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WO2011033879A1 - 燃料電池システムの制御装置及び制御方法 - Google Patents

燃料電池システムの制御装置及び制御方法 Download PDF

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WO2011033879A1
WO2011033879A1 PCT/JP2010/063293 JP2010063293W WO2011033879A1 WO 2011033879 A1 WO2011033879 A1 WO 2011033879A1 JP 2010063293 W JP2010063293 W JP 2010063293W WO 2011033879 A1 WO2011033879 A1 WO 2011033879A1
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WO
WIPO (PCT)
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anode
fuel cell
pressure
temperature
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/063293
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English (en)
French (fr)
Inventor
充彦 松本
雅士 佐藤
謙 中山
長谷川　淳一
聖 星
Original Assignee
日産自動車株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to EP10816992.1A priority patent/EP2479825A4/en
Priority to CN201080040056.XA priority patent/CN102484271B/zh
Priority to US13/394,046 priority patent/US20120171590A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to a control device and a control method for controlling the operation of an anode non-circulating fuel cell system.
  • An anode non-circulation type fuel cell that supplies an anode gas to a fuel cell stack without circulating the anode gas in an anode circulation type fuel cell system that circulates and reuses an unreacted exhaust anode gas discharged from the fuel cell stack
  • the system is known.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-97966 discloses that in such an anode non-circulation type fuel cell system, the supply pressure of the anode gas is repeatedly increased and decreased during power generation, so that a periodic gas flow is generated in the anode gas flow path.
  • Has been disclosed which suppresses the retention of inert gas such as nitrogen gas in some cells of the fuel cell stack and suppresses power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to prevent power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer even in a low temperature environment in an anode non-circulating fuel cell system. It is an object of the present invention to provide a control device and a control method for a fuel cell system that can effectively suppress and improve the power generation characteristics of the fuel cell.
  • a fuel cell a volume capable of temporarily storing an anode off-gas discharged from the fuel cell, a discharge means for discharging the anode off-gas to the outside, and a temperature of the fuel cell are detected.
  • an anode non-circulation type fuel cell system control device includes anode gas supply control means for controlling supply of anode gas to the fuel cell.
  • the anode gas supply control means includes an anode upper and lower pressure setting means for setting an anode upper limit pressure and an anode lower limit pressure, and an anode pressure increase speed for setting an anode pressure increase speed based on at least the temperature of the fuel cell detected by the temperature detection means.
  • the anode boosting speed setting means sets the anode boosting speed to a slower speed when the temperature of the fuel cell detected by the temperature detecting means is lower than a predetermined temperature, compared to the case where the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the predetermined temperature. To do.
  • the second aspect of the present invention is an anode non-equipment comprising a fuel cell, a volume part capable of temporarily storing the anode off-gas discharged from the fuel cell, and a discharge means for discharging the anode off-gas to the outside. It is a control method of a circulation type fuel cell system. The control method detects the temperature of the fuel cell, sets the anode upper limit pressure and the anode lower limit pressure, sets the anode boosting speed based on at least the detected temperature of the fuel cell, and boosts by supplying the anode gas.
  • the anode gas is supplied to the fuel cell so as to repeat the pressure increase to the anode upper limit pressure and the pressure decrease by limiting the supply of the anode gas at the anode pressure increase speed, and the pressure decrease to the anode lower limit pressure.
  • the anode boosting speed is set to a slower speed than when the temperature of the fuel cell is equal to or higher than the predetermined temperature.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a fuel cell system to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an overall flow of power generation control processing by the controller.
  • FIG. 3 is a flowchart showing details of the target generated current calculation process in step S101 of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing an image of map data representing the relationship between the accelerator operation amount, the vehicle speed, and the target drive motor power.
  • FIG. 5 is a diagram showing an image of map data representing the relationship between the target generated power generated by the fuel cell stack, the temperature of the fuel cell stack, and the target generated current extracted from the fuel cell stack by the output extraction device.
  • FIG. 6 is a flowchart showing details of the hydrogen control process in step S106 of FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a control block diagram illustrating a specific example of a method for calculating the target lower limit pressure.
  • FIG. 8 is a control block diagram for explaining a specific example of a method for calculating the anode boosting speed.
  • FIG. 9 is a diagram showing an image of map data representing the relationship between the power generation stop duration and the fifth correction coefficient.
  • FIG. 10 is a time chart showing a specific example of the movement of the target hydrogen gas pressure and the actual hydrogen gas pressure when the controller drives the hydrogen gas pressure regulating valve.
  • FIG. 11 is a diagram showing an image of map data representing the relationship between the temperature of the fuel cell stack, the actual hydrogen gas pressure, and the opening of the purge valve.
  • FIG. 12 is a flowchart showing details of the air control process in step S107 of FIG. FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing an image of map data representing the relationship between the target power generation current and actual hydrogen gas pressure and the target air flow rate.
  • FIG. 14 is a diagram showing an image of map data representing the relationship between the target air flow rate and target air pressure and the air compressor command rotational speed.
  • FIG. 15 is a graph showing the anode pressure increase speed sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing.
  • FIG. 16 is a diagram showing the sensitivity of the remaining amount of anode water in the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing.
  • FIG. 17 is a diagram showing the standing time sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing.
  • FIG. 18 is a diagram showing the anode pressure sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a fuel cell system to which the present invention is applied.
  • the fuel cell system shown in FIG. 1 is mounted, for example, as a drive source of a fuel cell vehicle, and supplies power to an electric load device such as a drive motor of the fuel cell vehicle or an auxiliary device inside the system.
  • the fuel cell stack 1 is configured by stacking battery cells.
  • Each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 has, for example, a hydrogen electrode (anode) that receives supply of hydrogen gas (anode gas) and an air electrode (cathode) that receives supply of air that is an oxidant gas.
  • the membrane / electrode assembly formed opposite to each other with the molecular electrolyte membrane interposed therebetween is sandwiched between separators.
  • the separator of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1 is provided with an anode gas flow path through which hydrogen gas flows on the anode side and an air flow path through which air flows on the cathode side.
  • hydrogen gas containing hydrogen is supplied to the anode side of each fuel cell, and air containing oxygen is supplied to the cathode side, so that the following equations (1) and ( Electricity is generated by the electrochemical reaction shown in 2).
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that generates power, a hydrogen system for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 1, an air system for supplying air to the fuel cell stack 1, and a fuel cell stack. 1 is provided with an output extraction device 30 that controls an output (for example, current) extracted from 1, and a controller 40 that integrally controls the operation of the entire system.
  • hydrogen gas which is anode gas
  • a fuel tank 10 for example, a high-pressure hydrogen cylinder
  • the fuel cell stack is connected from the fuel tank 10 through a hydrogen gas supply path (anode inlet flow path) L1. 1 is supplied.
  • one end of the hydrogen gas supply path L1 is connected to the fuel tank 10, and the other end is connected to the inlet side of the anode gas supply manifold of the fuel cell stack 1.
  • a tank source valve (not shown) is provided downstream of the fuel tank 10 in the hydrogen gas supply path L1. When the tank original valve is opened, the high-pressure hydrogen gas from the fuel tank 10 is mechanically reduced to a predetermined pressure by a pressure reducing valve (not shown) provided downstream thereof.
  • the depressurized hydrogen gas is further depressurized by a hydrogen gas pressure adjusting valve 11 provided downstream of the depressurizing valve, and then supplied to the fuel cell stack 1.
  • the hydrogen gas pressure supplied to the fuel cell stack 1, that is, the hydrogen gas pressure (anode pressure) at the anode of the fuel cell stack 1 can be adjusted by controlling the opening degree of the hydrogen gas pressure regulating valve 11.
  • the fuel cell stack 1 is basically closed on the outlet side leading to the outside of the anode gas discharge manifold, and discharge of the anode off gas from the fuel cell stack 1 is restricted. That is, the fuel cell system of the present embodiment is a so-called anode non-circulation type fuel cell system that supplies hydrogen gas, which is an anode gas, to the fuel cell stack 1 without being circulated. However, this does not indicate a clogging in a strict sense, and in order to discharge impurities such as inert gas such as nitrogen and liquid water from the anode, the outlet side of the anode gas discharge manifold is exceptionally opened.
  • a discharge system is provided. Specifically, an anode off gas flow path L2 is connected to the outlet side of the anode gas discharge manifold. The other end of the anode off-gas channel L2 is connected to an oxidant off-gas channel L6 described later.
  • the anode off-gas flow path L2 is provided with a volume portion 12 having a predetermined volume, for example, a volume equal to or about 80% of the volume on the anode side for all the fuel cells constituting the fuel cell stack 1 as an internal space. ing.
  • the volume portion 12 functions as a buffer that temporarily stores the anode off gas discharged from the anode.
  • a drainage flow path L3 having one end opened is connected to the lower portion of the volume portion 12 in the vertical direction.
  • a drainage valve 13 is provided in the drainage channel L3.
  • the liquid water contained in the anode off gas that has flowed into the volume portion 12 accumulates in the lower portion of the volume portion 12. The accumulated liquid water can be discharged to the outside by controlling the open / close state of the drain valve 13.
  • a purge valve (exhaust means) 14 is provided in the anode off gas flow path L2 on the downstream side of the volume portion 12.
  • the anode off-gas flowing into the volume 12, specifically, a gas containing impurities (mainly inert gas such as nitrogen) and unreacted hydrogen is discharged to the outside by controlling the open / close state of the purge valve 14. Can do.
  • the air that is an oxidant gas is pressurized and supplied to the fuel cell stack 1 via the air supply flow path L5.
  • the air supply flow path L5 has one end connected to the air compressor 20 and the other end connected to the inlet side of the air supply manifold in the fuel cell stack 1.
  • the air supply flow path L5 is provided with a humidifier 21 for humidifying the air supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode offgas flow path L6 is connected to the outlet side of the air supply manifold in the fuel cell stack 1.
  • the cathode offgas from the fuel cell stack 1 is discharged to the outside through the cathode offgas flow path L6.
  • the cathode offgas passage L6 is provided with the humidifier 21 described above, where the cathode offgas is dehumidified, and a part of the water generated by the power generation is removed from the cathode offgas (this removal is performed). Moisture is used to humidify the supply air).
  • an air pressure regulating valve 22 is provided in the cathode off gas flow path L6 on the downstream side of the humidifying device 21.
  • the air pressure supplied to the fuel cell stack 1, that is, the air pressure (cathode pressure) at the cathode of the fuel cell stack 1 can be adjusted by controlling the opening of the air pressure regulating valve 22.
  • the electric power generated in the fuel cell stack 1 is used for, for example, a driving motor (not shown) for driving a vehicle or the power generation operation of the fuel cell stack 1 via the output extraction device 30. Supplied to various necessary auxiliary machines. Further, the electric power extracted from the fuel cell 1 by the control of the output extraction device 30 is also supplied to a secondary battery (not shown). This secondary battery is provided to compensate for the shortage of power supplied from the fuel cell stack 1 at the time of system startup or transient response.
  • the controller 40 has a function of integrally controlling the operation of the entire system, and controls the operation state of the system by operating according to the control program.
  • a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface can be used.
  • the controller 40 performs various calculations in accordance with a control program stored in the ROM, and outputs the calculation results to various actuators (not shown) as control signals. Accordingly, the controller 40 controls various elements such as the hydrogen gas pressure regulating valve 11, the drain valve 13, the purge valve 14, the air compressor 20, the air pressure regulating valve 22, and the output extraction device 30, and the power generation operation of the fuel cell stack 1 is performed. To control.
  • Sensor signals from various sensors are input to the controller 40 in order to detect the system status.
  • sensors for detecting the state of the system include a hydrogen gas pressure sensor 41, an air pressure sensor 42, a stack temperature sensor 43, and a purge valve temperature sensor 44.
  • the hydrogen gas pressure sensor 41 detects the pressure of hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the air pressure sensor 42 detects the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1.
  • the stack temperature sensor 43 detects the temperature of the fuel cell stack 1.
  • the purge valve temperature sensor 44 detects the temperature near the purge valve 14.
  • hydrogen gas that is an anode gas from the hydrogen system and air that is an oxidant gas from the air system are supplied to the fuel cell stack 1 according to the control by the controller 40, whereby the fuel cell stack 1 Generate electricity.
  • the controller 40 controls the supply of the hydrogen gas and air so that the pressure of the hydrogen gas and air supplied to the fuel cell stack 1 becomes a desired operating pressure.
  • the controller 40 determines the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack 1, that is, the anode pressure, between an upper limit pressure and a lower limit pressure that are set so that the pressure difference from the cathode side is equal to or less than an allowable withstand pressure.
  • an inert gas such as nitrogen or an impurity such as liquid water can be efficiently discharged to the volume 12 provided in the anode off-gas flow path L2.
  • the controller 40 raises or lowers the anode pressure, it indicates that the temperature of the fuel cell stack 1 is in a low temperature state including a below freezing point state based on the sensor signal from the stack temperature sensor 43. It is determined whether or not the temperature is lower than the predetermined temperature, and when the temperature of the fuel cell stack 1 is lower than the predetermined temperature, the anode pressure increase rate is compared with the case where the temperature of the fuel cell stack 1 is higher than the predetermined temperature. Is set to a slow speed.
  • the control contents by the controller 40 will be described in more detail.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the overall flow of power generation control processing by the controller 40.
  • the processing shown in the flowchart of FIG. 2 is repeatedly executed every predetermined time period (for example, 10 [ms] period).
  • step S101 the controller 40 assists the power generation of the drive motor and the fuel cell stack 1 in order to realize the driving force required by the driver of the fuel cell vehicle.
  • the target generated current to be taken out from the fuel cell stack 1 is calculated from the power consumption of the auxiliary machine.
