燃料電池システム１０の起動処理や燃料電池システム１０の停止・終了処理を行う際に、コンプレッサ８０等に電力を供給するキャパシタあるいはバッテリ等の蓄電装置を充電するエネルギとして利用される。

この負荷９６も制御装置８２により制御され、負荷９６に供給される発電電流Ｉｆの値は、制御装置８２により図示しない電流センサを通じて常時検出される。

基本的に以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０の低温起動制御動作について、図２のフローチャート（制御装置８２が実行するプログラム）及び図３の水素ガス圧力マップＭＡＰを参照して説明する。なお、以下の説明においては、主に、燃料電池１２の低温起動時における燃料ガス流路２６の圧力制御（アノード系圧力の増圧制御）について説明する。酸化剤ガス流路２８の圧力は、制御装置８２により、燃料ガス流路２６の圧力に対して所定比率になるように背圧制御弁８６の弁開度を調整することで制御することが可能である。

そこで、まず、イグニッションスイッチ９４がオフ状態である燃料電池システム１０のシステム停止中、ステップＳ１において、制御装置８２が燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ９４のオン信号（オフからオンに遷移する信号）を検出したとき、ステップＳ２以降の低温起動制御処理が実行される。

ステップＳ２では、制御装置８２により、燃料電池１２の冷却媒体出口に設けられた温度センサ７１から冷媒温度Ｔ１を、燃料電池１２の起動時冷媒温度Ｔｓとして検出する。

次に、ステップＳ３において、この起動時冷媒温度Ｔｓが、低温起動制御の対象となる起動時冷媒閾値温度Ｔｓｔｈ（この実施形態では、Ｔｓｔｈ＝０［℃］に設定されている。）以下の温度、すなわち、水の凍結温度以下（氷点下）の温度であるかどうかが判定され、起動時冷媒温度Ｔｓが、起動時冷媒温度閾値温度Ｔｓｔｈを超える値である場合には、低温起動処理が不要と判断され、ステップＳ８の通常発電処理が行われる。

ステップＳ８の通常発電処理時には、図３中、「５０［℃］以上」として符号を引きだしているガス圧力マップＺＰＨ３が選択され、目標発電電流Ｉｆに応じたガス圧力が設定されて駆動開始され、以降、冷媒温度Ｔ１が、５０［℃］以上の所定温度となるように、循環ポンプ９２が駆動され、燃料電池１２がラジエータ９０による熱交換作用下に冷却媒体により冷却される。

その一方、ステップＳ３の判定において、ステップＳ２で検出した起動時冷媒温度Ｔ１ｓが起動時冷媒閾値温度Ｔｓｔｈ（ここでは、上述したように０［℃］）以下の温度である場合、水の凍結温度以下の温度での低温起動処理が必要と判定し、ガス圧力マップＭＡＰ中、通常発電用のガス圧力マップＺＰＨ３以外の、このガス圧力マップＺＰＨ３よりも増圧されているガス圧力マップＭＡＰを使用するステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、ステップＳ２で検出した起動時冷媒温度Ｔｓの値に従って、図３に示した複数の圧力マップＭＡＰの中から適切な圧力マップＭＡＰを選択する。

すなわち、起動時冷媒温度Ｔｓが、−２０［℃］〜−１０［℃］の間の場合には、起動開始時の圧力マップＭＡＰとして、実線で示す圧力マップＺＰＨ１１を選択する。

また、起動時冷媒温度Ｔｓが、−１０［℃］〜０［℃］の間の場合には、起動開始時の圧力マップＭＡＰとして、点線で示す圧力マップＺＰＨ２１を選択する。すなわち、この実施形態において、起動時冷媒温度Ｔｓが起動時冷媒閾値温度Ｔｓｔｈ＝０［℃］以下の場合には、起動時冷媒温度Ｔｓの値に従い、圧力マップＺＰＨ１１または圧力マップＺＰＨ２１のいずれかの圧力マップが選択される。

次いで、ステップＳ５において、選択された圧力マップＭＡＰ（低温起動時は、上述したように、圧力マップＺＰＨ１１またはＺＰＨ２１）に従い現在冷媒温度Ｔｐ（起動時は、起動時冷媒温度Ｔｓに等しい値）と必要な発電電流Ｉｆから燃料ガスの圧力である水素目標圧力ＰＨを決定する。

