JP2006269205A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池が発電可能状態であるか否かについての判断精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、コントローラ１２０が推定機能と判断機能とを有している。推定機能は、燃料電池１０内部の氷の量を推定するようになっている。判断機能は、推定機能により推定された氷の量に応じて発電維持可能か否かの判断するようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の温度又は燃料電池周辺の温度（冷却液の温度や外気温度）に基づいて、燃料電池が凍結状態か否かを判断する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２２１９８号公報

ところで、燃料電池システムは、燃料電池の温度がたとえ氷点下であったとしても発電が不可能とならない場合がある。しかし、従来の燃料電池システムは、燃料電池の温度又は周辺温度が氷点下であると発電不可能と判断しているため、燃料電池が発電可能状態であるか否かの判断精度に向上の余地があった。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池が発電可能状態であるか否かについての判断精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池と、燃料電池内部の氷の量を推定する推定手段と、推定手段により推定された氷の量に応じて前記燃料電池での発電を維持可能か否かを判断する判断手段とを備えている。

本発明によれば、燃料電池内部の氷の量を推定して、推定した氷の量に応じて燃料電池での発電を維持可能か否かを判断することとしている。ここで、燃料電池は、その温度が氷点下であっても全く発電できないわけでなく、発電により生成される生成水が内部に存在する氷に邪魔されて排出ができなくなって滞留又は凍結することから、発電を維持できなくなる。従って、燃料電池内部の氷の量を推定して発電を維持可能か判断するようにすることで、燃料電池等の温度を判断する場合に比して、燃料電池が発電可能状態であるか否かについての判断精度を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。なお、図１に示す構成については、便宜上、一部接続関係を省略して図示するものとする。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０（以下単に燃料電池という）と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、燃料ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０と、冷却液循環系７０とを備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。ここで、本実施形態では例えば燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。この燃料電池１０のアノードは、燃料ガス供給系２０から燃料ガスの供給を受け、燃料ガス排出系３０からアノードのオフガスを排出するようになっている。なお、以下の説明において燃料ガスとして水素ガスを例に説明し、酸化剤ガスとして酸素を例に説明する。

燃料ガス供給系２０は、燃料電池１０に水素ガスを供給するものであって、水素タンク２１と、水素ガス供給配管２２と、水素圧力調整弁２３とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池１０のアノードに水素ガスを供給する供給源となるものである。水素ガス供給配管２２は水素タンク２１と燃料電池１０のアノードとを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池１０のアノードまで導くものである。水素圧力調整弁２３は、水素ガス供給配管２２に設けられ、水素タンク２１から燃料電池１０のアノードに供給される水素の供給量を制御できるようになっている。

燃料ガス排出系３０は、燃料電池１０のアノードから排出されたガスを外部へ排出するものであって、水素ガス排出配管３１と、パージ弁３２とを備えている。水素ガス排出配管３１は、燃料電池１０のアノードと外部とを接続し、水素ガスを含むアノードオフガスを外部に導くものである。パージ弁３２は、水素ガス排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてアノードオフガスの排出を制御するものである。

また、燃料ガス循環系４０は、燃料電池１０のアノードから排出されたオフガスを再度燃料電池１０に送り込むものであって、水素循環配管４１と水素循環ポンプ４２とを備えている。水素循環配管４１は、一端が燃料電池１０のアノードとパージ弁３２との間の水素ガス排出配管３１に接続され、他端が水素圧力調整弁２３と燃料電池１０のアノードとの間の水素ガス供給配管２２に接続されており、アノードにおいて発電に寄与しなかった水素を含むオフガスをアノードの下流から上流に循環させるための配管である。水素循環ポンプ４２は、水素循環配管４１に設けられ、燃料電池１０のアノードから排出されたオフガスを循環させて再度アノードに送り込む循環源となるものである。

また、燃料電池１０のカソードは、酸化剤ガス供給系５０から酸素を含む空気の供給を受け、酸化剤ガス排出系６０からカソードオフガスを排出するようになっている。酸化剤ガス供給系５０は、燃料電池１０に酸素を供給するものであって、コンプレッサ５１と、空気供給配管５２とからなっている。

コンプレッサ５１は、燃料電池１０のカソードに酸素を供給するためのポンプであって、外部からの空気を圧送して空気に含まれる酸素を燃料電池１０に供給するものである。空気供給配管５２は、コンプレッサ５１と燃料電池１０のカソードとを接続するものであり、コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池１０のカソードに導くものである。

酸化剤ガス排出系６０は、空気排出配管６１と、空気圧力調整弁６２とを備えている。空気排出配管６１は、燃料電池１０のカソードと外部とを接続し、カソードオフガスである排空気を外部に導くものである。空気圧力調整弁６２は、空気排出配管６１に設けられ、カソードオフガスの排出量を制御するものであり、オフガスの排出量を制御することでカソード内の圧力についても制御可能となっている。

冷却液循環系７０は、燃料電池１０の温度が高温となり過ぎないように温度を抑制するためのものであり、燃料電池１０に冷却液を流入させて該燃料電池１０を冷却し、該燃料電池１０を冷却したことにより暖められた冷却液を冷却して再度燃料電池１０に送り込む構成となっている。冷却液循環系７０は、冷却液循環配管７１と冷却液ポンプ７２とからなっている。

冷却液循環配管７１は、冷却液循環系７０において冷却液を循環させる流路となるものである。冷却液ポンプ７２は、冷却液循環系７０において冷却液を循環させる循環源となっており、冷却液は燃料電池１０にて暖められた後、図示しないラジエータによって冷却されて再度燃料電池１０に送り込まれるようになっている。

また、燃料電池システム１は、上記構成に加えて、電力変換装置８１、負荷装置８２及び二次電池８３を備えている。電力変換装置８１は、燃料電池１０により発電された電力を変換して負荷装置８２に供給するものである。負荷装置８２は、例えば燃料電池車両の駆動源となるモータなどの機器である。二次電池８３は、補助的なバッテリであって、負荷装置８２にて消費されない余剰電力を蓄えておき、燃料電池１０にて発電を行えなかったり発電量が不足したりする場合に負荷装置８２に電力を供給するものである。

さらに、上記の燃料電池システム１は、各種センサ９１〜１０６を備えている。まず、燃料電池システム１は、各種センサ９１〜１０６として、冷却液入口温度センサ（第１温度検出手段）９１と、冷却液温度センサ（第２温度検出手段）９２と、冷却液出口温度センサ９３とを有している。

これらの温度センサ９１〜９３は、冷却液循環配管７１に存在する冷却液の温度を検出するものである。このうち、冷却液入口温度センサ９１は、冷却液循環系７０によって燃料電池１０に送り込まれる冷却液のうち、燃料電池１０から第１所定距離未満の地点に存在する冷却液の温度を検出するように配置されている。また、冷却液温度センサ９２は、冷却液循環系７０によって燃料電池１０に送り込まれる冷却液のうち、燃料電池１０から第１所定距離以上離れた地点に存在する冷却液の温度を検出するように配置されている。また、冷却液出口温度センサ９３は、冷却液循環系７０によって循環させられる冷却液のうち、燃料電池１０にて暖められて排出された冷却液の温度を検出するように配置されている。

なお、冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２とは冷却液循環系７０において冷却液の温度分布を計測できる程度に離されており、例えば冷却液入口温度センサ９１は燃料電池１０の入口近傍に設けられ、冷却液温度センサ９２は燃料電池１０の入口から離れた距離に設けられている。

また、燃料電池システム１は、各種センサ９１〜１０６として、水素ガス入口温度センサ（第３温度検出手段）９４と、水素ガス温度センサ（第４温度検出手段）９５と、水素ガス圧センサ９６と、流量センサ９７とを有している。水素ガス入口温度センサ９４と水素ガス温度センサ９５とは、水素ガス供給配管２２に存在する水素ガスの温度を検出するものである。このうち、水素ガス入口温度センサ９４は、燃料ガス供給系２０によって燃料電池１０に送り込まれる水素ガスのうち、燃料電池１０から第２所定距離未満の地点に存在する水素ガスの温度を検出するように配置されている。また、水素ガス温度センサ９５は、燃料ガス供給系２０によって燃料電池１０に送り込まれる水素ガスのうち、燃料電池１０から第２所定距離以上離れた地点に存在する水素ガスの温度を検出するように配置されている。

