JP4824965B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池自動車などの電源として、単セルが複数積層してなる燃料電池スタック（燃料電池という場合もある）の開発が盛んである。燃料電池は発電すると、主としてカソード（空気極）側で水が生成する。生成した水の一部は単セルを構成する固体高分子電解質膜（以下電解質膜という）内を拡散し、アノード（燃料極）側に透過する。また、前記電解質膜の湿潤状態を維持するために、加湿した酸化剤ガス（例えば加湿した空気）を、カソード側に供給する方法などが一般に採用されている。

このように、発電により生成した水や加湿により、燃料電池内を流通するガスの含水量は高くなっている。したがって、ガスの温度が低下すると、ガスに含まれていた水が凝縮する。ゆえに、冬季や寒冷地で燃料電池が使用され、発電後に燃料電池が氷点下になると、前記凝縮した水が燃料電池内で凍結する場合がある。

このように凍結した後の燃料電池の起動において、燃料電池内が凍結した状態と、解凍されている状態（非凍結状態）など、燃料電池の状態に対応して、燃料電池を好適に運転させる技術の開発が望まれている。

このような燃料電池の凍結に関連して、例えば、燃料電池のカソード側に供給する酸化剤ガス（空気）を加熱するヒータ（空気加熱手段）を設け、このヒータを適宜に制御することによって、燃料電池内を解氷（解凍）する燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−９３４４５号公報（段落番号００３０、図１）

しかしながら、特許文献１には、燃料電池の状態に対応した燃料電池の運転に係る技術は開示されていない。
そこで、本発明は、燃料電池の運転状態に対応して、燃料電池を好適に運転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、反応ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の運転を、通常運転条件または前記燃料電池の起動を促進させる低温運転条件で制御する運転制御手段と、運転する前記燃料電池の安定運転状態または不安定運転状態を検知する運転状態検知手段と、前記温度検出手段が検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が所定温度よりも低温に達したことがあるか否かを判定する温度判定手段と、前記燃料電池システムの総運転時間を記憶する総運転時間記憶手段と、を備え、前記運転制御手段は、前記燃料電池システムの起動時において、前記温度判定手段の判定結果が前記所定温度よりも低温に達したことがあることを示す場合に前記低温運転条件で前記燃料電池の運転を制御し、前記運転状態検知手段が前記安定運転状態を検知したときに前記通常運転条件に切り替え、前記運転状態検知手段は、前記燃料電池システムの温度と前記総運転時間とに基づいて、前記安定運転状態または前記不安定運転状態を検知することを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、「燃料電池システムの温度」とは、燃料電池システム自体の温度（一部または各所の温度）を意味する他、外気温度を燃料電池システムの温度とみなす場合には外気温度をも含んでいる。
また、「通常運転条件」とは、燃料電池の暖機が完了している状態での運転条件を意味する。一方、「低温運転条件」とは、燃料電池の暖機中の運転条件を意味する。
さらに、温度判定手段による温度判定は、燃料電池システムの停止中に随時行ってもよいし、停止中にタイマなどにより定期的に行ってもよい。その他、停止中における温度変化を記憶手段で記憶させてもよく、起動時に記憶手段に記憶されたデータを参照して、温度判定を行ってもよい。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時において、温度判定手段の判定結果が所定温度（後記する実施形態では氷点）よりも低温に達したことがあることを示す場合に低温運転条件で燃料電池の運転を制御し、運転状態検知手段が安定運転状態を検知したときに通常運転条件に切り替える。すなわち、燃料電池システムの停止中に燃料電池システムの温度が所定温度よりも低温に達したと判定された場合、燃料電池を低温運転条件で運転させる。その後、不安定運転状態から安定運転状態に切り替わったときに、通常運転条件に切り替えて燃料電池を運転させることができる。これにより、燃料電池が不安定運転状態であるにも関わらす、低温運転条件から通常運転条件に切り替え燃料電池の出力が低下することを防止できる。つまり、燃料電池の運転状態に対応して、燃料電池を好適に運転することができる。
また、このような燃料電池システムによれば、運転状態検知手段は、燃料電池システムの温度と総運転時間とに基づいて、安定運転状態または不安定運転状態を検知することができる。

このような燃料電池システムによれば、運転状態検知手段は、出力検知手段が検知する燃料電池の実際の出力に基づいて、安定運転状態または不安定運転状態を検知することができる。

本発明によれば、燃料電池の運転状態に対応して、燃料電池を好適に運転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、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。

