燃料電池システム
【課題】燃料電池システムにおいて、起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減する。
【解決手段】燃料電池の起動過程において、燃料電池が起動過程中に停止した場合に燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測する残留水分量予測手段と、残留水分量予測手段によって予測した予測残留水分量が所定の水分量を超えないように、圧縮機の流量を発生電力に対する最適ガス流量よりも増加させて燃料電池を起動する。
【解決手段】燃料電池の起動過程において、燃料電池が起動過程中に停止した場合に燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測する残留水分量予測手段と、残留水分量予測手段によって予測した予測残留水分量が所定の水分量を超えないように、圧縮機の流量を発生電力に対する最適ガス流量よりも増加させて燃料電池を起動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム関し、特に燃料電池システムの起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される。反応生成物の水は酸化剤としての空気と共に燃料電池の外部に排出されるが、生成された水の一部は、電解質膜を湿度雰囲気に保つため、加湿器によって燃料電池入口に再循環するシステムが多く用いられている。これは電解質膜が乾燥して内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下することを防止するためである。
【０００３】
この加湿器による空気の加湿は電解質膜を湿度雰囲気に保つために略飽和湿度の状態まで加湿されて運転されるので運転状態によっては空気流路に水滴が詰まってしまうフラッディングを引き起こしたり、低温状態で凍結したりして流路を閉塞してしまうという問題があった（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
このような燃料電池の空気流路のフラッディングや凍結の問題に対しては、特許文献１に示されるように、燃料電池停止の際に、空気圧縮機によって空気を燃料電池内に送り込み、残留している水分を排出するという掃気処理方法が提案されている。また、特許文献２には、低温状態で燃料電池を運転する際には、加湿器での加湿量を減少補正して、空気流路の閉塞を防止する方法が開示されている。
【０００５】
一方、燃料電池は運転者の指令によって起動し、起動によってその温度が通常運転温度に向かって上昇するとともに、許容出力も大きくなってくる。しかし、燃料電池が所定の運転温度に達する前に運転者によって停止指令が出されると、燃料電池が起動過程の途中で停止してしまう。この場合に、燃料電池への反応ガスの供給を直ちに停止して発電を停止すると、燃料電池は所定温度に達しないまま停止されることになる。燃料電池は、その性質上、発電の際に水を生成するので、燃料電池の温度が低いまま発電を停止すると、起動開始から停止時までに発電により生じた水が燃料電池内の空気側極に残留してしまい、ガス流路を閉塞してしまうという問題があった（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
特許文献３にはこのような低温からの起動において、起動途中での運転者が燃料電池の停止指令を出した場合でも、燃料電池を直ちに停止せずに発電を継続させて発熱させ、燃料電池の温度を所定値以上にする制御を行い、生成された水が電極外に排出されるようにする起動方法が提案されている。しかし、この方法では、運転者が燃料電池の停止指令を出しているのに燃料電池が停止せず発電を継続するので、運転者に対して違和感を与えるおそれがあるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１９０６１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２３７号公報
【特許文献３】特開２００４−１５２５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された従来技術のように、燃料電池を運転する際に連続的に加湿器での加湿量を減少補正して空気流路の閉塞を防止する方法では、起動過程において空気の加湿量が過少となって電解質膜の湿度雰囲気が保てなくなり内部抵抗が増大して燃料電池の性能出力の低下を起こすという問題があった。
【０００９】
ところで、燃料電池を停止する際には、特許文献１に示されるように、空気圧縮機によって空気を燃料電池内に送り込み、空気側極に残留している水分を排出するという掃気処理が行われるのが一般的である。この停止過程における掃気処理は、燃料電池が起動過程の途中で停止された場合にも行われ、燃料電池内に残留している水分を排出する。
【００１０】
一方、燃料電池の空気側極内部の水分量は、起動開始後、発電量の増加による生成水量の増加に伴って増加し、燃料電池の温度も起動によって次第に上昇していく。当初、燃料電池の温度が低い場合には、燃料電池の空気側極内の水分は水滴の状態で流路に存在し、燃料電池の温度上昇と共に水蒸気の状態に移行して、燃料電池の温度が通常の運転温度に達すると流路内部に含まれる水分はほとんど水蒸気となっている。このため、燃料電池の温度が通常運転温度の状態での停止においては、水蒸気としての水分は掃気処理によって空気と共に容易に排出することができる。ところが、起動中のように燃料電池の温度が通常運転温度以下の場合には、多くの水分は水滴の状態となっている。このため、燃料電池の温度が通常運転温度よりも低い起動中の停止による掃気処理では、空気側極に空気を送り込んでも排出することができる水分量は燃料電池が通常運転状態に達している場合よりも少なくなってしまう。この結果、燃料電池の起動過程において燃料電池を停止させると、掃気処理によっても燃料電池の空気側極に残留している水分を十分に排出することができず、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯が存在するという問題があった。また、低温からの起動においては、上記の残留水が空気流路内で凍結して空気流路を閉塞してしまうという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、燃料電池の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量を制御する制御部と、を含む燃料電池システムであって、燃料電池起動手段は、前記燃料電池起動過程において、前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測する残留水分量予測手段と、前記残留水分量予測手段によって予測した予測残留水分量が所定の水分量を超えないように、前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動する燃料電池起動手段と、有し前記残留水分量予測手段は、前記燃料電池の反応後の酸化剤ガスの水分量に基づいて前記燃料電池内の酸化剤ガス中に現存している水分量を計算する現存水分量計算手段と、前記反応後の酸化剤ガスの物理量に基づいて前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側から排出される水分量を予測する排出水分量予測手段と、を含み、前記現存水分量計算手段によって計算した現存水分量と、前記排出水分量予測手段によって予測した予測排出水分量との差から前記燃料電池停止後に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測すること、することを特徴とする。また、前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において前記燃料電池の温度が所定の温度範囲にある場合に、前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動することとしても好適である。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記反応後の酸化剤ガスの物理量は、反応後の酸化剤ガスの水分量と、圧力と、温度と、前記圧縮機の吐出流量とであること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、燃料電池の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す制御系統図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、予測排出水分量を計算するための特性マップである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯に加湿器バイパス管路に空気を流して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯に加湿器バイパス管路に空気を流して起動する際の、燃料電池の温度と燃料電池の空気側極の水分量の変化を示すグラフである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯を燃料電池の温度に基づいて判断し、加湿器バイパス管路に空気を流して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、特定の時間帯に空気圧縮機の流量を発電電力に対する最適ガス流量から増加させて起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、特定の時間帯に空気圧縮機の流量を発電電力に対する最適ガス流量から増加させて起動する際の、燃料電池の温度と燃料電池の空気側極の水分量の変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、特定の時間帯を燃料電池の温度に基づいて判断し、空気圧縮機の流量を発電電力に対する最適ガス流量から増加させて起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯に空気圧力調節弁によって空気圧力を減圧制御して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯を燃料電池の温度に基づいて判断し、空気圧力調節弁によって空気圧力を減圧制御して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好適な実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池システム１０に係る実施形態を示す制御系統図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計１８や空気フィルタを介して空気吸込み管路１９から空気圧縮機１４に吸込まれ、空気圧縮機１４によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路２０から加湿器３１に供給される。加湿器３１は、例えば、多数の中空糸膜を収容しており、中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水分含量の多い流体中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ない流体へと移動する性質を利用した中空子加湿器などが用いられる。加湿器３１に入った空気は、加湿器３１において燃料電池１１での反応で生成された水分により加湿され、湿り空気となって空気供給管路２３から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の酸化剤極である空気側極１２から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池１１の空気排出管路２４に排出される。空気排出管路２４には空気側極１２の中の空気圧力を所定の運転圧力に制御する空気圧力調節弁２８が設けられている。また、空気圧力調節弁２８と空気側極１２との間の空気排出管路２４には、空気側極１２から排出される反応後の空気の水分量、温度、圧力を測定するための水分量センサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７が取り付けられている。燃料電池１１の空気側極１２から排気された水分を多く含む反応後の空気は、加湿器３１でその水分の一部を供給空気への付加水分とするために除去される。水分量が減少した排出空気は排気管路２９によって下流に流れて行く。排気管路２９の途中には、サイレンサ５３が設けられ、サイレンサ５３を通過した反応後の排出空気は、大気放出口５７から大気に排気される。
【００１７】