  • step S102 the controller 40 determines whether or not the fuel cell stack 1 is below freezing, that is, a state in which part or all of the water remaining in the fuel cell stack 1 is frozen inside the fuel cell. It is determined whether or not. Specifically, it is determined whether the temperature detection value by the stack temperature sensor 43 is less than a first threshold value (predetermined temperature). If the detected temperature value is less than the first threshold value, it is determined that the fuel cell stack 1 is in the freezing point state, and 1 is substituted for the below freezing point state flag. If the detected temperature value is equal to or greater than the first threshold value, It is determined that the fuel cell stack 1 is not in the freezing point state, and 0 is substituted for the freezing point state flag.
  • a first threshold value predetermined temperature
  • the first threshold value for determining whether or not the fuel cell stack 1 is below the freezing point is an error due to the mounting position of the stack temperature sensor 43 with respect to the fuel cell stack 1 in order to perform the determination more accurately.
  • step S103 the controller 40 determines whether or not the purge valve 14 is closed and fixed due to factors such as freezing. Specifically, it is determined whether or not the temperature detection value by the purge valve temperature sensor 44 is less than the second threshold value, and if it is less than the second threshold value, the purge valve 14 may be closed and fixed. Judgment is made and 1 is assigned to the purge function failure flag, and if it is equal to or greater than the second threshold value, 0 is assigned to the purge function failure flag.
  • the second threshold value for determining whether or not the purge valve 14 is closed and fixed due to freezing or the like is the purge valve temperature sensor 44 for the purge valve 14 in order to make the determination more accurately. It is desirable to set the temperature to the freezing point temperature plus the error, taking into account the error due to the mounting position and the detection error of the purge valve temperature sensor 44 itself.
  • the controller 40 determines the remaining water amount state of the fuel cell stack 1 in step S104. This determination can be made, for example, by monitoring whether or not a drying process for discharging generated water remaining in the fuel cell stack 1 during the previous power generation stop process is performed at the time of starting the fuel cell system. . That is, when it is necessary to generate power from the sub-freezing state at the next start-up, the fuel cell stack 1 is supplied by supplying air from the air compressor 20 to the fuel cell stack 1 during the previous power generation stop process. 1 is performed. When such a drying process is not performed during the previous power generation stop process, it is determined that the fuel cell stack 1 has a large amount of residual water.
  • the determination of the remaining water amount state of the fuel cell stack 1 is not limited to the determination according to the implementation status of the drying process as described above. For example, by applying an alternating current signal having a high frequency component to the fuel cell stack 1.
  • the resistance value of the solid polymer membrane of the fuel cell stack 1 is estimated using the alternating current impedance method for estimating the impedance from the relationship with the behavior of the voltage signal, and the solid state is determined based on the resistance value of the solid polymer membrane.
  • a method of determining the wet state of the polymer film and determining the value of the wet flag may be used.
  • step S105 the controller 40 acquires the duration of the fuel cell stack 1 in the power generation stop state.
  • the power generation stop duration may be actually measured from the previous power generation stop time to the next power generation start time, or the power generation stop duration time may be determined from the state of the fuel cell stack 1 at the time of power generation start. You may make it estimate.
  • Step S106 the controller 40 continues the target power generation current calculated in Step S101, the below-freezing point flag calculated in Steps S102, S103, S104, and S105, the purge function failure flag, the wet flag, and the power generation stop state.
  • the target hydrogen gas pressure is calculated, and the opening degree of the hydrogen gas pressure regulating valve 11 is controlled so that the actual hydrogen gas pressure detected by the hydrogen gas pressure sensor 41 follows the target hydrogen gas pressure.
  • inert gas such as nitrogen gas is discharged.
  • step S107 the controller 40 supplies air to the cathode using the air compressor 20, so that the pressure difference between the anode side and the cathode side is less than the allowable pressure difference of the fuel cell stack 1.
  • the opening degree of the air pressure regulating valve 22 is controlled.
  • step S108 the controller 40 controls the output extraction device 30 so that current is extracted from the fuel cell stack 1 based on the target generated current calculated in step S101. This completes the power generation control process.
  • the controller 40 includes a low temperature state determination means 51, a purge function defect determination means 52, an anode remaining water amount estimation means 53, a power generation stop duration calculation means 54, and an anode gas control means 55.
  • the step S102 is performed by the low temperature state determining unit 51
  • the step S103 is performed by the purge function defect determining unit 52
  • the step S104 is performed by the anode residual water amount estimating unit 53
  • the step S105 is performed by the power generation stop duration calculating unit.
  • step S106 can be executed by the anode gas control means 55.
  • FIG. 3 is a flowchart showing details of the target generated current calculation process in step S101 of FIG.
  • the calculation content of the target generated current extracted from the fuel cell stack 1 by the output extraction device 30 will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG.
  • the controller 40 first detects the accelerator operation amount of the driver based on the output of the accelerator sensor installed in the fuel cell vehicle in step S201.
  • step S202 the controller 40 detects the speed of the fuel cell vehicle based on the output of the vehicle speed sensor installed in the fuel cell vehicle.
  • step S203 the controller 40 calculates the target drive motor power using the map data shown in FIG. 4 based on the accelerator operation amount and the vehicle speed detected in step S201 and step S202.
  • step S204 the controller 40 calculates the power actually consumed by the auxiliary machine (actual auxiliary machine power consumption).
  • the actual auxiliary machine power consumption is auxiliary machine power consumption calculated by detecting the voltage and current of each auxiliary machine for generating power from the fuel cell stack 1, and multiplying them by, for example, the air compressor 20 or the like. If there is, the rotational speed and torque are detected and calculated by adding the loss power to the value obtained by multiplying them. This power loss is estimated by inputting the rotation speed and torque to the loss map data.
  • step S205 the controller 40 calculates the target generated power generated by the fuel cell stack 1.
  • the target generated power is a power value obtained by adding the target drive motor power calculated in step S203 and the actual auxiliary machine power consumption calculated in step S204.
  • controller 40 reads the sensor signal of the stack temperature sensor 43 and detects the temperature of the fuel cell stack 1 in step S206.
  • step S207 the controller 40 performs map data shown in FIG. 5 based on the target generated power generated by the fuel cell stack 1 calculated in step S205 and the temperature of the fuel cell stack 1 detected in step S206. Is used to calculate the target generated current to be extracted from the fuel cell stack 1 by the output extraction device 30. This completes the target generated current calculation process.
  • the target generated current calculation process during normal operation after the fuel cell system is started has been described.
  • the target generated power calculated in step S205 is consumed by the actual auxiliary machine. Only power. That is, when the fuel cell system is started, the accelerator operation amount is set to 0 in step S201, the vehicle speed is set to 0 in step S202, and the target drive motor power is calculated to be 0 in step S203. Then, the actual auxiliary machine power consumption calculated in step S204 is directly calculated as the target generated power in step S205.
  • FIG. 6 is a flowchart showing details of the hydrogen control process in step S106 of FIG.
  • a method of controlling the hydrogen gas supply to the anode by driving the hydrogen gas pressure regulating valve 11 and the purge valve 14 will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG.
  • step S301 the controller 40 sets the target value of the upper limit pressure for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 1 (the upper limit value of the target hydrogen gas pressure, the target upper limit pressure). Or an anode upper limit pressure).
  • the upper limit value of the allowable pressure resistance of the fuel cell stack 1 is set as the target upper limit pressure (anode upper limit pressure), whereby hydrogen gas is supplied to the highest possible anode pressure using the hydrogen gas pressure regulating valve 11.
  • the power generation failure of the fuel cell stack 1 due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer was suppressed.
  • the target power generation current is reduced, the amount of hydrogen consumption required for power generation is also reduced.
  • the target upper limit pressure may be variably set based on the target generated current at a level that can secure a necessary hydrogen concentration in the anode catalyst layer.
  • step S302 the controller 40 calculates the target value of the lower limit pressure for supplying hydrogen gas to the fuel cell stack 1 (the lower limit value of the target hydrogen gas pressure, which is called the target lower limit pressure or the anode lower limit pressure).
  • the target value of the lower limit pressure is set based on the value of the below-freezing flag calculated in step S102 of FIG. 2 and the value of the purge function failure flag calculated in step S103 of FIG.
  • the reference target lower limit pressure is calculated (block 101 in FIG. 7).
  • the reference here means that both the below-freezing flag and the purge failure flag are in the state of 0, and therefore the reference target lower limit pressure means that the fuel cell stack 1 is not in the below-freezing state and the purge valve It means the target lower limit pressure when 14 is not closed and stuck.
  • the reference target lower limit pressure is set such that when the target generated current is taken out from the fuel cell stack 1 when the fuel cell stack 1 is not below freezing and the purge valve 14 is not closed and fixed, Set the lowest pressure that does not cause power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure.
  • the hydrogen consumption necessary for power generation is also reduced, so that even if the hydrogen concentration in the anode catalyst layer is lowered, the hydrogen partial pressure necessary for power generation tends to be secured.
  • the reference target lower limit pressure may be set variably based on the target generated current at a level that can secure the necessary hydrogen concentration in the anode catalyst layer.
  • the target lower limit pressure should be set lower within a range that does not cause power generation failure. Therefore, in order to reduce the power consumption of the air compressor 20, there is a demand for keeping the air operating pressure low while keeping the transmembrane pressure difference between the cathode and anode of the fuel cell stack 1 below an allowable pressure resistance.
  • the reference target lower limit pressure is map data that receives the integrated value of the discharge amount from the purge valve 14 obtained from the open / closed state of the hydrogen gas pressure sensor 41 and the purge valve 14 or the duration from the start of hydrogen gas supply. And may be set variably.
  • the target lower limit pressure is calculated when the sub-freezing flag is 1 (block 102 in FIG. 7).
  • the target lower limit pressure when the below-freezing flag is 1 is calculated by multiplying the reference target lower limit pressure calculated in block 101 by the first correction coefficient.
  • the first correction coefficient is set to a fixed value larger than 1.
  • a value higher than the reference target lower limit pressure is calculated as the target lower limit pressure when the below-freezing flag is 1.
  • the first correction coefficient is set to a value that can suppress the power generation failure by setting the target lower limit pressure higher by the amount that the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer has decreased due to these factors.
  • the first correction coefficient is set based on an experiment or design so that the fuel cell stack 1 can be established as a fuel cell even in an environment of a lower limit temperature (for example, ⁇ 20 ° C.) that is assumed.
  • the first correction coefficient may be decreased as the temperature increases.
  • either the reference target lower limit pressure calculated in block 101 or the target lower limit pressure calculated in block 102 is selected (block 103 in FIG. 7). That is, in block 103, if the value of the below freezing flag is 1, the target lower limit pressure calculated in block 102 is output, and if the value of the below freezing flag is 0, the reference target lower limit pressure calculated in block 101 is output. Output.
  • the target lower limit pressure is calculated when the purge failure flag is 1 (block 104 in FIG. 7).
  • the target lower limit pressure when the purge failure flag is 1 is calculated by multiplying the target lower limit pressure selected in block 103 by the second correction coefficient.
  • the second correction coefficient is set to a fixed value larger than 1.
  • a value higher than the target lower limit pressure selected in block 103 is calculated as the target lower limit pressure when the purge failure flag is 1, so the purge valve 14 is closed and fixed due to freezing or the like. Even in this case, power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer can be suppressed.
  • the purge failure flag is 1, that is, when the purge valve 14 is closed and fixed, the anode from the cathode side until the purge valve 14 is heated and thawed due to self-heating due to power generation of the fuel cell stack 1 or the like.
  • an inert gas such as nitrogen gas permeates to the side, the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer is lowered, and power generation failure tends to occur.
  • the second correction coefficient is that the anode catalyst is adjusted even when inert gas permeates from the cathode side to the anode side until the target lower limit pressure after the correction reaches the maximum time required for thawing the purge valve 14. It is set based on experiment or design so that the hydrogen partial pressure in the layer is secured and the pressure is sufficient to suppress power generation failure.
  • either the target lower limit pressure selected in block 103 or the target lower limit pressure calculated in block 104 is selected (block 105 in FIG. 7). That is, in block 105, if the purge failure flag value is 1, the target lower limit pressure calculated in block 104 is output, and if the purge failure flag value is 0, the target lower limit selected in block 103 is output. Output pressure.
  • the output of the block 105 is limited by the target upper limit pressure so that a value equal to or higher than the target upper limit pressure calculated in step S301 is not output as the target lower limit pressure (block 106 in FIG. 7).
  • step S303 the controller 40 next calculates the target pressure increase speed (the pressure increase speed when the target hydrogen gas pressure is increased) for supplying the hydrogen gas to the fuel cell stack 1.
  • the target value is hereinafter calculated as anode boosting speed).
  • the controller 40 based on the value of the below-freezing flag calculated in step S102 of FIG. 2, the value of the wet flag calculated in step S104 of FIG. 2, and the value of the power generation stop duration calculated in step S105 of FIG. And set the anode boost speed.
  • the reference boosting speed is calculated (block 201 in FIG. 8).
  • the reference means that the below-freezing flag is in a state of 0, and therefore the reference boosting speed means the anode boosting speed when the fuel cell stack 1 is not below the freezing point.
  • the supply of hydrogen gas is started from the state where oxygen is mixed in both the anode and the cathode of the fuel cell stack 1 at the time of starting the fuel cell system, a region where hydrogen exists and a region where hydrogen does not exist (hereinafter referred to as hydrogen). Front) is formed.
  • the reference pressure increase speed is controlled by the hydrogen gas pressure regulating valve 11 in order to suppress the occurrence of carbon corrosion due to the above phenomenon by shortening the period during which the hydrogen front is formed as much as possible. It is desirable to set it to the fastest possible value.
  • the sub-freezing flag is in a state of 0, it is considered that the water remaining in the fuel cell stack 1 exists in a liquid state, and the viewpoint of efficiently discharging the residual water in the liquid state Therefore, it is desirable to set the reference boosting speed as fast as possible.
  • the anode pressure increase rate is calculated when the below-freezing flag is 1 (blocks 202 to 205 in FIG. 8).
  • the anode pressure increase speed when the wet flag is 0 is calculated (block 202 in FIG. 8).
