JP2021131961A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、ポンピング水素の発生を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、酸化剤ガス供給系と、冷媒循環ポンプと、スタック温度取得部と、制御部とを備え、制御部は暖機運転処理の開始後において、取得温度の変化が上昇から下降に最初に転じた後に、取得温度の変化が下降から上昇に転じた第１時点以降では、冷媒循環ポンプの回転数を減少させる場合の減少速度を、第１時点より前に設定された値よりも小さい値に設定する。【選択図】図６

Description

本開示は、燃料電池システムの技術に関する。
従来、燃料電池システムにおいて、氷点下などの低温時に燃料電池を発電させる場合に、燃料電池の昇温速度に応じて、燃料電池に冷媒を循環させる冷媒循環ポンプを駆動する技術が知られている（特許文献１）。
特開２０１０−２７７７０４号公報
一般に、冷媒の温度が低い場合、例えば−３０℃（摂氏）には、冷媒の粘性が高くなる。冷媒の粘性が高い状態において、冷媒循環ポンプを駆動して冷媒循環流路内の冷媒を循環させた場合、冷媒が均一に混ざり合わずに、冷媒循環流路内における冷媒の温度分布が大きくなる場合がある。温度分布が大きい冷媒を循環させた場合、燃料電池の昇温速度が頻繁に変動することで、冷媒循環ポンプの回転数が大きく変化して冷媒循環流路内を流通する冷媒の流量も大きく変動する。これにより、燃料電池の温度が大きく低下して燃料電池内の生成水が凍結する場合が生じ得る。燃料電池内の生成水が凍結した場合、カソードへの酸化剤ガスの供給が円滑に行われないために、酸化剤ガスが不足してポンピング水素が発生する場合が生じ得る。ポンピング水素とは、カソードの酸素の不足によって、カソードにおいて、アノードから伝導された水素イオンと電子とが再結合することによって生成される水素である。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、積層された複数の燃料電池セルであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒循環流路と、前記冷媒循環流路に配置され、前記冷媒の循環流量を調整する冷媒循環ポンプと、前記燃料電池スタックの温度を取得するスタック温度取得部と、前記スタック温度取得部の取得温度を用いて前記冷媒循環ポンプの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、予め定めた条件が満たされた場合に、前記燃料電池スタックの発熱を利用して前記燃料電池スタックを昇温させる前記燃料電池スタックの暖機運転処理を実行し、前記暖機運転処理において、前記取得温度に応じて前記冷媒循環ポンプを駆動し、前記暖機運転処理の開始後において、前記取得温度の変化が上昇から下降に最初に転じた後に、前記取得温度の変化が下降から上昇に転じた第１時点以降では、前記冷媒循環ポンプの回転数を減少させる場合の減少速度を、前記第１時点より前に設定された値よりも小さい値に設定する。
この形態によれば、制御部は、第１時点以降では、減少速度を第１時点より前に設定された値よりも小さい値に設定することで、燃料電池スタックに流入する冷媒の流量が大きく変化することを抑制できる。よって、燃料電池スタックの温度が冷媒によって大きく低下することを抑制できるので、燃料電池スタック内の生成水が凍結する可能性を低減できる。これにより、カソードへの酸化剤ガスの供給が阻害されることを抑制できるので、ポンピング水素の発生を抑制できる。
（２）上記形態において、前記制御部は、前記減少速度をゼロに設定することで、前記減少速度を前記第１時点より前に設定された値よりも小さくしてもよい。
この形態によれば、燃料電池スタックへ流入する冷媒の流量が大きく変動することをさらに抑制できるので、燃料電池スタック内の生成水が凍結する可能性をさらに低減できる。これにより、ポンピング水素の発生をさらに抑制できる。
（３）上記形態において、前記制御部は、前記第１時点以降において、前記取得温度の変化が上昇から下降に最初に転じた後に、前記取得温度の変化が下降から上昇に転じた第２時点以降では、前記減少速度を、前記第１時点から前記第２時点以前までの値よりも小さい値に設定してもよい。
この形態によれば、回転数を減少させる場合の減少速度について、第２時点以降では第１時点から第２時点以前までの値よりも小さい値に設定することで、燃料電池スタックへ流入する冷媒の温度が大きく変動することを抑制できる。これにより、燃料電池スタック内の生成水が凍結する可能性をさらに低減できので、ポンピング水素の発生をさらに抑制できる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、上記の燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムの制御方法、制御方法をコンピューターに実行させるためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した非一過性の記録媒体などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの概略構成を説明するための図。 燃料電池システムの詳細構成を説明するための図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概念図。 制御装置の内部ブロック図。 動作マップを説明するための図。 制御部が実行する暖機運転処理のフローチャート。 暖機運転処理における、取得温度と回転数との関係を示す図。 第２実施形態の暖機運転処理における、取得温度と回転数との関係を示す図。
