JP7310710B2

JP7310710B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7310710B2
Application number: JP2020089555A
Authority: JP
Inventors: 政史戸井田; 真弘小関; 裕介西田; 良一難波
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: US20210367251A1; JP2021184352A; US11431007B2; CN113725462B; CN113725462A

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度が氷点下で始動する場合に、カソードガスの流路に設けられたエアコンプレッサや弁等の補機部品を制御して、燃料電池スタックに供給するカソードガス、例えば、空気の供給量を少なくして低効率で発電を行い、燃料電池スタックを暖める暖機運転を行うものが知られている。特許文献１には、燃料電池スタックの温度、例えば燃料電池スタック出口における冷却媒体の温度が予め定めた温度になるまで暖機運転を行う技術が記載されている。

特開２０１７－１９５０２１号公報

始動時の燃料電池スタックの温度がある程度以上、高い状態においては、燃料電池スタックの温度が低い状態よりも燃料電池スタックの凍結の可能性が低い。このため、凍結の可能性に応じて暖機運転を行うよう、暖機運転の効率を改善する余地があることが新たに見出された。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を取得する温度測定部と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時に前記スタック温度が予め定められた第１閾値温度以下の場合において、前記スタック温度が目標温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの単位時間あたりの発熱量を設定発熱量に制御して暖機運転を行い、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度があらかじめ定められた第２閾値温度以上の場合に、前記目標温度を、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記目標温度よりも小さく設定する処理と、前記設定発熱量を、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記設定発熱量よりも小さく設定する処理と、のうち少なくとも一方の処理を行う。

本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を取得する温度測定部と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時に前記スタック温度が予め定められた第１閾値温度以下の場合において、前記スタック温度が目標温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの単位時間あたりの発熱量を設定発熱量に制御して暖機運転を行い、前記スタック温度があらかじめ定められた第２閾値温度以上の場合に、前記目標温度を、前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記目標温度よりも小さく設定する処理と、前記設定発熱量を、前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記設定発熱量よりも小さく設定する処理と、のうち少なくとも一方の処理を行う。そのため、スタック温度の高低に関わらず、一定の目標温度および設定発熱量で暖機運転を行う態様に比べて、効率よく暖機運転を行うことができる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。始動時運転処理の手順の一例を表すフローチャートである。始動時運転処理におけるタイミングチャートの一例を示す説明図である。暖機運転におけるスタック温度の変化を示したグラフである。暖機運転におけるスタック温度の変化を示した他のグラフである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ８１」という）８１と、負荷８２と、電圧測定部８３と、電流計８４とを備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部２０は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２１の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、燃料電池スタック１０を暖める暖機運転を行う。「暖機運転」とは、制御部２０が、カソードガス供給部３０やアノードガス供給部５０を制御して、スタック温度が予め定められた目標温度に上昇するまで、燃料電池スタック１０の発熱量を予め定められた単位時間あたりの設定発熱量とする処理である。制御部２０は、例えば、燃料電池システム１００の始動時に、スタック温度に応じて、暖機運転を行う。なお、制御部２０においては、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路として実現されてもよい。

ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２１は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。

エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の供給量を測定する。コンプレッサ３３は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。コンプレッサ３３は、電力を消費して駆動する。第１開閉弁３４は、コンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。以下では、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、で構成される流路のことを、循環流路６６ともいう。循環流路６６は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。

アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４およびインジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。

第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガス圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの供給量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器６２とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２へと誘導する。

気液分離器６２は、循環流路６６のアノードオフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、燃料電池スタック１０から排出されるガスから、ガスに含まれる液水のうちの少なくとも一部を分離する。より具体的には、気液分離器６２は、循環流路６６内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６３は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６３によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、温度測定部７７と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。

冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の供給量を調節する。温度測定部７７は、冷媒排出管７２に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を測定する。温度測定部７７で測定される温度は、燃料電池スタック１０のスタック温度とほぼ等しい。従って、温度測定部７７は、燃料電池スタック１０のスタック温度を測定する温度測定部に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。電圧測定部８３は、燃料電池スタック１０の出力電圧を測定する。電流計８４は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。

燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、補機に供給される。本実施形態において「補機」とは、燃料電池スタック１０の発電電力を消費して駆動する機器である。例えば、コンプレッサ３３やアノードガスポンプ６５、燃料電池システム１００が搭載された燃料電池車両の室内の暖房を行う加熱装置（図示せず）、冷却媒体循環部７０に設けられ、燃料電池スタック１０の冷却媒体を暖めるヒータ（図示せず）等を表す。

図２および図３を用いて燃料電池システム１００の始動時運転処理について説明する。図２は、本実施形態における、始動時運転処理の手順の一例を表すフローチャートである。始動時運転処理は、制御部２０が、燃料電池システム１００の始動時にスタック温度が予め定められた第１閾値温度以下の場合において、暖機運転を行う処理である。制御部２０は、燃料電池システム１００の始動時にこの処理を実行する。

図３は、起動要求信号のＯＮ／ＯＦＦと、暖機運転完了フラグ、単位時間あたりの発熱量、スタック温度、補機の運転状態を示すタイミングチャートの一例を示す説明図である。ここでは、補機は、燃料電池スタック１０の冷却媒体を暖めるヒータである。図３において、暖機運転完了フラグについての「ＯＮ」は、暖機運転が完了したことを意味し、「ＯＦＦ」は暖機運転が完了していないことを意味する。図３は、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが後述する第２閾値温度以上の温度Ｔ３の場合のタイミングチャートであり、図２に示されている各ステップＳ１３０、Ｓ１５０、Ｓ１７０の実行タイミングが吹き出しによって示されている。

ステップＳ１００において、制御部２０は、温度測定部７７から取得したスタック温度Ｔｆｃが予め定められた第１閾値温度Ｔｔｈ１以下か否かを判定する。第１閾値温度Ｔｔｈ１は、燃料電池スタック１０内の水分が凍結する温度であり、例えば、０℃に設定することができる。スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１以下の場合、制御部２０は、ステップＳ１１０の処理に進む。一方、スタック温度Ｔｆｃが第１閾値温度Ｔｔｈ１よりも高い場合、制御部２０は、始動時運転処理を終了する。

ステップＳ１１０において、制御部２０は、温度測定部７７から取得したスタック温度Ｔｆｃが予め定められた第２閾値温度Ｔｔｈ２以上か否かを判定する。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、予めシミュレーションや実験を行うことにより設定できる。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、０℃よりも低い値とすることができ、例えば－５℃とすることができる。第２閾値温度Ｔｔｈ２は、暖機運転開始時のスタック温度と暖機運転に要する時間との関係が定義された関数やマップに基づいて設定されてもよい。スタック温度が第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合、制御部２０は、ステップＳ１２０の処理に進む。一方、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも低い場合、制御部２０は、ステップＳ１２５の処理に進む。

ステップＳ１２０において、制御部２０は、暖機運転における目標温度Ｔａと単位時間あたりの発熱量である設定発熱量Ｊａとを設定する。本実施形態において、制御部２０は、目標温度Ｔａを温度Ｔ１に決定し、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ１に決定する。目標温度Ｔａは、予め実験的に定められた温度であり、任意に定めることができる。また、制御部２０は、暖機運転開始時のスタック温度Ｔｆｃと目標温度Ｔａとの関係が定義されたマップや関数に基づき、目標温度Ｔａを定めるようにしてもよい。目標温度Ｔａは、スタック温度Ｔｆｃが高いほど、低く設定できる。温度Ｔ１は、例えば４０℃とすることができる。また、設定発熱量Ｊａは、予め実験的に定められた単位時間当たりの熱量Ｊ１であり、任意に定めることができる。また、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃと設定発熱量Ｊａとの関係が定義されたマップや関数に基づき、設定発熱量Ｊａを定めるようにしてもよい。設定発熱量Ｊａは、スタック温度Ｔｆｃが高いほど、小さく設定できる。熱量Ｊ１は、例えば２０ｋＷとすることができる。

