JP6812767B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールの複数のセルを暖める暖機運転を実施可能とする燃料電池装置に関する。

燃料電池は、燃料電池車両、発電機等に用いられ、近年、その普及が進んでいる。一般的に、燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックの形態にて使用される。燃料電池スタックのセルにおいては、水素及び酸素の電気化学反応によって発電を行った際に水が生成される。

しかしながら、燃料電池スタックが低温環境下で使用される場合、生成された水が凍結した状態でセルの内部に溜まる「フラッディング」が生じるおそれがある。フラッディングは、セルの電流‐電圧特性を低下させ、特に、セルにて発生する高出力電圧を低下させる。さらに、燃料電池スタックにて、フラッディング状態にあるセルとフラッディング状態でないセルとが存在する場合、複数のセルの出力電圧間にバラツキが生ずる。かかるバラツキは燃料電池スタックの性能を低下させるおそれがある。

そのため、フラッディング、それに伴う出力電圧のバラツキ等を解消することによって燃料電池スタックを安定的に発電可能とすべく、ヒータ、ブロアファン等によって燃料電池スタックを暖める暖機運転を実施し、その後、通常通り燃料電池スタックが発電を行う通常運転を実施するように構成された燃料電池装置が用いられている。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの複数の単セルにて検出される平均セル電圧及び最低セル電圧の差と、予め設定される第１〜第３の閾値から燃料電池装置の温度に応じて選択的に変更される１つの閾値とを比較し、かかる比較に基づいて、通常運転モードと複数の単セルを暖機する回復運転モードとを切り換えるように構成された燃料電池装置が開示されている。

特開２００７−１７２８４３号公報

典型的に、燃料電池スタックには蓄電池等の蓄電装置が電気的に接続され、暖機運転状態にて蓄電装置がほぼ満充電になると、燃料電池スタックの出力電流を低下させることがあり、その結果として、セルの出力電圧が上昇することがある。この場合、上述の燃料電池装置においては、平均セル電圧及び最低セル電圧間の差もまた変化する。その一方で、閾値が第１〜第３の閾値から燃料電池装置の温度に応じて選択的に変更されるので、蓄電装置の充電状態、燃料電池装置の温度変化等に起因して、平均セル電圧及び最低セル電圧の差と閾値との関係が適切でなくなるおそれがある。そのため、燃料電池スタックが安定的に発電可能になったにも関わらず暖機運転が継続されるおそれがあり、また、燃料電池スタックが安定的に発電可能になる前に暖機運転が終了するおそれがある。すなわち、暖機運転を適切に実施できないおそれがある。

本発明は、このような実情に鑑みて成されたものであり、その目的は、暖機運転を効率化することができる燃料電池装置を提供することにある。

課題を解決するために、本発明の一態様に係る燃料電池装置によれば、水素及び酸素の電気化学反応によって発電を行うように構成された複数のセルを有する燃料電池モジュールと、前記複数のセルにて発生する電圧それぞれを検出するように構成された電圧検出部と、前記燃料電池モジュールから出力される電流を検出するように構成された電流検出部と、外気温度を検出するように構成された外気温検出部とを備え、前記複数のセルを暖める暖機運転と、前記暖機運転を停止した状態で前記発電を行う通常運転とをそれぞれ実施可能に構成される燃料電池装置であって、前記燃料電池装置の起動後に、前記外気温検出部により検出された外気温度の値が外気温閾値以下である場合に、前記暖機運転が実施され、その一方で、前記燃料電池装置の起動後に前記外気温度の値が前記外気温閾値よりも大きい場合に、前記暖機運転を経ずに前記通常運転が実施されるように構成されており、前記燃料電池装置の起動後に前記暖機運転が実施されている状態で、前記電圧検出部により検出される前記複数のセルの電圧における最大値及び最小値間の差が、前記電流検出部により検出される電流の値に応じて変化する基本値に基づく電圧差閾値以下となった場合に、前記暖機運転から前記通常運転に切り換わるように構成されている。

本発明の一態様に係る燃料電池装置によれば、暖機運転を効率化することができる。

本発明の実施形態における燃料電池装置を有する燃料電池車両を模式的に示す構成図である。 本発明の実施形態において燃料電池スタックの作動原理を説明するためにそのセルを模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態係る燃料電池装置の電流‐電圧特性がフラッディングによって変化することを示すグラフである。 本発明の実施形態においてバッテリ電流と電圧差閾値との関係を示すマップである。 本発明の実施形態においてバッテリ電流と電圧差閾値の補正値との関係を示すマップである。 本発明の実施形態に係る燃料電池装置において暖機運転と通常運転とを切り換える方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例において燃料電池装置の稼働時間とバッテリ電流及びセル電圧のそれぞれとの関係を示すグラフである。

本発明の実施形態に係る燃料電池装置を有する燃料電池車両について以下に説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池装置は燃料電池車両に設けられている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、燃料電池装置は、本発明の課題を解決可能であれば、燃料電池車両以外の燃料電池式稼働システムに設けられてもよく、例えば、燃料電池装置は、発電機等に設けられてもよい。

また、本実施形態に係る燃料電池装置は固体高分子型燃料電池（PEFC、Polymer Electrolyte Fuel Cell）に関するものとなっている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、燃料電池装置は、本発明の課題を解決可能であれば、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池に関するものであってもよく、例えば、燃料電池装置は、りん酸型燃料電池（PAFC、Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC、Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（SOFC、Solid Oxide Fuel Cell）、アルカリ電解質型燃料電池（AFC、Alkaline Fuel Cell）、直接型燃料電池（DFC、Direct Fuel Cell）等に関するものであってもよい。

