JP6153496B2 - 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。

燃料電池車両は、その電源システムとして燃料電池システムを備える。燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されたスタック構造である。各単セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）をアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟持して構成される。アノードセパレータには、反応ガスとしての水素が流れるアノード流路が形成されている。カソードセパレータには、酸化剤ガスとしての空気が流れるカソード流路が形成されている。燃料電池システムは、以上のような燃料電池スタックのアノード流路及びカソード流路に水素及び空気を供給することによって発電する。

特許文献１には、このような燃料電池システムの氷点下起動時における出力制御に関する発明が開示されている。特許文献１の発明では、燃料電池の内部の残留水が凍結するような氷点下起動時には、各単セルの電圧を取得し、これら各セル電圧値の平均値や標準偏差などに基づいて燃料電池スタックの出力電流を制限する。

特開２００６−１０００９５号公報

上述のように特許文献１の発明は、セル電圧値に基づいて燃料電池スタックの出力電流を制限する技術である。しかしながら低温起動時において生じ得る不具合がセル電圧値の異常として反映されるまでには遅れがある。このため、特許文献１の発明のようにセル電圧値に基づいて出力電流を制限しても、これによって燃料電池スタックの発電状態が良好に転じない場合がある。このような場合、出力電流の制限後もセル電圧値が低下し続けてしまい、これを回復させるためのセル電圧回復処理が実行され、結果として起動にかかる時間が長くなる場合がある。

本発明は、低温起動時において燃料電池スタックの環境に合わせてフィードフォワード的に出力電流を制限する燃料電池システムを提供することを目的とする。

（１）燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスが供給されると発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック２）と、前記燃料電池の内部温度を取得する内部温度取得手段（例えば、後述のスタックエア温度センサ２２及びＥＣＵ６）と、前記燃料電池の内部の膜の含水状態を取得する含水状態取得手段（例えば、後述のインピーダンスセンサ２４及びＥＣＵ６）と、前記燃料電池の起動時に低温起動制御の実行の要否を判断する低温起動判断手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図２のＳ１の実行に係る手段）と、前記低温起動制御の実行が必要であると判断されている間は、前記燃料電池の出力電流を所定の制限電流値以下の範囲内で制限する電流制限手段（例えば、後述の電流制御器２９及びＥＣＵ６）と、前記制限電流値を設定する制限電流値設定手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図２，６，７に示す処理の実行に係る手段）と、を備える。前記制限電流値設定手段は、前記内部温度に基づいて前記出力電流に対する第１制限値を算出する第１制限手段と前記含水状態に基づいて前記出力電流に対する第２制限値を算出する第２制限手段とを備え、前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定する。

（２）この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池に対する停止指令が生じてから所定の条件が満たされるまで発電を継続する停止処理を実行する停止処理実行手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図５の処理の実行に係る手段）と、前記燃料電池の発電停止時における前記内部温度及び季節又はこれらの何れかに関する情報に基づいて、前記停止処理の完了時における前記含水状態の目標含水状態を設定する目標含水状態設定手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図６のＳ２２の処理の実行に係る手段）と、を備え、前記停止処理実行手段は、前記停止処理の完了時に前記目標含水状態が実現されるように発電を継続し、前記制限電流値設定手段は、前記含水状態取得手段を用いることができない状態であるとき（例えば、図６のＳ４１の判断がＮＯの場合）は前記停止処理の完了時における前記含水状態と前記目標含水状態とを取得し、前記含水状態が前記目標含水状態より湿潤側である場合には前記第１制限値を前記制限電流値として設定し、前記含水状態が前記目標含水状態より乾燥側である場合には前記第１及び第２制限値より小さな所定の最小電流値を前記制限電流値として設定することが好ましい。

（３）燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスが供給されると発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック２）と、前記燃料電池の内部温度を取得する内部温度取得手段（例えば、後述のスタックエア温度センサ２２及びＥＣＵ６）と、前記燃料電池の内部の膜の含水状態を取得する含水状態取得手段（例えば、後述のインピーダンスセンサ２４及びＥＣＵ６）と、前記燃料電池の起動時に低温起動制御の実行の要否を判断する低温起動判断手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図２のＳ１の実行に係る手段）と、前記低温起動制御の実行が必要であると判断されている間は、前記燃料電池の出力電流を所定の制限電流値以下の範囲内で制限する電流制限手段（例えば、後述の電流制御器２９及びＥＣＵ６）と、前記制限電流値を設定する制限電流値設定手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図２，６，７に示す処理の実行に係る手段）と、を備える。前記制限電流値設定手段は、前記内部温度に基づいて前記出力電流に対する第１制限値を算出する第１制限手段と前記含水状態に基づいて前記出力電流に対する第２制限値を算出する第２制限手段とを備え、前記内部温度が所定の判定温度（例えば、後述の図２の第１判定温度）より低いときには前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定し、前記内部温度が前記判定温度以上であるときには前記第１及び第２制限値より大きな所定の最大電流値（例えば、後述の図３の暖機時最大電流値）を前記制限電流値として設定する。