≪参考形態≫
参考形態に係る燃料電池システムについて、図１から図４までを参照して説明する。参照する図面において、図１は、参考形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、図１に示すＩ−Ｖ特性記憶部に記憶された燃料電池のＩ−Ｖ曲線である。図３は、参考形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。図４は、参考形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、参考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、主として、燃料電池自動車の始動時（燃料電池システム１Ａの起動時）に、燃料電池２を好適に運転（発電）させて、自己発熱により燃料電池システム１Ａ内、特に燃料電池２内を解氷させるシステムである。具体的に説明すると、燃料電池システム１Ａは、その起動時に、燃料電池２内が凍結し、その出力が不安定な不安定運転状態にある場合、起動を促進させる「氷点下条件（低温運転条件）」で燃料電池２を運転させるように設定されている。その後、燃料電池２内が解氷したことにより、燃料電池２の出力が安定し安定運転状態となったときに、「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り替えて燃料電池２を運転させるように設定されている。すなわち、燃料電池システム１Ａは、燃料電池２の運転状態に対応して運転条件を選択し、燃料電池２を好適に運転させるシステムである。

燃料電池システム１Ａは、主として、燃料電池２と、燃料電池２のアノード側に燃料ガスとして水素ガス（反応ガス）を供給するアノード系１０と、燃料電池２のカソード側に酸化剤ガスとして空気（反応ガス）を供給するカソード系２０と、燃料電池２を適宜に冷却する冷却系３０と、燃料電池２の出力端子に接続した電力消費系４０と、燃料電池自動車の外気温度を検出する温度センサ５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池２（燃料電池スタック）は、主として、電解質膜３の両面をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟持してなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）をセパレータで挟持してなる単セルを、複数積層することで構成されている。セパレータには、電解質膜３の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに供給するため厚さ方向に貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などがアノード側流路４、カソード側流路５として機能している。アノード側流路４には燃料ガスとしての水素ガスが流通し、この流通する水素ガス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５には、酸化剤ガスとしての空気が流通し、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。
このように、燃料電池２のアノードに水素ガスが、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４１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。

＜アノード系＞
アノード系１０は、燃料電池２のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク１１、エゼクタ１２、パージ弁１３を主に備えている。

アノード系１０の水素ガス供給側から説明すると、水素タンク１１は配管１１ａを介して下流側のエゼクタ１２に接続しており、エゼクタ１２は配管１２ａを介して下流側の燃料電池２の水素導入口４ａに接続している。そして、水素タンク１１から、エゼクタ１２を介して、燃料電池２内のアノード側流路４に水素ガスが供給されるようになっている。また、水素タンク１１とエゼクタ１２との間の配管１１ａには、エゼクタ１２に向かって、遮断弁、減圧弁（ともに図示しない）が設けられており、水素ガスが適宜に遮断、所定圧力に減圧されるようになっている。

次に、アノード系１０の水素ガス排出側について説明すると、パージ弁１３は、アノード側流路４に連通する水素排出口４ｂに、配管１３ａを介して接続している。配管１３ａはその途中位置で分岐しており、分岐した部分は水素ガス供給側のエゼクタ１２に接続している。これにより、燃料電池２の通常発電時は、パージ弁１３を閉じて、燃料電池２から排出された水素ガス（アノードオフガス、燃料ガス）を水素ガス供給側に戻す（循環させる）ことで水素ガスを効率的に利用するようになっている。一方、発電によりアノードオフガス中の水分量が高くなった場合などは、パージ弁１３を開き、含水量の高いアノードオフガスを系外に排出（パージ）するようになっている。

＜カソード系＞
カソード系２０は、燃料電池２のカソード側に配置し、酸素を含む空気を供給・排出する系であり、コンプレッサ２１、温度センサ２２（温度検出手段）を主に備えている。

カソード系２０の空気供給側から説明すると、コンプレッサ２１は、配管２１ａを介して、下流側の燃料電池２の空気導入口５ａに接続している。そして、コンプレッサ２１が外気を適宜に取り込み、カソード側流路５に空気を供給可能となっている。コンプレッサ２１は、後記するＥＣＵ６０の運転制御部６１（運転制御手段）と電気的に接続しており、運転制御部６１はコンプレッサ２１の回転速度などを制御し、燃料電池２に供給される空気の流量を制御するようになっている。配管２１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池２に供給される空気が加湿されるようになっている。