Ａ．第１実施形態：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を説明するための図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両１２に搭載され、燃料電池車両１２の駆動用モータを駆動させるための発電装置として用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１６と、燃料ガス給排系５０と、酸化剤ガス給排系３０と、冷媒循環系７０とを備える。
燃料電池スタック１１６は、複数の燃料電池セル１１と、一対のエンドターミナル１１０，１２０とを備える。複数の燃料電池セル１１はそれぞれ、板状であり、厚み方向である積層方向ＳＤに積層されている。燃料電池セル１１は、反応ガスとしての酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給を受けて酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。本実施形態では、酸化剤ガスは酸素を含む空気であり、燃料ガスは水素である。燃料電池セル１１は、単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池セル１１は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータとを備える。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、電解質膜の他方の面に配置されたカソードとを有する。各燃料電池セル１１の外周端部には、反応ガスや発電部を通過した反応オフガスを流通させるためのマニホールドＭｆａを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。マニホールドＭｆａは、各燃料電池セル１１の発電部に分岐接続されている。また、各燃料電池セル１１の外周端部には、冷媒を流通させるためのマニホールドＭｆｂを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。
一対のエンドターミナル１１０，１２０は、複数の燃料電池セル１１の積層方向ＳＤにおける両端部に配置されている。具体的には、第１エンドターミナル１１０は燃料電池スタック１１６の一方の端部に位置し、第２エンドターミナル１２０は燃料電池スタック１１６の一方の端部とは反対側の他方の端部に位置する。第１エンドターミナル１１０には、マニホールドＭｆａやマニホールドＭｆｂを形成するための貫通孔である開口部１１５が形成されている。一方で、第２エンドターミナル１２０には、マニホールドＭｆａやマニホールドＭｆｂを形成するための貫通孔である開口部１１５は形成されていない。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒とは、燃料電池スタック１１６のうち積層方向ＳＤの一方側からのみ供給されたり排出されたりする。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給機能と、燃料ガス排出機能と、燃料ガス循環機能とを有する。燃料ガス供給機能は、燃料電池セル１１のアノードに燃料ガスを供給する機能である。燃料ガス排出機能は、燃料電池セル１１のアノードから排出される燃料ガス（「燃料オフガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。燃料ガス循環機能は、燃料ガスを燃料電池システム１０内において循環させる機能である。
酸化剤ガス給排系３０は、燃料電池セル１１のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機能と、燃料電池セル１１のカソードから排出される酸化剤ガス（「酸化剤オフガス」ともいう。）を外部に排出する酸化剤ガス排出機能と、供給される酸化剤ガスを燃料電池セル１１を介することなく外部に配置するバイパス機能と、備える。
冷媒循環系７０は、燃料電池スタック１１６に冷媒を循環させて、燃料電池スタック１１６の温度を調節する。冷媒としては、例えば、エチレングリコールなどの不凍液や、水などの液体が用いられる。
図２は、燃料電池システム１０の詳細構成を説明するための図である。図２では、燃料電池スタック１１６に供給されたり、燃料電池スタック１１６から排出されたりする燃料ガスや酸化剤ガスや冷媒の向きは矢印で記載している。燃料電池システム１０は、上述の燃料電池スタック１１６、酸化剤ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、冷媒循環系７０に加え、制御装置６０を有する。制御装置６０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。制御装置６０の詳細は後述する。
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給系３０Ａと、酸化剤ガス排出系３０Ｂとを備える。酸化剤ガス供給系３０Ａは、燃料電池スタック１１６のカソードに酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給系３０Ａは、酸化剤ガス供給路３０２と、外気温センサ３８と、エアクリーナ３１と、コンプレッサ３３と、モータ３４と、インタークーラ３５と、第１調圧弁３６と、を有する。