（４）この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の内部を流路の一部に含んだ冷媒循環路（例えば、後述の冷媒循環路５１）と、前記冷媒循環路に設けられ当該循環路内で冷媒を循環させるポンプ（例えば、後述のウォータポンプ５２）と、前記ポンプを駆動するポンプ駆動手段（例えば、後述のＥＣＵ６）と、前記燃料電池の内部のうち最も温度が高い部分の温度である最高温度を取得する最高温度取得手段（例えば、後述のスタックエア温度センサ２５及びＥＣＵ６）と、を備え、前記ポンプ駆動手段は、前記低温起動制御の実行が必要と判断されている間において、前記最高温度が所定の循環開始温度を超えるまでは前記ポンプの駆動を停止し、前記最高温度が前記循環開始温度を超えてから前記ポンプの駆動を開始することが好ましい。

（５）この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の内部の温度の平均である平均温度を取得する平均温度取得手段（例えば、後述のスタックエア温度センサ２５及びＥＣＵ６）と、前記ポンプ駆動手段によって前記ポンプの駆動が開始された後の所定の期間にわたる前記平均温度の低下幅を取得する平均温度低下幅取得手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図６のＳ４７の実行に係る手段）と、をさらに備え、前記制限電流値設定手段は、前記平均温度が所定の判定温度より高い場合（例えば、後述の図６のＳ３３の判断がＹＥＳの場合）において、前記平均温度の低下幅が所定の閾値以下であるときは前記第１及び第２制限値より大きな所定の最大電流値（例えば、後述の図３の暖機時最大電流値）を前記制限電流値として設定し、前記平均温度の低下幅が前記閾値より大きいときは前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定することが好ましい。

（６）この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の内部の温度の平均である平均温度を取得する平均温度取得手段（例えば、後述のスタックエア温度センサ２５及びＥＣＵ６）と、前記燃料電池の出力電流を取得する出力電流取得手段（例えば、後述の電流センサ２６及びＥＣＵ６）と、前記ポンプ駆動手段によって前記ポンプの駆動が開始された後の所定の期間にわたる前記出力電流の増加量を取得する電流増加量取得手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図７のＳ６７の実行に係る手段）と、をさらに備え、前記制限電流値設定手段は、前記平均温度が所定の判定温度より高い場合（例えば、後述の図７のＳ５３の判断がＹＥＳの場合）において、前記出力電流の増加量が所定の閾値より大きいときは前記第１及び第２制限値より大きな所定の最大電流値（例えば、後述の図３の暖機時最大電流値）を前記制限電流値として設定し、前記出力電流の増加量が前記閾値以下であるときは前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定することが好ましい。

（７）この場合、前記燃料電池システムは、蓄電装置（例えば、後述のバッテリＢ）と、前記停止処理において発電した電力を利用して前記蓄電装置を充電する停止時充電手段（例えば、後述のＥＣＵ６、及び図５の停止時充電処理の実行に係る手段）と、をさらに備え、前記停止時充電手段は、前記停止処理の実行時における前記含水状態が乾燥側であるほど前記蓄電装置への充電量を多くすることが好ましい。

（１）本発明では、燃料電池の内部温度及び膜の含水状態を取得し、取得した内部温度から定められる第１制限値と含水状態から定められる第２制限値とのうち小さい方を制限電流値として設定し、燃料電池の出力電流をこの制限電流値以下の範囲内で制限する。ここで、制限電流値を定めるための入力として用いる燃料電池の内部温度及び燃料電池内部の膜の含水状態は、何れも低温起動時における燃料電池の発電安定性に影響を及ぼす環境情報である。本発明では、これら２つの環境情報を用いて定められた制限電流値を用いることにより、低温起動時において燃料電池に対し過大な負荷が要求された場合であっても、燃料電池の発電安定性が低下するのを未然に防止できるので、上述のようなセル電圧回復処理が必要以上に実行されることがない。このため、低温起動を速やかに完了できる。

（２）本発明では、燃料電池の発電停止時における内部温度やその時の季節に関する情報を用いて目標含水状態を設定し、この目標含水状態が実現されるように停止処理を実行する。これにより、燃料電池の起動時における膜の含水状態を揃えることができるので、起動にかかる時間にばらつきが生じるのを防止できる。
また、上述のように本発明では含水状態取得手段によって取得した含水状態を用いて第２制限値を算出する。しかしながら含水状態取得手段は、故障する場合や、起動直後であって含水状態を取得できないような場合もある。本発明では、このような場合には、前回の停止処理の実行における含水状態や目標含水状態を用いることにより、起動時における膜の含水状態を簡易的に判断する。より具体的には、前回の含水状態が目標含水状態より湿潤側である場合には、現在の膜の含水状態は概ね正常であると判断し、内部温度に基づいて算出した第１制限値を制限電流値として設定する。一方、前回の含水状態が目標含水状態範より乾燥側である場合には、現在の膜の含水状態は正常な状態よりも乾燥気味であると判断し、第１及び第２制限値よりも小さな所定の最小電流値を制限電流値として設定する。これにより、含水状態取得手段を用いることができない状態であっても、制限電流値が過剰に大きくなってしまい、結果として膜が過乾燥になるのを防止できる。

