JP2006134674A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の状態に対応して、燃料電池を好適に運転可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 反応ガスの反応により発電する燃料電池３と、燃料電池３の温度を検出する温度センサ４１と、反応ガスの供給を制御するポンプ制御部５１と、燃料電池２内の解氷を判定する解氷判定部５２と、を備え、ポンプ制御部５１は、燃料電池２の起動時、燃料電池２の温度が氷点以下の場合に氷点下運転条件で反応ガスを供給し、解氷判定部５２が燃料電池２内の解氷を判定したときに通常運転条件に切り換えて反応ガスを供給する燃料電池システム１Ａである。また、解氷判定部５２は、温度センサ１４、２２、３３のうち少なくとも２つの温度センサにより検出された温度が０℃を超えた場合、燃料電池２内が解氷したと判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池という場合もある）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下電解質膜という）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した酸化剤ガス（例えば加湿した空気）を、カソード側に供給する方法などが一般に採用されている。

このように、発電により生成した水や加湿により、燃料電池内を流通するガスの含水量は高くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝縮する。ゆえに、冬季や寒冷地で燃料電池が使用され、発電後に燃料電池が氷点下になると、前記凝縮した水が燃料電池内で凍結する場合がある。

このように凍結した後の燃料電池の起動において、燃料電池内が凍結した状態と、解凍されている状態（非凍結状態）など、燃料電池の状態に対応して、燃料電池を好適に運転させる技術の開発が望まれている。

このような燃料電池の凍結に関連して、例えば、燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス（空気）を加熱するヒータ（空気加熱手段）を設け、このヒータを適宜に制御することによって、燃料電池内を解氷（解凍）する燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−９３４４５号公報（段落番号００３０、図１）

しかしながら、特許文献１には、燃料電池の状態に対応した燃料電池の運転に係る技術は開示されていない。

そこで、本発明は、燃料電池の状態に対応して、燃料電池を好適に運転可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記反応ガスの供給を制御する反応ガス供給制御手段と、前記燃料電池内の解氷を判定する解氷判定手段と、を備え、前記反応ガス制御手段は、前記燃料電池の起動時、当該燃料電池の温度が氷点以下の場合に氷点下運転条件で前記反応ガスを供給し、前記解氷判定手段が前記燃料電池内の解氷を判定したときに通常運転条件に切り換えて前記反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、「氷点下運転条件」とは、「通常運転条件」より多流量・高圧力の反応ガス（低温用反応ガス）を燃料電池に供給する条件を意味する。因みに、「通常運転条件」とは、運転者などによる燃料電池の出力要求に対応した流量・圧力の反応ガス（通常用反応ガス）を燃料電池に供給することを意味する。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池の起動時に、燃料電池の温度が氷点以下の場合、氷点下運転条件で反応ガスを燃料電池に供給し、氷点下の燃料電池の状態に対応した氷点下運転条件で、燃料電池を運転（発電）することができる。
次いで、解氷判定手段が燃料電池内の解氷を判定したときに、氷点下運転条件から通常状運転条件に切り換えて反応ガスを供給するができる。そして、内部が凍結していない燃料電池に対応した通常運転条件で、燃料電池を運転（発電）することが可能であると共に、無駄に反応ガスが供給されることを防止できる。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段、および前記燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段のうち少なくとも２つの温度検出手段を、さらに備え、前記解氷判定手段は、前記少なくとも２つの温度検出手段により検出された温度が０℃を超えた場合、前記燃料電池内が解氷したと判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である。

このような燃料電池システムによれば、解氷判定手段は、燃料ガス温度検出手段、酸化剤ガス温度検出手段、および冷媒温度検出手段のうち少なくとも２つの温度検出手段により検出された温度が０℃を超えた場合に、燃料電池内が解氷したと判定するため、正確に解氷判定をすることができる。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池から排出された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒のうち少なくとも１つの温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段と、前記燃料電池の発電量に基づいて、前記燃料電池の自己発熱量を算出する自己発熱量算出手段と、当該自己発熱量に基づいて、前記燃料電池内が非凍結状態である場合の前記記燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒のうち少なくとも１つの非凍結状態温度上昇率を算出する非凍結温度上昇率算出手段と、をさらに備え、前記解氷判定手段は、前記温度上昇率が前記非凍結温度上昇率と略等しい場合、前記燃料電池内が解氷したと判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である。