［燃料電池車両について］
最初に、図１を参照して燃料電池車両（以下、必要に応じて、単に「車両」という）について説明する。車両は、発電可能に構成されると共に直流電流を出力可能に構成される燃料電池装置１を備えている。車両はまた、燃料電池装置１からの直流電流を調整可能に構成されるＤＣ／ＤＣコンバータ２と、このＤＣ／ＤＣコンバータ２からの電気を蓄えることができるように構成される蓄電装置３とを備えている。さらに、車両は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２又は蓄電装置３からの直流電流を交流電流に変換可能に構成されるインバータ４と、このインバータ４からの交流の電気によって駆動可能に構成されるモータ５とを備えている。すなわち、モータ５は交流モータとなっている。

車両において、燃料電池装置１は、安定した通常運転を実施可能とするための予備的な作業として、後述する燃料電池スタック２１の複数のセル２２を暖める暖機運転を適切に実施可能とするようになっている。なお、本発明において、「暖機」という用語は、複数のセル２２に対する意図的な加熱及び送風の少なくとも一方によって行われるものとして定義し、「暖機運転」という用語は、「暖機」を行う運転として定義し、「通常運転」という用語は、「暖機運転」を停止した状態で通常の発電等を行うように燃料電池装置１を稼働する運転として定義する。特に、車両は、暖機運転状態にて走行できなくなり、かつ通常運転状態にて走行できるようになるとよい。さらに、燃料電池装置１の自己発熱によってさらに暖機できること、暖機運転が終了すると共に通常運転が開始した直後に車両を走行可能となること等を考慮すると、暖機運転においては、暖機と一緒に発電が行われるとよい。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池装置１からモータ５に送られる電流を制御可能とするように構成されている。蓄電装置３は二次電池（図示せず）を有していて、燃料電池装置１から供給される電気が二次電池に蓄電できるようになっている。蓄電装置３は、単独でモータ５に電気を供給可能とするように構成されるとよく、また、蓄電装置３は、燃料電池装置１と一緒にモータ５に電気を供給可能とするように構成されてもよい。モータ５は、車両の走行輪（図示せず）を駆動可能とするために用いられるとよい。

車両にて、燃料電池装置１、特に、その燃料電池スタック２１の複数のセル２２は、第１の接続ライン６ａを介してＤＣ／ＤＣコンバータ２と電気的に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、第２の接続ライン６ｂを介してインバータ４と電気的に接続され、インバータ４は、第３の接続ライン６ｃを介してモータ５と電気的に接続されている。さらに、第２の接続ライン６ｂは、蓄電用接続ライン７を介して蓄電装置３と電気的に接続されている。第１〜第３の接続ライン６ａ〜６ｃは、燃料電池装置１の燃料電池スタック２１と、それに対する負荷となるモータ５とを接続する負荷接続回路６となっている。なお、特に図示はしないが、第１〜第３の接続ライン６ａ〜６ｃ及び蓄電用接続ライン７のそれぞれは、少なくとも１組の高電位側及び低電位側ハードワイヤ、回路パターン等の有線接続手段を含んでいるとよい。

しかしながら、本発明はこれに限定されず、特に、燃料電池式稼働システムが燃料電池車両以外である場合、かかるシステムが、交流モータの代わりに、直流モータ等のようなその他の電気機器を有していてもよい。また、燃料電池式稼働システムが発電機である場合には、発電機が、燃料電池装置から供給される電気を直流又は交流の状態で発電機の外部に送るように構成されるとよい。

［燃料電池装置について］
図１を参照して、燃料電池装置１について具体的に説明する。燃料電池装置１は、燃料電池ユニット１１と、この燃料電池ユニット１１を制御可能に構成されるバッテリコントローラ１２と、車両外部の外気温度を検出可能に構成される外気温センサ１３とを備えている。バッテリコントローラ１２は、燃料電池装置１における暖機運転を制御可能に構成され、バッテリコントローラ１２が、本発明の制御ユニットとして構成されている。外気温センサ１３は、本発明の外気温検出部として構成されている。

［燃料電池ユニットの詳細について］
燃料電池ユニット１１の詳細について説明する。燃料電池ユニット１１は、複数のセル２２を有する燃料電池スタック２１を含んでいる。燃料電池スタック２１は、本発明の燃料電池モジュールとして構成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、本発明の燃料電池モジュールにて、複数のセルが積層されずに配置されてもよい。

燃料電池ユニット１１はまた、燃料電池スタック２１の複数のセル２２を加熱可能に構成されるヒータ２３と、複数のセル２２に対して送風可能に構成されたファン２４とを有している。ヒータ２３及びファン２４のそれぞれは、燃料電池スタック２１と電気的に接続され、ヒータ２３及びファン２４は、燃料電池スタック２１から電気を供給される。そのため、暖機運転にて、ヒータ２３及びファン２４によって暖機が行われる際には、燃料電池スタック２１による発電が行われるとよい。これらのヒータ２３及びファン２４が、複数のセル２２を暖機可能に構成される暖機部として構成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、暖機部は、ヒータ及びファンの一方、特に、ヒータのみを有していてもよい。また、ヒータ及びファンの少なくとも一方が蓄電装置と電気的に接続されてもよい。

燃料電池ユニット１１は、複数のセル２２にて発生する電圧（以下、「セル電圧」という）それぞれを検出するように構成された複数の電圧センサ２５を有している。複数の電圧センサ２５は、複数のセル２２に対応するように設けられている。複数の電圧センサ２５はまた、それぞれ、複数のセル２２と電気的に接続されている。これら複数の電圧センサ２５が、本発明の電圧検出部として構成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、電圧検出部が、複数の電圧センサ以外であってもよく、例えば、１つ又は複数の電圧検出回路であってもよい。