（３）本発明では、燃料電池の内部温度が所定の判定温度を超えるまでは上述のように第１及び第２制限値のうち小さい方を制限電流値として設定し、内部温度が判定温度を超えた場合にはこれら第１及び第２制限値よりも大きな最大電流値を制限電流値として設定する。これにより、内部温度が判定温度を超えた後は、出力電流は最大電流値まで許容されるので、燃料電池の暖機を促進することができる。

（４）本発明では、燃料電池内部の最高温度を取得し、この最高温度が循環開始温度を超えるまではポンプの駆動を停止し、最高温度が循環開始温度を超えてからポンプの駆動を開始する。これにより、燃料電池の温度がある程度上昇するまで、燃料電池に冷えた冷媒が流れないので、燃料電池の暖機を促進することができる。

（５）冷媒の循環を開始すると、燃料電池に冷えた冷媒が流れることによって、燃料電池の温度が低下し、ひいては発電安定性も低下する場合がある。本発明では、ポンプの駆動が開始された後の所定の期間にわたる平均温度の低下幅が所定の閾値より大きいときには、第１及び第２制限値のうち小さい方を制限電流値として設定する。これにより、冷媒の循環が燃料電池の温度低下に大きな影響を及ぼすような場合には、その後燃料電池の発電安定性が大きく低下する前に燃料電池の出力電流が制限されるので、上述のようなセル電圧回復処理が実行されるのを防止できる。したがって、低温起動を速やかに完了できる。

（６）上述のように冷媒の循環を開始すると、燃料電池の温度は低下する傾向がある。したがって、このような環境下において燃料電池の出力電流がさほど増加しなかった場合、発電による温度上昇の影響よりも冷媒の循環による温度低下の影響の方が大きく、結果として燃料電池の温度が低下し、ひいては発電安定性も低下するおそれがある。本発明では、ポンプの駆動が開始された後の所定の期間にわたる出力電流の増加量が所定の閾値以下であるときには、第１及び第２制限値のうち小さい方を制限電流値として設定する。これにより、燃料電池の発電安定性が大きく低下する前に燃料電池の出力電流が制限されるので、上述のようなセル電圧回復処理が実行されるのを防止でき、したがって、低温起動を速やかに完了できる。

（７）上述のように低温起動時には、膜の含水状態に基づいて燃料電池の出力電流に対する制限電流値を決定する。これに対し本発明では、次回の低温起動時に燃料電池の出力電流が制限されることに備えて、停止処理の実行時における含水状態が乾燥側であるほど蓄電装置への充電量を多くする。これにより、低温起動時に燃料電池の出力電流が制限される場合であっても、その不足分を蓄電装置で賄うことができるので、利用者の要求に対し不足なく応えることができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 スタックの出力電流に対する制限電流値を設定する手順を示すフローチャートである。 スタックの内部平均温度に基づいて第１制限値を算出するマップの一例である。 インピーダンス抵抗値に基づいて第２制限値を算出するマップの一例である。 システム停止処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおける制限電流値を設定する手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおける制限電流値を設定する手順を示すフローチャートである。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての水素を供給するアノード系３と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての酸素を含んだエアを供給するカソード系４と、燃料電池スタック２を冷却する冷却装置５と、燃料電池スタック２で発電した電力を蓄えるバッテリＢと、燃料電池スタック２及びバッテリＢからの電力の供給によってタイヤ（図示せず）を駆動する走行モータＭと、これらの電子制御ユニットであるＥＣＵ６と、を備える。なお、この燃料電池システム１は、上記タイヤを駆動輪とした燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という）２は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック２は、アノード電極側に形成されたアノード流路２１に水素が供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路２２に酸素を含んだ空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

発電中のスタック２から取り出される出力電流は、電流制御器２９を介してバッテリＢや負荷（走行モータＭ及びエアコンプレッサ４１等）に入力される。ＥＣＵ６は、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサからの出力信号に基づいて、スタック２の出力電流に対する要求値に相当する要求発電電流値を算出する（図示せず）。またＥＣＵ６は、後に図２を参照して説明する手順に従ってスタック２の出力電流に対する上限値に相当する制限電流値を設定する。電流制御器２９は、ＥＣＵ６によって算出されたこれら要求発電電流値及び制限電流値を用いて発電中のスタック２の出力電流を制御する。

バッテリＢは、スタック２で発電した電力や、走行モータＭによって回生制動力として回収した電気エネルギーを蓄える。また、例えば燃料電池システム１の起動時において、スタック２の出力電流が制限されているときや車両の高負荷運転時等には、バッテリＢに蓄えられた電力はスタック２の出力を補うようにして負荷に供給される。

