JP2020068061A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下で起動させても、発電安定性を良好に維持できるとともに、燃料電池スタックの耐久性が低下することを抑制できる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０の温度センサ５２は、起動開始時の燃料電池スタック１６の温度又は外気温を起動開始時温度として検出する。記憶部６２は、複数の電流制限パターン６０を記憶する。電流制限部６４は、検出された起動開始時温度に基づいて、電流制限パターン６０を選択し、選択した電流制限パターン６０と、温度センサ５２により検出された燃料電池スタック１６の運転中の温度とに基づき、燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する。複数の電流制限パターン６０では、起動開始時温度が低いときに選択されるものほど、燃料電池スタック１６の温度が基準温度Ｔ２に達するまでの閾値が小さく設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。

例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子イオン交換膜を用いた電解質膜の両面に電極をそれぞれ配設した電解質膜・電極構造体を備える。電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持することにより発電セルが構成され、所望の電力を得るために必要な個数の発電セルを積層することにより積層体が構成される。さらに、積層体の積層方向両端に、各発電セルによって発電された電流を集める電力取り出し用のターミナルプレートや、発電セルを積層状態で保持するためのエンドプレート等が積層されて燃料電池スタックが構成される。

この種の燃料電池スタックでは、発電安定性を良好に維持したり、電解質膜等の劣化を抑制したりすることを考慮すると、発電電圧が所定の電圧（以下、「下限電圧」ともいう）を下回ることを回避する必要がある。このため、例えば、特許文献１に示すように、燃料電池スタックから取り出す電流を制限して、発電電圧が下限電圧を下回ることを回避するシステムが提案されている。

特開平７−２７２７３６号公報

下限電圧は、燃料電池スタックの温度（以下、「スタック温度」ともいう）によって変化する。特に、氷点下等の低温域においては、スタック温度が低くなるほど、下限電圧が低くなる傾向にある。そこで、スタック温度毎に、燃料電池スタックから取り出し可能な最大電流の閾値（以下、「閾値」ともいう）を設定することが考えられる。そして、低温環境下で燃料電池スタックを起動する際には、スタック温度として、例えば、スタックから排出される反応ガスや冷媒の出口温度をモニタし、検出したスタック温度に対応する閾値に基づいて燃料電池スタックから取り出す電流を制限する。これによって、発電電圧が下限電圧を下回らないようにすることが可能である。

ところで、積層体の積層方向の端部側に配設される端部発電セルは、外気温が低いほど、ターミナルプレート等を介した外気への放熱量が大きくなることから、積層方向の中央側の発電セルに比べて低温になり易い。このため、燃料電池スタックを低温環境下で起動する場合、検出したスタック温度に対応する閾値に基づいて燃料電池スタックから取り出す電流を制御するのみでは、端部発電セルの発電電圧が下限電圧を下回ることを回避できない懸念がある。この場合、燃料電池スタックの発電安定性を良好に維持することが困難になったり、端部発電セルの劣化を十分に抑制できずに、燃料電池スタックの耐久性が低下したりすることが懸念される。

そこで、本発明は、低温環境下で起動させても、発電安定性を良好に維持できるとともに、燃料電池スタックの耐久性が低下することを抑制できる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、起動開始時の前記燃料電池スタックの温度又は外気温を起動開始時温度として検出する起動開始時温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出部と、前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限する電流制限部と、を備え、前記電流制限部は、前記起動開始時温度に基づいて、前記燃料電池スタックの運転中の温度と前記燃料電池スタックから取り出す最大電流の閾値との関係を前記起動開始時温度毎に定めた複数の電流制限パターンから１つの電流制限パターンを選択し、選択した前記電流制限パターンに沿って前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限し、前記複数の電流制限パターンでは、前記起動開始時温度が低いときに選択される前記電流制限パターンほど、前記燃料電池スタックの温度が前記起動開始時温度から上昇して所定の基準温度に達するまでの間の前記閾値が小さく設定されている。

