JP5570508B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、氷点下始動時に燃料電池に対する酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転を行う燃料電池システムに関する。
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。
アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）が供給され、カソードには酸化剤として酸素を含む酸化ガス（一例として空気）が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。
ところで、固体高分子型燃料電池を動力源とする燃料電池システムにおいて、システムの運転を停止すると、燃料電池の温度が下がり、高温多湿の状態にあった燃料電池内部の水分が凝結して結露したり、凍結したりすることがある。特に、燃料電池の温度が氷点下である場合には、発電反応によって生じた生成水が電極表面で凍結し、酸素の供給が妨げられ、発電反応が抑制されることがある。
そこで、氷点下始動時には燃料電池への酸化剤ガスの供給量を少なくして発熱量を増加させる暖機運転が実施されている（下記特許文献１参照）。また、このような暖機運転において、水素ガスが欠乏状態で不電圧になった場合の不都合を抑制するため、下記特許文献２に記載されているような燃料電池システムも提案されている。
下記特許文献２に記載の技術では、同文献図２に示されるようなフローで燃料電池システムの制御を実行している。同文献図２に示されるフローによれば、燃料電池の温度が０℃以下であれば暖機運転を行い、燃料電池の温度が０℃を上回れば暖機運転を終了させている。
ところで、燃料電池（燃料電池スタック）の熱容量は大きいものであって、燃料電池（燃料電池スタック）の各部が全て暖まるまでには時間がかかるものである。また、温度測定部位の温度が０℃を上回っていたとしても、ガス流路内で氷が残留し閉塞状況になっている可能性も否定できず、その場合に単に燃料電池の温度が０℃を上回っているということのみで暖機運転を終了させてしまうことは好ましくない場合もある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、氷点下始動時に燃料電池に対する酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転を行う燃料電池システムにおいて、ガス流路の閉塞状態を的確に判定し、暖機運転の開始及び終了の判定を的確に行うことができる燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に供給する酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転を行う燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池への酸化ガス及び燃料ガスの供給量を調整すると共に、前記燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池への酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転行っている間において、前記燃料電池に対して短時間の電圧変動を行って、前記燃料電池の出力電圧と出力電流との関係を示す電流・電圧特性である電流・電圧曲線を取得し、その取得した電流・電圧特性である電流・電圧曲線が区画する領域の面積に基づいて前記燃料電池の有効触媒面積を算出し、その算出した有効触媒面積が基準触媒面積を下回っている場合は前記燃料電池の暖機運転を継続させる一方、前記有効触媒面積が前記基準触媒面積以上となった場合は前記燃料電池の暖機運転を終了させるものである。
本発明では、燃料電池への酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転を行っている間において、燃料電池に対して短時間の電圧変動を行うので、燃料電池において短時間の間に電流挿引を行うことになる。燃料電池において短時間の間に電流挿引を行えば、電圧を下げることで触媒の酸化皮膜が剥がれて出力電流は増えるけれども、やがて触媒が酸化されて出力電流は減少し、電圧を上げることで当初の電圧・電流の関係に戻る。このようにして得られる電流・電圧特性は、燃料電池を構成する単セルにおけるサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線と同等であるから、ＣＶ曲線の酸化電流の面積に対応する面積を得ることができ、有効触媒面積を得ることができる。そこで本発明では、燃料電池に対して短時間の電圧変動をかけることで燃料電池の有効触媒面積を算出し、その算出した有効触媒面積に基づいて、燃料電池のガス流路の閉塞状態を的確に判定し、燃料電池の暖機運転の完了可否を判定するものである。
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、算出した有効触媒面積に基づいて、前記燃料電池に燃料ガスを循環供給するためのアノード循環系の循環可否を判定することも好ましい。有効触媒面積を算出して燃料電池のガス流路の閉塞状態を的確に判定することができるので、アノード循環系の流路が凍結することが想定される場合にはアノード循環系の循環を停止させることができる。燃料電池のガス流路の閉塞は凍結によるものであると想定されるので、このようにアノード循環系の循環を停止させることで、更なる閉塞の進行を抑制することができる。
