JP4796361B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、水素がアノードに、酸素がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ、以下「燃料電池」）の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。
このような燃料電池は発電すると、電気化学反応により自己発熱する。そこで、燃料電池を経由するように冷媒（冷却水）を循環させて、燃料電池を適宜に冷却する方法が一般に採用されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２３４９０２号公報（段落番号００２２〜００２５、図１）
一方、システムの小型化を図るために、冷媒を供給するためのポンプと、カソードに空気を供給するためのコンプレッサとを一体に構成し、１つの駆動装置（例えばモータ）で一体に駆動させる技術が提案されている。
しかしながら、このようにポンプとコンプレッサとが、１つの駆動装置を共有し、一体に駆動すると、例えば、燃料電池の起動時において、空気が送られると共に、冷媒が送られてしまい、自己発熱により発生した熱が冷媒に放熱されてしまい、その結果、燃料電池の暖機が遅れてしまう場合があった。さらに、氷点下で燃料電池を起動させた場合、冷媒によって、発電により生成した水や凝縮した水が、燃料電池内で凍結してしまう虞もある。
そこで、本発明は、小型化を図りつつ、好適に暖機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、本発明は、反応ガスが流通する反応ガス流路を有し当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電し、冷媒が流通する冷媒流路を有し当該冷媒流路に冷媒が供給されることで冷却される燃料電池と、前記反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記冷媒流路への冷媒の供給量を制限する冷媒供給制限手段と、前記冷媒流路への冷媒の供給量を積算し積算冷媒供給量を算出する冷媒供給量積算手段と、前記燃料電池の電力を積算して積算電力を算出し、前記積算電力に基づいて前記燃料電池の積算発熱量を算出する発熱量検出手段と、前記冷媒供給制限手段を、冷媒を通常に供給する通常モード又は冷媒を制限し供給量を減らす制限モードで制御する制御手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否か判定する暖機判定手段と、を備え、前記反応ガス供給手段と前記冷媒供給手段とは、１つの駆動装置を共有し一体となって駆動し、システム停止中に前記燃料電池が低温を経験している場合、システム起動時、前記駆動装置の回転速度を前記燃料電池が低温を経験していない通常よりも高く制御して前記反応ガス供給手段による前記燃料電池への反応ガスの供給量を増加し、発電する前記燃料電池の自己発熱量を高めることで当該燃料電池の暖機を促進し、前記暖機判定手段が前記燃料電池の暖機は完了したと判定するまで、前記制御手段が通常モードと制限モードとを交互に繰り返して実行する燃料電池システムであって、制限モードの実行中、前記発熱量検出手段は、当該制限モードにおける前記燃料電池の積算発熱量と所定積算発熱量とを比較し、前記制御手段は、前記積算発熱量が前記所定積算発熱量以上である場合、通常モードに移行し、前記積算発熱量が前記所定積算発熱量以上でない場合、制限モードを継続し、前記所定積算発熱量は、制限モードの実行により前記燃料電池内に温度分布が発生することで形成される高温部分の温度が、前記燃料電池の耐え得る限界温度に到達したと判断される発熱量であり、通常モードの実行中、前記冷媒供給量算出手段は、当該通常モードにおける積算冷媒供給量と所定積算冷媒供給量とを比較し、前記制御手段は、前記積算冷媒供給量が前記所定積算冷媒供給量以上である場合、制限モードに移行し、前記積算冷媒供給量が前記所定積算冷媒供給量以上でない場合、通常モードを継続し、前記所定積算冷媒供給量は、通常モードの実行により、前記高温部分の温度がその後に制限モードに移行した場合において制限される冷媒供給に耐え得る温度に低下したと判断される量であることを特徴とする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、反応ガス供給手段と冷媒供給手段とが、１つの駆動装置を共有することによって、システムの小型化が図られる。そして、燃料電池を暖機する場合、反応ガス供給手段と冷媒供給手段とを１つの駆動装置によって一体に駆動させつつ、冷媒供給制限手段によって冷媒流路への冷媒の供給量を減らすことにより、燃料電池を好適に暖機することができる。
また、このような燃料電池システムによれば、発熱量検出手段が検出した発熱量に基づいて、冷媒供給制限手段を制御することができる。
また、このような燃料電池システムによれば、発熱量検出手段が検出した発熱量に基づいて、冷媒供給制限手段を制御することができる。
また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが流通する反応ガス流路を有し当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電し、冷媒が流通する冷媒流路を有し当該冷媒流路に冷媒が供給されることで冷却される燃料電池と、前記反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記冷媒流路への冷媒の供給量を制限する冷媒供給制限手段と、発電開始から現在における前記燃料電池の電力を積算して積算電力を算出する積算電力算出手段と、前記積算電力算出手段の算出した積算電力と運転マップとに基づいて、前記冷媒供給制限手段を、冷媒を通常に供給する通常モード又は冷媒を制限し供給量を減らす制限モードで制御する制御手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否か判定する暖機判定手段と、を備え、前記反応ガス供給手段と前記冷媒供給手段とは、１つの駆動装置を共有し一体となって駆動し、システム停止中に前記燃料電池が低温を経験している場合、システム起動時、前記駆動装置の回転速度を前記燃料電池が低温を経験していない通常よりも高く制御して前記反応ガス供給手段による前記燃料電池への反応ガスの供給量を増加し、発電する前記燃料電池の自己発熱量を高めることで当該燃料電池の暖機を促進し、前記暖機判定手段が前記燃料電池の暖機は完了したと判定するまで、前記制御手段が通常モードと制限モードとを交互に繰り返して実行する燃料電池システムであって、前記運転マップは、複数の積算電力範囲に分けられ、前記各積算電力範囲において通常モードの実行時間及び制限モードの実行時間が設定されており、積算電力が大きくなるにつれて、通常モードの実行時間は長くなり、制限モードの実行時間は短くなるように設定されていることを特徴とする燃料電池システムである。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記暖機完了判定手段は、前記燃料電池の温度が暖機完了温度に到達した場合、前記燃料電池の暖機は完了したと判定し、前記暖機完了温度は、その後に通常モードで冷媒の供給を継続しても、冷媒が発電する前記燃料電池の自己発熱を過度に奪わず、冷媒により当該燃料電池が過冷却されない温度であることが好ましい。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記冷媒供給制限手段は、前記冷媒流路を迂回させる迂回流路を備えることが好ましい。
このような燃料電池システムによれば、冷媒を迂回流路に送ることによって、燃料電池の冷媒流路への冷媒供給量を減らすことができる。
このような燃料電池システムによれば、冷媒を迂回流路に送ることによって、燃料電池の冷媒流路への冷媒供給量を減らすことができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、前記冷媒供給制限手段は、前記冷媒流路に供給される冷媒に、圧力損失を付加する圧力損失付加手段を備えることが好ましい。
このような燃料電池システムによれば、圧力損失付加手段によって冷媒に圧力損失を付加することにより、冷媒流路への冷媒の供給量を減らすことができる。
このような燃料電池システムによれば、圧力損失付加手段によって冷媒に圧力損失を付加することにより、冷媒流路への冷媒の供給量を減らすことができる。
本発明によれば、小型化を図りつつ、好適に暖機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、燃料電池システムの構成≫
第１実施形態に係る燃料電池システムについて、図１から図３を参照して説明する。