このような燃料電池システムによれば、解氷判定手段は、燃料電池から排出された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒のうち少なくとも１つの実際の温度上昇率と、燃料電池の自己発熱量に基づき、燃料電池内が非凍結状態である場合の前記少なくとも１つに対応する非凍結温度上昇率とが、略等しい場合に、燃料電池内が解氷したと判定することができる。
また、温度上昇率を比較するため、例えば、燃料電池から排出された燃料ガスから、瞬間的に高温が検出されても、その影響を受けにくくすることができる。したがって、温度上昇率の測定対象は、燃料電池から排出された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒の少なくとも１つであればよく、温度センサ等の部品点数を削減することができ、燃料電池システムを簡略化するこができる。

本発明によれば、燃料電池の状態に対応して、燃料電池を好適に運転可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る燃料電池システムについて、図１および図２を参照して説明する。参照する図面において、図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、主として、燃料電池自動車の始動時（燃料電池２の起動時）に、燃料電池２を好適に発電させて、自己発熱により燃料電池２内を解氷させるシステムである。
また、燃料電池システム１Ａは、燃料電池２内が凍結している場合、燃料電池２を氷点下条件で運転し、解氷後、燃料電池２内が凍結していない場合、燃料電池２を通常運転条件で運転させるシステムである。すなわち、燃料電池システム１Ａは、燃料電池２の状態に対応して、燃料電池２を好適に運転させるシステムである。

燃料電池システム１Ａは、主として、燃料電池２と、燃料電池２のアノード側に燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）を供給するアノード系と、燃料電池２のカソード側に酸化剤ガスとして空気（反応ガス）を供給するカソード系と、燃料電池２を所定に冷却する冷却系と、燃料電池自動車の外気温度Ｔ０を検出する温度センサ４１（燃料電池温度検出手段）と、これらを制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、制御装置）とを備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池２（燃料電池スタック）は、主として、電解質膜３の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜３の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などがアノード側流路４、カソード側流路５として機能している。アノード側流路４には燃料ガスとしての水素ガス（反応ガス）が流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路５には、酸化剤ガスとしての空気（反応ガス）が流通し、この流通する空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池２から大きな電力を取り出し可能となっている。

＜アノード系＞
アノード系は、燃料電池２のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク１１、エゼクタ１２、パージ弁１３、温度センサ１４（燃料ガス温度検出手段）を主に備えている。

まず、水素ガス供給側を説明すると、水素タンク１１は配管１１ａを介して下流側のエゼクタ１２に接続しており、エゼクタ１２は配管１２ａを介して燃料電池２の水素導入口４ａに接続している。そして、水素タンク１１から、エゼクタ１２を介して、燃料電池２内のアノード側流路４に水素ガスを供給可能となっている。また、水素タンク１１とエゼクタ１２との間の配管１１ａには、エゼクタ１２に向かって、遮断弁、減圧弁（ともに図示しない）が設けられており、水素ガスを適宜に遮断、所定に減圧可能となっている。

次に、水素ガス排出側について説明すると、パージ弁１３は、アノード側流路４に連通する水素排出口４ｂに、配管１３ａを介して接続している。配管１３ａはその途中位置で分岐しており、分岐した部分は水素ガス供給側のエゼクタ１２に接続している。これにより、燃料電池２の通常発電時は、パージ弁１３を閉じて、燃料電池２から排出された水素ガス（アノードオフガス、燃料ガス）を水素ガス供給側に戻す（循環させる）ことで水素ガスを効率的に利用可能となっている。一方、発電によりアノードオフガス中の水分が多くなった場合などは、パージ弁１３を開き、含水量の高いアノードオフガスを系外に排出（パージ）可能となっている。