燃料電池ユニット１１は、燃料電池スタック２１から出力される電流（以下、「バッテリ電流」という）を燃料電池装置１及びＤＣ／ＤＣコンバータ２間にて検出するように構成された電流センサ２６をさらに有している。電流センサ２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及び燃料電池スタック２１間の第１の接続ライン６ａと電気的に接続されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、電流検出部が、電流センサ以外であってもよく、例えば、電流検出回路であってもよい。

［燃料電池スタックの詳細について］
燃料電池スタック２１の詳細について説明する。図１に示すように、燃料電池スタック２１の各セル２２は、水素及び酸素の電気化学反応によって発電を行うように構成され、電気化学反応する水素及び酸素は、それぞれ、各セル２２に供給される燃料ガス及び空気から得られるようになっている。なお、燃料電池スタック２１は、２つ以上のセル２２を有するとよく、さらには、３つ以上のセル２２を有するとより好ましい。燃料電池式稼働システム、特に、車両にて十分な発電性能を得ることを考慮すると、燃料電池スタック２１が、数十枚〜数百個のセル２２を有するとさらに好ましい。これら複数のセル２２は直列に接続されると好ましい。複数のセル２２はまた、燃料電池スタック２１内で積層されている。複数のセル２２により生成された電気は、燃料電池スタック２１からその外部に送られる。

図２に示すように、固体高分子型燃料電池に関する燃料電池装置１にて、燃料電池スタック２１のセル２２は、燃料ガスから得られる水素を供給可能に構成されるアノード極３１と、空気から得られる酸素を供給可能に構成されるカソード極３２とを有している。アノード極３１及びカソード極３２は、互いに間隔を空けた状態で対向するように配置されている。

セル２２はまた、アノード極３１及びカソード極３２間にて、それぞれアノード極３１及びカソード極３２に積層されるアノード側拡散層３３及びカソード側拡散層３４と、アノード側拡散層３３及びカソード側拡散層３４間にて、それぞれアノード側拡散層３３及びカソード側拡散層３４に積層されるアノード側触媒層３５及びカソード側触媒層３６と、アノード側触媒層３５及びカソード側触媒層３６間に挟まれる電解質層３７とを有している。アノード側及びカソード側触媒層３５，３６のそれぞれは、水素及び酸素の電気化学反応を活性化するように構成されている。電解質層３７は、水素イオンを選択的に透過可能とするように構成されている。

さらに、各セル２２のアノード極３１及びカソード極３２が、負荷接続回路６を介してモータ５と電気的に接続され、モータ５は、燃料電池スタック２１に対する負荷となっている。なお、図２にて、負荷接続回路６は簡略的に示され、例えば、負荷接続回路６は１本の高電位側の線と１本の低電位側の線とによって簡略的に示され、負荷接続回路６に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ２、蓄電装置３、及びインバータ４は省略されている。

このようなセル２２を有する燃料電池スタック２１の作動原理は次のようになっている。すなわち、アノード極３１の水素分子が、アノード側拡散層３３を通ってアノード側触媒層３５に送られ、その後、アノード側触媒層３５にて、かかる水素分子が活性な水素原子となり、さらに、水素原子が水素イオンとなり、その結果、電子が放出される。このような反応は、下記（式１）によって表すことができる。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ （式１）

また、アノード側触媒層３５の水素イオンは、電解質膜３７を通ってカソード極３２側に移動する。かかる水素イオンは、電解質膜３７を通る際に、電解質膜３７に含まれる水分と一緒に移動する。アノード側触媒層３５の電子は、アノード側拡散層３３及びアノード極３１を通って負荷接続回路６に送られて、その後、負荷接続回路６を通ってカソード極３２に移動する。さらに、カソード極３２の電子は、カソード側拡散層３４を通ってカソード側触媒層３６に移動する。かかる電子の移動によって、モータ５に電気が流れることとなる。

その一方で、カソード極３２の酸素分子は、カソード側拡散層３４を通ってカソード側触媒層３６に送られ、その後、カソード側触媒層３６にて上述の電子を受け取り、これによって、酸素イオンが生成される。さらに、酸素イオンは、カソード側触媒層３６にて上述の水素イオンと結合し、これによって、水が生成される。このような反応は、下記（式２）によって表すことができる。

（１／２）Ｏ_２ ＋ ２Ｈ^＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ （式２）

カソード側触媒層３６にて生成された水の一部はまた、濃度拡散によって電解質膜３７を通ってアノード極３１側に移動する。水は、セル２２を通過する水素又は空気と一緒にセル２２の外部に放出される。

さらに、燃料電池スタック２１は、次のような発電性能を有する。すなわち、燃料電池スタック２１の発電性能はセル２２内の水分量に依存する。具体的には、セル２２に供給される燃料ガス、空気等のガスの相対湿度が低く、セル２２が乾燥した場合、セル２２におけるイオン電導性能が低下し、その結果、燃料電池スタック２１の発電性能が低下する。その一方で、燃料電池スタック２１が氷点下の環境に置かれて、セル２２内の水が凍った場合、セル２２における排水性能が低下し、セル２２内に水が溜まる。すなわち、フラッディングが発生する。フラッディング状態のセル２２においては、凍った水等によってガスの拡散が阻害され、その結果、燃料電池スタック２１の発電性能が低下する。フラッディングは、燃料電池スタック２１が稼働した状態においては進行しないが、燃料電池スタック２１の稼働が停止し、かつ外気温度が０℃以下、場合によっては、５℃以下である状態にて進行する。