一方、燃料電池１１の運転状態によっては、加湿器３１による供給空気への加湿量を減少させることが必要な場合がある。このために、空気圧縮機１４出口の圧縮機吐出管路２０と空気供給管路２３とを加湿器３１をバイパスして接続し、圧縮機吐出空気を加湿せずに空気供給管路２３に供給して、燃料電池１１の空気側極１２に供給される空気中の水分量を低減する加湿器バイパス管路３３が備えられている。そして、加湿器バイパス管路３３には加湿器バイパス管路３３を開閉する加湿器バイパス弁３５が設けられている。加湿器バイパス弁３５は、全開、全閉の間での開閉動作のみを行うものであってもよいし、全開、全閉の途中の開度を保持することができるような弁であってもよい。また、弁の駆動部はダイヤフラムなどを用いた空気式の駆動部であってもよいし、電動式の駆動部であってもよい。
【００１８】
また、燃料電池１１への空気供給管路２３と空気排出管路２４には、燃料電池１１の停止時に外気が燃料電池１１の中に入り込んで、燃料電池１１の中に残留している水素と反応して触媒などの劣化を防止するように、停止時に閉状態とされる遮断弁が設けられることがある。このような遮断弁が設けられる場合には、空気供給管路２３の遮断弁を加湿器バイパス管路３３と空気供給管路２３との合流点と加湿器３１との間に設け、空気供給管路２３の遮断弁を閉とした状態で加湿器バイパス弁３５を開とするようにして、空気圧縮機１４からの圧縮機吐出空気の全量をバイパスさせるような構成としてもよい。
【００１９】
水分量センサ２５は、連続的に水分量の測定をすることができれば、吸湿高分子材料などによって構成された測定部のインピーダンス又は電気容量を測定することによって水分量を測定するものであってもよいし、測定ガスと参照ガスとの間に配置された電気化学セルの電圧又は電流値を測定して、その結果から水分量を測定するようなものであってもよい。また、温度センサは熱電対式の温度センサでもよいし、バイメタル式など他の形式のものでもよい。更に、圧力センサは連続的に圧力が検出できれば圧力素子などを用いた圧力センサであってもよいし、ダイヤフラム型の受圧部を備えた圧力検出器などであってもよい。
【００２０】
空気圧力調節弁２８は、燃料電池１１の空気排出管路２４において連続的に反応後の空気圧力を調節することができればよく、クローブ型の調節弁でもよいし、アングル型の調節弁でもよいし、ケージ型の調節弁でもよい。また、調節弁の駆動部は空気駆動式であってもよいし、電動式であってもよい。
【００２１】
本実施形態の燃料電池システム１０においては、空気圧縮機１４はスクロール型である。スクロール型の空気圧縮機１４は容積型の空気圧縮機の一種であり、主に回転数を調整することによって空気流量を調整することが出来るものである。また、容積型でサージング防止のための抽気などが無いことから、本実施形態では、吸気流量計１８によって測定した吸気流量は吐出流量と略同一である。スクロール型の空気圧縮機１４は吐出空気流量が少ないと吐出圧力は高く、吐出空気流量が多くなるにしたがって吐出圧力が低下してくる特性を持っている。燃料電池システム１０の通常運転中は、空気流量は空気圧縮機１４の回転数をモータ１６の回転数を調整することによって行い、空気圧力は燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気圧力調節弁２８によって調節している。空気圧縮機１４は必要圧力、流量の空気を燃料電池１１の空気側極１２に供給できれば、スクロール型にかぎらずスクリュー式などでもよいし、遠心式のブロワのようなものであってもよい。
【００２２】
燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク４１に貯留されている。水素は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって燃料電池１１の燃料側極である水素側極１３に供給される。燃料電池１１に供給された水素の一部は空気側極１２に供給された酸化剤である空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素は水素側極１３の水素排出管路４４からから排出された後、水素排出管路４４と水素供給管路４３とを接続する水素循環管路４５に設けられた水素循環ポンプ４６によって水素供給管路４３に再循環される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって補充される。補充される水素ガスの量は水素供給調節弁４２によって調節される。水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると空気側極１２からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物が濃縮されてくる。そこで、このような不純物がある程度濃縮されてきた場合には、水素排出管路４４に接続された水素系大気放出管路４８の排出弁４９を開として所定量の水素ガスを水素系大気放出管路４８から外気に放出する。この場合は、高濃度の水素ガスを直接大気に放出することがないように、排出水素希釈管路５１に接続された混合器５５によって排気空気と混合して、その濃度を下げてから大気に排出するようになっている。
【００２３】
各計器１８，２５，２６，２７、各制御弁２８，３５，４２，４９、燃料電池１１、空気圧縮機１４や各ポンプのモータ１６，４７などは、すべて制御部６１に接続されており、各計器１８，２５，２６，２７、からの計測値は制御部６１に入力され、制御部６１は各制御弁２８，３５，４２，４９、の開度指令、モータ１６，４７の回転数指令を出力して燃料電池システム１０全体の制御を行う。制御部６１はＣＰＵや記憶部を含みソフトウェアによって全体の制御を行うようになっていても良いし、電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていても良い。また、制御部６１には車両の走行状態や必要要求付加など車両からのテータが入力されるようになっていても良い。また、制御部６１には制御動作に必要な制御マップなどの制御データを保持している記憶部６３がデータバス６５によって接続されている。
【００２４】
本実施形態では、制御部６１は燃料電池１１が起動過程中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２から排出される水分量を予測する排出水分量予測手段を備えている。この燃料電池１１の起動過程中に燃料電池１１が停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２から排出できる排出水分量は、空気側極出口の空気の水分量、圧力、温度、及び空気圧縮機１４から吐出される圧縮空気量によってさまざまに変動するため、排出水分量の予測計算には、記憶部６３に格納された、空気側極出口の空気圧力、温度、及び空気圧縮機１４の吐出流量に対する排水量のマップを使用する。この排出水分量予測計算用の特性マップを図２に示す。なお、本実施形態では、スクロール型の空気圧縮機を使用しているので、空気圧縮機１４の吸気流量と吐出空気流量とは略同一となることから、吐出空気流量として吸気流量計１８の出力を用いている。また、空気圧縮機１４の吐出空気の一部を燃料電池１１をバイパスさせて大気放出口５７から排出するような運転を行う場合のように、空気圧縮機１４の吐出空気流量と燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気流量に大きな差があるような場合には、空気圧縮機１４の吐出空気流量と空気側極１２の出口空気流量が大きく異なってくるので、空気圧縮機１４の吐出空気流量の代わりに空気圧縮機１４の吐出空気流量からバイパス流量を差し引いた空気流量や空気側極１２の空気排出管路２４に流量計を取り付けて、その出力を用いるなどが好適である。
【００２５】
図２（ａ）は燃料電池１１が停止した際の空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに対する燃料電池停止後の掃気処理における排水量Ｗとの関係を示す複数のマップのうちの１つを示す図である。図中の３本の線は燃料電池１１の停止後に行われる掃気処理の掃気時間Ｄが１００秒、２００秒、３００秒の各場合における吐出空気流量と排水量との関係を示している。図２（ａ）においては、空気側極出口の圧力Ｐ、温度Ｔ、水分量Ｘは一定である。
【００２６】
例えば、空気側極１２の出口の圧力Ｐ、温度Ｔと水分量Ｘの状態から、空気側極１２の出口から排出される空気中の水分は全て水蒸気であると判断される場合には、停止後に排出される排水量は、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに掃気時間Ｄと単位体積中に含まれる水分量Ｘを掛け合わせることによって求めることができる。この時にはマップは、空気圧縮機１４の吐出空気流量に比例した直線となってくる。また、掃気時間Ｄが増加すると掃気によって排水される排水量Ｗは多くなってくるが、時間が長くなるにつれて、単位掃気時間当たりの排水量Ｗの割合が少なくなってくる。一方、空気側極１２の出口の圧力Ｐ、温度Ｔと水分量Ｘとの状態から、かなりの部分は水蒸気の状態となっているが一部の水分が水滴で存在している場合には、停止後に排出される排水量Ｗは、単に空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに掃気時間Ｄと単位体積中に含まれる水分量Ｘを掛け合わせることによって求めることができない。つまり、水蒸気として存在している水分は略空気圧縮機１４からの吐出空気によって排出されるが、水滴として存在している水分はある程度空気圧縮機１４からの吐出空気流量Ｑが大きくならないと排出されてこない。したがって、このような状態の時にはマップは、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに対して曲線となる。このように、燃料電池１１の停止後に排出される水分量は空気側極１２の出口の圧力Ｐ、温度Ｔ及び水分量Ｘによって複雑に変化してくる。そこで、図２（ａ）の様に、各状態による空気圧縮機１４の吐出圧力Ｐと停止後の排出可能水分量をマップデータとして記憶部６３に格納し、複雑な計算によらず、検出された物理量から排出される排水量Ｗを簡便に予測できるようにしている。
【００２７】
図２（ｂ）は燃料電池１１の停止の際の空気側極１２の出口圧力に対する燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗの関係を示す複数のマップの内の１つを示すものである。図中の３本の線は図２（ａ）と同様に、燃料電池１１の停止後に行われる掃気処理の掃気時間Ｄが１００秒、２００秒、３００秒の各場合における空気側極１２の出口圧力Ｐと排水量Ｗとの関係を示している。図２（ｂ）においては、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑ、空気側極出口の温度Ｔ、水分量Ｘは一定である。
【００２８】
空気側極１２の出口の圧力Ｐが低くなるほど、空気側極１２の中の水分は水蒸気の状態となるので、燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗは大きくなってくる。逆に、圧力Ｐが高くなってくると、空気側極１２の中の水分の水蒸気の割合が低下し、逆に水滴の割合が増加してくるので、掃気処理の際の空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑが同じ場合には、燃料電池１１の停止後の掃気処理において排水される排水量Ｗは少なくなってくる。また、掃気時間Ｄが増加すると掃気によって排水される排水量Ｗは多くなってくるが、時間が長くなるにつれて、単位掃気時間当たりの排水量Ｗの割合が少なくなってくる。
【００２９】
図２（ｃ）は燃料電池１１の停止の際の空気側極１２の出口温度に対する燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗの関係を示す複数のマップの内の１つを示すものである。図中の３本の線は図２（ａ）（ｂ）と同様に、燃料電池１１の停止後に行われる掃気処理の掃気時間Ｄが１００秒、２００秒、３００秒の各場合における空気側極１２の空気側極出口の温度Ｔと排水量Ｗとの関係を示している。図２（ｃ）においては、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑ、空気側極出口の圧力Ｐ、水分量Ｘは一定である。
【００３０】
空気側極１２の出口の温度Ｔが高くなるほど、空気側極１２の中の水分は水蒸気の状態となるので、燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗは大きくなってくる。逆に、温度Ｔが低くなってくると、空気側極１２の中の水分の水蒸気の割合が低下し、逆に水滴の割合が増加してくるので、掃気処理の際の空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑが同じ場合には、燃料電池１１の停止後の掃気処理において排水される排水量Ｗは少なくなってくる。また、掃気時間Ｄが増加すると掃気によって排水される排水量Ｗは多くなってくるが、時間が長くなるにつれて、単位掃気時間当たりの排水量Ｗの割合が少なくなってくるのは図２（ａ）及び図２（ｂ）と同様である。
【００３１】