アノード系３は、水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク３１と、水素タンク３１からスタック２のアノード流路２１の導入部に至る水素供給管３２と、アノード流路２１の排出部からカソード系４に設けられた希釈器（図示せず）に至る水素排出管３３と、水素排出管３３から分岐し水素供給管３２に至る水素還流管３４と、を含んで構成される。水素を含んだガスの水素循環流路は、水素供給管３２、アノード流路２１、水素排出管３３及び水素還流管３４によって構成される。

水素供給管３２には、水素タンク３１側からスタック２側へ向かって順に、遮断弁３２１と、遮断弁３２１を介して供給された新たな水素ガスをスタック２へ向けて噴射するインジェクタ３２２と、水素還流管３４から還流されたガスをスタック２へ循環させるイジェクタ３２３と、が設けられている。遮断弁３２１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。インジェクタ３２２からの水素ガスの噴射量は、ＥＣＵ６によるＰＷＭ制御によって制御される。

水素還流管３４には、水素排出管３３側から水素供給管３２側へガスを圧送する水素循環ポンプ３４１が設けられている。水素排出管３３には、スタック２側からカソード系４側へ向かって順に、アノード流路２１からガスと共に排出された水を貯留するキャッチタンク３３１と、水素循環流路内のガスをカソード系４側へ排出するパージ弁３３２と、が設けられている。水素循環ポンプ３４１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。水素循環ポンプ３４１の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。パージ弁３３２は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

またキャッチタンク３３１には、溜まった水を排出するためのドレイン管３５が設けられている。このドレイン管３５は、キャッチタンク３３１から水素排出管３３のうちパージ弁３３２の下流側に至る。ドレイン管３５にはドレイン弁３５１が設けられている。このドレイン弁３５１を開くと、キャッチタンク３３１内に溜まった水は、水素排出管３３を介してカソード系４の図示しない希釈器へ排出される。ドレイン弁３５１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

カソード系４は、エアコンプレッサ４１と、エアコンプレッサ４１からカソード流路２２の導入部に至る空気供給管４２と、カソード流路２２の排出部から図示しない希釈器に至る空気排出管４３と、空気排出管４３から分岐し空気供給管４２に至る空気還流管４５と、空気排出管４３と空気供給管４２とを接続する加湿器４６と、を含んで構成される。酸素を含んだガスの酸素循環流路は、空気供給管４２、カソード流路２２、空気排出管４３及び空気還流管４５によって構成される。

エアコンプレッサ４１は、空気供給管４２を介してスタック２のカソード流路２２に外気を供給する。エアコンプレッサ４１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。エアコンプレッサ４１の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。

加湿器４６は、カソード流路２２から排出されたガスに含まれる水を回収し、回収した水を用いてエアコンプレッサ４１から供給される空気を加湿する。この加湿器４６の機能により、発電中のスタック２のＭＥＡは発電に適した程度に湿潤な状態に維持される。

空気供給管４２には、加湿器４６をバイパスするバイパス管４７が設けられている。このバイパス管４７には、バイパス弁４７１が設けられている。バイパス弁４７１を開くと、エアコンプレッサ４１から供給される空気の多くはバイパス管４７を介して、すなわち加湿器４６を迂回してスタック２に供給される。バイパス弁４７１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

また、空気供給管４２及び空気排出管４３には、それぞれ入口封止弁４２１及び出口封止弁４３１が設けられている。これら封止弁４２１，４３１を閉じると、スタック２のカソード流路２２の内部は、外気から遮断される。これら封止弁４２１，４３１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

冷却装置５は、スタック２の内部を流路の一部として含む冷媒循環路５１と、冷媒循環路５１に設けられこの循環路５１内で冷媒を循環させるウォータポンプ５２と、冷媒循環路５１の一部となるラジエタ５３と、を備える。ウォータポンプ５２は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。ウォータポンプ５２の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。

冷却装置５は、ウォータポンプ５２によって冷媒を循環しスタック２と冷媒との熱交換を促進するとともに、ラジエタ５３によって冷媒を冷却することにより、スタック２を保護するために定められた上限温度を上回らないようにする。

ＥＣＵ６には、バッテリ電圧センサ２３、インピーダンスセンサ２４、スタックエア温度センサ２５、電流センサ２６等の燃料電池システム１の状態を把握するための複数のセンサが接続されている。

バッテリ電圧センサ２３は、バッテリＢの電圧を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。ＥＣＵ６は、バッテリ電圧センサ２３の検出値を用いることによって、バッテリＢのＳＯＣ［％］を取得することができる。ここで、バッテリＢのＳＯＣとは、バッテリの定格容量を１として現在の残量［ｋＷ］を百分率で表したものである。

インピーダンスセンサ２４は、スタック２のインピーダンス抵抗値を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。スタック２のインピーダンス抵抗値は、スタック２の内部のＭＥＡの含水状態と相関関係がある。より具体的には、ＭＥＡの含水量が減少するほどインピーダンス抵抗値は増加する傾向がある。ＥＣＵ６は、インピーダンスセンサ２４によって検出されたインピーダンス抵抗値を用いることによって、間接的にＭＥＡの含水状態を取得することができる。

