JP2014225399A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの昇温速度の向上と、スタック全体を均一的に昇温させることとを両立する。【解決手段】燃料電池スタックと、冷却媒体の循環流路と、循環流路に設けられるポンプと、供給冷却媒体温度を検出する供給側温度センサと、排出冷却媒体温度を検出する排出側温度センサと、燃料電池スタックの低温起動時に、ポンプによる冷却媒体の循環量を制御する低温起動時制御部とを備える。低温起動時制御部は、燃料電池内部温度Ｔ３を推定し（Ｓ１４０）、冷却媒体の循環量を、内部温度Ｔ３と排出冷却媒体温度Ｔ２との間の大小関係に基づいて、減少量と普通量との中から選択的に定め（Ｓ１５０〜Ｓ１７０）、前記循環量を定めた後に、供給冷却媒体温度Ｔ１が排出冷却媒体温度Ｔ２と等しくなったときに、冷却媒体の循環量を、増加量（最大循環量）に定める（Ｓ１８０，Ｓ１９０）。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池システム、および燃料電池システムの制御方法に関する。

従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを起動する際に、燃料電池の内部温度が０℃以下である場合に、冷却水のポンプを停止状態として冷却水の循環を停止させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、氷点下始動直後の発熱量を増大させることができ、燃料電池スタックの昇温速度を向上して始動時間の短縮を図ることができる。

特開２０１０−１８６５９９号公報

しかしながら、前記従来の技術によれば、冷却水の循環を停止させる状態を継続すると、燃料電池スタックの積層方向において昇温が遅れる部分が生じ、燃料電池スタック全体を均一的に昇温させることができないという問題があった。そのほか、昇温速度の向上や、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、冷却媒体供給口と冷却媒体排出口を有する燃料電池スタックと；前記冷却媒体排出口から排出される冷却媒体を前記冷却媒体供給口に戻す循環流路と；前記循環流路内の前記冷却媒体を駆動することによって前記燃料電池スタックの内部に前記冷却媒体を循環させるポンプであって、前記冷却媒体の循環量を可変し得るポンプと；前記冷却媒体供給口に供給される前記冷却媒体の温度である供給冷却媒体温度を検出する供給側温度センサと；前記冷却媒体排出口から排出される前記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出する排出側温度センサと；前記燃料電池スタックの低温起動時に、前記ポンプによる前記冷却媒体の循環量を制御する低温起動時制御部と；を備える。前記低温起動時制御部は、前記燃料電池スタックの内部の温度である燃料電池内部温度を取得し；前記冷却媒体の循環量を、前記燃料電池内部温度と前記排出冷却媒体温度との間の大小関係に基づいて、第１循環量と前記第１循環量よりも大きい第２循環量との中から選択的に定め；前記循環量を定めた後に、前記供給冷却媒体温度が前記排出冷却媒体温度と等しくなったときに、前記冷却媒体の循環量を、前記第２循環量よりも大きい第３循環量に定める。

この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池内部温度と排出冷却媒体温度との間の大小関係に基づいて、第１ないし第３の循環量のうちの最も小さい第１循環量に冷却媒体の循環量を定めることで、燃料電池スタックの昇温速度を向上させることができる。また、供給冷却媒体温度が排出冷却媒体温度と等しくなったときに、第１ないし第３の循環量のうちの最も大きい第３循環量に冷却媒体の循環量を定めることで、燃料電池スタックの積層方向において均一的な昇温を行うことができる。したがって、この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの昇温速度の向上と、スタック全体を均一的に昇温させることとを両立することができる。

（２）前記形態の燃料電池システムにおいて、前記低温起動時制御部は、前記燃料電池スタックの出力電圧と出力電流に基づいて前記燃料電池スタックの発熱量を求め、前記発熱量と前記燃料電池スタックの熱容量とに基づいて前記燃料電池内部温度を推定することによって、前記燃料電池内部温度の取得を行う構成としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池内部温度を高精度に取得することができる。

（３）前記形態の燃料電池システムにおいて、前記低温起動時制御部は、前記排出冷却媒体温度が予め定められた暖機目標温度に達したときに、前記低温起動時における前記冷却媒体の循環量の制御を終了する構成としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、低温起動時制御から通常時制御への切り替えを適切なタイミングで行うことができる。