温度センサ１４は、配管１３ａに設けられており、アノードオフガスの温度（アノードオフガス温度Ｔ１）を検出可能となっている。また、温度センサ１４は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２（解氷判定手段）に電気的に接続しており、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１を監視可能となっている。

＜カソード系＞
カソード系は、燃料電池２のカソード側に配置し、空気を供給・排出する系であり、ポンプ２１（コンプレッサ）、温度センサ２２（酸化剤ガス温度検出手段）を主に備えている。

まず、空気供給側について説明すると、ポンプ２１は、配管２１ａを介して、燃料電池２の空気導入口５ａに接続している。そして、ポンプ２１が外気を適宜に取り込み、カソード側流路５に空気を供給可能となっている。ポンプ２１は、後記するＥＣＵ５０のポンプ制御部５１（反応ガス供給制御手段）と電気的に接続しており、ポンプ制御部５１はポンプ２１の回転速度などを制御し、燃料電池２に供給される空気（反応ガス）の量を制御可能となっている。
また、配管２１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池２に供給される空気を所定に加湿可能となっている。

次に、空気排出側について説明すると、配管２１ｂが、カソード側流路５に連通する燃料電池２の空気排出口５ｂに接続している。よって、燃料電池２から排出された空気（カソードオフガス、酸化剤ガス）は、配管２１ｂを介して系外に排出可能となっている。
温度センサ２２は、配管２１ｂに設けられており、カソードオフガスの温度（カソードオフガス温度Ｔ２）を検出可能となっている。また、温度センサ２２は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２に電気的に接続しており、解氷判定部５２は、カソードオフガス温度Ｔ２を監視可能となっている。

＜冷却系＞
冷却系は、発電により発熱する燃料電池２が、過剰に昇温しないように冷却する系であり、ラジエータ３１（放熱器）と、ポンプ３２と、温度センサ３３（冷媒温度検出手段）を主に備えている。そして、エチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液（冷媒）が、ポンプ３２の稼動によって、ラジエータ３１と燃料電池２との間で循環するように、適所に配管が設けられている。温度センサ３３は、燃料電池２から排出されたラジエータ液（以下、排出ラジエータ液）が流通する配管に設けられており、温度センサ３３により排出ラジエータ液の温度（排出ラジエータ液温度Ｔ３）を検出可能となっている。また、温度センサ３３は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２と電気的に接続しており、解氷判定部５２は、排出ラジエータ液温度Ｔ３を監視可能となっている。

＜外気用温度センサ＞
温度センサ４１（燃料電池温度検出手段）は、燃料電池自動車の適所に設けられており、外気温度Ｔ０を検出可能となっている。ここで、第１実施形態では、燃料電池自動車（燃料電池２）の起動時において、燃料電池２の温度と外気温度は略等しいとみなしており、温度センサ４１により検出された温度は、燃料電池２の温度に相当する。
また、温度センサ４１は、後記するＥＣＵ５０の解氷判定部５２と電気的に接続しており、解氷判定部５２は、外気温度Ｔ０（＝燃料電池２の温度）を監視可能となっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、燃料電池２の発電を制御する機能、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する機能を主に有している。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、ポンプ制御部５１（反応ガス供給制御手段）と、解氷判定部５２（解氷判定手段）を主に備えている。
また、ＥＣＵ５０は、燃料電池自動車の起動スイッチであるイグニションスイッチ（以下、ＩＧＳＷ）に連動するようになっている。

［ポンプ制御部］
ポンプ制御部５１は、カソード側のポンプ２１と電気的に接続しており、ポンプ２１の稼動（回転速度など）を適宜に制御可能となっている。
ポンプ制御部５１には、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とが設定されており、適宜に切り換え可能となっている。
ここで、「通常運転条件」とは、ポンプ２１を通常の回転速度で通常に稼動させて、燃料電池２に通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給し、燃料電池２を通常に発電させる条件である。これに対し、「氷点下運転条件」とは、ポンプ２１を前記通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池２に、前記通常圧力より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気（低温用反応ガス）を供給し、燃料電池２を高発電させる条件である。
したがって、燃料電池２の氷点下運転条件における自己発熱量は、通常運転条件における自己発熱量より高くなっており、ポンプ制御部５１は、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とを適宜に切り換えて、燃料電池２の自己発熱量を制御可能となっている。