本発明の別の一態様は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、起動開始時の前記燃料電池スタックの温度又は外気温を起動開始時温度として検出する起動開始時温度検出工程と、前記燃料電池スタックの運転中の温度と前記燃料電池スタックから取り出す最大電流の閾値との関係を前記起動開始時温度毎に定めた複数の電流制限パターンから、前記起動開始時温度検出工程で検出した前記起動開始時温度に対応する電流制限パターンを選択する選択工程と、選択した前記電流制限パターンと、スタック温度検出部により検出された前記燃料電池スタックの運転中の温度とに基づき、前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限しつつ発電を行う発電工程と、を有し、前記選択工程では、前記起動開始時温度検出工程で検出された前記起動開始時温度が低いほど、前記燃料電池スタックの温度が前記起動開始時温度から上昇して所定の基準温度に達するまでの間の前記閾値が小さく設定された前記電流制限パターンを選択する。

本発明では、起動開始時温度が低いほど、換言すると、燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された端部発電セルの放熱量が大きくなるほど、燃料電池スタックの温度が起動開始時温度から昇温して基準温度に達するまでの間の閾値が小さい電流制限パターンを選択する。

このようにして選択した電流制限パターンに基づいて燃料電池スタックから取り出す電流を制限することで、発電反応を生じさせて燃料電池スタックを起動開始時温度から基準温度へと昇温させる際に、他の発電セルに比して低温になり易い端部発電セルについても発電電圧が下限電圧を下回ることを抑制できる。

従って、本発明によれば、低温環境下で起動させても、発電安定性を良好に維持できるとともに、燃料電池スタックの耐久性が低下することを抑制できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの記憶部に記憶される複数の電流制限パターンの一例を示す図である。 図１の燃料電池システムの起動時における制御方法を説明するフローチャートである。

本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

本実施形態では、図１に示す燃料電池システム１０が、不図示の燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される場合を例に挙げて説明するが、特にこれに限定されるものではない。燃料電池システム１０は、該燃料電池システム１０の制御を行う制御部１２と、発電セル１４を複数積層した燃料電池スタック１６とを備える。

各発電セル１４の構成は周知であるため、その具体的な図示や説明については省略するが、例えば、高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、該電解質膜を挟んで対向するアノード電極及びカソード電極とを有する電解質膜・電極構造体が一対のセパレータで挟持されることで構成される。そして、アノード電極に、水素（Ｈ₂）を含む燃料ガスが供給され、且つカソード電極に、空気（Ａｉｒ）等の、酸素を含む酸化剤ガスが供給されることで発電が行われる。

発電セル１４は、所望の電力を得るために必要な個数が積層されて積層体１８を構成する。積層体１８は、その積層方向の両側から、各発電セル１４の発電電流を取り出すためのターミナルプレート２０で挟持される。このターミナルプレート２０をさらにエンドプレート２２で挟持することで、複数の発電セル１４等が積層状態で保持され、燃料電池スタック１６が構成される。積層体１８の積層方向の端部に配設される端部発電セル１４ａは、外気温が低いほど、ターミナルプレート２０等を介した外気への放熱量が大きくなることから、積層方向の中央側の発電セル１４に比べて低温になり易い。

燃料電池スタック１６では、アノード電極の燃料ガス供給口２４に燃料ガス供給流路２６が接続され、アノード電極の燃料排ガス排出口２８には、燃料ガス供給流路２６に循環する燃料排ガス流路３０が接続されている。また、カソード電極の酸化剤ガス供給口３２に酸化剤ガス供給流路３４が接続され、カソード電極の酸化剤排ガス排出口３６に酸化剤排ガス流路３８が接続されている。

燃料ガス供給流路２６には、不図示の水素タンクに貯留された水素が燃料ガスとして供給される。燃料排ガス流路３０の下流側は、不図示の気液分離器等を介して燃料ガス供給流路２６に連通する。これによって、アノード電極で消費されなかった燃料ガスの未消費分を含む燃料排ガスは、気液分離器で液体の水等が分離された後、燃料ガス供給流路２６内の水素と混合され、再び燃料電池スタック１６の燃料ガス供給口２４に供給される。

酸化剤ガス供給流路３４には、その上流側から順に、エアポンプ４０と、加湿器４２とが設けられる。エアポンプ４０を駆動することによって、大気から酸化剤ガス供給流路３４に酸化剤ガスとして空気が取り込まれる。この空気は、エアポンプ４０で圧縮されてから、加湿器４２へ供給される。加湿器４２では、酸化剤ガス供給流路３４内の酸化剤ガスと、酸化剤排ガス流路３８内の酸化剤排ガスとを水分交換させることで、カソード電極に供給される前の酸化剤ガスを加湿する。