次に、カソード系２０の空気排出側について説明すると、配管２１ｂが、カソード側流路５に連通する燃料電池２の空気排出口５ｂに接続している。そして、燃料電池２から排出された空気（カソードオフガス、酸化剤ガス）が、配管２１ｂを介して系外に排出されるようになっている。

温度センサ２２は、配管２１ｂに設けられており、配管２１ｂ内を流通するカソードオフガスの温度（以下、カソードオフガス温度）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。また、温度センサ２２は、後記するＥＣＵ６０の凍結判定部６３と電気的に接続しており、凍結判定部６３は燃料電池システム１Ａの運転中だけでなく停止中も、システム温度（カソードオフガス温度）を監視するようになっている。
なお、システム温度（カソードオフガス温度）には、燃料電池システム１Ａの停止中など、コンプレッサ２１がＯＦＦでカソードオフガスが流通しない場合も含むものとする。

＜冷却系＞
冷却系３０は、発電により発熱する燃料電池２が、過剰に昇温しないように適宜に冷却する系であり、ラジエータ３１（放熱器）と、ポンプ３２とを主に備えている。そして、エチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液（冷媒）が、ポンプ３２の稼動によって、ラジエータ３１と燃料電池２との間で循環するように、適所に配管が設けられている。

＜電力消費系＞
電力消費系４０は、燃料電池２の出力端子（図示しない）に接続すると共に、燃料電池２で発生した電力を消費する系である。具体的に電力消費系４０は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ４１（外部負荷）と、燃料電池２の発電の補助または余剰電力を蓄えるキャパシタ４２（蓄電器）と、電流計４３（出力検知手段）と、電圧計４４（出力検知手段）とを主に備えている。走行モータ４１およびキャパシタ４２は、図示しないＰＣＵ（Power Control Unit）を介して、燃料電池２の出力端子に対して並列に接続している。

電流計４３は、燃料電池２（スタック全体）の出力電流を検知可能なように適所に設けられている。そして、電流計４３はＥＣＵ６０の解氷判定部６２と接続しており、解氷判定部６２は出力電流を監視するようになっている。電圧計４４は、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４４はＥＣＵ６０の解氷判定部６２と接続しており、解氷判定部６２は出力電圧を監視するようになっている。この他、電流計４３および電圧計４４を、燃料電池２を構成する単セル毎に設けてもよい。

＜温度センサ＞
温度センサ５１は、外気温度を検知するセンサであって、燃料電池自動車の適所に設けられている。そして、温度センサ５１は、ＥＣＵ６０の凍結判定部６３と接続しており、凍結判定部６３は外気温度を監視するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池２の発電を制御する機能、外気温度およびシステム温度（カソードオフガス温度）に基づいて、燃料電池システム１Ａの起動時において凍結しているか否かを判断する機能、燃料電池システム１Ａが解氷したか否かを判定する機能を主に有している。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、運転制御部６１（運転制御手段）と、解氷判定部６２（運転状態検知手段）と、凍結判定部６３（温度判定手段）と、Ｉ−Ｖ特性記憶部６４とを主に備えている。

［運転制御部］
運転制御部６１は、カソード系２０のコンプレッサ２１と電気的に接続しており、コンプレッサ２１の稼動（回転速度など）を適宜に制御するようになっている。
また、運転制御部６１は、燃料電池２の運転を、「通常運転条件」または燃料電池２の起動を促進させる「氷点下運転条件（低温運転条件）」で制御する機能を有している。具体的に説明すると、運転制御部６１には、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とが設定されており、解氷判定部６２からの指示に基づいて、これら条件を適宜に切り替えるようになっている。すなわち、運転制御部６１は、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とを適宜に切り替えてコンプレッサ２１を制御するようになっている。

ここで、「通常運転条件」とは、コンプレッサ２１を通常の回転速度（起動時における回転速度として予め設定されている所定の回転速度）で通常に稼動させて、燃料電池２に通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給し、燃料電池２を通常に発電させる条件である。これに対し、「氷点下運転条件」とは、コンプレッサ２１を前記通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池２に、前記通常流量より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気（低温用反応ガス）を供給し、燃料電池２を高発電させる条件である。
したがって、燃料電池２の氷点下運転条件における自己発熱量は、通常運転条件における自己発熱量より高くなる。そして、このように自己発熱量を高めることで燃料電池２を速やかに暖機し、その起動を促進できるようになっている。つまり、運転制御部６１は、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とを適宜に切り替えて、燃料電池２の自己発熱量を制御するようになっている。