酸化剤ガス供給路３０２は、燃料電池スタック１１６の上流側に配置され、外部と燃料電池スタック１１６のカソードとを連通させる管である。外気温センサ３８は、エアクリーナ３１に取り込まれる酸化剤ガスである空気の温度、すなわち外気温を計測する。外気温センサ３８の計測結果は制御装置６０に送信される。エアクリーナ３１は、酸化剤ガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも上流側に設けられ、燃料電池スタック１１６に供給される酸化剤ガス中の異物を除去する。コンプレッサ３３は、燃料電池スタック１１６よりも上流側の酸化剤ガス供給路３０２に設けられ、制御装置６０からの指示に応じて圧縮した空気をカソードに向けて吐出する。コンプレッサ３３は、制御装置６０からの指示に応じて動作するモータ３４によって駆動される。インタークーラ３５は、酸化剤ガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも下流側に設けられている。インタークーラ３５は、コンプレッサ３３によって圧縮されて高温となった酸化剤ガスを冷却する。第１調圧弁３６は、電磁弁や電動弁である。第１調圧弁３６は、制御装置６０によって開度が調整されることで、酸化剤ガス供給路３０２から燃料電池スタック１１６に向かう酸化剤ガスの流量を調整する。
酸化剤ガス排出系３０Ｂは、カソードを流通した酸化剤ガスを外部に排出する。酸化剤ガス排出系３０Ｂは、酸化剤ガス排出路３０８と、バイパス路３０６と、第２調圧弁３７と、第３調圧弁３９とを有する。酸化剤ガス排出路３０８は、燃料電池スタック１１６のカソードから排出された酸化剤ガス（「酸化剤オフガス」とも呼ぶ。）や、バイパス路３０６を流通した酸化剤ガスを外部に排出するための管である。第２調圧弁３７は、電磁弁や電動弁である。第２調圧弁３７は、制御装置６０によって開度が調整されることで燃料電池スタック１１６のカソード側流路の背圧を調整する。第２調圧弁３７は、酸化剤ガス排出路３０８のうちでバイパス路３０６が接続された地点よりも上流側に配置されている。酸化剤ガス排出路３０８の下流側端部にはマフラー３１０が配置されている。
第３調圧弁３９は、バイパス路３０６に配置されている。第３調圧弁３９は、電磁弁や電動弁である。第３調圧弁３９は、制御装置６０によって開度が調整されることでバイパス路３０６を流通する酸化剤ガスの流量を調整する。バイパス路３０６は、燃料電池スタック１１６を経由することなく、酸化剤ガス供給路３０２と酸化剤ガス排出路３０８とを接続する管である。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給系５０Ａと、燃料ガス循環系５０Ｂと、燃料ガス排出系５０Ｃとを備える。
燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池スタック１１６のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、燃料ガスタンク５１と、燃料ガス供給路５０１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクター５４と、圧力センサ５９と、を備える。燃料ガスタンク５１は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。燃料ガス供給路５０１は、燃料ガスタンク５１と燃料電池スタック１１６とに接続され、燃料ガスタンク５１から燃料電池スタック１１６に向かう燃料ガスが流通する管である。開閉弁５２は、開弁状態において燃料ガスタンク５１の燃料ガスを下流側へと流通させる。レギュレータ５３は、制御装置６０の制御によって、インジェクター５４よりも上流側における燃料ガスの圧力を調整する。インジェクター５４は、燃料ガス供給路５０１のうち、後述する燃料ガス循環路５０２の合流地点よりも上流側に配置されている。インジェクター５４は、制御部６２によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁であり、燃料電池スタック１１６に供給される燃料ガス供給量を調整する。圧力センサ５９は、燃料ガス供給路５０１のうちでインジェクター５４よりも下流側の内部圧力（燃料ガスの供給圧力）を計測する。計測結果は制御装置６０に送信される。
燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池スタック１１６から排出される燃料ガス（「燃料オフガス」とも呼ぶ。）を再び燃料ガス供給路５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料ガス循環路５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、モータ５６とを有する。燃料ガス循環路５０２は、燃料電池スタック１１６と燃料ガス供給路５０１とに接続され、燃料ガス供給路５０１に向かう燃料オフガスが流通する管である。気液分離器５７は、燃料ガス循環路５０２に設けられ、液水混じりの燃料オフガスから液水を分離する。循環ポンプ５５は、モータ５６を駆動させることで燃料ガス循環路５０２内の燃料オフガスを燃料ガス供給路５０１に向かって循環させる。
