JP5312907B2 - 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ものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガス（アノードガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化剤ガス（カソードガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。この発電に伴って、酸化ガス流路に水が生成される（以下、生成水という）。

ところで、この種の燃料電池には、発電の安定化を図るために燃料電池の起動後に暖機を行い、燃料電池の発電性能が所定の範囲内に達したか否かをユーザに報知するための報知手段を備えたものがある。このような構造としては、直前に受けたシステム停止指令からシステム起動指令を受けるまでの経過時間に応じて、システム起動指令を受けてから報知手段を作動させるまでの時間を変更する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−２１８１６５号公報

ところで、上述した燃料電池では、起動時の燃料電池システム温度が低温でない場合であったとしても、燃料電池の発電性能が確保できない場合がある。具体的には、前回の起動時が低温環境下で、かつ起動時間が短時間であった場合（以下、低温短時間運転という）、その次回の起動時に燃料電池システム温度が低温でない場合であったとしても、燃料電池スタック内では前回の発電時に生成された生成水が凍結したまま残存していることがある。すなわち、低温環境下で燃料電池を起動すると、生成水が凍結する。この凍結は、暖機運転を継続することで解消されるが、暖機運転を短時間で停止した場合には解消されず、氷となって燃料電池内に残存する。この場合、氷が各セルを覆ってしまうことで、各セルの発電有効面積が減少するため、凍結が解消されるまで燃料電池の発電性能が確保できないという問題がある。なお、燃料電池の発電性能を確保できる温度は、一般に７０℃〜８０℃程度とされている。

この場合、上述した従来技術では、水素ガスの濃度低下が課題であり、低温短時間運転による生成水の凍結は念頭にない。すなわち、燃料電池の起動環境に係らず、直前に受けたシステム停止指令からシステム起動開始までの時間に基づいて報知手段を作動させる構成のため、低温起動や低温短時間運転後の起動の場合には、生成水の凍結が解消される前に報知手段を作動させてしまうこともある。その結果、所望の発電性能が発揮できなかったり、また、常温起動時と同等の出力を出す場合には発電電流や供給する空気の量が多くなったりして、運転者に違和感を与える虞がある。

そこで、本発明は、低温環境下での起動や、低温短時間運転後の起動であっても、暖機完了判断を正確に行うことで、所望の発電性能を確保した上でユーザに報知することができる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスを供給し発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手段（例えば、実施形態における暖機状態検出手段４１）と、前記燃料電池の暖機の完了を判断する閾値を設定する暖機完了閾値設定手段（例えば、実施形態における暖機完了閾値設定手段４３）と、前記暖機状態検出手段の検出値が、前記暖機完了閾値設定手段により予め設定された前記閾値以上の場合には暖機の完了を報知する報知手段（例えば、実施形態における報知手段５０）とを備える燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１００）であって、前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定する推定手段（例えば、実施形態における推定手段４２）と、前記推定手段により推定された前記燃料電池内部での生成水の凍結状態に応じて、前記暖機完了閾値設定手段で設定された前記閾値を変更する閾値変更手段（例えば、実施形態における閾値変更手段４４）と、を備え、前記暖機完了閾値設定手段は、前記燃料電池の温度の閾値、及び前記燃料電池の積算発電量の閾値を設定し、前記暖機状態検出手段は、前記燃料電池の温度、及び前記燃料電池の積算発電量を検出し、前記推定手段は、起動時の前記燃料電池システムの温度が低温で無かったとしても、前回の運転が低温環境下において短時間であったか否かに基づいて、前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定し、前記閾値変更手段は、前記推定手段により前回の運転が低温環境下において短時間であったと判断された場合に、前記報知手段により暖機完了と判断するまでの時間が長くなるように前記閾値を第１閾値に変更することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、今回の運転が低温起動であるか否かを検出する低温起動検出手段（例えば、実施形態における低温起動検出手段４５）を有し、前記閾値変更手段は、前記低温検出手段により今回の運転が低温起動であると検出された場合に、前記閾値を前記第１閾値に変更することを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、反応ガスを供給し発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、前記燃料電池の暖機の完了を判断する閾値を設定する暖機完了閾値設定手段と、前記暖機状態検出手段の検出値が、前記暖機完了閾値設定手段により予め設定された前記閾値以上の場合には暖機の完了を報知する報知手段とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された前記燃料電池内部での生成水の凍結状態に応じて、前記暖機完了閾値設定手段で設定された前記閾値を変更する閾値変更手段と、を備え、前記推定手段は、起動時の前記燃料電池システムの温度が低温で無かったとしても、前回の運転が低温環境下において短時間であったか否かに基づいて、前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定し、前記閾値変更手段は、前記推定手段により前回の運転が低温環境下において短時間であったと判断された場合に、前記報知手段により暖機完了と判断するまでの時間が長くなるように前記閾値を第１閾値に変更することを特徴とする。