水素ガス圧センサ９６は、燃料電池１０のアノード側の圧力を検出するものである。また、流量センサ９７は、燃料ガス循環系４０によって循環させられるガスの流量を検出するものである。なお、水素ガス入口温度センサ９４と水素ガス温度センサ９５とは燃料ガス供給系２０において燃料ガスの温度分布を計測できる程度に離されており、例えば水素ガス入口温度センサ９４は燃料電池１０の入口近傍に設けられ、水素ガス温度センサ９５は燃料電池１０の入口から離れた距離に設けられている。

また、燃料電池システム１は、各種センサ９１〜１０６として、空気入口温度センサ（第３温度検出手段）９８と、空気温度センサ（第４温度検出手段）９９と、空気圧センサ１００とを有している。空気入口温度センサ９８と空気温度センサ９９とは、空気供給配管５２に存在する空気の温度を検出するものである。このうち、空気入口温度センサ９８は、酸化剤ガス供給系５０によって燃料電池１０に送り込まれる空気のうち、燃料電池１０から第２所定距離未満の地点に存在する空気の温度を検出するように配置されている。また、空気温度センサ９９は、酸化剤ガス供給系５０によって燃料電池１０に送り込まれる空気のうち、燃料電池１０から第２所定距離以上離れた地点に存在する空気の温度を検出するように配置されている。

空気圧センサ１００は、燃料電池１０のカソード側の圧力を検出するものである。なお、空気入口温度センサ９８と空気温度センサ９９とは酸化剤ガス供給系５０において空気の温度分布を計測できる程度に離されており、空気入口温度センサ９８は燃料電池１０の入口近傍に設けられ、空気温度センサ９９は燃料電池１０の入口から離れた距離に設けられている。

また、燃料電池システム１は、各種センサ９１〜１０６として、セル電圧センサ１０１と、発電電流センサ１０２と、発電電圧センサ１０３と、二次電池用電圧センサ１０４と、二次電池用電流センサ１０５と、二次電池用温度センサ１０６とを備えている。

セル電圧センサ１０１は、燃料電池１０内に直列に接続されたセルの各電圧を測定するものである。発電電流センサ１０２は、燃料電池１０にて発電され負荷装置８２に供給される電流の値を検出するものである。すなわち、発電電流センサ１０２は、燃料電池１０からの取り出される電流の値を検出することとなる。発電電圧センサ１０３は、燃料電池１０全体の電圧値を検出するものである。

また、二次電池用電圧センサ１０４は、二次電池８３の電圧の値を検出するものであり、二次電池用電流センサ１０５は、二次電池８３と電力変換装置８１との間を流れる電流の値を検出するものである。二次電池用温度センサ１０６は、二次電池８３近傍の温度を検出するものである。

また、燃料電池システム１は、電気ヒータ（ヒータ）１１０とコントローラ１２０とを備えている。電気ヒータ１１０は、冷却液循環系７０に取り付けられ、冷却液を昇温させるものである。この電気ヒータ１１０は、通電量を変化させることで発熱量を制御して、冷却液を昇温させるようになっている。なお、電気ヒータ１１０は、冷却液循環系７０に限らず、燃料電池１０自体、又は酸化剤ガス供給系５０に設けられていてもよい。

コントローラ１２０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであって、各種センサ９０〜１０６からの信号を入力し、水素圧力調整弁２３、パージ弁３２、水素循環ポンプ４２、コンプレッサ５１、空気圧力調整弁６２、冷却液ポンプ７２、電力変換装置８１、及び電気ヒータ１１０を制御する構成となっている。

詳細にコントローラ１２０は、推定機能（推定手段）、判断機能（判断手段）、補正機能（補正手段）、及び制御機能（制御手段）を備えている。推定機能は、燃料電池１０内部の氷の量を推定する機能である。また、判断機能は、推定機能により推定された氷の量に応じて燃料電池１０での発電を維持可能か否かを判断するものである。ここで、燃料電池１０は低温環境下において発電を維持できなくなることがある。このため、判断機能は、低温環境下などにおいて発電維持可能か否かを、推定された氷の量から判断するようになっている。

補正機能は、推定機能により推定された氷の量を補正する機能である。ここで、氷の量は、燃料電池１０の運転状況に応じて増減する。例えば、今後発電量を増加させる予定であるとする。この場合、発電量を増加させると燃料電池１０にて水が生成され、水素ガスの温度が低いときになどには生成水が凍結し、氷の量が増加する。補正機能は、このような運転状況に応じて推定機能により推定された氷の量を補正する。故に、判断機能は、補正された氷の量に応じて発電を維持できるか否かを判断することとなり、正確な判断を行えるようになる。

さらに、制御機能は、燃料電池システム１の運転状態を制御するものである。例えば、制御機能は、判断機能により発電を維持できなくなると判断された場合には、発電を維持できるように運転状態を変更するようになっている。すなわち、制御機能は、このままの制御を続けると発電を維持できないと予測される場合に、制御内容を変更して発電を継続できるようにするものである。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を、図１を参照して説明する。まず、燃料電池システム１が起動すると、コントローラ１２０は、水素圧力調整弁２３とコンプレッサ５１とを制御して、燃料電池１０に水素ガス及び空気を供給する。

ここで、燃料電池システム１が氷点下などの低温環境下において使用されているとすると、燃料電池１０は発電を行えなくなる可能性がある。そこで、コントローラ１２０は、発電を維持できるか否かを判断するために、推定機能により、燃料電池１０内部の氷の量を推定する。このとき、コントローラ１２０は、燃料電池１０から取り出す電流の値を変化させた後に燃料電池１０の電圧値が一定値に到達するまでの時間に応じて氷の量を推定する。

図２は、図１に示したコントローラ１２０によって氷の量が推定されるときの処理を示す説明図であり、（ａ）は発電電流及び発電電圧と時刻との関係を示し、（ｂ）は応答時間と氷の量との相関を示している。まず、図２（ａ）に示すように、コントローラ１２０は、発電電流をステップ的に（なだらかでなくパルス的に）Δだけ変化させる。このとき、発電電圧は電流の変化に追従して一定値に素早く落ち着くはずである。ところが、燃料電池１０の氷の量が多い場合、一定値に落ち着くまでの時間（以下応答時間という）が長くなる傾向にある。

すなわち、氷の量と応答時間とには図２（ｂ）に示すような相関関係があり、応答時間を求めることによって氷の量を推定することができる。このように、推定機能は、応答時間が長くなるに従って氷の量が多くなるように推定することとなる。

以上のように、氷の量を推定した後、コントローラ１２０の補正機能は、推定した氷の量を補正する。図３は、図１に示したコントローラ１２０により氷の量が補正されるときの処理を示す説明図であり、（ａ）は発電電流の取り出しまでの時間と補正量との関係を示し、（ｂ）は空気入口温度センサ９８及び空気温度センサ９９による検出温度と補正量との相関を示している。また、（ｃ）は水素ガス入口温度センサ９４と水素ガス温度センサ９５による検出温度と補正量との相関を示し、（ｄ）は冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２とによる検出温度と補正量との相関を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、氷点下などの低温環境下において発電電流の取り出しまでの時間が長くなると、氷の量が増加してしまう。すなわち、氷点下などの低温環境下においては、第１所定温度（例えば０度）以下の水素ガスや空気、及び、第２所定温度（例えば０度）以下の冷却液が燃料電池１０に供給され、燃料電池１０の温度が低下する傾向にある。このため、補正機能は、発電電流の取り出しまでの時間が長くなるに従って氷の量を多くなるように補正する。