  • the anode boosting speed when the wet flag is 0 is calculated by multiplying the reference boosting speed calculated in block 201 by the third correction coefficient.
  • the third correction coefficient is set to a fixed value smaller than 1.
  • the startup fuel cell stack When 1 is below the freezing point, the hydrogen content of the anode catalyst layer is due to factors such as the fact that the water remaining on the anode is frozen and difficult to discharge, and the gas diffusibility is lowered due to the temperature drop. The pressure is lowered, and power generation failure is likely to occur.
  • the third correction coefficient is set based on experiments or designs so that the fuel cell stack 1 can be formed as a fuel cell even if the above situation occurs under an assumed lower temperature (for example, ⁇ 20 ° C.) environment. To do.
  • the anode pressure increase speed when the wet flag is 1 is calculated (block 203 in FIG. 8).
  • the anode boosting speed when the wet flag is 1 is calculated by multiplying the anode boosting speed calculated in block 202 by the fourth correction coefficient.
  • the fourth correction coefficient is set to a fixed value smaller than 1.
  • the anode pressure increase speed when the wet flag is 1 is calculated as a slower speed than when the wet flag is 0.
  • the startup fuel cell When the sub-freezing flag is 1 and the wet flag is 1, that is, when the drying process for removing the generated water remaining in the fuel cell stack 1 during the previous power generation stop process has not been performed, the startup fuel cell When the stack 1 is below freezing, the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer is due to factors such as more water remaining on the anode and freezing due to freezing than when the wet flag is 0. As a result, power generation defects are likely to occur.
  • the fourth correction coefficient is set based on experiments or designs so that the fuel cell stack 1 can be formed as a fuel cell even if the above situation occurs under an assumed lower temperature (for example, ⁇ 20 ° C.) environment. To do.
  • either the anode pressure increase speed calculated in block 202 or the anode pressure increase speed calculated in block 203 is selected (block 204 in FIG. 8). That is, in block 204, when the wet flag value is 1, the anode boost speed calculated in block 203 is output, and when the wet flag value is 0, the anode boost speed calculated in block 202 is output. To do.
  • the anode boosting speed selected in block 204 is corrected according to the power generation stop duration (block 205 in FIG. 8).
  • the anode boosting speed is corrected by multiplying the output of the block 204 by the fifth correction coefficient.
  • the fifth correction coefficient is set to a value in a range not exceeding 1 using map data based on the power generation stop duration as shown in FIG.
  • either the reference boosting speed calculated in block 201 or the anode boosting speed calculated in block 205 is selected (block 206 in FIG. 8). That is, in block 206, when the below-freezing flag is 1, the anode boosting speed calculated in block 205 is output, and when the below-freezing flag is 0, the reference boosting speed calculated in block 201 is output.
  • the calculated anode boost speed is such that when the sub-freezing flag is 1, the wet flag is 1, and the power generation stop duration is long, all the third to fifth correction factors are added to the reference boost speed.
  • (Anode boosting speed Reference boosting speed ⁇ Third correction coefficient ⁇ Fourth correction coefficient ⁇ Fifth correction coefficient), which is a minimum value. This minimum value is set based on experiment or design so that the fuel cell stack 1 can be established as a fuel cell even if the above situation occurs under an environment of an assumed lower limit temperature (for example, ⁇ 20 ° C.). This minimum value depends on how the current is taken out from the fuel cell stack 1 after startup and the structural characteristics (configuration / layout, number of fuel cells, gas flow path length, etc.) of each fuel cell stack 1. Depending on it. For example, as the minimum value, the fuel cell can be established by increasing the anode pressure from 0 [kPaG] to 150 [kPaG] within about 0.5 [sec].
  • the controller 40 After calculating the anode pressure increase speed (target pressure increase speed) as described above, the controller 40 next reads the sensor signal of the hydrogen gas pressure sensor 41 and detects the actual hydrogen gas pressure in step S304.
  • step S305 the controller 40 sets the target upper limit pressure (anode upper limit pressure) set in step S301, the target lower limit pressure (anode lower limit pressure) set in step S302, and the target pressure increase rate (set in step S303).
  • the hydrogen gas pressure regulating valve 11 is driven using the anode pressure increase speed) and the actual hydrogen gas pressure detected in step S304.
  • FIG. 10A shows changes in the target hydrogen gas pressure and the actual hydrogen gas pressure under the condition that the below-freezing flag is 1, the purge defect flag is 1, and the wet flag is 0.
  • FIG. 10B shows changes in the target hydrogen gas pressure and the actual hydrogen gas pressure under the condition that the below-freezing flag is 0 and the purge defect flag is 0.
  • Other conditions such as the target generated current are common to (a) and (b).
  • the solid line indicates the change in the target hydrogen gas pressure
  • the broken line indicates the change in the actual hydrogen gas pressure.
  • the target hydrogen gas pressure is increased stepwise up to the target upper limit pressure PU set in step S301 at the anode pressure increase speed set in step S303. Go. Then, the hydrogen gas pressure regulating valve 11 is driven so that the actual hydrogen gas pressure matches the target hydrogen gas pressure.
  • the opening / closing drive of the hydrogen gas pressure regulating valve 11 is controlled using feedback control such as PI control.
  • the target hydrogen gas pressure is reduced so as to decrease the actual hydrogen gas pressure at time T2.
  • the target hydrogen gas pressure is lowered to the target lower limit pressure PL1.
  • the actual hydrogen gas pressure in the fuel cell stack 1 decreases due to hydrogen consumption by power generation.
  • the target hydrogen gas pressure is increased so as to increase the actual hydrogen gas pressure again at time T3.
  • the anode pressure increase speed set in step S303 is increased up to the target upper limit pressure PU set in step S301. Raise while protecting.
  • the step-up / step-down operation is repeated by repeating the same processing at times T2 and T3.
  • the target hydrogen gas pressure is decreased, the target hydrogen gas pressure is instantaneously decreased from the target upper limit pressure PU to the target lower limit pressure PL1. You may make it reduce.
  • the step-down speed By limiting the step-down speed in this way, the pressure change per unit time when the volume part 12 is lowered can be suppressed, so that the turbulence of the gas in the volume part 12 can be suppressed. Inert gas can be prevented from flowing back into the fuel cell stack 1, leading to suppression of power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer.
  • the target lower limit pressure PL2 is the reference target lower limit pressure
  • the anode pressure increase speed is the reference pressure increase speed.
  • the target hydrogen gas pressure is reduced so as to decrease the actual hydrogen gas pressure at time T2.
  • the target hydrogen gas pressure is lowered to the target lower limit pressure PL2, that is, the reference target lower limit pressure.
  • the target hydrogen gas pressure is increased so as to increase the actual hydrogen gas pressure again at time T3.
  • the target hydrogen gas pressure is increased at the reference pressure increase rate set in step S303.
  • the step-up / step-down operation is repeated by repeating the same processing at times T2 and T3. Since the anode boosting speed is larger in the case of FIG. 10 (b) than in the case of FIG. 10 (a), the time from T1 to T2 is longer than that in the case of FIG. 10 (a). The case of (b) tends to be shorter. On the other hand, since the target lower limit pressure PL2 is smaller than PL1, the time from T2 to T3 tends to be longer in the case of FIG. 10 (b) than in the case of FIG. 10 (a).
  • the pressure increase to the target upper limit pressure is performed at a constant pressure increase speed (or pressure decrease speed), but the pressure increase (or pressure decrease) pattern is not limited to this.
  • the anode pressure changes smoothly by changing the pressure increase speed (or pressure decrease speed) once or multiple times during the pressure increase (or pressure decrease) to reach the target upper limit pressure (or target lower limit pressure). You may make it do.
  • the pressure increase rate is the average rate of change in anode pressure from the target lower limit pressure to the target upper limit pressure (the pressure decrease rate is from the target upper limit pressure to the target lower limit pressure), or at a certain point in time. It can be defined as the rate of change of anode pressure per unit time.
  • step S306 the controller 40 causes the inert gas such as nitrogen gas discharged to the volume 12 to be discharged to the atmosphere by opening and closing the purge valve 14.
  • the purge failure flag is 1, since there is a possibility that inert gas such as nitrogen gas cannot be discharged from the purge valve 14 due to close fixation, a close command is issued to the purge valve 14 so as not to waste hydrogen. give.
  • the purge failure flag is 0, the purge valve 14 is always given an open command for a time during which an inert gas such as nitrogen gas can be sufficiently discharged to the atmosphere. Further, after the time for exhausting the inert gas such as nitrogen gas from the fuel cell stack 1 has elapsed, as shown in FIG.
  • the anode gas control means 55 of the controller 40 includes an anode upper / lower limit pressure setting means 61, an anode pressure increase speed setting means 62, and an anode gas step-up / down pressure control means 63.
  • Step S301 and Step S302 can be executed by the anode upper / lower limit pressure setting means 61
  • Step S303 can be executed by the anode pressure increase speed setting means 62
  • Step S305 can be executed by the anode gas step-up / down pressure control means 63, respectively.
  • FIG. 12 is a flowchart showing details of the air control process in step S107 of FIG.
  • the method for controlling the air supply to the cathode will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG.
  • the controller 40 first calculates the target air pressure in step S401.
  • the average value of the target upper limit pressure calculated in step S301 and the target lower limit pressure calculated in step S302 of FIG. The pressure difference between the anode and the anode is kept below the allowable breakdown voltage.
  • the controller 40 calculates the target air flow rate in step S402.
  • the target air flow rate As shown in FIG. 13, by using the map data based on the target power generation current calculated in step S101 of FIG. 2 and the actual hydrogen gas pressure detected in step S304 of FIG. 6, the power generation of the fuel cell stack 1 is performed.
  • the hydrogen flow rate of the gas discharged from the purge valve 14 is set to a combustible concentration or less so that the air flow rate that can be discharged to the atmosphere is obtained as the target air flow rate.
  • step S403 the controller 40 calculates the air compressor command rotational speed using the map data shown in FIG. 14 based on the target air flow rate calculated in step S402 and the target air pressure calculated in step S401.
  • the map data is set based on the characteristics of the air flow rate with respect to the rotation speed and pressure ratio of the air compressor 20.
  • the air compressor 20 is driven according to the air compressor command rotational speed calculated here, whereby the flow rate of air supplied to the cathode of the fuel cell stack 1 is controlled.
  • the controller 40 performs air pressure control in step S404.
  • feedback control based on the deviation between the target air pressure and the actual air pressure is performed so that the actual air pressure detected by the air pressure sensor 42 matches the target air pressure calculated in step S401.
  • the pressure valve 22 is opened and closed.
  • an air control process is complete
  • the controller 40 detects the stack temperature sensor 43 while performing the hydrogen control process shown in FIG.
  • the anode pressure increase speed (the target pressure increase speed calculated in step S303) is made variable according to the temperature of the fuel cell stack 1, and when the temperature of the fuel cell stack 1 is lower than the predetermined temperature, the anode pressure increase speed is higher than the case where the temperature is higher than the predetermined temperature. Is set to a slow speed, so that the inert gas inside the fuel cell stack 1 is appropriately supplied to the volume portion 12 outside the fuel cell stack 1 by supplying the anode gas even in a low temperature environment including a freezing point state.
  • the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 can be improved by effectively suppressing power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer. It can be.
  • the hydrogen concentration discharged to the outside must be less than the flammable concentration, and in addition, the purge valve 14 for discharging impurities has a malfunction due to freezing or the like. Considering that it may occur, it is difficult to discharge impurities that cause power generation defects such as nitrogen gas in a short time, but even in such a case, by supplying hydrogen gas, before supplying fuel gas If the nitrogen gas and other impurities are pushed into the volume 12 downstream of the fuel cell stack 1, good power generation performance can be obtained.
  • anode non-circulation system that can supply hydrogen gas only at a pressure lower than the allowable withstand pressure, if the supply rate of the anode gas is increased too much, the supplied anode gas does not sufficiently penetrate into the gas diffusion layer. Since the inert gas remaining in the anode catalyst layer is not sufficiently replaced with the gas, the surface of the gas diffusion layer is slid up and flows through the anode gas flow path. Therefore, power generation failure is likely to occur due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer.
  • the anode pressurization speed is set to a slow speed.
  • the supply amount it is possible to lengthen the time for flowing the inert gas remaining in the anode catalyst layer downstream of the anode gas flow channel while diffusing the inert gas to the anode gas flow channel side.
  • the flow rate of the gas flow in the anode is reduced, the difference between the pressure loss of the gas flow in the anode gas flow path and the pressure loss of the gas flow in the gas diffusion layer is reduced.
  • the fuel cell system of the present embodiment it is possible to suppress the cause of power generation failure in a low temperature state, and it is possible to improve the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 in a low temperature environment.
  • FIG. 15 is a diagram showing the anode pressure increase speed sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing point.
  • FIG. 15A shows an instantaneous value (for example, 0 [kPaG] in about 0.5 [sec]). ] To 150 [kPaG], and the power generation characteristics when the anode pressure is increased, (b) gradually (for example, from about 0 [kPaG] to 150 [kPaG] in about 10 [sec]. ), And shows the power generation characteristics when the anode pressure is increased.
  • a thin solid line in FIG. 15 shows a change in voltage (cell voltage) of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1.
  • FIG. 15 shows a change in current density (average value of current densities of all fuel cells: a value obtained by dividing current taken from the fuel cell stack 1 by the total area of the power generation region of each fuel cell). This current density pattern is common to (a) and (b).
  • the thick broken line in FIG. 15 shows the change of the area specific resistance (value which divided the average value of cell voltage by the said current density) of each fuel cell. From FIG. 15, the variation in cell voltage between cells is smaller in (b) than in (a), and the area specific resistance of (b) is more stable from the beginning than in (a). It can be seen that the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 are improved by setting the anode pressure increase speed to a low speed under a low temperature environment.
  • the anode pressure increase speed is set to a high speed.
  • the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 can be improved.