燃料ガス排出系５０Ｃは、燃料オフガスや燃料電池スタック１１６の発電によって生じた液水を外部へ排出する。燃料ガス排出系５０Ｃは、排気排水路５０４と排気排水弁５８と、を有する。排気排水路５０４は、液水を排出する気液分離器５７の排出口と、外部とを連通する管である。
排気排水弁５８は、排気排水路５０４に配置され、排気排水路５０４を開閉する。排気排水弁５８には、例えば、ダイヤフラム弁が用いられる。燃料電池システム１０の通常運転時では、制御装置６０は、予め定めたタイミングで排気排水弁５８に対して開弁指示を行う。
冷媒循環系７０は、冷媒循環流路７９と、冷媒循環ポンプ７４と、モータ７５と、ラジエータ７２と、ラジエータファン７１と、スタック温度センサ７３とを備える。
冷媒循環流路７９は、冷媒供給路７９Ａと、冷媒排出路７９Ｂと、内部流路７９Ｃと、を有する。冷媒循環流路７９は、燃料電池スタック１１６に冷媒を循環させる。冷媒供給路７９Ａは、燃料電池スタック１１６に冷媒を供給するための管である。冷媒排出路７９Ｂは、燃料電池スタック１１６から冷媒を排出するための管である。内部流路７９Ｃは、マニホールドＭｆｂ（図１）などによって構成された、燃料電池スタック１１６内の冷媒が流通する流路である。冷媒循環ポンプ７４は、モータ７５の駆動によって冷媒供給路７９Ａの冷媒を燃料電池スタック１１６へ送り出す。冷媒循環ポンプ７４は、冷媒循環流路７９に配置され、冷媒の循環流量を調整する。ラジエータ７２は、ラジエータファン７１によって風が送られて放熱することで、内部を流通する冷媒を冷却する。
スタック温度センサ７３は、冷媒排出路７９Ｂのうち燃料電池スタック１１６の近傍に配置され、冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度、すなわち燃料電池スタック１１６から流出した冷媒の温度（冷媒温度）を計測する。冷媒温度の計測結果は、制御装置６０に送信される。制御装置６０は、スタック温度センサ７３の計測結果を用いて燃料電池スタック１１６の温度を取得する。また制御装置６０は、取得した燃料電池スタック１１６の温度を用いて、燃料電池システム１０の動作を制御する。なお、冷媒循環系７０は、冷媒を加熱するためのヒータを備えていてもよい。また、制御部６２が、スタック温度センサ７３の計測温度を外気温としても扱う場合には、外気温センサ３８は省略してもよい。
図３は、燃料電池システム１０の電気的構成を示す概念図である。燃料電池システム１０は、ＦＤＣ９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、電圧センサ９１と、電流センサ９２とを備える。
電圧センサ９１は、燃料電池スタック１１６の電圧を計測するために用いられる。電圧センサ９１は、燃料電池スタック１１６の全ての燃料電池セル１１それぞれと接続されており、全ての燃料電池セル１１それぞれを対象に電圧を計測する。電圧センサ９１は、その計測結果を制御装置６０に送信する。電圧センサ９１によって計測された全ての燃料電池セル１１の計測電圧を合計することで燃料電池スタック１１６の総電圧が計測される。なお、燃料電池システム１０は、電圧センサ９１に代えて、燃料電池スタック１１６の両端の電圧を計測する電圧センサを有していてもよい。この場合、計測された両端の電圧値が、燃料電池スタック１１６の総電圧となる。電流センサ９２は、燃料電池スタック１１６による出力電流値を計測し、制御装置６０に送信する。
ＦＤＣ９５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路である。ＦＤＣ９５は、制御装置６０から送信される電圧指令値に基づき、燃料電池スタック１１６の出力電圧を制御する。また、ＦＤＣ９５は、制御装置６０から送信される電流指令値に基づき、燃料電池スタック１１６による出力電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池スタック１１６による出力電流の目標値となる値であり、制御装置６０によって設定される。制御装置６０は、例えば、燃料電池スタック１１６の要求発電電力を用いて要求電流値を算出することで電流指令値を生成する。
ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック１１６と駆動用モータなどの負荷２５５とに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック１１６から出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２５５に供給する。
燃料電池システム１０は、さらに、二次電池９６と、ＢＤＣ９７とを備える。二次電池９６は、例えば、リチウムイオン電池で構成され、補助電源として機能する。また二次電池９６は、負荷２５５への電力の供給と、燃料電池スタック１１６によって生じる電力や回生電力の充電とを行う。すなわち、二次電池９６は、燃料電池スタック１１６によって発電された電力を充放電するために用いられる。
ＢＤＣ９７は、ＦＤＣ９５と共にＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路であり、制御部としての制御装置６０の指示に応じて二次電池９６の充放電を制御する。ＢＤＣ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、制御装置６０に送信する。