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、この燃料電池自動車は燃料電池２の発電電力によって電動の走行モータ３１を駆動し走行するようになっている。燃料電池システム１Ａは、燃料電池２と、燃料電池２に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系１０と、燃料電池２に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系２０と、燃料電池２の出力端子に接続し電力を消費する電力消費系３０と、燃料電池２を適宜に冷却する冷却系４０と、燃料電池２への冷媒供給量を適宜に制限する冷媒供給制限手段５０Ａと、燃料電池システム１Ａの起動スイッチであるＩＧ６１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ７０Ａ（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。
第１実施形態に係る燃料電池システムについて、図１から図３を参照して説明する。
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、この燃料電池自動車は燃料電池２の発電電力によって電動の走行モータ３１を駆動し走行するようになっている。燃料電池システム１Ａは、燃料電池２と、燃料電池２に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系１０と、燃料電池２に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系２０と、燃料電池２の出力端子に接続し電力を消費する電力消費系３０と、燃料電池２を適宜に冷却する冷却系４０と、燃料電池２への冷媒供給量を適宜に制限する冷媒供給制限手段５０Ａと、燃料電池システム１Ａの起動スイッチであるＩＧ６１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ７０Ａ（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。
＜燃料電池＞
燃料電池２（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に反応ガスを供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード側流路３、カソード側流路４（反応ガス流路）となっている。すなわち、アノード側流路３には燃料ガスとしての水素が流通し、この流通する水素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４には、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が流通し、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、燃料電池２のアノードに水素が、カソードに酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔなど）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池２に対して、走行モータ３１などの外部負荷から発電要求があると、燃料電池２が発電するようになっている。なお、このように発電すると、燃料電池２は自己発熱する。
燃料電池２（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に反応ガスを供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード側流路３、カソード側流路４（反応ガス流路）となっている。すなわち、アノード側流路３には燃料ガスとしての水素が流通し、この流通する水素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４には、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が流通し、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、燃料電池２のアノードに水素が、カソードに酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔなど）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池２に対して、走行モータ３１などの外部負荷から発電要求があると、燃料電池２が発電するようになっている。なお、このように発電すると、燃料電池２は自己発熱する。
また、前記したセパレータには、冷媒が流通する冷媒流路５が形成されており、この冷媒流路５に冷媒が流通することで、燃料電池２が適宜に冷却されるようになっている。
＜アノード系＞
アノード系１０は、水素が貯蔵された水素タンク１１と、遮断弁１２とを主に備えている。水素タンク１１は配管１１ａを介して遮断弁１２に接続しており、遮断弁１２は配管１２ａを介してアノード側流路３に接続している。また、遮断弁１２は、ＥＣＵ７０Ａの運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１により適宜に制御され、遮断弁１２が開かれると水素が水素タンク１１からアノード側流路３に供給されるようになっている。なお、配管１２ａには減圧弁（図示しない）が設けられており、水素が所定圧力に減圧される。
一方、アノード側流路３の下流側は、配管１３ａを介して、外気に開放されている。そして、燃料電池２から排出されたアノードオフガス（水素オフガス）が、配管１３ａを通って外部に排気されるようになっている。
アノード系１０は、水素が貯蔵された水素タンク１１と、遮断弁１２とを主に備えている。水素タンク１１は配管１１ａを介して遮断弁１２に接続しており、遮断弁１２は配管１２ａを介してアノード側流路３に接続している。また、遮断弁１２は、ＥＣＵ７０Ａの運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１により適宜に制御され、遮断弁１２が開かれると水素が水素タンク１１からアノード側流路３に供給されるようになっている。なお、配管１２ａには減圧弁（図示しない）が設けられており、水素が所定圧力に減圧される。
一方、アノード側流路３の下流側は、配管１３ａを介して、外気に開放されている。そして、燃料電池２から排出されたアノードオフガス（水素オフガス）が、配管１３ａを通って外部に排気されるようになっている。
＜カソード系＞
カソード系２０は、反応ガス供給装置であるコンプレッサ２１（スーパーチャージャ、反応ガス供給手段）を主に備えている。コンプレッサ２１は配管２１ａを介してカソード側流路４に接続しており、コンプレッサ２１が作動すると、外部の空気が取り込まれ、カソード側流路４に送られるようになっている。さらに、配管２１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、カソード側流路４に供給される空気が加湿されるようになっている。
一方、カソード側流路４の下流側は、配管２２ａを介して、外気に開放されている。そして、この配管２２ａ内は、カソード側流路４から排出されたカソードオフガス（空気オフガス）が流通し、その下流側で排気されるようになっている。
カソード系２０は、反応ガス供給装置であるコンプレッサ２１（スーパーチャージャ、反応ガス供給手段）を主に備えている。コンプレッサ２１は配管２１ａを介してカソード側流路４に接続しており、コンプレッサ２１が作動すると、外部の空気が取り込まれ、カソード側流路４に送られるようになっている。さらに、配管２１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、カソード側流路４に供給される空気が加湿されるようになっている。
一方、カソード側流路４の下流側は、配管２２ａを介して、外気に開放されている。そして、この配管２２ａ内は、カソード側流路４から排出されたカソードオフガス（空気オフガス）が流通し、その下流側で排気されるようになっている。
また、コンプレッサ２１は、冷却系４０のポンプ４１（冷媒供給装置）と、１つのモータＭ（駆動装置）を共有している。すなわち、モータＭの駆動軸Ａ周りに、例えばコンプレッサ２１の羽根車（図示しない）と、ポンプ４１の羽根車（図示しない）とが固定されており、モータＭが駆動すると、両羽根車が一体となって回転するようになっている。つまり、コンプレッサ２１とポンプ４１とは、モータＭを共有し、一体となって駆動する設計となっている。そして、このようにモータＭを共有することで、システムの小型化、部品点数の削減、コスト削減が図られている。
＜電力消費系＞
電力消費系３０は、燃料電池２の出力端子（図示しない）に接続しており、燃料電池２で発生した電力を消費する系である。電力消費系３０は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ３１（外部負荷）と、ＶＣＵ３２（Voltage Control Unit）と、蓄電装置３３と、電流計３４（発熱量検出手段）と、電圧計３５（発熱量検出手段）と、を主に備えている。
電力消費系３０は、燃料電池２の出力端子（図示しない）に接続しており、燃料電池２で発生した電力を消費する系である。電力消費系３０は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ３１（外部負荷）と、ＶＣＵ３２（Voltage Control Unit）と、蓄電装置３３と、電流計３４（発熱量検出手段）と、電圧計３５（発熱量検出手段）と、を主に備えている。