また、氷点下などの低温環境下において発電を行い、今後燃料電池による発電量を増加させる場合、補正機能は、図３（ｂ）〜（ｄ）示す相関に従って氷の量を補正する。すなわち、補正機能は、図３（ｂ）に示すように、空気入口温度センサ９８と空気温度センサ９９とによって検出された温度（例えば検出された温度の和）が低くなるに従って、推定機能により推定された氷の量が多くなるように補正する。例えば氷点下などの低温環境下において発電量を増加させると、発電量の増加よって生成水が増加し、空気入口温度センサ９８と空気温度センサ９９とによって検出された温度が低いと、供給される空気は低温であることから生成水を凍結させることとなる。しかも、空気入口温度センサ９８の温度だけでなく空気温度センサ９９にて検出される温度も低いことから、低温の空気が供給され続けることとなる。このような状態のとき、補正機能は、燃料電池内部の氷の量が多くなるように補正する。

また、補正機能は、図３（ｃ）に示すように、水素ガス入口温度センサ９４と水素ガス温度センサ９５とによって検出された温度（例えば検出された温度の和）が低くなるに従って、推定機能により推定された氷の量が多くなるように補正する。すなわち、水素ガス入口温度センサ９４と水素ガス温度センサ９５とによって検出された温度が低いと、供給される水素ガスは低温であることから生成水を凍結させることとなる。しかも、水素ガス入口温度センサ９４の温度だけでなく水素ガス温度センサ９５にて検出される温度も低いことから、低温の水素ガスが供給され続けることとなる。このような状態のとき、補正機能は、燃料電池内部の氷の量が多くなるように補正する。

また、補正機能は、図３（ｄ）に示すように、冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２とによって検出された温度が低くなるに従って、推定機能により推定された氷の量が多くなるように補正する。すなわち、冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２とによって検出された温度（例えば検出された温度の和）が低いと、供給される冷却液は低温であることから生成水を凍結させることとなる。しかも、冷却液入口温度センサ９１の温度だけでなく冷却液温度センサ９２にて検出される温度も低いことから、低温の冷却液が供給され続けることとなる。このような状態のとき、補正機能は、燃料電池内部の氷の量が多くなるように補正する。

以上のように補正機能が氷の量を補正した後、判断機能は、現在の運転状態を継続したままで発電を維持できるか否かを判断する。このとき、判断機能は、（１）現在の運転状態を継続したと仮定したときに発電電圧が所定値以下となる時間を求め、（２）予測時間内に発電を維持できるとして設定された所定条件を満たすか否かを判断する。そして、判断機能は、所定条件を満たすと判断した場合に、現在の運転状態を継続したままで発電を維持できると判断する。以下、判断機能の説明をする。

まず、判断機能は、現在の運転状態を継続したと仮定したときに、上記のようにして求めたれた氷の量と、燃料電池１０から取り出す電流の値とから発電電圧が所定値以下となる時間、すなわち発電ができなくなるまでの時間を予測する。

図４は、発電ができなくなるまでの時間を予測する処理を示す説明図であり、（ａ）は氷の量と発電電流から求められる予測時間を示し、（ｂ）は予測時間の大小関係を示している。図４（ａ）に示すように、コントローラ１２０は、発電電圧が所定値以下となるまでの時間を、氷の量と発電電流とから予測する。そして、コントローラ１２０は、発電電流が小さい場合、氷の量が少ないとき及び中程度のときに発電できなくなるまでの時間を「Ｍ」と予測し、氷の量が多いときに「Ｓ」と予測する。

また、コントローラ１２０は、発電電流が中程度である場合、氷の量が少ないときに発電できなくなるまでの時間「Ｌ」をと予測し、氷の量が中程度のときに「Ｍ」と予測し、氷の量が多いときに「Ｓ」と予測する。さらに、コントローラ１２０は、発電電流が大きい場合、氷の量が少ないときに発電できなくなるまでの時間「ＶＬ」をと予測し、氷の量が中程度のときに「Ｓ」と予測し、氷の量が多いときに「ＶＳ」と予測する。

このように、コントローラ１２０は、発電電圧が所定値以下となるまでの時間を５段階に予測する。そして、５段階の予測時間は、図４（ｂ）に示すようになっている。図４（ｂ）に示すように、発電電圧が所定値以下となるまでの時間は、「ＶＳ」「Ｓ」「Ｍ」「Ｌ」「ＶＬ」の順に短くなっている。なお、予測時間は５段階に限るものではなく、６段階以上などに予測されてもよい。

ここで、上記の図４（ａ）のようにコントローラ１２０が時間を予測するのは、以下の理由による。例えば、氷の量が多いと、発電してできた生成水が一層氷に邪魔されて燃料電池１０内部に滞留することとなる。このため、発電を維持できなくなる時間は早まってくる。また、氷の量が多い場合にはもともとの発電電圧が小さいことから、取り出す電流の値が大きいと電圧値は一層下がり、発電を維持できなくなる時間が早まってくる。逆に氷の量が少ない場合にはもともとの発電電圧が多少大きい値となっている。このため、取り出す電流の値が大きいと電圧値は下がってくるものの所定値以下とはなり難い。故に、発電による発熱によって電圧値が所定値以下となる時間が長くなる傾向にある。以上のように、コントローラ１２０は、氷の量や取り出す電流の値を考慮することで、電圧が所定値以下になるまでの時間、すなわち発電をできなくなるまでの時間を正確に予測している。

なお、氷の量が多い、中程度である又は少ないに関しては、使用される燃料電池１０の容量などによって決定されることは言うまでもない。また、発電電流の大小についても使用される燃料電池１０によって決定されることは言うまでもない。

以上のように、発電をできなくなるまでの時間を予測した後、コントローラ１２０の判断機能は、この予測時間に基づいて発電を維持できるか否かを判断する。具体的に判断機能は、予測時間内に、発電を維持できるとして設定された所定条件を満たすか否かによって、発電を維持できるか否かを判断する。例えば、判断機能は、予測時間内に、発電を維持できる程度に燃料電池１０が昇温されるという条件（所定条件）を満たすときには、発電を維持できると判断する。以下、予測時間に基づく判断を説明する。

まず、判断機能は、空気入口温度センサ９８からの信号を読み取って、予め記憶した空気入口温度の閾値Ｔ１から、空気入口温度センサ９８により検出される燃料電池１０入口付近の空気の温度を減じて、温度差ΔＴ１を求める。次いで、判断機能は、現在のコンプレッサ５１の回転数と、現在のコンプレッサ５１の運転圧力と、現在の外気温度とから温度差ΔＴ１分だけ昇温するのに、必要な時間ｔ１を求める。

また、判断機能は、冷却液入口温度センサ９１からの信号を読み取って、予め記憶した冷却液温度の閾値Ｔ２から、冷却液入口温度センサ９１により検出される燃料電池１０入口付近の冷却液温度を減じて、温度差ΔＴ２を求める。次いで、判断機能は、冷却液循環系７０に設けられた電気ヒータ１１０の通電量と外気温度とから温度差ΔＴ２分だけ昇温するのに、必要な時間ｔ２を求める。

図５は、昇温に必要な時間ｔ１，ｔ２を求める処理を示す説明図であり、（ａ）は時間ｔ１を求めるときに用いられるテーブルを示し、（ｂ）は時間ｔ２を求めるときに用いられるテーブルを示している。まず、図５（ａ）に示すように、コントローラ１２０は、コンプレッサ５１の回転数とコンプレッサ５１の運転圧力とから単位時間あたりの空気の昇温量を決定することができる空気昇温テーブルを、外気温度ごとに記憶している。すなわち、コントローラ１２０は、時間ｔ１を求めるにあたり、現在の外気温度から参照すべき空気昇温テーブルを選択し、選択した空気昇温テーブルに現在のコンプレッサ５１の回転数と現在のコンプレッサ５１の運転圧力とを当てはめて、単位時間あたりの空気の昇温量を求める。そして、コントローラ１２０は、温度差ΔＴ１を昇温量で除することで時間ｔ１を求めることとなる。

また、図５（ｂ）に示すように、コントローラ１２０は、外気温度と電気ヒータ１１０の通電量とから単位時間あたりの冷却液の昇温量を決定することができる冷却液昇温テーブルを記憶している。このため、コントローラ１２０は、現在の外気温度と現在の電気ヒータ１１０の通電量とを冷却液昇温テーブルに当てはめて、単位時間あたりの冷却液の昇温量を求める。そして、コントローラ１２０は、温度差ΔＴ２を昇温量で除することで時間ｔ２を求めることとなる。

