JP4962919B2 - 燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムの低温時における始動性の改良に関する。
燃料電池システムを始動させる際、燃料電池スタックの温度が水の凍結温度以下（氷点下）であることが検出された場合、通常始動用の制御マップを氷点下始動用制御マップに変更し、該氷点下始動用制御マップに沿って燃料電池システムを始動させることが行われている。その後、燃料電池スタックの温度が凍結温度を超過していることが検出されれば、氷点下始動用制御マップを通常始動用制御マップに変更し、上記通常始動用制御マップに沿って上記燃料電池スタックの始動が行われる。この際、燃料電池の生成水の残水量に基づいて始動方法が変更される場合もある（例えば特許文献１参照）。
また、このように燃料電池システムを氷点下で始動させる際、発電部位を急速に昇温させ氷点下温度を突破させる急速暖機運転を実施して始動性を向上させるという技術がある。その手法としては、例えば、燃料電池スタック暖機完了前は、燃料電池スタック入口の冷却水圧力を燃料電池システムを定常状態で運転する際に用いる圧力よりも低く制御し、燃料電池スタック暖機完了後は、燃料電池スタック入口の冷却水圧力を定常状態で運転する際に用いる圧力に制御するというものがある（特許文献２参照）。
また、寒冷地で燃料電池を起動する際に燃料電池内部で生成水が凍結するのを防止する技術として、温度センサが燃料電池の内部温度を検出するものがある。この場合、燃料電池の内部温度が０℃以下のときには、冷却水ポンプは停止状態となるよう制御され、０℃を超えるときには、内部温度が上昇するのに応じてその駆動量が増加する（特許文献３参照）。
特開２００８−１４７１３９号公報 特開２００３−１５１５９７号公報 特開２００３−３６８７４号公報
しかしながら、上述のように冷却水を循環させずに始動させる手法の場合、熱集中による耐久性の劣化ないし悪化が懸念されることから、なるべく頻度を減らすことが望ましい。
そこで、本発明は、氷点下で始動させる際、必要に応じて急速暖機運転を行いつつ、熱集中による耐久性の劣化を抑えるようにした燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。燃料電池の耐久性劣化を抑えるためには、氷点下における急速暖機運転の実施回数を減らすことが望ましい。反面、氷点下の状況で始動までに時間を要するのでは使用の実情に沿うことができない。この点、上述した従来手法では、燃料電池スタックの温度が水の凍結温度以下である場合に氷点下始動のマップを切り換える手法が開示されているが、スタックの耐久性を考慮した本発明者は、氷点下でも暖機運転の方法を切り換えることに着目し、種々の検討を重ねた結果、課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
本発明はかかる知見に基づくものであり、燃料電池を含み、氷点下での始動時、冷却水の循環を止めて急速に暖機する急速暖機運転を必要に応じて実施する燃料電池システムであって、当該システムの前回運転の運転終了条件、始動時温度等のデータ、あるいは前回掃気時に算出した当該燃料電池における生成水の残水量を記憶するメモリと、当該システムの始動時に該メモリから読み出したデータに基づき生成水の残水量を算出し、該残水量と始動時温度より、当該システムの急速暖機の要否の判断、および急速暖機が必要な場合に冷却水を無循環で始動させるかどうかの判断を行う判断手段と、該判断手段による判断結果に基づき、冷却水を循環させながら又は循環させずに、燃料電池に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく尚かつ通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電を実行する発電制御手段と、を有している。データは、例えば、当該燃料電池の前回運転終了時のインピーダンス、該燃料電池の温度、掃気エア量である。なお、本明細書でいう掃気エア量とは、前回運転終了後、（例えば車両のドライバーによる）イグニッションスイッチのＯＦＦ操作時に燃料電池スタックの中の水を排出するために流すエア量のことである。
この燃料電池システムにおいては、前回の運転終了条件、始動時温度等より、冷却水を循環させるかどうかの判断を行う。この判断を経ることにより、常に冷却水を循環させないばかりでなく、状況に応じて冷却水を循環させつつ急速暖機運転を行うことができるようになる。したがって、冷却水無循環での始動回数を抑制することが可能となる。