走行モータ３１は、ＶＣＵ３２を介して燃料電池２の出力端子に接続している。蓄電装置３３は、ＶＣＵ３２と走行モータ３１との間で、走行モータ３１と並列に接続されており、蓄えた電力を走行モータ３１に供給して燃料電池２を補助したり、燃料電池２の余剰電力を蓄えるようになっている。このような蓄電装置３３としては、例えば、キャパシタ（電気二重層コンデンサ）や、バッテリなどが挙げられる。
ＶＣＵ３２は、燃料電池２の出力電流や出力電圧を制御する電流電圧機器である。言い換えると、ＶＣＵ３２は、電流を適宜に取り出すことによって燃料電池２を発電させる機器である。このようなＶＣＵ３２は、例えば、コンタクタ（リレー）、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを備えている。そして、ＶＣＵ３２は、運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１によって出力電流および出力電圧が制御される。すなわち、例えば、運転制御部７１が出力電流を０にすれば、燃料電池２は発電しない設定となっている。
電流計３４は、燃料電池２とＶＣＵ３２との間で、燃料電池２（スタック全体）の出力電流を検出可能なように適所に設けられている。そして、電流計３４は、ＥＣＵ７０Ａの電力積算部７３Ａと接続しており、電力積算部７３Ａは燃料電池２の実際の出力電流を監視するようになっている。
電圧計３５は、燃料電池２とＶＣＵ３２との間で、燃料電池２（スタック全体）の出力電圧を検知可能なように適所に設けられている。そして、電圧計３５はＥＣＵ７０Ａの電力積算部７３Ａと接続しており、電力積算部７３Ａは実際の出力電圧を監視するようになっている。この他、電流計３４および電圧計３５を、燃料電池２を構成する単セル毎に設けてもよい。
電圧計３５は、燃料電池２とＶＣＵ３２との間で、燃料電池２（スタック全体）の出力電圧を検知可能なように適所に設けられている。そして、電圧計３５はＥＣＵ７０Ａの電力積算部７３Ａと接続しており、電力積算部７３Ａは実際の出力電圧を監視するようになっている。この他、電流計３４および電圧計３５を、燃料電池２を構成する単セル毎に設けてもよい。
＜冷却系＞
冷却系４０は、燃料電池２が過剰に昇温しないように適宜に冷却する系であり、冷媒供給装置であるポンプ４１（冷媒供給手段）と、ラジエータ４２（放熱器）と、温度センサ４３とを主に備えている。そして、ポンプ４１から下流側に向かって、配管４１ａ、燃料電池２の冷媒流路５、配管４２ａ、ラジエータ４２、配管４２ｂ、ポンプ４１の順に接続しており、冷媒が循環するようになっている。なお、冷媒は、例えばエチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液から構成される。また、前記したように、ポンプ４１と、カソード系２０のコンプレッサ２１とは、モータＭを共有しており、一体となって駆動するようになっている。
冷却系４０は、燃料電池２が過剰に昇温しないように適宜に冷却する系であり、冷媒供給装置であるポンプ４１（冷媒供給手段）と、ラジエータ４２（放熱器）と、温度センサ４３とを主に備えている。そして、ポンプ４１から下流側に向かって、配管４１ａ、燃料電池２の冷媒流路５、配管４２ａ、ラジエータ４２、配管４２ｂ、ポンプ４１の順に接続しており、冷媒が循環するようになっている。なお、冷媒は、例えばエチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液から構成される。また、前記したように、ポンプ４１と、カソード系２０のコンプレッサ２１とは、モータＭを共有しており、一体となって駆動するようになっている。
温度センサ４３は、後記する配管５１ａの合流点より燃料電池２側（上流側）の配管４２ａに設けられており、燃料電池２から排出された冷媒の温度を、燃料電池システム１Ａのシステム温度として検出するようになっている。そして、温度センサ４３はＥＣＵ７０Ａの暖機判定部７２と接続しており、暖機判定部７２はシステム温度を監視するようになっている。
＜冷媒供給制限手段＞
冷媒供給制限手段５０Ａは、分配バルブ５１（三方バルブなど）と、配管５１ａ（迂回流路）とを備えている。
分配バルブ５１は、配管４１ａ上に設けられている。また、分配バルブ５１は運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１によって適宜に制御される。配管５１ａは、分配バルブ５１と、温度センサ４３の下流側の配管４２ａとを接続している。そして、運転制御部７１が、分配バルブ５１を適宜に制御することで、ポンプ４１から送られる冷媒が、燃料電池２側と配管５１ａ側とに、ゼロを含めて適宜に分配されるようになっている。すなわち、分配バルブ５１が制御され、冷媒が配管５１ａ側に送られると、冷媒が燃料電池２の冷媒流路５を迂回し、冷媒流路５への冷媒供給量が減らされ、制限されるようになっている。ここで、配管５１ａ内が、特許請求範囲における迂回流路に相当している。
冷媒供給制限手段５０Ａは、分配バルブ５１（三方バルブなど）と、配管５１ａ（迂回流路）とを備えている。
分配バルブ５１は、配管４１ａ上に設けられている。また、分配バルブ５１は運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１によって適宜に制御される。配管５１ａは、分配バルブ５１と、温度センサ４３の下流側の配管４２ａとを接続している。そして、運転制御部７１が、分配バルブ５１を適宜に制御することで、ポンプ４１から送られる冷媒が、燃料電池２側と配管５１ａ側とに、ゼロを含めて適宜に分配されるようになっている。すなわち、分配バルブ５１が制御され、冷媒が配管５１ａ側に送られると、冷媒が燃料電池２の冷媒流路５を迂回し、冷媒流路５への冷媒供給量が減らされ、制限されるようになっている。ここで、配管５１ａ内が、特許請求範囲における迂回流路に相当している。
＜ＩＧ＞
ＩＧ６１は、燃料電池システム１Ａ（燃料電池自動車）の起動スイッチであり、運転席周りに配設されている。そして、ＩＧ６１は、ＥＣＵ７０Ａの運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１はＩＧ６３のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
ＩＧ６１は、燃料電池システム１Ａ（燃料電池自動車）の起動スイッチであり、運転席周りに配設されている。そして、ＩＧ６１は、ＥＣＵ７０Ａの運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１はＩＧ６３のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０Ａは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。このようなＥＣＵ７０Ａは、運転制御部７１（制御手段）と、暖機判定部７２（暖機判定手段）と、電力積算部７３Ａ（発熱量検出手段）と、冷媒供給量積算部７４と、を備えている。
ＥＣＵ７０Ａは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。このようなＥＣＵ７０Ａは、運転制御部７１（制御手段）と、暖機判定部７２（暖機判定手段）と、電力積算部７３Ａ（発熱量検出手段）と、冷媒供給量積算部７４と、を備えている。
［運転制御部］
運転制御部７１は、コンプレッサ２１およびポンプ４１の駆動装置であるモータＭと接続しており、モータＭを適宜に駆動させるようになっている。また、運転制御部７１は、暖機判定部７２、電力積算部７３Ａまたは冷媒供給量積算部７４からの判定結果に基づいて、分配バルブ５１を「制限モード」または「通常モード」で制御すると共に、モードに対応したＦｌａｇＡを有しており（制限モード：ＦｌａｇＡ＝０、通常モード：ＦｌａｇＡ＝１）、さらに、この判定機能を有している（図２、Ｓ１０２）。ここで、「通常モード」とは、冷媒流路５への冷媒の供給を制限しないモードである。一方、「制限モード」とは、冷媒の一部を配管５１ａ側に供給することで冷媒流路５を迂回させ、冷媒供給量を減らし制限するモードである。
さらに、運転制御部７１は、その他に、遮断弁１２およびＶＣＵ３２と接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。
運転制御部７１は、コンプレッサ２１およびポンプ４１の駆動装置であるモータＭと接続しており、モータＭを適宜に駆動させるようになっている。また、運転制御部７１は、暖機判定部７２、電力積算部７３Ａまたは冷媒供給量積算部７４からの判定結果に基づいて、分配バルブ５１を「制限モード」または「通常モード」で制御すると共に、モードに対応したＦｌａｇＡを有しており（制限モード：ＦｌａｇＡ＝０、通常モード：ＦｌａｇＡ＝１）、さらに、この判定機能を有している（図２、Ｓ１０２）。ここで、「通常モード」とは、冷媒流路５への冷媒の供給を制限しないモードである。一方、「制限モード」とは、冷媒の一部を配管５１ａ側に供給することで冷媒流路５を迂回させ、冷媒供給量を減らし制限するモードである。
さらに、運転制御部７１は、その他に、遮断弁１２およびＶＣＵ３２と接続しており、これらを適宜に制御するようになっている。
［暖機判定部］