燃料電池スタック１６は、該燃料電池スタック１６に設けられた冷媒流路（不図示）に連通する冷媒供給口４４に冷媒供給流路４６が接続され、該冷媒流路に連通する冷媒排出口４８に冷媒排出流路５０が接続されている。本実施形態では、冷媒排出流路５０に、スタック温度検出部及び起動開始時温度検出部として、温度センサ５２が設けられている。温度センサ５２は、燃料電池スタック１６の温度として冷媒排出流路５０の温度を検出することが可能であり、且つ燃料電池スタック１６の起動開始時の温度を起動開始時温度として検出することが可能である。また、温度センサ５２は、検出結果である燃料電池スタック１６の温度及び起動開始時温度を制御部１２に出力する。

なお、温度センサ５２は、燃料電池スタック１６の温度を検出可能であればよく、例えば、冷媒排出流路５０の温度に代えて、燃料排ガス流路３０の温度、酸化剤排ガス流路３８の温度、及び燃料電池スタック１６自体の温度等を燃料電池スタック１６の温度として検出可能に設けられてもよい。さらには、温度センサ５２は、燃料電池システム１０の何れかの箇所に設けられたものであればよく、当該箇所の温度を燃料電池スタック１６の温度として検出してもよい。

また、本実施形態では、温度センサ５２が、スタック温度検出部及び起動開始時温度検出部の両方の機能を兼ね備えることとしたが、特にこれに限定されるものではない。起動開始時温度検出部は、温度センサ５２とは別に、燃料電池スタック１６の起動開始時の温度又は燃料電池スタック１６の起動開始時の外気温を起動開始時温度として検出可能な不図示の温度センサであってもよい。

燃料電池スタック１６のターミナルプレート２０は、蓄電可能なバッテリ５４及び燃料電池車両推進用の駆動モータ５６に電流制限器５８を介して電気的に接続可能となっている。バッテリ５４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５９を介して電流制限器５８と電気的に接続可能であり、燃料電池スタック１６の出力電圧よりも該バッテリ５４の電圧が低い場合には、燃料電池スタック１６で発電した電力を蓄電する。一方、バッテリ５４は、必要に応じて駆動モータ５６に電力を供給して、駆動モータ５６の駆動を補助する。例えば、燃料電池スタック１６を氷点下等の低温環境下で起動する場合には、燃料電池スタック１６の温度が適切な動作温度に達するまで発電反応等により燃料電池スタック１６を昇温させる暖機運転の間、バッテリ５４によって駆動モータ５６に電力を供給して、車両を走行させること等が可能になっている。

バッテリ５４、駆動モータ５６、電流制限器５８は、制御部１２により制御される。また、燃料電池スタック１６の発電電圧及び出力電流や、各発電セル１４の発電電圧は、不図示の電流センサや電圧センサにより検出され制御部１２に取り込まれる。

制御部１２は、不図示のＣＰＵ等を備えるマイクロコンピュータとして構成され、該ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所定の演算を実行し、燃料電池システム１０の通常運転制御や、暖機運転制御等の種々の処理や制御を行う。具体的には、制御部１２は、複数の電流制限パターン６０（図２参照）を記憶する記憶部６２と、燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する電流制限部６４とを有する。なお、制御部１２は、記憶部６２を備えず、燃料電池システム１０（燃料電池車両）の外部から複数の電流制限パターン６０を取得するようにしてもよい。

記憶部６２は、燃料電池スタック１６の運転中の温度と燃料電池スタック１６から取り出す最大電流の閾値との関係を起動開始時温度毎に定めた複数の電流制限パターン６０を記憶する。本実施形態では、記憶部６２は、電流制限パターン６０を電流制限閾値マップ６０Ｍの形式で記憶するが、これに代えて、記憶部６２は、例えば、電流制限パターン６０を関数の形式で記憶してもよい。