  • the anode boosting speed when the temperature of the fuel cell stack 1 is lower than a predetermined temperature indicating a low temperature state including a freezing point state, the anode boosting speed is set to a slow speed, and the fuel cell stack 1 When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the anode boosting speed is set to a high speed, so that the carbon corrosion deterioration due to the formation of the hydrogen front of the fuel cell stack 1 is suppressed, and the cause of power generation failure at a low temperature is suppressed.
  • the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 used in a low temperature environment can be improved.
  • the anode non-circulation type system it is required to increase the volume of the downstream portion of the fuel cell stack 1 in order to increase the power generation time by continuing the gas flow in the anode for a long time.
  • the anode pressure increase speed is set to a low speed, the gas flow in the anode can be continued for a relatively long time with respect to the same hydrogen gas supply amount.
  • the volume part downstream of the battery stack 1 can be downsized, and the entire system can be made compact.
  • the controller 40 determines the remaining water amount state of the fuel cell stack 1 before executing the hydrogen control process (step S104 in FIG. 2), and the temperature of the fuel cell stack 1 is determined.
  • the anode pressurization speed is set to a low speed because the temperature is lower than the predetermined temperature
  • the anode pressurization speed is set to a higher speed as the anode remaining water quantity is smaller. Then, the power generation response of the fuel cell stack 1 can be improved, and the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 in a low temperature environment can be improved.
  • FIG. 16 is a diagram showing the anode residual water amount sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing point. Similar to FIG. 15A, it is instantaneously (for example, between about 0.5 [sec]). From 0 [kPaG] to 150 [kPaG]), the power generation characteristics when the anode pressure is increased are shown. The difference between FIG. 16 and FIG. 15A is that, in FIG. 16, the drying process during the previous power generation stop process is performed for a longer time than in the case of FIG. As in FIG. 15, the thin solid line in FIG. 16 indicates the change in voltage (cell voltage) of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1, and the thick solid line in FIG. 16 indicates the change in current density.
  • the thick broken line in FIG. 16 shows the change of the area specific resistance of each fuel cell.
  • the current density pattern in FIG. 16 is the same as that in FIGS. 15 (a) and 15 (b). From FIG. 16, the cell voltage variation in FIG. 16 is smaller than that in FIG. 15 (a), and the area specific resistance of FIG. 16 from FIG. It can be seen that, even in a low temperature environment, in a situation where the amount of remaining anode water is small, it is possible to obtain more excellent power generation characteristics of the fuel cell stack 1 by setting the anode pressure increase speed to a high speed.
  • the fuel cell stack 1 of the present embodiment after the power generation is stopped, water newly generated by the power generation does not occur in the fuel cell stack 1, but as the time after the power generation stops, the fuel Since water remaining in the cell stack 1 moves in the fuel cell stack 1 due to diffusion, flow, etc., the water distribution in the fuel cell stack 1 changes. The longer the elapsed time from power generation stop, the greater the change in the water distribution, and the residual water spreads over a wider area of the power generation region of the fuel cell. That is, as the time until the fuel cell stack 1 reaches the sub-freezing state after the power generation is stopped, the frozen residual water is distributed in a wider range of the power generation region of the fuel cell.
  • FIG. 17 is a graph showing the sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below freezing (time until the fuel cell stack 1 reaches the freezing state after power generation is stopped), and the thin solid line in the figure is Change in average cell voltage (average value of cell voltage) when starting after 0 minutes of standing time, broken line shows change in average cell voltage when starting after 90 minutes of standing time, thick solid line after standing overnight The change of the average cell voltage at the time of starting is shown, respectively. Other operating conditions (current density pattern, anode pressure, pressure increase rate, etc.) are common to each case. As shown in FIG. 17, the average cell voltage at the time of start-up becomes lower as the elapsed time from power generation stop becomes longer, and the change in the residual water distribution in the fuel cell stack 1 is It is estimated that the power generation characteristics of 1 were affected.
  • the controller 40 measures or estimates the power generation stop duration of the fuel cell stack 1 before executing the hydrogen control process (step S105 in FIG. 2), and the temperature of the fuel cell stack 1
  • the anode speed is set to a low speed because the temperature is lower than the predetermined temperature
  • the anode pressure increase speed is set to a higher speed as the power generation stop duration of the fuel cell stack 1 is shorter.
  • the power generation stop duration is short, the power generation response of the fuel cell stack 1 can be improved, and the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 in a low temperature environment can be improved.
  • the amount of gas diffusion is determined by the following equation (4).
  • Gas diffusion amount -diffusion coefficient (D) x concentration gradient (4)
  • the diffusion coefficient (D) generally has a relationship of temperature (T) and the following equation (5).
  • T Temperature
  • ⁇ D Collision integral
  • the amount of gas diffusion is also considered to decrease at a rate similar to the diffusion coefficient from Equation (4). Further, when the fuel cell stack 1 reaches a freezing point state in which the anode residual water is not completely removed, the range (area) of the anode catalyst layer in which hydrogen gas can diffuse is reduced by freezing of the residual water. Therefore, it is conceivable that the amount of hydrogen reaching the anode catalyst layer is reduced more than the reduction amount of the gas diffusion amount.
  • the controller 40 performs the hydrogen control process shown in FIG. 6, and the anode lower limit pressure (step S302) according to the temperature of the fuel cell stack 1 detected by the stack temperature sensor 43.
  • the target lower limit pressure calculated in step 1 is variable, and the anode lower limit pressure is set to a higher value when the temperature of the fuel cell stack 1 is lower than the predetermined temperature when the temperature of the fuel cell stack 1 is lower than the predetermined temperature. Even in a low temperature state, hydrogen is more likely to reach the anode catalyst layer, so by ensuring the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer and suppressing the factors that cause power generation failure, The power generation characteristics of the fuel cell stack 1 can be improved.
  • FIG. 18 is a diagram showing the anode pressure sensitivity of the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 at the time of starting below the freezing point.
  • FIG. 18A shows the power generation characteristics when the anode pressure is increased to 150 [kPaG]. Indicates power generation characteristics when the anode pressure is increased to 200 [kPaG].
  • the time taken for this boosting is about 0.5 [sec] in both (a) and (b), as in FIG. 15 (a).
  • the thin solid line in FIG. 18 indicates the change in the voltage (cell voltage) of each fuel cell constituting the fuel cell stack 1
  • the thick solid line in FIG. 18 indicates the current density.
  • the thick broken line in FIG. 18 shows the change in the area specific resistance of each fuel cell.
  • the current density pattern in FIG. 18 is the same as that in FIGS. 15 and 16. From FIG. 18, the variation in cell voltage between cells is smaller in (b) than in (a), and the area specific resistance of (b) is more stable from the beginning than in (a). It can be seen that the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 are improved by setting the anode lower limit pressure higher in a low temperature environment.
  • the gas permeation amount between the cathode and the anode tends to increase as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. Therefore, the nitrogen permeated from the cathode side to the anode side in a short time as the temperature of the fuel cell stack 1 increases. Unless impurities that hinder power generation such as gas and steam gas are not discharged, power generation failure may occur due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer.
  • the anode lower limit pressure is set to a low pressure, so that the pressure difference from the anode upper limit pressure is set large. Impurities such as nitrogen gas and water vapor gas inside the anode can be efficiently discharged to the downstream volume portion 12 in a short time. That is, in the fuel cell system of this embodiment, the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer is efficiently secured in accordance with the temperature of the fuel cell stack 1, and the cause of power generation failure is suppressed, so that the fuel in a low temperature environment The power generation characteristics of the battery stack 1 can be improved.