（４）前記形態の燃料電池システムにおいて、前記第３循環量は、前記ポンプによる最大循環量である構成としてもよい。この形態の燃料電池によれば、燃料電池スタックの積層方向において均一的な昇温を行うことを一層、効果的に行うことができる。

（５）本発明の他の形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムは、冷却媒体供給口と冷却媒体排出口を有する燃料電池スタックと；前記冷却媒体排出口から排出される冷却媒体を前記冷却媒体供給口に戻す循環流路と；前記循環流路内の前記冷却媒体を駆動することによって前記燃料電池スタックの内部に前記冷却媒体を循環させるポンプであって、前記冷却媒体の循環量を可変し得るポンプと；前記冷却媒体供給口に供給される前記冷却媒体の温度である供給冷却媒体温度を検出する供給側温度センサと；前記冷却媒体排出口から排出される前記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出する排出側温度センサと；を備える。そして、燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックの低温起動時に；前記燃料電池スタックの内部の温度である燃料電池内部温度を取得し；前記ポンプによる前記冷却媒体の循環量を、前記燃料電池内部温度と前記排出冷却媒体温度との間の大小関係に基づいて、第１循環量と前記第１循環量よりも大きい第２循環量との中から選択的に定め；前記循環量を定めた後に、前記供給冷却媒体温度が前記排出冷却媒体温度と等しくなったときに、前記冷却媒体の循環量を、前記第２循環量よりも大きい第３循環量に定める。この形態の燃料電池システムの制御方法は、前述してきた燃料電池システムと同様に、燃料電池スタックの昇温速度の向上と、スタック全体を均一的に昇温させることとを両立することができる。

本発明は、前記形態の燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、前記形態の燃料電池システムを搭載する車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 制御部９０によって実行される起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタックにより得られた電力を駆動用電力として用いる車両（以下、「燃料電池車両」と呼ぶ）に搭載された例を示している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給する水素ガス供給排出系５０と、燃料電池スタック１０に酸素を含む空気を供給する酸化ガス供給排出系６０と、冷却媒体を循環させて燃料電池スタック１０を冷却する冷却媒体循環系７０と、燃料電池スタック１０からの電力を動力に変換する動力出力系８０と、燃料電池システム１００全体の制御を行う制御部９０と、を備える。

燃料電池スタック１０は、発電の単位モジュールである燃料電池セル（以下、単に「セル」と呼ぶ）１２を複数、積層したスタック構造を有している。燃料電池のタイプとしては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であり、本実施形態では、固体高分子型燃料電池を用いている。各セル１２は、電解質膜の各面にアノードおよびカソードの電極が形成された膜電極接合体（ＭＥＡとも呼ばれる）を含んでいる。各セル１２は、さらに、ＭＥＡを挟むように配置され、反応ガスとしての水素ガスおよび空気を拡散させつつＭＥＡに供給するガス拡散層を含んでいる。燃料電池スタック１０の各セル１２は、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。なお、本実施形態において、各セル１２の構成や仕様は互いに同一である。

水素ガス供給排出系５０は、水素タンク５１と、減圧弁５２と、水素ガス供給路５３と、圧力調整弁５４と、アノード排ガス路５５と、水素ポンプ５６と、排ガス排出路５７と、開閉弁５８と、を含んでいる。水素ガス供給排出系５０は、水素タンク５１に貯蔵された燃料ガスとしての水素を減圧弁５２によって減圧した後に水素ガス供給路５３に放出する。また、水素ガス供給排出系５０は、水素ガス供給路５３に放出された水素を水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５４によって所定の圧力に調整して、燃料電池スタック１０のアノードに供給する。一方、水素ガス供給排出系５０は、アノード排ガス路５５に排出されるアノード排ガスを水素ポンプ５６によって再び水素ガス供給路５３に供給する。また、水素ガス供給排出系５０は、アノード排ガス路５５から分岐した排ガス排出路５７に設けられた開閉弁５８を開状態とすることで、アノード排ガスの一部を外部に排出することができる。

酸化ガス供給排出系６０は、エアコンプレッサ６１と、酸化ガス供給路６２と、カソード排ガス路６３とを含んでいる。酸化ガス供給排出系６０は、外部から取り込んだ酸化ガスとしての空気をエアコンプレッサ６１により加圧し、酸化ガス供給路６２を介して燃料電池スタック１０のカソードに供給する。また、酸化ガス供給排出系６０は、カソード排ガス路６３に排出されるカソード排ガスをカソード排ガス路６３から燃料電池スタック１０の外部に排出する。