電流制限部６４は、起動開始時温度に基づいて、記憶部６２に記憶された複数の電流制限パターン６０から１つの電流制限パターン６０を選択し、選択した電流制限パターン６０に沿って燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する。具体的には、電流制限部６４は、選択した電流制限パターン６０と、温度センサ５２（スタック温度検出部）により検出（モニタ）された燃料電池スタック１６の運転中の温度とに基づき、燃料電池スタック１６から取り出す電流を電流制限器５８を介して制限する。

電流制限パターン６０は、燃料電池スタック１６から取り出し可能な最大電流の閾値（以下、単に閾値ともいう）を燃料電池スタック１６の運転中の温度に基づいて定めたものである。燃料電池スタック１６の温度に対応する閾値を超えないように燃料電池スタック１６から電流を取り出すことで、発電電圧が下限電圧を下回ることを回避できる。下限電圧は、発電安定性が損なわれたり、電解質膜が劣化したりすることを回避可能な発電電圧の最小値であり、燃料電池スタック１６に応じて定められた値である。

複数の電流制限パターン６０の一例としては、図２に破線で示すように、例えば、起動開始時温度が−３０℃であるときに選択される第１電流制限パターン６０ａと、図２に実線で示すように、起動開始時温度が−２０℃であるときに選択される第２電流制限パターン６０ｂと、図２に一点鎖線で示すように、起動開始時温度が−１０℃であるときに選択される第３電流制限パターン６０ｃとが挙げられる。

これらの第１電流制限パターン６０ａ、第２電流制限パターン６０ｂ、第３電流制限パターン６０ｃでは、起動開始時温度が−３０℃、−２０℃、−１０℃であったときの端部発電セル１４ａの放熱量に応じてそれぞれ閾値が設定されている。すなわち、電流制限パターン６０では、起動開始時温度での端部発電セル１４ａの放熱量に応じて異なった閾値が定められている。なお、以下では、第１電流制限パターン６０ａ、第２電流制限パターン６０ｂ、第３電流制限パターン６０ｃを特に区別しないときには、これらを総称して単に電流制限パターン６０ともいう。

複数の電流制限パターン６０は、上記の３個に限定されるものではなく、所定の起動開始時温度に対応する電流制限パターン６０を少なくとも２個以上有すればよい。電流制限パターン６０の個数が増えるほど、起動開始時温度での端部発電セル１４ａの放熱量に応じて閾値を高精度に設定することが可能になる。

各電流制限パターン６０では、燃料電池スタック１６の温度が、端部発電セル１４ａが凍結していないと判断される非凍結温度Ｔ１に達するまで閾値を一定の第１閾値Ｌ１とする。また、燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１よりも高温であり、燃料電池スタック１６の通常運転に適した温度である基準温度Ｔ２に達した後は、閾値を第１閾値Ｌ１よりも高い第２閾値Ｌ２とする。さらに、燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１から基準温度Ｔ２に達するまでの間は、閾値を第１閾値Ｌ１から第２閾値Ｌ２まで所定の割合で上昇する変動閾値Ｌ３とする。

これらの複数の電流制限パターン６０では、起動開始時温度が低いときに選択される電流制限パターン６０ほど、燃料電池スタック１６の温度が起動開始時温度から上昇して所定の基準温度Ｔ２に達するまでの間の閾値（第１閾値Ｌ１及び変動閾値Ｌ３）が小さく設定されている。また、非凍結温度Ｔ１及び基準温度Ｔ２は、複数の電流制限パターン６０で共通である。

さらに、複数の電流制限パターン６０では、起動開始時温度が低いときに選択される電流制限パターン６０ほど、変動閾値Ｌ３の上昇率が大きい。低温環境下にあるほど下限電圧が低くなる傾向にあるため、起動開始時温度が低いときに選択される電流制限パターン６０ほど第１閾値Ｌ１が小さい。一方、燃料電池スタック１６の温度が上昇して基準温度Ｔ２に近づくと、複数の電流制限パターン６０同士の閾値の差が小さくなる。このため、起動開始時温度が低いときに選択される電流制限パターン６０ほど変動閾値Ｌ３の上昇率が大きくなる。