本実施形態では、上記のマップを記憶部６３に格納し制御部６１は燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の空気側極１２から排出される排水量Ｗを予測する。
【００３２】
また、上記の記憶部６３には、予測排出水分量の計算用のマップだけではなく、通常運転における、燃料電池１１に通気する最適な流量の空気、水素ガスの流量や、定常運転圧力、許容出力の上昇と温度の関係、通常起動過程のプロセス、及び通常起動過程における各状態での予測排出水分量や現存水分量を計算することのできるデータ、マップなどを格納しており、常に、制御部６１において通常起動状態とした場合の現存水分量、予測排出水分量、予測残留水分量等の計算をすることができるようになっている。
【００３３】
最初に図３及び図４を参照しながら、本発明の参考例による燃料電池システム１０の起動について説明する。図３は本参考例の起動手段を示すフローチャートであり、図４（ａ）は起動過程の時間に対する燃料電池１１の温度の変化を示すグラフで、図４（ｂ）は空気側極１２の現存水分量と予測残留水分量の変化を示すグラフである。図４（ｂ）の右上がりの曲線は燃料電池１１の空気側極１２の中の現存水分量の変化を示し、台形状の曲線は燃料電池１１の停止後の掃気処理後に残留する残留水分量を示している。図中のａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１及びａ１，ｐ１，ｑ１，ｒ１，ｓ１，ｕ１を結ぶ実線は従来技術による通常の起動を行った場合の各量の変化を示し、ｂ１，ｂ１’，ｃ１’，ｄ１’，ｅ１’，ｅ１及びｐ１，ｐ１’，ｑ１’，ｒ１’，ｓ１’，ｓ１を結ぶ点線は本参考例による起動の際の各量の変化を示し、ｂ１，ｃ１”，ｄ１”，ｅ１及びｐ１，ｑ１”，ｒ１”，ｓ１を結ぶ１点鎖線は本参考例の他の起動状態の際の各量の変化を示す。
【００３４】
図３のステップＳ１０１に示すように、制御部６１は、燃料電池１１を通常起動過程によって起動する。図４（ａ）に示すように、起動時の温度がｈ１の状態で燃料電池１１が起動されると、一定時間の間、燃料電池１１は発電効率を低下させて、燃料電池１１の温度を上昇させていく暖機運転を行う。この暖機運転によって燃料電池１１の温度はｉ１まで上昇する。その後、燃料電池１１は発電量に対する空気量と発電量に対する酸素量の割合が最適な割合となるように制御しながら許容負荷を上昇させていく。また、電解質膜の湿度雰囲気を保つために加湿器によって空気圧縮機１４の吐出空気を加湿している。
【００３５】
図４（ｂ）のａ１からｂ１に示すように、燃料電池１１が起動していくと、発電量の増加によって生成される生成水も増加し、燃料電池１１の空気側極１２の出口の水分量も増加してくる。図４（ａ）（ｂ）においては、空気圧縮機１４の吐出流量は発電量に対する酸素量の割合が最適な割合となるように空気圧縮機１４の回転数を制御することによって制御されている。また、空気側極１２の出口圧力は空気圧力調節弁２８によって所定の運転圧力に保持されている。一方、燃料電池１１が起動してくると、図４（ｂ）のａ１からｐ１に示すように、燃料電池１１が起動過程途中に停止した場合に空気側極１２の中に残留すると予測される予測残留水分量も次第に増加してくる。
【００３６】
この起動過程において、図３のステップＳ１０２に示すように、制御部６１は、燃料電池１１の空気側極１２の水分量センサ２５の信号を取得し、これに基づいて、図３のステップＳ１０３に示すように、燃料電池１１の空気側極１２の内部に現存している水分量を計算する。例えば、燃料電池１１の空気側極１２の出口の水分量から燃料電池１１の電気出力から計算される生成水量の１/２を差し引いた水分量に基づいて燃料電池１１の空気側極１２の内部の単位体積あたりの平均水分量を計算し、これに空気流路の体積をかけて燃料電池１１の空気側極１２の内部に現存している現存水分量を計算する。現存水分量の計算は上記の方法に限られず、空気側極１２の出口の水分量から空気側極出口の単位体積あたりの水分量を計算して、これに空気側極１２の空気流路の体積を掛け合わせた最大水分量を現存水分量としても良い。また、燃料電池１１の起動中、制御部６１は、図３のステップＳ１０４に示すように、空気圧縮機１４の吸気流量計１８によって測定される吸気流量のデータに基づく空気圧縮機１４の吐出空気流量と、空気側極１２の出口の水分量センサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７の各計測器の信号と、図２で説明した記憶部６３に格納されている排出水分量計算マップに基づいて、燃料電池１１が停止した場合の掃気処理によって排水することができる予測排出水分量を計算する。そして、制御部６１は、図３のステップ１０５に示すように、上記の現存水分量から予測排出水分量を差し引いて、その時点において燃料電池１１が停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に残留すると予測される予測残留水分量を計算する。
【００３７】
このように、制御部６１は、燃料電池１１の起動過程においては、上記の予測残留水分量を常に計算している。そして、制御部６１は図３のステップＳ１０６に示すように、その結果と限界残留水分量Ｗ０とを比較しながら燃料電池１１の起動を続けていく。制御部６１は図３のステップＳ１０６に示すように、上記の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えた時に、燃料電池は起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯に入ったものと判断する。これは、図４（ｂ）に示すｔ１の時である。
【００３８】
すると、制御部６１は、図３のステップＳ１０７に示すように、加湿器バイパス弁３５を開とする信号を出力し、加湿器バイパス弁３５を開とする。加湿器バイパス弁３５が開となると、空気圧縮機１４の吐出空気を加湿しない空気が加湿器バイパス管路３３を通って空気供給管路２３に流れ込む。このことによって、燃料電池１１の空気側極１２に供給される空気中の水分量が低減される。すると、図４（ｂ）のｂ１からｂ１’の点線の矢印で示すように、空気側極１２に供給される空気の水分量はｙ１だけ減少する。一方、空気圧縮機１４の吐出空気流量や空気側極１２出口の圧力、温度は変化しないことから、図４（ｂ）のｐ１からｐ１’への点線の矢印で示すように、燃料電池１１が起動途中で停止した場合の予測残留水分量もｙ１だけ減少し、予測残留水分量は限界残留水分量Ｗ０以下となる。加湿器バイパス弁３５を開とした状態で起動を続けると、空気側極１２の中の現存水分量は、図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｂ１’からｃ１’，ｄ１’と変化していく。一方、予測残留水分量も図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｐ１’からｑ１’，ｒ１’と変化していく。この状態では、ｑ１’，ｒ１’の点での予測残留水分量は限界残留水分量Ｗ０以下となっている。もし、ｑ１’，ｒ１’の点での予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以上となっている場合には、加湿器バイパス管路３３や加湿器バイパス弁３５を燃料電池システム１０に適合するように大きなサイズにする。
【００３９】
そして、図４（ａ）に示すように、時間ｔ３になると燃料電池１１の温度はｋ１’まで上昇してくる。すると、燃料電池１１の空気側極１２の内部の水分の水蒸気の割合が急速に上昇し始める。このことによって、燃料電池１１が起動の途中で停止した場合の停止後掃気による予測排出水分量が急速に増加する。一方、加湿器バイパス弁３５は開状態を保ったままであることから、図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｄ１’からｅ１’の間は空気側極１２の現存水分量は通常起動状態よりも低いままとなっている。このため、図４（ｂ）のｒ１’からｓ１’に示すように、予測残留水分量は限界残留水分量Ｗ０付近から急速に低下してくる。
【００４０】
そして、図４（ｂ）の時間ｔ４になると、燃料電池１１の温度は図４（ａ）のｋ１まで上昇し、空気側極１２の中の空気の水分量に占める水蒸気の割合が更に大きくなり、通常起動条件の下でも、燃料電池１１が起動の途中で停止した場合に停止後の掃気によって残留水分量を限界残留水分量Ｗ０以下とできる状態となる。制御部６１は、通常起動過程となった場合の予測残留水分量と限界残留水分量Ｗ０との差を常に計算しながら起動している。そして、図３のステップＳ１０８に示すように、通常起動過程となった場合の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０よりも小さくなった場合に、燃料電池は起動過程の途中に燃料電池１１を停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯から脱したものと判断する。
【００４１】
すると、制御部６１は、図３のステップＳ１０９に示すように、加湿器バイパス弁３５を閉とする信号を出力して、加湿器バイパス弁３５を閉として、図３のステップＳ１１０に示すように、空気圧縮機１４の吐出空気を加湿器３１に通して燃料電池１１に供給される空気に水分を加湿する通常の起動制御に戻る。すると燃料電池１１の空気側極１２の現存水分量は、図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｅ１’から通常運転状態のｅ１に戻る。これと同時に、予測残留水分量もｓ１’から通常運転状態のｓ１に戻る。そして、さらに燃料電池１１の起動が進んで、通常運転温度ｌ１に達すると、空気側極１２の水分は略全部水蒸気の状態となり、燃料電池１１が停止しても停止後の掃気処理によって現存水分量を全て排出することができるようになることから、通常運転状態では、予測残留水分量はゼロとなってくる。
【００４２】
このように、本参考例によれば、燃料電池１１の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。そして、燃料電池１１が起動途中において運転者の指令などによって停止した場合であっても、停止後の掃気処理によって燃料電池１１の空気側極１２に残留する水分量が、限界残留水分量Ｗ０よりも少なく、起動途中の停止によって、空気側極１２が残留水分によって閉塞されてしまうことが少なくなるという効果を奏する。また、残留水分量が減少するので、残留水分が凍結した場合でも凍結量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００４３】
以上の本参考例の説明においては、加湿器バイパス弁３５を特定の時間帯において開とすることによって、予想残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以下となるようにすることとして説明したが、加湿器バイパス弁３５の開閉をデューティ比制御によって調節弁と同様の動作をさせて、図４（ｂ）のｐ１，ｑ１”，ｒ１”，ｓ１を結ぶ１点鎖線のように、予測残留水分量を限界残留水分量Ｗ０となるように制御してもよいし、中間開度において停止させることによって、複数のバイパス流量を実現することができるようにしてもよい。これによって限界残留水分量Ｗ０を下回る範囲で、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えないように段階的に加湿器バイパス弁３５を調節するようにしてもよい。
【００４４】
また、図５に示すように、燃料電池１１の起動時の燃料電池１１の温度と起動特性から、特定の時間帯となる燃料電池１１の温度マップを記憶部６３に格納しておき、燃料電池１１の起動時の温度に基づいて記憶部６３のマップから燃料電池が特定の時間帯に入るとなる特定温度範囲を求め、燃料電池１１の温度が、この特定温度範囲に入っている場合に加湿器バイパス弁３５を開として起動することとしても好適である。
【００４５】
図５のステップＳ５０２に示すように、燃料電池１１の起動後、制御部６１は起動時の燃料電池１１の温度を取得し、図５のステップＳ５０３に示すように、この温度と記憶部６３に格納されているマップに基づいて、燃料電池１１が通常の起動過程において特定の時間帯に入ることとなる温度範囲を取得する。そして図５のステップＳ５０４に示すように、燃料電池の温度が特定の時間帯に入ったと判断される温度に上昇してきたら、制御部６１は加湿器バイパス弁３５を開とする信号を出力して、加湿器バイパス弁３５を開とする。そして制御部６１は燃料電池１１の温度の監視を続け、図３のステップＳ５０６に示すように、その温度が特定の時間帯の温度範囲から脱したと判断した場合には、制御部６１は加湿器バイパス弁３５を閉とする指令を出力し、加湿器バイパス弁３５を閉とする。そして、図５のステップＳ５０７に示すように通常の起動動作に復帰する。
【００４６】
上記の説明は特定の時間帯となる燃料電池１１の温度を範囲を計算して制御することとしたが、燃料電池１１の空気側極１２の出口空気温度を計算してこれに基づいて制御することとしても良い。また、起動時の温度条件から、特定の時間帯となる時間を予測し、その時間に基づいて加湿器バイパス弁３５を開閉動作させて起動することとしても好適である。