ステップＳ１２５において、制御部２０は、暖機運転における目標温度Ｔａと設定発熱量Ｊａとを設定する。本実施形態において、制御部２０は、目標温度Ｔａを温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２に決定し、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ１よりも大きい熱量Ｊ２に決定する。温度Ｔ２は、例えば６５℃とすることができる。熱量Ｊ２は、例えば５０ｋＷとすることができる。

ステップＳ１３０において、制御部２０は、暖機運転を開始する。より具体的には、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが、ステップＳ１２０またはステップＳ１２５で設定した目標温度Ｔａに達するように、燃料電池スタック１０から発生する単位時間あたりの熱量がステップＳ１２０またはステップＳ１２５で設定した設定発熱量Ｊａになるように、カソードガス供給部３０を制御する。例えば、制御部２０は、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの量を通常運転の際のカソードガスの量よりも少なくなるように、カソードガス供給部３０を制御して暖機運転を行う。暖機運転により、図３に示すようにスタック温度Ｔｆｃが上昇する。

ステップＳ１４０において、制御部２０は、スタック温度ＴｆｃがステップＳ１２０またはステップＳ１２５で定めた目標温度Ｔａ以上か否かを判定する。すなわち、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔａまで上昇したか否かを判定する。スタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔａ以上の場合、制御部２０は、ステップＳ１５０の処理に進む。一方、スタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔａよりも低い場合、制御部２０は、ステップＳ１４０の処理に戻る。つまり、燃料電池スタック１０の暖気が完了するまでステップＳ１４０を繰り返す。

ステップＳ１５０において、制御部２０は、ステップＳ１３０で開始した暖機運転を終了する。つまり、制御部２０は、燃料電池システム１００を通常の運転状態に戻す。

図４は、暖機運転におけるスタック温度の変化を示したグラフである。図４において、グラフＧ１は、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも高い温度Ｔ３であり、目標温度Ｔａを温度Ｔ１とした場合を示したグラフである。グラフＧ２は、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも低い温度Ｔ４であり、目標温度Ｔａを温度Ｔ２とした場合を示したグラフである。グラフＧ１とグラフＧ２とは、ともに、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ１として行った暖機運転を示すグラフである。

図４に示すように、グラフＧ１は時間ｔ１でスタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔａである温度Ｔ１に到達している。また、グラフＧ２は時間ｔ１よりも長い時間ｔ２でスタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔａである温度Ｔ２に到達している。つまり、目標温度Ｔａを低く設定することで、暖機運転に要する時間が短くなる。すなわち、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合の目標温度Ｔａを、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合の目標温度Ｔａよりも小さく設定することで、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合に、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合よりも短い時間で暖機運転が完了する。そのため、発電損失を抑制することができるため、効率よく暖機運転を行うことができる。

図５は、暖機運転におけるスタック温度の変化を示した他のグラフである。図５において、グラフＧ１は、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも高い温度Ｔ３であり、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ１とした場合を示したグラフである。グラフＧ３は、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも低い温度Ｔ４であり、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ２とした場合を示したグラフである。グラフＧ１とグラフＧ３とは、ともに、目標温度Ｔａを温度Ｔ１として行った暖機運転を示すグラフである。

図５に示すように、グラフＧ１およびグラフＧ３は時間ｔ１でスタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔａである温度Ｔ１に到達している。つまり、熱量Ｊ１は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも高い温度Ｔ３から温度Ｔ１に時間ｔ１で上昇する熱量である。また、熱量Ｊ２は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２よりも低い温度Ｔ４から温度Ｔ１に時間ｔ１で上昇する熱量である。スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合の設定発熱量Ｊａを、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合の設定発熱量Ｊａよりも小さく設定することで、発電損失を抑制することができる。そのため、効率よく暖機運転を行うことができる。

本実施形態においては、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合、スタック温度Ｔｆｃが温度Ｔ１に上昇するまで、単位時間あたりに与えられる熱量Ｊ１で暖機運転を行う（図２のＳ１２０参照）。熱量Ｊ２よりも小さい熱量Ｊ１で暖機運転が行われるため、熱量Ｊ２で暖機運転を行う場合と比べてスタック温度Ｔｆｃと燃料電池スタック１０以外の部品や流路等の温度とに大きな差が生じることなく、スタック温度Ｔｆｃと燃料電池スタック１０以外の部品や流路等の温度とは、緩やかに上昇する。