［解氷判定部−凍結判定機能］
解氷判定部５２は、外気温度Ｔ０を検出する温度センサ４１と電気的に接続している。解氷判定部５２は、燃料電池自動車の起動時に、外気温度Ｔ０に基づいて、燃料電池２内が凍結状態であるか否かを判定する機能を有している。そして、解氷判定部５２は、この判定に基づいて、ポンプ制御部６１に「通常運転条件」と「氷点下運転条件」のどちらを選択するかを指示する機能を有している。これにより、燃料電池２の状態（非凍結状態、凍結状態）に対応して、「通常運転条件」または「氷点下運転条件」下で、燃料電池２を好適に運転することが可能となっている。
具体的に第１実施形態では、解氷判定部５２は、燃料電池２の起動時、外気温度Ｔ０が０℃以下の場合、燃料電池２内は凍結状態であると判定し、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示するように設定されている。一方、外気温度Ｔ０が０℃より高い場合、燃料電池２内は非凍結状態であると判定し、「通常運転条件」を指示するように設定されている。

［解氷判定部−解氷判定機能］
また、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１を検出する温度センサ１４と、カソードオフガス温度Ｔ２を検出する温度センサ２２と、排出ラジエータ液温度Ｔ３を検出する温度センサ３３と電気的に接続している。解氷判定部５２は、ポンプ制御部６１に「氷点下運転条件」を指示して燃料電池２を起動した後、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する機能を有している。そして、解氷判定部５２は、解氷したと判定したとき、「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示する機能を有している。
具体的に第１実施形態では、解氷判定部５２は、アノードオフガス温度Ｔ１、カソードオフガス温度Ｔ２、および排出ラジエータ液温度Ｔ３のうち少なくとも２つの温度が０℃を超えた場合に、燃料電池２内が解氷したと判定するように設定されている。このように、少なくとも２つの温度を判定対象とすることで、誤判定を防止可能となっている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について、図１に加えて、図２を併せて参照しつつ説明する。

燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＮされると（Ｓ１）、ＥＣＵ５０が起動し、ステップＳ２に進む。また、ＥＣＵ５０の起動に連動して、アノード側の遮断弁（図示しない）などが開放され、燃料電池２のアノード側に水素ガスが供給される。

＜凍結判定＞
ステップＳ２においては、解氷判定部５２が、外気温度Ｔ０（＝燃料電池２の温度）が０℃以下であるか否かに基づいて、燃料電池２内が凍結状態であるか否かを判定する。
「外気温度Ｔ０は０℃以下である」と判定した場合（Ｓ２、Ｙｅｓ）、すなわち、「燃料電池２内は凍結状態である」と判定した場合、解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ３に進む。
一方、「外気温度Ｔ０は０℃より高い」と判定した場合（Ｓ２、Ｎｏ）、すなわち、「燃料電池２内は凍結状態でない」と判定した場合、解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ５に進む。

＜低温用反応ガス供給−氷点下運転条件＞
ステップＳ３においては、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。具体的には、ポンプ制御部５１がポンプ２１を制御して、「通常運転条件」より多流量・高圧力の空気（低温用反応ガス）を燃料電池２に供給する。これにより、燃料電池２は「通常運転条件」より高発電する。したがって、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２の自己発熱量は、「通常運転条件」の自己発熱量より高くなり、この高い自己発熱量により、燃料電池２内が速やかに解氷し始める。
このように燃料電池２を「氷点下運転条件」で発電させた後、ステップＳ４に進む。

＜解氷判定＞
ステップＳ４においては、解氷判定部５２が、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２内が解氷したか否かを判定する。具体的には、アノードオフガス温度Ｔ１、カソードオフガス温度Ｔ２、および排出ラジエータ液温度Ｔ３のうち少なくとも２つの温度が０℃を超えた場合に、燃料電池２内が解氷したと判定する。
「燃料電池２内は解氷した」と判定した場合（Ｓ４、Ｙｅｓ）、解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ５に進む。一方、「燃料電池２内は解氷していない」と判定した場合（Ｓ４、Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ２１の稼動は継続される。