［解氷判定部］
解氷判定部６２は、燃料電池システム１Ａの起動時において、凍結判定部６３の判定結果（フラグが立っているかどうか）を参照し、その判定結果に基づいて、運転制御部６１に「通常運転条件」と「氷点下運転条件」のどちらを選択するかを指示する機能を有している。これにより、燃料電池システム１Ａの状態（非凍結状態、凍結状態）に対応して、「通常運転条件」または「氷点下運転条件」が選択され、燃料電池システム１Ａが好適に運転されるようになっている。
具体的に参考形態では、解氷判定部６２は、燃料電池システム１Ａの起動時にフラグが「１」の場合は、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部は凍結状態であると判定し、運転制御部６１に「氷点下運転条件」を指示するように設定されている。一方、燃料電池システム１Ａの起動時にフラグが「０」の場合は、燃料電池システム１Ａ全体は非凍結状態であると判定し、「通常運転条件」を指示するように設定されている。

また、解氷判定部６２は、燃料電池システム１Ａの起動時に氷点下運転条件で運転された場合、燃料電池２の実際の出力電流・出力電圧に基づいて推定された「推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ１、Ｃ２（図２参照）」と、Ｉ−Ｖ特性記憶部６４に記憶された「基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０（図２参照）」とを比較して、燃料電池２の運転（発電）状態が、「凍結状態（不安定運転状態）」から「非凍結状態（安定運転状態）」に切り替わったか否かを判定する機能を有している。

ここで、「凍結状態」とは、例えば燃料電池システム１Ａの起動直後など、燃料電池２内が凍結したままのため、所定圧力・所定流量の水素ガス、空気を燃料電池２に供給しているにも関わらず、燃料電池２が良好に発電しておらず、燃料電池２の実際の出力（出力電流、出力電圧）が所定圧力・所定流量の水素ガス、空気に対応した出力に達していない状態である。
これに対し、「非凍結状態」とは、燃料電池２が十分に暖まって、燃料電池２内が解氷しており、燃料電池２に供給される水素ガス、空気の流量、圧力に対応して燃料電池２が好適に発電し、その出力が良好である状態をいう。

［凍結判定部］
凍結判定部６３は、燃料電池システム１Ａの停止中に、温度センサ２２から出力されてくるシステム温度（カソードオフガス温度）に基づいて、システム温度が氷点（０℃、所定温度）より低温に達したことがあるか否かを判定する機能を有している。そして、凍結判定部６３は、システム温度が氷点下に達したと判定した場合には、フラグを立てる（フラグに「１」を入れる）機能を有している。

［Ｉ−Ｖ特性記憶部］
Ｉ−Ｖ特性記憶部６４には、図２に示すように、予備試験、シミュレーションなどにより求められた燃料電池２の複数のＩ−Ｖ曲線が記憶されている。
また、Ｉ−Ｖ特性記憶部６４には、「氷点下運転条件」と「通常運転条件」とを切り替える基準となる「基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０」が記憶されている。さらに説明すると、例えば燃料電池システム１Ａを「氷点下運転条件」で運転中、燃料電池２の出力電流および出力電圧から推定された推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ１が、基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０より高い場合、燃料電池２は十分に暖機されたと判定され、「通常運転条件」に切り替えられる。これに対し、推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ２が基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０より低い場合、燃料電池システム１Ａ内は未だ凍結していると判定され、「氷点下運転条件」で継続して運転される。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、参考形態に係る燃料電池システム１Ａの動作について、図１および図２に加えて、図３および図４に示すＥＣＵ６０に設定されたフローチャート（プログラム）を参照して、燃料電池システム１Ａの停止時、起動時の順で説明する。

＜燃料電池システムの停止時＞
図３に示すように、燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（以下ＩＧＳＷ）がＯＦＦされると（スタート）、ＥＣＵ６０は、水素ガスの供給・停止を切り替える遮断弁（図示しない）を閉じて水素供給を遮断し、コンプレッサ２１を停止させることによって燃料電池システム１Ａを停止させる（Ｓ１０１）。ステップＳ１０１の後、ＥＣＵ６０は、温度センサ２２で検出したシステム温度（カソードオフガス温度）を凍結判定部６３に取り込む（Ｓ１０２）。