【００４７】
次に燃料電池１１の起動過程において、空気圧縮機１４の回転数を上昇させて空気側極１２に流入する空気流量を増加させることによって、予測残留水分量を限界残留水分量Ｗ０以下に制御する本発明の実施形態の起動手段について、図６および７を参照しながら説明する。図４と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。図６は本実施形態の動作を示すフローチャートであり、図７（ａ）は起動過程の時間に対する燃料電池の温度の変化を示すグラフで、図７（ｂ）は空気側極１２の現存水分量と残留水分量の変化を示すグラフである。図７（ｂ）のａ２，ｂ２，ｃ２，ｄ２，ｅ２及びａ２，ｐ２，ｑ２，ｒ２，ｓ２，ｕ２を結ぶ実線は従来技術による通常の起動を行った場合の各量の変化を示し、ｂ２，ｃ２’，ｄ２’，ｅ２及びｐ２，ｑ２’，ｒ２’，ｓ２を結ぶ１点鎖線及びｐ２，ｑ２”，ｒ２”，ｓ２を結ぶ２点鎖線は本実施形態の起動状態における各量の変化を示す。
【００４８】
図６のステップＳ２０１からＳ２０６に示すように、制御部６１は、燃料電池１１の空気側極１２の中の現存水分量と、起動過程において途中で停止した場合の停止後の掃気処理によって排水できる予測排出水分量とを計算し、これから、通常起動過程の途中で停止した場合の予測残留水分量を常に計算し続け、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えた場合に、制御部６１は、燃料電池１１が起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯に入ったものと判断する。
【００４９】
すると、図６のステップＳ２０７に示すように、制御部６１は、空気圧縮機１４の吐出空気流量を増加させながら起動制御を行う空気圧縮機吐出流量増加制御を開始する。具体的には、燃料電池１１の発電量に対する空気量と発電量に対する酸素量の割合が最適な割合となる空気流量よりも大きい空気流量が流れるように、空気圧縮機１４のモータ１６の回転数を上昇させる信号をモータ１６に出力し、空気圧縮機１４の回転数を増加させて空気圧縮機１４の吐出空気流量を増加させる。
【００５０】
空気圧縮機１４の吐出空気流量が増加すると、加湿器３１による加湿水分量は変化しないことから、単位体積あたりの空気側極内の空気の水分量が減少する。すると燃料電池１１の空気側極１２の現存水分量は、図７（ｂ）のｂ２，ｃ２’，ｄ２’，ｅ２を結ぶ１点鎖線のように、通常運転状態の現存水分量よりもｙ２だけ少なくなってくる。更に、空気圧縮機１４の吐出空気流量が増加すると、図２（ａ）に示したように、燃料電池１１の停止後の掃気において所定の掃気時間内に掃気する排水量が増加する。このため掃気後の残留水分量は図７（ｂ）に示すｙ３だけ減少する。上記の現存水分量の減少量ｙ２は、燃料電池１１の空気側極１２の出口水分量と、空気圧縮機１４の吐出空気流量の減少量から現存水分量の計算を行い、記憶部６３に格納した通常起動の時の現存水分量マップと比較することによって計算できる。また、掃気水分量の増加分のｙ３は記憶部６３のマップから予測排出水分量を計算し、これを通常運転の予測排出水分量と比較することによって計算することができる。そして、このｙ２とｙ３の合計のｙ１が通常運転状態の予測残留水分量と限界残留水分量Ｗ０との差よりも大きくなるように、適宜、空気圧縮機１４のモータ１６の回転数にフィードバックをかけることによって、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を下回るように、空気圧縮機１４の回転数を制御して、燃料電池を起動していく。
【００５１】
そして、図６のステップＳ２０８に示すように、通常起動過程となった場合の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０よりも小さくなった場合に、燃料電池は起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯から脱したものと判断し、図６のステップＳ２０９に示すように、空気圧縮機吐出流量増加制御を停止して、図６のステップＳ２１０に示すように、通常の起動動作に復帰して、燃料電池１１の起動を続けていく。
【００５２】
このように、本実施形態によれば、燃料電池１１の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。
【００５３】
以上の本実施形態の説明においては、空気圧縮機１４のモータ１６の回転数を特定の時間帯において上昇させることによって、図６に示すように、予想残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以下となるようにすることとして説明したが、燃料電池１１の起動時の燃料電池の温度と起動特性から、特定の時間帯となる燃料電池１１の温度マップを記憶部６３に格納しておき、燃料電池１１の起動時の温度に基づいて記憶部６３のマップから燃料電池が特定の時間帯に入るとなる特定温度範囲を求め、燃料電池１１の温度が、この特定温度範囲に入っている場合に空気圧縮機１４のモータ１６の回転数を上昇させて起動することとしても好適である。
【００５４】
図８において、燃料電池１１が特定の時間帯に入ったかどうかを判断するまでの、ステップＳ６０１からＳ６０４は図５と同様である。そして、燃料電池１１の温度が特定の時間帯に入ったと判断される温度に達すると、制御部６１は、図８のステップＳ６０５に示すように、空気圧縮機吐出流量増加制御を開始する。そして、図８のステップＳ６０６に示すように、燃料電池１１の温度が特定の時間帯を示す温度範囲から脱した場合には、空気圧縮機吐出流量増加制御を停止して、図８のステップＳ６０８に示すように通常の起動動作に復帰する。
【００５５】
上記の説明は特定の時間帯となる燃料電池１１の温度の範囲を計算して空気圧縮機１４を制御することとしたが、燃料電池１１の空気側極１２の出口空気温度を計算してこれに基づいて制御することとしても良い。また、起動時の温度条件から、特定の時間帯となる時間を予測し、その時間に基づいて空気圧縮機吐出流量増加制御の開始および停止をして起動することとしても好適である。
【００５６】
次に図９を参照しながら、燃料電池１１の起動過程において、空気圧力調節弁２８によって空気側極の空気圧力を減少させて、予測残留水分量を限界残留水分量Ｗ０以下に制御する参考例の起動手段について説明する。図９はこの起動手段を示すフローチャートで、この場合の起動カーブは図４と同様となることから、状態量の変化については、図４を参照しながら説明する。
【００５７】
図９のステップＳ３０１からステップＳ３０６に示すように、制御部６１は、先に説明したと同様に燃料電池１１の空気側極１２の中の現存水分量と、通常の起動過程において途中で停止した場合の停止後の掃気処理によって排水できる予測排出水分量とを計算し、これから、起動過程の途中で停止した場合の予測残留水分量を常に計算し続け、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えた場合に、制御部６１は、燃料電池１１が起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯に入ったものと判断する。
【００５８】
すると、図９のステップＳ３０７に示すように、制御部６１は空気圧力調節弁２８によって空気側極１２の空気圧力を減圧していく減圧制御を開始する。具体的には、制御部６１は、燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気圧力調節弁２８の開度を大きくして、空気側極１２の空気圧力を通常の運転圧力から低下させる指令を出力する。これによって、空気圧力調節弁２８の開度を大きくして空気側極１２の中の空気圧力を通常の運転圧力よりも低下させる。すると、図２（ｂ）で説明したように、空気圧力の低下によって空気側極１２の内部の水分が水蒸気の割合が多くなる領域に移行する。このことによって、燃料電池１１が起動の途中で停止した場合の停止後の掃気処理によって排出することができる水分量が増えてくる。
【００５９】
制御部６１は、記憶部６３に格納したマップから、圧力の低下度合いと予測排出水分量の増加割合を計算する。そして、予測排出水分量の増加割合が、通常起動における予測残留水分量と限界残留水分量Ｗ０との差となるように、空気圧力調節弁２８を制御しながら起動していく。
【００６０】
つまり、図４（ｂ）の通常起動の予測残量水分量と限界残留水分量Ｗ０との差分だけ、空気圧力調節弁２８による減圧によって、予測排出水分量が増加するように空気圧力調節弁を制御していく。すると、燃料電池１１の空気側極内の予測残留水分量は図４（ｂ）の１点鎖線の点線の矢印で示すｐ１，ｑ１”，ｒ１”，ｓ１のように、限界残留水分量Ｗ０の線に沿って変化し、現存水分量は、図４の点線の矢印で示す、ｂ１，ｃ１”，ｄ１”ｅ１のように変化していく。
【００６１】
そして、図９のステップＳ３０８に示すように、通常起動過程となった場合の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０よりも小さくなった場合に、燃料電池は起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯から脱したものと判断し、図９のステップＳ３０９に示すように、空気圧縮機１４による減圧制御を停止して、図９のステップＳ３１０に示すように、通常の起動動作に復帰して、燃料電池１１の起動を続けていく。
【００６２】
以上の本参考例の説明においては、空気圧力調節弁２８の開度を制御することによって特定の時間帯において空気側極１２の空気圧力を低減し予想残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以下となるように制御することとして説明したが、図１０に示すように、燃料電池１１の起動時の燃料電池の温度と起動特性から、先の実施形態、参考例と同様に、燃料電池１１の温度が、特定温度範囲に入っている場合に空気圧力調節弁２８の開度を制御して空気側極１２の空気圧力を低下させて起動することとしても好適である。図１０に示すこの起動手段は、図１０のステップＳ７０５とステップＳ７０７において、空気圧力調節弁による減圧制御を開始あるいは停止すること以外は、図８で説明した起動手段と同様である。また、先の実施形態、参考例と同様に、起動時の温度条件から、特定の時間帯となる時間を予測し、その時間帯になったら空気圧力調節弁２８の開度を制御して空気側極１２の空気圧力を低下させて起動することとしても好適である。
【００６３】
このように、本参考例によれば、燃料電池１１の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００６４】
１０ 燃料電池システム、１１ 燃料電池、１２ 空気側極、１３ 水素側極、１４ 空気圧縮機、１６，４７ モータ、１８ 吸気流量計、１９ 空気吸込み管路、２０ 圧縮機吐出管路、２３ 空気供給管路、２４ 空気排出管路、２５ 水分量センサ、２６ 温度センサ、２７ 圧力センサ、２８ 空気圧力調節弁、２９ 排気管路、３１ 加湿器、３３ 加湿器バイパス管路、３５ 加湿器バイパス弁、４１ 水素ガスタンク、４２ 水素供給調節弁、４３ 水素供給管路、４４ 水素排出管路、４５ 水素循環管路、４６ 水素循環ポンプ、４８ 水素系大気放出管路、４９ 排出弁、５１ 排出水素希釈管路、５３ サイレンサ、５５ 混合器、５７ 大気放出口、６１ 制御部、６３ 記憶部、６５ データバス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム関し、特に燃料電池システムの起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される。反応生成物の水は酸化剤としての空気と共に燃料電池の外部に排出されるが、生成された水の一部は、電解質膜を湿度雰囲気に保つため、加湿器によって燃料電池入口に再循環するシステムが多く用いられている。これは電解質膜が乾燥して内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下することを防止するためである。
【０００３】
この加湿器による空気の加湿は電解質膜を湿度雰囲気に保つために略飽和湿度の状態まで加湿されて運転されるので運転状態によっては空気流路に水滴が詰まってしまうフラッディングを引き起こしたり、低温状態で凍結したりして流路を閉塞してしまうという問題があった（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
このような燃料電池の空気流路のフラッディングや凍結の問題に対しては、特許文献１に示されるように、燃料電池停止の際に、空気圧縮機によって空気を燃料電池内に送り込み、残留している水分を排出するという掃気処理方法が提案されている。また、特許文献２には、低温状態で燃料電池を運転する際には、加湿器での加湿量を減少補正して、空気流路の閉塞を防止する方法が開示されている。
【０００５】