電流センサ２６は、スタック２の出力電流を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。スタックエア温度センサ２５は、カソード流路２２から排出されるガスの温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。ＥＣＵ６は、スタックエア温度センサ２５の検出値を用いることによって、スタック２の内部温度の平均値（内部平均温度）やスタック２の内部のうち最も高温の部分の温度（内部最高温度）等を取得することができる。

図示しない車両の運転席には、燃料電池システム１を起動したり停止したりするために運転者が操作可能なイグニッションスイッチＩＧが設けられている。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオフからオンにされると、燃料電池システム１の起動指令信号をＥＣＵ６に出力する。ＥＣＵ６は、この起動指令信号を受信したことを契機として、システム起動処理（図示せず）や制限電流値を設定する処理（後述の図２参照）等を開始する。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオンからオフにされると燃料電池システム１の停止指令信号をＥＣＵ６に出力する。ＥＣＵ６は、この停止指令信号を受信したことを契機として、システム停止処理（後述の図５参照）を開始する。

図２は、スタックの出力電流に対する制限電流値を設定する手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチからの起動指令信号を受信したことを契機として、ＥＣＵによって繰り返し実行される。上述のように、スタックの出力電流は、この処理で設定された制限電流値以下の範囲内で電流制御器によって制限される。

Ｓ１では、ＥＣＵは、低温起動制御要求フラグが１であるか否かを判別する。この低温起動制御要求フラグは、システム起動処理において低温起動制御の実行が要求された状態であることを明示するフラグである。この低温起動制御フラグは、燃料電池システムの起動開始時には１にセットされ、その後スタックの暖機が完了したと判断できる所定の終了条件が満たされたことに応じて０にリセットされる。

Ｓ１の判定がＮＯの場合、すなわち低温起動制御の完了後である場合には、Ｓ２に移る。Ｓ２では、ＥＣＵは、所定の入力に基づいて定めた暖機完了後通常制限値を制限電流値として設定し、この処理を終了する。

Ｓ１の判定がＹＥＳの場合、すなわち低温起動制御の実行中である場合には、Ｓ３に移る。Ｓ３では、ＥＣＵは、スタックの内部平均温度を取得し、この内部平均温度が所定の第１判定温度以上であるか否かを判定する。スタックの内部平均温度は、ソーク時間及びスタックエア温度センサ２２の検出値を用いることによって算出される。

Ｓ３の判定がＮＯの場合、Ｓ４に移る。Ｓ４では、ＥＣＵは、スタックの内部平均温度に基づいて、例えば図３に示すようなマップを検索することによって、制限電流値の暫定値に相当する第１制限値を算出する。図３は、内部平均温度に基づいて第１制限値を算出するためのマップの一例である。図３の例によれば、第１制限値は、内部平均温度が高くなるほど大きな値に設定される。また図３の例では、第１制限値は、内部平均温度が第１判定温度であるときに最大となる。以下では、この第１制限値の最大値を暖機時最大電流値という。

Ｓ５では、ＥＣＵは、インピーダンス抵抗値を取得し、このインピーダンス抵抗値に基づいて、例えば図４に示すようなマップを検索することによって、制限電流値の暫定値に相当する第２制限値を算出する。図４は、スタック内部の含水状態を間接的に示すインピーダンス抵抗値に基づいて第２制限値を算出するためのマップの一例である。図４の例によれば、第２制限値は、インピーダンス抵抗値が小さくなるほど（含水状態が湿潤になるほど）大きな値に設定される。なお、図４において破線で示すように、暖機時最大電流値は、第２制限値の最大値よりも小さくなっている。また以下では、第２制限値の取り得る値のうち最も小さな値を暖機時最小電流値という。図３に示すように、この暖機時最小電流値は、第１制限値の最小値よりも小さくなっている。

Ｓ６では、ＥＣＵは、第１制限値は第２制限値より小さいか否かを判定する。Ｓ６の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、小さい方である第１制限値を制限電流値として設定し（Ｓ７）、この処理を終了する。またＳ６の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、小さい方である第２制限値を制限電流値として設定し（Ｓ８）、この処理を終了する。すなわち、ＥＣＵは、それぞれ異なる入力に基づいて算出した第１及び第２制限値のうち小さい方を制限電流値として設定する。ここで、Ｓ６の判定がＮＯになる場合、すなわち第１制限値よりも第２制限値の方が小さくなる場合とは、何等かの事情によりスタックの内部が乾燥している場合といえる。

また、Ｓ３の判定がＹＥＳの場合、すなわちスタックの内部平均温度が第１判定温度を超えた場合には、Ｓ９に移る。Ｓ９では、ＥＣＵは、上述の第１及び第２制限値よりも大きな暖機時最大電流値を制限電流値として設定し、この処理を終了する。

図５は、システム停止処理の具体的な手順を示すフローチャートである。この処理は、イグニッションスイッチからの停止指令信号を受信したことを契機として、ＥＣＵによって実行される。スタックの発電は、停止指令信号を受信したことに応じて直ちに停止されることはなく、以下で説明する停止時充電処理及び乾燥発電処理が完了するまで継続される。