燃料電池システムにおける判断手段は、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定機能と、燃料電池の関連温度を測定する関連温度測定機能とを備え、インピーダンスの測定結果および関連温度の測定結果を含むデータに基づき生成水の残水量を算出するものであることが好ましい。
また、本発明は、燃料電池車に搭載された燃料電池システムであって、氷点下での始動時、当該燃料電池車が走行可能かどうかの判断を判断手段によって行うものであることも好ましい。
また、当該燃料電池の始動時温度‐生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフを複数のゾーンに分け、当該燃料電池の始動時における始動時温度と残水量とが複数のゾーンのいずれに属するかに応じて冷却水を無循環で始動させるかどうかを判断することが好ましい。
さらに、当該燃料電池の始動時温度‐生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフを複数のゾーンに分け、当該燃料電池の始動時における始動時温度と残水量の関係に応じて冷却水を無循環で始動させるかどうか、および当該燃料電池車が暖機運転なしで走行可能かどうかを判断することも好ましい。
また、燃料電池の始動時温度‐生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフとして、曲線によって閉じられた空間により複数のゾーンに分けられたものが用いられることも好ましい。
あるいは、燃料電池の始動時温度‐生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフとして、反比例グラフの曲線ないしは双曲線に近似した２ないしは３の曲線により複数のゾーンに分けられたものが用いられることも好ましい。
また、本発明にかかる制御方法は、氷点下での始動時、冷却水の循環を止めて急速に暖機する急速暖機運転を必要に応じて実施する燃料電池システムにおける始動時制御方法であって、当該システムの前回運転の運転終了条件、始動時温度等のデータ、あるいは前回掃気時に算出した当該燃料電池における生成水の残水量をメモリに記憶しておき、当該システムの始動時に該メモリから読み出したデータに基づき生成水の残水量を算出し、該残水量と始動時温度より、当該システムの急速暖機の要否の判断、および急速暖機が必要な場合に冷却水を無循環で始動させるかどうかの判断を行い、該判断手段による判断結果に基づき、冷却水を循環させながら又は循環させずに、燃料電池に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく尚かつ通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電を実行するというものである。
本発明によれば、燃料電池システムを氷点下で始動させる際、熱集中による耐久性の劣化を抑えつつ必要に応じて急速暖機運転することが可能である。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるシステム始動時の制御方法を示すフローチャートである。 縦軸が始動時のＦＣ温度、横軸が残水量Ｖｗを表すグラフであって、一例としてＩ，ＩＩ，ＩＩＩの３つのゾーンが設定されたものを示す図である。 本発明の第２の実施形態におけるシステム始動時の制御方法を示すフローチャートである。 始動時ＦＣ温度‐残水量Ｖｗのグラフであって、一例としてＩ〜ＩＶの４つのゾーンが設定されたものを示す図である。 本発明の第３の実施形態における始動時ＦＣ温度‐残水量ＶｗのグラフであってＩ〜ＩＩＩの３つのゾーンが設定されたものを示す図である。 本発明の第４の実施形態における始動時ＦＣ温度‐残水量ＶｗのグラフであってＩ〜ＩＶの４つのゾーンが設定されたものを示す図である。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態における燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両１００に搭載できる。ただし、燃料電池システム１は、車両１００以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源、さらには携帯型燃料電池システムにも適用可能である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム１の運転を統括制御する制御装置７と、を備える。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型燃料電池で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、プロトン導電性を有する固体高分子膜を電解質層に備えており、電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有する。供給路１１は、酸化ガス流路２ａを介して排出路１２に連通する。酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