一方、燃料電池は運転者の指令によって起動し、起動によってその温度が通常運転温度に向かって上昇するとともに、許容出力も大きくなってくる。しかし、燃料電池が所定の運転温度に達する前に運転者によって停止指令が出されると、燃料電池が起動過程の途中で停止してしまう。この場合に、燃料電池への反応ガスの供給を直ちに停止して発電を停止すると、燃料電池は所定温度に達しないまま停止されることになる。燃料電池は、その性質上、発電の際に水を生成するので、燃料電池の温度が低いまま発電を停止すると、起動開始から停止時までに発電により生じた水が燃料電池内の空気側極に残留してしまい、ガス流路を閉塞してしまうという問題があった（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
特許文献３にはこのような低温からの起動において、起動途中での運転者が燃料電池の停止指令を出した場合でも、燃料電池を直ちに停止せずに発電を継続させて発熱させ、燃料電池の温度を所定値以上にする制御を行い、生成された水が電極外に排出されるようにする起動方法が提案されている。しかし、この方法では、運転者が燃料電池の停止指令を出しているのに燃料電池が停止せず発電を継続するので、運転者に対して違和感を与えるおそれがあるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１９０６１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２３７号公報
【特許文献３】特開２００４−１５２５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された従来技術のように、燃料電池を運転する際に連続的に加湿器での加湿量を減少補正して空気流路の閉塞を防止する方法では、起動過程において空気の加湿量が過少となって電解質膜の湿度雰囲気が保てなくなり内部抵抗が増大して燃料電池の性能出力の低下を起こすという問題があった。
【０００９】
ところで、燃料電池を停止する際には、特許文献１に示されるように、空気圧縮機によって空気を燃料電池内に送り込み、空気側極に残留している水分を排出するという掃気処理が行われるのが一般的である。この停止過程における掃気処理は、燃料電池が起動過程の途中で停止された場合にも行われ、燃料電池内に残留している水分を排出する。
【００１０】
一方、燃料電池の空気側極内部の水分量は、起動開始後、発電量の増加による生成水量の増加に伴って増加し、燃料電池の温度も起動によって次第に上昇していく。当初、燃料電池の温度が低い場合には、燃料電池の空気側極内の水分は水滴の状態で流路に存在し、燃料電池の温度上昇と共に水蒸気の状態に移行して、燃料電池の温度が通常の運転温度に達すると流路内部に含まれる水分はほとんど水蒸気となっている。このため、燃料電池の温度が通常運転温度の状態での停止においては、水蒸気としての水分は掃気処理によって空気と共に容易に排出することができる。ところが、起動中のように燃料電池の温度が通常運転温度以下の場合には、多くの水分は水滴の状態となっている。このため、燃料電池の温度が通常運転温度よりも低い起動中の停止による掃気処理では、空気側極に空気を送り込んでも排出することができる水分量は燃料電池が通常運転状態に達している場合よりも少なくなってしまう。この結果、燃料電池の起動過程において燃料電池を停止させると、掃気処理によっても燃料電池の空気側極に残留している水分を十分に排出することができず、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯が存在するという問題があった。また、低温からの起動においては、上記の残留水が空気流路内で凍結して空気流路を閉塞してしまうという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、燃料電池の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量を制御する制御部と、を含む燃料電池システムであって、燃料電池起動手段は、前記燃料電池起動過程において、前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測する残留水分量予測手段と、前記残留水分量予測手段によって予測した予測残留水分量が所定の水分量を超えないように、前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動する燃料電池起動手段と、有し前記残留水分量予測手段は、前記燃料電池の反応後の酸化剤ガスの水分量に基づいて前記燃料電池内の酸化剤ガス中に現存している水分量を計算する現存水分量計算手段と、前記反応後の酸化剤ガスの物理量に基づいて前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側から排出される水分量を予測する排出水分量予測手段と、を含み、前記現存水分量計算手段によって計算した現存水分量と、前記排出水分量予測手段によって予測した予測排出水分量との差から前記燃料電池停止後に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測すること、することを特徴とする。また、前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において前記燃料電池の温度が所定の温度範囲にある場合に、前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動することとしても好適である。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記反応後の酸化剤ガスの物理量は、反応後の酸化剤ガスの水分量と、圧力と、温度と、前記圧縮機の吐出流量とであること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、燃料電池の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す制御系統図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、予測排出水分量を計算するための特性マップである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯に加湿器バイパス管路に空気を流して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯に加湿器バイパス管路に空気を流して起動する際の、燃料電池の温度と燃料電池の空気側極の水分量の変化を示すグラフである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯を燃料電池の温度に基づいて判断し、加湿器バイパス管路に空気を流して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、特定の時間帯に空気圧縮機の流量を発電電力に対する最適ガス流量から増加させて起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、特定の時間帯に空気圧縮機の流量を発電電力に対する最適ガス流量から増加させて起動する際の、燃料電池の温度と燃料電池の空気側極の水分量の変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの実施形態において、特定の時間帯を燃料電池の温度に基づいて判断し、空気圧縮機の流量を発電電力に対する最適ガス流量から増加させて起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯に空気圧力調節弁によって空気圧力を減圧制御して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムの参考例において、特定の時間帯を燃料電池の温度に基づいて判断し、空気圧力調節弁によって空気圧力を減圧制御して起動する起動手段を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の好適な実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池システム１０に係る実施形態を示す制御系統図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計１８や空気フィルタを介して空気吸込み管路１９から空気圧縮機１４に吸込まれ、空気圧縮機１４によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路２０から加湿器３１に供給される。加湿器３１は、例えば、多数の中空糸膜を収容しており、中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水分含量の多い流体中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ない流体へと移動する性質を利用した中空子加湿器などが用いられる。加湿器３１に入った空気は、加湿器３１において燃料電池１１での反応で生成された水分により加湿され、湿り空気となって空気供給管路２３から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の酸化剤極である空気側極１２から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。反応後の水分量が増加した空気は燃料電池１１の空気排出管路２４に排出される。空気排出管路２４には空気側極１２の中の空気圧力を所定の運転圧力に制御する空気圧力調節弁２８が設けられている。また、空気圧力調節弁２８と空気側極１２との間の空気排出管路２４には、空気側極１２から排出される反応後の空気の水分量、温度、圧力を測定するための水分量センサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７が取り付けられている。燃料電池１１の空気側極１２から排気された水分を多く含む反応後の空気は、加湿器３１でその水分の一部を供給空気への付加水分とするために除去される。水分量が減少した排出空気は排気管路２９によって下流に流れて行く。排気管路２９の途中には、サイレンサ５３が設けられ、サイレンサ５３を通過した反応後の排出空気は、大気放出口５７から大気に排気される。
【００１７】
一方、燃料電池１１の運転状態によっては、加湿器３１による供給空気への加湿量を減少させることが必要な場合がある。このために、空気圧縮機１４出口の圧縮機吐出管路２０と空気供給管路２３とを加湿器３１をバイパスして接続し、圧縮機吐出空気を加湿せずに空気供給管路２３に供給して、燃料電池１１の空気側極１２に供給される空気中の水分量を低減する加湿器バイパス管路３３が備えられている。そして、加湿器バイパス管路３３には加湿器バイパス管路３３を開閉する加湿器バイパス弁３５が設けられている。加湿器バイパス弁３５は、全開、全閉の間での開閉動作のみを行うものであってもよいし、全開、全閉の途中の開度を保持することができるような弁であってもよい。また、弁の駆動部はダイヤフラムなどを用いた空気式の駆動部であってもよいし、電動式の駆動部であってもよい。
【００１８】
また、燃料電池１１への空気供給管路２３と空気排出管路２４には、燃料電池１１の停止時に外気が燃料電池１１の中に入り込んで、燃料電池１１の中に残留している水素と反応して触媒などの劣化を防止するように、停止時に閉状態とされる遮断弁が設けられることがある。このような遮断弁が設けられる場合には、空気供給管路２３の遮断弁を加湿器バイパス管路３３と空気供給管路２３との合流点と加湿器３１との間に設け、空気供給管路２３の遮断弁を閉とした状態で加湿器バイパス弁３５を開とするようにして、空気圧縮機１４からの圧縮機吐出空気の全量をバイパスさせるような構成としてもよい。
【００１９】
水分量センサ２５は、連続的に水分量の測定をすることができれば、吸湿高分子材料などによって構成された測定部のインピーダンス又は電気容量を測定することによって水分量を測定するものであってもよいし、測定ガスと参照ガスとの間に配置された電気化学セルの電圧又は電流値を測定して、その結果から水分量を測定するようなものであってもよい。また、温度センサは熱電対式の温度センサでもよいし、バイメタル式など他の形式のものでもよい。更に、圧力センサは連続的に圧力が検出できれば圧力素子などを用いた圧力センサであってもよいし、ダイヤフラム型の受圧部を備えた圧力検出器などであってもよい。
【００２０】
空気圧力調節弁２８は、燃料電池１１の空気排出管路２４において連続的に反応後の空気圧力を調節することができればよく、クローブ型の調節弁でもよいし、アングル型の調節弁でもよいし、ケージ型の調節弁でもよい。また、調節弁の駆動部は空気駆動式であってもよいし、電動式であってもよい。
【００２１】