  • the anode lower limit pressure is set to a higher value than when the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, and the anode pressure is set to a relatively high value. Therefore, it is possible to effectively prevent the impurities pushed into the volume 12 from flowing back into the anode, and to suppress the carbon corrosion deterioration due to the formation of hydrogen front due to the backflow of impurities, while also preventing hydrogen in the anode catalyst layer.
  • the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 in a low temperature environment can be improved by securing the partial pressure and suppressing the factor causing power generation failure.
  • the anode lower limit pressure is determined.
  • the anode lower limit pressure is set to a higher pressure than when it is determined that the purge valve 14 has not failed.
  • the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer is effectively suppressed while the carbon corrosion deterioration due to the hydrogen front formation of the fuel cell stack 1 due to the backflow of the anode gas, which is a concern when the purge valve 14 is malfunctioning, is effectively suppressed.
  • impurities such as nitrogen gas and water vapor gas pushed into the volume 12 downstream of the fuel cell stack 1 are appropriately disposed downstream of the purge valve 14. Can no longer be discharged. In that case, as time elapses, the impurities tend to flow back into the anode due to repeated anode pressure increase / decrease and gas diffusion, and the backflow of impurities causes hydrogen in the anode catalyst layer to flow back. Poor power generation due to insufficient partial pressure or carbon corrosion deterioration due to hydrogen front formation may occur.
  • the anode lower limit pressure is set to a high pressure, and the anode pressure is maintained at a relatively high value. Therefore, the impurity pushed into the volume 12 is effectively suppressed from flowing back into the anode, and the hydrogen partial pressure of the anode catalyst layer is secured while suppressing carbon corrosion deterioration due to hydrogen front formation due to the reverse flow of impurities. By suppressing the factor causing power generation failure, the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 in a low temperature environment can be improved.
  • the anode pressurization speed is set to be slower than that when the temperature is higher than the predetermined temperature. Therefore, even in a low temperature environment including a freezing point condition, By supplying, the inert gas inside the fuel cell can be properly discharged into the volume outside the fuel cell, effectively preventing power generation failure due to insufficient hydrogen partial pressure in the anode catalyst layer, and improving the power generation characteristics of the fuel cell Can be improved.

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Abstract

　燃料電池（１）と、燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部（１２）と、アノードオフガスを外部へ排出する排出手段（１４）と、燃料電池の温度を検出する温度検出手段（４３）と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御装置（４０）である。該制御装置（４０）は、燃料電池へのアノードガスの供給を制御するアノードガス供給制御手段（５５）を備えている。該アノードガス供給制御手段（５５）は、アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定するアノード上下限圧力設定手段（６１）と、少なくとも温度検出手段により検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定するアノード昇圧速度設定手段（６２）と、アノードガスを供給することによる昇圧であって、アノード昇圧速度で、アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すアノードガス昇降圧制御手段（６３）と、を有している。上記アノード昇圧速度設定手段（６２）は、温度検出手段により検出された燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が所定温度以上である場合よりも、アノード昇圧速度を遅い速度に設定する。

Description

燃料電池システムの制御装置及び制御方法
　本発明は、アノード非循環型の燃料電池システムの運転を制御する制御装置及び制御方法に関する。
　燃料電池スタックから排出された未反応の排アノードガスを循環させて再利用するアノード循環型の燃料電池システムに対し、アノードガスを循環させずに燃料電池スタックに供給するアノード非循環型の燃料電池システムが知られている。
　特開２００８－９７９６６号公報は、このようなアノード非循環型の燃料電池システムにおいて、発電中にアノードガスの供給圧力の昇圧および降圧を繰り返し行って、アノードガス流路内に周期的なガス流れを起こすことにより、窒素ガスなどの不活性ガスが燃料電池スタックの一部のセルに滞留することを抑制し、アノード触媒層内における水素分圧不足による発電不良を抑制する技術を開示している。
　しかしながら、上記燃料電池システムを、氷点下環境を含む低温環境下で使用した場合には、燃料電池スタック内の残留水の凍結などの影響により、燃料電池スタック内に滞留した不活性ガスを十分に排出しきれず、その結果、アノード触媒層内における水素分圧が不足して発電不良を起こすことがあった。
　本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、アノード非循環型の燃料電池システムにおいて、低温環境下であってもアノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良を有効に抑制し、燃料電池の発電特性を向上させることが可能な燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供することである。
　本発明の第１の態様は、燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御装置である。該制御装置は、燃料電池へのアノードガスの供給を制御するアノードガス供給制御手段を備えている。該アノードガス供給制御手段は、アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定するアノード上下限圧力設定手段と、少なくとも温度検出手段により検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定するアノード昇圧速度設定手段と、アノードガスを供給することによる昇圧であって、アノード昇圧速度で、アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すアノードガス昇降圧制御手段と、を有している。上記アノード昇圧速度設定手段は、温度検出手段により検出された燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が所定温度以上である場合よりも、アノード昇圧速度を遅い速度に設定する。
　また、本発明の第２の態様は、燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御方法である。該制御方法は、燃料電池の温度を検出し、アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定し、少なくとも検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定し、アノードガスを供給することによる昇圧であって、アノード昇圧速度で、アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すように燃料電池へアノードガスを供給する。そして、検出した燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が所定温度以上である場合よりも、アノード昇圧速度を遅い速度に設定する。
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの概要を示す構成図である。 図２は、コントローラによる発電制御処理の全体の流れを示すフローチャートである。 図３は、図２のステップＳ１０１の目標発電電流演算処理の詳細を示すフローチャートである。 図４は、アクセル操作量および車両速度と目標駆動モータ電力との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。 図５は、燃料電池スタックで発電する目標発電電力および燃料電池スタックの温度と出力取出装置にて燃料電池スタックから取り出す目標発電電流との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。 図６は、図２のステップＳ１０６の水素制御処理の詳細を示すフローチャートである。 図７は、目標下限圧力を算出する方法の具体例を説明する制御ブロック図である。 図８は、アノード昇圧速度を算出する方法の具体例を説明する制御ブロック図である。 図９は、発電停止継続時間と第５の補正係数との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。 図１０は、コントローラが水素ガス調圧バルブの駆動を行った場合における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の動きの具体例を示すタイムチャートである。 図１１は、燃料電池スタックの温度および実水素ガス圧力とパージバルブの開度との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。 図１２は、図２のステップＳ１０７の空気制御処理の詳細を示すフローチャートである。 図１３は、目標発電電流および実水素ガス圧力と目標空気流量との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。 図１４は、目標空気流量および目標空気圧力と空気コンプレッサ指令回転数との関係を表したマップデータのイメージを示す図である。 図１５は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード昇圧速度感度を示す図である。 図１６は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード残水量感度を示す図である。 図１７は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性の放置時間感度を示す図である。 図１８は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード圧力感度を示す図である。
　以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本発明を適用した燃料電池システムの概要を示す構成図である。この図１に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の駆動源として車載され、燃料電池車両の駆動モータやシステム内部の補機などの電気負荷装置に電力供給するものであり、複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１を備える。
　燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルは、例えば、水素ガス（アノードガス）の供給を受ける水素極（アノード）と酸化剤ガスである空気の供給を受ける空気極（カソード）とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。この燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセパレータには、アノード側に水素ガスが流れるアノードガス流路、カソード側には空気が流れる空気流路がそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、各燃料電池セルのアノード側に水素を含有する水素ガスが供給され、カソード側に酸素を含有する空気が供給されることで、下記の式（１）及び式（２）に示す電気化学反応によって発電が行われる。
　　アノード：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－　・・・（１）
　　カソード：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ－ ＋（１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ　・・・（２）
　燃料電池システムは、発電を行う燃料電池スタック１のほかに、燃料電池スタック１に水素ガスを供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置３０と、システム全体の動作を統合的に制御するコントローラ４０とを備える。
　水素系において、アノードガスである水素ガスは、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素ガス供給路（アノード入口流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素ガス供給路Ｌ１は、一方の端部が燃料タンク１０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１のアノードガス供給用マニホールドの入口側に接続されている。この水素ガス供給路Ｌ１において、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図示せず）が設けられている。このタンク元バルブが開状態になると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスが、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素ガス調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１に供給される水素ガス圧力、すなわち、燃料電池スタック１のアノードにおける水素ガス圧力（アノード圧力）は、水素ガス調圧バルブ１１の開度を制御することによって調整することができる。
　本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１は、アノードガス排出用マニホールドの外部へ通じる出口側は基本的に閉塞されており、燃料電池スタック１からアノードオフガスの排出が制限されている。つまり、本実施形態の燃料電池システムは、アノードガスである水素ガスを循環させずに燃料電池スタック１に供給する、いわゆるアノード非循環型の燃料電池システムである。ただし、これは厳密な意味での閉塞を指すものではなく、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物をアノードから排出するために、アノードガス排出用マニホールドの出口側を例外的に開放する排出システムが設けられている。具体的には、アノードガス排出用マニホールドの出口側には、アノードオフガス流路Ｌ２が接続されている。アノードオフガス流路Ｌ２は、他方の端部が、後述する酸化剤オフガス流路Ｌ６に接続されている。
　アノードオフガス流路Ｌ２には、所定容積、例えば、燃料電池スタック１を構成する全燃料電池セルに関するアノード側の容積と同程度もしくはその８割程度の容積を内部空間として備える容積部１２が設けられている。この容積部１２は、アノードから排出されるアノードオフガスを一時的に蓄えるバッファとして機能する。容積部１２の鉛直方向の下部には、一方の端部が開放された排水流路Ｌ３が接続されている。この排水路Ｌ３には、排水バルブ１３が設けられている。容積部１２へと流入したアノードオフガスに含まれる液水は、容積部１２の下部に溜まる。溜まった液水は、排水バルブ１３の開閉状態を制御することにより、外部に排出することができる。また、アノードオフガス流路Ｌ２には、容積部１２よりも下流側にパージバルブ（排出手段）１４が設けられている。容積部１２へと流入したアノードオフガス、具体的には、不純物（主として窒素などの不活性ガス）および未反応水素を含むガスは、パージバルブ１４の開閉状態を制御することにより、外部に排出することができる。
　一方、空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気が空気コンプレッサ２０にてよって取り込まれるとこれが加圧され、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。空気供給流路Ｌ５は、一方の端部が空気コンプレッサ２０に接続されるとともに、他方の端部が燃料電池スタック１における空気供給用マニホールドの入口側に接続されている。また、空気供給流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気を加湿するための加湿装置２１が設けられている。