供給路１１には、エアクリーナ１３を介して外気を取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられる。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
燃料電池２の空気極側の背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６によって調整される。背圧調整弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられる。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有する。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられる。
冷媒配管系（冷却機構）５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有する。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有する。温度センサ４７が検出する冷媒温度（燃料電池の関連温度）は、燃料電池２の内部温度（以下、ＦＣ温度という。）を反映する。なお、温度センサ４７は、冷媒温度の代わりに（あるいは加えて）、燃料電池周辺の部品温度（燃料電池の関連温度）や燃料電池周辺の外気温度（燃料電池の関連温度）を検出するようにしても良い。また、燃料電池の冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
バッテリ（蓄電器）６２は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ６２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。
制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転の制御及び後述する暖機運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
タイマー７０、電圧センサ７２及び電流センサ７３は、制御装置７に接続される。タイマー７０は、燃料電池システム１の運転を制御するために必要な各種の時間を計測する。電圧センサ７２は、燃料電池２の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出する。具体的には、電圧センサ７２は、燃料電池２の多数の単セルの個々が発電する電圧（以下、「セル電圧」という。）を検出する。これにより、燃料電池２の各単セルの状態が把握される。電流センサ７３は、燃料電池２の出力電流（ＦＣ電流）を検出する。
制御装置７は、各種の圧力センサＰ１や温度センサ４６、４７、並びに車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなど、各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、背圧調整弁１６など）に制御信号を出力する。また、制御装置７は、所定のタイミングで燃料電池２の水分状態の診断等を行い、診断結果に基づき燃料電池２の水分制御を行う。
本実施形態では、燃料電池システム１の始動時、必要に応じて低効率発電を実施し、燃料電池２に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく尚かつ通常発電に比して電力損失が大きくなるようにし、これによって急速暖機を行うようにしている。ここで、低効率発電と通常発電の相違について説明すると以下のとおりである（図２参照）。
図２は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図であり、通常発電を行った場合が実線で示され、低効率発電を行った場合が点線で示されている。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。