以上のようにして、燃料電池１０の入口付近の空気温度を閾値Ｔ１まで昇温する時間ｔ１と、燃料電池１０の入口付近の冷却液温度を閾値Ｔ２まで昇温するまでの時間ｔ２とを求めた後、コントローラ１２０は、時間ｔ１，ｔ２のうち長い方を選択する。次いで、コントローラ１２０の判断機能は、時間ｔ１，ｔ２のうち長い方と、上記した発電をできなくなるまでの予測時間とを比較し、発電をできなくなるまでの予測時間の方が短い場合、発電を維持できないと判断する。他方、判断機能は、発電をできなくなるまでの予測時間の方が長い場合、発電を維持できると判断する。すなわち、判断機能は、発電をできなくなるまでの予測時間の方が長い場合、発電ができなくなるまえに空気と冷却液とが充分に昇温されることから、発電を維持できると判断する。他方、そうでない場合には、空気と冷却液とが充分に昇温されずに発電を維持できなくなると判断することとなる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０内部の氷の量を推定して、推定した氷の量に応じて発電できなくなるまでの予測時間を求め、その時間から燃料電池１０での発電を維持可能か否かを判断することとしている。すなわち、燃料電池システム１は、燃料電池１０の温度が単に氷点下などであっても発電を維持できないと断定することなく、発電できなくなる予測時間までに発電を継続できる条件を満たすか否かを判断することにより、発電可能か否かを判断するようになっている。このため、燃料電池システム１は、従来よりも燃料電池１０が発電可能状態であるか否かについての判断精度を向上させることができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細な動作を説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。同図に示すように、燃料電池システム１が起動すると、コントローラ１２０は、水素圧力調整弁２３とコンプレッサ５１とを制御して、燃料電池１０に水素ガス及び空気を供給する（ＳＴ１）。

次に、コントローラ１２０は、燃料電池システム１の起動処理を継続するか否かを判断する（ＳＴ２）。図７は、図６に示したステップＳＴ２の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、コントローラ１２０は、燃料電池１０の電圧が無負荷電圧であるか否かを判断する（ＳＴ２１）。

ここで、燃料電池１０の電圧が無負荷電圧でない場合とは、例えば２通りの場合が考えられる。１つ目は燃料電池１０が故障している場合であり、２つ目は燃料電池１０の反応層が全て氷あるいは水で覆われている場合である。ところが、一般に反応層は撥水効果を有する材料で作られるため、起動時に反応層が全て氷あるいは水で覆われている状態は通常起こりえない。従って、燃料電池１０の電圧が無負荷電圧でない場合とは、燃料電池１０が故障している場合である可能性が高い。

故に、コントローラ１２０は燃料電池１０の電圧が無負荷電圧であるか否かを判断し、燃料電池１０の電圧が無負荷電圧である場合（ＳＴ２１：ＹＥＳ）には、燃料電池１０が正常であると判断し、燃料電池システム１の起動処理を継続すると判断する（ＳＴ２２）。これにより、図６のステップＳＴ２において「ＹＥＳ」と判断されることとなる。一方、燃料電池１０の電圧が無負荷電圧でない場合（ＳＴ２１：ＮＯ）に、コントローラ１２０は燃料電池１０が故障していると判断し、燃料電池システム１の起動処理を継続しないと判断する（ＳＴ２３）。そして、図６のステップＳＴ２において「ＮＯ」と判断される。

再度、図６を参照する。図７の処理を経て燃料電池システム１の起動処理を継続しないと判断した場合（ＳＴ２：ＮＯ）、図６に示す処理は終了する。他方、燃料電池システム１の起動処理を継続すると判断した場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、コントローラ１２０は、発電開始タイミングを早めるか否かを判断し、早めると判断した場合には開始タイミングを早める処理を実行する（ＳＴ３）。

図８は、図６に示したステップＳＴ３の詳細を示すフローチャートである。まず、コントローラ１２０は、燃料電池１０の入口付近の水素ガス温度が閾値以下（第３所定温度以下）であるか否かを判断する（ＳＴ３１）。ここで、燃料電池１０の入口付近の水素ガス温度が閾値以下であると判断した場合（ＳＴ３１：ＹＥＳ）、コントローラ１２０の制御機能は、燃料電池１０のアノードの圧力を高くし、燃料ガス循環系４０でのガスの循環量を多くする（ＳＴ３２）。ここで、燃料電池１０へ供給する水素ガス温度が低いと燃料電池１０内部が冷やされて氷の量が増加してしまうこととなる。すなわち、発電維持不可能となるケースが増加してしまう。よって、本実施形態では、入口付近の水素ガス温度が閾値以下である場合、上記ステップＳＴ３２において３つの処理を行って、水素ガスを燃料電池１０のアノード極内に早く満たすこととしている。これにより、発電を早期に開始できることとなり、発電維持不可能になるケースを一層低減することができる。そして、ステップＳＴ３２を経て処理は図６のステップＳＴ４に移行する。

なお、ステップＳＴ３２においては、より発電維持不可能となるケースを低減するために、燃料電池１０のアノードの圧力を最大とし、水素循環ポンプ４２の回転数を最大にしている。

一方、燃料電池１０の入口付近の水素ガス温度が閾値以下でないと判断した場合（ＳＴ３１：ＮＯ）、コントローラ１２０は、燃料電池１０の入口付近の空気温度が閾値以下（第３所定温度以下）であるか否かを判断する（ＳＴ３３）。そして、燃料電池１０の入口付近の空気温度が閾値以下であると判断した場合（ＳＴ３３：ＹＥＳ）、制御機能は、燃料電池１０のアノードの圧力を最大とし、水素循環ポンプ４２の回転数を最大にし、パージ弁３２の開度を最大にする（ＳＴ３２）。そして、処理は図６のステップＳＴ４に移行する。

また、燃料電池１０の入口付近の空気温度が閾値以下でないと判断した場合（ＳＴ３３：ＮＯ）、コントローラ１２０は、冷却液が循環しているか否かを判断する場合（ＳＴ３４）。冷却液が循環していない場合（ＳＴ３４：ＮＯ）、処理は図６のステップＳＴ４に移行する。冷却液が循環している場合（ＳＴ３４：ＹＥＳ）、コントローラ１２０は、燃料電池１０の入口付近の冷却液温度が閾値以下（第４所定温度以下）であるか否かを判断する（ＳＴ３５）。燃料電池１０の入口付近の冷却液温度が閾値以下でないと判断した場合（ＳＴ３５：ＮＯ）、図６に示す処理は終了する。

他方、燃料電池１０の入口付近の冷却液温度が閾値以下であると判断した場合（ＳＴ３５：ＹＥＳ）、制御機能は、燃料電池１０のアノードの圧力を最大とし、水素循環ポンプ４２の回転数を最大にし、パージ弁３２の開度を最大にする（ＳＴ３２）。そして、処理は図６のステップＳＴ４に移行する。

再度、図６を参照する。ステップＳＴ３の処理の終了後、コントローラ１２０は、発電を開始すべきタイミングか否かを判断し、発電開始タイミングであるときには燃料電池１０に発電を行わせる（ＳＴ４）。図９は、図６に示したステップＳＴ４の詳細を示すフローチャートである。まず、コントローラ１２０は、流量センサ９７からの信号を読み取って、水素ガスの循環流量が閾値以上であるか否かを判断する（ＳＴ４１）。そして、水素ガスの循環流量が閾値以上でないと判断した場合（ＳＴ４１：ＮＯ）、コントローラ１２０は、発電開始タイミングでないと判断し（ＳＴ４２）、処理は図６のステップＳＴ６に移行する。