　燃料電池スタック１における空気供給用マニホールドの出口側には、カソードオフガス流路Ｌ６が接続されている。燃料電池スタック１からのカソードオフガスは、カソードオフガス流路Ｌ６を介して外部に排出される。このカソードオフガス流路Ｌ６には、上述した加湿装置２１が設けられており、ここでカソードオフガスの除湿が行われ、発電により生成された水分の一部がカソードオフガスから除去される（この除去した水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、カソードオフガス流路Ｌ６には、加湿装置２１より下流側に、空気調圧バルブ２２が設けられている。燃料電池スタック１に供給される空気圧力、すなわち、燃料電池スタック１のカソードにおける空気圧力（カソード圧力）は、空気調圧バルブ２２の開度を制御することによって調整することができる。
　本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置３０を介して、例えば、車両駆動用の駆動モータ（図示せず）や燃料電池スタック１の発電動作に必要な種々の補機に供給される。また、出力取出装置３０の制御により燃料電池１から取り出された電力は、二次電池（図示せず）にも供給されている。この二次電池はシステムの起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１から供給される電力の不足を補うために備えられている。
　コントローラ４０は、システム全体の動作を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。コントローラ４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントローラ４０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従い各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、コントローラ４０は、水素ガス調圧バルブ１１、排水バルブ１３、パージバルブ１４、空気コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２２、出力取出装置３０といった種々の要素を制御し、燃料電池スタック１の発電動作を制御する。
　コントローラ４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。システムの状態を検出するためのセンサとしては、例えば、水素ガス圧力センサ４１と、空気圧力センサ４２と、スタック温度センサ４３と、パージバルブ温度センサ４４とが挙げられる。水素ガス圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を検出する。空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出する。スタック温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度を検出する。パージバルブ温度センサ４４は、パージバルブ１４近傍の温度を検出する。
　本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０による制御に従って水素系からアノードガスである水素ガス、空気系から酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック１に供給し、これにより、燃料電池スタック１による発電を行う。この場合、コントローラ４０は、燃料電池スタック１へと供給される水素ガスおよび空気の圧力が所望の運転圧力となるように水素ガスおよび空気の供給を制御する。ここで、コントローラ４０は、燃料電池スタック１へ供給される水素ガスの圧力、つまりアノード圧力を、カソード側との圧力差が許容耐圧以下となるように設定された上限圧力と下限圧力との間で昇降圧させることで、窒素などの不活性ガスや液水などの不純物をアノードオフガス流路Ｌ２に設けられた容積部１２に効率よく排出できるようにしている。そして、特に本実施形態では、コントローラ４０がアノード圧力を昇降圧させる際に、スタック温度センサ４３からのセンサ信号に基づいて、燃料電池スタック１の温度が氷点下状態を含む低温状態にあることを示す所定温度未満となっているか否かを判断し、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満となっている場合には、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合と比べて、アノード昇圧速度を遅い速度に設定するようにしている。以下、このコントローラ４０による制御内容について、さらに詳しく説明する。
　図２は、コントローラ４０による発電制御処理の全体の流れを示すフローチャートである。この図２のフローチャートで示す処理は、所定時間周期（例えば１０［ｍｓ］周期）ごとに繰り返し実行されるものである。
　図２のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ１０１において、燃料電池車両のドライバが要求する駆動力を実現するために、駆動モータ、及び、燃料電池スタック１の発電を補助するための補機などの消費電力から、燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流を演算する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０２において、燃料電池スタック１が氷点下状態であるか否か、すなわち、燃料電池スタック１内に残留した水の一部又は全部が燃料電池セルの内部で凍結した状態となっているか否かの判定を行う。具体的には、スタック温度センサ４３による温度検出値が、第１の閾値（所定温度）未満となっているか否かを判定する。そして、温度検出値が第１の閾値未満ならば、燃料電池スタック１が氷点下状態であると判断して、氷点下状態フラグに１を代入し、温度検出値が第１の閾値以上であれば、燃料電池スタック１が氷点下状態にないと判断し、氷点下状態フラグに０を代入する。ここで、燃料電池スタック１が氷点下状態であるか否かを判定するための第１の閾値は、当該判定をより正確に行うために、燃料電池スタック１に対するスタック温度センサ４３の取り付け位置による誤差やスタック温度センサ４３自体の検出誤差を加味して、氷点温度＋誤差の温度に設定しておくことが望ましい。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０３において、パージバルブ１４が凍結などの要因により閉固着している状態であるか否かの判定を行う。具体的には、パージバルブ温度センサ４４による温度検出値が第２の閾値未満となっているか否かを判定して、第２の閾値未満ならばパージバルブ１４が閉固着している可能性があると判断してパージ機能失陥フラグに１を代入し、第２の閾値以上であればパージ機能失陥フラグに０を代入する。ここで、パージバルブ１４が凍結などの要因により閉固着している状態であるか否かを判定するための第２の閾値は、当該判定をより正確に行うために、パージバルブ１４に対するパージバルブ温度センサ４４の取り付け位置による誤差やパージバルブ温度センサ４４自体の検出誤差分を加味して、氷点温度＋誤差の温度に設定しておくことが望ましい。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０４において、燃料電池スタック１の残水量状態の判定を行う。この判定は、例えば燃料電池システムの起動時であれば、前回の発電停止処理中に燃料電池スタック１に残留した生成水を排出する乾燥処理を行ったか否かを監視することにより行うことができる。すなわち、次回の起動時に燃料電池スタック１を氷点下状態から発電させる必要がある場合などには、前回の発電停止処理中に空気コンプレッサ２０から燃料電池スタック１に空気を供給することで、燃料電池スタック１に残留した生成水を排出する乾燥処理が行われるが、前回の発電停止処理中にこのような乾燥処理が実施されなかった場合は、燃料電池スタック１の残留水が多い状態であると判断して湿潤フラグに１を代入し、前回の発電停止処理中に乾燥処理が実施された場合は湿潤フラグに０を代入する。なお、燃料電池スタック１の残水量状態の判定は、以上のような乾燥処理の実施状況に応じた判定に限らず、例えば、燃料電池スタック１に高周波数成分の交流電流信号を印加することで、その電圧信号との挙動との関係よりインピーダンスを推定する交流インピーダンス法を用いて、燃料電池スタック１の固体高分子膜の抵抗値を推定し、その固体高分子膜の抵抗値に基づいて固体高分子膜の湿潤状態を判断し、湿潤フラグの値を決定するといった方法を用いるようにしてもよい。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０５において、燃料電池スタック１の発電停止状態の継続時間を取得する。なお、発電停止継続時間は、前回の発電停止時から次回の発電開始時までの時間を実際に計測するようにしてもよいし、発電開始時における燃料電池スタック１の状態から発電停止継続時間を推定するようにしてもよい。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０６において、ステップＳ１０１で算出した目標発電電流、及び、ステップＳ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４、Ｓ１０５で算出した氷点下フラグ、パージ機能失陥フラグ、湿潤フラグ、発電停止状態の継続時間の結果に基づき、目標水素ガス圧力を算出し、水素ガス圧力センサ４１にて検出した実水素ガス圧力が目標水素ガス圧力に追従するように、水素ガス調圧バルブ１１の開度を制御し、また、パージバルブ１４の開閉動作を繰り返すことで、窒素ガスなどの不活性ガスを排出する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０７において、空気コンプレッサ２０を用いてカソードに空気を供給し、アノード側とカソード側との圧力差を、燃料電池スタック１の差圧許容値以下とするように、空気調圧バルブ２２の開度を制御する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０１で算出した目標発電電流に基づき、燃料電池スタック１から電流が取り出されるように出力取出装置３０を制御する。以上で発電制御処理を終了する。
　なお、コントローラ４０は、図１に示したように、低温状態判定手段５１、パージ機能欠陥判定手段５２、アノード残水量推定手段５３、発電停止継続時間算出手段５４、およびアノードガス制御手段５５を含んでおり、例えば、上記ステップＳ１０２は低温状態判定手段５１により、上記ステップＳ１０３はパージ機能欠陥判定手段５２により、上記ステップＳ１０４はアノード残水量推定手段５３により、上記ステップＳ１０５は発電停止継続時間算出手段５４により、上記ステップＳ１０６はアノードガス制御手段５５により、各々実行することができる。
　図３は、図２のステップＳ１０１の目標発電電流演算処理の詳細を示すフローチャートである。以下、この図３のフローチャートに沿って、出力取出装置３０により燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の演算内容を、さらに詳しく説明する。
　図３のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ２０１において、燃料電池車両に設置されているアクセルセンサの出力に基づいて、ドライバのアクセル操作量を検出する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０２において、燃料電池車両に設置されている車速センサの出力に基づいて、燃料電池車両の速度を検出する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０３において、ステップＳ２０１及びステップＳ２０２で検出したアクセル操作量と車両速度とに基づいて、図４に示すマップデータを用いて目標駆動モータ電力を算出する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０４において、実際に補機で消費されている電力（実補機消費電力）を演算する。この実補機消費電力とは、燃料電池スタック１の発電を行うための各補機の電圧および電流を検出し、これらを乗じて演算した補機消費電力であり、例えば、空気コンプレッサ２０などであれば、回転数とトルクとを検出し、これらを乗じて得た値に損失電力を加えて演算したものである。この損失電力は、損失マップデータへ回転数とトルクを入力して推定したものである。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０５において、燃料電池スタック１で発電する目標発電電力を演算する。この目標発電電力とは、ステップＳ２０３で算出した目標駆動モータ電力とステップＳ２０４で算出した実補機消費電力とを加算した電力値である。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０６において、スタック温度センサ４３のセンサ信号を読み込んで、燃料電池スタック１の温度を検出する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０５で算出した燃料電池スタック１で発電する目標発電電力と、ステップＳ２０６で検出した燃料電池スタック１の温度とに基づいて、図５に示すマップデータを用いて出力取出装置３０にて燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流を算出する。以上で、目標発電電流演算の処理を終了する。
　なお、以上は、燃料電池システムが起動した後の通常動作時における目標発電電流演算の処理について説明したが、燃料電池システムの起動時においては、ステップＳ２０５で算出する目標発電電力が実補機消費電力のみとなる。すなわち、燃料電池システムの起動時においては、ステップＳ２０１でアクセル操作量が０、ステップＳ２０２で車両速度が０とされ、ステップＳ２０３で目標駆動モータ電力が０と算出される。そして、ステップＳ２０４で算出された実補機消費電力が、ステップＳ２０５においてそのまま目標発電電力として算出されることになる。
　図６は、図２のステップＳ１０６の水素制御処理の詳細を示すフローチャートである。以下、この図３のフローチャートに沿って、水素ガス調圧バルブ１１及びパージバルブ１４を駆動させてアノードへの水素ガス供給を制御する方法について、さらに詳しく説明する。
　図６のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ３０１において、燃料電池スタック１に水素ガス供給を行う上での上限圧力の目標値（目標水素ガス圧力の上限値で、目標上限圧力またはアノード上限圧力という）を算出する。ここでは、燃料電池スタック１の許容耐圧の上限値を目標上限圧力（アノード上限圧力）として設定し、これにより、水素ガス調圧バルブ１１を用いて可能な限り高いアノード圧力まで水素ガス供給を行い、アノード触媒層内の水素分圧不足による燃料電池スタック１の発電不良を抑制するようにした。また、例えば、目標発電電流が低くなると、発電に必要な水素消費量も小さくなることから、アノード触媒層内の水素濃度を低くしても発電に必要な水素分圧を確保できる傾向となるので、空気コンプレッサ２０の消費電力を抑制するために、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えた上で、空気運転圧力を低く抑えたい要求などがある場合には、目標上限圧力は、アノード触媒層内に必要な水素濃度を確保できるレベルで、目標発電電流に基づいて可変に設定してもよい。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ３０２において、燃料電池スタック１の水素ガス供給を行う上での下限圧力の目標値（目標水素ガス圧力の下限値で、目標下限圧力またはアノード下限圧力という）を算出する。ここでは、図２のステップＳ１０２で算出した氷点下フラグの値と、図２のステップＳ１０３で算出したパージ機能失陥フラグの値とに基づき、下限圧力の目標値を設定する。
　ここで、目標下限圧力（アノード下限圧力）を算出する方法の具体例について、図７の制御ブロック図を用いて説明する。
　アノード下限圧力を算出するために、まず、基準目標下限圧力の算出を行う（図７のブロック１０１）。ここでの基準とは、氷点下フラグ、パージ失陥フラグがともに０の状態にあることを意味しており、従って、基準目標下限圧力とは、燃料電池スタック１が氷点下状態になく、かつ、パージバルブ１４が閉固着していないときの目標下限圧力を意味する。そして、基準目標下限圧力には、燃料電池スタック１が氷点下状態になく、かつ、パージバルブ１４が閉固着していない状況において、燃料電池スタック１から目標発電電流を取り出すときに、アノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良が生じない最も低い圧力を設定する。また、例えば、目標発電電流が低くなると発電に必要な水素消費量も小さくなることから、アノード触媒層内の水素濃度を低くしても発電に必要な水素分圧を確保できる傾向となるので、空気コンプレッサ２０の消費電力を抑制するために、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えた上で、空気運転圧力を低く抑えたい要求などがある場合には、基準目標下限圧力は、アノード触媒層内に必要な水素濃度を確保できるレベルで、目標発電電流に基づいて可変に設定してもよい。さらに、例えば、燃料電池スタック１が、パージバルブ１４の開閉操作によって窒素ガスなどの不活性ガスを充分外部に排出できている状態では、発電不良を起こさない範囲で目標下限圧力をより低く設定することができるので、空気コンプレッサ２０の消費電力を抑制するために、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えた上で、空気運転圧力を低く抑えたい要求などがある場合には、基準目標下限圧力は、水素ガス圧力センサ４１とパージバルブ１４の開閉状態から求まるパージバルブ１４からの排出量積算値、もしくは、水素ガス供給開始からの継続時間を入力とするマップデータを用いて、可変に設定してもよい。
　次に、氷点下フラグが１の場合の目標下限圧力の算出を行う（図７のブロック１０２）。ここでは、ブロック１０１で算出した基準目標下限圧力に対して第１の補正係数を乗算することで、氷点下フラグが１の場合の目標下限圧力を算出するようにしている。ここで、第１の補正係数は、１よりも大きな固定値に設定される。これにより、氷点下フラグが１の場合の目標下限圧力としては、基準目標下限圧力よりも高い値が算出されることになる。氷点下フラグが１であるとき、すなわち、燃料電池スタック１が氷点下状態であるときは、アノードに残留した水が凍結して排出困難になっていることや、温度低下によってガス拡散性が低下していることなどの要因により、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなっている。第１の補正係数は、これらの要因によってアノード触媒層の水素分圧が低下した分、目標下限圧力を高く設定することで、当該発電不良を抑制できる値に設定される。ここでは、燃料電池スタック１が想定される下限温度（例えば－２０℃）環境下においても燃料電池として成立できるように、第１の補正係数を、実験もしくは設計に基づいて設定する。また、例えば、第１の補正係数を、スタック温度センサ４３による温度検出値に基づくマップデータに基づいて可変に設定することで、温度が高くなるにつれてガス拡散性が向上する影響を加味して、温度が高くなるほど第１の補正係数が小さくなるようにしてもよい。
　次に、氷点下フラグの値に基づいて、ブロック１０１で算出された基準目標下限圧力とブロック１０２で算出された目標下限圧力とのいずれかを選択する（図７のブロック１０３）。すなわち、ブロック１０３では、氷点下フラグの値が１の場合は、ブロック１０２で算出された目標下限圧力を出力し、氷点下フラグの値が０の場合は、ブロック１０１で算出された基準目標下限圧力を出力する。
　次に、パージ失陥フラグが１の場合の目標下限圧力の算出を行う（図７のブロック１０４）。ここでは、ブロック１０３で選択した目標下限圧力に対して第２の補正係数を乗算することで、パージ失陥フラグが１の場合の目標下限圧力を算出するようにしている。ここで、第２の補正係数は、１よりも大きな固定値に設定される。これにより、パージ失陥フラグが１の場合の目標下限圧力としては、ブロック１０３で選択した目標下限圧力よりも高い値が算出されることになるので、パージバルブ１４が凍結などの影響により閉固着している場合においても、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良を抑制することができる。パージ失陥フラグが１であるとき、すなわち、パージバルブ１４が閉固着しているときは、燃料電池スタック１の発電による自己発熱などでパージバルブ１４が暖められて解凍するまでの間、カソード側からアノード側に窒素ガスなどの不活性ガスが透過してくることによって、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなる。第２の補正係数は、補正後の目標下限圧力が、パージバルブ１４の解凍に必要な最長時間が経過するまでの間に、カソード側からアノード側に不活性ガスが透過してきたときでも、アノード触媒層の水素分圧を確保して発電不良を抑制できる圧力となるよう、実験もしくは設計に基づいて設定する。