＜通常用反応ガス供給−通常運転条件＞
ステップＳ５においては、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。これにより、燃料電池２は通常に発電する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池２の起動時の凍結判定、解氷判定は終了する。

このように第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池２の起動時に燃料電池２内が凍結状態である場合、自己発熱量の高い「氷点下運転条件」で燃料電池２を発電させることによって燃料電池２内を速やかに解氷することができる。
また、一般の燃料電池システムが備えるカソード側ポンプを有効利用するため、従来のカソード側のヒータなどの特別な機器などを備えずに、燃料電池システム１Ａを構成することができる。すなわち、燃料電池システム１Ａを構成するに際し、重量化・大型化などすることもない。
さらに、燃料電池２内が凍結状態の場合は「氷点下運転条件」で、非凍結状態の場合は「通常運転条件」で、燃料電池２を好適に運転することができる。
さらにまた、解氷後は「通常運転条件」に切り換えることで、無駄なく空気（反応ガス）を燃料電池２に供給することができる。

≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図３から図７を参照して説明する。参照する図面において、図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図４は、解氷前後のアノードオフガスの温度を示すグラフである。図５は、燃料電池の発電量に基づいて、自己発熱量を算出するための自己発熱量データの一例を示すグラフである。図６は、燃料電池内が非凍結状態である場合、燃料電池の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの非凍結温度上昇率を算出するための非凍結温度上昇率データの一例を示すグラフである。図７は、第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

≪燃料電池システムの構成≫
図３に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂは、主として、第１実施形態に係るＥＣＵ５０に代えて、ＥＣＵ６０を備えており、解氷判定方法が異なる。また、燃料電池システム１Ｂは、流量計１５と、電流電圧検出器４２とをさらに備えている。その他、燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態に係る温度センサ２２、３３を備えていない。

＜流量計＞
流量計１５は、アノード側の配管１３ａに設けられており、アノードオフガスの流量を検出可能となっている。また、流量計１５は、後記するＥＣＵ６０の非凍結温度上昇率算出部６５Ａと電気的に接続しており、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、アノードオフガスの流量を監視可能となっている。

＜電流電圧検出器＞
電流電圧検出器４２は、燃料電池２の発電量（詳細には出力電流、出力電圧）を検出する機器であり、電流計、電圧計などで構成され、燃料電池２の出力端子に接続している。また、電流電圧検出器４２は、後記するＥＣＵ６０の自己発熱量算出部６４Ａと接続しており、自己発熱量算出部６４Ａは、燃料電池２の発電量（出力電流、出力電圧）を監視可能となっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、ポンプ制御部６１（反応ガス供給制御手段）と、解氷判定部６２（解氷判定手段）と、実測温度上昇率算出部６３（温度上昇率算出手段）と、自己発熱量算出部６４Ａ（自己発熱量算出手段）と、自己発熱量データ記憶部６４Ｂ（自己発熱量算出手段）と、非凍結温度上昇率算出部６５Ａ（非凍結温度上昇率算出手段）と、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂ（非凍結温度上昇率算出手段）とを備えている。
なお、ポンプ制御部６１は、第１実施形態に係るポンプ制御部５１と同様であるため、ここでの説明は省略する。

［解氷判定部−凍結判定機能］
解氷判定部６２は、外気温度Ｔ０を検出する温度センサ４１と電気的に接続しており、第１実施形態に係る解氷判定部５２と同様に、凍結判定機能を有している。

［解氷判定部−解氷判定機能］
また、解氷判定部６２は、第１実施形態と同様に解氷判定機能、解氷判定に基づくポンプ制御部６１への指示機能を有している。ところが、解氷判定部６２による解氷判定方法は第１実施形態と異なり、図４を参照して、解氷判定方法に係る理論について説明する。