本実施形態の燃料電池システム１０においては、空気圧縮機１４はスクロール型である。スクロール型の空気圧縮機１４は容積型の空気圧縮機の一種であり、主に回転数を調整することによって空気流量を調整することが出来るものである。また、容積型でサージング防止のための抽気などが無いことから、本実施形態では、吸気流量計１８によって測定した吸気流量は吐出流量と略同一である。スクロール型の空気圧縮機１４は吐出空気流量が少ないと吐出圧力は高く、吐出空気流量が多くなるにしたがって吐出圧力が低下してくる特性を持っている。燃料電池システム１０の通常運転中は、空気流量は空気圧縮機１４の回転数をモータ１６の回転数を調整することによって行い、空気圧力は燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気圧力調節弁２８によって調節している。空気圧縮機１４は必要圧力、流量の空気を燃料電池１１の空気側極１２に供給できれば、スクロール型にかぎらずスクリュー式などでもよいし、遠心式のブロワのようなものであってもよい。
【００２２】
燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク４１に貯留されている。水素は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって燃料電池１１の燃料側極である水素側極１３に供給される。燃料電池１１に供給された水素の一部は空気側極１２に供給された酸化剤である空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素は水素側極１３の水素排出管路４４からから排出された後、水素排出管路４４と水素供給管路４３とを接続する水素循環管路４５に設けられた水素循環ポンプ４６によって水素供給管路４３に再循環される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって補充される。補充される水素ガスの量は水素供給調節弁４２によって調節される。水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると空気側極１２からクロスリークしてくる窒素や水分などの不純物が濃縮されてくる。そこで、このような不純物がある程度濃縮されてきた場合には、水素排出管路４４に接続された水素系大気放出管路４８の排出弁４９を開として所定量の水素ガスを水素系大気放出管路４８から外気に放出する。この場合は、高濃度の水素ガスを直接大気に放出することがないように、排出水素希釈管路５１に接続された混合器５５によって排気空気と混合して、その濃度を下げてから大気に排出するようになっている。
【００２３】
各計器１８，２５，２６，２７、各制御弁２８，３５，４２，４９、燃料電池１１、空気圧縮機１４や各ポンプのモータ１６，４７などは、すべて制御部６１に接続されており、各計器１８，２５，２６，２７、からの計測値は制御部６１に入力され、制御部６１は各制御弁２８，３５，４２，４９、の開度指令、モータ１６，４７の回転数指令を出力して燃料電池システム１０全体の制御を行う。制御部６１はＣＰＵや記憶部を含みソフトウェアによって全体の制御を行うようになっていても良いし、電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていても良い。また、制御部６１には車両の走行状態や必要要求付加など車両からのテータが入力されるようになっていても良い。また、制御部６１には制御動作に必要な制御マップなどの制御データを保持している記憶部６３がデータバス６５によって接続されている。
【００２４】
本実施形態では、制御部６１は燃料電池１１が起動過程中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２から排出される水分量を予測する排出水分量予測手段を備えている。この燃料電池１１の起動過程中に燃料電池１１が停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２から排出できる排出水分量は、空気側極出口の空気の水分量、圧力、温度、及び空気圧縮機１４から吐出される圧縮空気量によってさまざまに変動するため、排出水分量の予測計算には、記憶部６３に格納された、空気側極出口の空気圧力、温度、及び空気圧縮機１４の吐出流量に対する排水量のマップを使用する。この排出水分量予測計算用の特性マップを図２に示す。なお、本実施形態では、スクロール型の空気圧縮機を使用しているので、空気圧縮機１４の吸気流量と吐出空気流量とは略同一となることから、吐出空気流量として吸気流量計１８の出力を用いている。また、空気圧縮機１４の吐出空気の一部を燃料電池１１をバイパスさせて大気放出口５７から排出するような運転を行う場合のように、空気圧縮機１４の吐出空気流量と燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気流量に大きな差があるような場合には、空気圧縮機１４の吐出空気流量と空気側極１２の出口空気流量が大きく異なってくるので、空気圧縮機１４の吐出空気流量の代わりに空気圧縮機１４の吐出空気流量からバイパス流量を差し引いた空気流量や空気側極１２の空気排出管路２４に流量計を取り付けて、その出力を用いるなどが好適である。
【００２５】
図２（ａ）は燃料電池１１が停止した際の空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに対する燃料電池停止後の掃気処理における排水量Ｗとの関係を示す複数のマップのうちの１つを示す図である。図中の３本の線は燃料電池１１の停止後に行われる掃気処理の掃気時間Ｄが１００秒、２００秒、３００秒の各場合における吐出空気流量と排水量との関係を示している。図２（ａ）においては、空気側極出口の圧力Ｐ、温度Ｔ、水分量Ｘは一定である。
【００２６】
例えば、空気側極１２の出口の圧力Ｐ、温度Ｔと水分量Ｘの状態から、空気側極１２の出口から排出される空気中の水分は全て水蒸気であると判断される場合には、停止後に排出される排水量は、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに掃気時間Ｄと単位体積中に含まれる水分量Ｘを掛け合わせることによって求めることができる。この時にはマップは、空気圧縮機１４の吐出空気流量に比例した直線となってくる。また、掃気時間Ｄが増加すると掃気によって排水される排水量Ｗは多くなってくるが、時間が長くなるにつれて、単位掃気時間当たりの排水量Ｗの割合が少なくなってくる。一方、空気側極１２の出口の圧力Ｐ、温度Ｔと水分量Ｘとの状態から、かなりの部分は水蒸気の状態となっているが一部の水分が水滴で存在している場合には、停止後に排出される排水量Ｗは、単に空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに掃気時間Ｄと単位体積中に含まれる水分量Ｘを掛け合わせることによって求めることができない。つまり、水蒸気として存在している水分は略空気圧縮機１４からの吐出空気によって排出されるが、水滴として存在している水分はある程度空気圧縮機１４からの吐出空気流量Ｑが大きくならないと排出されてこない。したがって、このような状態の時にはマップは、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑに対して曲線となる。このように、燃料電池１１の停止後に排出される水分量は空気側極１２の出口の圧力Ｐ、温度Ｔ及び水分量Ｘによって複雑に変化してくる。そこで、図２（ａ）の様に、各状態による空気圧縮機１４の吐出圧力Ｐと停止後の排出可能水分量をマップデータとして記憶部６３に格納し、複雑な計算によらず、検出された物理量から排出される排水量Ｗを簡便に予測できるようにしている。
【００２７】
図２（ｂ）は燃料電池１１の停止の際の空気側極１２の出口圧力に対する燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗの関係を示す複数のマップの内の１つを示すものである。図中の３本の線は図２（ａ）と同様に、燃料電池１１の停止後に行われる掃気処理の掃気時間Ｄが１００秒、２００秒、３００秒の各場合における空気側極１２の出口圧力Ｐと排水量Ｗとの関係を示している。図２（ｂ）においては、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑ、空気側極出口の温度Ｔ、水分量Ｘは一定である。
【００２８】
空気側極１２の出口の圧力Ｐが低くなるほど、空気側極１２の中の水分は水蒸気の状態となるので、燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗは大きくなってくる。逆に、圧力Ｐが高くなってくると、空気側極１２の中の水分の水蒸気の割合が低下し、逆に水滴の割合が増加してくるので、掃気処理の際の空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑが同じ場合には、燃料電池１１の停止後の掃気処理において排水される排水量Ｗは少なくなってくる。また、掃気時間Ｄが増加すると掃気によって排水される排水量Ｗは多くなってくるが、時間が長くなるにつれて、単位掃気時間当たりの排水量Ｗの割合が少なくなってくる。
【００２９】
図２（ｃ）は燃料電池１１の停止の際の空気側極１２の出口温度に対する燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗの関係を示す複数のマップの内の１つを示すものである。図中の３本の線は図２（ａ）（ｂ）と同様に、燃料電池１１の停止後に行われる掃気処理の掃気時間Ｄが１００秒、２００秒、３００秒の各場合における空気側極１２の空気側極出口の温度Ｔと排水量Ｗとの関係を示している。図２（ｃ）においては、空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑ、空気側極出口の圧力Ｐ、水分量Ｘは一定である。
【００３０】
空気側極１２の出口の温度Ｔが高くなるほど、空気側極１２の中の水分は水蒸気の状態となるので、燃料電池１１の停止後の掃気処理によって排水される排水量Ｗは大きくなってくる。逆に、温度Ｔが低くなってくると、空気側極１２の中の水分の水蒸気の割合が低下し、逆に水滴の割合が増加してくるので、掃気処理の際の空気圧縮機１４の吐出空気流量Ｑが同じ場合には、燃料電池１１の停止後の掃気処理において排水される排水量Ｗは少なくなってくる。また、掃気時間Ｄが増加すると掃気によって排水される排水量Ｗは多くなってくるが、時間が長くなるにつれて、単位掃気時間当たりの排水量Ｗの割合が少なくなってくるのは図２（ａ）及び図２（ｂ）と同様である。
【００３１】
本実施形態では、上記のマップを記憶部６３に格納し制御部６１は燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の空気側極１２から排出される排水量Ｗを予測する。
【００３２】
また、上記の記憶部６３には、予測排出水分量の計算用のマップだけではなく、通常運転における、燃料電池１１に通気する最適な流量の空気、水素ガスの流量や、定常運転圧力、許容出力の上昇と温度の関係、通常起動過程のプロセス、及び通常起動過程における各状態での予測排出水分量や現存水分量を計算することのできるデータ、マップなどを格納しており、常に、制御部６１において通常起動状態とした場合の現存水分量、予測排出水分量、予測残留水分量等の計算をすることができるようになっている。
【００３３】
最初に図３及び図４を参照しながら、本発明の参考例による燃料電池システム１０の起動について説明する。図３は本参考例の起動手段を示すフローチャートであり、図４（ａ）は起動過程の時間に対する燃料電池１１の温度の変化を示すグラフで、図４（ｂ）は空気側極１２の現存水分量と予測残留水分量の変化を示すグラフである。図４（ｂ）の右上がりの曲線は燃料電池１１の空気側極１２の中の現存水分量の変化を示し、台形状の曲線は燃料電池１１の停止後の掃気処理後に残留する残留水分量を示している。図中のａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１及びａ１，ｐ１，ｑ１，ｒ１，ｓ１，ｕ１を結ぶ実線は従来技術による通常の起動を行った場合の各量の変化を示し、ｂ１，ｂ１’，ｃ１’，ｄ１’，ｅ１’，ｅ１及びｐ１，ｐ１’，ｑ１’，ｒ１’，ｓ１’，ｓ１を結ぶ点線は本参考例による起動の際の各量の変化を示し、ｂ１，ｃ１”，ｄ１”，ｅ１及びｐ１，ｑ１”，ｒ１”，ｓ１を結ぶ１点鎖線は本参考例の他の起動状態の際の各量の変化を示す。
【００３４】
図３のステップＳ１０１に示すように、制御部６１は、燃料電池１１を通常起動過程によって起動する。図４（ａ）に示すように、起動時の温度がｈ１の状態で燃料電池１１が起動されると、一定時間の間、燃料電池１１は発電効率を低下させて、燃料電池１１の温度を上昇させていく暖機運転を行う。この暖機運転によって燃料電池１１の温度はｉ１まで上昇する。その後、燃料電池１１は発電量に対する空気量と発電量に対する酸素量の割合が最適な割合となるように制御しながら許容負荷を上昇させていく。また、電解質膜の湿度雰囲気を保つために加湿器によって空気圧縮機１４の吐出空気を加湿している。
【００３５】