ステップＳ１０２の後、凍結判定部６３は、取り込んだシステム温度に基づいて、燃料電池システム１Ａの停止中にシステム温度が氷点下、つまり氷点より低温に達したか否かを判定する（Ｓ１０３）。そして、このステップＳ１０３において、凍結判定部６３は、システム温度が氷点下に達していない（０℃以上である）と判定したときは（Ｎｏ）、次の処理（Ｓ１０４）に移行する。その結果、フラグはそのままの状態で維持される。
また、ステップＳ１０３において、凍結判定部６３は、システム温度が氷点下に達したと判定したときは（Ｙｅｓ）、氷点下の経験があることを示すフラグを立てて（Ｓ１０５）、次の処理（Ｓ１０４）に移行する。

そして、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、ＩＧＳＷがＯＮされたか否かを判定し、ＯＮされていないと判定した場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１０２、Ｓ１０３（Ｓ１０５）の処理を繰り返し、また、ＯＮされたと判定した場合は（Ｙｅｓ）、このフローを終了して（エンド）、図４に示す起動時におけるフローに移行する。

＜燃料電池システムの起動時＞
図４に示すように、前記した停止時におけるフロー（図３参照）が終了すると（スタート）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２０１に進んで凍結判定を行う。なお、ＥＣＵ６０は、起動時のフローに移行することに連動して、アノード系１０の遮断弁（図示しない）などを開放して、燃料電池２のアノード側に水素ガスを供給する。

＜凍結判定＞
ステップＳ２０１において、解氷判定部６２は、凍結判定部６３の判定結果（フラグが「１」であるか否か）を参照し、その判定結果に基づいて、燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態であるか否かを判定する。
すなわち、ステップＳ２０１において、解氷判定部６２は、フラグが「１」である（氷点下の経験がある）と判定した場合には（Ｙｅｓ）、「燃料電池システム１Ａの少なくとも一部は凍結状態である」と判定して、運転制御部６１に「氷点下運転条件」を指示し、ステップＳ２０２に移行する。なお、「１」であったフラグは、このステップＳ２０１で「Ｙｅｓ」と判定された後、「０」にリセットされる。
一方、ステップＳ２０１において、解氷判定部６２は、フラグが「０」である（氷点下の経験がない）と判定した場合には（Ｎｏ）、「燃料電池システム１Ａ全体が凍結状態でない」と判定して、運転制御部６１に「通常運転条件」を指示し、ステップＳ２０４に移行する。

＜低温用反応ガス供給−氷点下運転条件＞
ステップＳ２０２において、運転制御部６１は、コンプレッサ２１を「氷点下運転条件」で稼動させる。具体的には、運転制御部６１がコンプレッサ２１を制御して、「通常運転条件」より多流量・高圧力の空気（低温用反応ガス）を燃料電池２に供給する。これにより、燃料電池２は「通常運転条件」より高出力である「氷点下運転条件」で発電する。したがって、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２の自己発熱量は、「通常運転条件」の自己発熱量より高くなり、この高い自己発熱量により、燃料電池２内が速やかに解氷し始めるとともに、この燃料電池２の発熱により燃料電池システム１Ａ全体も解氷し始めることとなる。
このように燃料電池２を「氷点下運転条件」で発電させた後、ステップＳ２０３に移行する。

＜解氷判定＞
ステップＳ２０３において、解氷判定部６２は、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池２のＩ−Ｖ特性が所定以上に回復したか否かに基づいて、燃料電池２を含む燃料電池システム１Ａ全体が解氷したか否かを判定する。
具体的に説明すると、解氷判定部６２は、電流計４３および電圧計４４を介して、燃料電池２の実際の出力電流、出力電圧を複数点（例えば図２に示すＰ１、Ｐ２の部分）にてサンプリングする。そして、解氷判定部６２は、サンプリングした出力電流および出力電圧と、Ｉ−Ｖ特性記憶部６４に記憶された複数のＩ−Ｖ曲線とに基づいて、現在発電する燃料電池２の推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ１、Ｃ２を推定する。

次いで、解氷判定部６２は、推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ１、Ｃ２と基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０とを比較する。そして、解氷判定部６２は、推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ１が基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０より高い場合、燃料電池２は十分に暖機され、燃料電池システム１Ａ全体は解氷し、その結果、燃料電池２が良好に発電している、つまり、燃料電池２のＩ−Ｖ特性が所定以上に回復していると判定する（Ｓ２０３・Ｙｅｓ）。このように燃料電池システム１Ａ全体が解氷したと判定されると、解氷判定部６２は、運転制御部６１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り替えるように指示し、ステップＳ２０４に移行する。