燃料電池スタック２１の発電性能が低下した場合、セル電圧が極度に低下し、さらには、セル２２が劣化するおそれがあり、ひいては、セル２２が破損するおそれがある。セル２２の劣化及び破損を防止するためには、バッテリ電流の制限によってセル電圧が極度に下がることを防ぐ必要がある。この場合、燃料電池スタック２１の発電性能を十分に発揮できなくなる。

さらに、燃料電池スタック２１におけるバッテリ電流及びセル電圧の関係に基づく特性（以下、「電流‐電圧特性」という）は、図３を参照すると次のようになっている。なお、図３にて、横軸Ｉはバッテリ電流の検出値ｉ（Ａ、アンペア）を示し、縦軸Ｖはセル電圧の検出値ｖ（Ｖ、ボルト）を示し、実線Ｌ１は、フラッディングが発生していない状態の第１の電流‐電圧特性を示し、一点鎖線Ｌ２、二点鎖線Ｌ３、及び破線Ｌ４は、それぞれ、フラッディングが発生した状態の第２〜第４の電流‐電圧特性を示す。また、図３にて、フラッディングの程度は、第１の電流‐電圧特性、第２の電流‐電圧特性、第３の電流‐電圧特性、第４の電流‐電圧特性の順に悪くなっていることが示されている。

第１〜第４の電流‐電圧特性において、バッテリ電流が低い状態では、水素分子及び酸素分子がそれぞれセル２２のアノード側及びカソード側触媒層３５，３６の反応によってイオン化するので、活性化損失が支配的に寄与し、その結果、セル電圧が低下する。バッテリ電流が高い状態では、水素及び酸素をそれぞれアノード極３１及びカソード極３２に供給する速度が律速されるので、セル電圧が低下する。さらに、水素イオンが電解質膜３７中を移動するときの抵抗に起因してオーム損失が生じる。そのため、第１〜第４の電流‐電圧特性においては、共通して、バッテリ電流が増加するに従ってセル電圧が低下する。

セル２２にフラッディングが発生した状態では、アノード側及びカソード側触媒層３５，３６へのガスの供給が阻害されるので、第１〜第４の電流‐電圧特性において、特に、バッテリ電流が高い状態では、フラッディングの程度が悪くなるに従ってセル電圧の低下が進行する。そのため、本実施形態に係る燃料電池装置１においては、電流‐電圧特性に基づいてフラッディングの程度を推測することができる。

［バッテリコントローラの詳細について］
次に、バッテリコントローラ１２の詳細について説明する。バッテリコントローラ１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の電子部品、かかる電子部品等を配置した電気回路等を含むコンピュータユニットであるとよい。バッテリコントローラ１２はまた、そのＲＡＭ等を用いて情報を記憶可能であるとよい。

図１に示すように、バッテリコントローラ１２は、複数の電圧センサ２５により検出される複数のセル電圧の検出値ｖにおける最大値及び最小値間の差（以下、「セル電圧差」という）Δｖ（Ｖ、ボルト）を算出するように構成される電圧差算出部４１を有している。電圧差算出部４１は、燃料電池ユニット１１の複数の電圧センサ２５と電気的に接続されている。セル電圧差Δｖは、バッテリコントローラ１２にて記憶可能であるとよい。

バッテリコントローラ１２は、外気温センサ１３により検出される外気温度の検出値Ｄ（℃）が外気温閾値Ｅ（℃）以上であるか否かを判定する外気温判定部４２を有している。外気温判定部４２は、外気温センサ１３と電気的に接続されている。外気温判定部４２の判定に用いられる外気温閾値Ｅは、セル２２における水の凍結の発生を防止するような温度の値に定められるとよい。例えば、水の凍結の発生を確実に防ぐためのマージンを考慮すれば、外気温閾値Ｅは約０℃以上かつ約５℃以下の範囲にあるとよく、特に、外気温閾値Ｅは約５℃であると好ましい。外気温度の検出値Ｄは、バッテリコントローラ１２にて記憶可能であるとよい。また、外気温閾値Ｅは、バッテリコントローラ１２に予め埋め込まれた情報であるとよい。

バッテリコントローラ１２はまた、暖機運転及び通常運転を切り換えるための判定基準である電圧差閾値Ａ（ｉ）（Ｖ、ボルト）を算出するように構成される電圧差閾値算出部４３を有している。電圧差閾値算出部４３は、燃料電池ユニット１１の電流センサ２６と電気的に接続されている。電圧差閾値算出部４３は、信号等の情報、特に、セル電圧差Δｖの情報を電圧差算出部４１から受け取る。さらに、電圧差閾値算出部４３は、信号等の情報、特に、外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上であるか否かの情報を外気温判定部４２から受け取る。

詳細は後述するが、電圧差閾値算出部４３により算出される電圧差閾値Ａ（ｉ）は、電流センサ２６により検出されるバッテリ電流の検出値ｉに応じて変化する基本値Ｂ（ｉ）（Ｖ、ボルト）及び補正値Ｃ（ｉ）（Ｖ、ボルト）を用いて算出される。基本値Ｂ（ｉ）及び補正値Ｃ（ｉ）もまた、電圧差閾値算出部４３によって算出される。特に、補正値Ｃ（ｉ）は、後述するように外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上であるか、又はセル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ）以下である場合、すなわち、通常運転が行われている場合に検出されるセル電圧差Δｖ、バッテリ電流の検出値ｉ等に基づいて算出されるとよい。