一方、水素ガスの循環流量が閾値以上であると判断した場合（ＳＴ４１：ＹＥＳ）、コントローラ１２０は、発電開始タイミングであると判断し（ＳＴ４３）、仮の目標発電電流を設定する（ＳＴ４４）。次に、コントローラ１２０は、仮の目標発電電流の値が発電電流値の上限値から所定値Δ以上低いか否かを判断する（ＳＴ４５）。

ここで、目標発電電流の値が発電電流値の上限値から所定値Δ以上低いと判断した場合（ＳＴ４５：ＹＥＳ）、コントローラ１２０は、ステップＳＴ４４にて設定した仮の目標発電電流の値を目標発電電流として設定し（ＳＴ４６）、処理は図６のステップＳＴ５に移行する。一方、目標発電電流の値が発電電流値の上限値から所定値Δ以上低くないと判断した場合（ＳＴ４５：ＮＯ）、コントローラ１２０は、発電電流の上限値から所定値Δを減じた値を目標発電電流として設定し（ＳＴ４７）、処理は図６のステップＳＴ５に移行する。

ここで、ステップＳＴ４５〜ＳＴ４７の処理は、後に氷の量を推定するときに、発電電流をステップ的に増加させるために行われている。すなわち、目標発電電流が上限値に近いと、発電電流をステップ的に増加させることができなくなる。これを防止するために、ステップＳＴ４５〜ＳＴ４７の処理では、Δの余裕分を有するように発電電流が設定されている。

また、上記ステップＳＴ４１では、水素ガスの循環流量が閾値以上であるか否かが判断されているが、これに限らず、アノード内の水素ガスの濃度が閾値以上であるか否かを判断するようにしてもよい。

再度、図６を参照する。上記処理を経た後、コントローラ１２０は、発電が開始されているか否かを判断する（ＳＴ５）。発電が開始されていない場合（ＳＴ５：ＮＯ）、処理はステップＳＴ４に戻る。発電が開始されていると判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、コントローラ１２０の推定機能は、氷の量を推定する（ＳＴ６）。

図１０は、図６に示したステップＳＴ６の詳細を示すフローチャートである。まず、推定機能は、発電電流をステップ的にΔだけ増加させる（ＳＴ６１）。すなわち、推定機能は、図２（ａ）を参照して説明したように発電電流をパルス的にΔだけ増加させる。次に、推定機能は、応答時間の計測を開始する（ＳＴ６２）。そして、推定機能は、電圧が一定値に到達したか否かを判断する（ＳＴ６３）。

電圧が一定値に到達していない場合（ＳＴ６３：ＮＯ）、到達したと判断されるまで、この処理が繰り返される。他方、電圧が一定値に到達した場合（ＳＴ６３：ＹＥＳ）、推定機能は、ステップＳＴ６２によって計測開始された応答時間を特定し、この応答時間に基づいて氷の量を推定する（ＳＴ６４）。すなわち、推定機能は、図２（ｂ）に示した相関に基づいて、応答時間から氷の量を推定する。次いで、処理は図６のステップＳＴ７に移行する。

再度、図６を参照する。氷の量を推定した後、コントローラ１２０の補正機能は、推定機能より推定した氷の量を補正する（ＳＴ７）。図１１は、図６に示したステップＳＴ７の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、補正機能は、水素ガス及び空気を燃料電池１０に供給してから、発電電流の取り出しまでの時間が長くなるに従って氷の量を多くなるように補正する（ＳＴ７１）。すなわち、補正機能は、図３（ａ）に示した相関に従って補正することとなる。

次に、補正機能は、今後発電量を増加させる場合、空気入口温度センサ９８と空気温度センサ９９にて検出された温度が低くなるに従って、推定機能により推定された氷の量が多くなるように補正する（ＳＴ７２）。すなわち、補正機能は、図３（ｂ）に示した相関に従って補正することとなる。

その後、補正機能は、今後発電量を増加させる場合、水素ガス入口温度センサ９４と水素ガス温度センサ９５にて検出された温度が低くなるに従って、推定機能により推定された氷の量が多くなるように補正する（ＳＴ７３）。すなわち、補正機能は、図３（ｃ）に示した相関に従って補正することとなる。

次いで、補正機能は、今後発電量を増加させる場合、冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２にて検出された温度が低くなるに従って、推定機能により推定された氷の量が多くなるように補正する（ＳＴ７４）。すなわち、補正機能は、図３（ｄ）に示した相関に従って補正することとなる。その後、処理は図６のステップＳＴ８に移行する。

再度、図６を参照する。氷の量を補正した後、コントローラ１２０の判断機能は、発電維持可能か否かを判断する（ＳＴ８）。図１２は、図６に示したステップＳＴ８の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、発電維持可能か否かを判断するにあたって、まず、コントローラ１２０の判断機能は、現在の運転状態を継続したと仮定したときに、上記氷の量と、燃料電池１０から取り出す電流の値とから発電電圧が所定値以下となる時間を予測する（ＳＴ８１）。このとき、判断機能は、図４を参照して説明したようにして、発電電圧が所定値以下となる時間を予測する。

次に、コントローラ１２０の判断機能は、空気入口温度センサ９８からの信号を読み取って、予め記憶した酸化剤ガス入口温度の閾値Ｔ１から、空気入口温度センサ９８により検出される燃料電池１０入口付近の酸化剤ガスの温度を減じて、温度差ΔＴ１を求める（ＳＴ８２）。次いで、判断機能は、冷却液入口温度センサ９１からの信号を読み取って、予め記憶した冷却液温度の閾値Ｔ２から、冷却液入口温度センサ９１により検出される燃料電池１０入口付近の冷却液温度を減じて、温度差ΔＴ２を求める（ＳＴ８２）。

その後、判断機能は、現在のコンプレッサ５１の回転数と、現在のコンプレッサ５１の運転圧力と、現在の外気温度とから、温度差ΔＴ１分だけ昇温するのに必要な時間ｔ１を求める（ＳＴ８３）。次に、判断機能は、冷却液循環系７０に設けられた電気ヒータ１１０の通電量と外気温度とから、温度差ΔＴ２分だけ昇温するのに必要な時間ｔ２を求める（ＳＴ８４）。ここで、時間ｔ１，ｔ２は、図５を参照して説明したように求められる。

そして、判断機能は、時間ｔ１，ｔ２のうち長い方を選択する（ＳＴ８５）。次いで、コントローラ１２０の判断機能は、時間ｔ１，ｔ２のうち長い方と、発電電圧が所定値以下となる予測時間とを比較し、予測時間の方が短いか否かを判断する（ＳＴ８６）。

そして、予測時間の方が短いと判断した場合（ＳＴ８６：ＹＥＳ）、コントローラ１２０の判断機能は、発電を維持できるとして設定された所定条件を満たさないと判断し（ＳＴ８７）、処理は図６のステップＳＴ９に移行する。他方、予測時間の方が短くない場合（ＳＴ８６：ＮＯ）、判断機能は、発電を維持できるとして設定された所定条件を満たすと判断し（ＳＴ８８）、処理は図６のステップＳＴ９に移行する。

再度、図６を参照する。ステップＳＴ９において、コントローラ１２０の判断機能は、発電維持できないと判断されたか否かを判断する（ＳＴ９）。ここで、発電維持できると判断されていた場合（ＳＴ９：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１２に移行する。一方、発電維持できないと判断されていた場合（ＳＴ９：ＹＥＳ）、コントローラ１２０の制御機能は、発電を維持できるとして設定された所定条件を満たすようにステップＳＴ１０〜ＳＴ１２の処理を行う。

詳細に説明すると、コントローラ１２０の制御機能は、運転条件を変更して、燃料電池１０を昇温させるようにする（ＳＴ１０）。このとき、制御機能は、例えば燃料電池１０の温度が所望の温度となるように、電気ヒータ１１０の通電量を多くしたり、コンプレッサ５１の運転圧力を高くしたりする。

なお、コンプレッサ５１の運転圧力を高くする場合には、制御機能は、予め設定された音や振動の制限値にかかわらず送り込む空気の流量を多くする。すなわち、燃料電池システム１の周辺の騒音や振動などを考慮して制限値が定められるのが通常であり、燃料電池システム１の運転は原則として制限値を超えないように行われる。しかし、コンプレッサ５１の運転圧力を高くする場合、予め設定された音や振動の制限値にかかわらず送り込む酸化剤ガスの流量を多くすることで、発電維持を優先的に行うこととなる。