上述したように、燃料電池の発電時に生成される生成水が燃料電池内部で凍結している場合には、発電性能が通常起動時に比べて低下する虞がある。
これに対して、請求項１に記載した発明によれば、生成水が凍結していると推定された場合には、閾値変更手段により暖機完了の閾値を変更することで、報知手段からユーザに対して暖機完了を正確に報知することができる。すなわち、冬場や寒冷地等の低温環境下での起動に応じて暖機完了の閾値を変更することで、燃料電池内で凍結した生成水を解氷させてから暖機完了を判断することができる。これにより、ユーザに対して暖機完了の予見性を持たせることができるとともに、冬場や寒冷地等における低温環境下での使用においても暖機完了に伴って燃料電池の所望の発電性能を確保することができる。そのため、報知手段により暖機完了と判断されたにも係らず、所定の性能が出ない等の違和感をユーザに与えることがないため、商品性が向上する。

また、暖機完了を判断する閾値として温度を使用することで、燃料電池内で凍結した生成水が解氷する温度まで、燃料電池の温度を上昇させてから暖機完了を判断することができるため、所望の発電性能を確保した上でユーザに暖機完了を報知することができる。

また、暖機完了を判断する閾値として積算発電量を使用することで、燃料電池内で凍結した生成水が解氷する熱量を得てから暖機完了と判断することができるため、所望の発電性能を確保した上でユーザに暖機完了を報知することができる。

特に、前回の運転が低温短時間運転等の場合に、閾値変更手段は、報知手段により暖機完了と報知するまでの時間が長くなるように閾値を第１閾値に変更することで、燃料電池内で凍結した生成水を解氷させてから暖機完了を判断することができる。その結果、報知手段により暖機完了と判断されたにも係らず、所定の性能が出ない等の違和感をユーザに与えることがないため、商品性が向上する。

ところで、冬場や寒冷地等における低温環境下で燃料電池を起動させる際（以下、低温起動という）には常温起動時に比べて、触媒の活性性能が低下しており、燃料電池による所望の発電性能を得ることができない可能性がある。また、低温起動時には、前回の運転が低温短時間運転ではなかった場合でも、起動直後に生成された生成水が凍結し、低温短時間運転後に起動した場合に比べて、少量であるが燃料電池内に氷が存在している虞もある。
ここで、請求項２に記載した発明によれば、今回の運転が低温起動であると検出された場合に、低温短時間運転後の起動時における第１閾値に変更するため、第１閾値を超えることで、触媒の活性化とともに、低温起動時に生成された氷も確実に解氷することができる。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（燃料電池システム）
図１は、本発明にかかる燃料電池システムの全体構成図である。
図１に示すように、この燃料電池システム１００は、燃料電池車両（不図示）に搭載されたものであって、燃料電池（燃料電池スタック）１を備えている。
燃料電池１は、水素ガス等の燃料ガス（アノードガス）と空気等の酸化剤ガス（カソードガス）との電気化学反応により発電を行うものであって、固体ポリマーイオン交換膜等の触媒からなる固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）を備え、この電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで形成されたセルが複数積層されたスタックとして構成されている。

また、燃料システム１００は、アノードガスである水素ガスが貯留され、燃料電池１に向けて水素ガスを供給する水素タンク１０を備えている。この水素タンク１０は、アノードガス供給路１１を介して、燃料電池１の入口側に接続されている。アノードガス供給路１１における水素タンク１０と燃料電池１との間には、アノードガスを所定圧力に減圧する減圧弁１２と、アノードオフガスをアノードガス供給路１１に再び合流させるエゼクタ１３とが設けられている。

一方、燃料電池１におけるアノードガスの排出（出口）側には、アノードオフガス循環路１４が接続されている。燃料電池１において消費されなかった未反応のアノードガスは、アノードオフガス循環路１４を通ってエゼクタ１３に吸引され、再び燃料電池１のアノードガス供給路１１に供給される。
また、アノードオフガス循環路１４からは、水素排出弁１５を備えたアノードオフガス排出路１６が分岐している。水素排出弁１５は、燃料電池１を循環するアノードガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったとき等、必要に応じて開いてアノードオフガスを排出するものである。