凍結した燃料電池２に水素ガス、空気（反応ガス）を供給し、燃料電池２を発電させると、自己発熱により燃料電池２内が徐々に解氷する。そうすると、図４に示すように、アノードオフガス温度Ｔ１は、燃料電池２内が凍結している状態では温度上昇率ΔＴａ（以下、凍結温度上昇率という）で上昇し、自己発熱量が氷の融解熱に置き換わる状態では０℃で略一定となり、解氷後の非凍結状態では温度上昇率ΔＴｂ（以下、非凍結温度上昇率という）で上昇する。凍結温度上昇率ΔＴａと、非凍結温度上昇率ΔＴｂとは一致せず、第２実施形態では「凍結温度上昇率ΔＴａ＜非凍結温度上昇率ΔＴｂ」の関係にある。

なお、図４に示すグラフにおいて「凍結温度上昇率ΔＴａ＜非凍結温度上昇率ΔＴｂ」となる理由としては、燃料電池２が凍結状態にあり、その内部に氷を含む場合、燃料電池２を構成するセパレータ、筺体なども低温であるため、発電により生じた熱がセパレータなどに吸収されるからと考えられる。
したがって、氷点（０℃）の前後において、自己発熱による燃料電池２の温度上昇率は、「凍結状態（０℃以下）の燃料電池２自体の温度上昇率＜非凍結状態（０℃以上）の燃料電池２自体の温度上昇率」の関係にあると考えられる。

したがって、（１）非凍結状態の燃料電池２を種々の条件で発電させて、燃料電池２の自己発熱量とアノードオフガス温度Ｔ１の「非凍結温度上昇率ΔＴ（ΔＴｂ）」との関係（以下、非凍結温度上昇率データという）を事前に求めておき、（２）燃料電池２の実際の自己発熱量から、その燃料電池２内が非凍結であるとした場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出し、（３）実際に燃料電池２から排出されるアノードオフガスの「温度上昇率ΔＴ１（以下、実測温度上昇率ΔＴ１という）」を求め、（４）「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しい場合、燃料電池２は非凍結状態であり、一致しない場合、燃料電池２は凍結状態であると、判定することができる。
これにより、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とを、経時的に対比することにより、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しくなった時、燃料電池２内が解氷したと判定することができる。

図３に戻って説明を続ける。
第２実施形態に係る解氷判定部６２は、このような理論に基づいて、実測温度上昇率算出部６３が算出した「実測温度上昇率ΔＴ１」と、非凍結温度上昇率算出部６５Ａが算出した「非凍結温度上昇率ΔＴ」とを比較して、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する機能を有している。
具体的に第２実施形態では、解氷判定部６２は、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」とが略等しい場合、言い換えると、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」との差の絶対値が閾値ｔ（ｔ≒０）以下の場合に、燃料電池２内が解氷したと判定するように設定されている（図７、ステップＳ１４参照）。

［実測温度上昇率算出部］
実測温度上昇率算出部６３は、アノードオフガス温度Ｔ１を検出する温度センサ１４と電気的に接続している。したがって、実測温度上昇率算出部６３は、実際に燃料電池２から排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔＴ１」を算出可能となっている。そして、この「実測温度上昇率ΔＴ１」は、解氷判定部６２に送られるようになっている。

［自己発熱量算出部、自己発熱量データ記憶部］
自己発熱量算出部６４Ａおよび自己発熱量データ記憶部６４Ｂは、燃料電池２の発電量（電流と電圧）に基づいて、燃料電池２の自己発熱量を算出する部分（自己発熱量算出手段）である。
さらに説明すると、自己発熱量算出部６４Ａは、電流電圧検出器４２と電気的に接続しており、発電する燃料電池２の発電量を監視可能となっている。また、自己発熱量算出部６４Ａは、自己発熱量データ記憶部６４Ｂと電気的に接続しており、後記する自己発熱量データを適宜参照可能となっている。

自己発熱量データ記憶部６４Ｂには、予備試験等により求められた「自己発熱量データ」が記憶されている。「自己発熱量データ」とは、燃料電池２が発電した場合における、発電量（詳細には電流、電圧）と、その発電量における燃料電池２の自己発熱量とが関連付けられたデータ（例えば、計算式Ａ）である（図５参照）。なお、図５に示すように、燃料電池２が高電流・低電圧で発電するほど、燃料電池２の自己発熱量が高くなるという関係を有している。