例えば、図４に示すように、起動時冷媒温度ＴｓがＴｓ＝−５［℃］である場合で、エアコンディショナ等の負荷９６を考慮した発電電流がＩｆａと計算されたとき、ガス圧力ＰＨは、圧力マップＺＰＨ２１上の目標圧力（水素目標圧力）ＰＨａ１に決定される。

次いで、ステップＳ５において、この目標圧力ＰＨａ１に従いインジェクタ７６が駆動制御される。

この場合、圧力センサ５２により検出される燃料ガスの圧力ＰＨが、目標圧力ＰＨａ１になるように、インジェクタ７６が制御装置８２によりデユーティ制御されて、レギュレータ６０の出力圧力が所定圧力に調整される。

この発電制御に伴い、冷媒温度が上昇する。上述したように、燃料電池１２の暖機運転期間を短くするために発電電流Ｉｆは、全てエアコンディショナ等の負荷９６に供給することが好ましい。

次いで、ステップＳ６では、温度センサ７１により冷媒温度Ｔ１を現在冷媒温度Ｔｐとして検出し、この現在冷媒温度Ｔｐが、低温起動制御にかかる圧力増圧制御の判断温度である圧力増圧制御完了閾値温度Ｔｐｔｈ、この実施形態では、Ｔｐｔｈ＝５０［℃］を超える温度になっているかどうか判定する。

低温起動制御を開始したときの最初のステップＳ７での判定は、肯定的とはならないので、以下、ステップＳ７の判定が肯定的となるまで、ステップＳ５、Ｓ６の処理を繰り返す。

このときのステップＳ５、Ｓ６の処理は、図４に示すように、現在冷媒温度Ｔｐが起動時冷媒温度Ｔｓ（Ｔｓ＝−５［℃］）から現在冷媒温度Ｔｐ＝０［℃］になるまでは、起動時に選択した圧力マップ（増圧マップ）ＺＰＨ２１が使用され、現在冷媒温度ＴｐがＴｐ＝０［℃］を超えたときに、点線で示す圧力マップ（増圧マップ）ＺＰＨ２２に持ち替えられる。このとき、目標圧力ＰＨが、目標圧力ＰＨａ１から目標圧力ＰＨａ２に持ち替えられる。以下、同様に、現在冷媒温度ＴｐがＴｐ＝１０［℃］を超えたときに、点線で示す圧力マップＺＰＨ２３の目標圧力ＰＨａ３に持ち替えられる。

現在冷媒温度Ｔｐの増加に従い、増圧値の低いマップＭＡＰに持ち替えることで、過剰な増圧によるエネルギ損失を回避することができる。なお、増圧マップは、例えば、−２［℃］等で用いるとき、増圧マップＺＰＨ２１と増圧マップＺＰＨ２２を補間して間の値を用いることで、計算は複雑になるが、必要最小限の最適な増圧値とすることができる。

このようにして、ステップＳ７において、現在冷媒温度Ｔｐが、圧力増圧制御完了閾値温度Ｔｐｔｈを超える温度（Ｔｐ＞Ｔｐｔｈ）となったとき、ステップＳ６の判定が成立し、ステップＳ７の通常発電処理が行われる。

この通常発電制御処理では、図４に示すように、一点鎖線で示すガス圧力マップＺＰＨ３の目標圧力ＰＨａ４が選択される。通常発電処理時には、目標ガス圧力ＰＨは、発電電流Ｉｆに応じて、この圧力マップＺＰＨ３に沿って選択（設定）される。

図５は、ステップＳ２で検出された起動時冷媒温度ＴｓがＴｓ＝−１５［℃］である場合のステップＳ４での圧力マップの他の選択処理例を示している。

この場合、上述したように、起動時冷媒温度Ｔｓが、−２０［℃］〜−１０［℃］の間の場合には、起動開始時の圧力マップＭＡＰとして、実線で示す圧力マップＺＰＨ１１が選択され、例えば、発電電流がＩｆｂと計算されているとき、ガス圧力ＰＨは、圧力マップＺＰＨ１１上の目標圧力（水素目標圧力）ＰＨｂ１に決定される。