電圧差閾値算出部４３はまた、電圧差閾値Ａ（ｉ）、基本値Ｂ（ｉ）、及び補正値Ｃ（ｉ）を記憶可能であるとよく、特に、電圧差閾値算出部４３は、通常運転状態で算出される補正値Ｃ（ｉ）を記憶可能であるとよい。かかる電圧差閾値算出部４３においては、暖機運転中に電圧差閾値Ａ（ｉ）を算出する際に、この暖機運転中に算出される基本値Ｂ（ｉ）と、暖機運転より前の通常運転中に算出かつ記憶された補正値Ｃ（ｉ）とが用いられるとよい。なお、暖機運転前に通常運転が一回も行われていない場合には、補正値Ｃ（ｉ）が予め設定された値、例えば、ゼロ等になっているか、又は電圧差閾値Ａ（ｉ）が基本値Ｂ（ｉ）になっていると好ましい。

バッテリコントローラ１２は、暖機運転及び通常運転のいずれを実施するか判定するように構成される運転切換判定部４４を有している。運転切換判定部４４は、信号等の情報、特に、セル電圧差Δｖの情報を電圧差算出部４１から受け取る。運転切換判定部４４はまた、信号等の情報、特に、外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上であるか否かの情報を外気温判定部４２から受け取る。さらに、運転切換判定部４４は、信号等の情報、特に、電圧差閾値Ａ（ｉ）の情報を電圧差閾値算出部４３から受け取る。

燃料電池装置１の起動後、特に、起動直後において、運転切換判定部４４は、外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅよりも小さい場合には、暖機運転が必要であると判定し、その一方で、外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上である場合には、暖機運転をせずに通常運転が行われるべきであると判定する。さらに、暖機運転が実施されている状態において、運転切換判定部４４は、セル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ）よりも大きい場合には、暖機運転を継続すべきと判定し、かつセル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ）以下である場合には、暖機運転を停止し、かつ通常運転を実施すべきであると判定する。暖機運転及び通常運転のいずれを実施するか判定した情報は、バッテリコントローラ１２にて記憶可能であるとよい。

バッテリコントローラ１２は、暖機運転及び通常運転のいずれかを実施するように指示する運転切換指示部４５を有している。運転切換指示部４５は、信号等の情報、特に、暖機運転及び通常運転のいずれを実施するか判定した情報を運転切換判定部４４から受け取る。このように受け取った情報に基づいて、運転切換指示部４５は、暖機運転状態ではヒータ２３及びファン２４を稼働するように制御し、かつ通常運転状態ではヒータ２３及びファン２４を停止するように制御する。

運転切換指示部４５は、燃料電池ユニット１１の燃料電池スタック２１と電気的に接続されている。運転切換指示部４５は、燃料電池スタック２１を介して燃料電池ユニット１１のヒータ２３及びファン２４と電気的に接続されている。運転切換指示部４５は、燃料電池スタック２１からヒータ２３及びファン２４への電気の供給した状態とかかる供給を遮断した状態とを変更可能に構成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、ヒータ及びファンが、蓄電装置と電気的に接続される場合、運転切換指示部が、蓄電装置を介してヒータ及びファンと電気的に接続され、ヒータ及びファンは蓄電装置から電気を供給され、運転切換指示部は、蓄電装置からヒータ及びファンへの電気の供給した状態とかかる供給を遮断した状態とを変更可能に構成されてもよい。

さらに、バッテリコントローラ１２は、燃料電池装置１及びＤＣ／ＤＣコンバータ２間のバッテリ電流を調節可能に構成される電流調節部４６を有している。電流調節部４６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２と電気的に接続されている。電流調節部４６は、蓄電装置３の充電空き容量に応じてバッテリ電流を調節できるようになっている。

電流調節部４６は、蓄電装置３が満充電である状態（以下、「満充電状態」という）と蓄電装置３が充電中である状態（以下、「充電途中状態」という）とでバッテリ電流を切り換えることができる。この場合、充電途中状態では、燃料電池装置１からＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して蓄電装置３及びモータ５の両方に電気を供給し、かつ満充電状態では、燃料電池装置１からＤＣ／ＤＣコンバータ２を介してモータ５に電気を供給する一方で、蓄電装置３への電気の供給を制限するという使用態様を考慮すると、電流調節部４６により指示される満充電状態のバッテリ電流の指示値は、電流調節部４６により指示される充電途中状態のバッテリ電流の指示値よりも小さくなっているとよい。また、満充電状態及び充電途中状態のバッテリ電流の指示値それぞれは実質的に一定であると好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、電流調節部は、蓄電装置の充電空き容量が減少するに従ってバッテリ電流の指示値が減少するようになっていてもよい。

バッテリコントローラ１２にて、電圧差算出部４１、外気温判定部４２、電圧差閾値算出部４３、運転切換判定部４４、運転切換指示部４５、及び電流調節部４６は、ＣＰＵ等に格納されたプログラム、又はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の電気部品を配置した電気回路の一部によって構成されるとよい。また、構成要素間にて授受される情報は、バッテリコントローラ１２に一旦記憶されたものであってもよい。

しかしながら、本発明のバッテリコントローラ１２及びその構成要素は上述の構成に限定されない。例えば、電圧差算出部、電圧差閾値算出部、運転切換判定部、外気温判定部、運転切換指示部、及び電流調節部のうち少なくとも１つが、バッテリコントローラとは別のコントローラに設けられていてもよい。

［電圧差閾値について］
ここで、電圧差閾値Ａ（ｉ）の詳細について説明する。電圧差閾値Ａ（ｉ）は基本値Ｂ（ｉ）と補正値Ｃ（ｉ）との和になっている。このような電圧差閾値Ａ（ｉ）、基本値Ｂ（ｉ）、及び補正値Ｃ（ｉ）の関係は、下記（式３）により表すことができる。