図４（ｂ）のａ１からｂ１に示すように、燃料電池１１が起動していくと、発電量の増加によって生成される生成水も増加し、燃料電池１１の空気側極１２の出口の水分量も増加してくる。図４（ａ）（ｂ）においては、空気圧縮機１４の吐出流量は発電量に対する酸素量の割合が最適な割合となるように空気圧縮機１４の回転数を制御することによって制御されている。また、空気側極１２の出口圧力は空気圧力調節弁２８によって所定の運転圧力に保持されている。一方、燃料電池１１が起動してくると、図４（ｂ）のａ１からｐ１に示すように、燃料電池１１が起動過程途中に停止した場合に空気側極１２の中に残留すると予測される予測残留水分量も次第に増加してくる。
【００３６】
この起動過程において、図３のステップＳ１０２に示すように、制御部６１は、燃料電池１１の空気側極１２の水分量センサ２５の信号を取得し、これに基づいて、図３のステップＳ１０３に示すように、燃料電池１１の空気側極１２の内部に現存している水分量を計算する。例えば、燃料電池１１の空気側極１２の出口の水分量から燃料電池１１の電気出力から計算される生成水量の１/２を差し引いた水分量に基づいて燃料電池１１の空気側極１２の内部の単位体積あたりの平均水分量を計算し、これに空気流路の体積をかけて燃料電池１１の空気側極１２の内部に現存している現存水分量を計算する。現存水分量の計算は上記の方法に限られず、空気側極１２の出口の水分量から空気側極出口の単位体積あたりの水分量を計算して、これに空気側極１２の空気流路の体積を掛け合わせた最大水分量を現存水分量としても良い。また、燃料電池１１の起動中、制御部６１は、図３のステップＳ１０４に示すように、空気圧縮機１４の吸気流量計１８によって測定される吸気流量のデータに基づく空気圧縮機１４の吐出空気流量と、空気側極１２の出口の水分量センサ２５、温度センサ２６、圧力センサ２７の各計測器の信号と、図２で説明した記憶部６３に格納されている排出水分量計算マップに基づいて、燃料電池１１が停止した場合の掃気処理によって排水することができる予測排出水分量を計算する。そして、制御部６１は、図３のステップ１０５に示すように、上記の現存水分量から予測排出水分量を差し引いて、その時点において燃料電池１１が停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に残留すると予測される予測残留水分量を計算する。
【００３７】
このように、制御部６１は、燃料電池１１の起動過程においては、上記の予測残留水分量を常に計算している。そして、制御部６１は図３のステップＳ１０６に示すように、その結果と限界残留水分量Ｗ０とを比較しながら燃料電池１１の起動を続けていく。制御部６１は図３のステップＳ１０６に示すように、上記の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えた時に、燃料電池は起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯に入ったものと判断する。これは、図４（ｂ）に示すｔ１の時である。
【００３８】
すると、制御部６１は、図３のステップＳ１０７に示すように、加湿器バイパス弁３５を開とする信号を出力し、加湿器バイパス弁３５を開とする。加湿器バイパス弁３５が開となると、空気圧縮機１４の吐出空気を加湿しない空気が加湿器バイパス管路３３を通って空気供給管路２３に流れ込む。このことによって、燃料電池１１の空気側極１２に供給される空気中の水分量が低減される。すると、図４（ｂ）のｂ１からｂ１’の点線の矢印で示すように、空気側極１２に供給される空気の水分量はｙ１だけ減少する。一方、空気圧縮機１４の吐出空気流量や空気側極１２出口の圧力、温度は変化しないことから、図４（ｂ）のｐ１からｐ１’への点線の矢印で示すように、燃料電池１１が起動途中で停止した場合の予測残留水分量もｙ１だけ減少し、予測残留水分量は限界残留水分量Ｗ０以下となる。加湿器バイパス弁３５を開とした状態で起動を続けると、空気側極１２の中の現存水分量は、図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｂ１’からｃ１’，ｄ１’と変化していく。一方、予測残留水分量も図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｐ１’からｑ１’，ｒ１’と変化していく。この状態では、ｑ１’，ｒ１’の点での予測残留水分量は限界残留水分量Ｗ０以下となっている。もし、ｑ１’，ｒ１’の点での予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以上となっている場合には、加湿器バイパス管路３３や加湿器バイパス弁３５を燃料電池システム１０に適合するように大きなサイズにする。
【００３９】
そして、図４（ａ）に示すように、時間ｔ３になると燃料電池１１の温度はｋ１’まで上昇してくる。すると、燃料電池１１の空気側極１２の内部の水分の水蒸気の割合が急速に上昇し始める。このことによって、燃料電池１１が起動の途中で停止した場合の停止後掃気による予測排出水分量が急速に増加する。一方、加湿器バイパス弁３５は開状態を保ったままであることから、図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｄ１’からｅ１’の間は空気側極１２の現存水分量は通常起動状態よりも低いままとなっている。このため、図４（ｂ）のｒ１’からｓ１’に示すように、予測残留水分量は限界残留水分量Ｗ０付近から急速に低下してくる。
【００４０】
そして、図４（ｂ）の時間ｔ４になると、燃料電池１１の温度は図４（ａ）のｋ１まで上昇し、空気側極１２の中の空気の水分量に占める水蒸気の割合が更に大きくなり、通常起動条件の下でも、燃料電池１１が起動の途中で停止した場合に停止後の掃気によって残留水分量を限界残留水分量Ｗ０以下とできる状態となる。制御部６１は、通常起動過程となった場合の予測残留水分量と限界残留水分量Ｗ０との差を常に計算しながら起動している。そして、図３のステップＳ１０８に示すように、通常起動過程となった場合の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０よりも小さくなった場合に、燃料電池は起動過程の途中に燃料電池１１を停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯から脱したものと判断する。
【００４１】
すると、制御部６１は、図３のステップＳ１０９に示すように、加湿器バイパス弁３５を閉とする信号を出力して、加湿器バイパス弁３５を閉として、図３のステップＳ１１０に示すように、空気圧縮機１４の吐出空気を加湿器３１に通して燃料電池１１に供給される空気に水分を加湿する通常の起動制御に戻る。すると燃料電池１１の空気側極１２の現存水分量は、図４（ｂ）の点線の矢印で示すようにｅ１’から通常運転状態のｅ１に戻る。これと同時に、予測残留水分量もｓ１’から通常運転状態のｓ１に戻る。そして、さらに燃料電池１１の起動が進んで、通常運転温度ｌ１に達すると、空気側極１２の水分は略全部水蒸気の状態となり、燃料電池１１が停止しても停止後の掃気処理によって現存水分量を全て排出することができるようになることから、通常運転状態では、予測残留水分量はゼロとなってくる。
【００４２】
このように、本参考例によれば、燃料電池１１の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。そして、燃料電池１１が起動途中において運転者の指令などによって停止した場合であっても、停止後の掃気処理によって燃料電池１１の空気側極１２に残留する水分量が、限界残留水分量Ｗ０よりも少なく、起動途中の停止によって、空気側極１２が残留水分によって閉塞されてしまうことが少なくなるという効果を奏する。また、残留水分量が減少するので、残留水分が凍結した場合でも凍結量を少なくすることができるという効果を奏する。
【００４３】
以上の本参考例の説明においては、加湿器バイパス弁３５を特定の時間帯において開とすることによって、予想残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以下となるようにすることとして説明したが、加湿器バイパス弁３５の開閉をデューティ比制御によって調節弁と同様の動作をさせて、図４（ｂ）のｐ１，ｑ１”，ｒ１”，ｓ１を結ぶ１点鎖線のように、予測残留水分量を限界残留水分量Ｗ０となるように制御してもよいし、中間開度において停止させることによって、複数のバイパス流量を実現することができるようにしてもよい。これによって限界残留水分量Ｗ０を下回る範囲で、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えないように段階的に加湿器バイパス弁３５を調節するようにしてもよい。
【００４４】
また、図５に示すように、燃料電池１１の起動時の燃料電池１１の温度と起動特性から、特定の時間帯となる燃料電池１１の温度マップを記憶部６３に格納しておき、燃料電池１１の起動時の温度に基づいて記憶部６３のマップから燃料電池が特定の時間帯に入るとなる特定温度範囲を求め、燃料電池１１の温度が、この特定温度範囲に入っている場合に加湿器バイパス弁３５を開として起動することとしても好適である。
【００４５】
図５のステップＳ５０２に示すように、燃料電池１１の起動後、制御部６１は起動時の燃料電池１１の温度を取得し、図５のステップＳ５０３に示すように、この温度と記憶部６３に格納されているマップに基づいて、燃料電池１１が通常の起動過程において特定の時間帯に入ることとなる温度範囲を取得する。そして図５のステップＳ５０４に示すように、燃料電池の温度が特定の時間帯に入ったと判断される温度に上昇してきたら、制御部６１は加湿器バイパス弁３５を開とする信号を出力して、加湿器バイパス弁３５を開とする。そして制御部６１は燃料電池１１の温度の監視を続け、図３のステップＳ５０６に示すように、その温度が特定の時間帯の温度範囲から脱したと判断した場合には、制御部６１は加湿器バイパス弁３５を閉とする指令を出力し、加湿器バイパス弁３５を閉とする。そして、図５のステップＳ５０７に示すように通常の起動動作に復帰する。
【００４６】
上記の説明は特定の時間帯となる燃料電池１１の温度を範囲を計算して制御することとしたが、燃料電池１１の空気側極１２の出口空気温度を計算してこれに基づいて制御することとしても良い。また、起動時の温度条件から、特定の時間帯となる時間を予測し、その時間に基づいて加湿器バイパス弁３５を開閉動作させて起動することとしても好適である。
【００４７】
次に燃料電池１１の起動過程において、空気圧縮機１４の回転数を上昇させて空気側極１２に流入する空気流量を増加させることによって、予測残留水分量を限界残留水分量Ｗ０以下に制御する本発明の実施形態の起動手段について、図６および７を参照しながら説明する。図４と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。図６は本実施形態の動作を示すフローチャートであり、図７（ａ）は起動過程の時間に対する燃料電池の温度の変化を示すグラフで、図７（ｂ）は空気側極１２の現存水分量と残留水分量の変化を示すグラフである。図７（ｂ）のａ２，ｂ２，ｃ２，ｄ２，ｅ２及びａ２，ｐ２，ｑ２，ｒ２，ｓ２，ｕ２を結ぶ実線は従来技術による通常の起動を行った場合の各量の変化を示し、ｂ２，ｃ２’，ｄ２’，ｅ２及びｐ２，ｑ２’，ｒ２’，ｓ２を結ぶ１点鎖線及びｐ２，ｑ２”，ｒ２”，ｓ２を結ぶ２点鎖線は本実施形態の起動状態における各量の変化を示す。
【００４８】
図６のステップＳ２０１からＳ２０６に示すように、制御部６１は、燃料電池１１の空気側極１２の中の現存水分量と、起動過程において途中で停止した場合の停止後の掃気処理によって排水できる予測排出水分量とを計算し、これから、通常起動過程の途中で停止した場合の予測残留水分量を常に計算し続け、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えた場合に、制御部６１は、燃料電池１１が起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯に入ったものと判断する。
【００４９】
すると、図６のステップＳ２０７に示すように、制御部６１は、空気圧縮機１４の吐出空気流量を増加させながら起動制御を行う空気圧縮機吐出流量増加制御を開始する。具体的には、燃料電池１１の発電量に対する空気量と発電量に対する酸素量の割合が最適な割合となる空気流量よりも大きい空気流量が流れるように、空気圧縮機１４のモータ１６の回転数を上昇させる信号をモータ１６に出力し、空気圧縮機１４の回転数を増加させて空気圧縮機１４の吐出空気流量を増加させる。
【００５０】
空気圧縮機１４の吐出空気流量が増加すると、加湿器３１による加湿水分量は変化しないことから、単位体積あたりの空気側極内の空気の水分量が減少する。すると燃料電池１１の空気側極１２の現存水分量は、図７（ｂ）のｂ２，ｃ２’，ｄ２’，ｅ２を結ぶ１点鎖線のように、通常運転状態の現存水分量よりもｙ２だけ少なくなってくる。更に、空気圧縮機１４の吐出空気流量が増加すると、図２（ａ）に示したように、燃料電池１１の停止後の掃気において所定の掃気時間内に掃気する排水量が増加する。このため掃気後の残留水分量は図７（ｂ）に示すｙ３だけ減少する。上記の現存水分量の減少量ｙ２は、燃料電池１１の空気側極１２の出口水分量と、空気圧縮機１４の吐出空気流量の減少量から現存水分量の計算を行い、記憶部６３に格納した通常起動の時の現存水分量マップと比較することによって計算できる。また、掃気水分量の増加分のｙ３は記憶部６３のマップから予測排出水分量を計算し、これを通常運転の予測排出水分量と比較することによって計算することができる。そして、このｙ２とｙ３の合計のｙ１が通常運転状態の予測残留水分量と限界残留水分量Ｗ０との差よりも大きくなるように、適宜、空気圧縮機１４のモータ１６の回転数にフィードバックをかけることによって、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を下回るように、空気圧縮機１４の回転数を制御して、燃料電池を起動していく。