次いで、コントローラ１２０の制御機能は、冷却液の循環について運転条件を変更する（ＳＴ１１）。図１３は、図６に示したステップＳＴ１１の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、制御機能は所定閾値以上の発電量で所定時間以上継続して発電を行っているか否かを判断する（ＳＴ１１１）。ここで、所定閾値以上の発電量で所定時間以上継続して発電を行っていなかった場合（ＳＴ１１１：ＮＯ）、制御機能は、燃料電池１０が充分な期間発電を行っておらず暖まっていないと判断し、冷却液の循環を停止させる（ＳＴ１１２）。次いで、処理は図６のステップＳＴ１２に移行する。

一方、所定閾値以上の発電量で所定時間以上継続して発電を行っていた場合（ＳＴ１１１：ＹＥＳ）、制御機能は、燃料電池１０が多少暖まっていると判断し、冷却液を循環させる。このように、燃料電池１０が暖まっていない場合に、冷却液を循環させて冷却しないようにし、温度を早期に上昇させて発電維持できるようにしている。また、冷却液の循環を停止させると、燃料電池１０の内部温度を測定できなくなるが、断続的に冷却液を循環させるため、燃料電池１０の内部温度が測定できなくなる事態を防止することにもつながる。

ところで、制御機能は、冷却液を燃料電池１０に断続的に流入させる場合、冷却液の循環流量が適切となるように、断続的に冷却液を流入させる際の冷却液の停止時間を決定する。具体的に制御機能は、まず、冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２とによる検出温度が双方とも閾値以下であるか否かを判断する（ＳＴ１１３）。双方とも閾値以下である場合（ＳＴ１１３：ＹＥＳ）、制御機能は、冷却液を断続的に燃料電池１０に流入させると共に、断続的に流入させる際の冷却液の停止時間を長くする（ＳＴ１１４）。そして、処理は図６のステップＳＴ１２に移行する。

他方、冷却液入口温度センサ９１と冷却液温度センサ９２とによる検出温度のいずれか一方でも閾値以下でない場合（ＳＴ１１３：ＮＯ）、制御機能は、冷却液を断続的に燃料電池１０に流入させると共に、断続的に流入させる際の冷却液の停止時間を短くする（ＳＴ１１４）。そして、処理は図６のステップＳＴ１２に移行する。

なお、図１３の処理に代えて以下の処理を行ってもよい。すなわち、制御機能は、冷却液入口温度センサ９１の検出温度から、図１４に示す相関関係に従って、冷却液の停止時間を決めるようにする。図１４は、冷却液入口温度センサ９１及び冷却液温度センサ９２の検出温度と、冷却液の停止時間との相関を示す説明図である。同図に示すように、制御機能は、冷却液温度がＴａ未満である場合、冷却液の循環を完全に停止する。また、制御機能は、冷却液温度がＴａ以上Ｔｂ未満である場合、冷却液の温度が低くなるに従って、停止時間を長くする。また、制御機能は、冷却液温度がＴｂ以上である場合、冷却液を常時循環させる。

再度、図６を参照する。冷却液の循環制御を行った後、制御機能は、発電電流増加処理を実行する（ＳＴ１２）。図１５は、図６に示したステップＳＴ１２の詳細を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、制御機能は、冷却液を循環開始してから、所定時間以上継続して閾値以上の電圧が得られていたか否かを判断する（ＳＴ１２１）。そして、冷却液を循環開始してから所定時間以上継続して閾値以上の電圧が得られていたと判断した場合（ＳＴ１２１：ＹＥＳ）、制御機能は、発電電流を増加させる（ＳＴ１２２）。次いで、処理は図６のステップＳＴ１３に移行する。

ここで、燃料電池１０の発電電流を増加させると、発熱量も増加して燃料電池１０を暖めることができる。このため、燃料電池１０の発電を維持できるようにすることができる。ただし、発電電流を増加させると生成水の量が増えて生成水が凍結し、発電電圧が低下する可能性がある。そこで、本実施形態では、このような状態にならないようにステップＳＴ１２１において所定時間以上継続して閾値以上の電圧が得られていることを確認し、生成水の凍結等が生じないことを確認したうえで、発電電流を増加させるようにしている。

また、冷却液を循環開始してから所定時間以上継続して閾値以上の電圧が得られていなかったと判断した場合（ＳＴ１２１：ＮＯ）、制御機能は、冷却液出口温度センサ９３からの信号を読み込んで、燃料電池１０の出口付近の冷却液温度が、冷却液を循環開始してから所定時間以上継続して閾値以上の温度であるか否かを判断する（ＳＴ１２３）。冷却液を循環開始してから所定時間以上継続して閾値以上の温度である場合（ＳＴ１２３：ＹＥＳ）、制御機能は、発電電流を増加させる（ＳＴ１２２）。すなわち、ステップＳＴ１２１と同様に生成水が凍結等しないことを判定したうえで、発電電流を増加させるようにしている。そして、処理は図６のステップＳＴ１３に移行する。

一方、冷却液を循環開始してから所定時間以上継続して閾値以上の温度でない場合（ＳＴ１２３：ＹＥＳ）、制御機能は生成水の凍結の可能性が高いと判断し、発電電流を増加させることなく、処理は図６のステップＳＴ１３に移行する。

再度、図６を参照する。ステップＳＴ１３において、コントローラ１２０は、起動終了判定処理を行う（ＳＴ１３）。この処理においてコントローラ１２０は、氷の量を推定する際に発電電流を増加した後、所定時間以上継続して発電電圧が閾値を維持以上しており、且つ、冷却液が連続的に循環されており、且つ、燃料電池１０の出口付近の冷却液温度が所定時間以上閾値以上の温度を維持している場合に、起動終了すると判断する。すなわち、コントローラ１２０は、これら条件が成立する場合、今後燃料電池１０の発電を継続させても生成水が再凍結する状態に至らないと判断し、起動終了と判断する。その後、処理は通常の運転状態に移行することとなる。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０内部の氷の量を推定して、推定した氷の量に応じて燃料電池１０での発電を維持可能か否かを判断することとしている。ここで、燃料電池１０は、その温度が氷点下であっても全く発電できないわけでなく、発電により生成される生成水が内部に存在する氷に邪魔されて排出ができなくなって滞留又は凍結することから、発電を維持できなくなる。従って、燃料電池１０内部の氷の量を推定して発電を維持可能か判断するようにすることで、燃料電池１０などの温度等を判断する場合に比して、燃料電池１０が発電可能状態であるか否かについての判断精度を向上させることができる。

また、燃料電池１０から取り出す電流の値を変化させた後に燃料電池１０の電圧値が一定値に到達するまでの時間に応じて氷の量を推定することとしている。ここで、取り出す電流の値を変化させた後、電圧が一定値に落ち着くまでの時間は燃料電池１０内部の氷の量によって変化するという特徴がある。このため、一定値に到達するまでの時間によって氷の量を推定することで、現在の燃料電池１０内部の氷の量を正確に知ることができ、発電可能状態であるか否かについての判断精度を一層向上させることができる。

また、燃料電池１０から取り出す電流の値を変化させた後に燃料電池１０の電圧値が一定値に到達するまでの時間が長くなるに従って氷の量が多くなるように推定することとしている。ここで、燃料電池１０の電圧が一定値に到達するまでの時間は燃料電池１０内部の氷の量が多いほど長くなるという特徴がある。このため、電圧が一定値に到達するまでの時間が長くなるに従って氷の量が多くなるように推定することで、現在の燃料電池１０内部の氷の量を正確に知ることができ、発電可能状態であるか否かについての判断精度をより一層向上させることができる。