図４は、制御装置６０の内部ブロック図である。制御装置６０は、ＲＡＭやＲＯＭによって構成された記憶部６８と、制御部６２とを備える。制御部６２は、スタック温度センサ７３の計測結果を用いて取得した温度（取得温度）を用いて冷媒循環ポンプ７４の動作を制御する。
記憶部６８は、冷媒循環ポンプ７４の動作を制御するために用いられる動作マップ６９を記憶する。動作マップ６９の詳細は後述する。また、記憶部６８には、制御部６２が実行する各種プログラムが記憶されている。制御部６２は、記憶部６８の各種プログラムを実行することで、動作制御部６４と、温度取得部６６と、温度判定部６７として機能する。動作制御部６４は、例えば、温度判定部６７の判定内容に応じて燃料電池システム１０の動作を制御する。温度取得部６６は、スタック温度センサ７３の計測結果を用いて燃料電池スタック１１６の温度を取得する。本実施形態では、温度取得部６６は、スタック温度センサ７３の計測結果を燃料電池スタック１１６の温度として取得する。この取得した温度は、冷媒循環流路７９の冷媒温度としても取り扱われる。ここで、本実施形態におけるスタック温度センサ７３および温度取得部６６が、課題を解決するための手段に記載の「スタック温度取得部」に相当する。なお、他の実施形態では、温度取得部６６は、スタック温度センサ７３を含まなくてもよい。この場合、温度取得部６６は、燃料電池スタック１１６の温度と相関関係のある他のパラメータを用いて、取得温度を推定することで取得してもよい。
温度判定部６７は、燃料電池システム１０のスタートスイッチがＯＮとなり、燃料電池システム１０が始動する際に、低効率運転によって燃料電池スタック１１６を急速に昇温させる暖機運転を実行する場合に機能する。温度判定部６７は、燃料電池スタック１１６の暖機運転中において、冷媒の温度変化に関する判定を行う。具体的には、温度判定部６７は、暖機運転処理が開始されて冷媒循環ポンプ７４が駆動した後において、スタック温度センサ７３の計測温度である取得温度の変化が上昇から下降に転じたかどうかや、取得温度の変化が下降から上昇に転じたかどうかを判定する。
暖機運転処理は、温度に関して予め定めた条件を満たした場合に実行される。予め定めた条件は、例えば、外気温センサ３８の計測値が予め定められた温度以下、例えば氷点下になったという条件である。暖機運転は、燃料電池スタック１１６の温度が、定常状態として予め定められた目標温度Ｔｇ（例えば、６５℃）に達するように、燃料電池スタック１１６の発熱を利用して燃料電池スタック１１６を昇温させる運転状態を指す。暖機運転では、燃料電池スタック１１６に供給される酸化剤ガスのストイキ比は、定常状態におけるストイキ比よりも小さく設定され、酸素濃度過電圧を増大させることにより、燃料電池スタック１１６の発電損失が増大されている。酸化剤ガスのストイキ比とは、要求発電電力を発電するために必要な酸素量の最低量に対する、実際に供給した酸素量の比を意味する。本実施形態では、暖機運転における酸化剤ガスのストイキ比は１．０程度である。
図５は、動作マップ６９を説明するための図である。動作マップ６９は、冷媒温度と、冷媒温度に応じた冷媒循環ポンプ７４の回転数と、上昇レートＲｒと、下降レートＤｒとを有する。冷媒温度は、取得温度である。上昇レートＲｒや下降レートＤｒとは、冷媒循環ポンプ７４に対する動作指令値［ｒｐｍ］に対して予め定めた割合（例えば、９割）となる値に到達するまでの時間を意味する。上昇レートＲｒの値が定まれば、上昇レートＲｒの値に応じて上昇速度は一定値に制御される。また、下降レートＤｒの値が定まれば、下降レートＤｒの値に応じて減少速度は一定値に制御される。つまり、上昇レートＲｒが小さいほど、回転数の上昇速度は大きくなり、上昇レートＲｒが大きいほど回転数の上昇速度は小さくなる。また下降レートＤｒが小さいほど回転数の減少速度は大きくなり、下降レートＤｒが大きいほど回転数の減少速度は小さくなる。本実施形態では、動作マップ６９において、上昇レートＲｒは一定の値Ｒａ１に設定され、下降レートＤｒは一定の値Ｒｂ１に設定されている。回転数は、例えば、冷媒温度が高くなるに従って大きくなるように設定されている。なお、動作マップ６９について、回転数に代えて冷媒循環流路７９の循環流量によって規定されていてもよい。この場合、冷媒温度に応じて定められた循環流量となるように冷媒循環ポンプ７４の回転数が制御される。
図６は、制御部６２が実行する暖機運転処理のフローチャートである。図７は、暖機運転処理における、取得温度と回転数との関係を示す図である。図７において、点線の曲線は、下降レート変更制御を行わず通常制御を実行した場合の回転数を示す。
暖機運転処理は、燃料電池システム１０のスタートスイッチがＯＮとなり、燃料電池システム１０が始動する際に、予め定めた条件を満たした場合に実行される。本実施形態では、予め定めた条件は、外気温センサ３８の計測温度が予め定めた温度（例えば、氷点）以下の場合に実行される。なお、他の実施形態では、予め定めた温度は、例えば、氷点よより低い値、例えば−２０℃や−３０℃であってもよい。また、暖機運転処理は、燃料電池スタック１１６の温度、本実施形態ではスタック温度センサ７３の計測温度が予め定めた目標温度Ｔｇ（例えば、６５℃）となった場合に終了する。