また、燃料電池システム１００は、カソードガスである空気を所定圧力に加圧するコンプレッサ２０を備えている。このコンプレッサ２０には、コンプレッサ２０から燃料電池１に空気を供給するためのカソードガス供給路２１が接続されている。燃料電池１におけるカソードガスの排出側には、燃料電池１のカソード極を通過した空気を外部に排出するためのカソードオフガス排出路２２が接続されている。このカソードオフガス排出路２２にはカソード極の内圧を調整するための背圧制御弁２３が介装されている。

また、燃料電池システム１００においては、カソードガス供給路２１から分岐してアノードガス供給路１１のエゼクタ１３の下流側に合流接続されるエア導入路２４が設けられている。このエア導入路２４には、エア導入バルブ２５が介装され、このエア導入バルブ２５を開くことによって、コンプレッサ２０から圧送される空気をアノード側のアノードガス供給路１１に直接導入し得るようになっている。

また、燃料電池１には、車両のラジエータ３０に接続される冷却水流路３１が設けられている。この冷却水流路３１には、流路内の水温を計測するための温度センサ３２が設けられ、この温度センサ３２の計測結果は温度情報としてＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０に向けて入力される。
そして、燃料電池１には、燃料電池１の電流及び電圧を検出する電流センサ３３及び電圧センサ３４が接続されており、これら電流センサ３３及び電圧センサ３４の計測結果は電流情報及び電圧情報として、ＥＣＵ４０に向けて出力される。
また、ＥＣＵ４０には、ランプ等からなる報知手段５０が接続されている。この報知手段５０は、燃料電池の暖機完了、すなわち燃料電池１が発電可能になったことを運転者に対して報知するためのものであり、ＥＣＵ４０からの報知信号に基づいて作動することで、運転者は暖機が終了したか否かを認識できるようになっている。

（ＥＣＵ）
図２は、ＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、燃料電池１には、燃料電池システム１００を統括的に制御するためのＥＣＵ４０が、電流センサ３３及び電圧センサ３４（ともに図１参照）を介して接続されている。
ＥＣＵ４０は、暖機状態検出手段４１と、推定手段４２と、暖機完了閾値設定手段４３と、閾値変更手段４４と、低温起動検出手段４５と、暖機終了判断手段４６とで主に構成されている。なお、図示しないがＥＣＵ４０は、燃料電池１の電流や電圧、温度、燃料電池１の起動時間を記憶するメモリ部等も備えている。

暖機状態検出手段４１は、燃料電池１の暖気状態、すなわち燃料電池１の温度や積算電流値、起動時間等をモニタリングするものであり、タイマー６０と、温度検出手段６１と、積算電流値検出手段６２とを備えている。
タイマー６０は、燃料電池システム１００の起動時間を計測するものであり、この計測結果をメモリ部に記録するようになっている。なお、燃料電池システム１００の起動時間とは、車両のイグニッションＯＮ（以下、ＩＧ ＯＮという）からイグニッションＯＦＦ（以下、ＩＧ ＯＦＦという）までの時間を示す。
温度検出手段６１は、上述した温度センサ３２からの温度情報を受信して、燃料電池１内の温度を検出するものであり、この検出結果をメモリ部に記録するようになっている。なお、本実施形態における燃料電池１の温度とは、燃料電池１内の平均温度を示している。

積算電流値検出手段６２は、上述した電流センサ３３からの電流信号と、タイマー６０からの計測信号とに基づいて、ＩＧ ＯＮからの燃料電池１の積算電流値（電流の積分値）を算出するものである。この場合、積算電流値は、燃料電池１から発生した熱量と同等であり、燃料電池１内で凍結した生成水を解氷するために必要な熱量を算出するためのものである。

推定手段４２は、燃料電池システム１００の前回運転時が低温短時間運転であったか否かを推定するものである。具体的には、推定手段４２は、前回運転時における燃料電池１の温度と起動時間とに基づく推定閾値を有しており、メモリ部から読み込んだ前回運転時の燃料電池１の温度と起動時間とが推定閾値以下の場合には、燃料電池１内に氷が存在すると推定する。すなわち、前回運転時が低温短時間運転であった場合には、前回運転時に生成された生成水が燃料電池１内で凍結し、氷になって存在していると推定するようになっている。