　次に、パージ失陥フラグの値に基づき、ブロック１０３で選択した目標下限圧力とブロック１０４で算出された目標下限圧力とのいずれかを選択する（図７のブロック１０５）。すなわち、ブロック１０５では、パージ失陥フラグの値が１の場合は、ブロック１０４で算出された目標下限圧力を出力し、パージ失陥フラグの値が０の場合は、ブロック１０３で選択した目標下限圧力を出力する。
　次に、ステップＳ３０１で算出した目標上限圧力以上の値を目標下限圧力として出力しないように、ブロック１０５の出力を目標上限圧力にて制限する（図７のブロック１０６）。
　以上のように目標下限圧力を算出すると、コントローラ４０は、次にステップＳ３０３において、燃料電池スタック１の水素ガス供給を行う上での目標昇圧速度（目標水素ガス圧力を昇圧させる際の昇圧速度の目標値で、以下、アノード昇圧速度ともいう）を算出する。ここでは、図２のステップＳ１０２で算出した氷点下フラグの値と、図２のステップＳ１０４で算出した湿潤フラグの値と、図２のステップＳ１０５で算出した発電停止継続時間の値と、に基づいて、アノード昇圧速度を設定する。
　ここで、アノード昇圧速度を算出する方法の具体例について、図８の制御ブロック図を用いて説明する。
　アノード昇圧速度を算出するためには、まず、基準昇圧速度の算出を行う（図８のブロック２０１）。ここでの基準とは、氷点下フラグが０の状態にあることを意味しており、従って、基準昇圧速度とは、燃料電池スタック１が氷点下状態にないときのアノード昇圧速度を意味する。ここで、燃料電池システムの起動時において燃料電池スタック１のアノード、カソード共に酸素が混入している状態から水素ガス供給を開始すると、アノード内に水素が存在する領域と存在しない領域（以下、水素フロント）が形成される。すると、アノードに水素が供給されている領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、カソード側の電位が立つ。一方、アノードに水素が存在しない領域では、これに対峙するカソード側で、下記式（３）に示す反応が生じ、その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食などが発生してしまうことになる。
　Ｃ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ－　・・・（３）
　そこで、燃料電池システムの起動時に、水素フロントが形成される期間をできる限り短縮して、上記現象によるカーボン腐食が生じることを抑制するために、基準昇圧速度は、水素ガス調圧バルブ１１で制御可能な最速の値に設定することが望ましい。また、氷点下フラグが０の状態にあるときは、燃料電池スタック１に残留している水は液体の状態で存在していると考えられ、この液体の状態の残留水を効率的に排出する観点からも、基準昇圧速度は、できる限り速い値に設定することが望ましい。
　次に、氷点下フラグが１の状態にある場合のアノード昇圧速度の算出を行う（図８のブロック２０２～２０５）。
　具体的には、まず、湿潤フラグが０の状態でのアノード昇圧速度を算出する（図８のブロック２０２）。ここでは、ブロック２０１で算出した基準昇圧速度に対して第３の補正係数を乗算することで、湿潤フラグが０の場合のアノード昇圧速度を算出するようにしている。ここで、第３の補正係数は、１よりも小さな固定値に設定される。これにより、湿潤フラグが０の場合のアノード昇圧速度としては、ブロック２０１で算出した基準昇圧速度よりも遅い速度が算出されることになる。氷点下フラグが１で、かつ、湿潤フラグが０であるとき、すなわち、前回発電停止処理中に燃料電池スタック１に残留した生成水を排除する乾燥処理を行っている場合において、起動時燃料電池スタック１が氷点下状態であるときは、アノードに残留した水が凍結して排出困難になっていることや、温度低下によってガス拡散性が低下していることなどの要因により、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなっている。第３の補正係数は、想定される下限温度（例えば－２０℃）環境下において上記の状況になったとしても、燃料電池スタック１が燃料電池として成立できるように、実験もしくは設計に基づいて設定する。アノード昇圧速度を抑えることで、燃料電池スタック１に残留した窒素ガスなどの不活性ガスを容積部１２に排出する時間を延ばすことができ、また、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給する際、各燃料電池セル間の圧損バラツキによる供給水素ガス流量のバラツキを抑制することにより、アノード触媒層の水素分圧低下による発電不良を抑制することができる。
　次に、湿潤フラグが１の状態でのアノード昇圧速度を算出する（図８のブロック２０３）。ここでは、ブロック２０２で算出したアノード昇圧速度に対して第４の補正係数を乗算することで、湿潤フラグが１の場合のアノード昇圧速度を算出するようにしている。ここで、第４の補正係数は、１よりも小さな固定値に設定される。これにより、湿潤フラグが１の場合のアノード昇圧速度としては、湿潤フラグが０の場合よりも遅い速度が算出されることになる。氷点下フラグが１で、かつ、湿潤フラグが１であるとき、すなわち、前回発電停止処理中に燃料電池スタック１に残留した生成水を排除する乾燥処理を行っていなかった場合において、起動時燃料電池スタック１が氷点下状態であるときは、湿潤フラグが０のときよりも更に多くの水がアノードに残留しかつ凍結して排出困難になっていることなどの要因により、アノード触媒層の水素分圧が低下して発電不良が生じやすくなっている。第４の補正係数は、想定される下限温度（例えば－２０℃）環境下において上記の状況になったとしても、燃料電池スタック１が燃料電池として成立できるように、実験もしくは設計に基づいて設定する。アノード昇圧速度を抑えることで、燃料電池スタック１に残留した窒素ガスなどの不活性ガスを容積部１２に排出する時間を延ばすことができ、また、燃料電池スタック１へ水素ガスを供給する際、各燃料電池セル間の圧損バラツキによる供給水素ガス流量のバラツキを抑制することにより、アノード触媒層の水素分圧低下による発電不良を抑制することができる。
　次に、湿潤フラグの値に基づいて、ブロック２０２で算出されたアノード昇圧速度とブロック２０３で算出されたアノード昇圧速度とのいずれかを選択する（図８のブロック２０４）。すなわち、ブロック２０４では、湿潤フラグの値が１の場合は、ブロック２０３で算出されたアノード昇圧速度を出力し、湿潤フラグの値が０の場合は、ブロック２０２で算出されたアノード昇圧速度を出力する。
　次に、ブロック２０４で選択されたアノード昇圧速度に対して、発電停止継続時間に応じた補正を行う（図８のブロック２０５）。ここでは、ブロック２０４の出力に対して第５の補正係数を乗算することでアノード昇圧速度の補正を行うようにしている。ここで、第５の補正係数は、図９に示すような発電停止継続時間に基づくマップデータを用いて１を越えない範囲の値に設定される。これにより、長期放置など想定以上に発電停止継続時間が長くなった場合には、アノード昇圧速度が低く抑えられるようになる。電池スタック１が発電を停止した後は、発電停止継続時間の経過に伴って、電池スタック１内の水分布が変化していくことにより、よりアノード触媒層内に水素が供給されにくい状況が生まれるが、アノード昇圧速度を抑えることにより、より多くの不活性ガスを容積部１２に排出でき、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良を抑制することができる。
　次に、氷点下フラグの値に基づいて、ブロック２０１で算出された基準昇圧速度とブロック２０５で算出されたアノード昇圧速度とのいずれかを選択する（図８のブロック２０６）。すなわち、ブロック２０６では、氷点下フラグが１の場合は、ブロック２０５で算出されたアノード昇圧速度を出力し、氷点下フラグが０の場合は、ブロック２０１で算出された基準昇圧速度を出力する。
　なお、算出されたアノード昇圧速度は、氷点下フラグが１であり、湿潤フラグが１であり、かつ、発電停止継続時間が長くなったとき、基準昇圧速度に第３～第５の補正係数のすべてを乗じた値（アノード昇圧速度＝基準昇圧速度×第３の補正係数×第４の補正係数×第５の補正係数）となり、最小値となる。この最小値は、想定される下限温度（例えば－２０℃）環境下において上記の状況になったとしても、燃料電池スタック１が燃料電池として成立できるように、実験もしくは設計に基づいて設定する。この最小値は、起動後の燃料電池スタック１からの電流の取り出し方や、個々の燃料電池スタック１の構造的特徴（構成・レイアウト、燃料電池セルの枚数、ガス流路長さなど）等に応じて異なるものとなる。例えば、この最小値として、０．５［ｓｅｃ］程度の間に、０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］までアノード圧力を昇圧させることで、燃料電池を成立させることができる。
　以上のようにアノード昇圧速度（目標昇圧速度）を算出すると、コントローラ４０は、次にステップＳ３０４において、水素ガス圧力センサ４１のセンサ信号を読み込んで、実水素ガス圧力を検出する。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ３０５において、ステップＳ３０１で設定した目標上限圧力（アノード上限圧力）と、ステップＳ３０２で設定した目標下限圧力（アノード下限圧力）と、ステップＳ３０３で設定した目標昇圧速度（アノード昇圧速度）と、ステップＳ３０４で検出した実水素ガス圧力とを用いて、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行う。
　ここで、コントローラ４０が、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行った場合における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の動きの具体例について、図１０のタイムチャートを用いて説明する。図１０（ａ）は、氷点下フラグが１、パージ欠陥フラグが１、湿潤フラグが０となる条件下における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の変化を示す。図１０（ｂ）は、氷点下フラグが０、パージ欠陥フラグが０となる条件下における目標水素ガス圧力及び実水素ガス圧力の変化を示す。なお、目標発電電流など他の条件は、（ａ）（ｂ）共通である。図中、実線が目標水素ガス圧力の変化を、破線が実水素ガス圧力の変化を示す。
　図１０（ａ）において、まず、時刻Ｔ１にて水素ガス供給を開始すると、目標水素ガス圧力をステップＳ３０１で設定した目標上限圧力ＰＵまで、ステップＳ３０３で設定したアノード昇圧速度で段階的に上げていく。そして、目標水素ガス圧力に対して実水素ガス圧力が一致するように、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行う。ここでは、目標水素ガス圧力と実水素ガス圧力の偏差に基づき、ＰＩ制御などのフィードバック制御を用いて、水素ガス調圧バルブ１１の開閉駆動を制御した。
　次に、時刻Ｔ２にて実水素ガス圧力を降圧させるように目標水素ガス圧力を下げる処理を行う。ここでは、目標上限圧力ＰＵと実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧力を、目標下限圧力ＰＬ１に下げる。目標水素ガス圧力を目標下限圧力ＰＬ１に下げた後は、発電による水素消費により、燃料電池スタック１内の実水素ガス圧力が降下していく。
　次に、時刻Ｔ３にて実水素ガス圧力を再び昇圧させるように目標水素ガス圧力を上げる処理を行う。ここでは、目標下限圧力ＰＬ１と実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧力をステップＳ３０１で設定した目標上限圧力ＰＵまで、ステップＳ３０３で設定したアノード昇圧速度を守りながら上げていく。
　その後は、時刻Ｔ２，Ｔ３と同様の処理を繰り返すことで、昇降圧運転を繰り返し行う。なお、ここでは、目標水素ガス圧力を低下させる場合に、目標上限圧力ＰＵから目標下限圧力ＰＬ１まで瞬時に低下させるようにしているが、降圧側においても降圧速度を制限しながら目標水素ガス圧力を低下させるようにしてもよい。このように降圧速度を制限することで、容積部１２の降圧時の単位時間あたりの圧力変化を抑えることができるため、容積部１２のガスの乱れを押さえることができ、結果として、窒素ガスなどの不活性ガスが燃料電池スタック１に逆流することを防止でき、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良を抑制することにつながる。
　図１０（ｂ）においては、氷点下フラグが０、パージ欠陥フラグが０であるので、目標下限圧力ＰＬ２は基準目標下限圧力となり、アノード昇圧速度は基準昇圧速度となる。そして、まず、時刻Ｔ１にて水素ガス供給を開始すると、目標水素ガス圧力をステップＳ３０１で設定した目標上限圧力ＰＵまで、ステップＳ３０３で設定した基準昇圧速度で瞬時に上げる。そして、目標水素ガス圧力に対して実水素ガス圧力が一致するように、水素ガス調圧バルブ１１の駆動を行う。
　次に、時刻Ｔ２にて実水素ガス圧力を降圧させるように目標水素ガス圧力を下げる処理を行う。ここでは、目標上限圧力ＰＵと実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧力を、目標下限圧力ＰＬ２、すなわち基準目標下限圧力に下げる。
　次に、時刻Ｔ３にて実水素ガス圧力を再び昇圧させるように目標水素ガス圧力を上げる処理を行う。ここでは、目標下限圧力ＰＬ２と実水素ガス圧力の偏差が制御誤差範囲内に入った場合に、目標水素ガス圧をステップＳ３０３で設定した基準昇圧速度で上げる。
　その後は、時刻Ｔ２，Ｔ３と同様の処理を繰り返すことで、昇降圧運転を繰り返し行う。なお、アノード昇圧速度は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が大きいので、Ｔ１からＴ２に至るまでの時間は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が短くなる傾向がある。一方、目標下限圧力ＰＬ２はＰＬ１より小さいので、Ｔ２からＴ３に至るまでの時間は、図１０（ａ）の場合よりも図１０（ｂ）の場合の方が長くなる傾向がある。
　なお、本実施形態では、目標上限圧力までの昇圧（または目標下限圧力までの降圧）を一定の昇圧速度（または降圧速度）で行っているが、昇圧（または降圧）のパターンはこれに限らず、例えば、目標上限圧力（または目標下限圧力）に至るまでの昇圧（または降圧）の途中で、一回または複数回、昇圧速度（または降圧速度）を変化させることにより、アノード圧力が滑らかに変化するようにしてもよい。また、昇圧速度は、目標下限圧力から目標上限圧力に至るまで（降圧速度は、目標上限圧力から目標下限圧力に至るまで）の間のアノード圧力の平均変化率として、或いは、ある特定の時点におけるアノード圧力の単位時間当たりの変化率として、定義することができる。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ３０６において、容積部１２に排出した窒素ガスなどの不活性ガスをパージバルブ１４の開閉動作により大気に排出させる。ここでは、パージ失陥フラグが１の場合は、閉固着によりパージバルブ１４から窒素ガスなどの不活性ガスの排出ができない可能性があるため、水素を無駄に排出させないためにパージバルブ１４に閉指令を与える。一方、パージ失陥フラグが０の場合は、常時、充分に窒素ガスなどの不活性ガスを大気に排出できる時間だけ、パージバルブ１４に開指令を与えるようにしている。また、充分に窒素ガスなどの不活性ガスを燃料電池スタック１から排出させるための時間が経過した後は、図１１に示すように、スタック温度センサ４３により検出した燃料電池スタック１の温度、水素ガス圧力センサ４１により検出した実水素ガス圧力に基づき、パージバルブ１４の開閉動作を制御することで、カソードから透過してくる窒素ガスを、水素排出は必要最低限に抑えた上で排出することができ、燃費向上に繋がる。以上で、水素制御処理を終了する。
　なお、コントローラ４０のアノードガス制御手段５５は、図１に示したように、アノード上下限圧力設定手段６１、アノード昇圧速度設定手段６２、およびアノードガス昇降圧制御手段６３を含んでおり、例えば、上記ステップＳ３０１およびステップＳ３０２はアノード上下限圧力設定手段６１により、上記ステップＳ３０３はアノード昇圧速度設定手段６２により、上記ステップＳ３０５はアノードガス昇降圧制御手段６３により、各々実行することができる。
　図１２は、図２のステップＳ１０７の空気制御処理の詳細を示すフローチャートである。以下、この図１２のフローチャートに沿って、カソードへの空気供給を制御する方法についてさらに詳しく説明する。
　図１２のフローが開始されると、コントローラ４０は、まずステップＳ４０１において、目標空気圧力の算出を行う。ここでは、耐久性の向上を目的として、図６のステップＳ３０１で算出した目標上限圧力とステップＳ３０２で算出した目標下限圧力との平均値を目標空気圧力とすることで、燃料電池スタック１のカソードとアノード間の膜間差圧を許容耐圧以下に抑えるようにしている。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ４０２において、目標空気流量の算出を行う。ここでは、図１３に示すように、図２のステップＳ１０１で算出した目標発電電流と、図６のステップＳ３０４で検出した実水素ガス圧力に基づくマップデータを用いることで、燃料電池スタック１の発電に必要な空気を供給しながら、パージバルブ１４からの排出されるガスの水素濃度を可燃濃度以下として大気に排出できる空気流量を目標空気流量として求めるようにしている。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ４０３において、ステップＳ４０２で算出した目標空気流量とステップＳ４０１で算出した目標空気圧力とに基づいて、図１４に示すマップデータを用いて空気コンプレッサ指令回転数を算出する。なお、このマップデータは、空気コンプレッサ２０の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定されている。ここで算出した空気コンプレッサ指令回転数に従って空気コンプレッサ２０が駆動されることで、燃料電池スタック１のカソードに供給される空気流量が制御される。
　次に、コントローラ４０は、ステップＳ４０４において、空気の圧力制御を行う。ここでは、ステップＳ４０１で算出した目標空気圧力に対して、空気圧力センサ４２より検出される実空気圧力が一致するように、目標空気圧力と実空気圧力の偏差に基づくフィードバック制御を行って空気調圧バルブ２２の開閉動作を行う。以上で、空気制御処理を終了する。
　以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が図６に示した水素制御処理を実行する中で、スタック温度センサ４３により検出した燃料電池スタック１の温度に応じてアノード昇圧速度（ステップＳ３０３で算出する目標昇圧速度）を可変とし、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード昇圧速度を遅い速度に設定するようにしているので、氷点下状態を含む低温環境下であってもアノードガスの供給により燃料電池スタック１内部の不活性ガスを適切に燃料電池スタック１外部の容積部１２に排出することができ、アノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良を有効に抑制して、燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　詳述すると、アノード非循環型システムにおいては、外部へ排出される水素濃度を可燃濃度以下としなければならないこと、加えて、不純物を排出するためのパージバルブ１４に凍結などの影響による機能失陥が起きる場合があることを考えると、窒素ガスなどの発電不良を引き起こす不純物を短時間で排出することは困難であるが、そのような場合においても、水素ガスを供給することで、燃料ガス供給前の窒素ガスをはじめとする不純物を、燃料電池スタック１の下流の容積部１２に押し込めば、良好な発電性能が得ることができる。
　しかしながら、氷点下環境を含む低温環境下では、残留水凍結などの影響により、ガス拡散層（ＧＤＬ）内部などに詰まった水の排出が困難になる。この場合、アノードガス流路にアノードガスを供給しても、上記残留水の存在が障害となって、アノード触媒層に水素が圧送されにくくなるとともに、アノード触媒層内に残留している不活性ガスもアノードガス流路側に拡散しづらくなる。さらに、残留水の量にセル間バラツキがあると、水素ガス供給時にセル間の圧損差がつきやすくなる。従って、許容耐圧以下の圧力でしか水素ガスを供給できないアノード非循環型システムにおいて、アノードガスの供給速度を速くしすぎると、供給されたアノードガスが、ガス拡散層内部に充分浸透しないまま、また、アノード触媒層内に残留する不活性ガスと充分置換されずに、ガス拡散層の表層を上滑りしてアノードガス流路内を流れていくため、アノード触媒層内の不純物を燃料電池下流の容積部に充分押し込めなくなり、そのため、アノード触媒層内における水素分圧不足による発電不良が生じやすくなる。