Ａ（ｉ） ＝ Ｂ（ｉ）＋Ｃ（ｉ） （式３）

バッテリ電流の検出値ｉと基本値Ｂ（ｉ）との関係については、図４のマップにて実線Ｍにより示すように、バッテリ電流の検出値ｉが増加するに従って基本値Ｂ（ｉ）が増加するとよい。特に、実線Ｍは、基本値Ｂ（ｉ）が減少する方向に向かって膨らむ略放物線であるとよい。図４に示されるバッテリ電流の検出値ｉと基本値Ｂ（ｉ）との関係は、バッテリコントローラ１２に予め埋め込まれた情報であるとよく、かかる関係はまた、シミュレーション、実験等に基づいて予め定められると好ましい。なお、図４においては、横軸Ｉはバッテリ電流の検出値ｉ（Ａ、アンペア）を示し、縦軸Ｂは基本値Ｂ（ｉ）（Ｖ、ボルト）を示す。

電流調節部４６が満充電状態と充電途中状態とでバッテリ電流を切り換える場合、かかる関係に基づいて、基本値Ｂ（ｉ）は、満充電状態のバッテリ電流の検出値ｉ１（Ａ、アンペア）に対応する満充電状態の基本値Ｂ（ｉ１）（Ｖ、ボルト）と、充電途中状態のバッテリ電流の検出値ｉ２（Ａ、アンペア）に対応する充電途中状態の基本値Ｂ（ｉ２）（Ｖ、ボルト）とに切り換えられる。なお、満充電状態のバッテリ電流の検出値ｉ１は充電途中状態のバッテリ電流の検出値ｉ２よりも小さくなっており、満充電状態の基本値Ｂ（ｉ１）は充電途中状態の基本値Ｂ（ｉ２）よりも小さくなっている。

また、バッテリ電流の検出値ｉと補正値Ｃ（ｉ）との関係については、図５にて実線Ｎにより示すように、バッテリ電流の検出値ｉが増加するに従って補正値Ｃ（ｉ）が増加するとよい。特に、実線Ｎは実質的に直線であるとよい。なお、図５においては、横軸Ｉはバッテリ電流の検出値ｉ（Ａ、アンペア）を示し、縦軸Ｃは補正値Ｃ（ｉ）（Ｖ、ボルト）を示す。上述のように、補正値Ｃ（ｉ）は、外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上である場合に通常運転が行われる状態で直近に検出されたバッテリ電流の検出値ｉ及びセル電圧差Δｖの関係に基づいて定められ、さらに、補正値Ｃ（ｉ）は、通常運転状態にて常時監視されると好ましい。フラッディング以外の要因によるセル電圧差Δｖの増加を勘案することができる。特に、補正値Ｃ（ｉ）はまた随時更新されると好ましい。

電流調節部４６が満充電状態と充電途中状態とでバッテリ電流を切り換える場合、かかる関係に基づいて、補正値Ｃ（ｉ）は、満充電状態のバッテリ電流の検出値ｉ１に対応する満充電状態の補正値Ｃ（ｉ１）（Ｖ、ボルト）と、充電途中状態のバッテリ電流の検出値ｉ２に対応する充電途中状態の補正値Ｃ（ｉ２）（Ｖ、ボルト）とに切り換えられる。なお、満充電状態の補正値Ｃ（ｉ１）は充電途中状態の補正値Ｃ（ｉ２）よりも小さくなっている。

［暖機運転と通常運転との切換制御方法について］
本実施形態に係る燃料電池装置１における暖機運転と通常運転との切換制御方法について説明する。図６に示すように、停止状態の燃料電池装置１を起動する（ステップＳ１０）。燃料電池装置１の起動後、特に、起動直後に、外気温判定部４２にて、外気温センサ１３により検出される外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。

外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅよりも小さい場合（ＮＯ）、暖機運転を開始する（ステップＳ３０）。具体的には、運転切換指示部４５が、ヒータ２３及びファン２４の少なくとも一方を稼働するように制御する。その一方で、外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以上である場合（ＹＥＳ）、通常運転を開始する（ステップＳ４０）。

ここで、暖機運転が開始された場合（ステップＳ３０）、電流センサ２６によってバッテリ電流の検出値ｉを検出する（ステップＳ３１）。なお、バッテリ電流の検出値ｉは、電流調節部４６を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御することによって、蓄電装置３の充電状態に応じて変化するとよい。さらに、電圧差算出部４１にて、複数の電圧センサ２５により検出される複数のセル電圧の検出値ｖに基づいてセル電圧差Δｖを算出する（ステップＳ３２）。電圧差閾値算出部４３にて、バッテリ電流の検出値ｉに応じて変化する基本値Ｂ（ｉ）及び補正値Ｃ（ｉ）の和である電圧差閾値Ａ（ｉ）を算出する（ステップＳ３３）。なお、暖機運転の前に通常運転が既に実施されている場合には、補正値Ｃ（ｉ）は、通常運転中に算出かつ記憶された値となっており、その一方で、暖機運転の前に通常運転が１回も実施されていない場合には、補正値Ｃ（ｉ）は、予め設定された値、例えば、ゼロ等になっているか、又は電圧差閾値Ａ（ｉ）が基本値Ｂ（ｉ）になっているとよい。