図６に示すように、暖機運転処理では、制御部６２は、酸化剤ガス給排系３０や燃料ガス給排系５０を駆動させて、酸化剤ガスや燃料ガスを燃料電池スタック１１６に供給して、燃料電池スタック１１６を低効率運転（暖機運転）によって発電させる（ステップＳ１０）。また、制御部６２は、冷媒循環系７０を駆動させて燃料電池スタック１１６に冷媒を循環させる（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において、制御部６２は、動作マップ６９と、予め定めた間隔で取得した取得温度と、に応じて冷媒循環ポンプ７４を駆動することで回転数を制御する通常制御を実行する。なお、ステップＳ１０とステップＳ２０の順番は本実施形態に限定されるものではなく、逆であってもよいし、同時に行ってもよい。
ステップＳ２０の次に、温度判定部６７は、取得温度の変化が第１時点Ｐ１に到達したか否かを判定する（ステップＳ３０）。第１時点Ｐ１とは、暖機運転処理の開始後において、取得温度の変化が上昇から下降に最初に転じた後に、取得温度が下降から上昇に転じた時点である。なお、第１時点Ｐ１に到達したか否かの判定において、温度判定部６７は、取得温度が微小変動しない、すなわち、一時的に取得温度の変化が上昇から下降に転じたり、下降から上昇に転じたりすることが無いようなサンプリング周期で、温度取得部６６から取得温度を取得することが好ましい。これにより、温度判定部６７の判定精度を向上できる。また後述するように、温度判定部６７は、時系列に並んだ複数の取得温度のプロットを最小二乗法で多項式近似することで関数として算出し、この関数を元に第１時点Ｐ１に到達したか否かを判定してもよい。
ステップＳ１０〜ステップＳ３０までの処理を図７を用いて説明する。図７に示すように、時刻ｔ１において暖機運転処理が開始され、燃料電池スタック１１６が発熱によって昇温することに伴って、燃料電池スタック１１６内に存在していた冷媒も温められる。温められた冷媒が、冷媒循環ポンプ７４の動作によって冷媒排出路７９Ｂに流れ出ることで、取得温度は上昇する。ここで、冷媒の温度が低い場合（例えば−３０℃以下）、冷媒の粘性が常温時に比べて高くなる。これにより、冷媒循環流路７９の冷媒が混ざり合わずに、冷媒循環流路７９内の冷媒の温度分布が大きくなる。具体的には、内部流路７９Ｃに位置する冷媒の温度は、燃料電池スタック１１６の発熱によって上昇する一方で、冷媒供給路７９Ａに位置する冷媒の温度は低いままである。よって、温められていない冷媒供給路７９Ａの冷媒が燃料電池スタック１１６に導入されると、燃料電池スタック１１６の温度が低下する。この温度低下に伴って、内部流路７９Ｃの冷媒は、暖機運転開始当初に内部流路７９Ｃに存在した冷媒（初期冷媒）よりも温度が上昇しないまま、冷媒排出路７９Ｂに導出する。これにより、スタック温度センサ７３の計測結果である取得温度は低下する（図７の時刻ｔ２〜時刻ｔ３）。
一方で、温度が上昇した初期冷媒が循環して、再び冷媒供給路７９Ａから燃料電池スタック１１６に導入されると、初期冷媒が燃料電池スタック１１６の発熱によって再び昇温する。再び昇温された初期冷媒が冷媒排出路７９Ｂに導出されると、取得温度は再び上昇する（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）。つまり、時刻ｔ３では、取得温度の変化は、下降から上昇に転じる。すなわち、時刻ｔ３において取得温度の変化が第１時点Ｐ１に到達する。言い換えれば、第１時点Ｐ１は、横軸に時間、縦軸に温度を定めたグラフにおいて、取得温度を表す線の傾きが、正から負に最初に転じた時刻ｔ２の後に、負から正に転じた時点である。なお、取得温度を表す線は、時系列に並んだ複数の取得温度のプロットを最小二乗法で多項式近似することで関数として算出されてもよい。
図６に示すように、取得温度の変化が第１時点Ｐ１に到達していない場合には、動作制御部６４は、動作マップ６９に従って冷媒循環ポンプ７４の通常制御を継続する（ステップＳ４０）。つまり、動作制御部６４は、動作マップ６９を参照して動作指令値を生成し、動作指令値となるように上昇レートＲｒの設定された値Ｒａ１や下降レートＤｒの設定された値Ｒｂ１を用いて冷媒循環ポンプ７４の動作を制御する。また、動作制御部６４は、取得温度が目標温度Ｔｇに到達しているか否かを判定する（ステップＳ６０）。取得温度が目標温度Ｔｇに到達した場合には、制御部６２は暖機運転処理を終了する。一方で、取得温度が目標温度Ｔｇに到達していない場合には、ステップＳ３０が再び実行される。なお、ステップ６０の処理は、ステップＳ４０の後に限られず、ステップ毎に実行されてもよい。
一方で、取得温度の変化が第１時点Ｐ１に到達した場合には、動作制御部６４は、通常制御に代えて下降レート変更制御によって冷媒循環ポンプ７４の動作を制御する（ステップＳ５０）。下降レート変更制御は、下降レートＤｒを第１時点Ｐ１より前に設定された値Ｒｂ１よりも大きい値Ｒｂ２に設定した制御である。つまり、下降レート変更制御は、冷媒循環ポンプ７４の回転数を減少させる場合の減少速度を、第１時点Ｐ１よりも前に設定された値よりも小さい値に設定した制御である。下降レート変更制御において、下降レートＤｒ以外の制御内容は、動作マップ６９に定められた内容に従って実行される。本実施形態では、値Ｒｂ２は、無限大に設定されている。つまり、制御部６２は、回転数の減少速度をゼロに設定することで、減少速度を第１時点より前に設定された値よりも小さくする。すなわち、下降レート変更制御では、現在の動作指令値（回転数）よりも生成された動作指令値が低い場合においても、回転数は現在の値から下がることなく維持される。また、動作制御部６４は、取得温度が目標温度Ｔｇに到達しているか否かを判定する（ステップＳ７０）。取得温度が目標温度Ｔｇに到達した場合には、制御部６２は暖機運転処理を終了する。一方で、取得温度が目標温度Ｔｇに到達していない場合には、ステップＳ５０が再び実行される。