一方、解氷判定部６２は、推定Ｉ−Ｖ曲線Ｃ２が基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０より低い場合、燃料電池２は十分に暖機されておらず、つまり、燃料電池システム１Ａ全体は解氷しておらず、その結果、燃料電池２が良好に発電していない、つまり、燃料電池２のＩ−Ｖ特性が所定以上に回復していないと判定する（Ｓ２０３・Ｎｏ）。このように燃料電池システム１Ａ全体は解氷していないと判定されると、処理はステップＳ２０２に戻り、「氷点下運転条件」でのコンプレッサ２１の稼動は継続される。

＜通常用反応ガス供給−通常運転条件＞
ステップＳ２０４においては、運転制御部６１が、コンプレッサ２１を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気（通常用反応ガス）を供給する。これにより、燃料電池２は通常に発電する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池システム１Ａの起動時の凍結判定、解氷判定は終了する。

このように参考形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池システム１Ａの停止中にシステム温度（カソードオフガス温度）が一度でも氷点下となった場合には「氷点下運転条件」で燃料電池２を発電させるので、例えば停止中に氷点下（氷点より低い低温）となったことによって燃料電池システム１Ａの一部が凍結し、起動時において内部が凍結しているのにも関わらず、起動時におけるシステム温度（カソードオフガス温度）だけが氷点下ではなくなった場合であっても、良好に起動することができる。
また、燃料電池システム１Ａの起動時に燃料電池システム１Ａの少なくとも一部が凍結状態である場合、自己発熱量の高い「氷点下運転条件」で燃料電池２を発電させることによって燃料電池システム１Ａ全体を速やかに解氷させることができる。
さらに、一般の燃料電池システムが備えるカソード系２０のコンプレッサ２１を有効利用するため、従来のカソード系のヒータなどの特別な機器などを備えずに、燃料電池システム１Ａを構成することができる。すなわち、燃料電池システム１Ａを構成するに際し、重量化・大型化などすることもない。
さらにまた、解氷後は速やかに「通常運転条件」に切り替えることで、無駄なく空気（反応ガス）を燃料電池２に供給することができる。
さらに、燃料電池システム１Ａが解氷したか否かを、燃料電池２の実際の出力電流および出力電圧に基づいて判定するため、正確に解氷判定をすることができる。
また、例えば、深夜に燃料電池自動車が停止（ＩＧＳＷがＯＦＦ）され、システム内部が凍結したが、次回のＩＧＳＷのＯＮ時までに解氷した場合、ステップＳ２０１における履歴に基づく判定がＹｅｓとなり氷点下運転条件で運転されるが、その後直ちにステップＳ２０３において運転する燃料電池２のＩ−Ｖ特性に基づいて判定するため、その判定が「Ｙｅｓ」となり、速やかに通常運転条件（Ｓ２０４）に移行することができる。

≪本実施形態≫
次に、本実施形態に係る燃料電池システムについて、図５から図８までを参照して説明する。本実施形態は参考形態を一部変更したものなので、参考形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図５は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図６は、燃料電池の総運転時間とＩ−Ｖ特性との関係を示すグラフである。図７は、図５に示す判定マップ記憶部に記憶された判定マップの一例を示すグラフである。図８は、本実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。

≪燃料電池システムの構成≫
図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂは、主として、参考形態に係るＥＣＵ６０に代えてＥＣＵ７０を備えており、解氷判定方法が異なる。また、燃料電池システム１Ｂは、参考形態に係る電流計４３および電圧計４４を備えていない。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、運転制御部６１（運転制御手段）と、凍結判定部６３（温度判定手段）と、解氷判定部７２（運転状態検知手段）と、総運転時間記憶部７５（総運転時間記憶手段）と、判定マップ記憶部７６と、を備えている。なお、運転制御部６１、凍結判定部６３は、参考形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。

［解氷判定部］
解氷判定部７２は、参考形態と同様に解氷判定機能、解氷判定または凍結判定部６３の判定結果に基づく運転制御部６１への指示機能を有している。ところが、解氷判定部７２による解氷判定方法は参考形態とは異なっているため、まず図６を参照して、本実施形態に係る解氷判定方法の理論について説明する。

図６に示すように、燃料電池２の出力特性を示すＩ−Ｖ曲線（出力電流、出力電圧）は、発電により発熱する燃料電池２の温度を一定とした場合、燃料電池２の総運転（発電）時間が長くなると低下する傾向を有している。言い換えると、総運転時間が長い燃料電池２について、図６に示す基準Ｉ−Ｖ曲線Ｃ０を上回るように発電させた場合、総運転時間が長い燃料電池２ほど、燃料電池２の温度は高くなる。このような傾向は、燃料電池２の総運転時間が長くなると、例えば、燃料電池２を構成するＭＥＡの電解質膜や、カソードまたはアノードの触媒が劣化するためと考えられる。
そこで、本実施形態に係る解氷判定部７２は、このような燃料電池２の総運転時間に伴う劣化による出力低下を考慮して、燃料電池システム１Ｂが解氷したか否かを判定することを特徴とする。