次に、運転切換判定部４４にて、電圧差算出部４１から得られたセル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ）以下であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。セル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ）よりも大きい場合（ＮＯ）、暖機運転を継続して、電流センサ２６によってバッテリ電流の検出値ｉを検出する作業（ステップＳ３１）に戻る。その一方で、セル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ）以下である場合（ＹＥＳ）、暖機運転を終了する（ステップＳ３５）。具体的には、運転切換指示部４５が、ヒータ２３及びファン２４を停止するように制御する。その後、通常運転を開始する（ステップＳ４０）。すなわち、暖機運転から通常運転に切り換わる。

通常運転が開始された場合（ステップＳ４０）、電流センサ２６によってバッテリ電流の検出値ｉを検出する（ステップＳ４１）。なお、バッテリ電流の検出値ｉは、電流調節部４６を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御することによって、蓄電装置３の充電状態に応じて変化するとよい。さらに、電圧差算出部４１にて、複数の電圧センサ２５により検出される複数のセル電圧の検出値ｖに基づいてセル電圧差Δｖを算出する（ステップＳ４２）。電圧差閾値算出部４３にて、これらバッテリ電流の検出値ｉ及びセル電圧差Δｖに基づいて補正値Ｃ（ｉ）を算出し、かつかかる補正値Ｃ（ｉ）を記憶する（ステップＳ４３）。なお、電圧差閾値算出部４３においては、直近の補正値Ｃ（ｉ）が随時更新されるとよい。

燃料電池装置１が停止する（ステップＳ５０）。燃料電池装置１が停止した場合においても、電圧差閾値算出部４３は補正値Ｃ（ｉ）を記憶した状態を維持可能である。燃料電池装置１が再び起動し、かつ暖機運転が開始された場合に、このように記憶された補正値Ｃ（ｉ）は用いられることとなる。

以上、本実施形態に係る燃料電池装置１によれば、暖機運転を実施するか否かを判定する電圧差閾値Ａ（ｉ）が、バッテリ電流の検出値ｉに応じて変化する基本値Ｂ（ｉ）を用いて算出されるので、バッテリ電流が、燃料電池装置１とその負荷であるモータ５との間における通電状態（以下、「負荷通電状態」という）に応じて変化する場合であっても、セル電圧差Δｖと電圧差閾値Ａ（ｉ）との関係を適切にすることができる。特に、蓄電装置３を接続した燃料電池装置１において、暖機運転状態にて蓄電装置３がほぼ満充電になり、これによって、負荷通電状態に応じてバッテリ電流が変化する場合であっても、セル電圧差Δｖと電圧差閾値Ａ（ｉ）との関係を適切にすることができる。よって、暖機運転を効率化することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池装置１によれば、電圧差閾値Ａ（ｉ）を算出するために用いられる基本値Ｂ（ｉ）が、バッテリ電流の検出値ｉが増加するに従って増加するように変化するので、負荷通電状態に応じてバッテリ電流の検出値ｉの変化する場合であっても、セル電圧差Δｖと電圧差閾値Ａ（ｉ）との関係をさらに適切にすることができる。

本実施形態に係る燃料電池装置１によれば、燃料電池装置１の起動後に外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅ以下である場合に、暖機運転が実施され、その一方で、燃料電池装置１の起動後に外気温度の検出値Ｄが外気温閾値Ｅよりも大きい場合に、暖機運転を経ずに通常運転が実施される。そのため、フラッディングが発生し得る条件にて適切に暖機運転が実施され、かつフラッディングが発生し難い条件にて不必要に暖機運転が実施されることを防止できる。

本実施形態に係る燃料電池装置１によれば、電圧差閾値Ａ（ｉ）が基本値Ｂ（ｉ）と補正値Ｃ（ｉ）との和になっており、通常運転が実施されている状態で、燃料電池装置１の次の起動後に暖機運転が実施されている状態で用いるための補正値Ｃ（ｉ）が算出される。そのため、補正値Ｃ（ｉ）が、フラッディング以外の要因、例えば、セル２２の経年劣化等に起因する変化を考慮した値として算出されるので、暖機運転状態では、このような補正値Ｃ（ｉ）を用いて、燃料電池装置１の状態に応じて電圧差閾値Ａ（ｉ）を適切に補正することができる。そのため、セル電圧差Δｖと電圧差閾値Ａ（ｉ）との関係をさらに適切にすることができる。

ここまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その技術的思想に基づいて変形及び変更可能である。

本発明の実施例について以下に説明する。本実施例においては、上述した実施形態と同様の燃料電池装置１を有する車両と燃料電池装置１の暖機運転及び通常運転の切換制御方法とを用いた。

また、本実施例において、外気温度の検出値Ｄは外気温閾値Ｅよりも小さくなっており、電圧差閾値Ａ（ｉ）は基本値Ｂ（ｉ）及び補正値Ｃ（ｉ）の和になっている。図４に示すように、満充電状態では電流センサ２６によりバッテリ電流の検出値ｉ１が検出され、充電途中状態では電流センサ２６によりバッテリ電流の検出値ｉ２が検出され、満充電状態のバッテリ電流の検出値ｉ１は充電途中状態のバッテリ電流の検出値ｉ２よりも小さいものとした。また、満充電状態の基本値Ｂ（ｉ１）は充電途中状態の基本値Ｂ（ｉ２）よりも小さくなっており、かつ満充電状態の補正値Ｃ（ｉ１）は充電途中状態の補正値Ｃ（ｉ２）よりも小さくなっている。この場合、満充電状態の電圧差閾値Ａ（ｉ１）は充電途中状態の電圧差閾値Ａ（ｉ２）よりも小さくなる。