ここで、低効率発電とは、燃料電池２に供給される反応ガス（本実施形態では、酸化ガス）が通常発電時に比して少なく、かつ通常発電に比して電力損失が大きい発電をいい、例えばエアストイキ比を１．０付近（理論値）に絞った状態で燃料電池２を運転する（図２の点線部分参照）。このように、電力損失を大きく設定することで、燃料電池２を急速暖機することが可能となる。一方、通常発電の際には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、例えばエアストイキ比を２．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の実線部分参照）。制御装置７は、必要に応じ、燃料電池２に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく尚かつ通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電を実行する発電制御手段として機能する。
次に、インピーダンス測定等について説明しておく。
まず、制御装置７は、燃料電池２の水分状態を診断すべきタイミング（以下、診断タイミング）が到来したか否かを判断する。診断タイミングは、例えば燃料電池システム１の運転終了時や始動時である。本実施形態の制御装置７は、例えば車両１００のドライバーによるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって、燃料電池システム１の運転終了指令が入力されたことを検知し、診断タイミングが到来したと判断する。
制御装置（インピーダンス測定手段）７は、燃料電池２のインピーダンス測定を行い、測定結果に基づき燃料電池２の水分状態を診断する。本実施形態の制御装置（インピーダンス測定手段）７は、電圧センサ７２によって検出されるＦＣ電圧及び電流センサ７３によって検出されるＦＣ電流を所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。そして、制御装置（インピーダンス測定手段）７は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池２のインピーダンスを測定する。
そして、制御装置７は、基準インピーダンスメモリ９２に格納されている基準インピーダンスＩＰｔｈを読み出し、読み出した基準インピーダンスＩＰｔｈと測定したインピーダンス（以下、測定インピーダンス）とを比較する。
ここで、基準インピーダンスＩＰｔｈは、燃料電池２が乾燥状態にあるか否かを判断するための基準値であり、予め実験などによって求められる。具体的には、実験などによって燃料電池２が乾燥状態にあるか否かを判断するためのインピーダンスを求め、これをマップ化して基準インピーダンスメモリ９２に格納しておく。
また、制御装置７は、温度センサ４７によって検知されるＦＣ温度（以下、検知ＦＣ温度）と、基準ＦＣ温度メモリ９１に格納されている基準ＦＣ温度とを比較する。ここで、基準ＦＣ温度Ｔｔｈは、燃料電池２が低効率発電を許可するか否かを判断するための基準値であり、予め実験などによって求められる。具体的には、実験などによって低効率発電を許可するか否かを判断するためのＦＣ温度を求め、これをマップ化して基準ＦＣ温度メモリ９１に格納しておく。
次に、本実施形態の燃料電池システム１における始動時制御の具体例を示す（図３〜図８参照）。
＜第１の実施形態＞
まず、この燃料電池システム１においては、当該システムの前回運転終了時の燃料電池２の温度（ＦＣ温度）Ｔｅ、インピーダンスＺｅ、掃気エア量（前回運転終了後、例えば車両のドライバーによるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作時に燃料電池スタックの中の水を排出するために流すエア量）Ｆｅをメモリ（基準ＦＣ温度メモリ９１、基準インピーダンスメモリ９２、基準掃気エア量メモリ９３）に記憶しておき、いつでも読み出せるようにしている。燃料電池システム１の始動時には、これらメモリ９１〜９３に記憶されている各データを読み出し、これらデータに基づいて燃料電池２の残水量Ｖｗを算出する（ステップＳＰ１）。残水量Ｖｗは、前回の掃気時に算出してメモリしておいたデータを用いてもよい。あるいは、当該残水量Ｖｗを例えば以下の式によって算出することができる。
［数式１］
インピーダンスから求められる残水量Ｖ１＝Ｅ／（Ｚ０−Ｆ）＋Ｇ
ここで、数式１中のＺ０は常温インピーダンスであり、
［数式２］
常温インピーダンスＺ０＝Ａ＊（Ｔｅ−Ｂ）＊（Ｚｅ−Ｃ）＋Ｃ