図５に戻って説明を続ける。
解氷判定部７２は、総運転時間記憶部７５から燃料電池２の総運転時間を読み込み、この読み込んだ総運転時間と判定マップ記憶部７６に記憶された判定マップ（図７参照）とに基づいて判定温度を算出し、算出した判定温度と温度センサ２２により検知されるシステム温度（カソードオフガス温度）とを比較し、燃料電池システム１Ｂが解氷したか否かを判定する機能を有している。

具体的に「システム温度＞判定温度」の場合、解氷判定部７２は、燃料電池２は十分に暖機され、燃料電池システム１Ｂ全体が解氷したと判定し（図８、Ｓ２０５・Ｙｅｓ）、運転制御部６１に氷点下運転条件（低音運転条件）から通常運転条件に切り替えるように指示を送るようになっている。一方、「システム温度≦判定温度」の場合、解氷判定部７２は、燃料電池２は十分に暖機されておらず、燃料電池システム１Ｂは解氷していないと判定するようになっている（図８、Ｓ２０５・Ｎｏ）。

［総運転時間記憶部］
総運転時間記憶部７５は、メモリなどから構成され、燃料電池システム１Ｂ（燃料電池２）の総運転（発電）時間が記憶される部分である。具体的に例えば、総運転時間記憶部７５には、走行モータ４１などから燃料電池２に発電要求があり、燃料電池２が発電した場合に、燃料電池システム１Ｂが運転したとして、この運転時間が累積的に記憶されるように設定されている。また、総運転時間記憶部７５は、解氷判定部７２と電気的に接続しており、解氷判定部７２は総運転時間を適宜に読み込むようになっている。

［判定マップ記憶部］
判定マップ記憶部７６には、図７に示すような、燃料電池システム１Ｂの総運転時間に基づいて、解氷判定の基準となる判定温度を算出するための判定マップが記憶されている。判定マップは、燃料電池２の総運転時間と温度と出力電流・電圧との関係を考慮し、総運転時間が長くなると判定温度が高くなるという関係を有している。具体的に判定マップは、種々の予備実験やシミュレーションにより求められる。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂの起動時の動作について、図８を主に参照して説明する。なお、燃料電池システム１Ｂの停止時の制御は参考形態と同様であるため、ここでは省略する（図３参照）。

＜燃料電池システムの起動時＞
燃料電池自動車のＩＧＳＷ（図示しない）がＯＮされると（スタート）、ＥＣＵ７０はステップＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０５、Ｓ２０４における処理をフローに従って行う。ステップＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０４における処理は参考形態と同様であるため、その説明を省略し、ステップＳ２０５について説明する。

＜解氷判定＞
ステップＳ２０５において、解氷判定部７２は、総運転時間記憶部７５から燃料電池システム１Ｂの総運転時間を読み込み、読み込んだ総運転時間と判定マップ記憶部の判定マップとに基づいて、判定温度を算出する。

次いで、解氷判定部７２は、温度センサ２２を介して検知したシステム温度（カソードオフガス温度）と、算出した判定温度とを比較して解氷判定をする。具体的には、「システム温度＞判定温度」の場合、燃料電池２は十分に暖機され、燃料電池システム１Ａ全体は解氷していると判定する（Ｓ２０５・Ｙｅｓ）。そして、解氷判定部６２は、運転制御部６１に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップＳ２０４に移行する。
一方、「システム温度≦判定温度」の場合、燃料電池２は十分に暖機されておらず、つまり、燃料電池システム１Ａ全体は解氷していないと判定する（Ｓ２０５・Ｎｏ）。このように解氷していないと判定されると、処理はステップＳ２０２に戻り、「氷点下運転条件」でのコンプレッサ２１の稼動は継続される。

このように本実施形態に係る燃料電池システム１Ｂによれば、総運転時間つまり燃料電池２の劣化を考慮して判定基準となる判定温度を算出し、この判定温度と、システム温度とを比較するため、燃料電池システム１Ｂが解氷したか否かを、より正確に判定することができる。