図７に示すように、取得温度の変化が２回目に上昇から下降に転じた時刻ｔ４の時点Ｐ０ａから、２回目に下降から上昇に転じた時刻ｔ５の時点Ｐ２までは、動作マップ６９に従って生成される動作指令値は次第に低い値となるが、下降レートＤｒは無限大に設定されているために回転数は下がることなく維持される。また、同様に取得温度の変化が３回目に上昇から下降に転じた時刻ｔ６の時点Ｐ０ｂから、３回目に下降から上昇に転じた時刻ｔ７の時点Ｐ３までは、動作マップ６９に従って生成される動作指令値は次第に低い値となるが、下降レートＤｒは無限大に設定されているために回転数は下がることなく維持されている。
上記第１実施形態によれば、制御部６２は、暖機運転処理の開始後において、第１時点Ｐ１以降では、冷媒循環ポンプ７４の回転数を減少させる場合の減少速度を、第１時点Ｐ１より前に設定された値よりも小さい値に設定している。これにより、本実施形態は、燃料電池スタック１１６に流入する冷媒の流量が大きく変化することを抑制できる。よって、本実施形態は、燃料電池スタック１１６の温度が冷媒によって大きく低下することを抑制できるので、燃料電池スタック１１６内の生成水が凍結する可能性を低減できる。これにより、本実施形態は、カソードへの酸化剤ガスの供給が阻害されることを抑制できるので、ポンピング水素の発生を抑制できる。ポンピング水素の発生が抑制されることで、酸化剤ガス排出路３０８から外部に排出される水素の濃度が低減される。
特に第１時点Ｐ１以降では、制御部６２は、下降レートＤｒを無限大に設定することで、減少速度をゼロに設定している。これにより、本実施形態は、燃料電池スタック１１６へ流入する冷媒の流量が大きく変動することをさらに抑制できるので、燃料電池スタック１１６内の生成水が凍結する可能性をさらに低減できる。これにより、ポンピング水素の発生がさらに抑制される。
また、暖機運転処理が開始されて第１時点Ｐ１に到達した場合、暖機運転処理の開始時に燃料電池スタック１１６内に位置した冷媒が、冷媒排出路７９Ｂと冷媒供給路７９Ａを通過して再び燃料電池スタック１１６に流入したと推定できる。つまり、燃料電池スタック１１６の発熱によって温められた冷媒が冷媒循環流路７９を一周することで、冷媒循環流路７９の冷媒全体がある程度の温度以上となる。これにより、冷媒の粘性を暖機運転処理の開始時よりも低くした状態で、第１時点Ｐ１以降において冷媒循環ポンプ７４を用いて冷媒を循環させることができる。よって、回転数に応じた目標冷媒流量に対して、実際の冷媒流量が大きく変動することを抑制できる。
Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態の暖機運転処理における、取得温度と回転数との関係を示す図である。第２実施形態の暖機運転処理と、第１実施形態の暖機運転処理との異なる点は、下降レート変更処理の内容である。その他の燃料電池システム１０の構成や、その他の暖機運転処理の内容は第１実施形態と同様であるため、同様の構成や処理については適宜説明を省略する。
第２実施形態の制御部６２が実行する下降レート変更処理では、取得温度の変化が予め定めた時点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に到達するごとに、下降レートＤｒが次第に大きな値に設定される。つまり、取得温度の変化が予め定めた時点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に到達するごとに、回転数を減少させる場合の減少速度が次第に小さな値に設定される。予め定めた時点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とは、取得温度の変化が上昇から下降に転じた後に、下降から上昇に転じた時点である。
図８に示すように、第１時点Ｐ１に到達するまでは、制御部６２は通常制御によって冷媒循環ポンプ７４の動作を制御する。一方で、第１時点Ｐ１以降では、制御部６２は、上記第１実施形態と同様に下降レートＤｒを、通常制御時の値Ｒｂ１よりも大きい値Ｒｂ２に設定する。さらに、第１時点Ｐ１以降において、取得温度が最初に上昇から下降に転じた時点Ｐ０ａの後に、取得温度が下降から上昇に転じた第２時点Ｐ２以降では、下降レートＤｒを、第１時点Ｐ１から第２時点Ｐ２以前までの値Ｒｂ２よりも大きな値Ｒｂ３に設定する。つまり、制御部６２は、第２時点Ｐ２以降では、冷媒循環ポンプ７４の回転数を減少させる場合に、減少速度を第１時点Ｐ１から第２時点Ｐ２以前までの減少速度の値よりも小さい値に設定する。また第２時点Ｐ２以降において、取得温度が最初に上昇から下降に転じた時点Ｐ０ｂの後に、取得温度が下降から上昇に転じた第３時点Ｐ３以降では、制御部６２は、下降レートＤｒを値Ｒｂ２よりも大きな値Ｒｂ３に設定する。つまり、制御部６２は、第３時点Ｐ３以降では、冷媒循環ポンプ７４の回転数を減少させる場合に、減少速度を第２時点Ｐ２から第３時点Ｐ３以前までの値よりも小さい値に設定する。