Ｓ２１では、ＥＣＵは、所定時間にわたって停止時充電処理を実行し、Ｓ２２に移る。この停止時充電処理は、次回のシステム起動処理の実行やソーク期間中に実行される掃気処理（図示せず）の実行に備えて、スタックによる発電を利用してバッテリのＳＯＣを所定の必要充電量まで充電する処理である。ここで、図４を参照して説明したように、次回の起動時ではスタックが乾燥するほど制限電流値は小さな値に設定される。したがって必要充電量は、次回の起動ではスタックの出力電流が制限されることを見越して、停止時充電処理の実行時におけるインピーダンス抵抗値が大きいほど（含水状態が乾燥側であるほど）、多くすることが好ましい。

Ｓ２２では、ＥＣＵは、所定時間にわたって乾燥発電処理を実行し、Ｓ２３に移る。この乾燥発電処理は、スタック内部の乾燥が促進されるような態様での発電（以下、「乾燥発電」という）を所定時間にわたって行うことにより、これまでの発電によってスタックの内部に溜まった余分な水分をシステム外に排出する処理である。

この乾燥発電は、以下の（ａ）スタック昇温、（ｂ）アノード流路の水分排出、（ｃ）カソード流路の水分排出、及び（ｄ）供給エアの湿度低減等の方法を組み合わせて構成される。

（ａ）第１に、スタックの温度を上昇させると、スタック内部の水分の気化が促進されるので、スタック内部の乾燥が促進される。ここで、スタックの温度を上昇させる手段としては、具体的には、ウォータポンプを間欠駆動することが挙げられる。すなわち、ウォータポンプのオン時間を短くし代わりにオフ時間を長くすると、スタックの温度が上昇する。

（ｂ）第２に、スタックのアノード流路の水分を排出すると、スタック内部の乾燥が促進される。ここで、アノード流路の水分を排出する手段としては、具体的には、パージ弁の開弁頻度を高くすること、水素ポンプの回転数を上昇させること、インジェクタからの水素噴射量を増加させること等が挙げられる。

（ｃ）第３に、カソード流路の水分を排出すると、スタック内部の乾燥が促進される。ここで、カソード流路の水分を排出する手段としては、具体的には、背圧弁の開度を小さくしながらエアコンプレッサの回転数を上昇させることが挙げられる。

（ｄ）第４に、スタックに供給される空気の湿度を低減すると、スタック内部の乾燥が促進される。ここで、スタックに供給される空気の湿度を低減する手段としては、具体的には、加湿器バイパス弁の開弁頻度を高くし、スタックに供給される空気のうち加湿器をバイパスして供給される空気の量の割合を増加させることが挙げられる。

Ｓ２２では、ＥＣＵは、乾燥発電処理の実行時における燃料電池の内部平均温度及び季節又はこれらの何れかに関する情報に基づいて、乾燥発電処理の完了時におけるインピーダンス抵抗値の目標値を設定する。そして、このインピーダンス抵抗値に対する目標値が実現されるように、上述の（ａ）〜（ｄ）の方法を組み合わせて構成した乾燥発電を所定時間にわたり実行する。

Ｓ２３では、入口封止弁及び出口封止弁を閉じ、この処理を終了する。これにより、スタックによる発電が停止したソーク期間中に、外気がスタックのカソード流路に流入するのを防止できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお以下では、上記第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形態は、制限電流値を設定する具体的な手順が第１実施形態と異なる。

図６は、スタックの出力電流に対する制限電流値を設定する手順を示すフローチャートである。図６におけるＳ３１〜Ｓ３９の処理の内容は、それぞれ図２におけるＳ１〜Ｓ９の処理と同じであるので、詳細な説明を省略する。

Ｓ３３における判定がＮＯである場合、すなわち内部平均温度が第１判定温度に満たない場合、Ｓ４１に移る。Ｓ４１では、ＥＣＵは、スタックの含水状態を正確に把握できる状態であるか否かを判別する。ここで、スタックの含水状態を正確に把握できない状態とは、例えば、インピーダンスセンサが故障しており正確なインピーダンス抵抗値を取得できない状態や、何等かの理由によってインピーダンス抵抗値とスタックの含水状態とを正しく関連付けられない状態等を含む。Ｓ４１の判定がＹＥＳである場合には、Ｓ３４に移る。そして、図２を参照して説明したように、第１及び第２制限値のうち小さい方を制限電流値として設定する。

Ｓ４１の判定がＮＯである場合、Ｓ４２に移る。上述のように第２制限値は、インピーダンス抵抗値に基づいて算出するため、Ｓ４１の判定がＮＯである場合には第２制限値を正確に算出することができない。そこでＥＣＵは、Ｓ４２では、前回に実行されたシステム停止処理の乾燥発電処理の完了時（図５のＳ２２の完了時）におけるインピーダンス抵抗値と、この乾燥発電処理において設定されたインピーダンス抵抗値に対する目標値とを取得し、これらに基づいて簡易的に現在のスタックの含水状態を判断する。より具体的には、ＥＣＵは、前回の乾燥発電処理の完了時におけるインピーダンス抵抗値が、その目標値より大きいか否かを判定する。