暖機判定部７２は、温度センサ４３と接続しており、温度センサ４３が検出するシステム温度を監視するようになっている。そして、暖機判定部７２は、その内部に記憶された暖機完了温度と、システム温度とを比較し、燃料電池システム１Ａの起動時に燃料電池２の暖機が必要であるか否かを判定し、その判定結果を運転制御部７１に送るようになっている。
ここで、暖機完了温度とは、燃料電池２の暖機が阻害されない温度である。さらに説明すると、暖機完了温度は、冷媒の温度がこれに到達すれば、燃料電池２および冷媒が好適に暖まり、冷媒が発電により発生した燃料電池２の自己発熱を過度に奪わない、つまり、燃料電池２が冷媒により過度に冷却されない程度の温度に設定される。すなわち、暖機完了温度は、燃料電池システム１Ａの安定動作が確保される温度に設定される。
暖機判定部７２は、温度センサ４３と接続しており、温度センサ４３が検出するシステム温度を監視するようになっている。そして、暖機判定部７２は、その内部に記憶された暖機完了温度と、システム温度とを比較し、燃料電池システム１Ａの起動時に燃料電池２の暖機が必要であるか否かを判定し、その判定結果を運転制御部７１に送るようになっている。
ここで、暖機完了温度とは、燃料電池２の暖機が阻害されない温度である。さらに説明すると、暖機完了温度は、冷媒の温度がこれに到達すれば、燃料電池２および冷媒が好適に暖まり、冷媒が発電により発生した燃料電池２の自己発熱を過度に奪わない、つまり、燃料電池２が冷媒により過度に冷却されない程度の温度に設定される。すなわち、暖機完了温度は、燃料電池システム１Ａの安定動作が確保される温度に設定される。
［電力積算部］
電力積算部７３Ａは、電流計３４と接続しており、燃料電池２の出力電流を監視している。また、電力積算部７３Ａは、電圧計３５と接続しており、燃料電池２の出力電圧を監視している。そして、電力積算部７３Ａは、出力電流と出力電圧とに基づいて、燃料電池２の電力を算出すると共に、これを積算するようになっている（図２、Ｓ１０３）。
また、電力積算部７３Ａには、積算した電力（以下、積算電力）と、燃料電池２の積算した発熱量（以下、積算発熱量）とが関連付けられた発熱量マップが記憶されており、電力積算部７３Ａは、積算電力と発熱量マップとに基づいて、燃料電池２の積算発熱量を算出するようになっている（図２、Ｓ１０３）。
電力積算部７３Ａは、電流計３４と接続しており、燃料電池２の出力電流を監視している。また、電力積算部７３Ａは、電圧計３５と接続しており、燃料電池２の出力電圧を監視している。そして、電力積算部７３Ａは、出力電流と出力電圧とに基づいて、燃料電池２の電力を算出すると共に、これを積算するようになっている（図２、Ｓ１０３）。
また、電力積算部７３Ａには、積算した電力（以下、積算電力）と、燃料電池２の積算した発熱量（以下、積算発熱量）とが関連付けられた発熱量マップが記憶されており、電力積算部７３Ａは、積算電力と発熱量マップとに基づいて、燃料電池２の積算発熱量を算出するようになっている（図２、Ｓ１０３）。
さらに、電力積算部７３Ａには、制限モードでの制御中に、通常モードに移行するか否かの判定基準となる所定積算発熱量が記憶されており、電力積算部７３Ａは、積算発熱量と所定積算発熱量とを比較することで判定し（図２、Ｓ１０４）、判定結果を運転制御部７１に送るようになっている。なお、所定積算発熱量は、冷媒供給が制限されたことにより、燃料電池２に温度分布が発生し、燃料電池２内のホットスポット温度（局所的な温度）が、燃料電池２の耐え得る限界温度に到達したと推定される発熱量である。つまり、このようにホットスポット温度が高くなる場合は、燃料電池２が均一に自己発熱せず、自己発熱によってホットスポット（局所的に高温の部分）が発生した場合である。
［冷媒供給量積算部］
冷媒供給量積算部７４は、運転制御部７１が通常モードを選択したこと検知すると、分配バルブ５１の燃料電池２側の開度およびモータＭの回転速度と、内蔵するクロックとに基づいて、通常モードの間に、燃料電池２に送り込まれた冷媒供給量を積算する機能を有している（図２、Ｓ１０８）。なお、通常モードにおける目標冷媒供給量に対応する分配バルブ５１の開度およびモータＭの回転速度は、予め冷媒供給量積算部７４に記憶されている。
冷媒供給量積算部７４は、運転制御部７１が通常モードを選択したこと検知すると、分配バルブ５１の燃料電池２側の開度およびモータＭの回転速度と、内蔵するクロックとに基づいて、通常モードの間に、燃料電池２に送り込まれた冷媒供給量を積算する機能を有している（図２、Ｓ１０８）。なお、通常モードにおける目標冷媒供給量に対応する分配バルブ５１の開度およびモータＭの回転速度は、予め冷媒供給量積算部７４に記憶されている。
そして、冷媒供給量積算部７４は、積算した冷媒供給量（以下、積算冷媒供給量）と、その内部に記憶された所定積算冷媒供給量とを比較し、通常モードから制限モードに移行するか否かを判定する機能を有している（図２、Ｓ１０９）。所定積算冷媒供給量は、通常モードで燃料電池２に冷媒を供給することにより、前記したホットスポットの温度が制限モードでの制限された冷媒供給に耐え得る程度に低下した、つまり、ホットスポットが解消したか否かを判定する機能を有している（図２、Ｓ１０９）。
≪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２を主に参照して説明する。
図２に示すように、例えば、燃料電池自動車（燃料電池システム１Ａ）を始動（起動）させるために、ＩＧ６１がＯＮされると（スタート）、運転制御部７１はＩＧ６１のＯＮ信号を受けた後、遮断弁１２を開きアノード側流路３に水素を供給する。これに並行して、運転制御部７１は、モータＭを回転させ、コンプレッサ２１とポンプ４１とを一体に駆動させて、カソード側流路４に空気を、冷媒流路５に冷媒を供給する。続いて、運転制御部７１は、ＶＣＵ３２を制御して燃料電池２から電流を取り出し、燃料電池２を発電させる。
なお、燃料電池システム１Ａの起動時において、ＦｌａｇＡはリセットされている（ＦｌａｇＡ＝０）。
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２を主に参照して説明する。
図２に示すように、例えば、燃料電池自動車（燃料電池システム１Ａ）を始動（起動）させるために、ＩＧ６１がＯＮされると（スタート）、運転制御部７１はＩＧ６１のＯＮ信号を受けた後、遮断弁１２を開きアノード側流路３に水素を供給する。これに並行して、運転制御部７１は、モータＭを回転させ、コンプレッサ２１とポンプ４１とを一体に駆動させて、カソード側流路４に空気を、冷媒流路５に冷媒を供給する。続いて、運転制御部７１は、ＶＣＵ３２を制御して燃料電池２から電流を取り出し、燃料電池２を発電させる。
なお、燃料電池システム１Ａの起動時において、ＦｌａｇＡはリセットされている（ＦｌａｇＡ＝０）。
＜暖機判定＞
ステップＳ１０１において、暖機判定部７２は、温度センサ４３を介して検出されるシステム温度と、その内部に記憶された暖機完了温度とを比較し、燃料電池２の暖機が必要であるか否かを判定する。そして、「システム温度＜暖機完了温度」の場合、暖機は必要であると判定され（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。一方、「システム温度≧暖機完了温度」の場合、暖機は必要ないと判定され（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ１１３に進む。
ステップＳ１０１において、暖機判定部７２は、温度センサ４３を介して検出されるシステム温度と、その内部に記憶された暖機完了温度とを比較し、燃料電池２の暖機が必要であるか否かを判定する。そして、「システム温度＜暖機完了温度」の場合、暖機は必要であると判定され（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。一方、「システム温度≧暖機完了温度」の場合、暖機は必要ないと判定され（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ１１３に進む。
＜モード判定＞
ステップＳ１０２において、運転制御部７１は、燃料電池２への冷媒供給が制限モードであるか否かを判定する。ＦｌａｇＡが０である場合、制限モードであると判定し（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。ＦｌａｇＡが０でない場合、制限モードでないと判定し（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。
ステップＳ１０２において、運転制御部７１は、燃料電池２への冷媒供給が制限モードであるか否かを判定する。ＦｌａｇＡが０である場合、制限モードであると判定し（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。ＦｌａｇＡが０でない場合、制限モードでないと判定し（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。
＜制限モード＞
まず、燃料電池２への冷媒供給量を制限する制限モードについて説明する。なお、制限モードに入ると、燃料電池２への冷媒供給量が少なくなるため、その自己発熱による燃料電池２の暖機は促進される。