　本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が氷点下状態を含む低温状態であることを示す所定温度未満の場合は、アノード昇圧速度を遅い速度に設定しているので、同じ水素ガス供給量に対して、アノード触媒層内に残留する不活性ガスをアノードガス流路側へ拡散させつつアノードガス流路下流に押し流す時間を長くとれる。また、アノード内のガス流れの流速が低くなることにより、アノードガス流路内のガス流れの圧損とガス拡散層内のガス流れの圧損との差が小さくなることから、アノードガスが、アノード触媒層内に残留する不活性ガスと充分置換しつつアノード触媒層内に浸透することができる。従って、本実施形態の燃料電池システムによれば、低温状態での発電不良となる要因を抑制することができ、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上することができる。
　図１５は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード昇圧速度感度を示す図であり、（ａ）は、瞬時に（例えば、０．５［ｓｅｃ］程度の間に、０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］まで）、アノード圧力を昇圧させた場合の発電特性を、（ｂ）は、徐々に（例えば、１０［ｓｅｃ］程度の間に、０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］まで）、アノード圧力を昇圧させた場合の発電特性を示す。図１５中の細い実線は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの電圧（セル電圧）の変化を示す。図１５中の太い実線は、電流密度（全燃料電池セルの電流密度の平均値：燃料電池スタック１から取り出す電流を各燃料電池セルの発電領域の総面積で除した値）の変化を示す。この電流密度のパターンは、（ａ）（ｂ）共通である。図１５中の太い破線は、各燃料電池セルの面積比抵抗（セル電圧の平均値を上記電流密度で除した値）の変化を示す。図１５から、（ａ）より（ｂ）の方がセル電圧のセル間のバラツキが小さく、面積比抵抗についても（ａ）より（ｂ）の方が終始大きな値で安定して推移しており、低温環境下でアノード昇圧速度を遅い速度に設定することによって、燃料電池スタック１の発電特性が向上することがわかる。
　また、燃料電池システムの起動時に、アノード、カソード共に酸素が混入している状態から水素ガス供給を開始する場合は、アノード内に水素フロントが形成され、アノードに水素が供給されている領域においては通常の動作状態と同様の反応が起こり、カソード側の電位が立つ一方、アノードに水素が存在しない領域では、これに対峙するカソード側で上記式（３）に示した反応が生じ、その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食などが発生する。上記式（３）の反応は、低温状態では電極の活性が低いため、上記カーボン腐食は、低温状態では起こりにくい。一方、上記式（３）の反応は、温度が高くなるほど、電極の活性が高くなるため、上記カーボン腐食も、温度が高くなるほど起こりやすくなる傾向にある。
　本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合は、アノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、燃料電池スタック１の水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を抑制することができ、燃料電池スタック１の発電特性を向上することができる。
　すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が氷点下状態を含む低温状態であることを示す所定温度未満の場合はアノード昇圧速度を遅い速度に設定し、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合はアノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、燃料電池スタック１の水素フロント形成によるカーボン腐食劣化の抑制と、低温状態で発電不良となる要因の抑制と、を両立することができ、低温環境下で使用される燃料電池スタック１の発電特性を向上することができる。
　また、一般に、アノード非循環型システムでは、アノード内のガス流れを長時間継続させて発電時間を長くとるために、燃料電池スタック１下流の容積部の容積を大きく取ることが要請されるが、本実施形態の燃料電池システムによれば、アノード昇圧速度を遅い速度に設定するので、同じ水素ガス供給量に対して、アノード内のガス流れを比較的長時間継続させることができ、従って、燃料電池スタック１下流の容積部を小型化し、システム全体をコンパクトにすることができる。
　さらに、本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が水素制御処理を実行する前に燃料電池スタック１の残水量状態を判定し（図２のステップＳ１０４）、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満のためアノード昇圧速度を遅い速度に設定する場合には、アノード残水量が少ない程、アノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、低温環境下でもアノード残水量が少ない状況では燃料電池スタック１の発電応答性を高め、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　図１６は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード残水量感度を示す図であり、図１５（ａ）と同様に、瞬時に（例えば、０．５［ｓｅｃ］程度の間に０［ｋＰａＧ］から１５０［ｋＰａＧ］まで）、アノード圧力を昇圧させた場合の発電特性を示す。図１６と図１５（ａ）との相違点は、図１６では、前回の発電停止処理中の乾燥処理を、図１５（ａ）の場合よりも長い時間実施した点にある。図１５と同様に、図１６中の細い実線は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの電圧（セル電圧）の変化を示し、図１６中の太い実線は、電流密度の変化を示し、図１６中の太い破線は、各燃料電池セルの面積比抵抗の変化を示す。また、図１６の電流密度のパターンは、図１５（ａ）（ｂ）のそれと共通である。図１６から、図１５（ａ）より図１６の方がセル電圧のセル間のバラツキが小さく、面積比抵抗についても図１５（ａ）より図１６の方が終始大きな値で安定して推移しており、低温環境下でも、アノード残水量が少ない状況では、アノード昇圧速度を速い速度に設定することによって、より優れた燃料電池スタック１の発電特性を得ることができることがわかる。
　また、本実施形態の燃料電池スタック１では、発電を停止した後は、燃料電池スタック１内に新たに発電による生成水が生じることはないが、発電停止後の時間の経過に伴って、燃料電池スタック１内の残留している水が拡散、流動等により燃料電池スタック１内を移動するため、燃料電池スタック１内の水分布が変化する。発電停止からの経過時間が長くなればなるほど、この水分布の変化は大きくなり、残留水は、燃料電池セルの発電領域のより広い範囲に広がっていく。すなわち、発電停止後、燃料電池スタック１が氷点下状態に至るまでの時間が長いほど、燃料電池セルの発電領域のより広い範囲に凍結した残留水が分布することになる。
　図１７は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性の放置時間（発電停止後、燃料電池スタック１が氷点下状態に至るまでの時間）感度を示す図であり、図中の細い実線は、放置時間０分後に起動した時の平均セル電圧（セル電圧の平均値）の変化を、破線は、放置時間９０分後に起動した時の平均セル電圧の変化を、太い実線は、一晩放置後に起動した時の平均セル電圧の変化を、それぞれ示す。なお、その他の運転条件（電流密度のパターン、アノード圧力およびその昇圧速度等）は、各ケース共通である。図１７に示されているように、起動時の平均セル電圧は、発電停止からの経過時間が長くなればなるほど低くなっており、燃料電池スタック１内の残留水分布の変化が、燃料電池スタック１の発電特性に影響したものと推測される。
　本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が水素制御処理を実行する前に燃料電池スタック１の発電停止継続時間を計測または推定し（図２のステップＳ１０５）、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満のためアノード速度を遅い速度に設定する場合には、燃料電池スタック１の発電停止継続時間が短い程、アノード昇圧速度を速い速度に設定するようにしているので、低温環境下でも発電停止継続時間が短い状況では燃料電池スタック１の発電応答性を高め、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　また、一般に、ガスの拡散量は次式（４）で求められる。
　　ガス拡散量 ＝ － 拡散係数（Ｄ）× 濃度勾配・・・（４）
　ここで、拡散係数（Ｄ）は、一般的に温度（Ｔ）と次式（５）の関係を有している。
　　拡散係数（Ｄ） ∝ 温度（Ｔ）^２／３ ／ 衝突積分（ΩＤ）・・・（５）
　燃料電池スタック１の使用環境として想定される下限温度（例えば－２０℃）環境下では、拡散係数（Ｄ）は、式（５）から通常の温度（例えば２０℃）環境下における拡散係数の約６０％程度まで減少すると予想され、また、ガス拡散量も、式（４）から拡散係数と同程度の割合で減少すると考えられる。さらに、燃料電池スタック１が、アノード残留水が完全に除去されていない状態で氷点下状態に至った場合には、残留水の凍結によって、水素ガスが拡散できるアノード触媒層の範囲（面積）が減少するため、アノード触媒層に到達する水素の量は、上記ガス拡散量の減少分以上に減少することが考えられる。
　本実施形態の燃料電池システムによれば、コントローラ４０が図６に示した水素制御処理を実行する中で、スタック温度センサ４３により検出した燃料電池スタック１の温度に応じてアノード下限圧力（ステップＳ３０２で算出する目標下限圧力）を可変とし、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード下限圧力を高い値に設定するようにしているので、燃料電池スタック１が低温状態の場合にも、よりアノード触媒層内に水素が到達しやすくなるため、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　図１８は、氷点下起動時における燃料電池スタック１の発電特性のアノード圧力感度を示す図であり、（ａ）は、アノード圧力を１５０［ｋＰａＧ］まで昇圧させた場合の発電特性を、（ｂ）は、アノード圧力を２００［ｋＰａＧ］まで昇圧させた場合の発電特性を示す。なお、この昇圧にかけた時間は、（ａ）（ｂ）ともに、図１５（ａ）と同様、０．５［ｓｅｃ］程度である。図１５および図１６と同様に、図１８中の細い実線は、燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルの電圧（セル電圧）の変化を示し、図１８中の太い実線は、電流密度の変化を示し、図１８中の太い破線は、各燃料電池セルの面積比抵抗の変化を示す。また、図１８の電流密度のパターンは、図１５および図１６のそれと共通である。図１８から、（ａ）より（ｂ）の方がセル電圧のセル間のバラツキが小さく、面積比抵抗についても（ａ）より（ｂ）の方が終始大きな値で安定して推移しており、低温環境下でアノード下限圧力を高めに設定することによって、燃料電池スタック１の発電特性が向上することがわかる。
　一方、カソード－アノード間のガス透過量は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど増加する傾向にあるため、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、短時間でカソード側からアノード側に透過した窒素ガスや水蒸気ガスなどの発電を阻害する不純物を排出しなければ、アノード触媒層内の水素分圧不足により発電不良が生じる虞がある。
　本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が所定温度以上の場合はアノード下限圧力を低い圧力に設定するようにしているので、アノード上限圧力との圧力差を大きくとって、アノード内部の窒素ガスや水蒸気ガスなどの不純物を短時間で効率よく下流の容積部１２に排出することができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度に合わせてアノード触媒層の水素分圧を効率よく確保し、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　また、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード下限圧力を高い値に設定し、アノード圧力を比較的高い値で維持するようにしているので、容積部１２に押し込んだ不純物がアノード内部に逆流することを有効に抑制し、不純物の逆流による水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を抑制しつつ、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ４０が水素制御処理を実行する前にパージバルブ１４が凍結により機能失陥を起こしているか否かを判定し（図２のステップＳ１０３）、アノード下限圧力を設定する際に、パージバルブ１４が機能失陥を起こしていると判定した場合は、機能失陥を起こしていないと判定した場合に比べてアノード下限圧力を高い圧力に設定するようにしているので、パージバルブ１４が機能失陥を起こしている場合に懸念される、アノードガスの逆流に起因する燃料電池スタック１の水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を有効に抑制しつつ、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池の発電特性を向上させることができる。
　すなわち、アノード下流に設置したパージバルブ１４が凍結により機能失陥を起こしている場合は、燃料電池スタック１下流の容積部１２に押し込んだ窒素ガス、水蒸気ガスなどの不純物をパージバルブ１４の下流側に適切に排出できなくなる。その場合は、時間が経過するにつれて、上記不純物が、繰り返されるアノード圧力の昇降圧やガス拡散などの影響によりアノード内部に逆流してしまう傾向になり、この不純物の逆流によって、アノード触媒層の水素分圧不足による発電不良や、水素フロント形成によるカーボン腐食劣化などが発生してしまう可能性がでてくる。
　本実施形態の燃料電池システムによれば、パージバルブ１４が機能失陥を起こしていると判定した場合はアノード下限圧力を高い圧力に設定し、アノード圧力を比較的高い値で維持するようにしているので、容積部１２に押し込んだ不純物がアノード内部に逆流することを有効に抑制し、不純物の逆流による水素フロント形成によるカーボン腐食劣化を抑制しつつ、アノード触媒層の水素分圧を確保して、発電不良となる要因を抑制することで、低温環境下での燃料電池スタック１の発電特性を向上させることができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は、それらの実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
　本出願は、２００９年９月１６日に出願された日本国特許願第２００９－２１４３２１号に基づく優先権を主張しており、これらの出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
　本発明によれば、燃料電池の温度が所定温度未満の場合に所定温度以上の場合よりもアノード昇圧速度が遅い速度に設定されるので、氷点下状態を含む低温環境下であってもアノードガスの供給により燃料電池内部の不活性ガスを適切に燃料電池外部の容積部に排出することができ、アノード触媒層内の水素分圧不足による発電不良を有効に抑制して、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
　１　燃料電池スタック
　１１　水素ガス調圧バルブ
　１２　容積部
　１４　パージバルブ
　４０　コントローラ
　４１　水素ガス圧力センサ
　４３　スタック温度センサ
　４４　パージバルブ温度センサ
　

Claims (6)

  1. 　燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御装置であって、
    　燃料電池へのアノードガスの供給を制御するアノードガス供給制御手段を備えており、
    　前記アノードガス供給制御手段は、
    　アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定するアノード上下限圧力設定手段と、
    　少なくとも前記温度検出手段により検出した前記燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定するアノード昇圧速度設定手段と、
    　アノードガスを供給することによる昇圧であって、前記アノード昇圧速度で、前記アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、前記アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すアノードガス昇降圧制御手段と、
    　を有しており、
    　前記アノード昇圧速度設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合よりも、前記アノード昇圧速度を遅い速度に設定することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
  2. 　前記燃料電池のアノード残水量を推定するアノード残水量推定手段をさらに備え、
    　前記アノード昇圧速度設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記所定温度未満である場合は、前記アノード残水量推定手段により推定されたアノード残水量が少ないほど、前記アノード昇圧速度を速い速度に設定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の制御装置。
  3. 　燃料電池の発電停止継続時間を計測又は推定する発電停止継続時間算出手段をさらに備え、
    　前記アノード昇圧速度設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記所定温度未満である場合は、前記発電停止継続時間算出手段により計測又は推定された燃料電池の発電停止継続時間が短いほど、前記アノード昇圧速度を速い速度に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの制御装置。
  4. 　前記アノード上下限圧力設定手段は、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記所定温度未満である場合は、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合よりも、前記アノード下限圧力を高い値に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御装置。
  5. 　前記排出手段が凍結により機能失陥を起こしているか否かを判定するパージ機能失陥判定手段をさらに備え、
    　前記アノード上下限圧力設定手段は、前記パージ機能失陥判定手段により前記排出手段が機能失陥を起こしていると判定された場合は、前記排出手段が機能失陥を起こしていると判定されなかった場合よりも、前記アノード下限圧力を高い値に設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御装置。
  6. 　燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留可能な容積部と、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出手段と、を備えたアノード非循環型の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記燃料電池の温度を検出し、
    　アノード上限圧力及びアノード下限圧力を設定し、
    　少なくとも検出した燃料電池の温度に基づいて、アノード昇圧速度を設定し、
    　アノードガスを供給することによる昇圧であって、前記アノード昇圧速度で、前記アノード上限圧力まで行う昇圧と、アノードガスの供給を制限することによる降圧であって、前記アノード下限圧力まで行う降圧と、を繰り返すように、前記燃料電池へアノードガスを供給し、
    　検出した燃料電池の温度が所定温度未満である場合は、燃料電池の温度が前記所定温度以上である場合よりも、前記アノード昇圧速度を遅い速度に設定することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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