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、算出した有効触媒面積に基づいて前記燃料電池における冷却系の循環可否を判定することも好ましい。有効触媒面積を算出して燃料電池のガス流路の閉塞状態を的確に判定することができるので、冷却系の循環を停止して暖機運転の効率化を図っているような場合であっても、有効触媒面積が所定値以上となれば冷却系の循環を開始させることができる。
本発明によれば、ガス流路の閉塞状態を的確に判定し、暖機運転の開始及び終了の判定を的確に行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳ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に搭載することができる。
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳ（アノード循環系）と、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣは、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。
燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （３）
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酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。
燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。
燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。
燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。
電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。
バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。
トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプＣＳ２が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ５が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。
コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
そして、コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１を制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。
続いて、本実施形態の燃料電池システムＦＣＳにおいて、急速暖機運転を継続するか否かについてどのように判断しているかを図２を参照しながら説明する。図２は、急速暖機運転の継続可否を判断するフローチャートである。本実施形態において急速暖機運転とは、エアコンプレッサＡＳ２の駆動による空気の供給量を少なくし、出力端子電圧を下げて低効率運転を行うものである。
ステップＳ０１では、燃料電池ＦＣの温度を検出する。燃料電池ＦＣの温度検出は、燃料電池ＦＣに設けられた温度センサ（不図示）によって行われ、コントローラＥＣに出力される。
ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、燃料電池ＦＣに対して短時間の電流挿引を行って、燃料電池ＦＣの有効触媒面積を算出する。より具体的には、燃料電池ＦＣに対して短時間（１秒以下）の電圧変動を行って、燃料電池ＦＣの出力端子電圧と出力電流との関係を示す電流・電圧特性を取得する。この取得した電流・電圧特性の一例を図３に示す。図３において、ＷＰは、急速暖機運転を行っている際の運転ポイントである。図３において、燃料電池ＦＣの出力端子電圧を変動させると、曲線Ｓ１が得られる。この曲線Ｓ１は、燃料電池ＦＣを構成する単セルのサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）曲線と同等である。
このような単セルのＣＶ曲線の一例を図４に示す。図４において、Ｐ１では、水素反応が進行しており、アノードにおいて（４）式の反応が生じ、カソードにおいて（５）式の反応が生じている。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （４）
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2 （５）
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （４）
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2 （５）
Ｐ２では、（６）式に示すような触媒の酸化反応が生じており、Ｐ３では、（７）式に示すような触媒の還元反応が生じている。