したがって、自己発熱量算出部６４Ａは、燃料電池２の発電量（電流と電圧）に基づいて、燃料電池２の自己発熱量を算出可能となっている（図５、矢印Ａ１参照）。

［非凍結温度上昇率算出部、非凍結温度上昇率データ記憶部］
非凍結温度上昇率算出部６５Ａ、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂは、燃料電池２の自己発熱量に基づいて、燃料電池２内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出する部分（非凍結温度上昇率算出手段）である。

さらに説明すると、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、自己発熱量算出部６４Ａ、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂおよび解氷判定部６２と、電気的に接続している。また、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、流量計１５と電気的に接続しており、アノードオフガスの流量を監視可能となっている。

非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂには、予備試験等により求められた「非凍結温度上昇率データ」が記憶されている。「非凍結温度上昇率データ」とは、非凍結状態の燃料電池２が発電にした場合における、燃料電池２の自己発熱量と、アノードオフガスの非凍結温度上昇率ΔＴと、アノードオフガスの流量とが関連付けられたデータ（例えば、計算式Ｂ）である（図６参照）。なお、図６に示すように、アノードオフガスの流量が小さく、且つ、燃料電池２の自己発熱量が大きいほど、アノードオフガスの非凍結温度上量率ΔＴが大きくなるという関係を有している。

したがって、非凍結温度上昇率算出部６５Ａは、自己発熱量算出部６４Ａが算出した燃料電池２の自己発熱量と、アノードオフガスの流量とに基づいて、非凍結温度上昇率データ記憶部６５Ｂの「非凍結温度上昇率データ」を参照し、燃料電池２内が非凍結状態であるとした場合の「アノードオフガスの非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出可能となっている。そして、算出された「アノードオフガスの非凍結温度上昇率ΔＴ」は、解氷判定部６２に送られるようになっている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂの動作について、図７を主に参照して説明する。

燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＮされると（Ｓ１）、ＥＣＵ５０が起動し、ステップＳ２に進む。

＜凍結判定＞
ステップＳ２においては、解氷判定部６２が、外気温度Ｔ０が０℃以下であるか否かに基づいて、燃料電池２内が凍結状態であるか否かを判定する。
「外気温度Ｔ０は０℃以下である」と判定した場合（Ｓ２、Ｙｅｓ）、解氷判定部６２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ３に進む。一方、「外気温度Ｔ０は０℃より高い」と判定した場合（Ｓ２、Ｎｏ）、解氷判定部６２は、ポンプ制御部５１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ５に進む。

＜低温用反応ガス供給−氷点下運転条件＞
ステップＳ３においては、第１実施形態と同様に、ポンプ制御部５１が、ポンプ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。
その後、処理はステップＳ１１に進む。

＜自己発熱量の算出＞
ステップＳ１１においては、自己発熱量算出部６４Ａが、自己発熱量データ記憶部６４Ｂの自己発熱量データを参照しつつ、電流電圧検出器４２が検出した燃料電池２の発電量（電流、電圧）から、燃料電池２の自己発熱量を算出する（図５、矢印Ａ１参照）。
そして、処理はステップＳ１２に進む。

＜非凍結温度上昇率ΔＴの算出＞
ステップＳ１２においては、非凍結温度上昇率算出部６５Ａが、燃料電池２の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの流量を考慮して、燃料電池２内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」を算出する（図６、矢印Ａ２参照）。
そして、処理はステップＳ１３に進む。

＜実測温度上昇率ΔＴ１の算出＞
ステップＳ１３においては、実測温度上昇率算出部６３が、実際のアノードオフガス温度Ｔ１に基づいて、実際に排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔＴ１」を算出する。
そして、処理はステップＳ１４に進む。