ステップＳ１０３において、電力積算部７３Ａは、電流計３４および電圧計３５を介して出力電流および出力電圧を検出し、これらに基づいて電力を算出し、さらに電力を積算し、積算電力の算出を開始する。なお、既に積算電力の算出が行われている場合、積算電力を算出を継続して行う。次いで、電力積算部７３Ａは、積算電力と、その内部に記憶された発熱量マップとに基づいて、燃料電池２の積算発熱量を算出する。
まず、燃料電池２への冷媒供給量を制限する制限モードについて説明する。なお、制限モードに入ると、燃料電池２への冷媒供給量が少なくなるため、その自己発熱による燃料電池２の暖機は促進される。
ステップＳ１０３において、電力積算部７３Ａは、電流計３４および電圧計３５を介して出力電流および出力電圧を検出し、これらに基づいて電力を算出し、さらに電力を積算し、積算電力の算出を開始する。なお、既に積算電力の算出が行われている場合、積算電力を算出を継続して行う。次いで、電力積算部７３Ａは、積算電力と、その内部に記憶された発熱量マップとに基づいて、燃料電池２の積算発熱量を算出する。
ステップＳ１０４において、電力積算部７３Ａは、通常モードに移行するか否かを判定する。具体的には、電力積算部７３Ａは、積算発熱量とその内部に記憶された所定積算発熱量とを比較して判定する。
「積算発熱量≧所定積算発熱量」の場合、電力積算部７３Ａは通常モードに移行すると判定し（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、判定結果を運転制御部７１に送る。運転制御部７１は、通常モードに対応して分配バルブ５１を制御し、冷媒流路５側への冷媒流量を増量し、冷媒供給制限を解除する（Ｓ１０６）。これと共に、運転制御部７１は、ＦｌａｇＡを立てる（ＦｌａｇＡ←１）。これにより、ホットスポット温度は徐々に下がり、燃料電池２は保護される。そして、電力積算部７３Ａは、積算電力をリセットする（Ｓ１０７）。その後、リターンに進み、スタートに戻る。
「積算発熱量＜所定積算発熱量」の場合、電力積算部７３Ａは通常モードに移行しない、つまり、制限モードを継続すると判定し（Ｓ１０４・Ｎｏ）、判定結果を運転制御部７１に送る。運転制御部７１は、制限モードでの分配バルブ５１の制御を維持し、冷媒供給制限を継続する（Ｓ１０５）。その後、リターンに進み、スタートに戻る。
＜通常モード＞
次に、燃料電池２に通常に冷媒を供給する通常モードについて説明する。
ステップＳ１０８において、冷媒供給量積算部７４は、分配バルブ５１の燃料電池２側の開度およびモータＭの回転速度と、内蔵するクロックとによって、燃料電池２に送り込まれた積算冷媒供給量の算出を開始する。なお、既に積算冷媒供給量の算出が行われている場合、積算冷媒供給量の算出を継続して行う。
次に、燃料電池２に通常に冷媒を供給する通常モードについて説明する。
ステップＳ１０８において、冷媒供給量積算部７４は、分配バルブ５１の燃料電池２側の開度およびモータＭの回転速度と、内蔵するクロックとによって、燃料電池２に送り込まれた積算冷媒供給量の算出を開始する。なお、既に積算冷媒供給量の算出が行われている場合、積算冷媒供給量の算出を継続して行う。
ステップＳ１０９において、冷媒供給量積算部７４は、制限モードに移行するか否かを判定する。具体的には、冷媒供給量積算部７４は、積算冷媒供給量と所定積算冷媒供給量とを比較して判定する。
「積算冷媒供給量≧所定積算冷媒供給量」の場合、冷媒供給量積算部７４は制限モードに移行すると判定し（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、判定結果を運転制御部７１に送り、積算冷媒供給量をリセットする（Ｓ１１１）。そして、運転制御部７１は、制限モードに対応して分配バルブ５１を制御し、燃料電池２側への冷媒供給量を制限し、冷媒供給制限を開始する（Ｓ１１２）。これと共に、運転制御部７１はＦｌａｇＡをリセットする（ＦｌａｇＡ←０）。これにより、通常モードによる燃料電池２の過冷却、つまり、暖機の遅れが防止される。その後、リターンに進み、スタートに戻る。
「積算冷媒供給量＜所定積算冷媒供給量」の場合、冷媒供給量積算部７４は制限モードに移行しない、つまり、通常モードを継続すると判定し（Ｓ１０９・Ｎｏ）、判定結果を運転制御部７１に送る。そして、運転制御部７１は、通常モードでの分配バルブ５１の制御を維持し、そのまま冷媒供給を継続する（Ｓ１１０）。その後、リターンに進み、スタートに戻る。
＜暖機完了＞
次に、燃料電池２の暖機が不要、つまり、暖機が完了し（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ１１３に進んだ場合について説明する。
ステップＳ１１３において、電力積算部７３Ａは積算電力をリセット、冷媒供給量積算部７４は積算冷媒供給量をリセット、運転制御部７１はＦｌａｇＡをリセットする（ＦｌａｇＡ←０）。これにより、次回起動時に備えることができる。その後、エンドに進み、燃料電池システム１Ａの起動時における冷媒供給の制御を終了する。
次に、燃料電池２の暖機が不要、つまり、暖機が完了し（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ１１３に進んだ場合について説明する。
ステップＳ１１３において、電力積算部７３Ａは積算電力をリセット、冷媒供給量積算部７４は積算冷媒供給量をリセット、運転制御部７１はＦｌａｇＡをリセットする（ＦｌａｇＡ←０）。これにより、次回起動時に備えることができる。その後、エンドに進み、燃料電池システム１Ａの起動時における冷媒供給の制御を終了する。
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、コンプレッサ２１とポンプ４１とでモータＭを共有し、システムの小型化を図りつつ、運転制御部７１が分配バルブ５１を制御することによって、冷媒流路５への冷媒供給量を適宜に制限し、燃料電池２を保護しながら、その暖機を促進することができる。
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａの一動作例を、図３を主に参照して説明する。なお、初期状態において、ＦｌａｇＡはリセットされており（ＦｌａｇＡ＝０）、積算電力および積算冷媒供給量は共にリセットされている。
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ａの一動作例を、図３を主に参照して説明する。なお、初期状態において、ＦｌａｇＡはリセットされており（ＦｌａｇＡ＝０）、積算電力および積算冷媒供給量は共にリセットされている。
図３に示すように、時間ｔ１で燃料電池自動車（燃料電池システム１Ａ）を始動（起動）させるため、ＩＧ６１がＯＮされると、水素が供給されると共に、モータＭが回転することによりコンプレッサ２１とポンプ４１とを一体に駆動し、空気および冷媒がそれぞれ供給される。そして、ＶＣＵ３２が制御され、燃料電池２が発電する。
＜制限モードと通常モードの繰り返し＞
ここで、「システム温度＜暖機完了温度」であり（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＦｌａｇＡが０であるため、冷媒供給を制限する制限モードに入り（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３、Ｓ１０４・Ｎｏ、Ｓ１０５、Ｓ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ１０２・Ｙｅｓのルートを進む。その後、積算電力の増加に対応して積算発熱量が増加し、時間ｔ２において、「積算発熱量≧所定積算発熱量」になると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、冷媒供給を制限しない通常モードに移行し（Ｓ１０６）、ＦｌａｇＡが立てられ（ＦｌａｇＡ←１）、積算電力はリセットされる（Ｓ１０７）。
ここで、「システム温度＜暖機完了温度」であり（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＦｌａｇＡが０であるため、冷媒供給を制限する制限モードに入り（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３、Ｓ１０４・Ｎｏ、Ｓ１０５、Ｓ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ１０２・Ｙｅｓのルートを進む。その後、積算電力の増加に対応して積算発熱量が増加し、時間ｔ２において、「積算発熱量≧所定積算発熱量」になると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、冷媒供給を制限しない通常モードに移行し（Ｓ１０６）、ＦｌａｇＡが立てられ（ＦｌａｇＡ←１）、積算電力はリセットされる（Ｓ１０７）。
通常モードに移行した後（Ｓ１０２・Ｎｏ）、燃料電池２への冷媒供給量の積算が開始される（Ｓ１０８）。その後、ステップＳ１０９・Ｎｏ、Ｓ１１０、Ｓ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ１０２・Ｎｏ、Ｓ１０８のルートを進み、ホットスポット温度は徐々に低下する。そして、時間ｔ３において、「積算冷媒供給量≧所定積算冷媒供給量」になると（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、積算冷媒供給量はリセットされ（Ｓ１１１）、制限モードに移行し（Ｓ１１２）、ＦｌａｇＡはリセットされる（ＦｌａｇＡ←０）。