２Ｐｔ＋Ｏ2→２ＰｔＯ （６）
２ＰｔＯ→２Ｐｔ＋Ｏ2 （７）
２Ｐｔ＋Ｏ2→２ＰｔＯ （６）
２ＰｔＯ→２Ｐｔ＋Ｏ2 （７）
Ｐ４では、水素反応が進行しており、アノードにおいて（８）式の反応が生じ、カソードにおいて（９）式の反応が生じている。
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2 （８）
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （９）
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2 （８）
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （９）
従って、図４に示すＣＶ曲線において、約０．１〜０．３Ｖの酸化電流の面積（領域Ａ２の面積）を算出し、この得られた酸化電流の面積を、約０．１〜０．３Ｖにおける触媒からの水素脱離の電気量で割った値が触媒である白金の有効表面積となる。すなわち、図４における領域Ａ２の面積の大きさが有効触媒面積の大きさを示している。
前述したように、燃料電池ＦＣに対して短時間の電流挿引を行って得られた電流・電圧曲線である図３の曲線Ｓ１は、燃料電池ＦＣを構成する単セルのＣＶ曲線Ｓ２と同等である。従って、図３に示す領域Ａ１は図４に示す領域Ａ２に相当し、領域Ａ１の面積の大きさが有効触媒面積の大きさを示すものとなる。このようにして、燃料電池ＦＣの有効触媒面積を算出する。
ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、ステップＳ０１で検出した燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り、且つ、ステップＳ０２で算出した有効触媒面積が所定値を下回っているか判断する。燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り且つ有効触媒面積が所定値を下回っていればステップＳ０４の処理に進み、燃料電池ＦＣの温度が０℃以上であり又は有効触媒面積が所定値以上であればステップＳ０５の処理に進む。
ステップＳ０４では、燃料電池ＦＣの急速暖機運転を継続させる。燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り且つ有効触媒面積が所定値を下回っているので、燃料電池ＦＣのガス流路が閉塞しており、燃料電池ＦＣが正常な発電を行える状態にはないためである。
ステップＳ０５では、燃料電池ＦＣの急速暖機運転を終了させる。料電池ＦＣの温度が０℃以上であり且つ有効触媒面積が所定値以上なので、燃料電池ＦＣのガス流路が閉塞しておらず、燃料電池ＦＣを構成する各単セルに燃料ガスが届き、燃料電池ＦＣが通常の発電を行えるためである。
本実施形態のこの判断手法は、燃料ガス供給系ＦＳＳの循環可否や、冷却系ＣＳの循環可否の判断にも応用することができる。図５に燃料ガス供給系ＦＳＳの循環可否に応用した場合のフローチャートを示し、図６に冷却系ＣＳの循環可否に応用した場合のフローチャートを示す。
図５を参照しながら、燃料ガス供給系ＦＳＳの循環可否の判断フローについて説明する。ステップＳ１１では、燃料電池ＦＣの温度を検出する。燃料電池ＦＣの温度検出は、燃料電池ＦＣに設けられた温度センサ（不図示）によって行われ、コントローラＥＣに出力される。
ステップＳ１１に続くステップＳ１２では、燃料電池ＦＣに対して短時間の電流挿引を行って、燃料電池ＦＣの有効触媒面積を算出する。有効触媒面積の算出方法は前述の通りであるので詳細な説明を省略する。
ステップＳ１２に続くステップＳ１３では、ステップＳ１１で検出した燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り、且つ、ステップＳ１２で算出した有効触媒面積が所定値を下回っているか判断する。燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り且つ有効触媒面積が所定値を下回っていればステップＳ１４の処理に進み、燃料電池ＦＣの温度が０℃以上であり又は有効触媒面積が所定値以上であればステップＳ１７の処理に進む。
ステップＳ１４では、ステップＳ１２で算出した有効触媒面積が第二所定値を下回っているか判断する。第二所定値はステップＳ１３の所定値よりも小さい値である。有効触媒面積が第二所定値を下回っていればステップＳ１５の処理に進み、有効触媒面積が第二所定値以上であらえばステップＳ１６の処理に進む。
ステップＳ１５では、アノード循環系である燃料ガス供給系ＦＳＳの循環を禁止するため、循環ポンプＦＳ５を停止させる。有効触媒面積が第二所定値を下回っていれば、燃料電池ＦＣのガス流路の閉塞は更に進行しているものと想定されるため、循環ポンプＦＳ５を停止させることで水の移動を禁止し、更なるガス流路の閉塞を防止する。尚、燃料ガス供給系ＦＳＳの循環を禁止すれば水素濃度の低下が懸念されるけれども、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガス供給圧を高めれば、短時間の急速暖機運転中であることもあり、大きな不具合は発生せずに実行可能なものである。
ステップＳ１６では、燃料電池ＦＣの急速暖機運転を継続させる。燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り且つ有効触媒面積が所定値を下回っているので、燃料電池ＦＣのガス流路が閉塞しており、燃料電池ＦＣが正常な発電を行える状態にはないためである。