暖機完了閾値設定手段４３は、燃料電池１が発電可能な状態となる温度及び積算電流値の閾値（第１閾値：暖機完了閾値）を設定するものであり、常温環境下での起動時における暖機完了閾値が、燃料電池１の初期値に設定されている。
低温起動検出手段４５は、温度検出手段６１による検出結果に基づいて、今回運転時の燃料電池１が低温環境下での起動であるか否かを検出するものである。具体的には、低温起動検出手段４５は、燃料電池システム１００の低温起動を判断するための温度の閾値（低温起動判断閾値）を有しており、メモリ部から読み込んだ今回運転時の温度が低温起動判断閾値以下の場合には、燃料電池システム１００が低温起動であることを判断する。

閾値変更手段４４は、推定手段４２の推定結果に基づいて、暖機完了閾値設定手段４３で設定された暖機完了閾値を変更するものである。具体的には、推定手段４２により、前回運転時が低温短時間運転であり、今回運転時に燃料電池１内に氷が存在すると推定された場合、または低温起動検出手段４５により今回運転時が低温起動であると判断された場合には、温度の閾値及び積算電流値の暖機完了閾値を高く設定する。
なお、閾値変更手段４４で変更する暖機完了閾値（温度、積算電流値）は、低温短時間運転によって燃料電池１内に存在する氷を解氷するために必要な値に設定することが好ましい。これは、前回運転時が低温短時間運転ではなかった場合に燃料電池１内に存在する氷は、起動直後に生成される生成水が凍結したものであるので、燃料電池１内に存在する氷が少ないためである。そのため、燃料電池１が、低温短時間運転後の起動時の暖機完了閾値を超えることで、低温起動時に生成された氷も確実に解氷することができる。

暖機終了判断手段４６は、燃料電池１の暖機が終了したか否かを検出するものである。具体的には、暖機終了判断手段４６は、暖機状態検出手段４１の検出結果が暖機完了閾値設定手段４３で設定されている閾値を超えた場合に、燃料電池１の暖機が終了したと判断し、この判断結果を報知手段５０に向けて出力するようになっている。

（燃料電池システムの暖機完了判断方法）
次に、本実施形態の暖機完了判断方法について説明する。図３は、暖機完了判断方法を示すフローチャートである。
まず、図３に示すように、車両をＩＧ ＯＮにすると、ステップＳ１において暖機が未完了であることを示す報知手段５０の警告灯が点灯し、ステップＳ２に進む。
次に、ステップＳ２において、暖機完了閾値設定手段４３により、暖機完了閾値を常温起動時における値（初期値）に設定する。

そして、ステップＳ３において、前回運転時が低温短時間運転だったか否かを判定する。具体的には、推定手段４２により前回運転時における燃料電池１の温度と起動時間とが、推定閾値以下であるか否かについて推定する。また、ステップＳ３では、今回運転時が低温起動であるか否かを判定する。具体的には、低温起動検出手段４５により今回運転時の燃料電池１内の温度が低温起動判断閾値以下であるか否かを検出する。
そして、ステップＳ３における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（前回運転時における燃料電池１の温度と起動時間が推定閾値以下の場合、または今回運転時の燃料電池１の温度が低温起動判断閾値以下の場合）は、ステップＳ４に進む。
すなわち、前回運転時の燃料電池１の温度と起動時間とが推定閾値以下の場合は、前回運転時が低温短時間運転であったため、前回運転時に生成された生成水が燃料電池１内に残存して凍結することで、燃料電池１内に氷が存在すると推定することができる。また、今回運転時の燃料電池１の温度が低温起動判断閾値以下の場合は、燃料電池１の起動直後に生成された生成水が凍結し、燃料電池１内に若干氷が存在するとともに、触媒（電解質膜）の活性性能も低くなっている。

一方、ステップＳ３における判定結果が「ＮＯ」の場合（前回運転時の燃料電池１の温度と起動時間とが推定閾値以上の場合、または今回運転時の燃料電池１の温度が低温起動判断閾値以上の場合）は、ステップＳ５に進む。すなわち、ステップＳ３における判定結果が「ＮＯ」の場合は、前回運転時が低温短時間運転ではなく、また今回運転時も低温起動ではないと判定して、ステップＳ２で暖機完了閾値設定手段４３により設定された暖機完了閾値の初期値を変更せずにステップＳ５に進む。