によって求めることができる。ただし、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇのそれぞれは、システムによって変化する定数である。
また、残水量Ｖｗは、掃気エア量Ｆｅを用い、下記数式３から算出することもできる。ただし、Ｐｅは温度Ｔｅでの飽和水蒸気圧、Ｊ，Ｈはシステムによって変化する定数である。
［数式３］
掃気エア量から求められる残水量Ｖ２＝Ｊ−Ｈ＊Σ（Ｆｅ＊Ｐｅ）
以上のように数式１および数式３のそれぞれに基づいて２種類の残水量Ｖ１，Ｖ２を求めたら、Ｖｗ＝ＭＡＸ（Ｖ１，Ｖ２）により残水量Ｖｗを求めることができる。すなわち、上述した２種類の残水量Ｖ１，Ｖ２のうち大きい方の値を残水量Ｖｗとして扱う。
続いて、残水量Ｖｗと、始動時のＦＣ温度とから、車両１００の走行可否、急速暖機の要否、および急速暖機時に冷却水（ＦＣＣ）を無循環とするか否かの判断をする（ステップＳＰ２）。本実施形態では、縦軸が始動時のＦＣ温度、横軸が残水量Ｖｗを表すグラフ中にＩ，ＩＩ，ＩＩＩの各ゾーン（領域）を設定し、残水量Ｖｗと始動時のＦＣ温度との組合せがどのゾーンに位置するかによって車両１００の走行可否等を決定している（図４参照）。
具体的に説明すると、所定範囲内において始動時ＦＣ温度が高く、残水量Ｖｗが少ない（ドライである）領域であるＩゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００が走行可能であり尚かつ冷却水（ＦＣＣ）を循環させながらの急速暖機が可能であると判断する（ステップＳＰ３）。また、始動時ＦＣ温度が低く、残水量Ｖｗが多い（ウェットである）領域であるＩＩＩゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００は停車状態で（走行不可で）、冷却水を循環させずに急速暖機を行うと判断する（ステップＳＰ５）。さらに、始動時ＦＣ温度および残水量ＶｗがこれらＩゾーンとＩＩＩゾーンのいずれにも該当せず、これらの間のＩＩゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００は停車状態で（走行不可で）、冷却水を循環させながらの急速暖機を行うと判断する（ステップＳＰ４）。
本実施形態の場合、上述のＩゾーンでは、車両走行しながらの急速暖機を行う（出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図２（Ｉ−Ｖ曲線）中において、Ｉ−Ｖポイントが出力側に動くため暖機が遅れる）。また、ＩＩゾーン、ＩＩＩゾーンでは停車状態で急速暖機を行う（暖機で氷点を突破させることが可能である）。
なお、本実施形態では、Ｉゾーンに該当するとの判断がなされた場合にも、まずはＩＩゾーンに該当した場合の暖機処理を行い、その後、Ｉゾーンに対応する処理に移行するようにしている。すなわち、車両１００に搭載された燃料電池システム１を対象としている本実施形態の場合、停車状態でシステム始動が行われることになるため、Ｉゾーンに該当して走行可能だとの判断がなされた場合にも、まずはＩＩゾーンに該当した場合のように停車状態での暖機処理を行い、その後、Ｉゾーンに対応する処理に移行する（図３参照）。
このように、本実施形態では、燃料電池システム１の始動時におけるＦＣ温度と残水量Ｖｗとの関係をゾーン分けしておくことにより、当該燃料電池システム１の利便性と耐久性を同時に向上させることとしている。すなわち、当該システム１において急速暖機を行う際、上述のＩＩＩゾーンに該当したような場合のみ冷却水無循環の状態下で急速暖機を行うようにし、冷却水を循環させない（つまり無循環の）状況下での急速暖機の実施頻度を抑えているので、熱集中により耐久性が劣化するのを抑えることができる。
また、ゾーンの数に応じた種類の急速暖機態様をあらかじめ設定しておき、ＦＣ温度と残水量Ｖｗとの関係に応じていずれの急速暖機を行うか決定すればよいため特にシステム始動時における利便性が高い。より具体的に説明すると、まずはもっとも頻度が高いＩゾーンの場合、すぐに走行可能状態となり、ドライバー等のユーザーを待たせずに済むためユーザビリティが悪化するようなことがない。逆に、ＩＩＩゾーンは頻度が低いものであるが、該当した場合には冷却水の循環を止めて急速に暖機することとし、厳寒下でユーザーが待つ時間を極力少なくする。また、このように必要に応じて冷却水の循環を止めて急速暖機することは当該ドライバー等の不安面を和らげることにもなる。さらに、ＩＩゾーンの場合、急速暖機によりユーザーが待つ時間を短縮するとともに、冷却水を循環させながら急速暖機を行うことにより燃料電池２の耐久性劣化を抑えるという効果がある。
＜第２の実施形態＞