その後、制限モードでの制御となり、ステップＳ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ１０２・Ｙｅｓ、Ｓ１０３、Ｓ１０４・Ｎｏ、Ｓ１０５のルートを進む。そして、時間ｔ４において、「積算発熱量≧所定積算発熱量」になると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、通常モードに移行し（Ｓ１０６）、積算電力がリセットされる（Ｓ１０７）。
次いで、通常モードでの制御となり、ステップＳ１０２・Ｎｏ、Ｓ１０８、Ｓ１０９・Ｎｏ、Ｓ１１０のルートを進む。そして、時間ｔ５において、「積算冷媒供給量≧所定積算冷媒供給量」になると（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、積算冷媒供給量はリセットされ（Ｓ１１１）、制限モードに移行する（Ｓ１１２）。
次いで、通常モードでの制御となり、ステップＳ１０２・Ｎｏ、Ｓ１０８、Ｓ１０９・Ｎｏ、Ｓ１１０のルートを進む。そして、時間ｔ５において、「積算冷媒供給量≧所定積算冷媒供給量」になると（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、積算冷媒供給量はリセットされ（Ｓ１１１）、制限モードに移行する（Ｓ１１２）。
＜制限モード−暖機完了＞
その後、制限モードでの制御となり、ステップＳ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ１０２・Ｙｅｓ、Ｓ１０３、Ｓ１０４・Ｎｏ、Ｓ１０５のルートを進み、時間ｔ６において、「積算発熱量≧所定積算発熱量」になると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、通常モードに移行し（Ｓ１０６）、積算電力がリセットされる（Ｓ１０７）。
ここで、第１実施形態では、この通常モードへの移行と同時にシステム温度が暖機完了温度に到達した場合を想定している。これにより、燃料電池２の暖機は不必要（つまり暖機完了）と判定される（Ｓ１０１・Ｎｏ）。そして、運転制御部７１は、通常モードで分配バルブ５１を制御し、その後、暖機が完了した燃料電池２は、好適に継続して発電する。
その後、制限モードでの制御となり、ステップＳ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ１０２・Ｙｅｓ、Ｓ１０３、Ｓ１０４・Ｎｏ、Ｓ１０５のルートを進み、時間ｔ６において、「積算発熱量≧所定積算発熱量」になると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、通常モードに移行し（Ｓ１０６）、積算電力がリセットされる（Ｓ１０７）。
ここで、第１実施形態では、この通常モードへの移行と同時にシステム温度が暖機完了温度に到達した場合を想定している。これにより、燃料電池２の暖機は不必要（つまり暖機完了）と判定される（Ｓ１０１・Ｎｏ）。そして、運転制御部７１は、通常モードで分配バルブ５１を制御し、その後、暖機が完了した燃料電池２は、好適に継続して発電する。
≪第２実施形態、燃料電池システムの構成≫
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図４から図６を参照して説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムの一部を変更したものであるため、変更した部分についてのみ説明する。
図４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、冷媒供給制限手段５０Ａ（図１参照）に代えて冷媒供給制限手段５０Ｂを、ＥＣＵ７０Ａ（図１参照）に代えて、ＥＣＵ７０Ｂを備えている。
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて、図４から図６を参照して説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態に係る燃料電池システムの一部を変更したものであるため、変更した部分についてのみ説明する。
図４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、冷媒供給制限手段５０Ａ（図１参照）に代えて冷媒供給制限手段５０Ｂを、ＥＣＵ７０Ａ（図１参照）に代えて、ＥＣＵ７０Ｂを備えている。
＜冷媒供給制限手段＞
冷媒供給制限手段５０Ｂは、分配バルブ５１と、オリフィス５２（圧力損失付加手段）と、配管５２ａを備えている。配管５２ａは、分配バルブ５１と、分配バルブ５１と燃料電池２との間の配管４１ａとを接続している。そして、オリフィス５２は、配管４１ａ上に設けられている。なお、オリフィス５２の流路断面積は、分配バルブ５１と燃料電池２との間の配管４１ａの流路断面積よりも小さく設定されている。これにより、分配バルブ５１から配管５２ａに送られる冷媒には、オリフィス５２によって、配管４１ａを流れる冷媒よりも高い圧力損失が付加される。したがって、分配バルブ５１によって、配管５２ａへの分配量を高めれば、冷媒流路５への冷媒供給量が減らされ、制限されるようになっている。
冷媒供給制限手段５０Ｂは、分配バルブ５１と、オリフィス５２（圧力損失付加手段）と、配管５２ａを備えている。配管５２ａは、分配バルブ５１と、分配バルブ５１と燃料電池２との間の配管４１ａとを接続している。そして、オリフィス５２は、配管４１ａ上に設けられている。なお、オリフィス５２の流路断面積は、分配バルブ５１と燃料電池２との間の配管４１ａの流路断面積よりも小さく設定されている。これにより、分配バルブ５１から配管５２ａに送られる冷媒には、オリフィス５２によって、配管４１ａを流れる冷媒よりも高い圧力損失が付加される。したがって、分配バルブ５１によって、配管５２ａへの分配量を高めれば、冷媒流路５への冷媒供給量が減らされ、制限されるようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０Ｂは、運転制御部７１と、暖機判定部７２と、電力積算部７３Ｂ（発熱量検出手段）と、運転マップ記憶部７５（発熱量検出手段）とを備えている。
ＥＣＵ７０Ｂは、運転制御部７１と、暖機判定部７２と、電力積算部７３Ｂ（発熱量検出手段）と、運転マップ記憶部７５（発熱量検出手段）とを備えている。
［電力積算部］
電力積算部７３Ｂは、第１実施形態に係る電力積算部７３Ａと同様に、燃料電池２の積算電力を算出する機能を有している（図５、Ｓ２０２）。その他に、電力積算部７３Ｂは、この算出した積算電力と、運転マップ記憶部７５に記憶された運転マップとに基づいて、分配バルブ５１の運転条件を決定する機能を有している（図５、Ｓ２０３）。そして、電力積算部７３Ｂは、決定した運転条件を運転制御部７１に送り、運転制御部７１は決定された運転条件に従って分配バルブ５１を制御するようになっている（図５、Ｓ２０４）。
電力積算部７３Ｂは、第１実施形態に係る電力積算部７３Ａと同様に、燃料電池２の積算電力を算出する機能を有している（図５、Ｓ２０２）。その他に、電力積算部７３Ｂは、この算出した積算電力と、運転マップ記憶部７５に記憶された運転マップとに基づいて、分配バルブ５１の運転条件を決定する機能を有している（図５、Ｓ２０３）。そして、電力積算部７３Ｂは、決定した運転条件を運転制御部７１に送り、運転制御部７１は決定された運転条件に従って分配バルブ５１を制御するようになっている（図５、Ｓ２０４）。
［運転マップ記憶部］
運転マップ記憶部７５には、例えば表１に示すような運転マップが記憶されている。運転マップは、燃料電池２の積算電力と、分配バルブ５１の運転条件とが関連付けられたマップであり、各積算電力範囲に、分配バルブ５１の運転条件（冷媒供給制限あり／冷媒供給制限なし）が割り振られている。運転マップは、各種予備試験やシミュレーションなどによって、積算電力値に基づく燃料電池２の発熱量を考慮して求められる。また、表１に示すように、積算電力（発熱量）が大きくなると、つまり、燃料電池２の発電が進むと、制限ありの時間が短くなり、制限なしの時間が長くなるように設定されている。
運転マップ記憶部７５には、例えば表１に示すような運転マップが記憶されている。運転マップは、燃料電池２の積算電力と、分配バルブ５１の運転条件とが関連付けられたマップであり、各積算電力範囲に、分配バルブ５１の運転条件（冷媒供給制限あり／冷媒供給制限なし）が割り振られている。運転マップは、各種予備試験やシミュレーションなどによって、積算電力値に基づく燃料電池２の発熱量を考慮して求められる。また、表１に示すように、積算電力（発熱量）が大きくなると、つまり、燃料電池２の発電が進むと、制限ありの時間が短くなり、制限なしの時間が長くなるように設定されている。
≪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１Ｂの動作について、図５を主に参照して説明する。第１実施形態と同様に、ＩＧ６１がＯＮされると（スタート）、運転制御部７１は燃料電池２を発電させる。その後、暖機判定部７２は、燃料電池２の暖機が必要であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。そして、暖機が必要な場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に進み、暖機が不要な場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ２０５に進む。