ステップＳ１７では、燃料電池ＦＣの急速暖機運転を終了させる。料電池ＦＣの温度が０℃以上であり且つ有効触媒面積が所定値以上なので、燃料電池ＦＣのガス流路が閉塞しておらず、燃料電池ＦＣを構成する各単セルに燃料ガスが届き、燃料電池ＦＣが通常の発電を行えるためである。
図６を参照しながら、冷却系ＣＳの循環可否の判断フローについて説明する。ステップＳ２１では、燃料電池ＦＣの温度を検出する。燃料電池ＦＣの温度検出は、燃料電池ＦＣに設けられた温度センサ（不図示）によって行われ、コントローラＥＣに出力される。
ステップＳ２１に続くステップＳ２２では、燃料電池ＦＣに対して短時間の電流挿引を行って、燃料電池ＦＣの有効触媒面積を算出する。有効触媒面積の算出方法は前述の通りであるので詳細な説明を省略する。
ステップＳ２２に続くステップＳ２３では、ステップＳ２１で検出した燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り、且つ、ステップＳ２２で算出した有効触媒面積が所定値を下回っているか判断する。燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り且つ有効触媒面積が所定値を下回っていればステップＳ２４の処理に進み、燃料電池ＦＣの温度が０℃以上であり又は有効触媒面積が所定値以上であればステップＳ２７の処理に進む。
ステップＳ２４では、ステップＳ２２で算出した有効触媒面積が第二所定値を下回っているか判断する。第二所定値はステップＳ２３の所定値よりも小さい値である。有効触媒面積が第二所定値を下回っていればステップＳ２５の処理に進み、有効触媒面積が第二所定値以上であらえばステップＳ２６の処理に進む。
ステップＳ２５では、冷却系ＣＳの循環を禁止するため、冷却液ポンプＣＳ２を停止させる。有効触媒面積が第二所定値を下回っていれば、燃料電池ＦＣのガス流路の閉塞は更に進行しているものと想定されるため、冷却液ポンプＣＳ２を停止させることで熱容量を低減して暖機を優先する。尚、冷却系ＣＳの循環を禁止すれば局部的な温度上昇が懸念されるけれども、有効触媒面積が第二所定値を下回っているような状態では触媒での反応はさほど進行していないと想定されるので、暖機を優先させることが好ましい。
ステップＳ２６では、燃料電池ＦＣの急速暖機運転を継続させる。燃料電池ＦＣの温度が０℃を下回り且つ有効触媒面積が所定値を下回っているので、燃料電池ＦＣのガス流路が閉塞しており、燃料電池ＦＣが正常な発電を行える状態にはないためである。
ステップＳ２７では、燃料電池ＦＣの急速暖機運転を終了させる。料電池ＦＣの温度が０℃以上であり且つ有効触媒面積が所定値以上なので、燃料電池ＦＣのガス流路が閉塞しておらず、燃料電池ＦＣを構成する各単セルに燃料ガスが届き、燃料電池ＦＣが通常の発電を行えるためである。
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＣ：燃料電池
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＣ：コントローラ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
ＦＣ：燃料電池
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＥＳ：電力系
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ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＣ：コントローラ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
Claims (3)
- 燃料電池に供給する酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転を行う燃料電池システムであって、
燃料電池と、前記燃料電池への酸化ガス及び燃料ガスの供給量を調整すると共に、前記燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池への酸化ガスの供給量を減少させて暖機運転を行っている間において、前記燃料電池に対して短時間の電圧変動を行って、前記燃料電池の出力電圧と出力電流との関係を示す電流・電圧特性である電流・電圧曲線を取得し、
その取得した電流・電圧特性である電流・電圧曲線が区画する領域の面積に基づいて前記燃料電池の有効触媒面積を算出し、その算出した有効触媒面積が基準触媒面積を下回り、且つ、前記燃料電池の温度が０℃を下回っている場合は、前記燃料電池の暖機運転を継続させる一方、前記有効触媒面積が前記基準触媒面積以上となり、又は、前記燃料電池の温度が０℃以上となった場合は、前記燃料電池の暖機運転を終了させる燃料電池システム。 - 前記制御部は、算出した有効触媒面積に基づいて、前記燃料電池に燃料ガスを循環供給するためのアノード循環系の循環可否を判定する請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、算出した有効触媒面積に基づいて前記燃料電池における冷却系の循環可否を判定する請求項１に記載の燃料電池システム。
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