また、燃料電池１０による発電量を増加させる場合に、燃料電池１０から第１所定距離未満の地点に存在する冷却液の温度と燃料電池から第１所定距離以上離れたで地点に存在する冷却液の温度とが低くなるに従って、推定した氷の量が多くなるように補正することとしている。ここで、燃料電池１０へ供給する冷却液温度が低い状態で長く継続すると燃料電池１０内部の温度が冷えて生成水が凍結する。これにより、生成水の排出が邪魔され、燃料電池は発電を継続できなくなる。しかも、燃料電池１０から離れた箇所の冷却液の温度が低くいことから、低温の冷却液が長く供給されることとなる。このような状態の時に発電量を増加して生成水が増えると、燃料電池１０内部の氷の量が多くなるといえる。故に、発電量を増加させる場合には燃料電池１０近傍又は燃料電池１０から離れた冷却液の温度が低くなるに従って氷の量が多くなるように補正することで、発電量増加前に今後の氷の量を正確に知ることができ、発電可能状態であるか否かについての判断精度をより一層向上させることができる。

また、燃料電池１０による発電量を増加させる場合に、燃料電池１０から第２所定距離未満の地点に存在するガスの温度と燃料電池から第２所定距離以上離れたで地点に存在するガスの温度とが低くなるに従って、推定した氷の量が多くなるように補正することとしている。ここで、燃料電池１０へ供給するガス温度が低い状態で長く継続すると燃料電池１０内部の温度が冷えて生成水が凍結する。これにより、生成水の排出が邪魔され、燃料電池は発電を継続できなくなる。しかも、燃料電池から離れた箇所の水素ガスの温度が低くいことから、低温のガスが長く供給されることとなる。このような状態の時に発電量を増加して生成水が増えると、燃料電池１０内部の氷の量が多くなるといえる。故に、発電量を増加させる場合には燃料電池１０近傍又は燃料電池１０から離れたガスの温度が低くなるに従って氷の量が多くなるように補正することで、発電量増加前に今後の氷の量を正確に知ることができ、発電可能状態であるか否かについての判断精度をより一層向上させることができる。

また、第１所定温度以下の水素ガス若しくは空気、及び第２所定温度以下の冷却液の少なくとも１つが燃料電池１０に供給されてから発電電流が取り出されるまでの時間が長くなるに従って、推定された氷の量が多くなるように補正することとしている。ここで、燃料電池１０へ供給するガス温度や冷却液温度が低いと燃料電池内部の温度が冷える。このため、発電電流の取り出し開始が遅くなると燃料電池１０内で生成されていた生成水が凍結して、氷の量が多くなる。従って、低温ガスや冷却液が供給されてから発電電流を取り出すまでの時間が長くなるに従って氷の量が多くなるように補正することで、正確な氷の量を知ることができ、発電可能状態であるか否かについての判断精度をより一層向上させることができる。

また、燃料電池１０での発電を維持し続けたと仮定したときに、燃料電池１０の電圧が所定値以下となるまでの時間を予測し、この予測時間までに発電を維持できるとして設定された所定条件を燃料電池１０が満たすか否かによって、発電を維持可能か否かを判断することとしている。すなわち、燃料電池１０の電圧が所定値以下となって発電を維持できなくなる時間までに、発電を維持可能な所定条件を満たすことができるかを判断し、この結果によって発電を維持可能か否かを判断している。従って、所定条件を基準として発電を維持可能か否かを容易に判断することができる。

また、氷の量や取り出す電流の値に従って、燃料電池１０の電圧が所定値以下となるまでの時間を予測することとしている。ここで、氷の量が多いと、発電してできた生成水が一層氷に邪魔されて燃料電池１０内部に滞留することとなる。このため、発電を維持できなくなる時間が早まってくる。また、氷の量が多い場合に、取り出す電流の値が大きいと電圧値は下がってくることから、発電を維持できなくなる時間が早まってくる。逆に氷の量が少ない場合、取り出す電流の値が大きいと電圧値は下がってくるものの発電による発熱によって電圧値が所定値以下となる時間が長くなる傾向にある。以上のように、氷の量や取り出す電流の値を考慮することで、電圧が所定値以下になるまでの時間を正確に予測することができる。

また、燃料電池１０での発電を維持できないと判断された場合、燃料電池１０が所定条件を満たすように、運転状態を変更することとしている。このため、現状では発電を維持できなくなる状態であっても発電維持可能な状態となるように制御して発電維持できるようにすることができる。

また、発電を維持できないと判断された場合、燃料電池１０の温度が所望の温度になるように電気ヒータ１１０の通電量を多くすること、燃料電池１０の温度が所望の温度になるようにコンプレッサ５１の運転圧力を上昇させること、及び燃料電池１０の発電電流を大きくすることの少なくとも１つを行うこととしている。ここで、電気ヒータ１１０の通電量を多くすると燃料電池、冷却液及び水素ガスの少なくとも１つを暖めることとなる。また、コンプレッサ５１の運転圧力を上昇させると、燃料電池１０の温度を上昇させることにつながる。また、発電電流を大きくすると発電による発熱によって燃料電池１０の温度を上昇させることとなる。これらにより、燃料電池１０の温度を上昇させて生成水の滞留や凍結を防止し、燃料電池を発電維持できるようにすることができる。

また、コンプレッサ５１の運転圧力を高くするとともに空気の流量も多くするようにしたので燃料電池１０へ供給する空気の温度を高くして、燃料電池１０を発電維持できるようにすることができる。特に、予め設定された音及び振動の制限値を超えて空気の流量を上昇させるため、燃料電池システム１の周辺の騒音や振動よりも、発電維持を優先させており、より最適に燃料電池１０を発電維持できるようにすることができる。

また、燃料電池１０での発電を維持できないと判断された場合、燃料電池１０に断続的に冷却液を流入させると共に、燃料電池１０から第１所定距離未満の冷却液及び燃料電池１０から第１所定距離以上離れた冷却液の温度が低くなるに従って、断続的に冷却液を流入させる際の冷却液の停止時間を長くすることとしている。ここで、通常低温起動時には冷却液循環を止めて起動するが、冷却液循環を止めると燃料電池１０の内部温度を知ることができなくなる。他方、冷却液を循環させると燃料電池１０出口付近の冷却液温度から大凡の燃料電池１０の内部温度を知ることができる。このため、冷却液を循環させることとしている。このとき、冷たい冷却液を継続して流しつづけると燃料電池内部で生成水の凍結が進行してしまうので、冷却液を断続的に流し、しかも冷却液の温度が低くなるに従って断続的に冷却液を流入させる際の冷却液の停止時間を長くなるようにする。これにより、生成水凍結の進行を抑制しつつも、燃料電池１０の温度を検出できる状態とすることができる。