ここで、図４は燃料電池の発電電流（Ａ）に対する電圧（Ｖ）の関係（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフであり、図５は発電電流（Ａ）に対する出力（ｋＷ）の関係（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフである。なお、図４，５中、実線は常温起動時（前回運転時も常温起動）を示し、破線は低温短時間運転後の起動時を示している。
まず図４に示すように、低温短時間運転後の起動の場合、起動直後のＩ−Ｖ特性が低くなっている。低温短時間運転の場合も、起動後に暖機とともにＩ−Ｖ特性が回復してくるが、暖機過程中の何れの温度でＩ−Ｖ特性を比較しても常温起動時よりも低い値となっている。これは、前回運転時が低温短時間運転であった場合には、前回運転時に生成された生成水が燃料電池１内で凍結し、この凍結した氷が各セルを覆ってしまうことで、各セルの発電有効面積が減少するためであると考えられる。
また、図５に示すように、Ｉ−Ｖ特性が低いことに伴い、低温短時間運転後の起動では、常温運転後の起動に比べて最大出力が低くなる。具体的には、同じ出力Ｐ１（ｋＷ）の出力を発電する場合に必要な電流量が、常温運転後の起動時はＩａ（Ａ）であるのに対し、低温短時間運転後の起動時はＩｂ（Ａ）と多くなっている。そのため、同じ出力を発電する際の供給空気量は、低温短時間運転後の起動時のほうが多くなり、ＮＶ性能が悪化する。
このように、低温短時間運転後の起動においては、常温運転後の起動とは異なる挙動が現れる場合がある。

図６は、所定電流値における出力（または電圧）の回復挙動を示すグラフである。なお、図６中、実線は常温起動時、破線は低温短時間運転後の起動時、鎖線は低温起動時を示している。また、図６中における破線Ｑは、燃料電池１が暖機完了を判断できる電圧、すなわち、発電性能や発電安定性を確保できる電圧値（出力）を示している。
図６に示すように、低温短時間運転後の起動時、及び低温起動時の場合は、燃料電池１内の氷が未だ溶解されずに残存している可能性があるため、常温起動時に比べて暖機完了の電圧値Ｑに達する温度及び、積算電流値が高くなっている。そのため、低温短時間運転後の起動時、及び低温起動時である場合に、常温起動時と同様の暖機完了閾値で暖機完了の判断を行うと、最高出力が出なかったり、常温起動時と同等の出力を出す場合には発電電流や供給する空気の量が多くなったりして、運転者に違和感を与える虞がある。

そこで、本実施形態では、ステップＳ４において、ステップＳ３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、閾値変更手段４４により積算電流値の暖機完了閾値を変更する。具体的には、閾値変更手段４４は、暖機完了閾値設定手段４３で設定された初期値の積算電流値よりも高い値、すなわち低温短時間運転で生成された氷を解氷するために必要な熱量を確保できる積算電流値に変更し、ステップＳ６に進む。続いて、ステップＳ６において、閾値変更手段４４により燃料電池１の温度の暖機完了閾値を変更する。具体的には、閾値変更手段４４は、暖機完了閾値設定手段４３で設定された初期値の温度よりも高い値（例えば、６０℃〜７０℃程度）に変更し、ステップＳ５に進む。

次に、ステップＳ５において、積算電流値検出手段６２により燃料電池１の積算電流値を検出する。具体的には、積算電流値検出手段６２は、電流センサ３３からの電流信号と、タイマー６０からの計測信号とに基づいて、ＩＧ ＯＮからの燃料電池１の積算電流値を算出し、ステップＳ７に進む。
次に、ステップＳ７において、温度検出手段６１により燃料電池１内の温度検出し、ステップＳ８に進む。

そして、ステップＳ８において、暖機終了判断手段４６により、積算電流値検出手段６２で検出された積算電流値、または温度検出手段６１により検出された燃料電池１内の温度が、暖機完了閾値以上であるか否かを判断する。
ステップＳ８の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（積算電流値検出手段６２で検出された積算電流値、または温度検出手段６１により検出された燃料電池１内の温度が暖機完了閾値以上の場合）、燃料電池１内の氷が解氷されたと判断してステップＳ９に進む。
一方、ステップＳ８の判断結果が「ＮＯ」の場合（積算電流値検出手段６２で検出された積算電流値、または温度検出手段６１により検出された燃料電池１内の温度が暖機完了閾値未満の場合）、燃料電池１内に未だ氷が存在していると判断し、ステップＳ５に戻って暖機を継続する。