一方、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合、スタック温度Ｔｆｃが温度Ｔ１より高い温度Ｔ２に上昇するまで、単位時間あたりに与えられる熱量として、熱量Ｊ１より大きい熱量Ｊ２で暖機運転を行う（図２のＳ１２５参照）。熱量Ｊ１より大きい熱量Ｊ２で暖機運転が行われるため、急速にスタック温度Ｔｆｃが上昇するものの、燃料電池スタック１０以外の部品や流路等の温度はスタック温度Ｔｆｃほど上昇していない。このため、スタック温度Ｔｆｃと、燃料電池スタック１０以外の部品や流路等の温度とは、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合よりも乖離している。しかし、始動時運転処理開始時のスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合においては、目標温度Ｔａを高く設定することで、燃料電池スタック１０以外の部品や流路も十分に高い温度になるまで、暖機運転を行うことができる。

ステップＳ１６０において、制御部２０は、ステップＳ１２０またはステップＳ１２５で定めた目標温度Ｔａが予め定められた第３閾値温度Ｔｔｈ３より低いか否かを判定する。第３閾値温度Ｔｔｈ３は、予め実験的に定められた温度であり、任意に定めることができる。第３閾値温度Ｔｔｈ３は、例えば温度Ｔ２である。目標温度Ｔａが第３閾値温度Ｔｔｈ３より低い場合、制御部２０は、ステップＳ１７０の処理に進む。一方、目標温度Ｔａが第３閾値温度Ｔｔｈ３以上の場合、制御部２０は、始動時運転処理を終了する。

ステップＳ１７０において、制御部２０は、補機を駆動する。より具体的には、制御部２０は、補機であるヒータを駆動することで燃料電池スタック１０を発熱させ、燃料電池スタック１０や燃料電池スタック１０の冷却媒体を暖める。そのため、暖機運転によらずに燃料電池スタック１０や、燃料電池スタック１０の冷却媒体によって暖まる部品を、暖め、その状態を一定時間、維持することができる。制御部２０は、例えば、スタック温度Ｔｆｃが第３閾値温度Ｔｔｈ３まで上昇した場合に、ヒータを停止する。なお、ステップＳ１６０およびＳ１７０の処理は省略してもよい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合に、目標温度Ｔａをスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合の目標温度Ｔａよりも小さく設定する処理と、設定発熱量Ｊａをスタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合の設定発熱量Ｊａよりも小さく設定する処理と、を行う。そのため、スタック温度Ｔｆｃの高低に関わらず、一定の目標温度Ｔａおよび設定発熱量Ｊａで暖機運転を行う態様に比べて、発電損失を抑制することができるため、効率よく暖機運転を行うことができる。また、目標温度Ｔａと設定発熱量Ｊａとのうち一方のみを小さく設定する態様に比べて、より効率よく暖機運転を行うことができる。

また、制御部２０は、目標温度Ｔａが第３閾値温度Ｔｔｈ３より低い場合、暖機運転後に補機を駆動させる。そのため、暖機運転によらずに、燃料電池スタックを補機の駆動による排熱によって暖めることができる。そのため、暖機運転後に補機を駆動しない態様に比べて、より効率よく燃料電池スタックを暖めることができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した実施形態において、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合に、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合よりも、目標温度Ｔａおよび設定発熱量Ｊａを小さく設定する。この代わりに、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合に、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合よりも、目標温度Ｔａと設定発熱量Ｊａとのうちいずれか一方を小さく設定すればよい。例えば、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合に、目標温度Ｔａを温度Ｔ１に設定し、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ２に設定する。また、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合に、目標温度Ｔａを温度Ｔ２に設定し、設定発熱量Ｊａを熱量Ｊ２に設定する。