＜解氷判定＞
ステップＳ１４においては、解氷判定部６２が、燃料電池２内が解氷したか否かを判定する。具体的には、「非凍結温度上昇率ΔＴ」と「実測温度上昇率ΔＴ１」との差の絶対値が閾値ｔ（略ゼロ）以下の場合に、燃料電池２内が解氷したと判定する。
「燃料電池２内は解氷した」と判定した場合（Ｓ１４、Ｙｅｓ）、解氷判定部５２は、ポンプ制御部５１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ５に進む。一方、「燃料電池２内は解氷していない」と判定した場合（Ｓ１４、Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ２１の稼動は継続される。

＜通常用反応ガス供給−通常運転条件＞
ステップＳ５においては、第１実施形態と同様に、ポンプ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池２の起動時の凍結判定、解氷判定は終了する。

このように第２実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、解氷判定の対象としてアノードオフガスの温度上昇率に着目するため、瞬間的に高温のアノードオフガスが排出されても、解氷判定はその影響を受けにくい。したがって、第１実施形態に係る温度センサ２２、２３およびこれに付随する配線などを省略することができる。これにより、温度センサ等の部品点数を削減することができ、燃料電池システム１Ｂを簡略化するこができる。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した各実施形態では、温度センサ４１（燃料電池温度検出手段）により検出された外気温度Ｔ０を燃料電池２の温度としたが、燃料電池温度検出手段はこれに限定されず、例えば、燃料電池２の筺体に取り付けられた温度センサであってもよい。

前記した第２実施形態では、アノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔＴ」と、「実測温度上昇率ΔＴ１」とを比較することで、解氷判定を行ったが、比較対象はこれに限定されず、燃料電池２から排出された空気（酸化剤ガス）、ラジエータ液（冷媒）などであってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 解氷前後のアノードオフガスの温度を示すグラフである。 燃料電池の発電量に基づいて、自己発熱量を算出するための自己発熱量データの一例を示すグラフである。 燃料電池内が非凍結状態である場合、燃料電池の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの非凍結温度上昇率を算出するための非凍結温度上昇率データの一例を示すグラフである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 電解質膜
１４ 温度センサ（燃料ガス温度検出手段）
１５ 流量計
２１ ポンプ
２２ 温度センサ（酸化剤ガス温度検出手段）
３３ 温度センサ（冷媒温度検出手段）
４１ 温度センサ（燃料電池温度検出手段）
４２ 電流電圧検出器
５０、６０ ＥＣＵ
５１、６１ ポンプ制御部（反応ガス制御手段）
５２、６２ 解氷判定部（解氷判定手段）
６３ 実測温度上昇率算出部（温度上昇率算出手段）
６４Ａ 自己発熱量算出部（自己発熱量算出手段）
６４Ｂ 自己発熱量データ記憶部（自己発熱量算出手段）
６５Ａ 非凍結温度上昇率算出部（非凍結温度上昇率算出手段）
６５Ｂ 非凍結温度上昇率データ記憶部（非凍結温度上昇率算出手段）

Claims (3)

1. 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記反応ガスの供給を制御する反応ガス供給制御手段と、前記燃料電池内の解氷を判定する解氷判定手段と、を備え、
   前記反応ガス制御手段は、前記燃料電池の起動時、当該燃料電池の温度が氷点以下の場合に氷点下運転条件で前記反応ガスを供給し、前記解氷判定手段が前記燃料電池内の解氷を判定したときに通常運転条件に切り換えて前記反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段、および前記燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段のうち少なくとも２つの温度検出手段を、さらに備え、
   前記解氷判定手段は、前記少なくとも２つの温度検出手段により検出された温度が０℃を超えた場合、前記燃料電池内が解氷したと判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。
3. 前記燃料電池から排出された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒のうち少なくとも１つの温度上昇率を算出する温度上昇率算出手段と、
   前記燃料電池の発電量に基づいて、前記燃料電池の自己発熱量を算出する自己発熱量算出手段と、
   当該自己発熱量に基づいて、前記燃料電池内が非凍結状態である場合の前記記燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒のうち少なくとも１つの非凍結状態温度上昇率を算出する非凍結温度上昇率算出手段と、
   をさらに備え、
   前記解氷判定手段は、前記温度上昇率が前記非凍結温度上昇率と略等しい場合、前記燃料電池内が解氷したと判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。

Images