上記第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の構成や処理内容を有する点において同様の効果を奏する。例えば、制御部６２は、暖機運転処理の開始後において、第１時点Ｐ１以降では、冷媒循環ポンプ７４の回転数を減少させる場合の減少速度を、第１時点Ｐ１より前に設定された値よりも小さい値に設定している。これにより燃料電池スタック１１６の温度が冷媒によって大きく低下することを抑制できるので、燃料電池スタック１１６内の生成水が凍結する可能性を低減できる。また上記第２実施形態によれば、制御部６２は、予め定めた時点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ごとに減少速度を徐々に小さく設定することで、燃料電池スタック１１６へ流入する冷媒の温度が大きく変動することを抑制できる。これにより、燃料電池スタック１１６内の生成水が凍結する可能性をさらに低減できので、ポンピング水素の発生をさらに抑制できる。
Ｃ．他の実施形態：
Ｃ−１．第１の他の実施形態：
上記第１実施形態では、制御部６２は、下降レート変更制御において、下降レートＤｒを無限大に設定していたがこれに限定されるものではない。例えば、制御部６２は、下降レート変更制御において、下降レートＤｒを通常制御の場合の値Ｒｂ１に比べて大きな値（例えば、値Ｒｂ１の５倍や１０倍）に設定してもよい。
Ｃ−２．第２の他の実施形態；
上記各実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１６の一方の端部側からのみ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を供給したり排出したりしていたが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１６の一方の端部側から燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を供給し、他方の端部側から燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒を排出してもよい。
本開示は、上述の実施形態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、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池セル、１２…燃料電池車両、３０…酸化剤ガス給排系、３０Ａ…酸化剤ガス供給系、３０Ｂ…酸化剤ガス排出系、３１…エアクリーナ、３３…コンプレッサ、３４…モータ、３５…インタークーラ、３６…第１調圧弁、３７…第２調圧弁、３８…外気温センサ、３９…第３調圧弁、５０…燃料ガス給排系、５０Ａ…燃料ガス供給系、５０Ｂ…燃料ガス循環系、５０Ｃ…燃料ガス排出系、５１…燃料ガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクター、５５…循環ポンプ、５６…モータ、５７…気液分離器、５８…排気排水弁、５９…圧力センサ、６０…制御装置、６２…制御部、６４…動作制御部、６６…温度取得部、６７…温度判定部、６８…記憶部、６９…動作マップ、７０…冷媒循環系、７１…ラジエータファン、７２…ラジエータ、７３…スタック温度センサ、７４…冷媒循環ポンプ、７５…モータ、７９…冷媒循環流路、７９Ａ…冷媒供給路、７９Ｂ…冷媒排出路、７９Ｃ…内部流路、９１…電圧センサ、９２…電流センサ、９６…二次電池、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、１１０…エンドターミナル、１１５…開口部、１１６…燃料電池スタック、１２０…第２エンドターミナル、２５５…負荷、３０２…酸化剤ガス供給路、３０６…バイパス路、３０８…酸化剤ガス排出路、３１０…マフラー、５０１…燃料ガス供給路、５０２…燃料ガス循環路、５０４…排気排水路、Ｍｆａ…マニホールド、Ｍｆｂ…マニホールド、ＳＤ…積層方向、Ｔｇ…目標温度

Claims (3)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒循環流路と、
    前記冷媒循環流路に配置され、前記冷媒の循環流量を調整する冷媒循環ポンプと、
    前記燃料電池スタックの温度を取得するスタック温度取得部と、
    前記スタック温度取得部の取得温度を用いて前記冷媒循環ポンプの動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    予め定めた条件が満たされた場合に、前記燃料電池スタックの発熱を利用して前記燃料電池スタックを昇温させる前記燃料電池スタックの暖機運転処理を実行し、
    前記暖機運転処理において、前記取得温度に応じて前記冷媒循環ポンプを駆動し、
    前記暖機運転処理の開始後において、前記取得温度の変化が上昇から下降に最初に転じた後に、前記取得温度の変化が下降から上昇に転じた第１時点以降では、前記冷媒循環ポンプの回転数を減少させる場合の減少速度を、前記第１時点より前に設定された値よりも小さい値に設定する、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、
    前記制御部は、前記減少速度をゼロに設定することで、前記減少速度を前記第１時点より前に設定された値よりも小さくする、燃料電池システム。
  3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記第１時点以降において、前記取得温度の変化が上昇から下降に最初に転じた後に、前記取得温度の変化が下降から上昇に転じた第２時点以降では、前記減少速度を、前記第１時点から前記第２時点以前までの値よりも小さい値に設定する、燃料電池システム。
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