冷却媒体循環系７０は、ラジエータ７１と、循環ポンプ７２と、冷却媒体供給流路７３と、冷却媒体排出流路７４と、バイパス流路７５と、ロータリ弁７６と、供給側温度センサ７７と、排出側温度センサ７８と、を含んでいる。冷却媒体供給流路７３は、上流側の端部がラジエータ７１に接続され、下流側の端部が燃料電池スタック１０の冷却媒体供給口１４に接続されている。冷却媒体供給流路７３には、上流側から下流側に向かって順に、ロータリ弁７６、循環ポンプ７２、供給側温度センサ７７がこの順に配置されている。一方、冷却媒体排出流路７４は、上流側の端部が燃料電池スタック１０の冷却媒体排出口１６に接続され、下流側の端部がラジエータ７１に接続されている。冷却媒体排出流路７４には、排出側温度センサ７８が配置されている。バイパス流路７５は、上流側の端部が冷却媒体排出流路７４に接続され、下流側の端部がロータリ弁７６と接続されている。

冷却媒体循環系７０は、ラジエータ７１により冷却された冷却媒体を循環ポンプ７２により圧送し、冷却媒体供給流路７３を介して燃料電池スタック１０に供給する。燃料電池スタック１０に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給口１４から冷却媒体供給マニホールドＭｓを介して各セル１２に導かれ、各セル１２を冷却する。各セル１２を冷却した後の冷却媒体は、冷却媒体排出マニホールドＭｅを介して集約され、冷却媒体排出口１６から冷却媒体排出流路７４に排出される。

冷却媒体循環系７０は、燃料電池スタック１０から冷却媒体排出流路７４に排出された冷却媒体をラジエータ７１に循環させる。冷却媒体循環系７０は、ラジエータ７１に循環された冷却媒体を再び燃料電池スタック１０に供給する。なお、冷却媒体循環系７０は、ロータリ弁７６の切り替えにより、燃料電池スタック１０から冷却媒体排出流路７４に排出された冷却媒体を再び燃料電池スタック１０に供給するときに、ラジエータ７１を経由させずに冷却媒体供給流路７３から燃料電池スタック１０に供給することもできる。また、冷却媒体循環系７０における冷却媒体の循環量は、循環ポンプ７２の冷媒を循環させる駆動力、すなわち吐出力を調整することによって、可変することができる。

供給側温度センサ７７は、冷却媒体供給流路７３の下流側端部付近、すなわち、燃料電池スタック１０の冷却媒体供給口１４付近に配置され、燃料電池スタック１０に供給される冷却媒体の温度（以後「供給冷却媒体温度Ｔ１」とも呼ぶ）を検出する。排出側温度センサ７８は、冷却媒体排出流路７４の上流側端部付近、すなわち、燃料電池スタック１０の冷却媒体排出口１６付近に配置され、燃料電池スタック１０から排出される冷却媒体の温度（以後「排出冷却媒体温度Ｔ２」とも呼ぶ）を検出する。なお、本実施形態で使用される冷却媒体としては、水のほか、水とエチレングリコールとの混合液などを用いることができる。

動力出力系８０は、モータ８１と、モータ制御部８２と、燃料電池スタック１０からの電力をモータ制御部８２に供給するための電気配線８３と、を含んでいる。モータ８１は、燃料電池車両の主動力源を構成する。モータ制御部８２は、燃料電池スタック１０からの電力の出力（放電）を制御する。この結果、動力出力系８０によって、燃料電池スタック１０で発生した電力は、燃料電池車両を走行するための動力に変換される。なお、動力出力系８０には、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ８５と、燃料電池スタック１０の出力電流Ｉｆｃを検出する電流センサ８６とが備えられている。

制御部９０は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部９０は、電圧センサ８５、電流センサ８６、供給側温度センサ７７、排出側温度センサ７８のほか、燃料電池システム１００の各部に配された温度センサや圧力センサ、スイッチ等からの信号を受けて、受けた信号に基づき燃料電池システム１００全体の制御を行う。スイッチとしては、燃料電池車両を始動する始動スイッチ９９等が設けられている。

本実施形態における制御部９０は、燃料電池システム１００の全体の制御の一部に対応する機能要素として、燃料電池スタック１０の低温起動時に冷却媒体循環系７０を制御する低温起動時制御部９２を備える。低温起動時制御部９２との詳しい構成について、次に説明する。