また、第３所定温度以下の水素ガス若しくは空気、及び第４所定温度以下の冷却液の少なくとも１つが燃料電池１０に供給された場合、燃料電池１０のアノードの圧力を高くすること、及び燃料ガス循環系４０でのガスの循環量を高くすることのいずれかを行うこととしている。ここで、上記３つのうち少なくとも１つを行うと、水素ガスを燃料電池１０のアノード極内に早く満たすことができる。このため、燃料電池１０へ供給するガス温度や冷却液温度が低く燃料電池１０の内部が冷える場合に、上記３つの少なくとも１つを行うことで、発電電流の取り出し開始が遅くなるを防止することができ、発電維持不可能になるケースを低減することができる。また、水素ガスが燃料電池１０のアノード極内に満たされるまでに、発電を行うとアノード極の劣化を招くこととなるが、水素ガスを燃料電池１０のアノード極内に早くに満たすことができるため、劣化防止にもつながる。従って、アノードの劣化を防止しつつ、発電維持不可能になるケースを低減することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示したコントローラによって氷の量が推定されるときの処理を示す説明図であり、（ａ）は発電電流及び発電電圧と時刻との関係を示し、（ｂ）は応答時間と氷の量との相関を示している。 図１に示したコントローラにより氷の量が補正されるときの処理を示す説明図であり、（ａ）は発電電流の取り出しまでの時間と補正量との関係を示し、（ｂ）は空気入口温度センサ及び空気温度センサによる検出温度と補正量との相関を示し、（ｃ）は水素ガス入口温度センサと水素ガス温度センサによる検出温度と補正量との相関を示し、（ｄ）は冷却液入口温度センサと冷却液温度センサとによる検出温度と補正量との相関を示している。 発電ができなくなるまでの時間を予測する処理を示す説明図であり、（ａ）は氷の量と発電電流から求められる予測時間を示し、（ｂ）は予測時間の大小関係を示している。 昇温に必要な時間ｔ１，ｔ２を求める処理を示す説明図であり、（ａ）は時間ｔ１を求めるときに用いられるテーブルを示し、（ｂ）は時間ｔ２を求めるときに用いられるテーブルを示している。 本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。 図６に示したステップＳＴ２の詳細を示すフローチャートである。 図６に示したステップＳＴ３の詳細を示すフローチャートである。 図６に示したステップＳＴ４の詳細を示すフローチャートである。 図６に示したステップＳＴ６の詳細を示すフローチャートである。 図６に示したステップＳＴ７の詳細を示すフローチャートである。 図６に示したステップＳＴ８の詳細を示すフローチャートである。 図６に示したステップＳＴ１１の詳細を示すフローチャートである。 冷却液入口温度センサ及び冷却液温度センサの検出温度と、冷却液の停止時間との相関を示す説明図である。 図６に示したステップＳＴ１２の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…燃料ガス供給系
２１…水素タンク
２２…水素ガス供給配管
２３…水素圧力調整弁
３０…燃料ガス排出系
３１…水素ガス排出配管
３２…パージ弁
４０…燃料ガス循環系
４１…水素循環配管
４２…水素循環ポンプ
５０…酸化剤ガス供給系
５１…コンプレッサ
５２…空気供給配管
６０…酸化剤ガス排出系
６１…空気排出配管
６２…空気圧力調整弁
７０…冷却液循環系
７１…冷却液循環配管
７２…冷却液ポンプ
８１…電力変換装置
８２…負荷装置
８３…二次電池
９１…冷却液入口温度センサ（第１温度検出手段）
９２…冷却液温度センサ（第２温度検出手段）
９３…冷却液出口温度センサ
９４…水素ガス入口温度センサ（第３温度検出手段）
９５…水素ガス温度センサ（第４温度検出手段）
９６…水素ガス圧センサ
９７…流量センサ
９８…空気入口温度センサ（第３温度検出手段）
９９…空気温度センサ（第４温度検出手段）
１００…空気圧センサ
１０１…セル電圧センサ
１０２…発電電流センサ
１０３…発電電圧センサ
１０４…二次電池用電圧センサ
１０５…二次電池用電流センサ
１０６…二次電池用温度センサ
１１０…電気ヒータ（ヒータ）
１２０…コントローラ（推定手段、判断手段、補正手段、制御手段）

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池内部の氷の量を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された氷の量に応じて前記燃料電池での発電を維持可能か否かを判断する判断手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記推定手段は、前記燃料電池から取り出す電流の値を変化させた後に前記燃料電池の電圧値が一定値に到達するまでの時間に応じて氷の量を推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. 前記推定手段は、前記燃料電池から取り出す電流の値を変化させた後に前記燃料電池の電圧値が一定値に到達するまでの時間が長くなるに従って氷の量が多くなるように推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池に冷却液を流入させて該燃料電池を冷却し、該燃料電池を冷却したことにより暖められた冷却液を冷却して再度燃料電池に送り込む冷却液循環系と、
   前記冷却液循環系によって前記燃料電池に送り込まれる冷却液うち、前記燃料電池から第１所定距離未満の地点に存在する冷却液の温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記冷却液循環系によって前記燃料電池に送り込まれる冷却液うち、前記燃料電池から第１所定距離以上離れたで地点に存在する冷却液の温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記推定手段により推定された氷の量を補正する補正手段と、をさらに備え、
   前記補正手段は、前記燃料電池による発電量を増加させる場合に、前記第１及び第２温度検出手段により検出された冷却液の温度が低くなるに従って、前記推定手段により推定された氷の量が多くなるように補正する
   こと特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、
   前記燃料ガス供給系又は前記酸化剤ガス供給系によって前記燃料電池に供給されるガスのうち、前記燃料電池から第２所定距離未満のガスの温度を検出する第３温度検出手段と、
   前記燃料ガス供給系又は前記酸化剤ガス供給系によって前記燃料電池に供給されるガスのうち、前記燃料電池から第２所定以上離れたガスの温度を検出する第４温度検出手段と、
   前記推定手段により推定された氷の量を補正する補正手段と、をさらに備え、
   前記補正手段は、前記燃料電池による発電量を増加させる場合に、前記第３及び第４温度検出手段により検出されたガスの温度が低くなるに従って、前記推定手段により推定された氷の量が多くなるように補正する
   こと特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に冷却液を流入させて該燃料電池を冷却し、該燃料電池を冷却したことにより暖められた冷却液を冷却して再度燃料電池に送り込む冷却液循環系と、
   前記推定手段により推定された氷の量を補正する補正手段と、をさらに備え、
   前記補正手段は、第１所定温度以下の燃料ガス若しくは酸化剤ガス、及び第２所定温度以下の冷却液の少なくとも１つが前記燃料電池に供給されてから発電電流が取り出されるまでの時間が長くなるに従って、前記推定手段により推定された氷の量が多くなるように補正する
   こと特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記判断手段は、前記燃料電池での発電を維持し続けたと仮定したときに、前記燃料電池の電圧が所定値以下となるまでの時間を予測し、この予測時間までに発電を維持できるとして設定された所定条件を前記燃料電池が満たすか否かによって、前記燃料電池での発電を維持可能か否かを判断すること特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記判断手段は、前記推定手段により推定により推定された氷の量又は前記補正手段により補正された氷の量、及び前記燃料電池から取り出す電流の値に応じて前記燃料電池の電圧が所定値以下となるまでの時間を予測することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 運転状態を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記判断手段により前記燃料電池での発電を維持できないと判断された場合、前記燃料電池が前記所定条件を満たすように、運転状態を変更することを特徴とする
   請求項７又は請求項８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池に冷却液を流入させて該燃料電池を冷却し、該燃料電池を冷却したことにより暖められた冷却液を冷却して再度燃料電池に送り込む冷却液循環系と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
    前記燃料電池自体、前記冷却液循環系、及び前記燃料ガス供給系の少なくとも１つに設けられたヒータと、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、をさらに備え、
    前記制御手段は、前記判断手段により前記燃料電池での発電を維持できないと判断された場合、前記ヒータの通電量を多くすること、前記コンプレッサの運転圧力を上昇させること、及び前記燃料電池の発電電流を大きくすることの少なくとも１つを行う
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記コンプレッサの運転圧力を上昇させる場合、予め設定された音及び振動の制限値にかかわらず送り込む酸化剤ガスの流量を上昇させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記冷却液循環系によって前記燃料電池に送り込まれる冷却液うち、前記燃料電池から第１所定距離未満の地点に存在する冷却液の温度を検出する第１温度検出手段と、
    前記冷却液循環系によって前記燃料電池に送り込まれる冷却液うち、前記燃料電池から第１所定距離以上離れたで地点に存在する冷却液の温度を検出する第２温度検出手段と、
    前記制御手段は、前記判断手段により前記燃料電池での発電を維持できないと判断された場合、前記冷却液循環系を制御して前記燃料電池に断続的に冷却液を流入させると共に、前記第１及び第２温度検出手段により検出された冷却液の温度が低くなるに従って、断続的に冷却液を流入させる際の冷却液の停止時間を長くする
    ことを特徴とする請求項１０又は請求項１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池のアノードから排出されたガスを再度燃料電池に送り込む燃料ガス循環系と、
    前記燃料電池のアノードから排出されたガスを外部へ排出する燃料ガス排出系と、を備え、
    前記制御手段は、第３所定温度以下の燃料ガス若しくは酸化剤ガス、及び第４所定温度以下の冷却液の少なくとも１つが前記燃料電池に供給された場合、及び前記燃料電池のアノードの圧力を高くすること、前記燃料ガス循環系でのガスの循環量を多くすることの少なくとも１つを行う
    ことを特徴とする請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
    

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