次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１Ｂの動作について、図５を主に参照して説明する。第１実施形態と同様に、ＩＧ６１がＯＮされると（スタート）、運転制御部７１は燃料電池２を発電させる。その後、暖機判定部７２は、燃料電池２の暖機が必要であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。そして、暖機が必要な場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に進み、暖機が不要な場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０２において、電力積算部７３Ｂは、ＩＧ６１のＯＮ後の燃料電池２の積算電力を算出する。次いで、電力積算部７３Ｂは、この算出した積算電力と運転マップとに基づいて、分配バルブ５１の運転条件を決定し（Ｓ２０３）、決定した運転条件を運転制御部７１に送る。
ステップＳ２０４において、運転制御部７１は、電力積算部７３Ｂから送られた運転条件（冷媒供給制限あり／冷媒供給制限なし）に従って、分配バルブ５１を切り替えて制御する。これにより、燃料電池２の過昇温を防止しつつ、燃料電池２を速やかに暖機することができる。そして、リターンに進み、スタートに戻る。
ステップＳ２０５において、電力積算部７３Ｂは積算電力をリセットする。なお、このように燃料電池２の暖機が不要と判定された場合、運転制御部７１は、分配バルブ５１による冷媒供給制限を実施しない。そして、リターンに進み、スタートに戻る。
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１Ｂの一動作例について、図６を主に参照して説明する。
図６に示すように、時間ｔ１で燃料電池自動車（燃料電池システム１Ｂ）を始動（起動）させるために、ＩＧ６３がＯＮされると燃料電池２が発電する。そして、燃料電池２の暖機が必要と判定された後（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、電力積算部７３Ｂは、燃料電池２の電力を積算し（Ｓ２０２）、積算電力と運転マップとに基づいて分配バルブ５１の運転条件を決定する（Ｓ２０３）。次いで、運転制御部７１は、決定された運転条件に従って分配バルブ５１を制御する（Ｓ２０４）。
この後、ステップＳ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４の処理を繰り返す。このように繰り返す間、積算電力は徐々に大きくなるため、冷媒供給を制限しない時間が徐々に長くなる（時間ｔ２−ｔ３間＜ｔ４−ｔ５間＜ｔ６−ｔ７間＜ｔ８−ｔ９間）。
次に、燃料電池システム１Ｂの一動作例について、図６を主に参照して説明する。
図６に示すように、時間ｔ１で燃料電池自動車（燃料電池システム１Ｂ）を始動（起動）させるために、ＩＧ６３がＯＮされると燃料電池２が発電する。そして、燃料電池２の暖機が必要と判定された後（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、電力積算部７３Ｂは、燃料電池２の電力を積算し（Ｓ２０２）、積算電力と運転マップとに基づいて分配バルブ５１の運転条件を決定する（Ｓ２０３）。次いで、運転制御部７１は、決定された運転条件に従って分配バルブ５１を制御する（Ｓ２０４）。
この後、ステップＳ１０１・Ｙｅｓ、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４の処理を繰り返す。このように繰り返す間、積算電力は徐々に大きくなるため、冷媒供給を制限しない時間が徐々に長くなる（時間ｔ２−ｔ３間＜ｔ４−ｔ５間＜ｔ６−ｔ７間＜ｔ８−ｔ９間）。
そして、時間ｔ１０において、システム温度が暖機完了温度以上になると（Ｓ１０１・Ｎｏ）、積算電力がリセットされ（Ｓ２０５）、冷媒は制限されず通常に供給される。そして、燃料電池２は継続して発電する。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記各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、各実施形態に係る構成を組み合わせてよいし、例えば次のように変更することもできる。
前記した第１実施形態に係るＥＣＵ７０Ａに代えて、図７に示すＥＣＵ７０Ｃを備える燃料電池システム１Ｃであってもよい。ＥＣＵ７０は、ＥＣＵ７０Ａの構成に加えて、制限モードにおいて冷媒流路５に供給する冷媒制限供給量を算出する冷媒制限供給量算出部７６を備えている。冷媒制限供給量算出部７６は、温度センサ４３と接続しており、システム温度を監視するようになっている。また、冷媒制限供給量算出部７６は、システム温度と冷媒制限供給量（分配バルブ５１の運転条件）とが関連付けられた冷媒制限供給量マップを有している。なお、冷媒制限供給量マップは、システム温度が高くなると、冷媒流路５への冷媒制限供給量が多くなる（冷媒流路５への冷媒を減らす量は小さくなる）という関係を有している。
そして、冷媒制限供給量算出部７６は、通常モードから制限モードに移行する際、例えば図２のステップＳ１１１とＳ１１２の間で、システム温度と冷媒制限供給量マップとに基づいて暖機状態に対応した冷媒制限供給量を算出して運転制御部７１に送る。次いで、運転制御部７１は、この冷媒制限供給量に対応した運転条件に従って、分配バルブ５１を制御する。これにより、燃料電池システム１Ｃの暖機状態に対応した冷媒制限供給量で、冷媒を冷媒流路５に供給することができ、さらに速やかに暖機することができる。
この他、冷媒制限供給量算出部７６と、電流計３４および電圧計３５とを接続し、冷媒制限供給量算出部７６が燃料電池２の発電電力に対応して、制限モードにおいて冷媒流路５に供給する冷媒制限供給量を算出する構成としてもよい。この場合、発電電力が高くなると、冷媒流路５への冷媒制限供給量が多くなる（冷媒流路５への冷媒を減らす量は小さくなる）設定となる。
前記した第２実施形態に係る冷媒供給制限手段５０Ｂに代えて、図８に示す冷媒供給制限手段５０Ｄを備える燃料電池システム１Ｄであってもよい。冷媒供給制限手段５０Ｄは、可変オリフィス５３（圧力損失付加手段）を備えて構成され、この可変オリフィス５３は、配管４１ａ上に設けられている。そして、可変オリフィス５３は、ＥＣＵ７０Ｂの運転制御部７１と接続しており、運転制御部７１は可変オリフィス５３の絞り、つまり、ポンプ４１から送られる冷媒に付加する圧力損失を、冷媒供給制限あり／冷媒供給制限なしに対応して制御するようになっている。すなわち、冷媒供給制限ありの場合、可変オリフィス５３を絞って、冷媒に高い圧力損失を付加し、冷媒流路５への冷媒供給量を減らして制限する。
前記した各実施形態では、燃料電池システム１Ａ、１Ｂが燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他の移動体（船など）や、家庭用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。
前記した各実施形態では、燃料電池２の暖機判定をするため、燃料電池システム１Ａ、１Ｂのシステム温度を検出する温度検出手段として、燃料電池２から排出された冷媒の温度を検出する温度センサ４３を採用したが、温度検出手段はこれに限定されず、その他に例えば、燃料電池２の筺体に取り付けられた温度センサや、アノード系１０の配管１３ａまたはカソード系２０の配管２２ａに設けられた温度センサや、外気温度を検出する温度センサであってもよく、これらから検出される温度に基づいて、燃料電池システム１Ａのシステム温度を予測してもよい。
また、このような温度センサを複数使用してもよく、複数の温度センサを使用した場合、例えば検出された少なくとも２つの温度が暖機完了温度以上となった場合、暖機が完了したと判定するように設定すれば、誤判定を防止できる。
また、このような温度センサを複数使用してもよく、複数の温度センサを使用した場合、例えば検出された少なくとも２つの温度が暖機完了温度以上となった場合、暖機が完了したと判定するように設定すれば、誤判定を防止できる。
前記した各実施形態では、空気（反応ガス）を送るコンプレッサ２１と冷媒を送るポンプ４１とが、モータＭを共有し一体となって駆動する燃料電池システム１Ａ、１Ｂに本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されず、水素（反応ガス）を送るコンプレッサ（例えば、水素循環ラインに設けられたコンプレッサ）と、ポンプ４１とがモータＭを共有し、一体となって駆動する燃料電池システムに適用してもよい。
前記した各実施形態では、ＩＧ６１のＯＮ後、モータＭを一定の回転速度で駆動し、暖機完了後も前記一定の回転速度である場合について説明したが、例えば、停止時に低温（例えば５℃以下）を経験した場合、次回起動時に、モータＭの回転速度を通常より高め、空気を多量に供給することで燃料電池２の自己発熱量を高め、暖機を促進させる燃料電池システムに本発明を適用してもよい。このように、起動時に反応ガス供給量を高めることで、暖機を促進する燃料電池システムの場合、燃料電池２内の温度分布はばらつきやすくなり、ホットスポットが発生しやすくなるが、本発明を適用することにより、ホットスポットの発生を抑えつつ、燃料電池２の暖機を促進することができる。