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、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、燃料電池システム１Ｂの温度を検出する温度検出手段として、カソードオフガス温度をシステム温度として検出する温度センサ２２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に設けられアノードオフガス温度を検出する温度センサや、冷却系３０に設けられ燃料電池２から排出された排出ラジエータ液の温度を検出する温度センサや、温度センサ５１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１Ｂ全体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、例えば検出された温度のうち、少なくとも２つの温度が氷点を下回った場合、システム温度が氷点より低くなったと判定するように設定すれば、誤判定を防止できる。

前記した実施形態において、燃料電池２の自己発熱量を高める氷点下（低温）運転条件とは、コンプレッサ２１を通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池２に、通常流量より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気（低温用反応ガス）を供給し、燃料電池２を高発電させる条件としてが、氷点下運転条件として、その他に例えば、（１）アノード系１０における水素タンク１１とエゼクタ１２との間の減圧弁（図示しない）をその二次（下流）側圧力が高まるように制御し、燃料電池２のアノードに高圧の水素ガスが供給されるように設定してもよいし、（２）アノード系１０のパージ弁１３を開く間隔を短くし、アノードに供給される水素ガスの濃度が高くなるように設定してもよいし、（３）カソード系２０の配管２１ｂに設けられた背圧弁（図示しない）をその背圧が高まるように制御し、燃料電池２のカソードに高圧の空気が供給されるように設定してもよいし、（４）燃料電池２（スタック）を構成する単セルを保護するためのセル電圧保護閾値を高めるよう設定してもよいし、これらを複合的に制御する設定としてもよい。

前記した実施形態では、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１Ｂに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されず、例えば家庭用の据え置き型の燃料電池システムなどに本発明を適用してもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１Ｂの停止中に凍結判定部６３が氷点下の経験があるか否かを判定し、起動時に解氷判定部６２が凍結判定部６３の判定結果を参照することで凍結判定を行うとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＥＣＵ６０に、停止中におけるカソードオフガス温度を蓄積して記憶する停止中温度データ記憶部（記憶手段）を設けると共に、解氷判定部６２に凍結判定部６３の機能を含めるように構成することで、起動時に凍結判定部６３が停止中温度データ記憶部内の温度の蓄積データに基づいて凍結判定を行うようにしてもよい。これによれば、燃料電池システム１Ａの停止中は、温度センサ１４で検出した温度を単に停止中温度データ記憶部に記憶させるだけに留めておくことができるので、停止中における制御を単純にでき、その分停止中における電力消費を抑えることができる。

前記した実施形態では、燃料電池システム１Ｂの停止中における所定温度を、氷点（０℃）としたが、所定温度は氷点に限定されるものではなく、燃料電池が次回の起動において安定して起動ができなくなり得る温度（燃料電池の通常発電時のシステム温度より低い温度）を所定温度としてもよい。

参考形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示すＩ−Ｖ特性記憶部に記憶された燃料電池のＩ−Ｖ曲線である。 参考形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 参考形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の総運転時間とＩ−Ｖ特性との関係を示すグラフである。 図５に示す判定マップ記憶部に記憶された判定マップの一例を示すグラフである。 本実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１Ａ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 電解質膜
２２ 温度センサ（温度検出手段）
４３ 電流計（出力検知手段）
４４ 電圧計（出力検知手段）
６０、７０ ＥＣＵ
６１ 運転制御部（運転制御手段）
６２、７２ 解氷判定部（運転状態検知手段）
６３ 凍結判定部（温度判定手段）
６４ Ｉ−Ｖ特性記憶部
７５ 総運転時間記憶部（総運転時間記憶手段）
７６ 判定マップ記憶部

Claims (1)

1. 反応ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の運転を、通常運転条件または前記燃料電池の起動を促進させる低温運転条件で制御する運転制御手段と、
   運転する前記燃料電池の安定運転状態または不安定運転状態を検知する運転状態検知手段と、
   前記温度検出手段が検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が所定温度よりも低温に達したことがあるか否かを判定する温度判定手段と、
   前記燃料電池システムの総運転時間を記憶する総運転時間記憶手段と、
   を備え、
   前記運転制御手段は、前記燃料電池システムの起動時において、前記温度判定手段の判定結果が前記所定温度よりも低温に達したことがあることを示す場合に前記低温運転条件で前記燃料電池の運転を制御し、前記運転状態検知手段が前記安定運転状態を検知したときに前記通常運転条件に切り替え、
   前記運転状態検知手段は、前記燃料電池システムの温度と前記総運転時間とに基づいて、前記安定運転状態または前記不安定運転状態を検知する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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