最後に、ステップＳ９において、ステップＳ８の判断結果が「ＹＥＳ」の場合には、燃料電池１内の氷が溶解されて暖機が完了することを運転者に報知する。具体的には、暖気完了判断手段４６から報知手段５０に向けて報知信号を出力し、報知手段５０は報知信号に基づいて警告灯を消灯する。これにより、運転者は、燃料電池システム１００の暖気完了を認識することができる。

このように、本実施形態では、燃料電池１内部での生成水の凍結状態に応じて、暖機完了閾値設定手段４３で設定された閾値を変更する構成とした。
この構成によれば、推定手段４２により前回運転時が低温短時間運転であったと推定された場合に、閾値変更手段４４により暖機完了閾値を変更することで、報知手段５０から運転者に対して暖機完了を正確に報知することができる。すなわち、前回運転時が低温短時間運転や低温起動時等の場合に、閾値変更手段４４により報知手段５０が暖機完了と報知するまでの時間が長くなるように、暖機完了閾値を変更することで、燃料電池１内で凍結した生成水を解氷させてから暖機完了を判断することができる。
これにより、運転者に対して暖機完了の予見性を持たせることができるとともに、冬場や寒冷地等における低温環境下での使用においても、暖機完了判断を正確に行うことで、所望の発電性能を確保した上で運転者に報知することができるそのため、報知手段５０により暖機完了と判断されたにも係らず、所定の性能が出ない等の違和感を運転者に与えることがないため、商品性が向上する。しかも、本実施形態の燃料電池システム１００は、暖機完了の判断を行うために新たな部材等を設ける必要もないので、製造効率及び製造コストも維持することができる。

この場合、暖機完了閾値として温度を使用することで、燃料電池１内で凍結した生成水が解氷する温度まで、燃料電池１の温度を上昇させてから暖機完了を判断することができるため、燃料電池１の所望の発電性能を確保した後に、運転者に対して正確に暖機完了を報知することができる。
さらに、暖機完了閾値として積算電流値も使用することで、燃料電池１内で凍結した生成水が解氷する熱量を得てから暖機完了と判断することができる。そのため、暖機完了判断をより正確に行うことができる。
特に、本実施形態の燃料電池システム１００は、暖機完了閾値として温度と積算電流値との両方の閾値を有するため、暖機完了の判断を任意の閾値に基づいて判断することができる。この場合、通常暖機時には、積算電流値に基づいて暖機完了判断を行うか、若しくは積算電流値及び温度の双方に基づいて暖機完了判断を行うことが好ましい。
また、様々な暖機環境下で暖機完了判断を正確に行うことができる。例えば、車両の走行中等は、走行風等の影響により燃料電池１が温度上昇しにくいので、積算電流値に基づいて判断することが好ましい。一方、車庫内等における車両停車時には、燃料電池１が温度上昇しやすいので、温度に基づいて判断することが好ましい。

ところで、低温起動時には常温起動時に比べて、触媒の活性性能が低下しており、燃料電池１による所望の発電性能を得ることができない可能性がある。また、低温起動時には、前回の運転が低温短時間運転ではなかった場合でも、起動直後に生成された生成水が凍結し、低温短時間運転後に起動した場合に比べて、少量であるが燃料電池内に氷が存在している虞もある。
これに対して、本実施形態では、今回の運転が低温起動であると検出された場合に、低温短時間運転後の起動時における暖機完了閾値と同等の閾値に変更するため、その閾値を超えることで、触媒の活性化とともに、低温起動時に生成された氷も確実に解氷することができる。そのため、暖機完了時には、燃料電池１の発電性能を確実に確保することができる。なお、氷の解氷の判断は積算電流値で、触媒の活性化の判断は温度で判断することによって、より正確な暖機完了判断を行うことが可能である。

また、暖機完了の判断を行う際、実際には所定の発電性能が出せる出力を暖機完了閾値に設定することが好ましいが、出力に基づいて直接暖機完了の判断を行うためには、検出時点における燃料電池１の発電性能に基づいて正確な出力を検出することが求められる。しかしながら、起動直後の燃料電池１は出力が安定せず、出力が一定で定常状態がある程度継続しないと正確な出力が検出できない。よって、本実施形態では、温度や積算電流値等に基づいて暖機完了と判断できる出力が得られるか否かを判断している。