【００５１】
そして、図６のステップＳ２０８に示すように、通常起動過程となった場合の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０よりも小さくなった場合に、燃料電池は起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯から脱したものと判断し、図６のステップＳ２０９に示すように、空気圧縮機吐出流量増加制御を停止して、図６のステップＳ２１０に示すように、通常の起動動作に復帰して、燃料電池１１の起動を続けていく。
【００５２】
このように、本実施形態によれば、燃料電池１１の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。
【００５３】
以上の本実施形態の説明においては、空気圧縮機１４のモータ１６の回転数を特定の時間帯において上昇させることによって、図６に示すように、予想残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以下となるようにすることとして説明したが、燃料電池１１の起動時の燃料電池の温度と起動特性から、特定の時間帯となる燃料電池１１の温度マップを記憶部６３に格納しておき、燃料電池１１の起動時の温度に基づいて記憶部６３のマップから燃料電池が特定の時間帯に入るとなる特定温度範囲を求め、燃料電池１１の温度が、この特定温度範囲に入っている場合に空気圧縮機１４のモータ１６の回転数を上昇させて起動することとしても好適である。
【００５４】
図８において、燃料電池１１が特定の時間帯に入ったかどうかを判断するまでの、ステップＳ６０１からＳ６０４は図５と同様である。そして、燃料電池１１の温度が特定の時間帯に入ったと判断される温度に達すると、制御部６１は、図８のステップＳ６０５に示すように、空気圧縮機吐出流量増加制御を開始する。そして、図８のステップＳ６０６に示すように、燃料電池１１の温度が特定の時間帯を示す温度範囲から脱した場合には、空気圧縮機吐出流量増加制御を停止して、図８のステップＳ６０８に示すように通常の起動動作に復帰する。
【００５５】
上記の説明は特定の時間帯となる燃料電池１１の温度の範囲を計算して空気圧縮機１４を制御することとしたが、燃料電池１１の空気側極１２の出口空気温度を計算してこれに基づいて制御することとしても良い。また、起動時の温度条件から、特定の時間帯となる時間を予測し、その時間に基づいて空気圧縮機吐出流量増加制御の開始および停止をして起動することとしても好適である。
【００５６】
次に図９を参照しながら、燃料電池１１の起動過程において、空気圧力調節弁２８によって空気側極の空気圧力を減少させて、予測残留水分量を限界残留水分量Ｗ０以下に制御する参考例の起動手段について説明する。図９はこの起動手段を示すフローチャートで、この場合の起動カーブは図４と同様となることから、状態量の変化については、図４を参照しながら説明する。
【００５７】
図９のステップＳ３０１からステップＳ３０６に示すように、制御部６１は、先に説明したと同様に燃料電池１１の空気側極１２の中の現存水分量と、通常の起動過程において途中で停止した場合の停止後の掃気処理によって排水できる予測排出水分量とを計算し、これから、起動過程の途中で停止した場合の予測残留水分量を常に計算し続け、予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０を超えた場合に、制御部６１は、燃料電池１１が起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯に入ったものと判断する。
【００５８】
すると、図９のステップＳ３０７に示すように、制御部６１は空気圧力調節弁２８によって空気側極１２の空気圧力を減圧していく減圧制御を開始する。具体的には、制御部６１は、燃料電池１１の空気側極１２の出口の空気圧力調節弁２８の開度を大きくして、空気側極１２の空気圧力を通常の運転圧力から低下させる指令を出力する。これによって、空気圧力調節弁２８の開度を大きくして空気側極１２の中の空気圧力を通常の運転圧力よりも低下させる。すると、図２（ｂ）で説明したように、空気圧力の低下によって空気側極１２の内部の水分が水蒸気の割合が多くなる領域に移行する。このことによって、燃料電池１１が起動の途中で停止した場合の停止後の掃気処理によって排出することができる水分量が増えてくる。
【００５９】
制御部６１は、記憶部６３に格納したマップから、圧力の低下度合いと予測排出水分量の増加割合を計算する。そして、予測排出水分量の増加割合が、通常起動における予測残留水分量と限界残留水分量Ｗ０との差となるように、空気圧力調節弁２８を制御しながら起動していく。
【００６０】
つまり、図４（ｂ）の通常起動の予測残量水分量と限界残留水分量Ｗ０との差分だけ、空気圧力調節弁２８による減圧によって、予測排出水分量が増加するように空気圧力調節弁を制御していく。すると、燃料電池１１の空気側極内の予測残留水分量は図４（ｂ）の１点鎖線の点線の矢印で示すｐ１，ｑ１”，ｒ１”，ｓ１のように、限界残留水分量Ｗ０の線に沿って変化し、現存水分量は、図４の点線の矢印で示す、ｂ１，ｃ１”，ｄ１”ｅ１のように変化していく。
【００６１】
そして、図９のステップＳ３０８に示すように、通常起動過程となった場合の予測残留水分量が限界残留水分量Ｗ０よりも小さくなった場合に、燃料電池は起動過程の途中に停止した場合に燃料電池１１の空気側極１２の内部に限界残留水分量Ｗ０以上の水分量を含んでしまう特定の時間帯から脱したものと判断し、図９のステップＳ３０９に示すように、空気圧縮機１４による減圧制御を停止して、図９のステップＳ３１０に示すように、通常の起動動作に復帰して、燃料電池１１の起動を続けていく。
【００６２】
以上の本参考例の説明においては、空気圧力調節弁２８の開度を制御することによって特定の時間帯において空気側極１２の空気圧力を低減し予想残留水分量が限界残留水分量Ｗ０以下となるように制御することとして説明したが、図１０に示すように、燃料電池１１の起動時の燃料電池の温度と起動特性から、先の実施形態、参考例と同様に、燃料電池１１の温度が、特定温度範囲に入っている場合に空気圧力調節弁２８の開度を制御して空気側極１２の空気圧力を低下させて起動することとしても好適である。図１０に示すこの起動手段は、図１０のステップＳ７０５とステップＳ７０７において、空気圧力調節弁による減圧制御を開始あるいは停止すること以外は、図８で説明した起動手段と同様である。また、先の実施形態、参考例と同様に、起動時の温度条件から、特定の時間帯となる時間を予測し、その時間帯になったら空気圧力調節弁２８の開度を制御して空気側極１２の空気圧力を低下させて起動することとしても好適である。
【００６３】
このように、本参考例によれば、燃料電池１１の起動過程において燃料電池を停止させると、燃料電池の停止後に残留水が空気流路を閉塞してしまうような特定の時間帯において燃料電池を停止した際の燃料電池内の残留水分量を低減することができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００６４】
１０ 燃料電池システム、１１ 燃料電池、１２ 空気側極、１３ 水素側極、１４ 空気圧縮機、１６，４７ モータ、１８ 吸気流量計、１９ 空気吸込み管路、２０ 圧縮機吐出管路、２３ 空気供給管路、２４ 空気排出管路、２５ 水分量センサ、２６ 温度センサ、２７ 圧力センサ、２８ 空気圧力調節弁、２９ 排気管路、３１ 加湿器、３３ 加湿器バイパス管路、３５ 加湿器バイパス弁、４１ 水素ガスタンク、４２ 水素供給調節弁、４３ 水素供給管路、４４ 水素排出管路、４５ 水素循環管路、４６ 水素循環ポンプ、４８ 水素系大気放出管路、４９ 排出弁、５１ 排出水素希釈管路、５３ サイレンサ、５５ 混合器、５７ 大気放出口、６１ 制御部、６３ 記憶部、６５ データバス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量を制御する制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
燃料電池起動手段は、前記燃料電池起動過程において、前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測する残留水分量予測手段と、前記残留水分量予測手段によって予測した予測残留水分量が所定の水分量を超えないように、前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動する燃料電池起動手段と、を有し、
前記残留水分量予測手段は、
前記燃料電池の反応後の酸化剤ガスの水分量に基づいて前記燃料電池内の酸化剤ガス中に現存している水分量を計算する現存水分量計算手段と、前記反応後の酸化剤ガスの物理量に基づいて前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側から排出される水分量を予測する排出水分量予測手段と、を含み、
前記現存水分量計算手段によって計算した現存水分量と、前記排出水分量予測手段によって予測した予測排出水分量との差から前記燃料電池停止後に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応後の酸化剤ガスの物理量は、反応後の酸化剤ガスの水分量と、圧力と、温度と、前記圧縮機の吐出流量とであること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において前記燃料電池の温度が所定の温度範囲にある場合に、前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される酸化剤ガス流量を制御する制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
燃料電池起動手段は、前記燃料電池起動過程において、前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測する残留水分量予測手段と、前記残留水分量予測手段によって予測した予測残留水分量が所定の水分量を超えないように、前記圧縮機によって前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動する燃料電池起動手段と、を有し、
前記残留水分量予測手段は、
前記燃料電池の反応後の酸化剤ガスの水分量に基づいて前記燃料電池内の酸化剤ガス中に現存している水分量を計算する現存水分量計算手段と、前記反応後の酸化剤ガスの物理量に基づいて前記燃料電池が起動過程中に停止した場合に前記燃料電池内の酸化剤極側から排出される水分量を予測する排出水分量予測手段と、を含み、
前記現存水分量計算手段によって計算した現存水分量と、前記排出水分量予測手段によって予測した予測排出水分量との差から前記燃料電池停止後に前記燃料電池内の酸化剤極側に残留する残留水分量を予測すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記反応後の酸化剤ガスの物理量は、反応後の酸化剤ガスの水分量と、圧力と、温度と、前記圧縮機の吐出流量とであること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池起動手段は、前記燃料電池の低温起動過程において前記燃料電池の温度が所定の温度範囲にある場合に、前記酸化剤ガスの流量を発電電力に対する最適ガス流量よりも増加させて前記燃料電池を起動すること
を特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７８３５８（Ｐ２０１２−１７８３５８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０８０７１（Ｐ２０１２−１０８０７１）
【出願日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【分割の表示】特願２００６−２４０８３７（Ｐ２００６−２４０８３７）の分割
【原出願日】平成１８年９月５日（２００６．９．５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【分割の表示】特願２００６−２４０８３７（Ｐ２００６−２４０８３７）の分割
【原出願日】平成１８年９月５日（２００６．９．５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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