Ｂ．起動時の制御ルーチン：
図２は、制御部９０によって実行される起動時制御ルーチンを示すフローチャートである。この起動時制御ルーチンは、燃料電池車両の起動前においては、暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、制御部９０は、まず、始動スイッチ９９がオン状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、始動スイッチ９９がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定されたときには、制御部９０は、ステップＳ１１０の処理を繰り返し実行し、始動スイッチ９９が操作者によって操作されてオン状態となるのを待つ。

ステップＳ１１０で、始動スイッチ９９がオン状態にあると判定された場合には、燃料電池スタック１０を起動する（ステップＳ１２０）。詳しくは、制御部９０は、水素ガス供給排出系５０および酸化ガス供給排出系６０を制御して、燃料電池スタック１０に空気および水素ガスを供給することにより、燃料電池スタック１０の発電を開始する。

次に、制御部９０は、供給側温度センサ７７によって検出される供給冷却媒体温度Ｔ１が０［℃］以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この判定は、燃料電池システム１００の周囲の温度が氷点下以下であるか否かを、冷却媒体供給流路７３内に残留している冷却媒体の温度に基づいて行おうというものである。ステップＳ１３０で、供給冷却媒体温度Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ１４０に処理を進めて、低温起動時の一連の処理を行う。

なお、ステップＳ１３０の閾値である０［℃］は、燃料電池の温度が水の凝固点以下となるような低温時を判定するためのものであるが、この閾値は０［℃］に限る必要はなく、−２［℃］、−４［℃］等、他の０［℃］以下の温度とすることができる。また、ステップＳ１３０で判定を行う温度は、供給冷却媒体温度Ｔ１に換えて、排出側温度センサ７８によって検出される排出冷却媒体温度Ｔ２であってもよい。また、燃料電池スタックの温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサであれば、例えば、燃料電池システム１００の外側に設置した温度センサ等、他の構成とすることもできる。

ステップＳ１４０では、制御部９０は、電圧センサ８５によって検出される出力電圧Ｖｆｃと電流センサ８６によって検出される出力電流Ｉｆｃとに基づいて、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３を推定する。燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３は、発電における損失によって発生すると考えられる。この損失は、理論起電圧と実際の出力電圧との差分（損失電圧）に相当し、この損失電圧と出力電流の積が損失電力、すなわち、発熱の原因となる。そして、この発熱の蓄積によって内部温度が上昇することになる。そこで、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３は、例えば、次式（１）を用いて推定することができる。

Ｔ３＝ΣＱ／Ｃ＋Ｔｓｔ …（１）
但し、ΣＱは燃料電池スタック１０の発熱量［ｋＪ］の積算値であり、Ｃは燃料電池スタック１０の熱容量［ｋＪ／Ｋ］であり、Ｔｓｔは燃料電池スタック１０の起動前の内部温度である。

式（１）における発熱量Ｑは、電圧センサ８５によって検出される燃料電池スタック１０の出力電圧Ｖｆｃと、電流センサ８６によって検出される燃料電池スタック１０の出力電流Ｉｆｃとを用いて、次式（２）に従って求めることができる。

Ｑ＝（Ｖｔｈ―Ｖｆｃ）・Ｉｆｃ×１０^-3 …（２）
但し、Ｖｔｈは燃料電池スタック１０の理論起電圧［Ｖ］である。

式（１）における起動前の内部温度Ｔｓｔは、ステップＳ１４０の第１回目の実行時においてはステップＳ１３０で低温時の判定を行った際の供給冷却媒体温度Ｔ１の値を用いることができる。なお、供給冷却媒体温度Ｔ１に換えて、排出側温度センサ７８によって検出される排出冷却媒体温度Ｔ２であってもよい。また、起動前において、燃料電池スタックの温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサであれば、例えば、燃料電池システム１００の外側に設置した温度センサ等、他の構成としてもよい。ステップＳ１４０の第２回目以降の実行時においては、前回のステップＳ１４０の実行時に得られたＴ３の値をＴｓｔとする。

ステップＳ１４０の実行後、制御部９０は、ステップＳ１４０によって得られた燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３が、排出側温度センサ７８によって検出される排出冷却媒体温度Ｔ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、否定判定、すなわち、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３が排出冷却媒体温度Ｔ２以下であると判定されたときには、循環量を減少量として冷間時冷却媒体循環制御を実行する（ステップＳ１６０）。