以降、現在冷媒温度Ｔｐが−１０［℃］を超えたときに、実線で示す圧力マップＺＰＨ１２の目標圧力ＰＨｂ２に持ち替えられ、同様に、現在冷媒温度Ｔｐが０［℃］を超えたときに、実線で示す圧力マップＺＰＨ１３の目標圧力ＰＨｂ３に持ち替えられ、現在冷媒温度Ｔｐが１０［℃］を超えたとき、実線で示す圧力マップＺＰＨ２３の目標圧力ＰＨｂ４に持ち替えられる。

このようにして、ステップＳ７において、現在冷媒温度Ｔｐが、圧力増圧制御完了閾値温度Ｔｐｔｈを超える温度（Ｔｐ＞Ｔｐｔｈ）となったとき、ステップＳ６の判定が成立し、ステップＳ７の通常発電処理が行われる。

この通常発電制御処理では、上述したように、一点鎖線で示すガス圧力マップＺＰＨ３の目標圧力ＰＨｂ５が選択される。

なお、上述した説明から、ステップＳ３において、起動時冷媒温度Ｔｓが、起動時冷媒温度閾値温度Ｔｓｔｈを超える値である場合には、図６に示す一点鎖線で示すガス圧力マップＺＰＨ３が選択され、発電電流Ｉｆが目標発電電流Ｉｆｃであるとき、目標圧力ＰＨｃに設定されることが分かる。

以上説明したように、上述した実施形態によれば、電解質膜１４を一対の電極であるアノード電極１６とカソード電極１８間に設けた電解質膜・電極構造体２０と、電解質膜・電極構造体２０を挟んで保持するセパレータ２２、２４とが積層される燃料電池１２を、低温、特に水の凍結温度以下の温度で起動させる際に、制御装置（低温起動要否判定手段）８２により凍結温度以下の温度での起動が必要か否かを判定する（ステップＳ３：低温起動要否判定工程）。この判定結果において、凍結温度以下の温度での起動が必要と判定された場合、制御装置（目標ガス圧力決定手段）８２により燃料電池１２の現在冷媒温度Ｔｐ（起動時は、起動時冷媒温度Ｔｓ）と目標発電電流Ｉｆに応じて目標ガス圧力ＰＨを決定する（ステップＳ５：目標ガス圧力決定工程）。

次に、制御装置８２により圧力調整手段としてのインジェクタ７６を制御し、決定した目標ガス圧力ＰＨにて燃料電池１２に反応ガスである通常発電時に比較して増圧された燃料ガスをレギュレータ６０から供給するようにしている（ステップＳ６：反応ガス供給工程）。この実施形態において、制御装置８２、インジェクタ７６、及びレギュレータ６０が反応ガス供給手段を構成する。

このため、この実施形態によれば、低温起動の際に、目標ガス圧力を不必要な程度まで増圧することがなくエネルギ損失を削減でき、必要最小限のエネルギにより始動及び効率的な通常運転への移行ができる。増圧する目標ガス圧力を決定する際に、制御マップＭＡＰを用いて決定するようにしているので、簡単、かつ確実に低温起動が行える。なお、制御マップＭＡＰは、燃料電池１２の起動開始温度毎に異なる複数の制御マップ（実線の制御マップＺＰＨ１１、ＺＰＨ１２と点線の制御マップＺＰＨ２１）としているので、複数の制御マップＭＡＰから起動開始温度である起動時冷媒温度Ｔｓに応じた適切な制御マップＭＡＰを選択することができる。

起動開始温度として、燃料電池１２の冷却媒体の出口温度Ｔ１を温度センサ７１により検出することで、燃料電池１２の実際の温度に合致したガス圧増圧制御を行うことができる。起動開始温度として、酸化剤ガスの出口温度Ｔ２あるいは燃料ガスの出口温度Ｔ３を用いることもできる。また、現在温度Ｔｐとしても、冷却媒体の温度Ｔ１に代替して、燃料電池１２の水素供給口の温度センサ７４を用いることもできる。燃料電池１２に導入される燃料ガスの温度は、酸化剤ガスに比較して低いことから、温度の低いガスを投入するという燃料電池１２の温度上昇阻害要因を考慮しつつ反応ガスの圧力を最適に調整することができる。