なお、上述の実施形態では、暖機完了閾値を積算電流値または温度に基づいて設定した場合について説明したが、これに限らず、ＩＧ ＯＮからの時間に基づいて設定してもよい。また、燃料電池の電圧の積算値及び電力の積算値により算出することも可能である。本発明では、これら電流、電圧及び電力の積算値をまとめて、積算発電量とする。また、上述した積算発電量または温度、時間のうち何れかのみを暖機完了閾値として設定してもよい。

（第２実施形態）
次に、図７に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る暖機完了判断方法のフローチャートである。第２実施形態では、暖機完了閾値の積算電流値の変更と温度の変更との判断をそれぞれ別々に行う点で、上述した第１実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同様の説明を行い、説明は省略する。

図７に示すように、車両のＩＧ ＯＮにすると、ステップＳ１において暖機が未完了であることを示す報知手段５０の警告灯が点灯し、そして、ステップＳ２において暖機完了閾値設定手段４３により、暖機完了閾値を初期値に設定する。

次に、ステップＳ１３において、前回運転時が低温短時間運転だったか否かを判定する。具体的には、上述した第１実施形態におけるステップＳ３と同様に、推定手段４２により前回運転時における燃料電池１の温度と起動時間とが、推定閾値以下であるか否かについて推定することで、前回運転時が低温短時間運転だったか否かを判定し、燃料電池１内の氷の有無を推定する。
そして、ステップＳ１３における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（前回運転時における燃料電池１の温度と起動時間とが推定閾値以下の場合）は、前回運転時が低温短時間運転だったと判定し、燃料電池１内に氷が存在すると推定してステップＳ１４に進む。一方、ステップＳ１３における判定結果が「ＮＯ」の場合（前回運転時における燃料電池１の温度と起動時間とが閾値を超えた場合）は、前回運転時が低温短時間運転ではないと推定してステップＳ１５に進む。

次に、ステップＳ１４において、ステップＳ１３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、閾値変更手段４４により積算電流値の暖機完了閾値を変更する。具体的には、閾値変更手段４４は、暖機完了閾値設定手段４３で設定された初期値の積算電流値よりも高い値、すなわち低温短時間運転時で生成された氷を解氷するために必要な熱量を確保できる積算電流値に変更し、ステップＳ１６に進む。

一方、ステップＳ１５において、今回運転時が低温起動であるか否かを判定する。具体的には、第１実施形態のステップＳ３と同様に、低温起動検出手段４５により今回運転時の燃料電池１内の温度が低温起動判断閾値以下であるか否かを検出する。
そして、ステップＳ１５における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（今回運転時の燃料電池１の温度が低温起動判断閾値以下の場合）は、今回運転時が低温起動であると判定してステップＳ１６に進む。一方、ステップＳ１５における判定結果「ＮＯ」の場合（今回運転時の燃料電池１の温度が低温起動判断閾値を超えた場合）は、今回運転時が低温起動ではないと判定してステップＳ５に進む。

そして、ステップＳ１６において、第１実施形態のステップＳ６と同様に、閾値変更手段４４により燃料電池１の温度の暖機完了閾値を変更する。なお、ステップＳ１５で変更する温度の暖機完了閾値は、低温短時間運転によって燃料電池１内に存在する氷を解氷するために必要な温度に設定することが好ましい。
このように、本実施形態では前回運転時が低温短時間運転であった場合には、積算電流値と温度との双方の暖機完了閾値を変更する一方、今回運転時が低温起動の場合には、温度閾値の暖機完了閾値のみを変更することになる。

次に、ステップＳ５，７において、第１実施形態と同様に、積算電流値検出手段６２により、燃料電池１の積算電流値を検出するとともに、温度検出手段６１により燃料電池１内の温度を検出し、ステップＳ８に進む。

次に、ステップＳ８において、積算電流値検出手段６２で検出された積算電流値、または温度検出手段６１により検出された燃料電池１内の温度が、暖機完了閾値以上であるか否かを判断する。
そして、ステップＳ８の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（積算電流値検出手段６２で検出された積算電流値、または温度検出手段６１により検出された燃料電池１内の温度が暖機完了閾値以上の場合）、燃料電池１内の氷が解氷されたと判断してステップＳ９に進む。
一方、ステップＳ８の判断結果が「ＮＯ」の場合（積算電流値検出手段６２で検出された積算電流値、または温度検出手段６１により検出された燃料電池１内の温度が暖機完了閾値未満の場合）、燃料電池１内に未だ氷が存在していると判断し、ステップＳ５に戻って暖機を継続する。