冷間時冷却媒体循環制御は、冷却媒体循環系７０に備えられるロータリ弁７６をバイパス流路７５が開く側に切り換えて、ラジエータ７１を経由させずに冷却媒体の循環を行うものであり、本実施形態においては、その循環量を「減少量」、「通常量」、「増加量」の間で切り換え可能な構成としている。「減少量」、「通常量」、「増加量」は、この順で大きくなっている。本実施形態では、「増加量」を水素ポンプ５６によって循環させることのできる最大循環量と定め、「通常量」を最大循環量の１０〜３０％の間の量、例えば１５％の量と定め、「減少量」を最大循環量の２〜８％の量、例えば５％の量と定めた。なお、各量はあくまでも一例であり、減少量＜通常量＜増加量の関係を満たすことができれば、いずれの量としてもよい。「増加量」についても、最大循環量と違う量としてもよい。「減少量」は［発明の概要］の欄に記載された「第１循環量」に対応し、「通常量」は［発明の概要］の欄に記載された「第２循環量」に対応し、「増加量」は［発明の概要］の欄に記載された「第３循環量」に対応する。

ステップＳ１６０によって循環量を減少量とすることで、燃料電池スタック１０のセル１２の面内における昇温速度を向上することができる。昇温速度を向上することができるのは、次の理由による。冷却媒体の循環量を減少量とした場合、燃料電池スタック１０の各セル１２の面内を冷却媒体はゆっくりと流れ、セル１２からの受熱量が大きくなる。このために、セル面内における冷却媒体の出口側の温度は、入口側の温度に比べてかなり高いものとなる。したがって、セル面内を急速に昇温させることができる。なお、循環量を減少量とすることで、セル面内における冷却媒体の温度の均一性を低下させることになるが、冷却媒体の循環を止めることがないことから、セル面内においても温度のある程度の均一性を保つことはできる。ステップＳ１６０の実行後、制御部９０は、ステップＳ１４０に処理を戻して、ステップＳ１５０で内部温度Ｔ３が排出冷却媒体温度Ｔ２よりも大きいと判定されるまで、ステップＳ１４０ないしＳ１６０の処理を繰り返し実行する。

ステップＳ１５０で、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３が排出冷却媒体温度Ｔ２よりも大きいと判定されたときには、制御部９０は、循環量を普通量として冷間時冷却媒体循環制御を実行する（ステップＳ１７０）。ここでの冷間時冷却媒体循環制御は、前述したようにラジエータ７１を経由させずに冷却媒体の循環を行う。循環量をある程度大きい普通量とすることで、各セル１２の面内における冷却媒体の流れる速度を高めることができ、セル面内における温度の均一性が高められる。すなわち、ステップＳ１５０で、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３が排出冷却媒体温度Ｔ２よりも大きいと判定されたときには、燃料電池スタック１０の各セル１２の温度はある程度、高められていることから、ステップＳ１６０によって昇温速度を向上することに換えて、ステップＳ１７０によってセル面内における温度の均一性の向上を図るようにしている。

ステップＳ１７０の実行後、制御部９０は、供給側温度センサ７７によって検出される供給冷却媒体温度Ｔ１と、排出側温度センサ７８によって検出される排出冷却媒体温度Ｔ２とが等しいか否かを判定する（ステップＳ１８０）。ここで、供給冷却媒体温度Ｔ１と排出冷却媒体温度Ｔ２が等しくないと判定されたときには、ステップＳ１７０に処理を戻して、循環量を普通量とする冷間時冷却媒体循環制御を継続して実行する。