Ｓ４２の判定がＹＥＳである場合、Ｓ４３に移る。この場合、現在のスタックの内部は目標値に対応した状態よりも乾燥した状態である可能性が高いので、できるだけスタック内部の過乾燥を防止すべく、ＥＣＵは、暖機時最小電流値（図４参照）を制限電流値として設定し、この処理を終了する。

Ｓ４２の判定がＮＯである場合、Ｓ４５に移る。この場合、現在のスタックの内部が過乾燥である可能性は低いので、ＥＣＵは、図３に示すマップを用いて内部平均温度に基づいて第１制限値を算出し（Ｓ４５）、この第１制限値を制限電流値として設定し（Ｓ３７）、この処理を終了する。

Ｓ３３における判定がＹＥＳである場合、すなわち内部平均温度が第１判定温度を超えている場合には、Ｓ４６に移る。Ｓ４６では、ＥＣＵは、ウォータポンプ制限フラグが１であるか否かを判定する。このウォータポンプ制限フラグは、システム起動処理においてウォータポンプの駆動が停止された状態、すなわち冷媒の循環が停止した状態であることを示すフラグである。冷媒を循環させると、スタックの内部に冷えた冷媒が流れるため、スタックの内部温度は低下する傾向がある。とりわけ、低温起動時はその傾向が大きい。図６に示す処理と並行して実行されるシステム起動処理（図示せず）では、起動直後はウォータポンプの駆動を停止し、スタックの内部最高温度が所定の循環開始温度を超えてからウォータポンプの駆動を開始する。

Ｓ４６の判定がＹＥＳである場合、すなわちまだ冷媒の循環が停止された状態である場合には、ＥＣＵは、暖機時最大電流値を制限電流値として設定し、この処理を終了する（Ｓ３９）。

Ｓ４６の判定がＮＯである場合、すなわち冷媒の循環が既に開始している状態である場合には、Ｓ４７に移る。Ｓ４７では、ＥＣＵは、ウォータポンプの駆動が開始されてから現在までのスタックの内部平均温度の低下幅（ウォータポンプの駆動開始時の内部平均温度−現在の内部平均温度）を算出する。Ｓ４８では、ＥＣＵは、算出した内部平均温度の低下幅が所定の閾値より大きいか否かを判定する。

Ｓ４８の判定がＮＯである場合、すなわち冷媒の循環を開始してもさほど温度低下が認められない場合には、ＥＣＵは、暖機時最大電流値を制限電流値として設定し（Ｓ３９）、この処理を終了する。また、Ｓ４８の判定がＹＥＳである場合、すなわち冷媒の循環を開始したことによってスタックの内部平均温度が大きく低下した場合には、Ｓ４１に移る。Ｓ４１以降では、上述のように第１及び第２制限値のうち小さい方が制限電流値として設定される。従って、冷媒の循環がスタックの温度低下に大きく影響を及ぼすような場合には、Ｓ３９の場合よりも厳しい制限がスタックの出力電流に対して課される。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお以下では、上記第２実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。第３実施形態は、制限電流値を設定する具体的な手順が第２実施形態と異なる。

図７は、スタックの出力電流に対する制限電流値を設定する手順を示すフローチャートである。図７におけるＳ５１〜Ｓ５９及びＳ６１〜Ｓ６５の処理の内容は、それぞれ図６におけるＳ３１〜Ｓ３９及びＳ４１〜Ｓ４６の処理と同じであるので、詳細な説明を省略する。

Ｓ６６の判定がＮＯである場合、すなわち冷媒の循環が既に開始している状態である場合には、Ｓ６７に移る。Ｓ６７では、ＥＣＵは、ウォータポンプの駆動が開始されてから現在までのスタックの出力電流の増加量（現在の出力電流値−ウォータポンプの駆動開始時の出力電流値）を算出する。Ｓ６８では、ＥＣＵは、算出した電流増加量が所定の閾値より大きいか否かを判定する。

Ｓ６８の判定がＹＥＳである場合、すなわち冷媒の循環を開始してから出力電流が増加した場合には、ＥＣＵは、暖機時最大電流値を制限電流値として設定し（Ｓ５９）、この処理を終了する。また、Ｓ６８の判定がＮＯである場合、すなわち冷媒の循環を開始してから出力電流がさほど増加しなかった場合には、Ｓ６１に移る。Ｓ６１以降では、上述のように第１及び第２制限値のうち小さい方が制限電流値として設定される。従って、冷媒の循環を開始してからさほど出力電流が増加しなかった場合には、発電に伴うスタックの温度上昇効果は小さいと判断され、Ｓ５９の場合よりも厳しい制限がスタックの出力電流に対して課される。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
２２…スタックエア温度センサ（内部温度取得手段）
６…ＥＣＵ（内部温度取得手段、含水状態取得手段、低温起動判断手段、電流制限手段、制限電流値設定手段）
２４…インピーダンスセンサ（含水状態取得手段）
２９…電流制御器（電流制限手段）