最後に、ステップＳ９において、燃料電池１内の氷が溶解されて暖機が完了することを運転者に報知する。これにより、運転者は、燃料電池システム１００の暖気完了を認識することができる。

したがって、上述の実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することに加え、低温起動時のように燃料電池１内に存在する氷が少ない場合には、積算電流値の暖機完了閾値は初期値に設定された状態のまま、暖機完了閾値の温度のみを変更する。すなわち、燃料電池１内に存在する氷が少ない場合には、温度の暖機完了閾値を超えることで、確実に氷が解氷されるとともに、触媒も活性化させることができる。その結果、暖機完了の判定が容易になるとともに、低温起動時の暖機を速やかに行うことができ、商品性が向上する。

なお、本発明は上述した実施形態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設計変更が可能である。例えば、上述の実施形態は、燃料電池車両に本発明に係る燃料電池システムを適用したものであるが、本発明は燃料電池車両以外の機器に適用することも可能である。

また、上述した実施形態では、低温短時間運転後の起動と、低温起動との場合の暖機完了閾値を同値に設定した場合について説明したが、これに限らず、それぞれの場合に応じた暖機完了閾値を設定することも可能である。この場合、低温短時間運転後の起動の場合の暖機完了閾値を、低温起動の場合の暖機完了閾値に比べて高く設定することが好ましい。
さらに、報知手段はランプに限らず、暖機完了に伴って音声やブザーを出力させたりする構成にしてもよい。

本発明の実施形態における燃料電池システムの全体構成図である。 本発明の実施形態におけるＥＣＵのブロック図である。 本発明の第１実施形態における暖機完了判断方法を示すフローチャートである。 燃料電池の発電電流（Ａ）に対する電圧（Ｖ）の関係（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。 発電電流（Ａ）に対する出力（ｋＷ）の関係（Ｉ−Ｐ特性）を示すグラフである。 所定電流値における出力（または電圧）の回復挙動を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における暖機完了判断方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池 ４１…暖機状態検出手段 ４２…推定手段 ４３…暖機完了閾値設定手段 ４４…閾値変更手段 ４５…低温起動検出手段 ５０…報知手段 １００…燃料電池システム

Claims (3)

1. 反応ガスを供給し発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、
   前記燃料電池の暖機の完了を判断する閾値を設定する暖機完了閾値設定手段と、
   前記暖機状態検出手段の検出値が、前記暖機完了閾値設定手段により予め設定された前記閾値以上の場合には暖機の完了を報知する報知手段とを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された前記燃料電池内部での生成水の凍結状態に応じて、前記暖機完了閾値設定手段で設定された前記閾値を変更する閾値変更手段と、を備え、
   前記暖機完了閾値設定手段は、前記燃料電池の温度の閾値、及び前記燃料電池の積算発電量の閾値を設定し、
   前記暖機状態検出手段は、前記燃料電池の温度、及び前記燃料電池の積算発電量を検出し、
   前記推定手段は、起動時の前記燃料電池システムの温度が低温で無かったとしても、前回の運転が低温環境下において短時間であったか否かに基づいて、前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定し、
   前記閾値変更手段は、前記推定手段により前回の運転が低温環境下において短時間であったと判断された場合に、前記報知手段により暖機完了と判断するまでの時間が長くなるように前記閾値を第１閾値に変更することを特徴とする燃料電池システム。
2. 今回の運転が低温起動であるか否かを検出する低温起動検出手段を有し、
   前記閾値変更手段は、前記低温検出手段により今回の運転が低温起動であると検出された場合に、前記閾値を前記第１閾値に変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 反応ガスを供給し発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手段と、
   前記燃料電池の暖機の完了を判断する閾値を設定する暖機完了閾値設定手段と、
   前記暖機状態検出手段の検出値が、前記暖機完了閾値設定手段により予め設定された前記閾値以上の場合には暖機の完了を報知する報知手段とを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された前記燃料電池内部での生成水の凍結状態に応じて、前記暖機完了閾値設定手段で設定された前記閾値を変更する閾値変更手段と、を備え、
   前記推定手段は、起動時の前記燃料電池システムの温度が低温で無かったとしても、前回の運転が低温環境下において短時間であったか否かに基づいて、前記燃料電池内部での生成水の凍結の有無を推定し、
   前記閾値変更手段は、前記推定手段により前回の運転が低温環境下において短時間であったと判断された場合に、前記報知手段により暖機完了と判断するまでの時間が長くなるように前記閾値を第１閾値に変更することを特徴とする燃料電池システム。

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