一方、ステップＳ１８０で、供給冷却媒体温度Ｔ１と排出冷却媒体温度Ｔ２が等しいと判定されたときには、循環量を増加量として冷間時冷却媒体循環制御を実行する（ステップＳ１９０）。ここでの冷間時冷却媒体循環制御は、前述したようにラジエータ７１を経由させずに冷却媒体の循環を行う。本実施形態では、先に説明したように増加量は最大循環量であり、最大循環量とすることで、燃料電池スタック１０の積層方向において均一的な昇温を行うことができる。燃料電池スタック１０に供給された冷却媒体は冷却媒体供給マニホールドＭｓを介して各セル１２に導かれるが、積層方向におけるセル１２の位置によって冷却媒体の行き届き易さが異なる。冷却媒体供給口１４に近いセル１２ａは冷却媒体が行き届き易いが、冷却媒体供給口１４から遠いセル１２ｂは冷却媒体が行き届き難い。ステップＳ１７０によって循環量を最大循環量とすることで、全てのセル１２に対して冷却媒体を行き届き易くすることができることから、燃料電池スタック１０の積層方向において均一的な昇温を行うことができるのである。なお、前述したように、増加量は必ずしも最大循環量である必要はなく、最大循環量よりも少ない量とした場合にも、ステップＳ１９０によれば、燃料電池スタック１０の積層方向における温度の均一性を少なからず向上することができる。

ステップＳ１９０の実行後、制御部９０は、排出側温度センサ７８によって検出される排出冷却媒体温度Ｔ２が暖機目標温度Ｔｔｇに達したか（すなわちＴｔｇ以上となったか）否かを判定する（ステップＳ２００）。暖機目標温度Ｔｔｇは、例えば６０［℃］である。ステップＳ２００で、暖機目標温度Ｔｔｇに達していないと判定されたときには、ステップＳ１９０に処理を戻して、循環量を増加量とする冷間時冷却媒体循環制御を継続して実行する。

一方、ステップＳ２００で排出冷却媒体温度Ｔ２が暖機目標温度Ｔｔｇに達した判定された場合には、制御部９０は、処理をステップＳ２１０に進めて、通常時冷却媒体循環制御を開始する。通常時冷却媒体循環制御は、冷却媒体循環系７０に備えられるロータリ弁７６をラジエータ７１を含む流路側に切り換えて、ラジエータ７１を経由させて冷却媒体の循環を行うものであり、暖機後における冷却媒体循環制御である。ステップＳ２１０によって通常時冷却媒体循環制御を開始させた後に、この起動時制御ルーチンは終了する。

一方、ステップＳ１３０で、供給冷却媒体温度Ｔ１が０［℃］を上回ると判定された場合には、ステップＳ２１０に処理を進めて、通常時冷却媒体循環制御を直ちに開始する。なお、起動時制御ルーチンにおけるステップＳ１３０からステップＳ２００までの処理が、図１に示した低温起動制御部９２に対応している。

Ｃ．効果：
以上詳述したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、冷間始動時において、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３が排出冷却媒体温度Ｔ２以下であるときに、冷却媒体の循環量を減少量とすることで、燃料電池スタック１０のセル面内における昇温速度を向上させることができる。その後、燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３が排出冷却媒体温度Ｔ２よりも大きくなったときに、循環量を普通量とすることで、セル面内における温度の均一性を向上させることができる。さらに、供給冷却媒体温度Ｔ１が排出冷却媒体温度Ｔ２と等しくなったときに、循環量を最大循環量とすることで、燃料電池スタック１０の積層方向において均一的な昇温を行うことができる。したがって、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタックの昇温速度の向上と、スタック全体を均一的に昇温させることとを両立することができる。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記実施形態およびその変形形態では、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｖｆｃと出力電流Ｉｆｃに基づいて燃料電池スタック１０の発熱量を求め、発熱量と燃料電池スタック１０の熱容量とに基づいて燃料電池スタック１０の内部温度Ｔ３を推定する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック１０を構成する代表的な燃料電池セル（例えば、積層方向における中央部のセル）の温度を温度センサを用いて求め、この求められた温度を内部温度として取得する構成としてもよい。また、各燃料電池セルの温度分布を予め実験的に求めておき、燃料電池スタック１０を構成する代表的な燃料電池セル（例えば、積層方向における中央部のセル）の温度を温度センサを用いて求め、この求められた温度を前記温度部分布に基づいて補正することによって内部温度を求める構成としてもよい。要は、燃料電池スタックの内部の温度である内部温度を取得することができれば、どのような構成であってもよい。

・変形例２：
前記実施形態およびその変形形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、機動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

・変形例３：
前記実施形態およびその変形形態では、燃料電池スタックに固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。