特に、低温起動時において、燃料電池１２の内部に流通させる冷却媒体、燃料ガス、及び酸化剤ガスの温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４に対応させて異なる適切な制御マップＭＡＰを作成して、水素圧力を増圧させることにより、燃料ガス流路２６内の水素濃度を上昇させて、発電性能を安定化することができる。

また、燃料ガスの圧力は、既存のレギュレータ６０のパイロット室７８にかける空気信号圧を圧力調整手段であるインジェクタ７６をデューティ制御することにより、レギュレータ６０の出口圧力を調整するようにしているので、レギュレータ６０を通じて燃料電池１２に供給される増圧制御を正確に行うことができる。

この発明の実施形態に係る燃料電池の低温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説明図である。 低温起動方法のフローチャートである。 ガス圧力制御マップの説明図である。 起動時冷媒温度が−５［℃］である場合のガス圧力制御マップの利用説明図である。 起動時冷媒温度が−１５［℃］である場合のガス圧力制御マップの利用説明図である。 起動時冷媒温度が０［℃］を超える場合のガス圧力制御マップの利用説明図である。 従来技術に係る低温起動の説明図である。 水の凍結温度以下の環境における出力電流とガス圧力との関係図である。 水の凍結温度以下の環境におけるガス圧力の高低と限界負荷との関係図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…電解質膜 １６…アノード電極
１８…カソード電極 ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６…燃料ガス流路
２８…酸化剤ガス流路 ３０…冷却媒体流路
５２…圧力センサ ６０…レギュレータ
７１〜７４…温度センサ ７６…インジェクタ
８０…コンプレッサ ８２…制御装置
９４…イグニッションスイッチ

Claims (10)

1. 一対の電極間に電解質を配した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を、水の凍結温度以下の温度で起動させるための燃料電池の低温起動方法であって、
   前記凍結温度以下の温度での起動が必要か否かを判定する低温起動要否判定工程と、
   必要と判定された場合、前記燃料電池の現在温度と発電電流に応じて目標ガス圧力を決定する目標ガス圧力決定工程と、
   決定された目標ガス圧力にて前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給工程と
   を備える燃料電池の低温起動方法。
2. 請求項１記載の燃料電池の低温起動方法において、
   前記目標ガス圧力決定工程では、制御マップを用いて決定する
   ことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
3. 請求項２記載の燃料電池の低温起動方法において、
   前記制御マップを、前記燃料電池の起動開始温度毎に異なる複数の制御マップとし、
   前記反応ガス供給工程では、起動時において、前記複数の制御マップから前記起動開始温度に応じた制御マップを選択する
   ことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
4. 請求項１記載の燃料電池の低温起動方法において、
   前記反応ガス中、燃料ガスは、圧力調整手段を介して圧力が調整されるレギュレータを通じて前記燃料電池に供給される
   ことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
5. 請求項４記載の燃料電池の低温起動方法において、
   前記圧力調整手段はインジェクタであり、このインジェクタの開閉をデューティ制御することにより、前記レギュレータの圧力を調整する
   ことを特徴とする燃料電池の低温起動方法。
6. 一対の電極間に電解質を配した電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池を、水の凍結温度以下の温度で起動させる低温起動手段を備える燃料電池システムであって、
   前記低温起動手段は、
   前記凍結温度以下の温度での起動が必要か否かを判定する低温起動要否判定手段と、
   必要と判定された場合、前記燃料電池の現在温度と発電電流に応じて目標ガス圧力を決定する目標ガス圧力決定手段と、
   決定された目標ガス圧力にて前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と
   を備える燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、
   前記目標ガス圧力決定手段は、制御マップを用いて決定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御マップを、前記燃料電池の起動開始温度毎に異なる複数の制御マップとし、
   前記反応ガス供給手段は、起動時において、前記複数の制御マップから前記起動開始温度に応じた制御マップを選択する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガス中、燃料ガスは、圧力調整手段を介して圧力が調整されるレギュレータを通じて前記燃料電池に供給される
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
    前記圧力調整手段はインジェクタであり、このインジェクタの開閉をデューティ制御することにより、前記レギュレータの圧力を調整する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
    

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