（Ｂ２）上述した実施形態において、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２以上の場合に、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合よりも、目標温度Ｔａおよび設定発熱量Ｊａを小さく設定する。すなわち、一つの閾値を用いて、目標温度Ｔａおよび設定発熱量Ｊａを設定している。この代わりに、制御部２０は、異なる２つの閾値を用いて、目標温度Ｔａおよび設定発熱量Ｊａを設定してもよい。制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２Ａ以上の場合に、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２Ａより低い場合よりも、目標温度Ｔａを小さく設定する。また、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２Ａと異なる第２閾値温度Ｔｔｈ２Ｂ以上の場合に、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２Ｂより低い場合よりも、設定発熱量Ｊａを小さく設定する。

（Ｂ３）上述した実施形態において、燃料電池システム１００が燃料電池車両に搭載されている場合、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃが第２閾値温度Ｔｔｈ２より低い場合に、燃料電池車両のシフトポジションに応じて、目標温度Ｔａと設定発熱量Ｊａとのうち少なくとも一方を定めてもよい。制御部２０は、例えば、シフトポジションが非走行レンジ（パーキング）である場合、シフトポジションが走行レンジ（ドライブ）である場合よりも、目標温度Ｔａと設定発熱量Ｊａとのうち少なくとも一方を小さく設定する。設定発熱量Ｊａを小さくすることにより、燃料電池スタック１０において、効率よく発電を行うことができる。一方、目標温度Ｔａを低くすることにより、低効率な発電が行われる暖機運転の期間が短くなる。すなわち、効率よく発電を行うことができ、燃料電池システム１００が搭載された燃料電池車両の燃費が向上する。

（Ｂ４）上述した実施形態において、制御部２０は、暖機運転終了後に、目標温度Ｔａが第３閾値温度Ｔｔｈ３より低い場合に、補機を駆動する。この代わりに、制御部２０は、ステップＳ１３０において、暖機運転の開始と共に補機を駆動するようにしてもよい。また、制御部２０は、ステップＳ１５０において、暖機運転の終了と共に補機を駆動するようにしてもよい。この場合、制御部２０は、ステップＳ１６０において、目標温度Ｔａが第３閾値温度Ｔｔｈ３より低いか否かを判定し、目標温度Ｔａが第３閾値温度Ｔｔｈ３より高い場合に、補機を停止する。

（Ｂ５）上述した実施形態において、制御部２０は、温度測定部７７が測定した温度Ｔ１を燃料電池スタック１０のスタック温度Ｔｆｃとして取得している。この代わりに、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０のスタック温度Ｔｆｃを直接測定する温度計を備えていてもよい。

（Ｂ６）上述した実施形態において、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃに応じて、設定発熱量Ｊａを設定している。この代わりに、制御部２０は、スタック温度Ｔｆｃに応じて、暖機運転の効率の目標値を設定してもよい。暖機運転の効率とは、暖機運転における燃料電池スタック１０の発電効率である。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック、１１…単セル、２０…制御部、２１…ＥＣＵ、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…第１開閉弁、４１…カソードオフガス配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、６１…アノードオフガス配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６６…循環流路、７０…冷却媒体循環部、７１…冷媒供給管、７２…冷媒排出管、７３…ラジエータ、７４…冷媒ポンプ、７５…三方弁、７６…バイパス管、７７…温度測定部、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電圧測定部、８４…電流計、１００…燃料電池システム

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を取得する温度測定部と、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの始動時に前記スタック温度が予め定められた第１閾値温度以下の場合において、前記スタック温度が目標温度に上昇するまで、前記燃料電池スタックの単位時間あたりの発熱量を設定発熱量に制御して暖機運転を行い、
前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度があらかじめ定められた第２閾値温度以上の場合に、
前記目標温度を、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記目標温度よりも小さく設定する処理と、
前記設定発熱量を、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記設定発熱量よりも小さく設定する処理と、のうち少なくとも一方の処理を行う、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度以上の場合に、
前記目標温度を、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記目標温度よりも小さく設定する処理と、
前記設定発熱量を、前記燃料電池システムの始動時の前記スタック温度が前記第２閾値温度より低い場合の前記設定発熱量よりも小さく設定する処理と、を行う、燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、更に、
前記燃料電池スタックの発電電力を消費する補機を備え、
前記制御部は、前記目標温度が予め定められた第３閾値温度より低い場合、前記暖機運転後において、前記補機を駆動させる、燃料電池システム。