本発明は、上述の実施形態やその変形形態、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態、変形形態および変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…燃料電池スタック
１２…セル
１４…冷却媒体供給口
１６…冷却媒体排出口
５０…水素ガス供給排出系
５１…水素タンク
５２…減圧弁
５３…水素ガス供給路
５４…圧力調整弁
５５…アノード排ガス路
５６…水素ポンプ
５７…排ガス排出路
５８…開閉弁
６０…酸化ガス供給排出系
６１…エアコンプレッサ
６２…酸化ガス供給路
６３…カソード排ガス路
７０…冷却媒体循環系
７１…ラジエータ
７２…循環ポンプ
７３…冷却媒体供給流路
７４…冷却媒体排出流路
７５…バイパス流路
７６…ロータリ弁
７７…供給側温度センサ
７８…排出側温度センサ
８０…動力出力系
８１…モータ
８２…モータ制御部
８３…電気配線
８５…電圧センサ
８６…電流センサ
９０…制御部
９１…内部温度推定部
９２…低温起動時制御部
９９…始動スイッチ
１００…燃料電池システム
Ｔ１…供給冷却媒体温度
Ｔ２…排出冷却媒体温度
Ｔ３…内部温度
Ｍｅ…冷却媒体排出マニホールド
Ｍｓ…冷却媒体供給マニホールド
Ｖｆｃ…出力電圧
Ｉｆｃ…出力電流
Ｔｔｇ…暖機目標温度

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   冷却媒体供給口と冷却媒体排出口を有する燃料電池スタックと、
   前記冷却媒体排出口から排出される冷却媒体を前記冷却媒体供給口に戻す循環流路と、
   前記循環流路内の前記冷却媒体を駆動することによって前記燃料電池スタックの内部に前記冷却媒体を循環させるポンプであって、前記冷却媒体の循環量を可変し得るポンプと、
   前記冷却媒体供給口に供給される前記冷却媒体の温度である供給冷却媒体温度を検出する供給側温度センサと、
   前記冷却媒体排出口から排出される前記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出する排出側温度センサと、
   前記燃料電池スタックの低温起動時に、前記ポンプによる前記冷却媒体の循環量を制御する低温起動時制御部と、
   を備え、
   前記低温起動時制御部は、
   前記燃料電池スタックの内部の温度である燃料電池内部温度を取得し、
   前記冷却媒体の循環量を、前記燃料電池内部温度と前記排出冷却媒体温度との間の大小関係に基づいて、第１循環量と前記第１循環量よりも大きい第２循環量との中から選択的に定め、
   前記循環量を定めた後に、前記供給冷却媒体温度が前記排出冷却媒体温度と等しくなったときに、前記冷却媒体の循環量を、前記第２循環量よりも大きい第３循環量に定める、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記低温起動時制御部は、
   前記燃料電池スタックの出力電圧と出力電流に基づいて前記燃料電池スタックの発熱量を求め、前記発熱量と前記燃料電池スタックの熱容量とに基づいて前記燃料電池内部温度を推定することによって、前記燃料電池内部温度の取得を行う、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記低温起動時制御部は、
   前記排出冷却媒体温度が予め定められた暖機目標温度に達したときに、前記低温起動時における前記冷却媒体の循環量の制御を終了する、燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記第３循環量は、前記ポンプによる最大循環量である、燃料電池システム。
5. 冷却媒体供給口と冷却媒体排出口を有する燃料電池スタックと、
   前記冷却媒体排出口から排出される冷却媒体を前記冷却媒体供給口に戻す循環流路と、
   前記循環流路内の前記冷却媒体を駆動することによって前記燃料電池スタックの内部に前記冷却媒体を循環させるポンプであって、前記冷却媒体の循環量を可変し得るポンプと、
   前記冷却媒体供給口に供給される前記冷却媒体の温度である供給冷却媒体温度を検出する供給側温度センサと、
   前記冷却媒体排出口から排出される前記冷却媒体の温度である排出冷却媒体温度を検出する排出側温度センサと、
   を備える燃料電池システムにおける制御方法であって、
   前記燃料電池スタックの低温起動時に、
   前記燃料電池スタックの内部の温度である燃料電池内部温度を取得し、
   前記ポンプによる前記冷却媒体の循環量を、前記燃料電池内部温度と前記排出冷却媒体温度との間の大小関係に基づいて、第１循環量と前記第１循環量よりも大きい第２循環量との中から選択的に定め、
   前記循環量を定めた後に、前記供給冷却媒体温度が前記排出冷却媒体温度と等しくなったときに、前記冷却媒体の循環量を、前記第２循環量よりも大きい第３循環量に定める、燃料電池システムの制御方法。

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