上述した第１の実施形態ではＦＣ温度と残水量Ｖｗとのグラフ中に３つのゾーン（領域）を設定したが、これ以外の数のゾーンとしてもよい。例えば本実施形態では、縦軸が始動時のＦＣ温度、横軸が残水量Ｖｗを表すグラフ中にＩ〜ＩＶの４つのゾーン（領域）を設定し、残水量Ｖｗと始動時のＦＣ温度との組合せがどのゾーンに位置するかによって車両１００の走行可否等を決定する（図５、図６参照）。
まず、当該燃料電池システム１の前回運転終了時の燃料電池２の温度（ＦＣ温度）Ｔｅ、インピーダンスＺｅ、掃気エア量Ｆｅをメモリ（基準ＦＣ温度メモリ９１、基準インピーダンスメモリ９２、基準掃気エア量メモリ９３）に記憶しておく。燃料電池システム１の始動時には、これらメモリ９１〜９３に記憶されている各データを読み出し、これらデータに基づいて燃料電池２の残水量Ｖｗを算出する（ステップＳＰ１１）。残水量Ｖｗは、上述した実施形態と同様、数式１〜３に基づいてインピーダンスから求められる残水量Ｖ１と掃気エア量から求められる残水量Ｖ２とを算出し、大きい方の値を選択することによって得ることができる。
その後、残水量Ｖｗと、始動時のＦＣ温度とから、車両１００の走行可否、急速暖機の要否、および急速暖機時に冷却水（ＦＣＣ）を無循環とするか否かの判断をする（ステップＳＰ１２）。本実施形態では、縦軸が始動時のＦＣ温度、横軸が残水量Ｖｗを表すグラフ中にＩ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶの各ゾーン（領域）を設定してあり、残水量Ｖｗと始動時のＦＣ温度との組合せがどのゾーンに位置するかによって車両１００の走行可否等を決定している。
具体的に説明すると、始動時ＦＣ温度が高く、残水量Ｖｗが少ない（ドライである）領域であるＩゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００が走行可能であり急速暖機の必要はないと判断する（ステップＳＰ１３）。一方、始動時ＦＣ温度が低く、残水量Ｖｗが多い（ウェットである）領域であるＩＶゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００は停車状態で（走行不可で）、冷却水を循環させずに急速暖機を行うと判断する（ステップＳＰ１６）。また、始動時ＦＣ温度と残水量Ｖｗが、ＩゾーンとＩＶゾーンの間でＩゾーン寄りであるＩＩゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００が走行可能であるが急速暖機の必要があると判断する（ステップＳＰ１４）。この場合の急速暖機は冷却水を循環させながら行うものである。さらに、始動時ＦＣ温度と残水量Ｖｗが該ＩＩゾーンとＩＶゾーンの間のＩＩＩゾーンに該当した場合、制御装置７は、車両１００は停車状態で（走行不可で）急速暖機の必要があると判断する（ステップＳＰ１５）。この場合の急速暖機も冷却水を循環させながら行うものである。
なお、本実施形態においては、ＩゾーンまたはＩＩゾーンに該当するとの判断がなされた場合、まずはＩＩＩゾーンに該当した場合の暖機処理を行い、その後、ＩＩゾーンに対応する処理、さらに状況に応じてＩゾーンに対応する処理に移行する。これは、上述した第１の実施形態と同様、車両１００に搭載された燃料電池システム１を対象としている本実施形態では、停車状態でシステム始動が行われることになるため、ＩゾーンまたはＩＩゾーンに該当して走行可能だとの判断がなされた場合にも、まずはＩＩＩゾーンに該当した場合のように停車状態での暖機処理を行い、その後、ＩＩゾーン、場合によってはＩゾーンに対応する処理に移行する（図３参照）。なお、Ｉゾーン、ＩＩゾーン、ＩＩＩゾーンは最初からこのように区別しておいてよい。
＜第３の実施形態＞
上述した第１、第２の実施形態ではＦＣ温度と残水量Ｖｗとのグラフ中に略楕円形状のゾーンを設定したが（図４、図６参照）、ゾーンの形状をこれ以外とすることもできる。例えば本実施形態では、２本の曲線（例えば、反比例グラフの曲線ないしは双曲線に近似した曲線）によって、始動時ＦＣ温度が高く残水量Ｖｗが少ない（ドライである）Ｉゾーン、始動時ＦＣ温度が低く残水量Ｖｗが多い（ウェットである）ＩＩＩゾーン、両ゾーンの中間であるＩＩゾーンの３つのゾーンに区切っている（図７参照）。なお、残水量Ｖｗの算出や、車両１００の走行可否、急速暖機の要否、および急速暖機時に冷却水（ＦＣＣ）を無循環とするか否かの判断は、第１の実施形態と同様に行うことができる。
＜第４の実施形態＞