本実施例によれば、図７に示すように、燃料電池装置１の起動からの経過時間（以下、「稼働時間」という）ｔ（ｓｅｃ、秒）と、バッテリ電流ｉ、セル電圧差Δｖ、及び電圧差閾値Ａ（ｉ）との関係を得ることができた。なお、図７においては、横軸Ｔが稼働時間ｔ（ｓｅｃ）を示し、紙面右側の縦軸Ｉ’がバッテリ電流ｉ（Ａ、アンペア）を示し、紙面左側の縦軸ΔＶ’が、セル電圧差Δｖ及び電圧差閾値Ａ（ｉ）（Ｖ、ボルト）を示す。また、実線Ｐ_Δｖが、稼働時間ｔとセル電圧差Δｖとの関係を示し、一点鎖線Ｑ_Ａ（ｉ）が、稼働時間ｔと電圧差閾値Ａ（ｉ）との関係を示し、二点鎖線Ｒ_ｉが、稼働時間ｔとバッテリ電流ｉとの関係を示す。

本実施例においては、燃料電池装置１の稼働時間ｔがｔ１（ｓｅｃ）になったときに、蓄電装置３が満充電になり、燃料電池装置１の稼働時間ｔがｔ２（ｓｅｃ）になったときに、セル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ１）以下となり、暖機運転が通常運転に切り換えられた。さらに、満充電となった稼働時間ｔ１にて、充電途中状態のバッテリ電流の検出値ｉ２が満充電状態のバッテリ電流の検出値ｉ１に変更されると、セル電圧差Δｖは急激に低下した。

かかる関係によれば、仮に、充電途中状態の電圧差閾値Ａ（ｉ２）が維持されたとすると、満充電となる稼働時間ｔ１にて、燃料電池スタック２１の各セル２２のフラッディングが解消されない状態で、セル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ２）以下となり、その結果、暖機運転が不適切に終了し、かつ通常運転が不適切に開始されるおそれがある。この場合、燃料電池スタック２１の発電性能が十分に発揮できないおそれがある。

これに対して、本実施例によれば、満充電となる稼働時間ｔ１にて、バッテリ電流の変化に伴うセル電圧差Δｖの変化に対応して充電途中状態の電圧差閾値Ａ（ｉ２）が満充電状態の電圧差閾値Ａ（ｉ１）に変更され、その結果、満充電となった稼働時間ｔ１の経過後、セル電圧差Δｖが電圧差閾値Ａ（ｉ１）以下となった稼働時間ｔ２にて、燃料電池スタック２１の各セル２２のフラッディングが解消された状態で、暖機運転が適切に終了し、かつ通常運転が適切に開始された。そのため、燃料電池スタック２１の発電性能を十分に発揮できるように暖機運転を効率化できた。

１ 燃料電池装置
１２ バッテリコントローラ（制御装置）
１３ 外気温センサ（外気温検出部）
２１ 燃料電池スタック（燃料電池モジュール）
２２ セル
２５ 電圧センサ（電圧検出部）
２６ 電流センサ（電流検出部）
Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０〜Ｓ３５，Ｓ４０〜Ｓ４３，Ｓ５０ ステップ
Ｉ，Ｔ 横軸
Ｖ，Ｂ，Ｃ，Ｉ’，ΔＶ’ 縦軸
Ｌ１，Ｍ，Ｎ，Ｐ_Δｖ 実線
Ｌ２，Ｑ_Ａ（ｉ） 一点鎖線
Ｌ３，Ｒ_ｉ 二点鎖線
Ｌ４ 破線
ｖ セル電圧の検出値
Δｖ セル電圧差
ｉ，ｉ１，ｉ２ バッテリ電流の検出値
Ａ（ｉ），Ａ（ｉ１），Ａ（ｉ２） 電圧差閾値
Ｂ（ｉ），Ｂ（ｉ１），Ｂ（ｉ２） 基本値
Ｃ（ｉ），Ｃ（ｉ１），Ｃ（ｉ２） 補正値
Ｄ 外気温度の検出値
Ｅ 外気温閾値
ｔ１，ｔ２ 稼働時間

Claims (3)

1. 水素及び酸素の電気化学反応によって発電を行うように構成された複数のセルを有する燃料電池モジュールと、
   前記複数のセルにて発生する電圧それぞれを検出するように構成された電圧検出部と、
   前記燃料電池モジュールから出力される電流を検出するように構成された電流検出部と、
   外気温度を検出するように構成された外気温検出部と、
   を備え、
   前記複数のセルを暖める暖機運転と、前記暖機運転を停止した状態で前記発電を行う通常運転とをそれぞれ実施可能に構成される燃料電池装置であって、
   前記燃料電池装置の起動後に、前記外気温検出部により検出された外気温度の値が外気温閾値以下である場合に、前記暖機運転が実施され、その一方で、前記燃料電池装置の起動後に前記外気温度の値が前記外気温閾値よりも大きい場合に、前記暖機運転を経ずに前記通常運転が実施されるように構成されており、
   前記燃料電池装置の起動後に前記暖機運転が実施されている状態で、前記電圧検出部により検出される前記複数のセルの電圧における最大値及び最小値間の差が、前記電流検出部により検出される電流の値に応じて変化する基本値に基づく電圧差閾値以下となった場合に、前記暖機運転から前記通常運転に切り換わるように構成されている燃料電池装置。
2. 前記基本値は、前記電流検出部により検出される電流の値が増加するに従って増加するように変化する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記電圧差閾値が、前記基本値と、前記電流検出部により検出される電流の値に応じて変化する補正値との和になっており、
   前記通常運転が実施されている状態で、前記燃料電池装置の次の起動後に前記暖機運転が実施されている状態で用いるための前記補正値が算出されるように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
   

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