前記した第１実施形態では、図１に示すステップＳ１０４において、制限モードから通常モードに移行するか否かについて、積算発熱量と所定積算発熱量とを比較して判定したが、その他に例えば、（１）積算電力を所定積算電力とを比較して、積算電力が所定積算電力以上である場合、通常モードに移行する構成としてもよい。また、（２）タイマーを使用して、制限モードの時間が予め記憶された所定時間以上となった場合、通常モードに移行する構成としてもよい。（３）さらに、燃料電池２のＩ−Ｖ特性が一定であれば、電流値を積算し、積算電流値が所定積算電流値以上となった場合、通常モードに移行する構成としてもよい。
前記した第１実施形態では、図１に示すステップＳ１０８において、通常モードから制限モードに移行するか否かの判定基準となる所定積算冷媒供給量は、固定値である場合を例示したが、その他に例えば、所定積算冷媒供給量を、システム温度と内部に記憶されたマップとに基づいて、適宜に算出する構成としてもよい。この場合、システム温度が高くなると、所定積算冷媒供給量は大きくなる設定となる。
また、所定積算冷媒供給量を、燃料電池２の発電電力と内部に記憶されたマップとに基づいて、適宜に算出する構成としてもよい。この場合、発電電力が大きくなると、所定積算冷媒供給量は大きくなる設定となる。
また、所定積算冷媒供給量を、燃料電池２の発電電力と内部に記憶されたマップとに基づいて、適宜に算出する構成としてもよい。この場合、発電電力が大きくなると、所定積算冷媒供給量は大きくなる設定となる。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード側流路（反応ガス流路）
４ カソード側流路（反応ガス流路）
５ コンプレッサ（反応ガス供給手段）
３４ 電流計（発熱量検出手段）
３５ 電圧計（発熱量検出手段）
４１ ポンプ（冷媒供給手段）
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｄ 冷媒供給制限手段
５１ 分配バルブ
５２ オリフィス（圧力損失付加手段）
５２ａ 配管（迂回流路）
５３ 可変オリフィス（圧力損失付加手段）
６１ ＩＧ（起動スイッチ）
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ ＥＣＵ
７１ 運転制御部（制御手段）
７２ 暖機判定部（暖機判定手段）
７３ 電力積算部（発熱量検出手段）
Ｍ モータ（駆動装置）
Ａ 駆動軸
２ 燃料電池
３ アノード側流路（反応ガス流路）
４ カソード側流路（反応ガス流路）
５ コンプレッサ（反応ガス供給手段）
３４ 電流計（発熱量検出手段）
３５ 電圧計（発熱量検出手段）
４１ ポンプ（冷媒供給手段）
５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｄ 冷媒供給制限手段
５１ 分配バルブ
５２ オリフィス（圧力損失付加手段）
５２ａ 配管（迂回流路）
５３ 可変オリフィス（圧力損失付加手段）
６１ ＩＧ（起動スイッチ）
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ ＥＣＵ
７１ 運転制御部（制御手段）
７２ 暖機判定部（暖機判定手段）
７３ 電力積算部（発熱量検出手段）
Ｍ モータ（駆動装置）
Ａ 駆動軸
Claims (5)
- 反応ガスが流通する反応ガス流路を有し当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電し、冷媒が流通する冷媒流路を有し当該冷媒流路に冷媒が供給されることで冷却される燃料電池と、
前記反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記冷媒流路への冷媒の供給量を制限する冷媒供給制限手段と、
前記冷媒流路への冷媒の供給量を積算し積算冷媒供給量を算出する冷媒供給量積算手段と、
前記燃料電池の電力を積算して積算電力を算出し、前記積算電力に基づいて前記燃料電池の積算発熱量を算出する発熱量検出手段と、
前記冷媒供給制限手段を、冷媒を通常に供給する通常モード又は冷媒を制限し供給量を減らす制限モードで制御する制御手段と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否か判定する暖機判定手段と、
を備え、
前記反応ガス供給手段と前記冷媒供給手段とは、１つの駆動装置を共有し一体となって駆動し、
システム停止中に前記燃料電池が低温を経験している場合、システム起動時、前記駆動装置の回転速度を前記燃料電池が低温を経験していない通常よりも高く制御して前記反応ガス供給手段による前記燃料電池への反応ガスの供給量を増加し、発電する前記燃料電池の自己発熱量を高めることで当該燃料電池の暖機を促進し、前記暖機判定手段が前記燃料電池の暖機は完了したと判定するまで、前記制御手段が通常モードと制限モードとを交互に繰り返して実行する燃料電池システムであって、
制限モードの実行中、
前記発熱量検出手段は、当該制限モードにおける前記燃料電池の積算発熱量と所定積算発熱量とを比較し、
前記制御手段は、前記積算発熱量が前記所定積算発熱量以上である場合、通常モードに移行し、前記積算発熱量が前記所定積算発熱量以上でない場合、制限モードを継続し、
前記所定積算発熱量は、制限モードの実行により前記燃料電池内に温度分布が発生することで形成される高温部分の温度が、前記燃料電池の耐え得る限界温度に到達したと判断される発熱量であり、
通常モードの実行中、
前記冷媒供給量算出手段は、当該通常モードにおける積算冷媒供給量と所定積算冷媒供給量とを比較し、
前記制御手段は、前記積算冷媒供給量が前記所定積算冷媒供給量以上である場合、制限モードに移行し、前記積算冷媒供給量が前記所定積算冷媒供給量以上でない場合、通常モードを継続し、
前記所定積算冷媒供給量は、通常モードの実行により、前記高温部分の温度がその後に制限モードに移行した場合において制限される冷媒供給に耐え得る温度に低下したと判断される量である
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 反応ガスが流通する反応ガス流路を有し当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることにより発電し、冷媒が流通する冷媒流路を有し当該冷媒流路に冷媒が供給されることで冷却される燃料電池と、
前記反応ガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記冷媒流路への冷媒の供給量を制限する冷媒供給制限手段と、
発電開始から現在における前記燃料電池の電力を積算して積算電力を算出する積算電力算出手段と、
前記積算電力算出手段の算出した積算電力と運転マップとに基づいて、前記冷媒供給制限手段を、冷媒を通常に供給する通常モード又は冷媒を制限し供給量を減らす制限モードで制御する制御手段と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否か判定する暖機判定手段と、
を備え、
前記反応ガス供給手段と前記冷媒供給手段とは、１つの駆動装置を共有し一体となって駆動し、
システム停止中に前記燃料電池が低温を経験している場合、システム起動時、前記駆動装置の回転速度を前記燃料電池が低温を経験していない通常よりも高く制御して前記反応ガス供給手段による前記燃料電池への反応ガスの供給量を増加し、発電する前記燃料電池の自己発熱量を高めることで当該燃料電池の暖機を促進し、前記暖機判定手段が前記燃料電池の暖機は完了したと判定するまで、前記制御手段が通常モードと制限モードとを交互に繰り返して実行する燃料電池システムであって、
前記運転マップは、複数の積算電力範囲に分けられ、前記各積算電力範囲において通常モードの実行時間及び制限モードの実行時間が設定されており、積算電力が大きくなるにつれて、通常モードの実行時間は長くなり、制限モードの実行時間は短くなるように設定されている
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記暖機完了判定手段は、前記燃料電池の温度が暖機完了温度に到達した場合、前記燃料電池の暖機は完了したと判定し、
前記暖機完了温度は、その後に通常モードで冷媒の供給を継続しても、冷媒が発電する前記燃料電池の自己発熱を過度に奪わず、冷媒により当該燃料電池が過冷却されない温度である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記冷媒供給制限手段は、前記冷媒流路を迂回させる迂回流路を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記冷媒供給制限手段は、前記冷媒流路に供給される冷媒に、圧力損失を付加する圧力損失付加手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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