本実施形態では、３本の曲線（例えば、反比例グラフの曲線ないしは双曲線に近似した曲線）によって、始動時ＦＣ温度が高く残水量Ｖｗが少ない（ドライである）Ｉゾーン、始動時ＦＣ温度が低く残水量Ｖｗが多い（ウェットである）ＩＶゾーン、両ゾーンの間に位置するＩＩゾーンおよびＩＩＩゾーンの４つのゾーンに区切っている（図８参照）。残水量Ｖｗの算出や、車両１００の走行可否、急速暖機の要否、および急速暖機時に冷却水（ＦＣＣ）を無循環とするか否かの判断は、第２の実施形態と同様に行うことができる。
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
本発明によれば、氷点下で燃料電池システムを始動させる際、必要に応じて急速暖機運転を行いつつ、熱集中による耐久性の劣化を抑えることができる。よって、本発明は、そのような要求のある燃料電池システムにおいて広く利用することができる。
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御装置（判断手段、発電制御手段）、９１…基準ＦＣ温度メモリ（メモリ）、９２…基準インピーダンスメモリ（メモリ）、９３…基準掃気エア量メモリ（メモリ）、１００…車両、Ｆｅ…掃気エア量、Ｔｅ…前回終了時の燃料電池の温度、Ｖｗ…残水量

Claims (4)

  1. 燃料電池を含み、氷点下での始動時、該燃料電池を急速に暖機する急速暖機運転を暖機の必要度に応じて実施する燃料電池システムであって、
    当該システムの前回運転の運転終了条件を記憶するメモリと、
    当該システムの始動時に該メモリから読み出したデータに基づき前記生成水の残水量を算出し、該残水量と、前記燃料電池の始動時の内部温度を反映した始動時関連温度とより、当該システムの急速暖機の要否の判断、および急速暖機が必要な場合に前記燃料電池の冷却水を無循環で始動させるかどうかの判断を行う判断手段と、
    該判断手段による判断結果に基づき、前記冷却水を循環させながら又は循環させずに、前記燃料電池に供給される反応ガスが通常発電時に比して少なく尚かつ前記通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電を実行して急速暖機運転を実施する発電制御手段と、
    を有し、
    前記判断手段は、前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定機能と、前記燃料電池の内部温度を反映した関連温度を測定する関連温度測定機能とを備え、前回運転終了時の前記インピーダンスの測定結果および前記関連温度の測定結果を含むデータに基づき前記生成水の残水量を数式から算出するものであり、
    前記データは、当該燃料電池の前回運転終了時のインピーダンス、当該燃料電池の前回運転終了時の関連温度、当該燃料電池の前回運転終了時における前記燃料電池中の水を排出するための掃気エアの積算量であり、
    当該燃料電池の始動時関連温度‐前記生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフを複数のゾーンに分け、当該燃料電池の始動時における前記始動時関連温度と当該燃料電池の始動時における前記残水量とが前記複数のゾーンのいずれに属するかに応じて前記冷却水を無循環で始動させるかどうかを判断するものであって、
    燃料電池車に搭載され、氷点下での始動時、当該燃料電池車が走行可能かどうかの判断を前記判断手段によって行う、
    燃料電池システム。
  2. 当該燃料電池の始動時関連温度‐前記生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフを複数のゾーンに分け、当該燃料電池の始動時における前記始動時関連温度と前記残水量の関係に応じて前記冷却水を無循環で始動させるかどうか、および当該燃料電池車が急速暖機運転なしで走行可能かどうかを判断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池の始動時関連温度‐前記生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフとして、曲線によって閉じられた空間により複数のゾーンに分けられたものが用いられる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池の始動時関連温度‐前記生成水の残水量（Ｖｗ）のグラフとして、反比例グラフの曲線ないしは双曲線に近似した２ないしは３の曲線により複数のゾーンに分けられたものが用いられる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
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