燃料電池スタック１６の温度が基準温度Ｔ２以上である場合、燃料電池スタック１６が最適な動作温度域に近づくことで、氷点下等の低温域である場合に比べて、端部発電セル１４ａの放熱量が小さくなり、また、下限電圧が高くなる。このため、出力電流を大きくしても、発電安定性が損なわれたり、電解質膜が劣化したりする可能性が低くなる。このため、本実施形態では、燃料電池スタック１６の温度が基準温度Ｔ２以上である場合、起動開始時温度に関わらず、複数の電流制限パターン６０の第２閾値Ｌ２を、燃料電池スタック１６の最適な動作温度域における通常動作時の閾値と同じ大きさとする。

なお、第２閾値Ｌ２においても、起動開始時温度が低いときに選択される電流制限パターン６０ほど、小さい値に設定されてもよい。この場合、複数の電流制限パターン６０における、第１閾値Ｌ１同士の大きさの差よりも、第２閾値Ｌ２同士の大きさの差の方が小さくなる。

次に、図３に示すフローチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法について説明する。

はじめに、ステップＳ１において、燃料電池スタック１６を起動するとともに、温度センサ５２により燃料電池スタック１６の温度のモニタを開始して、起動開始時温度を検出する起動開始時温度検出工程を行う。

次に、ステップＳ２において、起動開始時温度検出工程で検出した起動開始時温度が暖機実行温度（例えば、０℃）以下であるか否かを判定する。ステップＳ２で、起動開始時温度が暖機実行温度より大きいと判定された場合（ステップＳ２：ＮＯ）には、暖機運転を行わず、ステップＳ６に進み、燃料電池スタック１６の通常運転を開始する。

ステップＳ２で、起動開始時温度が暖機実行温度以下であると判定された場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）には、燃料電池スタック１６の暖機運転を実行するべく、ステップＳ３以降の工程に進む。

ステップＳ３では、複数の電流制限パターン６０から、起動開始時温度検出工程で検出した起動開始時温度に対応する電流制限パターン６０を選択する選択工程を行う。選択工程では、起動開始時温度検出工程で検出された起動開始時温度が低いほど、起動開始時温度から基準温度Ｔ２までの間の閾値（第１閾値Ｌ１及び変動閾値Ｌ３）が小さく設定された電流制限パターン６０を選択する。すなわち、検出された起動開始時温度での端部発電セル１４ａの放熱量に応じた閾値の電流制限パターン６０であり、起動開始時温度が低いほど、変動閾値Ｌ３の上昇率が大きい電流制限パターン６０を選択する。

次に、ステップＳ４において、選択工程で選択した電流制限パターン６０と、温度センサ５２により検出された燃料電池スタック１６の運転中の温度とに基づき、燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限しつつ発電して、燃料電池スタック１６を暖機運転する発電工程を行う。

具体的には、制御部１２に取り込まれた燃料電池スタック１６の出力電流が、温度センサ５２により検出された燃料電池スタック１６の運転中の温度に対応する閾値を超えないように制限しつつ発電を行う。なお、制御部１２に取り込まれた各発電セル１４の発電電圧から算出される燃料電池スタック１６の出力電流が、温度センサ５２により検出された燃料電池スタック１６の運転中の温度に対応する閾値を超えないように制限しつつ発電を行ってもよい。

発電工程を行うことで、燃料ガス及び酸化剤ガスが、アノード電極及びカソード電極での電気化学反応（発電反応）に消費され、燃料電池スタック１６の温度が上昇する。

発電工程では、検出された燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１に達するまでは、第１閾値Ｌ１に基づき燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する。また、検出された燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１から基準温度Ｔ２に達するまでの間は、変動閾値Ｌ３に基づき燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する。さらに、検出された燃料電池スタック１６の温度が、基準温度Ｔ２に達してからは、第２閾値Ｌ２に基づき燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する。

次に、ステップＳ５において、発電セル１４の最低発電電圧、又は発電セル１４の平均発電電圧（以下、これらを総称してセル電圧ともいう）が所定値より大きいか否かを判定する。すなわち、ステップＳ５では、暖機運転中に、セル電圧の低下が生じたか否かを判定する。ステップＳ５で、セル電圧が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、ステップＳ６に進んで、燃料電池スタック１６から取り出す電流を所定の大きさに固定する。なお、セル電圧の低下が生じたか否かを判定するための所定値や、固定する電流の大きさは、例えば、所定の電流制限閾値マップ、又はセル電圧回復マップ（何れも不図示）に基づいて定めることができる。