Claims (7)

1. 反応ガスが供給されると発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の内部温度を取得する内部温度取得手段と、
   前記燃料電池の内部の膜の含水状態を取得する含水状態取得手段と、
   前記燃料電池の起動時に低温起動制御の実行の要否を判断する低温起動判断手段と、
   前記低温起動制御の実行が必要であると判断されている間は、前記燃料電池の出力電流を所定の制限電流値以下の範囲内で制限する電流制限手段と、
   前記制限電流値を設定する制限電流値設定手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制限電流値設定手段は、前記内部温度に基づいて前記出力電流に対する第１制限値を算出する第１制限手段と前記含水状態に基づいて前記出力電流に対する第２制限値を算出する第２制限手段とを備え、前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池に対する停止指令が生じてから所定の条件が満たされるまで発電を継続する停止処理を実行する停止処理実行手段と、
   前記燃料電池の発電停止時における前記内部温度及び季節又はこれらの何れかに関する情報に基づいて、前記停止処理の完了時における前記含水状態の目標含水状態を設定する目標含水状態設定手段と、を備え、
   前記停止処理実行手段は、前記停止処理の完了時に前記目標含水状態が実現されるように発電を継続し、
   前記制限電流値設定手段は、前記含水状態取得手段を用いることができない状態であるときは前記停止処理の完了時における前記含水状態と前記目標含水状態とを取得し、前記含水状態が前記目標含水状態より湿潤側である場合には前記第１制限値を前記制限電流値として設定し、前記含水状態が前記目標含水状態より乾燥側である場合には前記第１及び第２制限値より小さな所定の最小電流値を前記制限電流値として設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の内部を流路の一部に含んだ冷媒循環路と、
   前記冷媒循環路に設けられ当該循環路内で冷媒を循環させるポンプと、
   前記ポンプを駆動するポンプ駆動手段と、
   前記燃料電池の内部のうち最も温度が高い部分の温度である最高温度を取得する最高温度取得手段と、を備え、
   前記ポンプ駆動手段は、前記低温起動制御の実行が必要と判断されている間において、前記最高温度が所定の循環開始温度を超えるまでは前記ポンプの駆動を停止し、前記最高温度が前記循環開始温度を超えてから前記ポンプの駆動を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の内部の温度の平均である平均温度を取得する平均温度取得手段と、
   前記ポンプ駆動手段によって前記ポンプの駆動が開始された後の所定の期間にわたる前記平均温度の低下幅を取得する平均温度低下幅取得手段と、をさらに備え、
   前記制限電流値設定手段は、前記平均温度が所定の判定温度より高い場合において、前記平均温度の低下幅が所定の閾値以下であるときは前記第１及び第２制限値より大きな所定の最大電流値を前記制限電流値として設定し、前記平均温度の低下幅が前記閾値より大きいときは前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の内部の温度の平均である平均温度を取得する平均温度取得手段と、
   前記燃料電池の出力電流を取得する出力電流取得手段と、
   前記ポンプ駆動手段によって前記ポンプの駆動が開始された後の所定の期間にわたる前記出力電流の増加量を取得する電流増加量取得手段と、をさらに備え、
   前記制限電流値設定手段は、前記平均温度が所定の判定温度より高い場合において、前記出力電流の増加量が所定の閾値より大きいときは前記第１及び第２制限値より大きな所定の最大電流値を前記制限電流値として設定し、前記出力電流の増加量が前記閾値以下であるときは前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 蓄電装置と、前記停止処理において発電した電力を利用して前記蓄電装置を充電する停止時充電手段と、をさらに備え、
   前記停止時充電手段は、前記停止処理の実行時における前記含水状態が乾燥側であるほど前記蓄電装置への充電量を多くすることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の燃料電池システム。
7. 反応ガスが供給されると発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の内部温度を取得する内部温度取得手段と、
   前記燃料電池の内部の膜の含水状態を取得する含水状態取得手段と、
   前記燃料電池の起動時に低温起動制御の実行の要否を判断する低温起動判断手段と、
   前記低温起動制御の実行が必要であると判断されている間は、前記燃料電池の出力電流を所定の制限電流値以下の範囲内で制限する電流制限手段と、
   前記制限電流値を設定する制限電流値設定手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制限電流値設定手段は、前記内部温度に基づいて前記出力電流に対する第１制限値を算出する第１制限手段と前記含水状態に基づいて前記出力電流に対する第２制限値を算出する第２制限手段とを備え、前記内部温度が所定の判定温度より低いときには前記第１及び第２制限値のうち小さい方を前記制限電流値として設定し、前記内部温度が前記判定温度以上であるときには前記第１及び第２制限値より大きな所定の最大電流値を前記制限電流値として設定することを特徴とする燃料電池システム。
   

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