また、燃料電池スタック１６から取り出す電流を固定している間は、駆動モータ５６に対して、バッテリ５４から供給する電流を増大させることにより、駆動モータ５６の出力が低下することを回避でき、ひいては、車両の走行性を安定させることができる。ステップＳ６の処理を行った後は、再び、ステップＳ５に進み、セル電圧が所定値より大きくなるのを待つ。

ステップＳ５で、セル電圧が所定値より大きいと判定された場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、ステップＳ７に進み、温度センサ５２により検出された燃料電池スタック１６の温度が、暖機完了温度以上であるか否かを判定する。なお、暖機完了温度は、基準温度Ｔ２又は基準温度Ｔ２より大きい所定の温度に設定することができる。ステップＳ７で、燃料電池スタック１６の温度が暖機完了温度より小さいと判定された場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、ステップＳ７の処理を繰り返し実行し、燃料電池スタック１６の温度が暖機完了温度以上となるのを待つ。

ステップＳ７で、燃料電池スタック１６の温度が暖機完了温度以上であると判定された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、ステップＳ８に進み、燃料電池スタック１６の通常運転を開始する。このステップＳ８の処理の後、本実施形態に係るフローチャートは終了する。

以上から、本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法では、起動開始時温度が低いほど、換言すると、端部発電セル１４ａの放熱量が大きくなるほど、燃料電池スタック１６の温度が起動開始時温度から昇温して基準温度Ｔ２に達するまでの間の閾値が小さい電流制限パターン６０を選択する。このようにして選択した電流制限パターン６０に基づいて燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限することで、発電反応を生じさせて燃料電池スタック１６を起動開始時温度から基準温度Ｔ２へと昇温させる際に、他の発電セル１４に比して低温になり易い端部発電セル１４ａについても発電電圧が下限電圧を下回ることを抑制できる。

その結果、低温環境下で起動させても、発電安定性を良好に維持できるとともに、燃料電池スタック１６の耐久性が低下することを抑制できる。

上記の燃料電池システム１０において、電流制限パターン６０では、燃料電池スタック１６の温度が、燃料電池スタック１６の積層方向の端部に配置された端部発電セル１４ａが凍結していないと判断される非凍結温度Ｔ１に達するまで前記閾値を一定の第１閾値Ｌ１とし、燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１よりも高い基準温度Ｔ２に達した後は、閾値を前記第１閾値Ｌ１よりも高い第２閾値Ｌ２とし、燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１から基準温度Ｔ２に達するまでの間は、閾値を第１閾値Ｌ１から第２閾値Ｌ２まで所定の割合で上昇する変動閾値Ｌ３とすることとした。

また、上記の燃料電池システム１０の制御方法では、電流制限パターン６０の閾値は、第１閾値Ｌ１と、第１閾値Ｌ１より高い第２閾値Ｌ２と、第１閾値Ｌ１から第２閾値Ｌ２まで所定の割合で上昇する変動閾値Ｌ３とを有し、発電工程では、検出された燃料電池スタック１６の温度が、燃料電池スタック１６の積層方向の端部に配置された端部発電セル１４ａが凍結していないと判断される非凍結温度Ｔ１に達するまでは、第１閾値Ｌ１に基づき燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限し、検出された燃料電池スタック１６の温度が、非凍結温度Ｔ１から該非凍結温度Ｔ１よりも高い基準温度Ｔ２に達するまでの間は、変動閾値Ｌ３に基づき燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限し、検出された燃料電池スタック１６の温度が、基準温度Ｔ２に達してからは、第２閾値Ｌ２に基づき燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限することとした。

特に、酸化剤ガス供給口３２に近接する側の端部に配設される端部発電セル１４ａでは、加湿直後の酸化剤ガスが供給されるため、該酸化剤ガス中の水が結露すること等で生じる液体の結露水が飛び込むことがあり、低温環境下において他のセルよりも凍結し易くなる。発電セル１４が凍結し、正常に発電を行えない状態で下限電圧を下回ると、電解質膜等の劣化がさらに生じ易くなる。

そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法では、燃料電池スタック１６の温度が、端部発電セル１４ａが凍結していないと判断される非凍結温度Ｔ１に達するまでは、閾値を上昇させずに一定の大きさの第１閾値Ｌ１とする。これによって、発電セル１４が凍結した状態で下限電圧を下回ることをより確実に回避して、発電セル１４の品質が低下することを効果的に抑制することができる。

また、燃料電池スタック１６の温度が基準温度Ｔ２に達し、燃料電池スタック１６が最適な動作温度域に近づいてからは、第１閾値Ｌ１よりも高い第２閾値Ｌ２に基づいて燃料電池スタック１６から取り出す電流を制限する。これによって、燃料電池スタック１６の発電効率を向上させることができるため、発電反応による燃料電池スタック１６の昇温を促すこと等が可能になる。

さらに、燃料電池スタック１６の温度が非凍結温度Ｔ１から基準温度Ｔ２に達するまでの間は、端部発電セル１４ａの放熱量に応じた所定の割合で上昇する変動閾値Ｌ３とすることで、発電セル１４の発電電圧が下限電圧を下回ることを効果的に抑制しつつ発電効率を向上させることができる。

従って、電流制限パターン６０の閾値を上記のように第１閾値Ｌ１、第２閾値Ｌ２、変動閾値Ｌ３から構成することで、燃料電池スタック１６の耐久性が低下することを効果的に抑制しつつ、暖機運転に要する時間を短縮することや、燃料電池スタック１６の出力を効率的に得ることが可能になる。

上記の燃料電池システム１０では、複数の電流制限パターン６０を記憶した記憶部６２を備え、電流制限部６４は、起動開始時温度に応じて、記憶部６２に記憶された複数の電流制限パターン６０から１つの電流制限パターン６０を選択することとした。

上記の燃料電池システム１０では、複数の電流制限パターン６０は、複数の電流制限閾値マップ６０Ｍであることとした。

上記の燃料電池システム１０において、複数の電流制限パターン６０では、起動開始時温度が低いときに選択される電流制限パターン６０ほど、変動閾値Ｌ３の上昇率が大きいこととした。

上記の燃料電池システム１０において、非凍結温度Ｔ１及び基準温度Ｔ２は、複数の電流制限パターン６０で共通であることとした。

上記の燃料電池システム１０において、電流制限パターン６０では、起動開始時温度での端部発電セル１４ａの放熱量に応じて閾値が定められることとした。

上記の燃料電池システムの制御方法において、選択工程では、記憶部６２に記憶した複数の電流制限パターン６０から、起動開始時温度に応じた１つの電流制限パターン６０を選択することとした。

上記の燃料電池システム１０の制御方法において、選択工程では、起動開始時温度が低いほど、変動閾値Ｌ３の上昇率が大きい電流制限パターン６０を選択することとした。

上記の燃料電池システム１０の制御方法において、選択工程では、検出された起動開始時温度での端部発電セル１４ａの放熱量に応じた閾値の電流制限パターン６０を選択することとした。

これらによって、起動開始時温度に応じて異なる端部発電セル１４ａの放熱量に応じて、端部発電セル１４ａの発電電圧が下限電圧を下回ることを簡単な構成で効果的に抑制できる。その結果、低温環境下で起動させても、発電安定性を良好に維持できるとともに、燃料電池スタック１６の耐久性が低下することを抑制できる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１０…燃料電池システム １２…制御部
１４…発電セル １４ａ…端部発電セル
１６…燃料電池スタック ５２…温度センサ
６０…電流制限パターン ６０ａ…第１電流制限パターン
６０ｂ…第２電流制限パターン ６０ｃ…第３電流制限パターン
６０Ｍ…電流制限閾値マップ ６２…記憶部
６４…電流制限部 Ｌ１…第１閾値
Ｌ２…第２閾値 Ｌ３…変動閾値
Ｔ１…非凍結温度 Ｔ２…基準温度

Claims (12)

1. 複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   起動開始時の前記燃料電池スタックの温度又は外気温を起動開始時温度として検出する起動開始時温度検出部と、
   前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出部と、
   前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限する電流制限部と、
   を備え、
   前記電流制限部は、前記起動開始時温度に基づいて、前記燃料電池スタックの運転中の温度と前記燃料電池スタックから取り出す最大電流の閾値との関係を前記起動開始時温度毎に定めた複数の電流制限パターンから１つの電流制限パターンを選択し、選択した前記電流制限パターンに沿って前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限し、
   前記複数の電流制限パターンでは、前記起動開始時温度が低いときに選択される前記電流制限パターンほど、前記燃料電池スタックの温度が前記起動開始時温度から上昇して所定の基準温度に達するまでの間の前記閾値が小さく設定されている、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記複数の電流制限パターンを記憶した記憶部を備え、
   前記電流制限部は、前記起動開始時温度に応じて、前記記憶部に記憶された前記複数の電流制限パターンから１つの前記電流制限パターンを選択する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記複数の電流制限パターンは、複数の電流制限閾値マップである、燃料電池システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電流制限パターンでは、前記燃料電池スタックの温度が、前記燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された端部発電セルが凍結していないと判断される非凍結温度に達するまで前記閾値を一定の第１閾値とし、
   前記燃料電池スタックの温度が、前記非凍結温度よりも高い前記基準温度に達した後は、前記閾値を前記第１閾値よりも高い第２閾値とし、
   前記燃料電池スタックの温度が、前記非凍結温度から前記基準温度に達するまでの間は、前記閾値を前記第１閾値から前記第２閾値まで所定の割合で上昇する変動閾値とする、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記複数の電流制限パターンでは、前記起動開始時温度が低いときに選択される前記電流制限パターンほど、前記変動閾値の上昇率が大きい、燃料電池システム。
6. 請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記非凍結温度及び前記基準温度は、前記複数の電流制限パターンで共通である、燃料電池システム。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電流制限パターンでは、前記起動開始時温度での前記端部発電セルの放熱量に応じて前記閾値が定められる、燃料電池システム。
8. 複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   起動開始時の前記燃料電池スタックの温度又は外気温を起動開始時温度として検出する起動開始時温度検出工程と、
   前記燃料電池スタックの運転中の温度と前記燃料電池スタックから取り出す最大電流の閾値との関係を前記起動開始時温度毎に定めた複数の電流制限パターンから、前記起動開始時温度検出工程で検出した前記起動開始時温度に対応する電流制限パターンを選択する選択工程と、
   選択した前記電流制限パターンと、スタック温度検出部により検出された前記燃料電池スタックの運転中の温度とに基づき、前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限しつつ発電を行う発電工程と、
   を有し、
   前記選択工程では、前記起動開始時温度検出工程で検出された前記起動開始時温度が低いほど、前記燃料電池スタックの温度が前記起動開始時温度から上昇して所定の基準温度に達するまでの間の前記閾値が小さく設定された前記電流制限パターンを選択する、燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項８記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記選択工程では、記憶部に記憶した前記複数の電流制限パターンから、前記起動開始時温度に応じた１つの前記電流制限パターンを選択する、燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項８又は９記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記電流制限パターンの前記閾値は、第１閾値と、前記第１閾値より高い第２閾値と、前記第１閾値から前記第２閾値まで所定の割合で上昇する変動閾値とを有し、
    前記発電工程では、検出された前記燃料電池スタックの温度が、前記燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された端部発電セルが凍結していないと判断される非凍結温度に達するまでは、前記第１閾値に基づき前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限し、
    検出された前記燃料電池スタックの温度が、前記非凍結温度から該非凍結温度よりも高い前記基準温度に達するまでの間は、前記変動閾値に基づき前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限し、
    検出された前記燃料電池スタックの温度が、前記基準温度に達してからは、前記第２閾値に基づき前記燃料電池スタックから取り出す電流を制限する、燃料電池システムの制御方法。
11. 請求項１０記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記選択工程では、前記起動開始時温度が低いほど、前記変動閾値の上昇率が大きい前記電流制限パターンを選択する、燃料電池システムの制御方法。
12. 請求項１０又は１１記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記選択工程では、検出された前記起動開始時温度での前記端部発電セルの放熱量に応じた前記閾値の前記電流制限パターンを選択する、燃料電池システムの制御方法。

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